JP2009041091A - Film deposition method and film deposition system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スパッタリング法によって薄膜を成膜する成膜方法および成膜装置に関し、特に反射防止膜等の光学薄膜をスパッタリング法によって成膜する成膜方法および成膜装置に関する。 The present invention relates to a film forming method and a film forming apparatus for forming a thin film by a sputtering method, and more particularly to a film forming method and a film forming apparatus for forming an optical thin film such as an antireflection film by a sputtering method.
従来、反射防止膜などの光学薄膜を光学部品等の基板に成膜する場合、材料を加熱し蒸発させて基板に付着させる真空蒸着法が主に使われてきた。この真空蒸着法に対し、スパッタリング法は自動化・省力化・大面積基板への適用性、さらにはスパッタリング粒子のエネルギーが蒸着粒子と比較して1〜2桁高いことによる低温成膜の可能性など多くの利点があり、コーティング分野において広く適用されている。 Conventionally, when an optical thin film such as an antireflection film is formed on a substrate such as an optical component, a vacuum deposition method in which the material is heated and evaporated to adhere to the substrate has been mainly used. In contrast to this vacuum deposition method, sputtering is automated, labor-saving, applicable to large-area substrates, and the possibility of low-temperature film formation due to the energy of the sputtering particles being one to two orders of magnitude higher than the deposited particles. There are many advantages and it is widely applied in the coating field.
反射防止膜を構成する物質としては、SiO2やZrO2などの金属酸化物の他に、屈折率が低いなどの理由により、CaF2やMgF2などの金属フッ化物がしばしば用いられている。CaF2やMgF2などの金属フッ化物は、300℃程度の基板加熱を行いながら真空蒸着することで、光吸収が少なく機械的強度の高い良質な薄膜となるのに対し、スパッタリング法でこれらの金属フッ化物を用いた場合は、フッ素が金属フッ化物から解離し易くなり、この方法で成膜した膜には可視域の光吸収が生じやすいという問題がある。 As a material constituting the antireflection film, a metal fluoride such as CaF 2 or MgF 2 is often used because of a low refractive index in addition to a metal oxide such as SiO 2 or ZrO 2 . Metal fluorides such as CaF 2 or MgF 2, by vacuum deposition while heating the substrate about 300 ° C., while the light absorption is less mechanical high strength quality thin films of these by sputtering When a metal fluoride is used, fluorine is easily dissociated from the metal fluoride, and a film formed by this method has a problem that light absorption in the visible region is likely to occur.
特許文献1では、MgF2のスパッタリングにおいて、Mg原子、MgF分子、放電ガス(原子、分子)のプラズマ発光強度を適切な範囲に保ちながら成膜を行う成膜方法が開示されている。この成膜方法によると、基板に成膜される膜の光吸収が少なく、機械的強度が高い膜を成膜することができるとされている。
MgF2のスパッタリングにおいて、ターゲットの形態や放電ガスの種類、ガス圧力、投入電力などの条件によっては、プラズマ中にMgF分子の発光(波長359nm)がプラズマエミッションモニター(PEM)により計測できる。MgF分子の発光があるということは、飛散するスパッタ粒子にMgF2分子があることを示している。MgF分子の発光強度が強くなると、MgF2がスパッタ粒子として分子の状態で飛散する確率が高くなる。そのため、フッ素が解離することが少なくなり、結果として成膜される膜の光吸収が少なくなる。 In sputtering of MgF 2, types of targets in the form and the discharge gas, the gas pressure, depending on the conditions such as input power, emission of MgF molecules in the plasma (wavelength 359 nm) can be measured by a plasma emission monitor (PEM). The fact that MgF molecules emit light indicates that there are MgF 2 molecules in the sputtered particles that are scattered. When the emission intensity of MgF molecules increases, the probability that MgF 2 scatters in the molecular state as sputtered particles increases. Therefore, fluorine is less likely to dissociate, and as a result, the light absorption of the formed film is reduced.
しかし、MgF分子の発光強度が強ければ良いという訳ではなく、Mg原子の発光に比べてMgF分子の発光強度が高くなりすぎると、膜の光吸収は少なくなるが、膜の機械的強度が低くなり易いことがわかっている。こうした条件では、ターゲットが加熱される事により蒸発するMgF2分子の飛散率が高くなっている。加熱により飛散する粒子のエネルギーはスパッタ粒子に比べて1〜2桁程度低くなってしまうために、得られる膜の機械的強度が低くなってしまうと考えられている。 However, it is not necessary that the emission intensity of the MgF molecule is strong. If the emission intensity of the MgF molecule is too high compared to the emission of Mg atoms, the light absorption of the film is reduced, but the mechanical strength of the film is low. I know it ’s easy to be. Under such conditions, the scattering rate of MgF 2 molecules that evaporate when the target is heated is high. It is considered that the mechanical strength of the resulting film is lowered because the energy of particles scattered by heating is about 1 to 2 orders of magnitude lower than that of sputtered particles.
以上のことから、光吸収が少なく、かつ基板加熱を行わなくても機械的強度が高いMgF2膜を得るためには、Mg原子の発光強度に対するMgF分子の発光強度比をある一定の範囲に保ちながら成膜を行う必要がある。なお、Mg原子の発光強度に対するMgF分子の発光強度比は、既述したように、ターゲット形態、放電ガスの種類、放電ガスの流量、投入電力などの条件によって変化する。
しかしながら、特許文献1に示されている従来の成膜方法および成膜装置にあっては、プラズマ発光強度やプラズマ発光強度比が一定となるように制御しても、ターゲット材料を繰り返し使用することにより生じるターゲット表面のエロージョン形状により、膜厚再現性が悪くなる問題があった。
この理由について検討すると、ターゲット下部にはマグネットが配置されているが、エロージョン部ではそのマグネットとターゲットの距離が不均一になる。ターゲットのプラズマ発光強度が一定となるように制御しても、エロージョンにより局所的に凹形状になったターゲットの部分では、ターゲットとマグネットとの距離が近いためにスパッタリング時のプラズマ密度が上昇する。このため、局所的なプラズマ発光強度の増加により成膜速度が増加し、基板に成膜する膜の厚さが不安定になると考えられる。
However, in the conventional film forming method and film forming apparatus disclosed in
Considering this reason, a magnet is disposed under the target, but the distance between the magnet and the target is non-uniform in the erosion portion. Even when the plasma emission intensity of the target is controlled to be constant, the plasma density at the time of sputtering increases because the distance between the target and the magnet is close at the portion of the target that is locally concave due to erosion. For this reason, it is considered that the deposition rate increases due to the local increase in plasma emission intensity, and the thickness of the film deposited on the substrate becomes unstable.
この不安定になる傾向は、ターゲット材料を繰り返し使用した回数に応じて顕著になる。スパッタリングする毎にターゲットは深く掘られていくからである。
また不安定になる傾向は、板状ターゲットではなく顆粒状ターゲットを使用した場合にも顕著である。
This tendency to become unstable becomes remarkable according to the number of times the target material is repeatedly used. This is because the target is dug deep every time sputtering is performed.
Moreover, the tendency to become unstable is remarkable also when a granular target is used instead of a plate target.
さらに、MgF2のスパッタリングにおいて、MgF分子の発光が現れる条件では、ターゲットの温度はプラズマによる温度上昇で800℃程度以上の高温になっていることがわかっている。ターゲット材料を繰り返し使用してエロージョン形状が変化した場合、ターゲット表面のプラズマ密度が変化し、これに応じてターゲット表面の温度分布も変化する。ターゲット表面温度が異なると成膜速度も異なるため、プラズマ発光強度を適切な値に保ち、毎回同じ成膜時間で成膜を行ったとしても、作製された薄膜の膜厚再現性は低下する。 Furthermore, it has been found that the target temperature is raised to about 800 ° C. or higher due to the temperature rise caused by the plasma under the condition that the emission of MgF molecules appears in the sputtering of MgF 2 . When the erosion shape changes by repeatedly using the target material, the plasma density on the target surface changes, and the temperature distribution on the target surface changes accordingly. When the target surface temperature is different, the film formation rate is also different. Therefore, even if the plasma emission intensity is kept at an appropriate value and film formation is performed at the same film formation time every time, the film thickness reproducibility of the produced thin film is lowered.
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、MgF2等の金属フッ化物をターゲットとしスパッタリング法で成膜するにあたり、光吸収がなくかつ十分な機械的強度を有する薄膜を、ターゲット材料を繰り返し使用することによりエロージョン形状が変化しても、膜厚再現性良く作製可能にする成膜方法および成膜装置を提供するものである。 The present invention has been made in view of such problems, and in forming a film by sputtering using a metal fluoride such as MgF 2 , a thin film that does not absorb light and has sufficient mechanical strength is provided. It is an object of the present invention to provide a film forming method and a film forming apparatus that can be manufactured with good film thickness reproducibility even when the erosion shape is changed by repeatedly using a target material.
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の成膜方法は、少なくとも金属フッ化物を含む材料をターゲットとし、放電ガスを成膜室に導入しながら高周波電力を該ターゲットに投入してプラズマを発生させ、スパッタリング法で基板に成膜する成膜方法において、前記プラズマの発光強度を第1の計測器で計測し、その計測結果をフィードバックして前記放電ガスの前記成膜室への導入量を調整する工程と、該成膜室でのスパッタリング粒子の成膜速度を第2の計測器で計測し、その計測結果をフィードバックして前記ターゲットに投入する前記高周波電力を調整する工程とを備えることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
In the film forming method of the present invention, a material containing at least a metal fluoride is used as a target, plasma is generated by introducing high-frequency power into the target while introducing a discharge gas into the film forming chamber, and a film is formed on a substrate by a sputtering method. In the film forming method, the step of measuring the emission intensity of the plasma with a first measuring device and feeding back the measurement result to adjust the introduction amount of the discharge gas into the film forming chamber; And measuring the film formation rate of the sputtered particles with a second measuring instrument, feeding back the measurement result, and adjusting the high-frequency power to be input to the target.
また本発明の成膜装置は、少なくとも金属フッ化物を含む材料をターゲットとし、放電ガスを成膜室に導入しながら高周波電力を該ターゲットに投入してプラズマを発生させ、スパッタリング法で基板に成膜する成膜装置において、前記プラズマの発光強度を計測する第1の計測手段と、前記成膜室でのスパッタリング粒子の成膜速度を計測する第2の計測手段と、第1の計測手段の計測結果をフィードバックして前記放電ガスの前記成膜室への導入量を調整する第1の制御手段と、第2の計測手段の計測結果をフィードバックして前記ターゲットに投入する前記高周波電力を調整する第2の制御手段とを備えることを特徴としている。 The film forming apparatus of the present invention uses a material containing at least a metal fluoride as a target, generates a plasma by introducing high-frequency power into the target while introducing a discharge gas into the film forming chamber, and forms a substrate on the substrate by a sputtering method. In the film forming apparatus for forming a film, the first measuring means for measuring the emission intensity of the plasma, the second measuring means for measuring the film forming speed of the sputtering particles in the film forming chamber, and the first measuring means The first control means for adjusting the introduction amount of the discharge gas into the film forming chamber by feeding back the measurement result and the high-frequency power to be fed to the target by feeding back the measurement result of the second measurement means And a second control means.
この発明に係る成膜方法および成膜装置によれば、プラズマ発光強度をフィードバックして放電ガスの成膜室への導入量を調整するだけでなく、成膜室でのスパッタリング粒子の成膜速度をフィードバックしてターゲットに投入する高周波電力を調整しているので、光吸収がなくかつ十分な機械的強度を有する薄膜を、ターゲット表面のエロージョン形状が変化しても膜厚再現性良く、基板加熱を行わずに作製可能になる。 According to the film forming method and the film forming apparatus of the present invention, not only the plasma emission intensity is fed back to adjust the amount of discharge gas introduced into the film forming chamber, but also the film forming speed of the sputtered particles in the film forming chamber. Since the high-frequency power fed back to the target is adjusted, a thin film that does not absorb light and has sufficient mechanical strength can be heated even when the erosion shape of the target surface changes, with good film thickness reproducibility. It becomes possible to manufacture without performing.
また、上記の成膜方法において、前記第2の計測器は、前記成膜室での水晶振動子の表面に付着する前記スパッタリング粒子の付着量を計測し、該付着量の時間的変化から前記成膜速度を演算する構成であることがより好ましいとされている。 In the film forming method, the second measuring instrument measures the amount of the sputtered particles adhering to the surface of the crystal resonator in the film forming chamber, and the time variation of the amount of adhering It is more preferable that the film forming speed be calculated.
また、上記の成膜装置において、前記第2の計測手段は、前記成膜室での水晶振動子の表面に付着する前記スパッタリング粒子の付着量を計測し、該付着量の時間的変化から前記成膜速度を演算する構成であることがより好ましいとされている。 In the film forming apparatus, the second measuring unit measures the amount of the sputtered particles adhering to the surface of the crystal resonator in the film forming chamber, and the time variation of the amount of adhering It is more preferable that the film forming speed be calculated.
この発明に係る成膜方法および成膜装置によれば、第2の計測器と第2の計測手段を、成膜室での水晶振動子の表面に付着するスパッタリング粒子の付着量を計測し、付着量の時間的変化から成膜速度を演算する構成としたので、0.1nm/secの単位で精度良く成膜速度を計測できて、成膜される膜の厚さが安定する。 According to the film forming method and the film forming apparatus according to the present invention, the second measuring instrument and the second measuring means measure the amount of sputtered particles adhering to the surface of the crystal unit in the film forming chamber, Since the film forming speed is calculated from the temporal change in the amount of adhesion, the film forming speed can be accurately measured in units of 0.1 nm / sec, and the thickness of the film to be formed is stabilized.
また、上記の成膜方法において、前記第2の計測器は、前記ターゲットの表面温度を計測し、該表面温度から前記スパッタリング粒子の前記成膜速度を演算する構成であることがより好ましいとされている。 In the film forming method, the second measuring instrument is more preferably configured to measure the surface temperature of the target and calculate the film forming rate of the sputtered particles from the surface temperature. ing.
また、上記の成膜装置において、前記第2の計測手段は、前記ターゲットの表面温度を計測し、該表面温度から前記スパッタリング粒子の前記成膜速度を演算する構成であることがより好ましいとされている。 In the film forming apparatus, the second measuring unit is preferably configured to measure the surface temperature of the target and calculate the film forming rate of the sputtered particles from the surface temperature. ing.
この発明に係る成膜方法および成膜装置によれば、第2の計測器と第2の計測手段を、
ターゲットの表面温度を計測し、その表面温度からスパッタリング粒子の成膜速度を演算する構成としたので、ターゲットの表面温度が安定し、成膜される膜の厚さも安定させることができる。
According to the film forming method and the film forming apparatus of the present invention, the second measuring instrument and the second measuring means are
Since the surface temperature of the target is measured and the film formation rate of the sputtering particles is calculated from the surface temperature, the surface temperature of the target is stabilized and the thickness of the film to be formed can be stabilized.
さらに本発明の成膜方法は、少なくともMgF2(フッ化マグネシウム)を含む材料をターゲットとし、放電ガスを成膜室に導入しながら高周波電力を該ターゲットに投入してプラズマを発生させ、スパッタリング法で基板に成膜する成膜方法において、Mgの前記プラズマの発光強度とMgFの前記プラズマの発光強度の比であるプラズマ発光強度比を第1の計測器で計測し、その計測結果をフィードバックして該プラズマ発光強度比が一定値になるように前記放電ガスの前記成膜室への導入量を調整する工程と、該成膜室でのスパッタリング粒子の成膜速度を第2の計測器で計測し、その計測結果をフィードバックして該成膜速度が一定値になるように前記ターゲットに投入する前記高周波電力を調整する工程とを備えることを特徴としている。
Furthermore, in the film forming method of the present invention, a material containing at least MgF 2 (magnesium fluoride) is used as a target, high-frequency power is applied to the target while introducing a discharge gas into the film forming chamber, and plasma is generated. In the film forming method of forming a film on the substrate in
この発明に係る成膜方法によれば、少なくともMgF2を含む材料をターゲットとして、放電ガスを成膜室に導入しながら高周波電力をターゲットに投入してプラズマを発生させ、スパッタリング法で基板に成膜する成膜方法において、Mgのプラズマ発光強度とMgFのプラズマ発光強度の比であるプラズマ発光強度比の計測結果をフィードバックして、プラズマ発光強度比が一定値になるように放電ガスの成膜室への導入量を調整し、さらに成膜室でのスパッタリング粒子の成膜速度の計測結果をフィードバックして、成膜速度が一定値になるようにターゲットに投入する高周波電力を調整した。そのため、光吸収がなくかつ十分な機械的強度を有するMgF2の薄膜を、ターゲット表面のエロージョン形状が変化しても膜厚再現性良く、基板加熱を行わずに作製可能になる。 According to the film forming method of the present invention, with a material containing at least MgF 2 as a target, plasma is generated by introducing high-frequency power into the target while introducing a discharge gas into the film forming chamber, and the substrate is formed by sputtering. In the film forming method for forming a film, the measurement result of the plasma emission intensity ratio, which is the ratio of the Mg plasma emission intensity to the MgF plasma emission intensity, is fed back to form a discharge gas film so that the plasma emission intensity ratio becomes a constant value. The amount introduced into the chamber was adjusted, and the measurement result of the deposition rate of the sputtered particles in the deposition chamber was fed back to adjust the high-frequency power supplied to the target so that the deposition rate became a constant value. Therefore, a thin film of MgF 2 that does not absorb light and has sufficient mechanical strength can be manufactured with good film thickness reproducibility and without heating the substrate even if the erosion shape of the target surface changes.
また、上記の成膜方法において、前記プラズマ発光強度比が、1.5以上3.5以下の一定値になるように前記放電ガスの前記成膜室への導入量を調整し、さらに前記成膜速度が、0.5nm/sec以上5.0nm/sec以下の一定値になるように前記ターゲットに投入する前記高周波電力を調整することがより好ましいとされている。 In the film forming method, the amount of the discharge gas introduced into the film forming chamber is adjusted so that the plasma emission intensity ratio is a constant value of 1.5 or more and 3.5 or less. It is more preferable to adjust the high-frequency power input to the target so that the film speed becomes a constant value of not less than 0.5 nm / sec and not more than 5.0 nm / sec.
この発明に係る成膜方法によれば、計測プラズマ発光強度比が、1.5以上3.5以下の一定値になるように放電ガスの成膜室への導入量を調整し、さらに成膜速度が、0.5nm/sec以上5.0nm/sec以下の一定値になるようターゲットに投入する高周波電力を調整したので、光吸収がなくかつ十分な機械的強度を有するMgF2の薄膜を、ターゲット表面のエロージョン形状が変化しても膜厚再現性良く、基板加熱を行わずに作製可能になる。 According to the film forming method of the present invention, the amount of discharge gas introduced into the film forming chamber is adjusted so that the measured plasma emission intensity ratio becomes a constant value of 1.5 or more and 3.5 or less. Since the high-frequency power input to the target was adjusted so that the speed became a constant value of not less than 0.5 nm / sec and not more than 5.0 nm / sec, a thin film of MgF 2 having no mechanical absorption and no mechanical absorption was obtained. Even if the erosion shape of the target surface changes, the film thickness can be reproduced with good reproducibility without heating the substrate.
本発明に係る成膜方法および成膜装置によれば、光吸収がなくかつ十分な機械的強度を有する薄膜を、ターゲット表面のエロージョン形状が変化しても膜厚再現性良く、基板加熱を行わずに作製可能になる。 According to the film forming method and the film forming apparatus of the present invention, a thin film that does not absorb light and has sufficient mechanical strength is heated with high film thickness reproducibility even if the erosion shape of the target surface changes. It becomes possible to produce without.
図1は、本発明の第1実施形態の成膜装置の構成を示す断面図である。成膜室となる真空槽2内部の上部には、基板3が回転可能に配置されている。この実施の形態では、基板3として、BK7(屈折率1.52)からなる光学ガラスを使用した。
真空槽2内部の基板3の下方には、直径6インチ(約152.4mm)のマグネトロンカソード4上に石英製の皿5が載置され、皿5には、粒径0.1〜10mmのMgF2の顆粒であるターゲット6が充填されている。このマグネトロンカソード4はスパッタリング用の高周波電源7と接続されている。
真空槽2の側面には放電ガスの導入口11が形成されている。放電ガスの流量はマスフローコントローラー12によって制御され、これにより真空槽2内のガス圧力が制御される。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a film forming apparatus according to a first embodiment of the present invention. A
Below the
A discharge gas inlet 11 is formed on the side surface of the
また、ターゲット6の横部にプラズマエミッションモニター13が配置されている。プラズマエミッションモニター13は、発生したプラズマ14の発光強度を計測する装置で、計測されたプラズマ発光強度はプラズマエミッションモニター制御部15で電気信号に変換される。さらに、ターゲット6の上方には、シャッター16が配置されて、シャッター16の開閉をシャッター16が取り付けられる開閉装置17で制御する。
ターゲット6とシャッター16の間には水晶振動子21が配置される。水晶振動子21は、真空槽2内部のスパッタリング粒子の付着量を、付着した膜の堆積による共振周波数の変化から計測することができる。水晶振動子21が接続される水晶振動子制御部22は、水晶振動子21の共振周波数を計測することでスパッタリング粒子の付着量を計測し、計測値の時間的変化から成膜室でのスパッタリング粒子の成膜速度を演算し、演算結果を電気信号として出力する。
スパッタリング用の高周波電源7、放電ガスの流量を制御するマスフローコントローラー12、プラズマの発光強度を電気信号に変換するプラズマエミッションモニター制御部15、および水晶振動子21の共振周波数を電気信号に変換する水晶振動子制御部22およびシャッター16を開閉する開閉装置17は、装置制御部31に接続され一体となって制御される。
Further, a plasma emission monitor 13 is disposed on the side of the
A
A sputtering high-
つづいて第1実施形態の成膜装置1を用いて成膜する手順について説明する。
まず基板3を真空槽2内に設置し、不図示の真空ポンプにより真空槽2内を1×10−4Paまで排気する。このとき基板3の加熱は行っていない。
つぎに、放電ガスであるO2ガスをマスフローコントローラー12により流量を制御しながら、ガス導入口11から真空槽2内に導入し、ガス圧力を4×10−1Paに調整する。そして、高周波電力をマグネトロンカソード4に供給し、プラズマ14を発生させる。このプラズマ14によりMgF2のターゲット6は加熱され、同時にプラズマ14中の放電ガスイオンにより、スパッタリングされて真空槽2内に飛散する。
Next, a procedure for forming a film using the
First, the
Next, O 2 gas as discharge gas is introduced into the
プラズマ14からの発光は、ターゲット6の横部に配置されたプラズマエミッションモニター13に取り込まれる。プラズマエミッションモニター13は波長200nm〜850nmの範囲の光を分光し、MgF(波長359nm)およびMg(波長518nm)それぞれの波長のプラズマ発光強度、およびMg原子のプラズマ発光強度に対するMgF分子のプラズマ発光強度の比(以下、「MgF/Mgのプラズマ発光強度比」と書く)を、リアルタイムで演算する。
演算結果はプラズマエミッションモニター制御部15に送られ、演算結果すなわちMgF/Mgのプラズマ発光強度比が3.0になると、プラズマエミッションモニター制御部15は装置制御部31へ信号を出力する。そして装置制御部31は、MgF/Mgのプラズマ発光強度比が3.0に保持されるように、マスフローコントローラー12で導入口11から流入するO2ガス流量を制御する。
Light emitted from the
The calculation result is sent to the plasma emission
このように特許請求の範囲に記載した、MgF/Mgのプラズマ発光強度比を計測する第1の計測器(第1の計測手段)41は、プラズマエミッションモニター13とプラズマエミッションモニター制御部15とで構成されている。
As described above, the first measuring device (first measuring means) 41 for measuring the plasma emission intensity ratio of MgF / Mg described in the claims includes the plasma emission monitor 13 and the plasma emission
ターゲット6がスパッタリングされて真空槽2内に粒子が飛散すると、水晶振動子制御部22は水晶振動子21の共振周波数を計測することでスパッタリング粒子の付着量を計測し、計測値の時間的変化から成膜室でのスパッタリング粒子の成膜速度を演算し、演算結果を装置制御部31へ出力する。そして装置制御部31は、演算された成膜速度が3.0nm/secに保持されるように、高周波電源7に負荷される高周波電力を制御する。
このように特許請求の範囲に記載した、成膜室でのスパッタリング粒子の成膜速度を計測する第2の計測器(第2の計測手段)42は、第1実施形態では水晶振動子21と水晶振動子制御部22とで構成されている。
また特許請求の範囲に記載した、放電ガスの成膜室への導入量を調整する第1の制御手段51と、ターゲット6に投入する高周波電力を調整する第2の制御手段52は、ともに装置制御部31が兼ねている。
When the
As described above, the second measuring device (second measuring means) 42 for measuring the film forming speed of the sputtering particles in the film forming chamber described in the claims is the same as the
Further, the first control means 51 for adjusting the amount of discharge gas introduced into the film forming chamber and the second control means 52 for adjusting the high frequency power to be supplied to the
装置制御部31はMgF/Mgのプラズマ発光強度比が3.0に保持され、同時に成膜速度が3.0nm/secに保持されたと判断すると、開閉装置17を駆動してシャッター16を開放することにより、基板3上にMgF2膜を成膜する。この間も、プラズマエミッションモニター13によりMgF/Mgのプラズマ発光強度比を、水晶振動子21により成膜速度をそれぞれ計測し、計測値がそれぞれ3.0、3.0nm/secとなるようマスフローコントローラー12および高周波電源7を制御している。このときの高周波電力は1000〜1050W、放電ガスであるO2ガス流量は20.0〜22.0sccm程度であった。
When the apparatus control unit 31 determines that the plasma emission intensity ratio of MgF / Mg is maintained at 3.0 and at the same time the film forming speed is maintained at 3.0 nm / sec, the apparatus controller 31 drives the opening /
MgF2(フッ化マグネシウム)を含む材料をターゲット6とする場合に、望ましいパラメータの値の範囲は、MgF/Mgのプラズマ発光強度比が1.5以上3.5以下の一定値で、さらに成膜速度が0.5nm/sec以上5.0nm/sec以下の一定値に調整される範囲である。このとき、プラズマ発光強度比を制御するために成膜室2への導入される放電ガスの量は10〜50sccmの範囲で調整され、成膜速度を制御するために投入される高周波電力は500〜1500Wの範囲で調整される。
The material comprising MgF 2 (magnesium fluoride) in the case of the
MgF/Mgのプラズマ発光強度比を1.5以上3.5以下で制御する理由は、プラズマ発光強度比がこの範囲を外れると、金属フッ化物からフッ素が解離してスパッタリング粒子のエネルギーが低い状態になり、膜の機械的強度が低下するからである。また、成膜速度を0.5nm/sec以上5.0nm/sec以下で制御する理由は、成膜速度がこの範囲を外れると、エロージョン形状による影響を大きく受けて膜厚再現性が悪くなるためである。 The reason for controlling the MgF / Mg plasma emission intensity ratio between 1.5 and 3.5 is that when the plasma emission intensity ratio is outside this range, fluorine dissociates from the metal fluoride and the energy of the sputtered particles is low. This is because the mechanical strength of the film decreases. Also, the reason for controlling the film formation speed between 0.5 nm / sec and 5.0 nm / sec is that if the film formation speed is out of this range, the film thickness is reproducibly affected by the erosion shape. It is.
図2は、第1実施形態により成膜したMgF2膜の分光反射率特性図を示す。MgF2膜の屈折率は1.39と真空蒸着法で得たものと同様に低いため、図2に示すように反射率は可視域(波長400nm〜700nm)で2%以下であり、反射防止膜として有効である。また、可視域(波長400nm〜700nm)での膜の光吸収も、0.5%未満と真空蒸着法で得たものと同等に少なく、光学的に問題はない。さらには、基板3の加熱を行っていないにも関わらず、密着性、擦傷性などの膜の機械的強度も良好で、実用上十分となっていた。
FIG. 2 is a spectral reflectance characteristic diagram of the MgF 2 film formed according to the first embodiment. For similarly low to that obtained in the refractive index is 1.39 and the vacuum deposition of MgF 2 film, the reflectance as shown in FIG. 2 is not more than 2% in the visible range (
図3には、第1実施形態により成膜したMgF2膜の、ターゲット6の繰り返し使用回数による屈折率、光吸収および成膜速度の値の変化を示す。本実施形態では同一のMgF2ターゲット6を20回まで繰り返し使用して成膜を行った。
また図4には比較例として、第1実施形態とは異なる条件で成膜したMgF2膜の、ターゲット6の繰り返し使用回数による屈折率、光吸収および成膜速度の値の変化を示す。第1実施形態とは異なる条件とは、放電ガスであるO2流量を20.0sccmと一定にして、プラズマエミッションモニター13によりMgF/Mgのプラズマ発光強度比を計測し、その値が3.0と一定になるよう高周波電力で制御した条件のことである。なお、成膜速度は作製した薄膜の膜厚と成膜時間から算出した。
FIG. 3 shows changes in the values of the refractive index, light absorption, and film formation rate of the MgF 2 film formed according to the first embodiment depending on the number of times the
FIG. 4 shows, as a comparative example, changes in the values of the refractive index, light absorption, and film formation speed of the MgF 2 film formed under conditions different from those of the first embodiment, depending on the number of times the
図3および図4をみると、本発明の第1実施形態およびプラズマ発光強度比のみを一定値に制御した方法において、作製した膜の屈折率および光吸収は、両者共に実用上問題ないことがわかる。これは、プラズマエミッションモニター13によりプラズマ発光強度比が最適となるように制御し成膜を行ったので、フッ素が解離することなくMgF2分子をスパッタ粒子の状態で飛散するようにしたからである。 3 and 4, in the first embodiment of the present invention and the method in which only the plasma emission intensity ratio is controlled to a constant value, both the refractive index and light absorption of the produced film are not problematic in practical use. Recognize. This is because the film was formed under the control of the plasma emission monitor 13 so that the plasma emission intensity ratio would be optimal, so that the MgF 2 molecules were scattered in the form of sputtered particles without the fluorine dissociating. .
しかしながら、図4に示すプラズマ発光強度比のみを一定値に制御した方法において、繰り返し使用回数1〜7回までは成膜速度が比較的一定の値であったが、10回以降は成膜回数が増加するにつれ成膜速度が上昇している。これは、成膜回数が増えるにつれてターゲット表面に凹部が生じ、凹部ではターゲット下部に配置されたマグネットに近づき、プラズマ密度が上昇したためである。プラズマ発光強度が一定となるよう制御を行っても、実際にはエロージョン形状によりプラズマ発光強度はターゲット表面の位置により異なっている。
これに対し、第1実施形態では水晶振動子21を用いて成膜速度を計測し、その値が一定となるよう高周波電力で制御することで、材料使用回数1回目から20回目まで成膜速度がほぼ等しい値となった。
However, in the method in which only the plasma emission intensity ratio shown in FIG. 4 is controlled to a constant value, the film forming speed is a relatively constant value from 1 to 7 times of repeated use. As the value increases, the deposition rate increases. This is because as the number of film formation increases, a concave portion is formed on the target surface, and the plasma density increases in the concave portion as it approaches a magnet disposed under the target. Even if the plasma emission intensity is controlled to be constant, the plasma emission intensity actually differs depending on the position of the target surface due to the erosion shape.
On the other hand, in the first embodiment, the film formation rate is measured using the
以上のように本発明の第1実施形態では、放電ガス流量でプラズマ発光強度を制御するだけでなく、高周波電力で成膜速度を制御しているので、光吸収がなくかつ十分な機械的強度を有する薄膜を、ターゲット表面のエロージョン形状が変化しても膜厚再現性良く、基板加熱を行わずに作製可能になる。
また第2の計測器として水晶振動子の表面に付着したターゲット材料の付着量を計測し、付着量の時間的変化から成膜室でのスパッタリング粒子の成膜速度を演算する計測器を用いることで、0.1nm/secの単位で精度良く成膜速度を計測できて、成膜される膜の厚さが安定する。
As described above, in the first embodiment of the present invention, not only the plasma emission intensity is controlled by the discharge gas flow rate, but also the film formation speed is controlled by the high frequency power, so there is no light absorption and sufficient mechanical strength. Even if the erosion shape of the target surface changes, it is possible to produce a thin film with good film thickness reproducibility and without heating the substrate.
Further, as the second measuring instrument, a measuring instrument that measures the deposition amount of the target material adhering to the surface of the crystal unit and calculates the deposition rate of the sputtered particles in the deposition chamber from the temporal change of the deposition amount is used. Thus, the film forming speed can be measured with accuracy in units of 0.1 nm / sec, and the thickness of the film to be formed is stabilized.
なお、MgF/Mgのプラズマ発光強度比は、既述したように、ターゲット形態、放電ガスの種類、放電ガスの流量、投入電力などの条件によって変化する。
また、成膜速度の制御のために高周波電力が変化すると、プラズマ発光強度比も変化するが、プラズマエミッションモニター13によりO2ガス流量で制御することで、プラズマ発光強比を所望の値に調整することができる。
As described above, the MgF / Mg plasma emission intensity ratio varies depending on conditions such as the target form, the type of discharge gas, the flow rate of discharge gas, and the input power.
In addition, when the high-frequency power changes to control the deposition rate, the plasma emission intensity ratio also changes, but the plasma emission intensity ratio is adjusted to a desired value by controlling with the O 2 gas flow rate by the plasma emission monitor 13. can do.
また第1実施形態では、成膜室でのスパッタリング粒子の成膜速度を計測するのに水晶振動子21を用いたが、替わりに反射率の周期的変化を演算することにより成膜速度を計測する光学式監視計を用いてもよい。
In the first embodiment, the
つぎに、本発明の第2実施形態について、図5から図8を参照して説明する。図5は、本発明の第2実施形態の成膜装置の構成を示す断面図である。なお説明の便宜上、本発明の第2実施形態において、前述の第1実施形態で説明した構成要素と同一の構成要素については同一符号を付して、その説明を省略する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a film forming apparatus according to the second embodiment of the present invention. For convenience of explanation, in the second embodiment of the present invention, the same components as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
成膜装置の構成に関して、前述した第1実施形態に用いられたに水晶振動子21と水晶振動子制御部22に替わり、第2実施形態ではターゲット6の表面温度分布を測定するために、放射温度計26が真空槽2側面にターゲット6表面の二次元の温度分布を計測できるように設置され、放射温度計26は放射温度計制御部27に接続されている。ターゲット6表面の温度はエロージョン部では上昇しているが、放射温度計制御部27は、測定された二次元の温度分布をエロージョン部の影響を考慮して重み付けして平均し、ターゲット6の代表となる表面温度を演算する。
In regard to the configuration of the film forming apparatus, the second embodiment replaces the
つづいて第2実施形態の成膜装置1で成膜する手順について説明する。
MgF/Mgのプラズマ発光強度比が3.0に保持されるように、マスフローコントローラー12で制御するところまでは第1実施形態の成膜装置1と同一の手順であるので、説明を省略する。
Next, a procedure for forming a film by the
The procedure up to the control by the
スパッタリングされて真空槽2内に粒子が飛散すると、放射温度計制御部27は、予め記憶された表面温度と成膜速度の関係から、成膜室でのスパッタリング粒子の成膜速度を演算し、演算結果を装置制御部31へ出力する。表面温度と成膜速度の関係から、成膜速度を3.0nm/secにするためには、表面温度を800℃にすればよいことが分かっている。そこで装置制御部31は、演算された表面温度が800℃に保持されるように、高周波電源7に負荷される高周波電力を制御する。
このように特許請求の範囲に記載した、成膜室でのスパッタリング粒子の成膜速度を計測する第2の計測器(第2の計測手段)42は、第2実施形態では放射温度計26と放射温度計制御部27とで構成されている。
When the particles are scattered in the
As described above, the second measuring instrument (second measuring means) 42 for measuring the deposition rate of the sputtered particles in the deposition chamber described in the claims is the
装置制御部31はMgF/Mgのプラズマ発光強度比が3.0に保持され、同時に表面温度が800℃に保持されたと判断すると、開閉装置17を駆動してシャッター16を開放することにより、基板3上にMgF2膜を成膜する。この間も、プラズマエミッションモニター13によりMgF/Mgのプラズマ発光強度を、放射温度計26により表面温度をそれぞれ計測し、計測値がそれぞれ3.0、800℃となるようマスフローコントローラー12および高周波電源7を制御している。このときの高周波電力は1000〜1050W、O2ガス流量は20.0〜22.0sccm程度であった。
When the apparatus controller 31 determines that the plasma emission intensity ratio of MgF / Mg is maintained at 3.0 and at the same time the surface temperature is maintained at 800 ° C., the apparatus controller 31 drives the opening /
図6は、本発明の第2実施形態により成膜したMgF2膜の分光反射率特性図を示す。図6に示すように反射率が可視域(波長400nm〜700nm)で2%以下であり、反射防止膜として有効である。また、可視域(波長400nm〜700nm)での膜の光吸収も、0.5%未満と真空蒸着法で得たものと同等に少なく、光学的に問題はない。さらには、基板3の加熱を行っていないにも関わらず、密着性、擦傷性などの膜の機械的強度も良好であった。
FIG. 6 is a spectral reflectance characteristic diagram of the MgF 2 film formed according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the reflectance is 2% or less in the visible region (
図7には、第2実施形態により成膜したMgF2膜の、ターゲット6の繰り返し使用回数による屈折率、光吸収および成膜速度の値の変化を示す。本実施形態では同一のMgF2ターゲット6を20回まで繰り返し使用して成膜を行った。
図7をみると、表面温度を800℃に制御すると成膜速度は3.0nm/secになることが確認でき、また本発明の第2実施形態において作製した膜の屈折率および光吸収は、実用上十分問題ないことがわかる。
FIG. 7 shows changes in the values of the refractive index, light absorption, and film formation rate of the MgF 2 film formed according to the second embodiment depending on the number of times the
Referring to FIG. 7, it can be confirmed that when the surface temperature is controlled to 800 ° C., the deposition rate becomes 3.0 nm / sec, and the refractive index and light absorption of the film fabricated in the second embodiment of the present invention are It turns out that there is no problem in practice.
また図8には比較例として、第2実施形態とは異なる条件で成膜したMgF2膜の、ターゲット6の繰り返し使用回数によるターゲット表面温度と成膜速度の値の変化を示す。第2実施形態とは異なる条件とは、放電ガスであるO2流量を20.0sccmと一定にして、プラズマエミッションモニター13によりプラズマ発光強度比を計測し、その値が3.0と一定になるよう高周波電力で制御した条件のことである。
図8を見ると、ターゲット6の繰り返し使用回数が増加するとターゲット表面温度は上昇し、それに伴い成膜速度が上昇していることがわかる。
Further, as a comparative example in FIG. 8 shows the MgF 2 film formed under different conditions from the second embodiment, the change in the value of the target surface temperature and deposition rate due to the repeated number of uses of the
Referring to FIG. 8, it can be seen that as the number of repeated uses of the
以上のように本発明の第2実施形態は、放電ガス流量でプラズマ発光強度を制御するだけでなく、高周波電力で成膜速度を制御しているので、光吸収がなくかつ十分な機械的強度を有する薄膜を、ターゲット表面のエロージョン形状が変化しても膜厚再現性良く、基板加熱を行わずに作製可能になる。
また上記成膜速度を制御する際に、放射温度計26を用いてターゲット6の表面温度を計測し、そのエロージョン部の影響を考慮して重み付けして平均した表面温度が一定となるよう高周波電力を制御することで、ターゲット表面温度がエロージョン形状を問わず一定となり、成膜速度を一定にすることができる。
なお、ターゲット表面温度の制御のために高周波電力が変化すると、プラズマ発光強度比も変化するが、プラズマエミッションモニター13によりO2ガス流量で制御することで、プラズマ発光強比を所望の値に調整することができる。
As described above, in the second embodiment of the present invention, not only the plasma emission intensity is controlled by the discharge gas flow rate but also the film formation rate is controlled by the high frequency power, so that there is no light absorption and sufficient mechanical strength. Even if the erosion shape of the target surface changes, it is possible to produce a thin film with good film thickness reproducibility and without heating the substrate.
Further, when controlling the film formation rate, the surface temperature of the
When the high-frequency power is changed to control the target surface temperature, the plasma emission intensity ratio also changes. However, the plasma emission intensity ratio is adjusted to a desired value by controlling the plasma emission monitor 13 with the O 2 gas flow rate. can do.
また、ターゲット6の表面温度を計測するのに、第2実施形態では、放射温度計26を用いたが、替わりに熱電対を用いてもよい。
Further, in the second embodiment, the
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
前述した実施形態では、本発明が反射防止膜に適用された例について説明したが、これに限られることなく、本発明はエッジフィルターやビームスプリッターなど他の光学部品の作製にも勿論適用可能である。
As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings, the concrete structure is not restricted to this embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.
In the above-described embodiment, the example in which the present invention is applied to the antireflection film has been described. However, the present invention is not limited thereto, and the present invention can be applied to the production of other optical components such as edge filters and beam splitters. is there.
本発明の第1実施形態第および2実施形態実施形態では、プラズマエミッションモニター13によりMgF/Mgのプラズマ発光強度比を計測して、計測放電ガスの成膜室への導入量をマスフローコントローラー12で調整した。しかし、これらの実施形態において、MgF/Mgのプラズマ発光強度比を計測する替わりに、MgF分子のプラズマ発光強度、Mg原子のプラズマ発光強度、MgF分子/Mg原子のプラズマ発光強度比、またはMgF分子/O原子(波長777nm)のプラズマ発光強度比のうち少なくとも1種類以上の値を計測して、マスフローコントローラー12で調整するようにしてもよい。
プラズマ発光強度を計測する場合は、特許請求の範囲の第1の計測器として、プラズマ発光強度を計測するプラズマエミッションモニター13や分光器を用いてもよい。
In the first embodiment and the second embodiment of the present invention, the plasma emission monitor 13 measures the plasma emission intensity ratio of MgF / Mg, and the
When measuring the plasma emission intensity, a plasma emission monitor 13 or a spectrometer that measures the plasma emission intensity may be used as the first measuring instrument in the claims.
また本発明の第1実施形態第および2実施形態実施形態では、ターゲット6としてMgF2を用いた。しかし、これらの実施形態において、MgF2の替わりに、金属フッ化物であるAlF3、LiF、NaF、CaF2、SrF2、BaF2、CeF3、NdF3、LaF3、SmF3、Na3AlF6、Na5AlF14を用いて成膜してもよい。さらにこれらの実施形態では単層の反射防止膜としたが、TiO2、Ta2O5等の他の高屈折率材料、SiO2等の他の低屈折率材料からなる薄膜と組み合わせた多層膜としてもよい。
In the first embodiment and the second embodiment of the present invention, MgF 2 is used as the
1 成膜装置
2 真空槽(成膜室)
3 基板
6 ターゲット
7 高周波電源
12 マスフローコントローラー
14 プラズマ
21 水晶振動子
26 放射温度計
41 第1の計測器(第1の計測手段)
42 第2の計測器(第2の計測手段)
51 第1の制御手段
52 第2の制御手段
1
3
42 Second measuring instrument (second measuring means)
51 1st control means 52 2nd control means
Claims (8)
前記プラズマの発光強度を第1の計測器で計測し、その計測結果をフィードバックして前記放電ガスの前記成膜室への導入量を調整する工程と、
該成膜室でのスパッタリング粒子の成膜速度を第2の計測器で計測し、その計測結果をフィードバックして前記ターゲットに投入する前記高周波電力を調整する工程とを備えることを特徴とする成膜方法。 In a film forming method in which a material containing at least a metal fluoride is used as a target, plasma is generated by introducing high-frequency power into the target while introducing a discharge gas into the film forming chamber, and a film is formed on a substrate by a sputtering method.
Measuring the emission intensity of the plasma with a first measuring instrument, feeding back the measurement result, and adjusting the amount of the discharge gas introduced into the deposition chamber;
Measuring the deposition rate of the sputtered particles in the deposition chamber with a second measuring instrument, and feeding back the measurement result to adjust the high-frequency power to be input to the target. Membrane method.
前記第2の計測器は、前記成膜室での水晶振動子の表面に付着する前記スパッタリング粒子の付着量を計測し、該付着量の時間的変化から前記成膜速度を演算する構成であることを特徴とする成膜方法。 In the film-forming method of Claim 1,
The second measuring instrument is configured to measure the amount of the sputtered particles adhering to the surface of the crystal resonator in the film forming chamber and calculate the film forming speed from a temporal change in the amount of adhering. A film forming method characterized by the above.
前記第2の計測器は、前記ターゲットの表面温度を計測し、該表面温度から前記スパッタリング粒子の前記成膜速度を演算する構成であることを特徴とする成膜方法。 In the film-forming method of Claim 1,
The film forming method, wherein the second measuring instrument is configured to measure a surface temperature of the target and calculate the film forming speed of the sputtering particles from the surface temperature.
Mgの前記プラズマの発光強度とMgFの前記プラズマの発光強度の比であるプラズマ発光強度比を第1の計測器で計測し、その計測結果をフィードバックして該プラズマ発光強度比が一定値になるように前記放電ガスの前記成膜室への導入量を調整する工程と、
該成膜室でのスパッタリング粒子の成膜速度を第2の計測器で計測し、その計測結果をフィードバックして該成膜速度が一定値になるように前記ターゲットに投入する前記高周波電力を調整する工程とを備えることを特徴とする成膜方法。 A film forming method in which a material containing at least MgF 2 (magnesium fluoride) is used as a target, plasma is generated by introducing high-frequency power into the target while introducing a discharge gas into the film forming chamber, and a film is formed on a substrate by a sputtering method In
The plasma emission intensity ratio, which is the ratio of the emission intensity of the Mg plasma and the emission intensity of the MgF plasma, is measured with a first measuring instrument, and the measurement result is fed back to make the plasma emission intensity ratio a constant value. Adjusting the amount of the discharge gas introduced into the film formation chamber,
The film forming speed of the sputtered particles in the film forming chamber is measured with a second measuring instrument, and the measurement result is fed back to adjust the high-frequency power supplied to the target so that the film forming speed becomes a constant value. The film-forming method characterized by including the process to perform.
前記プラズマ発光強度比が、1.5以上3.5以下の一定値になるように前記放電ガスの前記成膜室への導入量を調整し、さらに前記成膜速度が、0.5nm/sec以上5.0nm/sec以下の一定値になるように前記ターゲットに投入する前記高周波電力を調整することを特徴とする成膜方法。 In the film-forming method of Claim 4,
The amount of the discharge gas introduced into the film formation chamber is adjusted so that the plasma emission intensity ratio is a constant value between 1.5 and 3.5, and the film formation rate is 0.5 nm / sec. A film forming method comprising adjusting the high-frequency power input to the target so as to have a constant value of 5.0 nm / sec or less.
前記プラズマの発光強度を計測する第1の計測手段と、
前記成膜室でのスパッタリング粒子の成膜速度を計測する第2の計測手段と、
第1の計測手段の計測結果をフィードバックして前記放電ガスの前記成膜室への導入量を調整する第1の制御手段と、
第2の計測手段の計測結果をフィードバックして前記ターゲットに投入する前記高周波電力を調整する第2の制御手段とを備えることを特徴とする成膜装置。 In a film forming apparatus that targets a material containing at least a metal fluoride, generates a plasma by introducing high-frequency power into the target while introducing a discharge gas into the film forming chamber, and forms a film on a substrate by a sputtering method.
First measuring means for measuring the emission intensity of the plasma;
A second measuring means for measuring a film forming speed of the sputtering particles in the film forming chamber;
A first control unit that feeds back a measurement result of the first measurement unit and adjusts an introduction amount of the discharge gas into the film forming chamber;
A film forming apparatus comprising: a second control unit that adjusts the high-frequency power to be fed to the target by feeding back a measurement result of the second measuring unit.
前記第2の計測手段は、前記成膜室での水晶振動子の表面に付着する前記スパッタリング粒子の付着量を計測し、該付着量の時間的変化から前記成膜速度を演算する構成であることを特徴とする成膜装置。 In the film-forming apparatus of Claim 6,
The second measuring means is configured to measure the amount of the sputtered particles adhering to the surface of the crystal resonator in the film forming chamber and calculate the film forming speed from a temporal change in the amount of adhering. A film forming apparatus.
前記第2の計測手段は、前記ターゲットの表面温度を計測し、該表面温度から前記スパッタリング粒子の前記成膜速度を演算する構成であることを特徴とする成膜装置。 In the film-forming apparatus of Claim 6,
The film forming apparatus characterized in that the second measuring means is configured to measure a surface temperature of the target and calculate the film forming speed of the sputtering particles from the surface temperature.
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