KR20030057338A - 박막 형성방법 및 장치 - Google Patents

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KR20030057338A
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미쓰이시타케시
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호야 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 광학적 성질이 일정한 박막을 안정되게, 대량으로 재현성 좋게 자동적으로 형성하는 것을 가능하게 하는 박막형성방법 및 장치를 제공한다. 이러한 본 발명에서는, 증착 원료(4)를 전자총(3)에 의해서 증발시켜, 코트 돔(2)에 보유된 렌즈(2a)에 반사 방지막을 퇴적시킨다. 광학식 막두께 계기(10)에 의해서, 막 형성시에 연속적으로 측정되는 투과 또는 반사의 광량값이 이론적으로 구한 기준 광량값을 저장하는 기준 광량값 데이터 저장수단에 저장된 기준 광량값에 근사 또는 같게 되도록, 전자총(3)에 인가하는 전력을 제어한다.

Description

박막 형성방법 및 장치{PROCESS FOR FORMING A THIN FILM AND APPARATUS THEREFOR}
본 발명은, 플라스틱 또는 유리소재 등의 표면상에 박막을 형성하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히, 광학적 성질이 일정한 박막을 재현성 좋게, 단시간에 형성 가능하고, 안경렌즈에 반사 방지막을 형성할 때 등에 바람직하게 적용되는 박막형성방법 및 그 장치에 관한 것이다.
박막을 피막형성체에 형성하는 과정에서, 연속적으로 변화되는 광학막 두께에 유일하게 의존하는 계측값이 기준 계측량값이 되도록 비상시키는 막형성 재료의 양을 제어함으로써, 광학적 성질이 일정한 박막을 안정되게, 대량으로 재현성 좋게 자동적으로 형성하는 방법은 알려져 있다. 그 예로서, 일본 특허공개 2001-115260호 공보에는, 박막이 형성된 피막형성체에 소정의 빛을 조사하였을 때의 투과 또는 반사광량이, 상기 박막의 굴절률 및 막두께에 의존하는 것을 이용하여 상기 박막의광량을 측정하는 광학식 막두께 계기를 사용하여, 막형성 과정에서, 상기 광학식 막두께 계기에 의해서 연속적으로 측정되는 투과 또는 반사광량값이 기준 광량값에 근사 또는 같게 되도록, 비상시키는 막형성 재료의 양을 제어하는 방법이 제안되어 있다.
상기 기준 광량값은, 일본 특허공개 2001-115260호 공보의 문단번호 [0029]∼[0031]에도 기재되어 있는 것처럼, 장치의 여러 가지의 조건이 양호한 경우는 전자총에 인가된 전력을 일정하게 하여 구하는 방법이 있다. 그러나, 숙련자의 경험과 감에 의해서 여러 가지의 조건을 제어해야 하는 경우도 적지 않아, 제어가 번거로웠다.
또한, 예를 들면, 안경렌즈에 형성된 반사 방지막은, 상품화를 위해 반사 방지 특성뿐만 아니라, 패션의 관점에서 반사 방지막의 반사광 색을 고려해야 한다. 그 때문에, 간섭색 설정자가 고른 설정 파장에서 색을 설정한 후, 설정자는, 실제로 그 파장에서 막을 형성하여 반사광의 색을 육안으로 확인한다. 반사광의 색에 수정이 필요한 경우에는, 이전에 설정한 파장, 즉 광학식 막두께 계기에 설치된 필터를 변경하여, 상기 작업을 다시 시행한다. 이 원하는 반사광의 색을 얻을 수 있을 때까지, 반사 방지막을 형성하는 작업을 반복한다. 이 경우에는, 원하는 반사광의 색을 얻을 수 있을 때의 기준 광량값 데이터를 얻을 필요가 있다. 그래서, 대단히 시행착오적인 번잡한 작업을 반복해야 했다.
또한, 상품화된 반사 방지막의 형태는 여러 가지가 있다. 그리고, 이 반사 방지막들의 설정 파장은 여러 가지 경우에 있어서 서로 다르기 때문에, 생산라인에서는, 광학식 막두께 계기에 있는 필터는 그 장치에서 종종 서로 다르다. 이 때문에, 특정 반사 방지막을 생산라인에 있는 모든 박막장치에 형성하는 경우, 광학식 막두께 계기에 있는 필터에 적합한 기준 광량값 데이터를 실제로 측정하는 번거로움이 발생할 가능성이 있다.
본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 그 목적은, 박막의 설계파장을 이전에 변경한 경우에, 심지어 장치간에 광학식 막두께 계기에 있는 필터의 형태가 다른 경우에도, 용이하게 기준 광량값 데이터를 얻는 박막형성방법 및 그 장치를 얻는데 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막형성장치의 구성도,
도 2는 유리 표면에 증착을 시행하여 박막을 형성하는 경우의 반사광량의 변화를 도시한 도면,
도 3은 제어에 사용된 연장량의 범위를 나타낸 도면,
도 4는 광학식 막두께 계기의 내부 구성도,
도 5는 박막설계단계에서 박막 굴절률의 파장의존곡선을 구하는 순서를 도시한 도면,
도 6은 복수의 파장에 대하여 구한 연장량과 이 연장량에 대응하는 굴절률을 기재한 테이블,
도 7은 복수의 파장에서의 굴절률을 나타낸 도면 및 상기 측정값을 상기 식에 넣어, 정수 Na, Nb, Nc를 구하여 얻은 곡선을 도시한 도면,
도 8은 실광량의 변화와 기준광량의 변화를 나타낸 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 진공 챔버2 : 코트 돔
3 : 전자총4 : 도가니
5 : 셔터6 : 기판 온도계
7 : 진공계8 : 배기 유니트
9 : 할로겐 히터10 : 광학식 막두께 계기
11 : 막두께 모니터12 : 제어수단
13 : 기준 광량값 데이터 저장수단
상기 목적은, 이하의 수단에 의해 달성된다:
막형성 재료를 비상시키고 피막형성체 표면에 퇴적시켜 원하는 박막을 형성할 때에, 막형성시에 박막의 두께를 광학식 막두께 계기로 연속적으로 측정하는 단계와, 이 광학식 막두께 계기로 측정되고, 그 측정된 막 두께를 나타내는 광량값이, 미리 설정된 기준 광량값에 근사 또는 같게 되도록, 막 형성시에 비상시키는 막형성 재료의 양을 제어하는 단계에 의해 원하는 박막을 형성하는 박막 형성방법에 있어서, 원하는 박막의 시험 형성을 하고, 상기 광학식 막두께 계기를 사용하여 복수의 파장에서 상기 형성된 박막의 굴절률을 구하고, 이론적인 계산에 의해 상기구해진 굴절률로부터 복수의 원하는 파장에서 기준 광량값을 구하며, 상기 구한 기준 광량값을 사용하여 원하는 파장에서 원하는 광학적 두께를 갖는 박막을 형성하되,
A : 상기 광학식 막두께 계기는, 박막이 형성된 피막형성체에 소정의 빛을 조사할 때의 소정 파장의 투과광 또는 반사광의 광량이 적어도 상기 박막의 막두께와 굴절률에 의존하는 것을 이용하여, 상기 투과광 또는 반사광의 광량을 측정함으로써 상기 박막의 막두께를 측정하는 광학식 두께 계기이고,
B : 상기 막형성 과정에서는, 상기 피막형성체 표면에 이미 퇴적된 박막의 막두께에 의존하여 변화되는 상기 투과광 또는 반사광의 광량 또는 광량의 변화량을 상기 광학식 막두께 계기로 연속적으로 측정하고,
C : 상기 기준 광량값은, 원하는 박막 형성시에, 상기 광학식 막두께 계기로 연속적으로 측정되는 광량값 또는 광량값 변화량값의 데이터의 집합인 것을 특징으로 하는 박막형성방법이다.
[발명의 실시예]
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막형성장치의 구성을 도시한 도면이다. 이하, 도 1을 참조하면서, 실시예를 설명한다. 본 실시예는, 피막형성체인 플라스틱제 안경렌즈 상에 박막인 반사 방지막을 형성하는 것에 관한 것이다.
도 1에서, 막 형성실인 진공 챔버 내에는, 상부에 코트 돔(coat dome)(2)이 설치되고, 하부에는 전자총(3), 도가니(4) 및 셔터(5)가 설치된다. 또한, 코트돔(2)의 근방에는, 코트 돔(2)에 보유된 피막형성체인 렌즈(2a)의 온도를 계측하기 위한 기판 온도계(6)가 설치되고, 또한, 진공 챔버(1) 내의 진공도를 계측하기 위한 진공계(7) 및 진공 챔버(1) 내를 배기하기 위한 배기 유니트(8)가 설치된다. 또한, 코트 돔(2)에 보유된 렌즈(2a)를 가열하기 위한 할로겐 히터(9)가 설치된다.
또한, 진공 챔버(1)의 외부 상부에는 광학식 막두께 계기(10)가 설치된다. 그 광학식 막두께 계기(10)는 막두께 모니터(11)를 통해 제어장치(12)에 접속되어 있다. 제어장치(12)에는, 기준 광량값 데이터 저장수단(13)과 입력수단(12a)이 접속되고, 상술한 전자총(3), 셔터(5), 기판 온도계(6), 진공계(7), 배기 유니트(8) 및 할로겐 히터(9)가 전기적으로 접속되어 있다. 그 제어장치(12)는, 이들 장치들간에 정보를 교환하면서 각 종 제어를 한다.
제어장치(12)는, 진공계(7)로부터의 정보에 따라서 배기 유니트(8)를 제어하여, 진공 챔버(1) 안을 소정의 진공도로 유지시킨다. 또한, 제어장치(12)는, 기판 온도계(6)의 정보에 따라서 할로겐 히터(9)를 제어하여 피막형성체인 렌즈(2a)를 소정의 온도로 한다. 그리고, 제어장치(12)는, 막 형성시에 상기 광학식 막두께 계기(10)로 연속적으로 측정되고, 상기 모니터 유리(2b)에 형성된 박막의 광학적 두께에 의존하는 광량값이, 그 측정시마다 기준 광량값 데이터 저장수단(13)에 저장된 값과 같게 되도록, 전자총(3)에 인가하는 전력(전류 및/또는 전압)을 제어한다.
상기 코트 돔(2)은, 피막형성체인 렌즈(2a)에 반사 방지막인 박막을 증착에 의해 형성되도록, 렌즈(2a)를 보유하는 보유수단이다. 이 코트 돔(2)은, 복수의 렌즈(2a)를 동시에 증착할 수 있도록 원형 오목형상을 갖고, 모든 렌즈가 동일품질의반사 방지막으로 도포되도록 곡률을 갖는다.
전자총(3)은, 도가니(4)에 수납된 증착물질(원료)(4a)을 그 증착물질(원료)(4a)의 용융점까지 가열 증발시켜, 렌즈(2a) 및 모니터 유리(2b) 상에 증착물질(원료)을 증착 및 퇴적시켜 박막을 형성한다.
도가니(4)는, 증착물질(4a)을 보유하기 위해서 사용되는 공지의 용기이다. 전자총(3)에 의한 증착물질을 가열할 때, 증착물질이 충돌(bumping)하지 않도록, 도가니(4)는, 냉각하거나, 열전도율이 높은 물질로 만들어진 것이 바람직하다.
셔터(5)는, 증착을 시작할 때 열고, 증착을 종료할 때에 닫힌다. 이 셔터는, 박막 형성의 제어를 용이하게 한다. 할로겐 히터(9)는, 렌즈(2a)에 증착되는 박막의 밀착성 등의 물성을 내기 위해서, 렌즈(2a)를 적절한 온도로 가열하는 가열수단이다.
광학식 막두께 계기(10)는, 표면에 투명박막을 형성한 투명 기판에 빛을 조사하면, 그 투명한 박막표면에서의 반사광과 투명 기판 표면에서의 반사광이 양자의 위상차에 의해서 간섭을 일으키는 현상을 이용한 것이다. 즉, 상기 위상차가 변화되므로, 박막의 굴절률 및 광학 막두께에 의해서 간섭의 상태가 변화된다. 따라서, 전체 반사광의 광량은, 박막의 굴절률 및 광학 막두께에 의존하여 변화된다. 반사광이 변화되면, 필연적으로 투과광도 변화되기 때문에, 투과광을 사용하여 광량을 계측한다. 그러나, 이하에서는 반사광을 사용한 측정의 경우를 설명한다.
도 2는 모니터 유리 표면에 증착에 의해 박막을 형성하는 경우에, 반사 광량의 변화를 도시한 도면이다. 도면의 종축이 광량(상대값= 단위: %)이고, 횡축이 증착시간이다. 증착에 의해 형성하는 박막의 물리적 막두께가 두꺼운 경우에는, 광량은, 박막의 굴절률이 일정할 경우, 물리적 막두께가 증가함에 따라서, 주기적으로 증감을 반복한다. 이 박막의 굴절률과, 박막의 물리적 막두께에 유일하게 대응하는 광량의 변화를 이용하면, 박막의 두께는 유일하게 측정 및/또는 제어를 할 수 있다. 이 경우, 각 주기에서의 국부적 최대값과 국부적 최소값과의 차를 연장량이라고 한다. 일반적으로는, 연장량(l1, l2, l3)은, 서로 반드시 일치하지 않는 경우가 있다.
광량 변화의 최대와 최소에서는, 제어의 정밀도가 저하한다. 따라서, 실제의 제어는, 연장량의 전체 범위를 사용하지 않고, 그 일부를 사용하는 것이 일반적이다. 도 3은 제어에 사용된 연장량의 범위를 나타낸 도면이다. 도 3에 도시한 것처럼, 광량값의 최소가 20%, 최대가 70%, 연장량이 50%인 경우에는, 예를 들면, 상하의 5%의 영역은 사용하지 않고, 광량값이 25%∼65%인 영역부분을 이용하여 제어를 한다.
다음에, 광학 막두께 계기의 구조에 관해서, 도 4를 참조하면서 설명한다. 광학식 막두께 계기는, 기본적으로, 투광 램프(101), 반사경 A(102), 모니터 유리(2b), 반사경B(103), 필터(105), 수광 센서(106), 막두께 계기 본체(11), 펜(pen) 레코더(107)로 구성되어 있다.
모니터 유리(2b) 표면 상에 형성된 박막의 두께의 변화에 따라, 모니터 유리(2b)에 의해 반사된 광량이 변화되어, 그 광량이 변화된다. 투광 램프(101)는, 그 광량의 변화를 측정하기 위해서 필요한 광원이다. 이 투광 램프(101)부터 발생하는 빛은 방사 강도 스펙트럼을 가진다. 정확한 광량을 구하기 위해서, 분광계로써, 이러한 방사 강도 스펙트럼을 파장마다 분석할 수 있다. 또한, 방사 강도 스펙트럼이, 파장의 변화에 대하여 연속적이고, 큰 변화가 없다고 한다면, 광학식 막두께 계기로 측정된 광량은, 후술하는 것처럼, 상대적인 광 강도를 의미한다. 그러므로, 이 경우에, 상기와 같은 방사 강도 스펙트럼을 파장마다 분석을 하지 않아도 광학식 막두께 계기에 의해 광량을 측정할 수 있다.
반사경 A(102)는, 기본적으로, 투광 램프(101)부터 발생하는 입사광이 반사되어 모니터 유리(2b)로 가도록 사용된다. 반사경 A(102)의 반사도는, 특별히 한정되지 않는다. 광량 계산의 용이성을 고려하면, 투광 램프(101)로부터 발생된 입사광을 모두 반사시키는 것이 바람직하다.
모니터 유리는, 이 모니터 유리의 하부 표면 상에 증착시료가 증착되어, 막형성되는 위치에 설치된다. 모니터 유리의 하부 표면 상에, 증착시료가 막형성되면, 막형성의 막두께의 변화에 의해서, 상기 반사경 A(102)로부터 입사되는 광의 반사량이 변화된다. 이러한 반사량의 변화를 이용하여 광량을 구한다. 모니터 유리(102)의 두께는, 간섭 가능성이 발생하지 않는 정도의 두께가 바람직하다. 모니터 유리의 소재는, 특별히 한정되지 않는다. 공지된 굴절률을 갖는 유리소재가 바람직하고, 이산화실리콘으로 이루어진 유리소재가 더욱 바람직하다.
모니터 유리의 굴절률은, 분광계의 측정에 의해 구할 수 있다. 이러한 측정은, 모니터 유리는 통상, 진공중의 증착장치 내에 설치되므로, 진공속에서 하는 것이 바람직하다. 그러나, 모니터 유리의 굴절률은, 진공중 및 대기속에서 측정된 모니터 유리의 굴절률의 차이는, 그 측정에 의해 광량을 구하는데 크게 영향을 미치지 않으므로, 대기속에서 모니터 유리의 굴절률을 측정하는 것도 가능하다.
반사경 B(104)는, 모니터 유리(2b)에서 반사된 빛이 수광 센서(106)로 가도록 설치된 것이다. 반사경은, 반사경 A(102)와 마찬가지로 모든 입사광을 반사시키는 것이 바람직하다.
필터(105)는, 반사경 B(104)로부터 나오는 입사광의 소정 범위의 파장을 갖는 광을 선택적으로 투과시키는데 사용된다. 통상, 여러 가지 필터 중에 원하는 필터를 선택할 수 있다. 다품종의 반사 방지막을 양산하는 공장에서는, 다수의 증착장치가 설치되어, 상기 필터(105)는, 형성하려고 하는 반사 방지막의 설계파장에 적합한 것이 각 증착장치에 부착된다. 따라서, 다품종의 반사 방지막을 양산하는 공장에서는, 증착장치에 있어서 동일한 필터가 부착되어 있지 않은 경우가 많다.
필터(105)는, 고유의 투과 스펙트럼을 갖는다. 즉, 소정 특정 파장의 범위를 갖는 광을 투과하는 방법은, 필터의 특성이다. 이러한 투과광의 스펙트럼은, 분광계를 사용하여 측정하는 것이 가능하고, 그 분광계로 측정된 스펙트럼의 값을, 기준 광량 데이터를 산출할 때에 사용한다. 그러나, 계산을 용이하게 하기 위해, 이하에 기재하는 정규분포함수로 대용하여도 된다.
[수학식 1]
여기서, λ : 분산파장(nm)
λ0: 중심파장(nm)
λ : 파장(nm)
Tfilter(λ): λ에 대한 필터의 투과율
수광 센서(106)는, 필터(105)에 의해서 투과된 빛을 정확히 감지할 수 있는 것이 바람직하다. 수광 센서(106)에 이른 광 강도는, 필터(105)를 통과한 스펙트럼의 각 파장에 대해 광강도의 합으로 알 수 있다.
막두께 계기 본체(11)는, 수광 센서(106)가 감지한 광 강도를 상대적인 수치(%로 표기)로 변환한다. 예를 들면, 모니터 유리(2b)에 박막이 형성되지 않은 상태에서, 투광 램프(101)를 반사경 A(102)에 조사하여, 수광 센서(106)가 감지하였을 때의 광량을, 원하는 수치, 예를 들면, 20% 및 30% 등을 광량의 초기치로서 설정한다. 그리고, 이러한 초기치를 기준으로 사용하여, 박막 형성시에 관찰된 광량의 변화주기에서의 국부적인 최대값 및 최소값을 구한다. 이와 같이, 이러한 초기치를 기준으로 한 경우에는, 광량은 상대적 값으로서 표현된다. 측정을 위한 파장의 범위는, 상술한 필터에 의해서 제한된다. 따라서, 투광 램프(101)의 방사 강도 스펙트럼을 측정하지 않아도 실용적인 기준 광량값 데이터를 얻을 수 있다.
본 실시예에서, 기준 광량값은, 박막 설계단계에서 증착 시험을 하여 구한다. 박막의 굴절률의 파장 의존 곡선을 구하고, 이 구해진 굴절률을 사용하여, 기준 광량값을 이론적으로 계산한다. 이하, 그 과정을 더욱 상세하게 설명한다. 도 5는 박막설계단계에서 박막 굴절률의 파장의존곡선을 구하는 과정, 막형성 과정을도시한 도면이다. 박막굴절률의 파장의존곡선은, 도 5에 도시된 과정으로 행해진다.
(1) 설계 개시
막형성에 의해 얻으려고 하는 박막의 광학적 설계를 한다. 예를 들면, 막형성시에 얻으려고 하는 박막이, 안경렌즈표면에 형성된 반사 방지막이라고 가정한다. 그렇다면, 그 반사 방지막은, 단순한 구성의 예를 들면, 고굴절률막과 저굴절률막을 교대로 소정 두께로 적층한 것이다. 그 막의 설계를 위해, 반사방지를 위한 광의 파장 범위, 반사방지성능, 반사광의 색 및 기타 다른 요소에 따라, 박막의 굴절률, 두께 및 층의 수를 결정한다.
(2) 증착 시험
상기 설계는, 안경렌즈 표면에 형성되는 반사 방지막에 대해 행해진다. 그러나, 막형성의 제어는, 모니터 유리에 형성된 박막을 사용하여 하고, 안경렌즈표면에 형성된 반사 방지막 그 자체를 사용하는 것은 아니다. 이것은, 모니터 유리가 무기소재로 만들어져 있기 때문에 모니터 유리 표면의 평활도 및 정밀도가 일정하고, 안경렌즈의 대부분이 유기소재로 만들어져 있기 때문에, 안경렌즈 표면의 평활도 및 정밀도는 안경렌즈들에서도 서로 다른 것과, 또한, 모니터 유리 표면이 평면이기 때문에, 그 모니터 유리에 대해 광학식 막두께 계기에 의한 관측이 용이하고, 안경렌즈가 곡면이기 때문에, 광학식 막두께 계기에서의 관측이 곤란하다는 것 등의 이유에 의한다. 이 때문에, 상기 설계값에 의해 결정된 값에 따라서 상기 목적을 위한 증착시험이 행해진다.
이 증착시험은, 안경렌즈표면 상 및 모니터 유리 표면 상에 시험적으로 막형성을 한다. 박막을 갖는 안경렌즈를 분위기를 고려하여, 막형성시에 모니터 유리로부터의 광량을 광학식 막두께 계기에 의해 측정한 후, 상기 설계에 의해 결정된 값에 의해 상기 안경렌즈 상에 형성된 박막을 설치하는 조건 하에서, 상기 안경유리와 모니터 유리 상에 동시에 박막을 형성한다. 그 측정은, 광학식 막두께 계기의 특정 파장의 필터를 사용하여 행하고, 그 특정 파장을 갖는 광량값이 측정된다. 또한, 서로 다른 파장을 갖는 광을 투과시키는 필터들을 사용하여, 복수의 증착시험을 행하여, 필터마다의 광량값을 구한다.
(3) 각 파장에서의 박막의 굴절률을 구함
여기서, 광학식 막두께 계기로 측정된 광량값은, 광원, 반사경, 필터, 수광 센서 등의 장치의 정수와, 모니터 유리 표면에서의 반사율 등의 막형성의 고유의 인자 등을 알 수 있으면, 이론적으로 계산할 수 있다. 실제의 막형성 조건과 광학식 막두께 계기를 고려하면, 장치의 정수는, 비교적 용이하게 구할 수 있다. 또한, 막형성 고유의 인자에 관해서도, 모니터 유리 자체의 굴절률 등은 기지인 경우가 많다. 이 때문에, 광학식 막두께 계기에 의해 측정된 광량값은, 비교적 용이하게 이론적으로 계산할 수 있다. 이론적 계산에서, 미지인자로서 남는 것이, 모니터 유리 표면 상에 막형성되는 막의 굴절률이다. 따라서, 막형성된 막의 굴절률 이외의 인자가 알고 있으면, 상기 측정에 의해 상술한 필터마다의 광량값을 실측하여 구하는 것에 따라, 나머지 인자, 즉 박막의 각 파장마다의 굴절률을 계산에 의해서 산출할 수 있다.
상기 파장에 대한 박막의 굴절률의 산출방법의 이론이지만, 모니터 유리에 박막을 형성한 경우, 모니터 유리에 있어서 반사율이 국부적 최대값 및 국부적 최소값이 되는 경우의 박막의 광학적 막두께 값은, 이론적 계산에 의해 구할 수 있다. 또한, 상기 국부적 최대 광량값과 국부적 최소 광량값을 알면, 상술한 연장량을 구할 수 있다. 또한, 광학 막두께 계기의 필터를 사용하므로, 상기 국부적 최대 및 국부적 최소 광량값은, 그 사용된 필터를 투과하는 파장에 대응하는 값이다. 그리고, 상기 모니터 유리에 있어서 반사율이 국부적 최대값이 되는 박막의 광학적 막두께 값을 알면, 상기 필터를 투과하는 광 파장에서의 박막의 굴절률을 구할 수 있다. 이것을 간략한 식을 사용하여 설명한다.
이하의 인자를 다음과 같이 나타낸다:
박막을 갖는 모니터 유리의 반사율 : (r)
박막의 광학적 막두께 : L
박막의 물리적 막두께 : d
박막의 굴절률 : n으로 하면,
이들 인자간의 관계는, 다음의 간략한 식으로 표현된다:
△=△(n, d) …(i)
L=L(n, d) …(ii)
여기서, △은, 반사율의 차를 나타낸다.
여기서, 전술한 국부적 최대 광량값에서의 박막의 광학적 막두께 값(L) 및 광학적 막두께 값에 대응하는 반사율차(△)를 상기 (i) 및 (ii) 식에 대입하면, 박막의 굴절률 n을 구할 수 있다. (ii) 식에 박막의 굴절률 및 광학적 막두께를 대입하면, 박막의 물리적 막두께를 구할 수 있다.
다음에, 반사율, 박막의 굴절률 및 광량은 상관관계가 있는 것을 설명한다. 광학식 막두께 계기의 수광 센서(106)에 의해서 검출되는 시간 t에서의 광량값 Q(t)(%)는, 다음식으로 나타낼 수 있다:
[수학식 2]
상기 (1)식에서는 하기 조건이 성립하고 있는 것으로 한다:
(a) Q0은, 초기 설정 광량이다.
(b) P(λ, t)=Rmonitor(d1, d2,……, dk(t), n0(λ), n1(λ), n2(λ),……,nk(λ).
T(λ)·X(λ)…(2)이다.
(c) P는 광량의 절대치이다.
(d) T(λ)는 필터(105)의 투과율, X(λ)는, 투광 램프(101)의 강도함수(S(λ))와 반사경(102, 104)의 반사율(Rmirror(λ))등의 막두께 계기를 구성하는 광학부품에 의한 함수이다. 일반적으로, 이들 인자는 장치의 정수로서 사용될 수 있다.
(e) R은, 모니터 유리의 반사율로, 이 반사율은, 잘 알려져 있는 광학계산(예를 들면, 하기(3)식)에 의해서 구할 수 있다. 단, 인자는, 유리의 굴절률 n0(λ)과, 전체막이 k 층으로 이루어진 경우의 각 층의 막두께 d1, d2,…, d(t)와, 굴절률 n1(λ), n2(λ),…, n(λ)이다. 이때, d만 t의 함수로 되어 있다.
Rmonitor(λ)={R1(λ)(1-R2(λ))+ R2(λ)(1-R1(λ))}/{1-R1(λ)·R2(λ)}…(3)
(f) 상기 (3)식에서, R1(λ)은 모니터 유리표면(상측면)에서의 반사율이고, R2(λ)는 모니터 유리 이면(하측면)에서의 반사율이다.
여기서, 모니터 유리 표면(상측면)에서의 반사율 R1(λ)은, 모니터 유리의 굴절률을 알면 구할 수 있다. 이것에 대하여, 모니터 유리 이면(하측면)에서의 반사율 R2(λ)는, 모니터 유리 이면에 형성된 박막에 의존한다. 모니터 유리 이면에 형성된 박막이 다층막인 경우에는, 아래와 같은 관계식으로 표현될 수 있다.
다층막의 각 층이 균질막, 또는 균질막으로 분할하는 것이 가능한 경우, 각 층은, 하기와 같이, 2행 2열의 4단자 행렬로 나타낸다.
[수학식 3]
여기서, g=(2π/λ)·n(λ)·d(t)·cosΦ
u=n(λ)cosΦ(s 편광)
n(λ)secΦ(p 편광)
λ : 광 파장
n(λ) : 파장 λ에서의 막의 굴절률
d(t) : 초마다 표현된 시간에서의 막 두께
Φ : 막 내로의 광 입사각
모니터 유리 표면 상에 형성된 k 층의 다층막은, 각 층에 대한 특성 행렬(4단자 행렬)의 곱으로서 나타낸다. 그 특성 행렬 M은, 하기 (5)식으로 나타낸다:
[수학식 4]
이 특성행렬 M으로부터, 다층막의 진폭 반사율 r(λ)은 다음과 같이 나타낸다:
[수학식 5]
여기서, u0= n0cosΦ0(s 편광)
n0secΦ0(p 편광)
us= nscosΦs(s 편광)
nssecΦs(p 편광)
n0: 매체의 굴절률(진공)
Φ0: 막 내로의 광의 입사각
ns: 모니터 유리의 굴절률
Φs: 다음 막내로의 광의 입사각
에너지 반사율 R1(λ)은,
이 된다.
상술한 (1)∼(7)식으로부터 분명한 것처럼, 광학식 막두께 계기로 측정된 광량값 Q(t)는, 모니터 유리의 굴절률 R(λ), 박막의 굴절률 n(λ)의 함수이다. 여기서, T(λ), X(λ), d(t), 모니터 유리의 굴절률 n, 막내로의 입사각 Φ, 파장λ 등은 정수로서 구하는 것이 가능하다.
(4) 박막의 굴절률과 파장간의 관계를 나타낸 근사곡선을 구함.
도 6은 상기 단계(3)에 의해서 구한 복수의 파장에 대하여 구한 연장량과 그것에 대응하는 박막의 굴절률을 구한 예를 표로 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 것처럼, 복수의 파장에 있어서의 박막의 굴절률을 구하면, 근사적으로 박막의 굴절률의 파장 의존 특성곡선을 구할 수 있다. 즉, 지금, 파장 λ의 박막의 굴절률을 N(λ)로 하면, 근사적으로, N(λ)= Na+ Nb/(λ+ Nc)의 식으로 나타낼 수 있고, 여기서, Na, Nb 및 Nc는 물질고유의 굴절률 계수이다. 도 7은 복수의 파장에서의 상기 측정된 박막의 굴절률을 나타낸 도면 및 상기 측정된 값을 상기 식에 넣어 정수 Na, Nb 및 Nc를 구하여 얻은 곡선을 도시한 도면이다.
(5) 원하는 파장에서의 박막의 굴절률의 산출
상기 (4)에서 구한 박막의 굴절률의 파장 의존 특성곡선의 근사식을 사용하여 원하는 파장에서의 박막의 굴절률을 계산한다.
(6) 원하는 파장에서의 박막의 기준 광량값 데이터의 작성
원하는 파장에서 형성하려고 하는 박막의 굴절률과, 물리적 막두께를 알면, 광학적 막두께 계기에 의해 측정된 것처럼 모니터 유리의 반사율을 구할 수 있다. 따라서, 연속적으로 박막 형성시에, 광량을 연속적으로 구할 수 있다. 또한, 기준 광량값 변화량은, 상기 기준 광량값을 미분함으로써 구할 수 있다. 이렇게 해서 구한 기준 광량값은, 시간 t(초)에 대한 광학식 막두께 계기의 광량 1(%)로서, 시간과 광량값이 한 쌍인 광량값 데이터의 형태로, 기준 광량값 데이터 저장수단에 저장된다.
실제 생산에서는, 이론적 계산으로 구한 기준 광량값 또는 기준 광량값 변화량을 사용하여 형성한 박막에 관해서, 예를 들면, 그 반사광의 색(간섭색)을 조사하면, 그 구한 색이 원하는 반사광의 색(간섭색)과 종종 약간 다른 경우가 있다. 이 경우에는, 상기 계산을 위해 설정된 파장을 약간 변경하여, 그 설정 파장에 대응하는 박막 굴절률을, 박막 굴절률의 파장 의존 특성곡선으로부터 구한다. 이 변경된 설정 파장에 대응하는 박막의 굴절률을 사용하여, 이론적인 계산에 의해서 새로운 기준 광량값 또는 기준 광량값 변화량을 구한다. 그리고, 이 기준 광량값 또는 기준 광량값 변화량에 의거하여 상기 박막을 형성함으로써, 비교적 간단하게, 목적으로 하는 반사광의 색(간섭색)을 갖는 박막을 안정되게 생산할 수 있다.
또한, 색(간섭색) 설정 중에, 광학식 막두께 계기(10)의 필터(105)의 선택이적절하지 않다고 밝혀졌을 때에는, 교환하는 현재의 필터에 대한 기준 광량값 데이터를 상기 이론적 계산에 의해서 간단히 작성할 수 있다. 또한, 실제 생산라인에서, 반사 방지막이 다품종에 미치는 경우, 광학 막두께 계기의 필터는, 증착장치마다 다른 경우가 있다. 그 경우, 현재 사용되고 있는 필터에 의해 투과된 파장에서의 박막의 굴절률을, 박막 굴절률의 파장 의존 특성곡선으로부터 구하여, 이론적 계산에 의해서 새로운 기준 광량값 또는 기준 광량값 변화량을 구한다. 그리고, 이 기준 광량값 또는 기준 광량값 변화량을 사용하여 막을 형성할 수 있다. 따라서, 광학 막두께 계기의 필터를 다른 필터로 교환하여도, 용이하게 기준 광량값 또는 기준 광량값 변화량을 결정하고, 이렇게 결정된 기준 광량값 또는 기준 광량값 변화량을 사용하여 안정되게 막을 형성할 수 있다.
상기 설명에서는, 광학식 막두께 계기에서 사용된 파장을 선택하는 방법으로서, 반사광을 투과시키는 필터(105)를 선택하는 방법을 사용한 예를 들었다. 다른 방법으로서, 투광 램프로부터 발생된 광을 투과시키는 필터를 사용하여, 그 필터를 통과한 광을 박막에 조사한다. 이 필터를 교환하여 파장을 바꾸어도 된다. 또 다른 방법으로서, 소정 특정 광을 발생하는 램프를 투광 램프로서 사용하여도 되고, 서로 다른 파장을 갖는 광을 발생하는 그러한 복수의 램프를 사용하여도 된다. 투광 램프를 교환하여 파장을 바꾸어도 된다. 상술한 방법에서는, 기준 광량값 데이터를 구하는 방법으로서, 시험 막형성으로 복수의 굴절률을 구하고, 이 복수의 굴절률로부터 파장과 굴절률과의 관계식을 구하고, 그 관계식으로부터 임의의 파장의 굴절률을 구하고, 이렇게 해서 구한 굴절률을, 광량값을 이론적으로 나타내는 식에 넣어 임의의 파장의 기준 광량값 데이터를 구하는 방법을 예로 들었다. 그러나, 시험 막형성에서는, 그 시험 막형성에서 사용된 파장에서의 기준 광량값 데이터를 이미 구하였다. 즉, 복수의 파장에 관해서는, 시험 막형성에 의해서 이미 기준 광량값 데이터 자체를 구하였다. 따라서, 이들 파장에서의 기준 광량값 데이터를 사용하여, 상술한 것처럼 구하지 않은 기준 광량값 데이터는, 보간법 또는 다른 방법 등에 따라 구하여도 된다. 또 다른 방법으로서, 예를 들면, 시험 막형성으로 구한 기준 광량값 데이터를 곡선으로 나타내어 그래프로 표시하면, 다른 파장의 기준 광량값의 곡선이 상기 구한 복수의 곡선사이에 있어도 된다. 보간법 또는 다른 방법에 따라 다른 공지된 곡선으로부터 상기 곡선을 구하여, 임의의 파장에서의 기준 광량값의 곡선을 구하여도 된다.
(7) 박막 형성방법
이하, 본 실시예에 따른 박막형성방법을 보다 구체적으로 설명한다. 이때, 기준 광량값 또는 기준 광량값 변화량을 사용하여, 광학식 막두께 계기로써 제어하는 것은, 일본특허공개 2001-115260호 공보, 일본특허공개 2001-123269호 공보, 유럽공개공보 1094344호 공보에 기재된 것처럼 공지되어 있다. 코트 돔(2)에 피막형성체인 렌즈(2a) 및 모니터 유리(2b)를 설정하여, 도가니(4)에 증착원료(4a)를 세놓는다. 그 후, 진공 챔버(1) 안을 소정의 진공도로 하여, 할로겐 히터(9)에 의해서 렌즈(2a)를 소정의 온도로 한다. 그 후, 전자총(3)에 인가된 전력의 제어를 시작하여 증착을 시작할 수 있다.
증착막의 막형성이 시작되는 것은, 셔터(5)가 열리고 나서이다. 따라서, 셔터(5)가 연 때를 0으로 하고, 그 후의 경과시간을 t(초)로 한다. 일반적으로, 셔터(5)가 열리면, 광학식 막두께 계기(10)의 광량이 변화되기 시작한다. 그러나, 실제로는, 이 광량의 변화의 개시가, 종종 늦는 경우가 있다. 이러한 경우에는, 소정 시간경과 후에 강제적으로 전자총(3)에 소정의 전력을 인가하여 제어를 시작할 수도 있다.
막형성은, 컴퓨터에 의한 소프트웨어 제어하에 행한다. 상기 기준 광량값 저장수단(13)에 저장되어 있는 기준 광량값 데이터를 판독하여, 실제로 상기 측정에 의해 구한 광량값과 비교하여, 이들 광량값이 서로 일치하도록, 전자총의 전류값을 조정한다. 전자총의 전류값의 제어는, 예를 들면, 다음과 같이 행해진다. 우선, 셔터를 열 때부터의 시간 ti-1(실시간)에서의 광량을 Ii-1(실측값=실제 광량에 의해 구한 값)으로 하여, 이 Ii-1과 같은 기준 광량 IS(IS=Ii-1)를 기준데이터로부터 검색한다(i는, 제어회수 i번째). 동일한 값이 없는 경우에는, 근사값을 산출한다. 그리고, 이 광량 IS에 대응하는 시간 tS(기준시간)을 기준데이터로부터 산출한다.
다음에, 실시간 tI-1으로부터 제어간격 △t(초) 후의 시간 ti에 대응하는 광량(실측값= 실제 광량)을 Ii로 한다. 또한, 기준데이터로부터, 기준시간 tS'(=tS+△t)에 대응하는 기준광량 IS'을 얻는다.
△Ii와 △ISi는 다음과 같이 정의된다:
△Ii≡Ii-Ii-1
△ISi≡IS'-IS로 하고,
Ri는 다음과 같이 정의되고,
Ri≡I-△Ii/△ISi또는,
Ri≡(IS'-II)/(IS'-IS)으로 한다.
도 8은 실제 광량의 변화와 기준 광량의 변화를 도면으로 나타낸 것이다.
또한, RI는 다음과 같은 변환을 한다:
Qi≡kRi｜Ri｜
여기서, k는, 임의의 정수이다. 이 Qi에 대하여, PID 제어(비례, 적분, 미분제어)를 행하여, 수시로, 전자총의 전력값 Pi를 결정한다. 이하에, 전자총 전력값 Pi를 결정하는 PID 제어식은, 다음과 같다:
Pi≡Pi-1+ Kp·QI+ Ki·ZQI+ Kd·det QI
여기서, Kp, Ki, Kd는, 각각, 임의의 정수이다.
∑QI는 다음과 같이 정의된다:
[수학식 6]
이상의 제어를 제어간격 △ti(초)마다 행한다.
상기한 제어간격 △t(초)는, 일치율(R)에 따라서 변화시킨다. 일반적으로는, 일치율이 높을수록(R이 0에 가까운) 제어간격 △t를 크게 설정한다. 또한, R을 사용하여 PID 제어(비례, 적분, 미분제어)를 행하고, 수시로 전자총 전력값 PI를 결정하는 것도 가능하다.
이상 설명한 것처럼, 본 발명은, 막형성 과정의 박막에 대하여 광학식 막두께 계기로 그 광량값을 측정하면서, 측정된 광량값이 기준 광량값이 되도록 막형성조건을 제어함으로써, 원하는 막형성을 하도록 한다. 이 기준 광량값으로서, 설계단계의 시험 막형성시에 실측되는 광량값으로부터 이론적 계산으로 복수의 파장의 굴절률을 구하여, 그 복수의 굴절률로부터 그 막의 파장과 굴절률과의 관계를 구하고, 이 구해진 관계로부터 목적으로 하는 파장에 관한 막형성을 할 때의 굴절률을 구하고, 이 굴절률을 상기 이론 계산식에 넣어 구한 기준 광량값을 사용하도록 한다. 이러한 과정에 따라, 임의의 파장에 대하여 소정의 광학특성을 갖은 박막을 용이하게 막형성하는 것을 가능하게 한 것이다.

Claims (9)

  1. 막형성 재료를 비상시키고 피막형성체 표면에 퇴적시켜 원하는 박막을 형성할 때에, 막형성시에 박막의 두께를 광학식 막두께 계기로 연속적으로 측정하는 단계와, 이 광학식 막두께 계기로 측정되고, 그 측정된 막 두께를 나타내는 광량값이, 미리 설정된 기준 광량값에 근사 또는 같게 되도록, 막 형성시에 비상시키는 막형성 재료의 양을 제어하는 단계에 의해 원하는 박막을 형성하는 박막 형성방법에 있어서,
    원하는 박막의 시험 형성을 하고, 상기 광학식 막두께 계기를 사용하여 복수의 파장에서 상기 형성된 박막의 굴절률을 구하고, 이론적인 계산에 의해 상기 구해진 굴절률로부터 복수의 원하는 파장에서 기준 광량값을 구하며, 상기 구해진 기준 광량값을 사용하여 원하는 파장에서 원하는 광학적 두께를 갖는 박막을 형성하되,
    A : 상기 광학식 막두께 계기는, 박막이 형성된 피막형성체에 소정의 빛을 조사할 때의 소정 파장의 투과광 또는 반사광의 광량이 적어도 상기 박막의 막두께와 굴절률에 의존하는 것을 이용하여, 상기 투과광 또는 반사광의 광량을 측정함으로써 상기 박막의 막두께를 측정하는 광학식 두께 계기이고,
    B : 상기 막형성 과정에서는, 상기 피막형성체 표면에 이미 퇴적된 박막의 막두께에 의존하여 변화되는 상기 투과광 또는 반사광의 광량 또는 광량의 변화량을 상기 광학식 막두께 계기로 연속적으로 측정하고,
    C : 상기 기준 광량값은, 원하는 박막 형성시에, 상기 광학식 막두께 계기로 연속적으로 측정되는 광량값 또는 광량값 변화량값의 데이터의 집합인 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 광량값은,
    a. 막 형성시에 상기 광학식 막두께 계기로 소정의 파장을 갖는 광량값 또는 광량 변화량값을 연속적으로 측정하면서 시험 박막 형성을 하고, 상기 소정 파장에서 원하는 광학적 두께를 갖는 박막을 형성하고, 그 광학적 두께와 물리적 두께를 포함한 물질정수로부터 상기 형성된 박막의 소정 파장의 굴절률을 구하는 단계와,
    b. 상기 (a)단계에서 설명된 것과 같은 과정에 따라 상기 소정의 파장과 다른 복수의 파장의 광을 사용하여 상기 시험 막 형성을 하고, 상기 복수의 파장에서의 상기 형성된 박막의 굴절률을 구하는 단계와,
    c. 상기 시험 박막 형성으로 구한 상기 박막의 복수의 파장에서의 굴절률로부터, 상기 박막의 파장과 굴절률의 관계식을 구하여, 이 관계식을 사용하여 상기 시험된 파장과 다른 임의의 파장의 굴절률을 구하는 단계와,
    d. 막형성시에, 상기 광학식 막두께 계기로 연속적으로 측정되는 광량값 또는 광량 변화값을, 측정대상인 박막의 굴절률을 인자로서 포함하는 이론식으로 나타내고, 이 이론식에 상기 구한 임의의 파장의 굴절률을 넣어, 임의의 파장에서의연속적인 광량값 또는 광량 변화량값을 구하고, 이 구해진 광량값 또는 광량 변화량값을 임의의 파장을 갖는 기준 광량값 데이터로서 사용하는 단계를 포함한 과정에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 원하는 박막의 굴절률은, 적어도 상기 광학식 막두께 계기의 모니터 유리의 반사율과 필터의 투과 스펙트럼을 사용하여 구하고, 이 구해진 값에 의거하여 계산하는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 원하는 박막의 굴절률은, 적어도 상기 광학식 막두께 계기의 모니터 유리의 반사율과 필터의 투과 스펙트럼을 사용하여 구하고, 이 구해진 값에 의거하여 계산하는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
  5. 청구항 1에 기재된 박막형성방법의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈의 제조방법.
  6. 청구항 2에 기재된 박막형성방법의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈의 제조방법.
  7. 청구항 3에 기재된 박막형성방법의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈의 제조방법.
  8. 청구항 4에 기재된 박막형성방법의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈의 제조방법.
  9. 청구항 2에 기재된 박막형성방법에 의해 얻어진 기준 광량값 데이터를 저장하는 저장수단과, 광학식 막두께 계기를 구비한 것을 특징으로 하는 박막형성장치.
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