JPS6328862A - 膜厚制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分罫］ 本発明は基体上に蒸着被膜を形成する際の膜厚制御方法
、特に高精度の所望厚さに制御可能な充電式膜厚制御方
法に関する。

［従来の技術］ 被膜を形成中の基体に、特定の波長λの光線を照射し、
この光線の透過光もしくは反射光を測定するとき、形成
中の被膜の屈折率を１１幾何学的厚さをｄとすると、厚
さｄの増大に伴って透過率もしくは反射率は被膜の光学
膜厚ｎｄがλ／４の整数倍になる時点において、極値を
持った周期性の曲線を描くことは従来から知られている
。（第４図）単色側光法においては、この性質を利用し
て特定の波長λによって前記成膜中の基体の透過率もし
くは反射率を測定し、その極値を検出した時点で成膜を
終了することにより、被膜の光学膜厚を前記波長久の１
／４の整数倍に制御する。

この方法による膜厚制御の精度は、前記透過率もしくは
反射率の極値を検知する精度に大きく依存する。この極
値検出の手段としては、拡大法、微分法などがある。拡
大法は透過率もしくは反射率の変化を電気的にできるだ
け増幅して極値を見出す方法であるが、特に極値近傍に
おいては膜厚の変化に対する透過率もしくは反射率の変
化量が極めて少ないため、ノイズの影響を受は易いとい
った問題があり、正確な膜厚制御が困難となる。

また微分法は透過率もしくは反射率の時間変化を微分し
、その微分値がゼロのときに成膜を停止する方法である
が、この方法でもやはりノイズかあると微分値に大きな
「フラツキ」が現れるので、正確な膜厚制御が困難とな
る。

前記拡大法や、微分法は上記のような問題点があったた
め、単色側光法を用いてより精度の高い膜厚制御を可能
とするために、特公昭５７−２４４８５号公報に開示さ
れている方法が提案されている。この方法は蒸着開始後
における反射率もしくは透過率の極値近傍の平均値と無
蒸着時の反射率もしくは透過率との差Ａと、前記反射率
もしくは透過率の前記極値の通過後における任意点と前
記極値の平均値との差Ｂとし、Ｂ／Ａが目標値を指示し
たことを検知することにより、所望厚さの膜を成膜する
ものである。この方法の利点は透過率もしくは反射率の
極値通過後の任意の点の検出は膜厚の変化に対する透過
率もしくは反射率の変化量が比較的大きいため、少々ノ
イズがあっても膜厚制御が可能であることと、Ｂ／Ａと
いう目標値を利用するので成膜中の膜の屈折率が多少変
化しても膜厚に変化を生じないことである。

しかしながら、この方法は前記目標値を決める際に直前
に通り過ぎた透過率もしくは反射率の極値を、基準とし
ているため、極値に誤差が大きいと目標値にもそのまま
誤差か反映されてしまい、本来この方法で得られるはず
の高い精度が得られな（なってしまうことである。更に
モニター基体上に複数層を積層して成膜する時の膜厚制
御の前記目標値を決定することが困難であること、及び
極値検出による膜厚制御方法で１７４波長光学膜厚層を
積層した場合に得られる「付着された膜厚の誤差を次に
付着される被膜の付着の際に自然に補正する作用」が得
られない欠点もある。

以上のように従来の方式を用いた単色側光式の膜厚モニ
ター法では、透過率もしくは反射率の極値を確実に検出
できなかったため被膜の光学膜厚を精度良（制御するこ
とが困難であるという欠点があった。

［発明が解決しようとする問題点コ 本発明は従来困難であった、モニターの透過率又は反射
率の極値の正確な検出を間車な方法て精度よ（検出する
ことにより従来膜厚制御法の持つ正確な膜厚制御が得ら
れないという欠点を除去しようとしたものである。

［発明の構成コ すなわち、本発明の第１の発明は蒸着被膜を基体とに形
成する途上で、該被膜を形成されつつあるモニター基体
の透過率又は反射率の時間的変化を、ある時点から現時
点までの一定時間サンプリングし、このサンプリングデ
ータにより２時回帰関数 Ｐ＝ａ　　＋　　ａよ　（ｔ−ｔｐ）２（但し、Ｐはモ
ニター基体の透過率又は反射率、ａ、ａエ　は常数、ｔ
は蒸着開始からの経過時○ 間、ｔｐは２次回帰関数が極値になる、蒸着開始を基準
とした時刻） を、ｔ＝ｔｐ又はｔ＝ｔｐの近傍近くになるまで順次求
め、ｔ＝ｔｐになった時点を基準として、被膜蒸着目標
時間を設定することを特徴とする特膜蒸着における膜厚
制御方法である。

また、本発明の第２の発明は蒸着被膜を基体上に形成す
る途上で、該被膜を形成されつつあるモニター基体の透
過率又は反射率の時間的変化を、ある時点から現時点ま
での一定時間サンプリングし、このサンプリングデータ
により２次回帰関数Ｐ＝ａ□＋　　ａｌ　　（ｔ−ｔｐ
）２（但し、Ｐはモニター基体の透過率又は反射率、ａ
□、ａｌ　　は常数、ｔは蒸着開始からの経過時間、ｔ
ｐは２次回帰関数の極値になる、蒸着開始を基準とした
時刻） を、ｔ＝ｔｐになるまで順次求め、ｔ＝ｔｐになった時
点の該被膜を形成されつつある基体の透過率又は反射率
を基準として所定値だけずれた値を被膜蒸着目標として
設定する被膜蒸着における膜厚制御方法である。

本発明において、蒸着膜とは真空蒸着法、イオン化蒸着
法、イオンブレーティング法、イオンアシスト蒸着法、
スパッタリング法等により蒸着される被膜を意味する 本発明において、２次回帰関数 Ｐ＝ａ（、＋　　ａｌ　　（ｔ−ｔｐ）”のａＱ　＋　
　ａｌ　　ｌ　及びｔｐはモニターの透過率又は反射率
の時間的変化をある時点から現時点までの一定時間のサ
ンプリングデータより、以下の如く算出される。

ａ＝α　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・・
（３）ま ただし Ｎは２次回帰に用いた透過率又は反射率のサンプリング
データの個数ｔｉは２次回帰に用いた透過率又は反射率
のサンプリングを測定した時刻でｔｌ　、ｔ２　、・・
・・・・、ｔＮのＮ個ある。（則ちｉ：ｉ、２・・・・
・・Ｎ）　Ｐ（ｔｉ）は時刻ｔｉにおいて測定された透
過率又は反射率の値でＰ（ｔ工）、　Ｐ（ｔ２）、・・
・・・・、　Ｐ（ｔＮ）のＮ個である。

二はその項をｉ　＝１からｉ＝ＮまでＮ個の和をと４％
ｌ ることを意味する。

である。

本発明において、被膜蒸着目標時間は通常はｔ：ｔｐに
なったときに設定するのが好ましい。

しかしながら、被蒸着基体がモニター基体よりも一定時
間遅れて所定厚みの蒸着被膜が付着したり、また一定時
間進んで所定厚みの被膜が付着する場合にはモニター基
体の透過率又は反射率の極値を検出したときに成膜を停
止せず、夫々極値を過ぎてからの経過した時間を測定し
て、予じめ設定しておいた前記一定時間過ぎた時点か、
また極値が現われると予測される時刻ｔｐと現在時刻ｔ
工（ｔ工＜ｔｐ）との差が予じめ設定しておいた前記一
定時間になった時点で、成膜を停止することかできる。

また、モニター基体の透過率又は反射率を測定するため
の単色光を得るための所望の波長より、長いか又は短い
干渉フィルターを用いた場合には、モニター基体の透過
率又は反射率の極値を検出したとき成膜を停止せす、夫
々極値を過ぎてからの経過した時間をホリ定して、予じ
め測定した時点になったときか、又は極値が現れると予
測される時刻ｔｐと現在時刻１１（１工＜ｔｐ）との差
が予じめ設定しておいた時点で成膜を停止することがで
きる。

更にまた被蒸着基体がモニター基体よりも一定時間遅れ
て所定厚みの蒸着被膜が付着する場合にはモニター基体
の透過率又は反射率の極値を検出したとき成膜を停止せ
ず、極太もしくは極小の値を回帰した２次関数より計算
してその値と測定した透過率の値との差が予め設定して
おいた目標値になった時点で成膜を停止することもでき
る。

この方法において目標値を充分に大きくとれば成膜の終
了点は極値から充分に離れた点となり、膜の厚さの変化
に対する透過率の変化量が大きくなるため、膜厚の制御
精度は格段に向上する。

［作　　用］ 本発明はモニター基体の透過率又は反射率の時間的変化
を、ある時点から現時点までのサンプリングデータによ
り、２次回帰曲線を該２次曲線の極値近くになるまで求
め、極値を求めるものであるので個々のサンプリングデ
ータにノイズがあっても極値になる時間を正確に求める
ことができ、この極値を基準として被膜蒸着目標時間を
正確に設定できる。

［実　施　例コ 実施例１ 第１図において円筒状の真空容器１の内部に被蒸着基板
ホルダー２に取り付けた被蒸着基板３、基板加熱器４お
よび膜厚監視用基板（モニターガラス）５を設置しまた
真空容器１の上下にはモニターガラス５の直上および直
下に対応する位置にモニター光透過用窓６ａ、６ｂを取
り付けである。

この透過用窓６ａの下方に光源ランプ７および変調器８
からなる膜厚モニター光源部Ａを設置してあり、これら
はランプ点灯用および変調器駆動用電源９に接続しであ
る。また、透過用窓６ｂの上方には干渉フィルター１０
および光電管などの受光素子１１からなる膜厚モニター
受光部Ｂが設置してあり、この受光部は光電流増幅部オ
フセント電圧発生部（いずれも図示しない）からなる膜
厚モニター本体１２を介してＡＤ（アナログ・デジタル
）変換器１３、Ｉ１０インターフェイス１４および計算
機１５に接続されている。更にこの計算機１５にはもう
１つのＩ１０インターフェイス１６が取り付けてあり計
算機の指令によりシャッター駆動器１７を介してシャッ
ター板１８の開閉を可能としである。一方真空容器１の
内部には蒸発源１９が設置してあり、その上方にある前
記シャンター板１８により開閉するようになっている。

なお真空容器１は図示しない導管を介して真空ポンプに
接続されている。

次に上記真空蒸着装置の動作について説明する。

蒸発源１９を電子ビーム加熱又は抵抗加熱などで加熱し
、蒸着物質を蒸発させ、蒸発物質の蒸発速度か安定した
ところでシャッター１８を開け、蒸発物の基板３への付
着を開始する。このときモニターガラス５にも同様に蒸
発物質が付着する。この被膜の付着速度は安定させるこ
とが重要であり、蒸発源を加熱する電力を一定に保つか
、水晶振動式の堆積速度コントローラーを用いて、安定
化している。投光ｍＡは常に一定の量の光をモニターガ
ラス５に照射し、受光部ではモニターガラス５を透過し
て来た光のうち干渉フィルター１０によって特定の波長
λの光の量だけを受光素子である光電管などで測定する
。投光部にはさらに変調器（チョッパー）８が付いてい
てモニター光を特定の周波数ｆで変調しており、膜厚モ
ニター本体１２で受光部Ｂが受けた光の信号のうち特定
の周波数ｆ近辺の信号のみを増幅させることにより、蒸
発源などからの迷光によって測定値が影響を受けないよ
うにしである。このようにしてモニターがラス５の透過
光強度を電気信号に変換した後、ＡＤ（アナログ・デジ
タル）変換器１３、Ｉ１０インターフェース１４によっ
て計算機１５に光の強度の値として読み込む。このサン
プリングされた光の強度から計算される成膜中のモニタ
ーガラス５の透過率は理論的には第４図に示すような周
期性の曲線を描くのであるが、この曲線は通常次のよう
な多項式（１）で近似でき、この極値近傍では多項式（
４）の４次項以下を省略しても近似する。

Ｔ＝ａ　　０＋ａ１（ｔ−ｔｐ）＋ａ２（ｔ−ｔｌ＋ａ
３　（ｔ−ｔｐ）６＋・・・・・・・・・　　・・・・
・・（４）（ａ□　＋　　ａｌ　＋　　ａ２　、　　ａ
３　・・・−は常数、ｔｐは極値のあられれる時刻） しかしながら、モニターガラス５の透過率は実際には被
膜の屈折率の不均一性や受光素子拳光電流増幅部非直線
性のため一層複雑な関数となるのであるが、極値近傍に
おいては多項式（４）の４次項以下を省略した次式に充
分近似する。

Ｔ＝ａ（、＋ａ１　　（ｔ　−ｔｐ）２　　　　・・・
・・（５）第３図に示すように理論的透過率の変化を図
中の実線とすると２次回帰線は図中の破線となる。

第２図には蒸着中のモニターガラス５の透過率のサンプ
リング値（実線）が示され、ノイズが重畳していること
が示され、このサンプリングデータにより求められた２
次回帰線が破線で示されている。この２次回帰線は現在
時刻で、からΔを前までの一定時間サンプリングデータ
により、式（１）、（２Ｌ（３）を用いて計算機１５に
より計算される。ここで△ｔはノイズによる透過率測定
値の変動周期よりも充分長（とればノイズにより、２次
回帰線の精度に影響しない。そこで、Δｔは通常１／４
波長の光学膜厚を成膜するのにかかる時間の１０％以上
の時間がとられる。そしてΔｔが前記成膜にかかる時間
の５０％越えると、得られる２次回帰線が透過率曲線か
ら外れるため、前記成膜にかかる時間の５０％以下にさ
れる。そして、この２次回帰線はｔ工がｔｐに一致する
まで、すなわち現在時刻ｔ工がｔｐになるまで求められ
極値での２次回帰線を求め、ｔ工＝ｔｐ時に直ちにＩ１
０インターフェイス１６を通して信号を出して、シャッ
ター１８を閉じ、蒸発源１９からの蒸発物を断つ。

第１表は実際にＢＫ７のモニターガラス（屈折率１．５
１）上に酸化チタニウムを蒸着し、本発明の装置により
１／４波長光学膜厚の極値を検出した時点で成膜を停止
することにより得られた膜の光学膜厚（真空中における
）と膜厚モニターの側光波長λの１／４との差を示す。

この表よりわかるように本発明の装置を用いて、実際に
膜厚誤差１％以下で制御できることがわかる。

この実験を行った際膜厚モニターの示す透過率測定値に
は±０．０３％（透過率の絶対値）のノイズがあったた
め、従来の拡大法による極値検出では膜厚誤差が２．５
％（１７４波長の偶数倍の光学膜厚の場合）または２．
０％（１／４波長の奇数倍の光学膜厚の場合）になると
予想される。

以上のようにして本発明により、透過率の極値において
成膜を停止することが精度良く行なわれ、光学膜厚が所
望の波長の１／４の整数倍である薄膜を再現性良（得る
ことができる。

実施例２ 第５図において、スパッタリング成膜装置２１と透過率
モニタ一部Ａ’、Ｂ’は既知のものが利用でき、第１図
に示した真空蒸着装置と同一機能を有するものは第１図
で引用した番号にダッシュを付けて表わした。スパッタ
リング成膜装置２１の基板ホルダー２′が成膜中に常時
回転することにより、モニターガラスＳ′と基板３′は
スパッタリングターゲット１９′の下を何度も通過しな
から成膜される。透過率モニターＡ’、Ｂ’はモニター
ガラス５′が丁度第５図に示した位置、則ち光源部７’
、８’　と受光部１０’、１１’を結ぶ直線上に来た時
だけ透過率を測定し、その他の透過率を測定していない
時には膜厚モニター本体１２′によって直前に測定され
た透過率の値を保持し、あたかも連続的に測定されてい
るかのような信号をＡＤ（アナログ・デジタル）変換機
１３′に出すようになっている。このようなスパッタリ
ング装置に実施例１に示したと同様の膜厚モニター装置
１３′〜１６′を組み込むことにより、スパッタリング
成膜法においても、実施例１において得られたと同様な
高精度の膜厚制御を行うことができた。

以上の実施例においては、モニターガラスの透過率を測
定して被膜の膜厚を制御したか、被膜の反射率を測定す
ることによって全（同様に高精度の膜厚制御ができるこ
とは明らかであります。

［発明の効果コ 以上のようにこの発明によれば成膜中の基板の透過率も
しくは反射率の信号に多少のノイズがあっても極値を精
度良く検出できるようになるため、薄膜の光学膜厚を所
望の値に高精度で制御でき、特に光学多層膜の製作にお
いて高品質の製品を再現性良（生産できるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すものであって、第１図は真
空蒸着装置の縦断概略図、第２図はモニターガラスの透
過率サンプリングデータ（実線）とこれに回帰する２次
関数、第３図はモニターガラス上に一層の被膜が堆積す
る時の理論的透過率（実線）とこれに回帰する２次関数
（破線）、第４図はモニターガラス上にそれよ′り屈折
率が高い一層の被膜が堆積していった時の光学膜厚と特
定の波長λにおける透過率（理論値）との関係を示すグ
ラフ、第５図は池の実施例を示すスパッタリング装置の
縦断概略図である。 １、　１’　　；真空容器、２．２’　　；基板ホルダ
ー３．３’　　；基　板、４；基板ヒータ、５．５’　
　；モニターガラス、８ａ、Ｅｉｂ。 ８ａ’　、８ｂ’　　；モニター光透過窓、７．７’　
　；光源ランプ、８．８’　　；変調器９；電　源、１
０．１０’　　；干渉フィルター１１．１１’　　；受
光素子、１２．１２’　　；膜厚モニター本体、１３．
１３’　　；ＡＤ変換器１４．１４’　　；Ｉ１０イン
ターフェイス、１５．１５’　　；計算機、１６．１６
’　　；Ｉ１０インターフェイス、１７．１７’　　；
シャッター駆動器、１８．１８’　　；シャッター板、
１９．１９’　　；蒸発源、又はスバノタリングターゲ
ｙ　）、Ａ、Ａ’　　；膜厚モニター投光部Ｂ、　Ｂ’
　　；膜厚モニター受光部 第２図 第３図 ↑ １ｚ入　　　　　　　元学屓厚（ｎｄ　）第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）蒸着被膜を基体上に形成する途中で、該被膜を形
   成されつつあるモニター基体の透過率又は反射率の時間
   的変化を、ある時点から現時点までの一定時間サンプリ
   ングし、このサンプリングデータにより２時回帰関数 Ｐ＝ａ＿０＋ａ＿１（ｔ−ｔｐ）＾２ （但し、Ｐはモニター基体の透過率又は反射率、ａ＿０
   、ａ＿１は常数、ｔは蒸着開始からの経過時間、ｔｐは
   ２次回帰関数が極値になる、蒸着開始を基準とした時刻
   ） を、ｔ＝ｔｐ又はｔ＝ｔｐの近傍近くになるまで順次求
   め、ｔ＝ｔｐになった時点を基準として、被膜蒸着目標
   時間を設定することを特徴とする被膜蒸着における膜厚
   制御方法。
2. （２）蒸着被膜を基体上に形成する途上で、該被膜を形
   成されつつあるモニター基体の透過率又は反射率の時間
   的変化を、ある時点から現時点までの一定時間サンプリ
   ングし、このサンプリングデータにより２次回帰関数 Ｐ＝ａ＿０＋ａ＿１（ｔ−ｔｐ）＾２ （但し、Ｐはモニター基体の透過率又は反射率、ａ＿０
   、ａ＿１は常数、ｔは蒸着開始からの経過時間、ｔｐは
   ２次回帰関数が極値になる、蒸着開始を基準とした時刻
   ） を、ｔ＝ｔｐになるまで順次求め、ｔ＝ｔｐになった時
   点の該被膜を形成されつつある基体の透過率又は反射率
   を基準として所定値だけずれた値を被膜蒸着目標として
   設定する被膜蒸着における膜厚制御方法。