JP2011074434A - 成膜方法および成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基材上に多層膜を形成する際に、より高精度な膜厚制御が可能な成膜装置および成膜方法を提供する。
【解決手段】基材上に多層膜を形成する成膜方法であって、前記多層膜の膜原料源を備える真空槽の内部に、基材と、基材上に形成される多層膜をモニタリングするためのモニタ基板とを配置する配置ステップと、真空中で膜原料源にエネルギーを付与して、基材上に膜原料を堆積させて多層膜のうちの３層以上の層を形成するとともに、モニタ基板上に、単層膜および、複数の互い異なる層構成の多層膜を同時に形成する形成ステップと、形成ステップにおいて、単層膜の光学膜厚を測定する光学膜厚測定ステップと、モニタ基板上の多層膜の分光光学特性を測定する分光光学測定ステップ、および測定された光学膜厚および／または分光光学特性から、基材上に形成される多層膜の残りの各層の厚みを再設定する再設定ステップを含む成膜方法を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基材上に多層膜を形成するための成膜方法およびそのための成膜装置に関する。

光学フィルタ、レンズ、反射鏡などの光学部材に所望の光学特性（光透過率や反射率、位相特性など）を付与したり、反射防止機能を付与したりするため、その表面に複数層からなる光学薄膜を形成することが多い。このように基材表面に光学薄膜などの薄膜を複数層形成する場合、真空蒸着装置やスパッタ装置などの成膜装置が従来から用いられている。

しかしながら、従来の成膜装置では膜厚制御誤差や屈折率のばらつきなどにより目標とする光学特性と実際に形成される多層膜の光学特性との間に差が生じることがあった。このため、膜厚制御誤差を小さくするために種々の成膜装置が提案されている。

例えば、特開２００２−１１５０５３号公報（特許文献１）には、内部に蒸発源を備える真空装置内に、蒸発源の上方に光学特性基板と膜厚制御モニタ基板と製品の基板を設置する基板ホルダとが配置された成膜装置が開示されている。また、特開２００７−５１３４７号公報（特許文献２）には、内部に蒸発源を備えるチャンバ内に、複数の基板を保持するホルダと、基板上に形成される各層の膜厚をモニタリングするために各層を形成するごとに切り替わってホルダの開口を介して露出する複数の第一のモニタ基板と、基板上に形成される多層膜の光学特性をモニタリングする第二のモニタ基板とを有する多層膜形成装置が開示されている。これらの装置では光学特性をモニタリングする基板と膜厚をモニタリングする基板とが別個独立に設けられており、多層膜の光学特性と各層の膜厚とを独立にモニタリングすることによって従来の成膜装置を用いた場合よりも高精度の膜厚制御を可能にした。

特開２００２−１１５０５３号公報 特開２００７−５１３４７号公報

しかしながら、多層膜の光学特性の更なる高精度化が求められるのに伴い、より高精度な膜厚制御が可能な成膜装置および成膜方法が求められている。

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、基材上に多層膜を形成する際に、より高精度な膜厚制御が可能な成膜装置および成膜方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に従えば、基材上に多層膜を形成する成膜方法であって、前記多層膜の膜原料源を備える真空槽の内部に、前記基材と、該基材上に形成される多層膜をモニタリングするためのモニタ基板とを配置する配置ステップと、真空中で前記膜原料源にエネルギーを付与して、前記基材上に前記膜原料を堆積させて前記多層膜のうちの３層以上の層を形成するとともに、前記モニタ基板上に、単層膜および、複数の互い異なる層構成の多層膜を同時に形成する形成ステップと、前記形成ステップにおいて、前記単層膜の光学膜厚を測定する光学膜厚測定ステップと、前記モニタ基板上の多層膜の分光光学特性を測定する分光光学測定ステップ、および前記測定された光学膜厚および／または分光光学特性から、前記基材上に形成される多層膜の残りの各層の厚みを再設定する再設定ステップを含む成膜方法が提供される。

本発明の第２の態様に従えば、内部で基材上へ多層膜の成膜を行う真空槽と、前記多層膜の各層の光学膜厚のモニタリングを行う光学膜厚モニタと、前記多層膜の分光光学特性のモニタリングを行う分光光学特性モニタと、前記光学膜厚および／または前記分光光学特性のモニタリング結果から多層膜の成膜の制御を行う演算・制御システムとを有し、前記真空槽の内部には、前記多層膜の膜原料源と、複数の前記基材を回転自在に保持するための基材ホルダと回転軸を有し、前記基材上に形成される多層膜をモニタリングするためのモニタ基板と、前記膜原料源と前記モニタ基板の間に配置され、前記モニタ基板を前記膜原料源から遮蔽するモニタ基板マスクと、前記モニタ基板を前記回転軸を中心に、前記モニタ基板マスクに相対して回転する回転装置とを備え、前記モニタ基板マスクは、前記回転軸を中心とした所定の角度で開いた円弧状の開口を有し、前記回転装置が、前記多層膜の各層の成膜毎に、前記円弧を区画する前記所定の角度よりも小さい回転角度で前記モニタ基板を回転する成膜装置が提供される。

本発明によれば、基材上に多層膜を形成する際に、多層膜の形成と並行して、モニタリング基板上に単層膜が成膜された光学膜厚測定部および、複数の互い異なる層構成の多層膜が成膜された分光光学特性測定部を形成する。複数の分光光学特性部からは、複数の分光光学特性を得ることができる。これら複数の分光光学特性に基づいて、基材上に形成される多層膜の各層の高度な膜厚制御が可能となり、基材上に形成される多層膜の最終的な光学特性を設定値に近づけることができる。

本発明の実施形態における膜厚制御装置の概略図である。 本発明の実施形態におけるモニタ基板マスクの概略図である。 （ａ）〜（ｅ）は本発明の実施形態におけるモニタ基板およびモニタ基板マスクの概略図であって、モニタ基板上に光学膜厚測定部および複数の分光光学特性測定部を形成する様子を示す図である。 本発明の実施形態における成膜方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例１および比較例１における第１層から第３層まで積層した多層膜が形成された分光光学特性測定部の分光光学特性を示す図である。 本発明の実施例１における第２層および第３層からなる多層膜が形成された分光光学特性測定部の分光光学特性を示す図である。 本発明の実施例１における基材上に形成された多層膜の最終的な光学特性を示す図である。 本発明の比較例１における基材上に形成された多層膜の最終的な光学特性を示す図である。 本発明の比較例１における従来の膜厚制御装置の概略図である。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこの図面に限定されるものではない。

＜成膜装置＞
本発明の成膜装置１００について、図１を参照しながら説明する。成膜装置１００は、基材３上に多層膜を成膜する装置であり、その内部で基材３上へ多層膜の成膜を行う真空槽１と、基材３上の多層膜の各層の光学膜厚のモニタリングを行う光学膜厚モニタ８と、基材３上の多層膜の分光光学特性のモニタリングを行う分光光学特性モニタ７と、光学膜厚および／または分光光学特性のモニタリング結果から多層膜の成膜の制御を行う演算・制御システム１１とを主に有する。

図１における真空槽１内の下部には膜原料源１２が配置されている。膜原料源１２は、採用する成膜方法により適切な膜原料源を配置することができ、例えば、真空蒸着法の場合には抵抗加熱や電子銃加熱などが可能な蒸発源が配置され、スパッタリング法の場合にはスパッタ源が配置される。

真空槽１内の上部には、複数の基材３を回転自在に保持するための基材ホルダ２と、基材３上に形成される多層膜をモニタリングするためのモニタ基板６と、モニタ基板マスク４とが配置されている。

基材ホルダ２は、膜原料源１２を中心としたドーム形状であり、回転軸２１を中心に回転可能である。回転軸２１の延長上には、膜原料源１２が位置する。基材ホルダをこのようなドーム形状とすることで、基板ホルダ２に保持される複数の基材３を膜原料源１２から等距離に保持できる。

基材ホルダ２は、回転軸２１の周囲に開口２０を有し、この開口２０にモニタ基板６が回転自在に設置されている。モニタ基板６は通常、モニタ基板ホルダ５にセットされて設置されているが、回転自在に設置されていればモニタ基板６の設置手段は特に限定されない。基材ホルダ２とモニタ基板６は略同一の回転軸２１で独立に回転する。モニタ基板６がモニタ基板ホルダ５にセットされている場合には、モニタ基板ホルダ５を回転装置（図示せず）により回転駆動させることによって、モニタ基板６とモニタ基板ホルダ５は一体となって略同一の回転軸２１を中心に基材ホルダ２に対して独立に回転する。

図１に示すように、モニタ基板６は、基板ホルダ２の開口２０において、基板ホルダ２のドーム状の曲面と略面一に配置されている。したがって、基板ホルダ２に保持される複数の基材３と、モニタ基板６は、膜原料源１２から、ほぼ等距離に配置されている。モニタ基板６上には、基材３上に多層膜を成膜すると同時に、単層膜が成膜された光学膜厚測定部６２および複数の互い異なる層構成の多層膜が成膜された分光光学特性測定部６１が形成される。これら光学膜厚測定部６２および光光学特性測定部６１の詳細は後述する。モニタ基板６と基材３を膜原料１２からほぼ等距離に配置することによって、基材３上での多層膜の成膜条件に近似した条件で、モニタ基板６上に、光学膜厚測定部６２および光光学特性測定部６１を形成することができる。

モニタ基板マスク４は、装置１００に固定した状態でモニタ基板６の膜原料源１２側に配置される。モニタ基板マスク４は、図２に示すように円盤状であり、回転軸２１を中心として所定の角度θで開いた円弧状の開口４１が形成されている。本実施形態では、θは１８０°である。この開口４１を通じて、モニタ基板６の周辺部の一部が膜原料源１２に対して露出する。本実施形態では、後述するように基材３上に多層膜を成膜するのと同時に、開口４１を通じて露出するモニタ基板６の一部に、単層膜が成膜された光学膜厚測定部６２、および複数の互いに層構成の異なる多層膜が成膜された分光光学特性測定部６１が形成される。

図１に示すように、真空槽１内の上部には、光学膜厚測定部６２に成膜される単層膜の光学膜厚を測定する光学膜厚モニタ８が接続される。光学膜厚モニタ８は、第１投受光部８ａ、光学膜厚測定用光源および受光装置９、第１投受光部８ａと光学膜厚測定用光源および受光装置９を接続する光ファイバ８ｂからなる。第１投受光部８ａは、真空槽１の内部においてモニタ基板６の裏面すなわち、モニタ基板マスク４と対向する面とは反対側の面に対向している。光学膜厚モニタ８は、光学膜厚測定用光源９の単波長の光を第１投受光部８ａから、モニタ基板６を介して光学膜厚測定部６２に照射する。また、照射された光の反射光を第１投受光部８ａで受光して光ファイバ８ｂを介して光学膜厚測定用受光装置９に伝搬し、そこで、膜厚を求めることができる。成膜装置１００は、光学膜厚測定部６２に成膜される単層膜の光学膜厚を測定することにより、基材３上に形成される多層膜の各層の光学膜厚をモニタリングする。光学膜厚測定用受光装置９としては、低照度から高照度まで光電流の直線性が良好であることから光電子増倍管（ＰＭＴ）が好ましい。また、光ファイバ８ｂを用いることにより、第１投受光部８ａをモニタ基板６に対して近づけることができ、測定精度が向上する。

更に、成膜装置１００には、分光光学特性測定部６１に成膜される、複数の互い異なる層構成の多層膜の分光光学特性を測定する分光光学特性モニタ７が設けられている。分光光学特性モニタ７は、真空槽１の上部に光学膜厚モニタ８と並んで接続されている。分光光学特性モニタ７は、第２投受光部７ａ、分光光学特性測定用光源および受光装置１０、第２投受光部７ａと分光光学特性測定用光源および受光装置１０を接続する光ファイバ７ｂからなる。第２投受光部７ａは、真空槽１の内部においてモニタ基板６の裏面すなわち、モニタ基板マスク４と対向する面とは反対側の面に対向している。分光光学特性モニタ７は、分光光学特性測定用光源１０の多波長の光を第２投受光部７ａから、モニタ基板６を介して分光光学特性測定部６１に照射する。また、照射された光の反射光を第２投受光部７ａで受光して光ファイバ７ｂを介して分光光学特性測定用受光装置１０に伝搬し、そこで分光計測する。成膜装置１００は、分光光学特性測定部６１に成膜される多層膜の分光光学特性を測定することにより、基材３上に形成される多層膜の分光光学特性をモニタリングすることができる。分光光学特性測定用受光装置１０としては、計測時間が短いラインセンサを搭載した瞬間マルチ分光光度計が好ましい。また、光ファイバ７ｂを用いることにより、第２投受光部７ａをモニタ基板６に対して近づけることができ、測定精度が向上する。尚、第２投受光部７ａの位置は固定されている。モニタ基板６を回転させることにより、複数の分光光学特性測定部６１のうち測定対象となるものを第２投受光部７ａに位置合わせし、測定対象の分光光学特性を測定する。

光学膜厚測定用受光装置９および分光光学特性測定用受光装置１０は演算・制御システム１１に接続されている。演算・制御システム１１では、光学膜厚測定用受光装置９および分光光学特性測定用受光装置１０で得られた測定結果、基材３上に積層された多層膜各層の膜厚の設定値および多層膜各層の膜原料の屈折率等から、基材３上に積層された多層膜の各層の膜厚を計算する。そして、計算した多層膜の各層の膜厚に基づいて、さらに積層する層の膜厚および成膜条件を再設定する。演算・制御システム１１は、膜原料源１２等に接続されており、再設定した成膜条件に基づいて膜原料源１２等を制御する。

次に、モニタ基板６およびモニタ基板マスク４について説明する。モニタ基板６の直径は１２０ｍｍ以下であることが好ましく、１００ｍｍ以下であることがより好ましい。モニタ基板６の直径が１２０ｍｍを超えるとモニタ基板６内での温度分布が大きくなり、さらに膜原料源１２との距離に差が生じるため、複数の分光光学特性測定部６１および光学膜厚測定部６２に堆積する膜の厚みの差が大きくなる傾向にある。

モニタ基板マスク４の円弧状の開口４１の幅は、第１投受光部８ａおよび第２投受光部７ａの直径に対して３倍以上の大きさであることが好ましい。開口４１の幅が上記下限未満になると開口４１を通じて露出するモニタ基板６に膜原料が堆積する時に、モニタ基板マスク４の厚みによりモニタ基板６と膜原料源１２との間に陰が形成され、これに起因する膜厚ムラが発生して正確な分光光学特性および光学膜厚を測定できなくなる。一方、開口４１の幅を大きくすると膜厚ムラの影響を受けることなく正確な分光光学特性および光学膜厚を測定することができるため、開口４１の幅の上限は特に制限されない。しかしながら、熱変形が起きた場合などのマスクの機械強度維持の観点から、開口４１の幅は第１投受光部８ａおよび第２投受光部７ａの直径に対して５倍以下の大きさであることが好ましい。以上の観点から、第１投受光部８ａおよび第２投受光部７ａの直径がφ５ｍｍである場合には開口４１の幅はφ１５〜２５ｍｍであることが好ましい。尚、開口４１の幅が第１投受光部８ａおよび第２投受光部７ａの直径の３倍未満の場合でも、例えば、第１投受光部８ａおよび第２投受光部７ａと開口４１との間に、集光レンズを設ける等により、正確な光学膜厚測定および分光光学特性を測定することができる。また、開口４１の円弧を区画する所定の角度θは、１２０°〜２４０°の範囲とすることが、より多くの層の組合わせを成膜出来るという観点から好ましい。

モニタ基板６の好ましい材料としては、一般的に白板ガラスや青板ガラスと称されるソーダライムガラスや合成石英ガラスが挙げられ、モニタ基板マスク４の好ましい材料としては、ＪＩＳ記号でＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６と称されるステンレス鋼が挙げられる。

＜成膜方法＞
次に、本発明の成膜方法について図１から図４を参照しながら説明する。本実施形態において、成膜装置１００は蒸着装置である。

＜第１層の形成＞
図１に示すように、真空槽１の内部に、基材３上に形成する第１層の膜材料を膜原料源１２として設置し、基板ホルダ２に基材３、モニタ基板６およびモニタ基板マスク４を配置する（ステップＳ１）。このとき、図３（ａ）に示すように、モニタ基板６はモニタ基板マスク４により膜原料源１２から隠蔽されており、モニタ基板マスク４の開口４１に対向するモニタ基板６の領域７０のみが膜原料源１２に対して露出する。

次に、基材３上に形成する多層膜の各層の膜厚を設定する。得られた多層膜の設定値から光学膜厚の制御値を計算する。得られた光学膜厚制御値に基づいて、真空槽１内を真空状態にし、次いで膜原料源（蒸発源）１２を加熱して膜原料を蒸発させ、基材３上に膜原料を蒸着（堆積）させる。このとき、モニタ基板マスク４の開口４１を通じて露出しているモニタ基板６の領域７０上にも膜原料が堆積する。こうして、第１層が基材３およびモニタ基板６上に形成される。第１層の形成中、光学膜厚モニタ８により、モニタ基板６の領域７０に堆積する第１層の光学膜厚を単波長の光で測定し、領域７０の第１層の光学膜厚が光学膜厚制御値になるまで膜原料を堆積させる。

第１層の成膜が終了した後、領域７０に形成された第１層の分光光学特性を分光光学特性モニタ７により、多波長の光で測定する。

光学膜厚測定用受光装置９および分光光学特性測定用受光装置１０で得られた測定結果は、演算・制御システム１１に送られる。演算・制御システム１１では、光学膜厚測定用受光装置９および分光光学特性測定用受光装置１０で得られた測定結果、基材３上に積層された第１層の膜厚の設定値および第１層の膜材料の屈折率等から、基材３上に積層された第１層の膜厚を計算する。計算した第１層の膜厚に基づいて、第２層以降の各層の成膜条件および膜厚の設定値を再設定する。

次に、モニタ基板６を図３（ａ）に示す矢印の方向へ回転軸２１を中心として所定の角度αだけ回転移動させる。本実施形態では、αは２０°である。モニタ基板マスク４が膜材料源１２に対して固定されているため、モニタ基板６を回転させることにより、第１層が形成された領域７０の一部が膜原料１２から隠蔽され、新たに膜原料が堆積していないモニタ基板６の領域が開口４１を介して露出する。図３（ｂ）は、新たに開口４１を介して露出したモニタ基板６の領域を領域７１、第１層が形成されており引き続き開口を介して露出している領域を領域７２、第１層が形成されており膜原料１２から隠蔽される領域を領域７３としてそれぞれ示した。尚、モニタ基板６を回転移動させる角度αは、開口７０の円弧を区画する所定の角度θより小さい。角度αは、モニタ基板マスクの厚みによって発生する膜厚ムラを考慮し、かつより多くの層の組合わせを成膜する観点から、１５°〜３０°が好ましい。

＜第２層の形成＞
膜原料源１２として、第２層の膜材料を第１層の膜材料に代えて真空槽１の内部に設置する。演算・制御システム１１が、再設定した成膜条件および膜厚に基づいて膜原料源１２を制御して、基材３およびモニタ基板６の領域７１および領域７２に、第２層の膜原料を蒸着（堆積）させる。このとき、図３（ｃ）に示すように、領域７１には第２層が単層膜として形成される。この第２層の単層膜が形成された領域７１が、光学膜厚測定部６２である。同時に、領域７２には第１層の上に第２層が積層され、第１層および第２層からなる分光光学特性測定部６１が形成される。基材３に第２層が形成された時点では、分光光学特性測定部６１は１個のみ形成される。第２層の成膜は、光学膜厚モニタ８により、光学膜厚測定部６２に堆積する第２層の光学膜厚を単波長の光で測定し、第２層の光学膜厚が光学膜厚制御値になるまで膜原料を堆積させる。尚、モニタ基板６上には、第１層が単層膜として形成された領域７３が引き続き存在している。

第２層の成膜が終了した後、分光光学特性測定部６１に形成された第１層および第２層からなる多層膜の分光光学特性を分光光学特性モニタ７により、多波長の光で測定する。

第１層を成膜したときと同様に、光学膜厚測定用受光装置９および分光光学特性測定用受光装置１０で得られた測定結果は、演算・制御システム１１に送られ、基材３上に積層された第２層の膜厚を計算する。計算した第２層の膜厚を基に、第３層以降の各層の成膜条件および膜厚を再設定する。

＜第３層以降の形成＞
第２層を形成した後、再びモニタ基板６を図３（ｃ）に示す矢印の方向に回転軸２１を中心として所定の角度αだけ回転移動し、第２層と同様にして基材３上に第３層を形成する。このとき、図３（ｄ）に示すように、開口４１を介して露出した領域の一部に、第３層が単層膜として成膜された光学膜厚測定部６２が形成される。同時に、異なる層構成の３個の分光光学特性測定部６１が形成される。第２層および第３層が積層した分光光学特性測定部６１Ａ、第１層から第３層が積層した分光光学特性測定部６１Ｂ、第２層および第１層が積層した分光光学特性測定部６１Ｃである（ステップＳ２）。第３層の成膜は、光学膜厚モニタ８により、光学膜厚測定部６２に堆積する第３層の光学膜厚を単波長の光で測定し、第３層の光学膜厚が光学膜厚制御値になるまで膜原料を堆積させる（ステップＳ３）。

第３層の成膜が終了した後、分光光学特性測定部６１Ａ〜６１Ｃに形成された異なる層構成の多層膜の分光光学特性を分光光学特性モニタ７により、多波長の光で測定する（ステップＳ４）。

第１層を成膜したときと同様に、光学膜厚測定用受光装置９および分光光学特性測定用受光装置１０で得られた測定結果は、演算・制御システム１１に送られ、基材３上に積層された第３層の膜厚を計算する。計算した第３層の膜厚を基に、第４層以降の各層の成膜条件および膜厚を再設定する（ステップＳ５）。

本実施形態では、基材３に第３層を積層した時点で、モニタ基板６上に、異なる層構成の多層膜が成膜された３個の分光光学特性測定部６１Ａ〜６１Ｃが形成され、それぞれの分光光学特性を測定することができる。複数の分光光学特性を得ることで、演算・制御システム１１において、より正確な第３層の膜厚を計算することができる。

多層膜の構成によっては、第１層から第３層まで積層した積層膜の分光光学特性のみでは、第３層の膜厚を検出することが難しい場合がある。第１層から第３層まで積層した積層膜の分光光学特性から第３層の膜厚を検出するには、その測定結果と、第１層および第２層からなる積層膜の分光光学特性の測定値あるいは演算値とを比較して、分光光学特性の変化量から第３層の膜厚を計算する。あるいは、第３層が設定した膜厚で成膜されたと仮定して、第１層から第３層まで積層した積層膜の分光光学特性を、各層の膜材料の屈折率および膜厚の設定値等から計算する。その計算結果と実際の測定結果とを比較して、分光光学特性の差から実際に成膜された第３層の膜厚を計算する。どちらの場合も、第３層の膜厚の変化によって、第１層から第３層まで積層した積層膜の分光光学特性が変化する必要がある。多層膜の干渉条件によっては、この第３層の膜厚の変化による多層膜の分光光学特性の変化が小さい場合がある。その結果、第３層の膜厚を高い精度で検出することが出来ず、実際に成膜された膜厚と計算で求めた膜厚の間に誤差が生じる。第３層で生じた膜厚の誤差は、第４層以降の膜厚の再設定にも影響を与え、結果として、多層膜の最終的な光学特性が設定値から大きくずれてしまう。従来の成膜方法では、例えば特許文献１および特許文献２に開示されているように、基材３上に第３層まで積層した時点において、第１層から第３層まで積層した積層膜の分光光学特性しか得られず、第３層および第３層以降の高度な膜厚制御は困難であった。

本実施形態では、第１層から第３層まで積層された積層膜以外に、第２層と第３層からなる積層膜、または第２層と第１層からなる積層膜の分光光学特性を得ることで、これら複数の情報から、演算・制御システム１１において第３層の膜厚をより正確に求めることができる。例えば、第１層から第３層まで積層した積層膜の分光光学特性のみでは、第３層の膜厚を検出することが難しい場合であっても、他の構成の多層膜においては、その分光光学特性が第３層の膜厚の変化に高感度で反応する場合がある。このように、複数の互い異なる層構成の多層膜を形成し、複数の分光光学特性を得られる本実施形態の成膜方法は、高度な膜厚制御に有用な成膜方法である。

尚、分析者（測定者）は、必ずしも形成された全ての分光光学特性測定部の分光光学測定を行う必要はない。必要に応じて、適宜選択した分光光学特性測定部についてのみ分光光学測定を行ってもよい。

第４層目以降は、第３層と同様の方法を繰り返して成膜を行う。基材３上に第６層まで成膜したときのモニタ基板６を図３（ｅ）に示す。開口４１を介して露出した領域の一部に、第６層が単層膜として形成された光学膜厚測定部６２が形成される。同時に、異なる層構成の多層膜が成膜された９個の分光光学特性測定部６１ａ〜６１ｉが形成される。分光光学特性測定部６１ａ〜６１ｉの層構成を表１に示す。尚、モニタ基板６上には、第１層が単層膜として形成された領域７３が引き続き存在している。

更に、基材３上に第ｎ層まで成膜したときの分光光学特性測定部６１の層構成を表１に示す。第１層から第ｎ層まで基材３上に形成したとき、モニタ基板６上には、第ｎ層が単層膜として成膜された光学膜厚測定部６２が形成される。同時に、表１に示す（２ｎ-３）個の異なる層構成の多層膜が成膜された光学膜厚測定部６１がモニタ基板６上に形成される。

この操作を所望の層数について繰り返すことによって、基材３上に得られる多層膜の最終的な光学特性を、設定値の光学特性により近づけることができる。ただし、真空槽の内部では、場所によって作成される膜の膜厚や光学特性がばらつく場合がある。このため、必要に応じて、基板３とモニタ基板６との膜厚や光学特性の相関を予め調べておき、その結果に基づきモニタ基板６での測定結果を補正してもよい。モニタリング基板６の補正した測定結果を用いることで、より高い精度で基材３上の多層膜をモニタリングすることができる。また、分光光学特性から実際の膜厚を算出する際に測定している膜は真空状態または真空加熱状態のものであり、実際に膜を使用する環境とは異なる場合がある。例えば、真空加熱状態から大気常温状態に環境が変わると、膜中に大気中の水分が入り込み、見かけの光学膜厚が高くなることがある。このため、必要に応じて真空状態または真空加熱状態と、膜を使用する状態とにおける光学膜厚の差を考慮する必要がある。

以下、実施例１および比較例２に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。実施例１および比較例１は、基材３上に多層膜を形成した場合に、各層の膜厚制御が多層膜の最終光学特性に与える影響についてシュミレーションしたものである。

図１に示す本発明の成膜装置１００を用い、基材３上に第１層から第７層までを積層して多層膜を成膜する場合を想定した。第３層の膜厚制御を行い、第３層の膜厚が多層膜の最終光学特性に与える影響についてシミュレーションを行った。尚、基材３は光学ガラスＢＫ７、モニタ基板６は白板コントロールガラス、設計波長λは５５０ｎｍとした。第１層から第７層までの組成および膜厚を表２に示す。分光光学特性として、波長４５０〜８００ｎｍについての反射率Ｒを計算した。分光反射測定器の測定分解能は、±０．２％とした。各層に用いた材料の屈折率は、Ａｌ_２Ｏ_３：１．６５、ＺｒＯ_２：２．０２、ＭｇＦ_２：１．３８である。また、計算は一般的な四端子行列法を用いて実施した。

図３（ａ）から図３（ｄ）に示すように、第１層積層後にモニタ基板６を矢印方向へ回転し、更に第２層積層後にも矢印方向へモニタ基板６を回転し、その後、第３層を積層したと想定する。このとき、モニタ基板６には、図３（ｄ）に示すように、３個の膜構成の異なる分光光学特性測定部６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃが形成される。分光光学特性測定部６１Ａは第２層と第３層からなる積層膜、分光光学特性測定部６１Ｂは第１層から第３層まで積層した積層膜、光光学特性測定部６１Ｃは、第１層と第２層からなる積層膜である。このうち、分光光学特性測定部６１Ａ、６１Ｂについて、分光光学特性（反射率Ｒ）を計算した。ここで、第１層および第２層は、設定値の膜厚で形成したと想定し、第３層について、設定値で形成した場合、および設定値から膜厚がずれた場合について計算した。

分光光学特性測定部６１Ｂについては、第３層の膜厚が設定値（３１．３ｎｍ）の場合、設定値から５ｎｍ厚い（３６．３ｎｍ）場合、および設定値より７ｎｍ薄い（２４．３ｎｍ）場合の３通りの分光光学特性を計算した。分光光学特性測定部６１Ａについては、第３層の膜厚が設定値（３１．３ｎｍ）の場合と、設定値から２ｎｍ厚い（３３．３ｎｍ）場合、および設定値より２ｎｍ薄い（２９．３ｎｍ）場合の３通りの分光光学特性を計算した。

分光光学特性測定部６１Ｂの計算結果を図５に、分光光学特性測定部６１Ａの測定結果を図６に示す。図５および図６に示すように、第３層の膜厚が変化すると分光光学特性測定部６１ＢおよびＡの分光光学特性（反射率Ｒ）が変化する。

分光光学特性測定部６１Ｂは、分光光学特性測定部６１Ａと比較して、第３層の膜厚の変化に対する分光光学特性の変化が小さい。本実施例の分光反射測定器を用いた場合、図５に示す分光光学特性測定部６１Ｂの反射率において、第３層の膜厚が設定値より５ｎｍ以上厚いとき、または、設定値より７ｎｍ以上薄いとき、第３層の膜厚変化に伴う光学特性（反射率Ｒ）の変化を検出できる。

これに対し、図６に示すように、分光光学特性測定部６１Ａは、第３層の膜厚の変化に対する分光光学特性の変化が大きい。本実施例の分光反射測定器を用いた場合、図６に示す分光光学特性測定部６１Ａの反射率において、第３層の膜厚が設定値と±２ｎｍ以上の差を有すれば、第３層の膜厚変化に伴う光学特性（反射率Ｒ）の変化を検出できる。

分光光学特性測定部６１Ｂでは、そこに形成された第１層から第３層を積層した多層膜における光の干渉条件が、第３層の膜厚変化が検出しづらい（分光光学特性に影響を与え難い）条件であったと考えられる。一方、分光光学特性測定部６１Ａでは、第１層から第３層を積層した多層膜から第１層が除かれた構成であり、光の干渉条件が第３層の膜厚変化が検出し易い（分光光学特性に影響を与え易い）条件に変化したと考えられる。本実施例では、第３層の膜厚検出感度の高い分光光学特性測定部６１Ａの分光光学特性を用いて、第３層を設定値から±２ｎｍまで制御することができる。

次に、基材３上に第７層まで多層膜を形成した場合に、多層膜の最終光学特性に与える第３層の膜厚の影響をシュミレーションした。最終光学特性として、波長４００〜８００ｎｍについての反射率Ｒを計算した。分光反射測定器の測定分解能は、±０．２％とし、第３層以外の各層の膜厚は設定値とした。第３層の膜厚は、設定値の場合、設定値より２ｎｍ薄い場合、設定値より２ｎｍ厚い場合の３通りについて計算を行った。結果を図７に示す。

図７から、第３層の膜厚を設定値から±２ｎｍの範囲に制御することにより、基材３上に形成した多層膜の最終的な光学特性（反射率）は、計算した波長域において設定値から最大で±０．２％のずれしか示さないことがわかった。

[比較例１]
図８に示す従来の成膜装置２００を用い、基材３上に第１層から第７層までを積層して多層膜を成膜する場合を想定した。実施例１と同様に、第３層の膜厚制御を行い、第３層の膜厚が多層膜の最終光学特性に与える影響についてシミュレーションを行った。成形装置２００は、単層膜が成膜される分光膜厚モニタ部８２および多層膜が成膜される光光学特性モニタ部８１を有する。

尚、基材３、モニタ基板６、設計波長λ、第１層から第７層までの組成、膜厚および各層に用いた材料の屈折率については、実施例１と同様と想定した。分光光学特性として、実施例１と同様に、波長４５０〜８００ｎｍについての反射率Ｒを計算した。分光反射測定器の測定分解能は、実施例１と同様に、±０．２％とした。

基材３上に第１層から第３層まで積層したと想定する。このとき、分光光学特性モニタ部８１には、第１層から第３層まで積層された積層膜が形成される。分光光学特性モニタ部８１に形成させる多層膜の層構成は、実施例１の分光光学特性測定部６１Ｂに形成される層構成と同様である。

分光光学特性モニタ部８１について、分光光学特性（反射率Ｒ）を計算した。実施例１の分光光学特性測定部６１Ｂについて行った分光光学特性の計算と同様に、第１層および第２層は設定値の膜厚で成膜したと想定し、第３層について、膜厚が設定値の場合、設定値から５ｎｍ厚い（３６．３ｎｍ）場合、および設定値より７ｎｍ薄い（２４．３ｎｍ）場合の３通りの分光光学特性を計算した。計算結果は、実施例１の分光光学特性測定部６１Ｂの計算結果と同様であり、その結果を図５に示す。

実施例１で説明したように、実施例１および本比較例の分光反射測定器を用いた場合、図５に示す分光光学特性モニタ部８１（分光光学特性測定部６１Ｂ）の反射率において、第３層の膜厚が設定値より５ｎｍ以上厚いとき、または、設定値より７ｎｍ以上薄いとき、第３層の膜厚変化に伴う光学特性（反射率Ｒ）の変化を検出できる。

分光光学特性モニタ部８１では、そこに形成された第１層から第３層を積層した多層膜における光の干渉条件が、第３層の膜厚変化が検出しづらい（分光光学特性に影響を与え難い）条件であったと考えられる。本比較例では、分光光学特性モニタ部８１の分光光学特性を用いて、第３層の膜厚を設定値から５ｎｍ薄い値から設定値から７ｎｍ厚い値の範囲にしか制御することができない。

次に、基材３上に第７層まで多層膜を形成した場合に、多層膜の最終光学特性に与える第３層の膜厚の影響をシュミレーションした。実施例１と同様に、最終光学特性として、波長４００〜８００ｎｍについての反射率Ｒを計算した。分光反射測定器の測定分解能は、±０．２％とし、第３層以外の各層の膜厚は設定値とした。第３層の膜厚は、設定値の場合、設定値より５ｎｍ薄い場合、設定値より７ｎｍ厚い場合の３通りについて計算を行った。結果を図８に示す。

図８から、第３層の膜厚を設定値から５ｎｍ薄い値から設定値から７ｎｍ厚い値の範囲に制御することにより、基材３上に形成した多層膜の光学特性（反射率）は、計算した波長域において最大で＋０．８％ものずれを示すことがわかった。

尚、本実施形態においては、モニタ基板６を回転させて、モニタ基板６上に複数の互い異なる層構成の多層膜が成膜された分光光学特性測定部６１を形成したが、必ずしもモニタ基板６を回転させる必要はない。例えば、モニタ基板マスク４に多数の開閉可能なシャッター付き開口部を形成し、必要に応じてシャッターの開閉をすることが考えられる。

本実施形態においては、モニタ基板６上の分光光学特性測定部６１に形成される多層膜の層構成は、例えば、第１層から第３層まで積層した多層膜、第２層および第３層からなる多層膜というように、基材３上に積層される多層膜における連続した層の組み合わせであるが、必ずしもそのような積層膜である必要はない。例えば、第１層と第３層からなる多層膜、第１層と第４層と第５層からなる多層膜、等であってもよい。これらの多層膜は、例えば、モニタ基板マスク４に多数の開閉可能なシャッター付き開口部を形成し、必要に応じてシャッターの開閉をすることによって、モニタ基板６上に形成することができる。

また、本実施形態においては、モニタ基板マスク４を固定して、モニタ基板６を回転させて、モニタ基板６上に複数の互い異なる層構成の多層膜が成膜された分光光学特性測定部６１を形成したが、反対に、モニタ基板６を固定して、モニタ基板マスク４を回転させてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、基材上に多層膜を形成する際に、より高精度な膜厚制御が可能となる。

したがって、本発明の成膜方法は、膜厚制御性に優れるため、より高精度の膜厚制御が要求される狭帯域反射防止膜、広帯域反射防止膜、干渉フィルタ、エッジフィルタなどを製造する場合に有用である。

１…真空槽、２…基材ホルダ、３…基材、４…モニタ基板マスク、５…モニタ基板ホルダ、６…モニタ基板、７…分光光学特性モニタ、７ａ…第２投受光部、７ｂ…光ファイバ、８…光学膜厚モニタ、８ａ…第１投受光部、８ｂ…光ファイバ、９…光学膜厚測定用光源および受光装置、１０…分光光学特性測定用光源および受光装置、１１…演算・制御システム、１２…膜原料源、４１…開口、６１…分光光学特性測定部、６２…光学膜厚測定部、７０〜７３…モニタ基板６の一部の領域、８１…分光光学特性モニタ部、８２…光学膜厚モニタ部

Claims (9)

1. 基材上に多層膜を形成する成膜方法であって、
   前記多層膜の膜原料源を備える真空槽の内部に、前記基材と、該基材上に形成される多層膜をモニタリングするためのモニタ基板とを配置する配置ステップと、
   真空中で前記膜原料源にエネルギーを付与して、前記基材上に前記膜原料を堆積させて前記多層膜のうちの３層以上の層を形成するとともに、前記モニタ基板上に、単層膜および、複数の互い異なる層構成の多層膜を同時に形成する形成ステップと、
   前記形成ステップにおいて、前記単層膜の光学膜厚を測定する光学膜厚測定ステップと、
   前記モニタ基板上の多層膜の分光光学特性を測定する分光光学測定ステップ、および
   前記測定された光学膜厚および／または分光光学特性から、前記基材上に形成される多層膜の残りの各層の厚みを再設定する再設定ステップを含む成膜方法。
2. 前記形成ステップが、
   開口が形成されたモニタ基板マスクを前記モニタ基板と前記膜材料源の間で、かつモニタ基板に隣接して配置することと、
   前記基材上に前記膜材料を堆積させながら、前記開口を介して前記膜材料源に対して露出する前記モニタ基板の領域に前記膜材料を堆積させること、および
   前記モニタ基板マスクに対して前記モニタ基板を変位させて、前記モニタ基板の前記膜材料が堆積した領域の一部を前記膜材料源に対して隠蔽し、且つ、該膜材料が堆積していないモニタ基板の領域を前記開口によって前記膜材料源に対して露出させることを含む請求項１に記載の成膜方法。
3. 前記モニタ基板マスクに対する前記モニタ基板の変位が、回転である請求項２に記載の成膜方法。
4. 前記モニタ基板は回転軸を有しており、
   前記モニタ基板マスクは円盤状であり、前記開口が前記モニタ基板の回転軸を中心とした円弧状である請求項３に記載の成膜方法。
5. 前記分光光学特性が、反射率であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の成膜方法。
6. 前記基材上に前記多層膜のうち第１層から第３層まで形成するとともに、前記モニタ基板上に、第３層の単層膜と、第２層および第３層からなる多層膜と、第１層から第３層まで積層した多層膜および第１層および第２層からなる多層膜とを同時に形成する前記形成ステップと、
   前記形成ステップにおいて、前記第３層の単層膜の光学膜厚を測定する前記光学膜厚測定ステップと、
   前記モニタ基板上の多層膜のうち、少なくとも1個の分光光学特性を測定する前記分光光学測定ステップと、
   前記測定された光学膜厚および／または分光光学特性から、前記基材上に形成される多層膜の第４層以降の厚みを再設定する前記再設定ステップを含む請求項１から５のいずれか一項に記載の成膜方法。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の成膜方法を実施するための成膜装置。
8. 内部で基材上へ多層膜の成膜を行う真空槽と、
   前記多層膜の各層の光学膜厚のモニタリングを行う光学膜厚モニタと、
   前記多層膜の分光光学特性のモニタリングを行う分光光学特性モニタと、
   前記光学膜厚および／または前記分光光学特性のモニタリング結果から多層膜の成膜の制御を行う演算・制御システムとを有し、
   前記真空槽の内部には、
   前記多層膜の膜原料源と、
   複数の前記基材を回転自在に保持するための基材ホルダと、
   回転軸を有し、前記基材上に形成される多層膜をモニタリングするためのモニタ基板と、
   前記膜原料源と前記モニタ基板の間に配置され、前記モニタ基板を前記膜原料源から遮蔽するモニタ基板マスクと、
   前記モニタ基板を前記回転軸を中心に、前記モニタ基板マスクに相対して回転する回転装置とを備え、
   前記モニタ基板マスクは、前記回転軸を中心とした所定の角度で開いた円弧状の開口を有し、
   前記回転装置が、前記多層膜の各層の成膜毎に、前記円弧を区画する前記所定の角度よりも小さい回転角度で前記モニタ基板を回転する成膜装置。
9. 前記モニタ基板は、前記モニタ基板マスクの前記開口を介して前記膜材料源に対して露出する露出領域を有し、
   前記露出領域には、単層膜および、複数の互い異なる層構成の多層膜が形成され、
   前記光学膜厚モニタは、前記単層膜の光学膜厚の測定を行うことで、前記基材上の多層膜の各層の光学膜厚のモニタリングを行い、
   前記分光光学特性モニタは、前記モニタ基板上の多層膜の分光光学特性の測定を行うことで、前記基材上の多層膜の分光光学特性のモニタリングを行う請求項８記載の成膜装置。

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