JP4418926B2

JP4418926B2 - 光学薄膜形成用装置及び方法

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Publication number: JP4418926B2
Application number: JP2003357672A
Authority: JP
Inventors: 修白井; 和弘高木; 豊布施; 清細川; 茂大谷; 敏夫笠原; 敏出雲井; 信也中原
Original assignee: 株式会社昭和真空
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2023-10-17
Also published as: JP2005120441A

Description

本発明は光学薄膜形成用装置に関するものであり、光学薄膜形成用成膜基板内の膜厚分布を向上させ、生産性の高い光学薄膜形成用装置を実現するものである。

高密度波長分割多重伝送方式（以下DWDMと記す）に於いて、波長の多重化及び多重化された光信号の分波には光合分波器が用いられるが、光合分波器内部で使用される誘電体多層膜構造の狭帯域バンド・パス・フィルタ（以下NBPFと記す）に要求される透過帯域幅、平坦度、透過損失、隣接波長との抑圧比等の光学的仕様は、光通信の高速・大容量化実現のために厳しい値となっている。

前記NBPFは光の干渉を利用した光学薄膜の応用製品のひとつであり、その構造は高・低屈折率誘電体物質を交互に堆積し、層界面からの多重反射を利用して所望のフィルタリング特性を得るものである。図１はNBPFの基本構造であるが、透過波長：λに対して各層の光学膜厚がλ／４、すなわち高屈折率物質（31）と低屈折率物質（32）のペアでλ／２となるよう多層化することにより、層界面からの反射光が同相で加算されて反射帯層（33）となる。反射帯層（33）は２つ存在し、間に光学膜厚がλ／２の整数倍となるスペーサ層（34）を配置して対向させるファブリペロー構造のフィルタとなりキャビティー（36）を形成する。ＮＢＰＦではファブリペロー構造のフィルタを結合層（35）を介して複数段接続したマルチキャビティー構造とし、その積層数は１００層以上の多層膜構造となるものもある。

実際に合分波器内部で使用されるNBPFは１．４mm角程度のチップであるが、その製造工程に於いては例えばΦ１００mm程度の成膜基板に前記誘電体物質を堆積した後、チップ状に切断している。１枚の成膜基板から前記光学的特性を満たすチップをより多く取るためには、基板内の膜厚分布の均一化が極めて重要であり、基板内の膜厚分布は０．０１％以下の精度が要求されている。

図２に従来のNBPF用真空成膜装置の構成図を示す。真空容器（1）は図示しない油拡散ポンプやクライオポンプ等の真空ポンプにより1×10^-５Pa台まで排気される。
基板ドーム（５）中心に取り付けられた成膜基板（６）は、基板内膜厚分布の均一化を図るため、図示しない高速回転機構により基板ドーム（５）と共に１０００rpmで回転し（特願2002-207355号）、基板加熱用シースヒーター（７）及びハロゲンヒーター（21）により加熱される。
また、成膜基板（６）の温度は放射型温度計（17）を用いて測定し、実測データは温度調節器（18）に入力され、温度調節器（18）は、予め設定された温度と実測温度を比較・演算し、その結果を基に、成膜基板（６）が電子ビームからの輻射熱やプラズマ発生時の熱を受けても基板温度が常に一定となるようハロゲンヒーター用電力調整器（19）を制御する（特願2002-229025号）。

光学薄膜である誘電体膜の成膜には電子ビーム蒸発源（２）が用いられる。電子ビーム蒸発源（２）と成膜基板（６）の幾何学的配置は、成膜基板（６）内の膜厚分布が均一となるよう最適化されている。
電子ビーム蒸発源（２）による成膜中、高周波電源（22）より出力される高周波電力（周波数：１３．５６MHz）を直接基板ドーム（５）に印加すると、基板ドーム（５）と蒸発源（２）との空間にグロー放電が発生しプラズマ状態になり、基板ドーム（５）に取り付けられた成膜基板（６）表面には自己誘起された負の直流電界が生じ、その高いエネルギーで高充填密度な薄膜が形成される（特開2001-73136号）。マッチングボックス（23）は高周波電源（22）の出力インピーダンスと負荷である基板ドーム（５）を含む放電機構のインピーダンスの整合をとるものである。
水晶膜厚センサ（4）は蒸発速度を検出し、図示していないが電子ビームコントローラに検出信号をフィードバックし成膜速度を一定に制御している。

光学膜厚計測装置はレーザー光源（11）、光ファイバ（13）、出射筒（14）単色測光用受光器（15）、分光特性測定用受光器（25）、光パワーメータ（27）及びコントローラ（10）部で主に構成されている。レーザー光源（11）から出射されたレーザー光は、デポラライザー（12）、光ファイバ（13）、出射筒（14）、下部覗き窓（８）を介して成膜基板（６）に入射する。成膜基板（６）を透過したレーザー光は、上部覗き窓（9）及び光軸に対して角度：４５°の位置に配置された半透明鏡（26）を介し、一方は単色測光用受光器（15）に入射し、電気信号に光電変換される。コントローラ（10）は光電変換された電気信号を演算処理し、透過率がλ／４の極値に達した際、シャッタ（３）を閉じ、成膜を終了させ、順次誘電体物質を積層していく（単色測光法）。

もう一方は外乱光カットフィルタ（29）を介して分光特性測定用受光器（25）に入射する。外乱光カットフィルタ（29）はプラズマ生成に伴う発光や電子ビーム蒸着時に発生する光、ハロゲンヒーターが発する光が光雑音として分光特性測定用受光器に入射するのを防いでいる。光パワーメータ（27）は、波長可変レーザーの波長掃引に同期して分光特性測定用受光器（25）出力を計測する。コンピュータ（28）では光パワーメータ（27）の測定データを測定毎に読み込み、NBPFの分光特性シミュレーション結果との比較を逐次行い、成膜中の測定データとシミュレーション結果が一致若しくは近接した際、シャッタ（３）を閉じ、成膜を終了させ、順次誘電体物質を積層していく（分光特性測定法：特願2003-126404号）。
各層の膜厚制御は、単色測光法と分光特性測定法を適宜選択する。

特願２００２−２０７３５５特願２００２−２２９０２５

前記した電子ビーム蒸発源（２）と成膜基板（６）の幾何学的配置は、成膜基板内の膜厚分布が均一となるよう配置されている。基板面内の膜厚分布は、図３より

表わされる。ここで、ｔ／ｔ₀：規格化膜厚、Ｓ：基板、Ｏ：蒸発源位置、Ｈ：基板の高さ、Ｌ：蒸発源と基板間の直線距離、ｎ：蒸発係数、およびα：基板と垂線とＬとのなす角である。

前記した基板ドーム（５）に取り付けられている成膜基板（６）は平面基板であるため、図３より、

となり、したがって

となる。Ｈは成膜基板の高さであり一定となるが、Ｌはドームが回転することで変化する。
Ｌは、蒸発源距離：Ｐ[mm]，ドーム高さ：Ｈ[mm]，シミュレーションポイント（基板中心からの距離）：Ｒ[mm]及びドーム回転角度：Φ[rad]により次式で表される。

したがって、（２）、（３）式より

となる。
（４）式より基板面内分布は、蒸発係数：ｎ（蒸発源から蒸発物質がどの程度の広がりを持って蒸発するかを表す）及び基板と蒸発源の幾何学的配置（Ｈ：基板高さ、Ｐ：蒸発源偏心距離）に依存することが判る。

上式を基に蒸発係数を１．８と仮定し、基板高さ：Ｈと板面内膜厚分布の関係をシミュレーションした結果を図４に示す。図４より成膜基板高さ：約５５０mm、蒸発源偏心距離：３５０mmのところで、基板面内分布が０．０１％以下の良好な値を取ることが判る。従来の装置では前記シミュレーション結果を基に基板面内分布が良好となる位置に蒸発源を配置していたが、実際の成膜工程に於ける蒸発係数は、蒸発物質に入射する電子ビーム幅や位置及び蒸発物質溶融面高さの違いにより変化し、これらの条件を常時一定に保つ事は難しく、結果的に基板面内分布が悪化し歩留まり低下という製造上の大きな問題を抱えている。

本発明は、従来のNBPF用真空成膜装置では、蒸発係数の変化に伴う成膜基板面内での膜厚分布悪化に対する補正機構が無いために生じた問題を、以下の機構を備えることにより解決するものである。

１．蒸発源監視機構
電子ビーム蒸発源の電子ビーム照射位置及び照射幅、蒸発物質溶融部分の位置及び形状を常時監視し、予め決められた幅、位置、高さとの間にずれが生じた場合、修正を行う。
２．膜厚分布測定機構
成膜過程に於ける成膜基板の面内膜厚分布を測定し、基板の面内膜厚分布にずれが生じた場合、補正を行う。
３．蒸発源位置調整機構
蒸発物質溶融面の高さ及び基板面内膜厚分布にずれが生じた場合、最適な膜厚分布が得られる位置に蒸発源を移動する。
４．水晶膜厚センサ角度調整機構
蒸発源位置が移動しても良好な蒸発速度監視が出来るよう水晶膜厚センサの取り付け角度を可変する。
上記４項目の手段により、従来問題となっていた成膜基板の面内分膜厚布の悪化を飛躍的に向上させることが可能となる。

具体的には、電子ビーム照射位置及び照射幅、蒸発物質溶融部分の位置及び形状を3次元的に検出する手段と、成膜基板の面内膜厚分布を測定する手段と、電子ビームの照射位置及び照射幅を制御する手段と、成膜基板に対する蒸発源位置を可変する手段とを備え、予め設定された電子ビーム照射位置及び照射幅を保つよう該電子ビームを制御し、予め設定された蒸発物質溶融面の高さを保つように蒸発源位置を制御し、成膜基板の面内膜厚分布を一様にする位置に該蒸発源位置を可変することを特徴とするものである。

本発明で、成膜工程中に蒸発源及び成膜基板の面内膜厚分布を常時監視し、蒸発源位置及び電子ビーム照射条件にフィードバックすることにより、成膜基板の面内膜厚分布を著しく向上させることが可能となった。

実施例の構成の説明
図５を参照に本発明の実施例を説明する。
図２に示す従来装置と同様のものには同一符号を付して説明を省略する。
同図に示す装置は、蒸発源監視機構である蒸発源カメラ（37）及びコンピュータ（45）と、膜厚分布測定機構である出射筒（14）及び受光器（25）及びコンピュータ（46）と、蒸発源位置を可変する蒸発源位置調整機構（41）と、蒸発物質に照射する電子ビームの照射位置及び照射幅を制御する電子ビームコントローラ（47）と、電子ビーム蒸発源（２）の蒸発速度を監視する水晶膜厚センサ（42）と、蒸発源の制御装置（48）とを具備する。

蒸発源監視機構である蒸発源カメラ（37）及びコンピュータ（45）は、蒸発物質に入射する電子ビーム幅、位置及び蒸発物質溶融面の形状、高さを成膜中常時監視し、制御装置（48）を介して電子ビーム照射位置、照射幅及び蒸発源位置を制御することを特徴とする。
電子ビーム蒸発源（2）は、電子ビームを照射することにより蒸発物質を溶融させ蒸散させるものである。蒸発源カメラ（37）は、蒸発物質の溶融による発光部分を光学的に観測し、コンピュータ（45）に輝度分布を出力する。輝度分布は３次元的に出力し、コンピュータ（45）は溶融部分の位置及び形状を輝度分布から演算する。更に、一定値以上の輝度を有する部分のみを監視することにより、電子ビームの照射位置及び照射幅を演算する。
蒸発源カメラ（37）の光学的観測手段は、光検出機能を有するものであれば特に限定されるものではないが、本実施例では固体撮像素子を用いている。

膜厚分布測定機構である出射筒（14）及び受光器（25）は、成膜基板（６）面に対して平行移動可能なステージ（39,40）上に搭載する。受光器（25）はコンピュータ（46）に接続され、成膜基板（６）の透過光または反射光を出力する。ステージ（39,40）は、真空槽底面及び天井面にそれぞれ配置され、真空槽底面に配された下部ステージ（39）上に出射筒（14）を、真空槽天井面に配された上部ステージ（40）上に受光器（25）を設置する。上下のステージ（39,40）は、出射筒（14）から出射した測定光が常に受光器（15,25）に入射するように操作する。上下のステージ（39,40）を移動させ、成膜基板（６）面内で測定光の照射位置を移動させることにより、コンピュータ（46）は成膜基板（６）の面内膜厚分布を演算する。
図５に示す装置では、測定光の光路上に反射鏡を設け、単色測光用受光器（15）と分光特性測定用受光器（25）にそれぞれ測定光を入射させる構成としている。膜厚分布の測定には、分光特性測定用受光器（25）を用いるが、単色測光用受光器（15）を併せ備えることにより分光特性測定法と単色測光法を適宜選択可能となる。分光特性の測定には、本願出願人の先の発明である特願2003-126404号記載の方法を用いればよい。
同図に示す装置では、上下のステージ（39,40）に出射筒（14）と受光器（25）を搭載して透過率を測定しているが、出射筒と受光器とを同一のステージ上に搭載し、成膜基板に対して所定角度をもって測定光を投光し、反射率を測定してもよい。反射率を測定する場合も、ステージを移動させて成膜基板面に対する測定光の照射位置を移動させ、基板の面内膜厚分布を測定する構成は変わらない。

蒸発源位置を可変する蒸発源位置調整機構（41）は、上下左右方向に移動可能なステージ上に電子ビーム蒸発源（２）を搭載し、最適な膜厚分布が得られる位置に電子ビーム蒸発源（２）を移動させるものである。電子ビーム蒸発源（２）の移動により、成膜基板（６）と電子ビーム蒸発源（２）との垂直距離（基板の高さ：H）及び成膜基板（６）の回転中心に対する電子ビーム蒸発源（２）の偏心距離（蒸発源偏心距離：P）を設定範囲内の任意の値に変更する。
本実施例では、本願出願人の先の発明である特願2003-195899号に示す蒸発源移動機構を用いるが、所定の真空度を保ったまま蒸発源位置を変更できる構成であれば特願2003-195899号に示す構成に限られるものではない。

水晶膜厚センサ（42）は、水晶振動子の固有振動数がその質量変化によって変化することを利用したもので、蒸発物質を水晶振動子に堆積させて固有振動周波数を検出し、周波数変化をモニタすることにより蒸発速度を検出するものである。
その構成は、両面に電極を取り付けた水晶振動子と、水晶振動子の電極に交流電圧をかけ圧電効果によって水晶振動子に固有振動を生じさせる発振回路と、固有振動周波数を検出する周波数測定機構と、検出した固有振動数の変化から蒸発源の蒸発速度を算出する計算処理機構とよりなる。
ここで、電子ビーム蒸発源（２）から蒸散する蒸発物質は、Cos^ｎθに近似される分布をする。電子ビーム蒸発源（２）の中心に対して水晶振動子板面の角度が異なると、水晶振動子に堆積する蒸発物質の質量が異なり条件が変わってしまうため、電子ビーム蒸発源（２）に対する水晶振動子板面の角度は測定中常に一定に保つ必要がある。
水晶膜厚センサ（42）は、角度調整機構を備え、電子ビーム蒸発源（２）位置が変更されても電子ビーム蒸発源（２）の位置変更に連動して角度を変更可能な構成とする。角度調整機構は、電子ビーム蒸発源（２）に対する水晶板面の角度が常に一定となるように水晶膜厚センサ（42）を制御する。具体的には、電子ビーム蒸発源（２）位置が変更しても常に水晶膜厚センサ（42）が電子ビーム蒸発源（２）の中心に向くようにすればよい。

次に電子ビーム蒸発源（２）の制御装置（48）について説明する。
制御装置（48）は、蒸発源監視機構及び膜厚測定装置から入力したデータをもとに、電子ビームコントローラ（47）及び蒸発源位置調整機構（4１）を操作し、ビーム照射位置、電子ビーム照射幅及び蒸発源位置を変更することを特徴とする。
蒸発源監視機構のコンピュータ（45）は、算出した電子ビーム照射幅及び照射位置、蒸発物質溶融部分の位置及び形状を制御装置（48）に出力する。制御装置（48）は、予め決められた電子ビーム照射幅及び位置との間にずれが生じた場合、電子ビームコントローラ（47）を操作してずれを修正する。また、蒸発物質溶融面の高さにずれが生じた場合、蒸発源位置調整機構（41）で蒸発物質溶融面の高さの修正を行う。修正は、成膜基板（６）と電子ビーム蒸発源（２）との垂直距離（基板の高さ：H）を調整することにより行う。
従来装置では、成膜工程中に蒸発物質溶融面の位置及び形状が変化してしまうという問題があったが、本発明蒸発源監視機構により蒸発物質溶融部分を３次元的に観測することと、制御装置（48）により溶融部分を制御することで、成膜工程中の蒸発係数を極めて安定化することが可能となった。あるいは蒸発係数の変化に合わせて蒸発源位置を変化させ、成膜基板面内における膜厚分布を良好に保つことも可能である。本発明蒸発源カメラ（37）により電子ビーム蒸発源（２）を常時監視し、制御装置（48）により電子ビーム照射条件及び蒸発源位置を操作することで、成膜工程中に所望の成膜条件を得ることが可能となり、成膜基板の面内膜厚分布を向上させることが可能になった。

次に、膜厚測定装置のコンピュータ（46）は、成膜基板（６）の面内膜厚分布を制御装置（48）に出力する。制御装置（48）は、基板面内分布にずれが生じている場合、蒸発源位置調整機構（41）を操作して電子ビーム蒸発源（２）の位置を可変し、基板面内分布の補正を行う。補正は、蒸発源位置調整機構（41）により成膜基板（６）と電子ビーム蒸発源（２）との垂直距離（基板の高さ：H）及び、成膜基板（６）の回転中心に対する電子ビーム蒸発源（２）の偏心距離（蒸発源偏心距離：P）を調整することにより行う。

制御装置（48）は、蒸発源監視機構のコンピュータ（45）及び膜厚測定装置のコンピュータ（46）から入力するデータと予め設定された値とを比較・演算し、入力値と設定値との差に応じて電子ビームコントローラ（47）及び蒸発源位置調整機構（41）を操作する。
本発明で基板の面内膜厚分布を蒸発源位置にフィードバックして膜厚制御を行うことにより、高精度な膜厚分布を得ることが可能となる。

実施例の作用・動作の説明
前記した実施例を基に電子ビーム蒸発源位置を可変し、高・低屈折率の各蒸発物質（高：H[Ta₂O₅]、低：L[SiO₂]）の単層成膜時に於ける基板面内膜厚分布を測定したデータを得た。この測定データに基いて前述の３次元的観測結果に従い蒸発源位置調整機構を操作する。成膜条件を表１に、結果を図６〜９に示す。膜厚及び屈折率の測定には、分光エリプソメータを使用した。図は、横軸に蒸発源偏心距離（Ｐ）を縦軸に膜厚分布及び屈折率分布を示す。

図６に高屈折率物質であるTa₂O₅を成膜した際の膜厚分布を、図７に屈折率分布を示す。
図６及び図７より、膜厚・屈折率分布は共に蒸発源偏心距離：３５０〜４３０mm間で０．５％以下の良好な結果が得られ、なかでも蒸発源偏心距離：４３０mm近傍が最も分布が良くなっていると考えられる。蒸発源・基板間高さの違いによる影響は、測定誤差等を考えるとほとんど差違は認められない。
図８に低屈折率物質であるSiO₂を成膜した際の膜厚分布を、図９に屈折率分布を示す。
図８及び図９より、偏心距離：４３０mmで最も良好となり、蒸発源・基板間高さの違いでは、６５０mmで最も分布が良好となっていることが判る。

次に上記結果を基に両物質とも蒸発源偏心距離：４３０mm、蒸発源・基板間高さ：６５０mmの位置に蒸発源を配置し、本発明装置を用いてNBPFの成膜を行った。膜構成は
基板／［ＨＬ］^７Ｈ８ＬＨ［ＬＨ］^７Ｌ［ＨＬ］^７Ｈ８ＬＨ［ＬＨ］^７／大気
の63層とした（各層の光学膜厚をλ／４とし、それぞれをＨ，Ｌとする）。
中心波長分布の結果を図１０にまた、比較対照用に従来の中心波長分布を図１１に示す。従来の中心波長分布はΦ５４内で±２．１nmであるのに対して、本実施例ではΦ６０内で±０．２nmと１／１０以下の極めて良好な結果が得られた。

上記実施例では、ＮＢＰＦ用真空成膜装置について記載したが、本発明はNBPF用に限定するものではなく、他の真空成膜装置にも転用が可能である。
また、上記実施例では電子ビーム蒸発源を用いたが他の蒸発源を用いることも可能である。

NBPFの膜構成の説明図従来の装置構成の説明図膜厚分布シミュレーションの説明図膜厚分布のシミュレーション結果本発明の装置構成の説明図 Ta₂O₅単層成膜時の膜厚分布 Ta₂O₅単層成膜時の屈折率分布 SiO₂単層成膜時の膜厚分布 SiO₂単層成膜時の屈折率分布本発明の装置を用いた際の基板面内の中心波長内分布データ従来の装置を用いた際の基板面内の中心波長内分布データ

符号の説明

１真空容器
２電子ビーム蒸発源
３シャッタ
４水晶膜厚センサ
５基板ドーム
６成膜基板
７基板加熱用シースヒーター
８下部覗き窓
９上部覗き窓
１０コントローラ
１１波長可変レーザー
１２デポラライザー
１３光ファイバ
１４出射筒
１５単色測光用受光器
１６覗き窓
１７放射型温度計
１８温度調節器
１９ハロゲンヒーター用電力調整器
２０低圧導入電極
２１ハロゲンヒーター
２２高周波電源
２３マッチングボックス
２４高圧導入電極
２５分光特性測定用受光器
２６半透明鏡
２７光パワーメータ
２８パーソナルコンピュータ
２９外乱光カットフィルタ
３０基板
３１高屈折率物質
３２低屈折率物質
３３反射帯層
３４スペーサ層
３５結合層
３６キャビティー
３７蒸発源監視カメラ
３８蒸発源監視カメラ取付用フランジ
３９下部ステージ
４０上部ステージ
４１蒸発源位置調整機構
４２角度可変式水晶膜厚センサ
４３半透明鏡ボックス
４４高速回転機構
４５コンピュータ
４６コンピュータ
４７電子ビームコントローラ
４８制御装置

Claims

電子ビーム蒸発源からの電子ビームの蒸発物質への照射により蒸発物質を溶融して蒸発させ、回転する成膜基板に該蒸発物質を堆積させる光学薄膜形成用装置において、
該蒸発物質溶融部分の位置と形状を観測する蒸発源監視機構と、該電子ビームの照射位置及び照射幅を調整するよう該電子ビーム蒸発源を制御する電子ビームコントローラと、制御装置とを備え、
該制御装置は、該蒸発源監視機構より出力される該蒸発物質溶融部分の位置と形状に基づいて電子ビームコントローラを制御して、電子ビーム照射位置と電子ビーム照射幅を調整することを特徴とする光学薄膜形成用装置。
前記蒸発源監視機構は、光検出器を用いて前記蒸発物質溶融部分における発光を検知することを特徴とする請求項１記載の光学薄膜形成用装置。
前記蒸発源監視機構は、設定値以上の輝度を有する部分のみを監視して電子ビームの照射位置及び照射幅を検知していることを特徴とする請求項２記載の光学薄膜形成用装置。
前記蒸発源監視機構は、該蒸発物質溶融部分を３次元的に観測し、該観測結果に基き該制御装置は該成膜基板に対する蒸発源位置を可変する蒸発源位置調整機構により該蒸発源の高さを調整している請求項１、２又は３に記載の光学薄膜形成装置。
膜厚分布測定機構を備える請求項４記載の光学薄膜形成用装置。
蒸発源偏心距離Ｐと基板高さＨとを変化させながら基板面内分布をデータとして測定しておき、該測定データに基いて該３次元的観測に従って蒸発源偏心距離Ｐと基板高さＨに対し、蒸発源位置調整機構を操作する請求項５記載の光学薄膜形成用装置。