(57)【要約】【課題】簡易な構成で蒸着材料の蒸気流密度分布を把握し、蒸着レート及び薄膜の膜厚制御が可能な薄膜形成装置を提供する。【解決手段】電子ビーム５の照射により蒸発源１に設けられた蒸着材料３を蒸発させ、天井側に配置されたワーク７の表面に蒸着材料３を堆積させて薄膜を形成する薄膜形成装置において、自己に堆積した蒸着材料３の膜厚を測定する複数の膜厚センサ８，９と、複数の膜厚センサ８，９により測定された複数の膜厚に基づきワーク７の表面に形成された薄膜の膜厚を算出する算出部１０と、算出部１０により算出された薄膜の膜厚に応じて電子ビーム５の出力を制御する電子ビーム電源１１とを備え、少なくとも２つの膜厚センサは、蒸発源１における蒸着材料３を収納する部分の中心点から蒸発面に対して垂直上方方向と、中心点から自己の膜厚センサに至る方向とがなす角度について、互いに異なる角度に設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームの照射により蒸発源に設けられた蒸着材料を蒸発させ、ワークの表面に前記蒸着材料を堆積させて薄膜を形成する薄膜形成装置において、
自己に堆積した前記蒸着材料の膜厚を測定する少なくとも２つの膜厚センサと、
前記少なくとも２つの膜厚センサにより測定された複数の膜厚に基づき前記ワークの表面に形成された薄膜の膜厚を算出する算出部と、
前記算出部により算出された薄膜の膜厚に応じて前記電子ビームの出力を制御する制御部とを備え、
前記少なくとも２つの膜厚センサは、前記蒸発源における前記蒸着材料を収納する部分の中心点から蒸発面に対して垂直上方方向と、前記中心点から自己の膜厚センサに至る方向とがなす角度について、互いに異なる角度に設けられていることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記算出部により算出された薄膜の膜厚が所定の膜厚に達した場合に前記電子ビームの出力を停止するように制御することを特徴とする請求項１記載の薄膜形成装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記算出部により算出された薄膜の膜厚の所定時間毎の増加量が所定の蒸着レートに一致するように前記電子ビームの出力を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の薄膜形成装置。
【請求項４】
前記少なくとも２つの膜厚センサの各々は、いずれも前記蒸発源における前記蒸着材料を収納する部分の中心点からの距離が等距離であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の薄膜形成装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の薄膜形成装置によりワークに薄膜を形成する工程を具備することを特徴とする薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビーム蒸着により薄膜を成膜する薄膜形成装置及び薄膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体である物質を減圧状態に置き、過熱をすることにより蒸気圧を上げ、蒸発源に予め用意した被蒸発材料を蒸発させ、基板となる物質に固体の被膜を形成する真空蒸着が行われている。このような真空蒸着を行う装置の１例として、電子ビームを被蒸発材料に照射することにより材料を過熱して蒸発させる電子ビーム蒸着装置が挙げられる。真空蒸着により得られた薄膜は、所望する膜厚を有することにより、例えば光の干渉効果を利用した光学薄膜素子として様々な分野に利用可能である。また、別の例として、ウェハー上に形成された薄膜は、絶縁膜あるいは導電膜として回路パターンの形成に利用される。電子ビーム蒸着装置で薄膜を成膜する場合には、膜厚センサにより蒸着レート制御を行うのが一般的である。
【０００３】
特許文献１には、誘電体多層膜光学フィルタの成膜において蒸発係数の変化に伴う膜厚分布悪化の補正機構を備えた光学薄膜形成用装置及び方法が記載されている。蒸発源から蒸発物質がどの程度の広がりを持って蒸発するかを示す蒸発係数は、実際の成膜工程において、蒸発物質に入射する電子ビーム幅や位置及び蒸発物質溶解面高さの違いにより変化する。したがって、これらの条件を一定に保ち、基板面内膜厚分布の悪化及びそれに付随する歩留まりの低下を防ぐことは、製造上の重要な課題である。
【０００４】
特許文献１に記載の光学薄膜形成用装置は、蒸発源監視機構、膜厚分布測定機構、蒸発源位置調整機構、及び水晶膜厚センサ角度調整機構を備えており、成膜工程中に蒸発源及び成膜基板の面内分布を常時監視し、蒸発源位置及び電子ビーム照射条件にフィードバックすることにより、成膜基板の面内膜厚分布を向上させることができる。
【特許文献１】特開２００５−１２０４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の光学薄膜形成用装置において、膜厚分布測定機構は、薄膜に対する測定光の透過率や反射率を測定して膜厚分布を測定するものであるが、蒸着材料や成膜基板の材質によっては利用することができない。また、当該光学薄膜形成用装置は、成膜工程中に蒸発源及び成膜基板の面内分布を常時監視するために蒸発源監視機構、膜厚分布測定機構、蒸発源位置調整機構、及び水晶膜厚センサ角度調整機構といった複雑な機構を要するとともに、コストもかかる。
【０００６】
また、水晶膜厚センサは、蒸着における蒸気流密度分布がｃｏｓλθに近似される分布となることを利用して成膜基板上に成膜された薄膜の膜厚を測定するものであるが、蒸着材料を供給せずに連続して成膜を続ける場合には、蒸着材料が減少し、蒸発面の高さが低下して蒸気流の密度分布が変化するため、水晶膜厚センサと基板上の蒸着レートの相対比が変化し、水晶膜厚センサにより測定された結果から薄膜の膜厚を推測することが困難となる。
【０００７】
蒸着材料が減少して密度分布等の条件が変化するのを防止するために、ワイヤフィードによる材料供給を行う機構を有する薄膜形成装置も存在するが、ワイヤ状に加工を施すことが困難な蒸着材料を使用する場合においては利用できず、また複雑な機構を要するとともにコストもかかる。
【０００８】
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、簡易な構成で蒸着材料の蒸気流密度分布を把握し、蒸着レート及び薄膜の膜厚制御が可能な薄膜形成装置及び薄膜の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る薄膜形成装置は、電子ビームの照射により蒸発源に設けられた蒸着材料を蒸発させ、天井側に配置されたワークの表面に前記蒸着材料を堆積させて薄膜を形成する薄膜形成装置において、自己に堆積した前記蒸着材料の膜厚を測定する少なくとも２つの膜厚センサと、前記少なくとも２つの膜厚センサにより測定された複数の膜厚に基づき前記ワークの表面に形成された薄膜の膜厚を算出する算出部と、前記算出部により算出された薄膜の膜厚に応じて前記電子ビームの出力を制御する制御部とを備え、前記少なくとも２つの膜厚センサは、前記蒸発源における前記蒸着材料を収納する部分の中心点から蒸発面に対して垂直上方方向と、前記中心点から自己の膜厚センサに至る方向とがなす角度について、互いに異なる角度に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、簡易な構成で蒸着材料の蒸気流密度分布の変化にかかわらず蒸着レート及び薄膜の膜厚制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の薄膜形成装置及び薄膜の製造方法の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の実施例１に係る薄膜形成装置の構成を示すブロック図である。この薄膜形成装置は、図１に示すように、蒸発源１、ワーク７、膜厚センサ８，９、算出部１０、及び電子ビーム電源１１で構成される。また、蒸発源１は、ルツボ２、ルツボ２内に予め配置された蒸着材料３、電子銃４により構成される。
【００１３】
本実施例における薄膜形成装置は、電子ビーム５の照射により蒸発源１に設けられた蒸着材料３を蒸発させ、天井側に配置されたワーク７の表面に蒸着材料３を堆積させて薄膜を形成するものであり、図示しない真空槽等の内部における減圧環境下で薄膜形成を行う。蒸着材料３は、例えばアルミやチタン等の金属材料が考えられる。
【００１４】
蒸発源１は、後述する電子ビーム電源１１からの電力供給によりフィラメントを備えた電子銃４を用いて、電子ビーム５を蒸着材料３に収束させて加熱し、蒸発させるものである。ここで、電子銃４により照射された電子ビーム５は、図示しない磁気回路から発生した磁界によりビーム軌道及び形状を制御されてルツボ２内の方向に曲げられ、ルツボ２内の蒸着材料３に衝突する。その際に電子ビーム５は、蒸着材料３の蒸発面の任意の位置に当たるように走査され、蒸着材料３を蒸発させる。蒸発源１から蒸発した蒸着材料３は、蒸気流６を生ずる。
【００１５】
ワーク７は、蒸発した蒸着材料３による薄膜を成膜する基板等であり、蒸発源１に対向した位置に配置される。
【００１６】
膜厚センサ８，９は、自己に堆積した蒸着材料３の膜厚を測定する。膜厚センサ８，９の例として、水晶膜厚センサが考えられる。水晶膜厚センサは、水晶振動子の固有振動数がその質量変化によって変化することを利用したものであり、蒸発した蒸着材料３を水晶振動子に堆積させて固有振動周波数を検出し、周波数変化をモニタすることにより、自己に堆積した蒸着材料３の膜厚を測定する。本願発明における膜厚センサの数は、２つとは限らず少なくとも２つ以上設けられていればよい。本実施例においては、２つの膜厚センサ８，９が設けられているものとする。
【００１７】
また、膜厚センサ８と膜厚センサ９とは、蒸発源１における蒸着材料３を収納する部分の中心点から蒸発面に対して垂直上方向と、前記中心点から自己の膜厚センサに至る方向とがなす角度について、互いに異なる角度に設けられている。仮に膜厚センサが３つ以上ある場合には、その膜厚センサのうち少なくとも２つは、当該角度について互いに異なる角度に設けられているものとし、全ての膜厚センサについて当該角度が同角度であることはないものとする。
【００１８】
算出部１０は、例えばマイクロプロセッサであり、複数の膜厚センサ８，９により測定された複数の膜厚に基づきワーク７の表面に形成された薄膜の膜厚を算出する。具体的な算出方法については後述する。また、算出部１０により算出された薄膜の膜厚は、図示しないディスプレイ等の出力部により出力される構成でもよい。
【００１９】
電子ビーム電源１１は、本発明の制御部に対応し、算出部１０により算出された薄膜の膜厚に応じて電子銃４に電力を供給することにより、電子ビーム５の出力を制御する。具体的な制御方法については後述する。
【００２０】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図２は、本発明の実施例１に係る薄膜形成装置の各構成の位置関係を示すブロック図である。図２に示すように、膜厚センサ８は、蒸発源１における蒸着材料３を収納する部分の中心点からｒ１だけ離れた距離に設けられている。また、膜厚センサ９は、蒸発源１における蒸着材料３を収納する部分の中心点からｒ２だけ離れた距離に設けられている。なお、本実施例においては、ｒ１＝ｒ２であるものとする。
【００２１】
さらに、図２に示すように、蒸発源１における蒸着材料３を収納する部分の中心点から蒸発面に対して垂直上方向と当該中心点から膜厚センサ８に至る方向とがなす角度は、θ１である。同様に、当該中心点から蒸発面に対して垂直上方向と当該中心点から膜厚センサ９に至る方向とがなす角度は、θ２である。また、上述したように、θ１≠θ２である。
【００２２】
ここで、蒸発源１から蒸発した蒸着材料３による蒸気流６の密度分布について説明する。図３は、蒸発源から放出される蒸気流の蒸気流密度分布を示す図である。蒸発源における蒸着物質の蒸発面に対して垂直上方向における蒸気流密度をφ０とし、当該垂直上方向と角度θをなす角度方向における蒸気流密度をφθとすると、φ０とφθとの関係を示す蒸気流密度分布は、（１）式により表される。なお、φ０とφθとは、いずれも蒸発源から等距離の地点における蒸気流密度であるとする。
【数１】
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【００２３】
上述したように、蒸着材料を供給せずに連続して成膜を続けると、蒸着材料が減少し、蒸発面の高さが低下する。これに伴い、（１）式に示すλの値が変化するために、蒸気流密度分布は変化することになり、成膜される薄膜の蒸着レートも安定しないこととなる。
【００２４】
本実施例における薄膜形成装置は、上述したような不安定な蒸着レートによる薄膜形成を避けるために、以下のようにして、薄膜の形成を制御する。まず、ワーク７上に形成される薄膜の膜厚ｔ０と膜厚センサ８，９により測定される自己に堆積した蒸着材料３の膜厚の測定値ｔ１，ｔ２との関係は、（２），（３）式により表される。
【数２】
2009221496.tif 000004
【００２５】
ここで、Ａは、膜厚センサ８，９の感度補正係数であり、２つの膜厚センサ８，９が同一の規格で校正されたセンサであれば、両センサに共通の値である。このＡの値は、予め算出しておく数値であるため既知の値であり、実際の薄膜形成を行う前の準備段階で１度算出すればよく、以降は同じ数値を継続して使用する。具体的なＡの値の算出方法としては、適当な条件下においてワーク７上に成膜し、その際に膜厚センサ８，９の各々による測定値ｔ１，ｔ２を記録しておく。その後、ワーク７上に成膜された薄膜の膜厚ｔ０を段差計等により直接測定する。以上により測定されたｔ０，ｔ１，ｔ２及び膜厚センサ８，９の位置に基づく角度θ１，θ２の値を式（２），（３）に代入することによりＡの値を求めることができる。なお、その際のλの値は、以下に示す（４）式により求めることができる。
【数３】
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【００２６】
なお、本実施例において、複数の膜厚センサ８，９の各々は、いずれも蒸発源１における蒸着材料３を収納する部分の中心点からの距離が等距離（ｒ１＝ｒ２）であるため、（２），（３）式が成り立つ。ｒ１≠ｒ２である場合には、（２），（３）式は、そのままでは成り立たないため、式の変形が必要となる。これについては実施例２において説明する。
【００２７】
また、膜厚センサ８，９の位置に関連する値である角度θ１，θ２は、あまり近い値をとらないことが好ましい。角度θ１とθ２とが非常に近い値である場合には、（２）式と（３）式の値も非常に近い値となるため、（４）式におけるλの算出が正確に行われない可能性が考えられるからである。１例として、θ１＝３０°、θ２＝４５°とすることが考えられる。
【００２８】
また、角度θ１，θ２があまりに大きな値（例えば６０°や７０°）をとると、（２），（３）式に示す余弦則の式と誤差が出てくることが考えられるため、ある程度小さな値（例えば４５°以下）をとることが好ましい。
【００２９】
次に実際の薄膜形成過程における本発明の動作について説明する。まず、蒸発源１は、電子ビーム電源１１からの電力供給により電子銃４を用いて電子ビーム５を蒸着材料３に収束させて加熱し、蒸発させる。
【００３０】
蒸発源１から蒸発した蒸着材料３は、蒸発粒子となって蒸気流６を生じ、天井側のワーク７に達した後、蒸着してワーク７上に薄膜を形成する。その際に、蒸発した蒸着材料３は、膜厚センサ８，９にも到達して堆積する。
【００３１】
膜厚センサ８，９は、自己に堆積した蒸着材料３の膜厚を測定する。膜厚センサ８により測定された膜厚測定値ｔ１は、算出部１０に出力される。同様に、膜厚センサ９により測定された膜厚測定値ｔ２は、算出部１０に出力される。
【００３２】
算出部１０は、複数の膜厚センサ８，９により測定された複数の膜厚測定値であるｔ１，ｔ２及び既知の値であるθ１，θ２を用いて、（４）式によりλを算出する。さらに算出部１０は、既知の値であるＡ、ｔ１、ｔ２、θ１、θ２、及び算出したλを用いて、（２）式又は（３）式によりワーク７上の薄膜の膜厚ｔ０を算出し、算出結果を電子ビーム電源１１に出力する。
【００３３】
電子ビーム電源１１は、算出部１０により算出された薄膜の膜厚ｔ０に応じて電子銃４に電力を供給することにより、電子ビーム５の出力を制御する。具体的には、電子ビーム電源１１は、予め目標とする膜厚値を記憶しており、算出部１０により算出された薄膜の膜厚ｔ０が所定の膜厚（目標とする膜厚値）に達した場合に、電子ビーム５の出力を停止するように制御する。これにより、本発明に係る薄膜形成装置は、所望の膜厚を有する薄膜を形成することができる。
【００３４】
また、電子ビーム電源１１は、予め目標とする蒸着レートを記憶しており、算出部１０により算出された薄膜の膜厚ｔ０の所定時間毎の増加量が所定の蒸着レート（目標とする蒸着レート）に一致するように電子ビーム５の出力を制御する。すなわち、電子ビーム電源１１は、算出部１０により算出された薄膜の膜厚ｔ０の所定時間毎の増加量が目標とする蒸着レートに達していない場合には、電子ビーム５の出力を上げて目標とする蒸着レートに達するように制御する。逆に、電子ビーム電源１１は、算出部１０により算出された薄膜の膜厚ｔ０の所定時間毎の増加量が目標とする蒸着レートを超えている場合には、電子ビーム５の出力を下げて目標とする蒸着レートに一致するように制御する。
【００３５】
なお、本実施例においては、電子ビーム電源１１が制御部として電子ビーム５の出力を制御するとしたが、当然のことながら算出部１０が本発明の制御部の役割を担う構成でもよい。その場合には、算出部１０は、予め目標とする膜厚値あるいは蒸着レートを記憶しており、自己が算出した膜厚ｔ０に応じて電子ビーム電源１１の電力供給を制御することにより、目標とする膜厚値あるいは蒸着レートを達成するように電子ビーム５の出力を制御する。
【００３６】
上述のとおり、本発明の実施例１の形態に係る薄膜形成装置によれば、異なる角度に複数の膜厚センサ８，９を備えているので、蒸発した蒸着材料３の蒸気流密度分布を正確に把握し、蒸着レート及び薄膜の膜厚制御を行うことができる。これは、従来の薄膜形成装置が蒸気流密度分布の余弦則におけるλの値を固定として薄膜の膜厚を算出していたため、実際のλの値が変動した場合に算出した膜厚値に誤差が生じていたのに対し、本発明の薄膜形成装置は、異なる角度に複数の膜厚センサ８，９を備えているため、（４）式により変動するλの値を正確に算出することができるからである。
【００３７】
したがって、材料供給機構を設けるのが材質的あるいはコスト的に困難な蒸着材料３を用いて蒸着による薄膜形成を行う場合に本発明は特に有効である。例えば連続的にワーク７の供給、排出を行い蒸着による薄膜形成を行う際に、蒸着材料３を供給せずに連続して成膜を行うことにより蒸着材料３が減少して蒸発面の高さが低下したとしても、本発明の薄膜形成装置は、膜厚センサ８，９の測定値と実膜厚のずれを補正し、ワーク７上に成膜された薄膜の正確な膜厚を把握して蒸着レート及び薄膜の膜厚制御を行うことができるので、蒸着材料３の材料供給機構が不要であり、装置の複雑化を回避してコストを抑制することができるとともに安定した成膜を実現できる。
【００３８】
また、特許文献１に記載のような成膜工程中に蒸発源及び成膜基板の面内分布を常時監視するための複雑な機構が不要であり、簡易な構成で薄膜の膜厚制御が可能である。
【００３９】
また、複数の膜厚センサ８，９の各々は、いずれも蒸発源１における蒸着材料３を収納する部分の中心点からの距離が等距離（ｒ１＝ｒ２）であるため、（２），（３）、（４）式を計算する際に距離が異なる場合に比して誤差が入り込む余地が少なく、正確にλを計算して蒸気流密度分布を把握することができる。
【００４０】
なお、本実施例においては、ワーク７は、蒸発源１の垂直上方にあるものとして説明したが、必ずしも蒸発源１の真上にある必要はない。本発明における薄膜形成装置は、膜厚センサを複数設けることにより、蒸気流密度分布の様子を把握することが可能であるため、ワーク７が蒸発源１の斜め上方に設けられていたとしても、当該蒸気流密度分布の様子からワーク７の表面上に成膜される薄膜の膜厚を算出することは可能だからである。
【実施例２】
【００４１】
本発明の実施例２に係る薄膜形成装置は、図１，２に示す実施例１の構成と同様であり、重複した説明を省略する。実施例１と異なる点は、膜厚センサ８と蒸発源１における蒸着材料３を収納する部分の中心点との距離ｒ１と、膜厚センサ９と当該中心点との距離ｒ２とが異なる値を有する点のみである。すなわち、本実施例においては、ｒ１≠ｒ２であるものとする。
【００４２】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。蒸気流密度は、距離の自乗に反比例するため、膜厚についても同様に距離の自乗に反比例するといえる。したがって、本実施例においては、以下に示す（５）式を（３）式の代わりに使用し、（６）式を（４）式の代わりに使用する。
【数４】
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【００４３】
ここで、ｔ２→１は、距離ｒ２の膜厚センサ９により測定された測定値ｔ２を、距離ｒ１で測定した場合に換算した値である。
【００４４】
まず、ワーク７上に形成される薄膜の膜厚ｔ０と膜厚センサ８，９により測定される自己に堆積した蒸着材料３の膜厚の測定値ｔ１，ｔ２との関係は、（２），（５）式により表される。（５）式に示すように、膜厚センサ９により測定された測定値ｔ２に対して（ｒ２／ｒ１）２を乗じることによりｔ２→１を求めることができる。
【００４５】
後は実施例１と同様に、ｔ０，ｔ１，ｔ２→１及び膜厚センサ８，９の位置に基づく角度θ１，θ２の値を式（２），（５）に代入することによりＡの値を求めることができる。なお、その際のλの値は、（６）式により求めることができる。
【００４６】
次に実際の薄膜形成過程における本発明の動作も膜厚センサ９により測定された膜厚測定値ｔ２が算出部１０に出力されるまでは実施例１と同様である。
【００４７】
算出部１０は、入力されたｔ２に基づきｔ２→１を算出し、その後、ｔ１，ｔ２→１及び既知の値であるθ１，θ２を用いて、（６）式によりλを算出する。さらに算出部１０は、既知の値であるＡ、ｔ１、ｔ２→１、θ１、θ２、及び算出したλを用いて、（２）式又は（５）式によりワーク７上の薄膜の膜厚ｔ０を算出し、算出結果を電子ビーム電源１１に出力する。
【００４８】
その後の動作は、実施例１と同様であるため、重複した説明を省略する。
【００４９】
上述のとおり、本発明の実施例２の形態に係る薄膜形成装置によれば、実施例１の効果に加え、薄膜形成のための減圧環境を提供する真空槽の形状等により膜厚センサ８，９の設置位置に制限があり、両膜厚センサを蒸発源１から等距離に設置することが困難であるような場合においても、問題無く蒸気流密度分布を把握し、ワーク７上に形成される薄膜の膜厚制御を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、電子ビーム蒸着により薄膜を形成する薄膜形成装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施例１の形態の薄膜形成装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例１の形態の薄膜形成装置の各構成の位置関係を示すブロック図である。
【図３】蒸発源から放出される蒸気流の蒸気流密度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…蒸発源、２…ルツボ、３…蒸着材料、４…電子銃、５…電子ビーム、６…蒸気流、７…ワーク、８…膜厚センサ、９…膜厚センサ、１０…算出部、１１…電子ビーム電源。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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