薄膜堆積量の計測装置及び計測方法、並びに、薄膜製造装置及び薄膜製造方法
【課題】真空中で、移動する薄膜の堆積量を高精度に計測する装置及び方法を提供する。
【解決手段】本発明の薄膜堆積量の製造装置は、基板４上に形成された薄膜２０の堆積量を計測する装置であって、基板４にβ線を照射するβ線源２１と、β線源２１から照射されたβ線の基板４からの後方散乱量を測定する第１放射線検出器としての後方散乱β線用放射線検出器２２と、を含む測定プローブ１０と、β線源２１から照射されたβ線の基板４からの後方散乱のうち、前記第１放射線検出器に入射せずに、測定プローブ１０と基板４との隙間を経由して測定プローブ１０外に到達する漏洩β線量を測定する第２放射線検出器としての漏洩β線用放射線検出器２３と、を備える。
【解決手段】本発明の薄膜堆積量の製造装置は、基板４上に形成された薄膜２０の堆積量を計測する装置であって、基板４にβ線を照射するβ線源２１と、β線源２１から照射されたβ線の基板４からの後方散乱量を測定する第１放射線検出器としての後方散乱β線用放射線検出器２２と、を含む測定プローブ１０と、β線源２１から照射されたβ線の基板４からの後方散乱のうち、前記第１放射線検出器に入射せずに、測定プローブ１０と基板４との隙間を経由して測定プローブ１０外に到達する漏洩β線量を測定する第２放射線検出器としての漏洩β線用放射線検出器２３と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜堆積量の計測装置及び計測方法、並びに、薄膜製造装置及び薄膜製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空中で堆積される薄膜は、電子デバイス、機械的特性改善のための表面改質及び装飾等、様々な分野で利用されている。これらの用途の中には、その薄膜の堆積量（厚さ）を高精度に計測及び制御することが要求されるものがある。このような高精度が要求される分野は、通常、基板及び堆積された薄膜（堆積膜）の表面が平坦で、堆積膜がそれほど厚くない（〜１μｍ程度）場合が多かった。
【０００３】
近年、携帯機器の小型化及び多機能化が進んでいる。これに伴って、携帯機器の電源としての電池の高容量化が切望されている。現在、リチウム二次電池に主に使用されている負極活物質である炭素の理論容量は、３７２ｍＡｈ／ｇである。そこで、炭素よりも高容量化が可能な活物質が各種検討されている。特に、理論容量が４２００ｍＡｈ／ｇであるシリコンが有望視されており、シリコンを含む材料が数多く検討されている。
【０００４】
シリコンを用いた高容量の負極を作製する場合、結着剤等の活物質以外の成分を含ませないようにするため、真空中で薄膜を堆積させることで負極を作製する技術が盛んに研究開発されている。この場合、シリコンを含む薄膜の堆積量が多い（薄膜の厚さが数μｍ以上である）ことがほとんどである。さらに、堆積膜と基板との密着強度を改善するため、及び／又は、堆積膜に隙間を形成して充電時の膨張応力を緩和するために、平坦でない基板を利用することが多い。そのため、堆積膜表面の凹凸が大きくなる場合がある。このような条件でも、充放電容量に直結する薄膜の堆積量を高精度に計測及び制御する必要がある。
【０００５】
平坦で薄い堆積膜の場合、真空中であっても、光を利用した測定法等で堆積量を計測及び制御する技術が古くから確立されている。しかし、平坦でなく厚い堆積膜の場合、真空中で堆積量を計測する一般的な技術が確立されていなかった。
【０００６】
β線後方散乱による薄膜の堆積量の計測は、真空中でも使用可能なβ線源及び放射線検出器を利用することによって、真空中であっても実現可能である。しかし、堆積膜に照射したβ線の後方散乱を測定する場合、β線源、堆積膜及び放射線検出器の位置関係が少しでもずれると、放射線検出器で測定されるβ線量が変動してしまい、薄膜の堆積量を正確に計測することができない。特に、移動する基板上の薄膜の堆積量を測定する場合は、このような位置関係のずれが不可避であった。例えば、薄膜の堆積時の基板の温度上昇等に起因して、基板が撓んでしまうことがある。このような撓みによって基板が所定の位置から浮き上がると、基板上の堆積膜も浮き上がるので、β線源、堆積膜及び放射線検出器の位置関係がずれてしまい、正確な計測ができなかった。
【０００７】
従来、大気中でのβ線後方散乱による薄膜堆積量及び塗装膜厚の計測においては、このような位置関係のずれに対して、β線源及び放射線検出器と堆積膜との距離を離すことで影響を低減する（例えば、特許文献１参照）、あるいは、測距素子を用いて位置関係の変動を測定し、その変動に応じて検出結果を補正する（例えば、特許文献２参照）、といった手法で精度を高めることが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】実開平１−６７５１５号公報
【特許文献２】特開平１−１７３８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記従来の手法のようにβ線源及び放射線検出器と堆積膜との距離を離すと、堆積膜に照射したβ線が後方散乱されて、放射線検出器で測定できる確率が減少する。そのため、大線量のβ線源を用いても、短時間に高精度で計測することが困難になる。したがって、この手法は、特に短時間での計測が要求される、移動する堆積膜の計測には適さない。また、レーザー変位計等の非接触の測距素子は、大気中においては十分な精度を発揮するが、内蔵する素子の放熱の問題等があり、真空中で動作させることは困難という問題があった。したがって、測距素子を用いる手法は、真空中での薄膜の堆積量の計測には適用できない。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、真空中で、移動する薄膜の堆積量を高精度に計測する装置及び方法と、そのような計測装置を含む薄膜製造装置と、そのような計測方法を用いた薄膜製造方法とを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、基板上に形成された薄膜の堆積量を計測する装置であって、
前記基板にβ線を照射するβ線源と、前記β線源から照射された前記β線の前記基板からの後方散乱量を測定する第１放射線検出器と、を含む測定プローブと、
前記β線源から照射された前記β線の前記基板からの後方散乱のうち、前記第１放射線検出器に入射せずに、前記測定プローブと前記基板との隙間を経由して前記測定プローブ外に到達する漏洩β線量を測定する第２放射線検出器と、
を備えた、薄膜堆積量の計測装置を提供する。
【００１２】
また、本発明は、基板上に形成された薄膜の堆積量を計測する方法であって、
前記基板に対してβ線を照射するβ線照射工程と、
前記β線照射工程で照射された前記β線の前記基板からの後方散乱量を第１放射線検出器で測定し、前記β線照射工程で照射された前記β線の前記基板からの後方散乱のうち、前記第１放射線検出器での測定に用いられず、且つ、前記基板の位置情報を含むβ線量を第２放射線検出器で測定する、測定工程と、
前記第２放射線検出器によって測定された前記β線量に基づいて、前記第１放射線検出器によって測定された前記β線の後方散乱量を補正する、補正工程と、
補正後の後方散乱量に基づいて、前記基板上に形成された前記薄膜の堆積量を算出する、算出工程と、
を含む、薄膜堆積量の計測方法を提供する。
【００１３】
また、本発明は、
チャンバーと、
前記チャンバー内を排気する真空ポンプと、
前記チャンバー内に設置された、基板を搬送する搬送系と、
前記チャンバー内に設置された、前記基板上に薄膜を堆積させる機構と、
上記本発明の薄膜堆積量の計測装置と、
を備えた、薄膜製造装置を提供する。
【００１４】
また、本発明は、
基板上に薄膜を堆積させる薄膜堆積工程と、
上記本発明の薄膜堆積量の計測方法を用いて、前記基板上に堆積された前記薄膜の堆積量を計測する堆積量計測工程と、
を含む、薄膜製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の薄膜堆積量の計測装置及び計測方法によれば、真空中であっても、β線後方散乱法によって、移動する薄膜の堆積量を高精度に計測することができる。本発明の薄膜製造装置及び薄膜製造方法によれば、薄膜の堆積量を高精度に計測しながら、真空中で薄膜を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の薄膜製造装置の実施の形態である真空蒸着装置の構成を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）は、図１に示す真空蒸着装置の測定ロール周囲、測定プローブ及び漏洩β線用放射線検出器の構成を示す模式図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す測定プローブ及び漏洩β線用放射線検出器の拡大図である。
【図３】薄膜堆積膜が計測されている際に基板が撓んでいる状態を示す模式図である。
【図４】後方散乱β線収量と測定ギャップとの関係を示すグラフである。
【図５】漏洩β線収量と測定ギャップとの関係を示すグラフである。
【図６】後方散乱β線収量及び漏洩β線収量と、堆積厚みとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
＜真空蒸着装置１００の構成＞
図１に、本発明の実施の形態における真空蒸着装置１００の概略構造図を示す。真空蒸着装置１００は、本発明の薄膜製造装置の一例であり、さらに、本発明の薄膜製造方法の実施に使用できる。
【００１９】
図１に示すように、本実施の形態における真空蒸着装置１００は、チャンバー１と、真空ポンプ２と、蒸発源３と、基板４と、巻き出しロール５と、搬送ロール６と、測定ロール７と、巻き取りロール８と、成膜用開口部９と、β線後方散乱測定プローブ１０と、β線後方散乱測定プローブ１０と一体的に設けられた漏洩β線用放射線検出器（第２放射線検出器）２３（図２（ａ）、（ｂ）参照）と、放射線検出器用信号ケーブル１１と、耐圧容器１２と、プリアンプ１３と、導入フランジ１４と、電力供給ケーブル１５と、信号ケーブル１６と、β線測定器本体１７と、冷却水循環用配管１８と、冷却空気循環用配管１９とで構成される。本装置１００では、巻き出しロール５、搬送ロール６、測定ロール７及び巻き取りロール８によって、基板４を搬送する搬送系が構成されている。また、蒸発源３及び成膜用開口部９は、基板４上に薄膜を堆積させる機構を構成している。また、測定プローブ１０、漏洩β線用放射線検出器２３、放射線検出器用信号ケーブル１１、耐圧容器１２、プリアンプ１３、電力供給ケーブル１５、信号ケーブル１６、β線測定器本体１７、冷却水循環用配管１８及び冷却空気循環用配管１９によって、薄膜堆積量の計測装置が構成されている。
【００２０】
蒸発源３には、耐熱性のあるカーボンの坩堝等を使用できる。抵抗加熱装置、誘導加熱装置及び電子ビーム加熱装置等の加熱装置（図示せず）で蒸発源３を加熱することによって、蒸発源３の坩堝に収容された薄膜原料を蒸発させることができる。なお、本装置１００では、電子ビーム加熱装置を使用している。
【００２１】
基板４が成膜用開口部９を通過している間は、基板４は蒸発源３に対向している。したがって、蒸発した薄膜原料が直進して基板４に到達しうる状態になり、基板４上に薄膜が堆積される。
【００２２】
基板４には、例えば、リチウム二次電池用の負極用集電体を使用することができる。例えば、電解銅箔等の金属箔が使用できる。例えば、厚さ２０μｍの圧延銅箔又は厚さ３５μｍの電解銅箔を、基板４として用いることができる。
【００２３】
図２（ａ）に、真空蒸着装置１００の測定ロール７周囲及び測定プローブ１０の構成の概略を示す。図２（ａ）は、基板４を、基板幅方向に垂直な方向、すなわち測定ロール７の軸方向に垂直な方向から見た状態を示している。
【００２４】
直径Ｄの測定ロール７に基板４が巻きついて走行し、基板４上には薄膜２０が堆積されている。測定プローブ１０は、β線を放出する密封β線源２１と、後方散乱β線用放射線検出器（第１放射線検出器）２２とを内蔵している。この測定プローブ１０と一体的に、漏洩β線用放射線検出器２３が設けられている。なお、後方散乱β線用放射線検出器２２及び漏洩β線用放射線検出器２３のβ線入射面側には、それぞれ、遮光フィルム２４が設置されている。測定プローブ１０は、基板４が静止時において、測定ギャップＧ（測定プローブ１０と基板４との距離）が一定になるように固定されている。密封β線源２１の核種としては、β線を放出するものがいずれも使用できるが、本装置１００では放射線量３．７ＭＢｑの147Ｐｍ密封β線源（直径８ｍｍ）を使用している。放射線検出器２２及び２３には、真空中で動作可能で、β線が検出できるものならいずれも使用できるが、本装置１００では、検出領域が１ｃｍ角のシリコンＰＩＮフォトダイオード検出器を使用している。この検出器は、室温で動作可能（極低温の冷却不要）で、消費電力が極めて小さいため、真空中での動作に特に適している。また、ＰＩＮフォトダイオード等の半導体検出器は、β線等の放射線以外に光も検出してしまう。そのため、検出器表面（β線入射面）を遮光フィルム２４で覆うことによって、余分な信号の出力を防止している。この遮光フィルム２４は、光を遮蔽しつつ、β線の透過損失を最小限にする必要がある。このようなフィルムとしては、金属箔、及び、金属を蒸着した樹脂フィルム等が使用できる。本実施の形態では、厚さ５μｍのアルミニウム箔を使用している。
【００２５】
放射線検出器２２及び２３の出力パルス信号は、放射線検出器用信号ケーブル１１を通してプリアンプ１３に入力されて、増幅される。増幅された出力パルス信号は、信号ケーブル１６を通してβ線測定器本体１７に入力されて、増幅された後、単位時間あたりのパルス信号の数がカウントされる。本装置１００では、プリアンプ１３への電力供給は、β線測定器本体１７から電力供給ケーブル１５を通して行われる。
【００２６】
密封β線源２１は、測定ロール７上を走行する基板４にβ線を照射できるように、測定プローブ１０に設置されている。後方散乱β線用放射線検出器２２は、密封β線源２１から照射されたβ線の基板４からの後方散乱量を測定する検出器である。漏洩β線用放射線検出器２３は、密封β線源２１から照射されたβ線の基板４からの後方散乱のうち、後方散乱β線用放射線検出器２２に入射せずに、測定プローブ１０と基板４との隙間を経由して、測定プローブ１０外に到達する漏洩β線量を測定する検出器である。ここで、測定プローブ１０と基板４との隙間とは、測定プローブ１０の基板４と対向する部分と基板４の表面とによって囲まれた部分のことであり、本実施の形態では、図２（ｂ）において３０で示された部分を指す。
【００２７】
密封β線源２１及び後方散乱β線用放射線検出器２２は、それぞれの表面中央の法線が基板４上の計測点２５で交わり、それぞれの法線と基板４上の計測点２５における法線との角度がθ1及びθ2となるように、配置されている。一例として、θ1及びθ2を３０°とできる。ここで、密封β線源２１の表面中央とは、密封β線源２１のβ線出射面の中央のことである。また、後方散乱β線用放射線検出器２２の表面中央とは、後方散乱β線用放射線検出器２２のβ線入射面の中央のことである。また、密封β線源２１から放出されたβ線が、基板４で後方散乱されずに、測定プローブ１０内部で散乱されて後方散乱β線用放射線検出器２２に入射することが無いように、密封β線源２１と後方散乱β線用放射線検出器２２とは、それぞれ、測定プローブ１０に設けられた壁によって囲われている。言い換えると、図２（ｂ）に示すように、密封β線源２１から放出されて基板４で後方散乱されたβ線が放射線検出器２２に入射するように、密封β線源２１から基板４上の計測点２５へβ線を誘導する仕切り壁２６と、基板４へ到達せずに測定プローブ１０内で散乱したβ線の放射線検出器２２への入射を妨害し、且つ、基板４からの後方散乱を放射線検出器２２へ誘導する仕切り壁２７とが、測定プローブ１０に設けられている。
【００２８】
漏洩β線用放射線検出器２３は、後方散乱β線用放射線検出器２２よりも、測定点２５から離れた位置に配置されている。漏洩β線用放射線検出器２３の表面中央と計測点２５とを結ぶ直線と、基板４上の計測点２５における法線との成す角度θ3が、θ2よりも大きくなるように、漏洩β線用放射線検出器２３が配置されている。一例として、θ2が３０°、θ3を６５°とすることができる。ここで、漏洩β線用放射線検出器２３の表面中央とは、漏洩β線用放射線検出器２３のβ線入射面の中央のことである。密封β線源２１から放出されたβ線が、基板４で後方散乱されずに、測定プローブ１０内部で散乱されて漏洩β線用放射線検出器２３に入射することが無く、さらに測定プローブ１０と基板４との隙間から漏れ出たβ線が漏洩β線用放射線検出器２３に入射されるように、漏洩β線用放射線検出器２３は壁で囲われている。言い換えると、図２（ｂ）に示すように、漏洩β線用放射線検出器２３のβ線入射面に、測定プローブ１０と基板４との隙間を経由して測定プローブ１０外に到達する漏洩β線のみが到達するように、漏洩β線用放射線検出器２３のβ線入射面が、漏洩β線以外のβ線の入射を妨害する仕切り壁２８によって囲まれている。
【００２９】
原理の詳細は後述の実施例１で説明するが、漏洩β線用放射線検出器２３で測定される漏洩β線量は、計測点２５における基板４の位置の変動（測定ギャップＧ）に応じて変化する。すなわち、この漏洩β線量は、計測点２５における基板４の位置情報を含んでいる。例えば、薄膜２０の堆積時に基板４の温度が上昇して、図３に示すような基板４の撓みが発生することがある。このような基板４の撓みにより、基板４が所定の位置（被計測物の計測時の本来の位置）から浮き上がってしまう。この場合、基板４上の薄膜２０も浮き上がるので、密封β線源２１、堆積物（基板４及び薄膜２０）及び後方散乱β線用放射線検出器２２の位置関係がずれてしまい、薄膜２０の堆積量を正確に計測することができなくなる。しかし、本装置１００に設けられた薄膜堆積量の計測装置では、漏洩β線用放射線検出器２３で測定された漏洩β線量から、測定ギャップＧを求めることが可能である。本実施の形態の計測装置では、β線測定器本体１７によって、求められた測定ギャップＧ、すなわち測定された漏洩β線量に基づいて、後方散乱β線用放射線検出器２２で測定された後方散乱量が補正される。さらに、β線測定器本体１７は、補正後の後方散乱量に基づいて薄膜の堆積量を計算する。したがって、本実施の形態の計測装置では、例えば基板４の撓み等に起因して測定ギャップＧが変動した場合でも、薄膜２０の堆積量を正確に計測することが可能である。
【００３０】
測定プローブ１０は、冷却水循環用配管１８を流れる冷却水によって温度上昇が抑制され、室温程度に保持される。これは、放射線検出器２２及び２３の温度が上昇すると、出力信号に熱雑音が混入して、正確な測定が出来なくなることがあるためである。
【００３１】
また、温度上昇がなくても、放射線検出器２２及び２３から出力される電気信号は微弱であるため、その信号にノイズが混入され、正確に測定できないことがある。そのため、プリアンプ１３を放射線検出器２２及び２３の近くに配置し、放射線検出器用信号ケーブル１１をできるだけ短くする必要がある。しかし、プリアンプ１３をそのままチャンバー１に入れて、周囲を真空にすると、放熱や圧力変化の影響で、正常に動作しないことがある。そのため、プリアンプ１３を耐圧容器１２内に収納し、その内部を大気圧に保持しながら温度上昇を抑制するため、冷却空気循環用配管１９を通して空気を循環させている。
【００３２】
放射線検出器用信号ケーブル１１をさらに短くするため、測定プローブ１０と耐圧容器１２とを一体構造にすることも可能である。
【００３３】
別の観点から、本発明の薄膜堆積量の計測装置は、基板にβ線を照射するβ線源と、前記β線源から照射された前記β線の前記基板からの後方散乱量を測定する第１放射線検出器と、前記β線源から照射された前記β線の前記基板からの後方散乱のうち、前記第１放射線検出器に入射しない漏洩β線量を測定する第２放射線検出器と、を備え、前記第２放射線検出器が、前記基板上の計測点における法線と、前記計測点と前記第２放射線検出器とを結ぶ直線とが成す角度が、前記法線と、前記計測点と前記第１放射線検出器とを結ぶ直線とが成す角度よりも大きくなるように配置されている、構成を有していてもよい。
【００３４】
＜真空蒸着装置１００の動作＞
次に、本実施の形態における真空蒸着装置１００の動作について説明する。
【００３５】
まず、基板４を走行させる。巻き出しロール５から巻き出された長尺の基板４を、搬送ローラ６、測定ロール７、搬送ロール６の順に導き、最終的に巻き取りロール８で巻き取る。
【００３６】
蒸発源３に例えばシリコン等の原料を入れ、電子ビーム加熱で蒸発源３の温度を上昇させて原料を蒸発させることによって、基板４上に薄膜２０を堆積させる薄膜堆積工程が実施される。堆積速度は、通常、１〜１００ｎｍ／秒である。堆積する薄膜２０の膜厚は、例えば１〜２０μｍである。
【００３７】
基板４を走行させ、蒸発源３を加熱して原料を蒸発させ、基板４上に薄膜を堆積しながら、密封β線源２１によって基板４に対してβ線が照射されて、放射線検出器２２及び２３においてβ線量が測定される。
【００３８】
＜真空蒸着装置１００での薄膜堆積量の計測＞
測定プローブ１０に設けられた密封β線源２１によって、未蒸着部の基板４と、蒸着後の基板４とに対して、それぞれβ線が照射される（β線照射工程）。後方散乱β線用放射線検出器２２によって、未蒸着部の基板表面からと、蒸着後の堆積膜表面からの単位時間あたりの後方散乱量が測定される。さらに、同時に、漏洩β線用放射線検出器２３によって、漏洩β線量も測定される（測定工程）。
【００３９】
測定プローブ１０の後方散乱β線用放射線検出器２２によって測定された、未蒸着部の基板表面からの後方散乱量Ａと、蒸着後の堆積膜表面からの後方散乱量Ｂとを用いて、後方散乱量Ａに対する後方散乱量Ｂの単位時間当たりの減少率を計算する。この減少率から、薄膜堆積量が求められる（算出工程）。このとき用いられる後方散乱量Ａ及び後方散乱量Ｂは、漏洩β線用放射線検出器２３で測定された漏洩β線量に応じて補正された後（補正工程が実施された後）の値である。
【００４０】
本装置１００は、計測された薄膜堆積量に応じて、薄膜堆積工程の制御を行う制御工程をさらに実施することも可能である。例えば、計測された薄膜堆積量に応じて、蒸着源３を制御して、堆積される薄膜量を適宜調整することもできる。
【実施例】
【００４１】
以下に実施例を挙げ、本発明をさらに具体的に説明する。
【００４２】
実際に成膜しながら堆積量を計測する前に、測定プローブ１０を上下に動かして測定ギャップＧを１．０〜３．０ｍｍの間で変化させ、未成膜の基板４と、堆積厚み５〜１５μｍに成膜済みの基板４とに対して計測を実施した。未成膜の基板４と成膜済みの基板４とを測定ロール７を巻き付け、静止した状態で、後方散乱β線用放射線検出器２２及び漏洩β線用放射線検出器２３における１０秒間の収量を１００回測定した。ここで用いた基板４は、厚さ３５μｍの電解銅箔であった。測定ロール７には、直径Ｄが６ｃｍのロールを用いた。密封β線源２１、後方散乱β線用放射線検出器２２及び漏洩β線用放射線検出器２３は、角度θ1が３０°、角度θ2が３０°及び角度θ3が６５°となるように配置されていた。
【００４３】
表１及び図４に測定された後方散乱β線収量の平均、表２及び図５に漏洩β線収量の平均を示す。また、図６は、測定ギャップＧが２ｍｍにおける、後方散乱β線収量と漏洩β線収量の堆積厚み依存を示している。
【００４４】
【表１】
【００４５】
【表２】
【００４６】
図６から分かるように、測定ギャップＧが一定であれば、後方散乱β線収量は、堆積厚みの増加にともなって単調減少している。堆積厚み０の基板４に対する減少率から、堆積厚みの測定が可能となる。一方、漏洩β線収量は、堆積厚みが５μｍ程度までは減少しているものの、それ以上の厚みではほぼ一定となっている。これは、密封β線源２１から放出されたβ線が、堆積された薄膜２０を貫通して基板４で散乱され、漏洩β線用放射線検出器２３に入射する場合に、角度θ3が大きいため、薄膜２０の厚みが大きくなるとβ線が薄膜２０内を通過する距離が長くなって、漏洩β線用放射線検出器２３に到達するまでのβ線の損失が大きくなるためである。したがって、測定される漏洩β線量は、堆積厚みが所定以上となると（本実施例の条件の場合は、堆積厚み５μｍ以上となると）、ほぼ薄膜２０内で散乱されたβ線のみとなり、堆積厚みに依存しなくなる。
【００４７】
また、図４から分かるように、測定ギャップＧが増加すると、同じ堆積厚みでも、後方散乱β線収量が単調減少する。測定ギャップＧに対する変化の割合は、堆積厚みが異なってもほぼ一定で、単純な依存関係ではあるが、実際の計測時に測定ギャップＧが分からなくなると、堆積厚みの正確な計測が不可能となる。
【００４８】
一方、表２及び図５から分かるように、堆積量が一定で、測定ギャップＧが大きくなると、漏洩β線収量は単調増加する。この漏洩β線量は、堆積厚みが５μｍを超えると、ほとんど堆積量に依存せず、測定ギャップＧのみに依存している。これは、上で説明したように、基板４の影響がほとんど無くなるからである。つまり、堆積厚みが５μｍを超えると、漏洩β線量は、測定ギャップＧのみに依存するため、測定ギャップＧの変動を計測することが可能になる。
【００４９】
以上の結果を応用すると、堆積厚みが５μｍを超えてから計測を行う場合、漏洩β線収量から測定ギャップＧの変動を推測し、後方散乱β線収量を補正することで、堆積厚みの計測値を補正することが可能になる。
【００５０】
実際に蒸着法等で成膜を行う場合、蒸発源等からの輻射熱、堆積膜の凝縮熱等で基板４が加熱されることによって変形することがあり（図３参照）、測定ロール７に基板４が密着しない状態で通過する可能性がある。このとき、測定ギャップＧが変動すると予想される。
【００５１】
表３に、基板４を走行させながら、堆積厚み１０μｍでシリコン薄膜を蒸着して、後方散乱β線収量及び漏洩β線収量を測定した結果を示す。この結果は、１０秒間の収量を１００回測定した平均である。なお、基板４の静止時のおける測定ギャップＧが２ｍｍになるように、測定プローブ１０は固定されていた。
【００５２】
【表３】
【００５３】
表３から明らかなように、測定ギャップＧによる補正を行うことで、成膜部の後方散乱収量のばらつきが大幅に抑制されている。図６から明らかなように、堆積厚み１０μｍ程度までは、未成膜部に対する後方散乱収量の減少幅が、堆積厚みにほぼ比例する。また、未成膜部の基板４は、蒸着が行われていないので、熱による変形を受けていない。そのため、測定ギャップＧの変動による後方散乱収量の変動が小さい。つまり、堆積厚みあるいは堆積量の計測誤差は、成膜部の後方散乱収量の測定誤差と、未成膜部に対する減少幅の比率でほぼ決まる。本実施例においては、表３にあるように、成膜部標準偏差／減少幅が、測定ギャップＧの補正なしでは９．６％に対して、補正ありでは２．９％と、１／３以下になっている。このことから、堆積厚みあるいは堆積量の計測誤差が１／３以下になっていることが分かる。すなわち、漏洩β線収量を利用して後方散乱収量を補正する本発明の計測装置及び計測方法によれば、補正を行わない従来の計測装置及び計測方法に比べて、薄膜の堆積量をより正確に計測することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の薄膜堆積量の計測装置及び計測方法と、薄膜製造装置及び薄膜製造方法は、リチウムイオン二次電池用電極の製造に利用できるだけでなく、真空中で堆積した膜を含む各種電子機器の製造にも好適に利用できる。
【符号の説明】
【００５５】
１ チャンバー
２ 真空ポンプ
３ 蒸発源
４ 基板
５ 巻き出しロール
６ 搬送ロール
７ 測定ロール
８ 巻き取りロール
９ 成膜用開口部
１０ 線後方散乱測定プローブ
１１ 放射線検出器用信号ケーブル
１２ 耐圧容器
１３ プリアンプ
１４ 導入フランジ
１５ 電力供給ケーブル
１６ 信号ケーブル
１７ β線測定器本体
１８ 冷却水循環用配管
１９ 冷却空気循環用配管
２０ 薄膜
２１ 密封β線源
２２ 後方散乱β線用放射線検出器（第１放射線検出器）
２３ 漏洩β線用放射線検出器（第２放射線検出器）
２４ 遮光フィルム
２５ 計測点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜堆積量の計測装置及び計測方法、並びに、薄膜製造装置及び薄膜製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空中で堆積される薄膜は、電子デバイス、機械的特性改善のための表面改質及び装飾等、様々な分野で利用されている。これらの用途の中には、その薄膜の堆積量（厚さ）を高精度に計測及び制御することが要求されるものがある。このような高精度が要求される分野は、通常、基板及び堆積された薄膜（堆積膜）の表面が平坦で、堆積膜がそれほど厚くない（〜１μｍ程度）場合が多かった。
【０００３】
近年、携帯機器の小型化及び多機能化が進んでいる。これに伴って、携帯機器の電源としての電池の高容量化が切望されている。現在、リチウム二次電池に主に使用されている負極活物質である炭素の理論容量は、３７２ｍＡｈ／ｇである。そこで、炭素よりも高容量化が可能な活物質が各種検討されている。特に、理論容量が４２００ｍＡｈ／ｇであるシリコンが有望視されており、シリコンを含む材料が数多く検討されている。
【０００４】
シリコンを用いた高容量の負極を作製する場合、結着剤等の活物質以外の成分を含ませないようにするため、真空中で薄膜を堆積させることで負極を作製する技術が盛んに研究開発されている。この場合、シリコンを含む薄膜の堆積量が多い（薄膜の厚さが数μｍ以上である）ことがほとんどである。さらに、堆積膜と基板との密着強度を改善するため、及び／又は、堆積膜に隙間を形成して充電時の膨張応力を緩和するために、平坦でない基板を利用することが多い。そのため、堆積膜表面の凹凸が大きくなる場合がある。このような条件でも、充放電容量に直結する薄膜の堆積量を高精度に計測及び制御する必要がある。
【０００５】
平坦で薄い堆積膜の場合、真空中であっても、光を利用した測定法等で堆積量を計測及び制御する技術が古くから確立されている。しかし、平坦でなく厚い堆積膜の場合、真空中で堆積量を計測する一般的な技術が確立されていなかった。
【０００６】
β線後方散乱による薄膜の堆積量の計測は、真空中でも使用可能なβ線源及び放射線検出器を利用することによって、真空中であっても実現可能である。しかし、堆積膜に照射したβ線の後方散乱を測定する場合、β線源、堆積膜及び放射線検出器の位置関係が少しでもずれると、放射線検出器で測定されるβ線量が変動してしまい、薄膜の堆積量を正確に計測することができない。特に、移動する基板上の薄膜の堆積量を測定する場合は、このような位置関係のずれが不可避であった。例えば、薄膜の堆積時の基板の温度上昇等に起因して、基板が撓んでしまうことがある。このような撓みによって基板が所定の位置から浮き上がると、基板上の堆積膜も浮き上がるので、β線源、堆積膜及び放射線検出器の位置関係がずれてしまい、正確な計測ができなかった。
【０００７】
従来、大気中でのβ線後方散乱による薄膜堆積量及び塗装膜厚の計測においては、このような位置関係のずれに対して、β線源及び放射線検出器と堆積膜との距離を離すことで影響を低減する（例えば、特許文献１参照）、あるいは、測距素子を用いて位置関係の変動を測定し、その変動に応じて検出結果を補正する（例えば、特許文献２参照）、といった手法で精度を高めることが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】実開平１−６７５１５号公報
【特許文献２】特開平１−１７３８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記従来の手法のようにβ線源及び放射線検出器と堆積膜との距離を離すと、堆積膜に照射したβ線が後方散乱されて、放射線検出器で測定できる確率が減少する。そのため、大線量のβ線源を用いても、短時間に高精度で計測することが困難になる。したがって、この手法は、特に短時間での計測が要求される、移動する堆積膜の計測には適さない。また、レーザー変位計等の非接触の測距素子は、大気中においては十分な精度を発揮するが、内蔵する素子の放熱の問題等があり、真空中で動作させることは困難という問題があった。したがって、測距素子を用いる手法は、真空中での薄膜の堆積量の計測には適用できない。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、真空中で、移動する薄膜の堆積量を高精度に計測する装置及び方法と、そのような計測装置を含む薄膜製造装置と、そのような計測方法を用いた薄膜製造方法とを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、基板上に形成された薄膜の堆積量を計測する装置であって、
前記基板にβ線を照射するβ線源と、前記β線源から照射された前記β線の前記基板からの後方散乱量を測定する第１放射線検出器と、を含む測定プローブと、
前記β線源から照射された前記β線の前記基板からの後方散乱のうち、前記第１放射線検出器に入射せずに、前記測定プローブと前記基板との隙間を経由して前記測定プローブ外に到達する漏洩β線量を測定する第２放射線検出器と、
を備えた、薄膜堆積量の計測装置を提供する。
【００１２】
また、本発明は、基板上に形成された薄膜の堆積量を計測する方法であって、
前記基板に対してβ線を照射するβ線照射工程と、
前記β線照射工程で照射された前記β線の前記基板からの後方散乱量を第１放射線検出器で測定し、前記β線照射工程で照射された前記β線の前記基板からの後方散乱のうち、前記第１放射線検出器での測定に用いられず、且つ、前記基板の位置情報を含むβ線量を第２放射線検出器で測定する、測定工程と、
前記第２放射線検出器によって測定された前記β線量に基づいて、前記第１放射線検出器によって測定された前記β線の後方散乱量を補正する、補正工程と、
補正後の後方散乱量に基づいて、前記基板上に形成された前記薄膜の堆積量を算出する、算出工程と、
を含む、薄膜堆積量の計測方法を提供する。
【００１３】
また、本発明は、
チャンバーと、
前記チャンバー内を排気する真空ポンプと、
前記チャンバー内に設置された、基板を搬送する搬送系と、
前記チャンバー内に設置された、前記基板上に薄膜を堆積させる機構と、
上記本発明の薄膜堆積量の計測装置と、
を備えた、薄膜製造装置を提供する。
【００１４】
また、本発明は、
基板上に薄膜を堆積させる薄膜堆積工程と、
上記本発明の薄膜堆積量の計測方法を用いて、前記基板上に堆積された前記薄膜の堆積量を計測する堆積量計測工程と、
を含む、薄膜製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の薄膜堆積量の計測装置及び計測方法によれば、真空中であっても、β線後方散乱法によって、移動する薄膜の堆積量を高精度に計測することができる。本発明の薄膜製造装置及び薄膜製造方法によれば、薄膜の堆積量を高精度に計測しながら、真空中で薄膜を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の薄膜製造装置の実施の形態である真空蒸着装置の構成を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）は、図１に示す真空蒸着装置の測定ロール周囲、測定プローブ及び漏洩β線用放射線検出器の構成を示す模式図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す測定プローブ及び漏洩β線用放射線検出器の拡大図である。
【図３】薄膜堆積膜が計測されている際に基板が撓んでいる状態を示す模式図である。
【図４】後方散乱β線収量と測定ギャップとの関係を示すグラフである。
【図５】漏洩β線収量と測定ギャップとの関係を示すグラフである。
【図６】後方散乱β線収量及び漏洩β線収量と、堆積厚みとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
＜真空蒸着装置１００の構成＞
図１に、本発明の実施の形態における真空蒸着装置１００の概略構造図を示す。真空蒸着装置１００は、本発明の薄膜製造装置の一例であり、さらに、本発明の薄膜製造方法の実施に使用できる。
【００１９】
図１に示すように、本実施の形態における真空蒸着装置１００は、チャンバー１と、真空ポンプ２と、蒸発源３と、基板４と、巻き出しロール５と、搬送ロール６と、測定ロール７と、巻き取りロール８と、成膜用開口部９と、β線後方散乱測定プローブ１０と、β線後方散乱測定プローブ１０と一体的に設けられた漏洩β線用放射線検出器（第２放射線検出器）２３（図２（ａ）、（ｂ）参照）と、放射線検出器用信号ケーブル１１と、耐圧容器１２と、プリアンプ１３と、導入フランジ１４と、電力供給ケーブル１５と、信号ケーブル１６と、β線測定器本体１７と、冷却水循環用配管１８と、冷却空気循環用配管１９とで構成される。本装置１００では、巻き出しロール５、搬送ロール６、測定ロール７及び巻き取りロール８によって、基板４を搬送する搬送系が構成されている。また、蒸発源３及び成膜用開口部９は、基板４上に薄膜を堆積させる機構を構成している。また、測定プローブ１０、漏洩β線用放射線検出器２３、放射線検出器用信号ケーブル１１、耐圧容器１２、プリアンプ１３、電力供給ケーブル１５、信号ケーブル１６、β線測定器本体１７、冷却水循環用配管１８及び冷却空気循環用配管１９によって、薄膜堆積量の計測装置が構成されている。
【００２０】
蒸発源３には、耐熱性のあるカーボンの坩堝等を使用できる。抵抗加熱装置、誘導加熱装置及び電子ビーム加熱装置等の加熱装置（図示せず）で蒸発源３を加熱することによって、蒸発源３の坩堝に収容された薄膜原料を蒸発させることができる。なお、本装置１００では、電子ビーム加熱装置を使用している。
【００２１】
基板４が成膜用開口部９を通過している間は、基板４は蒸発源３に対向している。したがって、蒸発した薄膜原料が直進して基板４に到達しうる状態になり、基板４上に薄膜が堆積される。
【００２２】
基板４には、例えば、リチウム二次電池用の負極用集電体を使用することができる。例えば、電解銅箔等の金属箔が使用できる。例えば、厚さ２０μｍの圧延銅箔又は厚さ３５μｍの電解銅箔を、基板４として用いることができる。
【００２３】
図２（ａ）に、真空蒸着装置１００の測定ロール７周囲及び測定プローブ１０の構成の概略を示す。図２（ａ）は、基板４を、基板幅方向に垂直な方向、すなわち測定ロール７の軸方向に垂直な方向から見た状態を示している。
【００２４】
直径Ｄの測定ロール７に基板４が巻きついて走行し、基板４上には薄膜２０が堆積されている。測定プローブ１０は、β線を放出する密封β線源２１と、後方散乱β線用放射線検出器（第１放射線検出器）２２とを内蔵している。この測定プローブ１０と一体的に、漏洩β線用放射線検出器２３が設けられている。なお、後方散乱β線用放射線検出器２２及び漏洩β線用放射線検出器２３のβ線入射面側には、それぞれ、遮光フィルム２４が設置されている。測定プローブ１０は、基板４が静止時において、測定ギャップＧ（測定プローブ１０と基板４との距離）が一定になるように固定されている。密封β線源２１の核種としては、β線を放出するものがいずれも使用できるが、本装置１００では放射線量３．７ＭＢｑの147Ｐｍ密封β線源（直径８ｍｍ）を使用している。放射線検出器２２及び２３には、真空中で動作可能で、β線が検出できるものならいずれも使用できるが、本装置１００では、検出領域が１ｃｍ角のシリコンＰＩＮフォトダイオード検出器を使用している。この検出器は、室温で動作可能（極低温の冷却不要）で、消費電力が極めて小さいため、真空中での動作に特に適している。また、ＰＩＮフォトダイオード等の半導体検出器は、β線等の放射線以外に光も検出してしまう。そのため、検出器表面（β線入射面）を遮光フィルム２４で覆うことによって、余分な信号の出力を防止している。この遮光フィルム２４は、光を遮蔽しつつ、β線の透過損失を最小限にする必要がある。このようなフィルムとしては、金属箔、及び、金属を蒸着した樹脂フィルム等が使用できる。本実施の形態では、厚さ５μｍのアルミニウム箔を使用している。
【００２５】
放射線検出器２２及び２３の出力パルス信号は、放射線検出器用信号ケーブル１１を通してプリアンプ１３に入力されて、増幅される。増幅された出力パルス信号は、信号ケーブル１６を通してβ線測定器本体１７に入力されて、増幅された後、単位時間あたりのパルス信号の数がカウントされる。本装置１００では、プリアンプ１３への電力供給は、β線測定器本体１７から電力供給ケーブル１５を通して行われる。
【００２６】
密封β線源２１は、測定ロール７上を走行する基板４にβ線を照射できるように、測定プローブ１０に設置されている。後方散乱β線用放射線検出器２２は、密封β線源２１から照射されたβ線の基板４からの後方散乱量を測定する検出器である。漏洩β線用放射線検出器２３は、密封β線源２１から照射されたβ線の基板４からの後方散乱のうち、後方散乱β線用放射線検出器２２に入射せずに、測定プローブ１０と基板４との隙間を経由して、測定プローブ１０外に到達する漏洩β線量を測定する検出器である。ここで、測定プローブ１０と基板４との隙間とは、測定プローブ１０の基板４と対向する部分と基板４の表面とによって囲まれた部分のことであり、本実施の形態では、図２（ｂ）において３０で示された部分を指す。
【００２７】
密封β線源２１及び後方散乱β線用放射線検出器２２は、それぞれの表面中央の法線が基板４上の計測点２５で交わり、それぞれの法線と基板４上の計測点２５における法線との角度がθ1及びθ2となるように、配置されている。一例として、θ1及びθ2を３０°とできる。ここで、密封β線源２１の表面中央とは、密封β線源２１のβ線出射面の中央のことである。また、後方散乱β線用放射線検出器２２の表面中央とは、後方散乱β線用放射線検出器２２のβ線入射面の中央のことである。また、密封β線源２１から放出されたβ線が、基板４で後方散乱されずに、測定プローブ１０内部で散乱されて後方散乱β線用放射線検出器２２に入射することが無いように、密封β線源２１と後方散乱β線用放射線検出器２２とは、それぞれ、測定プローブ１０に設けられた壁によって囲われている。言い換えると、図２（ｂ）に示すように、密封β線源２１から放出されて基板４で後方散乱されたβ線が放射線検出器２２に入射するように、密封β線源２１から基板４上の計測点２５へβ線を誘導する仕切り壁２６と、基板４へ到達せずに測定プローブ１０内で散乱したβ線の放射線検出器２２への入射を妨害し、且つ、基板４からの後方散乱を放射線検出器２２へ誘導する仕切り壁２７とが、測定プローブ１０に設けられている。
【００２８】
漏洩β線用放射線検出器２３は、後方散乱β線用放射線検出器２２よりも、測定点２５から離れた位置に配置されている。漏洩β線用放射線検出器２３の表面中央と計測点２５とを結ぶ直線と、基板４上の計測点２５における法線との成す角度θ3が、θ2よりも大きくなるように、漏洩β線用放射線検出器２３が配置されている。一例として、θ2が３０°、θ3を６５°とすることができる。ここで、漏洩β線用放射線検出器２３の表面中央とは、漏洩β線用放射線検出器２３のβ線入射面の中央のことである。密封β線源２１から放出されたβ線が、基板４で後方散乱されずに、測定プローブ１０内部で散乱されて漏洩β線用放射線検出器２３に入射することが無く、さらに測定プローブ１０と基板４との隙間から漏れ出たβ線が漏洩β線用放射線検出器２３に入射されるように、漏洩β線用放射線検出器２３は壁で囲われている。言い換えると、図２（ｂ）に示すように、漏洩β線用放射線検出器２３のβ線入射面に、測定プローブ１０と基板４との隙間を経由して測定プローブ１０外に到達する漏洩β線のみが到達するように、漏洩β線用放射線検出器２３のβ線入射面が、漏洩β線以外のβ線の入射を妨害する仕切り壁２８によって囲まれている。
【００２９】
原理の詳細は後述の実施例１で説明するが、漏洩β線用放射線検出器２３で測定される漏洩β線量は、計測点２５における基板４の位置の変動（測定ギャップＧ）に応じて変化する。すなわち、この漏洩β線量は、計測点２５における基板４の位置情報を含んでいる。例えば、薄膜２０の堆積時に基板４の温度が上昇して、図３に示すような基板４の撓みが発生することがある。このような基板４の撓みにより、基板４が所定の位置（被計測物の計測時の本来の位置）から浮き上がってしまう。この場合、基板４上の薄膜２０も浮き上がるので、密封β線源２１、堆積物（基板４及び薄膜２０）及び後方散乱β線用放射線検出器２２の位置関係がずれてしまい、薄膜２０の堆積量を正確に計測することができなくなる。しかし、本装置１００に設けられた薄膜堆積量の計測装置では、漏洩β線用放射線検出器２３で測定された漏洩β線量から、測定ギャップＧを求めることが可能である。本実施の形態の計測装置では、β線測定器本体１７によって、求められた測定ギャップＧ、すなわち測定された漏洩β線量に基づいて、後方散乱β線用放射線検出器２２で測定された後方散乱量が補正される。さらに、β線測定器本体１７は、補正後の後方散乱量に基づいて薄膜の堆積量を計算する。したがって、本実施の形態の計測装置では、例えば基板４の撓み等に起因して測定ギャップＧが変動した場合でも、薄膜２０の堆積量を正確に計測することが可能である。
【００３０】
測定プローブ１０は、冷却水循環用配管１８を流れる冷却水によって温度上昇が抑制され、室温程度に保持される。これは、放射線検出器２２及び２３の温度が上昇すると、出力信号に熱雑音が混入して、正確な測定が出来なくなることがあるためである。
【００３１】
また、温度上昇がなくても、放射線検出器２２及び２３から出力される電気信号は微弱であるため、その信号にノイズが混入され、正確に測定できないことがある。そのため、プリアンプ１３を放射線検出器２２及び２３の近くに配置し、放射線検出器用信号ケーブル１１をできるだけ短くする必要がある。しかし、プリアンプ１３をそのままチャンバー１に入れて、周囲を真空にすると、放熱や圧力変化の影響で、正常に動作しないことがある。そのため、プリアンプ１３を耐圧容器１２内に収納し、その内部を大気圧に保持しながら温度上昇を抑制するため、冷却空気循環用配管１９を通して空気を循環させている。
【００３２】
放射線検出器用信号ケーブル１１をさらに短くするため、測定プローブ１０と耐圧容器１２とを一体構造にすることも可能である。
【００３３】
別の観点から、本発明の薄膜堆積量の計測装置は、基板にβ線を照射するβ線源と、前記β線源から照射された前記β線の前記基板からの後方散乱量を測定する第１放射線検出器と、前記β線源から照射された前記β線の前記基板からの後方散乱のうち、前記第１放射線検出器に入射しない漏洩β線量を測定する第２放射線検出器と、を備え、前記第２放射線検出器が、前記基板上の計測点における法線と、前記計測点と前記第２放射線検出器とを結ぶ直線とが成す角度が、前記法線と、前記計測点と前記第１放射線検出器とを結ぶ直線とが成す角度よりも大きくなるように配置されている、構成を有していてもよい。
【００３４】
＜真空蒸着装置１００の動作＞
次に、本実施の形態における真空蒸着装置１００の動作について説明する。
【００３５】
まず、基板４を走行させる。巻き出しロール５から巻き出された長尺の基板４を、搬送ローラ６、測定ロール７、搬送ロール６の順に導き、最終的に巻き取りロール８で巻き取る。
【００３６】
蒸発源３に例えばシリコン等の原料を入れ、電子ビーム加熱で蒸発源３の温度を上昇させて原料を蒸発させることによって、基板４上に薄膜２０を堆積させる薄膜堆積工程が実施される。堆積速度は、通常、１〜１００ｎｍ／秒である。堆積する薄膜２０の膜厚は、例えば１〜２０μｍである。
【００３７】
基板４を走行させ、蒸発源３を加熱して原料を蒸発させ、基板４上に薄膜を堆積しながら、密封β線源２１によって基板４に対してβ線が照射されて、放射線検出器２２及び２３においてβ線量が測定される。
【００３８】
＜真空蒸着装置１００での薄膜堆積量の計測＞
測定プローブ１０に設けられた密封β線源２１によって、未蒸着部の基板４と、蒸着後の基板４とに対して、それぞれβ線が照射される（β線照射工程）。後方散乱β線用放射線検出器２２によって、未蒸着部の基板表面からと、蒸着後の堆積膜表面からの単位時間あたりの後方散乱量が測定される。さらに、同時に、漏洩β線用放射線検出器２３によって、漏洩β線量も測定される（測定工程）。
【００３９】
測定プローブ１０の後方散乱β線用放射線検出器２２によって測定された、未蒸着部の基板表面からの後方散乱量Ａと、蒸着後の堆積膜表面からの後方散乱量Ｂとを用いて、後方散乱量Ａに対する後方散乱量Ｂの単位時間当たりの減少率を計算する。この減少率から、薄膜堆積量が求められる（算出工程）。このとき用いられる後方散乱量Ａ及び後方散乱量Ｂは、漏洩β線用放射線検出器２３で測定された漏洩β線量に応じて補正された後（補正工程が実施された後）の値である。
【００４０】
本装置１００は、計測された薄膜堆積量に応じて、薄膜堆積工程の制御を行う制御工程をさらに実施することも可能である。例えば、計測された薄膜堆積量に応じて、蒸着源３を制御して、堆積される薄膜量を適宜調整することもできる。
【実施例】
【００４１】
以下に実施例を挙げ、本発明をさらに具体的に説明する。
【００４２】
実際に成膜しながら堆積量を計測する前に、測定プローブ１０を上下に動かして測定ギャップＧを１．０〜３．０ｍｍの間で変化させ、未成膜の基板４と、堆積厚み５〜１５μｍに成膜済みの基板４とに対して計測を実施した。未成膜の基板４と成膜済みの基板４とを測定ロール７を巻き付け、静止した状態で、後方散乱β線用放射線検出器２２及び漏洩β線用放射線検出器２３における１０秒間の収量を１００回測定した。ここで用いた基板４は、厚さ３５μｍの電解銅箔であった。測定ロール７には、直径Ｄが６ｃｍのロールを用いた。密封β線源２１、後方散乱β線用放射線検出器２２及び漏洩β線用放射線検出器２３は、角度θ1が３０°、角度θ2が３０°及び角度θ3が６５°となるように配置されていた。
【００４３】
表１及び図４に測定された後方散乱β線収量の平均、表２及び図５に漏洩β線収量の平均を示す。また、図６は、測定ギャップＧが２ｍｍにおける、後方散乱β線収量と漏洩β線収量の堆積厚み依存を示している。
【００４４】
【表１】
【００４５】
【表２】
【００４６】
図６から分かるように、測定ギャップＧが一定であれば、後方散乱β線収量は、堆積厚みの増加にともなって単調減少している。堆積厚み０の基板４に対する減少率から、堆積厚みの測定が可能となる。一方、漏洩β線収量は、堆積厚みが５μｍ程度までは減少しているものの、それ以上の厚みではほぼ一定となっている。これは、密封β線源２１から放出されたβ線が、堆積された薄膜２０を貫通して基板４で散乱され、漏洩β線用放射線検出器２３に入射する場合に、角度θ3が大きいため、薄膜２０の厚みが大きくなるとβ線が薄膜２０内を通過する距離が長くなって、漏洩β線用放射線検出器２３に到達するまでのβ線の損失が大きくなるためである。したがって、測定される漏洩β線量は、堆積厚みが所定以上となると（本実施例の条件の場合は、堆積厚み５μｍ以上となると）、ほぼ薄膜２０内で散乱されたβ線のみとなり、堆積厚みに依存しなくなる。
【００４７】
また、図４から分かるように、測定ギャップＧが増加すると、同じ堆積厚みでも、後方散乱β線収量が単調減少する。測定ギャップＧに対する変化の割合は、堆積厚みが異なってもほぼ一定で、単純な依存関係ではあるが、実際の計測時に測定ギャップＧが分からなくなると、堆積厚みの正確な計測が不可能となる。
【００４８】
一方、表２及び図５から分かるように、堆積量が一定で、測定ギャップＧが大きくなると、漏洩β線収量は単調増加する。この漏洩β線量は、堆積厚みが５μｍを超えると、ほとんど堆積量に依存せず、測定ギャップＧのみに依存している。これは、上で説明したように、基板４の影響がほとんど無くなるからである。つまり、堆積厚みが５μｍを超えると、漏洩β線量は、測定ギャップＧのみに依存するため、測定ギャップＧの変動を計測することが可能になる。
【００４９】
以上の結果を応用すると、堆積厚みが５μｍを超えてから計測を行う場合、漏洩β線収量から測定ギャップＧの変動を推測し、後方散乱β線収量を補正することで、堆積厚みの計測値を補正することが可能になる。
【００５０】
実際に蒸着法等で成膜を行う場合、蒸発源等からの輻射熱、堆積膜の凝縮熱等で基板４が加熱されることによって変形することがあり（図３参照）、測定ロール７に基板４が密着しない状態で通過する可能性がある。このとき、測定ギャップＧが変動すると予想される。
【００５１】
表３に、基板４を走行させながら、堆積厚み１０μｍでシリコン薄膜を蒸着して、後方散乱β線収量及び漏洩β線収量を測定した結果を示す。この結果は、１０秒間の収量を１００回測定した平均である。なお、基板４の静止時のおける測定ギャップＧが２ｍｍになるように、測定プローブ１０は固定されていた。
【００５２】
【表３】
【００５３】
表３から明らかなように、測定ギャップＧによる補正を行うことで、成膜部の後方散乱収量のばらつきが大幅に抑制されている。図６から明らかなように、堆積厚み１０μｍ程度までは、未成膜部に対する後方散乱収量の減少幅が、堆積厚みにほぼ比例する。また、未成膜部の基板４は、蒸着が行われていないので、熱による変形を受けていない。そのため、測定ギャップＧの変動による後方散乱収量の変動が小さい。つまり、堆積厚みあるいは堆積量の計測誤差は、成膜部の後方散乱収量の測定誤差と、未成膜部に対する減少幅の比率でほぼ決まる。本実施例においては、表３にあるように、成膜部標準偏差／減少幅が、測定ギャップＧの補正なしでは９．６％に対して、補正ありでは２．９％と、１／３以下になっている。このことから、堆積厚みあるいは堆積量の計測誤差が１／３以下になっていることが分かる。すなわち、漏洩β線収量を利用して後方散乱収量を補正する本発明の計測装置及び計測方法によれば、補正を行わない従来の計測装置及び計測方法に比べて、薄膜の堆積量をより正確に計測することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の薄膜堆積量の計測装置及び計測方法と、薄膜製造装置及び薄膜製造方法は、リチウムイオン二次電池用電極の製造に利用できるだけでなく、真空中で堆積した膜を含む各種電子機器の製造にも好適に利用できる。
【符号の説明】
【００５５】
１ チャンバー
２ 真空ポンプ
３ 蒸発源
４ 基板
５ 巻き出しロール
６ 搬送ロール
７ 測定ロール
８ 巻き取りロール
９ 成膜用開口部
１０ 線後方散乱測定プローブ
１１ 放射線検出器用信号ケーブル
１２ 耐圧容器
１３ プリアンプ
１４ 導入フランジ
１５ 電力供給ケーブル
１６ 信号ケーブル
１７ β線測定器本体
１８ 冷却水循環用配管
１９ 冷却空気循環用配管
２０ 薄膜
２１ 密封β線源
２２ 後方散乱β線用放射線検出器（第１放射線検出器）
２３ 漏洩β線用放射線検出器（第２放射線検出器）
２４ 遮光フィルム
２５ 計測点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された薄膜の堆積量を計測する装置であって、
前記基板にβ線を照射するβ線源と、前記β線源から照射された前記β線の前記基板からの後方散乱量を測定する第１放射線検出器と、を含む測定プローブと、
前記β線源から照射された前記β線の前記基板からの後方散乱のうち、前記第１放射線検出器に入射せずに、前記測定プローブと前記基板との隙間を経由して前記測定プローブ外に到達する漏洩β線量を測定する第２放射線検出器と、
を備えた、薄膜堆積量の計測装置。
【請求項２】
前記第２放射線検出器によって測定された前記漏洩β線量に基づいて、前記第１放射線検出器によって測定された前記β線の後方散乱量を補正し、補正後の後方散乱量に基づいて前記基板上に形成された前記薄膜の堆積量を計算する機構をさらに備えた、
請求項１に記載の薄膜堆積量の計測装置。
【請求項３】
前記基板上の計測点における法線と、前記計測点と前記第２放射線検出器とを結ぶ直線とが成す角度が、前記法線と、前記計測点と前記第１放射線検出器とを結ぶ直線とが成す角度よりも大きくなるように、前記第１放射線検出器及び前記第２放射線検出器が配置されている、
請求項１又は２に記載の薄膜堆積量の計測装置。
【請求項４】
前記第２放射線検出器のβ線入射面に、前記測定プローブと前記基板との隙間を経由して前記測定プローブ外に到達する前記漏洩β線のみが到達するように、前記第２放射線検出器の前記β線入射面が、前記漏洩β線以外のβ線の入射を妨害する仕切り壁によって囲まれている、
請求項１〜３の何れか１項に記載の薄膜堆積量の計測装置。
【請求項５】
基板上に形成された薄膜の堆積量を計測する方法であって、
前記基板に対してβ線を照射するβ線照射工程と、
前記β線照射工程で照射された前記β線の前記基板からの後方散乱量を第１放射線検出器で測定し、前記β線照射工程で照射された前記β線の前記基板からの後方散乱のうち、前記第１放射線検出器での測定に用いられず、且つ、前記基板の位置情報を含むβ線量を第２放射線検出器で測定する、測定工程と、
前記第２放射線検出器によって測定された前記β線量に基づいて、前記第１放射線検出器によって測定された前記β線の後方散乱量を補正する、補正工程と、
補正後の後方散乱量に基づいて、前記基板上に形成された前記薄膜の堆積量を算出する、算出工程と、
を含む、薄膜堆積量の計測方法。
【請求項６】
チャンバーと、
前記チャンバー内を排気する真空ポンプと、
前記チャンバー内に設置された、基板を搬送する搬送系と、
前記チャンバー内に設置された、前記基板上に薄膜を堆積させる機構と、
請求項１〜４の何れか１項に記載の薄膜堆積量の計測装置と、
を備えた、薄膜製造装置。
【請求項７】
基板上に薄膜を堆積させる薄膜堆積工程と、
請求項５に記載された薄膜堆積量の計測方法を用いて、前記基板上に堆積された前記薄膜の堆積量を計測する堆積量計測工程と、
を含む、薄膜製造方法。
【請求項８】
前記堆積量計測工程で計測された前記薄膜の堆積量に応じて、前記薄膜堆積工程の制御を行う制御工程をさらに含む、
請求項７に記載の薄膜製造方法。
【請求項１】
基板上に形成された薄膜の堆積量を計測する装置であって、
前記基板にβ線を照射するβ線源と、前記β線源から照射された前記β線の前記基板からの後方散乱量を測定する第１放射線検出器と、を含む測定プローブと、
前記β線源から照射された前記β線の前記基板からの後方散乱のうち、前記第１放射線検出器に入射せずに、前記測定プローブと前記基板との隙間を経由して前記測定プローブ外に到達する漏洩β線量を測定する第２放射線検出器と、
を備えた、薄膜堆積量の計測装置。
【請求項２】
前記第２放射線検出器によって測定された前記漏洩β線量に基づいて、前記第１放射線検出器によって測定された前記β線の後方散乱量を補正し、補正後の後方散乱量に基づいて前記基板上に形成された前記薄膜の堆積量を計算する機構をさらに備えた、
請求項１に記載の薄膜堆積量の計測装置。
【請求項３】
前記基板上の計測点における法線と、前記計測点と前記第２放射線検出器とを結ぶ直線とが成す角度が、前記法線と、前記計測点と前記第１放射線検出器とを結ぶ直線とが成す角度よりも大きくなるように、前記第１放射線検出器及び前記第２放射線検出器が配置されている、
請求項１又は２に記載の薄膜堆積量の計測装置。
【請求項４】
前記第２放射線検出器のβ線入射面に、前記測定プローブと前記基板との隙間を経由して前記測定プローブ外に到達する前記漏洩β線のみが到達するように、前記第２放射線検出器の前記β線入射面が、前記漏洩β線以外のβ線の入射を妨害する仕切り壁によって囲まれている、
請求項１〜３の何れか１項に記載の薄膜堆積量の計測装置。
【請求項５】
基板上に形成された薄膜の堆積量を計測する方法であって、
前記基板に対してβ線を照射するβ線照射工程と、
前記β線照射工程で照射された前記β線の前記基板からの後方散乱量を第１放射線検出器で測定し、前記β線照射工程で照射された前記β線の前記基板からの後方散乱のうち、前記第１放射線検出器での測定に用いられず、且つ、前記基板の位置情報を含むβ線量を第２放射線検出器で測定する、測定工程と、
前記第２放射線検出器によって測定された前記β線量に基づいて、前記第１放射線検出器によって測定された前記β線の後方散乱量を補正する、補正工程と、
補正後の後方散乱量に基づいて、前記基板上に形成された前記薄膜の堆積量を算出する、算出工程と、
を含む、薄膜堆積量の計測方法。
【請求項６】
チャンバーと、
前記チャンバー内を排気する真空ポンプと、
前記チャンバー内に設置された、基板を搬送する搬送系と、
前記チャンバー内に設置された、前記基板上に薄膜を堆積させる機構と、
請求項１〜４の何れか１項に記載の薄膜堆積量の計測装置と、
を備えた、薄膜製造装置。
【請求項７】
基板上に薄膜を堆積させる薄膜堆積工程と、
請求項５に記載された薄膜堆積量の計測方法を用いて、前記基板上に堆積された前記薄膜の堆積量を計測する堆積量計測工程と、
を含む、薄膜製造方法。
【請求項８】
前記堆積量計測工程で計測された前記薄膜の堆積量に応じて、前記薄膜堆積工程の制御を行う制御工程をさらに含む、
請求項７に記載の薄膜製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−１１３５８２（Ｐ２０１３−１１３５８２Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５６７７４（Ｐ２０１１−２５６７７４）
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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