CN1268945C - 薄膜形成装置及光学元件的制造方法 - Google Patents

薄膜形成装置及光学元件的制造方法 Download PDF

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Abstract

用于红外区域实际使用波段的光学元件有一个衬底11和一个由形成在衬底11上的多层组成的光学薄膜。薄膜形成装置包括：测量可见区域特定波段中光谱特性的光学监视器4，测量红外区域特定波段中光谱特性的光学监视器5，和测量实际使用波段光谱特性的实际使用波段光学监视器。根据任一监视器4或5测得的光谱特性确定形成的各个层的膜厚度，并且根据这些膜的厚度调节还没有形成的层的膜厚度设置值。由实际使用波段光学监视器测得的光学薄膜形成过程中以及随后的薄膜形成过程结束时的光谱特性被反映到在下一衬底11上形成下一光学薄膜的过程中。

Description

薄膜形成装置及光学元件的制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于在衬底表面形成由多层组成的膜的薄膜形成装置和一种制造光学元件的方法，其中该光学元件有一个衬底和一个由形成在该衬底表面上的多层组成的光学薄膜。
背景技术
在诸如滤光片、透镜和反射镜的光学元件中，通常在这种光学元件的表面上形成由多层组成的光学薄膜，目的在于把各个波长处的透射率和反射率调节到特定的特性，把在各个波长处的相位特性调节到特定的特性，或提供抗反射特性。这种薄膜中的层数可以达到几十层，并且可以通过控制构成此光学薄膜的各个层的厚度来获得特定的光学特性。将诸如溅射装置和真空蒸发装置的薄膜形成装置用于形成这种光学薄膜或其它薄膜。
在常规的薄膜形成装置中，安装有可见区域光学监视器，其根据形成在薄膜中的各层测量可见区域内波段的光谱特性，并试图获得具有理想特性的薄膜，该薄膜的理想特性通过确定根据由该可见区域光学监视器测得的光谱特性形成的各个层的膜厚度、并通过使形成为一定中间层的各个膜层厚度反映到随后形成的层的膜厚度中来精确地再现。例如日本专利申请JP2001-174226中所述的技术。
但是，在此常规的薄膜形成装置中，只安装可见区域光学监视器作为测量由形成的各层建立的光谱特性的光学监视器。其结果是会遇到各种不便(后面有述)。在下面的描述中，将以形成光学薄膜的情形为例；但下面描述的实施例也应用到除光学薄膜以外的薄膜。
例如，在用于红外区域中特定波段的光学元件中，如用于光通讯的光学元件中，由于使用波长较长，构成光学薄膜的各个层的薄膜厚度变大。当相继形成这些光学薄膜的各个层、使得形成的薄膜总厚度增大时，在可见区域的光谱特性(如光谱透射特性)中出现相对于波长变化的急剧且显著的反复变化。此原因在于短波区域中各个层的边界处反射的光叠加，使得发生高阶干涉，并且由于此种干涉一般具有急剧的波长依赖性，建立了这种光谱特性。
同时，可见区域光学监视器的分辨率主要由光谱的分辨率决定，并具有下列灵敏度分布：具体地说，探测为在某一给定波长处接收光光量的光不仅是该波长的光，而且还是以该波长为中心的波段中的光。因此，甚至在波长特性具有理想的δ函数型的光入射到光接收器的情况下，观察的光谱特性也没有δ函数型，而是圆钝的。
因此，当形成的薄膜总厚度增大时，应原样测量可见区域的光谱特性，其中相对于波长的变化表现出显著的急剧的反复变化；但利用可见区域光学监视器实际获得的光谱特性是圆钝的特性，其显示出相对于波长变化没有很大的变化。因而，当形成的薄膜总厚度增大时，可见区域光学监视器的测量精度下降。因此，在上述常规的薄膜形成装置中，当形成的薄膜总厚度增大时，不可能以良好的精度确定薄膜厚度，并且因此很难获得具有可精确再现的理想光学特性的光学薄膜。
因此，在上述常规薄膜形成装置中，除了制造的光学元件的衬底上形成各个层外，实际上还在用作测量薄膜厚度的虚设衬底的监视衬底(如玻璃衬底)上以同样的方式形成各个层。利用可见区域光学监视器测量监视衬底的光谱特性，并当在薄膜形成过程中形成在监视衬底上的层数或各层的薄膜总厚度超过一个特定值时，用一个新的监视衬底更换该监视衬底。在此情况下，即使形成在原始衬底上的光学薄膜的总厚度和层数很大，每个监视衬底上的层厚度和层数也限制在特定的值；因此，可以以良好的精度测量各个层的膜厚度。但在此情况下，因为更换监视衬底需要时间，所以产量下降。
另外，在上述常规薄膜形成装置中，只安装可见区域光学监视器；因此在制造用于红外区域特定波段的光学元件的情况下，如同用于光通讯等的光学元件，不能探查此特定波段(实际使用该光学元件的波段)中的光学特性。因此，在上述常规薄膜形成装置中，在试图通过根据获得的当前一批的信息(即，在当前衬底上形成当前光学薄膜时获得的信息)确定用在后一批中的(即，用在后续衬底上的后续光学薄膜的形成中的)各个层的膜厚度值和膜形成条件而在后一批中以较好的精度获得具有理想光学特性的光学薄膜的情况下，只有当前一批获得的各个层的膜厚度可以用作该信息；在实际使用的波段中光学元件的光学特性不能利用。因此，在上述常规薄膜形成装置中，很难据此观点获得具有可精确再现的理想光学特性的光学薄膜。
发明内容
鉴于上述事实设计了本发明；本发明的目的在于提供一种薄膜形成装置和光学元件制造方法，至少可以解决上述常规薄膜形成装置中遇到的各种问题中的一个问题。
用于实现本发明目的的第一发明是一种用于在衬底表面上形成由多层组成的薄膜的薄膜形成装置，该薄膜形成装置包括：第一光学监视器，测量形成的层在第一波段中显现的光谱特性；和第二光学监视器，测量形成的层在第二波段中显现的光谱特性。
用于实现发明目的的第二发明是基于第一发明，其特征在于第一波段是处于可见区域的波段，第二波段是处于红外区域的波段。
用于实现发明目的的第三发明是基于第一发明，其特征在于第一和第二波段是处于红外区域的波段，并且第二波段是第一波段内的部分波段。
用于实现发明目的的第四发明是基于第二或第三发明，其特征在于第二波段包括使用薄膜的特定波段。
用于实现发明目的的第五发明是基于第一至第四任一发明，其特征在于本装置包括用于根据第一光学监视器测得的光谱特性或第二光学监视器测得的光谱特性或两光学监视器测得的光谱特性确定形成的各个层的膜厚度的装置。
用于实现发明目的的第六发明是基于第一至第四任一发明，其特征在于本装置包括用于根据第一光学监视器测得的光谱特性确定形成的各个层的膜厚度的装置，以及用于储存数据的存储装置，其中所述的数据表示在已经形成了构成薄膜的所有层的状态下由第二光学监视器测得的光谱特性中至少一部分波段的光谱特性。
用于实现发明目的的第七发明是基于第六发明，其特征在于本装置包括用于储存数据的存储装置，该数据表示在已经形成了构成薄膜的所有层中的一些层的状态下由第二光学监视器测得的光谱特性中至少一部分波段的光谱特性。
用于实现发明目的的第八发明是基于第二发明，其特征在于本装置包括用于在形成每层之后、仅根据第一光学监视器测得的光谱特性或第二光学监视器测得的光谱特性确定形成作为最上层的层的薄膜厚度的装置，并且这些确定薄膜厚度的装置在形成的层的总厚度或形成的层数等于或小于层的特定厚度或特定层数的情况下仅根据第一光学监视器测得的光谱特性确定形成作为最上层的层的薄膜厚度，并在形成的层的总厚度或形成的层数超过层的特定厚度或特定层数的情况下仅根据第二光学监视器测得的光谱特性确定形成作为最上层的层的膜厚度。
在第八发明中，当根据形成的层的总厚度(整个厚度)进行两种情形的区别时，希望将上述特定的厚度设置为处于1μm～10μm范围内的特定值(优选处于6μm～10μm范围中的特定值)，其原因将在后面说明。
已经发现，在形成各个层之后，当只根据由测量可见区域中波段的光谱特性的光学监视器测得的光谱特性确定形成作为最上层的层的膜厚度时，在总的膜厚度超过大约10μm的值的情况下膜厚度测量精度存在特别的衰减。其原因被认为是当总的膜厚度较大时，用于测量膜厚度的波长在光谱透射率或光谱反射率方面的变化变得极度严重，使得这些特性随波长的轻微变化而极大的变化。同时，通常使用的光谱的波长分辨率约为0.5nm，并且如果试图在膜厚度超过大约10μm的区域中以大约±0.1nm的精度测量膜厚度，则在波长分辨率约为0.5nm的光谱情况下测量精度是不够的。
但是，在实际使用的光学元件中，在大多数情况下设计值和实际值之差必须保持在大约为±0.02％；另外，可以普通获得的光谱透射测量仪或光谱反射测量仪的波长分辨率约为0.5nm。据此，为了确保±0.1nm的精度，这也是实际需要的厚度测量精度，实验已经表明，在仅根据测量可见区域波段的光谱特性的光学监视器测得的光谱特性执行膜厚度测量的情况下，需要至少将总的膜厚度保持在不大于10μm。
同时，在仅根据测量可见区域波段的光谱特性的光学监视器测得的光谱特性执行膜厚度测量的情况下，如果总的膜厚度小于1μm，则可以充分地确保±0.1nm的测量精度，并且即使总的膜厚度不小于1μm但小于6μm，测量精度也没有很大的降低。
因此，希望用作不同情形的基准的特定厚度设置为一个处于1μm～10μm范围的值，并且甚至更希望将此特定厚度设置为6μm～10μm范围内的值。
用于实现发明目的的第九发明是基于第二发明，其特征在于(a)本装置包括用于在形成每层之后、根据结合第一光学监视器测得的光谱特性和第二光学监视器测得的光谱特性的总光谱特性确定形成作为最上层的层的薄膜厚度的装置，(b)确定膜厚度的这些装置通过利用形成作为最上层的层的各种假定厚度算出的对应光谱特性拟合总的光谱特性来确定形成作为最上层的层的膜厚度，和(c)用于确定膜厚度的这些装置在形成的层的总厚度或形成的层数等于或小于层的特定厚度或特定层数的情况下，执行上述拟合，同时对第一光学监视器测得的光谱特性给予大于由第二光学监视器测得的光谱特性的权重，并且在形成的层的总厚度或形成的层数大于层的特定厚度或特定层数的情况下，执行上述拟合，同时对由第二光学监视器测得的光谱特性给予大于由第一光学监视器测得的光谱特性的权重。
在此第九发明中，当根据形成的层的总厚度(整体厚度)进行两种情形的区分时，希望将上述特定厚度设置为1μm～10μm范围内的特定值(更优选6μm～10μm范围内的特定值)。其原因类似于针对上述第八实施例所述的原因。
用于实现发明目的的第十发明是基于第八或第九发明，其特征在于第二波段包括使用薄膜的特定波段。
用于实现发明目的的第十一发明是基于第五～第十发明中的任何一个，其特征在于本装置包括调节装置，用于在将已经形成的层作为最上层的状态下根据由确定膜厚度的装置对该层确定的膜厚度调节构成薄膜的各层中的至少一层之后形成的各层的膜厚度设置值。
用于实现发明目的的第十二发明是基于第一发明，其特征在于第二波段包括使用薄膜的特定波段，并且本装置包括：用于确定形成的各层的膜厚度的装置；判断光谱特性之间的偏差估算值是否处于一个特定的允许范围的装置，其中光谱特性之间的偏差为已经形成了构成膜的部分层的状态下由第二光学监视器测得的特定波段的光谱特性与根据由确定膜厚度的装置确定的这些层的膜厚度算出的光谱特性之间的偏差；和在判断装置判定该估算值不在特定的允许范围内的情况下，用于停止这些层之后的各层的薄膜形成的装置。
用于实现上述目的的第十三发明是一种制造光学元件的方法，其中光学元件有一个衬底和由形成在衬底顶部的多层组成的光学薄膜，本方法包括步骤：根据对各层设置的膜厚度值依次形成构成光学薄膜的各个层；根据第一光学监视器和第二光学监视器中的至少一个光学监视器测得的光谱特性确定形成的各个层的膜厚度，其中第一光学监视器测量第一波段中由形成的层显出的光谱特性，第二光学监视器测量第二波段中由形成的层显出的光谱特性。
用于实现上述目的的第十四发明是一种制造光学元件的方法，其中光学元件有一个衬底和由形成在衬底顶部的多层组成的光学薄膜，本方法包括步骤：根据对各层设置的膜厚度值依次形成构成光学薄膜的各个层；根据第一光学监视器测得的光谱特性确定形成的各个层的膜厚度，其中第一光学监视器测量第一波段中由形成的层显出的光谱特性；和在已经形成了构成光学薄膜的所有层的状态下，根据第二光学监视器测得的光谱特性中至少部分波段的光谱特性确定构成形成在下一衬底上的下一光学薄膜的各个层的膜形成条件或设置的膜厚度值，其中第二光学监视器测量不同于第一波段的第二波段中由形成的层显出的光谱特性。
用于实现上述目的的第十五发明是一种制造光学元件的方法，其中光学元件有一个衬底和由形成在衬底顶部的多层组成的光学薄膜，本方法包括步骤：根据对各层设置的膜厚度值依次形成构成光学薄膜的各个层；根据第一光学监视器测得的光谱特性确定形成的各个层的膜厚度，其中第一光学监视器测量第一波段中由形成的层显出的光谱特性；和在只已经形成了构成光学薄膜的一些层的状态下以及已经形成了构成光学薄膜的所有层的状态下，根据第二光学监视器测得的各个光谱特性中至少部分波段的各个光谱特性确定构成形成在下一衬底上的下一光学薄膜的各个层的膜形成条件或设置的膜厚度值，其中第二光学监视器测量不同于第一波段的第二波段中由形成的层显出的光谱特性。
用于实现上述目的的第十六发明是基于第十三发明～第十五发明中的任一项，其特征在于本方法还包括这一步骤：根据在已经形成该层作为最上层的状态下确定膜厚度的步骤中确定的该层的膜厚度，调节构成光学薄膜的至少一层之后形成的各层的膜厚度设置值。
用于实现上述目的的第十七发明是基于第十三发明～第十六发明中的任一项，其特征在于第一波段是可见区域内的波段，第二波段是红外区域内的波段。
用于实现上述目的的第十八发明是基于第十三发明～第十六发明中的任一项，其特征在于第一和第二波段是红外区域内的波段，第二波段是第一波段内的部分波段。
用于实现上述目的的第十九发明是基于第十七发明～第十八发明中的任一项，其特征在于光学薄膜用在红外区域的特定波段中，第二波段包括使用光学薄膜的特定波段。
用于实现上述目的的第二十发明是一种制造光学元件的方法，其中光学元件有一个衬底和由形成在衬底顶部的多层组成的光学薄膜，本方法包括这一步骤：利用构成第一至第十二发明中任一项的薄膜形成装置在衬底上形成光学薄膜。
附图说明
图1是构成本发明各实施例的薄膜形成装置的转台模型从下看时的简图；
图2是构成本发明各实施例的薄膜形成装置的必须部件的模型沿图1中A-A’线的截面图；
图3是构成本发明各实施例的薄膜形成装置的必须部件的模型沿图1中B-B’线的截面图；
图4是利用构成本发明各实施例的薄膜形成装置制造的光学元件一个实例的模型的截面图；
图5是构成本发明各实施例的薄膜形成装置的控制***的必须部件的框图；
图6是构成本发明第一实施例的薄膜形成装置的操作实例的流程图；
图7是构成本发明第二实施例的薄膜形成装置的操作的流程图；
图8是构成本发明第二实施例的薄膜形成装置的操作的另一流程图；
图9是显示测得的光谱透射率和算出的光谱透射率的实例的曲线；
图10是表示第一层的容限设置实例的简图；
图11是表示第十五层的容限设置实例的简图；
图12是表示第四十层的容限设置实例的简图；
图13是对于550nm波长的容限设置实例的简图；
图14是对于1600nm波长的容限设置实例的简图；
图15是三维表示的容限设置实例的简图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明薄膜形成装置和光学元件的制造方法的优选实施例。
[第一实施例]
图1是构成本发明第一实施例的薄膜形成装置的转台模型从下看时的简图。图2是构成本实施例的薄膜形成装置的必须部件的模型沿图1中A-A’线的截面图。图3是构成本实施例的薄膜形成装置的必须部件的模型沿图1中B-B’线的截面图。图4是利用本实施例的薄膜形成装置制造的光学元件10的模型实例截面图。图5是构成本实施例的薄膜形成装置的控制***的必须部件的框图。
在描述本实施例的薄膜形成装置之前，将先描述利用薄膜形成装置制造的光学元件10的一个实例。在此实例中，光学元件10是一个用于红外区域特定波段(实际使用波段)的光学元件，如同用在光通讯、航天器、卫星等中的光学元件。例如，光学元件10实际使用的波段是1520nm～1570nm(即，所谓的C波段)。
该光学元件10例如构成一个干涉滤光片，由衬底11和光学薄膜12构成，其中衬底11是一个透明的平板(由玻璃等组成，作为此衬底)，光学薄膜12由形成在衬底11顶部的多层M1～Mn(n是等于或大于2的整数)组成。当然，光学元件10不限于干涉滤光片，也可以是透镜、棱镜、反射镜等。例如，在透镜的情况下，用具有曲面的玻璃元件作为衬底以代替衬底11。
在本实例中，层M1～Mn是由高折射率的物质(如Nb2O5)或低折射率的物质(如SiO2)组成的交替层，使得光学薄膜12由两种不同类型物质的交替层构成。当然，光学薄膜12也可以由三种或三种以上不同类型的物质组成的层构成。
通过适当设置材料、层数n、各个层M1～Mn的厚度来获得光学元件10的理想光学特性(在下文中，理想的光学特性是光谱透射特性；但理想的光学特性不限于这些特性，也可以是光谱反射特性或相位特性等)。
本实施例的薄膜形成装置按溅射装置构成；如图1～3所示，此溅射装置包括用作薄膜形成腔的真空腔1，设置在真空腔1内部的转台2，两个溅射源3(图中只示出一个)和三个光学监视器4、5和6。
转台2布置成通过致动器如电机等(图中未示出)绕旋转轴7转动。将构成光学元件10的衬底11和监视衬底21经支架(图中未示出)连接到转台2的底面上以轴7为中心的同心圆上的各个位置。在图1～3所示的实例中，七个衬底11和一个监视衬底21连到转台2。
在真空腔1的下部的两个位置处分别设置两个溅射源3，使得当转台21旋转时这些溅射源3可以面对衬底11和21。在本实施例中，构成各层的成分颗粒从这两个溅射源3中飞出并冲击到衬底11和监视衬底21的表面，从而形成各层。在本实施例中，两个溅射源3中的靶材料不同，以致于高折射率的物质和低折射率的物质(如上所述)分别从两个溅射源3中飞出。
例如，监视衬底21由一种透明的平板、如玻璃衬底组成。因为平的衬底用作如上所述的光学元件10的衬底，所以可以用相同的衬底作为衬底11和监视衬底21。监视衬底21是一个用于膜厚度测量的虚设衬底(即，最终不成为光学元件10的衬底)；通过测量形成在此监视衬底21表面上的膜的厚度而间接地测量在相同条件下形成在衬底11顶部的膜的厚度。依据这种情形，不是绝对地需要采用这种监视衬底21。但在光学元件10的表面为曲面的情况下，因为当光学元件10为透镜时很难精确测量此表面上的膜厚度，所以希望采用一种监视衬底21。
如图2和3所示，在真空腔1的上表面上形成三个窗口14b、15b和16b，并且在真空腔1的下表面中形成三个窗口14a、15a和16a。将一对窗口14a和14b设置成位于一特定位置的每一侧，转台2旋转时衬底11和21从该处经过。另一对窗口15a和15b以及其它对窗口16a和16b也类似地设置。
光学监视器4由光发射器件4a和光接收器件4b构成，光接收器件4b分离并接收从光发射器件4a发射并穿过窗口14a、衬底11或监视衬底21以及窗口14b的光；此光学监视器4布置成可以测量形成在衬底11或监视衬底21的表面上的膜的光谱透射率。类似地，光学监视器5由光发射器件5a和光接收器件5b构成，光接收器件5b分离并接收从光发射器件5a发射并穿过窗口15a、衬底11或监视衬底21以及窗口15b的光；此光学监视器5也布置成可以测量形成在衬底11或监视衬底21的表面上的膜的光谱透射率。类似地，光学监视器6由光发射器件6a和光接收器件6b构成，光接收器件6b分离并接收从光发射器件6a发射并穿过窗口16a、衬底11或监视衬底21以及窗口16b的光；此光学监视器6也布置成可以测量形成在衬底11或监视衬底21的表面上的膜的光谱透射率。
光学监视器4构造成测量可见区域特定波段如400nm～850nm的光谱透射率。光学监视器5构造成测量红外区域特定波段如1000nm～1700nm的光谱透射率。光学监视器6构造成测量光学元件10实际使用波段(对应于在权利要求书及说明书中称作的“使用膜的特定波段”)、如1520nm～1570nm的光谱透射率。对各个测量波段具体地构造各个光学监视器4～6。
在本实施例中，因为光学监视器5的测量波段包括光学元件10的实际使用波段，这也是光学元件6的测量波段，所以光学元件10的实际使用波段也可以由光学监视器5测量。因此，可以省去光学监视器6并合并光学监视器6与光学监视器5的功能。但如果在本实施例中单独构造光学监视器5和6，则与光学监视器5的分辨率相比，光学监视器6的分辨率增高，因为光学监视器6的测量波段比光学监视器5的测量波段窄。因此，可以高分辨率地测量实际使用波段的光谱透射率，这是很有益的。相反，在可以用光学元件10的实际使用波段中的光谱透射率确定各个层的膜厚度的情况下，可以省去光学监视器5并还利用光学监视器6作为膜厚度监视器。
在下面的描述中，为了简便起见，将光学监视器4称作“可见区域光学监视器”，光学监视器5将被称作“膜厚度测量红外监视器”，光学监视器6将被称作“实际使用波段红外监视器”。
如图5所示，本实施例的薄膜形成装置包括(例如)由计算机构成的控制和计算处理部分17，它控制整个装置并执行特定的计算等，以便实现后述操作；操作部分18，由用户使用，将指令和数据等输入到控制和计算处理部分17中；和显示部分19，如CRT。控制和计算处理部分17具有一内存储器20。当然，也可以用一个外存储器代替此内存储器20。另外，与其它公知的薄膜形成装置一样，本实施例的薄膜形成装置也包括一个用于将真空腔1的内部置于真空状态的泵，对真空腔1的内部供给特定气体的气体供给部分等。但下面省去对这些部分的描述。
接下来，参考图6描述本实施例的薄膜形成装置的操作实例。图6是本实施例的薄膜形成装置的操作实例的流程图。
在衬底11和其上还没有形成薄膜的监视衬底21连接到转台2的状态下开始薄膜的形成。
首先，用户通过操作操作部分18执行初始设置(步骤S1)。在初始设置中，输入设置信息，如下所述地将步骤S4中执行的膜厚度监视光学测量的测量模式设置为可见区域测量模式(由可见区域光学监视器4执行膜厚度监视光学测量的模式)或红外区域测量模式(由膜厚度测量红外监视器5执行的膜厚度监视光学测量的模式)。另外，在这些初始设置中，输入对于各个层M1～Mn可以获得光学元件10的理想光学特性、并且根据先进的设计等预定的膜厚度设置值、材料、层数n、膜形成条件等。
而且还可以给控制和计算处理部分17提供光学薄膜12的设计函数，使得当用户输入理想的光学特性时，控制和计算处理部分17根据此设计函数自动地确定各个层M1～Mn的膜设置厚度值、材料、层数n、膜形成条件等。另外，在这些初始设置中，还输入设置信息，该设置信息表示形成膜的层，对该层执行步骤S6(后文描述)的实际使用波段的光学测量。
例如，该层的选择可以设置为M1～Mn所有的层，或者可以设置为只有最上层Mn；或者，选择可以设置为最上层Mn和一个或多个其它的任意层(如，在每个特定的层数)。也可以采用不选择层的设置，并对任何层都不执行步骤S6中的实际使用波段的光学测量；但希望至少选择最上层Mn。
接下来，控制和计算处理部分17设置计数值m，该值表示当从衬底11的一侧为1计算的当前的层数(步骤S2)。
然后，在控制和计算处理部分17的控制下，根据设置的膜厚度值和膜形成条件等对该层的设置(例如通过时间控制)执行第m层的膜形成(步骤S3)。在第一层M1的情形中，根据已经在步骤S1中设置的膜厚度设置值执行膜的形成过程。但在第二或后续层的情形中，如果已经在步骤S9(后叙)中调节了膜厚度设置值，在根据最近调节的膜厚度设置值执行膜的形成过程。在膜形成过程中，使转台2旋转，并且只打开面对溅射源3的对应于第m层的材料的闸门(图中未示出)，使得颗粒从此溅射源3沉积到各个衬底11上以及监视衬底21上。当第m层的膜形成过程完成时，关闭该闸门。
随后，在控制和计算处理部分17的控制下，以步骤S1中设置的测量模式执行膜厚度监视光学测量(步骤S4)。
在步骤S1中设置了可见区域测量模式的情况下，在步骤S4中由可见区域光学监视器4测量上述可见区域内特定波段中监视衬底21或衬底11的光谱透射率，并且将此数据储存到与当前计数值m相关的存储器20中。在转台2旋转的状态下，当监视衬底21或衬底11位于光发射器件4a和光接收器件4b之间时，执行可见区域光学监视器4的测量，或是通过在所涉及的监视衬底21或衬底11位于光发射器件4a和光接收器件4b之间的状态下停止转台2来执行可见区域光学监视器4的测量。
另一方面，在步骤S1中设置了红外区域测量模式的情况下，由膜厚度测量红外监视器5测量上述红外区域内特定波段中监视衬底21或衬底11的光谱透射率，并将此数据储存到与当前计数值m有关的存储器20中。在转台2旋转的状态下，当所涉及的监视衬底21或衬底11位于光发射器件5a和光接收器件5b之间时，由膜厚度测量红外监视器5执行测量，或是在监视衬底21或衬底11位于光发射器件5a和光接收器件5b之间的状态下停止转台2由膜厚度测量红外监视器5执行测量。
在步骤S4中，基本上可以以两种模式中的任意一种测量模式测量监视衬底21或衬底11的光谱透射特性。另外，对于每一层，可以由用户事先任意设置监视衬底21或衬底11任何一个的光谱透射特性，以作为测量的光谱透射特性。
当步骤S4中执行的膜厚度监视光学测量完成时，根据在步骤S1中已经设置的设置信息，控制和计算处理部分17判断当膜形成过程已经执行到当前的第m层时(即，第m层已经形成为最上层的状态下)(步骤S5)是否执行步骤S6的实际使用波段的光学测量。如果判定没有执行实际使用波段的光学测量，则过程直接进行到步骤S7，而如果判定实际使用波段的光学测量将被执行，则在通过步骤S6之后过程进行到步骤S7。
在步骤S6，由实际使用波段红外监视器6测量上述实际使用波段中监视衬底21或衬底11的光谱透射率，并且将此数据储存在存储器20中。在转台2旋转的状态下，当衬底11位于光发射器件6a和光接收器件6b之间时，由实际使用波段红外监视器6执行测量。或者在衬底11位于光发射器件6a和光接收器件6b之间的状态下转台2停止，执行由实际使用波段红外监视器6执行测量。
在步骤S7，控制和计算处理部分17根据步骤S6中测得的光谱透射特性确定当前第m层的膜厚度。关于用于由光谱透射特性确定膜厚度的实际程序，可以采用各类公知程序或类似于步骤S30和S31中执行的拟合(见后面所述的图7)。
接下来，控制和计算处理部分17判断是否m＝n，即，判断膜的形成过程是否已经进行到最后一层Mn(步骤S8)。如果此膜形成过程已经结束，则根据步骤S6中对每层确定的到第m层的各个膜厚度调节并优化从第(m+1)层(这些层还没有形成)开始的膜厚度设置值，使得最终将获得的光学元件10的光学特性调节到理想的光学特性(步骤S9)。例如，这种优化可以利用各种公知的程序进行。当从第(m+1)层开始形成各层时，在步骤S3中采用对步骤S9调节的从第(m+1)层开始的层的膜厚度设置值。接着执行步骤S9中的调节，层数的计数值m增加1(步骤S10)，并且处理返回到步骤S3。
另一方面，如果在步骤S8中判定已经完成了最后一层Mn的膜形成过程，则在显示部分19上显示储存在存储器20中的在每个步骤S6中测得的实际使用波段中的光谱透射特性以及在每个步骤S7中确定的各个层的膜厚度，以及相关的计数值m(表示在获得数据时形成作为最外层的层的信息)，并且如果需要，将此数据输出到外部个人电脑等(步骤S11)；通过这样完成在衬底11上的光学薄膜12的形成。
光学元件10以这种方式制造。
另外，根据在步骤S11中显示或输出的各个层的膜厚度以及实际使用波段中的光谱透射特性，用户(通过比较上述数据与各个层的膜厚度初始设置值和光学元件10的理想光学特性)确定当在下一个衬底11上形成下一个光学薄膜12时，在步骤S1中设置的各个层的膜厚度设置值以及膜形成条件，使得当在下一个衬底11上形成下一个光学薄膜12时可以获得接近理想光学特性的光学特性。当在下一衬底11上形成下一光学薄膜12时，在步骤S1中设置由此确定的各个层的膜厚度设置值和膜形成条件。
因而，在本实施例中，可以通过用户执行信息被反映的反馈，其中该信息是在当前衬底11上形成光学薄膜12时获得的，当在下一衬底11上形成下一光学薄膜12时被反映在步骤S1中设置的各个层的膜厚度设置值以及膜形成条件中。
但是，也可以通过赋予控制和计算处理部分17这样的反馈函数而自动处理。在此情况下，可以事先构建一个查询表等，表示在当前衬底11上形成光学薄膜12时获得的信息与在下一衬底11上形成下一光学薄膜12时首先设置的各个层的膜厚度设置值和膜形成条件之间的对应关系，并且可以构造该***，使得控制和计算处理部分17通过查阅该查询表等执行上述反馈。
在本实施例中可以获得上述各种优点。
为了说明第一优点，在本实施例中，与哪一种测量模式设置为步骤S4中执行的膜厚度监视光学测量的测量模式无关，如果在步骤S1中把用于确定步骤S6中测量红外区域内的实际使用波段中光学特性的计时的层设为最上层Mn，则在步骤S6中测量具有最终形成的整个光学薄膜12的光学元件10的光谱透射特性(在红外区域内的实际使用波段)；因此，可以执行反馈，其中所述的信息被反映到在下一衬底11上形成下一光学薄膜12的过程当中。因此，可以获得具有可更精确再现的理想光学特性的光学薄膜12。特别是，如果把在实际使用波段确定光学特性测量的计时的层不仅设置为最上层Mn，而且还设置为一个或多个其它层，则还测量在膜已经形成到中间层的阶段中实际使用波段内的光谱透射特性，并且可以执行反馈，其中该信息已经反映到在下一衬底11上形成下一光学薄膜12的膜形成过程中。
在此情况下，可以获得具有可更精确再现的理想光学特性的光学薄膜12。另外，在本实施例中，因为实际使用波段红外监视器6安装成与膜厚度测量红外监视器5分开，所以可以以极高的分辨率测量实际使用波段中的特性。因此，其优点在于从此观点出发也可以获得具有可更精确再现的理想光学特性的光学薄膜12。
另一方面，在常规的薄膜形成装置中，因为只安装可见区域的光学特性监视器，所以不能测得红外区域内实际使用波段中光学元件10的光学特性，使得上述实际使用波段中信息的反馈完全不可能。
其次，在本实施例中，如果把在步骤S4中执行的膜厚度监视光学测量的测量模式设置为红外区域测量模式，则由膜厚度测量红外监视器5如上所述地执行膜厚度监视光学测量，并且由这些测量获得的红外区域中的光谱特性确定各个层的膜厚度。因为红外区域的波长长于可见区域的波长，所以很可能在红外区域而非可见区域出现相对于波长变化的较大且急剧的重复变化，即使总的膜厚度或形成的层数很大也是如此。
因此，在本实施例中，如果把测量模式设置为红外区域测量模式，则即使总的膜厚度和形成的层数很大，也可以以高于常规薄膜形成装置中由可见区域的光谱特性确定各个层的膜厚度的情形的精度确定各个层的膜厚度；因此，可以获得具有可精确再现的光学特性的光学薄膜12。因而，因为在测量模式设置为红外区域测量模式的情形中，即使总的膜厚度或形成的层数很大，也可以精确地测量各个层的膜厚度，所以可以完全消除在膜形成过程中对更换监视衬底21的需求，或者即使光学薄膜12的总膜厚度较大也可以减小此更换的频率；因此产量大大提高。
在完全消除了更换监视衬底21的需要的情况下，如果构成光学元件10的衬底11(例如)是平板，则衬底11的光谱特性可以由膜厚度测量红外监视器5测量。在此情况下，因为不需要使用监视衬底11，所以产量进一步提高。
第三，在本实施例中，如果把在步骤S4执行的膜厚度监视光学测量的测量模式设为可见区域测量模式，则由可见区域监视器4执行如上所述的膜厚度监视光学测量，并且由这些测量获得的可见区域中的光谱特性确定各个层的膜厚度。因此，在光学薄膜12的总的膜厚度或层数很大的情况下，如同常规的薄膜形成装置一样，在薄膜形成过程中必须更换监视衬底21，以便以良好的精度获得各个层的膜厚度。因此，本发明薄膜形成装置的这个实施例就产量而言与常规薄膜形成装置相当。但因为可见区域中的波长短于红外区域中的波长，所以与总膜厚度或形成的层数较小的情形中红外区域的光谱特性相比，可以以良好的灵敏度测量可见区域中的光谱特性。
因此，如果把测量模式设置为可见区域的测量模式，则在光学薄膜12的总膜厚度或层数很大的情况下，虽然产量低于测量模式设置为红外区域测量模式时获得的产量，但可以以更高的精度获得各个层的膜厚度，使得可以获得具有能以更高精度再现的理想光学特性的光学薄膜12。当然，在测量模式设为可见区域测量模式的情形中获得的优点是在上述常规的薄膜形成装置中也可获得的优点。但在本实施例的可见区域测量模式中，此优点可与上述第一优点同时获得；因此此优点的技术意义极高。
[第二实施例]
图7和8是表示构成本发明第二实施例的薄膜形成装置的操作的流程图。
构成本实施例的薄膜形成装置与构成上述第一实施例的薄膜形成装置的不同之处如下：在上述第一实施例中，控制和计算处理部分17构造成实现上述图6中所示的操作，而在本实施例中，控制和计算处理部分17构造成实现图7和8所示的操作。在所有的其它方面，本实施例的薄膜形成装置与上述第一实施例的相同。以下将描述图7和8所示的操作；因为其它描述多余，所以将省去其它描述。
在衬底11和其上还没有形成薄膜的监视衬底21连接到转台2的状态下启动薄膜形成过程。
首先，用户通过操纵操作部分18执行最初的设置(步骤S21)。在这些初始设置中，输入表示是否把膜厚度确定模式设为利用一个波段的模式或利用两个波段的模式的设置信息。此处，术语“膜厚度确定模式”是指用于在查询时确定形成为最上层的层的膜厚度的***。另外，术语“利用一个波段的模式”是指在被选作为测量数据的可见区域光学监视器4测得的光谱透射率值和膜厚度测量红外监视器5测得的光谱透射率值当中，只用一类光谱透射率值确定层的膜厚度的***。另外，术语“利用两个波段的模式”是指利用可见区域光学监视器4测得的光谱透射率值和膜厚度测量红外监视器5测得的光谱透射率值确定层的膜厚度的***。另外，对于所有的层M1～Mn采用相同的膜厚度确定模式。
另外，在步骤S21的初始设置中，设置对应于每个层数m的容限Ti，该容限用在利用两个波段的模式中。后面将详细描述这一点。
另外，在步骤S21的初始设置中，输入关于各个层M1～Mn的膜厚度的设置值、材料、层数n、膜形成条件等，这些值使得可以获得光学元件10的理想光学特性，并且是根据先前的设计等预定的。另外，还可以对控制和计算处理部分17提供一个对于光学薄膜12的设计函数，使得当用户输入理想的光学特性时，控制和计算处理部分17通过此设计函数自动确定各个层M1～Mn的膜厚度的设置值、材料、层数n、膜形成条件等。
另外，在步骤S21的初始设置中，还输入表示执行步骤S27的实际波段光学测量的膜形成过程的层的设置信息。在该层的选择中，例如可以选择除最上层Mn以外的任何其它一层或多层(如，隔开特定层数的层)，可以选择最上层Mn和任何其它一层或多层，或者可以选择M1～Mn所有层。另外，也可以单独选择最上层Mn，或是可以采用不选择层的设置，使得不对任何层执行步骤S27的实际使用波段光学测量。但还是希望选择除最上层Mn的至少一层。
接下来，控制和计算处理部分17设置计数值m，该值表示以衬底11一侧为1开始计数的当前层数(步骤S22)。
接下来，在控制和计算处理部分17的控制下，根据对该层设置的膜厚度设置值和膜形成条件等，(例如)利用时间控制执行第m层的薄膜形成过程(步骤S27)。在第一层M1的情形中，根据在步骤S21中设置的膜厚度设置值形成层；但在从第二层开始的层的情形中，如果已经在步骤S39中调节了膜厚度设置值(后叙)，则根据最新调节的膜厚度设置值形成层。在膜形成过程中，使转台2旋转，并且只有面对对应于第m层材料的溅射源3安置的闸门(图中未示出)打开，使得颗粒从此溅射源3沉积到各个衬底11和监视衬底21。当结束第m层的薄膜形成过程时闸门关闭。
随后，在控制和计算处理部分17的控制下，由可见区域光学监视器4测量上述可见区域内特定波段中监视衬底21或衬底11的光谱透射率，并将此数据储存到与当前计数值m有关的存储器20中(步骤S24)。在转台2转动的状态下，当涉及的监视衬底21或衬底11位于光发射器件4a和光接收器件4b之间时，或在监视衬底21或衬底11位于光发射器件4a和光接收器件4b之间的状态下转台2停止时，由可见区域光学监视器4执行测量。
接下来，在控制和计算处理部分17的控制下，由膜厚度测量红外监视器5测量上述红外区域内特定波段中所涉及的监视衬底21或衬底11的光谱透射率，并将此数据储存到与当前计数值m有关的存储器20中(步骤S25)。在转台2转动的状态下，当所涉及的监视衬底21或衬底11位于光发射器件5a和光接收器件5b之间时，或在监视衬底21或衬底11位于光发射器件5a和光接收器件5b之间的状态下转台2停止时，由膜厚度测量红外监视器5执行测量。
接下来，根据步骤S21中设置的信息，控制和计算处理部分17判断在膜形成过程已经进行到当前的第m层时(即，在第m层已经形成为最上层的状态下)是否将要执行步骤S27的实际使用波段的光学测量(步骤26)。如果判定将不执行实际使用波段的光学测量，则过程直接到步骤S28；如果判定将要执行实际使用波段的光学测量，则过程在通过步骤S27之后进行到步骤S28。
在步骤S27，由实际使用波段红外监视器6测量上述实际使用波段中监视衬底21或衬底11的光谱透射率，并将此数据存入存储器20。在转台2旋转的状态下，当所涉及的衬底11位于光发射器件6a和光接收器件6b之间时，或在衬底11位于光发射器件6a和光接收器件6b之间的状态下转台2停止时，由实际使用波段红外监视器6执行测量。
在步骤S28，控制和计算处理部分17判断在步骤S21中设置的膜厚度确定模式是利用一个波段的模式还是利用两个波段的模式。如果是利用一个波段的模式，则过程进行到步骤S29；如果是利用两个波段的模式，则过程进行到步骤S32。
在步骤S29，控制和计算处理部分17判断从第一层到第m层的总的膜厚度是否小于10μm。但因为在此时还没有确定第m层的膜厚度，所以利用已经在步骤S30或步骤S31中确定的从第一层到第(m-1)层的各个膜厚度之和执行步骤S29的判断，并且将第m层的膜厚度设置值取做第一至第m层的总的膜厚度。
在步骤S29中使用的判断基准值不限于10μm；希望将此值设为1μm～10μm范围内的一个特定值，更希望将此值设为6μm～10μm范围内的一个特定值。设置此值的原因已经描述过。代替在步骤S29中判断膜的总厚度，还希望判断当前已经形成的层数(即计数值)。在根据层数进行判断的情况下，可以由层数近似计算膜的总厚度，因为每层的膜厚度没有表现出大的变化。
因此，在本发明的范围内还包括一个计算产生特定总厚度的膜的层数并根据层数设置步骤S29中的判断基准值的程序。如果总的膜厚度小于10μm，则处理过程进行到步骤S30，并且如果总的膜厚度不小于10μm，则过程进行到步骤S31。
在步骤S30中，控制和计算处理部分17通过将算出的、以第m层的厚度为变量的相应光谱透射率与测得的可见区域中的光谱透射率拟合，只利用步骤S24中测得的可见区域中的光谱透射率、而不利用步骤S25中测得的红外区域中的光谱透射率来确定第m层的膜厚度。
此处，相应的光谱透射率是包括从第一层到第m层的多层膜模式(薄膜模式)的光谱透射率。在多层膜模式的光谱透射率的计算中，把在步骤S30中或步骤S31中已经确定的膜厚度用作第一至第(m-1)层的各个膜厚度。当步骤S30结束时，过程进行到步骤S34。
此处，步骤S25中测得的红外区域中的光谱透射率实例表示为图9中的测得的透射率。另外，通过假定为特定厚度(对应于测得的透射率)的最上层膜厚度算出的光谱透射率表示为图9中所示的算出的透射率。在图9所示的实例中，因为假定的膜厚度表示出与实际膜厚度的相当的偏差，所以在测得光谱透射率和算出的光谱透射率之间存在相当的偏差。
在拟合算出的光谱透射率与测得的光谱透射率时，计算一个评估各个值之间的偏差(或相反，为拟合度)的估算值。用假定为变量的第m层的膜厚度对每个膜厚度计算该评估值。另外，把(所有估算值中)算出的表示最小偏差(标准值MF情形中的最小值，后文描述)的估算值时假定的膜厚度确定为第m层的膜厚度。这是拟合过程的具体内容。
在本实施例中，把基于基准函数的标准值MF用作估算值，用于步骤S30中的拟合。当然，不用说，可以利用的估算值不限于标准值MF。此标准值MF的定义如下列方程(1)所示：
MF = 1 N Σ i = 1 N ( Q i t arg et - Q i calc T i ) 2 . . . ( 1 )
在方程(1)中，N是目标总数(在测得的透射率特性中各个波长处的透射率值的总数)。i是与波长一对一地对应的数，是一个关系到与特定波长有关的量的数。此数可以是1～N中的任何值。Qtarget是测得的透射率特性中的透射率值。Qcalc是算出的透射率特性中的透射率值。T是容限(该值的倒数通常称作权重因子)。
当把方程(1)应用到步骤S30，方程(1)中的Q1 target～QN target是步骤S24中测得的可见区域光谱透射率的透射率值。另外，在本实施例中，在把标准值MF用于步骤S30的情况下，容限值Ti(i为1～N)均设为1，并且没有一个透射率值的数据被加权，使得这些组数据被同等处理。
再参见图7，在步骤S31中，控制和计算处理部分17只利用步骤S25中测得的红外区域光谱透射率，通过将利用假定为变量的第m层的厚度算出的对应光谱透射率与红外区域中测得的光谱透射率拟合来确定第m层的膜厚度，不用步骤S24中测得的可见区域的光谱透射率。在本实施例中，步骤S31的处理与步骤S30的处理相同，除了用步骤S25中测得的红外区域的光谱透射率代替步骤S24中测得的可见区域的光谱透射率。当把方程(1)应用到步骤S31时，Q1 target～QN target是步骤S25中测得的红外区域光谱透射率的透射率值。当步骤S31结束时，过程进行到步骤S34。
在步骤S21中设置的膜厚度确定模式设为利用两个波段的模式的情况下，在步骤S32，控制和计算处理部分17由步骤S21中设置的容限确定对应于当前层数m(此层数m表示当前形成的层数)的容限Ti。
随后，在步骤S33中，控制和计算处理部分17通过拟合利用假定为变量的第m层厚度算出的对应光谱透射率与测得的总光谱透射率，利用合并了步骤S24中测得的可见区域光谱透射率和步骤S25中测出的红外区域光谱透射率的总光谱透射率确定第m层的膜厚度。当步骤S33结束时，过程进行到步骤S34。
在本实施例中，标准值MF也用作步骤S33的拟合中的估算值。当方程(1)应用到步骤S33时，方程(1)中的Q1 target～QN target是步骤S24中测得的可见区域光谱透射率的透射率值和步骤S25中测得的红外区域光谱透射率的透射率值。
在步骤S30和S31中，容限值Ti(i为1～N)全设为1，使得没有一个透射率值被加权。另一方面，在步骤S33，利用在步骤S32中确定的容限值Ti，并且在步骤S21中通过适当设置每个层数m的容限Ti而对各个透射率值的数据加权。在本实施例中，在当前形成的层数m等于或小于特定的层数的情况下，在步骤S21中对每个层数m设置容限Ti，使得在步骤S33中进行拟合，其中对步骤S24中测得的可见区域光透射率的拟合重于对步骤S25中测得的红外区域光谱透射率的拟合，并且在当前形成的层数m大于特定层数的情况下，在步骤S21中对每个层数m设置容限Ti，使得在步骤S33中进行拟合，其中对步骤S25中测得的红外区域光谱透射率的拟合重于对步骤S24中测得的可见区域光透射率的拟合。其中“重于”一词是指上述估算值数据的加权。在估算值为标准值MF的情况下，该词是指容限的相对减小。
下面，结合对容限设置意义的描述来说明步骤S21中对每个层数m设置容限Ti的具体实例。
在上述具体实例中，由可见区域光学监视器4和膜厚度测量红外监视器5获得的总透射率特性的波长范围为400nm～1750nm。在通过拟合到由此获得的透射率特性而确定膜厚度时使用的标准函数(方程(1))的容限得到有效的控制。因为可以在每个波长处对透射率特性设置容限，所以容限的相对减小意味着需要增大对所涉及的该波长处透射率测量值的拟合程度。相反，容限的相对增大意味着对所涉及的该波长处透射率测量值的拟合程度较低。
例如，在监视衬底21或衬底14上的多层膜总厚度不是很大的情况下，由可见区域光学监视器4获得的可见区域透射率特性受到偏重；因此，可见区域的容限减小到小于红外区域容限的容限。当监视衬底21或衬底14上的多层膜的总膜厚度增大时，可见区域的容限增大，并且红外区域的容限减小。通过这一过程，可以抑制主要由光学监视器的分辨率造成的误差，使得可以无需降低膜厚度确定精度地继续膜的形成过程。
在监视衬底21上实际形成41层膜、其中所有层的厚度大致相等的情况下，把随波长线性变化的值用作设置容限值(层膜厚度约为15μm)。对第一层、第十五层和第四十层的容限设置分别示于图10、11和12。另外，在550nm波长处对层数的容限设置示于图13，在1600nm波长处对层数的容限设置示于图14。
图15是三维全面表现这些容限设置的简图。通过随着层数的增长改变容限-波长的一阶斜率，可以当监视衬底21上的多层膜的膜总厚度增加时，在膜厚度的确定中从对可见区域透射率特性的偏重变为对红外区域透射率特性的偏重。在此示出的容限的线性变化仅仅是一个例子；关于变化方式，不用说，容限可以根据多层膜的膜结构以及光学监视器的条件等以最适当的形式变化。
再回到流程图的描述，控制和计算处理部分17在步骤S34中判断在膜已经形成在当前第m层时(即，第m层形成作为最上层的状态)是否已经执行了步骤S27中的实际使用波段的光学测量。在已经执行了实际使用波段的光学测量的情况下，过程进行到步骤S35；在还没有执行实际使用波段的光学测量的情况下，过程进行到步骤S38。
在步骤S35，控制和计算处理部分17计算步骤S27中测得的实际使用波段的光谱透射率与已经算出的对应光谱透射率之间的偏差的估算值。此处，对应的光谱透射率是包括从第一层到第m层的多层膜模式的光谱透射率。在此多层膜模式的光谱透射率的计算中，把已经在步骤S30、S31或S33中确定的膜厚度用作从第一层到第m层的各层膜厚度。
例如，标准值MF可以用作在步骤S35中算出的估算值。在标准值MF用作此估算值的情况下，因为加权没有特别的意义，所以容限值Ti(i为1～N)可以都设为1。当把方程(1)应用到步骤S34时，方程(1)中的Q1 target～QN target是步骤S27中测得的实际使用波段的光谱透射率的透射率值。
随后，控制和计算处理部分17判断步骤S35中算出的估算值是否处于允许的范围之内(步骤S36)。如果该值处于允许的范围之内，则过程进行到步骤S38。另一方面，如果该值不处于允许的范围之内，则每个步骤S27中测得的实际使用波段的光谱透射率特性、每个步骤S30、S31和S33中确定的各个层的膜厚度(已存入存储器20中)与相关的计数值m(表示该数据时哪一层形成为最上层的信息)一起显示在显示部分19上。另外如果需要，把此数据输出到外部个人电脑等(步骤S37)，并且停止膜的形成过程。因此，即使第m层是中间层，也不执行从第(m+1)层的膜形成。
在膜形成过程由此形成在中间点的情况下，用户适当地调节(例如)步骤S30、S31和S33中算出的构成多层膜模式条件之一的折射率散射数据并在下一衬底11上形成下一光学薄膜12。
在步骤S38，控制和计算处理部分17判断是否m＝n，即膜形成过程是否已经执行到最后一层Mn。如果已经完成了此膜形成过程，则根据步骤S30、S31或S33中对每层确定的到第m层的各层的各个膜厚度调节并优化从第(m+1)层(还没有形成的层)开始的各层的膜厚度设置值，使得最终将获得的光学元件10的光学特性为理想的光学特性(步骤S39)。例如，这种优化可以利用各种公知的程序进行。当从第(m+1)层开始各层的膜的形成时，在步骤S23中采用在步骤S39中调节的从第(m+1)层开始的层的膜厚度设置值。在步骤S39的调节之后，层数的计数值m增加1(步骤S40)，并且处理返回到步骤S23。
另一方面，在步骤S38中判定膜形成过程已经完成到最后一层Mn的情况下，在步骤S41执行了类似于步骤S37的过程之后，结束所涉及的在衬底11形成光学薄膜12的过程。
以此方式制造光学薄膜10。
在本实施例中，获得了类似于第一实施例的优点；另外，还可以获得下列优点：
在本实施例中，在使用一个波段的模式情况下，在总的膜厚度小于10μm时，根据可见区域光学监视器4测得的可见区域光谱透射率确定各个层的膜厚度，并当总的膜厚度不小于10μm时，根据膜厚度测量红外监视器5测得的红外区域光谱透射率确定各个层的膜厚度。因为红外区域的波长大于可见区域的波长，所以即使总的膜厚度和形成的层数很大，与可见区域相比也不太可能在红外区域出现相对于波长变化的显著且急剧的重复变化。因此，在本实施例中，如果把测量模式设为红外区域测量模式，则即使总的膜厚度或形成的层数较大也可以较高的精度确定各个层的膜厚度，其精度高于在常规薄膜形成装置中由可见区域光谱特性确定各个层的膜厚度的情形。因此可以获得具有精确地再现的理想光学特性的光学薄膜12。因而，因为即使总的膜厚度或形成的层数较大也可以精确地测量各个层的膜厚度，所以可以完全消除在薄膜形成过程中对更换监视衬底21的需要，或是即使光学薄膜12的总膜厚度较大也可以降低该更换的频率；因此可以大大提高产量。在完全消除了对更换监视衬底21的需要的情况下，如果衬底11是(例如)平板，还可以通过膜厚度监视红外监视器5测量构成光学元件10的衬底11的光谱特性。在这种情况下，不需要使用监视衬底11；因此还可以进一步提高产量。
另外，在本实施例中，在利用两个波段的模式情况下，在形成的层数等于或小于特定层数时，执行的拟合偏重于由可见区域监视器4测得的可见区域光谱透射率而非膜厚度测量红外监视器5测得的光谱透射率，在形成的层数大于该特定层数时，执行的拟合偏重于膜厚度测量红外监视器5测得的光谱透射率而非可见区域监视器4测得的光谱透射率。
因此，在利用两个波段的模式情况下也可以获得利用一个波段的模式情形中获得的基本上相同的优点。在利用两个波段的模式情况下，与利用一个波段的模式情形不同，在可见区域光谱透射率的使用与红外区域光谱透射率的使用之间没有完全的切换；相反，可以通过适当地设置容限而自由地改变两个区域的作用。因此，在利用两个波段的模式情形中可以以高于利用一个波段的模式的精度确定膜厚度。
另外，在本实施例中，执行步骤S35和S36的过程，并在实际使用波段的光谱透射率和算出的对应光谱透射率之间的偏差估算值处于允许范围之外的情况下，膜的形成过程只进行到中间层，并且剩余层的膜形成过程停止。因此，在本实施例中，在多层膜的膜形成过程中的中间阶段进行检查，以便确定是否最终获得的光学多层膜的性能没有希望满足性能要求。在没有希望满足这些要求的情况下，可以避免直到最后一层的剩余层的浪费的形成过程。因此可以通过利用本发明大大地提高生产效率。
以上描述了本发明的各个实施例。但本发明不限于这些实施例。
例如，还可以调整第一实施例，使得总是只执行上述的红外测量模式。在此情况下，可以删除可见区域光学监视器4。
另外，也可以调整第一实施例，使得总是只执行上述可见区域测量模式。在此情况下，可以删除膜厚度监视红外监视器5。
另外，还可以调整第二实施例，使得总是只执行利用一个波段的模式或只执行利用两个波段的模式。
另外，在第二实施例中，还可以设计这样的***，即，在图7中的步骤S21，对各个总的膜厚度设置容限值Ti，并在步骤S32确定对应于总的膜厚度的容限值Ti。
另外，在第一和第二实施例中，光学监视器4～6都是测量光谱透射率的监视器。但光学监视器4至6中的至少一个可以是测量光谱反射率的光学监视器。
另外，第一和第二实施例是溅射装置的实例。但本发明也可以应用到其它的薄膜形成装置，如真空蒸发装置。
工业实用性
本发明的薄膜形成装置可以用于形成光学薄膜等。另外，本发明的光学元件制造方法可以用于制造具有光学薄膜的光学元件。

Claims (32)

1.一种薄膜形成装置，用于在衬底表面上形成由多层组成的膜，该薄膜形成装置包括：第一光学监视器，测量形成的层在第一波段中显现的光谱特性；第二光学监视器，测量形成的层在第二波段中显现的光谱特性；和根据第一光学监视器测得的光谱特性或第二光学监视器测得的光谱特性或两光学监视器测得的光谱特性确定形成的各个层的膜厚度的装置。
2.如权利要求1所述的薄膜形成装置，其特征在于第一波段是处于可见区域的波段，第二波段是处于红外区域的波段。
3.如权利要求2所述的薄膜形成装置，其特征在于第二波段包括使用薄膜的特定波段。
4.如权利要求1所述的薄膜形成装置，其特征在于第一和第二波段是处于红外区域的波段，并且第二波段是第一波段内的部分波段。
5.如权利要求4所述的薄膜形成装置，其特征在于第二波段包括使用薄膜的特定波段。
6.如权利要求1所述的薄膜形成装置，其特征在于该装置包括用于根据第一光学监视器测得的光谱特性确定形成的各个层的膜厚度的装置，以及用于储存数据的存储装置，其中所述的数据表示在已经形成了构成薄膜的所有层的状态下由第二光学监视器测得的光谱特性中至少一部分波段的光谱特性。
7.如权利要求6所述的薄膜形成装置，其特征在于该装置包括用于储存数据的存储装置，该数据表示在仅已经形成了构成薄膜的层中的一些层的状态下由第二光学监视器测得的光谱特性中至少一部分波段的光谱特性。
8.如权利要求2所述的薄膜形成装置，其特征在于该装置包括用于在形成每层之后、仅根据第一光学监视器测得的光谱特性或第二光学监视器测得的光谱特性确定形成作为最上层的层的薄膜厚度的装置，并且这些确定薄膜厚度的装置在形成的层的总厚度或形成的层数等于或小于层的特定厚度或特定层数的情况下仅根据第一光学监视器测得的光谱特性确定形成作为最上层的层的薄膜厚度；并在形成的层的总厚度或形成的层数超过层的特定厚度或特定层数的情况下仅根据第二光学监视器测得的光谱特性确定形成作为最上层的层的膜厚度的装置。
9.如权利要求8所述的薄膜形成装置，其特征在于第二波段包括使用薄膜的特定波段。
10.如权利要求2所述的薄膜形成装置，其特征在于该装置包括用于在形成每层之后、根据结合第一光学监视器测得的光谱特性和第二光学监视器测得的光谱特性的总光谱特性确定形成作为最上层的层的薄膜厚度的装置；确定膜厚度的这些装置通过利用形成作为最上层的层的各种假定厚度算出的对应光谱特性拟合总的光谱特性来确定形成作为最上层的层的膜厚度；和用于确定膜厚度的这些装置在形成的层的总厚度或形成的层数等于或小于层的特定厚度或特定层数的情况下，执行上述拟合，同时对第一光学监视器测得的光谱特性给予大于由第二光学监视器测得的光谱特性的权重，并且在形成的层的总厚度或形成的层数大于层的特定厚度或特定层数的情况下，执行上述拟合，同时对由第二光学监视器测得的光谱特性给予大于由第一光学监视器测得的光谱特性的权重。
11.如权利要求10所述的薄膜形成装置，其特征在于第二波段包括使用薄膜的特定波段。
12.如权利要求1所述的薄膜形成装置，其特征在于该装置包括调节装置，用于在将已经形成的层作为最上层的状态下根据由确定膜厚度的装置对该层确定的膜厚度调节构成薄膜的各层中的至少一层之后形成的各层的膜厚度设置值。
13.如权利要求1所述的薄膜形成装置，其特征在于第二波段包括使用薄膜的特定波段，并且该装置包括：用于确定形成的各层的膜厚度的装置；判断光谱特性之间的偏差估算值是否处于一个特定的允许范围的装置，其中光谱特性之间的偏差为已经形成了构成膜的部分层的状态下由第二光学监视器测得的特定波段的光谱特性与根据由确定膜厚度的装置确定的这些层的膜厚度算出的光谱特性之间的偏差；和在判断装置判定该估算值不在特定的允许范围内的情况下，用于停止这些层之后的各层的薄膜形成的装置。
14.一种制造光学元件的方法，其中光学元件有一个衬底和由形成在衬底顶部的多层组成的光学薄膜，该方法包括以下步骤：根据对各层设置的膜厚度值依次形成构成光学薄膜的各个层；根据第一光学监视器和第二光学监视器中的至少一个光学监视器测得的光谱特性确定形成的各个层的膜厚度，其中第一光学监视器测量第一波段中由形成的层显出的光谱特性，第二光学监视器测量第二波段中由形成的层显出的光谱特性。
15.一种制造光学元件的方法，其中光学元件有一个衬底和由形成在衬底顶部的多层组成的光学薄膜，本方法包括以下步骤：根据对各层设置的膜厚度值依次形成构成光学薄膜的各个层；根据第一光学监视器测得的光谱特性确定形成的各个层的膜厚度，其中第一光学监视器测量第一波段中由形成的层显出的光谱特性；和在已经形成了构成光学薄膜的所有层的状态下，根据第二光学监视器测得的光谱特性中至少部分波段的光谱特性确定构成形成在下一衬底上的下一光学薄膜的各个层的膜形成条件或设置的膜厚度值，其中第二光学监视器测量不同于第一波段的第二波段中由形成的层显出的光谱特性。
16.一种制造光学元件的方法，其中光学元件有一个衬底和由形成在衬底顶部的多层组成的光学薄膜，该方法包括以下步骤：根据对各层设置的膜厚度值依次形成构成光学薄膜的各个层；根据第一光学监视器测得的光谱特性确定形成的各个层的膜厚度，其中第一光学监视器测量第一波段中由形成的层显出的光谱特性；和在只已经形成了构成光学薄膜的一些层的状态下以及已经形成了构成光学薄膜的所有层的状态下，根据第二光学监视器测得的各个光谱特性中至少部分波段的各个光谱特性确定构成形成在下一衬底上的下一光学薄膜的各个层的膜形成条件或设置的膜厚度值，其中第二光学监视器测量不同于第一波段的第二波段中由形成的层显出的光谱特性。
17.如权利要求14所述的制造光学元件的方法，其特征在于该方法还包括这一步骤：根据在已经形成该层作为最上层的状态下确定膜厚度的步骤中确定的该层的膜厚度，调节构成光学薄膜的各层中的至少一层之后形成的各层的膜厚度设置值。
18.如权利要求14所述的制造光学元件的方法，其特征在于第一波段是可见区域内的波段，第二波段是红外区域内的波段。
19.如权利要求18所述的制造光学元件的方法，其特征在于光学薄膜用在红外区域的特定波段中，第二波段包括使用光学薄膜的特定波段。
20.如权利要求14所述的制造光学元件的方法，其特征在于第一和第二波段是红外区域内的波段，第二波段是第一波段内的部分波段。
21.如权利要求20所述的制造光学元件的方法，其特征在于光学薄膜用在红外区域内的特定波段中，第二波段包括使用光学薄膜的特定波段。
22.如权利要求15所述的制造光学元件的方法，其特征在于该方法还包括这一步骤：根据在已经形成该层作为最上层的状态下确定膜厚度的步骤中确定的该层的膜厚度，调节构成光学薄膜的各层中的至少一层之后形成的各层的膜厚度设置值。
23.如权利要求15所述的制造光学元件的方法，其特征在于第一波段是可见区域内的波段，第二波段是红外区域内的波段。
24.如权利要求23所述的制造光学元件的方法，其特征在于光学薄膜用在红外区域的特定波段中，第二波段包括使用光学薄膜的特定波段。
25.如权利要求15所述的制造光学元件的方法，其特征在于第一和第二波段是红外区域内的波段，第二波段是第一波段内的部分波段。
26.如权利要求25所述的制造光学元件的方法，其特征在于光学薄膜用在红外区域内的特定波段中，第二波段包括使用光学薄膜的特定波段。
27.如权利要求16所述的制造光学元件的方法，其特征在于该方法还包括这一步骤：根据在已经形成该层作为最上层的状态下确定膜厚度的步骤中确定的该层的膜厚度，调节构成光学薄膜各层的至少一层之后形成的各层的膜厚度设置值。
28.如权利要求16所述的制造光学元件的方法，其特征在于第一波段是可见区域的波段，第二波段是红外区域内的波段。
29.如权利要求28所述的制造光学元件的方法，其特征在于光学薄膜用在红外区域内的特定波段中，第二波段包括使用光学薄膜的特定波段。
30.如权利要求16所述的制造光学元件的方法，其特征在于第一和第二波段是红外区域内的波段，第二波段是第一波段内的部分波段。
31.如权利要求30所述的制造光学元件的方法，其特征在于光学薄膜用在红外区域的特定波段中，第二波段包括使用光学薄膜的特定波段。
32.一种制造光学元件的方法，其中光学元件有一个衬底和由形成在该衬底顶部的多层组成的光学薄膜，该方法包括这一步骤：利用如权利要求1～13任一项的薄膜形成装置在衬底上形成光学薄膜。
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