(57)【要約】【課題】光量を高めた特殊な光源や感度の高い特殊な検出器を用いることなく、成膜される光学薄膜の膜厚を、高い精度で計測する光学式膜厚モニターを備えた成膜装置を得ることである。【解決手段】モニター基板と、真空チャンバーの外に設置され、透明窓を介してモニター基板にモニター光を投射する発光手段と、モニター基板から反射され、真空チャンバーの外に導出されるモニター光を受光する受光手段と、受光手段で計測したモニター光の強度変化から、被成膜部材に形成される薄膜の膜厚を算出する手段とを有する光学式膜厚モニターを備えた成膜装置であって、モニター基板が、平面に半導体でなる膜厚が１００ｎｍ未満の第１の薄膜を備えているものである。【選択図】図１
2012219281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバー内における被成膜部材の設置部の近傍に配設したモニター基板と、上記真空チャンバーの外に設置され、上記真空チャンバーに設けられた透明窓を介して上記モニター基板にモニター光を投射する発光手段と、上記モニター基板から反射され、且つ上記透明窓を介して上記真空チャンバーの外に導出されるモニター光を受光する受光手段と、上記受光手段で計測した上記モニター光の強度変化から、上記被成膜部材に形成される薄膜の膜厚を算出する手段とを有する光学式膜厚モニターを備えた成膜装置であって、
上記モニター基板が、少なくとも一方の平面に、半導体でなる膜厚が１００ｎｍ未満の第１の薄膜を備えている成膜装置。
【請求項２】
真空チャンバー内における被成膜部材の設置部の近傍に配設したモニター基板と、上記真空チャンバーの外に設置され、上記真空チャンバーに設けられた一方の透明窓を介して上記モニター基板にモニター光を投射する発光手段と、上記モニター基板を透過し、且つ上記真空チャンバーに設けられた他方の透明窓を介して上記真空チャンバーの外に導出されるモニター光を受光する受光手段と、上記受光手段で計測した上記モニター光の強度変化から、上記被成膜部材に形成される薄膜の膜厚を算出する手段とを有する光学式膜厚モニターを備えた成膜装置であって、
上記モニター基板が、少なくとも一方の平面に、半導体でなる膜厚が１００ｎｍ未満の第１の薄膜を備えている成膜装置。
【請求項３】
上記第１の薄膜を形成する半導体が、Ｇｅ、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、または、これらの半導体の内の少なくとも２種類からなる複合物のいずれかであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の成膜装置。
【請求項４】
上記第１の薄膜の膜厚が５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜の成膜装置に関し、特に光学式膜厚モニターを有する成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レンズやミラー等の光学部品には、その透過率や反射率を向上させたり、時には偏光を制御したりするため、表面に光学薄膜が設けられる。このような光学薄膜の例として、眼鏡レンズのＡＲコートが挙げられる。
光学薄膜が設けられた光学部品の特性は、光学薄膜の膜厚が大きく影響するので、光学薄膜形成時に、その膜厚を所望の厚さに制御することが重要であり、膜厚制御には、成膜時の膜厚の計測が不可欠である。
【０００３】
光学薄膜の成膜手段の１つとして真空蒸着があり、真空蒸着装置による成膜における膜厚計測手段には、様々なものが提案されている。
例えば、真空蒸着装置内に膜厚監視用基板（モニターガラス）を設置し、成膜時に膜厚監視用基板に形成される蒸着膜の膜厚増加に伴う、膜厚監視用基板の反射率もしくは透過率の変化から膜厚を計測する手段がある。
【０００４】
この膜厚計測手段は、膜厚監視用基板に形成される薄膜の光学厚みの増加に対応して、膜厚監視用基板の反射率もしくは透過率が、計測に用いられる光（計測光と記す）の波長λの１／４、すなわちλ／４の整数倍の光学厚みの位置において極限値を持った周期性の曲線を画くことを利用したものであり、反射率もしくは透過率の極限値Ａと、所定の膜厚の反射率もしくは透過率と極限値Ａとの差Ｂ、との比Ｂ／Ａから求めるものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の膜厚計測手段では、計測光の波長に対して、膜厚監視用基板の屈折率と形成する光学薄膜との屈折率が近い場合、反射率もしくは透過率の周期変化に対応して、検出される反射光もしくは透過光の強弱変化の振幅が小さくなり、膜厚の計測が困難になるとの問題があった。
このような問題を解決する膜厚計測手段として、あらかじめ金属膜が設けられ複素屈折率を、光学薄膜の屈折率より、相当大きくしたガラス基板を膜厚監視用基板に用いた光学式膜厚モニターがある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公昭５７−０２４４８５号公報（第２頁、第３図）
【特許文献２】特開平０１−１７８８０７号公報（第２頁、第２図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
膜厚監視用基板を用いて形成される光学薄膜の厚みを計測するには、計測光が光学薄膜を透過または反射する必要がある。
特許文献２に記載の光学式膜厚モニターの膜厚監視用基板では、計測光は、ガラス基板に設けられた金属膜を通過した後、成膜対象である光学薄膜を透過または反射する。
一般に、金属に電磁波である光が入ると、金属中に振動電界が生じ、自由電子の移動を生じる。そうすると、金属中に電気分極が発生し、金属中に進入しようとする光は光自身の持つ電界とは逆向きの電界により遮蔽されることになる。
【０００８】
そのため、特許文献２に記載の金属膜が設けられたガラス基板でなる膜厚監視用基板では、金属膜により計測光が遮蔽され、光学薄膜を透過または反射した計測光の強度が低下する。特に、必要な複素屈折率を得る厚みの金属膜を設けた膜厚監視用基板では、膜厚計測手段である光学式膜厚モニターに一般的に使用されているハロゲンランプの光を、ほぼ１００％（＞９９．９％）吸収し、透過性が失われる。
すなわち、特許文献２に記載の膜厚監視用基板を用いた光学式膜厚モニターでは、光量を高めた特殊な光源や感度の高い特殊な検出器を用いる必要があるとの問題があった。
【０００９】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、光量を高めた特殊な光源や感度の高い特殊な検出器を用いることなく、成膜される光学薄膜の膜厚を、高い精度で計測する光学式膜厚モニターを備えた成膜装置を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係わる第１の成膜装置は、真空チャンバー内における被成膜部材の設置部の近傍に配設したモニター基板と、真空チャンバーの外に設置され、真空チャンバーに設けられた透明窓を介してモニター基板にモニター光を投射する発光手段と、モニター基板から反射され、且つ透明窓を介して真空チャンバーの外に導出されるモニター光を受光する受光手段と、受光手段で計測したモニター光の強度変化から、被成膜部材に形成される薄膜の膜厚を算出する手段とを有する光学式膜厚モニターを備えた成膜装置であって、モニター基板が、少なくとも一方の平面に、半導体でなる膜厚が１００ｎｍ未満の第１の薄膜を備えているものである。
【００１１】
本発明に係わる第２の成膜装置は、真空チャンバー内における被成膜部材の設置部の近傍に配設したモニター基板と、真空チャンバーの外に設置され、真空チャンバーに設けられた一方の透明窓を介してモニター基板にモニター光を投射する発光手段と、モニター基板を透過し、且つ真空チャンバーに設けられた他方の透明窓を介して真空チャンバーの外に導出されるモニター光を受光する受光手段と、受光手段で計測したモニター光の強度変化から、被成膜部材に形成される薄膜の膜厚を算出する手段とを有する光学式膜厚モニターを備えた成膜装置であって、モニター基板が、少なくとも一方の平面に、半導体でなる膜厚が１００ｎｍ未満の第１の薄膜を備えているものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係わる第１の成膜装置は、真空チャンバー内における被成膜部材の設置部の近傍に配設したモニター基板と、真空チャンバーの外に設置され、真空チャンバーに設けられた透明窓を介してモニター基板にモニター光を投射する発光手段と、モニター基板から反射され、且つ透明窓を介して真空チャンバーの外に導出されるモニター光を受光する受光手段と、受光手段で計測したモニター光の強度変化から、被成膜部材に形成される薄膜の膜厚を算出する手段とを有する光学式膜厚モニターを備えた成膜装置であって、モニター基板が、少なくとも一方の平面に、半導体でなる膜厚が１００ｎｍ未満の第１の薄膜を備えているものであり、モニター基板の、反射率の変化が大きく、モニター光の減衰も小さいので、光量を高めた特殊な光源や感度の高い特殊な検出器を用いることなく、成膜される光学薄膜の膜厚を、高い精度で計測でき制御できる。
【００１３】
本発明に係わる第２の成膜装置は、真空チャンバー内における被成膜部材の設置部の近傍に配設したモニター基板と、真空チャンバーの外に設置され、真空チャンバーに設けられた一方の透明窓を介してモニター基板にモニター光を投射する発光手段と、モニター基板を透過し、且つ真空チャンバーに設けられた他方の透明窓を介して真空チャンバーの外に導出されるモニター光を受光する受光手段と、受光手段で計測したモニター光の強度変化から、被成膜部材に形成される薄膜の膜厚を算出する手段とを有する光学式膜厚モニターを備えた成膜装置であって、モニター基板が、少なくとも一方の平面に、半導体でなる膜厚が１００ｎｍ未満の第１の薄膜を備えているものであり、モニター基板の、透過率の変化が大きく、モニター光の減衰も小さいので、光量を高めた特殊な光源や感度の高い特殊な検出器を用いることなく、成膜される光学薄膜の膜厚を、高い精度で計測でき制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係わる成膜装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係わる成膜装置に用いられるモニター基板の側面断面模式図である。
【図３】透明基板に形成される光学薄膜の膜厚と、光学薄膜が形成された透明基板の反射率との関係を示す模式図である。
【図４】ＹＦ３膜を基板加熱なしで成膜した場合の、比較例１のモニター基板を用いた反射型光学式膜厚モニターでの測定例を示す図である。
【図５】ＹＦ３膜を基板温度１２５℃で成膜した場合の、比較例１のモニター基板を用いた反射型光学式膜厚モニターでの測定例を示す図である。
【図６】ＹｂＦ３膜を基板加熱なしで成膜した場合の、比較例１のモニター基板を用いた反射型光学式膜厚モニターでの測定例を示す図である。
【図７】ＹｂＦ３膜を基板温度１２５℃で成膜した場合の、比較例１のモニター基板を用いた反射型光学式膜厚モニターでの測定例を示す図である。
【図８】第１の薄膜として膜厚が２００ｎｍの金属膜を形成したガラス基板の反射率と透過率との特性を示す図である。
【図９】第１の薄膜としてＧｅ膜を形成した白板ガラス基板の透過率特性を示す図である。
【図１０】第１の薄膜としてＳｉ膜を形成した白板ガラス基板の透過率特性を示す図である。
【図１１】第１の薄膜として膜厚が２００ｎｍの化合物半導体膜を形成したガラス基板における、反射率特性と透過率特性とを示す図である。
【図１２】実施例１の、第１の薄膜として膜厚が５０ｎｍのＧｅ膜を形成したモニターガラスをモニター基板に用いた反射型光学式膜厚モニターでの測定例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係わる成膜装置の構成を示す模式図である。
図１に示す本実施の形態の成膜装置１００は、光学薄膜作成に最も一般的に用いられる真空蒸着装置をベースとした構成例である。
【００１６】
図１に示すように、本実施の形態の成膜装置１００は、真空槽（真空チャンバーと記す）１を備えており、真空チャンバー１内の下方には、蒸着材料を入れるハースライナー（坩堝と記す）３が設置され、坩堝３の近傍には、電子ビーム１６を放出する電子銃（ＥＢ銃と記す）２が配設され、坩堝３の一方の横には、ＥＢ銃２から放出される電子ビーム１６を遮蔽するシャッターが配設されている。シャッターは、電子ビーム１６を遮蔽するシャッター本体５と、シャッター本体５を保持し、且つ真空チャンバー１の底部に回転可能に設置されたシャッター軸４とで形成されている。
【００１７】
また、真空チャンバー１内の上方には、基板等の光学薄膜が成膜される部材（被成膜部材と記す）７を保持する基板ドーム６が、坩堝３に対向して設置され、基板ドーム６の略中心の位置には、形成される薄膜の膜厚を求めるのに用いられるモニター基板１０が配設されている。
また、モニター基板１０は、モニター基板保持具９で保持され、モニター基板保持具９のモニター基板１０を保持する端部の反対側の端部が、モニター基板保持具回転機構８と結合している。
また、真空チャンバー１におけるモニター基板１０の直上の天井部には、透明窓１１が設けられている。
【００１８】
また、真空チャンバー１外における透明窓１１の上部に、反射ミラー１５が設置されており、モニター光１８を一方の反射ミラー１５ａに投射できる位置に発光手段１２が設置され、他方の反射ミラー１５ｂで反射されたモニター光１８を受光できる位置に受光手段１３が配置されている。
すなわち、モニター基板１０と発光手段１２と反射ミラー１５と透明窓１１と受光手段１３とで、反射型光学式膜厚モニターが形成されている。
また、受光手段１３で検出した膜厚信号を入力し、シャッターを制御する膜厚制御手段１４も、設けられている。
【００１９】
図２は、本発明の実施の形態１に係わる成膜装置に用いられるモニター基板の側面断面模式図である。
図２に示すように、本実施の形態のモニター基板１０は、モニター基板本体２１とモニター基板本体２１の平面に形成された膜厚１００ｎｍ未満の膜（第１の薄膜と記す）２２とで形成されている。
本実施の形態では、第１の薄膜は半導体で形成されており、半導体には、例えば、Ｇｅ、Ｓｉ等の単独元素の半導体、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等の化合物半導体、あるいは、これらの半導体の内の少なくとも２種類からなる複合物が用いられる。
【００２０】
本実施の形態の成膜装置１００で光学薄膜を形成する工程について説明する。
まず、真空チャンバー１の内部にセットした坩堝３に、所定の蒸着材料を供給するとともに、基板ドーム６の坩堝３と対向する面に、被成膜部材７（例えば成膜前のレンズやミラー）をセットする。
次に、真空チャンバー１を、真空ポンプ（図示せず）によって真空排気し、所定の真空度に到達した後、ＥＢ銃２の電源（図示せず）をＯＮにして電子ビーム１６を放出する。
【００２１】
次に、電子ビーム１６を、偏向コイル（図示せず）によって１８０度もしくは２７０度偏向させ、坩堝３へと導き、坩堝３にセットされた蒸着材料を電子ビーム１６により加熱することにより溶融状態にして、蒸発させる。
このような工程で、蒸発する蒸着物質１７は坩堝上方へと飛び出し、基板ドーム６にセットされた被成膜部材７の表面に蒸着され、光学薄膜となる。
【００２２】
次に、本実施の形態の成膜装置１００における、蒸着された光学薄膜の膜厚を計測する機構と、計測された膜厚データに基づき光学薄膜の膜厚を制御する機構について説明する。
本実施の形態の成膜装置１００では、蒸着工程において、蒸着物質１７は、被成膜部材７の表面に蒸着され光学薄膜を形成するだけでなく、基板ドーム６の略中心の位置に設置されたモニター基板１０の表面にも蒸着され、薄膜（第２の薄膜と記す）が形成される。
【００２３】
また、モニター基板１０には、真空チャンバー１の外部に設けられた発光手段１２から放射されたモニター光１８が、第１の反射ミラー１５ａと透明窓１１とを介して、照射され、モニター基板１０から反射された光が、透明窓１１と第２の反射ミラー１５ｂを介して受光手段１３に入射される。
受光手段１３に入射されるモニター光１８の強度は、蒸着によりモニター基板１０に第２の膜が形成され、その膜厚が増加すると、モニター基板１０の反射率が変化するので、変化する。
【００２４】
モニター光１８が入射された受光手段１３は、モニター光１８の強度変化を計測するとともに、内装された、モニター光の強度変化信号から膜厚を求める手段で膜厚を求め、膜厚データ信号を膜厚制御手段１４に入力する。膜厚制御手段１４は、受光手段からの膜厚データ信号により、シャッター４を制御して、被成膜部材７に形成される光学薄膜の膜厚を制御する。
また、受光手段１３が、モニター光１８の強度変化を計測するとともに、強度変化信号を膜厚制御手段１４に入力し、膜厚制御手段１４が、受光手段からの強度変化信号により、蒸着された光学薄膜の膜厚を求めるとともに、膜厚データからシャッター４を制御して、被成膜部材７に形成される光学薄膜の膜厚を制御しても良い。
【００２５】
次に、第２の膜の膜厚増加によるモニター基板１０の反射率の変化に対応した、受光手段１３で計測されたモニター光１８の強度変化信号から、第２の膜の膜厚を求める手段について、説明する。
図３は、透明基板に形成される光学薄膜の膜厚と、光学薄膜が形成された透明基板の反射率との関係を示す模式図である。
図３において、横軸は光学薄膜の物理的厚さｄと屈折率ｎとの積である光学膜厚ｎｄであり、縦軸は光学薄膜が形成された透明基板の反射率Ｒである。
【００２６】
図３に示すように、光学薄膜が形成された透明基板の反射率Ｒは、光学膜厚ｎｄが、投射される光の波長λの１／４、すなわち、λ／４の周期で、極小となる谷（極小反射率Ｒminと記す）と極大となる山（極大反射率Ｒmaxと記す）とが交互に繰り返され、この透明基板からの反射光の強度が同様な周期で変化する。
【００２７】
本実施の形態の光学式膜厚モニターの膜厚を算出する手段は、上記原理から、まず、受光手段１３で、モニター光強度の繰返し数Ｃを求める。また。受光手段１３で、モニター基板１０の、極大反射率Ｒmaxと極小反射率Ｒminとの反射率の差Ａに対応したモニター光強度の差信号（第１の差信号と記す）Ｓａと、所定の膜厚Ｘの光学薄膜が形成されたモニター基板１０の反射率Ｒxと極小反射率Ｒminとの反射率の差Ｂに対応したモニター光強度の差信号（第２の差信号と記す）Ｓｂを求める。
そして、モニター光の波長λと、モニター光強度の繰返し数Ｃと、第２の差信号Ｓａと第１の差信号Ｓａとの比Ｓｂ／Ｓａとから、光学膜厚ｎｄを算出するものである。
【００２８】
本実施の形態の反射型光学式膜厚モニターでは、モニター基板１０から反射されたモニター光１８を計測して、光学薄膜の膜厚を求めている。
しかし、モニター光の光路に蒸着物質が存在するので検出感度が多少低下するが、真空チャンバー１における、モニター基板１０の直下の床部に、透明窓を設け、透明窓の外に受光手段を配置してモニター基板１０を透過したモニター光を計測する、透過型光学式膜厚モニターであっても良い。
この場合は、図３に示す反射率と同様な変化をする、モニター基板１０の透過率の変化から、光学薄膜の膜厚を求める。
【００２９】
形成される蒸着物質膜の厚さ増加にともなう、モニター基板の反射率または透過率の変化によるモニター光の強度変化を計測して、形成される光学薄膜の厚さを求める光学式膜厚モニターを備えた成膜装置では、蒸着物質膜の形成によるモニター基板の、反射率または透過率の変化が小さいと、モニター基板による膜厚計測が困難となる。
しかし、本実施の形態の成膜装置の光学式膜厚モニターは、モニター基板に、第１の薄膜として膜厚１００ｎｍ未満の半導体膜が前もって形成された基板が用いられており、モニター基板の複素屈折率と形成される光学薄膜の屈折率との差が大きく、蒸着物質膜の形成によるモニター基板の、反射率または透過率の変化が大きく、モニター光の減衰も小さいので、光量を高めた特殊な光源や感度の高い特殊な検出器を用いることなく、成膜される光学薄膜の膜厚を、高い精度で計測でき制御できる。
【００３０】
すなわち、本実施の形態の成膜装置は、高精度で高感度な光学式膜厚モニターを備え、高度な膜厚制御を可能にする成膜装置である。
次に、本実施の形態の成膜装置の効果を、実施例と比較例とで説明する。
【００３１】
比較例１．
比較例１は、モニター基板にガラス基板を用いた場合である。
表１に、ガラス基板と主な物質との屈折率およびガラス基板と主な物質との屈折率差を示す。
【００３２】
【表１】
2012219281.tif 000003
【００３３】
各物質の屈折率は、波長に対して異なる、いわゆる波長分散特性を有しており、ガラス基板と成膜物質との屈折率差も波長により異なる。
表２に示すように、ＢａＦ２、ＨｆＦ４、ＹＦ３、ＹｂＦ３等のフッ化物は、ガラス基板との屈折率差が、特に小さく、これらの物質の成膜では、モニター基板の反射率または透過率の変化が小さく、正確な膜厚の計測ができない。
さらに、ＹｂＦ３では、モニター光の波長が６００ｎｍの場合と１０００ｎｍの場合で、屈折率差の正負が逆転しており、波長６００ｎｍ〜１０００ｎｍの間おいて、ガラス基板との屈折率差がゼロになる部分があることを示している。このような場合では。モニター基板からの反射光もしくは透過光の強度変化がゼロになるため、膜厚の計測ができなくなる。
【００３４】
表１に示した各種物質の屈折率は一例であり、薄膜の場合、成膜条件や成膜装置に依存して屈折率が変動することが知られている。その理由は充填率と呼ばれる膜密度が成膜条件や成膜装置に依存して変動するためである。通常、薄膜はバルクの素材に比して、何らかの空隙を有し、充填率は１００％以下であるが、この空隙には大気もしくは水分が入り込むため、その分、屈折率が変わることになる。
【００３５】
真空蒸着を始めとする物理成膜においては膜密着性や結晶性の向上を目的として基板加熱が行われるが、物質によっては比較的低い温度で膜特性が大きく変わるものが存在する。例えば、基板加熱温度１００℃〜２００℃において、屈折率の波長分散特性等が大きく変化する物質がある。
【００３６】
図４は、ＹＦ３膜を基板加熱なしで成膜した場合の、比較例１のモニター基板を用いた反射型光学式膜厚モニターでの測定例を示す図である。
図５は、ＹＦ３膜を基板温度１２５℃で成膜した場合の、比較例１のモニター基板を用いた反射型光学式膜厚モニターでの測定例を示す図である。
図４と図５とに示した測定例で用いられたモニター光の波長は１０００ｎｍである。
図４には、基板加熱なしで成膜した場合のモニター光の反射光量変化曲線３１を示し、図５には、基板温度１２５℃で成膜した場合のモニター光の反射光量変化曲線３２を示している。
図４と図５に示した反射光量の変化は、モニター基板の反射率の変化に対応している。
【００３７】
図４に示す反射光量変化曲線３１では、山ピークと谷ピークで２０％程度の差異が認められた。
しかし、図５に示す反射光量変化曲線３２では、山ピークと谷ピークで最大５％程度の差異は認められるが、成膜初期では反射光量の差異が２％程度しか得られておらず、モニター基板の反射率特性が非常に不安定であることを示している。
【００３８】
図６は、ＹｂＦ３膜を基板加熱なしで成膜した場合の、比較例１のモニター基板を用いた反射型光学式膜厚モニターでの測定例を示す図である。
図７は、ＹｂＦ３膜を基板温度１２５℃で成膜した場合の、比較例１のモニター基板を用いた反射型光学式膜厚モニターでの測定例を示す図である。
図６と図７とに示した測定例で用いられたモニター光の波長は１８００ｎｍである。
図６には、基板加熱なしで成膜した場合のモニター光の反射光量変化曲線３３を示し、図７には、基板温度１２５℃で成膜した場合のモニター光の反射光量変化曲線３４を示している。
図６と図７に示した反射光量の変化は、モニター基板の反射率の変化に対応している。
【００３９】
図６に示す反射光量変化曲線３３では、山ピークと谷ピークで２０％程度の差異が認められている。
しかし、図７に示す反射光量変化曲線３４では、山ピークと谷ピークで最大１％程度の差異しか認められず、成膜初期では反射光量の増加が認められるなど、モニター基板の反射率特性が、非常に不安定であることを示している。
また、ＹｂＦ３膜の成膜において、基板加熱なしの場合は、反射光量変化曲線３３から明らかなように、表１に示したガラス基板よりも屈折率が小さい状態が維持されているが、ＹｂＦ３膜の成膜において、基板温度が１２５℃の場合は、反射光量変化曲線３４から明らかなように、成膜の初期においてはガラス基板よりも屈折率が大きくなっている。
【００４０】
すなわち、本比較例のように、ガラス基板単体をモニター基板に用いた光学式膜厚モニターの場合は、ガラス基板と屈折率差が小さい物質の成膜では、モニター基板の反射率変化が小さく、且つ不安定であり、正確な膜厚を計測できず、安定した成膜制御を行うことは困難である。
【００４１】
比較例２．
比較例２は、モニター基板に、第１の薄膜として金属膜を形成した、ガラス基板を用いる場合である。
図８は、第１の薄膜として膜厚が２００ｎｍの金属膜を形成したガラス基板の反射率と透過率との特性を示す図である。
図８において、左側の縦軸は反射率Ｒであり、右側の縦軸は透過率Ｔであり、横軸は波長λである。
本比較例の、膜厚が２００ｎｍの金属膜を形成したガラス基板の透過率は、反射型光学式膜厚モニターのモニターガラスに膜厚が１００ｎｍの金属膜を形成した場合の透過率に相当する。
図８には、ガラス基板にＡｇ膜を形成した場合の、反射率の変化曲線４１と透過率の変化曲線４３、および、ガラス基板にＡｌ膜を形成した場合の、反射率の変化曲線４２と透過率の変化曲線４４、を示している。
【００４２】
図８から明らかなように、反射型光学式膜厚モニターにおけるモニターガラス上に１００ｎｍ以上の膜厚を有する金属膜を設けると、通常、光学薄膜のモニター光として用いられる４００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲の全ての波長において透過率は０．１％以下になる。
すなわち、比較例２のモニター基板において、１００ｎｍ以上の膜厚を有する金属膜を設けると、通常の光源では光が遮断されるので、特殊な高輝度ランプを用いたり、感度の高い特殊な検出器を用いる必要があり、装置が高価になる。
また、通常、高輝度ランプを用いても、波長７００ｎｍ以上では透過光量はほぼゼロであり、モニター光量の変化は検知不可能である。
【００４３】
また、モニター基板の裏面ガラス面から、波長４００〜２０００ｎｍの全範囲に渡って、ほぼ４％の反射光が生じており、モニター光の受光手段には常時４％の反射されたモニター光が入射する事になる。従って、モニター光のＳ／Ｎ比は＜１／４０であり、高輝度な光源を用いても反射光量の変化を正確にモニターすることは困難である。
【００４４】
実施例１．
実施例１は、モニター基板に、第１の薄膜として単独元素の半導体膜を形成した、ガラス基板を用いる場合である。
図９は、第１の薄膜としてＧｅ膜を形成した白板ガラス基板の透過率特性を示す図である。
図９において、縦軸は透過率Ｔであり、横軸は波長λである。
図９では、白板ガラス基板に、膜厚が１ｎｍ、３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、４０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍの、各Ｇｅ膜を設けた場合の透過率の変化曲線５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８を示している。
【００４５】
図９から明らかなように、Ｇｅ膜を形成した白板ガラス基板をモニター基板に用いる場合、吸収を考慮して、１００ｎｍ未満の膜厚のＧｅ薄膜が設けられたものが使用可能であり、４０ｎｍ未満の膜厚Ｇｅ薄膜が設けられたものは、モニター光の光量として、４００ｎｍ以上の全波長でほぼ５％以上の透過率が確保されるので、好適である。
また、モニター光の波長１０００ｎｍと２０００ｎｍとにおけるＧｅの屈折率は、各々２．７２０、３．５６５であり、同波長のガラスの屈折率は、１．５０８、１．４９４であり、Ｇｅとガラスとの屈折率の差が大きいので、成膜時における、モニター基板としての反射率あるいは透過率の変化幅が大きく、正確に膜厚の計測ができ、蒸着膜の安定した制御を行うことができる。
【００４６】
図１０は、第１の薄膜としてＳｉ膜を形成した白板ガラス基板の透過率特性を示す図である。
図１０において、縦軸は透過率Ｔであり、横軸は波長λである。
図１０では、白板ガラス基板に、膜厚が１ｎｍ、３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、４０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍの、各Ｓｉ膜を設けた場合の透過率の変化曲線６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８を示している。
【００４７】
図１０から明らかなように、Ｓｉ膜を形成した白板ガラス基板をモニター基板に用いる場合、吸収を考慮して、２００ｎｍ未満の膜厚のＳｉ薄膜が設けられたものが使用可能であり、１００ｎｍ未満の膜厚Ｓｉ薄膜が設けられたものは、モニター光の光量として４００ｎｍ以上全波長でほぼ５％以上の透過率が確保されるので、好適である。
また、モニター光の波長１０００ｎｍと２０００ｎｍとにおけるＳｉｅの屈折率は、各々３．８８７、４．１３９であり、同波長のガラスの屈折率は、１．５０８、１．４９４であり、Ｓｉとガラスとの屈折率の差が大きいので、成膜時における、モニター基板としての反射率あるいは透過率の変化幅が大きく、正確に膜厚の計測ができ、蒸着膜の安定した制御を行うことができる。
【００４８】
実施例２．
実施例２は、モニター基板に、第１の薄膜として化合物半導体膜が形成された、ガラス基板を用いる場合である。
図１１は、第１の薄膜として膜厚が２００ｎｍの化合物半導体膜を形成したガラス基板における、反射率特性と透過率特性とを示す図である。
図１１において、左側の縦軸は反射率Ｒであり、右側の縦軸は透過率Ｔであり、横軸は波長λである。
本実施例の、膜厚が２００ｎｍの化合物半導体膜を形成したガラス基板の透過率は、反射型光学式膜厚モニターのモニターガラスに膜厚が１００ｎｍの化合物半導体膜を形成した場合の透過率に相当する。
【００４９】
図１１には、ガラス基板にＺｎＳｅ膜を形成した場合の、反射率の変化曲線７１と透過率の変化曲線７３、および、ガラス基板にＺｎＳ膜を形成した場合の、反射率の変化曲線７２と透過率の変化曲線７４、を示している。
【００５０】
図１１から明らかなように、反射型光学式膜厚モニターにおけるモニターガラス上に設けられた、ＺｎＳｅ膜もしくはＺｎＳ膜の膜厚が１００ｎｍ未満であると、光学薄膜のモニター光に用いられる４００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲の全ての波長において概ね５％以上の透過率が得られる。
すなわち、反射型光学式膜厚モニターのモニターガラスに膜厚１００ｎｍ未満の膜厚を有する化合物半導体であるＺｎＳｅもしくはＺｎＳを形成した基板では、特殊な高輝度ランプや感度の高い特殊な検出器を用いることなく、安定的にモニター光量を得ることができ、精度の高い光学式膜厚モニターが安価に実現できる。
【００５１】
実施例３．
図１２は、実施例１の、第１の薄膜として膜厚が５０ｎｍのＧｅ膜を形成したモニターガラスをモニター基板に用いた反射型光学式膜厚モニターでの測定例を示す図である。
図１２には、第２の薄膜であるＹｂＦ３膜を基板温度１２５℃で成膜した場合のモニター光の反射光量変化曲線８１を示している。
図１２に示した測定例で用いられたモニター光の波長は１０００ｎｍである。
図１２に示した反射光量の変化は、モニター基板の反射率の変化に対応している。
図１２から明らかなように、本実施例に用いたモニター基板は、ピークｔｏピークにて５０％以上の反射率の差が得られ、本実施例のモニター基板を用いた光学式膜厚モニターは、光学薄膜の膜厚を正確に計測でき、蒸着される光学薄膜の安定した膜厚制御が可能となる。
【００５２】
実施例４．
次に、ガラス基板との屈折率差が小さい物質の光学薄膜形成において、実施例１と実施例２と比較例２とにあるモニター基板、すなわち、異なる材料の第１の薄膜が形成された各ガラス基板が、光学式膜厚モニターで使用できるかどうかを検証した。
用いられるモニター基板は、第１の薄膜として、金属であるＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、単独元素の半導体であるＧｅ、Ｓｉ、化合物半導体であるＺｎＳｅ、ＺｎＳの、いずれかの薄膜がガラス基板に形成されたものである。
検証に用いた、モニター光の波長は、波長４００ｎｍ〜６００ｎｍの中間にある５００ｎｍと、波長６００ｎｍ〜８００ｎｍの中間にある７００ｎｍと、波長８００ｎｍ〜１０００ｎｍの中間にある９００ｎｍと、波長１０００ｎｍ〜１２００ｎｍの中間にある１１００ｎｍと、波長１２００ｎｍ〜２５００ｎｍの中間にある１８００ｎｍとの各波長である。
【００５３】
表２に、膜厚３００ｎｍの第１の薄膜を形成した場合を示し、表３に、膜厚２００ｎｍの第１の薄膜を形成した場合を示し、表４に、膜厚１５０ｎｍの第１の薄膜を形成した場合を示し、表５に、膜厚１００ｎｍの第１の薄膜を形成した場合を示し、表６に、膜厚５０ｎｍの第１の薄膜を形成した場合を示した。
各表において、○は安定に膜厚モニター可能であることを、△は膜厚モニター可能であるがやや不安定ではあることを、×は反射光がないか少ないために膜厚モニターが不可能であることを示している。
【００５４】
【表２】
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【００５５】
【表３】
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【００５６】
【表４】
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【００５７】
【表５】
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【００５８】
【表６】
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【００５９】
表２〜表６に示すように、ガラス基板上に第１の薄膜として、１００ｎｍ以上の金属膜を形成したモニター基板の場合は、膜による光吸収により、モニター基板からの反射光量にほとんど変化がなく、膜厚のモニターは不可能であった。
また、金属膜を形成したモニター基板の場合は、金属膜が５０ｎｍ以下であっても、一部の波長域で何とか使用可能なレベルでしかない。
【００６０】
また、表２〜表６に示すように、ガラス基板上に第１の薄膜として、単独元素の半導体であるＧｅ、Ｓｉあるいは、化合物半導体であるＺｎＳｅ、ＺｎＳの、いずれかの薄膜を形成したモニター基板の場合は、第１の薄膜の膜厚が、２００ｎｍであると、ＧｅやＳｉを第１の薄膜に用いたモニター基板は、一部波長域において適用不可となり、１５０ｎｍであると、Ｇｅを第１の薄膜に用いたモニター基板は、一部波長域において適用不可となるが、かなりの波長域ではモニター可能である。
特に、単独元素の半導体あるいは化合物半導体でなる第１の薄膜の膜厚が１００ｎｍ以下であるモニター基板は、検証に用いたモニター光の全ての波長域においてモニターが可能である。
【００６１】
本発明にかかる光学式膜厚モニターを有する成膜装置は、光学式膜厚モニターに用いられたモニター基板が、ガラス基板に、膜厚１００ｎｍ未満の、単独元素の半導体あるいは化合物半導体の薄膜が、第１の薄膜として形成されたものであり、ガラス基板と屈折率差の小さい物質の成膜においても、従来のモニター光源および検出器を用いることができ、成膜装置のコストを低減できる。なお、物理成膜装置である真空蒸着装置で制御可能な最小膜厚は電子銃上方のシャッター開閉動作にて決まり、発明者らの装置ではほぼ５nmであり、これが上記単独元素の半導体あるいは化合物半導体の薄膜の膜厚の下限と言える。
また、ガラス基板の有する屈折率に制限されることなく、様々な材料に対し、高精度な膜厚計測が可能であり、安定した膜厚制御を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明に係わる成膜装置は、光学式膜厚モニターが、ガラス基板と屈折率差の小さい物質の成膜においても、膜厚を高精度に検出できるので、光学薄膜を高精度で低コストに製造する場合に用いられる。
【符号の説明】
【００６３】
１  真空チャンバー、２  ＥＢ銃、３  坩堝、４  シャッター軸、
５  シャッター本体、６  基板ドーム、７  被成膜部材、
８  モニター基板保持具回転機構、９  モニター基板保持具、１０  モニター基板、
１１  透明窓、１２  発光手段、１３  受光手段、１４  膜厚制御手段、
１５  反射ミラー、１５ａ  一方の反射ミラー、１５ｂ  他方の反射ミラー、
１６  電子ビーム、１７  蒸着物質、１８  モニター光、２１  モニター基板本体、
２２  第１の薄膜、１００  成膜装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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