(57)【要約】【課題】膜厚測定に対する外乱に強く、且つ、成膜装置内における自由度の高い光学式透過型膜厚計を有する物理的蒸着成膜装置を提供する。【解決手段】真空チェンバー１００と、真空チェンバー１００に付設される光学式透過型膜厚計とを有する物理的蒸着成膜装置において、真空チェンバー１００を構成する壁面の内の何れか一つの壁面に、光学式透過型膜厚計の光軸を真空チェンバー１００の外部から内部へ入射する入射用の光学窓１０および真空チェンバー１００の内部から外部へ導出する導出用の光学窓１０を形成すると共に、当該壁面の真空チェンバー１００内側には入射用の光学窓１０から入射される光軸の伝播方向を折り返して導出用の光学窓１０に導く光経路１４を取り付け固定した物理的蒸着成膜装置。【選択図】　図１
2004052088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チェンバーと、真空チェンバーに付設される光学式透過型膜厚計とを有する物理的蒸着成膜装置において、
真空チェンバーを構成する壁面の内の何れか一つの壁面に、光学式透過型膜厚計の光軸を真空チェンバーの外部から内部へ入射する入射用の光学窓および真空チェンバーの内部から外部へ導出する導出用の光学窓を形成すると共に、当該壁面の真空チェンバー内側には入射用の光学窓から入射される光軸の伝播方向を折り返して導出用の光学窓に導く光経路を取り付け固定したことを特徴とする物理的蒸着成膜装置。
【請求項２】
請求項１に記載される物理的蒸着成膜装置において、
２個の光学窓および光経路を取り付け固定した真空チェンバーの壁面には真空チェンバー内側に、更に薄膜を成膜されるべき基板を保持する基板回転ホルダを回転駆動軸を介して結合したことを特徴とする物理的蒸着成膜装置。
【請求項３】
請求項１および請求項２の内の何れかに記載される物理的蒸着成膜装置において、
光軸を入射用の光学窓を介して入射せしめる入射部と信号光を導出用の光学窓を介して受光して光電変換する受光部より成る入射受光部を具備し、
光軸の素となる光を発生する光源を具備し、
光電変換された電気信号を受信する透過光検出制御部を具備することを特徴とする物理的蒸着成膜装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３の内の何れかに記載される物理的蒸着成膜装置において、
測定対象薄膜が成膜形成される測定対象板を基板回転ホルダに固定保持させたことを特徴とする物理的蒸着成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、物理的蒸着成膜装置に関し、特に、基板回転ホルダーの回転、真空チェンバーに具備される真空ポンプの動作に起因する振動その他の膜厚測定に対する外乱に強く、且つ、成膜装置内における自由度の高い光学式透過型膜厚計を有する物理的蒸着成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物理的蒸着成膜装置の一種であるイオンビームスパッタ装置の従来例を図３を参照して説明する。
図３において、１はイオン源、２はターゲット、３はイオンビーム、４はスパッタ粒子、７は基板、８は基板回転ホルダ、９はガス導入管、１０は光学窓、１１は光軸、１２は回転測定対象を示す。１００は真空チェンバーである。
真空チェンバー１００には、その側壁にイオン源１が取り付け収容され、ターゲット２が底壁に取り付け収容されている。ガス導入管９は側壁にこれを貫通して導入固定されている。真空チェンバー１００には、更に、光学窓１０、図示されない真空ポンプも取り付けられている。イオン源１は真空チェンバー１００の側壁内面に取り付け固定されており、そのイオン放射端部に高電圧が印加されるイオン引き出しグリッドが設置されている。ターゲット２は図示されないターゲットホルダを介して真空チェンバー１００の底壁に固定されている。基板回転ホルダ８は真空チェンバー１００の上壁に気密に貫通挿入される回転駆動軸８１により回転支持されている。この基板基板ホルダ８は回転駆動軸８１を介して外部から回転駆動される。そして、基板回転ホルダ８の下面には薄膜が成膜されるべき成膜用の基板７が取り付けられる。測定対象回転板１２は回転軸１２１を介して上壁に取り付けられている。
【０００３】
真空チェンバー１００を図示されない真空ポンプにより排気し、次いで、ガス導入管９を介して真空チェンバー１００内に不活性ガスを導入する。ここで、イオン源１からイオンビーム３を発生させる。イオン源１から発生せしめられたイオンビーム３は、高電圧を印加されたイオン引き出しグリッドにより高速に加速されてイオンビームとして引き出し放射される。このビームはターゲット２に衝突し、ターゲット２を構成する物質をスパッタリングする。ターゲット２の材料として、金属材料、絶縁材料その他多種多様な種類の材料を使用することができる。ターゲット２からスパッタリングされたターゲット構成物質のスパッタ粒子４は基板回転ホルダ８に保持される薄膜を成膜されるべき基板７の表面に付着し、ここにターゲット構成物質の薄膜が成膜されることになる。スパッタリングされたターゲット構成物質のスパッタ粒子４は、基板回転ホルダ８の近傍に位置決め固定された測定対象回転板１２の表面にも同時に成膜形成される。この薄膜を形成している時、基板回転ホルダ８は回転軸８１により回転されており、これにより形成される薄膜の膜厚を均一にすることができる。
【０００４】
ところで、イオンビームスパッタ装置には膜厚計を付設し、膜厚計により膜厚測定しながら薄膜成膜を実施している。この膜厚計として水晶振動子式のものを使用することができるが、高精度の膜厚測定を実施するには、一般に、光学式膜厚計を付設して膜厚測定を実施している。この光学式膜厚計は、特定波長の光を光軸１１に沿って光学窓１０を介して測定対象回転板１２の表面に成膜形成された薄膜に照射し、この特定波長の光の透過率或いは反射率の変化を測定することにより膜厚をモニタする。
【０００５】
特に、透過率測定による光学式透過型膜厚計を付設したイオンビームスパッタ装置の従来例においては、光学式透過型膜厚計の光経路は通常その構成を単純にするために、そして、この光経路によりターゲット２から飛来するスパッタ粒子４が遮られるの阻止するために、光学窓１０は、図示される如く、成膜される基板７が取り付けられる基板回転ホルダ８が取り付けられる真空チェンバー１００壁面に対向する壁面に取り付けられ、これを介して光を導入する構成とされている。即ち、光学窓１０を介して導入される光軸１１の光路中に測定対象回転板１２以外の一切の光学素子を配置せず、測定対象回転板１２に直接に入射する配置をしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上の従来例において、光学式透過型膜厚計は、真空チェンバー１００の上壁に取り付けられた基板回転ホルダー８駆動用のモータの振動、真空ポンプの動作に起因する振動、およびこれらの振動に起因する真空チェンバー１００自体の歪みの影響を蒙る。即ち、ガラスその他の透明材料で構成される光学窓１０が、先の振動に起因して測定対象回転板１２に形成される成膜サンプルの透過率と関わりなく振動し、真空チェンバー１００外部にある光源から光検出部に到る光軸１１の結合効率自体に影響を及ぼし、成膜サンプルの膜厚測定における光電変換信号に重畳される雑音となる。
【０００７】
そして、図３の従来例は、光の入射側である真空チェンバー１００の底壁に光学窓１０を固定し、測定対象回転板１２はこの底壁とは異なる対向する上壁に固定しているので、光学窓１０と測定対象回転板１２とは互いに相を異にする上壁、底壁別々の振動に曝される。このことから、測定対象回転板１２は入射光の光軸１１に対して相対的に雑振動するに到る。透過率その他の膜の光学特性は一般に光の入射角に依存するので、この際、特に測定対象回転板１２の薄膜面と光軸１１の角度が変化することが膜厚測定の更なる擾乱となる。
【０００８】
数百層にも及ぶ光学多層膜の成膜において、上述した擾乱が発生する光学式透過型膜厚計を使用して膜厚測定を実施すると、各膜厚測定の測定誤差が累積して最終的には大きな誤差を含む光学多層膜製品が製造されることになる。この製品に高精度の光学性能を保証することはできない。一例として、狭帯域多層膜光フィルタを製造するに際して、必要な薄膜の膜厚を各膜厚の相対膜厚誤差を０．０１％以下に抑えるという精度要求に対して充分に精度良く薄膜を形成することは極めて困難である。
【０００９】
ここで、従来例は、そもそも、光学窓１０と測定対象回転板１２とは各別の上壁および底壁に別々に取り付け固定されて相互に独立して振動するところから、真空チェンバー１００全体の剛性を高めて以上の振動による歪みを抑制しようとしても、これは事実上殆んど効果を奏さない。そして、光軸１１を光学窓１０を介して直接に測定対象回転板１２に入射せしめる構成の場合、この光学窓１０と測定対象回転板１２との間の光経路中にスパッタ装置を構成する何らの部材も介在させてはならないという制約を課されて、成膜サンプルが形成される測定対象回転板１２の設計、取り付け位置を自由に設定することができない。
【００１０】
この発明は、イオンビームスパッタ装置その他の成膜装置において、基板回転ホルダーの回転、真空チェンバーに具備される真空ポンプの動作に起因する振動その他の膜厚測定に対する外乱に強く、且つ、成膜装置内における自由度の高い光学的膜厚測定装置の設計をすることができる物理的蒸着成膜装置を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１：真空チェンバー１００と、真空チェンバー１００に付設される光学式透過型膜厚計とを有する物理的蒸着成膜装置において、真空チェンバー１００を構成する壁面の内の何れか一つの壁面に、光学式透過型膜厚計の光軸を真空チェンバー１００の外部から内部へ入射する入射用の光学窓１０および真空チェンバー１００の内部から外部へ導出する導出用の光学窓１０を形成すると共に、当該壁面の真空チェンバー１００内側には入射用の光学窓１０から入射される光軸の伝播方向を折り返して導出用の光学窓１０に導く光経路１４を取り付け固定した物理的蒸着成膜装置を構成した。
【００１２】
そして、請求項２：請求項１に記載される物理的蒸着成膜装置において、２個の光学窓１０および光経路１４を取り付け固定した真空チェンバーの壁面には真空チェンバー内側に、更に薄膜を成膜されるべき基板７を保持する基板回転ホルダ８を回転駆動軸８１を介して結合した物理的蒸着成膜装置を構成した。
また、請求項３：請求項１および請求項２の内の何れかに記載される物理的蒸着成膜装置において、光軸を入射用の光学窓１０を介して入射せしめる入射部１３１と信号光を導出用の光学窓１０を介して受光して光電変換する受光部１３２より成る入射受光部１３を具備し、光軸の素となる光を発生する光源１５を具備し、光電変換された電気信号を受信する透過光検出制御部１６を具備する物理的蒸着成膜装置を構成した。
【００１３】
更に、請求項４、請求項１ないし請求項３の内の何れかに記載される物理的蒸着成膜装置において、測定対象薄膜が成膜形成される測定対象板１２’を基板回転ホルダ８に固定保持させた物理的蒸着成膜装置を構成した。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図１の実施例を参照して説明する。実施例において、従来例における部材と共通する部材には共通する参照符号を付与している。
基板回転ホルダー８は回転軸８１を介して真空チェンバー１００の上壁に取り付けられ、この回転軸８１に結合する駆動用のモータにより回転駆動される。
測定対象回転板１２は、回転する構成を採用してスパッタ粒子４の全体がイオンビームスパッタ装置を構成する光経路１４の如き部材により遮られる恐れを少なくしている。光経路１４の如き受動的光学素子、図示されない変調器の如き能動的光学素子を使用して光軸１１を自由な方向に屈曲させたり、光軸１１の光学的性質を変化させる光経路１４を構成している。この光経路１４を使用して測定対象回転板を１２に形成されるスパッタ粒子により形成される薄膜サンプルを測定する。
【００１５】
光経路１４は、第１のミラー１４１および第２のミラー１４２より成る複数のミラーとこれらを繋ぐアーム１４０とにより構成され、光軸１１を所望のコの字形状に屈曲させている。この光経路１４は、真空チェンバー１００の上壁に取り付け固定されている。図１の実施例においては、測定の光軸１１は、真空チェンバー１００に光学窓１０を介して入射後、光経路１４を経由して測定対象である測定対象回転板１２に形成された薄膜を透過してから光学窓１０を介して取り出される構成とされている。光軸１１は、また、真空チェンバー１００に入射してから先ず測定対象回転板１２に形成された薄膜を透過してから光経路１４を経由して真空チェンバー１００の外部に取り出す構成を採用することができる。この２個の光学窓１０も、光経路１４が取り付け固定されている上壁に取り付け固定される。光経路１４は、本来的にコンパクトに構成することができる部材であるところから、振動耐性の必要程度に応じて容易にその剛性を高めることができる。
【００１６】
上述した通り、２個の光学窓１０、第１のミラー１４１および第２のミラー１４２より成る複数のミラーとこれらを繋ぐアーム１４０とにより構成される光経路１４、および薄膜を成膜されるべき基板７を保持して回転軸８１を介してモータにより回転駆動される基板回転ホルダ８の３者は、共通の真空チェンバー１００の上壁に取り付けられている。
図２を参照しての他の実施例を説明する。図２の実施例において、図１の実施例における部材と共通する部材には共通する参照符号を付与している。
【００１７】
真空チェンバー１００の真空引きに使用されるポンプについて、実施例においては大気圧から或る程度の真空度まで吸引することができるロータリーポンプより成る第２の真空ポンプ６２と、超高真空状態に吸引するクライオポンプより成る第１の真空ポンプ６１が具備されている。実際は、第１の真空ポンプ６１を構成するクライオポンプは或る程度真空度を高めてからでないと使用することができないので、第２の真空ポンプ６２であるロータリーポンプにより或る程度真空引きを実施してから使用するという２段階の真空引きを行っている。　イオンビームスパッタ装置の筐体に相当する真空チェンバー１００は、表扉１０１および裏扉１０２を有する板厚３０ｍｍ、容積１０００ｍｍ３　程度のステンレス製の容器であり、これらの扉を閉め、第１の真空ポンプ６１と第２の真空ポンプ６２を使用して容器内を超高真空状態にすることができる。このクライオポンプは一種の冷凍機であるので、コンプレッサーから振動を発生し、これが真空チェンバー５に振動を与える。スパッタ粒子４は、イオン源１から発生放射したイオンビーム３がターゲット２に衝突して生成するが、これに際して必要なガスはガス導入管９を介して追加導入される。
【００１８】
図２の実施例において、図１の実施例と特に異なるところは、測定対象薄膜が成膜形成される測定対象板１２’も薄膜を成膜されるべき基板７と共に基板回転ホルダ８に固定保持されているところであり、両板はスパッタ装置の動作中にモータ５により回転駆動される。この場合、薄膜サンプルが成膜される測定対象板１２’と薄膜を成膜されるべき基板７とを区別なしに同様に構成し、選択された適宜の１枚を測定対象板１２’として取り扱う。
薄膜を成膜されるべき基板７を保持する基板回転ホルダ８は、回転軸８１を介して真空チェンバー１００の表扉１０１に取り付けられ、モータ５により回転駆動されるが、これによっても振動は発生しており、この振動も真空チェンバー１００の表扉１０１に対して振動を与えている。
【００１９】
真空チェンバー１００の表扉１０１には、図示されない定盤を介して入射受光部１３が取り付け固定されている。光軸の素となる光を発生する光源１５から光ファイバ１３０に送り込まれた光が入射受光部１３の入射部１３１のレンズを介して出射し、光軸１１が形成される。真空チェンバー１００の表扉１０１には、更に、第１のミラー１４１および第２のミラー１４２より成る複数のミラーとこれらを繋ぐアーム１４０とにより構成される光経路１４と、光学窓１０も取り付け固定されている。この実施例も、先の実施例と同様に、２個の光学窓１０と、光経路１４と、基板回転ホルダ８の３者は共に真空チェンバー１００の表扉１０１に共通的に取り付けられている。
【００２０】
入射受光部１３の入射部１３１のレンズを介して入射、形成され光軸１１は、第１のミラー１４１および第２のミラー１４２を反射して薄膜サンプルの成膜された測定対象板１２’を透過し、他方の光学窓１０を透過して入射受光部１３の受光部１３２のレンズを介して受光部１３２を構成するフォトダイオードに集光されて光電変換し、この変換された電気信号は同軸ケーブル１３３を介して透過光検出制御部１６に送信される。透過光検出制御部１６においては、薄膜サンプルの成膜された測定対象板１２’を透過した光を光電変換した電気信号を受信して、これをイオンビームスパッタ装置の動作制御の用に供する。この実施例において、光学式透過型膜厚計は光源１５、入射受光部１３、光学窓１０、光経路１４、透過光検出制御部１６により構成されている。
【００２１】
以上のこの発明によれば、光学窓１０が、真空チェンバー１００の振動に起因して測定対象回転板１２に形成される成膜サンプルの透過率と関わりなく振動し、光源１５から受光部１３２に到る光軸１１の結合効率自体に影響を及ぼし、成膜サンプルの膜厚測定における光電変換信号に与える悪影響を、光学式透過型膜厚計の構成の内の光軸１１透過部分をほぼ同相で同一の周波数成分で振動する構成とすることにより抑圧することができる。
そして、光学式透過型膜厚計の構成の内の光軸１１透過部分をほぼ同相で同一の周波数成分で振動する構成として、２個の光学窓１０と光経路１４と基板回転ホルダ８の３者を真空チェンバー１００の表扉１０１に共通に取り付る構成とし、これらを共通の壁である表扉１０１に集約したので、必要に応じてそれらの構成部分の剛性を集中的に向上させることが設計上容易となり、振動その他の外力により誘起される光学式透過型膜厚計の光学部分の歪みを容易に低減することができる。また、光学部分の構成の自由度が拡大するので、膜厚測定ポイントを変更したい場合に光経路１４形状寸法を変更して取り代えることにより成膜装置全体に影響することなくこれを容易に実施することができる。
【００２２】
更に、基板回転ホルダ８に飛来するスパッタ粒子４の一部は光経路１４により遮蔽されるが、この遮蔽による影響は、基板回転ホルダ８に飛来するスパッタ粒子４の分布を調整する膜厚補正板を設計付加することにより容易に解消することができる。
ここで、測定対象板１２’を薄膜を成膜されるべき基板７と共に基板回転ホルダ８に固定保持し、測定対象板１２’と薄膜を成膜されるべき基板７とを区別なしに同様に構成し、選択された適宜の１枚を測定対象板１２’として取り扱うことにより、基板７に成膜されるべき薄膜そのものを測定対象とすることになり、これは測定精度の向上につながる。
【００２３】
以上の実施例に依れば、一例として狭帯域光フィルタを製造する際に、必要な薄膜の膜厚を各膜厚の相対膜厚誤差を０．０１％以下に抑える制御要求に対応することができ、薄膜を形成する際の歩留まりを向上することができる。
以上においては、イオンビームスパッタ装置を例に採って説明したが、この発明はイオンビームスパッタ装置以外の物理蒸着による成膜装置にも適用することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上の通りであって、この発明によれば、基板回転ホルダーの回転、真空チェンバーに具備される真空ポンプの動作に起因する振動その他の膜厚測定に対する外乱に強く、且つ、成膜装置内における自由度の高い光学的透過型膜厚計を有する物理的蒸着成膜装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例を説明する図。
【図２】他の実施例を説明する図。
【図３】従来例を説明する図。
【符号の説明】
１　イオン源　　　　　　　　　　　２　ターゲット
３　イオンビーム　　　　　　　　　４　スパッタ粒子
５　モータ　　　　　　　　　　　　６　真空ポンプ
６１　第１の真空ポンプ　　　　　　６２　第２の真空ポンプ
７　基板　　　　　　　　　　　　　８　基板回転ホルダ
８１　回転駆動軸　　　　　　　　　　９　ガス導入管
１０　光学窓　　　　　　　　　　　１１　光軸
１２　測定対象回転板　　　　　　　１２’測定対象板
１２１　回転軸　　　　　　　　　　　１３　入射受光部
１３０　光ファイバ　　　　　　　　１３１　入射部
１３２　受光部　　　　　　　　　　１３３　同軸ケーブル
１４　光経路　　　　　　　　　　１４０　アーム
１４１　第１のミラー　　　　　　　１４２　第２のミラー
１５　光源　　　　　　　　　　　　１６　透過光検出制御部
１００　真空チェンバー　　　　　　１０１　表扉
１０２　裏扉
【図１】
2004052088.tif 000003
【図２】
2004052088.tif 000004
【図３】
2004052088.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成15年3月12日(2003.3.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
真空チェンバー１００を図示されない真空ポンプにより排気し、次いで、ガス導入管９を介して真空チェンバー１００内に成膜に必要なガスを追加導入する。ここで、イオン源１からイオンビーム３を発生させる。イオン源１から発生せしめられたイオンビーム３は、高電圧を印加されたイオン引き出しグリッドにより高速に加速されてイオンビームとして引き出し放射される。このビームはターゲット２に衝突し、ターゲット２を構成する物質をスパッタリングする。ターゲット２の材料として、金属材料、絶縁材料その他多種多様な種類の材料を使用することができる。ターゲット２からスパッタリングされたターゲット構成物質のスパッタ粒子４は基板回転ホルダ８に保持される薄膜を成膜されるべき基板７の表面に付着し、ここにターゲット構成物質の薄膜が成膜されることになる。スパッタリングされたターゲット構成物質のスパッタ粒子４は、基板回転ホルダ８の近傍に位置決め固定された測定対象回転板１２の表面にも同時に成膜形成される。この薄膜を形成している時、基板回転ホルダ８は回転軸８１により回転されており、これにより形成される薄膜の膜厚を均一にすることができる。