JP4235997B2 - 光学膜厚計測方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は薄膜形成用装置に搭載するレーザ光を光源に用いた光学膜厚計測装置に関するものであり、多層膜成膜時の層間でレーザ光の出力を可変させる事によって、高精度の光学膜厚の計測装置を提供しようとするものである。

高密度波長分割多重伝送方式（以下DWDMと記す）に於いて、波長の多重化及び多重化された光信号の分波には光合分波器が用いられるが、光合分波器内部で使用される誘電体多層膜構造の狭帯域バンド・パス・フィルタ（以下NBPFと記す）に要求される透過帯域幅、平坦度、透過損失、隣接波長との抑圧比等の光学的仕様は、光通信の高速・大容量化実現のために厳しい値となっている。表１に１００GHz（国際電気通信連合：ITUで規定された波長間隔）用NBPFに要求される光学的仕様の一例を示す。透過帯域内の最小透過損失は０．８ｄＢ以下が要求され、波形の矩形特性では−０．５ｄＢ帯域幅：０．４nm以上、且つ−２５ｄＢ帯域幅：１．２nm以下が要求されている。

前記NBPFは光の干渉を利用した光学薄膜の応用製品のひとつであり、その構造は高・低屈折率誘電体物質を交互に堆積し、層界面からの多重反射を利用して所望のフィルタリング特性を得るものである。図１はNBPFの基本構造であるが、透過波長：λに対して各層の光学膜厚がλ／４、すなわち高屈折率物質（25）と低屈折率物質（26）のペアでλ／２となるよう多層化することにより、層界面からの反射光が同相で加算されて反射帯層（27）となる。反射帯層（27）は２つ存在し、間に光学膜厚がλ／２の整数倍となるスペーサ層（28）を配置して対向させるファブリペロー構造のフィルタとなりキャビティ（29）を形成する。ＮＢＰＦでは前記光学的仕様を満たすためには、ファブリペロー構造のフィルタを結合層（30）を介して複数段接続したマルチキャビティ構造とし、その積層数は１００層以上の多層構造となる。更に、各層の光学膜厚は０．０１%以下の精度で制御しなければ、前記した光学的仕様を満足することが出来ない。

次に各層の光学膜厚制御方法について述べる。屈折率：ｎ_ｇの透明基板上に屈折率：ｎ_ｍの薄膜を厚さ：ｄだけ堆積させ、空気中または真空中で波長：λの光を入射した際、エネルギー反射率：Ｒは次の式で表わされる。

図２は透明基板の屈折率を１．５２とした時の光学膜厚：ｎ_ｍ・ｄと反射率：Ｒの関係を示したものである。光の干渉に伴いｎ_ｇ＜ｎ_ｍの場合エネルギー反射率：Ｒは増加し、ｎ_ｇ＞ｎ_ｍの時は反対に減少するが、ｎ_ｍ・ｄ＝λ／４で共に極値となる。このように、光学膜厚：ｎ_ｍ・ｄがλ／４の整数倍となる毎にエネルギー反射率（透過率）：Ｒは極値となる。NBPF製造に於ける各層の膜厚制御は、この極値で行われる。

図３に従来の光学膜厚計測装置を具えたNBPF用真空成膜装置の構成図を示す。真空容器（1）は図示していない油拡散ポンプやクライオポンプ等の真空ポンプにより１×１０^−５Pa台まで排気される。
基板ドーム（５）中心に取り付けられた成膜基板（６）は、基板内膜厚分布の均一化を図るため、図示していない高速回転機構により基板ドーム（５）と共に１０００rpmで回転し、基板加熱用シースヒーター（７）及びハロゲンヒーター（21）により加熱される。また、成膜基板（６）の温度は放射型温度計（17）を用いて測定し、実測データは温度調節器（18）に入力され、温度調節器（18）は、予め設定された温度と実測温度を比較・演算し、その結果を基に、成膜基板（６）が電子ビームからの輻射熱やプラズマ発生時の熱を受けても基板温度が常に一定となるようハロゲンヒーター用電力調整器（19）を制御する（特願2002-229025号）。

光学薄膜である誘電体膜の成膜には電子ビーム蒸発源（２）が用いられる。その際高周波電源（22）より出力される高周波電力（周波数：１３．５６MHz）を直接基板ドーム（５）に印加すると、基板ドーム（５）と蒸発源（２）との空間にグロー放電が発生しプラズマ状態になり、基板ドーム（５）に取り付けられた成膜基板（６）表面には自己誘起された負の直流電界が生じ、その高いエネルギーで高充填密度な薄膜が形成される。
マッチングボックス（23）は高周波電源（22）の出力インピーダンスと負荷である基板ドーム（５）を含む放電機構のインピーダンスの整合をとるものである。
水晶膜厚センサ（4）は蒸発速度を検出し、図示していないが電子ビーム蒸発源コントローラに検出信号をフィードバックし成膜速度を一定に制御している。

光学膜厚計測装置はレーザ光源（11）、光ファイバ（13）、出射筒（14）、受光器（15）及びコントローラ（10）部で主に構成されている。レーザ光源（11）から出射されたレーザ光（単色光）は、デポラライザー（12）、光ファイバ（13）、出射筒（14）、下部覗き窓（８）を介して成膜基板（６）、上部覗き窓（９）を透過し、単色測光用受光器（15）に入射する。成膜基板（６）上に堆積した光学薄膜の膜厚により変化した透過光量は受光器（15）で電気信号に光電変換される。コントローラ（10）は光電変換された電気信号を演算処理し、透過率がλ／４の極値に達した際、シャッタ（３）を閉にし、成膜を終了させ、順次誘電体物質を積層していく。

特開２００１−７３１３６号公報

図４に２７層構成のシングル・キャビティNBPFに於ける各層の透過率変化をシミュレーションした結果を示す。図は、横軸に層番号を、縦軸に透過率を示す。層番号は、基板から数えて何層目であるかを示し、同図に示すシングル・キャビティは反射帯層（層番号：1〜13、15〜27）とスペーサ層（層番号：14）とにより構成される。
NBPF製造時に於ける各層の膜厚制御は前記光学膜厚計測装置を用いるが、前記スペーサ層及びスペーサ層近傍の前記反射帯層での透過率の変化量は、他の反射帯層に比べて極めて小さい。

図４を参照に透過率の変化量を比較すると、例えば１層目の透過率の変化量は約２０％であるのに対して、１４層目のスペーサ層では１．６５％と１／１０以下であることが判る。膜厚制御における極値検出は透過率の変化を監視しているため、透過率の変化量が小さいと極値検出に誤差が生じ易く、結果的にNBPFの光学的特性が悪化するという製造上の大きな問題点を抱えてしまう。
そこでスペーサ層のように透過率の変化量が小さい層の極値検出には、受光器（15）以降の信号処理回路で電気的もしくは演算により透過率の変化量を拡大する手法もあるが、SN比（Signal to Noise ratio）は変わらないため極値検出精度の向上は望めない。

本発明は上記問題点を解決しようとするものであり、透過率の変化量が小さい層に於いて、SN比を向上させ尚かつ透過率の変化量を拡大し、高精度の膜厚制御を行う新方式の光学膜厚計測装置を提供することを目的とするものである。
目的達成のため、成膜基板に照射するレーザ光の出力強度を、成膜工程中任意の値に設定可能な構成とすることを特徴とする。
具体的には、成膜基板にレーザ光を照射するレーザ光源と、レーザ光源の出力制御を行う制御装置とを備え、成膜工程中にレーザ光の照射強度を可変することを特徴とする。レーザ光の出力制御は、各層における透過率または反射率の変化を予め算出し、透過率または反射率の変化量が小さい層を成膜する際にレーザ光源の出力を増大し、透過光量または反射光量を増大させて変化量を拡大し、極値検出を行う。

本発明により、レーザ光源の出力を任意の値に設定可能な構成とすることにより、高精度の極値検出を行うことが可能となり、膜厚制御の精度を著しく向上させることが可能となった。

図８を参照に本発明実施例を説明する。本発明は、レーザ光源である波長可変レーザ（11）の出力を制御する制御装置（33）を設けたことを特徴とする。その他の構成については図３に示す従来装置と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。以下、レーザ光源の出力制御装置をレーザ光源とは別に設置した例について説明するが、制御装置はレーザ光源に内蔵してもよい。
制御装置（33）は、レーザ光源の出力を成膜工程中任意の値に設定可能な構成とする。レーザ光の出力は、各層における透過率の変化量を予めシミュレーションし、変化量の小さい層では出力を増大するように設定する。
具体的には、スペーサ層及びスペーサ層近傍の反射帯層成膜開始前に、波長可変レーザの出力を増加させておく。

図４を用いてこの動作を説明する。図４より従来法でのスペーサ層（14層目）は、透過率：１．５％から成膜が開始され、３．１５％で極値を迎えている。この時の透過率の変化量は１．６５％となる。一方スペーサ層開始前に波長可変レーザの出力を例えば１０倍に増大した場合、透過率：１５％から成膜が開始され、３１．５％で極値を迎えるため、透過率の変化量は従来よりも10倍に拡大される。
制御装置（33）を用いて基板に投光するレーザ光の光量を増大させることにより、透過光量が増加し、ノイズを増大させることなく透過率の変化量を拡大することが可能となるため、SN比を向上させ高精度の膜厚測定を行うことが可能となる。
上記実施例では透過率を測定したが、反射率を測定してもよい。

前記した実施例を基に１００GHz用５キャビティ構成のNBPFを作成した。作成したNBPFはＴａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の光学薄膜材料を用い、それらの光学膜厚はλ／４（λ：１５５０nm）で堆積・制御される。Ｔａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の光学膜厚をλ／４とし、それぞれをＨ，Ｌとすると膜構成は、基板／｛[ＨＬ]^６Ｈ８ＬＨ[ＬＨ]^６｝Ｌ｛[ＨＬ]^７Ｈ８ＬＨ[ＬＨ]^７｝Ｌ｛[ＨＬ]^７Ｈ８ＬＨ[ＬＨ]^７｝Ｌ｛[ＨＬ]^７Ｈ８ＬＨ[ＬＨ]^７｝Ｌ｛[ＨＬ]^６Ｈ８ＬＨ[ＬＨ]^６｝／大気とした。

波長可変レーザの出力は、各キャビティの前半の反射帯層で３回増加させ、後半の反射帯層で３回減少させて元に戻している。各層に於ける波長可変レーザの出力を表２に示す。

成膜条件は成膜基板（6）の温度を４００℃、真空容器（1）内の真空度は酸素ガスを導入にしてＴａ_２Ｏ_５成膜時は２．５×１０^−２Pa，ＳｉＯ_２成膜時は１．５×１０^−２Paに保持され、Ｔａ_２Ｏ_５及びＳｉＯ_２の成膜速度はそれぞれ０．４nm/sec，０．８nm/secとした。

図５に１キャビティ目の各層における透過光量変化を示す。透過光量は相対的な透過率で示し、成膜開始時のレーザ出力における透過光量を透過率で示した値を基準とする。つまり成膜開始時のレーザ出力（−１０ｄBｍ）におけるレーザ光を、成膜基板を介さずに受光器に入射させた際の光量を透過率１００％とする。図中（32）は１４層目のスペーサ層における透過光量の変化を示す。図中（32）に示すスペーサ層では透過率２０％から成膜が開始され４３％で極値を迎えており、透過率の変化量は２３％となり、従来よりも約１４倍に拡大されていることが判る。

図６に、本発明膜厚計測装置を用いた成膜終了後大気解放した後、基板中心部の分光特性を測定した結果を示す。図７は、従来の膜厚計測装置を用いた成膜終了後、同様に分光特性を測定した結果を示す。
図６より、本発明膜厚計測装置を用いてスペーサ層及びスペーサ層近傍の反射帯層での透過率の変化量を拡大したことにより、極値の検出精度が向上し、図７に示す従来の膜厚計測装置を用いて成膜を行った結果に比べて極めて良好な光学的特性が得られているのが判る。

上記実施例では、ＮＢＰＦ用真空成膜装置について記載したが、本発明はNBPF用に限定するものではなく、他の真空成膜装置にも転用が可能である。
また、上記実施例では光源に波長可変レーザを用いたが、本発明は波長可変レーザに限定するものではなく、他の出力可変可能な光源にも転用が可能である。

NBPFの膜構成の説明図である。 誘電体薄膜の光学膜厚と反射率の関係図である。 従来の装置構成の説明図である。 透過率変化のシミュレーションを示したものである。 本発明の手法を用いて実成膜を行った際の透過率変化を示したものである。 本発明の手法を用いて実成膜を行った後、大気中で測定した分光特性を示したものである。 従来の手法を用いて実成膜を行った後、大気中で測定した分光特性を示したものである。 本発明の装置構成の説明図である。

符号の説明

１ 真空容器
２ 電子ビーム蒸発源
３ シャッタ
４ 水晶センサ
５ 基板ドーム
６ 成膜基板
７ 基板加熱用シースヒーター
８ 下部覗き窓
９ 上部覗き窓
１０ コントローラ
１１ 波長可変レーザ
１２ デポラライザー
１３ 光ファイバ
１４ 出射筒
１５ 単色測光用受光器
１６ 覗き窓
１７ 放射型温度計
１８ 温度調節器
１９ ハロゲンヒーター用電力調整器
２０ 低圧導入電極
２１ ハロゲンヒーター
２２ 高周波電源
２３ マッチングボックス
２４ 高圧導入電極
２５ 高屈折率物質
２６ 低屈折率物質
２７ 反射帯層
２８ スペーサ層
２９ キャビティ
３０ 結合層
３１ 基板
３２ 14層目のスペーサ層における透過率の変化
３３ 制御装置

Claims (2)

1. 多層膜を堆積する成膜基板にレーザ光を投光して該成膜基板の透過率または反射率を測定し、該成膜基板の膜厚を測定する光学薄膜計測方法において、
   各層における透過率または反射率の変化を予め算出し、
   透過率または反射率の変化量の相対的に小さい層を成膜する際に、該成膜基板に照射する該レーザ光の強度を増大させ、透過光量または反射光量を増大させ、極値検出を行うことを特徴とする光学薄膜計測方法。
2. 成膜基板にレーザ光を投光して該成膜基板の透過率または反射率を測定し、該成膜基板の膜厚を測定する光学薄膜計測装置であって、
   該成膜基板に多層膜を成膜する光学薄膜形成用装置に搭載され、
   該成膜基板に該レーザ光を照射するレーザ光源と、
   該レーザ光源の出力制御を行う制御装置とを備え、
   該制御装置は、成膜工程中に該レーザ光の照射強度を可変する光学薄膜計測装置において、
   各層における透過率または反射率の変化を予め算出し、
   透過率または反射率の変化量の相対的に小さい層を成膜する際に、
   該制御装置により該レーザ光源の出力を増大することを特徴とする光学薄膜計測装置。

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