JPH03149501A - 複数ノッチしわ付きフィルタ及びその製造方法 - Google Patents

複数ノッチしわ付きフィルタ及びその製造方法

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JPH03149501A
JPH03149501A JP2214471A JP21447190A JPH03149501A JP H03149501 A JPH03149501 A JP H03149501A JP 2214471 A JP2214471 A JP 2214471A JP 21447190 A JP21447190 A JP 21447190A JP H03149501 A JPH03149501 A JP H03149501A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、一般的には光反射フィルタおよび材料の分野
、詳しくは監視・フィードバック制御付着過程により製
造される複数ノツチしわ(rugate)付きフィルタ
に関する。
[従来の技術、及び発明が解決しようとする課題]光セ
ンサを運用する最も重要な基準は、センサがレーザによ
り破損する可能性を防ぐことである。
こうしたセンサの保護はレーザ硬化と呼ばれ、レーザが
距離の測定および通信など、産業および軍事用に広く使
用されるようになって必要が生じた。
こうした保護が必要なのは、レーザ光線は、味方から放
射されたか敵方から放射されたかに関係なく、またエネ
ルギーレベルが低い場合でも、破損しやすい構成要素ま
たは検出器要素を集中攻−または焼き尽くすことにより
、検出システムを使用不可能にしたり破損したりする場
合があるためである。こうしたシステムを保護する際、
スペクトルの変形が少なく、透明度が高くなければ、正
確な信号を表すことはできない。
従来のレーザ硬化方式では、こうした標準数な保護方法
は、異質の材料の交互の層から成る多層誘電反射フィル
タを使用する。このように個別の多層構造を使用する場
合の問題は、急激な界面における材料特性の不適合によ
り、各層に残留応力が生じることである。この応力は、
個別の多層コーティングに共通の問題で、構造を弱体化
し、層剥離の原因になる場合がある。さらに、異質材料
間の急激な界面は、転位が生じたり、不純物の濃度が高
くなる場所にもなり得る。放射線が検出器内に散乱する
かまたはフィルタ内に吸収された場合、これらの場所に
よって、フィルタの保護機能および出力許容範囲が低下
する恐れがある。多層フィルタでは、交互の層構造とい
うフィルタ設計の制約に固有の干渉効果により、望まし
くない側波帯反射ピークが生じるので、広帯域信号の透
過が不十分になる。
単純な反射多WJ誘電フィルタは一般に、屈折率が異な
る2種類の誘電材料の交互の層から成る。
この層は、薬品蒸着、スパッタ、熱蒸発など、公知の付
着技法により支持体表面上に形成される。
各層の光学的厚さくこの場合、屈折率と層の厚さの積)
は、反射される放射線の波長の174になるように選択
する。したがって、こうした構造は、「四分の−波長ス
タック」と呼ばれる。前記のとおり、こうした多層フィ
ルタには多くの問題がある。たとえば、強度の放射を受
けた場合、極めて局所的な場が各層表面間の急な界面部
分に生じ、その結果、温度が上昇して、界面の応力によ
り構造が破壊する原因になることもある。
1985年10月8日に発行、現論受入に論渡されたチ
ャーン(chern )等の米国特許第4,545.6
46号 光フィルタに使用する光学的材料を改良するた
め、材料の厚さの関数である化学量論的組成および屈折
率が連続して漸次変化する段階的屈折率(graded
 index)の光学的材料が提供された。チャーン等
の米国特許第4,545゜646号で開示された構造は
、多層フィルタの構造および性能上の制約など、多くの
様々な欠点を解決した。チャーン等は、放射の前に支持
体を予め決められた割合の第1と第2の蒸気相反応体に
暴露する方法を開示している。光学的材料の付着は、予
め決められた屈折率に従って行う。支持体を暴露する反
応体の割合は、時間の関数として、予め決められた連続
する方法で変える。この方法は、付着材料の化学量論的
組成および屈折率が予め決められたように連続して変化
することにより、一定の波長の放射線を反射し、屈折率
が段階的な反射を生じる方法とする。チャーン等のこの
単一ノッチ過程では、付着過程は予め決められたパター
ンに従って発生すると仮定されている。ただし、チャー
ン等は、付着パターンの正確度を保証する方法を提案し
ていない。
複数のレーザ光線から保護するには、複数の単一ノッチ
のしわ付き層を相互に積み重ねる。ただし、スタック間
には界面の問題が起こり得るので、各スタックは、個別
の処理セグメントが必要である。成分の正弦変調の並置
により、単一処理セグメントで、複数ノツチを同時に形
成することができる。チャーン等は、多数の正弦屈折率
(index)プロフィールの線形並置に基づく複合屈
折率(index )プロファイルを持つ段階的屈折率
(graded index  ) :f−ティングか
ら複数ノツチフィルタを形成する方法も開示している。
例えば、個別の3つの屈折率(index)プロフィー
ルを結合すると、個別の3つの波長から保護できる複合
屈折率プロフィールを形成することができる。付着パタ
ーンを管理して正確さを確保する能力は、複数ノツチフ
ィルタの製造では特に重要である。ただし、しわ付きフ
ィルタの製造では、米国特許第4,707,611号で
サウスウェル(Southvell )等が開示してい
るように、本来の設計ガイドとの約1%以下の誤差を許
容することができる。したがって、誤差が1%を超える
場合、発生する都度補正するか、または製造工程を終了
して再始動する必要がある。
したがって、光フィルタの分野では、複数ノツチしわ付
きフィルタを段階的屈折率(gradedlndex)
の光学的材料から制御可能な方法でかつ正確に形成する
方法に対するニーズがある。
[課題を解決する為の手段及びその作用]本発明は、一
様な支持体上に付着させ、所望の特性を有する薄膜複数
ノツチ光フィルタを確実に達成する誤差補正方法に関す
る。薄膜で光学的に相互作用する媒体は、アルゴリズム
制御で誤差補正が行われてほぼ連続的に変化する、支持
体平面に対して垂直な屈折率プロフィールを持つ。媒体
の変化する屈折率プロフィールは、主に複数のノツチつ
まり波長の複数の帯域で反射する。複数ノツチフィルタ
の形成に必要な屈折率プロフィールは、正弦的に変化し
、それぞれが単独で1つの波長つまりノツチで反射する
屈折率プロフィールの組合せつまり並置である。本発明
の1実施例では、光学的に反射する媒体は、酸化ケイ素
(SiO)を光、化学的に付着させたフィルムから成る
本発明の光フィルタ媒体は、連続的に変化し、光学的に
コーティングを監視するアルゴリズム法に従って誤差を
補正される屈折率プロフィールを特徴とし、媒体は、付
着の際に複数回の正弦的位相調整が行われて、予め決め
られた光学的に測定可能なパターンを取る。したがって
、アルゴリズムの使用は目新しいが、光学的監視は従来
の標準的な手段で実施できる。光学的に相互作用し、一
様な支持体上に塗布される媒体は、支持体とともに、本
発明の複数ノツチしわ付きフィルタを構成し、フィルタ
が反射する波長の特定のノツチ付近またはノッ千部分以
外では光線(opticalradiation )を
透過する。こうした媒体を[複数ノツチしわ付きフィル
タ」と呼ぶ。この複数ノツチしわ付きフィルタ法の顕著
な側面は、この光学的媒体の層を構成するに当り、おの
おののノツチに望ま′しいブラッグ反射条件が正確に達
成されるように、平均屈折率と成分の正弦周期の厚さと
の積を維持することである。この結果は、フィルタ付着
の際に、光学的監視信号によるアルゴリズム動作に基づ
いて誤差を補正することにより得られる。アルゴリズム
は、付着インデックス(index )プロファイルに
対して、縦または横に微調整するように指示し、誤差が
補正されて、理論上望ましい複数ノツチしわ付きプロフ
ィールを正確に取れるようにする。したがって、その結
果生じる付着−インデックス(index)プロフィー
ルは、実際に実現可能な複数ノツチしわ付きフィルタ特
性になる。一様な支持体上に塗布される複数ノツチフィ
ルタ媒体を構成するこのアルゴリズムによる付着方法は
: (a)支持体を11洪し: (b)物理的、化学的に相互作用し、支持体上の層とし
て光学的材料を構成する反応体を提供し:(c)層の厚
さに対する屈折率が理想的なターゲットプロフィールを
提供し、このプロフィールは、単一ノッチの正弦パター
ンを並置して構成した複数ノツチの複合パターンを持ち
、ターゲットプロフィールから、プロフィール沿いの各
点に対応する、時間的に連続する点における光学的厚さ
の理想的な値を決定し: (d)理想的なターゲットプロフィールを持つ層を形成
するように作用する反応体に対する時間の関数として、
ターゲット処理条件を提供し:(e)かかる処理条件を
開始し、付着プロフィールをもつ層を形成し: (f)付着層を連続して光学的に監視し、制御信号を発
信し: (g)制御信号から、付着層の光学的厚さの増分測定値
を決定し、光学的厚さの増分を連続的に監視し: (h)光学的厚さの値が、理想的なターゲットプロフィ
ールを生成するターゲット処理条件に対して予め決めら
れた時間に測定されるかどうかを決定し; (i)上記「h」項に基づいて、理想的なターゲットプ
ロフィールに正確に従うように、屈折率対層の厚さの付
着プロフィールに対して行う必要がある複数の正弦位相
角調整を決定し:(j)時間が経過したら処理条件を変
更し、実際のプロフィールに従って調整を行い:(k)
複数ノツチしわ付きフィルタを形成するのに必要な回数
だけ上記「f」から「j」項を繰り返す: 各工程を含んでいる。
複数ノツチしわ付きフィルタ媒体は、しわ付きフィルタ
を形成するために付着するので、光学的監視ビームは、
既知の入射角で媒体に反射するかまたはそこを透過して
、光学的厚さ検出システムにいたる。このシステムは、
四分の−波長スタック付着の監視および制御に使用する
システムと類似する従来の構造でよい。この検出システ
ムは、ビーム強度の関数である出力信号を生成して検出
器に送る。、この出力信号は、コンビ二一タ化付着制御
装置にフィードバックされ、付着の指令を調整する。特
に、実際の(付着)プロファイルに生じる可能性がある
系統的または偶発的な誤差を補正するため、(成長厚さ
に関する)ターゲット屈折率プロファイルに指令が送ら
れ、ターゲットの光学的厚さが予定通、りに遅< (o
verdue−)または早期に測定されたかに応じて、
横または縦方向に構造を微調整するように指令される。
本発明の誤差補正法に従って生成された複数ノツチしわ
付きフィルタ媒体は、所望のフィルタが正確に達成され
るように複数正弦変調された屈折率プロファイルを生じ
る。ブラッグの法則によると、ノツチの波長は、(フー
リエ成分(Pourler component ))
のように個々に、各正弦周期厚さの2倍と平均屈折率の
積であるからである。光学的厚さ検出システムが相対的
に正確である場合、補正処置を十分に頻繁に行えば(一
般に、最も重大な誤差を補正するには、最短の正弦周期
で4回)、所望の複数のブラッグ反射構造も正確になる
[実施例] 第1図は、フィルムの厚さ方向2沿いに取った理想的な
3ノツチしわ付き(rugate)フィルタのプロファ
イルの略図を示す。最終理想厚さはd。
nm は周囲媒体(空気)の屈折率(index )、
n s  は支持体の屈折率(index ) 、nは
平均理想屈折率(index )である。複数ノツチし
わ付きフィルタの一例として、3ノツチを使用して説明
する。ただし、これは、本発明を3ノツチフィルタに限
定することを意図するのではなく、必要な数のノツチを
含む。「ノツチ」という用語は、透過率がほぼゼロの帯
域を指すために認められている意味で使用する。この理
想プロフィールは、それぞれ以下の方程式に基づく3つ
のノツチの正弦変調成分を並置して形成する。
−方程式(1) ここで:λ、−各透過度ノッチの波長:1−フィルム厚
き木間における1周 期の平均屈折率(index ) ; そして Δn1−正弦成分の振幅変調:である。
フィルム厚さ空間(Z軸沿い)におけるインデックス(
index )プロフィールの各正弦成分は、スペクト
ル的に純粋な形態の周期的構造物(perIo−dlc
 structure)で、それぞれの狭い波長帯域で
起こるブラッグ反射を生成する。ここで使用する”ブラ
ッグ反射”という用語は、しわ付きフィルタの周期的構
造物が、本来X線の回折に適用されるブラッグの法則に
従う事実を指し、これは、以下で定義するしッチ波長”
において波長が最大の反射率があることを示唆する。
λ1−2nUiCosθ 方程式(2) ここで:L、−周期性の各物理的長さ、つまり2軸沿い
のフィルム厚さ空間に おけるi番目の周期性サイクル そして −一表面に対して垂直に測定した放 射線の入射角:である。
ブラッグの法則の説明は、たとえば1966年り、 )
IallldaFおよびR,Resnlek著の「物理
学」第1部および第1部、1140ページ以降、並びに
1977年P、 Yeh s轟、Yar1vおよびC,
−S、 H。
ng発行の J、 Opt、 Soc、 Am、  第
67巻、423ベージ以降に記載されている。これらの
文献は引用することによりここに含む。
高インデックス(index)と低インデックス(in
dex)の同質のフィルムを交互に2枚重ねた多数の層
から形成される四分の−波長スタックと異なり、本発明
のしわ付きフィ、ルタは連続して変化し、連続的に変化
する処理条件を用いて支持体上に付着させることができ
るので、フィルタ媒体材料の組成が連続的に変化し、屈
折率は付着したときに付着表面で局所的に連続して変化
する。公知の構造のように、交互に重なる同質の2枚の
フィルムから成るスタックではなく、フィルタ付着時に
2種類の光学的材料が適切に混合されて、”複数ノツチ
しわ付きフィルダダを構成するしわの屈折率(ruga
te lndex)プロフィールが生成される。適切な
混合の処理条件は、所望の複合屈折率値に対する付着速
度および成分である光学的材料の混合の特徴を表す以前
の校正試験から予め決定することができる。
光化学蒸@ (photo−CVD )は、SiOの形
式で、つまり、たとえば現譲受人に対して譲渡されたチ
ャーン(chern )等の米国特許第4,545゜6
46号に記述されているように、シラン ー(S I 
H,s )および一酸化二窒素(N20)から変化する
Xフラクション(rractton )  (1≦X≦
2)を含む酸化ケイ素の形式で連続的に変化する屈折率
プロファイルを持つ光学的塗膜を生成するために使用す
る。チャーン(chern )等の特許は、引用するこ
とによりここに編入する。層の酸素フラクシジンは変化
して(一酸化ケイ素および二酸化ケイ素材料が反対方向
に混合 (eounterblend)される)、シわ付きフィ
ルタの屈折率プロフィールを生成する。屈折率は、0≦
y≦1の場合、以下のとおりyフラクションで変化する
ので、このプロファイルは、約1.46から2.0の屈
折率で生成できる。
n (y)−1,46+0.54y 方程式(3) %式% 可視物(the vlslble )ではほぼλ。
本発明のこの実施例は、以下の第5図の説明で詳しく述
べる。ただし、本発明は光化学的蒸着に限°られるので
はなく、2種以上の反応体が物理的または化学的に相互
作用して、光学的材料の層に付着する光学的材料のいか
なる形成方法にも適用することができる。その他の方法
としては、金属有機薬品蒸着、熱蒸発または物理的蒸着
、電子ビーム蒸発、スパッター付着、および分子ビーム
エピタキシアル成長など、熱化学蒸着を含むが、これら
だけに限らない。
第2a図の実線32は、理想的な3ノツチしわ付きフィ
ルタのインデックス(index )プロフィールと点
線のプロフィール34沿いに偶発的および系統的誤差を
シミュレートした「誤差プロフィ−)し、」に関する成
長厚さを示している。一定で時間に無関係の系統的な誤
差はこのプロフィール(つまり、誤差プロフィール)の
原因になり、厚すぎる結果を生じる。また、偶発的誤差
は小さい局所的な偏差の原因になる。第2b図は、第2
a図のインデックスプロフィールの理想的で誤差のない
(実線)36および誤差を含む(点線)38の反射率対
波長のスペクトル(ノツチ波長λ3に拡大)を示す。ノ
ツチ領域は、誤差プロフィールのスペクトルが大幅に変
形しており、これらの誤差は、本発明のアルゴリズムに
よって補正されない点に注意しなければならない。
説明上、一般的なブラインドプロセス(bllndpr
ocess )制御の結果が多少誇張されてはいるが、
第2a図の誤差プロフィール34は、統計上周期毎に3
0回、つまりプロフィール全体で約1680回発生し得
る偶発的誤差を含む。これらの偶発的誤差は、1680
回の付着増分それぞれの光学的厚で約10%の標準偏差
に特徴がある。また、任意に選んだ一定の系統的誤差が
あり、この誤差により付着速度は10%速くなる。この
系統的誤差によって、結局、プロフィール全体の光学的
厚さくつまり、フィルム厚さ空間に対するインデックス
プロフィールの積分)は約10%大きく仕上がることに
なる。
第2a図に32で示すような理想しわ付きフィルタプロ
フィールは、誤差が生じない場合、適切に変化する付着
パラメータにより達成することができる。光化学蒸着(
photo−CVD )処理では、一次パラメータは、
前に引用したチャーン(charm )等に述べられて
いるように、一酸化二窒素(N20)の背景において前
駆物質シラン(S I Ha )の濃度である。したが
って、予め決められた校正を用いることにより、しわ付
きフィルタの屈折率プロフィールを$制御するには、時
間の関数である付着パラメータを変え、本発明に基づく
インデックスプロフィールを持つ複数ノツチしわ付きフ
ィルタを形成すればよい。
本発明に従って、しわ付きフィルタ媒体が、予め決めら
れた誤差補正機構の命令に従って支持体上に塗布される
ようにアルゴリズムによって制御される、つまり、ブラ
ッグの法則と光学的厚さ信号監視を使用する複数ノツチ
しわ付き付着方法を提供する(誤差が生じない場合)。
したがって、この方法は、所望の複数ノツチしわ付きフ
ィルタ特性を生じるのに十分な、周期的に正確な正弦イ
ンデックス変調によりインデックス成分を達成する。
しわ付きプロフィールは、媒体が支持体上に付着する際
の媒体の光学的監視を含む予め決められた誤差補正機構
を具備する本方法に従って考案される。第3a図に示し
たアルゴリズム処理の例として、光学的監視信号(この
場合、最低ノツチ波長λ、の1/2の監視波長による通
常の入射角の単一波長反射率)、点線200は、第2a
図と同じ誤差を持つ屈折率プロフィール(実線202)
に対して並列されたが、本発明のアルゴリズムが行う補
正作用により補正されている。縦(104のV)と横(
102の■)のインデックスプロフィールの補正を第3
a図に示し、以下で詳しく説明する。t33 a図では
、nはインデックスプロフィール、2はフィルムの成長
厚さ、dt′□はフィルムの一次的な厚さ、Rは光学的
監視反射率である。
光学的監視フィルム厚さの増分はL1*/4で、L1本
は局所的に誤差がある最小周期である。第3a図は、ア
ルゴリズムの動作を拡大するために、フィルムの初めか
ら3番目だけを示す。偶発的および系統的誤差はアルゴ
リズムに考慮されているので(詳細は、第4aおよびb
図に示す)、′NA3b図に記載されている極めて正確
なプロフィール、および第3C図の反射率スペクトルに
記載されている微調整された複数ノツチしわ付きフィル
タの確立に役立つ。第3C図では、理想プロフィールは
実線(第2a図の線32と同じ)で示し、誤差補正プロ
フィールは点線で示す。第3C図は、理想(実線)20
4および誤差補正(点線)206反射率スペクトル対波
長スペクトルを示す。第3C図の誤差補正スペクトル2
06は、第2b図の誤差補正スペクトル38を本発明の
アルゴリズムを用いて改良したものである。第3a図で
は、縦の補正は横の補正よりも多い点に注意しなければ
ならない。この場合、系統的な誤差によって付着速度が
速くなっているためである。
しわ付きフィルタは、確実に、かつ制御された方法で付
着するように以下の問題を考慮したアルゴリズムに従っ
て一様な支持体上に付着する。付着はリアルタイムで行
われるので、媒体は継続して光学的に監視され、正弦的
に発生する複数の媒体プロフィールが光学的厚さの増分
を測定して、理想ターゲットの光学的厚さの増分と完全
に正確に一致させる。継続中の処理は、予めプログラム
に組み込まれた代替シーケンス(アルゴリズム)に従っ
て調整が行われ、光学的厚さ信号が光学的媒体の正弦付
着を正確に案内する。(1)光学的厚さ信号が実際に測
定された場合、付着条件がジャンプし、誤差が生じた場
合の処理条件ではなく、この信号に対する処理条件に従
って続行するか、または(2)光学的厚さ信号が現在の
処理条件に対して遅れている(overdue )場合
、処理条件はターゲットの光学的厚さ信号を予想して待
つ。
(誤差がない場合、付着処理条件はこの信号に対する処
理条件に従って続行する。)したがって、本発明は、横
および縦のインデックスプロフィール補正処置の両方を
行うことができる。(「横」および「縦」という用語は
、第3a図にそれぞれrHJとrVJで表されるように
、厚さ平面に対するインデックスの2つの垂直方向を指
す。)最小および最大干渉は、反射率に関して第3a図
に点!1200で示すように、反射または伝送された監
視波長に関する光学的厚さの四分の−波長増分ごとに発
生するので、正確な増分の光学的厚さ信号は、標準的な
従来の手段で容易に測定できる。・最大と最小の監視は
、先行技術では「極値法」と言われている。
第4a図は、本発明の処理段階制御アルゴリズムの流れ
図を示す。屈折率対層の厚さの理想プロフィールは、タ
ーゲットプロフィールとして予め決められている。この
理想プロフィールには、複数ノツチフィルタの複数正弦
パターンがある。また、このプロフィールには、予め決
められた光学的厚さの値も含まれ、これらの値は、理想
ターゲットプロフィール上の点に対応する時間的に連続
する点で予め決めることができる。時間の関数としての
ターゲット処理条件は、既知の処理パラメタに基づいて
予め決められるので、理想ターゲットプロフィールが案
内する光学的材料層の形成に有用である。これらの処理
条件は、一連の校正試験により決定される。こうした試
験では、選択した処理に影響する変数が変更され、付着
層に対する影響が決定される。化学的沈着処理に関する
こうした変数には、反応体の割合、反応体の濃度、各反
応体の流量、気体全体の流量°、圧力、反応体の温度、
支持体の温度、付着速度が含まれるが、これらだけに限
られない。(ここで用いる「反応体」という用語は、物
理的に相互作用する物質および化学的に相互作用する物
質を含むように意図している。)光化学処理に関するそ
の他の関連変数としては、放射線の強度および放射源と
支持体間の距離がある。理想ターゲットプロフィールに
対する処理指令は、誤差の補正に必要な場合、現在の処
理条件および光学的厚さくOT)の状態に関連して、繰
り返しおよび/または絶え間なく起こる複数正弦位相調
整(アルゴリズムにより制御)の際にシフトされる。
本発明を特定の動作論に限定する意図はないが、本過程
を裏付ける理論は以下のとおりであると考える。アルゴ
リズムにより案内されるプロフィールは、以下のとおり
に表現できる。
方程式(4) ここでニーn−光学的材料の屈折率:   −′  i
−フィルム厚さ空間(2)における1周期に関する平均
屈折率: m−しわの(rugate)透過ノツチの合計数: 2一層またはフィルムの設計位置: i−コンポーネント整数; Δni−i番目のpeak−to−thro−ugh 
indexの変化; λ、−i番目のノツチ波長;  *−局所的な偶発的および/または系統的誤差を生じ
得るパラメタ(未 知)で、φ、で補正される: φ1−i番目の正弦位相調整で、λ1におけるブラッグ
反射作用を保証す るためにアルゴリズムにより繰り 返し更新される(第4a及び4b −参照) ″ ここで:λ2−プローブ監視波長; q−q番目のOT(整数=1.2. 3、.。);そして z′−q番目のOT信号が遅れる (overdue )ときは2であり、q番目のOT信
号を受信したと きはzq(zの値)である。− φ8はそれぞれ、複数正弦位相角調整の1成分である。
「複数正弦位相角調整」という語はここでは、正確に理
想ターゲットプロフィールに従うために、各アルゴリズ
ム決定点において同時に付着プロフィールに指令する必
要がある複数のφ、を意味する。
一般に、屈折率は、材料システムの1つのパラメータ(
たとえば、化学量論的材料フラクション「y」)に関連
することができ、この1つのパラメータは、時間の関数
として$411することができる。通常、インデックス
は有効範囲全体で単調に動作する、つまり逆の関係も関
数であり、システムパラメータはインデックスの関数で
ある。したがって、インデックスの設計が一定で(たと
えば、インデックスプロフィールを正弦曲線の和として
説明できる方程式1のn (z) ) 、予め校正され
た付着速度が分かれば、包括的な処理条件は、時間の関
数として広く制御可能であると考えることができる(た
とえば、各正弦曲線は、方程式4のn(z;φρにおい
て位相補正φ1を取ることができ、目標2は時間の関数
であることが出来る)。同様に、これは以下の意味があ
る。包括的な処理ψの処理条件は、以下のとおりである
ここで、P、は適切なパラメータが合計S個の処理条件
においてj番目のパラメタ、有効な材料混合物を達成す
る為には、2つの成分UおよびvはUyVl 、((1
;y≦1) であり、ここで混合物は以下の屈折率を有
し、n−n(y) 方程式(6) 従って混合物は校正された処理パラメタの関数y聯Y(
P     P     P     ・・・P 、・
・・P  )1°   21  3    3    
 ti方程式(7) yがおのおののp、の有効範囲全体で単調に変化し、n
 (y)がこのyの範囲全体で変化する場合、屈折率プ
ロフィールを制御する為に、処理条件を、時間、tおよ
び正弦位相、φ、の関数マーV (t :$、) −v
 [P、 (t :φ1)。
P2(t ;φi)、・・・Pj(t;φi)。
・・・P  (t:φ、)] 方程式(8) として制御できる。これは以下の理由に従うP、=P、
(y)、OFにおける単調性(sonotonic )
 、  Y  −≦y≦y   )mtn      
      max方程式(9) V−y(n)、(nにおける単調性(gono−ton
ic)*n   −≦n≦n     )mtn   
        max 方程式(10) n−n(z;φ、)、(上記の方程式4からのプロフィ
ール設計) z=z(t)、(時間の関数であるターゲット厚さ) 方程式(11) %式%])) :) 方程式(12) したがって、マーマ(t;φ、)は上記の方程式8にお
いて真であり、処理は時間の関数として制御できる。
z−z(t)は、以前に校正した付着速度または時間の
関数である付着速度の傾向(behavior)によっ
て決まるが、実際の厚さを独立する厚さモニタ(たとえ
ば、校正済みの水晶結晶板モニタ)で決定できる場合、
変数は、こうして独立して測定された厚さ、2とするこ
とができてさらに有用である。
Δ0.に対する唯一の制約はインデックス変調! の最大振幅、以下の処理に利用可能なΔ”maxにより
課せられる。即ち したがって、包括的な処理条件が、処理誤差を条件とす
る所望のインデックスプロフィール設計のブラインド(
bllnd )処理制御に対して存在する場合、本発明
の位相制御アルゴリズムを使用すると、こうした誤差の
補正を指令することにより、こうした処理を向上させ、
十分に制御することができる。
一例として、(0≦y≦1)として (S i O)   (S i O2) 1−アの光化
学的蒸着による複数ノツチしわ付きフィルタの付着を考
えてみる。
材料シXチムニ U−S i O,V−S i 02実
際のあらゆる目的上、上記の方程式6は(近似(nea
r)λ=0.6μm)で以下であると分かる。
n−n (y)=1.46+0.54y。
(0≦y≦1) 方程式(6A) 単調な傾向(behavior)は、方程式1oが以下
であることを意味する。
シラン(S iH4)および一酸化二窒素(N20)な
どの処理前駆物質を適切に変えることにより、フラクシ
ョン、yを制御することが可能である。たとえば、Si
Hの流量、Fsだけを変え、チャンバ圧力[1〜2トル
(To r r) ]、支持体温度[50〜200℃]
、およびN。
の流ffi[50〜100標準立方センチメートル/分
(SCCM)1など、その他のphoto−CVD処理
条件を一定に保つと、所望のフラクションを達成できる
。方程式フは(P、−F8)になる。
y−y(F  )−c  v  −c1゜8     
    OS [C1/C0≦Fs≦(1+C1)/C0]方程式(7
A) ここで、CとC1は、チャンバの幾何学的形態などのパ
ラメタで決めた校正定数である。一般に、チャンバは米
国特許!4,371,587号に記述されている構造と
し、支持体温度が約100CのときのN20の流量が約
65  SCCMとすると、C=0.065/SCCM
、お、1.びc1=0.065となる。
方程式フはFsにおいて単、iEl (s+onote
nfc )であるから、方程式9は以下となる。
方程式(9A) 次に、方程式4のプロファイル構造を達成するためのア
ルゴリズム処理指令に関する方程式12は、以下となる
ここで、n [z (t) ;φ、】は、方程式4から
以下となる。
z(t) = I、  R(ty+)atwここで、R
(t)は、平均濃度を仮定して以前に校正した、つまり
水晶結晶モニタを使って独立して測定した付着速度であ
る。
最後に、時間の関数としての処理に関する方程式8は、
以下となる。
マ (t;φ、)−マ [P   (t;φ、)]A 
    L    A   IA     を−▼A[
Fs(t:φ1)] 方程式(8A) 上記の光化学的蒸着過程は、単なる一例として挙げたに
過ぎない。本発明に基づく光学的材料の付着過程につい
て、特定の付着過程の特徴を考慮に入れた上で同様の計
算を行うこともできる。
ここで第4a図に戻ると、本発明の過程はボックス44
から開始する。光学的材料は、連続するリアルタイム制
御に基づき、処理に対する初期の位相調整をゼロに設定
して(処理条件の状態は、当初のスケジュールでは誤差
がない)、支持体上に付着を開始する。次に、処理条件
は、ボックス46(フィルム処理ガイド)において上記
の方程式(4)により導かれる。次に、支持体上への媒
体付着に関する現在の処理条件がボックス48内の予想
光学的厚さ信号(OT)より先にあるかどうか、問い合
せが行われる。処理条件は最初、スタート44のスケジ
ュールどおりなので、アルゴリズムの流れは少なくとも
最初はボックス52に進み、OT信号が予想されないか
または最初に測定されないので46に戻る。処理はスケ
ジュールどおりであるか、あるいはスケジュールどおり
であると阪定され、アルゴリズムは最初、ループ4ロー
48−52−46で続行する。
処理条件がスケジュールより先にある(つまり、予め決
められ、予想される光学的Lqさがまだ測定されない)
場合、処理パラメタは、予想光学的厚さ処理条件50に
留まるようい指令される。こうした「保留」調整は、誤
差がある場合、現在付着しているフィルムのインデック
スが低すぎるか、付着量が少なすぎる、またはプロフィ
ールの現在の光学的厚さが小さすぎるときに行われるの
で、現在指令されている処理条件は、実際に測定される
光学的厚さに関するスケジュールより先になる。
この調整のあと、光学的監視52が行われる。予想光学
的厚さが実際に測定されるまで、アルゴリズムはループ
4ロー48−50−52−46で続行し、一定の水平方
向のプロフィール指令セグメントに対してφ、を継続的
に変更する指令が生じ! る。菱形52では、一般に直角かまたはほぼ直角の入射
角で光のモニタビームをサンプルに反射させるかまたは
サンプルに透過させて光信号を発し、この光信号から実
際の光学的厚さを決定して、光学的監視が行われる。°
一般に従来、光学的厚さ信号は、こうして送られた単一
波長のモニタビームの最小または最大強度により容易に
発信され、これらの極値強度は、モニタビーム波長に関
する光学的厚さの四分の−波長に対応する。これは、先
行技術では「極値法」と呼ばれている。予め決められた
光学的厚さが最後に測定されると、アルゴリズムは処理
をボックス45に渡し、そこで、位相は、予め決められ
た光学的厚さに対する処理条件に固定される。この場合
、ループ4ロー48−50−52は50で終了し、ボッ
クス5oで得られたφ1の最後の値が使用される。ボッ
クス54のあと、最終的な光学的厚さがボックス56に
達したかどうかについて問い合せが行われる。到達して
いる場合、処理はボックス58で終了する。
到達していない場合、ボックス48または52で肯定的
な決定が下されるまで、フィルム成長処理が同じ位相で
少なくとも直ちにループ4ロー48−52−46で続行
する。
ボックス54の通過は、最初に4ロー48−50−52
の順に通過する代わりに行うことができる。これは、処
理条件が正確にスケジュールどおりであり、誤差または
位相の変更が必要ない場合に可能である。
あるいは、処理条件がスケジュールより遅れている(つ
まり、予め決められた光学的厚さが早期に測定される)
場合、急激な位相調整の1セットだけに対して、処理条
件をこの既知の光学的厚さの点にするように指令する。
この調整は、誤って、現在の付着速度が速すぎるか、現
在付着しているフィtlyムのインデックスが高すぎる
か、またはプロフィールの現在の光学的厚さが大きすぎ
る場合に行われるので、現在指令されている処理条件は
、測定された光学的厚さに関してスケジュールより遅れ
る。この何れの場合も、ループ4ロー48−52−46
は一時的に遮断され、ループ4ロー48−52−54−
5ロー46を通過する。ただし、最終的な光学的厚さの
増分が測定され、処理がボックス56を通ってボックス
58で終了する場合、このループの通過は起こらない。
第4a図のアルゴリズムの目的は、実際の平均屈折率(
i)と実際の成分の周期的厚さくり、)! の積を正確に保ち、上記の方程式(1)に示したブラッ
グ9条件を成分ごとに(周期的に変わるように維持する
ことである。第4a図の処理制御アルゴリズムは、tJ
 B a図に示す漸増する光学的厚さ信号を読み取り(
L1*/4−λp / 4 E *増加ffi (In
crements) ) 、第3a図の誤差補正が適切
な処理指令で行われる方法を支配する。第3a図は、最
低ノツチ波長の172 即ちλ −172λ1のプロー
ブ監視波長を使って、フィルム厚さくz)に対する反射
率(R)のグラフ上で測定した光学的監視信号の略図を
示す。適切な信号は、極値法を介してこのプローブ波長
に対する四分の−波長の光学的厚さ増分に対応する最小
と最大において、またはλ / (4R* ) −L 
1 * / 4において急生する。第3a図では、補正
処置がどこで取られるかを正確に確認するのは困難であ
る。
補正によっては小さすぎるため、何らかの補正が必要か
ど、うかを確認できない。あるいは、付若プロフィ−7
J/p<補正指令セグメントでまだ偶発的誤差の対象多
こな7ているため、補正があいまいな場合もある6  
− 横のプロフィールセグメントの補正は、フィル4成長の
各周期に対する所望のブラッグ条件にさらに適合するよ
うに、第3a図の102においてアルゴリズムノこよっ
て行われる。同様に、第3a図は、所望のブラッグ条件
に適合するように、104において縦のプロフィールの
ジャンプ補正が行われることを示している。第3a図の
横のプロフィールセグメントは、光学的厚さの現在の付
着速度がスケジュールよりも遅すぎるため、光学的監視
信号が、処理条件の現在の指令に対して遅れている(o
verdue )第4a図のボックス50のアルゴリズ
ム指令に対応する。あるいは、第3a図の縦のプロフィ
ールのジャンプ104は、光学的厚さの現在の付着速度
が処理条件の現在の指令に対して速すぎるため、光学的
厚さの増分がスケジュールよりも速く進みすぎる第4a
図のボックス54のアルゴリズム指令を示す。
第4b図は、処理を導(のに適する分析方程式(方程式
(4)から)を含むアルゴリズムを示す。
ここでNは、所望のノツチ透過または反射に達するのに
必要な光学的厚さ信号の最終的な数である。
下位の波長ビーム監視を行って、より多くの補正の機会
を監視すると、当然さらに正確になる。
あるいは、最小感度法を用いる走査モノ、クロメータ技
法を使用して監視することもでき、この場合、四分の−
波長より短い非四分の−波長光学的厚さに相当するフィ
ルム厚さ増分が生じる。
誤差補正制御による現在の付着アルゴリズム法は、正弦
成分により、絶えず変化する屈折率がむやみに(bli
ndly )生じるどの処理にも適用することができる
。このアルゴリズムは、補正処理指令を発して薄膜のし
わ(rugate)の付着全体で各成分に対するブラッ
グの条件を十分に維持することにより、この結果を達成
する。
明確かつ単純な改良は、第4a図のアルゴリズムのフレ
ームワーク内に含むことができる。たとえば、一定また
はほぼ−足先だ系統的な誤差では、しわ(rugate
)が付着する多数の正弦周期全体で、はとんど同じだが
繰り返し続くアルゴリズム補正が行われるだろう。明か
な処理調整は、こうした一定またはほぼ一定した系統的
誤差をなくして、理想ターゲットに近い指令されたプロ
フィールを達成するために行われる。
本発明の処理制御アルゴリズムの複数ノツチフィルタの
作成に対する適用は、第5図の光化学的処理構成図に示
されている。処理付着源158は、たとえば2種類のプ
ロセス気体(シランおよび−酸化二窒素)および1種類
のパージ気体(窒素)から構成され、これらは、独立す
る質量流量制御装置(図示しない)を介して光化学的蒸
着システム(一般に76で表す)に送られ、しわ付きフ
ィルム、またはSiOなど、選択した材料を成長させて
光学的材料を形成する。気体は圧縮気体シリンダから供
給され、弁の開閉およびシステム内の質量流量制御装置
を介する気体のながれは、プロセス用計算機制御装置6
8により自動的に制御される。あるいは、この制御は手
動で行ってもよい。流入するシランはシリコン源として
使用され、一酸化二窒素は酸素源になり、この2つの反
応体は流量で供給され、付着支持体つまりサンプル10
の部分で予め決められた気体混合物になる。これらの気
体、および光増感剤として作用する任意、の微量の水銀
蒸気は、システム内の反応チャン−バフ6に入り、そこ
で、サンプル支持体は、所望の光化学反応を誘発するの
に十分な波長を持つ放射線12で照射される。水銀を光
増感剤として使用すると、低圧水銀灯の列から発する2
53フオングストレームのUV放射線は、一酸化二窒素
とシランの化合物を分解する反応を読発し、その反応に
より、約1/1000の大気圧でしわ(rugate)
付きフィルムが形成される。
フィルムの化学量論は、以前に校正した気体の流量−と
成分である前駆物質の相対分圧によって決まる。排気ガ
スはプロセスポンプ(図示しない)により吸収され、排
気マニホルドに押し出されて安全な方法で処分される。
反応チャンバ76の範囲は、層流により縦横にフラッシ
ュされ、支持体をロードまたは取り外す際の清潔さが保
たれる。
−第5−図も、光学的厚さの増分を得るために本発明を
実施する際に有用−な一般的な光学的監視法を示す。禅
純な極値法と異なり、波長走査技法を伴う最小感度法を
含むより高度な方法を使用する。
光は、−任意に走査可能で、監視プローブ波長、1−を
設定するモノクロメータを介してモニタビリ ー ム源166または検出器162の部分で濾波される
。サンプル10は、チャンバ76内に保持され、モニタ
ビーム源′166から発する光は鏡126からサンプル
10に反射した後、サンプル10から鏡128に反射し
、反応チャンバ76外の外部制御システムに出力される
。あるいは、部分フィルタ付着を受ける実証サンプルを
所定の位置に移動させて、付着過程を監視してもよい。
反射モニタビーム検出器162は、サンプル10からの
光を受け、サンプル10と鏡128からの光入力信号を
変換し、その光信号を電子的に処理して、信号処理装置
164で光学的厚さの増分を判断する。光学的厚さ信号
処理装置は、アルゴリズムが処理を制御する計算機制御
装置68にデータを送る。あるいは、第5図のシステム
に透過ビーム検出器161を使用してもよい。、計算機
68は、第4aおよびb図に示した処理段階制御アルゴ
リズムに従って動作する。
第5図は、正弦変調様式で継続して変化する屈折率によ
りすでに薄膜フィルムをむやみに(blindly )
形成することはできるが、偶発的誤差と系統的誤差が生
じやすい付着プロセスの制御の概略も示している。たと
えば、熱蒸発、電子ビーム蒸発、光化学的蒸着、スパッ
タ付着、レーザ利用付着など、およびこれらの技法の組
合せでは、本発明に基づく光学的監視およびアルゴリズ
ム制御が役立つ。
本発明の実施について特定の例または一連の例を実証し
てきたが、製法のその他の変形、現在のプロセスを用い
て開発される本発明のしわ付きフィルタの概観および最
終的な結果も、上記の開示の範囲内に含まれる。したが
って、本発明の製法と製品に関するその他の実施例は、
添付の請求の範囲に含むことにする。
【図面の簡単な説明】
第1図は、支持体上に塗布した光学的活性媒体のフィル
ムの成長に対する理想的な3ノツチ正弦しわ付きプロフ
ィールを複数ノツチフィルタ構造の単純な実例として概
略的に示す図: 第2a図は、3ノツチフィルタの成長厚さに対する屈折
率プロフィールを表現しており、偶発的および系統的プ
ロセス誤差をシミュレートしたインデックスプロフィー
ルと理想的な誤差のないプロフィールとの比較を示して
いるグラフ:第2b図は、反射率と第2a図に示した屈
折率プロファイルの波長を表現しているグラフ:第3a
図は、本発明に基づく、最低ノツチの172で監視する
効果、結果として生じる光学的厚さ信号、および関連ア
ルゴリズム動作の概略を、実例となる一定な系統的付着
率誤差がある屈折率プロフィール(フィルムの厚さの位
置の関数)に関して、第3b図の約173の誤差制御プ
ロフィールを示すグラフ; 第3b図は、本発明に基づ(光学的監視の効果およびア
ルゴリズムによる誤差の補正を第一2a図と同じプロセ
ス誤差があるインデックスプロフィールと誤差のない理
想的なプロフィールとを表現しているグラフ: 第3c図は、第3a図に示した最終的な屈折率プロフィ
ールの波長に対する反射率を、誤差のない理想的なスペ
クトルに関して表現しているグラフ: 第4a図は、本発明の複数正弦位相制御アルゴリズムの
流れ図; 第4b図は、アルゴリズム指令の制御方程式を時間の関
数として表す複数正弦位相制御アルゴリズムの流れ図; 第5図は、本発明に従って複数ノツチしわ付きフィルタ
を生成する光化学的蒸着処理システムの構成図である。 °°”°1 *、、、::l     L Fiq、1、 截If   −lit 1−    /l   n   ffi”1τ入I/λ
3)    (入21λ3B虞五(\lλ3》 F i g、 3a。 冒          1 ゜8゜l−It      i        JL2
゜41#L  (λ/λ1) Fiq、3c。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、層の厚さの関数として予め決められた連続パターン
    に従って変化する屈折率の光学的材料の層が上に形成さ
    れる支持体から構成される複数ノッチしわ付きフィルタ
    を製造する為のものであり、 (a)支持体を提供し、 (b)物理的または化学的に相互作用して光学的材料を
    支持体上に層として形成する反応体を提供し、 (c)屈折率対層の厚さの理想プロフィールを提供し、
    このプロフィールが、単一ノッチパターンを並置して形
    成される複数ノッチ複合パターンを有し、この理想プロ
    フィールから、プロフィール沿いの各点に対応する時間
    的に連続する点における光学的厚さの理想値を決定し、 (d)理想ターゲットプロフィールを持つ層を形成する
    ように作用する反応体に対する時間の関数としてターゲ
    ット処理条件を提供し、 (e)付着プロフィールを持つ層を形成する処理条件を
    開始し、 (f)付着した層を連続して光学的に監視して光信号を
    発信し、 (g)付着した層の光学的厚さの増分の測定値を光信号
    から判断し、そして光学的厚さの増分を継続的に監視し
    、 (h)光学的厚さの値が、理想ターゲットプロフィール
    を生じるターゲット処理条件に関して予め決められた時
    間に測定されたかどうかを判断し、(i)上記の段階「
    h」の結果に基づいて、理想ターゲットプロフィールに
    正確に従うために、屈折率対層の厚さの付着プロフィー
    ルに従って複数正弦位相角調整を行う必要があるかどう
    かを決定し、 (j)実際のプロフィールに対してかかる調整を行うた
    めに、時間が経過するごとに処理条件を変更し、 (k)上記の段階「f」から「j」を、複数ノッチしわ
    付きフィルタを形成するのに必要な回数だけ反復する、 ことを特徴とする複数ノッチしわ付きフィルタの製造方
    法。 2、 (a)段階「h」における光学的厚さの値が、予め決め
    られた時間が経過したあとで測定され、(b)段階「i
    」における調整が、付着プロフィールに対して連続する
    横のセグメントの調整を指令する、 ことを特徴とする請求項1に記載の複数ノッチしわ付き
    フィルタの製造方法。 3、 (a)段階「h」の光学的厚さ値が、予め決められた時
    間の前に測定され、 (b)段階「i」の調整が、縦のセグメント調整を付着
    プロフィールに対して指令する、ことを特徴とする請求
    項1に記載の複数ノッチしわ付きフィルタの製造方法。 4、 (a)段階「h」の光学的厚さ値が、予め決められた時
    間に測定され、 (b)調整値がゼロである、 ことを特徴とする請求項1に記載の複数ノッチしわ付き
    フィルタの製造方法。 5、段階「c」から「k」がコンピュータ制御される、
    ことを特徴とする請求項1に記載の複数ノッチしわ付き
    フィルタの製造方法。 6、段階「f」の光学的監視において、光監視信号が付
    着層に送られ、この光監視信号が正常またはほぼ正常な
    入射角で層に反射するかまたは層を透過して光検出器手
    段に入り、この検出器手段が、検出器に送られる光ビー
    ムの関数である光信号を生成する、ことを特徴とする請
    求項1に記載の複数ノッチしわ付きフィルタの製造方法
    。 7、反応体が放射線の誘導後に化学的に相互作用する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の複数ノッチしわ付き
    フィルタの製造方法。 8、反応体がシランおよび一酸化二窒素を備えている、
    ことを特徴とする請求項7に記載の複数ノッチしわ付き
    フィルタの製造方法。 9、所定の複数正弦位相角調整の決定が、次の方程式の
    適用を備えている: n(ziφi)=@n@*|^mΣ_i_=_1Δni
    *sin(〔4π@n@:z*〕/〔λi〕+φi)こ
    こで n=光学的材料の屈折率; @n@=フィルム厚さ空間(z)における1周期全体の
    平均屈折率; m=しわの透過ノッチの合計数; z=層の設計位置; i=成分の整数; Δn_i=i番目のpeak−to−throughi
    ndexの変化;λ_i=i番目のノッチ波長; φ_i=λ_iにおけるブラッグの反射作用を保証する
    アルゴリズムにより繰り返し・更新さ れる正弦位相角調整;そして *=φ_iにより補正される局所的な誤差が生じ得るパ
    ラメタ: ことを特徴とする請求項1に記載の複数ノッチしわ付き
    フィルタの製造方法。 10、請求項1の製造方法により製造されるものであり
    、フィルタが複数の波長帯域で反射作用を生じ、各波長
    帯域における反射作用がブラッグの法則に従う、ことを
    特徴とする複数ノッチしわ付きフィルタ。
JP2214471A 1989-08-17 1990-08-15 複数ノッチしわ付きフィルタ及びその製造方法 Expired - Fee Related JP2542114B2 (ja)

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