(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から被光照射体に光を照射しその反射光又は透過光を光検出手段により検出して得た信号強度を基に前記被光照射体の光学膜厚に対応する信号強度をコンピュータにより算出するための信号処理方法において、
前記被照射体の光学膜厚ｘ´及びこれに対応する信号強度Ｌ´を前記コンピュータの記憶手段に逐次記憶しておき、
前記コンピュータの演算手段により、
前記被照射体の光学膜厚ｘｉ´に対応する信号強度Ｌｉをｃ及びｍを変数として含むマクロウド関数
0003628978.tif 000018
に基づいて算出し、
前記算出された信号強度Ｌｉに基づいて
0003628978.tif 000019
を求め、
前記ε値を最小にするｃ値及びｍ値を最良近似解として選択し、
前記最良近似解を用いて
0003628978.tif 000020
により光学膜厚ｘ´に対応する信号強度Lを算出すること、を特徴とする信号処理方法。
【請求項２】
前記被照射体は基板上に形成された薄膜又は多層膜であること、を特徴とする請求項１に記載の信号処理方法。
【請求項３】
被光照射体からの反射光又は透過光の光量を検出して前記被光照射体の光学膜厚に対応する信号強度を算出するための信号処理装置であって、
光源から射出された照射光を光学レンズにより集光して前記被光照射体上に照射する光照射手段と、
前記被光照射体からの反射光又は透過光を受光するための受光手段と、
前記受光手段により受光した信号光を検出する光検出手段と、
前記受光手段により受光した信号光の光量を解析処理する信号処理手段と、を備え、
前記信号処理手段は請求項１又は請求項２のいずれかに記載の信号処理方法に基づいて前記被照射体の光学膜厚に対応する信号強度を算出すること、を特徴とする信号処理装置。
【請求項４】
前記被光照射体は基板上に形成された薄膜又は多層膜であること、を特徴とする請求項３に記載の信号処理装置。
【請求項５】
前記多層膜はガラス基板上に屈折率の異なる誘電体薄膜を多層に重ねて形成されたものであること、を特徴とする請求項４に記載の信号処理装置。
【請求項６】
前記多層膜は高密度波長分割多重通信方式における波長分割用光学フィルタとして用いることが可能なものであること、を特徴とする請求項５に記載の信号処理装置。
【請求項７】
請求項３乃至請求項６のいずれかに記載の信号処理装置と真空成膜室内において基板表面に薄膜を形成する成膜装置とからなる薄膜形成装置であって、
前記受光手段は前記成膜装置内に配置され、
前記受光手段により受光された信号光を前記成膜装置の外部に導いて前記信号処理手段により薄膜の光学膜厚に対応する物理量を算出しながら薄膜形成を行うこと、を特徴とする薄膜形成装置。
【請求項８】
前記基板を回転させながら薄膜形成すること、を特徴とする請求項７に記載の薄膜形成装置。
【請求項９】
前記成膜装置は、前記基板表面に薄膜を形成する物質を蒸着させる際に蒸着物質にイオン照射しながら蒸着を行うイオンアシスト蒸着法を用いたものであること、を特徴とする請求項７又は請求項８のいずれかに記載の薄膜形成装置。
【請求項１０】
コンピュータに被光照射体からの反射光又は透過光の光量を基に前記被光照射体の光学膜厚に対応する信号強度を算出させるためのプログラムであって、
前記被照射体の光学膜厚ｘ´とこれに対応する信号強度Ｌ´をコンピュータに備える記憶手段に逐次記憶しておき、
コンピュータに備える演算手段により、
ｃ及びｍを変数として含むマクロウド関数
0003628978.tif 000021
に基づいて前記被照射体の光学膜厚ｘｉ´に対応する信号強度Ｌｉを算出し、前記算出された信号強度Ｌｉに基づいて
0003628978.tif 000022
を求め、
前記ε値を最小にするｃ値及びｍ値を最良近似解として選択し、
前記最良近似解を用いて
0003628978.tif 000023
により信号強度を算出するためのプログラム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のプログラムを記憶させた記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば薄膜の光学膜厚を算出するための信号処理方法、及び該信号処理方法による信号処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学材料としての薄膜や多層膜の形成に用いられる薄膜形成装置には、薄膜の光学膜厚をｉｎ−ｓｉｔｕでモニタリングする目的で光学モニタリング装置が装備される。特に、光通信分野でのＤＷＤＭ（Ｄｅｎｓｅ  ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：高密度波長分割多重）通信方式用波長分割フィルタ（いわゆるＤＷＤＭフィルタ）は、表面を高精度に研磨したガラス基板上に屈折率の異なる誘電体薄膜を交互に数十〜数百層形成した多層膜から構成され、各薄膜の光学膜厚を設計値に正確に一致させることで所定の光学特性を有するＤＷＤＭフィルタを得ることが可能となるため、光学膜厚を精度良くモニタリングすることは重要な要素技術である。
【０００３】
薄膜の光学膜厚は、その薄膜の幾何学的な膜厚と薄膜の光学特性のひとつである屈折率との積で定義される物理量である。このうち屈折率は、薄膜の構成元素の種類と組成比に依存する。従って、例えば真空蒸着法により薄膜形成を行う場合には、ターゲットの化学組成を適当に選択し、これを蒸発源として基板上に薄膜形成を行うことで薄膜の組成を制御する。一方、薄膜の幾何学的な膜厚は、成膜基板の近傍に配置された水晶振動子の振動数変化を解析することにより蒸着された薄膜の幾何学的膜厚を推定することでモニタリングするのが一般的である。
【０００４】
しかし、かかる間接的な光学膜厚測定法により求められる値が必ずしも実際の薄膜の光学膜厚に一致しない場合が多いことから、成膜中の薄膜の光学膜厚を直接的に測定できる光学モニタリング装置を薄膜形成装置に備えてｉｎ−ｓｉｔｕでモニタリングする方法が採用される。
【０００５】
薄膜の光学膜厚を光学的手法によりモニタリングする方法として、成膜中の薄膜にレーザ光等の光を照射して得られる薄膜からの反射光又は透過光の光量を検出し、成膜の進行につれて時々刻々変化する信号光強度を解析処理して光学膜厚に相当する物理量を算出するものがある。すなわち、成膜中の薄膜に光を照射すると、多層膜中に入射した光は該多層膜を構成する各薄膜の表面及び裏面により反射を受けて反射光同士が干渉を起こす。そして、この反射光同士の干渉状態は各薄膜の光学膜厚に応じて変化する。従って、薄膜を形成する過程で上記信号光の強度変化をモニタリングすれば、その時点における薄膜の光学膜厚を算出することが可能である。
【０００６】
上記光学的手法に基くモニタリング装置は、光学膜厚をモニタリングしようとする薄膜に光を照射するための光照射手段と、この光照射手段により薄膜に照射された光が上記薄膜を透過又は反射して生じた信号光を受光するための受光手段と、該受光手段により受光した信号光を信号処理手段へと導くための導光手段と、該導光手段により導かれた信号光の光量を解析処理して光学膜厚に対応する物理量を算出するための信号処理手段とから構成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＤＷＤＭフィルタの品質は、多層膜を構成する各薄膜の光学膜厚の精度によって著しく影響を受けるため、光学膜厚を高精度にモニタリングしつつ薄膜形成をおこなうことは優れた品質のＤＷＤＭフィルタを製造する上で極めて重要な技術である。しかるに、本願発明者の研究によれば、従来の信号処理方法に基づく光学モニタリング装置で算出される薄膜の光学膜厚の精度には、一定の限度があることが判明した。
【０００８】
基板上に形成した薄膜から得られる信号光の強度は、信号光の波長をλとした場合のλ／４波長に相当する光学膜厚ごとに最大値又は最小値が現れる周期的な変化を示す。従って、上記最大値又は最小値に相当する信号ピーク位置を知ることにより薄膜の光学膜厚の算出が可能である。このことは、実測された信号光強度からこれに対応する光学膜厚が精度良く算出できれば、λ／４波長に相当する光学膜厚に達した際に出現する信号ピーク位置の予測が可能なことを意味する。そして、信号ピーク位置が現れる位置（すなわち成膜開始後の成膜時間）を予め予測することができれば、λ／４波長の整数倍に相当する光学膜厚に達する成膜時間が予め予測でき、所望の光学膜厚で成膜を停止させることが可能となって光学膜厚が設計値に正確に一致する薄膜を得ることができるのである。
【０００９】
しかし、従来の信号処理方法では、実測された信号光強度に基づいて正確な光学膜厚を算出することが困難であった。そのため、成膜中の何時の時点で信号ピークが現出するかが正確には予測できず、信号強度プロファイルに現れた信号ピークを確認した後で成膜条件を変更等せざるを得なかった。かかる場合には、実際にλ／４の整数倍に相当する光学膜厚に達した時刻と成膜停止時刻、又は次の成膜条件へと移行する時刻とにずれ（ラグタイム）が生じざるを得ず、このようなラグタイムの存在が薄膜の光学膜厚の精度を低下させる要因となって、光学膜厚モニタリング方法としての精度は不充分なものとならざるを得なかったのである。
【００１０】
本発明は、上述の背景の下でなされたものであり、より精度の高い光学膜厚のモニタリングを可能とする信号処理方法、及びこの信号処理方法を利用した高精度光学モニタリング装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の信号処理方法は上述した問題点を解決すべくなされたものであって、照射光を被光照射体に照射し該被光照射体からの反射光又は透過光の光量を検出してこれを基に被光照射体の光学膜厚に対応する信号強度を算出するための信号処理方法において、ランタイム毎の信号強度Ｌ´とこれに対応する被照射体の光学膜厚ｘ´を逐次記憶しておき、ランタイムｔｉにおける被照射体の光学膜厚ｘｉ´に対応する信号強度Ｌｉをｃ及びｍを変数として含むマクロウド関数
0003628978.tif 000002
に基づいて算出し、算出された信号強度Ｌｉに基づいて
0003628978.tif 000003
を求め、そのε値を最小にするｃ値及びｍ値を最良近似解として選択し、かかる最良近似解を用いて
0003628978.tif 000004
により信号強度を算出することを特徴とする。
【００１２】
好ましくは、上記被照射体は基板上に形成された薄膜又は多層膜である。
【００１３】
かかる構成とすることによって、基板上に形成された薄膜又は多層膜の光学膜厚に相当する信号強度を正確に予想することが可能となる。
【００１４】
また、本発明の信号処理装置は、被光照射体からの反射光又は透過光の光量を検出して前記被光照射体の光学膜厚を算出するための信号処理装置であって、光源から射出された照射光を光学レンズにより集光して上記被光照射体上に照射する光照射手段と、上記被光照射体からの反射光又は透過光を受光するための受光手段と、上記受光手段により受光した信号光を検出する光検出手段と、上記受光手段により受光した信号光の光量を解析処理する信号処理手段とを備え、上述した信号処理方法に基づいて上記被照射体の光学膜厚に対応する物理量を算出することを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、上記基板はガラス基板であり、上記多層膜は屈折率の異なる誘電体薄膜を多層に重ねて形成されたものである。
【００１６】
また好ましくは、上記多層膜は高密度波長分割多重通信方式に波長分割用光学フィルタとして用いることが可能なものである。
【００１７】
かかる構成とすることによって、ガラス基板上に形成されたＤＷＤＭ用多層膜の光学膜厚を正確に算出することが可能となる。
【００１８】
また、本発明の薄膜形成装置は、上述した信号処理装置と成膜装置とからなる薄膜形成装置であって、上記受光手段は上記成膜装置内に配置され、上記受光手段により受光された信号光を上記成膜装置の外部に導いて上記信号処理手段により薄膜の光学膜厚に対応する物理量を算出しながら薄膜形成を行うことを特徴とする。
【００１９】
好ましくは、本発明の薄膜形成装置は上記基板を回転させながら薄膜形成することを特徴とする。
【００２０】
また、好ましくは本発明の薄膜形成装置は、基板表面に薄膜を形成する物質を蒸着させる際に蒸着物質にイオン照射しながら蒸着を行うイオンアシスト蒸着法を用いたものであることを特徴とする。
【００２１】
かかる構成とすることにより、形成される薄膜の光学膜厚を正確に制御しながら薄膜形成を行うことが可能となる。
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照しながら本発明の信号処理方法について詳述する。
【００２２】
本発明の信号処理方法を用いて、薄膜の光学膜厚の実測値から透過光の強度を求める場合の例を説明する。
【００２３】
薄膜を光が透過する場合の透過光（信号光）強度は薄膜の光学膜厚に関する多項式として求められ、マクロウド（Ｍａｃｌｅｏｄ）関数により数式１で表現できる。
【００２４】
【数１】
0003628978.tif 000005
上式中、ｘは薄膜の光学膜厚、Ｌは信号光強度、ａｉ（０≦ｉ≦６）及びδはマクロウド定数であり、薄膜の種類毎に定まる定数である。
【００２５】
本発明の信号処理方法は、成膜開始からの経過時間（以下「ランタイム」という）ｔ＝ｔｉにおいて実測された薄膜の光学膜厚ｘ´ｉに対応して数式１により算出される信号強度Ｌｉを、ランタイムｔｉでの信号強度の実測値Ｌ´ｉに最も近似させる関数を求めるものである。このようにして得られる関数は、任意の光学膜厚に対応する最適な信号強度を与えるマクロウド関数として取り扱うことができる。例えば、各々の薄膜がλ／４の光学膜厚を有する多層膜を形成する場合には、信号強度ピークはλ／４に相当する光学膜厚毎に出現するから、信号強度ピークが現れるランタイムが正確に算出できれば、多層膜を構成する各薄膜の光学膜厚を設計値に正確に一致させる成膜条件の設定が可能となるのである。
【００２６】
かかる最適なマクロウド関数を求めるためのアルゴリズムは以下のとおりである。
【００２７】
実測値である薄膜の光学膜厚ｘ´及び信号強度Ｌ´と、理論値である光学膜厚ｘ及び信号強度Ｌの関係を、Ｌ＝ｂＬ´及びｘ＝ｃｘ´とおく。ここで、ｂ及びｃは、本発明の信号処理方法により最適化されるべき変数である。
【００２８】
上記関係式を数式１に代入すると、
【００２９】
【数２】
0003628978.tif 000006
が得られ、これを変形して、
【００３０】
【数３】
0003628978.tif 000007
を得る。ここで、ｂ＝１／ｍとおいた。
【００３１】
数式３から明らかなように、最適なｍ値及びｃ値が得られれば薄膜の光学膜厚ｘ´に対応する最適な信号強度Ｌ（＝Ｌ´／ｍ）を求めることが可能となる。そして、各光学膜厚に対応する信号強度を求めることにより信号強度の光学膜厚依存性を表す信号強度曲線が得られ、該強度プロファイルを基に信号ピーク位置が現れるランタイムの予測が可能となる。
【００３２】
以下に、最適なマクロウド関数を得るための具体的な演算方法を説明する。
【００３３】
任意のランタイムｔｉにおける光学膜厚及び信号強度の実測値を各々ｘ´ｉ及びＬ´ｉとして、
【００３４】
【数４】
0003628978.tif 000008
なるεｉを定義する。ここで、ｘ´ｉは、光学膜厚が既知の標準試料を用いて実測された値であっても良いが、薄膜形成時におけるｉｎ−ｓｉｔｕでの信号処理を行うような場合にあっては例えば水晶振動子法や光学的手法により実測して得られる薄膜の幾何学的膜厚に薄膜の屈折率を乗して算出した値を用いてもよい。また、Ｌ´ｉは、例えば光電子増倍管等の光検出器により実測して得た信号強度である。更に、Ｌｉは光学膜厚の実測値ｘ´ｉに基づいて算出される信号強度であり、
【００３５】
【数５】
0003628978.tif 000009
で与えられる。
【００３６】
次に、信号強度を算出しようとしている時点で既にサンプリングが完了している各ランタイム毎の光学膜厚と信号強度に関するデータ（ｘ´ｉ、Ｌ´ｉ）の数をＮとして、
【００３７】
【数６】
0003628978.tif 000010
なるεを定義する。最適なマクロウド関数を得るためには、εの最小値（εｍｉｎ）を与える係数ｍ及びｃを計算すれば良い。
【００３８】
ここで、全てのｃについてεがεｍｉｎとなるとすると、
【００３９】
【数７】
0003628978.tif 000011
となる。従って、任意の値ｃｕに対応する数式７を満足するｍ値は、
【００４０】
【数８】
0003628978.tif 000012
で与えられる。
【００４１】
要約すれば、予め設定された個々のｃ値に対応するｍ値を上記手順によって算出し、それらのｃ値及びｍ値を用いて数式６によりεを求め、そのうちεの最小値を与えるｃ値及びｍ値を最良近似解として選択する。そのようにして最適なｃ値及びｍ値が得られれば、これらの値を基に数式５により最適な信号強度を算出することができる。
【００４２】
図１は、上述した本発明の信号処理方法の手順により、最適なマクロウド関数を得るためのアルゴリズムを説明するフローチャートである。
【００４３】
先ず、信号処理方法の実行を行わせるプログラムをスタートさせ（Ｓ０１）、マクロウド関数（数式１）の定数であるａｉ（ｉ＝１〜６）及びδを設定する（Ｓ０２）。
【００４４】
これらのマクラウド定数は薄膜の組成等により異なるから、例えばｎ層の薄膜を積層した多層膜を形成する場合には表１に示すような各薄膜に対応する定数を用いる必要がある。
【００４５】
【表１】
0003628978.tif 000013
次に、本信号処理方法で変数として取り扱うｃ値の初期値（ｃ０）設定を行い（Ｓ０３）、実測値ｘ´及びＬ´に基づいて数式３によりｍ値を算出し（Ｓ０４）、更にｃ値が取り得る最大値（ｃｍａｘ）、及びｃ値を順次増加させるための増加量（Δｃ）を設定する（Ｓ０５）。従って、変数ｃは、本アルゴリズムにおいてｃｉ＋１＝ｃｉ＋Δｃのように順次変化することとなる。
【００４６】
次に、εの最小値であるεｍｉｎの初期値を設定する（Ｓ０６）。この初期値は自由に設定可能であるが、例えば、εｍｉｎ＝ｅｘｐ（１００）等とする。
【００４７】
更に、既に蓄積されている過去の実測データに基づいて、表２に示すようなランタイムｔｉ毎のｘｉ´及びＬｉ´のリストを作成する（Ｓ０７）。
【００４８】
【表２】
0003628978.tif 000014
ここで、ｘ´は例えば水晶振動子式膜厚測定装置により実測された値であり、Ｌ´は例えば光電子増倍管等の光検出手段により実測された値である。
【００４９】
上記に続き、変数であるｃ値を設定する（Ｓ０８）。具体的には、予め設定した変数ｃ値の初期値ｃ０をｃ値として設定する。そして、設定したｃ値に対応するｍ値を数式３により求めて数式９に示すマクロウド関数を得る。
【００５０】
【数９】
0003628978.tif 000015
次に、表２に示した過去の実測データを基に、各ランタイムｔｉに対応する信号強度Ｌｉを算出する。その結果、ランタイムｔｉに対応する信号強度として、
【００５１】
【数１０】
0003628978.tif 000016
が得られる。
【００５２】
更にステップＳ０８で設定したｃ値に対応するｍ値を数式３により算出（Ｓ０９）し、これらのｃ値及びｍ値を用いて数式１０によりＬｉを算出してε値を求める（Ｓ１０）。
【００５３】
ここで上記ε値が設定されているεｍｉｎよりも小さいか否かの判断を行い（Ｓ１１）、εがεｍｉｎよりも小さい場合には（Ｓ１１：Ｙｅｓ）該εを新たにεｍｉｎとして設定し直し（Ｓ１２）、一方εがεｍｉｎよりも大きい場合には（Ｓ１１：Ｎｏ）εｍｉｎをそのままの値で維持する。
【００５４】
そしてｃ値をΔｃだけ増加させ（Ｓ１３）、得られたｃ値がステップＳ０５で設定したｃｍａｘよりも大きいか否かの判断を行い（Ｓ１４）、ｃｍａｘよりも大きければ（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、εｍｉｎを与えるｃ値及びｍ値を係数として得られる最適マクロウド関数を用いてピーク位置及びピーク強度の算出を行う（Ｓ１５）。
【００５５】
一方、上記ｃ値がｃｍａｘ以下であれば（Ｓ１４：Ｎｏ）、該ｃ値を新たなｃ値として設定し（Ｓ０８）、以下の演算を繰り返す。
【００５６】
そして、全てのｃ値について演算が終了した時点で処理を終了させる（Ｓ１６）。
【００５７】
このようにして最適マクロウド関数が得られることとなるから、任意の光学膜厚に対する最適な信号強度が算出でき信号強度曲線のピーク位置（すなわちλ／４に相当する光学膜厚に到達するランタイム）を予想することが可能となる。
【００５８】
なお、上記では薄膜の光学膜厚と信号強度の関係を与える最適化されたマクロウド関数を求める場合について説明したが、本発明の信号処理方法はこれに限定されるものではなく、信号強度が他の物理量についての多項式で表現可能な場合の信号処理方法として一般的適用が可能である。
【００５９】
上述した本発明の信号処理方法を、薄膜を透過してきた透過光強度を信号強度として光学膜厚をモニタリングする場合にどのように適用するかについてより詳細に説明する。
【００６０】
薄膜から反射又は透過してきた信号光の波長をλとすると、λ／４の整数倍の光学膜厚を有する薄膜において最大の干渉効果が得られる。その結果、薄膜の光学膜厚に対する反射率（Ｒ）及び透過率（Ｔ）は図２に示すごとき依存性を示す。この現象は、光学薄膜設計において最も重要な基本原理であり、いわゆる「λ／４則」として広く知られている。従って、波長λの光の照射を受けた薄膜からの反射光又は透過光を信号光としてその信号強度（光量）をモニタリングすると、信号光強度は光学膜厚の変化に伴って周期的に変化し、光学膜厚がλ／４の整数倍に相当する場合において最大値又は最小値（信号ピーク）をとる。
【００６１】
光学膜厚をモニタリングすべき薄膜は通常基板上に形成されたものである。図３（ａ）に示すように、光学定数（複素屈折率）がｙｓｕｂ（＝ｎｓｕｂ−ｉｋｓｕｂ）である基板上に光学定数がｙｆ（＝ｎｆ−ｉｋｆ）の薄膜が形成されており、光学定数ｙ０（＝ｎ０−ｉｋ０）の媒質中にある場合を考える。ここで、上記複素屈折率の実部はいわゆる屈折率と呼ばれるものであり、虚部は減衰係数（消衰係数）である。この薄膜に対して、波長λの光が照射された場合の該薄膜による光の反射率又は透過率は上記薄膜の光学膜厚により変動し、λ／４に相当する光学膜厚毎に極大値および極小値を取りつつ周期的に変化する。ここで、薄膜の光学膜厚は、上記複素屈折率の実数部分である屈折率（ｎ）と薄膜の幾何学的な膜厚との積で定義される物理量である。この場合の光の反射現象は、互いに光学定数を異にする薄膜と基板とにより構成される２枚の層全体により引き起こされる物理現象であるが、これを上記２枚の層と光学的に等価な、光学定数ｙｅ＝ｙｆ２／ｙｓｕｂを持つ１枚の層として取り扱うことが可能である。その様子を図示したのが図３（ｂ）である。このような取り扱いによる場合には、光学定数ｙｅの１枚の薄膜に、光学定数ｙｏの媒質から波長λの光が入射した場合の光の反射又は透過現象として取り扱うことが可能である。
【００６２】
なお、上記例では簡略のために基板上に１枚の薄膜が形成されている場合について説明したが、同様の取り扱いは基板上に薄膜を多層に形成して得られる多層膜の場合についても可能である。その場合、多層膜を構成する各層の光学定数をｙｉ（ｉ＝１、２、３、…）とすると、光学的等価膜の光学定数（Ｙ）及び反射率（Ｒ）は、各々、Ｙ＝（ｙ１２ｙ３２ｙ５２…）／（ｙ２２ｙ４２ｙ６２…ｙｓｕｂ）、及びＲ＝（ｙ０−Ｙ）２／（ｙ０＋Ｙ）２、で与えられる。なお、光の透過率Ｔは、膜中での光の吸収を無視すれば、Ｔ＋Ｒ＝１の関係に基づいて求めることができる。
【００６３】
このように、各薄膜の光学膜厚が与えられればかかる薄膜からの反射光強度又は透過光強度を理論的に算出することが可能となり、また、信号光強度を測定することにより光学膜厚を算出することも可能となるのである。
【００６４】
すなわち、本発明の信号処理方法を光学モニタリング装置に適用することにより、任意の光学膜厚を有する薄膜からの信号強度を正確に算出することが可能となる。従って、本発明の信号処理方法により高精度の光学モニタリング装置の提供が可能である。更に、本発明の光学モニタリング装置を薄膜形成のための成膜装置に組み込むことにより、光学膜厚を正確に制御しながら薄膜形成が可能な薄膜形成装置を提供することができる。
【００６５】
例えば図４は、本発明の信号処理方法を用いて薄膜の光学膜厚に対する信号強度をシミュレーションした結果の一例を示している。図中、曲線Ｂは、本発明の信号処理方法を用いて信号強度を算出した結果であり、曲線Ｃは、従来のマクロウド法により算出した結果である。また、実測により得られた信号強度曲線を曲線Ａとして示してある。
【００６６】
図４から明らかなように、従来法のマクロウド法によりシミュレーションした信号強度は信号強度の実測値に比較して約１０％ほど低く算出される結果となっている。従って信号強度のシミュレーション結果に基づいて算出した光学膜厚は実際の光学膜厚に対して大きな誤差を含む結果となってしまう。
【００６７】
一方、本発明の信号処理方法により算出された信号強度は、いずれの光学膜厚についても実測値に極めて良く一致しており、最適化されたマクロウド関数により算出された光学膜厚は実際の光学膜厚に正確に一致することが理解できる。
【００６８】
以下に、本発明の信号処理方法を用いた信号処理装置を光学モニタリング装置として薄膜形成装置に搭載し多層膜を形成する場合の信号処理プロセスを説明する。
【００６９】
図５は、上記信号処理プロセスのフローチャートである。
【００７０】
多層膜形成をスタートさせ（Ｓ２１）て、薄膜形成を開始する（Ｓ２２）とともに、成膜開始からの経過時間であるランタイム毎にモニタリング信号（ｘ´ｉ、Ｌ´ｉ）を逐次収集する（Ｓ２３）。
【００７１】
信号強度は、例えば図６（ａ）に示すようなランタイム依存性を示し、比較的長い周期で変化する成分と、この長周期の変化とは別の短い周期で変化する成分とを含むプロファイルを示す。このうち、多層膜を構成する各薄膜の光学膜厚増加に伴う信号強度変化に対応するのは、短周期の変化成分である。
【００７２】
各層の光学膜厚がλ／４である薄膜から構成される多層膜の信号強度は、例えば図６（ｂ）のような層数依存性を示す。その様子を拡大して図示したのが図７である。第１層の成膜過程においては高い信号強度レベルが得られるが、層数の増大に伴い信号強度レベルが徐々に低下し、例えば第１６層の成膜過程においてはほとんど信号を得ることができない。すなわち、信号強度レベルは各薄膜の形成過程で同一ではなく、信号レベルの高い領域で薄膜形成される層と信号レベルの低い領域で薄膜形成される層とがあることになる。
【００７３】
本発明の信号処理方法により精度の高いモニタリングを担保するためには、解析対象である信号強度が充分高いレベルにある必要がある。従って、本発明の信号処理方法の適用が可能か否かの判断の為に、モニタリング信号（Ｌ´）の信号強度レベルを評価する（Ｓ２４）。そして、モニタリング信号強度を予め設定された信号強度の下限値と比較し（Ｓ２５）、その結果信号強度の下限値を下回る場合（Ｓ２５：Ｎｏ）には本発明の信号処理方法を用いることなく過去のデータを基にピーク位置を推定する（Ｓ２６）。この場合には、成膜を停止すべきランタイムも過去のデータを基に算出され、該成膜停止ランタイムに達したか否かの判断に基づいて成膜が進行する（Ｓ３４´）。
【００７４】
一方、モニタリング信号の信号強度レベルが上記下限値を上回る場合（Ｓ２５：Ｙｅｓ）には、本発明の信号処理方法に基づいたピーク位置の決定のためのステップへと移行する。この場合には、先ず、既に蓄積されているモニタリング信号に関するデータ数が必要とされる必要最小データ数以上であるか否かを判断し（Ｓ２７）、データ数が不足している場合（Ｓ２７：Ｎｏ）にはステップＳ２３に戻りモニタリング信号データ収集を繰り返し、蓄積データ数が充分な場合（Ｓ２７：Ｙｅｓ）には最適マクロウド関数を求めるための計算式及び理論定数がロードされる（Ｓ２８）。
【００７５】
更に、モニタリング信号のデータ収集を継続しながら（Ｓ２９）、ステップＳ２８でロードした計算式及び理論定数を用いてピーク位置決定のための演算を実行する（Ｓ３０）。ここで行う具体的な演算は、図１に示した手順によって実行される。
【００７６】
上記の手順を繰り返すことにより、各ランタイム毎の光学膜厚、信号強度、及びこれらに対応する予想ピーク位置として、例えば表３に示すような結果が得られることとなる。
【００７７】
【表３】
0003628978.tif 000017
算出された予想ピーク位置をランタイム毎（すなわちモニタリング信号のデータ毎）にプロットすると、例えば図８のような結果が得られる。ランタイムの進行につれてモニタリング信号のデータ数が増加するに伴い、予想されるピーク位置のばらつきが徐々に小さくなり予想ピーク位置の信頼性が向上する。算出された予想ピーク位置がどの程度の信頼性を持つかの判断を行うために、予想ピーク位置を統計的に処理して分散値を求める（Ｓ３１）等を行い、その結果をピーク位置の信頼性が担保され得る基準として予め設定された分散の上限値と比較する（Ｓ３２）。例えば図８の場合には、予想ピーク位置のばらつきがδ以下となった時点で信頼性ありと判断するようにしている。上記統計的処理を実行した結果、算出された分散が大きい場合（Ｓ３２：Ｎｏ）には信頼性不充分と判断してステップ２９に戻りモニタリング信号のデータ収集を繰り返す。一方、分散値が設定値以下となった場合（Ｓ３２：Ｙｅｓ）には算出された予想ピーク位置をもってλ／４波長に相当する光学膜厚が得られるピーク位置として決定（Ｓ３３）し、その結果を基に成膜を中止すべきランタイムを算出する。そして該ランタイムに達したか否かの判断を行って（Ｓ３４）、相当するランタイムに到達（Ｓ３４：Ｙｅｓ）した時刻に成膜を停止する（Ｓ３５）。一方、該ランタイムに到達するまではステップＳ２９に戻りその後のステップを繰り返す。
【００７８】
更に、上記成膜停止した薄膜が予定された最終層であるか否かの判断（Ｓ３６）を行って、最終層でなければ（Ｓ３６：Ｎｏ）次の薄膜形成の条件を設定（Ｓ３７）してステップＳ２２に戻りその後のステップを繰り返す。そして、予定された全ての層の成膜が完了（Ｓ３６：Ｙｅｓ）した時点で多層膜形成工程が終了（Ｓ３８）する。
【００７９】
上述した高精度光学膜厚モニタリングを可能とする装置を薄膜形成装置に備えることにより、光学膜厚が設計値に正確に一致する薄膜の形成が可能となる。
【００８０】
以下に、本発明の信号処理装置を光学モニタリング装置として組み込んで、光学膜厚の自動制御を可能とした薄膜形成装置の実施例について説明する。
【００８１】
図９は、本発明の実施の態様にかかる薄膜形成装置の全体構造を示す図である。
【００８２】
図９において、この実施の形態にかかる薄膜形成装置は、基台１上に支柱１ａ及び１ｂによって支持された真空成膜室２と、適宜の場所に設置された信号処理装置３とを有する。真空成膜室２は、真空隔壁２ａによって内外が仕切られ、真空ポンプ２ｂによって真空成膜室２の内部を高真空に維持できるようになっている。
【００８３】
真空成膜室２の内部底面の一部領域には、蒸着装置２１、イオン銃２２等が設けられている。また、真空成膜室２の内部底面の他の領域には、透明窓部２４が設けられている。さらに、真空成膜室２の上部中央の外側にはモータ２５が設置され、このモータ２５の回転軸２５ａが真空成膜室２内に真空シールしながら真空隔壁２ａを貫通して延長され、その先端部に基板保持装置２５ｂが取り付けられている。この基板保持装置２５ｂは、中央部に貫通孔を有するガラス基板１００の貫通孔に挿入されてこれを保持し、モータ２５によってガラス基板１００を回転できるようにするものである。
【００８４】
ガラス基板１００の近傍には、水晶振動式膜厚モニタ４６が配置されており水晶振動板の振動数変化を解析することで蒸着された薄膜の物理的膜厚が算出できるようになっている。
【００８５】
また、ガラス基板１００の上側には基板を透過してきた透過光の受光手段である受光光学系４が配置されるようになっている。この受光光学系４は、光ファイバ装置４１と受光レンズ４２とを有し、光ファイバ装置４１の先端受光部と受光レンズ４２とが所定の配置関係で受光ブロック部４３に保持されたものである。また、この受光ブロック部４３は移動棒４４に取り付けられ、この移動棒４４が外部に設けられた駆動機構４５によって水平方向に移動できるようになっている。従って、受光光学系４は、ガラス基板１００の上方で、このガラス基板１００の半径方向においてその受光位置を自在に選定できるようになっている。
【００８６】
光ファイバ装置４１は、真空シール部５を通じて外部に延長され、信号処理装置３に接合されている。これにより、光源６０からの照射光Ｌ０のがガラス基板１００を透過して生じた信号光Ｌは、受光レンズ４２によって光ファイバ装置４１に導入されて信号処理装置３に導かれるようになっている。信号光の位相差は、照射光が薄膜を透過する際に薄膜の表裏面で生じる反射光同士の干渉作用によって、モニタされている薄膜の光学膜厚に伴って変化する。信号処理装置３は、信号光強度が上記光学膜厚に依存して変化することを利用して光学膜厚を算出するものである。
【００８７】
照射光Ｌ０は、透明窓２４の外に設けられた光照射手段である光照射光学系６からの光が用いられる。この光照射光学系６は、例えばハロゲンランプ等の光源６０からの光を光ファイバ装置６１で導光して出射レンズ６２を通じてガラス基板１００の測定点に照射するようになっている。この場合、光ファイバ装置６１の光出射端と出射レンズ６２とは、出射ブロック６３によって所定の配置関係に保持され、さらに、この出射ブロック６３は移動棒６４に固定され、この移動棒６４は、駆動機構６５によって水平方向に移動自在になっている。これにより、ガラス基板１００への照射光Ｌ０の照射点（測定点）を、ガラス基板１００の半径方向の任意の位置に設定できるようになっている。
【００８８】
なお、基台１上には、蒸着装置２１の電源２１０、イオン銃２２の電源２２０等の必要な装置が設けられるようになっている。
【００８９】
本実施例の薄膜形成装置における信号光の処理を、より具体的に説明したのが図１０である。
【００９０】
ガラス基板１００を透過してきた信号光は、光ファイバ装置４１によって信号処理装置３を構成するモノクロメータ３１に入射する。モノクロメータ３１は、ガラス基板１００を透過してきた透過光の波長領域（例えばλ＝５００〜２０００ｎｍ）から選択された所望の波長の光、例えば、光通信に用いられる光の波長に対応するλ＝１５５０ｎｍ近傍の信号光のみを分光し、該波長の信号光のみを光検出器３２に導くためのものである。上記モノクロメータ３１の分光条件は、信号光として選択される光の波長及びガラス基板１００への照射光の照射角度の双方に依存するから、これらの条件を基に予め適正な分光条件となるべく回折格子の設定等がなされている。
【００９１】
モノクロメータ３１により分光された波長１５５０ｎｍの信号光は、モノクロメータ３１に接続された、例えば光電子増倍管等の光検出器３２へと導かれて光量を電気信号へと変換した後、ロックインアンプ３３で信号増幅され、更にＡ／Ｄ変換器３４で変換された後、光学膜厚の算出等を行う為のコンピュータ（ＰＣ）３５に入力される。
【００９２】
一方、薄膜の物理的膜厚に関する情報は、真空成膜室２内に配置された水晶振動子モニタ４６内の水晶振動子板の振動数としてＰＣ３５へと収集され、ＰＣ３５はこれを解析して物理的膜厚を算出し、薄膜の屈折率を乗じて光学膜厚値を算出する。
【００９３】
ＰＣ３５は、ランタイム毎の信号強度をその記憶手段に記憶して、表示手段たるＣＲＴ３６に図６（ａ）のように表示等するとともに、光学膜厚の変化に対応して信号強度がどのように変化するかをその演算手段により本発明の信号処理方法に基づいてシミュレーションし、λ／４換算された成膜層数と信号光の透過率との関係を例えば図６（ｂ）のように求める。そして、実際に測定された信号強度の時間変化と、シミュレーションされた信号強度変化の結果とを比較して、現在成膜中の薄膜が予め設定した光学膜厚に達するランタイムを算出する。そして、該算出されたランタイムにおいて蒸着ターゲットを切り替えて次の薄膜形成を行わせたり、ターゲット近傍に配置されているシャッター２６を用いて蒸着物質の基板上への飛来を防いで成膜を停止させたりする信号を薄膜形成装置のシーケンサへと送信する。
【００９４】
本実施の形態にかかる薄膜形成装置によって、光学膜厚が正確に設計値と一致するＤＷＤＭフィルタ用多層膜を形成することが可能となる。
【００９５】
ＤＷＤＭ用フィルタは、例えば、厚さ１０ｍｍ程度の石英ガラス等の光学ガラス基板上に厚さ１７０〜１９０ｎｍのＴａ２Ｏ５の薄膜と、厚さ２４０〜２７０ｎｍのＳｉＯ２の薄膜とを交互に重ねて８０〜２６０層程度形成したものであり、通常、直径２５０ｍｍ程度の円板状の石英ガラス等の光学ガラス基板上に上記多層膜を形成した後、このガラス基板をカットして１．４×１．４ｍｍ２の四角形状の多数のチップにするという方法で製造される。また、５０ＧＨｚ対応のＤＷＤＭ通信方式用狭帯域波長分割フィルタ場合、各薄膜層の厚さの精度は、設計値からの誤差を０．１％以下に押さえることが要請される。
【００９６】
ＤＷＤＭフィルタ用多層膜の形成は、先ず、真空成膜室２内の蒸着装置２１に、Ｔａ２Ｏ５薄膜蒸着用の蒸発源たるターゲット２１１及びＳｉＯ２薄膜蒸着用の蒸着源たるターゲット２１２を設置する。次に、基板保持装置２５ｂに石英ガラス基板１００を保持し、真空ポンプ２ｂにより、真空成膜室２内を１×１０−５Ｐａ以下の真空にまで排気した後、モータ２５によってガラス基板１００を１０００ｒｐｍの回転速度で回転させながら、蒸着装置２１及びイオン銃２２を作動させ、ガラス基板１００上に薄膜を形成させる。
【００９７】
蒸着装置２１は、ターゲット２１１又は２１２の何れかに電子線を照射して加熱し、蒸着物質を蒸着させてガラス基板１００に向けて蒸着粒子を飛翔させる。また、イオン銃２２は、Ｏ＋イオンをガラス基板１００に向かう蒸着粒子に衝突させ、基板表面に付着する原子や分子のマイグレーションを助長させる等の効果により、ガラス基板１００上に形成される薄膜の充填率や付着率を向上させる等の目的に用いられる。
【００９８】
上記成膜と併せて、照射光Ｌ０（例えば光源としてハロゲンランプを用いる場合には波長５００〜２０００ｎｍの照射光）を薄膜が形成されているガラス基板１００に照射し、その透過光を受光光学系４によって受光し、受光された透過光は、透過光の導光手段である光ファイバ装置４１によって光検出手段を構成する信号処理装置３へと導かれる。信号処理装置３は、透過光に含まれる光の波長領域の光のうち解析対象である波長の光を信号光としてその信号光Ｌを信号処理し、形成された薄膜の光学膜厚に相当する物理量が算出され、光学膜厚をモニタリングしながら成膜が行われる。
【００９９】
このように、本発明の信号処理方法によれば、λ／４に相当する薄膜の光学膜厚に相当する信号強度のピーク位置を正確に予想することが可能である。また、本発明の光学モニタリング装置を薄膜形成装置に備えることにより、光学膜厚が設計値に正確に一致する多層膜等を形成することが可能となる。
【０１００】
なお、本発明の信号処理方法及びこれを用いた信号処理装置について、光学的手法により薄膜の光学膜厚から信号強度を算出する場合を例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく発明の要旨を逸脱しない範囲で、例えば検出されたＸ線回折強度のデータを基礎としてＸ線回折強度のピーク位置を算出する等の他の実施の形態も可能である。
【０１０１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、薄膜の光学膜厚を算出するための信号処理方法において、高精度の信号強度予想を可能とし、これにより高精度の信号処理装置を得ているものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の信号処理方法のアルゴリズムを説明する図である。
【図２】図２は、λ／４に相当する光学膜厚を単位とした薄膜の光学膜厚と光の反射率及び透過率の関係を説明する図である。
【図３】図３（ａ）は、光学定数Ｙｓｕｂの基板上に形成された光学定数Ｙｆの薄膜である。図３（ｂ）は、光学定数Ｙｓｕｂの基板上に形成された光学定数Ｙｆの薄膜と光学的に等価な光学定数Ｙｅの光学等価膜である。
【図４】図４は、本発明の信号処理方法を用いてランタイムに対する信号変化をシミュレーションした結果を従来法でシミュレーションした結果及び測定結果と比較した図である。
【図５】図５は、本発明の光学モニタリング方法を用いて多層膜の成膜自動制御を行うプログラムを説明するためのフローチャートである。
【図６】図６（ａ）は、本発明の信号処理装置を装備した成膜装置でランタイム毎の透過率の変化を実測した結果を示す図である。図６（ｂ）は、本発明の信号処理方法により光学膜厚と透過率の関係をシミュレーションした結果である。
【図７】図７は、多層膜の層数と透過率の関係を説明する図である。
【図８】図８は、算出された予想ピーク位置のランタイムによる変化を説明するための図である。
【図９】図９は、本発明の信号処理装置を装備する薄膜形成装置の全体構成図の例である。
【図１０】図１０は、本発明の信号処理装置を用いて薄膜の蒸着自動制御を行う場合のブロック図である。
【符号の説明】
３  信号処理装置
３１  モノクロメータ
３２  光検出器
３３  ロックインアンプ
３４  Ａ／Ｄ変換器
３５  演算手段ＰＣ
３６  表示手段ＣＲＴ
４３  受光ブロック
４６  水晶振動子
６３  出射ブロック
１００  ガラス基板
【図１】
0003628978.tif 000024
【図２】
0003628978.tif 000025
【図３】
0003628978.tif 000026
【図４】
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【図５】
0003628978.tif 000028
【図６】
0003628978.tif 000029
【図７】
0003628978.tif 000030
【図８】
0003628978.tif 000031
【図９】
0003628978.tif 000032
【図１０】
0003628978.tif 000033