JPH04358058A - 薄膜形成方法及び薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体デバイスもしく
は光学デバイスに用いられる薄膜の薄膜形成装置及び薄
膜形成方法に関し、特に緻密性、透明性の優れた光学薄
膜の形成において有用なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光学デバイスに用いる光学薄
膜もしくは光導波路膜は、ＴｉＯ２等の酸化物薄膜や、
窒化シリコン等の窒化物薄膜が用いられてきた。これら
物質は比較的大きな光学的バンドギャップを有するため
に、色分解プリズム、光学ヘッド等の光学デバイスの使
用波長において透明であり、材料の化学的安定性も非常
に高いという理由から広く用いられてきた。

【０００３】また、これら材料を成膜する方式としては
、量産性に富み比較的良質な薄膜を容易に実現できると
いう理由から、真空蒸着法がよく用いられてきた。

【０００４】しかし、近年の光学デバイスの高性能化に
ともない、更に透明で、更に緻密な光学薄膜が要求され
るようになり、真空蒸着技術だけではこれら要求に対応
できなくなってきた。

【０００５】そこで、従来より、カウフマン型のイオン
源を用いたイオンアシスト法（以下ＩＡＤ法と記載する
）が提案され、膜質改善の取り組みが行なわれてきた。 このＩＡＤ法によりＴｉＯ２薄膜を形成する場合につい
て、図４を用いて説明する。

【０００６】成膜室４１内に基板４２を配置した後、排
気ポンプ４３によって成膜室を高真空状態に保持し、電
子銃４４で薄膜材料４５を加熱蒸発させ、基板４２上に
薄膜を堆積させる。

【０００７】またこの時、イオン源４６によって、アル
ゴンイオンを生成し、イオン源の前面に設けられたニュ
−トライザ−４７により中性化し、基板に照射する。

【０００８】このアルゴンは、数ｅＶ〜数千ｅＶ程度の
運動エネルギ−を持っているため、アルゴンを薄膜に照
射することで、薄膜を緻密化することができる。

【０００９】しかし、このような従来の成膜装置によっ
て作成された薄膜は以下のような課題を有していた。す
なわち、薄膜の緻密性を向上させるために、イオンエネ
ルギ−を増加させると、ＴｉＯ２の酸素がとれてしまい
ＴｉＯＸ（Ｘ＜２）の酸素欠損の薄膜となってしまう。 このような薄膜は光の透明性が著しく劣化してしまうた
め、光学デバイスには使用できないという課題が生じて
いた。

【００１０】またこの欠点を補うために酸素雰囲気中で
成膜しながらアルゴンを照射するか、もしくはイオン源
の導入ガスにアルゴンと酸素からなる混合ガスを用いて
、これを基板に照射することで、酸素欠損をなくして透
明性を向上させようとする試みが行なわれてきた。

【００１１】しかし、このような方法にしても、イオン
源にはタングステンやタンタル等の熱電子発生用のフィ
ラメントが用いられており、フィラメントが酸素と反応
することで著しく劣化し、寿命が非常に短いという実用
上大きな課題を有していた。

【００１２】また、酸素ガスを成膜室内に多く導入しす
ぎると、電子銃の動作が不安定となることも実用上大き
な課題となっていた。

【００１３】また、ＩＡＤ法によって酸化物薄膜だけで
はなく窒化物薄膜も高透明性化、高緻密化しようとする
試みが行なわれてきた。

【００１４】すなわち、電子銃を用いて窒化物材料を基
板上に成膜させながら、イオン源により発生した窒素の
粒子を基板に照射することで、緻密性の高い窒化膜を得
ようとする試みである。

【００１５】しかし、このような方法で作成された薄膜
も、緻密性は極めて高くなるが、その反面透明性が著し
く劣化してしまい、両者を両立することが極めて困難で
あり、実用上大きな課題を有していた。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】そのため、例えば特願
昭６３−１９６５８３号に記載の光学ヘッド装置に示さ
れているような、光学薄膜とグレ−ティングを用いて光
を集光する光学ヘッドでは、透明性および緻密性が極め
て高い光学薄膜が要望されているが、上記の理由により
、従来の薄膜製造技術ではこれら要望を十分に満たすこ
とができなかった。

【００１７】本発明はかかる課題に鑑み、透明性および
緻密性が極めて高い光学薄膜を形成できる薄膜形成方法
及び薄膜形成装置を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、高真空状態に保持された成膜室と、前記成
膜室の内部に備えられた薄膜を形成する基板と、前記基
板上に薄膜を堆積させるための薄膜材料供給源と、入力
ガスをプラズマ解離させラジカルを生成し前記基板に照
射するラジカル源と、入力ガスをプラズマ解離させ前記
プラズマより引き出されたイオンを前記基板に照射する
イオン源を備えた薄膜形成装置を用いる。

【００１９】また、薄膜材料供給源から蒸発した物質を
基板上に堆積させると同時に、ラジカル源より生成した
ラジカルと、イオン源より生成したイオンを基板に照射
しながら薄膜を形成することである。

【００２０】あるいは、薄膜材料供給源から薄膜材料を
基板上に堆積させると同時に、ラジカル源の入力ガスと
して酸素を使用して酸素ラジカルを発生させ前記基板に
照射させるとともに、イオン源の入力ガスとして不活性
ガスを使用し、前記不活性ガスイオンを基板に照射しな
がら、酸化物薄膜を形成することをである。

【００２１】あるいは、薄膜材料供給源から薄膜材料を
基板上に堆積させると同時に、ラジカル源の入力ガスと
して水素もしくはＮＨ３を使用して水素ラジカルを発生
させ前記基板に照射させるとともに、イオン源の入力ガ
スとして窒素もしくは不活性ガスを使用し、前記窒素イ
オンを基板に照射しながら、窒化物薄膜を形成すること
である。

【００２２】

【作用】本発明は、上記に示したように、イオン源から
発生した数ｅＶから数千ｅＶの運動エネルギ−をもった
粒子と、ラジカル源から発生した化学的に非常に活性な
ラジカルを同時に基板へ照射しながら成膜できるため、
透明性が高く、かつ緻密性も高い薄膜を形成することが
できる。

【００２３】また、酸化物薄膜を作成する場合には、イ
オン源から不活性ガスを照射することによって薄膜の緻
密性を高めるとともに、その時に生じた薄膜中の酸素欠
損を、ラジカル源から発生した酸素ラジカルによって補
うことができるため、緻密で透明性の高い薄膜を形成す
ることができるわけである。

【００２４】また、窒化物薄膜を作成する場合には、イ
オン源からの窒素もしくは不活性ガスの照射によって薄
膜の緻密性を高めるとともに、ラジカル源から発生した
水素ラジカルもしくは窒素ラジカルを薄膜に照射するこ
とにより、きわめて透明性の高い薄膜を形成することが
できるわけである。

【００２５】

【実施例】本発明について、実施例を表わす図を用いて
説明する。

【００２６】まず、酸化物の薄膜を成膜する本発明の第
一実施例について説明する。成膜室１１内に基板１２を
配置した後、排気ポンプ１３によって成膜室を高真空状
態に保持する。薄膜材料１４としては、ＴｉＯ２、Ｔａ
２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、
ＬｉＮｂＯ３、ＩＴＯ等の酸化物を用いる。

【００２７】電子銃１５より発生させた電子ビ−ム１６
により、ルツボ１７内の薄膜材料１４を加熱溶融する。 加熱溶融された薄膜材料は蒸発粒子１８となって、基板
１２に到達し、薄膜を形成する。

【００２８】イオン源１９内に導入する入力ガス２０は
、アルゴン、キセノン等の不活性ガスを用いる。ここで
はアルゴンを用いた例について説明する。アルゴンをイ
オン源１９に導入すると、アルゴンはイオン源１９内で
プラズマ解離され数ｅＶ〜数千ｅＶの運動エネルギ−で
加速されたアルゴンイオンとなって出射する。出射した
アルゴンイオンは、ニュ−トライザ−２１によって電気
的にほぼ中和されたアルゴン粒子２２となって、基板１
２を照射する。

【００２９】この時、基板１２上には薄膜が形成されつ
つあり、この薄膜に高運動エネルギ−を有したアルゴン
粒子２２が照射されるため、極めて緻密な薄膜が形成さ
れるわけである。

【００３０】しかし、このようにして作成された薄膜は
、一般に緻密であるが透明性が劣化している。そこで本
発明は、従来のイオン源に加え、ラジカル源を付加する
。

【００３１】そして本実施例におけるラジカル源は次の
通りである。ラジカル源２３内に導入する入力ガス２４
は、酸素を用いる。酸素をラジカル源２３に導入すると
、酸素は放電室２５に到達し高周波コイル２６によって
プラズマ解離され、その一部は酸素ラジカルとなる。 生成された酸素ラジカルは、ラジカル源内の圧力と成膜
室内の圧力差によって運動エネルギ−が与えられ、ノズ
ル２７より噴射し、基板を照射する。

【００３２】従って、化学的に非常に活性な酸素ラジカ
ルを基板に照射することができるため、これまで課題で
あった、薄膜の酸素欠損を極めて有効に解決できるわけ
である。

【００３３】すなわち、本発明の成膜装置ならびに成膜
方法を用いれば、加速されたアルゴン粒子を用いて薄膜
の緻密性を高められると同時に、化学的に非常に活性な
酸素ラジカルを用いて薄膜の酸素欠損をなくすることが
容易にできるため、従来にない非常に透明で緻密性の高
い良好な光学薄膜を作成することができる。

【００３４】このような方法で作成されたＡｌ２Ｏ３膜
を温度８０℃、湿度９０％の高温、高湿状態の環境下で
１０００時間放置し、光学特性を評価したところ、放置
前の特性と全く変化がないことがわかった。すなわち、
極めて緻密性の高い薄膜が形成されていることがわかる
。

【００３５】また、本Ａｌ２Ｏ３膜を組成分析した結果
、化学量論的組成が得られていることがわかった。これ
により、酸素欠損がない良好なＡｌ２Ｏ３膜が実現でき
ていることがわかる。

【００３６】図２に本Ａｌ２Ｏ３膜の光伝搬損失を評価
した結果を示す。なお評価方法は散乱検出法を用いた。

【００３７】縦軸が、光学薄膜からの散乱光の対数表示
で、横軸が伝搬距離を示す。これより、光伝搬損失１ｄ
Ｂ／ｃｍ以下の極めて透明なＡｌ２Ｏ３膜が実現できて
いることがわかる。

【００３８】従って、本発明の薄膜形成装置は、従来の
イオンアシスト成膜装置とは違い、イオン源だけではな
くラジカル源も有しているために、薄膜材料を基板上に
成膜しながら、イオンやラジカルを同時に照射すること
ができるため、薄膜の透明性、緻密性を高めることがで
きる極めて有用な薄膜形成装置であることがいえる。特
に、光学薄膜のように透明性と緻密性が要求される薄膜
の作成法として極めて有用である。なおここでは、電子
銃を用いた例について述べたがイオン源を用いたイオン
ビ−ムスパッタによるスパッタ粒子を基板上に堆積させ
ても構わない。

【００３９】次に、窒化物薄膜の一例として窒化シリコ
ン膜を形成する本発明の第二実施例について説明する。 蒸発物質としては、Ｓｉ、Ｓｉ３Ｎ４を用いる。ここで
は、Ｓｉ３Ｎ４を用いた例について図１を用いて説明す
る。

【００４０】イオン源１９に導入する入力ガス２０とし
ては、不活性ガスもしくは窒素どちらを用いても構わな
いが、ここでは窒素を用いた例について説明する。窒素
をイオン源１９に導入すると、窒素はイオン源内でプラ
ズマ解離され数ｅＶ〜数千ｅＶの運動エネルギ−で加速
された窒素イオンとなって出射し、ニュ−トライザ−２
１によって中和されて基板１２に到達する。

【００４１】一方、ラジカル源２３に導入する入力ガス
２４は、水素もしくはＮＨ３を用いる。ここでは、ＮＨ
３を用いた例について説明する。ＮＨ３がラジカル源２
３に導入すると、放電室２５に到達し、ＮＨ３は高周波
コイル２６によってプラズマ解離され、窒素および水素
からなるラジカルが生成される。生成されたラジカルは
、放電室２５内の圧力と成膜室１１内の圧力差によって
運動エネルギ−が与えられ、ノズル２７よりラジカルが
噴射し、基板１２に到達する。

【００４２】ＮＨ３ガスを導入した場合と導入しない場
合の光学特性変化を図３に示す。縦軸に透過率、横軸に
波長を示す。これよりＮＨ３ガスを導入することで、透
過率が著しく増加し、透明性の高い薄膜が形成できてい
ることがわかる。

【００４３】入力ガス２４に水素を用いた場合も同様に
、図３に示したような透明性の高い薄膜が形成できた。

【００４４】このように、加速された窒素粒子を用いて
薄膜の緻密性を高め、化学的に非常に活性な水素及び窒
素からなるラジカルを用いて薄膜に水素及び窒素を補給
することで、従来にない非常に透明で緻密性の高い良好
な窒化シリコン膜を作成することができる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
薄膜材料を基板上に堆積させながら同時に、イオン源よ
りイオンを、またラジカル源よりラジカル基板上に照射
することで、従来にない透明で緻密な薄膜を実現するこ
とができるものである。実用上極めて効果が大きいとい
える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薄膜形成装置の実施例を示す構成図

【
図２】同実施例装置により得られたＡｌ２Ｏ３膜の光伝
搬損失特性図

【図３】同実施例装置において得られた窒化シリコン膜
の光学特性図

【図４】従来の薄膜形成装置の構成図

【符号の説明】

１１、４１　　成膜室 １２、４２　　基板 １３、４３　　排気ポンプ １４、４５　　薄膜材料 １５、４４　　電子銃 １６　　電子ビ−ム １７　　ルツボ １８　　蒸発粒子 １９、４６　　イオン源 ２０、２４　　入力ガス ２１、４７　　ニュ−トライザ− ２２　　アルゴン粒子 ２３　　ラジカル源 ２５　　放電室 ２６　　高周波コイル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　真空状態に保持された成膜室と、前記
   成膜室の内部に備えられた薄膜を形成する基板と、前記
   基板上に薄膜を堆積させるための薄膜材料供給源と、入
   力ガスをプラズマ解離させラジカルを生成し前記基板に
   照射するラジカル源と、入力ガスをプラズマ解離させ前
   記プラズマより引き出されたイオンを前記基板に照射す
   るイオン源を備えた薄膜形成装置。
2. 【請求項２】　　薄膜材料供給源から蒸発した物質を基
   板上に堆積させると同時に、ラジカル源より生成したラ
   ジカルと、イオン源より生成したイオンを基板に照射し
   ながら薄膜を形成することを特徴とする薄膜形成方法。
3. 【請求項３】　　薄膜材料供給源から薄膜材料を基板上
   に堆積させると同時に、ラジカル源の入力ガスとして酸
   素を使用して酸素ラジカルを発生させ前記基板に照射さ
   せるとともに、イオン源の入力ガスとして不活性ガスを
   使用し、前記不活性ガスイオンを基板に照射しながら、
   酸化物薄膜を形成する薄膜形成方法。
4. 【請求項４】　　薄膜材料供給源から薄膜材料を基板上
   に堆積させると同時に、ラジカル源の入力ガスとして水
   素もしくはＮＨ３を使用して水素ラジカルを発生させ前
   記基板に照射させるとともに、イオン源の入力ガスとし
   て窒素もしくは不活性ガスを使用し、前記窒素イオンも
   しくは不活性ガスイオンを基板に照射しながら、窒化物
   薄膜を形成する薄膜形成方法。