JP2004109827A - Method for depositing thin film for terahertz band optical element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光学素子に形成する反射防止膜や反射膜あるいは濾波器などの光波干渉膜を形成する場合に必要となる薄膜形成方法であって、特にテラヘルツ帯光学素子用の薄膜形成方法に関している。
【0002】
【従来の技術】
可視光線領域においては、種々の膜厚構成を有する光波干渉膜によって反射防止膜や反射膜あるいは濾波器などが形成され使用されている。この光波干渉膜を構成するそれぞれの薄膜の厚さは、可視光領域では、1ミクロン以下であるため、その製造プロセスではスパッタ法や真空蒸着法が主に使われて来た。
【0003】
可視光線領域よりも波長が長いテラヘルツ帯においては、この光波干渉膜を構成するそれぞれの薄膜の厚さは、10から750ミクロンになるため、従来の方法を適用すると、製造にきわめて長い時間を要する。このため、テラヘルツ帯に適した製造方法が求められている。
【0004】
テラヘルツ帯の光学素子用の薄膜としては、以下に説明する製造方法が知られている。
1)TEOS(テトラエチルオルソシリケート)を用いたCVD法で、正膜時の温度は200℃以上であり、成膜出来るのは、シリコン酸化膜だけである。また、200℃よりも低温で成膜すると、膜中に黒鉛が残り光の透過率を低下させてしまう。しかし、テラヘルツ帯の光検出器としてはGe:Ga(Geに微量のGaを添加した半導体)検出器が使われるが、Ge:Ga結晶は、200℃以上で保持すると、不純物であるGaの分布が変化して光検出感度が低下するため、この方法は、この光検出器には使われない。
2)プラスチック膜をテラヘルツ帯の光学素子に貼り付けて、光干渉膜として用いる方法がある。しかし、プラスチックの屈折率は、1.5程度であり、テラヘルツ帯で用いられる半導体(Ge、Si、あるいはGaAs)や非線形光学素子(LiNbO3、ZnTeの場合)の場合は3.0以上であるため、屈折率の整合を取るのが困難である。
3)溶融石英(屈折率=1.959)の薄膜をゲルマニウム基板に光学用接着剤で貼り付けた後に、厚さを約20ミクロン程度に研磨して反射防止膜としたものが実現されている。この方法は、全工程が室温付近にあり、基板と屈折率の整合の取りやすい最適な材料を任意に選べ、膜圧の制御性が良い、という利点を持っている。しかし、研磨工程を必要とするため、手間がかかり歩留まりが悪い。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法で形成したテラヘルツ帯の光波干渉膜では、半導体検出器の性能を劣化させたり、屈折率の整合を取りづらかったり、あるいはその製造に手間がかかったりしていた。
【0006】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、半導体検出器の性能を劣化させることなく、屈折率の整合を取ることができ、また製造が容易であるテラヘルツ帯光学素子用の薄膜形成方法を提案することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、高温環境でなくても高い成膜速度が実現できる様にプラズマCVD法を用いる。また光波干渉膜を実現するために、高い屈折率の膜と低い屈折率の膜とを交互に積層する。この場合、高い方の屈折率と低い方の屈折率の比が大きいほど良い。この積層は、上記のプラズマCVDの原料ガスの切り換えだけで行ない、プラズマCVD装置の成膜室から出さずに行なう。このようなことから、第1の発明は、100GHzから10THzまでの光の光学素子をプラズマCVD装置に入力し、CVD用の原料ガスの切り換えを順次行なって、第1の屈折率をもつ膜と、それよりも小さい第2の屈折率をもつ膜とを含む複数の積層膜をその表面に順次形成して光波干渉膜とすることを特徴としている。
【0008】
また、第2の発明は、第1の発明に加え、上記のCVD用の原料ガスは、シランガスと酸素ガスであり、酸素ガスを遮断してシリコン膜を形成し、酸素ガスを導入して酸化珪素膜を形成することを特徴としている。
【0009】
また、第3の発明は、第2の発明に加えて、上記の原料ガスのキャリアガスとしてアルゴンガスを用いることを特徴としている。
【0010】
また、第4の発明は、第2の発明に加えて、上記のプラズマCVD装置での成膜時の圧力は、1パスカル以下であることを特徴としている。
【0011】
また、第5の発明は、第2の発明に加えて、上記の光学素子の素材は、ゲルマニウムもしくはシリコンもしくは砒化ガリウムに不純物準位が40meV以下の浅い不純物を添加した半導体あり、その成膜時の温度は、160℃以下であることを特徴としている。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図1を用いて説明する。図1は、テラヘルツ帯で使用する光学素子に反射防止膜、反射膜あるいは光学フィルタとなる干渉膜を形成するためのプラズマCVD装置である。この装置は、ガス導入管1から原料ガスを供給し、反応室2で誘導電極9からの電磁波によるプラズマにより促進された化学反応を起こし、この化学反応で生成された分子をメインチャンバー5内にある光学素子8の表面に付着させるものである。このメインチャンバー5からの排気は、排気管6によって行なわれる。原料ガス(10a、10b、…10n)は、たとえば、シランガス11a、酸素ガス11bであり、また、キャリアガスは、アルゴンガス11nである。これらのガスの流量は、それぞれの流量調整弁10a、10b、…10nによって行なわれる。ここで用いる原料ガスは、この3種類に限る理由はなく、形成する膜に合わせて原料ガスを切り換える必要のあることは明らかである。成膜プロセス中の膜厚は、観察窓4から膜厚測定のための光線3を光学素子8の表面に照射する既によく知られた光学的な測定を行なうことができる。また、加工する光学素子の温度は、加熱用ヒータ7により、過熱することができる。例えば、光学素子がGe:Ga結晶でできている場合は、200℃以下にすることにより、素子の性能が劣化するのを防止することができる。
【0013】
上記の様に、原料ガスが、シランガス11a、酸素ガス11bであり、また、キャリアガスは、アルゴンガス11nである場合に、成膜時の圧力は1パスカル以下であることが望ましい。また酸素ガスの供給を止めることによって、シリコン膜が形成されるので、酸素ガスの供給を順次オン‐オフすることによって、シリコン膜と、酸化珪素膜とからなる多層膜を容易に形成できる。
【0014】
また、CVD法で形成した膜では、化学量論的に異なる種々の膜を形成することができる、例えば酸化珪素膜としてSiOx膜(x=1.94)を形成することができる。この場合は、ゲルマニウムの屈折率と酸化珪素膜の屈折率とが等しくなり、屈折率の整合を取ることができる。因みに、溶融石英膜の場合は、屈折率が1.96であるため、少なくとも0.04%反射が起っている。前記の酸化珪素幕を用いることによって、より低反射の反射防止膜を実現できる。
【0015】
また、シリコンSi(屈折率=3.42)と上記の酸化珪素SiO2膜(屈折率=1.96)とを用いて多層膜を形成した場合には、その膜厚構成を変えることによって、可視光領域の場合と同様に、それぞれの屈折率の2乗の間の領域(3.84から11.68)にある屈折率をもつ基板材料について、基板との整合性のとれた光波干渉膜を容易に作ることができる。
【0016】
【発明の効果】
この発明は上記した手段からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【0017】
第1の発明では、プラズマCVD法を用いて高い屈折率の膜と低い屈折率の膜とを交互に積層して光波干渉膜を形成し、この積層は、原料ガスの切り換えだけで行なうようにしたので、高温環境でなくても高い成膜速度が実現できるので、テラヘルツ帯の光学素子に適用できる光波干渉膜が容易に実現できる。
【0018】
また、第2、第3、第4、題5の発明では、CVD用の原料ガスは、シランガスと酸素ガスであり、酸素ガスを遮断してシリコン膜を形成し、酸素ガスを導入して酸化珪素膜を形成するようにしたので、テラヘルツ帯でよく用いられるゲルマニウム結晶等に整合した屈折率をもった光波干渉膜を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示すための模式図である。
【符号の説明】
1 ガス導入管
2 反応室
3 光線
4 観察窓
5 メインチャンバー
6 排気管
7 加熱用ヒータ
8 光学素子
9 誘導電極
10a、10b、10n 流量調整弁
11a、11b、11n 原料ガス[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin film forming method required for forming an optical interference film such as an antireflection film, a reflection film, or a filter formed on an optical element, and particularly to a thin film forming method for a terahertz band optical element. .
[0002]
[Prior art]
In the visible light region, an anti-reflection film, a reflection film, a filter, or the like is formed and used by light wave interference films having various film thickness configurations. Since the thickness of each thin film constituting the light wave interference film is 1 μm or less in a visible light region, a sputtering method or a vacuum deposition method has been mainly used in the manufacturing process.
[0003]
In a terahertz band having a wavelength longer than the visible light region, the thickness of each thin film constituting the light wave interference film is 10 to 750 μm. Therefore, if the conventional method is applied, it takes an extremely long time to manufacture. . Therefore, a manufacturing method suitable for the terahertz band is required.
[0004]
As a thin film for an optical element in the terahertz band, a manufacturing method described below is known.
1) In the CVD method using TEOS (tetraethylorthosilicate), the temperature at the time of the positive film is 200 ° C. or more, and only the silicon oxide film can be formed. Further, when the film is formed at a temperature lower than 200 ° C., graphite remains in the film, and the light transmittance is reduced. However, a Ge: Ga (semiconductor in which a small amount of Ga is added to Ge) detector is used as a photodetector in the terahertz band. However, when the Ge: Ga crystal is kept at 200 ° C. or higher, the distribution of Ga as an impurity is reduced. This method is not used for this photodetector because the photodetection sensitivity is reduced due to changes in the photodetection.
2) There is a method in which a plastic film is attached to a terahertz band optical element and used as an optical interference film. However, the refractive index of plastic is about 1.5, and is 3.0 or more in the case of a semiconductor (Ge, Si, or GaAs) or a non-linear optical element (in the case of LiNbO 3 or ZnTe) used in the terahertz band. Therefore, it is difficult to match the refractive indexes.
3) A thin film of fused quartz (refractive index = 1.959) is attached to a germanium substrate with an optical adhesive, and then polished to a thickness of about 20 microns to form an antireflection film. . This method has the advantage that the entire process is near room temperature, the optimum material that can easily match the refractive index with the substrate can be arbitrarily selected, and the controllability of the film pressure is good. However, since a polishing step is required, it is troublesome and the yield is low.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the terahertz band light wave interference film formed by the conventional method, the performance of the semiconductor detector is deteriorated, it is difficult to match the refractive index, or the production of the film is troublesome.
[0006]
The present invention has been proposed in view of the above, and proposes a method of forming a thin film for a terahertz band optical element that can match refractive indexes without deteriorating the performance of a semiconductor detector and that is easy to manufacture. It is intended to be.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a plasma CVD method is used so that a high deposition rate can be realized even in a high-temperature environment. Further, in order to realize a light wave interference film, a film having a high refractive index and a film having a low refractive index are alternately laminated. In this case, the larger the ratio between the higher refractive index and the lower refractive index, the better. This lamination is performed only by switching the source gas of the plasma CVD, and is performed without leaving the film formation chamber of the plasma CVD apparatus. In view of the above, the first invention provides a film having a first refractive index by inputting an optical element of light from 100 GHz to 10 THz to a plasma CVD apparatus and sequentially switching the source gas for CVD. A plurality of stacked films including a film having a second refractive index smaller than the above are sequentially formed on the surface to form a light interference film.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in addition to the first aspect, the source gases for CVD are a silane gas and an oxygen gas, and the oxygen gas is cut off to form a silicon film. It is characterized in that a silicon film is formed.
[0009]
Further, the third invention is characterized in that, in addition to the second invention, an argon gas is used as a carrier gas of the above-mentioned source gas.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, in addition to the second aspect, the pressure during film formation in the above-described plasma CVD apparatus is 1 Pa or less.
[0011]
According to a fifth aspect of the present invention, in addition to the second aspect, the material of the optical element is a semiconductor obtained by adding a shallow impurity whose impurity level is 40 meV or less to germanium, silicon, or gallium arsenide. Is not more than 160 ° C.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 1 shows a plasma CVD apparatus for forming an antireflection film, a reflection film, or an interference film serving as an optical filter on an optical element used in the terahertz band. This device supplies a raw material gas from a gas introduction pipe 1, causes a chemical reaction promoted by plasma generated by an electromagnetic wave from an induction electrode 9 in a
[0013]
As described above, when the source gas is the
[0014]
Further, the film formed by the CVD method, it is possible to form a stoichiometrically different variety of film, for example, it is possible to form the SiO x film (x = 1.94) as a silicon oxide film. In this case, the refractive index of germanium is equal to the refractive index of the silicon oxide film, and the refractive indexes can be matched. Incidentally, in the case of the fused silica film, since the refractive index is 1.96, at least 0.04% reflection occurs. By using the silicon oxide curtain, an antireflection film having lower reflection can be realized.
[0015]
Further, when a multilayer film is formed using silicon Si (refractive index = 3.42) and the above-mentioned silicon oxide SiO 2 film (refractive index = 1.96), by changing the film thickness configuration, As in the case of the visible light region, for a substrate material having a refractive index in a region (3.84 to 11.68) between the squares of the respective refractive indices, a light wave interference film having consistency with the substrate is obtained. Can be easily made.
[0016]
【The invention's effect】
Since the present invention includes the above-described means, the following effects can be obtained.
[0017]
In the first invention, a high-refractive-index film and a low-refractive-index film are alternately laminated using a plasma CVD method to form an optical interference film, and this lamination is performed only by switching the source gas. Therefore, a high film forming rate can be realized even in a non-high temperature environment, so that a light wave interference film applicable to a terahertz band optical element can be easily realized.
[0018]
In the second, third, fourth, and fifth aspects of the invention, the source gases for CVD are silane gas and oxygen gas. The oxygen gas is cut off to form a silicon film, and the oxygen gas is introduced to oxidize. Since the silicon film is formed, a light wave interference film having a refractive index matched to germanium crystal or the like often used in a terahertz band can be formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
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Cited By (2)
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WO2007077658A1 (en) | 2005-12-28 | 2007-07-12 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Terahertz-band optical filter, its designing method, and its manufacturing method |
WO2008075624A1 (en) * | 2006-12-19 | 2008-06-26 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Optical component for terahertz band |
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2002
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WO2007077658A1 (en) | 2005-12-28 | 2007-07-12 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Terahertz-band optical filter, its designing method, and its manufacturing method |
US7573639B2 (en) | 2005-12-28 | 2009-08-11 | Murata Manufacturing Co., Ltd | Terahertz-band optical filter, designing method thereof, and manufacturing method thereof |
WO2008075624A1 (en) * | 2006-12-19 | 2008-06-26 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Optical component for terahertz band |
JP4849695B2 (en) * | 2006-12-19 | 2012-01-11 | 株式会社村田製作所 | Terahertz optical components |
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