JP2000297367A - 金属酸化物薄膜の成膜方法 - Google Patents

金属酸化物薄膜の成膜方法

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JP2000297367A JP11103491A JP10349199A JP2000297367A JP 2000297367 A JP2000297367 A JP 2000297367A JP 11103491 A JP11103491 A JP 11103491A JP 10349199 A JP10349199 A JP 10349199A JP 2000297367 A JP2000297367 A JP 2000297367A
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thin film
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司 高橋
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 TiO2 膜等の金属酸化物薄膜の光学的吸収
を低減する。 【解決手段】 金属Ti等のターゲット3を基板Wに対
向させ、減圧チャンバ1内にArガスとO2 ガスを導入
し、H2 O導入ライン7から水分を添加して、ターゲッ
ト3に電圧を印加してスパッタリングを行なう。水分の
添加によってスパッタリング粒子の酸化が促進されるた
め、基板Wに成膜される金属酸化物薄膜は吸収の少ない
高品質なものとなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ダイクロイックフ
ィルタ等の多層膜光学部品に用いられる屈折率2.1
(波長500nm)以上のTiO2 膜、Nb25 膜、
Ta25 膜等の金属酸化物薄膜の成膜方法に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】多層膜からなるダイクロイックフィルタ
等の多層膜光学部品では、可視域全体にわたって光学的
に低吸収である金属酸化物薄膜が必要である。従来、T
iO2、Nb25 、Ta25 等の金属酸化物薄膜の
成膜は、例えばスパッタ法によって、以下のように行な
われている。
【0003】金属を材料とするターゲットを製作し、こ
れを電極に対向させ、直流電圧や高周波電圧(例えば1
3.5MHzのRF)を印加し、スパッタリングガスと
してArガス、反応性ガスとしてO2 ガスを導入して放
電させる。放電によって形成されたプラズマ中の活性酸
素(酸素原子、酸素ラジカル、オゾン、酸素イオン等)
とターゲット材料の金属成分が基板上やターゲット表面
あるいはプラズマ中で反応し、金属酸化物が形成されて
基板に被着する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の技術によれば、スパッタ法によって薄膜を形成する成
膜方法は、蒸着法等に比べてパッキング密度が高くて安
定した膜を形成することができるが、一般的に蒸着法等
に比べて成膜レートが遅い。このため、電源のパワーを
増大させるなどして、成膜レートの上昇が試みられた
が、この方法では光学的吸収の多い膜が形成されること
が多い。
【0005】このような比較的吸収の多い金属酸化物薄
膜をダイクロイックフィルタ等の多層膜に用いると、各
膜の光学的吸収が加算されて全体として大きな吸収量と
なり、高反射率あるいは高透過率の多層膜光学部品を実
現することは困難であった。
【0006】本発明は上記従来の技術の有する未解決の
課題に鑑みてなされたものであり、光学的吸収の少ない
高品質な金属酸化物薄膜の成膜方法を提供することを目
的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の金属酸化物薄膜の成膜方法は、減圧雰囲気
中の基板にターゲットのスパッタリング粒子を被着させ
て金属酸化物薄膜を成膜する工程を有し、前記減圧雰囲
気中に水分を添加することで前記金属酸化物薄膜の光学
的吸収を低減することを特徴とする。
【0008】減圧雰囲気中のH2 O分圧が20%以下に
なるように水分の添加量を制御するとよい。
【0009】
【作用】減圧チャンバにスパッタリングガスとしてAr
を、反応性ガスとしてO2 ガスを導入し、さらに水分を
導入する。減圧チャンバ内の金属ターゲットに直流電圧
または高周波電圧あるいはその双方を印加してスパッタ
リング粒子を発生させ、ターゲット表面やプラズマ中あ
るいは基板表面で酸素と反応させて酸化物を生成し、こ
れを基板に被着させることで、波長500nmにおける
屈折率が2.1以上のTiO2 ,Nb25 ,Ta2
5 等の金属酸化物薄膜を成膜する。
【0010】反応性ガス等とともに減圧チャンバに導入
され、その減圧雰囲気中に添加される水分は、プラズマ
中で分解、重合し、多くの活性酸素を発生し、これがス
パッタリング粒子の酸化を促進するため、化学量論通り
の組成を有し、光学的吸収が少なくて極めて高品質な金
属酸化物薄膜を得ることができる。
【0011】このような酸化物薄膜を用いてダイクロイ
ックフィルタ等の多層膜を製造すれば、低吸収ですぐれ
た光学特性を有する多層膜光学部品を得ることができ
る。
【0012】特にスパッタ法によって成膜されたTiO
2 膜は、これまで可視域における高屈折率材料として用
いられてきたTa25 膜等より屈折率が高いため、各
種多層膜光学部品の設計を行なう際の自由度を増大させ
ることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。
【0014】図1は一実施の形態による金属酸化物薄膜
の成膜方法に用いる成膜装置を示すもので、これは、図
示しない真空ポンプによって排気される減圧チャンバ1
と、その内部に互いに対向して配設された基板ホルダ2
およびターゲット3と、ターゲット3に高周波電圧と直
流電圧を印加するRF電源4およびDC電源5と、減圧
チャンバ1内にスパッタリングガスであるArガスと反
応性ガスであるO2 ガスを導入するAr、O2 導入ライ
ン6と、減圧チャンバ1の減圧雰囲気中に水分を添加す
るためのH2 O導入ライン7を有する。
【0015】RF電源4の高周波電圧はマッチングネッ
トワーク4aを経てターゲット3に印加され、DC電源
5の直流電圧はローパスフィルタ5aを経てターゲット
3に印加される。次に、基板W上に金属酸化物薄膜を成
膜する工程を説明する。
【0016】まず、減圧チャンバ1内に隣接して設けら
れた図示しないロードロック室に基板Wを搬送し、ロー
ドロック室を排気したうえで基板Wを減圧チャンバ1内
に搬入する。
【0017】基板ホルダ2上に基板Wを保持させ、減圧
チャンバ1を所定の真空度に減圧したうえで、Ar、O
2 導入ライン6からArガスとO2 ガス、H2 O導入ラ
イン7から水分を導入し、ターゲット3にRF電源4の
高周波電圧またはDC電源5の直流電圧の少なくとも一
方を印加していわゆるマグネトロンスパッタ放電による
プラズマPを発生させる。
【0018】この放電によってArイオン、活性酸素
(酸素イオン、酸素原子、酸素ラジカル、オゾン等)が
発生するとともに、H2 O分子もプラズマ中で分解、重
合して酸素原子、水酸イオン、H32 イオン、H5
2 イオン等の各種活性種を生じる。
【0019】ターゲット3は、これらのうちの正イオン
によってスパッタされ、ターゲット3の表面近傍の酸化
活性種によって一部酸化された状態でスパッタリング粒
子が基板Wに向かって放出される。このようにして基板
Wに到達したスパッタリング粒子は、プラズマP中や基
板Wの表面近傍の酸化活性種によって完全に酸化され、
酸素不足のない金属酸化物薄膜が基板Wの表面に成膜さ
れる。
【0020】すなわち、各種の酸化活性種がターゲット
3から発生するスパッタリング粒子の酸化を大きく促進
し、酸素不足のない化学量論的組成の酸化物薄膜を成膜
することができる。これはH2 O分子が酸素分子に比べ
て分子半径が大きく、また、O−Hの結合エネルギーが
O−Oの結合エネルギーより小さいため、プラズマ中で
活性化される確率が非常に高いためであると推察され
る。
【0021】このような方法で成膜された金属酸化物薄
膜は前述のように化学量論通りの組成を有し、極めて吸
収の少ない膜となる。
【0022】例えば、上記の方法で成膜されたTiO2
膜とSiO2 膜を組み合わせることで、極めて光学特性
のすぐれた高品質な多層膜光学部品であるダイクロイッ
クフィルタ等を製造することができる。
【0023】(実施例1)図1の成膜装置を用いてBK
7基板上にTiO2 膜を成膜した。ターゲットは金属T
i、電源はRF電源1kWであり、成膜中の減圧チャン
バの全圧はすべて0.37Paの一定値に保持してい
る。減圧チャンバの全圧に対する酸素分圧(酸素比)を
4%に制御して、同じく水分の比率(H2 O分圧)を変
化させて得られた吸収量と成膜レートのH2 O分圧依存
性を図2のグラフ1に示す。
【0024】ここで吸収量とは、波長450nmにおけ
る光学的分光測定から得られた反射率と透過率を100
%から引いて得られた値(全吸収量)をTiO2 膜の厚
さ100nm当たりに換算した値である。
【0025】成膜レートとは、成膜して得られた膜厚を
成膜時間の単位時間当たりに換算した値である。
【0026】このグラフから、H2 O分圧を選択するこ
とにより、吸収を約0.1%/100nmと同程度また
はそれ以下に抑えることができることがわかる。成膜レ
ートは水分導入以前に比べて低下している。
【0027】(実施例2)実施例1と同様にして酸素比
を5%に制御した場合の吸収量と成膜レートのH 2 O分
圧依存性を図3のグラフ2に示す。酸素比が異なると、
低減される吸収の量と成膜レートのいずれも異なり、酸
素比4%の場合に比べて低吸収で、しかも成膜レートが
大きくなっている。このように、酸素比を選択すること
により、より一層吸収を低減し、成膜レートを上昇させ
ることができる。
【0028】図4は、酸素比が4%の場合と5%の場合
の屈折率のH2 O分圧依存性を比較したグラフ3であ
る。このグラフから、H2 O分圧が20%以下のほぼ全
領域で酸素比5%の方が屈折率が高くなっているのがわ
かる。
【0029】水分無しで酸素比4%で成膜した場合の屈
折率は約2.536であるから、H 2 O分圧が小さい範
囲ではほぼ同等の値を示している。
【0030】また、DC電源のみ1kWを用いて、H2
O分圧を2%に制御した場合は、波長450nmにおけ
る吸収は0.06%/100nmであり、RF電源のみ
を用いた場合と同程度あるいはそれ以下の吸収量になる
ことが判明している。
【0031】(比較例1)水分を導入することなく酸素
分圧を変化させたときの吸収量と成膜レートの酸素比依
存性を図5のグラフ4に示す。電源はRFのみ1kWを
用いた。図2および図3のグラフ1,2の吸収量に比べ
て大幅に大きい値を示しており、水分を導入せずに成膜
した場合は充分な吸収低減をはかることができないこと
がわかる。また、吸収量は酸素分圧にほとんど依存しな
い。
【0032】(比較例2)水分を導入することなくDC
電源のみ1kWを用いて成膜した。吸収量は0.30%
/100nmに増加する。これは上記実施例に比較する
と約5倍に相当する。つまり、DC電源のみの場合でも
水分を導入しなければ酸化が充分に進行しないことがわ
かる。
【0033】(比較例3)水分を導入せずに全圧を変化
させても、吸収の低減を図ることができなかった。これ
はRF,DCとによるマグネトロンスパッタ放電では充
分な量の活性酸素が生成できなかったことに起因する。
【0034】なお、実施例1および実施例2は、RF電
源またはDC電源のみで成膜した場合であるが、RFと
DCを重畳して成膜した場合でも同様の結果が得られ
る。また、上記実施例は金属Tiのターゲットに対して
成膜した例であるが、TiO2のターゲットを用いても
同様の結果が得られる。
【0035】さらに、他の金属酸化物膜、例えばNb2
5 膜、Ta25 膜等の、屈折率2.1(波長500
nm)以上の金属酸化物薄膜においても同様の結果が得
られることがわかった。
【0036】
【発明の効果】本発明は上述のように構成されているの
で、以下に記載するような効果を奏する。
【0037】RF電源またはDC電源の少なくとも一方
を印加して発生されたプラズマ中に水分を添加すること
で、吸収の少ない高品質な金属酸化物薄膜を成膜でき
る。このような酸化物薄膜を用いることで、光学特性の
すぐれたダイクロイックフィルタ等の多層膜光学部品を
得ることができる。
【0038】例えばTiO2 膜とSiO2 膜の2種類の
酸化物薄膜によってダイクロイックフィルタ等を製造す
る場合には、両酸化物薄膜を化学量論的組成に成膜し、
可視光領域において光学的吸収の少ない極めて高品質な
製品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施の形態による金属酸化物薄膜の成膜方法
に用いる成膜装置を示す図である。
【図2】実施例1による金属酸化物薄膜の吸収量等とH
2 O分圧の関係を示すグラフである。
【図3】実施例2による金属酸化物薄膜の吸収量等とH
2 O分圧の関係を示すグラフである。
【図4】実施例1と実施例2による金属酸化物薄膜の屈
折率とH2 O分圧の関係を示すグラフである。
【図5】比較例による金属酸化物薄膜の吸収量等と酸素
比の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 減圧チャンバ 2 基板ホルダ 3 ターゲット 4 RF電源 5 DC電源 6 Ar、O2 導入ライン 7 H2 O導入ライン

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 減圧雰囲気中の基板にターゲットのスパ
    ッタリング粒子を被着させて金属酸化物薄膜を成膜する
    工程を有し、前記減圧雰囲気中に水分を添加することで
    前記金属酸化物薄膜の光学的吸収を低減することを特徴
    とする金属酸化物薄膜の成膜方法。
  2. 【請求項2】 減圧雰囲気中のH2 O分圧が20%以下
    になるように水分の添加量を制御することを特徴とする
    請求項1記載の金属酸化物薄膜の成膜方法。
  3. 【請求項3】 金属酸化物薄膜が、波長500nmにお
    いて屈折率2.1以上であることを特徴とする請求項1
    または2記載の金属酸化物薄膜の成膜方法。
  4. 【請求項4】 金属酸化物薄膜が、TiO2 膜、Nb2
    5 膜またはTa25 膜であることを特徴とする請求
    項1ないし3いずれか1項記載の金属酸化物薄膜の成膜
    方法。
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