JP2006009117A - 薄膜形成装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光量値のピーク近傍での電子銃の電力を正確に行って、薄膜の形成速度が極めて遅い場合でも、蒸着を正確かつ自動的に行って、製品の品質の確保と生産性の向上を図る。
【解決手段】薄膜が形成された被成膜体に所定の光を照射したときの透過又は反射した光量値が、予め設定した規準光量値が近似もしくは等しくなるように、加熱部の出力をフィードバック制御により調整する手順と、光量値が極大値または極小値近傍で予め設定したしきい値Ｂ２に達したときに、フィードバック制御を終了する手順と、フィードバック制御終了時点の出力を時間ｔｘだけ保持する手順と、時間ｔｘ内に光量値が極大値または極小値となっていない場合には、加熱部への出力をΔＰｗだけ増大する手順とを含む。
【選択図】図７

Description

本発明は、プラスチックまたはガラス素材等の表面上に薄膜を形成する装置に関し、特に、光学的性質の一定した薄膜を再現性良く形成可能であり、眼鏡レンズに反射防止膜を形成する際等に好ましく用いられるものに関する。

プラスチックやガラス等で形成されたレンズ等に薄膜を形成する際には、安定した品質で生産を行う必要があり、さらに、生産効率を上げるため、人手を要することなく全自動で薄膜形成（成膜）を行うのが望ましい。

これを実現するものとして、蒸着原料を電子銃によって蒸発させて、コートドームに保持したレンズに反射防止膜を堆積させる際に、光学式膜厚計によって時々刻々測定される反射光量値が所定の規準光量値に近似又は等しくなるように、電子銃に供給する電力を制御するものが知られている（例えば、特許文献１）。
特開２００１−１１５２６０号

ところで、プラスチックやガラス等の素材へ蒸着を行う場合には、薄膜の形成速度が大きいほど生産性は向上するが、蒸着原料の種類や形成する薄膜の物性によっては薄膜の形成速度を極めて遅くせざるを得ない場合がある。

上記従来例では、薄膜の膜厚が成長するにつれて反射光量値は極小値と極大値の２つのピーク間で周期的に変動するが、各ピークの近傍では反射光量値の変化量が低減するので、フィードバック制御による電子銃の制御は難しいため、各ピークの近傍を除く所定の反射光量値範囲でのみ反射光量値に基づくフィードバック制御を行っていた。

このため、薄膜の形成速度が大きい場合、換言すれば、電子銃への供給電力が大きい場合には、ピーク近傍の所定の反射光量値でフィードバック制御を終了して、この時点の電力を保持すれば、蒸着原料の気化を維持して、反射光量値のピークを過ぎて再び所定の反射光量値範囲に戻ればフィードバック制御を再開することができる。

しかしながら、薄膜の形成速度が極めて低い場合では、電子銃への供給電力が小さいため、ピーク近傍の所定の反射光量値でフィードバック制御を終了し、この時点の電力を保持すると、液化していた蒸着原料が固化して蒸発が停止したり、あるいは、蒸着原料がわずかにチャージアップ（帯電）しただけで、電子銃のビームが蒸着原料に当たらなくなって蒸発が停止する場合が生じる。このため、フィードバック制御へ復帰することができず、薄膜の形成が一時的に中断することになり、薄膜の形成が行うことができない。つまり、薄膜の形成速度が極めて低い場合では、電子銃への供給電力が蒸着原料を気化させるのに必要な最低限の電力に設定しているため、蒸着原料の変化（液相→固相）が生じると、成膜の進行が停止する場合があった。

このため、前記従来の装置を用いて、薄膜の形成速度を極めて低くする場合には、管理者などの監視の下で薄膜の形成を行い、フィードバック制御が終了したピーク近傍では、手動で電子銃への供給電力を調整する必要があり、生産工程の自動化が行えず、製造コストが上昇する、という問題があった。

また、上記のような人手による監視では、フィードバック制御終了後のピーク近傍で薄膜の形成速度を一定に維持するのは難しく、例えば、上述のように蒸発が停止した場合、蒸発の再開までに時間がかかると、薄膜の形成速度が不均一になることから形成された薄膜の性能が低下する場合があった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、光量値のピーク近傍での電子銃の電力を正確に行って、薄膜の形成速度が極めて遅い場合でも、蒸着を正確かつ自動的に行って、製品の品質の確保と生産性の向上を図ることを目的とする。

本発明は、チャンバ内において成膜材料を加熱する加熱部を備えて、成膜材料を飛翔させて被成膜体表面に堆積させる薄膜形成手段と、薄膜が形成された被成膜体に所定の光を照射したときの透過又は反射した光量値を測定する光学式膜厚計と、前記光量値に基づいて前記成膜材料の飛翔量を制御する制御手段と、を備えた薄膜形成装置において、
前記制御手段は、前記測定した光量値と予め設定した規準光量値が近似もしくは等しくなるように、前記加熱部の出力をフィードバックにより制御するフィードバック制御部と、前記加熱部をオープンループにより制御するオープンループ制御部と、前記光量値の極大値と極小値の近傍で、それぞれフィードバック制御からオープンループ制御へ切り換えるしきい値を予め設定したしきい値設定部と、前記光量値がしきい値に達したときにフィードバック制御からオープンループ制御に切り換えるとともに、オープンループ制御部で所定の条件が成立したときにはオープンループ制御からフィードバック制御に切り換える制御切換部と、を備え、
前記オープンループ制御部は、前記光量値に基づいて、極大値または極小値を検出するピーク検出部と、フィードバック制御終了時点の出力を第１の時間だけ維持し、第１の時間が経過したときに前記極大値または極小値を検出できないときには、前記出力を増大させる出力補正部と、を有する。

また、第１の時間は、フィードバック制御終了時点から極大値または極小値を検出するであろう時間を、フィードバック制御終了時点の出力に基づいて予測する。

したがって、本発明によれば、光量値の極大値または極小値の近傍ではフィードバック制御を終了し、オープンループ制御により加熱部の制御を行い、第１の時間が経過するまではフィードバック制御終了時点の出力を維持し、第１の時間が経過した時点で光量値が極大値または極小値に達していなければ、出力を増大する補正を行うことで、極大値または極小値近傍で成膜材料の気化を促進でき、成膜を確実に行って薄膜の品質を確保しながら、薄膜形成の自動化を図って生産性を向上できる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施の形態にかかる薄膜形成装置の構成を示す図である。以下図１を参照にしながら、一実施の形態を説明する。なお、この実施の形態は、被成膜体であるプラスチック製の眼鏡レンズに、薄膜として反射防止膜を形成する場合に本発明を適用した例を示す。

図１において、成膜室となる真空チャンバー１内には、上部に複数のレンズ２ａを保持するとともに、所定の位置に薄膜の形成状況を検出するためのモニターガラス２ｂを保持するコートドーム２が設置される。真空チャンバー１の下部には、蒸発原料（成膜材料）４ａ、４ｂを収装するルツボ４、ルツボ４の蒸着原料４ａ、４ｂに電子ビームを当てて気化させる電子銃３、選択的に電子ビームを遮断するシャッター５、蒸着した薄膜の強度や膜質（緻密性など）を改善するためイオンビーム照射を行うイオン銃１４、蒸着した薄膜の強度や膜質を改善するため、真空チャンバー１内にガスを充填するガス発生装置１５等が設けられている。なお、シャッター５にはアクチュエータが設けられ、後述の制御装置１２によって制御される。また、蒸着原料４ａ、４ｂは異なる種類の物質で、例えば、蒸着原料４ａが無機物質で、蒸着原料４ｂが有機物質である。

上部のコートドーム２の近傍には、コートドーム２に保持された被成膜体としてのレンズ２ａの温度を計測するための基板温度計６が設けられ、さらに、真空チャンバー１内の真空度を計測するための真空計７及び真空チャンバー１内を排気するための排気ユニット８が設けられている。また、コートドーム２に保持されたレンズ２ａを加熱するためのヒータ９が設けられている。なお、ヒータ９はハロゲンヒータなどで構成される。

さらに、真空チャンバー１の外部上方には、コートドーム２の所定の位置に設定されたモニターガラス２ｂの反射率を測定する光学式膜厚計１０が設けられている。光学式膜厚計１０は膜厚モニター１１を介して制御装置１２に接続され、光学式膜厚計１０からは光量データ（光量値）として、後述するように、照射光の光量に対する反射光の光量の比が出力される。なお、光学式膜厚計１０及び膜厚モニター１１の構成は、特開２００１−１１５２６０号公報や特開２００３−２０２４０４号公報の構成と同様である。

制御装置１２は、ＣＰＵやメモリなどからなる演算部と、電子銃への供給電力をフィードバック制御するための基準光量値データ格納部１３を備える。さらに、制御装置１２にはキーボードやマウスなどで構成された入力部１２ａが接続されるとともに、上述の電子銃３、シャッター５、真空装置８、ヒータ９、イオン銃１４、ガス発生装置１５等の制御対象と、基板温度計６、真空計７、光学式膜厚計１０（膜厚モニタ１１）等のセンサが接続されており、制御装置１２は、各センサからの入力等に基づいて上記制御対象を制御する。

すなわち、制御装置１２は、真空計７の情報に基づいて真空装置８を制御し、真空チャンバー１内を所定の真空度にする。また、制御装置１２は、基板温度計６の情報に基づいてヒータ９を制御して被成膜体であるレンズ２ａを所定の温度にする。そして、制御装置１２は、上記光学式膜厚計１０で測定される上記モニターガラス２ｂに形成された薄膜の時々刻々の光学膜厚に依存する時々刻々の光量値が、基準光量値データ格納手段に格納されている値と等しくなるように、電子銃３に印加する電力（電流及び／又は電圧）を制御する。また、形成する薄膜の種類や気化させる蒸着原料４ａ、４ｂの種類に応じて、イオン銃１４によるイオンビーム照射やガス発生装置１５によるガスの充填を行う。

ここで、コートドーム２は、レンズ２ａに反射防止膜等が蒸着されるように、レンズ２ａを保持する保持手段である。そして、複数のレンズ２ａが同時に蒸着できるよう、円形をしており、全てのレンズが同一品質の反射防止膜になるようにコートドーム２は所定の曲率を有している。

電子銃３は、ルツボ４に収納された蒸着原料(物質)４ａ、４ｂを蒸着原料４ａ、４ｂの溶融温度まで加熱することにより、蒸発させて、レンズ２ａ及びモニターガラス２ｂに蒸着原料（物質）を蒸着・堆積させて薄膜を形成する。

ルツボ４は、蒸着物質４ａ、４ｂを保持するために用いられる公知の容器である。電子銃３による蒸着物質の加熱により、蒸着物質が突沸しないように、ルツボ４は冷却されるか、材質として、熱伝導率が高い物質が好ましい。

シャッター５は、蒸着を開始するとき開き、または終了するときに閉じるように制御されるもので、薄膜の制御を行いやすくするものである。ヒータ９は、レンズ２ａに蒸着される薄膜の密着性などの物性を出すため、レンズ２ａを適切な温度に加熱する加熱手段である。

光学式膜厚計１０は、表面に透明薄膜を形成した透明基体に光を照射すると、薄膜表面からの反射光と透明基体表面からの反射光とが両者の位相差によって干渉をおこす現象を利用したものである。すなわち、上記位相差が薄膜の屈折率及び光学膜厚によって変化し、干渉の状態が変化して反射光の光量が薄膜の屈折率及び光学膜厚に依存して変化する。なお、反射光が変化すれば必然的に透過光も変化するので、透過光の光量を計測することによっても同様のことができるが、以下では反射光を用いた場合を説明する。

光学式膜厚計１０は、上記コートドーム２の中心部に保持されたモニターガラス２ｂに所定の波長の光を照射し、その反射光を測定する。モニターガラス２ｂに形成される薄膜は、各レンズ２ａに形成される薄膜に依存しているとみることができるので、各レンズ２ａに形成される薄膜を推測できる（再現できる）情報を得ることができる。

図２はモニタガラス２の表面に蒸着を施して薄膜を形成していく場合における反射光量の変化を示す図である。図中縦軸が光量値（相対値：単位；％）であり、横軸が蒸着時間である。蒸着する薄膜の物理的膜厚が厚い場合には、光量値は、薄膜の屈折率が一定の条件下、物理的膜厚が増すにしたがって、周期的に増減を繰り返す。この薄膜の屈折率と、薄膜の物理的膜厚に一義的に対応する光量値の変化を利用すれば、一義的に薄膜の測定または制御ができる。この場合、各周期Ｐｋ１〜Ｐｋ５における極大値と極小値との差を伸び量という。一般的には、伸び量Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３…は、必ずしも互いに一致しないことが普通である。

ここで、光量値は上記特開２００３−２０２４０４号公報の（１）式で求められるもので、ある時刻ｔにおける光量値Ｑｔは、

である。
ただし、Ｑ０：初期設定光量
Ｐ(λ,t)＝Ｒmonitor(ｄ1,ｄ2,……,ｄk(t), ｎ0(λ),ｎ1(λ), ｎ2(λ),……,ｎk(λ))・Ｔ(λ)・Ｘ(λ)
Ｐ：光量の絶対値
Ｔ(λ)：光学式膜厚計１０内のフィルターの透過率
Ｘ(λ)：光学式膜厚計１０内の投光ランプの強度関数（Ｓ(λ)）や反射鏡の反射率（Ｒmirror（λ））等の膜厚計１０を構成する光学部品による関数で、一般に装置定数として扱うことができる
λ：光の波長
である。

図２では、時刻０から電子銃３への電力供給を開始して、蒸着を行った例を示しており、薄膜の成長に応じて光量値が増大し、まず最初の極大値であるピークＰｋ１に達した後、上述の光の干渉により光量値は低減していき最初の極小値であるピークＰｋ２に達する。その後、極大値と極小値を周期的に繰り返しながら膜厚が増大し、所定の膜厚となった時点で、電子銃３への電力の供給を停止するとともに、シャッタ５を閉鎖して蒸着原料４ａ、４ｂの蒸発を停止し、蒸着を終了する。

図３は本発明の要部となる制御の概要を示すグラフで、上記図２と同様に光量値と時間の関係を示している。

図３では、光量値の最小が２０％、最大が７０％であって、伸び量が５０％である場合には、例えば、ピーク手前の５％の領域では後述するピーク制御を用い、光量値がそれ以外の領域でフィードバック制御（またはレート制御）を利用して薄膜形成の制御を行うものである。

つまり、この場合、極大値（７０％）側では、薄膜の膜厚増大により光量値が所定のしきい値Ｂ２（６５％）に達したらフィードバック制御からピーク制御へ切り換える。なお、ピーク制御からフィードバック制御への切り換えは、ピークＰｋｉ（但し、ｉは自然数）の検出後、フィードバック制御に切り換える。また、ピークＰｋｉの検出の一例としては、光量値が極大側の所定値（例えば、６８％）以上または極小側の所定値（例えば、１８％）以下で、光量値の変化量の符号が変化したときをピークとして判定する。

フィードバック制御を行う領域では、上記従来例の特開２００１−１１５２６０号号公報と同様にして制御装置１２は、光学式膜厚計１０で測定されるモニターガラス２ｂに形成された薄膜からの時々刻々の光量値が、規準光量値データ格納部１３に格納されている光量値と等しくなるように、電子銃３に印加する電力（電流または電圧あるいはデューティ比）を制御する。

一方、ピーク制御を行う領域では、フィードバック制御終了時点（例えば、光量値＝Ｂ２）での電子銃３の出力（供給電力）に基づいて、ピークＰｋｉに到達するであろうピーク検出予測時間ｔｘを、予め設定した基準光量値データから算出する。そして、このピーク検出予測時間ｔｘが経過するまでは、フィードバック制御が終了した時点Ｂ２の電力を維持して電子銃３に供給する。

ピーク検出予測時間ｔｘ内に、ピークＰｋｉが検出された場合には、この時点の電力を維持して電子銃３に供給し、ピークＰｋｉの検出時点からフィードバック制御に切り換え、次のピークＰｋｉ＋１に、向かう。

ピーク検出予測時間ｔｘを経過してもピークＰｋｉを検出しない場合には、電子銃３への供給電力を所定値ΔＰｗだけ加算補正する。このとき、所定時間ｔｙをセットしてピーク検出予測時間ｔｘを開花した時点から所定時間ｔｙのカウントを開始する。

そして、電子銃３への供給電力をΔＰｗだけ加算補正したことで、蒸着原料４ａ、４ｂの蒸発が促進され、ピークＰｋｉを検出した場合には、ピークＰｋｉの検出時点からフィードバック制御へ切り換える。

一方、電子銃３への供給電力をΔＰｗだけ加算したも係わらず、所定時間ｔｙを経過した場合には、再度所定値ΔＰｗだけ電子銃への供給電力を加算補正し、再度、所定時間ｔｙの経過をカウントし、ピークの検出を行う。

そして、このΔＰｗの加算補正と、所定時間ｔｙ内のピーク検出を複数回（例えば、４回）繰り返す。

このように、ピークＰｋｉの手前で光量値がしきい値Ｂ２（例えば、６５％）以上またはＢ１（例えば、２５％）以下になると、フィードバック制御からピーク制御に切り換えられ、ピーク制御ではピーク検出予測時間ｔｘ内にピークＰｋｉが検出されなければ、電子銃３への供給電力を所定値ΔＰｗずつ段階的に加算補正する。そして、ピークＰｋｉが検出されると、検出時点からフィードバック制御に切り換えて、次のピークへ向かうのである。

次に、制御装置１２で行われる反射防止膜を形成する際の蒸着制御の一例について、以下に詳述する。

まず、最初にレンズ２ａ及びモニターガラス２ｂに規準の成膜を行う。

予めコートドーム２にレンズ２ａ及びモニターガラス２ｂをセットし、ルツボ４に蒸着原料４ａ、４ｂをセットしておき、真空装置８を起動して、真空チャンバー１内を所定の真空度にし、ヒーター９を作動させてレンズ２ａ、モニターガラス２ｂを所定の温度にする。この後、電子銃３に印加する電力の制御を開始して蒸着を開始する。

蒸着膜の成膜が開始されるのは、シャッター５が開いてからである。よって、シャッター５が開いた時点を０にとり、その後の経過時刻をｔ（秒）とする。一般には、シャッター５が開くと、光学式膜厚計１０の光量が変化し始める。ただし、現実には、時として、この光量の変化の開始が、遅れる場合がある。このような場合には、所定時間経過後に強制的に電子銃３に所定の電力を印加して制御を開始することができる。

最初に、電子銃３の出力等の諸条件を最良の成膜を行うことができる条件に設定し、規準の成膜を行う。この規準の成膜は、結果的に所望の反射防止膜が形成される成膜である。したがって、装置の種々の条件が良好の場合には電子銃への印加電力を一定にするだけでよい場合もある。また、場合によっては、熟練者の経験とカンによって種々の条件を制御しながらの成膜を開始する場合もある。

上記規準の成膜において、成膜の過程における時刻ｔ（秒）に対する光学式膜厚計１０の光量値Ｌ（％）を、所定のサンプリング間隔Ｔsmp（秒）に従って、随時、メモリなどへ記録していき、時刻と光量が対になった光量値データを作成する。上記の光量値データを基準光量値データとし、規準光量値データ格納部１３に格納する。

以上の基準の成膜処理が終了すると、図４に示すフローチャートに基づいて、蒸着制御が行われる。

このフローチャートは、入力部１２ａ等からの開始指令があったときに実行されるものである。なお、真空装置８、ヒータ９は予め作動させておく。

まず、ステップＳ１では、電子銃３に供給する電力（以下、電流を制御する例を示す）を予め設定した初期値に設定するとともに、電力の供給を開始する。同時に、シャッター５を開放する。また、設定された膜の種類、つまり、蒸着原料４ａ、４ｂの種類や蒸着条件等に基づいて、イオンビーム照射やガスの充填を併用する場合では、イオン銃１４やガス発生装置１５を作動させる。

そして、ステップＳ２では、初回のピークＰｋへ向けて成膜を行うに当たり、フィードバック制御の開始条件が成立したか否かを判定する。このフィードバック制御開始条件は、例えば、所定時間経過後に光量値を検出し、光量値が所定値（例えば、Ｂ１）に達していれば開始条件の成立を判定する。すなわち、蒸着原料４ａ、４ｂの気化が円滑に進行しているか否かを判定すればよい。

フィードバック制御の開始条件が成立した場合には、各１／４λ層の位置を示す番号ｉを、初回であるのでｉ＝１としてから、ステップＳ３に進み、ｉ番目の１／４λ層の成膜を行う。この１／４λ層は、例えば、図２において、成膜開始（時刻＝０）からピークＰｋ１までが第１の１／４λ層であり、ピークＰｋ１からＰｋ２までが第２の１／４λ層となり、以降同様に膜厚の成長とともに番号ｉが増大していく。番号ｉは、フィードバック制御の制御回数ｉ回目を示し、初期値は１である。

次に、ステップＳ４では、次のように電子銃３の電流値をフィードバックにより制御する。

まず、シャッター５を開放してからの時刻ｔi-1（実時刻）における光量をＬi-1（実測値＝実光量）とし、このＬi-1に等しい規準光量値Ｌｓ（＝Ｌi-1）を、基準光量値データ格納部１３の基準光量値データから検索する。同一の値がない場合には、近似値を算出する。そして、この光量値Ｌｓに対応する時刻ｔｓ（基準時刻）を基準光量値データから算出する。

次に、実時刻ｔi-1から制御間隔Δｔ（秒）後の時刻ｔｉに対応する光量値（実測値＝実光量）をＬiとする。また、基準データから、規準時刻ｔs’(=ｔs +Δｔ)に対応する規準光量Ｌs’を得る。このとき、
ΔＬｉ≡Ｌｉ−Ｌi-1
ΔＬｓi≡Ｌｓ’−Ｌｓ
とし、ここで、
Ｒｉ≡Ｌ−ΔＬｉ／ΔＬｓi
あるいは、
Ｒｉ≡（Ｌｓ’−Ｌｉ）／（Ｌｓ’−Ｌｓ）
とする。図５、図６は実光量の変化と規準光量の時間に対する変化をそれぞれ表したものである。

上記Ｒiに対して、さらに、次のような変換を行う。

Ｑｉ≡ｋＲｉ｜Ｒｉ｜
ここで、ｋは、任意の定数である。この光量値Ｑiに対して、ＰＩＤ制御（比例、積分、微分制御）を行い、随時、電子銃パワー値Ｐｉを決定する。以下に、電子銃パワー値Ｐｉを決定するＰＩＤ制御式を示す。

Ｐｉ≡Ｐi-1＋Ｋｐ・Ｑｉ＋Ｋｉ・ΣＱｉ＋Ｋｄ・ｄｅｔＱｉ
ここで、Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄは、それぞれ、任意の定数である。

また、

ｄｅｔＱｉ≡Ｑｉ−Ｑi-1である。以上の制御を制御間隔Δｔi（秒）毎に行う。

ただし、上記の制御間隔Δｔi（秒）は、一致率（Ｒi）に応じて変化させる。一般には、一致率が高い（Ｒiが０に近い）ほど制御間隔Δｔiを大きくとる。なお、Ｒiに対して、ＰＩＤ制御(比例、積分、微分制御)を行ない、随時、電子銃パワー値Ｐｉを決定することが可能であるが、次の式、
Ｑｉ≡ｋＲｉ｜Ｒｉ｜
に変換して、ΔＬsi 及びΔＬiの値が近似している場合において、適度な電子銃３の電流値が設定することもできる。

このように、光量値がピーク検出直後またはしきい値Ｂ１以上、Ｂ２以下の範囲ではＰＩＤ制御によるフィードバック制御を行い、実光量が基準光量値データに一致または近似するように、電子銃３の電力を制御する。

次に、ステップＳ５では、予め設定した成膜条件が完了したか否かを判定する。この成膜条件の判定は、予め設定した膜厚に達したか否かを、フィードバック制御の回数を示す番号ｉ（つまり、１／４λ層の形成回数）が、所定値に達したか否かを判定することで行われる。成膜条件が終了していなければ、次の１／４λ層を形成するため、ステップＳ６に進む一方、成膜条件を満たしていればステップＳ１９の終了処理へ進む。

次に、ステップＳ６では、実光量値が、図２、図３で示したフィードバック制御終了のしきい値Ｂ１またはＢ２に達したか否かを判定する。これら終了のしきい値Ｂ１またはＢ２に達した場合には、ステップＳ７へ進んでフィードバック制御を終了するとともに、ピーク制御へ移行する。一方、実光量値がピーク検出直後またはしきい値Ｂ１、Ｂ２の範囲内であればステップＳ４に戻ってフィードバック制御を継続する。なお、この判定に用いるしきい値Ｂ１、Ｂ２は、前回のピークＰｋｉ−１の値に応じて切り換える。つまり、前回のピークＰｋｉ−１が極大値であればしきい値Ｂ１を用い、前回のピークＰｋｉ−１が極小値であればしきい値Ｂ２を用いる。

ステップＳ８では、フィードバック制御終了時点の電子銃３への供給電力を維持してピーク制御を開始する。

ステップＳ９では、現在の電子銃３の電力でピークＰｋｉに到達するピーク検出予測時間ｔｘを算出する。このピーク検出予測時間ｔｘの算出は、フィードバック制御終了時点の実光量値の変化量ΔＬｉ（図５参照）に対応する時間Δｔｉから算出する。

次に、ステップＳ１０では、上記より求めたピーク検出予測時間ｔｘをタイマＴｍ１にセットして、タイマＴｍ１のカウントを開始する。

そして、ステップＳ１１〜Ｓ１２では、ピーク検出予測時間ｔｘが経過するのを待つとともに、ピークＰｋｉの検出を行う。なお、ピーク検出は上述の通り、実光量値の変化量の符号に基づいて行う。そして、ピーク検出予測時間ｔｘ内にピークＰｋｉを検出した場合には正常に成膜が進行しているので、ステップＳ１８へ進んで、ｉ＝ｉ＋１としてからステップＳ３に戻り、ピーク制御からフィードバック制御への移行を行って、次の１／４λ層の形成を開始する。

一方、ピーク検出予測時間ｔｘを経過してもピーク検出ができなかった場合には、ステップＳ１３へ進んで、電子銃３への供給電力（ここでは、電流値）を所定の増分値ΔＰｗだけ増大補正する（図７参照）。

そして、ステップＳ１４で、所定の監視時間ｔｙ（例えば１０秒）をタイマＴｍ２にセットする。なお、所定時間ｔｙの値は、増大補正を行う電流値の増分値ΔＰｗの大きさに応じて適宜設定すればよい。

ステップＳ１５〜Ｓ１６では、タイマＴｍ２のカウントを行って、所定時間ｔｙが経過するのを監視しながら、上述のピーク検出を行う。この所定時間ｔｙ内にピークＰｋｉが検出された場合には、上記と同様にステップＳ１８に進んで、ピーク制御からフィードバック制御への移行を行い、次の１／４λ層の形成に進む。

一方、所定時間ｔｙが経過してもピークＰｋｉが検出されない場合には、ステップＳ１７に進む。

ステップＳ１７では、電力の増大補正の回数が所定回数（例えば５回）に達したか否かを判定し、所定回数に達していなければ、増大補正の回数をインクリメントした後、ステップＳ１３へ戻って、再度供給電力の増大補正を行うとともに、所定時間ｔｙの経過を監視する。

一方、電力の増大補正の回数が所定回数に達した場合には、所定回数まで電力の増大補正を行ったにもかかわらず、成膜の進行が見られないため、蒸発原料４ａ、４ｂ等に問題が生じたと推測できるため、ステップＳ１９に進んで、蒸着制御の終了処理を行う。

ステップＳ１９では、成膜条件が完了した場合等で、蒸着制御の終了処理を行う。この終了処理は、シャッタ５を閉鎖するとともに、電子銃３を停止させ、また、イオン銃１４、ガス発生装置１５を作動させた場合には、これらも停止させる。

以上の制御により、第１回目のフィードバック制御が開始された後は、図３で示すように、次のピークＰｋｉの直前で、光量値がしきい値Ｂ１またはＢ２に達すると、ピーク制御に移行する。

ピーク制御では、フィードバック制御終了時点の電力を維持するとともに、この電力を維持した状態で、ピークＰｋｉに達するピーク検出予測時間ｔｘを求めて、この時間ｔｘ内にピークＰｋｉを検出したか否かを判定する。

ピーク検出予測時間ｔｘ経過後にピークＰｋｉを検出していれば、正常に成膜が進行しているので、再びフィードバック制御を再開する。

一方、ピーク検出予測時間ｔｘが経過してもピークＰｋｉが検出されない場合には、段階的に電力（電流値）の増大補正が行われる。この例について、図７を参照しながら説明する。

時間ｔ０で、光量値が極大側のしきい値Ｂ２に達すると、フィードバック制御を終了して、ピーク制御が開始される。ピーク検出予定時間ｔｘが経過した時間ｔ１では、ピークＰｋｉが検出されていないので、フィードバック制御終了時点の電力に所定の増分値ΔＰｗが加算されて電子銃３への電力の増大補正が行われる。増大補正後は、電子銃３の出力増大により蒸着原料４ａ、４ｂの気化が促進される。そして、増大補正後の所定時間ｔｙの期間でピークＰｋｉの検出を監視し、この所定時間ｔｙ内の時間ｔ２では、ピークＰｋｉが検出されると、ピーク制御からフィードバック制御へ移行する。

ピーク制御の期間では、成膜の進行が遅れると、段階的に電力の増大補正がオープンループで行われる。このため、電子銃３への供給電力は理想的な値よりも大きくなる場合が多い。しかし、ピーク制御が終了すると光量値に基づくフィードバック制御へ移行することで、供給電力は理想的な値へ向けて減少補正されるので、電力が過剰になることはない。

また、図７の一点鎖線で示すように、第１回目の電力の増大補正後、所定時間ｔｙが経過してもピークＰｋｉが検出されない場合には、所定回数を上限として電力の増大補正が繰り返して行われるので、前記課題でも述べたように、薄膜の形成速度（蒸着速度）を極めて遅くせざるを得ない場合（蒸着原料４ａ、４ｂの飛翔量が極めて小さい場合）に、蒸着原料の変化（液相→固相）や蒸着原料のチャージアップ（帯電）が生じても、オープンループ制御により徐々に電子銃３の電力が増大補正されるので、蒸着速度が極めて遅い場合であっても確実に成膜を行うことができ、また、前記従来例のように人手を要することがないので、品質の高い薄膜を低コストで提供することが可能となる。

特に、本発明によれば、蒸着速度が極めて遅く、かつ、蒸着回数毎に伸び量のバラツキが大きい薄膜を形成する際に有効である。

蒸着回数毎で実伸び量の違いが大きくなる場合は、蒸着物質の屈折率の変化が大きくなる（不安定である）ときである。蒸着物質の屈折率の変化が大きいと、薄膜の形状が大幅に変化するため、フィードバック制御の制御精度が落ちる。そのため、フィードバック制御範囲は、蒸着開始直後、あるいは、ピークＰｋｉ検出直後からの伸び量が狭くなる。このような条件では、前記従来例の場合、電子銃３の出力を極めて低くすると、フィードバック制御を行わないピークの近傍において、蒸着原料４ａ、４ｂの気化が停止することが多かった。

そこで、本発明のように、ピークＰｋｉ直前のしきい値Ｂ１、Ｂ２から、オープンループ制御により徐々に供給電力を増大補正するとともに、ピークＰｋｉの検出を行うことで、伸び量のバラツキにかかわらず、正確な成膜を自動化できるのである。また、フィードバック制御終了時点の電力からピーク検出予測時間ｔｘを算出するようにしたので、蒸着回数毎で実伸び量の違いが大きくなる場合であっても、ピーク検出の予測を正確に行うことができるのである。

ここで、蒸着速度を極めて遅くする必要のある蒸着原料について説明する。

蒸着にて形成する薄膜が、プラスチックレンズの多層反射防止膜の場合、反射防止膜中の一層が二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ニオブの無機物質うちの少なくとも一つを蒸着原料４ａとし、有機ケイ素化合物またはケイ素非含有有機化合物のうちの少なくとも一つを蒸着原料４ｂとしたハイブリッド層である場合、電子銃３への供給電力を２種類の蒸着原料４ａ、４ｂが安定して気化可能な最低限の値として、極めて遅い速度で成膜を実施する。

このような蒸着原料４ａ、４ｂを、プラスチックのレンズ２ａに蒸着させる場合、上記制御により極めて遅い蒸着速度（通常（無機物質のみの反射防止膜）の速度の２〜３倍）で成膜を行う。本制御により、電子銃３の出力を蒸着原料４ａ、４ｂが気化可能な最低限の値に設定しても、フィードバック制御が終了した後は、ピーク制御により電子銃３の出力をオープンループで制御することで蒸着原料４ａ、４ｂを確実に気化させて、かつ、人手を要することなく自動的に蒸着を行うことができる。

そして、上述のような無機物質と有機物質からなるハイブリッド層は、極めて遅い蒸着速度で処理を行うことで、初めて耐衝撃性、密着性、耐擦傷性に優れた反射防止膜をレンズ２ａに形成することができる。

また、上述のような蒸着原料４ａ、４ｂを蒸着させる際には、イオンビーム照射やガス（例えば、酸素ガスとアルゴンガスなど）の充填を行うことで、密着性や耐擦傷性をさらに向上させることが可能となる。

なお、上記実施形態において、ピーク制御における、電子銃３の電力の増大補正を段階的に行ったが、単位時間当たりの増分値により電力を徐々に増大させ、所定時間ｔｙが経過するたびに、単位時間当たりの増分値を増大させても良いし、あるいは、図８に示すように、第１回目の増大補正ではΔＰｗだけ段階的に電力の増大を行い、所定時間ｔｙが経過してもピークＰｋｉが検出されない場合には、単位時間当たりの増分値により徐々に電力を増大させてもよい。

また、上記実施形態において、電子銃３の出力を制御するに当たり、電流を制御したが電圧やデューティ比で制御を行っても良い。

また、上記実施形態においては、電子銃３により蒸着原料４ａ、４ｂの気化を行う例を示したが、蒸着原料４ａ、４ｂを加熱するヒータなどを用いるものであっても良い。

以上のように、本発明によれば、蒸着速度の大小にかかわらず、正確な成膜を自動的に行うことができるので、レンズの反射防止膜を形成する蒸着装置に適用することができる。

本発明の実施形態を示す薄膜形成装置の概略を示すブロック図。 薄膜形成の進行に応じた光学式膜厚計の出力（光量値）と時間の関係を示すグラフ。 薄膜形成の進行に応じた光学式膜厚計の出力（光量値）と制御範囲及び時間の関係を示すグラフ。 制御装置で行われる蒸着制御の一例を示すフローチャート。 実光量値と時間の関係を示すグラフ。 基準光量値と時間の関係を示すグラフ。 光量値と電流の関係を示すグラフで、極大側の要部拡大図。 他の光量値と電流の関係を示すグラフで、極大側の要部拡大図。

符号の説明

１ 真空チャンバ
２ コートドーム
２ａ レンズ
２ｂ モニタガラス
３ 電子銃
４ａ、４ｂ 蒸着原料
５ シャッタ
８ 真空装置
１０ 光学式膜厚計
１２ 制御装置

Claims (8)

1. チャンバ内において成膜材料を加熱する加熱部を備えて、成膜材料を飛翔させて被成膜体表面に堆積させる薄膜形成手段と、
   薄膜が形成された被成膜体に所定の光を照射したときの透過又は反射した光量値を測定する光学式膜厚計と、
   前記光量値に基づいて前記成膜材料の飛翔量を制御する制御手段と、を備えた薄膜形成装置において、
   前記制御手段は、
   前記測定した光量値と予め設定した規準光量値が近似もしくは等しくなるように、前記加熱部の出力をフィードバックにより制御するフィードバック制御部と、
   前記加熱部をオープンループにより制御するオープンループ制御部と、
   前記光量値の極大値と極小値の近傍で、それぞれフィードバック制御からオープンループ制御へ切り換えるしきい値を予め設定したしきい値設定部と、
   前記光量値がしきい値に達したときにフィードバック制御からオープンループ制御に切り換えるとともに、オープンループ制御部で所定の条件が成立したときにはオープンループ制御からフィードバック制御に切り換える制御切換部と、を備え、
   前記オープンループ制御部は、
   前記光量値に基づいて、極大値または極小値を検出するピーク検出部と、
   フィードバック制御終了時点の出力を第１の時間だけ維持し、第１の時間が経過したときに前記極大値または極小値を検出できないときには、前記出力を増大させる出力補正部と、を有することを特徴とする薄膜形成装置。
2. 前記出力補正部は、前記フィードバック制御終了時点の出力に基づいて、フィードバック制御終了時点から極大値または極小値を検出するであろう時間を前記第１の時間として予測するピーク検出時間予測部を有することを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
3. 前記出力補正部は、前記第１の時間が経過した後に前記極大値または極小値を検出できないときには、第２の所定時間内で前記極大値または極小値の検出を判定し、第２の所定時間が経過する度に極大値または極小値が検出されないときには、前記出力を所定の増分値ずつ増大させることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
4. 前記オープンループ制御部は、前記第１の時間が経過した後に前記光量値の極大値または極小値の検出を判定した時点を所定条件の成立とし、前記制御切換部はオープンループ制御からフィードバック制御に切り換えることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
5. チャンバ内において成膜材料を加熱する加熱部の出力を制御して、成膜材料を飛翔させて被成膜体表面に堆積させる薄膜形成方法であって、
   薄膜が形成された被成膜体に所定の光を照射したときの透過又は反射した光量値が、予め設定した規準光量値が近似もしくは等しくなるように、前記加熱部の出力をフィードバック制御により調整する手順と、
   前記光量値が極大値または極小値近傍で予め設定したしきい値に達したときに、フィードバック制御を終了する手順と、
   前記フィードバック制御終了時点の出力を第１の時間だけ保持する手順と、
   前記第１の時間内に前記光量値が極大値または極小値となったか否かを判定する手順と、
   前記第１の時間が経過したときに光量値が極大値または極小値となっていない場合には、前記出力を増大する手順と、を含むことを特徴とする薄膜形成方法。
6. 前記第１の時間は、前記フィードバック制御終了時点の出力に基づいて、フィードバック制御終了時点から極大値または極小値を検出するであろう時間を予測したものであることを特徴とする請求項５に記載の薄膜形成方法。
7. 前記出力を増大する手順は、第２の所定時間内で前記極大値または極小値の検出を判定し、第２の所定時間が経過する間に極大値または極小値が検出されないときには、出力を所定の増分値ずつ増大させることを特徴とする請求項５に記載の薄膜形成方法。
8. 前記光量値の極大値または極小値の検出を判定した時点から、前記フィードバック制御に切り換えることを特徴とする請求項５に記載の薄膜形成方法。

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