JP4405615B2 - 光学薄膜成膜方法および光学薄膜 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に光学素子の表面にコーティングされる光学薄膜材料、及びその作成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、傾斜膜のような連続的に屈折率が変化する膜を作成するには特開平07−56001、特開平09−68601、特開平05−65649、特開平05−65648のようにCVD法を用いるのが一般的であった。また、スパッタ法においても「薄膜光デバイス」(吉田 貞史、矢嶋 弘義著:東京大学出版)に示すように、複数のターゲットを用いる方法、または酸化膜の場合、酸素分圧を変えて酸化度を制御する方法、または膜密度を変化させる方法などがあった。また、特開平08−201601のようにターゲット材料に弗化物を用いて、投入ガスを酸素を含むガスとし、ターゲットに供給する電力を変えることによって傾斜膜を得る方法。また、登録No.2556206のようにターゲットに酸化物を用いたイオンビームスパッタなどであった。また、特開平09−263937のように、複数の金属材料のターゲットとそれによってできた金属膜を化合物に変換する設備を持った装置による方法であった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
一般にCVDに使われる金属ガスは、可燃性、腐食性、猛毒性などがあり、危険度が大きく、ガス供給設備及びガス処理設備などに多大な出費がかかる。また、低基板温度(摂氏200度以下)で成膜すると、不純物ガス成分が十分に除去できない。そのため膜密度、密着性、膜強度が低下し、さらには光学性能も十分なものが得られない。また、傾斜膜を単独で使わない膜構成の場合、傾斜膜を成膜するためだけにCVDを使うというのは効率的ではない。
【0004】
スパッタにおいて複数種材料のターゲットを用いた場合は、スパッタ率の違う材料のターゲットを個別に制御して、基板上での屈折率を制御するという方法であり、膜に自由な屈折率を持たせるためには、導入パワー、ガス分圧、スパッタ粒子の分布などを考慮しなければならなく、複雑な手順が必要となる。さらに、リアクテイブスパッタの場合は、ターゲット材料による反応性の違いも考慮しないとならないため、さらに複雑な手順が必要となる。
【0005】
酸素分圧を変えて、酸化膜の酸化度を変えて屈折率を変化させる方法は、酸化度に応じて光吸収が変化するため、使用波長域が限られる。
【0006】
膜密度を変化させる方法では、密度が疎の場合、膜に吸湿が起こり、屈折率が経時変化する。また、水分が膜を透過して基板にヤケを生じさせるなど、耐候性に大きな問題がある。
【0007】
特開平08−201601のように、弗化物ターゲットを用い、投入する酸素系のガスを一定にしてターゲットの投入電力を変化させる方法は、つまり成膜レートによって、酸化の度合いを変える方法であり、酸化度の高い膜を得たい場合には、レートはほとんど0になってしまい生産性はない。特開平09−263937のように複数の金属材料のターゲットと反応室を持つ装置では、基板の搬送機構など、構造が複雑であり、高価な装置になってしまう。また、一度金属膜を付けてからその膜を金属化合物に変換するという手順を踏むため、一つの屈折率の膜を得るために2回以上の成膜の手順が必要である。膜厚が厚くなるにしたがい、変換の手順が多くなり膜のストレスが大きくなり、耐久性に問題がある膜になることは容易に予想できる。また、手順の多さで、簡便な作成法とはいえない。
【0008】
また、弗化物をターゲットとしてスパッタした場合、ターゲットからのF−の負イオンの影響により、基板上で格子欠陥などが生じ透明な弗化膜はできなかった。
【0009】
本発明は前記の問題点を解決した新規の光学薄膜成膜法及び該方法により成膜した光学薄膜を提供することを目的とする。
【0010】
【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。
【0011】
すなわち、本発明はスパッタ法によって基板に光学薄膜を形成する光学薄膜成膜方法において、
弗化物ターゲットを用い、該基板の位置を該弗化物ターゲット表面の法線域から外すとともに該基板の法線を弗化物ターゲット表面の法線と交差させ、かつ成膜時に導入するスパッタガスと酸化物系反応性ガスの流量比を変えることにより、膜厚方向に向かって連続的あるいは段階的に屈折率が変化する傾斜膜を成膜することを特徴とする弗化物光学薄膜成膜方法を提案するものであり、該基板の法線を弗化物ターゲット表面の法線と垂直に交差させること、前記弗化物ターゲットにAlF3を用いること、前記弗化物ターゲットにMgF2を用いること、前記スパッタガスとしてHe、Ne、Ar、KrおよびXeのうち1種類以上を用い、前記酸化物系反応性ガスとして、O2、H2O、O3、N2O、NO、NO2、CO2、COおよびSO2のうち1種類以上用いることを含む。
【0012】
また本発明は前記弗化物光学薄膜成膜方法で成膜された膜であって、屈折率を膜厚方向に向かって連続的あるいは段階的に変化させてなる弗化膜からなることを特徴とする弗化物光学薄膜を提案するものである。
【0013】
また、本発明は前記の弗化物光学薄膜成膜方法で成膜された膜であって、屈折率を膜厚方向に向かって連続的あるいは段階的に変化させてなる酸化膜と弗化膜との混合膜からなることを特徴とする弗化物光学薄膜を提案するものである。
【0015】
本発明は弗化物ターゲットを持つスパッタ装置において、基板位置をターゲット面の法線域に入らない位置に配置し、成膜時に真空容器内に、スパッタガスと反応性ガスを導入し、そのガスの流量比を連続的、あるいは段階的に制御することにより、化合物膜の屈折率を制御可能となる。
【0016】
本発明は、スパッタ法で基板位置を工夫し、また導入するガス種の流量比を変えることにより、膜中の酸化物と弗化物の組成比を変えられる。そのため、大がかりな装置がいらず、簡便に無理なく屈折率を自由に変えることが可能となる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照してさらに説明する。
【0018】
図1は本発明のスパッタリング法の実験装置の一例を示す概略図である。
【0019】
本発明により光学薄膜を成膜するには図1に示すように真空槽101内にマグネトロンカソードなどにAlF3 ,MgF2 ,LaF2 ,CaF2,NaF,PbF2 ,BaF2 ,LiF,等の弗化物材料を取り付け、ターゲット102として用いる。真空槽101内には内部を排気するための排気ポンプ104が設けられていると共にシャッター108が設けられており、真空槽101内の放電が安定状態になるまでターゲット102と基板105間を塞ぐようになされている。
【0020】
電源は10〜300MHzのRF、DC,AC,マイクロ波などが用いられ、インピーダンスマッチングボックスを介してカソードに電力が供給される。
【0021】
基板105としてガラス、蛍石、SiO2 などが用いられる。
【0022】
また、基板位置はターゲット面から法線を引いた領域111に入らないようにすることが肝要である。
【0023】
導入ガスとしてはスパッタガスとしてHe,Ne,Ar,Kr,Xeのうち1種類以上を用い、反応性ガスとして、O2 ,H2 O,O3 ,N2 O,NO,NO2 ,CO2 ,CO,SO2 の酸化物系ガスを1種以上使用する。
【0024】
導入ガスはマスフローコントローラ109にて流量を制御し、またRFのパワー及びガス流量は、パーソナルコンピューター110により制御する。
【0025】
本発明の光学薄膜を成膜するには真空槽101内を1×10-4Pa以下、排気系104にて排気し、その後、マスフローコントローラコントローラー109を介してガス管107よりスパッタガスと、ガス管106より反応性ガスを所望のガス流量導入する。
【0026】
この際、ガスの流量はパーソナルコンピューター110にて制御する。
【0027】
次いで高周波電源103からの電力をターゲット102に供給し、プラズマを発生させる。
【0028】
この際、供給電力は、パーソナルコンピューター110にて制御し、2500Wまで段階的に供給する。
【0029】
その後シャッター108を開き、基板上へ成膜させる。成膜中にスパッタガスと酸化物系ガスとの流量比を変えることにより任意の屈折率の光学薄膜が得られる。
【0030】
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。
【0031】
【実施例】
(実施例1)
図1は本実施例のスパッタリング法の実験装置の概略図である。
【0032】
真空槽101にはその内部を排気するための排気ポンプ104が取り付けられている。ターゲット102はマグネトロンカソードに取り付けられたAlF3 である。真空槽内部には、シャッター108が設けられており、放電が安定状態になるまでターゲットと基板105の間を塞いでいる。高周波電源103には13.56MHzのRFを用いており、マッチングボックスを介してカソードに電力が供給される。基板105には石英を用いる。なお基板位置はターゲット面からの法線を引いた領域111に入らないようにする。導入ガスは、Ar及びO2 であり、マスフローコントローラー109にて流量を制御している。なお、RFのパワー及びガス流量は、パーソナルコンピューター110にて制御を行う。
【0033】
本実施例の光学薄膜及びその成膜方法を説明する。まず、1×10-4Pa以下まで真空槽101内を排気系104にて排気する。その後、マスフローコントローラー109を介してガス管107よりAr、ガス管106よりO2 を所望のガス流量導入する。この際ガスの流量はパーソナルコンピューター110にて制御する。次に電源からの電力をターゲットに供給し、プラズマを発生させる。この際、供給電力は、パーソナルコンピューター110にて制御しており、約3分間で2500Wまで段階的に供給する。その後シャッター108を開き、基板上への成膜を開始する。
【0034】
この方法で基板上に成膜される膜の屈折率と導入するAr,O2 ガスの流量との関係を図2に示す。図2より、ガスの流量により屈折率が制御されていることがいえる。
【0035】
(実施例2)
図3は本実施例のスパッタリング法の実験装置の概略図である。
【0036】
真空槽301にはその内部を排気するための排気系309が取り付けられている。対向に配置したターゲット303はマグネトロンカソードに取り付けられたMgF2 である。真空槽内部には、シャッター310が設けられており、放電が安定状態になるまでターゲットと基板302の間を塞いでいる。高周波電源305には13.56MHzのRFを用いており、マッチングボックス304を介してカソードに電力が供給される。基板302には石英を用いる。基板を固定する基板ホルダー306は、回転及び首振り機構を備えており、膜厚むらをとることができ、基板加熱機構も備えている。なお、基板位置はターゲット面からの法線を引いた領域311に入らないようにする。導入ガスは、Ar及びO2 ガスであり、それぞれマスフローコントローラー307にて流量を制御している。なお、RFのパワー及びガス流量は、パーソナルコンピューター308にて制御を行う。本実施例の光学薄膜及びその成膜方法を説明する。まず、1×10-4Pa以下まで真空槽301内を排気系309にて排気する。その後、マスフローコントローラー307を介してAr及びO2 を所望のガス流量導入する。この際ArガスとO2 ガスの流量はパーソナルコンピューター308にて制御する。次に電源からの電力をターゲットに供給し、プラズマを発生させる。この際、供給電力は、パーソナルコンピューター308にて制御しており、約3分間で2500Wまで段階的に供給する。その後シャッター310を開き、基板上への成膜を開始する。成膜中にArとO2 の流量比を変えることにより、MgF2 からMgOの混合膜ができ、任意の屈折率を得ることができる。
【0037】
ターゲットを対向にすることにより、加速されたFの負イオンによるスパッタ効果で、高いレートが得られる。
【0038】
(実施例3)
図4は本実施例のスパッタリング法の実験装置の概略図である。
【0039】
真空槽401にはその内部を排気するための排気系409が取り付けられている。対向に配置したターゲット403はマグネトロンカソードに取り付けられたAlF3 である。真空槽内部には、シャッター410が設けられており、放電が安定状態になるまでターゲットと基板402の間を塞いでいる。高周波電源405には13.56MHzのRFを用いており、マッチングボックス404を介してカソードに電力が供給される。基板402には石英を用いる。基板を固定する基板ホルダー406は、回転及び首振り機構を備えており、膜厚むらをとることができ、基板加熱機構も備えている。なお、基板位置はターゲット面からの法線を引いた領域411に入らないようにする。導入ガスは、Ar,O2 ,Heガスであり、それぞれマスフローコントローラー407にて流量を制御している。なお、RFのパワー及びガス流量は、パーソナルコンピューター408にて制御を行う。
【0040】
本実施例の光学薄膜及びその成膜方法を説明する。まず、1×10-4Pa以下まで真空槽401内を排気系409にて排気する。その後、マスフローコントローラー407を介してAr及びO2を所望のガス流量導入する。この際ArガスとO2ガス及びHeガスの流量はパーソナルコンピューター408にて制御する。次に電源からの電力をターゲットに供給し、プラズマを発生させる。この際、供給電力は、パーソナルコンピューター408にて制御しており、約3分間で2500Wまで段階的に供給する。その後シャッター410を開き、基板上への成膜を開始する。成膜中にHeガスの流量は一定にし、ArとO2の流量比を変えることにより、AlF3からAl 2 O 3 の混合膜ができ、任意の屈折率を得ることができる。
【0041】
ターゲットを対向にすることにより、加速されたFの負イオンによるスパッタ効果で、高いレートが得られる。また、Heガスを流すことにより、膜の密度が高められる。
【0042】
【発明の効果】
本発明により、スパッタ法にて、複数のターゲット材料を用いずに傾斜膜が作成可能となる。
【0043】
本発明により、弗化物系のガスを用いずに傾斜膜ができるため、処理系が非常に簡単なものとなり、生産性が高い。
【0044】
本発明により、酸化物系ガスと希ガスの流量比のみを変えるだけで、高い屈折率制御性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光学薄膜を形成するためのスパッタ装置の概略構成を示す説明図である。
【図2】実施例1記載の、導入するAr,O2 ガスの流量と成膜される膜の屈折率の関係を示すグラフである。
【図3】本発明の実施例2に示すスパッタ装置の説明図である。
【図4】本発明の実施例3に示すスパッタ装置の説明図である。
【符号の説明】
101,301,401 真空槽
102,403 AlF3ターゲット
103,305,405 高周波電源
104,309,409 真空排気系
105,302,402 石英基板
106 O2ガス配管
107 Arガス配管
108,310,410 シャッター
109,307,407 マスフローコントローラー
110,308,408 パーソナルコンピューター
111,311,411 ターゲット面の法線領域
303 MgF2ターゲット
306,406 基板ホルダー
304、404 マッチングボックス
Claims (7)
- スパッタ法によって基板に光学薄膜を形成する弗化物光学薄膜成膜方法において、
弗化物ターゲットを用い、該基板の位置を該弗化物ターゲット表面の法線域から外すとともに該基板の法線を弗化物ターゲット表面の法線と交差させ、かつ成膜時に導入するスパッタガスと酸化物系反応性ガスの流量比を変えることにより、膜厚方向に向かって連続的あるいは段階的に屈折率が変化する傾斜膜を成膜することを特徴とする弗化物光学薄膜成膜方法。 - 該基板の法線を弗化物ターゲット表面の法線と垂直に交差させる請求項1記載の弗化物光学薄膜成膜方法。
- 前記弗化物ターゲットにAlF3を用いる請求項1または2記載の弗化物光学薄膜成膜方法。
- 前記弗化物ターゲットにMgF2を用いる請求項1または2記載の弗化物光学薄膜成膜方法。
- 前記スパッタガスとしてHe、Ne、Ar、KrおよびXeのうち1種類以上を用い、前記酸化物系反応性ガスとして、O2、H2O、O3、N2O、NO、NO2、CO2、COおよびSO2のうち1種類以上用いる請求項1〜3の何れか一項記載の弗化物光学薄膜成膜方法。
- 請求項1〜5のうちのいずれか1項に記載の弗化物光学薄膜成膜方法で成膜された膜であって、屈折率を膜厚方向に向かって連続的あるいは段階的に変化させてなる弗化膜からなることを特徴とする弗化物光学薄膜。
- 請求項1〜5のうちのいずれか1項に記載の弗化物光学薄膜成膜方法で成膜された膜であって、屈折率を膜厚方向に向かって連続的あるいは段階的に変化させてなる酸化膜と弗化膜との混合膜からなることを特徴とする弗化物光学薄膜。
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