JPH08219731A - 光学的膜厚監視方法および膜厚モニター装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 可撓性フィルムからなる長尺モニター基板３
１を断続的または連続的に薄膜形成装置内に供給して、
長尺モニター基板の光学的特性の変化を光学的に検知す
る光学的膜厚監視方法。長尺モニター基板を所定長さで
断続的に薄膜形成装置内の薄膜形成領域に供給する送込
み手段１７と、薄膜形成領域にある長尺モニター基板に
近傍して設けられた長尺モニター基板からの反射光また
は透過光を受光する光ファイバー３２とを具えている。 【効果】 モニター基板として可撓性プラスチックフィ
ルムからなる長尺モニター基板を用いることにより、モ
ニター装置（モニター本体）を小型化でき、また、モニ
ター基板の多数回の交換も極めて容易である。さらに、
投光素子、信号光の受光素子としてのフレキシブルな光
ファイバーと組合せれば、設置個所の自由度が増し、装
置全体の小型化にも有利である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜形成装置内で基板
上に形成される薄膜の膜厚を測定して監視する方法、お
よびこの際に用いられる膜厚モニター装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】真空蒸着法により反射防止膜等の光学薄
膜を基板に形成する場合に、蒸着過程中で基板に形成さ
れる薄膜の膜厚を監視して制御することが必要であり、
これにより所望の特性を有する単層膜あるいは多層膜を
形成することができる。

【０００３】薄膜の光学的膜厚を測定する方法としては
単色測光方式、２色測光方式などがあり、また、モニタ
ー基板からの反射光を利用する場合と透過光を利用する
場合がある。従来からのバッチ式の真空蒸着装置では、
モニター基板としてモニターガラスが用いられている
が、この場合に用いられているモニター交換装置は機構
的に複雑でありコスト的にも高い。また、ガラス製のモ
ニター基板は容積を取るために、監視ポイントをあまり
多く確保することはできない。

【０００４】しかし一方においては、反射防止膜やダイ
クロイック膜では多層膜の形成が一般的に為されてお
り、蒸着中には頻繁にモニターガラスの交換が行なわれ
るし、必要なモニターガラス枚数も増加する。また、大
面積基板や連続シートの連続蒸着では、モニター箇所を
多数設けて膜厚の均一化を図ったり、蒸着条件の管理を
行なうことが必要である。さらに、バッチ式の真空蒸着
においても、バッチ毎にモニターガラスを交換するのは
煩雑で作業性が悪い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、モニター基
板の交換が容易であり、小型化が可能で設置場所の増設
が可能なモニター装置、およびこのモニター装置を用い
た光学的膜厚監視方法を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の光学的膜厚監視
方法は、可撓性フィルムからなる長尺モニター基板を断
続的または連続的に薄膜形成装置内に供給して、長尺モ
ニター基板の光学的特性の変化を光学的に検知すること
を特徴とする。

【０００７】また、本発明の膜厚モニター装置は、可撓
性フィルムからなる長尺モニター基板を所定長さで断続
的に薄膜形成装置内の薄膜形成領域に供給する送込み手
段と、薄膜形成領域にある長尺モニター基板に近傍して
設けられた該長尺モニター基板からの反射光または透過
光を受光する光ファイバーとを具えたとこを特徴とす
る。

【０００８】さらに、上記の送込み手段に替えて、可撓
性フィルムからなる長尺モニター基板を所定速度で連続
的に薄膜形成装置内の薄膜形成領域内に供給する搬送手
段を設けてもよい。

【０００９】膜厚モニター装置の光ファイバーで受光さ
れた信号光（長尺モニター基板からの反射光または透過
光）は、光ファイバーにより検知手段に送られ、薄膜形
成の進行に伴なう信号光の光量変化が検出され、長尺モ
ニター基板に形成された薄膜の膜厚が検出される。実際
の基板に形成された薄膜の膜厚と、長尺モニター基板に
形成された薄膜の膜厚は一定の相関を示すので、後者か
ら実際の基板に形成された薄膜の膜厚を検出して監視す
ることができる。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の膜厚モニター装置の実施例を
示す概略平面図であり、モニター交換機構と受光手段と
を示している。真空蒸着装置の蒸着領域に向って開口す
る開口部１３を有するモニター本体１１の内部には、可
撓性プラスッチク材料からなる長尺モニター基板３１が
配設されている。初期には、繰出しロール１５に長尺モ
ニター基板３１が幾層にも巻き込まれており、これがガ
イドローラ２１，２３，２５，２７を経て巻取りローラ
１７に一方の端部を固定されている。長尺モニター基板
３１は、ガイドローラ２５，２７に規制されて、開口部
１３の前面で常に所定の平面状に張設されており、この
部分で長尺モニター基板３１と平行にファイバー先端面
を向けて、長尺モニター基板３１の裏面側からわずかに
ファイバー先端面を離間させて（近接して）、光ファイ
バー３３が設置されている。

【００１１】蒸着操作が進行すると、蒸着物質が飛翔
し、開口部１３を通って長尺モニター基板３１の表面に
蒸着物質が堆積されて薄膜を形成する。薄膜が堆積する
と、長尺モニター基板３１と堆積物質の屈折率の差に基
いて、長尺モニター基板３１の透過率および反射率が変
化するので、これを検知することにより膜厚を測定でき
る。この膜厚測定方法の原理は、モニターガラスを使う
従来の膜厚測定（監視）方法と全く同じである。

【００１２】目的とする薄膜を形成した後に、次の蒸着
に向けてモニター基板を交換する。モニター基板の交換
は、駆動軸１９を所定角度回動させて巻取リローラ１７
を回転し長尺モニター基板３１を繰出しローラ１５側か
ら巻取りローラ１７側に巻き取ることにより行なわれ、
新たな長尺モニター基板３１面が開口部１３に位置す
る。所定量の長尺モニター基板３１が巻き取られると、
ラッチ部材２９が作動して繰出しローラ１５の回動を停
止させる。この機構は、カメラにおけるフィルムの巻取
りと同じ要領である。長尺モニター基板３１は、可撓性
を有する（フレキシブルな）プラスチックフィルムから
なるので、この巻取りによるモニター交換は極めて容易
である。また、このように長尺モニター基板３１が可撓
性を有するので、光学系はやはり可撓性を有する光ファ
イバー３３が有効である。モニターとして必要な１回の
長尺モニター基板３１の長さは光ファイバー３３からの
光束の直径の分である。そこで、光ファイバー３３の光
束径に合わせた長尺モニター基板３１を用意し、この長
尺モニター基板３１を１回に２ｃｍ巻取る（供給する）
とすると、１０ｍの長尺モニター基板３１をモニター本
体１１に予じめセットすれば、５００回のモニター交換
が可能である。

【００１３】このように、真空蒸着装置内に設置される
モニター本体１１の大きさは、厚さが光ファイバー３３
によって決まる薄い厚さであり、平面的な大きさとして
も薄いプラスチックフィルムからなる長尺モニター基板
３１を１０ｍ程度巻き込める量で十分であり、極めて小
型である。また、長尺モニター基板３１がフレキシブル
なので、モニター本体１１内の各部材の配置レイアウト
の自由度が大きい。しかも、光ファイバー３３もフレキ
シブルであるので、薄膜形成装置内のどの位置にモニタ
ー本体１１を設置しても、光ファイバー３３を適当に屈
曲させて装置外に取り出し、装置外部の光源により長尺
モニター基板３１に光照射し、この反射光ないし透過光
を光ファイバー３３で受光して外部に伝送することがで
きる。

【００１４】長尺モニター基板３１の材質は、形成され
る薄膜との屈折率の相違い、薄膜による吸収の発生など
により長尺モニター基板３１の光学的特性が変化し、こ
の変化と実際の基板との間で相関が取れるものであれば
何でもよい。また、実際の基板が光学的に測定の難しい
ものでも、長尺モニター基板３１上で測光すれば、成膜
制御が可能である。

【００１５】測定光としては透過光でも反射光でも利用
できるが、図１の構成では、長尺モニター基板３１を挾
み込むようにして受光用の光ファイバーと投光用の光フ
ァイバーを配置すると、長尺モニター基板３１への膜の
堆積の支障となるので、光ファイバー３３として、第１
光ファイバーおよび第２光ファイバーの２系列の光ファ
イバーを集束した複合光ファイバー集束体を用い、第１
光ファイバーから薄膜が形成されつつある長尺モニター
基板３１に光を投光し、この長尺モニター基板からの反
射光のうち、第２光ファイバーに入射した反射光の光強
度を検知し、実際の基板に形成されつつある薄膜の光学
的膜厚を検出、監視することが望ましい。

【００１６】図２は、図１１に示した膜厚モニター装置
を用いて光学的膜厚を測定する方法の実施例を示す説明
図である。複合光ファイバー集束体３３（図１の光ファ
イバー３３に相当）は、図３に先端面の構造を示すよう
に、第１ファイバ集束体３５を構成する複数の第１光フ
ァイバー３５ａと、第２ファイバー集束体３７を構成す
る複数の第２光ファイバー３７ａとをランダムに束ねて
一体化した集束体（バンドル）である。この複合光ファ
イバー集束体３３は、他端側で、第１光ファイバー３５
ａのみを集め束ねて一体化した第１ファイバー集束体３
５と、第２光ファイバー３７ａのみを集め束ねて一体化
した第２ファイバー集束体３７とに分岐している。ここ
で、４１は検知手段を示す。なお、第１光ファイバー３
５ａと、第２光ファイバー３７ａとは、規則的に、例え
ば、直径を境にして両者を分けるように束ねてもよい。

【００１７】図２に示すように、光源４３からの光束
は、チョッパー（図示せず）により変調され、フィルタ
ー４５により単色光とされ、光学系４７を経て第１ファ
イバー集束体３５に導かれる。第１ファイバー集束体３
５は第２ファイバー集束体３７と一緒にされ、かつ、そ
れぞれを構成する個々の光ファイバー３５ａ，３７ａと
をランダムに束ね直して一体化され複合光フィイバー集
束体３３を形成するが、光源からの光は、このうちの第
１ファイバー集束体３５を構成していた個々の第１光フ
ァイバー３５ａ内を進み、蒸発粒子の堆積により薄膜が
形成されつつある長尺モニター基板３１に投光（照射）
される。

【００１８】長尺モニター基板３１に堆積された薄膜の
膜厚情報を反射光量信号としてもつ長尺モニター基板３
１からの反射光は、複合光ファイバー集束体３３の先端
面３３ａに入射する。いま同じ直径の第１光ファイバー
３５ａと第２光ファイバー３７ａとが同じ数だけ束ねら
れて複合光ファイバー集束体３３を形成しているとする
と、反射光量の半分が第２光ファイバー３７ａに入射
し、第２ファイバー集束体３７、光学系５１を経て光電
変換素子５３に入射する。光電変換素子５３により、反
射光量は電気信号に変換され、コントローラ５５によっ
てレコーダ５７に反射光量の変化の推移が表示される。
また、コントローラ５５により予じめ設定された値との
変動値を検知し、これを補正して自動膜厚制御を行なっ
てもよい。

【００１９】図４は、本発明の光学的膜厚監視方法およ
び装置を、蒸着装置に用いた場合について示す説明図で
あり、モニター本体１１は図１に示したものである。図
４に示すように真空蒸着装置においては、真空排気系
（図示せず）を具えた真空槽６１内で、基板を搭載した
基板ホルダ６５を回転させながら蒸発源６３から蒸着物
質を蒸着せしめることにより、基板上に薄膜が形成され
る。このとき、基板上に形成される薄膜の膜厚に相関す
る膜厚を有する薄膜が、開口部１３にある長尺モニター
基板３１上に形成されるので（図１参照）、この長尺モ
ニター基板３１上に形成される薄膜の膜厚を監視し、蒸
着条件の制御ないしは蒸着の停止を行なうことにより、
所望の特性および光学的膜厚を有する薄膜を基板上に形
成することができる。

【００２０】また、真空蒸着の分野においては、プラス
チックフィルムなどの連続フィルムを蒸着装置に連続的
に供給し、酸化珪素等の保護膜、アルミニウム等の金属
薄膜などを連続的に蒸着することが行なわれている。図
５は、このような連続フィルム用蒸着装置（ロールコー
タ）について示す説明図である。

【００２１】真空槽１０１は、冷却ロール１１５と隔壁
１０９とにより蒸着室１０５と基板収納室１０３とに仕
切られ、それぞれ真空排気系１０７で所望の真空度に排
気されている。原料ロール１１１に巻回されている連続
プラスチックフィルム１１７は、連続的に供給され、冷
却ロール１１５に巻き渡たされ、蒸着源１１９に対向し
て薄膜が形成され、ついで、製品ロール１１３に回収・
巻回される。

【００２２】プラスチックフィルム１１７に形成された
薄膜の膜厚の測定は、図１に示したモニター本体１１を
有する膜厚モニター装置によって行なわれ、信号光は光
ファイバー３３により検知手段４１に伝送され、コント
ローラ（図示せず）による自動制御がなされる。

【００２３】プラスチックフィルム１１７の搬送速度は
一定であり、一方、単位時間当たりの薄膜の付着量はモ
ニター本体１１により検出できるので、薄膜の付着速度
に変動が生じた場合には、蒸発源１１９あるいはプラス
チックフィルム１１７の搬送速度を調整して、プラスチ
ックフィルム１１７に一定の厚さの薄膜が形成されるよ
うになる。

【００２４】ロールコータでは基板であるプラスチック
フィルム１１７は連続的に搬送されるが、モニター本体
１１内の長尺モニター基板３１は不動であるので、固定
測定点となり、単色測光でも屈折率を監視できる。ま
た、λ／４毎にピーク値をとる光量変化の波数から、単
位時間当りの光学膜厚も検出できる。さらに、基板であ
る１１７が金属フィルムのように光学的に膜厚の側定が
難しいフィルムであっても、長尺モニター基板３１上で
の測光により成膜制御が可能である。

【００２５】長尺モニター基板３１上に所定厚以上の薄
膜が堆積して測定制度が低下する前に、巻取りローラ１
７で長尺モニター基板３１を巻き取り、繰出しロール１
５から新しい長尺モニター基板３１を開口部１３に供給
する。

【００２６】また、モニター本体１１が小型で、フレキ
シブルな光ファイバー３３を用いて受光した信号光を自
由に外部に伝送できるので、モニター本体１１を任意位
置に設定することができる。さらに、基板であるプラス
チックフィルム１１７の幅方向（図５で紙面に垂直の方
向）に複数個のモニター本体１１を設置することにより
基板の幅方向の堆積膜厚を監視し、幅方向の膜厚の均一
性を維持することできる。

【００２７】図６は、本発明で用いられる膜厚モニター
装置の他の実施例を示す平面図である。図６のモニター
本体１１は、図１のモニター本体と比較して、開口部１
３の長さが大きいことが最大の特徴であり、また、長尺
モニター基板３１は、連続的に繰出しローラ１５から繰
り出され、一定速度で搬送されて巻取りローラ１７に巻
き取られる。したがって、ラッチ部材は不要なので取り
除かれている。上記以外の構成・作用効果は図１と同じ
である。

【００２８】搬送されて開口部１３に到達した長尺モニ
ター基板３１には薄膜の堆積が開始される。その後も、
開口部１３を搬送される間にわたって、長尺モニター基
板３１には薄膜の堆積が継続され、開口部１３の終端に
到った位置で、光ファイバー３３からスポット照射を受
けて反射率が測定される。

【００２９】したがって、搬送される長尺モニター基板
３１が開口部１３に位置する間の時間、連続して長尺モ
ニター基板３１には薄膜が形成され、その総合的な光学
的膜厚が光ファイバー３３によって測定されることにな
る。

【００３０】そこで図５に示した長尺フィルム基板連続
蒸着装置（ロールコータ）にこのモニター本体１１を設
置し、基板であるプラスチックフィルム１１７が蒸着室
１０５に存在する時間に比較し、長尺モニター基板３１
が開口部１３に存在する時間を著しく大きく取れば（長
尺モニター基板３１を小さな速度で搬送すれば）、長尺
モニター基板３１には、実際の基板（プラスチックフィ
ルム１１７）に対して大きな厚さの薄膜の膜厚を形成す
ることででき、実験的にこれらの間の一定の関係（相
関）を求めることができる。そこで、光学的膜厚が測定
困難な程度に薄い薄膜をプラスチックフィルム１１７に
形成する場合にも、長尺モニター基板３１に形成される
膜厚を監視することによって制御できる。また、図６の
膜厚モニター装置では、仮想線で示したように投光用に
光ファイバー３３′を設け、光ファイバー３３で受光す
ることにより、透過光を利用して膜厚監視を行なうこと
ができる。

【００３１】以上の説明では、長尺フィルムに蒸着をす
る連続蒸着について示したが、大型基板を搬送しつつ蒸
着する装置など、他の連続蒸着装置についても同様に適
用できる。また、以上の説明では、本発明の光学的膜厚
監視方法を真空蒸着法に利用する場合について説明した
が、本発明の方法は、真空蒸着法の一種であるイオンプ
レーティング法はもちろんの事、スパッタリング、ＣＶ
Ｄなどの他の薄膜形成方法にも応用できる。さらに、測
光方式も限定されず、単色測光方式、２色測光方式など
いずれでもよい。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、モニター基板として可
撓性プラスチックフィルムからなる長尺モニター基板を
用いることにより、モニター装置（モニター本体）を小
型化でき、また、モニター基板の多数回の交換も極めて
容易である。さらに、投光素子、信号光の受光素子とし
てのフレキシブルな光ファイバーと組合せれば、設置個
所の自由度が増し、装置全体の小型化にも有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で用いられる膜厚モニター装置の実施例
の内部構造を示す平面図である。

【図２】膜厚モニター装置を用いて光学的膜厚を測定す
る方法の実施例を示す説明図である。

【図３】光ファイバーの先端部構造を示す説明図であ
る。

【図４】本発明の膜厚モニター装置を用いた蒸着方法を
示す説明図である。

【図５】本発明の膜厚モニター装置を用いた連続蒸着方
法を示す説明図である。

【図６】本発明で用いられる膜厚モニター装置の実施例
の内部構造を示す平面図である。

【符号の説明】

１１ モニター本体 １３ 開口部 １５ 繰出しローラ １７ 巻取りローラ １９ 駆動軸 ２１，２３，２５，２７ ガイドローラ ２９ ラッチ部材 ３１ 長尺モニター基板 ３３ 光ファイバー ３５ 第１光ファイバー ３７ 第２光ファイバー ４１ 検知手段 ４３ 光源 ４５ フィルター ４７ 光学系 ５１ 光学系 ５３ 光電変換素子 ５５ コントローラ ５７ レコーダ ６１ 真空槽 ６３ 蒸発源 ６５ 基板ホルダー １０１ 真空槽 １０３ 基板収納室 １０５ 蒸着室 １０７ 真空排気室 １０９ 隔壁 １１１ 原料ローラ １１３ 製品ローラ １１５ 冷却ローラ １１７ プラスチックフィルム １１９ 蒸発源

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可撓性フィルムからなる長尺モニター基
   板を断続的または連続的に薄膜形成装置内に供給して、
   長尺モニター基板の光学的特性の変化を光学的に検知す
   ることを特徴とする光学的膜厚監視方法。
2. 【請求項２】 可撓性フィルムからなる長尺モニター基
   板を所定長さで断続的に薄膜形成装置内の薄膜形成領域
   に供給する送込み手段と、薄膜形成領域にある長尺モニ
   ター基板に近傍して設けられた該長尺モニター基板から
   の反射光または透過光を受光する光ファイバーとを具え
   たとこを特徴とする膜厚モニター装置。
3. 【請求項３】 可撓性フィルムからなる長尺モニター基
   板を所定速度で連続的に薄膜形成装置内の薄膜形成領域
   に供給する搬送手段と、薄膜形成領域にある長尺モニタ
   ー基板に近傍して設けられた該長尺モニター基板からの
   反射光または透過光を受光する光ファイバーとを具えた
   とこを特徴とする膜厚モニター装置。