JPS5844961B2 - 膜厚制御または監視装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、多層薄膜を真空蒸着する際に用いられる膜厚
制御または監視装置に関する。

従来技術 従来、光学部品表面にかける反射を防ぐ為の反射防止膜
はよ〈知られており、最近では性能向上の為に３層以上
からなる多層反射防止膜が提案されている。

そのような多層膜を光学部品の表面に形成する為には、
一般に、真空蒸着法が用いられるが、真空蒸着を行う場
合には蒸着される膜の膜厚を各層ごとに制御することが
必要である。

そこで、従来一般に、光学薄膜の膜厚制御の為に、蒸着
中の膜の反射率もしくは透過率を測定しその結果から膜
厚を測定する方法が用いられている。

ことで、従来の膜厚制御法は、いずれも光学的膜厚λＯ が−の整数倍となったときに反射率もしくは透過率が極
太もしくは極小となることを利用するものである。

しかしながら、実際に反射防止膜の各層構成物質として
利用できる蒸着材料は限られているので、いずれかの層
の光学的膜厚が鼓の整数倍でない構成も提案されている
。

その第１は等価膜によるものである。

これは低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積み重ね
、それぞれの層の膜厚により等何曲に任意の屈折率λＯ を有する光学的膜厚−の層を作る方法で基本構或が±Ｌ
の整数倍で構成される多層膜の一部の層４ λ０ に適用される。

等細膜の手法によると−で構成される基本構成より層数
が増えるとともに必要とされる膜厚が非常に薄くなり３
００オングストローム以下になる場合もある。

λＯ 光学的膜厚が−でない層を含む反射防止膜の第２の例は
日本特願昭４７−６８９０３号及び日本特願昭４９−１
０５５１７号に示されるものである。

。れは基工構成ｆ％’（Ｄ整数倍ア構成うゎる４層ある
いは５層反射防止膜の１部の層の光学λ０ 的膜厚をあえて−の整数倍でないものを採用することに
より有効な反射防医膜を得るものである。

このような構成によると基本構成より層数が増えず、必
要とされる光学的膜厚も薄くなりすぎることもな′Ｖ″
Ｉ。

以上のような膜厚がへでない層を有する多層λ０ 膜はさきに述べたように−の整数倍の膜厚のみを検出す
る膜厚制御法を応用することができない。

λ０ そして光学的膜厚が−でない層の膜厚制御法も２．３試
みられているが実用に適するものはない。

さらに多層反射防止膜の製造にあたって１）不均質屈折
率、２）光学的膜厚の経時変化等の問題がある。

１）は屈折率が膜厚方向に変化している現象で特に高屈
折率の酸化物、硫化物等で観察される。

２）は真空中での光学的膜厚と蒸着後大気に長時間さら
したときの光学的膜厚か変化する現象で蒸着後大気にさ
らした時点で特に急激に変化する。

このような経時変化の問題があるので、蒸着後安定状態
になった時点で所望の膜厚が得られるような膜厚を蒸着
時に得る必要がある。

従つλ０ て基本構成が−の整数倍で構成される多層膜に於いても
さきに述べた膜厚制御法では所望の膜厚が得られるとは
限らない。

目的・発明の要旨 本発明は上記諸問題点を解決し、より優れた膜厚制御ま
たは監視装置を提供することを目的としたもので、予め
定めた波長域内の複数の波長に対する膜厚監視用基板の
反射率もしくは透過率を検出するとともに、所望の膜厚
となったときの各波長にち・ける反射率もしくは透過率
の特性を設定しておき、それぞれの信号が各々の波長毎
に検出値と設定値とを比較することによって膜厚の制御
または監視がなされるように構成することを特徴とする
ものである。

実施例 以下図面に基づいて本発明の詳細について説明する。

第１図は光学基板の上に多層薄膜を蒸着する際の真空蒸
着装置及び本発明第１実施例による膜厚監視装置を示す
説明図にして１は中を真空に保つためのチャンバーであ
り、ベースプレート２の上に設置されている。

蒸着膜を施される基板３は球状のドーム４上に据つけら
れる。

基板３は蒸着膜の付着力を強くするため一般に適当な温
度に加熱される。

１１はこのための加熱装置である。蒸着材料は回転可能
な材料支持台５内に設置される。

蒸着材料を飛ばすためには電子銃方式、抵抗加熱方式等
があるが、ここでは電子銃方式のものを用いている。

６が電子銃のフィラメントであり、フィラメント６から
の電子ビームはマグネット７により曲げられ蒸着材料に
あてられる。

８は蒸発源の開閉を行うためのシャッタである。

ペルジャー内は真空ポンプ１２により適当な真空度に保
たれている。

パルプ１３及びタンク１４は酸素ガス等、任意のガスを
必要に応じてペルジャー内に導くためのものである。

膜厚監視のための試料１０は基板保持用ドーム４に据え
付けられる。

ベースプレート２には窓２２が設けられてあ・す、ここ
から光源１６からの光がペルジャー内に導かれる。

光源１６から発せられビームスプリッタ１７で反射され
た光は、光源からの光の強度のふらつきの影響を除き、
試料基板１０の反射率を測定するための参照光２４とし
て用いられる。

図では示されていないが監視用光束は機械的チョッパー
により約１０００Ｈｚの光に断続され、これを交流増幅
することにより蒸発源からの光等の迷光の影響を除く方
法が一般に用いられる。

１８は色フィルター保持具であり、ここに何種類かの波
長を選択的に透過させるたぐの複数の干渉フィルター（
又は色フイルタ−）が軸の回りに設置されている。

この色フィルター保持具は回転可能であり、連続的に回
転し、異った複数の波長の光を透過させる。

レンズ１５は光源１６からの光が試料基板１０上に焦点
を結ぶようにするためのものである。

試料１０で反射された光束２３及び参照光２４はそれぞ
れフォトマルチプライヤ−等の光電変換素子２５，２６
により電気信号に変換される。

それぞれの電気信号は増幅器２７及び２８により増幅さ
れて差動増幅器２９により差がとられる。

前記増幅器２７及び２８としては対数増幅器を用いる。

参照光２４は光源の強度のふらつきの影響を除くととも
に、光源１６０分光放射率及び色フィルターの分光反射
率の波長による違いの影響を除いて、試料基板１０の各
波長にあ・ける反射率を正しく測定するためのものであ
る。

光源の時間的な変化Ｉ（ｔ）、分光放射率をＳ（λ）、
フィルターの分光透過率をＴ（λ）、試料基板の分光反
射率をＲ（λ）とすると光電変換素子２５に入る光の強
さはＩ （ｔ）、Ｓ（λ）・Ｔ（λ）・Ｒ（λ）に比例
する。

−万券照光２４０強度はＩ （ｔ）・Ｓ（λ）・Ｔ（λ
）に比例する。

反射光２３が光電変換素子２５で光電変換され対数増幅
器２７で増幅された後の出力はｌｏｇ（Ｋ１・１（ｔ）
・Ｓ（λ）−Ｔ（λ）−Ｒ（λ））と表わすことができ
る。

但しに１は波長及び時間には関係しない定数である。

一方参照光２４に対応する増幅器２８の出力ばに２を定
数午すると、ｌｏｇ（Ｋ２・■（ｔ）・Ｓ（λ）−Ｔ（
λ））と表わされる。

差動増幅器２９でこの２つの信号の差をとった後の出力
は、 となり光源の強度の時間的変化、光源の分光放射率及び
フィルターの分光透過率の影響を取り除いて試料１００
反射率を測定することが可能となる。

なあ・、特に上述しなかったが対数増幅器２７と２８の
増幅度を同じになるよう調節する必要があるのは勿論で
ある。

差動増幅器２９の出力は表示装置３０に入力され、試料
基板１０の分光反射率特性を示すカーブ５９が表示され
る。

一方、後述の第４図に図示されるカーブジェネレータ５
２の出力も表示装置３０に入力されて、カーブ５７が表
示される。

カーブジェネレータ５２は、手動操作によって蒸着中の
薄膜の膜厚が所望の値となったときの試料基板１００反
射率を互いに異なる複数の波長についで設定する不図示
の設定装置に接続されており、オペレータは真空蒸着を
行いつつ表示装置３０の表示を観察しつづけ、測定カー
ブ５９が設定カーブ５７とマツチングしたときに蒸着を
停止させる。

この動作を各層ごとに行えば、ムの整数倍以外の膜厚で
も精度良く監視することができる。

また不均質や経時変化の影響を防止する為には、これら
のことを考慮した上で設定カーブ５７を設定すれば良い
。

本実施例によれば、単一の波長に限ることなく、複数の
波長それぞれにわける反射率を用いて、すなわち、分光
反射率を用いて、真空蒸着中の薄膜を監視することかで
きるので、膜厚かムの整数倍以外の薄膜についても膜厚
を監視することができる。

次に、真空蒸着装置とともに用いられて真空蒸着中の薄
膜の膜厚が所望の値となったときに蒸着を自動的に停止
せしめる膜厚制御装置を示す第２実施例について第２図
を用いて説明する。

第２図に釦いて、光源３１から発せられた光は、スリッ
ト３２を透過した幅の狭いもののみがとり出され、半透
過３３によって透過光束３７と反射光束３９とに分割さ
れる。

透過光束３７はレンズ３４を通り、ミラー３５で方向を
考えられ、膜厚監視用基板１０上に集光される。

基板１０で反射された光束３７はミラー３６で向きを変
えられて光電変換素子３８に入る。

一方半透鏡３３で反射された光束３９はミラー４１で向
きを変え光電変換素子４２に入る。

この光束３９はさきに説明したように反射率を正確に求
めるための参照光である。

光電変換素子３８及び４２に受光されるそれぞれの光束
３７．３９の強度は対数増幅器４３及び４４でそれぞれ
対数変換され、差動増幅器４５で電気的に差がとられる
。

差動増幅器４５の出力は試料基板１００反射率に対応し
た信号を出力する。

参照光束３９、増幅器４３．４４、差動増幅器４５の役
割についてはさきに説明した参照光２４、増幅器２７，
２８及び差動増幅器２９と同じである。

透過光束３７の光路に配置されたフィルタホルダ４８に
は異とる波長λ□〜λ６をそれぞれ透過するような６枚
のフィルターが設置されており、同ホルダは軸の周りを
連続的に回転している。

この回転にともないフィルターを透過して試料基板１０
に照射される光束の波長は、λ１．λ２・・・。

λ６．λ０．λ２．・・・λ６が周期的に変化せしめら
れ、ホルダの不透過部分のため光電変換素子３８に受光
される光束はステップ状の強度変化をする。

従って差動増幅器４５からの出力の電気信号モステップ
状になっている。

差動増幅器４５の出力を模式的に示したのが第４図であ
る。

横軸は時間であり、縦軸は差動増幅器の出力の電気信号
を示している。

電気信号は波長λ１〜λ６に対する試料基板の反射率に
対応しても・す、このような信号が周期的に繰返してい
る。

第２図のフィルタホルダ４８はシンクロナスモータ４６
で１駆動されてあ・す、該モータば、各フィルタの中心
が光束の中心部分にきたときに、パルスを発生するよう
に構成されている。

４７は論理ゲートであり、光電変換素子４２の出力とモ
ータ４６からのザンプリングパルスにより駆動され第５
図に示すゲート信号を発生する。

増幅器４９はゲート信号により駆動され、差動増幅器４
５の出力を第６図に示す電気信号としてＡ−Ｄ変換器５
０に送られる。

さらに第６図に示される信号５１は第２図のＡ−Ｄ変換
器５０によりディジタル信号に変換される。

一方第２図の５２はカーブジェネレータであり所望の膜
厚になったときの分光反射率に対応した電気信号を発生
する。

このような分光反射率曲線の１例を第３図に示している
。

第３図の５３が所望の膜厚に対応する分光反射率曲線で
あり、曲線５３Ａと５３Ｂは膜厚の許容限界値に対応す
る分光反射率を示している。

このような分光反射率曲線のうち、波長λ１〜λ６に対
応するデータがカーブジェネレータ５２にインプットさ
れている。

カーブジェネレータ５２からの信号とＡ−Ｄ変換器５０
からの信号はコンパレータ５４に入力され、コンパレー
タで比較演算が行なわれる。

電気系での時間軸はλ１〜λ６の波長に対応しているの
で、演算はカーブジェネレータからのλ１に対応する信
号とＡ−Ｉ）変換器からのλ、に対応する信号とが比較
され、両者が与えられた許容限界内にあればコンパレー
タ内のλ□に対応する場所にマツチングしたことを示す
信号か貯えられる。

同様にλ２〜λ６について比較演算が行われ、λ１〜λ
６の全部がマツチングした時にコンパレータばこれに対
応する信号を出し、真空蒸着装置のシャッタ８を閉じる
とともに電子銃の電源を切ることにより蒸着は停止され
る。

以上本発明の第１及び第２実施例について述べた。

以上の方法により精度よく膜厚を制御することが可能で
あるが、初めに述べたように実際の蒸着にあたっては光
学的膜厚の経時変化の問題があり、蒸着中に所望の光学
的膜厚に蒸着したのでは蒸着後定常状態になったときに
は所望の膜厚が得られない。

従って多層薄膜に使用する各々の蒸着材料の蒸着中と蒸
着後の変化率を予め実験的に求めてわき、蒸着後に所望
の膜厚になるよう、目標の分光反射率を与える必要があ
る。

また、蒸着後に所望の膜厚になるように各フィルタの波
長あるいは分光反射率を予め実験的に求めてかき、これ
を用いる方法も可能である。

さらに実１験の蒸着にあたってはペルジャー内の真空度
、基板の温度、蒸朝の速度等種々の変動要因がある。

また膜厚制御により得られる膜厚の精段には限界かあり
、得られる膜厚にはばらつきが生じる。

多層膜を蒸着する際には既に蒸着を終った下層の誤差が
これから蒸着する層の膜厚に影響するので、得られる多
層膜の分光反射率曲線は設計のものとは著しく異ったも
のとなることがある。

第２実施例では、このような累積誤差を最少にし、設計
の多層膜の分光反射率曲線とあ１りちがわない分光反射
率曲線を与えるような多層膜を得ることが可能である。

これは次のようにして行なわれる。

第２実施例では、既に蒸着の終った膜の分光反射率かリ
アルタイムで得られている。

従ってこの分光反射率曲線から蒸着膜の屈折率及び光学
的膜厚を求めることは可能である。

このことは分光反射率のデータをコンピュータに入力し
、レンズの自動設計で用いられる減衰最少自乗法等を用
いて解析することにより可能である０次に得られた下層
の膜厚及び屈折率をもとに上層の膜厚の修正設計を行な
う、この結果の膜厚に対応する分光反射率曲線を第４図
のカーブジェネレータ５２にインプットし、これを目標
に次の層を蒸着していく。

この過程を最下層から最上層１で繰返すことにより、目
的とする多層膜の分光反射率曲線になる。

尚、本発明は上記実施例の如く分光反射率を用いるもの
に限定されるものではなく、分光透過率を用いても良い
。

効果 以上詳述したように、本発明は、光学要素表面に形成さ
れる光学薄膜の膜厚を制御または監視する膜厚制御また
は監視装置にち・いて、互いに異なる複数の監視波長に
対する試料基板の反射率もしくは透過率をモニタし各波
長に応じた情報をそれぞれ出力する検出手段と、該検出
手段の出力に基づいて分光反射率特性もしくは分光透過
率特性に応じた表示を行う表示手段と、膜厚が所望の値
となったときの各波長にち・ける分光反射率特性もしく
は分光透過率特性に応じた情報を出力する設定手段とを
有し、各波長にあ・ける画情報をそれぞれ互いに比較す
ることにより膜厚の制御または監視がなされるように構
成されていることを特徴とするものであり、このように
構成することによってλ〇 −の整数倍以外の膜厚についても精度良く監視もしくは
制御を行うことができ、かつ、分光反射率もしくは分光
透過率に基づいて膜厚の監視もしくは制御かなされるの
で、不均質や経時変化を考慮に入れた分光反射率もしく
は分光透過率を設定することにより不均質や経時変化を
考慮に入れた膜厚を得ることかできる。

特に、分光反射率を用いて多層反射防止膜の膜厚監視ま
たは制御を行う場合、各層ごとに試料基板を変えること
なく累積モニタを行なえば、最終蒸着層のモニタ結果が
すなわち多層反射防止膜の分光反射率特性となるので、
製品の最終的分光特性の保証となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る第１実室例の膜厚監視装置を模式
的に示した説明図、第２図は本発明の第２実施例の構成
を模式的に示した説明図、第３図は所望の膜厚になった
ときの分光反射率曲線の１例を示すカーブ、第４図は第
２図の差動増幅器４５かもの出力信号を模式的に示した
図、第５図はゲート回路４７の出力信号を模式的に示し
た図、第６図は増幅器４９かもの出力信号を模式的に示
した図である。 １０・・・試料基板、１５〜１８．２１〜２９・・・検
出手段、３０・・・表示手段、３１〜３９．４１〜４８
・・・検出手段、５２・・・設定手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光学要素表面に形成される光学薄膜の膜厚を制御ま
   たは監視する膜厚制御または監視装置にｂいて、 互いに異なる複数の波長に対する試料基板の反射率もし
   くは透過率をモニタし各波長に応じた情報をそれぞれ出
   力する検出手段と、 該検出手段の出力に基づいて分光反射率特注もしくは分
   光透過率特性に応じた表示を行う表示手段と、 膜厚が所望の値となったときの各波長にち・ける分光反
   射率特性もしくは分光透過率特性に応じた情報を出力す
   る設定手段とを有し、 各波長における画情報をそれぞれ互いに比較することに
   より膜厚の制御渣たは監視かなされるように構成されて
   いることを特徴とする膜厚制御または監視装置。