JP3898004B2

JP3898004B2 - Optical thin film deposition apparatus and method

Info

Publication number: JP3898004B2
Application number: JP2001218600A
Authority: JP
Inventors: 裕一梅田; 義博染野; 時夫砂金
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2001-07-18
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2021-07-18
Also published as: JP2003035520A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学デバイスなどに用いられる多層の光学薄膜を、高精度に基板に形成する光学薄膜の成膜方法及び成膜装置に係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ファイバを用いた光通信等が盛んに行われるようになり、この光通信に用いられる各種フィルタに用いられる光学デバイスの高性能化、すなわち高精度な光学特性に対する要求が高まっている。
このため、上記光学デバイスに用いられる多層薄膜を形成するため、基板表面に形成される多層の光学薄膜各々の膜厚を、高精度に制御しつつ、各薄膜の積層を行うことが重要となる。
従来、高精度な膜厚制御が要求される光学薄膜の製造において、この光学薄膜の各層の薄膜の成膜装置として、例えば、図１９に示すＩＢＳ（Ion Beam Sputtering）装置が用いられている。
【０００３】
ＩＢＳ装置は、成膜制御装置１０３の制御により、イオンガン１０２から放射されるイオンビームの衝撃によるエネルギーで加熱し、成膜装置本体１００内のターゲット２０７に設けられた薄膜材料を蒸発させて、これら薄膜材料のプラズマ化された分子を用いて薄膜を形成するため、形成される膜の緻密性が高く、また、高真空中での積層処理を行うため、薄膜に混入する不純物が少なく、高品質な薄膜を精度良く積層することができる。
【０００４】
このＩＢＳ装置においては、成膜装置本体１００において形成される膜厚の測定を行う膜厚モニタ１０１として、水晶振動子の固有振動数の変化を用いた膜厚モニタ（例えば、水晶膜厚計、以下、水晶モニタ），及び基板に形成された薄膜の透過率（または反射率）を測定する膜厚センサ（以下、光学モニタ）のいずれかを用いて、基板に形成される多層の光学薄膜各々の膜厚制御を行いつつ、あらかじめ設計された膜厚を有する多層薄膜を生成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した薄膜の厚さを測定するための水晶モニタ及び光学モニタには、高精度に多層薄膜を形成する場合に用いる膜厚モニタとして、各々以下に示す欠点がある。
水晶モニタは、成膜される薄膜の膜厚変化を測定する分解能が高く、相対的に膜厚の積層の制御を高い精度で行うことができる。
しかしながら、水晶モニタは、上述したように高い精度で、相対的な膜厚ｄの変化を測定できるが、水晶振動子に形成される薄膜の厚さが変化する毎に、絶対的な膜厚ｄの測定に誤差が発生し、検出される膜厚ｄが実際の膜厚とは異なっているという問題がある。
さらに、水晶モニタは、間接的に光学的な膜厚を測定するため、すなわち、屈折率の変動を考慮しない機械的な膜厚を測定するため、膜質によっては機械的な膜厚が同一であっても、屈折率が異なる場合があり、光学膜厚に対応できないという問題がある。
【０００６】
一方、光学モニタは、屈折率（ｎ）の変動を含めて光学的な膜厚（ｄp＝ｎ・ｄ）を直接に測定可能である。
この膜厚の測定において、光学モニタは、各層の光学薄膜の膜厚ｄpに対して、λ／４が等しくなる波長λの測定光を用いて、この測定光の信号処理を行い、図２０に示す透過率などの時間変化の測定を行う。
そして、成膜制御装置１０３は、上記透過率の変化において、この変化が極値となった時点（例えば、時刻ｔ1,ｔ2等）で必要な膜厚ｄpの薄膜が形成されたことを検出し、イオンガン１０２の操作を停止させ、成膜装置本体１００における薄膜の成膜処理を停止させる。
【０００７】
しかしながら、薄膜の光学的な膜厚ｄp（＝λ4／４）が薄すぎる膜を積層すると、対応する波長の測定光を設定出来ない場合がある。
これは、図２０に示す時刻ｔ3における停止位置となる厚さ（測定光の波長λ3に対応、すなわち光学薄膜がλ3／４に対応しない測定光の波長）となったときに相当し、時刻ｔ3の膜厚に達しても光学モニタの出力が透過光の極値として観測されない。
図２０は、光学モニタの出力する透過率データＤＴと、時刻との関係を示したものであり、時刻ｔ1，ｔ2，ｔ4各々において、λ1／４，λ2／４，λ4／４の膜厚ｄpの光学薄膜の層が各々形成されることを示している。
ここで、λ1，λ2，λ3，λ4は、各々測定光の波長である。
したがって、指定された光学膜厚を検出するのに極値を用いずに判定することとなり、不確定要素によるバラツキが増大してしまう。
【０００８】
本発明はこのような背景の下になされたもので、水晶モニタ及び光学モニタの各々の欠点を互いに補足し合い、従来に比較してより高い精度の成膜制御を行う光学薄膜の成膜方法及び成膜装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学薄膜の成膜装置（例えば、ＩＢＳ）は、従来例で光学モニタまたは水晶モニタのいずれか一方のみを用いて堆積される薄膜の厚さを測定するのに比較し、基板の表面に材料を堆積させて薄膜を形成する薄膜形成手段と、この薄膜の厚さを光学的に測定し、第１の膜厚データ（例えば、透過率データＤＴ）を出力する光学モニタ（光学モニタ１１）と、前記薄膜の厚さを周波数に基づき測定し、第２の膜厚データ（例えば、周波数データＤＦ）を出力する水晶モニタ（水晶モニタ１０）と、前記第１の膜厚データに基づいて前記第２の膜厚データを補正し、この補正された第２の膜厚データにより、前記薄膜形成手段（成膜装置本体１００，イオンガン１０２）における成膜を制御する膜厚判定手段（判定回路１２）とを設け、前記膜厚判定手段が、前記第１の膜厚データの判定を行う第１の設定データを、前記第２の膜厚データの判定を行う第２の設定データに対して、小さい値に設定し、第１の設定データにより前記光学モニタから水晶モニタへ切り替える判定を行い、第２の設定データにより製膜の終点に来たか否かの判定を行うことにより、光学モニタにより設計値より薄い厚さの光学薄膜の積層されたタイミングを測定し、この後、膜厚測定の分解能の高い水晶モニタに膜厚測定を移行させ、高い精度で光学薄膜の終点検出が行え、かつ、光学薄膜の厚さの設計値が光学モニタによって光学的に膜厚を測定できない薄い薄膜などの測定を、成膜の開始時点から、光学モニタによってすでに成膜された層の膜厚データに基づく補正係数で測定膜厚を補正された水晶モニタを用いることにより可能とし、複数の不規則な膜厚の光学薄膜の層で形成される多層薄膜をも構成することができる。
【００１０】
また、本発明の光学薄膜の成膜装置は、不規則な膜厚の薄膜で形成される多層薄膜の成膜において、多層の薄膜の各々の屈折率により複雑な特性を有していても、光学モニタの設定値が実際に堆積させる膜厚より薄く設定されているため、極値を高い精度で近似して推定した後、水晶モニタによる測定に移行させることができるので、水晶モニタによる高い分解能の膜厚測定、すなわち終点検出が行えるため、精度の高い膜厚制御をリアルタイムに行え、イオンガンの停止が遅れることなく、設計値に対応した多層薄膜の作製を行うことができる。
【００１３】
本発明の光学薄膜の成膜方法は、従来例で光学モニタまたは水晶モニタのいずれか一方のみを用いて堆積される薄膜の厚さを測定するのに比較し、基板の表面に材料を堆積させて薄膜を形成する薄膜形成過程と、この薄膜の厚さを測定光の透過率の変化に基づいて光学的に測定し、第１の膜厚データ（例えば、透過率データＤＴ）を出力する光学モニタ過程と、前記薄膜の厚さを周波数に基づき測定し、第２の膜厚データ（例えば、周波数データＤＦ）を出力する水晶モニタ過程と、前記第１の膜厚データに基づいて前記第２の膜厚データを補正し、この補正された第２の膜厚データにより、前記薄膜形成過程における成膜を制御する膜厚判定過程とを有し、前記膜厚判定過程において、前記第１の膜厚データの判定を行う第１の設定データが、前記第２の膜厚データの判定を行う第２の設定データに対して、小さい値に設定されており、光学モニタ過程による第１の膜厚データの測定を、第１の設定データで透過率が極値を持つ波長により行って薄膜の成膜を行うことにより、光学モニタにより設計値より薄い厚さの光学薄膜の積層されたタイミングを測定し、この後、膜厚測定の分解能の高い水晶モニタに膜厚測定を移行させ、高い精度で光学薄膜の終点検出が行え、かつ、光学薄膜の厚さの設計値が光学モニタによって光学的に膜厚を測定できない薄い薄膜などの測定を、成膜の開始時点から、光学モニタによってすでに成膜された層の膜厚データに基づく補正係数で測定膜厚を補正された水晶モニタを用いることにより可能とし、複数の不規則な膜厚の光学薄膜の層で形成される多層薄膜をも構成することができる。
【００１４】
本発明の光学薄膜の成膜方法は、前記膜厚判定過程において、前記第１の膜厚データの判定を行う第１の設定データが、前記第２の膜厚データの判定を行う第２の設定データに対して、小さい値に設定されていることで、多層薄膜の各層の膜厚があらかじめフィルタなどの設計値の膜厚を読み出し、第１の膜厚データと比較する設定値の膜厚を、設計値より薄い膜厚にし、この設定値に第１の膜厚データが達した後、第２のデータによる成膜制御を行うため、すなわち、成膜の終点検出を光学モニタに換えて水晶モニタの測定値により行うため、不規則な膜厚の薄膜で形成される多層薄膜の成膜において、多層の薄膜の各々の屈折率により複雑な特性を有していても、光学モニタの設定値が実際に堆積させる膜厚より薄く設定されているため、極値を高い精度で近似して推定した後、水晶モニタによる測定に移行させることができるので、水晶モニタによる高い分解能の膜厚測定、すなわち終点検出が行えるため、精度の高い膜厚制御をリアルタイムに行え、イオンガンの停止が遅れることなく、設計値に対応した多層薄膜の作製を行うことができる。
上述した成膜装置及び成膜方法により製造された多層薄膜からなる光学フィルタは、各層の薄膜の厚さが不規則であっても、各層の膜厚が設計値に高い精度で対応しており、ＧＦＦ（ゲイン・フラットニング・フィルタ）などの周波数毎に正確にゲインを調整する光学薄膜として最適な特性を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態による成膜装置の構成例を示すブロック図である。従来例の図１９の成膜装置と同様な構成については同一の符号を付し、この構成の説明を省略する。この図において、水晶モニタ１０は、成膜装置本体１の真空チャンバ３内に設けられた水晶振動子から構成された膜厚センサ２０６（図２参照）からの周波数信号（水晶振動子の固有振動数の情報）を入力し、この周波数信号をデジタルデータに変換し、変換されたデジタルデータの周波数データＤＦ（水晶振動子の固有振動数を示す）を成膜制御装置１０３及び判定回路１２へ出力する。
次に、図２は、図１における成膜装置本体１及びイオンガン１０２との構成を詳細に示したものである。
多層膜が形成される基板２０２は、基板ホルダ回転機構２に接続された基板ホルダ２０１へ固定されている。
基板ホルダ回転機構２は、モータなどから構成されており、ターゲット２０７から照射される原子及び分子が平均して、基板２０２へ堆積されるように、基板ホルダ２０１を回転させる。
【００１６】
イオンガン１０２は、発生させたイオンを加速させ、ターゲット２０７の堆積させる材料へイオンビームを照射させ、このイオンビームのエネルギーによりターゲットの材料を基板２０２へ照射させる。
ここで、ターゲット２０７は、回転軸２０８に沿って回転自在な構造になっており、イオンガン１０２からのイオンビームに対して、所定の材料の面を向けることにより、複数の薄膜の材料を基板２０２へ照射することができる。
真空チャンバ３は、図示しない真空ポンプにより、排気口１５０から空気及びガス（ターゲット２０７から照射され、どこにも堆積しなかった材料）を排出し、真空度が調整されている。
光学による膜厚測定系において、光学モニタセンサ２０５は、図３に示す構成をしている。図３は、光学モニタセンサ２０５の詳細な構成を示す概念図である。
投光部２０３は、真空チャンバ３（図２参照）内に設けられ、光ファイバＦ１を介して送られてくる所定の波長（波長の１／４、すなわちλ／４が膜厚ｄpに対応する）の測定光を、基板ホルダ２０１の測定光を透過させるために明けられた穴である窓部２０１Ｈより、基板２０２の裏面に照射する。
【００１７】
受光部２０４は、集光レンズなどから構成されており、受光した透過光を光ファイバＦ２を介して、光学モニタ１１へ出力する。
図１に戻り、光学モニタ１１は、真空チャンバ３内に設けられた光学モニタセンサ２０５の受光部２０４（図３参照）からの透過光を入力し、透過光の強度に応じた電圧の検出信号を生成する。
また、光学モニタ１１は、上記検出信号をＡ／Ｄ変換し、薄膜が形成されていないときの検出信号の強度との比からデジタルデータとなる透過率データＤＴを算出し、成膜制御装置１０３及び判定回路１２へ出力する。
成膜制御装置１０３は、水晶モニタ１０及び光学モニタ１１から各々入力される周波数データＤＦ，透過率データＤＴに基づき、それぞれが正常に動作しているか否かの判定を行う。
【００１８】
また、成膜制御装置１０３は、イオンガン１０２における放電に必要な電源の制御及び真空チャンバ３の真空度の制御を行う。
水晶モニタ１０は、水晶振動子よりなる膜厚センサ２０６から入力される周波数信号を、所定の時間毎にデジタルデータに変換し、周波数データＤＦとして判定回路１２へ出力する。
判定回路１２は、成膜制御装置１０３の制御により、イオンガン１０２にイオンビームの照射を開始させ、入力される上記透過率データＤＴ及び周波数データＤＦに基づき、成膜中の薄膜が設計値の膜厚となったか否かの判定を行い、イオンガン１０２のイオンビームのターゲットに対する照射を停止させる。
【００１９】
このとき、判定回路１２には、成膜の膜厚を検出する膜厚設定値の厚さとして、実際に光学薄膜の設計値の膜厚に対して、薄い膜厚の値が設定されている。
すなわち、判定回路１２においては、水晶モニタ１０から出力される周波数データＤＦに対する膜厚の設定値を設計値の膜圧とし、この周波数データＤＦにより薄膜生成の終点検出を行うため、図４に示すように、周波数データＤＦに基づき検出される膜厚の設定値、すなわち、設計値の膜厚ｄｐ1，ｄｐ2，ｄｐ3，…に対して、透過率データＤＴに基づき極値が検出される、波長の１／４としての膜厚の設定値ｄｐｍ1，ｄｐｍ2，ｄｐｍ3，…各々が薄く設定されている。
図４は、横軸が膜厚を示しており、縦軸が透過率データＤＴの数値を示しており、測定された透過率データＤＴに基づく関数が示される。
ここで、測定光としては、波長の１／４が各々上記膜厚の設定値ｄｐｍ1，ｄｐｍ2，ｄｐｍ3，…に対応する波長λ1，λ2，λ3，…の光信号が用いられる。
これにより、判定回路１２は、透過率データＤＦに基づいて極値が検出されると、このときの膜厚により、周波数データＤＦと機械的な膜厚ｄとの関係を校正し、この校正された周波数データＤＦと機械的な膜厚ｄとの関係に基づき、水晶モニタ１１により成膜の終点検出を行う。
【００２０】
ここで、判定回路１２は、光学モニタ１１からの透過率データＤＴから換算される膜厚ｄpに基づいて、水晶モニタ１０から入力される周波数データＤＦから求める膜厚ｄの補正を行う。
すなわち、判定回路１２は、図５に示すように、所定の時間毎（Ａ／Ｄ変換による透過率のサンプリング周期毎）に、水晶モニタ１０から入力される周波数データＤＦから求まる膜厚ｄの数値を、透過率データＤＴの示す膜厚ｄpから求められる膜厚ｄｔの数値に合わせる補正を行う。
図５は、成膜時間と周波数データＤＦの示す周波数（膜厚センサ２０６における水晶振動子の振動周波数（固有振動数）であり、膜厚ｄに対応するものである）との対応関係を示す図である。
この図５において、横軸は成膜時間であり、縦軸は周波数データＤＦの周波数値を示し、また、実測値は線αで示しており、水晶モニタ１０が判定回路１２へ送信する誤差を含んだ周波数データＤＦである。
また、図５において、本来の値は点線βで示しており、透過率データＤＴから求めた、誤差のない周波数データＤＦの数値を示している。
したがって、膜厚ｄは周波数データＤＦに対応する数値であり、膜厚ｄｔは透過率データＤＴにより補正された膜厚の数値である。
【００２１】
そして、判定回路１２は、周波数データＤＦから求めた膜厚ｄと、透過率データＤＴから求めた膜厚ｄｔとを比較し、この比較の結果により、膜厚ｄを膜厚ｄｔの値に変更することで補正し、常に、周波数データＤＦから求まる膜厚ｄと透過率データＤＴから求まる膜厚ＤＦから求まる膜厚ｄｔとが同等であるように調整処理を行う。
これにより、周波数データＤＦから算出される膜厚ｄに誤差が蓄積されずに、常に補正された膜厚ｄtに近い値を得ることが可能となる。
ここで、図５に示すように、判定回路１２は、周波数データＤＦの補正において、膜厚ｄを膜厚ｄｔ（光学膜厚ｄpと同等）に対応させるとともに、各実測値の周波数データに乗ずることにより、線αが点線βに重なる補正係数を求める。
これにより、周波数データＤＦと時刻との関数、すなわち上記補正係数により補正した点線βに基づいた、設計膜厚となる時刻の推定を、光学モニタ１１による設計膜厚の検出に近い精度で行うことができる。
また、このとき、判定回路１２は、成膜処理において、各層の薄膜の成長が終了する毎に、すなわち、各薄膜の形成毎に、膜厚ｄが一定時間毎に増加する成長レート（成長割合）を計算し、成長レートを随時更新する。
これにより、判定回路１２は、図５に示す点線βの関数により、すなわち周波数データＤＦと、上記補正係数とに基づき、成膜開始時点において測定された膜厚ｄから、設計値の膜厚となるまでの時間が高い精度で演算により推定することができる。
このとき、判定回路１２は、透過率データＤＴから求められる膜厚ｄｐを屈折率ｎで除算し、機械的な膜厚ｄｔに変換した後に、この膜厚ｄｔを、水晶モニタ１０からの膜厚ｄとすることにより、膜厚ｄを実際の膜厚の数値に補正している。
これにより、判定回路１２は、膜厚ｄに屈折率ｎを乗じた光学的膜厚と、光学モニタ１１からの透過率データＤＴから求まる膜厚ｄpとが常に同等の数値となるように補正を行い、単位時間毎に成長する膜厚（薄膜の成長レート）の補正（例えば、周波数（膜厚）と時刻との関係を示す関数に対して、周波数に基づきこの関数から得られる膜厚の変化量を補正、すなわち周波数データＤＦに補正係数等を乗ずることにより行われる）も、上述したように、膜厚ｄの補正と同時に行う（ツーリング補正）。
【００２２】
また、判定回路１２は、成膜制御装置１０３からの制御信号により、成膜制御装置１０３の多層薄膜の各層の設計値としての膜厚を、各層を形成する前に読み出し、基板２０２に形成する薄膜の厚さが測定可能か否か、または光学モニタ１１が正常に動作しているか否かを検出する。
膜厚に規則性が無くとも、形成される薄膜の膜厚が光学モニタ１１において測定可能な場合、判定回路１２は、光学モニタ１１から得られる透過率データＤＴに基づき透過率の極値の検出、すなわち成膜の終点検出を行う。
すでに述べたように、光学モニタ１１は、基板２０２において形成される多層薄膜各々の膜厚に規則性が無く、薄い膜厚の場合や、正常に動作していない場合に薄膜の厚さが設定値となったか否かの判定が行えない。
したがって、判定回路１２は、形成される薄膜が所定の膜厚より薄い場合、または成膜制御装置１０３から光学モニタ１１が正常に動作していないとの制御信号を入力した場合、薄膜の形成処理における終点検出を、水晶モニタ１０から得られる周波数データＤＦに基づき膜厚ｄを算出し、図５に示す補正後の、周波数データＤＦ（膜厚）と時刻との関係を示す点線βの関数に基づき、設計値の機械的な膜厚となる時刻を推定して、この推定された推定時刻となったとき、イオンガン１０２からのイオンビームの放射を停止させ、成膜処理を終了する。
この結果、判定回路１２は、推定時刻になった時点で薄膜の形成処理を終了するため、精度の高い膜厚を形成することが出来る。
【００２３】
上述したように、判定回路１２は、光学モニタ１１の膜厚検出の設定値を、設計値の膜厚に対して薄い膜厚とし、この光学モニタ１１による検出が行われた後に、水晶モニタ１０による設計値の膜厚の検出を行い、光学薄膜の成膜制御を行い、推定された時刻になったとき、光学薄膜の設計値の厚さとなったと判定し、薄膜形成の処理を終了する。
しかしながら、判定回路１２が極値の検出された時点で、水晶モニタ１０の検出処理に移行したとしても、光学モニタ１１による極値の検出処理の間に、水晶モニタ１０に移行する時間が遅延し、この遅延時間に薄膜が形成されることにより、設定された膜厚を越えてしまう。
このため、判定回路１２は、入力される透過率データＤＴに対して信号処理を行い、極値に到達する時刻ｔpを推定し、この推定した時刻Ｔpにおいて、水晶モニタ１０による薄膜の厚さの測定を開始させることにより、透過率の極値検出から水晶モニタ１０への膜厚の測定の移行に要するディレイ時間を低減させる。
上述した理由により、形成している薄膜における透過率の極値の測定を行うが、例えば、以下に示す２種類の方法により推定処理を行っており、以下にその極値となる時刻ｔpの推定方法に付いて順次述べる。
【００２４】
判定回路１２において行われる透過率の極値検出による成膜時刻（最低及び最高としての極値をとる時刻ｔp）の推定演算の方法として、以下に示す２次回帰関数を用いた方法がある。
受光部２０４は、入射した測定光に基づき、基板２０２及び形成された薄膜を介して出射される透過光の光強度を、この強度に対応した電圧に変換して検出信号として出力する。
判定回路１２は、この検出信号に基づいて、光学モニタ１１がＡ／Ｄ変換して出力する透過率データＤＴを、透過光の強度を示す数値として読み込む。
この読み込まれた透過率データＤＴは、図６（横軸：光学膜厚，縦軸：透過率）に示すように、形成される薄膜の膜厚ｄp（例えば、膜厚ｄｐｍ1，ｄｐｍ2，ｄｐｍ3，…）に基づく透過率と測定光の波長λ（例えば、λ1，λ2，λ3，…）とに対応して、周期性の曲線を描くことになる。
【００２５】
この曲線は、透過率が極値となる近傍では、通常、以下に示すような多項式（１）により近似することができ、４次項以降を省略しても近似が可能である。
ｙ＝ａ0＋ａ1・ｔ +ａ2・ｔ²+ａ3・ｔ⁴+ａ4・ｔ⁶+… … （１）
式（１）において、ａ0，ａ1，ａ2，ａ3，ａ4は、回帰計算の対象となる係数である。
このとき、基板２０２及び積層された多層の薄膜の形成過程で生じる複雑性や薄膜屈折率の不均一性及び受光部２０４や光学モニタ１１での電流増幅の直線性のため、より複雑な関数となる。
【００２６】
しかしながら、極値近傍においては、式（１）の４次項以下を省略して近似することが可能である。
ｙ＝ａ0＋ａ1・ｔ +ａ2・ｔ² … （２）
図７（横軸：光学膜厚，縦軸：透過率）に示すように、理論的透過率の変化（実線）の式（１）に対して、式（２）は、この式（１）に対して２次回帰線（破線）、すなわち２次回帰関数による近似となる。ａ0〜ａ2は、係数である。
また、入力される透過率データＤＴは、図８（横軸：時刻，縦軸：透過率）に示すように、サンプリングされた透過光にはノイズが重畳されるため、このノイズを含んだ値として求められ、図８の２次回帰線が破線で示されている。
【００２７】
判定回路１２は、以下の式（３）により、式（２）の２次回帰関数の微分値、すなわち接線の傾きを求める。
ｄｙ／ｄｔ＝ａ1 ＋２・ａ2・ｔ … （３）
そして、判定回路１２は、この破線の傾きが「０」となる時刻を演算して、測定する層の薄膜の厚さに対応する波長の測定光において、透過率が極値を持つ時刻ｔpを推定することとなる。
すなわち、時刻ｔpは、「ｔp ＝ −ａ1／（２・ａ2）」と求められる。
【００２８】
また、判定回路１２において行われる透過率の極値検出による成膜時刻（最低及び最高としての極値をとる時刻ｔp）の推定演算の他の方法として、以下に示す回帰計算による傾きの変化の計算方法がある。
透過率を所定の時間間隔の時刻毎にＴ0，Ｔ1，Ｔ2，Ｔ3，…と測定すると図８の様にノイズの重畳された値として検出される。
このため、透過率の傾きの変化が０となる時刻を回帰計算を用いて推定する方法が考えられる。
すなわち、デジタルフィルタにより、図９（横軸：時刻，縦軸：透過率）において示すノイズの重畳された透過率から、高周波成分を除去する。
このとき、式（４）に基づき、デジタルフィルタによるフィルタ計算が行われる。
【数１】

式（４）において、ｎ及びｌは整数であり、ｘは入力信号、すなわち添えられた数字に対応する透過率の数値である。
【００２９】
ここで、フィルタ計算の範囲であるタイムウィンドウの一例として、このタイムウィンドウにハニングウィンドウ（Hanning window）を用いる。
上述した式（４）で用いられるハニングウィンドウは、次の式（５）のような構成になる。
【数２】

すなわち、データ数Ｎ（Ｎは整数）が平均化（フィルタ計算）区間に相当しており、例えば、一定時間毎に測定された任意の範囲の透過率Ｔi，Ｔi+1，…，Ｔi+N-1が平均化される。
また、次に平均化される区間としては、上述と同様に一定時間毎に測定された透過率Ｔi+1，Ｔi+2，…，Ｔi+Nが相当する。
【００３０】
そして、フィルタ計算区間が、時刻ｔ1から時刻ｔ3までの時間Ｔsの範囲（透過率Ｔi，Ｔi+1，…，Ｔi+N-1の範囲に相当）であると、最新の透過率は時刻ｔ3に測定されたものであるが、フィルタ計算の結果としては、時刻ｔ3より時間「Ｔs／２」前の時刻ｔ2の透過率の値として、図１０（横軸：時刻，縦軸：透過率）のようにスムージング（平均化されて高周波成分が除去）された状態で出力される。
次に、判定回路１２は、上述のフィルタ計算の結果として得られた透過率において、所定の範囲、例えば、透過率Ｔj，Ｔj-1，…，Ｔj+m-1（ｊ及びｍは自然数）の範囲で、図１１（横軸：時刻，縦軸：透過率）に示すように、例えば直線回帰を行い、透過率Ｔj，Ｔj-1，…，Ｔj+m-1の範囲（直線回帰区間）における平均傾斜を求める。
この直線回帰により、上述した範囲での透過率の平均傾斜として、以下に示す式（６）が得られる。
ｙ＝ａ0＋ａ1・ｔ … （６）
【００３１】
次に、判定回路１２は、上記式（６）で求まる平均傾斜を図１２（横軸：時刻，縦軸：透過率の傾き）に示すように、上記直線回帰区間毎にプロットし、このプロットされた平均傾斜に対して、所定の区間における直線回帰を行い、以下に示す式（７）を求める。
ａ＝ｂ0＋ｂ1・ｔ … （７）
式（７）において、傾きａが「０」となる時刻を計算して、この計算結果を透過率が極値（ピーク値）となる時刻ｔpの推定値として出力する。
すなわち、「ａ＝ｂ0＋ｂ1・ｔp＝０」から、「ｔp＝−（ｂ0／ｂ1）」が推定値として求められる。
なお、回帰区間に対し、透過率変化の曲率が無視できない場合は、より高次の多項式による曲線回帰計算を行い、極値となる時刻ｔpの推定を行うようにしてもよい。
【００３２】
次に、図１、図２，図３及び図１３を参照し、一実施形態の動作例を説明する。図１３は、図１の成膜装置の動作例を説明するフローチャートである。
例えば、図１４の様に、ガラス基板（セラミック）である基板２０２表面に、各層の膜厚及び材料の異なる複数の薄膜（数十層）を堆積し、ＧＦＦを形成する場合を説明する。図１４（ａ）はＧＦＦの斜視図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の線分Ａで切断した断面図である。
基板２０２の裏面には、表面における多層膜形成後に、所定の波長の光に対する反射防止膜が堆積される。
ステップＳ１において、作業者は、上述した多層膜を形成する薄膜各々の材料と膜厚（ここでは、例えば、光学的な膜厚ｄp）とのデータを、成膜制御装置１０３に入力し、成膜装置の動作準備を行う。
ここで入力される薄膜各々の材料及び膜厚は、ファイバアンプの特性に対応させて予め他の計算機により設計されたＧＦＦの各層の数値である。
そして、作業者は、上述のＧＦＦの各層の設計値を入力した後、順次、光学薄膜の形成処理を開始させる。
これにより、成膜制御により堆積させる薄膜の厚さ及び材料を読み込み、例えば、ここではｉ層目の光学薄膜を形成させるための、成膜装置の成膜処理を開始させるとする。
【００３３】
次に、ステップＳ２において、成膜制御装置１０３は、成膜装置本体１００の真空度を所定の値とするため、図示しない真空ポンプを動作させ、真空チャンバ３の排気を開始する。
そして、成膜制御装置１０３は、上述したように、ｉ層目の光学薄膜を形成させるとすると、入力された設計値の膜厚ｄi（機械的な膜厚）、すなわち形成する薄膜の目標（設計値としての）膜厚ｄpより薄い膜厚ｄpmを設定値とし、この膜厚ｄpmに対応する波長λiを演算して（膜厚ｄpmとλi／４が等しくなる波長λiを演算して）、この波長λiの波長を図示しない光源に対して設定し、この光源から光学モニタセンサ２０５に対して、この波長λiの測定光を射出させる。
次に、ステップＳ３において、成膜制御装置１０３は、水晶モニタ１０及び光学モニタ１１の動作が正常に行われ、かつ、光源の出力する測定光の強度や波長が安定したか否かの判定を行い、安定していないと判定された場合、ステップＳ３の処理を再度行い、すなわち、上記測定光の強度や波長などが安定するまでステップＳ３の処理を繰り返して行う。
そして、成膜制御装置１０３は、光源の出力する測定光の強度や波長が安定したと判定すると、処理をステップＳ４へ進める。
【００３４】
次に、ステップＳ４において、成膜制御装置１０３は、基板ホルダ回転機構２に所定の速度における回転動作をさせるとともに、水晶モニタ１０と光学モニタ１１とに動作を開始させ、判定回路１２に対して、水晶モニタ１０及び光学モニタ１１各々からの周波数データＤＦ，透過率データＤＴに基づく成膜終了時刻の推定、すなわち設定値の膜厚ｄpmに達したか否かの判定処理を開始させ、処理をステップＳ５へ進める。
そして、ステップＳ５において、成膜制御装置１０３は、判定回路１２に対して、イオンガン１０２にイオンビームの照射を開始させ、成膜処理を開始させる制御信号を出力する。
これにより、判定回路１２は、イオンガン１０２に対して、所定の成膜速度で薄膜が堆積するエネルギーで、イオンビームをターゲット２０７へ放射させる。
すなわち、イオンエネルギーを調整することにより、形成される薄膜の単位時間当たりの堆積量である堆積速度を制御することができる。
【００３５】
次に、ステップＳ６において、判定回路１２は、測定すべき薄膜の膜厚が測定可能、すなわち、光学モニタ１１により透過率の極値が測定可能な膜厚であると判定した場合、処理をステップＳ７へ進める。
そして、ステップＳ７において、判定回路１２は、例えば、ｉ層目の薄膜の成長を行うとすると、「ｄmp＝λi／４」となる波長λiの測定光を光源に放射させている。
これにより、判定回路１２は、光学モニタ１１から出力される透過率データＤＴに基づき、形成している薄膜の膜厚の変化を示すため、所定の時刻毎（Ａ／Ｄ変換のタイミング毎）にこの透過率データＤＴをプロットする。
【００３６】
次に、ステップＳ８において、判定回路１２は、光学モニタ１１から入力される透過率データＤＴに基づき、既に述べた透過率の極値の推定方法により、透過率の極値（ピーク値）に到達する時刻ｔpを推定し、内部に時刻の設定値としてこの時刻ｔpを記憶し、処理をステップＳ９へ進める。
そして、ステップＳ９において、判定回路１２は、極値となる推定された時刻ｔpと、現在の時刻とが一致したか否か、すなわち、推定された時刻ｔpに現在の時刻が達したか否かの判定を行う。
このとき、判定回路１２は、現在の時刻が時刻ｔpに達しない場合、処理をステップＳ７へ戻し、ステップＳ７〜Ｓ９の処理を繰り返して行う。
一方、判定回路１２は、現在の時刻が時刻ｔpに達した場合、すなわち膜厚が設定された膜厚ｄpmに達した場合、処理をステップＳ１０へ進める。
【００３７】
次に、ステップＳ１０において、判定回路１２は、水晶モニタ１０に対して、この時点における透過率データＤＴに基づく膜厚ｄpmを機械的な膜厚ｄｔに変更し、現在の膜厚ｄがこの膜厚ｄｔと同様となるように、薄膜の膜厚ｄと対応する周波数データＤＦとの関係を補正するツーリング補正を行い、処理をステップＳ１１へ進める。
次に、ステップＳ１１において、判定回路１２は、光学モニタ１１から水晶モニタ１０へ膜厚の測定を移行させ、水晶モニタ１０から出力される周波数データＤＦに基づき、ｉ層目の薄膜の膜厚が設計値の機械的な膜厚ｄi（設定された光学的な膜厚ｄp）となったか否かの判定を行う。
すなわち、判定回路１２は、水晶モニタ１０の周波数データＤＦから求めた膜厚ｄの時間的変化を演算して求め、設計値の機械的な膜厚の成長にかかる残り時間をこの時間変化に基づいて演算し、この時間を信号検出時の時刻（時間的変化を求めた上記周波数データＤＦの入力時）に加算することにより、成膜処理を終了する時刻を推定し、処理をステップＳ１４へ進める。
【００３８】
そして、ステップＳ１２において、判定回路１２は、演算された膜圧ｄiが設定された膜厚ｄpに達したか否か、すなわち目標の設計値の膜厚に達したか否かの判定を行う。
このとき、判定回路１２は、目標の設計値の膜厚に達しない場合、処理をステップＳ１１へ戻し、ステップＳ１１及びＳ１２の処理を繰り返して行う。
一方、判定回路１２は、目標の設計値の膜厚に達した場合、処理をステップＳ１３へ進める。
これにより、ステップＳ１３において、判定回路１２は、イオンガン１０２に対して、イオンビームの放射を停止させ、ｉ層目の成膜処理を終了する。
そして、ステップＳ１４において、成膜制御回路１０３は、作業者の入力したＧＦＦの設計データにおいて、ＧＦＦ（多層薄膜）を構成する全ての層の薄膜の形成が終了したか否かの判定を行う。
このとき、成膜制御回路１０３は、全ての多層膜の形成が終了した場合、成膜処理を全て終了するが、全ての多層膜の形成が終了しない場合、処理をステップＳ１の戻し、多層薄膜において次の層i+1の成膜処理を開始する。
【００３９】
また、ステップＳ６において、判定回路１２は、測定すべき薄膜の膜厚が測定不適当、すなわち、光学モニタ１１により透過率データＤＴのプロットされた曲線（関数曲線）の極値を測定することが不適当な膜厚であると判定した場合、処理をステップＳ１１へ進める。
そして、判定回路１２は、上述したステップＳ１１〜Ｓ１３の処理において、水晶モニタス１０によるテップＳ１３により、水晶モニタ１０から出力される周波数データＤＦに基づき、形成している薄膜の膜厚の測定を行い、薄膜形成の制御を行う。
【００４０】
また、ステップＳ１１において、成膜制御装置１０３は、光学モニタ１１が薄膜の厚さや故障などにより膜厚の測定及び形成の制御が行えず、かつ膜厚センサ２０６の不良などのため、水晶モニタ１０により膜厚の測定及び形成の制御が行えない場合、薄膜形成の時間により膜厚制御を行う。
すなわち、判定回路１２は、ツーリングレシオの補正毎に、成膜レートが時間に対して一定であるとして、成長した膜厚を成長に要した時間で除算することにより、単位時間当たりの成長の厚さ、すなわち成長レートを演算により求め、成長レートの更新を行う。
そして、判定回路１２は、光学モニタ１１及び水晶モニタ１０のいずれも成膜の制御に使用できない場合、上記成長レートにより成膜の完了する時刻を演算して、成膜の制御を行う。
【００４１】
そして、ステップＳ１２において、判定回路１２は、現在の時刻が上述のようにして求められた推定時刻に一致したか否か、すなわち目標の設計値の膜厚に達したか否かの判定を行う。
このとき、判定回路１２は、目標の設計値の膜厚に達しない場合、ステップＳ１１及びステップＳ１２における判定の処理を繰り返して行う。
次に、判定回路１２は、目標の設計値の膜厚に達した場合、処理をステップＳ１３へ進める。以下の処理はすでに説明してあるので、再度の説明を行わない。
【００４２】
上述してきたように、本発明の光学薄膜の成膜装置は、判定回路１２に水晶モニタ１０及び光学モニタ１１の双方が設けられ、光学モニタ１１における膜厚のの検出、すなわち透過率の極値の検出を、設計値より薄い膜厚において行い、この光学モニタの極値の検出後に、光学モニタ１１から水晶モニタ１０へ膜厚測定の制御を移行するため、設計値より薄い膜厚を設定値としているため、高い精度で極値の推定が行え、この極値に到達する推定時刻に達したとき、水晶モニタ１１に測定を移行しているため、成膜の終点検出、すなわち膜厚の測定を高い分解能で行え、高い精度で薄膜の膜厚の設計値に達した時点を検出でき、イオンガン１０２にイオンビームの放射を停止させ、薄膜の形成を終了させることが可能となり、複数の不規則な膜厚の光学薄膜の層で形成される多層薄膜をも、各層の光学薄膜の膜厚を高精度に形成することができる。
【００４３】
また、本発明の光学薄膜の成膜装置は、上記判定回路１２が、形成される光学薄膜の厚さを光学モニタ１１で測定可能な場合、透過率データを用い、光学モニタ１１で測定不適当な場合、水晶モニタ１０の周波数データを用い、成膜の制御を行うことにより、多層薄膜の各層の膜厚があらかじめフィルタなどの設計値として成膜制御装置１０３に設定されているので、光学モニタ１１では測定不適当な膜厚の薄膜を形成させるとき、この薄膜の成膜開始時から、光学モニタ１１に換えて水晶モニタ１０の測定値により膜厚制御を行うため、不規則な膜厚の薄膜で形成される多層薄膜の作製において、薄膜の形成の終了、すなわちイオンガン１０２の停止が遅れることなく、精度の高い膜厚制御をリアルタイムに行え、設計値に対応した多層薄膜の作製を行うことができる。
【００４４】
さらに、本発明の光学薄膜の成膜装置は、上記判定回路１２が、透過率から求まる膜厚データｄｐに基づき、水晶モニタ１０の周波数信号に基づく膜厚データの補正を行う係数を得て、この係数により周波数データＤＦと機械的な膜厚ｄとの関係を、各層の形成後毎に校正することにより、水晶モニタの膜厚の測定の分解能は高いが、膜厚センサである水晶振動子に薄膜が成長することで、水晶モニタ１１の周波数データＤＦが実際の値（光学モニタ１１が測定した透過率データＤＴに基づく膜厚ｄｐ）とずれてしまうという欠点を補い、常に、水晶モニタ１０が光学モニタ１１と同等の膜厚データ、すなわち、精度の高い膜厚測定を行えるように調整することができ、上述した光学モニタ１１が測定できない膜厚の薄膜の成膜時に、光学モニタ１１に換え水晶モニ１０タを用いても、光学モニタ１１を用いたと同様な精度の高い膜厚の測定を行え、複数の不規則な膜厚の多層薄膜を設計値に対応させて形成させることができる。
【００４５】
加えて、本発明の光学薄膜の成膜装置は、上記判定回路１２が、成膜中における光学薄膜の膜厚の測定を、成長レートに基づく時刻管理により行えるため、水晶モニタ１０及び光学モニタ１１の双方が突然の故障などにより、成膜制御に使用できない場合でも、常に校正された成長レートを使用することで、光学モニタ１１及び水晶モニタ１０を用いたと同様な精度の高い膜厚の測定が行え、複数の不規則な膜厚の多層薄膜を設計値に対応させて形成させることができる。
なお、上述の実施形態において、光学モニタ１１が測定光の透過率を利用するものとして説明したが、光学モニタ１１が測定光の反射率を利用するものであっても良い。
【００４６】
次に、上述した本発明の光学薄膜の成膜方法及び成膜装置により生成された多層薄膜を応用した光学デバイスについて説明する。
図１５は、多層薄膜を用いた光学フィルタである光ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）の断面図を示している。
図１５の光ＢＰＦは、媒質に本発明の装置または方法により製造された多層薄膜の光ＢＰＦ・５０，５１，５２，５３，５４が貼着されて構成されたバンドパスフィルタである。
例えば、図１５に示すバンドパスフィルタには波長λ1〜λ8の光信号が入力され、ＢＰＦ・５０，５１，５２，５３，５４で各々波長λ1，λ2，λ3，λ4，λ5の光信号に分離して出力する。
したがって、図１５のバンドパスフィルタは、入力された複数の波長を有する光信号を、各々波長の光信号に分離して出力する。
【００４７】
また、次に、図１６は、光通信を行う場合、伝搬する光信号の強度が減衰するときに、減衰した光強度を増幅する中継局に用いられる光学フィルタであるＺフィルタ（エッジフィルタ）及びＢＦＦを示す図である
Ｚフィルタ１０１〜１０２は、所定の波長の反射率が調整されたものであり、各波長の光信号の透過を制御する。
例えば、Ｚフィルタ１０１は、Ｃ帯及びＬ帯の波長に対する反射率が高く、Ｓ帯のみが透過して、ファイバアンプ（Ｓ帯の波長に対応した光アンプ）１０４へ光信号を入射させる。
また、Ｚフィルタ１０２は、図１７に示すように、Ｓ帯及びＣ帯の波長に対する反射率を高くして、Ｌ帯の光信号のみを透過させる。
【００４８】
これにより、Ｚフィルタ１０２は、ファイバアンプ１０５（Ｃ帯の波長に対応した光アンプ）へ、Ｓ帯及びＣ帯の波長の光信号を入射させるが、Ｓ帯の光がＺフィルタ１０１によりファイバアンプ１０４へ入射させられているため、実質的にＣ帯のみの光信号がファイバアンプ１０５へ入射される。
Ｚフィルタ１０２は、Ｓ帯，Ｃ帯及びＬ帯の波長に対する反射率を高くして、Ｓ帯，Ｃ帯及びＬ帯の光信号を反射させる。
ここで、Ｓ帯は１４５０〜１４８５ｎｍの波長の帯域の光信号を示し、Ｃ帯は１５３０〜１５６０ｎｍの波長の帯域の光信号を示し、Ｌ帯は１５６５〜１６１０ｎｍの波長の帯域の光信号を示している。
【００４９】
ファイバアンプ１０４〜１０６は、各々Ｓ帯，Ｃ帯，Ｌ帯の波長の光信号の増幅を行うが、各々帯域のなかの波長によりゲインが異なる。
例えば、図１８に示すように、ファイバアンプ１０５のゲイン（Gain）の特性は平坦なものでなく、波長により変動している。
このため、ＢＦＦ・１０７〜１０９は、光学フィルタであり、図１８に示す様にファイバアンプ１０５のゲインの特性とは逆のゲイン特性を有しており、の各々ファイバアンプ１０４，１０５、１０６の増幅した光強度を平坦にするために用いられる。
【００５０】
以上、本発明の一実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
【００５１】
【発明の効果】
この発明によれば、薄膜形成手段による成膜処理の停止の判定、すなわち、設計値となったか否かの判定を行うため、膜厚判定手段が、通常、光学モニタの出力する第１の膜厚データにより、水晶モニタの出力する第２の膜厚データを補正し、この水晶モニタを使用して堆積される薄膜の厚さを測定し、成膜の制御を行うため、すなわち、この光学モニタで設定値より少し薄い膜厚設定しておき、この極値が検出された時点で第２の膜厚データの補正を行い、水晶モニタに最終的な成膜の終点のタイミングを検出させることにより、複数の不規則な膜厚の光学薄膜の各層を、高い精度で形成することが可能となり、どのような膜厚の薄膜で構成される多層薄膜をも形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による成膜装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】図１における成膜装置本体１００及びイオンガン１０２の構成例を示す概念図である。
【図３】図２における光学モニタセンサ２０５の構成例を示す概念図である。
【図４】光学薄膜の膜厚と透過率データＤＴとの関係を示すグラフである。
【図５】水晶モニタ１０にセンサ２０５から入力される周波数信号と成膜時間との関係を示すグラフである。
【図６】形成される光学薄膜の膜厚とこの膜厚に基づく透過率との対応を示すグラフである。
【図７】形成される光学薄膜の膜厚とこの膜厚に基づく透過率との対応を示すグラフである。
【図８】光学薄膜の形成時間とこの膜厚に基づく透過率との対応を示すグラフである。
【図９】光学薄膜の形成時間とこの膜厚に基づく透過率との対応を示すグラフである。
【図１０】光学薄膜の形成時間とこの膜厚に基づく透過率との対応を示すグラフである。
【図１１】光学薄膜の形成時間とこの膜厚に基づく透過率との対応を示すグラフである。
【図１２】図１の成膜装置の動作例を説明するフローチャートである。
【図１３】本願発明の光学デバイスへの応用としてバンドパスフィルタの構成例を示す概念図である。
【図１４】形成する多層薄膜（例えば、ＧＦＦ）の構造を示す概念図である。
【図１５】本願発明の光学デバイスへの応用としてバンドパスフィルタの構成例を示す概念図である。
【図１６】Ｚフィルタ及びＢＦＦの使用される光通信の中継局を示す概念図である。
【図１７】Ｚフィルタの特性例を示すグラフである。
【図１８】ファイバアンプとＢＦＦとの各々のゲイン特性を示すグラフである。
【図１９】従来の成膜装置の構成を示すブロック図である。
【図２０】光学薄膜の形成時間とこの膜厚に基づく透過率との対応を示すグラフである。
【符号の説明】
２基板ホルダ回転機構
３真空チャンバ
１０水晶モニタ
１１光学モニタ
１２判定回路
１００成膜装置本体
１０２イオンガン
１０３成膜制御装置
１５０排気口
２０１基板ホルダ
２０１Ｈ窓部
２０２基板
２０３投光器
２０４受光部
２０５光学モニタセンサ
２０６膜厚センサ
２０７ターゲット
Ｆ１，Ｆ２光ファイバ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical thin film forming method and a film forming apparatus for forming a multilayer optical thin film used for an optical device or the like on a substrate with high accuracy.
[0002]
[Prior art]
In recent years, optical communication using an optical fiber has been actively performed, and the demand for higher performance of optical devices used for various filters used in the optical communication, that is, high-precision optical characteristics has been increasing.
For this reason, in order to form the multilayer thin film used for the optical device, it is important to stack the thin films while controlling the film thickness of each of the multilayer optical thin films formed on the substrate surface with high accuracy. .
Conventionally, in the manufacture of an optical thin film that requires highly accurate film thickness control, for example, an IBS (Ion Beam Sputtering) apparatus shown in FIG. 19 is used as a thin film forming apparatus for each layer of the optical thin film.
[0003]
Under the control of the film formation control device 103, the IBS apparatus heats the energy by the impact of the ion beam emitted from the ion gun 102, evaporates the thin film material provided on the target 207 in the film formation apparatus main body 100, and Since the thin film is formed using the plasma-ized molecules of the thin film material, the formed film is highly dense, and since the lamination process is performed in a high vacuum, there are few impurities mixed into the thin film, and high quality Thin films can be accurately laminated.
[0004]
In this IBS apparatus, as a film thickness monitor 101 for measuring the film thickness formed in the film forming apparatus main body 100, a film thickness monitor (for example, a quartz film thickness meter, Hereinafter, each of the multilayer optical thin films formed on the substrate using either a crystal monitor) or a film thickness sensor (hereinafter referred to as an optical monitor) that measures the transmittance (or reflectance) of the thin film formed on the substrate. In this way, a multilayer thin film having a film thickness designed in advance is generated.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described crystal monitor and optical monitor for measuring the thickness of the thin film have the following drawbacks as film thickness monitors used when forming a multilayer thin film with high accuracy.
The crystal monitor has a high resolution for measuring a change in film thickness of a thin film to be formed, and can relatively control the stacking of film thicknesses.
However, as described above, the quartz monitor can measure the relative change in the film thickness d with high accuracy. However, every time the thickness of the thin film formed on the crystal resonator changes, the absolute film thickness d can be measured. There is a problem that an error occurs in the measurement, and the detected film thickness d is different from the actual film thickness.
Furthermore, the quartz crystal monitor measures the optical film thickness indirectly, that is, measures the mechanical film thickness without considering the refractive index variation, so the mechanical film thickness is the same depending on the film quality. However, the refractive index may be different, and there is a problem that the optical film thickness cannot be accommodated.
[0006]
On the other hand, the optical monitor can directly measure the optical film thickness (dp = n · d) including the variation of the refractive index (n).
In the measurement of the film thickness, the optical monitor performs signal processing of the measurement light using the measurement light having a wavelength λ that makes λ / 4 equal to the film thickness dp of the optical thin film of each layer. Measure the time change such as transmittance.
Then, the film formation control apparatus 103 detects that a thin film having a required film thickness dp has been formed at the time when the change has become an extreme value (for example, time t1, t2, etc.). Then, the operation of the ion gun 102 is stopped, and the film forming process of the thin film in the film forming apparatus main body 100 is stopped.
[0007]
However, if a thin film having an optical film thickness dp (= λ4 / 4) that is too thin is laminated, measurement light having a corresponding wavelength may not be set.
This corresponds to the case where the thickness (corresponding to the wavelength λ3 of the measuring light, that is, the wavelength of the measuring light not corresponding to λ3 / 4) at the time t3 shown in FIG. The output of the optical monitor is not observed as the extreme value of the transmitted light even when the film thickness is reached.
FIG. 20 shows the relationship between the transmittance data DT output from the optical monitor and time, and the film thicknesses dp of λ1 / 4, λ2 / 4, and λ4 / 4 at times t1, t2, and t4, respectively. It shows that the optical thin film layers are respectively formed.
Here, λ1, λ2, λ3, and λ4 are the wavelengths of the measurement light, respectively.
Therefore, determination is made without using an extreme value to detect the designated optical film thickness, and variations due to uncertain elements increase.
[0008]
The present invention has been made under such a background, and supplements the disadvantages of the crystal monitor and the optical monitor with each other, and the film forming method of the optical thin film that performs the film forming control with higher accuracy as compared with the prior art. And providing a film forming apparatus.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The optical thin film deposition apparatus (for example, IBS) of the present invention is compared with the conventional example in which the thickness of a thin film deposited using only one of an optical monitor and a crystal monitor is measured. A thin film forming means for forming a thin film by depositing a material, and an optical monitor (optical monitor 11) for optically measuring the thickness of the thin film and outputting first film thickness data (for example, transmittance data DT). ), The thickness of the thin film is measured based on the frequency, and a crystal monitor (crystal monitor 10) that outputs second film thickness data (for example, frequency data DF), and the first film thickness data. The film thickness determination means (determination circuit) that corrects the second film thickness data and controls film formation in the thin film forming means (deposition apparatus main body 100, ion gun 102) based on the corrected second film thickness data. 12) The film thickness determining means sets the first setting data for determining the first film thickness data to a smaller value than the second setting data for determining the second film thickness data. The first setting data is used to determine whether to switch from the optical monitor to the crystal monitor, and the second setting data is used to determine whether or not the film forming end point has been reached. Therefore, the timing at which the optical thin film with the thickness thinner than the design value is measured is measured by the optical monitor, and then the film thickness measurement is shifted to a crystal monitor with a high resolution for the film thickness measurement. Layers that have already been formed by the optical monitor from the start of film formation, such as thin film, where the end point can be detected and the design value of the optical thin film thickness cannot be measured optically by the optical monitor. This is possible by using a crystal monitor whose measured film thickness is corrected with a correction coefficient based on the film thickness data of the film, and a multilayer thin film formed of a plurality of optical thin film layers having irregular film thicknesses can be formed. .
[0010]
Also, The optical thin film deposition apparatus of the present invention is , No In the formation of a multilayer thin film formed with a regular thin film, even if the multilayer thin film has complicated characteristics due to the refractive index of each multilayer thin film, the set value of the optical monitor is thinner than the actual deposited film thickness. Because it is set, the extreme value can be approximated with high accuracy and estimated, and then the measurement can be shifted to the measurement by the crystal monitor. High film thickness control can be performed in real time, and a multilayer thin film corresponding to the design value can be produced without delaying the stop of the ion gun.
[0013]
The optical thin film deposition method of the present invention deposits a material on the surface of a substrate as compared with the conventional method of measuring the thickness of a thin film deposited using only one of an optical monitor and a crystal monitor. The thin film formation process to form a thin film and the thickness of this thin film Based on change in transmittance of measuring light An optical monitoring process for optically measuring and outputting first film thickness data (for example, transmittance data DT), and measuring the thickness of the thin film based on the frequency, and second film thickness data (for example, frequency) The crystal thickness monitor process for outputting data DF) and the second film thickness data are corrected based on the first film thickness data. The corrected second film thickness data is used to correct the process in the thin film formation process. A first setting data for determining the first film thickness data in the film thickness determination process, wherein the first setting data for determining the second film thickness data is determined. The setting data of 2 is set to a small value, and the measurement of the first film thickness data by the optical monitoring process is performed using the first setting data. Transmittance By using an optical monitor to measure the timing at which an optical thin film with a thickness thinner than the designed value is stacked, the crystal with high resolution for film thickness measurement is measured. The film thickness measurement is transferred to the monitor, the end point of the optical thin film can be detected with high accuracy, and the measurement of the thin film whose optical thin film design value cannot be measured optically by the optical monitor is performed. An optical thin film having a plurality of irregular film thicknesses, which is made possible by using a crystal monitor in which the measured film thickness is corrected with a correction coefficient based on the film thickness data of the layer already formed by the optical monitor from the start of the film. A multilayer thin film formed of these layers can also be configured.
[0014]
In the optical thin film deposition method of the present invention, in the film thickness determination process, the first setting data for determining the first film thickness data is the second setting for determining the second film thickness data. Since the setting data is set to a small value, the film thickness of each layer of the multilayer thin film reads the film thickness of a design value such as a filter in advance, and the film thickness of the setting value to be compared with the first film thickness data In order to perform film formation control by the second data after the first film thickness data reaches the set value, that is, the film formation end point detection is changed to an optical monitor. Because it is based on the measured value of the quartz monitor, even if the multilayer thin film formed with an irregular thin film has complicated characteristics due to the refractive index of each multilayer thin film, the setting of the optical monitor Because the value is set thinner than the actual film thickness to be deposited After approximating and estimating the extreme value with high accuracy, it is possible to shift to the measurement with a crystal monitor, so the film thickness can be measured with high resolution, that is, the end point can be detected with a crystal monitor. The multilayer thin film corresponding to the design value can be manufactured without delaying the stop of the ion gun.
The optical filter composed of the multilayer thin film manufactured by the above-described film forming apparatus and film forming method corresponds to the design value with high accuracy even if the thickness of each layer is irregular. , GFF (Gain Flattening Filter) and the like can obtain optimum characteristics as an optical thin film that accurately adjusts the gain for each frequency.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a film forming apparatus according to an embodiment of the present invention. The same components as those in the conventional film forming apparatus shown in FIG. In this figure, a crystal monitor 10 is a frequency signal (natural vibration of a crystal resonator) from a film thickness sensor 206 (see FIG. 2) composed of a crystal resonator provided in the vacuum chamber 3 of the film forming apparatus main body 1. The frequency signal is converted into digital data, and the converted digital data frequency data DF (indicating the natural frequency of the crystal resonator) is output to the film formation control device 103 and the determination circuit 12. To do.
Next, FIG. 2 shows the configuration of the film forming apparatus main body 1 and the ion gun 102 in FIG. 1 in detail.
The substrate 202 on which the multilayer film is formed is fixed to the substrate holder 201 connected to the substrate holder rotating mechanism 2.
The substrate holder rotating mechanism 2 includes a motor and the like, and rotates the substrate holder 201 so that atoms and molecules irradiated from the target 207 are averaged and deposited on the substrate 202.
[0016]
The ion gun 102 accelerates the generated ions, irradiates the material to be deposited on the target 207 with an ion beam, and irradiates the substrate 202 with the target material by the energy of the ion beam.
Here, the target 207 has a structure that can freely rotate along the rotation axis 208, and a surface of a predetermined material is directed to the ion beam from the ion gun 102, whereby a plurality of thin film materials are applied to the substrate 202. Can be irradiated.
The vacuum chamber 3 discharges air and gas (material irradiated from the target 207 and not deposited anywhere) from the exhaust port 150 by a vacuum pump (not shown), and the degree of vacuum is adjusted.
In the optical film thickness measurement system, the optical monitor sensor 205 has the configuration shown in FIG. FIG. 3 is a conceptual diagram showing a detailed configuration of the optical monitor sensor 205.
The light projecting unit 203 is provided in the vacuum chamber 3 (see FIG. 2), and a predetermined wavelength (1/4 of the wavelength, that is, λ / 4) sent through the optical fiber F1 corresponds to the film thickness dp. ) Is irradiated on the back surface of the substrate 202 from the window 201H which is a hole opened to transmit the measurement light of the substrate holder 201.
[0017]
The light receiving unit 204 includes a condensing lens and the like, and outputs the received transmitted light to the optical monitor 11 via the optical fiber F2.
Returning to FIG. 1, the optical monitor 11 receives the transmitted light from the light receiving unit 204 (see FIG. 3) of the optical monitor sensor 205 provided in the vacuum chamber 3, and detects a voltage detection signal according to the intensity of the transmitted light. Is generated.
Further, the optical monitor 11 performs A / D conversion on the detection signal, calculates transmittance data DT as digital data from a ratio with the intensity of the detection signal when no thin film is formed, and forms the film formation control device 103. And output to the determination circuit 12.
The film formation control apparatus 103 determines whether or not each is operating normally based on the frequency data DF and the transmittance data DT respectively input from the crystal monitor 10 and the optical monitor 11.
[0018]
In addition, the film formation control device 103 controls the power source necessary for the discharge in the ion gun 102 and the vacuum degree of the vacuum chamber 3.
The crystal monitor 10 converts the frequency signal input from the film thickness sensor 206 made of a crystal resonator into digital data at every predetermined time, and outputs the digital data to the determination circuit 12 as frequency data DF.
The determination circuit 12 causes the ion gun 102 to start irradiation with an ion beam under the control of the film formation control device 103, and the thin film being formed is a film whose design value is based on the input transmittance data DT and frequency data DF. It is determined whether the thickness has been reached, and irradiation of the ion beam target of the ion gun 102 to the target is stopped.
[0019]
At this time, in the determination circuit 12, a value of a thin film thickness is actually set as the thickness of the film thickness setting value for detecting the film thickness of the film formation with respect to the film thickness of the design value of the optical thin film. .
That is, the determination circuit 12 uses the set value of the film thickness for the frequency data DF output from the crystal monitor 10 as the design film pressure, and detects the end point of thin film generation using this frequency data DF. As described above, with respect to the set value of the film thickness detected based on the frequency data DF, that is, the design value film thickness dp1, dp2, dp3,..., Extreme values are detected based on the transmittance data DT. The film thickness set values dpm1, dpm2, dpm3,... As 1/4 are set thin.
In FIG. 4, the horizontal axis indicates the film thickness, the vertical axis indicates the numerical value of the transmittance data DT, and a function based on the measured transmittance data DT is shown.
Here, as the measurement light, optical signals having wavelengths λ1, λ2, λ3,... Corresponding to 1/4 of the wavelength corresponding to the set values dpm1, dpm2, dpm3,.
As a result, when an extreme value is detected based on the transmittance data DF, the determination circuit 12 calibrates the relationship between the frequency data DF and the mechanical film thickness d based on the film thickness at this time. On the basis of the relationship between the frequency data DF and the mechanical film thickness d, the film formation end point is detected by the crystal monitor 11.
[0020]
Here, the determination circuit 12 corrects the film thickness d obtained from the frequency data DF input from the crystal monitor 10 based on the film thickness dp converted from the transmittance data DT from the optical monitor 11.
That is, as shown in FIG. 5, the determination circuit 12 is a numerical value of the film thickness d obtained from the frequency data DF input from the crystal monitor 10 every predetermined time (each sampling period of transmittance by A / D conversion). Is adjusted to the numerical value of the film thickness dt obtained from the film thickness dp indicated by the transmittance data DT.
FIG. 5 shows a correspondence relationship between the film formation time and the frequency indicated by the frequency data DF (the vibration frequency (natural frequency) of the crystal resonator in the film thickness sensor 206 and corresponding to the film thickness d). FIG.
In FIG. 5, the horizontal axis represents the film formation time, the vertical axis represents the frequency value of the frequency data DF, and the actual measurement value is indicated by a line α. The error transmitted from the crystal monitor 10 to the determination circuit 12 is shown. The included frequency data DF.
In FIG. 5, the original value is indicated by a dotted line β, and the numerical value of the error-free frequency data DF obtained from the transmittance data DT is indicated.
Therefore, the film thickness d is a numerical value corresponding to the frequency data DF, and the film thickness dt is a numerical value of the film thickness corrected by the transmittance data DT.
[0021]
Then, the determination circuit 12 compares the film thickness d obtained from the frequency data DF with the film thickness dt obtained from the transmittance data DT, and changes the film thickness d to the value of the film thickness dt based on the comparison result. Thus, the adjustment process is performed so that the film thickness d obtained from the frequency data DF is always equal to the film thickness dt obtained from the film thickness DF obtained from the transmittance data DT.
As a result, an error is not accumulated in the film thickness d calculated from the frequency data DF, and a value close to the corrected film thickness dt can always be obtained.
Here, as shown in FIG. 5, in the correction of the frequency data DF, the determination circuit 12 makes the film thickness d correspond to the film thickness dt (equivalent to the optical film thickness dp) and multiplies the frequency data of each actually measured value. Thus, a correction coefficient in which the line α overlaps the dotted line β is obtained.
Thereby, the time of the design film thickness is estimated with a precision close to the detection of the design film thickness by the optical monitor 11 based on the function of the frequency data DF and the time, that is, the dotted line β corrected by the correction coefficient. Can do.
Further, at this time, the determination circuit 12 increases the growth rate (growth rate) at which the film thickness d increases every predetermined time every time the thin film growth of each layer is completed, that is, every time the thin film is formed. ) And update the growth rate as needed.
As a result, the determination circuit 12 uses the function of the dotted line β shown in FIG. 5, that is, based on the frequency data DF and the correction coefficient, from the film thickness d measured at the start of film formation, It can be estimated by calculation with high accuracy.
At this time, the determination circuit 12 divides the film thickness dp obtained from the transmittance data DT by the refractive index n and converts it to a mechanical film thickness dt, and then converts this film thickness dt from the crystal monitor 10. By setting d, the film thickness d is corrected to the actual film thickness value.
Accordingly, the determination circuit 12 corrects the optical film thickness obtained by multiplying the film thickness d by the refractive index n and the film thickness dp obtained from the transmittance data DT from the optical monitor 11 to always have the same numerical value. Correction of film thickness (thin film growth rate) grown per unit time (for example, for a function indicating the relationship between frequency (film thickness) and time, change in film thickness obtained from this function based on frequency The amount is corrected, that is, performed by multiplying the frequency data DF by a correction coefficient or the like), as described above, simultaneously with the correction of the film thickness d (tooling correction).
[0022]
Further, the determination circuit 12 reads out the film thickness as the design value of each layer of the multilayer thin film of the film formation control device 103 by the control signal from the film formation control device 103 and forms it on the substrate 202 before forming each layer. It is detected whether the thickness of the thin film can be measured or whether the optical monitor 11 is operating normally.
Even if the film thickness is not regular, when the film thickness of the formed thin film can be measured by the optical monitor 11, the determination circuit 12 detects the extreme value of the transmittance based on the transmittance data DT obtained from the optical monitor 11. That is, the end point of film formation is detected.
As described above, in the optical monitor 11, the thickness of each of the multilayer thin films formed on the substrate 202 is not regular, and the thickness of the thin film is set when the film thickness is thin or is not operating normally. Cannot determine whether or not the value has been reached.
Accordingly, when the thin film to be formed is thinner than a predetermined film thickness or when a control signal indicating that the optical monitor 11 is not operating normally is input from the film formation control device 103, the determination circuit 12 performs the thin film formation process. , The film thickness d is calculated based on the frequency data DF obtained from the crystal monitor 10, and the corrected frequency data DF (film thickness) and the function of the dotted line β indicating the relationship between the times are shown in FIG. Based on this, the time at which the mechanical film thickness of the design value is obtained is estimated, and when the estimated time is reached, radiation of the ion beam from the ion gun 102 is stopped, and the film forming process is terminated.
As a result, the determination circuit 12 finishes the thin film formation process at the estimated time, so that a highly accurate film thickness can be formed.
[0023]
As described above, the determination circuit 12 sets the film thickness detection setting value of the optical monitor 11 to be thinner than the designed film thickness, and after the detection by the optical monitor 11 is performed, the crystal monitor 10 The film thickness of the designed value is detected, and the film formation control of the optical thin film is performed. When the estimated time is reached, it is determined that the thickness is the designed value of the optical thin film, and the thin film forming process is terminated.
However, even if the determination circuit 12 shifts to the detection process of the crystal monitor 10 when the extreme value is detected, the time to shift to the crystal monitor 10 is delayed during the detection process of the extreme value by the optical monitor 11. When the thin film is formed during this delay time, the set film thickness is exceeded.
For this reason, the determination circuit 12 performs signal processing on the input transmittance data DT to estimate a time tp at which the extreme value is reached, and at this estimated time Tp, the thickness of the thin film by the crystal monitor 10 is estimated. By starting the measurement, the delay time required for the transition from the detection of the extreme value of the transmittance to the measurement of the film thickness to the crystal monitor 10 is reduced.
For the reasons described above, the extreme value of transmittance in the formed thin film is measured. For example, estimation processing is performed by the following two types of methods. The method will be described sequentially.
[0024]
As a method of estimating the film formation time (time tp at which the extreme value is the lowest and highest) by the detection of the extreme value of the transmittance performed in the determination circuit 12, there is a method using the following quadratic regression function.
Based on the incident measurement light, the light receiving unit 204 converts the light intensity of the transmitted light emitted through the substrate 202 and the formed thin film into a voltage corresponding to the intensity and outputs it as a detection signal.
Based on this detection signal, the determination circuit 12 reads the transmittance data DT output from the optical monitor 11 after A / D conversion, as a numerical value indicating the intensity of the transmitted light.
As shown in FIG. 6 (horizontal axis: optical film thickness, vertical axis: transmittance), the read transmittance data DT is the film thickness dp (for example, film thickness dpm1, dpm2, dpm3, ..)) And the wavelength of the measurement light λ (for example, λ1, λ2, λ3,...), A periodic curve is drawn.
[0025]
This curve can be approximated by the following polynomial (1) in the vicinity where the transmittance is an extreme value, and can be approximated even if the fourth and subsequent terms are omitted.
y = a0 + a1 · t + a2 · t ² + a3 ・ t ^Four + a4 ・ t ⁶ + ... (1)
In equation (1), a0, a1, a2, a3, and a4 are coefficients to be subjected to regression calculation.
At this time, due to the complexity in the process of forming the substrate 202 and the laminated multilayer thin film, the non-uniformity of the thin film refractive index, and the linearity of current amplification in the light receiving unit 204 and the optical monitor 11, more complicated functions and Become.
[0026]
However, in the vicinity of the extreme value, it is possible to approximate by omitting the fourth-order term or less of the equation (1).
y = a0 + a1 · t + a2 · t ² (2)
As shown in FIG. 7 (horizontal axis: optical film thickness, vertical axis: transmittance), Equation (2) is different from Equation (1) of the theoretical transmittance change (solid line). Is a quadratic regression line (broken line), that is, approximation by a quadratic regression function. a0 to a2 are coefficients.
Further, as shown in FIG. 8 (horizontal axis: time, vertical axis: transmittance), the input transmittance data DT is a value including this noise because noise is superimposed on the sampled transmitted light. The secondary regression line in FIG. 8 is indicated by a broken line.
[0027]
The determination circuit 12 obtains the differential value of the quadratic regression function of Expression (2), that is, the slope of the tangent line, using Expression (3) below.
dy / dt = a1 + 2.a2.t (3)
Then, the determination circuit 12 calculates a time when the slope of the broken line becomes “0”, and obtains a time tp at which the transmittance has an extreme value in the measurement light having a wavelength corresponding to the thickness of the thin film to be measured. Will be estimated.
That is, the time tp is obtained as “tp = −a1 / (2 · a2)”.
[0028]
In addition, as another method for estimating the film formation time (time tp at which the minimum and maximum extreme values are obtained) by the detection of the extreme value of transmittance performed in the determination circuit 12, a change in inclination by regression calculation shown below is used. There is a calculation method.
When the transmittance is measured as T0, T1, T2, T3,... At each predetermined time interval, it is detected as a value with superimposed noise as shown in FIG.
For this reason, a method of estimating the time at which the change in transmittance slope becomes 0 using regression calculation is conceivable.
That is, a high frequency component is removed from the transmittance with superimposed noise shown in FIG. 9 (horizontal axis: time, vertical axis: transmittance) by a digital filter.
At this time, filter calculation by a digital filter is performed based on Expression (4).
[Expression 1]

In Expression (4), n and l are integers, and x is a numerical value of transmittance corresponding to an input signal, that is, an attached number.
[0029]
Here, as an example of a time window that is a range of filter calculation, a Hanning window is used for this time window.
The Hanning window used in Equation (4) described above has a configuration as shown in Equation (5) below.
[Expression 2]

That is, the number of data N (N is an integer) corresponds to the averaging (filter calculation) section. For example, the transmittances Ti, Ti + 1,..., Ti + N in an arbitrary range measured at regular intervals. -1 is averaged.
The next averaged section corresponds to the transmittances Ti + 1, Ti + 2,..., Ti + N measured at regular intervals as described above.
[0030]
If the filter calculation section is in the range of time Ts from time t1 to time t3 (corresponding to the range of transmittance Ti, Ti + 1,..., Ti + N-1), the latest transmittance is the time t3. As a result of the filter calculation, the transmittance value at time t2 before time “Ts / 2” from time t3 is shown in FIG. 10 (horizontal axis: time, vertical axis: transmittance). Are output in a smoothed state (averaged to remove high-frequency components) as shown in FIG.
Next, the determination circuit 12 uses a predetermined range, for example, transmittances Tj, Tj-1,..., Tj + m-1 (j and m are natural numbers) in the transmittance obtained as a result of the above-described filter calculation. As shown in FIG. 11 (horizontal axis: time, vertical axis: transmittance), for example, linear regression is performed, and a range of transmittances Tj, Tj-1,..., Tj + m-1 (linear regression interval) Find the average slope at).
By this linear regression, the following equation (6) is obtained as the average slope of the transmittance in the above-described range.
y = a0 + a1.t (6)
[0031]
Next, the determination circuit 12 plots the average slope obtained by the above equation (6) for each linear regression section as shown in FIG. 12 (horizontal axis: time, vertical axis: slope of transmittance). A linear regression in a predetermined section is performed on the average slope thus obtained, and the following equation (7) is obtained.
a = b0 + b1 · t (7)
In Expression (7), the time when the slope a becomes “0” is calculated, and this calculation result is output as an estimated value of the time tp when the transmittance becomes an extreme value (peak value).
That is, from “a = b0 + b1 · tp = 0”, “tp = − (b0 / b1)” is obtained as an estimated value.
When the curvature of the transmittance change cannot be ignored for the regression section, a curve regression calculation using a higher-order polynomial may be performed to estimate the time tp at which the extreme value is reached.
[0032]
Next, an operation example of one embodiment will be described with reference to FIGS. 1, 2, 3, and 13. FIG. 13 is a flowchart for explaining an operation example of the film forming apparatus of FIG.
For example, as shown in FIG. 14, a case will be described in which a plurality of thin films (tens of layers) having different thicknesses and materials are deposited on the surface of a substrate 202 which is a glass substrate (ceramic) to form a GFF. 14 (a) is a perspective view of the GFF, and FIG. 14 (b) is a cross-sectional view taken along line A in FIG. 14 (a).
On the back surface of the substrate 202, an antireflection film for light having a predetermined wavelength is deposited after the multilayer film is formed on the front surface.
In step S1, the operator inputs data on the material and film thickness (here, for example, optical film thickness dp) of each of the thin films forming the above-described multilayer film to the film formation control device 103, and performs the formation. Prepare the membrane device for operation.
The material and film thickness of each thin film input here are the numerical values of each layer of GFF designed by another computer in advance corresponding to the characteristics of the fiber amplifier.
Then, after inputting the design value of each layer of the above-described GFF, the worker sequentially starts the optical thin film forming process.
As a result, the thickness and material of the thin film to be deposited are read by film formation control, and for example, the film forming process of the film forming apparatus for forming the i-th optical thin film is started here.
[0033]
Next, in step S <b> 2, the film formation control device 103 operates a vacuum pump (not shown) to start evacuation of the vacuum chamber 3 in order to set the degree of vacuum of the film formation device main body 100 to a predetermined value.
As described above, when the film formation control apparatus 103 forms the i-th optical thin film, the film thickness di (mechanical film thickness) of the input design value, that is, the target of the thin film to be formed ( A film thickness dpm smaller than the film thickness dp (as a design value) is set as a set value, and a wavelength λi corresponding to the film thickness dpm is calculated (a wavelength λi where the film thickness dpm and λi / 4 are equal) is calculated. The wavelength λi is set for a light source (not shown), and the measurement light having the wavelength λi is emitted from the light source to the optical monitor sensor 205.
Next, in step S3, the film formation control apparatus 103 determines whether the operations of the crystal monitor 10 and the optical monitor 11 are normally performed and the intensity and wavelength of the measurement light output from the light source are stable. If it is determined that the measurement light is not stable, the process of step S3 is performed again, that is, the process of step S3 is repeated until the intensity and wavelength of the measurement light are stabilized.
If the film forming control apparatus 103 determines that the intensity or wavelength of the measurement light output from the light source is stable, the process proceeds to step S4.
[0034]
Next, in step S <b> 4, the film formation control device 103 causes the substrate holder rotation mechanism 2 to rotate at a predetermined speed, and causes the crystal monitor 10 and the optical monitor 11 to start operation, and causes the determination circuit 12 to The film formation end time is estimated based on the frequency data DF and the transmittance data DT from each of the crystal monitor 10 and the optical monitor 11, that is, a determination process is started to determine whether or not the set value of the film thickness dpm has been reached. Proceed to step S5.
In step S <b> 5, the film formation control apparatus 103 outputs a control signal for starting the ion beam irradiation to the ion gun 102 and starting the film formation process to the determination circuit 12.
As a result, the determination circuit 12 causes the ion gun 102 to emit an ion beam to the target 207 with energy at which a thin film is deposited at a predetermined film formation rate.
That is, by adjusting the ion energy, the deposition rate, which is the deposition amount per unit time of the thin film to be formed, can be controlled.
[0035]
Next, in step S6, when the determination circuit 12 determines that the film thickness of the thin film to be measured can be measured, that is, the optical monitor 11 has a film thickness at which the extreme value of transmittance can be measured, the process proceeds to step S6. Proceed to S7.
In step S7, for example, when the i-th thin film is grown, the determination circuit 12 causes the light source to emit measurement light having a wavelength λi of “dmp = λi / 4”.
As a result, the determination circuit 12 indicates a change in the thickness of the thin film formed on the basis of the transmittance data DT output from the optical monitor 11, and therefore at every predetermined time (each A / D conversion timing). This transmittance data DT is plotted.
[0036]
Next, in step S8, the determination circuit 12 reaches the extreme value (peak value) of the transmittance based on the transmittance data DT inputted from the optical monitor 11 by the already described method for estimating the extreme value of the transmittance. The time tp to be estimated is estimated, this time tp is stored as a set value of the time, and the process proceeds to step S9.
In step S9, the determination circuit 12 determines whether or not the estimated time tp that is the extreme value matches the current time, that is, whether or not the current time has reached the estimated time tp. Judgment is made.
At this time, if the current time does not reach time tp, the determination circuit 12 returns the process to step S7 and repeats the processes of steps S7 to S9.
On the other hand, when the current time has reached time tp, that is, when the film thickness has reached the set film thickness dpm, the determination circuit 12 advances the process to step S10.
[0037]
Next, in step S10, the determination circuit 12 changes the film thickness dpm based on the transmittance data DT at this time to the mechanical film thickness dt with respect to the crystal monitor 10, and the current film thickness d is the film thickness d. Tooling correction is performed to correct the relationship between the film thickness d of the thin film and the corresponding frequency data DF so as to be the same as the thickness dt, and the process proceeds to step S11.
Next, in step S11, the determination circuit 12 shifts the film thickness measurement from the optical monitor 11 to the crystal monitor 10, and the film thickness of the i-th thin film is determined based on the frequency data DF output from the crystal monitor 10. It is determined whether or not the mechanical film thickness di (designed optical film thickness dp) has been reached.
That is, the determination circuit 12 calculates and obtains the temporal change of the film thickness d obtained from the frequency data DF of the crystal monitor 10, and based on this time change, the remaining time required for the growth of the mechanical film thickness of the design value. The time at which the film formation process is completed is estimated by adding this time to the time at the time of signal detection (at the time of inputting the frequency data DF for which temporal change is obtained), and the process proceeds to step S14. .
[0038]
In step S12, the determination circuit 12 determines whether or not the calculated film pressure di has reached the set film thickness dp, that is, whether or not the target film thickness has been reached.
At this time, if the film thickness does not reach the target design value, the determination circuit 12 returns the process to step S11 and repeats the processes of steps S11 and S12.
On the other hand, if the determination circuit 12 has reached the target design value film thickness, the process proceeds to step S13.
As a result, in step S13, the determination circuit 12 stops the ion gun 102 from emitting the ion beam and ends the i-th layer deposition process.
In step S14, the film formation control circuit 103 determines whether or not the formation of the thin films of all the layers constituting the GFF (multilayer thin film) has been completed based on the GFF design data input by the operator.
At this time, the film formation control circuit 103 completes the film formation process when all the multilayer films have been formed. If the formation of all multilayer films is not completed, the film formation control circuit 103 returns the process to step S1 to return the multilayer thin film. Then, the film forming process for the next layer i + 1 is started.
[0039]
In step S6, the determination circuit 12 may measure the extreme value of the curve (function curve) in which the transmittance data DT is plotted by the optical monitor 11, that is, the film thickness of the thin film to be measured is inappropriate. If it is determined that the film thickness is inappropriate, the process proceeds to step S11.
And the determination circuit 12 measures the film thickness of the thin film formed based on the frequency data DF output from the crystal monitor 10 in step S13 by the crystal monitor 10 in the processing of steps S11 to S13 described above. Control of thin film formation.
[0040]
In step S11, the film formation control apparatus 103 determines that the optical monitor 11 cannot perform film thickness measurement and formation control due to a thin film thickness or failure, and the film thickness sensor 206 is defective. If the film thickness cannot be measured and formed, the film thickness is controlled according to the time for forming the thin film.
That is, every time the tooling ratio is corrected, the determination circuit 12 assumes that the film formation rate is constant with respect to time, and divides the grown film thickness by the time required for growth to obtain the growth thickness per unit time. That is, the growth rate is obtained by calculation, and the growth rate is updated.
When neither the optical monitor 11 nor the crystal monitor 10 can be used for film formation control, the determination circuit 12 calculates the film formation completion time by the growth rate and controls the film formation.
[0041]
In step S12, the determination circuit 12 determines whether or not the current time coincides with the estimated time obtained as described above, that is, whether or not the film thickness has reached the target design value. .
At this time, if the film thickness of the target design value is not reached, the determination circuit 12 repeats the determination process in step S11 and step S12.
Next, the determination circuit 12 advances the process to step S13 when the film thickness reaches the target design value. Since the following processing has already been described, it will not be described again.
[0042]
As described above, in the optical thin film deposition apparatus of the present invention, both the crystal monitor 10 and the optical monitor 11 are provided in the determination circuit 12, and the film thickness is detected in the optical monitor 11, that is, the extreme value of the transmittance. Is detected at a film thickness thinner than the design value, and after the extreme value of the optical monitor is detected, control of film thickness measurement is transferred from the optical monitor 11 to the crystal monitor 10, so that the film thickness thinner than the design value is set. Therefore, the extreme value can be estimated with high accuracy, and when the estimated time to reach this extreme value is reached, the measurement is shifted to the crystal monitor 11, so that the film formation end point is detected, that is, the film thickness is measured. Can be detected at a high resolution, and when the design value of the film thickness of the thin film is reached with high accuracy, it is possible to stop the ion gun 102 from irradiating the ion beam and finish the formation of the thin film. Na The multilayer thin film formed by a layer of optical thin film thickness can also be formed a film thickness of optical thin film layers with high accuracy.
[0043]
The optical thin film deposition apparatus according to the present invention is not suitable for measurement using the optical monitor 11 when the determination circuit 12 can measure the thickness of the formed optical thin film with the optical monitor 11. In this case, since the film thickness is controlled by using the frequency data of the crystal monitor 10, the film thickness of each layer of the multilayer thin film is set in advance in the film formation controller 103 as a design value such as a filter. 11, when a thin film having an inappropriate thickness is formed, the film thickness is controlled by the measured value of the crystal monitor 10 instead of the optical monitor 11 from the start of the thin film formation. In the production of a multilayer thin film formed of a thin film, the film thickness can be controlled with high accuracy in real time without delay of the formation of the thin film, that is, the stop of the ion gun 102, and the multilayer thin film corresponding to the design value can be realized. Preparation can be carried out of.
[0044]
Further, in the optical thin film deposition apparatus of the present invention, the determination circuit 12 obtains a coefficient for correcting the film thickness data based on the frequency signal of the crystal monitor 10 based on the film thickness data dp obtained from the transmittance. By calibrating the relationship between the frequency data DF and the mechanical film thickness d after each layer is formed by this coefficient, the crystal monitor that is a film thickness sensor has a high resolution for measuring the film thickness. As the thin film grows, the frequency data DF of the crystal monitor 11 is offset from the actual value (the film thickness dp based on the transmittance data DT measured by the optical monitor 11). Can be adjusted so that the film thickness data equivalent to that of the optical monitor 11 can be measured, that is, the film thickness can be measured with high accuracy. Even if the quartz monitor 10 is used instead of the crystal monitor 11, the film thickness can be measured with the same high accuracy as the optical monitor 11, and a plurality of irregular thin film thicknesses are formed corresponding to the design values. be able to.
[0045]
In addition, in the optical thin film deposition apparatus of the present invention, the determination circuit 12 can measure the thickness of the optical thin film during the film formation by time management based on the growth rate. Even if both of them cannot be used for film formation control due to a sudden failure or the like, by using the calibrated growth rate at all times, it is possible to measure the film thickness with the same accuracy as that using the optical monitor 11 and the crystal monitor 10. It is possible to form a plurality of irregular thin film layers corresponding to the design values.
In the above-described embodiment, the optical monitor 11 has been described as using the transmittance of the measurement light. However, the optical monitor 11 may use the reflectance of the measurement light.
[0046]
Next, an optical device to which the multilayer thin film generated by the above-described optical thin film deposition method and film deposition apparatus of the present invention is applied will be described.
FIG. 15 shows a cross-sectional view of an optical BPF (bandpass filter) which is an optical filter using a multilayer thin film.
The optical BPF in FIG. 15 is a band-pass filter formed by adhering a multilayer thin film

optical BPF

50, 51, 52, 53, 54 manufactured by the apparatus or method of the present invention to a medium.
For example, the bandpass filter shown in FIG. 15 receives optical signals of wavelengths λ1 to λ8 and separates them into optical signals of wavelengths λ1, λ2, λ3, λ4, and λ5 at

BPF

50, 51, 52, 53, and 54, respectively. And output.
Accordingly, the band-pass filter of FIG. 15 separates the input optical signals having a plurality of wavelengths into optical signals having the respective wavelengths and outputs the optical signals.
[0047]
Next, FIG. 16 shows a Z filter (edge filter) that is an optical filter used in a relay station that amplifies the attenuated light intensity when the intensity of the propagating optical signal is attenuated when optical communication is performed. It is a figure which shows BFF
The Z filters 101 to 102 have the reflectance of a predetermined wavelength adjusted, and control the transmission of optical signals of each wavelength.
For example, the Z filter 101 has a high reflectance with respect to wavelengths in the C band and the L band, and only the S band is transmitted, and an optical signal is incident on the fiber amplifier (an optical amplifier corresponding to the wavelength in the S band) 104.
Further, as shown in FIG. 17, the Z filter 102 increases the reflectance with respect to the wavelengths of the S band and the C band, and transmits only the optical signal of the L band.
[0048]
As a result, the Z filter 102 causes an optical signal having wavelengths of S and C bands to enter the fiber amplifier 105 (an optical amplifier corresponding to the wavelength of the C band). Since the light is incident on the light 104, an optical signal substantially only in the C band is incident on the fiber amplifier 105.
The Z filter 102 increases the reflectance with respect to the wavelengths of the S band, the C band, and the L band, and reflects the optical signals of the S band, the C band, and the L band.
Here, the S band indicates an optical signal having a wavelength band of 1450 to 1485 nm, the C band indicates an optical signal having a wavelength band of 1530 to 1560 nm, and the L band indicates an optical signal having a wavelength band of 1565 to 1610 nm. ing.
[0049]
The fiber amplifiers 104 to 106 amplify optical signals having wavelengths in the S band, the C band, and the L band, respectively, but the gain differs depending on the wavelength in each band.
For example, as shown in FIG. 18, the gain characteristic of the fiber amplifier 105 is not flat and varies depending on the wavelength.
Therefore, the BFFs 107 to 109 are optical filters and have a gain characteristic opposite to the gain characteristic of the fiber amplifier 105 as shown in FIG. Used to flatten the amplified light intensity.
[0050]
As mentioned above, although one embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. Are also included in the present invention.
[0051]
【The invention's effect】
According to the present invention, in order to determine whether or not the film forming process is stopped by the thin film forming unit, that is, whether or not the design value has been reached, the film thickness determining unit normally outputs the first film output from the optical monitor. The thickness data corrects the second film thickness data output from the crystal monitor, measures the thickness of the thin film deposited using the crystal monitor, and controls the film formation, that is, this optical monitor. By setting the film thickness a little thinner than the set value, the second film thickness data is corrected when this extreme value is detected, and the quartz film monitor detects the final film formation end timing. Each layer of the optical thin film having a plurality of irregular thicknesses can be formed with high accuracy, and a multilayer thin film composed of thin films having any thickness can be formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a film forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram showing a configuration example of a film forming apparatus main body 100 and an ion gun 102 in FIG.
3 is a conceptual diagram illustrating a configuration example of an optical monitor sensor 205 in FIG. 2. FIG.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the thickness of an optical thin film and transmittance data DT.
FIG. 5 is a graph showing a relationship between a frequency signal input from the sensor 205 to the crystal monitor 10 and a film formation time.
FIG. 6 is a graph showing the correspondence between the thickness of the optical thin film to be formed and the transmittance based on the thickness.
FIG. 7 is a graph showing the correspondence between the thickness of the optical thin film to be formed and the transmittance based on the thickness.
FIG. 8 is a graph showing the correspondence between the formation time of the optical thin film and the transmittance based on the film thickness.
FIG. 9 is a graph showing the correspondence between the formation time of the optical thin film and the transmittance based on the film thickness.
FIG. 10 is a graph showing the correspondence between the formation time of the optical thin film and the transmittance based on the film thickness.
FIG. 11 is a graph showing the correspondence between the optical thin film formation time and the transmittance based on the film thickness.
12 is a flowchart illustrating an operation example of the film forming apparatus of FIG.
FIG. 13 is a conceptual diagram showing a configuration example of a bandpass filter as an application to the optical device of the present invention.
FIG. 14 is a conceptual diagram showing a structure of a multilayer thin film (for example, GFF) to be formed.
FIG. 15 is a conceptual diagram showing a configuration example of a bandpass filter as an application to the optical device of the present invention.
FIG. 16 is a conceptual diagram showing an optical communication relay station in which a Z filter and a BFF are used.
FIG. 17 is a graph illustrating an example of characteristics of a Z filter.
FIG. 18 is a graph showing gain characteristics of the fiber amplifier and the BFF.
FIG. 19 is a block diagram showing a configuration of a conventional film forming apparatus.
FIG. 20 is a graph showing the correspondence between the optical thin film formation time and the transmittance based on the film thickness.
[Explanation of symbols]
2 Substrate holder rotation mechanism
3 Vacuum chamber
10 Crystal monitor
11 Optical monitor
12 Judgment circuit
100 Deposition system body
102 ion gun
103 Deposition control device
150 Exhaust port
201 Substrate holder
201H Window
202 substrate
203 Floodlight
204 Receiver
205 Optical monitor sensor
206 Film thickness sensor
207 target
F1, F2 optical fiber

Claims

Thin film forming means for forming a thin film by depositing a material on the surface of the substrate, an optical monitor for optically measuring the thickness of the thin film and outputting first film thickness data, and the thickness of the thin film as a frequency And a crystal monitor that outputs the second film thickness data, and the second film thickness data is corrected based on the first film thickness data, and the corrected second film thickness data is used to correct the second film thickness data. And a film thickness determining means for controlling film formation in the thin film forming means,
The film thickness determining means sets the first setting data for determining the first film thickness data to a smaller value than the second setting data for determining the second film thickness data. An apparatus for forming an optical thin film, characterized in that a determination is made to switch from the optical monitor to the crystal monitor based on the first measurement data, and a determination is made as to whether or not the film forming end point has been reached based on the second setting data.

A thin film forming process in which a material is deposited on the surface of a substrate to form a thin film, and the thickness of the thin film is optically measured based on a change in transmittance of measurement light , and the first film thickness data is output. A monitoring process; a crystal monitoring process for measuring the thickness of the thin film based on the frequency; and outputting second film thickness data; and correcting the second film thickness data based on the first film thickness data. A film thickness determination process for controlling film formation in the thin film formation process according to the corrected second film thickness data,
In the film thickness determination process, the first setting data for determining the first film thickness data is set to a smaller value than the second setting data for determining the second film thickness data. A method for forming an optical thin film, wherein the measurement of the first film thickness data by the optical monitoring process is performed with a wavelength having an extreme value of transmittance in the first setting data.