JP2005256119A - 成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面に凹凸の形状を有する基板上に堆積する膜の厚さを制御することが可能な成膜装置を提供する。
【解決手段】 ターゲット３０、３５をスパッタリングして、基板５０に前記ターゲット３０、３５の材料の薄膜を形成する成膜装置において、薄膜をエッチングするエッチング源６０を有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、成膜装置に関する。

従来、光学薄膜用の成膜装置として、主として、真空蒸着装置及びイオンアシスト蒸着装置が用いられている。また近年、光学薄膜を成膜する用途に、イオンプレーティング装置又はスパッタリング装置を用いる試みがなされており、所望の光学特性、緻密性、及び密着性を有する光学薄膜を得ることができるような成膜装置の開発が望まれている。

例えば、スパッタリング法を用いた成膜装置としては、図１に示すような成膜装置が開示されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。

図１は、従来のスパッタリング法を用いた成膜装置の概略図であり、成膜装置は、図示していない排気系で内部を排気した真空槽１０、真空槽１０内に設けられた円筒形の基板ホルダー２０、並びに、それぞれ真空槽１０の内部に設けられ遮蔽板で区画された第一のターゲット３０、第二のターゲット３５及び酸化源４０を有する。第一のターゲット３０及び第二のターゲット３５は、それぞれ、互いに異なる金属材料からなる。

次に、上記の成膜装置を用いた従来の成膜方法について説明する。基板ホルダー２０の外周には、複数の基板５０が保持される。次に、基板ホルダー２０を回転させ、基板ホルダー２０の外周に保持された基板５０と第一のターゲット３０を対向させる。そして、第一のターゲット３０をスパッタリングすることで、第一のターゲット３０を構成する金属材料の原子を基板５０上に積層し、第一のターゲット３０の金属材料からなる薄膜を基板５０上に形成する。さらに、基板ホルダー２０を回転させ、第一のターゲット３０の金属材料からなる薄膜が形成された基板５０を酸化源４０と対向させる。そして、酸化源４０によって酸素又はオゾンのような酸化性ガスのプラズマ発生させ、そのプラズマ中の酸素ラジカルを基板５０上に形成された薄膜に反応させて、基板５０上に形成された金属薄膜を酸化する。その結果、基板５０上に第一のターゲット３０の金属が酸化された金属酸化物の薄膜を得ることができる。次に、基板ホルダー２０を回転させ、金属酸化物の薄膜が形成された基板５０と第二のターゲット３５を対向させる。そして、第二のターゲット３５をスパッタリングすることで、第二のターゲット３５を構成する金属材料の原子を金属酸化物の薄膜上に積層し、第二のターゲット３５の金属材料からなる薄膜を金属酸化物の薄膜上に形成する。次に、基板ホルダー２０を回転させ、第二のターゲット３５の金属材料からなる薄膜が形成された基板５０を酸化源４０と対向させ、酸化源４０から供給される酸素ラジカルによって、第二のターゲット３５の金属材料からなる薄膜を酸化する。このような工程を繰り返すことで、基板５０上に第一のターゲット３０の金属材料を酸化させた金属酸化物の薄膜及び第二のターゲット３５の金属材料を酸化させた金属酸化物の薄膜を形成することができる。なお、酸化源４０を動作させずに、第一のターゲット３０及び／又は第二のターゲット３５の金属材料からなる薄膜を形成してもよい。

上記のような従来の成膜装置によれば、凹凸の無い平面を有する基板上に金属又は金属酸化物の薄膜を形成することはできるが、微細加工によって形成された微細な溝や穴のような凹凸の形状を表面に有する基板に所望の薄膜を形成することは困難である。図２は、従来の成膜装置を用いて表面に凹凸の形状を有する基板上に薄膜が成膜された素子の断面図である。すなわち、図２に示すように、上記の従来の成膜装置を使用して表面に微細な凹凸の形状を有する石英の基板５０に、スパッタリング法によって、ターゲットの材料からなる膜１１０を成膜すると、基板５０の凸部に選択的にターゲットの材料が付着する。このため、基板５０の凸部においては、ターゲットの材料の膜１１０が堆積するが、基板５０の凹部においては、ターゲットの材料の付着が少ないことに加えて、基板５０の凸部に堆積した膜１１０は、凹部の開口を次第に狭くし、ターゲットの材料が基板５０の凹部に付着することを妨害する。その結果、基板５０の表面の凹部は、ターゲットの材料で充填されず、基板の凹部に空洞１２０が形成されてしまう。このような、基板５０の凹部に空洞１２０が形成された素子は、光学素子として欠陥品となってしまう。よって、上記のような従来の成膜装置を用いて、基板５０に設けられた微細な溝や穴にターゲットの材料を均一且つ一様に充填することは困難である。

また、表面に微細な溝や穴が形成されたＳｉ基板の微細な溝や穴に薄膜材料を充填することが可能な半導体製造装置も考案されているが、このような半導体製造装置を用いても、ガラス等の絶縁性の高い基板の表面に形成された微細な溝や穴へ薄膜材料を充填することは困難である。さらに、半導体用の薄膜では問題とならない程度の膜厚の誤差及び基板の面内での膜厚分布が、光学用の薄膜では大きな問題となりうる。特に色合成及び色分離用のダイクロイックフィルター、偏光分離膜、狭帯域波長分離膜、及び多層反射防止膜においては膜厚の誤差及び膜厚分布は、致命的な問題である。上記のような半導体製造装置では、表面に微細な凹凸の形状を有する基板上に光学薄膜に要求される所望の光学膜厚（屈折率と物理的膜厚との積）を達成することは困難である。さらに、任意の光学特性を得るために、光学薄膜の物理的膜厚を制御して、所望の光学膜厚を有する光学薄膜を、表面に微細な凹凸の形状を有する基板上に再現性良く多層に積層することは非常に困難である。すなわち、従来の半導体製造装置を用いて表面に微細な凹凸の形状を有する基板上に多層の光学薄膜を積層させると、基板上に形成及び積層される光学薄膜は、基板の表面における微細な凹凸の形状を反映しない。そして、基板に形成される光学薄膜の物理的膜厚が大きいほど、また、基板に積層させる光学薄膜の数が多いほど、基板に形成又は積層された薄膜の形状は、平坦に近づき、所望の物理的膜厚を有する薄膜を基板に形成する又は積層させることが困難である。よって、所望の光学膜厚を有する薄膜を基板に形成する又は積層させることが困難であるため、所望の屈折率を有する光学素子を得ることも困難になる。

よって、微細加工によって基板の表面に設けられた微細な溝や穴へターゲットの材料を充填することが可能であり、微細な凹凸の形状を有する基板に所望の光学膜厚を有する（多層の）薄膜を形成することが可能である光学薄膜用の成膜装置が望まれている。
特許第３２０２９７４号公報 Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．２、２００４年２月、Ｐ．１４４−１４８

本発明は、表面に凹凸の形状を有する基板上に堆積する膜の厚さを制御することが可能な成膜装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、ターゲットをスパッタリングして、基板に前記ターゲットの材料の薄膜を形成する成膜装置において、前記薄膜をエッチングするエッチング源を有することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の成膜装置において、前記エッチング源は高周波電磁誘導プラズマ、誘導結合型プラズマ、電子サイクロトロン共鳴プラズマ、ヘリコン波励起プラズマであることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１に記載の成膜装置において、前記エッチング源は、プラズマイオンのビームを発生させるイオンビーム源であることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３に記載の成膜装置において、前記プラズマイオンは、希ガス原子のイオンであることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４に記載の成膜装置において、前記希ガス原子は、アルゴン原子であることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至５いずれか１項に記載の成膜装置において、前記薄膜と反応するガスの活性種を供給する反応源をさらに有することを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項６に記載の成膜装置において、前記反応源の数は、複数であることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項６又は７に記載の成膜装置において、前記反応源の少なくとも一つは、プラズマイオンのビームを発生させるイオンビーム源であることを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項３、４、５又は８に記載の成膜装置において、前記イオンビーム源と前記基板との間の距離は、前記プラズマイオンの平均自由工程の１倍以上 １０倍以下であることを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項３、４、５又は８に記載の成膜装置において、前記イオンビーム源と前記基板との間の距離は、１０ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることを特徴とする。

請求項１１記載の発明は、請求項１乃至１０いずれか１項に記載の成膜装置において、前記ターゲットから放出される前記ターゲットの材料の粒子が飛行する方向を制限する手段をさらに有することを特徴とする。

請求項１２記載の発明は、請求項１乃至１１いずれか１項に記載の成膜装置において、前記ターゲットと前記基板との間の距離は、前記ターゲットの材料の粒子の平均自由工程の１倍以上１０倍以下であることを特徴とする。

請求項１３記載の発明は、請求項１乃至１１いずれか１項に成膜装置において、前記ターゲットと前記基板との間の距離は、１０ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることを特徴とする。

請求項１４記載の発明は、請求項１乃至１３いずれか１項記載の成膜装置において、前記エッチング源及び前記ターゲットは、略同心円上に配置されることを特徴とする。

請求項１５記載の発明は、請求項１乃至１４いずれか１項記載の成膜装置において、前記ターゲットの材料は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、及びＴａ_２Ｏ_５からなる群より選択される一種類又は複数種類の材料であることを特徴とする。

請求項１６記載の発明は、請求項１乃至１５いずれか１項記載の成膜装置において、前記ターゲットの数は、複数であり、前記複数のターゲットの少なくとも二つは、互いに異なる前記ターゲットの材料を含むことを特徴とする。

請求項１７記載の発明は、請求項１乃至１６いずれか１項記載の成膜装置において、前記ターゲットの少なくとも一つは、複数の種類の前記ターゲットの材料を含むことを特徴とする。

本発明によれば、表面に凹凸の形状を有する基板上に堆積する膜の厚さを制御することが可能な成膜装置を提供することができる。

次に、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。

まず、本発明による成膜装置の概略について図３を用いて説明する。図３は、本発明による成膜装置の概略図である。図３に示すように、本発明による成膜装置は、ターゲットをスパッタリングして、基板にターゲットの材料の薄膜を形成する成膜装置であって、真空槽１０、真空槽１０内に設けられた円筒形の基板ホルダー２０、エッチング源６０、及び飛行方向制限手段７０、並びに、それぞれ真空槽１０の内部に設けられ遮蔽板で区画された第一のターゲット３０、第二のターゲット３５、反応源４０を有する。真空槽１０の内部は、図示していない排気系で排気されており、高真空状態に保たれている。円筒形の基板ホルダー２０は、所定の回転速度で回転可能であり、基板ホルダー２０の外周には、単数又は複数の基板５０を保持することができる。

次に、本発明による成膜装置の動作を説明する。まず、基板ホルダー２０の外周に単数又は複数の基板５０を保持する。次に、基板５０が保持された基板ホルダー２０を回転させて、基板５０と第一のターゲット３０を対向させる。そして、第一のターゲット３０をスパッタリングすることで、第一のターゲット３０を構成する材料の原子を基板５０上に堆積させ、第一のターゲット３０の材料からなる薄膜を基板５０上に形成する。次に、基板ホルダー２０を回転させて、第一のターゲット３０の材料からなる薄膜が形成された基板５０とエッチング源６０を対向させる。そして、エッチング源から放出される高エネルギー粒子により、後述するように、基板５０上に形成された第一のターゲット３０の材料からなる薄膜の一部分をエッチングする。次に、必要に応じて、基板ホルダー２０を回転させて、エッチングされた第一のターゲット３０の材料からなる薄膜が形成された基板５０と反応源４０を対向させる。そして、反応源４０から放出されるガスの活性種を、基板５０におけるエッチングされた第一のターゲット３０の材料からなる薄膜と反応させる。これにより、基板５０上に第一のターゲット３０の材料とガスの活性種とが反応して得られる生成物の薄膜を形成することができる。次に、必要に応じて、基板ホルダー２０を回転させて、薄膜が形成された基板５０と第二のターゲット３５を対向させる。そして、第二のターゲット３５をスパッタリングすることで、第二のターゲット３５を構成する材料の原子を基板５０上に形成された薄膜に堆積させ、第二のターゲット３５の材料からなる薄膜を基板５０上に形成された薄膜上に積層する。この場合にも、次に基板ホルダー２０を回転させて、第二のターゲット３５の材料からなる薄膜が形成された基板５０とエッチング源６０を対向させる。そして、エッチング源から放出される高エネルギー粒子により、後述するように、基板５０上に形成された第二のターゲット３５の材料からなる薄膜の一部分をエッチングする。このようにして、ターゲットのスパッタリングによる成膜、エッチング源による成膜された薄膜のエッチング、及び必要に応じて反応源による成膜された薄膜の反応を組み合わせることで、基板ホルダー２０に設けられた単数又は複数の基板５０上に、第一のターゲット３０及び／又は第二のターゲット３５の材料からなる薄膜、及び／又は第一のターゲット３０及び／又は第二のターゲット３５の材料からなる薄膜と反応源から供給されるガスの活性種と反応させて得られる生成物の薄膜を形成する又は積層させることができる。なお、ターゲットのスパッタリングによる成膜、エッチング源による成膜された薄膜のエッチング、及び必要に応じて反応源による成膜された薄膜の反応に関する各工程を繰り返して又は連続的に実施することができる。

基板の材料は、特に限定されず、基板の材料としては、金属のような導電性材料のみならず、石英ガラスを含むガラス及びプラスチックのような絶縁材料であってもよい。また、薄膜が形成される基板の表面に（溝や穴を含む）微細な凹凸の形状の構造が形成されていてもよいし、薄膜が形成される基板の表面が平坦な平板であってもよい。

上記のように、本発明による成膜装置は、基板上に形成された又は積層された薄膜をエッチングするエッチング源を有する。本発明による成膜装置において、エッチング源の数は、単数であっても複数であってもよい。エッチング源は、基板上に形成された又は積層されたターゲットの材料の薄膜をエッチングする高エネルギー粒子を放出する。本発明による成膜装置にエッチング源を設けることにより、表面に凹凸の形状を有する基板上に堆積する膜の厚さを制御することができる。より詳しくは、基板に設けられた微細な溝や穴にターゲットの材料を十分に充填することができる。また、表面に凹凸の形状を有する基板に所望の厚さの膜を形成することができる。すなわち、基板の表面の形状を反映した均一かつ一様な膜を形成することができる。このことより、所望の屈折率を有する薄膜を基板上に形成することができる。加えて、本発明による成膜装置を用いて光学薄膜を備えた光学素子を製作することで、所望の光学膜厚などの光学特性を有する光学素子を高精度に得ることができる。

次に、本発明による成膜装置におけるエッチング源の機能を図４及び５を用いて説明する。

図４は、本発明による成膜装置を用いて表面に凹凸の形状を有する基板上に薄膜が成膜された素子の断面図である。図４に示すような表面に溝及び／又は穴のような凹凸の形状を有する基板５０上にターゲットの材料からなる薄膜を形成する場合においては、ターゲットの材料の粒子は、凸部の角を中心に選択的に付着する傾向がある。その結果、本発明におけるエッチング源を使用しない場合には、基板５０の凸部の近傍においてはターゲットの材料からなる膜の付着が多くなり、基板５０の凹部の底や角などにはターゲットの材料からなる膜の付着が少なくなる。また、基板５０の凸部の近傍に形成される膜が、基板５０の凹部の底や角などにターゲットの材料の粒子が進入することを妨害する。このため、基板５０の表面にターゲットの材料からなる薄膜を形成した際に、図２に示すように、基板５０の凹部にターゲットの材料が充填されず、空洞が形成されてしまう。

ここで、表面に凹凸の形状を有する基板５０上にターゲットの材料からなる薄膜を形成する際に、エッチング源から高エネルギー粒子を基板５０に堆積される膜に照射する。エッチング源から照射された高エネルギー粒子は、基板５０の凸部の角に堆積した膜を中心に選択的にエッチングして除去する傾向がある。すなわち、基板５０の凸部の角を中心にターゲットの材料からなる膜の堆積を抑制することができる。さらに、基板５０の凸部の角を中心にターゲットの材料からなる膜の堆積が抑制されることで、基板５０の凸部の近傍に形成される膜が、基板５０の凹部を覆うことを抑制する。そして、基板５０の凸部の角を中心に成長するターゲットの材料からなる膜が、基板５０の凹部を覆う前に、基板５０の凹部にターゲットの材料を充填することができる。一方、エッチング源から照射された高エネルギー粒子は、凹部に進入すると、互いに衝突する傾向が高くなり、凹部に形成された膜をエッチングして除去する確率は低下する。このため、基板５０の凹部においては、基板５０の凹部に付着したターゲットの材料の膜は、高エネルギー粒子によってあまり除去されずに、ターゲットの材料からなる膜の堆積が進行する。結果として、ターゲットから放出されるターゲットの粒子による成膜とエッチング源から照射される高エネルギー粒子によるエッチングとの頻度を調整することによって、図４に示すように、基板５０の表面に設けられた凹部をターゲットの材料で充填すると共に、基板５０の表面にターゲットの材料からなる薄膜を形成することができる。

上記のエッチングの工程は、例えば、以下に示すように、エッチング源としてイオンビーム源を使用し、高エネルギー粒子としてＡｒガスのプラズマイオンを用い、イオンビーム源の電力、イオンビーム源に供給されるＡｒガスの圧力、Ａｒガスのプラズマイオンを照射する時間を調整することで達成することができる。図４に示すような基板５０の表面に設けられた凹部を高屈折率のターゲットの材料で充填すると共に基板５０の表面にターゲットの材料からなる薄膜が形成された素子は、後の工程で基板５０の表面に形成された薄膜を除去し、基板５０の凹部に充填された高屈折率の材料の部分を光導波路として用いることができる。すなわち、図４に示すような素子から、基板に光導波路が設けられた素子を製作することができる。

図５は、本発明による成膜装置を用いて表面に微細な凹凸の形状を有する基板上に多層の光学薄膜を積層させた素子の断面図である。図５に示すような表面に例えば断面がＶ字状の溝のような凹凸の形状を有する基板５０上に複数のターゲットの材料からなる多層の薄膜を形成する場合においては、ターゲットの材料の粒子は、凸部の頂点を中心に選択的に付着する傾向がある。その結果、本発明におけるエッチング源を使用しない場合には、基板５０の凸部の近傍においてはターゲットの材料からなる膜の付着が多くなり、基板５０の凹部の近傍にはターゲットの材料からなる膜の付着が少なくなる。このため、基板５０の表面にターゲットの材料からなる薄膜を形成した際に、基板５０の凸部近傍ではターゲットの材料からなる薄膜の膜厚が大きく、基板５０の凹部近傍ではターゲットの材料からなる薄膜の膜厚が小さくなり、基板に形成又は積層される薄膜の膜厚は、基板の凹凸の形状を反映しなくなる。

ここで、表面に凹凸の形状を有する基板５０上にターゲットの材料からなる薄膜を形成する際に、エッチング源から高エネルギー粒子を基板５０に堆積される膜に照射する。エッチング源から照射された高エネルギー粒子は、基板５０の凸部の頂点に堆積した膜を中心に選択的にエッチングして除去する傾向がある。すなわち、基板５０の凸部の頂点を中心にターゲットの材料からなる膜の堆積を抑制することができる。一方、エッチング源から照射された高エネルギー粒子は、凹部に形成された膜をエッチングして除去する確率は低い。このため、基板５０の凹部においては、基板５０の凹部に付着したターゲットの材料の膜は、高エネルギー粒子によってあまり除去されずに、ターゲットの材料からなる膜の堆積が進行する。結果として、ターゲットから放出されるターゲットの粒子による成膜とエッチング源から照射される高エネルギー粒子によるエッチングとの頻度を調整することによって、図５に示すように、基板５０の表面に設けられた凹凸の形状を反映したターゲットの材料からなる薄膜を形成することができる。次に、ターゲットの材料を変更してターゲットから放出されるターゲットの粒子による成膜とエッチング源から照射される高エネルギー粒子によるエッチングを行なうことにより、基板５０の表面に設けられた凹凸の形状を反映した別のターゲットの材料からなる薄膜を積層させることができる。このようにして、基板に設けられた凹凸の形状を反映した同一の又は異なるターゲットの材料からなる多層の薄膜を基板５０上に積層させることができる。なお、エッチング源による薄膜のエッチングの条件を適宜変えることにより、基板の形状と異なる所望の形状（例えば、傾斜角が異なるＶ字の形状や平坦な形状など）を有する薄膜を基板に堆積させることもできる。

上記のエッチングの工程は、例えば、以下に示すように、エッチング源としてイオンビーム源を使用し、高エネルギー粒子としてＡｒガスのプラズマイオンを用い、イオンビーム源の電力、イオンビーム源に供給されるＡｒガスの圧力、Ａｒガスのプラズマイオンを照射する時間を調整することで達成することができる。

図４に示すように、表面に凹凸を有する基板上に基板の凹凸の形状を反映した多層の薄膜を積層させることによって、任意の偏光の透過特性を有する光学素子を提供することができる。例えば、広い特定の波長の範囲において、偏光の一方の透過率が、その偏光に垂直な他方の偏光の透過率と大きく異なる光学素子を設計することができる。すなわち、広い特定の波長の範囲において、偏光の一方を透過させるが、その偏光に垂直な他方の偏光を透過させない光学素子、光から偏光の一方を分割して取り出す光学素子を提供することができる。図５は、図４に示すような光学素子の偏光の透過特性を示すグラフである。図４に示すような光学素子の図５に示すような偏光の透過特性は、図４における光学素子の基板に積層された薄膜の膜厚などを調整することによって、光学素子を透過する偏光の透過率及び波長の範囲を調整することができる。例えば、Ｓ偏光又はＰ偏光の一方についてのみ、光学素子を透過する偏光の波長範囲を変更することができる。

エッチング源は、好ましくは、プラズマイオンのビームを発生させるイオンビーム源である。すなわち、イオンビーム源に供給されるガスを電離して、ガスのプラズマを発生させ、プラズマに電界を印加することで、プラズマ中に存在するガスのイオンを加速して、イオンビームを放出することができる。エッチング源としてのイオンビーム源から放出されるイオンビームを基板上に形成又は積層された薄膜に照射することで、薄膜をエッチングすることができる。エッチング源としてイオンビーム源を用いることで、イオンビーム源によって生成された多数のプラズマイオンを、イオンビームとして、基板に形成又は積層された薄膜の面に対して略垂直に、基板に形成又は積層された薄膜に衝突させることができ、基板に形成又は積層された薄膜をエッチングすることができる。その結果、基板に形成又は積層された薄膜の特定部分を選択的に効率良くエッチングすることができ、表面に微細な凹凸の形状を有する基板上に形成された薄膜の厚さをより容易に制御することができる。イオンビーム源としては、公知のイオン銃が挙げられる。イオン銃においては、イオン銃に供給されるガスに対して電極の間で高い直流電圧を印加して、供給されたガスを電離してガスのプラズマを発生させる。そして、プラズマ中のガスイオンを電極間の電圧によって加速し、ガスイオンをイオンビームとして放出することができる。イオンビーム源は、エッチング源としても反応源としても使用できるため、プラズマイオンを生成するガスを交換するだけで、エッチング源と反応源を交換する作業を必要とせずに、エッチング源又は反応源の機能を選択することができる。

また、エッチング源は、導入されるガスを励起してガスのラジカルを生成させて、それらのラジカルで薄膜をエッチングする電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源であってもよい。

さらに、エッチング源は、薄膜に対する化学反応性の高い反応性イオンを用いて薄膜をエッチングする反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）源であってもよい。

また、エッチング源としてのイオンビーム源から放出されるプラズマイオンとしては、希ガス（不活性ガス）、窒素、酸素などのガスのイオンが挙げられる。すなわち、希ガス（不活性ガス）、窒素、酸素などのガスのイオンを得るためには、エッチング源としてのイオンビーム源にそれぞれ希ガス（不活性ガス）、窒素、酸素などを供給すればよい。エッチング源としてのイオンビーム源から放出されるプラズマイオンは、好ましくは、希ガス（不活性ガス）原子のイオンである。エッチング源としてのイオンビーム源から放出されるプラズマイオンとして希ガスのイオンを用いると、希ガスの反応性は低いので、プラズマイオンを照射した薄膜に化学変化を引き起こす可能性が低く、薄膜に対する汚染が少ない。

さらに、エッチング源としてのイオンビーム源から放出されるプラズマイオンは、好ましくは、高いスパッタリング収率（一個のプラズマイオンで散乱させることができる膜の原子数）を有するプラズマイオンである。エッチング源としてのイオンビーム源から放出されるプラズマイオンとして高いスパッタリング収率を有するプラズマイオンを用いると、一個のプラズマイオンで多数の薄膜の原子を散乱させることができるため、プラズマイオンによるスパッタリングの効率を向上させることができる。

加えて、エッチング源としてのイオンビーム源から放出される希ガス原子のイオンは、望ましくは、アルゴン原子のイオンである。アルゴン原子のイオン（Ａｒイオン）は、希ガスのイオンであると共にスパッタリング収率も比較的高く、低コストでもある。

次に、本発明における成膜装置は、必須ではないが好ましくは、基板に形成された又は積層された薄膜と反応するガスの活性種を供給する反応源を有する。成膜装置に反応源を設けることによって、ターゲットの材料からなる薄膜と反応源から供給されるガスの活性種を反応させて、ターゲットの材料からなる薄膜と反応源から供給されるガスの活性種との化合物の薄膜を形成することができる。反応源としては、供給される酸素ガスの活性種を発生させ、酸素ガスの活性種によって薄膜を酸化する酸化源、及び供給される窒素ガスの活性種を発生させ、窒素ガスの活性種によって薄膜を窒素化する窒化源などが挙げられる。ここで、ガスの活性種とは、ガスの分子の励起状態、ガスの分子が解離したガスの原子（ラジカル）、ガスの電離によって発生したガスの原子又は分子の（陽）イオンを含むものとする。例えば、ターゲットの材料がＳｉ及びＴａのような金属であり、反応源に供給されるガスが、酸素である場合には、Ｓｉ及びＴａのような金属が酸素の活性種である酸素ラジカル又は酸素イオンと反応して、ＳｉＯ_２及びＴａ_２Ｏ_５のような金属酸化物の薄膜が形成される。なお、ターゲットの材料の量と反応源に供給するガスの供給量、よってガスの活性種の量との比を調整することで、ターゲットの材料からなる薄膜とガスの活性種との反応によって形成される薄膜の化学種を制御することができる。これにより、ターゲットの材料からなる薄膜とガスの活性種との反応によって形成される薄膜の屈折率を制御することができる。なお、ターゲットの材料からなる薄膜とガスの活性種との反応によって形成される薄膜の屈折率は、ターゲットの材料の量と反応源に供給するガスの供給量との比に対して線形に変化する。例えば、金属Ｓｉの薄膜を酸素ラジカルで酸化する場合には、ＳｉとＯの組成比を調整することで、薄膜におけるＳｉとＳｉＯ_２の割合が変動し、薄膜の屈折率を、Ｓｉの屈折率３．９７とＳｉＯ_２の屈折率１．４５との間でＳｉとＯの組成比に対して線形に制御することができる。また、金属Ｔａの薄膜を酸素ラジカルで酸化する場合には、ＴａとＯの組成比を調整することで、薄膜におけるＴａとＴａ_２Ｏ_５の割合が変動し、薄膜の屈折率を、Ｔａの屈折率２．１２とＴａ_２Ｏ_５の屈折率２．０５との間でＳｉとＯの組成比に対して線形に制御することができる。なお、上記屈折率は、全て波長５８７．５６ｎｍの光に対する屈折率である。また、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、Ｔａ、Ｔａ_２Ｏ_５などの薄膜を積層させることによっても、様々な屈折率の薄膜を形成することができる。

反応源には、反応源に供給されるガスを励起する又は電離する（プラズマ）るために、公知の高周波電磁誘導、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、電子サイクロトロン共鳴、高周波放電、又は直流放電が用いられる。

また、成膜装置に設けられる反応源の数は、単数でも複数でもよいが、複数であることが好ましい。一般に、基板に形成又は積層された薄膜と反応源から供給されるガスの活性種との反応は、成膜の全工程における律速の工程となる。よって、反応源の数が単数である場合には、ターゲットから基板又は基板に形成若しくは積層された薄膜にターゲットの材料からなる薄膜を堆積させる一つの工程に対して、基板に形成又は積層された薄膜と反応源から供給されるガスの活性種との反応の工程を複数回必要とする、すなわち、基板ホルダーを複数回回転させる必要がある場合もある。これに対して、成膜装置に設けられる反応源の数が、複数であると、ターゲットの材料からなる薄膜を堆積させる一つの工程に対して、複数の反応源から供給されるガスの活性種による反応の一つの工程で、基板に形成又は積層された薄膜と反応源から供給されるガスの活性種との十分な反応を実現することができる。すなわち、基板ホルダーを一回転する間に、ターゲットの材料を堆積させる工程及びターゲットの材料とガスの活性種との十分な反応の工程の両方を実現することができる。

さらに、反応源の少なくとも一つは、好ましくは、プラズマイオンのビームを発生させるイオンビーム源である。反応源としてイオンビーム源を用いることで、イオンビーム源によって生成された多数のプラズマイオンを、イオンビームとして、基板に形成又は積層された薄膜の面に対して略垂直に、基板に形成又は積層された薄膜に衝突させることができ、基板に形成又は積層された薄膜を均一かつ一様に反応源から発生するプラズマイオンと反応させることができ、基板に形成又は積層された薄膜と反応源から発生するプラズマイオンとが反応して得られる生成物の薄膜を均一かつ一様に形成することができる。この場合において、エッチング源もイオンビーム源であるときには、成膜装置に複数のイオンビーム源が設けられ、イオンビーム源の少なくとも一つは、エッチング源であり、他のイオンビーム源は、反応源である。前述のように、複数のイオンビーム源の一部を反応源として利用すると、必要に応じて、イオンビーム源に供給するガスを変更することで、反応源として利用していたイオンビーム源をエッチング源として利用することができる。

また、上記のエッチング源がイオンビーム源である場合、及び／又は、上記の反応源がイオンビーム源である場合に、本発明による成膜装置は、必須ではないが好ましくは、プラズマイオンが飛行する方向を制限する手段をさらに有する。イオンビーム源から放出されるプラズマイオンが飛行する方向を制限する手段は、イオンビーム源と基板との間に設けられる。プラズマイオンが飛行する方向を制限する手段を成膜装置に設けることによって、イオンビーム源から放出されたプラズマイオンにおいて、イオンビーム源から基板へ向かって直進する速度成分が多いプラズマイオンを選択して、基板又は薄膜に衝突させることができる。その結果、プラズマイオンを基板又は薄膜に略垂直方向に衝突させることができるので、イオンビーム源をエッチング源として用いた場合には、基板又は薄膜に形成又は積層されるターゲット材料の特定部分を選択的に効率良くエッチングし、ターゲット材料の薄膜の厚さを容易に制御することができる。また、イオンビーム源を反応源として用いた場合にも、基板又は薄膜に形成又は積層されるターゲット材料を効率良く、すなわち均一かつ一様にガスの活性種と反応させることができるため、ターゲット材料の薄膜とガスの活性種と生成物の薄膜を容易に形成することができる。プラズマイオンが飛行する方向を制限する手段は、例えば、後述する図７及び図８に示すような飛行方向制限手段であってもよい。

さらに、上記のエッチング源がイオンビーム源である場合、及び／又は、上記の反応源がイオンビーム源である場合に、イオンビーム源と基板との間の距離は、好ましくは、プラズマイオンの平均自由工程の１倍以上１０倍以下である。具体的には、イオンビーム源と基板との間の距離は、１０ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることが好ましい。イオンビーム源と基板との間の距離が、プラズマイオンの平均自由工程の１倍未満である、又は１０ｍｍ未満である場合には、基板に形成又は積層された薄膜に対して略垂直な速度成分を有するプラズマイオンの数が減少し、薄膜のエッチング又は薄膜とプラズマイオンとの反応を制御することが比較的困難になる。一方、イオンビーム源と基板との間の距離が、プラズマイオンの平均自由工程の１０倍を超える、又は５００ｍｍを超える場合には、薄膜に衝突するプラズマイオンの数が減少し、薄膜のエッチング又は薄膜とプラズマイオンとの反応の効率が低下する。このように、イオンビーム源と基板との距離を従来のスパッタリング法におけるよりも長くすると、イオンビーム源から放出されるプラズマイオンのうち、基板に形成又は積層された薄膜に対して略垂直な速度成分を有するプラズマイオンを、基板に形成又は積層された薄膜に衝突させて、基板に形成又は積層された薄膜をエッチングする又は基板に形成又は積層された薄膜と反応源から発生するプラズマイオンを反応させることができる。その結果、基板に形成又は積層された薄膜の特定部分を選択的に効率良くエッチングすることができ、表面に微細な凹凸の形状を有する基板上に形成された薄膜の厚さをより容易に制御することができる。また、基板に形成又は積層された薄膜を均一かつ一様に反応源から発生するプラズマイオンと反応させることができ、基板に形成又は積層された薄膜と反応源から発生するプラズマイオンとが反応して得られる生成物の薄膜を均一かつ一様に形成することができる。

ターゲットの材料は、公知のスパッタリング法によって、基板又は基板上に形成若しくは積層された薄膜へ堆積される。ターゲットの材料は、特に限定されないが、ターゲットの材料としては、金属及び金属化合物などが挙げられる。

本発明の成膜装置において、ターゲットの材料は、好ましくは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、及びＴａ_２Ｏ_５からなる群より選択される一種類又は複数種類の材料である。このようなターゲットの材料を用いることで、従来の成膜装置では形成することができなかった薄膜を、基板又は基板に形成若しくは積層された薄膜に形成することができる。特に、本発明による成膜装置では、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＣｒ_２Ｏ_３を含む薄膜を形成することができる。

また、ターゲットの数は、単数であっても複数であってもよい。ターゲットの数が複数である場合には、複数のターゲットによる同時スパッタリングを行なうことができる。
また、ターゲットの数が複数である場合には、ターゲットの材料の種類は、一種類であっても二種類以上であってもよい。しかしながら、ターゲットの数が複数である場合には、複数のターゲットの少なくとも二つは、好ましくは、互いに異なるターゲットの材料を含む。互いに異なるターゲットの材料を含む複数のターゲットを同時スパッタリングすることによって、それらの互いに異なるターゲットの材料が、任意の割合で混合された薄膜を形成することができる。また、互いに異なるターゲットの材料を含む複数のターゲットを同時スパッタリングすることを繰り返すことによって、互いに異なるターゲットの材料の組成比が異なる複数の薄膜を積層させた多層の薄膜を得ることもできる。

また、ターゲットの少なくとも一つは、複数の種類のターゲット材料を含んでもよい。複数の種類のターゲット材料を含むターゲットを用いると、複数の種類のターゲット材料を含む薄膜を形成することができる。その結果、複数の種類のターゲット材料を含む薄膜と反応源から供給されるガスの活性種とを反応させて、複数の種類のターゲット材料における一部又は全てがガスの活性種と反応して得られる生成物の薄膜を得ることが可能となる。特に、複数の種類のターゲット材料における一部がガスの活性種と反応しやすいために従来に成膜装置では実現できなかった、複数の種類のターゲット材料における全てをガスの活性種と反応させることも可能となってくる。例えば、ＡｌのターゲットとＮｂのターゲットを用いてＡｌとＮｂを堆積させて、これら金属の酸化の工程を行なった場合には、従来の成膜装置では容易に酸化されるＡｌのみが酸化されてＡｌ_２Ｏ_３及び金属Ｎｂの薄膜が形成されていたが、本発明の成膜装置においてＡｌ及びＮｂの両方を含むターゲットを用いると、Ａｌ_２Ｏ_３及びＮｂ_２Ｏ_５の薄膜を得ることができる。

また、本発明の成膜装置において、ターゲットと基板との間の距離は、好ましくは、ターゲットの材料の粒子の平均自由工程の１倍以上１０倍以下である。具体的には、ターゲットと基板との間の距離は、１０ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることが好ましい。ターゲットと基板との間の距離が、ターゲットの材料の粒子の平均自由工程の１倍未満である、又は１０ｍｍ未満である場合には、基板に形成又は積層された薄膜に対して略垂直な速度成分を有するターゲットの材料の粒子の数が減少し、表面に微細な凹凸の形状を有する基板上に所望の厚さの薄膜を形成することが比較的困難になる。一方、ターゲットと基板との間の距離が、ターゲットの材料の粒子の平均自由工程の１０倍を超える、又は５００ｍｍを超える場合には、薄膜に衝突するターゲットの材料の粒子の数が減少し、基板又は基板に形成された若しくは堆積させた薄膜にターゲットの材料からなる薄膜を形成する効率が低下する。このように、ターゲットと基板との距離を従来のスパッタリング法におけるよりも長くすると、ターゲットから放出されるターゲットの材料の粒子のうち、基板又は基板に形成若しくは積層された薄膜に対して略垂直な速度成分を有するターゲットの材料の粒子を、基板又は基板に形成若しくは積層された薄膜の特定部分に選択的に効率良く衝突及び堆積させることができる。その結果、表面に微細な凹凸の形状を有する基板上に所望の厚さの薄膜を、より容易に形成することができる。

さらに、本発明の成膜装置において、エッチング源及びターゲットは、好ましくは、略同心円上に配置される。また、エッチング源、ターゲット、及び反応源が、同心円上に配置されていてもよい。特に、エッチング源及び反応源の両方が、イオンビーム源である場合には、エッチング源及び反応源と基板との距離を適切な距離に設定することができるため、エッチング源としての機能と反応源としての機能を交換しても、エッチング源又は反応源と基板との距離を適切な距離に維持することができる。

本発明の成膜装置は、必須ではないが好ましくは、ターゲットから放出されるターゲットの材料の粒子が飛行する方向を制限する手段をさらに有する。ターゲットから放出されるターゲットの材料の粒子が飛行する方向を制限する手段（以下、飛行方向制限手段と呼ぶことにする）は、ターゲットと基板との間に設けられる。飛行方向制限手段を成膜装置に設けることによって、ターゲットから発散して放出されたターゲットの材料の粒子において、ターゲットから基板へ向かって直進する速度成分が多いターゲット粒子を選択して、基板又は薄膜に衝突させることができる。その結果、基板の表面に設けられた溝又は穴にターゲット粒子が略垂直方向に侵入し、溝又は穴を効率良くターゲットの材料で充填することができる。また、表面に凹凸の形状を有する基板に薄膜を形成する又は積層させる場合にも、ターゲット粒子を基板又は薄膜に略垂直方向に衝突させることができるので、基板又は薄膜に形成又は積層されるターゲット材料の薄膜の厚さを容易に制御することができる。

上記の飛行方向制限手段としては、例えば、図７及び図８に示す手段を用いることができる。

図７は、本発明による成膜装置に用いられる一つの飛行方向制限手段の断面図である。図７に示すように、飛行方向制限手段７０は、例えば、同一の形状を有する複数の平板であり、飛行方向制限手段７０を構成する複数の平板は、互いに平行に整列して配置されている。複数の平板の長手方向に沿った二辺は、円筒形の基板ホルダー２０の回転軸方向と平行であり、複数の平板の短手方向に沿った二辺は、ターゲットにおけるターゲットが放出される面の法線方向と平行である。また、飛行方向制限手段７０は、第一又は第二のターゲット３０又は３５と基板５０との間に設けられる。

図７に示すような飛行方向制限手段は、ターゲットから放出されるターゲットの材料の粒子の中で、ターゲットの面に略垂直な方向に沿って放出される、すなわち、複数の平板の面に平行な方向に沿って放出されるターゲット粒子を、複数の平板の間隙を通じて通過させて、基板又は基板に形成若しくは積層された薄膜に照射する。一方、ターゲットの面から発散する方向に沿って放出されるターゲットの材料の粒子は、複数の平板の面に衝突して、基板又は基板に形成若しくは積層された薄膜に照射されない。このようにして、基板又は基板に形成若しくは積層された薄膜に対して垂直な速度成分が大きいターゲット粒子を照射することができる。

図８は、本発明による成膜装置に用いられる別の飛行方向制限手段の断面図である。図８に示すように、飛行方向制限手段７０は、例えば、同一の形状を有する複数の平板であり、飛行方向制限手段７０を構成する複数の平板は、互いに平行に整列して配置されている。複数の平板の面における法線方向は、円筒形の基板ホルダー２０の回転軸方向と平行であり、複数の平板の短手方向に沿った二辺は、ターゲットにおけるターゲットが放出される面の法線方向と平行である。また、飛行方向制限手段７０は、第一又は第二のターゲット３０又は３５と基板５０との間に設けられる。

図８に示すような飛行方向制限手段は、ターゲットから放出されるターゲットの材料の粒子の中で、ターゲットの面に略垂直な方向に沿って放出される、すなわち、複数の平板の面に平行な方向に沿って放出されるターゲット粒子を、複数の平板の間隙を通じて通過させて、基板又は基板に形成若しくは積層された薄膜に照射する。一方、ターゲットの面から発散する方向に沿って放出されるターゲットの材料の粒子は、複数の平板の面に衝突して、基板又は基板に形成若しくは積層された薄膜に照射されない。このようにして、基板又は基板に形成若しくは積層された薄膜に対して垂直な速度成分が大きいターゲット粒子を照射することができる。

なお、図７及び図８に示す飛行方向制限手段を組み合わせた格子状の飛行方向制限手段をターゲットと基板の間に設けてもよい。この場合にも、複数の基板の面における法線方向は、ターゲットにおけるターゲットが放出される面の法線方向と垂直である。

図３に示すような成膜装置において、第一のターゲットの材料として金属Ｓｉを用い、第二のターゲットとして金属Ｔａを用いた。第一のターゲットと基板との間の最小距離及び第二のターゲットと基板との間の最小距離は、２００ｍｍとした。また、第一のターゲットと基板との間及び第二のターゲットと基板との間に飛行方向制限機構を設けた。エッチング源としてＡｒイオンビームを放出する矩形状のイオンビーム源を用いた。また、反応源としては、アンテナが配置された高周波電磁誘導による酸化源を用いた。基板の材料は、石英ガラスであり、この石英ガラス基板には、予め微細加工が施されており、図４に示すような微細な溝が形成されており、溝の幅ａは、５０ｎｍ、溝の深さｂは、１１０ｎｍ、凹凸のピッチｃは、１００ｎｍであった。基板を基板ホルダーに保持して、真空槽を密閉状態とし、排気系を用いて真空槽の内部を１×１０^−４Ｐａ以下に減圧排気した。次に、基板を保持した基板ホルダーを１００回転／分の回転数で回転させた。基板ホルダーの回転開始から成膜終了まで、基板ホルダーを連続で回転をさせた。また、基板ホルダーの回転速度が常に一定の速度になるように、基板ホルダーの回転を制御した。

最初にエッチング源に５０ｓｃｃｍのＡｒガスを導入し、エッチング源に供給されるＡｒガスの流量及び真空計で示されるＡｒガスの全圧が安定した後に、エッチング源の電極に２．５ｋｗの電力を供給し、Ａｒガスの放電を開始した。続いて、反応源に１００ｓｃｃｍの酸素ガスを導入し、反応源に供給される酸素ガスの流量及び酸素ガスの全圧が安定した後、５ｋＷの電力で１３．５６ＭＨｚの高周波（ＲＦ波）を酸素ガスに印加して、酸素ガスの放電を開始した。この状態を３分から５分間の間保持し、基板の表面に付着した不純物を除去した。ここで、基板の表面に付着する有機系不純物の除去には、Ａｒガス及び酸素ガスの活性種による不純物の除去が相当の効果を有し、基板に形成される薄膜の密着性を改善する効果を高めることができる。

続いて、（１）第一のターゲットの近傍から２００ｓｃｃｍのＡｒガスを真空槽に導入し、金属Ｓｉの第一のターゲットに７ｋｗの電力を供給して、不純物を除去した基板に対して金属Ｓｉのスパッタリングを実施した。これにより、基板の表面上に膜厚の平均値が１Åから２Åまでである金属Ｓｉの薄膜を形成した。次に、（２）第二のターゲットの近傍から２００ｓｃｃｍのＡｒガスを真空槽に導入し、金属Ｔａの第二のターゲットに４ｋｗの電力を供給して、基板上に形成された金属Ｓｉの薄膜に対して金属Ｔａのスパッタリングを実施した。これにより、基板に形成されたＳｉの薄膜上に膜厚の平均値が１Å以下である金属Ｔａの薄膜を形成した。その結果、基板上に金属Ｓｉ及び金属Ｔａの混合膜が形成された。次に、（３）反応源に酸素ガスのプラズマを発生させ、基板の表面に形成された金属Ｓｉ及び金属Ｔａの混合膜に酸素プラズマを反応させて、金属Ｓｉ及び金属Ｔａの混合膜を酸化し、基板上にＳｉＯ_２及びＴａ_２Ｏ_５の混合膜を形成した。次に、（４）エッチング源としてのイオンビーム源から放出されるＡｒイオンを基板上に成膜されたＳｉＯ_２及びＴａ_２Ｏ_５の混合膜に衝突させ、ＳｉＯ_２及びＴａ_２Ｏ_５の混合膜のイオンエッチングを行った。ここで、イオンエッチングのエッチングレートは、ＳｉＯ_２及びＴａ_２Ｏ_５の混合膜に対する成膜速度の１０％から３０％までの範囲内であった。基板ホルダーが一回転する毎に上記（１）から（４）までの操作を、ＳｉＯ_２及びＴａ_２Ｏ_５の混合膜の膜厚が１８００Åになるまで繰り返した。基板上にＳｉＯ_２及びＴａ_２Ｏ_５の混合膜が形成された素子の断面を電子顕微鏡で観察し、基板上に形成されるＳｉＯ_２及びＴａ_２Ｏ_５の混合膜の膜厚が成膜の進行によって増加した場合でも、基板に予め設けられた溝に図２に示すような空洞が形成されず、図４に示すように基板に設けられた溝にＳｉＯ_２及びＴａ_２Ｏ_５の材料が充填された素子が形成されたことを確認した。

図３に示すような成膜装置において、第一のターゲットの材料として金属Ｓｉを用い、第二のターゲットとして金属Ｔａを用いた。第一のターゲットと基板との間の最小距離及び第二のターゲットと基板との間の最小距離は、２００ｍｍとした。また、第一のターゲットと基板との間及び第二のターゲットと基板との間に飛行方向制限機構を設けた。エッチング源としてＡｒイオンビームを放出する矩形状のイオンビーム源を用いた。また、反応源としては、酸素イオンビームを放出する、エッチング源と同一の構造を有する矩形状のイオンビーム源を用いた。基板の材料は、石英ガラスであり、この石英ガラス基板には、予め微細加工が施されており、図５に示すような断面がＶ字状である微細な凹凸形状が形成されており、凸部の頂点又は凹部の底の間における幅ｄは、２００ｎｍであり、凸部の頂点から凹部の底までの深さｅは、１００ｎｍであった。基板を基板ホルダーに保持して、真空槽を密閉状態とし、排気系を用いて真空槽の内部を１×１０^−４Ｐａ以下に減圧排気した。次に、基板を保持した基板ホルダーを１００回転／分の回転数で回転させた。基板ホルダーの回転開始から成膜終了まで、基板ホルダーを一定の回転速度で回転させ続けた。また、エッチング源及び反応源としてのイオンビーム源における放電も、成膜の開始から終了まで持続させた。

実施例１と同様に基板の不純物を除去する工程を実行した。

続いて、（１）第一のターゲットの近傍から２００ｓｃｃｍのＡｒガスを真空槽に導入し、金属Ｓｉの第一のターゲットに７ｋｗの電力を供給して、不純物を除去した基板に対して金属Ｓｉのスパッタリングを実施した。また、反応源としてのイオンビーム源から放出される酸素イオンを基板上に堆積させた金属Ｓｉに衝突させた。これにより、基板に堆積した金属Ｓｉと酸素イオンを反応させて金属Ｓｉを酸化し、基板上にＳｉＯ_２の薄膜を形成した。なお、反応源のイオンビーム源に１００ｓｃｃｍの酸素ガスを導入し、反応源に供給される酸素ガスの流量及び真空計で示される酸素ガスの全圧が安定した後に、反応源の電極に２．５ｋｗの電力を供給し、酸素ガスの放電を開始した。さらに、エッチング源としてのイオンビーム源から放出されるＡｒイオンを基板上に成膜されたＳｉＯ_２の薄膜に衝突させ、ＳｉＯ_２の薄膜のイオンエッチングを行った。なお、エッチング源に１０ｓｃｃｍのＡｒガスを導入し、エッチング源に供給されるＡｒガスの流量及び真空計で示されるＡｒガスの全圧が安定した後に、エッチング源の電極に１．０ｋｗの電力を供給し、Ａｒガスの放電を開始した。結果として、基板の表面上に膜厚が１２００ÅのＳｉＯ_２の薄膜を形成した。

次に、（２）第二のターゲットの近傍から２００ｓｃｃｍのＡｒガスを真空槽に導入し、金属Ｔａの第二のターゲットに５ｋｗの電力を供給して、不純物を除去した基板に対して金属Ｔａのスパッタリングを実施した。また、反応源としてのイオンビーム源から放出される酸素イオンを基板上に堆積させた金属Ｔａに衝突させた。これにより、基板に堆積した金属Ｔａと酸素イオンを反応させて金属Ｔａを酸化し、基板上にＴａ_２Ｏ_５の薄膜を形成した。なお、反応源のイオンビーム源に１００ｓｃｃｍの酸素ガスを導入し、反応源に供給される酸素ガスの流量及び真空計で示される酸素ガスの全圧が安定した後に、反応源の電極に２．５ｋｗの電力を供給し、酸素ガスの放電を開始した。さらに、エッチング源としてのイオンビーム源から放出されるＡｒイオンを基板上に成膜されたＴａ_２Ｏ_５の薄膜に衝突させ、Ｔａ_２Ｏ_５の薄膜のイオンエッチングを行った。なお、エッチング源に１０ｓｃｃｍのＡｒガスを導入し、エッチング源に供給されるＡｒガスの流量及び真空計で示されるＡｒガスの全圧が安定した後に、エッチング源の電極に１．０ｋｗの電力を供給し、Ａｒガスの放電を開始した。結果として、基板の表面上に膜厚が１０００ÅのＴａ_２Ｏ_５の薄膜を形成した。

上記（１）及び（２）の工程を交互に４０回繰り返し、最後に上記（１）の工程を行った。これにより、図５に示すように、基板上に膜厚が１２００ÅのＳｉＯ_２の薄膜及び膜厚が１０００ÅのＴａ_２Ｏ_５の薄膜を交互に積層させた素子が得られた。また、上記（１）及び（２）の工程において、ＳｉＯ_２薄膜及びＴａ_２Ｏ_５薄膜の膜厚に対する制御は、予め測定した金属Ｓｉ及び金属Ｔａに関するスパッタリングの電力及び時間と薄膜の膜厚との関係に基づいて、金属Ｓｉ及び金属Ｔａに関するスパッタリングの電力及び時間を管理することによって達成した。その結果、本発明による成膜装置を用いて、基板上に膜厚が１２００ÅのＳｉＯ_２の薄膜及び膜厚が１０００ÅのＴａ_２Ｏ_５の薄膜を交互に積層させることで、図６に示すような偏光の透過特性を有する素子が得られた。図６は、本実施例で得られた基板上に膜厚が１２００ÅのＳｉＯ_２の薄膜及び膜厚が１０００ÅのＴａ_２Ｏ_５の薄膜を交互に積層させた素子の偏光の透過特性を示すグラフである。なお、図６に示す偏光の透過特性は、得られた光学素子の表面の法線方向に対して４５度の入射角でＳ偏光又はＰ偏光を入射させた場合の偏光の透過特性である。図６のグラフにおいて、横軸は、波長（ｎｍ）を表し、縦軸は、偏光の透過率（％）を表す。また、図６のグラフにおいて、実線は、Ｐ偏光成分を表し、点線は、Ｓ偏光成分を表す。図６に示すように、得られた素子は、４２０ｎｍから４８０ｎｍの波長についてはＳ偏光の透過率が９０％以上であると共にＰ偏光の透過率が１０％以下であり、５３０ｎｍから５９０ｎｍの波長についてはＰ偏光の透過率が９０％以上であると共にＳ偏光の透過率が１０％以下であった。すなわち、得られた素子は、４２０ｎｍから４８０ｎｍの波長についてはほぼＳ偏光のみを透過させ、５３０ｎｍから５９０ｎｍの波長についてはほぼＰ偏光のみを透過させる特性を有する。このように、本発明の成膜装置を用いて得られる基板上にＳｉＯ_２の薄膜及びＴａ_２Ｏ_５の薄膜を交互に積層させることで、広い波長の範囲でＳ偏光とＰ偏光の透過率が大きく異なる光学素子を製造することができることが確認された。

また、得られた素子の断面を電子顕微鏡で観察し、エッチング源としてのイオンビーム源の電力及びエッチング源に供給されるＡｒガスの流量を最適に制御することによって、基板に多数の薄膜を繰り返し積層しても、基板に設けられた凹凸の形状を反映した多数の薄膜が基板上に積層することができることを確認した。

以上、本発明の実施例を具体的に説明してきたが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、これら本発明の実施例を、本発明の主旨及び範囲を逸脱することなく、変更又は変形することができる。

本発明は、表面に凹凸の形状を有する基板上に堆積する膜の厚さを制御することが可能な成膜装置に適用することができる。

従来のスパッタリング法を用いた成膜装置の概略図である。 従来の成膜装置を用いて表面に凹凸の形状を有する基板上に薄膜が成膜された素子の断面図である。 本発明による成膜装置の概略図である。 本発明による成膜装置を用いて表面に凹凸の形状を有する基板上に薄膜が成膜された素子の断面図である。 本発明による成膜装置を用いて表面に微細な凹凸の形状を有する基板上に多層の光学薄膜を積層させた素子の断面図である。 本発明による成膜装置を用いて表面に微細な凹凸の形状を有する基板上に多層の光学薄膜を積層させた素子の光学特性を示すグラフである。 本発明による成膜装置に用いられる一つの飛行方向制限手段の断面図である。 本発明による成膜装置に用いられる別の飛行方向制限手段の断面図である。

符号の説明

１０ 真空槽
２０ 基板ホルダー
３０ 第一のターゲット
３５ 第二のターゲット
４０ 反応源（酸化源）
５０ 基板
６０ エッチング源（イオン銃）
７０ 飛行方向制限手段
１１０ 膜
１２０ 空洞
１３０ 第一の材料の薄膜
１４０ 第二の材料の薄膜
２１０ ターゲット粒子の直進成分
２２０ ターゲット粒子の発散成分
ａ 基板に設けられた溝又は穴の幅
ｂ 基板に設けられた溝又は穴の深さ
ｃ 基板の表面における凹凸のピッチ
ｄ 素子の凸部間の幅
ｅ 素子の凸部の厚さ

Claims (17)

1. ターゲットをスパッタリングして、基板に前記ターゲットの材料の薄膜を形成する成膜装置において、
   前記薄膜をエッチングするエッチング源を有することを特徴とする成膜装置。
2. 前記エッチング源は高周波電磁誘導プラズマ、誘導結合型プラズマ、電子サイクロトロン共鳴プラズマ、ヘリコン波励起プラズマであることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記エッチング源は、プラズマイオンのビームを発生させるイオンビーム源であることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
4. 前記プラズマイオンは、希ガス原子のイオンであることを特徴とする請求項３に記載の成膜装置。
5. 前記希ガス原子は、アルゴン原子であることを特徴とする請求項４に記載の成膜装置。
6. 前記薄膜と反応するガスの活性種を供給する反応源をさらに有することを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の成膜装置。
7. 前記反応源の数は、複数であることを特徴とする請求項６に記載の成膜装置。
8. 前記反応源の少なくとも一つは、プラズマイオンのビームを発生させるイオンビーム源であることを特徴とする請求項６又は７に記載の成膜装置。
9. 前記イオンビーム源と前記基板との間の距離は、前記プラズマイオンの平均自由工程の １倍以上１０倍以下であることを特徴とする請求項３、４、５又は８に記載の成膜装置。
10. 前記イオンビーム源と前記基板との間の距離は、１０ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３、４、５又は８に記載の成膜装置。
11. 前記ターゲットから放出される前記ターゲットの材料の粒子が飛行する方向を制限する手段をさらに有することを特徴とする請求項１乃至１０いずれか１項に記載の成膜装置。
12. 前記ターゲットと前記基板との間の距離は、前記ターゲットの材料の粒子の平均自由工程の１倍以上１０倍以下であることを特徴とする請求項１乃至１１いずれか１項に記載の成膜装置。
13. 前記ターゲットと前記基板との間の距離は、１０ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１１いずれか１項に成膜装置。
14. 前記エッチング源及び前記ターゲットは、略同心円上に配置されることを特徴とする請求項１乃至１３いずれか１項記載の成膜装置。
15. 前記ターゲットの材料は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、及びＴａ_２Ｏ_５からなる群より選択される一種類又は複数種類の材料であることを特徴とする請求項１乃至１４いずれか１項記載の成膜装置。
16. 前記ターゲットの数は、複数であり、
    前記複数のターゲットの少なくとも二つは、互いに異なる前記ターゲットの材料を含むことを特徴とする請求項１乃至１５いずれか１項記載の成膜装置。
17. 前記ターゲットの少なくとも一つは、複数の種類の前記ターゲットの材料を含むことを特徴とする請求項１乃至１６いずれか１項記載の成膜装置。

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