JPH02245604A - 光学式膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ｃｓｉｓ上の利用分野） この発明は、光学用薄膜などの薄膜を製作する装置すな
わち成膜装置に使用される光学式膜厚測定装置に関する
ものである。

（従来の技術） 半導体、光学部品、エレクトロニクスなどの製品表面へ
の薄膜形成に際しては、一般に膜厚測定部しながら薄膜
形成を行うことによって所定の膜厚を得ている。そして
、そのための膜厚測定には光学式膜厚測定装置が多用さ
れており、中でも光学用薄膜の形成に際しては特によ（
使用される。

通常、こうした光学式膜厚測定装置では、光学系の調整
容易な単色光式測光法がよく用いられているが、光量が
極大又は極小になる付近での光量変化が小さいため、ど
こが極値であるかの判定がむすかしく、使用波長、λに
対して±λ／３０の測定精度しか得られない。このため
、所定膜厚に達し九ときの薄膜形成を止めるのにむらが
あり、精度よい膜厚の薄膜を得に（い。

そこで、測定精度の良い２色光式測光法が用いられる。

この方法は、使用波長χに対して膜厚がλ／４の整数倍
のとき、透過光量が光の波数１／λを中心にして１／（
λ−Δλ）のところと１／（χ＋Δλ）のところで等し
くなることを利用して、λ−Δλとλ＋Δλの二つの波
長における透過率（１反射率でもよい）の差を検出して
測定を行うもので、λ／３００という測定精度が得られ
る。

そして、装置は、通常、試料を透過又は反射した、単一
の多色光源からの光ｔ、ミラー、スリット、レンズを通
過させたのち、ハーフミラ−で二つに分け、それぞれλ
−Δλ及びス＋Δλの通過特性をもつたフィルターを通
じて光電変換器に導き、ここで得られる電気信号を増幅
比較して膜厚を測定するようになっている（朝食書店　
光学技術ハンドブック）。

（解決しようとする課題） ところで、こうした装置では、二つの光電変換器の感度
調！１１１に二つのフィルターの透過率に合わせて行う
必要があり、殊にハーフミラ−で反射゛された光を別の
ミラーで受けて一方のフィルターに入射するようにした
ものでは、そのミラーの特性をも考慮して行う必要があ
る。そして、後者の場合、ミラーの角度調整も必要にな
る。また、ハーフきラー以後は、光路も２系列になるた
め、光電管も２個必要となり装置がかさ高（なってしま
う。

この発明は、こうした光学系の調整の煩雑さや装置の構
造の複雑さ、かさ張りを緩和することを課題とする。

（課題を解決するための手段） 本発明のうち第１の発明では、基準膜厚の４倍の波長よ
り若干短い波長の光を透過するフィルタと同じ（若干長
い波長の光を透過するフィルタを円状に交互に配設して
なる回転板式分光器！、単一の多色光源からの直接光を
受光する位置又は単一の多色光源から膜厚波測定体に照
射され、反射若しくは透過された光を受光する位置に配
置する。

そして、回転板式分光器を通過後、膜厚波測定体で反射
若しくは透過した光を入力する光電変換器又は膜厚波測
定体で反射若しくは透過後、回転板式分光器を通過した
光を入力する光電変換器をそれぞれ配置し、この光電変
換器の出力を入力し、これら入力を比較、演算する２色
測光方式の膜厚測定部を設けである。

第２の発明は、基準膜厚の４倍の長さの波長より若干短
い波長の光と同じ（若干長い波長の光に分光するモノク
ロメータを、第１の発明における回転板式分光器に代え
て配置したものである。

第３の発明は、基準膜厚の４倍の長さの波長より若干短
い波長の光と同じ（若干長い波長の光を含む単色光に分
光する分光器と多波長同時検出器を、第１の発明におけ
る回転板式分光器に代えて、膜厚波測定体からの反射光
又は透過光が入射する位置に配置したものである。

（作用） 単一の多色光源からの直接の照射光光又は膜厚波測定体
からの多色の反射光若しくは透過光は、回、転板式分光
器、モノクロメータ又は分光器と多波長同時検出器によ
って、基準膜厚の４倍の長さの波長より若干短い波長の
光と同じく若干長い波長の光に分けられる。そして、そ
れぞれ膜厚波測定体から反射又は透過した光を光電変換
し、二つの電気信号として公知の２色測光方式で比較、
演算することによって、膜厚波測定体に形成された薄膜
の膜厚を測定′ｆる。

単一の多色光源からの光又はその光の膜厚波測定体から
の反射光若しくは透過光は、一つの分光器で二つの波長
の光°に分けられたのち、一つの光電変換器を経て電気
信号化され、一つの膜厚測定部で比較・演算されて膜厚
が求められるので、膜厚波測定体を透過又は反射した光
ｔハーフきラーで二つの光に分ける従来の方式に比べて
、光学系の調整が簡単になり、装置の構造も簡単になる
とともに小型化する。また、光源を二つ設ける方式のも
のに対しても同様である。

（実施例） 第１の発明を光学薄膜の成膜装置の膜厚監視装置に適用
した実施例について、第１図〜第６＠を用いて説明する
。

第１図において、光学膜蒸着用の真空チャンバＰ−１内
の上部には、複数の蒸着用基板２を図示しない公知の器
具によって水平方向に回転可能、かつ、着脱自在に保持
配列してあり、そのほぼ中央に透明体の膜厚モニター用
基板３を交換可能に保持、配置しである。また、真空チ
ャンバー１内の下部には、蒸着埜料４を載置した蒸発源
装置５を設置し、その上方には、蒸発源装置５の真上に
出入りして蒸発した蒸着物質が上昇するのを遮断するシ
ャッター６を配置しである。蒸着源装置５は図示しない
ヒーターで蒸発材料を加熱、蒸発させるものであワ、シ
ャッターｂは、図示しないソレノイドによって操作され
る。そして、真空チャンバー１の上面はぼ中央の、膜厚
モニター基板３と対面する個所に、透明、気密の測光用
窓７を設けである。

真空チャンバー１の上方には、一連の光学系の装置を配
設しである。すなわち、図上、左方には膜厚測定に使用
する波長帯を含んだ多色光を発光するハロゲンランプを
主要構成品とする光源８を配置し、図上その右方に、図
示しない定速回転のモーターでシャッター板を回転し、
光源８からの照射光を断続するチ１ツバ−９を配置しで
ある。

そして光源８を出て、チヲッパ−９を通過し、光電管１
４に到る光路１０は、測光用窓７のほぼ真上を通るよう
に設けである。

光路１０上、測光用窓７のほぼ真上には、チッソパー９
で断続された照射光を膜厚モニター基板３に照射するた
めの第１ミラー１１及び膜厚モニター基板３からの反射
光を分光器１３に入射させるための第２ミラー１２を順
次配置しである。

更に、図上その右方には、分光器１３及び光電管１４を
順次配置してあり、光電管１４の電気信号出力は膜厚モ
ニター１５の入力に接続しである。

ここで、分光器１３は第２図のように定速回転のモータ
ー２１の軸２２に、回転円板式ホルダー２３を固着して
、ケース２４に納めたものであり、回転円板式ホルダー
２３には第３図のように、通過光の波長が大−Δλとλ
＋へ大の２種の干渉フィルター２５．．２６を円状に交
互にはめ込んである。また、ケース２４の前面及び後面
には、それぞれ干渉フィルタ２５．２６と正対する位置
に入射窓２７．出射窓２８を設けである。なお、λは基
準膜厚の４倍あり、−例をあげるなら天は５５ｏｒｇ、
スーΔλは５４０にＭ、、χ＋△λ５６０■である。

また、膜厚モニ、ター１５は、図示しないＣＰＵを主要
構成品とし、光電管１４からの電気信号入力は、膜厚モ
ニター１５内の図示しないＡ／Ｄ変換器を通してＣＰＵ
に提供される。このＣＰＵはム／Ｄ変換器からの入力を
所定のタイミングでサンプリングし、公知の２色測光方
式によりこれらを順次比較演算するとともに、その結果
が等しいとき、シャッター６を動作させるための指令を
出力するようプログラムされている。この指令は図示し
ないインタフェース、配線を通じてシャッター６の図示
しないソレノイドに接続される。

真空チャンバー１内の所定の保持場所に、薄膜未形成の
蒸着用基板２と膜厚モニター用基板３！装着する。図示
しない操作スイッチを操作して装置を始動すると、シャ
ッター６が蒸着源装置５上から待避し、同時に蒸着源装
置５のヒーターに電源がはいるので、蒸着材料４は加熱
されて、蒸着物質が蒸発、上昇する。

蒸発物質が蒸着用基板２の下面及び膜厚モニター用基板
３の下面に蒸着してい（間、光源８で発生した多色光の
照射光は、チッ、７．＠−９で断続され、第１ミラー１
１、測光用窓７５？介して膜厚そ二ター用基板３に照射
される。こうして、光源８からの照射光は、一定間隔で
断続するので、真空チャンバー１やその他からはいって
来る光と区別される。以下、第４図のようにこの光の一
部は、膜厚モニター用基板３０表面で反射し、大部分は
入射する。入射した光は、膜厚モニター用基板３内を透
過して、形成されつつある薄膜３０に到り、一部はその
上面で反射し、大部分は薄膜３０内へ入射する。薄膜３
０内へ入射した光は、薄膜３０を透過するが、薄膜下面
で一部は反射する。ここで、これら各界面での反射光を
Ｒ１、Ｒ２、几３の符号で識別する。

こうした反射光はすべて、測光用窓７、第２ミラー１２
を介して分光器１３にはいり、回転している２種の波長
のフィルターで順次、交互に波長スーΔス、ス＋Δλの
二つの光に分けられ、光電管１４に入射する。

光電管１４から膜厚モニター１５に入力した電気信号は
、第５図′めようなＣＰＵの動作タイムチャートに従い
処理される。波長がλ−△λのものについて、前述反射
光Ｒ１とＲ２に相当したもの同士の位相差をとった場合
は、膜厚モニター用基板３の厚さに変動がないので、こ
の位相差は変動しない。一方、反射光Ｒ２とＲ３に相当
した信号同志の位相差ｔとると、膜厚の増加に伴い変動
している。そこで、位相差の変動のある信号についてレ
ベル差をとると第６図中の・印で示した諸点ｔプ四ット
でき、これらの情報とこれ！蓮ねたカーブＣ１の情報が
得られろ。

波長がλ＋Δλのものについて同様の処理を行うと、第
６図の０で示した諸点の情報とカーブＣ２の情報が得ら
れる。ここで、カーブＣ１とカーブ０２の情報の差をと
ることによって得られるカーブＣ３が零となるところが
、形成中の薄膜３０の厚さがλ／４の整数倍になったと
ころである。

基準膜厚λ／４の薄膜を作るのなら、この時点でシャッ
ター６の駆動指令を出し、所定膜厚ｎλ／４の薄膜を作
るのなら、これを０回カウントしたところでシャツ！−
６の駆動指令を出力する。そして、この駆動指令により
シャッター６が蒸発源装置５の上方を遮断したところで
、蒸着用基板２を手動又は自動で上下反転させるか又は
真空チャンバー１外へ取り出し、継続して一方の面への
蒸着を行うか又は新たな蒸着用基板２への蒸着を行う。

この発明の他の実施例として、第１図で破線で示すよう
に、膜厚モニター用基板３の透過光を、提供して前述同
様の処理を行うことにより、蒸着用基板への薄膜形成を
制御することができる。また、これらの実施例において
、分光器１３を光源８と第１ミラー１１との間に介設す
ることができる。また、波長λとΔλも前述以外の長さ
にできるが、Δλはより小さい方がよい。

第２の発明の実施例は、第１の発明の実施例における分
光器１３を、第７図のようにモノクロメータ３５とした
ものである。モノクロメータ３５０ケースは図上左側面
上部に入射スリット３６をあけてあり、ケース内右側の
正対位置に第１ミラー３７を設けである。第１ミラー３
７は若干上向きに設けられており、これからの反射光は
、ケース内左側上部の第２ミラー３８に照射される。第
２ミラー３８は更に若干下向きに設けられており、これ
からの反射光は、ケース内右側下部に設けられた分光用
のグレーティング３９へ照射されろ。

グレーティング３９はステッピングそ一ター４０を周期
的に正転、逆転を繰り返えすことによって、若干上向き
位置を中心に若干上向き又は下向きに傾動させる。こう
してグレーティング３９で波長λ−Δλとχ＋Δλに分
けられた光は、ケース内側左方下部に設けられた第３ミ
ラー４１に照射される。第３ミラー４１もグレーティン
グ３９置に設けられた出射スリン・ト４２から外部へ出
る。

モノクロメータ３５を出たあとの光の経路及び処理は第
１の発明の実施例と同様である。また、グレーティング
３９の傾動は、ブレーキ付きモーターの周期的な正転、
逆転によってもよく、１−線駆動モータの前進、後退に
よってもよい。また、グレーティング３９に代えてプリ
ズムにしてもよく、そのほか各種方式のモノクロメータ
としてよ（１゜ 第３の発明の実施例は、第１の発明の実施例における分
光器１３を、第８図のようにグレーティングとレンズか
らなる分光器４５とし、その出力を多波長同時検出器に
提供するようＫしたものである。分光器４５ケースの図
上右側面下部には入射スリット４６を設け、ケース内部
の右側下部の正対位置に第１ミラー４７を左上向げに設
けである。

ケース内中央上部にはグレーティング４Ｂを下向きに設
けてあり、第１ミラー４７からの反射光が入射する。グ
レーティング４日で波長λ−Δスス内右側下部に設けら
れた第２ミラー４９に入射する。第２ミラー４９は、右
上向きに設けられており、グレーティング４８からの入
射光を右方へ反射する。そして、この光は、第２ミラー
４９と正対する位置にあけられた、各単色光を通過、さ
せる出射スリット５０から分光器４５外へ出て、多波長
同時検出器５１にはいる。

多波長同時検出器５１は、波長λ−Δλ、λ＋Δλの光
に相当した電気信号、だけを交互に出力するもので、そ
の信号は、膜厚モニターに入力し、ＣＰＵによって第１
発明の実施例同様処理されろ。

他の実施例として分光器４５中のグレーティング４Ｂを
プリズムに代えるなどいろいろな方式のものにできる。

また、これらの発明の実施例に共通な他の実施例として
、膜厚モニター用基板を透過し、更に形成薄膜を透過し
た光を利用して膜厚測定することができるばかりでなく
、膜厚モニター用基板が透明体でないときは、蒸着され
る薄膜側から光を照射し、その反射光を利用することに
よって膜厚測定を行うことができる。また、蒸着用基板
に代えて、レンズなど、を蒸着の対象としてよ（、膜厚
波測定体として、これら蒸着用基板やレンズなど！利用
してもよい。また、光電管に代えて光電倍増管や光電素
子を使用してよい。更にまた、光量レベルを比較するに
あたり、光量レベルの極値として最大プラス値を用いる
だけでなく、最大マイナス値を用いてもよい。また、膜
１の制御だけでなく、膜厚測定にのみ使用してもよい。

（効果） 以上の通り、この発明によれば、光学用薄膜の成膜装置
において使用される２色測光法による光学式膜厚測定装
置を、測定精度を良好なものとしたままで、光学系の調
整が簡単で、かつ構造も簡単、小型で安価なものにする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

図面は、この発明の実施例を示すものであって第１図は
概略構造図、第２図は側面図、第３図は平面図、第４図
は部分断面図、第５図及び第６図は波形図、第７図及び
第８図は部分概略構造図で−３５はモノクロメータ、４
５は分光ｍａｓ１は多波長同時検出器である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基準膜厚の４倍の波長より若干短い波長の光を通
   過させるフィルターと前記４倍の波長より前記若干と同
   量長い波長の光を通過させるフィルターを、円状に交互
   に配設してなる回転板式分光器を、 単一の多色光源からの照射光がその入射窓に入射する位
   置に配設し、この回転板式分光器からの通過光が照射さ
   れる位置に膜厚被測定体を配設し、この膜厚被測定体か
   らの反射光又は透過光が照射される位置に光電変換器を
   配設し、又は前記単一の多色光源からの照射光が照射さ
   れる位置に膜厚被測定体を配設し、この膜厚被測定体か
   らの反射光又は透過光が、前記入射窓に入射する位置に
   前記回転板式分光器を配設し、この回転板式分光器から
   の通過光が照射される位置に光電変換器を配設し、 これらの光電変換器からの電気信号出力を２色測光方式
   の膜厚測定部に入力してなる光学式膜厚測定装置。
2. （２）多色光を基準膜厚の４倍の波長より若干短い波長
   の光と前記４倍の波長より前記若干と同量長い波長の光
   に順次交互に分光するモノクロメータを、 単一の多色光源からの照射光が、その入射口に入射する
   位置に配設し、このモノクロメータからの通過光が照射
   される位置に膜厚被測定体を配設し、この膜厚被測定体
   からの反射光又は透過光が照射される位置に光電変換器
   を配設し、 又は、前記単一の多色光源からの照射光が照射される位
   置に膜厚被測定体を配設し、この膜厚被測定体からの反
   射光又は透過光が、前記入射口に入射する位置に前記モ
   ノクロメータを配設し、このモノクロメータからの通過
   光が照射される位置に光電変換器を配設し、 この光電変換器からの電気信号出力を２色測光方式の膜
   厚測定部に入力してなる光学式膜厚測定装置。
3. （３）単一の多色光源からの照射光が照射される位置に
   膜厚波測定体を配設し、この膜厚被測定体からの反射光
   又は透過光が、その入射口に入射する位置に、多色光を
   基準膜厚の４倍の波長より若干短い波長の光と前記４倍
   の波長より前記若干と同量長い波長の光を含む単色光に
   分光する分光器を配設し、この分光器からの通過光が照
   射される位置に多波長同時検出器を配設し、この多波長
   同時検出器の電気信号出力を２色測光方式の膜厚測定部
   に入力してなる光学式膜厚測定装置。