JP2017222919A

JP2017222919A - 製膜装置

Info

Publication number: JP2017222919A
Application number: JP2016120605A
Authority: JP
Inventors: 秋葉　正博; Masahiro Akiba; 正博秋葉
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2036-06-17
Also published as: WO2017217555A1; JP6892743B2

Abstract

【課題】効率よく小型のＬＶＦを得ることができる技術を得る。
【解決手段】基板１０７に光学薄膜を成膜するスパッタリング装置１００であって、基板１０７を保持するキャリア１０８と、キャリア１０８に固定され、基板１０７との間に光学薄膜を構成する粒子が侵入可能な空間１１１を有した状態で基板１０７の一部を覆うマスク１１０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＶＦ(Linear Variable Filter)の製造に利用可能な技術に関する。

ＬＶＦ(Linear Variable Filter)という光学フィルタが知られている（例えば、特許文献１参照）。ＬＶＦは、入射箇所によって異なる中心波長のＢＰＦ特性を有し、白色光を入射させると、ある場所では赤が透過し、他の場所では緑が透過し、入射箇所による色の変化がリニアに変化する特性を有する。ＬＶＦは、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ），ＳＰＦ（ショートパスフィルタ），ＬＰＦ（ロングパスフィルタ）を組み合わせることで所定の光学特性を得ている。これらの光学フィルタ特性（ＢＰＦ等の光学特性）は、光学薄膜を基材となる光透過部材（例えばガラス基板）上に積層することで得ている。

ＬＶＦは、入射箇所によってＢＰＦの中心波長が異なるが、この機能は、上記の光学薄膜の膜厚を入射箇所によって異ならせることで得ている。光学薄膜は、スパッタリングや蒸着によって成膜されるが、従来の技術では上記の部分的に膜厚を変える成膜を行うために、減圧チャンバー内のスパッタ源や蒸着源の前にマスクを配置し、光学薄膜の膜厚の調整を行っていた（例えば、特許文献２を参照）。この技術では、マスクは成膜装置の側に配置され、マスクの交換や各種の調整を行うには、減圧チャンバーの扉を開け、減圧チャンバー内を大気開放した状態とする必要がある。

特開平１１−３２６６３２号公報特開２００５−１２１６９９号公報

ＬＶＦは小型化を求められているが、そのためには膜厚勾配（単位距離当たりの膜厚の違い）を大きくする必要がある。しかしながら、従来の技術では、マスクと基板との間の距離が離れているため、膜厚勾配を大きくするには限界があった。

また、ＬＶＦは、膜厚分布の精度が求められるので、上記のマスクの設置位置の調整を精密に行う必要がある。しかしながら、マスクを装置側に配置する構造では、マスクの位置調整や形状調整を行うたびに減圧チャンバーを大気解放しなくてはならず、作業時間が著しく増加する。このような背景において、本発明は、効率よく小型のＬＶＦを得ることができる技術を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、基板に光学薄膜を成膜する成膜装置であって、前記基板を保持するキャリアと、前記キャリアに固定され、前記基板との間に前記光学薄膜を構成する粒子が侵入可能な空間を有した状態で前記基板の一部を覆うマスクとを備えることを特徴とする成膜装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記マスクが前記キャリアに対して着脱可能であることを特徴とする。請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記マスクと前記基板との間の距離が可変可能であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、前記基板の前記マスクで覆われた部分に前記光学薄膜の成膜が行われることを特徴とする。請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発明において、前記マスクと前記基板の間隔がスペーサによって確保されていることを特徴とする。

本発明によれば、効率よく小型のＬＶＦを得ることができる技術が得られる。

実施形態のスパッタリング装置の概念図である。キャリアを成膜装置から外に出した状態を示す概念図である。実施形態におけるスパッタリングの原理を示す概念図である。膜厚勾配を有した光学薄膜を示す概念図である。ＬＶＦの機能を示す概念図である。ＢＰＦ特性を示す特性図である。ＳＰＦ特性を示す特性図である。ＬＰＦ特性を示す特性図である。合成されたＢＰＦ特性を示す特性図（ＳＰＦ＋ＬＰＦ＋ＢＰＦ）である。実施形態におけるマスクの位置調整機能を説明する概念図である。実施形態のスパッタリング装置の概念図である。実施形態のマスクを説明する概念図である。実施形態のスパッタリング装置の概念図である。

（装置の構成）
図１には、スパッタリング装置１００が示されている。スパッタリング装置１００は、筐体１０１を備えている。筐体１０１は、内部を減圧にすることが可能な密閉構造を有する容器である。筐体１０１には、スパッタリングに必要なガスを筐体１０１内に供給するガス供給系１０２が接続されている。ガス供給系１０２からは、アルゴン等の不活性ガスと酸化物気体等の添加ガス、さらに窒素ガス等が筐体１０１内に供給される。また、筐体１０１は、排気ポンプ１０３を備えたガス排気系１０４、スパッタリングのための放電を行うための電力を供給する高周波電源１０５が接続されている。なお、スパッタリングの放電を行うための電源として直流電源やパルス電源を用いることもできる。

筐体１０１の内部には、高周波電源１０５に接続され、カソードとして機能する電極１１２が配置されている。また、電極１１２に接してスパッタリングターゲット１０６が配置されている。スパッタターゲット１０６は、光学薄膜を構成する金属（ニオブやタンタルやシリコンやチタニウムやハフニウムやビスマス等の酸化物合金）により構成されている。筐体１０１には、図示しないゲイト（開放扉）１１４が設けられており、ゲイト１１４を解放することで内部への基板の出し入れやメンテナンス等が可能である。内部を減圧状態にし、成膜を行う際は、ゲイト１１４は閉鎖される。また、図示省略されているがゲイト１１４を介して、前室（搬送用の予備室）として機能する容器が筐体１０１に接続されている。この前室は、パージガス（窒素ガス等）の供給系と排気ポンプを備えた排気系を備えている。この前室を利用することで、筐体１０１の内部を大気開放することなしに、後述する基板１０７の筐体１０１への搬入および筐体１０１からの搬出が行なえる。

電極１１２（スパッタターゲット１０６）に対向する位置にキャリア受け（またはテーブル）１１３が配置されている。キャリア受け１１３は金属製で接地されており、その上には、キャリア１０８が搬送され、載せられている。キャリア１０８には、成膜が行なわれる基板１０７が載せられている。基板１０７は、ＬＶＦを構成する基材であり、光透過性を有するガラスや樹脂によって構成された板状の部材である。キャリア１０８は、金属製であり、基板１０６を保持する。基板１０６は、キャリア１０８に保持された状態で、キャリア１０６と共に筐体１０１内への搬入および筐体１０１内からの搬出が行われる。

図２には、ゲイト１１４を開けた状態で、基板１０６を保持した状態のキャリア１０８を筐体１０１内のキャリア受け１１３上から筐体１０１の外に搬出した状態が示されている。キャリア１１３の筐体１０６内部への搬入および筐体１０６外部への搬出は、図示省略したロボットアームを用いて行われる。

キャリア１０８には、スペーサ１０９が固定され、スペーサ１０９にはマスク１１０が着脱可能な状態で取り付けられている。あるいは、スペーサ１０９とマスク１１０が一体化され、スペーサ１０９がキャリア１０８に着脱可能な状態で取り付けられている。マスク１１０と基板１０７の間には、隙間の空間１１１が形成されている。空間１１１には、スパッタリングされた成膜粒子が侵入する。空間１１１があることで、膜厚勾配を有する光学薄膜が成膜される。また、図示省略するが、筐体１０１には、キャリア１０８を回転させる駆動系を備えている。キャリア１０８を回転させながら成膜を行うことで膜質の均一性を高めることができる。

図３に膜厚勾配が形成される原理を示す。図３に示すように、スパッタリングでは、スパッタリングガスの粒子（例えば、アルゴンイオン）によってスパッタターゲット１０６から叩き出された成膜粒子（最終的に膜を構成する粒子）は、いろんな方向に飛び、様々な方向から基板１０７に入射する。ここで、空間１１１を設けたマスク１１０があると、マスク１１０の裏側に侵入する成膜粒子があるので、Ｂの領域にも成膜が行われる。しかしながら、領域Ｂへの成膜速度は、マスク１１０があるので、領域Ａよりも遅い。よって、領域Ｂに成膜される膜の膜厚は、領域Ａより薄くなる。

実際には、マスク１１０がある影響で、基板１０７に到達する成膜粒子の密度は、領域Ａから領域Ｂに向かって徐々に低下し、領域Ａから領域Ｂに向かって膜厚が漸次減少した傾斜した図４に示す膜厚分布の光学薄膜１２０が得られる。なお、実際の光学薄膜は、２層以上の多層膜であり、第１の薄膜、第２の薄膜・・・と積層した積層膜が図４の様な膜厚分布を有する。

図４に示すような膜厚勾配を設けることで、相対的に膜厚が厚いところは相対的に長波長を透過し、相対的に膜厚が薄いところは相対的に短波長を透過する光学特性が得られる。ここで、マスク１１０の高さ位置（マスク１１０と基板１０７との間隔）を変化させると、膜厚勾配が変化する。すなわち、マスク１１０と基板１０７との間隔を調整することで、図４に示す光学薄膜１２０の膜厚勾配を制御できる。具体的には、マスク１１０と基板１０７との間隔を大きくすると、光学薄膜１２０の膜厚勾配はより緩やかなものとなり、マスク１１０と基板１０７との間隔を狭くすると、光学薄膜１２０の膜厚勾配はより急峻になる。

（ＬＶＦの一例）
以下、図１のスパッタリング装置１００を用いて作製されるＬＶＦ(Linear Variable Filter)の一例を示す。図５には、ＬＶＦ２００の概念図が示されている。ＬＶＦ２００は、ガラス基板２０１を基材とし、その一方の面にＢＰＦ（バンドパスフィルタ）特性を有する光学薄膜２０２が成膜され、他方の面にＳＰＦ（ショートパスフィルタ）およびＬＰＦ（ロングパスフィルタ）として機能する光学薄膜２０３が成膜された構造を有している。

光学薄膜２０１のＢＰＦ特性は、図６に示すように目的とするピークとは別に不要なピークを有している。この不要なピークが光学薄膜２０３の図７のＳＰＦの特性と図８のＬＰＦ特性によりカットされるように設定することで、図９に示す単峰特性のＢＰＦ特性が得られる。ここで、光学薄膜２０２の膜厚勾配を変えると、ＢＰＦ特性のピーク波長の位置が変わる。また、光学薄膜２０３の膜厚勾配を変えると、ＳＰＦおよびＬＰＦの遮断波長の位置が変わる。図５には、光学薄膜２０２と２０３の膜厚勾配を調整することで、第１の場所で赤の波長を選択透過、第２の場所で黄の波長を選択透過、第３の場所で緑の波長を選択透過、第４の場所で青の波長を選択透過する光学特性を有するＬＶＦの一例が示されている。

（優位性）
本実施形態では、マスクが基板を保持するキャリアに固定され、またマスクをキャリアから取り外すことが可能であるので、マスクの交換や調整が、マスクが装置側に取り付けられている場合に比較して容易に行える。

また基板とマスクの距離を近づけることができるので、膜厚勾配をより急峻にでき、さらにその制御がより正確に行える。このため、より小型のＬＶＦを製造できる。また、マスクが装置側に取り付けられている場合に比較して、マスク上に堆積する成膜材料の量を減らすことができ、無駄になる材料を抑え、更にマスク上に堆積する成膜材料に起因する不具合を減少させることができる。

本発明によれば、微細なパターンでＬＶＦを作成できるので、多数の画素を有した光学フィルタであって、その画素の一つ一つがＬＶＦの機能を有したものを得ることができる。この光学フィルタは、例えば分光機器やハイパースペクトルカメラに利用できる。また、図１には、スパッタリング装置の例が示されているが、本発明は、蒸着装置に利用することもできる。

（他の例１）
図１０には、マスク１１０の高さ位置（基板１０７からの距離）を可変できる構造が示されている。この例では、キャリア１０８に第１のスペーサ１３１が着脱可能な状態で取り付けられている。スペーサ１３１には、１または複数のイモネジ（ホーローセット）１３３が回転自在な状態で取り付けられている。マスク１１０には、第２のスペーサ１３２が固定されている。マスク１１０と第２のスペーサ１３２には、イモネジ１３３が貫通する孔が形成されている。この孔の内周には、イモネジ１３３と噛み合う雌ネジ構造が形成されており、この雌ネジ構造がイモネジ１３３と噛み合っている。

イモネジ１３３を回転させると、ネジの作用により、イモネジ１３３に対して第２のスペーサ１３２が図１０における上下の方向に動く。すなわち、イモネジ１３３を回すと、第１のスペーサ１３１に対して、第２のスペーサ１３２が動き、基板１０７とマスク１１０との間の距離が変化する。イモネジ１３３を回す向きを選択することで、基板１０７にマスク１１０を近づける、あるいは遠ざける調整が可能となる。

第２のスペーサ１３２をイモネジから外すことで、あるいはイモネジ１３３を第１のスペーサ１３１から引き抜くことで、マスク１１０をキャリア１０８から取り外すことができる。この例によれば、膜厚勾配の調整がより簡単に、そして精密に行える。

（他の例２）
図１１には、複数の開口部を有するマスク１４０の例が示されている。マスク１４０は、複数の開口部１４１を有している。マスク１４０を用いた場合、図１２に示すように基板１０７の開口部１４１に対応した位置で光学薄膜（図示省略）の膜厚が相対的に厚くなり、開口１４１がない部分で光学薄膜の膜厚が相対的に薄くなる。また、膜厚が厚い部分と薄い部分の間は、膜厚勾配が形成される。マスク１４０の高さ位置を変えると、膜厚勾配の状態が変化する。具体的には、マスク１４０を基板１０７に近づけると、膜厚勾配は大きくなり、膜厚が厚い部分と薄い部分の差が大きくなる。逆に、マスク１４０を基板１０７から遠ざけると、膜厚勾配は小さくなり、膜厚が厚い部分と薄い部分の差が小さくなる。

（他の例３）
図１３には、図１とは形式に異なるスパッタリング装置５００が示されている。スパッタリング装置５００は、内部を減圧状態にすることが可能な容器である筐体５０１を備えている。筐体５０１の内部には、円筒形状で回転が可能な基板保持部５０２が配置されている。基板保持部５０２は、その外周に複数のキャリア１０８を保持している。基板保持部５０２は、後述する電極１１２に対向する電極としても機能する。キャリア１０８は、図１の場合と同様に基板１０７が固定され、またスペーサ１０９とマスク１１０が固定されている。この点は、図１の場合と同じである。

筐体５０１内部のキャリア１０８（基板１０７）に対向可能な位置には、１または複数のスパッタリングターゲット１０６が配置されている。スパッタリングターゲット１０６のそれぞれは、電極１１２上に設置されている。各電極１１２には、高周波電源１０５から高周波電力が供給される。また、筐体５０１には、ガス供給系１０２と、排気ポンプ１０３を備えたガス排気系１０４が接続されている。

成膜時には、基板保持部５０２が回転し、基板１０７とスパッタリングターゲット１０６とが対向する位置関係となった際に基板１０７上にスパッタリングターゲット１０６を構成する物質の成膜が行われる。

例えば、スパッタリングターゲット１０６を２種類用意し、上記の基板保持部５０２を回転させながらの成膜を行うことで、基板１０７上に第１の薄膜と第２の薄膜を交互に積層されることができる。

基板保持部５０２が回転しない構成も可能である。この場合、電極１１２（スパッタリングターゲット１０６）は、基板１０７に対応する数が、基板１０７に対向する位置に設置される。例えば、キャリア１０８に保持された基板１０７は４枚であり、この４枚の基板が基板保持部５０２の外周の等角な位置（円筒形状の基板保持部５０２を軸方向から見た９０°間隔の位置）に配置され、この４枚の基板１０７に対向する４カ所の位置それぞれにスパッタリングターゲット１０６とその下の電極１１２が配置される。

１００…スパッタリング装置、１０１…筐体、１０２…ガス供給系、１０３…排気ポンプ、１０４…ガス排気系、１０５…高周波電源、１０６…スパッタリングターゲット、１０７…基板、１０８…キャリア、１０９…スペーサ、１１０…マスク、１１１…空間、１１２…電極、１１３…電極、１２０…成膜された光学薄膜、１３１…第１のスペーサ、１３２…第２のスペーサ、１３３…イモネジ（ホーローセット）、１４０…マスク、１４２…開口部、２００…ＬＶＦ(Linear Variable Filter)、２０１…ガラス基板、２０２…光学薄膜、２０３…光学薄膜、５００…スパッタリング装置、５０１…筐体、５０２…基板保持部。

Claims

基板に光学薄膜を成膜する成膜装置であって、
前記基板を保持するキャリアと、
前記キャリアに固定され、前記基板との間に前記光学薄膜を構成する粒子が侵入可能な空間を有した状態で前記基板の一部を覆うマスクと
を備えることを特徴とする成膜装置。
前記マスクが前記キャリアに対して着脱可能であることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
前記マスクと前記基板との間の距離が可変可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
前記基板の前記マスクで覆われた部分に前記光学薄膜の成膜が行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の成膜装置。
前記マスクと前記基板の間隔がスペーサによって確保されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の成膜装置。