JP4327440B2 - 誘電体多層膜の製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学薄膜を主用途とし、その形成に際して高精度の膜厚制御を行い得る誘電体多層膜の製造装置に関する。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では、稠密波長多重通信（ＤＷＤＭ）システムにおいて合分波器などのデバイス用光学薄膜の多層化傾向が顕著であり、これに伴い、このような多層構造の光学薄膜の製造に際して、その各構成層の光学膜厚を高精度に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、原理的に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、制御対象の所望の波長と若干異なるモニタ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。この種の装置として、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するものがある。（例えば、特許文献１）。
【０００６】
これに対し、例えば、特許文献２に示す装置は、所望のモニタ波長をそのまま用いて従来の単色測光法を追求するものである。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する。このとき、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必要がある場合は、これを基準時点として成膜停止のタイミングを決定している。
【０００７】
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ＤＷＤＭシステム用デバイス（例えば、バンドパスフィルタ、以下ＢＰＦとも言う。）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、ＢＰＦ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、多層構造の光学薄膜に対しては、製品基板上に積層形成される多数の交互層そのものをモニタする直接監視法により膜厚制御を行うことが多い。図１は、直接監視法による膜厚制御装置の一例を示す。図１（ａ）に示す真空チャンバ１内に、電子銃２とイオンガン３とがともに回転基板４に対向して並置されており、さらに、チャンバ１外の投光器５が回転基板４の対向位置に配置されており、投光器５から回転基板４の回転軸４ａに照射される光が下部光導入窓６と上部光導入窓７とを介してチャンバ１外の受光器８で受光される。本装置で膜厚制御を行うに際しては、まず、駆動モ−タ９の駆動により製品基板４を回転させ、次に、投光器５から下部光導入窓６を介して、１本の監視用単色光光束を回転軸４ａに沿って通過させる。この状態でシャッタ２ａを開放して電子銃２により製品基板４上に蒸着膜形成を行う。このとき、干渉による光強度変化が下部光導入窓６と上部光導入窓７とを介して受光器８で観測される。さらに、この光強度変化に基づき蒸着膜形成時の膜厚を制御し、即ち、例えば特許文献１や特許文献２で示す膜厚制御法により成膜停止時点を決定し、シャッタ２ａにより電子銃２による成膜を遮断することにより膜厚成長を終了させる。このようにして、製品基板中心付近で良好な分光特性を有する誘電体多層膜が生産される。
【０００９】
ところが、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。この影響は、特に、高屈折率のλ／４膜と低屈折率のλ／４膜からなる交互層を連続的に多数積層して形成される狭帯域ＢＰＦにおいて深刻である。さらに、この交互層が多層になるほど、膜厚成長とともに変化する透過光量変化曲線が、そのピ−ク及びボトム近傍で二次回帰関数から乖離して精度の高い膜厚制御が困難になる。図２は、このような二次回帰関数の乖離を示すものであり、透過光量が低下するとき（低屈折率層Ｌ上の高屈折率層Ｈが最新表面層となる場合）と増大するとき（高屈折率層Ｈ上の高屈折率層Ｈが最新表面層となる場合）とで、二次関数回帰したときに予測されるピ−ク／ボトム位置は大きく異なって誤差がばらつく。これにより、成膜停止時点は、透過光量が低下するときは早く予測され、透過光量が増大するときは遅く予測される。
【００１０】
さらに、今日の光通信市場においては、例えば、ＤＷＤＭシステムの合分波器に用いられる狭帯域ＢＰＦは、４、８、１６・・・１２８種類という具合に、ＩＴＵ−Ｔ（国際通信連合電気通信標準化セクタ）で決められた波長ごとに多種類の中心波長に対応したＢＰＦのセット搭載が要求される。このため、多種類の中心波長を持つフィルタを同時にかつ多量に製造することが要望されている。
【００１１】
ところが、図１に示す多層膜製造装置では、監視用単色光光束を回転中心軸のみに沿って通過させるため、直接監視法が有効であるのは図１（ｂ）において１１で示す中心領域部分のみであり、１１で示す中心から離れた基板領域から得られる光学薄膜製品は、蒸発分布揺らぎ、製品基板と蒸発源との相対距離差、あるいは製品基板面の温度不均一などにより、波長特性の差異などが生じて直接監視法のモニタ波長に対応する良好な特性を示すことにならない。
【００１２】
そこで、監視用単色光光束の照射通過位置を、回転中心軸ではなく回転基板領域内の同心円位置に変更して、この円周上に帯状に形成される環状領域を直接監視法の有効部分とすることも行われるが、このようにしても有効部分面積に多少の改善が得られるに過ぎない。その一方で、直接監視法による監視用単色光光束の通過領域では、仮に最新表面層の直前層の制御精度が悪くてもその次の最新層の成膜停止時点をピ−ク及びボトムで正確に制御することが出来れば、自然と誤差が補正されるので誤差が緩和される。それゆえ、良好な光学薄膜製品を得るには監視領域部分の有利さが際立っており、この領域を拡大することが重要である。
【００１３】
この種の拡大監視領域を備える誘電体多層膜製造装置として本発明者らによる特許文献３のものがある。このものは、高速回転する基板上に多点の監視ポイントを設け、そこに同一波長の監視用単色光光束を通過させて成膜停止時点を予測制御し、可動自在なシャッタと連動させる。そして、多点に設けた監視ポイントに対応して拡大された監視領域のすべてから良好な光学薄膜製品を得られる。しかしながら、この装置では１種類の波長特性を有する誘電体多層膜の量産はできるが、多種類のモニタ波長に対応した光学薄膜製品が得られないという不利は解消されないままである。また、基板の半径方向に一様に増加または減少するような膜厚分布を作り出してしまう、という難しさが残る。
【００１４】
【特許文献１】
特開昭５８−１４０６０５号公報（第２〜３頁、第１図）
【特許文献２】
特開昭６３−２８８６２号公報（第２〜６頁、第１、２図）
【特許文献３】
特願２００２−０８３２６０号明細書（図１）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑み、高精度の膜厚制御を行うことができ、また、所望の多種類のモニタ波長での直接監視法を用いることを可能とした量産化対応の誘電体多層膜製造装置を提供することを課題としている。そして、この誘電体多層膜は、とりわけ、狭帯域ＢＰＦ用途に堪え得ることを想定している。
【００１６】
【課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、ともに回転基板に対向させて並設した成膜源と反応源とを備える真空室内で誘電体多層膜を製造する装置において、前記回転基板上に成膜される誘電体多層膜の成膜速度を規制するための開口部を有する成膜速度規制部材と、前記回転基板上に成膜される誘電体多層膜の膜厚を補正するため、前記回転基板の回転時に回転基板の半径に沿った複数の監視点のそれぞれの軌跡による各同心円の円周に沿って円弧帯状に形成された開口領域をおのおの独立に開閉する分割シャッタとを、前記回転基板と前記成膜源との間に設けると共に、前記回転基板の半径に沿った複数の監視点を通過する監視用単色光の強度を計測する光強度計測手段を設け、１種類以上の波長から成る監視用単色光光束のそれぞれが前記監視点を通過する際に、前記光強度計測手段により計測される光強度変化に応じて、前記分割シャッタを前記円弧帯状の開口領域に独立して出し入れすることにより開閉するための制御系を備えるものとした。
【００１７】
これによれば、基板上に形成される誘電体多層膜の最新表面層膜の膜厚増加に対応して変化する光強度を光強度計測手段により検出し、これに応じて膜厚補正部材の開口部を可動することにより、誘電体多層膜の膜厚増加を補正できる。即ち、高い精度で誘電体多層膜の最新表面層膜の膜厚制御を行うことができる。また、この際に、１種類以上の波長の単色光を監視用光束として用いているため、多種類のモニタ波長に対応した直接監視法により膜厚制御を行って誘電体多層膜を製造することができる。
【００１８】
そして、膜厚補正部材の可動開口部として、回転基板の回転時に監視点のそれぞれの軌跡が描く各同心円の円周に沿って、円弧帯状に形成される開口領域のそれぞれを独立に開閉する分割シャッタを用いる。
【００１９】
これにより、監視点での通過の際の異なる波長種類の単色光ごとに上記円弧帯状に形成される同質の誘電体多層膜に対して、同一条件で成膜の遮断を行うことができる。したがって、円弧帯状の各監視領域で得られる高品質誘電体多層膜の多品種量産が可能となる。
【００２０】
さらに、誘電体多層膜製造装置の制御系により、まず、回転基板上の誘電体多層膜の成膜期間に亘って、１種類以上の波長から成る監視用単色光光束を複数の監視点のそれぞれに通過させる際に、光強度計測手段により計測される光強度変化を誘電体多層膜の透過率変化として測定すると共に、この透過率の逆数を逆透過率として算出する。
【００２１】
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、
【００２２】
【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｝sin2θ］ ・・・（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。
【００２３】
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。
【００２４】
さらに、光学膜厚の増加に要する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、
１／Ｔ＝(１+Ｙ)2／４Ｙ+{(Ｙ／Ｎ+Ｎ)2−(１+Ｙ)2}sin2θ／４Ｙ ・・・（６）
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 ・・・（７）
Ｔ90＝４Ｙ／（Ｙ／Ｎ＋Ｎ）2 ・・・（８）
として表される。
【００２５】
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 ・・・（９）
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。
【００２６】
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、（９）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最新表面層膜の膜厚到達予測時間として、二次回帰関数上の極大点または極小点に対応する成長時間を用いることができる。そして、この膜厚到達予測時間に表面層膜に対する成膜を停止する。この際、相関の良好な二次回帰関数によるピーク制御をおこなうため、単色光の波長の１／４に相当する光学膜厚達成のための制御精度がさらに向上する。
【００２７】
この場合、表面層膜の光学膜厚は、上記のように（９）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成膜速度として算出し、この成膜速度により最新表面層膜が所定の光学膜厚に到達するために要する時間とすることができる。そして、これにより、所望の光学膜厚の膜厚制御が可能となる。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。
【００２８】
この際、上記の成膜源として、少なくとも２種類の異なる材質のスパッタターゲットを選択可能な状態で用いることにより、各ターゲット材質を選択して誘電体多層膜の各構成層の膜材料とすることができ、多層膜製造の利便性が向上する。
【００２９】
そして、スパッタターゲットの異なる材質種類として、Ｔａ金属とＳｉ金属とを用いることにより、例えば、ＢＰＦのような光学薄膜製品の高屈折率層材料として代表的なＴａ2Ｏ5などのタンタル化合物膜や、低屈折率層材料として代表的なＳｉＯ2膜などのシリコン化合物膜の製造が可能となる。
【００３０】
このとき、上記の反応源を、中性ラジカル反応ガスを放出するものとすることにより、表面層膜において上記したような化合物膜の生成時に基板温度の上昇が抑制される。この結果、光学膜厚の制御精度の低下も抑制される。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図３（ａ）は、本発明の誘電体多層膜製造装置の略断面図である。図３を参照して、真空チャンバ３１内に、成膜源たるスパッタターゲット部３２と反応源たるイオンガン部３３とがともに回転基板３４に対向して並置されている。さらに、チャンバ３１外の投光器３５が回転基板３４の上方位置に配置されており、８チャンネル投光器３５からの８本の平行単色光光束が上部光導入窓３６と回転基板３４と下部光導入窓３７とを介してチャンバ１外の８チャンネル受光器３８で受光される。
【００３２】
さらに、受光器３８で受光された８本の単色光光束は、図中点線で示す電気信号ラインを経由して８チャンネルプリアンプ３９、８チャンネルＡ／Ｄ変換器４０、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）４１を介してコンピュータ４２に接続されており、このコンピュータ４２において、所望膜厚の到達予測時間を算出すると共に、算出された予測時間を成膜停止時点として成膜停止を指示して膜厚制御を行う。
【００３３】
スパッタターゲット部３２は、回転機構４３により上下逆転可能に設けたＴａターゲット４４とＳｉターゲット４５とを備えており、各ターゲット４４、４５にはそれぞれ防着板４４ａ、４５ａが覆設されるとともに、各防着板４４ａ、４５ａで包囲される空間内に、スパッタガス導入管４６が貫入する構造となっている。さらに、各ターゲット４４、４５が上面位置にあるときに、固定開口４７を介して回転基板３４と対向する。また、イオンガン部３３は、反応ガス導入管４８が貫入して成るＥＣＲイオンガン４９により構成されている。
【００３４】
回転基板３４は、駆動モータ５０の駆動により回転され、回転基板３４と成膜源３２との間には、成膜速度規制部材たる可変開口５１ａ、５１ｂと、膜厚補正部材たる分割シャッタ５２〜５５が設けられている。
【００３５】
回転基板３４と成膜源３２との間の構成をさらに詳説すると、基板３４とこれに近接して設けられた分割シャッタ５２〜５５とは、図３（ｂ）に示すように、８本の監視用単色光光束の基板３４上通過点（監視点）５６ａ〜５６ｈのそれぞれの軌跡が描く各同心円の円周に沿って、円弧帯状に形成される開口領域のそれぞれを独立の駆動軸５２ａ、５３ａ、５４ａ、５５ａにより開閉するものとして構成する。
【００３６】
さらに、基板３４と分割シャッタ５２〜５５とを含む装置３１の上面図を図３（ｃ）として示す。図中、図外のスパッタターゲット４４、４５を最下位置として、その上方に固定開口４７を穿設した平板４７ａを配置し、次にその上方に可変開口５１ａ、５１ｂを配置し、さらにその上方に分割シャッタ５２〜５５を配置し、最後に回転基板３４を配置した構成である。上記中、固定開口４７は、製品基板３４への蒸発分布を整えて広い範囲で光学特性を得るためのものであり、固定及び可変開口のいずれでも良い。また、可変開口５１ａ、５１ｂは、成膜終点付近で膜厚を精密に制御するために成膜速度を減速させるためのものであり、スパッタターゲット４４、４５の出力調整による減速では即効性が得られず時間がかかり生産性が悪くため、これに替るものである。即ち、当初は高い成膜速度で成膜を行い、成膜終点に近づいた時点で可変開口５１ａ、５１ｂの開度を減少することにより、成膜速度を減速させ、膜厚成長を精密制御するのである。さらに、分割シャッタ５２〜５５は、監視用単色光光束の基板３４上の通過点５６ａ〜５６ｈ（図示せず）のそれぞれの軌跡が描く各同心円の円周に沿って、円弧帯状に形成される開口領域のそれぞれを、独立の駆動シャフト５２ａ、５３ａ、５４ａ、５５ａを介して出し入れすることにより開閉し、これにより、上記開口領域における成膜を遮断するためのものである。また、可変開口５１ａ、５１ｂの開度調整や分割シャッタ５２〜５５の開閉は、受光器３８に連なるコンピュータ４２の指示により装置外部から制御される。
【００３７】
図３（ａ）に示す誘電体多層膜製造装置で膜厚制御を行うに際しては、まず、図外の真空ポンプの作動によりチャンバ３１内を所定の圧力状態に到達させる。そして、駆動モ−タ５０の駆動により製品基板３４を回転させ、次に、投光器３５から上部光導入窓３６と回転基板３４と下部光導入窓３７とを介して、８本の監視用単色光光束を受光部３８に通過させる。このとき、８本の監視用単色光は、２チャンネルずつ同一モニタ波長の単色光として計４種類のモニタ波長を用いる設計とした。さらに、可変開口５１ａ、５１ｂを所定の開度に保ち、また、分割シャッタ５２〜５５を全開にし、回転基板３４とＴａターゲット４４またはＳｉターゲット４５との間を遮断せずに両者を対向させる。そして、ターゲット４４または４５の近傍にスパッタガス導入管４３を介してアルゴンガスを導入し、所定のカソード電力を投入してスパッタ成膜を開始する。その際に、反応ガス導入管４８より酸素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入しながらＥＣＲイオンガン４９から中性ラジカル酸素を発し、これにより、基板３４上に堆積するＴａまたはＳｉから成る金属種の酸化反応を行う。
さらに、Ｔａターゲット４４とＳｉターゲット４５とを選択的に作動させることにより、製品基板３４上に高屈折率層のＴａ2Ｏ5膜と、低屈折率層のＳｉＯ2膜とから成る交互多層膜が形成されるが、上記したように交互多層膜の各構成層の光学膜厚を高精度で制御することが重要である。このため、上記のターゲット４４または４５によるスパッタ成膜開始時点を膜厚増加に要する成長時間の始点とする。
【００３８】
そして、上記４種類のモニタ波長を２本ずつ割り当てて計８本の平行光束とした監視用単色光が回転基板３４を通過した後に受光器３８で受光される。その後、各単色光は８チャンネルプリアンプ３９で電圧信号に変換され、さらに、８チャンネルＡ／Ｄ変換器４０でデジタル数値信号とされ、ＤＳＰ４１に入力されて、式（５）に基づき成長時間を定義域とする二次関数に回帰演算される。
【００３９】
そして、この二次回帰関数の極大または極小に対応する成長時間を膜厚到達予測時間として、これを、各モニタ波長の監視領域の成膜停止時点として、コンピュータ４２の指示により分割シャッタ５２〜５５を閉じることにより、円弧帯状の該当監視領域の成膜が遮断される。
【００４０】
すべてのモニタ波長の監視領域での成膜が停止した後に、ターゲット部３２において、次の最新表面層膜積層のため、下面で待機していたターゲット４５または４４を上面に逆転させ、上記と同様にして次の成膜工程に備える。そして、このような工程を繰り返すことにより、それぞれの監視領域における積層が独立に終了する。
【００４１】
さらに、以下各[実施例]において、本発明の誘電体多層膜製造装置により得られる光学薄膜製品の光学膜厚の制御精度を検討する。
【００４２】
【実施例】
［実施例１］
図３の誘電体多層膜製造装置を用い、Ｔａ2Ｏ5膜を高屈折率層とし、ＳｉＯ2膜を低屈折率層とし、全構成層の光学膜厚がλ／４（λはモニタ波長）の整数倍である交互多層膜を積層形成して中帯域ＢＰＦを製作した。このときに用いるモニタ波長は、それぞれ１５５２．５２ｎｍ、１５５４．１２ｎｍ、１５５５．７２ｎｍ及び１５５７．３２ｎｍであり、光学薄膜設計は以下の通りである。
反射防止膜付きガラス製品基板（ＢＫ７）｜(HL)3L(HL)6L(HL)6L(HL)3｜空気
なお、屈折率の設計値は、低屈折率層において１．４４４、及び、高屈折率層において２．０８、製品基板（ＢＫ７）を１．５とした。
【００４３】
即ち、図３において、φ３００ｍｍの製品基板３４の外周縁から５ｍｍ内側の位置に監視用単色光通過路チャンネル１に対応する監視点を設定し、この監視点から回転円中心方向に１０ｍｍ間隔でチャンネル２〜８を設定した。
【００４４】
そして、図３の投光器３５に相当する波長可変レ−ザ−光源からの８本の単色光光束に対し、モニタ波長１５５２．５２ｎｍの単色光通過路としてチャンネル１及び２を割り当て、モニタ波長１５５４．１２ｎｍの単色光の光束路としてチャンネル３及び４を割り当て、モニタ波長１５５５．７２ｎｍの単色光の光束路としてチャンネル５及び６を割り当て、モニタ波長１５５７．３２ｎｍの単色光の光束路としてチャンネル７及び８を割り当てた。そして、受光部３８で受光されてＤＳＰ４１で計測される透過率を用いて、透過率曲線のピ−ク近傍で二次関数回帰を行い、各ピ−クに到達する到達予測時間を算出して成膜停止時点とした。この工程を繰り返した後の製品基板３４上の特性分布を図４に示す。図４に示すように、約１０ｍｍ程度の幅の環状帯領域５７〜６０においてそれぞれ同質の光学特性が分布することが分る。
【００４５】
また、図５は、チャンネル１〜８に対応する基板上監視領域の分光透過率特性であり、それぞれ中帯域ＢＰＦとして良好な光学製品が得られていることが分る。
【００４６】
［実施例２］
図３の誘電体多層膜製造装置を用い、Ｔａ2Ｏ5膜を高屈折率層とし、ＳｉＯ2膜を低屈折率層とし、全構成層の光学膜厚がλ／４（λはモニタ波長）の整数倍である交互多層膜を積層形成して狭帯域ＢＰＦを製作した。このときに用いるモニタ波長は、それぞれ１５５２．５２ｎｍ、１５５３．３２ｎｍ、１５５４．１２ｎｍ及び１５５４．９２ｎｍであり、光学薄膜設計は以下の通りである。
反射防止膜付きガラス製品基板（ＢＫ７）｜(HL)8L(HL)16L(HL)16L(HL)8｜空気
なお、屈折率の設計値は、低屈折率層において１．４４４、及び、高屈折率層において２．０８、製品基板（ＢＫ７）を１．５とした。
【００４７】
即ち、図３において、φ３００ｍｍの製品基板３４の外周縁から５ｍｍ内側の位置に監視用単色光通過路チャンネル１に対応する監視点を設定し、この監視点から回転円中心方向に１０ｍｍ間隔でチャンネル２〜８を設定した。
【００４８】
そして、図３の投光器３５に相当する波長可変レ−ザ−光源からの８本の単色光光束に対し、モニタ波長１５５２．５２ｎｍの単色光通過路としてチャンネル１及び２を割り当て、モニタ波長１５５３．３２ｎｍの単色光の光束路としてチャンネル３及び４を割り当て、モニタ波長１５５４．１２ｎｍの単色光の光束路としてチャンネル５及び６を割り当て、モニタ波長１５５４．９２ｎｍの単色光の光束路としてチャンネル７及び８を割り当てた。そして、受光部３８で受光されてＤＳＰ４１で計測される透過率により逆透過率を算出し、これを用いて逆透過率曲線のピ−ク近傍で二次関数回帰を行い、各ピ−クに到達する到達予測時間を算出して成膜停止時点とした。
【００４９】
図６は、チャンネル１〜８に対応する基板上監視領域の分光透過率特性であり、それぞれ狭帯域ＢＰＦとして良好な光学製品が得られていることが分る。
【００５０】
［実施例３］
図３の誘電体多層膜製造装置を用い、Ｔａ2Ｏ5膜を高屈折率層とし、ＳｉＯ2膜を低屈折率層とし、第１層及び第２層の光学膜厚はλ／４（λはモニタ波長）の整数倍とは異なるが、最終的な表面層（第２層）の成膜停止時点はピーク制御により予測した交互多層膜で反射防止膜膜を製作した。このときに用いるモニタ波長は、それぞれ１５５０ｎｍ、１５５５ｎｍ、１５６０ｎｍ、１５６５ｎｍであり、光学薄膜設計は以下の通りである。
反射防止膜付きガラス製品基板（ＢＫ７）｜0.35H、1.288L｜空気
なお、屈折率の設計値は、低屈折率層において１．４４４、及び、高屈折率層において２．０８、製品基板（ＢＫ７）を１．５とした。
【００５１】
即ち、図３において、φ３００ｍｍの製品基板３４の外周縁から５ｍｍ内側の位置に監視用単色光通過路チャンネル１に対応する監視点を設定し、この監視点から回転円中心方向に１０ｍｍ間隔でチャンネル２〜８を設定した。
【００５２】
そして、図３の投光器３５に相当する波長可変レ−ザ−光源からの８本の単色光光束に対し、モニタ波長１５５０ｎｍの単色光通過路としてチャンネル１及び２を割り当て、モニタ波長１５５５ｎｍの単色光の光束路としてチャンネル３及び４を割り当て、モニタ波長１５６０ｎｍの単色光の光束路としてチャンネル５及び６を割り当て、モニタ波長１５６５ｎｍの単色光の光束路としてチャンネル７及び８を割り当てた。そして、受光部３８で受光されてＤＳＰ４１で計測される透過率により逆透過率を算出し、第１層においては、逆透過率を用いて０．３５Ｈに相当する成膜停止時点を予測し、また、第２層においては、逆透過率曲線のピ−ク近傍で二次関数回帰を行い、ピ−クに到達する到達予測時間を算出して成膜停止時点とした。
【００５３】
図７は、チャンネル１〜８に対応する基板上監視領域の分光反射率特性であり、それぞれ反射防止膜として良好な光学製品が得られていることが分る。
【００５４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、透過率または逆透過率のピーク近傍で二次関数回帰したときの極大または極小に対応する成長時間を膜厚到達予測時間として用いることができるため、高精度で光学膜厚の膜厚成長を制御できる。また、多種類のモニタ波長による直接監視法を用い、良好な特性の誘電体薄膜が得られる監視領域を拡大することができる。このため、例えば狭帯域バンドパスフィルタなど、稠密波長多重通信システム用デバイスとして高品質の光学薄膜製品の量産化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）直接監視法を用いる従来の誘電体多層膜製造装置の略断面図
（ｂ）（ａ）の製造装置で得られる基板上の光学特性領域の概念図
【図２】従来の光学膜厚制御法による二次回帰関数の乖離を示すグラフ図
【図３】（ａ）本発明の誘電体誘電体多層膜製造装置の略断面図
（ｂ）（ａ）の製造装置中の基板と分割シャッタとを示す上面図
（ｃ）（ａ）の製造装置の上面図
【図４】[実施例１]で得られる基板上の光学特性領域の概念図
【図５】[実施例１]で得られる中帯域ＢＰＦの分光透過率特性を示すグラフ図
【図６】[実施例２]で得られる狭帯域ＢＰＦの分光透過率特性を示すグラフ図
【図７】[実施例３]で得られる反射防止膜の分光反射率特性を示すグラフ図
【符号の説明】
１ ３１ 真空チャンバ
２ 電子銃 ２ａ シャッタ
４ ３４ 回転基板
３２ スパッタターゲット部（成膜源）
３３ イオンガン部（反応源）
３５ 投光器
３６ 上部光導入窓
３７ 下部光導入窓
３８ 受光器（光強度計測手段）
３９ ８チャンネルプリアンプ
４０ ８チャンネルＡ／Ｄ変換器
４１ ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）
４２ コンピュータ
４４ Ｔａターゲット
４５ Ｓｉターゲット
４６ スパッタガス導入管
４７ 固定開口部
４８ 反応ガス導入管
４９ ＥＣＲイオンガン
５１ａ、５１ｂ 可変開口（成膜速度規制部材）
５２、５３、５４、５５ 分割シャッタ（膜厚補正部材）
５６ａ〜５６ｈ 監視点
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学薄膜を主用途とし、その形成に際して高精度の膜厚制御を行い得る誘電体多層膜の製造装置に関する。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では、稠密波長多重通信（ＤＷＤＭ）システムにおいて合分波器などのデバイス用光学薄膜の多層化傾向が顕著であり、これに伴い、このような多層構造の光学薄膜の製造に際して、その各構成層の光学膜厚を高精度に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、原理的に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、制御対象の所望の波長と若干異なるモニタ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。この種の装置として、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するものがある。（例えば、特許文献１）。
【０００６】
これに対し、例えば、特許文献２に示す装置は、所望のモニタ波長をそのまま用いて従来の単色測光法を追求するものである。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する。このとき、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必要がある場合は、これを基準時点として成膜停止のタイミングを決定している。
【０００７】
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ＤＷＤＭシステム用デバイス（例えば、バンドパスフィルタ、以下ＢＰＦとも言う。）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、ＢＰＦ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、多層構造の光学薄膜に対しては、製品基板上に積層形成される多数の交互層そのものをモニタする直接監視法により膜厚制御を行うことが多い。図１は、直接監視法による膜厚制御装置の一例を示す。図１（ａ）に示す真空チャンバ１内に、電子銃２とイオンガン３とがともに回転基板４に対向して並置されており、さらに、チャンバ１外の投光器５が回転基板４の対向位置に配置されており、投光器５から回転基板４の回転軸４ａに照射される光が下部光導入窓６と上部光導入窓７とを介してチャンバ１外の受光器８で受光される。本装置で膜厚制御を行うに際しては、まず、駆動モ−タ９の駆動により製品基板４を回転させ、次に、投光器５から下部光導入窓６を介して、１本の監視用単色光光束を回転軸４ａに沿って通過させる。この状態でシャッタ２ａを開放して電子銃２により製品基板４上に蒸着膜形成を行う。このとき、干渉による光強度変化が下部光導入窓６と上部光導入窓７とを介して受光器８で観測される。さらに、この光強度変化に基づき蒸着膜形成時の膜厚を制御し、即ち、例えば特許文献１や特許文献２で示す膜厚制御法により成膜停止時点を決定し、シャッタ２ａにより電子銃２による成膜を遮断することにより膜厚成長を終了させる。このようにして、製品基板中心付近で良好な分光特性を有する誘電体多層膜が生産される。
【０００９】
ところが、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。この影響は、特に、高屈折率のλ／４膜と低屈折率のλ／４膜からなる交互層を連続的に多数積層して形成される狭帯域ＢＰＦにおいて深刻である。さらに、この交互層が多層になるほど、膜厚成長とともに変化する透過光量変化曲線が、そのピ−ク及びボトム近傍で二次回帰関数から乖離して精度の高い膜厚制御が困難になる。図２は、このような二次回帰関数の乖離を示すものであり、透過光量が低下するとき（低屈折率層Ｌ上の高屈折率層Ｈが最新表面層となる場合）と増大するとき（高屈折率層Ｈ上の高屈折率層Ｈが最新表面層となる場合）とで、二次関数回帰したときに予測されるピ−ク／ボトム位置は大きく異なって誤差がばらつく。これにより、成膜停止時点は、透過光量が低下するときは早く予測され、透過光量が増大するときは遅く予測される。
【００１０】
さらに、今日の光通信市場においては、例えば、ＤＷＤＭシステムの合分波器に用いられる狭帯域ＢＰＦは、４、８、１６・・・１２８種類という具合に、ＩＴＵ−Ｔ（国際通信連合電気通信標準化セクタ）で決められた波長ごとに多種類の中心波長に対応したＢＰＦのセット搭載が要求される。このため、多種類の中心波長を持つフィルタを同時にかつ多量に製造することが要望されている。
【００１１】
ところが、図１に示す多層膜製造装置では、監視用単色光光束を回転中心軸のみに沿って通過させるため、直接監視法が有効であるのは図１（ｂ）において１１で示す中心領域部分のみであり、１１で示す中心から離れた基板領域から得られる光学薄膜製品は、蒸発分布揺らぎ、製品基板と蒸発源との相対距離差、あるいは製品基板面の温度不均一などにより、波長特性の差異などが生じて直接監視法のモニタ波長に対応する良好な特性を示すことにならない。
【００１２】
そこで、監視用単色光光束の照射通過位置を、回転中心軸ではなく回転基板領域内の同心円位置に変更して、この円周上に帯状に形成される環状領域を直接監視法の有効部分とすることも行われるが、このようにしても有効部分面積に多少の改善が得られるに過ぎない。その一方で、直接監視法による監視用単色光光束の通過領域では、仮に最新表面層の直前層の制御精度が悪くてもその次の最新層の成膜停止時点をピ−ク及びボトムで正確に制御することが出来れば、自然と誤差が補正されるので誤差が緩和される。それゆえ、良好な光学薄膜製品を得るには監視領域部分の有利さが際立っており、この領域を拡大することが重要である。
【００１３】
この種の拡大監視領域を備える誘電体多層膜製造装置として本発明者らによる特許文献３のものがある。このものは、高速回転する基板上に多点の監視ポイントを設け、そこに同一波長の監視用単色光光束を通過させて成膜停止時点を予測制御し、可動自在なシャッタと連動させる。そして、多点に設けた監視ポイントに対応して拡大された監視領域のすべてから良好な光学薄膜製品を得られる。しかしながら、この装置では１種類の波長特性を有する誘電体多層膜の量産はできるが、多種類のモニタ波長に対応した光学薄膜製品が得られないという不利は解消されないままである。また、基板の半径方向に一様に増加または減少するような膜厚分布を作り出してしまう、という難しさが残る。
【００１４】
【特許文献１】
特開昭５８−１４０６０５号公報（第２〜３頁、第１図）
【特許文献２】
特開昭６３−２８８６２号公報（第２〜６頁、第１、２図）
【特許文献３】
特願２００２−０８３２６０号明細書（図１）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑み、高精度の膜厚制御を行うことができ、また、所望の多種類のモニタ波長での直接監視法を用いることを可能とした量産化対応の誘電体多層膜製造装置を提供することを課題としている。そして、この誘電体多層膜は、とりわけ、狭帯域ＢＰＦ用途に堪え得ることを想定している。
【００１６】
【課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、ともに回転基板に対向させて並設した成膜源と反応源とを備える真空室内で誘電体多層膜を製造する装置において、前記回転基板上に成膜される誘電体多層膜の成膜速度を規制するための開口部を有する成膜速度規制部材と、前記回転基板上に成膜される誘電体多層膜の膜厚を補正するため、前記回転基板の回転時に回転基板の半径に沿った複数の監視点のそれぞれの軌跡による各同心円の円周に沿って円弧帯状に形成された開口領域をおのおの独立に開閉する分割シャッタとを、前記回転基板と前記成膜源との間に設けると共に、前記回転基板の半径に沿った複数の監視点を通過する監視用単色光の強度を計測する光強度計測手段を設け、１種類以上の波長から成る監視用単色光光束のそれぞれが前記監視点を通過する際に、前記光強度計測手段により計測される光強度変化に応じて、前記分割シャッタを前記円弧帯状の開口領域に独立して出し入れすることにより開閉するための制御系を備えるものとした。
【００１７】
これによれば、基板上に形成される誘電体多層膜の最新表面層膜の膜厚増加に対応して変化する光強度を光強度計測手段により検出し、これに応じて膜厚補正部材の開口部を可動することにより、誘電体多層膜の膜厚増加を補正できる。即ち、高い精度で誘電体多層膜の最新表面層膜の膜厚制御を行うことができる。また、この際に、１種類以上の波長の単色光を監視用光束として用いているため、多種類のモニタ波長に対応した直接監視法により膜厚制御を行って誘電体多層膜を製造することができる。
【００１８】
そして、膜厚補正部材の可動開口部として、回転基板の回転時に監視点のそれぞれの軌跡が描く各同心円の円周に沿って、円弧帯状に形成される開口領域のそれぞれを独立に開閉する分割シャッタを用いる。
【００１９】
これにより、監視点での通過の際の異なる波長種類の単色光ごとに上記円弧帯状に形成される同質の誘電体多層膜に対して、同一条件で成膜の遮断を行うことができる。したがって、円弧帯状の各監視領域で得られる高品質誘電体多層膜の多品種量産が可能となる。
【００２０】
さらに、誘電体多層膜製造装置の制御系により、まず、回転基板上の誘電体多層膜の成膜期間に亘って、１種類以上の波長から成る監視用単色光光束を複数の監視点のそれぞれに通過させる際に、光強度計測手段により計測される光強度変化を誘電体多層膜の透過率変化として測定すると共に、この透過率の逆数を逆透過率として算出する。
【００２１】
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、
【００２２】
【式１】
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｝sin2θ］ ・・・（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。
【００２３】
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。
【００２４】
さらに、光学膜厚の増加に要する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、
１／Ｔ＝(１+Ｙ)2／４Ｙ+{(Ｙ／Ｎ+Ｎ)2−(１+Ｙ)2}sin2θ／４Ｙ ・・・（６）
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 ・・・（７）
Ｔ90＝４Ｙ／（Ｙ／Ｎ＋Ｎ）2 ・・・（８）
として表される。
【００２５】
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 ・・・（９）
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。
【００２６】
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、（９）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最新表面層膜の膜厚到達予測時間として、二次回帰関数上の極大点または極小点に対応する成長時間を用いることができる。そして、この膜厚到達予測時間に表面層膜に対する成膜を停止する。この際、相関の良好な二次回帰関数によるピーク制御をおこなうため、単色光の波長の１／４に相当する光学膜厚達成のための制御精度がさらに向上する。
【００２７】
この場合、表面層膜の光学膜厚は、上記のように（９）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成膜速度として算出し、この成膜速度により最新表面層膜が所定の光学膜厚に到達するために要する時間とすることができる。そして、これにより、所望の光学膜厚の膜厚制御が可能となる。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。
【００２８】
この際、上記の成膜源として、少なくとも２種類の異なる材質のスパッタターゲットを選択可能な状態で用いることにより、各ターゲット材質を選択して誘電体多層膜の各構成層の膜材料とすることができ、多層膜製造の利便性が向上する。
【００２９】
そして、スパッタターゲットの異なる材質種類として、Ｔａ金属とＳｉ金属とを用いることにより、例えば、ＢＰＦのような光学薄膜製品の高屈折率層材料として代表的なＴａ2Ｏ5などのタンタル化合物膜や、低屈折率層材料として代表的なＳｉＯ2膜などのシリコン化合物膜の製造が可能となる。
【００３０】
このとき、上記の反応源を、中性ラジカル反応ガスを放出するものとすることにより、表面層膜において上記したような化合物膜の生成時に基板温度の上昇が抑制される。この結果、光学膜厚の制御精度の低下も抑制される。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図３（ａ）は、本発明の誘電体多層膜製造装置の略断面図である。図３を参照して、真空チャンバ３１内に、成膜源たるスパッタターゲット部３２と反応源たるイオンガン部３３とがともに回転基板３４に対向して並置されている。さらに、チャンバ３１外の投光器３５が回転基板３４の上方位置に配置されており、８チャンネル投光器３５からの８本の平行単色光光束が上部光導入窓３６と回転基板３４と下部光導入窓３７とを介してチャンバ１外の８チャンネル受光器３８で受光される。
【００３２】
さらに、受光器３８で受光された８本の単色光光束は、図中点線で示す電気信号ラインを経由して８チャンネルプリアンプ３９、８チャンネルＡ／Ｄ変換器４０、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）４１を介してコンピュータ４２に接続されており、このコンピュータ４２において、所望膜厚の到達予測時間を算出すると共に、算出された予測時間を成膜停止時点として成膜停止を指示して膜厚制御を行う。
【００３３】
スパッタターゲット部３２は、回転機構４３により上下逆転可能に設けたＴａターゲット４４とＳｉターゲット４５とを備えており、各ターゲット４４、４５にはそれぞれ防着板４４ａ、４５ａが覆設されるとともに、各防着板４４ａ、４５ａで包囲される空間内に、スパッタガス導入管４６が貫入する構造となっている。さらに、各ターゲット４４、４５が上面位置にあるときに、固定開口４７を介して回転基板３４と対向する。また、イオンガン部３３は、反応ガス導入管４８が貫入して成るＥＣＲイオンガン４９により構成されている。
【００３４】
回転基板３４は、駆動モータ５０の駆動により回転され、回転基板３４と成膜源３２との間には、成膜速度規制部材たる可変開口５１ａ、５１ｂと、膜厚補正部材たる分割シャッタ５２〜５５が設けられている。
【００３５】
回転基板３４と成膜源３２との間の構成をさらに詳説すると、基板３４とこれに近接して設けられた分割シャッタ５２〜５５とは、図３（ｂ）に示すように、８本の監視用単色光光束の基板３４上通過点（監視点）５６ａ〜５６ｈのそれぞれの軌跡が描く各同心円の円周に沿って、円弧帯状に形成される開口領域のそれぞれを独立の駆動軸５２ａ、５３ａ、５４ａ、５５ａにより開閉するものとして構成する。
【００３６】
さらに、基板３４と分割シャッタ５２〜５５とを含む装置３１の上面図を図３（ｃ）として示す。図中、図外のスパッタターゲット４４、４５を最下位置として、その上方に固定開口４７を穿設した平板４７ａを配置し、次にその上方に可変開口５１ａ、５１ｂを配置し、さらにその上方に分割シャッタ５２〜５５を配置し、最後に回転基板３４を配置した構成である。上記中、固定開口４７は、製品基板３４への蒸発分布を整えて広い範囲で光学特性を得るためのものであり、固定及び可変開口のいずれでも良い。また、可変開口５１ａ、５１ｂは、成膜終点付近で膜厚を精密に制御するために成膜速度を減速させるためのものであり、スパッタターゲット４４、４５の出力調整による減速では即効性が得られず時間がかかり生産性が悪くため、これに替るものである。即ち、当初は高い成膜速度で成膜を行い、成膜終点に近づいた時点で可変開口５１ａ、５１ｂの開度を減少することにより、成膜速度を減速させ、膜厚成長を精密制御するのである。さらに、分割シャッタ５２〜５５は、監視用単色光光束の基板３４上の通過点５６ａ〜５６ｈ（図示せず）のそれぞれの軌跡が描く各同心円の円周に沿って、円弧帯状に形成される開口領域のそれぞれを、独立の駆動シャフト５２ａ、５３ａ、５４ａ、５５ａを介して出し入れすることにより開閉し、これにより、上記開口領域における成膜を遮断するためのものである。また、可変開口５１ａ、５１ｂの開度調整や分割シャッタ５２〜５５の開閉は、受光器３８に連なるコンピュータ４２の指示により装置外部から制御される。
【００３７】
図３（ａ）に示す誘電体多層膜製造装置で膜厚制御を行うに際しては、まず、図外の真空ポンプの作動によりチャンバ３１内を所定の圧力状態に到達させる。そして、駆動モ−タ５０の駆動により製品基板３４を回転させ、次に、投光器３５から上部光導入窓３６と回転基板３４と下部光導入窓３７とを介して、８本の監視用単色光光束を受光部３８に通過させる。このとき、８本の監視用単色光は、２チャンネルずつ同一モニタ波長の単色光として計４種類のモニタ波長を用いる設計とした。さらに、可変開口５１ａ、５１ｂを所定の開度に保ち、また、分割シャッタ５２〜５５を全開にし、回転基板３４とＴａターゲット４４またはＳｉターゲット４５との間を遮断せずに両者を対向させる。そして、ターゲット４４または４５の近傍にスパッタガス導入管４３を介してアルゴンガスを導入し、所定のカソード電力を投入してスパッタ成膜を開始する。その際に、反応ガス導入管４８より酸素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入しながらＥＣＲイオンガン４９から中性ラジカル酸素を発し、これにより、基板３４上に堆積するＴａまたはＳｉから成る金属種の酸化反応を行う。
さらに、Ｔａターゲット４４とＳｉターゲット４５とを選択的に作動させることにより、製品基板３４上に高屈折率層のＴａ2Ｏ5膜と、低屈折率層のＳｉＯ2膜とから成る交互多層膜が形成されるが、上記したように交互多層膜の各構成層の光学膜厚を高精度で制御することが重要である。このため、上記のターゲット４４または４５によるスパッタ成膜開始時点を膜厚増加に要する成長時間の始点とする。
【００３８】
そして、上記４種類のモニタ波長を２本ずつ割り当てて計８本の平行光束とした監視用単色光が回転基板３４を通過した後に受光器３８で受光される。その後、各単色光は８チャンネルプリアンプ３９で電圧信号に変換され、さらに、８チャンネルＡ／Ｄ変換器４０でデジタル数値信号とされ、ＤＳＰ４１に入力されて、式（５）に基づき成長時間を定義域とする二次関数に回帰演算される。
【００３９】
そして、この二次回帰関数の極大または極小に対応する成長時間を膜厚到達予測時間として、これを、各モニタ波長の監視領域の成膜停止時点として、コンピュータ４２の指示により分割シャッタ５２〜５５を閉じることにより、円弧帯状の該当監視領域の成膜が遮断される。
【００４０】
すべてのモニタ波長の監視領域での成膜が停止した後に、ターゲット部３２において、次の最新表面層膜積層のため、下面で待機していたターゲット４５または４４を上面に逆転させ、上記と同様にして次の成膜工程に備える。そして、このような工程を繰り返すことにより、それぞれの監視領域における積層が独立に終了する。
【００４１】
さらに、以下各[実施例]において、本発明の誘電体多層膜製造装置により得られる光学薄膜製品の光学膜厚の制御精度を検討する。
【００４２】
【実施例】
［実施例１］
図３の誘電体多層膜製造装置を用い、Ｔａ2Ｏ5膜を高屈折率層とし、ＳｉＯ2膜を低屈折率層とし、全構成層の光学膜厚がλ／４（λはモニタ波長）の整数倍である交互多層膜を積層形成して中帯域ＢＰＦを製作した。このときに用いるモニタ波長は、それぞれ１５５２．５２ｎｍ、１５５４．１２ｎｍ、１５５５．７２ｎｍ及び１５５７．３２ｎｍであり、光学薄膜設計は以下の通りである。
反射防止膜付きガラス製品基板（ＢＫ７）｜(HL)3L(HL)6L(HL)6L(HL)3｜空気
なお、屈折率の設計値は、低屈折率層において１．４４４、及び、高屈折率層において２．０８、製品基板（ＢＫ７）を１．５とした。
【００４３】
即ち、図３において、φ３００ｍｍの製品基板３４の外周縁から５ｍｍ内側の位置に監視用単色光通過路チャンネル１に対応する監視点を設定し、この監視点から回転円中心方向に１０ｍｍ間隔でチャンネル２〜８を設定した。
【００４４】
そして、図３の投光器３５に相当する波長可変レ−ザ−光源からの８本の単色光光束に対し、モニタ波長１５５２．５２ｎｍの単色光通過路としてチャンネル１及び２を割り当て、モニタ波長１５５４．１２ｎｍの単色光の光束路としてチャンネル３及び４を割り当て、モニタ波長１５５５．７２ｎｍの単色光の光束路としてチャンネル５及び６を割り当て、モニタ波長１５５７．３２ｎｍの単色光の光束路としてチャンネル７及び８を割り当てた。そして、受光部３８で受光されてＤＳＰ４１で計測される透過率を用いて、透過率曲線のピ−ク近傍で二次関数回帰を行い、各ピ−クに到達する到達予測時間を算出して成膜停止時点とした。この工程を繰り返した後の製品基板３４上の特性分布を図４に示す。図４に示すように、約１０ｍｍ程度の幅の環状帯領域５７〜６０においてそれぞれ同質の光学特性が分布することが分る。
【００４５】
また、図５は、チャンネル１〜８に対応する基板上監視領域の分光透過率特性であり、それぞれ中帯域ＢＰＦとして良好な光学製品が得られていることが分る。
【００４６】
［実施例２］
図３の誘電体多層膜製造装置を用い、Ｔａ2Ｏ5膜を高屈折率層とし、ＳｉＯ2膜を低屈折率層とし、全構成層の光学膜厚がλ／４（λはモニタ波長）の整数倍である交互多層膜を積層形成して狭帯域ＢＰＦを製作した。このときに用いるモニタ波長は、それぞれ１５５２．５２ｎｍ、１５５３．３２ｎｍ、１５５４．１２ｎｍ及び１５５４．９２ｎｍであり、光学薄膜設計は以下の通りである。
反射防止膜付きガラス製品基板（ＢＫ７）｜(HL)8L(HL)16L(HL)16L(HL)8｜空気
なお、屈折率の設計値は、低屈折率層において１．４４４、及び、高屈折率層において２．０８、製品基板（ＢＫ７）を１．５とした。
【００４７】
即ち、図３において、φ３００ｍｍの製品基板３４の外周縁から５ｍｍ内側の位置に監視用単色光通過路チャンネル１に対応する監視点を設定し、この監視点から回転円中心方向に１０ｍｍ間隔でチャンネル２〜８を設定した。
【００４８】
そして、図３の投光器３５に相当する波長可変レ−ザ−光源からの８本の単色光光束に対し、モニタ波長１５５２．５２ｎｍの単色光通過路としてチャンネル１及び２を割り当て、モニタ波長１５５３．３２ｎｍの単色光の光束路としてチャンネル３及び４を割り当て、モニタ波長１５５４．１２ｎｍの単色光の光束路としてチャンネル５及び６を割り当て、モニタ波長１５５４．９２ｎｍの単色光の光束路としてチャンネル７及び８を割り当てた。そして、受光部３８で受光されてＤＳＰ４１で計測される透過率により逆透過率を算出し、これを用いて逆透過率曲線のピ−ク近傍で二次関数回帰を行い、各ピ−クに到達する到達予測時間を算出して成膜停止時点とした。
【００４９】
図６は、チャンネル１〜８に対応する基板上監視領域の分光透過率特性であり、それぞれ狭帯域ＢＰＦとして良好な光学製品が得られていることが分る。
【００５０】
［実施例３］
図３の誘電体多層膜製造装置を用い、Ｔａ2Ｏ5膜を高屈折率層とし、ＳｉＯ2膜を低屈折率層とし、第１層及び第２層の光学膜厚はλ／４（λはモニタ波長）の整数倍とは異なるが、最終的な表面層（第２層）の成膜停止時点はピーク制御により予測した交互多層膜で反射防止膜膜を製作した。このときに用いるモニタ波長は、それぞれ１５５０ｎｍ、１５５５ｎｍ、１５６０ｎｍ、１５６５ｎｍであり、光学薄膜設計は以下の通りである。
反射防止膜付きガラス製品基板（ＢＫ７）｜0.35H、1.288L｜空気
なお、屈折率の設計値は、低屈折率層において１．４４４、及び、高屈折率層において２．０８、製品基板（ＢＫ７）を１．５とした。
【００５１】
即ち、図３において、φ３００ｍｍの製品基板３４の外周縁から５ｍｍ内側の位置に監視用単色光通過路チャンネル１に対応する監視点を設定し、この監視点から回転円中心方向に１０ｍｍ間隔でチャンネル２〜８を設定した。
【００５２】
そして、図３の投光器３５に相当する波長可変レ−ザ−光源からの８本の単色光光束に対し、モニタ波長１５５０ｎｍの単色光通過路としてチャンネル１及び２を割り当て、モニタ波長１５５５ｎｍの単色光の光束路としてチャンネル３及び４を割り当て、モニタ波長１５６０ｎｍの単色光の光束路としてチャンネル５及び６を割り当て、モニタ波長１５６５ｎｍの単色光の光束路としてチャンネル７及び８を割り当てた。そして、受光部３８で受光されてＤＳＰ４１で計測される透過率により逆透過率を算出し、第１層においては、逆透過率を用いて０．３５Ｈに相当する成膜停止時点を予測し、また、第２層においては、逆透過率曲線のピ−ク近傍で二次関数回帰を行い、ピ−クに到達する到達予測時間を算出して成膜停止時点とした。
【００５３】
図７は、チャンネル１〜８に対応する基板上監視領域の分光反射率特性であり、それぞれ反射防止膜として良好な光学製品が得られていることが分る。
【００５４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、透過率または逆透過率のピーク近傍で二次関数回帰したときの極大または極小に対応する成長時間を膜厚到達予測時間として用いることができるため、高精度で光学膜厚の膜厚成長を制御できる。また、多種類のモニタ波長による直接監視法を用い、良好な特性の誘電体薄膜が得られる監視領域を拡大することができる。このため、例えば狭帯域バンドパスフィルタなど、稠密波長多重通信システム用デバイスとして高品質の光学薄膜製品の量産化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）直接監視法を用いる従来の誘電体多層膜製造装置の略断面図
（ｂ）（ａ）の製造装置で得られる基板上の光学特性領域の概念図
【図２】従来の光学膜厚制御法による二次回帰関数の乖離を示すグラフ図
【図３】（ａ）本発明の誘電体誘電体多層膜製造装置の略断面図
（ｂ）（ａ）の製造装置中の基板と分割シャッタとを示す上面図
（ｃ）（ａ）の製造装置の上面図
【図４】[実施例１]で得られる基板上の光学特性領域の概念図
【図５】[実施例１]で得られる中帯域ＢＰＦの分光透過率特性を示すグラフ図
【図６】[実施例２]で得られる狭帯域ＢＰＦの分光透過率特性を示すグラフ図
【図７】[実施例３]で得られる反射防止膜の分光反射率特性を示すグラフ図
【符号の説明】
１ ３１ 真空チャンバ
２ 電子銃 ２ａ シャッタ
４ ３４ 回転基板
３２ スパッタターゲット部（成膜源）
３３ イオンガン部（反応源）
３５ 投光器
３６ 上部光導入窓
３７ 下部光導入窓
３８ 受光器（光強度計測手段）
３９ ８チャンネルプリアンプ
４０ ８チャンネルＡ／Ｄ変換器
４１ ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）
４２ コンピュータ
４４ Ｔａターゲット
４５ Ｓｉターゲット
４６ スパッタガス導入管
４７ 固定開口部
４８ 反応ガス導入管
４９ ＥＣＲイオンガン
５１ａ、５１ｂ 可変開口（成膜速度規制部材）
５２、５３、５４、５５ 分割シャッタ（膜厚補正部材）
５６ａ〜５６ｈ 監視点
Claims (6)
- ともに回転基板に対向させて並設した成膜源と反応源とを備える真空室内で誘電体多層膜を製造する装置において、前記回転基板上に成膜される誘電体多層膜の成膜速度を規制するための開口部を有する成膜速度規制部材と、前記回転基板上に成膜される誘電体多層膜の膜厚を補正するため、前記回転基板の回転時に回転基板の半径に沿った複数の監視点のそれぞれの軌跡による各同心円の円周に沿って円弧帯状に形成された開口領域をおのおの独立に開閉する分割シャッタとを、前記回転基板と前記成膜源との間に設けると共に、前記回転基板の半径に沿った複数の監視点を通過する監視用単色光の強度を計測する光強度計測手段を設け、１種類以上の波長から成る監視用単色光光束のそれぞれが前記監視点を通過する際に、前記光強度計測手段により計測される光強度変化に応じて、前記分割シャッタを前記円弧帯状の開口領域に独立して出し入れすることにより開閉するための制御系を備えることを特徴とする誘電体多層膜の製造装置。
- 前記制御系は、前記回転基板上の誘電体多層膜の成膜期間に亘って、前記１種類以上の波長から成る監視用単色光光束を前記複数の監視点のそれぞれに通過させる際に、前記光強度計測手段により計測される光強度変化を前記誘電体多層膜の透過率変化として測定すると共に、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要する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監視用単色光の波長の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最新表面層膜の膜厚到達予測時間として、前記二次回帰関数上の極大点または極小点に対応する成長時間を用いることを特徴とする請求項１に記載の誘電体多層膜の製造装置。
- 前記誘電体多層膜の最新表面層膜の膜厚成長に伴い、前記監視用単色光の波長の１／４波長相当の光学膜厚間隔で周期分布する前記透過率の逆数である逆透過率から算出される光学膜厚により、前記最新表面層膜が所定の光学膜厚に到達した事を検知して、前記膜厚成長を制御することを特徴とする請求項２に記載の誘電体多層膜の製造装置。
- 前記成膜源が、少なくとも２種類の異なる材質のスパッタターゲットから成り、該スパッタターゲットを選択可能に設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の誘電体多層膜の製造装置。
- 前記スパッタターゲットの異なる材質種類として、Ｔａ金属とＳｉ金属とを用いることを特徴とする請求項４に記載の誘電体多層膜の製造装置。
- 前記反応源は、中性ラジカル反応ガスを放出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の誘電体多層膜の製造装置。
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