【発明の詳細な説明】
リアクティブ・マグネトロンスパッタリング装置および方法 技術分野
本発明は、基板上に誘電体の光学被膜を作成するための、極低圧リアクティブ
・マグネトロンスパッタリング装置および方法に関する。本発明は、該用途にお
いて例えばレーザのミラーおよび出力結合器のような用途に適した、光学干渉フ
ィルタという専門的分野を扱う。この種の薄膜では、薄膜の散乱、吸収および欠
陥は最小限に抑えられなければならない。今日まで、前記努力目標を達成できた
唯一知られた成膜プロセスは、イオン・ビーム・スパッタリング（ＩＢＳ）であ
り、またあまりよく知られていないがイオン・アシステッド・デポジション（Ｉ
ＡＤ）である。ＩＢＳについては後でさらに説明する。
従来の技術
散乱および吸収レベルが非常に低くなければならない光学被膜は、伝統的にＩ
ＢＳにより作成されてきた。該方法によれば、非常に真空度の高い環境の中で、
５００ｅＶから１５００ｅＶのエネルギー範囲にある高エネルギー・イオンビー
ムが所望の被膜材料からなるターゲット（ソース）に直進させられる。前記イオ
ンの衝撃の結果、前記ターゲットの結晶格子における運動量交換により、前記タ
ーゲットから原子（元素すなわち基本粒子）がスパッタされる、すなわち取り去
られる。次いで、前記スパッタされた粒子が基板上に凝縮する。チャンバ内圧力
は、前記スパッタされた粒子がバックグラウンドガスと気相で衝突することを防
ぐため、非常に低いレベルに維持されていることが望ましい。
ＩＢＳが、蒸着あるいは別のスパッタリング方法のような他の被膜技術に優っ
て、改善された光学薄膜性能を与える理由については膨大な参考文献がある。
ウェイ（Ｗｅｉ）等は、米国再発行特許Ｒｅ３２，８４９号、"多層光学薄膜
の作成方法"において、レーザ用高反射器に対してＩＢＳが有利であることを初
めて認めた。ウェイ等の方法では、レーザ用ミラーに用いられる１／４波長積層
膜が、ターゲットを照射しているただ１つのイオン・ガンを用いて作成される。
ウェイ
等の図１を転載した図１には、イオン・ガン"Ａ"、ターゲット"Ｂ"および基板"
Ｃ"が示されている。該装置では、アルゴン（不活性ガス）のバックグラウンド
・レベルは１．５×１０-4Ｔｏｒｒという極めて低い圧力に保たれた。反応性ガ
ス（酸素）圧は、被着（デポジション）しつつある薄膜層が正確な化学量論的組
成を間違いなくもてるレベル、すなわち高屈折率材料では５×１０-5Ｔｏｒｒ程
度に、また低屈折率材料では３×１０-5Ｔｏｒｒ程度に設定された。
スコット等による別のＩＢＳ特許、米国特許第４，７９３，９０８号、"多層
光学薄膜作成のための多イオン源法および装置"は、必要な反応種を含み前記基
板に向けて直進させられる第２のイオン・ビームを追加した、前記ウェイ等の方
法を用いている。前記第２のイオン・ビームにより、光学特性が改善されている
。スコット等の図２を転載した図２には、イオン・ガン"Ａ"、ターゲット"Ｂ"、
基板"Ｃ"および第２のイオンガン"Ｄ"が示されている。該特許の第２欄、第１４
〜１９行においてスコット等は、「・・・、前記チャンバ内の、例えば前記基板
表面における、ガス圧は本手法を用いれば１０分の数ｍｍＴｏｒｒから１００分
の数ｍｍＴｏｒｒの範囲になり得る。完成した薄膜が含むガスはより少なくなり
、薄膜の区域構造（ｒａｎｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）および原子充填密度が改
善される方向に向かうので、このことは大きな利点である。」と、ＩＢＳが通常
のマグネトロン・スパッタリングより優れて進歩していることを述べている。
損失が５００ｐｐｍ未満あるいは１００ｐｐｍ未満でさえある薄膜すなわち被
膜のような、いわゆる"低損失"膜は、前述の技術により作成される。例えばレー
ザ用高反射率ミラーのような用途に用いられる場合には、前述の技術により全損
失が１００ｐｐｍより十分小さい薄膜を作成することができる。ここで用いられ
ているように、（特にことわらない限り）"低損失"薄膜すなわち被膜といえば、
損失が５００ｐｐｍより小さい薄膜すなわち被膜を意味する。
"損失"とは反射以外の全てをいう。すなわち、
全損失＝１−ＲoここでＲ＝１−Ｔ−Ａ−Ｓであって、
Ｒは反射、Ｔは透過、Ａは吸収、Ｓは散乱である。
ヴォッセン（Ｖｏｓｓｅｎ）とカーン（ｋｅｒｎ）は"薄膜プロセス"、アカデ
ミック・プレス、ニューヨーク、１９７８、という文献の１８９頁で、「低背圧
（ｌｏｗ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）のため、ガス取込みが少
なくなり、被スパッタ粒子が基板に向かう途中で受ける散乱が少なくなる」（原
本では"ｌｏｗ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ"[原文のまま]は斜体
で記されている）という事実により、他のスパッタリング・プロセスとは異なる
とＩＢＳについて述べている。前にも述べたとおり、このことは光学薄膜のデポ
ジションにとって大きな利点である。
蒸着のような非スパッタリング技術では、高品質の用途に適した薄膜を作成で
きない。被膜材料が蒸発する温度まで真空下で加熱される蒸着技術では、スパッ
タリングの運動エネルギーを到底与えることができず、多孔質で柱状構造をもつ
薄膜が成長しやすい。さらに前記蒸発過程では、閉じ込められていたガスの膨張
または加熱の部分的な違いが原因で蒸発源内に生じる被膜材料の小爆発により、
高温の蒸発源から小さな粒が噴出しやすい。前記理由のため、蒸着は許容差が比
較的大きい被膜の作成にのみ用いられる。
ＤＣまたはマグネトロン・スパッタリングもまた、多くの許容差が大きいかま
たは膜品質の低い用途向けの誘電体被膜作成に用いられてきた。一般にこれらの
方法では、イオン化されて低エネルギーのプラズマを形成する不活性ガスでチャ
ンバを満たすことが含まれる。次いでターゲットに４００〜９００ボルトの範囲
の負電圧が印加される。該負電圧は、エネルギーをもった荷電イオンが前記ター
ゲットを衝撃し、前記ターゲットから原子または分子の粒子をスパッタする効果
を有する。続いて、前記被スパッタ粒子が基板上に凝縮する。ＤＣスパッタリン
グは金属のスパッタに用いられる。ＲＦスパッタリングは、正味のＤＣ電流は０
である脈動ターゲット電圧を利用して、誘電体ターゲットのスパッタを可能にし
ている。
（１種または複数種の）反応性ガスが前記チャンバ内に加えられ、前記基板に
化合物薄膜を形成するリアクティブＤＣスパッタリングの場合には、前記ターゲ
ットが反応による誘電体で覆われるようになると、ターゲットでアーク放電（ア
ーキング）が増加すると同時にデポジション速度が非常に小さくなるので、前記
ターゲット上ではなく前記基板上で反応を起こさせることが望ましい。従来技術
には前記問題に対処するための多くの技術があるが、全てなんらかの形でターゲ
ットと基板を隔離するものであって、前記ターゲットにおける前記反応性ガス圧
はターゲットの"中毒"を防ぐため低レベルに維持され、前記基板における前記反
応性ガス圧は反応を起こさせるため高く保たれる。
スコビー（Ｓｃｏｂｅｙ）等の米国特許第４，８５１，０９５号、"マグネト
ロン・スパッタリング装置および方法"においては、構成部品が、アルゴン圧力
が非常に高く保たれたデポジションゾーンとエネルギーをもった反応性ガスプラ
ズマを含む反応ゾーンとの間を高速回転するドラムに載って行き来する。
マニフ（Ｍａｎｉｖ）等の米国特許第４，３９２，９３１号、"反応性デポジ
ション方法および装置"では、ターゲット材がオリフィスすなわち小さな開口（
アパーチャ）を通して回転するドラムにスパッタされる。スパッタ用不活性ガス
は前記ターゲットチャンバに送り込まれ、反応性ガスは前記チャンバの前記ター
ゲットチャンバを除く部分に送り込まれる。前記アパーチャは、前記ターゲット
への反応性ガスの量を制限する。電場が前記ドラムに与えられ、反応性ガスをイ
オン化し、薄膜の透明度を高める。
シェーラー（Ｓｃｈｅｒｅｒ）等の米国特許第４，９３１，１６９号、"基板
の誘電体被覆装置"もオリフィスを通してのスパッタリングを開示し、アーキン
グを防止するためにＤＣ駆動電圧に交流（ＡＣ）電流成分を重畳している。シェ
ーラー等の特許の中で前記ＡＣ場は、振動する電子と前記スパッタ用ガスとの間
の衝突が増えることから、デポジション速度を高めるという付加効果をもつと書
かれている。さらに前記場は、被膜形成圧力を０．５Ｔｏｒｒまで低く下げるこ
とができる効果をもつと書かれている。
ディートリッヒ（Ｄｉｅｔｒｉｃｈ）等の米国特許第４，９４６，５７６号、
"基板の薄膜被覆装置"も、陰極（カソード）と前記基板との間のアパーチャの使
用を開示し、前記反応性ガス流で覆われる前記基板近くに正電圧を印加している
。前記反応性ガスは、陽極（アノード）によりイオン化され、薄膜組成を化学量
論的に改善する。ディートリッヒ等の別の米国特許第４，５７２，８４０号、"
金属および半導体の化合物の反応性気相デポジション装置および方法"は、空間
の断面積の少なくとも４０％に等しい流れ制限板を前記マグネトロンと前記基板
との間に用いている。
上掲の従来技術の全てにおいて、ソース−基板間距離は短い。スコビー等では
該距離がほぼ１０ｃｍ、マニフ等では該距離が１０ｃｍ、シェーラー等では該距
離が４ｃｍであり、ディートリッチヒの第'８４２号では例として６ｃｍを用い
ているが、ディートリッヒ等の第'５７６号では距離を挙げていない。
低圧でロングスロー距離のマグネトロン・スパッタリングを利用する試みも著
述されている。米国、ニューメキシコ州、カートランド空軍基地のフィリップス
研究所におけるアドバンスト・コーティング・ディベロップメント・プログラム
（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｐｒｏｇｒａ
ｍ）（ＰＬ−ＴＲ−９３−１０３３）で、ポンド等は８インチ・マグネトロンを
用いて直径が８インチないしそれより小さい中程度の大きさの基板を被覆するマ
グネトロン・スパッタリングプロセスを開発した〔最終報告書（１９９４年７月
）〕。十分なデポジション速度を得るため、ポンドは前記マグネトロンを２０°
傾けた。ポンドは、反応性ガスが多岐管（マニホールド）を通して前記基板面ま
たは該基板面近傍および前記マグネトロン集成体（アッセンブリー）と向き合う
位置に導入され、スパッタ用不活性ガスがシールドを通して前記マグネトロンに
導入される"ガス分離プロセス"により、前記マグネトロンにおける反応性ガス圧
を下げた。この手法の開発は、完全に反応した化学量論的組成を有する薄膜の作
成に役立たせると同時に、前記ターゲットにおける中毒およびアーキングを低減
することを試みてなされた。バックグラウンド・ガス圧が高くなるほど薄膜の密
度は低下するので、ポンドは特別な高磁力磁石（マグネット）を備えたマグネト
ロンを使用して、前記チャンバ内の前記不活性ガス圧を下げようと試みた。この
ポンド装置の特徴は、デポジション速度が概して０．５〜１．５Å／ｓｅｃと低
いことである。このような低デポジション速度の原因は一般に、前記ターゲット
の中毒、アーキング、薄膜反応不良および低印加電力レベルに帰することができ
る。
さらに前記シェーラー等の特許および前記ポンド等の報告書を除き、上掲の従
来技術の全てにおいて、全圧は前記基板と前記ターゲットとの間でほぼ３×１０-3
Ｔｏｒｒという通常のスパッタリング圧力に保たれている。
発明の概要
本発明の主な目的は、ＩＢＳにより得られる品質と同程度の極めて高い充填密
度、平滑な表面、および低い散乱を有する光学薄膜を、ＤＣマグネトロン・スパ
ッタリング装置で作成することにある。
該目的を達成する方法および装置には、並外れて排気速度が大きい真空ポンプ
を備えた真空槽（真空チャンバ）内の通常のマグネトロン・スパッタリング装置
が含まれる。前記マグネトロンおよびターゲット材の周りのガス・マニホールド
が、前記スパッタ用不活性ガス（アルゴン）を前記マグネトロンの近くに閉じ込
める。前記ガスは前記マグネトロン域から拡散して拡がるので、前記並外れて排
気速度が大きい真空ポンプが前記チャンバから前記拡がりつつあるガスを高速度
で取り除く。よって前記チャンバ内圧力は、前記真空ポンプの前記排気速度と前
記マグネトロンの整流板（バッフル）のガス閉じ込め効率との関数である。反応
性ガスは、該ガスをイオン化し該イオンを基板に向けて直進させるイオン・ガン
を通して前記チャンバに入る。該手法は前記マグネトロンにおける前記反応性ガ
スを低減すると同時に、正確な化学量論的組成を有する薄膜を作成するに必要な
ガスの量を低減する効果を有する。
本発明は、既知の従来型マグネトロン・スパッタリング技術および通常のイオ
ンビーム技術とは、明確に区別される。本発明の特徴は、極めて低い反応性ガス
圧と極めて低い不活性ガス圧を含む、極めて低いチャンバ内圧力である。前記反
応性ガス、例えば、Ｏ2、Ｎ2、ＮＯ等の圧力は（被覆されるべき前記基板表面で
測って）、２．０×１０-5〜１．５×１０-4Ｔｏｒｒの範囲であることが望まし
く、さらに望ましくは３×１０-5〜９×１０-5Ｔｏｒｒである。前記の極低圧で
あることが、上首尾に前記マグネトロンのアーキングおよび前記反応性ガスによ
る前記ソースの"中毒"を低減または排除する。前記不活性ガス、例えばアルゴン
、クリプトン、キセノン等は、望ましい実施の形態では、主として前記マグネト
ロン・チャンバに導入される。不活性ガス圧力が（被覆されるべき前記基板表面
で測って）、望ましくは５．０×１０-5〜２．０×１０-4Ｔｏｒｒの範囲であり
、さらに望ましくは５×１０-5〜１．５×１０-4Ｔｏｒｒであるような急峻な圧
力降下が作りだされている。チャンバ内ガス圧力がこのように低いので長い平均
自由行程（ＭＦＰ）が得られ、したがって前記チャンバ内ガスと前記スパッタさ
れた材料との不適当な衝突は無しにロングスロー距離をとれるという利点があ
る。望ましくは１２インチ以上、さらに望ましくは２０インチないしそれ以上の
ロングスロー距離により、よい被膜均一性が首尾よく得られる。前記極めて低い
チャンバ内圧力により、ロングスロー距離を用いることができる。すなわち、こ
のようなロングスロー距離をとったとしても、対応してマグネトロン電力レベル
を高くすれば、首尾よく被膜のデポジション速度を大きくすることができる。よ
り高いマグネトロン電力とより長いスロー距離に起因すると通常考えられる薄膜
すなわち被膜の品質の低下は、新たにチャンバ内圧力を極めて低くすることによ
り避けられる。よって、本発明の望ましい実施の形態は（例えば上述のように同
じ圧力範囲で動作する）ＩＢＳの基本的なプロセス条件のいくつかを再現しては
いるが、ＤＣマグネトロン・スパッタリング装置を用いている。マグネトロン・
スパッタリングに基づく本新装置は、実質的に前記デポジション速度を向上させ
、したがって品質の高い被膜のデポジション・コストおよびスループットを向上
させる。
図面の簡単な説明
図１は、発明の背景で述べたように、ウェイ等の図１を転載したものである。
図２は、発明の背景で述べたように、スコット等の図２を転載したものである
。
図３は、本発明の装置の概略を示す断面図である。
図４は、本発明のマグネトロンスパッタリング機器の断面を示す概略図である
。
図５は、複数のマグネトロンスパッタリング・アッセンブリーをもつ、本発明
の装置の概略を示す断面図である。
図６は、マグネトロン内圧力をを０．７ミクロン、マグネトロン・アッセンブ
リーのコンダクタンス（ＣM）を３０００リットル／秒としたときの、チャンバ
内圧力とチャンバ排気速度との関係を示すグラフである。
図７は、マグネトロン内圧力をを０．４ミクロン、マグネトロン・アッセンブ
リーのコンダクタンス（ＣM）を３０００リットル／秒としたときの、チャンバ
内圧力とチャンバ排気速度との関係を示すグラフである。
望ましい実施の形態の詳細な説明
前述したように図１および２は、リングレーザ・ジャイロスコープに使用でき
るミラーを形成するために、基板上に高品質の誘電体被膜を作成することができ
るＩＢＳ装置を示している。ここで記述される本発明は、同等の高品質被膜を作
成することができるが、ＩＢＳの代わりにＤＣリアクティブ・マグネトロン・ス
パッタリング装置を用いる。不活性ガス（例えばアルゴン）のバックグラウンド
圧力は、ウェイ等およびスコット等の特許に開示されている圧力と同じかほぼ同
じ、あるいはそれより低く保つことができる。本発明により作成された薄膜は、
表面が平滑で散乱が少ない上に充填密度が極めて高いという、ＩＢＳ被膜に匹敵
する特性を有する。ここに記述する方法の望ましい実施の形態に従って作成され
たレーザ用高反射ミラーの全損失は、例えば０．０１％，すなわち１００ｐｐｍ
より十分小さい。
図３および４は、ここに開示される方法の望ましい実施の形態の方法および装
置を示している。外囲器１０は、低圧マグネトロン・アッセンブリー１２および
複数の回転可能な遊星板（プラネット）１４を有する遊星形（プラネタリー）基
板ホルダ１３を納める真空チャンバ１１を形成する。各プラネット１４は、前記
マグネトロン・アッセンブリー１２に面して基板を支持する。本実施の形態にお
いては、前記マグネトロン・アッセンブリー１２の上面と前記プラネット１４と
の距離は１６インチである。前記マグネトロン・アッセンブリー１２は、導管（
コンジット）１７によりスパッタ用ガス源１６に接続されている。本実施の形態
においては前記外囲器１０は半径４８インチの球形で示されているが、他の形状
であっても同様に使用できる。
前記外囲器１０は、前記真空チャンバ１１に向かって開口し、高速真空ポンプ
２０を納め、前記真空チャンバ１１との間にゲートバルブ２１を備えた下部スリ
ーブ１８を有している。前記真空ポンプ２０はもちろん前記真空チャンバ１１内
圧力を５×１０-5Ｔｏｒｒ〜１．５×１０-4Ｔｏｒｒという非常に低い範囲まで
前記不活性ガス圧を下げ、維持するのに用いられる。
ここに開示される実施の形態に有用な、代表的な高速真空ポンプには、ターボ
ポンプ、クライオポンプおよび拡散ポンプがある。ポンプは１基で、例えば１６
インチ・クライオポンプまたは１６インチ・ターボポンプまたは１６インチ拡散
ポンプが使用され、より望ましくは、本発明では１６インチ・クライオポンプま
たは１６インチ拡散ポンプを採用している。前記ポンプの排気速度は、１６イン
チ・クライオポンプで５０００リットル／秒程度（Ｎ2）、１６インチ拡散ポン
プで１００００リットル／秒程度である（ライボールド（Ｌｅｙｂｏｌｄ）製品
および真空技術リファレンスブック（１９９３）参照）。クライオポンプで１０
０００リットル／秒（Ｎ2）、拡散ポンプで１７５００リットル／秒（Ｎ2）の排
気速度をもつ２０インチ・ポンプ（バリアン（Ｖａｒｉａｎ）真空製品カタログ
（１９９１〜９２）、を参照）のようなさらに大きなポンブも使用できる。上記
の排気速度は、各ポンプののど部（スロート）での値である。
前記マグネトロン・アッセンブリー１２は、前記プラネタリー基板ホルダ１３
の回転軸（主中心線２２）およびモニタ・チップ２３用ホルダとを結ぶ垂直線上
にある。本実施の形態においては、前記スローすなわち前記マグネトロン・アッ
センブリー１２上面と前記プラネット１４との間の距離は１６インチである。各
プラネットおよび基板は独自の中心線24の周りを回転する。該プラネタリーホル
ダ１３は通常のものであり、本実施の形態においては前記プラネット１４の直径
が１５インチであり、前記基板は直径１５インチまたは１５インチより小さけれ
ばどの大きさでもよく、各プラネット１４の前記中心線２４は大型基板を収容で
きるように前記中心線２２から１４インチ離れていることを指摘しておくことを
除いて、さらに述べる必要はない。例えば２４インチのプラネットのようなさら
に大きなプラネットも、対応して基板およびスロー距離を大きくして使用でき、
よって、なお一層のスループット向上も達成できる。
イオン・ガン２６の出力は、破線２７で表わされ、前記基板ホルダ１３に斜め
に向けて直進させられ、入力はコンジット３０により混合反応性ガス２８に接続
されている。前記イオン・ガン２６はイオン出力および混合ガスが基板ホルダ１
３の全面に及ぶような位置に置かれ、本実施の形態では、前記イオン・ガン２６
の上面は前記プラネット１４から２１０インチ離れている。該イオン・ガン２６
は２つの主要な機能を有している。第１は、前記スコット等の特許と概念的に同
じ様に、薄膜特性を改質し向上させることである。第２の機能はおそらくより重
要であって、反応性ガスのバックグラウンド圧力を低く保つのに役立つことであ
る。該イオン・ガン２６により、反応性ガスはイオン化され前記基板に向けて直
進させられる。前記反応性ガス・イオンの運動量が該イオンを前記基板に向かっ
てのみ運び、前記反応性ガスがアーキングおよびデポジション速度低下を引き起
こす、前記マグネトロンには運ばない。少量のガスが前記マグネトロンに向かっ
て拡散するが、前記マグネトロンの動作に目立つような影響は及ぼさない。代表
的な反応性ガス圧は、２×１０-5Ｔｏｒｒ〜１．５×１０-4Ｔｏｒｒの範囲であ
り、望ましくは３×１０-5Ｔｏｒｒ〜８×１０-5Ｔｏｒｒである。
前記真空チャンバ１１内の圧力を測定するため、適当な熱陰極圧力ゲージ３１
も前記真空チャンバ１１に接続されている。また前記真空チャンバ１１には、破
線３４で表わされている前記マグネトロン・アッセンブリー１２の出力を遮蔽す
る、心棒（ステム）３３の周りを首振り運動できるシャッター３２が備えられて
いる。前記ステム３３は、何らかの適切な手段で支持合（プラットホーム）３５
および前記ステム３３を首振り運動させる手段（図示せず）に接続されている。
前記シャッター３２は、前記基板に各層をデポジションする合間の前記装置が遊
んでいる時間に前記ターゲットの表面に凝集等をした汚染物を、前記ターゲット
から除去するために前記ソースをプリスパッタするために用いられる。
図４に示されるように、前記マグネトロン・アッセンブリー１２は壁３８およ
びターゲット材４０により形成される空洞（キャビティ）３７を有するターゲッ
トホルダ３６を含んでいる。前記キャビティ３６内中央部には、管路４２および
４３を通して前記キャビティ３６に流出入する循環水により水冷される通常のマ
グネット４１がある。前記ホルダ３６に締付け固定（クランプ）された前記金属
ターゲット材４０も水冷されている。前記ホルダ３６からやや間隔をおき、イン
シュレータ４５で封じられたマニホールド４４がコンジット１７（図３）によっ
て前記スパッタ用ガス１６源に接続され、該ガスが前記ホルダ３６上面周りと前
記金属ターゲット材４０面上の全体を流れることができるようにしている。前記
マニホールド４４には、前記金属ターゲット材４０と実質的に同じ寸法のアパー
チャ４５があるので、スパッタされたターゲット材および前記スパッタ用ガス１
６は、直線３４で表わされているように放出される。該マグネトロンはコロラド
州、ボールダーのマテリアル・サイエンス社から入手できるもので、強力マグネ
ットをもつ直径６インチ〜８インチのものが主である。
本発明が、ＩＢＳまたは他の既知の技術がもつ前記制約を受けることなく、マ
グネトロン・スパッタリングにより極めて品質の高い被膜を作成する能力を有す
ることが認められれば、本発明が従来技術を超える大きな進歩であることもまた
認められるであろう。
前述した本実施の形態の寸法および圧力−１６インチのスロー距離、直径１５
インチのプラネット、直径１５インチないしそれより小さい基板および２０イン
チの前記イオン・ガン上面から前記プラネットまでの距離、さらに２×１０-5Ｔ
ｏｒｒ〜１．５×１０-4Ｔｏｒｒの範囲の極めて低い反応性ガス圧および５×１
０-5Ｔｏｒｒ〜２×１０-4Ｔｏｒｒの極めて低い不活性ガス圧−もまた、本発明
と前記従来技術との大きな相違を示している。
レーザ品質のミラーの作成における、本発明の望ましい実施の形態のスループ
ットを代表的なＩＢＳ装置のスループットと比較する：
上表から、本発明のスループットが代表的なＩＢＳ装置のスループットより２０
ないし１２０倍速いことがわかる。被膜のスループットは、デポジション速度と
基板面積の関数である。
さらに、本発明の方法はより大型の装置に合わせて容易に調整できる。上述の
寸法は全て少なくとも２倍には拡大でき、直径３０インチないしそれ以上の光学
基板に、均一性のよい、レーザ品質の低損失被膜を施すことができる。調整は簡
単な線型問題である。より大型の装置は、より大きなマグネトロンおよびより多
量のプロセス・ガス（例えばアルゴン）を使用する。従って真空ポンプも、より
大きなチャンバおよびプロセス・ガス流量の増加に合わせて、より大きくならな
ければならない。
よって既に明らかなように、本発明は、例えば現在のＩＢＳ装置が作れること
がわかっているものよりも直径が何倍も大きな、レーザ品質のミラーを作成する
ことができる。
本発明の望ましい実施の形態の１６インチないしそれ以上のロングスローおよ
び低チャンバ圧力により、２種またはそれ以上の材料を同時にデポジションして
混合材料からなる高品質な光学薄膜を形成することができる。図５は、マルチ・
ソースの例として、真空チャンバ１１内のマグネトロン・アッセンブリー１２お
よびマグネトロン・アッセンブリー１２ａの２つのソースを示している。（上記
追加されたソースの添字、および他の全ての図３と同じ参照番号の使用は、ここ
での記述を簡単にするためのものである。）
前記デポジション速度を実効的に制御する各ソースの電力レベルを制御するこ
とにより、選ばれた屈折率を有する層を２種ないしそれ以上の材料の混合物とし
て形成することができる。前記混合は前記層全体にわたって均質であり選ばれた
屈折率をもつ薄膜を形成するか、あるいは不均質であって前記層の組成したがっ
て前記屈折率が前記薄膜全体にわたって変化する。よく使われる不均質薄膜の形
態の１つは"ラゲート（ｒｕｇａｔｅ）"フィルタと呼ばれ、屈折率が正弦的に変
化して狭いノッチのある反射器を形成する効果を有する。
前記マルチソース・システムで低圧を保つためには、前記排気速度が、同時デ
ポジション・ソースが２個の場合にはおおよそ２倍に、またＮ個の場合にはだい
たいＮ倍にならなければならない。本開示における前記利益がある以上、一般に
前記ポンプ径を大きくするか前記チャンバにさらにポンプを追加するかのいずれ
かによる排気速度の向上は、該分野に熟達した技術者にとって簡単な作業であろ
う。しかし実際上は、デポジション速度を維持するために２個の同時デポジショ
ン・ソースに１個のソースに用いたレベルと同じレベルの電力を加える必要はな
く、前記ソースからの前記デポジション速度は相加的であるから、前記各ソース
は使用するガスの量がより少ない、より小さな寸法にすることができる。
本発明に用いられるもう１つの機器は、コロラド州、ボールダーのアドバンス
ト・エナージー社からスパークーリー（ＳＰＡＲＣ−ＬＥ）という商標で市販さ
れている、アーク低減用電子機器である。図３で該スパークーリー４６は、自身
のＤＣ電源４８をもち、前記マグネトロン・アッセンブリー１２と導電線４７に
より接続されていることが示されている。前記スパークーリー４６は図４に示さ
れるように、前記２つのマグネトロン・アッセンブリー１２および１２ａにも同
様にして接続される。該機器はアーキングの低減に役立つが、本発明の方法およ
び装置では必要がない。
これなで述べたことから、前記マグネトロン・システムは極めて低い圧力で動
作するもがよい。前記チャンバ内の前記不活性ガス圧は、マグネトロン内圧力の
関数になるであろう。本発明で最も重要なことは、図４に描かれているように、
全圧の低い領域５０（Ａｒ＋Ｏ2）は常に高アルゴン圧領域５２よりずっと小さ
いことである。
チャンバ内圧力は、よく知られた圧力−流量方程式を用いてモデル化される（
ライボールド製品および真空技術リファレンスブック、１８−５頁（１９９３）
参照）：
PＣｈａｍｂｅｒ＝FlowＡｒ／CＰ
PＭａｇｎｅｔｒｏｎ＝FlowＡｒ／CＭ＋PＣｈａｍｂｅｒ
ここでP
Ｃｈａｍｂｅｒ チャンバ内圧力Flow
Ａｒ （マグネトロンを通って）チャンバに入るアルゴンの流
量C
Ｐ 高速真空ポンプのコンダクタンス（チャンバ排気速度）P
Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ マグネトロン内圧力C
Ｍ マグネトロンのガス閉じ込めによるコンダクタンス
（マグネトロンのガス閉じ込め効率）
である。項を整理すれば、チャンバ内圧力は
PＣｈａｍｂｅｒ＝PＭａｇｎｅｔｒｏｎ／（CＰ／CＭ＋１）と書くことができ
る。
本関係式は、チャンバ内圧力がチャンバ排気速度（CＰ）に依存することを示
しているので重要である。本関係式はまた、前記チャンバ排気速度が小さければ
、前記チャンバ内圧力がマグネトロン内圧力にほぼ等しくなることを示している
。このような低排気速度型装置は従来技術で知られており、排気速度を低下させ
るためにスロットルバルブ機構がポンプの吸入口の前に据えられている。前掲し
たヴォッセンとカーンの１５６頁を参照のこと。しかし前記チャンバ排気速度が
高ければ、本発明が示すように前記チャンバ内圧力は前記マグネトロン内圧力に
比
べて十分低くなる。
上記の方程式を用いれば、図６および７に示されているように、新いチャンバ
がどのようなものであっても、排気速度が知られていればチャンバ内圧力を近似
的に求めることができる。両図に示されていることから明らかなように、前記チ
ャンバ排気速度を高くしていけば、所望のいかなる適切な圧力にも到達できる。
ある種のマグネトロンで可能なように、前記マグネトロン内の前記スパッタ用不
活性ガス圧が低くなれば、前記全圧曲線も対応して下がる。このことは、マグネ
トロン内圧力が０．７ミクロンでマグネトロン・アッセンブリーのコンダクタン
ス（ＣM）が３０００リットル／秒の場合についての図６の圧力曲線とマグネト
ロン内圧力が０．４ミクロンでマグネトロン・アッセンブリーのコンダクタンス
（ＣM）が３０００リットル／秒の場合についての図７の圧力曲線との比較によ
り示されている。横軸に示されている排気速度は完全に達成可能であって、例え
ば普通に使われている２０インチ拡散ポンプの定格は１７５００リットル／秒で
あり、３２インチ拡散ポンプの定格は３２０００リットル／秒である。
本明細書で詳細に述べた光学多層膜作成装置に対して、本発明の本来の目的お
よび趣旨から離れることなく、種々の追加および変更がなされ得ることは上述の
説明から明らかであろう。以下の請求の範囲は、そのような変更および追加を全
て包含するように意図している。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Reactive magnetron sputtering apparatus and method Technical field
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an ultra-low pressure reactive for forming a dielectric optical coating on a substrate.
-It relates to a magnetron sputtering apparatus and method. The present invention
Optical interference filters suitable for applications such as laser mirrors and output couplers
It deals with the specialized field of filtering. In this type of thin film, scattering, absorption and depletion of the thin film
Fall must be minimized. To date, we have achieved our efforts
The only known deposition process is ion beam sputtering (IBS).
And, less commonly known, ion assisted deposition (I
AD). IBS will be further described later.
Conventional technology
Optical coatings that must have very low scattering and absorption levels have traditionally
Created by BS. According to the method, in a very high vacuum environment,
High energy ion beam in the energy range of 500 eV to 1500 eV
The system is moved straight to a target (source) made of a desired coating material. Io
The momentum exchange in the crystal lattice of the target results from the impact of the
Atoms (elements or elementary particles) are sputtered or removed from the target
Can be Then, the sputtered particles condense on the substrate. Chamber pressure
Prevents the sputtered particles from colliding with the background gas in the gas phase.
Therefore, it is desirable to maintain the level at a very low level.
IBS is superior to other coating technologies, such as evaporation or another sputtering method
Thus, there is a vast body of references on why to provide improved optical thin film performance.
Wei et al. In U.S. Reissue Patent Re32,849, "Multilayer Optical Thin Films.
Of IBS for laser high reflector
I admitted. In the method of Way et al., A quarter-wave stack used for a laser mirror is used.
A film is created using a single ion gun illuminating the target.
Way
1 reprinted from FIG. 1 includes an ion gun “A”, a target “B”, and a substrate “
C "is shown. In the apparatus, a background of argon (inert gas) is shown.
・ Level is 1.5 × 10-FourIt was kept at a very low pressure of Torr. Reactive moth
(Oxygen) pressure is the exact stoichiometric composition of the thin film layer being deposited.
Level, that is, 5 × 10 for high refractive index materials-FiveAbout Torr
3 × 10 for low refractive index materials-FiveIt was set to about Torr.
Another IBS patent by Scott et al., U.S. Pat. No. 4,793,908, "Multilayer
A multi-ion source method and apparatus for producing an optical thin film "includes the necessary reactive species
The way, etc., with the addition of a second ion beam which is directed straight towards the plate
Method is used. Optical characteristics are improved by the second ion beam.
. FIG. 2 reprinted from Scott et al. In FIG. 2 shows an ion gun “A”, a target “B”,
A substrate "C" and a second ion gun "D" are shown. Column 2, column 14 of the patent
In lines 19 to 19, Scott et al.
The gas pressure on the surface can be increased from several mmTorr for 10 minutes to 100 minutes using this method.
Can be in the range of several mmTorr. The finished film will contain less gas
The range structure and atomic packing density of the thin film have been improved.
This is a big advantage, as it goes in the direction of being improved. IBS is usually
States that it has advanced farther than magnetron sputtering.
Thin films or coatings with loss less than 500 ppm or even less than 100 ppm
So-called "low loss" films, such as films, are made by the techniques described above. For example, Leh
When used in applications such as high reflectance mirrors for
It is possible to produce a thin film whose loss is sufficiently less than 100 ppm. Used here
As mentioned, (unless otherwise stated) "low-loss" thin films or coatings
A thin film or coating with a loss less than 500 ppm is meant.
"Loss" refers to everything but reflection. That is,
Total loss = 1−RoWhere R = 1−TAS,
R is reflection, T is transmission, A is absorption, and S is scattering.
Vossen and Kern describe "thin film processing"
On page 189 of the article Mick Press, New York, 1978, "Low back pressure.
(Low background pressure), low gas uptake
And the scattering of the sputtered particles on their way to the substrate is reduced. ”
In the book, "low background pressure" [sic] is italic
Differs from other sputtering processes due to the fact that
Said IBS. As mentioned earlier, this is the deposition of optical thin films.
This is a great advantage for the session.
Non-sputtering techniques such as evaporation can produce thin films suitable for high quality applications.
I can't. In vapor deposition technology, which is heated under vacuum to the temperature at which the coating material evaporates,
It has no porous kinetic energy and has a porous columnar structure
Thin films are easy to grow. Furthermore, during the evaporation process, the expansion of the trapped gas
Or a small explosion of the coating material in the evaporation source due to a partial difference in heating,
Small particles tend to erupt from hot evaporation sources. For the above reasons, the deposition tolerance is
Used only for making relatively large coatings.
DC or magnetron sputtering also has many tolerances.
It has also been used to make dielectric coatings for low film quality applications. Generally these
The method involves charging with an inert gas that is ionized to form a low energy plasma.
Membership. Then target in the range of 400-900 volts
Is applied. The negative voltage is such that charged ions having energy
The effect of bombarding the get and sputtering atomic or molecular particles from the target
Having. Subsequently, the sputtered particles condense on the substrate. DC sputter
The metal is used for metal sputtering. RF sputtering has a net DC current of 0
Utilizing the pulsating target voltage, which enables sputtering of dielectric targets
ing.
Reactive gas (es) is added into the chamber and applied to the substrate.
In the case of reactive DC sputtering for forming a compound thin film, the target
When the reactor becomes covered with the dielectric due to the reaction, an arc discharge (
) Increases and the deposition speed becomes very small at the same time.
It is desirable to cause the reaction to take place on the substrate, not on the target. Conventional technology
Have many technologies to address the above problems, but all have some form of target.
And a reactive gas pressure at the target.
Is maintained at a low level to prevent "poisoning" of the target,
The reactive gas pressure is kept high in order for the reaction to take place.
U.S. Pat. No. 4,851,095 to Scobee et al., "Magneto
In the "Ron sputtering apparatus and method", the components are argon pressure.
Reactive zone with energetic deposition zone and energy
It moves back and forth on a drum that rotates at high speed between the reaction zone containing the zuma.
U.S. Pat. No. 4,392,931 to Maniv et al., "Reactive Deposit
In the "method and apparatus", the target material has an orifice or small opening (
Sputtered onto a rotating drum through an aperture. Inert gas for sputtering
Is fed into the target chamber and the reactive gas is
It is sent to the part except the get chamber. The aperture is the target
Limit the amount of reactive gas to the reactor. An electric field is applied to the drum to remove reactive gases.
On to increase the transparency of the thin film.
U.S. Pat. No. 4,931,169 to Scherer et al., "Substrate
Dielectric Coating Equipment "also discloses sputtering through an orifice, Arkin
An alternating current (AC) current component is superimposed on the DC drive voltage in order to prevent switching. Chess
The AC field in the patent of Röhler et al. Is between the oscillating electrons and the sputtering gas.
Increase the speed of deposition because of increased collisions.
Has been. In addition, the field may reduce the film formation pressure to as low as 0.5 Torr.
It is said to have the effect of being able to.
U.S. Patent No. 4,946,576 to Dietrich et al.
"Device for thin film coating of substrates" also uses an aperture between the cathode and the substrate.
And applying a positive voltage near the substrate covered by the reactive gas flow.
. The reactive gas is ionized by the anode (anode), and the stoichiometric
Improve theoretically. No. 4,572,840 to Dietrich et al.
Apparatus and method for reactive vapor deposition of metal and semiconductor compounds "
A flow restrictor equal to at least 40% of the cross-sectional area of the magnetron and the substrate
Used between and.
In all of the above prior art techniques, the source-substrate distance is short. In Scobee etc.
The distance is approximately 10 cm, the distance is 10 cm for a manif, etc., and the distance is
The separation is 4 cm, and in Dietrich '842, 6 cm is used as an example.
However, Dietrich et al. '576 does not mention distance.
Attempts to use low pressure, long throw distance magnetron sputtering
Has been described. Philips, Kirtland Air Force Base, New Mexico, USA
Laboratory Advanced Coating Development Program
(Advanced Coating Development Program
m) (PL-TR-93-1033), Pounds etc. use 8 inch magnetron
Used to coat medium sized substrates of 8 inches or less in diameter
Developed the Gnetron sputtering process [Final report (July 1994)
)]. To obtain a sufficient deposition speed, the pound should be able to rotate the magnetron by 20 °.
Tilted. The pound is the reactive gas flowing through the manifold to the substrate surface.
Or facing the substrate surface and the magnetron assembly (assembly)
And the inert gas for sputtering is passed through the shield to the magnetron.
Due to the "gas separation process" introduced, the reactive gas pressure in the magnetron
Lowered. The development of this technique has led to the fabrication of thin films with a fully reacted stoichiometric composition.
Help reduce the risk of poisoning and arcing in the target
Made to try. The higher the background gas pressure, the denser the thin film
As the degree decreases, the pound is a magnet with a special high magnetic magnet (magnet)
An attempt was made to lower the inert gas pressure in the chamber using Ron. this
The characteristic of the pounding device is that the deposition speed is generally as low as 0.5 to 1.5 mm / sec.
That is. The cause of such low deposition speed is generally due to the target
Can be attributed to poisoning, arcing, poor film reaction and low applied power levels
You.
In addition, except for the above-mentioned Sherer et al.
In all of the prior art, the total pressure is approximately 3 × 10 between the substrate and the target.-3
It is maintained at a normal sputtering pressure of Torr.
Summary of the Invention
The main objective of the present invention is to achieve very high packing densities comparable to those obtained by IBS.
An optical thin film with low power, a smooth surface, and low scattering is applied to a DC magnetron spa
It is to make with a cutting machine.
A method and apparatus for achieving this objective includes a vacuum pump having an exceptionally high pumping speed.
Magnetron sputtering equipment in a vacuum chamber (vacuum chamber) equipped with
Is included. Gas manifold around the magnetron and target material
Traps the inert gas for sputtering (argon) near the magnetron
Confuse. The gas diffuses out of the magnetron zone and spreads, so the extraordinary exhaust
A high vacuum pump pumps the expanding gas from the chamber at high speed
Remove with. Therefore, the pressure in the chamber is equal to the pumping speed of the vacuum pump.
This is a function of the gas confinement efficiency of the magnetron baffle. reaction
The reactive gas is an ion gun that ionizes the gas and directs the ions toward the substrate.
Through the chamber. The method comprises reacting the reactive gas in the magnetron.
Required to create thin films with the correct stoichiometric composition while reducing
It has the effect of reducing the amount of gas.
The present invention is based on known conventional magnetron sputtering techniques and conventional ion implantation.
It is clearly distinguished from beam technology. The feature of the present invention is that extremely low reactive gas
Very low chamber pressure, including pressure and very low inert gas pressure. Said anti
Reactive gas such as OTwo, NTwo, NO, etc. (at the substrate surface to be coated
Measured), 2.0 × 10-Five~ 1.5 × 10-FourTorr range is desirable.
And more preferably 3 × 10-Five~ 9 × 10-FiveTorr. At the very low pressure
Has been successfully completed due to the arcing of the magnetron and the reactive gas.
Reduce or eliminate "poisoning" of the sauce. The inert gas, for example argon
, Krypton, xenon, etc., in a preferred embodiment,
Introduced into the Ron chamber. Inert gas pressure (the substrate surface to be coated
), Preferably 5.0 × 10-Five~ 2.0 × 10-FourTorr range
, More preferably 5 × 10-Five~ 1.5 × 10-FourSteep pressure like Torr
Power drops are being created. Long average due to such low gas pressure in the chamber
A free path (MFP) is obtained and therefore the gas in the chamber and the sputter
The advantage is that long throw distances can be achieved without improper collisions with
You. Preferably 12 inches or more, more preferably 20 inches or more
Good throw uniformity is successfully obtained with a long throw distance. Said extremely low
Depending on the pressure in the chamber, a long throw distance can be used. That is,
Even if a long throw distance such as
By increasing, the deposition rate of the coating can be successfully increased. Yo
Thin films usually attributed to higher magnetron power and longer throw distance
That is, the deterioration of the coating quality is reduced by newly lowering the pressure inside the chamber.
Can be avoided. Therefore, the preferred embodiment of the present invention (for example, as described above,
Reproducing some of the basic process conditions of IBS (operating in the same pressure range)
However, a DC magnetron sputtering apparatus is used. Magnetron
This new apparatus based on sputtering substantially improves the deposition speed
Increases deposition cost and throughput of high quality coatings
Let it.
BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
FIG. 1 is a reproduction of FIG. 1 showing a way and the like as described in the background of the invention.
FIG. 2 is a reproduction of FIG. 2 of Scott et al. As described in the Background of the Invention.
.
FIG. 3 is a sectional view schematically showing the apparatus of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing a cross section of the magnetron sputtering apparatus of the present invention.
.
FIG. 5 shows the present invention having a plurality of magnetron sputtering assemblies.
It is sectional drawing which shows the outline of the apparatus of FIG.
Fig. 6 shows the magnetron assembly with the magnetron pressure set to 0.7 microns.
Lee's conductance (CM) At 3000 liter / sec.
5 is a graph showing a relationship between an internal pressure and a chamber exhaust speed.
Fig. 7 shows the magnetron assembly with a magnetron pressure of 0.4 microns.
Lee's conductance (CM) At 3000 liter / sec.
5 is a graph showing a relationship between an internal pressure and a chamber exhaust speed.
Detailed description of the preferred embodiment
As mentioned above, FIGS. 1 and 2 can be used with a ring laser gyroscope.
High quality dielectric coatings on substrates to form mirrors
1 shows an IBS device. The invention described herein produces equivalent high quality coatings.
DC reactive magnetron switches instead of IBS
Use a puttering device. Background of inert gas (eg argon)
The pressure is the same or nearly the same as that disclosed in the Way et al. And Scott et al. Patents.
Or lower. The thin film prepared according to the present invention is:
Comparable to IBS coating with smooth surface, low scattering and extremely high packing density
Have the property of Created according to the preferred embodiment of the method described here
The total loss of the high reflection mirror for laser is, for example, 0.01%, ie, 100 ppm.
Smaller than enough.
3 and 4 illustrate a method and apparatus of a preferred embodiment of the method disclosed herein.
Is shown. The envelope 10 includes a low-pressure magnetron assembly 12 and
Planetary base having a plurality of rotatable planetary plates (planet) 14
The vacuum chamber 11 that accommodates the plate holder 13 is formed. Each planet 14 is
The substrate is supported facing the magnetron assembly 12. In this embodiment,
The upper surface of the magnetron assembly 12 and the planet 14
Is 16 inches. The magnetron assembly 12 includes a conduit (
A conduit 17 is connected to the sputtering gas source 16. This embodiment
In the above, the envelope 10 is shown as a sphere having a radius of 48 inches, but other shapes are used.
Can be used similarly.
The envelope 10 opens toward the vacuum chamber 11 and is a high-speed vacuum pump.
20 and a lower slide provided with a gate valve 21 between the lower chamber and the vacuum chamber 11.
Has a probe 18. Inside the vacuum chamber 11 as well as the vacuum pump 20
5 × 10 pressure-FiveTorr ~ 1.5 × 10-FourTo the very low range of Torr
Used to reduce and maintain the inert gas pressure.
Representative high-speed vacuum pumps useful in the embodiments disclosed herein include turbo
There are pumps, cryopumps and diffusion pumps. One pump, for example, 16 pumps
Inch cryopump or 16 inch turbo pump or 16 inch diffusion
A pump is used, and, more preferably, a 16 inch cryopump is used in the present invention.
Or a 16 inch diffusion pump is employed. The pump has a pumping speed of 16 inches.
5000 liters / sec.Two), 16 inch diffuser
Is about 10,000 liters / sec. (Leybold product
And Vacuum Technology Reference Book (1993)). 10 with cryopump
000 liters / second (NTwo), 17500 liter / sec (NTwo)
20 inch pump with air velocity (Varian vacuum product catalog)
(See 1991-92) can also be used. the above
Is the value at the throat (throat) of each pump.
The magnetron assembly 12 includes the planetary substrate holder 13.
On the vertical line connecting the rotation axis (main center line 22) of the lens and the holder for the monitor chip 23
It is in. In the present embodiment, the throw, that is, the magnetron
The distance between the upper surface of the assembly 12 and the planet 14 is 16 inches. each
The planet and substrate rotate about their own centerline 24. The planetary hol
In the present embodiment, the diameter of the planet 13 is
Is 15 inches, and the substrate is 15 inches in diameter or smaller than 15 inches.
The center line 24 of each planet 14 can accommodate a large substrate.
Note that it is 14 inches away from the centerline 22
Except, no further description is necessary. Like a 24-inch planet
Larger planets can be used with correspondingly large substrates and throw distances.
Therefore, a further improvement in throughput can be achieved.
The output of the ion gun 26 is represented by a broken line 27 and is obliquely attached to the substrate holder 13.
And the input is connected to the mixed reactive gas 28 by conduit 30
Have been. The ion gun 26 has an ion output and a mixed gas for the substrate holder 1.
3 and in the present embodiment, the ion gun 26
Is 210 inches away from the planet 14. The ion gun 26
Has two main functions. The first is conceptually the same as the Scott et al. Patent.
Similarly, it is to modify and improve the thin film properties. The second function is probably heavier
It is important to keep the background pressure of the reactive gas low.
You. The reactive gas is ionized by the ion gun 26 and directly directed toward the substrate.
Be advanced. The momentum of the reactive gas ions directs the ions toward the substrate.
The reactive gas causes arcing and slow deposition.
Rub, do not carry to the magnetron. A small amount of gas goes to the magnetron
But does not noticeably affect the operation of the magnetron. representative
Typical reactive gas pressure is 2 × 10-FiveTorr ~ 1.5 × 10-FourTorr range
And preferably 3 × 10-FiveTorr ~ 8 × 10-FiveTorr.
To measure the pressure in the vacuum chamber 11, a suitable hot cathode pressure gauge 31 is used.
Is also connected to the vacuum chamber 11. The vacuum chamber 11 has
Shielding the output of the magnetron assembly 12 represented by line 34
A shutter 32 capable of swinging around a mandrel (stem) 33
I have. The stem 33 may be supported (platform) 35 by any suitable means.
And means for swinging the stem 33 (not shown).
The shutter 32 is used by the apparatus during deposition of each layer on the substrate.
Contaminants that have aggregated on the surface of the target during the
It is used to pre-sputter the source to remove it from.
As shown in FIG. 4, the magnetron assembly 12 has walls 38 and
And a target having a cavity 37 formed by the target material 40.
Holder 36 is included. In the central portion of the cavity 36, a pipe 42 and
A conventional machine cooled by water with circulating water flowing into and out of the cavity 36 through the
Gunnet 41. The metal clamped to the holder 36
The target material 40 is also water-cooled. At a slight distance from the holder 36,
The manifold 44 sealed with the insulator 45 is moved by the conduit 17 (FIG. 3).
To the source of the sputtering gas 16 so that the gas is
The metal target material 40 can flow over the entire surface. Said
The manifold 44 has an aperture having substantially the same dimensions as the metal target material 40.
Since there is a char 45, the sputtered target material and the sputtering gas 1
6 is emitted as represented by the straight line 34. The magnetron is Colorado
Available from Material Sciences, Inc., Boulder, Oreg.
It is mainly 6 inches to 8 inches in diameter with a slot.
The present invention has been developed in light of the foregoing without the limitations of IBS or other known technologies.
Ability to produce extremely high quality coatings by gnetron sputtering
That the invention is a major advance over the prior art,
Will be recognized.
Dimensions and pressure of the above-described embodiment, a throw distance of -16 inches, and a diameter of 15
Inch planet, 15 inch or smaller substrate and 20 inch
Distance from the top of the ion gun to the planet, and 2 × 10-FiveT
orr ~ 1.5 × 10-FourVery low reactive gas pressure in the range of Torr and 5 × 1
0-FiveTorr ~ 2 × 10-FourThe very low inert gas pressure of Torr is also a feature of the present invention.
This shows a great difference between the above and the prior art.
Sloop of a preferred embodiment of the present invention in making a laser quality mirror
Compare the throughput to the throughput of a typical IBS device:
From the above table, it can be seen that the throughput of the present invention is 20 times higher than that of a typical IBS device.
It turns out that it is 120 times faster. Coating throughput depends on deposition rate
It is a function of the substrate area.
Further, the method of the present invention can be easily adjusted for larger equipment. The above
All dimensions can be at least doubled, and optical diameters of 30 inches or more
The substrate can be provided with a laser-quality, low-loss coating with good uniformity. Easy adjustment
It is a simple linear problem. Larger equipment requires larger magnetrons and more
An amount of process gas (eg, argon) is used. Therefore, the vacuum pump
As the chamber and process gas flow increases,
I have to.
Therefore, as is already clear, the present invention is, for example, to make the current IBS device
Create laser quality mirrors many times larger in diameter than you know
be able to.
In a preferred embodiment of the present invention, a long throw of 16 inches or more and
And low chamber pressure to simultaneously deposit two or more materials
A high-quality optical thin film made of a mixed material can be formed. FIG.
Examples of sources include a magnetron assembly 12 and a vacuum chamber 11.
And two sources of the magnetron assembly 12a. (the above
Additional source subscripts and the use of the same reference numbers as in all other FIG.
This is for simplifying the description in. )
Controlling the power level of each source which effectively controls the deposition speed;
With the above, the layer having the selected refractive index is formed into a mixture of two or more materials.
Can be formed. The mixing was homogeneous and selected throughout the layer
Either form a thin film with a refractive index or follow the composition of the
Thus, the refractive index changes throughout the thin film. Commonly used heterogeneous thin film shapes
One form is called a "rugate" filter, where the refractive index varies sinusoidally.
To form a reflector with a narrow notch.
To maintain low pressure in the multi-source system, the pumping speed must be
Approximately doubled for two position sources, and more for N position sources
It has to be N times larger. Given the benefits in this disclosure, generally
Either increase the pump diameter or add more pumps to the chamber
Improving the pumping speed is a simple task for engineers skilled in the field.
U. However, in practice, two simultaneous depositions are required to maintain deposition speed.
It is not necessary to apply the same level of power to one source as that used for one source.
The rate of deposition from the sources is additive, so each source
Can have smaller dimensions, using less gas.
Another device used in the present invention is the Advance, Boulder, Colorado.
Commercially available under the trademark SPARC-LE from To Energy.
It is an electronic device for arc reduction. In FIG. 3, the sparkleries 46 themselves
DC power supply 48, and is connected to the magnetron assembly 12 and the conductive wire 47.
It is shown that it is more connected. The sparkle 46 is shown in FIG.
So that the two magnetron assemblies 12 and 12a
Connected in the same manner. Although the device helps reduce arcing, the method and method of the present invention
It is not necessary for devices.
As stated above, the magnetron system operates at very low pressure.
It is good to make. The inert gas pressure in the chamber is equal to the magnetron pressure.
Will be a function. Most importantly in the present invention, as depicted in FIG.
Low total pressure region 50 (Ar + OTwo) Is always much smaller than the high argon pressure region 52
That is.
The chamber pressure is modeled using the well-known pressure-flow equation (
Rybold Products and Vacuum Technology Reference Book, pages 18-5 (1993)
reference):
PChamber =FlowAr /CP
PMagnetron =FlowAr /CM +PChamber
hereP
Chamber Chamber pressureFlow
Ar Flow of argon into chamber (through magnetron)
amountC
P Conductance of high-speed vacuum pump (chamber exhaust speed)P
Magnetron Pressure inside magnetronC
Conductance due to gas confinement in M magnetron
(Gas confinement efficiency of magnetron)
It is. To summarize the terms, the pressure in the chamber is
PChamber =PMagnetron / (CP /CM + 1)
You.
This relational expression indicates that the pressure in the chamber is equal toCP)
That's important. This relation also shows that if the chamber pumping speed is low,
, Indicates that the pressure in the chamber is substantially equal to the pressure in the magnetron.
. Such low pumping speed devices are known in the prior art and reduce pumping speed.
For this purpose, a throttle valve mechanism is provided in front of the suction port of the pump. Supra
See Vossen and Kern, p. 156. However, the chamber exhaust speed is
If the pressure is high, the pressure in the chamber is reduced to the pressure in the magnetron as the present invention indicates.
ratio
All lower enough.
Using the above equation, as shown in FIGS. 6 and 7, the new chamber
No matter what the pumping speed is, the pressure in the chamber is approximated.
Can be sought. As is clear from the figures,
Any desired suitable pressure can be reached by increasing the chamber pumping speed.
As is possible with certain magnetrons, the sputtering source in the magnetron is
The lower the active gas pressure, the lower the total pressure curve correspondingly. This is
Magnetron assembly conductor with 0.7 micron internal pressure
Su (CM) Is 3000 liter / sec and the pressure curve and magneto
The conductance of the magnetron assembly is 0.4 micron in pressure.
(CM) Is 3000 liters / sec, by comparison with the pressure curve in FIG.
Is shown. The pumping speed shown on the horizontal axis is fully achievable,
A commonly used 20 inch diffusion pump is rated at 17500 liters / second
Yes, the rating of the 32 inch diffusion pump is 32000 liters / second.
With respect to the optical multilayer film forming apparatus described in detail in this specification, the original object of the present invention and
It is noted that various additions and changes may be made without departing from the spirit and scope of the invention.
It will be clear from the description. The following claims are intended to cover all such changes and additions.
And intended to encompass.