JP2542114B2 - 複数ノッチしわ付きフィルタ及びその製造方法 - Google Patents

複数ノッチしわ付きフィルタ及びその製造方法

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JP2542114B2 JP2214471A JP21447190A JP2542114B2 JP 2542114 B2 JP2542114 B2 JP 2542114B2 JP 2214471 A JP2214471 A JP 2214471A JP 21447190 A JP21447190 A JP 21447190A JP 2542114 B2 JP2542114 B2 JP 2542114B2
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S359/00—Optical: systems and elements
    • Y10S359/90—Methods

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、一般的には光反射フィルタおよび材料の分
野、詳しくは監視・フィードバック制御付着過程により
製造される複数ノッチしわ（rugate）付きフィルタに関
する。
［従来の技術、及び発明が解決しようとする課題］ 光センサを運用する最も重要な基準は、センサがレー
ザにより破損する可能性を防ぐことである。こうしたセ
ンサの保護はレーザ硬化と呼ばれ、レーザが距離の測定
および通信など、産業および軍事用に広く使用されるよ
うになって必要が生じた。
こうした保護が必要なのは、レーザ光線は、味方から
放射されたか敵方から放射されたかに関係なく、またエ
ネルギーレベルが低い場合でも、破損しやすい構成要素
または検出器要素を集中攻撃または焼き尽くすことによ
り、検出システムを使用不可能にしたり破損したりする
場合があるためである。こうしたシステムを保護する
際、スペクトルの変形が少なく、透明度が高くなけれ
ば、正確な信号を表すことはできない。
従来のレーザ硬化方式では、こうした標準敵な保護方
法は、異質の材料の交互の層から成る多層誘電反射フィ
ルタを使用する。このように個別の多層構造を使用する
場合の問題は、急激な界面における材料特性の不適合に
より、各層に残留応力が生じることである。この応力
は、個別の多層コーティングに共通の問題で、構造を弱
体化し、層剥離の原因になる場合がある。さらに、異質
材料間の急激な界面は、転位が生じたり、不純物の濃度
が高くなる場所にもなり得る。放射線が検出器内に散乱
するかまたはフィルタ内に吸収された場合、これらの場
所によって、フィルタの保護機能および出力許容範囲が
低下する恐れがある。多層フィルタでは、交互の層構造
というフィルタ設計の制約に固有の干渉効果により、望
ましくない側波帯反射ピークが生じるので、広帯域信号
の透過が不十分になる。
単純な反射多層誘電フィルタは一般に、屈折率が異な
る２種類の誘電材料の交互の層から成る。この層は、薬
品蒸着、スパッタ、熱蒸発など、公知の付着技法により
支持体表面上に形成される。各層の光学的厚さ（この場
合、屈折率と層の厚さの積）は、反射される放射線の波
長の1/4になるように選択する。したがって、こうした
構造は、「四分の一波長スタック」と呼ばれる。前記の
とおり、こうした多層フィルタには多くの問題がある。
たとえば、郷土の放射を受けた場合、極めて局所的な場
が各層表面間の急な界面部分に生じ、その結果、温度が
上昇して、界面の応力により構造が破壊する原因になる
こともある。
1985年10月８日に発行、現譲受人に譲渡されたチャー
ン（Chern）等の米国特許第4,545,646号 光フィルタに
使用する光学的材料を改良するため、材料の厚さの関数
である化学量論的組成おび屈折率が連続して漸次変化す
る段階的屈折率（graded index）の光学的材料が提供さ
れた。チャーン等の米国特許第4,545,646号で開示され
た構造は、多層フィルタの構造および性能上の制約な
ど、多くの様々な欠点を解決した。チャーン等は、放射
の前に支持体を予め決められた割合の第１と第２の蒸気
相反応体に暴露する方法を開示している。光学的材料の
付着は、予め決められた屈折率に従って行う。支持体を
暴露する反応体の割合は、時間の関数として、予め決め
られた連続する方法で変える。この方法は、付着材料の
化学量論的組成および屈折率が予め決められたように連
続して変化することにより、一定の波長の放射線を反射
し、屈折率が段階的な反射を生じる方法とする。チャー
ン等のこの単一ノッチ過程では、付着過程は予め決めら
れたパターンに従って発生すると仮定されている。ただ
し、チャーン等は、付着パターンの正確度を保証する方
法を提案していない。
複数のレーザ光線から保護するには、複数の単一ノッ
チのしわ付き層を相互に積み重ねる。ただし、スタック
間には界面の問題が起こり得るので、各スタックは、個
別の処理セグメントが必要である。成分の正弦変調の並
置により、単一処理セグメントで、複数ノッチを同時に
形成することができる。チャーン等は、多数の正弦屈折
率（index）プロフィールの線形並置に基づく複合屈折
率（index）プロファイルを持つ段階的屈折率（graded
index）コーティングから複数ノッチフィルタを形成す
る方法も開示している。
例えば、個別の３つの屈折率（index）プロフィール
を結合すると、個別の３つの波長から保護できる複合屈
折率プロフィールを形成することができる。付着パター
ンを管理して正確さを確保する能力は、複数ノッチフィ
ルタの製造では特に重要である。ただし、しわ付きフィ
ルタの製造では、米国特許第4,707,611号でサウスウェ
ル（Southwell）等が開示しているように、本来の設計
ガイドとの約１％以下の誤差を許容することができる。
したがって、誤差が１％を超える場合、発生する都度補
正するか、または製造工程を終了して再始動する必要が
ある。
したがって、光フィルタの分野では、複数ノッチしわ
付きフィルタを段階的屈折率（graded index）の光学的
材料から制御可能な方法でかつ正確に形成する方法に対
するニーズがある。
［課題を解決する為の手段及びその作用］ 本発明は、一様な支持体上に付着させ、所望の特性を
有する薄膜複数ノッチ光フィルタを確実に達成する誤差
補正方法に関する。薄膜で光学的に相互作用する媒体
は、アルゴリズム制御で誤差補正が行われてほぼ連続的
に変化する、支持体平面に対して垂直な屈折率プロフィ
ールを持つ。媒体の変化する屈折率プロフィールは、主
に複数のノッチつまり波長の複数の帯域で反射する。複
数ノッチフィルタの形成に必要な屈折率プロフィール
は、正弦的に変化し、それぞれが単独で１つの波長つま
りノッチで反射する屈折率プロフィールの組合せつまり
並置である。本発明の１実施例では、光学的に反射する
媒体は、酸化ケイ沿（SiOx）を光化学的に付着させたフ
ィルムから成る。
本発明の光フィルタ媒体は、連続的に変化し、光学的
にコーティングを監視するアルゴリズム法に従って誤差
を補正される屈折率プロフィールを特徴とし、媒体は、
付着の際に複数回の正弦的位相調整が行われて、予め決
められた光学的に測定可能なパターンを取る。したがっ
て、アルゴリズムの使用は目新しいが、光学的監視は従
来の標準的な手段で実施できる。光学的に相互作用し、
一様な支持体上に塗布される媒体は、支持体とともに、
本発明の複数ノッチしわ付きフィルタを構成し、フィル
タが反射する波長の特定のノッチ付近またはノッチ部分
以外では光線（optical radiation）を透過する。こう
した媒体を「複数ノッチしわ付きフィルタ」と呼ぶ。こ
の複数ノッチしわ付きフィルタ法の顕著な側面は、この
光学的媒体の層を構成するに当り、おのおののノッチに
望ましいブラッグ反射条件が正確に達成されるように、
平均屈折率と成分の正弦周期の厚さとの積を維持するこ
とである。この結果は、フィルタ付着の際に、光学的監
視信号によるアルゴリズム動作に基づいて誤差を補正す
ることにより得られる。アルゴリズムは、付着インデッ
クス（index）プロファイルに対して、縦または横に微
調整するように指示し、誤差が補正されて、理論上望ま
しい複数ノッチしわ付きプロフィールを正確に取れるよ
うにする。したがって、その結果生じる付着インデック
ス（index）プロフィールは、実際に実現可能な複数ノ
ッチしわ付きフィルタ特性になる。一様な支持体上に塗
布される複数ノッチフィルタ媒体を構成するこのアルゴ
リズムによる付着方法は： （ａ）支持体を提供し； （ｂ）物理的、化学的に相互作用し、支持体上の層とし
て光学的材料を構成する反応体を提供し； （ｃ）層の厚さに対する屈折率が理想的なターゲットプ
ロフィールを提供し、このプロフィールは、単一ノッチ
の正弦パターンを並置して構成した複数ノッチの複合パ
ターンを持ち、ターゲットプロフィールから、プロフィ
ール沿いの各点に対応する、時間的に連続する点におけ
る光学的厚さの理想的な値を決定し； （ｄ）理想的なターゲットプロフィールを持つ層を形成
するように作用する反応体に対する時間の関数として、
ターゲット処理条件を提供し； （ｅ）かかる処理条件を開始し、付着プロフィールをも
つ層を形成し； （ｆ）付着層を連続して光学的に監視し、制御信号を発
信し； （ｇ）制御信号から、付着層の光学的厚さの増分測定値
を決定し、光学的厚さの増分を連続的に監視し； （ｈ）光学的厚さの値が、理想的なターゲットプロフィ
ールを生成するターゲット処理条件に対して予め決めら
れた時間に測定されるかどうかを判定し； （ｉ）上記「ｈ」項に基づいて、理想的なターゲットプ
ロフィールに正確に従うように、屈折率対層の厚さの付
着プロフィールに対して行う必要がある複数の正弦位相
角調整を決定し； （ｊ）時間が経過したら処理条件を変更し、実際のプロ
フィールに従って調整を行い； （ｋ）複数ノッチしわ付きフィルタを形成するのに必要
な回数だけ上記「ｆ」から「ｊ」項を繰り返す； 各工程を含んでいる。
複数ノッチしわ付きフィルタ媒体は、しわ付きフィル
タを形成するために付着するので、光学的監視ビーム
は、既知の入射角で媒体に反射するかまたはそこを透過
して、光学的厚さ検出システムにいたる。このシステム
は、四分の一波長スタック付着の監視および制御に使用
するシステムと類似する従来の構造でよい。この検出シ
ステムは、ビーム強度の関数である出力信号を生成して
検出器に送る。この出力信号は、コンピュータ化付着制
御装置にフィードバックされ、付着の指令を調整する。
特に、実際の（付着）プロファイルに生じる可能性があ
る系統的または偶発的な誤差を補正するため、（成長厚
さに関する）ターゲット屈折率プロファイルに指令が送
られ、ターゲットの光学的厚さが予定通りに遅く（over
due）または早期に測定されたかに応じて、横または縦
方向に構造を微調整するように指令される。本発明の誤
差補正法に従って生成された複数ノッチしわ付きフィル
タ媒体は、所望のフィルタが正確に達成されるように複
数正弦変調された屈折率プロファイルを生じる。ブラッ
グの法則によると、ノッチの波長は、（フーリエ成分
（Fourier component））のように個々に、各正弦周期
厚さの２倍と平均屈折率の積であるからである。光学的
厚さ検出システムが相対的に正確である場合、補正処置
を十分に頻繁に行えば（一般に、最も重大な誤差を補正
するには、最短の正弦周期で４回）、所望の複数のブラ
ッグ反射構造も正確になる。
［実施例］ 第１図は、フィルムの厚さ方向ｚ沿いに取った理想的
な３ノッチしわ付き（rugate）フィルタのプロファイル
の略図を示す。最終理想厚さはｄ、nmは周囲媒体（空
気）の屈折率（index）、nsは支持体の屈折率（inde
x）、は平均理想屈折率（index）である。複数ノッチ
しわ付きフィルタの一例として、３ノッチを使用して説
明する。ただし、これは、本発明を３ノッチフィルタに
限定することを意図するのではなく、必要な数のノッチ
を含む。「ノッチ」という用語は、透過率がほぼゼロの
帯域を指すために認められている意味で使用する。この
理想プロフィールは、それぞれ以下の方程式に基づく３
つのノッチの正弦変調成分を並置して形成する。
ここで：λｉ＝各透過度ノッチの波長； ＝フィルム厚さ空間における１周期の平均屈折率（in
dex）； そして Δni＝正弦成分の振幅変調；である。
フィルム厚さ空間（ｚ軸沿い）におけるインデックス
（index）プロフィールの各正弦成分は、スペクトル的
に純粋な形態の周期的構造物（periodic structure）
で、それぞれの狭い波長帯域で起こるブラッグ反射を生
成する。ここで使用する“ブラッグ反射”という用語
は、しわ付きフィルタの周期的構造物が、本来ｘ線の回
折に適用されるブラッグの法則に従う事実を指し、これ
は、以下で定義する“ノッチ波長”において波長が最大
の反射率があることを示唆する。
λｉ ＝２LiCosθ 方程式（２） ここで:Li＝周期性の各物理的長さ、つまりｚ軸沿い
のフィルム厚さ空間におけるｉ番目の周期性サイクル；
そして θ＝表面に対して垂直に測定した放射線の入射角；であ
る。
ブラッグの法則の説明は、たとえば1966年D.Halliday
およびR.Resnick著の「物理学」第Ｉ部および第II部、1
140ページ以降、並びに1977年P.Yeh、A.YarivおよびC.
−S.Hong発行のJ.Opt.Soc.Am.第67巻、423ページ以降に
記載されている。これらの文献は引用することによりこ
こに含む。
高インデックス（index）と低インデックス（index）
の同質のフィルムを交互に２枚重ねた多数の層から形成
される四分の一波長スタックと異なり、本発明のしわ付
きフィルタは連続して変化し、連続的に変化する処理条
件を用いて支持体上に付着させることができるので、フ
ィルタ媒体材料の組成が連続的に変化し、屈折率は付着
したときに付着表面で局所的に連続して変化する。公知
の構造のように、交互に重なる同質の２枚のフィルムか
ら成るスタップではなく、フィルタ付着時に２種類の光
学的材料が適切に混合されて、“複数ノッチしわ付きフ
ィルタ”を構成するしわの屈折率（rugate index）プロ
フィールが生成される。適切な混合の処理条件は、所望
の複合屈折率値に対する付着速度および成分である光学
的材料の混合の特徴を表す以前の校正試験から予め決定
することができる。
光化学蒸着（photo−CVD）は、SiOxの形式で、つま
り、たとえば現譲受人に対して譲渡されたチャーン（Ch
ern）等の米国特許第4,545,646号に記述されているよう
に、シラン（SiH4）および一酸化二窒素（N2O）から変
化するｘフラクション（fraction）（１ｘ２）を含
む酸化ケイ沿の形式で連続的に変化する屈折率プロファ
イルを持つ光学的塗膜を生成するために使用する。チャ
ーン（Chern）等の特許は、引用することによりここに
編入する。層の酸素フラクションは変化して（一酸化ケ
イ素および二酸化ケイ素材料が反対方向に混合（counte
rblend）される）、しわ付きフィルタの屈折率プロフィ
ールを生成する。屈折率は、０ｙ１の場合、以下の
とおり、ｙフラクションで変化するので、このプロファ
イルは、約1.46から2.0の屈折率で生成できる。
ｎ（ｙ）1.46＋0.54y 方程式（３） （SiO）ｙ（SiO2）1-yの為には可視物（the visible）
ではほぼλ。
本発明のこの実施例は、以下の第５図の説明で詳しく
述べる。ただし、本発明は光化学的蒸着に限られるので
はなく、２種以上の反応体が物理的または化学的に相互
作用して、光学的材料の層に付着する光学的材料のいか
なる形成方法にも適用することができる。その他の方法
としては、金属有機薬品蒸着、蒸発または物理的蒸着、
電子ビーム蒸発、スパッター付着、および分子ビームエ
ピタキシアル成長など、熱化学蒸着を含むが、これらだ
けに限らない。
第2a図の実線32は、理想的な３ノッチしわ付きフィル
タのインデックス（index）プロフィールと点線のプロ
フィール34沿いに偶発的および系統的誤差をシミュレー
トした「誤差プロフィール」に関する成長厚さを示して
いる。一定で時間に無関係の系統的な誤差はこのプロフ
ィール（つまり、誤差プロフィール）の原因になり、厚
すぎる結果を生じる。また、偶発的誤差は小さい局所的
な偏差の原因になる。第2b図は、第2a図のインデックス
プロフィールの理想的で誤差のない（実線）36および誤
差を含む（点線）38の反射率対波長のスペクトル（ノッ
チ波長λ３に拡大）を示す。ノッチ領域は、誤差プロフ
ィールのスペクトルが大幅に変形しており、これらの誤
差は、本発明のアルゴリズムによって補正されない点に
注意しなければならない。
説明上、一般的なブラインドプロセス（blindproces
s）制御の結果が多少誇張されてはいるが、第2a図の誤
差プロフィール34は、統計上周期毎に30回、つまりプロ
フィール全体で約1680回発生し得る偶発的誤差を含む。
これらの偶発的誤差は、1680回の付着増分それぞれの光
学的厚で約10％の標準偏差に特徴がある。また、任意に
選んだ一定の系統的誤差があり、この誤差により付着速
度は10％速くなる。この系統的誤差によって、結局、プ
ロフィール全体の光学的厚さ（つまり、フィルム厚さ空
間に対するインデックスプロフィールの積分）は約10％
大きく仕上がることになる。
第2a図に32で示すような理想しわ付きフィルタプロフ
ィールは、誤差が生じない場合、適切に変化する付着パ
ラメータにより達成することができる。光化学蒸着（ph
oto−CVD）処理では、一次パラメータは、前に引用した
チャーン（Chern）等に述べられているように、一酸化
二窒素（N2O）の背景において前駆物質シラン（SiH4）
の濃度である。したがって、予め決められた校正を用い
ることにより、しわ付きフィルタの屈折率プロフィール
を制御するには、時間の関数である付着パラメータを変
え、本発明に基づくインデックスプロフィールを持つ複
数ノッチしわ付きフィルタを形成すればよい。
本発明に従って、しわ付きフイルタ媒体が、予め決め
られた誤差補正機構の命令に従って支持体上に塗布され
るようにアルゴリズムによって制御される、つまり、ブ
ラッグの法則と光学的厚さ信号監視を使用する複数ノッ
チしわ付き付着方法を提供する（誤差が生じない場
合）。したがって、この方法は、所望の複数ノッチしわ
付きフィルタ特性を生じるのに十分な、周期的に正確な
正弦インデックス変調によりインデックス成分を達成す
る。
しわ付きプロフィールは、媒体が支持体上に付着する
際の媒体の光学的監視を含む予め決められた誤差補正機
構を具備する本方法に従って考案される。第3a図に示し
たアルゴリズム処理の例として、光学的監視信号（この
場合、最低ノッチ波長λ１の1/2の監視波長による通常
の入射角の単一波長反射率）、点線200は、第2a図と同
じ誤差を持つ屈折率プロフィール（実線202）に対して
並列されたが、本発明のアルゴリズムが行う補正作用に
より補正されている。縦（104のＶ）と横（102のＨ）の
インデックスプロフィールの補正を第3a図に示し、以下
で詳しく説明する。第3a図では、ｎはインデックスプロ
フィール、ｚはフィルムの成長厚さ、dtはフィルムの一
次的な厚さ、Ｒは光学的監視反射率である。光学的監視
フィルム厚さの増分はL1＊/4で、L1＊は局所的に誤差が
ある最小周期である。第3a図は、アルゴリズムの動作を
拡大するために、フィルムの初めから３番目だけを示
す。偶発的および系統的誤差はアルゴリズムに考慮され
ているので（詳細は、第4aおよびｂ図に示す）、第3b図
に記載されている極めて正確なプロフィール、および第
3c図の反射率スペクトルに記載されている微調整された
複数ノッチしわ付きフィルタの確立に役立つ。第3b図で
は、理想プロフィールは実線（第2a図の線32と同じ）で
示し、誤差補正プロフィールは点線で示す。第3c図は、
理想（実線）204および誤差補正（点線）206反射率スペ
クトル対波長スペクトルを示す。第3c図の誤差補正スペ
クトル206は、第2b図の誤差補正スペクトル38を本発明
のアルゴリズムを用いて改良したものである。第3a図で
は、縦の補正は横の補正よりも多い点に注意しなければ
ならない。この場合、系統的な誤差によって付着速度が
速くなっているためである。
しわ付きフィルタは、確実に、かつ制御された方法で
付着するように以下の問題を考慮したアルゴリズムに従
って一様な支持体上に付着する。付着はリアルタイムで
行われるので、媒体は継続して光学的に監視され、正弦
的に発生する複数の媒体プロフィールが光学的厚さの増
分を測定して、理想ターゲットの光学的厚さの増分と完
全に正確に一致させる。継続中の処理は、予めプログラ
ムに組み込まれた代替シーケンス（アルゴリズム）に従
って調整が行われ、光学的厚さ信号が光学的媒体の正弦
付着を正確に案内する。（１）光学的厚さ信号が実際に
測定された場合、付着条件がジャンプし、誤差が生じた
場合の処理条件ではなく、この信号に対する処理条件に
従って続行するか、または（２）光学的厚さ信号が現在
の処理条件に対して遅れている（overdue）場合、処理
条件はターゲットの光学的厚さ信号を予想して待つ。
（誤差がない場合、付着処理条件はこの信号に対する処
理条件に従って続行する。）したがって、本発明は、横
および縦のインデックスプロフィール補正処置の両方を
行うことができる。（「横」および「縦」という用語
は、第3a図にそれぞれ「Ｈ」と「Ｖ」で表されるよう
に、厚さ平面に対するインデックスの２つの垂直方向を
指す。）最小および最大干渉は、反射率に関して第3a図
に点線200で示すように、反射または伝送された監視波
長に関する光学的厚さの四分の一波長増分ごとに発生す
るので、正確な増分の光学的厚さ信号は、標準的な従来
の手段で容易に測定できる。最大と最小の監視は、先行
技術では「極値法」と言われている。
第4a図は、本発明の処理段階制御アルゴリズムの流れ
図を示す。屈折率対層の厚さの理想プロフィールは、タ
ーゲットプロフィールとして予め決められている。この
理想プロフィールには、複数ノッチフィルタの複数正弦
パターンがある。また、このプロフィールには、予め決
められた光学的厚さの値も含まれ、これらの値は、理想
ターゲットプロフィール上の点に対応する時間的に連続
する点で予め決めることができる。時間の関数としての
ターゲット処理条件は、既知の処理パラメータに基づい
て予め決められるので、理想ターゲットプロフィールが
案内する光学的材料層の形成に有用である。これらの処
理条件は、一連の校正試験により決定される。こうした
試験では、選択した処理に影響する変数が変更され、付
着層に対する影響が決定される。化学的沈着処理に関す
るこうした変数には、反応体の割合、反応体の濃度、各
反応体の流量、気体全体の流量、圧力、反応体の温度、
支持体の温度、付着速度が含まれるが、これらだけに限
られない。（ここで用いる「反応体」という用語は、物
理的に相互作用する物質および化学的に相互作用する物
質を含むように意図している。）光化学処理に関するの
他の関連変数としては、放射線の強度および放射源と支
持体間の距離がある。理想ターゲットプロフィールに対
する処理指令は、誤差の補正に必要な場合、現在の処理
条件および光学的厚さ（OT）の状態に関連して、繰り返
しおよび／または絶え間なく起こる複数正弦位相調整
（アルゴリズムにより制御）の際にシフトされる。
本発明を特定の動作論に限定する意図はないが、本過
程を裏付ける理論は以下のとおりであると考える。アル
ゴリズムにより案内されるプロフィールは、以下のとお
りに表現できる。
ここで:n＝光学的材料の屈折率； ＝フィルム厚さ空間（ｚ）における１周期に関する平
均屈折率； ｍ＝しわの（rugate）透過ノッチの合計数； ｚ＝層またはフィルムの設計位置； ｉ＝コンポーネント整数； Δni＝ｉ番目のpeak−to−through indexの変化； λｉ＝ｉ番目のノッチ波長； ＊＝局所的な偶発的および／または系統的誤差を生じ得
るパラメタ（未知）で、φｉで補正される； φｉ＝ｉ番目の正弦位置調整で、λｉにおけるブラッグ
反射作用を保証するためにアルゴリズムにより繰り返し
更新される（第4a及び4b図参照） ここで：λｐ＝プローブ監視波長； ｑ＝ｑ番目のOT（整数:1、２、3...）；そして ｚ′＝ｑ番目のOT信号が遅れる（overdue）ときはｚで
あり、ｑ番目のOT信号を受信したときはzq（ｚの値）で
ある。
φｉはそれぞれ、複数正弦位相角調整の１成分であ
る。「複数正弦位相角調整」という語はここでは、正確
に理想ターゲットプロフィールに従うために、各アルゴ
リズム決定点において同時に付着プロフィールに指令す
る必要がある複数のφｉを意味する。
一般に、屈折率は、材料システムの１つのパラメータ
（たとえば、化学量論的材料フラクション「ｙ」）に関
連することができ、この１つのパラメータは、時間の関
数として制御することができる。通常、インデックスは
有効範囲全体で単調に動作する、つまり逆の関係も関数
であり、システムパラメータはインデックスの関数であ
る。したがって、インデックスの設計が一定で（たとえ
ば、インデックスプロフィールを正弦曲線の和として説
明できる方程式１のｎ（ｚ））、予め校正された付着速
度が分かれば、包括的な処理条件は、時間の関数として
広く制御可能であると考えることができる（たとえば、
各正弦曲線は、方程式４のｎ（z;φｉ）において位相補
正φｉを取ることができ、目標ｚは時間の関数であるこ
とが出来る）。同様に、これは以下の意味がある。包括
的な処理ψの処理条件は、以下のとおりである。
Ψ＝Ψ（P1,P2,P3,…Pj…Ps） 方程式（５） ここで、Pjは適切なパラメータが合計ｓ個の処理条件
においてｊ番目のパラメタ、 有効な材料混合物を達成する為には、２つの成分Ｕお
よびＶはUyV1-y（０ｙ１）であり、ここで混合物は
以下の屈折率を有し、 ｎ＝ｎ（ｙ） 方程式（６） 従って混合物は校正された処理パラメタの関数 ｙ＝ｙ（P1,P2,P3,…Pj…Ps） 方程式（７） である。
ｙがおのおののPjの有効範囲全体で単調に変化し、ｎ
（ｙ）がこのｙの範囲全体で変化する場合、屈折率プロ
フィールを制御する為に、処理条件を、時間、ｔおよび
正弦位相、φｉの関数 Ψ＝Ψ（t;φｉ）＝Ψ［P1（t;φｉ）， P2（t;φｉ），…Pj（t;φｉ）， …Ps（t;φｉ）］ ……方程式（８） として制御できる。これは以下の理由に従う Pj＝Pj（ｙ），（ｙにおける単調性（monotonic）,ymin
ｙymax） 方程式（９） ｙ＝ｙ（ｎ），（ｎにおける単調性（monotonic）,nmin
ｎnmax） 方程式（10） ｎ＝ｎ（z;φｉ），（上記の方程式４からのプロフィー
ル設計） ｚ＝ｚ（ｔ），（時間の関数であるターゲット厚さ）方
程式（11） 故に、 Pj＝Pj（ｙ｛ｎ｛ｚ（ｔ）；φｉ］｝） ＝Pj（t;φｉ） ……方程式（12） したがって、Ψ＝Ψ（t;φｉ）は上記の方程式８にお
いて真であり、処理は時間の関数として制御できる。
ｚ＝ｚ（ｔ）は、以前校正した付着速度または時間の
関数である付着速度の傾向（behavior）によって決まる
が、実際の厚さを独立する厚さモニタ（たとえば、校正
済みの水晶結晶板モニタ）で決定できる場合、変数は、
こうして独立して測定された厚さ、ｚとすることができ
てさらに有用である。
△niに対する唯一の制約はインデックス変調の最大振
幅、以下の処理に利用可能なΔｎmax′により課せられ
る，即ち したがって、包括的な処理条件が、処理誤差を条件と
する所望のインデックスプロフィール設計のブラインド
（blind）処理制御に対して存在する場合、本発明の位
相制御アルゴリズムを使用すると、こうした誤差の補正
を指令することにより、こうした処理を向上させ、十分
に制御することができる。
一例として、（０ｙ１）として（SiO）ｙ（Si
O2）1-yの光化学的蒸着による複数ノッチしわ付きフィ
ルタの付着を考えてみる。
材料システム:U＝SiO,V＝SiO2 実際のあらゆる目的上、上記の方程式６は（近似（ne
ar）λ0.6μｍ）で以下であると分かる。
ｎ＝ｎ（ｙ）＝1.46＋0.54y,（０ｙ１） 方程式（6
A） 単調な傾向（behavior）は、方程式10が以下であるこ
とを意味する。
シラン（SiH4）および一酸化二窒素（N2O）などの処
理前駆物質を適切に変えることにより、フラクション、
ｙを制御することが可能である。たとえば、SiH4の流
量、FSだけを変え、チャンバ圧力［１〜２トル（Tor
r）］、支持体温度［50〜200℃］、およびN2Oの流量［5
0〜100標準立方センチメートル／分（SCCM）］など、そ
の他のphoto−CVD処理条件を一定に保つと、所望のフラ
クションを達成できる。方程式７は（P1＝FS）になる。
ｙ＝ｙ（Fs）＝CoFs−C1, ［C1/CoFs（１＋C1）/Co］ 方程式（7A） ここで、CoとC1は、チャンバの幾何学的形態などのパ
ラメタで決めた校正定数である。一般に、チャンバは米
国特許第4,371,587号に記述されている構造とし、支持
体温度が約100℃のときのN2Oの流量が約65 SCCMとする
と3Co0.065/SCCM、およびC10.065となる。
方程式７はFSにおいて単調（monotonic）であるか
ら、方程式９は以下となる。
次に、方程式４のプロファイル構造を達成するための
アルゴリズム処理指令に関する方程式12は、以下とな
る。
ここで、ｎ［ｚ（ｔ）；φｉ］は、方程式４から以下
となる。
ここで、Ｒ（ｔ）は、平均濃度を仮定して以前に校正
した、つまり水晶結晶モニタを使って独立して測定した
付着速度である。
最後に、時間の関数としての処理に関する方程式８
は、以下となる。
ΨＡ（t;φｉ）＝ΨＡ［P1A（t;φｉ）］ ＝ΨＡ［FS（t;φｉ）］ 方程式（8A） 上記の光化学的蒸着過程は、単なる一例として挙げた
に過ぎない。本発明に基づく光学的材料の付着過程につ
いて、特定の付着過程の特徴を考慮に入れた上で同様の
計算を行うこともできる。
ここで第4a図に戻ると、本発明の過程はボックス44か
ら開始する。光学的材料は、連続するリアルタイム制御
に基づき、処理に対する初期の位相調整をゼロに設定し
て（処理条件の状態は、当初のスケジュールでは誤差が
ない）、支持体上に付着を開始する。次に、処理条件
は、ボックス46（フィルム処理ガイド）において上記の
方程式（４）により導かれる。次に、支持体上への媒体
付着に関する現在の処理条件がボックス48内の予想光学
的厚さ信号（OT）より先にあるかどうか、問い合せが行
われる。処理条件は最初、スタート44のスケジュールど
おりなので、アルゴリズムの流れは少なくとも最初はボ
ックス52に進み、OT信号が予想されないかまたは最初に
測定されないので46に戻る。処理はスケジュールどおり
であるか、あるいはスケジュールどおりであると仮定さ
れ、アルゴリズムは最初、ループ46−48−52−46で続行
する。
処理条件がスケジュールより先にある（つまり、予め
決められ、予想される光学的厚さがまだ測定されない）
場合、処理パラメタは、予想光学的厚さ処理条件50に留
まるようい指令される。こうした「保留」調整は、誤差
がある場合、現在付着しているフィルムのインデックス
が低すぎるか、付着量が少なすぎる、またはプロフィー
ルの現在の光学的厚さが小さすぎるときに行われるの
で、現在指令されている処理条件は、実際に測定される
光学的厚さに関するスケジュールより先になる。この調
整のあと、光学的監視52が行われる。予想光学的厚さが
実際に測定されるまで、アルゴリズムはループ46−48−
50−52−46で続行し、一定の水平方向のプロフィール指
令セグメントに対してφｉを継続的に変化する指令が生
じる。菱形52では、一般に直角かまたはほぼ直角の入射
角で光のモニタビームをサンプルに反射させるかまたは
サンプルに透過させて光信号を発し、この光信号から実
際の光学的厚さを決定して、光学的監視が行われる。一
般に従来、光学的厚さ信号は、こうして送られた単一波
長のモニタビームの最小または最大強度により容易に発
信され、これらの極値強度は、モニタビウ波長に関する
光学的厚さの四分の一波長に対応する。これは、先行技
術では「極値法」と呼ばれている。予め決められた光学
的厚さが最後に測定されると、アルゴリズムは処理をボ
ックス45に渡し、そこで、位相は、予め決められた光学
的厚さに対する処理条件に固定される。この場合、ルー
プ46−48−50−52は50で終了し、ボックス50で得られた
φｉの最後の値が使用される。ボックス54のあと、最終
的な光学的厚さがボックス56に達したかどうかについて
問い合せが行われる。到達している場合、処理はボック
ス58で終了する。到達していない場合、ボックス48また
は52で肯定的な決定が下されるまで、フィルム成長処理
が同じ位相で少なくとも直ちにループ46−48−52−46で
続行する。
ボックス54の通過は、最初に46−48−50−52の順に通
過する代わりに行うことができる。これは、処理条件が
正確にスケジュールどおりであり、誤差または位相の変
更が必要ない場合に可能である。
あるいは、処理条件がスケジュールより遅れている
（つまり、予め決められた光学的厚さが早期に測定され
る）場合、急激な位相調整の１セットだけに対して、処
理条件をこの既知の光学的厚さの点にするように指令す
る。この調整は、誤って、現在の付着速度が速すぎる
か、現在付着しているフィルムのインデックスが高すぎ
るか、またはプロフィールの現在の光学的厚さが大きす
ぎる場合に行われるので、現在指令されている処理条件
は、測定された光学的厚さに関してスケジュールより遅
れる。この何れの場合も、ループ46−48−52−46は一時
的に遮断され、ループ46−48−52−54−56−46を通過す
る。ただし、最終的な光学的厚さの増分が測定され、処
理がボックス56を通ってボックス58で終了する場合、こ
のループの通過は起こらない。
第4a図のアルゴリズムの目的は、実際の平均屈折率
（）と実際の成分の周期的厚さ（Li）の積を正確に保
ち、上記の方程式（１）に示したブラッグの条件を成分
ごとに、周期的に変わるように維持することである。第
4a図の処理制御アルゴリズムは、第3a図に示す漸増する
光学的厚さ信号を読み取り（L1＊/4＝λp/4＊増加量
（increments））、第3a図の誤差補正が適切な処理指令
で行われる方法を支配する。第3a図は、最低ノッチ波長
の1/2即ちλｐ＝1/2λ１のプローブ監視波長を使って、
フィルム厚さ（ｚ）に対する反射率（Ｒ）のグラフ上で
測定した光学的監視信号の略図を示す。適切な信号は、
極値法を介してこのプローブ波長に対する四分の一波長
の光学的厚さ増分に対応する最小と最大において、また
はλp/（４＊）＝L1＊/4において発生する。第3a図で
は、補正処置がどこで取られるかを正確に確認するのは
困難である。補正によっては小さすぎるため、何らかの
補正が必要かどうかを確認できない。あるいは、付着プ
ロフィールが補正指令セグメントでまだ偶発的誤差の対
象になっているため、補正があいまいな場合もある。
横のプロフィールセグメントの補正は、フィルム成長
の各周期に対する所望のブラッグ条件にさらに適合する
ように、第3a図の102においてアルゴリズムによって行
われる。同様に、第3a図は、所望のブラッグ条件に適合
するように、104において縦のプロフィールのジャンプ
補正が行われることを示している。第3a図の横のプロフ
ィールセグメントは、光学的厚さの現在の付着速度がス
ケジュールよりも遅すぎるため、光学的監視信号が、処
理条件の現在の指令に対して遅れている（overdue）第4
a図のボックス50のアルゴリズム指令に対応する。ある
いは、第3a図の縦のプロフィールのジャンプ104は、光
学的厚さの現在の付着速度が処理条件の現在の指令に対
して速すぎるため、光学的厚さの増分がスケジュールよ
りも速く進みすぎる第4a図のボックス54のアルゴリズム
指令を示す。
第4b図は、処理を導くのに適する分析方程式（方程式
（４）から）を含むアルゴリズムを示す。ここでＮは、
所望のノッチ透過または反射に達するのに必要な光学的
厚さ信号の最終的な数である。
下位の波長ビーム監視を行って、より多くの補正の機
会を監視すると、当然さらに正確になる。あるいは、最
小感度法を用いる走査モノクロメータ技法を使用して監
視することもでき、この場合、四分の一波長より短い非
四分の一波長光学的厚さに相当するフィルム厚さ増分が
生じる。
誤差補正制御による現在の付着アルゴリズム法は、正
弦成分により、絶えず変化する屈折率がむやみに（blin
dly）生じるどの処理にも適用することができる。この
アルゴリズムは、補正処理指令を発して薄膜のしわ（ru
gate）の付着全体で各成分に対するブラッグの条件を十
分に維持することにより、この結果を達成する。
明確かつ単純な改良は、第4a図のアルゴリズムのフレ
ームワーク内に含むことができる。たとえば、一定また
はほぼ一定した系統的な誤差では、しわ（rugate）が付
着する多数の正弦周期全体で、ほとんど同じだが繰り返
し続くアルゴリズム補正が行われるだろう。明かな処理
調整は、こうした一定またはほぼ一定した系統的誤差を
なくして、理想ターゲットに近い指令されたプロフィー
ルを達成するために行われる。
本発明の処理制御アルゴリズムの複数ノッチフィルタ
の作成に対する適用は、第５図の光化学的処理構成図に
示されている。処理付着源158は、たとえば２種類のプ
ロセス気体（シランおよび一酸化二窒素）および１種類
のパージ気体（窒素）から構成され、これらは、独立す
る質量流量制御装置（図示しない）を介して光化学的蒸
着システム（一般に76で表す）に送られ、しわ付きフィ
ルム、またはSiOxなど、選択した材料を成長させて光学
的材料を形成する。気体は圧縮気体シリンダから供給さ
れ、弁の開閉およびシステム内の質量流量制御装置を介
する気体のながれは、プロセス用計算機制御装置68によ
り自動的に制御される。あるいは、この制御は手動で行
ってもよい。流入するシランはシリコン源として使用さ
れ、一酸化二窒素は酸素源になり、この２つの反応体は
流量で供給され、付着支持体つまりサンプル10の部分で
予め決められた気体混合物になる。これらの気体、およ
び光増感剤として作用する任意の微量の水銀蒸気は、シ
ステム内の反応チャンバ76に入り、そこで、サンプル支
持体は、所望の光化学反応を誘発するのに十分な波長を
持つ放射線12で照射される。水銀を光増感剤として使用
すると、低圧水銀灯の列から発する2537オングストレー
ムのUV放射線は、一酸化二窒素とシランの化合物を分解
する反応を誘発し、その反応により、約1/1000の大気圧
でしわ（rugate）付きフィルムが形成される。
フィルムの化学量論は、以前に校正した気体の流量と
成分である前駆物質の相対分圧によって決まる。排気ガ
スはプロセスポンプ（図示しない）により吸収され、排
気マニホルドに押し出されて安全な方法で処分される。
反応チャンバ76の範囲は、層流により縦横にフラッシュ
され、支持体をロードまたは取り外す際の清潔さが保た
れる。
第５図も、光学的厚さの増分を得るために本発明を実
施する際に有用な一般的な光学的監視法を示す。単純な
極値法と異なり、波長走査技法を伴う最小感度法を含む
より高度な方法を使用する。光は、任意に走査可能で、
監視プローブ波長、λｐを設定するモノクロメータを介
してモニタビーム源166または検出器162の部分で濾波さ
れる。サンプル10は、チャンバ76内に保持され、モニタ
ビーム源166から発する光は鏡126からサンプル10に反射
した後、サンプル10から鏡128に反射し、反応チャンバ7
6外の外部制御システムに出力される。あるいは、部分
フィルタ付着を受ける実証サンプルを所定の位置に移動
させて、付着過程を監視してもよい。反射モニタビーム
検出器162は、サンプル10からの光を受け、サンプル10
と鏡128からの光入力信号を変換し、その光信号を電子
的に処理して、信号処理装置164で光学的厚さの増分を
判断する。光学的厚さ信号処理装置は、アルゴリズムが
処理を制御する計算機制御装置68にデータを送る。ある
いは、第５図のシステムに透過ビーム検出器161を使用
してもよい。計算機68は、第4aおよびｂ図に示した処理
段階制御アルゴリズムに従って動作する。
第５図は、正弦変調様式で継続して変化する屈折率に
よりすでに薄膜フィルムをむやみに（blindly）形成す
ることはできるが、偶発的誤差と系統的誤差が生じやす
い付着プロセスの制御の概略も示している。たとえば、
熱蒸発、電子ビーム蒸発、光化学的蒸発、スパッタ付
着、レーザ利用付着など、およびこれらの技法の組合せ
では、本発明に基づく光学的監視およびアルゴリズム制
御が役立つ。
本発明の実施について特定の例または一連の例を実証
してきたが、製法のその他の変形、現在のプロセスを用
いて開発される本発明のしわ付きフィルタの概観および
最終的な結果も、上記の開示の範囲内に含まれる。した
がって、本発明の製法と製品に関するその他の実施例
は、添付の請求の範囲に含むことにする。
【図面の簡単な説明】
第１図は、支持体上に塗布した光学的活性媒体のフィル
ムの成長に対する理想的な３ノッチ正弦しわ付きプロフ
ィールを複数ノッチフィルタ構造の単純な実例として概
略的に示す図； 第2a図は、３ノッチフィルタの成長厚さに対する屈折率
プロフィールを表現しており、偶発的および系統的プロ
セス誤差をシミュレートしたインデックスプロフィール
と理想的な誤差のないプロフィールとの比較を示してい
るグラフ； 第2b図は、反射率と第2a図に示した屈折率プロファイル
の波長を表現しているグラフ； 第3a図は、本発明に基づく、最低ノッチの1/2で監視す
る効果、結果として生じる光学的厚さ信号、および関連
アルゴリズム動作の概略を、実例となる一定な系統的付
着率誤差がある屈折率プロフィール（フィルムの厚さの
位置の関係）に関して、第3b図の約1/3の誤差制御プロ
フィールを示すグラフ； 第3b図は、本発明に基づく光学的監視の効果およびアル
ゴリズムによる誤差の補正を第2a図と同じプロセス誤差
があるインデックスプロフィールと誤差のない理想的な
プロフィールとを表現しているグラフ； 第3c図は、第3a図に示した最終的な屈折率プロフィール
の波長に対する反射率を、誤差のない理想的なスペクト
ルに関して表現しているグラフ； 第4a図は、本発明の複数正弦位相制御アルゴリズムの流
れ図； 第4b図は、アルゴリズム指令の制御方程式を時間の関数
として表す複数正弦位相制御アルゴリズムの流れ図； 第５図は、本発明に従って複数ノッチしわ付きフィルタ
を生成する光化学的蒸着処理システムの構成図である。

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】層の厚さの関係として予め決められた連続
    パターンに従って変化する屈折率の光学的材料の層が上
    に形成される支持体から構成される複数ノッチしわ付き
    フィルタを製造する為のものであり、 （ａ）支持体を提供し、 （ｂ）物理的または化学的に相互作用して光学的材料を
    支持体上に層として形成する反応体を提供し、 （ｃ）屈折率対層の厚さの理想プロフィールを提供し、
    このプロフィールが、単一ノッチパターンを並置して形
    成される複数ノッチ複合パターンを有し、この理想プロ
    フィールから、プロフィール沿いの各点に対応する時間
    的に連続する点における光学的厚さの理想値を決定し、 （ｄ）理想ターゲットプロフィールを持つ層を形成する
    ように作用する反応体に対する時間の関数としてターゲ
    ット処理条件を提供し、 （ｅ）付着プロフィールを持つ層を形成する処理条件を
    開始し、 （ｆ）付着した層を連続して光学的に監視して光信号を
    発信し、 （ｇ）付着した層の光学的厚さの増分の測定値を光信号
    から判断し、そして光学的厚さの増分を継続的に監視
    し、 （ｈ）光学的厚さの値が、理想ターゲットプロフィール
    を生じるターゲット処理条件に関して予め決められた時
    間に測定されたかどうかを判断し、 （ｉ）上記の段階「ｈ」の結果に基づいて、理想ターゲ
    ットプロフィールに正確に従うために、屈折率対層の厚
    さの付着プロフィールに従って複数正弦位相角調整を行
    う必要があるかどうかを決定し、 （ｊ）実際のプロフィールに対してかかる調整を行うた
    めに、時間が経過するごとに処理条件を変更し、 （Ｋ）上記の段階「ｆ」から「ｉ」を、複数ノッチしわ
    付きフィルタを形成するのに必要な回数だけ反復し、 （Ｌ）所定の複数正弦位相角調整の決定が、次の方程式
    の適用を備えている： ここで： ｎ＝光学的材料の屈折率； ＝フィルム厚さ空間（ｚ）における１周期全体の平均
    屈折率； ｍ＝しわの透過ノッチの合計数； ｚ＝層の設計位置； ｉ＝成分の整数； Δni＝ｉ番目のpeak−to−through indexの変化； λｉ＝ｉ番目のノッチ波長； φｉ＝λｉにおけるブラッグの反射作用を保証するアル
    ゴリズムにより繰り返し更新される正弦位相角調整；そ
    して、 ＊＝φｉにより補正される局所的な誤差が生じ得るパラ
    メタ； ことを特徴とする複数ノッチしわ付きフィルタの製造方
    法。
  2. 【請求項２】（ａ）段階「ｈ」における光学的厚さの値
    が、予め決められた時間が経過したあとで測定され、 （ｂ）段階「ｉ」における調整が、付着プロフィールに
    対して連続する横のセグメントの調整を指令する、 ことを特徴とする請求項１に記載の複数ノッチしわ付き
    フィルタの製造方法。
  3. 【請求項３】（ａ）段階「ｈ」の光学的厚さの値が、予
    め決められた時間の前に測定され、 （ｂ）段階「ｉ」の調整が、縦のセグメント調整を付着
    プロフィールに対して指令する、 ことを特徴とする請求項１に記載の複数ノッチしわ付き
    フィルタの製造方法。
  4. 【請求項４】（ａ）段階「ｈ」の光学的厚さの値が、予
    め決められた時間に測定され、 （ｂ）調整値がゼロである、 ことを特徴とする請求項１に記載の複数ノッチしわ付き
    フィルタの製造方法。
  5. 【請求項５】段階「ｃ」から「ｋ」がコンピュータ制御
    される、ことを特徴とする請求項１に記載の複数ノッチ
    しわ付きフィルタの製造方法。
  6. 【請求項６】段階「ｆ」の光学的監視において、光監視
    信号が付着層に送られ、この光監視信号が正常またはほ
    ぼ正常な入射角で層に反射するかまたは層を透過して光
    検出器手段に入り、この検出器手段が、検出器に送られ
    る光ビームの関数である光信号を生成する、ことを特徴
    とする請求項１に記載の複数ノッチしわ付きフィルタの
    製造方法。
  7. 【請求項７】反応体が放射線の誘導後に化学的に相互作
    用する、ことを特徴とする請求項１に記載の複数ノッチ
    しわ付きフィルタの製造方法。
  8. 【請求項８】反応体がシラン及び一酸化二窒素を備えて
    いる、ことを特徴とする請求項７に記載の複数ノッチし
    わ付きフィルタの製造方法。
  9. 【請求項９】請求項１の製造方法により製造されるもの
    であり、フィルタが複数の波長帯域で反射作用を生じ、
    各波長帯域における反射作用がブラッグの法則に従う、
    ことを特徴とする複数ノッチしわ付きフィルタ。
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