光学式膜厚計及び光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置
【課題】高い精度で光学膜厚及び分光特性の計測が可能な光学式膜厚計及び光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置を提供する。
【解決手段】光学式膜厚計は、投光器１１と、反射ミラー１７と、受光器１９と、分光器２０とから構成されており、測定光の入射方向に対して実基板Ｓの逆側に、測定光の光軸に対してほぼ垂直に反射面を配設された反射ミラー１７を備えている。また実基板Ｓは、測定光の光軸に対して所定の傾き角度を有して配設される。測定光（出射光と反射光）が実基板Ｓを２回透過することになり、透過率（光量）の変化量を大きくすることができ、膜厚測定の制御精度を向上させることができる。また透過位置の違いによる測定誤差の発生を防止することができ、また、測定基板を所定の経路を通って２回透過していない測定光が受光器１９側で検出されることがなくなるため、高い精度で光学膜厚及び分光特性の計測ができる。
【解決手段】光学式膜厚計は、投光器１１と、反射ミラー１７と、受光器１９と、分光器２０とから構成されており、測定光の入射方向に対して実基板Ｓの逆側に、測定光の光軸に対してほぼ垂直に反射面を配設された反射ミラー１７を備えている。また実基板Ｓは、測定光の光軸に対して所定の傾き角度を有して配設される。測定光（出射光と反射光）が実基板Ｓを２回透過することになり、透過率（光量）の変化量を大きくすることができ、膜厚測定の制御精度を向上させることができる。また透過位置の違いによる測定誤差の発生を防止することができ、また、測定基板を所定の経路を通って２回透過していない測定光が受光器１９側で検出されることがなくなるため、高い精度で光学膜厚及び分光特性の計測ができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学式膜厚計及び光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置に係り、特に、高精度な膜厚測定が可能な光学式膜厚計及び光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学デバイスに対する制御精度の向上のために、光学薄膜の膜厚の精度を高めることが望まれている。光学薄膜の高精度な膜厚制御には、測定が不可欠であり、膜厚制御に用いられる種々の膜厚測定方法及び膜厚計が提案されている。膜厚測定には応答性などの点で優れる光学式膜厚計を使用することが望ましい。なお、ここでいう膜厚は光学薄膜の膜厚を示し、物理的な膜厚と屈折率に依存する値を有するものである。
【０００３】
光学式膜厚計は、反射式と透過式に大別することができる。反射式は、光学薄膜の表面上で反射された光線と、基板と光学膜の界面で反射された光線とが経路の違いにより位相差を生じることで干渉する現象を利用して膜厚を測定する技術であり、光線全体としての反射率は膜厚に対して周期的に変化するため、成膜の層数が少ない場合や相対的測定でもよい場合に使用されることが多く、用途が比較的限定されるという不都合がある。
【０００４】
一方、透過式は、図９に示すように、投光器１１から出射された光を、ミラーボックス１０７内に配設されたミラー１０５に反射させることにより、光学薄膜を透過させた光線を測定する技術であり、光量の透過率から膜厚と分光特性の両方を求めることができる。実基板Ｓの角度変化による光量変化の影響を受け難いため、高い精度で測定を行うことができる利点がある。
しかし、モニタ専用基板を用いており、このモニタ専用基板の配置位置は、実基板とは異なる位置に配置されているため、モニタ専用基板と実基板との間には、膜厚差が存在することになり、この膜厚差を補正するため成膜担当者の経験と知識が必要とされ、このため成膜プロセスの不安定要因となり、膜厚制御誤差が生じてしまうという不都合があった。
【０００５】
また、従来の光学式膜厚計は、図９に示すように、薄膜形成装置３に取り付けられており、低屈折率膜に対する測定精度を上げることが難しい。例えば、蒸着材料として多用されるＳｉＯ２は、モニタガラスとの屈折率差が小さいことから、特に透過測光系においては、その場測定（ｉｎ−ｓｉｔｕ）での光量変化量が小さく、制御することが困難であるという不都合がある。つまり、光量変化量が小さいと、限られた変化量に基づいて制御せざるを得ず、精度を高くすることが困難になってしまう。
【０００６】
このような問題を解決するため、測定基板を透過した光線（出射光）をコーナーキューブプリズムによって反射させ、再び測定基板を透過させた光線（反射光）を測定して膜厚等を測定する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−４５６７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、測定基板を透過した光線（出射光）をコーナーキューブプリズムによって反射させるため、測定基板における出射光と反射光の透過位置が異なり、透過測定する部分が異なってしまうため、微小な膜厚分布による測定誤差が生じるという不都合があった。また、この技術では、反射光が全て測定用に利用できるようにするために、反射防止膜（ＡＲ膜）を形成する必要があり、各面にＡＲ膜を形成しておかないと、基板とコーナーキューブプリズム間の多重反射光分まで測定してしまい、正確な測定ができないという不都合があった。
【０００９】
本発明の目的は、実基板を測定でき、測定位置の誤差を最小限にとどめた光学式膜厚計及び光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、測定のためのＡＲ膜を不要とし、高い精度で光学膜厚及び分光特性の計測が可能な光学式膜厚計及び光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題は本発明に係る光学式膜厚計によれば、実基板に測定光を透過させて光学膜厚を測定する光学式膜厚計であって、前記実基板に向けて測定光としての出射光を出射する投光手段と、前記実基板を介して前記投光手段と反対側の位置で、前記出射光を反射する反射ミラーと、前記実基板を透過し、且つ前記反射ミラーで反射して前記実基板を透過した前記測定光を受光する受光手段と、該受光手段により受光された前記測定光を検出する光検出手段と、を備え、前記実基板は、前記投光手段と前記反射ミラーとからなる光学系に対して傾斜をもって配設されていることにより、解決される。
【００１１】
このように、光学式膜厚計は、実基板を透過し、且つ前記反射ミラーで反射して実基板を透過した測定光により測定するので、測定光（出射光と反射光）が実基板を２回透過することになり、透過率（光量）の変化量を大きくすることができ、膜厚測定の制御精度を向上させることができる。
また、実基板は、投光手段と反射ミラーとからなる光学系に対して傾斜をもって配設されていることで、反射ミラーによって反射した測定光だけが、実基板を透過することになり、反射によって生じる測定に不利な反射光を除外することが可能となる。
【００１２】
より詳しくは、前記実基板は、前記反射ミラーと前記投光手段の間の位置に、前記測定光の光軸に対して所定角度を有して配設されることになる。
前記測定光である前記出射光と前記反射ミラーで反射された反射光は、前記実基板の略同一箇所を透過するので、反射ミラーで反射される前後の測定光である出射光と反射光は、実基板のそれぞれ同じ部分を透過させることができ、透過位置の違いによる測定誤差の発生を防止することができる。
【００１３】
また、前記反射ミラーは、前記測定光の光軸に対してほぼ垂直方向に反射面が形成されているようにすると好適である。これにより、反射ミラーは、投光手段から入射して実基板を透過した測定光を、損失することなく、再度、入射経路と同一経路を通って実基板を透過するように反射させることが可能となる。
【００１４】
なお、前記反射ミラーは、前記反射ミラーの反射面に対する垂線と、前記測定光の光軸とのなす角度が−５．０〜＋５．０°の範囲になるように配設されてなると好適である。
このとき、光量の損失により測定精度に影響を与えない程度に確保されるため、反射ミラーの取り付け位置に関し、一定の自由度を確保することができる。
【００１５】
また、前記実基板の前記投光手段と前記反射ミラーとからなる光学系に対する傾斜は、略４．５°以上であると好適である。このとき、所定の経路を通って実基板を透過していない光（不要な反射光）を光検出手段に検出されないようにするので基板の透過光だけを正確に測定する事が可能となる。
【００１６】
また、前記実基板は所定の速度で動き、前記反射ミラーは、前記実基板に対し一定の位置に固定されて配設されていると好ましい。このように反射ミラーが固定されていると、光学系が安定する。
【００１７】
また、前記課題は、本発明の光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置によれば、真空容器内に実基板を支持して回転可能なドーム状の基板ホルダと、蒸着材料を蒸発させる蒸着手段と前記基板ホルダとの間の位置に、前記真空容器側に固定されて配設される補正板と、前記基板ホルダに前記実基板を取り付けた状態で、前記実基板に測定光を透過させて光学膜厚を測定する光学式膜厚計と、を備えた薄膜形成装置であって、前記光学式膜厚計は、前記実基板に向けて測定光としての出射光を出射する投光手段と、前記実基板を介して前記投光手段と反対側の位置で、前記出射光を反射する反射ミラーと、前記実基板を透過し、且つ前記反射ミラーで反射して前記実基板を透過した前記測定光を受光する受光手段と、該受光手段により受光された前記測定光を検出する光検出手段と、を備え、前記実基板は、前記投光手段と前記反射ミラーとからなる光学系に対して傾斜をもって配設されていること、により解決される。
【００１８】
このように、本発明によれば、光学式膜厚計によって、実基板の膜厚制御が十分になされた基板（光学製品）を製造できる薄膜形成装置を提供することが可能となる。
なお、前記反射ミラーは前記補正板に配設されていると好適であり、固定状態で安定して反射ミラーによって測定光を反射させることができる。また、固定された補正板で、蒸着源やプラズマ放電からの迷光の影響が受け難くできる。
【００１９】
前記課題は、本発明の薄膜形成装置によれば、真空容器内に実基板を支持して回転可能な略円筒状の基板ホルダと、前記基板ホルダの外側に配設されたスパッタ手段と、前記基板ホルダに前記実基板を取り付けた状態で、前記実基板に測定光を透過させて光学膜厚を測定する光学式膜厚計と、を備えた薄膜形成装置であって、前記光学式膜厚計は、前記実基板に向けて測定光としての出射光を出射する投光手段と、前記実基板を介して前記投光手段と反対側の位置で、前記出射光を反射する反射ミラーと、前記実基板を透過し、且つ前記反射ミラーで反射して前記実基板を透過した前記測定光を受光する受光手段と、該受光手段により受光された前記測定光を検出する光検出手段と、を備え、前記実基板は、前記投光手段と前記反射ミラーとからなる光学系に対して傾斜をもって配設されていることにより、解決される。このとき、前記反射ミラーは前記基板ホルダ内に配設されていると好適である。
【００２０】
このように、反射ミラーを基板ホルダ内に配置しているので、反射ミラーの汚れが生じにくく、スパッタ中のプラズマ放電からの迷光の影響も受け難くできる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る光学式膜厚計及び薄膜形成装置によれば、実基板そのものを測定できるので、モニタ基板での測定と異なり、測定誤差等が生じにくい。また、測定光（出射光及び反射光）が実基板を２回透過することになり、透過率（光量）の変化量を大きくすることができ、膜厚測定の制御精度を向上させることができる。そして、実基板が測定光の光軸に対して所定角度を有して配設されるため、反射ミラーによって反射した測定光だけが、実基板を透過することになり、反射ミラーと実基板間で生じる多重反射の反射光分を除外することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】回転ドラム式ホルダを備える薄膜形成装置を上方から見た概略構成説明図である。
【図２】ドーム式ホルダを備える薄膜形成装置を側方から見た概略構成説明図である。
【図３】光軸に対する反射ミラー角度と測定光強度の関係を示すグラフ図である。
【図４】基板の傾きと測定光の割合変化を示す説明図である。
【図５】基板角度と測定光強度の関係を示すグラフ図である。
【図６】ＢＫ−７基板の透過率測定結果を示すグラフ図である。
【図７】ＩＲカットフィルタの透過率測定結果を示すグラフ図である。
【図８】ＳｉＯ２単層成膜時の、波長５２０nmにおける光学膜厚の時間経過による光量変化の計算結果を示すグラフ図である。
【図９】従来の透過型光学式膜厚計を備える薄膜形成装置の概略構成説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する部材、配置等は発明を具体化した一例であって本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変することができることは勿論である。
【００２４】
図１及び図２は、本発明に係る光学式膜厚計及び薄膜形成装置を示すもので、図１は回転ドラム式ホルダを備える薄膜形成装置を上方から見た概略構成説明図、図２はドーム式ホルダを備える薄膜形成装置を側方から見た概略構成説明図である。
また、図３乃至図８は、本発明に係る光学式膜厚計に関するもので、図３は光軸に対する反射ミラー角度と測定光強度の関係を示すグラフ図、図４は基板の傾きと測定光の割合変化を示す説明図、図５は基板角度と測定光強度の関係を示すグラフ図、図６はＢＫ−７基板の透過率測定結果を示すグラフ図、図７はＩＲカットフィルタの透過率測定結果を示すグラフ図、図８はＳｉＯ２単層成膜時の、波長５２０nmにおける光学膜厚の時間経過による光量変化の計算結果を示すグラフ図である。
【００２５】
本発明に係る光学式膜厚計は、測定専用のモニタ基板を測定するものではなく、測定基板として実基板（製品）Ｓの膜厚を測定するもので、図１及び図２に示すように、光源もしくは投光手段としての投光器１１と、導光手段としての光ファイバ１３（１３ａ，１３ｂ）と、球面アクロマティックレンズ１５と、反射ミラー１７と、受光手段としての受光器１９と、を有して構成されている。また、投光器１１には、光源用安定化電源２１を介して電圧が印加され、受光器１９はコンピュータ（演算用ＰＣ）２３に接続されている。
なお、図４に示すように、本明細書中においては、反射ミラー１７により反射される前の測定光を出射光Ｌ１、反射された後の測定光を反射光Ｌ２（Ｌ２−１、Ｌ２−２、Ｌ２−３）と区別して記載している。
【００２６】
投光器１１は、測定に用いる出射光Ｌ１を出力する装置であり、Ｒｅｆ回路１１ａが組み込まれており、また投光器１１には光源用安定化電源２１から電力が供給され、任意の波長を有する測定光を出射光側の光ファイバ１３ａに出射するように構成されている。
受光器１９は、出射光Ｌ１によって測定基板である実基板Ｓを透過した光が、反射ミラー１７で反射されて実基板Ｓを再び透過した反射光Ｌ２が反射光側の光ファイバ１３ｂを介して入力される装置である。
受光器１９は、光検出手段としての分光器２０を備えており、測定光の波長や透過率の測定を行うことができ、また、分光器２０による分析結果に基づいて光学薄膜の膜厚や光学特性を算出及び表示するためのコンピュータ（演算用ＰＣ）２３に接続されている。
【００２７】
光ファイバ１３は、出射光側の光ファイバ１３ａと反射光側の光ファイバ１３ｂからなる二分岐のバンドルファイバから構成され、ステンレス製の二分岐のフレキシブルチューブ内にまとめられている。出射光側の光ファイバ１３ａは、一端部側を投光器１１に接続され、反射光側の光ファイバ１３ｂは、一端部側を受光器１９に接続されている。出射光側の光ファイバ１３ａ及び反射光側の光ファイバ１３ｂのそれぞれの光ファイバ端部１４は、１つの束にまとめられ、光軸を球面アクロマティックレンズ１５と測定基板である実基板Ｓに向けて配設されている。光ファイバ端部１４から照射される出射光Ｌ１は、直径５〜６ｍｍ程度の円形断面とされている。
【００２８】
球面アクロマティックレンズ１５は、波長による収差（色収差）と球面収差を除去するためのレンズであり、測定精度の向上を図ることができるもので、光ファイバ端部１４と、薄膜形成装置１，２に形成された測定窓２５の間に配設されている。
【００２９】
反射ミラー１７は、実基板Ｓの裏側に配設されており、実基板Ｓを透過した投光器１１からの出射光Ｌ１を反射するものである。反射ミラー１７は、Ａｌ膜、Ａｇ膜をコーティングしたミラーや、これらＡｌ膜やＡｇ膜上にＭｇＦ２又はＳｉＯをオーバーコートしたミラー、また、その他の誘電体膜をオーバーコートしたミラーを用いることができる。反射面のサイズは任意であるが、実基板Ｓのサイズと同等程度とされることが望ましく、数ｃｍ程度である。反射ミラー１７の反射面は８０％程度の反射率を有している。反射ミラー１７は、実基板Ｓに照射される出射光Ｌ１の光軸に対してほぼ垂直（直角）に配設されているため、出射光Ｌ１を反射して反射光Ｌ２とし、出射光Ｌ１の光軸と同経路で反射光Ｌ２が実基板Ｓを透過する。
なお、球面アクロマティックレンズ１５と実基板Ｓと反射ミラー１７は、光ファイバ端部１４からの測定光の光軸に沿って配設されている。
【００３０】
実基板Ｓとしては、ガラス等の材料で形成された部材を用いると好適である。本実施形態では、実基板Ｓとして板状のものを用いているが、実基板Ｓの形状としてはこのような板状のものに限定されない。また、表面に薄膜を形成できる他の形状、例えばレンズ形状、円筒状、円環状といった形状であってもよい。ここで、ガラス材料とは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で形成された材料であり、具体的には、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラスなどが挙げられる。なお、本実施形態において実基板Ｓとは、光学フィルタＦも含むものとしている。
【００３１】
また、実基板Ｓの材料はガラスに限定されず、プラスチック樹脂などであってもよい。プラスチック樹脂の例としては、例えばポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、アクリルニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、ナイロン、ポリカーボネート−ポリエチレンテレフタレート共重合体、ポリカーボネート−ポリブチレンテレフタレート共重合体、アクリル、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンからなる群より選択される樹脂材料、またはこれらの材料とガラス繊維及び／またはカーボン繊維との混合物などが挙げられる。
【００３２】
ここで、投光器１１から出射された測定光（出射光Ｌ１及び反射光Ｌ２）が受光器１９に入力されるまでの経路について説明する。
投光器１１から出力された測定光である出射光Ｌ１は、投光側の光ファイバ１３ａを介して光ファイバ端部１４から球面アクロマティックレンズ１５に照射され、薄膜形成装置１，２に形成された測定窓２５を通過して、実基板Ｓに照射される。
【００３３】
実基板Ｓに照射された出射光Ｌ１は、実基板Ｓを透過して、その実基板Ｓの裏側に配設された反射ミラー１７により反射され反射光Ｌ２となる。反射ミラー１７によって反射された反射光Ｌ２は、再び実基板Ｓ、測定窓２５、球面アクロマティックレンズ１５を透過して光ファイバ端部１４に至る。そして、実基板Ｓ側からの測定光（反射光Ｌ２）のみが反射光側の光ファイバ１３ｂを通過して、受光器１９に導かれる。
なお、後述するように、実基板Ｓは、測定光の光軸に対して傾き角度を有するように配設されている。
【００３４】
次に、薄膜形成装置１，２への光学式膜厚計の取り付け状態について説明する。
図１に示した薄膜形成装置１は、回転ドラム式ホルダ３３を備えるスパッタ（マグネトロンスパッタ）装置であり、真空容器３１と、実基板Ｓが取り付けられる基板ホルダとしての回転ドラム式ホルダ３３と、回転ドラム式ホルダ３３の外側に対向して設けられたスパッタ手段３５と、不図示のスパッタガス供給手段と、を少なくとも有して構成されている。
【００３５】
真空容器３１は、公知の薄膜形成装置で通常用いられるようなステンレススチール製で、ほぼ直方体形状をした中空体である。また、真空容器３１の側面側、すなわち真空容器３１の回転ドラム式ホルダ３３の径方向側には測定窓２５が形成されている。
回転ドラム式ホルダ３３は、略円筒状に形成され、回転軸を真空容器３１の上下方向に向けて配置されている。回転ドラム式ホルダ３３は、実基板Ｓの保持手段としての機能を有しており、実基板Ｓはこの回転ドラム式ホルダ３３の外周面に不図示の基板ホルダなどを介して並べて取り付けられる。
【００３６】
回転ドラム式ホルダ３３の実基板Ｓが取り付けられる部分には所定サイズの開口部（不図示）が形成されているため、実基板Ｓを透過した測定光は回転ドラム式ホルダ３３の内側に入射することができる。なお、回転ドラム式ホルダ３３は、中空角柱状に形成されてもよい。
スパッタ手段３５は、一対のターゲットと、ターゲットを保持する一対のマグネトロンスパッタ電極と、電源装置と（いずれも不図示）、により構成される。ターゲットの形状は平板状であり、ターゲットの長手方向が回転ドラム式ホルダ３３の回転軸線と平行になるように設置されている。
【００３７】
スパッタ手段３５の周辺にはアルゴン等のスパッタガスを供給するスパッタガス供給手段が設けられている。ターゲットの周辺が不活性ガス雰囲気になった状態で、マグネトロンスパッタ電極に電源から交流電圧が印加されると、ターゲット周辺のスパッタガスの一部は電子を放出してイオン化する。このイオンが加速され、ターゲットに衝突することでターゲットの表面の原子や粒子（ターゲットがニオブの場合はニオブ原子やニオブ粒子）が叩き出される。このニオブ原子やニオブ粒子は薄膜の原料である膜原料物質（蒸着物質）であり、実基板Ｓの表面に付着して薄膜が形成される。
【００３８】
薄膜形成装置１では、回転ドラム式ホルダ３３が回転すると、回転ドラム式ホルダ３３の外周面に保持された実基板Ｓが公転して、スパッタ手段３５に面する２カ所の位置を繰り返し移動することになる。そして、このように実基板Ｓが公転することで、スパッタ手段３５でのスパッタ処理が順次繰り返し行われて、実基板Ｓの表面に薄膜が形成される。
【００３９】
なお、薄膜形成装置１にプラズマ発生手段を取り付けて、薄膜の形成と同時に、薄膜形成前の実基板Ｓの表面にプラズマ処理を行う前処理工程や薄膜形成後の実基板Ｓの表面にプラズマ処理を行う後処理工程を行う構成とすることができる。もちろん、スパッタ手段３５に代えて他の成膜手段を用いる構成であってもよい。
【００４０】
薄膜形成装置１において、本発明に係る光学式膜厚計は、真空容器３１の一部に形成された測定窓２５から出射光Ｌ１を実基板Ｓに向けて照射し、実基板Ｓの裏側に設置された反射ミラー１７によって、実基板Ｓを透過した出射光Ｌ１が反射された反射光Ｌ２が、再び実基板Ｓを透過できるようになっている。
【００４１】
具体的には、投光器１１と受光器１９とに接続された光ファイバ１３の他端部と球面アクロマティックレンズ１５は真空容器３１の外側に配設されており、反射ミラー１７は、実基板Ｓの裏側、且つ、回転ドラム式ホルダ３３の内側位置に固定してある。実基板Ｓが取り付けられた位置の回転ドラム式ホルダ３３には開口部が形成されているため、実基板Ｓを透過した出射光Ｌ１を、回転ドラム式ホルダ３３の開口部を通過してその内側に配設された反射ミラー１７で反射させることができる。
【００４２】
このように、光学式膜厚計が取り付けられることによって、回転ドラム式ホルダ３３に取り付けられた実基板Ｓの光学膜厚や光学特性などを成膜中でも測定をすることができる。具体的には、回転ドラム式ホルダ３３を、実基板Ｓの測定部分が測定光の光軸に重なる所定位置で、膜厚などの測定を行うことになる。なお、実基板Ｓは、測定光の光軸に対して傾き角度を有するように配設されている。
薄膜形成装置１においては、反射ミラー１７は実基板Ｓの裏側、且つ、回転ドラム式ホルダ３３の内側位置に固定されている。このため、反射ミラー１７の汚れが生じにくく、スパッタ中のプラズマ放電から迷光の影響も受け難いという利点がある。
【００４３】
また、反射ミラー１７を複数の実基板Ｓに対して取付けてもよい。すなわち、実基板Ｓと反射ミラー１７とをペアにして組み付けた場合、出射光Ｌ１の位置に対応した所定位置で、実基板Ｓの膜厚や光学特性について、各実基板Ｓの複数の測定を行なうことができる。このように構成することで、回転ドラム式ホルダ３３を回転させて、所定位置に実基板Ｓを配置することにより、回転ドラム式ホルダ３３に取り付けられた状態の複数の実基板Ｓに順次測定光を透過させて光学膜厚を測定することができる。このため、複数の実基板Ｓの膜厚を同時に測定することができ、より高い精度で光学膜厚の計測が可能な薄膜形成装置を得ることができる。
【００４４】
つぎに、図２に示した薄膜形成装置２は、真空容器４１内に配設された回転ホルダ４３を備える蒸着装置であり、基板ホルダとして、実基板Ｓが取り付けられるドーム状の回転ホルダ４３と、回転ホルダ４３と対向して下方側に設けられた蒸着手段４５と、を少なくとも有して構成されている。また、本実施形態における薄膜形成装置２では、回転ホルダ４３と蒸着手段４５の間の位置に、補正板４７が配設されている。
真空容器４１は、公知の薄膜形成装置で通常用いられるようなステンレススチール製で、ほぼ直方体形状をした中空体である。また、回転ホルダ４３の上側面に測定窓２５が形成されている。
【００４５】
回転ホルダ４３は、略ドーム状に形成され、回転軸を上下方向に向けて真空容器４１内に配置され、基板保持手段としての機能を有しており、回転ホルダ４３に複数の実基板Ｓを不図示の取り付け治具を介して装着することができる。回転ホルダ４３の実基板Ｓが取り付けられる部分は所定サイズの開口部（不図示）が形成されている。
【００４６】
蒸着手段４５は、真空容器４１の下方側の回転ホルダ４３に対向した位置に設置されており、例えば、るつぼに入れた蒸着物質と、蒸着物質を加熱するための電子ビーム源または高周波コイルなどとから構成されている。もちろん、蒸着手段として、ターゲットと電極と電源とで構成されるスパッタ源を用いてもよい。
【００４７】
補正板４７は、回転ホルダ４３の取り付け位置により生じる実基板Ｓ上の膜厚の差を補正する略板状の部材であって、真空容器４１側に固定されている。これにより、実基板Ｓに薄膜を形成する際、蒸着手段４５から実基板Ｓに向かって蒸発する蒸発物質の堆積を部分的に妨げることによって膜厚を補正することができる。薄膜形成装置２では、蒸着手段４５から蒸発した蒸発物質が、回転ホルダ４３に取り付けられた実基板Ｓ上に堆積されることで成膜を行うものである。このとき、回転ホルダ４３の回転と補正板４７によって実基板Ｓの位置による膜厚の差を補正している。
【００４８】
薄膜形成装置２において、本発明に係る光学式膜厚計は、真空容器４１の一部に形成された測定窓２５から出射光Ｌ１を実基板Ｓに向けて照射し、実基板Ｓの下方側の補正板４７に設置された反射ミラー１７によって、実基板Ｓを透過した出射光Ｌ１を反射して反射光Ｌ２とし、再び実基板Ｓを透過するようにしている。
【００４９】
具体的には、投光器１１と受光器１９とに接続された光ファイバ端部１４と球面アクロマティックレンズ１５は真空容器４１の外側に配設されており、反射ミラー１７は、実基板Ｓの下方側、且つ、補正板４７の上側位置に固定してある。実基板Ｓが取り付けられた位置の回転ホルダ４３には開口部が形成されているため、実基板Ｓを透過した出射光Ｌ１を、回転ホルダ４３の開口部を通過してその下方側に配設された反射ミラー１７によって反射させることができる。
【００５０】
このように、光学式膜厚計が取り付けられることによって、回転ホルダ４３に取り付けられた実基板Ｓの膜厚などの光学特性を成膜中でも測定をすることができる。具体的には、回転ホルダ４３を、実基板Ｓの測定部分が測定光の光軸に重なる所定位置で、膜厚などの測定を行うことになる。
【００５１】
なお、光学式膜厚計は、測定光の光軸に対して実基板Ｓが傾き角度を有するように配設されている。
また、補正板４７の実基板Ｓ側に反射ミラー１７が取り付けられるため、固定された状態で測定円周上に配設される実基板Ｓを測定することができるので、安定した測定が可能となる。
【００５２】
薄膜形成装置２において、反射ミラー１７は補正板４７の実基板Ｓと同じ側に取り付けられており、蒸着手段４５からの蒸着物質が回り込んで反射ミラー１７の反射面に付着する可能性がある為、反射ミラー１７の直前に回り込み防止ガラスを取り付けることができる。さらに、回り込み防止ガラスにも蒸着物質が付着しないように筒状のフードで囲んでもよい。
【００５３】
なお、回り込み防止ガラスは定期的に交換すると好適である。また、回り込み防止ガラスも実基板Ｓと同様に測定光の光軸に対して角度を有して配設されるとさらに好適である。
【００５４】
また、薄膜形成装置１，２において、光学式膜厚計で測定をする際には、実基板Ｓを測定位置に正確に合わせる必要がある。そのため、薄膜形成装置１，２はいずれも、回転ドラム式ホルダ３３若しくは回転ホルダ４３を測定位置で止めるための回転制御手段を備えている。回転制御手段としては、公知の装置を適用することができ、例えば、位置センサと回転角度を常時監視及び制御することが可能なモータとを備えて構成することができる。
【００５５】
薄膜形成装置１，２では、測定窓２５も測定光の光軸に対して所定の角度を有して配設されている。これは、実基板Ｓを所定角度傾けて配設することと同じ理由によるものである。このため、測定窓２５のガラス部材によって反射する光線についても、受光器１９側に入力されることを防いでいる。
【００５６】
以下に、図３乃至図８に基づいて、本発明の光学式膜厚計について説明する。
なお、以下に示す測定若しくは計算例は、本発明に係る光学式膜計を取り付けた薄膜形成装置１における結果であるが、測定結果から導き出せる効果等はそのまま薄膜形成装置２にも適用できるものである。
【００５７】
図３は、光軸に対する反射ミラー角度と測定光強度の関係を示すグラフ図であり、反射ミラー角度が−６〜＋６°までの測定結果である。
ここで、反射ミラー１７の反射ミラー角度は、反射ミラー１７の反射面に対する垂線、測定光の光軸とのなす角度である。
図３で判明するように、反射ミラー１７の角度θが０°において反射光の光量が最大値となる。なお、図３において、反射ミラー１７の反射率は１００％として換算したデータを示した。
【００５８】
また、反射光の測定光強度は反射ミラー角度が０°で最大となるものの、反射ミラー角度が±１．０°において、反射ミラー角度０°に比して、８２〜８７％以上の測定光強度を有しており、反射ミラー角度が±０．６°の場合には、９４〜９６％以上の測定光強度を有している。なお、図３において、反射光の光量は、出射光Ｌ１の光量に対する、反射ミラー１７において測定された光量（反射光Ｌ２の光量）の割合をパーセントで示した値である。
【００５９】
また、許容できる反射ミラー１７の反射ミラー角度−５．０〜＋５．０°は、反射ミラー１７と球面アクロマティックレンズ１５若しくは光ファイバ端部１４との距離に応じて変化する値である。すなわち、反射ミラー１７と球面アクロマティックレンズ１５若しくは光ファイバ端部１４との距離が長くなれば、許容できる反射ミラー１７の反射ミラー角度は狭くなる。
なお、薄膜形成装置１においては、反射ミラー１７と球面アクロマティックレンズ１５との間の距離は、６０〜３５０ｍｍ程度である。
【００６０】
図４は、基板の傾きと測定光の割合変化を示す説明図であり、実基板Ｓの傾きと測定光（出射光及び反射光）の経路と光の割合変化を示すもので、図４（ａ）は、実基板Ｓの傾き角度０°の場合（傾いていない場合）、図４（ｂ）は実基板Ｓの傾き角度が所定の値を有する場合である。ここで、実基板Ｓの傾き角度は、実基板Ｓの成膜面に対する垂線と、測定光の光軸とのなす角度である。
なお、図４中の光量は、実基板Ｓを取り付けない状態で測定した光量を１００％とした模式図である。また、ここでは反射ミラー１７の反射率は８０％としている。
【００６１】
まず、図４（ａ）に示した、基板の傾き角度＝０°での測定光の経路と光の割合変化について説明する。
真空容器３１の測定窓２５から入射された光（出射光Ｌ１）は、実基板Ｓを透過する。このとき、入射された光（出射光Ｌ１）の全光量を「１００」とすると、実基板Ｓの両側の表面で、透過せずにそれぞれ４．２５％ずつ反射される（合計光量８．５）。この光量８．５の光は、反射光Ｌ２−１として測定窓２５から出射される。したがって、実基板Ｓを透過する光量は９１．５となる。この透過された光量９１．５の光は、実基板Ｓの裏側に配設された反射ミラー１７によって反射される。この折り返し反射光は、再度実基板Ｓを透過する事になり、同様に、合計８．５％の反射率を考慮し、残りの９１．５％が実基板Ｓを透過する。即ち、光量８３．７（１回目の透過光９１．５×反射ミラー１７からの折り返しによる２回目の透過率９１．５％）がＬ２−２として測定窓２５から出射される。このとき、反射ミラー１７の反射率を無視するのは、実基板Ｓの測定前に、実基板Ｓが無い（反射ミラー１７の反射のみ）の状態で１００％ベースライン測定を行う為である。
折り返し反射光が実基板Ｓを透過する際、実基板Ｓで反射された光量７．７８（９１．５×８．５％）が再度反射ミラー１７によって反射する場合、光量６．２２（７．７８×反射ミラー反射率８０％）が再度実基板Ｓへ向かう。この光量６．２２の再反射光も同様に実基板Ｓでそれぞれ４．２５％ずつ合計８．５％が反射され、光量５．６９（６．２２×９１．５％）がＬ２−３として測定窓２５から出射される。
すなわち、測定窓２５から出射される光は、Ｌ２−１〜３であり、実基板Ｓの反射光も混在してしまう。
【００６２】
つまり、測光窓２５から入射される光（出射光Ｌ１）は、
（１）反射光Ｌ２−１・・・８．５（実基板Ｓによる両面反射光）
（２）反射光Ｌ２−２・・・８３．７（反射ミラー１７の反射により２回実基板Ｓを透過する光）
（３）反射光Ｌ２−３・・・５．６９（再度反射ミラー１７の反射により実基板Ｓを透過する光）
に大別される（反射光Ｌ２−４以上の多重反射光は微小な為、このモデルでは無視する）。
したがって、測定窓２５から入射された光（出射光Ｌ１）のうち、９７．８９（８．５＋８３．７＋５．６９）程度の光量となり、反射光Ｌ２として真空容器３１の測定窓２５に向かう。実基板の傾き角度が０°であることから、反射された光線が全て同一経路を通るためである。
【００６３】
つまり、実基板Ｓの傾斜角度が０°の場合では、受光器１９に入力される光（反射光Ｌ２）のうち１４．１９（８．５＋５．６９）程度が、実基板Ｓの反射光という事になる。従って、実基板Ｓの傾斜角度を０°とすると、受光器１９に入射される反射光Ｌ２に所望の経路以外を通った光線を一割以上含むことになり、これが測定誤差を生じる原因になる。
【００６４】
次に、図４（ｂ）に示した、基板の傾き角度が所定の値を有する場合の測定光の経路と光の割合変化について説明する。
前記図４（ａ）と同様に、出射光Ｌ１及び反射光Ｌ２の透過、反射が生じるが、実基板Ｓが所定角度傾いているため、実基板Ｓの表面で反射された８．５％の光は、実基板Ｓの傾きに応じた方向に反射される。従って、実基板Ｓの傾斜角度が所定値以上であれば、実基板Ｓの表面で反射された光線は受光器１９には向かないことになる。
また、反射ミラー１７で反射された反射光Ｌ２のうち、実基板Ｓで反射される光も、実基板Ｓの傾きに応じた方向に反射され受光器１９には向かわないことになる。
つまり、実基板Ｓを所定角度傾けた場合には、実基板Ｓを２回透過した光線（光量８３．７）のみが受光器１９に入力されることになる。従って、誤差が生じる原因が少なく、測定の高精度化が期待できる。
【００６５】
図５は基板角度と測定光強度の関係を示すグラフ図であり、実基板Ｓの傾き角度αと反射光の光量の関係の測定結果で、図５（ａ）は傾き角度αが−６〜＋６°までの測定結果、図５（ｂ）は、図５（ａ）の結果を傾き角度α＝＋３〜＋５．５°について拡大した図である。なお、図５中の光量は、実基板Ｓを取り付けていない状態で測定したデータを基準としている。
【００６６】
図５（ａ）で判明するように、実基板Ｓの傾き角度がないα＝０°において反射光の光量が最大値となる。これは、図４（ａ）に説明したように実基板Ｓの表裏面で反射した光線も含んでいるためである。
【００６７】
実基板Ｓの角度を傾けていくと、実基板Ｓの表面で反射された光線は実基板Ｓの傾きに応じた方向に反射されるため、実基板Ｓの傾き角度とともに受光器１９で測定される光量が減少していく。そして、およそ傾き角度４．５°以上の領域では、光量はほぼ一定の値を示すようになった。これは、図４（ｂ）に説明したように、実基板Ｓの表裏面で反射した光を受光器１９で取り込まないようになるためである。
【００６８】
図５（ｂ）により、およそ傾き角度４．５°以上で一定の値を示すようになることから、実基板Ｓの傾き角度は４．５°以上に設定すると好適である。ここで、実基板Ｓがいずれの方向に傾いても同様な効果が得られることから、傾き角度は、測定光Ｓの光軸に直行する面に対する角度の絶対値である。
【００６９】
すなわち、実基板Ｓの傾き角度は、±４．５°以上に設定されることが望ましい。
また、実基板Ｓの傾き角度は、光量が一定の値を示す範囲内で最小であることが好ましい。ここで、図５（ｂ）によれば、傾き角度４．５°程度では僅かに光量変化に傾きが認められるものの、傾き角度＝５°程度以上で光量の変化が見られなくなる。
【００７０】
また、実基板Ｓの傾き角度は、実基板Ｓと反射ミラー１７、若しくは、実基板Ｓと球面アクロマティックレンズ１５若しくは光ファイバ端部１４との距離に応じて変化する値である。例えば、実基板Ｓと球面アクロマティックレンズ１５若しくは光ファイバ端部１４との距離が長くなれば、許容できる実基板Ｓの傾き角度は小さな値になる。
【００７１】
上述のように、薄膜形成装置１においては、反射ミラー１７と球面アクロマティックレンズ１５との間の距離は、６０〜３５０ｍｍ程度である。
【００７２】
図６乃至図８は、本発明の光学式膜厚計による測定例であり、これらの図は、光学式膜厚計により実基板Ｓ（ＢＫ−７基板）や光学フィルタＦを測定した結果であり、１回透過させて測定した結果と比較したものである。以下に説明するいずれの例においても、測定された実基板Ｓは傾き角度＝５°として測定を行った。
【００７３】
（実施例１）
図６は、ＢＫ−７基板の透過率測定結果を示すグラフ図である。Ｘ軸は測定波長、Ｙ軸は光量（透過率）である。図６では、本発明に係る光学式膜厚計による２回透過時の透過率測定結果と、分光光度計ＳｏｌｉｄＳｐｅｃ３７００(島津製作所製)による１回透過時の透過率測定結果と、１回測定のデータを２回測定として換算した換算値を示している。
【００７４】
図６から判明するように、ＢＫ−７基板は測定された全波長領域に渡りほぼフラットな透過率特性（光学特性）を有しており、２回透過の測定値と、１回透過を２回透過に換算した換算値とは、全波長域に渡りほぼ同じ値を示した。これは、本発明に係る光学式膜厚計は、真空容器３１内に反射ミラー１７を配置した簡単な構成でありながら、１００％光量に対する変化量が大きい、すなわち、膜厚測定の制御精度を向上させることができる事を示している。
【００７５】
（実施例２）
図７はＩＲカットフィルタの透過率測定結果を示すグラフ図である。ＩＲ（赤外線）カットフィルタは、ＢＫ−７基板上に、Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２を積層させた光学フィルタＦである。図７においても、図６と同様に、Ｘ軸とＹ軸は、それぞれ測定波長と透過率を示しており、また、本発明に係る光学式膜厚計による測定結果（２回透過）と、分光光度計による測定（１回透過）と、１回透過のデータを２回透過に換算した（換算値）が示されている。
【００７６】
図７によれば、ＩＲカットフィルタは、およそ７００ｎｍ以上の赤外線波長域での透過率が０％近傍の値を示している。このＩＲカットフィルタの測定においても、２回透過の測定値と、１回透過を２回透過に換算した換算値とは、全波長域に渡りほぼ同じ値を示した。従って、ＩＲカットフィルタの測定においても、本発明に係る光学式膜厚計は、従来の１回透過型の光学式膜厚計と少なくとも同等の測定精度を有していると言える。
【００７７】
図８は、本発明の光学式膜厚計の特性を従来の測定法と比較したものであり、本発明に係る光学式膜厚計で計算した結果と、従来の１回透過で計算した結果とを比較した。計算（シミュレーション）には、市販の光学演算理論ソフトを用いた。
【００７８】
（実施例３）
図８は、ＳｉＯ２単層膜成膜時の、波長５２０nmにおける光学膜厚の時間経過による光量変化を示すグラフ図で、ＳｉＯ２単層膜フィルタの光量変化計算結果であり、１回透過による計算結果と、本発明に係る光学式膜厚計によるＳｉＯ２単層膜フィルタの２回透過の計算結果と、を比較したものである。ＳｉＯ２単層膜フィルタは、ＢＫ−７にＳｉＯ２単層膜を形成した光学フィルタＦである。Ｘ軸は成膜時間（膜厚に比例）、Ｙ軸は透過光量を示している。また、光量変化計算は、波長５２０ｎｍの値である。
【００７９】
図８で示すように、本発明に係る光学式膜厚計での２回透過の計算値（２回透過）と、１回透過の計算値（１回透過）とでは、本発明の２回透過の場合は、透過率及び透過光量ともに、変化量が大きくなっており、従来例に比して、この変化量が多い分だけ、測定精度が向上する。
【００８０】
図８において、本発明に係る光学式膜厚計による測定値の計算結果と、１回透過による測定値の計算結果と、を比較すると、本発明の光学式膜厚計による測定の変化率の方が高いことがわかる。変化量の差はおよそ１．６乃至１．８倍であった。これは、実基板Ｓを２回透過することによる透過率の減少により変化量が大きくなるためである。測定値の変化量が大きいため、測定精度の向上を図ることができ、本発明に係る光学式膜厚計は、従来の１回透過型の光学式膜厚計よりも優れた測定精度を有していると言える。
【符号の説明】
【００８１】
Ｓ 実基板（測定基板）
Ｆ 光学フィルタ
Ｌ１ 出射光
Ｌ２（Ｌ２−１，Ｌ２−２，Ｌ２−３） 反射光
１，２，３ 薄膜形成装置
１１ 投光器
１１ａ Ｒｅｆ回路
１３ 光ファイバ
１３ａ 出射光側の光ファイバ
１３ｂ 反射光側の光ファイバ
１４ 光ファイバ端部
１５ 球面アクロマティックレンズ
１７ 反射ミラー
１９ 受光器
２０ 分光器
２１ 光源用安定化電源
２３ コンピュータ（演算用ＰＣ）
２５ 測定窓
３１，４１，１０１ 真空容器
３３ 回転ドラム式ホルダ
３５ スパッタ手段
４３，１０３ 回転ホルダ
４５ 蒸着手段
４７ 補正板
１０５ ミラー
１０７ ミラーボックス
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学式膜厚計及び光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置に係り、特に、高精度な膜厚測定が可能な光学式膜厚計及び光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学デバイスに対する制御精度の向上のために、光学薄膜の膜厚の精度を高めることが望まれている。光学薄膜の高精度な膜厚制御には、測定が不可欠であり、膜厚制御に用いられる種々の膜厚測定方法及び膜厚計が提案されている。膜厚測定には応答性などの点で優れる光学式膜厚計を使用することが望ましい。なお、ここでいう膜厚は光学薄膜の膜厚を示し、物理的な膜厚と屈折率に依存する値を有するものである。
【０００３】
光学式膜厚計は、反射式と透過式に大別することができる。反射式は、光学薄膜の表面上で反射された光線と、基板と光学膜の界面で反射された光線とが経路の違いにより位相差を生じることで干渉する現象を利用して膜厚を測定する技術であり、光線全体としての反射率は膜厚に対して周期的に変化するため、成膜の層数が少ない場合や相対的測定でもよい場合に使用されることが多く、用途が比較的限定されるという不都合がある。
【０００４】
一方、透過式は、図９に示すように、投光器１１から出射された光を、ミラーボックス１０７内に配設されたミラー１０５に反射させることにより、光学薄膜を透過させた光線を測定する技術であり、光量の透過率から膜厚と分光特性の両方を求めることができる。実基板Ｓの角度変化による光量変化の影響を受け難いため、高い精度で測定を行うことができる利点がある。
しかし、モニタ専用基板を用いており、このモニタ専用基板の配置位置は、実基板とは異なる位置に配置されているため、モニタ専用基板と実基板との間には、膜厚差が存在することになり、この膜厚差を補正するため成膜担当者の経験と知識が必要とされ、このため成膜プロセスの不安定要因となり、膜厚制御誤差が生じてしまうという不都合があった。
【０００５】
また、従来の光学式膜厚計は、図９に示すように、薄膜形成装置３に取り付けられており、低屈折率膜に対する測定精度を上げることが難しい。例えば、蒸着材料として多用されるＳｉＯ２は、モニタガラスとの屈折率差が小さいことから、特に透過測光系においては、その場測定（ｉｎ−ｓｉｔｕ）での光量変化量が小さく、制御することが困難であるという不都合がある。つまり、光量変化量が小さいと、限られた変化量に基づいて制御せざるを得ず、精度を高くすることが困難になってしまう。
【０００６】
このような問題を解決するため、測定基板を透過した光線（出射光）をコーナーキューブプリズムによって反射させ、再び測定基板を透過させた光線（反射光）を測定して膜厚等を測定する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−４５６７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、測定基板を透過した光線（出射光）をコーナーキューブプリズムによって反射させるため、測定基板における出射光と反射光の透過位置が異なり、透過測定する部分が異なってしまうため、微小な膜厚分布による測定誤差が生じるという不都合があった。また、この技術では、反射光が全て測定用に利用できるようにするために、反射防止膜（ＡＲ膜）を形成する必要があり、各面にＡＲ膜を形成しておかないと、基板とコーナーキューブプリズム間の多重反射光分まで測定してしまい、正確な測定ができないという不都合があった。
【０００９】
本発明の目的は、実基板を測定でき、測定位置の誤差を最小限にとどめた光学式膜厚計及び光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、測定のためのＡＲ膜を不要とし、高い精度で光学膜厚及び分光特性の計測が可能な光学式膜厚計及び光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題は本発明に係る光学式膜厚計によれば、実基板に測定光を透過させて光学膜厚を測定する光学式膜厚計であって、前記実基板に向けて測定光としての出射光を出射する投光手段と、前記実基板を介して前記投光手段と反対側の位置で、前記出射光を反射する反射ミラーと、前記実基板を透過し、且つ前記反射ミラーで反射して前記実基板を透過した前記測定光を受光する受光手段と、該受光手段により受光された前記測定光を検出する光検出手段と、を備え、前記実基板は、前記投光手段と前記反射ミラーとからなる光学系に対して傾斜をもって配設されていることにより、解決される。
【００１１】
このように、光学式膜厚計は、実基板を透過し、且つ前記反射ミラーで反射して実基板を透過した測定光により測定するので、測定光（出射光と反射光）が実基板を２回透過することになり、透過率（光量）の変化量を大きくすることができ、膜厚測定の制御精度を向上させることができる。
また、実基板は、投光手段と反射ミラーとからなる光学系に対して傾斜をもって配設されていることで、反射ミラーによって反射した測定光だけが、実基板を透過することになり、反射によって生じる測定に不利な反射光を除外することが可能となる。
【００１２】
より詳しくは、前記実基板は、前記反射ミラーと前記投光手段の間の位置に、前記測定光の光軸に対して所定角度を有して配設されることになる。
前記測定光である前記出射光と前記反射ミラーで反射された反射光は、前記実基板の略同一箇所を透過するので、反射ミラーで反射される前後の測定光である出射光と反射光は、実基板のそれぞれ同じ部分を透過させることができ、透過位置の違いによる測定誤差の発生を防止することができる。
【００１３】
また、前記反射ミラーは、前記測定光の光軸に対してほぼ垂直方向に反射面が形成されているようにすると好適である。これにより、反射ミラーは、投光手段から入射して実基板を透過した測定光を、損失することなく、再度、入射経路と同一経路を通って実基板を透過するように反射させることが可能となる。
【００１４】
なお、前記反射ミラーは、前記反射ミラーの反射面に対する垂線と、前記測定光の光軸とのなす角度が−５．０〜＋５．０°の範囲になるように配設されてなると好適である。
このとき、光量の損失により測定精度に影響を与えない程度に確保されるため、反射ミラーの取り付け位置に関し、一定の自由度を確保することができる。
【００１５】
また、前記実基板の前記投光手段と前記反射ミラーとからなる光学系に対する傾斜は、略４．５°以上であると好適である。このとき、所定の経路を通って実基板を透過していない光（不要な反射光）を光検出手段に検出されないようにするので基板の透過光だけを正確に測定する事が可能となる。
【００１６】
また、前記実基板は所定の速度で動き、前記反射ミラーは、前記実基板に対し一定の位置に固定されて配設されていると好ましい。このように反射ミラーが固定されていると、光学系が安定する。
【００１７】
また、前記課題は、本発明の光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置によれば、真空容器内に実基板を支持して回転可能なドーム状の基板ホルダと、蒸着材料を蒸発させる蒸着手段と前記基板ホルダとの間の位置に、前記真空容器側に固定されて配設される補正板と、前記基板ホルダに前記実基板を取り付けた状態で、前記実基板に測定光を透過させて光学膜厚を測定する光学式膜厚計と、を備えた薄膜形成装置であって、前記光学式膜厚計は、前記実基板に向けて測定光としての出射光を出射する投光手段と、前記実基板を介して前記投光手段と反対側の位置で、前記出射光を反射する反射ミラーと、前記実基板を透過し、且つ前記反射ミラーで反射して前記実基板を透過した前記測定光を受光する受光手段と、該受光手段により受光された前記測定光を検出する光検出手段と、を備え、前記実基板は、前記投光手段と前記反射ミラーとからなる光学系に対して傾斜をもって配設されていること、により解決される。
【００１８】
このように、本発明によれば、光学式膜厚計によって、実基板の膜厚制御が十分になされた基板（光学製品）を製造できる薄膜形成装置を提供することが可能となる。
なお、前記反射ミラーは前記補正板に配設されていると好適であり、固定状態で安定して反射ミラーによって測定光を反射させることができる。また、固定された補正板で、蒸着源やプラズマ放電からの迷光の影響が受け難くできる。
【００１９】
前記課題は、本発明の薄膜形成装置によれば、真空容器内に実基板を支持して回転可能な略円筒状の基板ホルダと、前記基板ホルダの外側に配設されたスパッタ手段と、前記基板ホルダに前記実基板を取り付けた状態で、前記実基板に測定光を透過させて光学膜厚を測定する光学式膜厚計と、を備えた薄膜形成装置であって、前記光学式膜厚計は、前記実基板に向けて測定光としての出射光を出射する投光手段と、前記実基板を介して前記投光手段と反対側の位置で、前記出射光を反射する反射ミラーと、前記実基板を透過し、且つ前記反射ミラーで反射して前記実基板を透過した前記測定光を受光する受光手段と、該受光手段により受光された前記測定光を検出する光検出手段と、を備え、前記実基板は、前記投光手段と前記反射ミラーとからなる光学系に対して傾斜をもって配設されていることにより、解決される。このとき、前記反射ミラーは前記基板ホルダ内に配設されていると好適である。
【００２０】
このように、反射ミラーを基板ホルダ内に配置しているので、反射ミラーの汚れが生じにくく、スパッタ中のプラズマ放電からの迷光の影響も受け難くできる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る光学式膜厚計及び薄膜形成装置によれば、実基板そのものを測定できるので、モニタ基板での測定と異なり、測定誤差等が生じにくい。また、測定光（出射光及び反射光）が実基板を２回透過することになり、透過率（光量）の変化量を大きくすることができ、膜厚測定の制御精度を向上させることができる。そして、実基板が測定光の光軸に対して所定角度を有して配設されるため、反射ミラーによって反射した測定光だけが、実基板を透過することになり、反射ミラーと実基板間で生じる多重反射の反射光分を除外することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】回転ドラム式ホルダを備える薄膜形成装置を上方から見た概略構成説明図である。
【図２】ドーム式ホルダを備える薄膜形成装置を側方から見た概略構成説明図である。
【図３】光軸に対する反射ミラー角度と測定光強度の関係を示すグラフ図である。
【図４】基板の傾きと測定光の割合変化を示す説明図である。
【図５】基板角度と測定光強度の関係を示すグラフ図である。
【図６】ＢＫ−７基板の透過率測定結果を示すグラフ図である。
【図７】ＩＲカットフィルタの透過率測定結果を示すグラフ図である。
【図８】ＳｉＯ２単層成膜時の、波長５２０nmにおける光学膜厚の時間経過による光量変化の計算結果を示すグラフ図である。
【図９】従来の透過型光学式膜厚計を備える薄膜形成装置の概略構成説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する部材、配置等は発明を具体化した一例であって本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変することができることは勿論である。
【００２４】
図１及び図２は、本発明に係る光学式膜厚計及び薄膜形成装置を示すもので、図１は回転ドラム式ホルダを備える薄膜形成装置を上方から見た概略構成説明図、図２はドーム式ホルダを備える薄膜形成装置を側方から見た概略構成説明図である。
また、図３乃至図８は、本発明に係る光学式膜厚計に関するもので、図３は光軸に対する反射ミラー角度と測定光強度の関係を示すグラフ図、図４は基板の傾きと測定光の割合変化を示す説明図、図５は基板角度と測定光強度の関係を示すグラフ図、図６はＢＫ−７基板の透過率測定結果を示すグラフ図、図７はＩＲカットフィルタの透過率測定結果を示すグラフ図、図８はＳｉＯ２単層成膜時の、波長５２０nmにおける光学膜厚の時間経過による光量変化の計算結果を示すグラフ図である。
【００２５】
本発明に係る光学式膜厚計は、測定専用のモニタ基板を測定するものではなく、測定基板として実基板（製品）Ｓの膜厚を測定するもので、図１及び図２に示すように、光源もしくは投光手段としての投光器１１と、導光手段としての光ファイバ１３（１３ａ，１３ｂ）と、球面アクロマティックレンズ１５と、反射ミラー１７と、受光手段としての受光器１９と、を有して構成されている。また、投光器１１には、光源用安定化電源２１を介して電圧が印加され、受光器１９はコンピュータ（演算用ＰＣ）２３に接続されている。
なお、図４に示すように、本明細書中においては、反射ミラー１７により反射される前の測定光を出射光Ｌ１、反射された後の測定光を反射光Ｌ２（Ｌ２−１、Ｌ２−２、Ｌ２−３）と区別して記載している。
【００２６】
投光器１１は、測定に用いる出射光Ｌ１を出力する装置であり、Ｒｅｆ回路１１ａが組み込まれており、また投光器１１には光源用安定化電源２１から電力が供給され、任意の波長を有する測定光を出射光側の光ファイバ１３ａに出射するように構成されている。
受光器１９は、出射光Ｌ１によって測定基板である実基板Ｓを透過した光が、反射ミラー１７で反射されて実基板Ｓを再び透過した反射光Ｌ２が反射光側の光ファイバ１３ｂを介して入力される装置である。
受光器１９は、光検出手段としての分光器２０を備えており、測定光の波長や透過率の測定を行うことができ、また、分光器２０による分析結果に基づいて光学薄膜の膜厚や光学特性を算出及び表示するためのコンピュータ（演算用ＰＣ）２３に接続されている。
【００２７】
光ファイバ１３は、出射光側の光ファイバ１３ａと反射光側の光ファイバ１３ｂからなる二分岐のバンドルファイバから構成され、ステンレス製の二分岐のフレキシブルチューブ内にまとめられている。出射光側の光ファイバ１３ａは、一端部側を投光器１１に接続され、反射光側の光ファイバ１３ｂは、一端部側を受光器１９に接続されている。出射光側の光ファイバ１３ａ及び反射光側の光ファイバ１３ｂのそれぞれの光ファイバ端部１４は、１つの束にまとめられ、光軸を球面アクロマティックレンズ１５と測定基板である実基板Ｓに向けて配設されている。光ファイバ端部１４から照射される出射光Ｌ１は、直径５〜６ｍｍ程度の円形断面とされている。
【００２８】
球面アクロマティックレンズ１５は、波長による収差（色収差）と球面収差を除去するためのレンズであり、測定精度の向上を図ることができるもので、光ファイバ端部１４と、薄膜形成装置１，２に形成された測定窓２５の間に配設されている。
【００２９】
反射ミラー１７は、実基板Ｓの裏側に配設されており、実基板Ｓを透過した投光器１１からの出射光Ｌ１を反射するものである。反射ミラー１７は、Ａｌ膜、Ａｇ膜をコーティングしたミラーや、これらＡｌ膜やＡｇ膜上にＭｇＦ２又はＳｉＯをオーバーコートしたミラー、また、その他の誘電体膜をオーバーコートしたミラーを用いることができる。反射面のサイズは任意であるが、実基板Ｓのサイズと同等程度とされることが望ましく、数ｃｍ程度である。反射ミラー１７の反射面は８０％程度の反射率を有している。反射ミラー１７は、実基板Ｓに照射される出射光Ｌ１の光軸に対してほぼ垂直（直角）に配設されているため、出射光Ｌ１を反射して反射光Ｌ２とし、出射光Ｌ１の光軸と同経路で反射光Ｌ２が実基板Ｓを透過する。
なお、球面アクロマティックレンズ１５と実基板Ｓと反射ミラー１７は、光ファイバ端部１４からの測定光の光軸に沿って配設されている。
【００３０】
実基板Ｓとしては、ガラス等の材料で形成された部材を用いると好適である。本実施形態では、実基板Ｓとして板状のものを用いているが、実基板Ｓの形状としてはこのような板状のものに限定されない。また、表面に薄膜を形成できる他の形状、例えばレンズ形状、円筒状、円環状といった形状であってもよい。ここで、ガラス材料とは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で形成された材料であり、具体的には、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラスなどが挙げられる。なお、本実施形態において実基板Ｓとは、光学フィルタＦも含むものとしている。
【００３１】
また、実基板Ｓの材料はガラスに限定されず、プラスチック樹脂などであってもよい。プラスチック樹脂の例としては、例えばポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、アクリルニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、ナイロン、ポリカーボネート−ポリエチレンテレフタレート共重合体、ポリカーボネート−ポリブチレンテレフタレート共重合体、アクリル、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンからなる群より選択される樹脂材料、またはこれらの材料とガラス繊維及び／またはカーボン繊維との混合物などが挙げられる。
【００３２】
ここで、投光器１１から出射された測定光（出射光Ｌ１及び反射光Ｌ２）が受光器１９に入力されるまでの経路について説明する。
投光器１１から出力された測定光である出射光Ｌ１は、投光側の光ファイバ１３ａを介して光ファイバ端部１４から球面アクロマティックレンズ１５に照射され、薄膜形成装置１，２に形成された測定窓２５を通過して、実基板Ｓに照射される。
【００３３】
実基板Ｓに照射された出射光Ｌ１は、実基板Ｓを透過して、その実基板Ｓの裏側に配設された反射ミラー１７により反射され反射光Ｌ２となる。反射ミラー１７によって反射された反射光Ｌ２は、再び実基板Ｓ、測定窓２５、球面アクロマティックレンズ１５を透過して光ファイバ端部１４に至る。そして、実基板Ｓ側からの測定光（反射光Ｌ２）のみが反射光側の光ファイバ１３ｂを通過して、受光器１９に導かれる。
なお、後述するように、実基板Ｓは、測定光の光軸に対して傾き角度を有するように配設されている。
【００３４】
次に、薄膜形成装置１，２への光学式膜厚計の取り付け状態について説明する。
図１に示した薄膜形成装置１は、回転ドラム式ホルダ３３を備えるスパッタ（マグネトロンスパッタ）装置であり、真空容器３１と、実基板Ｓが取り付けられる基板ホルダとしての回転ドラム式ホルダ３３と、回転ドラム式ホルダ３３の外側に対向して設けられたスパッタ手段３５と、不図示のスパッタガス供給手段と、を少なくとも有して構成されている。
【００３５】
真空容器３１は、公知の薄膜形成装置で通常用いられるようなステンレススチール製で、ほぼ直方体形状をした中空体である。また、真空容器３１の側面側、すなわち真空容器３１の回転ドラム式ホルダ３３の径方向側には測定窓２５が形成されている。
回転ドラム式ホルダ３３は、略円筒状に形成され、回転軸を真空容器３１の上下方向に向けて配置されている。回転ドラム式ホルダ３３は、実基板Ｓの保持手段としての機能を有しており、実基板Ｓはこの回転ドラム式ホルダ３３の外周面に不図示の基板ホルダなどを介して並べて取り付けられる。
【００３６】
回転ドラム式ホルダ３３の実基板Ｓが取り付けられる部分には所定サイズの開口部（不図示）が形成されているため、実基板Ｓを透過した測定光は回転ドラム式ホルダ３３の内側に入射することができる。なお、回転ドラム式ホルダ３３は、中空角柱状に形成されてもよい。
スパッタ手段３５は、一対のターゲットと、ターゲットを保持する一対のマグネトロンスパッタ電極と、電源装置と（いずれも不図示）、により構成される。ターゲットの形状は平板状であり、ターゲットの長手方向が回転ドラム式ホルダ３３の回転軸線と平行になるように設置されている。
【００３７】
スパッタ手段３５の周辺にはアルゴン等のスパッタガスを供給するスパッタガス供給手段が設けられている。ターゲットの周辺が不活性ガス雰囲気になった状態で、マグネトロンスパッタ電極に電源から交流電圧が印加されると、ターゲット周辺のスパッタガスの一部は電子を放出してイオン化する。このイオンが加速され、ターゲットに衝突することでターゲットの表面の原子や粒子（ターゲットがニオブの場合はニオブ原子やニオブ粒子）が叩き出される。このニオブ原子やニオブ粒子は薄膜の原料である膜原料物質（蒸着物質）であり、実基板Ｓの表面に付着して薄膜が形成される。
【００３８】
薄膜形成装置１では、回転ドラム式ホルダ３３が回転すると、回転ドラム式ホルダ３３の外周面に保持された実基板Ｓが公転して、スパッタ手段３５に面する２カ所の位置を繰り返し移動することになる。そして、このように実基板Ｓが公転することで、スパッタ手段３５でのスパッタ処理が順次繰り返し行われて、実基板Ｓの表面に薄膜が形成される。
【００３９】
なお、薄膜形成装置１にプラズマ発生手段を取り付けて、薄膜の形成と同時に、薄膜形成前の実基板Ｓの表面にプラズマ処理を行う前処理工程や薄膜形成後の実基板Ｓの表面にプラズマ処理を行う後処理工程を行う構成とすることができる。もちろん、スパッタ手段３５に代えて他の成膜手段を用いる構成であってもよい。
【００４０】
薄膜形成装置１において、本発明に係る光学式膜厚計は、真空容器３１の一部に形成された測定窓２５から出射光Ｌ１を実基板Ｓに向けて照射し、実基板Ｓの裏側に設置された反射ミラー１７によって、実基板Ｓを透過した出射光Ｌ１が反射された反射光Ｌ２が、再び実基板Ｓを透過できるようになっている。
【００４１】
具体的には、投光器１１と受光器１９とに接続された光ファイバ１３の他端部と球面アクロマティックレンズ１５は真空容器３１の外側に配設されており、反射ミラー１７は、実基板Ｓの裏側、且つ、回転ドラム式ホルダ３３の内側位置に固定してある。実基板Ｓが取り付けられた位置の回転ドラム式ホルダ３３には開口部が形成されているため、実基板Ｓを透過した出射光Ｌ１を、回転ドラム式ホルダ３３の開口部を通過してその内側に配設された反射ミラー１７で反射させることができる。
【００４２】
このように、光学式膜厚計が取り付けられることによって、回転ドラム式ホルダ３３に取り付けられた実基板Ｓの光学膜厚や光学特性などを成膜中でも測定をすることができる。具体的には、回転ドラム式ホルダ３３を、実基板Ｓの測定部分が測定光の光軸に重なる所定位置で、膜厚などの測定を行うことになる。なお、実基板Ｓは、測定光の光軸に対して傾き角度を有するように配設されている。
薄膜形成装置１においては、反射ミラー１７は実基板Ｓの裏側、且つ、回転ドラム式ホルダ３３の内側位置に固定されている。このため、反射ミラー１７の汚れが生じにくく、スパッタ中のプラズマ放電から迷光の影響も受け難いという利点がある。
【００４３】
また、反射ミラー１７を複数の実基板Ｓに対して取付けてもよい。すなわち、実基板Ｓと反射ミラー１７とをペアにして組み付けた場合、出射光Ｌ１の位置に対応した所定位置で、実基板Ｓの膜厚や光学特性について、各実基板Ｓの複数の測定を行なうことができる。このように構成することで、回転ドラム式ホルダ３３を回転させて、所定位置に実基板Ｓを配置することにより、回転ドラム式ホルダ３３に取り付けられた状態の複数の実基板Ｓに順次測定光を透過させて光学膜厚を測定することができる。このため、複数の実基板Ｓの膜厚を同時に測定することができ、より高い精度で光学膜厚の計測が可能な薄膜形成装置を得ることができる。
【００４４】
つぎに、図２に示した薄膜形成装置２は、真空容器４１内に配設された回転ホルダ４３を備える蒸着装置であり、基板ホルダとして、実基板Ｓが取り付けられるドーム状の回転ホルダ４３と、回転ホルダ４３と対向して下方側に設けられた蒸着手段４５と、を少なくとも有して構成されている。また、本実施形態における薄膜形成装置２では、回転ホルダ４３と蒸着手段４５の間の位置に、補正板４７が配設されている。
真空容器４１は、公知の薄膜形成装置で通常用いられるようなステンレススチール製で、ほぼ直方体形状をした中空体である。また、回転ホルダ４３の上側面に測定窓２５が形成されている。
【００４５】
回転ホルダ４３は、略ドーム状に形成され、回転軸を上下方向に向けて真空容器４１内に配置され、基板保持手段としての機能を有しており、回転ホルダ４３に複数の実基板Ｓを不図示の取り付け治具を介して装着することができる。回転ホルダ４３の実基板Ｓが取り付けられる部分は所定サイズの開口部（不図示）が形成されている。
【００４６】
蒸着手段４５は、真空容器４１の下方側の回転ホルダ４３に対向した位置に設置されており、例えば、るつぼに入れた蒸着物質と、蒸着物質を加熱するための電子ビーム源または高周波コイルなどとから構成されている。もちろん、蒸着手段として、ターゲットと電極と電源とで構成されるスパッタ源を用いてもよい。
【００４７】
補正板４７は、回転ホルダ４３の取り付け位置により生じる実基板Ｓ上の膜厚の差を補正する略板状の部材であって、真空容器４１側に固定されている。これにより、実基板Ｓに薄膜を形成する際、蒸着手段４５から実基板Ｓに向かって蒸発する蒸発物質の堆積を部分的に妨げることによって膜厚を補正することができる。薄膜形成装置２では、蒸着手段４５から蒸発した蒸発物質が、回転ホルダ４３に取り付けられた実基板Ｓ上に堆積されることで成膜を行うものである。このとき、回転ホルダ４３の回転と補正板４７によって実基板Ｓの位置による膜厚の差を補正している。
【００４８】
薄膜形成装置２において、本発明に係る光学式膜厚計は、真空容器４１の一部に形成された測定窓２５から出射光Ｌ１を実基板Ｓに向けて照射し、実基板Ｓの下方側の補正板４７に設置された反射ミラー１７によって、実基板Ｓを透過した出射光Ｌ１を反射して反射光Ｌ２とし、再び実基板Ｓを透過するようにしている。
【００４９】
具体的には、投光器１１と受光器１９とに接続された光ファイバ端部１４と球面アクロマティックレンズ１５は真空容器４１の外側に配設されており、反射ミラー１７は、実基板Ｓの下方側、且つ、補正板４７の上側位置に固定してある。実基板Ｓが取り付けられた位置の回転ホルダ４３には開口部が形成されているため、実基板Ｓを透過した出射光Ｌ１を、回転ホルダ４３の開口部を通過してその下方側に配設された反射ミラー１７によって反射させることができる。
【００５０】
このように、光学式膜厚計が取り付けられることによって、回転ホルダ４３に取り付けられた実基板Ｓの膜厚などの光学特性を成膜中でも測定をすることができる。具体的には、回転ホルダ４３を、実基板Ｓの測定部分が測定光の光軸に重なる所定位置で、膜厚などの測定を行うことになる。
【００５１】
なお、光学式膜厚計は、測定光の光軸に対して実基板Ｓが傾き角度を有するように配設されている。
また、補正板４７の実基板Ｓ側に反射ミラー１７が取り付けられるため、固定された状態で測定円周上に配設される実基板Ｓを測定することができるので、安定した測定が可能となる。
【００５２】
薄膜形成装置２において、反射ミラー１７は補正板４７の実基板Ｓと同じ側に取り付けられており、蒸着手段４５からの蒸着物質が回り込んで反射ミラー１７の反射面に付着する可能性がある為、反射ミラー１７の直前に回り込み防止ガラスを取り付けることができる。さらに、回り込み防止ガラスにも蒸着物質が付着しないように筒状のフードで囲んでもよい。
【００５３】
なお、回り込み防止ガラスは定期的に交換すると好適である。また、回り込み防止ガラスも実基板Ｓと同様に測定光の光軸に対して角度を有して配設されるとさらに好適である。
【００５４】
また、薄膜形成装置１，２において、光学式膜厚計で測定をする際には、実基板Ｓを測定位置に正確に合わせる必要がある。そのため、薄膜形成装置１，２はいずれも、回転ドラム式ホルダ３３若しくは回転ホルダ４３を測定位置で止めるための回転制御手段を備えている。回転制御手段としては、公知の装置を適用することができ、例えば、位置センサと回転角度を常時監視及び制御することが可能なモータとを備えて構成することができる。
【００５５】
薄膜形成装置１，２では、測定窓２５も測定光の光軸に対して所定の角度を有して配設されている。これは、実基板Ｓを所定角度傾けて配設することと同じ理由によるものである。このため、測定窓２５のガラス部材によって反射する光線についても、受光器１９側に入力されることを防いでいる。
【００５６】
以下に、図３乃至図８に基づいて、本発明の光学式膜厚計について説明する。
なお、以下に示す測定若しくは計算例は、本発明に係る光学式膜計を取り付けた薄膜形成装置１における結果であるが、測定結果から導き出せる効果等はそのまま薄膜形成装置２にも適用できるものである。
【００５７】
図３は、光軸に対する反射ミラー角度と測定光強度の関係を示すグラフ図であり、反射ミラー角度が−６〜＋６°までの測定結果である。
ここで、反射ミラー１７の反射ミラー角度は、反射ミラー１７の反射面に対する垂線、測定光の光軸とのなす角度である。
図３で判明するように、反射ミラー１７の角度θが０°において反射光の光量が最大値となる。なお、図３において、反射ミラー１７の反射率は１００％として換算したデータを示した。
【００５８】
また、反射光の測定光強度は反射ミラー角度が０°で最大となるものの、反射ミラー角度が±１．０°において、反射ミラー角度０°に比して、８２〜８７％以上の測定光強度を有しており、反射ミラー角度が±０．６°の場合には、９４〜９６％以上の測定光強度を有している。なお、図３において、反射光の光量は、出射光Ｌ１の光量に対する、反射ミラー１７において測定された光量（反射光Ｌ２の光量）の割合をパーセントで示した値である。
【００５９】
また、許容できる反射ミラー１７の反射ミラー角度−５．０〜＋５．０°は、反射ミラー１７と球面アクロマティックレンズ１５若しくは光ファイバ端部１４との距離に応じて変化する値である。すなわち、反射ミラー１７と球面アクロマティックレンズ１５若しくは光ファイバ端部１４との距離が長くなれば、許容できる反射ミラー１７の反射ミラー角度は狭くなる。
なお、薄膜形成装置１においては、反射ミラー１７と球面アクロマティックレンズ１５との間の距離は、６０〜３５０ｍｍ程度である。
【００６０】
図４は、基板の傾きと測定光の割合変化を示す説明図であり、実基板Ｓの傾きと測定光（出射光及び反射光）の経路と光の割合変化を示すもので、図４（ａ）は、実基板Ｓの傾き角度０°の場合（傾いていない場合）、図４（ｂ）は実基板Ｓの傾き角度が所定の値を有する場合である。ここで、実基板Ｓの傾き角度は、実基板Ｓの成膜面に対する垂線と、測定光の光軸とのなす角度である。
なお、図４中の光量は、実基板Ｓを取り付けない状態で測定した光量を１００％とした模式図である。また、ここでは反射ミラー１７の反射率は８０％としている。
【００６１】
まず、図４（ａ）に示した、基板の傾き角度＝０°での測定光の経路と光の割合変化について説明する。
真空容器３１の測定窓２５から入射された光（出射光Ｌ１）は、実基板Ｓを透過する。このとき、入射された光（出射光Ｌ１）の全光量を「１００」とすると、実基板Ｓの両側の表面で、透過せずにそれぞれ４．２５％ずつ反射される（合計光量８．５）。この光量８．５の光は、反射光Ｌ２−１として測定窓２５から出射される。したがって、実基板Ｓを透過する光量は９１．５となる。この透過された光量９１．５の光は、実基板Ｓの裏側に配設された反射ミラー１７によって反射される。この折り返し反射光は、再度実基板Ｓを透過する事になり、同様に、合計８．５％の反射率を考慮し、残りの９１．５％が実基板Ｓを透過する。即ち、光量８３．７（１回目の透過光９１．５×反射ミラー１７からの折り返しによる２回目の透過率９１．５％）がＬ２−２として測定窓２５から出射される。このとき、反射ミラー１７の反射率を無視するのは、実基板Ｓの測定前に、実基板Ｓが無い（反射ミラー１７の反射のみ）の状態で１００％ベースライン測定を行う為である。
折り返し反射光が実基板Ｓを透過する際、実基板Ｓで反射された光量７．７８（９１．５×８．５％）が再度反射ミラー１７によって反射する場合、光量６．２２（７．７８×反射ミラー反射率８０％）が再度実基板Ｓへ向かう。この光量６．２２の再反射光も同様に実基板Ｓでそれぞれ４．２５％ずつ合計８．５％が反射され、光量５．６９（６．２２×９１．５％）がＬ２−３として測定窓２５から出射される。
すなわち、測定窓２５から出射される光は、Ｌ２−１〜３であり、実基板Ｓの反射光も混在してしまう。
【００６２】
つまり、測光窓２５から入射される光（出射光Ｌ１）は、
（１）反射光Ｌ２−１・・・８．５（実基板Ｓによる両面反射光）
（２）反射光Ｌ２−２・・・８３．７（反射ミラー１７の反射により２回実基板Ｓを透過する光）
（３）反射光Ｌ２−３・・・５．６９（再度反射ミラー１７の反射により実基板Ｓを透過する光）
に大別される（反射光Ｌ２−４以上の多重反射光は微小な為、このモデルでは無視する）。
したがって、測定窓２５から入射された光（出射光Ｌ１）のうち、９７．８９（８．５＋８３．７＋５．６９）程度の光量となり、反射光Ｌ２として真空容器３１の測定窓２５に向かう。実基板の傾き角度が０°であることから、反射された光線が全て同一経路を通るためである。
【００６３】
つまり、実基板Ｓの傾斜角度が０°の場合では、受光器１９に入力される光（反射光Ｌ２）のうち１４．１９（８．５＋５．６９）程度が、実基板Ｓの反射光という事になる。従って、実基板Ｓの傾斜角度を０°とすると、受光器１９に入射される反射光Ｌ２に所望の経路以外を通った光線を一割以上含むことになり、これが測定誤差を生じる原因になる。
【００６４】
次に、図４（ｂ）に示した、基板の傾き角度が所定の値を有する場合の測定光の経路と光の割合変化について説明する。
前記図４（ａ）と同様に、出射光Ｌ１及び反射光Ｌ２の透過、反射が生じるが、実基板Ｓが所定角度傾いているため、実基板Ｓの表面で反射された８．５％の光は、実基板Ｓの傾きに応じた方向に反射される。従って、実基板Ｓの傾斜角度が所定値以上であれば、実基板Ｓの表面で反射された光線は受光器１９には向かないことになる。
また、反射ミラー１７で反射された反射光Ｌ２のうち、実基板Ｓで反射される光も、実基板Ｓの傾きに応じた方向に反射され受光器１９には向かわないことになる。
つまり、実基板Ｓを所定角度傾けた場合には、実基板Ｓを２回透過した光線（光量８３．７）のみが受光器１９に入力されることになる。従って、誤差が生じる原因が少なく、測定の高精度化が期待できる。
【００６５】
図５は基板角度と測定光強度の関係を示すグラフ図であり、実基板Ｓの傾き角度αと反射光の光量の関係の測定結果で、図５（ａ）は傾き角度αが−６〜＋６°までの測定結果、図５（ｂ）は、図５（ａ）の結果を傾き角度α＝＋３〜＋５．５°について拡大した図である。なお、図５中の光量は、実基板Ｓを取り付けていない状態で測定したデータを基準としている。
【００６６】
図５（ａ）で判明するように、実基板Ｓの傾き角度がないα＝０°において反射光の光量が最大値となる。これは、図４（ａ）に説明したように実基板Ｓの表裏面で反射した光線も含んでいるためである。
【００６７】
実基板Ｓの角度を傾けていくと、実基板Ｓの表面で反射された光線は実基板Ｓの傾きに応じた方向に反射されるため、実基板Ｓの傾き角度とともに受光器１９で測定される光量が減少していく。そして、およそ傾き角度４．５°以上の領域では、光量はほぼ一定の値を示すようになった。これは、図４（ｂ）に説明したように、実基板Ｓの表裏面で反射した光を受光器１９で取り込まないようになるためである。
【００６８】
図５（ｂ）により、およそ傾き角度４．５°以上で一定の値を示すようになることから、実基板Ｓの傾き角度は４．５°以上に設定すると好適である。ここで、実基板Ｓがいずれの方向に傾いても同様な効果が得られることから、傾き角度は、測定光Ｓの光軸に直行する面に対する角度の絶対値である。
【００６９】
すなわち、実基板Ｓの傾き角度は、±４．５°以上に設定されることが望ましい。
また、実基板Ｓの傾き角度は、光量が一定の値を示す範囲内で最小であることが好ましい。ここで、図５（ｂ）によれば、傾き角度４．５°程度では僅かに光量変化に傾きが認められるものの、傾き角度＝５°程度以上で光量の変化が見られなくなる。
【００７０】
また、実基板Ｓの傾き角度は、実基板Ｓと反射ミラー１７、若しくは、実基板Ｓと球面アクロマティックレンズ１５若しくは光ファイバ端部１４との距離に応じて変化する値である。例えば、実基板Ｓと球面アクロマティックレンズ１５若しくは光ファイバ端部１４との距離が長くなれば、許容できる実基板Ｓの傾き角度は小さな値になる。
【００７１】
上述のように、薄膜形成装置１においては、反射ミラー１７と球面アクロマティックレンズ１５との間の距離は、６０〜３５０ｍｍ程度である。
【００７２】
図６乃至図８は、本発明の光学式膜厚計による測定例であり、これらの図は、光学式膜厚計により実基板Ｓ（ＢＫ−７基板）や光学フィルタＦを測定した結果であり、１回透過させて測定した結果と比較したものである。以下に説明するいずれの例においても、測定された実基板Ｓは傾き角度＝５°として測定を行った。
【００７３】
（実施例１）
図６は、ＢＫ−７基板の透過率測定結果を示すグラフ図である。Ｘ軸は測定波長、Ｙ軸は光量（透過率）である。図６では、本発明に係る光学式膜厚計による２回透過時の透過率測定結果と、分光光度計ＳｏｌｉｄＳｐｅｃ３７００(島津製作所製)による１回透過時の透過率測定結果と、１回測定のデータを２回測定として換算した換算値を示している。
【００７４】
図６から判明するように、ＢＫ−７基板は測定された全波長領域に渡りほぼフラットな透過率特性（光学特性）を有しており、２回透過の測定値と、１回透過を２回透過に換算した換算値とは、全波長域に渡りほぼ同じ値を示した。これは、本発明に係る光学式膜厚計は、真空容器３１内に反射ミラー１７を配置した簡単な構成でありながら、１００％光量に対する変化量が大きい、すなわち、膜厚測定の制御精度を向上させることができる事を示している。
【００７５】
（実施例２）
図７はＩＲカットフィルタの透過率測定結果を示すグラフ図である。ＩＲ（赤外線）カットフィルタは、ＢＫ−７基板上に、Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２を積層させた光学フィルタＦである。図７においても、図６と同様に、Ｘ軸とＹ軸は、それぞれ測定波長と透過率を示しており、また、本発明に係る光学式膜厚計による測定結果（２回透過）と、分光光度計による測定（１回透過）と、１回透過のデータを２回透過に換算した（換算値）が示されている。
【００７６】
図７によれば、ＩＲカットフィルタは、およそ７００ｎｍ以上の赤外線波長域での透過率が０％近傍の値を示している。このＩＲカットフィルタの測定においても、２回透過の測定値と、１回透過を２回透過に換算した換算値とは、全波長域に渡りほぼ同じ値を示した。従って、ＩＲカットフィルタの測定においても、本発明に係る光学式膜厚計は、従来の１回透過型の光学式膜厚計と少なくとも同等の測定精度を有していると言える。
【００７７】
図８は、本発明の光学式膜厚計の特性を従来の測定法と比較したものであり、本発明に係る光学式膜厚計で計算した結果と、従来の１回透過で計算した結果とを比較した。計算（シミュレーション）には、市販の光学演算理論ソフトを用いた。
【００７８】
（実施例３）
図８は、ＳｉＯ２単層膜成膜時の、波長５２０nmにおける光学膜厚の時間経過による光量変化を示すグラフ図で、ＳｉＯ２単層膜フィルタの光量変化計算結果であり、１回透過による計算結果と、本発明に係る光学式膜厚計によるＳｉＯ２単層膜フィルタの２回透過の計算結果と、を比較したものである。ＳｉＯ２単層膜フィルタは、ＢＫ−７にＳｉＯ２単層膜を形成した光学フィルタＦである。Ｘ軸は成膜時間（膜厚に比例）、Ｙ軸は透過光量を示している。また、光量変化計算は、波長５２０ｎｍの値である。
【００７９】
図８で示すように、本発明に係る光学式膜厚計での２回透過の計算値（２回透過）と、１回透過の計算値（１回透過）とでは、本発明の２回透過の場合は、透過率及び透過光量ともに、変化量が大きくなっており、従来例に比して、この変化量が多い分だけ、測定精度が向上する。
【００８０】
図８において、本発明に係る光学式膜厚計による測定値の計算結果と、１回透過による測定値の計算結果と、を比較すると、本発明の光学式膜厚計による測定の変化率の方が高いことがわかる。変化量の差はおよそ１．６乃至１．８倍であった。これは、実基板Ｓを２回透過することによる透過率の減少により変化量が大きくなるためである。測定値の変化量が大きいため、測定精度の向上を図ることができ、本発明に係る光学式膜厚計は、従来の１回透過型の光学式膜厚計よりも優れた測定精度を有していると言える。
【符号の説明】
【００８１】
Ｓ 実基板（測定基板）
Ｆ 光学フィルタ
Ｌ１ 出射光
Ｌ２（Ｌ２−１，Ｌ２−２，Ｌ２−３） 反射光
１，２，３ 薄膜形成装置
１１ 投光器
１１ａ Ｒｅｆ回路
１３ 光ファイバ
１３ａ 出射光側の光ファイバ
１３ｂ 反射光側の光ファイバ
１４ 光ファイバ端部
１５ 球面アクロマティックレンズ
１７ 反射ミラー
１９ 受光器
２０ 分光器
２１ 光源用安定化電源
２３ コンピュータ（演算用ＰＣ）
２５ 測定窓
３１，４１，１０１ 真空容器
３３ 回転ドラム式ホルダ
３５ スパッタ手段
４３，１０３ 回転ホルダ
４５ 蒸着手段
４７ 補正板
１０５ ミラー
１０７ ミラーボックス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実基板に測定光を透過させて光学膜厚を測定する光学式膜厚計であって、
前記実基板に向けて測定光としての出射光を出射する投光手段と、
前記実基板を介して前記投光手段と反対側の位置で、前記出射光を反射する反射ミラーと、
前記実基板を透過し、且つ前記反射ミラーで反射して前記実基板を透過した前記測定光を受光する受光手段と、
該受光手段により受光された前記測定光を検出する光検出手段と、を備え、
前記実基板は、前記投光手段と前記反射ミラーとからなる光学系に対して傾斜をもって配設されていることを特徴とする光学式膜厚計。
【請求項２】
前記実基板は、前記反射ミラーと前記投光手段の間の位置に、前記測定光の光軸に対して所定角度を有して配設されることを特徴とする請求項１記載の光学式膜厚計。
【請求項３】
前記測定光である前記出射光と前記反射ミラーで反射された反射光は、前記実基板の略同一箇所を透過することを特徴とする請求項１記載の光学式膜厚計。
【請求項４】
前記反射ミラーは、前記測定光の光軸に対してほぼ垂直方向に反射面が形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学式膜厚計。
【請求項５】
前記反射ミラーは、前記反射ミラーの反射面に対する垂線と、前記測定光の光軸とのなす角度が−５．０〜＋５．０°の範囲になるように配設されてなることを特徴とする請求項４記載の光学式膜厚計。
【請求項６】
前記実基板の前記投光手段と前記反射ミラーとからなる光学系に対する傾斜は、略４．５°以上であることを特徴とする請求項１に記載の光学式膜厚計。
【請求項７】
前記実基板は所定速度で動き、前記反射ミラーは、前記実基板に対し一定の位置に固定されて配設されていることを特徴とする請求項１，２，４，５，６のいずれか１項に記載の光学式膜厚計。
【請求項８】
真空容器内に実基板を支持して回転可能なドーム状の基板ホルダと、
蒸着材料を蒸発させる蒸着手段と前記基板ホルダとの間の位置に、前記真空容器側に固定されて配設される補正板と、
前記基板ホルダに前記実基板を取り付けた状態で、前記実基板に測定光を透過させて光学膜厚を測定する光学式膜厚計と、を備えた薄膜形成装置であって、
前記光学式膜厚計は、
前記実基板に向けて測定光としての出射光を出射する投光手段と、
前記実基板を介して前記投光手段と反対側の位置で、前記出射光を反射する反射ミラーと、
前記実基板を透過し、且つ前記反射ミラーで反射して前記実基板を透過した前記測定光を受光する受光手段と、
該受光手段により受光された前記測定光を検出する光検出手段と、を備え、
前記実基板は、前記投光手段と前記反射ミラーとからなる光学系に対して傾斜をもって配設されていることを特徴とする光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置。
【請求項９】
前記反射ミラーは前記補正板に配設されていることを特徴とする請求項８記載の光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置。
【請求項１０】
真空容器内に実基板を支持して回転可能な略円筒状の基板ホルダと、
前記基板ホルダの外側に配設されたスパッタ手段と、
前記基板ホルダに前記実基板を取り付けた状態で、前記実基板に測定光を透過させて光学膜厚を測定する光学式膜厚計と、を備えた薄膜形成装置であって、
前記光学式膜厚計は、
前記実基板に向けて測定光としての出射光を出射する投光手段と、
前記実基板を介して前記投光手段と反対側の位置で、前記出射光を反射する反射ミラーと、
前記実基板を透過し、且つ前記反射ミラーで反射して前記実基板を透過した前記測定光を受光する受光手段と、
該受光手段により受光された前記測定光を検出する光検出手段と、を備え、
前記実基板は、前記投光手段と前記反射ミラーとからなる光学系に対して傾斜をもって配設されていることを特徴とする光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置。
【請求項１１】
前記反射ミラーは前記基板ホルダ内に配設されていることを特徴とする請求項１０記載の光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置。
【請求項１】
実基板に測定光を透過させて光学膜厚を測定する光学式膜厚計であって、
前記実基板に向けて測定光としての出射光を出射する投光手段と、
前記実基板を介して前記投光手段と反対側の位置で、前記出射光を反射する反射ミラーと、
前記実基板を透過し、且つ前記反射ミラーで反射して前記実基板を透過した前記測定光を受光する受光手段と、
該受光手段により受光された前記測定光を検出する光検出手段と、を備え、
前記実基板は、前記投光手段と前記反射ミラーとからなる光学系に対して傾斜をもって配設されていることを特徴とする光学式膜厚計。
【請求項２】
前記実基板は、前記反射ミラーと前記投光手段の間の位置に、前記測定光の光軸に対して所定角度を有して配設されることを特徴とする請求項１記載の光学式膜厚計。
【請求項３】
前記測定光である前記出射光と前記反射ミラーで反射された反射光は、前記実基板の略同一箇所を透過することを特徴とする請求項１記載の光学式膜厚計。
【請求項４】
前記反射ミラーは、前記測定光の光軸に対してほぼ垂直方向に反射面が形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学式膜厚計。
【請求項５】
前記反射ミラーは、前記反射ミラーの反射面に対する垂線と、前記測定光の光軸とのなす角度が−５．０〜＋５．０°の範囲になるように配設されてなることを特徴とする請求項４記載の光学式膜厚計。
【請求項６】
前記実基板の前記投光手段と前記反射ミラーとからなる光学系に対する傾斜は、略４．５°以上であることを特徴とする請求項１に記載の光学式膜厚計。
【請求項７】
前記実基板は所定速度で動き、前記反射ミラーは、前記実基板に対し一定の位置に固定されて配設されていることを特徴とする請求項１，２，４，５，６のいずれか１項に記載の光学式膜厚計。
【請求項８】
真空容器内に実基板を支持して回転可能なドーム状の基板ホルダと、
蒸着材料を蒸発させる蒸着手段と前記基板ホルダとの間の位置に、前記真空容器側に固定されて配設される補正板と、
前記基板ホルダに前記実基板を取り付けた状態で、前記実基板に測定光を透過させて光学膜厚を測定する光学式膜厚計と、を備えた薄膜形成装置であって、
前記光学式膜厚計は、
前記実基板に向けて測定光としての出射光を出射する投光手段と、
前記実基板を介して前記投光手段と反対側の位置で、前記出射光を反射する反射ミラーと、
前記実基板を透過し、且つ前記反射ミラーで反射して前記実基板を透過した前記測定光を受光する受光手段と、
該受光手段により受光された前記測定光を検出する光検出手段と、を備え、
前記実基板は、前記投光手段と前記反射ミラーとからなる光学系に対して傾斜をもって配設されていることを特徴とする光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置。
【請求項９】
前記反射ミラーは前記補正板に配設されていることを特徴とする請求項８記載の光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置。
【請求項１０】
真空容器内に実基板を支持して回転可能な略円筒状の基板ホルダと、
前記基板ホルダの外側に配設されたスパッタ手段と、
前記基板ホルダに前記実基板を取り付けた状態で、前記実基板に測定光を透過させて光学膜厚を測定する光学式膜厚計と、を備えた薄膜形成装置であって、
前記光学式膜厚計は、
前記実基板に向けて測定光としての出射光を出射する投光手段と、
前記実基板を介して前記投光手段と反対側の位置で、前記出射光を反射する反射ミラーと、
前記実基板を透過し、且つ前記反射ミラーで反射して前記実基板を透過した前記測定光を受光する受光手段と、
該受光手段により受光された前記測定光を検出する光検出手段と、を備え、
前記実基板は、前記投光手段と前記反射ミラーとからなる光学系に対して傾斜をもって配設されていることを特徴とする光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置。
【請求項１１】
前記反射ミラーは前記基板ホルダ内に配設されていることを特徴とする請求項１０記載の光学式膜厚計を備えた薄膜形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１３１４５（Ｐ２０１１−１３１４５Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５８７９８（Ｐ２００９−１５８７９８）
【出願日】平成２１年７月３日（２００９．７．３）
【出願人】（３９０００７２１６）株式会社シンクロン (52)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月３日（２００９．７．３）
【出願人】（３９０００７２１６）株式会社シンクロン (52)
【Ｆターム（参考）】
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