CN101078106A - 光学薄膜厚度控制方法及装置,绝缘多层薄膜及制造装置 - Google Patents

Abstract

为提供一种以高精确性控制诸如光学薄膜之类的绝缘多层薄膜的薄膜厚度的方法，可以基于同一方法控制薄膜厚度的光学薄膜厚度控制装置和绝缘多层薄膜制造装置，和使用该控制装置或制造装置制造的绝缘多层薄膜。光学薄膜厚度控制装置包括：薄膜形成设备15，该设备具有可旋转的衬底23和喷溅目标28；光电二极管16，用于检测以预先确定的间隔沿着半径应用到可旋转的衬底的多个单色光束；以及A/D转换器17，其中在衬底23和目标28之间提供可移动的遮光器29，它沿着可旋转的衬底23的半径的方向移动，以关闭衬底23上的薄膜形成。从光电二极管16和A/D转换器17检测出的每一个单色光束中，由最小二乘法计算出倒透射率的二次回归函数。CPU 18和马达驱动器19，它们基于当最新的表面层薄膜达到预先确定的光学薄膜厚度时薄膜增长时间的每一个预测值指示可移动的遮光器的动作，移动该可移动的遮光器29以关闭已经达到预先确定的光学薄膜厚度的薄膜形成区域的薄膜形成。

Description

光学薄膜厚度控制方法及装置，绝缘多层薄膜及制造装置

本分案申请是基于申请号为03108229.7，申请日为2003年03月25日，发明名称为“光学薄膜厚度控制方法及装置，绝缘多层薄膜及制造装置”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及在形成薄膜时控制光学薄膜的薄膜厚度的方法，具体来说，涉及根据光学技术，用于执行该方法的控制薄膜厚度的装置，以及制造主要用作光学薄膜并可以在形成期间以高精确性控制厚度的绝缘多层薄膜的装置。光学薄膜已经在各种光学部件或元件中广泛应用，如波导管、衍射光栅、光发射器、指示器、光存储器和太阳能电池。具体来说，就用于涉及光学通信的通信技术领域中的密集波分复用设备的光学薄膜而论，使用多层薄膜制造的趋势已经越来越明显。相应地，以高精确性控制多层光学薄膜结构中的每一层薄膜的光学薄膜厚度已经变得非常重要。

背景技术

在薄膜的增长期间测量薄膜的薄膜厚度对于控制沉积速率和薄膜厚度非常重要。就光学薄膜而论，用于确定诸如反射率和透射率之类的光学属性的光学薄膜厚度(折射率和物理薄膜厚度的乘积)比物理薄膜厚度更有用。因此，广泛地监视光学薄膜厚度，其做法是根据一种测量薄膜的光学属性的所谓的光学薄膜厚度控制方法在薄膜的增长期间测量薄膜的光学属性。光学薄膜厚度控制方法包括单色测光法、二色测光法和多色测光法。在这些光学薄膜厚度控制方法中，最简单的是单色测光法。

单色测光法涉及使用在正在形成的薄膜的光学薄膜厚度达到λ/4(λ：入射单色光的波长)的整数倍时出现的峰值(以及谷底，在下文中，每一个值都分别相当于最大值和最小值)。在开始增长之后在正在形成的薄膜的光学薄膜厚度首次达到λ/4的整数倍时如果在其涂覆表面堆积了正在形成的最新的表面层薄膜的衬底一侧的相邻层的光学薄膜厚度不等于λ/4的整数倍，或者如果包括相邻层的系统的导纳(admittance)不能以数学实数显示，这样的峰值并不总是出现。然而，在此类情况下，一旦峰值已经出现，它就会在光学薄膜厚度的增长周期定期出现，与λ/4的整数倍一致。

然而，在单色测光法中，上述涉及使用出现的峰值进行峰值控制的传统的方法原则上不能避免某种程度的控制精确性的下降，因为在峰值的邻近处光强度相对于光学薄膜厚度的提高而变化很小。

可以通过使用干涉滤光片来改进精确性，该干涉滤光片的波长稍微不同于用于在光强度显著变化的峰值邻近处之外的一个点控制薄膜形成终止的波长。作为这种类型的方法，可以测量作为一种光学属性的光强度(倒透射率(reciprocal transmittance))，以选择一种提供增长光学薄膜厚度的高控制精确性的光学相位角区，从而确定薄膜形成终止时间点(例如，参见专利对比文件1)。

另一方面，在专利对比文件2的技术中，例如，通过使用预期的波长来使用传统的单色测光法。根据此方法，就在测量的光强度(透射率)响应光学薄膜厚度的λ/4的整数倍的增长而形成一个峰值的紧前面获得的测量的数据组通过最小二乘法回归到二次函数。可以形成回归函数的峰值的时间点被预测，以相应地确定薄膜形成终止时间。在优选情况下，时间是预测的点本身，但如果要考虑特定条件，参考预测的点作为时间点基础来判断时间。

专利对比文件1：Japanese Patent Laid-Open No.S58-140605(第2至3页，图1)

专利对比文件2：Japanese Patent Laid-Open Ne.S63-28862(第2至6页，图1和2)

发明内容

如上文所述，在通信领域形成具有多层的光学薄膜的需求越来越旺盛。具体来说，密集波分复用设备(例如，带通滤波器)中的多层光学薄膜可能包含100或100以上的层数。可以形成具有交替层的多层结构，包含高折射率的层和低折射率的层，每一层都具有等于λ/4的奇数倍的光学薄膜厚度(对于带通滤波器，可以通过高折射率层或低折射率层形成一个空腔层，在交替层之间具有λ/4的偶数倍的光学薄膜厚度)。在这种情况下，涉及通过替换与其关联的监视器衬底控制多层结构中的每一层薄膜的薄膜厚度的普通方法是不实用的，因为需要的处理变得十分复杂。

如此，包含类似于产品薄膜的许多交替层的多层结构可以在监视器衬底上堆积，并可以相应地监视多层结构。然而，在这种情况下，随着堆积的层数的增多，增长的多层结构的反射率提高，即，它的透射率逐步降低，如此测量的值的可靠性也降低。因此，如果执行上文描述的函数回归，在二次回归函数中的峰值邻近处离开函数曲线绘制透射率的测量值，具体来说，如此，其关联变得较低。因此，薄膜厚度很难以高精确性加以控制。此外，在精确性方面，还有一个问题，即监视器衬底上要监视的多层结构中的所有构成薄膜是否可以是产品薄膜的各层的准确的复制。

因此，就具有多层的光学薄膜而论，薄膜厚度通常通过直接监视方法进行控制，在该方法中监视产品衬底上堆积的许多交替层本身。图1显示了直接监视方法的薄膜厚度控制装置的示例。如图1(a)所示，电子枪2和离子枪3并排放置，面对真空室1中的可旋转的衬底4，光发射器5放置于室1的外面可旋转的衬底4对面，光发射器5发射出的光沿着可旋转的衬底4的旋转轴4a穿过下通光窗口6和上通光窗口7，并由位于室1外面的光接收器8接收。在根据该装置的薄膜厚度控制中，产品衬底4由驱动马达9旋转，一个来自光发射器5的监视单色光通量沿着旋转轴4a穿过下通光窗口6。在这种状态下，遮光器(shutter)2a打开，以通过电子枪2在产品衬底4上形成堆积的薄膜。此时，光接收器8检测由于通过下通光窗口6和上通光窗口7的干扰而产生的光强度的变化。然后，基于光强度的变化控制正在形成的堆积薄膜的薄膜厚度。即，根据专利对比文件1或2中描述的薄膜厚度控制方法判断薄膜形成终止时间点。然后，由遮光器2a关闭使用电子枪2的薄膜形成过程，以终止薄膜厚度的增长。如此，在产品衬底的中心附近产生具有满意的光谱特性的绝缘多层薄膜。

然而，还是在这种情况下，随着堆积的层数的增多，增长的多层结构的反射率提高，即，它的透射率逐步降低，测量值的可靠性也降低，这将导致与监视器衬底的情况相同的缺点。这种影响是严重的，特别是在以包含高折射率薄膜λ/4和低折射率薄膜λ/4的大量的交替层制成的窄带带通滤波器中。此外，随着堆积的交替层的数量增大，甚至在峰值和谷底的附近，将绘制一个偏离二次回归函数的表示发射的光强度变化的曲线，该光强度随着薄膜厚度的增大而变化，薄膜厚度变得难以以高精确性加以控制。图2显示了二次回归函数的折断。当发射的光的强度降低时(即，低折射率层L上的高折射率层H是最新的表面层)，并且当发射的光的强度增大时(即，高折射率层H上的高折射率层H是最新的表面层)，二次函数回归预测的峰值和谷底位置变得显著不同，这导致严重的分散误差。因此，存在这样的问题：当发射的光的强度降低时，预测的薄膜形成终止时间点太早，而当发射的光的强度增大时，预测的薄膜形成终止时间点太晚。

鉴于此类问题，本发明的一个目的是提供一种以高精确性控制诸如光学薄膜之类的绝缘多层薄膜的薄膜厚度的方法，可以基于同一方法控制薄膜厚度的光学薄膜厚度控制装置，和绝缘多层薄膜制造装置，和使用该控制装置或制造装置制造的绝缘多层薄膜。

为了达到此目的，根据本发明，在形成单层或多层光学薄膜的时段内，入射的单色光(波长λ)通过单层或多层结构传输，测量光学薄膜的透射率，透射率的倒数被适当地定义为倒透射率。

这里，从结构的边界条件(即，电场或磁场的每一个切向分量B或C分别是连续的)，使用单层薄膜的特征矩阵，由下列公式(1)表达系统的导纳C/B。

[公式1]

$\left[\begin{array}{c}B\\ C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& i/N\sin \mathrm{\θ}\\ \mathrm{iN}\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}1\\ Y\end{array}\right]---\left(1\right)$

在此公式中，N表示单层薄膜的折射率，θ表示单层薄膜上不同界面之间的相位差，Y表示衬底系统的透射力。

单层薄膜的透射率T由下列公式(2)表达，其中符号*表示复共轭。

T＝4Y/(B+C)(B+C)^*…(2)

因此，从公式(1)和(2)推导出下列公式(3)。

T＝4Y/[(1+Y)²+{(Y/N+N)²-(1+Y)²}sin²θ]        …(3)

这里，假设空气或真空的折射率是1。

此外，在本发明中，光学相位角θ由下列公式(4)表达，涉及单色光的波长λ和正在堆积的最新增长的表面层薄膜的光学薄膜厚度Nd(N表示薄膜的折射率，d表示薄膜的物理厚度)。

θ＝2πNd/λ            …(4)

此外，对于最小二乘法，两个变量的测量的数据组，即，与光学薄膜厚度的增大关联的表面层薄膜的薄膜增长时间(t)和倒透射率(1/T)，在测量的数据组达到最大值或最小值以便提供下列公式(5)的二次回归函数之前，被回归到二次函数，其中A₀和B₀是常数，t_p表示在达到最大值或最小值时薄膜增长时间。

1/T＝A₀+B₀(t-t_p)²    …(5)

为了达到回归函数的较高的关联，期望对在接近函数曲线的最大值或最小值的表面层薄膜的光学薄膜厚度达到等于最大值或最小值的λ/4(λ：单色光的波长)的薄膜厚度的最后大约25到10％时的时间点和该时间点之后采样的测量的数据组执行函数回归。

同时公式(3)被转变成下列公式(6)，

1/T＝(1+y)²/4Y+{(Y/N+N)²-(1+Y)²}sin²θ/4Y  …(6)

当最新的表面层薄膜的增长开始时的时间点处的最新的表面层薄膜的透射率T₀，以及当它的光学薄膜厚度达到λ/4时的时间点处的最新的表面层的透射率T₉₀分别由下列公式(7)和(8)表达。

T₀＝4Y/(1+Y)²     …(7)

T₉₀＝4Y/(Y/N+N)²  …(8)

如果导纳Y是实数，那么将从这些公式推导出下列公式(9)。

(1/T₀-1/T)/(1/T₀-1/T₉₀)＝sin²θ          …(9)

如此，倒透射率可以表示成只依赖于光学相位角的函数。

基于上文描述的干涉理论，倒透射率每隔相当于单色光波长的1/4的光学薄膜厚度的间隔周期性地分布，在倒透射率的最大值和最小值的附近，由公式(9)展开式而推导出来的倒透射率的函数(θ作为变量，sin²θ也涉及该函数)可以近似于二次函数。因此，作为当获得最大或最小光学薄膜厚度时薄膜增长时间的预测值，可以使用二次回归函数在最大值或最小值时的薄膜增长时间。通过在预测时间终止表面层薄膜的薄膜形成，可以控制光学薄膜厚度到相当于单色光波长的1/4。

这样的光学薄膜厚度控制方法是简单的，因为与薄膜产品的结构相同的整个多层结构的光学属性可以一次地测量，并相应地执行峰值控制。此外，由于峰值预测是基于高关联的二次函数回归执行的，因此薄膜厚度可以以高精确性加以控制。

在这种情况下，表面层薄膜的光学薄膜厚度可以基于由如上文所述的公式(9)展开式推导出来的倒透射率的函数计算出来。因此，可以通过预测当达到具有最新的表面层薄膜的沉积速率的光学薄膜厚度的目标值时表面层薄膜的增长时间，将光学薄膜厚度控制到预期的值，沉积速率可以用其时间微分和其时间差分适当定义出。即，要控制的光学薄膜厚度不限于相当于单色光波长的1/4的厚度，而是可以预测任何光学薄膜厚度。

此外，由于随着光学薄膜的形成所附带的透射率在产品衬底上测量，可以执行产品薄膜的原地测量，即，最新的表面层薄膜的光学薄膜厚度的直接监视方法。如此，该光学薄膜厚度控制方法在处理过程和它的精确性方面得到进一步的改进。

为了执行上文描述的光学薄膜厚度控制方法，提供了一种光学薄膜厚度控制装置，该装置包括薄膜形成设备，该设备具有可旋转的衬底和薄膜材料源，它们两者彼此相对，以及一种光电转换设备，用于检测以预先确定的间隔沿着半径施加到可旋转的衬底的许多单色光束，在衬底和薄膜材料源之间提供了可移动的遮光器，它沿着可旋转的衬底的半径的方向移动，以关闭衬底上的薄膜形成。光学薄膜厚度控制装置的被设计成使可移动的遮光器响应控制器而移动，控制器基于用光电转换设备检测的单色光束预测的薄膜增长时间的每一个预测值指明遮光器的动作。如此，可以根据上文描述的光学薄膜厚度控制方法预测当达到计划的光学薄膜厚度时表面层薄膜的薄膜增长时间。在表面层薄膜上，薄膜形成过程在薄膜已经增长到计划的光学薄膜厚度的区域内终止，并且薄膜形成过程的这样的终止是连续地执行的。如此，可以以高精确性控制薄膜厚度，以使薄膜厚度能均匀地分布。

此外，在当前的光学通信市场上，用于DWDM系统的多路复用器/信号分离器中的窄带带通滤波器要求一组由ITU-T(国际电信联盟-电信标准化部门)确定的各种，例如，4、8、16，…，128的中心波长而设计的带通滤波器。如此，需要同时并大量地制造以各种波长为中心的滤波器。

然而，在图1所示的多层薄膜制造装置中，监视单色光通量只沿着旋转中心轴穿过。因此，直接监视方法只在图1(b)中的引用数字10表示的中心区域内有效。从引用数字11表示的远离衬底的中心的衬底区域内提供的光学薄膜产品，由于蒸发分布的波动，产品衬底和蒸发源之间的相对距离的差异，产品衬底表面等等的温度不均匀，波长属性等等经常会变化，因此，在直接监视方法中使用的监视波长的属性不令人满意。

因此，所应用的穿过衬底的监视单色光通量的位置可能从旋转中心轴转移到旋转衬底区域内的同心圆的圆周上的某一点，在沿着圆周形成的环形带区形状区域可以用作直接监视方法的有效区域。然而，在这种情况下，有效的区域面积只能获得小小的改善。在直接监视方法的监视单色光通量穿过衬底的区域，甚至当正好在最新的表面层之前形成的层的薄膜厚度以较低的精确性控制时，如果下面最新的表面层的终止薄膜形成的时间点可以正好在峰值和谷底加以控制，误差得到自然地被纠正，误差也会相应地减少。因此，为了获得高品质的光学薄膜产品，由于可以给监视区域带来显著的优点，放大该区域是非常重要的。

因此，根据本发明的一个绝缘多层薄膜制造装置的真空室具有薄膜材料源和反应源，每一个源都并排放置以面对可旋转的衬底，一个绝缘多层薄膜制造装置包括：薄膜沉积速率控制部件，它具有一个开口，用于沿着旋转衬底圆周的半径提供一个梯度到所说的可旋转的衬底上形成的绝缘多层薄膜的薄膜沉积速率；薄膜厚度纠正部件，用于纠正所说的可旋转的衬底上形成的绝缘多层薄膜的薄膜厚度，该薄膜沉积速率控制部件和薄膜厚度纠正部件在可旋转的衬底和薄膜材料源之间提供；光强度测量装置，用于测量沿着所说的可旋转的衬底的半径穿过多个监视点的监视单色光的强度；以及一个控制系统，用于以与沿着所说的半径的监视点的位置关联的单色光通量的波长的递增或递降的次序排列至少两个波长的监视单色光通量，以使光通量穿过相应的监视点，并可以响应由所说的光强度测量装置测量的光强度的变化移动所说的薄膜厚度纠正部件。

在此装置中，单色光通量以与沿着半径的监视点的位置关联的波长的递增或递降的次序排列，以使不同波长的监视单色光通量穿过相应的监视点。

这里，nd/λ的值以升序排列，其中λ是穿过可旋转的衬底上的监视点的监视单色光通量的监视波长，而监视点是从衬底的外周边到内周边沿着半径排列的。在监视单色光通量以这样的方式排列的情况下，当取决于绝缘多层薄膜的最新的表面层的薄膜厚度的增大的光强度由光强度测量装置检测，由薄膜沉积速率控制部件的开口引起的薄膜沉积速率的梯度沿着旋转衬底圆周的半径从外周边到内周边降低，在向其分配了较短的监视波长的旋转衬底圆周的外周边的监视点较早地形成峰值。因此，绝缘多层薄膜的薄膜厚度的增大可以通过响应此情况将薄膜厚度纠正部件从旋转衬底圆周的外周边移动到内周边来加以纠正。即，绝缘多层薄膜的最新的表面层薄膜的薄膜厚度可以高精确性加以控制。此外，由于至少一个波长的单色光用作监视光通量，可以通过用各种监视波长的直接监视方法控制薄膜厚度来制造绝缘多层薄膜。

上文描述的薄膜厚度纠正部件的运动的方向不一定仅限于从旋转衬底圆周的外周边到内周边的方向。nd/λ的值是这样排列的，以使λ从较长的波长向较短的波长变化，即，以递降的次序排列，其中λ是穿过可旋转的衬底上的监视点的监视单色光通量的监视波长，同时监视点是从衬底的外周边到内周边沿着半径排列的。在这种情况下，当取决于绝缘多层薄膜的最新的表面层的薄膜厚度的光强度由光强度测量装置检测，薄膜沉积速率控制部件的开口引起的薄膜沉积速率的梯度沿着旋转衬底圆周的半径从外周边到内周边增大，在向其分配了较短的监视波长的旋转衬底圆周的内周边的监视点较早地形成峰值。因此，绝缘多层薄膜的薄膜厚度的不均匀性可以通过响应此情况将薄膜厚度纠正部件从旋转衬底圆周的内周边移动到外周边来加以纠正。

在所说的可旋转的衬底的半径的方向上可移动的遮光器用作薄膜厚度纠正部件，通过移动可移动的遮光器沿着半径以上文描述的递增或递降的次序关闭在可旋转的衬底上的薄膜形成过程。

相应地，为了获得穿过监视点的不同波长的每一个单色光的以环形带区形状形成的相同质量的绝缘多层薄膜，可以在相同的条件下关闭薄膜形成过程。因此，可以大规模地生产各种高品质的绝缘多层薄膜，它们是从环形带区形状监视区域获得的。

此外，通过绝缘多层薄膜制造装置的控制系统，由光强度测量装置测量的光强度的变化，是当包括至少一个波长的监视单色光通量在可旋转的衬底上的绝缘多层薄膜的形成时段内穿过多个监视点中的每一点时首先作为透射率的变化测量的，透射率的倒数被适当地定义为倒透射率。

基于上文描述的干涉理论，倒透射率每隔相当于单色光波长的1/4的光学薄膜厚度的间隔周期性地分布，在倒透射率的最大值和最小值的附近，由公式(9)展开式而推导出来的倒透射率的函数(依赖于变量θ的以sin²θ表示的函数)可以近似于二次函数。因此，作为达到最大或最小光学薄膜厚度时最新的表面层薄膜的预测时间，可以使用二次回归函数在最大值或最小值时的薄膜增长时间。表面层薄膜的薄膜形成在预测的时间终止。在此过程中，由于峰值控制是基于高关联的二次函数回归执行的，因此达到相当于单色光波长的1/4的光学薄膜厚度的控制精确性进一步改进。

在这种情况下，表面层薄膜的光学薄膜厚度可以基于由如上文所述的公式(9)的展开式推导出来的倒透射率的函数计算出来。因此，时间微分或时间差分可以作为最新的表面层薄膜的薄膜沉积速率计算出，可以基于薄膜沉积速率预测最新的表面层薄膜达到预先确定的光学薄膜厚度时的时间。如此，可以预测和控制预期的光学薄膜厚度。即，要控制的光学薄膜厚度不限于相当于单色光波长的1/4的厚度，而是可以控制任何光学薄膜厚度。

此外，作为上文描述的制造装置的备选方案，根据本发明的另一种绝缘多层薄膜制造装置具有一个用于制造的真空室，该真空室具有薄膜材料源和反应源，每一个源都并排放置以面对可旋转的衬底，并包括：薄膜沉积速率控制部件，它具有一个开口，用于控制所说的可旋转的衬底上形成的绝缘多层薄膜的薄膜沉积速率；薄膜厚度纠正部件，它具有一个开口，用于纠正所说的可旋转的衬底上形成的绝缘多层薄膜的薄膜厚度，薄膜沉积速率控制部件和薄膜厚度纠正部件在所说的可旋转的衬底和所说的薄膜材料源之间提供；光强度测量装置，用于测量沿着所说的可旋转的衬底的半径穿过许多监视点的监视单色光的强度；以及一个控制系统，用于响应当一种或多种波长中的每一个监视单色光通量穿过所说的监视点时所说的光强度测量装置测量的光强度的变化来独立地部分地启动所说的薄膜厚度纠正部件的开口。

通过此装置，取决于绝缘多层薄膜的最新的表面层的薄膜厚度的增大的光强度由光强度测量装置检测，薄膜厚度纠正部件的开口响应光强度打开或关闭，从而可以纠正绝缘多层薄膜的薄膜厚度的增大。即，绝缘多层薄膜的最新的表面层薄膜的薄膜厚度可以以高精确性加以控制。此外，在此过程中，由于至少一个波长的单色光用作监视光通量，可以通过用各种监视波长的直接监视方法控制薄膜厚度来制造绝缘多层薄膜。

作为部分地并独立地打开或关闭薄膜厚度纠正部件的控制系统，使用分离式遮光器，它们独立地打开或关闭沿着同心圆的圆周形成的弧形区域，该圆周是当可旋转的衬底旋转时由每一个监视点的踪迹绘制的。

相应地，为了获得穿过监视点的不同波长中的每一个单色光通量以每一个弧形形状形状的相同质量的绝缘多层薄膜，可以在相同的条件下关闭薄膜形成过程。因此，可以大规模地生产各种高品质的绝缘多层薄膜，它们是从弧形监视区域获得的。

此外，通过绝缘多层薄膜制造装置的控制系统，由光强度测量装置测量的光强度的变化，是当包括至少一个波长的监视单色光通量在可旋转的衬底上的绝缘多层薄膜的形成时段内穿过许多监视点中的每一点时首先作为透射率的变化测量的，透射率的倒数被适当地定义为倒透射率。

基于上文描述的干涉理论，倒透射率每隔相当于单色光波长的1/4的光学薄膜厚度的间隔周期性地分布，在倒透射率的最大值和最小值的附近，由公式(9)展开式而推导出来的倒透射率的函数(依赖于变量θ的以sin²θ表示的函数)可以近似于二次函数。因此，作为达到最大或最小光学薄膜厚度时最新的表面层薄膜的预测时间，可以使用二次回归函数在最大值或最小值时的薄膜增长时间。表面层薄膜的薄膜形成在预测的时间终止。在此过程中，由于峰值控制是基于高关联的二次函数回归执行的，因此达到相当于单色光波长的1/4的光学薄膜厚度的控制精确性进一步改进。

在这种情况下，表面层薄膜的光学薄膜厚度可以基于由如上文所述的公式(9)的展开式推导出来的倒透射率的函数计算出来。因此，通过检测最新的表面层薄膜达到的预先确定的光学薄膜厚度，可以将薄膜厚度控制到预期的光学薄膜厚度。即，要控制的光学薄膜厚度不限于相当于单色光波长的1/4的厚度，而是可以控制任何光学薄膜厚度。

在两个绝缘多层薄膜制造装置中，为了使任何目标都可以选择而提供的至少两个不同的材料的喷溅目标用作薄膜形成源。如此，可以选择预期的目标材料作为绝缘多层薄膜中的每一个构成层的材料，因此，多层薄膜制造也得到改进。

当金属Ta和金属Si被用作喷溅目标的不同的材料，可以制造诸如Ta₂O₅薄膜之类的钽复合薄膜(它是包括BPF的光学薄膜产品的常见的高折射率层)和诸如SiO₂薄膜之类的硅复合薄膜(它是光学薄膜产品的常见的低折射率层)。

当反应源发出反应性的中性基气体时，当如上文所述的复合薄膜在表面层薄膜上形成时，衬底的温度的提高被抑制。结果，控制光学薄膜厚度的精确性的下降得到抑制。

此外，使用上文描述的光学薄膜厚度控制装置或绝缘多层薄膜制造装置制造的绝缘多层薄膜可以具有精确控制的光学薄膜厚度，因此，它适合于光学薄膜应用。

附图说明

图1(a)是用于直接监视方法的传统的绝缘多层薄膜制造装置的示意剖面图；

图1(b)是显示在图1(a)中所示的制造装置中使用的衬底上的光学属性区的原理性图表；

图2是显示根据传统的光学薄膜厚度控制方法的二次回归函数的偏差；

图3概要地显示了根据本发明的光学薄膜厚度控制装置；

图4是一个光学信号测量图形，显示了当由Ta₂O₅制成的单层薄膜通过使用图3所示的光学薄膜厚度控制装置形成时光电二极管检测的光的8个通道的倒透射率的值；

图5是一个显示图4中的每一个光学信号之间关联以及当达到光学信号的峰值时的预测时间的图形，该图回归到一个三次函数；

图6(a)是根据本发明的绝缘多层薄膜制造装置的示意剖面图；

图6(b)是显示图6(a)中的制造装置中的衬底的顶视图和监视点的位置；

图6(c)是图6(a)中所示的制造装置的顶视图；

图7(a)是根据本发明的绝缘多层薄膜制造装置的示意剖面图；

图7(b)是显示在图7(a)中所示的制造装置中的衬底和分离式(split)遮光器的顶视图；

图7(c)是图7(a)中所示的制造装置的顶视图；

图8是示例2中的由Ta₂O₅薄膜(H)和SiO₂薄膜(L)构成的多层薄膜的透射率的二次函数回归和多层薄膜的倒透射率的二次函数回归之间的精确性比较的图形；

图9是示例3中制造的由Ta₂O₅薄膜构成的单层薄膜的透射率的二次函数回归和单层薄膜的倒透射率的二次函数回归之间的基于回归范围的精确性比较的图形；

图10显示了示例4中制造的带通滤波器的频谱；

图11是显示示例5中提供的衬底上的光学属性区域的原理性图表；

图12是显示了示例5中的可移动的遮光器的启动的图形；

图13是显示了示例5中提供的中带带通滤波器的光谱透射率属性的图形；

图14是显示了示例6中提供的窄带带通滤波器的光谱透射率属性的图形；

图15是显示示例7中提供的抗反射薄膜的光谱反射率属性的图形；

图16是显示示例8中提供的衬底上的光学属性区域的原理性图表；

图17是显示了示例8中提供的中带带通滤波器的光谱透射率属性的图形；

图18是显示了示例9中提供的窄带带通滤波器的光谱透射率属性的图形；以及

图19是显示示例10中提供的抗反射薄膜的光谱反射率属性的图形。

具体实施方式

图3概要显示了执行根据本发明的光学薄膜厚度控制方法的光学薄膜厚度控制装置。光学薄膜厚度控制装置包括可调的激光源12、8分支光纤耦合器13、8线(throw)光纤准直器14、喷溅薄膜形成设备15、由InGaAs制成的8线光电二极管16、8通道A/D转换器17、用于进行数据处理的CPU 18和线性马达驱动器19。

可调的激光源12通过单模光纤电缆20与光纤耦合器13相连接，光纤耦合器13通过单模光纤电缆21与纤维准直仪14相连接。来自激光源12的光被光纤耦合器13分成八个光束。然后，光纤准直仪14使八个光束彼此平行，然后，光束穿过喷溅薄膜形成设备15的透明窗口22和可旋转的衬底23到达光电二极管16。用于进行数据处理的CPU 18和线性马达驱动器19通过诸如RS232C之类的输出/输入接口31彼此相连接。

喷溅设备15具有连接到真空泵(在图中未显示)的排气口25。在喷溅设备中，由旋转的驱动机构26驱动的旋转轴27支持的可旋转的衬底23和安装在喷溅阴极(图中未显示)上的目标28彼此相对放置。在可旋转的衬底23和目标28之间提供了可移动的遮光器29，它可以在衬底23的半径方向上移动。插入在衬底23和目标28之间的此遮光器29能使衬底23上的薄膜形成过程关闭。可移动的遮光器29的运动响应来自线性马达驱动器19的指示在外部受线性马达30的控制。

在通过使用薄膜厚度控制装置执行根据本发明的薄膜厚度控制时，连接到排气口25的真空泵(图中未显示)首先被激活，以使喷溅薄膜形成设备15被激活。然后，可调的激光源12被激活，以用上文描述的八个平行光束照射可旋转的衬底23。在此状态中，设备15启动喷溅薄膜形成。这里，此时间点被定义为薄膜的薄膜形成时间的开始点。

已经穿过衬底23的八个平行光束中的每一个都被光电二极管16转换成电压信号。电压信号被A/D转换器17转换成数字信号。数字信号被输入到用于进行数据处理的CPU 18，在那里，信号被回归到一个二次函数，该函数具有一个定义域，该定义域基于公式(5)相当于薄膜形成时间的70％到90％。

图4显示了光电二极管16检测的八个光学信号的倒透射率的曲线。从图4可以看出，假设应用到衬底23的平行光束被光电二极管16基于它们相应的感应位置分配了连续的编号(1到8)，即，在衬底23的半径的方向上从外到内，从形成了80％的薄膜时的时间点大约120秒钟之后八个平行光束以此顺序达到峰值(最大值)。这里，倒透射率曲线达到峰值的时间点可以被视为正在形成的薄膜具有预期的光学薄膜厚度的时间点。

图5是一个显示了平行光束1到8的感应位置和预测峰值时间之间的关系的图形，假设图4中的光束1达到峰值的时间是零点。该图形中的实线是从回归推导到平行光束1到8(感应位置编号)和它们相应的预测的峰值时间(峰值位置)之间的关联的三次函数。回归函数按如下方式表示：

y＝-0.0227x³+0.4204x²+1.8345x-2.1685            …(10)

公式(10)的微分提供了下面的公式(11)。

y＝0.681x²+0.8408x+1.8345             …(11)

公式(11)用作马达驱动器的速率的函数。基于该函数，图3所示的可移动的遮光器29在衬底23的半径的方向上向内移动，以逐步关闭衬底23的薄膜形成区域上的薄膜形成。

衬底23上的薄膜的光学薄膜厚度可以如此加以控制以确保薄膜厚度的均匀性。

图6(a)是根据本发明的第一方面的绝缘多层薄膜制造装置的示意剖面图。参看图6，在真空室61中，喷溅目标单元62是薄膜形成源，离子枪单元63是反应源，它们并排放置以面对可旋转的衬底64。光发射器65放置在可旋转的衬底64的上方和室61的外面。来自8通道光发射器65的八个平行单色光通量穿过上通光窗口66、可旋转的衬底64和下通光窗口67，并由位于室61外面的8通道光接收器68接收。

由光接收器68接收到的八个单色光通量通过由图形中的虚线所示的电信号线、8通道前置放大器69、8通道A/D转换器70和数字信号处理器(DSP)71与计算机72相连接。计算机72计算达到预期的薄膜厚度时的预测时间并通过基于计算出的预测时间指明薄膜形成过程终止来控制薄膜厚度，预测时间可以被视为薄膜形成过程的终止时间点。

喷溅目标单元62具有一个Ta目标74和一个Si目标15，它们可以由旋转的机构73在垂直位置上颠倒。目标74和75分别具有保护层74a和75a，喷溅气体管道76刺入由每一个保护层74a、75a环绕的空间。目标74、75中的一个(其位于另一个的上方)通过固定的开口77面对可旋转的衬底64，开口77是薄膜沉积速率控制部件。离子枪单元63由ECR离子枪79构成，具有反应性的气体管道78穿到它上面。

可旋转的衬底64由驱动马达80旋转，在可旋转的衬底64和喷溅目标单元62之间提供了一个可移动的遮光器81，它是一个薄膜厚度纠正部件。

下面将比较详细地描述可旋转的衬底64和喷溅目标单元62之间的结构。如图6(b)所示，在衬底64上，沿着衬底64的半径提供了八个监视单色光通量的通过点(监视点)82到89。这里，穿过监视点的监视光通量以这样的顺序排列，使得波长从监视点82到监视点89越来越长。

图6(c)是包括此衬底64的装置61的顶视图。在此图中，喷溅目标74、75(图中未显示)放置在底部，具有固定开口77的平面盘77a放置在喷溅目标的上方，可移动的遮光器81放置在平面盘77a的上方，可旋转的衬底64放置在可移动的遮光器81上方。上文描述的固定开口77用于控制在衬底64的监视区域上形成的薄膜的薄膜沉积速率。在此实施例中，固定开口77沿着旋转衬底圆周的一个弧形形成一个扇形区，以便旋转衬底圆周的外边缘处的薄膜沉积速率比它的内边缘的薄膜沉积速率高。通过由位于装置外面的驱动马达81a驱动的进给螺杆(图中未显示)的操作，具有弧形尖头边缘的可移动的遮光器81线性地沿着具有监视单色光通量的通过点82到89(图中未显示)的旋转衬底圆周的半径移动。此操作能使可移动的遮光器81关闭通过固定开口77执行的薄膜形成过程。可移动的遮光器81的线性运动根据来自计算机72的与光接收器68关联的指令从装置的外面进行控制。

当图6(a)所示的绝缘多层薄膜制造装置执行薄膜厚度控制时，将通过真空泵(图中未显示)的操作在室61中达到预先确定的压力状态。然后，产品衬底64由驱动马达80进行旋转。然后，来自光发射器65的八个监视单色光通量被强迫通过上通光窗口66、可旋转的衬底64和下通光窗口61穿过光接收器68。这里，八个监视单色光束包括四组两通道单色光束，这四组单色光束具有不同的监视波长，并且每一组两通道都具有相同的波长。可移动的遮光器81被放在固定开口77的外面，以使可旋转的衬底64和Ta目标74或Si目标75彼此相对而无任何阻拦。氩气通过喷溅气体管道76被注入目标74或75的附近，以及提供预先确定的阴极功率以开始喷溅薄膜形成。在此过程中，包含氧气和氩气的混合气体被注ECR离子枪79以使ECR离子枪79释放中性基氧，从而使堆积在衬底64上的包括Ta或Si的金属核素氧化。

通过有选择地采用Ta目标74和Si目标75中的一个，在产品衬底64上形成包括具有高折射率的Ta₂O₅薄膜和具有低折射率的SiO₂薄膜的交替多层薄膜。如上文所述，以高精确性控制交替多层薄膜的每一个构成层的光学薄膜厚度是非常重要的。

因此，目标74或75形成喷溅薄膜时的时间点被定义为提高薄膜厚度所需要的薄膜形成时间的开始点。作为上文描述的四个监视波长的平行光通量的八个监视单色光束-每一个光束都被分配到其中两个光通量，这些光束穿过可旋转的衬底64，然后由光接收器68接收。然后，每一个单色光束被8通道前置放大器69转换成电压信号。电压信号被8通道A/D转换器70转换成数字信号。数字信号被输入到DSP 71，在那里，信号被回归到一个二次函数，该函数的定义域基于公式(5)是薄膜形成时间的80％以外的时段。

有关当达到预期的薄膜厚度时的预测时间，该时间作为每一个监视波长的监视区域的薄膜形成终止时间点而获得，计算机72命令可移动的遮光器81移动，以使它的尖头部分覆盖在其中薄膜形成将要终止的监视区域中的监视点。如此，该监视区域的薄膜形成被关闭。

根据本发明，由于控制薄膜沉积速率和监视波长的布局的扇形的固定开口77，旋转衬底圆周的外边缘上的监视点较早地达到峰值。因此，速率由计算机72的指令控制的可移动的遮光器81从旋转衬底圆周的外边缘向内边缘方向移动。

一旦所有监视波长的监视区域上的薄膜形成用这种方式终止，目标单元62中在较低位置处于空闲状态的目标75或74被提升到较高的位置，用于形成下一表面层薄膜。然后，以如上文所述的相同方式执行下一薄膜形成。通过重复这样的峰值控制过程，每一监视区域上的层叠都独立地完成。

另一方面，随时间变化的光学薄膜厚度可以从最初的透射率、当达到下一个峰值时获得的透射率和薄膜形成过程中的透射率计算出。此外，薄膜沉积速率可以从光学薄膜厚度的微分或按固定间隔计算出的光学薄膜厚度之间的差异获得。

即，转换从公式(6)推导出来的公式(9)提供下面的公式(12)。

θ＝sin^-1[{(1-T₀-1/T_θ)/(1/T₀-1/T₉₀)}]           …(12)

例如，如果监视波长是1550nm，薄膜形成将要终止时预期的光学薄膜厚度是580nm，薄膜形成将要终止时的相位差表示成：θ＝2π*(光学薄膜厚度)/(监视波长)＝134.7(度)。假设计算出的速率(光学薄膜单位)是1.2nm/sec(＝0.2787度/秒)，当前光学薄膜厚度是500nm(＝116.13度)，则到结束点的剩余的时间X(秒)由下面的公式(13)表示。

134.7＝116.13+0.2787*X              …(13)

如此，时间X被确定为：X＝66.63秒。即，不仅峰值控制而且任何光学薄膜厚度的计算都可以提供薄膜形成过程的终止时间点。

有关当达到预期的薄膜厚度时的预测时间，该时间作为每一个监视波长的监视区域的薄膜形成终止时间点而获得，计算机72命令可移动的遮光器81移动，以使它的尖头部分覆盖在其中薄膜形成将要终止的监视区域中的监视点。如此，该监视区域的薄膜形成被关闭。

一旦所有监视波长的监视区域上的薄膜形成用这种方式终止，目标单元62中在较低位置处于空闲状态的目标75或74被提升到较高的位置，用于形成下一表面层薄膜。然后，以如上文所述的相同方式执行下一薄膜形成。通过重复这样的任何薄膜形成过程，每一监视区域上的层叠都独立地完成。

图7(a)是根据本发明的第二方面的绝缘多层薄膜制造装置的示意剖面图。请参看图7，在真空室91中，喷溅目标单元92是薄膜形成源，离子枪单元93是反应源，它们并排放置以面对可旋转的衬底94。光发射器95放置在可旋转的衬底94的上方和室91的外面。来自8通道光发射器95的八个平行单色光通量穿过上通光窗96、可旋转的衬底94和下通光窗口97，并由位于室91外部的8通道光接收器98接收。

由光接收器98接收到的八个单色光通量通过图形中的虚线显示的电信号线、8通道前置放大器99、8通道A/D转换器100和数字信号处理器(DSP)101与计算机102相连接。计算机102计算达到预期的薄膜厚度时的预测时间并通过基于计算出的预测时间指明薄膜形成过程终止来控制薄膜厚度，预测时间可以被视为薄膜形成过程的终止时间点。

喷溅目标单元92具有一个Ta目标104和一个Si目标105，它们可以由旋转的机构103在垂直位置上颠倒。目标104和105分别具有保护层104a和105a，喷溅气体管道106刺入由每一个保护层104a、105a环绕的空间。目标104、105中的一个(其位于另一个的上方)通过固定的开口107面对可旋转的衬底94。离子枪单元93由ECR离子枪109构成，该离子枪具有反应性的气体管道108穿到它上面。

可旋转的衬底94由驱动马达110旋转，在可旋转的衬底94和喷溅目标单元92之间提供了可变的开口111a、111b，它们是薄膜沉积速率控制部件，以及分离式遮光器112到115，它们是薄膜厚度纠正部件。

下面将比较详细地描述可旋转的衬底94和喷溅目标单元92之间的结构。如图7(b)所示，在衬底94的附近提供的分离式遮光器112、113、114和115分别通过驱动轴112a、113a、114a和115a独立地启动，并被配置为打开或关闭沿着同心圆的圆周形成的弧形开口区域，圆周是由衬底94上的八个监视单色光通量的每一个通过点(监视点)116a到116h的踪迹绘制的。

图7(c)是包括衬底94和分离式遮光器112到115的装置91的顶视图。在此图中，喷溅目标104、105(图中未显示)放置在底部，具有固定开口107的平面盘107a放置在喷溅目标的上方，可变的开口111a和111b放置在平面盘的上方，可旋转的衬底94放置在分离式遮光器上方。上文描述的固定开口107用于控制蒸发的材料分布，以提供范围更广泛的光学属性。开口可以是可变的开口。可变的开口111a、111b用于降低薄膜沉积速率，以便在薄膜形成过程几乎要结束时以高精确性控制薄膜厚度。可变的开口替换喷溅目标104、105，因为通过调整喷溅目标的输出降低薄膜沉积速率不会提供直接的效果并需要比较长的时间，从而导致生产效率降低。即，薄膜形成过程最初是以较高的薄膜沉积速率执行的，而当薄膜形成过程几乎要结束时，通过减少可变的开口111a、111b的开口度数以降低薄膜沉积速率，薄膜厚度可以得到精确的控制。分离式遮光器112、113、114和115分别通过驱动轴112a、113a、114a和115a独立地缩回或延伸，以打开或关闭沿着同心圆的圆周形成的弧形开口区域，从而关闭开口区域上的薄膜形成过程，圆周是由衬底94上的监视单色光通量的每一个通过点(图中未显示)116a到116h的踪迹绘制的。可变的开口111a、111b的开口的度数和分离式遮光器的打开/关闭根据来自计算机102的与光接收器98关联的指令从装置的外部进行控制。

当图7(a)所示的绝缘多层薄膜制造装置执行薄膜厚度控制时，将通过真空泵(图中未显示)的操作在室91中达到预先确定的压力状态。然后，产品衬底94由驱动马达110进行旋转。然后，来自光发射器95的八个监视单色光通量通过上通光窗口96、可旋转的衬底94和下通光窗口97穿过光接收器98。这里，八个监视单色光束包括四组两通道单色光束，这四组单色光束具有不同的监视波长，并且每一组两通道单色光束都具有相同的波长。可变的开口111a、111b的开口的预先确定的度数保持分离式遮光器112到115完全打开，以使可旋转的衬底94和Ta目标104或Si目标105彼此相对而无任何阻拦。氩气被通过喷溅气体管道106注入目标104或105的附近，以及提供预先确定的阴极功率以开始喷溅薄膜形成。在此过程中，包含氧气和氩气的混合气体被从反应性的气体管道108注入ECR离子枪109以使ECR离子枪109释放中性基氧，从而使堆积在衬底94上的包括Ta或Si的金属核素氧化。

通过有选择地采用Ta目标104和Si目标105中的一个，在产品衬底94上形成包括具有高折射率的Ta₂O₅薄膜和具有低折射率的SiO₂薄膜的交替多层薄膜。如上文所述，以高精确性控制交替多层薄膜的每一个构成层的光学薄膜厚度是非常重要的。

因此，目标104或105形成喷溅薄膜时的时间点被定义为提高薄膜厚度所需要的薄膜形成时间的开始点。作为上文描述的四个监视波长的平行光通量的八个监视单色光束-每一个光束都被分配到其中两个光通量，这些光束穿过可旋转的衬底94，然后由光接收器98接收。然后，每一个单色光束被8通道前置放大器99转换成电压信号。电压信号被8通道A/D转换器100转换成数字信号。数字信号被输入到DSP 101，在那里，信号被回归到一个二次函数，该函数的域基于公式(5)是从可变的开口被激活时的时间点开始的薄膜形成时间。

有关作为当达到预期的薄膜厚度时的预测时间的对应于二次回归函数的最大值或最小值的薄膜形成时间，计算机102命令分离式遮光器112到115关闭，从而关闭弧形监视区域的薄膜形成过程。

一旦所有监视波长的监视区域上的薄膜形成用这种方式终止，目标单元92中在较低位置处于空闲状态的目标105或104被提升到较高的位置，用于形成下一表面层薄膜。然后，以如上文所述的相同方式执行下一薄膜形成。通过重复这样的过程，每一监视区域上的层叠都独立地完成。

[示例]

在示例1到4中，将讨论使用图3所示的执行根据本发明的控制方法的光学薄膜厚度控制装置获得的光学薄膜的光学薄膜厚度的控制的精确性。

[示例1]

在图3所示的薄膜厚度控制装置中，未分支的一个入射光束(波长λ：1552nm)被入射到衬底，可移动的遮光器29的运动被终止。在此状态下，在衬底23上通过喷溅形成Ta₂O₅的单层薄膜。假设Ta₂O₅薄膜是高折射率层，其中Ta₂O₅薄膜的光学薄膜厚度是λ/4的状态由字符“H”表示，在玻璃衬底上形成了一个H单层薄膜和一个HH单层薄膜。在形成过程中，当形成H单层薄膜时，尝试预测当测量的透射率达到谷底(二次回归函数中的最小值)时的薄膜增长时间，当形成HH单层薄膜时，尝试预测当测量的透射率达到峰值(二次回归函数中的最大值)时的薄膜增长时间。

这里，上文描述的谷底和峰值与测量的透射率的变化相关。应该注意的是，如果要基于透射率计算出倒透射率，那么谷底和峰值需要以相反的方式加以处理。为避免任何混淆，在此示例中一致地认为，谷底和峰值与透射率相关。对于下面的示例，相同的道理也正确。

假设Ta₂O₅的沉积速率是0.17nm/sec，使用在从当正在形成的Ta₂O₅薄膜的光学薄膜厚度达到λ/4的80％时到相对于实际的峰值或谷底前面2秒钟的时这一时间段内获得的测量的数据组，数据组被输入到用于进行数据处理的CPU 18并回归到基于公式(5)的倒透射率的二次函数。

然后，以这样的方式执行检查，即使在峰值或谷底之后确定的峰值或谷底处的薄膜增长时间的确定值，与从二次回归函数推导出的峰值或谷底处的薄膜增长时间的预测值进行比较。绘制通过从上述确定值执行检查10次获得的平均值可以视为平均误差，且该平均误差和标准偏差在下表1中显示。

在此示例中，对在实际的峰值或谷底之前2秒钟获得的测量数据组执行回归。然而，已经确认，在实际的峰值或谷底之前30秒钟获得的测量数据组提供相同的结果。

[比较的示例1]

谷底处的H单层薄膜的薄膜增长时间和峰值处的HH单层薄膜的薄膜增长时间是以与示例1中的相同方式进行预测的，只是回归函数是透射率的二次函数。在此示例中获得的平均误差和标准偏差在下表1中显示。

[表1]

	回归方案		H：在谷底回归	HH：在峰值回归
					示例1	平方倒透射率	平均误差	2.4nm	2.6nm
标准偏差	3.5nm	0.1nm
			比例的示例1	平方透射率			平均误差	1.8nm	4.2nm
标准偏差	3.1nm	2.5nm

从表1可以看出，只有在预测谷底处的H单层薄膜的薄膜形成时间时比较的示例1提供比示例1更准确的值。然而，在其他所有的情况下，回归函数是倒透射率的函数的示例1提供了比比较的示例1更高的精确性。

[示例2]

使用光学薄膜厚度控制装置，该装置与图3所示的示例1中的装置相同，只是喷溅设备被替换为反应性的喷溅设备，在玻璃衬底(BK7)上形成各种多层薄膜。多层薄膜中的每一个薄膜都由为高折射率层(H)的Ta₂O₅薄膜和为低折射率层(L)的SiO₂薄膜的交替层组成，对于每一个多层薄膜，预测当达到峰值或谷底时的薄膜增长时间。使用的多层薄膜如下。在交替层之后描述的字符(P)和(B)分别表示预测的时间是达到峰值时的时间，并且预测的时间是达到谷底时的时间。

H(B)，HH(P)，HL(P)，HLL(B)，HLH(B)，HLHH(P)，HLHL(P)，HLHLL(B)，HLHLH(B)，HLHLHH(P)，HLHLHL(P)，HLHLHLL(P)，HLHLHLH(B)，HLHLHLHH(P)

在此示例中，假设Ta₂O₅的沉积速率是0.17nm/sec，使用在从当正在形成的Ta₂O₅薄膜的光学薄膜厚度达到λ/4的85％时到相对于实际的峰值或谷底前面2秒钟时的这一时间段内获得的测量的数据组。数据组被输入到用于进行数据处理的CPU 18并回归到基于公式(5)的倒透射率的二次函数。

图8中标注为“示例2”的图形显示了在水平轴上绘制的多层薄膜的层布局和在垂直轴上绘制的它的回归误差(图8中的平均误差)之间的关联。

[比较的示例2]

峰值或谷底处的示例2中的每一个多层薄膜的薄膜增长时间是以与示例2中的相同方式进行预测的，只是回归函数是透射率的二次函数。使用的数据是通过执行检查10次获得的。图8中标注为“比较的示例2”的图形显示了在水平轴上绘制的多层薄膜的层布局和在垂直轴上绘制的它的回归误差之间的关联。

示例2和比较的示例2之间的比较显示了下面的事实。在比较的示例2中，即，如果回归函数是透射率的二次函数，则对于由较小数量的层数构成的多层薄膜，所绘制的图与在峰值或谷底处的薄膜增长时间的确定值(位于平均误差为0秒钟的线上的值)的偏差比较小。然而，对于由比较大的数量的层数构成的多层薄膜，在透射率增大之后出现的峰值处的薄膜增长时间的预测值的误差变大。

此外，在示例2中，即，如果回归函数是倒透射率的二次函数，则对于每一个多层薄膜，可以保持较高的精确性和稳定性。

[示例3]

不是形成示例2中的各种多层薄膜，而是使用示例2中的反应性的喷溅装置形成由Ta₂O₅薄膜构成的单层薄膜，以相同的光学薄膜厚度控制方法预测达到峰值或谷底时的薄膜增长时间。

在此示例中，使用了当正在形成的Ta₂O₅薄膜的光学薄膜厚度达到λ/4的预先确定的百分比(70到90％)范围内一个特定值时和此时之后获得的测量数据组。数据组被输入到用于进行数据处理的CPU 18并回归到基于公式(5)的倒透射率的二次函数，而使用二次回归函数进行预测。

在图9中，回归误差绘制左侧垂直轴上，回归起点(λ/4的70到90％的特定长度)绘制在水平轴上，图9中的标注为“示例3-1E”的图形显示了当在谷底处执行预测时产生的属性，标注为“示例3-2E”的图形显示了当在峰值处执行预测时产生的属性。

图9是在右侧垂直轴上绘制了标准偏差的组合图形。在此图形中，示例3-1E中的预测时间处的标准偏差被标注为“示例3-1σ”，示例3-2E中的预测时间处的标准偏差被标注为“示例3-2σ”。

[比较的示例3]

薄膜增长时间是以示例3中的相同方式进行预测的，只是在回归中使用了透射率的二次回归函数。图9中的标注为“比较的示例3-1E”的图形显示了当在谷底处执行预测时产生的属性，图9中的标注为“比较的示例3-2E”的图形显示了当在峰值处执行预测时产生的属性。

此外，在图9中，比较的示例3-1E中的预测时间处的标准偏差被标注为“比较的示例3-1σ”，比较的示例3-2E中的预测时间处的标准偏差被标注为“比较的示例3-2σ”。

示例3和比较的示例3之间的比较表明，在两个示例中，如果回归起点接近于峰值或谷底(回归起点接近于100％)，精确性变得更高，虽然标准偏差变得较大，且离散增大。具体来说，在比较的示例3(比较的示例3-2E)中峰值处的预测中，没有提供足够的精确性。

已经证明，在使用了示例3中的倒透射率的二次回归曲线的情况下，回归有望在λ/4的75到90％的范围内的一个点开始。

[示例4]]

根据图3所示的光学薄膜厚度控制装置执行的薄膜厚度控制方法准备了一个BPF(带通滤波器)。该带通滤波器是一个7空腔带通滤波器，包括由Ta₂O₅薄膜(H)和SiO₂薄膜(L)组成的交替155层。带通滤波器是按如下方式排列的。

空气|ARC|HLHLHLHL2HLHLHLHLHL

HLHLHLHL0.39H0.2065L(A)0.39H(B)L2HL0.39H0.2065L(A)0.39H(B)LHL

HLHLHL

HLHLHLHLHL2HLHLHLHLHLHL

HLHLHLHLHL2HLHLHLHLHLHL

HLHLHLHLHL2HLHLHLHLHLHL

HLHLHLHL0.39H0.2065L(A)0.39H(B)L2HL0.39H0.2065L(A)0.39H(B)LHL

HLHLHL

HLHLHLHL2HLHLHLHLH|玻璃

在此布局中，分配到Ta2O5薄膜的索引“B”表示它的沉积速率是由通过倒透射率的转换获得的光学薄膜厚度的时间微分计算出的，而不是通过峰值或谷底控制的二次函数回归计算出来的，薄膜形成是通过任何薄膜厚度控制方法基于沉积速率预测薄膜形成终止时间点来终止的。

在该布局中，分配到SiO2薄膜的索引“A”表示喷溅速率是以前设置的，它的薄膜厚度是基于沉积时间来控制的。

如此获得的带通滤波器的薄膜厚度是在这样的条件下控制的，即使用了1552nm的监视波长，在它的后部表面上使用了直径为300mm并具有ARC(抗反射涂层)的玻璃盘，发射光测量传感器(图3中的光电二极管16中的传感器)放置在从距离盘的外周围10mm远固定间隔10mm的八个点上。

带通滤波器具有如图10所示的光谱，且已经确认，带通滤波器是在整个监视范围内具有满意的属性的绝缘薄膜。

现在，在示例5到7中，将讨论图6中所示的执行根据本发明的控制方法的绝缘多层薄膜制造装置提供的光学薄膜产品的光学薄膜厚度的控制的精确性。

[示例5]

由图6中的绝缘多层薄膜制造装置准备了中带带通滤波器，该该中带带通滤波器包括一叠由为高折射率层的Ta₂O₅薄膜和为低折射率层的SiO₂薄膜组成的交替层，所有构成层的光学薄膜厚度是λ/4(λ：监视波长)的整数倍。使用的监视波长是1552.52nm、1554.12nm、1555.72nm和1552.32nm。光学薄膜是按如下方式排列的。

带有抗反射涂层的玻璃产品衬底(BK7)|

(HL)³L(HL)⁶L(HL)⁶L(HL)³|空气

对于低折射率层，折射率的设计值被设置为1.444，对于高折射率层，为2.08，对于产品衬底(BK7)，为1.5。

请参看图6(b)，在距离直径为300mm的产品衬底64的外周围向内5mm的位置处设置了与监视单色光束通道1关联的监视点82。从监视点82在朝向旋转衬底圆周的中心的方向上每隔10mm间隔的位置分别设置了与通道2到8关联的监视点83到89。

在从相当于图6中的光发射器65的可调的激光源发出的八个单色光通量中，通道1和2被分配到监视波长为1552.52nm的单色光通量，通道3和4被分配到监视波长为1554.12nm的单色光通量，通道5和6被分配到监视波长为1555.72nm的单色光通量，通道7和8被分配到监视波长为1557.32nm的单色光通量。对于光接收器68接收到的光通量，透射率是由DSP 71计算出的。使用计算出的透射率，在透射率曲线的峰值附近执行二次函数回归，从而计算出当达到峰值时的预测时间。该预测时间被认为是薄膜形成过程的终止时间点。

图11显示了通过反复地执行上文描述的过程获得的产品衬底64上的属性分布。如图11所示，宽度大约为10mm的每一个环形带状区域90到93具有一致的光学属性。

图12是显示了响应薄膜形成终止时间点的指示可移动的遮光器81的运动的图形，该指示是通过在第三层上的峰值控制获得的，第三层是低折射率层。从该图形中可以看出，可移动的遮光器81受到控制，以便以可变的速率在从旋转衬底圆周的外周围到内周围的方向上移动。

图13显示了衬底上的与通道1到8关联的监视区域的光谱透射率属性。可以看出，提供了作为中带带通滤波器的满意的光学产品。

[示例6]

由图6中的绝缘多层薄膜制造装置准备了中带带通滤波器，该中带带通滤波器包括一叠由为高折射率层的Ta₂O₅薄膜和为低折射率层的SiO₂薄膜组成的交替层，所有构成层的光学薄膜厚度是λ/4(λ：监视波长)的整数倍。使用的监视波长是1552.52nm、1553.32nm、1554.12nm和1554.92nm。光学薄膜是按如下方式排列的：

带有抗反射涂层的玻璃产品衬底(BK7)|

(HL)⁸L(HL)¹⁶L(HL)¹⁶L(HL)⁸|空气

对于低折射率层，折射率的设计值被设置为1.444，对于高折射率层，为2.08，对于产品衬底(BK7)，为1.5。

请参看图6(b)，在距离直径为300mm的产品衬底64的外周围向内5mm的位置处设置了与监视单色光束通道1关联的监视点82。从监视点82在朝向旋转衬底圆周的中心的方向上每隔10mm间隔的位置处分别设置了与通道2到8关联的监视点83到89。

在从相当于图6中的光发射器65的可调的激光源发出的八个单色光通量中，通道1和2被分配到监视波长为1552.52nm的单色光通量，通道3和4被分配到监视波长为1553.32nm的单色光通量，通道5和6被分配到监视波长为1554.12nm的单色光通量，通道7和8被分配到监视波长为1554.92nm的单色光通量。对于光接收器68接收到的光通量，倒透射率是从由DSP 71计算出的透射率计算的。使用计算出的倒透射率，在倒透射率曲线的峰值附近执行二次函数回归，从而计算出当达到峰值时的预测时间。该预测时间被认为是薄膜形成过程的终止时间点。

图14显示了衬底上的与通道1到8关联的监视区域的光谱透射率属性。可以看出，提供了作为中带带通滤波器的满意的光学产品。

[示例7]

图6中的绝缘多层薄膜制造装置准备了抗反射薄膜，该抗反射薄膜包括由为高折射率层的Ta₂O₅薄膜和为低折射率层的SiO₂薄膜组成的交替层，第一和第二层的光学薄膜厚度不是λ/4(λ：监视波长)的整数倍，最后的表面层(第二层)的薄膜形成终止时间点由峰值控制进行预测。使用的监视波长是1550nm、1555nm、1560nm和1565nm。光学薄膜是按如下方式排列的：

带有抗反射涂层的玻璃产品衬底(BK7)|

0.35H，1.288L|空气

对于低折射率层，折射率的设计值被设置为1.444，对于高折射率层，为2.08，对于产品衬底(BK7)，为1.5。

请参看图6(b)，在距离直径为300mm的产品衬底64的外周围向内5mm的位置处设置了与监视单色光束通道1关联的监视点82。从监视点82在朝向旋转衬底圆周的中心的方向上每隔10mm间隔的位置处分别设置了与通道2到8关联的监视点83到89。

在从相当于图6中的光发射器65的可调的激光源发出的八个单色光通量中，通道1和2被分配到监视波长为1550nm的单色光通量，通道3和4被分配到监视波长为1555nm的单色光通量，通道5和6被分配到监视波长为1560nm的单色光通量，通道7和8被分配到监视波长为1565nm的单色光通量。对于光接收器68接收到的光通量，倒透射率是从由DSP 71计算出的透射率计算的。对于第一层，倒透射率用于预测0.35H的薄膜形成终止时间点，对于第二层，在倒透射率曲线的峰值附近执行二次函数回归，以计算出当达到峰值时的预测时间，该预测时间被认为是薄膜形成过程的终止时间点。

图15显示了衬底上的与通道1到8关联的监视区域的光谱反射率属性。可以看出，提供了作为抗反射薄膜的满意的光学产品。

接下来，在下面的示例8到10中，将讨论图7中所示的执行根据本发明的控制方法的绝缘多层薄膜制造装置提供的光学薄膜产品的光学薄膜厚度的控制的精确性。

[示例8]

由图7中的绝缘多层薄膜制造装置准备了中带带通滤波器，该中带带通滤波器包括一叠由是高折射率层的Ta₂O₅薄膜和是低折射率层的SiO₂薄膜组成的交替层，所有构成层的光学薄膜厚度是λ/4(λ：监视波长)的整数倍。使用的监视波长是1552.52nm、1554.12nm、1555.72nm和1557.32nm。光学薄膜是按如下方式排列的：

带有抗反射涂层的玻璃产品衬底(BK7)|

(HL)³L(HL)⁶L(HL)⁶L(HL)³|空气

对于低折射率层，折射率的设计值被设置为1.444，对于高折射率层，为2.08，对于产品衬底(BK7)，为1.5。

请参看图7(b)，在距离直径为300mm的产品衬底94的外周围向内5mm的位置处设置了与监视单色光束通道1关联的监视点116a。从监视点116a在朝向旋转衬底圆周的中心的方向上每隔10mm间隔的位置处分别设置了与通道2到8关联的监视点116b到116h。

在从相当于图7中的光发射器95的可调的激光源发出的八个单色光通量中，通道1和2被分配到监视波长为1552.52nm的单色光通量，通道3和4被分配到监视波长为1554.12nm的单色光通量，通道5和6被分配到监视波长为1555.72nm的单色光通量，通道7和8被分配到监视波长为1557.32nm的单色光通量。对于光接收器98接收到的光通量，透射率是由DSP 101计算出的。使用计算出的透射率，在透射率曲线的峰值附近执行二次函数回归，从而计算出当达到峰值时的预测时间。该预测时间被认为是薄膜形成过程的终止时间点。图16显示了通过反复地执行该过程获得的产品衬底94上的属性分布。如图16所示，宽度大约为10mm的每一个环形带状区域117到120具有一致的光学属性。

图17显示了衬底上的与通道1到8关联的监视区域的光谱透射率属性。可以看出，提供了作为中带带通滤波器的满意的光学产品。

[示例9]

由图7中的绝缘多层薄膜制造装置准备了中带带通滤波器，该中带带通滤波器包括一叠由是高折射率层的Ta₂O₅薄膜和是低折射率层的SiO₂薄膜组成的交替层，所有构成层的光学薄膜厚度是λ/4(λ：监视波长)的整数倍。使用的监视波长是1552.52nm、1553.32nm、1554.12nm和1554.92nm。光学薄膜是按如下方式排列的：

带有抗反射涂层的玻璃产品衬底(BK7)|

(HL)⁸L(HL)¹⁶L(HL)¹⁶L(HL)⁸|空气

对于低折射率层，折射率的设计值被设置为1.444，对于高折射率层，为2.08，对于产品衬底(BK7)，为1.5。

请参看图7(b)，在距离直径为300mm的产品衬底94的外周围向内5mm的位置处设置了与监视单色光束通道1关联的监视点116a。从监视点116a在朝向旋转衬底圆周的中心的方向上每隔10mm间隔的位置处分别设置了与通道2到8关联的监视点116b到116h。

在从相当于图7中的光发射器95的可调的激光源发出的八个单色光通量中，通道1和2被分配到监视波长为1552.52nm的单色光通量，通道3和4被分配到监视波长为1553.32nm的单色光通量，通道5和6被分配到监视波长为1554.12nm的单色光通量，通道7和8被分配到监视波长为1554.92nm的单色光通量。对于光接收器98接收到的光通量，倒透射率是从由DSP 101计算出的透射率计算的。使用计算出的倒透射率，在倒透射率曲线的峰值附近执行二次函数回归，从而计算出当达到峰值时的预测时间。该预测时间被认为是薄膜形成过程的终止时间点。

图18显示了衬底上的与通道1到8关联的监视区域的光谱透射率属性。可以看出，提供了作为中带带通滤波器的满意的光学产品。

[示例10]

图7中的绝缘多层薄膜制造装置准备了抗反射薄膜，该抗反射薄膜包括由是高折射率层的Ta₂O₅薄膜和是低折射率层的SiO₂薄膜组成的交替层，第一和第二层的光学薄膜厚度不是λ/4(λ：监视波长)的整数倍，最后的表面层(第二层)的薄膜形成终止时间点由峰值控制进行预测。使用的监视波长是1550nm、1555nm、1560nm和1565nm。光学薄膜是按如下方式排列的：

带有抗反射涂层的玻璃产品衬底(BK7)|

0.35H，1.288L|空气

对于低折射率层，折射率的设计值被设置为1.444，对于高折射率层，为2.08，对于产品衬底(BK7)，为1.5。

请参看图7(b)，在距离直径为300mm的产品衬底94的外周围向内5mm的位置处设置了与监视单色光束通道1关联的监视点116a。从监视点116a在朝向旋转衬底圆周的中心的方向上每隔10mm间隔的位置处分别设置了与通道2到8关联的监视点116b到116h。

在从相当于图7中的光发射器95的可调的激光源发出的八个单色光通量中，通道1和2被分配到监视波长为1550nm的单色光通量，通道3和4被分配到监视波长为1555nm的单色光通量，通道5和6被分配到监视波长为1560nm的单色光通量，通道7和8被分配到监视波长为1565nm的单色光通量。对于光接收器98接收到的光通量，倒透射率是从由DSP 101计算出的透射率计算的。对于第一层，倒透射率用于预测0.35H的薄膜形成终止时间点，对于第二层，在倒透射率曲线的峰值附近执行二次函数回归，以计算出当达到峰值时的预测时间，该预测时间被认为是薄膜形成过程的终止时间点。

图19显示了衬底上的与通道1到8关联的监视区域的光谱反射率属性。可以看出，提供了作为抗反射薄膜的满意的光学产品。

从上面的描述可以看出，根据本发明的光学薄膜厚度控制方法，每次当改变将要形成的最新的表面层薄膜时，监视器衬底不必需替换为新的监视器衬底，也没有必要采用用于改善测量精确性的相位差的额外布局(如现有技术中的情况)，因为执行峰值或谷底控制。因此，该过程得到简化。此外，由于使用了倒透射率，通过具有满意的关联的二次回归执行峰值或谷底预测，如此，可以以高精确性控制薄膜厚度。

此外，由于可以执行产品薄膜的原地测量，即直接监视，所以不必考虑监视的薄膜的可再现性。

在根据本发明的薄膜厚度控制装置中，许多平行光束用于监视薄膜厚度。因此，可以以高精确性检测最新的表面层薄膜的薄膜厚度的分布，如此，可以确保薄膜厚度的高均匀性。

通过根据本发明的绝缘多层薄膜制造装置，在透射率或倒透射率的峰值的附近执行二次函数回归，对应于产生的回归函数的最大值或最小值的薄膜增长时间被用作达到预期的薄膜厚度时的预测时间。如此，可以以高精确性控制增加的光学薄膜厚度，此外，涉及各种监视波长的直接监视方法可以提供较大的监视区域，从而可以为绝缘薄膜提供满意的属性。因此，可以大规模地生产高品质的光学薄膜产品，该产品是诸如窄带通滤波器之类的用于密集波长分割多路复用系统的设备。

此外，包括由上文描述的光学薄膜厚度控制装置或绝缘多层薄膜制造装置制造的带通滤波器的绝缘多层薄膜具有满意的光学属性，相应地，性能也高。

引用数字的描述

1、61和91：    真空室

2：            电子枪

2a：           遮光器

4、23、64和94：可旋转的衬底

12：           可调的激光源

13：           光纤耦合器

14：           光纤准直仪

15：           喷溅薄膜形成设备

16：           光电二极管

17、70和100：  8通道A/D转换器(A/D转换器)

18：        CPU(控制器)

19：        马达驱动器(控制器)

20和21：    光纤

28、62和92：喷溅目标单元(薄膜形成源)

29和81：    可移动的遮光器

63和93：    离子枪单元(反应源)

65和95：    光发射器

66和96：    上通光窗口

67和97：    下通光窗口

68和98：    光接收器(光强度测量装置)

69和99：    8通道前置放大器

71和101：   数字信号处理器(DSP)

72和102：   计算机

74和104：   Ta目标

75和105：   Si目标

76和106：   喷溅气体管道

77和107：   固定开口

78和108：   反应性的气体管道

79和109：   ECR离子枪

82到89：    监视点

111a和111b：可变的开口(薄膜沉积速率控制部件)

112到115：  分离式遮光器(薄膜厚度纠正部件)

116a到116h：监视点

Claims (7)

1.一种绝缘多层薄膜制造装置，其用于制造的真空室具有薄膜材料源和反应源，每一个源都并排放置以面对可旋转的衬底，该制造装置并包括：薄膜沉积速率控制部件，它具有一个开口，用于为在所说的可旋转的衬底上形成的绝缘多层薄膜的薄膜沉积速率提供沿着旋转衬底圆周的半径的梯度；薄膜厚度纠正部件，用于纠正在所说的可旋转的衬底上形成的绝缘多层薄膜的薄膜厚度，薄膜沉积速率控制部件和薄膜厚度纠正部件在所说的可旋转的衬底和所说的薄膜材料源之间提供；光强度测量装置，用于测量沿着所说的可旋转的衬底的半径穿过多个监视点的监视单色光的强度；以及一个控制系统，用于以与沿着所说的半径的监视点的位置关联的单色光通量的波长的递增或递降的次序排列至少一个波长的监视单色光通量，以使光通量穿过相应的监视点，并可以响应由所说的光强度测量装置测量的光强度的变化移动所说的薄膜厚度纠正部件。

2.根据权利要求1所述的绝缘多层薄膜制造装置，其特征在于，所说的薄膜厚度纠正部件包括能够在所说的可旋转的衬底的半径的方向上可移动遮光器，通过该可移动遮光器的运动沿着半径以所说的递增或递降的次序关闭在所说的可旋转的衬底上的薄膜形成。

3.根据权利要求1或2所述的绝缘多层薄膜制造装置，其特征在于，该绝缘多层薄膜制造装置的所述控制系统测量由光强度测量装置测量的光强度的变化，作为在所说的可旋转的衬底上绝缘多层薄膜形成的时段内包括至少一个波长的监视单色光通量穿过多个监视点中的每一个监视点时透射率的变化，适当地定义透射率的倒数为倒透射率，在测量数据组达到它的最大值或最小值之前，通过最小二乘法将两个变量的该测量数据组回归到二次函数，该两个变量是正在堆积的最新的表面层薄膜的薄膜厚度的增大所需要的薄膜增长时间和所说的倒透射率，并使用与所说的二次回归函数的最大值点或最小值点一致的薄膜增长时间作为所说的最新的表面层薄膜达到所说的倒透射率的最大值或最小值处的光学薄膜厚度的预测时间，基于干涉理论，所说的倒透射率的最大值和最小值每隔相当于所说的单色光波长的1/4的光学薄膜厚度的间隔周期性地分布。

4.根据权利要求1到3中的任何一个的绝缘多层薄膜制造装置，其特征在于，随着所说的最新的表面层薄膜的薄膜厚度的增长，从每隔相当于所说的单色光波长的1/4的光学薄膜厚度的间隔周期性地分布的所说的倒透射率计算出的光学薄膜厚度的时间微分或时间差分是作为所说的最新的表面层薄膜的薄膜沉积速率计算出的，所说的最新的表面层薄膜达到预先确定的光学薄膜厚度所需要的薄膜增长时间是基于计算出的薄膜沉积速率预测的。

5.根据权利要求1到4中的任何一个的绝缘多层薄膜制造装置，其特征在于，所说的薄膜形成源包括至少两个不同材料的喷溅目标，且该喷溅目标是以可以选择任何目标的方式提供的。

6.根据权利要求5所述的绝缘多层薄膜制造装置，其特征在于，所说的喷溅目标的不同材料是Ta金属和Si金属。

7.根据权利要求1到6中的任何一个的绝缘多层薄膜制造装置，其特征在于，所说的反应源发出反应性的中性基气体。

Images