JP3740301B2 - Method for forming fluoride thin film, optical member having the thin film, and sputtering apparatus - Google Patents

Method for forming fluoride thin film, optical member having the thin film, and sputtering apparatus Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はフッ化薄膜の形成方法、該薄膜を有する光学部材及びスパッタ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、反射防止膜やミラーなどの光学薄膜を形成する場合、成膜材料を真空中で電子ビームなどで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。
【0003】
一般に、反射防止膜、ミラー等は、フッ化マグネシウム(MgF2)などの屈折率の低い材料と、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化タンタル(Ta25)、酸化チタン(TiO2)などの屈折率の高い材料のいずれか一方、あるいはこれらを組み合せた多層膜などによって構成され、要求される光学性能によって、層構成、膜厚等を様々に調整している。
【0004】
蒸着法は装置構成としてはシンプルで、大面積基板上に高速に成膜でき、生産性に優れた成膜方法であるが、膜厚の高精度制御、自動生産機開発が困難で、さらには基板温度が低い状況で成膜を行うと膜の強度が不足し、傷が付きやすく、また、膜と基板の密着性も低いなどの問題を生じていた。
【0005】
しかし近年になり、より生産の効率化が求められてきていることから、これらの光学薄膜においても、真空蒸着法に比較して工程の省力化・品質の安定化、膜質(密着性、膜強度)などの面で有利なスパッタリング法によるコーティングの要求が高まってきた。
【0006】
スパッタリング法は、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化タンタル(Ta25)、酸化チタン(TiO2)等の酸化物誘電体薄膜の形成においては、低吸収、高屈折率薄膜が容易に形成できる。しかし、1.45以下という低い屈折率を持ち、多層光学薄膜の光学性能を大きく左右する重要な薄膜材料であるMgF2、AlF3をはじめとしたフッ化物は低吸収薄膜が容易に形成できない問題点を有していた。
【0007】
これらのフッ化物薄膜をスパッタリング法によって形成する方法として、例えば特開平4−289165号公報に示すようなものが知られている。すなわち、MgF2などのアルカリ土類金属フッ化物膜をArなどの不活性ガスとCF4などのフッ素系ガスとの混合ガスを用いてスパッタリングする方法である。
【0008】
また、特開平7−166344号公報に示すように、金属ターゲットを用い、Arなどの不活性ガスとCF4などのフッ素ガスとの混合ガスを用いてDCスパッタリングする方法が知られている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
最も一般的な低屈折率材料として用いられるMgF2は、スパッタリング法によって成膜するとスパッタ中Fが解離し、膜の組成が化学量論比から外れてMgリッチな膜となるために膜に吸収を生じてしまっていた。
【0010】
これを解決するために特開平4−289165号公報のようにフッ素系ガスを使用する方法をとり、Fを補うスパッタリング方法が開示されている。
【0011】
特開平7−166344号公報では金属ターゲットを用いてDCスパッタリングする事で、基板シース電圧が減少し、陽イオンダメージを減少することが可能である。
【0012】
しかしながら、フッ素原子は、電子付着を起こしやすく、従って負イオンになりやすい。このため、ターゲット表面にフッ素が吸着し、ターゲット表面がフッ化した状態でスパッタを行うとターゲット表面で負イオンが形成され、負イオンとなった粒子が数百Vのターゲットシースで加速され、基板に入射してしまう。このため、基板上に形成されたフッ化物薄膜にダメージを与え、F欠損の原因となることが分かった。ターゲットシースで加速された負イオンは通常他のガス分子との衝突で中性化する確率が高く、基板にバイアスを印可するなどの方法では、ダメージを除去できない。
【0013】
このため、上記のスパッタリング方法では、ターゲットシース電圧で加速されたF原子等の負イオンや、基板シースで加速され基板に入射する陽イオンが、成膜したMgF2薄膜にダメージを与え、吸収の大きい薄膜しか形成できなかった。
【0014】
本発明の目的は、上述したような事情に鑑みてなされたものであって、屈折率1.45以下という低い屈折率でしかも紫外および可視域での吸収のない膜をスパッタリング法によって形成する光学薄膜の製造方法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
前記の目的は以下の手段によって達成される。
【0016】
すなわち、本発明は、金属ターゲットを用い、少なくとも不活性ガス及びフッ素を含むガスで反応性スパッタを行うことにより、金属フッ化物薄膜を形成する薄膜形成方法において、スパッタ中の金属ターゲットのセルフバイアス電圧を監視し、常に金属状態でスパッタされるように、ガス供給口を有するターゲットから、不活性ガスを供給し、ターゲット表面近傍のフッ素を含むガス分圧が低下するように制御しながらスパッタを行うことを特徴とするフッ化物薄膜の形成方法を提案するものであり、金属ターゲットと、金属フッ化物薄膜を形成する基板の間に、コンダクタンスを小さくする構成物を配置し、ターゲット表面近傍のフッ素を含むガス分圧をさらに低下させること、ターゲット表面で生成した負イオンがターゲットシースで加速され基板に入射する負イオン粒子、及びそのイオンがプラズマ中で中性化して基板に入射する高エネルギー粒子測定手段及びスパッタレートを測定手段により、基板入射高エネルギー粒子/スパッタレート比を制御しつつ成膜を行うことを含む。この際、高エネルギー粒子測定手段が、ターゲット表面で生成した負イオンが、ターゲットシースで加速され基板に入射する際にプラズマ中で中性化した高エネルギー粒子の数を測定し、スパッタレート測定手段により測定された基板に形成されるフッ化物薄膜のスパッタレートとから、基板に入射する高エネルギー粒子数及びスパッタレート比とが所定の数値を超えないように、スパッタ電力を制御すると共に、フッ素を含むガス分圧を制御しつつ成膜を行う事ができる。
【0018】
また、本発明は金属ターゲットを用い、少なくとも不活性ガス及びフッ素を含むガスで反応性スパッタを行うことにより、金属フッ化物薄膜を形成する薄膜形成装置であってスパッタ装置は、少なくとも不活性ガスを供給する供給口を持った金属ターゲットを有することを特徴とするスパッタ装置を提案するものであり、金属ターゲットと、金属フッ化物薄膜を形成する基板の間に、コンダクタンスを小さくする構成物を配置したこと、該コンダクタンスを小さくする構成物が防着面積可変可能な防着板あるいはメッシュであること、ターゲットの電圧を測定するターゲット電圧測定装置と、該ターゲット電圧を維持するため、フッ素を含むガス分圧制御を行うフィードバック回路を有すること、直流電源とターゲット間に10〜1kオームの抵抗を直列に挿入することを特徴とするスパッタ装置を提案するものである。
【0019】
本発明によれば、DCスパッタであるため、基板近傍の電子温度が高周波スパッタに比べ低く、基板に入射する陽イオンのエネルギーが抑えられ、スパッタ堆積したフッ化物薄膜にダメージを与えずに成膜が可能となる。また、ターゲット表面ではフッ素を含む負イオンが生成されず、従って、負イオンがターゲットシース電圧で加速され、堆積した薄膜に入射することが無くなるため、ダメージによりフッ素が解離し、金属リッチなフッ化物薄膜になるのを抑え、低吸収なフッ化物薄膜を形成することが可能となる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るDCスパッタリング方法を図面を参照して説明する。
【0021】
図1は、本発明に係るDCマグネトロンスパッタリング装置の断面図である。この図1に示すように、スパッタリング装置には、内部を略真空状態に維持する真空容器1が設けられている。この真空容器1の底部の中央部には、内部に磁石を収め、外部から供給される冷却水を内部を流通させてターゲットの冷却を行う冷却ボックス2が設けられている。この冷却ボックス2の上面には、カソード電極としてのバッキングプレート3が配置されており、このバッキングプレート3の上面にAl金属ターゲット4が固定されている。ターゲット材料としては電気抵抗が低ければ、種々の金属、酸素添加金属もしくはフッ素添加金属等からなるターゲットであってももちろん良い。このターゲット4との間に所定の間隙をおいて外方に配置されたアノード電極5が真空容器1に固定されている。なお、アノード電極5とバッキングプレート3との間には、絶縁材6が設置されている。さらに、真空容器1の上面には、被処理物7が図示しない移動機構により被処理物支持機構8とロードロック室10との間をゲートバルブ9を介して移動自在に設けられている。被処理物7とターゲット4の間には、放電が安定するまで被処理物7に膜が付着しないよう、シャッター11が設けられている。このシヤッターは図示しない移動機構により、高速で開閉可能となっている。なお、特に符号を付さないが、真空容器1内の漏れを防止するため、適宜箇所には、シール部材が設けられている。
【0022】
ここで、真空容器1を所定の圧力にまで排気系12により真空に排気する。所定の圧力にまで排気が完了したところで、スパッタガス導入ポート13、反応性ガス導入ポート14より、マスフローコントローラーを含むガス供給系によって、Arガス及びNF3ガスを導入する。
【0023】
ここで、導入するガスは、流量、純度、圧力は高精度に制御され、一定値に保持されている。
【0024】
不活性ガスとしてはここで示すAr以外に、He、Ne、Kr、Xe等のガスが、反応性ガスとしてはNF3ガス以外にCF4、F2等のFを含む反応性ガスや、酸素、H2O、N2O等の酸素を含む反応性ガスが必要に応じて切り替え導入することが可能な構成となっている。
【0025】
このような状態で、バッキングプレート3に直流電源15より所定の直流電圧が印加されると、放電してアルゴン、NF3ガスがイオン化し、磁石17による磁界がターゲット4の上方に形成されているため、磁界に電子トラップされ、ターゲット表面にマグネトロンプラズマが発生する。放電によりターゲット表面にシースが形成され、プラズマ中の陽イオンがシースで加速されてターゲット4に衝突し、ターゲット4からスパッタされた粒子が放出され、プラズマ中および基板表面で活性なF原子を含むガスと反応して、被処理物7にフッ化物薄膜が堆積される。
【0026】
本例では、直流電源より、ターゲット電圧が常時監視され、電圧の変電に応じて直流電源出力、反応性ガス流量を制御できる制御装置16が設置されている。ターゲット冷却水は図示しないチラーで所望の温度に調整され、流量も一定に保持してターゲット表面温度を一定に保つ構成としている。
【0027】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
(実施例1)
図1の装置を用いて、ガラス基板上に低吸収で低屈折率有するフッ化アルミニウム薄膜を形成する方法の実施例について、詳しく説明する。
【0028】
ターゲットには、高純度Al金属(99.9999%)ターゲットを用い、基板には合成石英基板を用いた。
【0029】
成膜を行うに当って、まず、ターゲット表面が金属状態にあるか、フッ化物状態にあるかは、以下のようにターゲット電圧で確認した。
【0030】
NF3ガスを導入せず、Arガスのみを300sccm導入して直流電力を500W印可してスパッタ中のターゲット電圧を測定した。本実施例の条件では344Vであった。形成される薄膜は金属Alとなるが、このときのターゲット電圧は印可電力、ターゲットサイズ、マグネトロン磁場強度、ガス圧等によって変化するが、通常300〜400Vを示す。すなわち、ターゲット表面がAl金属状態で、金属原子がスパッタされる状況のターゲット電圧を確認した。
【0031】
次に、同一成膜条件でArガスに加えてNF3ガスを導入し、NF3流量を増加した。この時、ArとNF3ガス流量を合計で300sccmとした。
NF3ガス流量の増加に伴って、ターゲット電圧が徐々に低下し、NF3ガス流量が5sccm以上で、急激にターゲット電圧が変化する。
NF3ガス流量20sccmをピークにターゲット電圧は上昇に転じた。
【0032】
この様子を図5に示す。これは、ターゲット表面がフッ化され、AlFxで覆われ、2次電子放出効果が変化したり、ターゲット表面で負イオンが形成されるなど、放電の状況が変化したためである。
NF3ガス流量が5sccmでは、ターゲット表面はほぼ金属状態であり、ターゲットに近接して基板を配置した場合、金属Alが基板上に堆積する。
5〜20sccmの範囲では、ターゲット表面の一部で、フッ化反応がおこり、AlFx等フッ素原子を含む粒子となる。
さらにNF3流量が多くなると、Alターゲット表面はAlFx膜に覆われ、ほとんどAlFx等のフッ素元素を含むスパッタ粒子となって、基板に入射することとなる。このような状況になると、ターゲット表面では非常に高密度の負イオンが形成され、ターゲット表面に形成されたターゲットシースにより、数百eVのエネルギーを得て、基板に入射することとなる。
【0033】
このような状況で成膜を行った場合、フッ素原子を含む負イオン粒子によって、膜がダメージを受け、フッ素欠損を生じると共に、場合によっては膜がスパッタされ、膜が形成できない。
【0034】
上記のようなターゲット電圧の変化を確認した後、基板を被処理物支持機構8に取り付け、真空容器1を2×10-4Paまで排気した。その後、シヤッターを閉じ、Arガスを280sccm、NF3ガスを20sccm導入して、ターゲット4に直流電力を500W印可し放電した。放電中、直流電圧を常時モニターし、このデータをもとに制御装置16により、上記のターゲット電圧が設定値を下回らないように、直流電源電力、NF3ガス流量を制御し、ターゲット表面に金属が露出している条件を維持した。ターゲット表面のフッ化物生成速度は、ターゲットのスパッタレートと表面近傍のF原子密度に依存することから、電圧が減少した場合、直流電力を増加するか、またはNF3ガス流量を少なくする。
【0035】
放電が安定したところでシヤッターを開け、基板上にAlF3膜を成膜した。成膜中も、ターゲット電圧を常に監視し、ターゲット表面が金属状態でスパッタできる条件を維持した。
【0036】
成膜終了後、シヤッターを閉じ、放電を停止した。ここで、基板をロードロック室を介して、大気に搬出した。
【0037】
その後、石英基板上についたAlF3 膜の分光特性を分光光度計により測定し、 厚さ、吸収等を光学干渉法等により算出した。
【0038】
ターゲット電圧−440V〜−435Vの範囲内で制御し、成膜を行ったところ、低吸収で、低屈折率のAlF3薄膜を形成することができた。膜厚250nmのAlF3薄膜の吸収は500nmで0.2%以下、屈折率は1.37であった。
【0039】
本実施例において、ターゲット電圧が最小値を示すNF3流量を用いたが、急激に電圧が変化する5〜20sccmの範囲内で電圧を精度良く制御しても勿論良い。
しかし、この場合、わずかな放電の状態変化(インピーダンス)でもターゲット電圧が大きく変化し易い。
【0040】
この対策として、直流電源とターゲットの間に数十〜数百オームの直流抵抗を挿入すると制御が容易となる。
また、ターゲットと基板間の距離が近すぎると金属Al膜がスパッタされてしまうため、NF3ガス流量に応じてターゲットー基板間距離を長く取り、フッ化反応を促進する必要がある。
【0041】
さらに、NF3流量0〜5sccmのターゲット表面がほぼ金属状態でスパッタしても、ターゲット表面でフッ素元素を含む負イオンの生成を防止しながら成膜することが可能であるため、負イオンダメージのない、金属フッ化物薄膜を形成することができる。
しかし、この条件で成膜を行う場合、基板上に金属薄膜が形成され易くなる。
このような場合、スパッタされた金属を効果的にフッ化するために、ターゲットと基板間にスパッタレート調製用防着板を設置して成膜を行うようにする。
この防着板形状の一例を図6に示す。
この図では、くさび形に切り欠きを有し、防着板を固定し、基板は図示しない回転、陽動機構により、防着板と相対的な位置を常に変化できる構成としている。切り欠き部分からのみターゲットから基板にスパッタ粒子が到達するため、基板に到達する金属スパッタ原子等を抑制することができる。
切り欠き部分の形状は、くさび形である必要はなく、基板形状に応じた形状とすれば良く、例えば切り欠き部が曲線形状であったり、又は、金属線を編んだメッシュ形状などでも勿論良い。
【0042】
防着板と基板とは、成膜中常に相対的にその位置を変える構成としており、基板上の膜厚補正も兼ねている。
ターゲットからスパッタされた金属が、一部防着板に遮られ、基板に到達することで、基板上に到達する金属原子が調製され、基板近傍でフッ素を含むガスプラズマ中で生成されたフッ素ラジカルや、フッ素イオン等と効率良く反応し、ストイキオメトリな金属フッ化物薄膜を形成することができる。
図6に示すような防着板は、急激に電圧が変化する5〜20sccmの範囲内での成膜に使用しても勿論同様な効果が得られる。
【0043】
本実施例に示す防着板の防着効率は、成膜条件によって、可変可能な構成とすることが望ましく、図7に示すような、防着面積を任意に変えられる可変羽構成とすると、適用範囲を広くとることができる。
【0044】
本実施例では、Al金属ターゲットを用いたが、Mg金属ターゲットで同様の反応成スパッタを行えば、低吸収のMgF2薄膜を得ることができる。
金属Mgをターゲットとして、スパッタガスとしてArを、反応性ガスとしてNF3ガスを導入してMgF2薄膜のスパッタを行う際の、ターゲット電圧とNF3ガス流量の関係を図8に示す。
【0045】
Mgターゲットの場合、Alターゲットとは逆に、NF3導入量の増加に伴って、ターゲット電圧が上昇する。3〜6sccmの流量で急激に電圧変動が認められる。
この結果から、3sccmまではターゲット表面は金属状態でスパッタされており、3〜6sccmの領域では、ターゲット表面の一部がフッ化した状態でスパッタされていると考えられる。
【0046】
この場合も同様に、1〜6sccmのターゲット表面が完全にフッ化した状態にならない状況で、ターゲット電圧を一定に保持して反応性スパッタを行い、金属フッ化物薄膜を形成することで、負イオンダメージを抑え、高品質な金属フッ化物薄膜を形成できる。
1〜3sccmのような状況では、図6に示すような防着板をターゲット−基板間に挿入すれば、安定して、金属フッ化物の成膜を行うことができる。
【0047】
また、本実施例では、反応性ガスとして、NF3を用いたが、フッ素を含むガスで、膜中に取り込まれにくく、取り込まれても光学特性に影響を及ぼさない元素を含むものであれば、使用可能である。特に、CF4、SF6、等のガスは、使用環境の面から使いやすく、また、可視域の光学性能には影響が少なく、好適である。
【0048】
紫外域で低吸収の薄膜を形成する場合、不純物の混入を極力さけるために、不活性ガスで希釈したF2ガスが適している。しかし、AlF3薄膜の場合には、NF3ガスでもNが膜中にほとんど取り込まれないことから、実用上ほとんど問題は無かった。
【0049】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されず、種々変形可能であることは勿論である。
(実施例2)
本発明の第2の実施例に係るDCスパッタリング方法を図面を参照しつつ説明する。
【0050】
図2は、本発明の第2の実施例に係るDCマグネトロンスパッタリングターゲットの断面図である。
【0051】
本ターゲットはAl金属で作成しており、不活性ガス供給用のガス吹き出し口21を設けている。不活性ガスはターゲット横の導入口22より、ターゲット裏面を経由して供給されている。一方、反応性ガスであるNF3は、基板近傍のガス吹き出し口23より、スパッタ室内に導入され、ガス排気口24は基板側に配置されている。このため、ターゲット近傍のNF3分圧が非常に低く、ターゲット表面でフッ化物を形成しにくい構成としている。
【0052】
従って、本実施例の構成では、ターゲット表面がフッ化されにくく、従ってターゲット表面で負イオンが生成されにくく、ダメージのないフッ化アルミニウムの成膜が可能となる。
【0053】
本実施例では、ターゲット表面でフッ化物を生成しにくいものの、完全にNF3ガスをターゲット表面から除去することはできないため、ターゲット表面電位を監視し、DC出力、NF3ガス流量等を制御する必要があるが、ガス圧、NF3分圧、印可電力等のスパッタ条件の適用範囲を広げることができ、また、負イオン濃度も下げることが可能となる。
【0054】
なお、本実施例において、スパッタガスの排気口24を基板側に配置するとともに、基板とターゲット間にメッシュ等のコンダクタンスを小さくする構成物を配置することで、ターゲット表面近傍のNF3ガスの分圧を低くすることができ、有効である。
(実施例3)
本発明の第3の実施例に係るDCスパッタリング方法を図面を参照しつつ説明する。
【0055】
図3は本発明の第3の実施例に係るDCマグネトロンスパッタリング装置の断面図である。
【0056】
図3に示すように、スパッタリング装置には、内部を略真空状態に維持する真空容器1が設けられている。この真空容器1の底部の中央部には、内部に磁石を収め、外部から供給される冷却水を内部を流通させてターゲットの冷却を行う冷却ボックス2が設けられている。この冷却ボックス2の上面には、カソード電極としてのバッキングプレート3が配置されており、このバッキングプレート3の上面にAl金属ターゲット4が固定されている。ターゲット材料としては電気抵抗が低ければ、種々の金属、酸素添加金属もしくはフッ素添加金属等からなるターゲットであってももちろん良い。このターゲット4との間に所定の間隙をおいて外方に配置されたアノード電極5が真空容器に固定されている。なお、アノード電極5とバッキングプレート3との間には、絶縁材6が設置されている。
【0057】
さらに、真空容器1の上面には、水晶振動式膜圧モニター31、中性粒子エネルギーアナライザー32があって、基板に入射する中性粒子のエネルギー及び量を測定可能で、基板はエネルギーアナライザの周囲を回転する構成となっている。中性粒子アナライザーは、計測器内に入射する中性粒子を電子線を照射してイオン化し、イオン化された粒子を45度セクター型エネルギーアナライザでエネルギー分離した後、四重極質量分離器で質量分離し、二次電子増倍管でイオンをカウントする方式のアナライザを使用した。ここで、分析器に入射した中性粒子をイオン化する際に、中性粒子のエネルギーがわずかに変化するが、変化量は1eVに満たないと考えられ、本実施例に用いるアナライザの性能として問題にはならない。
【0058】
ここで示したようなエネルギーアナライザでは無くても、中性粒子のエネルギーが計測可能な測定器であればどのような構成のものでも使用できる。
【0059】
アナライザに入射する中性粒子数/AlF3スパッタレート比が所定の値を超えないようDC電源出力、NF3ガス流量にフィードバックする制御系33が設けられている。
【0060】
なお、特に、符号を付さないが、真空容器1内の漏れを防止するため、適宜箇所には、シール部材が設けられている。
【0061】
Alターゲットのスパッタ中、ターゲットからAl金属がスパッタされ、プラズマ中および基板表面でフッ化してAlF3薄膜を基板上に形成するが、ターゲット表面上でもフッ化してフッ化アルミニウムを形成している。このため、スパッタ中ターゲット表面でF−等の負イオンが生成され、ターゲットシースで加速され、途中中性に変化し基板に入射する。このため、基板上に形成されたフッ化物薄膜がダメージを受け、フッ素が解難し吸収が大きくなる。
【0062】
この吸収は入射する中性粒子のエネルギー、数に依存していることが分かった。エネルギー、数が多いほど吸収が大きく、フッ化物薄膜のスパッタレートが速いほど吸収は小さくなる傾向がある。
【0063】
このため、低吸収のフッ化物薄膜を形成するためには、成膜レートと、基板に入射する中性粒子のエネルギー、密度を監視し、適正な状態を維持しながらスパッタを行うことが有効である。
【0064】
本実施例では、成膜レートを水晶振動式レートモニターを用いて計測する。また、入射する中性粒子数を中性粒子エネルギーアナライザーで計測し、中性粒子数/レート比が所定の数値を超えないよう、DC電源出力、NF3ガス流量にフィードバックし、制御しながら成膜を行った。
【0065】
本実施例では、50eVのF中性粒子数をモニターしたが、中性粒子モニターは測定条件、二次電子倍増管に印可する電圧等でも変化するため、各装置で吸収に問題ない中性粒子数/レート比をあらかじめ測定しておき、AlF3製造中、常にこの比率をうわまらないよう制御すればよい。
【0066】
本実施例では中性粒子数をモニターしたが、スパッタ条件によっては負イオンの状態で基板に入射する場合もある。このような場合、中性粒子モニターの代わりに負イオンアナライザを用い、アナライザに入射する負イオンをモニターし、負イオン量/スパッタレート比率を所定値以下になるよう調整しながら成膜を行えばよい。
(実施例4)
本発明の第4の実施例に係るエキシマレーザ等に用いられる光学部材上に形成された反射防止膜構成及び反射特性を表1および図4に示す。
【0067】
本実施例に示す反射防止膜の形成は、以下のように行った。
【0068】
石英基板を真空槽内にセットし、真空槽内が1×10-6Torrになるまで、排気した後、酸素ガス及びNF3ガスをおのおの2×10-3Torr/4×10-5Torrの圧力になるまで導入し、DC電力を500W導入し、Al23薄膜を所定の厚さに成膜した。ついで、導入するガスをAr/NF3に切り替え、おのおのの分圧が1.5×10-3、0.5×10-3になるように導入し、ターゲット表面が金属状態である条件を維持しながらAlF3薄膜を所定の厚さ成膜している。これを繰り返し、石英基板上にAl23/AlF3の交互層を設け、構成している。
【0069】
本実施例で示した反射防止膜は、スパッタの特性として、高屈折率のAl23が形成でき、さらに、低吸収、低屈折率のAlF3の組み合せによって、エキシマレーザ波長において、0.1%以下の吸収率で、反射防止波長域も非常に広く、良好な性能を示している。
【0070】
本実施例では反射防止膜を示したが、反射防止膜に限定されるものではない。特に、スパッタで低吸収、低屈折率のフッ化物薄膜が形成できることで、スパッタで形成できる高屈折率、低吸収の酸化物薄膜との組み合せが実現でき、非常に優れた光学性能を有する光学部品を提供することが可能となった。
【0071】
【表1】

Figure 0003740301
【0072】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明では、AlF3等の可視域および紫外域で低吸収かつ低屈折率のフッ化物薄膜をDCスパッタする際に、ターゲット表面でF−イオン等の負イオンが形成され、ターゲットシースで加速され基板に入射することが無いように、または、入射してもその数が少なくなるように、ターゲット表面が常に金属状態でスパッタされるようモニターを設置し、この条件を維持して成膜を行うことで、可視域および紫外域で低吸収かつ低屈折率のフッ化物薄膜を安定して形成できる。
【0073】
また、ターゲット表面のFを含むガス分圧を抑えることで、ターゲット表面のフッ化を抑え、ターゲット表面で負イオンが形成されるのを防ぎ、さらには、基板に入射する負イオンもしくはターゲットシースで加速され、プラズマ中で中性化した高エネルギー粒子をモニターし、この粒子数/スパッタレート比を所定値以下に抑えることで、可視域および紫外域で低吸収かつ低屈折率のフッ化物薄膜を安定して形成できる。
【0074】
さらに、スパッタで可視から紫外域において、低吸収で低屈折率のフッ化物薄膜が形成できることから、スパッタの特徴である高屈折率の酸化物薄膜との交互層を形成することで、非常に優れた光学性能を有する光学部品を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例による直流マグネトロンスパッタリング装置の断面図である。
【図2】本発明の第2の実施例による直流マグネトロンスパッタリング装置の断面図である。
【図3】本発明の第3の実施例による直流マグネトロンスパッタリング装置の断面図である。
【図4】本発明の第4の実施例による多層膜の構成による反射率を示したグラフである。
【図5】本発明の第1の実施例によるターゲット電圧とNF3ガス流量との関係を示すグラフである。
【図6】本発明のスパッタ装置において、タ−ゲットと基板間に防着板を設けてスパッタさせる状態を示す側面図である。
【図7】本発明のスパッタ装置に用いられる防着板の一例を示す側面図である。
【図8】本発明の第1の実施例によるターゲット電圧とNF3ガス流量との関係を示す別のグラフである。
【符号の説明】
1 真空容器
2 冷却ボックス
3 バッキングプレート
4 ターゲット
5 アノード電極
6 絶縁材
7 被処理物
8 被処理物支持機構
9 ゲートバルブ
10 ロードロック室
11 シヤッター
12 排気系
13 スパッタガス導入ポート
14 反応成ガス導入ポート
15 直流電源
16 演算、制御装置
17 磁石
31 中性粒子アナライザー
32 水晶膜厚モニター
33 フィードバック制御系
34 水晶振動子コントローラ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a fluoride thin film, an optical member having the thin film, and a sputtering apparatus.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when forming an optical thin film such as an antireflection film or a mirror, a vacuum deposition method in which a film forming material is heated by an electron beam in a vacuum and evaporated to adhere to a substrate has been mainly used.
[0003]
Generally, an antireflection film, a mirror, etc. are made of magnesium fluoride (MgF2) And other low refractive index materials and zirconium oxide (ZrO)2), Tantalum oxide (Ta2OFive), Titanium oxide (TiO2) And the like, or a multilayer film combining these materials, and the layer structure, film thickness, and the like are variously adjusted depending on the required optical performance.
[0004]
The vapor deposition method is simple as the equipment configuration, and can be deposited on a large area substrate at high speed and is excellent in productivity, but it is difficult to control the film thickness with high precision and develop an automatic production machine. When film formation is performed in a state where the substrate temperature is low, there are problems such as insufficient film strength, easy damage, and low adhesion between the film and the substrate.
[0005]
However, since more efficient production has been demanded in recent years, these optical thin films can also save labor and stabilize quality, film quality (adhesion, film strength) compared to vacuum deposition methods. The demand for coating by a sputtering method which is advantageous in terms of the above has increased.
[0006]
Sputtering is performed using zirconium oxide (ZrO2), Tantalum oxide (Ta2OFive), Titanium oxide (TiO2In the formation of an oxide dielectric thin film such as), a low absorption and high refractive index thin film can be easily formed. However, MgF is an important thin film material that has a low refractive index of 1.45 or less and greatly affects the optical performance of the multilayer optical thin film.2, AlFThreeAnd other fluorides have a problem that a low absorption thin film cannot be easily formed.
[0007]
As a method for forming these fluoride thin films by a sputtering method, for example, a method as shown in JP-A-4-289165 is known. That is, MgF2Alkaline earth metal fluoride films such as Ar and other inert gases and CFFourSputtering using a mixed gas with a fluorine-based gas such as
[0008]
Moreover, as shown in JP-A-7-166344, an inert gas such as Ar and CF is used using a metal target.FourThere is known a method of DC sputtering using a mixed gas with fluorine gas such as.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
MgF used as the most common low refractive index material2When a film is formed by sputtering, F is dissociated during sputtering, and the composition of the film deviates from the stoichiometric ratio and becomes a Mg-rich film, resulting in absorption of the film.
[0010]
In order to solve this, a method of using a fluorine-based gas as disclosed in JP-A-4-289165 and a sputtering method for supplementing F are disclosed.
[0011]
In JP-A-7-166344, by performing DC sputtering using a metal target, the substrate sheath voltage can be reduced and cation damage can be reduced.
[0012]
However, fluorine atoms tend to cause electron attachment and therefore tend to be negative ions. For this reason, if sputtering is performed with fluorine adsorbed on the target surface and the target surface is fluorinated, negative ions are formed on the target surface, and the negative ions are accelerated by the target sheath of several hundred volts, and the substrate Will be incident. For this reason, it was found that the fluoride thin film formed on the substrate was damaged and caused F defects. Negative ions accelerated by the target sheath usually have a high probability of being neutralized by collision with other gas molecules, and damage cannot be removed by a method such as applying a bias to the substrate.
[0013]
For this reason, in the above sputtering method, negative ions such as F atoms accelerated by the target sheath voltage, or cations accelerated by the substrate sheath and incident on the substrate are formed into the deposited MgF.2The thin film was damaged and only a thin film with high absorption could be formed.
[0014]
An object of the present invention has been made in view of the circumstances as described above, and is an optical device for forming a film having a low refractive index of 1.45 or less and having no absorption in the ultraviolet and visible regions by a sputtering method. The object is to provide a method for producing a thin film.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The above object is achieved by the following means.
[0016]
  That is, the present invention relates to a self-bias voltage of a metal target being sputtered in a thin film forming method for forming a metal fluoride thin film by performing reactive sputtering with a gas containing at least an inert gas and fluorine using a metal target. In order to always perform sputtering in a metallic state, an inert gas is supplied from a target having a gas supply port, and sputtering is performed while controlling the gas partial pressure including fluorine in the vicinity of the target surface to be reduced. A method for forming a fluoride thin film characterized by the above is proposed. A component for reducing conductance is arranged between a metal target and a substrate on which the metal fluoride thin film is formed, and fluorine near the target surface is removed. Further reducing the gas partial pressure, and negative ions generated on the target surface The negative ion particles that are accelerated and incident on the substrate, and the high energy particle measuring means that the ions are neutralized in the plasma and incident on the substrate and the sputtering rate are measured, and the substrate incident high energy particle / sputter rate ratio is controlled. Film forming. On this occasion,The high-energy particle measuring means measures the number of high-energy particles neutralized in the plasma when negative ions generated on the target surface are accelerated by the target sheath and incident on the substrate. The sputtering power is controlled so that the number of high-energy particles incident on the substrate and the sputtering rate ratio do not exceed the predetermined values from the sputtering rate of the fluoride thin film formed on the substrate. Film formation can be performed while controlling the pressure.
[0018]
  The present invention also provides a thin film forming apparatus for forming a metal fluoride thin film by using a metal target and performing reactive sputtering with a gas containing at least an inert gas and fluorine.Because,The sputtering apparatus includes a metal target having a supply port for supplying at least an inert gas.Is to proposeArranging a component for reducing the conductance between the metal target and the substrate on which the metal fluoride thin film is formed, and the component for reducing the conductance being a deposition plate or a mesh with a variable deposition area, A target voltage measuring device for measuring the voltage of the target, and a feedback circuit for controlling a partial pressure of gas containing fluorine in order to maintain the target voltage;A sputtering apparatus is proposed in which a resistor of 10 to 1 k ohm is inserted in series between a DC power source and a target.
[0019]
According to the present invention, since DC sputtering is used, the electron temperature in the vicinity of the substrate is lower than that of high-frequency sputtering, the energy of cations incident on the substrate is suppressed, and film formation is performed without damaging the sputter-deposited fluoride thin film. Is possible. In addition, negative ions containing fluorine are not generated on the target surface, and therefore, the negative ions are accelerated by the target sheath voltage and do not enter the deposited thin film. It is possible to suppress the formation of a thin film and form a low-absorption fluoride thin film.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The DC sputtering method according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0021]
FIG. 1 is a sectional view of a DC magnetron sputtering apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 1, the sputtering apparatus is provided with a vacuum container 1 for maintaining the inside in a substantially vacuum state. At the center of the bottom of the vacuum vessel 1, there is provided a cooling box 2 that houses a magnet inside and cools the target by circulating cooling water supplied from outside. A backing plate 3 as a cathode electrode is disposed on the upper surface of the cooling box 2, and an Al metal target 4 is fixed on the upper surface of the backing plate 3. Of course, the target material may be a target made of various metals, oxygen-added metals, fluorine-added metals, or the like as long as the electrical resistance is low. An anode electrode 5 disposed outside the target 4 with a predetermined gap is fixed to the vacuum vessel 1. An insulating material 6 is installed between the anode electrode 5 and the backing plate 3. Further, the workpiece 7 is provided on the upper surface of the vacuum vessel 1 so as to be movable between the workpiece support mechanism 8 and the load lock chamber 10 via a gate valve 9 by a moving mechanism (not shown). A shutter 11 is provided between the workpiece 7 and the target 4 so that no film adheres to the workpiece 7 until the discharge is stabilized. This shutter can be opened and closed at high speed by a moving mechanism (not shown). In addition, although it does not attach | subject a code | symbol in particular, in order to prevent the leak in the vacuum vessel 1, the sealing member is provided in the suitable place.
[0022]
Here, the vacuum vessel 1 is evacuated to a predetermined pressure by the exhaust system 12. When the exhaust is completed to a predetermined pressure, Ar gas and NF are supplied from the sputtering gas introduction port 13 and the reactive gas introduction port 14 by a gas supply system including a mass flow controller.ThreeIntroduce gas.
[0023]
Here, the flow rate, purity, and pressure of the gas to be introduced are controlled with high accuracy and are maintained at constant values.
[0024]
In addition to Ar shown here as inert gas, gases such as He, Ne, Kr, and Xe are used, and reactive gas is NF.ThreeCF other than gasFour, F2Reactive gas containing F such as oxygen, oxygen, H2O, N2A reactive gas containing oxygen such as O can be switched and introduced as necessary.
[0025]
In this state, when a predetermined DC voltage is applied from the DC power source 15 to the backing plate 3, it discharges to argon, NFThreeSince the gas is ionized and the magnetic field by the magnet 17 is formed above the target 4, electrons are trapped by the magnetic field, and magnetron plasma is generated on the target surface. A sheath is formed on the surface of the target by the discharge, and positive ions in the plasma are accelerated by the sheath and collide with the target 4. The sputtered particles are released from the target 4 and contain active F atoms in the plasma and on the substrate surface. By reacting with the gas, a fluoride thin film is deposited on the object 7 to be processed.
[0026]
In this example, a control device 16 is installed which can constantly monitor the target voltage from the DC power source and control the DC power source output and the reactive gas flow rate according to the voltage transformation. The target cooling water is adjusted to a desired temperature by a chiller (not shown), the flow rate is kept constant, and the target surface temperature is kept constant.
[0027]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples.
(Example 1)
An embodiment of a method of forming an aluminum fluoride thin film having low absorption and low refractive index on a glass substrate using the apparatus of FIG. 1 will be described in detail.
[0028]
A high-purity Al metal (99.9999%) target was used as the target, and a synthetic quartz substrate was used as the substrate.
[0029]
In performing the film formation, first, whether the target surface is in a metal state or a fluoride state was confirmed by a target voltage as follows.
[0030]
NFThreeWithout introducing gas, only 300 sccm of Ar gas was introduced, DC power was applied at 500 W, and the target voltage during sputtering was measured. Under the conditions of this example, it was 344V. The thin film to be formed is made of metal Al. The target voltage at this time varies depending on the applied power, the target size, the magnetron magnetic field strength, the gas pressure, etc., but usually shows 300 to 400V. That is, the target voltage in a state where the target surface is in an Al metal state and metal atoms are sputtered was confirmed.
[0031]
Next, in addition to Ar gas under the same film formation conditions, NFThreeGas is introduced and NFThreeIncreased flow rate. At this time, Ar and NFThreeThe gas flow rate was 300 sccm in total.
NFThreeAs the gas flow rate increases, the target voltage gradually decreases and NFThreeWhen the gas flow rate is 5 sccm or more, the target voltage changes rapidly.
NFThreeThe target voltage started to increase at the peak of the gas flow rate of 20 sccm.
[0032]
This is shown in FIG. This is because the target surface is fluorinated and covered with AlFx, the secondary electron emission effect is changed, and negative ions are formed on the target surface.
NFThreeWhen the gas flow rate is 5 sccm, the target surface is almost in a metal state, and when the substrate is placed close to the target, metal Al is deposited on the substrate.
In the range of 5 to 20 sccm, a fluorination reaction takes place on a part of the target surface, resulting in particles containing fluorine atoms such as AlFx.
NFThreeWhen the flow rate increases, the surface of the Al target is covered with the AlFx film, and almost becomes sputtered particles containing a fluorine element such as AlFx and enters the substrate. In such a situation, very high density negative ions are formed on the target surface, energy of several hundred eV is obtained by the target sheath formed on the target surface, and is incident on the substrate.
[0033]
When film formation is performed in such a situation, the film is damaged by the negative ion particles containing fluorine atoms, resulting in fluorine deficiency. In some cases, the film is sputtered, and the film cannot be formed.
[0034]
After confirming the change in the target voltage as described above, the substrate is attached to the workpiece support mechanism 8, and the vacuum vessel 1 is set to 2 × 10.-FourExhaust to Pa. After that, the shutter is closed, Ar gas is 280 sccm, NFThreeGas was introduced at 20 sccm, and DC power was applied to the target 4 to discharge it. During the discharge, the DC voltage is constantly monitored, and based on this data, the controller 16 controls the DC power supply power, NF so that the target voltage does not fall below the set value.ThreeThe gas flow rate was controlled to maintain the condition where the metal was exposed on the target surface. Since the fluoride generation rate on the target surface depends on the sputtering rate of the target and the F atom density near the surface, if the voltage is decreased, the DC power is increased or NF is increased.ThreeReduce gas flow.
[0035]
When the discharge is stable, open the shutter and place AlF on the substrate.ThreeA film was formed. During film formation, the target voltage was constantly monitored, and the conditions under which the target surface could be sputtered in a metal state were maintained.
[0036]
After film formation, the shutter was closed and the discharge was stopped. Here, the substrate was carried out to the atmosphere via the load lock chamber.
[0037]
After that, AlF on the quartz substrateThree The spectral characteristics of the film were measured with a spectrophotometer, and the thickness, absorption, etc. were calculated by optical interferometry or the like.
[0038]
When film formation was performed by controlling the target voltage within the range of -440V to -435V, AlF with low absorption and low refractive index was obtained.ThreeA thin film could be formed. AlF with a film thickness of 250 nmThreeThe absorption of the thin film was 0.2% or less at 500 nm and the refractive index was 1.37.
[0039]
In the present embodiment, the target voltage has the minimum value NFThreeAlthough the flow rate is used, it is of course possible to accurately control the voltage within the range of 5 to 20 sccm where the voltage changes rapidly.
However, in this case, the target voltage is likely to change greatly even with a slight change in the state of discharge (impedance).
[0040]
As a countermeasure, control is facilitated by inserting a DC resistance of several tens to several hundreds of ohms between the DC power source and the target.
Also, if the distance between the target and the substrate is too close, the metal Al film will be sputtered.ThreeIt is necessary to increase the distance between the target and the substrate according to the gas flow rate to promote the fluorination reaction.
[0041]
In addition, NFThreeEven if the target surface with a flow rate of 0 to 5 sccm is sputtered in a substantially metallic state, it is possible to form a film while preventing the generation of negative ions containing fluorine elements on the target surface. A chemical thin film can be formed.
However, when film formation is performed under these conditions, a metal thin film is easily formed on the substrate.
In such a case, in order to effectively fluorinate the sputtered metal, a deposition plate for adjusting the sputtering rate is installed between the target and the substrate to form a film.
An example of the shape of the adhesion preventing plate is shown in FIG.
In this figure, a wedge-shaped notch is provided, the deposition preventive plate is fixed, and the substrate is configured such that the relative position with respect to the deposition preventive plate can be always changed by a rotation and positive motion mechanism (not shown). Since sputtered particles reach the substrate from the target only from the cutout portion, metal sputtered atoms and the like that reach the substrate can be suppressed.
The shape of the notch portion does not need to be a wedge shape, and may be a shape according to the substrate shape. For example, the notch portion may be a curved shape or a mesh shape knitted with a metal wire. .
[0042]
The position of the deposition preventing plate and the substrate is always relatively changed during the film formation, and also serves as a film thickness correction on the substrate.
The metal sputtered from the target is partially blocked by the deposition plate and reaches the substrate, whereby metal atoms that reach the substrate are prepared, and fluorine radicals generated in a gas plasma containing fluorine near the substrate In addition, it can react efficiently with fluorine ions and the like, and a stoichiometric metal fluoride thin film can be formed.
Even if the deposition preventing plate as shown in FIG. 6 is used for film formation within a range of 5 to 20 sccm where the voltage changes rapidly, the same effect can be obtained.
[0043]
The deposition efficiency of the deposition plate shown in the present embodiment is desirably a configuration that can be varied depending on the film formation conditions, and as shown in FIG. 7, with a variable wing configuration that can arbitrarily change the deposition area, Wide application range.
[0044]
In this example, an Al metal target was used. However, if the same reactive sputtering is performed with an Mg metal target, the low absorption MgF.2A thin film can be obtained.
Using metal Mg as a target, Ar as a sputtering gas, and NF as a reactive gasThreeIntroduce MgF2Target voltage and NF for thin film sputteringThreeThe relationship of the gas flow rate is shown in FIG.
[0045]
In the case of the Mg target, NF is opposite to the Al target.ThreeAs the amount of introduction increases, the target voltage increases. A sudden voltage fluctuation is observed at a flow rate of 3 to 6 sccm.
From this result, it is considered that the target surface is sputtered in a metal state up to 3 sccm, and in the region of 3-6 sccm, the target surface is sputtered in a partially fluorinated state.
[0046]
In this case as well, in the situation where the target surface of 1 to 6 sccm is not completely fluorinated, the target voltage is kept constant and reactive sputtering is performed to form a metal fluoride thin film. Damage can be suppressed and a high-quality metal fluoride thin film can be formed.
In the situation of 1 to 3 sccm, the metal fluoride film can be stably formed by inserting an adhesion-preventing plate as shown in FIG. 6 between the target and the substrate.
[0047]
In this embodiment, the reactive gas is NF.ThreeHowever, any gas can be used as long as it contains a fluorine-containing gas that is difficult to be incorporated into the film and does not affect the optical properties even if incorporated. In particular, CFFour, SF6Gases such as, and the like are preferable because they are easy to use from the viewpoint of the usage environment and have little influence on the optical performance in the visible range.
[0048]
When forming a low-absorption thin film in the ultraviolet region, F diluted with an inert gas is used to minimize the contamination of impurities.2Gas is suitable. However, AlFThreeFor thin films, NFThreeSince N is hardly taken into the film even with gas, there was almost no problem in practical use.
[0049]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be variously modified.
(Example 2)
A DC sputtering method according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0050]
FIG. 2 is a cross-sectional view of a DC magnetron sputtering target according to the second embodiment of the present invention.
[0051]
This target is made of Al metal and has a gas outlet 21 for supplying an inert gas. The inert gas is supplied from the inlet 22 next to the target via the target back surface. On the other hand, NF, which is a reactive gasThreeIs introduced into the sputtering chamber through the gas outlet 23 near the substrate, and the gas exhaust port 24 is disposed on the substrate side. Therefore, NF near the targetThreeThe partial pressure is very low and it is difficult to form fluoride on the target surface.
[0052]
Therefore, in the configuration of this embodiment, the target surface is not easily fluorinated, and thus negative ions are not easily generated on the target surface, and film formation of aluminum fluoride without damage is possible.
[0053]
In this example, it is difficult to generate fluoride on the target surface, but it is completely NF.ThreeSince the gas cannot be removed from the target surface, the target surface potential is monitored and the DC output, NFThreeIt is necessary to control the gas flow rate, etc., but the gas pressure, NFThreeThe application range of sputtering conditions such as partial pressure and applied power can be expanded, and the negative ion concentration can be reduced.
[0054]
In the present embodiment, the sputter gas exhaust port 24 is disposed on the substrate side, and a component that reduces the conductance such as a mesh is disposed between the substrate and the target, so that the NF near the target surface is disposed.ThreeThe gas partial pressure can be lowered, which is effective.
(Example 3)
A DC sputtering method according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0055]
FIG. 3 is a sectional view of a DC magnetron sputtering apparatus according to the third embodiment of the present invention.
[0056]
As shown in FIG. 3, the sputtering apparatus is provided with a vacuum container 1 that maintains the inside in a substantially vacuum state. At the center of the bottom of the vacuum vessel 1, there is provided a cooling box 2 that houses a magnet inside and cools the target by circulating cooling water supplied from outside. A backing plate 3 as a cathode electrode is disposed on the upper surface of the cooling box 2, and an Al metal target 4 is fixed on the upper surface of the backing plate 3. Of course, the target material may be a target made of various metals, oxygen-added metals, fluorine-added metals, or the like as long as the electrical resistance is low. An anode electrode 5 disposed outside the target 4 with a predetermined gap is fixed to the vacuum vessel. An insulating material 6 is installed between the anode electrode 5 and the backing plate 3.
[0057]
Further, on the upper surface of the vacuum vessel 1, there is a quartz vibration type membrane pressure monitor 31 and a neutral particle energy analyzer 32, which can measure the energy and amount of neutral particles incident on the substrate. Is configured to rotate. Neutral particle analyzer ionizes neutral particles that enter the measuring instrument by irradiating them with an electron beam. After ionizing the ionized particles with a 45-degree sector-type energy analyzer, the mass is measured with a quadrupole mass separator. An analyzer of a type that separates and counts ions with a secondary electron multiplier was used. Here, when the neutral particles incident on the analyzer are ionized, the energy of the neutral particles slightly changes, but the amount of change is considered to be less than 1 eV, which is a problem as the performance of the analyzer used in this example. It will not be.
[0058]
Even if it is not an energy analyzer as shown here, as long as it is a measuring instrument capable of measuring the energy of neutral particles, it can be used in any configuration.
[0059]
Number of neutral particles incident on the analyzer / AlFThreeDC power output, NF so that the sputter rate ratio does not exceed the specified valueThreeA control system 33 that feeds back the gas flow rate is provided.
[0060]
In addition, although not indicated in particular, in order to prevent leakage in the vacuum vessel 1, seal members are provided at appropriate places.
[0061]
During sputtering of the Al target, Al metal is sputtered from the target, and fluorinated in the plasma and on the substrate surface.ThreeA thin film is formed on the substrate, but aluminum fluoride is formed by fluorination on the target surface. For this reason, negative ions such as F- are generated on the surface of the target during sputtering, are accelerated by the target sheath, change to neutral during the course, and enter the substrate. For this reason, the fluoride thin film formed on the substrate is damaged, fluorine is difficult to solve and absorption is increased.
[0062]
This absorption was found to depend on the energy and number of incident neutral particles. Absorption tends to increase as the energy and number increase, and absorption decreases as the sputtering rate of the fluoride thin film increases.
[0063]
Therefore, in order to form a low-absorption fluoride thin film, it is effective to monitor the deposition rate and the energy and density of neutral particles incident on the substrate and perform sputtering while maintaining an appropriate state. is there.
[0064]
In this embodiment, the film formation rate is measured using a crystal vibration type rate monitor. Also, the number of incident neutral particles is measured with a neutral particle energy analyzer, and the DC power output, NF, so that the neutral particle number / rate ratio does not exceed a predetermined value.ThreeThe film was formed while feeding back and controlling the gas flow rate.
[0065]
In this example, the number of F neutral particles of 50 eV was monitored. However, since the neutral particle monitor also changes depending on the measurement conditions, the voltage applied to the secondary electron multiplier, etc., neutral particles that have no problem in absorption in each device. The number / rate ratio is measured in advance and AlFThreeIt is only necessary to control this ratio at all times during production.
[0066]
In this embodiment, the number of neutral particles is monitored. However, depending on sputtering conditions, there are cases in which the particles enter the substrate in a negative ion state. In such a case, if a negative ion analyzer is used instead of the neutral particle monitor, negative ions incident on the analyzer are monitored, and the film is formed while adjusting the negative ion amount / sputter rate ratio to be a predetermined value or less. Good.
(Example 4)
Table 1 and FIG. 4 show the configuration and reflection characteristics of an antireflection film formed on an optical member used in an excimer laser or the like according to the fourth embodiment of the present invention.
[0067]
The antireflection film shown in this example was formed as follows.
[0068]
Set the quartz substrate in the vacuum chamber, and the inside of the vacuum chamber is 1 × 10-6After exhausting to Torr, oxygen gas and NFThree2 × 10 each of gas-3Torr / 4 × 10-FiveIntroduce until Torr pressure, DC power 500W, Al2OThreeA thin film was formed to a predetermined thickness. Next, the gas to be introduced is Ar / NF.ThreeAnd each partial pressure is 1.5 × 10-30.5 × 10-3AlF while maintaining the condition that the target surface is in a metal stateThreeA thin film is formed to a predetermined thickness. This is repeated and Al is formed on the quartz substrate.2OThree/ AlFThreeThe alternating layers are provided and configured.
[0069]
The antireflection film shown in this example has a high refractive index Al as a sputtering characteristic.2OThreeAlF with low absorption and low refractive indexThreeIn combination with the above, at an excimer laser wavelength, the absorption rate is 0.1% or less, the antireflection wavelength region is very wide, and good performance is exhibited.
[0070]
Although the antireflection film is shown in this embodiment, the present invention is not limited to the antireflection film. In particular, by forming a fluoride thin film with low absorption and low refractive index by sputtering, it can be combined with an oxide thin film with high refractive index and low absorption that can be formed by sputtering, and has an excellent optical performance. It became possible to provide.
[0071]
[Table 1]
Figure 0003740301
[0072]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, AlFThreeWhen DC sputtering is performed on a fluoride thin film having a low absorption and a low refractive index in the visible region and the ultraviolet region, negative ions such as F- ions are formed on the target surface, and are accelerated by the target sheath and incident on the substrate. By installing a monitor so that the target surface is always sputtered in a metal state so that the number of the incident surface is reduced even if it is incident, the film is formed while maintaining this condition. A fluoride thin film having low absorption and low refractive index in the ultraviolet region can be formed stably.
[0073]
In addition, by suppressing the partial pressure of the gas containing F on the target surface, fluorination of the target surface is suppressed, and negative ions are prevented from being formed on the target surface. Accelerated high-energy particles neutralized in plasma are monitored, and the number / sputter rate ratio of this particle is kept below a predetermined value, resulting in a fluoride film with low absorption and low refractive index in the visible and ultraviolet regions. It can be formed stably.
[0074]
Furthermore, since it is possible to form a fluoride thin film with low absorption and low refractive index in the visible to ultraviolet region by sputtering, it is very excellent by forming alternating layers with oxide thin film with high refractive index, which is a feature of sputtering. It has become possible to provide optical components having excellent optical performance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a DC magnetron sputtering apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of a DC magnetron sputtering apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of a DC magnetron sputtering apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing reflectivity according to the configuration of a multilayer film according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows target voltage and NF according to the first embodiment of the present invention.ThreeIt is a graph which shows the relationship with a gas flow rate.
FIG. 6 is a side view showing a state in which an adhesion prevention plate is provided between a target and a substrate and sputtering is performed in the sputtering apparatus of the present invention.
FIG. 7 is a side view showing an example of a deposition preventing plate used in the sputtering apparatus of the present invention.
FIG. 8 shows target voltage and NF according to the first embodiment of the present invention.ThreeIt is another graph which shows the relationship with a gas flow rate.
[Explanation of symbols]
1 Vacuum container
2 Cooling box
3 Backing plate
4 Target
5 Anode electrode
6 Insulation material
7 Workpiece
8 Workpiece support mechanism
9 Gate valve
10 Load lock room
11 Shutter
12 Exhaust system
13 Sputter gas introduction port
14 Reaction gas introduction port
15 DC power supply
16 Arithmetic and control devices
17 Magnet
31 Neutral particle analyzer
32 Crystal thickness monitor
33 Feedback control system
34 Quartz Crystal Controller

Claims (9)

金属ターゲットを用い、少なくとも不活性ガス及びフッ素を含むガスで反応性スパッタを行うことにより、金属フッ化物薄膜を形成する薄膜形成方法において、スパッタ中の金属ターゲットのセルフバイアス電圧を監視し、常に金属状態でスパッタされるように、ガス供給口を有するターゲットから、不活性ガスを供給し、ターゲット表面近傍のフッ素を含むガス分圧が低下するように制御しながらスパッタを行うことを特徴とするフッ化物薄膜の形成方法。  In a thin film formation method for forming a metal fluoride thin film by performing reactive sputtering with a gas containing at least an inert gas and fluorine using a metal target, the self-bias voltage of the metal target being sputtered is monitored and the metal target is constantly Sputtering is performed while supplying an inert gas from a target having a gas supply port so as to be sputtered in a state and controlling the gas partial pressure containing fluorine in the vicinity of the target surface to be reduced. Method for forming a chemical thin film. 前記金属ターゲットと、前記金属フッ化物薄膜を形成する基板の間に、コンダクタンスを小さくする構成物を配置し、ターゲット表面近傍のフッ素を含むガス分圧をさらに低下させることを特徴とする請求項1記載のフッ化物薄膜の形成方法。  The gas partial pressure containing fluorine in the vicinity of the target surface is further reduced by disposing a component for reducing conductance between the metal target and the substrate on which the metal fluoride thin film is formed. A method for forming a fluoride thin film as described. ターゲット表面で生成した負イオンが、ターゲットシースで加速され基板に入射する負イオン粒子、及びそのイオンがプラズマ中で中性化して基板に入射する高エネルギー粒子測定手段及びスパッタレートを測定手段により、基板入射高エネルギー粒子/スパッタレート比を制御しつつ成膜を行う請求項1記載の薄膜形成方法。  The negative ions generated on the target surface are accelerated by the target sheath and incident on the substrate, and the high energy particle measuring unit and the sputtering rate in which the ions are neutralized in the plasma and incident on the substrate are measured by the measuring unit. The thin film forming method according to claim 1, wherein film formation is performed while controlling a substrate incident high energy particle / sputter rate ratio. 前記高エネルギー粒子測定手段が、前記ターゲット表面で生成した負イオンが、ターゲットシースで加速され基板に入射する際にプラズマ中で中性化した高エネルギー粒子の数を測定し、前記スパッタレート測定手段により測定された基板に形成されるフッ化物薄膜のスパッタレートとから、基板に入射する高エネルギー粒子数及びスパッタレート比とが所定の数値を超えないように、スパッタ電力を制御すると共に、フッ素を含むガス分圧を制御しつつ成膜を行う事を特徴とする請求項3記載のフッ化物薄膜の形成方法。The high energy particle measuring means measures the number of high energy particles neutralized in the plasma when negative ions generated on the target surface are accelerated by the target sheath and incident on the substrate, and the sputter rate measuring means The sputtering power is controlled so that the number of high-energy particles incident on the substrate and the sputtering rate ratio do not exceed predetermined values from the sputtering rate of the fluoride thin film formed on the substrate measured by 4. The method for forming a fluoride thin film according to claim 3, wherein the film formation is performed while controlling the gas partial pressure. 金属ターゲットを用い、少なくとも不活性ガス及びフッ素を含むガスで反応性スパッタを行うことにより、金属フッ化物薄膜を形成するスパッタ装置であって、
前記スパッタ装置は、少なくとも不活性ガスを供給する供給口を持った金属ターゲットを有することを特徴とするスパッタ装置。
A sputtering apparatus for forming a metal fluoride thin film by performing reactive sputtering with a gas containing at least an inert gas and fluorine using a metal target,
The sputtering apparatus has a metal target having a supply port for supplying at least an inert gas.
前記金属ターゲットと、前記金属フッ化物薄膜を形成する基板の間に、コンダクタンスを小さくする構成物を配置したことを特徴とする請求項に記載のスパッタ装置。The sputtering apparatus according to claim 5 , wherein a component for reducing conductance is disposed between the metal target and a substrate on which the metal fluoride thin film is formed. 前記コンダクタンスを小さくする構成物が防着面積可変可能な防着板あるいはメッシュであることを特徴とする請求項に記載のスパッタ装置。The sputtering apparatus according to claim 6 , wherein the component for reducing the conductance is a deposition plate or a mesh capable of varying a deposition area. 前記ターゲットの電圧を測定するターゲット電圧測定装置と、
該ターゲット電圧を維持するため、フッ素を含むガス分圧制御を行うフィードバック回路を有することを特徴とする請求項5から7のいずれか1項に記載のスパッタ装置。
A target voltage measuring device for measuring the voltage of the target;
8. The sputtering apparatus according to claim 5 , further comprising a feedback circuit that performs partial pressure control of a gas containing fluorine in order to maintain the target voltage. 9.
直流電源とターゲット間に10〜1Kオームの抵抗を直列に挿入する請求項5から7のいずれか1項に記載のスパッタ装置。The sputtering apparatus according to any one of claims 5 to 7 , wherein a resistor of 10 to 1 K ohm is inserted in series between the DC power source and the target.
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