JP4034979B2 - 光学膜厚制御方法及び光学膜厚制御装置並びに該光学膜厚制御方法を用いて作製した誘電体薄膜 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学薄膜の成膜時にその膜厚を制御する方法、特に光学方式に基づいた光学膜厚の制御方法及びこれを用いるための膜厚制御装置に関する。光学薄膜は、導波路、回折格子、発光、表示素子、光メモリ、太陽電池などの各種光学部品や光素子に用途が拡大している。特に、光通信などの通信技術分野における稠密波長多重用デバイス用光学薄膜は、多層化の傾向が顕著であり、これに伴って光学薄膜の多層構造中に形成される各構成層の光学膜厚を高精度で制御することが求められている。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜成長中の膜厚測定は堆積速度や膜厚の制御のために重要であり、また、光学薄膜においては、物理的膜厚よりも反射率あるいは透過率などの光学的性質を決める光学膜厚（屈折率と物理的膜厚との積）が有用である。このため、薄膜の光学的性質を測定する、いわゆる光学式膜厚制御方法により、薄膜成長中に光学的性質を測定して光学膜厚をモニタすることが広く行われている。光学式膜厚制御方法には、単色測光法、二色測光法、多色測光法などがあり、これらの光学式膜厚制御方法のうち、単色測光法が最も簡便である。
【０００３】
これは、成長中の薄膜の光学膜厚において、λ／４（λ：入射単色光の波長）の整数倍となる際のピーク（ボトムをも含み、また、極大及び極小と同義。以下同じ）を利用するものである。このようなピークは、成長中の最新表面層膜がその付着面を介して積層する基板側の隣接層が上記λ／４の整数倍にならないような光学膜厚で形成される場合や、この隣接層をも含んだ系のアドミッタンスが数学的に実数でない場合は、成長開始からの光学膜厚が最初にλ／４の整数倍に到達したときに出現するとは限らない。ただ、これらの場合でも、ピーク自体はその出現後、λ／４の整数倍に相当する光学膜厚間隔で周期的に現れる。
【０００４】
しかし、単色測光法を用いる場合、上記のように出現するピークを用いてピーク制御を行う従来の方法では、ピーク近傍において成長する光学膜厚に対する光量変化が小さく、原理上、制御精度が悪化することは避けられない。
【０００５】
このような場合、制御に用いたい所望の波長と若干異なる波長の干渉フィルタを使用してピーク近傍以外の光量変化の大きいところで成膜を停止するなどして、精度を向上させることができる。このようなものとして、例えば、特開昭５８−１４０６０５号公報では、光学的性質たる光量（透過率の逆数）を測定して成長する光学膜厚の制御精度が良好に得られるような光学位相角領域を選択し、成膜停止時点を決定している。
【０００６】
これに対し、特許２０５５８２１号によるものは、所望の波長をそのまま用いて従来の単色測光法を追求している。このものは、測定される光量（透過率）が、上記のλ／４の整数倍の光学膜厚成長に対応してピークを形成する直前の実測データ群を最小二乗法により二次関数回帰し、この回帰関数上のピークに到達する時点を予測し、予測時点自体が最も好適であるが個別の条件を勘案する場合はこれを基準時点とするものとして、成膜停止のタイミングを決定している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光学薄膜の多層化の要請は、上記したように通信技術分野で顕著であり、特に、光通信に用いられる稠密波長多重用デバイス（例えば、バンドパスフィルタ）の光学薄膜の多層構造は１００層以上から成ることもある。このような多層構造は、それぞれ上記λ／４の奇数倍の光学膜厚を有する高屈折率層と低屈折率層とから成る交互層で構成される。（ただし、バンドパスフィルタの場合は、交互層中の高屈折率層及び低屈折率層の光学膜厚を上記λ／４の偶数倍としたものでキャビティ層を構成しても良い。）このとき、多層構造の構成薄膜ごとに、これに対応するモニタ基板を交換しながら膜厚を制御する通常の方法では工程が煩雑になり実用的でない。
【０００８】
そこで、モニタ基板上に製品薄膜と同様の多数の交互層などから成る多層構造を積層してこれをモニタすることもあるが、この場合、積層が進行するに伴って成長中の多層構造中の反射率が増加し、即ち、透過率が次第に減少して測定値の信頼度が低下する。このため、上記の関数回帰を行う場合は、特に、二次回帰関数のピーク近傍で透過率の実測値が関数曲線から乖離して相関が低くなり、精度の高い膜厚制御が困難になる。また、高精度の要請という観点では、モニタ基板上のモニタ用の多層構造がその全ての構成薄膜に亘って、製品薄膜を良好に再現できるかという問題もある。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑み、簡素な工程により、例えば光学薄膜などの多層膜を高い精度で膜厚制御し得る方法と、この方法を用いることが可能な光学膜厚制御装置と、さらに、この方法により作製した誘電体薄膜を提供することを課題としている。
【００１０】
【問題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、まず、多層構造の光学薄膜の成膜期間に亘って、入射単色光（波長λ）を前記多層構造体に透過させて光学薄膜の透過率を測定すると共に該透過率の逆数を逆透過率として算出する。
【００１１】
このとき、これらのような構造の境界条件（電場、磁場のそれぞれの接線成分Ｂ、Ｃが連続）より、基板系のアドミッタンスＹは、単層膜の特性マトリックスを用いて、
【００１２】
【式１】
【００１３】
[式１]（（１）式）と表される。（ここで、Ｎは単層膜の屈折率、θは単層膜上の異なる界面における位相差を示す。）
このとき、単層膜の透過率Ｔは、
Ｔ＝４Ｙ／（Ｂ＋Ｃ）（Ｂ＋Ｃ）* ・・・（２）
（ここで、*は共役する複素数を示す。）
で表されるので、（１）式と（２）式とにより
Ｔ＝４Ｙ／［（１＋Ｙ）2＋｛（Ｙ／Ｎ＋Ｎ）2−（１＋Ｙ） 2 ｝ sin 2 θ］ ・・・（３）
となる。ただし、空気あるいは真空の屈折率は１としている。
【００１４】
本発明においては、さらに、付着成長中の最新表面層膜の光学膜厚Ｎｄ（Ｎは薄膜の屈折率、ｄは薄膜の物理的膜厚）を、
θ＝２πＮｄ／λ ・・・（４）として、光学膜厚と単色光の波長とを算入して成る光学位相角として表す。
【００１５】
さらに、光学膜厚の増加に伴う表面層膜の成長時間（ｔ）と逆透過率（１／Ｔ）との２変数の実測データ群を用いた最小二乗法により、実測データ群が極大または極小に到達する以前に二次関数回帰を行って、二次回帰関数
１／Ｔ＝Ａ0＋Ｂ0（ｔ−ｔp）2 ・・・（５）
として算出する。（ここで、Ａ0及びＢ0は定数、ｔpは極大または極小に到達するときの成長時間を表す。）
このとき、回帰関数の相関を高くするため、関数曲線の極大または極小に到達すべき表面層膜の光学膜厚が、この極大または極小まで残すところλ／４相当の光学膜厚のおおむね２５％から１０％となった時点からの実測データ群を用いて関数回帰することが望ましい。（λ：単色光の波長）
ところで、（３）式を変形して、
としたとき、最新表面層膜の成長開始時点の透過率をＴ0と、最新表面層膜の光学膜厚がλ／４に達するときの成長時間経過時の透過率Ｔ90とは、
Ｔ0＝４Ｙ／（１＋Ｙ）2 ・・・（６）
Ｔ90＝４Ｙ／（Ｙ／Ｎ＋Ｎ）2 ・・・（７）
として表される。
【００１６】
さらに、これらによりアドミッタンスＹが実数であるとき、
（１／Ｔ0−１／Ｔ）／（１／Ｔ0−１／Ｔ90）＝sin2θ ・・・（８）が得られ、逆透過率は光学位相角のみの関数で示すことができる。
【００１７】
上記したような干渉の原理に基づいて逆透過率は、単色光の波長の１／４に相当する光学膜厚間隔で周期分布する。そして、逆透過率の極大点及び極小点の近傍においては、（８）式を展開して得られる逆透過率の関数 (θを変数とし、 sin2θ項を含む関数）は二次関数に近似できる。したがって、極大点及び極小点における光学膜厚に到達するときの成長時間の予測値として、二次回帰関数上の極大点または極小点の成長時間を用いることができ、この予測時間に表面層膜に対する成膜を停止するようにすることで、単色光の波長の１／４に相当する光学膜厚に制御することができる。
【００１８】
このような光学膜厚制御方法は、製品薄膜と同様の多層構造全体の光学的性質を一括して測定でき、これによりピーク制御を行っているため簡便であり、また、相関の良い二次関数回帰によるピーク予測を行うので高精度の膜厚制御を行うことができる。
【００１９】
この場合、表面層膜の光学膜厚は、上記のように（８）式を展開して得られる逆透過率の関数から算出できる。したがって、この時間微分または時間差分を最新表面層膜の蒸着速度として算出し、この蒸着速度により光学膜厚の目標値に到達するときの表面層膜の成長時間を予測することにより、所望の光学膜厚に制御することが可能となる。即ち、制御すべき光学膜厚は、単色光の波長の１／４相当のものに限定されず、任意の光学膜厚に制御できることになる。
【００２０】
さらに、透過率を測定する光学薄膜の成膜を製品基板上で行うことにより、製品薄膜そのものをin-situで測定する、いわゆる直接モニタ法により最新表面層膜の光学膜厚を測定することができる。これにより、光学膜厚制御方法の取り扱い及び精度がさらに向上する。
【００２１】
また、上記した光学膜厚制御方法を用いるために、互いに対向する回転基板と成膜源とを有する成膜装置と、回転基板の半径に沿って所定の間隔で照射される複数の単色光のそれぞれを検知する光電変換装置とを備え、基板と成膜源との間に、回転基板の半径方向に沿って移動して基板に対する成膜を遮断する可動シャッタを設けたものを光学膜厚制御装置として構成する。そして、このものを、光電変換装置で検知された各単色光により予測される成長時間の予測値のそれぞれに基づいて作動指示を行うコントローラにより可動シャッタが作動するように構成する。これにより、上記した光学膜厚制御方法により、所期の光学膜厚に到達するときの表面層膜の成長時間を予測することができる。そして、この表面層膜において、所期の光学膜厚に成長した成膜領域の成膜工程を停止し、この工程停止を順次進行することにより、膜全体で均等な膜厚分布を有するような高精度の膜厚制御を行うことができる。
【００２２】
また、このような光学膜厚制御方法を用いて作製した誘電体薄膜は、高精度に制御された光学膜厚を有することができるので、光学薄膜用途に用いるのに適している。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の光学膜厚制御方法を用いる光学膜厚制御装置の概略図である。この光学膜厚制御装置は、波長可変レーザ光源１と８分岐用光カプラ２と８連ファイバコリメータ３とスパッタ成膜装置４とＩｎＧａＡｓから成る８連のフォトダイオ−ド５と８チャンネルＡＤコンバータ６とデータ処理用ＣＰＵ７とリニアモータ駆動用ドライバ８とにより構成されている。
【００２４】
そして、波長可変レーザ光源１と光カプラ２とファイバコリメータ３とはそれぞれシングルモード光ファイバケーブル９、１０により接続され、レーザ光源１からの光が、光カプラ２で８連に分岐された後にファイバコリメータ３で平行光とされ、その後、スパッタ装置４の透過窓１１と回転基板１２のモニタガラス１３を介してフォトダイオード５に到達するように構成されている。また、データ処理用ＣＰＵ７とリニアモータ駆動用ドライバ８とは、ＲＳ２３２Ｃなどの出入力インターフェース２０により接続されている。
【００２５】
一方、スパッタ成膜装置４には、図外の真空ポンプに連なる真空排気孔１４が設けられ、また、その内部には回転駆動機構１５で駆動される回転軸１６に軸支されて回転可能な基板１２と図外のスパッタカソード上に載置されたターゲット１７とが互いに対向する位置に配設されている。さらに、回転基板１２とターゲット１７との間を基板１２の半径方向に沿って移動可能な可動シャッタ１８が設けられ、このシャッタ１８がこの間に介在することにより基板１２上の成膜を遮断することができる。なお、可動シャッタ１８の作動は、リニアモータ駆動用ドライバ８の指示に基づきリニアモータ１９により装置外部から制御される。
【００２６】
この膜厚制御装置を用いて本発明の膜厚制御を行う際は、先ず、排気孔１４に連なる図外の真空ポンプの作動により、スパッタ成膜装置４を作動可能にしておく。そして、波長可変レーザ光源１を作動させ、上記のように８連に分岐された平行光をモニタガラス１３方向に照射した状態で、装置４のスパッタ成膜を開始する。なお、このときを薄膜の成長時間の始点とする。
【００２７】
このとき、基板１２のモニタガラス１３を通過した８個の平行光をそれぞれフォトダイオード５で電圧信号に変換し、さらに、ＡＤコンバータ６によりデジタル数値信号として、データ処理用ＣＰＵ７に入力して、式（５）に基づき上記成長時間を定義域とする二次関数に回帰演算する。
【００２８】
図２は、フォトダイオード５で検知された８個の光信号に基づき、逆透過率曲線を示すものである。図２により、基板１２に照射される平行光線を、フォトダイオード５のセンサ位置にしたがって、基板１２の径方向の外側から順番に採番したとき、成膜開始後およそ１２０秒経過した時点より、その順番に８個の平行光がそれぞれ順次ピーク（極大）に到達することが分る。ここで、各逆透過率曲線上でピークに到達するときを、成長中の薄膜がそれぞれ所望の光学膜厚に成長する時点とすることができる。
【００２９】
図２中の光１が最初にピークに到達するときをゼロ点として、各平行光１〜８のピーク到達予想時点との関係を示したグラフが図３である。グラフ図中の実線は、各平行光１〜８（センサ位置番号）と予測時点（ピーク位置）との相関を３次関数で回帰して得られたものである。この回帰関数は、
y＝-0.0227x3＋0.4204x2＋1.8345x-2.1685 ・・・（９）
として示され、これを微分して得られる、
y＝0.0681x2＋0.8408x＋1.8345 ・・・（１０）
を、モータ駆動用速度関数として用いて、これに基づき図１の可動シャッタ１８を基板１２の径方向外側から移動させて、基板１２上の成膜領域に対する成膜を次第に遮断させる。
【００３０】
このようにして、基板１２上の光学膜厚を制御することにより、膜厚の均等性を確保することができる。
【００３１】
さらに、以下各[実施例]において、本発明の光学膜厚制御方法により得られる光学薄膜の光学膜厚を制御しての精度を検討する。
【００３２】
【実施例】
[実施例１]図１の膜厚制御装置において、入射光を分岐させず基板に対して垂直に一本の入射光（波長λ：１５５２ｎｍ）を照射すると共に、可動シャッタ１８の作動も停止して基板１２上にＴａ2Ｏ5から成る単層膜のスパッタ成膜を行う。このＴａ2Ｏ5膜を高屈折率層とし、このＴａ2Ｏ5膜の光学膜厚がλ／４であるときにＨとして表示するときに、ガラス基板上にＨ及びＨＨの単層膜の成膜を行い、Ｈの単層膜の成膜を行うときは測定する透過率がボトム（二次回帰関数の極小点）に到達するときの成長時間を、ＨＨの単層膜の成膜を行うときは測定する透過率がピーク（二次回帰関数の極大点）に到達するときの成長時間を予測することを試みた。
【００３３】
なお、上記ボトム及びピークは、測定する透過率の変位によるものであるが、これに基づく逆透過率算出時には、それぞれピーク及びボトムに逆転することに注意する必要がある。本実施例においては、混乱を回避するため、ボトム及びピークは透過率によるものに統一する。以下同じ。
【００３４】
このとき、Ｔａ2Ｏ5の蒸着速度として０．１７ｎｍ／ｓｅｃとし、Ｔａ2Ｏ5膜の成長が光学膜厚値でλ／４の８０％に到達した時点から実際のピーク及びボトムの２秒前までの実測データ群を用いて、このデータ群をデータ処理用ＣＰＵ７に入力して、式（５）に基づき、逆透過率の二次関数に回帰演算する。
【００３５】
そして、ピーク及びボトムを経過した後に確定するピーク及びボトムの成長時間の確定値と、上記二次回帰関数によるピーク及びボトムの予測値との比較による検定を行う。この検定を１０回行ったときの平均値と上記確定値との乖離を平均誤差とし、その標準偏差と共に下記[表１]に結果を示す。
【００３６】
なお、本実施例においては、実際のピーク及びボトムの２秒前までの実測データ群を採用して回帰を行ったが、ピーク及びボトムの３０秒前までの実測データ群の採用によるものでも同様の結果が出ていることが確認されている。
【００３７】
[比較例１]回帰関数を透過率の二次関数とした以外は、[実施例１]と同様にして、Ｈ単層膜のボトム及びＨＨ単層膜のピークに対する成長時間の予測を試みた。このときの平均誤差と標準偏差とを下記[表１]に示す。
【００３８】
【表１】
【００３９】
[表１]より、[比較例１]の場合、単層膜Ｈのボトムの成長時間を予測するときのみ[実施例１]より良好な値が得られたが、それ以外は、逆透過率で関数回帰を行う[実施例１]によるものの方が高い確度が得られることが分る。
【００４０】
[実施例２]図１において、スパッタ装置を反応性スパッタ装置に変更した以外は[実施例１]と同様の光学膜厚制御装置を用いて、ガラス基板（ＢＫ７）上に、種々の多層膜の成膜を行った。多層膜は、高屈折率層（Ｈ）たるＴａ2Ｏ5膜と低屈折率層（Ｌ）たるＳｉＯ2膜の交互層をそれぞれの多層膜においてピークまたはボトムに到達するときの成長時間の予測を試みた。多層膜の種類は下記の通りであり、交互層の後に記載する（Ｐ）及び（Ｂ）は、それぞれピーク到達時間及びボトム到達時間を予測したことを示す。
Ｈ（Ｂ）、ＨＨ（Ｐ）、ＨＬ（Ｐ）、ＨＬＬ（Ｂ）、ＨＬＨ（Ｂ）、ＨＬＨＨ（Ｐ）、ＨＬＨＬ（Ｐ）、ＨＬＨＬＬ（Ｂ）、ＨＬＨＬＨ（Ｂ）、ＨＬＨＬＨＨ（Ｐ）、ＨＬＨＬＨＬ（Ｐ）、ＨＬＨＬＨＬＬ（Ｐ）、ＨＬＨＬＨＬＨ（Ｂ）、ＨＬＨＬＨＬＨＨ（Ｐ）
また、このとき、Ｔａ2Ｏ5の蒸着速度として０．１７ｎｍ／ｓｅｃとし、Ｔａ2Ｏ5膜の成長が光学膜厚値でλ／４の８５％に到達した時点から実際のピーク及びボトムの２秒前までの実測データ群を用いた。そして、このデータ群をデータ処理用ＣＰＵ７に入力して、式（５）に基づき、逆透過率の二次関数に回帰演算する。
【００４１】
このときの各多層膜を横軸にそれぞれの回帰誤差（図４においては平均誤差として示す。）を縦軸にプロットしたときに得られる相関を図４において[実施例２]としてラベルしたグラフに示す。
【００４２】
[比較例２] 回帰関数を透過率の二次関数とした以外は、[実施例２]と同様にして、[実施例２]の各多層膜のピークまたはボトムに対する成長時間の予測を試みた。そして、１０回検定して得られるデータを用いて、各多層膜を横軸に、それぞれの回帰誤差を縦軸にプロットしたときに得られる相関を図４において[比較例２]としてラベルしてグラフに示す。
【００４３】
[実施例２]と[比較例２]とを対比すると、[比較例２]の場合、即ち、透過率の二次関数として回帰した場合は、多層膜の構成層数が少ないとピーク及びボトムの確定値（平均誤差０秒の線上）からの乖離が少ないが、構成層数が増加するとき透過率の上昇に続いて出現するピークの予測値は誤差が大きくなる傾向にある。
【００４４】
そして、[実施例２]の場合、即ち、逆透過率の二次関数として回帰した場合は、各多層膜において安定して高い確度を維持していることが分る。
【００４５】
[実施例３] 種々の多層膜（[実施例２]）の替りに、Ｔａ2Ｏ5膜から成る単層膜の成膜を[実施例２]と反応性スパッタ装置を用いて行い、同様の光学膜厚制御方法で、ピークまたはボトムに到達するときの成長時間の予測を試みた。
【００４６】
このとき、Ｔａ2Ｏ5膜の成長が光学膜厚値でλ／４の所定割合範囲内（７０-９０％）の特定膜厚に到達した時点からの実測データ群を用い、このデータ群をデータ処理用ＣＰＵ７に入力して、式（５）に基づき、逆透過率の二次関数に回帰演算し、この二次回帰関数を用いて予測を行っている。
【００４７】
このとき、回帰誤差を左縦軸に、回帰開始位置（７０-９０％の特定長）を横軸にプロットし、ボトムの予測を行ったときの特性を[実施例３−１Ｅ]、ピークの予測を行ったときの特性を[実施例３−２Ｅ]とラベルして図５のグラフ図に示す。
【００４８】
さらに、図５のグラフ図は、右縦軸に標準偏差をプロットした複合グラフを示しており、[実施例３−１Ｅ]による予測時点の標準偏差を[実施例３−１σ]とラベルし、[実施例３−２Ｅ] による予測時点の標準偏差を[実施例３−２σ]とラベルして示す。
【００４９】
[比較例３]回帰する際に透過率の二次回帰関数を用いた以外は、[実施例３]と同様にして、ボトムの予測を行ったときの特性を[比較例３−１Ｅ]、ピークの予測を行ったときの特性を[比較例３−２Ｅ]とラベルして図５に示す。
【００５０】
さらに、[比較例３−１Ｅ]による予測時点の標準偏差を[比較例３−１σ]とラベルし、[比較例３−２Ｅ] による予測時点の標準偏差を[比較例３−２σ]とラベルして図５に示す。
【００５１】
[実施例３]と[比較例３]とを対比すると、いずれの場合も、回帰開始位置をピークまたはボトムに近づける（回帰開始位置が１００％に近づく）と確度が高くなるが、それに反して、標準偏差が大きくなり散布度（ばらつき）が増加することが分る。特に、[比較例３]のピーク予測時（[比較例３−２Ｅ]）は良好な確度が得られない。
【００５２】
[実施例３]で行った逆透過率の二次回帰曲線を用いた場合は、回帰は７５％から９０％の範囲内において開始することが望ましい。
【００５３】
[実施例４]図１の光学膜厚制御装置を用いた膜厚制御方法により、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）を作製した。これは、Ｔａ2Ｏ5膜（Ｈ）とＳｉＯ2膜（Ｌ）との交互層を有し、Ｔａ2Ｏ5膜とＳｉＯ2膜との１５５層からなる７キャビティのＢＰＦである。なお、設計は以下の通りである。
Air｜ARC｜HLHLHLHL2HLHLHLHLHL
HLHLHLHL0.39H0.2065L(A)0.39H(B)L2HL0.39H0.2065L(A)0.39H(B)LHLHLHLHL
HLHLHLHLHL2HLHLHLHLHLHL
HLHLHLHLHL2HLHLHLHLHLHL
HLHLHLHLHL2HLHLHLHLHLHL
HLHLHLHL0.39H0.2065L（A）0.39H(B)L2HL0.39H0.2065L(A)0.39H(B)LHLHLHLHL
HLHLHLHL2HLHLHLHLH｜Glass
上記設計中、（Ｂ）で示すＴａ2Ｏ5膜は、ピーク及びボトム制御による二次関数回帰ではなく、逆透過率を変換して得られる光学膜厚を時間微分して蒸着速度を算出し、これに基づく任意膜厚の制御法により成膜終了時点を予測して成膜を停止した。
【００５４】
また、上記設計中、（Ａ）で示すＳｉＯ2膜は、スパッタレートをあらかじめ設定しておき、蒸着時間により制御した。
【００５５】
このようにして得られたＢＰＦに対し、モニタ波長を１５５２ｎｍとし、基板として裏面にＡＲＣ（反射防止）加工を施した直径３００ｍｍの円盤硝子を用い、透過光測光センサ（図１のフォトダイオード５のセンサ）の位置は、外周から１０ｍｍの地点から１０ｍｍの等間隔で８点設けて制御を行った。
【００５６】
このものは、図６に示すようなスペクトルを有し、監視範囲内のすべてに亘って良好な誘電体膜であることが確認できた。
【００５７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の光学膜厚制御方法は、成長させる最新表面層膜が変るごとにモニタ基板を交換する必要がなく、また、ピークまたはボトム制御を行うので、測定精度を向上させるための位相差の設定も不要であり、工程が簡素になる。また、逆透過率を用いることにより、良好な相関の二次回帰を行ってピークまたはボトム予測を行うので高精度の膜厚制御を行うことができる。
【００５８】
また、製品薄膜そのものをin-situ測定、即ち、直接モニタできるので、モニタ膜の再現性を考慮する必要がない。
【００５９】
さらに、本発明の膜厚制御装置は、複数の平行光により膜厚をモニタしているので、最新表面層膜の膜厚の分布状態を精度良く検知でき、これにより、高精度の膜厚均等性を確保することができる。
【００６０】
そして、この膜厚制御方法により作製される例えば、ＢＰＦなどの誘電体薄膜は、良好な光学特性により優れた性能を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】光学膜厚制御装置の概略図
【図２】「実施例１」においてＴａ2Ｏ5から成る単層膜を作製したときに、図１のフォトダイオードが検知した８チャンネルの逆透過率値を示す光信号測定図
【図３】図２の各光信号とピーク予測時点との相関を３次関数で回帰して示すグラフ図
【図４】[実施例２]におけるＴａ2Ｏ5膜（Ｈ）／ＳｉＯ2膜（Ｌ）から成る多層膜の透過率の二次関数回帰と逆透過率の二次関数回帰との精度比較を示すグラフ図
【図５】[実施例３]においてＴａ2Ｏ5から成る単層膜を作製したときの、透過率の二次関数回帰と逆透過率の二次関数回帰との回帰範囲による精度比較を示すグラフ図
【図６】[実施例４]において作製したＢＰＦのスペクトル図
【符号の説明】
１ 波長可変レーザ光源
５ フォトダイオード
６ Ａ／Ｄコンバータ
７ ＣＰＵ（コントローラ）
８ モータドライバ（コントローラ）
９、１０ 光ファイバ
１２ 基板
１７ ターゲット
１８ 可動シャッタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学薄膜の成膜時にその膜厚を制御する方法、特に光学方式に基づいた光学膜厚の制御方法及びこれを用いるための膜厚制御装置に関する。光学薄膜は、導波路、回折格子、発光、表示素子、光メモリ、太陽電池などの各種光学部品や光素子に用途が拡大している。特に、光通信などの通信技術分野における稠密波長多重用デバイス用光学薄膜は、多層化の傾向が顕著であり、これに伴って光学薄膜の多層構造中に形成される各構成層の光学膜厚を高精度で制御することが求められている。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜成長中の膜厚測定は堆積速度や膜厚の制御のために重要であり、また、光学薄膜においては、物理的膜厚よりも反射率あるいは透過率などの光学的性質を決める光学膜厚（屈折率と物理的膜厚との積）が有用である。このため、薄膜の光学的性質を測定する、いわゆる光学式膜厚制御方法により、薄膜成長中に光学的性質を測定して光学膜厚をモニタすることが広く行われている。光学式膜厚制御方法には、単色測光法、二色測光法、多色測光法などがあり、これらの光学式膜厚制御方法のうち、単色測光法が最も簡便である。
【０００３】
これは、成長中の薄膜の光学膜厚において、λ／４（λ：入射単色光の波長）の整数倍となる際のピーク（ボトムをも含み、また、極大及び極小と同義。以下同じ）を利用するものである。このようなピークは、成長中の最新表面層膜がその付着面を介して積層する基板側の隣接層が上記λ／４の整数倍にならないような光学膜厚で形成される場合や、この隣接層をも含んだ系のアドミッタンスが数学的に実数でない場合は、成長開始からの光学膜厚が最初にλ／４の整数倍に到達したときに出現するとは限らない。ただ、これらの場合でも、ピーク自体はその出現後、λ／４の整数倍に相当する光学膜厚間隔で周期的に現れる。
【０００４】
しかし、単色測光法を用いる場合、上記のように出現するピークを用いてピーク制御を行う従来の方法では、ピーク近傍において成長する光学膜厚に対する光量変化が小さく、原理上、制御精度が悪化することは避けられない。
【０００５】
このような場合、制御に用いたい所望の波長と若干異なる波長の干渉フィルタを使用してピーク近傍以外の光量変化の大きいところで成膜を停止するなどして、精度を向上させることができる。このようなものとして、例えば、特開昭５８−１４０６０５号公報では、光学的性質たる光量（透過率の逆数）を測定して成長する光学膜厚の制御精度が良好に得られるような光学位相角領域を選択し、成膜停止時点を決定している。
【０００６】
これに対し、特許２０５５８２１号によるものは、所望の波長をそのまま用いて従来の単色測光法を追求している。このものは、測定される光量（透過率）が、上記のλ／４の整数倍の光学膜厚成長に対応してピークを形成する直前の実測データ群を最小二乗法により二次関数回帰し、この回帰関数上のピークに到達する時点を予測し、予測時点自体が最も好適であるが個別の条件を勘案する場合はこれを基準時点とするものとして、成膜停止のタイミングを決定している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光学薄膜の多層化の要請は、上記したように通信技術分野で顕著であり、特に、光通信に用いられる稠密波長多重用デバイス（例えば、バンドパスフィルタ）の光学薄膜の多層構造は１００層以上から成ることもある。このような多層構造は、それぞれ上記λ／４の奇数倍の光学膜厚を有する高屈折率層と低屈折率層とから成る交互層で構成される。（ただし、バンドパスフィルタの場合は、交互層中の高屈折率層及び低屈折率層の光学膜厚を上記λ／４の偶数倍としたものでキャビティ層を構成しても良い。）このとき、多層構造の構成薄膜ごとに、これに対応するモニタ基板を交換しながら膜厚を制御する通常の方法では工程が煩雑になり実用的でない。
【０００８】
そこで、モニタ基板上に製品薄膜と同様の多数の交互層などから成る多層構造を積層してこれをモニタすることもあるが、この場合、積層が進行するに伴って成長中の多層構造中の反射率が増加し、即ち、透過率が次第に減少して測定値の信頼度が低下する。このため、上記の関数回帰を行う場合は、特に、二次回帰関数のピーク近傍で透過率の実測値が関数曲線から乖離して相関が低くなり、精度の高い膜厚制御が困難になる。また、高精度の要請という観点では、モニタ基板上のモニタ用の多層構造がその全ての構成薄膜に亘って、製品薄膜を良好に再現できるかという問題もある。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑み、簡素な工程により、例えば光学薄膜などの多層膜を高い精度で膜厚制御し得る方法と、この方法を用いることが可能な光学膜厚制御装置と、さらに、この方法により作製した誘電体薄膜を提供することを課題としている。
【００１０】
【問題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、まず、多層構造の光学薄膜の成膜期間に亘って、入射単色光（波長λ）を前記多層構造体に透過させて光学薄膜の透過率を測定すると共に該透過率の逆数を逆透過率として算出する。
【００１１】
このとき、これらのような構造の境界条件（電場、磁場のそれぞれの接線成分Ｂ、Ｃが連続）より、基板系のアドミッタンスＹは、単層膜の特性マトリックスを用いて、
【００１２】
【式１】
[式１]（（１）式）と表される。（ここで、Ｎは単層膜の屈折率、θは単層膜上の異なる界面における位相差を示す。）
このとき、単層膜の透過率Ｔは、
Ｔ＝４Ｙ／（Ｂ＋Ｃ）（Ｂ＋Ｃ）* ・・・（２）
（ここで、*は共役する複素数を示す。）
で表されるので、（１）式と（２）式とにより
Ｔ＝４Ｙ／［（１＋Ｙ）2＋｛（Ｙ／Ｎ＋Ｎ）2−（１＋Ｙ） 2 ｝ sin 2 θ］ ・・・（３）
となる。ただし、空気あるいは真空の屈折率は１としている。
【００１４】
本発明においては、さらに、付着成長中の最新表面層膜の光学膜厚Ｎｄ（Ｎは薄膜の屈折率、ｄは薄膜の物理的膜厚）を、
θ＝２πＮｄ／λ ・・・（４）として、光学膜厚と単色光の波長とを算入して成る光学位相角として表す。
【００１５】
さらに、光学膜厚の増加に伴う表面層膜の成長時間（ｔ）と逆透過率（１／Ｔ）との２変数の実測データ群を用いた最小二乗法により、実測データ群が極大または極小に到達する以前に二次関数回帰を行って、二次回帰関数
１／Ｔ＝Ａ0＋Ｂ0（ｔ−ｔp）2 ・・・（５）
として算出する。（ここで、Ａ0及びＢ0は定数、ｔpは極大または極小に到達するときの成長時間を表す。）
このとき、回帰関数の相関を高くするため、関数曲線の極大または極小に到達すべき表面層膜の光学膜厚が、この極大または極小まで残すところλ／４相当の光学膜厚のおおむね２５％から１０％となった時点からの実測データ群を用いて関数回帰することが望ましい。（λ：単色光の波長）
ところで、（３）式を変形して、
Ｔ0＝４Ｙ／（１＋Ｙ）2 ・・・（６）
Ｔ90＝４Ｙ／（Ｙ／Ｎ＋Ｎ）2 ・・・（７）
として表される。
【００１６】
さらに、これらによりアドミッタンスＹが実数であるとき、
（１／Ｔ0−１／Ｔ）／（１／Ｔ0−１／Ｔ90）＝sin2θ ・・・（８）が得られ、逆透過率は光学位相角のみの関数で示すことができる。
【００１７】
上記したような干渉の原理に基づいて逆透過率は、単色光の波長の１／４に相当する光学膜厚間隔で周期分布する。そして、逆透過率の極大点及び極小点の近傍においては、（８）式を展開して得られる逆透過率の関数 (θを変数とし、 sin2θ項を含む関数）は二次関数に近似できる。したがって、極大点及び極小点における光学膜厚に到達するときの成長時間の予測値として、二次回帰関数上の極大点または極小点の成長時間を用いることができ、この予測時間に表面層膜に対する成膜を停止するようにすることで、単色光の波長の１／４に相当する光学膜厚に制御することができる。
【００１８】
このような光学膜厚制御方法は、製品薄膜と同様の多層構造全体の光学的性質を一括して測定でき、これによりピーク制御を行っているため簡便であり、また、相関の良い二次関数回帰によるピーク予測を行うので高精度の膜厚制御を行うことができる。
【００１９】
この場合、表面層膜の光学膜厚は、上記のように（８）式を展開して得られる逆透過率の関数から算出できる。したがって、この時間微分または時間差分を最新表面層膜の蒸着速度として算出し、この蒸着速度により光学膜厚の目標値に到達するときの表面層膜の成長時間を予測することにより、所望の光学膜厚に制御することが可能となる。即ち、制御すべき光学膜厚は、単色光の波長の１／４相当のものに限定されず、任意の光学膜厚に制御できることになる。
【００２０】
さらに、透過率を測定する光学薄膜の成膜を製品基板上で行うことにより、製品薄膜そのものをin-situで測定する、いわゆる直接モニタ法により最新表面層膜の光学膜厚を測定することができる。これにより、光学膜厚制御方法の取り扱い及び精度がさらに向上する。
【００２１】
また、上記した光学膜厚制御方法を用いるために、互いに対向する回転基板と成膜源とを有する成膜装置と、回転基板の半径に沿って所定の間隔で照射される複数の単色光のそれぞれを検知する光電変換装置とを備え、基板と成膜源との間に、回転基板の半径方向に沿って移動して基板に対する成膜を遮断する可動シャッタを設けたものを光学膜厚制御装置として構成する。そして、このものを、光電変換装置で検知された各単色光により予測される成長時間の予測値のそれぞれに基づいて作動指示を行うコントローラにより可動シャッタが作動するように構成する。これにより、上記した光学膜厚制御方法により、所期の光学膜厚に到達するときの表面層膜の成長時間を予測することができる。そして、この表面層膜において、所期の光学膜厚に成長した成膜領域の成膜工程を停止し、この工程停止を順次進行することにより、膜全体で均等な膜厚分布を有するような高精度の膜厚制御を行うことができる。
【００２２】
また、このような光学膜厚制御方法を用いて作製した誘電体薄膜は、高精度に制御された光学膜厚を有することができるので、光学薄膜用途に用いるのに適している。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の光学膜厚制御方法を用いる光学膜厚制御装置の概略図である。この光学膜厚制御装置は、波長可変レーザ光源１と８分岐用光カプラ２と８連ファイバコリメータ３とスパッタ成膜装置４とＩｎＧａＡｓから成る８連のフォトダイオ−ド５と８チャンネルＡＤコンバータ６とデータ処理用ＣＰＵ７とリニアモータ駆動用ドライバ８とにより構成されている。
【００２４】
そして、波長可変レーザ光源１と光カプラ２とファイバコリメータ３とはそれぞれシングルモード光ファイバケーブル９、１０により接続され、レーザ光源１からの光が、光カプラ２で８連に分岐された後にファイバコリメータ３で平行光とされ、その後、スパッタ装置４の透過窓１１と回転基板１２のモニタガラス１３を介してフォトダイオード５に到達するように構成されている。また、データ処理用ＣＰＵ７とリニアモータ駆動用ドライバ８とは、ＲＳ２３２Ｃなどの出入力インターフェース２０により接続されている。
【００２５】
一方、スパッタ成膜装置４には、図外の真空ポンプに連なる真空排気孔１４が設けられ、また、その内部には回転駆動機構１５で駆動される回転軸１６に軸支されて回転可能な基板１２と図外のスパッタカソード上に載置されたターゲット１７とが互いに対向する位置に配設されている。さらに、回転基板１２とターゲット１７との間を基板１２の半径方向に沿って移動可能な可動シャッタ１８が設けられ、このシャッタ１８がこの間に介在することにより基板１２上の成膜を遮断することができる。なお、可動シャッタ１８の作動は、リニアモータ駆動用ドライバ８の指示に基づきリニアモータ１９により装置外部から制御される。
【００２６】
この膜厚制御装置を用いて本発明の膜厚制御を行う際は、先ず、排気孔１４に連なる図外の真空ポンプの作動により、スパッタ成膜装置４を作動可能にしておく。そして、波長可変レーザ光源１を作動させ、上記のように８連に分岐された平行光をモニタガラス１３方向に照射した状態で、装置４のスパッタ成膜を開始する。なお、このときを薄膜の成長時間の始点とする。
【００２７】
このとき、基板１２のモニタガラス１３を通過した８個の平行光をそれぞれフォトダイオード５で電圧信号に変換し、さらに、ＡＤコンバータ６によりデジタル数値信号として、データ処理用ＣＰＵ７に入力して、式（５）に基づき上記成長時間を定義域とする二次関数に回帰演算する。
【００２８】
図２は、フォトダイオード５で検知された８個の光信号に基づき、逆透過率曲線を示すものである。図２により、基板１２に照射される平行光線を、フォトダイオード５のセンサ位置にしたがって、基板１２の径方向の外側から順番に採番したとき、成膜開始後およそ１２０秒経過した時点より、その順番に８個の平行光がそれぞれ順次ピーク（極大）に到達することが分る。ここで、各逆透過率曲線上でピークに到達するときを、成長中の薄膜がそれぞれ所望の光学膜厚に成長する時点とすることができる。
【００２９】
図２中の光１が最初にピークに到達するときをゼロ点として、各平行光１〜８のピーク到達予想時点との関係を示したグラフが図３である。グラフ図中の実線は、各平行光１〜８（センサ位置番号）と予測時点（ピーク位置）との相関を３次関数で回帰して得られたものである。この回帰関数は、
y＝-0.0227x3＋0.4204x2＋1.8345x-2.1685 ・・・（９）
として示され、これを微分して得られる、
y＝0.0681x2＋0.8408x＋1.8345 ・・・（１０）
を、モータ駆動用速度関数として用いて、これに基づき図１の可動シャッタ１８を基板１２の径方向外側から移動させて、基板１２上の成膜領域に対する成膜を次第に遮断させる。
【００３０】
このようにして、基板１２上の光学膜厚を制御することにより、膜厚の均等性を確保することができる。
【００３１】
さらに、以下各[実施例]において、本発明の光学膜厚制御方法により得られる光学薄膜の光学膜厚を制御しての精度を検討する。
【００３２】
【実施例】
[実施例１]図１の膜厚制御装置において、入射光を分岐させず基板に対して垂直に一本の入射光（波長λ：１５５２ｎｍ）を照射すると共に、可動シャッタ１８の作動も停止して基板１２上にＴａ2Ｏ5から成る単層膜のスパッタ成膜を行う。このＴａ2Ｏ5膜を高屈折率層とし、このＴａ2Ｏ5膜の光学膜厚がλ／４であるときにＨとして表示するときに、ガラス基板上にＨ及びＨＨの単層膜の成膜を行い、Ｈの単層膜の成膜を行うときは測定する透過率がボトム（二次回帰関数の極小点）に到達するときの成長時間を、ＨＨの単層膜の成膜を行うときは測定する透過率がピーク（二次回帰関数の極大点）に到達するときの成長時間を予測することを試みた。
【００３３】
なお、上記ボトム及びピークは、測定する透過率の変位によるものであるが、これに基づく逆透過率算出時には、それぞれピーク及びボトムに逆転することに注意する必要がある。本実施例においては、混乱を回避するため、ボトム及びピークは透過率によるものに統一する。以下同じ。
【００３４】
このとき、Ｔａ2Ｏ5の蒸着速度として０．１７ｎｍ／ｓｅｃとし、Ｔａ2Ｏ5膜の成長が光学膜厚値でλ／４の８０％に到達した時点から実際のピーク及びボトムの２秒前までの実測データ群を用いて、このデータ群をデータ処理用ＣＰＵ７に入力して、式（５）に基づき、逆透過率の二次関数に回帰演算する。
【００３５】
そして、ピーク及びボトムを経過した後に確定するピーク及びボトムの成長時間の確定値と、上記二次回帰関数によるピーク及びボトムの予測値との比較による検定を行う。この検定を１０回行ったときの平均値と上記確定値との乖離を平均誤差とし、その標準偏差と共に下記[表１]に結果を示す。
【００３６】
なお、本実施例においては、実際のピーク及びボトムの２秒前までの実測データ群を採用して回帰を行ったが、ピーク及びボトムの３０秒前までの実測データ群の採用によるものでも同様の結果が出ていることが確認されている。
【００３７】
[比較例１]回帰関数を透過率の二次関数とした以外は、[実施例１]と同様にして、Ｈ単層膜のボトム及びＨＨ単層膜のピークに対する成長時間の予測を試みた。このときの平均誤差と標準偏差とを下記[表１]に示す。
【００３８】
【表１】
[表１]より、[比較例１]の場合、単層膜Ｈのボトムの成長時間を予測するときのみ[実施例１]より良好な値が得られたが、それ以外は、逆透過率で関数回帰を行う[実施例１]によるものの方が高い確度が得られることが分る。
【００４０】
[実施例２]図１において、スパッタ装置を反応性スパッタ装置に変更した以外は[実施例１]と同様の光学膜厚制御装置を用いて、ガラス基板（ＢＫ７）上に、種々の多層膜の成膜を行った。多層膜は、高屈折率層（Ｈ）たるＴａ2Ｏ5膜と低屈折率層（Ｌ）たるＳｉＯ2膜の交互層をそれぞれの多層膜においてピークまたはボトムに到達するときの成長時間の予測を試みた。多層膜の種類は下記の通りであり、交互層の後に記載する（Ｐ）及び（Ｂ）は、それぞれピーク到達時間及びボトム到達時間を予測したことを示す。
Ｈ（Ｂ）、ＨＨ（Ｐ）、ＨＬ（Ｐ）、ＨＬＬ（Ｂ）、ＨＬＨ（Ｂ）、ＨＬＨＨ（Ｐ）、ＨＬＨＬ（Ｐ）、ＨＬＨＬＬ（Ｂ）、ＨＬＨＬＨ（Ｂ）、ＨＬＨＬＨＨ（Ｐ）、ＨＬＨＬＨＬ（Ｐ）、ＨＬＨＬＨＬＬ（Ｐ）、ＨＬＨＬＨＬＨ（Ｂ）、ＨＬＨＬＨＬＨＨ（Ｐ）
また、このとき、Ｔａ2Ｏ5の蒸着速度として０．１７ｎｍ／ｓｅｃとし、Ｔａ2Ｏ5膜の成長が光学膜厚値でλ／４の８５％に到達した時点から実際のピーク及びボトムの２秒前までの実測データ群を用いた。そして、このデータ群をデータ処理用ＣＰＵ７に入力して、式（５）に基づき、逆透過率の二次関数に回帰演算する。
【００４１】
このときの各多層膜を横軸にそれぞれの回帰誤差（図４においては平均誤差として示す。）を縦軸にプロットしたときに得られる相関を図４において[実施例２]としてラベルしたグラフに示す。
【００４２】
[比較例２] 回帰関数を透過率の二次関数とした以外は、[実施例２]と同様にして、[実施例２]の各多層膜のピークまたはボトムに対する成長時間の予測を試みた。そして、１０回検定して得られるデータを用いて、各多層膜を横軸に、それぞれの回帰誤差を縦軸にプロットしたときに得られる相関を図４において[比較例２]としてラベルしてグラフに示す。
【００４３】
[実施例２]と[比較例２]とを対比すると、[比較例２]の場合、即ち、透過率の二次関数として回帰した場合は、多層膜の構成層数が少ないとピーク及びボトムの確定値（平均誤差０秒の線上）からの乖離が少ないが、構成層数が増加するとき透過率の上昇に続いて出現するピークの予測値は誤差が大きくなる傾向にある。
【００４４】
そして、[実施例２]の場合、即ち、逆透過率の二次関数として回帰した場合は、各多層膜において安定して高い確度を維持していることが分る。
【００４５】
[実施例３] 種々の多層膜（[実施例２]）の替りに、Ｔａ2Ｏ5膜から成る単層膜の成膜を[実施例２]と反応性スパッタ装置を用いて行い、同様の光学膜厚制御方法で、ピークまたはボトムに到達するときの成長時間の予測を試みた。
【００４６】
このとき、Ｔａ2Ｏ5膜の成長が光学膜厚値でλ／４の所定割合範囲内（７０-９０％）の特定膜厚に到達した時点からの実測データ群を用い、このデータ群をデータ処理用ＣＰＵ７に入力して、式（５）に基づき、逆透過率の二次関数に回帰演算し、この二次回帰関数を用いて予測を行っている。
【００４７】
このとき、回帰誤差を左縦軸に、回帰開始位置（７０-９０％の特定長）を横軸にプロットし、ボトムの予測を行ったときの特性を[実施例３−１Ｅ]、ピークの予測を行ったときの特性を[実施例３−２Ｅ]とラベルして図５のグラフ図に示す。
【００４８】
さらに、図５のグラフ図は、右縦軸に標準偏差をプロットした複合グラフを示しており、[実施例３−１Ｅ]による予測時点の標準偏差を[実施例３−１σ]とラベルし、[実施例３−２Ｅ] による予測時点の標準偏差を[実施例３−２σ]とラベルして示す。
【００４９】
[比較例３]回帰する際に透過率の二次回帰関数を用いた以外は、[実施例３]と同様にして、ボトムの予測を行ったときの特性を[比較例３−１Ｅ]、ピークの予測を行ったときの特性を[比較例３−２Ｅ]とラベルして図５に示す。
【００５０】
さらに、[比較例３−１Ｅ]による予測時点の標準偏差を[比較例３−１σ]とラベルし、[比較例３−２Ｅ] による予測時点の標準偏差を[比較例３−２σ]とラベルして図５に示す。
【００５１】
[実施例３]と[比較例３]とを対比すると、いずれの場合も、回帰開始位置をピークまたはボトムに近づける（回帰開始位置が１００％に近づく）と確度が高くなるが、それに反して、標準偏差が大きくなり散布度（ばらつき）が増加することが分る。特に、[比較例３]のピーク予測時（[比較例３−２Ｅ]）は良好な確度が得られない。
【００５２】
[実施例３]で行った逆透過率の二次回帰曲線を用いた場合は、回帰は７５％から９０％の範囲内において開始することが望ましい。
【００５３】
[実施例４]図１の光学膜厚制御装置を用いた膜厚制御方法により、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）を作製した。これは、Ｔａ2Ｏ5膜（Ｈ）とＳｉＯ2膜（Ｌ）との交互層を有し、Ｔａ2Ｏ5膜とＳｉＯ2膜との１５５層からなる７キャビティのＢＰＦである。なお、設計は以下の通りである。
Air｜ARC｜HLHLHLHL2HLHLHLHLHL
HLHLHLHL0.39H0.2065L(A)0.39H(B)L2HL0.39H0.2065L(A)0.39H(B)LHLHLHLHL
HLHLHLHLHL2HLHLHLHLHLHL
HLHLHLHLHL2HLHLHLHLHLHL
HLHLHLHLHL2HLHLHLHLHLHL
HLHLHLHL0.39H0.2065L（A）0.39H(B)L2HL0.39H0.2065L(A)0.39H(B)LHLHLHLHL
HLHLHLHL2HLHLHLHLH｜Glass
上記設計中、（Ｂ）で示すＴａ2Ｏ5膜は、ピーク及びボトム制御による二次関数回帰ではなく、逆透過率を変換して得られる光学膜厚を時間微分して蒸着速度を算出し、これに基づく任意膜厚の制御法により成膜終了時点を予測して成膜を停止した。
【００５４】
また、上記設計中、（Ａ）で示すＳｉＯ2膜は、スパッタレートをあらかじめ設定しておき、蒸着時間により制御した。
【００５５】
このようにして得られたＢＰＦに対し、モニタ波長を１５５２ｎｍとし、基板として裏面にＡＲＣ（反射防止）加工を施した直径３００ｍｍの円盤硝子を用い、透過光測光センサ（図１のフォトダイオード５のセンサ）の位置は、外周から１０ｍｍの地点から１０ｍｍの等間隔で８点設けて制御を行った。
【００５６】
このものは、図６に示すようなスペクトルを有し、監視範囲内のすべてに亘って良好な誘電体膜であることが確認できた。
【００５７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の光学膜厚制御方法は、成長させる最新表面層膜が変るごとにモニタ基板を交換する必要がなく、また、ピークまたはボトム制御を行うので、測定精度を向上させるための位相差の設定も不要であり、工程が簡素になる。また、逆透過率を用いることにより、良好な相関の二次回帰を行ってピークまたはボトム予測を行うので高精度の膜厚制御を行うことができる。
【００５８】
また、製品薄膜そのものをin-situ測定、即ち、直接モニタできるので、モニタ膜の再現性を考慮する必要がない。
【００５９】
さらに、本発明の膜厚制御装置は、複数の平行光により膜厚をモニタしているので、最新表面層膜の膜厚の分布状態を精度良く検知でき、これにより、高精度の膜厚均等性を確保することができる。
【００６０】
そして、この膜厚制御方法により作製される例えば、ＢＰＦなどの誘電体薄膜は、良好な光学特性により優れた性能を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】光学膜厚制御装置の概略図
【図２】「実施例１」においてＴａ2Ｏ5から成る単層膜を作製したときに、図１のフォトダイオードが検知した８チャンネルの逆透過率値を示す光信号測定図
【図３】図２の各光信号とピーク予測時点との相関を３次関数で回帰して示すグラフ図
【図４】[実施例２]におけるＴａ2Ｏ5膜（Ｈ）／ＳｉＯ2膜（Ｌ）から成る多層膜の透過率の二次関数回帰と逆透過率の二次関数回帰との精度比較を示すグラフ図
【図５】[実施例３]においてＴａ2Ｏ5から成る単層膜を作製したときの、透過率の二次関数回帰と逆透過率の二次関数回帰との回帰範囲による精度比較を示すグラフ図
【図６】[実施例４]において作製したＢＰＦのスペクトル図
【符号の説明】
１ 波長可変レーザ光源
５ フォトダイオード
６ Ａ／Ｄコンバータ
７ ＣＰＵ（コントローラ）
８ モータドライバ（コントローラ）
９、１０ 光ファイバ
１２ 基板
１７ ターゲット
１８ 可動シャッタ
Claims (4)
- ２種類以上の誘電体から成る多層構造の光学薄膜の成膜期間に亘って、入射単色光を前記多層構造体に透過させて前記光学薄膜の透過率を測定すると共に該透過率の逆数を逆透過率として算出し、付着成長中の最新表面層膜の膜厚増加に伴う成長時間と前記逆透過率との２変数の実測データ群を用いた最小二乗法により、前記実測データ群が極大または極小に到達する以前に二次関数回帰を行い、干渉の原理に基づいて前記単色光の波長の1／4相当の光学膜厚間隔で周期分布する前記逆透過率の極大及び極小における光学膜厚に到達するときの前記成長時間の予測値として、前記二次回帰関数上の極大点または極小点の成長時間を用いる光学膜厚制御方法において、前記実測データ群に表面層膜厚が極大または極小に到達するまで残すところ前記単色光の波長の 1 ／ 4 相当の光学膜厚の２５％から１０％となった時点からの実測データ群を用いると共に、前記最新表面層膜の成長に伴い、前記 1 ／ 4 波長相当の光学膜厚間隔で周期分布する前記逆透過率から算出される光学膜厚の時間微分または時間差分を最新表面層膜の蒸着速度として算出し、該蒸着速度から前記光学膜厚の成長時間を予測して、該予測結果を用いて、前記光学膜厚が目標値に到達した時点で、前記最新表面層膜の成膜を停止させ得ることを特徴とする光学膜厚制御方法。
- 前記透過率を測定する光学薄膜の成膜を製品基板上で行って、直接モニタ法により前記最新表面層膜の光学膜厚を測定することを特徴とする請求項１に記載の光学膜厚制御方法。
- 請求項 1 または２のいずれかの光学膜厚制御方法を用いて所期の光学薄膜に到達するときの前記最新表面層膜の成長時間を予測するため、互いに対向する回転基板と成膜源とを有する薄膜の成膜装置と、前記回転基板の半径に沿って所定の間隔で照射される複数の単色光のそれぞれを検知する光電変換装置とを備え、前記基板と前記成膜源との間に、前記回転基板の半径方向に沿って移動して前記基板に対する成膜を遮断する可動シャッタを設け、前記光電変換装置で検知された各単色光により予測される前記成長時間の予測値のそれぞれに基づいて作動指示を行うコントローラにより前記可動シャッタを作動することを特徴とする光学膜厚制御装置。
- 請求項１または２いずれかの光学膜厚制御方法を用いて作製したことを特徴とする誘電体薄膜。
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