JP5265547B2 - 滑らかで緻密な光学膜を製造する方法 - Google Patents
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Description
真空チャンバを用意し、このチャンバ内に、
コーティングをその上に堆積すべき基板を提供し、
少なくとも1種類の選択されたコーティング材料源、またはコーティング材料源の混合物を提供し、電子ビームを用いて前記材料を蒸発させて、コーティング材料蒸気流束(flux)を提供する工程であって、その流束が、前記材料源から逆マスク(reversed mask)を通して前記基板に流れるものである工程、
プラズマ源からプラズマイオンを提供する工程、
前記基板を選択された回転数fで回転させる工程、および
この基板上にコーティング材料を堆積させ、材料の堆積プロセス前と間に、基板と堆積した材料にプラズマイオンを衝突させる工程、
を有してなる方法に関する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による薄膜を堆積させるための一般的な設備を示す概略図
【図2】 堆積蒸気流束および膜の配向を示す概略図
【図3】 蒸気流束の角度の関数として膜の柱の入射角度を示すグラフ
【図4】 プラズマ平滑化(「PS」)時間に関数としてのHfO2単層の4つの偏光モデル化表面粗さを示すグラフ
【図5】 プラズマ平滑化の前後のHfO2層を示す図
【図6】 プラズマ平滑化の前と12分後のHfO2単層の透過率を示すグラフ
【図7】 プラズマ平滑化の前後のSiO2層を示す図
【図8】 逆マスク(上側)および通常のマスク(下側)が載せられた52層SiO2/HfO2膜の粗さを示す図
【図9】 逆マスク(点線)および通常のマスク(実線)が載せられた52層SiO2/HfO2膜の透過率を示すグラフ
【図10】 逆マスク(上側)および通常のマスク(下側)が載せられたAl2O3単層を示す図
堆積流束分布およびそのプラズマイオンとの相互作用が、膜の微小構造の改善のために重要な役割を果たすことが知られている。図1は、標的29に衝突して、基板21上の堆積のための逆マスク24を通る蒸気流束20を生成する電子ビーム28、基板21が中に配置されている真空チャンバ26を有する堆積設備10を示している。それに加え、プラズマ22を生成するプラズマ源23がある。図1に示したように、2つの区域αとβがあり、そこでは、プラズマイオンの堆積材料との相互作用の機構が互いに著しく異なっている。区域αにおいて、プラズマイオンは堆積原子と衝突すると同時に、運動量が移行されて、圧縮された緻密な層が形成される。区域βにおいて、プラズマイオンは、堆積表面と連続的に衝突し、ここで、堆積は起こらず、運動量が移行されて、滑らかなコーティング表面が得られる。コーティングプロセス全体は、等式(1):
斜角堆積は、多孔質微小構造を持つ薄膜を成長させるために使用できる方法であることも知られている。堆積プロセス中の自己遮蔽効果を利用することによって、ナノ構造形成の基本的理解を求める多数の団体によって[Robbie, J. Vac Sci. Technol. A, Vol. 15(3) (1997), pp. 1460-1465; Liu, J. Appl. Phys., Vol. 85(8) (1999), pp 5486-5488; Hodgkinson, Microelectronic Engineering, Vol. 57-58 (2001), pp. 833-836; Dick, J. Vac Sci. Technol. B, Vol.21(1) (2003), pp. 23-28, and Vol. 21(6) (2003), pp. 2569-2575; Smy, J. Vac Sci. Technol. A, Vol. 18(5) (2000), pp. 2507-2512; Horn, Nanotechnology, Vol. 15 (2004), pp. 303-310; _2004, )を参照のこと]、光学フィルタおよび偏光子[Hodgkinson, Optics & Laser Technology, Vol. 31 (1999), pp. 295-298; Hodgkinson, Optics Communications, Vol. 177 (2000), pp. 79-84 and Vol. 210 (2002), pp. 201-211参照のこと]、反射器[Kim, Appl. Phys Lett., Vol. 88 (2006), p. 13501]、フォトニック結晶[Toader, Science, Vol. 292 (2001), pp. 1133-1135; and Kennedy, J. Vac Sci. Technol. B, Vol. 22(3), pp. 1184-1190]などの様々な用途のために、ナノポーラス薄膜が開発されてきた。最近、Xi, Optics Letters, Vol. 31 (2006), pp. 601-601により、ナノポーラスシリカ薄膜の屈折率が、700nmの波長で、1.08ほど低くできることが示された。その上、本出願人の実施において、多層コーティングのナノポーラス構造体の除去が、低損失のUVおよびDUV光学部品にとって重大であることがよく理解されている。しかしながら、ここに開示されているように、斜角堆積におけるナノポーラス構造体の形成の機構により、それが適切に適用されれば、緻密で滑らかな多層コーティングを製造できることが分かった。図2は、原子拡散が制限された条件下で基板21の垂線からφの角度[蒸気流束角]で到達する流束により、膜32が静止した基板21上に堆積されると仮定したときの、堆積蒸気流束22および膜の柱状方向の概略図である。その結果、堆積した膜の柱状微小構造が、図2に示したように、ψの入射角で形成される。柱の入射角ψは、膜の垂線Z(基板21により規定されるXY平面に対して垂直である)と蒸気流束角φとの間にあり、堆積された材料、基板の温度、堆積流束の角度分布、バックグラウンドのガス圧と組成およびプラズマの運動量移行を含む多くの堆積パラメータに依存する。回転数fは4から20rpmの範囲の値を有する。好ましい範囲は12から15rpmである。例示の値は14rpmである。
等式(1)により記載されたように、プラズマの堆積された表面との相互作用は、堆積が行われず、プラズマ平滑化のみしか起こらない区域β内で継続する。プラズマの平滑化効果は、標準的なプラズマ支援膜上のプラズマ処理を延長させることによって実証できる。図4は、プラズマ平滑化(PS)時間の関数としてのHfO2単層の偏光モデル化表面粗さを示すグラフである。表面粗さは、プラズマ平滑化の2分以内に急激に減少するのが分かる。延長されたプラズマ平滑化(最初の2分後の時間)は、初期段階におけるほど効果的ではない。(全体的に、プラズマ平滑化時間は、>0〜10分の範囲、好ましくは1〜4分の範囲にある。プラズマ平滑化は、任意のコーティング材料または膜の堆積の前に基板に行っても差し支えなく、またコーティングまたは膜が基板に完全に堆積された後に、追加の平滑化を行っても差し支えない。)表1は、プラズマ平滑化(PS)時間の関数としてのHfO2層の厚さおよび表面粗さの両方を列記している。偏光モデル化により、プラズマ平滑化は、プラズマと表面との相互作用の結果として、材料を数ナノメートル除去することが示唆される。偏光モデル化とAFM測定の両方が、表面粗さの減少を示している。
逆マスクの取付けにより、区域α内の堆積角が制限されると同時に、区域β内でその場でのプラズマ平滑化が行われる。この区域βにおいて、プラズマ平滑化は、ほぼ原子層基準で堆積された膜の表面で連続的に起こる。
20 蒸気流束
21 基板
23 プラズマ源
24 逆マスク
26 真空チャンバ
28 電子ビーム
29 標的
Claims (11)
- プラズマイオン支援堆積を用いて基板の表面上に選択された材料の薄膜を堆積させる方法であって、
真空チャンバを用意し、このチャンバ内に、
コーティングをその上に堆積すべき基板を提供し、
少なくとも1種類の選択されたコーティング材料源、またはコーティング材料源の混合物を提供し、電子ビームを用いて前記材料を蒸発させて、コーティング材料蒸気流束を提供する工程であって、該流束が、前記材料源から逆マスクを通して前記基板に流れるものである工程、
プラズマ源からプラズマイオンを提供する工程、
前記基板を選択された回転数fで回転させる工程、および
前記基板上にコーティング膜としてコーティング材料を堆積させ、材料の堆積プロセス前と間に、前記基板と前記膜に前記プラズマイオンを衝突させる工程、
を有してなり、
前記流束が、20°以下の角度φで前記基板に送達されることを特徴とする方法。 - 前記少なくとも1種類の選択されたコーティング材料源の提供が、Al2O3、SiO2、HfO2、Si3N4、TiO2、Ta2O5、ScO2、Y2O3およびZrO2、並びにそれらの混合物からなる群より選択される材料の提供を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記膜が、入射角ψで形成された柱状微小構造で堆積され、該入射角ψが0°から18°の範囲にある値であることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記プラズマイオンがプラズマガスから形成され、該プラズマガスが、アルゴン、キセノン、およびアルゴンまたはキセノンと酸素との混合物から選択されることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記基板が、シリコン(Si);混合アルカリ金属フッ化物単結晶を含むアルカリ金属フッ化物単結晶;溶融シリカ;フッ素ドープト溶融シリカ;TiO2、Al2O3、B2O3、SnOおよびZrO2からなる群より選択される少なくとも1種類の物質がドープされた溶融シリカ;シリカ(SiO2);TiO2、Al2O3、B2O3、SnOおよびZrO2からなる群より選択される少なくとも1種類の物質がドープされたシリカ;光学ガラス;およびZnS、ZnSeおよびAs2S3カルコゲニドガラス:からなる群より選択されることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記基板の表面を緻密化し、平滑化するために、前記コーティング材料の堆積の前に、前記基板に前記プラズマイオンを衝突させる追加の工程を含み、前記衝突工程が、1から4分の範囲の時間に亘ることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 請求項1から6のいずれか1項記載の方法により作成されたことを特徴とする製品。
- それによって被覆基板を形成するために、基板および該基板上の選択された材料の滑らかで緻密な非晶質の薄いコーティングを有してなる光学素子であって、
前記被覆基板が、約200nmから約400nmの範囲の電磁放射線に対して透明であり、
該被覆基板が、<1.0nm rmsの被覆表面粗さを有し、
前記滑らかで緻密な非晶質の薄いコーティングが、HfO 2 、SiO 2 とHfO 2 との混合物、またはSiO 2 とZrO 2 との混合物であることを特徴とする光学素子。 - 前記被覆表面の表面粗さが<0.5nm rmsであることを特徴とする請求項8記載の光学素子。
- 前記基板が、シリコン、SiO2、溶融シリカ、光学ガラス、ゲルマニウム、フッ素ドープト溶融シリカ、TiO2ドープトシリカ、TiO2ドープト溶融シリカ、並びにZnSe、As2S3およびZnSカルコゲニドガラスからなる群より選択されることを特徴とする請求項8記載の光学素子。
- 245〜325nmの範囲で動作する、UV高周波数パス光学フィルタであることを特徴とする請求項8から10のいずれか1項記載の光学素子。
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