JP4487264B2 - スパッタ装置及びスパッタ成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は光学フィルター等の成膜工程に適用されるスパッタ装置及びスパッタ成膜方法に関する。

特開平３−２５３５６８号公報には、ガラス板などの基板に成膜を行うためのカルーセル型スパッタ装置が開示されている。カルーセル型スパッタ装置は、回転・バッチ型のスパッタ装置であり、チャンバー内に多角柱形の基板ホルダー（回転ドラム）が配置されるとともに、チャンバー壁内側に矩形ターゲットを保持するマグネトロンが設置された構造を有している。基板を取り付けた基板ホルダーを回転させながらマグネトロンに電力を投入し、ターゲット上面にプラズマを発生させるとともに、所定の反応ガスをチャンバー内に導入することによって成膜が行われる。
特開平３−２５３５６８号公報

しかしながら、カルーセル型スパッタ装置は、正多角形を構成する各基板ホルダーを回転させながら成膜を行う構造であるため、特開平３−２５３５６８号公報でも指摘されているように、正多角形の辺にあたる部分と、稜にあたる部分とでは、ターゲットとの最短接近距離、並びにターゲットに対する基板面の角度の関係が異なる。そのため、基板に対するスパッタ原子の付着確率が異なり、基板の回転方向（回転しながら基板の横幅方向に進む方向という意味で「進行方向」という。）に対する膜厚分布が不均一になるという傾向がある。

図２６にその模式図を示す。図２６（ａ）は、基板ホルダー２０２により構成される正多角形の辺にあたる部分がターゲット２１０に最接近した状態を示し、同図（ｂ）は、正多角形の稜がターゲット２１０に最接近した状態を示す。なお、符号２２０はターゲット２１０が装着されるマグネトロン部のバッキングプレートである。スパッタ原子の付着確率は、ターゲット２１０から基板２０４面内の各位置までの距離ｒとその方向（「ベクトル<r> 」という。）、及びベクトル<r> と基板面とのなす角度φに依存する。

図２６（ａ）及び（ｂ）に示したように、基板ホルダー２０２の回転に応じて、正多角形の辺にあたる部分と稜にあたる部分とではベクトル<r> と角度φが変化するため、従来の成膜方法では、図２６（ｃ）に示すように基板２０４の周辺部分により多くの原子が付着し、中心部に比べて周辺部の膜厚が大きくなるという傾向がある。

このような課題に対し、特開平３−２５３５６８号公報は、カソード電極の配置関係を工夫しているが、同公報のように、二つのカソードと該カソードに電力を印加するための二つの電源とを用いたスパッタ装置（方法）によって膜厚の均一化を図る場合では、二つのカソードが対で成膜に寄与するため、成膜速度に影響する要因（磁場、印加電圧、ターゲット表面の状態、ガス圧等）について二つのカソード間で差を小さくすることが必要となる。しかし、二つのカソードについて条件を合わせることは困難であり、結果として膜厚の均一化の制御は容易ではない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、高精度の膜厚制御を実現し、回転する基板の進行方向に対する膜厚分布の均一化を従来に比べてより簡単に達成できるとともに、装置の小型化並びに低コスト化を実現できるスパッタ装置及びスパッタ成膜方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、第１の発明は、チャンバー内に、横断面が多角形状または円形状のドラムが回転自在に設置され、該ドラムの外周面上に基板ホルダーが設けられ、チャンバー壁の内側にはターゲットと該ターゲットを保持するマグネトロン部からなるマグネトロンスパッタ源が配置され、前記ターゲットは前記ドラムの回転軸と平行となるように前記マグネトロン部により保持された構造を有するカルーセル型スパッタ装置において、前記マグネトロン部に電力を供給する電源を有し、前記マグネトロン部と前記基板の間に必要に応じてシャッターが設けられ、前記基板ホルダーを介して前記ドラムの外周面上に複数の基板が取り付けられ、前記電源から前記マグネトロン部に電力を供給しつつ前記ドラムを回転させながら前記複数の基板上に膜を形成する成膜中に、前記ドラムとともに回転する前記複数の基板のうち、前記マグネトロンスパッタ源と対向しない位置の基板について膜厚を測定する膜厚測定手段と、前記膜厚測定手段で得られる測定結果を利用して前記電源、前記ドラムの回転速度、前記チャンバーの圧力、または前記シャッターの開閉を制御して成膜制御を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明に記載のスパッタ装置において、該スパッタ装置は、隣接して配置された二つのターゲットのアノード／カソードの関係を所定周波数で交互に切り替えるＡＣ型マグネトロンスパッタ源と、単一のマグネトロン部にターゲットが取り付けられたマグネトロンスパッタ源と、を備えたことを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明に記載のスパッタ装置において、前記制御手段は、はじめに前記ＡＣ型マグネトロンスパッタ源を利用して目標膜厚の手前の所定膜厚まで成膜した後、前記ＡＣ型マグネトロンスパッタ源による成膜を停止し、その後前記単一のマグネトロン部にターゲットが取り付けられたマグネトロンスパッタ源のみを利用して前記目標膜厚までの成膜を実施するように制御することを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明に記載のスパッタ装置において、前記制御手段は、前記単一のマグネトロン部にターゲットが取り付けられたマグネトロンスパッタ源のみを利用した成膜中に前記膜厚測定手段によって膜厚を監視し、膜厚が前記目標膜厚に到達したことが検出された時点で前記単一のマグネトロン部にターゲットが取り付けられたマグネトロンスパッタ源による成膜を停止する制御を行うことを特徴とする。

第５の発明は、第１の発明に記載のスパッタ装置において、前記マグネトロンスパッタ源は、隣接して配置された二つのターゲットのアノード／カソードの関係を所定周波数で交互に切り替えるＡＣ型マグネトロンスパッタ源であることを特徴とする。

第６の発明は、第１の発明に記載のスパッタ装置において、前記マグネトロンスパッタ源は、単一のマグネトロン部にターゲットが取り付けられたマグネトロンスパッタ源であることを特徴とする。

第７の発明は、第１乃至６の発明に記載のスパッタ装置において、該スパッタ装置は、低屈折率膜の成膜に用いられるターゲットが取り付けられる低屈折率膜形成用のマグネトロンスパッタ源と、高屈折率膜の成膜に用いられるターゲットが取り付けられる高屈折率膜形成用のマグネトロンスパッタ源と、が併設されていることを特徴とする。

第８の発明は、第１乃至７の発明の何れか１項に記載のスパッタ装置において、前記膜厚測定手段は、前記基板に対して測定光を照射する投光手段と、前記基板に照射された前記測定光の透過光または反射光を受光して、その受光量に応じた電気信号を出力する受光手段と、を備え、前記ドラムの回転中に前記投光手段から前記基板に測定光を照射することにより、前記膜厚の測定を行うことを特徴とする。

第９の発明は、第８の発明に記載のスパッタ装置において、前記受光手段から出力される受光信号に基づいて透過率または反射率を算出する演算手段を備えたことを特徴とする。

第１０の発明は、第９の発明に記載のスパッタ装置において、前記演算手段は、前記測定光の入射角度が０°及びその近傍を含む所定の角度範囲のときに前記受光手段から得られる信号に基づいて、入射角度に応じた透過率または反射率を求め、入射角度と透過率または反射率の関係を示すデータを取得することを特徴とする。

第１１の発明は、第８乃至１０の発明の何れか１項に記載のスパッタ装置において、前記投光手段は、前記基板に対して波長の異なる複数種類の測定光を選択的に照射し得る光源部を有していることを特徴とする。

第１２の発明は、第１１の発明に記載のスパッタ装置において、前記受光手段から出力される受光信号に基づいて、前記波長の異なる複数種類の測定光に対する透過率または反射率を算出する演算手段を備えたことを特徴とするスパッタ装置。

第１３の発明は、第１２の発明に記載のスパッタ装置において、前記演算手段は、前記波長の異なる複数種類の測定光に対して、それぞれ入射角度が０°及びその近傍を含む所定の角度範囲のときに前記受光手段から得られる受光信号に基づいて、入射角度に応じた透過率または反射率を求め、入射角度と透過率または反射率の関係を示すデータを取得することを特徴とする。

第１４の発明は、第１０または１３の発明に記載のスパッタ装置において、前記演算手段は、前記取得した入射角度と透過率または反射率の関係を示すデータから近似変換を行って分光透過率または分光反射率を算出することを特徴とする。

第１５の発明は、第８乃至１４の発明の何れか１項に記載のスパッタ装置において、
前記ドラムの内側に前記投光手段若しくは前記受光手段のいずれか一方が配置されていることを特徴とする。

第１６の発明は、第１乃至１５の発明の何れか１項に記載のスパッタ装置において、前記ターゲットは、前記基板と対向する位置関係になったときに、前記基板に対面するターゲット面が基板面に対して平行とならないように前記ターゲット面が所定の傾斜角度を有していることを特徴とする。

第１７の発明は、チャンバー内に、横断面が多角形状または円形状のドラムが回転自在に設置され、該ドラムの外周面上に基板ホルダーが設けられ、チャンバー壁の内側にはターゲットと該ターゲットを保持するマグネトロン部からなるマグネトロンスパッタ源が配置され、前記ターゲットは、前記ドラムの回転軸と平行となるように前記マグネトロン部により保持された構造を有するカルーセル型スパッタ装置を用いて成膜を行うスパッタ成膜方法であって、該方法は、前記基板ホルダーを介して前記ドラムの外周面上に複数の基板を取り付け、前記マグネトロン部に電源から電力を供給しつつ前記ドラムを回転させながら前記複数の基板上に膜を形成する成膜中に、前記ドラムとともに回転する前記複数の基板のうち、前記マグネトロンスパッタ源と対向しない位置の基板について膜厚を測定する膜厚測定工程と、前記膜厚測定工程で得られた膜厚の測定結果を前記電源にフィードバックすることにより、膜厚が設計膜厚になるように成膜制御を行う成膜工程と、を含むことを特徴とする。

第１８の発明は、第１７の発明に記載のスパッタ成膜方法において、前記スパッタ装置は、隣接して配置された二つのターゲットのアノード／カソードの関係を所定周波数で交互に切り替えるＡＣ型マグネトロンスパッタ源と、単一のマグネトロン部にターゲットが取り付けられたマグネトロンスパッタ源と、を有し、該スパッタ成膜方法は、はじめに前記ＡＣ型マグネトロンスパッタ源を利用した成膜を実行して目標膜厚の手前の所定膜厚まで成膜した後に、前記ＡＣ型マグネトロンスパッタ源による成膜を停止し、その後前記単一のマグネトロン部にターゲットが取り付けられたマグネトロンスパッタ源のみを利用した成膜に切り替えて前記目標膜厚までの成膜を実施するようことを特徴とする。

第１９の発明は、第１７の発明に記載のスパッタ成膜方法において、前記マグネトロンスパッタ源として、隣接して配置された二つのターゲットのアノード／カソードの関係を所定周波数で交互に切り替えるＡＣ型マグネトロンスパッタ源を利用し、前記ドラムを回転させながら、前記基板ホルダーに取り付けられている基板上に膜を形成する成膜工程を有することを特徴とする。

第２０の発明は、第１７の発明に記載のスパッタ成膜方法において、前記膜厚測定工程は、前記ドラムを回転させながら前記基板に対して測定光を照射する投光工程と、前記基板に照射された前記測定光の透過光または反射光を受光して、その受光量に応じた電気信号を出力する受光工程と、を含むことを特徴とする。

第２１の発明は、第２０の発明に記載のスパッタ成膜方法において、前記受光工程により出力される受光信号に基づいて透過率または反射率を算出する演算工程を含むことを特徴とする。

第２２の発明は、第２１の発明に記載のスパッタ成膜方法において、記演算工程は、前記測定光の入射角度が０°及びその近傍を含む所定の角度範囲のときに前記受光工程で得られる受光信号に基づいて、入射角度に応じた透過率または反射率を求め、入射角度と透過率または反射率の関係を示すデータを取得することを特徴とする。

第２３の発明は、第１７乃至１９の発明の何れか１項に記載のスパッタ成膜方法において、前記膜厚測定工程は、前記ドラムを回転させながら前記基板に対して波長の異なる複数種類の測定光を選択的に照射する投光工程と、前記基板に照射された前記測定光の透過光または反射光を受光して、その受光量に応じた電気信号を出力する受光工程と、を含むことを特徴とする。

第２４の発明は、第２３の発明に記載のスパッタ成膜方法において、前記受光工程で得られる受光信号に基づいて、前記波長の異なる複数種類の測定光に対する透過率または反射率を算出する演算工程を含むことを特徴とする。

第２５の発明は、第２４の発明に記載のスパッタ成膜方法において、前記演算工程は、前記波長の異なる複数種類の測定光に対して、それぞれ入射角度が０°及びその近傍を含む所定の角度範囲のときに前記受光工程で得られる受光信号に基づいて、入射角度に応じた透過率または反射率を求め、入射角度と透過率または反射率の関係を示すデータを取得することを特徴とする。

第２６の発明は、第２２または２５の発明に記載のスパッタ成膜方法において、前記演算工程は、前記取得した入射角度と透過率または反射率の関係を示すデータから近似変換を行って分光透過率または分光反射率を算出することを特徴とする。
第２７の発明は、第２０乃至２６の発明の何れか１項に記載のスパッタ成膜方法において、前記ドラムの内側に投光手段若しくは受光手段のいずれか一方を配置することを特徴とする。

第２８の発明は、第１７乃至２７の発明の何れか１項に記載のスパッタ成膜方法において、前記ターゲットが前記基板と対向する位置関係になったときに、前記基板に対面するターゲット面が基板面に対して平行とならないように前記ターゲット面が傾斜面で構成されたターゲットを用いることを特徴とする。

また、本明細書は、以下に示す発明（１）〜（７）を開示する。

発明（１）：発明（１）に係るスパッタ装置は、チャンバー内に横断面が多角形状または円形状のドラムが回転自在に設置され、該ドラムの外周面上に基板ホルダーが設けられ、チャンバー壁の内側にはターゲットと該ターゲットを保持するマグネトロン部からなるマグネトロンスパッタ源が配置され、前記ターゲットは前記ドラムの回転軸と平行となるように前記マグネトロン部により保持された構造を有するカルーセル型スパッタ装置において、前記ターゲットは、前記基板ホルダーに取り付けられる基板と対向する位置関係になったときに、前記基板に対面するターゲット面が基板面に対して平行とならないように前記ターゲット面が所定の傾斜角度を有していることを特徴としている。

「対向する位置関係」とは、基板ホルダーの基板支持面の中心点と、該基板支持面から見たマグネトロン部の中心点との距離が最小となったときを意味する。なお、後述のＡＣ型マグネトロンスパッタ源の場合は、隣接して配置される二つのターゲットの中心点（二つのターゲットを全体として一つのマグネトロン部と見なしたときの中心点）を「マグネトロン部の中心点」と解釈する。

傾斜角度は、ターゲットが装着されるスパッタ装置の構成条件によって最適な角度に設計される。すなわち、膜厚が均一になる角度範囲でターゲット面を傾斜させる。かかる傾斜形のターゲットを用いることにより、スパッタ原子の飛散方向が調整されるとともに、回転する基板とターゲット間の距離と角度の関係等の諸条件が調整され、基板の進行方向についての膜厚の均一化を実現できる。もちろん、一つのカルーセル型スパッタ装置内において従来の平板形のターゲット（通常ターゲット）と本発明の傾斜形のターゲットとが混在する態様も可能である。

発明（２）：発明（２）に係るスパッタ装置は、発明（１）に記載のスパッタ装置において、前記ターゲットは、前記ターゲット面に稜線を有し、該稜線の左右両側に傾斜面が構成されていることを特徴としている。すなわち、本態様はターゲット面を「Λ」形（いわゆる屋根形）に形成したものであり、当該ターゲットは、ターゲット面の稜線がドラムの回転軸と平行（又は略平行）となる状態でマグネトロン部に保持される。稜線を挟む左右両側について、それぞれ適正な傾斜角度の斜面を構成することにより、基板の進行方向に対する膜厚の均一化を達成できる。

発明（３）：発明（３）に係るスパッタ装置は、発明（１）に記載のスパッタ装置において、前記ターゲットは、前記ターゲット面として一方向に傾斜する単一の傾斜面を有していることを特徴としている。すなわち、本態様はターゲットの横断面（ドラムの回転軸と直交する平面で切断したときの断面）をいわゆる楔形に形成したものである。当該ターゲットは、ドラムの回転軸方向から見たとき、そのターゲット面は一方向にのみ傾斜している。かかる形状のターゲットを用いても膜厚の均一化を達成できる。

ターゲット自体の形状を工夫し、従来の平板状ターゲットに代えて、傾斜面を有するターゲットを用いることで膜厚の均一化を達成できるため、マグネトロン部の構造及びその配置など、既存のスパッタ装置の主要構成について設計変更が不要であり、現有設備を簡単に改良できるという利点がある。

発明（４）：発明（４）に係るスパッタ装置は、発明（１）乃至（３）の何れか１項に記載のスパッタ装置において、前記マグネトロンスパッタ源は、隣接して配置された二つのターゲットのアノード／カソードの関係を所定周波数で交互に切り替えるＡＣ型マグネトロンスパッタ源であることを特徴としている。

発明（５）：発明（５）に係るスパッタ装置は、発明（１）又は（２）に記載のスパッタ装置において、前記マグネトロンスパッタ源は、単一のマグネトロン部にターゲットが取り付けられたマグネトロンスパッタ源であることを特徴としている。

「単一のマグネトロン部にターゲットが取り付けられたマグネトロンスパッタ源」としては、ＤＣ（直流）型マグネトロンスパッタ源の他に、ＲＦ（高周波）型マグネトロンスパッタ源、パルス（直流電圧を一定の時間間隔で印加する）型マグネトロンスパッタ源などがある。

ＡＣ型マグネトロンスパッタ源は、単一のマグネトロン部にターゲットが取り付けられたマグネトロンスパッタ源よりも高速成膜が可能である。もちろん、これら二種類のスパッタ源を併用して、高速かつ高精度の成膜を実現するスパッタ装置に本発明を適用することもできる。

発明（６）：発明（６）は、発明（１）に記載の装置発明に対応する方法発明を提供するものである。すなわち、発明（６）に係るスパッタ成膜方法は、チャンバー内に横断面が多角形状または円形状のドラムが回転自在に設置され、該ドラムの外周面上に基板ホルダーが設けられ、チャンバー壁の内側にはターゲットと該ターゲットを保持するマグネトロン部からなるマグネトロンスパッタ源が配置され、前記ターゲットは前記ドラムの回転軸と平行となるように前記マグネトロン部により保持された構造を有するカルーセル型スパッタ装置を用いて成膜を行うスパッタ成膜方法であって、該方法は、前記ターゲットが前記基板ホルダーに取り付けられる基板と対向する位置関係になったときに、前記基板に対面するターゲット面が基板面に対して平行とならないように前記ターゲット面が傾斜面で構成されたターゲットを用いることを特徴とする。

発明（７）：発明（７）は発明（１）に記載したスパッタ装置に用いられるターゲットを対象としたものである。すなわち、発明（７）に係るターゲットは、チャンバー内に横断面が多角形状または円形状のドラムが回転自在に設置され、該ドラムの外周面上に基板ホルダーが設けられ、チャンバー壁の内側にはターゲットと該ターゲットを保持するマグネトロン部からなるマグネトロンスパッタ源が配置され、前記ターゲットは前記ドラムの回転軸と平行となるように前記マグネトロン部により保持された構造を有するカルーセル型スパッタ装置に適用されるターゲットであって、該ターゲットは、前記基板ホルダーに取り付けられる基板と対向する位置関係になったときに、前記基板に対面するターゲット面が基板面に対して平行とならないように前記ターゲット面が所定の傾斜角度を有していることを特徴とする。

本発明によれば、高精度の膜厚制御を実現できる。

また、本発明の他の態様によれば、カルーセル型スパッタ装置において、従来の平板形のターゲットに代えて、又はこれと併用して、傾斜形のターゲットを用いたことにより、基板の進行方向についての膜厚の均一化を実現できる。また、本発明の態様によれば、スパッタ装置の構成条件に応じて最適な傾斜角度を設計し、ターゲット自体を加工してその傾斜角度の斜面を形成するため、マグネトロン部の構造やその配置などについて既存のスパッタ装置の主要構成に関する設計変更が不要であり、簡便に膜厚の均一化を達成できる。

特開平３−２５３５６８号に開示されているように、二つのカソードと、該カソードに電力を印加するための二つの電源を用いたスパッタリング方法（装置）で膜厚の均一化を図る場合は、成膜速度に影響する要因の差をカソード間で小さくすることが困難であるが、本発明によれば、膜厚の均一化を図るカソード−電源システムは一つの電源のみを有する構成が可能となるために、前述した要因への影響は小さく、より簡単に膜厚の均一化を図れるとともに、従来と比較して装置の構成もコンパクトで安価にできるという利点がある。

以下添付図面に従って本発明のスパッタ装置及びスパッタ成膜方法の好ましい実施の形態について説明する。

図１は本発明の実施形態に係る光学多層膜成膜用のスパッタ装置の構成を示す平面模式図であり、図２は本装置で使用される基板ホルダーの斜視図である。図１に示したスパッタ装置１０は、高さ２ｍ、直径１．５ｍの円筒形チャンバー１２内に、ドラム（図１中不図示、図２中符号１７）と該ドラム１７の外周面上に設けられた基板ホルダー１４とを有し、直径１ｍの正十二角形を構成する各基板ホルダー１４がドラム１７の中心軸１６を回転中心として回転可能に支持された構造から成るカルーセル型のスパッタ装置である。
反応室となるチャンバー１２は、図示せぬ排気用ポンプと連結され、スパッタに必要な低圧を得ることができる。また、図示されていないが、チャンバー１２には、スパッタに必要なガスを導入するためのガス供給手段やローディング用ドアが設けられている。なお、チャンバー１２の内壁は、ドラム１７と概略所定間隔をもって対向する形状（内周形状）を有している。

図２に示すように、基板ホルダー１４は、円筒形状のドラム１７の外周面に取り付けられており、回転自在に設置されたドラム１７と一体的に回転する。なお、ドラム１７の形状は円筒形状に限らず、多角筒形状（横断面が多角形状）等であってもよい。

図１に示したように、基板ホルダー１４には成膜用の基板（例えば、ガラス基板）１８が取り付けられ、基板ホルダー１４は、図示せぬ回転駆動装置によるドラム１７の回転に伴って一定の回転速度（例えば、６rpm ）で回転する。チャンバー１２の内側には、低屈折率膜形成用のマグネトロンスパッタ源２０と、高屈折率膜形成用のマグネトロンスパッタ源３０とがそれぞれ設置されている。これらマグネトロンスパッタ源２０、３０は、高さ方向の長さが１．２ｍの矩形型マグネトロンスパッタ源であり、マグネトロンスパッタ源２０または３０の前を基板１８が通過することによって成膜が行われる。

マグネトロンスパッタ源２０は、単一のマグネトロン部２１に対して電源（本例では、矩形波状のパルス電力を供給するＤＣ電源）２２が接続された従来型のマグネトロンスパッタ源（以下、通常のマグネトロンという。）２３と、二つのマグネトロン部２４、２５に対して一つの交流電源２６が接続され、アノード／カソードの関係を所定周波数で交互に切り替える交流型マグネトロンスパッタ源（以下、ＡＣのマグネトロンという。）２７との組み合わせによって構成される。

同様に、マグネトロンスパッタ源３０は、単一のマグネトロン部３１に対して電源３２が接続された通常のマグネトロン３３と、二つのマグネトロン部３４、３５に対して一つの交流電源３６が接続されたＡＣのマグネトロン３７との組み合わせによって構成される。

ＡＣのマグネトロン２７、３７の動作原理は、特開平５−２２２５３０号、特開平５−２２２５３１号、特開平６−２１２４２１号、特開平１０−１３０８３０号の各公報に開示されている。概説すると、ＡＣのマグネトロンとは、ターゲットを二個並べて配置し、一方のターゲットがカソードの時は、他方がアノードとなり、数十kHz の周波数でカソードとアノードが入れ替わるマグネトロン装置であり、種々の制御を行うことにより、安定かつ高速に酸化物膜や窒化物膜等を成膜することができる。

通常のマグネトロン２３、３３は、ＡＣのマグネトロン２７、３７に比べて成膜スピードが低速である反面、膜厚を精度良く制御できるという利点がある。図１に示したスパッタ装置１０は、高速成膜可能なＡＣのマグネトロン２７、３７と、高精度の膜厚制御が可能な通常のマグネトロン２３、３３を組み合わせて使用することにより、高速成膜と高精度の膜厚制御を実現している。

また、スパッタ装置１０は、成膜中に膜厚を測定する手段（膜厚モニタリングシステム）として、ハロゲンランプ４０、モノクロメータ４１、光ファイバー４２、投光ヘッド４４、受光ヘッド４６、受光処理部４８を備えている。ハロゲンランプ４０からの光は、モノクロメータ４１によって波長選択された後、光ファイバー４２を介して投光ヘッド４４に導かれる。投光ヘッド４４は、基板ホルダー１４の内側（ドラム１７の内側）に設置され、投光ヘッド４４から基板１８に向けて光が照射される。なお、基板ホルダー１４の縦方向中央部には回転方向に１０cmの長さで光通過用の開口（不図示）が形成されている。

チャンバー１２の外側には、受光ヘッド４６が設置されており、チャンバー１２の外壁には受光ヘッド４６に光を導く窓部（不図示）が設けられている。基板１８を透過した光は、受光ヘッド４６で受光され、受光量に応じた電気信号に変換された後、受光処理部４８に送られる。受光処理部４８は、受入した信号に対して所定の信号処理を行い、コンピュータ入力用の測定データに変換する。受光処理部４８で処理された測定データは、パーソナルコンピュータ（以下、パソコンという。）５０に送られる。

パソコン５０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）を備え、演算処理装置として機能し、受光処理部４８から受入する測定データに基づいて、各スパッタ電源（２２、２６、３２、３６）を制御する制御装置としても機能する。また、パソコン５０によってハロゲンランプ４０の発光制御や、基板ホルダー１４の回転制御、チャンバー１２の圧力制御、導入ガスの供給制御及びシャッター（図１中不図示、図１２中符号７２、７４、７６、７８）の開閉制御等を行うことができる。パソコン５０には各制御に必要なプログラムや各種データが組み込まれている。

図１では、膜厚測定用の光学式測定手段の光源部として、ハロゲンランプ４０及びモノクロメータ４１を用いたが、膜厚モニタリングシステムに使用される光学式測定手段の光源部は、図１の構成例に限定されず、測定対象に応じて適切な光源が選択される。例えば、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）用フィルターの製造の際には、波長＝１４６０〜１５８０nmのチューナブルレーザー（可変波長レーザー）を用いる。また、単色の測定光を用いる態様に限らず、白色の測定光を用いて受光部側で単色化する態様もある。単色の測定光を利用する態様に比べて、受光部側で単色化をする態様はノイズが少ないという利点がある。

図３には、本例のスパッタ装置１０に適用されるターゲットが示されている。図３（ａ）は断面図、同図（ｂ）は平面図である。このターゲット９２は、図１の符号２３及び符号３３で示した低速成膜用のスパッタ源に適用されるものであり、図３に示したとおり、ターゲット上表面面が中央位置（ドラム１７の回転軸方向に沿う稜線９２Ｃ）をピークとして左右両方向に傾斜した、いわゆる屋根形（逆Ｖ字形）の形状を有している。水平面に対する傾斜角度θは、基板ホルダー１４で構成される正多角形の角数、直径、基板の大きさ、基板−ターゲット間の距離（設計上の平均距離）などに依存して、膜厚分布の均一化を実現し得るように最適な角度に設計される。

従来のターゲットは、板厚が一定の平板形であり、基板とターゲットが対向した位置関係になった時に、基板面とターゲット面が平行状態となっていた（図２６（ａ）参照）。これに対し、図３に示したターゲット９２は、基板とターゲットが対向した位置関係になった時に、ターゲット面が基板面に対してわずかに角度を持っている（傾斜角度θ）状態となる。

上記の如く構成されたターゲット９２を用いると、図４（ａ）、（ｂ）に示したように、スパッタ原子はターゲット傾斜面９２Ａ、９２Ｂから放出されるため、その飛散分布（スパッタ原子の密度）はターゲット傾斜面９２Ａ、９２Ｂの法線方向に広がる（つまり、Ｖ字形の放出となる）。また、原子放出面となるターゲット傾斜面９２Ａ、９２Ｂと基板１８の各位置までの距離とその方向（ベクトル<r> ）、並びにベクトル<r> と基板面との成す角度φの関係等の諸条件がバランスよく均整化されることにより、図４（ｃ）に示したように、基板１８の進行方向（図において横方向）についての膜厚の均一化を実現できる。

図５は、本発明による傾斜形のターゲット９２を用いた成膜による膜厚分布と、従来の平板形のターゲット（通常ターゲット）を用いた成膜による膜厚分布とを比較したグラフである。同図に示したグラフは、下記の実施条件の下で得られた実験結果である。すなわち、図１に示したスパッタ装置１０において、直径１ｍの正十二角形を構成する各基板ホルダーを用い、基板−ターゲット間距離６０mm、基板サイズ１０cm角とし、符号２３（または３３）で示した低速成膜用のスパッタ源に「通常ターゲット」を装着して成膜を行った結果と、傾斜形のターゲット９２（傾斜角度θ＝５°）を装着して成膜を行った結果である。

図５から明らかなように、通常ターゲットでは基板の中心に比べて周辺部分の膜厚が大きくなるが、本発明による傾斜形のターゲット９２の場合には、膜厚の進行方向分布が均一化される。

上記した低速成膜用のスパッタ源と同様に、図１中符号２７、３７で示した高速成膜用のスパッタ源については、図６に示す傾斜形のターゲット９４、９５が適用される。図６（ａ）の断面図及び同図（ｂ）の平面図に示したターゲット９４は、図１の符号５３、６４に示したターゲットとして用いられる。また、図６（ｃ）及び（ｄ）に示したターゲット９５は、図１の符号５４、６３に示したターゲットとして用いられる。高速成膜用のスパッタ源（ＡＣのマグネトロン）において、隣接して配置される二つのターゲットのターゲット面を同方向に傾斜させても膜厚の均一化を達成することはできないため、これら二つのターゲットは互いに線対称（又は略線対称）の関係で配置される。

図６に示した各ターゲット９４、９５の傾斜角度θは、スパッタ装置の具体的条件に依存して最適な角度に設計される。図１でも説明したとおり、高速成膜用に用いられるＡＣのマグネトロンは、二つの隣接するマグネトロン部に装着されたターゲットのアノード／カソード関係が交互に切り替えられ、全体として一つのスパッタ源として作用し得るものであるため、図６に示したように、左右のターゲット９４、９５がそれぞれ単一の傾斜面（片側のみが傾斜する、いわゆる楔形）を有することで、これら二つのターゲット９４、９５を組み合わせて使用する場合に、図３及び図４で説明したターゲット９２と同等の屋根形のターゲット面が構成される。図６に示したターゲット９４、９５の作用については、図４と同様である。

図７は、図６に示した傾斜形ターゲット９４、９５を用いたＡＣのマグネトロンによる膜厚分布と、従来の平板形ターゲット（通常ターゲット）を用いたＡＣのマグネトロンによる膜厚分布とを比較したグラフである。図７に示したグラフは、下記の実施条件の下で得られた実験結果である。すなわち、図１に示したスパッタ装置１０において、直径１ｍの正十二角形を構成する各基板ホルダーを用い、基板−ターゲット間距離６０mm、基板サイズ１０cm角とし、符号２７（または３７）で示した高速成膜用のスパッタ源に「通常ターゲット」を装着して成膜を行った結果と、傾斜形ターゲット９４、９５（両者とも傾斜角度θ＝５°）を装着して成膜を行った結果である。

図７から明らかなように、通常ターゲットでは基板の中心に比べて周辺部分の膜厚が大きくなるが、本発明による傾斜形ターゲットの場合には、膜厚の進行方向分布が均一化される。

図６に示したターゲット９４、９５に代えて、図８に示すターゲット９６、９７を用いる態様も可能である。すなわち、図８（ａ）、（ｂ）に示したターゲット９６は図６のターゲット９４と置換され、図８（ｃ）、（ｄ）に示したターゲット９７は、図６のターゲット９５と置換される。図８に示したように、ＡＣのマグネトロンに適用する左右のターゲット９６、９７の上表面をそれぞれ屋根形（Λ字形状）に構成する態様も可能である。この場合、内側の傾斜面９６Ａ、９７Ａの傾斜角（θ1 ）と、外側の傾斜面９６Ｂ、９７Ｂの傾斜角（θ2 ）は、スパッタ装置１０の構成条件等に依存して適切な値に設計される。これにより、膜厚の進行方向分布が均一化される。

次に、上記の如く構成されたスパッタ装置１０の動作について説明する。以下に述べる実施例は、低屈折率膜としてＳｉＯ₂ 、高屈折率膜としてＴｉＯ₂ をそれぞれ反応性スパッタにより成膜する例を説明する。

最初に、図１に示した高屈折率膜形成用のマグネトロンスパッタ源３０の各マグネトロン部３１、３４、３５にはＴｉターゲット５２、５３、５４が取り付けられており、低屈折率膜形成用のマグネトロンスパッタ源２０の各マグネトロン部２１、２４、２５にはＳｉターゲット６２、６３、６４が取り付けられている。ターゲットの大きさは、通常用が高さ１．１ｍ、幅１５cm、ＡＣ用は各々、高さ１．１ｍ、幅１０cmのものが用いられる。
また、それぞれの基板ホルダー１４には、厚さ１．１mm、１０cm角のガラス基板１８を９枚ずつ、縦方向に並んで取り付ける。次いで、チャンバー１２をロータリーポンプで５Paまで粗引きした後、クライオポンプで１×１０^-3Paまで排気する。

次に、アルゴンガスを１００sccm、酸素ガスを３０sccm、マスフローコントローラを通してチャンバー１２内に導入する。そのときのガス圧は０．４Paであった。ＳｉＯ₂ 膜を成膜するために、Ｓi ターゲット６２が取り付けられている通常のマグネトロン２３に直流１０kWの矩形波状のパルス電力（周波数５０kHz ）、Ｓi ターゲット６３、６４が取り付けられているＡＣのマグネトロン２７に交流２０kWの電力をそれぞれ供給し、ターゲットと基板間に配置されているシャッター（図１中不図示）を閉めて五分間の予備放電を行い、その後両方のシャッターを開いて成膜を行う。

成膜中は、上記した膜厚モニタリングシステムによって基板ホルダー１４上の基板１８について透過率を測定する。基板１８の透過率は、成膜される膜厚に対応して変化するため、透過率を監視することによって膜厚を把握することができる。参考のために、図９に本実施例における膜厚モニタの信号例を示す。

膜厚モニタリングシステムによって膜厚を監視しながら成膜を行い、設計膜厚の９０％まで成膜した時点で図１に示したＡＣのマグネトロン２７への電力の供給を止め、通常のマグネトロン２３のみで成膜を行う。成膜中は、透過率の測定結果をパソコン５０で演算し、その測定結果の情報を各電源２６、２２にフィードバックすることにより、基板１８の回転方向に関する膜の均一性の向上と同時に、膜厚が設計膜厚になるようにコントロールする。なお、基板ホルダー１４の回転速度やシャッターの開度（開閉量）を制御して成膜を調整することも可能である。

次に、ＴｉＯ₂ 膜を成膜するために、Ｔｉターゲット５２が取り付けられている通常のマグネトロン３３に直流１５kW、Ｔｉターゲット５３、５４が取り付けられているＡＣのマグネトロン３７に交流３０kWの電力をそれぞれ供給し、ＳｉＯ₂ 膜の成膜工程と同様に、五分間の予備放電を行った後に、両方のシャッターを開けて成膜を行う。ＴｉＯ₂ 膜の場合も、設計膜厚の９０％まで成膜した時点でＡＣのマグネトロン３７への電力の供給を止め、通常のマグネトロン３３のみで成膜を行う。成膜中に、透過率の測定結果を各電源３６、３２にフィードバックして、膜の均一性を向上させ、正確な膜厚管理を行う点はＳｉＯ₂ 膜の成膜工程と同様である。

上述したＳｉＯ₂ 膜の成膜工程及びＴｉＯ₂ 膜の成膜工程を繰り返し行い、ガラス（基板）／ＳｉＯ₂ （94.2nm）／ＴｉＯ₂ （57.3nm）／ＳｉＯ₂ （94.2nm）／ＴｉＯ₂ （57.3nm）／ＳｉＯ₂ （94.2nm）／ＴｉＯ₂ （57.3nm）／ＳｉＯ₂ （188.2nm ）／ＴｉＯ₂ （57.3nm）／ＳｉＯ₂ （94.2nm）／ＴｉＯ₂ （57.3nm）／ＳｉＯ₂ （94.2nm）／ＴｉＯ₂ （57.3nm）／ＳｉＯ₂ （94.2nm）の１３層のバンドパスフィルターを作成した。なお、このような膜構成を、ガラス／（ＳｉＯ₂94.2／ＴｉＯ₂ 57.3nm）³ ／ＳｉＯ₂ 188.2nm ／（ＴｉＯ₂ 57.3nm／ＳｉＯ₂ 94.2nm）³ と表記する。

この作成されたバンドパスフィルターの分光特性を図１０に示す。同図中黒丸（●）は設計値であり、実線は本実施例による作成したバンドパスフィルターの分光特性の測定結果を示す。

上記した本実施の形態に係るスパッタ装置１０を利用することによって、基板１８に多層膜を高速で成膜でき、かつ高精度で膜厚制御することが可能になり、ＷＤＭ用フィルターやダイクロイックミラーなどを生産性よく製造することができる。

上記実施例の場合、設計膜厚の９０％の膜厚まで、ＡＣのマグネトロンと通常のマグネトロンとを同時稼働させ、その後ＡＣのマグネトロンのみ放電を止めて、通常のマグネトロンのみ放電を継続するようにしたが、制御方式はこの例に限定されない。例えば、９０％までＡＣのマグネトロンのみで成膜し、その後通常のマグネトロンのみで成膜するという制御方式も可能である。もちろん、ＡＣのマグネトロンを止めるタイミングは、設計膜厚の９０％成膜時点に限定されず、適宜設定可能である。

また、上記実施例では、ＡＣのマグネトロンへの給電中（設計膜厚の９０％に到達するまでの期間）も膜厚をモニタリングしながら膜厚制御を行っているが、ＡＣのマグネトロンへの電力供給中は膜厚のモニタリングはするが膜厚制御は行わず、予め調査されている投入電力とスパッタ時間による膜厚予測値に基づいて時間管理を行い、所定時間経過した時にＡＣのマグネトロンへの電源を停止してもよい。そして、通常のマグネトロンのみで成膜を開始した時点で膜厚制御（例えば、電源にフィードバックさせて制御する）を開始する態様も可能である。

基板１８上で膜厚を測定する場所（測定ポイント）は、基板１８の中央部の一カ所であってもよいし、回転方向に沿った横方向（すなわち「進行方向」）について複数箇所の測定を行い横方向の膜厚分布を測定してもよい。更に、基板ホルダー１４の回転軸に沿った縦方向について複数の膜厚測定手段（投光ヘッド４４及び受光ヘッド４６）を配置して、縦方向について複数箇所で膜厚の測定を行う態様も可能である。

図１に示したスパッタ装置１０は、基板ホルダー１４の内側に投光ヘッド４４を配置し、受光ヘッド４６はチャンバー１２の外部に設置したが、投光ヘッド４４と受光ヘッド４６の配置関係を入れ替える態様も可能である。

次に、上述した実施形態の変形例を説明する。

図１１は、他の実施形態に係る光学多層膜成膜用のスパッタ装置７０の模式図である。図１１中図１と共通する部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。なお、図１１では、図面の簡略化のため、ハロゲンランプ４０、モノクロメータ４１、光ファイバー４２、受光処理部４８及びパソコン５０等の構成を図示しないものとする（図１２及び図１３においても同様）。

図１１に示したスパッタ装置７０は、低屈折率膜形成用及び高屈折率膜形成用の双方について、通常のマグネトロン２３、３３と、ＡＣのマグネトロン２７、３７の設置場所が隔てられ、各マグネトロン（２３、３３、２７、３７）と基板１８との間にそれぞれ開閉可能なシャッター７２、７４、７６、７８が設けられている。同図では、低屈折率膜を成膜している状態が示され、低屈折率膜形成用の通常のマグネトロン２３及びＡＣのマグネトロン２７前に配置されたシャッター７２、７６は開状態、高屈折率膜形成用の通常のマグネトロン３３及びＡＣのマグネトロン３７前に配置されたシャッター７４、７８は閉状態となっている。

同図において、反応性スパッタプロセスにより所望の膜厚が得られた時点でシャッター７２、７６を閉じることによって、成膜反応を確実に停止させることができるとともに、成膜に使用しないスパッタ源のシャッター７４、７８を閉じておくことにより、ターゲットの劣化を防止できる。低屈折率膜の成膜が完了したら、シャッター７４、７８を開けて高屈折率膜の成膜を実施する。

また、図１２に示したように、各マグネトロン（２３、３３、２７、３７）の左右両脇に防着板８０を配置する態様も好ましい。防着板８０は、プラズマの回り込みを防止する作用を有し、マグネトロン部正面に位置する基板１８に対してのみ成膜作用を制限し、それ以外の基板（隣接する基板）に対する成膜を防止する。防着板８０によって各マグネトロンスパッタ源の左右を個別に包囲したことにより、他のマグネトロンスパッタ源によるプラズマの影響を受けず、ターゲットへの不純物の付着を防止できる。

図１３は、カソード配置のバリエーションを示す図である。本発明の実施に際しては、図１３（ａ）乃至（ｄ）に示すように、カソード配置に関して種々の形態が可能である。同図中「Ｈ」なる記号は高屈折率膜形成用のカソード（マグネトロン部）を示し、「Ｌ」は低屈折率膜形成用のカソード（マグネトロン部）を示す。図１３（ａ）は、高屈折率膜形成用のカソードと低屈折率膜形成用のカソードを離して配置した例であり、図１１で説明した通りである。図１３（ｂ）はプラズマの干渉を避けるために、高屈折率膜形成用のカソードと低屈折率膜形成用のカソードを隣接させた例である。同図（ｃ）は膜厚モニタへの干渉を避けるために、モニタ位置をカソードから離した位置に設定した例である。同図（ｄ）は、膜厚を測定する手段として、透過型のモニタと反射型モニタとを併用した例が示されている。

透過型モニタは、図１で説明したように、投光ヘッド４４と受光ヘッド４６を用いて基板１８の透過率を測定する手段である。反射型モニタは、ヘッド８２から基板１８に向けて光を照射し、その反射光をヘッド８２で受光して、受光信号の解析によって反射率を測定する手段である。図示されていないが、図１と同様のハロゲンランプ４０、モノクロメータ４１及び光ファイバー４２を用いて反射型モニタのヘッド８２に測定用の光が導かれ、ヘッド８２で受光した光（反射光）は受光信号処理手段を介してパソコン５０に送られる。

図１３（ｄ）のように、透過型モニタと反射型モニタを併用する場合、透過率が低い領域は反射率の測定結果を用いて制御を行い、透過率が高い領域は透過率の測定結果を用いて制御を行う態様が好ましい。すなわち、透過式／反射式の制御の切り替えを判定するための基準となる透過率（判定基準値）を予め設定しておき、この判定基準値よりも透過率が低い場合には、反射率の測定結果を利用して制御を行い、判定基準値よりも透過率が高い場合には、透過率の測定結果を利用して制御を行う。

図１４には、本発明の実施に際して主に使用されるターゲット材と膜材料が示されている。低屈折率材料としては、既述したＳｉターゲットを用いてＳｉＯ₂膜を形成する態様の他、ＳｉＣターゲットを用いてＳｉＯ₂ 膜を形成する態様、ターゲットにＳｉとＡｌの合金を用いてＳｉＯ₂ とＡｌ₂ Ｏ₃ とからなる酸化物膜を形成する態様などがある。

高屈折率材料についても、既述したＴｉターゲットを用いてＴｉＯ₂ 膜を形成する態様の他、図１４に示したように、ターゲット材を選択することによって、種々の膜材料を成膜することができる。また、図１４には示されていないが、ターゲット材は金属（導電性材料）以外にも、ＤＣスパッタが可能な酸化物、窒化物、酸窒化物、炭化物等も使用可能である。

図１５は、本発明の実施に際して利用される基板の例が示されている。同図に示したように、ＷＤＭ用フィルターには、基板としてＯＨＡＲＡ社製ＷＭＳ（結晶化ガラス）が使用される。また、他の光学フィルター用の基板としては、白板ガラス、硬質ガラス、人工水晶等、図１５に示した各種のガラスが用途に応じて使用される。

次に、本発明の更に他の実施形態について説明する。

図１６は、他の実施形態に係る光学多層膜成膜用のスパッタ装置１００の構成図である。同図中図１及び図１１に示した装置と同一または類似の部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。図１６において、「低速成膜１」と記載した通常のマグネトロン２３及び「高速成膜１」と記載したＡＣのマグネトロン２７は、低屈折率膜成膜用のスパッタ源である。また、「低速成膜２」と記載した通常のマグネトロン３３及び「高速成膜２」と記載したＡＣのマグネトロン３７は、高屈折率膜成膜用のスパッタ源である。
これら各マグネトロン２３、２７、３３、３７は、その中心線２３Ａ、２７Ａ、３３Ａ、３７Ａ（各マグネトロンの中心を通り、ターゲット支持面に垂直な線）が基板ホルダー１４の回転中心（中心軸１６）と交差するように、回転中心の方向に向いて配置されている。図１６のように、基板ホルダー１４によって構成される正十二角形の内接円を１５Ａ、外接円を１５Ｂとすると、基板ホルダー１４と各マグネトロン２３、２７、３３、３７までの距離は、基板ホルダー１４の回転に伴い、内接円１５Ａから外接円１５Ｂの範囲で変動する。同図では、基板ホルダー１４の基板支持面の中心点と、該基板支持面から見た各マグネトロン２３、２７、３３、３７の中心点との距離が最小となったときの状態（基板とターゲットが対向する位置関係の状態）が示されている。

シャッター７２、７４、７６、７８は、それぞれローラ７９の回転力によって開閉動作するように構成され、スパッタ電源２２、２６、３２、３６の制御に連動して、対応するシャッター７２、７４、７６、７８の開閉が制御される。

膜厚モニタリングシステムの光源としてハロゲンランプ４０を用いる場合、図１６に示すように、モノクロメータ４１の出力部にチョッパ８４が配置される。モノクロメータ４１からの出力光（単色光）をチョッパ８４によって周期的に遮光することにより、パソコン５０内のＣＰＵ５１において光源のノイズ成分を除去する演算が行われる。受光処理部４８は、チョッパ８４を作動させる変調信号を出力するとともに、入力される受光信号の電圧値をデジタル信号に変換してＣＰＵ５１に提供するコントロールアンプ（図１７中符号４９として記載）を備えている。

図１７は、ハロゲンランプを利用する膜厚モニタリングシステムの詳細な構成を示すブロック図である。ハロゲンランプ４０は、ランプ電源８６から電力の供給を受けて発光する。ハロゲンランプ４０から照射される光（白色光）は、モノクロメータ４１によって単色化された後、チョッパ８４に入射する。チョッパ８４は、コントロールアンプ４９から与えられる変調信号に従って作動し、チョッパ８４を介して変調された単色光が出力される。この変調された単色光は、光分割手段（ハーフミラーなど）８７によって２分割され、その一方は成膜空間となるチャンバー１２内に導入されて測定対象の基板１８（測定用試料に相当）に照射される。基板１８を透過した光はフォトマルメータ８５に入射し、透過光の光量に応じた電圧信号に変換される。フォトマルメータ８５から出力される電圧信号は、コントロールアンプ４９によってデジタル信号に変換された後、ＣＰＵ５１に送られる。

また、光分割手段８７で分割された他方の分岐光は、光源情報を得るための光としてフォトダイオード８８に入射する。コントロールアンプ４９は、フォトダイオード８８に対してチョッパ８４と同期する変調信号を与えており、フォトダイオード８８からはモノクロメータ４１から出射される光源直接光の光量に応じた電圧信号が出力される。フォトダイオード８８から出力された電圧信号は、コントロールアンプ４９においてデジタル信号に変換された後、ＣＰＵ５１に送られる。

ＣＰＵ５１は、コントロールアンプ４９から受入した透過光のデータと光源直接光のデータに基づいて、透過率の算出、光学膜厚の算出、並びに成膜レートの算出等の演算を行う。

ハロゲンランプ４０の白色光をモノクロメータ４１によって単色化してから基板１８に照射する態様に限らず、白色の測定光を基板１８に照射し、受光側で単色化してもよい。この場合、受光ヘッド４６の前段にモノクロメータが配置される。受光側で単色化する態様は、単色の測定光を用いる態様に比べてノイズが低減される。

図１７に示したシステム構成に代えて、図１８に示すシステム構成も可能である。図１８中図１７と同一または類似の部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。図１８に示した例では、光源部に可変波長レーザー９０が用いられ、コントロールアンプ４９からの変調信号によって出力波長が選択される。また、可変波長レーザー９０は出力が安定しているため、図１７で説明した光源直接光の監視が不要となる。

次に、膜厚のモニタリング方法に関する他の実施形態を説明する。
目標とする光学膜厚ｎｄ（ただし、ｎは膜の屈折率、ｄは物理膜厚) に対して、次式（１）
［数１］ｎｄ＝ｍλ／４ …（１）
ただし、ｍは正の整数、λは光の波長とする。

を満たすような波長λの光を測定光として用い、この測定光を成膜中の基板に垂直入射させて（入射角度＝０°）、その透過率（または反射率）を測定すると、成膜された膜の光学膜厚が測定波長λの１／４の整数倍となるとき（すなわち、上記式（１）を満たすとき）に、透過率（または反射率）が極値をとる。

図１９は、ガラス基板上にＴｉＯ₂ （ｎ＝２．４）の膜を形成した時の測定波長５５０ｎｍに対する透過率の変化を示したグラフである。同図において、横軸は成膜された膜厚（物理膜厚ｄ）を示し、縦軸が透過率を示す。同図に示したように、光学膜厚ｎｄがλ／４の整数倍のときに透過率が極値を示している。

かかる現象を利用して、目標とする膜厚に対して上記式（１）を満たす測定波長λの光を用いて、膜厚のモニタリング及び成膜制御を行うことができる。

しかし、図１や図１７で示したようなカルーセル型スパッタ装置の場合、基板ホルダー１４が回転しているために、測定光の入射角度と測定位置（モニタ位置）は常に変化している。測定光の入射角度が変化したとき、透過率の値が大きく変化してしまうと、精度のよい測定及び成膜制御が困難になる。実際、１０層以上の膜構成の場合、測定光の入射角度が変化することで透過率の極値の位置や透過率が変化してしまうため、従来の方法では膜厚測定及び成膜制御を行うことが困難である。

上記のような問題を解決するための手法について、以下、具体的な例を用いて説明する。

図２０は、ガラス／（ＴｉＯ₂ 92.9nm／ＳｉＯ₂ 57.3nm）⁷ ／ＴｉＯ₂ 185.8nm ／（ＳｉＯ₂ 57.3nm／ＴｉＯ₂ 92.9nm）⁷ の膜構成からなる２９層１キャビティーのバンドパスフィルター（中心波長５５０nm）を成膜したときの波長５５０nmの測定光による透過率の変化を示すグラフである。

成膜過程での各段階における膜の光学的な性質に着目して、図２０に示したように区間Ａ〜Ｄの４区間に区分けすることができる。

区間Ａ（第１層〜第１２層）は、透過率が膜厚に大きく依存し、測定光の入射角度には殆ど依存しない区間である。実際、０°入射の透過率と１０°入射の透過率の値はほぼ一致している。区間Ｂ（第１３層〜第１８層）は、透過率が膜厚にも入射角度にも殆ど依存せず、また、透過率の変化が少ない区間である。区間Ｃ（第１９層〜第２９層）は、透過率が膜厚にも入射角度にも依存する区間である。０°入射の透過率と、１０°入射の透過率とでは大きく異なり、１０°入射の透過率は小さい値（１０％未満）となっている。また、区間Ｄ（第２９層）は、光学特性を調整するための区間である。

各区間ごとに、それぞれ適したモニタリング及び成膜制御を行い、モニタリングの精度と、膜の光学的性質の制御性を向上することができる。以下に、各区間での制御方法を示す。

＜区間Ａでの膜厚制御＞図２１は、１層目、２層目、３層目、及び９層目の成膜中に得た透過率のデータの角度依存性を示すグラフである。第１層から第１２層までの区間（区間Ａ）では、図２１に示すように、入射角度が変化しても透過率は殆ど変化しない。したがって、基板が回転する中で連続的に取得される透過率のデータを入射角度±５°〜±１５°程度の範囲内の平均値をとることで、垂直入射時の透過率とほぼ同等の値を得ることができる。得られた垂直入射時の透過率から、透過率が極値となる時間を算出し、実際に透過率の値が極値となる値になった時点で成膜を停止する方法により膜厚を制御することができる。なお、測定対象となる基板１８は回転しているために、０°入射時には基板１８の中心を測定しているが、入射角度が大きくなるほど、基板の中心からずれた位置をモニタすることになる。しかしながら、図３乃至図８で説明した傾斜形のターゲットを利用したことで、基板の進行方向に対する膜厚分布は均一化されていることと相まって、モニタ位置が変動しても膜厚を正しく測定することができる。

＜区間Ｂでの成膜方法＞第１３層から第１８層までの区間では、透過率の値が小さく、膜厚の増加に対する透過率の変化が小さいため精度のよい膜厚制御が困難である。したがって、この区間Ｂでは、透過率は参考データとしてのみデータを収集し、主として、第１層から第１２層までの成膜工程における透過率の変化量と成膜時間の関係から、現状の成膜レートを算出して、所望の膜厚が得られる時間になったときに成膜を停止する方法により、膜厚を成膜時間で制御する。

＜区間Ｃでの成膜方法＞図２２は、２８層目以降の透過率の角度依存性を示すグラフである。第１９層から第２９層までの区間（区間Ｃ）では、図２２に示すように、透過率の値が角度に依存して変化するため、区間Ａのような制御方法が困難となる。しかし、図２２に示すように、入射角度０°のときの透過率を示す点は、測定によって取得される透過率曲線が線対象の対象軸と交わる点となるため、入射角度０°のタイミングを示す厳密なトリガがなくても、測定によって得られた透過率のデータを演算処理することにより、垂直入射時（入射角度０°）の透過率を求めることができる。また、測定により得られる透過率曲線のピーク位置や、角度に対する変化率または面積（つまり曲線の形状）から極値をとる膜厚を判定することができる。更に、角度を変化させて得られた透過率曲線を近似変換することにより、図２３に示すように、測定波長λの長波長側の分光透過率を得ることができる。

図２３は、入射角度０°±１０°の範囲で取得される透過率曲線のデータを近似変換して得られる分光透過率のグラフである。±１０°の範囲のデータを利用することにより、測定波長λ（＝５５０nm）の長波長側、すなわち、５５０nm≦λ≦５５２．３５nmの分光透過率を予測できる。この予測値は、図２３に示したとおり、実際の分光透過率（実験によって確認される分光透過率）と極めて高い精度で一致している。

＜区間Ｄでの成膜方法＞１層目から順次成膜してきた過程の中で、実際の膜厚が目標膜厚に対して誤差を生じたために、所望の光学特性が得られていないことがある。このような場合、成膜過程の中で光学特性の修正を行う層が設けられる。本例では、この修正用の層を第２９層（最終層）とし、これを区間Ｄとした。

この区間Ｄでは、式（１）を満たすような測定波長（λ＝５５０nm）から僅かに短波長側にずらした波長の測定光を利用して透過率の測定を行う。本例では波長λ＝５４９nmの測定光によって測定を行い、図２４に示すような信号を得た。こうして得られた測定データを用いて、前述の区間Ｃと同様に、近似変換を行うことにより、図２５に示すように、測定波長λ＝５４９nmの長波長側、すなわち、５４９nm≦λ≦５５２．３５nmの分光透過率を求めることができる。

このようにして求めた分光透過率は、実際の分光透過率と極めて高い精度で一致している。成膜工程中に、図２５に示したような分光透過率のプロファイルを得ることにより、バンドパスフィルターの光学仕様となる「中心波長」、「特定波長での透過率」、及び「バンド幅」を全て観測することができる。これにより、目標とする仕様を満たすように確認しながら膜厚（すなわち、光学特性）を補正することが可能となり、製品の歩留り（良品率）を向上させることができる。

上述の例では、測定波長λ＝５５０nmから僅かに短波長側にずらした測定光としてλ＝５４９nmの光を用いたが、測定に使用する光の波長は、測定しようとする膜の種類、段数（階層数）に応じて切り替えられる。

上記実施の形態では、透過率を算出する例を述べたが、本発明の実施に際しては、透過率に代えて、またはこれと併せて、反射率を算出してもよい。

上述した実施形態におけるスパッタ装置１０、７０、１００では、装置内の全てのマグネトロン部に傾斜形ターゲットを装着したが、本発明の実施に際しては、一つの装置内に通常ターゲットと傾斜形ターゲットとが混在する態様も可能である。

本発明の実施形態に係る光学多層膜成膜用のスパッタ装置の構成を示す平面模式図 図１に示した装置で使用される基板ホルダーの斜視図 （ａ）は本発明の実施形態に係るターゲットの断面図、（ｂ）はその平面図 傾斜形のターゲットの作用を説明した模式図 図４に示した傾斜形のターゲットを用いた成膜による膜厚分布と、従来の平板形のターゲット（通常ターゲット）を用いた成膜による膜厚分布とを比較したグラフ 高速成膜用のスパッタ源に適用される傾斜形のターゲットの構成図 図６に示した傾斜形のターゲットを用いた成膜による膜厚分布と、従来の平板形のターゲット（通常ターゲット）を用いた成膜による膜厚分布とを比較したグラフ 高速成膜用のスパッタ源に適用される傾斜形のターゲットの他の構成例を示す図 本実施例における膜厚モニタの信号例を示すグラフ 本実施例により作成したバンドパスフィルターの分光特性を示すグラフ 本発明の他の実施形態に係る光学多層膜成膜用のスパッタ装置の模式図 図１１に示したスパッタ装置に防着板を付加した例を示す模式図 種々のカソード配置の例を示す図 本発明で主に使用されるターゲット材と膜材料を例示した図表 本発明で使用される基板の例を示した図表 本発明の他の実施形態に係る光学多層膜成膜用のスパッタ装置の構成図 ハロゲンランプを利用する膜厚モニタリングシステムの詳細な構成を示すブロック図 可変波長レーザーを利用する膜厚モニタリングシステムの詳細な構成を示すブロック図 ガラス基板上にＴｉＯ₂ を成膜した時の波長５５０nmの光透過率の変化を示すグラフ ガラス／（ＴｉＯ₂ 92.9nm／ＳｉＯ₂ 57.3nm）⁷ ／ＴｉＯ₂ 185.8nm ／（ＳｉＯ₂ 57.3nm／ＴｉＯ₂ 92.9nm）⁷ の膜構成からなる２９層１キャビティーのバンドパスフィルター（中心波長５５０nm）を成膜したときの波長５５０nmの測定光による透過率の変化を示すグラフ 図２０中の区間Ａにおける成膜中に得た透過率のデータの角度依存性を示すグラフ 図２０中の第２８層目以降の成膜中に測定される透過率の角度依存性を示すグラフ 測定波長５５０nmを用いて入射角度０°±１０°の範囲で取得される透過率曲線のデータを近似変換して得られる分光透過率のグラフ 測定波長５４９nmを用いて入射角度０°±１０°の範囲で取得される透過率曲線のデータを示すグラフ 図２４に示したデータを近似変換して得られる分光透過率のグラフ 従来のカルーセル型スパッタ装置における膜厚分布の不均一性を説明した模式図

符号の説明

１０…スパッタ装置、１２…チャンバー、１４…基板ホルダー、１６…中心軸（回転軸）、１７…ドラム、１８…基板、２０…マグネトロンスパッタ源（低屈折率膜形成用のマグネトロンスパッタ源）、２１…マグネトロン部、２２…電源、２３…通常のマグネトロン、２３Ａ…中心線、２４，２５…マグネトロン部、２６…交流電源、２７…ＡＣのマグネトロン、２７Ａ…中心線、３０…マグネトロンスパッタ源（高屈折率膜形成用のマグネトロンスパッタ源）、３１…マグネトロン部、３２…電源、３３…通常のマグネトロン、３３Ａ…中心線、３４，３５…マグネトロン部、３６…交流電源、３７…ＡＣのマグネトロン、３７Ａ…中心線、４０…ハロゲンランプ、４１…モノクロメータ、４２…光ファイバー、４４…投光ヘッド、４６…受光ヘッド、４８…受光処理部、４９…コントロールアンプ、５０…パソコン、５１…ＣＰＵ、５２，５３，５４…Ｔｉターゲット、６２，６３，６４…Ｓｉターゲット、７０…スパッタ装置、７２，７４，７６，７８…シャッター、８０…防着板、８２…反射型モニタのヘッド、８４…チョッパ、８５…フォトマルメータ、８６…ランプ電源、８７…光分割手段、８８…フォトダイオード、９０…可変波長レーザー、９２…ターゲット、９２Ａ，９２Ｂ…ターゲット傾斜面、９２Ｃ…稜線、９４，９５，９６，９７…ターゲット、９６Ａ，９６Ｂ，９７Ａ，９７Ｂ…傾斜面、１００…スパッタ装置

Claims (28)

1. チャンバー内に、横断面が多角形状または円形状のドラムが回転自在に設置され、該ドラムの外周面上に基板ホルダーが設けられ、チャンバー壁の内側にはターゲットと該ターゲットを保持するマグネトロン部からなるマグネトロンスパッタ源が配置され、前記ターゲットは前記ドラムの回転軸と平行となるように前記マグネトロン部により保持された構造を有するカルーセル型スパッタ装置において、
   前記マグネトロン部に電力を供給する電源を有し、
   前記マグネトロン部と前記基板の間に必要に応じてシャッターが設けられ、
   前記基板ホルダーを介して前記ドラムの外周面上に複数の基板が取り付けられ、
   前記電源から前記マグネトロン部に電力を供給しつつ前記ドラムを回転させながら前記複数の基板上に膜を形成する成膜中に、前記ドラムとともに回転する前記複数の基板のうち、前記マグネトロンスパッタ源と対向しない位置の基板について膜厚を測定する膜厚測定手段と、
   前記膜厚測定手段で得られる測定結果を利用して前記電源、前記ドラムの回転速度、前記チャンバーの圧力、または前記シャッターの開閉を制御して成膜制御を行う制御手段と、
   を備えたことを特徴とするスパッタ装置。
2. 請求項１に記載のスパッタ装置において、該スパッタ装置は、隣接して配置された二つのターゲットのアノード／カソードの関係を所定周波数で交互に切り替えるＡＣ型マグネトロンスパッタ源と、
   単一のマグネトロン部にターゲットが取り付けられたマグネトロンスパッタ源と、を備えたことを特徴とするスパッタ装置。
3. 請求項２に記載のスパッタ装置において、
   前記制御手段は、はじめに前記ＡＣ型マグネトロンスパッタ源を利用して目標膜厚の手前の所定膜厚まで成膜した後、前記ＡＣ型マグネトロンスパッタ源による成膜を停止し、その後前記単一のマグネトロン部にターゲットが取り付けられたマグネトロンスパッタ源のみを利用して前記目標膜厚までの成膜を実施するように制御することを特徴とするスパッタ装置。
4. 請求項３に記載のスパッタ装置において、
   前記制御手段は、前記単一のマグネトロン部にターゲットが取り付けられたマグネトロンスパッタ源のみを利用した成膜中に前記膜厚測定手段によって膜厚を監視し、膜厚が前記目標膜厚に到達したことが検出された時点で前記単一のマグネトロン部にターゲットが取り付けられたマグネトロンスパッタ源による成膜を停止する制御を行うことを特徴とするスパッタ装置。
5. 請求項１に記載のスパッタ装置において、
   前記マグネトロンスパッタ源は、隣接して配置された二つのターゲットのアノード／カソードの関係を所定周波数で交互に切り替えるＡＣ型マグネトロンスパッタ源であることを特徴とするスパッタ装置。
6. 請求項１に記載のスパッタ装置において、
   前記マグネトロンスパッタ源は、単一のマグネトロン部にターゲットが取り付けられたマグネトロンスパッタ源であることを特徴とするスパッタ装置。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載のスパッタ装置において、該スパッタ装置は、
   低屈折率膜の成膜に用いられるターゲットが取り付けられる低屈折率膜形成用のマグネトロンスパッタ源と、
   高屈折率膜の成膜に用いられるターゲットが取り付けられる高屈折率膜形成用のマグネトロンスパッタ源と、が併設されていることを特徴とするスパッタ装置。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載のスパッタ装置において、
   前記膜厚測定手段は、前記基板に対して測定光を照射する投光手段と、
   前記基板に照射された前記測定光の透過光または反射光を受光して、その受光量に応じた電気信号を出力する受光手段と、を備え、
   前記ドラムの回転中に前記投光手段から前記基板に測定光を照射することにより、前記膜厚の測定を行うことを特徴とするスパッタ装置。
9. 請求項８に記載のスパッタ装置において、
   前記受光手段から出力される受光信号に基づいて透過率または反射率を算出する演算手段を備えたことを特徴とするスパッタ装置。
10. 請求項９に記載のスパッタ装置において、
    前記演算手段は、前記測定光の入射角度が０°及びその近傍を含む所定の角度範囲のときに前記受光手段から得られる信号に基づいて、入射角度に応じた透過率または反射率を求め、入射角度と透過率または反射率の関係を示すデータを取得することを特徴とするスパッタ装置。
11. 請求項８乃至１０の何れか１項に記載のスパッタ装置において、
    前記投光手段は、前記基板に対して波長の異なる複数種類の測定光を選択的に照射し得る光源部を有していることを特徴とするスパッタ装置。
12. 請求項１１に記載のスパッタ装置において、
    前記受光手段から出力される受光信号に基づいて、前記波長の異なる複数種類の測定光に対する透過率または反射率を算出する演算手段を備えたことを特徴とするスパッタ装置。
13. 請求項１２に記載のスパッタ装置において、
    前記演算手段は、前記波長の異なる複数種類の測定光に対して、それぞれ入射角度が０°及びその近傍を含む所定の角度範囲のときに前記受光手段から得られる受光信号に基づいて、入射角度に応じた透過率または反射率を求め、入射角度と透過率または反射率の関係を示すデータを取得することを特徴とするスパッタ装置。
14. 請求項１０または１３に記載のスパッタ装置において、
    前記演算手段は、前記取得した入射角度と透過率または反射率の関係を示すデータから近似変換を行って分光透過率または分光反射率を算出することを特徴とするスパッタ装置。
15. 請求項８乃至１４の何れか１項に記載のスパッタ装置において、
    前記ドラムの内側に前記投光手段若しくは前記受光手段のいずれか一方が配置されていることを特徴とするスパッタ装置。
16. 請求項１乃至１５の何れか１項に記載のスパッタ装置において、
    前記ターゲットは、前記基板と対向する位置関係になったときに、前記基板に対面するターゲット面が基板面に対して平行とならないように前記ターゲット面が所定の傾斜角度を有していることを特徴とするスパッタ装置。
17. チャンバー内に、横断面が多角形状または円形状のドラムが回転自在に設置され、該ドラムの外周面上に基板ホルダーが設けられ、チャンバー壁の内側にはターゲットと該ターゲットを保持するマグネトロン部からなるマグネトロンスパッタ源が配置され、前記ターゲットは、前記ドラムの回転軸と平行となるように前記マグネトロン部により保持された構造を有するカルーセル型スパッタ装置を用いて成膜を行うスパッタ成膜方法であって、該方法は、
    前記基板ホルダーを介して前記ドラムの外周面上に複数の基板を取り付け、前記マグネトロン部に電源から電力を供給しつつ前記ドラムを回転させながら前記複数の基板上に膜を形成する成膜中に、前記ドラムとともに回転する前記複数の基板のうち、前記マグネトロンスパッタ源と対向しない位置の基板について膜厚を測定する膜厚測定工程と、
    前記膜厚測定工程で得られた膜厚の測定結果を前記電源にフィードバックすることにより、膜厚が設計膜厚になるように成膜制御を行う成膜工程と、
    を含むことを特徴とするスパッタ成膜方法。
18. 請求項１７に記載のスパッタ成膜方法において、
    前記スパッタ装置は、隣接して配置された二つのターゲットのアノード／カソードの関係を所定周波数で交互に切り替えるＡＣ型マグネトロンスパッタ源と、単一のマグネトロン部にターゲットが取り付けられたマグネトロンスパッタ源と、を有し、
    該スパッタ成膜方法は、
    はじめに前記ＡＣ型マグネトロンスパッタ源を利用した成膜を実行して目標膜厚の手前の所定膜厚まで成膜した後に、前記ＡＣ型マグネトロンスパッタ源による成膜を停止し、その後前記単一のマグネトロン部にターゲットが取り付けられたマグネトロンスパッタ源のみを利用した成膜に切り替えて前記目標膜厚までの成膜を実施するようことを特徴とするスパッタ成膜方法。
19. 請求項１７に記載のスパッタ成膜方法において、
    前記マグネトロンスパッタ源として、隣接して配置された二つのターゲットのアノード／カソードの関係を所定周波数で交互に切り替えるＡＣ型マグネトロンスパッタ源を利用し、前記ドラムを回転させながら、前記基板ホルダーに取り付けられている基板上に膜を形成する成膜工程を有することを特徴とするスパッタ成膜方法。
20. 請求項１７に記載のスパッタ成膜方法において、
    前記膜厚測定工程は、
    前記ドラムを回転させながら前記基板に対して測定光を照射する投光工程と、
    前記基板に照射された前記測定光の透過光または反射光を受光して、その受光量に応じた電気信号を出力する受光工程と、
    を含むことを特徴とするスパッタ成膜方法。
21. 請求項２０に記載のスパッタ成膜方法において、
    前記受光工程により出力される受光信号に基づいて透過率または反射率を算出する演算工程を含むことを特徴とするスパッタ成膜方法。
22. 請求項２１に記載のスパッタ成膜方法において、
    前記演算工程は、前記測定光の入射角度が０°及びその近傍を含む所定の角度範囲のときに前記受光工程で得られる受光信号に基づいて、入射角度に応じた透過率または反射率を求め、入射角度と透過率または反射率の関係を示すデータを取得することを特徴とするスパッタ成膜方法。
23. 請求項１７乃至１９の何れか１項に記載のスパッタ成膜方法において、
    前記膜厚測定工程は、
    前記ドラムを回転させながら前記基板に対して波長の異なる複数種類の測定光を選択的に照射する投光工程と、
    前記基板に照射された前記測定光の透過光または反射光を受光して、その受光量に応じた電気信号を出力する受光工程と、を含むことを特徴とするスパッタ成膜方法。
24. 請求項２３に記載のスパッタ成膜方法において、
    前記受光工程で得られる受光信号に基づいて、前記波長の異なる複数種類の測定光に対する透過率または反射率を算出する演算工程を含むことを特徴とするスパッタ成膜方法。
25. 請求項２４に記載のスパッタ成膜方法において、
    前記演算工程は、前記波長の異なる複数種類の測定光に対して、それぞれ入射角度が０°及びその近傍を含む所定の角度範囲のときに前記受光工程で得られる受光信号に基づいて、入射角度に応じた透過率または反射率を求め、入射角度と透過率または反射率の関係を示すデータを取得することを特徴とするスパッタ成膜方法。
26. 請求項２２または２５に記載のスパッタ成膜方法において、
    前記演算工程は、前記取得した入射角度と透過率または反射率の関係を示すデータから近似変換を行って分光透過率または分光反射率を算出することを特徴とするスパッタ成膜方法。
27. 請求項２０乃至２６の何れか１項に記載のスパッタ成膜方法において、
    前記ドラムの内側に投光手段若しくは受光手段のいずれか一方を配置することを特徴とするスパッタ成膜方法。
28. 請求項１７乃至２７の何れか１項に記載のスパッタ成膜方法において、前記ターゲットが前記基板と対向する位置関係になったときに、前記基板に対向するターゲット面が基板面に対して平行とならないように前記ターゲット面が傾斜面で構成されたターゲットを用いることを特徴とするスパッタ成膜方法。

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