JP5367196B1 - 測定装置及び成膜装置 - Google Patents

Abstract

薄膜の光学特性値及び光学膜厚値のうち少なくとも一つの値を測定する測定装置として、より高速な測定を実現し、より高精度な測定結果が得られる装置を提供する。
モニタ基板Ｓｍに形成される薄膜の光学特性値及び光学膜厚値のうち、少なくとも一方を含む値を測定する測定装置１０１が、複数のＬＥＤユニット１１ａ〜１１ｆが光学フィルタを用いて生成した単色光を光源ユニット毎に異なる設定周波数に変調して複数の光信号を発する光信号発生機構１０と、当該複数の光信号を多重化して多重化信号を生成し、光ファイバを通じて多重化信号をモニタ基板Ｓｍに向けて照射する照射機構２０と、モニタ基板Ｓｍにて反射された多重化信号を光ファイバを通じて検出して電気信号を出力する検出機構３０と、検出機構３０が出力した電気信号に対してバンドパスフィルタのフィルタ処理を施して当該電気信号から設定周波数毎の成分信号を分離する信号分離機構５０と、分離された設定周波数毎の成分信号に基づいて、成分信号が示す光学特性値を設定周波数毎に算出する算出機構８０と、を備え、複数の前記光学特性値を同時に測定する。

Description

本発明は、膜厚に関する特性値を測定する測定装置及び当該測定装置を搭載した成膜装置に係り、特に、特性値として光学特性値や光学薄膜値が可能な測定装置及び当該測定装置を搭載した成膜装置に関する。

誘電体多層膜フィルタのような光学薄膜製品を製造する工程において、基板上に形成される薄膜の光学特性や光学膜厚をモニタリングしながら成膜条件を制御することは、既によく行われている。つまり、薄膜の光学特性値や光学薄膜値を測定する測定装置、及び、当該測定装置を搭載した成膜装置は、既によく知られている。

また、薄膜の光学特性値や光学薄膜値を測定する測定装置の中には、成膜処理が行われている真空容器内で成膜途中の薄膜の光学特性値の変化を測定することが可能な装置、すなわちｉｎ−ｓｉｔｕ測定が可能な装置が存在する。例えば、蒸着による成膜装置によりノッチフィルター等を製造する場合において、ｉｎ-ｓｉｔｕ測定により成膜中の段階で蒸着材料の屈折率を測定することが可能になれば、当該蒸着材料が効率よく利用されるので、歩留まりが向上することになる。

さらに、特許文献１に記載の成膜装置には、ｉｎ−ｓｉｔｕ測定が可能な装置の一例として、成膜中の薄膜に測定光を投射して当該測定光の減衰を分光スペクトルとして計測する測定装置が開示されている。そして、特許文献１に記載の成膜装置では、測定光の減衰を計測することで得られた分光スペクトルが目標とする分光スペクトルから変動した際に、成膜条件をリアルタイムに制御することが可能になる。

特開平７−９０５９３号公報

ところで、測定装置の性能としては、当然ながら、より高速な測定を実現し、より高精度な測定結果が得られることが求められている。一方で、測定装置の構造についてはより簡素化されている方が望ましい。特に、特許文献１に記載の成膜装置では、ポリクロメータやマルチチャンネルアナライザなど、分光スペクトルを計測する上で必要となる分光器を使用する分、構成機器数が多くなり、設置スペースや製造コストが比較的大きくなってしまう。

さらに、ｉｎ−ｓｉｔｕ測定を実行する上で、成膜処理において蒸着材料を基板に蒸着させる上で電子ビームやプラズマを使用する場合、電子ビームやプラズマから迷光が発生してしまう。このような迷光による影響は、従来の分光測定では排除できず、電子ビームやプラズマを用いた成膜処理でｉｎ−ｓｉｔｕ測定を実行することは、これまで困難であった。

そこで、本発明の目的は、薄膜の光学特性値及び光学膜厚値のうち少なくとも一つの値を測定する測定装置として、より高速な測定を実現し、より高精度な測定結果が得られる装置を提供することである。
また、本発明の他の目的は、上記目的を達成する測定装置について構成をより簡素化することである。
さらに、本発明の他の目的は、成膜工程中において電子ビームやプラズマからの迷光による影響を排除した上で測定装置によるｉｎ-ｓｉｔｕ測定を実行することが可能な成膜装置を提供することである。

前記課題は、本発明の測定装置によれば、被測定用基板に形成される薄膜について光学膜厚値を含む光学特性値を、電子ビーム若しくはプラズマを用いて蒸着材料を前記被測定用基板に蒸着させて前記薄膜を形成している期間中に測定する測定装置であって、光学フィルタを用いて単色光を生成する複数の光源ユニットを備え、該複数の光源ユニットの各々が生成した単色光を、光源ユニット毎に異なる設定周波数に変調して複数の光信号を発する光信号発生機構と、該光信号発生機構から発せられた前記複数の光信号を多重化して多重化信号を生成し、光ファイバを通じて前記多重化信号を前記被測定用基板に向けて照射する照射機構と、該照射機構によって照射された後に前記被測定用基板にて反射され若しくは前記被測定用基板を透過した前記多重化信号を、光ファイバを通じて受光すると、検出信号として電気信号を出力する検出機構と、該検出機構が出力した前記電気信号に対してフィルタ処理を施すことによって、前記電気信号から、前記複数の光信号の各々に対応する前記設定周波数毎の成分信号を分離して抽出する信号分離機構と、該信号分離機構によって前記電気信号から分離された前記設定周波数毎の前記成分信号に基づいて、前記成分信号が示す前記光学特性値を算出する算出機構と、を備え、前記設定周波数の種類数は、少なくとも２以上である任意の数に設定可能であり、前記フィルタ処理は、透過帯域が前記電子ビーム若しくは前記プラズマから発せられる迷光に対応する周波数を外れており、かつ、前記設定周波数と同じ中心周波数に設定されたデジタルフィルタを用いて行われ、前記フィルタ処理を前記電気信号に対して施すことによって前記信号分離機構が前記設定周波数毎の前記成分信号を同時に抽出し、前記成分信号を解析して前記光学特性値を算出する処理を前記算出機構が前記設定周波数毎に実行することで、前記種類数と同数の前記光学特性値を同時に測定することで解決される。

また、前記課題は、本発明の他の測定装置によれば、被測定用基板に形成される薄膜について光学膜厚値を含む光学特性値を、電子ビーム若しくはプラズマを用いて蒸着材料を前記被測定用基板に蒸着させて前記薄膜を形成している期間中に測定する測定装置であって、光学フィルタを用いて単色光を生成する複数の光源ユニットを備え、該複数の光源ユニットの各々が生成した単色光を、光源ユニット毎に異なる設定周波数に変調して複数の光信号を発する光信号発生機構と、該光信号発生機構から発せられた前記複数の光信号を多重化して多重化信号を生成し、光ファイバを通じて前記多重化信号を前記被測定用基板に向けて照射する照射機構と、該照射機構によって照射された後に前記被測定用基板にて反射され若しくは前記被測定用基板を透過した前記多重化信号を、光ファイバを通じて受光すると、検出信号として電気信号を出力する検出機構と、該検出機構が出力した前記電気信号から、前記複数の光信号の各々に対応する前記設定周波数毎の成分信号を分離する信号分離機構と、該信号分離機構によって前記電気信号から分離された前記設定周波数毎の前記成分信号に基づいて、前記成分信号が示す前記光学特性値を算出する算出機構と、を備え、前記信号分離機構は、特定の周波数の信号を検出して増幅させるロックインアンプを有し、前記ロックインアンプは、透過帯域が前記電子ビーム若しくは前記プラズマから発せられる迷光に対応する周波数を外れており、かつ、前記設定周波数と同じ中心周波数に設定されたデジタル式のロックインアンプであり、前記設定周波数の種類数は、少なくとも２以上である任意の数に設定可能であり、前記デジタル式のロックインアンプに前記電気信号が入力されることによって前記信号分離機構が前記設定周波数毎の前記成分信号を同時に抽出し、前記成分信号を解析して前記光学特性値を算出する処理を前記算出機構が前記設定周波数毎に実行することで、前記種類数と同数の前記光学特性値を同時に測定することにより解決される。

上記２つの測定装置のうち、いずれかの装置であれば、周波数多重化技術によって高速かつ高精度の測定が実現される。すなわち、本発明の測定装置であれば、複数の情報、より具体的には、設定周波数の種類に相当する数の測定結果を一度に取得することが可能である。そして、本発明の測定装置によって一度に複数の測定結果が得られる結果、単一の周波数に設定された光信号のみを用いる従来の測定法に比して測定精度が向上し、かつ、測定速度についてもより速くなる。
より詳細に説明すると、本発明の測定装置では、設定周波数に対応する各チャンネルの光信号を同時に照射する。一方、被測定対象である薄膜の膜厚が変化することに伴い、各チャンネルの光信号の透過後あるいは反射後の光強度がそれぞれ変化することになるが、当該変化を各チャンネルで特定することにより、各チャンネル別に上記薄膜の光学特性値を同時に得ることが可能となる。これにより、各チャンネル、換言すると、各設定周波数において光学特性値を高精度に、かつ、瞬時に取得することが可能となる。こうした効果は、分光器にＣＭＯＳやＣＣＤセンサを組み合わせた分光スペクトロメータでは奏することができない。なぜならば、分光スペクトロメータでは、光学特性値を高速で取得することが可能である一方で、ＣＭＯＳやＣＣＤセンサ中の回路に固有のノイズが発生する等を理由として測定誤差が少なからず発生してしまうからである。したがって、本発明に係る上記２つの測定装置は、いずれも、分光スペクトロメータと同様に高速で複数の光学特性値を取得することに加えて、分光スペクトロメータに比して、より高精度の測定を達成することができるものである。
さらに、上記２つの測定装置では、いずれかにおいても、多重化された信号を分割する際に分光器を使用せずに済むので、その分、測定装置の構成がシンプルになる。

また、上記の測定装置において、前記検出信号から分離された前記設定周波数毎の前記成分信号の各々に対して増幅処理を施すデジタル信号処理機が更に設けられており、前記算出機構は、前記増幅処理後の前記成分信号に基づいて、前記成分信号が示す前記値を算出することとしてもよい。
以上の構成であれば、算出機構による算出処理に用いる信号として、増幅処理後の成分信号を用いるので、より正確な算出結果が得られる。つまり、上記の構成であれば、測定装置による測定結果として、より正確な結果が得られるようになる。

さらに、前述の課題は、基板を収容する真空容器と、該真空容器内において電子ビーム若しくはプラズマを用いて蒸着材料を前記基板に蒸着させる蒸着機構と、を備える成膜装置であって、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の測定装置と、を備え、前記真空容器内において前記基板に薄膜が形成されている間、前記真空容器内において前記基板に薄膜が形成されている間、前記真空容器内には前記被測定用基板が収容されており、前記蒸着機構が前記被測定用基板にも前記蒸着材料を蒸着させ、前記測定装置は、前記真空容器内において前記基板に薄膜が形成されている間に、前記被測定用基板が前記真空容器内に収容されたままの状態で、前記被測定用基板側に形成される薄膜について光学膜厚値を含む光学特性値を同時に複数測定することにより解決される。

上記の成膜装置では、バンドパスフィルタやロックインアンプの機能によって、検出機構から出力される電気信号のうち、電子ビームやプラズマから発せられる迷光に対応する成分をカットすることが可能である。これにより、成膜工程中、電子ビームやプラズマの迷光の影響を受けずにｉｎ−ｓｉｔｕ測定を実行することが可能となる。かかる効果が得られる結果、光学特性値や光学膜厚値を測定するためにモニタ用薄膜製品をバッチ処理で作成する手間が省けるので、光学薄膜製品の生産性が向上し、また、蒸着材料の使用量が節約されるようになる。

請求項１または２に記載の測定装置であれば、周波数多重化技術によって高速かつ高精度の測定が実現されるため、分光スペクトロメータと同様に高速で複数の光学特性値を取得するとともに、分光スペクトロメータに比して高精度の測定を実現することが可能となる。また、分光器を用いない分、測定装置の構成がシンプルになる。
請求項３に記載の測定装置であれば、測定装置による測定結果として、より正確な結果が得られるようになる。
請求項４に記載の成膜装置であれば、成膜工程中、電子ビームやプラズマから発せられる迷光の影響を受けずにｉｎ−ｓｉｔｕ測定を実行することが可能となる。

本実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す図である。 本実施形態に係る光信号発生機構及び照射機構の構成を示す模式図である。 本実施形態に係る測定方法を示す概念図である。 本実施形態の第１例に係る検出機構及び信号分離機構を示す模式図である。 本実施形態の第２例に係る検出機構及び信号分離機構を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態（以下、本実施形態）について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す図である。図２は、本実施形態に係る光信号発生機構及び照射機構の構成を示す模式図である。図３は、本実施形態に係る測定方法を示す概念図である。図４は、本実施形態の第１例に係る検出機構及び信号分離機構を示す模式図である。図５は、本実施形態の第２例に係る検出機構及び信号分離機構を示す模式図である。

先ず、本実施形態に係る成膜装置の概略構成について図１を参照しながら説明する。
成膜装置は、真空容器１内において基板の表面に蒸着材料を蒸着させることで薄膜を形成する装置である。以下では、成膜装置の一例として、電子ビームＥＢが照射されることで蒸発した蒸着材料によって成膜する蒸着装置１００を例に挙げて説明することとする。ただし、これに限定されるものではなく、本発明が適用可能な成膜装置としては、プラズマＣＶＤ（化学蒸着）法、すなわち、プラズマを用いて蒸着材料を基板に蒸着させる方法により成膜する装置、イオンをターゲットに衝突させて成膜するスパッタ法、あるいは、イオンプレーティング法により成膜する装置が考えられる。

本実施形態に係る蒸着装置１００では、真空容器１内に基板（以下、実基板Ｓ）と膜厚測定用のモニタ基板Ｓｍがセットされており、成膜工程中、モニタ基板Ｓｍ側に形成される薄膜の膜質をモニタリングしながら適宜、成膜条件を調整することが可能である。

より具体的に説明すると、本実施形態では、実基板Ｓ上に薄膜を形成する成膜工程中、実基板Ｓと同一の条件でモニタ基板Ｓにも薄膜が形成される。つまり、本実施形態では、実基板Ｓ側に形成される薄膜の膜質と、モニタ基板Ｓｍ側に形成される薄膜の膜質とを同視し、モニタ基板Ｓｍ側の薄膜の膜質をモニタリングすることによって、実基板Ｓ側の薄膜の膜質を管理することになる。

ここで、実基板Ｓとは、実際に光学薄膜製品として利用される基板である。一方、モニタ基板Ｓｍは、被測定用基板に相当し、前述したように膜質のモニタリングのために用いられる。
なお、膜質とは、薄膜の光学的特徴に関する指標、すなわち、薄膜の光学特性値のことであり、本実施形態において光学特性値とは光学膜厚値を含む概念である。また、光学特性値は、光学膜厚値のほか、薄膜（より厳密には、薄膜を構成する蒸着材料）の反射率や透過率、屈折率、吸収率を含む。

蒸着装置１００の構成について説明すると、図１に示すように、真空容器１と、基板ホルダ２と、蒸着機構５と、測定装置１０１とを主たる構成要素として備えている。蒸着装置１００の各構成要素については、測定装置１０１を除き、真空蒸着方式の成膜装置として公知となっている装置に搭載されたものと略同様である。

具体的に説明すると、中空状の真空容器１の内空間上部にはドーム状の基板ホルダ２が配置されており、この基板ホルダ２の内表面に複数の実基板Ｓが取り付けられる。また、基板ホルダ２の中央部には開口が形成されており、この開口の直下に１つのモニタ基板Ｓｍがセットされている。さらに、実基板Ｓ間での成膜量を均一化する目的から、成膜工程の実行中、基板ホルダ２が鉛直方向に沿った回転軸を中心に回転する。

真空容器１の内空間下部には、蒸着機構５が配置されている。本実施形態に係る蒸着機構５は、成膜処理中、真空容器１内において電子ビームＥＢを用いて蒸着材料を実基板Ｓに蒸着させる。より具体的に説明すると、蒸着機構５は、蒸着材料が収容された坩堝３と、電子ビームＥＢを照射する電子銃４とを有し、坩堝３内の蒸着材料に電子銃４からの電子ビームＥＢを照射して蒸着材料を蒸発させる。

以上のような構成の蒸着装置１００により、実基板Ｓに薄膜を形成する成膜工程が実行される。また、前述したように、真空容器１内において実基板Ｓに薄膜が形成されている間、真空容器１内にはモニタ基板Ｓｍが収容されており、蒸着機構５がモニタ基板Ｓｍにも蒸着材料を蒸着させる。すなわち、本実施形態において、成膜工程では、実基板Ｓ及びモニタ基板Ｓｍの双方に略同様の薄膜が形成されることになる。

なお、蒸着装置１００のうち、成膜条件を調整する際に作動する機器については、コントローラ９０によって制御される。このコントローラ９０は、制御対象機器に対して制御信号を出力するものである。そして、制御対象機器がコントローラ９０から出力された制御信号を受信して当該信号に応じて作動する結果、成膜条件が調整されるようになる。

次に、蒸着装置１００の構成要素のうち、本実施形態の特徴である測定装置１０１について説明する。
測定装置１０１は、モニタ基板Ｓｍに形成される薄膜の光学特性値及び光学膜厚値のうち、少なくとも一方を含む値を測定するものである。以下では、光学特性値としての屈折率及び光学膜厚値の双方を測定する測定装置１０１を具体例に挙げて説明する。ただし、これに限定されるものではなく、屈折率以外の光学特性値を測定する装置、光学特性値及び光学膜厚値のうちのいずれかの値のみを測定する装置であってもよい。

測定装置１０１は、屈折率及び光学膜厚値を測定するために、モニタ基板Ｓｍに形成された薄膜に対して光を入射する。この光は、測定光に相当し、モニタ基板Ｓｍにて反射され、若しくは、モニタ基板Ｓｍを通過し、当該反射光や透過光は、後述の検出機構３０により受光される。そして、測定装置１０１は、検出機構３０が上記の反射光若しくは透過光を受光した際に出力する検出信号に基づいて、当該検出信号が示す値としての薄膜の屈折率及び光学膜厚値を算出する。

より具体的に説明すると、測定装置１０１は、図１に示すように、光信号発生機構１０と、照射機構２０と、検出機構３０と、信号分離機構５０と、デジタル信号処理機７０（図１、４及び５においてＤＳＰと表記）と、算出機構８０とを主な構成要素として有する。以下、測定装置１０１の各構成要素について説明する。

光信号発生機構１０は、光源を有しており、光源から発せられた光信号を集光レンズ等の光学部品によって照射機構２０に導くものである。
そして、本実施形態に係る光信号発生機構１０は、複数の光源からなり、各光源から発せられた光を所定の周波数に変調し、変調された光を光信号として照射機構２０に導く。ここで、光信号発生機構１０が発生させる光信号の周波数、すなわち、変調後の周波数は、光源毎に異なるように設定されている。つまり、本実施形態に係る光信号発生機構１０は、互いに異なる設定周波数に変調された複数の光信号を発するものである。

光信号発生機構１０は、図２に示すように、投光器に搭載された光源ユニットとしてのＬＥＤユニットを複数備えている。特に、本実施形態では、６個のＬＥＤユニットが設けられている。なお、ＬＥＤユニットの個数については、上記の数に限定されるものではなく、少なくとも２個以上あれば任意の数に設定することが可能である。
以下、６個のＬＥＤユニットの各々を、第１ＬＥＤユニット１１ａ、第２ＬＥＤユニット１１ｂ、第３ＬＥＤユニット１１ｃ、第４ＬＥＤユニット１１ｄ、第５ＬＥＤユニット１１ｅ、第６ＬＥＤユニット１１ｆと呼ぶこととする。

第１ＬＥＤユニット１１ａ〜第６ＬＥＤユニット１１ｆの各々は、白色ＬＥＤ若しくはＲＧＢ系の単色ＬＥＤ、ＬＥＤに定電流を供給するための定電流ドライバ、平行光に調整するコリメータレンズ、光学フィルタ、及び、集光レンズを備える。ここで、各ＬＥＤユニット１１ａ〜１１ｆの光源としてのＬＥＤには、所定の波長域に出力パワーのピークが出現する出力波長特性を有するものが用いられている。なお、図示の都合上、これらの部品については不図示としている。

上記の構成により各ＬＥＤユニット１１ａ〜１１ｆは、光学フィルタを用いて単色光を生成する。具体的に説明すると、各ＬＥＤユニット１１ａ〜１１ｆにおいて、ＬＥＤと集光レンズの間には、第１の光学フィルタとしてのダイクロイックフィルタが、ＬＥＤの光軸に対して鏡面を約４５度傾斜させた状態で配置されている。また、ＬＥＤとダイクロイックフィルタとの間、より具体的にはコリメータレンズの下流側で、かつ、ダイクロイックフィルタの上流側に、第２の光学フィルタとしてのバンドパスフィルタが配置されている。ここで、第２の光学フィルタは、下流側に位置する第１の光学フィルタへの出射光が２０ｎｍ（好ましくは１５ｎｍ）以下の半値幅となる光出力のスペクトル分布を持つこととなるように構成することが望ましい。これにより、波長バンドが狭い出力光を集光レンズで出射させることができ、光学膜厚の計測制度の向上に寄与することができる。

さらに、各ＬＥＤユニット１１ａ〜１１ｆからの光信号の発信には、正確な水晶発振器の周波数を分周して得られる分周周波数にて光信号を発するパルス駆動方式を採用している。これにより、各ＬＥＤユニットから発せられる光信号が変調され、変調された光信号（以下、変調後光信号とも言う）の周波数については、第１ＬＥＤユニット１１ａでは１３１０Ｈｚ、第２ＬＥＤユニット１１ｂでは１０９２Ｈｚ、第３ＬＥＤユニット１１ｃでは８６７Ｈｚ、第４ＬＥＤユニット１１ｄでは６７８Ｈｚ、第５ＬＥＤユニット１１ｅでは４３７Ｈｚ、第６ＬＥＤユニット１１ｆでは２１８Ｈｚとなる。

なお、光信号の変調方式については、上述の内容に限定されるものではなく、上記の周波数になるように光信号を変調する限り、公知の変調方法、例えば、デジタル直接合成発振器（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ，ＤＤＳ）を利用して変調することとしてもよい。
また、各変調後光信号の周波数については、上述の設定値に限定されるものではなく、好適に測定が実行できるように設定された値であれば、上述の値以外に設定されていることとしてもよい。

照射機構２０は、光信号発生機構１０から発せられた５種類の変調後光信号を多重化して多重化信号を生成する。そして、照射機構２０は、光ファイバＬＦを通じて多重化信号をモニタ基板Ｓｍに向けて照射する。つまり、本実施形態では、５種類の変調後信号を個別にモニタ基板Ｓｍに照射するのではなく、図３に示すように、５種類の変調後信号（図中、ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５，ｆ６と表記）を多重化し、一つの信号としてモニタ基板Ｓｍに照射する。このため、伝送路をなす光ファイバＬＦについても、変調後信号毎に設ける必要はなく、図３に示すように、多重化信号を伝送するための光ファイバＬＦを一つのみ設ければよいことになる。

以上の機能を有する照射機構２０は、光信号発生機構１０、すなわち６個のＬＥＤユニット１１ａ〜１１ｆとともに投光器に搭載されている。そして、照射機構２０は、複数のダイクロイックミラー２１と集光レンズ２２とを主たる構成要素として備える。

本実施形態に係る照射機構２０の構成について詳しく説明すると、５個のダイクロイックミラー２１が設けられており、各ダイクロイックミラー２１は、図２に示すように、第２ＬＥＤユニット１１ｂ〜第６ＬＥＤユニット１１ｆの各々に対応するように配置されている。なお、ダイクロイックミラー２１の個数については、上記の個数（５個）に限定されるものではないが、ＬＥＤユニットの個数に応じた個数、特に本実施形態のようにＬＥＤの個数から１つだけ少ない数であることが望ましい。

５個のダイクロイックミラー２１は、集光レンズ２２に向かう光路に沿って直線状に並ぶように配置されている。また、各ダイクロイックミラー２１は、対応するＬＥＤユニットから発せられる変調後光信号の光路に対して４５度傾いた状態で配置されている。一方で、第１ＬＥＤユニット１１ａは、上記５個のダイクロイックミラー２１と並ぶように配置され、より詳しくは、上記の光路において最も上流側に位置するダイクロイックミラー２１よりも上流側に位置するように配置される。

ここで、各ダイクロイックミラー２１は、所定の波長（換言すると、所定の周波数）の光のみを通過させ、それ以外の波長の光を反射させる性質を有する。本実施形態では、このようなダイクロイックミラー２１の分光特性を利用し、複数の変調後光信号を合成して多重化信号を生成することが可能である。

具体的に説明すると、直線状に並ぶ５個のダイクロイックミラー２１の透過帯域は、上流側から順に、６２０〜７８０ｎｍ、５８０〜７８０ｎｍ、５４０〜７８０ｎｍ、５００〜７８０ｎｍ、４４０〜７８０ｎｍに設定されている。

以上のように透過帯域が設定された５個のダイクロイックミラー２１に向けて、第１ＬＥＤユニット１１ａから光信号が発せられると、波長が６４０ｎｍである光信号のみがダイクロイックミラー２１を通過する。また、第２ＬＥＤユニット１１ｂから光信号が発せられると、第２ＬＥＤユニット１１ｂに対応するダイクロイックミラー２１が、その透過帯域（５８０〜７８０ｎｍ）にない光を反射させる。そして、その反射光のうち、波長６００ｎｍの光信号のみが、残りのダイクロイックミラー２１を通過する。

以上のような作用により、第１ＬＥＤユニット１１ａ及び第２ＬＥＤユニット１１ｂの各々から発せられた変調後光信号がダイクロイックミラー２１によって合成される。同様の手順により、第３ＬＥＤユニット１１ｃからの変調後光信号については、波長５６０ｎｍの信号のみが透過し、第４ＬＥＤユニット１１ｄからの変調後光信号については、波長５２０ｎｍの信号のみが透過し、第５ＬＥＤユニット１１ｅからの変調後光信号については、波長４８０ｎｍの信号のみが透過し、第６ＬＥＤユニット１１ｆからの変調後光信号については、波長４４０ｎｍの信号のみが透過する。

そして、変調後光信号のうち、ダイクロイックミラー２１を通過した透過光が合成されることにより、５種類の変調後光信号を多重化した多重化信号が生成される。多重化信号は、集光レンズ２３にて集束された後、光ファイバを通じてモニタ基板Ｓｍに向けて照射される。
なお、本実施形態では、ダイクロイックミラー２１を用いて光信号を多重化することとしたが、これに限定されるものではない。つまり、光信号を多重化する方法については、ダイクロイックミラー２１を用いる方法以外の方法として公知となった方法、例えば、光マルチプレクサや誘電体多層膜フィルタを用いる方法であってもよい。

検出機構３０は、照射機構２０によって照射された後にモニタ基板Ｓｍにて反射され、若しくはモニタ基板Ｓｍを透過した多重化信号を、光ファイバを通じて検出して検出信号を出力するものである。特に、本実施形態に係る検出機構３０は、光電変換素子を備えており、照射機構２０によって照射された後にモニタ基板Ｓｍにて反射された多重化信号を受光し、検出信号として電気信号を出力するものである。

信号分離機構５０は、検出機構３０が出力した電気信号から、各変調後光信号に対応する設定周波数毎の成分信号を分離するものである。ここで、成分信号は、変調後光信号と同数、すなわち５種類存在し、図３に示すように、変調後光信号の周波数と対応している。

より分かり易く説明すると、上記の電気信号は、モニタ基板Ｓｍにて反射された多重化信号を検出機構３０が受光した際に出力するものであり、多重化された変調後光信号の各々の反射光を個別に受光した際に検出機構３０が出力する電気信号を合成したものと言える。そして、信号分離機構５０は、検出機構３０が出力した電気信号から、各ＬＥＤユニットから発せられた変調後光信号の周波数と同じ周波数の成分信号を抽出して分離する。つまり、信号分離機構５０により分離された各成分信号は、多重化された変調後光信号の各々の反射光を個別に受光した際に検出機構３０が出力する電気信号と同視できるものである。

なお、図３中、各変調後光信号の周波数は、ｎ１〜ｎ６と表記され、成分信号は、ｇ１〜ｇ６と表記されており、成分信号と対応している周波数については括弧書きで表記されている。例えば、第１ＬＥＤユニット１１ａから発せられた変調後光信号ｆ１の周波数ｎ１に対して、成分信号ｇ１が対応しており、第３ＬＥＤユニット１１ｃから発せられた変調後光信号ｆ３の周波数ｎ３に対して、成分信号ｇ３が対応している。

以上のように、本実施形態に係る測定装置１０１では、周波数多重分割技術が採用されており、これにより高速かつ高精度の測定が実現される。すなわち、本実施形態では、変調後光信号の周波数である設定周波数の種類と同数の電気信号を、成分信号という形で同時に取得することができる。このため、各成分信号が示す値、つまり、成分信号と同じ数（換言すると、設定周波数の種類に相当する数）だけのモニタ基板Ｓｍに関する測定結果を同時に取得することが可能となる。この結果、本実施形態では、従来の測定方法に比して測定精度が向上し、かつ、測定速度についてもより速くなる。

ここで、前述したように、本実施形態に係る測定装置１０１による上記の効果は、分光器にＣＭＯＳやＣＣＤセンサを組み合わせた分光スペクトロメータでは奏することができない。これは、分光スペクトロメータの場合、ＣＭＯＳやＣＣＤセンサ中の回路に固有のノイズが発生することや真空容器１内で生じるプラズマ光や迷光等を理由として測定誤差が少なからず発生してしまうことによる。これに対して、本実施形態に係る測定装置１０１では、上記の誤差要因を排し、高速かつ高精度の測定を達成することが可能となる。

なお、各成分信号が示す値は、薄膜を構成する蒸着材料の屈折率及び光学薄膜値であり、それぞれ、設定周波数毎に取得することが可能である。また、図３では、設定周波数毎の光学薄膜値が記号ｄ１〜ｄ６にて表記され、設定周波数毎の屈折率が記号ｓ１〜ｓ６にて表記されている。

本実施形態に係る検出機構３０及び信号分離機構５０の構成について詳しく説明する。
本実施形態に係る検出機構３０は、図４及び５に図示されたフォトセンサアンプ３１（図中、ＰＳＡと表記）によって構成されている。このフォトセンサアンプ３１は、光電変換素子としてのフォトダイオードを内蔵しており、フォトダイオードが光を受光した際に発する光電流を電圧に変換し、電圧信号を出力するものである。つまり、本実施形態に係る検出機構３０は、多重化信号をフォトダイオードにて受光してからＩ／Ｖ変換を行い、検出信号として電気信号、より具体的には電圧信号を出力する。

本実施形態に係る信号分離機構５０の構成については、その一例が図４に示されている。具体的に説明すると、本実施形態に係る信号分離機構５０は、検出機構３０が出力した電気信号をプリアンプ５１によって増幅し、増幅処理後の電気信号に対してフィルタ処理を施す。かかる手順により、信号分離機構５０は、上記の電気信号から設定周波数毎の成分信号を抽出する。ここで、フィルタ処理において用いられるフィルタ５２は、アナログフィルタであり、より具体的には、複数チャンネルを通過させるバンドパスフィルタである。つまり、本実施形態では、バンドパスフィルタの各透過帯域の中心周波数が設定周波数と同じ周波数に設定されており、具体的には、１３１０ＨＺ、１０９２Ｈｚ、８６７Ｈｚ、６７８Ｈｚ、４３７Ｈｚ、２１８Ｈｚに設定されている。

このように本実施形態では、多重化された信号、より具体的には電気信号から設定周波数毎の成分信号を分離するにあたり、フィルタが用いられる。つまり、本実施形態では、多重化された信号を分割する際に分光器を使用せずに済むので、その分、装置構成がシンプルになる。
そして、分離された設定周波数毎の成分信号は、Ａ／Ｄコンバータ５３によってデジタル信号に変換された上で、デジタル信号処理機７０に引き渡される。

なお、本実施形態では、フィルタ５２としてバンドパスフィルタのみを用いることとしたが、これに限定されるものではなく、バンドパスフィルタ以外のアナログフィルタ、すなわち、ハイパスフィルタやローパスフィルタを組み合わせることとしてもよい。

また、本実施形態では、フィルタ５２としてアナログフィルタを用いることとしたが、デジタルフィルタであるＦＩＲフィルタ（有限インパルス応答フィルタ）を用いることとしてもよい。つまり、中心周波数が設定周波数と同じ周波数、具体的には１３１０ＨＺ、１０９２Ｈｚ、８６７Ｈｚ、６７８Ｈｚ、４３７Ｈｚ、２１８Ｈｚに設定されたデジタルフィルタを用いれば、検出機構３０が出力した電気信号から設定周波数毎の成分信号を分離することが可能である。なお、デジタルフィルタとしてＦＩＲフィルタを用いる場合、そのタップ数については１７５〜５１２に設定されている。

ところで、本実施形態に係る信号分離機構５０の構成については、上述した構成、すなわち、フィルタ５２を用いて成分信号を分離する構成の他にも考えられる。具体的に説明すると、信号分離機構５０の構成としては図５に示された構成も考えられる。図５に図示された構成となった信号分離機構５０は、検出機構３０が出力した電気信号をメインアンプとしてのロックインアンプ６０に入力する。このロックインアンプ６０は、入力された信号のうち、特定の周波数の信号を検出して増幅させる機能を有する。

特に、本実施形態に係るロックインアンプ６０は、設定周波数の種類と同数のチャンネルを有している。したがって、図５に図示された信号分離機構５０は、ロックインアンプ６０に検出機構３０が出力した電気信号が入力されることによって、当該電気信号から設定周波数毎の成分信号を抽出して増幅する。

ロックインアンプ６０についてより詳細に説明すると、前述したように、ロックインアンプ６０には検出機構５０から出力された電気信号が入力される。これと同時に、ロックインアンプ６０には、設定周波数と同じ周波数に設定された参照信号が参照信号生成装置６７から入力される。また、ロックインアンプ６０は、図５に示すように、入力された電気信号、具体的には電圧信号を増幅するプリアンプ６１、電気信号に含まれている高調波や折り返し信号を除去するフィルタ６２、参照信号を矩形波状に成形する波形成形回路６５、参照信号と電気信号との間の位相差を調整する移送処理回路６６を備えている。なお、上記のフィルタ６２としては、例えば、バンドパスフィルタやアンチエリアスフィルタが利用可能である。

さらに、ロックインアンプ６０は、同期検波による周波数変換を行う同期検波回路６３と、同期検波回路６３の出力信号から交流成分を除去して直流成分を取り出すローパスフィルタ６４（図５中、ＬＰＦと表記）を備えている。以上のような構成により、ロックインアンプ６０は、入力された電気信号及び参照信号を用いて、電気信号のうち、設定周波数毎の成分信号を抽出して増幅することができる。すなわち、ロックインアンプ６０の中心周波数は、設定周波数と同じ周波数に設定されており、具体的には、１３１０ＨＺ、１０９２Ｈｚ、８６７Ｈｚ、６７８Ｈｚ、４３７Ｈｚ、２１８Ｈｚに設定されている。

以上のように、ロックインアンプ６０によって多重化された信号、より具体的には電気信号を設定周波数毎の成分信号に分割する構成においても、バンドパスフィルタ５２を用いる場合と同様に、多重化された信号を分割する際に分光器を使用せずに済むので、その分、装置構成がシンプルになる。
そして、分離された設定周波数毎の成分信号は、Ａ／Ｄコンバータ５３によってデジタル信号に変換された上で、デジタル信号処理機７０に引き渡される。

なお、ロックインアンプ６０については、アナログ式のロックインアンプ、デジタル式のロックインアンプ、デジタル信号処理機やパソコンによって構成されるデジタル式のロックインアンプが利用可能である。

デジタル信号処理機７０は、信号分離機構５０によって分離された設定周波数毎の成分信号の各々に対して、信号を増幅するデジタル信号処理、すなわち、増幅処理を施すものである。そして、デジタル信号処理機７０は、増幅処理後の成分信号を算出機構８０に引き渡す。

算出機構８０は、信号分離機構５０によって分離された設定周波数毎の成分信号に基づいて、各成分信号が示す値を設定周波数毎に算出するものである。特に、本実施形態に係る算出機構８０は、デジタル信号処理機７０によって増幅処理された後の成分信号に基づいて、成分信号が示す値を算出する。このように、算出機構８０による算出処理に用いる信号として増幅処理後の成分信号が用いられることにより、より正確な算出結果が得られる。つまり、本実施形態では、測定装置１０１による測定結果としてより正確な結果が得られるようになる。

算出機構８０は、コンピュータによって構成されており、デジタル信号である成分信号に対して所定の演算処理を実行することにより当該成分信号を解析する。この解析により、成分信号が示す値、具体的には、モニタ基板Ｓｍに形成された薄膜の屈折率（厳密には、薄膜を構成する蒸着材料の屈折率）及び光学薄膜値が取得される。
なお、本実施形態において上記の解析は成分信号毎、換言すると、設定周波数毎に実行される。したがって、本実施形態では、薄膜の屈折率及び光学薄膜値が設定周波数毎に特定されることとなる。

より具体的に説明すると、成膜中の基板に対して光信号を照射した際の反射率は、光学膜厚に応じて変化する。また、光学膜厚と反射率との相関を示す曲線の形状については、照射される光信号の周波数（波長）に応じて変化することが知られている。このような性質を利用し、本実施形態では、互いに異なる複数の周波数に変調された光信号を用いることにより、各設定周波数別に光学膜厚を算出することが可能となる。

さらに、算出機構８０は、算出結果としての薄膜の屈折率及び光学薄膜値を示すデータをコントローラ９０に向けて送信する。かかるデータを受信したコントローラ９０は、当該データから特定される薄膜の屈折率や光学薄膜値に応じて、成膜条件を調整することが可能である。

以上のように構成された測定装置１０１が搭載されている成膜装置１００では、成膜工程が実行されている間に、真空容器１内にあるモニタ基板Ｓｍに形成される薄膜をモニタリングすることが可能である。すなわち、本実施形態に係る測定装置１０１を用いることにより、真空容器１内において実基板Ｓに薄膜が形成されている間、モニタ基板Ｓｍが真空容器１内に収容されたままの状態で、モニタ基板Ｓｍに形成される薄膜の屈折率及び光学薄膜値をｉｎ−ｓｉｔｕ測定することが可能である。

本実施形態においてｉｎ−ｓｉｔｕ測定が可能となる理由について説明すると、電子ビームＥＢやプラズマを用いて蒸着材料を実基板Ｓに蒸着させる場合、電子ビームＥＢやプラズマから発せられる迷光による影響が、薄膜の屈折率や光学膜厚値に関する測定結果に対して影響を及ぼし得る。これに対して、本実施形態では、前述したバンドパスフィルタ等のフィルタ５２やロックインアンプ６０の機能により、検出機構３０から出力される電気信号のうち、上記の迷光に対応する成分をカットすることが可能となる。これにより、成膜工程中であっても、電子ビームＥＢやプラズマの迷光の影響を受けずにｉｎ−ｓｉｔｕ測定を実行することが可能となる。

そして、本実施形態では、良好にｉｎ−ｓｉｔｕ測定を実行することが可能になるので、屈折率や光学膜厚値を測定するためにバッチ処理でモニタ基板Ｓｍに薄膜を形成する手間が不要となる。この結果、成膜処理の作業性、換言すると、薄膜製品の生産性が向上する。
また、モニタ基板Ｓｍに測定用の薄膜を形成するバッチ処理を別途行う必要がないので、蒸着材料の消費量についても抑えることが可能となる。
さらに、薄膜の屈折率や光学薄膜値を設定周波数毎に取得することが可能であるので、測定対象である薄膜中の屈折率の分布や、膜厚の分布を特定することも可能となり、かかる分布に関する情報を成膜条件の調整に反映させれば、薄膜の成膜制御がより的確に行われるようになる。

以上までに本実施形態に係る測定装置及び成膜装置について説明してきたが、本実施形態は、本発明の理解を容易にするための一例に過ぎず、上述した部材、配置等は、本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。例えば、測定装置を構成する各機器のサイズや寸法、形状、材質として上述した内容については、本発明の効果を発揮させるための一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。

１ 真空容器
２ 基板ホルダ
３ 坩堝
４ 電子銃
５ 蒸着機構
１０ 光信号発生機構
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ ＬＥＤユニット
２０ 照射機構
２１ ダイクロイックミラー
２２ 集光レンズ
３０ 検出機構
３１ フォトセンサアンプ
５０ 信号分離器
５１ プリアンプ
５２ フィルタ
５３ Ａ／Ｄコンバータ
６０ ロックインアンプ
６１ プリアンプ
６２ フィルタ
６３ 同期検波回路
６４ ローパスフィルタ
６５ 波形成形回路
６６ 移送処理回路
６７ 参照信号生成装置
７０ デジタル信号処理機
８０ 算出機構
９０ コントローラ
１００ 成膜装置
１０１ 測定装置
ＬＦ 光ファイバ
Ｓ 実基板
Ｓｍ モニタ基板

Claims (4)

1. 被測定用基板に形成される薄膜について光学膜厚値を含む光学特性値を、電子ビーム若しくはプラズマを用いて蒸着材料を前記被測定用基板に蒸着させて前記薄膜を形成している期間中に測定する測定装置であって、
   光学フィルタを用いて単色光を生成する複数の光源ユニットを備え、該複数の光源ユニットの各々が生成した単色光を、光源ユニット毎に異なる設定周波数に変調して複数の光信号を発する光信号発生機構と、
   該光信号発生機構から発せられた前記複数の光信号を多重化して多重化信号を生成し、光ファイバを通じて前記多重化信号を前記被測定用基板に向けて照射する照射機構と、
   該照射機構によって照射された後に前記被測定用基板にて反射され若しくは前記被測定用基板を透過した前記多重化信号を、光ファイバを通じて受光すると、検出信号として電気信号を出力する検出機構と、
   該検出機構が出力した前記電気信号に対してフィルタ処理を施すことによって、前記電気信号から、前記複数の光信号の各々に対応する前記設定周波数毎の成分信号を分離して抽出する信号分離機構と、
   該信号分離機構によって前記電気信号から分離された前記設定周波数毎の前記成分信号に基づいて、前記成分信号が示す前記光学特性値を算出する算出機構と、を備え、
   前記設定周波数の種類数は、少なくとも２以上である任意の数に設定可能であり、
   前記フィルタ処理は、透過帯域が前記電子ビーム若しくは前記プラズマから発せられる迷光に対応する周波数を外れており、かつ、前記設定周波数と同じ中心周波数に設定されたデジタルフィルタを用いて行われ、
   前記フィルタ処理を前記電気信号に対して施すことによって前記信号分離機構が前記設定周波数毎の前記成分信号を同時に抽出し、前記成分信号を解析して前記光学特性値を算出する処理を前記算出機構が前記設定周波数毎に実行することで、前記種類数と同数の前記光学特性値を同時に測定することを特徴とする測定装置。
2. 被測定用基板に形成される薄膜について光学膜厚値を含む光学特性値を、電子ビーム若しくはプラズマを用いて蒸着材料を前記被測定用基板に蒸着させて前記薄膜を形成している期間中に測定する測定装置であって、
   光学フィルタを用いて単色光を生成する複数の光源ユニットを備え、該複数の光源ユニットの各々が生成した単色光を、光源ユニット毎に異なる設定周波数に変調して複数の光信号を発する光信号発生機構と、
   該光信号発生機構から発せられた前記複数の光信号を多重化して多重化信号を生成し、光ファイバを通じて前記多重化信号を前記被測定用基板に向けて照射する照射機構と、
   該照射機構によって照射された後に前記被測定用基板にて反射され若しくは前記被測定用基板を透過した前記多重化信号を、光ファイバを通じて受光すると、検出信号として電気信号を出力する検出機構と、
   該検出機構が出力した前記電気信号から、前記複数の光信号の各々に対応する前記設定周波数毎の成分信号を分離する信号分離機構と、
   該信号分離機構によって前記電気信号から分離された前記設定周波数毎の前記成分信号に基づいて、前記成分信号が示す前記光学特性値を算出する算出機構と、を備え、
   前記信号分離機構は、特定の周波数の信号を検出して増幅させるロックインアンプを有し、
   前記ロックインアンプは、透過帯域が前記電子ビーム若しくは前記プラズマから発せられる迷光に対応する周波数を外れており、かつ、前記設定周波数と同じ中心周波数に設定されたデジタル式のロックインアンプであり、
   前記設定周波数の種類数は、少なくとも２以上である任意の数に設定可能であり、
   前記デジタル式のロックインアンプに前記電気信号が入力されることによって前記信号分離機構が前記設定周波数毎の前記成分信号を同時に抽出し、前記成分信号を解析して前記光学特性値を算出する処理を前記算出機構が前記設定周波数毎に実行することで、前記種類数と同数の前記光学特性値を同時に測定することを特徴とする測定装置。
3. 前記検出信号から分離された前記設定周波数毎の前記成分信号の各々に対して増幅処理を施すデジタル信号処理機が更に設けられており、
   前記算出機構は、前記増幅処理後の前記成分信号に基づいて、前記成分信号が示す前記光学特性値を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。
4. 基板を収容する真空容器と、該真空容器内において電子ビーム若しくはプラズマを用いて蒸着材料を前記基板に蒸着させる蒸着機構と、を備える成膜装置であって、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の測定装置と、を備え、
   前記真空容器内において前記基板に薄膜が形成されている間、前記真空容器内には前記被測定用基板が収容されており、前記蒸着機構が前記被測定用基板にも前記蒸着材料を蒸着させ、
   前記測定装置は、前記真空容器内において前記基板に薄膜が形成されている間に、前記被測定用基板が前記真空容器内に収容されたままの状態で、前記被測定用基板側に形成される薄膜について光学膜厚値を含む光学特性値を同時に複数測定することを特徴とする成膜装置。

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