JPH1171673A

JPH1171673A - 膜厚モニタ装置

Info

Publication number: JPH1171673A
Application number: JP23312097A
Authority: JP
Inventors: Motokatsu Kato; 元勝加藤; Kiyoshi Araki; 清荒木
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1997-08-28
Filing date: 1997-08-28
Publication date: 1999-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】薄膜形成装置によって真空槽内で形成される薄
膜の膜厚に対応した信号を正確に出力することができる
膜厚モニタ装置を、提供する。【解決手段】薄膜形成装置の真空槽内には、回転電極１
３及び固定電極１１から構成されるコンデンサが固定さ
れている。このコンデンサの静電容量Ｃは、回転電極１
３に形成された薄膜Ｆの膜厚に対応している。静電容量
検出回路１５は、このコンデンサの静電容量Ｃを検出す
る。膜厚算出回路１６は、静電容量検出回路１５によっ
て検出された静電容量Ｃに基づいて、固定電極１３に形
成された薄膜Ｆの膜厚ｘを算出し、算出した薄膜の膜厚
ｘに基づいて、真空槽内にセットされているレンズＬ上
に形成された薄膜の膜厚ｙを算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜形成装置内におい
て基板上に形成された薄膜の膜厚を監視するための膜厚
モニタ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜形成装置は、真空蒸着法やスパッタ
リング法に従い、真空槽内において極薄い薄膜を形成す
る装置である。このような薄膜形成装置によって薄膜形
成される基板が例えば光学部材や半導体である場合に
は、薄膜の厚さがそれら基板の性能に対して大きく影響
を及ぼしてしまう。従って、形成中の薄膜の厚さを正確
に監視することによって、薄膜形成量の制御を行わなけ
ればならない。

【０００３】そのため、従来、真空槽内に在る基板の厚
さを非接触で測定する薄膜モニタ装置が、種々提案され
ている。図４は、その例として、真空蒸着装置内におい
て基板と同様に薄膜が形成されるモニタガラスを設置す
るとともに、このモニタガラス表面の反射率を真空槽
（蒸着釜）外から光学的に計測する薄膜モニタ装置の構
成を示す。

【０００４】図４において、略円筒型の密閉容器である
真空槽（蒸着釜）５０内の空気は、バルブ６０によって
開閉される排気管６１を通じて、真空ポンプ６２によっ
て吸引される。この真空槽（蒸着釜）５０の底面には、
蒸着材料を蒸発させるための坩堝５４が設置されてい
る。また、この真空槽（蒸着釜）５０の上部には、多数
の光学部材（レンズＬ）を填め込むための透孔（図示
略）が穿たれた傘型のラック５１が、回転自在に装着さ
れている。

【０００５】以上を基本構成とする真空蒸着装置内にお
いて、薄膜モニタ装置は、以下のように構成される。即
ち、真空槽（蒸着釜）５０内の中程（ラック５１よりも
下方の空間）には、平面円形の平皿状受け皿５２が、４
本の支持棒５２ｂによって支持されている。この受け皿
５２の上面には、環状に切断された平面ガラスからなる
モニタガラス５３が、載置されている。そして、受け皿
５２における中心からオフセットした箇所には、モニタ
ガラス５３の下面の一部を坩堝５４に向けて露出する透
孔５２ａが、穿たれている。一方、真空槽（蒸着釜）５
０の底面における坩堝５４の脇には、透明ガラス５５が
填め込まれた観察窓５０ａが形成されている。この観察
窓５０ａの外側には、受け皿５２の透孔５２ａに向けて
白色光Ｂを出射する光源ランプ５６，及び、透孔５２ａ
を透過してモニタガラス５３の下面で反射した白色光Ｂ
の反射光Ｒを側方に向けて反射するミラー５７が、並べ
て設置されている。そして、このミラー５７によって反
射した反射光Ｒは、使用波長のみ分光器５８で取り出さ
れ、検知器５９によって検知される。

【０００６】以上のような構成により、真空蒸着装置内
において光学部材（レンズＬ）に対する薄膜形成が進行
すると、受け皿５２の透孔５２ａに露出しているモニタ
ガラス５３の下面にも、薄膜が形成される。このモニタ
ガラス５３に形成される薄膜の膜厚は、光学部材（レン
ズＬ）に形成される薄膜の膜厚と比例関係にある。そし
て、モニタガラス５３に形成される薄膜が厚くなってい
くと、光源ランプ５６から出射された白色光Ｂに対する
モニタガラス５３下面の反射率が変化する。従って、反
射光Ｒを受光した検知器５９の出力変化量に対して所定
の演算を施すことによって、光学部材（レンズＬ）に形
成される薄膜の膜厚を算出することができるのである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の膜厚モニタ装置は、多数の部品から構成されるため
に、装置規模が大きくなってしまっていた。また、光路
が長い故にモニタガラス５３の反射率変化以外の要因で
検知器５９に検知される光量が変動してしまう可能性や
反射光量を電気信号に変換する際にノイズが混入してし
まう可能性があるので、これらのノイズが測定結果に大
きく影響を及ぼしていた。

【０００８】本発明は、以上の問題点を解決するために
なされたものである。即ち、本発明は、装置規模を大き
くすることなく、薄膜形成装置によって真空槽内で形成
される薄膜の膜厚に対応した信号を、正確に出力するこ
とができる膜厚モニタ装置の提供を、課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、以下の手段を採用した。即ち、請求項１
記載の膜厚モニタ装置は、真空槽内に配置された基板の
表面に材料物質を付着させることによって薄膜を形成す
る薄膜形成装置における、前記薄膜の膜厚を監視するた
めの膜厚モニタ装置であって、前記真空槽内において相
対向して配置された２枚の電極と、これら電極間の静電
容量を検出する静電容量検出手段と、この静電容量検出
手段によって検出された静電容量に基づいて、前記基板
の表面に形成された薄膜の膜厚と比例関係にある前記電
極間に形成された薄膜の膜厚を算出する膜厚算出手段と
を、備えたことを特徴とする。

【００１０】このように構成されれば、真空槽内で基板
表面に薄膜が形成されると、その薄膜の膜厚に対して一
定比率の膜厚で、各電極の対向面上にも薄膜が形成され
る。このようにして電極の対向面上に膜厚が形成される
と、各電極間の静電容量が、薄膜の膜厚に応じて変化す
る。静電容量検出手段は、この各電極間の静電容量を検
出し、膜厚算出手段は、検出された静電容量に基づいて
各電極の対向面上の薄膜の膜厚を算出する。このように
各電極の対向面上の薄膜の膜厚が算出されると、この薄
膜の膜厚及び上記一定比率に基づいて、基板上の薄膜の
膜厚を正確に算出することができる。

【００１１】本発明が適用される薄膜モニタ装置は、真
空蒸着装置やスパッタリング装置である。また、２枚の
電極は、互いに平行でなくても構わないが、互いに平行
であることが、膜厚算出手段での計算を容易にするため
に望ましい。また、２枚の電極の夫々の両面に薄膜が形
成されても構わないし、２枚の電極双方の対向面に薄膜
が形成されても構わないが、１方の電極の他方に対向す
る面のみに薄膜が形成されることが、膜厚算出手段での
計算を容易にするために望ましい。

【００１２】請求項２記載の膜厚モニタ装置は、請求項
１の２枚の電極が互いに平行に配置されていることで、
特定したものである。請求項３記載の膜厚モニタ装置
は、請求項２の薄膜形成装置が、前記材料物質を拡散す
る拡散源を有しており、前記２枚の電極が前記拡散源に
対して斜めに配置されていることで、特定したものであ
る。

【００１３】請求項４記載の膜厚モニタ装置は、請求項
３の２枚の電極が円盤型形状を有していることで、特定
したものである。請求項５記載の膜厚モニタ装置は、請
求項４の２枚の電極のうち、他方の電極に対向する内側
面が前記拡散源に面している電極が、その中心軸回りに
一定速度で回転する回転電極であることで、特定したも
のである。

【００１４】請求項６記載の膜厚モニタ装置は、請求項
５において、材料物質の拡散源から見て前記回転電極の
内側面のみが見える様に前記２枚の電極を覆うハウジン
グを更に備えたことで、特定したものである。

【００１５】請求項７記載の膜厚モニタ装置は、請求項
１の膜厚算出手段が、前記電極間に形成された薄膜の膜
厚の算出値に基づいて、前記基板の表面に形成された薄
膜の膜厚を算出することで、特定したものである。

【００１６】請求項８記載の膜厚モニタ装置は、請求項
７において、膜厚算出手段によって算出された前記基板
の表面に形成された薄膜の膜厚が目標膜厚に達したか否
かを判定する比較器を更に備えたことで、特定したもの
である。

【００１７】請求項９記載の膜厚モニタ装置は、請求項
８において、薄膜の膜厚が目標膜厚に達したと前記比較
器が判定した時に前記拡散源からの前記材料物質の拡散
を停止する制御手段を更に備えたことで、特定したもの
である。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて、本発明の
実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態で
ある膜厚モニタ装置を組み込んだ真空蒸着装置（薄膜形
成装置）の概略断面図である。図１において、蒸着釜１
は、有底円筒形状を有しており、その上端は、ドーム型
の天板１ａによって密閉されている。この蒸着釜１の内
部空間は、弁３によって開閉される排気管２を通じて真
空ポンプ４に連通している。この真空ポンプ４は、排気
管２を通じて蒸着釜１内部の空気を外部に排出し、蒸着
釜１内部の圧力を高真空に引くことができる。

【００１９】また、蒸着釜１の底面１ｂ中央には、図示
せぬ抵抗加熱体によって蒸着材料（材料物質）を蒸発さ
せてその分子を拡散させる坩堝５（材料物質の拡散源）
が設置されている。なお、この真空蒸着装置によって多
層膜形成が行われる場合には、この坩堝５は、蒸着され
る蒸着材料の種類に応じて複数個（例えば４，５個）設
置される。

【００２０】また、天板１ａの中心には、図示せぬ駆動
モータによって回転駆動される回転軸６ａが、蒸着釜１
内面と同軸且つ気密に、貫通している。そして、この回
転軸６ａの先端（蒸着釜１内に進入した端部）には、蒸
着釜１の底面１ｂに向けて拡がった傘型のホルダ６が一
体に固着されている。このホルダ６には、その上面（外
面）と下面（内面）とを貫通するとともに、夫々、光学
部材としてのレンズＬが填め込まれた多数のレンズ保持
孔が穿たれている。

【００２１】また、蒸着釜１の中心軸上におけるホルダ
６の直下の空間には、コンデンサユニット７が、蒸着釜
１の内面から延びた４本の支持棒８を介して、保持され
ている。なお、図１は、概略断面図故にコンデンサユニ
ット７を大きく描いているが、実際にはコンデンサユニ
ット７のサイズは非常に小さいので、ホルダ６に装着さ
れたレンズＬへの蒸着材料の付着が、このコンデンサユ
ニット７によって妨げられることはない。

【００２２】このコンデンサユニット７の詳細な構成を
図２に基づいて説明する。図２に示すように、このコン
デンサユニット７は、立方体型のハウジング１０と、こ
のハウジング１０内に固定された円盤形の固定電極１１
及び駆動装置１２と、固定電極１１に対向した状態を保
ったまま駆動装置１２によって回転駆動される円盤形の
回転電極１３とから、構成されている。

【００２３】ハウジング１０の底板１０ａは、蒸着釜１
の底面１ｂと平行に固定されている。そして、この底板
１０ａには、図２の左右方向に短軸を向けた楕円形孔１
０ｂが、その短軸と内縁とが底板１０ａの中心において
交わる位置関係で、穿たれている。上述の回転電極１３
は、蒸着釜１の底面１ｂから見てその外縁が楕円形孔１
０ｂの内縁に重なる様、斜めに保持されている。なお、
この回転電極１３は、ハウジング１０の天板１０ｃとの
間に僅かな隙間だけ空ける様、ハウジング１０内部の上
方に位置している。ハウジング１０の内側壁に固定され
た駆動機構１２は、回転軸１２ａを介して、回転電極１
３を、その中心軸回りに一定速度で回転させる。

【００２４】回転電極１３とともにコンデンサを構成す
る固定電極１１は、回転電極１３に対して、互いに平
行，且つ互いの中心軸同士が同軸となるように、ステー
１４を介してハウジング１０内に固定されている。この
固定電極１１は、蒸着釜１の底面１ｂから見て底板１０
ａの陰に隠れるように、配置されている。

【００２５】以上の構成のために、坩堝５からは回転電
極１３の内側面（固定電極１１に対向している面）全体
が底板１０ａの楕円孔１０ｂを通して見えるが、ハウジ
ング１０内におけるそれ以外の構成は底板１０ａによっ
て隠される。従って、図３に示すように、坩堝５から垂
直にたち上ってきた蒸着材料は、回転電極１３の内側面
のみに付着して薄膜Ｆを形成する。この際、回転電極１
３が駆動装置１２によって一定速度且つ一定方向に回転
しているので、回転電極１３の内側面に形成される薄膜
Ｆの膜厚は均一となる。

【００２６】ところで、図３に示すように、各電極１
１，１３間の距離をｄ，各電極１１，１３の面積をＳ，
真空の誘電率をε₀（＝８．８５４×１０^-12），蒸着材
料の誘電率をε₁とすると、各電極１１，１３間の静電
容量Ｃと回転電極１３の内側面に形成される薄膜Ｆの膜
厚ｘとの関係は、下記式（１）によって表される（但
し、各電極１１，１３の外側面に生じる電荷による電界
は無視するものとする）。

【００２７】Ｃ＝Ｓ／（ｄ／ε₀−ｘ・（１／ε₀−１／ε₁）） ……（１）この式（１）を変形して、ｘについて解くと、下記式
（２）が得られる。ｘ＝（ｄ／ε₀−Ｓ／Ｃ）／（１／ε₀−１／ε₁） ……（２）従って、各電極１１，１３間の静電容量Ｃを検出すれ
ば、回転電極１３の内側面に形成される薄膜Ｆの膜厚ｘ
を算出することが可能になる。

【００２８】そのため、回転電極１３は、回転軸１２ａ
を介して導線ｌ₁に導通しており、この導線ｌ₁を通じて
蒸着釜１の外部の静電容量検出回路１５に接続されてい
る。同様に、固定電極１１は、ステー１４を介して導線
ｌ₂に導通しており、この導線ｌ₂を通じて静電容量検出
回路１５に接続されている。

【００２９】静電容量検出回路１５（静電容量検出手
段）は、公知の検出原理（例えば、所定インダクタンス
Ｌを有するコイルと測定対象コンデンサとによって発振
回路を構成するとともに、この発振回路の発振周波数ｆ
＝１／（２π（ＬＣ）^1/2）を検出し、検出した発振周
波数ｆに基づいて測定対象コンデンサの静電容量Ｃを逆
算する）に基づいて、コンデンサユニット１０内の各電
極１１，１３間の静電容量Ｃを検出する回路である。こ
の静電容量検出回路１５によって検出された静電容量Ｃ
の値は、膜厚算出回路１６に入力される。

【００３０】この膜厚算出回路１６（膜厚算出手段）
は、入力された静電容量Ｃの値に基づいて、ラック６に
セットされているレンズＬに形成された薄膜の膜厚ｙを
算出する回路である。即ち、膜厚算出回路１６は、静電
容量検出回路１５によって入力された静電容量Ｃに対し
て上記式（２）を施すことによって、コンデンサユニッ
ト１０内の回転電極１３に形成された薄膜Ｆの膜厚ｘを
算出する。そして、この膜厚ｘに対して所定の比例定数
を掛けることにより、ラック６にセットされているレン
ズＬに形成された薄膜の膜厚ｙを算出するのである。上
述の比例定数は、蒸着釜１内で実際に蒸着を行ったとき
にレンズＬに形成された薄膜の膜厚ｙ，及び、回転電極
１３に形成された薄膜の膜厚ｘに基づいて、実験的に予
め（ｙ／ｘ）と定められている。この膜厚算出回路１６
によって算出された膜厚ｙの値は、表示装置１７及び比
較器１８に入力される。

【００３１】表示装置１７は、入力された膜厚ｙの値を
可視的に表示するディスプレイ装置である。比較器１８
は、入力された膜厚ｙの値を、操作者によって任意に設
定される目標膜厚ｙ’の値と比較するとともに、入力さ
れた膜厚ｙの値が目標膜厚に達すると、電源制御回路１
９に対して電源停止信号を入力する。

【００３２】電源制御回路１９（制御手段）は、コンデ
ンサユニット１０内の駆動装置１２及び各坩堝５内の抵
抗加熱体（図示略）に電力を供給する回路であり、比較
器１８によって電源停止信号が入力された時には、坩堝
５内の抵抗加熱体（図示略）に供給していた電力を切断
する。（真空蒸着装置及び膜厚モニタ装置の動作）次に、以上
のように構成された真空蒸着装置及び膜厚モニタ装置の
動作を説明する。

【００３３】まず、蒸着工程に先立って、操作者は、蒸
着釜１から天板１ａを取り外し、ホルダ６に形成された
各貫通孔にレンズＬをはめ込むとともに、各坩堝５内に
所定の薄膜形成物質を蒸着材料としてセットする。ま
た、セットした蒸着材料の誘電率ε₁を静電容量検出回
路１５に設定するとともに、所望の目標膜厚ｙ’を比較
器１８に設定する。

【００３４】操作者は、以上の準備を完了すると、蒸着
釜１を天板１ａによって密封するとともに、バルブ３を
開けて、吸引ポンプ４によって蒸着釜１内の空気を吸引
する。そして、この吸引ポンプ４の吸引によって蒸着釜
１内の圧力が１×１０^-5（Ｔｏｒｒ）程度まで引かれる
と、操作者は、電源制御回路１９を作動させて、駆動装
置１２によって回転電極１３を回転させるとともに、蒸
着対象の蒸着材料がセットされた何れかの坩堝５内の抵
抗加熱体（図示略）に電力を供給する。

【００３５】この抵抗加熱体（図示略）に対する電力供
給によって坩堝５内の温度が上昇すると、坩堝５内にセ
ットされた蒸着材料が蒸発し、その分子が蒸着釜１内に
拡散する。このように拡散した蒸着材料の分子は、所定
の確率にて、ホルダ６にセットされた各レンズＬ，及び
回転電極１３の内側面に夫々付着・凝結し、夫々薄膜を
形成する。なお、ホルダ６にセットされた各レンズＬ，
及び回転電極１３の内側面に形成される薄膜Ｆの成長速
度は夫々一定なので、両薄膜の膜厚比は一定に保たれ
る。

【００３６】このような蒸着工程の間、コンデンサユニ
ット７内の回転電極１３と固定電極１１との間の静電容
量Ｃは、静電容量検出回路１５によって検出される。そ
して、この静電容量Ｃは、回転電極１３の内側面に形成
された薄膜の膜厚ｘと正確に対応しているので、膜厚算
出回路１６は、この回転電極１３に形成された薄膜の膜
厚ｘを算出するとともに、この膜厚ｘに対して所定比率
の関係にあるレンズＬの膜厚ｙを算出する。

【００３７】算出された膜厚ｙは、表示装置１７によっ
て表示されるとともに、比較器１８によって目標膜厚
ｙ’と比較される。そして、算出された膜厚ｙが目標膜
厚ｙ’に達すると、電源制御回路１９は、坩堝５内の抵
抗加熱体（図示略）に対する電力供給を停止し、一層目
の蒸着工程を終了する。

【００３８】ホルダ６にセットされているレンズに対し
て多層膜を形成する場合には、次の層の目標膜厚ｙ’及
びその層の蒸着材料の誘電率ε₁を設定し直すととも
に、その蒸着材料がセットされている何れかの坩堝５内
の抵抗発熱体５ａに対して電源制御回路１９によって電
力を供給して、蒸着工程を再実行する。

【００３９】このような蒸着工程を、繰り返した結果と
して、所望の膜構成の薄膜がレンズＬの表面に形成され
ると、作業者は、吸引ポンプ４を停止させるとともに、
外気をバルブ３から蒸着釜１内に導入して、天板１ａを
蒸着釜１から外す。そして、ホルダ６から各レンズＬを
取り外す。

【００４０】以上説明したように、本実施形態の膜厚モ
ニタ装置によると、モニタ用に形成された薄膜Ｆ（回転
電極１３の内側面に形成された薄膜）の膜厚が、（各電
極間１１，１３間の静電容量Ｃとして）非接触且つ電気
的に検出される。従って、物理量の変換を行う必要がな
いので、検出結果に対するノイズの混入の弊害がなく、
正確な膜厚検出が可能となる。また、コンデンサユニッ
ト７の全体の大きさもあまり大きくする必要がないの
で、装置規模を大きくしてしまうこともない。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の膜厚モニ
タ装置によると、装置規模を大きくする事無く、薄膜形
成装置によって真空槽内で形成される薄膜の膜厚に対応
した信号を、正確に出力することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態である膜厚モニタ装置を
組み込んだ真空蒸着装置の断面図

【図２】図１のコンデンサユニットの拡大図

【図３】図２の各電極に接続された回路の構成を示す
ブロック図

【図４】従来の膜厚モニタ装置を組み込んだ真空蒸着
装置の断面図

【符号の説明】

１蒸着釜６ホルダ７コンデンサユニット１１固定電極１２駆動装置１３回転電極１５静電容量検出回路１６膜厚算出回路１８比較器１９電源制御回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空槽内に配置された基板の表面に材料物
質を付着させることによって薄膜を形成する薄膜形成装
置における、前記薄膜の膜厚を監視するための膜厚モニ
タ装置であって、前記真空槽内において相対向して配置された２枚の電極
と、これら電極間の静電容量を検出する静電容量検出手段
と、この静電容量検出手段によって検出された静電容量に基
づいて、前記基板の表面に形成された薄膜の膜厚と比例
関係にある前記電極間に形成された薄膜の膜厚を、算出
する膜厚算出手段とを備えたことを特徴とする膜厚モニ
タ装置。
【請求項２】前記２枚の電極は互いに平行に配置されて
いることを特徴とする請求項１記載の膜厚モニタ装置。
【請求項３】前記薄膜形成装置は、前記材料物質を拡散
する拡散源を有しており、前記２枚の電極は前記拡散源に対して斜めに配置されて
いることを特徴とする請求項２記載の膜厚モニタ装置。
【請求項４】前記２枚の電極は円盤型形状を有している
ことを特徴とする請求項３記載の膜厚モニタ装置。
【請求項５】前記２枚の電極のうち、他方の電極に対向
する内側面が前記拡散源に面している電極は、その中心
軸回りに一定速度で回転する回転電極である、ことを特
徴とする請求項４記載の膜厚モニタ装置。
【請求項６】前記材料物質の拡散源から見て前記回転電
極の内側面のみが見える様に、前記２枚の電極を覆うハ
ウジングを更に備えることを特徴とする請求項５記載の
膜厚モニタ装置。
【請求項７】前記膜厚算出手段は、前記電極間に形成さ
れた薄膜の膜厚の算出値に基づいて、前記基板の表面に
形成された薄膜の膜厚を算出することを特徴とする請求
項１記載の膜厚モニタ装置。
【請求項８】前記膜厚算出手段によって算出された前記
基板の表面に形成された薄膜の膜厚が目標膜厚に達した
か否かを判定する比較器を更に備えたことを特徴とする
請求項７記載の膜厚モニタ装置。
【請求項９】前記薄膜の膜厚が目標膜厚に達したと前記
比較器が判定した時に前記拡散源からの前記材料物質の
拡散を停止する制御手段を更に備えたことを特徴とする
請求項８記載の膜厚モニタ装置。