JP3801980B2

JP3801980B2 - 膜厚計及び膜厚測定方法

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Publication number: JP3801980B2
Application number: JP2002379291A
Authority: JP
Inventors: 旭陽佐井; 陽平日向
Original assignee: Shincron Co Ltd
Current assignee: Shincron Co Ltd
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP2004212098A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学式の膜厚計及び膜厚測定方法に係り、特に蒸着，スパッタ，ＣＶＤ法等によって、真空槽内で基板上に形成される光学薄膜の膜厚測定を精度よく行うことができる光学式の膜厚計及び膜厚測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学式膜厚計は、真空蒸着処理やスパッタリング成膜処理等による成膜処理中に基板上に積層された膜厚をモニタリングし、所定膜厚蒸着時に蒸着源シャッタの開閉動作制御等を行うための制御器として用いられる。また、成膜処理をした基板の分光特性を測定するための測定器として用いられる。
【０００３】
従来から、成膜中基板の膜厚検測等のために受光器にフォトダイオードアレイが用いられた膜厚計がある（例えば、特許文献１参照）。受光器にフォトダイオードアレイを用いることにより、複数の波長における成膜過程での反射率変化を同時連続的にモニターすることが可能となる。
【０００４】
上記のような膜厚計の場合、成膜基板からの測定光は受光器で光電変換され、電気信号として演算部へ送出される。このとき、演算部では得られた電気信号を基に所定の演算処理が行われ、反射率や透過率が算出される。
【０００５】
ここで、膜厚制御を精度よく行うためには、算出された反射率や透過率変化から所定の膜厚形成時を正確に検出しなければならない。このため、受光器からの電気信号をできるだけ増幅して処理が行われるが、一般に膜厚の測定精度は前記電気信号に含まれるノイズ分の影響を受ける。
【０００６】
特に、出力される電気信号が小さい波長範囲では電気信号のＳ／Ｎ比が相対的に低くなってしまう。一般に、このようなＳ／Ｎ比の低さの要因としては、光源の放射分布特性（例えば、ハロゲン光源の場合、短波長側で光量が少ない）、フォトダイオードの分光感度特性（紫外光側、近赤外光側が悪い）、光路として使用される光ファイバの透過率の波長依存性等が挙げられる。
【０００７】
そして、上記電気信号のＳ／Ｎ比の低さを補うために、得られた電気信号の演算処理方法を種々に改善して、正確な膜厚制御を行うことが行われている。つまり、演算部でのソフトウェア面の改善が一般的に行われている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−１６４５１８号公報（第２−３頁、第１−６図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、膜厚計で正確な膜厚制御を行うために、制御装置のソフトウェア面の改善を行う方法では、電気信号自体のＳ／Ｎ比を向上させるわけではないので、大きく制御の精度を向上させることは期待できなかった。
【００１０】
また、測定波長範囲のうち得られる電気信号強度が小さい波長範囲のデータは、相対的にＳ／Ｎ比が悪いものとなることから、このような測定範囲のデータを用いた膜厚測定は他の測定範囲によるものと比べて誤差が大きいものとなるという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、成膜中の薄膜の膜厚測定によって得られる電気信号のＳ／Ｎ比を測定波長によらず向上させて、精度よく膜厚制御を行うことができる膜厚計及び膜厚測定方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、光学薄膜が形成された基板へ断続周期的に投光する投光手段と、前記基板からの測定光が導かれる光検出手段と、膜厚測定を制御する制御手段と、を備えた膜厚計であって、前記光検出手段は、前記測定光を分光する分光部を備えると共に、該分光部によって分光された光束を受光して光電変換により電荷を蓄積し受光電流を前記制御手段へ出力する複数の光検出素子を備え、前記制御手段は、前記複数の光検出素子の所定範囲に対して行われる露光の間であっても，前記光検出素子ごとに同一または異なった露光時間を設定可能な露光時間パターンと、該露光時間パターンに設定された露光時間で前記光検出素子に対して受光電流出力の測定を行うための制御信号を前記光検出手段へ送出する制御信号送出手段と、備えることにより解決される。
【００１３】
このように本発明によれば、測定光が導かれる光検出手段には複数の分光された波長光を測定することができる光検出素子が備えられ、各光検出素子の露光時間は露光時間パターンにより設定することができるように構成される。このようにすることにより、本来受光電流が小さい波長範囲においては露光時間を長くして受光電流を大きいものとすることができるので、信号のＳ／Ｎ比を向上させることが可能となる。
【００１４】
また、請求項２のように、光学薄膜が形成された基板へ断続周期的に投光する投光手段と、前記基板からの測定光が導かれる光検出手段と、制御手段と、を備えた膜厚計であって、前記光検出手段は、前記測定光を分光する分光部を備えると共に、該分光部によって分光された光束を受光して光電変換により電荷を蓄積し受光電流を前記制御手段へ出力する複数の光検出素子を備え、前記制御手段は、前記複数の光検出素子の所定範囲に対して行われる露光の間であっても，前記光検出素子ごとに同一または異なった露光時間を設定可能な露光時間パターンと、該露光時間パターンに設定された露光時間で前記光検出素子に対して行われる受光電流出力の測定及び前記光検出素子が露光されない状態において前記露光時間パターンに応じた暗電流出力の測定を行うための制御信号を前記光検出手段へ送出する制御信号送出手段と、所定の測定波長に対応する前記光検出素子からの前記受光電流出力の測定値から前記受光電流出力の測定と同一露光時間パターンによる暗電流出力の測定値を差し引く演算手段と、を備えると好適である。
【００１５】
このように本発明によれば、測定光が導かれる光検出手段には複数の分光された波長光を測定することができる光検出素子が備えられ、各光検出素子の露光時間を露光時間パターンにより設定することができるように構成される。さらに同一露光時間パターンを使用することにより各光検出素子で露光時間と暗電流測定時間を略同一とした受光電流出力及び暗電流出力の測定を行うことができる。
【００１６】
このようにすることにより、本来受光電流が小さい波長範囲における露光時間を長くして受光電流が大きいものとすることができるので、信号のＳ／Ｎ比を向上させることが可能となると共に、各光検出素子（各測定波長）において正確な暗電流補正を行うことができる。
【００１７】
また、請求項３のように、前記露光時間パターンを前記制御手段へ設定する入出力部を備えれば好適である。
【００１８】
また、請求項４に記載の膜厚測定方法によれば、基板上に形成された薄膜の光学膜厚を測定する方法であって、前記基板からの測定光を分光し、前記複数の光検出素子の所定範囲に対して行われる露光の間であっても，前記光検出素子ごとに同一または異なった露光時間で前記分光された光束を前記複数の光検出素子にそれぞれ照射させ、前記照射された光束により前記光検出素子で光電変換によって生起される受光電流出力を測定する方法とすることができる。
【００１９】
また、請求項５に記載の膜厚測定方法によれば、基板上に形成された薄膜の光学膜厚を測定する方法であって、前記基板からの測定光を分光し、前記複数の光検出素子の所定範囲に対して行われる露光の間であっても，前記光検出素子ごとに同一または異なった露光時間で前記分光された光束を前記複数の光検出素子にそれぞれ照射させ、前記照射された光束により前記光検出素子で光電変換によって生起される受光電流出力を測定し、前記基板からの測定光を遮断して前記光検出素子への前記光束の照射を中断し、前記光検出素子ごとに前記露光時間に応じた測定時間での暗電流出力を測定し、所定の測定波長に対応する前記光検出素子からの前記受光電流出力の測定値から前記受光電流出力の測定と同一露光時間パターンによる暗電流出力の測定値を差し引く演算を行う方法とすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は実施例の膜厚計の構成を示す説明図、図２は実施例のシャッタ機構の説明図、図３は実施例の膜厚計の構成を示すブロック図、図４は実施例のタイミング設定部の構成を示すブロック図である。
【００２１】
図５は実施例の連続測定処理の説明図、図６は実施例のチャンネルごとの露光時間を示す説明図、図７は実施例の膜厚制御データ取得の概略処理手順を示す説明図、図８は実施例の可変露光法によるチャンネルごとの露光時間を示す説明図、図９は実施例の基本測定による暗電流補正後の受光電流出力を示す説明図、図１０は実施例の可変露光法による暗電流補正後の受光電流出力を示す説明図、図１１は別実施例のタイミング設定部の構成を示すブロック図、図１２は別実施例の可変露光法によるチャンネルごとの露光時間を示す説明図である。なお、以下に説明する配置、形状等は、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。
【００２２】
図１に本発明の実施例に係る膜厚計Ａの概略構成図を示す。本例の膜厚計Ａは、真空室５０内に配置された成膜中の基板１を透過する光の透過量の変化から膜厚を測定する光透過式の膜厚計である。なお、基板１上への薄膜の形成は、真空蒸着法に限らず、スパッタリング，ＣＶＤ法によるものでもよい。また、本例の膜厚計Ａは光透過式としたが、これに限らず光反射式としてもよい。
【００２３】
本例の膜厚計Ａは、投光手段としての投光器１０，分光手段としての分光器２０，制御手段としてのコントローラ３０等から構成される。投光器１０は投光部１１とシャッタ機構１４を備えて構成され、投光部１１はハロゲンランプ，キセノンランプ又は重水素ランプ等からなる光源１２、集光レンズ１３、不図示の安定化電源等を備えている。
【００２４】
図２にシャッタ機構１４の構成を示す説明図を示す。シャッタ機構１４は、駆動源としてのステッピングモータ１５，略円形形状の回転式の遮蔽板１６，位置検出器１７等から構成されている。遮蔽板１６は、光源１２の光を遮る遮蔽部１６ａと、光源１２の光を真空室５０側へ通過させる切欠部１６ｂを備えており、遮蔽板１６が回転することにより、真空室５０側へ周期的なパルス状の光束が送出される。
【００２５】
モータ１５は後述するようにコントローラ３０から制御信号を受けて、遮蔽板１６を所定の回転速度で回転するように構成されており、該回転速度は制御信号によって可変設定されるようになっている。
【００２６】
図１に示すように投光器１０では、光源１２から放射される光が集光レンズ１３によって集光され、該集光された光束がシャッタ機構１４を通過することにより、真空室５０側へ送出される。なお、投光器１０と真空室５０，真空室５０と分光器２０は、それぞれ光ファイバ４０，４２によって接続されている。また、光ファイバ４０，４２にはレンズユニットが配設されており、スポット径が小さく平行光に近い光路が確保されている。なお、このような光ファイバ光学系に限らず、ミラー反射光学系であってもよい。
【００２７】
光ファイバ４０は出力側が二分岐されており、光ファイバ４０に入射された光束はその一部が分岐部４０ａを通して投光器１０に備えられたフォトダイオードからなる位置検出器１７へ導かれている。
【００２８】
このように構成することにより、遮蔽板１６の回転位置が位置検出器１７によって正確に検出され、位置検出器１７から送出される検出信号によってコントローラ３０は遮蔽板１６の回転位置をモニターすることができると共に、正確に同期制御することが可能となっている。
【００２９】
また、従来用いられるような電磁的機械シャッタは、光源を短時間周期で遮ることによりパルス状光束を送出することには不向きであったが、本例のシャッタ機構１４では、シャッタ部を回転式としたことにより短時間周期のパルス状光束を送出することが可能となっている。
【００３０】
光検出手段としての分光器２０は、分光部２１と受光部２８を備えている。分光部２１はクロスツェルニターナ方式であって、スリット２２，コリメート光を形成する反射鏡２３，回折格子２４，反射鏡２５から構成されている。受光部２８は、フォトダイオードアレイを備えた検出素子２６，検出素子２６へ制御信号Ｐ_１，Ｐ_２を送出する検出素子駆動部２７から構成されている。
【００３１】
スリット２２を通過した真空室５０からの測定光は反射鏡２３でコリメート光とされ、該コリメート光は回折格子２４に入射し、回折格子２４によって波長に応じて回折される。回折格子２４で回折された回折光は、反射鏡２５で反射されて検出素子２６の複数のフォトダイオードにそれぞれ照射される。
【００３２】
本例の検出素子２６及び検出素子駆動部２７からなる受光部２８は、電荷蓄積方式のリニアイメージセンサを構成する。検出素子２６は、５１２の測定チャンネルに対応した５１２個の光検出素子としてのフォトダイオード，スイッチ，コンデンサ等から構成されている。また、検出素子駆動部２７は、コントローラ３０からのスタートパルス及びクロック信号に応じて前記各スイッチに制御信号Ｐ_１，Ｐ_２を送出するシフトレジスタを備えて構成されている。
【００３３】
本例の膜厚計Ａは、任意の３００ｎｍの波長範囲を指定して測定することができるようになっており、それぞれのフォトダイオードは３００ｎｍの測定波長範囲（例えば、３８０ｎｍから６８０ｎｍ）のうち約０．６ｎｍの波長幅に相当する回折光を受光するようになっている。
【００３４】
上記５１２個のフォトダイオード等の各素子は、５１２のチャンネルに割り振られており、１番目のチャンネルが長波長側（例えば、６８０ｎｍ付近）、５１２番目のチャンネルが短波長側（例えば、３８０ｎｍ付近）に設定されている。
【００３５】
なお、測定波長範囲は３００ｎｍに限定されるものではなく、それぞれのフォトダイオードが照射される波長範囲も約０．６ｎｍに限定されるものではない。また、チャンネル数も５１２に制限されるものではなく、例えば、１０２４個のフォトダイオードを備えたリニアイメージセンサを使用して、チャンネル数を１０２４としてもよい。
【００３６】
受光部２８の動作の概略を説明する。各チャンネルのフォトダイオードに回折光が照射されると、フォトダイオードによって光電変換され、電荷が受光部２８内の不図示のコンデンサに蓄積される。
【００３７】
検出素子駆動部２７はコントローラ３０からスタートパルスを受取ると各チャンネルへ制御信号Ｐ_１又はＰ_２を送出し始める。そして、検出素子駆動部２７は、コントローラ３０からクロック信号を受け取るごとにチャンネル数を加算していき、時間をずらして順次各チャンネルのスイッチへ制御信号Ｐ_１又はＰ_２を送出する。
【００３８】
各スイッチは、制御信号Ｐ_１又はＰ_２によって電気的に閉じて各コンデンサが順次出力側に接続される。検出素子駆動部２７及び各スイッチは送出手段を構成する。これにより、測定光の照射によって各コンデンサに蓄積された電荷は、コントローラ３０側へチャンネルごとに時間をずらして順次出力される。
【００３９】
このような電荷蓄積方式の受光部２８では、蓄積電荷量は入射光の強さと露光時間の積（露光量）に比例する。しかし、上記コンデンサの容量は有限であるため、所定の露光量（飽和露光量）を超えると出力は一定値をとることになり、測定値として意味を持たなくなる。このため、露光量を適切に調整するために、露光時間の調整が行われる。
【００４０】
図３に示すように、コントローラ３０は、膜厚測定制御を行うＣＰＵ３１と、ＣＰＵ３１からの制御信号を受けて検出素子駆動部２７へ所定のスタートパルス及びクロック信号を送出する制御信号送出手段としてのタイミング設定部３２と、検出素子２６からの出力をチャンネルごとに受取りチャンネルごとの信号増幅を行う増幅器としてのＰＧＡ（プログラムゲインアンプ）３３と、ＰＧＡ３３からの増幅信号を受取りＡ／Ｄ変換してＣＰＵ３１へ送出するＡ／Ｄ変換器３４と、インターフェース部３５と、設定入力処理やデータ出力処理を行うための入出力部としての入出力装置３７と、出力データ及び設定値等を記憶する記憶部３８等によって構成されている。
【００４１】
記憶部３８は、ＲＯＭ３８ａと、作業エリアとして用いられるＲＡＭ３８ｂ等を備えている。ＲＯＭ３８ａには、膜厚計Ａの制御プログラムやオペレーションシステムプログラム等が記憶される。また、モニターやプリンター等の表示装置３６がインターフェース部３５を介して接続されている。ＣＰＵ３１は、記憶部３８のプログラム及び入出力装置３７からの設定入力等に基づき、投光器１０や分光器２０への各種制御信号等の送出及び、分光器２０からの測定データの受信、受信データの増幅、記憶、演算、出力等の各種処理を行う。本例の演算手段は、主としてＣＰＵ３１によって構成されている。
【００４２】
ＰＧＡ３３は、検出素子２６からのチャンネルごとの出力を受取り、ＣＰＵ３１からの設定により、チャンネルごとに増幅率を変化させてＡ／Ｄ変換器３４へ出力する。すなわち、操作者は、測定波長ごと（すなわち、チャンネルごと）に出力信号を所定の倍数に増幅するように、入出力装置３７から設定入力することが可能であり、当該設定入力はＣＰＵ３１を通してＰＧＡ３３に設定される。
【００４３】
このような構成とすることにより、信号強度の小さい波長範囲の出力信号を選択的に増幅させてデータとして得ることが可能となる。このように小さい信号強度を増幅することにより、光量変化に対する追従性を向上させ、当該増幅信号を制御値として扱いやすくし膜厚制御し易いものとすることができる。
【００４４】
また、コントローラ３０からインターフェース部３５を通して、真空蒸着装置の制御装置５１へ所定の膜厚測定データを送出している。制御装置５１は該データをもとに，蒸着源を遮るシャッタ装置の駆動制御を行っている。
【００４５】
また、コントローラ３０は、投光器１０へモータ１５の回転速度を制御する信号を送出する。モータ１５は、該制御信号に基づいて所定の回転速度で遮蔽板１６を回転させる。また、位置検出器１７から遮蔽板１６の回転位置を示す位置信号がコントローラ３０へ送出される。これによりコントローラ３０は、遮蔽板１６の回転位置と、検出素子駆動部２７へ送出するスタートパルスを同期させることができるようになっている。
【００４６】
図４に示すようにタイミング設定部３２は、クロック３２ａと、分周器３２ｂと、分周器３２ｃと、制御ゲート３２ｄとを備えている。分周器３２ｂ，３２ｃは、それぞれクロック３２ａからの信号を受けてクロック信号を制御ゲート３２ｄを介して検出素子駆動部２７へ送出する。検出素子駆動部２７では、制御信号Ｐ_１，Ｐ_２を送出するタイミングをとるためにクロック信号が使用される。分周器３２ｂ，分周器３２ｃは、それぞれ制御信号Ｐ_１，制御信号Ｐ_２を送出させるためのクロック信号に対応している。
【００４７】
分周器３２ｂが各チャンネルへのクロック信号を送出する間隔は固定されている。分周器３２ｂが送出するクロック信号は時間的に所定幅を有するものとなっており、１つのクロック信号が送出されるとその後所定の時間間隔を空けて次のクロック信号が順次送出されるようになっている。ただし、入出力装置３７から信号幅を可変設定することができるように構成してもよい。
【００４８】
また、分周器３２ｃが各チャンネルへクロック信号を送出する間隔は、分周器３２ｂのクロック信号送出間隔と同間隔又は長い間隔に設定することが可能である。この設定は後述するように入出力装置３７から設定入力され、この設定にしたがいＣＰＵ３１は分周器３２ｃの制御を行う。
【００４９】
分周器３２ｃからのクロック信号送出間隔が分周器３２ｂからのクロック信号送出間隔と同間隔に設定されると、それぞれの分周器３２ｂ，３２ｃから全てのチャンネルに対するクロック信号が送出されるのに要する時間は同じものとなる。
【００５０】
一方、分周器３２ｃからのクロック信号送出間隔が分周器３２ｂよりも長く設定されると、該設定に応じて分周器３２ｃから送出される各クロック信号の時間的な幅が広く設定される。これにより、分周器３２ｂと比べて分周器３２ｃから全てのチャンネルに対するクロック信号が送出されるのに要する時間は、クロック信号幅に応じて長くなる。すなわち、チャンネル番号が大きいチャンネルに対するクロック信号ほど、送出されるまでの時間が線形的に長くなる。
【００５１】
制御ゲート３２ｄは、ＣＰＵ３１からの制御信号を受け、分周器３２ｂ，分周器３２ｃからのクロック信号及びＣＰＵ３１からのスタートパルスを検出素子駆動部２７へ選択的に送出するゲートとして機能する。
【００５２】
すなわち、ＣＰＵ３１からの制御信号によってスタートパルスが選択的に送出されると、ゲートが分周器３２ｂへ切り替えられ、分周器３２ｂから全チャンネルに対するクロック信号が送出される。分周器３２ｂから全チャンネルにクロック信号が送出されると、ゲートは分周器３２ｃへ切り替えられ、分周器３２ｃから全チャンネルに対するクロック信号が送出されるまでゲートは維持される。
【００５３】
分周器３２ｃには予め複数のクロック信号幅を設定しておき、ＣＰＵ３１からの制御信号によって複数のクロック信号幅のいずれかが選択されるように構成することができる。タイミング設定部３２は、このように簡単な構成によって検出素子駆動部２７へのクロック信号送出間隔を可変設定することができ、チャンネル毎の露光時間を可変設定することが可能となっている。
【００５４】
次に、本例の膜厚計Ａによる基本膜厚測定手順について説明する。コントローラ３０から投光器１０へ制御信号が送出され、所定回転速度で遮蔽板１６が回転すると、図５（Ａ）に示すように真空室５０側へ光束が送出される期間（明期間）と送出されない期間（暗期間）が周期的に繰り返される。本基本測定例の場合、明暗期間一周期は０．３秒程度となっている。
【００５５】
コントローラ３０は、明期間の開始に合わせて、同図（Ｂ）に示すように検出素子駆動部２７へスタートパルスＰ_ＳＴ１を送出する。また、コントローラ３０は、順次にチャンネル数分の制御信号としてのクロック信号を検出素子駆動部２７へ送出する。検出素子駆動部２７は、このスタートパルスＰ_ＳＴ１を受取ると、コントローラ３０からのクロック信号に従い、検出素子２６の各チャンネルへ制御信号Ｐ_１を順次送出し始める。すなわち、同図（Ｃ），（Ｄ）に示すように、検出素子駆動部２７はクロック信号を受取るごとにシフトレジスタによりチャンネルを順次繰り上げ、チャンネルごとに時間をずらしながら制御信号Ｐ_１を送出する。この制御信号Ｐ_１によって各チャンネルは順次リセットされる。
【００５６】
すなわち、このとき各チャンネルのコンデンサに蓄積されていた電荷が出力される（同図（Ｅ）参照）。このようにして、所定時間（Ｔ_１）で、各チャンネルのリセット出力Ｓ_１がコントローラ３０へ送出される。なお、リセット出力Ｓ_１は膜厚データに関係しないので、基板１の膜厚制御をするためには用いられない。
【００５７】
全てのチャンネルが所定時間（Ｔ_１）でリセットされると、これから所定時間（Ｔ_０）経過後にコントローラ３０から検出素子駆動部２７へスタートパルスＰ_ＳＴ２が送出され、さらにクロック信号に応じて検出素子駆動部２７から各チャンネルへ制御信号Ｐ_２が制御信号Ｐ_１と同様に送出される。明期間中、各チャンネルには測定光が照射されている。
【００５８】
そして、制御信号Ｐ_２が各チャンネルへ順次送出されると、各チャンネルのコンデンサに蓄積された電荷は、ＰＧＡ３３へ順次出力される（受光電流出力Ｓ_２）。このようにして、所定時間（Ｔ_１）で、各チャンネルの受光電流出力Ｓ_２がコントローラ３０へ送出される（同図（Ｅ）参照）。
【００５９】
すなわち、各チャンネルからは、各チャンネルのスイッチにリセット用の制御信号Ｐ_１が送出されてから、出力用の制御信号Ｐ_２が送出されるまでの測定時間（露光時間）に蓄積された電荷がコントローラ３０側へ受光電流出力Ｓ_２として出力される。図６に示すように、各チャンネルの露光時間Ｔ_Ｓ（＝Ｔ_１＋Ｔ_０、すなわち制御信号Ｐ_１と制御信号Ｐ_２との間隔）は一定となっている。
【００６０】
また、本例の膜厚計Ａでは、明期間だけでなく、暗期間についても同様にスタートパルスＰ_ＳＴ１，Ｐ_ＳＴ２、クロック信号及び制御信号Ｐ_１，Ｐ_２が送出され、各チャンネルの出力を検出するようになっている。すなわち、各チャンネルのフォトダイオードに測定光が照射されていないときの受光電流出力Ｓ_２（実際は、暗電流出力）が、明期間の受光電流出力Ｓ_２と同様にデータとして出力されている。
【００６１】
したがって、暗期間に各チャンネルにリセット用の制御信号Ｐ_１が送出されてから出力用の制御信号Ｐ_２が送出されるまでの時間は、明期間のものと略同一（すなわち、露光時間Ｔ_Ｓに略等しい）となっている。このようにすることにより、フォトダイオードから出力される暗電流出力は時間に比例するものとなるので、同時期の受光電流出力Ｓ_２に含まれる暗電流分をより正確に見積もることが可能となる。
【００６２】
本例の膜厚計Ａでは、上述のように明暗期間が周期的に繰り返されて、明期間及び暗期間のそれぞれについて同様な出力処理が行われるので、受光電流出力と暗電流出力が明暗周期ごとに得られる。したがって、明暗周期ごとに暗電流によるノイズ成分を精度よく補正することが可能となっている。
【００６３】
図７に膜厚制御データ取得の処理手順を示す。先ず図７に示すように、上記繰返し連続測定によって、各チャンネルの受光電流出力及び暗電流出力を所定時間毎に得ることができる。検出素子２６から出力された各チャンネルの受光電流出力及び暗電流出力は、リアルタイムにＰＧＡ３３によってチャンネルごとに所定倍数に増幅され、Ａ／Ｄ変換器３４によってデジタルデータに変換された後、受光電流データ及び暗電流データとしてコントローラ３０内の記憶部３８に記憶される。
【００６４】
そして、これら得られたデータに基づき、演算処理が行われる。具体的には、演算手段としてのコントローラ３０は、各チャンネルについて明暗期間周期の測定ごとに受光電流データから暗電流データを差し引き、ノイズ分が除去された受光強度データとして記憶部３８に記憶する。
【００６５】
なお、入出力装置３７からの設定入力にしたがい、所定回数（例えば、１５回）のデータ積分処理が行われるように構成してもよい。このようにすることにより、データの精度が向上される。
【００６６】
そして、演算処理により得られた受光強度データから、さらに光学特性値としての透過率，光学膜厚等が算出され、予め設定された複数のチャンネル（例えば、５チャンネル）についての算出データが外部へ出力され、蒸着処理の制御等に用いられる。本例の場合、チャンネル数は予め入出力装置３７から設定することができるようになっている。また、表示装置３６へ表示処理が行われる。なお、すべてのチャンネルについての算出データを外部へ出力するようにしてもよい。
【００６７】
次に、上記基本となる膜厚測定手順を応用した本発明の要旨である可変露光法について説明する。基本膜厚測定のときは、制御信号Ｐ_１，Ｐ_２共にチャンネル間で同時間間隔だけずらして送出されているため、各チャンネルの露光時間及び暗電流測定時間は同一（Ｔ_Ｓ＝Ｔ_１＋Ｔ_０）である。これに対し、可変露光法では、チャンネルごとに露光時間及び暗電流測定時間を可変設定するものである。
【００６８】
可変露光法では、図８（Ａ）乃至（Ｄ）に例示する露光時間パターンのように制御信号Ｐ_１を全てのチャンネルに対して送出するには時間Ｔ_１だけ要する。そして制御信号Ｐ_１送出後、時間Ｔ_０経過後に制御信号Ｐ_２が順次送出され始める。
【００６９】
同図（Ａ）は基本膜厚測定の露光時間パターンを示している。当該露光時間パターンでは制御信号Ｐ_２を送出するのに要する時間Ｔ_２は、上述のように制御信号Ｐ_１を送出するのに要する時間と同じ時間Ｔ_１であり、各チャンネルの露光時間Ｔｓは同一である。
【００７０】
これに対し同図（Ｂ）乃至（Ｄ）では、制御信号Ｐ_２を送出するのに要する時間Ｔ_２は、それぞれ時間Ｔ_１の２倍，４倍，６倍程度となっている。したがって、これらの露光時間パターンが選択されると、チャンネル１（長波長側）の露光時間は基本膜厚測定の場合と同一であるが、チャンネル５１２（短波長側）側ほど露光時間は線形的に長くなるように設定される。
【００７１】
例えば、基本膜厚測定によって図９に示すように測定波長範囲のうち短波長側での信号出力が相対的に小さな受光強度データが得られる場合、可変露光法によって短波長側のチャンネルでの露光時間を長めにすべく、所定の露光時間パターンが選択される。露光時間パターンの選択は、上述のように分周器３２ｃのクロック信号幅を選択することにより行うことができる。さらに、時間Ｔ_０及び時間Ｔ_１を入出力装置３７から指定することにより露光時間パターンが特定されるようにしてもよい。露光時間パターンが特定されるとＣＰＵ３１はタイミング設定部３２を制御して、検出素子駆動部２７へスタートパルス及びクロック信号を順次送出する。
【００７２】
基本膜厚測定において図９に示すような受光強度データが得られる場合に、図８に示す各露光時間パターンを用いて測定すると、図１０に示すような受光強度データが得られる。同図中、ａ乃至ｄはそれぞれ図８（Ａ）乃至（Ｄ）の露光時間パターンを用いて測定したときの受光強度データである。
【００７３】
このように可変露光法では、本来は信号強度が小さい測定波長（チャンネル）での露光時間を長くとることができるので、得られる受光電流出力の値は大きくなり、これにより全体としてＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。
【００７４】
次に、可変露光法を行うための別実施例について説明する。図１１は、別実施例のタイミング設定部３２の構成を示すブロック図である。図１１に示すようにタイミング設定部３２は、クロック３３ａと、クロック３３ａからの信号を受けてチャンネルのアドレス信号を発生させるアドレス発生器３３ｂと、所定のタイミングで検出素子駆動部２７へスタートパルス及びクロック信号を送出する分周器３３ｃと、蓄積タイミング設定データが記憶され所定のプログラムに基づき作動するＲＯＭ３２ｄを備えている。
【００７５】
蓄積タイミング設定データには、露光時間パターンが複数記憶されており、操作者は入出力装置３７から適宜露光時間パターンを選択することにより、チャンネル全体の露光時間及び暗電流測定時間の制御パターンを設定することができる。
【００７６】
ＣＰＵ３１からの制御信号によってＲＯＭ３３ｄは、露光時間パターンを選択する。そして、ＲＯＭ３３ｄは所定の作動プログラムを実行し、選択された露光時間パターンデータを読み込み、読み込んだ露光時間パターンデータ及びアドレス発生器３３ｄからのアドレス信号にしたがって、分周器３３ｃにチャンネルごとのクロック信号送出タイミングを制御する信号を送出する。
【００７７】
分周器３３ｃは、クロック信号送出タイミング制御信号にしたがって、検出素子駆動部２７へスタートパルス及びクロック信号を順次送出する。別実施例のタイミング設定部３２は分周器３３ｃが制御信号Ｐ_１及びＰ_２の双方に対応するクロック信号を送出するように構成されている。
【００７８】
図１２に露光時間パターンの例を示す。同図（Ａ）乃至（Ｄ）の露光時間パターンでは、制御信号Ｐ_１は基本膜厚測定の露光時間パターンと同様に、各チャンネルへは同間隔で順次送出される。全チャンネルへ制御信号Ｐ_１が送出されると、時間Ｔ_０の経過後に制御信号Ｐ_２が送出され始める。
【００７９】
制御信号Ｐ_２は、送出チャンネル番号の増加に対して送出時間が非線形に増加するように送出される。すなわち、各チャンネルへの送出間隔がチャンネル番号の増加と共に非線形的に長くなるように設定されている。同図（Ａ）乃至（Ｄ）では制御信号Ｐ_２が全チャンネルへ送出されるのに要する時間は、それぞれ２．５倍，４倍，５倍，８倍程度となっている。
【００８０】
このように制御信号Ｐ_２が時間的に非線形となるように順次送出されるので、チャンネル番号が小さいチャンネルよりも、チャンネル番号が大きいチャンネルの方がより露光時間が長くなるようにすることができる。
【００８１】
すなわち、全体として同図（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように、Ｎ´＞ＮとしたときチャンネルＮ´の露光時間Ｔｓ（Ｎ´）とチャンネルＮの露光時間Ｔｓ（Ｎ）を比較すると、露光時間Ｔｓ（Ｎ´）は露光時間Ｔｓ（Ｎ）と同程度以上の長さとなる。
【００８２】
本実施例の露光時間パターンは、ＲＯＭ３２ｄに予め蓄積タイミング設定データとして記憶させることにより任意のパターンを実現することができるように構成されている。例えば、このような露光時間パターンを実現するには、ＲＯＭ３３ｄから分周器３３ｃへアドレスに対応して随時クロック信号送出間隔を指定する制御信号を送出することにより行うことができる。露光時間パターンは、上記のような非線形パターン以外にも、既に述べた実施例のように線形パターン（図８）とすることも可能である。
【００８３】
また、所定のチャンネルまでは時間的に線形的なパターンとし、それ以降のチャンネルについては時間的に非線形なパターンとすることも可能である。さらには、チャンネル範囲を区切って、チャンネル範囲毎に異なる線形パターン（制御信号Ｐ_２の送出間隔が異なるパターン）とすることも可能である。
【００８４】
なお、本例の膜厚計Ａでは、入出力装置３７からの設定により、明暗期間周期の各継続時間（明期間時間、暗期間時間）を変えることも可能である。ただし、受光電流出力測定の露光時間と暗電流出力測定の測定時間とを略同一とすることが望ましい。これにより、各チャンネルへの任意の露光時間の調整が可能となり、最適な露光時間を選択することができることから、精度の良い膜厚測定データを得ることが可能となる。
【００８５】
また、本例の膜厚計Ａでは、所定の波長範囲を同時に測定することができるが、測定波長範囲内の任意の単数又は複数の波長についてのみ測定することも可能である。この場合、当該波長に対応するチャンネルが指定されることにより所定のデータを得ることができる。
【００８６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の膜厚計及び膜厚測定方法によれば、投光器からの光束が短時間周期でパルス状に送出され、成膜基板に投光器からの光束が照射されている期間と照射されていない期間の双方について、同じように複数の波長について測定が行われる。
【００８７】
そして、各明暗周期において各チャンネルの本来の信号出力強度に応じて各チャンネルの露光時間及び暗電流測定時間の長さを設定することができる。具体的には、信号出力強度の小さい測定波長範囲での露光時間等の長さを相対的に長く設定することができる。したがって、そのような測定波長範囲についてゲインを向上させた測定を行うことが可能となる。
【００８８】
これにより、一周期内で受光電流出力と暗電流出力の双方の測定を複数の波長について行いリアルタイムに暗電流分が考慮された精度の良いデータを得ることが可能となると共に、測定波長範囲全体にわたって得られる電気信号出力のＳ／Ｎ比が向上されたものとすることができる。したがって、このようにして得られる精度のよい膜厚制御データによって、膜厚制御の精度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の膜厚計の構成を示す説明図である。
【図２】実施例のシャッタ機構の説明図である。
【図３】実施例の膜厚計の構成を示すブロック図である。
【図４】実施例のタイミング設定部の構成を示すブロック図である。
【図５】実施例の連続測定処理の説明図である。
【図６】実施例のチャンネルごとの露光時間を示す説明図である。
【図７】実施例の膜厚制御データ取得の概略処理手順を示す説明図である。
【図８】実施例の可変露光法によるチャンネルごとの露光時間を示す説明図である。
【図９】実施例の基本測定による暗電流補正後の受光電流出力を示す説明図である。
【図１０】実施例の可変露光法による暗電流補正後の受光電流出力を示す説明図である。
【図１１】別実施例のタイミング設定部の構成を示すブロック図である。
【図１２】別実施例の可変露光法によるチャンネルごとの露光時間を示す説明図である。
【符号の説明】
１基板、１０投光器、１１投光部、１２光源、１３集光レンズ、１４シャッタ機構、１５モータ、１６遮蔽板、１６ａ遮蔽部、１６ｂ切欠部、１７位置検出器、２０分光器、２１分光部、２２スリット、２３，２５反射鏡、２４回折格子、２６検出素子、２７検出素子駆動部、２８受光部、３０コントローラ、３２タイミング設定部、３２ａ，３３ａクロック、３２ｂ，３２ｃ，３３ｃ分周器、３２ｄ制御ゲート、３３ｂアドレス発生器、３３ｄＲＯＭ、３４Ａ／Ｄ変換器、３５インターフェース部、３６表示装置、３７入出力装置、３８記憶部、４０，４２光ファイバ、４０ａ分岐部、５０真空室、５１制御装置、Ａ膜厚計、Ｐ_１，Ｐ_２制御信号、Ｓ_１リセット出力、Ｓ_２受光電流出力、Ｔ_Ｓ露光時間

Claims

光学薄膜が形成された基板へ断続周期的に投光する投光手段と、前記基板からの測定光が導かれる光検出手段と、膜厚測定を制御する制御手段と、を備えた膜厚計であって、
前記光検出手段は、前記測定光を分光する分光部を備えると共に、該分光部によって分光された光束を受光して光電変換により電荷を蓄積し受光電流を前記制御手段へ出力する複数の光検出素子を備え、
前記制御手段は、
前記複数の光検出素子の所定範囲に対して行われる露光の間であっても，前記光検出素子ごとに同一または異なった露光時間を設定可能な露光時間パターンと、
該露光時間パターンに設定された露光時間で前記光検出素子に対して受光電流出力の測定を行うための制御信号を前記光検出手段へ送出する制御信号送出手段を備えたことを特徴とする膜厚計。
光学薄膜が形成された基板へ断続周期的に投光する投光手段と、前記基板からの測定光が導かれる光検出手段と、制御手段と、を備えた膜厚計であって、
前記光検出手段は、前記測定光を分光する分光部を備えると共に、該分光部によって分光された光束を受光して光電変換により電荷を蓄積し受光電流を前記制御手段へ出力する複数の光検出素子を備え、
前記制御手段は、
前記複数の光検出素子の所定範囲に対して行われる露光の間であっても，前記光検出素子ごとに同一または異なった露光時間を設定可能な露光時間パターンと、
該露光時間パターンに設定された露光時間で前記光検出素子に対して行われる受光電流出力の測定及び前記光検出素子が露光されない状態において前記露光時間パターンに応じた暗電流出力の測定を行うための制御信号を前記光検出手段へ送出する制御信号送出手段と、
所定の測定波長に対応する前記光検出素子からの前記受光電流出力の測定値から前記受光電流出力の測定と同一露光時間パターンによる暗電流出力の測定値を差し引く演算手段と、を備えたことを特徴とする膜厚計。
前記露光時間パターンを前記制御手段へ設定する入出力部を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の膜厚計。
基板上に形成された薄膜の光学膜厚を測定する方法であって、
前記基板からの測定光を分光し、
前記複数の光検出素子の所定範囲に対して行われる露光の間であっても，前記光検出素子ごとに同一または異なった露光時間で前記分光された光束を前記複数の光検出素子にそれぞれ照射させ、
前記照射された光束により前記光検出素子で光電変換によって生起される受光電流出力を測定することを特徴とする膜厚測定方法。
基板上に形成された薄膜の光学膜厚を測定する方法であって、
前記基板からの測定光を分光し、
前記複数の光検出素子の所定範囲に対して行われる露光の間であっても，前記光検出素子ごとに同一または異なった露光時間で前記分光された光束を前記複数の光検出素子にそれぞれ照射させ、
前記照射された光束により前記光検出素子で光電変換によって生起される受光電流出力を測定し、
前記基板からの測定光を遮断して前記光検出素子への前記光束の照射を中断し、
前記光検出素子ごとに前記露光時間に応じた測定時間での暗電流出力を測定し、
所定の測定波長に対応する前記光検出素子からの前記受光電流出力の測定値から前記受光電流出力の測定と同一露光時間パターンによる暗電流出力の測定値を差し引く演算を行うことを特徴とする膜厚測定方法。