WO2012046474A1 - 薄膜形成方法及び薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

　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を提供する。この発明は、ターゲット（２９ａ，２９ｂ）をスパッタして回転ドラム（１３）に保持され回転する基板（Ｓ）及びモニタ基板（Ｓ０）に、第１薄膜であるＡ膜を目標膜厚Ｔ１で形成した後、Ａ膜の形成に使用したターゲット（２９ａ，２９ｂ）をさらにスパッタし、Ａ膜と同一組成の別薄膜である第２薄膜であるＣ膜を目標膜厚Ｔ３で形成するための方法であって、膜厚監視工程Ｓ４，Ｓ５と、停止工程Ｓ７と、実時間取得工程Ｓ８と、実速度算出工程Ｓ９と、必要時間算出工程Ｓ２４とを有する。

Description

薄膜形成方法及び薄膜形成装置

　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（目標膜厚Ｔ、暫定成膜レートＳ、暫定成膜時間ｔ。Ｔ（ｎｍ）＝Ｓ（ｎｍ／秒）×ｔ（秒））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、これに形成された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光度計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差により得られたレート差を算出し（シュミレート）、このレート差を考慮した成膜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。

　本発明の一側面では、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。

　この発明は、以下の解決手段によって上記一側面を達成する。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，４９ａ，４９ｂ）をスパッタして基体保持手段（１３）に保持され回転する基体（Ｓ，Ｓ０）に、第１薄膜（Ａ膜，Ｂ膜，Ｃ膜）を目標膜厚（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）で形成した後、第１薄膜（Ａ膜，Ｂ膜，Ｃ膜）の形成に使用したターゲット（２９ａ，２９ｂ，４９ａ，４９ｂ）をさらにスパッタし、第１薄膜（Ａ膜，Ｂ膜，Ｃ膜）と同一組成の別薄膜である第２薄膜（Ｃ膜，Ｄ膜，Ｅ膜）を目標膜厚（Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５）で形成するための方法であって、膜厚監視工程と、停止工程と、実時間取得工程と、実速度算出工程と、必要時間算出工程とを有する。

　膜厚監視工程は、基体（Ｓ，Ｓ０）へ向けて膜原料を供給して第１薄膜（Ａ膜，Ｂ膜，Ｃ膜）を形成しながら（Ｓ４，Ｓ１４，Ｓ２４）、第１薄膜（Ａ膜，Ｂ膜，Ｃ膜）の膜厚（Ｔ０）を監視する（Ｓ５，Ｓ１５，Ｓ２５）。

　停止工程（Ｓ７，Ｓ１７，Ｓ２７）は、第１薄膜（Ａ膜，Ｂ膜，Ｃ膜）の膜厚（Ｔ０）が目標膜厚（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）に到達した時点で膜原料の供給を停止する。

　実時間取得工程（Ｓ８，Ｓ１８，Ｓ２８）は、膜原料の供給開始から停止までに要した実際の成膜時間である実成膜時間（ｔ１＋ｔ１’，ｔ２＋ｔ２’，ｔ３＋ｔ３’）の情報を取得する。

　実速度算出工程（Ｓ９，Ｓ１９，Ｓ２９）は、実成膜時間（ｔ１＋ｔ１’，ｔ２＋ｔ２’，ｔ３＋ｔ３’）に基づき第１薄膜（Ａ膜，Ｂ膜，Ｃ膜）を形成した実際の成膜速度である実成膜速度（Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｂ３）を算出する。

　必要時間算出工程（Ｓ２４，Ｓ３４，Ｓ４４）は、実成膜速度（Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｂ３）に基づき第２薄膜（Ｃ膜，Ｄ膜，Ｅ膜）を目標膜厚（Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５）で形成するのに必要な成膜時間である必要時間（ｔ３，ｔ４，ｔ５）を算出する。

　そして、第２薄膜（Ｃ膜，Ｄ膜，Ｅ膜）を目標膜厚（Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５）で形成するのに際し、実成膜速度（Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｂ３）で成膜を開始し必要時間（ｔ３，ｔ４，ｔ５）が経過するまで基体（Ｓ，Ｓ０）へ向けて膜原料を供給する。

　発明に係る薄膜形成装置（１）は、ターゲット（２９ａ，２９ｂ，４９ａ，４９ｂ）をスパッタして基体（Ｓ，Ｓ０）に第１薄膜（Ａ膜，Ｂ膜，Ｃ膜）を目標膜厚（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）で形成した後、第１薄膜（Ａ膜，Ｂ膜，Ｃ膜）の形成に使用したターゲットをさらにスパッタし、第１薄膜（Ａ膜，Ｂ膜，Ｃ膜）と同一組成の別薄膜である第２薄膜（Ｃ膜，Ｄ膜，Ｅ膜）を目標膜厚（Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５）で形成するための装置であって、基体保持手段と、スパッタ手段と、膜厚監視手段と、制御手段とを有する。

　基体保持手段（１３）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，Ｓ０）を保持する。

　スパッタ手段は、同一のターゲット（２９ａ，２９ｂ，４９ａ，４９ｂ）を用いて第１薄膜（Ａ膜，Ｂ膜，Ｃ膜）及び第２薄膜（Ｃ膜，Ｄ膜，Ｅ膜）をそれぞれ目標膜厚（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５）で形成する。

　膜厚監視手段（２００）は、第１薄膜（Ａ膜，Ｂ膜，Ｃ膜）の膜厚（Ｔ０）を監視する。

　制御手段（３００）は、スパッタ手段による第１薄膜（Ａ膜，Ｂ膜，Ｃ膜）の形成に際し膜原料の供給開始から停止までに要した実際の成膜時間である実成膜時間（ｔ１＋ｔ１’，ｔ２＋ｔ２’，ｔ３＋ｔ３’）の情報を取得し、実成膜時間（ｔ１＋ｔ１’，ｔ２＋ｔ２’，ｔ３＋ｔ３’）に基づき第１薄膜（Ａ膜，Ｂ膜，Ｃ膜）を目標膜厚（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）で形成した実際の成膜速度である実成膜速度（Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｂ３）を算出し、実成膜速度（Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｂ３）に基づき第２薄膜（Ｃ膜，Ｄ膜，Ｅ膜）を目標膜厚（Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５）で形成するのに必要な成膜時間である必要時間（ｔ３，ｔ４，ｔ５）を算出して、第２薄膜（Ｃ膜，Ｄ膜，Ｅ膜）の成膜条件を調整する。さらに制御手段（３００）は、第２薄膜（Ｃ膜，Ｄ膜，Ｅ膜）を目標膜厚（Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５）で形成するのに際し、実成膜速度（Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｂ３）で成膜を開始させ必要時間（ｔ３，ｔ４，ｔ５）が経過するまで基（Ｓ，Ｓ０）体へ向けて膜原料を供給させるように制御する。

　本発明の薄膜形成装置を用いた薄膜形成方法は、まず、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第１薄膜を目標膜厚で形成した後、必要に応じて第１薄膜と別組成の薄膜である第３薄膜を介在させ（つまり第１薄膜に第３薄膜を積層し）、その後、第１薄膜の形成に使用したターゲットをさらにスパッタして第１薄膜と同一組成の別薄膜である第２薄膜を目標膜厚で形成する方法に関する。すなわち、同一のターゲットを複数のバッチで用い、これをスパッタすることで基体保持手段に保持され回転する基体上に第１薄膜と第２薄膜（何れも同一組成の薄膜）を形成する方法に関するものである。

　本発明方法に用いるターゲットが、珪素（Ｓｉ）やニオブ（Ｎｂ）などの金属ターゲットである場合、成膜時間が経過する（詳しくは処理すべきバッチ数が増える）と、ターゲット表面が徐々に掘れ込まれていく傾向にある。このターゲットの掘れ込みによって、ターゲット表面と成膜対象である基体との間の距離（以下「Ｔ－Ｓ」と略記する。）が増加する（図９参照）。望まないスパッタ電力の低下やスパッタガスの供給流量の低下の場合もそうであるが、Ｔ－Ｓの増加によっても目標膜厚（例えばＴ１）に対して所定時間（例えば時間ｔ１）成膜することを予定している成膜レート（例えば暫定レートＳａ１）の低下を招く。この成膜レートの低下は、ターゲットの掘れ込みが大きくなればなるほど、つまりＴ－Ｓが増加すればするほどに進行し、結局は予定時間（ｔ１）の経過を待って成膜電源をストップさせ、その薄膜の分光特性を測定した場合、その薄膜が目標膜厚（Ｔ１）に到達していないことに起因して、目標とする分光特性が得られない。

　そこで本発明では、同一のターゲットを複数のバッチで用いる場合において、最初に形成した薄膜（第１薄膜）の実際の成膜レート（実レート）を算出し、このレートを見込みレートとして所定時間、第１薄膜と同一組成の別薄膜（第２薄膜）を成膜することにより、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。

　本発明方法は、例えば別々の材質で構成される２つの単層薄膜（例えばＳｉＯ_２膜とＮｂ_２Ｏ_５膜）を交互に複数（例えば数十層）、積層した光学多層膜を形成する場合、できる限り初期段階の薄膜形成時（例えば各単層薄膜毎に、第１層目から第３層目あたりまでの薄膜形成時）の実レートを算出し、これを後続の薄膜形成の成膜レートに反映させることが好ましい。初期段階の薄膜形成時にその実レートを算出し、これを後続の薄膜形成に反映させることで、より一層、成膜効率の向上に寄与することが期待される。

　ただし、本発明では、薄膜形成の開始から暫くが経過してから、例えば各単層薄膜毎に第３層目あたり以降からの薄膜形成時の実レートを算出し、これを後続の薄膜形成の成膜レートに反映させる場合を排除するものではない。

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３は図１の薄膜形成装置に用いられる膜厚監視装置の構成例を示す機能ブロック図である。 図４は本実施形態の薄膜形成処理（１層目）の流れを示すフローチャートである。 図５は図４のＳ６の判定を行う際の光量変化曲線の参考例を示す図である。 図６は本実施形態の薄膜形成処理（２層目）の流れを示すフローチャートである。 図７は本実施形態の薄膜形成処理（３層目）の流れを示すフローチャートである。 図８は本実施形態の薄膜形成処理（４層目と５層目）の流れを示すフローチャートである。 図９はターゲットの掘れ込みによるターゲットと成膜対象との間での距離関係を説明する参考図である。

　１…スパッタ装置（薄膜形成装置）、１１…真空容器、１２，１４，１６…仕切壁、１３…回転ドラム（回転手段、基体保持手段）、１３２…タイミング検出用反射板、１７…モータ、Ｓ…基板、Ｓ０…モニタ基板、
　２０，４０…成膜プロセス領域、
　スパッタ源（２１ａ，２１ｂ，４１ａ，４１ｂ…マグネトロンスパッタ電極、２３，４３…交流電源、２４，４４…トランス、２９ａ，２９ｂ，４９ａ，４９ｂ…ターゲット）、
　スパッタ用ガス供給手段（２６，４６…反応性ガスボンベ、２８，４８…不活性ガスボンベ、２５，２７，４５，４７…マスフローコントローラ）、
　６０…反応プロセス領域、
　８０…プラズマ源（８１…ケース体、８３…誘電体板、８５ａ，８５ｂ…アンテナ、８７…マッチングボックス、８９…高周波電源）、反応処理用ガス供給手段（６６…反応性ガスボンベ、６８…不活性ガスボンベ、６５，６７…マスフローコントローラ）、
　２００…膜厚監視装置（膜厚監視手段）、２０２…複合光ファイバ集束体、２０４…投光側光ファイバ集束体、２０６…受光側光ファイバ集束体、２０８…光源、２１０…光電変換素子、２１２…コントローラ、２１４…集光レンズ、２２０…タイミングセンサー、
　３００…制御装置（制御手段）

　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、これに限定されず、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、基板上に目標膜厚の単層薄膜を複数積層させて多層膜を形成するために用いられる。本実施形態では、回転ドラムが一回転すると、１回のスパッタ処理とプラズマ処理がなされ、これにより基板上に平均０．０１ｎｍ～１．５ｎｍ程度の膜厚を持つ超薄膜が形成される（薄膜形成処理）。この薄膜形成処理を回転ドラムの回転毎に繰り返すことで、超薄膜の上に次の超薄膜を堆積させていき、基板上に数ｎｍ～数百ｎｍ程度の目標膜厚を持つ単層薄膜が形成される。この単層薄膜を複数積層させて多層膜を形成する。

　《薄膜形成装置》
　図１及び図２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、略直方体状の中空体である真空容器１１を有する。真空容器１１には排気用の配管１５ａが接続され、この配管には容器１１内排気のための真空ポンプ１５が接続されている。真空ポンプ１５は、例えば、ロータリポンプやターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）などで構成される。真空容器１１内には回転ドラム１３が配設されている。回転ドラム１３（基体保持手段の一例）は、その外周面に成膜対象としての基板Ｓを真空容器１１内で保持可能な筒状部材で構成されている。本実施形態の回転ドラム１３は、筒方向に延びる回転軸線Ｚが真空容器１１の鉛直方向（Ｙ方向）へ向くように真空容器１１内に配設される。回転ドラム１３は、モータ１７を駆動させることにより軸線Ｚを中心に回転する。なお、回転ドラム１３の上方側端部にはタイミング検出用反射板１３２が取り付けてあり、タイミングセンサー２２０によってその通過を検出させる。

　本実施形態では、真空容器１１内の、回転ドラム１３の周りには、２つのスパッタ源と、１つのプラズマ源８０とが配設されている。ただし、スパッタ源は１つであってもよい。

　本実施形態の各スパッタ源は、２つのマグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂ（又は４１ａ，４１ｂ）を備えたデュアルカソードタイプで構成されている。成膜に際し、各電極２１ａ，２１ｂ（又は４１ａ，４１ｂ）の一端側表面には、それぞれ、金属などの膜原料物質で構成されるターゲット２９ａ，２９ｂ（又は４９ａ，４９ｂ）が着脱自在に保持される。各電極２１ａ，２１ｂ（又は４１ａ，４１ｂ）の他端側には、電力量を調整する電力制御手段としてのトランス２４（又は４４）を介して、電力供給手段としての交流電源２３（又は４３）が接続されており、各電極２１ａ，２１ｂ（又は４１ａ，４１ｂ）に例えば１ｋ～１００ｋＨｚ程度の交流電圧が印加されるように構成されている。

　各スパッタ源には、スパッタ用ガス供給手段が接続されている。本実施形態のスパッタ用ガス供給手段は、スパッタ用ガスの一例としての反応性ガスを貯蔵する反応性ガスボンベ２６（又は４６）と、反応性ガスボンベ２６（又は４６）より供給される反応性ガスの流量を調整するマスフローコントローラ２５（又は４５）と、スパッタ用ガスの一例としての不活性ガスを貯蔵する不活性ガスボンベ２８（又は４８）と、不活性ガスボンベ２８（又は４８）より供給される不活性ガスの流量を調整するマスフローコントローラ２７（又は４７）とを含む。

　スパッタ用ガスは、配管を通じてそれぞれ成膜プロセス領域２０（又は４０）に導入される。マスフローコントローラ２５，２７（又は４５，４７）はスパッタ用ガスの流量を調節する装置である。ボンベ２６，２８（又は４６，４８）からのスパッタ用ガスは、マスフローコントローラ２５，２７（又は４５，４７）により流量を調節されて成膜プロセス領域２０（又は４０）に導入される。

　本実施形態のプラズマ源８０は、真空容器１１の壁面に形成された開口を塞ぐように固定されたケース体８１と、このケース体８１に固定された誘電体板８３とを有する。そして、誘電体板８３がケース体８１に固定されることで、ケース体８１と誘電体板８３により囲まれる領域にアンテナ収容室が形成されるように構成されている。アンテナ収容室は配管１５ａを介して真空ポンプ１５に連通しており、真空ポンプ１５で真空引きすることでアンテナ収容室内部を排気して真空状態にすることができる。

　プラズマ源８０は、また、ケース体８１及び誘電体板８３の他に、アンテナ８５ａ，８５ｂを含む。アンテナ８５ａ，８５ｂは、マッチング回路を収容するマッチングボックス８７を介して高周波電源８９に接続されている。アンテナ８５ａ，８５ｂは、高周波電源８９から電力の供給を受けて真空容器１１の内部（反応プロセス領域６０）に誘導電界を発生させ、反応プロセス領域６０にプラズマを発生させる。本実施形態では、高周波電源８９からアンテナ８５ａ，８５ｂに周波数１～２７ＭＨｚの交流電圧を印加して、反応プロセス領域６０に反応性ガスのプラズマを発生させるように構成されている。マッチングボックス８７内には、可変コンデンサが設けられており、高周波電源８９からアンテナ８５ａ，８５ｂに供給される電力を変更できるようになっている。

　プラズマ源８０には、反応処理用ガス供給手段が接続されている。本実施形態の反応処理用ガス供給手段は、反応処理用ガスの一例としての反応性ガスを貯蔵する反応性ガスボンベ６６と、反応性ガスボンベ６６より供給される反応性ガスの流量を調整するマスフローコントローラ６５と、反応処理用ガスの一例としての不活性ガスを貯蔵する不活性ガスボンベ６８と、不活性ガスボンベ６８より供給される不活性ガスの流量を調整するマスフローコントローラ６７とを含む。

　反応処理用ガスは、配管を通じて反応プロセス領域６０に導入される。マスフローコントローラ６５，６７は反応処理用ガスの流量を調節する装置である。ボンベ６６，６８からの反応処理用ガスは、マスフローコントローラ６５，６７により流量を調節されて反応プロセス領域６０に導入される。

　なお、反応性ガスボンベ６６と不活性ガスボンベ６８は、成膜プロセス領域２０，４０の反応性ガスボンベ２６，４６及び不活性ガスボンベ２８，４８と同様の装置としたり、または兼用してもよい。また、マスフローコントローラ６５とマスフローコントローラ６７についても、成膜プロセス領域２０，４０のマスフローコントローラ２５，２７（又は４５，４７）と同様の装置としたり、または兼用してもよい。

　本実施形態の各スパッタ源の前面には、それぞれ成膜プロセス領域２０，４０が形成されている。各領域２０，４０は、真空容器１１の内壁面から回転ドラム１３に向けて突出する仕切壁１２，１４により四方が取り囲まれており、それぞれが真空容器１１の内部で独立した空間を確保できるように区画されている。同じく、プラズマ源８０の前面には、反応プロセス領域６０が形成されている。該領域６０も領域２０，４０と同様に、真空容器１１の内壁面から回転ドラム１３に向けて突出する仕切壁１６により四方が取り囲まれており、これにより領域６０についても真空容器１１の内部で領域２０，４０とは独立した空間が確保される。

　従って、モータ１７の駆動により回転ドラム１３が軸線Ｚを中心に回転すると、回転ドラム１３の外周面に保持される基板Ｓは、回転ドラム１３の自転軸である軸線Ｚを中心に公転し、成膜プロセス領域２０，４０に面する位置と反応プロセス領域６０に面する位置との間を繰り返し移動する。そして、何れかの領域２０，４０で行われるスパッタ処理と、領域６０で行われるプラズマ処理とが順次繰り返され、基板Ｓの表面に所定膜厚の最終的な薄膜が形成される。

　スパッタ処理は、例えば次のようにして行われる。マスフローコントローラ２５，２７（又は４５，４７）を介して、反応性ガスを貯蔵する反応性ガスボンベ２６（又は４６）や、不活性ガスを貯蔵する不活性ガスボンベ２８（又は４８）から所定流量のスパッタ用ガスが成膜プロセス領域２０（又は４０）に導入されると、ターゲット２９ａ，２９ｂ（又は４９ａ，４９ｂ）の周辺が所定ガス雰囲気になる。この状態で、交流電源２３（又は４３）からトランス２２（又は４２）を介して、各電極２１ａ，２１ｂ（又は４１ａ，４１ｂ）に交流電圧を印加し、ターゲット２９ａ，２９ｂ（又は４９ａ，４９ｂ）に交番電界が掛かるようにする。これにより、ある時点においてはターゲット２９ａ（又は４９ａ）がカソード（マイナス極）となり、その時ターゲット２９ｂ（又は４９ｂ）は必ずアノード（プラス極）となる。次の時点において交流の向きが変化すると、今度はターゲット２９ｂ（又は４９ｂ）がカソード（マイナス極）となり、ターゲット２９ａ（又は４９ａ）がアノード（プラス極）となる。このように一対のターゲット２９ａ，２９ｂ（又は４９ａ，４９ｂ）が交互にアノードとカソードとなることにより、各ターゲット２９ａ，２９ｂ（又は４９ａ，４９ｂ）周辺のスパッタ用ガスの一部は電子を放出してイオン化する。各電極２１ａ，２１ｂ（又は４１ａ，４１ｂ）に配置された磁石により各ターゲット２９ａ，２９ｂ（又は４９ａ，４９ｂ）の表面に漏洩磁界が形成されるため、この電子は各ターゲット２９ａ，２９ｂ（又は４９ａ，４９ｂ）の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、このプラズマ中のスパッタ用ガスのイオンが負電位状態（カソード側）のターゲットに向けて加速され、各ターゲット２９ａ，２９ｂ（又は４９ａ，４９ｂ）に衝突することで各ターゲット２９ａ，２９ｂ（又は４９ａ，４９ｂ）表面の原子や粒子（ターゲット２９ａ，２９ｂがＳｉの場合はＳｉ原子やＳｉ粒子、ターゲット４９ａ，４９ｂがＮｂの場合はＮｂ原子やＮｂ粒子）が叩き出される（スパッタ）。この原子や粒子は薄膜の原料である膜原料物質であり、基板Ｓの表面に付着して中間薄膜を形成する。

　なお、スパッタを行っている最中に、アノード上には非導電性あるいは導電性の低い不完全酸化物などが付着することもあるが、このアノードが交番電界によりカソードに変換されると、これら不完全酸化物などがスパッタされ、ターゲット表面は元の清浄な状態となる。そして、一対のターゲット２９ａ、２９ｂが、交互にアノードとカソードとなることを繰り返すことにより、常に安定なアノード電位状態が得られ、プラズマ電位（通常アノード電位とほぼ等しい）の変化が防止され、基板Ｓの表面に安定して中間薄膜が形成される。

　本実施形態において、基板Ｓは、回転ドラム１３の外周面に、回転ドラム１３の回転方向（横方向）に沿って断続的に複数配列され、かつ回転ドラム１３の軸線Ｚと平行な方向（Ｙ方向、縦方向）に沿って断続的に複数配列される。本実施形態では、これら複数の基板Ｓの一部にモニタ対象としてのモニタ基板Ｓ０を含めてある。

　成膜対象としての基板Ｓは、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）からなるガラス材料（例えば石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラスなど）の他に、プラスチック材料やセラミックス材料、金属などで構成することもできる。

　モニタ対象としてのモニタ基板Ｓ０は、形成される薄膜との屈折率の違い、薄膜による吸収の発生などによって、モニタ基板Ｓ０の光学的特性が変化し、この変化と成膜対象である基板Ｓとの間で相関が取れる材質で構成することができる。

　ターゲット２９ａ，２９ｂ（又は４９ａ，４９ｂ）は、膜原料物質を平板状に形成したものであり、本実施形態では、回転ドラム１３の外周面と対向する方向の形状、すなわち平面視した場合の形状が方形状に形成されている。ただしこの形状に限定されず、真円状、楕円状、多角形状など他の形状で形成することもできる。

　各ターゲット２９ａ，２９ｂ（又は４９ａ，４９ｂ）は、その平面方向の面が、回転ドラム１３の軸線Ｚに対して垂直方向を向くように、各電極２１ａ，２１ｂ（又は４１ａ，４１ｂ）の上記一端側表面にそれぞれ着脱可能に保持される。

　各ターゲット２９ａ，２９ｂ（又は４９ａ，４９ｂ）の材質としては、例えば、Ｓｉ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｅ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｎｉ－Ｃｒ、Ｉｎ－Ｓｎなどの各種金属を用いることができる。また、単一種類の金属に限られるものではなく、複数種類の金属をターゲットとして使用してもよい。また、これらの金属の化合物、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２等を用いることもできる。

　プラズマ処理は、例えば次のようにして行われる。マスフローコントローラ６５，６７を介して、反応性ガスを貯蔵する反応性ガスボンベ６６や、不活性ガスを貯蔵する不活性ガスボンベ６８から所定流量の反応処理用ガスが反応プロセス領域６０に導入されると、アンテナ８５ａ，８５ｂの周辺が所定ガス雰囲気になる。この状態で、アンテナ８５ａ，８５ｂに高周波電源８９から周波数１～２７ＭＨｚの電圧が印加されると、反応プロセス領域６０内のアンテナ８５ａ，８５ｂに面した領域にプラズマが発生する。これにより、成膜プロセス領域２０，４０で基板Ｓの表面に形成された中間薄膜はプラズマ処理され、膜原料物質の完全反応物や不完全反応物に膜変換して超薄膜を形成する。

　本実施形態では、不活性ガスとしては、例えばアルゴン，ヘリウムなどが考えられる。反応性ガスとしては、例えば酸素ガス，窒素ガス，弗素ガス，オゾンガスなどが考えられる。

　本実施形態では、上述したスパッタ処理で基板Ｓの表面に中間薄膜が形成され、その後の上述したプラズマ処理でこの中間薄膜が膜変換して平均０．０１ｎｍ～１.５ｎｍ程度の膜厚を持つ超薄膜とされる。そして、スパッタ処理とプラズマ処理とが繰り返し行われることで、超薄膜の上に次の超薄膜が堆積していき、数ｎｍ～数百ｎｍ程度の目標膜厚を持つ最終的な薄膜（単層薄膜）となるまでこの操作が繰り返される。

　なお、「中間薄膜」とは、本実施形態ではターゲット２９ａ，２９ｂ（又は４９ａ，４９ｂ）を構成する金属あるいはその不完全酸化物からなり、領域２０（又は４０）で形成される薄膜のことである。「超薄膜」とは、超薄膜が複数回堆積されて最終的な薄膜（目標膜厚の薄膜）となることから、この最終的な「薄膜」との混同を防止するために用いる用語であり、最終的な「薄膜」より十分薄いという意味で用いる。

　《膜厚監視装置》
　図３に示すように、本実施形態のスパッタ装置１は、光反射式の膜厚監視装置２００を有する。膜厚監視装置２００は本発明の「膜厚監視手段」に相当する。なお、光反射式に限らず、光透過式の膜厚監視装置を用いることもできる。

　本実施形態の膜厚監視装置２００は、回転ドラム１３に保持され回転するモニタ基板Ｓ０に光（波長λ）を照射し、このモニタ基板Ｓ０からの反射光の光強度を検知することによりモニタ基板Ｓ０に形成されつつある薄膜の光学的膜厚ｎｄ（ｎは膜原料の屈折率、ｄは幾何学的膜厚）を検出し、これを監視する。

　スパッタ装置１による成膜が進むに連れて、モニタ基板Ｓ０上に形成される薄膜の光学的膜厚が増加する。これに伴い、モニタ基板Ｓ０からの反射光の光強度は増加もしくは減少し、測定波長λの１／４の光学的膜厚の薄膜が形成されると、モニタ基板Ｓ０からの反射光の光強度は極値（極大値，極小値）を示す。

　本実施形態の膜厚監視装置２００は、複合光ファイバ集束体２０２を有する。この複合光ファイバ集束体２０２は、真空容器１１の外部に設置される一端側２０２ａで、投光側光ファイバ集束体２０４と受光側光ファイバ集束体２０６が一体化されており、他端側２０２ｂでは投光側光ファイバ集束体２０４と受光側光ファイバ集束体２０６の他端側が分岐している。投光側光ファイバ集束体２０４及び受光側光ファイバ集束体２０６は、それぞれ複数の光ファイバ（図示省略）を集め束ねて一体化されている。

　投光側光ファイバ集束体２０４の他端側には光を発する光源２０８などが備えられており、受光側光ファイバ２０６の他端側には、所定の波長のみを透過するような分散光学系（例えば分光器や光学干渉フィルタなど。図示省略）を介して、光電変換素子２１０やコントローラ２１２などが備えられている。真空容器１１の内部であって、複合光ファイバ集束体２０２の一端側２０２ａとモニタ基板Ｓ０との間に、集光レンズ２１４が配設されていてもよい。これにより、一端側２０２ａから出射した測定光は集光レンズ２１４で収束された後、モニタ基板Ｓ０に向けて照射される。

　なお、図３中のタイミングセンサー２２０は、例えば光電センサーなどで構成され、回転ドラム１３が軸線Ｚ周りに１回転し、真空容器１１の上方側端部に封止された真空ガラス窓１１２を通じて、回転ドラム１３の上方側端部に取り付けられたタイミング検出用反射板１３２の通過を検出する毎に（換言すると、回転ドラム１３の回転中にモニタ基板Ｓ０が前記測定位置に移動してくる毎に）、制御装置３００に対して膜厚検知監視信号を出力する。

　なお、モニタ基板Ｓ０は、膜厚監視用のモニタ対象であり、他の基板Ｓと同様に成膜プロセス領域２０，４０でその表面側（すなわち測定光が照射される面）に薄膜が形成され、反応プロセス領域６０にて膜組成の変換が行われる。このモニタ基板Ｓ０に形成される薄膜の膜厚と、成膜対象である基板Ｓに形成される薄膜の膜厚は一定の相関を示すので、前者から後者を検出することが可能である。

　光源２０８から発せられた光束は、例えばチョッパ（図示省略）により変調されて投光側光ファイバ集束体２０４に導かれ、投光側光ファイバ集束体２０４を構成する個々の光ファイバ内を進み、複合光ファイバ集束体２０２の一端側２０２ａから出射する。一端側２０２ａから出射した測定光は、一端側２０２ａの延長線上の真空容器１１の側壁部分に封止された真空ガラス窓１１１及び集光レンズ２１４を介して、真空容器１１内部の、膜原料物質の堆積により薄膜が形成されつつあるモニタ基板Ｓ０に投光（照射）される。

　モニタ基板Ｓ０に照射された測定光は、モニタ基板Ｓ０の表面側（すなわち、薄膜形成側）から入射し、その一部は薄膜及びモニタ基板Ｓ０を透過するが、その残部は薄膜面（多層膜の場合、各膜の界面を含む。以下同じ）とモニタ基板Ｓ０面とで反射する。薄膜面からの反射光とモニタ基板Ｓ０面からの反射光とは両者の位相差によって干渉をおこす。

　モニタ基板Ｓ０に堆積された薄膜の膜厚情報を反射光量信号としてもつモニタ基板Ｓ０面からの反射光は、複合光ファイバ集束体２０２の一端側２０２ａの先端面に入射する。複合光ファイバ集束体２０２の一端側２０２ａでは投光側光ファイバ集束体２０４と受光側光ファイバ集束体２０６の両一端が露出しているので、反射光量の一部（例えば半分）が受光側光ファイバ集束体２０６に入射し、その入射した反射光量は、上で説明した分散光学系（図示省略）を経て、光電変換素子２１０に入射する。光電変換素子２１０に入射した反射光量は電気信号に変換され、コントローラ２１２によってレコーダ（図示省略）に反射光量の変化の推移が表示される。

　本実施形態のコントローラ２１２は、スパッタ装置１の制御装置３００に電気的に接続されており、インターフェース部（図示省略）を通じて当該制御装置３００へ所定の膜厚監視データ（反射光量の変化）を送出する。

　《制御装置》
　図３に示すように、本実施形態のスパッタ装置１は制御装置３００を有する。制御装置３００は本発明の「制御手段」に相当する。

　本実施形態の制御装置３００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が、これに加え膜厚監視装置２００のコントローラ２１２から入力される膜厚監視データに基づいて所定の処理を実行する。その詳細は後述する。

　制御装置３００は、例えば、ＣＰＵ、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ）、ハードディスク、入力端子及び出力端子などを備える。

　制御装置３００のメモリやハードディスクなどには、予め成膜に必要な成膜条件データが格納されている。

　成膜条件データには、例えば、膜原料毎の薄膜の目標とする幾何学的膜厚である目標膜厚（例えばＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５）、各目標膜厚に対する暫定成膜速度（暫定レート。例えば厚みＴ１に対してＳａ１、厚みＴ２に対してＳａ２）と暫定成膜時間（暫定時間。例えば目標膜厚Ｔ１を暫定レートＳａ１で除した時間ｔ１、目標膜厚Ｔ２を暫定レートＳａ２で除した時間ｔ２）、コントローラ２１２から入力される膜厚監視データ（すなわち現在の光学的膜厚ｎｄ）とその光学的膜厚ｎｄを形成するに至った成膜時間（通常は上記暫定時間に等しい。）から、現在の薄膜を形成した実際の成膜速度（実レート。例えば厚みＴ１の薄膜を形成した実レートＳｂ１、厚みＴ２の薄膜を形成した実レートＳｂ２など）を演算する実レート演算プログラム、その実レートで次の薄膜（第２薄膜。本実施形態ではＡ膜（第１薄膜）に対するＣ膜、Ｂ膜（第１薄膜）に対するＤ膜、Ｃ膜（第１薄膜）に対するＥ膜）を目標膜厚（Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５）で形成するのに必要な成膜時間（必要時間。ｔ３，ｔ４，ｔ５）を算出する必要時間演算プログラムなどが含まれる。

　《薄膜形成方法》
　次に、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フローチャート（図４、図６～図８）を参照しながら説明する。本実施形態では、回転ドラム１３に保持させた複数の基板Ｓ上に、酸化珪素（ＳｉＯ_２）と酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）の薄膜を交互に３層と２層積層させた光学多層膜、つまりＳｉＯ_２－Ｎｂ_２Ｏ_５－ＳｉＯ_２－Ｎｂ_２Ｏ_５－ＳｉＯ_２の５層構造の多層膜を成膜する例を挙げて説明する。

　なお、１，３，５層目に形成する各ＳｉＯ_２膜をそれぞれＡ膜，Ｃ膜，Ｅ膜と、２，４層目に形成する各Ｎｂ_２Ｏ_５膜をそれぞれＢ膜，Ｄ膜と称するものとする。そして、ＳｉＯ_２薄膜の１層目であるＡ膜とＮｂ_２Ｏ_５薄膜の１層目であるＢ膜をそれぞれ「第１薄膜」とし、ＳｉＯ_２薄膜の２層目であるＣ膜とＮｂ_２Ｏ_５薄膜の２層目であるＤ膜を「第２薄膜」とし、さらにＳｉＯ_２薄膜の２層目であるＣ膜を「第１薄膜」とし、ＳｉＯ_２薄膜の３層目であるＥ膜を「第２薄膜」とした場合を例示する。ただし、ＳｉＯ_２薄膜については、Ａ膜を第１薄膜とせず、Ｃ膜のみを第１薄膜とすることもできる。

　各薄膜の形成は、成膜の準備を行う工程、成膜する工程、成膜を終了する工程の順に行われる。成膜する工程では、ターゲット２９ａ，２９ｂとして珪素（Ｓｉ）を、ターゲット４９ａ，４９ｂとしてニオブ（Ｎｂ）を、成膜プロセス領域２０，４０に導入されるスパッタ用ガスとしてアルゴンガスを、反応プロセス領域６０に導入される反応性ガスとして酸素ガスを使用する場合を例示する。

　《Ｓ１》
　まず、目標値を設定する（成膜の準備）。具体的には、図４に示すように、ステップ（以下「Ｓ」と略記する。）１にて、Ａ～Ｅ膜毎の目標とする幾何学的膜厚（以下単に「目標膜厚」と略記する。）Ｔ１～Ｔ５を設定するとともに、珪素原料での１層目（トータルでも１層目）に成膜されるＡ膜を膜厚Ｔ１で成膜可能な暫定レートＳａ１と暫定時間ｔ１を設定する。同様にニオブ原料での１層目（トータルでは２層目）に成膜されるＢ膜を膜厚Ｔ２で成膜可能な暫定レートＳａ２と暫定時間ｔ２を設定する。これらの各条件は、オペレータにより、例えばキーボード（図示省略）を通じて制御装置３００（図３参照）へ入力されセットされる。

　《Ｓ２》
　次に、装置の準備を行う（成膜の準備）を行う。具体的には、図１～図４に示すように、Ｓ２にて、まずターゲット２９ａ，２９ｂ（又は４９ａ，４９ｂ）をマグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂ（又は４１ａ，４１ｂ）に保持させる。本実施形態では、ターゲット２９ａ，２９ｂの材料として珪素（Ｓｉ）を用い、ターゲット４９ａ，４９ｂの材料としてニオブ（Ｎｂ）を用いる。真空容器１１を密閉した状態で真空ポンプ１５を作動させて排気を行い、真空容器１１内部を１０^－２Ｐａ～１０Ｐａ程度の真空状態にする。このとき、バルブ（図示省略）が開放され、プラズマ源８０のアンテナ収容室内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（図示省略）の位置でロックした状態で、複数の基板Ｓ（単一のモニタ対象としてのモニタ基板Ｓ０を含む。以下同じ）を回転ドラム１３に取り付ける。続いて、ロードロック室の扉（図示省略）を閉じ、真空ポンプ１５を作動させてロードロック室内を排気した後、ロードロック室と真空容器１１との間の扉（図示省略）を開き回転ドラム１３を真空容器１１へ移動させる。回転ドラム１３を真空容器１１へ移動させた後に、ロードロック室との間の扉を閉じ、真空容器１１の内部，アンテナ収容室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，アンテナ収容室の内部の圧力が安定した後に、成膜プロセス領域２０の圧力を、０．１Ｐａ～１．３Ｐａに調整する。

　《Ｓ３》
　次に、Ｓ３にて、真空容器１１内で回転ドラム１３の回転を開始する。回転ドラム１３の回転は、オペレータがスパッタ装置１の操作パネル（図示省略）に設けられたドラム回転スイッチ（図示省略）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。回転ドラム１３の回転速度が一定になると、Ｓ４へ進む。

　本実施形態のスパッタ装置１では、成膜プロセス領域２０（又は４０）において基板Ｓに薄膜を形成し、続く反応プロセス領域６０においてこの薄膜の酸化処理を行うことで基板Ｓの表面に中間薄膜を形成する。このため、回転ドラム１３の回転が遅いと、成膜プロセス領域２０（又は４０）において形成される薄膜が厚くなり、反応プロセス領域６０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、反応プロセス領域６０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。成膜プロセス領域２０（又は４０）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、酸化珪素（又は酸化ニオブ）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、反応プロセス領域６０での酸化反応による体積膨張の影響が大きい。一方、成膜プロセス領域２０（又は４０）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》１層目
　次にＳ４にて、第１層目（Ａ膜、第１薄膜）の成膜を開始する。この処理は、本実施形態では成膜プロセス領域２０及び反応プロセス領域６０で行われる。成膜プロセス領域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の表面に珪素や珪素の不完全反応物からなる薄膜（Ａ膜）が形成される。続く反応プロセス領域６０では、成膜プロセス領域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、珪素の完全反応物を主とした中間薄膜が形成される。

　制御装置３００からの成膜プロセス領域２０でのスパッタ開始指示が与えられて、成膜処理が開始される。制御装置３００は、交流電源２３及び高周波電源８９に対して、それぞれトランス２４及びマッチングボックス８７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、第１層目のスパッタが開始される。

　本実施形態では、Ａ膜を目標膜厚Ｔ１で成膜するので、Ｓ１で設定したＳａ１の暫定レートで、暫定時間ｔ１の間、成膜するものとする。従って、制御装置３００は、成膜レートがＳａ１となるように、マグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂに供給される電力量や、ターゲット２９ａ，２９ｂに供給されるスパッタガスの量などが適切なものとなるよう制御する。

　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（補正板）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、成膜プロセス領域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（暫定レートＳａ１にて）。

　続いて基板Ｓは、回転ドラム１３の回転にともなって、成膜プロセス領域２０に面する位置から反応プロセス領域６０に面する位置に搬送される。反応プロセス領域６０には、反応性ガスボンベ６６から反応性ガスとして酸素ガスを導入されている。

　反応プロセス領域６０では、アンテナ８５ａ，８５ｂに１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加されて、プラズマ源８０によって反応プロセス領域６０にプラズマが発生している。反応プロセス領域６０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領域６０にプラズマを発生させている際中は、アンテナ収容室の内部の圧力は１０^－２Ｐａ以下に保持される。

　そして、回転ドラム１３が回転して、珪素或いは不完全酸化珪素（ＳｉＯ_ｘ１（ｘ１＜２））からなる中間薄膜が形成された基板Ｓが反応プロセス領域６０に面する位置に搬送されてくると、反応プロセス領域６０では、中間薄膜を構成する珪素或いは不完全酸化珪素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、プラズマ源８０によって反応プロセス領域６０に発生させた酸素ガスのプラズマで珪素或いは不完全酸化珪素を酸化反応させて、所望の組成の不完全酸化珪素（ＳｉＯ_ｘ２（ｘ１＜ｘ２＜２））或いは酸化珪素（ＳｉＯ_２）に変換させる。

　本実施形態では、成膜プロセス領域２０で形成された薄膜のうち珪素或いは珪素不完全酸化物を反応プロセス領域６０で酸化反応させ、不完全酸化珪素或いは酸化珪素に変換させることで、珪素の完全酸化物のみからなる中間薄膜や、所望の割合で珪素や珪素の不完全酸化物を有する中間薄膜を形成する。

　この反応プロセス領域６０における膜組成変換工程では、反応プロセス領域６０で膜組成変換されて得られる中間薄膜の膜厚のほうが、成膜プロセス領域２０で形成される薄膜の膜厚よりも厚くなる。すなわち、成膜プロセス領域２０で形成される薄膜を構成する膜原料物質のうち、珪素や珪素の不完全酸化物を珪素の不完全酸化物や珪素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、成膜プロセス領域２０でのスパッタ処理と反応プロセス領域６０での酸化処理が繰り返される。これを予定の暫定時間ｔ１の間、繰り返すことで、基板Ｓの表面に複数回中間薄膜が積層され、理論上は目標膜厚Ｔ１を有する薄膜（第１層目のＡ膜に相当する）が形成される。

　《Ｓ５》
　上記Ｓ４の成膜開始に伴い、Ｓ５にて膜厚監視装置２００の作動を開始する。

　本実施形態では、回転ドラム１３の回転によってタイミングセンサー２２０が回転ドラム１３の上方側端部に取り付けられたタイミング検出用反射板１３２の通過を検出すると、その位置検出信号が制御装置３００に入力される。制御装置３００は、タイミングセンサー２２０から位置検出信号が入力された後、所定時間の経過を待って膜厚監視装置２００を作動させる。具体的には、光源２０８から発せられている測定光を投光側光ファイバ集束体２０４内で伝送させ、複合光ファイバ集束体２０２の一端側２０２ａから真空容器１１の内部に照射させる。このタイミングで光源２０８から常時発せられている測定光を真空容器１１内に照射させると、その測定光はモニタ基板Ｓ０に照射される。

　モニタ基板Ｓ０に照射された測定光は、モニタ基板Ｓ０の表面側（すなわち、薄膜形成側）から入射し、その一部は薄膜及びモニタ基板Ｓ０を透過するが、その残部は薄膜面とモニタ基板Ｓ０面とで反射する。薄膜面からの反射光とモニタ基板Ｓ０面からの反射光とは両者の位相差によって干渉をおこす。

　モニタ基板Ｓ０面で反射された反射光は、複合光ファイバ集束体２０２の一端側２０２ａへ指向される。複合光ファイバ集束体２０２の一端側２０２ａへ入射した反射光は、受光側光ファイバ集束体２０６を伝送し、上で説明した分散光学系（図示省略）を経て光電変換素子２１０に導入される。

　光電変換素子２１０では、入射した反射光のうち上で説明した分散光学系を透過した光の強度に応じた電流を発生させ、次いでその電流をアナログ回路で増幅された電圧信号として出力する。光電変換素子２１０からの出力を受けたコントローラ２１２では、光電変換素子２１０に入力された電圧信号（反射光の強度信号）に基づいて、モニタ基板Ｓ０からの反射光量を次々に取得し、制御装置３００へ出力して、Ｓ６へ進む。

　《Ｓ６》
　次にＳ６にて、制御装置３００では、次々に取得する反射光量の情報である検出値を順次プロットして、所定の波長における光量変化曲線（横軸に時間、縦軸に反射光量のグラフ）を得るとともに、この曲線の変動状況を監視し、現在の、実際膜厚Ｔ０に対応する光学的膜厚ｎｄ０が、目標膜厚Ｔ１に対応する光学的膜厚ｎｄ１に到達したと判定したときはＳ７へ進む。未だ到達していないと判定したときには引き続き監視を継続する。

　例えば図５に示すように、成膜開始後、１つ目の極値（ピーク）を過ぎたあたりのＸ点（反射光量はａ）が目標膜厚Ｔ１に対応する光学的膜厚ｎｄ１である場合において、現在の光学的膜厚ｎｄ０がＹ点（反射光量はａ＋α）にある場合には、到達していないと判定される。一方で、現在の光学的膜厚ｎｄ０がＺ点（反射光量はａ）である場合には、到達していると判定される。

　なお、通常、掘れ込みが生じていない新規のターゲット材料を用いた第１層目の成膜の場合、図５に示すように光量変化曲線の違いを生ずることはないが、稀に、望まないスパッタ電力の低下やスパッタガスの供給流量の低下などによって、こうした波長曲線の違いを生ずることがある。

　Ａ膜を本発明の「第１薄膜」とした場合、Ｓ５及びＳ６の工程は本発明の「膜厚監視工程」に相当する。

　《Ｓ７》
　図１～図４に戻る。Ｓ７では、制御装置３００は、電極２１ａ，２１ｂへの電力の供給やスパッタガスの流入をストップさせる。これにより第１層目の成膜を終了するとともに、回転ドラム１３の回転を継続させた状態でＳ８へ進む。

　なお、Ａ膜を本発明の「第１薄膜」とした場合、Ｓ７の工程は本発明の「停止工程」に相当する。

　《Ｓ８》
　Ｓ８では、制御装置３００は、Ｓ４の成膜開始からＳ７の成膜終了までに要した実際の成膜時間（実成膜時間）の情報を取得し、Ｓ９へ進む。本実施形態では、回転ドラム１３の回転速度が既知であり、その結果、膜厚監視装置２００の光源２０８から測定光が発せられ、コントローラ２１２から制御装置３００へ入力される膜厚監視データ（反射光量の情報）の取得間隔（時間）が分かるので、制御装置３００が、Ｓ４の成膜開始（すなわち１つ目の膜厚監視データの取得）からＳ７の成膜停止（最後の膜厚監視データの取得）を判断するまでの時間が、その薄膜の実成膜時間である。例えば図５を参照すると、（ｔ１＋ｔ１’）が実成膜時間となる。以下、Ａ膜の実成膜時間を（ｔ１＋ｔ１’）として説明する。

　なお、Ａ膜を本発明の「第１薄膜」とした場合、Ｓ８の工程は本発明の「実時間取得工程」に相当する。

　《Ｓ９》
　図１～図４に戻る。Ｓ９では、制御装置３００は、現時点での、薄膜の膜厚（目標膜厚Ｔ１に等しい）とＳ８で取得した実成膜時間（ｔ１＋ｔ１’）に基づいて、現在の薄膜（Ａ膜）を形成した実際の成膜レート（実レートＳｂ１）を算出し、これを、Ａ膜と同一組成の別薄膜であるＣ膜を後述のＢ膜の上に成膜する際に用いる暫定レートＳａ３として記憶してＳ１４へ進む。実レートＳｂ１の算出は、現時点でのＡ膜の膜厚（＝目標膜厚Ｔ１）を、Ｓ８で取得した実成膜時間（ｔ１＋ｔ１’）で除することにより算出される。

　なお、Ａ膜を本発明の「第１薄膜」とした場合、Ｓ９の工程は本発明の「実速度算出工程」に相当する。

　例えば図５を参照し、第１層目としての８０ｎｍ（目標膜厚Ｔ１）のＳｉＯ_２薄膜を基板Ｓ上に形成する場合に暫定レートＳａ１を０．４ｎｍ／秒に設定した場合には、暫定時間ｔ１＝２００秒の間成膜すれば理論上は、目標膜厚Ｔ１である８０ｎｍのＳｉＯ_２薄膜（Ａ膜）が形成されるはずである（理論上の波長曲線。Ｘ点）。しかしながら、膜厚監視装置２００による膜厚監視にて、その時点（実際上の波長曲線。Ｙ点）での実際膜厚Ｔ０が７６ｎｍであった場合には、実レートＳｂ１は、（７６／２００）＝０．３８ｎｍ／秒となる。８０ｎｍに対する不足分は４ｎｍであるので、残時間ｔ１’は（４／０．３８）＝約１０．５秒であり、実レートＳｂ１で残り１０．５秒間の成膜を継続する必要がある。これによってはじめて基板Ｓ上に８０ｎｍのＳｉＯ_２薄膜が形成される（Ｚ点）。

　《Ｓ１４》２層目
　図１～図３及び図６に示すように、Ｓ１４では、第２層目の成膜（Ｂ膜、第１薄膜）を開始する。この処理は、本実施形態では成膜プロセス領域４０及び反応プロセス領域６０で行われる。成膜プロセス領域４０では、ターゲット４９ａ，４９ｂに対してスパッタが行われて、基板Ｓ上のＡ膜の表面にニオブやニオブの不完全反応物からなる薄膜（Ｂ膜）が形成される。続く反応プロセス領域６０では、成膜プロセス領域４０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。

　制御装置３００からの成膜プロセス領域４０での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。制御装置３００は、交流電源４３及び高周波電源８９に対して、それぞれトランス４４及びマッチングボックス８７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、第２層目のスパッタが開始される。

　本実施形態では、Ｂ膜を目標膜厚Ｔ２で成膜するので、Ｓ１で設定したＳａ２の暫定レートで、暫定時間ｔ２の間、成膜するものとする。従って、制御装置３００は、成膜レートがＳａ２となるように、マグネトロンスパッタ電極４１ａ，４１ｂに供給される電力量や、ターゲット４９ａ，４９ｂに供給されるスパッタガスの量などが適切なものとなるよう制御する。

　なお、ターゲット４９ａ，４９ｂと基板Ｓの間に配置され、ターゲット４９ａ，４９ｂの前面を遮蔽する遮蔽部材（補正板）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４９ａ，４９ｂの前面から移動してターゲット４９ａ，４９ｂ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４９ａ，４９ｂに交番電界が掛かるようになると、ターゲット４９ａ，４９ｂが交互にアノードとカソードになり、成膜プロセス領域４０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４９ａ，４９ｂに対してスパッタが行われる（暫定レートＳａ２にて）。

　続いて基板Ｓは、回転ドラム１３の回転にともなって、成膜プロセス領域４０に面する位置から反応プロセス領域６０に面する位置に搬送される。反応プロセス領域６０には、１層目と同様、反応性ガスボンベ６６から反応性ガスとして酸素ガスを導入されており、しかもアンテナ８５ａ，８５ｂに１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加され、プラズマ源８０によってプラズマが発生している。

　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_２Ｏ_ｘ１（ｘ１＜５））からなる中間薄膜が形成された基板Ｓが反応プロセス領域６０に面する位置に搬送されてくると、反応プロセス領域６０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、プラズマ源８０によって反応プロセス領域６０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を酸化反応させて、所望の組成の不完全酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_ｘ２（ｘ１＜ｘ２＜５））或いは酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）に変換させる。

　本実施形態では、成膜プロセス領域４０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領域６０で酸化反応させ、不完全酸化ニオブ或いは酸化珪素に変換させることで、珪素の完全酸化物のみからなる中間薄膜や、所望の割合で珪素や珪素の不完全酸化物を有する中間薄膜を形成する。

　この反応プロセス領域６０における膜組成変換工程では、反応プロセス領域６０で膜組成変換されて得られる中間薄膜の膜厚のほうが、成膜プロセス領域４０で形成される薄膜の膜厚よりも厚くなる。すなわち、成膜プロセス領域４０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、成膜プロセス領域４０でのスパッタ処理と反応プロセス領域６０での酸化処理が繰り返される。これを予定の成膜時間ｔ２の間、繰り返すことで、基板Ｓ上のＡ膜の表面に複数回中間薄膜が積層され、理論上は目標膜厚Ｔ２を有する薄膜（第２層目のＢ膜に相当する）が形成される。

　《Ｓ１５》
　次にＳ５と同様、Ｓ１４の成膜開始に伴い、Ｓ１５にて膜厚監視装置２００の作動を開始してＳ１６へ進む。

　《Ｓ１６》
　次にＳ６と同様、Ｓ１６にて、制御装置３００では、次々に取得する反射光量の情報を順次プロットして、所定の波長における光量変化曲線を得るとともに、この曲線の変動状況を監視し、現在の、実際膜厚Ｔ０に対応する光学的膜厚ｎｄ０が、目標膜厚Ｔ２に対応する光学的膜厚ｎｄ２に到達したと判定したときはＳ１７へ進む。未だ到達していないと判定したときには引き続き監視を継続する。

　なお、Ｂ膜を本発明の「第１薄膜」とした場合、Ｓ１５及びＳ１６の工程は本発明の「膜厚監視工程」に相当する。

　《Ｓ１７》
　Ｓ１７では、制御装置３００は、電極４１ａ，４１ｂへの電力の供給やスパッタガスの流入をストップさせる。これにより第２層目の成膜を終了するとともに、回転ドラム１３の回転を継続させた状態でＳ１８へ進む。

　なお、Ｂ膜を本発明の「第１薄膜」とした場合、Ｓ１７の工程は本発明の「停止工程」に相当する。

　《Ｓ１８》
　Ｓ１８では、制御装置３００は、Ｓ１４の成膜開始からＳ１７の成膜終了までに要した実際の成膜時間（実成膜時間）の情報を取得し、Ｓ１９へ進む。本実施形態では、Ｓ８と同様に、回転ドラム１３の回転速度が既知であり、その結果、膜厚監視装置２００の光源２０８から測定光が発せられ、コントローラ２１２から制御装置３００へ入力される膜厚監視データ（反射光量の情報）の取得間隔（時間）が分かるので、制御装置３００が、Ｓ１４の成膜開始（すなわち１つ目の膜厚監視データの取得）からＳ１７の成膜停止（最後の膜厚監視データの取得）を判断するまでの時間が、その薄膜の実成膜時間である。以下、Ｂ膜の実成膜時間を（ｔ２＋ｔ２’）として説明する。

　なお、Ｂ膜を本発明の「第１薄膜」とした場合、Ｓ１８の工程は本発明の「実時間取得工程」に相当する。

　《Ｓ１９》
　Ｓ１９では、制御装置３００は、現時点での、薄膜の膜厚（目標膜厚Ｔ２に等しい）とＳ１８で取得した実成膜時間（ｔ２＋ｔ２’）に基づいて、現在の薄膜（Ｂ膜）を形成した実際の成膜レート（実レートＳｂ２）を算出し、これを、Ｂ膜と同一組成の別薄膜であるＤ膜を後述のＣ膜の上に成膜する際に用いる暫定レートとして記憶してＳ２４へ進む。実レートＳｂ２の算出は、現時点でのＢ膜の膜厚（＝目標膜厚Ｔ２）を、Ｓ１８で取得した実成膜時間（ｔ２＋ｔ２’）で除することにより算出される。

　なお、Ｂ膜を本発明の「第１薄膜」とした場合、Ｓ１９の工程は本発明の「実速度算出工程」に相当する。

　例えば、第２層目としての８０ｎｍ（目標膜厚Ｔ２）のＮｂ_２Ｏ_５薄膜をＡ膜上に形成する場合に暫定レートＳａ２を０．４ｎｍ／秒に設定した場合には、暫定時間ｔ２＝２００秒の間成膜すれば理論上は、目標膜厚Ｔ２である８０ｎｍのＮｂ_２Ｏ_５薄膜（Ｂ膜）が形成されるはずである。しかしながら、膜厚監視装置２００による膜厚監視にて、その時点での実際膜厚Ｔ０が７６ｎｍであった場合には、実レートＳｂ２は、（７６／２００）＝０．３８ｎｍ／秒となる。８０ｎｍに対する不足分は４ｎｍであるので、残時間ｔ２’は（４／０．３８）＝約１０．５秒であり、実レートＳｂ２で残り１０．５秒間を成膜を継続する必要がある。これによってはじめて基板Ｓ上のＡ膜上に８０ｎｍのＮｂ_２Ｏ_５薄膜が形成される。

　《Ｓ２４》３層目
　図１～図３及び図７に示すように、Ｓ２４では、第３層目の成膜（Ｃ膜。Ａ膜に対して第２薄膜）を開始する。この処理は、Ｓ４と同様に、成膜プロセス領域２０及び反応プロセス領域６０で行われる。使用するターゲット２９ａ，２９ｂは１層目の成膜で掘れ込みが生じている。

　制御装置３００からの成膜プロセス領域２０でのスパッタ開始指示が与えられて、成膜処理が開始される。制御装置３００は、交流電源２３及び高周波電源８９に対して、それぞれトランス２４及びマッチングボックス８７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、第３層目のスパッタが開始される。

　本実施形態では、Ｃ膜を目標膜厚Ｔ３で成膜するが、使用するターゲット２９ａ，２９ｂには掘れ込みが生じており、これによってスパッタ電極側の出力を一定にしても掘れ込み前の成膜レート（暫定レートＳａ１）に対して成膜レートの低下が予想される。そこで本実施形態では、Ｓ９にて記憶した、Ａ膜成膜の際の実際の成膜レート（実レートＳｂ１）を暫定レートＳａ３とし、そのレートで目標膜厚Ｔ３を成膜するのに必要な時間ｔ３を算出して、その時間の間、成膜するように制御する。このｔ３の算出がＡ膜を「第１薄膜」とし、Ｃ膜を「第２薄膜」としたときの、本発明の「必要時間算出工程」に相当する。ｔ３は、Ｔ３をＳｂ１で除することにより算出することができる。従って、制御装置３００は、Ｃ膜の成膜に際し、暫定レートＳａ３（Ｓ９で記憶したＡ膜の実レートＳｂ１と同じ）にて、ｔ３の時間だけ成膜するように制御し、Ｓ２５へ進む。

　その結果、回転ドラム１３の回転毎に、成膜プロセス領域２０でのスパッタ処理と反応プロセス領域６０での酸化処理が繰り返される。これを予定の成膜時間ｔ３の間、繰り返すことで、基板Ｓ上のＢ膜の表面に複数回中間薄膜が積層され、理論上は目標膜厚Ｔ３を有する薄膜（第３層目のＣ膜に相当する）が形成される。

　《Ｓ２５》
　次に、Ｓ５，Ｓ１５と同様、Ｓ２４の成膜開始に伴い、Ｓ２５にて膜厚監視装置２００の作動を開始してＳ２６へ進む。

　《Ｓ２６》
　次にＳ６，Ｓ１６と同様、Ｓ２６にて、制御装置３００では、次々に取得する反射光量の情報を順次プロットして（横軸に時間、縦軸に反射光量）、所定波形の分光波形曲線を得るとともに、この曲線の変動状況を監視し、現在の光学的膜厚ｎｄ０が目標膜厚Ｔ３に対応する光学的膜厚ｎｄ３に到達したと判定したときはＳ７へ進む。未だ到達していないと判定したときには引き続き監視を継続する。

　《Ｓ２７》
　Ｓ２７では、制御装置３００は、電極２１ａ，２１ｂへの電力の供給やスパッタガスの流入をストップさせる。これにより第３層目の成膜を終了するとともに、回転ドラム１３の回転を継続させた状態でＳ２８へ進む。

　なお、本実施形態ではＣ膜をＡ膜（第１薄膜）の第２薄膜としているが、そのＣ膜を本発明の「第１薄膜」とした場合、Ｓ２７の工程は本発明の「停止工程」に相当する。

　《Ｓ２８》
　Ｓ２８では、制御装置３００は、Ｓ２４の成膜開始からＳ２７の成膜終了までに要した実際の成膜時間（実成膜時間）の情報を取得し、Ｓ２９へ進む。以下、Ｃ膜の実成膜時間を（ｔ３＋ｔ３’）として説明する。

　なお、本実施形態ではＣ膜をＡ膜（第１薄膜）の第２薄膜としているが、そのＣ膜を本発明の「第１薄膜」とした場合、Ｓ２８の工程は本発明の「実時間取得工程」に相当する。

　《Ｓ２９》
　Ｓ２９では、制御装置３００は、現時点での、薄膜の膜厚（目標膜厚Ｔ３に等しい）とＳ２８で取得した実成膜時間（ｔ３＋ｔ３’）に基づいて、現在の薄膜（Ｃ膜）を形成した実際の成膜レート（実レートＳｂ３）を算出し、これを、Ｃ膜と同一組成の別薄膜であるＥ膜を後述のＤ膜の上に成膜する際に用いる暫定レートとして記憶してＳ３４へ進む。実レートＳｂ３の算出は、現時点でのＣ膜の膜厚（＝目標膜厚Ｔ３）を、Ｓ２８で取得した実成膜時間（ｔ３＋ｔ３’）で除することにより算出される。

　なお、本実施形態ではＣ膜をＡ膜（第１薄膜）の第２薄膜としているが、そのＣ膜を本発明の「第１薄膜」とした場合、Ｓ２９の工程は本発明の「実速度算出工程」に相当する。

　例えば、第３層目としての８０ｎｍ（目標膜厚Ｔ３）のＳｉＯ_２薄膜をＢ膜上に形成する場合には、暫定レートＳａ３を、Ｓ９で算出されたＡ膜の実レートＳｂ１である０．３８ｎｍ／秒に設定する。この場合には、暫定時間ｔ３＝２１０．５秒の間成膜すれば理論上は、目標膜厚Ｔ３である８０ｎｍのＳｉＯ_２薄膜（Ｃ膜）が形成されるはずである。しかしながら、膜厚監視装置２００による膜厚監視にて、その時点での実際膜厚Ｔ０が７６ｎｍであった場合には、実レートＳｂ３は、（７６／２１０．５）＝０．３６ｎｍ／秒となる。８０ｎｍに対する不足分は４ｎｍであるので、残時間ｔ１’は（４／０．３６）＝約１１．１秒であり、実レートＳｂ３で残り１１．１秒間の成膜を継続する必要がある。これによってはじめてＢ膜上に８０ｎｍのＳｉＯ_２薄膜が形成される。

　《Ｓ３４》４層目
　図１～図３及び図８に示すように、Ｓ３４では、第４層目の成膜（Ｄ膜、第２薄膜）を開始する。この処理は、Ｓ１４と同様に、成膜プロセス領域４０及び反応プロセス領域６０で行われる。使用するターゲット４９ａ，４９ｂは２層目の成膜で掘れ込みが生じている。

　制御装置３００からの成膜プロセス領域４０でのスパッタ開始指示が与えられて、成膜処理が開始される。制御装置３００は、交流電源４３及び高周波電源８９に対して、それぞれトランス４４及びマッチングボックス８７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、第４層目のスパッタが開始される。

　本実施形態では、Ｄ膜を目標膜厚Ｔ４で成膜するが、使用するターゲット４９ａ，４９ｂには掘れ込みが生じており、これによってスパッタ電極側の出力を一定にしていても、掘れ込み前の成膜レート（暫定レートＳａ２）に対して成膜レートの低下が予想される。そこで本実施形態では、Ｓ１９にて記憶した、Ｂ膜成膜の際の実際の成膜レート（実レートＳｂ２）を暫定レートＳａ４とし、そのレートで目標膜厚Ｔ４を成膜するのに必要な時間ｔ４を算出して、その時間の間、成膜するように制御する。このｔ４の算出がＢ膜を「第１薄膜」とし、Ｄ膜を「第２薄膜」としたときの、本発明の「必要時間算出工程」に相当する。ｔ４は、Ｔ４をＳｂ２で除することにより算出することができる。従って、制御装置３００は、Ｄ膜の成膜に際し、暫定レートＳａ４（Ｓ１９で記憶したＢ膜の実レートＳｂ２と同じ）にて、ｔ４の時間だけ成膜するように制御し、Ｓ３７へ進む。

　その結果、回転ドラム１３の回転毎に、成膜プロセス領域４０でのスパッタ処理と反応プロセス領域６０での酸化処理が繰り返される。これを予定の成膜時間ｔ４の間、繰り返すことで、基板Ｓ上のＣ膜の表面に複数回中間薄膜が積層され、理論上は目標膜厚Ｔ４を有する薄膜（第４層目のＤ膜に相当する）が形成される。

　《Ｓ３７》
　Ｓ３７では、制御装置３００は、電極４１ａ，４１ｂへの電力の供給やスパッタガスの流入をストップさせる。これにより第４層目の成膜を終了するとともに、回転ドラム１３の回転を継続させた状態でＳ４４へ進む。

　例えば、第４層目としての８０ｎｍ（目標膜厚Ｔ４）のＮｂ_２Ｏ_５薄膜をＣ膜上に形成する場合には、暫定レートＳａ４を、Ｓ１９で算出されるＢ膜の実レートＳｂ２である０．３８ｎｍ／秒に設定する。この場合には、暫定時間ｔ４＝２１０．５秒の間成膜すれば理論上は、目標膜厚Ｔ４である８０ｎｍのＮｂ_２Ｏ_５薄膜（Ｄ膜）が形成されるはずである。しかしながら、膜厚監視装置２００による膜厚監視にて、その時点での実際膜厚Ｔ０が７６ｎｍであった場合には、実レートＳｂ４は、（７６／２１０．５）＝０．３６ｎｍ／秒となる。８０ｎｍに対する不足分は４ｎｍであるので、残時間ｔ４’は（４／０．３６）＝約１１．１秒であり、実レートＳｂ４で残り１１．１秒間の成膜を継続する必要がある。これによってはじめてＣ膜上に８０ｎｍのＮｂ_２Ｏ_５薄膜が形成される。

　《Ｓ４４》５層目
　Ｓ４４では、第５層目の成膜（Ｅ膜。Ｃ膜を第１薄膜としたときの第２薄膜）を開始する。この処理は、Ｓ４，Ｓ２４と同様に、成膜プロセス領域２０及び反応プロセス領域６０で行われる。使用するターゲット２９ａ，２９ｂは１層目、３層目の各成膜でさらに掘れ込みが生じている。

　制御装置３００からの成膜プロセス領域２０でのスパッタ開始指示が与えられて、成膜処理が開始される。制御装置３００は、交流電源２３及び高周波電源８９に対して、それぞれトランス２４及びマッチングボックス８７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、第３層目のスパッタが開始される。

　本実施形態では、Ｅ膜を目標膜厚Ｔ５で成膜するが、Ｃ膜の成膜時と比較して使用するターゲット２９ａ，２９ｂにはさらなる掘れ込みが生じており、これによってスパッタ電極側の出力を一定にしても掘れ込み前の成膜レート（暫定レートＳａ３。Ａ膜の実レートＳｂ１に等しい。）に対して成膜レートの低下が予想される。そこで本実施形態では、Ｓ２８にて算出した、Ｃ膜成膜の際の実際の成膜レート（実レートＳｂ３）を暫定レートＳａ５とし、そのレートで目標膜厚Ｔ５を成膜するのに必要な時間ｔ５を算出して、その時間の間、成膜するように制御する。このｔ５の算出がＣ膜を「第１薄膜」とし、Ｅ膜を「第２薄膜」としたときの、本発明の「必要時間算出工程」に相当する。ｔ５は、Ｔ５をＳｂ３で除することにより算出することができる。従って、制御装置３００は、Ｅ膜の成膜に際し、暫定レートＳａ５（Ｓ２９で記憶したＣ膜の実レートＳｂ３と同じ）にて、ｔ５の時間だけ成膜するように制御し、Ｓ４７へ進む。

　その結果、回転ドラム１３の回転毎に、成膜プロセス領域２０でのスパッタ処理と反応プロセス領域６０での酸化処理が繰り返される。これを予定の成膜時間ｔ５の間、繰り返すことで、基板Ｓ上のＤ膜の表面に複数回中間薄膜が積層され、理論上は目標膜厚Ｔ５を有する薄膜（第５層目のＥ膜に相当する）が形成される。

　《Ｓ４７》
　Ｓ４７では、制御装置３００は、電極２１ａ，２１ｂへの電力の供給やスパッタガスの流入をストップさせる。これにより第５層目の成膜を終了させ、すべての成膜を終了させる。

　例えば、第５層目としての８０ｎｍ（目標膜厚Ｔ５）のＳｉＯ_２薄膜をＤ膜上に形成する場合には、暫定レートＳａ５をＳ２９で算出されるＣ膜の実レートＳｂ３である０．３６ｎｍ／秒に設定する。この場合には、暫定時間ｔ３＝２２１．６秒の間成膜すれば理論上は、目標膜厚Ｔ５である８０ｎｍのＳｉＯ_２薄膜（Ｅ膜）が形成されるはずである。しかしながら、膜厚監視装置２００による膜厚監視にて、その時点での実際膜厚Ｔ０が７６ｎｍであった場合には、実レートＳｂ５は、（７６／２２１．６）＝０．３４ｎｍ／秒となる。８０ｎｍに対する不足分は４ｎｍであるので、残時間ｔ５’は（４／０．３４）＝約１１．８秒であり、実レートＳｂ５で残り１１．８秒間の成膜を継続する必要がある。これによってはじめてＤ膜上に８０ｎｍのＳｉＯ_２薄膜が形成される。

　以上説明したように、本実施形態によれば、１層目のＡ膜を目標膜厚Ｔ１で形成した実レートＳｂ１をＢ膜の上に形成するＣ膜形成の暫定レートＳａ３とし、この暫定レートとＣ膜の目標膜厚Ｔ３に基づいて、Ｃ膜形成の際に必要な成膜時間ｔ３を算出し、この時間ｔ３の間Ｃ膜の成膜を行う。また、２層目のＢ膜を目標膜厚Ｔ２で形成した実レートＳｂ２をＣ膜の上に形成するＤ膜形成の暫定レートＳａ４とし、この暫定レートとＤ膜の目標膜厚Ｔ４に基づいて、Ｄ膜形成の際に必要な成膜時間ｔ４を算出し、この時間ｔ４の間Ｄ膜の成膜を行う。さらに、３層目のＣ膜を目標膜厚Ｔ３で形成した実レートＳｂ３をＤ膜の上に形成するＥ膜形成の暫定レートＳａ５とし、この暫定レートとＥ膜の目標膜厚Ｔ５に基づいて、Ｅ膜形成の際に必要な成膜時間ｔ５を算出し、この時間ｔ５の間Ｅ膜の成膜を行う。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。

　通常、ターゲットの掘れ込みが生じると、予定していた成膜レートが得られず、これが低下することは先に述べた。

　本実施形態では、薄膜形成の初期段階（ＳｉＯ_２膜とＮｂ_２Ｏ_５膜の成膜第１，２層目）から実レートＳｂ１，Ｓｂ２を算出し、これを後続（３，４層目のＳｉＯ_２膜とＮｂ_２Ｏ_５膜と、５層目のＳｉＯ_２膜）の薄膜形成の成膜レートに反映させているが、薄膜形成の２層目以降（例えばＡ膜に対するＣ膜以降）から実レートの算出を開始し、これを後続の薄膜形成の成膜レートに反映させるようにしてもよい。

Claims (4)

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、第１薄膜を目標膜厚で形成した後、第１薄膜の形成に使用したターゲットをさらにスパッタし、第１薄膜と同一組成の別薄膜である第２薄膜を目標膜厚で形成する薄膜形成方法であって、
   　前記基体へ向けて膜原料を供給して第１薄膜を形成しながら当該第１薄膜の膜厚を監視する膜厚監視工程と、
   　前記第１薄膜の膜厚が目標膜厚に到達した時点で前記膜原料の供給を停止する停止工程と、
   　前記膜原料の供給開始から停止までに要した実際の成膜時間である実成膜時間の情報を取得する実時間取得工程と、
   　前記実成膜時間に基づき第１薄膜を形成した実際の成膜速度である実成膜速度を算出する実速度算出工程と、
   　前記実成膜速度に基づき第２薄膜を目標膜厚で形成するのに必要な成膜時間である必要時間を算出する必要時間算出工程とを有し、
   　第２薄膜を目標膜厚で形成するのに際し、前記実成膜速度で成膜を開始し前記必要時間が経過するまで前記基体へ向けて膜原料を供給することを特徴とする薄膜形成方法。
2. 　請求項１記載の薄膜形成方法において、前記膜厚監視工程では、前記第１薄膜の光学的膜厚を監視することを特徴とする薄膜形成方法。
3. 　請求項２記載の薄膜形成方法において、光反射式の膜厚監視装置を用いることを特徴とする薄膜形成方法。
4. 　ターゲットをスパッタして基体に第１薄膜を目標膜厚で形成した後、第１薄膜の形成に使用したターゲットをさらにスパッタし、第１薄膜と同一組成の別薄膜である第２薄膜を目標膜厚で形成するための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、
   　同一のターゲットを用いて前記第１薄膜及び前記第２薄膜をそれぞれ目標膜厚で形成するスパッタ手段と、
   　前記第１薄膜の膜厚を監視する膜厚監視手段と、
   　前記スパッタ手段による第１薄膜の形成に際し膜原料の供給開始から停止までに要した実際の成膜時間である実成膜時間の情報を取得し、当該実成膜時間に基づき第１薄膜を目標膜厚で形成した実際の成膜速度である実成膜速度を算出し、当該実成膜速度に基づき第２薄膜を目標膜厚で形成するのに必要な成膜時間である必要時間を算出して、第２薄膜の成膜条件を調整する制御手段とを有し、
   　前記制御手段は、第２薄膜を目標膜厚で形成するのに際し、前記実成膜速度で成膜を開始させ前記必要時間が経過するまで前記基体へ向けて膜原料を供給させ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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