(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された波長λ０を設計波長とする多層膜の上に重ねて形成された誘電体膜の膜厚をモニタリングする膜厚モニタリング装置であって、光源と、前記光源からの光を前記基板と前記多層膜と前記誘電体膜との合体物に照射する光照射部と、前記照射によって生じる前記合体物からの透過光または反射光を入力とし前記合体物の分光スペクトルを出力する光測定部と、前記光測定部の出力である前記分光スペクトルのデータから、前記設計波長λ０に対応する設計波数κ０を中心として対称の関係にある低波数側波数領域と高波数側波数領域とにおける前記分光スペクトルの値をそれぞれの前記波数領域において積分して得る２つの積分値の差を特徴量差として求め、前記特徴量差を用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０を設計波長とする多層膜の構成要素である誘電体膜の膜厚として適当であるか否かを判別する演算処理手段とを有することを特徴とする膜厚モニタリング装置。
【請求項２】
基板上に形成された波長λ０を設計波長とする多層膜の上に重ねて形成された誘電体膜の膜厚をモニタリングする膜厚モニタリング方法であって、前記基板と前記多層膜と前記誘電体膜との合体物の分光スペクトルを測定し、前記設計波長λ０に対応する設計波数κ０を中心として対称の関係にある低波数側波数領域と高波数側波数領域とにおける前記分光スペクトルの値をそれぞれの前記波数領域において積分して得る２つの積分値の差を特徴量差として求め、前記特徴量差を用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０を設計波長とする多層膜の構成要素である誘電体膜の膜厚として適当であるか否かを判別することを特徴とする膜厚モニタリング方法。
【請求項３】
波数κにおける前記合体物の透過率をＴ(κ）とし、前記設計波数κ０よりも波数差ｘだけ大なる波数κ０＋ｘにおける透過率Ｔ(κ０＋ｘ）と、前記設計波数κ０よりも波数差ｘだけ小なる波数κ０−ｘにおける透過率Ｔ(κ０−ｘ）との差を△Ｔ(ｘ）とし、δκおよびΔκを０≦δκ＜Δκを満足する定数とし、△Ｔ(ｘ）を、区間 δκ≦ｘ≦Δκ内で、ｘに関して積分して得る積分値Ｆを前記特徴量差とし、Ｆが測定と計算に起因する誤差の範囲内において０に等しいか否かによって、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０を設計波長とする多層膜の構成要素である誘電体膜の膜厚として適当であるか否かを判断することを特徴とする請求項２に記載の膜厚モニタリング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、膜厚モニタリング装置および膜厚モニタリング方法に関し、特に、光通信装置や光学デバイスおよび半導体装置等に使用される多層膜を形成する場合に使用される膜厚モニタリング装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最初に、光通信装置と光学デバイスについての状況について述べる。
【０００３】
光学的な屈折率の異なる誘電体膜を交互に積み重ねて形成する多層膜は、眼鏡等のガラス上およびプラスチック上への無反射コーティング、ビデオカメラの色分解プリズム、各種光学フィルタ、発光レーザの端面コーティング等に使用されている。
【０００４】
また、最近の状況として広帯域光波長多重通信（ＤＷＤＭ通信）に用いる合波フィルタや分波フィルタに応用されるようになってきた。多層膜の層数も数十層から数百層と非常に多くなり、膜厚や膜質の均一性もこれまで以上に高精度なものが要求されるようになってきた。このような層数の多い多層膜を作製する際には、後述理由によって、実基板とは別の膜厚モニタリング用のモニタ基板を実基板に接近させて設置し、そのモニタ基板によって膜厚制御を行い、しかも、１つの多層膜を作製するのに、モニタ基板を何回か新しいものと交換しなければならないので、多層模作製の効率が低下するという問題があり、その問題を解決するために、多層膜を堆積する実基板を、直接、膜厚モニタリングの対象として膜厚制御を行いたいという要求が高まってきている。
【０００５】
上記の多層膜の基本構造は、高屈折率膜（Ｈ膜）と低屈折率膜（Ｌ膜）とを交互に重ねて一体化したものであり、設計波長と呼ばれる光の波長λ０、Ｈ膜の屈折率をｎＨ、Ｌ膜の屈折率をｎＬとしたときに、Ｈ膜の膜厚およびＬ膜の膜厚が、それぞれ、λ０/(４ｎＨ）の整数倍およびλ０/(４ｎＬ）の整数倍に等しい、という条件を満足するものである。多くの場合に、上記の整数は１または２である。
【０００６】
図１０に、代表的な多層膜フィルタの構成例を示す。物理的膜厚に光学的屈折率を乗じた光学的膜厚が設計波長λ０の２分の１つまりλ０/２（この場合に、上記の整数は２である）となるようなキャビティ層と呼ばれる層を、光学的膜厚がλ０/４の高屈折率膜と低屈折率膜に相当する膜を交互に積層して形成した多層膜で上下を挟んだ構造となっている。
【０００７】
図１１に、基板に屈折率が１.４７の石英基板を用い、高屈折率膜として屈折率が２.１４のＴａ２Ｏ５を、低屈折率膜とて屈折率が１.４８のＳｉＯ２を、キャビティ層に屈折率が１.４８のＳｉＯ２を用い、下層に高屈折率膜と低屈折率膜の対を２１層、上層に高屈折率膜と低屈折率膜の対を２１層、その間にキャビティ層を１層堆積した場合の透過率の波長依存性を示す。この場合の設計波長λ０は、１５５０ｎｍとした。
【０００８】
図１１より、１３５０ｎｍから１８００ｎｍの赤外光領域と、５００ｎｍから５５０ｎｍの可視光領域の波長領域において非透過領域が存在することがわかる。それぞれの非透過領域には設計波長λ０に対応し、半値幅が約０.１ｎｍの非常に狭い透過領域が存在する。
【０００９】
上記の複合多層膜を実用に供する場合には、この半値幅が約０.１ｎｍの非常に狭い透過領域を光学フィルタとして用いるのであるが、このように層数の非常に多い多層膜を成膜する場合には、成膜中の多層膜を直接観察し、高屈折率膜の膜厚と低屈折率膜の膜厚とを制御する方法が、成膜効率向上のために、極めて望ましいとされている。
【００１０】
よく知られている多層膜の膜厚モニタ方法としては、単色測光法や二色測光法がある。しかし、いずれの方法も、層数が少ない場合には有効であるが、層数が数十以上と非常に多い場合には、精度よく膜厚をモニタすることは難しいという問題がある。
【００１１】
以下に、単色測光法と二色測光法について簡単に説明する。
【００１２】
単色測光法は、誘電体多層膜を基板上に形成してゆく過程で、光学的膜厚ｄｎ（ここに、ｄは物理的膜厚であり、ｎは膜の屈折率である）が、設計波長の４分の１（λ０/４）の整数倍に相当するときに、透過率または反射率の時間変化が極値をとることを利用する。たとえば、高屈折率膜と低屈折率膜を組み合わせて多層膜を形成する場合、高屈折率膜の成膜中に設計波長λ０の光を照射し、透過率または反射率を観察しながら、その変化率が０になったときに成膜を停止する。このときの膜厚は、（λ０/４）/（高屈折率膜の屈折率）となり、高屈折率膜にとってλ０/４の光学的膜厚となる。続いて、低屈折率膜の成膜に切替えて、上記と同様に設計波長λ０の光を照射しながら透過率または反射率を観測し、その変化率が０になったときに成膜を停止する。このときの膜厚は、（λ０/４)/(低屈折率膜の屈折率）となり、低屈折率膜にとってλ０/４の光学的膜厚となる。この操作を順次繰り返すことによって、各屈折率膜にとってλ０/４の多層膜を形成することができる。
【００１３】
図１２に、基板に屈折率が１.４７の石英基板を用い、高屈折率膜として屈折率が２.１４のＴａ２Ｏ５を用い、低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉＯ２を用い、高屈折率膜と低屈折率膜の対を２６層堆積した場合の透過率の堆積膜厚依存性の計算結果を示す。ただし、設計波長λ０は１５５０ｎｍで、設計波長に相当する波数κ０（κ０＝１/λ０、以下これを設計波数と呼ぶ）は６４５１ｃｍ−１で、波長分解能は赤外分光器の一般的な値の３ｎｍとした。光学的膜厚がλ０であるＴａ２Ｏ５の膜厚はλ０/(Ｔａ２Ｏ５の屈折率）すなわち７２４ｎｍであり、光学的膜厚がλ０/４であるＴａ２Ｏ５の膜厚は１８１ｎｍとなり、光学的膜厚がλ０であるＳｉＯ２の膜厚はλ０/(ＳｉＯ２の屈折率）すなわち１０４７ｎｍであり、光学的膜厚がλ０/４であるＳｉＯ２の膜厚は２６１ｎｍとなる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
図１２からわかるように、設計波長λ０、すなわち、設計波数κ０＝１/λ０における透過率は、堆積膜厚が増加するに従って、高屈折率膜の堆積で減少し、低屈折率膜の堆積で増加するという周期的変化を示すが、層数が増加するにつれて透過率は減少してゆき、１０層以上で変化する割合が非常に小さくなる。赤外分光器の測定分解能の限界、および、赤外光領域における熱ノイズ（雑音）の影響により、極値を観測することできるのは最大値の１％程度であり、通常は、数％程度で信号/雑音比（Ｓ/Ｎ比）が取れなくなってしまう。そのため層数１５以上の多層膜において、透過率が赤外分光器の安定測定範囲（図１２に示す）の限界に近づき、λ０/４の光学的膜厚を判定することが困難となる。このことは、１枚のモニタ基板で精度よくモニタリングできるのは、１５層程度が限度であり、それ以上の多層膜を堆積するためには、膜厚モニタリング用基板を新しいものと交換する必要があることを示している。
【００１５】
二色測光法においても、上記の単色測光法と同様に、層数の多い多層膜（たとえば、８層以上の多層膜）を堆積するためには、膜厚モニタリング用基板を新しいものと交換する必要がある。
【００１６】
二色測光法においては、波長の逆数である波数に対して透過率または反射率の変化を示した場合、上記光学的膜厚がλ０/４の整数倍のときに、分光スペクトルが、設計波数κ０を中心に対称となることを利用する。設計波数κ０を中心として、等間隔離れた任意の波数の対（たとえば、これらをκ１とκ２とし、これらに対応する波長をλ１とλ２とする）について観測すると、光学的膜厚がλ０/４になるごとにλ１、λ２の透過率または反射率は等しくなる。従って、観測している波長λ１とλ２の透過率または反射率が等しくなるたびに、堆積する膜種を切替えて・高屈折率膜と低屈折率膜を堆積することで、各屈折率膜にとってλ０/４の多層膜を形成することができる。
【００１７】
二色測光法において、基板を屈折率が１.４７の石英とし、高屈折率膜として屈折率が２.１５のＴａ２Ｏ５を、低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉＯ２を用いた場合のある波長の対の透過率差の膜厚依存性を図１３に示す。ただし、設計波長λ０は１５５０ｎｍで、設計波数κ０は６４５１ｃｍ−１で、波長分解能は３ｎｍとした。ここでは波長の対を、図中に示すように、λ１：２１８８ｎｍ（κ１：４５７０ｃｍ−１）、λ２：１２００ｎｍ（κ２：８３３３ｃｍ−１）とした。１層目から７層目までは、λ０/４のときに透過率差（（λ１の透過率）−（λ２の透過率））は周期的に変化し、透過率差が０となるのを観測することで膜厚を制御しながら多層膜を堆積することができる。しかしながら、７層目と８層目の堆積時に急激に透過率差が小さくなると同時に透過率差が０にならず、膜厚をモニタリングできなくなる。このことは、８層以上の多層膜を形成するためには、モニタ基板交換しながら層を堆積する必要があることを示している。
【００１８】
通信用では、設計波長λ０は、光ファイバの伝送損失の関係で、主に１５５０ｎｍを中心とした１２６０ｎｍから１６７５ｎｍの赤外光領域で設計されたデバイスを用いる。そのため単色測光法と二色測光法ともに赤外領域の測光で行われる。しかし、赤外分光器は、一般的に熱ノイズの影響が大きく１ｎｍ以下の波長分解能を得ることが困難である。より高い分解能が得られるグレーティングを用いた測光方法は、測定速度が遅く、かつ、駆動部を有するために長時間となる多層膜の堆積の間、安定して測光することは難しい。また、ＣＣＤを用いた測光方法では、測定速度は高速だが、波長分解能がＣＣＤの素子分解能に支配されてしまい、１ｎｍ以下の波長分解能を実現することは難しい。あえて高精度でリアルタイムに測光できるシステムを作ったとしても、かなり高価なものになっしまう。さらに、単色光であるレーザ光を用いて、基板を透過または反射した光強度を用いた単色測光法や二色測光法を行っている例もある。しかし、単色測光法では、原理的に多層膜が多くなればなるほど信号強度は落ちてゆくので、多層膜が２５層程度を越えるとモニタ基板を定期的に交換する必要がある。二色測光法でも、図１３の様に定期的に信号が急激に小さくなり、多層膜の総数が増えるとさらに高い測定分解能を要求される。さらに、レーザ光を用いた場合、ＪＩＳ  Ｃ  ６８０２（日本工業規格、レーザ製品の安全基準）やＩＥＣ  ６０８２０（レーザ製品の国際基準）に準拠する安全対策をする必要がある。
【００１９】
設計波長λ０が赤外光波長領域にある多層膜を作製する際の、従来の単色測光法による膜厚モニタリングにおいて、上記のように、層数が増加するにつれて透過率は減少して行き、層数１５以上の多層膜において、透過率が赤外分光器の安定測定範囲（図１２に示す）の限界に近づき、λ０/４の光学的膜厚を判定することが困難となる。このことは、１枚のモニタ基板で精度よくモニタリングできるのは、１５層程度が限界であり、それ以上の多層膜を堆積するためには、膜厚モニタリング用モニタ基板を新しいものと交換する必要があることを意味する。この様なモニタ基板の交換は、多層膜作製効率の低下を招くので、多層膜作成上の問題となり、この解決が重要な課題となっている。
【００２０】
また、設計波長が赤外光領域にある多層膜を作製する際の、従来の二色測光法による膜厚モニタリングにおいては、たとえば図１３に示したように、層数が増加するにつれて減衰域の両端付近での透過率の変化はほとんどなくなり、８層以上の層数では、この方式で膜厚を制御することは難しく、これ以上の多層膜を形成するためには、モニタ基板を交換しながら、層を堆積する必要があることがわかり、単色測光法の場合と同様に、多層膜作製効率の低下を招くので、多層膜作成上の問題となる。
【００２１】
本発明は、これら従来技術におけるモニタ基板交換の問題点や膜厚の均一性の高精度化の課題を解決し、λ０を設計波長とする多層膜の光学的膜厚をλ０/４の整数倍に高精度で制御することを可能とする膜厚モニタリング装置および膜厚モニタリング方法を実現することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
基板上に形成された波長λ０を設計波長とする多層膜の上に重ねて形成された誘電体膜の膜厚をモニタリングする膜厚モニタリング装置であって、光源と、前記光源からの光を前記基板と前記多層膜と前記誘電体膜との合体物に照射する光照射部と、前記照射によって生じる前記合体物からの透過光または反射光を入力とし前記合体物の分光スペクトルを出力する光測定部と、前記光測定部の出力である前記分光スペクトルのデータから、前記設計波長λ０に対応する設計波数κ０を中心として対称の関係にある低波数側波数領域と高波数側波数領域とにおける前記分光スペクトルの値をそれぞれの前記波数領域において積分して得る２つの積分値の差を特徴量差として求め、前記特徴量差を用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０を設計波長とする多層膜の構成要素である誘電体膜の膜厚として適当であるか否かを判別する演算処理手段とを有することを特徴とする膜厚モニタリング装置を構成する。
【００２３】
また、本発明においては、請求項２に記載のように、
基板上に形成された波長λ０を設計波長とする多層膜の上に重ねて形成された誘電体膜の膜厚をモニタリングする膜厚モニタリング方法であって、前記基板と前記多層膜と前記誘電体膜との合体物の分光スペクトルを測定し、前記設計波長λ０に対応する設計波数κ０を中心として対称の関係にある低波数側波数領域と高波数側波数領域とにおける前記分光スペクトルの値をそれぞれの前記波数領域において積分して得る２つの積分値の差を特徴量差として求め、前記特徴量差を用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０を設計波長とする多層膜の構成要素である誘電体膜の膜厚として適当であるか否かを判別することを特徴とする膜厚モニタリング方法を構成する。
【００２４】
また、本発明においては、請求項３に記載のように、
波数κにおける前記合体物の透過率をＴ(κ）とし、前記設計波数κ０よりも波数差ｘだけ大なる波数κ０＋ｘにおける透過率Ｔ(κ０＋ｘ）と、前記設計波数κ０よりも波数差ｘだけ小なる波数κ０−ｘにおける透過率Ｔ(κ０−ｘ）との差を△Ｔ(ｘ）とし、δκおよびΔκを０≦δκ＜Δκを満足する定数とし、△Ｔ(ｘ）を、区間 δκ≦ｘ≦Δκ内で、ｘに関して積分して得る積分値Ｆを前記特徴量差とし、Ｆが測定と計算に起因する誤差の範囲内において０に等しいか否かによって、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０を設計波長とする多層膜の構成要素である誘電体膜の膜厚として適当であるか否かを判断することを特徴とする請求項２に記載の膜厚モニタリング方法を構成する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、モニタ基板交換の問題点や膜厚や膜質の均一性の高精度化の課題を解決し、λ０を設計波長とする多層膜の光学的膜厚をλ０/４の整数倍に制御することを可能とする膜厚モニタリング装置および膜厚モニタリング方法を実現することができる。
【００２６】
本発明に係わる膜厚モニタリング装置および方法が、従来の単色測光法と二色測光法と大きく異なる点は、膜厚モニタリングに用いる光の波長と演算である。
すなわち、従来の単色測光法においては設計波長λ０を用いているのに対し、本発明においては、設計波長λ０に対応する設計波数κ０を中心に適度な波数だけ離れた対称となる波数領域における透過光または反射光の分光スペクトルの、低波数側のスペクトルと高波数側のスペクトルの特徴の差を表す特徴量差Ｆを算出し、この特徴量差を膜厚モニタリングに用いる。
【００２７】
また、従来の二色測光法においては設計波長を挟んだ固定された２つの波長対を用いているのに対し、本発明においては、設計波長λ０に対応する設計波数κ０を中心に適度な波数だけ離れた対称となる波数領域における透過光または反射光の分光スペクトルの、低波数側のスペクトルと高波数側のスペクトルの特徴の差を表す特徴量差Ｆを算出し、この特徴量差を膜厚モニタリングに用いる。
【００２８】
本発明においては、基板上に形成された波長λ０を設計波長とする多層膜の上に重ねて形成された誘電体膜の膜厚をモニタリングする膜厚モニタリング装置であって、光源と、前記光源からの、光を前記基板と前記多層膜と前記誘電体膜との合体物に照射する光照射部と、前記照射によって生じる前記合体物からの、透過光または反射光の分光スペクトルを測定する光測定部と、前記分光スペクトルのデータから、前記設計波長λ０に対応する設計波数κ０を中心に、適度な波数だけ離れた対称となる波数領域における低波数側のスペクトルと高波数側のスペクトルの透過率または反射率の積分値の差を用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０を設計波長とする多層膜の構成要素である誘電体膜の膜厚として適当であるか否かを判別する演算処理手段とを有することを特徴とする膜厚モニタリング装置を構成する。ここで、「誘電体膜の膜厚が、波長λ０を設計波長とする多層膜の構成要素である誘電体膜の膜厚として適当であるか否か」は、その誘電体膜の光学的膜厚（屈折率×膜厚）がλ０/４の整数倍に、測定と計算に起因する誤算の範囲内で、等しいか否かを意味する。
【００２９】
また、本発明においては、基板上に形成された波長λ０を設計波長とする多層膜の上に重ねて形成された誘電体膜の膜厚をモニタリングする膜厚モニタリング方法であって、前記基板と前記多層膜と前記誘電体膜との合体物の分光スペクトルを測定し、前記設計波長λ０に対応する設計波数κ０を中心として対称の関係にある低波数側波数領域と高波数側波数領域とにおける前記分光スペクトルの値をそれぞれの前記波数領域において積分して得る２つの積分値の差を特徴量差として求め、前記特徴量差を用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０を設計波長とする多層膜の構成要素である誘電体膜の膜厚として適当であるか否かを判別することを特徴とする膜厚モニタリング方法を構成する。この、本発明に係る膜厚モニタリング方法は、上記の、本発明に係る膜厚モニタリング装置によって実行することができる。
【００３０】
上記の光源としては、キセノンランプやタングステンランプ等が用いられる。
上記の、光源からの光を上記合体物に照射する光照射部としては、光ファイバを用いることができる。光ファイバは、上記合体物からの透過光または反射光を上記の光測定部に導く手段としても用いられる。
【００３１】
上記の光測定部の主体は赤外分光器である。この分光器は、上記合体物の赤外光における分光スペクトル（分光器への入力が透過光である場合には分光透過スペクトル、入力が反射光である場合には分光反射スペクトル）を測定する。
【００３２】
上記の演算処理手段としては、汎用のパーソナルコンピュータ等の演算器を用いることができる。この演算処理手段によって、上記の光測定部の出力である、分光スペクトルのデータは、あらかじめ取得し記憶されている参照データで規格化されて、透過率または反射率の分光スペクトルデータに変換される。ただし、前記の分光器が透過率または反射率の分光スペクトルを出力する場合には、この変換は不要である。
【００３３】
本発明によれば、従来技術のように固定波長の観測による膜厚モニタリングではなく、分光スペクトルの特徴量差を用いて、単層膜および多層膜の膜厚モニタリングを行うことができる。この場合、層数の多い多層膜だけでなく、単層膜を含む層数が少ない多層膜の膜厚モニタリングを高精度で行うことができる。
【００３４】
【実施例】
本発明に係わる膜厚モニタリング装置は、単層膜や多層膜の成膜装置内に組み込まれて使用された場合に、その効果を発揮する。
【００３５】
この場合に、成膜装置内において、基板上に波長λ０を設計波長とする多層膜が形成される成膜工程中、上記の誘電体膜に該当する最上層の高屈折率膜（Ｈ層）または低屈折率膜（Ｌ層）およびキャビティ層（Ｃ層）の膜厚が膜厚モニタリング装置によってモニタリングされ、その膜厚が適当であると判断された時点で、その膜の成膜は停止され、他の膜種の成膜が開始されるか、または、多層膜成膜工程が終了する。
【００３６】
次に、本発明の実施例について説明する。なお、実施例は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しない範囲で主旨の変更あるいは改良を行い得ることは言及するまでもない。
【００３７】
［実施例１］
図１に、本発明の第一の実施例を示す。本実施例において、本発明に係る膜厚モニタリング装置は成膜装置１と組み合わせて設置される。成膜装置１は、基板３上に膜物質をスパッタするＥＣＲスパッタ源４を有し、これによって、基板３上に多層膜の成膜を行う。本発明に係る膜厚モニタリング装置は、光源５と、光源５が発する光を成膜装置１に導く光ファイバ６と、光ファイバ６が出射する光を成膜室内に導入し、基板３に照射するための真空封止窓７と、基板３およびその上の多層膜を透過した光を分光器１０に導くための真空封止窓８および光ファイバ９と、基板３およびその上の多層膜を透過した光を入力とし基板３およびその上の多層膜の合体物の分光透過スペクトルを出力する分光器１０と、前記多層膜の設計波長λ０に対応する設計波数κ０を対称の中心として位置する低波数側波数領域と高波数側波数領域との間の分光スペクトル値の各波数領域内での積分値の差である特徴量差を算出し、前記特徴量差を用いて、前記誘電体膜の膜厚が、波長λ０を設計波長とする多層膜の構成要素である誘電体膜の膜厚として適当であるか否かを判別する演算処理手段である演算器１１とを構成要素とする。光ファイバ６と真空射止窓７とが請求項１に記載の「光照射部」を構成し、基板３およびその上の多層膜の合体物が請求項１に記載の「合体物」に該当し、分光器１０が請求項１に記載の「光測定部」に該当する。
【００３８】
成膜手段としては、電子サイクロトロン共鳴スパッタ（ＥＣＲスパッタ）装置４を図に示しているが、言及するまでもなく、他の成膜装置、例えば、高周波バイアススパッタ装置（ＲＦバイアススパッタ装置）、マグネトロンスパッタ装置、抵抗加熱蒸着装置、プラズマ化学気相堆積装置（プラズマＣＶＤ装置）、分子線ビーム成長装置（ＭＢＥ装置）、原子層成長装置（ＡＬＥ装置およびＡＬＤ装置）、有機金属熱分解堆積装置（ＭＯＣＶＤ装置）等を用いても良い。
【００３９】
本実施例では、多層膜を堆積する基板３での透過スペクトルを測定できるように、基板３に対して斜めにＥＣＲスパッタ源４を配置してある。基板３上での膜の均一性を向上するために基板３を成膜中に回転できる構造とした。
【００４０】
成膜工程中、成膜装置１の成膜室２内において、基板３上にＥＣＲスパッタ源４からのスパッタによって誘電体膜（Ｈ膜、Ｌ膜）が形成され、光源５からの光は、光ファイバ６を通り、成膜装置１の真空封止窓７を通って、基板３に垂直に入射し、基板３を透過した光は真空封止窓８を通り、光ファイバ９を通って、分光器１０に入り、分光器１０によって透過光の各波長における強度が計測され、その測定値から上記合体物の分光スペクトル（この場合には分光透過スペクトル）が求められ、出力される。分光器１０の出力である透過スペクトルのデータが演算器１１に入力される。この場合に、成膜中のＨ層またはＬ層が請求項１および２に記載の「誘電体膜」に該当する。
【００４１】
光源５としては、本実施例においては、ハロゲンランプを用いているが、赤外領域に対する発光強度の安定性がある程度得られ、安価に光源を得ることができる。また、ハロゲンランプよりも高い発光強度が得られるキセノンランプなども使用できる。
【００４２】
本実施例では、光源５からの光を照射するために、また、透過光を分光器１０に導くために、光ファイバ６、９を用いているが、反射ミラーやハーフミラー等を用いた光学系を用いてもよい。
【００４３】
分光器１０からの透過スペクトルのデータは、ＡＮＳＩ標準のＩ/Ｏバスである小規模コンピュータシステムインターフェイス（ＳＣＳＩ）を使用して演算器１１にデータ転送を行った。演算器１１としては、汎用のパーソナルコンピュータを用いているが、専用の演算回路を有する装置を作製して使用しても良い。また、インターフェイスもＳＣＳＩに限定するものではなく、シリアル、ＵＳＢ、ＩＥＥＥ１３９４、光ファイバーリンク等の方法でも良い。転送されたデータは、演算器１１上で成膜前に取得した参照データで規格化され、これによって、前記合体物の透過率のスペクトルが得られる。ただし、分光器１０が透過率スペクトルを算出する機能を有する場合には、このような規格化は必要ない。
【００４４】
演算器１１は、さらに、その透過率スペクトルを用いて、差分法や積分法などの数値処理を行うことにより、成膜中の膜の膜厚が、多層膜の構成要素である膜の膜厚として適当であるか否かを判別し、その判別結果によって膜厚制御（成膜を続けるか、膜種を切替えるか、等）を行うための信号を出力する。
【００４５】
本実施例における膜厚モニタリングの動作の一例を以下に説明する。
【００４６】
図５に、基板３を屈折率が１.４７の石英とし、高屈折率膜として屈折率が２.１４のＴａ２Ｏ５、低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉＯ２を用い、下層に高屈折率膜と低屈折率膜の対を２１層、上層に高屈折率膜と低屈折率膜の対を２１層、その間にキャビティ層１層堆積した場合の設計波長λ０に当たる波数付近の透過率の波長依存性を示す。ただし、設計波長λ０は１５５０ｎｍ（設計波数κ０は６４５１ｃｍ−１）である。測定に使用した光の波長範囲は、設計波長λ０を含む１１００ｎｍから２５００ｎｍの範囲であり、波長分解能は３ｎｍとした。図の横軸は波数で示した。本実施例では、高屈折率膜としてＴａ２Ｏ５、低屈折率膜としてＳｉＯ２を用いているが、他の膜種の組み合わせても同様の効果が得られる。
【００４７】
光学的膜厚λ０のＴａ２Ｏ５の膜厚は、７２４ｎｍであり、光学的膜厚λ０/４に相当する膜厚は１８１ｎｍとなり、光学的膜厚λ０のＳｉＯ２の膜厚は、１０４７ｎｍであり、光学的膜厚λ０/４に相当する膜厚は２６１ｎｍとなる。
【００４８】
図５より、多層膜を成膜してゆくと、１１００ｎｍから２５００ｎｍの赤外光領域の波長に対応する波数において設計波数を含んだ非透過領域（ただし、この非透過領域内の設計波数に対応する波長が光フィルタとして用いる透過領域となる）が存在し、その両側に対称的にサブピークが形成されていることがわかる。薄膜の光学膜厚がλ０/４の整数倍をなすときにみられる設計波長κ０を中心とする対称性は、次の光の原理式より導かれる。
【００４９】
図６に示す模式図のように、屈折率ｎ０の基板上に、透明な屈折率ｎ１の光学媒質膜をｄ１の膜厚で形成した場合を考える。この光学媒質膜に光が入射したときの境界面での反射を考慮すると、下記（式１）のような行列の等式で特性マトリックス（Ｍ）を定義することができる。ただし、入射する光の波長はλとし、入射角は入射面の法線に対しθであり、ｒ＝（ｎ１）・ｃｏｓ(θ）、ｉは虚数単位を示すものである。
【００５０】
【数１】
0003737442.tif 000002
ここに、βは
β＝２π(ｎ１)(ｄ１)・ｃｏｓ(θ)/λ              （式２）
であり、(ｎ１)(ｄ１）が光学的膜厚に相当する。
【００５１】
この特性マトリックス（Ｍ）を用いれば、反射率係数および透過率係数を求めることができる。
【００５２】
さらに、（式２）より、βは入射する波長λの逆数、つまり、波数κの関数であることがわかる。今、波長λの光が、膜面に対して垂直に入射し入射角θが０のときを考える。(ｎ１)・(ｄ１）の積が、光の波長λの１/４の整数倍（λ/４やλ/２など）の場合に、βはπ/２の整数倍となり、ｃｏｓ(β）やｓｉｎ(β）の絶対値が０または１となり、結果的に大きな反射率や大きな透過率が得られる条件となる。この条件下で、(ｎ１)・(ｄ１）＝λ/４となるλを設計波長λ０とし、λ０に相当する波数を設計波数κ０とすることができる。（式２）より、βは、波長λの逆数つまり波数κの関数であるため、(ｎ１)・(ｄ１)/λが１となる設計波長λ０（設計波数κ０）を中心とした、透過率または反射率の対称性がみられることになる。
【００５３】
いま、図７の様に、設計波数κ０を中心に定数△κだけ離れた対称となる２波数までの領域を考える。これらの２波数のうち低波数側をκ１とし、高波数側をκ２とすると、κ０とκ１、κ２には、次のような関係がある。
【００５４】
κ０−κ１ ＝ κ２−κ０ ＝ △κ                （式３）
△κの値として、任意の正の値を用いてよいが、κ１からκ２までの波数領域における誘電体膜の屈折率が一定であると見なせるような値であることが好ましい。また、△κの値は、１つの誘電体膜の膜厚をモニタリングする過程においては定数でなければならないが、すでに形成されている多層膜の層数に応じて、適宜選択されたものであってもよい。
【００５５】
図５の様に、ある層の薄膜の光学膜厚がλ０/４の整数倍をなすときには、分光透過スペクトルは、設計波数κ０に対して対称になる。しかし、多層膜のある層を成膜している途中では、膜厚がλ０/４の整数倍にならないために、図７の様に、上記スペクトルは非対称になってしまう。この波数に対する透過率の関係は、波数に対するある特徴の関係とみることができる。
【００５６】
図７に示すように、低波数側の波形をκ０で折り返し、高波数側の波形と重ねると、それぞれの波数において低波数側の波形と高波数側の波形の差を求めることができる。Ｔ(κ）を波数κにおける透過率とし、低波数側の特徴量をＦ１、高波数側の特徴量をＦ２、さらにＦ１とＦ２との差をＦとすると、Ｆ１、Ｆ２及びＦは波数領域 κ１≦ｘ≦κ２ 内のｘの微小変位ｄｘを用いて、それぞれ次式で表すことができる。
【００５７】
【数２】
0003737442.tif 000003
（式４）で示すＦは、設計波数κ０を中心に△κだけ離れた対称となる領域において低波数側の特徴と高波数側の特徴の差を表しているとも言える。そのため、Ｆをｘに対する特徴量差と呼ぶことにする。
【００５８】
特徴量差Ｆを求めるには、様々な方法がある。その一例として、次式のように透過率差△Ｔ(κ）を求めて積分する方法がある。すなわち、
△Ｔ(ｘ）＝ Ｔ(κ０＋ｘ）− Ｔ(κ０−ｘ）      （式５）
で表される△Ｔ(ｘ）をｘに対して、波数領域 ０≦ｘ≦△κ内で積分することによって、
【００５９】
【数３】
0003737442.tif 000004
として、特徴量差Ｆを求めることができる。ただし、(式６）においては、積分値を、実際には、有限複数個の微小長さ△ｘの区間についての総和として求める意味において、積分記号の代りに総和記号（Σ）を用いている。(式６）は（式４）から容易に導くことができる。
【００６０】
この特徴量差Ｆは、次式のように、図７に示した領域Ｆ１’、Ｆ２’、Ｆ３’、Ｆ４’、Ｆ５’、Ｆ６’、Ｆ７’の面積（それぞれ、領域と同じ記号で表す）の和としても表現できる。すなわち、
Ｆ ＝ Ｆ１'＋Ｆ２'＋Ｆ３'＋Ｆ４'＋Ｆ５'＋Ｆ６'＋Ｆ７'    （式７）
ただし、領域Ｆ１’、Ｆ３’、Ｆ４’、Ｆ６’は、△Ｔ(ｘ）が正である領域であり、これらの領域の面積は正であるとし、領域Ｆ２’、Ｆ５’、Ｆ７’は、△Ｔ(ｘ）が負となる領域であり、これらの領域の面積は負であるとする。このような特徴量差Ｆの計算法は、(式６）において、積分（実際には総和）の下限を、０ではなく、０＜δκ＜△κを満足する、或る定数δκで置き換えて計算すること、すなわち、積分区間をδκ≦ｘ≦△κとして積分計算を行うことに相当する。
【００６１】
上記の定数δκは、波数差範囲 ０≦ｘ≦δκ内で△Ｔ(ｘ）＝０であるように選ばれているので、（式７）で計算されるＦの値は、(式６）で計算されるＦの値に等しくなる。
【００６２】
しかしながら、本発明において有効に用いられる特徴量差Ｆは、このようにして計算されるものに限らず、単に０＜δκ＜△κを満足する定数δκを総和の下限として、(式６）によって計算されるものであってもよい。
【００６３】
さらに、特徴量差Ｆを(式６）によって算出するための積分区間は複数個であってもよい。たとえば、上記の領域Ｆ２’、Ｆ５’、Ｆ７’に対応する波数差ｘの区間を、それぞれ、δκ２≦ｘ≦△κ２、δκ５≦ｘ≦△κ５、δκ７≦ｘ≦△κ７とし、Ｆの値として、△Ｔ(ｘ）をこれらの区間において積分して得る値の総和を用いてもよい。このように、複数の積分区間を適当に選ぶことによって、分光スペクトルの非対称性がＦに強く現われるようにし、膜厚モニタリングの精度を高めることができる。このような、複数の積分区間を用いて(式６）によってＦの値を算出する方法は、請求項１および２において、低波数側波数領域と高波数側波数領域とが、それぞれ、複数の積分区間からなる場合の特徴量差の算出方法に相当する。
【００６４】
上記の積分区間の上限および下限（δκ、△κなど）は、１つの誘電体膜の膜厚をモニタリングする過程においては定数でなければならないが、すでに形成されている多層膜の層数に応じて、適宜選択されたものであってもよい。
【００６５】
特徴量差Ｆは、図５の様に、ある層の光学的膜厚がλ０/４の整数倍をなすときには、０となる。すなわち、
Ｆ ＝ ０                                    （式８）
が成り立つ。
【００６６】
多層膜のある層を成膜している途中で、その層の光学的膜厚がλ０/４の整数倍をなしていないときには、０に等しくない。すなわち、
Ｆ ≠ ０                                    （式９）
が成り立つ。
【００６７】
したがって、成膜を行いながら、特徴量差Ｆを常に計算し、（式８）のように、特徴量差Ｆが、測定と計算に起因する誤差の範囲内において０に等しくなったときに成膜を停止すれば、膜厚をλ０/４の整数倍、すなわち、多層膜の構成要素である誘電体膜の膜厚として適当な値に制御することが可能となる。
【００６８】
このようにして、本発明に係わる膜厚モニタリング装置および方法を用いて、各層の膜厚を正確に制御しながら、多層膜を作製することができる。この特徴量差Ｆは、誘電体膜の膜厚により大きく変化するために、Ｓ/Ｎ比よく膜厚を制御することができる。
【００６９】
図８に、基板３を屈折率が１.４７の石英とし、高屈折率膜として屈折率が２.１４のＴａ２Ｏ５、低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉＯ２を用い、下層に高屈折率膜と低屈折率膜の対を２１層、低屈折率膜のキャビティ層を１層、上層に高屈折率膜と低屈折率膜の対を２０層成膜し、その上に１層を堆積するときの（式７）から求めた特徴量差Ｆと成膜堆積度（光学的膜厚がλ０/４のときに１とする）との関係を示す。ただし、設計波長λ０は１５５０ｎｍ（設計波数κ０は６４５１ｃｍ−１）である。特徴量差Ｆを求めた波数領域は、０≦設計波数κ０と波数との差の絶対値≦１８００ｃｍ−１であり、波長分解能は３ｎｍとした。図より、はじめ０であった特徴量差Ｆは、膜厚が増加するに従って増加し、半分程度膜厚が堆積するころから減少し、λ０/４で０となる。このように、特徴量差Ｆ＝０で成膜を停止することで、膜厚をλ０/４の整数倍にできることがわかる。
【００７０】
本実施例では、屈折率に波長依存性が無いものとして示したが、実際には、誘電体の屈折率には波長依存性が存在し、その程度によっては、設計波長λ０からはずれた多層膜が形成される場合がある。このような場合には、あらかじめ誘電体の屈折率の波長依存性を分光エリプソメータ等で測定し、その数値を基に、シミュレーションによる事前比較を実施して、その結果を実際の成膜停止時点の決定に反映することで、設計波長λ０の多層膜を得ることができる。
【００７１】
分光スペクトルの形状は、多層膜を積んでゆくにしたがい不規則に変化してゆく。そのため、通常の二色測光法のように波長が固定されている場合は、信号の変化が非常に小さくなる層が存在し、赤外分光器の波長分解能と測定感度が大きくないために、全層にわたって精度良く測定することはできない。これに対して、本発明のように、特徴量差Ｆを用いれば、そのような困難無しに、精度の高い膜厚制御か可能となる。
【００７２】
また、本実施例に示した方法は、設計波数κ０を中心とする低波数側と高波数側の特徴の差をみることから、多層成膜の初期堆積段階からでも精度のよい膜厚モニタリングが可能となる。
【００７３】
本実施例では、特徴量差Ｆの算出において、高波数側の波形から低波数側の波形を引くような形式をとっていたが、低波数側の波形から高波数側の波数を引くようにしても、特徴量差Ｆの符号が変わるだけで、効果は変化しない。
【００７４】
図２に、透過光の分光スペクトルを規格化して透過率スペクトルに変換するための参照光を成膜途中で定期的に取得できるように、光源からの光を２分岐光ファイバ１２と切替器１３により直接分光器に取り込める構成を示す。この構成を用いることで長時間の成膜を行う場合でも、光源の出力を定期的に測定して、その変動の影響を除去する構成とすることができるため、より正確な分光透過率の測定が可能となる。
【００７５】
［実施例２］
図３に、反射光を用いる、本発明の実施例を示す。本実施例は、基板３上に成膜を行うＥＣＲスパッタ源４を構成要素とする成膜装置１、基板３に光を投光するための光源５、光投光用光ファイバ６と光を成膜室１内に導入するための真空封止用窓７を含む投光部、多層膜を堆積する基体となり適当な反射率を示す基板３と、基板３で反射した光を分光器１０に導くためのハーフミラー１４と光ファイバ９を含む受光部と、受光部で受けた光を分光反射率スペクトルとして測光する光測定部である分光器１０と、分光反射率スペクトルから特徴量差Ｆを計算する演算処理をする演算処理手段である演算器１１とからなる。
【００７６】
本実施例では、反射測定系のため、不透明基板３上への成膜でも膜厚モニタリングが可能となる。
【００７７】
基板３としてシリコン基板を用い、そのシリコン基板上に、高屈折率膜として屈折率が２.１４のＴａ２Ｏ５、低屈折率膜として屈折率が１.４８のＳｉＯ２を用い、下層に高屈折率膜と低屈折率膜の対を２１層、上層に高屈折率膜と低屈折率膜の対を２１層、その間にキャビティ層を１層堆積した場合を例にして、本発明の膜厚モニタリング動作を説明する。
【００７８】
本実施例では、高屈折率膜としてＴａ２Ｏ５、低屈折率膜としてＳｉＯ２を用いているが、他の膜種の組み合わせでも同様の効果が得られる。
【００７９】
一般に、ある波数κにおける反射率Ｒ(κ）は、透過率Ｔ(κ）と次のような関係がある。
【００８０】
Ｔ(κ）＝１−Ｒ(κ）                          （式１０）
反射率Ｒ(κ）は基板３とその上の多層膜との合体物からの反射光から求められる。（式１０）で求められるＴ(κ）について波数κにおける透過率の波長依存性を示すと図５になる（ただし、図の横軸は波数とする）。透過率Ｔ(κ）が求められれば、（式４）より特徴量差Ｆを求めて、実施例１と同様な手順で膜厚の制御が可能となる。
【００８１】
なお、Ｔ(κ）をＲ(κ）で置き換えて特徴量差Ｆを算出しても、Ｆの符号が変わるだけであるから、本発明の目的は上記と同様に達成される。
【００８２】
分光スペクトルの形状は、多層膜を積んでゆくにしたがい不規則に変化してゆく。そのため、通常の二色測光法のように波長が固定されている場合は、信号の変化が非常に小さくなる層が存在し、赤外分光器の波長分解能と測定感度が大きくないために、全層にわたって精度良く測定することはできない。これに対して、本発明のように、特徴量差Ｆを用いれば、そのような困難無しに、精度の高い膜厚制御か可能となる。
【００８３】
また、本実施例に示した方法は、設計波数κ０を中心とする低波数側と高波数側の特徴の差をみることから、多層成膜の初期堆積段階からでも精度のよい膜厚モニタリングが可能となる。
【００８４】
図４に、分光スペクトルを規格化して反射率分光スペクトルに変換するための参照光を成膜途中で定期的に取得できるように、光源からの光を２分岐光ファイバ１２と切替器１３により直接分光器に取り込める構成を示す。この構成を用いることで長時間の成膜を行う場合でも、光源の出力を定期的に測定して、その変動の影響を除去する構成とすることができるため、より正確な測定が可能となる。
【００８５】
［実施例３］
実施例１と２で示した方法では、分光器で測定した透過率や反射率に様々なノイズが載っており、このノイズが膜厚モニタリングの精度を落とす可能性がある。そのために、測定した信号光に対して、平滑化をかけてノイズの影響を低減することによって膜厚モニタリングの精度を向上させる方法が知られている。この平滑化の方法によっては、得られた信号の特徴量差Ｆをノイズに比べて顕著にし、モニタリング精度を向上させることが可能である。これは、平滑化によって信号を抽象化して特徴を顕著化させることができるからである。
【００８６】
図９は、図７で示した信号に、加重平均の平滑化を実施したものである。図に見られるように、平滑化をかけることで、測定時のノイズを除去することができた。
【００８７】
以上、説明したように、本発明は、設計波数κ０を中心に、適度な波数だけ離れて対称となる２つの波数領域において低波数側の特徴と高波数側の特徴の差を表す特徴量差Ｆを算出し、この特徴量差Ｆが０となる時を検知して、成膜を停止することで、膜厚をλ０/４の整数倍に制御でき、非常に簡便に、層数が少ない多層膜から層数が多い多層膜までも、膜厚を正確にモニタリングすることができる。また、直接、成膜基板を測定対象とすることができるため、モニタ基板の交換が不要で、迅速に精度よく多層膜を形成することができる。
【００８８】
【発明の効果】
本発明の実施により、λ０を設計波長とする多層膜の光学的膜厚をλ０/４の整数倍に高精度で制御することを可能とするモニタリング装置および方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の構成を示す図である。
【図２】実施例１において、参照光を取得できるように、２分岐光ファイバと切換器を用いた構成を示す図である。
【図３】本発明の実施例２の構成を示す図である。
【図４】実施例２において、参照光を取得できるように、２分岐光ファイバと切換器を用いた構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例１で、膜厚がλ０/４となる場合の波数の透過率の波数依存性を示す図である。
【図６】多層膜フィルタ設計の原理を説明するための図である。
【図７】本発明の実施例１で、膜厚がλ０/４とならない場合の波数の透過率の波数依存性を示す図である。
【図８】本発明での設計波数を中心とした特徴量差Ｆの膜厚依存性を示す図である。
【図９】本発明の実施例３で、膜厚がλ０/４とならない場合の波数の透過率の波数依存性を示す図である。
【図１０】波長多重通信用の多層膜フィルタの構成例を示す図である。
【図１１】波長多重通信用の多層膜フィルタの透過スペクトルを示す図である。
【図１２】既存の単色測光法での透過率の膜厚依存性を示す図である。
【図１３】既存の二色測光法での透過率の膜厚依存性を示す図である。
【符号の説明】
１…成膜装置、２…成膜室、３…基板、４…ＥＣＲスパッタ源、５…光源、６…光ファイバ、７、８…真空封止窓、９…光ファイバ、１０…分光器、１１…演算器、１２…２分岐光ファイバ、１３…切替器、１４…ハーフミラー。
【図１】
0003737442.tif 000005
【図２】
0003737442.tif 000006
【図３】
0003737442.tif 000007
【図４】
0003737442.tif 000008
【図５】
0003737442.tif 000009
【図６】
0003737442.tif 000010
【図７】
0003737442.tif 000011
【図８】
0003737442.tif 000012
【図９】
0003737442.tif 000013
【図１０】
0003737442.tif 000014
【図１１】
0003737442.tif 000015
【図１２】
0003737442.tif 000016
【図１３】
0003737442.tif 000017