JP5078813B2 - 薄膜形成方法及び薄膜形成装置 - Google Patents

Description

この発明は、薄膜形成方法及び薄膜形成装置に関する。

スパッタリングにより基板表面に膜原料物質を付着させる薄膜形成装置を用いて、基板表面に光学薄膜を形成させ、干渉フィルター、例えば反射防止フィルター、ハーフミラー、各種バンドパスフィルター、ダイクロイックフィルターなどの光学製品を製造することが従来から行われている（特許文献１）。

特開２００１−１３３２２８号公報

この種の薄膜形成装置を用いて光学製品を製造する従来手法では、次の工程を経て行っていた。まず、テスト成膜を行う。具体的には、成膜対象としての基板を真空容器（チャンバー）内にセットし、設計時の条件で光学薄膜を基板上に成膜する。次に、成膜後の基板をチャンバーから取り出し、光学薄膜の実際の分光特性を確認する。具体的には、基板に成膜された光学薄膜を分光器などを用いて測光し、目的とする光学特性が得られるような所望膜厚で形成されているか否かを確認する。次に、実際の分光特性と設計時の分光特性のレート差を算出し（シュミレーション）、このレート差を考慮したレートで本成膜を行う。

このように従来手法では、数バッチのテスト成膜を行い、成膜条件が安定化するのを待って本成膜を行うようにしていた。特に、光学薄膜が多層膜で構成される場合には、それぞれの単層膜ごとにテスト成膜と上記シュミレートを行った後、本成膜を行わなければならない。このため、本成膜を行うまでに多くの時間と労力を要し、全体の成膜効率が低下していた。

発明が解決しようとする課題は、テスト成膜による成膜の無駄を省き、成膜効率を向上させることが可能な薄膜形成方法及び装置を提供することである。

この発明は、以下の解決手段によって上記課題を解決する。なお、以下の解決手段では、発明の実施形態を示す図面に対応する符号を付して説明するが、この符号は発明の理解を容易にするためだけのものであって発明を限定する趣旨ではない。

発明に係る薄膜形成方法は、ターゲット（２９ａ，２９ｂ）をスパッタして基体保持手段（１３ａ、１３）に保持され回転する基体（Ｓ）に、目標膜厚よりも薄い膜厚の第１薄膜を形成した後、目標膜厚に対して不足する不足分膜厚の第２薄膜を第１薄膜に形成する方法であって、第１薄膜の膜物性値（膜厚）を測定する光学測定工程と、第１薄膜の膜物性値に基づいて第１薄膜を形成した実際の成膜レートを算出する成膜レート算出工程と、実際の成膜レートに基づいて第２薄膜を形成するのに必要な残成膜時間を算出して成膜時間を調整する成膜時間調整工程とを、有する。

上記発明において、光学測定工程では、第１薄膜の光学測定基準値を検出する第１の測光用光路（Ｌ１）を通過する第１の光量と、第１の測光用光路と交錯するように形成された、第１薄膜の光学測定値を検出する第２の測光用光路（Ｌ２）を通過する第２の光量とに基づいて、第１薄膜の膜物性値を測定する透過式の光学測定装置（２００）を用いてもよい。

上記発明において、基体保持手段として、軸線を中心に回転可能に形成されているとともに；側壁部分に、回転方向に沿って形成された一対の第１貫通孔（１３ｂ４，１３ｂ５）と、前記一対の第１貫通孔とは異なる配置で前記回転方向に沿って形成された一対の第２貫通孔（１３ｂ６，１３ｂ７）とを有し、前記一対の第１貫通孔を結ぶラインが前記第２の測光用光路（Ｌ２）の一部を構成し、前記一対の第２貫通孔を結ぶラインが前記第１の測光用光路（Ｌ１）の一部を構成する；筒状部（１３ｂ３）と、筒状部の両側端に対向して接続された一対の環状部（１３ｂ１，１３ｂ２）とを、含む回転手段（１３）の回転方向側面に形成された基体保持手段（１３ｂ）を用いてもよい。

発明に係る薄膜形成装置（１）は、目標膜厚よりも薄い膜厚の第１薄膜を形成した後、目標膜厚に対して不足する不足分膜厚の第２薄膜を第１薄膜に形成する装置である。そして、この装置は、真空容器（１１）の内部に設置され、軸線（Ｚ）を中心に回転可能な回転手段（１３）の回転方向側面に形成された、基体（Ｓ）を保持する基体保持手段（１３ｂ）と、ターゲット（２９ａ，２９ｂ）をスパッタして基体に第１薄膜及び第２薄膜を形成するスパッタ手段（２１ａ，２１ｂなど）と、第１薄膜の膜物性値（膜厚）を測定する光学測定手段（２００）と、第１薄膜の膜物性値に基づいて第１薄膜を形成した実際の成膜レートを算出する成膜レート算出手段（４０，１１０）と、実際の成膜レートに基づいて第２薄膜を形成するのに必要な残成膜時間を算出して成膜時間を調整する成膜時間調整手段（４０，１１０）とを有する。

上記発明において、光学測定手段（２００）は、第１薄膜の光学測定基準値を検出する第１の測光用光路（Ｌ１）を通過する第１の光量と、第１の測光用光路と交錯するように形成された、第１薄膜の光学測定値を検出する第２の測光用光路（Ｌ２）を通過する第２の光量とに基づいて、第１薄膜の膜物性値を測定する透過式の光学測定装置（２００）で構成されていてもよい。

上記発明において、回転手段（１３）は、軸線（Ｚ）を中心に回転可能な筒状部（１３ｂ３）と、筒状部の両側端に対向して接続された一対の環状部（１３ｂ１，１３ｂ２）とを含み、筒状部は、側壁部分に、回転方向に沿って形成された一対の第１貫通孔（１３ｂ４，１３ｂ５）と、一対の第１貫通孔とは異なる配置で前記回転方向に沿って形成された一対の第２貫通孔（１３ｂ６，１３ｂ７）とを有し、一対の第１貫通孔を結ぶラインが第２の測光用光路（Ｌ２）の一部を構成し、一対の第２貫通孔を結ぶラインが第１の測光用光路（Ｌ１）の一部を構成してもよい。

上記発明によれば、目標膜厚よりも薄い膜厚の薄膜を形成した実際の成膜レートに基づいて目標膜厚に対して不足する不足分膜厚の薄膜を形成するので、テスト成膜を省略して本成膜を行うことができ、全体の成膜効率を向上させることができる。

以下に、上記発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態では、スパッタの一例であるマグネトロンスパッタを行うスパッタ装置１を用いているが、これに限定されるものでなく、マグネトロン放電を用いない２極スパッタ等、他の公知のスパッタを行うスパッタ装置を用いることもできる。

本実施形態のスパッタ装置１は、スパッタ処理とプラズマ処理を繰り返すことで、基板上に目標膜厚よりも薄い薄膜（例えば第１薄膜）を形成し、所定の工程後に再度、スパッタ処理とプラズマ処理を繰り返し、第１薄膜上に目標膜厚に対して不足する不足分膜厚の薄膜（第２薄膜）を形成するものである。本実施形態では、スパッタとプラズマ処理によって平均０．０１〜１.５ｎｍの膜厚の薄膜（第１薄膜、第２薄膜）を基板表面もしくは第１薄膜表面に形成する薄膜形成処理を、回転ドラムの回転毎に繰り返すことで、基板上に数ｎｍ〜数百ｎｍ程度の目標膜厚を持つ薄膜を形成する。

《薄膜形成装置》
図１に示すように、薄膜形成装置の一例としての本実施形態のスパッタ装置１は、真空容器１１と、基体ホルダとしての回転ドラム１３と、モータ１７と、仕切壁１２，１４と、マグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂと、交流電源２３と、プラズマ発生手段６０と、を主要な構成要素として備えている。

真空容器１１は、公知のスパッタ装置で通常用いられるものであり、ステンレススチール製で、略直方体形状をした中空体とされている。真空容器１１の内部は、本発明の開閉扉としての扉１１ｂによって薄膜形成室１１Ａとロードロック室１１Ｂに分けられる。真空容器１１の上方には扉１１ｂを収容する扉収納容器（不図示）が接続されている。扉１１ｂは、真空容器１１の内部と扉収納室との間でスライドし、真空容器１１を薄膜形成室１１Ａとロードロック室１１Ｂに仕切る位置と、薄膜形成室１１Ａとロードロック室１１Ｂを連通させる位置との間を移動する。

真空容器１１には、ロードロック室１１Ｂと真空容器１１の外部とを仕切る扉１１ｃが設けられている。扉１１ｃは、スライドまたは回動により開閉する。真空容器１１の内部の薄膜形成室１１Ａには、排気用の配管１５ａが接続され、この配管には真空容器１１内を排気するための真空ポンプ１５が接続されている。また、真空容器１１の内部のロードロック室１１Ｂには、排気用の配管１５ａ'が接続され、この配管には真空容器１１内を排気するための真空ポンプ１５'が接続されている。

回転ドラム１３（回転手段）は、表面に薄膜を形成させる基板Ｓを真空容器１１内で保持するための部材であり、本発明の基体保持手段に該当する。図２に示すように、回転ドラム１３は、複数の基板保持具１３ａ，フレーム１３ｂ、締結具１３ｃを主要な構成要素としている。

基板保持具１３ａ（基体保持手段）は、ステンレススチール製の平板状部材からなり、基板Ｓを保持するための複数の基板保持孔を板面の長手方向に一列に備えている。基板Ｓは基板保持具１３ａの基板保持孔に収納され、脱落しないようにネジ部材を用いて基板保持具１３ａに固定されている。また、図２に示すように、基板保持具１３ａの長手方向における両端付近の板面にはそれぞれネジ穴が一箇所ずつ設けられている。

フレーム１３ｂは、ステンレススチール製部材で、上下に配置された２つの環状部材１３ｂ１，１３ｂ２（環状部）と、これら環状部材１３ｂ１，１３ｂ２の中心付近に配置される筒状部材１３ｂ３（筒状部）とを含む。各環状部材１３ｂ１，１３ｂ２の外縁には、基板保持板１３ａのネジ穴と対応する位置にネジ穴が設けられている。基板保持板１３ａと、フレーム１３ｂを構成する２つの環状部材１３ｂ１，１３ｂ２とは、ボルト及びナットからなる締結具１３ｃを用いて固定される。具体的には、ボルトを基板保持板１３ａ及び環状部材１３ｂ１，１３ｂ２のネジ穴に挿通してナットで固定することにより固定される。

図２及び図３Ａ〜図３Ｄに示すように、筒状部材１３ｂ３の側壁部分には、一対の第１貫通孔１３ｂ４，１３ｂ５が筒状部材１３ｂ３の円周方向に沿って形成されている。第１貫通孔１３ｂ４，１３ｂ５を形成することで、図６及び図７に示す膜厚計２００の投光器２０２から送出された入射光Ｉｉｎを出射光Ｉｏｕｔとして膜厚計２００の受光器２０４に出射させることが可能な測光用光路を、真空容器１１の内部に確保することができる。この測光用光路は、成膜対象である基板Ｓに形成された薄膜の厚みを計測するために必要なサンプル測光用光路Ｌ２として機能する。

また、筒状部材１３ｂ３の側壁部分には、一対の第２貫通孔１３ｂ６，１３ｂ７が、一対の第１貫通孔１３ｂ４，１３ｂ５を結ぶラインと交差する方向（好ましくは略直角に交差する方向）にラインを結ぶような配置で、筒状部材１３ｂ３の円周方向に沿って形成されている。第２貫通孔１３ｂ６，１３ｂ７を形成することで、上記サンプル測光用光路Ｌ２とは別の、測光基準値を設定するのに必要なリファレンス測光用光路Ｌ１を、真空容器１１の内部に確保することができる。

なお、回転ドラム１３は、平板状の基板保持具１３ａを複数配置しているため横断面形状が多角形となっているが、回転ドラムとしてはこのような横断面形状が多角形のもの限定されず、例えば中空の円筒状や円錐状のものであってもよい。

回転ドラム１３は、薄膜形成室１１Ａとロードロック室１１Ｂの間を移動できるように構成されている。本実施形態では、真空容器１１の底面にレール（不図示）が設置されていて、回転ドラム１３は、このレールに沿って移動する。基板保持具１３ａをフレーム１３ｂに取り付ける際やフレーム１３ｂから取り外す際には、回転ドラム１３はロードロック室１１Ｂの位置において、回転可能な状態でロックされる。薄膜形成中には、回転ドラム１３ａは薄膜形成室１１Ａの位置において、回転可能な状態でロックされる。回転ドラム１３は、円筒の筒方向の中心軸線Ｚ（図２参照）が真空容器１１の上下方向になるように真空容器１１内に配設される。

回転ドラム１３の下面はモータ１７の回転軸１７ａと係合する構造となっている。回転ドラム１３は、真空容器１１内の真空状態を維持した状態で、真空容器１１の下部に設けられたモータ１７を駆動させることによって中心軸線Ｚを中心に回転する。各基板Ｓは、回転ドラム１３上に保持されているため、回転ドラム１３が回転することで、中心軸線Ｚを公転軸として公転する。回転軸１７ａの回転ドラム１３と係合する面１８ａは、絶縁部材で構成されている。これにより、基板における異常放電を防止することが可能となる。

回転ドラム１３の上面には、ドラム回転軸１７ｂが設けられており、回転ドラム１３の回転に伴ってドラム回転軸１７ｂも回転するように構成されている。真空容器１１の上面には孔部が設けられており、ドラム回転軸１７ｂはこの孔部を貫通して真空容器１１の外部に通じている。孔部の内面には軸受が設けられており、回転ドラム１３の回転をスムーズに行えるようにしている。また、真空容器１１とドラム回転軸１７ｂとの間は、Ｏリングで気密が保たれている。

基板Ｓは、上記発明の基体に相当するものである。本実施形態では、基板Ｓはガラス製の円板状部材で、その表面には薄膜形成処理により薄膜が形成される。なお、基体としては円板状のもの限定されず、レンズ状のものや管状のものなどを用いることもできる。また、基板Ｓの材質もガラス製に限定されず、プラスチックや金属等であってもよい。

《薄膜形成プロセスゾーン，反応プロセスゾーン》
次に、基板Ｓの表面に薄膜を形成する薄膜形成プロセスゾーン２０と、反応プロセスゾーン５０について説明する。

薄膜形成プロセスゾーン２０と反応プロセスゾーン５０は、それぞれ仕切壁１２，１４により囲繞される空間に形成されている。仕切壁１２，１４は、真空容器１１の内壁面から回転ドラム１３へ向けて立設している。本実施形態における仕切壁１２，１４は、真空容器１１と同じステンレススチール製の部材である。仕切壁１２，１４は、真空容器１１の内壁面から回転ドラム１３へ向けて、四方を囲んだ状態で設けられている。

真空容器１１の内壁面，仕切壁１２，回転ドラム１３の外周面に囲繞された空間には、薄膜形成プロセスゾーン２０が形成されている。薄膜形成プロセスゾーン２０では基板Ｓの表面に薄膜を形成するスパッタが行われる。

真空容器１１の内壁面，後述のプラズマ発生手段６０，仕切壁１４，回転ドラム１３の外周面に囲繞された空間には、反応プロセスゾーン５０が形成されている。反応プロセスゾーン５０では、基板Ｓ上の薄膜に対してプラズマ処理が行われる。

反応プロセスゾーン５０は、薄膜形成プロセスゾーン２０が形成された位置から、基板ホルダの回転軸を中心に円周上に約９０度回転した位置に形成されている。モータ１７によって回転ドラム１３が回転させられると、回転ドラム１３の外周面に保持された基板Ｓが公転して、薄膜形成プロセスゾーン２０に面する位置と、反応プロセスゾーン５０に面する位置との間を繰り返し移動することになる。そして、このように基板Ｓが公転することで、ターゲット２９ａ，２９ｂに対して相対的に移動することになり、薄膜形成プロセスゾーン２０でのスパッタ処理と、反応プロセスゾーン５０でのプラズマ処理とが順次繰り返し行われて、基板Ｓの表面に薄膜が形成される。

《薄膜形成プロセスゾーン２０》
薄膜形成プロセスゾーン２０には、スパッタ手段が設置されている。スパッタ手段は、ターゲット２９ａ，２９ｂを保持する一対のマグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂと、マグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂに電力を供給する交流電源２３と、電力制御手段としてのトランス２４により構成される。真空容器１１の壁面は外方に突出しており、この突出部の内壁にマグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂが側壁を貫通した状態で配設されている。このマグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂは、接地電位にある真空容器１１に不図示の絶縁部材を介して固定されている。

マグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂは、複数の磁石が所定の方向に配置された構造を有している。そしてマグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂは、トランス２４を介して交流電源２３に接続され、両電極に１ｋ〜１００ｋＨｚの交番電界が印加可能に構成されている。マグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂには、ターゲット２９ａ，２９ｂがそれぞれ保持されている。本実施形態のターゲット２９ａ，２９ｂの形状は平板状であり、ターゲット２９ａ，２９ｂの表面が回転ドラム１３の回転軸線Ｚと垂直となるように保持される。

本実施形態のターゲット２９ａ，２９ｂは、基板Ｓに対向して所定の面積を有するように膜原料物質を平板状に形成したものであり、回転ドラム１３の側面に対向するようにマグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂにそれぞれ保持される。ターゲットの材質としては、製造する光学製品の目的にあった任意のもの、例えば、ケイ素，ニオブ，チタン，アルミニウム，ゲルマニウム等を採用することが可能である。

薄膜形成プロセスゾーン２０の周辺には、スパッタガス供給手段と反応性ガス供給手段が設けられている。スパッタガス供給手段は、スパッタガス貯蔵手段としてのスパッタガスボンベ２６と、ガス供給路としての配管と、スパッタガスの流量を調整する流量調整手段としてのマスフローコントローラ２５と、を主要な構成要素として具備している。反応性ガス供給手段は、反応性ガス貯蔵手段としての反応性ガスボンベ２８と、ガス供給路としての配管と、反応性ガスの流量を調整する流量調整手段としてのマスフローコントローラ２７と、を主要な構成要素として具備している。

スパッタガスボンベ２６、反応性ガスボンベ２８、マスフローコントローラ２５，２７はいずれも真空容器１１の外部に設けられている。マスフローコントローラ２５は、スパッタガスとしてのアルゴンガスを貯蔵する単一のスパッタガスボンベ２６に配管を介してそれぞれ接続されている。また、マスフローコントローラ２７は、反応性ガスとしての酸素ガスを貯蔵する単一の反応性ガスボンベ２６に配管を介してそれぞれ接続されている。

マスフローコントローラ２５とマスフローコントローラ２７は、Ｙ字型の配管で接続されており、配管の一端は真空容器１１の側壁を貫通して薄膜形成プロセスゾーン２０のターゲット２９ｂの側部に延びている。配管の先端部には導入口が形成されている。導入口は、ターゲット２９ｂの側部下方の所定の位置に配置されている。配管を通じて供給されるガスは、前記導入口からターゲット２９ａ，２９ｂの前面に導入される。

本実施形態では、スパッタガスをターゲットへ導入する配管と反応性ガスをターゲットへ導入する配管を共通にして、両ガスの混合ガスとしてターゲットへ導入する構成としている。しかしながら、ガス供給路としてはこのようなスパッタガス供給路と反応性ガスの供給路を共通としたものに限定されず、スパッタガス導入用の配管と反応性ガス導入用の配管をそれぞれ別々に設けて、それぞれのガスを別々の配管を通じてターゲット前面へ導入する構成としてもよい。

マスフローコントローラ２５，２７は、ガスの流量を調節する装置であり、ガスボンベからのガスが流入する流入口と、ガスを真空容器１１側へ流出させる流出口と、ガスの質量流量を検出するセンサと、ガスの流量を調整するコントロールバルブと、流入口より流入したガスの質量流量を検出するセンサと、センサにより検出された流量に基づいてコントロールバルブの制御を行う電子回路とを主要な構成要素として備えている（いずれも不図示）。電子回路には外部から所望の流量を設定することが可能となっている。

本実施形態では、マスフローコントローラ２５，２７は、いずれも後述するスパッタ制御装置４０に電気的に接続されており、スパッタ制御装置４０から流量設定の指示を受けてガス流量の調整を行っている。

流入口よりマスフローコントローラ２５，２７内に送入されたガスの質量流量は、センサにより検出される。センサの下流にはコントロールバルブが設けられており、コントロールバルブは、センサで検出した流量と、設定された基準値とを比較し、ガスの流量が基準値に近づくようにコントロールバルブの開閉を行うことで、流量の制御を行う。

スパッタガスボンベ２６からの不活性ガスは、マスフローコントローラ２５により流量を調節されて配管内に導入される。一方、反応性ガスボンベ２８からの反応性ガスは、マスフローコントローラ２７により流量を調節されて配管内に導入される。配管に流入した不活性ガス及び反応性ガスは混合ガスとなり、配管の導入口より薄膜形成プロセスゾーン２０に配置されたターゲット２９ａ，２９ｂの前面に導入される。

スパッタガスとしては、例えばアルゴンやヘリウム等の不活性ガスが挙げられる。また、反応性ガスとしては、例えば酸素ガス，窒素ガス，弗素ガス，オゾンガス等が挙げられる。

薄膜形成プロセスゾーン２０にスパッタガスが供給されて、ターゲット２９ａ，２９ｂの周辺が不活性ガス雰囲気になった状態で、マグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂに交流電源２３から交番電極が印加されると、ターゲット２９ａ，２９ｂ周辺のスパッタガスの一部は電子を放出してイオン化する。マグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂに配置された磁石によりターゲット２９ａ，２９ｂの表面に漏洩磁界が形成されるため、この電子はターゲット表面近傍に発生した磁界中を、トロイダル曲線を描きながら周回する。この電子の軌道に沿って強いプラズマが発生し、このプラズマに向けてスパッタガスのイオンが加速され、ターゲット２９ａ，２９ｂに衝突することでターゲット表面の金属原子が叩き出される。この金属原子の一部はプラズマ中で反応性ガスと反応して、不完全反応物や、完全反応物に変換される。これらの金属原子，金属原子の不完全反応物，金属原子の完全反応物は、本発明の膜原料物質に相当し、基板Ｓの表面に付着して薄膜を形成する原料となる。

なお、薄膜形成プロセスゾーン２０には、スパッタ処理時に基板Ｓの表面に付着する膜原料物質の量を調整し、均一な膜厚を有する基板Ｓを形成することが可能な、膜厚を補正する膜厚補正手段が設けられていてもよい。このような膜厚補正手段としては、例えば特開２００７−１０７０５３号公報（例えば同公報の段落番号００７０〜００７６及び図３Ａ〜図３Ｄ，４を参照）に示されるように、ターゲット２９ａ，２９ｂの前面に移動可能に配置される補正部材としての膜厚補正板と、膜厚補正板を進退可能に駆動する補正板駆動モータとを含む。可動式の膜厚補正板をターゲット２９ａ，２９ｂの中心方向に進退させることで、基板Ｓの表面に付着する膜原料物質の量を調整し、均一な膜厚を有する基板Ｓを製造することができる。

《反応プロセスゾーン５０》
反応プロセスゾーン５０では、薄膜形成プロセスゾーン２０で基板Ｓの表面に形成された膜原料物質を酸化して、完全酸化物からなる薄膜の形成を行っている。

反応プロセスゾーン５０に対応する真空容器１１の壁面には、プラズマ発生手段６０を設置するための開口１１ａが形成されている。また、反応プロセスゾーン５０には、マスフローコントローラ５２を介して不活性ガスボンベ５３内の不活性ガスを導入するための配管や、マスフローコントローラ５４を介して反応性ガスボンベ５５内の反応性ガスを導入するための配管が接続されている。

仕切壁１４の反応プロセスゾーン５０に面する壁面には、熱分解窒化硼素（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）からなる保護層Ｐが被覆されている。さらに、真空容器１１の内壁面の反応プロセスゾーン５０に面する部分にも熱分解窒化硼素からなる保護層Ｐが被覆されている。熱分解窒化硼素は、化学的気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を利用した熱分解法によって仕切壁１４や真空容器１１の内壁面へ被覆される。

プラズマ発生手段６０は、反応プロセスゾーン５０に面して設けられている。本実施形態のプラズマ発生手段６０は、ケース体６１と、誘電体板６２と、アンテナ６３と、導線部６４と、マッチングボックス６５と、高周波電源６６と、真空ポンプ１５とを有して構成されている。

ケース体６１は、真空容器１１の壁面に形成された開口１１ａを塞ぐ形状を備え、ボルト（不図示）で真空容器１１の開口１１ａを塞ぐように固定されている。ケース体６１が真空容器１１の壁面に固定されることで、プラズマ発生手段６０は真空容器１１に接続されている。本実施形態では、ケース体６１はステンレスで形成されている。

誘電体板６２は、板状の誘電体で形成されている。本実施形態において、誘電体板６２は石英で形成されているが、誘電体板の材質としてはこれに限定されず、例えばＡｌ_２ Ｏ_３ 等のセラミックス材料で形成されたものでもよい。誘電体板６２は、図示しない固定枠でケース体６１に固定されている。誘電体板６２がケース体６１に固定されることで、ケース体６１と誘電体板６２によって囲繞された領域にアンテナ収容室６１Ａが形成されている。

ケース体６１に固定された誘電体板６２は、開口１１ａを介して真空容器１１の内部（反応プロセスゾーン５０）に臨んで設けられている。このとき、アンテナ収容室６１Ａは、真空容器１１の内部と分離している。すなわち、アンテナ収容室６１Ａと真空容器１１の内部とは、誘電体板６２で仕切られた状態で独立した空間を形成している。また、アンテナ収容室６１Ａと真空容器１１の外部は、ケース体６１で仕切られた状態で独立の空間を形成している。本実施形態では、このように独立の空間として形成されたアンテナ収容室６１Ａの中に、アンテナ６３が設置されている。なお、アンテナ収容室６１Ａと真空容器１１内部、アンテナ収容室６１Ａと真空容器１１外部との間は、それぞれＯリングで気密が保たれている。

本実施形態では、アンテナ収容室６１Ａの内部を排気して真空状態にするために、アンテナ収容室６１Ａに排気用の配管１５ａが接続されている。配管１５ａには、真空ポンプ１５が接続されている。また、本実施形態において、配管１５ａは真空容器１１の内部へも連通している。

配管１５ａには、真空ポンプ１５から真空容器１１の内部に連通する位置にバルブＶ１、Ｖ２が設けられている。また、配管１５ａには、真空ポンプ１５からアンテナ収容室６１Ａの内部に連通する位置にバルブＶ１、Ｖ３が設けられている。バルブＶ２，Ｖ３のいずれかを閉じることで、アンテナ収容室６１Ａの内部と真空容器１１の内部との間での気体の移動は阻止される。真空容器１１の内部の圧力や、アンテナ収容室６１Ａの内部の圧力は、真空計（不図示）で測定される。

本実施形態では、スパッタ装置１に真空制御装置（不図示）を備えている。この真空制御装置には、真空計の出力が入力される。真空制御装置は、入力された真空計の測定値に基づいて、真空ポンプ１５による排気を制御して、真空容器１１の内部やアンテナ収容室６１Ａの内部の真空度を調整する機能を備える。本実施形態では、真空制御装置がバルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３の開閉を制御することで、真空容器１１の内部とアンテナ収容室６１Ａの内部を同時に、又は独立して排気できる。

アンテナ６３は、高周波電源６６から電力の供給を受けて、真空容器１１の内部（反応プロセスゾーン５０）に誘導電界を発生させ、プラズマを発生させるためのものである。本実施形態のアンテナ６３は、銅で形成された円管状の本体部と、本体部の表面を被覆する銀で形成された被覆層を備えている。アンテナ６３のインピーダンスを低下するためには、電気抵抗の低い材料でアンテナ６３を形成するのが好ましい。そこで、高周波の電流がアンテナの表面に集中するという特性を利用して、アンテナ６３の本体部を安価で加工が容易な、しかも電気抵抗も低い銅で円管状に形成し、アンテナ６３の表面を銅よりも電気抵抗の低い銀で被覆している。このように構成することで、高周波に対するアンテナ６３のインピーダンスを低減して、アンテナ６３に電流を効率よく流して、プラズマを発生させる効率を高めている。

アンテナ６３は、高周波電源６６に接続されている。アンテナ６３は、マッチング回路を収容するマッチングボックス６５を介して高周波電源８９に接続されている。マッチングボックス６５内には、図示しない可変コンデンサが設けられている。

アンテナ６３は、導線部６４を介してマッチングボックス６５に接続されている。導線部６４は、アンテナ６３と同様の素材からなる。ケース体６１には、導線部６４を挿通するための挿通孔が形成されている。アンテナ収容室６１Ａ内側のアンテナ６３と、アンテナ収容室６１Ａ外側のマッチングボックス６５，高周波電源６６とは、挿通孔に挿通される導線部６４を介して接続される。導線部６４と挿通孔との間にはシール部材が設けられ、アンテナ収容室６１Ａの内外で気密が保たれる。

交流電源２３および高周波電源６６は、それぞれスパッタ制御装置４０に電気的に接続されている。スパッタ制御装置４０は、交流電源２３および高周波電源６６のそれぞれに対して、電源のオン／オフや出力の制御を行う。スパッタ制御装置４０はまた、薄膜形成処理制御手段１１０に電気的に接続されており、薄膜形成処理制御手段１１０からの指示を受けて交流電源２３や高周波電源６６の制御を行う。

反応プロセスゾーン５０の周辺には、不活性ガス供給手段と反応性ガス供給手段が設けられている。不活性ガス供給手段は、不活性ガス貯蔵手段としての不活性ガスボンベ５３と、ガス供給路としての配管と、不活性ガスの流量を調整する流量調整手段としてのマスフローコントローラ５２と、を主要な構成要素として具備している。反応性ガス供給手段は、反応性ガス貯蔵手段としての反応性ガスボンベ５５と、ガス供給路としての配管と、反応性ガスの流量を調整する流量調整手段としてのマスフローコントローラ５４と、を主要な構成要素として具備している。

不活性ガスボンベ５３、反応性ガスボンベ５５、マスフローコントローラ５２，５４はいずれも真空容器１１の外部に設けられている。マスフローコントローラ５２は、不活性ガスを貯蔵する単一の不活性ガスボンベ５３に配管を介してそれぞれ接続されている。また、マスフローコントローラ５４は、反応性ガスとしての酸素ガスを貯蔵する単一の反応性ガスボンベ５５に配管を介してそれぞれ接続されている。

マスフローコントローラ５２とマスフローコントローラ５４は、Ｙ字型の配管で接続されており、配管の一端は真空容器１１の側壁を貫通して反応プロセスゾーン５０に延びている。配管の先端部には導入口が形成されている。配管を通じて供給されるガスは、前記導入口から反応プロセスゾーン５０内に導入される。

本実施形態では、不活性ガスを導入する配管と反応性ガスを導入する配管を共通にして、両ガスの混合ガスとして導入する構成としている。しかしながら、ガス供給路としてはこのような不活性ガス供給路と反応性ガスの供給路を共通としたものに限定されず、不活性ガス導入用の配管と反応性ガス導入用の配管をそれぞれ別々に設けて、それぞれのガスを別々の配管を通じて反応プロセスゾーン５０へ導入する構成としてもよい。

マスフローコントローラ５２，５４は、ガスの流量を調節する装置であり、ガスボンベからのガスが流入する流入口と、ガスを真空容器１１側へ流出させる流出口と、ガスの質量流量を検出するセンサと、ガスの流量を調整するコントロールバルブと、流入口より流入したガスの質量流量を検出するセンサと、センサにより検出された流量に基づいてコントロールバルブの制御を行う電子回路とを主要な構成要素として備えている（いずれも不図示）。電子回路には外部から所望の流量を設定することが可能となっている。

本実施形態では、マスフローコントローラ５２，５４は、スパッタ制御装置４０に電気的に接続されており、スパッタ制御装置４０から流量設定の指示を受けてガス流量の調整を行っている。

流入口よりマスフローコントローラ５２，５４内に送入されたガスの質量流量は、センサにより検出される。センサの下流にはコントロールバルブが設けられており、コントロールバルブは、センサで検出した流量と、設定された基準値とを比較し、ガスの流量が基準値に近づくようにコントロールバルブの開閉を行うことで、流量の制御を行う。

不活性ガスボンベ５３からの不活性ガスは、マスフローコントローラ５２により流量を調節されて配管内に導入される。一方、反応性ガスボンベ５５からの反応性ガスは、マスフローコントローラ５４により流量を調節されて配管内に導入される。配管に流入した不活性ガス及び反応性ガスは混合ガスとなり、配管の導入口より反応プロセスゾーン５０に導入される。

不活性ガスとしては、例えばアルゴンやヘリウム等の不活性ガスが挙げられる。また、反応性ガスとしては、例えば酸素ガス，窒素ガス，弗素ガス，オゾンガス等が挙げられる。

本実施形態では、少なくとも反応性ガスボンベ５５から配管を通じて反応性ガスが反応プロセスゾーン５０に導入された状態で、アンテナ６３に高周波電源６６から電力が供給されると、反応プロセスゾーン５０内のアンテナ６３に面した領域にプラズマが発生する。このプラズマからは電子が放出され、この電子により基板Ｓの表面に形成された薄膜中の金属原子やこの金属原子の不完全酸化物は酸化され、金属原子の完全酸化物となる。

《ドラム位置取得手段》
本実施形態のスパッタ装置１は、回転ドラム１３の回転位置情報を取得する手段（ドラム位置取得手段）の一例としてのロータリーエンコーダ１００（図４参照）を含む。

図４に示すように、本実施形態のロータリーエンコーダ１００は、ハウジング１０１（図２参照）と、ロータリーエンコーダ回転軸１０２と、回転スリット板１０３と、固定スリット板１０４と、発光素子１０５と、受光素子１０６とにより構成される。

ロータリーエンコーダ１００は、回転ドラム１３の回転角度（アナログ量）をパルス信号（デジタル量）に変換する装置である。本実施形態では、ロータリーエンコーダ１００としてアブソリュート型のロータリーエンコーダが用いられている。アブソリュート型のロータリーエンコーダは、回転の有無にかかわらず現在の回転位置を絶対位置情報として出力する。このため、回転ドラム１３が停止している場合であっても回転ドラム１３の絶対位置情報を取得することが可能となる。

ハウジング１０１は、ロータリーエンコーダ回転軸１０２，回転スリット板１０３，固定スリット板１０４，発光素子１０５，受光素子１０６を収納するケースである。図２に示すように、ハウジング１０１は、コネクタ１０１ａを用いて真空容器１１の上面に固定されている。

ロータリーエンコーダ回転軸１０２は、カップリング１０７を介してドラム回転軸１７ｂに接続されている。ロータリーエンコーダ回転軸１０２の端面と、ドラム回転軸１７ｂの端面を接合して、接合面周囲をカップリングで固定することで、両回転軸を固定している。回転ドラム１３の底面にはモータ１７が接続されており、モータ１７の駆動により回転ドラム１３が回転する。その回転はドラム回転軸１７ｂ，カップリング１０７を介してロータリーエンコーダ回転軸１０２へ伝達され、ロータリーエンコーダ回転軸１０２は回転する。

ロータリーエンコーダ回転軸１０２の端面には、回転スリット板１０３が、回転スリット板１０３の中心軸とロータリーエンコーダ回転軸１０２が同軸となるように取り付けられている。回転スリット板１０３は、ドラム回転軸１７ｂの回転に伴って、ロータリーエンコーダ回転軸１０２を回転軸として回転する。

回転スリット板１０３は、エポキシ樹脂などから構成された円板状部材であり、板面には複数のスリット１０３ａが設けられている。円板状部材の板面には、複数のスリットから構成されるトラックが複数設けられている。各トラックは円板状部材の中心から同心円状に配置されている。同じトラックに配置されるスリット１０３ａは同一の形状をしており、互いに等間隔に配置されている。また、異なるトラックに配置されるスリット１０３ａは、互いに異なる形状をしている。

固定スリット板１０４は、複数の格子状スリット１０４ａが設けられた平板状部材である。固定スリット板１０４は、回転スリット板１０３に対して一定間隔を空けて平行に設けられている。固定スリット板１０４はハウジング１０１に固定されている。このため、ロータリーエンコーダ回転軸１０２が回転しても固定スリット板１０４は回転しない。

ハウジング１０１内には、複数の発光素子１０５および複数の受光素子１０６が設けられている。発光素子１０５および受光素子１０６は、回転スリット板１０３と固定スリット板１０４を挟んで互いに対向して配置されている。発光素子１０５としては、発光ダイオードなど公知の素子が用いられる。受光素子１０６としては、フォトトランジスタなど公知の素子が用いられる。発光素子１０５および受光素子１０６は、回転スリット板１０３のトラック数と同じ数だけそれぞれ設けられている。

発光素子１０５から照射される光は、回転スリット板１０３のスリット１０３ａおよび固定スリット板１０４のスリット１０４ａの両スリットを透過した場合に受光素子１０６で検出される。ロータリーエンコーダ回転軸１０２が回転することにより回転スリット板１０３が回転して、回転スリット板１０３のスリットとスリットの間で光路が遮られた場合には、受光素子１０６では光は検出されない。

複数の受光素子１０６は、それぞれ異なるトラックにおいてスリット１０３ａを通過する光を検知する。スリット１０３ａの形状や配置はトラック毎にそれぞれ異なっているため、回転スリット板１０３の回転位置によって光を受光している受光素子１０６の組み合わせは異なる。逆にいえば、光を受光している受光素子１０６の組み合わせに基づいて、回転ドラム１３の回転位置を決定することができる。

図５に示すように、受光素子１０６は、絶対位置信号生成装置１１１と電気的に接続されている。絶対位置信号生成装置１１１は、回転ドラム１３の回転位置を絶対値として出力する。絶対位置信号生成装置１１１は、Ａ−Ｄ変換部１１１ａおよび絶対位置信号生成部１１１ｂを備えている。

Ａ−Ｄ変換部１１１ａは受光素子１０６に電気的に接続され、受光素子１０６から出力された電気信号をデジタル信号に変換して出力する。すなわち、受光素子１０６で検出した明暗情報を波形整形して矩形波のパルス信号として出力する。これにより、アナログ量である回転ドラム１３の回転位置をデジタル信号に変換することができる。

絶対位置信号生成部１１１ｂは、Ａ−Ｄ変換部１１１ａから出力されるデジタル信号を基に、回転ドラム１３の絶対位置情報を演算する。絶対位置信号生成部１１１ｂでは、発光素子１０５からの光を受光している受光素子１０６の組み合わせから、回転ドラム１３の絶対位置を一義的に決定する。回転ドラム１３の回転位置情報は二進数のデータとして薄膜形成処理制御手段１１０へ出力される。

薄膜形成処理制御手段１１０は薄膜形成処理を制御する装置である。図５に示すように、本実施形態では、ディスプレイとキーボードが外部に接続されたコンピュータにより構成されている。コンピュータには演算手段であるＣＰＵ１１０ａと記憶手段であるメモリ１１０ｂが設けられており、メモリ１１０ｂはオペレータがキーボードを用いて入力した各種設定値、例えばドラム停止位置などを記憶している。

ＣＰＵ１１０ａはオペレータが入力した設定値を基に各種演算を行う。また、コンピュータには外部機器と接続可能なＩ／Ｏポートが複数設けられており、スパッタ制御装置４０や絶対位置信号生成手段１１１に接続されている。スパッタ制御装置４０や絶対位置信号生成手段１１１、キーボードやディスプレイとの信号のやりとりは、コンピュータのＩ／Ｏインターフェースを介して行われる。Ｉ／Ｏインターフェースを介しての外部機器との通信や、ＣＰＵ１１０ａによるメモリ１１０ｂへの読み書き等はオペレーティングシステムを介して行われる。

薄膜形成処理制御手段１１０へ入力された回転ドラム１３の回転位置情報は、Ｉ／Ｏインターフェースを介して薄膜形成処理制御手段１１０のＣＰＵ１１０ａで演算処理され、実数値化される。本実施形態で使用されるロータリーエンコーダ１００の分解能は１６ビットであるため、回転ドラム１３の回転位置は「１」から「６５５３６」までの数値情報に変換される。以下、回転ドラム１３の回転位置を「番地」と呼ぶ。番地情報は薄膜形成処理制御手段１１０のメモリ１１０ｂに保持される。

本実施形態で使用されるロータリーエンコーダ１００は１６ビットの分解能を有している。すなわち、（３６０／６５５３６）°の回転角の変化を検出することができる。ただし、ロータリーエンコーダの分解能はこれに限定されず、１６ビットよりも分解能が低いものであっても、回転ドラム１３の回転位置を十分に取得できるものであれば使用できる。なお、１６ビットよりも分解能が高いものも当然使用することができる。

なお、本実施形態のロータリーエンコーダ１００は、光学素子を用いる光学式であるが、回転円板の外周面に一定間隔ごとに磁性体を配置し、円板の回転による磁気の変化を検知する磁気式であってもよい。また、本実施形態のロータリーエンコーダ１００は、アブソリュート式であるが、回転軸が回転している場合にのみ回転位置情報を出力するインクリメンタル式であってもよい。

《光学測定手段》
本実施形態のスパッタ装置１は、回転ドラム１３に保持される基板Ｓ上に形成された薄膜の光学物性を測定する光学測定手段をさらに含む。本実施形態では、光学測定手段として、例えば、図６に示す光透過式の膜厚計２００を用いる場合を例示する。

図６に示すように、膜厚計２００は、投光手段としての投光器２０２と、受光手段としての受光器２０４と、制御手段としてのコントローラ２０６とを含む。

投光器２０２は、投光部２１２を備える。投光部２１２は、光源２１２ａと、光ファイバ２１２ｃと、投光用センサヘッド２１２ｄとを含む。光源２１２ａは、電源（不図示）から供給される電力によって白色光を発する装置である。本実施形態ではハロゲンランプを使用している。ハロゲンランプは、石英ガラスの管体に希ガスと共にヨウ素等のハロゲン物質を封入したもので、電圧を印加することで白色光を発光する。ただし、光源２１２ａとしてはハロゲンランプに限定されず、例えば、半導体レーザ等も使用することが可能である。半導体レーザは、ガリウム・ヒ素などの単結晶基板の上に薄膜の単結晶膜を結晶成長させた素子を有し、この素子に電流を流すことでレーザ光を発振する装置である。また、例えばキセノンランプの光を偏光フィルターで偏光させて単色光を発光する装置なども使用することができる。その他、重水素ランプを用いることもできる。

光源２１２ａには、光ファイバ２１２ｃの一端が接続されている。光ファイバ２１２ｃの他端には、光源２１２ａで発光した光を出射する投光用センサヘッド２１２ｄが設けられている。投光用センサヘッド２１２ｄは、円筒状部材の内部に光ファイバ２１２ｃの端部が収納された構造をしており、回転ドラム１３の側面に対して略垂直となるように、真空容器１１の側壁を貫通した状態で真空容器１１の側壁に取り付けられている。

なお、投光用センサヘッド２１２ｄから出射される光は広角に広がるため、これを収束するために、集光レンズ２１２ｂが投光用センサヘッド２１２ｄの下流側に設けられていてもよい。また、投光器２０２は、集光レンズ２１２ｂの下流側に、シャッタ機構２２２を備えていてもよい。この場合のシャッタ機構２２２の構成は、例えば、駆動源としてのステッピングモータと、回転式の遮蔽板と、位置検出器等で構成することができる。遮蔽板は、例えば、光源２１２ａの光を遮る遮蔽部と、光源２１２ａの光を真空容器１１側へ通過させる切欠部とで構成され、遮蔽板が回転することにより、真空容器１１側へ周期的なパルス状の光束を送出するように構成することができる。ステッピングモータは、例えば、コントローラ２０６から制御信号を受けて、遮蔽板を所定の回転速度で回転させるように構成することができる。

投光器２０２では、光源２１２ａで発光した光は、光ファイバ２１２ｃの一端から入射し、光ファイバ内部を伝送して他端に設けられた投光用センサヘッド２１２ｄから出射する。投光用センサヘッド２１２ｄから出射した光は、集光レンズ２１２ｂによって集光され、該集光された光束がシャッタ機構２２２を通過することにより、入射光Ｉｉｎとして基板Ｓ側に投光される。本実施形態では、基板Ｓ側に投光される入射光Ｉｉｎは、基板Ｓに対して垂直に入射するように各部材が配置されている。

基板Ｓに投光された測定光は、基板Ｓの表面と堆積された薄膜との界面で、その一部が透過して、その一部が反射する。すなわち、基板Ｓと薄膜とは材質が異なるため、光に対する屈折率が異なる。また、基板Ｓと大気でも屈折率が異なる。このため、基板Ｓと薄膜との界面及び基板Ｓの表面では、測定光の一部が透過する。透過光から膜厚を測定する方法は後述する。

受光器２０４は、受光部２１４と、光学検出装置２２４とを備える。受光部２１４は、受光用センサヘッド２１４ｄと、光ファイバ２１４ｃを含む。必要に応じて集光レンズ２１４ｂをさらに含んでもよい。受光用センサヘッド２１４ｄは、基板Ｓを透過する透過光の入射を許容する。受光用センサヘッド２１４ｄは、光ファイバ２１４ｃの一端に接続されており、投光用センサヘッド２１２ｄと同様に、円筒状部材の内部に光ファイバ２１４ｃの先端部が収納された構造をしている。受光用センサヘッド２１４ｄは、回転ドラム１３の側面に向かって垂直方向に位置するように、真空容器１１の側壁を貫通した状態で真空容器１１の側壁に、回転ドラム１３を挟んで対向して取り付けられている。

光ファイバ２１４ｃの他端は光学検出装置２２４に接続している。受光用センサヘッド２１４ｄに入射した透過光は、光ファイバ２１４ｃの内部を伝送して光学検出装置２２４に入射する。

光学検出装置２２４は、光ファイバ２１４ｃから伝送された光の強度を測定する装置であり、分光部と、検出部２２５を備える。分光部は、本実施形態ではクロスツェルニターナ方式としてあり、スリット２２４ａ，コリメート光を形成する反射鏡２２４ｂ，回折格子２２４ｃ，反射鏡２２４ｄから構成されている。検出部２２５は、電荷蓄積方式のリニアイメージセンサを構成し、フォトダイオードアレイを備えた検出素子２２５ａと、検出素子２２５ａへ制御信号を送出する検出素子駆動部２２５ｂとを含む。検出素子２２５ａは、５１２の測定チャンネルに対応した５１２個のフォトダイオード，スイッチ，コンデンサ等から構成されている。検出素子駆動部２２５ｂは、コントローラ２０６からのスタートパルス及びクロック信号に応じて前記各スイッチに制御信号を送出するシフトレジスタを備えて構成されている。

受光器２０４では、基板Ｓを透過した透過光Ｉｏｕｔは、必要に応じて配置される集光レンズ２１４ｂで収束され、受光用センサヘッド２１４ｄに入射し、光ファイバ２１４ｃの内部を伝送して光学検出装置２２４のスリット２２４ａを通過する。スリット２２４ａを通過した基板Ｓの透過光Ｉｏｕｔは、反射鏡２２４ｂでコリメート光とされ、該コリメート光は回折格子２２４ｃに入射し、回折格子２２４ｃによって波長に応じて回折される。回折格子２２４ｃで回折された回折光は、反射鏡２２４ｄで反射されて検出素子２２５ａの複数のフォトダイオードにそれぞれ照射される。

本実施形態の膜厚計２００は、任意の３００ｎｍの波長範囲を指定して測定することができるようになっており、それぞれのフォトダイオードは３００ｎｍの測定波長範囲（例えば、３５０ｎｍから９００ｎｍ）のうち約０．６ｎｍの波長幅に相当する回折光を受光するようになっている。

上記５１２個のフォトダイオード等の各素子は、５１２のチャンネルに割り振られており、１番目のチャンネルが長波長側（例えば９００ｎｍ付近）、５１２番目のチャンネルが短波長側（例えば３５０ｎｍ付近）に設定されている。

なお、測定波長範囲は３００ｎｍに限定されるものではなく、それぞれのフォトダイオードが照射される波長範囲も約０．６ｎｍに限定されるものではない。また、チャンネル数も５１２に制限されるものではなく、例えば、１０２４個のフォトダイオードを備えたリニアイメージセンサを使用して、チャンネル数を１０２４としてもよい。

光学検出装置２２４では、各チャンネルのフォトダイオードに回折光が照射されると、フォトダイオードによって光電変換され、電荷が光学検出装置２２４内の不図示のコンデンサに蓄積される。

検出素子駆動部２２５ｂは、コントローラ２０６からスタートパルスを受取ると各チャンネルへ制御信号を送出し始める。そして、検出素子駆動部２２５ｂは、コントローラ２０６からクロック信号を受取るごとにチャンネル数を加算していき、時間をずらして順次各チャンネルのスイッチへ制御信号を送出する。

各スイッチは、制御信号によって電気的に閉じて各コンデンサが順次出力側に接続される。検出素子駆動部２２５ｂ及び各スイッチは送出手段を構成する。これにより、測定光の照射によって各コンデンサに蓄積された電荷は、コントローラ２０６側へチャンネルごとに時間をずらして順次出力される。

このような電荷蓄積方式の光学検出装置２２４では、蓄積電荷量は入射光の強さと露光時間の積（露光量）に比例する。しかし、上記コンデンサの容量は有限であるため、所定の露光量（飽和露光量）を超えると出力は一定値をとることになり、測定値として意味を持たなくなる。このため、露光量を適切に調整するために、露光時間の調整が行われる。

図７に示すように、コントローラ２０６は、膜厚測定制御を行うＣＰＵ２１６と、ＣＰＵ２１６からの制御信号を受けて検出素子駆動部２２５ｂへ所定のスタートパルス及びクロック信号を送出するタイミング設定部２２６と、検出素子２２５ａからの出力をチャンネルごとに受取りチャンネルごとの信号増幅を行う増幅部としてのＰＧＡ（プログラムゲインアンプ）２３６と、ＰＧＡ２３６からの増幅信号を受取りＡ／Ｄ変換してＣＰＵ２１６へ送出するＡ／Ｄ変換器２４６と、インターフェース部２５６と、設定入力処理やデータ出力処理を行うための入出力装置２６６と、出力データ及び設定値等を記憶する記憶部２７６等によって構成されている。

記憶部２７６は、ＲＯＭ２７６ａと、作業エリアとして用いられるＲＡＭ２７６ｂ等を備えている。ＲＯＭ２７６ａには、膜厚計２００の制御プログラムやオペレーションシステムプログラム等が記憶される。また、モニターやプリンター等の表示装置２８６がインターフェース部２５６を介して接続されている。ＣＰＵ２１６は、記憶部２７６のプログラム及び入出力装置２６６からの設定入力等に基づき、投光器２０２や受光器２０４への各種制御信号等の送出及び、受光器２０４からの測定データの受信、受信データの増幅、記憶、演算、出力等の各種処理を行う。

ＰＧＡ２３６は、検出素子２２５ａからのチャンネルごとの出力を受取り、ＣＰＵ２１６からの設定により、チャンネルごとに増幅率を変化させてＡ／Ｄ変換器２４６へ出力する。すなわち、操作者は、測定波長ごと（すなわち、チャンネルごと）に出力信号を所定の倍数に増幅するように、入出力装置２６６から設定入力することが可能であり、当該設定入力はＣＰＵ２１６を通してＰＧＡ２３６に設定される。

コントローラ２０６をこのような構成とすることにより、信号強度の小さい波長範囲の出力信号を選択的に増幅させてデータとして得ることが可能となる。このように小さい信号強度を増幅することにより、光量変化に対する追従性を向上させ、当該増幅信号を制御値として扱いやすくし膜厚制御し易いものとすることができる。

本実施形態のコントローラ２０６は、スパッタ装置１（図１〜図５参照）のスパッタ制御装置４０に電気的に接続されており、インターフェース部２５６を通して当該スパッタ制御装置４０へ所定の膜厚測定データを送出する。

《スパッタ制御装置》
スパッタ制御装置４０は、スパッタの開始や停止、成膜時間や成膜レートの調整などの、スパッタ装置１の制御全般を行う装置である。

本実施形態のスパッタ制御装置４０は、膜厚制御信号生成部を備えており、コントローラ２０６から入力される膜厚データに基づいて、膜厚を制御する膜厚制御信号を生成する。具体的には、入力される膜厚データに基づいて、薄膜（目標膜厚より薄い膜厚を持つ第１薄膜）を形成した実際の成膜レートを算出し、この実際の成膜レートに基づいて、薄膜（目標膜厚に対して不足する不足分膜厚の第２薄膜）を形成するのに必要な残成膜時間を算出して成膜時間を調整する。

なお、実際の成膜レート（第２成膜レート）を、新たな成膜レートに変更した後、不足分膜厚を形成するのに必要な残成膜時間で追加成膜してもよい。

スパッタ制御装置４０は更に、マグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂに電力を供給するトランス２４に電気的に接続されており、膜厚制御信号をトランス２４に送信することが可能となっている。膜厚制御信号を受信したトランス２４は、膜厚制御信号に応答してマグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂに供給される電力量を調整することが可能となっている。このように、本実施形態のスパッタ装置１では、トランス２４を制御することで成膜レート、すなわち基板Ｓに供給される膜原料物質の量を調整して、基板Ｓに形成される薄膜の膜厚を調整することが可能となっている。具体的には、マグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂに供給される電力の量を大きくすると、ターゲット２９ａ，２９ｂがスパッタされる量が多くなり、基板Ｓに付着する膜原料物質の量が多くなる。逆に、マグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂに供給される電力の量を小さくすると、ターゲット２９ａ，２９ｂがスパッタされる量が少なくなり、基板Ｓに付着する膜原料物質の量が少なくなる。

スパッタ制御装置４０は、マスフローコントローラ２５，２７に電気的に接続されており、膜厚制御信号をマスフローコントローラ２５，２７に送信することが可能となっている。膜厚制御信号を受信したマスフローコントローラ２５，２７は、膜厚制御信号に応答して、マスフローコントローラ２５，２７を通過するガスの流量を制御することが可能となっている。具体的には、スパッタ制御装置４０は、マスフローコントローラ２５，２７を通過するガスの流量を流量設定値として送信して、マスフローコントローラ２５，２７内の電子回路に流量の設定値として格納する。マスフローコントローラ２５，２７は、通過するガスの流量がこの設定値に近づくようにコントロールバルブの開閉を行って、流量を調整する。ガスの流量が増加すると、ターゲット２９ａ，２９ｂに供給されるスパッタガスの量が多くなる。従って、スパッタされる量が増加するため、成膜レートが上昇して膜厚が増加する。逆に、ガスの流量が減少すると、ターゲット２９ａ，２９ｂに供給されるスパッタガスの量が少なくなる。従って、スパッタされる量が減少するため、成膜レートが下降する。

なお、薄膜形成プロセスゾーン２０に膜厚補正手段を設ける場合には、補正板駆動モータを、スパッタ制御装置４０に、電気的に接続させて、スパッタ制御装置４０の制御下におくことも可能である。すなわち、スパッタ制御装置４０により、膜厚補正板をターゲット２９ａ，２９ｂの中心方向に移動させるよう指示があると、補正板駆動モータは一方向に回転して、膜厚補正板をそれぞれターゲット２９ａ，２９ｂの中心方向に移動させる。反対に、スパッタ制御装置４０により、膜厚補正板をターゲットの中心方向と反対へ移動させるよう指示があると、補正板駆動モータは先ほどとは反対方向に回転して、膜厚補正板をそれぞれターゲット２９ａ，２９ｂの中心方向から離間するように移動させる。

スパッタ制御装置４０は、膜厚補正板がターゲット２９ａ，２９ｂの中心方向へ向かうように補正板駆動モータを駆動すると、ターゲット２９ａ，２９ｂの前面を覆う膜厚補正板の面積が増加して、基板Ｓに付着する膜原料物質の量が減少する。逆に、膜厚補正板がターゲット２９ａ，２９ｂの中心方向から離れるように補正板駆動モータを駆動すると、ターゲット２９ａ，２９ｂの前面を覆う膜厚補正板の面積が減少して、基板Ｓに付着する膜原料物質の量が増加する。このような制御を行うことにより、基板Ｓに形成される膜厚を調整して、所望の膜厚とすることが可能となる。

本実施形態のスパッタ装置１は、上述のようにスパッタ制御装置４０によりターゲット２９ａ，２９ｂに供給される電力量の調整、ターゲットに供給されるガスの流量の調整、及び、膜厚補正板の移動量の調整の３つの調整を行うことができるように構成されているが、これらのうちいずれか１のみ、あるいはいずれか２つを調整できるものとしてもよい。

《薄膜形成方法》
以下に、上述のスパッタ装置１を用いて薄膜を製造するスパッタ処理について、図１〜図８を用いて説明する。ここでは、酸化ニオブ（Ｎｂ_２ Ｏ_５ ）を積層させた薄膜を製造する例を挙げて説明する。薄膜の形成は、薄膜形成の準備を行う工程、酸化ニオブの薄膜を形成する工程、薄膜形成を終了する工程の順に行われる。

本実施形態では、ターゲット２９ａ，２９ｂとしてニオブを、薄膜形成プロセスゾーン２０に導入されるスパッタガスとしてアルゴンガスを、薄膜形成プロセスゾーン２０に導入される反応性ガスとして酸素ガスを、反応プロセスゾーン５０に導入される反応性ガスとして酸素ガスを使用している。

《Ｓ１》
図８のステップ１（Ｓ１）は、膜厚を測定する番地と、最終目標とする膜厚（Ｄ１）と、中間目標とする膜厚（Ｄ２。Ｄ１よりも小さい）を、設定するステップである。すなわち本実施形態では、最終目標膜厚より薄い中間目標膜厚を仮成膜し（第１薄膜）、光学測定手段を用いて第１薄膜の膜物性値（現在の膜厚）を検出し、この物性値に基づいて、第１薄膜を形成した実際の成膜レートを算出し、この実際の成膜レート（第２成膜レート）に基づいて、最終目標膜厚に対して不足する不足分膜厚の第２薄膜を形成するのに必要な残成膜時間を算出して成膜時間を調整し、この残成膜時間と現在の成膜レートで不足分の薄膜（第２薄膜）を追加成膜する。

本実施形態では、薄膜形成処理制御装置１１０のキーボードからオペレータが所望の条件を入力する。まず、回転位置が２００番地にある基板Ｓに対して膜厚測定を行うように設定する。この２００番地では、測定する予定の基板から透過する光が、サンプル測光用光路Ｌ２（図３Ａ〜図３Ｄ参照）を通じて、受光用センサヘッド２１４ｄに対して平行に入射することが事前に確認されている。

次に、回転位置が、２００番地から回転ドラム１３の回転方向に略９０度回転した番地（以下「ｎ番地」ともいう。）のときに、上記膜厚測定の測定基準となるリファレンス測光を行うように設定する。このｎ番地では、集光レンズ２１２ｂを通じて投光用センサヘッド２１２ｄから出射する光が、回転ドラム１３に保持される何れの基板Ｓにも入射せず、リファレンス測光用光路Ｌ１（図３Ａ〜図３Ｄ参照）を通じて、受光用センサヘッド２１４ｄに対して平行に入射することが事前に確認されている。

次に、オペレータは、薄膜形成処理制御装置１１０のキーボードから所望のスパッタ中間目標膜厚（例えばＤ１）と、スパッタ最終目標膜厚（例えばＤ２。Ｄ２＞Ｄ１）をセットする。

《Ｓ２》
図８のステップ２（Ｓ２）は、薄膜形成準備処理を開始するステップである。まず、ターゲット２９ａ，２９ｂをマグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂに保持させる。本実施形態では、ターゲット２２ａ，２２ｂの材料としてニオブ（Ｎｂ）を用いる。扉１１ｂを閉じた状態で真空ポンプ１５を作動させて排気を行い、薄膜形成室１１Ａを１０^−２Ｐａ〜１０Ｐａ程度の真空状態にする。このとき、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３が開放され、アンテナ収容室６１Ａも同時に排気される。

その後、回転ドラム１３をロードロック室１１Ｂの位置でロックした状態で、基板Ｓを保持した基板保持具１３ａを回転ドラム１３に取り付ける。続いて、扉１１ｃを閉じた状態で、真空ポンプ１５'を作動させてロードロック室１１Ｂを排気して、１０^−２Ｐａ〜１０Ｐａ程度の真空状態にする。更に、扉１１ｂを開いて、回転ドラム１３を薄膜形成室１１Ａへ移動させる。回転ドラム１３を薄膜形成室１１Ａへ移動させた後に、扉１１ｂを再び閉じる。そして、真空容器１１の内部，アンテナ収容室６１Ａの内部を上述の所定の圧力に減圧する。その後、真空容器１１の内部，アンテナ収容室６１Ａの内部の圧力が安定した後に、薄膜形成プロセスゾーン２０の圧力を、０．１Ｐａ〜１．３Ｐａに調整する。

《Ｓ３》
図８のステップ３（Ｓ３）は、回転ドラム１３の回転を開始するステップである。回転ドラム１３の回転は、オペレータがスパッタ装置１の図示しない操作パネルに設けられたドラム回転スイッチを押すことにより開始される。ドラム回転スイッチを押すと、モータ１７が作動して回転ドラム１３が回転する。薄膜形成処理制御装置１１０は、ロータリーエンコーダ１００から回転ドラム１３の回転位置情報（番地情報）を取得するとともに、取得した番地情報と内部クロックに基づいて回転ドラム１３の回転速度を演算する。回転ドラム１３の回転速度が一定になると、次のステップへ移行する。

本実施形態におけるスパッタ装置１では、薄膜形成プロセスゾーン２０において基板Ｓの表面に薄膜を形成し、続く反応プロセスゾーン５０においてこの薄膜の酸化処理を行うことで基板表面に中間薄膜を形成している。このため、回転ドラム１３の回転が遅いと、薄膜形成プロセスゾーン２０において形成される薄膜が厚くなり、反応プロセスゾーン５０でこれを完全には酸化することが困難となり、不純物の混じった不均一な薄膜が形成されるという不都合がある。

また、反応プロセスゾーン５０において行われる酸化工程では、薄膜の酸化反応により薄膜の膨張現象が起こる。このような体積の増加は薄膜内部に圧縮応力を生じる。薄膜形成プロセスゾーン２０で形成される薄膜の膜厚が厚い場合、生成される薄膜は薄膜間の隙間構造が少なく、酸化ニオブが密に凝集した薄膜構造となっている。このような薄膜では、反応プロセスゾーン５０での酸化反応による体積膨張の影響が大きい。一方、薄膜形成プロセスゾーン２０で形成される薄膜の膜厚が薄い場合、生成される薄膜は薄膜間に生じる隙間構造を多く有している。このような薄膜において体積が膨張した場合、増加した体積は隙間構造に吸収されるため、薄膜内部に圧縮応力が生じにくい。

更に、回転ドラム１３が低速回転している場合は、回転のぶれが大きく、正確な膜厚測定や薄膜形成処理の制御が困難となる。一方、回転ドラム１３の回転速度が大きい場合、回転軸の回転部分に発生する遠心力が大きく、ぶれの少ない安定した回転が得られる。

このように、回転ドラム１３の回転速度が小さい場合には様々な問題が生じる。このため、薄膜形成処理においては回転ドラム１３の回転速度は早いほうが好ましく、特に２０ｒｐｍ以上であることが好ましい。

《Ｓ４》
ステップ４（Ｓ４）は、薄膜形成処理を開始するステップである。薄膜形成処理は、薄膜形成プロセスゾーン２０および反応プロセスゾーン５０で行われる。薄膜形成プロセスゾーン２０では、ターゲット２９ａ，２９ｂに対してスパッタが行われて、基板Ｓの表面にニオブやニオブの不完全反応物からなる薄膜が形成される。続く反応プロセスゾーン５０では、薄膜形成プロセスゾーン２０で形成された薄膜に対して酸化処理を行うことにより、ニオブの完全反応物を主とした中間薄膜が形成される。

薄膜形成処理制御装置１１０からスパッタ制御装置４０へスパッタ開始指示が与えられて、薄膜形成処理が開始される。スパッタ開始指示を受けたスパッタ制御装置４０は、交流電源２３および高周波電源６６に対して、それぞれトランス２４およびマッチングボックス６５に交流電圧を印加するよう指示を出す。このスパッタ開始指示により、スパッタ置１においてスパッタが開始される。

なお、ターゲット２９ａ，２９ｂと基板Ｓの間に配置され、ターゲット２９ａ，２９ｂの前面を遮蔽する遮蔽部材を設けておき、スパッタ開始指示が与えられた場合にこの遮蔽部材をターゲット２９ａ，２９ｂの前面から移動してターゲット２９ａ，２９ｂから膜原料物質が基板Ｓに到達可能となるように構成してもよい。

スパッタ開始指示によりターゲット２９ａ，２９ｂに交番電界が掛かるようになると、ターゲット２９ａ，２９ｂが交互にアノードとカソードになり、薄膜形成プロセスゾーン２０でプラズマが形成される。このプラズマによってカソード上のターゲット２９ａ，２９ｂに対してスパッタが行われる（暫定成膜レートにて）。

続いて基板Ｓは、回転ドラム１３の回転にともなって、薄膜形成プロセスゾーン２０に面する位置から反応プロセスゾーン５０に面する位置に搬送される。反応プロセスゾーン５０には、反応性ガスボンベ５５から反応性ガスとして酸素ガスを導入されている。

反応プロセスゾーン５０では、アンテナ６３に１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加されて、プラズマ発生手段６０によって反応プロセスゾーン５０にプラズマが発生している。反応プロセスゾーン５０の圧力は、好ましくは０．０７Ｐａ〜１．０Ｐａに維持される。また、少なくとも反応プロセスゾーン５０にプラズマを発生させている際中は、アンテナ収容室６１Ａの内部の圧力は１０^−２Ｐａ以下を保持する。

そして、回転ドラム１３が回転して、ニオブ或いは不完全酸化ニオブ（Ｎｂ_２ Ｏ_ｘ１（ｘ１＜５））からなる中間薄膜が形成された基板Ｓが反応プロセスゾーン５０に面する位置に搬送されてくると、反応プロセスゾーン５０では、中間薄膜を構成するニオブ或いは不完全酸化ニオブ（Ｎｂ_２ Ｏ_ｘ１（ｘ１＜５））をプラズマ処理によって酸化反応させる工程を行う。すなわち、プラズマ発生手段６０によって反応プロセスゾーン５０に発生させた酸素ガスのプラズマでニオブ或いは不完全酸化ニオブ（Ｎｂ_２ Ｏ_ｘ１（ｘ１＜５））を酸化反応させて、所望の組成の不完全酸化ニオブ（Ｎｂ_２ Ｏ_ｘ２（ｘ１＜ｘ２＜５））或いは酸化ニオブ（Ｎｂ_２ Ｏ_ｘ２）に変換させる。

本実施形態では、薄膜形成プロセスゾーン２０で形成された薄膜のうちニオブ或いはニオブ不完全酸化物を反応プロセスゾーン５０で酸化反応させ、不完全酸化ニオブ（Ｎｂ_２ Ｏ_ｘ２（ｘ１＜ｘ２＜５））或いは酸化ニオブに変換させることで、ニオブの完全酸化物のみからなる中間薄膜や、所望の割合でニオブ（Ｎｂ）やニオブの不完全酸化物を有する中間薄膜を形成する。

この反応プロセスゾーン５０における膜組成変換工程では、反応プロセスゾーン５０で膜組成変換されて得られる中間薄膜の膜厚のほうが、薄膜形成プロセスゾーン２０で形成される薄膜の膜厚よりも厚くなる。すなわち、薄膜形成プロセスゾーン２０で形成される薄膜を構成する膜原料物質のうち、ニオブやニオブの不完全酸化物をニオブの不完全酸化物やニオブの完全酸化物に変換することにより薄膜の膨張が起こり、膜厚が厚くなる。

以下、回転ドラム１３の回転毎に、薄膜形成プロセスゾーン２０でのスパッタ処理と反応プロセスゾーン５０での酸化処理が繰り返される。これにより、基板Ｓの表面に複数回中間薄膜が積層されて所望の膜厚を有する最終薄膜（第１薄膜又は第２薄膜に相当する）が形成される。

本実施形態では、後述するステップ（Ｓ５以降）で、目標膜厚よりも薄い膜厚の薄膜を形成した実際の成膜レートに基づいて目標膜厚に対して不足する不足分膜厚の薄膜を形成するので、テスト成膜を省略して本成膜を行うことができる。その結果、単層膜を形成する場合はもとより、多層膜を形成する場合にも、全体の成膜効率を向上させることができる。以下、詳述する。

《Ｓ５》
次のステップは、基板Ｓに形成された薄膜の実際の膜厚（実際膜厚）の測定を開始するステップである。実際膜厚の測定処理を開始するには、まず、回転ドラム１３の回転を停止する。

具体的には、図８のステップ５（Ｓ５）にて、ロータリーエンコーダ１００で検出した現在の番地をチェックし、ｎ番地であるか否かを判断する。

その結果、現在の番地がｎ番地である場合は、回転ドラム１３の回転を停止した後、投光を開始する（ステップ６）。回転ドラム１３の回転を停止するには、スパッタ制御装置４０は、モータ１７に対して駆動を停止する信号をスパッタ制御装置４０に送出させることにより実行することができる。一方、ｎ番地でない場合は、ｎ番地になるまで回転ドラム１３の回転を停止せずに、引き続き回転を継続する。

本実施形態では、この停止時の回転ドラム１３の位置停止精度は重要である。なぜならば、ここでの位置精度が、後述のＳ１０での膜厚演算の精度に影響を与えるからである。停止位置精度が悪いと、基板Ｓに対して垂直に入射光が投光されず、正確な光学特性を得ることができなくなる。

図３Ｂ〜図３Ｄに示すように、回転ドラム１３の回転位置がｎ番地の位置にあるとき、一対の第２貫通孔１３ｂ６，１３ｂ７を結ぶラインの延長線上には、回転ドラム１３の基板保持板１３ａは配置されない。このラインの延長線は、隣接する２つの基板保持板１３ａ，１３ａの間に形成される隙間を抜けて回転ドラム１３の外側へと延びるようになる。

《Ｓ６》
図８のステップ６（Ｓ６）は、第１の投光を開始するステップである。本実施形態では連続光を照射するので、光源２１２ａの図示しないスイッチをオペレータがオンにすることで投光が開始される。なお、第１の投光の開始をオペレータが手動で行うのでは無く、例えば光源２１２ａを薄膜形成処理制御装置１１０と電気的に接続して、所定の条件になると薄膜形成処理制御装置１１０からの指示により自動的に投光を行うようにしてもよい。光源２１２ａのスイッチがオンになると、電源から供給される電力により光源２１２ａは白色光を発光する。光源２１２ａからの光は光ファイバ２１２ｃ内を伝送して、シャッタ機構２２２を開放することにより、投光用センサヘッド２１２ｄ端部より、リファレンス測光用光路Ｌ１を通じて、受光用センサヘッド２１４ｄに対して平行に入射される。入射された測定光は、薄膜形成処理制御装置１１０にて所定の演算処理が行われることでリファレンス測定光量が検出され、このデータは、薄膜形成処理制御装置１１０からスパッタ制御装置４０へ送出される。

なお、本実施形態において、ドラム回転ステップ（Ｓ３）の後に投光工程が開始されているが、ドラム回転ステップ（Ｓ３）や薄膜形成準備ステップ（Ｓ２）の間に開始されてもよい。この場合、シャッタ機構２２２を閉じておく。

《Ｓ７》
次に、図８のステップ７（Ｓ７）にて、シャッタ機構２２２を閉じるとともに、再び、回転ドラム１３を回転させる。そして、ロータリーエンコーダ１００で検出した現在の番地をチェックし、２００番地であるか否かを判断する。その結果、現在の番地が２００番地である場合は、シャッタ機構２２２を再び開放し、第２の投光を開始する（ステップ８）。一方で、２００番地でない場合は、２００番地になるまで回転ドラム１３の回転を継続する。

図３Ｂ〜図３Ｄに示すように、回転ドラム１３の回転位置が２００番地の位置にあるとき、一対の第１貫通孔１３ｂ４，１３ｂ５を結ぶラインの延長線上には、回転ドラム１３の基板保持板１３ａが配置されるようになる。

《Ｓ８》
図８のステップ８（Ｓ８）は、第２の投光を開始するステップである。本実施形態では既に光源２１２ａがオンされているので、シャッタ機構２２２を開放することで投光が開始される。光源２１２ａからの光は光ファイバ２１２ｃ内を伝送して、投光用センサヘッド２１２ｄ端部より基板Ｓに照射され、この基板Ｓを透過した透過光は、サンプル測光用光路Ｌ２を通じて、受光用センサヘッド２１４ｄに対して平行に入射され、光学検出装置２２４に受光される。

《Ｓ９》
図８のステップ９（Ｓ９）は、光学検出装置２２４で受光した透過光の光量（第１の光量、第２の光量）データをサンプリングするステップである。本実施形態では、測定光は基板Ｓの表面に照射されており、測定光が基板Ｓを透過した場合には、光学検出装置２２４で透過光を受光している。光学検出装置２２４の検出部２２５のフォトダイオードで検出される光量は検出部２２５のメモリに順次記憶され、続く膜厚演算ステップに移行する（ステップ１０）。

《Ｓ１０》
図８のステップ１０（Ｓ１０）は、光学検出装置２２４で受光したサンプル測定光の光量に基づいて膜厚演算を行うステップである。本ステップでは、Ｓ６，Ｓ７で検出したリファレンス測定光量（第１の光量）と、Ｓ８，Ｓ９で検出したサンプル測定光量（第２の光量）とに基づいて、基板Ｓの表面に現在形成されている薄膜の膜厚（実際膜厚）を検出する。具体的には、スパッタ制御装置４０は、例えば、リファレンス測定光量と、サンプル測定光量の比を演算することで、基板Ｓの表面に現在形成されている薄膜の膜厚（中間目標膜厚Ｄ２と必ずしも一致しない）を検出することができる。

《Ｓ１１》
図８のステップ１１（Ｓ１１）は、Ｓ１０で検出された現在の薄膜の膜厚に基づいて、現在の薄膜（第１薄膜）を形成した実際の成膜レート（第２成膜レート）を算出する。実際の成膜レートの算出は、Ｓ１０で検出された現在の薄膜の膜厚を、これまでの成膜時間で除することにより算出することができる。

また、算出した実際の成膜レートに基づいて、最終目標膜厚Ｄ１に対して不足する不足分膜厚（＝Ｄ１−Ｄ２±α。αは暫定成膜レートと実際成膜レートの間に存在するズレ状況により前後する値である。）の追加薄膜（第２薄膜）を形成するのに必要な残成膜時間を算出する。残成膜時間の算出は、不足分膜厚を、算出した実際の成膜レートで除することにより算出することができる。

そして、算出された実際の成膜レートと、残成膜時間で、膜厚不足分の追加薄膜（第２成膜）を成膜させる。

例えば図９Ａ及び図９Ｂでは、基板Ｓ上に、１００ｎｍ（最終目標膜厚Ｄ１）のＮｂ_２ Ｏ_５ 薄膜を形成するに際し、まず、成膜レート（暫定レート）：０．５ｎｍ／秒で、２００秒の間成膜した。この時点で理論上は、最終目標の１００ｎｍのＮｂ_２ Ｏ_５ 薄膜が形成されているはずであるが、実際膜厚（中間目標膜厚）は８３ｎｍであった（図９Ａ）。実際の成膜レートは、（８３／２００）＝０．４１５ｎｍ／秒であった。１００ｎｍに対する不足分は１７ｎｍであるので、残成膜時間は（１７／０．４１５）＝約４１秒である。実際の成膜レートで４１秒間成膜することにより、基板Ｓ上に１００．５ｎｍのＮｂ_２ Ｏ_５ 薄膜を形成することができ（図９Ｂ）、０．５％の成膜精度が得られた。このように本実施形態の方法を用いれば、精確な成膜を行うことができ、成膜効率が向上する。

以上説明したように、本実施形態によれば、最終目標膜厚Ｄ１より薄い中間目標膜厚Ｄ２を仮成膜し（第１薄膜）、光学測定手段を用いて第１薄膜の膜物性値（現在の膜厚）を検出し、この物性値に基づいて、第１薄膜を形成した実際の成膜レートを算出し、この実際の成膜レート（第２成膜レート）に基づいて、最終目標膜厚に対して不足する不足分膜厚の第２薄膜を形成するのに必要な残成膜時間を算出して成膜時間を調整し、この残成膜時間と現在の成膜レートで不足分の薄膜（第２薄膜）を追加成膜する。このため、テスト成膜による成膜の無駄を省略でき、成膜効率を向上させることができる。

なお、本実施形態では、実際の成膜レート（第２成膜レート）を新たな成膜レートに変更した後、不足分膜厚を形成するのに必要な残成膜時間で追加成膜してもよい。新たな成膜レートの算出は、不足分の膜厚（単位「ｎｍ」）を、残成膜時間（単位は「秒」）で除することにより算出することができる。

新たな成膜レートがこれまでの成膜レート（実際の成膜レート）に対して増加するものである場合、スパッタ制御装置４０は、マグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂに供給される電力を増加するか、マスフローコントローラ２５，２７を制御して薄膜形成プロセスゾーン２０に供給されるガスの量を増加させるか、のいずれか少なくとも１つを行うことにより、成膜レートを増加させる。なお、補正板駆動モータを駆動して膜厚補正板をターゲットの中心方向から離間するように移動させ、成膜レートを増加させてもよい。

新たな成膜レートがこれまでの成膜レートに対して減少するものである場合、スパッタ制御装置４０は、マグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂに供給される電力を減少させるか、マスフローコントローラ２５，２７を制御して薄膜形成プロセスゾーン２０に供給されるガスの量を減少させるか、のいずれか少なくとも１つを行うことにより、成膜レートを減少させる。補正板駆動モータを駆動して膜厚補正板をターゲットの中心方向に向かって移動させ、成膜レートを減少させてもよい。

新たな成膜レートで所定時間、追加成膜することにより、最終目標膜厚Ｄ１の薄膜が精度良く基板Ｓの表面に形成される。

また、本実施形態では、基板Ｓに単層膜を形成する場合を例示したが、上述した原理を利用して、多層膜の形成に適用することも可能である。

また、本実施形態では中間目標膜厚Ｄ２を１つとしたが、これを複数設定してもよい（例えば、第１中間目標膜厚Ｄ２’、第２中間目標膜厚Ｄ２”、・・・など）。また、本実施形態では追加成膜を１回行っているが、これを複数回行うこともできる。

図１は本実施形態に係るスパッタ装置を上面から見た部分横断面図である。 図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った部分縦断面図である。 図３Ａは図１の薄膜形成装置に用いられる回転ドラムの概要を説明する斜視図である。 図３Ｂは図３Ａの回転ドラムの配置例を示す部分破断斜視図である。 図３Ｃは図３Ｂの回転ドラムを上面から見た部分横断面図である。 図３Ｄは図３Ｃの回転ドラムの部分斜視図である。 図４は本実施形態で用いるロータリーエンコーダの説明図である。 図５は図４のロータリーエンコーダの機能ブロック図である。 図６は本実施形態で用いる膜厚計の構成例を示す説明図である。 図７は図６の膜厚計の機能ブロック図である。 図８は本実施形態の成膜処理の流れを示すフローチャートである。 図９Ａは基板上に１００ｎｍのＮｂ_２ Ｏ_５ 薄膜を形成する際の中間目標膜厚を形成した場合の光学特性を示すグラフである。 図９Ｂは図９Ａの状態から最終目標膜厚に対して不足分の膜厚を追加成膜した場合の光学特性を示すグラフである。

符号の説明

１…スパッタ装置（薄膜形成装置）、１１…真空容器、１２，１４…仕切壁、１３…回転ドラム（回転手段）、１３ａ…基板保持具（基体保持手段）、１３ｂ…フレーム、１３ｂ１，１３ｂ２…環状部材（環状部）、１３ｂ３…筒状部材（筒状部）、１３ｂ４，１３ｂ５…第１貫通孔（サンプル測光用光路Ｌ１）、１３ｂ６，１３ｂ７…第２貫通孔（リファレンス測光用光路Ｌ２）、１３ｃ…締結具、１７…モータ、２０…薄膜形成プロセスゾーン、２１ａ，２１ｂ…マグネトロンスパッタ電極、２９ａ，２９ｂ…ターゲット、２３…交流電源、２４…トランス、２６…スパッタガスボンベ、２８…反応性ガスボンベ、２５，２７…マスフローコントローラ、４０…スパッタ制御装置、５０…反応プロセスゾーン、５３…不活性ガスボンベ、５５…反応性ガスボンベ、５２，５４…マスフローコントローラ、６０…プラズマ発生手段、６６…高周波電源、
１００…ロータリーエンコーダ（ドラム位置取得手段）、１０１…ハウジング、１０２…ロータリーエンコーダ回転軸、１０３…回転スリット板、１０４…固定スリット板、１０５…発光素子、１０６…受光素子、１１０…薄膜形成処理制御手段、１１０ａ…ＣＰＵ、１１０ｂ…メモリ、１１１…絶対位置信号生成装置、１１１ａ…Ａ−Ｄ変換部、１１１ｂ…絶対位置信号生成部、
２００…膜厚計（光学測定手段）、２０２…投光器、２１２…投光部、２１２ａ…光源、２１２ｂ…集光レンズ、２１２ｃ…光ファイバ、２１２ｄ…投光用センサヘッド、２０４…受光器、２１４…受光部、２１４ｂ…集光レンズ、２１４ｄ…受光用センサヘッド、２１４ｃ…光ファイバ、２２４…光学検出装置、２２４ａ…スリット、２２４ｂ，２２４ｄ…反射鏡、２２４ｃ…回折格子、２２５…検出部、２２５ａ…検出素子、２２５ｂ…検出素子駆動部、２０６…コントローラ、２１６…ＣＰＵ、２２６…タイミング設定部、２３６…ＰＧＡ、２４６…Ａ／Ｄ変換器、２５６…インターフェース部、２６６…入出力装置、２７６…記憶部、２７６ａ…ＲＯＭ、２７６ｂ…ＲＡＭ、２８６…表示装置。

Claims (2)

1. ターゲットをスパッタして基体保持手段に保持され回転する基体に、目標膜厚よりも薄い膜厚の第１薄膜を形成した後、前記目標膜厚に対して不足する不足分膜厚の第２薄膜を前記第１薄膜に形成する薄膜形成方法であって、
   前記基体保持手段の回転動作を制御する回転制御工程と、
   予め設定した初期の成膜レートで前記第１薄膜を成膜した後、前記回転制御工程により前記基体保持手段の回転動作を停止させた状態で、前記第１薄膜の膜厚を測定する光学測定工程と、
   測定された前記膜厚の値に基づいて前記第１薄膜を形成した実際の成膜レートを算出する成膜レート算出工程と、
   前記実際の成膜レートに基づいて前記第２薄膜を形成するのに必要な残成膜時間を算出して成膜時間を調整する成膜時間調整工程とを有し、
   前記基体保持手段として、
   軸線を中心に回転可能に形成されているとともに；
   側壁部分に、前記回転方向に沿って形成された一対の第１貫通孔と、前記一対の第１貫通孔とは異なる配置で前記回転方向に沿って形成された一対の第２貫通孔とを有し、前記一対の第１貫通孔を結ぶラインが後記第２の測光用光路の一部を構成し、前記一対の第２貫通孔を結ぶラインが後記第１の測光用光路の一部を構成する；筒状部と、
   前記筒状部の両側端に対向して接続された一対の環状部とを、含む回転手段の回転方向側面に形成されたものを用い、
   前記光学測定工程では、前記第１薄膜の光学測定基準値を検出する第１の測光用光路を通過する第１の光量と、前記第１の測光用光路と交錯するように形成された、前記第１薄膜の光学測定値を検出する第２の測光用光路を通過する第２の光量とに基づいて、前記膜厚を測定する透過式の光学測定装置を用い、
   前記回転制御工程では、前記回転手段の回転位置情報に基づき、前記回転手段の現在の回転位置で前記光学測定装置の投光手段から光線を照射したとき、この照射した光線が前記一対の第２貫通孔を結ぶライン上に重なるか否かを判定し、重なる場合にはその位置で前記回転手段の回転動作を停止させるとともに前記光学測定装置に対して前記光学測定基準値を検出するように指示し、重ならない場合には前記回転手段の回転動作を継続するように制御することを特徴とする薄膜形成方法。
2. 基体に、予め設定した初期の成膜レートで目標膜厚よりも薄い膜厚の第１薄膜を形成した後、前記目標膜厚に対して不足する不足分膜厚の第２薄膜を前記第１薄膜に形成する薄膜形成装置であって、
   真空容器の内部に設置され、軸線を中心に回転可能な回転手段の回転方向側面に形成された、前記基体を保持する基体保持手段と、
   前記回転手段の回転位置情報を取得する位置取得手段と、
   前記位置取得手段から出力される情報に基づいて前記回転手段の回転動作を制御する制御手段と、
   ターゲットをスパッタして前記基体に前記第１薄膜及び前記第２薄膜を形成するスパッタ手段と、
   前記第１薄膜の膜厚を測定する光学測定手段と、
   測定された前記膜厚の値に基づいて前記第１薄膜を形成した実際の成膜レートを算出する成膜レート算出手段と、
   前記実際の成膜レートに基づいて前記第２薄膜を形成するのに必要な残成膜時間を算出して成膜時間を調整する成膜時間調整手段とを有し、
   前記光学測定手段は、前記第１薄膜の光学測定基準値を検出する第１の測光用光路を通過する第１の光量と、前記第１の測光用光路と交錯するように形成された、前記第１薄膜の光学測定値を検出する第２の測光用光路を通過する第２の光量とに基づいて、前記膜厚を測定する透過式の光学測定装置で構成されており、この光学測定装置は、光線を照射する投光手段と、該投光手段から照射された光線を受光する受光手段と、該受光手段から出力される前記第１の光量及び第２の光量の情報に基づき前記膜厚を算出するコントローラとを含んで構成されており、
   前記回転手段は、前記軸線を中心に回転可能な筒状部と、前記筒状部の両側端に対向して接続された一対の環状部とを含み、前記筒状部は、側壁部分に、前記回転方向に沿って形成された一対の第１貫通孔と、前記一対の第１貫通孔とは異なる配置で前記回転方向に沿って形成された一対の第２貫通孔とを有し、前記一対の第１貫通孔を結ぶラインが前記第２の測光用光路の一部を構成し、前記一対の第２貫通孔を結ぶラインが前記第１の測光用光路の一部を構成し、
   前記制御手段は、前記位置取得手段から出力される情報に基づき、回転手段の現在の回転位置で光学測定装置の投光手段から光線を照射したとき、この照射した光線が回転手段の筒状部側壁部分に形成された一対の第２貫通孔を結ぶライン上に重なるか否かを判定し、重なる場合にはその位置で回転手段の回転動作を停止させるとともに光学測定装置に対して前記光学測定基準値を検出するように指示し、重ならない場合には回転手段の回転動作を継続するように制御することを特徴とする薄膜形成装置。

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