JP4196538B2

JP4196538B2 - 成膜装置及び膜厚制御方法

Info

Publication number: JP4196538B2
Application number: JP2000397637A
Authority: JP
Inventors: 和幸西; 智一田口
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP2002194543A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の膜厚の薄膜を成膜する成膜装置及び膜厚制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学薄膜は、ガラス等の基板上に蒸着やスパッタリング等によって成膜され、所望の膜厚が形成されると成膜が停止される。薄膜の膜厚は一般にダミーのワークを成膜装置内に設置し、ワークに成膜される薄膜の反射率または透過率を監視して制御される。
【０００３】
図６、図７はそれぞれ光学膜厚（＝屈折率×膜厚）が１２０ｎｍ、１２００ｎｍの薄膜の反射率を示す図である。縦軸は反射率（単位：％）を示し、横軸は波長（単位：ｎｍ）を示している。これらの例に示すように、波長λが４８０ｎｍにおいて、反射率は極大値または極小値になっている。一般に、波長λにおける反射率または透過率は、光学膜厚がλ／４の整数倍の時に極大値または極小値となることが知られている。
【０００４】
従って、波長λの光の反射率を成膜中に監視し、最初に反射率が極大値または極小値になったときに成膜を停止することによってλ／４の光学膜厚を有する薄膜が得られる。また、波長λの光の透過率が最初に極大値または極小値となった時に成膜を停止しても、光学膜厚がλ／４の薄膜が得られる。
【０００５】
図８は成膜中における所定の波長を有する光の反射率の履歴の一例を示す図である。縦軸は反射率（単位：％）を示し、横軸は時間を示している。反射率または透過率は、ワークに照射された光の反射光または透過光を光電変換素子で受光し、電気信号に変換して出力される。
【０００６】
反射率は成膜の進行に伴って増加し、所定の光学膜厚（λ／４）の時に最大値となってその後減少する。従って、反射率の低下を検出した際に成膜を停止すればよい。しかし、同図に示すように、受光光束を光電変換する際等にノイズが発生して反射率の履歴曲線に重畳されるため、ノイズ成分によって見かけ上反射率の低下が検出される。その結果、所定の光学膜厚に到達する前に反射率の低下を検出して成膜が停止する誤動作が発生する。
【０００７】
このため、従来の成膜装置による膜厚制御方法は、計測された反射率の最大値に対して、推測される最大のノイズの大きさよりも大きな値Ｂだけ反射率が低下した際に成膜を停止する遅延制御を行うようになっている。例えば、計測された最大の反射率の時から、光学膜厚の設計値の３％に相等する反射率が低下した時に成膜を停止する。これにより、成膜装置の誤動作を防止するようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の成膜装置による膜厚制御方法によると、所望の膜厚に略到達した時点から反射率がＢだけ低下するまで成膜を継続するので、所望の膜厚に対して厚く成膜され、設計値に対して膜厚の誤差が大きくなる問題がある。
【０００９】
また、反射率の最大値付近で大きなノイズが発生すると、設計値の膜厚でないときに見かけ上反射率の最大値が計測される。更に、停止位置付近で大きなノイズが発生すると実際には最大値から反射率が所定量（Ｂ）低下していないのに見かけ上低下したと計測される。このため、停止時期にばらつきが生じ、膜厚のばらつきが大きくなる問題もあった。
【００１０】
例えば、屈折率１．５２のガラスに屈折率１．６６の薄膜を成膜し、波長５５０ｎｍの光の反射率を監視してＢの値を光学膜厚の３％に相等する値として停止した。その結果、設計値の膜厚が８２．８(=550/4/1.66)ｎｍに対して、成膜された膜厚が１００．９ｎｍになった。従って、薄膜の種類によっても異なるが２０％以上の膜厚誤差を生じる場合がある。
【００１１】
本発明は、高精度に膜厚を制御して薄膜を成膜することのできる成膜装置及び膜厚制御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】
上記目的を達成するために請求項１に記載された発明の成膜装置は、ワークに成膜された薄膜の透過率または反射率を監視して膜厚を制御する成膜装置において、
所定の時間間隔で前記薄膜の透過率または反射率をｎ回計測し、各計測値を順にｙ_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）とした時に、ｙ_ｉ−ｙ_ｉ−１（ｉ＝２〜ｎ）の正負の回数に基づいて成膜を継続するか停止するかを決定する演算部を有し、
ｙ _ｉ −ｙ _ｉ−１（ｉ＝２〜ｎ）の値の正の回数が負の回数よりも多い場合に前記透過率または反射率が増加と判断するとともに、ｙ _ｉ −ｙ _ｉ−１（ｉ＝２〜ｎ）の値の負の回数が正の回数よりも多い場合に前記透過率または反射率が減少と判断し、前記透過率または反射率の増加と減少とが転じた際に成膜を停止することを特徴としている。
【００１３】
この構成によると、ワークに成膜された薄膜の反射率または透過率が所定の時間間隔で計測され、順にｙ₁、ｙ₂、・・・、ｙ_nの計測値が得られる。そして、ｙ₂−ｙ₁、ｙ₃−ｙ₂、・・・、ｙ_n−ｙ_n-1の値がそれぞれ正か負かを計算し、例えば反射率または透過率が極大値をとる場合には、これらの値の負の回数が正の回数よりも多いときに成膜を停止する。
【００１４】
また請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された成膜装置において、前記透過率または前記反射率に替えて、前記薄膜に一定光量で入射した光の透過光または反射光の光量を計測したことを特徴としている。この構成によると、反射光または透過光の光量を計測し、順にｙ₁、ｙ₂、・・・、ｙ_nの計測値が得られる。
【００１５】
また請求項３に記載された発明は、請求項１または請求項２に記載された成膜装置において、ｎ回の計測時間を１ｍｓｅｃ以上にしたことを特徴としている。この構成によると、計算に必要な計測値ｙ₁を計測してからｙ_nを計測するまでの時間が１ｍｓｅｃ以上かかる。
【００１６】
また請求項４に記載された発明の膜厚制御方法は、ワークに成膜された薄膜の透過率または反射率を監視して膜厚を制御する膜厚制御方法において、
所定の時間間隔で前記薄膜の透過率または反射率をｎ回計測し、各計測値を順にｙ_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）とした時に、ｙ_ｉ−ｙ_ｉ−１（ｉ＝２〜ｎ）の正負の回数に基づいて成膜を継続するか停止するかを決定する工程を有し、
ｙ _ｉ −ｙ _ｉ−１（ｉ＝２〜ｎ）の値の正の回数が負の回数よりも多い場合に前記透過率または反射率が増加と判断するとともに、ｙ _ｉ −ｙ _ｉ−１（ｉ＝２〜ｎ）の値の負の回数が正の回数よりも多い場合に前記透過率または反射率が減少と判断し、前記透過率または反射率の増加と減少とが転じた際に成膜を停止することを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は一実施形態の成膜装置を示す構成図である。成膜装置１は、真空ポンプ（不図示）により真空状態に保持される円筒状の真空チャンバー２を有している。真空チャンバー２内の下部には薄膜材料Ｄが配置されており、加熱や電子銃によりベーパ状態となった薄膜材料Ｄが真空チャンバー２内に放出されるようになっている。
【００１８】
真空チャンバー２内の上部にはワークＷを保持する基板ドーム３が回転可能に配されている。ワークＷには真空チャンバー２内に放出された薄膜材料Ｄが成膜されるようになっている。また、シャッター制御部１１の制御により薄膜材料Ｄの上方をシャッター８で覆うことにより、成膜が停止されるようになっている。尚、１５は真空チャンバー２内の真空度を測定する真空計、１６は真空チャンバー２をリークするリーク弁、１７は基板ドーム３上のワークＷの薄膜分布を均一にする補正板である。
【００１９】
真空チャンバー２には膜厚制御装置１２が取り付けられている。膜厚制御装置１２は光源９、光電変換素子４、ＡＤ変換部１３及び演算部１４から成っている。光源９から出射された光束が基板ドーム３の中央に取り付けられた監視用のワークＷ１に導かれてこれを照射すると、ワークＷ１上に成膜された薄膜で反射してフォトダイオード等から成る光電変換素子４に受光される。
【００２０】
光電変換素子４は受光量に応じた電気信号をＡＤ変換部１３を介して演算部１４に出力する。光電変換素子４の出力によって演算部１４では薄膜の反射率が演算され、成膜中の薄膜の反射率が監視されるようになっている。光源９の光量が一定に制御されている場合は、光電変換素子４の受光量により監視してもよい。
【００２１】
成膜の進行とともに演算部１４では前述の図８に示すような反射率の履歴が検出される。そして、所定の測定時間Ｔ毎に区分けした区間内でノイズ成分を除去した反射率が増加しているか減少しているかを判断し、反射率が減少に転じた際にシャッター８を閉じて成膜を停止する。この動作を図２のフローチャートを参照して説明する。
【００２２】
まず、ステップ＃１０では使用者により測定時間Ｔ内でのデータの計測回数ｎと計測間隔ｔとが入力される。ここで、Ｔ＝ｔ・(ｎ−１)である。入力が終了すると成膜が開始され、ステップ＃１１でカウンタｉ及び反射率の計測値の増減の回数を記憶する増減数Ｃが初期化される。次に、ステップ＃１２で反射率の計測データが変数Ｙａに取り込まれる。
【００２３】
例えば、図８の区間Ａ１を拡大すると図３に示すようになる。縦軸は反射率を示し横軸は時間を示している。そして、１番目の反射率のデータｙ₁が変数Ｙａに取り込まれる。尚、図３ではｎ＝１１になっている。ステップ＃１３ではカウンタｉが１か否かが判断される。ここではｉ＝１のため、ステップ＃１７に移行してカウンタｉが計測回数ｎに等しいか否かが判断される。ここでは等しくないのでステップ＃１８に移行する。
【００２４】
ステップ＃１８では変数Ｙａが前回値を示す変数Ｙｂに代入され、ステップ＃１９でカウンタｉがインクリメントされる。ステップ＃２０では計測間隔ｔの時間経過を待機し、経過するとステップ＃１２に移行する。ステップ＃１２では２番目の反射率のデータｙ₂が変数Ｙａに取り込まれ、ｉ＝２であるためステップ＃１３の判断によりステップ＃１４に移行する。
【００２５】
ステップ＃１４では反射率のデータ（Ｙａ）が前回のデータ（Ｙｂ）と比較される。反射率が前回よりも増加または前回と等しい場合はステップ＃１５で増減数Ｃを１だけ加算する。前回よりも減少した場合は、ステップ＃１６で増減数Ｃを１だけ減算する。ステップ＃１７ではカウンタｉが計測回数ｎに等しいか否かが判断され、ここでは等しくないのでステップ＃１８に移行する。
【００２６】
そして、カウンタｉが所定の計測回数ｎになるまでステップ＃１２〜＃２０の動作が繰り返し行われて、データｙ₃、ｙ₄、ｙ₅、・・・、ｙ_nを順に変数Ｙａに取り込んで演算を行い、ｉ＝ｎになるとステップ＃２１に移行する。ステップ＃２１では増減数Ｃが負か否かが判断される。ステップ＃１５、＃１６で増減数Ｃを加算した回数よりも減算した回数が多い場合はＣ＜０となる。即ち、前回の計測データに対して、計測間隔ｔ経過後の計測データが増加または等しい回数よりも減少した回数が多い場合にＣ＜０となる。
【００２７】
そして、増減数Ｃが負の場合には反射率が減少に転じたと判断してシャッター制御部１１に制御信号が送信され、シャッター８が閉じて成膜を終了する。増減数が０または正の場合にはステップ＃１１に移行し、成膜が継続して次の区間の計測が行われる。
【００２８】
図３の場合では、反射率のデータが増加した回数が６回、減少した回数が４回であるためＣ＝２となり、成膜が継続される。また、前述の図８の区間Ａ２、Ａ３を拡大すると、それぞれ図４、図５に示すようになる。図４の場合は、反射率のデータが増加した回数が５回、減少した回数が５回であるためＣ＝０となり、成膜が継続される。図５の場合は反射率のデータが増加した回数が４回、減少した回数が６回であるためＣ＝−２となり、成膜が停止される。
【００２９】
本実施形態によると、ノイズ成分を除去した反射率の増減を、抜き取りデータの増減の回数によって判断している。このため、抜き取ったデータに重畳されたノイズ成分の大小に関わらす増減数Ｃが同じ値（＝１）だけ加減されるので、偶然大きなノイズを含むデータを取得しても影響が小さい。従って、ノイズ成分を除去した反射率の増減を正確に判断し、精度良く膜厚を制御することができる。
【００３０】
ここで、各区間の測定時間Ｔがノイズの周期の１／２程度になると、一区間の殆どがノイズ波形の減少部分を捉えて、反射率が増加していても増減数Ｃが負となる場合が生じやすくなる。このため、ノイズは数ｋＨｚ〜数ＭＨｚの周波数で発生するので、各区間の測定時間Ｔを１ｍｓｅｃ以上にすると誤動作の発生を防止することができる。また、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの電源ノイズの影響も考慮して測定時間Ｔを５０ｍｓｅｃ以上にするとより望ましい。
【００３１】
ここで、反射率の履歴を各区間で最小自乗法等により直線近似し、近似直線の傾斜によりノイズ成分を除去した反射率の増減を判断すると、大きなノイズによって近似直線の傾斜が影響を受けるため抜き取り数を多くする必要が生じる。このため、演算時間がかかり成膜速度に対する遅れが発生して精度良く成膜を停止することができない。
【００３２】
尚、本実施形態では反射率を監視して膜厚制御を行っているが、反射光の光量を監視しても同様に膜厚制御を行うことができる。また、透過率を監視する場合であっても同様に行うことができ、反射率や透過率が極小値を採る場合も同様に抜き取りデータの増減回数によって膜厚を高精度に制御することができる。また、蒸着を行う成膜装置について説明したがスパッタリング等の他の成膜方法による成膜装置であってもよい。
【００３３】
【実施例】
表１は、本実施形態の成膜装置によって薄膜を成膜した結果を示している。実験Ｎｏ．１は反射率が極大値を採った場合の例を示している。屈折率１．５２のガラス基板上に屈折率２．０５の薄膜材料を蒸着しており、膜厚の設計値は８５ｎｍである。
【００３４】
実験Ｎｏ．２は反射防止膜のように、反射率が極小値を採った場合の例を示している。屈折率１．５２のガラス基板上に屈折率１．４６の薄膜材料を蒸着しており、膜厚の設計値は１１９ｎｍである。尚、成膜条件によって屈折率が変化し、最適な膜厚が変動するため、それぞれの成膜時の最適な膜厚と、実際に成膜された膜厚との差の３σで評価している（表中、３σの欄）。
【００３５】
【表１】

【００３６】
上記の結果、最適な光学膜厚に対する成膜膜厚の差は平均値でそれぞれ−０．０５％、＋０．１％の誤差になり、最適な光学膜厚と成膜膜厚との差の３σが光学膜厚の±０．０６％以内の高精度の成膜を実施することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によると、ノイズ成分を除去した反射率または透過率の増減を抜き取りデータの増減の回数によって判断しているため、偶然大きなノイズを含むデータを取得しても影響が小さい。従って、ノイズ成分を除去した反射率または透過率の増減を正確に判断し、精度良く膜厚を制御することができる。
【００３８】
また本発明によると、測定時間をノイズの周期よりも長い１ｍｓｅｃ以上にすることによって、誤動作の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の成膜装置を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態の成膜装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態の成膜装置により成膜された薄膜の反射率の一区間を示す図である。
【図４】本発明の実施形態の成膜装置により成膜された薄膜の反射率の他の一区間を示す図である。
【図５】本発明の実施形態の成膜装置により成膜された薄膜の反射率の更に他の一区間を示す図である。
【図６】膜厚がλ／４の薄膜の反射率と波長との関係を示す図である。
【図７】膜厚が１０λ／４の薄膜の反射率と波長との関係を示す図である。
【図８】成膜された薄膜の反射率を示す図である。
【符号の説明】
１成膜装置
２真空チャンバー
３基板ドーム
４光電変換素子
８シャッター
９光源
１１シャッター制御部
１２膜厚制御装置
１３ＡＤ変換部
１４演算部
１７補正板
Ｗ、Ｗ１ワーク
Ｄ薄膜材料

Claims

ワーク上に成膜された薄膜の透過率または反射率を監視して膜厚を制御する成膜装置において、
所定の時間間隔で前記薄膜の透過率または反射率をｎ回計測し、各計測値を順にｙ_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）とした時に、ｙ_ｉ−ｙ_ｉ−１（ｉ＝２〜ｎ）の正負の回数に基づいて成膜を継続するか停止するかを決定する演算部を有し、
ｙ _ｉ −ｙ _ｉ−１（ｉ＝２〜ｎ）の値の正の回数が負の回数よりも多い場合に前記透過率または反射率が増加と判断するとともに、ｙ _ｉ −ｙ _ｉ−１（ｉ＝２〜ｎ）の値の負の回数が正の回数よりも多い場合に前記透過率または反射率が減少と判断し、前記透過率または反射率の増加と減少とが転じた際に成膜を停止することを特徴とする成膜装置。
前記透過率または前記反射率に替えて、前記薄膜に一定光量で入射した光の透過光または反射光の光量を計測したことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
ｎ回の計測時間を１ｍｓｅｃ以上にしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の成膜装置。
ワークに成膜された薄膜の透過率または反射率を監視して膜厚を制御する膜厚制御方法において、
所定の時間間隔で前記薄膜の透過率または反射率をｎ回計測し、各計測値を順にｙ_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）とした時に、ｙ_ｉ−ｙ_ｉ−１（ｉ＝２〜ｎ）の正負の回数に基づいて成膜を継続するか停止するかを決定する工程を有し、
ｙ _ｉ −ｙ _ｉ−１（ｉ＝２〜ｎ）の値の正の回数が負の回数よりも多い場合に前記透過率または反射率が増加と判断するとともに、ｙ _ｉ −ｙ _ｉ−１（ｉ＝２〜ｎ）の値の負の回数が正の回数よりも多い場合に前記透過率または反射率が減少と判断し、前記透過率または反射率の増加と減少とが転じた際に成膜を停止することを特徴とする膜厚制御方法。