JPS62227102A - 多層膜の光学的膜厚制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ この発明は、誘電体薄膜を用いた多層膜の光学的膜厚制
御方法に係シ、特に誘電体多層膜において異なる光学的
膜厚の層を有する場合の光学的膜厚制御方法に関する。

［背景技術とその問題点コ 一般に薄膜の膜厚測定法は、大別して薄膜の形成中に行
なう方法と、薄膜を形成し穴径に測定する方法がある。

しかし、薄膜の膜厚あるいは膜質な制御する目的の九め
には、前者の方法を取らなければならない。

ところで、光学や光学電子工学を目的とし念訪電体多層
膜の形成には、ハ波長の光学的膜厚、あるいはその整数
倍を制御する場合が多い。誘電体薄膜の屈折率及び膜強
度等の膜質は基板温度に依存するので、誘電体薄膜につ
いては、水晶振動子法ではなく、膜形成中の透過率ある
いは反射率を測定しなから膜厚、特に光学的膜厚を制御
する光電式膜厚制御法が優れている。そして、との光電
式膜厚制御法には、単色測光法と２色測光法がある。

さて、誘電体多層膜を用いて所望の分光特性を有するフ
ィルタを得ようとする場合、全ての屡の光学的膜厚がλ
。／４であることは、種々の欠点がある０例えば、第８
図に示すような分光特性において、透過率が高いことが
望まれるようなフィルタでは、透過率のリップルは極力
抑制することが要求される。第８図に示す特性を有する
層数５層程度の多層膜でさえ、リップルの谷で８０％の
値となる。層数が増すに従い、リップルの数は多く、谷
での透過率の値は低くなる。

誘電体多層膜において、しばしば、異なる光学的膜厚の
層を形成する必要が生ずるが、例えば上述の透過帯にお
けるリップルを低減させることを目的とする場合も、こ
れに相当する。この場合、誘電体多層膜、あるいはその
一部分として、異なる光学的膜厚が夫々λ、／４とλ２
／４である高屈折率物質Ｈと低屈折率物質りからなる２
層の場合を例にとると、単色測光法の場合、第４図に示
すように、波長λ、を有する単色フィルタ２６により、
Ｈの層をλ、／４だけ形成する。

その後、同一のソニタ基板２ａ〜２ｅにより、引続き波
長λ２を有する単色フィルタ２６により、Ｌの層をλ２
／４だけ形成しようとしても、第９図に示すように、極
値においては、λ２／４の光学的膜厚は制御されず、λ
ｘ／４となってしまう。尚、第９図では、λ、くλ２の
場合を図示した。又、λ、〉λ２の場合を第１０図に示
すが、同様ＫＬの層の光学的膜厚λ２／４を極値におい
て制御することは出来ない。尚、図中の点線は、仮１／
４波長λ２を有する単色フィルタ２６で監視した場合の
Ｈの層の蒸着中の透過率曲線を示す。又、第４図中、１
はモニタ部、１０は真空槽、１１はドーム、１２〜１４
は基板、２０は蒸着材料、２１は光源、２２は受光部、
２３はルツが、２４は電子銃、２５は単色フィルタであ
る。

上述のように、各層で光学的膜厚が異なる場合には、単
色フィルタをλ１からλ２へ交換するだけでなく、モニ
タ基板２＆〜２ｅをも新たに交換して、夫々所望のλ１
／４並びにλ２／４（あるいはその整数倍）をｉｉｔ制
御しなければならない。

しかし、低屈折率物質りとしては、通常、ガラス基板の
屈折率（例えばＢＫ−７のガラス基板は１．５１）に近
い値の物質、例えば二酸化シリコン（屈折率は１．４７
）が用いられる。第１１図に示すように、ガラス基板上
へ直接低屈折率物ＩＲＬを形成しても、蒸着中の光量変
化、従って透過重油ａ（あるいは反射率曲線）の変化量
が小さく、λ２／４の極値を検出することが困難であっ
た。

更に、２色測光法の場合も同様で、ガラス基板上へ二酸
化シリコンの如く低屈折率物質りを形成する場合の蒸着
中の分光透過率の変化は、波長λ。の点で最大で、その
絶対値は第１１図のＬの形成の開始の透過率の値と、λ
２／４を形成した終了時の透過率の値の差である。従っ
て、λ。

を中心とした短波長側や長波長側の波長λ、やλ２にお
ける透過率（あるいは反射率）の変化量は、波長λ。に
おいてよりも更に小さく、λ２／４゛の極値を検出する
ことが困難であった。

現実には、単色測光法並びに２色測光法の両方において
、第４図の受光部２２や第５図の受光部３２．３３の感
度に起因するノイズが重畳され、更にλ２／４の極値検
出を困難にしている。

たとえ、第４図の光源２１からの光をチッツピングして
も、蒸着中の透過率（あるいは反射率）曲線にノイズが
発生し、極値の検出を更に困難にする。ノイズ発生は、
赤外領域での受光素子を用いる場合に、可視光領域より
も更に顕著になる。

異なる光学的膜厚を有する低屈折率物質の制御は、特に
層数の多い短波長域通過フィルタや長波長域通過フィル
タのようなエッジ・フィルタのリップルの低減、並びに
その分光特性の再現性を得る場合には、大きな問題で、
従来しばしばそれが不可能であり、誘電体多層膜フィル
タを高歩留シで得るのは困難であった。

［発明の目的コ この発明は、上述の従来技術の問題点に鑑みなされたも
ので、基板と近い屈折率を有する物質で、光学的膜厚が
既に形成されている層と異なる場合に、高精度で光学的
膜厚あるいは膜厚を制御し、以て高性能の分光特性を有
する誘電体多層膜フィルタを、再現性良く得られる多層
膜の光学的膜厚制御方法を提供することを目的とする。

［発明の概要］ この発明は、基板上に形成された光学的膜厚がλ。／４
（λ。はある波長）の高屈折率物質と低屈折率物質の交
互層からなる誘電体多層膜を主体とし、光学的膜厚が上
記λ。／４と異なる層をも含む多層膜の光学的膜厚制御
方法において、上記高屈折率物質のある層の光学的膜厚
がλ、／４であり、それに引続く低屈折率（又は中間の
屈折率）物質の層の光学的膜厚がλ２／４である場合（
但し、λ１とλ２の少なくとも一方はλ。と等しくなく
、又、λ２＝αλ、とする（α〜１）。）、上記光学的
膜厚λ１／４は、あるモニタ基板を用いて、単色光λ、
の１／４波長に相当する光の透過率又は反射率の極値を
検出することにより、又、上記光学的膜厚λ２／４は、
上記あるモニタ基板と同一のものを用いて、単色光１土
（１・λｔ（ｎは自層数）の１／４波長のｎ倍に相当す
る光の透過率又は反射率の極値を検出することによυ、
制御する多層膜の光学的膜厚制御方法である。

［発明の実施例］ 以下、この発明の一実施例を、図面を用いて詳細に説明
するが、形成する誘電体多層膜フィルタは、エッジ・フ
ィルタとして短波長域通過フィルタを例にとシ詳述する
。

即ち、この短波長域通過フィルタは、例えば光合分波器
用のフィルタとして用いられるものであり、その構成は
例えば層数は２７層で、次の如くとする。

基板１１．０５Ｍ・１．０５　Ｌ・１．０５　Ｈ−Ｌ・
（）Ｉ−Ｌ）　　・１．０５　Ｈ・１．０５　Ｌ・１．
０５Ｍ１接着剤　・・・・・・・・・・・・（１）この
誘電体多層膜フィルタは、構成印に示す接着剤を介して
、他の誘電体ブロックに貼シ合わされておシ、ブロック
全体で光合分波器を形成している。

尚、上記構成（１）において、Ｈ，Ｌ、Ｍは、夫夫光学
的膜厚がλ。／４の高屈折率物質、低屈折率物質、中間
の屈折率を有する物質を表わし、具体的には、例えば夫
々二酸化チタン、二酸化シリコン、酸化ジルコニウムで
ある。今、λ。＝１１９０　ｎｍとすれば、λ。の１．
０５倍であるλ、はλ、　＝　１２５０　ｎｍとなる。

つまシ、ｌ、Ｑ５Ｈ、１，０５Ｌ　、　１．０５Ｍは、
夫々光学的膜厚がλ、／４の高屈折率物、低屈折率物質
、中間の屈折率を有する物質を表わす。

即ち、上記構成（ｉ）において、基板側から数えて第３
層（１，ｏｓｕ）及び第４層目（Ｌ）を形成するには、
従来の方法では、夫々λ、　＝　１２５０　ｎｍ　。

λ２＝＝　１１９０　ｎｍとして、１／４波長を形成す
ると第１１図に示す如くになってしまい、第４層目を形
成する際透過率の変化の極値を検出することができず、
正確に膜厚制御ができない。この発明による第３層及び
第４層の蒸着時の透過率曲線を第１図に示す。即ち、第
３層目の１．０５　Ｈの膜をあるモニタ基板を用いて、
単色光λ、の１／４波長に相当する光の透過率又は反射
率の極値を検出して制御する。この後、第４層目のＬの
膜を、同一のモニタ基板を用いて、単色光λ２′の１／
４波長のｎ倍（第１図では２倍）Ｋ相当する光の透過率
又は反射率の極値を検出して制御する。尚、第１図に示
すようにλ２′の強波長とは、半分のλ２／４は既に形
成されており、全光学的膜厚がλ２′／２の時点の意味
である。ここで、各単色光λ４．λ２′は、第１図から
判るように、％λ、＋ハλ２：Ｚλ′＋ハλ２′であ勺
、λ２′＝ｖ２（λ１＋λ２）　・・・・・・・・・（
１１）となる。λ、は第３層目の１．０５　Ｈに対応す
るものであり、λ、＝１２５０ｎｍとする。またλ２は
第４層目のＨに対応するものであり、λ２＝λ。＝１１
９０　ｎｍとする。従って、λ２′としては、λ２′＝
１２２０　ｎｍが用いられる。なお、λ１とλ２との間
λ２′＝１１６・λ、で示される。

実際に構成（１）を形成する際の層数と、使用する物質
、モニタ基板、単色フィルタの関係を第２図に示す。第
１図は第２図における第３層目と第４層目に相当する部
分を詳細に示したものである。第２図において、第１層
目からと第３層目までは単色フィルタλ１　＝　１２５
０　ｎｍを用いて形成し、第４層目でλ２　”　１２２
０　ｎｍを用い第１図に示すようにＬを形成し、第５層
目から第２４層目まではλ２　＝　１１９０　ｎｍを用
い、第２５層目から第２７層目までは再びλ１　＝　１
２５０　ｎｍを用いる。

以上の光学的膜厚制御方法により、第４図に示す電子ビ
ーム蒸着装置を用いて誘電体多層膜を形成するが、他の
蒸着条件は次の如くである。

即ち、蒸発源を収納するルツデ２３は、二酸化チタンと
二酸化シリコン及び酸化ジルコニウムを複数個ずつ具備
可能な図示しない円板型と扇型のものである。所定の物
質を蒸着させる場合、電子銃２４からエミッン１ン電流
が到達する位置へ回転させて持って来る。電子銃２４の
加速電圧は例えば６　ｋＶであり、エミッション電流値
は例えば二酸化チタンの場合３００ｍＡ、二酸化シリコ
ンの場合７０ｍ１ｉ酸化ジルコニウムの場合３５０鮎で
ある。二酸化チタンの蒸着の場合、二酸化チタンが還元
して黒色に着色した膜となるのを防ぐ念め、酸素を例え
ば６×１０””　Ｔｏｒｒ導入し、反応性蒸着を用いる
。基板温度は、例えば３００℃とする。

尚、得られる二酸化チタンの蒸着膜の屈折率は２．３で
あり、二酸化シリコンの蒸着膜の屈折率は１．４６乃至
１．４７であり、酸化ジルコニウムの蒸着膜の屈折率は
１．８７であった。

さて、上述の方法によシ誘電体多層膜の形成が終了した
ら、基板温度を下げ、大気圧に戻して真空槽１０よシ取
シ出す。得られた構成（１）の短波長域通過フィルタへ
空気側よシ入射光が　′２ｆで入射する場合の、上記接
着剤にてＢＫ−７のガラス基板と貼シ合せ後の分光特性
の測定結果の一例を、第６図並びに第７図に示す。第６
図は分光透過率曲線、第７図は第６図と同じものを損失
で表わした場合の分光特性であり、第６図並びに第７図
に示す斜線は、前述の本フィルタに要求される性能ある
いは規格であり、これ以上の特性が要求されることを示
す。

尚、分光特性の測定に際しては、２枚のＢＫ−７のガラ
ス基板を接着剤にて貼シ合せたものをリファレンスとし
た。分光特性の測定の結果、この実施例において通過帯
域のリップル並びに阻止域での減衰量共に充分な性能の
ものが得られることが判る。

［発明の変形例］ 上記実施例では、第２図に示す如く、各モニタ基板２＆
〜ｆｆ１ｎＫＨとＬを２層ずつ形成し。

制御した場合を例にとシ説明したが、同一の単色フィル
タ（制御フィルタ）を用いる場合には、透過率（あるい
は反射率）の変化が小さくならずに、制御可能な範囲内
においては、２層以上を同一のモニタ基板によって制御
出来るのは勿論である。又、上記実施例では、第１図、
第２図、第３図に示したように、λ２を用いるのに、１
個のモニタ基板において第２層目に適用したが、構成（
１）において、第１層目から第４層目まで同一のモニタ
基板を用いて形成する際の、第４層目に適用して、も良
い。しかし、同一のモニタ基板上に多くの層数な形成す
ると、誤差が重畳されるのと、簡潔さの点からも、上記
実施例の如く、光学的膜厚が変化す゛る場合は４変化す
る層をモニタ基板上で第２層目に形成する方法が優れて
いる。

又、上記実施例では、単色測光法を例にとシ詳述したが
、２色測光法の場合にも、この発明を適用することが出
来る。即ち、構成（１）の基板側から数えて第１層目と
第２層目は、λ、（＝１２５０　ｎｍ　）を中心として
、波長１／／２に対して等しい距離にあるλ１．λ、を
第５図に示す単色フィルタ３４．３５に用いれば、同一
モニタ基板２ａを用いて成膜及び制御出来る。又、基板
側から数えて第３層目は、モニタ基板を２ｂＫ変え、単
色フィルタ３４．３５として、上と同じλ。

λ５を用いてＨを形成し、次にλ２’　（＝１２２０　
ｎｍ　）を中心として、波長１／λに対して等しい距離
にあるλ８′、λ５′を単色フィルタ３４．３５に用い
Ｌを形成する。すると、受光部３３と３４によって測定
した蒸着中の透過率（あるいは反射率）曲線において、
等しい透過率（あるいは反射率）となる時がある。ある
いは、その差を取って零となるところを検出しても良い
。この時に蒸着を終了すれば、λ２／４が制御されたこ
とになる（λ２　＝　１１９０　ｎｍである）。以下、
同様の方法によシ、２色測光法にて制御される。

又、上記実施例としては、第１図に示すように、λ、〉
λ２の場合を例に取シ詳述したが、異なる（光学的）膜
厚として、λ、くλ２の場合には、蒸着中の透過率変化
は第３図に示すようになシ、同様に、この発明が適用出
来る。

又、上記実施例ではｎ　＝　２であり、λ２′の棒波長
に相当する極値を制御することにより、Ｌの任意の膜厚
を制御してきたが、ｎ＝＝３．４・・・・・・の自然数
の場合にも、λ／ｉＭ・λ、のｎ／４波　−ｎ 長に相当する極値を制御すれば、Ｌの任意の膜厚を制御
することが出来る。

又、上記実施例では、短波長域通過フィルタを形成する
場合を例にとシ説明したが、この発明は他の型の誘電体
多層膜フィルタ、例えば長波長域通過フィルタのリップ
ルを低減させるために、異なる膜厚の層の光学的膜厚を
制御する場合等にも適用出来る。更に、酔覚体層のみで
なく、金属膜等を含むフィルタにも適用出来る。

又、上記実施例では、短波長域通過フィルタのリップル
低減を目的とする場合を例にとシ詳述したが、リップル
低減の目的のみでなく、他の目的にも、この発明は適用
出来るのは勿論である。

又、上記実施例では光合分波器に使用される穴め、デバ
イスの設計上入射角を傾斜させたが、通常の分光特性は
垂直入射の場合が多い。

又、上記実施例では、モニタ基板がガラスであυ、ガラ
スに近い低屈折率物質が前の層と膜厚あるいは光学的膜
厚が異なる場合につき詳述したが、他の基板でそれに近
い屈折率を有する薄膜を形成する之め、直接形成したの
でに、蒸着中の透過率（又は反射率）の変化が少ない場
合にも、この発明は適用出来るのは勿論である。

更に、単層膜として直接形成しても、透過率変化を制御
出来る場合でも、各層の膜厚あるいは光学的膜厚が異な
る場合、モニタ基板を１枚用いて単色フィルタを変える
ことによシ、多層の膜厚あるいは光学的膜厚を制御する
場合にも適用出来る。

又、上記実施例では、電子ビーム蒸着法を用いた場合を
例にと夛説明したが、他の成膜方法、例えばイオン・グ
レーティング法やスノ臂ツタリング法による成膜装置に
、この発明を盛シ込んでも良いのは勿論である。

［発明の効果］ この発明によれば、前層と異なる任意の光学的膜厚を有
し、モニタ基板の屈折率の値に近い薄膜の光学的膜厚あ
るいは膜厚を単色測光法及び２色測光法のいずれによっ
ても、正確に制御可能となυ、任意の誘電体薄膜の所望
の膜厚及び光学的膜厚を制御子ることか可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はこの発明の一実施例に係る多層膜の
光学的膜厚制御方法を用いた場合の蒸着中の透過率曲線
（第１図は短波長域通過）ィルタの第３層及び第４層、
第２図は短波長域通過フィルタの全体）を示す特性曲線
図、第３図はこの発明の変形例に係る多層膜の光学的膜
厚制御方法を用いた場合の蒸着中の透過率曲線を示す特
性曲線図、第４図は従来及びこの発明で使用する単色測
光法による電子ビーム蒸着装置を示す構成図、第５図は
同じく２色測光法による装置を示す構成図、第６図及び
第７図はこの発明の多層膜の光学的膜厚制御方法により
得られた短波長域通過フィルタの分光特性の例を示す特
性曲線図、第８図は２色測光法の原理図、第９図乃至第
１１図は従来の光学的膜厚制御方法による蒸着中の透過
率曲線を示す特性曲線図である。 ２ａ、２ｂ　、２ｃ　、２ｄ　、２＠−そニタ基板、１
２．１３．１４・・・製品となる基板、２０・・・蒸着
材料、２ノ・・・光源、２４・・・電子銃、２２゜３２
．３３・・・受光部、２６，３４．３５・・・単色フィ
ルタ。 出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 第２図 第３図 ｌ６ 第４図 第６図 ７００　８００　９００　１０００　１１００　＋２０
０　１３００　１４００ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ（ｎｍ） 第８図 Ｍ９図 第１０因

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に形成された光学的膜厚がλ＿０／４（λ
   ＿０はある波長）の高屈折率物質と低屈折物質の交互層
   からなる誘電体多層膜を主体とし、光学的膜厚が上記λ
   ＿０／４と異なる層をも含む多層膜の光学的膜厚制御方
   法において、 上記高屈折率物質のある層の光学的膜厚が λ＿１／４であり、それに引続く低屈折率（又は中間の
   屈折率）物質の層の光学的膜厚がλ＿２／４である場合
   ｛但し、λ＿１とλ＿２の少なくとも一方はλ＿０と等
   しくなく、又、λ＿２＝αλ＿１とする（α≠１）。｝
   、上記光学的膜厚λ＿１／４は、あるモニタ基板を用い
   て、単色光λ＿１の１／４波長に相当する光の透過率又
   は反射率の極値を検出することにより、又、上記光学的
   膜厚λ＿２／４は、上記あるモニタ基板と同一のものを
   用いて、単色光（１＋α）／ｎ・λ＿１（ｎは自然数）
   の１／４波長のｎ倍に相当する光の透過率又は反射率の
   極値を検出することにより、制御することを特徴とする
   多層膜の光学的膜厚制御方法。
2. （２）上記単色光の波長（１＋α）／ｎ・λ＿１におい
   て、ｎ＝２とし、１／２波長に相当する光の値を制御す
   る特許請求の範囲第１項記載の多層膜の光学的膜厚制御
   方法。
3. （３）上記多層膜が誘電体層のみからなるエッジ・フィ
   ルタである場合の特許請求の範囲第１項及び第２項記載
   の多層膜の光学的膜厚制御方法。
4. （４）上記エッジ・フィルタが、短波長域通過フィルタ
   である場合の特許請求の範囲第１項乃至第３項記載の多
   層膜の光学的膜厚制御方法。