JP3737408B2 - 膜厚モニタリング装置および方法 - Google Patents
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Description
【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λ０、Ｈ膜の屈折率をｎＨ、Ｌ膜の屈折率をｎＬとした時に、Ｈ膜の膜厚およびＬ膜の膜厚が、それぞれ、λ０/(４ｎＨ) の整数倍およびλ０/(４ｎＬ) 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λ０の２分の１つまりλ０/２（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λ０/４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Ｔａ２Ｏ５を、低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉＯ２を、キャビティ層に屈折率が１.４８のＳｉＯ２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λ０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λ０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（λ０/４）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λ０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、（λ０/４)/(高屈折率膜の屈折率）となり、高屈折率膜にとってλ０/４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λ０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、（λ０/４)/（低屈折率膜の屈折率）となり、低屈折率膜にとってλ０/４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λ０/４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Ｔａ２Ｏ５を用い、低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉＯ２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λ０は１５５０ｎｍで、透過率または反射率が設計波長に対応する波数κ０（κ０＝１/λ０、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λ０であるＴａ２Ｏ５の膜厚はλ０/（Ｔａ２Ｏ５の屈折率）すなわち７２４ｎｍであり、光学的膜厚がλ０/４であるＴａ２Ｏ５の膜厚は１８１ｎｍとなり、光学的膜厚がλ０であるＳｉＯ２の膜厚はλ０/（ＳｉＯ２の屈折率）すなわち１０４７ｎｍであり、光学的膜厚がλ０/４であるＳｉＯ２の膜厚は２６１ｎｍとなる。
【００１４】
図７からわかるように、設計波長λ０、すなわち、設計波数κ０＝１/λ０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、λ０/４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λ０/４の整数倍の時に、設計波数κ０を中心に対称となることを利用する。設計波数κ０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κ１とκ２とし、これらに対応する波長をλ１とλ２とする）について観測すると、光学的膜厚がλ０/４になるごとにλ１、λ２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λ１とλ２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λ０/４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、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Ｔａ２Ｏ５を、低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉＯ２を、それぞれ、用いた場合の、任意の波長の対の一例における透過率差の膜厚依存性を図８に示す。但し、設計波長λ０は１５５０ｎｍで、設計波数κ０は６４５１ｃｍ−１で、波長分解能は３ｎｍとした。任意にとれる波長の対（但し、１/λ１ ＋１/λ２ ＝κ１＋κ２＝２κ０ ＝２/λ０が成立するものとする）を、ここでは、図８中に示すように、λ１：２１８８ｎｍ（κ１：４５７０ｃｍ−１）、λ２：１２００ｎｍ（κ２：８３３３ｃｍ−１）とした。１層目から７層目までは、透過率差（（波数κ１における透過率）−（波数κ２における透過率）、図８における縦軸）は周期的に変化し、光学的膜厚がλ０/４の時に透過率差が０となるのを観測し、その時に膜種を切替えることで、膜厚を制御しながら多層膜を堆積することができる。
【００１７】
しかしながら、図８において、７層目と８層目の堆積時に急激に透過率差が小さくなると同時に透過率差が０にならず、膜厚モニタリングができなくなる。これは、赤外分光器の波長分解能と測定感度の問題であり、１２００ｎｍから２１８８ｎｍの範囲では波長分解能と測定感度を両立する分光器を入手するのは現在においても困難である。このことは、８層以上の多層膜を形成するためには、モニタ基板を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。
【００１８】
通信用では、設計波長λ０が、おもに１５５０ｎｍを中心とした１２６０ｎｍから１６７５ｎｍの赤外光領域にある、として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光領域での測光で行われる。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。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
設計波長λ０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、λ０/４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る。
【００２０】
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８において、７層目と８層目の堆積時に急激に透過率差が小さくなると同時に透過率差が０にならず、膜厚をモニタリングできなくなるという問題が生じ、これは、赤外分光器の波長分解能と測定感度の問題であり、１２００ｎｍから２１８８ｎｍの範囲では波長分解能と測定感度を両立する分光器を入手するのは現在においても困難である。このことは、８層以上の多層膜を形成するためには、モニタ基板を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。
【００２１】
すでに述べたように、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多層膜の層数は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ている。
【００２２】
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、λ０を設計波長とする多層膜の光学的膜厚をλ０/４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。
【００２３】
【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λＶの３以上の奇数倍の波長λ０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λＶを含む可視光領域の波長の可視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透過光または反射光の単数または複数の可視光波長における光の強度を測定する光測定部と、前記光測定部の出力である前記光の強度のデータを用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０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。
【００２４】
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λＶの３以上の奇数倍の波長λ０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λＶを含む可視光領域の波長の可視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透過光または反射光の単数または複数の可視光波長における光の強度を測定し、前記測定によって得られる光の強度のデータを用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０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。
【００２５】
また、本発明においては、請求項３に記載のように、
前記光の強度のデータを用いて、前記合体物の、波数１/λＶよりもΔκだけ小さい波数κ１における前記合体物の透過率Ｔ(κ１)と波数１/λＶよりもΔκだけ大きい波数κ２における前記合体物の透過率Ｔ(κ２)とを求め、Ｔ(κ１)とＴ(κ２)とが、測定誤差に起因する誤差範囲内において、等しいか否かによって、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０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。
【００２６】
【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。
【００２７】
すなわち、従来の単色測光法においては、設計波長λ０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λ０の３以上の奇数分の１の波長λＶ（波数１/λＶは波数１/λ０の３以上の奇数倍）を含む可視光領域の波長の光を膜厚モニタリングに用いる。
【００２８】
また、従来の二色測光法においては、設計波長λ０を挟んで、λ０よりも短い波長の光とλ０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、本発明に係る膜厚モニタリング装置および方法おいては、２波長における光の透過率を膜厚モニタリングに用いる場合にも、その２つの波長は、波数１/λ０の３以上の奇数倍の波数１/λＶを含む可視光領域の波数に対応する波長であり、必ず、設計波長λ０よりも小さく、λ０を挟むことはない。
【００２９】
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。
【００３０】
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λ０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。
【００３１】
本発明においては、基板上に形成され、可視光波長λＶの３以上の奇数倍の波長λ０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、前記光源からの可視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透過光または反射光の単数または複数の可視光波長における光の強度を測定する光測定部と、前記光測定部の出力である前記光の強度のデータを用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０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λ０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λ０/４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。
【００３２】
また、本発明においては、基板上に形成され、可視光波長λＶの３以上の奇数倍の波長λ０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、光源からの可視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透過光または反射光の単数または複数の可視光波長における光の強度を測定し、前記測定によって得られる光の強度のデータを用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０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λ０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λ０/４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。
【００３３】
上記の、「誘電体膜の膜厚が、波長λ０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光の強度のデータを用いて、単数または複数の可視光波長における上記多層膜と上記誘電体膜とを合わせたものの透過率または反射率の測定値を算出し、その値を、それに対応する、あらかじめ理論計算によって求められている計算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る。そこで、そのような理論計算によって求めた多層膜の分光透過率または分光反射率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、単数または複数の可視光波長における透過率または反射率の測定値が、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λ０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。数値比較に用いる測定値の個数が多ければ、それだけ、判別の精度を高くすることができる。また、測定値を取得する時の可視光波長としては、測定値が精度良く求められる波長を選ぶことができる。
【００３４】
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。
【００３５】
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、光ファイバーを用いることができる。光ファイバー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。
【００３６】
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単数または複数の波長における光の強度を測定する。
【００３７】
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、単数または複数の波長における光の強度のデータは、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、分光透過率または分光反射率のデータに変換される。
【００３８】
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単数または複数の波長における光の強度の測定によって、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・高精度の可視光領域の分光器を使用することができ、膜厚モニタリングを高精度で行うことができる。
【００３９】
【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。
【００４０】
この場合に、成膜装置内において、基板上に波長λ０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。
【００４１】
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。
【００４２】
［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４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、透過光の単数または複数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λ０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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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によって単数または複数の波長における透過光の強度が計測され、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膜は請求項１および２に記載の誘電体膜に該当する。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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５１６ｎｍ）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。
【００４９】
分光器からのスペクトルデータは、ＡＮＳＩ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成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、ＵＳＢ、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。
【００５０】
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。
【００５１】
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Ｔａ２Ｏ５、低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉＯ２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、設計波数（１/設計波長）の３倍に当たる波数における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λ０は１５５０ｎｍ、設計波数κ０は６４５１ｃｍ−１であり、計算に用いた、設計波数の３倍に当たる波数は１９３６１ｃｍ−１（波長は５１６ｎｍ）であり、波長分解能は１ｎｍであるとした。Ｔａ２Ｏ５の光学的膜厚λ０に対応する膜厚（λ０/２.１４)は７２４ｎｍであり、光学的膜厚λ０/４に相当する膜厚は１８１ｎｍとなり、ＳｉＯ２の光学的膜厚λ０に対応する膜厚（λ０/１.４８)は１０４７ｎｍであり、光学的膜厚λ０/４に相当する膜厚は２６１ｎｍとなる。
【００５２】
図９より、設計波数κ０の３倍に当たる波数における透過率は、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くことがわかる。しかし、可視光分光器の測定分解限界は、赤外光領域における測定よりノイズの影響を受けにくく、赤外分光器の測定分解限界の０.０１％程度であるため、２５層程度の多層膜の堆積において膜厚を判定することが可能となる。堆積中の膜の光学的膜厚がλ０/４の整数倍になったか否かの判別は、上記の透過率が、あらかじめ計算してある数値と一致するか否か、あるいは、時間に対して極値に達したか否かによって行うことができる。
【００５３】
図２に、分光スペクトルを規格化して透過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。
【００５４】
［実施例２］
本発明の第２の実施例を示す。装置の構成は第１の実施例と同じである。
【００５５】
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Ｔａ２Ｏ５を、低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉＯ２を用いた場合の設計波数の３倍に当たる波数を中心対称とした、波長の対の透過率差の膜厚依存性を図１０に示す。但し、設計波長λ０は１５５０ｎｍ、設計波数κ０は６４５１ｃｍ−１であり、設計波数κ０の３倍に当たる波数は１９３６１ｃｍ−１（波長は５１６ｎｍ）であり、波長分解能は１ｎｍであるとした。波数の対をλ１：４７１ｎｍとλ２：５７０ｎｍとした。この対を波数で表すとκ１：２１２３１ｃｍ−１とκ２：１７５４３ｃｍ−１となる。このκ１とκ２とは、設計波数κ０の３倍に当たる波数（１９３６１ｃｍ−１）を中心として、対称の位置にある（すなわち、κ１＋κ２＝６κ０を満足する）。このような条件を満足する限り、波数の対（波長の対といい換えてもよい）は任意にとってよい。
【００５６】
図１０において、１層目から７層目までは、透過率差、すなわち、波数κ１における透過率−波数κ２における透過率（縦軸の値）は堆積膜厚の増加とともに、０を中心として周期的に変化し、堆積多層膜の光学的膜厚がλ０/４の整数倍の時に０となるので、透過率差が０となるのを観測することによって、膜厚をモニタリングでき、その結果によって膜厚を制御しながら、多層膜を堆積することができる。
【００５７】
図１０において、赤外分光器を用いた場合と同様に、７層目と８層目の堆積時に急激に透過率差が小さくなる現象はあるが、分光器の波長分解能と感度が高く設定できるために、透過率差の０を高精度で観測できる。この急に透過率差が小さくなる現象は、周期的にみられるが、このことによって膜厚をモニタリングできなくなることはない。そのため、３０層以上の多層膜においても、膜厚のモニタリングと制御とが可能となる。
【００５８】
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、λ０とλＶの付近の屈折率が異なる場合が有る。そのため、設計波長λ０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λ０の多層膜を得ることが可能となる。
【００５９】
［実施例３］
図３に、反射光における、本発明の第３の実施例を示す。基板３上に成膜を行う成膜装置１、基板３に可視光を投光するための光源５、光投光用光ファイバ６と可視光を成膜室２内に導入するための真空封止用窓７を含む投光部、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で反射した光を可視光分光器１０に導くためのハーフミラ１４ーと光ファイバ９を含む受光部と、受光部で受けた光を分光スペクトルとして測光する可視光分光器１０からなる光測定部と、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λ０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１１とからなる。
【００６０】
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等の不透明基板上への成膜でも膜厚の制御が可能となる。
【００６１】
この方法で測定した反射率は、（透過率）＝１−（反射率）の式より、透過率として扱うことができるので、実施例１と同様の手順で、膜厚のモニタリングおよび制御が可能となる。
【００６２】
図４に、分光スペクトルを規格化して透過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。
【００６３】
以上説明したように、本発明の実施により、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、安価で、高信頼・高精度の可視光領域の分光器を使用する可視光領域の測光手段を用い、設計波数の３以上の奇数倍に当たる波数またはその波数を中心とする可視光波数域における光の透過率または反射率を測光および演算によって求め、求めた値を用いて光学的膜厚の膜厚モニタリングを高精度で行うという優れた効果が得られる。
【００６４】
このようにして、本発明の実施により、層数が数十層から数百層の、λ０を設計波長とする多層膜の光学的膜厚をλ０/４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可能となる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明の実施により、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、λ０を設計波長とする多層膜の光学的膜厚をλ０/４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可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の構成図である。
【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分岐ファイバと切替器を用いた構成図である。
【図３】本発明の第３の実施例の構成図である。
【図４】第３の実施例において、参照光を取得できるように、２分岐ファイバと切替器を用いた構成図である。
【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膜厚依存性を示す図である。
【図８】既存の二色測光法での透過率差の膜厚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の透過率の膜厚依存性を示す図である。
【図１０】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波数の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。
【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λ０、Ｈ膜の屈折率をｎＨ、Ｌ膜の屈折率をｎＬとした時に、Ｈ膜の膜厚およびＬ膜の膜厚が、それぞれ、λ０/(４ｎＨ) の整数倍およびλ０/(４ｎＬ) 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λ０の２分の１つまりλ０/２（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λ０/４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Ｔａ２Ｏ５を、低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉＯ２を、キャビティ層に屈折率が１.４８のＳｉＯ２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λ０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λ０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（λ０/４）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λ０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、（λ０/４)/(高屈折率膜の屈折率）となり、高屈折率膜にとってλ０/４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λ０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、（λ０/４)/（低屈折率膜の屈折率）となり、低屈折率膜にとってλ０/４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λ０/４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Ｔａ２Ｏ５を用い、低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉＯ２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λ０は１５５０ｎｍで、透過率または反射率が設計波長に対応する波数κ０（κ０＝１/λ０、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λ０であるＴａ２Ｏ５の膜厚はλ０/（Ｔａ２Ｏ５の屈折率）すなわち７２４ｎｍであり、光学的膜厚がλ０/４であるＴａ２Ｏ５の膜厚は１８１ｎｍとなり、光学的膜厚がλ０であるＳｉＯ２の膜厚はλ０/（ＳｉＯ２の屈折率）すなわち１０４７ｎｍであり、光学的膜厚がλ０/４であるＳｉＯ２の膜厚は２６１ｎｍとなる。
【００１４】
図７からわかるように、設計波長λ０、すなわち、設計波数κ０＝１/λ０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、λ０/４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λ０/４の整数倍の時に、設計波数κ０を中心に対称となることを利用する。設計波数κ０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κ１とκ２とし、これらに対応する波長をλ１とλ２とする）について観測すると、光学的膜厚がλ０/４になるごとにλ１、λ２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λ１とλ２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λ０/４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、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Ｔａ２Ｏ５を、低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉＯ２を、それぞれ、用いた場合の、任意の波長の対の一例における透過率差の膜厚依存性を図８に示す。但し、設計波長λ０は１５５０ｎｍで、設計波数κ０は６４５１ｃｍ−１で、波長分解能は３ｎｍとした。任意にとれる波長の対（但し、１/λ１ ＋１/λ２ ＝κ１＋κ２＝２κ０ ＝２/λ０が成立するものとする）を、ここでは、図８中に示すように、λ１：２１８８ｎｍ（κ１：４５７０ｃｍ−１）、λ２：１２００ｎｍ（κ２：８３３３ｃｍ−１）とした。１層目から７層目までは、透過率差（（波数κ１における透過率）−（波数κ２における透過率）、図８における縦軸）は周期的に変化し、光学的膜厚がλ０/４の時に透過率差が０となるのを観測し、その時に膜種を切替えることで、膜厚を制御しながら多層膜を堆積することができる。
【００１７】
しかしながら、図８において、７層目と８層目の堆積時に急激に透過率差が小さくなると同時に透過率差が０にならず、膜厚モニタリングができなくなる。これは、赤外分光器の波長分解能と測定感度の問題であり、１２００ｎｍから２１８８ｎｍの範囲では波長分解能と測定感度を両立する分光器を入手するのは現在においても困難である。このことは、８層以上の多層膜を形成するためには、モニタ基板を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。
【００１８】
通信用では、設計波長λ０が、おもに１５５０ｎｍを中心とした１２６０ｎｍから１６７５ｎｍの赤外光領域にある、として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光領域での測光で行われる。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。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
設計波長λ０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、λ０/４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る。
【００２０】
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８において、７層目と８層目の堆積時に急激に透過率差が小さくなると同時に透過率差が０にならず、膜厚をモニタリングできなくなるという問題が生じ、これは、赤外分光器の波長分解能と測定感度の問題であり、１２００ｎｍから２１８８ｎｍの範囲では波長分解能と測定感度を両立する分光器を入手するのは現在においても困難である。このことは、８層以上の多層膜を形成するためには、モニタ基板を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。
【００２１】
すでに述べたように、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多層膜の層数は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ている。
【００２２】
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、λ０を設計波長とする多層膜の光学的膜厚をλ０/４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。
【００２３】
【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λＶの３以上の奇数倍の波長λ０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λＶを含む可視光領域の波長の可視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透過光または反射光の単数または複数の可視光波長における光の強度を測定する光測定部と、前記光測定部の出力である前記光の強度のデータを用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０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。
【００２４】
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λＶの３以上の奇数倍の波長λ０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λＶを含む可視光領域の波長の可視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透過光または反射光の単数または複数の可視光波長における光の強度を測定し、前記測定によって得られる光の強度のデータを用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０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。
【００２５】
また、本発明においては、請求項３に記載のように、
前記光の強度のデータを用いて、前記合体物の、波数１/λＶよりもΔκだけ小さい波数κ１における前記合体物の透過率Ｔ(κ１)と波数１/λＶよりもΔκだけ大きい波数κ２における前記合体物の透過率Ｔ(κ２)とを求め、Ｔ(κ１)とＴ(κ２)とが、測定誤差に起因する誤差範囲内において、等しいか否かによって、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０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。
【００２６】
【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。
【００２７】
すなわち、従来の単色測光法においては、設計波長λ０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λ０の３以上の奇数分の１の波長λＶ（波数１/λＶは波数１/λ０の３以上の奇数倍）を含む可視光領域の波長の光を膜厚モニタリングに用いる。
【００２８】
また、従来の二色測光法においては、設計波長λ０を挟んで、λ０よりも短い波長の光とλ０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、本発明に係る膜厚モニタリング装置および方法おいては、２波長における光の透過率を膜厚モニタリングに用いる場合にも、その２つの波長は、波数１/λ０の３以上の奇数倍の波数１/λＶを含む可視光領域の波数に対応する波長であり、必ず、設計波長λ０よりも小さく、λ０を挟むことはない。
【００２９】
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。
【００３０】
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λ０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。
【００３１】
本発明においては、基板上に形成され、可視光波長λＶの３以上の奇数倍の波長λ０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、前記光源からの可視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透過光または反射光の単数または複数の可視光波長における光の強度を測定する光測定部と、前記光測定部の出力である前記光の強度のデータを用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０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λ０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λ０/４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。
【００３２】
また、本発明においては、基板上に形成され、可視光波長λＶの３以上の奇数倍の波長λ０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、光源からの可視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透過光または反射光の単数または複数の可視光波長における光の強度を測定し、前記測定によって得られる光の強度のデータを用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０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λ０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λ０/４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。
【００３３】
上記の、「誘電体膜の膜厚が、波長λ０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光の強度のデータを用いて、単数または複数の可視光波長における上記多層膜と上記誘電体膜とを合わせたものの透過率または反射率の測定値を算出し、その値を、それに対応する、あらかじめ理論計算によって求められている計算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る。そこで、そのような理論計算によって求めた多層膜の分光透過率または分光反射率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、単数または複数の可視光波長における透過率または反射率の測定値が、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λ０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。数値比較に用いる測定値の個数が多ければ、それだけ、判別の精度を高くすることができる。また、測定値を取得する時の可視光波長としては、測定値が精度良く求められる波長を選ぶことができる。
【００３４】
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。
【００３５】
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、光ファイバーを用いることができる。光ファイバー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。
【００３６】
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単数または複数の波長における光の強度を測定する。
【００３７】
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、単数または複数の波長における光の強度のデータは、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、分光透過率または分光反射率のデータに変換される。
【００３８】
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単数または複数の波長における光の強度の測定によって、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・高精度の可視光領域の分光器を使用することができ、膜厚モニタリングを高精度で行うことができる。
【００３９】
【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。
【００４０】
この場合に、成膜装置内において、基板上に波長λ０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。
【００４１】
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。
【００４２】
［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４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、透過光の単数または複数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λ０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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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によって単数または複数の波長における透過光の強度が計測され、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膜は請求項１および２に記載の誘電体膜に該当する。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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５１６ｎｍ）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。
【００４９】
分光器からのスペクトルデータは、ＡＮＳＩ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成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、ＵＳＢ、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。
【００５０】
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。
【００５１】
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Ｔａ２Ｏ５、低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉＯ２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、設計波数（１/設計波長）の３倍に当たる波数における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λ０は１５５０ｎｍ、設計波数κ０は６４５１ｃｍ−１であり、計算に用いた、設計波数の３倍に当たる波数は１９３６１ｃｍ−１（波長は５１６ｎｍ）であり、波長分解能は１ｎｍであるとした。Ｔａ２Ｏ５の光学的膜厚λ０に対応する膜厚（λ０/２.１４)は７２４ｎｍであり、光学的膜厚λ０/４に相当する膜厚は１８１ｎｍとなり、ＳｉＯ２の光学的膜厚λ０に対応する膜厚（λ０/１.４８)は１０４７ｎｍであり、光学的膜厚λ０/４に相当する膜厚は２６１ｎｍとなる。
【００５２】
図９より、設計波数κ０の３倍に当たる波数における透過率は、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くことがわかる。しかし、可視光分光器の測定分解限界は、赤外光領域における測定よりノイズの影響を受けにくく、赤外分光器の測定分解限界の０.０１％程度であるため、２５層程度の多層膜の堆積において膜厚を判定することが可能となる。堆積中の膜の光学的膜厚がλ０/４の整数倍になったか否かの判別は、上記の透過率が、あらかじめ計算してある数値と一致するか否か、あるいは、時間に対して極値に達したか否かによって行うことができる。
【００５３】
図２に、分光スペクトルを規格化して透過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。
【００５４】
［実施例２］
本発明の第２の実施例を示す。装置の構成は第１の実施例と同じである。
【００５５】
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Ｔａ２Ｏ５を、低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉＯ２を用いた場合の設計波数の３倍に当たる波数を中心対称とした、波長の対の透過率差の膜厚依存性を図１０に示す。但し、設計波長λ０は１５５０ｎｍ、設計波数κ０は６４５１ｃｍ−１であり、設計波数κ０の３倍に当たる波数は１９３６１ｃｍ−１（波長は５１６ｎｍ）であり、波長分解能は１ｎｍであるとした。波数の対をλ１：４７１ｎｍとλ２：５７０ｎｍとした。この対を波数で表すとκ１：２１２３１ｃｍ−１とκ２：１７５４３ｃｍ−１となる。このκ１とκ２とは、設計波数κ０の３倍に当たる波数（１９３６１ｃｍ−１）を中心として、対称の位置にある（すなわち、κ１＋κ２＝６κ０を満足する）。このような条件を満足する限り、波数の対（波長の対といい換えてもよい）は任意にとってよい。
【００５６】
図１０において、１層目から７層目までは、透過率差、すなわち、波数κ１における透過率−波数κ２における透過率（縦軸の値）は堆積膜厚の増加とともに、０を中心として周期的に変化し、堆積多層膜の光学的膜厚がλ０/４の整数倍の時に０となるので、透過率差が０となるのを観測することによって、膜厚をモニタリングでき、その結果によって膜厚を制御しながら、多層膜を堆積することができる。
【００５７】
図１０において、赤外分光器を用いた場合と同様に、７層目と８層目の堆積時に急激に透過率差が小さくなる現象はあるが、分光器の波長分解能と感度が高く設定できるために、透過率差の０を高精度で観測できる。この急に透過率差が小さくなる現象は、周期的にみられるが、このことによって膜厚をモニタリングできなくなることはない。そのため、３０層以上の多層膜においても、膜厚のモニタリングと制御とが可能となる。
【００５８】
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、λ０とλＶの付近の屈折率が異なる場合が有る。そのため、設計波長λ０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λ０の多層膜を得ることが可能となる。
【００５９】
［実施例３］
図３に、反射光における、本発明の第３の実施例を示す。基板３上に成膜を行う成膜装置１、基板３に可視光を投光するための光源５、光投光用光ファイバ６と可視光を成膜室２内に導入するための真空封止用窓７を含む投光部、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で反射した光を可視光分光器１０に導くためのハーフミラ１４ーと光ファイバ９を含む受光部と、受光部で受けた光を分光スペクトルとして測光する可視光分光器１０からなる光測定部と、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λ０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１１とからなる。
【００６０】
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等の不透明基板上への成膜でも膜厚の制御が可能となる。
【００６１】
この方法で測定した反射率は、（透過率）＝１−（反射率）の式より、透過率として扱うことができるので、実施例１と同様の手順で、膜厚のモニタリングおよび制御が可能となる。
【００６２】
図４に、分光スペクトルを規格化して透過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。
【００６３】
以上説明したように、本発明の実施により、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、安価で、高信頼・高精度の可視光領域の分光器を使用する可視光領域の測光手段を用い、設計波数の３以上の奇数倍に当たる波数またはその波数を中心とする可視光波数域における光の透過率または反射率を測光および演算によって求め、求めた値を用いて光学的膜厚の膜厚モニタリングを高精度で行うという優れた効果が得られる。
【００６４】
このようにして、本発明の実施により、層数が数十層から数百層の、λ０を設計波長とする多層膜の光学的膜厚をλ０/４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可能となる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明の実施により、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、λ０を設計波長とする多層膜の光学的膜厚をλ０/４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可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の構成図である。
【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分岐ファイバと切替器を用いた構成図である。
【図３】本発明の第３の実施例の構成図である。
【図４】第３の実施例において、参照光を取得できるように、２分岐ファイバと切替器を用いた構成図である。
【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膜厚依存性を示す図である。
【図８】既存の二色測光法での透過率差の膜厚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の透過率の膜厚依存性を示す図である。
【図１０】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波数の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。
Claims (3)
- 基板上に形成され、可視光波長λＶの３以上の奇数倍の波長λ０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λＶを含む可視光領域の波長の可視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透過光または反射光の単数または複数の可視光波長における光の強度を測定する光測定部と、前記光測定部の出力である前記光の強度のデータを用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０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。
- 基板上に形成され、可視光波長λＶの３以上の奇数倍の波長λ０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λＶを含む可視光領域の波長の可視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透過光または反射光の単数または複数の可視光波長における光の強度を測定し、前記測定によって得られる光の強度のデータを用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０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。
- 前記光の強度のデータを用いて、前記合体物の、波数１/λＶよりもΔκだけ小さい波数κ１における前記合体物の透過率Ｔ(κ１)と波数１/λＶよりもΔκだけ大きい波数κ２における前記合体物の透過率Ｔ(κ２)とを求め、Ｔ(κ１)とＴ(κ２)とが、測定誤差に起因する誤差範囲内において、等しいか否かによって、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０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。
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