KR100984221B1 - 광학박막 증착장치 및 광학박막의 제조방법 - Google Patents

광학박막 증착장치 및 광학박막의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 과제는 양호한 광학특성을 갖는 광학박막을 제조할 수 있는 광학박막 증착장치, 및 제조비용이 저렴하며 또한 양호한 광학특성을 갖는 광학박막의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 광학박막 증착장치는, 진공용기(10) 내에서 기체(基體)(14)에 증착물질을 증착시키는 광학박막 증착장치로서, 진공용기(10) 내에 배설되어, 기체(14)를 보유·유지(保持)하는 돔형의 기체 보유·유지수단(12), 기체 보유·유지수단(12)을 회전시키는 회전수단, 기체(14)에 대향하여 설치된 증착수단(34), 기체(14)에 대해서 이온을 조사하는 이온원(38), 및 기체(14)에 대해서 전자를 조사하는 뉴트럴라이저(40)를 구비하고, 상기 이온원(38)은 기체(14)의 표면에 대한 수선(垂線)에 대해서, 이온원(38)으로부터 이온이 조사되는 축선(軸線)의 각도가 8° 이상 40° 이하, 기체 보유·유지수단(12)의 직경에 대해서, 기체 보유·유지수단의 회전축 중심과, 이온원(38) 중심과의 연직방향의 거리의 비가 0.5 이상 1.2 이하의 범위가 되는 위치에 배설되는 것을 특징으로 한다.

Description

광학박막 증착장치 및 광학박막의 제조방법{Optical thin film deposition device and optical thin film fabrication method}
본 발명은 광학박막 증착장치 및 광학박막의 제조방법에 관한 것으로, 특히, 기체(基體)에 대해서 이온을 조사하는 이온원을 구비한 광학박막 증착장치 및 광학박막의 제조방법에 관한 것이다.
종래부터, 진공용기 내에서 기판 표면을 향해 박막재료를 증발시킬 때, 기판 상에 퇴적된 증착층에 이온을 조사함으로써 치밀화를 행하는 증착장치, 즉, 이온 어시스트 증착장치가 알려져 있다. 이 증착장치에 있어서는, 이온원에 의해 비교적 저에너지의 이온빔(가스이온)이 기체에 조사되는 동시에, 뉴트럴라이저로 불리는 중화기에 의해 기판에 중화 전자(전자)가 조사된다. 이 구성에 의해, 이온빔에 의한 기판 상에 축적된 전하를 중화하면서, 이온빔의 운동에너지에 의해 치밀한 광학박막을 제작하는 것이 가능해져 있다(예를 들면, 특허문헌 1).
특허문헌 1에 나타내어진 기술에 의하면, 도 7과 같이, 증착원(134)으로부터 고굴절률 물질과 저굴절률 물질을 번갈아 증발, 적층시켜서 다층막으로 되는 광학박막을 얻을 수 있다. 고굴절률 물질과 저굴절률 물질을 각각 성막할 때, 이온원(138)으로부터 조사한 아르곤 이온 또는 산소 이온에 의해 기판(114)에 부착된 증발물질을 치밀화하는 동시에, 뉴트럴라이저(140)로부터 조사한 중화 전자에 의해 기판(114)이나 기판 홀더 등이 대전되는 것을 방지하고 있다.
그리고 특허문헌 1에 나타내어진 기술에서는, 기판(114)과 대향한 위치, 즉 진공용기의 저면측에 증착원(134)과 이온원(138)이 배치된 구성의 증착장치가 개시되어 있다. 이와 같은 구성의 장치에 있어서는, 막두께 분포를 일정하게 유지하기 위해, 증착원(134)과 기판 홀더(기판(114))의 거리는, 기판 홀더의 크기에 맞추어 일정 비율로 할 필요가 있다. 그 때문에, 큰 직경을 갖는 기판 홀더를 구비한 증착장치에서는, 증착원(134)과 기판(114)을 적절한 거리에 배치하면, 기판 홀더와 이온원(138)의 거리가 떨어지는 배치가 되기 때문에 이온 어시스트의 효과가 저하되는 경우가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해, 증착원보다도 기판 홀더에 가까운 진공용기의 측면위치에 이온원을 취부(取付)함으로써 이온 어시스트 효과를 높이고, 성막 효율의 저하를 방지하는 기술이 제안되어 있다(특허문헌 2~4 참조).
특허문헌 1: 일본국 특허공개 제2007-248828호 공보
특허문헌 2: 일본국 특허공개 제2000-129421호 공보
특허문헌 3: 일본국 특허공개 제2004-131783호 공보
특허문헌 4: 일본국 특허공개 제2006-045632호 공보
상기 특허문헌 2~4에 개시된 기술에 의하면, 증착원보다도 기판 홀더에 가까운 위치, 또는 증착원보다도 기판 홀더에 가까운 위치로서, 진공용기의 측면 근방에 이온원을 취부함으로써 이온 어시스트의 효과나 이온 플레이팅에 의한 성막효율의 저하를 어느 정도 방지할 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 특허문헌 2~4에 나타내어진 기술에 의하면, 이온원으로부터 조사되는 이온빔을, 높은 에너지상태를 유지한 상태로 기판에 조사할 수 있으나, 보다 높은 이온 어시스트의 효과를 얻는 것이 요망되고 있었다.
한편, 고굴절률 물질과 저굴절률 물질을 조합시켜서 얻어지는 광학박막의 일례로서, 특정 파장의 빛을 차단하고, 그 이외의 파장의 빛을 투과시키는 커트 필터를 들 수 있다. 커트 필터 등의 광학박막에 있어서, 투과광의 손실이 적고, 백탁이 적을수록 양호한 광학박막으로 간주되고 있어, 이 막질(膜質)의 지표로서, 반사율과 투과율의 합의 값(%)이 사용되고 있다. 그리고 일반적으로, 이 값이 100%에 가까울수록, 양호한 광학박막으로 간주되고 있다. 따라서, 반사율과 투과율의 합의 값이 100%에 가깝고, 또한 전술한 바와 같이, 높은 성막효율을 확보한 광학박막의 형성장치가 요망되고 있었다.
그러나, 상기 특허문헌 2에 개시된 기술에 있어서는 기판 홀더가 평면이기 때문에, 진공용기 옆쪽에 구비된 이온원에 의해 얻어지는 이온 어시스트 효과가, 기판에 대해서 일정해지기 어려워, 그 결과 얻어지는 광학박막의 막질이 균일해지기 어렵다는 문제점이 있었다. 또한, 특허문헌 3 및 4의 기판 홀더는 돔형상이나, 설치된 기판에 대한 이온원으로부터 조사되는 이온빔의 각도 등, 이온원과 기판 홀더의 위치관계에 관해서 구체적인 개시가 없다. 따라서 특허문헌 3 및 4에 개시된 기술에서는 이온 어시스트 효과는 얻어지나, 이온원의 취부 위치에 관련한 이온 어시스트 효과의 정도는 나타내어져 있지 않다.
따라서 종래 기술에 있어서는, 높은 이온 어시스트 효과를 얻어, 균일한 막질로 높은 광학특성을 갖는 광학박막을 얻는 것이 어려웠다.
본 발명의 목적은, 이온원을 구비한 광학박막 증착장치에 있어서, 보다 높은 이온 어시스트 효과를 얻을 수 있고, 또한 막질이 균일하여 양호한 광학특성을 갖는 광학박막 증착장치를 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 광학박막의 제조비용의 저감을 도모하면서, 고성능의 광학박막을 제조할 수 있는 광학박막 증착장치, 및 제조비용이 저렴하며 또한 고성능의 광학박막의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 거듭한 결과, 이온이 조사되는 축선(軸線)이, 기체 표면에 대한 수선(垂線)에 대해서 소정의 각도를 갖고 입사시켜서 성막처리를 행함으로써, 종래보다도 높은 이온 조사의 효과가 얻어진다는 새로운 지견(知見)을 얻어, 본 발명을 완성시켰다.
상기 과제는 본 발명의 광학박막 증착장치에 의하면, 진공용기 내에서 기체에 증착물질을 증착시키는 광학박막 증착장치로서, 상기 진공용기 내에 배설(配設)되어, 상기 기체를 보유·유지(保持)하는 돔형의 기체 보유·유지수단, 그 기체 보유·유지수단을 회전시키는 회전수단, 상기 기체에 대향하여 설치된 증착수단, 상기 기체에 대해서 이온을 조사하는 이온원, 및 상기 기체에 대해서 전자를 조사하는 뉴트럴라이저를 구비하고, 상기 이온원은 상기 기체 보유·유지수단에 보유·유지되는 상기 기체 표면에 대한 수선에 대해서, 상기 이온원으로부터 이온이 조사되는 축선의 최대 각도가 8° 이상 40° 이하가 되는 위치에서, 상기 기체 보유·유지수단의 직경에 대해서, 상기 기체 보유·유지수단에 있어서의 회전축 중심과의 교점과, 상기 이온원 중심과의 연직방향의 거리의 비가, 0.5 이상 1.2 이하의 범위에서 배설되는 것에 의해 해결된다.
이와 같이, 진공용기 내에 기체를 보유·유지하는 돔형상의 기체 보유·유지수단, 그 기체 보유·유지수단을 회전시키는 회전수단, 상기 기체에 대향하여 설치된 증착수단, 상기 기체에 대해서 이온을 조사하는 이온원, 및 상기 기체에 대해서 전자를 조사하는 뉴트럴라이저를 구비하고, 고굴절률 물질과 저굴절률 물질을 번갈아 증착하여 광학박막을 형성하는 증착장치에 있어서, 이온원은 기체 보유·유지수단의 회전하는 축선에 대해서 이온원으로부터 이온이 조사되는 축선이 소정 각도를 갖도록 취부되어 있다.
그리고 기체 표면에 대한 수선에 대해서 이온원으로부터 이온이 조사되는 축선이 이루는 최대 각도가, 8° 이상 40° 이하로 설계됨으로써, 기체에 대해서 거의 직각에 가까운 각도에서 이온빔이 충돌하는 종래의 광학박막 증착장치의 경우에 비해, 이온빔의 충돌시, 기체 표면에 대해서 전단방향의 응력을 작용시킬 수 있다. 즉, 증착물질에 부여하는 에너지가 커서, 기체 표면에 퇴적된 증착물질을 이동시켜서 평활화·치밀화 및 박막조직을 균일화하는 효과가 높다. 따라서, 보다 작은 전력 또는 단시간에 균일한 막질의 광학박막을 성막할 수 있으며, 또한, 막질의 개선을 도모할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 기체 표면에 대한 수선과 이온빔의 축선이 이루는 최대 각도가 8° 이상 40° 이하이면, 기체 보유·유지수단에 의해 조사되는 이온이 차단되지 않기 때문에, 기체 상에 성막되는 박막이 균일해져, 막질이 양호한 광학박막을 얻을 수 있다.
이에 대해서, 전술한 각도 이외, 예를 들면, 기체 표면에 대한 수선과 이온빔의 축선이 이루는 최대 각도가 40°보다도 큰 경우에는, 특히 만곡한 기체 보유·유지수단을 사용했을 때, 기체 보유·유지수단에 의해 이온빔이 차단되기 때문에, 얻어지는 광학박막의 막질이 기체 상에서 불균일해진다. 한편, 기체 표면에 대한 수선과 이온빔의 축선이 이루는 각도가 8°보다도 작은 경우는, 이온원과 기판의 거리가 멀어지기 때문에, 이온 어시스트 효과가 작아져 바람직하지 않다.
그리고 추가적으로 이온원의 취부 위치는, 기체 보유·유지수단의 직경에 대해서, 기체 보유·유지수단에 있어서의 회전축 중심과의 교점과, 이온원 중심과의 연직방향의 거리의 비가 0.5~1.2가 되도록 배설함으로써, 이온빔이 기체 보유·유지수단에 차단되지 않고, 기체에 대해서 균일하게 조사되기 쉽다. 그 결과, 이온 어시스트 효과가 높고, 또한 양호한 광학특성을 갖는 광학박막을 성막할 수 있다.
따라서, 기체 표면에 대한 수선 이온빔의 축선이 이루는 최대 각도를 8° 이상 40° 이하로 함으로써, 요철을 갖는 기체(예를 들면, 오목렌즈 등의 렌즈형상의 기체)를 사용한 경우에도, 기체의 일부에 이온빔이 차단되지 않기 때문에, 양호한 막질의 광학박막을 성막 가능한 증착장치로 할 수 있다.
이때, 청구항 2와 같이, 상기 이온원은 상기 진공용기의 측면에 배설되면 바람직하다.
이와 같이, 이온원이 진공용기의 측면에 배설됨으로써, 이온원을 기판 가까이에 배설할 수 있는 동시에, 기판에 대한 이온빔의 입사각도를 목적하는 크기로 유지하는 것이 용이해진다. 이 구성으로 함으로써, 이온빔의 입사각도를 크게 하는 것이 가능해지고, 증착물질에 부여하는 에너지가 커, 기판 표면에 퇴적된 증착물질의 청정화나 평활화, 박막조직을 치밀화하는 효과를 추가적으로 높일 수 있다. 즉, 높은 에너지를 유지한 상태의 이온빔을, 기판 표면에 대해서 적절한 입사각도에서 충돌시키는 것이 가능해지기 때문에, 기판 표면에 성막되는 박막은 치밀하고, 또한 조성적인 균일성이 향상된다. 또한, 이와 같이 이온원이 진공용기의 측면에 배설됨으로써, 소정의 이온빔 입사각도가 유지되면, 기판에 관해서, 응력적인 변형의 저감을 도모할 수 있다. 그 결과, 굴절률의 변동이 작고(균일성이 높고), 빛의 흡수계수가 작은 광학 디바이스를 제조하는 것이 가능한 광학박막 증착장치로 할 수 있다.
또한, 이때, 이온원이 진공용기의 측면에 배설되고, 추가적으로 기체 표면에 대한 수선과 이온빔의 축선이 이루는 최대 각도가 전술한 각도 이외, 특히 40°보다도 큰 경우에는, 이온원이 증착 대상인 기체 근방에 배설되는 구성이 되기 때문에, 비산한 증착물질에 폭로되어, 이온원이 오염되기 쉽다. 따라서, 이온원의 정비를 빈번히 행할 필요가 있으나, 전술한 각도범위(8° 이상 40° 이하)로 함으로써, 이온원은 기체로부터 적당한 거리로 이간하여 배설되기 때문에, 증착물질에 의한 오염이 부착되는 경우가 적고, 따라서, 본 발명의 광학박막 증착장치는 그 정비가 간편해진다.
또한 이때, 청구항 3과 같이, 상기 이온원은 상기 기판에서 상기 이온원까지의 거리가, 상기 이온원으로부터 조사되는 상기 이온의 평균자유행정 이하가 되도록 배설되면 바람직하다.
이와 같이, 이온원은 기판에서 이온원까지의 거리가 이온원으로부터 조사되는 이온의 평균자유행정 이하가 되도록 배설됨으로써, 큰 직경을 갖는 기판 홀더를 구비한 증착장치여도, 이온원으로부터 방출되는 이온의 대부분이 무충돌상태로 기판에 도달하기 때문에, 높은 운동에너지를 유지한 이온빔을 기판에 조사할 수 있다. 또한, 이온원을 상기 위치에 취부함으로써, 이온 어시스트의 효과가 커서, 보다 낮은 전력 또는 단시간에 성막을 행할 수 있다. 또한, 얻어지는 광학박막의 막질을 향상시키는 것이 가능한 증착장치로 할 수 있다.
또한, 청구항 4와 같이, 상기 이온원은 상기 이온을 조사하는 이온원 본체, 그 이온원 본체와 상기 진공용기를 접속하는 접속부, 및 적어도 상기 이온의 원료가스를 상기 진공용기 내에 공급하는 진공도입부를 구비하고, 상기 접속부를 변경함으로써, 상기 기체 표면에 대한 수선에 대해서, 상기 이온을 조사하는 각도를 조정 가능하면 바람직하다.
이와 같이, 이온원은 진공용기와 이온원 본체 사이에 설치되는 접속부를 구비하고, 접속부를 적절히 변경함으로써, 이온원의 취부각도를 자유자재로 조정할 수 있다. 접속부를 매개로 하여 진공용기의 측면에 취부됨으로써, 이온빔의 손실을 최소한으로 억제하고, 성막영역에 대해서 이온전류밀도가 균일한 분포가 되도록 조정할 수 있다. 따라서, 이온전류밀도 분포를 균일하게 제어하기 쉽기 때문에, 얻어지는 광학박막은 증착물질이 균일하게 성막되어, 막질이 양호한 광학박막을 형성하는 증착장치로 할 수 있다.
이때, 청구항 5와 같이, 상기 접속부는 상기 진공용기측에 고정되는 브래킷과, 상기 이온원 본체의 기울기를 소정 각도에서 고정하는 제동부재를 갖는 구성이면 바람직하다.
상기 구성으로 함으로써, 이온 조사각도의 변경시, 작업자는 제동부재를 적절히 변경하는 것만으로 간단하게 이온 조사각도를 변경할 수 있어, 작업성이 좋은 광학박막 증착장치로 할 수 있다.
또한, 청구항 6과 같이, 상기 뉴트럴라이저는 상기 이온원과 소정 거리 이간된 위치에 설치되면 바람직하다.
이와 같이, 뉴트럴라이저를 이온원으로부터 소정의 거리 이간된 위치에 배설함으로써, 이온원으로부터 조사된 이온이나 뉴트럴라이저로부터 조사된 전자의 손실 없이, 효율적인 성막이 가능한 광학박막 증착장치를 제공할 수 있다.
또한, 청구항 7과 같이, 상기 이온원이 상기 기판 홀더의 회전방향을 따라 복수 설치되면 바람직하다.
이와 같이, 기판 홀더는 회전 가능하게 구성되고, 이온원이 기판 홀더의 회전방향을 따라 복수 설치됨으로써, 기판에 조사되는 이온빔의 분포 조정을 더욱 용이하게 행할 수 있고, 특히, 대형 증착장치에 있어서 기판에 조사되는 이온빔의 밀도 분포를 용이하게 조정할 수 있다.
또한, 상기 과제는, 청구항 8의 광학박막의 제조방법에 의하면, 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 기재된 광학박막 증착장치를 사용해서 제작됨으로써 해결된다.
이와 같이, 청구항 1 내지 7에 기재된 광학박막 증착장치를 사용함으로써, 균일한 막두께로, 우수한 광학특성을 갖는 광학박막을 제조할 수 있다.
청구항 1의 광학박막 증착장치에 의하면, 증착물질에 부여하는 에너지가 커서, 기판 표면에 퇴적된 증착물질을 이동시켜서 평활화·치밀화 및 박막조직을 균일화하는 효과가 높아, 효과적으로 막질의 개선을 도모하는 것이 가능해진다.
청구항 2의 광학박막 증착장치에 의하면, 기판에 대한 이온빔의 입사각도를 적절히 유지할 수 있어, 기판에 성막된 박막조직의 균일성을 효과적으로 향상시키는 것이 가능하다.
청구항 3의 광학박막 증착장치에 의하면, 높은 에너지를 유지한 상태의 이온빔을 기판 표면에 충돌시킬 수 있기 때문에 이온 어시스트의 효과가 높아, 보다 낮은 전력 또는 단시간에 성막할 수 있어, 효과적으로 막질의 개선을 도모할 수 있다.
청구항 4의 광학박막 증착장치에 의하면, 이온빔의 손실을 최소한으로 억제하여, 성막영역에 대해서 이온전류밀도가 균일한 분포가 되도록 조정하는 것이 가능해진다.
청구항 5의 광학박막 증착장치에 의하면, 이온 조사각도를 간단히 변경하는 것이 가능하다.
청구항 6의 광학박막 증착장치에 의하면, 이온원으로부터 조사된 이온이나 뉴트럴라이저로부터 조사된 전자의 손실 없이, 효율적으로 성막을 행할 수 있다.
청구항 7의 광학박막 증착장치에 의하면, 기판에 조사되는 이온빔의 분포를 용이하게 조정할 수 있다.
청구항 8의 광학박막의 제조방법에 의하면, 제조비용이 비교적 저렴하면서, 우수한 특성을 갖는 광학박막을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태의 광학박막 증착장치의 개략 단면도이다.
도 2는 이온빔 입사각도 θ와 광학박막의 투과율＋반사율의 관계를 나타내는 그래프도이다.
도 3은 이온빔 입사각도 θ와 광학박막의 투과율＋반사율의 관계를 나타내는 그래프도이다.
도 4는 실시예 3과 비교예 1의 광학박막의 투과율을 나타내는 그래프도이다.
도 5는 실시예 3과 비교예 1의 광학박막의 투과율＋반사율을 나타내는 그래프도이다.
도 6은 실시예 4, 5의 광학박막의 투과율＋반사율을 나타내는 그래프도이다.
도 7은 종래의 광학박막 증착장치의 개략 단면도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 부재, 배치 등은 발명을 구체화한 일례로서 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 취지에 따라 각종 개변할 수 있는 것은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일실시형태인 광학박막 증착장치(1)의 개략 단면도이다. 광학박막 증착장치(1)는 이온원(38)으로부터 이온빔(가스이온)을 기판에 조사하면서 성막처리가 가능한 이온 어시스트 증착장치로서, 세로로 놓은 원통형상의 진공용기(10) 내부의 위쪽 방향에 기체 보유·유지수단으로서의 기판 홀더(12)가 보유·유지되어 있다. 진공용기(10) 내부의 아래쪽 방향에는, 증착수단으로서의 증착원(34)이 배설되어 있다. 또한, 이온원(38) 및 뉴트럴라이저(40)는 진공용기(10) 내부의 측면에 배설되어 있다.
진공용기(10)의 내측은, 도시하지 않는 배기수단에 의해 소정의 압력(예를 들면, 3×10-2~10-4 Pa 정도)으로 배기된다.
기체 보유·유지수단으로서의 기판 홀더(12)는, 진공용기(10) 내의 위쪽에, 수직축 방향으로 회전 가능하게 보유·유지되는 돔형상으로 형성된 스테인리스제의 부재로서, 회전수단으로서의 도시하지 않는 모터의 출력축에 연결되어 있다. 기판 홀더(12)의 아랫면에는 복수의 기체로서의 기판(14)이 성막면을 아래쪽으로 하여 지지되어 있다.
기판(14)은 표면에 유전체막이나 흡수막이 성막에 의해 부착되는 수지(예를 들면, 폴리이미드) 또는 석영 등의 투광성을 갖는 부재이다. 본 실시형태에서는 기판(14)으로서 원판형상의 것을 사용하고 있으나, 형상은 이것에 한정되지 않고, 표면에 박막을 형성할 수 있는 것이면, 예를 들면 렌즈형상, 원통형상, 원환(圓環)형상 등의 다른 형상이어도 된다.
진공용기(10)는, 공지의 성막장치에서 통상 사용되는 대체로 원통의 형상을 갖는 스테인리스제의 용기로서 접지전위로 되어 있다.
진공용기(10)에는, 도시하지 않는 배기구가 설치되어 있어 배기구를 매개로 하여 도시하지 않는 진공펌프가 접속되어 있다. 또한, 진공용기(10)에는, 내부에 가스를 도입하기 위한 가스 도입관(도시하지 않음)이 형성되어 있다.
증착원(34)은 진공용기(10) 내의 아래쪽에 배설되어 있어, 전자빔 가열방식에 의해 고굴절률 물질이나 저굴절률 물질을 가열해서 기판(14)을 향해서 방출하는 증발수단이다. 증착원(34)의 위쪽 방향에는, 개폐조작 가능한 셔터(34a)가 취부되어 있다. 셔터(34a)는 도시하지 않는 콘트롤러에 의해 적절히 개폐 제어된다.
본 실시형태에 있어서 성막되는 광학필터는, 고굴절률 물질과 저굴절률 물질을 번갈아 적층시켜서 성막하고 있으나, 한 종류 또는 복수 종류의 증발물질로 되는 광학필터의 성막에 대해서도 본 발명은 적용할 수 있어, 그 경우, 증착원의 수나 배치를 적절히 변경 가능하다.
또한, 본 실시형태에 있어서 제작하는 광학필터의 구체예로서, 단파장 투과 필터(SWPF)와 적외선 커트 필터를 들고 있으나, 이 이외에도, 장파장 투과 필터, 밴드패스 필터, ND 필터 등의 박막 디바이스에 대해서도 적용 가능하다.
이온원(38)은, 이온을 조사하는 이온원 본체와, 진공용기(10)에 이온원 본체를 설치하기 위한 접속부(어태치먼트(44))와, 적어도 조사되는 이온의 원료가 되는 가스를 진공용기(10)의 내부에 도입하기 위한 진공도입부(도시하지 않는 플랜지)를 구비하고 있다. 진공도입부는 가스 이외에도 전기, 냉각수를 도입하기 위한 피드 스루 부분으로서의 기능도 구비하고 있다. 이온원(38)은, 이온빔(ion beam)을 기판(14)을 향해 방출하는 것으로, 반응가스(예를 들면 O2)나 비활성 기체(예를 들면 Ar)의 플라즈마로부터 대전된 이온(예를 들면 O2 ＋, Ar＋)을 인출가속전압에 의해 가속하여 사출한다. 또한, 이온원(38)의 위쪽 방향에는, 도시하지 않는 콘트롤러에 의해 적절히 개폐제어 가능한 셔터(38a)가 취부되어 있다.
뉴트럴라이저(40)는 전자(e-)를 기판(14)을 향해 방출하는 것으로, Ar 등 비활성 기체의 플라즈마로부터 전자를 인출하고, 가속전압으로 가속하여 전자를 방출한다. 여기서부터 사출되는 전자에 의해 기판(14) 표면에 부착된 이온이 중화된다.
본 실시형태의 광학박막 증착장치(1)에서는, 뉴트럴라이저(40)는 이온원(38)과 소정 거리 떨어져 배설되어 있다. 뉴트럴라이저(40)의 취부 위치는, 기판(14)에 전자를 조사하여 중화할 수 있는 위치이면 된다.
다음으로, 이온원(38)의 취부방법과 위치에 대해서 설명한다.
이온원(38)은 진공용기(10)의 측면에 접속부로서의 어태치먼트(44)를 매개로 하여 취부되어 있다. 이온원(38)이 진공용기(10)의 측면에 취부됨으로써, 이온원(38)으로부터 조사되는 이온빔은, 짧은 비행거리로 기판(14)에 도달하기 때문에, 기판(14)에 충돌할 때의 이온의 운동에너지의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태 중에서는 이온원(38)은 진공용기(10)의 측면에 배설되어 있으나, 후술하는 취부각도(θ), 취부 높이(h)를 만족하는 위치이면, 저면에 구비되어 있어도 된다.
여기서, 이온원(38)을 진공용기(10)의 측면에 취부함으로써, 이온빔은 각도를 갖고 기판(14)에 입사되게 된다. 기판(14)에 입사하는 이온빔이 각도를 가짐으로써, 커다란 이점을 수반하는 것이 확인되었다. 즉, 후술하는 바와 같이, 높은 운동에너지를 유지한 상태의 이온빔을 비스듬한 방향에서 기판(14) 표면에 충돌시킴으로써, 기판(14) 표면에 퇴적된 증착물질에 의해 커다란 에너지를 작용시킬 수 있는 등, 종래보다도 높은 이온 어시스트의 효과가 얻어지는 것이 발견되었다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 이온원(38)은 증착원(34)의 배치위치보다도 이온원(38)의 본체길이 분량 이상 기판(14)에 가까운 위치에 배치되어 있다. 또한, 이온원(38)의 취부가 용이해지도록, 진공용기(10)의 측면 일부가 경사져서 형성되어 있으나, 이온원(38)을 취부하는 위치는 임의이다. 또한, "이온원(38)의 본체길이"란 이온원(38)(이온총)의 전극에서 이온원(38)이 설치된 진공용기(10)의 벽면(측벽)까지의 거리이다.
어태치먼트(44)는 이온원(38)의 접속부로서 진공용기(10)의 측면에 취부되어 있다. 또한, 본 실시형태 중에서는 이온원(38)은 진공용기(10)의 측벽에 설치되어 있으나, 저면에 설치되어 있어도 되고, 그 경우는 어태치먼트(44)도 또한 진공용기(10)의 저면에 배설된다. 어태치먼트(44)는 진공용기(10)측에 고정되는 브래킷(도시하지 않음), 이온원(38)에 있어서 이온원 본체(도시하지 않음)측을 브래킷에 대해서 경사 가능하게 지지하는 핀(도시하지 않음), 및 이온원(38)의 기울기를 소정 위치로 고정하는 나사로 되는 제동부재(도시하지 않음)를 주요 구성요소로서 구비하고 있다. 그 때문에, 이온원(38)의 취부각도를 임의로 조절할 수 있다. 추가적으로, 브래킷을 진공용기(10)측에 배설하고, 위치조정 가능한 도시하지 않는 베이스 플레이트에 고정함으로써, 취부각도 뿐만 아니라, 높이방향, 진공용기(10)의 반지름방향의 위치를 조정 가능하게 구성되어 있어도 된다. 또한, 베이스 플레이트는, 전술한 브래킷이 맞닿아 고정됨으로써, 이온원(38)을 적당한 위치로 조정할 수 있다. 이온원(38)의 높이방향, 진공용기(10)의 반지름방향의 위치 조정은, 베이스 플레이트를 진공용기(10)의 상하방향 및 반지름방향으로 이동시킴으로써 행해진다.
이온원(38)의 취부높이(h)(이후, 「취부높이(h)」라 칭한다.) 및 진공용기(10)의 반지름방향의 위치 변경에 의해, 이온원(38)과 기판(14)을 적절한 거리로 조정할 수 있고, 이온원(38)을 취부하는 각도를 변경함으로써, 기판(14)에 충돌하는 이온빔의 입사각도나 위치를 조정할 수 있다.
즉, 이온원(38)의 높이방향, 진공용기(10)의 반지름방향의 위치, 및 취부각도의 조정에 의해, 이온빔의 손실을 최소한으로 억제하여, 성막영역에 대해서 이온전류밀도가 균일한 분포가 되도록 조정한다.
여기서, 이온원(38)의 취부각도(θ)(이후, 「취부각도(θ)」라 칭한다.)는, 이온빔을 조사하는 축선과, 기판 홀더(12)에 설치된 기판(14)의 표면에 대한 수선이 이루는 최대 각도를 가리킨다. 전술한 바와 같이, 기판 홀더(12)는 회전하고 있기 때문에 기판(14)의 위치가 변화하고, 그것에 수반하여 기판(14)의 표면에 대한 수선과, 이온빔이 이루는 각도는 변화하는데, 이 각도가 최대일 때를 취부각도(θ)라 정의한다. 또한, 본 명세서 중, 취부각도(θ)는 이온빔 조사각도와 동일 정의이다.
이 취부각도(θ)가 지나치게 크면, 기판(14)의 표면과 이온빔이 이루는 각도가 작아져, 그 결과, 기판(14)에 충돌해도 기판(14)에 커다란 효과를 미치지 않고, 이온빔이 튕겨돌아오기 때문에, 이온 어시스트의 효과가 저하되는 것으로 생각된다.
또한, 취부각도(θ)가 크면, 특히 만곡한 기판 홀더(12)를 사용한 경우, 기판 홀더(12)에 의해 이온빔이 차단되기 때문에, 기판(14) 상에 성막되는 광학박막의 막질이 불균일해진다. 또한, 취부각도(θ)가 지나치게 큰 경우는, 돔형상으로 형성된 기판 홀더(12)의 일부에 이온빔이 차단되어, 이온 어시스트 효율 저하의 원인이 된다.
한편, 취부각도(θ)가 작은 경우는, 이온원(38)과 기판의 거리가 멀어지기 때문에, 이온 어시스트 효과가 작아져 바람직하지 않다. 즉, 이 취부각도(θ)가 작은 경우, 기판(14)의 표면에 대해서 직각에 가까운 각도에서 이온빔이 충돌하게 되기 때문에, 증착물질에 커다란 에너지를 부여할 수 없어, 퇴적된 증착층을 치밀화하는 효과가 저하된다.
따라서, 이하에 기술하는 바와 같이, 취부각도(θ)를 6° 이상 70° 이하, 바람직하게는 8° 이상 40° 이하로 함으로써, 예를 들면 렌즈 등과 같은 요철을 갖는 기판(14)을 사용한 경우에도, 기판(14)의 일부에 이온빔이 차단되지 않기 때문에, 양호한 막질의 광학박막을 성막 가능한 증착장치로 할 수 있다.
또한, 기판(14) 표면에 비스듬한 방향에서 이온빔을 입사시키는 방법은, 기판(14)과 이온원(38)의 거리가 평균자유행정 이하, 또는 동등하면, 그 거리에 의존하지 않고 효과가 확인되었다. 즉, 이온원(38)으로부터의 이온빔이 기판(14)에 도달 가능한 범위이면, 기판(14) 표면에 비스듬한 방향에서 이온빔을 입사시키는 방법을 적용함으로써, 높은 이온 어시스트의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 취부각도(θ)는 전술한 각도범위이면, 기판 홀더(12)나 진공용기(10)의 크기 또는 성막재료에 의해 적절히 변경 가능한 것은 물론이다.
취부높이(h)는 이온원(38)과 기판(14)의 거리가 적절해지도록 설정된다. 취부높이(h)가 지나치게 높으면 이온원(38)과 기판(14)의 거리가 가까워지기 때문에, 비산한 증착물질에 의해 이온원(38)이 오염되기 쉬워진다. 한편, 취부높이(h)가 지나치게 낮으면 기판(14)과 이온원(38)의 거리가 길어지는 동시에 취부각도(θ)가 지나치게 작아진다. 따라서, 취부높이(h)는 적절한 취부각도(θ)를 얻을 수 있는 위치로 할 필요가 있다.
이온원(38)의 취부위치에 관해서, 기판 홀더(12)에 있어서의 회전축 중심과의 교점과, 이온원(38) 중심과의 연직방향의 거리, 즉 이온원에서 기판 홀더 중심까지의 높이를 H, 기판 홀더(12)의 직경을 D로 했을 때, D에 대한 H의 비, 즉 H/D의 값을 0.5~1.2로 하면 바람직하다. 예를 들면, 상기 D 및 H는, 이하의 표 1과 같이 설정된다.
Figure 112010030509619-pct00001
이온원(38)과 기판(14)의 거리는, 이온원(38)으로부터 조사되는 이온의 평균자유행정(I)과 동등 또는 그 이하인 것이 바람직하다. 예를 들면, 평균자유행정(I)=500 ㎜이면, 이온원(38)과 기판(14)의 거리도 500 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 이온원(38)과 기판(14)의 거리를 평균자유행정(I) 이하로 함으로써, 이온원(38)으로부터 방출된 이온의 반수 이상을 무충돌상태에서 기판(14)에 충돌시킬 수 있다. 높은 에너지를 가진 상태로 이온빔을 기판(14)에 조사할 수 있기 때문에, 이온 어시스트의 효과가 커서, 보다 낮은 전력 또는 단시간에 성막할 수 있다.
또한, "이온원(38)과 기판(14)의 거리"란, 이온원(38) 중심에서 기판 홀더(12)의 성막면측 중심까지의 거리를 가리킨다. 마찬가지로, "증착원(34)과 기판(14)의 거리"란, 증착원(34) 중심에서 기판 홀더(12)의 성막면측 중심까지의 거리를 나타낸다.
이온원(38)의 취부위치는, 진공용기(10) 측면의 위치에는 한정되지 않고, 어태치먼트(44)에 의해 진공용기(10) 측면의 벽면으로부터 이간된 위치에 배치되도록 해도 된다. 어태치먼트(44)는 진공용기(10)의 반지름방향으로도 이온원(38)의 위치를 조정할 수 있기 때문에, 용이하게 적절한 배치로 할 수 있다.
이 경우, 보다 가까운 위치로부터, 기판(14)에 대해서 이온빔을 조사할 수 있기 때문에, 보다 낮은 에너지(소비전력)로도 양호한 이온 어시스트의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 대형 증착장치에 있어서, 진공도가 낮은 성막조건으로 성막을 행하는 경우에도 본 실시형태를 적용할 수 있다. 또한, 기판 홀더(12)와 진공용기(10)의 내측 벽면의 거리가 떨어져 있는 증착장치에 있어서도 바람직하게 본 실시형태를 적용할 수 있다.
물론, 이온원(38)을 저부에 설치해도 된다. 이 경우, 저부에 대좌(臺座)를 설치하여 대좌 상에 이온원(38)을 취부하면 된다.
또한, 전술한 바와 같이, 보다 낮은 이온전류(소비전력)로도 양호한 이온 어시스트의 효과를 얻을 수 있는 것으로부터, 이온빔의 충돌에 의한, 기판(14) 표면이나 기판 홀더(12)에 부착된 증착물질의 박리가 감소하였다. 즉, 진공용기(10) 내에 존재하는 이물질을 줄일 수 있어, 보다 고정도(高精度)의 성막을 행할 수 있다. 즉, 성막공정의 수율 향상에 의해 제조비용의 저감을 도모하면서, 고정도의 광학필터를 제조할 수 있다.
또한, 이온원(38)을 진공용기(10)의 측면에 취부함으로써, 증착원(34)과 기판(14) 사이에 배치되는 막두께 보정판(도시하지 않음)에 의해, 이온빔이 방해받는 경우가 없어지기 때문에, 이온의 손실이 감소하여, 보다 효율적인 성막이 가능해진다.
또한, 기판(14)에 대한 이온빔의 입사각도 증대에 수반하여 이온 어시스트 효과가 서서히 향상되기 때문에, 취부각도(θ)를 증대시킴으로써 소비전력의 저감과 이온총의 장수명화를 도모할 수 있다. 상세하게는 후술하는 실시예를 토대로 하여 설명한다.
다음으로, 뉴트럴라이저(40)의 취부위치에 대해서 설명한다.
전술한 바와 같이, 뉴트럴라이저(40)의 취부위치는, 기판(14)에 전자를 조사하여 중화할 수 있는 위치이면 된다. 그러나, 뉴트럴라이저(40)를 기판 홀더(12)에 가까운 위치에 배설함으로써, 이온원(38)으로부터 조사된 이온이 부착되는 기판(14)의 영역을 향해서 정확하게 전자를 조사할 수 있다.
또한, 뉴트럴라이저(40)는 이온원(38)과 소정 거리 떨어진 위치에 배설되면, 이온원(38)으로부터 기판(14)을 향해 이동중인 이온과 직접 반응하는 경우가 적어, 효율적으로 기판(14)의 전하를 중화할 수 있다. 그 때문에, 종래의 광학박막 증착장치보다도 뉴트럴라이저(40)에 인가되는 전류값을 낮은 값으로 해도 바람직하게 기판(14)을 중화할 수 있다. 예를 들면, 고굴절률막이나 저굴절률막 등의 유전체막의 성막시, 기판(14) 표면에 충분한 전자를 공급할 수 있기 때문에, 기판(14) 상에 있어서 산소 이온에 대한 정전 척력이 작용하기 어려워, 산소 이온이 기판(14)을 향해 비산되기 쉬워진다. 그 결과, 고굴절률막이나 저굴절률막 등의 유전체막을 완전히 산화시킬 수 있다.
또한, 뉴트럴라이저(40)와 이온원(38)의 거리는 200 ㎜ 정도가 바람직하나, 목적하는 성막조건에 따라 적절히 변경 가능하다. 이때, 이온원(38)을 지지하는 어태치먼트(44)를 조정함으로써, 뉴트럴라이저(40)와 이온원(38)의 거리를 적절히 변경할 수 있다.
본 실시형태의 광학박막 증착장치(1)는, 이온원(38) 및 뉴트럴라이저(40)가 각각 하나씩으로 구성되어 있으나, 이들이 복수개씩 배치되는 구성으로 하는 것도 가능하다. 예를 들면, 회전하는 기판 홀더(12)의 회전방향을 따라 이온원(38)과 뉴트럴라이저(40)가 복수 설치되는 구성으로 해도 된다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 큰 사이즈의 기판 홀더(12)를 구비하는 대형 증착장치에도 본 발명을 보다 효과적으로 적용할 수 있다.
이하에, 이 광학박막 증착장치(1)의 동작에 대해서 설명한다.
진공용기(10) 내의 기판 홀더(12)에 기판(14)을 세팅하고, 진공용기(10) 내를 소정 압력까지 배기한다. 그리고, 기판 홀더(12)를 소정 회전수로 회전시키는 동시에, 도시하지 않는 히터에 의해 기판(14)의 온도를 소정 온도로 한다.
그리고 이온원(38)을, 즉시 이온의 조사 가능한 아이들 운전상태로 하여, 증착원(34)을 셔터(34a)의 열림동작에 의해 즉시 증발입자를 방출할 수 있는 상태로 한다. 또한, 기판 홀더(12)의 회전수와 기판(14)의 온도가 소정 조건에 도달한 후에 증착공정으로 진행한다.
증착공정은 고굴절률 물질(예를 들면, Ta2O5나 TiO2)이나 저굴절률 물질(예를 들면, SiO2)을 방출하는 증착원(34)의 셔터 개폐를 제어하여, 고굴절률 물질과 저굴절률 물질을 번갈아 기판(14)을 향해 방출한다. 이들의 증착물질을 방출하는 동안, 이온원(38)의 셔터(38a)를 열림동작하여 방출한 이온(예를 들면, O2 ＋나 Ar＋)을 기판(14)에 충돌시킴으로써, 기판(14)에 부착된 증착물질의 표면을 평활화하는 동시에 치밀화한다. 이 조작을 소정 횟수 반복함으로써 다층막을 형성한다.
이때, 이온빔의 조사에 의해 기판(14)에 전하의 치우침이 발생하나, 이 전하의 치우침은, 뉴트럴라이저(40)로부터 기판(14)을 향해 전자를 조사함으로써 중화하고 있다.
여기서, 이온원(38)을 진공용기(10)의 측면에 취부한 것의 효과에 대해서 고찰한다.
제1 효과로서, 이온원(38)과 기판(14)의 거리가 종래의 광학박막 증착장치에 비해 가깝기 때문에, 높은 에너지를 유지한 상태의 이온빔을 기판(14)에 조사할 수 있다. 그 때문에, 보다 낮은 전력 또는 단시간에 성막을 행할 수 있으며, 또한, 막질의 개선을 도모할 수 있었다고 생각된다.
제2 효과로서, 이온빔은 기판(14)에 대해서 소정의 각도를 갖고 입사하기 때문에, 기판(14)에 직각에 가까운 각도에서 이온빔이 충돌하는 경우보다도, 기판(14) 표면에 대해서 전단방향의 응력을 작용시킬 수 있다. 즉, 증착물질에 부여하는 에너지가 커서, 기판(14) 표면에 퇴적된 증착물질을 이동시키는 효과가 높아, 그 때문에, 보다 낮은 소비전력 또는 단시간에 성막을 행할 수 있으며, 또한, 막질의 개선을 도모할 수 있었다고 생각된다.
막질의 개선이란, 기판(14)에 퇴적된 박막의 청정화와 평활화 또는 박막조직의 치밀화를 도모하는 것으로, 기판(14) 표면에 퇴적된 증착층을 구성하는 분자(증착분자)가 기판(14) 상의 안정한 위치에 정지(靜止)할 때까지 이동함으로써 이와 같은 효과가 나타난다. 이때, 조사된 이온빔(이온)이 충돌함으로써, 증착분자의 이동이 촉진되기 때문에, 박막이 치밀해지고, 또한, 조성적인 균일성이 향상되는 동시에, 박막조직의 응력적인 변형의 저감을 도모할 수 있다.
이와 같이, 성막된 조직이 높은 균일성을 가짐으로써, 굴절률의 변동이 적고, 빛의 흡수계수가 일정 이하로 안정한 광학필터를 얻을 수 있다.
본 실시형태에 있어서는, 취부각도(θ)가 8° 이상 40° 이하의 각도범위일 때 높은 이온 어시스트의 효과를 얻을 수 있고, 따라서, 소비전력의 저감과, 우수한 막질의 박막을 얻을 수 있다. 상세하게는 후술하는 실시예를 토대로 하여 설명한다.
[실시예 1]
도 1에 나타낸 광학박막 증착장치(1)를 사용해서 성막을 행한 결과에 대해서, 도 2를 참조해서 설명한다. 도 2는 취부각도(이온빔 입사각도)(θ)와 광학박막의 투과율＋반사율의 관계를 나타내는 그래프도로, 투과율(T)＋반사율(R)(파장(λ)=450~550 ㎚에 있어서의 평균값)을 나타내고 있다. 측정한 취부각도(θ)는 8~45°의 범위이다. 취부각도(θ)는 이온원(38)의 취부위치 및 어태치먼트(44)를 조정함으로써 변화시켰다.
또한, 도 2는 성막시 이온빔의 에너지밀도가 50 mW/㎠인 경우를 나타내고 있다. 도 2에 있어서 평가한 광학박막은 모두 증착물질로서 고굴절률 물질 및 저굴절률 물질을 번갈아 성막한 광학박막이다. 또한, 어느 것에 있어서도, 고굴절률 물질로서 Ta2O5, 저굴절률 물질로서 SiO2를 사용한 36층으로 되는 단파장 투과 필터(Short Wave Pass Filter: SWPF)의 다층막을 성막하였다.
도 2에 있어서의 각 광학박막의 성막조건은 이하와 같다. 또한, Ta-O 결합과 Si-O 결합의 결합에너지가 상이하고, 또한 Si 및 Ta의 원자량이 상이하기 때문에, 하기한 바와 같이 Ta2O5와 SiO2는 상이한 성막조건으로 성막하였다.
기판: BK7(굴절률 n=1.52)
막재료: Ta2O5(고굴절률막), SiO2(저굴절률막)
Ta2O5의 성막속도: 1.1 ㎚/sec
SiO2의 성막속도: 1.5 ㎚/sec
Ta2O5/SiO2 증발시의 이온원 조건
도입가스: 산소 60 sccm
이온 가속전압: 800 V
이온전류: 850 mA
이온빔 에너지밀도: 50 mW/㎠
취부각도(θ): 8~45°
뉴트럴라이저의 조건
뉴트럴라이저 전류: 1000 mA
방전가스: 아르곤 10 sccm
도 2에 의하면, 취부각도(θ)=8~40°의 범위에 있어서 제작된 다층막은 투과율(T)＋반사율(R)이 안정하게 높은 값을 나타내고 있다.
도 2에 나타낸 다층막에 대해서, 구체적인 투과율(T)＋반사율(R)의 값으로 비교하면, 취부각도(θ)=8°에서는 99.4%, θ=40°에서는 99.5%였던데 대해서, 취부각도(θ)=43°에서는 96.9%로 되어, 도 2로부터도 명확한 바와 같이, 취부각도(θ)가 40°보다 큰 범위에서는, 투과율(T)＋반사율(R)의 값이 작아져 있다. 도 2로부터, 투과율(T)＋반사율(R)의 값이 99%를 초과하는 범위는 취부각도(θ)=8~40°까지로, 이 취부각도(θ)의 범위로 함으로써 이온 어시스트 효과가 향상되어, 양호한 광학특성의 다층막을 성막할 수 있다.
[실시예 2]
다음으로, 도 1에 나타낸 광학박막 증착장치(1)를 사용해서 성막을 행한 결과에 대해서, 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 취부각도(이온빔 입사각도)(θ)와 광학박막의 투과율＋반사율의 관계를 나타내는 그래프도로, 파장(λ)=550 ㎚에 있어서의 투과율(T)＋반사율(R)을 나타내고 있다. 측정한 취부각도(θ)는 0~85°의 범위이다. 취부각도(θ)는 이온원(38)의 취부위치 및 어태치먼트(44)를 조정함으로써 변화시켰다.
이온빔의 에너지밀도를 50 mW/㎠로 하여 행한 전술한 실시예 1에 대해서, 실시예 2에서는 이온빔의 에너지밀도를 하기한 바와 같이 설정하고, 취부각도(θ)를 0~85°로 하여 성막을 행하였다. 취부각도(θ)는 이온원(38)의 취부위치 및 어태치먼트(44)를 조정함으로써 변화시켰다.
또한, 36층의 막으로 되는 실시예 1에 대해서, 실시예 2는 고굴절률 물질로서 TiO2, 저굴절률 물질로서 SiO2를 사용한 27층으로 되는 적외선 커트 필터의 다층막이다.
실시예 2의 성막조건은 이하와 같다.
기판: BK7(굴절률 n=1.52)
막재료: TiO2(고굴절률막), SiO2(저굴절률막)
TiO2/SiO2 증발시의 이온원 조건
도입가스: 산소 60 sccm
이온 가속전압: 200~1200 V
이온전류: 200~1000 mA
이온빔 에너지밀도: 5~150 mW/㎠
취부각도(θ): 0~85°(계 16조건)
뉴트럴라이저의 조건
뉴트럴라이저 전류: 1000 mA
방전가스: 아르곤 10 sccm
또한, TiO2/SiO2의 성막속도는 취부각도(θ)의 값에 따라 변화하는 값이다. 그 때문에, TiO2/SiO2의 성막속도가 일정해지도록, 취부각도(θ)의 값에 따라 적절히 상기의 조건범위 내에서 이온 가속전압 및 이온전류를 변화시키고 있다.
이와 같이, 전술한 성막조건에 있어서는, 취부각도(θ)가 6~70°인 범위 내에 있어서는, 투과율(T)＋반사율(R)의 값이 개선되는 효과가 확인되었다. 즉, 이온빔을 소정 각도를 갖고 기판(14)에 입사시킴으로써, 빛의 흡수계수가 일정 이하로 우수한 막질을 갖는 광학필터가 얻어졌다.
또한, 전술한 성막조건에 있어서, 이온원(38)을 진공용기(10) 저부측에 배설한 경우에도, 취부각도(θ)=6~70°의 범위 내에서는 양호한 막질의 박막이 얻어진 것으로부터, 이온원(38)과 기판(14)의 거리에 관계없이, 이온빔을 소정 각도를 갖고 기판(14)에 입사시키는 방법에 의하면, 양호한 막질을 갖는 박막을 얻을 수 있는 것이 발견되었다.
또한, 취부각도(θ)의 증대에 수반하여 이온 어시스트의 효과가 서서히 향상되는 효과가 확인되었다. 즉, 취부각도(θ)의 증대에 수반하여 최적의 이온 가속전압 및 이온전류가 서서히 저하되는 현상이 확인된 것으로부터, 취부각도(θ)를 높게 설정함으로써 막질의 개선에 더하여, 소비전력의 저감과 이온총의 장수명화를 도모할 수 있다.
따라서, 상기 실시예 1 및 2의 측정결과로부터, 취부각도(θ)는 적어도 파장(λ)=550 ㎚에 있어서는 6~70°가 바람직하고, 또한 취부각도(θ)=8~40°일 때는, 파장 450 ㎚~550 ㎚의 범위에 있어서 투과율(T)＋반사율(R)의 값이 높아 더욱 바람직한 것이 나타내어졌다.
또한, 얻어진 광학박막에 관해서 순수자비(純水煮沸) 시험을 실시한 바, 취부각도(θ)=45° 이상으로 했을 때 얻어진 광학박막에 있어서 파장 시프트가 관측된 한편, 취부각도(θ)=8~40°일 때 얻어진 광학박막은 파장 시프트가 관측되지 않았다. 이는 취부각도(θ)=45° 이상으로 했을 때 얻어진 광학박막을 통상의 환경 중에서 광학박막을 사용한 경우, 대기중의 수분 흡수에 의해 당초의 광학특성이 변화되는 것을 나타낸다.
따라서, 취부각도(θ)=8~40°일 때, 이온 어시스트에 의해 전술한 파장 시프트가 효과적으로 억제(또는 방지) 가능한 것이 나타내어졌다. 그리고, 전술한 취부각도(θ)의 범위로 함으로써, 특히 파장 시프트가 억제되어, 이온 어시스트의 효과가 보다 현저히 나타나는 것이 명확해졌다.
[실시예 3, 비교예 1]
도 1에 나타낸 광학박막 증착장치(1)를 사용해서 성막을 행한 실시예 1(취부각도(θ)=40°)에 대해서, 종래의 광학박막 증착장치(도 7 참조)에 의해 성막을 행한 비교예 1(취부각도(θ)=0°)과 비교해서 설명한다. 또한, 취부각도=0°란, 이온원(38)과 기판 홀더(12)의 곡률 중심이 일치한 경우이다.
실시예 1 및 비교예 1은 모두, 증착물질로서 고굴절률 물질 및 저굴절률 물질을 번갈아 성막하였다. 또한, 실시예 1 및 비교예 1 어느 것에 있어서도, 고굴절률 물질로서 Ta2O5, 저굴절률 물질로서 SiO2를 사용한 36층으로 되는 단파장 투과 필터(Short Wave Pass Filter: SWPF)의 다층막을 성막하였다.
또한, 제작한 SWPF 다층막의 광학특성에 관한 측정결과를 도 4, 도 5에 나타내었다.
실시예 3의 성막조건은 이하와 같다. 또한, Ta-O 결합과 Si-O 결합의 결합에너지가 상이하고, 또한 Si 및 Ta의 원자량이 상이하기 때문에, 하기한 바와 같이 Ta2O5와 SiO2는 상이한 성막조건으로 성막하였다.
기판: BK7(굴절률 n=1.52)
막재료: Ta2O5(고굴절률막), SiO2(저굴절률막)
Ta2O5의 성막속도: 0.5 ㎚/sec
SiO2의 성막속도: 1.0 ㎚/sec
Ta2O5 증발시의 이온원 조건
도입가스: 산소 60 sccm 아르곤 7 sccm
이온 가속전압: 500 V
이온전류: 500 mA
취부각도(θ): 40°
SiO2 증발시의 이온원 조건
도입가스: 산소 50 sccm
이온 가속전압: 500 V
이온전류: 500 mA
취부각도(θ): 40°
뉴트럴라이저의 조건
뉴트럴라이저 전류: 1000 mA
방전가스: 아르곤 10 sccm
비교예 1의 성막조건은 이하와 같다. 또한, Ta-O 결합과 Si-O 결합의 결합에너지가 상이하고, 또한 Si 및 Ta의 원자량이 상이하기 때문에, 하기한 바와 같이 Ta2O5와 SiO2는 상이한 성막조건으로 성막하였다.
기판: BK7(굴절률 n=1.52)
막재료: Ta2O5(고굴절률막), SiO2(저굴절률막)
Ta2O5의 성막속도: 0.5 ㎚/sec
SiO2의 성막속도: 1.0 ㎚/sec
Ta2O5 증발시의 이온원 조건
도입가스: 산소 60 sccm 아르곤 7 sccm
이온 가속전압: 500 V
이온전류: 500 mA
취부각도(θ): 0°
SiO2 증발시의 이온원 조건
도입가스: 산소 50 sccm
이온 가속전압: 500 V
이온전류: 500 mA
취부각도(θ): 0°
뉴트럴라이저의 조건
뉴트럴라이저 전류: 1000 mA
방전가스: 아르곤 10 sccm
여기서, 비교예 1에 사용한 종래의 광학박막 증착장치와, 실시예 3에 사용한 광학박막 증착장치(1)에 있어서의 무충돌상태에서의 이온 도달 확률에 대해서 설명한다.
실시예 3 및 비교예 1에서의 진공상태는 O2가스 분위기, 250℃, 2.5×10-2 Pa라고 가정하면, 평균자유행정(I)은 모두 500 ㎜가 된다. 종래의 광학박막 증착장치의 이온원(38)에서 기판 홀더(12) 중심까지의 거리(거리(d))는 1012 ㎜인 한편, 광학박막 증착장치(1)의 거리(d)는 439 ㎜인 것으로부터, 종래의 광학박막 증착장치의 무충돌에서의 이온 도달 확률은 13%인 것에 대해서, 광학박막 증착장치(1)에서는 41%이다.
즉, 이온원(38)의 조건을 동일하게 해서 비교하면, 광학박막 증착장치(1)는 종래의 광학박막 증착장치에 비해, 대략 3배의 이온이 기체분자에 무충돌 상태로 기판(14)에 도달하게 된다. 따라서, 광학박막 증착장치(1)에 있어서 기판(14)에 조사되는 이온은, 종래의 광학박막 증착장치보다도 높은 운동에너지를 갖고 있다.
도 4는 실시예 3과 비교예 1의 광학필터의 투과 분광 특성(투과율)을 나타내는 그래프로, 제작한 SWPF 다층막에 400~1000 ㎚의 파장(λ)의 빛을 조사하고, 그 투과율(T)을 파장(λ)에 대해서 플롯한 것이다.
도 4에 의하면, 파장(λ)이 400~550 ㎚인 범위에 있어서, 일부의 파장영역을 제외하고는 있으나, 실시예 3에 있어서 제작된 다층막은, 비교예 1의 다층막과 비교하여 투과율(T)이 높은 값을 나타내고 있다.
구체적으로는, 파장(λ)=480 ㎚에서의 투과율(T)로 비교하면, 비교예 1에서의 다층막의 투과율(T)은 91.5%, 실시예 3에서의 다층막의 투과율(T)은 94.5%였다. 또한, 파장(λ)=550 ㎚에서의 투과율(T)로 비교하면, 비교예 1에서의 다층막의 투과율(T)은 92.1%, 실시예 3에서의 다층막의 투과율(T)은 94.3%였다.
따라서, 취부각도(θ)=0°에서 성막된 비교예 1의 다층막보다도, 취부각도(θ)=40°에서 성막된 실시예 3의 다층막이, 보다 높은 투과율(T)을 갖는 것이 나타내어졌다.
도 5는 실시예 3과 비교예 1의 광학필터의 투과율(T)과 반사율(R)의 합을 나타내는 그래프로, 제작한 다층막에 400~1000 ㎚ 파장(λ)의 빛을 조사하고, 그 파장에서의 투과율(T)에 반사율(R)을 가산한 값(투과율(T)＋반사율(R))을, 파장(λ)에 대해서 플롯한 것이다.
도 5에 의하면, 파장(λ)이 400~800 ㎚인 범위에서, 실시예 3에 있어서 제작된 다층막은, 비교예 1에서의 다층막에 비해 투과율(T)＋반사율(R)이 높은 값을 나타내고 있다.
또한, 실시예 1에 있어서 제작된 다층막은, 비교예 1에서의 다층막에 비해 투과율(T)＋반사율(R)이 비교적 평탄한 추이를 나타내고 있다. 예를 들면, 비교예 1에 있어서 제작된 다층막에서는, 파장(λ)이 680 ㎚ 부근에 있어서 투과율(T)＋반사율(R)의 뚝 떨어짐이 확인되나, 실시예 1에 있어서 제작된 다층막에는 그와 같은 뚝 떨어짐 개소가 확인되지 않는다.
파장(λ)=480 ㎚에서의 투과율(T)＋반사율(R)로 비교하면, 비교예 1에서의 다층막의 투과율(T)＋반사율(R)은 96.9%, 실시예 3에서의 다층막의 투과율(T)＋반사율(R)은 99.6%였다. 또한, 파장(λ)=550 ㎚에서의 투과율(T)＋반사율(R)로 비교하면, 비교예 1에서의 다층막의 투과율(T)은 97.4%, 실시예 3에서의 다층막의 투과율(T)＋반사율(R)은 99.6%였다. 또한, 실시예 3의 다층막은, 투과율(T)＋반사율(R)의 값이 400~1000 ㎚인 파장범위에 있어서 비교적 평탄(일정)하나, 비교예 1의 다층막에서는 장파장영역이 될수록, 투과율(T)＋반사율(R)의 값이 변동하고 있다.
따라서, 취부각도(θ)=0°에서 성막된 비교예 1의 다층막보다도, 취부각도(θ)=40°에서 성막된 실시예 3의 다층막이, 투과율(T)＋반사율(R)의 값이 보다 높은 것과, 또한, 실시예 3의 다층막은 넓은 파장범위에 걸쳐 안정한 광학특성을 유지하는 것이 나타내어졌다.
이와 같이, 종래 장치에 의해 제작된 다층막(비교예 1)과 비교하여, 본 발명의 광학박막 증착장치(1)에 의해 제작된 다층막(실시예 3)은, 파장(λ)이 400~550 ㎚인 범위 내에 있어서 투과율(T)이 향상되는 동시에, 투과율(T)＋반사율(R)의 값도 현저히 향상되었다. 또한, 실시예 3은, 폭넓은 파장영역에 있어서 비교적 평탄한 투과율(T)＋반사율(R)을 나타내고 있다.
즉, 전술한 실시예 3의 광학박막은 굴절률의 변동이 적고, 빛의 흡수계수가 일정 이하로 안정한 특성을 가지고 있어, 우수한 광학특성을 갖는 다층막이라고 할 수 있다.
[실시예 4, 5]
도 6은 실시예 4, 5의 광학박막의 투과율(T)과 반사율(R)의 합을 나타내는 그래프도로, 제작한 다층막에 400~1000 ㎚ 파장(λ)의 빛을 조사하여, 그 파장에서의 투과율(T)에 반사율(R)을 가산한 값(투과율(T)＋반사율(R))을, 파장(λ)에 대해서 플롯한 것이다. 실시예 4, 5는 모두 증착물질로서 고굴절률 물질 및 저굴절률 물질을 번갈아 성막하였다. 또한, 실시예 1 및 비교예 1 어느 것에 있어서도, 고굴절률 물질로서 Ta2O5, 저굴절률 물질로서 SiO2를 사용한 36층으로 되는 단파장 투과 필터(Short Wave Pass Filter: SWPF)의 다층막을 성막하였다.
또한, 제작한 SWPF 다층막의 광학특성에 관한 측정결과를 도 6에 나타내었다.
실시예 4, 5의 성막조건은 이하와 같다. 또한, Ta-O 결합과 Si-O 결합의 결합에너지가 상이하고, 또한 Si 및 Ta의 원자량이 상이하기 때문에, 하기와 같이 Ta2O5와 SiO2는 상이한 성막조건으로 성막하였다.
기판: BK7(굴절률 n=1.52)
막재료: Ta2O5(고굴절률막), SiO2(저굴절률막)
Ta2O5의 성막속도: 0.5 ㎚/sec
SiO2의 성막속도: 1.0 ㎚/sec
Ta2O5 증발시의 이온원 조건
도입가스: 산소 60 sccm 아르곤 7 sccm
이온 가속전압: 500 V
이온전류: 500 mA
취부각도(θ): 45°
SiO2 증발시의 이온원 조건
도입가스: 산소 50 sccm
이온 가속전압: 500 V
이온전류: 500 mA
취부각도(θ): 40°
뉴트럴라이저의 조건
뉴트럴라이저 전류: 1000 mA
방전가스: 아르곤 10 sccm
도 6에는, 취부각도(θ)가 27°(실시예 4), 10°(실시예 5)의 두 조건에서 성막한 다층막의 측정결과에 대해서 나타내었다. 어느 경우에 있어서도, 파장(λ)=400~600 ㎚의 범위에 있어서, 투과율(T)＋반사율(R)의 값이 99%보다 커서, 광학특성이 좋은 다층막인 것이 나타내어졌다.
이와 같이, 취부각도(θ)가 8~40°(특정 성막조건, 특정 사용환경이 대상이 되는 광학박막에 있어서는 6~70°)의 범위 내로 설정되어 성막된 다층막은, 특히 파장(λ)=400~600 ㎚의 범위에서 투과율(T)＋반사율(R)의 값이 높고, 거의 일정하다. 즉, 이온빔을 소정의 각도를 갖고 기판(14)에 입사시킴으로써, 빛의 흡수계수가 일정 이하로 우수한 막질을 갖는 광학필터가 얻어졌다.
또한, 이온원(38)을 진공용기(10)의 저부측에 배설한 경우에도, 취부각도(θ)=8~40°(특정 성막조건, 특정 사용환경이 대상이 되는 광학박막에 있어서는 6~70°)의 범위 내에서는 대기중의 수분에 의해 광학특성이 변화되지 않고, 양호한 막질의 박막이 얻어졌다. 따라서, 이온원(38)과 기판(14)의 거리를 평균자유행정(I)과 동등, 또는 그 이하로 하고, 추가적으로 소정 각도를 갖고 이온빔을 기판(14)에 입사시키는 구성으로 하면, 이온원(38)과 기판(14)의 거리에 관계없이, 양호한 막질을 갖는 박막을 얻을 수 있다.
또한, 이때, 취부각도(θ)의 증대에 수반하여 이온 어시스트의 효과가 서서히 향상되는 효과가 확인되었다. 즉, 취부각도(θ)의 증대에 수반하여 최적의 이온 가속전압 및 이온전류가 서서히 저하되는 감소가 확인된 것으로부터, 취부각도(θ)를 높게 설정함으로써 막질의 개선에 더하여, 소비전력의 저감과 이온원(38)의 장수명화를 도모할 수 있다.
1 광학박막 증착장치
10, 100 진공용기
12 기판 홀더(기판 보유·유지수단)
14, 114 기판(기체)
34, 134 증착원
34a, 38a 셔터
38, 138 이온원
40, 140 뉴트럴라이저
44 어태치먼트(접속부)
θ 취부각도(이온빔 입사각도)
H 이온원으로부터 기판 홀더 중심까지의 높이
h 취부 높이
D 기판 홀더의 직경
d 이온원으로부터 기판 홀더 중심까지의 거리
T 투과율
R 반사율
λ 파장
I 평균자유행정

Claims (8)

  1. 진공용기 내에서 기체(基體)에 증착물질을 증착시키는 광학박막 증착장치로서,
    상기 진공용기 내에 배설(配設)되어, 상기 기체를 보유·유지(保持)하는 돔형의 기체 보유·유지수단,
    그 기체 보유·유지수단을 회전시키는 회전수단,
    상기 기체에 대향하여 설치된 증착수단,
    상기 기체에 대해서 이온을 조사하는 이온원, 및
    상기 기체에 대해서 전자를 조사하는 뉴트럴라이저를 구비하고,
    상기 이온원은 상기 기체 보유·유지수단에 보유·유지되는 상기 기체 표면에 대한 수선(垂線)에 대해서, 상기 이온원으로부터 이온이 조사되는 축선(軸線)의 최대 각도가 8° 이상 40° 이하가 되는 위치에서, 상기 기체 보유·유지수단의 직경에 대해서, 상기 기체 보유·유지수단에 있어서의 회전축 중심과의 교점과, 상기 이온원 중심과의 연직방향의 거리의 비가, 0.5 이상 1.2 이하의 범위에서 배설되는 것을 특징으로 하는 광학박막 증착장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이온원은 상기 진공용기의 측면에 배설되는 것을 특징으로 하는 광학박막 증착장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이온원과 상기 기체의 거리가, 상기 이온원으로부터 조사되는 상기 이온의 평균자유행정 이하가 되도록 배설되는 것을 특징으로 하는 광학박막 증착장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이온원은 상기 이온을 조사하는 이온원 본체,
    그 이온원 본체와 상기 진공용기를 접속하는 접속부, 및
    적어도 상기 이온의 원료가스를 상기 진공용기 내에 공급하는 진공도입부를 구비하고,
    상기 접속부를 변경함으로써, 상기 기체 표면에 대한 수선에 대해서, 상기 이온을 조사하는 각도를 조정 가능한 것을 특징으로 하는 광학박막 증착장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 접속부는 상기 진공용기측에 고정되는 브래킷과,
    상기 이온원 본체의 기울기를 소정 각도에서 고정하는 제동부재를 갖는 것을 특징으로 하는 광학박막 증착장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 뉴트럴라이저는 상기 이온원과 소정 거리 이간된 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 광학박막 증착장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이온원이 상기 기체 보유·유지수단의 회전방향을 따라 복수 설치되는 것을 특징으로 하는 광학박막 증착장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 광학박막 증착장치를 사용한 광학박막의 제조방법.
KR1020107010439A 2008-08-15 2009-08-17 광학박막 증착장치 및 광학박막의 제조방법 KR100984221B1 (ko)

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WOPCT/JP2008/064647 2008-08-15
PCT/JP2008/064647 WO2010018639A1 (ja) 2008-08-15 2008-08-15 蒸着装置及び薄膜デバイスの製造方法

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