KR101561702B1 - 상태 측정 장치 및 상태 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

흡광도에 주기적인 변동을 발생시키는 간섭 위상각의 영향을 제로로 하기 위해, 피측정물(OBJ)에 대해, s편광 성분을 최대한 저감시키고, p편광 성분을 주체로 하는 광을, 소정의 입사각(ø0)으로 조사한다. 입사각(ø0)은 박막(24)과 기판(22)의 계면 및 박막(24)과 진공 분위기의 계면에 있어서, p편광 성분에 대한 진폭 반사율이 극소치가 되는 입사각을 각각 포함하는 소정의 각도 범위 내의 값이다.
상태 측정 장치, p편광 성분, s편광 성분, 박막, 레지스터

Description

상태 측정 장치 및 상태 측정 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING STATE}
본 발명은 기판 상에 형성되는 막의 상태를 측정하는 상태 측정 장치 및 상태 측정 방법에 관한 것으로, 특히 박막이 연속적으로 생성되는 박막 형성 프로세스에 적합한 기술에 관한 것이다.
최근, 기판 상에 유기 재료의 박막을 형성한 디바이스가 다양한 장치에 사용되고 있다. 예를 들어, 차세대의 플랫 패널 디스플레이로서 기대되고 있는 유기 EL(Electro-Luminescence) 디스플레이는, 일반적으로 유기물의 발광 재료로 이루어지는 발광층과 발광 효율을 높이기 위한 몇가지 종류의 유기 재료로 이루어지는 유기층을 기판 상에 형성한 디바이스가 사용되고 있다. 이와 같은 박막은 진공 증착법을 사용하여 형성되는 경우가 많다. 유기 EL 디스플레이에서는 박막의 막 두께나 그 형성 속도가 발광 효율이나 수명을 좌우하는 중요한 요소이다. 따라서, 박막 형성 프로세스에서는 형성되는 박막의 상태 변화를 모니터하면서 증착량 등을 제어하는 것이 매우 중요하다.
특히, 유기 EL 디스플레이에서는 막 두께가 매우 작은(일례로서, 최대 막 두 께라고 해도 200[㎚] 미만) 디바이스가 사용된다. 그로 인해, 박막 형성 프로세스를 치밀하게 제어할 필요가 있다. 이와 같은 제어를 행하기 위해서는, 박막이 미형성(기판 단체)의 상태로부터, 그 박막의 상태를 거의 리얼 타임으로 정확하게 모니터할 필요가 있다.
이와 같은 박막의 상태를 연속적으로 측정하는 방법으로서, 일본 특허 출원 공개 제2007-24909호 공보에 개시된 바와 같은 수정 발진자를 사용한 모니터 방법이 알려져 있다. 이 일본 특허 출원 공개 제2007-24909호 공보에는, 수정 발진자의 표면에 물질이 부착되면 그 공진 주파수가 변화되는 것을 이용하여, 물질의 막 두께를 측정하는 구성이 개시되어 있다.
또한, 일본 특허 출원 공개 제2003-75126호 공보에는 박막의 광흡수 계수를 이용한 막 두께 측정 방법이 개시되어 있다. 이 일본 특허 출원 공개 제2003-75126호 공보에는 상이한 2개의 파장을 갖는 광을 각각 수직으로 측정 대상의 박막에 조사하는 동시에, 박막을 투과한 각각의 광을 측정하여, 조사광과 투과광의 강도비로부터 막 두께를 측정하는 구성이 개시되어 있다.
상술한 일본 특허 출원 공개 제2007-24909호 공보에 개시되는 방법에서는, 수정 발진자의 물성이 기판의 물성과 동일하다고는 한정되지 않으므로, 실제로 기판 상에 형성되는 박막과 그 성막 상태가 상이한 것으로 되어 있을 가능성이 높고, 또한 실제로 박막이 형성되는 장소와는 상이한 장소에 수정 발진자가 배치되므로, 수정 발진자에 있어서의 증착량과 기판 상에 있어서의 실제의 증착량이 상이할 가능성이 있다. 그 결과, 박막 형성 프로세스의 경향을 모니터할 수는 있어도, 기판 상에 형성되는 박막을 정확하게 모니터하는 것은 원리적으로 곤란하다. 또한, 일본 특허 출원 공개 제2007-24909호 공보에 개시되는 방법에서는, 박막 생성 프로세스마다 수정 발진자를 교환할 필요가 있고, 또한 수정 발진자를 냉각할 필요도 있으므로, 비용이 비교적 높다고 하는 과제도 있다. 또한, 일본 특허 출원 공개 제2003-75126호 공보에 개시되는 방법에서는, 일본 특허 출원 공개 제2007-24909호 공보에 개시되는 방법에 비교하여, 비용을 낮게 할 수 있으나, 박막 내부에서의 광간섭의 영향에 의해, 측정 정밀도를 충분히 향상시킬 수 없다고 하는 과제가 있었다.
본 발명은 이와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은 기판 상에 형성되는 막의 상태를, 비용을 억제하면서 고정밀도로 측정할 수 있는 상태 측정 장치 및 상태 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일국면에 따르면, 기판 상에 형성되는 막의 상태를 측정하는 상태 측정 장치를 제공한다. 상태 측정 장치는 단일 파장의 광을 발생하는 광원과, 광원으로부터의 광을 비제로(non-zero)의 입사각으로 기판에 조사하는 조사부와, 조사부로부터 조사되는 광의 광축 상에 배치되어, 기판을 투과한 광을 수광하는 수광부와, 광원으로부터 기판까지의 광학 경로 상에 배치되어, 기판에 조사되는 s편광 성분을 억제하는 편광 제어부와, 수광부에서 수광된 광의 강도를 검출하는 검출부와, 검출부에서 검출된 강도에 기초하여 기판 상에 형성된 막의 상태치를 산출하는 연산 처리부를 포함한다.
바람직하게는, 비제로의 입사각은 막과 기판의 주변 분위기의 계면에 있어서의 p편광 성분의 반사율이 극소치가 되는 제1 각도를 포함하는, 소정의 각도 범위 내의 값이다.
또한 바람직하게는, 비제로의 입사각은 막과 기판의 계면에 있어서의 p편광 성분의 반사율이 극소치가 되는 제2 각도를 포함하는, 소정의 각도 범위 내의 값이다.
또한 바람직하게는, 비제로의 입사각은 막과 기판의 계면에 있어서의 p편광 성분의 반사율과, 막과 기판의 주변 분위기의 계면에 있어서의 p편광 성분의 반사율과의 곱이, 입사각을 제로로 한 경우의 값에 비교하여 1/4 이하로 되는 각도 범위 내의 값이다.
바람직하게는, 조사부는 막이 형성되는 측으로부터 기판을 향해 광을 조사한다.
바람직하게는, 편광 제어부는 특정 방향의 편광 성분만을 통과시키는 편광 소자이고, 편광 소자는 조사부로부터 기판으로 조사되는 광 중, p편광 성분을 통과시키도록 배치된다.
바람직하게는, 연산 처리부는 기판 단체에 대해 검출되는 강도를 레퍼런스로서 미리 저장하고, 레퍼런스에 대한 검출부에서 검출된 강도의 비율에 기초하여 기판 상에 형성된 막의 막 두께를 나타내는 값을 산출한다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 기판 상에 형성되는 막의 상태를 측정하는 상태 측정 방법을 제공한다. 상태 측정 방법은, p편광 성분을 주체로 하는 단일 파장의 광을 비제로의 입사각으로 기판에 조사하는 스텝과, 기판을 투과한 광을 수광하는 스텝과, 수광한 광의 강도를 검출하는 스텝과, 검출한 강도에 기초하여 기판 상에 형성된 막의 상태치를 산출하는 스텝을 포함한다.
본 발명에 따르면, 기판 상에 형성되는 막의 상태를, 비용을 억제하면서 고정밀도로 측정할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 국면 및 이점은 첨부한 도면과 관련지 어 이해되는 본 발명에 관한 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명에 따르면, 기판 상에 형성되는 막의 상태를, 비용을 억제하면서 고정밀도로 측정할 수 있는 상태 측정 장치 및 상태 측정 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 대해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도면 중의 동일 또는 상당 부분에 대해서는, 동일 부호를 부여하여 그 설명은 반복하지 않는다.
<전체 구성＞
도 1을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 따른 상태 측정 장치(100)는, 대표적으로 진공 증착법 등의 기판 상에 박막을 형성하는 프로세스에 있어서, 기판 상에 형성되는 박막의 상태(막 두께나 박막의 형성 속도)를 연속적으로 측정한다. 진공 증착법에서는 진공 상태로 유지된 진공 챔버(200) 내에 배치된 증발원(300)으로부터 박막 재료가 방산됨으로써, 기판 상에 박막이 형성된다. 또한, 이하의 설명에서는 기판 단체, 혹은 그 표면에 박막이 형성되어 있는 기판을 「피측정물(OBJ)」이라고도 총칭한다.
도 2에는 피측정물(OBJ)의 일례로서, 유기 EL 디스플레이에 사용되는 디바이스가 도시된다. 이 피측정물(OBJ)은 투명한 기판(22)과, 기판(22) 상에 형성(증착)되는 박막(24)을 포함한다. 또한, 박막(24)은 발광층, 전자 수송층, 홀 수송층 등으로서 기능하는 유기 화합물이다. 이와 같은 유기 화합물의 재질로서는, Alq3(퀴놀리놀 알루미늄 착체), NPB(디아민 유도체), TPD(아릴아민 유도체), NPD(아릴아민 유도체) 등을 들 수 있다.
다시 도 1을 참조하여, 상태 측정 장치(100)는 피측정물(OBJ)에 조사하기 위한 단일 파장의 광을 발생하는 광원(2)과, 광원(2)으로부터의 광을 피측정물(OBJ)에 조사하는 조사부(6)와, 광원(2)으로부터의 광을 조사부(6)로 유도하는 광파이버(4)와, 피측정물(OBJ)을 투과한 광을 수광하는 수광부(10)와, 수광부(10)에서 수광된 광의 강도를 검출하는 검출기(14)와, 수광부(10)로부터의 광을 검출기(14)로 유도하는 광파이버(12)와, 연산 처리부(16)를 포함한다.
광원(2)은, 대표적으로 할로겐 램프와 파장 필터로 이루어지고, 피측정물(OBJ)에서의 광흡수 계수가 상대적으로 높은 파장 범위 내에 있는 단일 파장의 광을 발생한다.
도 3은 유기 EL 디스플레이의 박막 재료로서 사용되는 유기 화합물의 광학 특성의 일례를 나타낸다. 또한, 도 3에는 유기 EL 디스플레이의 발광층으로서 사용되는 대표적인 유기 박막인 Alq3의 굴절률(n) 및 소쇠(消衰 ; extinction) 계수 k의 파장 특성을 나타낸다.
도 3을 참조하여, Alq3에서는 300[㎚]의 근방에 제1의 피크가 존재하고, 400[㎚]의 근방에 제2 피크가 존재한다. 이들 피크에서는, 굴절률(n) 및 소쇠 계수 k가 모두 다른 영역에 비교하여 상대적으로 큰 값을 나타낸다. 즉, 피크 근방에서는 광흡수 계수가 상대적으로 커지는 것을 의미하고 있다. 또한, 기판(22)(도 2)은 무기 글래스 등이고, 도 3에 도시한 바와 같은 광흡수 계수의 피크는 존재하 지 않는다.
즉, 기판 상에 형성되는 박막의 상태를 보다 높은 정밀도로 측정하기 위해서는, 상술한 바와 같은 광흡수 계수에 피크가 발생하는 파장 범위(단파장 영역)에 있는 파장의 광을 사용하는 것이 바람직하고, 광원(2)(도 1)이 발생하는 단일 파장광의 파장은 이와 같은 범위 내가 되도록 적절하게 선택된다.
다시, 도 1을 참조하여, 광원(2)에서 발생한 광은 광파이버(4)를 통해 조사부(6)로 유도된다. 조사부(6)는 광원(2)으로부터의 광의 빔 직경 등을 조정하기 위한 광학계를 포함하고 있고, 광축(AX1) 상을 따라서, 소정의 빔 직경으로 조정된 광을 기판[피측정물(OBJ)]을 향해 조사한다. 수광부(10)는 조사부(6)로부터 조사되는 광의 광축(AX1) 상에 배치되어 있고, 기판[피측정물(OBJ)]을 투과한 광을 수광한다. 수광부(10)에서 수광된 광은 광파이버(12)를 통해 검출기(14)로 유도된다. 또한, 본 실시 형태에 따른 상태 측정 장치(100)에 있어서는, 조사부(6) 및 수광부(10)는 모두 진공 챔버(200) 내에 배치된다.
특히, 본 실시 형태에 따른 상태 측정 장치(100)에 있어서는, 기판[피측정물(OBJ)]에 조사하는 광의 입사각은 0°가 아니라, 후술하는 바와 같은 적절한 범위 내의 각도로 설정된다. 또한, 입사각은 조사면의 수선을 기준으로 하여, 입사하는 광의 각도를 나타내고 있고, 입사각이 0°라고 함은, 조사된 광이 기판[피측정물(OBJ)]에 대해 수직으로 입사하는 것을 의미한다.
또한, 조사부(6)와 피측정물(OBJ) 사이의 광축(AX1) 상에 편광 제어부(8)가 설치된다. 편광 제어부(8)는 p편광 성분을 주체로 하는 광이 기판[피측정물(OBJ)] 에 조사되도록 광원(2)으로부터의 광에 포함되는 s편광 성분을 억제한다. 이는, 후술하는 바와 같이 피측정물(OBJ) 내에서의 광간섭을 억제하여, 측정 정밀도를 높이기 위해서이다. 또한, 이상적으로는, p편광 성분만으로 이루어지는 광을 기판[피측정물(OBJ)]에 조사하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로는, 편광 제어부(8)는 특정 방향의 편광 성분만을 통과시키는 편광 소자(대표적으로, 편광 프리즘이나 편광 필름 등)로 이루어지고, 조사부(6)로부터 조사되는 광에 포함되는 다양한 편광 성분 중, 그 전계 방향이 기판[피측정물(OBJ)]의 입사면에 평행한 평면파(p편광 성분)만을 통과시키도록 배치된다. 또한, 광원에서 발생하는 광은, 그 편광 방향에 착안하여 그 전계 방향이 피측정물(OBJ)의 입사면에 평행한 평면파(p편광 성분)와, 그 전계 방향이 피측정물(OBJ)의 입사면에 수직인 평면파(s편광 성분)로 구분할 수 있다.
또한, 도 1에서는 조사부(6)와 피측정물(OBJ) 사이에 편광 제어부(8)를 배치한 구성에 대해 예시하였으나, 편광 제어부(8)는 광원(2)으로부터 기판[피측정물(OBJ)]까지의 광학 경로 상의 임의의 위치에 배치할 수 있다.
이하의 설명에서는, 조사부(6)로부터 편광 제어부(8)를 경유하여 조사되는 광(p편광 성분)을 「조사광」이라고도 칭하고, 수광부(10)에서 수광되는 피측정물(OBJ)을 투과한 광을 「투과광」이라고도 칭한다.
검출기(14)는 대표적으로 포토다이오드 어레이나 CCD(Charge Couple Device)로 이루어지고, 수광부(10)에서 수광된 투과광을 수광하여, 그 강도에 따른 신호를 연산 처리부(16)로 출력한다. 이 투과광의 강도는 피측정물(OBJ)에서의 광흡수 계 수에 따라서 변화된다. 여기서, 피측정물(OBJ)의 기판(22)에 있어서의 광흡수 계수는 일정하므로, 투과광의 강도는 박막 형성 프로세스의 진행에 수반하여 형성되는 박막(24)의 막 두께에 의존하게 된다. 즉, 투과광의 강도는 박막(24)의 막 두께가 커짐에 따라서 저하된다. 그로 인해, 연산 처리부(16)는 검출기(14)에서 검출되는 투과광의 강도의 시간적인 변화에 기초하여 박막(24)의 상태 변화(막 두께나 박막의 형성 속도)를 모니터한다. 또한, 연산 처리부(16)는 도시하지 않은 프로세스 제어 장치에 대해 제어 지령을 부여함으로써, 박막의 형성 속도 등을 적절화한다.
<관련되는 상태 측정 장치에 의한 측정>
도 4를 참조하여, 본 발명에 관련되는 상태 측정 장치에서는, 조사부(6)로부터의 광이 피측정물(OBJ)의 입사면에 대해 수직(입사각 ＝ 0°)으로 입사하도록 구성된다. 즉, 조사부(6)와 수광부(10)를 연결하는 광축(AX2)이 피측정물(OBJ)의 입사면과 직교하도록 구성된다.
도 4에 도시하는 본 발명에 관련되는 상태 측정 장치를 사용하여 박막(24)의 흡광도를 측정한 결과를 도 5에 나타낸다. 또한, 도 5에는 400[㎚]의 단일 파장광을 조사한 경우의 측정 결과를 나타낸다. 흡광도(A)는 기판(22) 단체(單體)를 투과한 후의 광의 강도를 Isub로 하고, 박막(24)이 형성되어 있는 기판(22) 상을 투과한 광의 강도를 I로 하면, 흡광도(A) ＝ －ln(I/Isub)으로서 표시된다.
도 4에 도시하는 본 발명에 관련되는 상태 측정 장치를 사용하여 박막(24)의 투과율(파장 특성)을 측정한 결과를 도 6에 나타낸다. 또한, 도 6에는 동일한 기판 상에, 동일한 유기 화합물로 상이한 3종류의 막 두께(d1, d2, d3 ; 단, d1 ＞ d2 ＞ d3)의 박막을 각각 형성한 피측정물(OBJ)에 대한 측정 결과를 나타낸다.
박막(24)에 있어서의 광흡수 현상만을 고려하면, 기판 상에 형성되는 박막의 막 두께에 비례하여 흡광도는 증가할 것이다. 그러나, 실제의 측정에서는, 도 5에 도시한 바와 같이 박막의 막 두께와 흡광도 사이의 비례 관계가 무너지는 부분(기복부)이 발생한다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 유기 화합물의 굴절률 및 소쇠 계수는 450[㎚] 이상의 파장 대역에 있어서 대략 일정해진다. 그로 인해, 박막(24)에 있어서의 광흡수 현상만을 고려하면, 동일한 막 두께의 피측정물(OBJ)에 대한 450[㎚] 이상의 파장 대역에 있어서의 투과율은 거의 일정해질 것이다. 그러나, 실제의 측정에서는, 도 6에 도시한 바와 같이 피측정물(OBJ)에 조사되는 광의 파장에 의존하여 투과율이 변동되는 부분(기복부)이 발생한다.
도 5 및 도 6에 도시한 바와 같은 기복부의 발생은 기판(22) 상에 형성된 박막(24)의 상태를 측정할 때의 오차가 되는 것을 의미한다.
본원 발명자들은 상술한 바와 같은 상태 측정에 관한 오차 요인을 발견하는 동시에, 이들 오차 요인이 발생하는 원인을 밝혀냈다. 그리고, 본원 발명자들은 이와 같은 오차 요인을 배제할 수 있는 상태 측정 장치 및 막 두께 측정 방법을 발명한 것이다.
이하, 상술한 바와 같은 오차 요인이 발생하는 이유를 상세하게 설명하는 동 시에, 이들의 오차 요인을 배제할 수 있는 이유 및 그것을 실현하기 위한 구성에 대해 보다 상세하게 설명한다.
<피측정물 내에서의 광학적 현상>
도 7을 참조하여, 피측정물(OBJ)에 있어서의 광학적 현상을 설명한다. 설명을 간소화하기 위해, 단일의 기판(22) 상에, 1층의 박막(24)이 형성된 피측정물(OBJ)에 대해 생각한다.
우선, 피측정물(OBJ)에 있어서의 광흡수 현상에 대해 고려한다. 임의의 파장(λ)에 있어서의 박막(24)의 복소 굴절률(N1)을 (1)식과 같이 정의한다.
[식 1]
Figure 112009025945389-pat00001
단, n1은 굴절률이고, k1은 소쇠 계수이다.
박막(24)의 막 두께를 d1로 하면, 임의의 파장(λ)에 있어서의 박막(24)의 내부 투과율(T1)은 (2)식과 같이 정의할 수 있다. 또한, 내부 투과율(T1)은 박막(24)에 입사하기 전의 광강도에 대한 박막(24)을 투과한 후의 광강도의 비에 상당한다.
[식 2]
Figure 112009025945389-pat00002
(2)식에 따르면, 진공 챔버(200) 내에 배치된 투명한 기판(22)에 대해, 단일 의 파장(λ)을 갖는 광을 연속적으로 조사하여, 박막 형성 프로세스에 따라서 형성되는 박막(24)에 대한 내부 투과율(T1)을 연속적으로 측정하면, 막 두께(d1)가 증가함에 따라서 내부 투과율(T1)은 감소할 것이다. 그래서, 기판(22)의 내부 투과율(Tsub)을 「1」로 하고, 이때의 흡광도(A1)를 나타내면 (3)식과 같이 된다.
[식 3]
Figure 112009025945389-pat00003
예를 들어, 유기 EL 디스플레이의 발광층으로서 사용되는 대표적인 유기 박막인 Alq3의 소쇠 계수 k1은 파장 400[㎚]에 있어서 약 0.2이다. 따라서, Alq3의 박막(24)이 형성된 기판(22)에 대해 400[㎚]의 광을 조사하고, (3)식에 기초하여 흡광도(A1)를 측정하면, 박막(24)의 막 두께가 1[㎚] 변화될 때마다 흡광도(A1)는 약 0.006만큼 변화되게 된다. 이 정도의 변화이면, 고성능의 분광기를 사용함으로써 충분히 검출 가능하다.
(3)식에 나타낸 바와 같이 광흡수 현상만을 고려한 경우에는, 흡광도(A1)는 박막(24)의 막 두께에 비례하게 되므로, 이 흡광도(A1)의 시간적인 변화를 모니터함으로써, 예를 들어 박막(24)의 형성 속도를 일정하게 제어하는 것이 가능해질 것이다. 그러나, 실시의 측정 결과에서는, 박막 내부에서의 광간섭의 영향에 의해, 상술한 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같은 주기적인 「기복」이 발생해 버린다. 이 결과, 흡광도(A1)의 시간적인 변화만을 모니터한 것만으로는, 흡광도(A1)가 표준과는 상이한 변화를 나타낸 경우에, 그것이 광간섭의 영향에 의한 것인지, 혹은 박막 형성 프로세스 자체가 정상이 아닌 것에 의한 것인지를 구별할 수 없다.
그래서, 다음에 피측정물(OBJ) 내부의 광간섭 현상에 대해 검토한다.
도 7에 도시한 바와 같이, 진공 분위기와 박막(24)의 계면에 있어서의 반사율을 Rf로 하고, 진공 분위기로부터 박막(24)을 경유하여 기판(22)까지의 투과율[및 기판(22)으로부터 박막(24)을 경유하여 진공 분위기까지의 투과율]을 Tf로 하고, 기판(22)과 진공 분위기의 계면에 있어서의 반사율을 R0으로 하고, 기판(22)과 박막(24)의 계면에 있어서의 반사율을 Rg로 하고, 기판(22)에 입사하는 광의 파장에 있어서 흡수가 있다고 한 경우의 기판(22)의 내부 투과율을 Ti로 한다.
다음에, 진공 분위기와 박막(24)의 계면에 있어서의 진폭 반사율을 r01로 하고, 박막(24)과 기판(22)의 계면에 있어서의 진폭 반사율을 r12로 하고, 박막(24)의 계면 사이의 진폭 투과율을 t01로 하고, 기판(22)의 계면 사이의 진폭 투과율을 t12로 하면, 진공 분위기로부터 박막(24)을 통과한 후에 기판(22)의 계면에서 반사되는 광의 진폭 반사율(rf) 및 진공 분위기로부터 박막(24)을 통과한 후에 기판(22)에 입사하는 광의 진폭 투과율(tf)은 각각 (4)식과 같이 나타낼 수 있다. 또한, 진공 분위기를 첨자 「0」으로 나타내고, 박막(24)을 첨자 「1」로 나타내고, 기판(22) 을 첨자 「2」로 나타낸다.
[식 4]
Figure 112009025945389-pat00004
또한, 진공 분위기와 기판(22)의 계면에서 반사된 광이 기판(22)과 박막(24)의 계면에서 반사될 때의 진폭 반사율(rg)은 (5)식과 같이 나타낼 수 있다.
[식 5]
Figure 112009025945389-pat00005
상술한 (4)식 및 (5)식 중에 있어서, β는 간섭 위상각을 나타낸다. 이 간섭 위상각(β)은, (6)식과 같이 나타낼 수 있다.
[식 6]
Figure 112009025945389-pat00006
단, d는 박막의 막 두께, λ는 파장, n은 굴절률, ø는 입사각이다.
그런데, 일반적으로, 진폭 투과율 및 진폭 반사율은 p편광 성분(첨자 「p」)과 s편광 성분(첨자 「s」)에 대해 (7)식과 같이 나타낼 수 있다. 또한, 식 중의 첨자 「i」 및 「i－1」은 상술한 진공 분위기, 박막(24), 기판(22)의 각각에 할당 된 첨자의 어느 하나에 대응하고, øi는 i층(i ＝ 0, 1, 2)에 대한 광의 입사각이다.
[식 7]
Figure 112009025945389-pat00007
단, Ni는 i층의 복소 굴절률이다.
상술한 반사율(Rf), 투과율(Tf), 반사율(Rg)과, 진폭 반사율(rf), 진폭 투과율(tf), 진폭 반사율(rg)의 관계는 (8)식과 같이 나타낼 수 있다.
[식 8]
Figure 112009025945389-pat00008
기판(22) 상에 박막(24)이 형성된 피측정물(OBJ)의 「실제」 투과율(T)(true transmissivity)은 (9)식과 같이 나타낼 수 있다.
[식 9]
Figure 112009025945389-pat00009
한편, 박막(24)이 형성되기 전의 기판(22) 단체의 투과율(Tsub)은 (10)식과 같이 나타낼 수 있다.
[식 10]
Figure 112009025945389-pat00010
(9)식 및 (10)식으로부터, 기판(22) 상에 박막(24)이 형성된 피측정물(OBJ)의 「실제」 흡광도(A)는 (11)식과 같이 나타낼 수 있다.
[식 11]
Figure 112009025945389-pat00011
(11)식에 나타내는 피측정물(OBJ)의 「실제」 흡광도(A)에 포함되는 반사율(Rf, Rg) 및 투과율(Tf)은, (4), (5), (8), (9)식에 나타낸 바와 같이 피측정물(OBJ) 내부에서의 광간섭에 기인하는 간섭 인자인 간섭 위상각(β)을 포함하고 있다. 이 간섭 위상각(β)은 「각도」이므로, (4)식 및 (5)식 중의 e-j2β는 주기적으로 변화된다. 즉, 박막(24)의 성장에 따라서 박막 내부에서의 광간섭의 영향이 나타나는 것을 의미한다.
또한, 실제의 측정에 있어서는, 피측정물(OBJ)에 조사된 광의 일부는 진공 분위기와 박막(24)의 계면에서 반사되고, 또한 다른 일부는 박막(24)과 기판(22)의 계면에서 반사된다. 또한, 기판(22)의 내부에서도 광은 내부 반사를 반복한다.
이상과 같이, 피측정물(OBJ) 내부에서는 광간섭 현상이 발생하므로, 측정되는 흡광도(A)는, (3)식에 나타낸 바와 같은 박막의 막 두께에 비례하는 관계가 아니라, 주기적으로 기복이 있는 곡선이 된다.
<본 실시 형태에 따른 상태 측정 장치에 있어서의 광학적 현상>
측정되는 흡광도(A)의 값이 박막(24)의 막 두께의 변화에 비례하지 않는 원인은, 박막 내부에서의 광간섭에 기인하는 간섭 위상각(β)이 존재하기 때문이다.
도 8을 참조하여, 피측정물(OBJ)에서 발생하는 광간섭을 설명한다. 도 8에 도시한 바와 같이, 피측정물(OBJ)에 조사된 광 중, 박막(24)을 투과하여 기판(22)으로 입사하는 광과, 박막(24)과 기판(22)의 계면에서 반사된 후, 진공 분위기와 박막(24)의 계면에서 다시 반사되는 광 사이에서는 광간섭이 발생할 수 있다. 간섭 위상각(β)은 이와 같은 광간섭을 반영한 것이다.
따라서, 이들 2개의 계면에 있어서 반사되는 광을 억제할 수 있으면, 박막 내부에서의 광간섭은 발생하지 않고, 바꿔 말하면, 박막(24)의 막 두께 변화에 의한 흡광도(A)의 주기 변동은 일어나지 않게 된다.
그런데, p편광 성분에만 착안하면, (7)식으로부터, 박막(24)(첨자 「1」)과 기판(22)(첨자 「2」)의 계면에 있어서의 진폭 반사율[r(p) 12] 및 박막(24)(첨자 「1 」)과 진공 분위기(첨자 「0」)의 계면에 있어서의 진폭 반사율[r(p) 10]은 (12)식과 같이 나타낼 수 있다.
[식 12]
Figure 112009025945389-pat00012
(12)식에 있어서, 이하의 (13)식 또는 (14)식의 조건이 성립하도록 측정을 행하면, 진폭 반사율[r(p) 12] ＝ 0 또는 진폭 반사율[r(p) 10] ＝ 0이 된다.
[식 13]
Figure 112009025945389-pat00013
[식 14]
Figure 112009025945389-pat00014
즉, 진폭 반사율[r(p) 12] ＝ 0이면, 박막(24)과 기판(22)의 계면에서 반사가 발생하지 않으므로, 박막(24)과 진공 분위기의 계면에서 반사되는 광이 존재해도, 박막 내부에서의 광간섭이 발생하지 않는다. 한편, 진폭 반사율[r(p) 10] ＝ 0이면, 박막(24)과 진공 분위기의 계면에서 반사가 발생하지 않으므로, 박막(24)과 기판(22)의 계면에서 반사되는 광이 존재해도, 박막 내부에서의 광간섭이 발생하지 않는다.
진공 분위기로부터 박막(24)으로의 광의 입사각을 ø0으로 하고, 진공 분위기의 복소 굴절률(N0)을 「1」로 하면, (13)식 및 (14)식은 각각 이하의 (15)식 및 (16)식과 같이 변형할 수 있다.
[식 15]
Figure 112009025945389-pat00015
[식 16]
Figure 112009025945389-pat00016
(15)식은 피측정물(OBJ)에 광을 조사한 경우에, 박막(24)과 기판(22)의 계면에 있어서 p편광 성분의 반사를 발생시키지 않는 입사각(ø0)의 값을 의미하고 있다. 또한, (16)식은 피측정물(OBJ)에 광을 조사한 경우에, 박막(24)과 진공 분위기의 계면에 있어서 p편광 성분의 반사를 발생시키지 않는 입사각(ø0)의 값을 의미하고 있다.
즉, (15)식 및 (16)식을 만족시는 입사각(ø0)은, 각각 박막(24)과 기판(22)의 계면 및 박막(24)과 진공 분위기의 계면에 대한 (유사)브루스터각(Brewster angle)에 상당한다. 다른 관점에서 보면, (15)식 및 (16)식을 만족시키는 입사각 (ø0)은 각각 박막(24)과 기판(22)의 계면 및 박막(24)과 진공 분위기의 계면에 있어서, p편광 성분에 대한 진폭 반사율이 극소치가 되는 각도라고도 할 수 있다.
이와 같이, p편광 성분에 대해서는, 흡광도(A)에 주기적인 변동을 발생시키는 간섭 위상각(β)의 영향을 제로로 할 수 있다.
한편, s편광 성분에 대해서는, (유사)브루스터각과 같은 임계적인 관계는 성립하지 않고, 그 진폭 반사율이 극소치를 취하는 입사각은 존재하지 않는다. 바꿔 말하면, s편광 성분에 대해서는, 흡광도(A)에 주기적인 변동을 발생시키는 간섭 인자의 영향을 제로로 할 수는 없다.
이상의 수학적인 검토에 의해 나타낸 바와 같이, 흡광도(A)에 주기적인 변동을 발생시키는 간섭 위상각(β)의 영향을 제로로 하기 위해서는, 피측정물(OBJ)에 대해, s편광 성분을 최대한 저감시키고, p편광 성분을 주체로 하는 광을, (15)식 또는 (16)식을 만족시키는 입사각(ø0)으로 조사하면 되는 것을 알 수 있다.
도 9를 참조하여, 본 실시 형태에 따른 상태 측정 장치(100)에서는 편광 제어부(8)가 조사부(6)로부터 조사되는 광으로부터 s편광 성분을 억제하여, p편광 성분을 주체로 하는 광이 조사광으로서 소정의 입사각(ø0)으로 피측정물(OBJ)로 조사된다. 그리고, 수광부(10)는 피측정물(OBJ)을 투과한 광(투과광)을 수광하고, 이 수광된 광의 강도에 기초하여 기판(22) 상에 형성된 박막(24)의 막 두께가 측정된다.
또한, 조사부(6)는 박막(24)이 형성되는 측으로부터 기판(22)을 향해 조사광 을 조사한다.
<적용예>
일례로서, 유기 EL 디스플레이에 사용되는 디바이스의 박막의 상태 측정에 대해 설명한다.
유기 EL 디스플레이의 발광층으로서 사용되는 대표적인 유기 박막인 Alq3의 복소 굴절률(N1)은 파장 400[㎚]에 있어서 1.8－j0.2이다. 이 복소 굴절률(N1)의 값을 사용하여, (16)식에 따라서 입사각(ø0)을 산출하면, 입사각(ø0) ＝ 61°를 얻을 수 있다. 또한, (15)식에 따라서 입사각(ø0)을 산출하면, 입사각(ø0) ≒ 80°를 얻을 수 있다. 그러나, 이 (15)식을 따라서 산출되는 입사각(ø0)은 피측정물(OBJ)에 대해 수평에 가까운 방향으로부터 조사광을 조사할 필요가 있고, 공간이 한정된 진공 챔버(200) 내의 막 두께 측정을 고려하면, 현실적인 값이 아니므로, 채용하지 않았다. 당연히, 막 두께 측정의 환경에 따라서는, (15)식에 따라서 산출되는 입사각(ø0)을 채용해도 좋다.
따라서, 기판(22) 상에 Alq3의 박막을 형성하는 박막 형성 프로세스에 있어서, 조사광으로서 파장 400[㎚]의 단일 파장광을 채용한 경우에는, 조사광의 기판(22)[피측정물(OBJ)]으로의 입사각(ø0)을 61°로 설정함으로써, 박막의 막 두께의 비례한 흡광도(A1)를 모니터할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 형태에 따른 상태 측정 장치(100)를 사용하여 박 막(24)의 흡광도를 측정한 결과이다. 또한, 도 10에 도시하는 측정 결과는 도 5에 도시하는 측정 결과와 동일한 피측정물(OBJ)로부터 얻은 것이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태에 따른 상태 측정 장치(100)를 사용하여 박막(24)의 투과율(파장 특성)을 측정한 결과이다. 또한, 도 11에 나타내는 측정 결과는 도 6에 나타내는 측정 결과와 동일한 피측정물(OBJ)로부터 얻은 것이다.
도 10을 참조하여, 본 실시 형태에 따른 상태 측정 장치(100)를 사용하여, 조사광을 기판(22)[피측정물(OBJ)]에 적절한 입사각으로 조사함으로써, 기판(22) 상에 형성되는 박막(24)의 막 두께에 비례한 흡광도를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도 11을 참조하여, 복소 굴절률(굴절률 및 소쇠 계수)이 대략 일정해지는 450[㎚] 이상의 파장 대역에서는, 조사광의 파장에 의존하지 않고, 대략 일정한 투과율이 얻어지는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 상태 측정 장치(100)를 사용함으로써, 박막(24)의 막 두께와 흡광도의 비례 관계가 무너지는 부분(기복부) 및 조사광의 파장에 의존하여 투과율이 변동되는 부분(기복부) 모두를 해소할 수 있다.
<입사각에 대한 검토>
상술한 설명에서는 조사광을 (15)식 또는 (16)식을 만족시키는 입사각(ø0)으로 조사하는 경우에 대해 예시하였으나, 이하에 설명하는 바와 같이, (15)식 또는 (16)식을 만족시키는 입사각(ø0)과 완전히 동일한 값을 채용하지 않아도 좋다. 즉, 필요한 측정 정밀도 등에 따라서 (15)식 또는 (16)식을 만족시키는 입사각(ø0) 을 포함하는 소정의 각도 범위 내의 입사각을 채용하면 된다.
투과광과의 사이에서 광간섭을 발생하는 내부 반사광은 박막(24)과 기판(22)의 계면에서 반사된 후, 박막(24)과 진공 분위기의 계면에서 다시 반사된 광이다. 따라서, 투과광과 광간섭이 발생하는 p편광 성분의 내부 반사광은 (17)식과 같이 나타낼 수 있다.
[식 17]
Figure 112009025945389-pat00017
또한, (17)식은 박막(24)과 기판(22)의 계면에 있어서의 p편광 성분의 반사율과, 박막(24)과 진공 분위기의 계면에 있어서의 p편광 성분의 반사율과의 곱을 나타낸다.
도 12는 피측정물(OBJ)에 있어서 투과광과 광간섭이 발생하는 내부 반사광(p편광 성분)의 반사율 특성을 나타내는 도면이다. 또한, 도 12는 상술한 (17)식을 입사각(ø0)에 대해 플롯(plot)한 그래프이다.
도 12를 참조하여, 피측정물(OBJ)에 있어서 투과광과 광간섭이 발생하는 내부 반사광(p편광 성분)은, 입사각(ø0)이 약 70°인 경우에 극소치(제로)를 취한다. 이는, 박막(24)과 기판(22)의 계면에서의 반사율 및 박막(24)과 진공 분위기의 계 면에서의 반사율의 어느 하나의 영향을 받기 때문이다. 바꿔 말하면, 조사광의 입사각(ø0)을 박막(24)과 기판(22)의 계면에 대한 (유사)브루스터각[이 경우에는, 입사각(ø0) ＝ 61°] 또는 박막(24)과 진공 분위기의 계면에 대한 (유사)브루스터각[이 경우에는, 입사각(ø0) ≒ 80°]과 완전히 일치시키지 않아도, 적어도 양자 사이에 있는 입사각이면, 내부 반사광을 충분히 저감시킬 수 있는 것을 의미한다. 또한, 입사각(ø0)이 0°인 경우의 반사율이 약 0.080[％](최대치)인 것을 고려하면, 입사각(ø0)이 45°라 하더라도 그것의 약 1/4인 0.020[％]에 지나지 않는다.
본 실시 형태에 따른 상태 측정 장치(100)는 박막의 막 두께와 흡광도 사이의 비례 관계가 무너지는 부분(기복부)을 저감시키는 것을 목적으로 하는 것이다. 그로 인해, 투과광과 광간섭이 발생하는 내부 반사광(p편광 성분)을 입사각(ø0)이 0°인 경우에 비교하여, 약간이라도 작게 할 수 있으면, 그 효과를 달성할 수 있다. 즉, 조사광의 입사각(ø0)을 비제로의 임의의 각도로 함으로써, 기판(22) 상에 형성되는 박막(24)의 상태를 고정밀도로 측정할 수 있다.
따라서, 본 실시 형태에 따른 상태 측정 장치(100)에서는, 조사광의 입사각(ø0)은 (15)식 또는 (16)식을 만족시키는 입사각(ø0)을 포함하는 허용 범위 내의 어느 하나의 값이면 된다. 구체적인 허용 범위의 일례로서, 조사광의 입사각(ø0) ＝ 0°인 경우의 반사율(최대치)에 비교하여, 그 값이 약 1/4 이하가 되는 각도 범위로 할 수 있다. 보다 바람직하게는, (16)식을 만족시키는 입사각(ø0)과 (15)식을 만족시키는 입사각(ø0) 사이를 허용 범위로 할 수 있다.
혹은, 도 12에 도시한 바와 같이, (16)식을 만족시키는 입사각(ø0)(＝ 61°)에 대해 약 －25° 내지 약 ＋10°의 범위를 허용 범위로 할 수 있다. 이는, 진공 챔버(200) 내에서의 배치를 고려한 경우에, 보다 작은 입사각이 바람직하기 때문이다. 보다 바람직하게는, (16)식을 만족시키는 입사각(ø0)을 포함하는 적어도 ±10°의 범위를 허용 범위로 할 수 있다.
도 13을 참조하여, 조사광의 입사각(ø0)과 흡광도(A1)의 선형성과의 관계를 설명한다. 도 13에는 4종류의 입사각(ø0)(0°, 30°, 50°, 60°)의 각각에 대해, 피측정물(OBJ)의 흡광도의 측정 결과를 나타낸다.
입사각(ø0) ＝ 50° 및 입사각(ø0) ＝ 60°인 경우에는, 박막의 막 두께와 흡광도 사이에는 실용상 충분한 비례 관계가 유지되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 입사각(ø0) ＝ 30 °인 경우에는, 주기적인 「기복」이 약간 발생하고 있으나, 이 경우라도, 입사각(ø0) ＝ 0°인 경우에 비교하여 그 비례 관계가 크게 개선되어 있는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 조사광의 입사각(ø0)에 대해서는, 반드시 (15)식 또는 (16)식을 만족시키는 각도와 완전히 동일하게 할 필요는 없고, 소정의 허용 범위 내에 있는 비제로의 각도를 사용할 수 있다.
<연산 처리부의 구성>
도 14를 참조하여, 연산 처리부(16)는 대표적으로 컴퓨터에 의해 실현되어, 오퍼레이팅 시스템(OS : Operating System)을 포함하는 각종 프로그램을 실행하는 CPU(Central Processing Unit)(160)와, CPU(160)에서의 프로그램의 실행에 필요한 데이터를 일시적으로 기억하는 메모리부(166)와, CPU(160)에서 실행되는 프로그램을 불휘발적으로 기억하는 하드 디스크부(HDD : Hard Disk Drive)(165)를 포함한다. 또한, 하드 디스크부(165)에는, 후술하는 바와 같은 처리를 실현하기 위한 프로그램이 미리 기억되어 있고, 이와 같은 프로그램은 FD 드라이브(168) 또는 CD-ROM 드라이브(167)에 의해, 각각 플렉시블 디스크(168a) 또는 CD-ROM(Compact Disk-Read Only Memory)(167a) 등으로부터 판독된다.
CPU(160)는 키보드나 마우스 등으로 이루어지는 입력부(164)를 통해 사용자 등으로부터의 지시를 수취하는 동시에, 프로그램의 실행에 의해 측정되는 측정 결과 등을 디스플레이부(162)로 출력한다.
인터페이스부(163)는 검출기(14)(도 1)와 데이터 통신 가능하게 접속되어, 검출기(14)로부터 출력되는 투과광의 강도를 나타내는 신호를 수신한다. 혹은, 인터페이스부(163)는 박막 형성 프로세스의 제어 장치(도시하지 않음)에 대해, 프로세스를 제어하기 위한 신호를 출력한다.
<연산 처리부의 제어 구조>
도 15는 본 발명의 실시 형태에 따른 상태 측정 장치(100)의 연산 처리 부(16)의 제어 구조를 도시하는 블럭도이다. 도 15에 도시하는 블럭도는 연산 처리부(16)의 CPU(160)가 하드 디스크부(165) 등에 미리 저장된 프로그램을 메모리부(166) 등에 로드하여 실행함으로써 실현된다.
도 15를 참조하여, 연산 처리부(16)는 제어 구조로서, 절환부(110)와, 제1 레지스터(112)와, 제2 레지스터(114)와, 흡광도 산출부(116)와, 데이터 버퍼(118)와, 그래프 표시부(120)와, 막 생성 속도 산출부(122)와, 프로세스 제어부(124)와, 막 두께 산출부(126)와, 검량선 파일(128)을 포함한다.
절환부(110)는 검출기(14)(도 1)로부터 출력되는 투과광의 강도를 나타내는 신호를 수신하여, 절환 지령에 따라서 당해 신호를 제1 레지스터(112) 및 제2 레지스터(114)의 어느 한쪽에 선택적으로 출력한다. 제1 레지스터(112)는 박막 형성 프로세스 등의 실행 중(즉, 막 두께의 성장 중)에 있어서의 피측정물(OBJ)의 투과광의 강도를 나타내는 값(계측치)(I)을 저장한다. 한편, 제2 레지스터(114)는 박막 형성 프로세스 등의 실행 전의 피측정물(OBJ)(즉, 박막이 형성되어 있지 않은 기판 단체의 상태)의 투과광의 강도를 나타내는 값(레퍼런스치)(Isub)을 저장한다. 보다 구체적으로는, 절환부(110)는 검출기(14)로부터 출력되는 투과광의 강도를 나타내는 신호를, 외부로부터의 레퍼런스/계측 절환 지령에 따라서 제1 레지스터(112) 및 제2 레지스터(114)의 어느 한쪽에 저장한다. 또한, 제1 레지스터(112)에 저장되는 값은 검출기(14)로부터의 출력의 갱신에 수반하여 순차적으로 갱신된다.
흡광도 산출부(116)는 제1 레지스터(112) 및 제2 레지스터(114)에 각각 저장되는 값을 사용하여 흡광도를 산출한다. 보다 구체적으로는, 흡광도 산출부(116)는 제1 레지스터(112)에 저장되는 계측치(I)를 제2 레지스터(114)에 저장되는 레퍼런스치(Isub)로 나눈 후, 그 몫에 대한 로그를 계산함으로써, 흡광도(A)[＝ －ln(I/Isub)]를 산출한다. 또한, 흡광도 산출부(116)는 제1 레지스터(112)에 저장되는 값이 갱신될 때마다 흡광도를 산출한다.
데이터 버퍼(118)는 흡광도 산출부(116)에서 순차적으로 산출되는 흡광도를 소정 기간에 걸쳐서 시계열로 저장한다.
그래프 표시부(120)는 데이터 버퍼(118)에 저장되는 흡광도의 시계열의 데이터에 기초하여 흡광도의 시간적 변화를 나타내는 그래프를 작성하고, 그 그래프를 디스플레이부(162)(도 14) 등에 표시시킨다. 또한, 흡광도는 피측정물의 박막의 막 두께에 비례하므로, 흡광도의 시간적 변화는 박막의 막 두께의 시간적 변화라고 간주할 수 있다.
막 생성 속도 산출부(122)는 데이터 버퍼(118)에 시계열로 저장되는 흡광도의 데이터에 기초하여 단위 시간당으로 성장한 박막의 막 두께를 산출하여, 그 값을 막 생성 속도로서 출력한다.
프로세스 제어부(124)는 막 생성 속도 산출부(122)로부터 출력되는 막 생성 속도에 기초하여, 대상으로 하는 박막 형성 프로세스에 대한 제어 지령을 부여한다. 보다 구체적으로는, 많은 박막 형성 프로세스에서는 박막을 균일 속도로 형성 하는 것이 바람직하므로, 프로세스 제어부(124)는 막 생성 속도가 일정한 목표치를 유지하도록, 증발원(300)(도 1)으로부터의 박막 재료의 방산량 등을 제어한다. 상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 상태 측정 장치(100)는 박막의 막 두께와 비례한 흡광도를 측정할 수 있으므로, 이와 같은 막 생성 속도의 제어를 고정밀도로 행할 수 있다.
막 두께 산출부(126)는 미리 취득해 둔 검량선을 참조하여, 흡광도 산출부(116)에서 산출되는 흡광도로부터 피측정물(OBJ)에 형성된 박막의 막 두께를 산출하여, 그 값을 출력한다. 보다 구체적으로는, 검량선 파일(128)은 기판 상에 형성되는 박막의 재질별로 1개 이상의 검량선을 저장하고 있다. 또한, 각각의 검량선은 막 두께가 기지의 샘플을 사용하여 실험적으로 취득할 수 있다. 막 두께 산출부(126)는 외부로부터의 재질 정보에 따라서 검량선 파일(128)로부터 대응의 검량선을 참조함으로써, 그 검량선 상에 있어서 흡광도 산출부(116)로부터의 흡광도에 대응하는 막 두께를 취득한다.
상술한 바와 같이, (1) 흡광도(막 두께)의 시간적 변화를 표시하는 구성[데이터 버퍼(118) 및 그래프 표시부(120)], (2) 막 생성 속도를 산출하는 구성[데이터 버퍼(118), 막 생성 속도 산출부(122)], (3) 박막 형성 프로세스를 제어하는 구성[데이터 버퍼(118), 막 생성 속도 산출부(122), 프로세스 제어부(124)], (4) 막 두께를 산출하는 구성[막 두께 산출부(126), 검량선 파일(128)]의 합계 4종류의 연산 처리를 포함하는 연산 처리부(16)의 구성에 대해 예시하였다. 그러나, 상술한 4종류의 연산 처리가 반드시 모두 필요하지는 않아, 대상으로 하는 박막 형성 프로 세스에 따라서 필요한 기능 및 그것에 대응하는 구성을 채용하면 된다.
<처리 수순>
도 16을 참조하여, 우선 기판 반입 기구(도시하지 않음) 또는 사용자가, 진공 챔버(200)(도 1) 내에 기판(22)을 배치한다(스텝 S100). 그리고, 피측정물(OBJ)에 대한 조사광의 입사각이 소정의 각도가 되도록, 조사부(6) 및 수광부(10)가 배치 및/또는 조정된다(스텝 S102). 다음에, 진공 펌프(도시하지 않음)가 진공 챔버(200) 내를 감압하여 진공 상태를 형성한다(스텝 S104).
계속해서, 사용자 등으로부터의 지령에 따라서 상태 측정 장치(100)의 연산 처리부(16)가 광원(2)에 조사 지령을 부여한다. 그러면, 광원(2)은 조사광을 발생하고, 이 조사광은 광파이버(4), 조사부(6) 및 편광 제어부(8)를 통과한 후, 기판(22)을 향해 조사된다(스텝 S106). 이 조사광의 일부는 기판(22)을 통과하여, 기판(22)의 조사면과 반대측의 면으로부터 투과광으로서 출사된다. 투과광은 수광부(10) 및 광파이버(12)를 통과한 후, 검출기(14)로 입사된다. 검출기(14)는 이 투과광의 강도를 검출하여, 그 검출 결과를 연산 처리부(16)로 출력한다. 연산 처리부(16)는 검출기(14)로부터의 투과광의 강도를 레퍼런스치(Isub)로서 저장한다(스텝 S108).
이 레퍼런스치(Isub)의 저장 후, 기판(22) 상으로의 박막 형성 프로세스가 개시된다(스텝 S110). 즉, 진공 챔버(200) 내에 배치된 증발원(300)은 박막 재료의 방산을 개시한다.
이 박막 형성 프로세스의 개시에 수반하여, 광원(2)이 조사광의 발생을 개시한다(스텝 S112). 또한, 연산 처리부(16)는 검출기(14)에서 검출되는 투과광의 강도를 계측치(I)로서 순차적으로 저장한다(스텝 S114). 또한, 연산 처리부(16)는 필요한 연산 처리(흡광도 및/또는 막 두께의 시간적 변화의 표시, 막 생성 속도의 산출, 박막 형성 프로세스의 제어, 막 두께의 산출 등)를 실행한다(스텝 S116).
또한, 연산 처리부(16)는 박막 형성 프로세스가 종료되었는지 여부를 판단한다(스텝 S118). 박막 형성 프로세스가 종료되어 있지 않으면(스텝 S118에 있어서 아니오), 스텝 S114 이후의 처리를 반복한다.
박막 형성 프로세스가 종료되어 있으면(스텝 S118에 있어서 예), 처리는 종료된다.
<제1 변형예>
상술한 실시 형태에서는, 조사부(6), 편광 제어부(8) 및 수광부(10)를 진공 챔버 내에 배치한 구성에 대해 예시하였으나, 이들 부위를 진공 챔버 외부에 배치해도 좋다.
도 17을 참조하여, 본 발명의 실시 형태의 제1 변형예에 따른 상태 측정 장치(100A)는 관찰창(202 및 204)을 설치한 진공 챔버(200A)의 주위에 배치된다. 관찰창(202)은 진공 챔버(200A)의 한쪽면에 설치되어 있고, 관찰창(204)은 진공 챔버(200B)의 관찰창(202)이 설치된 면과는 반대의 면에 설치되어 있다. 그리고, 조사부(6) 및 편광 제어부(8)는 관찰창(202)을 통해 입사광이 조사되도록 관찰창(202)의 근방에 배치되고, 수광부(10)는 관찰창(204)을 통해 투과광을 수광할 수 있도록 관찰창(204)의 근방에 배치된다.
또한, 조사부(6) 및 편광 제어부(8)와, 수광부(10)는 연결 막대(210)에 의해 기계적으로 연결되어 있고, 이에 의해 양자는 동일한 축선 상에 배치된 상태를 유지한다. 이 연결 막대(210)의 중간점은 모터(212)의 축과 기계적으로 연결되어 있다. 그로 인해, 조사부(6), 편광 제어부(8) 및 수광부(10)는 동일한 축선 상의 위치 관계를 유지하면서 소정의 회전축을 중심으로 회전 가능해진다. 이와 같은 구성에 의해, 조사부(6), 편광 제어부(8) 및 수광부(10)는 피측정물(OBJ)에 형성되는 박막의 재질 등에 따라서 조사광의 입사각을 적절하게 조정할 수 있다.
즉, 상술한 (15)식 및 (16)식에 나타낸 바와 같이, 조사광의 최적의 입사각(ø0)은 박막의 복소 굴절률이나 기판의 복소 굴절률에 따라서 변동되지만, 도 17에 도시한 바와 같은 구성을 채용함으로써, 피측정물(OBJ)의 재질에 의한 입사각(ø0)의 변동을 조정할 수 있다. 또한, 연산 처리부(16)는 외부 입력되는 재질 정보에 따라서 적절한 입사각(ø0)을 산출하고, 실제의 조사광의 입사각이 당해 적절한 값이 되도록 모터(212)에 지령을 부여하도록 해도 좋다.
그 밖의 구성에 대해서는, 상술한 실시 형태에 따른 상태 측정 장치(100)와 마찬가지이므로, 상세한 설명은 반복하지 않는다.
<제2 변형예>
상술한 실시 형태 및 제1 변형예에서는 진공 증착법을 사용한 박막 형성 프로세스에 적용하는 경우의 구성에 대해 예시하였으나, 박막 형성 프로세스의 후공 정 등에 적용할 수도 있다. 예를 들어, 기판에 유기 재료를 도포함으로써 박막을 형성하는 프로세스에 있어서, 부분적인 도포 불균일을 검출하기 위해 본 발명에 관한 상태 측정 장치를 적용해도 좋다.
도 18을 참조하여, 본 발명의 실시 형태의 제2 변형예에 따른 상태 측정 장치(100B)는 연속적으로 반송되는 피측정물(OBJ)을 측정 대상으로 하고, 피측정물(OBJ)의 반송 경로를 따라서 배치된다.
상술한 본 발명의 실시 형태의 제1 변형예에 따른 상태 측정 장치(100A)와 마찬가지로, 조사부(6) 및 편광 제어부(8)와, 수광부(10)는 연결 막대(210)에 의해 기계적으로 연결되어 있고, 피측정물(OBJ)에 형성되는 박막의 재질 등에 따라서 조사광의 입사각을 적절하게 조정할 수 있다.
그 밖의 구성에 대해서는, 상술한 실시 형태에 따른 상태 측정 장치(100) 및 실시 형태의 제1 변형예에 따른 상태 측정 장치(100A)와 마찬가지이므로, 상세한 설명은 반복하지 않는다.
또한, 상술한 실시 형태 및 그 제1 및 제2 변형예에서는, 박막이 형성되는 측으로부터 조사광을 조사하는 구성에 대해 예시하였으나, 반대측, 즉 기판측으로부터 조사광을 조사하도록 해도 좋다. 이 경우의 입사각에 대해서도, (15)식 및 (16)식에 기초하여 결정할 수 있다.
<본 실시 형태에 의한 작용 효과>
본 실시 형태에 따르면, 박막 생성 프로세스의 처리마다 어떤 부품을 교환할 필요가 없으므로 비용을 억제할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 따르면, 반사형이 아닌 투과형의 측정 방법을 채용하므로, 피측정물에 대한 엄밀한 초점 조정 등이 불필요해지는 동시에, SN(Signal to Nose)비를 높게 할 수 있다. 또한, 피측정물과 조사부의 위치 관계에 대해서도 엄밀한 조정이 불필요하므로, 피측정물의 형상에 대해 로버스트(robust)가 된다.
또한, 본 실시 형태에 따르면, p편광 성분을 주체로 하는 조사광을, 비제로의 입사각으로 피측정물에 조사함으로써, 피측정물의 내부에서 발생하는 광간섭에 수반하는 오차 요인을 저감시킬 수 있다. 이에 의해, 기판 상의 박막의 성장에 수반하는 측정 결과의 「기복」이나, 파장 의존성의 「기복」 등을 저감시킬 수 있다. 이에 의해, 기판 상에 형성되는 박막의 막 두께에 비례한 측정 결과를 얻을 수 있다. 이 측정 결과를 모니터함으로써, 예를 들어 박막 형성 프로세스를 치밀하게 제어하여 박막의 형성 속도를 일정하게 할 수 있다.
[그 밖의 실시 형태]
본 발명에 관한 프로그램은 컴퓨터의 오퍼레이팅 시스템(OS)의 일부로서 제공되는 프로그램 모듈 중, 필요한 모듈을 소정의 배열로 소정의 타이밍으로 호출하여 처리를 실행시키는 것이라도 좋다. 그 경우, 프로그램 자체에는 상기 모듈이 포함되지 않고 OS와 협동하여 처리가 실행된다. 이와 같은 모듈을 포함하지 않는 프로그램도, 본 발명에 관한 프로그램에 포함될 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 프로그램은 다른 프로그램의 일부에 포함되어 제공되는 것이라도 좋다. 그 경우에도, 프로그램 자체에는 상기 다른 프로그램에 포함되는 모듈이 포함되지 않고, 다른 프로그램과 협동하여 처리가 실행된다. 이와 같은 다른 프로그램에 포함된 프로그램도, 본 발명에 관한 프로그램에 포함될 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 프로그램에 의해 실현되는 기능의 일부 또는 전부를 전용의 하드웨어에 의해 구성해도 좋다.
본 발명을 상세하게 설명하여 나타냈으나, 이는 예시를 위한 것일 뿐이며, 한정하여 취해서는 안되고, 발명의 범위는 첨부한 청구범위에 의해 해석되는 것이 명백하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 상태 측정 장치의 개략 구성을 도시하는 모식도.
도 2는 도 1에 도시하는 피측정물의 대표적인 구조를 도시하는 모식도.
도 3은 유기 EL 디스플레이의 박막 재료로서 사용되는 유기 화합물의 광학 특성의 일례를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명에 관련되는 상태 측정 장치의 주요부를 도시하는 모식도.
도 5는 도 4에 도시하는 본 발명에 관련되는 상태 측정 장치를 사용하여 박막의 흡광도를 측정한 결과를 나타내는 도면.
도 6은 도 4에 도시하는 본 발명에 관련되는 상태 측정 장치를 사용하여 박막의 투과율(파장 특성)을 측정한 결과를 나타내는 도면.
도 7은 피측정물에 있어서의 광학적 현상을 설명하기 위한 모식도.
도 8은 피측정물에서 발생하는 광간섭을 설명하기 위한 모식도.
도 9는 본 발명의 실시 형태에 따른 상태 측정 장치의 주요부를 도시하는 모식도.
도 10은 본 발명의 실시 형태에 따른 상태 측정 장치를 사용하여 박막의 흡광도를 측정한 결과를 나타내는 도면.
도 11은 본 발명의 실시 형태에 따른 상태 측정 장치를 사용하여 박막의 투과율(파장 특성)을 측정한 결과를 나타내는 도면.
도 12는 피측정물에 있어서 투과광과 광간섭이 발생하는 내부 반사광(p편광 성분)의 반사율 특성을 나타내는 도면.
도 13은 조사광의 입사각과 흡광도의 선형성의 관계를 설명하기 위한 도면.
도 14는 본 발명의 실시 형태에 따른 상태 측정 장치의 연산 처리부의 개략의 하드웨어 구성을 도시하는 모식도.
도 15는 본 발명의 실시 형태에 따른 상태 측정 장치의 연산 처리부의 제어 구조를 도시하는 블럭도.
도 16은 본 발명의 실시 형태에 따른 상태 측정 장치를 사용하여 피측정물을 측정하는 처리 수순을 도시하는 흐름도.
도 17은 본 발명의 실시 형태의 제1 변형예에 따른 상태 측정 장치의 개략 구성을 도시하는 모식도.
도 18은 본 발명의 실시 형태의 제2 변형예에 따른 상태 측정 장치의 개략 구성을 도시하는 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
2 : 광원
4, 12 : 광파이버
6 : 조사부
8 : 편광 제어부
10 : 수광부
12 : 광파이버
14 : 검출기
16 : 연산 처리부
22 : 기판
24 : 박막
100, 100A, 100B : 상태 측정 장치
110 : 절환부
112, 114 : 레지스터
116 : 흡광도 산출부
118 : 데이터 버퍼
120 : 그래프 표시부
122 : 막 생성 속도 산출부
124 : 프로세스 제어부
126 : 막 두께 산출부
128 : 검량선 파일
160 : CPU
162 : 디스플레이부
163 : 인터페이스부
164 : 입력부
165 : 하드 디스크부
166 : 메모리부
167 : CD-ROM 드라이브
167a : CD-ROM
168 : FD 드라이브
168a : 플렉시블 디스크
200, 200A, 200B : 진공 챔버
202, 204 : 관찰창
210 : 연결 막대
212 : 모터
300 : 증발원
OBJ : 피측정물

Claims (10)

  1. 기판 상에 형성되는 막의 상태를 측정하는 상태 측정 장치이며,
    단일 파장의 광을 발생하는 광원과,
    상기 광원으로부터의 광을 비제로의 입사각으로 상기 기판에 조사하는 조사부와,
    상기 조사부로부터 조사되는 광의 광축 상에 배치되어, 상기 기판을 투과한 광을 수광하는 수광부와,
    상기 광원으로부터 상기 기판까지의 광학 경로 상에 배치되어, 상기 기판에 조사되는 s편광 성분을 억제하는 편광 제어부와,
    상기 수광부에서 수광된 광의 강도를 검출하는 검출부와,
    상기 검출부에서 검출된 강도에 기초하여 상기 기판 상에 형성된 막의 상태치를 산출하는 연산 처리부를 구비하고,
    상기 비제로의 입사각은 상기 막과 상기 기판의 계면에 있어서의 p편광 성분의 반사율과, 상기 막과 상기 기판의 주변 분위기의 계면에 있어서의 p편광 성분의 반사율의 곱이, 입사각을 제로로 한 경우의 값에 비교하여 1/4 이하가 되는 각도 범위 내의 값인, 상태 측정 장치.
  2. 기판 상에 형성되는 막의 상태를 측정하는 상태 측정 장치이며,
    단일 파장의 광을 발생하는 광원과,
    상기 광원으로부터의 광을 비제로의 입사각으로 상기 기판에 조사하는 조사부와,
    상기 조사부로부터 조사되는 광의 광축 상에 배치되어, 상기 기판을 투과한 광을 수광하는 수광부와,
    상기 광원으로부터 상기 기판까지의 광학 경로 상에 배치되어, 상기 기판에 조사되는 s편광 성분을 억제하는 편광 제어부와,
    상기 수광부에서 수광된 광의 강도를 검출하는 검출부와,
    상기 검출부에서 검출된 강도에 기초하여 상기 기판 상에 형성된 막의 상태치를 산출하는 연산 처리부를 구비하고,
    상기 연산 처리부는 기판 단체에 대해 검출되는 강도를 레퍼런스로서 미리 저장하고, 상기 레퍼런스에 대한 상기 검출부에서 검출된 강도의 비율에 기초하여 상기 기판 상에 형성된 막의 막 두께를 나타내는 값을 산출하는, 상태 측정 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비제로의 입사각은, 상기 막과 상기 기판의 주변 분위기의 계면에 있어서의 p편광 성분의 진폭 반사율이 극소치가 되는 제1 각도를 포함하는, 소정의 각도 범위 내의 값인, 상태 측정 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비제로의 입사각은 상기 막과 상기 기판의 계면에 있어서의 p편광 성분의 진폭 반사율이 극소치가 되는 제2 각도를 포함하는, 소정의 각도 범위 내의 값인, 상태 측정 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 조사부는 상기 막이 형성되는 측으로부터 상기 기판을 향해 광을 조사하는, 상태 측정 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 편광 제어부는 특정 방향의 편광 성분만을 통과시키는 편광 소자이고,
    상기 편광 소자는 상기 조사부로부터 상기 기판으로 조사되는 광 중, p편광 성분을 통과시키도록 배치되는, 상태 측정 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 조사부는, 상기 막이 형성되는 측, 또는 상기 막이 형성되어 있는 측으로부터 상기 기판을 향하여 광을 조사하고,
    상기 상태 측정 장치는,
    상기 조사부와 상기 수광부를 동일한 축선 상에 고정 배치하는 연결 막대와,
    상기 연결 막대를 소정의 회전축을 중심으로 회전시키는 모터를 더 구비하는, 상태 측정 장치.
  8. 기판 상에 형성되는 막의 상태를 측정하는 상태 측정 방법이며,
    p편광 성분을 주체로 하는 단일 파장의 광을 비제로의 입사각으로 조사부로부터 상기 기판에 조사하는 스텝과,
    상기 기판을 투과한 광을 수광하는 스텝과,
    수광한 광의 강도를 검출하는 스텝과,
    검출한 강도에 기초하여 상기 기판 상에 형성된 막의 상태치를 산출하는 스텝을 구비하고,
    상기 비제로의 입사각은 상기 막과 상기 기판의 계면에 있어서의 p편광 성분의 반사율과, 상기 막과 상기 기판의 주변 분위기의 계면에 있어서의 p편광 성분의 반사율의 곱이, 입사각을 제로로 한 경우의 값에 비교하여 1/4 이하가 되는 각도 범위 내의 값인, 상태 측정 방법.
  9. 기판 상에 형성되는 막의 상태를 측정하는 상태 측정 방법이며,
    p편광 성분을 주체로 하는 단일 파장의 광을 비제로의 입사각으로 조사부로부터 상기 기판에 조사하는 스텝과,
    상기 기판을 투과한 광을 수광하는 스텝과,
    수광한 광의 강도를 검출하는 스텝과,
    검출한 강도에 기초하여 상기 기판 상에 형성된 막의 상태치를 산출하는 스텝을 구비하고,
    상기 막의 상태치를 산출하는 스텝은, 기판 단체에 대하여 검출되는 강도를 레퍼런스로서 미리 저장하고, 상기 레퍼런스에 대한 상기 검출하는 스텝에서 검출된 강도의 비율에 기초하여 상기 기판 상에 형성된 막의 막 두께를 나타내는 값을 산출하는 스텝을 포함하는, 상태 측정 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 단일 파장의 광은, 상기 막이 형성되는 측, 또는 상기 막이 형성되어 있는 측으로부터 상기 기판을 향하여 조사되고,
    상기 수광하는 스텝에서는, 상기 조사부로부터 조사되는 광의 광축 상에 배치된 수광부에서, 상기 기판을 투과한 광을 수광하고,
    상기 상태 측정 방법은 또한, 상기 조사부와 상기 수광부를 동일한 축선 상에 고정 배치하는 연결 막대를, 모터를 이용하여 소정의 회전축을 중심으로 회전시킴으로써, 조사되는 광의 상기 기판에의 입사각을 조정하는 스텝을 포함하는, 상태 측정 방법.
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