TW201333418A - 光學式膜厚測量裝置及使用光學式膜厚測量裝置之薄膜形成裝置 - Google Patents

光學式膜厚測量裝置及使用光學式膜厚測量裝置之薄膜形成裝置 Download PDF

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Abstract

提供一種不使用監測基板、即時直接測定製品之膜厚且以高精度測定之光學式膜厚測量裝置。光學式膜厚測量裝置，其具備：投光部；受光部；複數個基體保持手段內部之內部分束器，將測定光往基體反射；內部光反射構件，將來自複數個內部分束器中最接近之內部分束器之測定光全反射；複數個外部分束器，將來自複數個內部分束器之測定光往受光部反射；以及外部光反射構件，將來自光反射構件之測定光往受光部反射。藉由內部分束器及內部光反射構件反射之測定光透射基體後，使之在外部分束器及外部光反射構件反射並往受光部導引，而接收測定光。

Description

光學式膜厚測量裝置及使用光學式膜厚測量裝置之薄膜形成裝置
本發明係關於光學式膜厚測量裝置及使用光學式膜厚測量裝置之薄膜形成裝置，尤其是關於直接測定製品之膜厚、能進行膜分布測量之光學式膜厚測量裝置及使用光學式膜厚測量裝置之薄膜形成裝置。
以往，一般係於數位相機或投影機、DVD等使用精密光學濾光器，此等精密光學濾光器係使用濺鍍或真空蒸鍍等PVD(物理蒸鍍法)。又，於基板表面使光學薄膜形成之技術已知有CVD等化學蒸鍍。
此種薄膜形成技術之領域中，作為保持基板(基體)之基體保持手段之旋轉機構之一，已知有旋轉料架式之旋轉機構。旋轉料架式之旋轉機構，係於橫剖面形狀為圓形或多角形之旋轉筒(亦即基體保持手段)之外周面保持有複數個基板(基體)，在此狀態下，旋轉筒以旋轉軸為中心旋轉。如此，旋轉料架式之薄膜形成裝置，由於於旋轉筒之外周面保持有基板(基體)，因此在旋轉筒旋轉之期間並不存在停滯於一處之狀態之基板(基體)，所有基板(基體)均以旋轉軸為中心旋轉。
因此，為了以光學方式測定膜厚等薄膜之光學特性，需在使旋轉筒之旋轉暫時停止後對基板(基體)進行光學測定。此種測定方法，由於必須每於膜厚測定時停止薄膜形 成步驟，因此會有於薄膜形成步驟花費時間之不良情形。
為了解決如上述之不良情形，可考量在旋轉筒旋轉之狀態下即時以光學測定膜厚。例如，可考量從旋轉筒外側往基板(基體)投射測定光並接收從基板(基體)反射之反射光之方法。然而，此方法由於如上所述旋轉筒係旋轉中，因此射入基板(基體)之光之角度隨時改變，而有難以正確地測定膜厚之不良情形。
為了解決如上述之各課題，已開發了透過中空軸之旋轉筒之旋轉軸進行投光、受光之膜厚測量裝置、以及具備此膜厚測量裝置之薄膜形成裝置。此膜厚測量裝置具備：具備中空軸之旋轉軸之旋轉筒、配置於此旋轉軸內之全反射鏡、配置於旋轉軸之軸延長上之全反射鏡、透過半鏡對配置於旋轉軸延長上之全反射鏡照射測定光之光源、透過該半鏡接收來自配置於旋轉軸延長上之全反射鏡之反射光之受光器(參照例如專利文獻1)。
根據此膜厚測量裝置，來自光源之測定光透過半鏡照射於配置於旋轉軸延長上之全反射鏡。照射於此旋轉軸內之全反射鏡之測定光係反射至旋轉筒所保持之測定用玻璃(監測基板)。另一方面，照射於測定用玻璃(監測基板)之測定光同樣地反射至全反射鏡。此反射光透過半鏡照射於受光器。
如上述，根據習知之薄膜形成裝置，由於透過中空軸即旋轉筒之旋轉軸導引測定光或反射光，因此不論旋轉筒是否在旋轉，均能即時測定測定用玻璃之膜厚。
然而，此膜厚測量裝置，由於透過設於旋轉軸內之單一全反射鏡進行對測定用玻璃之測定光之照射與來自測定用玻璃(監測基板)之反射光之反射，因此從旋轉軸之相同端部導出或導入測定光與反射光。因此，有時會因旋轉軸之晃動、振動等使測定光或反射光之強度變化，導致所得到之膜厚值產生誤差。
因此，為了解決上述不良情形，本申請人已提出一種膜厚測定技術。此提案技術，具備：投光部，從旋轉軸線之一方側往基體保持手段之內部投射測定光；第一光反射構件，設於基體保持手段內部且從投光部投射之測定光往基體反射；第二光反射構件，設於基體保持手段內部且從基體反射之反射光往旋轉軸線之另一方側反射；受光部，接收被第二光反射構件反射之反射光；以及膜厚運算部，係根據以受光部接收之反射光運算形成於基體之薄膜之膜厚；之技術(專利文獻2)。
[專利文獻1]
日本特開2000-088531號公報(第1~5頁，第1圖，第2圖)
[專利文獻2]
日本特開2007-211311號公報
上述專利文獻2所提出之技術，由於從旋轉軸線之不同方向分別射入及射出測定光與反射光，因此能得到誤差少且精度高之膜厚值，特別是即使測定反射率低之材料所構成之薄膜之膜厚時，亦能期待以高感度得到精度高之膜 厚值等。
然而，上述提案技術，在測量複數個基板時，由於使用監測基板，因此會造成測定配置於場所相異之位置之基板(相異120度之位置)。亦即，監測基板(監測玻璃)與成膜之製品基板(工件之基板)之間由於在位置上或空間上有相異，因此間接之測量，而於監測基板(監測玻璃)與成膜之製品基板(工件之基板)之間產生差，故以既定參數進行修正來測量膜厚。
相對於上述間接式測量，已知有藉由直視式光學監測器之光學式膜厚計。然而，藉由直視式光學監測器之光學式膜厚計，一般係對應單一之製品基板(工件之基板)，並不存在以複數個製品基板為對象。
如此，在藉由PVD等大量生產、製造光學濾光器時，例如濺鍍或蒸鍍之情形，雖使製品基板(工件之基板)配置於滾筒或圓頂物(dome)上，並成膜於製品基板(工件之基板),但藉由反覆使膜厚均一、試作膜、修正版之修正之步驟，製得備具均一性能之光學濾光器。
又，雖因上述原因而測量膜分布，但使用複數通道之光纖，變成具備複數台分光器之高價膜厚計，其操作繁雜、亦花費成本之不良情形。
本發明有鑑於上述情事，其目的在於提供一種光學式膜厚測量裝置，尤其是於具備旋轉料架式之旋轉機構之薄 膜形成裝置中，不使用監測基板即能直接測定製品之膜厚，且能即時且以高精度測定形成於配置於同一列之複數個基板之薄膜之膜厚。
本發明之另一目的，在於提供非監測基板而直接測定製品，並使用能控制此製品之膜厚之光學式膜厚測量裝置之薄膜形成裝置。
本發明之再一目的，在於提供使用一個光學系測定於旋轉筒之上下複數段之製品之膜厚，且能控制膜厚之光學式膜厚測量裝置及使用光學式膜厚測量裝置之薄膜形成裝置。
上述課題可藉由本發明之光學式膜厚測量裝置予以解決，其為一種具備旋轉型之基體保持手段之光學薄膜形成裝置之光學式膜厚測量裝置，其特徵在於，具備：投光部，從前述旋轉型之基體保持手段之旋轉軸線之一方側往前述基體保持手段內部投射測定光；受光部，接收來自該投光部之測定光；複數個內部分束器，設於前述基體保持手段內部，且將從前述投光部投射之前述測定光往基體反射；內部光反射構件，設於前述基體保持手段內部，且將來自前述複數個內部分束器中最接近之內部分束器之測定光全反射；複數個外部分束器，設於前述基體保持手段外側，且將來自前述複數個內部分束器之測定光往前述受光部反射；以及外部光反射構件，設於前述基體保持手段外側，且將來自前述光反射構件之測定光往前述受光部反射；使被前述複數個內部分束器及前述內部光反射構件反射後之 測定光透射過前述基體後，在前述複數個外部分束器及前述外部光反射構件反射並導向前述受光部，而接收測定光。
由於係如上述構成，因此能不使用監測基板即能直接測定製品之膜厚，且能即時且以高精度測定形成於配置於同一列之複數個基板之薄膜之膜厚。又，由於使用一個光學系且未使用可動光學零件，因此可靠性高且維護性提升。
此時較佳為，前述基體保持手段之旋轉軸線，位於構成前述基體保持手段中心之中空狀旋轉軸體內，前述內部分束器及前述內部光反射構件配置於前述旋轉軸體內，前述旋轉軸體之壁面構成為能使前述反射後之測定光通過。又，藉由前述內部分束器及前述內部光反射構件反射之測定光係大致相等之光量。
如上述，若相同光量之測定光照射於各製品之基體(基板)，即能得到相同之測定感度(精度)。
又，較佳為，具備根據以前述受光部接收之前述測定光運算形成於前述基體之薄膜之膜厚之膜厚運算部。
再者，較佳為，前述複數個外部分束器及前述外部光反射構件係以中空之筐體覆蓋，該筐體之測定光所射入之部分構成為能使測定光通過。
若如上述般構成，能防止外部分束器及外部光反射構件之髒污等，也能使維護性更提升。
再者，較佳為，於前述複數個外部分束器及前述外部光反射構件之間設有光閘裝置。
藉由如上述使用光閘裝置，而能遮斷光路，在未安裝 有測定對象之基體(基板)時，能從測定對象卸除。
又，較佳為，前述投光部與前述受光部設於前述光學薄膜形成裝置之相同方向或相同面之位置。
如上述，若前述投光部與前述受光部設於光學薄膜形成裝置之相同方向或相同面之位置、例如設置於基板保持手段之上面，則由於前述投光部與前述受光部係相同方向或相同面之位置，因此前述投光部與前述受光部之裝設等係容易，提升光學式膜厚測量裝置之安裝或維護性。特別是由於位於上面側，因此相較於配置於下面側，安裝或維護等各種作業更容易。
又，亦可構成為，前述投光部與前述受光部設於前述光學薄膜形成裝置之相反側之方向或相反側之面之位置。
若如上述般構成，由於能將投光部與受光部之位置如習知裝置般設於相反側，因此能防止將習知技術之裝置之配置作變更。
上述課題可藉由本發明之薄膜形成裝置予以解決，其為一種形成薄膜之旋轉型之薄膜形成裝置，具備：基體保持手段，在保持有配置於真空容器內之基體之狀態下能以旋轉軸線為中心旋轉；膜原料物質供應手段，對前述真空容器供應形成薄膜之膜原料物質；以及成膜流程區域，係於前述基體形成薄膜；其特徵在於：使用前述申請專利範圍第1至7項中任一項之光學式膜厚測量裝置。
根據本發明之薄膜形成裝置，可提供利用了上述光學式膜厚測量裝置之特性之裝置。
如上述，根據本發明之光學式膜厚測量裝置及薄膜形成裝置，由於沿基體保持手段之旋轉軸線配設有複數個分束器及全反射鏡，因此能分別直接測定沿基體保持手段之旋轉軸線配置之複數個作為製品之基體(基板)之膜厚，而藉由測定此等複數個基體，能測定實際之製品即基體(基板)之膜厚，非監測基板，而可直接控制製品本身之膜厚。
根據本發明，能不使用監測基板即能直接測定製品之膜厚，且能即時且以高精度測定形成於配置於同一列之複數個基板之薄膜之膜厚。
又，提供光學式膜厚測量裝置及使用光學式膜厚測量裝置之薄膜形成裝置，其係滿足光學式膜厚計所要求之性能，在形成薄膜時能直接測定安裝於旋轉型之基體保持手段之基體(製品即基板)，且使用一個光學系即能取得位於旋轉筒之上下複數段之製品之膜厚之相同測定感度(精度)，且能控制膜厚。特別是，由於未使用可動光學零件，因此可靠性高且維護性提升，能減低包含維護在內之成本。
以下，參照圖式說明關於本發明之第一實施形態。此外，以下說明之構件、配置等不限定於本發明，當然亦能依據本發明之主旨進行各種改變。
圖1~圖19係關於本發明之實施形態者，圖1係從上方觀看光學式膜厚測量裝置及薄膜形成裝置之剖面說明圖，圖2係在箭視A-A方向觀看圖1之薄膜形成裝置之剖 面說明圖，圖3係從斜上方觀看圖2之旋轉筒之局部剖面立體圖，圖4係顯示第3實施形態與圖3相同之局部剖面立體圖，圖5係顯示第3實施形態之其他例與圖2相同之剖面說明圖，圖6係從斜上方觀看圖5之旋轉筒之局部剖面立體圖，圖7係顯示第5實施形態之其他例與圖2相同之剖面說明圖，圖8係顯示投光透鏡之配置例之說明圖，圖9及圖10係鏡單元之說明圖，圖11係顯示各實施形態之光學式膜厚測量裝置及薄膜形成裝置之功能構成之方塊圖，圖12係顯示其他實施形態與圖2相同之剖面說明圖，圖13係投光部與受光部為相同方向之光學式膜厚測量裝置之基本構成之說明圖，圖14係投光部與受光部為相反方向之光學式膜厚測量裝置之基本構成之說明圖，圖15係圖13及圖14之輸出光之算出方法與光之相對輸出比較之說明圖，圖16係顯示來自第1實施形態之基體(基板)之輸出之圖，圖17係顯示來自第2實施形態之基體(基板)之輸出之圖，圖18係顯示來自第3實施形態之基體(基板)之輸出之圖，圖19係顯示來自第4實施形態之基體(基板)之輸出之圖。
本實施形態之薄膜形成裝置1中，係藉由使靶材濺鍍而使膜原料物質附著於基板表面，而將較目的膜厚薄相當程度之薄膜附著於基板表面之濺鍍處理、以及對此膜原料物質進行氧化等處理來轉換薄膜組成之電漿處理而於基板表面形成中間薄膜，藉由反覆複數次此濺鍍處理與電漿處理將中間薄膜積層複數層而將具有目的膜厚之最終薄膜形 成於基板表面。
具體而言，藉由濺鍍處理與電漿處理將組成轉換後之膜厚平均值為0.01~1.5mm程度之中間薄膜形成於基板表面，藉由反覆於每次旋轉筒之旋轉，而使複數中間薄膜積層，形成具有作為目的之數nm~數百nm程度之膜厚之最終薄膜。
如圖1及圖2所示，薄膜形成裝置1係以具備真空容器11及旋轉筒13之處理容器10、濺鍍手段20、濺鍍氣體供應手段30、電漿產生手段40、反應性氣體供應手段50、光學式膜厚測量裝置60為主要構成要素。此外，圖中，濺鍍手段20係以虛線包圍顯示，濺鍍氣體供應手段30係以一點鏈線包圍顯示，電漿產生手段40係以虛線包圍顯示，反應性氣體供應手段50係以兩點鏈線包圍顯示。
反應流程處理，係以電漿產生手段40對在成膜流程處理附著於基體(基板)S表面之膜原料物質進行電漿處理，形成由膜原料物質之完全反應物或不完全反應物構成之中間薄膜。
電漿產生手段40具有筐體41、介電體板42、天線43、匹配箱44、高頻電源45而構成。筐體41具備封閉形成於真空容器11壁面之開口之形狀，藉由固定成封閉真空容器11之開口，並此筐體41固定於真空容器11之壁面，電漿產生手段40即安裝於真空容器11之壁面。
反應性氣體供應手段50係以貯藏氧氣之氧氣瓶51、調整從此氧氣瓶51供應之氧氣流量之質量流量控制器52、貯 藏氬氣之氬氣瓶53、調整從此氬氣瓶53供應之氬氣流量之質量流量控制器54、將氧氣及氬氣所構成之混合氣體導入反應流程區域之配管55為主要構成要素。
又，以電漿產生手段40對藉由濺鍍等而附著於基體(基板)S表面之膜原料物質進行電漿處理，形成由膜原料物質之完全反應物或不完全反應物構成之中間薄膜。
在從氧氣瓶51及氬氣瓶53經由配管55之導入口使氧氣被導入反應流程區域之狀態下，從高頻電源45對天線43供應電力後，即於反應流程區域內之面對天線43之區域產生電漿。藉由此電漿，形成於基體(基板)S表面之膜原料物質中之矽(Si)或矽之不完全氧化物(SiOx(此處為0<x<2))被氧化，成為由矽之完全氧化物(SiO2)或不完全氧化物(SiOx(此處為0<x<2))形成之中間薄膜。
其次，說明關於本發明之實施形態之光學式膜厚測量裝置60。光學式膜厚測量裝置60係測定形成於基體(基板)S表面之薄膜之膜厚。本實施形態中，如圖2~圖7及圖12所示，光學式膜厚測量裝置60具備射出測定光之射出側與透射過基體(基板)S之測定光之受光側。
圖8係顯示射出側之投光透鏡之配置例之說明圖，射出側係發出測定光之光源61、傳送來自此光源61之測定光之投光用光纖62、以及將在此投光用光纖62傳送之測定光導往投光頭63者。
投光頭63係對配置於旋轉軸內之第1分束器(BS1)65a、第2分束器(BS2)65b及第1全反射鏡65c射出 測定光者。此外，投光側聚光透鏡64係使來自投光頭63之測定光會聚者。
圖9及圖10係鏡單元之說明圖，圖9係安裝有髒污防止罩之狀態者，圖10係卸除髒污防止罩後之鏡單元之說明圖。此圖9及圖10所示之全反射鏡係介電體鏡。
本實施形態，係由使來自投光頭63之測定光一部分透射且將一部分往作為基體之製品基體(基板)S導引之第1分束器(BS1)65a、使透射過此第1分束器(BS1)65a之測定光進一步使一部分透射，而將一部分之測定光往製品基體(基板)S導引之第2分束器(BS2)65b、以及反射透射過此第2分束器(BS2)65b之測定光之第1全反射鏡65c構成。於光源61連接有投光用光纖62，配置成投光用光纖62之一端導入光源61內，在光源61之濾光器透射過之測定光射入其端面，而被往投光頭63導引。
投光頭63配置於旋轉軸13a上側(圖2)之真空容器11外部，指向配置於旋轉軸13a內部之第1分束器(BS1)65a,第2分束器(BS2)65b及第1全反射鏡65c，從投光頭63射出之測定光係從旋轉軸13a之一端射入並沿軸線方向通過旋轉軸13a內而照射於第1分束器(BS1)65a，第2分束器(BS2)65b及第1全反射鏡65c。
第1分束器(BS1)65a,第2分束器(BS2)65b及第1全反射鏡65c，構成為在旋轉軸13a內側固定於既定位置，此時，構成為能調整角度位置。
受光側具備將透射過基體(基板)S之測定光往受光頭 69側反射之第3分束器(BS3)66a,第4分束器(BS4)66b及第2全反射鏡66c、使在此等第3分束器(BS3)66a,第4分束器(BS4)66b及第2全反射鏡66c透射或反射之測定光會聚之受光側聚光透鏡68、受光頭69、傳送在此受光頭69接收之測定光之受光側光纖67、將在受光側光纖67傳送之測定光分光之分光測定裝置71作為主要構成要素。亦即，使在第3分束器(BS3)66a,第4分束器(BS4)66b及第2全反射鏡66c透射或反射之透射過基體(基板)S之測定光在第3分束器(BS3)66a,第4分束器(BS4)66b及第2全反射鏡66c反射或透射，而作為測定光往分光測定裝置71導引。
此外，光源61、投光用光纖62、以及投光頭63相當於本發明之投光部。再者，受光頭69、受光側光纖67、以及分光測定裝置71相當於受光部。又，第1全反射鏡65c相當於內部光反射構件，第2全反射鏡66c相當於外部光反射構件。
上述受光側之第3分束器(BS3)66a,第4分束器(BS4)66b及第2全反射鏡66c係構成為能藉由未圖示之保持構件(例如為棒狀體，剖面形狀不拘)在既定位置固定，此時構成為能調整角度位置。
又，符號100a~c係光路切換光閘，係由驅動部101與遮蔽板102a~c構成。
此光路切換光閘100a~c，係使用伺服馬達(其他之致動器等)作為驅動部101，藉由驅動部101使遮蔽板102a~c為可移動，遮蔽板102a~c構成為可移動至將來自射出側之 測定光在第3分束器(BS3)66a,第4分束器(BS4)66b及第2全反射鏡66c遮斷之位置與不遮斷之位置。遮蔽板102a~c只要能阻止測定光即可，形狀等則不特別限定。於此光路切換光閘100a~c，於真空容器11外部安裝有驅動部101作為驅動源。
遮蔽板102a~c構成為可移動至不遮斷來自分束器(BS1,BS2)65a、65b、第1全反射鏡65c之測定光之位置。遮蔽板102a~c亦兼具髒污防止之功能。驅動部101配置於真空室外。
又，第1全反射鏡65c及第2全反射鏡66c係於玻璃等基材表面形成鋁等薄膜而作成之構件，至少在測定光之波長具有大致100%之高反射率。本實施形態之全反射鏡係以大致正方形之板狀構件構成。此全反射鏡配設於旋轉軸13a之中空體內部，藉由熔接或螺固等固定於旋轉軸13a之內壁面。
本實施形態之光源61係使用鹵素燈或白色LED等，設置於真空容器11外部，發出膜厚測定用之測定光之裝置。此光源61如以圖11所示，具備從電源(未圖示)接受電力之供應並發出光之發光元件61a、以及使從此發光元件61a發出之光中特定波長區域之光透射之濾光器61b。
於旋轉軸13a中央部形成有切除側壁一部分之開口13c，從分束器(BS1,BS2)65a、65b及第1全反射鏡65c反射之測定光係通過此開口13c而照射於旋轉筒13所保持之基體(基板)S。此外，本實施形態中，雖顯示了形成有開口 13c之例，但亦能構成為使用能完全透射之玻璃材來密閉。
如以上所述，本發明，不需要如習知技術之膜厚測定用之監測基板，係直接測定作為製品之基板本身之膜厚，而不需如習知技術般選定透明之玻璃材料或作為將測定光波長以高透射率透射之材料之塑膠等來作為監測基板。
從射出側照射於基體(基板)S之測定光，被分束器分成射向基體(基板)S側之測定光與將之透射之測定光，最後被全反射鏡反射。
亦即，照射於第1分束器(BS1)65a之測定光，係一部分反射，從基體(基板)S之背面側(亦即旋轉軸13a側)射入，而透射基體(基板)S內部。不在第1分束器(BS1)65a反射而透射之測定光，其次被導引至第2分束器(BS2)65b，在此第2分束器(BS2)65b一部分反射，從基體(基板)S之背面側(亦即旋轉軸13a側)射入，而透射基體(基板)S內部。進而，不在第2分束器(BS2)65b反射而透射之測定光，被導引至第1全反射鏡65c。此外，第1全反射鏡65c係由在測定光之波長具有大致100%之高反射率之構件構成。從此等射出側照射之測定光係在受光側被接收。
受光頭69與投光頭63同樣地，配置於旋轉軸13a上側(圖2)之真空容器11外部、用以反射從射出側照射之測定光並導至受光頭69之第3分束器(BS3)66a,第4分束器(BS4)66b及第2全反射鏡66c配置於配置在真空容器11內之旋轉筒13外周側之既定位置。本實施形態中，如圖2所示，配置於離濺鍍手段20及電漿產生手段40最遠之位置。 藉此，構成為不易受到濺鍍手段20及電漿產生手段40之影響。
受光頭69配置於在第1分束器(BS1)65a，第2分束器(BS2)65b及第1全反射鏡65c反射之測定光會射入之位置，於受光頭69連接有受光側光纖67之一端，另一端則連接於分光測定裝置71。透射過基體(基板)S之測定光係在第3分束器(BS3)66a,第4分束器(BS4)66b及第2全反射鏡66c反射並會聚於受光側聚光透鏡68後射入受光頭69。此射入之測定光係被導至受光側光纖67並被導入分光測定裝置71。
如上述，由於投光頭63與受光頭69均設於真空容器11外部，因此能防止在配置於旋轉筒13內部時產生之光纖因旋轉筒13之旋轉而扭曲或纏繞。又，由於位於真空容器11外部，因此亦不會產生旋轉筒13在成膜過程中被加熱而成高溫，此熱導致之投光頭或受光頭熱變性之類的不良情形。如此，本發明，能防止光纖之扭曲或纏繞或在成膜過程中產生之熱導致之影響，而能進行穩定之膜厚測定。
分光測定裝置71係測定反射光中既定波長之光強度之裝置，具備與膜厚測定中所使用之公知分光測定裝置相同之構成。亦即，如圖11所示，分光測定裝置71具備：使反射光中既定波長區域之光透射之分光元件71b與接收透射過此分光元件71b之光而輸出與光強度對應之電流值之受光元件71a。
分光元件71b係以具備例如光柵之繞射光柵之構件構 成，使既定波長區域之光透射。本實施形態中，分光元件71b係將測定光之波長以至少大致100%之透射率透射。透射過此分光元件71b之光被導至受光元件71a。受光元件71a係由例如光二極體等半導體元件構成者，使用例如接合有p型及n型之半導體之元件。光照射於此p型及n型之接合面後產生與該光強度對應之電流，此電流藉由分光測定裝置71內之A/D轉換電路而被數位訊號化，從分光測定裝置71輸出至後述之膜厚運算電腦80。
膜厚運算電腦80係根據以分光測定裝置71測定之測定光之強度運算形成於基體(基板)S之薄膜之膜厚之手段。如圖11所示，膜厚運算電腦80具備作為運算手段之CPU81、作為記憶手段之硬碟83及記憶體(具體而言為ROM、RAM)82、以及在與外部裝置等之間收發送訊號時之作為輸出入端口之I/O端口84。此外，膜厚運算電腦80相當於本發明之膜厚運算部。
於膜厚運算電腦80電連接有分光測定裝置71，以分光測定裝置71數位化之測定光強度之訊號，經由膜厚運算電腦80之I/O端口84輸入，作為記憶手段之硬碟83及記憶體(具體而言為ROM、RAM)82。例如，於硬碟83儲存有：儲存有測定光強度之變化與形成於基體(基板)S之薄膜膜厚之相關關係之膜厚相關關係資料83a、以及根據從分光測定裝置71發送之測定光強度訊號與此膜厚相關關係資料83a運算膜厚之膜厚運算程式83b。此外，此膜厚相關關係資料83a及膜厚運算程式83b亦能構成為儲存於RAM、ROM等。
以下，說明關於以膜厚運算電腦80測定膜厚之原理。照射於基體(基板)S之測定光，係在基體(基板)S與薄膜之間之邊界、以及薄膜與真空容器側之間之邊界反射。此時，此等之反射光彼此引起干涉，而於反射光強度產生變化。
此處，於薄膜之反射光或透射光之強度與膜厚之間具有既定相關關係。更詳細而言，若設為薄膜之折射率n，波長λ，幾何學膜厚d，已知光學膜厚nd每成為λ/4之整數倍反射光強度會週期性地顯示峰值。由於峰值之高度(峰值P)與折射率具有既定之相關關係，因此能藉由求出峰值P來求出折射率。亦即，能藉由測定反射光強度求出峰值P,並根據此峰值P之折射率n與波長λ之值從光學膜厚nd算出幾何學膜厚d。
膜厚運算電腦80係預先將測定光之波長λ儲存為設定值。接著，膜厚運算程式83b係從分光測定裝置71所發送之反射光之強度訊號求出峰值P之高度並運算折射率n。進而，根據此折射率n與波長λ之值算出幾何學膜厚d。
膜厚運算電腦80係與膜厚控制裝置90電連接。膜厚控制裝置90具備MPU等運算手段、ROM,RAM等記憶手段、與其他裝置收發送電氣訊號之輸出入端口。於膜厚控制裝置90輸入以膜厚運算電腦80測定之膜厚(亦即幾何學膜厚d)。膜厚控制裝置90具備膜厚控制訊號生成部91，根據此膜厚控制訊號生成部91產生之膜厚訊號，調整成膜率或成膜時間，藉此控制膜厚。
具體而言，膜厚控制裝置90係根據以膜厚運算電腦80 取得之膜厚，藉由從濺鍍手段20之交流電源24a供應至靶材22a,22b之電力之增減、以濺鍍氣體供應手段30供應至成膜流程區域之濺鍍氣體或反應性氣體之供應量之增減、藉修正板驅動馬達35a,35b使膜厚修正板36a,36b之進退移動之任一個以上之方法，來調整成膜率。此外，符號36c亦係膜厚修正板，且膜厚控制裝置90相當於膜厚調整手段。
又，亦能藉由調整成膜時間來調整膜厚。亦即，在以膜厚運算電腦80取得之基體(基板)S之膜厚較預先設定之膜厚小時，膜厚控制裝置90係不在既定成膜結束時間結束成膜而以延長成膜時間之方式使膜厚增加至預先設定之膜厚。另一方面，在以膜厚運算電腦80取得之基體(基板)S之膜厚較預先設定之膜厚大時，膜厚控制裝置90係藉由在既定成膜結束時間前結束成膜來縮短成膜時間，在預先設定之膜厚結束成膜。此外，此等膜厚控制方法亦可僅使用任一個來調整膜厚，亦可組合複數個方法來調整膜厚。
如上述，本實施形態之光學式膜厚計，能在成膜中自動算出比率來進行膜厚之控制。接著，藉由對自動修正板機構送出控制訊號，即能進行光學薄膜製品之膜厚或品質管理。例如，在停止測光方式之情形，能從基體(基板)S之分光特性之測定結果藉由膜厚之解析進行控制。
另一方面，旋轉中之測光，能測定基體(基板)S之透射光量，實現膜厚控制。
首先，本發明之基本構成，係構成為如以圖13至圖15所示。亦即，1分歧之情形：於投光與受光之間使用鏡1、 鏡2。2分歧之情形：於投光與受光之間使用2個BS(BS1、BS2)與2個鏡(鏡1、鏡2)。3分歧之情形：使用4個BS(BS1~BS4)與2個鏡(鏡1、鏡2)。4分歧之情形：使用6個BS(BS1~BS6)與2個鏡(鏡1、鏡2)。5分歧之情形：使用8個BS(BS1~BS8)與2個鏡(鏡1、鏡2)。
接著，在投光部與受光部為相同方向之情形與不同方向之情形，鏡與BS之配置，除了1分歧之情形以外，相同方向之情形下，鏡為對向配置，在相同方向之鏡之情形下，隨時配置於在最後反射位置之對向位置，在相反方向之情形下，受光部側之鏡在最初配置之位置固定，配置於投光側之鏡配置於每於分歧時依序往下方移動之位置。
又，投光部與受光部為相同方向之輸出光之算出方法，係以光之相對輸出P=(100%/n)ˆ2，1分歧為P=100%、2分歧為n=2 P=25%、3分歧為n=3 P=11.1%之方式計算。
同樣地，投光部與受光部為相反方向之輸出光之算出方法，係以光之相對輸出P=(50%)ˆn,1分歧為P=100%、2分歧為n=2 P=25%、3分歧為n=3 P=12.5%之方式計算。
各分歧之情形之相對輸出比較如圖15之表所示。
此處，參照圖16~圖19具體說明關於第1實施形態~第4實施形態。
<第1實施形態>
第1實施形態係使用反射率90%之鋁反射鏡作為第1 及第2全反射鏡65c,66c之例。第1分束器(BS1)65a之反射/透射為18/82，第2分束器(BS2)65b之反射/透射為45/55，第1全反射鏡65c及第2全反射鏡66c作為鋁反射鏡其反射率為90%，第3分束器(BS3)66a及第4分束器(BS4)66b之反射/透射使用50/50，上段、中段及下段之各製品之基體(基板)S之測定光之透射率(效率)分別為9%,9.2%,9.1%。此外，能藉由光路切換光閘100a~c切換光路。
筒之上段、中段、下段之基體(基板)S之透射率測定之步驟如下。
或者，製品之基體(基板)S之平均透射率測定，係T(平均)=(T1+T2+T3)/3，遮蔽板102a、102b、102c均為off狀態。
進一步說明之，從上段製品之基體(基板)S經由中段製品之基體(基板)S至下段製品之基體(基板)S之透射率測定步驟如下。
上段製品之基體(基板)S-中段製品之基體(基板)S-下段製品之基體(基板)S：光路切換光閘100a→ON→OFF→ON 光路切換光閘100b→OFF→ON→OFF光路切換光閘100c→OFF→OFF→OFF
暗電流測定：
暗電流1：光路切換光閘100a為on且光路切換光閘100b,c為off；暗電流2：光路切換光閘100b為on且光路切換光閘100a,c為off；暗電流3：光路切換光閘100c為on且光路切換光閘100a,b為off；製品之基體(基板)S之平均透射率測定係，T(平均)=(T1+T2+T3)/3,3個光路切換光閘100a~c為off。
此第1實施形態之上段製品之基體(基板)S、中段製品之基體(基板)S、下段製品之基體(基板)S之相對光強度%係如圖16所示。測定光能非常均等地分配。
<第2實施形態>
第2實施形態之第1分束器(BS1)65a及第3分束器(BS3)66a由介電體鏡構成，如圖17所示，其反射/透射使用33.3/66.7者。第2分束器(BS2)65b及第4分束器(BS4)66b之反射/透射使用50/50者。又，第1全反射鏡65c及第2全反射鏡66c係使用反射率99.9%之介電體鏡者(亦即，第1實施形態係使用反射率90%之鋁鏡作為第1及第2全反射鏡65c,66c之例。相對於此，第2實施形態之不同點在於係使用反射率99.9%之介電體鏡作為第1及第2全反射鏡65c,66c)。
如上述，第2實施形態中，為多工測光光學系，第1分束器(BS1)65a之反射/透射為33.3/66.7，第2分束器(BS2)65b之反射/透射為50/50，第1全反射鏡65c及第2全反射鏡66c係反射率99.9%之介電體鏡。第3分束器(BS3)66a之反射/透射為33.3/66.7，第4分束器(BS4)66b之反射/透射係使用50/50，上段、中段及下段之各製品之基體(基板)S之測定光之透射率(效率)均為11%,11%,11%。此外，能藉由光路切換光閘100a~c切換光路。
此第2實施形態之上段製品之基體(基板)S、中段製品之基體(基板)S、下段製品之基體(基板)S之相對光強度%係如圖17所示。
<第3實施形態>
圖4及圖18係顯示第3實施形態與圖3相同之局部剖面立體圖，本實施形態係顯示未使用光閘裝置之例，且顯示5分歧之例。此外，對與前述實施形態相同材料、相同構件、相同配置等賦予相同符號，並省略其說明。
本實施形態中，係顯示在射出側及受光側分別使用4個分束器(165a~165d、166a~166d)，並使用各1個(165e,166e)全反射鏡。若如此例般構成，則能測定安裝於保持部之基體(基板)S之膜厚整體。
此時，與前述之實施例同樣地，以對所有基體(基板)S之測定光為相同強度之方式選定分束器。亦即，為了使射向5個基體(基板)S之測定光成為相等，分束器係使用在第1分束器(BS1)165a中測定光有20%射向基體(基板)S側者。 同樣地，使用在第1分束器(BS1)165a透射之80%中與第1分束器(BS1)165a同樣地20%測定光射向基體(基板)S側之分束器，依序使用同樣者。藉此，在最後之全反射鏡165e，亦係當初之20%測定光往基體(基板)S側照射。又，在受光側係使用與射出側相反之構成之分束器。藉由如上述構成，則不需要光路切換光閘100a~c。
更具體而言，第1分束器(BS1)165a及第5分束器(BS5)166a係使用20%者，第2分束器(BS2)165b及第6分束器(BS6)166b係使用25%者，第3分束器(BS3)165c及第7分束器(BS7)166c係使用33.3%者，第4分束器(BS4)165d及第8分束器(BS8)166d係使用50%者。
5分歧以上之情形亦能對應。光之相對輸出為：1分歧 100%2分歧 25%3分歧 11%4分歧 6.25%5分歧 4%
假定n分歧之情形，光之相對輸出為P=(100%/n)ˆ2。
此處，第1分束器1(BS1)為X1=100%-100%/n,Y1=X1。
第1分束器1(BS1)使用Y1：X1。
第2分束器2(BS2)同樣地使用X2=100%-100%/(n-1),Y2=X2。
第3分束器3(BS3)為X3=100%-100%/(n-2),Y3= X3。
因此，第i分束器i(BSi)決定為Xi=100%-100%/(n-i),Yi=Xi、i<n。
<第4實施形態>
圖19係顯示第4實施形態。如前述，第i分束器i(BSi)決定為Xi=100%-100%/(n-i),Yi=Xi、i<n，此例係顯示4分歧之例。
更具體而言，第1分束器(BS1)及第4分束器(BS4)係使用75%者，第2分束器(BS2)及第5分束器(BS5)係使用33.3%者，第3分束器(BS3)及第6分束器(BS6)係使用50%者。
圖5及圖6係顯示裝置之其他實施形態者，圖5係顯示與圖2相同之剖面說明圖，圖6係從斜上方觀看圖5之旋轉筒之局部剖面立體圖。本實施形態亦同樣地，對與前述各實施形態相同材料、相同構件、相同配置等賦予相同符號，並省略其說明。
本實施形態中，與射出側之旋轉軸13a同樣地，係顯示將受光側之分束器166a~166d及全反射鏡166e安裝於筒狀體160內之例。又，受光側之分束器166a~166d及全反射鏡166e雖藉由公知手段安裝於筒狀體160，但其安裝成能調整傾斜。再者，於筒狀體160之相當於測定光光路之位置，以不妨礙測定光射向受光側之分束器166a~166d及全反射鏡166e之方式形成有開口。本實施形態中，雖顯示形成有開口之例，但亦能構成為使用能可完全透射之玻璃材來密閉。
藉由如此構成，僅將筒狀體160安裝於真空容器11內，即能進行受光側之配置，安裝為容易，且在維護時亦能將筒狀體160拉出來進行調整、修理等。
<第5實施形態>
其次，說明圖7所示之第5實施形態。相較於前述第1實施形態中受光部位於與投光部相同之方向(或相同面)，此例係如圖7所示，受光部與投光部位於相反側之例。本實施形態中，對與前述各實施形態相同材料、相同構件、相同配置等賦予相同符號，並省略其說明。
此例中，第1分束器(BS1)65a及第2分束器(BS2)65b之反射/透射係使用50%者，全反射鏡66c及66k係使用電介質鏡且為R>99.9%者，分束器(BS3)661及分束器(BS4)66m係使用50%者。基本上係構成為如圖14及圖15所示。
如此，投光部與受光部能構成為設在光學薄膜形成裝置之相反側之方向或相反側之面之位置。此外，當然在此實施形態中，亦能在可能範圍內適用第2實施形態至第4實施形態及各圖所示之構成。
圖12係顯示其他實施形態與圖2相同之剖面說明圖。此例係顯示於旋轉軸13a內側配置有分束器65a,65b、全反射鏡65c之例。於旋轉軸13a為了保持真空而配置有真空磁氣罩，以可保持真空之方式構成。此外，於射出側配置有窗玻璃，以防止異物或不純物之侵入。若如此構成，即能不於各分束器配置髒污防止罩。
1‧‧‧薄膜形成裝置
10‧‧‧處理容器
11‧‧‧真空容器
11a‧‧‧薄膜形成室
11b‧‧‧裝載室
11c,11d‧‧‧門
13‧‧‧旋轉筒(基體保持手段)
13a‧‧‧旋轉軸
13b,17a‧‧‧齒輪
13c‧‧‧開口
14‧‧‧分隔壁
15‧‧‧真空泵
16a,16b‧‧‧配管
17‧‧‧旋轉筒驅動馬達
20‧‧‧濺鍍手段
22a,22b‧‧‧靶材
24a‧‧‧交流電源
30‧‧‧濺鍍氣體供應手段
31,33‧‧‧質量流量控制器
32‧‧‧濺鍍儲氣瓶
34‧‧‧反應性儲氣瓶
35‧‧‧配管
35a,35b‧‧‧修正板驅動馬達
36a,36b,36c‧‧‧膜厚修正板
40‧‧‧電漿產生手段
41‧‧‧筐體
42‧‧‧介電體板
43‧‧‧天線
44‧‧‧匹配箱
45‧‧‧高頻電源
50‧‧‧反應性氣體供應手段
51‧‧‧氧氣瓶
52,54‧‧‧質量流量控制器
53‧‧‧氬氣瓶
55‧‧‧配管
60‧‧‧光學式膜厚測量裝置
61‧‧‧光源
61a‧‧‧發光元件
61b‧‧‧濾光器
62‧‧‧投光用光纖
63‧‧‧投光頭
64‧‧‧投光側聚光透鏡
65a‧‧‧第1分束器
65b‧‧‧第2分束器
65c‧‧‧第1全反射鏡
66a‧‧‧第3分束器
66b‧‧‧第4分束器
66c‧‧‧第2全反射鏡
66k‧‧‧全反射鏡
661,66m‧‧‧分束器
67‧‧‧受光側光纖
68‧‧‧受光側聚光透鏡
69‧‧‧受光頭
71‧‧‧分光測定裝置
71a‧‧‧受光元件
71b‧‧‧分光元件
80‧‧‧膜厚運算電腦
81‧‧‧CPU
82‧‧‧記憶體
83‧‧‧硬碟
84‧‧‧I/O端口
83a‧‧‧膜厚相關關係資料
83b‧‧‧膜厚運算程式
90‧‧‧膜厚控制裝置
91‧‧‧膜厚控制訊號生成部
100a,100b,100c‧‧‧光路切換光閘
101‧‧‧驅動部
102a,102b,102c‧‧‧遮蔽板
160‧‧‧筒狀體
165a~165d‧‧‧分束器(BS1~BS4)
166a~166d‧‧‧分束器(BS5~BS8)
165e,166e‧‧‧全反射鏡
V‧‧‧閥件
S‧‧‧基體(基板)
圖1係從上方觀看本發明之實施形態之光學式膜厚測量裝置及薄膜形成裝置之剖面說明圖。
圖2係在箭視A-A方向觀看圖1之薄膜形成裝置之剖面說明圖。
圖3係從斜上方觀看圖2之旋轉筒之局部剖面立體圖。
圖4係顯示第3實施形態與圖3相同之局部剖面立體圖。
圖5係顯示第3實施形態之其他例與圖2相同之剖面說明圖。
圖6係從斜上方觀看圖5之旋轉筒之局部剖面立體圖。
圖7係顯示第5實施形態之其他例與圖2相同之剖面說明圖。
圖8係顯示投光透鏡之配置例之說明圖。
圖9係鏡單元之說明圖。
圖10係鏡單元之說明圖。
圖11係顯示本發明之各實施形態之光學式膜厚測量裝置及薄膜形成裝置之功能構成之方塊圖。
圖12係顯示其他實施形態與圖2相同之剖面說明圖。
圖13係投光部與受光部為相同方向之光學式膜厚測量裝置之基本構成之說明圖。
圖14係投光部與受光部為相反方向之光學式膜厚測量裝置之基本構成之說明圖。
圖15係圖13及圖14之輸出光之算出方法與光之相對輸出比較之說明圖。
圖16係顯示來自第1實施形態之基體(基板)之輸出之圖。
圖17係顯示來自第2實施形態之基體(基板)之輸出之圖。
圖18係顯示來自第3實施形態之基體(基板)之輸出之圖。
圖19係顯示來自第4實施形態之基體(基板)之輸出之圖。
11‧‧‧真空容器
13‧‧‧旋轉筒
13a‧‧‧旋轉軸
13b‧‧‧齒輪
13c‧‧‧開口
17‧‧‧旋轉筒驅動馬達
17a‧‧‧齒輪
20‧‧‧濺鍍手段
30‧‧‧濺鍍氣體供應手段
60‧‧‧光學式膜厚測量裝置
61‧‧‧光源
61a‧‧‧發光元件
61b‧‧‧濾光器
62‧‧‧投光用光纖
63‧‧‧投光頭
64‧‧‧投光側聚光透鏡
65a‧‧‧第1分束器
65b‧‧‧第2分束器
65c‧‧‧第1全反射鏡
66a‧‧‧第3分束器
66b‧‧‧第4分束器
66c‧‧‧第2全反射鏡
67‧‧‧受光側光纖
68‧‧‧受光側聚光透鏡
69‧‧‧受光頭
100a,100b,100c‧‧‧光路切換光閘
101‧‧‧驅動部
102a,102b,102c‧‧‧遮蔽板
S‧‧‧基體(基板)

Claims (9)

  1. 一種具備旋轉型之基體保持手段之光學薄膜形成裝置之光學式膜厚測量裝置，其特徵在於，具備：投光部，從前述旋轉型之基體保持手段之旋轉軸線之一方側往前述基體保持手段內部投射測定光；受光部，接收來自該投光部之測定光；複數個內部分束器，設於前述基體保持手段內部，且將從前述投光部投射之前述測定光往基體反射；內部光反射構件，設於前述基體保持手段內部，且將來自前述複數個內部分束器中最接近之內部分束器之測定光全反射；複數個外部分束器，設於前述基體保持手段外側，且將來自前述複數個內部分束器之測定光往前述受光部反射；以及外部光反射構件，設於前述基體保持手段外側，且將來自前述光反射構件之測定光往前述受光部反射；使被前述複數個內部分束器及前述內部光反射構件反射後之測定光透射過前述基體後，在前述複數個外部分束器及前述外部光反射構件反射並導向前述受光部，而接收測定光。
  2. 如申請專利範圍第1項之光學式膜厚測量裝置，其中，前述基體保持手段之旋轉軸線，位於構成前述基體保持手段中心之中空狀旋轉軸體內，前述內部分束器及前述內部光反射構件配置於前述旋轉軸體內，前述旋轉軸體之 壁面構成為能使前述反射後之測定光通過。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之光學式膜厚測量裝置，其中，藉由前述內部分束器及前述內部光反射構件反射之測定光係大致相等之光量。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之光學式膜厚測量裝置，其具備根據以前述受光部接收之前述測定光運算形成於前述基體之薄膜之膜厚之膜厚運算部。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之光學式膜厚測量裝置，其中，前述複數個外部分束器及前述外部光反射構件係以中空之筐體覆蓋，該筐體之測定光所射入之部分構成為能使測定光通過。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之光學式膜厚測量裝置，其中，於前述複數個外部分束器及前述外部光反射構件之間設有光閘裝置。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之光學式膜厚測量裝置，其中，前述投光部與前述受光部設於前述光學薄膜形成裝置之相同方向或相同面之位置。
  8. 如申請專利範圍第1或2項之光學式膜厚測量裝置，其中，前述投光部與前述受光部設於前述光學薄膜形成裝置之相反側之方向或相反側之面之位置。
  9. 一種形成薄膜之旋轉型之薄膜形成裝置，具備：基體保持手段，在保持有配置於真空容器內之基體之狀態下能以旋轉軸線為中心旋轉；膜原料物質供應手段，對前述真空容器供應形成薄膜 之膜原料物質；以及成膜流程區域，係於前述基體形成薄膜；其特徵在於：使用申請專利範圍第1或2項之光學式膜厚測量裝置。
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