JP4137205B2

JP4137205B2 - コーティングを基板上に堆積する堆積方法および堆積装置

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Publication number: JP4137205B2
Application number: JP30588797A
Authority: JP
Inventors: ティー．サリバンブライアン; ジェイ．エー．ドブロウオルスキー; エー．クラークグレン; 貴之秋山; 孝伊東
Original assignee: National Research Council of Canada
Current assignee: National Research Council of Canada
Priority date: 1997-06-03
Filing date: 1997-11-07
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2017-11-07
Also published as: DE19752322B4; US6217720B1; JPH10330934A; CA2214546C; DE19752322A1; CA2214546A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学的な複合的な複数層コーティングを基板に堆積する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信、科学的な器具、光学機械等のような異なる多数の分野において、進歩した用途の要求に合致するようにさらに複合的な光学的な薄いフィルムコーティングのニーズがある。過去において、設計技術、堆積装置および厚さ監視機器の制限によって、所望のフィルタ仕様を達成することは不可能であった。しかしながら、これらの３つの分野における最近の進歩によって、さらに複合的なコーティングを設計および製造することが可能になった。
【０００３】
例えば、光学的な薄いフィルムの設計の領域において、所定の材料の組に対して設計を開始することなくコーティングを設計する能力においてここ数年に劇的な改良がなされた。薄いフィルムの設計の技術の状態は、すべてに合致するが、最も厳しいフィルタの要求にも合致する非常に複合的なコーティングが現れる点まで進歩した。
【０００４】
第２の進歩は、過去２０年にわたって薄いフィルム製造の分野を劇的に変化した有効な堆積方法にある。従来は、大部分の光学的なコーティングがｅ−ビーム蒸着または熱蒸着を用いて広範に製造されていた。しかしながら、これらの方法によって堆積された材料は、通常非常に多孔性であり、それらが特別に保護されない限り、湿気および温度上不安定なフィルタが形成される。イオン補助蒸着、反応性イオンめっきおよび電磁スパッタリングのような新しい効果的な堆積方法は、大きい特徴を有するフィルムを形成し、この特徴は、温度および湿度の良好な安定性を有するフィルタを形成する。さらに重要なのは、これらの効果的な技術によって堆積された材料は、作動上非常に再現性がある光定数を有する。大きい材料および光定数再現性によって、それは、ルーチンベースで複合的な光学的なコーティングを製造することがさらに容易に実行できる。
【０００５】
第３の進歩は、堆積中にフィルムの厚さを制御し監視するために使用される方法である。特に、光学的な監視技術は、ここ１０年において非常に改良された。現在、精巧で廉価な可視領域の広帯域のモニタが容易に利用することができ、赤外線フォトダイオードアレイがさらに普及した。これらの広帯域のモニタによって、堆積層の厚さを正確に決定することが可能である。
【０００６】
過去において、フィルタの量が制限されている場合において、たとえ、このような普及型またはプロトタイプのコーティングについて大きな市場がある場合であっても、少量の複合的で薄いフィルムのフィルタを設計および製造することは経済的ではなかった。この理由の一部は、コーティングを設計するためにかかる時間であり、フィルタをうまく製造する前に、行わなければならない試行的な堆積作業の回数である。さらに、堆積装置がコーティングを正確に堆積することを保証するために作業者が常に介入することを必要とすれば、そのコストはさらに増大する。
【０００７】
１９９１年に、堆積処理中に作業者の介入を必要とすることなく、複合的な光学的なコーティングを機械的に自動的に日常的に製造する自動堆積システム（ＡＤＳ）を開発するためにカナダのナショナルリサーチ会議で１つのプロジェクトが開始された。
【０００８】
ＮＲＣＣでの元のｒｆＡＤＳは、回転可能な基板を有するクライオポンプ室と、３つのｒｆ−スパッタリング・ターゲットと、以下に詳細に説明する広帯域光モニタとを有する。ターゲットおよび室は、コロナ真空コータによって設計され製造された。ＡＤＳにおいて、スパッタリング・ターゲットおよび基板は、垂直方向に取り付けられる。ターゲットは、システムが絶縁層においてｒｆ反応性スパッタリングを使用するように金属または半導体である。ｒｆスパッタリングを用いたＮｂ₂Ｏ₅およびＳｉＯ₂のような材料の通常の堆積速度は、〜１２ｃｍの標的から基板の距離、〜３ｍトールの全体圧力および〜１．０の酸素対アルゴンの流れ比の場合において、〜０．１ｎｍ／ｓである。この基板は、種々のターゲット位置に基板を揺動するために用いられるステップモータによって制御される。この堆積装置は、（Brook Automation 社（カナダ）のＰＡＬ６８０００コントローラとして知られている）テクウエアシステムによって制御される。オペレータは室を真空にし、堆積作業を開始し、室を換気する多数の異なるシーケンスを自動的に開始する。
【０００９】
リアルタイムの処理制御アルゴリズムは、低速の堆積、すなわち、０．１ｎｍ／ｓの堆積速度においてフィルムの堆積厚さを正確に制御する。この技術は、十分に広いスペクトル範囲で正確で確かな透過率の値を得ることができる広帯域の光モニタを必要とする。また、ターゲットと基板の距離が小さい場合、スパッタシステムにおける層の堆積を連続的に監視することが困難なので、この方法は、層の堆積の最後で１つまたは２つの透過率の測定を行う。
【００１０】
光学モニタは、水晶ハロゲンランプ源と、光分配光学装置、広帯域検出器とを有する。光源から平行にされた光は、室を貫通し、シャッタを通る光を光ファイバの束の円形の開口に集束する無色レンズによって集められる。束の他の端部において、ファイバは、モノクロメータへの入口にスリットを形成するように配置される。この光は、５１２エレメントのＨａｍａｍａｔｓｕフォトダイオード配列に分散される。光モニタが３８０ｎｍから８６０ｎｍのスペクトル範囲で測定するように格子が選択される。絶対透過率の測定を行うために、光モニタの光路の内外に基板を回転することが可能である。これは、基板を有する場合でも、有しない場合においても強度の測定を可能にすることができる。背景を引いた後に基板の絶対透過率を提供するためにこれらの測定値は正規化される。この測定方法は完全に自動化される。
【００１１】
ＡＤＳシステムの最後のキーエレメントは、統合された薄いフィルムプログラムであり、このプログラムは、ＡＤＳによって堆積された材料の光定数に基づいて、まず、複合的な複数層のコーティングを構成するために使用することができ、次にコーティングの製造を管理するために使用することができる。このプログラムは、光学モニタの絶対透過率の測定から現在または前の層の厚さを決定することができる。さらに、このプログラムは、所望のフィルタ仕様を達成するために堆積中の任意の時間に複数層システムの他の層を再び最適化することができる。
【００１２】
このプログラムは、実際の堆積装置に関する詳細を知る必要のない方法で堆積コントローラと統合される。それが堆積すべき特別の層を必要とするとき、それは層の材料、所望の厚さおよび処理名を出力するのに十分である。このコントローラソフトウエアは、基板が向くように回転される標的、基板が標的の前にある時間の長さ、および堆積中に使用される堆積パラメータを決定するために情報を解釈する。薄いフィルムコントロールアルゴリズムとこの方法における堆積システムを分離することによって、薄いフィルムプログラムに影響を与えることなく堆積システムおよび方法を完全に変化させることができる。
【００１３】
堆積中の所定の層において、厚さプロセス制御アルゴリズムは、基本的に三段階の動作を有する。
Ｉ．層堆積の終結
ＩＩ. 堆積される層の厚さの決定
ＩＩＩ. 他の層の厚さの最適合化
【００１４】
ＡＤＳに関しては、段階Ｉ．およびＩＩ．が一緒に組み合わされる。層の堆積の終結に関連する第１の段階は、スパッタ堆積がこのシステムで使用されるので時間のみをベースにすることができる。堆積の不確定性は、合理的によく制御された処理において、通常は、１−３％台であり、これは、所望の層の厚さの度を越さないことを強制し、最初に特定された標的の厚さは、所望の厚さの約９５％乃至９７％である。このサブ層が一旦堆積されると、実際に堆積される層の厚さ、すなわち、段階ＩＩ．を決定する必要がある。上述したように、これは、問題の基板またはウイットネススライドで直接測定した広帯域のモニタ測定を実行することによって達成される。薄いフィルムプログラムは、堆積された現在の層の厚さを決定するためにこの情報を使用する。層の厚さが、所望の厚さに関して特定の厚さの公差内にない場合、段階Ｉ．およびＩＩ．を繰り返すことができる。他の層の厚さは、通常非常に薄い、すなわち、５ｎｍ未満なので、堆積速度の不確実性は、第２のサブ層についてあまり重要ではない。また決定された層の厚さは、必要なサブ層の数を最小限にするために現在の堆積速度を更新するためにこの情報を使用するコントローラに戻される。最終的な段階は、一旦層が完成すると、他の層の厚さを再び最適化することに関連する。いくつかのフィルタについて、この段階は必要ではないが、他のフィルタに関しては、もし所望のフィルタの仕様が合致する場合にはこの再適合化は、重要である。
【００１５】
ＡＤＳの良好な性能でフィルタを製造する上で重大なのは、堆積されたフィルタを正確に成形することができるという前提である。これは、経験的な透過率データに基づいて層の厚さを正確に決定することを可能にする。もしこれが達成されない場合には、複数層の製造を正確に制御することは不可能である。有利なことには、材料の光学的な定数は、よく特徴付けされる場合には、層の決定に関する問題は、通常は、層の決定方法を変更するか、複数層の分解を調整することによって処理される。薄いフィルムプログラムを用いて、コーティングを製造する前にＡＤＳで堆積処理をシミュレートし、層の決定計画を受け入れることができるかどうかを見ることが可能である。
【００１６】
層の決定処理を設定する際に、製造されるフィルタの性質に依存する多数の要因を考慮することが必要になる。例えば、層が堆積した後、フィルタの透過率にの変化が検出可能であるように、層の厚さが最小限であることが要求される。もし、複数層が製造され、その結果のフィルタ性能が仕様内にない場合には、堆積処理の間に行われるすべての透過率の測定が省かれるので、再生モードに入ることが可能である。この特徴によって、オペレータは、複数層の堆積を迅速に検証し、問題の層がある場合には正確に指摘することができる。また、さらによい解決法が得られるかどうかを見るために再生モードでいくつかの層の決定パラメータを再調整することができる。例えば、所定の層の厚さを正確に決定することは、複数層のシステムに依存しているので困難である。この場合、時間のみによって現在の層を堆積し、次の層を堆積した後、透過率の測定を使用し、双方の層の厚さを正確に決定することが最もよい。他の層を再び最適化することは、これらの層において厚さのエラーを計算に入れるために使用することができる。
【００１７】
多数の異なるタイプのフィルタは、過去何年かにわたってｒｆ−ＡＤで製造された。これらは、エッジフィルタ、狭い帯域の透過率フィルタ、ノッチフィルタ、色度測定、非反射フィルタ、カスタムバンドパスフィルタ、並びに金属／誘電コーティングのような全誘電コーティングを含む。
【００１８】
ｒｆ−ＡＤＳは、複合的な光学フィルタを自動的に製造することができることが証明された。しかしながら、生産堆積システムとして使用を阻害するこのシステムに対するいくつかの制限、すなわち、低堆積速度、およびいくぶん制限される厚さの均一性がある。いくつかのフィルタの設計は、堆積するのに２１時間かかる。よって、堆積速度を非常に増大すると同時に厚さの均一性を増加することが非常に有利である。
【００１９】
近年、０．７ｎｍ／ｓ台の速度でフィルムを堆積することができる高速スパッタ源が利用できるようになった。都合のよくないことに、このようなスパッタ源を使用するとき、フィルムの厚さを必要な程度の精度で決定することができないことが分かった。その結果、低速で作動するＡＤＳシステムは、低速ではよく作動するが、市販される速度では自動的に複合的なフィルムを堆積するために使用することができない。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、比較的高速で作動することができる自動堆積システムを提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明の１つの側面によれば、堆積室で層の少なくとも一部を高速の反応性堆積で順に堆積し、前記堆積層の光学的な測定を行うことによって層の堆積中に１回またはそれ以上の回数で堆積層の厚さを決定し、堆積層のモデルから得られた理論的な値を前記測定から得られた対応する実際の値に適合し、堆積層の均質性を保証するために処理変数を制御して前記理論的モデルから有効な厚さの決定を行う少なくとも２つの材料のタイプの複数層から成る複合的な複数層コーティングを基板上に堆積する堆積方法が提供される。
【００２２】
例えば、測定される光学的な測定の特性は、１つまたはそれ以上の波長の透過率、屈折率または偏光解析値である。理論的な値は、モデルの計算されたデータを測定データに適合するために理論的なモデルに堆積層の１つまたはそれ以上の層を調節することによって得ることができる。
【００２３】
堆積速度を増大するために、二つのａｃ−マグネトロン源を使用する。これらのマグネトロン源によって０．７ｎｍ／秒台の高速を得ることができる。この仕様において、高速は、通常、０．５ｎｍ／ｓ台以上の堆積速度を言い、低速は、０．１ｎｍ／ｓ台の堆積速度を言う。しかしながら、上述したように高速源が使用されるとき、堆積層の厚さを正確に決定することができないことが分かった。
【００２４】
発明者は、これが、高速源を使用するときの堆積される非均一な性質によるものであることを知得した。この性質は、堆積電力が変化したとき、処理変数がうまく制御されないことによって化学量論的な喪失から生じるものである。例えば、Ｎｂ₂Ｏ₅の反応性スパッタ堆積の場合、層は、酸素およびアルゴンが存在するスパッタリング室のニオビウム（Ｎｂ）ターゲットを射突することによって正規に堆積される。ＮｂおよびＯの原子は、ターゲット面から放出され、基板の表面で化合してＮｂ₂Ｏ₅を生成する。さらに、プラズマからの酸素原子は、基板の表面で成長するフィルムと相互に作用する。また酸素は、室の壁に堆積した余分のニオビウムによって取り除かれる。もし、Ｎｂ標的に適用される電力が変化する場合には、これは、Ｎｂ原子の堆積速度を変化させ、これは、酸素のゲタリングに非常に影響を与える。これは、もし酸素流が一定に維持される場合には、室内の酸素の低圧および高圧の部分圧を生じる。もし堆積電力が変化し、一定の酸素部分圧を維持するために酸素流を迅速に調整しないならば、成長フィルムの化学量論に影響を与える。低電力である間に、流速の調整を十分に迅速に調整することができるが、これは高電力では真実ではない。これは厚さ方向に堆積フィルムの異質性を生じる。同種のフィルムが堆積されることが仮定されるので、これらの異質性は、ＡＤＳ厚さ決定アルゴリズムに影響を与える。
【００２５】
好ましい実施例において、フィルムの同質性は、ガスの一定の部分圧を維持するように反応ガス、通常酸素の流量を変化することによって達成される。
【００２６】
最初に高速で層を堆積し、測定された透過率と、層が同質であるという仮定の下に計算された透過率とを比較することによって透過率測定値から厚さを決定することが好ましい。次に残りの厚さが低速で堆積される。通常、所望の層の厚さの９５−９７％が高速で堆積される。もし、厚さの測定値が、適当な厚さを越えていることを示すならば、残りの層について補償調整が行われる。
【００２７】
他の側面によれば、本発明は、堆積処理を監視し、リアルタイムで少なくとも１つの処理変数を制御しながら、反応性堆積室で前記層を順に堆積して可変電力設定を可能にし、各層に所望の特徴を与え、同じ電力設定の同じ材料のタイプの前の層の堆積の最終段階の最後の処理変数の値に合致するようにその材料のタイプの第１の層を除いて各層の堆積の始めの少なくとも１つの処理変数を設定する少なくとも２つの材料のタイプの複数層から成る複合的な複数層のコーティングを基板上に堆積する堆積方法を提供する。
【００２８】
上述した処理変数は、通常、反応性ガス、例えば酸素の流量である。
【００２９】
さらに本発明は、反応性堆積によって堆積される少なくとも２つの材料源を有する堆積室と、前記堆積層の光学的な特性を測定する前記室内の測定装置と、堆積層のモデルから得られた理論的な値を前記光学的な特性の測定から得られた対応する実際の値に適合する装置と、前記有効な厚さの決定が前記理論的なモデルから行われるように堆積層の均質性を保証するために連続的に処理変数を制御する装置とを有する少なくとも２つの材料のタイプの複数層から成る複合的な複数層のコーティングを基板上に堆積する装置を提供する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を添付図面を参照してさらに詳細に説明する。
【００３１】
図１に示すように、円筒形スパッタリング室は、クライオポンプ２と、２つのスパッタ源３と、基板５を支持するケージ４とを有する。このケージ４は、ステップモータ６を有する垂直軸線の周りで回転することができる。
【００３２】
基板５は、２つの垂直方向の、金属または半導体ターゲットの前方に配置される。酸素の層を得るために、マグネトロン源は、Ａｒおよび酸素ガスで充填された室内で作動される。
【００３３】
また室は、光源６を有し、基板が光ビーム８内にあるようにケージを回転することによって光透過率の測定を行うことができるように光源６の反対側に格子およびＰＤＡ（フォトダイオード配列）７がある。光モニタシステムは、４００乃至８００ｎｍスペクトル領域で基板の透過率を測定することができる。入口９は、アルゴンおよび酸素混合物を入れ、圧力センサ１０は、正規には約３ｍトールである室内の全体圧を測定する。
【００３４】
スパッタ源３は、４０ｋＨｚ、１０ｋＷアドバンスエネルギー電力供給源に接続された２つのデュアルＡＣマグネトロン源（〜８×４０ｃｍ）から成る。２つのデュアルＡＣマグネトロン源および室は、日本の東京のシンクロン社によって製造されている。このシステムは、ブルックオートメーション（カナダ）によって製造されたＴｅｃｗａｒｅ＋コントローラである処理コントロールコンピュータ１２によって制御される。他のコンピュータ１３は複合的な複数層のシステムの堆積用のリアルタイム処理コントロールアルゴリズムでプログラムを実行する。この光学モニタは、HamamatsuPMA-50 の光学モニタである。
【００３５】
基本的な制御システムは第２図に示される。このシステムは、一方がプロセス制御、他方が厚さ決定処理用の２つのコンピュータ１２，１３を使用するが、それは２つの処理のために共通のコンピュータを使用することができる。それはこの技術分野の当業者によって理解されるであろう。各コンピュータは、各メモリ１６，１７と関連する。
【００３６】
コンピュータ１２は、厚さ決定コンピュータ１３および圧力センサ１０からの入力を受け、室内の全圧を測定する。これは酸素の部分圧に比例する。なぜならば、アルゴンは十分には変化しないからである。コンピュータ１２は、制御ユニット１１で酸素流量を変化させることによって、酸素の部分圧を維持する。コンピュータ１２は電力制御ユニット１４で源３に適用される電力水準を制御することによって堆積速度を制御する。
【００３７】
堆積が始まる前に、所望のフィルタ構成がコンピュータ１３にダウンロードされる。基板が堆積室に配置され、ＡＤＳの圧力が自動的に低下され、それは、所定の時間すなわち、ベース圧力が承認できる水準に達するまで待機する。この時点で、室内でプラズマが点火され、スパッタリングターゲットが予めクリーンにされる。堆積システムが準備されたとき、コントローラは、薄いプログラムからの第１の層に関する情報を要求する。
【００３８】
図３に示すように、プログラムは、まず現在の層を細別し、次に所望の厚さおよび層（Ｂ）の処理名と共に現在の層の材料名を送る。コントローラは、特定の層の堆積のスパッタリング時間を計算し、堆積パラメータを変更した後、所望の時間適当なターゲットに基板を回転する。層を高速、すなわち、通常は０．７ｎｍ／秒で堆積した後、コントローラは、薄いフィルムプログラムを実行し、これは、３８０乃至８６０ｎｍのスペクトル領域上で基板の広帯域光学モニタ透過率測定を開始する（Ｄ）。
【００３９】
薄いフィルムプログラムは、このデータを使用し、計算された透過率データと最もよい適合を見つけることによって堆積される実際の層の厚さを決定する（Ｅ）。これは、測定データと最良の合致が得られるまで、理論的なモデルで層の厚さを調整することによって達成される。
【００４０】
もし、堆積による厚さが十分ではない場合には（Ｆ）、ステップ（Ｂ）乃至（Ｅ）は、厚さが所望の厚さの特定の公差内になるまで、低速で通常０．１ｎｍ／ｓで繰り返される。堆積された厚さが厚すぎるとき、または予測されるフィルタ性能が承認できない場合には、次の層が堆積される前に（Ｈ）、残りの層の厚さを最適化することができる（Ｇ）。この処理は、すべての層が堆積されるまで繰り返される。しばしば、堆積中に再最適化は必要ではなくなる。なぜならば、層の厚さの制御は、１ｎｍ以内またはそれ以上に正確に行われるからである。
【００４１】
反応性スパッタリングにおいて、（酸素または窒素のような）反応性ガスは、アルゴンと共に堆積室内に導入される。ガス流が十分に早いときに、誘電（絶縁）層がターゲット表面に形成される。この方法は、ポイソンターゲットモード・スパッタリングとして知られており、それは、ほとんどまたは全く吸収のない最良の品質を生じる。正のＡｒイオンは、基板をコートする金属および酸素原子の双方を放出する。さらに、プラズマ内の酸素原子は、基板上の成長絶縁フィルムと反応する。ＤＣ電圧がターゲットに適用されるとき、絶縁層はすぐに充電され、プラズマが消え、スパッタリングが停止する。これを避けるために、ＡＣ電圧のｒｆがターゲットに適用される。これによって、ターゲット上に負の電圧が維持され、スパッタリング処理が維持される。
【００４２】
反応性マグネトロンスパッタリングによって生じたフィルムが正しい組成分（化学量論的に）を有することが重要である。室内の酸素（反応性）ガス金属ターゲットからの酸素層の堆積を考慮する。もし、室内の酸素があまりにも多い場合、または余りにも少ない場合には、フィルムの屈折率が変化することが経験的に分かっている。また、化学量論的な欠如は、フィルムの吸収の増大につながる。例えば、その圧力以下で金属フィルムの近くでカバーされない金属モードでスパッタリングが起こる、酸素の部分圧がある（図４参照）。この酸素の部分圧以上で、ターゲット表面は、一部または全体が酸化され、ほとんどまたは全く吸収のない酸化フィルムを生じる。この理由によって、通常、動作酸素部分圧は、この遷移酸素部分圧以上の安全値になるように選択される。
【００４３】
反応性スパッタリング処理の間に、アルゴン流が一定であると仮定すれば、酸素流は、室内でアルゴンおよび酸素の一定の全体圧を維持するように調節される。スパッタリングが生じるようにマグネトロンターゲットに十分に高い電力が加えられる。基板上におよび室の壁に堆積された金属は、室内の酸素ガスと反応し、化合物を生成する。その結果、第１の室内の自由酸素の量は、減少する。（酸素の選択的な供給と同様のこの処理は、“ゲッタリング”として知られている。）しかしながら、この方法は、アルゴンの流れを一定に維持しながら、アルゴンおよび酸素の全体の一定圧を維持するので、酸素の流れは増加する。やがて、安定した状態が再び確立される。この安定した状態を得るために必要な時間は、マグネトロンに加えられる電力量および酸素流を制御するＰＩＤパラメータに依存する。
【００４４】
図５の概略図から分かるように、低電力において、酸素流量は小さく、薄いフィルムの堆積に必要な時間に回復が迅速で酸素流は比較的に安定している。高電力スパッタリングの間に、ゲッタリングは非常に大きく、所定のフィルムの厚さを堆積するために必要な時間は、低速の堆積に比較してさらに短い。その結果、酸素流量は、層の形成の間に非常に顕著に変化する。酸素流量の変化は、酸素の部分圧の変化を生じる（図６）。これは、層内の屈折率の変化を生じる。図７の概略図は、低速で堆積される大部分のフィルム上で屈折率が一定であることを示す。しかしながら、高速において、ガス使用法を使用することによって、コーティングの屈折率は、コーティングにわたって変化する。室内の酸素部分圧の変化は、ガススキャッタリングを通るフィルムの品質に大きな影響を与える。これは、フィルムの微小構造および屈折率に影響を与える。これらの影響は、層の低速の堆積において余り重要ではないが、高速の堆積において屈折率の異質性によっていくつかの問題を生じる。
【００４５】
低速では、同じ材料の各層の堆積において同じ最初の（固定）酸素ガスを割り当てながら、一定の全体のガス圧およびアルゴンの一定流を維持することができる。電力が変化するときに、フィルムの吸収を避けるために、最初の固定値は、安定した状態のスパッタリングの間に必要とされるもの以上の過剰な酸素流を提供する。よって酸素流は、この場合において低下する。ガス制御アルゴリズムは、ガス圧全体を一定に維持するために酸素ガス流を自動的に調整する。ＰＩＤ酸素流制御パラメータは、全体のガス圧の変化を避けるために選択される。このアルゴリズムは、堆積電力が変化したとき、または、ガス送り速度がゆっくりと変化する場合に、自動的に酸素ガス流を調整する。上述した方法は低速では満足のゆくものであるが、高速では全く不適当である。
【００４６】
図８は、大きな定数の動力がニオビウムの高速のａｃマグネトロンの源に加えられた後に、時間の関数として、経験的に測定された酸素流を示す。旧式のガス制御方法は、４つの別になったＮｂ₂Ｏ₅を堆積するために使用される。（Ｎｂ₂Ｏ₅層の間においては、ＳｉＯ₂層も堆積される。）同じ最初の酸素流量が各層の始めに使用される。この量は、吸収問題を避けるために十分に高い。酸素流は、全体のアルゴンおよび酸素圧を一定に維持するために調整される。酸素圧において大きな低下があることが分かる。供給速度における変動は酸素圧が４つの層において安定化される異なる水準に要因がある。
【００４７】
図９は、酸素流の変化から生じる対応するニオビウムターゲット電圧を示す。ターゲット電圧は、堆積状態が安定位置するとき、およびフィルムの屈折率が一定であるとき、良好に指示される。これらの曲線の間の合意はさらによいが、各層の堆積の始めにおいては大きい変化がある。４つの層が著しい屈折率の非均質性を有することは確かである。
【００４８】
層の屈折率の非均質性は、厚さ制御方法の精度に大きな影響を与える。ＡＤＳに複合的な複数層フィルタを堆積する上で重要な点は、透過率の値に基づいて層の厚さを正確に決定することである。厚さを決定する本方法は、すべての層が均質であるモデルを仮定する。このモデルは、もし、層の屈折率に非均質性がある場合には、もはや、有効ではない。非均質性を計算に入れるためにモデルを変形することは実際的ではない。これは、分析を非常に複雑にし、これらの非均質性が層によって、またプログラムの実行によって変化するという事実において使用することを可能にするためには非常に複雑なモデルを使用しなければならない。また、大きな非均質性の存在が無視される場合には、その後、厚さを決定するソフトウエアが正しくない厚さに対応するように起動される。これが起こると、所望のフィルタを正確に堆積することは全く不可能になる。
【００４９】
図１０はこの一例を示す。図１０は、Ｎｂ₂Ｏ₅およびＳｉＯ₂に基づいて、上述したガス制御アルゴリズムで図３に概略的に示された処理制御を使用して高速ａｃマグネトロンスパッタリングによって生じた３つの３５層の２つのピーク干渉フィルタの測定された透過率曲線を示す。このフィルタの屈折率プロフィールを図１１に示す。所望の層の厚さの最初の９５−９７％が高速で堆積されるが（これは市販されている装置のために必要である。）、残りの３−５％は、所望の全体層の厚さを正確に得るために低速で堆積される。動作において繰り返し性がよくないことおよびフィルタが、通常有すると仮定される矩形のバンドパス形状を有しないことに留意すべきである。これらの問題は、システム内の個々の層の屈折率の非均質性から生じる厚さ決定の問題に直接影響する場合がある。
【００５０】
この問題をなくする上で重要な要因は、再び安定化する時間、従って、低速および高速の反応性スパッタリングの双方によって堆積された層の非均質性を低減することである。最初のガス流は、低電力および高電力設定の双方によって各層の同じ（固定された）最初の酸素ガスによるよりも、同じ電力条件の下で堆積された最後の層において同じターゲットの酸素ガス流に基づいている。すなわち、もし酸素ガス流が高速で堆積されたＮｂ₂Ｏ₅の最後の近傍で１０．０ｓｃｃｍである場合には、同じ高速でのＮｂ₂Ｏ₅の次の堆積における最初の酸素ガス流は、１０．０ｓｃｃｍの値に指定される。これにより、さらに迅速に安定化することができ、フィルムに存在する非均質性を低減する。
【００５１】
図１２は、層の堆積方法を表すフローチャートである。図３に示す反応性ｒｆスパッタ堆積方法のプロセス制御のフローチャートのステップＢ−Ｅは、図１３に示されるステップと置換することができる。層と処理（高速、低速）情報が与えられ（Ａ）、プロセスコントローラが同じ処理条件、すなわち、同じ電力水準でスパッタ処理される同じ材料の前の堆積の最後の酸素流量を検索する（Ｂ）。層が堆積され（Ｃ）、層の堆積が終結する直前の酸素流量が同じ材料の次の層が堆積する間に記憶される（Ｄ）。層のシステムの透過率は広帯域の光学モニタで測定され（Ｅ）、層の厚さが決定される（Ｆ）。
【００５２】
プロセス制御を組み込んだ完全なフローチャートは、図１３に示される。各コーティング材料ａ，ｂ，ｃの異なるブランチがあり、ボックス（Ｄ）および（Ｅ）が各高速および低速の堆積に対応する。これらのボックスの各々は、図１２に示すステップのすべてから成り、それらは、流量が異なり、従って、メモリ１６の異なる場所に記憶され、検索される。
【００５３】
新しいガスプロセス制御法が適用される時間を除いて上述した実験が繰り返される。図１４は、５つの異なるＮｂ₂Ｏ₅の反応性堆積の間にａｃマグネトロン源に一定の高電力が加えられた後、時間の関数として示された酸素流を示す。（Ｎｂ₂Ｏ₅の間に、ＳｉＯ₂層が堆積された。）このとき、同じ高電力で堆積された各Ｎｂ₂Ｏ₅の最初の酸素流量は、同じ高電力で堆積された最後の各Ｎｂ₂Ｏ₅の堆積の最後の流量の値に等しく設定される。繰り返すと、アルゴン流は、一定であり、酸素流は、全体の圧力（Ａｒ＋Ｏ₂）を一定に維持されるように調整される。酸素流はこの新しいガス圧力制御によって迅速に安定化されることがこの図面から分かる。図１５は、図１４に示す酸素流の変化から生じる、時間による経験的に測定されたターゲット電圧の変化を示す。またターゲット電圧は、非常に迅速に安定化され、さらに繰り返し可能であることを示すことが分かる。ターゲット電圧は、堆積状態が安定しているとき、よって堆積層の屈折率が一定であるとき、良好に示されている。
【００５４】
図１６は、図１２および図１３に概略的に示されたプロセス制御システムを使用して５つの別の堆積動作においてつくられる、経験的に測定された２つのピークの干渉フィルタの透過率の曲線を示す。フィルタの形状がすぐれており、非常に良好な作動上の再現性があることが分かる。ピークの位置は設計波長の仕様の０．２ｎｍ以内である。図１７で分かるように、対象となるスペクトルの範囲が４２０と５８０ｎｍの間にのみある場合であっても、４００乃至９００ｎｍの空間的な範囲上では非常に良好である。前述したＡＤＳの厚さ制御アルゴリズム、高速ａｃマグネトロン堆積源および新しいＡＤＳガスプロセス制御は、前にかかった時間の１／５乃至１／１０で複合的なフィルタの自動的な有効な堆積を可能にする。これは、本ＡＤＳシステムを市販することを可能にする。
【００５５】
Ｎｂ₂Ｏ₅，ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃およびＺｒＯ₂を含む材料の数がこのシステム上で堆積される。特に、Ｎｂ₂Ｏ₅，ＳｉＯ₂の速度は、〜０．７ｎｍ／ｓであった。これは、堆積するのに２１時間かかったものがわずか堆積に３時間かかるフィルタを意味する。静止した基板において、厚さの均質性は、７０×７０ｍｍの面積で±２．５％および１１０×１４０ｍｍの面積で±２．５％である。他の一連のフィルタ構成は、前のｒｆシステムの反復性と合致する作動上の良好な反復性を示すように堆積される。
【００５６】
１つのこのような代表的なフィルタはエッジフィルタである。この５８層のコーティングの屈折率のプロフィールを図２０に示す。同じ波長でエッジフィルタを正確に配置するために、５つの分離した配置作業が実行され、フィルタの正規の入射透過率の値が図１８に示されている。前述したシステムは、すぐれた再現性を有することがこの図面から明らかである。ＡＤＳ−Ｉの精度は、エッジ波長が５つの堆積作業上で０．３ｎｍ以上は変化しないことを示す図９に示されている。
【００５７】
上述した結果によって、要求仕様に合致するために複合的なフィルタを構成することが可能なだけではなく、それらを実際に自動的に、ルーチンベースで製造することが可能であることを確認することができる。さらに、高速の堆積および良好な厚さの均質性でこれらのコーティングをつくることが可能である。薄いフィルムの設計における進歩および製造技術における進歩によって、作業者が詳細なフィルタ使用をフィルタを自動的に設計し製造するシステムに入れることができる薄いフィルム設計および堆積装置を有することが近い将来に可能になる。
【００５８】
本発明をスパッタリングに関して説明したが、反応性イオンスパッタリング、反応性イオンめっき、またはイオン補助堆積のような他の形態の反応性堆積にも適用できることは理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】高速の堆積を行うことができるスパッタリングシステムの概略図である。
【図２】制御システムのブロック図である。
【図３】本発明に適用することができる処理制御システムを示すフローチャートである。
【図４】Ｎｂ₂Ｏ₅の層の酸素部分圧の関数として屈折率の変数を示す。
【図５】低速および高速の堆積の時間の関数として酸素流を示すグラフである。
【図６】低または高電力をマグネトロン源に適用した後、時間の関数としての酸素の部分圧を示す。
【図７】高電力および低電力で堆積された層の屈折率の異質性を示すグラフである。
【図８】連続的なＮｂ₂Ｏ₅層を堆積したとき、各層の時間の関数として酸素ガス流量を示すグラフである。
【図９】連続的なＮｂ₂Ｏ₅層を堆積したとき、各層の時間の関数としてのターゲット電圧を示すグラフである。
【図１０】同じ電力水準で前の層の最終工程の最後の値に堆積の始めの酸素流量を設定することなくつくられた２つのピークの干渉フィルタの透過率曲線を示すグラフである。
【図１１】図１０の２つのピークの３５層の干渉フィルタの屈折率プロフィールを示すグラフである。
【図１２】高電力および低電力で使用するのに適した本発明の二段階の堆積方法の一部を示すフローチャートである。
【図１３】完全な二段階の堆積方法を示すフローチャートである。
【図１４】同じ電力水準で前の層の最終工程の最後の値に堆積の始めの酸素流量を設定することによって堆積されるいくつかの層において時間の関数としての酸素流量を示すグラフである。
【図１５】第１４図によってつくられたシステムのいくつかの層において時間の関数としてターゲットの電圧を示す。
【図１６】本発明の方法によってつくられる２つのピークの干渉フィルタの透過率を示すグラフである。
【図１７】ボーダスペクトル領域の第１６図の２つのピーク干渉フィルタの透過率を示すグラフである。
【図１８】本発明によって製造された複数層のエッジフィルタの５つの異なる作動の繰り返しテストの結果を示すグラフである。
【図１９】本発明によって製造された複数層のエッジフィルタの５つの異なる作動の繰り返しテストの結果を示すグラフである。
【図２０】図１８に示したエッジフィルタの屈折率を示す図である。
【符号の説明】
１真空室
２クライオポンプ
３スパッタ源
４ケージ
５支持基板
６ステップモータ
７ＰＤＡ
８光ビーム
９入口
１０圧力センサ
１１酸素流制御
１２プロセス制御コンピュータ
１６，１７メモリ

Claims

少なくとも２つの材料の複数層から成る複合的な複数層のコーティングを基板上にスパッタリングにより堆積する堆積方法であって、
蓄積された堆積層を形成すべく、堆積室において、反応性ガスの存在下の反応性スパッタリング処理によって、層を順に堆積させ、ここで、前記各層の少なくとも最初の部分は、０．５ｎｍ／ｓ以上で堆積させるステップ、
複数の波長に亘って光学的な測定を行うとともに、前記蓄積された堆積層の理論モデルから得られる前記各測定のための理論値を、前記測定から得られた対応する測定値に適合させることによって、各層の堆積中に１回またはそれ以上の回数で堆積層の厚さを導出するステップ、
現在堆積中の層について導出された厚さが、当該現在の層についての目標の厚さに対応しているかどうか決定し、
− もし対応していれば、次の後続の層へと進み、
− 対応していなければ、前記現在の層で用いられている前記０．５ｎｍ／ｓよりも低速で残りの任意の厚さの堆積を続け、その際、化学量論的組成を維持すべく、前記反応性ガスの分圧を一定値に安定させるように、各堆積層を形成する際に前記反応性ガスの流量を絶えず制御することにより、前記理論モデルから有効な厚さ決定ができるように、同じ材料からなる各堆積層の全体を通じて厚さ寸法における屈折率が実質的に均一になることを保証するようにするステップ、
各堆積ステップについて、前記０．５ｎｍ／ｓ以上の速度の堆積の終了時に、前記反応性ガスの流量を記憶最終値として記憶するステップ、及び
各材料からなる後続の各堆積層について、反応性ガスの最初の流量を、同じ材料からなる先行する堆積層についての前記記憶最終値に設定することにより、前記後続の各堆積層についての再安定化の時間を短縮するようにするステップ、
を備えることを特徴とする堆積方法。
前記光学的な測定は、透過率測定である請求項１に記載の方法。
前記反応性ガスの流量は、各層の堆積の進行に従って全体の圧力がほぼ一定に維持されるように制御される請求項１に記載の方法。
前記反応性ガス成分は、酸素である請求項２に記載の方法。
前記材料の少なくとも１つは、Ｎｂ２Ｏ５である請求項１に記載の方法。
前記材料の少なくとも１つは、ＳｉＯ２である請求項１に記載の方法。