JPH08106008A - ダイクロイック薄膜の形成における膜厚制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 １枚のモニター基板上に薄膜を累積させて形
成し、ピーク制御により、高い精度、再現性でダイクロ
膜を形成する。 【構成】 高屈折率薄膜と低屈折率薄膜とを交互に多数
回積層してダイクロイック薄膜を形成する際の膜厚制御
方法において、高屈折率薄膜および低屈折率薄膜を形成
するに際し、それぞれにおいて既に形成された薄膜の合
計膜厚と今回形成する薄膜の厚さの総和を累計膜厚と
し、この累計膜厚に至るように光学的に膜厚を制御し
て、薄膜の形成を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高屈折率薄膜と低屈折
率薄膜とが交互に積層されたダイクロイック薄膜を形成
する際に、その各層の膜厚を光学的に制御する方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ダイクロイック薄膜は、多層薄膜による
光の干渉を利用して、特定の波長領域の光を反射または
透過し、他の波長領域の光を透過または反射するもので
あり、これら透過光または反射光を利用することにより
ダイクロイックフィルターあるいはダイクロイックミラ
ーとして用いることをできる。そこで現在、カラー表示
用等の赤、緑、青の原色の色分解フィルターや赤外光の
カットフィルターなどとして利用されている。

【０００３】ダイクロイック薄膜は高屈折率薄膜と低屈
折率薄膜とを、多互に多数層（例えば合計で２８層）積
層したものであるが、要求される分光特性を実現するた
めには、膜設計上、構成薄膜中に膜厚が薄いものを必要
とする場合が多い。

【０００４】一方、光学的な薄膜制御技術としては、測
光用単色光の波長をλとしたとき、蒸着による薄膜の形
成に伴ない、モニター基板の反射率および透過率が変化
してλ／４毎に反射率および透過率がピーク値を示すこ
とを利用している。具体的には、形成される薄膜の屈折
率をｎ、物理的膜厚をｄとしたとき、λ＝４ｎｄの関係
が成立することから、４ｎｄの波長の単色光を用い、最
初のピークが現われるまで真空蒸着を行ない、この時点
で蒸着を終了することにより、λ／４の厚さのｎｄ値
（光学的膜厚）を有する薄膜を、高精度に膜厚制御して
形成することができる。

【０００５】しかしながら、ダイクロイック薄膜に求め
られる分光特性が高性能化するにつれて、膜構成中に薄
い薄膜が含まれることが多くなっている。例えばｎｄ＝
４０ｎｍの薄膜を形成する場合は、４ｎｄに当たる波長
１６１ｎｍの単色光を制御波長として用いてλ／４ピー
クまで蒸着することになるが、そのような短波長では実
質的に測定不能である。さらに、ｎｄ＝９０．２ｎｍの
薄膜の場合は、制御波長は３６１ｎｍとなる。この程度
の短波長であれば測定・制御は一応可能であるが、この
短波長光は光量が小さく、しかも検出手段である光電変
換素子の感度が悪いため、測定・制御精度は悪い。この
ように測定感度および制御精度を考えれば、少なくとも
４００ｎｍ以上、できれば４５０ｎｍ以上を制御波長と
したいが、前述の如き薄い薄膜には適用できない。その
ため、精度制御が低下し、形成されるダイクロイック薄
膜の分光特性にバラツキが大きく、不良率が上昇しやす
いという問題があった。

【０００６】また、仮りに４００ｎｍを制御波長としλ
／４ピークで蒸着を停止するとｎｄ＝１００ｎｍの薄膜
が得られるので、４００ｎｍを制御波長としλ／４ピー
クに至るまで適当な段階で蒸着を停止することにより、
ｎｄ＝１００ｎｍ未満の薄膜を形成する方法が提案され
ており、実際にも使用されている。しかしこの方法は、
再現性が悪く、分光特性不良を招きやすい。

【０００７】さらに、ダイクロイック薄膜を形成する個
々の薄膜の厚さは同一でないので、λ／４ピークを基準
とした制御では、それぞれ制御波長（λ＝４ｎｄ）を変
え、しかも、モニター基板をそのつど新たに変更する必
要がある。（常に、ピーク値からピーク値まで蒸着する
必要があるため。）そのため、個々の蒸着における各層
の膜厚誤差は累積され、分光特性、特に反射域と透過域
の立上り部の半値の安定性に欠けるという問題があっ
た。

【０００８】また、２８層のダイクロイック薄膜であれ
ば、消耗品として２８枚のモニター基板が必要となり、
コストの上昇を招き、さらに、２８枚のモニター基板を
真空槽内に収納しこれを順次取り替える装置が必要なた
め、装置の大型化、操作の煩雑さを招くことになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、光学的膜厚
制御方法を用い、高い精度および再現性でダイクロイッ
ク薄膜を製造することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のダイクロイック
薄膜における膜厚制御方法は、高屈折率薄膜と低屈折率
薄膜とを交互に多数回積層してダイクロイック薄膜を形
成する際の膜厚制御方法において、高屈折率薄膜および
／または低屈折率薄膜を形成するに際し、それぞれにお
いて既に形成された薄膜の合計膜厚と今回形成する薄膜
の厚さの総和を累計膜厚とし、この累計膜厚に至るよう
に光学的に膜厚を制御して、薄膜の形成を行なうことを
特徴とする。

【００１１】高屈折率薄膜、低屈折率薄膜のそれぞれに
ついて、同一のモニター基板上に順次薄膜を形成すれ
ば、モニター基板には累計膜厚を有する膜（累積膜）が
形成されることになる。したがって、薄膜形成時にこの
モニター基板の反射率または透過率を測定することによ
り、累積膜の反射率または透過率を容易に測定できる。

【００１２】また、薄膜の屈折率をｎ、形成すべき累積
膜の物理的膜厚をｄとしたときに、４ｎｄの整数分の１
の波長λまたはその近似値の単色光を用い、λ／４毎に
現われる反射率または透過率のピーク値を基準として、
累計膜厚に至るように光学的に膜厚を制御することによ
り、測定、制御が極めて容易となる。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の膜厚制御方法について示す
説明図であり、この膜厚制御方法自体は従来技術と何ら
変わる処がない。真空槽１１内には、蒸発源１３と、基
板を保持した基板ホルダー１５およびモニター基板２１
が設けられている。蒸発源１３により基板に薄膜が形成
されると、同じ厚さの薄膜がモニター基板２１にも形成
される。したがって、モニター基板２１に形成される薄
膜の厚さを監視して制御することにより、基板に形成さ
れる薄膜の厚さを制御できる。

【００１４】符号３１〜４１は反射型の光学式膜厚制御
装置を示す。投光器３１からの単色光は、ミラー３３で
反射され窓１７を通過し、モニター基板２１の下面で反
射され、再び窓１７を通過しミラー３５で反射され受光
器３７に入射する。投光器３１は、光源と分光器あるい
は光源と狭帯域フィルターとからなど成り、制御波長λ
の単色光を出射する。

【００１５】受光器３７は、光電変換素子３７などを具
え、モニター基板２１からの反射光の強度を測定し電気
信号としてコントローラ３９に送る。コントローラ３９
は、ペンレコーダなどの光学モニター４１に信号を送
り、チャート紙上に反射率の変化が表示される。

【００１６】モニター基板２１に薄膜が蒸着されるにつ
れて、モニター基板２１の下面の反射率が変化する。適
当な制御波長λを選択し、上記の反射率の変化を光学モ
ニター４１のチャート紙上で確認し、λ／４あるいはそ
の整数倍のピークで蒸着を停止して薄膜を形成し、この
操作を繰り返して多層膜からなるダイクロイック薄膜を
形成するのが一般的な方法である。

【００１７】ダイクロイック薄膜の中でも、以下の膜構
成の如き赤外光（ＵＶ）カットダイクロイックフィルタ
ーは構成薄膜中に薄い薄膜が多く制御が困難なため、分
光特性の変動、特に立上り部の半値の変動が発生しやす
いという問題があった。この点について、以下の表１に
示した膜構成のＵＶカットフィルターの例を挙げて具体
的に説明する。

【００１８】

【表１】 表１：２８層からなるＵＶカットフィルターの膜構成＊¹ 層 膜厚(４ｎｄ)ｎｍ 層 膜厚(４ｎｄ)ｎｍ Ｈ１ １６１ Ｌ２ ３７８ Ｈ３ ３６１ Ｌ４ ３８３ Ｈ５ ３２１ Ｌ６ ４５６ Ｈ７ ３４９ Ｌ８ ４０５ Ｈ９ ３６８ Ｌ10 ４４０ （中 略） Ｈ23 ３０８ Ｌ24 ４７１ Ｈ25 ３７５ Ｌ26 ２６０ Ｈ27 ４２７ Ｌ28 ６２３ ＊１）基板側からＨ１→Ｌ２→Ｈ３→Ｌ４→…（中略）…→Ｈ２５→Ｌ２６→ Ｈ２７→Ｌ２８→大気の順に積層される。 ここでＨ層は高屈折率薄膜を示し、ＴｉＯ₂ などから形
成される。一方、Ｌ層は低屈折率層を示しＳｉＯ₂ など
から形成される。

【００１９】したがって、例えばＨ１層を考え、素材を
ＴｉＯ₂ （屈折率ｎ＝２．３１）とすると、Ｈ１層の４
ｎｄ膜厚＝１６１ｎｍであるので、Ｈ１層の光学的膜厚
ｎｄは４０．２５ｎｍとなり、一方、物理的膜厚は１
７．４ｎｍとなる。なお、上記の表１および図２，図３
においては、４ｎｄが制御波長に対応することから、薄
膜の厚さを主として４ｎｄの大きさとして表示してあ
る。図３は、従来における膜厚制御方法を示す説明図で
ある。

【００２０】Ｈ１層は、本来であれば制御波長をλ＝１
６１ｎｍとし、最初のピークＰまで光学モニターが振れ
るまで蒸着すればよいが、波長λ＝１６１ｎｍの単色光
では現実的に安定な測定ができない。そこで、制御波長
として４００ｎｍを採用し、予じめ実験で定めることに
より、ピーク値に至る以前の段階で蒸着を停止し、膜厚
４ｎｄ＝１６１ｎｍのＨ１層を形成する。ついで、モニ
ター基板２１を新しいものに交換し、Ｌ２層を形成す
る。

【００２１】以下、Ｈ３，Ｌ４，Ｈ５，Ｌ６…の順にＬ
２８層まで形成するが、各Ｈ層に着目すると、膜厚４ｎ
ｄと等しい制御波長を用いて、いずれもピークＰで蒸着
を停止することにより各Ｈ層を形成している。この場合
に、各Ｈ層の膜厚が異なるため制御波長も当然に異な
り、しかも、蒸着開始時に反射率がピーク値にあること
が必要であるため、各Ｈ層の形成に際しては、常にモニ
ター基板を交換する必要があり、１４枚のモニター基板
が必要となる。この事情はＬ層も同様であるので、結局
１回の蒸着に際して２８枚のモニター基板が必要とな
り、モニター基板の消費が激しくコスト的に無駄であ
る。

【００２２】また、各層で１枚のモニター基板を使用す
るため、各層の形成時の膜厚誤差は補正されることなく
累積されることになり、得られるＵＶカットフィルター
の分光特性の再現性が悪く、特に立上り部の半値が変動
しやすく安定性に欠けていた。

【００２３】さらに、制御波長はＨ３＝３６０ｎｍ，Ｈ
５＝３２１ｎｍ，Ｈ７＝３４９ｎｍといずれも短波長で
ある。この程度の短波長であれば、一応測定・制御可能
であるが、可視域に比較して測定制度が悪い。一方、図
２は本発明法を示す説明図である。

【００２４】図２と図３とを比較すると、図２では４ｎ
ｄ累計膜厚から制御波長を決定している点で異なる。

【００２５】Ｈ１層は第１層なので４ｎｄ累計膜厚も１
６１ｎｍであり、この場合は図３の従来例と同様に制御
波長を４００ｎｍに設定し、ピーク値前の予じめ実験的
に定めた地点まで光学モニターが振れた時点で蒸着を終
了することにより、光学的膜厚ｎｄ＝４０．２５ｎｍの
Ｈ１層を形成する。

【００２６】ついで、モニター基板を入れ換えてＬ１層
を形成した後、再度、Ｈ１層が形成されているモニター
基板に入れ換える。このように本発明では、Ｌ層とＨ層
とでは異なるモニター基板を使用するが、Ｈ１〜Ｈ２７
のＨ層の形成では全て同じモニター基板を用い、同様に
Ｌ２〜Ｌ２８のＬ層の形成では全て同じモニター基板を
用いる。

【００２７】光学的膜厚ｎｄが９０．２５ｎｍであるＬ
３層の４ｎｄ値は３６１ｎｍとなり、Ｈ１層とＨ３層と
の４ｎｄ累計膜厚は１６１＋３６１＝５２２ｎｍとな
る。５２２ｎｍは可視光域にあり高安定性・高精度の測
定・制御が可能であるので、制御波長としてそのまま５
２２ｎｍを選択する。モニター基板上には既にＨ１層の
蒸着時に４ｎｄ膜厚として１６１ｎｍのＴｉＯ₂ 薄膜が
蒸着されているので、Ｈ３層の蒸着前に制御波長を４０
０ｎｍから５２２ｎｍに切り替えると、反射率の変化を
示す光学モニターの振れの位置は、ピーク値から立ち上
がったＳ点にある。Ｈ１層とＨ３層とでは制御波長が異
なるので、Ｈ１層蒸着時の光学モニターの振れの最終点
とＳ点とでは位置が異なる（波長によりモニタ基板の反
射率が異なる）。Ｈ３層の蒸着を開始すると光学モニタ
ーの振れが開始するので、ピークＰで蒸着を終了する。
このとき、光学モニター上には４ｎｄ膜厚としてＨ１層
形成時の１６１ｎｍとＨ３層形成時の３６１ｎｍの合計
の５２２ｎｍの薄膜が形成されている。一方、基板にお
いてはＬ２層上に４ｎｄ膜厚３６１ｎｍ、すなわち光学
的膜厚９０．２５のＨ３層が形成されている。以下この
操作を繰り返し、Ｈ２５層まで形成すると、モニター基
板上には４ｎｄ膜厚として４４６３ｎｍの薄膜（ＴｉＯ
₂） が形成されていることになる。

【００２８】Ｈ層の最上層であるＨ２７層は、光学的膜
厚ｎｄ＝１０６．７５ｎｍ、４ｎｄ膜厚＝４２７ｎｍで
あるので、Ｈ２７層形成後の４ｎｄ累計膜厚は４８９０
ｎｍとなる。４８９０ｎｍが好ましくは４００〜７００
ｎｍとなるような整数は９であるので、４８９０ｎｍを
９で割り（４８９０÷９＝５４３．３）、制御波長とし
てλ＝５４３ｎｍを設定する。

【００２９】光学モニターの振れはＳ点にあるので、Ｓ
→Ｐ（ピーク）点まで蒸着することにより、光学モニタ
ー上には４ｎｄ累計膜厚として４８９０ｎｍの薄膜が形
成され、一方、基板上には光学的膜厚１０６．７５ｎｍ
のＨ２７層が形成される。

【００３０】なお、仮りに、制御波長λ＝５４３ｎｍで
光学モニター上に連続して４ｎｄ膜厚として４８９０ｎ
ｍの薄膜を形成したとすると、λ／４毎に現われる８つ
のピーク後にＳ点があり、Ｐ点は９回目のピークとな
る。

【００３１】本発明では上述の如く、４ｎｄ累計膜厚を
適当な整数で割って３５０〜９２０（好ましくは４００
〜７００）の値を導き出し、この値を制御波長とするの
で、４ｎｄ累計膜厚が４００ｎｍを超えた以降は必ず、
４００ｎｍ以上の制御波長を用いλ／４ピーク値を基準
として膜厚を制御することができ、形成する薄膜の光学
的膜厚を高い精度で制御し、高い再現性でダイクロイッ
ク薄膜を製造することができる。

【００３２】また、Ｈ層、Ｌ層については、同一のモニ
ター基板を用い、順次薄膜形成を行なうので、最終的な
Ｈ層全体の厚さとして膜厚を制御できる。したがって、
各Ｈ層における誤差が累積されることはなく、さらに各
Ｈ層の形成において逐時４ｎｄ累計膜厚として補正が繰
り返されるので、得られるダイクロイック薄膜の再現性
が良好であり、特に立上りの半値の変動が少ない。この
事情はＬ層についても同様である。

【００３３】さらに、モニター基板はＨ層、Ｌ層で各１
枚づつで足り、モニター基板の使用枚数を削減でき、ま
た、真空槽内に配置されるモニター基板の交換装置を大
幅に小型化できる。

【００３４】本発明は、上記の実施例に限定されず、種
々の変形が可能であり、その一例を挙げれば以下の通り
である。 （１）赤外線カットフィルターの他に、赤（Ｒ）、緑
（Ｇ）、青（Ｂ）のカラー表示用フィルター等の色分解
フィルターなどの他のダイクロイックフィルター、ダイ
クロイックミラーの製造に適用できる。 （２）膜厚監視には、反射光でなくモニター基板の透過
光を用いてもよい。

【００３５】（３）薄膜形成手段は、真空蒸着に限ら
ず、イオンプレーティング、スパッタリングなどいずれ
でもよい。 （４）所望により、Ｈ層、Ｌ層のそれぞれにおいて、途
中でモニター基板を交換してもよい。 （５）膜厚監視法は、単色法に限定されず、二色法など
他の方法でもよい。

【００３６】

【発明の効果】本発明よれば、高い分光特性精度、再現
性でダイクロイック薄膜を製造することができる。消耗
品であるモニター基板の必要数を削減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の膜厚制御方法についてのハードを示す
説明図である。

【図２】本発明の膜厚制御方法についてのソフトを示す
説明図である。

【図３】従来の膜厚制御方法についてのソフトを示す説
明図である。

【符号の説明】

１１ 真空槽 １３ 蒸発源 １５ 基板ホルダー １７ 窓 ２１ モニター基板 ３１ 投光器 ３３，３５ ミラー ３７ 受光器 ３９ コントローラ ４１ 光学モニター

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高屈折率薄膜と低屈折率薄膜とを交互に
   多数回積層してダイクロイック薄膜を形成する際の膜厚
   制御方法において、 高屈折率薄膜および／または低屈折率薄膜を形成するに
   際し、それぞれにおいて既に形成された薄膜の合計膜厚
   と今回形成する薄膜の厚さの総和を累計膜厚とし、この
   累計膜厚に至るように光学的に膜厚を制御して、薄膜の
   形成を行なうことを特徴とする、ダイクロイック薄膜の
   形成方法における膜厚の制御方法。
2. 【請求項２】 高屈折率薄膜、低屈折率薄膜のそれぞれ
   について、同一のモニター基板上に順次薄膜を形成せし
   め、累計膜厚に至るように光学的に膜厚を制御して薄膜
   の形成を行なう請求項１に記載の膜厚制御方法。
3. 【請求項３】 薄膜の屈折率をｎ、形成すべき累計膜厚
   を有する累積膜の物理的膜厚をｄとしたときに、４ｎｄ
   の整数分の１の波長λまたはその近似値の単色光を用
   い、λ／４毎に現われる反射率または透過率のピーク値
   を基準として、累計膜厚に至るように光学的に膜厚を制
   御して薄膜の形成を行なう請求項１または２に記載の膜
   厚制御方法。