JP6286202B2

JP6286202B2 - ウエッジ膜の形成方法

Info

Publication number: JP6286202B2
Application number: JP2013262750A
Authority: JP
Inventors: 友弘藤沢; 鈴木　洋一; 洋一鈴木; 博貴河合
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2033-12-19
Also published as: JP2015117421A

Description

この発明は、基板の平坦面に対して傾斜する膜面を有するウエッジ膜をスパッタリング装置を用いて形成する方法に関する。

フィルタやミラーなどの光学素子に光が入射するとき、その入射光のスポットの中心と端部とでは光の入射角度が異なるのが普通である。ところで、誘電体多層膜ミラーなどの光学素子では、入射する光の角度が僅かに変化しただけで光学特性が大きく変化してしまう。この光学特性の変化は、光学素子に入射する光ビームの中心付近と端部とで位相差が生じてしまうことに起因する。そのため、誘電体多層膜ミラーなどの光学素子では光の入射位置に応じて位相差を調整することが必要となる。そして、光の入射位置に応じて光学素子の特性を調整する技術として膜厚傾斜成膜（ウエッジ成膜）技術がある。

ウエッジ成膜技術は、周知のスパッタリングや真空蒸着などの成膜技術を応用し、ターゲットと基板との配置関係や、基板の表面における成膜領域を限定するための遮蔽マスクの配置や形状などを工夫することで、ターゲットから放出される成膜材料が基板表面に対して傾斜する膜面を形成するようにしている。

光学素子を対象としたウエッジ成膜技術では、基板表面に光学薄膜（石英ガラス、ＩＴＯ透明電極など）を徐々に膜厚が厚くなるような傾斜形状の膜（ウエッジ膜）を形成している。例えば誘電体多層膜ミラーでは、入射光の中心位置から端部に向けて膜厚が徐々に薄くなるようにウエッジ膜を形成すれば、入射光の端部での位相差を相殺することができる。なお、光学素子を対象としたウエッジ成膜技術は、位置による光学特性のバラツキを均一にする場合だけではなく、光学素子における光の入射面の光学特性を積極的に変える場合にも利用されている。以下の特許文献１〜３などにはウエッジ成膜技術についての具体的な内容について記載されている。また、以下の特許文献４には本発明に関連する技術について記載されている。

特開２００３−１５５５５６号公報特開平９−２９６２６５号公報特開２００７−１７８８２２号公報特開２００７−２５６３１１号公報

上記特許文献１〜３にも記載されているように、ウエッジ成膜技術には各種方式がある。しかし上記特許文献１に記載のウエッジ成膜技術では、カルーセルタイプの基板ホルダを備えた膜厚補正機構が必要であり、スパッタリング装置や真空蒸着装置等の成膜装置に大掛かりな改良を加える必要がある。また特許文献２には基板を斜めに設置することでウエッジ膜を形成する技術が記載されているが、この技術では成膜装置の処理室（チャンバー）の容積が限られているため、ウエッジ膜の傾斜角度範囲が限られてしまう。特許文献３に記載のウエッジ成膜技術では、基板においてウエッジ膜が形成される側の面（以下、成膜面とも言う）に対し、遮蔽マスクを所定の角度で立設させている。それによって遮蔽マスクの陰になる部分で他の部分より膜厚が薄くなり、この陰となる部分に傾斜面が形成されるようになっている。しかし基板の成膜面に対して遮蔽マスクを立設させているため、遮蔽マスクの陰になる部分に蒸着物が容易に回り込み、膜厚や傾斜角度を精密に制御することが難しくなる。遮蔽マスクを成膜面に対して立設させた状態で固定するための構造も必要となる。

特許文献４には、開口部を有する平板状の遮蔽マスクを用いて基板の所定領域に膜を形成する技術について記載されており、この技術では、遮蔽マスクの断面形状を工夫することで遮蔽マスクの開口部の縁の近傍で膜厚が不足することを防止している。すなわち、当該文献４には遮蔽マスクの開口部の縁の近傍にはウエッジ膜が形成されることが示唆されている。しかしながら、遮蔽マスクの開口部の縁にウエッジ膜を形成する場合、目的とする膜厚と傾斜角度を個別に制御することができない。

図１は、引用文献４に記載の技術を転用したウエッジ成膜技術の概略を示している。図１（Ａ）はウエッジ膜を形成する際の基板１０とターゲット３０との配置関係を示す図であり、基板１０における成膜面１１を下方として、当該基板１０を下方から見たときの配置を示している。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した基板１０とターゲット３０の配置を図中白抜き矢印で示した方向から見たときの側面図である。なお基板１０と遮蔽マスク（以下、マスクとも言う）２０については、図１（Ａ）におけるａ−ａ矢視断面図によって示している。

これらの図に示したように、基板１０の成膜面（以下、下面とも言う）１１とターゲット３０の上面３１は平行であり、基板１０はターゲット３０に対して斜め上方に配置されている。ここでは、基板１０の中心Ｏｓとターゲット３０の中心Ｏｔとを結ぶ直線５１と成膜面１１との交差角度（以下、入射角度とも言う）をθとしている。スパッタリングに際しては、ターゲット３０から放出された成膜材料の粒子が基板１０に対して斜め下方から入射し、当該基板１０の下面１１に付着する。

図２と図３に図１に示したウエッジ膜４０の形成方法の問題点を示した。図２は、図１（Ｂ）における円１００内を拡大した図であり、図２（Ａ）は、マスク２０の厚さｔｍが厚い場合であり、図１（Ｂ）はマスク２０の厚さｔｍが薄い場合を示している。図３は図１に示した方法でウエッジ膜４０を形成する際のマスクの厚さｔｍと傾斜角度φとの関係を示しており、ここでは、２．５ｍｍ四方の正方形状の開口部２１を有するマスク２０を用いるとともに、開口部２１の中心と基板１０の中心Ｏｓとが一致し、入射角度θ＝３８゜であるものとしている。

まず図２（Ａ）、（Ｂ）に示したように、基板１０に対してターゲット３０が斜め下方にあり、このターゲット３０から放出された成膜材料がマスク２０の開口部２１を介して基板１０の下面１１に付着する。このとき、基板下面１１においてマスク２０の縁の陰となる領域（以下、傾斜領域とも言う）１２に傾斜面４１が形成される。なおここではターゲット３０と基板１０との距離Ｌｃに対し、マスク２０の開口部２１の面積が極めて小さい場合を想定している。したがって、ターゲット３０の全面から放射状に拡散する成膜材料の粒子は、開口部２１から露出した基板１０の下面１１に対し、一律に上記入射角度θで入射してくるものとしてよい。

そして基板１０とターゲット３０との位置関係が固定されていれば、図１（Ａ）に示したようにマスク２０の厚さｔｍが厚い場合では、傾斜領域１２における「影」の長さ（以下、傾斜距離とも言う）Ｌａは長くなり、傾斜角度φが小さくなる。マスク２０の厚さｔｍが薄い場合は、図２（Ｂ）に示したように傾斜距離Ｌａが短くなり、傾斜角度φが大きくなる。

マスク２０の厚さｔｍと傾斜距離Ｌａとの関係については、図３に示したように比例の関係にある。すなわち、マスク２０を厚くすると傾斜距離Ｌａが長くなり傾斜角度φが小さくなる。マスク２０を薄くすると傾斜距離Ｌａが短くなり傾斜角度φが大きくなる。すなわち、厚さｔｍのマスク２０を用いてウエッジ膜４０を形成しようとすると、マスク２０の厚さｔｍによって傾斜面４１が形成される傾斜領域１２が規定され、膜厚ｔを厚くするのに従って傾斜角度φも増大していく。したがって、ウエッジ膜の厚さｔと傾斜角度φを個別に制御することができない。例えば、ある膜厚ｔを確保しつつ、所定の傾斜角度φを得ようと思えば、所定の傾斜角度φとなるまで膜厚ｔを厚くし、その後、膜面を研磨するなどして膜厚ｔを調整することが必要となる。所定の傾斜角度φが得られても目的とする膜厚ｔに足らないということもある。とくに傾斜角度φが０．１゜に満たないような極めて緩い傾斜面を有するウエッジ膜では、その傾斜角度φを得ること自体が難しい。

そこで本発明は、スパッタリング装置に大掛かり改造を加える必要がなく、膜厚と傾斜角度を個別に精度よく制御できるウエッジ膜の形成方法を提供することを主な目的としている。

そして、上記目的を達成するための本発明は、基板の平坦面に対して傾斜する膜面を有するウエッジ膜をスパッタリング装置を用いて形成する方法であって、
前記スパッタリング装置は、前記平坦面の法線方向である上下方向に延長された回転軸周りに回転可能に前記基板を取付けるための基板ホルダと、
前記基板ホルダに取り付けられた前記基板に対し、前記回転軸と直交する前後方向における前方側に位置して斜め下方に配置され、前記膜面の起源となる成膜材料からなるターゲットと、
を備え、
開口部を有する遮蔽マスクを前記基板の下面に積層するとともに、当該基板を前記基板ホルダに装着する基板装着ステップと、
前記基板を前記遮蔽マスクとともに回転させながらスパッタリングして、前記ターゲットから放出される前記成膜材料を前記遮蔽マスクの前記開口部から露出する前記基板下面に付着させることで、当該基板下面において前記遮蔽マスクの前記開口部の縁の陰となる領域に前記ウエッジ膜を形成させる成膜ステップと、
を含み、
前記遮蔽マスクの前記開口部の平面形状は、前記回転軸周りに回転したときに、当該遮蔽マスクの下面と前記回転軸との交点を通るとともに上下前後の各方向に直交する左右方向に沿う直線に対して線対称となりうる形状をなし、
前記基板装着ステップでは、前記ターゲットの中心と前記回転軸とが前後方向に直線上に配置されるとともに、前記ターゲットの上面と前記基板の下面とが互いに平行となるように離間し、
前記成膜ステップでは、前記回転軸周りに回転する前記基板及び前記遮蔽マスクの回転中に前記遮蔽マスクの前記開口部が、前記左右方向に沿う直線に対して線対称となる二つの回転位置のうちの一方となる基準状態での時間Ｔ１と、前記二つの回転位置のうちの他方となり前記基準状態から１８０度回転した反転状態での時間Ｔ２とを不均一とし、前記時間Ｔ１と前記時間Ｔ２との合計時間Ｔを調整することで前記ウエッジ膜の膜厚を制御し、前記時間Ｔ１と前記時間Ｔ２との時間割合を調整することで前記ウエッジ膜の傾斜角度を制御する、

ことを特徴とするウエッジ膜の形成方法としている。

前記成膜ステップでは、前記基準状態と前記反転状態にあるときに前記基板の回転を停止させるとともに、当該基準状態と前記反転状態にあるときのみスパッタリングを行うウエッジ膜の形成方法としてもよい。

前記遮蔽マスクには前記開口部が前記回転軸を通る直線上に一列に複数配置されているとともに、前記成膜ステップでは、前記基板の回転中に前記複数の開口部が左右方向に一列に並ぶ二つの回転位置の一方にあるときを前記基準状態とし、他方にあるときを前記反転状態とするウエッジ膜の形成方法とすることもできる。

本発明のウエッジ膜形成方法によれば、コストアップを伴わずにウエッジ膜の傾斜角度と膜厚を個別に精度よく制御することが可能となる。

マスクを用いた従来のウエッジ膜の形成方法の概略を示す図である。上記従来のウエッジ膜の形成方法の問題を説明するための図である。上記従来のウエッジ膜の形成方法における傾斜距離とマスクの厚さとの関係を示す図である。一般的な空間変調器（ＳＬＭ）の概略構造を示す図である。上記一般的なＳＬＭの問題点を説明するための図である。上記一般的なＳＬＭ問題点を解決した特性に優れた先発明に係るＳＬＭの概略構造を示す図である。本発明の基本的な実施例に係るウエッジ膜の形成方法の概略を示す平面図である。上記基本的な実施例に係るウエッジ膜の形成方法の概略を示す側面図である。上記基本的な実施例に係るウエッジ膜の形成方法によるウエッジ膜の形成過程を示す図である。上記基本的な実施例に係る方法におけるウエッジ膜の形成状態を拡大した図である。本発明の第１の実施例に係る方法と第１の比較例に係る方法のそれぞれによって形成されるウエッジ膜の膜厚と傾斜角度との関係を示す図である。本発明の第２の実施例に係る方法と第２の比較例に係る方法のそれぞれの概略を示す図である。上記第２の比較例に係るウエッジ膜の形成方法の欠点と、上記第２の実施例に係るウエッジ膜の形成方法の利点とを説明するための図である。本発明の第２の実施例に係る方法と第２の比較例に係る方法のそれぞれによって形成されるウエッジ膜の膜厚分布を示す図である。本発明のその他の実施例に係るウエッジ膜の形成方法の概略を示す図である。

本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。図面によっては説明に際して不要な符号を省略することもある。

＝＝＝本発明の適用例＝＝＝
本発明の実施例に係るウエッジ膜の形成方法（以下、成膜方法とも言う）は、例えば、電気光学結晶の電気光学効果を利用した空間光変調器に適用することができる。図４に一般的な空間変調器（以下、ＳＬＭとも言う）１の概略構造を示した。例示したＳＬＭ１は、光通信における周知の波長分割多重技術に対応し、異なる三つの波長（λａ〜λｃ）の光（Ｂａ〜Ｂｃ）を入射し、その各波長（λａ〜λｃ）の入射光（Ｂａ〜Ｂｃ）の強度を変調した上で出力する。

ＳＬＭ１において、光（Ｂａ〜Ｂｃ）の入射側を前方とするとともに、その光（Ｂａ〜Ｂｃ）が前後方向に進行するものとすると、当該ＳＬＭ１は、後端側にＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ_３）からなる基板６が配置され、前方に向かって反射板を兼ねる金属電極層５、電気光学結晶層４、透明電極層３、および誘電体ミラー層２がこの順に積層された構造となっている。誘電体ミラー層２は、例えば、Ｔａ_２Ｏ_５の薄膜とＳｉＯ_２の薄膜を交互に積層した多層膜であり、透明電極層３は周知のＩＴＯを主体として構成されている。電気光学結晶層４はＰＬＺＴやＫＴＮ（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３）などからなる。またＡｕなどからなる金属電極層５は、異なる波長（λａ〜λｃ）の光（Ｂａ〜Ｂｃ）のそれぞれに対応して個別のセル電極（５ａ〜５ｃ）から構成されている。

上記構成のＳＬＭ１は、ファブリペロー共振器として動作し、駆動回路７により透明電極層３と金属電極層５との間に可変電圧による電気信号が印加されることによって電気光学結晶層４の電気光学特性（例えばカー効果などの電気光学効果に基づく屈折率、電歪効果に基づく光路長）が調整される。すなわち位相差が調整される。それによって、入射した各波長（λａ〜λｃ）の光（Ｂａｉ、Ｂｂｉ、Ｂｃｉ）は、電気光学結晶層４を挟持する誘電体ミラー２と反射板である金属電極層５間で多重反射しながらその位相差に応じた波長で共振し、入射光（Ｂａｉ、Ｂｂｉ、Ｂｃｉ）の当初の中心波長（λａ〜λｃ）がシフトする。その結果、波長（λａ〜λｃ）毎に利得が個別に調整された光（Ｂａｏ、Ｂｂｏ、Ｂｃｏ）が前方に向けて出射する。

しかしながら、この図４に示したＳＬＭ１では、電界強度が同じ場合では、入射した光の変調量がその入射光の波長によって異なる、という問題があった。図５に当該問題を具体的に示した。図５（Ａ）に示したように、各光（Ｂａ、Ｂｂ、Ｂｃ）の波長（λａ、λｂ、λｃ）がλａ＜λｂ＜λｃの関係にあり、さらに当初の反射損失特性曲線６０は、光Ｂｂの波長λｂの近傍に極小値Ｐ１を有しているものとする。ここでＳＬＭ１に所定の電界を印加すると、その当初の曲線６０が図５（Ｂ）に示した波長損失特性曲線６１にシフトする。そのため光Ｂｂの波長λｂについては、当初の反射損失Ｒｂ１と電界を印加したときの反射損失Ｒｂ２との差に相当する大きな変調量が得られる。

しかし光Ｂａや光Ｂｃの波長（λａ、λｃ）は、当初の反射損失特性曲線６０において波長の差に対して反射損失の差がほとんどない「裾野」の領域Ｆ内にあるため、光Ｂａや光Ｂｃの入射位置にあるセル電極Ａ５ａやセル電極Ｃ５ｃの位置では、反射損失特性曲線６０がシフトしても反射損失がほとんど変化せず、変調量が極めて小さい。とくに光Ｂａではその波長λａが当初の極小点Ｐ１に対して短波長側にあり、反射損失がすでに最大値に近い値になっている。電界を印加すると、その極小点Ｐ１が長波長側にシフトするため、当初の反射損失特性曲線６０がさらに反射損失が大きくなる方向にシフトする。そのため、セル電極Ａ５ａの位置ではほとんど変調させることができない。

そこで本発明者は、本発明に先立ち、様々な波長の光に対しても低電圧で十分に大きな変調量が得られるＳＬＭを発明し、これを特許出願した（特願２０１３−９７５０７：以下、先発明）。この先発明は、従来のＳＬＭ１における共振特性が入射した光が出射するまでの光路長に依存することに鑑み、図６に示したＳＬＭ１０１のように、入射する波長（λａ〜λｃ）が異なる複数の光（Ｂａ〜Ｂｃ）のそれぞれの光路長をその波長（λａ〜λｃ）に応じて変えている点に特徴を有している。具体的には各波長（λａ〜λｃ）の光（Ｂａ〜Ｂｃ）に対し、それぞれの波長（λａ〜λｃ）に応じたセル電極Ａ〜Ｃ（５ａ〜５ｃ）の前方にある領域（以下、セル領域とも言う）の厚さを変えて、波長（λａ〜λｃ）に応じた適切な位相差をあらかじめ与えている。それによって、各波長（λａ〜λｃ）の光（Ｂａ〜Ｂｃ）のそれぞれが小さな電界強度でも大きな変調量が得られるようになっている。

この先発明における具体的な実施例では、各セルＡ〜Ｃ（５ａ〜５ｃ）におけるセル領域の厚さ（ｔａ〜ｔｃ）を階段状に変化させていたが、このＳＬＭ１０１を周知の可変光利得等化器などに使用することを想定すると、セル電極（５ａ〜５ｃ）の大きさは、一辺が１０μｍ程度の矩形で極めて小さく、入射する光（Ｂａｉ〜Ｂｃｉ）のスポット径も１０μｍ程度である。また透明電極層３や電気光学結晶層４における厚さの差（ｔｃ−ｔａ）は、数百ｎｍの単位である。そのため、厚さの差（ｔｃ−ｔａ）を階段の段差ではなくウエッジ膜にける傾斜面の高低差で形成しても問題がない。膜厚（ｔａ〜ｔｃ）を階段状に変化させるためにはその階段の数だけ成膜プロセスを繰り返す必要があるが、ウエッジ膜では成膜プロセスが１回でよく、製造コストと製造時間を劇的に低減させることが可能となる。

しかしながら、本発明者が従来のウエッジ成膜技術によってこのＳＬＭ１０１を作製しようとしたところ、膜厚と傾斜角度を精度よく個別に制御することが難しく、とくに０．０１゜程度の極めて小さな傾斜角度を得ることが極めて困難であることを知見した。そこで本発明者は、傾斜角度が極めて小さなウエッジ膜でも、その傾斜角度と膜厚を精度よく個別に制御できるウエッジ成膜技術を開発するために鋭意研究を重ね、本発明に想到した。

＝＝＝基本となる実施例＝＝＝
本発明の基本的な実施例（以下、基本実施例）に係る成膜方法の概略を図７と図８に示した。図７（Ａ）は基板１０における成膜面１１を下方から見たときの基板１０とターゲット３０との配置関係を示す平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）における円２００内を拡大した図であり、マスク２０の開口部２１の形状を示している。図８（Ａ）は、ターゲット３０と基板１０の配置関係を図７（Ａ）に示した白抜き矢印の方向から見たときの側面図である。なお基板１０については、図７（Ａ）におけるｂ−ｂ矢視断面によって示している。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）における円２０１内を拡大した図である。

ここで、基板１０における成膜面１１を下方として上下関係を規定すると、図７、図８に示したように、基本実施例に係る成膜方法では、一辺ｗ１の正方形状の基板１０の下面にウエッジ膜を形成することとしている。基板１０の成膜面（以下、下面とも言う）１１には中央に開口部２１が形成されているマスク２０が積層され、この開口部２１から基板下面１１が露出している。ここで、基板１０の法線方向で当該基板１０の下面１１の中心（以下、原点とも言う）Ｏｓを通る直線方向にｚ軸を取る。ｚ軸と直交しつつ、原点Ｏｓからターゲット３０の中心Ｏｔへ向かう方向にｘ軸を設け、このｘ軸方向を前後方向とする。前後の各方向については、原点Ｏｓに対してターゲット３０のある方向を前方とする。ｚ軸とｘ軸とに直交する方向にｙ軸を設け、このｙ軸方向を左右方向とする。左右の各方向については前方から見たときの方向によって規定する。

この基本実施例に係る成膜方法では、上記のごとくｘ、ｙ、ｚの各軸と上下前後左右の各方向を規定した場合、図７（Ｂ）に拡大して示したように、マスク２０の開口部２１はｙ軸に対して対称となる矩形状であり、この例では原点Ｏｓを中心とした正方形である。そして図８（Ｂ）に示したように、ターゲット３０から放出された成膜材料の粒子は、マスク２０の開口部２１から露出する基板下面１１に対して斜め下方向から入射し、マスク２０の開口部２１においてターゲット３０側にある縁によって陰となる傾斜領域１２に成膜材料が傾斜しながら付着し、開口部２１内にウエッジ膜が形成される。

このように基本実施例では、マスク２０の開口部２１の縁によって陰となる部分を利用してウエッジ膜を形成しており、ここまでは図１に示した従来の成膜方法と同様である。しかし、基本実施例に係る成膜方法では、基板１０がｚ軸を回転軸５０として回転可能に取り付けられており、基板１０を回転させながら基板下面１１にウエッジ膜を形成していく。しかも基板１０の回転動作に特徴を有してウエッジ膜の膜厚と傾斜角度を個別に制御することが可能となっている。以下に基本実施例に係る成膜方法によるウエッジ膜の形成原理について説明する。

図９に基本実施例における成膜方法の原理を示した。図９（Ａ）は、基板１０の回転位置を説明するための図である。ここでは、図７（Ｂ）と同様にマスク２０の開口部２１を拡大した平面図を示している。なお以下では、矩形の開口部２１において互いに対向する二つの縁辺（１３ａ、１３ｂ）がｙ軸方向と平行となり、かつその二つの縁辺の一方１３ａが回転軸５０に対して前方にあるときを基準状態として規定し、基準状態における回転軸５０周りの回転角度を０゜とする。

図９（Ｂ）〜（Ｄ）は成膜過程にある基板１０のｚｘ断面を示している。図９（Ｂ）は基準状態を示している。図９（Ｃ）、（Ｄ）は、基準状態に対して基板１０を回転軸５０周りに１８０゜回転させた状態（以下、反転状態）を示している。まず、図９（Ａ）、（Ｂ）に示したように、基板１０が基準状態にてスパッタリングを行って基板下面１１に成膜すると、前方の縁辺１３ａから傾斜距離Ｌａに亘って傾斜面４１が形成され、後方の縁辺１３ｂから前方に向かう距離Ｌｂ（＝ｗ２−Ｌａ）に亘って一定の厚さｔ１の膜が形成される。

次に図９（Ｃ）に示したように、基板を１８０゜回転させて反転状態にすると、初期状態において形成された傾斜面４１も１８０゜回転する。反転状態において成膜すると、図９（Ｄ）に示したように、新たな傾斜領域１２に傾斜距離Ｌａに亘って新たな傾斜面４１が形成される。結果として、開口部２１における所定の二つの縁辺（１３ａ、１３ｂ）の近傍に同じ傾斜角度φで同じ厚さｔのウエッジ膜４０が形成される。

図１０にウエッジ膜４０の厚さ５と傾斜角度φとの関係を示した。当該図１０は図９（Ｄ）の矩形点線領域２０２を拡大した図である。この図１０に示したように、回転軸５０に対して互いに１８０゜の関係となる基準状態と反転状態の双方で成膜を行う場合、膜厚ｔは、基準状態においてマスク２０の陰にならなかった領域での膜厚ｔ１と、反転状態でマスク２０の陰にならなかった領域での膜厚ｔ２との和となる。傾斜角度φは反転状態にて成膜したときの膜厚ｔ２が薄いほど小さく、当該膜厚ｔ２が厚いほど大きくなる。すなわち、基準状態での成膜時間（以下、Ｔ１）と、反転状態での成膜時間（以下、Ｔ２）とを合計した総合成膜時間（以下、Ｔ）によって総体的な膜厚ｔ＝ｔ１＋ｔ２を調整することができ、傾斜角度φは上記の成膜時間Ｔ１と成膜時間Ｔ２の割合を調整することで制御することが可能となる。なお成膜時間Ｔ１とＴ２の割合を調整するためには、連続的にスパッタリングを行いながら基板１０の回転速度を変えたり、基準状態と反転状態の２状態にあるときにスパッタリングを行うとともに、各状態でのスパッタリングの時間を変えたりすればよい。またウエッジ膜４０において、傾斜面４１の形成領域のみを利用する場合には、不要な部分を切断するなどして除去すればよい。

＝＝＝第１の実施例＝＝＝
上記基本実施例の方法に基づいて、実際に石英ガラスからなる基板上にＩＴＯからなるウエッジ膜を形成する事例を第１の実施例として挙げる。以下、先に示した図８〜図１０を参照しつつ第１の実施例について説明する。第１の実施例では、一辺の長さｗ１＝３インチ（≒７５ｍｍ）の基板１０を用い、その基板１０の下面１１に当該基板１０と同じ大きさの３インチ四方の正方形のマスク２０を積層した。また厚さｔｍが異なる２種類のマスク２０を用意した。一方のマスク２０は厚さｔｍ＝０．３ｍｍであり、他方はｔｍ＝１．０ｍｍである。なお２種類のマスク２０の開口部２１は同じ大きさと形状を有し、一辺の長さｗ２＝２．５ｍｍの正方形とした。

ウエッジ膜４０を形成するためのスパッタリング装置は、基板１０をｚ軸周りに回転可能に取り付けるための基板ホルダを備えている。またＩＴＯターゲット３０は直径Ｄ＝８０ｍｍであり、そのターゲット３０をスパッタリング装置に取り付けると入射角度θ＝３８゜となった。なお基板１０とターゲット３０との距離Ｌｃは開口部２１の大きさに対して十分に大きく、ｚｘ平面において、ターゲット３０の全面から開口部２１を介して基板下面１１を見込む角度は、開口部２１の内側のどの位置でも一律に上記の入射角度θ＝３８゜で近似できるものとしている。

つぎに、スパッタリング装置により、上述した先発明に係るＳＬＭを想定して傾斜角度φ＝０．０１１゜、厚さｔ＝３００ｎｍのウエッジ膜を形成するために、基準状態で回転を停止させてスパッタリングを行ったのち、反転状態まで基板１０を回転させ、その反転状態で回転を停止させてスパッタリングを再開して基板下面１１にウエッジ膜４０を形成した。なおここでは傾斜距離Ｌａ＝３８０μｍとＬａ＝１２８０μｍとなる２種類のウエッジ膜４０を形成することとした。傾斜距離Ｌａは、入射角度θとマスクの厚さｔｍによって決まるため、厚さｔｍが異なる２種類のマスク２０を用意した。さらに基準状態での成膜時間Ｔ１と反転状態における成膜時間Ｔ２の割合をマスク２０の種類に応じて変えた。ここでは、厚さｔｍ＝０．３ｍｍのマスク２０を用いる場合は、Ｔ１：Ｔ２＝４：１１とし、ｔｍ＝１．０ｍｍのマスク２０を用いる場合はＴ１：Ｔ２＝２５．６：４．４とした。また第１の実施例に対する比較例（以下、第１の比較例）に係る成膜方法として、上記２種類のマスク２０のそれぞれを用いて成膜する際に、基準状態と反転状態との時間割合を等しくして（Ｔ１：Ｔ２＝１：１）ウエッジ膜４０を形成した。

図１１に第１の実施例、および第１の比較例の方法で成膜したウエッジ膜４０の厚さｔと傾斜角度φの関係を示した。図１１（Ａ）は傾斜距離Ｌａ＝３８０μｍを得るために厚さｔｍ＝０．３ｍｍのマスク２０を用いた場合であり、図１１（Ｂ）は傾斜距離Ｌａ＝１２８０μｍを得るために厚さｔｍ＝１．０ｍｍのマスク２０を用いた場合である。なお図中では、第１の実施例に係る方法で作製したウエッジ膜４０の膜厚ｔと傾斜角度φとの関係を実線で示し、第１の比較例に係る方法における関係を点線で示した。

まず図１１（Ａ）に示したように、傾斜距離Ｌａ＝３８０μｍとした場合、第１の実施例に係る方法では、目的の膜厚ｔ＝３００ｎｍと傾斜角度φ＝０．０１１゜を有するウエッジ膜４０を形成することができた。しかし、第１の比較例に係る方法では、目的の膜厚ｔ＝３００ｎｍの半分約１５０ｎｍで目的とする傾斜角度φ＝０．０１１゜に達してしまう。すなわち、第１の比較例に係る方法では、目的とする膜厚ｔと傾斜角度φを同時に得ることができない。

また図１１（Ｂ）に示したように、傾斜距離Ｌａ＝１２８０μｍとした場合、第１の実施例に係る方法では、目的の膜厚ｔ＝３００ｎｍと傾斜角度φ＝０．０１１゜を有するウエッジ膜４０を形成することができた。しかし、第１の比較例に係る方法では、傾斜角度φ＝０．０１１゜を得るためには、膜厚ｔを約５００ｎｍまで厚くする必要があった。したがって、第１の比較例の方法では、目的の傾斜角度φ＝０．０１１゜と膜厚ｔ＝３００ｎｍを有するウエッジ膜４０を得るためには、膜厚ｔを約５００ｎｍまで厚くして目的の傾斜角度φ＝０．０１１゜を得た上で、形成されたウエッジ膜４０を膜厚ｔ＝３００ｎｍとなるまで切削加工やエッチングなどを施す必要がある。

以上より、第１の実施例に係る成膜方法では、実質的にスパッタリング装置によるスパッタリング工程のみの簡素な手順によって目的とする膜厚ｔと傾斜角度φを有するウエッジ膜４０を形成することができる。第１の比較例に係る成膜方法では、目的とするウエッジ膜４０が得られない。あるいは目的とするウエッジ膜４０を得るためにスパッタリング以外の複雑な工程が別途必要となり製造コストが増大する。

なおスパッタリング装置の多くは、基板を回転可能に取り付けるための基板ホルダを備えており、スパッタリング装置にターゲットを固定すると、そのターゲットと基板は上下方向で互いに対向した状態で配置されるのが普通である。さらに、スパッタリング装置は、異なる成膜材料を連続して基板上に成膜することができるように、複数のターゲットをチャンバー内に固定することができるようになっており、複数のターゲットは、例えば、基板の回転軸５０に対して円環状に並べて固定されるようになっている。したがって、ターゲットは自ずと基板ホルダに装着された状態の基板の斜め下方に離間して配置されることになる。すなわち第１の実施例に係る成膜方法では、汎用的なスパッタリング装置を転用することが可能である。ウエッジ膜の形成に際しては、使用するスパッタリング装置に応じて上記入射角度θが決まるため、その入射角度θと形成しようとするウエッジ膜の条件（厚さｔ、傾斜角度φ、傾斜距離Ｌａなど）とに応じてマスク２０の厚さｔｍや上記時間割合Ｔ１：Ｔ２を調整すればよい。

＝＝＝第２の実施例＝＝＝
第１の実施例では、基板１０に積層するマスク２０には開口部２１が一つだけ形成されていた。すなわち、１枚の基板１０にＳＬＭなどの素子を一つ形成することができた。しかし、１枚の基板１０上に複数の素子を形成したり、一つの素子の複数の領域にウエッジ膜を形成したりする場合もある。そこで本発明の第２の実施例として、複数の開口部を有するマスクを用いて１枚の基板上の複数箇所に目的とする膜厚と傾斜角度を有するウエッジ膜を形成する事例を挙げる。

図１２の（Ａ）に第２の実施例に係る成膜方法の概略を示した。また図１２（Ｂ）に第２の実施例に係る成膜方法に対する比較例となる成膜方法（以下、第２の比較例）の概略を示した。図１２（Ａ）、（Ｂ）に示したように、第２の実施例および第２の比較例におけるマスク１２０には複数の開口部２１が形成されている。第２の実施例および第２の比較例の方法に用いるマスク１２０は実質的に同じであり、矩形状の開口部２１が回転軸５０を中心に対称となるように一列に複数配置されている。第２の実施例と第２の比較例の違いは、スパッタリングによってウエッジ膜を形成する際の開口部２１の列の延長方向にあり、第２の実施例では、開口部２１の列がｙ軸方向に延長した状態でウエッジ膜を形成し、第２の比較例では開口部２１の列がｘ軸方向に延長した状態でウエッジ膜を形成している。

図１３に第２の実施例と第２の比較例におけるウエッジ膜の形成状態を示した。図１３（Ａ）は第２の比較例に係る成膜方法を示しており、ここでは、図１２（Ｂ）におけるｃ−ｃ矢視断面の拡大図を示している。図１３（Ｂ）は第２の実施例に係る成膜方法を示しており、図１２（Ａ）における円２０３内を拡大した図である。この図１３（Ｂ）では、ｘｙ面における成膜材料の入射方向をターゲット３０の中心Ｏｔと各開口部２１の中心を結ぶ直線５２によって示している。

まず図１３（Ａ）に示したように、第２の比較例では、開口部２１の列方向が前後方向であるため、ターゲット３０から放出される成膜材料の粒子のｚｘ面における入射角度θが前方と後方の開口部２１とで大きく異なってしまう。そのため、マスク１２０の陰となる傾斜距離Ｌａが列の前方の開口部２１と後方の開口部２１とで異なり、各開口部２１にて形成されるウエッジ膜４０の傾斜角度φと膜厚ｔが不均一になってしまう。

一方図１３（Ｂ）に示した第２の実施例に係る成膜方法では、開口部２１の列方向がｙ軸方向に一致するため、成膜材料の粒子はｚｘ面については各開口部２１に同じ角度θで入射する。ｘｙ面では入射角度ωが各開口部２１で異なるが、ウエッジ膜４０の膜厚ｔと傾斜角度φはｚｘ面内の入射角度θに依存するため、開口部２１の列がｙ軸方向と平行であれば、どの開口部２１においてもｚｘ面での入射角度が一律にθとなる。この場合、ウエッジ膜４０の傾斜方向がｘｙ面における入射角度ωの方向となるだけで、傾斜距離Ｌａも全ての開口部２１で同じとなる。

したがって、第２の実施例では、第１の実施例と同様に、適宜な厚さｔｍのマスク１２０を用いつつ、前後に平行となる二つの縁辺（１３ａ、１３ｂ）の一方１３ａ（あるいは１３ｂ）と、他方１３ｂ（あるいは１３ａ）とでスパッタリングの時間割合Ｔ１：Ｔ２を変えれば、目的の傾斜距離Ｌａ、膜厚ｔ、および傾斜角度φを有するウエッジ膜４０が得られる。

ここで、厚さ０．７ｍｍで、基板１２０の中心を通る直線上に一辺２．５ｍｍの開口部２１が６個形成されたマスク１２０を用い、第２の実施例と第２の比較例のそれぞれに係る方法でウエッジ膜４０を形成してみた。またスパッタリングに際し、正方形状の開口部２１において互いに平行となる二つの縁辺（１３ａ、１３ｂ）の陰となる時間（Ｔ１、Ｔ２）の割合をＴ１：Ｔ２＝１：１とした。なおここで採用した成膜条件は、第１の実施例と同様に原点Ｏｓに２．５ｍｍ四方の正方形の開口部２１が一つだけ形成されている場合を想定したときに、その開口部２１の内側に厚さｔ＝３５０μｍ、傾斜角度φ＝０．０１１゜、傾斜距離Ｌａ＝９００μｍのウエッジ膜４０を形成するというものである。

図１４に、第２の実施例と第２の比較例のそれぞれの方法で形成したウエッジ膜４０の膜厚分布を示した。図１４（Ａ）は、第２の実施例に係る方法で形成したウエッジ膜４０の膜厚分布である。具体的には、６個の開口部２１のそれぞれの内側に形成されたウエッジ膜４０について、各開口部２１の前方の縁辺１３ａから図１３（Ｂ）に示した入射角度ωとなる直線５２方向に沿って膜厚を測定したときの膜厚分布を示している。なお図１４（Ａ）では、各開口部２１のそれぞれにおける膜厚分布を異なる濃度の曲線で示した。また目的とする傾斜角度φ＝０．０１１゜に相当する傾きを直線Ｓで示した。

図１４（Ｂ）は、第２の比較例に係る方法で形成したウエッジ膜４０の膜厚分布であり、６個の開口部２１のそれぞれについて、ｘ軸と平行に前方から後方に向かって膜厚を測定したときの膜厚分布を示している。ここでも各開口部２１のそれぞれにおける膜厚分布を異なる濃度の曲線で示し、目的とする傾斜角度φ＝０．０１１゜に相当する傾きを直線Ｓで示した。

図１４（Ａ）に示したように、第２の実施例の方法で形成したウエッジ膜４０は、６個の開口部２１のいずれにおいても、開口部２１の中心にて目的の膜厚ｔ＝３５０μｍが得られ、傾斜距離Ｌａに亘って傾斜角度φ＝０．０１１゜の傾斜面４１が得られている。またウエッジ膜の形状は開口部２１の中心に対してほぼ対称となるように形成されている。一方、第２の比較例に係る方法で形成したウエッジ膜では、図１４（Ｂ）に示したように、開口部２１の中心に対して膜厚分布が非対称であり、どの開口部２１においても目的とする傾斜角度φ＝０．０１１゜や膜厚ｔ＝３５０μｍが得られなかった。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記各実施例では形成したウエッジ膜を、例えば、ＳＬＭの透明電極層に利用することを想定していた。すなわち、形成したウエッジ膜をそのまま何らかの用途に利用することを想定していた。しかしこの実施例に限らず、形成したウエッジ膜をウエッジ膜とは異なる材料の表面を傾斜させるために利用することも考えられる。例えば、図６に示した先発明に係るＳＬＭ１０１において、透明電極層１０３の代わりに電気光学結晶層４をウエッジ膜で形成することが考えられる。一般的に電気光学結晶層４は結晶成長法によって形成し、スパッタリングによって形成することが難しい。

図１５（Ａ）〜（Ｄ）は、スパッタリングによってウエッジ膜を形成することが難しい材料の表面に傾斜面を形成する手順を示している。まず、図１５（Ａ）に示したように、傾斜面の形成対象となる材料の層（以下、傾斜形成層）４３を基板４２上に目的の膜厚ｔ３となるように形成し、その傾斜形成層４３の表面に、図１５（Ｂ）に示したようにスパッタリングにより何らかの材料でできたウエッジ膜４０を形成する。つぎに図１５（Ｃ）に示したように、そのウエッジ膜４０をドライエッチング、あるいはウエットエッチングによって削っていく。それによって、傾斜形成層４３の表面が当初のウエッジ膜４０ａの表面形状に沿って削られていき、最終的に図１５（Ｄ）に示したように、傾斜形成層４３の表面に当初のウエッジ膜４０ａにおける傾斜角度φと同じ角度の傾斜面４４が形成される。

上記実施例では、マスク（２０、１２０）の開口部２１の形状が正方形状であったが、長方形、円形、楕円、菱形など、基準状態と反転状態の双方の回転位置においてｙ軸に対して線対称となる形状であればよく、上記各実施例と同様に、基準状態での成膜時間Ｔ１と反転状態での成膜時間Ｔ２の時間割合を変えてスパッタリングを行えばよい。それによって、ｘｙ平面において開口部２１の縁によって陰となる傾斜領域１２の形状が異なるものの、目的とする傾斜角度φと厚さｔのウエッジ膜４０を形成することができる。

なお当然のことではあるが、上記各実施例に係る成膜方法は、ＳＬＭやその他の光学素子を製造すること以外にも適用することができ、ウエッジ膜４０を構成する成膜材料もＩＴＯに限らずスパッタリングによって形成可能な成膜材料であればどのようなものであってもよい。

１，１０１空間光変調器（ＳＬＭ）、２誘電体ミラー層、
３，１０３透明電極層、４電気光学結晶層、５金属電極層、
５ａ〜５ｃセル電極、６ＳＬＭの基板、１０、基板（石英ガラス基板）、
１１成膜面（基板１０の下面）、１２傾斜領域、１３ａ，１３ｂ開口部の縁辺、
２０，１２０マスク、２１開口部、３０ターゲット、４０ウエッジ膜、
４１傾斜面、５０回転軸、Ｌａ傾斜距離、Ｏｓ基板の中心（原点）、
Ｏｔターゲットの中心、ｔウエッジ膜の厚さ、ｔｍマスクの厚さ、
θ （ｚｘ平面での）入射角度、φ 傾斜角度

Claims

基板の平坦面に対して傾斜する膜面を有するウエッジ膜をスパッタリング装置を用いて形成する方法であって、
前記スパッタリング装置は、前記平坦面の法線方向である上下方向に延長された回転軸周りに回転可能に前記基板を取付けるための基板ホルダと、
前記基板ホルダに取り付けられた前記基板に対し、前記回転軸と直交する前後方向における前方側に位置して斜め下方に配置され、前記膜面の起源となる成膜材料からなるターゲットと、
を備え、
開口部を有する遮蔽マスクを前記基板の下面に積層するとともに、当該基板を前記基板ホルダに装着する基板装着ステップと、
前記基板を前記遮蔽マスクとともに回転させながらスパッタリングして、前記ターゲットから放出される前記成膜材料を前記遮蔽マスクの前記開口部から露出する前記基板下面に付着させることで、当該基板下面において前記遮蔽マスクの前記開口部の縁の陰となる領域に前記ウエッジ膜を形成させる成膜ステップと、
を含み、
前記遮蔽マスクの前記開口部の平面形状は、前記回転軸周りに回転したときに、当該遮蔽マスクの下面と前記回転軸との交点を通るとともに上下前後の各方向に直交する左右方向に沿う直線に対して線対称となりうる形状をなし、
前記基板装着ステップでは、前記ターゲットの中心と前記回転軸とが前後方向に直線上に配置されるとともに、前記ターゲットの上面と前記基板の下面とが互いに平行となるように離間し、
前記成膜ステップでは、前記回転軸周りに回転する前記基板及び前記遮蔽マスクの回転中に前記遮蔽マスクの前記開口部が、前記左右方向に沿う直線に対して線対称となる二つの回転位置のうちの一方となる基準状態での時間Ｔ１と、前記二つの回転位置のうちの他方となり前記基準状態から１８０度回転した反転状態での時間Ｔ２とを不均一とし、前記時間Ｔ１と前記時間Ｔ２との合計時間Ｔを調整することで前記ウエッジ膜の膜厚を制御し、前記時間Ｔ１と前記時間Ｔ２との時間割合を調整することで前記ウエッジ膜の傾斜角度を制御する、
ことを特徴とするウエッジ膜の形成方法。
請求項１に記載のウエッジ膜の形成方法であって、前記成膜ステップでは、前記基準状態と前記反転状態にあるときに前記基板の回転を停止させるとともに、当該基準状態と前記反転状態にあるときのみスパッタリングを行うことを特徴とするウエッジ膜の形成方法。
請求項１または２に記載のウエッジ膜の形成方法であって、前記遮蔽マスクには前記開口部が前記回転軸を通る直線上に一列に複数配置されているとともに、前記成膜ステップでは、前記基板の回転中に前記複数の開口部が左右方向に一列に並ぶ二つの回転位置の一方にあるときを前記基準状態とし、他方にあるときを前記反転状態とすることを特徴とするウエッジ膜の形成方法。