JP2006249499A - 複合成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高品質で光学特性の優れた多層構成の光学用薄膜をローコストで作成でき、スパッタリング成膜装置では、比較的安易には加工できない主に最終層で用いられるフッ化マグネシウム膜部分を真空蒸着装置で加工することができ、尚かつ連続成膜が可能な複合成膜装置の提供。
【解決手段】 レンズ等を含むガラスやプラスティック材、シリコンウエハーや結晶といった部材上にドライ行程にて薄膜を積層させて行く複合成膜装置であって、スパッタリング成膜装置と真空蒸着装置を連結させ、高真空下で成膜基板を搬送させることができ、尚かつ成膜構成の内、最終層のみ真空蒸着器内で蒸着し、それ以外の層の成膜加工はスパッタ成膜装置内でスパッタ蒸着させるプロセスをとることを特徴とした複合成膜装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、真空チャンバーを用いたドライ方式にて薄膜を成膜するプロセスを実現させる為の複合成膜装置に関するものである。

本発明の技術分野、真空チャンバーを用いたドライ方式にて薄膜を成膜するプロセスを行う技術には様々な手段、技術が実際に使われている。
その中に於いても、本発明で用いる手段、プロセスに当たる、スパッタリング成膜法、及び真空蒸着法は今さら申すまでもなく、最もポピュラーな成膜加工手段であって、技術である。

また、本発明の如く複数種類の手段、技術、プロセスを用いた成膜加工装置、もしくはプロセスを提案する発明も背景として何点か存在する。

その一例として、例えば、下記特許文献１の場合、同一チャンバー内に於いて、真空アーク蒸発法とスパッタリング蒸着法の二種類の蒸発法を用いて成膜することにより、両蒸発法のお互いの欠点を補い合うといった特徴を持たせた発明があった。

また、別の例として、例えば、下記特許文献２の場合、Ａｌ２Ｏ３膜、ＺｒＯ２膜、ＭｇＦ２膜を真空蒸着で成膜後、最終層（オーバーコートとして）さらにＭｇＦ２層をスパッタリングで成膜することにより薄膜の撥水性を高めるといったプロセスのみを提案する発明もある。

また、例えば、下記特許文献３の場合、これまた同一真空チャンバー内に於いて、真空蒸着法により積層させた膜と、プラズマを用いた方法により積層させた膜がそれぞれ一層ずつあることを特徴とする発明もある。この場合、プラズマを用いた積層方法として、イオンアシスト蒸着法、スパッタリング法、イオンビームスパッタリング法、イオンプレーティング法等であるとしている。
特開平１−２４０６４５号公報 特開平５−２６４８０３号公報 特開２００３−２２１６６３号公報

しかしながら上記従来例では、複数の蒸着手法を用いているものの同一チャンバー内へ蒸着ソースを持ち込み、双方の欠点を補う目的、或いはどちらか一方の蒸着法をもう一方の蒸着法が補う目的での構成をとった発明である。つまり、本来一つのチャンバー内に一蒸着ソースとそれに成膜される成膜基板が一対一の関係で会い対し配置されることが、その蒸着ソース本来の能力と性能を持って成膜形成されるものであり、そうあるべきものであるが、この従来例の場合、同一チャンバー内に複数の蒸着ソースを具備することで、その本来の理想の配置が物理的に不可能になってしまうといった欠点があった。つまり、本来ソースが二倍になったことで、性能、能力が１＋１＝２に成るべきところが、１＋１＝１．何某かにしか成り得ないといったことである。また、別の従来例では一蒸着手法で成膜した基板を一旦大気中に取り出し、その後、別のチャンバー内にて別手法の蒸着を付加させるといった手法を取っているが、この発明の場合、一旦大気中に解放された成膜基板上の薄膜はその表面が真空中とは違って変質を起こす為、これまた薄膜本来の性能、特性を維持したままの加工が不可能となるといった問題点がある。

そこで本出願に係る第１の発明の目的は、スパッタリング成膜装置と真空蒸着装置といった複数の蒸着ソースを用いる蒸着装置であって、各々の成膜装置間を、高真空下で成膜基板を搬送させることができ、尚かつ成膜構成の内、最終層のみ真空蒸着器内で蒸着し、それ以外の層の成膜加工はスパッタ成膜装置内でスパッタ蒸着させるプロセスをとる事により、ローコストで尚かつそれぞれの成膜装置の特徴を生かせる性能、品質を得ることにある。

また本出願に係る第２の発明の目的は、２種類の蒸着ソースを一つのチャンバー内で強引に用いるのではなく、それぞれ別々のチャンバー内に具備し、成膜加工させることにより、各々が最適な位置に成膜基板を配置してそれぞれの蒸着手段の最適な品質を持った成膜加工を施すことができるようにすることにある。

本出願に係る第３の発明の目的はスパッタリング成膜装置内に、高屈折率（Ｈｉｇｈ Ｉｎｄｅｘ Ｔａｒｇｅｔ）ターゲットと中間屈折率（Ｍｉｄｄｌｅ Ｉｎｄｅｘ Ｔａｒｇｅｔ）ターゲットと低屈折率（Ｌｏｗ Ｉｎｄｅｘ Ｔａｒｇｅｔ）ターゲットの３種類のターゲットを具備し、それぞれのターゲット間を任意に、しかも最適な配置に成膜基板を移動し成膜が可能に成る様にすることにより、様々な膜構成の加工が可能になる様にすることである。

本出願に係る第４の発明の目的は二種類の別チャンバーを連結することにより、その内、真空蒸着装置チャンバーは、成膜基板を真空、大気間で出し入れをする為の隣接するスパッタリング成膜装置に於けるロードロック室的な役割を担うチャンバーであることによって、比較的メンテナンスサイクルの長いスパッタリング成膜装置チャンバー側を高真空のまま維持しつつ連続成膜加工が可能にし、尚かつ成膜加工毎にメンテナンスする方が性能上安定する真空蒸着器及び、そこで加工するフッ化マグネシウム膜蒸発源のメンテナンスを効率よく行えるようにすることにある。

本出願に係る第５の発明の目的は、スパッタリング成膜装置と真空蒸着装置の二種類の蒸着ソースを複合することにより、最終成膜層に当たるフッ化マグネシウム層のみを真空蒸着法にて成膜することができ、フッ化マグネシウムを成膜するには非常にリスクを伴い、困難を要するスパッタリング成膜装置をローコストで簡素に出来、また、真空蒸着装置側も、フッ化マグネシウム一種類の蒸発源に特化することにより、ローコストで簡素化した成膜装置にすることが出来る様になる。

上記目的を達成するため、本出願に係る第１の発明の複合成膜装置は、レンズ等を含むガラスやプラスティック材、シリコンウエハーや結晶といった部材上にドライ行程にて薄膜を積層させて行く複合成膜装置であって、スパッタリング成膜装置と真空蒸着装置を連結させ、高真空下で成膜基板を搬送させることができ、尚かつ成膜構成の内、最終層のみ真空蒸着器内で蒸着し、それ以外の層の成膜加工はスパッタ成膜装置内でスパッタ蒸着させるプロセスをとることを特徴とする構成を備えることにより、最終層以外の膜種をスパッタ成膜装置内で蒸着加工処理している間に、真空蒸着器チャンバー内では最終層を成膜し尚かつ、大気解放の後、成膜し終わった成膜基板と新規加工基板とのセッティング交換が出来る作用を有する。

本出願に係る第２の発明の複合成膜装置は、スパッタリング成膜装置と真空蒸着装置が完全に別チャンバーで構成される為、それぞれの蒸着手段の能力、性能、効果を余すことなく発揮させる作用を有する。

本出願に係る第３の発明の複合成膜装置はそのスパッタ成膜装置部位に於いては、高屈折率（Ｈｉｇｈ Ｉｎｄｅｘ Ｔａｒｇｅｔ）ターゲットと中間屈折率（Ｍｉｄｄｌｅ Ｉｎｄｅｘ Ｔａｒｇｅｔ）ターゲットと低屈折率（Ｌｏｗ Ｉｎｄｅｘ Ｔａｒｇｅｔ）ターゲットの３種類のターゲットを具備し成膜可能であることを特徴とする為、スパッタ成膜装置内のみで、最終層以外の膜種に関しては、どの順序、組み合わせ条件、層数にても蒸着加工が可能になる作用を有する。

本出願に係る第４の発明の複合成膜装置は、その真空蒸着装置部位が、成膜基板を真空、大気間で出し入れをする為の隣接するスパッタリング成膜装置に於けるロードロック室的な役割を担うチャンバーであることを特徴とする為、上記構成に於いて、メンテナンスサイクルの長いスパッタ成膜装置を大気解放させる必要もなく連続成膜を可能とさせ、また、かつ、メンテナンスサイクルの短い真空チャンバーのメンテナンス性も維持でき頻繁にメンテナンスを要するフッ化マグネシウム膜を安定して成膜させる作用を有する。

本出願に係る第５の発明の複合成膜装置は、真空蒸着装置は本発明の成膜装置で成膜する膜構成の内、最終成膜層に当たるフッ化マグネシウム層のみを真空蒸着法にて成膜するチャンバーであることを特徴とする為、スパッタ成膜で成膜加工させることが大変困難でありかつリスクが大きく、しかし、薄膜設計上とても有効な性能を得られるフッ化マグネシウム薄膜層を真空蒸着法を用いることでローコストかつ確実に、容易に用いる事が出来る有効な作用を有する。

本出願に係る第１の発明によれば、ｎ層の膜構成の加工をする場合、（ｎ−１）層分をスパッタ成膜装置内加工をしている間に、真空蒸着器チャンバーにて成膜基板の出し入れ、及び最終層の加工、必要なメンテナンスを行うことが出来るので、効率的且つローコストで、安定した連続成膜加工ができる。

本出願に係る第２の発明によれば、本発明の複合成膜装置はスパッタリング成膜装置と真空蒸着装置が完全に別チャンバーで構成されるので、それぞれの蒸着手段の能力、性能、効果を余すことなく発揮させる成膜加工ができる。

本出願に係る第３の発明によれば、本発明の複合成膜装置のスパッタリング成膜装置は３種類の屈折率を持ったターゲットを具備し、それぞれのターゲット間を成膜基板が自由に行き来できるので、自由な組み合わせの膜構成の成膜加工ができる。

本出願に係る第４の発明によれば、本発明の複合成膜装置は、その真空蒸着装置部位が、成膜基板を真空、大気間で出し入れをする為の隣接するスパッタリング成膜装置に於けるロードロック室的な役割を担うチャンバーであるので、上記構成に於いて、メンテナンスサイクルの長いスパッタ成膜装置を大気解放させる必要もなく連続成膜を可能とさせ、また、かつ、メンテナンスサイクルの短い真空チャンバーのメンテナンス性も維持でき頻繁にメンテナンスを要するフッ化マグネシウム膜を安定して成膜加工できる。

本出願に係る第５の発明によれば、通常、酸化物と違ってその成膜条件、手段の難易度が高く、複雑でコストのかかるスパッタ成膜装置に於けるフッ化マグネシウム膜の蒸着加工を、本発明の複合成膜装置では、真空蒸着器にて加工させるので、ローコストで、しかも品質、効率共によい薄膜の成膜加工ができる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて説明する。

図１は本発明の概略及び特徴を最もよく表す図であり、１０１は本発明の複合成膜装置に於ける、スパッタ成膜装置チャンバー部分であり、ＤＣ及びＲＦ電源（図示せず）からそれぞれの出力を導引してチャンバー内でのスパッタ成膜を可能にするカソードユニット３機（１０５，１０６，１０７）を具備する。１０２は同真空蒸着器チャンバー部分であり、１０３は成膜基板その物、或いは単品もしくは複数の成膜基板をセットし搬送が可能になる成膜基板ホルダー（ヤトイ）であり、１０４は同スパッタ成膜装置及び、真空成膜装置の真空ポンプを含む排気系であり、１０５はカソードターゲットの内高屈折率（Ｈｉｇｈ Ｉｎｄｅｘ Ｔａｒｇｅｔ）ターゲット材であり、１０６はカソードターゲットの内中間屈折率（Ｍｉｄｄｌｅ Ｉｎｄｅｘ Ｔａｒｇｅｔ）ターゲット材であり、１０７はカソードターゲットの内低屈折率（Ｌｏｗ Ｉｎｄｅｘ Ｔａｒｇｅｔ）ターゲット材であり、１０８はスパッタ成膜装置１０１内での成膜基板１０３を搬送させる機構であり、その回転方向であり、１０９は同じくスパッタ成膜装置１０１内から真空蒸着器チャンバー１０２内部へ成膜基板１０３を搬送する搬送経路であり、１１０は、同じく真空蒸着器チャンバー１０２内部からスパッタ成膜装置内１０１へ成膜基板１０３を搬送する搬送経路であり、１１１は真空蒸着器内部で電子ガンもしくは、抵抗加熱方式を用いてフッ化マグネシウム薬品を蒸発可能とする蒸着薬品の蒸発源である。

図１に示す本発明の実施例では、真空蒸着器チャンバー部分１０２の上部にスパッタ成膜装置チャンバー部分１０１が乗った形態を表示してあるが、本発明の特徴であるスパッタ成膜装置と真空蒸着装置が別々のチャンバーであって、尚かつ成膜基板を大気解放せずに各々のチャンバーユニット内を受け渡し成膜することが可能であることを前提とした場合、必ずしもその上下形態に固執するものではない。横方向に並んだ形態であっても構わないし、はたまた逆位置に上下に形態された機構等であっても構わない。

本発明の特徴を示す実施例を図１を用いて説明する。
成膜基板は単体もしくは複数の基板を一つの成膜基板ホルダー１０３に必要に応じた表面の洗浄を行った上まずは真空蒸着器チャンバー内にセットする。

このセットの際、スパッタ成膜装置と真空蒸着装置は完全に遮断した形で真空蒸着器内部のみリーク（大気解放）する。そして、大気解放し終わった真空蒸着器チャンバー内からまずは最終層を成膜をし終わった成膜基板を取り出し、引き続き予め用意しておいた洗浄済み新規成膜基板（ホルダー）をセッティングし、排気する。

つまりこの際の真空蒸着器チャンバーは、スパッタ成膜装置にとっての基板の取り出し、セットの役割を担うロードロック室的な働きをすることになる。本発明の複合成膜装置の真空蒸着器チャンバーは、フッ化マグネシウム膜を蒸着する為のチャンバーではあるが、その特徴としては最終層のみにフッ化マグネシウムを成膜する膜種、具体的には主に反射防止膜等の膜構成用の成膜装置である為、この新規成膜基板１０３を本装置に投入する段階では単なるスパッタ成膜装置の待機目的のロードロック室的状態に成って居ることになる。

その間、事前に投入された成膜基板（ホルダー）１０３が、予め設定された膜種と、膜厚と、層構成で最終層以外の膜種についてスパッタ成膜されているが、スパッタ成膜装置内には合計三枚の成膜基板がセット可能であって、各々の成膜基板ごとの膜種と、膜厚と、層構成が予めコンピュータ（図示せず）上でセットされ、そのコンピュータにて最も効率的に蒸着ができる手順に計算され、その結果に従って、三枚の成膜基板１０３が、順次回転機構１０８によって回転移動し、成膜されている。そして、最終のフッ化マグネシウムの成膜を残すのみとなった、或いは、スパッタ成膜のみで設定された膜構成の成膜を終えた成膜基板１０３が搬送経路１０９でスパッタ成膜装置内から真空蒸着器内に移動し、同時に、事前に投入され真空蒸着器内で排気され待機していた未蒸着の成膜基板１０３が搬送経路１１０でスパッタ成膜装置内１０１へ移動する。

フッ化マグネシウムという最終層の成膜のみとなりスパッタ成膜装置１０１内へ移動してきた成膜基板１０３は、ここでは真空蒸着法にて、フッ化マグネシウムの単層膜を予め設定されたこの基板の膜厚で自動的に成膜される。通常、フッ化マグネシウム膜はその膜厚は１／４λ程度、真空蒸着の場合、成膜レートがスパッタ成膜に比べて一桁か二桁は早い為、その蒸着加工時間は凄く短時間である。その直後、成膜課程を修了し真空蒸着器チャンバーをリークし取り出す課程に終わる。また、この際に、本発明の複合成膜装置に於ける唯一頻繁に交換、或いは継ぎ足しを必要とするフッ化マグネシウムの蒸着薬品のメンテナンス作業を行うことができる。

よって、その寿命の長いターゲット材は真空中で保持したままで、頻繁にメンテナンスを要する真空蒸着器チャンバーは成膜基板の出し入れの際にメンテナンスすることが出来、しかもフッ化マグネシウム層の成膜時間は極短時間である為、ロードロック室として成膜基板の出し入れチャンバーとして併用させても、充分に連続成膜加工が可能な装置として機能し、しかも薄膜の品質が良く、ローコストな本発明の複合蒸着装置であると言える。

以上が本発明の複合成膜装置一連の成膜プロセスの概略説明であるが、続いて、具体的な成膜膜構成について説明する。

本発明の複合成膜装置では、その特徴としては最終層のみにフッ化マグネシウムを成膜する膜種、具体的には主に反射防止膜等の膜構成用として適した成膜装置であることが特徴であって、最終層のフッ化マグネシウム層のみ真空蒸着器チャンバー１０２内で真空蒸着法にて成膜され、それ以外の膜種に関しては、隣接するスパッタ成膜装置１０１内でスパッタ成膜法にてされる。

具体的な膜構成としては、高屈折率（Ｈｉｇｈ Ｉｎｄｅｘ）膜種を記号Ｈで表し、中間屈折率（Ｍｉｄｄｌｅ Ｉｎｄｅｘ）膜種を記号Ｍで表し、低屈折率（Ｌｏｗ Ｉｎｄｅｘ）膜種をＬで表し、フッ化マグネシウム材を記号ＭｇＦ２で表すとすると、例として比較的簡単な構成例としては、
成膜基板＋Ｍ材＋Ｈ材＋ＭｇＦ２、成膜基板＋Ｈ材＋Ｍ材＋ＭｇＦ２
といった構成が成膜可能である。

また、もう少し成膜総数が増える例としては、
成膜基板＋Ｈ材＋Ｌ材＋Ｈ材＋Ｌ材＋Ｈ材＋ＭｇＦ２
また、成膜基板＋Ｈ材＋Ｍ材＋Ｌ材＋Ｈ材＋ＭｇＦ２
といった構成が成膜可能である。

また層数が大変多い、
成膜基板＋Ｈ材＋Ｌ材＋Ｈ材＋Ｌ材…＋Ｈ材＋Ｌ材
といった多層積層膜のスパッタ成膜も可能ではあるが、その場合、最終層がＭｇＦ２材を用いるという本発明の特徴を必ずしも生かした膜構成ではない。

あくまでも、最終層にＭｇＦ２材を用いた多層構成膜の高品質な成膜を可能にする本発明の複合成膜装置である。

また、具体的な成膜膜種としては、カソードターゲット１０５の高屈折率（Ｈｉｇｈ Ｉｎｄｅｘ Ｔａｒｇｅｔ）ターゲット材としては酸化チタニウムや五酸化タンタルや酸化ニオビウム等のセラミックターゲットもしくはチタニウム、タンタル、ニオビウム等の金属ターゲットが用いられ、また、カソードターゲット１０６の中間屈折率（Ｍｉｄｄｌｅ Ｉｎｄｅｘ Ｔａｒｇｅｔ）ターゲット材としては、酸化アルミニウムや酸化イットリウム等のセラミックターゲットもしくは、アルミニウム、イットリウム等の金属ターゲットが用いられ、また、カソードターゲット１０７の低屈折率（Ｌｏｗ Ｉｎｄｅｘ Ｔａｒｇｅｔ）ターゲット材としては、酸化シリコン等のセラミックターゲットもしくは、シリコン単結晶あるいは多結晶ターゲットが用いられる。

また、真空蒸着器チャンバー１０２内で使用されるフッ化マグネシウム材は抵抗加熱蒸着、もしくは電子銃加熱蒸着に適した蒸着薬品を用いる。

本発明の複合蒸着装置の産業上の利用可能性としましては、主に平面もしくは、レンズ状の形状をしたガラス基板、あるいはプラスティック基板、結晶基板上へ加工を施す、光学用途向け多層薄膜蒸着分野に適する。

本発明の特徴を最も良く表す形態を表した図であり、本発明の複合成膜装置のスパッタ成膜装置と真空蒸着装置の断面図である。

符号の説明

１０１ スパッタ成膜装置（チャンバー部分）
１０２ 真空蒸着器（チャンバー部分）
１０３ 成膜基板、成膜基板ホルダー（ヤトイ）
１０４ 排気系
１０５ カソードターゲット（内高屈折率（Ｈｉｇｈ Ｉｎｄｅｘ Ｔａｒｇｅｔ）ターゲット材）
１０６ カソードターゲット（内中間屈折率（Ｍｉｄｄｌｅ Ｉｎｄｅｘ Ｔａｒｇｅｔ）ターゲット材）
１０７ カソードターゲット（内低屈折率（Ｌｏｗ Ｉｎｄｅｘ Ｔａｒｇｅｔ）ターゲット材）
１０８ 回転機構、回転方向
１０９ 搬送経路
１１０ 搬送経路
１１１ 蒸着薬品の蒸発源

Claims (5)

1. レンズ等を含むガラスやプラスティック材、シリコンウエハーや結晶といった部材上にドライ行程にて薄膜を積層させて行く複合成膜装置であって、スパッタリング成膜装置と真空蒸着装置を連結させ、高真空下で成膜基板を搬送させることができ、尚かつ成膜構成の内、最終層のみ真空蒸着器内で蒸着し、それ以外の層の成膜加工はスパッタ成膜装置内でスパッタ蒸着させるプロセスをとることを特徴とする複合成膜装置。
2. 請求項１に記載の複合成膜装置であって、スパッタリング成膜装置と真空蒸着装置が完全に別チャンバーで構成されていることを特徴とする複合成膜装置。
3. 請求項１に記載の複合成膜装置であって、スパッタ成膜装置は高屈折率ターゲットと中間屈折率ターゲットと低屈折率ターゲットの３種類のターゲットを具備し、どの順序、組み合わせ条件、層数にてもスパッタ蒸着が可能であることを特徴とする複合成膜装置。
4. 請求項１に記載の複合成膜装置であって、真空蒸着装置は成膜基板を真空、大気間で出し入れをする為の隣接するスパッタリング成膜装置に於けるロードロック室的な役割を担うチャンバーであることを特徴とする複合成膜装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか記載の複合成膜装置であって、真空蒸着装置部位は、複数層に渡る膜構成の内、最終成膜層のみを蒸着するが、その膜種はフッ化マグネシウム層のみを真空蒸着法にて成膜するチャンバーであって、場合によって最終層がフッ化マグネシウム膜以外の構成膜である場合は、単に基板を大気中に取り出す為のチャンバーとなることを特徴とする複合成膜装置。