JP3298682B2 - 多層膜の成膜装置並びに光学特性の測定方法及び成膜方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学デバイス等に用い
られる多層膜の成膜装置並びに光学特性の測定方法及び
成膜方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＴｉＯ₂ 、ＳｉＯ₂ 等を積層して形成し
た多層膜は、例えば、ビデオカメラの色分解プリズム等
に用いられ、特定の波長の光を抜き取って録画を行う場
合に機能する。

【０００３】近年、電子機器の高性能化に伴い光学デバ
イスの高性能化の要望も高まっており、とりわけ色分解
プリズム等に用いられる多層膜としては均一の膜厚で品
質の揃ったものが要求される。

【０００４】従来、この種の多層膜を形成するには、単
色測光法もしくは２色測光法等の光学的膜厚制御法が用
いられてきた。以下、単色測光法を例に採り図１９を用
いて説明する。

【０００５】排気ポンプ６０によって高真空状態に保持
された成膜室６１内に設けられたＥＢ銃６２により蒸着
材料６３を加熱溶融し、蒸発させる。蒸発した蒸発粒子
６４は基板ホルダ−６５上に設置された基板６６に到達
し、薄膜を形成する。また、基板ホルダ−６５の穴部６
７を通過した蒸発粒子６４はモニタ基板６８にも到達
し、薄膜を形成する。

【０００６】光源６９を出射した特定波長の光束は、モ
ニタ基板６８上に形成された薄膜に到達し、反射された
光束が検出器７０で検出される。モニタ基板６８上に形
成される薄膜の屈折率や膜厚によって反射光量が変化す
るため、所定の反射光量となった時点でシャッタ−７１
を閉じ、蒸着を終了させて第１層目の成膜を完了する。

【０００７】次に、蒸着材料６３を違う材料に交換し、
また、モニタ基板６８も新しい基板に交換する。第１層
目と同様にＥＢ銃６２によって加熱溶融することで蒸着
材料６３を蒸発させ、基板６６上に第２層目を形成す
る。このような操作を多数回繰り返すことにより、各層
の膜厚が揃った多層膜を形成する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の成膜方法にあっては、以下のような課題があった。
すなわち、薄膜からの反射光量や透過光量を利用して行
うため、光源や蒸発源から発生する光ノイズ等の影響に
より、０．５％以下の高精度な薄膜制御は非常に困難で
あった。

【０００９】また、反射光量や透過光量は薄膜の屈折率
と膜厚とを掛け合わせた光学的膜厚に応じて周期的に変
化するため、この周期性を利用することで光学的膜厚制
御は比較的容易であるが、真空度や成膜温度等の成膜条
件が微妙に変化して薄膜の屈折率が変化すると、光学的
膜厚が一定でも膜厚は変化してしまうため、高精度な膜
厚制御は困難であるという課題を有していた。

【００１０】特に、近年の光学デバイスに要求される仕
様は非常に厳しく、従来の光学的膜厚精度では不十分で
あり、より高精度な制御方法が望まれていた。また、何
十層もの多層膜を成膜する場合、たとえ１層でも何らか
の理由で膜厚制御不良が起こった場合には、バッチ内の
製品がすべて不良品になってしまうという量産上大きな
課題を有していた。

【００１１】本発明は、前記従来技術の課題を解決する
ため、高精度な膜厚制御が可能な多層膜の成膜装置並び
に光学特性の測定方法及び成膜方法を提供することを目
的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る多層膜の成膜装置の第１の構成は、多
層膜の各層の膜厚もしくは光学的膜厚を制御する膜厚制
御手段と、前記膜厚制御手段とは別に設けられた、多層
膜を形成する多層膜モニタ基板と、前記多層膜モニタ基
板上に成膜された多層膜の光学特性を測定する測定手段
と、前記測定手段によって得られた結果を処理し、以降
積層する層の屈折率もしくは光学的膜厚を制御する制御
手段にフィードバックする機能とを少なくとも備えたも
のである。また、本発明に係る多層膜の成膜装置の第２
の構成は、真空状態に保持された成膜室と、前記成膜室
の内部に設けられ、多層膜が形成される基板と、多層膜
の各層の光学的膜厚を制御する光学的膜厚モニタ基板
と、前記光学的膜厚モニタ基板を各層ごとに交換するモ
ニタ交換機構と、前記光学的膜厚モニタ基板とは別に設
けられた、多層膜の分光特性を観察する多層膜モニタ基
板と、前記光学的膜厚モニタ基板及び多層膜モニタ基板
上に光を照射する光源と、前記光を成膜室内外に入出射
させる光学窓と、前記光学的膜厚モニタ基板上に成膜さ
れた薄膜からの反射光量もしくは透過光量を測定し、各
層の薄膜の膜厚を制御する制御手段と、前記多層膜モニ
タ基板上に成膜された多層膜からの反射光もしくは透過
光の分光特性を測定する測定手段と、前記測定手段によ
って得られた結果を処理し、各層の屈折率、膜厚を制御
する前記制御手段にフィードバックする機能とを少なく
とも備えたものである。

【００１３】また、本発明に係る多層膜の成膜装置の第
３の構成は、真空状態に保持された成膜室と、前記成膜
室の内部に設けられ、多層膜が形成される基板と、多層
膜の各層の光学的膜厚を制御する光学的膜厚モニタ基板
と、前記光学的膜厚モニタ基板を各層ごとに交換するモ
ニタ交換機構と、光学的膜厚モニタ基板の下側部分に配
置され、多層膜の分光特性を観察する多層膜モニタ基板
と、前記光学的膜厚モニタ基板及び多層膜モニタ基板上
に光を照射する光源と、前記光を成膜室内外に入出射さ
せる光学窓と、前記光学的膜厚モニタ基板上に成膜され
た薄膜からの反射光量もしくは透過光量を測定し、各層
の薄膜の膜厚を制御する制御手段と、前記多層膜モニタ
基板上に成膜された多層膜からの反射光もしくは透過光
の分光特性を測定する測定手段と、前記測定手段によっ
て得られた結果を処理し、各層の屈折率、膜厚を制御す
る前記制御手段にフィードバックする機能とを少なくと
も備えたものである。

【００１４】前記第３の構成においては、多層膜モニタ
基板を、光学的膜厚モニタ基板に対し特定角度傾けて配
置するのが好ましく、この場合にはさらに、特定角度が
０．２〜１度であるのが好ましい。

【００１５】また、前記第３の構成においては、多層膜
モニタ基板もしくは光学的膜厚モニタ基板の膜厚ダレ部
分を通過する反射光もしくは透過光を遮る遮光板を設け
るのが好ましく、この場合にはさらに、遮光板を成膜室
内に設けるのが好ましい。

【００１６】また、前記第３の構成においては、多層膜
モニタ基板の側面部に防着板を設けるのが好ましい。ま
た、前記第３の構成においては、光学窓の成膜室側もし
くは大気側表面の少なくともどちらか一方の表面上に冷
却手段を設けるのが好ましく、この場合にはさらに、光
学窓を８０℃以下に冷却するための冷却手段を設けるの
が好ましい。

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【作用】本発明の第１又は第２の構成によれば、多層膜
を成膜する途中段階における測定値と目標値のズレ量を
検出し、これを膜厚制御もしくは屈折率制御にフィード
バックすることができるので、高精度、高性能な多層膜
特性を実現することができる。

【００２０】本発明の第３の構成によれば、多層膜モニ
タ基板に光を導き、その反射光もしくは透過光を分光特
性評価装置等の測定手段に導くための大きな光学系を別
個設ける必要がないので、構造が簡単でかつ低コストの
成膜装置を実現することができる。また、基板ホルダー
の中心部付近が多層膜モニタ基板等によって占領されて
しまうことはないので、基板ホルダー上の基板の設置面
積を十分に確保することができ、その結果、生産量の向
上を図ることができる。

【００２１】前記第３の構成において、多層膜モニタ基
板を、光学的膜厚モニタ基板に対し特定角度傾けて配置
するという好ましい構成によれば、光学的薄膜モニタ基
板からの反射光もしくは透過光と多層膜モニタ基板から
の反射光もしくは透過光とに角度差が生じ、２つの反射
光もしくは透過光が重ならない領域を出現させることが
できるので、この領域で光を分離して測定することによ
り、反射光もしくは透過光を効率的に検出することがで
きる。

【００２２】また、前記第３の構成において、多層膜モ
ニタ基板もしくは光学的膜厚モニタ基板の膜厚ダレ部分
を通過する反射光もしくは透過光を遮る遮光板を設ける
という好ましい構成によれば、膜厚ダレ部分からの不要
光が遮断され、高品位な光を検出することができるの
で、所定の多層膜を再現性よく実現することができる。
この場合さらに、遮光板を成膜室内に設けるという好ま
しい構成によれば、２００〜３００℃の高温で成膜する
場合にも、光学窓上部における光路の揺らぎによる光量
分布の変動が起こらないので、検出器に到達する光パワ
ーの変動を抑制することができ、その結果、良好な光学
的膜厚制御を行うことができる。

【００２３】また、前記第３の構成において、光学窓の
成膜室側もしくは大気側表面の少なくともどちらか一方
の表面上に冷却手段を設けるという好ましい構成によれ
ば、２００〜３００℃の高温で成膜する場合に、光学窓
の上部における光路の揺らぎ自体を抑制することができ
るので、検出器に到達する光パワーの変動をさらに低減
することができ、その結果、光学的膜厚制御のさらなる
向上を図ることができる。

【００２４】

【００２５】

【００２６】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的
に説明する。 （実施例１）図１は本発明に係る多層膜の成膜装置の一
実施例を示す要部断面図である。

【００２７】以下、本装置を用い、ＴｉＯ₂ とＳｉＯ₂
からなる多層膜を作製する場合について説明する。成膜
室１内を排気ポンプ２によって１０^-5〜１０^-6Ｔｏｒｒ
の高真空状態に保持する。まず、ＥＢ銃３によりルツボ
４内の蒸着材料（ＴｉＯ₂ ）５を加熱溶融し、蒸発させ
る。蒸発した蒸発粒子６は基板ホルダー７上に設置され
た光学ガラス製の基板８に到達し、薄膜を形成する。ま
た、基板ホルダー７の穴部９を通過した蒸発粒子６は光
学ガラス製の光学的膜厚モニタ基板１０にも到達し、薄
膜を形成する。この光学的膜厚モニタ基板１０には光源
１１から出射した例えば３５０〜７００ｎｍに及ぶ波長
の光を含んだ光束がミラー１２を介して照射されてお
り、その反射光はミラー１３により検出器１４に到達す
る。このときの反射光量は、光学的膜厚モニタ基板１０
に成膜される薄膜の屈折率や膜厚によって変化するた
め、反射光量が所定の値になった時点でシャッター１５
を閉じ、第１層目の成膜を完了する。尚、蒸着時におけ
る各基板の基板温度は、常温〜３００℃であるのが好ま
しい。

【００２８】第１層目の成膜が完了したら、次にルツボ
４内の蒸着材料５をＳｉＯ₂ に交換すると共に、モニタ
交換機構１６によって新しい光学的膜厚モニタ基板１０
をセットする。そして、ＳｉＯ₂ がＥＢ銃３によって加
熱溶融され、蒸発粒子となって飛翔し、基板８上に第２
層目の薄膜が成膜される。

【００２９】この薄膜は、第１層目と同様に光学的膜厚
モニタ基板１０にも成膜され、そこから反射される反射
光量を検出器１４で検出することにより、所定の膜厚で
終了する。

【００３０】光学的膜厚モニタ基板１０の側方に設けら
れた光学ガラス製の多層膜モニタ基板１７は、多層膜の
分光特性をその場観察するための基板であり、光学的膜
厚モニタ基板１０と異なり、成膜が全層数終了するまで
常に一定位置に固定される。このため、多層膜モニタ基
板１７には基板８と同じ層数、膜厚の多層膜が形成され
る。従って、多層膜モニタ基板１７に形成される多層膜
の分光特性を測定すれば、基板８に形成される多層膜の
特性をモニタすることができる。

【００３１】多層膜モニタ基板１７に形成される多層膜
の分光特性は、抗原１１から出射した例えば３５０〜７
００ｎｍに及ぶ波長の光を含んだ光束をミラー１８によ
り多層膜モニタ基板１７に入射させ、その反射光をミラ
ー１９を用いて分光特性評価装置２０に到達させ、分光
特性を測定することで得られる。

【００３２】このような操作を例えば１０回繰り返し１
０層の多層膜を形成した時に得られる分光特性を、図２
に破線で示す。ここで、横軸が波長（ｎｍ）で縦軸が反
射光量（任意）である。反射光量が波長約５７０ｎｍで
最大となるような光学特性となっている。一般に、この
ような多層膜はダイクロイック膜と呼ばれ、反射光量等
の極大値の波長を任意に設定することで、様々な色を実
現するものであり、このような波長位置を精密に制御す
ることが重要と言われている。しかし、積層した薄膜の
屈折率や膜厚は、膜厚制御による誤差、蒸着条件等の微
妙なばらつきによって変化し、作製するたびに目標特性
とは多少ずれて、蒸着条件によっては±５ｎｍもずれた
光学特性になるのが現状である。

【００３３】そこで、この光学特性を目標特性として、
再び同じ光学特性を得るために同じ成膜条件で成膜を行
い、１０層まで作製した場合の光学特性の結果を図２の
実線に示す。このように、両者にはズレがあり、光学特
性が違っていることが分かる。ここで、一般にダイクロ
イック膜にとって最も重要な最大反射光量の半分の値の
波長、すなわち半値波長で両者のズレ量を比較すると、
目標特性よりも長波長側に約５ｎｍシフトしていること
が分かる。従って、更に従来の単層膜制御だけで成膜を
続行していくと、１９層の多層膜を成膜完了した段階で
は更に光学特性が目標特性より大きくズレ、光学特性が
劣化することが予想される。

【００３４】そこで、１９層を成膜してしまう前段階か
ら多層膜の分光特性を測定し、目標の多層膜の分光特性
からのズレを、以降の膜厚、屈折率を補正することで、
目標特性どおりの光学特性に近づける操作を行う。今こ
こで、１０層目より補正操作を行う場合を例にとり説明
する。まず、１０層の成膜を行った段階で、分光特性評
価装置２０によって各波長ごとの反射光量データを計測
し、計算機３２により、このデータと予め設定していた
１０層膜の目標特性とのズレ量を求める。次に、１０層
以降に成膜予定の１１層から１９層の屈折率、膜厚を予
め設定されていた値から変更して、ズレ量を低減化す
る、各層の膜厚、屈折率の組み合わせを計算で求める。
計算は、例えば、レンズ設計の際にも用いるＤＬＳ法等
の最適化計算により行う。そして、計算により得られた
膜厚、屈折率を１１層目の膜の目標値として成膜を行
う。このような操作を１９層成膜完了するまで、順次、
繰り返し行った結果を図３に示す。実線が実験値で、点
線が目標値である。このように、半値波長は約１ｎｍ以
下で一致したほぼ目標特性どおりの特性が実現できてお
り、極めて高精度で良好な多層膜が得られている。また
ここでは、多層膜モニタ基板の反射光量を測定した例に
ついて説明したが、透過光量を用いて測定しても構わな
い。また、ここには述べていないが、上述したような、
残る層の屈折率、膜厚を最適化計算を行ってズレ量を低
減化するのではなく、ズレ量から直接に、実験式を用い
て次層の膜厚等を決定して補正することも非常に有用で
ある。この方法によれば、計算時間の短縮化が図れると
共に、計算機には汎用パソコンを使用でき、実用上、極
めて有用である。

【００３５】次に、何らかの理由で突発的な異変が発生
した場合、例えば１９層の多層膜を形成する場合に１４
層目の膜厚が１０％も薄くなった場合について説明す
る。図４に、１４層目の薄膜を形成し終えた段階で多層
膜モニタ基板１７、分光特性評価装置２０により分光特
性を測定した結果を示す。図４において、点線が目標値
で実線が測定値である。このようにして測定した半値波
長は目標値よりも短波長側に約５ｎｍもズレており、以
降の層を初期の設定値どおりに成膜しても、光学特性が
目標値から大きくズレた多層膜になってしまうことが予
想される。

【００３６】そこで、５ｎｍのズレを補正するため、残
りの１５層目から１９層目の膜厚を補正しながら、１９
層目まで成膜した結果を図５に示す。これにより、測定
値は目標値にかなり近づき、良好な光学特性に復帰でき
ていることがわかる。

【００３７】このように、何らかの突発的なトラブルが
発生し、ある層の膜厚が大きくズレたとしても、光学特
性を目標値に近づけながら成膜していくシステムである
ため、良好な光学特性を実現でき、量産上極めて有用で
ある。

【００３８】尚、本実施例１においては、膜厚を補正す
る例について説明したが、蒸発材料を変更したり、成膜
室内に酸素を導入する等、成膜条件を変化させて屈折率
を変化させるのも有用である。

【００３９】また、本実施例１においては、多層膜モニ
タ基板１７の反射光量を測定した例について説明した
が、透過光量を用いて測定しても構わない。また、本実
施例１においては、多層膜形成の途中の段階から膜厚補
正を行った例について説明したが、第１層目から補正を
行っても全く問題はない。

【００４０】また、本実施例１においては、単層膜を制
御する方法として、単色式測光法を用いた装置を例に採
って説明したが、原子吸光式膜厚モニタや水晶式膜厚モ
ニタ等を用いても構わない。尚、各種制御方法の中で最
も高精度な多層膜を実現できたのはモニタ基板からの反
射光等を利用した単色式測光法、もしくは２色式、多色
式測光法を用いた場合であった。従って、単層膜制御に
このような測光法を利用できる機能を備えた本成膜装置
は有用である。

【００４１】（実施例２）上記実施例１によれば、従来
の単層膜制御機能に加えて、新たに多層膜特性のモニタ
機能を盛り込むことにより、各層の屈折率、膜厚等が目
標値からズレたとしても補正をすることができるので、
高精度な多層膜を容易に再現性よく実現することができ
る。

【００４２】しかし、基板ホルダー７を回転して成膜す
る関係上、多層膜モニタ基板１７はどうしても基板ホル
ダー７の中心部付近にしか設置することができず、さら
に、多層膜モニタ基板１７を光学的膜厚モニタ基板１０
の側方に設ける構成であるため、基板ホルダー７の中心
部付近は光学的膜厚モニタ基板１０と多層膜モニタ基板
１７によって占領されてしまい、基板８の設置面積が減
少してしまうという課題が生じた。このことは、生産量
の低下につながり、量産上非常に大きな問題である。ま
た、多層膜モニタ基板１７に光を入射させ、その反射光
を分光特性評価装置２０に導くためのミラーを別個に設
置する必要があることも実用上大きな課題である。すな
わち、ミラーを設置するには、現実にはミラーの精密角
度調整機構やミラーを保持する治具、さらにはミラーへ
の外部不要光を遮る遮光治具等、非常に複雑な光学系を
必要とするからである。さらに、このような光学系を成
膜室１の上に実際に設置するには、かなりの面積が必要
であるが、モニタ交換機構１６等によって設置するスペ
ースがほとんどなく、実用上大きな課題である。

【００４３】そこで、本発明者等はこれら実用上の課題
を解消すべく、種々検討を重ね、本実施例２の構成に至
った。図６は本発明に係る多層膜の成膜装置の他の実施
例を示す要部断面図である。図６に示すように、本実施
例２の成膜装置においては、上記実施例１の場合と異な
り、多層膜モニタ基板１７を光学的膜厚モニタ基板１０
の下側部分に配置した。多層膜モニタ基板１７として
は、図７に示すような半円状の光学ガラス基板を用い、
光学的膜厚モニタ基板１０の約半分程度の面積に覆いか
ぶさった形状のものを使用した。尚、この形状に限定さ
れるものではなく、例えば、長方形等の形状でも何ら問
題はない。

【００４４】光源１１から出射した光束はミラ−１２と
光学窓２１を介して光学的膜厚モニタ基板１０に到達
し、その反射光はミラ−１３、２２を介して検出器１４
に到達する。尚、検出器１４に光学的膜厚モニタ基板１
０からの反射光以外の光が入射すると、高精度な膜厚制
御が不可能となるため、遮光板２３を設けて、多層膜モ
ニタ基板１７からの反射光が検出器１４に到達しないよ
うにする。

【００４５】このように、光源１１を出射した光束は、
ミラ−１２により光学的膜厚モニタ基板１０に入射し、
その一部は反射して検出器１４に到達するが、光学的膜
厚モニタ基板１０を通過する光も存在する。この光学的
膜厚モニタ基板１０を通過した光は多層膜モニタ基板１
７に形成された光学多層膜によって反射し、ミラ−１３
を介して分光特性評価装置２０に到達する。この際、ミ
ラ−２２により、光学的膜厚モニタ基板１０からの反射
光は遮断され、多層膜モニタ基板１７だけからの反射光
が検出される。

【００４６】このように、多層膜モニタ基板１７を光学
的膜厚モニタ基板１０の下側に設置したことにより、多
層膜モニタ基板１７に光を導き、その反射光を分光特性
評価装置２０に導くための大きな光学系を別個設ける必
要がないので、構造が簡単でかつ低コストの成膜装置を
実現することができる。また、基板ホルダー７の中心部
付近が多層膜モニタ基板１７等によって占領されてしま
うこともないので、基板ホルダー７上における基板８の
設置面積を十分に確保することができ、その結果、生産
量の向上を図ることができる。

【００４７】図８に、本成膜装置で光学的膜厚制御を行
いながら、ＴｉＯ₂ 膜の膜厚が約１００ｎｍ、ＳｉＯ₂
膜の膜厚が４０ｎｍである１９層からなる多層膜を形成
し、そのときに多層膜モニタ基板１７に形成される多層
膜の分光特性を測定した結果を示す。これにより、層数
を重ねるに従い高反射率の多層膜が実現できていること
がわかる。

【００４８】従って、以上のような構成にすれば、光学
的膜厚制御を行いながら多層膜の分光特性を同時に測定
できる装置を容易に実現することができる。 （実施例３）上記実施例２に示した装置を用い、光学的
膜厚制御を行いながら多層膜の分光特性を測定したとこ
ろ、作製する多層膜によっては、多層膜の反射率が低い
ために良好な測定ができないことが判明した。

【００４９】検討した結果、多層膜モニタ基板１７から
の反射光と光学的膜厚モニタ基板１０からの反射光が重
なりあっている部分を除くために、ミラ−２２や遮光板
２３を使用したことにより、検出器１４や分光特性評価
装置２０に到達する光量が減少したためや、これらミラ
−２２や遮光板２３の微妙な調整不良によるものである
ことを見い出した。

【００５０】すなわち、ある光学的膜厚モニタ基板や多
層膜モニタ基板からの反射光で、ミラ−２２や遮光板２
３を調整したとしても、多層膜を形成していく段階で多
層膜モニタ基板１７や光学的膜厚モニタ基板１０からの
反射光が傾くと、光学的膜厚モニタ基板１０からの反射
光が分光特性評価装置２０に入射したり、多層膜モニタ
基板１７からの反射光が検出器１４に入射したりして、
良好な測定ができていないことが判明した。

【００５１】この事実より、ミラ−２２や遮光板２３を
使用することなしに、光学的膜厚モニタ基板１０と多層
膜モニタ基板１７からの反射光を分離することができれ
ば上記不具合を解決できると考え、本実施例３の構成に
至った。

【００５２】図９にその概要を示す。図９に示すよう
に、多層膜モニタ基板１７を光学的膜厚モニタ基板１０
に対し角度θだけ傾ける。これにより、光学的膜厚モニ
タ基板１０からの反射光と多層膜モニタ基板１７からの
反射光とに角度差が生じ、２つの反射光が重ならない領
域を出現させることができる。

【００５３】従って、この領域で光を分離して測定すれ
ば、上記実施例２の構成で課題であったミラ−２２もし
くは遮光板２３の問題がなくなり、反射光を効率的に検
出することができる。

【００５４】一般に、分光特性評価装置２０や検出器１
４は、各モニタ基板から１００ｃｍ程度離れているた
め、θ＝０．２度傾ければ２つの光を分離する上で十分
な約３ｍｍのビ−ム間隔が生じる。尚、多層膜モニタ基
板１７を傾けると、光学的膜厚モニタ基板１０に形成さ
れる膜厚と多層膜モニタ基板１７に形成される膜厚に差
が生じるが、θ＝１度の場合は約０．０２％以下である
ため、ほとんど問題がないと言える。従って、多層膜モ
ニタ基板をθ＝０．２〜１度の範囲で傾ければ、θ＝０
度で光学的膜厚モニタ基板１０と多層膜モニタ基板１７
からの反射光を分離することが困難であった課題を、容
易に解決することができる。

【００５５】（実施例４）上記実施例２に示した成膜装
置により、光学的膜厚制御を行いながら多層膜特性を測
定していたところ、同じ光学的膜厚で成膜しているにも
かかわらず、多層膜モニタ基板１７を設置するだけで、
目標としている光学的膜厚から大きくズレた多層膜が形
成されてしまうという課題が生じた。

【００５６】すなわち、多層膜モニタ基板１７を設置せ
ずに多層膜を形成し、得られた分光特性を評価したとこ
ろ、図１０に示す５１のような特性であったのに対し、
多層膜モニタ基板１７を設置して成膜すると、同じ光学
的膜厚で成膜しているにもかかわらず、５２に示すよう
な長波長側に大きくシフトした分光特性となってしまっ
た。

【００５７】検討した結果、光学的膜厚モニタ基板１０
に形成される薄膜の膜厚が、多層膜モニタ基板１７の陰
になる部分で非常に薄くなる、いわゆる「膜厚ダレ」が
原因であることを見い出した。

【００５８】すなわち、図９に示すように、多層膜モニ
タ基板１７の陰によってできた膜厚ダレ部分２７にも光
が照射され、正規の所定膜厚部分の反射光だけではな
く、膜厚ダレ部分２７の反射光をも検出していることが
判明した。その反射光量分布を同図に示す。多層膜モニ
タ基板１７から離れた部分は均一であるのに対し、膜厚
ダレ部分２７は不均一であり、多層膜モニタ基板１７で
完全に陰になっている部分は、光学的膜厚モニタ基板１
０の反射率となっていることがわかる。

【００５９】従って、この膜厚ダレ部分２７の反射光を
意識的に遮断して、光学的膜厚制御を行なえば、再現性
よく所定の多層膜が実現できるのではないかと考え、本
実施例４の構成に至った。

【００６０】図１１にその概要を示す。図１１に示すよ
うに、成膜室１内には光学的膜厚モニタ基板１０と多層
膜モニタ基板１７が設置されている。各モニタ基板には
光２４が照射され、反射光２５と反射光２６となって反
射する。ここで、光学的膜厚モニタ基板１０の膜厚ダレ
部分２７からの反射光を遮断するために、遮光板２８を
設ける。これにより、膜厚ダレ部分２７からの不要光は
遮断され、高品位な光を検出することができるので、所
定の多層膜を再現性よく実現することができる。

【００６１】尚、図１１においては、遮光板２８によっ
て、光学的膜厚モニタ基板１０からの反射光２５だけで
はなく多層膜モニタ基板１７からの反射光２６をも遮断
している。これは、膜厚ダレ部分２７を通過した光が多
層膜モニタ基板１７の反射光と重なり合っているため
に、膜厚ダレ部分２７を通過した光も遮断する必要があ
るからである。

【００６２】図１０に、本実施例４の成膜装置を用いて
多層膜を形成し、分光特性を評価した結果を示す。これ
により、実施例１〜３の装置では長波長側に大きくシフ
トした特性５２となっていたのに対し、多層膜モニタ基
板１７を取り付けない場合（５１）と同等の特性５３が
得られ、所定の光学的膜厚どおりの多層膜が実現できて
いることがわかる。

【００６３】（実施例５）図１１に示したような光学的
膜厚モニタ基板１０上の膜厚ダレ領域を観察したとこ
ろ、多層膜モニタ基板１７の端面に相当する位置から数
ｍｍの領域にわたって広がっていることが判明した。

【００６４】これは、蒸発粒子が多層膜モニタ基板１７
と光学的膜厚モニタ基板１０の隙間から侵入して光学的
膜厚モニタ基板１０に付着したものと考えられる。従っ
て、侵入する蒸発粒子を何らかの手段で阻止することが
できれば膜厚ダレ部分２７による上記不具合を解決でき
ると考え、本実施例５の構成に至った。

【００６５】図１２にその概要を示す。図１２に示すよ
うに、光学的膜厚モニタ基板１０と多層膜モニタ基板１
７の間隙から侵入する蒸発粒子を阻止するために防着板
２９を設ける。防着板２９は、多層膜モニタ基板１７の
表面と光学的膜厚モニタ基板１０に飛翔してくる蒸発粒
子を邪魔しないように、多層膜モニタ基板１７の側面に
設ける。防着板２９の下面が多層膜モニタ基板１７の下
面よりも下側に位置すると、防着板２９が多層膜モニタ
基板１７に悪影響を及ぼし、多層膜モニタ基板１７上に
膜厚ダレを形成する原因となるからである。

【００６６】本防着板２９を備えた多層膜の成膜装置を
用い、多層膜特性を監視しながら光学的膜厚制御を行な
った結果、ほぼ所定の光学的膜厚どおりの多層膜が実現
できることがわかった。

【００６７】（実施例６）多層膜を形成する場合、用途
によっては膜の信頼性及び付着性を向上させるために、
基板温度を例えば２００〜３００℃の高温にして成膜す
ることがある。

【００６８】しかし、図１１に示したような成膜装置を
用いて２００℃の高温で多層膜を形成したところ非常に
重大な課題が生じた。すなわち、光学的膜厚モニタ基板
１０からの反射光を検出器１４で検出した際の信号が、
常温ではノイズがほとんど無く良好に光学的膜厚制御を
行なうことが可能であったのに、２００℃にすると信号
にノイズが増大し、良好な光学的膜厚制御が行えなくな
ってしまった。

【００６９】図１３に、その反射光量の時間的変化を示
す。常温ではノイズがほとんど無いのに対し、基板温度
を２００℃に上昇させると、ノイズがかなり増大してい
ることがわかる。このノイズの増大は光学的膜厚の制御
精度を劣化させるため、極めて重大な課題である。

【００７０】検討した結果、光学窓２１がかなり高温状
態になっているため、その上部の空気が熱せられ、光路
が歪められる結果起こっているという事実を見い出し
た。図１４（Ａ）に示すように、光学的膜厚モニタ基板
からの反射光３０が、光量分布３１を有していたとす
る。この光が成膜室１の内部から光学窓２１を介して大
気中に出射した際に、光学窓２１もしくは成膜室１は比
較的高温となっているため、その上部の光の光路は歪
む。今、仮に実線の光量分布が点線の光路に歪められた
とする。この光を図１４（Ａ）に示した遮光板２８で遮
断すると、光路が歪んだ場合と歪んでいない場合とで検
出器１４に到達する光パワ−が大きく変動する。すなわ
ち、図１４（Ａ）の場合には、本来の実線の光量分布面
積よりも光路が変化した場合の光量分布面積の方が大き
くなり、３１の光パワ−は変化しないのに、光路が揺ら
ぐことで光量が変化したように見える現象が生じる。

【００７１】この事実より、空気の存在しない成膜室１
内で光を遮断してやれば、仮に出射後の光量分布が揺ら
いだとしても、検出器１４に到達する光パワ−の変動は
起きないのではないかと考え、本実施例６の構成に至っ
た。

【００７２】図１４（Ｂ）にその概要を示す。すなわ
ち、図１４（Ａ）に示した構成と異なり、遮光板２８を
成膜室１内に設置する。この構成によれば、光量分布３
１は遮光板２８によって一部分を遮られるが、光学窓２
１を通って大気中に出射した後も光量分布は変わらない
ため、検出器１４に到達する光パワ−に変動はない。そ
の結果、２００〜３００℃という高温状態で膜厚制御を
行なっても、安定した信号を得ることができた。その信
号を図１５に示す。図１３に示した信号に比べてノイズ
がかなり低減していることがわかる。

【００７３】（実施例７）上記実施例６においては、成
膜室１内で遮光することにより検出器１４に入射する光
パワ−の変動を低減する構成について説明した。

【００７４】しかし、上記実施例６によりノイズはかな
り低減したものの、ノイズを完全に除去するには至って
いない。これは、図１６に示すように、光学窓２１の上
部には温度によって空気の揺らぎが発生しており、成膜
室１から出射した光の分布は変化していないが、光路は
歪められ、実線で示した光路から点線で示した光路に揺
らいでおり、この揺らぎが発生すると、光分布の裾部分
が検出器１４が感度をもっている領域からはみ出してし
まうことによるものと考えられる。

【００７５】従って、光路の揺らぎ自体を抑制すること
ができれば、さらなるノイズの低減化を図れるのではな
いかと考え、本実施例７の構成に至った。図１７にその
概要を示す。図１７に示すように、成膜室１に設けられ
た光学窓２１の大気側表面の、光が通過しない部分に冷
却管３４を設ける。冷却管３４に冷却水を循環させ、こ
れにより光学窓２１の表面を冷却して光学窓２１上に発
生する空気の揺らぎを抑制する。尚、この冷却管３４
は、成膜室１側の表面に設けても構わない。

【００７６】光学窓２１の表面温度を測定した結果、２
０℃程度の冷却水を流すだけで約８０℃程度にも冷却さ
れ、信号のノイズがほとんど出現しなくなった。その信
号を図１８に示す。図１５に示した信号に比べてノイズ
がかなり低減していることがわかる。従って、本実施例
７のように光学窓２１を冷却するようにした成膜装置を
用いれば、２００〜３００℃の高温で成膜する場合に
も、多層膜の分光特性をその場観察しながら正確な光学
的膜厚制御ができるので、実用上有用である。

【００７７】尚、光学窓２１の表面温度としては７０℃
以下であるのが好ましい。また、表面温度の下限は特に
限定されないが、好ましくは２０℃であるのがよい。

【００７８】

【発明の効果】本発明の第１又は第２の構成によれば、
多層膜を成膜する途中段階における測定値と目標値のズ
レ量を検出し、これを膜厚制御もしくは屈折率制御にフ
ィードバックすることができるので、高精度、高性能な
多層膜特性を実現することができる。本発明の第３の構
成によれば、多層膜モニタ基板に光を導き、その反射光
もしくは透過光を分光特性評価装置等の測定手段に導く
ための大きな光学系を別個設ける必要がないので、構造
が簡単でかつ低コストの成膜装置を実現することができ
る。また、基板ホルダーの中心部付近が多層膜モニタ基
板等によって占領されてしまうことはないので、基板ホ
ルダー上の基板の設置面積を十分に確保することがで
き、その結果、生産量の向上を図ることができる。

【００７９】前記第３の構成において、多層膜モニタ基
板を、光学的膜厚モニタ基板に対し特定角度傾けて配置
するという好ましい構成によれば、光学的薄膜モニタ基
板からの反射光もしくは透過光と多層膜モニタ基板から
の反射光もしくは透過光とに角度差が生じ、２つの反射
光もしくは透過光が重ならない領域を出現させることが
できるので、この領域で光を分離して測定することによ
り、反射光もしくは透過光を効率的に検出することがで
きる。

【００８０】また、前記第３の構成において、多層膜モ
ニタ基板もしくは光学的膜厚モニタ基板の膜厚ダレ部分
を通過する反射光もしくは透過光を遮る遮光板を設ける
という好ましい構成によれば、膜厚ダレ部分からの不要
光が遮断され、高品位な光を検出することができるの
で、所定の多層膜を再現性よく実現することができる。
この場合さらに、遮光板を成膜室内に設けるという好ま
しい構成によれば、２００〜３００℃の高温で成膜する
場合にも、光学窓上部における光路の揺らぎによる光量
分布の変動が起こらないので、検出器に到達する光パワ
ーの変動を抑制することができ、その結果、良好な光学
的膜厚制御を行うことができる。

【００８１】また、前記第３の構成において、光学窓の
成膜室側もしくは大気側表面の少なくともどちらか一方
の表面上に冷却手段を設けるという好ましい構成によれ
ば、２００〜３００℃の高温で成膜する場合に、光学窓
の上部における光路の揺らぎ自体を抑制することができ
るので、検出器に到達する光パワーの変動をさらに低減
することができ、その結果、光学的膜厚制御のさらなる
向上を図ることができる。

【００８２】

【００８３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る多層膜の成膜装置の一実施例を示
す要部断面図である。

【図２】多層膜の特性がシフトした場合の光学特性図で
ある。

【図３】本発明に係る多層膜の成膜方法の一実施例によ
り補正を行なった場合の光学特性図である。

【図４】多層膜のうちの一層の膜厚が大きくズレた場合
の光学特性図である。

【図５】本発明に係る多層膜の成膜方法の一実施例によ
り膜厚のズレを補正した場合の光学特性図である。

【図６】本発明に係る多層膜の成膜装置の他の実施例を
示す要部断面図である。

【図７】多層膜モニタ基板の構成を示す概略図である。

【図８】多層膜の分光測定例を示す光学特性図である。

【図９】多層膜モニタ基板の傾き状態を説明する概略図
である。

【図１０】特性変化を示す光学特性図である。

【図１１】遮光板を備えた成膜装置の構成を示す概略図
である。

【図１２】防着板の構成を示す概略図である。

【図１３】反射光量の時間的変化を示す特性図である。

【図１４】遮光板の効果を説明する概略図である。

【図１５】反射光量の時間的変化を示す特性図である。

【図１６】温度上昇の影響を示す概略図である。

【図１７】冷却手段を示す概略図である。

【図１８】反射光量の時間的変化を示す特性図である。

【図１９】従来の成膜装置を示す要部断面図である。

【符号の説明】

１ 成膜室 ２ 排気ポンプ ３ ＥＢ銃 ４ ルツボ ５ 蒸着材料 ６ 蒸発粒子 ７ 基板ホルダ− ８ 基板 ９ 穴部 １０ 光学的膜厚モニタ基板 １１ 光源 １２、１３、１８、１９ ミラ− １４ 検出器 １５ シャッタ− １６ モニタ交換機構 １７ 多層膜モニタ基板 ２０ 分光特性評価装置 ２１ 光学窓 ２８ 遮光板 ３４ 冷却管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 沢田 亮人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−143904（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−76064（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−98609（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 G01B 11/00 - 11/30

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多層膜の各層の膜厚もしくは光学的膜厚
   を制御する膜厚制御手段と、前記膜厚制御手段とは別に
   設けられた、多層膜を形成する多層膜モニタ基板と、前
   記多層膜モニタ基板上に成膜された多層膜の光学特性を
   測定する測定手段と、前記測定手段によって得られた結
   果を処理し、以降積層する層の屈折率もしくは光学的膜
   厚を制御する制御手段にフィードバックする機能とを少
   なくとも備えてなる多層膜の成膜装置。
2. 【請求項２】 真空状態に保持された成膜室と、前記成
   膜室の内部に設けられ、多層膜が形成される基板と、多
   層膜の各層の光学的膜厚を制御する光学的膜厚モニタ基
   板と、前記光学的膜厚モニタ基板を各層ごとに交換する
   モニタ交換機構と、前記光学的膜厚モニタ基板とは別に
   設けられた、多層膜の分光特性を観察する多層膜モニタ
   基板と、前記光学的膜厚モニタ基板及び多層膜モニタ基
   板上に光を照射する光源と、前記光を成膜室内外に入出
   射させる光学窓と、前記光学的膜厚モニタ基板上に成膜
   された薄膜からの反射光量もしくは透過光量を測定し、
   各層の薄膜の膜厚を制御する制御手段と、前記多層膜モ
   ニタ基板上に成膜された多層膜からの反射光もしくは透
   過光の分光特性を測定する測定手段と、前記測定手段に
   よって得られた結果を処理し、各層の屈折率、膜厚を制
   御する前記制御手段にフィードバックする機能とを少な
   くとも備えてなる多層膜の成膜装置。
3. 【請求項３】 多層膜モニタ基板を、光学的膜厚モニタ
   基板の下側部分に配置した請求項２に記載の多層膜の成
   膜装置。
4. 【請求項４】 多層膜モニタ基板を、光学的膜厚モニタ
   基板に対し特定角度傾けて配置した請求項３に記載の多
   層膜の成膜装置。
5. 【請求項５】 特定角度が０．２〜１度である請求項４
   に記載の多層膜の成膜装置。
6. 【請求項６】 多層膜モニタ基板もしくは光学的膜厚モ
   ニタ基板の膜厚ダレ部分を通過する反射光もしくは透過
   光を遮る遮光板を設けた請求項３に記載の多層膜の成膜
   装置。
7. 【請求項７】 遮光板を成膜室内に設けた請求項６に記
   載の多層膜の成膜装置。
8. 【請求項８】 多層膜モニタ基板の側面部に防着板を設
   けた請求項３に記載の多層膜の成膜装置。
9. 【請求項９】 光学窓の成膜室側もしくは大気側表面の
   少なくともどちらか一方の表面上に冷却手段を設けた請
   求項３に記載の多層膜の成膜装置。
10. 【請求項１０】 光学窓を８０℃以下に冷却する冷却手
    段を設けた請求項９に記載の多層膜の成膜装置。