JP2003121119A - 膜厚モニタリング装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】モニタ基板交換の問題点や膜厚や膜質の均一性
の高精度化の課題を解決し、λ_０を設計波長とする多層
膜の光学的膜厚をλ_０/４の整数倍に制御することを可
能とする膜厚モニタリング装置および方法を実現するこ
と。 【解決手段】成膜室２内の基板３上に、ＥＣＲスパッタ
源４からのスパッタによって、高屈折率膜（Ｈ膜）と低
屈折率膜（Ｌ膜）とを交互に成膜することによって、可
視光波長λ_Ｖの３以上の奇数倍の波長λ_０を設計波長と
する多層膜を形成する過程において、光源５からの光を
光ファイバ６を通して、基板３に入射させ、その透過光
を光ファイバ９を通して可視光分光器１０に入れ、分光
器１０と演算器１１によって、波長λ_Ｖを含まない可視
光波長域における前記分光スペクトルの極値を用いて、
成膜中のＨ膜またはＬ膜の光学的膜厚がλ_０/４の整数
倍に等しいか否かを判別することを特徴とする膜厚モニ
タリング方法を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、膜厚モニタリング
装置および方法に関し、特に、光通信装置や光学デバイ
スおよび半導体装置等に使用される多層膜を形成する場
合に使用される膜厚モニタリング装置および方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】最初に、光通信装置と光学デバイスにつ
いての状況について述べる。

【０００３】光学的な屈折率の異なる誘電体膜を交互に
積み重ねて形成する多層膜は、眼鏡等のガラス上および
プラスチック上への無反射コーティング、ビデオカメラ
の色分解プリズム、各種光学フィルタ、発光レーザの端
面コーティング等に使用されている。

【０００４】また、最近の状況として、広帯域光波長多
重通信（ＤＷＤＭ通信）に用いる合波フィルタや分波フ
ィルタに応用されるようになってきた。多層膜の層数も
数十層から数百層と非常に多くなり、膜厚や膜質の均一
性もこれまで以上に高精度なものが要求されるようにな
ってきた。このような、層数の多い多層膜を作製する際
には、後述する理由によって、実基板とは別の膜厚モニ
タリング用のモニタ基板を実基板に近接させて設置し、
そのモニタ基板によって膜厚制御を行い、しかも、１つ
の多層膜を作製するのに、モニタ基板を何回か新しいも
のと交換しなければならないので、多層膜作製の効率が
低下するという問題あり、その問題を解消するために、
多層膜を堆積する実基板を、直接、膜厚モニタリングの
対象として膜厚制御を行いたいという要求が高まってき
ている。

【０００５】上記の多層膜の基本構成は、高屈折率膜
（Ｈ膜）と低屈折率膜（Ｌ膜）とを交互に重ねて一体化
したものであり、設計波長と呼ばれる光の波長をλ_０、
Ｈ膜の屈折率をｎ_Ｈ、Ｌ膜の屈折率をｎ_Ｌとした時に、
Ｈ膜の膜厚およびＬ膜の膜厚が、それぞれ、λ_０/(４ｎ
_Ｈ) の整数倍およびλ_０/(４ｎ_Ｌ) の整数倍に等しい、
という条件を満足するものである。多くの場合に、上記
の整数は１または２である。

【０００６】図５に、代表的な多層膜フィルタの構成例
を示す。物理的膜厚に光学的屈折率を乗じた光学的膜厚
が設計波長λ_０の２分の１つまりλ_０/２（この場合
に、上記の整数は２である）となるようなキャビティ層
と呼ばれる層を、光学的膜厚がλ_０/４の高屈折率膜と
低屈折率膜に相当する膜を交互に積層して形成した多層
膜で上下を挟んだ構造となっている。

【０００７】図６に、基板に屈折率が１.４７の石英基
板を用い、高屈折率膜として屈折率が２.１４のＴａ_２
Ｏ_５を、低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉＯ_２
を、キャビティ層に屈折率膜が１.４８のＳｉＯ_２を用
い、下層に高屈折率膜と低屈折率膜の対を２１層、上層
に高屈折率膜と低屈折率膜の対を２１層、その間にキャ
ビティ層を１層堆積した場合の透過率の波長依存性を示
す。この場合の設計波長λ_０は、１５５０ｎｍとした。

【０００８】図６より、１３５０ｎｍから１８００ｎｍ
の赤外光領域と、５００ｎｍから５５０ｎｍの可視光領
域の波長領域において非透過領域が存在することがわか
る。それぞれの設計波長λ_０で半値幅が約０.１ｎｍの
非常に狭い透過領域が存在する。可視光波長領域に現れ
る波形は、波長が赤外光領域の波長の３以上の奇数分の
１、すなわち、波数で表現すれば、波数が赤外光領域の
波数の３以上の奇数倍となる鏡像波形である。

【０００９】上記の複合多層膜を実用に供する場合に
は、この半値幅が約０.１ｎｍの非常に狭い透過領域を
光学フィルタとして用いるのであるが、このように層数
の非常の多い多層膜を成膜する場合には、成膜中の多層
膜を直接観察し、高屈折率膜の膜厚と低屈折率膜の膜厚
とを制御する方法が、成膜効率向上のために、極めて望
ましいとされている。

【００１０】よく知られている多層膜の膜厚モニタリン
グ方法としては、単色測光法や二色測光法がある。しか
し、いずれの方法も、層数が少ない場合には有効である
が、層数が数十以上と非常に多い場合には、赤外光領域
において精度良く分光測光できる分光器が提供されない
ため、精度よく膜厚モニタリングを行うことは難しいと
いう問題がある。

【００１１】以下に、単色測光法と二色測光法について
簡単に説明する。

【００１２】単色測光法は、誘電体多層膜を基板上に形
成してゆく過程で、光学的膜厚ｄｎ（ここに、ｄは物理
的膜厚であり、ｎは膜の屈折率である）が、設計波長の
４分の１（λ_０/４）の整数倍に相当する時に、透過率
または反射率の時間変化が極値をとることを利用する。
たとえば、高屈折率膜と低屈折率膜を組み合わせて多層
膜を形成する場合、高屈折率膜の成膜中に設計波長λ_０
の光を照射し、透過率または反射率を観察しながら、そ
の変化率が０になったときに成膜を停止する。このとき
の膜厚は、（λ_０/４)/(高屈折率膜の屈折率）となり、
高屈折率膜にとってλ_０/４の光学的膜厚となる。続い
て、低屈折率膜の成膜に切替えて、上記と同様に設計波
長λ_０の光を照射しながら透過率または反射率を観測
し、その変化率が０になったときに成膜を停止する。こ
のときの膜厚は、（λ_０/４)/（低屈折率膜の屈折率）
となり、低屈折率膜にとってλ_０/４の光学的膜厚とな
る。この操作を順次繰り返すことによって、各屈折率膜
にとって光学的膜厚がλ_０/４の多層膜を形成すること
ができる。

【００１３】図７に、基板に屈折率が１.４７の石英基
板を用い、高屈折率膜として屈折率が２.１４のＴａ_２
Ｏ_５を用い、低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉ
Ｏ_２を用い、高屈折率膜と低屈折率膜の対を２６層堆積
した場合の透過率の堆積膜厚依存性の計算結果を示す。
但し、設計波長λ_０は１５５０ｎｍで、透過率または反
射率が設計波長に対応する波数κ_０（κ_０＝１/λ_０、
以下これを設計波数と呼ぶ）は６４５１ｃｍ^−１で、波
長分解能は赤外分光器の一般的な値の３ｎｍとした。光
学的膜厚がλ_０であるＴａ_２Ｏ_５の膜厚はλ_０/（Ｔａ
_２Ｏ_５の屈折率）すなわち７２４ｎｍであり、光学的膜
厚がλ_０/４であるＴａ_２Ｏ_５の膜厚は１８１ｎｍとな
り、光学的膜厚がλ_０であるＳｉＯ_２の膜厚はλ_０/
（ＳｉＯ_２の屈折率）すなわち１０４７ｎｍであり、光
学的膜厚がλ_０/４であるＳｉＯ_２の膜厚は２６１ｎｍ
となる。

【００１４】図７からわかるように、設計波長λ_０、す
なわち、設計波数κ_０＝１/λ_０における透過率は、堆
積膜厚が増加するに従って、高屈折率膜の堆積で減少
し、低屈折率膜の堆積で増加するという周期的変化を示
すが、層数が増加するにつれて透過率は減少してゆき、
１０層以上で変化する割合が非常に小さくなる。赤外分
光器の測定分解能の限界、および、赤外光領域における
熱ノイズ（雑音）の影響により、極値を観測することで
きるのは最大値の１％程度であり、通常は、数％程度で
信号/雑音比（Ｓ/Ｎ比）が取れなくなってしまう。その
ため層数１５以上の多層膜において、透過率が赤外分光
器の安定測定範囲（図７に示す）の限界に近づき、λ_０
/４の光学的膜厚を判定することが困難となる。このこ
とは、１枚のモニタ基板で精度よくモニタリングできる
のは、１５層程度が限界であり、それ以上の多層膜を堆
積するためには、膜厚モニタリング用モニタ基板を新し
いものと交換する必要があることを示している。

【００１５】二色測光法では、波長の逆数である波数に
対して透過率または反射率の変化を示した場合、上記光
学的膜厚がλ_０/４の整数倍の時に、設計波数κ_０を中
心に対称となることを利用する。設計波数κ_０を中心と
して、等間隔離れた任意の波数の対（たとえば、これら
をκ_１とκ_２とし、これらに対応する波長をλ_１とλ _２
とする）について観測すると、光学的膜厚がλ_０/４に
なるごとにλ_１、λ_２における透過率または反射率は等
しくなる。従って、観測している波長λ_１とλ _２におけ
る透過率または反射率が等しくなるたびに、堆積する膜
種を切替えて、高屈折率膜と低屈折率膜を堆積すること
で、各屈折率膜にとって光学的膜厚がλ _０/４の多層膜
を形成することができる。

【００１６】二色測光法において、任意の波長の対の一
例として、図６に示すように、λ_１：１７３４ｎｍ（κ
_１：５７６０ｃｍ^−１）、λ_２：１４００ｎｍ（κ_２：
７１４２ｃｍ^−１）とすると、層数が増加するにつれて
減衰域の両端付近での透過率の変化はほとんどなくな
り、１０層以上の層数では、この方式で膜厚を制御する
ことは難しい。このことは、８層以上の多層膜を形成す
るためには、モニタ基板交換しながら層を堆積する必要
があることを示している。

【００１７】通信用では、設計波長λ_０はおもに１５５
０ｎｍを中心とした１２６０ｎｍから１６７５ｎｍの赤
外光領域で設計されたデバイスを用いる。そのため単色
測光法と二色測光法ともに赤外領域の測光で行われる。
しかし、赤外分光器は、一般的に熱ノイズの影響が大き
く１ｎｍ以下の波長分解能を得ることが困難である。よ
り高い分解能が得られるグレーティングを用いた測光方
法は、測定速度が遅く、かつ、駆動部を有するために長
時間となる多層膜の堆積の間、安定して測光することは
難しい。また、ＣＣＤを用いた測光方法では、測定速度
は高速だが、波長分解能がＣＣＤの素子分解能に支配さ
れてしまい、１ｎｍ以下の波長分解能を実現することは
難しい。あえて高精度でリアルタイムに測光できるシス
テムを作ったとしても、かなり高価なものになってしま
う。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】設計波長λ_０が赤外光
波長領域にある多層膜を作製する際の、従来の単色測光
法による膜厚モニタリングにおいては、上記のように、
層数が増加するにつれて透過率は減少してゆき、層数１
５以上の多層膜において、透過率が赤外分光器の安定測
定範囲（図７に示す）の限界に近づき、λ_０/４の光学
的膜厚を判定することが困難となる。このことは、１枚
のモニタ基板で精度よくモニタリングできるのは、１５
層程度が限界であり、それ以上の多層膜を堆積するため
には、膜厚モニタリング用モニタ基板を新しいものと交
換する必要があることを意味する。このようなモニタ基
板の交換は、多層膜作製効率の低下を招くので、多層膜
作製上の問題となり、この解決が重要な課題となってい
る。

【００１９】また、設計波長が赤外光波長領域にある多
層膜を作製する際の、従来の二色測光法による膜厚モニ
タリングにおいては、例えば、図６に示したように、層
数が増加するにつれて減衰域の両端付近での透過率の変
化はほとんどなくなり、１０層以上の層数では、この方
式で膜厚を制御することは難しく、８層以上の多層膜を
形成するためには、モニタ基板交換しながら層を堆積す
る必要があることがわかり、単色測光法の場合と同様
に、多層膜作製効率の低下を招くので、多層膜作製上の
問題となる。

【００２０】本発明は、これら従来技術におけるモニタ
基板交換の問題点や膜厚や膜質の均一性の高精度化の課
題を解決し、λ_０を設計波長とする多層膜の光学的膜厚
をλ _０/４の整数倍に制御することを可能とする膜厚モ
ニタリング装置および方法を実現することを目的とす
る。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明においては、請求項１に記載のように、基板
上に形成され、可視光波長λ_Ｖの３以上の奇数倍の波長
λ_０を設計波長とする多層膜の上に重ねて形成された誘
電体膜の膜厚をモニタリングする膜厚モニタリング装置
であって、光源と、前記光源からの、波長λ_Ｖを含む可
視光領域の光を前記基板と前記多層膜と前記誘電体膜と
の合体物に照射する光照射部と、前記照射によって生じ
る前記合体物からの、前記可視光領域における透過光ま
たは反射光の分光スペクトルを測定する光測定部と、前
記分光スペクトルのデータから、前記波長λ_Ｖを含まな
い可視光波長域における前記分光スペクトルの極値およ
び前記極値が実現するときの光の波長であるサブピーク
波長の一方または両方を取得し、前記極値および前記サ
ブピーク波長の一方または両方を用いて、前記誘電体膜
の膜厚が、波長λ_０を設計波長とする多層膜の構成要素
である誘電体膜の膜厚として適当であるか否かを判別す
る演算処理手段とを有することを特徴とする膜厚モニタ
リング装置を構成する。

【００２２】また、本発明においては、請求項２に記載
のように、基板上に形成され、可視光波長λ_Ｖの３以上
の奇数倍の波長λ_０を設計波長とする多層膜の上に重ね
て形成された誘電体膜の膜厚をモニタリングする膜厚モ
ニタリング方法であって、光源からの、波長λ_Ｖを含む
可視光領域の波長の光を前記基板と前記多層膜と前記誘
電体膜との合体物に照射し、前記照射によって生じる前
記合体物からの、前記可視光領域における透過光または
反射光の分光スペクトルを測定し、前記分光スペクトル
のデータから、前記波長λ_Ｖを含まない可視光波長域に
おける前記分光スペクトルの極値および前記極値が実現
するときの光の波長であるサブピーク波長の一方または
両方を取得し、前記極値および前記サブピーク波長の一
方または両方を用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ
_０を設計波長とする多層膜の構成要素である誘電体膜の
膜厚として適当であるか否かを判別することを特徴とす
る膜厚モニタリング方法を構成する。

【００２３】また、本発明においては、請求項３に記載
のように、前記サブピーク波長のうち、波長λ_０よりも
大きいものを小さい順にλ_１＋、λ_２＋、…、λ_ｎ＋、
…とし、それぞれの波長における透過率の極値をＴ(λ
_{１ ＋})、Ｔ(λ_２＋)、…、Ｔ(λ_ｎ＋)、…とし、前記サ
ブピーク波長のうち、波長λ_０よりも小さいものを大き
い順にλ_１−、λ_２−、…、λ_ｎ−、…とし、それぞれ
の波長における透過率の極値をＴ(λ_１−)、Ｔ
(λ_２−)、…、Ｔ(λ_ｎ−)、…とし、ｎ_＋とｎ₋の対の
うちの少なくとも１対について、Ｔ(λ_ｎ＋)とＴ(λ
_ｎ−)とが測定誤差に起因する誤差の範囲内において等
しいか否かによって、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ_０
を設計波長とする多層膜の構成要素である誘電体膜の膜
厚として適当であるか否かを判別することを特徴とする
請求項２に記載の膜厚モニタリング方法を構成する。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明に係る膜厚モニタリング装
置および方法が、従来の単色測光法と二色測光法と大き
く異なる点は、膜厚モニタリングに用いる光の波長にあ
る。

【００２５】すなわち、従来の単色測光法においては、
設計波長λ_０の光を膜厚モニタリングに用いるのに対し
て、本発明においては、設計波長λ_０の３以上の奇数分
の１の波長λ_Ｖ（波数１/λ_Ｖは波数１/λ_０の３以上の
奇数倍）を含む可視光領域における透過光または反射光
の分光スペクトルの、波長λ_Ｖを含まない可視光波長域
における、波長に対する極値を膜厚モニタリングに用い
る。

【００２６】また、従来の二色測光法においては、設計
波長λ_０を挟んで、λ_０よりも短い波長の光とλ_０より
も長い波長の光とを膜厚モニタリングに用いるのに対し
て、本発明においては、設計波長λ_０の３以上の奇数分
の１の波長λ_Ｖ（波数１/λ _Ｖは波数１/λ_０の３以上の
奇数倍）を含む可視光領域における透過光または反射光
の分光スペクトルの、波長λ_Ｖを含まない可視光波長域
における、波長に対する極値を膜厚モニタリングに用い
る。

【００２７】このように、従来の単色測光法および二色
測光法において膜厚モニタリングに用いる光の波長は、
本発明に係る膜厚モニタリング装置および方法において
用いる光の波長のおよそ、３以上の奇数倍であり、本発
明に係る膜厚モニタリング装置および方法において用い
る光の波長が可視光領域にあるので、同じ多層膜の膜厚
モニタリングを行う従来の単色測光法および二色測光法
において膜厚モニタリングに用いる光の波長は赤外領域
にあることになる。

【００２８】本発明においては、低い透過率まで高い波
長分解能で測定可能であり、しかも比較的安価な可視光
分光光度計を用いることができるので、設計波長λ_０が
赤外領域にある、層数の多い多層膜の膜厚モニタリング
が本発明に係る膜厚モニタリング装置および方法によっ
て可能となる。

【００２９】本発明においては、基板上に形成され、可
視光波長λ_Ｖの３以上の奇数倍の波長λ_０を設計波長と
する多層膜の上に重ねて形成された誘電体膜の膜厚をモ
ニタリングする膜厚モニタリング装置であって、光源
と、前記光源からの、波長λ_Ｖを含む可視光領域の光を
前記基板と前記多層膜と前記誘電体膜との合体物に照射
する光照射部と、前記照射によって生じる前記合体物か
らの、前記可視光領域における透過光または反射光の分
光スペクトルを測定する光測定部と、前記分光スペクト
ルのデータから、前記波長λ_Ｖを含まない可視光波長域
における前記分光スペクトルの極値（波長に対する極大
値または極小値）および前記極値が実現するときの光の
波長であるサブピーク波長の一方または両方を取得し、
前記極値および前記サブピーク波長の一方または両方を
用いて、波長λ_０を設計波長とする多層膜の構成要素で
ある誘電体膜の膜厚として適当であるか否かを判別する
演算処理手段とを有することを特徴とする膜厚モニタリ
ング装置を構成する。ここで、「誘電体膜の膜厚が、波
長λ_０を設計波長とする多層膜の構成要素である誘電体
膜の膜厚として適当であるか否か」は、その誘電体膜の
光学的膜厚（屈折率×膜厚）がλ_０/４の整数倍に、測
定誤差に起因する誤差の範囲内で、等しいか否か、を意
味する。

【００３０】また、本発明においては、基板上に形成さ
れ、可視光波長λ_Ｖの３以上の奇数倍の波長λ_０を設計
波長とする多層膜の上に重ねて形成された誘電体膜の膜
厚をモニタリングする膜厚モニタリング方法であって、
光源からの、波長λ_Ｖを含む可視光領域の波長の光を前
記基板と前記多層膜と前記誘電体膜との合体物に照射
し、前記照射によって生じる前記合体物からの、前記可
視光領域における透過光または反射光の分光スペクトル
を測定し、前記分光スペクトルのデータから、前記波長
λ_Ｖを含まない可視光波長域における前記分光スペクト
ルの極値（波長に対する極大値または極小値）および前
記極値が実現するときの光の波長であるサブピーク波長
の一方または両方を取得し、前記極値および前記サブピ
ーク波長の一方または両方を用いて、前記誘電体膜の膜
厚が、波長λ_０を設計波長とする多層膜の構成要素であ
る誘電体膜の膜厚として適当であるか否かを判別するこ
とを特徴とする膜厚モニタリング方法を構成する。ここ
で、「誘電体膜の膜厚が、波長λ_０を設計波長とする多
層膜の構成要素である誘電体膜の膜厚として適当である
か否か」は、その誘電体膜の光学的膜厚（屈折率×膜
厚）がλ_０/４の整数倍に、測定誤差に起因する誤差の
範囲内で、等しいか否か、を意味する。この膜厚モニタ
リング方法は、上記の、本発明に係る膜厚モニタリング
装置によって実行することができる。

【００３１】上記の、「誘電体膜の膜厚が、波長λ_０を
設計波長とする多層膜の構成要素である誘電体膜の膜厚
として適当であるか否か」を判別する方法として、上記
測定によって得られる分光スペクトルのデータから、前
記波長λ_Ｖを含まない可視光波長域における前記分光ス
ペクトルの極値（波長に対する極大値または極小値）お
よび前記極値が実現するときの光の波長であるサブピー
ク波長の一方または両方を取得し、その一方または両方
の数値を、それぞれに対応する、あらかじめ理論計算に
よって求められている数値と比較する方法がある。すな
わち、理想的な多層膜の可視光波長領域における分光透
過率（図６に例示）または分光反射率は、多層膜の構成
材料と層構成とを決めれば、理論計算によって求めるこ
とができ、その、波長λ_Ｖを含まない可視光波長域にお
ける極値および前記極値が実現するときの光の波長であ
るサブピーク波長も求めることができる。そこで、その
ような理論計算によって求めた極値またはサブピーク波
長を層構成の関数として、上記の演算処理手段に記憶さ
せておき、上記の測定および演算によって得た数値が、
それぞれに対応する計算値と、測定誤差に起因する誤差
の範囲内で一致するか否かによって、上記誘電体膜の膜
厚が、波長λ_０を設計波長とする多層膜の構成要素であ
る誘電体膜の膜厚として適当であるか否かを判別するこ
とができる。

【００３２】上記の方法とは別に、分光スペクトルの極
値の計算値を用いない膜厚モニタリング方法も、後述の
実施例に例示するように、実行が可能である。

【００３３】上記の光源としては、キセノンランプやタ
ングステンランプ等が用いられる。

【００３４】上記の、光源からの光を上記合体物に照射
する光照射部としては、光ファイバを用いることができ
る。光ファイバは上記合体物からの透過光または反射光
を上記の光測定部に導く手段としても利用される。

【００３５】上記の光測定部の主体は可視光分光器であ
る。この分光器は、上記合体物の可視光域における分光
スペクトルを測定する。

【００３６】上記の演算処理手段としては、汎用のパー
ソナルコンピュータ等の演算器を用いることができる。
この演算処理手段によって、上記の光測定部の出力であ
る、分光スペクトルのデータは、あらかじめ取得し記憶
されている参照データで規格化されて、透過率または反
射率の分光スペクトルデータに変換される。

【００３７】本発明によれば、従来技術のように高精度
測光が難しい赤外光領域の測光のデータではなく、設計
波数の３以上の奇数倍である波数を中心とした可視光領
域における分光スペクトルの極値のデータを用いて、赤
外光領域の波長を設計波長とする多層膜の膜厚モニタリ
ングを行うことができる。この場合に、安価で、高信頼
性・高精度の可視光領域の分光器を使用することがで
き、層数の多い多層膜の膜厚モニタリングを高精度で行
うことができる。

【００３８】

【実施例】本発明に係る膜厚モニタリング装置は、多層
膜の成膜装置内に組み込まれて使用された場合に、その
効果を発揮する。

【００３９】この場合に、成膜装置内において、基板上
に波長λ_０を設計波長とする多層膜が形成される成膜工
程中、上記の誘電体膜に該当する、最上層の高屈折率膜
（Ｈ膜）または低屈折率膜（Ｌ膜）の膜厚が膜厚モニタ
リング装置によってモニタリングされ、その膜厚が適当
であると判定された時点で、その膜の成膜は中止され、
他の膜種の成膜が開始されるか、または、多層膜成膜工
程が終了する。

【００４０】次に本発明の実施例について説明する。な
お、実施例は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱
しない範囲で主旨の変更あるいは改良を行い得ることは
言及するまでもない。

【００４１】［実施例１］図１に、本発明の第１の実施
例を示す。図中、１は成膜室２内の基板３上に成膜を行
う成膜装置であり、４は基板３上に膜物質をスパッタす
るＥＣＲスパッタ源であり、５は基板３に可視光を投光
するための光源であり、６は光源５からの光を基板３に
照射する光照射部である光源用光ファイバであり、７は
光を成膜室２内に導入するための真空封止用窓であり、
８は基板３を透過した光を空気中に取り出すための真空
封止用窓であり、９は透過光を可視光分光器１０に導く
ための光ファイバであり、可視光分光器１０は請求項１
に記載の光測定部に該当し、透過光の可視光波長におけ
る強度を計測する。１１は、可視光分光器１０の出力で
ある前記光の強度のデータを用いて、成膜中の誘電体膜
の膜厚が、波長λ_０を設計波長とする多層膜の構成要素
である誘電体膜の膜厚として適当であるか否かを判別す
る演算処理手段である演算器である。光源５と光ファイ
バ６と光ファイバ９と可視光分光器１０と演算器１１と
が請求項１に記載の膜厚モニタリング装置に該当し、基
板３は請求項１および２に記載の合体物に該当する。

【００４２】成膜手段としては、電子サイクロトロン共
鳴スパッタ（ＥＣＲスパッタ）源４を用いる手段を図に
示しているが、言及するまでもなく、他の成膜手段、例
えば、高周波バイアススパッタ装置（ＲＦバイアススパ
ッタ装置）、マグネトロンスパッタ装置、抵抗加熱蒸着
装置、プラズマ化学気相堆積装置（プラズマＣＶＤ装
置）、分子線ビーム成長装置（ＭＢＥ装置）、原子層成
長装置（ＡＬＥ装置およびＡＬＤ装置）、有機金属熱分
解堆積装置（ＭＯＣＶＤ装置）等を用いても良い。

【００４３】本実施例では、多層膜を堆積する基板３で
の透過スペクトルを測定できるように、基板に対して斜
めにＥＣＲスパッタ源４を配置してある。基板３上での
膜の均一性を向上するために基板３を成膜中に回転でき
る構造とした。

【００４４】成膜工程中、成膜装置１の成膜室２内にお
いて、基板３上に、ＥＣＲスパッタ源４からのスパッタ
によって誘電体膜（Ｈ膜とＬ膜）が形成され、光源５か
らの可視光は光ファイバ６を通り、成膜装置１の窓７を
通って、基板３に垂直に入射し、基板３を透過した光は
窓８を通り、光ファイバ９を通って、可視光分光器１０
に入り、可視光分光器１０によって透過光の可視光波長
における強度が計測される。可視光分光器１０の出力で
ある透過光の強度のデータが演算器１１に入力される。
この場合に、成膜中のＨ膜またはＬ膜が請求項１および
２に記載の誘電体膜に該当する。

【００４５】光源５としては、本実施例においては、ハ
ロゲンランプを用いているが、赤外領域に対する発光の
強度の安定性にくらべて、可視光領域では容易に比較的
平坦な発光スペクトルが得られるため、安価に光源を得
ることができる。また、可視光領域では、ハロゲンラン
プよりも高安定な発光強度が得られるキセノンランプや
タングステンランプ等も使用できる。

【００４６】本実施例では、光源からの光を照射するた
めに、また、透過光を分光器に導くために、光ファイバ
６、９を用いているが、反射ミラーやハーフミラー等を
用いた光学系を用いても良い。

【００４７】可視光分光器１０としては、高安定・高精
度・高速に、かつ、安価なシステムが提供されている可
視光分光器を用い、図６中の可視光領域に出現する設計
波長１５５０ｎｍに相当する設計波数６４５１ｃｍ^−１
の３倍にあたる波数１９３５４ｃｍ^−１（波長５１６ｎ
ｍ）を含む、３００ｎｍから８００ｎｍの領域の分光ス
ペクトルを観測できるようにした。測定波長分解能は、
０.１ｎｍであった。

【００４８】分光器からのスペクトルデータは、ＡＮＳ
Ｉ標準のＩ/Ｏバスである小規模コンピュータシステム
インターフェイス（ＳＣＳＩ）を使用して演算器にデー
タ転送を行った。演算器としては、汎用のパーソナルコ
ンピュータを用いているが、専用の演算回路を有する装
置を作製して使用しても良い。また、インターフェイス
もＳＣＳＩに限定するものではなく、シリアル、ＵＳ
Ｂ、ＩＥＥＥ１３９４、光ファイバリンク等の方法でも
良い。転送されたデータは、演算器１１上で成膜前に取
得した参照データで規格化を行い透過率のスペクトルを
取得する。さらに、その透過率スペクトルを差分法、最
小二乗法や微分法等の数値処理を行うことにより、成膜
中の膜の膜厚が、多層膜の構成要素である膜の膜厚とし
て適当であるか否かを判別し、その判別結果によって膜
厚制御（成膜を続けるか、膜種を切替えるか、等）を行
うための信号を得る構成とした。

【００４９】本実施例における膜厚モニタリングの動作
の一例を以下に説明する。

【００５０】図８に、基板を屈折率が１.４７の石英と
し、高屈折率膜として屈折率が２.１４のＴａ_２Ｏ_５、
低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉＯ_２を用い、
下層に高屈折率膜と低屈折率膜の対を２１層、上層に高
屈折率膜と低屈折率膜の対を２１層、その間にキャビテ
ィ層を１層堆積した場合の設計波数の３倍に当たる波数
における透過率の波長依存性を示す（但し、図の横軸は
波数とする）。この場合に、設計波長λ_０は１５５０ｎ
ｍ（設計波数κ_０は６４５１ｃｍ^−１）である。測定に
使用した光の波長範囲は、設計波長の３分の１に当たる
波長５１６ｎｍを含む４００ｎｍから６５０ｎｍの範囲
であり、波長分解能は０.２５ｎｍとした。図の横軸は
波数で表した。本実施の形態では、高屈折率膜としてＴ
ａ_２Ｏ_５、低屈折率膜としてＳｉＯ_２を用いているが、
他の膜種の組み合わせでも同様の効果が得られる。

【００５１】光学的膜厚λ_０のＴａ_２Ｏ_５の膜厚は７２
４ｎｍであり、光学的膜厚λ_０/４に相当する膜厚は１
８１ｎｍとなり、光学的膜厚λ_０のＳｉＯ_２の膜厚は１
０４７ｎｍであり、光学的膜厚λ_０/４に相当する膜厚
は２６１ｎｍとなる。

【００５２】図８より、多層膜を成膜してゆくと、５０
０ｎｍから５５０ｎｍの可視光領域の波長に対応する波
数において非透過領域が存在し、その両側に対称的にサ
ブピークが形成されていることがわかる。

【００５３】このサブピークをサイドバンドピークと呼
ぶことにする。また、設計波数の３以上の奇数倍にあた
る波数を中心対称とした、ピーク対をＰ_１、Ｐ_２、
Ｐ_３、Ｐ _４、Ｐ_５、・・・、Ｐ_ｎとする。また、そのピ
ーク対の低波数側・高波数側を、例えば、Ｐ_１−、Ｐ
_１＋のように、それぞれ、表すことにする（図８参
照）。さらに、サイドバンドピーク対に対応する波数
を、κ_１、κ_２、κ_３、κ_４、κ_５、・・・、κ_ｎと
し、このときの低波数側、高波数側を、例えば、
κ_１−、κ_{１ ＋}のようにそれぞれを表すことにする。こ
のサイドバンドピークは、膜の層数が増えるにしたがっ
て、波数範囲に現れる数が増加してゆく。また、このサ
イドバンドピークは、一般に、ある層の薄膜の光学膜厚
がλ_０/４の整数倍をなすときには、設計波数の３以上
の奇数倍にあたる波数を中心対称とした波数に対して対
称になる。Ｔ(κ）を波数κにおける透過率とすると、
ｎ番目のサイドバンドピークＰ_ｎ−、Ｐ_ｎ＋ につい
て、次のように表すことができる。

【００５４】 Ｔ(κ_ｎ＋）＝ Ｔ(κ_ｎ−） （式１） 多層膜のある層を成膜している途中では、その層の光学
的膜厚がλ_０/４の整数倍に等しくない時には、次式の
ようになる。

【００５５】 Ｔ(κ_ｎ＋）≠ Ｔ(κ_ｎ−） （式２） したがって、成膜を行いながら、κ_ｎ＋ とκ_ｎ− の対
となるサイドバンドピークの波数を常に検出し、その波
数での透過率Ｔ(κ_ｎ＋）、Ｔ(κ_ｎ−）（これらは請求
項１および２に記載の極値に該当する）を比較し、（式
１）のように透過率が等しくなったときに成膜を停止す
れば、その層の光学的膜厚をλ_０/４の整数倍に制御す
ることが可能となる。このようにして、本発明に係る膜
厚モニタリング装置および方法を用いて、各層の膜厚を
正確に制御しながら、多層膜を作製することができる。
サイドバンドピークは、膜厚により大きく変化するため
に、Ｓ/Ｎ（信号対雑音比）よく膜厚を制御することが
できる。

【００５６】なお、多層膜の光学的膜厚がλ_０/４の整
数倍の時には、等式：κ_ｎ＋ ＋κ_{ｎ −} ＝２κ_０が成立
するので、この等式も、（式１）と同様に、膜厚のモニ
タリングに利用できる。

【００５７】また、サイドバンドピークＰ_ｎに対応する
κ_ｎ＋ とκ_ｎ− の位置は、分光スペクトルの極値の位
置を求める数値処理を適応すれば容易に求めることがで
きる。ｎ番目のサイドバンドピークＰ_ｎの透過率差を△
Ｔ_ｎとすれば、次のようにできる。

【００５８】 △Ｔ_ｎ ＝Ｔ(κ_ｎ＋）− Ｔ(κ_ｎ−） （式３） 図９に、基板を屈折率が１.４７の石英とし、高屈折率
膜として屈折率が２.１４のＴａ_２Ｏ_５、低屈折率膜と
して屈折率が１.４８のＳｉＯ_２を用い、下層に高屈折
率膜と低屈折率膜の対を２１層、低屈折率膜のキャビテ
ィ層を１層、上層に高屈折率膜と低屈折率膜の対を１８
層成膜し、その上に次の１層目を堆積するときの（式
３）から求めた透過率差と膜厚堆積度（光学的膜厚がλ
_０/４の時に１とする）との関係を示す。但し、設計波
長λ_０は１５５０ｎｍ（設計波数κ_０は６４５１ｃｍ
^−１）である。サイドバンドピークは、Ｐ_１−と
Ｐ_１＋、Ｐ_２−とＰ_２＋、Ｐ_３−とＰ_３＋、Ｐ_４−とＰ
_４＋の４対について示す。波長分解能は０.２５ｎｍと
した。図の横軸は波数で表した。図より、膜厚が増加す
るに従って、△Ｔ_１、△Ｔ_２、△Ｔ_３、△Ｔ_４は、λ_０
/４までに２回０をよぎり、λ_０/４で０となる。このよ
うに△Ｔ_ｎに対して３回目の△Ｔ_ｎ＝０で成膜を停止す
ることで、光学的膜厚をλ_０/４に制御できることがわ
かる。

【００５９】本実施例では、屈折率に波長依存性がない
ものとして示したが、実際には、誘電体の屈折率には波
長依存性が存在し、λ_０とλ_Ｖの付近の屈折率が異なる
場合がある。そのため、設計波長λ_０からずれた多層膜
が形成される場合がある。このような場合には、予め誘
電体の屈折率の波長依存性を分光エリプソメータ等で測
定し、その数値をもとに、シミュレーションによる事前
比較を実施して実際の測定に反映することで、設計波長
λ_０の多層膜を得ることが可能となる。

【００６０】分光スペクトルの形状は、多層膜を積んで
ゆくにしたがい不規則に変化してゆく。そのため、通常
の二色測光法の様に波長を固定されている場合は、信号
の変化が非常に小さくなる層が存在し、赤外分光器の波
長分解能と測定感度が大きくないために、全層にわたっ
て精度良く測定することはできない。本発明のように、
波長分解能と測定感度が高く、リアルタイムに測定可能
な可視分光器を用いて、かつ、サイドバンドピークの波
数を常に検出し、その波数での透過率差を用いれば、層
数の多い多層膜においても、精度の高い膜厚制御が可能
となる。

【００６１】図２に、透過光の分光スペクトルを規格化
して透過率スペクトルに変換するための参照光を成膜途
中で定期的に取得できるように、光源５からの光を２分
岐光ファイバ１２と切替器１３により直接可視光分光器
１０に取り込める構成を示す。この構成を用いることで
長時間の成膜を行う場合でも、光源５の出力を定期的に
測定して、その変動を校正できるため、より正確な測定
が可能となる。

【００６２】［実施例２］図３に、反射光における、本
発明の実施例を示す。基板上に成膜を行う成膜装置、基
板３に光を投光するための光源５、光投用光ファイバ６
と光を成膜室２内に導入するための真空射止用窓７を含
む投光部分、多層膜を堆積する基体となり可視光領域で
適当な反射率を示す基板３と、基板３に反射した光を可
視光分光器１０に導くためのハーフミラー１４と光ファ
イバ９を含む受光部分と、受光部分で受けた光を分光ス
ペクトルとして測光する光測定部である可視光分光器１
０からなる測定部分と、分光スペクトルの波長に対する
極値を演算処理する演算処理手段である演算１１と、基
板３上に単層膜および多層膜を成膜する成膜手段とから
なる。

【００６３】本実施例では、反射測定系のため、可視光
領域の光を透過しないシリコン基板などの不透明基板上
への成膜でも膜厚モニタリングが可能となる。

【００６４】基板３としてシリコン基板を用い、そのシ
リコン基板上に、高屈折率膜として屈折率が２.１４の
Ｔａ_２Ｏ_５、低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉ
Ｏ_２を用い、下層に高屈折率膜と低屈折率膜の対を２１
層、上層に高屈折率膜と低屈折率膜の対を２１層、その
間にキャビティ層を１層堆積した場合を例にして、本発
明の膜厚モニタリング動作を説明する。本実施例では、
高屈折率膜としてＴａ_２Ｏ_５、低屈折率膜としてＳｉＯ
_２を用いているが、他の膜種の組み合わせても同様の効
果が得られる。

【００６５】一般に、ある波数κにおける反射率Ｒ
(κ）は、透過率Ｔ(κ）と次のような関係がある。

【００６６】 Ｔ(κ）＝ １−Ｒ(κ） （式４） 反射率Ｒ（κ）は、測定される。（式４）で求められる
Ｔ(κ）について設計波数の３倍に当たる波数における
透過率の波長依存性を示すと、図８になる（但し、図の
横軸は波数とする）。透過率Ｔ(κ）が求められれば、
（式３）より△Ｔ_ｎを求めて実施例１と同様な手順で膜
厚モニタリングとそれに基づく膜厚の制御が可能とな
る。

【００６７】分光スペクトルの形状は、多層膜を積んで
ゆくにしたがい不規則に変化してゆく。そのため、通常
の二色測光法の様に波長を固定されている場合は、信号
の変化が非常に小さくなる層が存在し、赤外分光器の波
長分解能と測定感度が大きくないために、全層にわたっ
て精度良く測定することはできない。本発明のように、
波長分解能と測定感度が高く、リアルタイムに測定可能
な可視分光器を用いて、かつ、サイドバンドピークの波
数を常に検出し、その波数での透過率差を用いれば、層
数の多い多層膜においても、精度の高い膜厚制御が可能
となる。

【００６８】図４に、分光スペクトルを規格化して反射
率分光スペクトルに変換するための参照光を成膜途中で
定期的に取得できるように、光源５からの光を２分岐光
ファイバ１２と切替器１３により直接、可視光分光器１
０に取り込める構成を示す。この構成を用いることで長
時間の成膜を行う場合でも、光源の出力を定期的に測定
して、その変動を校正できるため、より正確な測定が可
能となる。

【００６９】以上説明したように、本発明は、設計波長
の３以上の奇数倍に当たる波数を中心として、減衰域の
さらに両側に形成される透過率または反射率の極値の組
を検出し、その組の極値の差が０になるときを観測し、
成膜を停止することで膜厚をλ_０/４の整数倍に制御で
き、非常に簡便に総数が多い多層膜でも膜厚を制御でき
る。また、直接成膜基板を測定できるためモニター基板
の交換が不要で迅速に精度良く多層膜を形成できる。さ
らに、従来技術のように高精度測光が難しい赤外光領域
の測光ではなく、設計波長の３以上の奇数倍に当たる波
数近辺の可視光領域の透過率と反射率の測定を用いるこ
とで、安価で、高信頼性・高精度の可視光領域の分光器
を使用することができ、光学的膜厚の膜厚モニタリング
を高精度に行うという優れた効果が得られる。

【００７０】

【発明の効果】本発明の実施により、モニタ基板交換の
問題点や膜厚や膜質の均一性の高精度化の課題を解決
し、λ_０を設計波長とする多層膜の光学的膜厚をλ_０/
４の整数倍に制御することを可能とする膜厚モニタリン
グ装置および方法を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す図である。

【図２】第１の実施例において、参照光を取得できるよ
うに、２分岐光ファイバと切替器を用いた構成を示す図
である。

【図３】本発明の第２の実施例の構成を示す図である。

【図４】第２の実施例において、参照光を取得できるよ
うに、２分岐光ファイバと切替器を用いた構成を示す図
である。

【図５】波長多重通信用の多層膜フィルタの構成例を示
す図である。

【図６】波長多重通信用の多層膜フィルタの透過スペク
トルを示す図である。

【図７】既存の単色測光法での透過率の層数依存性を示
す図である。

【図８】本発明での設計波数の３以上の奇数倍に当たる
波数の透過率の波長依存性を示す図である。

【図９】本発明での設計波数の３以上の奇数倍に当たる
波数を中心とした任意のサイドバンドピーク対の透過率
差の膜厚依存性を示す図である。

【符号の説明】

１…成膜装置、２…成膜室、３…基板、４…ＥＣＲスパ
ッタ源、５…光源、６…光ファイバ、７、８…窓、９…
光ファイバ、１０…可視光分光器、１１…演算器、１２
…２分岐光ファイバ、１３…切替器、１４…ハーフミラ
ー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 嶋田 勝 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 小野 俊郎 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 松尾 誠太郎 東京都三鷹市下連雀四丁目16番30号 エ ヌ・ティ・ティ・アフティ株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA30 BB17 CC21 CC22 CC31 DD06 GG03 HH13 LL00 LL02 LL12 MM04 PP13 QQ03 QQ13 QQ18 QQ25 2H048 GA04 GA09 GA15 GA33 GA60 GA62 2K009 AA02 CC02 DD03 DD04 DD09 DD17

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に形成され、可視光波長λ_Ｖの３以
   上の奇数倍の波長λ_０を設計波長とする多層膜の上に重
   ねて形成された誘電体膜の膜厚をモニタリングする膜厚
   モニタリング装置であって、光源と、前記光源からの、
   波長λ_Ｖを含む可視光領域の光を前記基板と前記多層膜
   と前記誘電体膜との合体物に照射する光照射部と、前記
   照射によって生じる前記合体物からの、前記可視光領域
   における透過光または反射光の分光スペクトルを測定す
   る光測定部と、前記分光スペクトルのデータから、前記
   波長λ_Ｖを含まない可視光波長域における前記分光スペ
   クトルの極値および前記極値が実現するときの光の波長
   であるサブピーク波長の一方または両方を取得し、前記
   極値および前記サブピーク波長の一方または両方を用い
   て、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ_０を設計波長とする
   多層膜の構成要素である誘電体膜の膜厚として適当であ
   るか否かを判別する演算処理手段とを有することを特徴
   とする膜厚モニタリング装置。
2. 【請求項２】基板上に形成され、可視光波長λ_Ｖの３以
   上の奇数倍の波長λ_０を設計波長とする多層膜の上に重
   ねて形成された誘電体膜の膜厚をモニタリングする膜厚
   モニタリング方法であって、光源からの、波長λ_Ｖを含
   む可視光領域の波長の光を前記基板と前記多層膜と前記
   誘電体膜との合体物に照射し、前記照射によって生じる
   前記合体物からの、前記可視光領域における透過光また
   は反射光の分光スペクトルを測定し、前記分光スペクト
   ルのデータから、前記波長λ_Ｖを含まない可視光波長域
   における前記分光スペクトルの極値および前記極値が実
   現するときの光の波長であるサブピーク波長の一方また
   は両方を取得し、前記極値および前記サブピーク波長の
   一方または両方を用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長
   λ_０を設計波長とする多層膜の構成要素である誘電体膜
   の膜厚として適当であるか否かを判別することを特徴と
   する膜厚モニタリング方法。
3. 【請求項３】前記サブピーク波長のうち、波長λ_０より
   も大きいものを小さい順にλ_１＋、λ_２＋、…、
   λ_ｎ＋、…とし、それぞれの波長における透過率の極値
   をＴ(λ_{１ ＋})、Ｔ(λ_２＋)、…、Ｔ(λ_ｎ＋)、…とし、
   前記サブピーク波長のうち、波長λ_０よりも小さいもの
   を大きい順にλ_１−、λ_２−、…、λ_ｎ−、…とし、そ
   れぞれの波長における透過率の極値をＴ(λ_１−)、Ｔ
   (λ_２−)、…、Ｔ(λ_ｎ−)、…とし、ｎ_＋とｎ₋の対の
   うちの少なくとも１対について、Ｔ(λ_ｎ＋)とＴ(λ
   _ｎ−)とが測定誤差に起因する誤差の範囲内において等
   しいか否かによって、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ_０
   を設計波長とする多層膜の構成要素である誘電体膜の膜
   厚として適当であるか否かを判別することを特徴とする
   請求項２に記載の膜厚モニタリング方法。