TWI404908B - An optical film thickness gauge and a thin film forming apparatus having an optical film thickness gauge - Google Patents

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TWI404908B
TWI404908B TW099121613A TW99121613A TWI404908B TW I404908 B TWI404908 B TW I404908B TW 099121613 A TW099121613 A TW 099121613A TW 99121613 A TW99121613 A TW 99121613A TW I404908 B TWI404908 B TW I404908B
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Description

光學式膜厚儀及具備光學式膜厚儀之薄膜形成裝置
本發明係有關光學式膜厚儀及具備光學式膜厚儀之薄膜形成裝置，特別是可高精度進行膜厚測定之光學式膜厚儀，及具備光學式膜厚儀之薄膜形成裝置。
為要提昇對光學元件之控制精度，而期望提高光學薄膜之膜厚精度。在光學薄膜之高精度的膜厚控制中，測定為不可或缺者，遂有用於膜厚控制之各種膜厚測定方法及膜厚儀之提案。在膜厚測定中，較佳係使用在應答性等方面有良好特性的光學式膜厚儀。再者，此處所云之膜厚，係表示光學薄膜的膜厚，具有依存於物理性膜厚及折射率之值。
光學式膜厚儀可大致分成反射式與穿透式。反射式所指之技術，係利用在光學薄膜之表面上所反射的光線、與在基板和光學膜之界面所反射之光線，因路徑不同產生之相位差造成之干涉現象，用之以測定膜厚之技術，由於光線整體之對膜厚的反射率呈現周期變化，因此，多使用在成膜之層數較少，或是用在相對測定亦可之情形時，而有用途較受侷限之缺點存在。
另一方面，穿透式所指之技術係如圖9所示般，使得由投光器11所射出的光，經過配設於鏡箱107內之反射鏡105而反射，然後對穿透過光學薄膜的光線進行測定之技術，可由光量之穿透率，來求取膜厚與分光特性雙方。由於難以受到實基板S之角度變化帶來之光量變化的影響，具有能以高精度進行測定之優點。
然而，由於有使用觀測專用基板，該觀測專用基板之配置位置，被配置在與實基板相異之位置，因此，在觀測專用基板與實基板之間，存在著膜厚差，必須依賴成膜執行者的經驗與知識來校正該膜厚差，因而成為成膜過程中的不穩定因素，而有造成膜厚控制誤差之缺點存在。
又，習知的光學式膜厚儀，如圖9所示，係安裝在薄膜形成裝置3，對於低折射率膜實難以提高測定精度。例如，廣泛用於蒸鍍材料之SiO2 ，由於其與觀測用鏡片之折射率差較小，因此，特別是在穿透性的測光系之中，其原位置測定(in-situ)之光量變化量小，而有控制困難之缺點存在。亦即，若光量變化量小，就只能根據有限的變化量來進行控制，遂難以提高精度。
為解決上述問題，而有下述技術提案：使穿透測定基板之光線(射出光)藉直角稜鏡而反射，然後對再次穿透測定基板之光線(反射光)進行測定，以測定膜厚等(例如參照專利文獻1)。
專利文獻1：日本專利特開2006-45673號公報
然而，在專利文獻1所載之技術中，係使穿透測定基板之光線(射出光)藉直角稜鏡而反射，因此，在測定基板中的射出光與反射光之穿透位置不同，由於穿透之測定的部分並不相同，而有因微小之膜厚分布導致測定誤差之缺點。又，在該種技術中，反射光完全被作為測定之用，因此，必須要形成反射防止膜(AR膜)，若是不在各個面形成AR膜，會連同基板與直角稜鏡間之多重反射光成分一併測定，而有無法正確測定之缺點存在。
本發明之目的在於，提供可對實基板進行測定，可將測定位置之誤差限縮在最小程度之光學式膜厚儀及具備光學式膜厚儀之薄膜形成裝置。又，本發明之其他目的在於，提供無須為測定用途而製備AR膜，即能以高精度來測量光學膜厚及分光特性之光學式膜厚儀，以及具備光學式膜厚儀之薄膜形成裝置。
為解決上述問題，本發明之光學式膜厚儀，係使測定光穿透實基板以測定光學膜厚之光學式膜厚儀，其具備：投光手段，係朝向該實基板射出作為該測定光之射出光；反射鏡，係隔著該實基板位在該投光手段之相反側位置，用以反射該射出光；受光手段，用以接收穿透該實基板、且經該反射鏡反射後再穿透該實基板的該測定光；及光檢測手段，用以檢測該受光手段接收之該測定光；該實基板，對由該投光手段與該反射鏡構成之光學系統呈傾斜配設。
如此，光學式膜厚儀所測定者，係穿透實基板、且經該反射鏡反射後再穿透實基板之測定光，因此，測定光(射出光與反射光)係2次穿透過實基板，而能增加穿透率(光量)之變化量，故可提昇膜厚測定的控制精度。
又，實基板對由該投光手段與該反射鏡構成之光學系統呈傾斜配設，藉此，僅有藉反射鏡而反射之測定光能穿透實基板，可排除因反射所產生之不利於測定的反射光。
更詳細而言，該實基板位在該反射鏡與該投光手段之間的位置配設成對該測定光之光軸具有既定角度。
該測定光，亦即該射出光與經該反射鏡所反射之反射光，係穿透過該實基板之大致同一部位，因此，由反射鏡反射之前與之後的測定光，即射出光與反射光，可分別穿透過實基板之相同部位，而可防止因穿透位置之差異所產生之測定誤差。
又，該反射鏡，較佳係將反射面形成於與該測定光之光軸呈大致垂直的方向。藉此，反射鏡能使由投光手段射入之穿透實基板的測定光在無損失的狀態下，再度循著與入射路徑相同的路徑反射至實基板然後穿透而過。
再者，該反射鏡較佳係配設成對該反射鏡之反射面之垂線與該測定光之光軸間所形成之角度在-5.0～+5.0°的範圍。
此時，為要確保其係處在光量損失不致影響測量精度之情況下，對反射鏡之安裝位置可確保具有一定之自由度。
又，該實基板對由該投光手段與該反射鏡構成之光學系統的傾斜，較佳在大致4.5°以上。此時，非經由既定路徑而穿透實基板的光(不要之反射光)，並不會被光檢測手段所檢測，因此，能正確的僅針對基板之穿透光來檢測。
又，較佳係使該實基板以既定之速度移動，該反射鏡，則被固定配設在相對該實基板之一定位置。以此方式將反射鏡固定，可使光學系統穩定。
又，為解決前述問題，在具備本發明之光學式膜厚儀之薄膜形成裝置中具備：基板保持具，係可在真空容器內支承實基板旋轉且呈圓頂狀；及校正板，在使蒸鍍材料蒸發之蒸鍍手段與該基板保持具間之位置，固定配設在該真空容器側；該光學式膜厚儀，係在將該實基板安裝於該基板保持具之狀態下，使測定光穿透該實基板以測定光學膜厚；該光學式膜厚儀，具備：投光手段，係朝該實基板射出作為該測定光之射出光；反射鏡，係隔著該實基板位在該投光手段之相反側位置，用以反射該射出光；受光手段，用以接收穿透該實基板、且經該反射鏡反射後再穿透該實基板之該測定光；及光檢測手段，用以檢測該受光手段接收之該檢測光；該實基板，對由該投光手段與該反射鏡構成之光學系統呈傾斜配設。
如此，依本發明所提供之薄膜形成裝置，能製造出藉光學式膜厚儀而對實基板之膜厚達到充分控制之基板(光學製品)。
再者，該反射鏡，較佳係被配設在該校正板，可在固定狀態下穩定的藉反射鏡來反射測定光。又，在受到固定之校正板內，難以受到來自蒸鍍源或電漿放電之雜光的影響。
為解決上述問題，依本發明之薄膜形成裝置，其具備：基板保持具，可在真空容器內支承實基板旋轉且呈大致圓筒狀；濺鍍手段，係配設在該基板保持具的外側；及光學式膜厚儀，係在該實基板安裝於該基板保持具之狀態下，使測定光穿透該實基板以測定光學膜厚；該光學式膜厚儀，具備：投光手段，係朝該實基板射出作為該測定光之射出光；反射鏡，係隔著該實基板位在該投光手段之相反側位置，用以反射該射出光；受光手段，用以接收穿透該實基板、且經該反射鏡反射後再穿透該實基板之該測定光；及光檢測手段，用以檢測該受光手段機構接收之該檢測光；該實基板，對由該投光手段與該反射鏡構成之光學系統呈傾斜配設。此時，較佳係該反射鏡配設在該基板保持具內。
如此，由於將反射鏡配置在基板保持具內，不易造成反射鏡的污損，亦極不易受到濺鍍中之電漿放電帶來的雜光影響。
依本發明之光學式膜厚儀及薄膜形成裝置，可測定實基板本身，因此，與觀測專用基板之測定時相異，不易有測定誤差等之發生。又，測定光(射出光及反射光)係2次穿透過實基板，而可增大穿透率(光量)的變化量，而能提昇膜厚測定之控制精度。又，係將實基板配設成對測定光之光軸具有既定角度，因此，僅有藉反射鏡所反射之測定光能穿透過實基板，能夠排除在反射鏡與實基板間所產生之多重反射的反射光成分。
以下，參照圖式以說明本發明之一實施形態。再者，在以下所說明之構件、配置等，乃是本發明之具體化示例，並不用以限縮本發明，理所當然的，可根據本發明要旨而做各種改變。
圖1及圖2，表示本發明之光學式膜厚儀及薄膜形成裝置之圖，圖1係具備旋轉圓筒式保持具之薄膜形成裝置由上方所見時之概略構成說明圖，圖2係具備圓頂式保持具之薄膜形成裝置由側方所見時之概略構成說明圖。
又，圖3至圖8係有關本發明之光學式膜厚儀，圖3表示相對於光軸之反射鏡角度與測定光強度之關係之曲線圖，圖4表示基板之傾角與測定光之比例變化之說明圖，圖5表示基板角度與測定光強度之關係之曲線圖，圖6表示BK-7基板之穿透率測定結果之曲線圖，圖7表示紅外線截止濾光片(IR cut filter)之穿透率測定結果之曲線圖，圖8表示在SiO2 單層成膜時，於波長520nm之光學膜厚之時間經過之光量變化計算結果之曲線圖。
本發明之光學式膜厚儀，並非用以測定專用於測定之觀測用基板，而是以實基板(製品)S作為測定基板來測定其膜厚，如圖1及圖2所示，其構成中具有：作為光源或是投光手段用途之投光器11、作為導光手段之光纖13(13a、13b)、球面消色差透鏡15、反射鏡17、以及作為受光機構之受光器19。又，在投光器11中，係透過光源用穩定化電源21而對其施加電壓；受光器19與電腦(運算用PC)23連接。再者，如圖4所示，在本說明書的記載中，將反射鏡17反射前之測定光記載為射出光L1，將反射後之測定光記載為反射光L2(L2-1,L2-2,L2-3)以區別之。
投光器11，係用以輸出測定用之射出光L1之裝置，內建有Ref電路11a，又，投光器11之構成中，係由光源用穩定化電源21來對其供應電力，並朝射出光側之光纖13a射出任意波長之測定光。受光器19係經由反射光側之光纖13b而供輸入光之裝置，該輸入對象係指，以射出光L1穿透過測定基板(實基板S)後之穿透光，經反射鏡17之反射又再度穿透實基板S之反射光L2。
受光器19具備作為光檢測手段之分光器20，可進行測定光之波長或穿透率的測定，其與電腦(運算用PC)23連接，俾根據分光器20之分析結果來算出光學薄膜之膜厚或光學特性並予顯示。
光纖13係由分岐為二之光纖束所構成，其包含射出光側之光纖13a與反射光側之光纖13b，並被整合在不鏽鋼製之分岐為二的彈性軟管內。射出光側之光纖13a，其一端側被連接至投光器11；反射光側之光纖13b，其一端側則是被連接至受光器19。射出光側之光纖13a及反射光側之光纖13b各自的光纖端部14，則是被整合成同一束，係配設成使光軸朝向球面消色差透鏡15與測定基板(即實基板S)。由光纖端部14所照射之射出光L1，直徑為5~6mm左右的圓形截面。
球面消色差透鏡15，係用以去除波長造成之像差(色像差)與球面像差以圖提昇測定精度的透鏡，其被配設在光纖端部14、與形成於薄膜形成裝置1、2之測定窗25之間。
反射鏡17係配設在實基板S之背面側，用以反射穿透實基板S之來自投光器11的射出光L1。反射鏡17可使用鍍上Al膜、Ag膜之反射鏡，或者在其等Al膜或Ag膜上又覆蓋了MgF2 或SiO之反射鏡，或是覆蓋了其他介電體膜之反射鏡。反射面的尺寸並無限制，但較佳係與實基板S之尺寸具相等程度，為數cm左右。反射鏡17之反射面具有80%左右的反射率。反射鏡17之配設方式，係與照射在實基板S之射出光L1的光軸呈大致垂直(直角)，因此而能夠反射射出光L1，使成為反射光L2，並以相同於射出光L1之光軸之路徑，使反射光L2由實基板S穿透。
再者，球面消色差透鏡15與實基板S、及反射鏡17，係沿著來自光纖端部14之測定光的光軸而配設。
使用以玻璃等材料所形成之構件來作為實基板S，是較佳方式。在本實施形態中使用的實基板S係為板狀，但實基板S的形狀並不侷限為此種板狀。又，亦可為能在表面形成薄膜的其他形狀，例如透鏡形狀、圓筒狀、圓環狀等形狀。此處之玻璃材料係由二氧化矽(SiO2 )形成的材料，具體而言，可例舉為石英玻璃、蘇打石灰玻璃、硼矽玻璃等。再者，本實施形態中的實基板S，亦包含光學濾光片F。
又，實基板S之材料並不侷限於玻璃，亦可為塑膠樹脂等。塑膠樹脂可舉例為，選自由聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、丙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物、尼龍、聚碳酸酯-聚對苯二甲酸乙二酯共聚物、聚碳酸酯-聚對苯二甲酸丁二酯共聚物、丙烯酸、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯構成之群的樹脂材料，或是其等材料與玻璃纖維及/或碳纖維的混合物等。
此處，說明由投光器11所射出之測定光(射出光L1及反射光L2)在被受光器19所接收前的路徑。
由投光器11所輸出之作為測定光的射出光L1，經由射出光側之光纖13a而由光纖端部14朝球面消色差透鏡15照射，通過形成於薄膜形成裝置1、2之測定窗25，照射在實基板S。
照射在實基板S之射出光L1，穿透過實基板S，藉由配設在該實基板S背面側之反射鏡17的反射而成為反射光L2。藉由反射鏡17所反射之反射光L2，再度穿透實基板S、測定窗25、及球面消色差透鏡15而到達光纖端部14。進而，僅有來自實基板S側之測定光(反射光L2)會通過反射光側之光纖13b然後被導向受光器19。
再者，如後述，將實基板S配設成，對測定光之光軸具有傾角。
其次，說明光學式膜厚儀在薄膜形成裝置1、2的安裝狀態。
圖1所示之薄膜形成裝置1，係具有旋轉圓筒式保持具33之濺鍍(磁控濺鍍)裝置，其構成中至少具有：真空容器31、安裝有實基板S之作為基板保持具的旋轉圓筒式保持具33、對向設置於旋轉圓筒式保持具33之外側之濺鍍手段35，以及未圖示之濺鍍氣體供應機構。
真空容器31係一般薄膜形成裝置所常使用之不鏽鋼製，乃是呈大致直方體形狀的中空體。又，在真空容器31之側面側、亦即在真空容器31中之旋轉圓筒式保持具33的徑向側，形成有測定窗25。
旋轉圓筒式保持具33以略圓筒狀方式形成，其旋轉軸被配置成朝真空容器31的上下方向。旋轉圓筒式保持具33具有實基板S之保持機構之功能，實基板S係在該旋轉圓筒式保持具33之外周面經由未圖示之基板保持具等而被並排安裝著。
在旋轉圓筒式保持具33中之安裝有實基板S的部分，形成有既定尺寸的開口部(未圖示)，因此，穿透實基板S之測定光，可射入旋轉圓筒式保持具33的內側。再者，旋轉圓筒式保持具33亦可形成為中空角柱形狀。
濺鍍手段35的構成中包含，一對靶材、用以保持靶材之一對磁控濺鍍電極、及電源裝置(均未圖示)。靶材之形狀為平板狀，靶材之長邊方向，被配置成與旋轉圓筒式保持具33之旋轉軸線平行。
在濺鍍手段35之周邊，設有用來供應氬氣等濺鍍氣體之濺鍍氣體供應機構。在靶材周邊為惰性氣體環境之狀態下，從電源將交流電壓施加至磁控濺鍍電極後，靶材周邊之濺鍍氣體之一部分會放出電子而呈離子化。該離子被加速而與靶材撞擊，使得靶材表面之原子或粒子(靶材為鎳之情形時為鎳原子或鎳粒子)被敲擊而出。該鎳原子或鎳粒子為薄膜之原料、即膜之原料物質(蒸鍍物質)，附著在實基板S之表面而形成薄膜。
在薄膜形成裝置1中，旋轉圓筒式保持具33旋轉後，造成被保持在旋轉圓筒式保持具33外周面之實基板S的公轉，致反複移動於面向濺鍍手段35的2處位置。又，藉著使實基板S如上述般的公轉，使得在濺鍍手段35之濺鍍處理依序反複進行，而在實基板S的表面形成薄膜。
再者，在將電漿產生機構安裝在薄膜形成裝置1以形成薄膜時，亦可同時進行前處理步驟而對薄膜形成前之實基板S的表面進行電漿處理，或是進行後處理步驟而對薄膜形成後之實基板S的表面進行電漿處理。當然，亦可取代濺鍍手段35而使用其他成膜機構。
在薄膜形成裝置1，本發明的光學式膜厚儀，係從形成於真空容器31之一部分之測定窗25，將射出光L1朝實基板S照射，藉由設置在實基板S背面側之反射鏡17，使得穿透實基板S之射出光L1經反射後而成的反射光L2，再次穿透實基板S。
具體而言，連接於投光器11及受光器19之光纖13的另一端部，以及球面消色差透鏡15，係被配設在真空容器31的外側，反射鏡17則被固定在實基板S之背面側且為旋轉圓筒式保持具33的內側位置。在旋轉圓筒式保持具33中之安裝有實基板S的位置，形成有開口部，因此，可使穿透實基板S之射出光L1，通過旋轉圓筒式保持具33的開口部，然後被配設在其內側之反射鏡17所反射。
如此，藉安裝有光學式膜厚儀，在成膜中亦可對被安裝在旋轉圓筒式保持具33之實基板S測定其光學膜厚或光學特性等。具體而言，係在旋轉圓筒式保持具33中之逢實基板S之測定部分與測定光光軸重疊之既定位置，進行膜厚等之測定。又，係將實基板S配設成，對測定光之光軸具有傾角。
在薄膜形成裝置1中，係將反射鏡17固定在實基板S之背面側且為旋轉圓筒式保持具33的內側位置。因此其優點在於，不易造成反射鏡17的污損，亦不易受到濺鍍中之電漿放電造成之雜光影響。
又，亦可對複數個實基板S安裝反射鏡17。亦即在實基板S與反射鏡17成組成對的安裝狀態下，在與射出光L1之位置相對應之既定位置，針對實基板S之膜厚或光學特性進行各實基板S之複數次測定。藉此構成方式，使旋轉圓筒式保持具33旋轉而將實基板S配置於既定位置，藉此，可依序使測定光穿透被安裝在旋轉圓筒式保持具33之複數個實基板S，以測定光學膜厚。因此，能同時測定複數個實基板S之膜厚，可取得能以更高精度進行光學膜厚測定之薄膜形成裝置。
其次，圖2所示之薄膜形成裝置2，係具備配設在真空容器41內之旋轉保持具43之蒸鍍裝置，基板保持具的構成中至少具有，安裝有實基板S之圓頂狀的旋轉保持具43，以及與旋轉保持具43位在對向且設置在下方側之蒸鍍手段45。又，在本實施形態之薄膜形成裝置2中，於旋轉保持具43與蒸鍍手段45之間的位置，配設有校正板47。
真空容器41乃是在一般之薄膜形成裝置中常用的不鏽鋼製，係呈大致直方體形狀的中空體。又，在旋轉保持具43之上側面，形成有測定窗25。
旋轉保持具43係形成為大致圓頂狀，其配設成旋轉軸朝上下方向而配置在真空容器41內，具有基板保持機構之功能，可透過未圖示之安裝治具將複數個實基板S安裝至旋轉保持具43。在旋轉保持具43中之安裝有實基板S的部分，形成有既定尺寸之開口部(未圖示)。
蒸鍍手段45設置於，在真空容器41之下方側中與旋轉保持具43成為對向的位置，其構成可舉例為，由置入坩堝內之蒸鍍物質、與用來對蒸鍍物質加熱之電子光源或高頻線圈等而構成。當然，蒸鍍手段亦可使用由靶材、電極、及電源所構成之濺鍍源。
校正板47係被固定在真空容器41側之大致呈板狀的構件，用以校正在旋轉保持具43之安裝位置產生之實基板S上之膜厚差。藉此，在將薄膜形成於實基板S之際，可因對由蒸鍍手段45朝實基板S蒸發之蒸發物質的堆積加以部分阻擋，而能收膜厚校正之效。在薄膜形成裝置2中，由蒸鍍手段45所蒸發的蒸鍍物質，會堆積在已被安裝在旋轉保持具43之實基板S上，以進行成膜。此時，係藉旋轉保持具43之旋轉與校正板47，來校正在實基板S之位置之膜厚差。
在薄膜形成裝置2中之本發明之光學式膜厚儀，係從形成於真空容器41之一部之測定窗25，將射出光L1朝實基板S照射，透過在實基板S下方側之校正板47所設置之反射鏡17，使穿透實基板S之射出光L1經反射而成為反射光L2，進而再次穿透實基板S。
具體而言，連接於投光器11與受光器19之光纖端部14、及球面消色差透鏡15，係配設於真空容器41的外側，將反射鏡17固定在實基板S的下方側、且為校正板47的上側位置。在旋轉保持具43中之安裝有實基板S的位置，形成有開口部，因此，可使穿透實基板S之射出光L1通過旋轉保持具43的開口部，然後藉由配設在其下方側之反射鏡17而反射。
如此，藉由光學式膜厚儀的安裝，即使在成膜之中，亦可對安裝在旋轉保持具43之實基板S進行膜厚等光學特性之測定。具體而言，在旋轉保持具43中之逢實基板S之測定部分與測定光光軸重疊之既定位置，進行膜厚等之測定。
再者，光學式膜厚儀係配設成使實基板S對測定光光軸具有傾角。
又，由於反射鏡17被安裝在校正板47之實基板S之側，因此，可對以固定狀態配設在測定圓周上之實基板S進行測定，因此能有穩定的測定。
薄膜形成裝置2中，反射鏡17被安裝在校正板47中之與實基板S相同之側，由於來自蒸鍍手段45之蒸鍍物質有可能因回填而附著在反射鏡17的反射面，因此，可在緊靠反射鏡17之前方位置，安裝有防回填玻璃。再者，防回填玻璃亦能以避免蒸鍍物質附著的方式而以筒狀之蓋頂來罩覆。
再者，防回填玻璃以定期交換為佳。又，防回填玻璃之配設，亦能以同樣於實基板S之方式，而配設成為對測定光之光軸具有傾角，則為較佳。
又，在薄膜形成裝置1、2中，在以光學式膜厚儀進行測定之際，必須將實基板S正確對位於測定位置。因此，在薄膜形成裝置1、2中均具有旋轉控制機構，用以使旋轉圓筒式保持具33或旋轉保持具43在測定位置停止。旋轉控制機構可使用周知之裝置，例如，構成中可具有能夠經常觀測及控制其位置感測器與旋轉角度的馬達。
在薄膜形成裝置1、2中，測定窗25亦配設成對測定光之光軸具有既定角度。其原因，與該實基板S以既定傾角來配設之原因相同。因此，由測定窗25之玻璃構件所反射之光線，同樣能防止被輸入受光器19之側。
以下根據圖3至圖8，說明本發明之光學式膜厚儀。
再者，以下所示之測定或計算例，係安裝有本發明之光學式膜厚儀之薄膜形成裝置1的結果，但由測定結果所導出之效果等，亦可原原本本的運用在薄膜形成裝置2。
圖3係相對於光軸之反射鏡角度θ與測定光強度之關係之曲線圖，反射鏡角度θ係由-6～+6°止之測定結果。此處，反射鏡17之反射鏡角度θ，係對反射鏡17之反射面之垂線與測定光光軸所構成之角度。
如圖3所示，在反射鏡17之角度θ為0°時反射量的光量為最大值。再者，圖3中之反射鏡17的反射率係以100%換算之資料。
又，反射光之測定光強度儘管在反射鏡角度θ等於0°時為最大，但在反射鏡角度θ±1.0°時，相較於反射鏡角度θ=0°，具有82～87%以上的測定光強度；在反射鏡角度θ±0.6°時，則有94～96%以上之測定光強度。再者，在圖3中的反射光之光量，係反射鏡17所測得之光量(反射光L2的光量)相對於射出光L1之光量的比例以百分比來表示時的數值。
又，可容許之反射鏡17之反射鏡角度θ=-5.0～+5.0°，係按照反射鏡17與球面消色差透鏡15、或是光纖端部14之距離而變化之值。亦即，反射鏡17與球面消色差透鏡15或光纖端部14之距離越長，則可容許之反射鏡17之反射鏡角度θ則越窄。
再者，在薄膜形成裝置1中，反射鏡17與球面消色差透鏡15間之距離為60～350mm左右。
圖4係基板傾角與測定光之比例變化之說明圖，表示實基板S之傾角與測定光(射出光及反射光)之路徑、以及光之比例變化，圖4(a)表示實基板S之傾角α=0°時(未傾斜之情形)，圖4(b)表示實基板S之傾角α具有既定值之情形時。此處之實基板S之傾角α，係對實基板S之成膜面之垂線與測定光軸所構成的角度。
再者，圖4中的光量，係以未安裝實基板S之狀態下所測得之光量視為100%之示意圖。又，此處之反射鏡17的反射率視為80%。
首先說明的是，圖4(a)所示之基板傾角α=0°時之測定光的路徑與光之比例變化。
由真空容器31之測定窗25所射入的光(射出光L1)穿透實基板S。此時，若將射入之光(射出光L1)的全光量視為「100」，則在實基板S兩側之表面，分別有未穿透之4.25%的反射(合計光量8.5)。此光量8.5的光成為反射光L2-1而由測定窗25所射出。因此，穿透實基板S之光量成為91.5。此穿透光量為91.5的光，藉由配設在實基板S之背面側之反射鏡17而反射。此折返之反射光，再次穿透實基板S，同樣的，考慮到合計8.5%的反射率，餘下來的91.5%穿透過實基板S。亦即，光量83.7(第1次的穿透光91.5×來自反射鏡17之折返造成之第2次的穿透率91.5%)作為L2-2而從測定窗25所射出。此時之所以能夠無視於反射鏡17的反射率，係因為在實基板S之測定前，有在不設實基板S(僅有反射鏡17的反射)的狀態下進行100%基準線(baseline)測定之故。
折返的反射光在透過實基板S之際，由實基板S所反射之光量7.78(91.5×8.5%)再度經反射鏡17反射之情形時，光量6.22(7.78×反射鏡之反射率80%)再度朝向實基板S。此光量6.22之再反射光，同樣在實基板S有各4.25%合計8.5%的反射，光量5.69(6.22×91.5%)作為L2-3而從測定窗25射出。
亦即，由測定窗25所射出的光為L2-1～3，亦交雜有實基板S的反射光。
亦即，由測定窗25所射入的光(射出光L1)可大致分成：
(1)反射光L2-1……8.5(實基板S之兩面反射光)
(2)反射光L2-2……83.7(因反射鏡17之反射而2度穿透實基板S的光)
(3)反射光L2-3……5.69(再度因反射鏡17的反射而穿透實基板S的光)
(因反射光L2-4以上之多重反射光極微量，在此模式中不予計入)。
因此，由測定窗25所射入的光(射出光L1)中，有97.89(8.5+83.7+5.69)左右的光量會作為反射光L2而朝向真空容器31之測定窗25。因為實基板之傾角為0°之故，所反射的光線會全部通過相同路徑。
亦即，當實基板S之傾角為0°時，被輸入受光器19的光(反射光L2)中有14.19(8.5+5.69)左右，係實基板S的反射光。因此，若是實基板S之傾斜角度為0°，則射入受光器19之反射光L2中，通過期望路徑以外之光線將佔有一成以上，此為發生測定誤差的原因。
接著說明圖4(b)所示之、基板有傾角時其測定光之路徑與光之比例變化。
與上述圖4(a)相同地，會發生射出光L1及反射光L2之穿透、反射，然而由於實基板S有既定角度的傾角，因此，在實基板S之表面所反射之8.5%的光，朝著與實基板S之傾角相對應之方向而反射。因此，若是實基板S之傾斜角度在既定值以上，在實基板S的表面所反射的光線，將不會朝向受光器19而去。
又，在反射鏡17所反射之反射光L2中，由實基板S所反射的光，亦同樣朝對應於實基板S傾角之方向反射，而不會朝向受光器19而去。
亦即，使實基板S具有既定傾角時，僅有2次通過實基板S之光線(光量83.7)會輸入至受光器19。因此，可減少發生誤差的原因，可望提高測定精度。
圖5係基板角度與測定光強度之關係圖，乃是實基板S之傾角α與反射光光量之關係的測定結果；圖5(a)係傾角α為-6～+6°的測定結果，圖5(b)係對圖5(a)的結果中將傾角α=+3～+5.5°再予擴大之圖。再者，圖5中的光量，係以未安裝實基板S之狀態下所測得之資料作為基準。
由圖5(a)可以得知，當實基板S不具傾角、α=0°時，反射光之光量為最大值。其原因如圖4(a)所說明般，因其亦包含由實基板S之表面、背面所反射之光線之故。
將實基板S之角度傾斜後，由實基板S之表面所反射的光線，會朝著與實基板S之傾角相對應的方向反射，因此，在受光器19之測定光量，將會隨實基板S之傾角而減少。又，在傾角約在4.5°以上的區域中，光量呈大致一定之值。其原因如圖4(b)所說明般，因為由實基板S之表面、內面所反射的光不會進入受光器19之故。
如圖5(b)所示，傾角在4.5°以上時，則呈現一定之值，因此，較佳係將實基板S之傾角設定在4.5°以上。此處，由於實基板S不論傾斜於任一方向均可得到同樣的效果，因此，傾角係指與測定光之光軸之正交面之相對角度的絕對值。
亦即，實基板S之傾角以設定在±4.5°以上為較佳。
又，實基板S之傾角之較佳設定方式係，光量在一定之值之範圍內之最小值。根據圖5(b)，傾角在4.5°左右時僅有微量的光量變化，但在傾角約5°以上時，已漸無光量之變化。
又，實基板S之傾角，係按照實基板S與反射鏡17、或是實基板S與球面消色差透鏡15、甚至光纖端部14的距離而變化之值。例如，當實基板S與球面消色差透鏡15或是光纖端部14之距離越長，則可容許之實基板S之傾角越小。
如上述，薄膜形成裝置1中，反射鏡17與球面消色差透鏡15之間之距離為60~350mm左右。
圖6至圖8係本發明之光學式膜厚儀之測定例，其等各圖，係以光學式膜厚儀對實基板S(BK-7基板)或光學濾光片F之測定結果，乃是與1次穿透之測定結果相比較者。在以下所說明之任一例中，同樣是將所測定之實基板S之傾角設為5°以進行測定。
(實施例1)
圖6係表示BK-7基板之穿透率測定結果之曲線圖。X軸為測定波長、Y軸為光量(穿透率)。圖6中所示，係以本發明之光學式膜厚儀進行之2次穿透時之穿透率測定結果、以分光光度計SolidSpec3700(島津製作所製)所進行之1次穿透時之穿透率測定結果、以及將1次測定之資料換算成2次測定之換算值。
由圖6可以了解，BK-7基板在被測定之全波長區域具有大致平滑之穿透率特性(光學特性)，將2次穿透之測定值，與將1次穿透換算成2次穿透後之換算值相較，在整個波長區域都顯示出大致相同之值。此現象顯示出，本發明之光學式膜厚儀，即使僅是在真空容器31內配置有反射鏡17之簡單構造，仍能提高對應於100%光量之變化量，亦即，可提昇膜厚測定之控制精度。
(實施例2)
圖7係表示紅外線截止濾光片之穿透率測定結果之曲線圖。IR(紅外線)截止濾光片，係在BK-7基板上積層Nb2 O5 /SiO2 之光學濾光片F。圖7亦與圖6相同的，各以X軸及Y軸來表示測定波長與穿透率，其表示本發明之光學式膜厚儀的測定結果(2次穿透)、分光光度計之測定(1次穿透)、以及將1次穿透之資料換算成2次穿透(換算值)者。
根據圖7，紅外線截止濾光片，在大約700nm以上之紅外線波長域之穿透率為0%附近之值。在此紅外線截止濾光片之測定中同樣顯示出，將2次穿透之測定值，與1次穿透換算成2次穿透之換算值相較後，在整個波長域皆具有大致相同數值。因此，在紅外線截止濾光片之測定中，同樣可得知本發明之光學式膜厚儀至少與習知之1次穿透型的光學式膜厚儀具有同等的測定精度。
圖8係將本發明之光學式膜厚儀之特性與習知之測定法相比較之圖，係將本發明之光學式膜厚儀所計算的結果，與習知之1次穿透所得之計算結果進行比較。計算(模擬)係使用市售的光學運算理論軟體來進行。
(實施例3)
圖8係表示在SiO2 單層成膜時，於波長520nm之光學膜厚之時間經過之光量變化之曲線圖，係SiO2 單層濾波膜之光量變化計算結果，其將1次穿透之計算結果、與本發明之光學式膜厚儀對SiO2 單層濾波膜之2次穿透的計算結果進行比較。SiO2 單層濾波膜，乃是在BK-7形成有SiO2 單層膜之光學濾光片F。X軸表示成膜時間(與膜厚成比例)，Y軸表示穿透光量。又，光量變化計算係波長為520nm之值。
如圖8所示，本發明之光學式膜厚儀之2次穿透的計算值(2次穿透)，與1次穿透之計算值(1次穿透)相較後，在本發明之2次穿透之情形時，穿透率及穿透光量的變化量均變大，與習知例相較，正因為其變化量變大而能提昇其測定精度。
圖8中，將本發明之光學式膜厚儀之測定值的計算結果、與1次穿透之測定值的計算結果進行比較後，可以得知，本發明之光學式膜厚儀之測定有較高的變化率。變化量的差約有1.6至1.8倍。其原因在於，使實基板S有2次的穿透造成穿透率減少而導致變化量增大。由於測定值的變化量增大，而能提昇測定精度，本發明之光學式膜厚儀，可謂其測定精度優於習知之1次穿透型光學式膜厚儀。
S．．．實基板(測定基板)
F．．．光學濾光片
L1．．．射出光
L2(L2-1,L2-2,L2-3)．．．反射光
1、2、3．．．薄膜形成裝置
11．．．投光器
11a．．．Ref電路
13．．．光纖
13a．．．射出光側之光纖
13b．．．反射光側之光纖
14．．．光纖端部
15．．．球面消色差透鏡
17．．．反射鏡
19．．．受光器
20．．．分光器
21．．．光源用穩定化電源
23．．．電腦(運算用PC)
25．．．測定窗
31、41、101．．．真空容器
33．．．旋轉圓筒式保持具
35．．．濺鍍手段
43、103．．．旋轉保持具
45．．．蒸鍍手段
47．．．校正板
105．．．反射鏡
107．．．鏡箱
圖1係具備旋轉圓筒式保持具之薄膜形成裝置由上方所見時之概略構成說明圖。
圖2係具備圓頂式保持具之薄膜形成裝置由側方所見時之概略構成說明圖。
圖3係表示相對於光軸之反射鏡角度與測定光強度之關係之曲線圖。
圖4(a)、(b)係表示基板傾角與測定光之比例變化之說明圖。
圖5(a)、(b)係表示基板角度與測定光強度之關係之曲線圖。
圖6係表示BK-7基板之穿透率測定結果之曲線圖。
圖7係表示紅外線截止濾光片之穿透率測定結果之曲線圖。
圖8係表示在SiO2 單層成膜時，於波長520nm之光學膜厚之時間經過的光量變化計算結果之曲線圖。
圖9係具有習知之穿透型光學式膜厚儀之薄膜形成裝置的概略構成說明圖。
S．．．實基板(測定基板)
1．．．薄膜形成裝置
11．．．投光器
11a．．．Ref電路
13．．．光纖
13a．．．射出光側之光纖
13b．．．反射光側之光纖
14．．．光纖端部
15．．．球面消色差透鏡
17．．．反射鏡
19．．．受光器
20．．．分光器
21．．．光源用穩定化電源
23．．．電腦(運算用PC)
25．．．測定窗
31．．．真空容器
33．．．旋轉圓筒式保持具
35．．．濺鍍手段

Claims (10)

  1. 一種光學式膜厚儀，係使測定光穿透實基板以測定光學膜厚，其特徵在於，具備：投光手段，係朝該實基板射出作為該測定光的射出光；反射鏡，係隔著該實基板位在該投光手段之相反側位置，用以反射該射出光；受光手段，用以接收該測定光；及光檢測手段，用以檢測由該受光手段接收之該測定光；對該實基板之成膜面之垂線配設成相對該測定光之光軸具有既定角度，藉此，該受光手段僅接收穿透該實基板、且以該反射鏡反射而穿透該實基板之該測定光。
  2. 如申請專利範圍第1項之光學式膜厚儀，其中，作為該測定光之該射出光與經該反射鏡反射之反射光，係穿透該實基板之大致同一部位。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之光學式膜厚儀，其中，該反射鏡，於相對該測定光之光軸之大致垂直方向形成反射面。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之光學式膜厚儀，其中，該反射鏡係配設成對該反射鏡之反射面之垂線與該測定光之光軸所形成之角度在-5.0~+5.0°的範圍。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之光學式膜厚儀，其中，對該實基板之成膜面之垂線與該測定光之光軸所形成之角度為大致4.5°以上。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之光學式膜厚儀，其中， 該實基板以既定速度移動，該反射鏡被固定配設於相對該實基板之一定位置。
  7. 一種具備光學式膜厚儀之薄膜形成裝置，具備：基板保持具，可在真空容器內支承實基板旋轉且呈圓頂狀；及校正板，在使蒸鍍材料蒸發之蒸鍍手段與該基板保持具間之位置，固定配設在該真空容器側；該光學式膜厚儀，係在將該實基板安裝於該基板保持具之狀態下，使測定光穿透該實基板以測定光學膜厚；其特徵在於：該光學式膜厚儀，係使用申請專利範圍第1至6項中任一項之光學式膜厚儀。
  8. 如申請專利範圍第7項之具備光學式膜厚儀之薄膜形成裝置，其中，該反射鏡係配設在該校正板。
  9. 一種具備光學式膜厚儀之薄膜形成裝置，具備：基板保持具，可在真空容器內支承實基板旋轉且呈大致圓筒狀；及濺鍍手段，係配設在該基板保持具的外側；該光學式膜厚儀，係在將該實基板安裝於該基板保持具之狀態下，使測定光穿透該實基板以測定光學膜厚；其特徵在於：該光學式膜厚儀，係使用申請專利範圍第1至6項中任一項之光學式膜厚儀。
  10. 如申請專利範圍第9項之具備光學式膜厚儀之薄膜形成裝置，其中，該反射鏡係配設在該基板保持具內。
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