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【発明の名称】 膜厚測定方法ならびにその方法を用いた膜厚計
【発明者】 【氏名】脇田 昭平
【要約】 【課題】蒸着機などで成長中の膜の膜厚をタングステンランプを光源とする光を膜厚測定用光として用いて測定していたが、層数の多い多層膜のように高度な仕様の膜の膜厚を正確に測定することができなかった。

【解決手段】膜厚測定用光の光源としてファイバレーザを用いた光源を用いて上記課題を解決するとともに、これに加えて透過型と反射型の膜厚測定を組合せることにより膜厚測定精度を飛躍的に向上させることができた。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 光源からの膜厚測定用光を入射光として膜に入射させ、前記膜からの出射光を測定して前記膜の厚みを測定する膜厚測定方法において、前記光源として、レーザ共振器に光ファイバを用いたレーザであるいわゆるファイバレーザを用いた光源を用いることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項２】 請求項１に記載の膜厚測定方法において、前記膜への入射光が複数あり、前記複数の入射光に対応して前記膜から出射する出射光のうち、少なくとも１つの出射光は前記複数の入射光のうちのいずれかが前記膜を透過して出射した光であり、少なくとも１つの出射光は前記複数の入射光のうちのいずれかが前記膜で反射して出射した光であることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項３】 請求項２に記載の膜厚測定方法において、前記入射光が少なくとも３種類あり、前記３種類の入射光のうちのいずれか２種類の入射光は、その波長が同一であるが前記膜に入射するときの入射面が前記膜の互いに異なる側にあり、前記２種類の入射光とは異なる入射光は、前記２種類の入射光のうちのいずれか一方と、その波長が異なるが前記膜に入射するときの入射面が前記膜の同じ側であることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜厚測定方法において、前記膜への入射光もしくは入射光の少なくとも１つは変調されていることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項５】 請求項３または４に記載の膜厚測定方法において、前記複数の入射光のうちの波長の異なるいずれか２つの入射光の波長は、その波長の比が整数であることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項６】 請求項５に記載の膜厚測定方法において、前記波長の異なるいずれか２つの入射光の波長の比である整数が２であることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項７】 請求項５または６に記載の膜厚測定方法において、前記波長の異なるいずれか２つの入射光のうちの一方の入射光は他方の入射光を非線形結晶に入射させて発生させた高調波であることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項８】 請求項３〜７のいずれか１項に記載の膜厚測定方法において、前記膜への膜厚測定用光としての入射光が、前記膜を透過させるように入射する透過型入射光が１種類と、前記膜に反射されるように入射する反射型入射光が２種類であり、前記２種類の反射型入射光はそれぞれ波長が異なり、前記波長の異なる２種類の反射光のうちの一方は前記透過型入射光と波長が同じであることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項９】 請求項８に記載の膜厚測定方法において、前記膜への透過型入射光の入射面は前記膜の成長する側であり、前記膜への反射型入射光の入射面は前記膜の基板側であることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項１０】 請求項３〜７のいずれか１項に記載の膜厚測定方法において、前記膜への透過型入射光と前記膜への反射型入射光はいずれも波長の異なる少なくとも２種類の入射光であることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項１１】 光源からの膜厚測定用光を入射光として膜に入射させ、前記膜からの出射光を測定して前記膜の厚みを測定する膜厚計において、前記光源が、レーザ共振器に光ファイバを用いたレーザであるいわゆるファイバレーザを用いた光源であることを特徴とする膜厚計。
【請求項１２】 請求項１１に記載の膜厚計において、前記膜からの出射光が、前記膜への入射光が前記膜を透過して出射した光であることを特徴とする膜厚計。
【請求項１３】 請求項１１に記載の膜厚計において、前記膜からの出射光が、前記膜への入射光が前記膜により反射された光であることを特徴とする膜厚計。
【請求項１４】 請求項１１に記載の膜厚計において、前記膜への入射光が複数あり、前記複数の入射光に対応して前記膜から出射する出射光のうち、少なくとも１つの出射光は前記複数の入射光のうちのいずれかが前記膜を透過して出射した光であり、少なくとも１つの出射光は前記複数の入射光のうちのいずれかが前記膜で反射して出射した光であることを特徴とする膜厚計。
【請求項１５】 請求項１４に記載の膜厚計において、前記入射光が少なくとも３種類あり、前記３種類の入射光のうちのいずれか２種類の入射光は、その波長が同一であるが前記膜に入射するときの入射面が前記膜の互いに異なる側にあり、前記２種類の入射光とは異なる入射光は、前記２種類の入射光のうちのいずれか一方と、その波長が異なるが前記膜に入射するときの入射面が前記膜の同じ側であることを特徴とする膜厚計。
【請求項１６】 請求項１１に記載の膜厚計において、前記膜への入射光が少なくとも２種類あり、前記２種類の入射光は、その波長が互いに異なるが、前記膜への入射面は前記膜の同じ側であることを特徴とする膜厚計。
【請求項１７】 請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の膜厚計において、前記膜への入射光もしくは入射光の少なくとも１つは変調されていることを特徴とする膜厚計。
【請求項１８】 請求項１７に記載の膜厚計において、前記変調されている入射光の変調手段が、光の遮蔽板を回転させて光束を断続するチョッパを用いた手段であることを特徴とする膜厚計。
【請求項１９】 請求項１７または１８に記載の膜厚計において、前記変調されている入射光を変調している変調信号が、前記膜からの出射光を検出した信号を処理するロックインアンプの参照信号になっていることを特徴とする膜厚計。
【請求項２０】 請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の膜厚計において、前記複数の入射光のうちの波長の異なるいずれか２つの入射光の波長は、その波長の比が整数であることを特徴とする膜厚計。
【請求項２１】 請求項２０に記載の膜厚計において、前記波長の異なるいずれか２つの入射光の波長の比である整数が２であることを特徴とする膜厚計。
【請求項２２】 請求項２０または２１に記載の膜厚計において、前記波長の異なるいずれか２つの入射光のうちの一方の入射光は他方の入射光を非線形結晶に入射させて発生させた高調波であることを特徴とする膜厚計。
【請求項２３】 請求項２２に記載の膜厚計において、前記非線形結晶がＰＰＬＮであることを特徴とする膜厚計。
【請求項２４】 請求項１５〜２３のいずれか１項に記載の膜厚計において、前記膜への膜厚測定用光としての入射光が、前記膜を透過させるように入射する透過型入射光が１種類と、前記膜に反射されるように入射する反射型入射光が２種類であり、前記２種類の反射型入射光はそれぞれ波長が異なり、前記波長の異なる２種類の反射光のうちの一方は前記透過型入射光と波長が同じであることを特徴とする膜厚計。
【請求項２５】 請求項２４に記載の膜厚計において、前記膜への透過型入射光の入射面は前記膜の成長する側であり、前記膜への反射型入射光の入射面は前記膜の基板側であることを特徴とする膜厚計。
【請求項２６】 請求項１５〜２３のいずれか１項に記載の膜厚計において、前記膜への透過型入射光と前記膜への反射型入射光はいずれも波長の異なる少なくとも２種類の入射光であることを特徴とする膜厚計。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、被測定膜へ、ファイバレーザを用いた光源からの光を膜厚測定用の光（以下、膜厚測定用光とも称する）として入射させて被測定膜の膜厚を測定する膜厚測定方法ならびにその方法を用いた膜厚計に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、光通信や医療用計測装置をはじめ各種の光学装置の発展は著しく、そこに用いられるフィルタをはじめとする薄膜素子への要求も高度なものになってきている。
【０００３】たとえば、通信伝送路に光ファイバを用いる光通信においては、ニーズの拡大と利用技術の進展に伴って、通信ビットレートの高速化が試みられている。たとえば、通信ビットレートを２．５Ｇｂｐｓ（毎秒２．５ギガビット）から４０Ｇｂｐｓや８０Ｇｂｐｓに高速化することが試みられているが、その実現のためには、少なくとも３次の分散補償を充分に行うことが必要である。この３次の分散補償素子として誘電体多層膜を用いた薄膜素子が有力視されている。
【０００４】また、レーザ発振器やレーザ光を利用する医療用計測装置をはじめとする各種の光学装置においては薄膜を用いたミラーが用いられているが、レーザ光パルス幅が１００フェムト秒オーダで、かつパワーの大きな安定したレーザ光が求められるようになり、薄膜を用いたミラーを構成する多層膜への要求が極めて高度なものになってきている。
【０００５】上記の３次の分散補償素子を構成する多層膜やミラーを構成する多層膜には、薄膜の仕様としては極めて高度なものがあり、たとえば、３次の分散補償素子に用いられる薄膜には、高屈折率の層と低屈折率の層を組み合わせた１００層を越える多層膜が要求されることがあり、また、ミラーとしては高パワーレーザ光に耐え得る品質が要求されている。
【０００６】このような高度な仕様の薄膜の製造においては、蒸着機などの薄膜製造装置で、成長過程の薄膜の膜厚を正確に測定し、その膜厚測定結果を用いて蒸着条件管理などの薄膜成長管理をできるだけ正確に行うことが重要となる。
【０００７】しかし、このような薄膜の膜厚測定方法や膜厚測定装置（本発明では膜厚計ともいう）には、上記の如き３次の分散補償素子やミラーに用いられる薄膜の成長過程において、膜の成長開始から完成まで正確な膜厚を測定できるものがなく、極めて層数の多い均質な多層膜を得るには、技術者の経験と勘に頼らざるを得ないのが現状である。
【０００８】図２は従来の膜厚測定方法とその方法を用いた膜厚計を説明する図である。以下、膜厚計の動作説明をもって、同時に膜厚測定方法の説明を兼ねることにする。
【０００９】図２で、符号１００は蒸着機、１０１は基板１０１ａの上に薄膜としての多層膜１０１ｂを蒸着によって形成させた試料、１０３と１０４は蒸着機１００に設けられた窓、１０２と１０５はレンズ、１０６は膜厚計の光源、１０７は検出装置、１０８は信号処理回路、１０９は光源制御回路である。
【００１０】光源制御回路１０９，光源１０６，レンズ１０２，レンズ１０５，検出装置１０７，信号処理回路１０８は膜厚計の主要な構成要素となっている。
【００１１】従来の膜厚計は、図２に例を示したように、タングステンランプと分光計を有する光源１０６から発する所定の波長の膜厚測定用光をレンズ１０２を介してガラスなどから成る窓１０３から蒸着機１００内に入射し、試料１０１を透過させ、試料１０１を透過した膜厚測定用光をガラスなどから成る窓１０４から出射させてレンズ１０５を介して検出器１０７に入射させる。検出器１０７で検出された結果の信号は、信号処理回路１０８で処理されて、蒸着機１００の制御に利用される。光源制御回路１０９は光源１０６を制御し、測定条件に応じた膜厚測定用光を光源１０６から発生させる。
【００１２】図２において、蒸着機１００の膜厚測定以外の構成要素、たとえば蒸着源などは図示いていない。また、膜形成装置として蒸着機を例にとったが、本発明でいう膜厚計を用いることが望まれる膜形成装置はこれに限られず、スパッタ装置、イオンプレーティング装置など多種あり、本発明の記述における膜厚計の説明は、これら各種の膜形成装置に適用することが出来る。
【００１３】試料１０１はガラスなどから成る基板１０１ａの上に蒸着により多層膜（多層膜も含めて薄膜といわれている）１０１ｂを所定の厚さまで成長させるものである。
【００１４】膜形成過程においては、多層膜１０１ｂの膜厚が所定の厚さに近づくのを膜厚計で測定し、その結果を信号処理回路１０８から蒸着機１００の制御部（図示せず）にフィードバックして、多層膜１０１ｂの成長を制御する。
【００１５】上記の手順で多層膜１０１ｂを成長させるとき、たとえばミラーの場合、多層膜１０１ｂは成長して所定の膜厚に近づくにつれて特定の波長に対する反射率が高くなっていくので、すなわち、光源１０６から蒸着機１００に入射して試料１０１を透過した透過光（以下、単に光源１０６からの透過光ともいう）の強度が減少するので、この透過光の強度を測定することによって多層膜１０１ｂの厚さを測定することが出来る。これにより、多層膜１０１ｂの膜厚を設計値に近づけて形成しようとする。
【００１６】しかし、多層膜１０１ｂが所定の厚さ近傍まで成長した場合、その反射率が１００％に近づくにつれて、所定の波長の光の透過量が小さくなり、所定の厚さの近傍では膜厚を正確に測定することが難しくなる。その結果、多層膜１０１ｂを設計値に極めて近い値で均質に形成するのは困難になる。
【００１７】上記の問題に対し、種々の工夫がなされている。まず、光源として大出力のタングステンランプを用い、その出力光を分光器に入力して所望の波長の光を選択し、その光を膜厚測定用に用いる。このとき、光源用の電源をかなり大きなものとし、水冷して用い、光源から出る光の強さを高めている。
【００１８】しかし、このような大出力のタングステンランプを用いても、分光器により取り出せる特定波長の光の光量は決して充分な大きさにすることが出来ず、膜厚測定の精度は大きく制約されるため、たとえば、１００層を越える均質な多層膜を歩留良く得るための蒸着機の制御に必要な正確さをもって膜厚を測定するのは極めて難しいのが現状である。
【００１９】これに対し、膜厚測定用光源の特定波長の光量を大きくするとともに、前記検出光のＳ／Ｎ（信号／ノイズ）比を上げるためにレーザ光を用いることが検討された。しかし、Ｈｅ−Ｎｅレーザや半導体レーザを用いて膜厚測定が試みられたが、たとえば、多層に形成されているレンズや試料などを透過したレーザ光は干渉ノイズが大きくなり、Ｓ／Ｎ比を高めることが出来ず、タングステンランプからの光を用いた場合に比べて膜厚測定精度が低いのが現状である。そのため、膜厚測定光用の光源としてはタングステンランプに代表される白色光を発するランプが用いられている。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような膜厚測定方法を用いた膜厚計を用いても、たとえば、百数十層のような層数の多い多層膜や、特殊な高精度が要求される多層膜を、均質性をもって歩留まりよく形成することは極めて難しく、前記のように、技術者の経験と勘に頼らざるを得ないことが多く、しかも歩留は極めて低く、膜形成のコストも極めて高いのが現状で、膜厚測定の精度の高い膜厚測定方法ならびに膜厚計の実現が重要な課題になっている。
【００２１】膜厚計による膜厚の測定精度を高める一つの方法として、所定の波長を有する膜厚測定用光の光量を増すことが考えられ、また、他の一つの方法として、膜厚測定用光のＳ／Ｎ比を高めることが考えられる。
【００２２】前者の方法として、前記の如く、各種レーザの使用が試みられたが干渉ノイズが多くて測定精度を上げることができず、その結果として、タングステンランプの光が用いられている。しかし、その光量の増加をもってしても、膜厚測定の精度はまだまだ不充分である。
【００２３】後者の方法として、Ｈｅ−Ｎｅレーザや半導体レーザの出力光に位相変調器を用いて、レーザ光の位相変調を行い、可干渉性を低下させ、干渉ノイズを低減させる方法がある。しかし、この方法は、位相変調器の変調特性に制約を受け、特に、変調度の立ち上がりスピードにより制限され、この方法を用いた膜厚測定の精度はまだ不充分である。
【００２４】本発明はこのような点に鑑てなされたものであり、本発明の目的は層数が多い多層膜の膜厚をも極めて高い精度で測定することが出来る膜厚計を提供せんとするものである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】本発明の目的の達成を図るため、本発明の発明者らは、たとえばガラス基板上に多層膜を形成している過程の膜厚を、ファイバレーザを用いて測定する膜厚計を作成した。
【００２６】ファイバレーザは、その共振器の長さを、たとえば１０〜２０ｍという長い値にすることが出来るため、レーザ発振の縦モードの間隔は狭くなり、隣同士が干渉し、平均化された強度のレーザ光を出力することが出来る。
【００２７】このようなファイバレーザを用いた光源を膜厚測定用の光源に用いて、その光源からの光を成長中の多層膜に入射させ、その出射光を測定する膜厚計をつくったところ、従来の膜厚計よりも高い精度で多層膜の膜厚を測定することができ、膜形成のための制御を従来より正確に行えることがわかった。
【００２８】本発明の目的の達成を図るため、本発明の膜厚測定方法は光源からの膜厚測定用光を入射光として膜に入射させ、前記膜からの出射光を測定して前記膜の厚みを測定する膜厚測定方法で、前記光源として、レーザ共振器に光ファイバを用いたレーザであるいわゆるファイバレーザを用いた光源を用いたことを特徴としている。
【００２９】本発明の膜厚測定方法の例は、前記膜への入射光が複数あり、前記複数の入射光に対応して前記膜から出射する出射光のうち、少なくとも１つの出射光は前記複数の入射光のうちのいずれかが前記膜を透過して出射した光であり、少なくとも１つの出射光は前記複数の入射光のうちのいずれかが前記膜で反射して出射した光であることを特徴としている。
【００３０】本発明の膜厚測定方法の好ましい例は、前記入射光が少なくとも３種類あり、前記３種類の入射光のうちのいずれか２種類の入射光は、その波長が同一であるが前記膜に入射するときの入射面が前記膜の互いに異なる側にあり、前記２種類の入射光とは異なる入射光は、前記２種類の入射光のうちのいずれか一方と、その波長が異なるが前記膜に入射するときの入射面が前記膜の同じ側であることを特徴としている。
【００３１】本発明の膜厚測定方法の例は、前記膜への入射光もしくは入射光の少なくとも１つは変調されていることを特徴としている。
【００３２】本発明の膜厚測定方法の例は、前記複数の入射光のうちの波長の異なるいずれか２つの入射光の波長は、その波長の比が整数であることを特徴としており、前記波長の異なるいずれか２つの入射光の波長の比である整数が２であるようにして、測定結果の処理をし易くしている。
【００３３】また、本発明の膜厚測定方法の例は、前記波長の異なるいずれか２つの入射光のうちの一方の入射光は他方の入射光を非線形結晶に入射させて発生させた高調波であることを特徴としている。
【００３４】本発明の膜厚測定方法の例は、前記膜への膜厚測定用光としての入射光が、前記膜を透過させるように入射する透過型入射光が１種類と、前記膜に反射されるように入射する反射型入射光が２種類であり、前記２種類の反射型入射光はそれぞれ波長が異なり、前記波長の異なる２種類の反射光のうちの一方は前記透過型入射光と波長が同じであることを特徴としている。
【００３５】本発明の膜厚測定方法の例は、前記膜への透過型入射光の入射面は前記膜の成長する側であり、前記膜への反射型入射光の入射面は前記膜の基板側であることを特徴としている。
【００３６】本発明の膜厚測定方法の例は、前記膜への透過型入射光と前記膜への反射型入射光はいずれも波長の異なる少なくとも２種類の入射光であることを特徴としている。
【００３７】本発明の目的の達成を図るため、本発明による膜厚計は、光源からの膜厚測定用光を入射光として膜に入射させ、前記膜からの出射光を測定して前記膜の厚みを測定する膜厚計において、前記光源が、レーザ共振器に光ファイバを用いたレーザであるいわゆるファイバレーザを用いた光源であることを特徴としている。
【００３８】本発明の膜厚計の例は、前記膜からの出射光が、前記膜への入射光が前記膜を透過して出射した光であることを特徴としている。
【００３９】本発明の膜厚計の例は、前記膜からの出射光が、前記膜への入射光が前記膜により反射された光であることを特徴としている。
【００４０】本発明の膜厚計の例は、前記膜への入射光が複数あり、前記複数の入射光に対応して前記膜から出射する出射光のうち、少なくとも１つの出射光は前記複数の入射光のうちのいずれかが前記膜を透過して出射した透過光であり、少なくとも１つの出射光は前記複数の入射光のうちのいずれかが前記膜で反射して出射した反射光であることを特徴としている。たとえば、前記入射光が少なくとも３種類あり、前記３種類の入射光のうちのいずれか２種類の入射光はその波長が同一であるが前記膜に入射するときの入射面が前記膜の互いに異なる側にあり、前記２種類の入射光とは異なる入射光は前記２種類の入射光のうちのいずれか一方とその波長が異なるが前記膜に入射するときの入射面が前記膜の同じ側であるようにすることができる。また、前記膜の同じ側にある膜厚測定用光として、前記膜への入射光が少なくとも２種類あり、その波長が互いに異なるようにすることができる。
【００４１】本発明の膜厚計の例は、前記膜への入射光もしくは入射光の少なくとも１つに変調を加えるようにし、前記変調されている入射光の変調手段として、たとえば、光の遮蔽板を回転させて光束を断続するチョッパを用いた手段を用いることができる。そして、前記変調されている入射光を変調している変調信号を、前記膜からの出射光を検出した信号を処理するロックインアンプの参照信号として用いることができる。
【００４２】本発明の膜厚計の例は、前記複数の入射光のうちの波長の異なるいずれか２つの入射光の波長を、その波長の比が整数であるようにすることによって、膜厚測定情報の処理を簡単にすることができる。たとえば、波長の異なるいずれか２つの入射光の波長の比を整数２にすると、信号光の処理が簡単になるという効果がある。
【００４３】前記波長の異なるいずれか２つの入射光のうちの一方の入射光として、他方の入射光を非線形結晶（たとえば、ＰＰＬＮ）に入射させて発生させた高調波を用いることができる。
【００４４】本発明の膜厚計の例は、前記膜への膜厚測定用光としての入射光が、前記膜を透過させるように入射する透過型入射光が１種類と、前記膜に反射されるように入射する反射型入射光が２種類であり、前記２種類の反射型入射光はそれぞれ波長が異なり、前記波長の異なる２種類の反射光のうちの一方は前記透過型入射光と波長が同じであるようにすることができ、前記膜への透過型入射光の入射面は前記膜の成長する側であり、前記膜への反射型入射光の入射面は前記膜の基板側であるようにすることができる。
【００４５】そして、本発明の膜厚計の例は、前記膜への透過型入射光と前記膜への反射型入射光に、それぞれ波長の異なる少なくとも２種類の入射光を用いることができる。
【００４６】
【実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、説明に用いる各図は本発明を理解できる程度に各構成成分の寸法、形状、配置関係などを概略的に示してある。
【００４７】そして本発明の説明の都合上、部分的に拡大率を変えて図示する場合もあり、本発明の説明に用いる図は、必ずしも実施例などの実物や記述と相似形でない場合もある。また、各図において、同様な構成成分については同一の番号を付けて示し、重複する説明を省略することもある。
【００４８】図１は本発明の膜厚測定方法ならびにその方法を用いた膜厚計を説明する図である。以下、本発明の膜厚測定方法の説明は、その方法を用いた膜厚計の説明と重複するので、膜厚計の説明を記述することによって、膜厚測定方法の説明を兼ねることにする。
【００４９】図１において、符号１は蒸着機、１２は少なくとも特定の波長の光に対して透明な基板１２ａに薄膜としての多層膜１２ｂを蒸着によって形成させた試料、２〜５は蒸着機１に設けられた窓で膜厚測定用光を透過させることができる窓、９と２２は光ファイバをレーザ発振の共振器とするファイバレーザを用いた光源、１０は光源９からの光を転送する光ファイバ、６は光ファイバコリメータで光ファイバ１０の端末とレンズでコリメータを形成している、１１ａ〜ｂおよび２３〜３０は膜厚測定用光の光路を示す矢印または線、７、８、５０は反射板、７０と８０は膜厚測定に用いる光を変調する変調器としてのチョッパーで遮光板を回転させている、２０は入射した光の高調波を発生させることができる非線形結晶としてのＰＰＬＮ、１３はフォトダイオードなどの光検出素子と信号処理回路を有する光検出器、１４はスペクトル表示装置、６０は波長分波器、５１と６１はフィルタ、５２，５３，６２，６３はレンズ、５４と６４はスリット、５５と６５は光検出器、５６と６６は信号処理装置、５７と６７はロックインアンプ、１５は光学膜厚状態表示装置である。
【００５０】まず、光源９からの光を用いた膜厚測定について説明する。光源９でファイバレーザ（図示せず）を用いて発生させた波長がλ１（たとえばλ１が１．５μｍ）の光を、膜厚測定用光として光ファイバ１０を伝送させ、光ファイバコリメータ６から出射させ、変調器としてのチョッパ７０で変調して、窓２を通って蒸着機１内に入射させ、光路１１ａを通って基板１２ａ上に成長させている多層膜１２ｂの法線方向から多層膜１２ｂに入射光として入射させ、多層膜１２ｂ、基板１２ａを透過させて、多層膜１２ｂの出射光として窓３を通って蒸着機１から出射させ、光路１１ｂを通って光検出器１３に入射させる。光検出器１３においては、多層膜１２ｂの出射光として光路１１ｂを通って前記の如く入射した光を検出し、電気信号にして、必要な電気信号の処理をして、そのスペクトルをスペクトル表示器１４に表示するとともに、適宜信号処理した結果の情報を光学膜厚状態表示装置１５に送る。
【００５１】以上説明した光源９からの光を膜厚測定用光として用いて光検出器１３で検出する一連の膜厚測定方法を用いた膜厚計は、被測定物である多層膜１２ｂを膜厚測定用光が透過した結果を用いて膜厚を測定する、いわゆる透過型膜厚計である。
【００５２】次に、光源２２からの光を用いた膜厚測定について説明する。光源２２でファイバレーザ（図示せず）を用いて膜厚測定用光として発生させた波長がλ２の光を、変調器としてのチョッパ８０で変調して、光路２３に進行させ、非線形結晶としてのＰＰＬＮを用いて波長λ３が（λ２）／２である光を発生させ、光路２４を、波長がλ２である膜厚測定用光と波長がλ３（＝（λ２）／２）である膜厚測定用光の２種類の膜厚測定用光を進行させ、反射板７によって光路を変え、光路２５を通り窓４を通って蒸着機１に入射させて基板１２ａの側から斜めに多層膜１２ａに入射させる。光路２５から多層膜１２ａに入射した膜厚測定用光は多層膜１２ａで反射され、反射光となって窓５を通り、光路２６を進行して反射板８で光路２７に進路を変えられて波長分波器６０に入射する。光路２７を通って波長分波器６０に入射した光は、波長がλ２の光は光路２８に、波長がλ３の光は光路２９にそれぞれ進行する。
【００５３】光路２８に進行した波長がλ２の光は、フィルタ６１を通り、膜厚測定用光が蒸着機を通過するときに膜厚測定用光に生じたノイズを除去されてレンズ６２，スリット６４，レンズ６３を通って光検出器６５に入射して電気信号となり、信号処理回路６６で電気信号の必要な処理をされてロックインアンプ６７で増幅され、光学膜厚状態表示装置１５に入力される。
【００５４】一方、光路２９に進行した波長がλ３（＝λ２／２）の光は、反射板５０で進路を変えられて光路３０へ進み、フィルタ５１を通り、膜厚測定用光が蒸着機を通過するときに膜厚測定用光に生じたノイズを除去され、レンズ５２，スリット５４，レンズ５３を通って光検出器５５に入射して電気信号となり、信号光処理回路５６で電気信号の必要な処理をされてロックインアンプ５７で増幅され、光学膜厚状態表示装置１５に入力される。
【００５５】以上説明した光源２２からの光を膜厚測定用光として用いて光検出器５５と６５により検出する一連の膜厚測定方法を用いた膜厚計は、被測定物である多層膜１２ｂにより膜厚測定用光が反射された結果を用いて膜厚を測定するいわゆる反射型膜厚計である。
【００５６】図１を用いて説明した本発明の膜厚計の好ましい例では、被測定物である多層膜に、膜形成時に膜を積層する方向（基板１２ａとは反対側、以下、多層膜の表側ともいう）から膜厚測定用光を入射させ、膜厚測定用光が多層膜１２ｂを透過した結果を測定する（以下、測定Ａともいう）とともに、多層膜１２ｂの基板側（以下、多層膜の裏側ともいう）から多層膜１２ｂに斜め方向から膜厚測定用光を入射させ、測定光が多層膜１２ｂにより反射された結果を測定（以下、測定Ｂともいう）している。
【００５７】前記測定Ａでは、基板１２の上に成長させる多層膜１２ｂの膜厚変化を、膜の成長初期からかなり精度良く測定することができるが、多層膜１２ｂが成長するにしたがって、多層膜１２ｂの膜厚測定用光に対する透過率が次第に低くなり、多層膜１２ｂの成長目標が反射率の高い層である場合、たとえば反射率が１００％に近い場合、多層膜１２ｂの完成に近づくにつれ、多層膜１２ｂを透過する膜厚測定用光の量が次第に少なくなり、正確な膜厚測定が難しくなる。
【００５８】この欠点を補う１つの方法として、本発明の前記好ましい実施例では、前記測定Ａに前記測定Ｂを併用した。
【００５９】すなわち、測定Ｂは、多層膜１２ｂに基板１２ａ側から入射させた膜厚測定用光の多層膜１２ｂによる反射を用いているので、多層膜１２ｂの成長が進むにつれて反射光の光量が多くなり、多層膜１２ｂが完成に近づいたときの膜厚測定をかなり正確に行うことができる。
【００６０】さらに、測定Ｂでは、測定Ａで用いた膜厚測定用光の波長λ１と同じ波長（波長λ２＝λ１）の膜厚測定用光とその１／２の波長の膜厚測定用光（λ３＝（λ２）／２）の２種類の光を用いている。
【００６１】波長がλ２の光と波長がλ３（＝（λ２）／２）の光に対する多層膜１２ｂの反射率が異なる。この２種類の反射情報を利用して、膜厚測定の精度を一層高めることができる。
【００６２】そして、（波長λ２）／（波長λ３）の値が整数になるようにすることによって、各膜厚測定用光の前記測定結果をコンピュータ処理するときに処理が簡単になる。図１を用いて説明した例においては、λ２／λ３の値が整数２になっており、前記処理を簡単にしている。
【００６３】また、透過型膜厚計で、入射光を膜の法線方向から入射させる代わりに、所定の入射角で入射させる方法もある。
【００６４】図１の説明では、膜形成装置として蒸着機を例にとって説明したが、前記の如く、本発明の膜厚計が適用できる膜形成装置はこれに限定されるものではなく、スパッタ装置、イオンプレーティング装置をはじめ、現在膜形成装置として用いられている多くの装置はもちろん、それらの改良装置など広範囲の膜形成装置に本発明の膜厚計を用いることができることは、上記の本発明の説明からも明らかなことである。
【００６５】本発明の膜厚測定方法は、上記説明の如き膜厚計を、膜厚計の各構成部品と等価なものを用いて膜厚計を構成して膜厚を測定することを可能にするものであり、必ずしも膜厚計として構成された装置を購入して配置しなくても、膜厚を正確に、しかもより安いコストで測定することを可能にするものであることは、以上の説明から明白である。
【００６６】
【発明の効果】蒸着機で多層膜１２ｂのような薄膜を成長させる場合、多層膜１２ｂが所望の膜厚で所望の物性を有する均質な膜になるように成長させるには、多層膜の完成目標に近づいたときの膜厚情報が重要である。本発明の膜厚計は多層膜が目標に近いところまで成長したときにも高い精度の膜厚情報を得ることが出来るようにしたものである。
【００６７】本発明の膜厚測定方法ならびにその方法を用いた膜厚計は、その測定精度を向上させるため、光源にファイバレーザを用いている。前記の如く、従来は、光源にレーザ光を用いると多層に形成されたレンズ、蒸着機の窓ガラスなどでのレーザ光の反射に起因して膜厚測定用光にノイズが生じてしまい、測定の精度が低下してしまうため、光源にレーザ光を用いることは好ましくなく、タングステンランプの光を分光器で分光して用いるのがよいと考えられていた。
【００６８】そして、Ｈｅ−Ｎｅレーザや半導体レーザに位相変調を行うことも試みられたが、その結果は充分な精度での膜厚測定を与えるものではなかった。
【００６９】本発明は、光ファイバをレーザ共振器に用いるファイバレーザでは、共振器長を１０〜２０ｍと長くして、縦モードの間隔をきわめて狭くできることに着目して、レーザ光でありながら、タングステンランプに近い平均化された出力光を出すことが出来るファイバレーザを用いた光源による膜厚測定用光を得るようにした。
【００７０】本発明は、このようなファイバレーザのレーザ光を膜厚測定用光として用い、さらに前記の如く、透過光を用いた膜厚測定情報と反射光を用い膜厚測定情報とを組み合わせて、膜の完成間近の正確な膜厚情報を得ることができる膜厚計を実現することができたものであり、本発明による膜厚計を膜形成装置の膜厚計として用いることによって、難しい仕様の多層膜を工業的に量産することを可能にするというきわめて大きな効果を発揮するものである。
【出願人】 【識別番号】５０１３６７９３４
【氏名又は名称】脇田 昭平
【出願日】 平成１３年８月１６日（２００１．８．１６）
【代理人】
【公開番号】 特開２００３−５９９９３（Ｐ２００３−５９９９３Ａ）
【公開日】 平成１５年２月２８日（２００３．２．２８）
【出願番号】 特願２００１−２８４１３２（Ｐ２００１−２８４１３２）