JP4268751B2

JP4268751B2 - 薄いフィルムの視射角蒸着

Info

Publication number: JP4268751B2
Application number: JP2000505345A
Authority: JP
Inventors: ジェイロビィ，ケヴィン; ジェイブレット，マイケル
Original assignee: ザガバナーズオブザユニヴァーシティオブアルバータ
Priority date: 1997-07-30
Filing date: 1998-07-29
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2018-07-29
Also published as: WO1999006608A1; AU8526098A; DE69808653T2; JP2002509188A; DE69808653D1; EP1007754A1; EP1007754B1; ATE225870T1

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、基板に陰のある模様を施した薄いフィルムの蒸着に関する。
発明の背景
薄いフィルムを成長させる技術分野では、限定された吸着原子の拡散条件下で斜めに入射する蒸気の流れに基板を晒し、よって前記基板にカラム状のマイクロ構造が成長することは周知である。
【０００２】
結果生じたマイクロ構造の光学的性質、マイクロ構造の多孔性および薄いフィルムのカラムの配向は、用いた材料に部分的に依存する。
【０００３】
Hamaguchiらは、米国特許第４、８７４、６６４号明細書において、蒸気の流れに対して、基板の位置の横への移動や回転を説明していおり、均一なフィルム成長や、さまざまな層にさまざまなは配向のあるカラムを有するフィルム層が生じる。Hamaguchiらの報告では、全体の基板は、基版を蒸気の流れに晒す期間の間回転させる、又は基板を蒸気の流れに晒す間、横に移動させることが報告されている。
【０００４】
１９９２年１２月２８日のAppl. Phys.Lett. 61(26)のAzzamの論文「Chiral thin solid films」では、斜めに入射する蒸気の流れに晒しながら基板を回転させると、螺旋状の二つの異方性性格を有する螺旋状のマイクロ構造が生じることを提案している。基板の提案された回転はその基板表面の法線を中心に行われ、これは方位の周りの回転、つまり方位角の変化として本願で引用される。
【０００５】
発明者らは、Kevin Robbie, Michael J. Brett, Akhlesh Lakhtakiaらによる１９９５年１１/１２月のJ. Vac. Sci. Technol. A 18(6)の「First thin film realization of a helicoidal bianisotropic medium」で説明したように、AzzamとHamaguchiの改良方法を提案した。
【０００６】
上記引用文献では、カラム角度に対する多孔性の関係は固定されており、カラム角度を固定させたままで、多孔性を変化させる方法は示されていない。本発明は、先行技術文献におけるこのような限界の克服を求めたものである。
発明の要約
したがって、本発明の態様によれば、蒸着させた薄いフィルムの成長方法を提案し、該方法は、
基板の法線を中心としてある回転速度で、その基板への蒸気の流れの到達方向を回転させながら、斜めの入射角度で一定設定の成長条件下で蒸気の流れを基板の表面にまず晒し、第一の成長方向に成長する複数のカラムからなる薄いフィルムの第一の部分を成長させる段階と、
その後、前記表面を蒸気の流れに晒しながら、前記設定の成長条件、つまり基板への蒸気の流れの到達方向の回転速度を変化させて、夫々の複数のカラムの第二の部分が生じて第一の成長方向からずれた成長方向に成長する段階と、
段階A及びBを繰り返し、前記基板にカラムから形成される第一の薄いフィルムが生ずる段階からなる。
【０００７】
段階Aの間、前記基板は整数回で回転する、つまり螺旋状パターンが生じ、殆ど整数回で回転し、実質的に位置がずれたところでの回転中に停止する。
【０００８】
よって、光学フィルタは複数の薄いフィルム層で作られ、各薄いフィルム層は段階A及びBの繰返しにより構成される。
【０００９】
段階A中での前記基板への蒸気の流れの到達方向の回転速度は十分大きいことが好ましく、基板への蒸気の流れの到達方向は、薄いフィルムが基板に垂直で、蒸着させるべき材料の吸着原子の拡散距離に実質的に等しい距離分成長するのに必要とされる時間内に少なくとも１回回転させる。
【００１０】
本発明の更なる態様によれば、基板の表面から伸長する複数のカラムの第一の薄いフィルムからなるマイクロ構造を提供し、前記カラムは、角度θ_ｆから基板の表面に垂直な入射角度での蒸気の流れから、基板の表面に蒸着させる一定設定の条件下で形成され、ここで０°＜θ_ｆ＜９０°であり、基板への蒸気の流れの到達方向を回転させながら、蒸気は少なくとも一部分に蒸着され、カラムは０°＜θ_ｃ＜θ_ｎの性質を示し、ここで、θｃはカラムと基板の表面の法線との間の角度であり、θ_ｎはカラムが基板への蒸気の流れの到達方向を回転させずに、一定設定の条件下で成長するであろう場合の角度である。
【００１１】
十分に大きい回転速度で基板への蒸気の流れの到達方向が回転し、薄いフィルムが基板に垂直で、蒸着させるべき材料の吸着原子の拡散距離に実質的に等しい距離分成長するのに必要とされる時間内に少なくとも１回回転しながら、カラムが少なくとも一部分形成することが好ましい。
【００１２】
第二の薄いフィルムは異なる多孔性を有する第一の薄いフィルムの頂部に形成され、第一の薄いフィルムに対する入射角度θ_ｆとは異なる入射角度の蒸気の流れで、第二の薄いフィルムの蒸着により生じる。複数の薄いフィルムは、薄いフィルム層の連続的積層を形成し、複数の薄いフィルム層の一つは第一の薄いフィルムの頂部に対して配され、各薄いフィルム層は隣接の薄いフィルム層と異なる多孔性を有する。薄いフィルムは基板から距離で変化する屈折率を有する。
【００１３】
更に、蒸着された薄いフィルムの成長方法を提供し、前記方法は、
基板の法線を中心としてある回転速度で、基板への蒸気の流れの到達方向を回転させながら、斜めの入射角度で蒸気の流れを基板の表面に晒し、第一の成長方向に成長する複数のカラムからなる薄いフィルムを成長させ、
回転速度は十分に大きく、薄いフィルムが基板に垂直で、蒸着させるべき材料の吸着原子の拡散距離に実質的に等しい距離分成長するのに必要される時間内に、基板への蒸気の流れの到達方向を少なくとも１回回転させることからなる。
【００１４】
本発明の更なる態様によれば、基板への蒸気の流れの到達方向を回転させながら、蒸気の流れの斜めの入射角度を変化させて、密度、よって薄いフィルムの屈折率を変化させる段階を提供する。
【００１５】
本発明の更に別の態様によれば、蒸気の流れの斜めの入射角度は変化して、基板上に蒸着させた高及び低密度の材料の交互のバンドが生じる。
【００１６】
本発明の更に別の態様によれば、電磁放射線のフィルタリング方法を提供し、ここで、電磁放射線には周波数λを有する放射線が含まれ、電磁放射線は光経路に沿って伝播し、前記方法は、
光経路に光学フィルタを配し、ここで光学フィルタは基板から伸長する複数の螺旋カラムからなり、夫々の螺旋カラムは、光の伝播がカラムの螺旋構造により影響を受けないλよりも十分に小さいピッチｐを有する（例えば、ｐ＜λ/４、又はｐ＜λ/１０）。
【００１７】
本発明の上記及び他の諸相は、発明の詳細の説明及び既出の特許請求の範囲に記載されている。
【００１８】
図面を参照して、本発明の好ましい実施態様を説明し、同じ参照番号は同じ要素を表わす。
好ましい実施態様の詳細な説明
角度に関連した本願明細書で使用する「斜め」とは、０°から出発して、原子の影がカラム状のマイクロ構造の成長に重要な効果を有することを意味する。蒸気の流れの入射の低角度で、例えば、０から５０°で急速に基板を回転させる場合には、結果生じる薄いフィルムは特に有用な性質を有しない。しかしながら、発明者らは、蒸気の流れの入射角度が７０°以上で、さらに８０°及びそれ以上では、その結果生じる薄いフィルムは有用な性質のある明確な構造を有することを発見した。基板へ斜めに入射する蒸気の流れの到達方向は、基板に垂直で、基板への入射角度の投影により得られる基板の平面における方向である。基板への蒸気の流れの到達方向の回転は、典型的には、基板を回転させることにより、一層容易に得られ、よって基板への蒸気の流れの到達方向は基板の法線を中心として回転する。このようにして、本発明は、基板自体を回転させる場合を例示する実施態様で、以下に説明される。
基板は固体材料であり、応用に応じて蒸着される。シリコン及びガラス基板が、通常利用される。被蒸着材料は、蒸気を発生させる、並びに基板に蒸気化された材料の蒸着をサポートすることができる条件に適する材料である。ある場合には、上記には基板を冷却及び加熱を必要とする。ある蒸気化された材料を別の材料に結合させるのに役に立たせるために、まず介在層が蒸着され、例えば、クロム中間層が利用され、金をアモルファス二酸化ケイ素（ガラス）に結合させる。本願で説明するその工程は、蒸気の流れがほぼ一直線に基板に到達する条件で行われる。この理由のため、その工程はほぼ真空に近い、少なくとも１０^−３トル以下で、例えば、１０^−６トルの条件で行われる。高圧下では、気体分子からの散乱は、明確な構造を成長させない傾向にある。加えて、利用した材料は、少なくとも約０．９の固着係数を有するべきであり、識別力のある構造の形成を可能とする。材料のカラムの成長方向は、カラムが成長する基板から離れるカラムの軸に沿っている。螺旋カラムの場合には、螺旋構造は仮定的なシリンダーの表面に従い、カラムの軸はシリンダーの軸である。
【００１９】
図１Ａは、本技術分野では周知であるように、傾斜したカラム状のフィルムマイクロ構造の成長の基礎となる物理的過程を示す。例えば、シリコンウエハである基板１０は法線Ｎのある表面１２を有し、法線Ｎに対して定義される入射角度θ_ｆで、斜め入射の蒸気の流れ１４に晒される。蒸気の流れ１４の原子が基板１０上に蒸着すると、フィルム成長領域の原子は隣接領域１６をさえぎり、隣接領域の蒸着を阻止する。蒸気の流れ１４の原子が、さえぎられていない領域に蒸着を続け、よってカラム１８を形成する。吸着原子は１９で示すカラムの頂部で原子的に拡散する。仮に、角度θ_ｆが十分に大きくてシャドーイング効果は生じ、吸着原子の拡散１９が制限され、吸着原始の拡散がカラム間のギャップに充填されないなら、傾斜のあるカラム状のマイクロ構造が成長する。
【００２０】
基板にカラム状の薄いフィルムが成長する成長条件には、基板温度（典型的には、約７７°Ｋ（‐１９６℃）から６００°Ｋ（２２７℃））、蒸着が起こる容器の圧力、蒸気の流れ強度（蒸気源の接近や蒸発速度に依存する）、蒸気の流れのエネルギー（蒸気の流れを発生させる方法、例えば、スパッタリング又は加熱に依存する）、蒸気の流れを発生させるのに利用される材料のタイプ、例えば、Ｃｕ、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｉＯ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｓｉ、Ｃｏ、ＺｒＯ_２、Ｔｉやパーマロイ（登録商標、８５％のニッケル、１５％鉄の合金）、基板の回転速度や、非常に低圧力に通常維持される蒸気の流れの入射角度や容器内のバックグランド気体の性質がある。一般には、バックグランド気体との反応を望まないのなら、非常に低い圧力であることは好ましく、そのような場合、多くの場には空気がバックグランド気体として利用される。バックグランド気体と蒸気との反応を望むなら、例えば、ＳｉＯ_１．４に代わり、ＳｉＯ_２の蒸着では、低圧力のＯ_２からなるバックグランド気体が好ましい。
【００２１】
先行技術分野では周知である薄いフィルムの蒸着では、蒸気の流れが基板に到達する角度θ_ｆと、カラム状の薄いフィルムが成長する基板法線に対する角度θ_ｃ（これは９０−βであり、βは図１Ａに示す）との間に固定した関係がある（一定の材料と蒸着条件）。この制約により、カラム配向及び多孔性が独立に制御できない状況が生じる。浅いカラム角度（基板により平行である）を望むなら、その結果生じるフィルムは非常に多孔質である。逆に、垂直なカラム状のフィルムを望むなら、そのフィルムは緻密にちがいない。この効果は図１Ｂから図１Ｄで説明される。図１Ｂは、蒸気の流れが基板に向かって真っ直ぐに到達するとき、つまりθ_ｆ＝０°の場合の状況を示す。その結果生じるフィルムは、垂直であるθ_ｃ＝０°で、非常に緻密である。
【００２２】
その流れが基板の法線に平行に到達しないとき（θ_ｆ＞０°）、カラムのあるフィルムの成長は蒸気源に向かって傾斜する。流れ角度θ_ｆとカラム角度θ_ｃとの間の関係は複雑であり、フィルム材料、基板温度及び他の蒸着条件に依存する。周知の流れ角度からのカラム角度を大雑把に見積る簡単な関係は、Taitらにより提案された（Thin Solid Films, 226 (1993)）。この関係はさまざまな流れ角度条件に対して、カラム角度を説明するための近似として利用される。図１Ｃは、流れがθ_ｆ＝３０°で到達する場合を示す。カラム角度はθ_ｃ＝２７°（Tait則で計算された）であり、フィルムは幾分多孔質である。図１Ｄは、流れが非常に斜めな角度であるθ_ｆ＝８０°で到達する場合の極端の例を示す。カラム角度はθ_ｃ＝５５°であり、フィルムは非常に多孔質である。
【００２３】
流れ入射角度でのフィルム構造の上記３つの結果を、図２にまとめ、カラムの成長角度を蒸気の流れの到達角度に対してプロットした。実線はTait則からの計算値である。ポイント１は図１Ｂで示したフィルムに対応する（θ_ｆ＝０°でθ_ｃ＝０°）。ポイント２及び３は、夫々図１Ｃ及び図１Ｄに対応する。従来から、フィルムのマイクロ構造はこの線上のポイントに制限されている。選択した流れ角度に対して、カラム角度及び多孔性は固定される（所定の材料と蒸着条件に対して）。
【００２４】
例えば、垂直なカラム状構造を有する非常に多孔質なフィルムは、周知な先行技術からは製造不可能である。この条件は、図２のポイント４に相当し、そのマイクロ構造を図３に示す。
【００２５】
本発明は、上記限界を克服する方法を提供する視射角蒸着（glacing angle deposition、GLAD）の改良バージョンを開示する。この新しい技術は三次元での基板移動を基礎としているが、二次元で同様な効果がどのように達成させられるかを、まず説明することが有用である。図４は、従来不可能であると信じられていた図３に示すマイクロ構造の組立を可能にする方法を示す。斜めの角度（θ_ｆ＝８０°）で２つの側からの基板へ到達する蒸気の流れの実質的に同等な量により、垂直な多孔質のカラム状フィルムを作ることが可能となる。バランスの取れた流量（５０％/５０％）は、カラムが蒸気源に向かって傾斜することを阻止し、斜めの角度により、多孔質なマイクロ構造が作られる。
【００２６】
上記フィルムの成長は、一方の側からの蒸気の流れにより引き起こされる成長と、他方の側からの流れにより引き起こされる成長の和の結果から生じるものと考えられる。垂直なカラム状構造を作るために、各側からの流量は実質的に同量であるように選択される（各側からは全体の５０％）。あるいは、図１Ｄから分かるように、一方からの１００％の流量により、θ_ｆ＝８０°に対してθ_ｃ〜５５°で非常に傾斜した構造が生じる。垂直と５５°との間のカラム角度を得るためには、一方側からの流量は、５０％と１００％との間になるように選択される。図５は上記結果を示す。一方の側から７０％の流量で、他方の側からの流量を３０％にすれば、カラムの角度は一方の側での流量の場合（一方から１００％流量の場合）よりは一層垂直になるが、全体としては垂直にはならない（図４の５０％/５０％の場合）。従来のＧＬＡＤでは、カラム成長角度が依存するように、フィルムの多孔性は入射の流れ角度に依存し、上記二つの性質は相互に依存する。本新規な発明によれば、フィルム多孔性も入射の流れ角度に依存するが、カラム成長角度は各側から到達する流量の割合を変化させることにより制御される。
【００２７】
これは、従前では可能であった薄いフィルム構造を一層制御するための蒸着中に、流量の割合を劇的に変化させることにより拡張させることが可能となる。この手順により得られた構造の例を、図６に示す。フィルムが成長して所望の構造が作られるにつれ、二つの側から到達する流量を０％と１００％との間で変化させる。この技術により、カラム角度を独自に制御させながら、密度を全体に亘って一定のままにすることが可能となる。
【００２８】
「Ｓ」形カラム構造を形成させる別の方法は、斜め（θ＝８０°）と垂直（θ_ｆ＝０°）との間で入射の流れ角度を変化させることである。これにより、θｃ＝５５°とθｃ＝０°との間のカラム成長角度を変化させること可能であるが、多孔性の入射角度依存性のため、フィルム密度は、θ_ｆ＝０°のときの高密度と、θ_ｆ＝８０°のときの低密度との間で変化する。
【００２９】
上記技術を三次元の蒸着に拡張させるために、成長タイプは多少異なって考える必要がある。薄いフィルムのある部分の垂直なカラム成長は、十分に高速度で基板を回転させることにより生じ、基板回転により薄いフィルムの視射角度蒸着中に通常生じる螺旋構造は、機能的には排除される。薄いフィルムが基板への垂直であり、蒸着させるべき材料の吸着原子の拡散距離に実質的に同等な距離分成長するのに必要な時間内に基板が1回回転すれば、その螺旋構造は完全に排除される。吸着原子の拡散距離は、ゆっくり又は全く回転しない間に形成される螺旋のストランドの幅に近似される。螺旋パターンの機能的排除は、残存する小さな螺旋構造が特定の応用に支障をきたさないなら、ゆっくりな回転速度で得られるであろう。未加熱基板での典型的な拡散距離は、ＭｇＦ_２‐６０ｎｍ；Ｃｕ−１５０ｎｍ、Ｃｒ−９０ｎｍ、Ａｌ−１００ｎｍである。固有の螺旋構造を機能的に排除する十分な速度で基板を回転させることは、スピニング成長と呼ばれる。
【００３０】
カラムの螺旋構造が機能的に排除されるときの例として、電磁放射線のフィルタリングを考えてみる。ここで、電磁放射線は周波数λを有する放射線を含み、電磁放射線は光の経路に沿って伝播する。光学フィルタが光の経路に置かれ、ここではその光学フィルタが基板から伸長する複数の螺旋カラムを有する。各螺旋カラムは、そのカラムの螺旋構造により影響を受けない光の伝播λより十分に小さいピッチｐを有しているならば、カラムの効果は機能的に排除される。同時に、螺旋カラムは大きな螺旋状の幾何学的形状を有する、つまり光学フィルタがそのカラムの小さなスケールの螺旋状の幾何学的形状に依存しない他の有用な性質を有する屈折率を変化させるように配置させる。一般には、小さなスケールの螺旋カラムはｐ＜λ/４、特にｐ＜λ/１０のとき、光の伝播に影響を与えない。
【００３１】
スピニング成長は、極性のある角度（polar angle）θ_ｆが図４に類似して固定されたままで、基板の周りのあらゆる方向から実質的に同等に蒸気の流れの分布を効果的に提供し、その基板の表面に垂直である成長方向に、カラムが成長する。垂直からずれた成長方向に傾斜する成長は、成長条件の一つを交互に変化させることにより生じる。つまり、基板の回転速度を減少させ、その基板が回転せずに効果的に正しい位置に保持される（これを停止時成長と呼ぶ−図１Ｄに類似する）。正確なゼロ回転速度からのわずかな逸脱は許容され、全体の効果はずれた成長方向に生じる（つまり、成長方向は先行する蒸着期間中のものと同じではない）。それからカラムは蒸気源に向かって従来通り傾斜して成長をはじめ、ただし、θ_ｆよりも険しい角度で成長する。このようにして、薄いフィルムの第二の部分が、スピニング成長中にカラムの部分が成長する成長方向とは異なる成長方向に形成される。スピニング成長及び停止時成長の繰返しにより、カラムはθ_ｎ以下であるθ_ｃの角度で成長し、θ_ｎは基板を回転させない同じ成長条件下で成長するカラムの角度である。
【００３２】
スピニング及び停止時成長条件は、図７の基板の平面図で説明される。基板を急速に回転させながら（スピニング成長）、小さな単一の矢印Ａは全ての方向から到達する流れを表わす。二重線の矢印Ｂは成長の第二のタイプを表し、ここではその基板は固定されており、蒸気源に向かって傾斜したカラム構造が生じる（停止時成長）。移動/成長（スピニング及び停止）の上記の二つのタイプを組合わせて、二つの側からの流量が前述の二次元で利用されたように、作製された薄いフィルムのマイクロ構造の制御を可能にする。上記蒸着方法の組合わせが達成された方法は、基板を急速に回転させることによりスピニング成長が生じるが、各回転中に停止させることにより停止時の成長が生じる。構造の制御は、１回の回転時間に対する停止をどの程度の長さにし、その停止位置を選択ことから生じる。二次元の例のように、蒸着のタイプは停止及びスピニング成長条件中に到達する流量の割合により説明できる。典型的には、基板は整数回で回転し、例えば、1回である。
【００３３】
三次元蒸着では、８０°で保持されたθ_ｆで１００％のスピニング成長により、図４と同様な構造を有するフィルムが生じる。スピニング成長により垂直なカラムが生じ、斜めの蒸着（θ_ｆ＝８０°）により多孔質構造が生じる。３０％のスピニング成長と、各停止での方位角上同じ場所の停止位置での７０％の停止時成長での蒸着では、図５と同様な構造が生じる。夫々のスピニング及び停止時の成長の割合は、０％と１００％との間を変化する。停止位置がスピニング成長の各回転後と同じに維持されないとき、この技術の大きなパワーを有するが、所望の方法で前進する（precess）ように作られる。この例では、停止位置は以前の停止からわずかに方位角上ずれている。ずれの程度は、結果生じる螺旋構造の半径に影響する。従前のＧＬＡＤにより作られた共通の構造は螺旋カラム状フィルムである。本発明前は、螺旋構造は蒸着角度とカラム角度との間の前述した関係により限定されていた。仮に、螺旋構造をした多孔質なフィルムを望むなら、斜めの角度（例えば、θ_ｆ＝８０°）で蒸着させなければならない。従前は、これはカラム角度が約θｃ＝５５°であり、カラム形が図３の外部螺旋４１に類似することを意味している。内部螺旋４３は多孔質フィルムでは作れない。螺旋でのより垂直なカラム角度を作るために、より斜めな流れ角度（例えば、θ_ｆ＝３０°）が必要であり、これにより密度のあるフィルムが生じることになる。
【００３４】
この先進の制御方法の実現は、本発明者らにより説明された。ＭｇＦ_２の薄いフィルムは斜め角度（θ_ｆ＝８５°）で蒸着させた。そのフィルムは、蒸着時間の５０％を利用したスピニング成長（大きな螺旋カラムを形成する１００ｎｍのピッチで）と、蒸着時間の５０％を利用した前進する（precessing）停止時成長（約１μｍのピッチで）とを有する前述の先進の前進技術により蒸着させた。予想通り、より垂直な上昇角度が得られ（θ_ｃ＝１５°）、この構造は図８の内部螺旋と同様である。これは、従来のＧＡＬＤでは得られなかった構造であり、薄いフィルムのマイクロ構造を制御する前進方法（precessional method）の能力を示す。
【００３５】
図９、図１０及び図１１を参照するに、本発明の装置を示し、表面１２を有する基板１０に薄いフィルムを成長させる。従来の蒸気源２２は真空チャンバー２０内に配設される。蒸気源２２の上に配置された従来のシャッター（図示せず）は、基板に蒸気を晒すか否かを制御するのに利用される。蒸気源２２が蒸気の流れ１４を発するためのさまざまな従来の手段（別々には図示せず）が利用される。基板１０は真空チャンバー２０内で支えられ、蒸気源２２の真空チャンバー２０にモータ２４（図１１）を配設した。モータ２４は、基板１０の表面１２に平行である、好ましくは表面１２により形成される平面の軸Ａの周りに基板を回転させる。軸Ａの周りの基板１０の回転は極性のある角度を変化させる、つまり蒸気の流れ１４の入射の角度θを変化させる。更に、蒸気源２２の真空チャンバー２０に配設されたモータ２６は、基板１０の法線Ｎと一致する回転軸を有し、このようにして方位角を変化させる。極性のある角度及び方位角の双方は、入射の流れに対する基板の表面の配向の尺度である。
【００３６】
図１１Ａに示すように、基板１０はモータ２６に取付けたディスク１１に設置させることが好ましい。モータ２４及びモータ２６のさまざまな設置配置が利用できる。例えば、モータ２６はフレーム２５に設置され、そのフレーム２５はモータ２４の駆動シャフト２７で回転するように設置される。モータ２４自身はさまざまな従来からの方法により設置され、支持体２９のような真空チャンバー内でモータを設置させる。
【００３７】
図１１を参照するに、モータ２４及び２６は、ステッパモータ駆動エレクトロニクス２８により駆動される従来のステッパモータであり、コンピュータ制御器３０により制御されることが好ましい。コンピュータ制御器３０はデータ受信ボート３２と、National Instrumentsから市販されているLabVIEW（登録商標）のようなソフトウエアベースインターフェース３４とを具備する。本発明を実行させるソフトウエアは、出願番号第２、２３７、７３２号である１９９８年５月１６日に出願した本発明者のカナダ国優先権出願に開示されており、公開後又はカナダ国アルバータ大学の本発明者から要求により、ＷＩＰＯ又はＣＩＰＯから入手可能である。ソフトウエアは許容されるなら、本願の参考文献に引用される。データ受信ボード３２は基板での薄いフィルム成長を示す信号を受け、その信号は真空チャンバー２０内に配置された従来構造の蒸着速度モニタ３６からの出力であり、蒸着速度モニタ３６でのフィルム成長は基板１０でのフィルム成長を表わす。蒸着速度モニタ３６からの出力信号を受けて、コンピュータ制御器３０はドライバー２８に、モータ２４及び２６は所望パターンに応じて回転するように指令する。本願で説明したように、コンピュータは所望パターンに応じて、薄いフィルムを成長させる出力制御信号に応答して、表面の配向変化の速度を自動的に制御する。蒸着のスタート及びストップ信号はコンピュータにより、蒸着をスタートさせるシャッターの駆動、又は手動で開放させるシャッターへ送られる。通常、シャッターが開いて蒸着を開始する前に、モータはスタートする。
【００３８】
ソフトウエアは蒸着速度モニタから蒸着速度を受取る。基板に成長するフィルムの実際の厚さ（Ｔ２）は、ツーリングファクタとして周知である実験的に求めた計数逓減率、スケーリングファクタにより、蒸着約速度モニタの厚さに関連している。更に、ソフトウエアは最後の時間でのモータ位置を知り（モータ２４に対してはＸｆｉ、モータ２６に対してはＸｃｉ）、オペラータから入力として、モータ２６により行われた回転の数（Ｎ）、ツーリングファクタ（測定された蒸着速度に対する垂直なフィルム成長の比）、初期の蒸着速度見積り、模様のあるフィルム成長中の蒸気の流れの初期の入射角度、モータ回転方向及びフィルムの成長の所望パターンを明確にするさまざまなパラメータを受ける。コンピュータへの入力はフィルム成長の所望パターンを確立させる。
【００３９】
本発明の実施態様では、モータ２４、２６はステップモータであり、各時間ｔｉ、ｔｉ+１、ｔｉ+２などの円の一部分を回転させる。一定の時間ｔｉで、コンピュータは蒸着速度モニタ３６からのフィルムの厚さを更新し、モータのステップ速度を変化させ、ｔｉ+１で、モータ２４、２６は所望パターンに応じて所望位置におおよそある。時間ｔｉとｔｉ+１との間、ソフトウエアはフィルム成長の厚さはｔｉ+２ではどれくらいになっており、ｔｉ+２で所望の厚さが生じるようにするためにモータをどの程度の速度で回転させなければならないかを計算する。ｔｉ+２で、それからコンピュータは蒸着速度モニタからの新しい厚さだけでなく、モータのステッピング速度を読みより、モータステッピング速度を調整し、ｔｉ+３でフィルム成長パターンを所望の通りにする。ストップ信号を受けるまで、例えば、フィルムが所望の厚さに達するときまで、ソフトウエアはこのようにして動作を続ける。
【００４０】
スピニング及び停止時成長の場合のモータ２４、２６を制御させるアルゴリズムを、図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｄに図解的に示す。その法線を中心とした基板の回転速度は、蒸着速度に部分的に依存する。ＭｇＦ_２では、入射角８５°で、約５０ｎｍのピッチで、その速度は約２ｒｐｍである。この過程で利用される典型的な回転速度は、約０．２から３ｒｐｍである。
【００４１】
図７Ａでは、カラムが図７Ｃで説明するように正弦波的に変化する構造を形成するとき、基板の方位角回転速度を、時間に対してプロットする。ポイントＴ１からＴ４に対応する時間を図７Ｃに示す。時間セグメント５２で示される回転中、スピニング成長が起こり、図７Ｃに示す垂直カラムセグメント５８が結果として生じる。時間セグメント５２の幅はスピニング成長の継続時間に相当する。時間セグメント５２の間に、回転速度はゼロであり、基板は蒸気の流れに晒され続け（停止時成長）、結果として斜めのカラムセグメント５９が生じる。時間セグメント５２間の期間はＴ１からＴ３へと連続的に減少し、おおよそ正弦波的に変化する方法で、それからＴ３からＴ４へと上昇する。ポイントＴ３では、時間セグメント５４は半回転に相当し、停止位置は一方から他方へ切り替わり、カラムは異なる方向に成長し始める。Ｔ３での半回転は、図７Ｃでの矢印Ｃ及びＤで示される１８０度その流れの方向を変化させることに対応する。このようにして、カラム角度θ_ｃは基板からの距離（垂直に測定された）で変化する。基板での同じ時間に蒸着するカラムセグメントは、薄い層の一層を形成する。
【００４２】
図７Ｂでは、方位角回転速度を、図２のグラフの影のある領域内にある螺旋マイクロ構造で、時間に対してプロットした。各時間セグメント５６は回転時間に対応する。回転の継続時間の間、基板回転はゼロであり（停止）、その基板は蒸気の流れに晒され続ける。時間セグメント５６及びそのセグメント間の間隔は、蒸着中は一定である。この例では、時間セグメント５６は約３６０±ｎ°の回転に相当し、蒸気の流れの入射の方位角により決定される角度で、薄いフィルムのカラムの成長方向がずれる結果となる。プラス又はマイナスは螺旋の左右像を支配し、例えば、２から１０であるファクタｎは、螺旋構造の径及びピッチの双方に影響を与える。つまり、一定の停止/スピン関係（一定の蒸着速度の時間の割合として、３０％のスピンと７０％の停止）では、増大した前進、つまりｎ以上は螺旋の小さな径と小さなピッチを与える。停止位置での一定の方位角の前進では（つまり３６２°）、スピンの継続時間に関係する増大した停止継続時間は、大きな径及び小さなピッチを与える。双方の場合とも、螺旋のチューブの径（螺旋を形成するストランドの直径）はほとんど一定のままである。
【００４３】
図７Ｄでは、例えば、回転の半分の速い回転（時間Ｔ１の周りを中心にして）及び回転の別の半分の遅い回転（時間Ｔ２の周りを中心にして）の継続時間を説明する。対応するカラム成長を図７Ｅに示し、時間Ｔ１及びＴ２に対応するカラム９０の位置を示す。
【００４４】
工程は蒸着可能な材料を形成するカラムでうまく行われることは合理的理由に基づいて信じられている。蒸着可能な材料は、未形成集合よりもむしろ、限定された吸着原子の拡散及び構造を形成する十分に高い接着要因を示すときに形成するカラムである。ＭｇＦ_２の場合、シリコン基板に形成され、Ｓ形のカラムを有する薄いフィルムでは、基板を加熱しておく必要はないが、その基板の温度は、蒸気源からの加熱により約１００℃まで上昇する。上記条件下でのＭｇＦ_２の拡散距離は、約４０−９０ｎｍである。法線入射での流れに対する基板の近くのモニタの蒸着速度は約２−６ｎｍ/ｓである。この例では、速いスピニング（スピニング成長）は約３−４０ｒｐｍで起こり、１０−４０ｎｍの小さな螺旋ピッチが得られる。上記条件での成長の真空圧力は約１ｘ１０^−６トルである。
【００４５】
本発明の原理に基づく干渉フィルタの作製では、図９から１１Ａに示す薄いフィルムの蒸着装置を、スピニング成長の原理と共に利用する。蒸気源からの蒸気の流れは視射角（θ_ｃ＞５０°）で基板に到達する。基板の位置は、真空蒸着システム内部の二つのステッパモータ２４及び２６により制御される。ある厚さで変化させた密度のあるフィルムを生じさせるために、傾斜角度（θｆ）は蒸着中の所望の密度変化に比例して変化する。軸回転は蒸着（スピニング成長）中に急速であり、垂直な多孔質カラム構造が生じ、従来のＧＬＡＤ応用により生じた螺旋カラム構造を排除する。この蒸着工程により、図１３に示すように、基板からの距離に応じて変化する屈折率のある干渉フィルタが作れる。図１３では、カラム８０は全体の急速なスピニングで基板１０から成長する。極性のある角度θ_ｆは変化するにつれて、カラム８０は８２で示される大きな密素と、８４で示される低密度との層が生じる。層８２はあまり斜めでない入射角度（つまり、７０°）で高いインデックスフィルムに対応し、一方、層８４はより斜めな入射角度（つまり８５°）で低いインデックスフィルムに対応する。このように形成された層は隣接層に異なる密度を有することになる。蒸着角度の関数として、密度（インデックス）を補正することにより、所望のインデックス変化を生じさせることができると信じられている。発明者らは、薄いフィルムの材料のインデックスと空気のインデックスとの簡単な密度に重きを置いた和は、プリズムカップラで測定した際の効果的な屈折率を正確に予想できることを発見した。
【００４６】
例として、屈折率の正弦波的変化のあるフィルムでは、傾斜角度（θｃ）は、蒸着中に５０°と８１°との間を正弦波的に変化する。軸回転は蒸着中急速であり、垂直な多孔質カラム構造が生じ、ＧＬＡＤの他の応用で生じた螺旋カラム構造を排除する。この蒸着過程はＭｇＦ_２のひだのあるフィルタを作るために利用され、そのフィルタの測定された、及び理論的に予測された反射率スペクトルを図１４に示す。
【００４７】
蒸着角度の変化は正弦波であるが、斜めの蒸着角度の関数としての密度は非線形であり、密度（インデックス）プロファイルは実際には正弦波ではないと期待される。発明者らはＭｇＦ_２で作ったひだのあるフィルタは、θ_ｃ＝５１°でと、θ_ｃ８１°で夫々蒸着させたとき、バルクのおおよそ９０％と３０％との間を変化する密度を有すると見積った。ＭｇＦ_２のインデックス及び空気のインデックスから、フィルムの屈折率範囲の大雑把な見積りは、１．１１と１．３４との間として得られる（ｎ_ａｖｇ＝１．２２、Δｎ＝０．２３）。フィルムの厚さはＳＥＭから測定され、Λ＝１８０ｎｍのＮ＝１４．５の周期で、約２．６μｍであった。この厚さの値は、約１μｍよりも厚く蒸着させたときのストレスからの通常の破裂された熱的に蒸気させたＭｇＦ_２よりも大きく、上記フィルムは低いストレスを有するという考えを支持する。上記測定された厚さを利用して、理論的反射スペクトルを、ＦＯＲＴＲＵＮで実行した特性マトリックス方法（ＣＭＭ）を利用して計算した。測定された、及び理論的反射スペクトルを図１４に示す。既知のフィルムの厚さと密度変化の見積りを利用して、ＣＭＭモデルを測定されたスペクトルにフィットさせると、インデックス変化は１．１３と１．３１との間であり（ｎ_ａｖｇ＝１．２２、Δｎ＝０．１８）、フィルム密度変化からの見積りと良く一致した。測定されたピークは約４６０ｎｍを中心にして、反射率はＲ＝８２％であり、バンド幅はＢＷ＝５０ｎｍである。ストレスの効果は上記のフィルムでは低いので、発明者らは、対応する狭いバンド幅のある非常に厚いフィルタを成長させることができると予想した。かかるフィルタは、ファイバーシステムにおける波長分割マルチプレクサ応用にとって、現在非常に興味がある。
【００４８】
本発明による薄いフィルムのマイクロ構造で作成された光学フィルタは、図１２に示す構造を利用して調整される。蒸着材料は、基板１０に位置する電極７２から別個の（互いに分離している）螺旋カラム７０を伸長させる。電極７２はその基板１０の他の側にも位置している。別個の螺旋カラム７０は、螺旋カラムのキャップ７４を形成する密度のある材料の領域で、基板１０から遠位にて終端する。キャップ７４は、９０°に近いθからゼロへ、流れの入射角度を変化させることにより生じ（基板表面に平行な軸の周りの回転に対応している）、螺旋カラムの蒸着は、例えば、高い基板温度又は低融点材料に変えるような高い拡散距離が生じる条件下で終わることは、合理的理由に基づいて信じられている。基板温度を上昇させるには、その基板をクオーツランプからの光に晒すことにより行われる。蒸着させるべき材料の融点の約１００℃から２００℃内の温度は、高い拡散距離の条件を発生させるのに必要である。
【００４９】
図１２に示すように、複数の頂部電極７７はキャップ層７４の頂部にわたる並列ストライプに伸びる、又は単一の電極がキャップの頂部に単一のプレートとして形成される、若しくはキャップは電極自体として働く導電性材料から作られる。電荷を電極７２及び７７に供給することにより、電極７２及び７７は互いに引張られ、又は押され、よって螺旋７０のピッチが変化する。これは薄いフィルムにより生じたフィルタを調整する効果を有する。
螺旋成長のある薄いフィルムの用途には、高速度装置用の非常に低い誘電体絶縁層のような半導体集積回路製造における応用、光学ファイバー、電気ディレイライン、生物学的ファイバー、エレクトロルミネッセント装置、触媒サポート、ジェットタービンブレードのような高温度サイクリング部品のサーマルコーティング、フラットパネルディスプレイ、熱電気冷却パネル、太陽光吸収体、接着剤表面、電子エミッタ、苦痛のある皮膚の触覚感知、磁気装置、アンチリフレクション/低誘電率コーティング、湿度感知及びマイクロ液体ポンピングシステムのような応用がある。
【００５０】
螺旋状の二つの異方性媒体として利用する際には、蒸着材料は、関心のある電磁放射線の波長で少なくとも部分的に透明であるべきである。本発明は、光学的、赤外線、マイクロ波及びミリメータ波長を有する光のフィルタリング有用性のある構造を作ることができると、信じられる。
【００５１】
別の実施態様では、基板への蒸気の流れの到達方向は、基板の周りに配した複数の蒸気源の連続的動作により得られる。この動作のため、蒸気源にはスパッタリング装置を利用することが便利である。蒸気源は、基板に配した半球形包囲体の周辺に位置する。例えば、その包囲体の頂点に単一の源があり、数多、例えば４つの源は数層のそれぞれに配する、又は源のリングが頂点から外に向かって及び下に向かって配される。隣接層の源は互いにずれている。蒸気源が作動して連続的に蒸気を発生させ（オン及びオフに調整して）、さまざまな方向に到達させる。基板への蒸気の流れの到達方向は、基板に垂直に、又は入射角度が変化するように回転させる。本発明の原理による基板への蒸気の流れの到達方向における変化を行う他の方法は、当業者には思い浮かび、特許請求の範囲によりカバーされている。
【００５２】
当業者は、本発明の本質から逸脱することなく、本特許明細書に記載された発明によって重要でない変更態様を想到するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１Ａは、どのように陰のある模様がカラム状のフィルムのマイクロ構造を形成するのかを、先行技術での理解を示す模式図である。
図１Ｂから図１Ｄは、先行技術での流れの角度の変化をどのようにカラム角度及び多孔性を変化させるのに利用されるかを示す。
【図２】入射の流れ角度でのカラム角度の変化を示すグラフである。
【図３】従来生じなかったかカラム状の薄いフィルムを模式的に示す。
【図４】図３で説明した先行技術での限界を、二方向性流れの入射がどのように克服されるのに利用されるかを示すカラム状の薄いフィルムの側面図を示す。
【図５】図３で説明した先行技術での限界を、二方向性流れの入射がどのように克服されるのに利用されるかを示すカラム状の薄いフィルムの側面図を示す。
【図６】本発明の原理をなすカラム状フィルムを示す。
【図７】図７は本発明の一つの態様の操作を示す、回転する基板の平面図である。
図７Ａは、基板回転の停止を介在させ、方位角の周りに基板の急速回転中の間の時間間隔の変化を示すグラフである。
図７Ｂは、基板の繰返し急速スピニング及び停止運動を示すグラフである。
図７Ｃは、図７Ａで示した基板回転を利用して形成された薄いフィルムのカラムの詳細を示す。
図７Ｄは、周期的に速い及び遅い回転速度での基板の回転を示すグラフである。
図７Ｅは、図７Ｄの基板回転の結果から生じたカラム成長を模式的に示す。
【図８】本発明により形成された新規な螺旋（内部螺旋）を示す斜視図である。
【図９】側面図で示した典型的基板で、蒸気の流れを利用して基板に薄いフィルムを蒸着させる本発明の一つの態様による装置を模式的に示し、よって極性のある角度変化がどのように蒸気の流れの入射を変化させるかを示す。
【図１０】平面図の基板のある図９の装置を示し、よってその基板の平面の法線を中心とする基板の回転を示す。
【図１１】図１１は、図９及び図１０の装置で利用される制御素子を示す。
図１１Ａは、方位角及び極性のある角度の制御モータの配置を示す。
【図１２】模式的に電極を示し、キャップのある基板に蒸着させた螺旋の成長のある薄いフィルムの側面図である（実際に、各電極が数千の螺旋をカバーするので、電極は必ずしも比例したスケールではない）。
【図１３】密度を変化させた薄いフィルムのマイクロ構造の側面図である。
【図１４】バンド幅５０ｎｍ、反射率８２％の干渉フィルタの理論及び測定スペクトルを示すグラフである。

Claims

蒸着させた薄いフィルムの成長方法であって、
Ａ）基板の法線を中心としてある回転速度で、前記基板への蒸気の流れの到達方向を回転させながら、斜めの入射角度で一定設定の成長条件下で蒸気の流れを前記基板の表面にまず晒し、第一の成長方向に成長する複数のカラムからなる薄いフィルムの第一の部分が成長する段階と、
Ｂ）その後、前記表面を蒸気の流れに晒しながら、前記設定の成長条件を変化させて、夫々の前記複数のカラムの第二の部分を前記第一の成長方向からずれた成長方向に成長させる段階と、
Ｃ）段階Ａ及び段階Ｂを繰り返して前記基板にカラムからなる第一の薄いフィルムが生じる段階と、
を有する方法。
前記設定の成長条件を変化させることは、前記基板への蒸気の流れの到達方向の回転速度を変化させることからなる請求項１記載の方法。
前記設定の成長条件を変化させることは、前記基板への蒸気の流れの到達方向の回転速度を減少させることからなる請求項２記載の方法。
段階Ａの各繰返しにおいて、前記基板への蒸気の流れの到達方向は整数回回転する請求項２記載の方法。
初めの段階Ｂ以外の各段階Ｂにおいて、成長方向は先行する段階Ｂでの成長方向からずれている請求項２記載の方法。
各段階Ａにおいて、第一の成長方向は前記基板の表面に垂直である請求項２記載の方法。
初めの段階Ｂ以外の各段階Ｂにおいて、成長方向は先行する段階Ｂでの成長方向からずれている請求項６記載の方法。
第一の多孔性を有し、段階Ａ及びＢの繰返しにより形成された第一の薄いフィルムは、
異なる成長条件下で段階Ａ及びＢを繰り返し、前記第一の薄いフィルムに、前記第一の多孔性とは異なる第二の多孔性を有する第二の薄いフィルムを成長させることから更になる請求項２記載の方法。
夫々の薄いフィルム層が段階ＡおよびＢの繰り返しにより形成され、複数の薄いフィルム層で光学フィルタを形成させることから更になる請求項８記載の方法。
段階Ａ中の前記基板への蒸気の流れの到達方向の回転速度は十分に高く、前記基板への蒸気の流れの到達方向は、前記基板に垂直に測定され、薄いフィルムが蒸着させるべき材料の吸着原子の拡散距離に実質的に等しい距離分成長するのに必要とされる時間内に少なくとも１回回転する請求項２記載の方法。
勾配のある密度を有する薄いフィルムは、可変成長条件下で段階Ａ及びＢを繰り返すことにより作られる請求項２記載の方法。
前記基板が回転する請求項１記載の方法。
前記蒸気の流れの斜めの入射角度は、７０゜よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一つに記載の方法。