JPH01108372A - スパッタリング装置 - 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】 ［産業上の利用分野Ｊ 本発明はスパッタリング装置に関する。スパッタリング
は各種部材の表面被覆のための成膜に広く利用されてお
り、たとえば直接光学面を形成する高精度光学素子成形
のための型部材の成形面の表面被覆に利用される。

［従来の技術及びそのｌ！５１題点Ｊ 従来、成膜法としてスパッタリング法が広く利用されて
いる。そして、近年スパッタリング法を用いて光学素子
成形用型部材の成形面に表面被覆層を形成することが提
案されている。

一般に、レンズ、プリズム、ミラー及びフィルタ等の光
学素子は、ガラス等の素材を研削して外形を所望の形状
とした後に、機能面即ち光が透過及び／または反射する
面を研摩して光学面とすることにより製造されている。

しかして１以上の様な光学素子の製造においては、研削
及び研摩により所望の表面精度（即ち表面形状及び表面
粗さ等の精度）を得るためには、熟練した作業渚が相当
の時間加工を行なうことが必要であった。また、ａ能面
が非球面である光学素子を製造する場合には、−層高度
な研削及び研摩の技術が要求され且つ加工時間も長くな
らざるを得なかった。

そこで、最近では、上記の様な伝統的な光学素子製造方
法に代って、所定の表面精度を有する成形用金型内に光
学素子材料を収容して加熱しながら加圧することにより
プレス成形にて直ちに機能面を含む全体的形状を形成す
る方法が行なわれる様になってきている。これによれば
、機能面が非球面である場合でさえも比較的簡単１つ短
時間で光学素子を製造することができる。この様なプレ
ス成形法は光学素子の連続製造に適する。

以上の様なプレス成形において使用される型部材に要求
される性質としては、十分な硬度、良好な耐熱性、良好
な鏡面加工性及び成形時において光学素子材料と融着を
起さないこと等があげられる。

従来、この様なプレス成形用型部材としては金属やセラ
ミックスが提案されているが、近年、被覆層に要求され
る特性が次第に高くなるにつれて、５！母材の成形面に
炭化物や窒化物等の被覆層を形成することが提案される
に至っている。これらの被覆層の成膜をスパッタリング
法を用いて行なうには、いわゆる反応性スパッタリング
が用いられる。即ち、スパッタリングターゲットに不活
性ガスイオンを衝突させてターゲット原子を飛び出させ
るとともに炭素含有ガスや窒素含有ガスをイオン化させ
、該イオンをスパッタされたターゲットａ子と反応させ
て反応生成物たる炭化物や窒化物を基材表面に堆積させ
るのである。

しかして、上記の様に光学素子成形用型部材は高温の過
酷な条件下で使用されるので、特に成形材料としてフリ
ント系光学ガラスが用いられる場合には、それ程多くな
い回数の繰返し成形により、該ガラス中の鉛との反応に
より生ずると考えられる反応生成物のために成形面の表
面精度が低下し同時に成形光学素子の表面精度も低下し
遂には融着を引起すに至るという問題点があった。

その原因の１つは、成形用型部材の被覆層に含有される
不純物たとえばＦｅ、Ｃｏ等が成形時の高温下でガラス
中のＰｂと反応するからであると考えられる。ｌ！ｌ［
ち、従来の反応性スパッタリングの装置では、反応性ガ
スを供給するのにステンレス製等のパイプを用いていた
ため、スパッタにより飛び出した原子による衝撃を受け
る等して該パイプから原子やイオンが飛び出し、これら
が不純物として堆ａ！Ｉ中に入り込み、被覆層の純度が
低下するからである。

この様に、従来の反応性スパッタリング装置では未だ真
空槽内の不純物発生要因の除去が十分とはいえず、十分
に高い純度の堆積膜を得ることができない。

そこで１本発明は、上記従来技術に鑑み、不純物含有率
の小さい高純度の堆ａ！Ｉを得ることのできるスパッタ
リング装置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明によれば２以上の如き目的を達成するものとして
。

堆ａｇ形成の行なわれる基材面の近傍に少なくとも表面
部がスパッタリングターゲットと同一の材料からなる反
応ガス吐出部分を有する反応ガス供給器を備えているこ
とを特徴とする、スパッタリング装置、 が提供される。

［実施例］ 以下１図面を参照しながら本発明の具体的実施例を説明
する。

ｗＳ１図は本発明によるスパッタリング装置の第１の実
施例を示す概略構成図である０本実施例は基材として光
学素子成形用型母材を用い、該型母材の成形面に窒化タ
ンタルの被覆層を形成する場合のものである。

図において、２は真空槽である。該真空槽には排気口４
が接続されており、該排気口は不図示の減圧源を含む排
気系に接続されている。真空槽２内の上部にはヒータ６
が配置されており、８はその電源である。該ヒータ６の
下方に基材支持体１０が配置されており、該支持体には
成膜面を下向きにして基材（型母材）１２が支持される
。１４は該基材に対しバイアス電圧を印加するためのバ
イアス電源である。

基材１４の下方には反応ガス供給器１６の反応ガス吐出
部分が配置されている。該反応ガス吐出部分は上下方向
のまわりに巻回されたコイル形状の導電性パイプからな
り、その内側にはいくぶん上向きの多数のガス吐出開口
１８が形成されている。該反応ガス吐出部分は上下方向
に適宜の高さｈにわたって存在する０反応ガス供給器１
６の反応ガス吐出部分と反対側の部分は真空槽２外に延
びて絶縁ジ、インド２０及びバルブ２２を介して不図示
の反応ガス（窒素ガス、アンモニアガス）供給源に接続
されている。該反応ガス供給器１６にはグロー放電発生
用の電源が接続されている。

即ち、切換えスイッチ２４を介して直流電源２６と整合
回路２８及び高周波電源３０とが接続されている。

上記真空槽ｚ内の下部にはカソード電極３２が配置され
ており、該電極上にはスパッタリングターゲット（タン
タル）３４が配置される。カソード電極３２には切換え
スイッチ３６を介して直流電源３８と整合回路４０及び
高周波型＠４２とが接続されている。４４は放電シール
ドである。

４６は上記スパッタリングターゲット３４の方に向けて
不活性ガス（アルゴンガス）を供給するためのパイプで
あり、該パイプは不図示のガス供給源に接続されている
。４８はスパッタリングターゲット３４と上記基材支持
体１０とを結ぶ位置に配置されたシャッタであり、該シ
ャッタは真空槽２外の不図示の駆動装置により回動せし
められ、ターゲット３４と基材支持体ｌＯとの間の経路
を適時遮断することができる。

第２図は上記反応ガス供給器１６の反応ガス吐出部分と
基材１２との位置関係を示す平面図である。

図示される様に、該コイル状反応ガス吐出部分は基材１
２の位置を中心とする円周上に配置されている。複数の
基材１２′を支持体ｌＯにて支持して同時に複数の基材
１２，１２’に対しスパッタリングを行なう場合にも１
反応ガス吐出部分を同様に基材全体を囲む様な配置とす
る。

反応ガス供給器１６の反応ガス吐出部分を含む真空槽２
内部分のパイプは少なくとも表面が上記スパッタリング
ターゲット３４と同一の材料（タンタル）からなる、即
ち、該パイプはタンタルからなるか、あるいは表面層が
タンタルからなる。

第３図（ａ）〜＜ｃ＞は該パイプ製造の一例を示す工程
図である。

先ず、第３図（ａ）に示される様に、板状体１６ａたと
えば銅板、鉄板、ステンレス板などを所定の幅に形成す
る０次に、第３図（ｂ）に示される様に、該板状体１６
ａの両端縁の対応する位置に適宜の間隔で半円形の切欠
き１８ａを形成し、しかる後に該板状体の表面にタンタ
ル膜を形成する。該膜の形成はたとえば、蒸着、メツキ
あるいは溶射等により行なうことができる０次いで、第
３図（Ｃ）に示さバる様に、該板状体１１５ａを両端縁
を付き当てる様にして折り曲げて直径りのパイプ状とし
、直径ｄの反応ガス吐出開口１８を形成する。尚、板状
体１６ａとしてタンタルを用いる場合にはもちろん上記
タンタル膜の形成は不要である。

第４図（ａ）、（ｂ）は上記パイプ製造の他の例を示す
ものである。

先ず、第４図（ａ）に示される様に、板状体１６ａを所
定の幅に形成し、しかる後に該板状体の表面にタンタル
膜を形成する０次いで、第４図（ｂ）に示される様に、
該板状体１６ａを両端縁を適宜の長さ範囲で所望の間隔
をおいて対向する様に折り曲げてパイプ状とし、間隔ｄ
′の反応ガス吐出スリット１８′を形成する。尚、板状
体１６ａとしてタンタルを用いる場合にはもちろん上記
タンタル膜の形成は不要である０本例によれば、切欠き
を形成する工程が不要となる。

に記コイル状パイプの径Ｄ、上記反応ガス吐出開口１８
の径ｄ、上記反応ガス吐出スリット１８′の暢ｄ　’、
及び上記コイル状パイプの高さｈは所望の成膜条件に応
じて適宜設定することができるが、たとえば、Ｄは２〜
２０ｍｍであり、ｄは０．１〜５ｍｍであり、ｄ′は０
．１〜５ｍｍであり、ｈは１０〜３００ｍｍである。

以上の様な本実施例の装置によれば、反応ガス供給器１
６の反応ガス吐出部分から吐出する反応ガスが基材１２
の極く近傍にて十分に均一に供給され、更に該反応ガス
吐出部分への通電により反応ガスのプラズマ化を行なう
ので、プラズマ化の効率も高く、このため比較的反応ガ
ス中の元素の含有率の高い反応生成物を堆積させること
ができる。また１本実施例装とにおいては、コイル形状
部の高さｈを必要十分に設定できるので、十分なプラズ
マ化領域を形成することができ、ターゲット３４から飛
び出したタンタル原子が該プラズマ化領域を通過するこ
とにより十分に活性化されて反応ガスと反応することが
でき、成膜効率が高い、更に１反応ガス吐出部分の表面
がターゲット３４と同一の材料であるので、プラズマに
さらされてもターゲットから飛んでくるのと同一の原子
しか飛び出さず、このため反応生成物中に不純物の混入
するおそれがない。

第５図は反応ガス供給器の変形例を示す縦断面図である
。

本変形例では１反応ガス供給器１７の反応ガス吐出部分
がコイル形状ではなしに所定の高さを有する円筒体であ
り、該円筒体内部から内側に向けて多数の反応ガス吐出
開口１８が設けられている。

第６図は本発明によるスパッタリング装置の第２の実施
例を示す概略構成図である０本図において、上記第１図
におけると同様の部材には同一の符号が付されている。

本実施例は、ターゲット部分の構成のみ上記第１実施例
と異なる。即ち、２つのターゲット３４が垂直に対向量
こされており、各ターゲットの後方にはこれらターゲツ
ト面に直交する方向の磁界を印加するための永久磁石５
０が配置されている。

本実施例によれば、上記第１実施例と同様の効果の他に
、ターゲット３４への異物の付着が極めて少なくなるの
で、スパッタにより該異物が飛ばされて基材１２まで達
して該基材表面に形成される堆ａ膜中に不純物として混
入するおそれがなくなる。更に、ターゲット部分に磁界
を印加するのでスパッタ効率が高められ、このため低い
印加電圧でも十分に安定した動作が可能である。

第７図は本発明によるスパッタリング装この第３の実施
例を示す概略構成図である０本図において、上記第１図
におけると同様の部材には同一の符号が付されている。

本実施例は、磁界発生用コイル５２を有する点のみ上記
第１実施例と異なる。該コイルは反応ガス供給器１６の
反応ガス吐出部分の周囲に図示される上下方向の磁界Ｈ
を生ぜしめることができる。

本実施例によれば、上記第１実施例と同様の効果の他に
、基材１２の近傍に形成される反応ガスプラズマを収束
させることができ、イオン化率を向上させて反応を促進
することができる。更に、反応ガスプラズマを収束させ
ることができるので、基板支持体ｌＯ等へのプラズマ放
電の広がりを防ぐことができる。

以下、本発明装置を用いて光学素子成形用型部材を製造
し更に該型部材を用いてガラスｊｉＵＦを行なった実施
例を示す、尚、同時に比較例をも示す。

光学素　　形用　部　の　　　び光ｉ　　　形の１厘１
： 上記第１図の装置を用いて、第８図に示される様な光学
素子成形用型部材を製造した。第８図において、１２は
型母材であり、１３は該型母材の成形面上に形成された
窒化タンタル被ｍ層である。

先ず、超硬合金［ＷＣ（９０％）　＋Ｃｏ　（１０％）
】からなる型母材材料を切削加工し、次いで成形光学素
子の機能面（光学面）に対応する成形面を所望の表面精
度に加工した。型母材の成形面は凹面であり、先ずダイ
ヤモンド砥石による研削で所望の曲率に加工し１次いで
粒径１＃Ｌｍのダイヤモンドパウダーを用いた研摩を行
ない、ニュートンリング１木程度の表面形状精度及びＲ
ｍａｘＯ，０２ｐｍ程度の表面粗さ精度に仕上げた。

該型母材１２の成形面に、第１図の装置を用いてスパッ
タリングにより窒化タンタル！１３を成膜した。

窒化タンタル層の形成時には、所定の精度に仕上げられ
た型母材１２を有機溶剤で洗浄した後に型母材支持体１
０により支持した０次に、真空槽ｚ内を所定の真空度ま
で排気し、パイプ４６からアルゴンガスを導入し、高周
波電源３０により反応ガス供給器１６のコイル状反応ガ
ス吐出部分に高周波電圧を印加してグロー放電を発生さ
せ、更にバイアス電源１４により型母材１２に負の電圧
を印加して、アルゴンイオンによるｆｆ１ｆｆｉ材１２
ノスパツタクリーニングを行なった。その後、電源４２
によりカソード電極３２に高周波の電圧を印加して該タ
ンタルターゲット３４の近傍にアルゴンのグロー放電を
発生させて、タンタルターゲットにアルゴンイオンの衝
撃を与え、同時に上記コイル状反応ガス吐出部分から窒
素ガス及びアンモニアガスを導入し且つ電源３０により
高周波電圧を印加して窒素プラズマを形成し、バイアス
電源１４により型母材１２に負のバイアス電圧を印加し
て、上記窒素プラズマ中の窒素イオンを型母材１２の方
へと引き込むことにより、タンタルの反応性スパッタリ
ングを行なった。これにより、型母材１２の表面に厚さ
約１ｇｍの窒化タンタル層１３が形成された。

また、比較のために、上記と同様にして得られた型母材
１２の成形面に第９図で示されるスパッタリング装置を
用いて厚さ約１ｐｍの窒化タンタル層１３を形成した。

第９図において、上記第１図におけると同様の部材には
同一の符号が付されている０図示される様に１反応ガス
はステンレス製バイブロ０の先端から吐出せしめられ、
また基材１２の近傍にはステンレス製高周波印加用コイ
ル６２が配置されている。

次に、以上の様にして製造された型部材を用いて、光学
ガラスのプレス成形を行なった。

第１０図はプレス成形に用いた装置を示す断面図である
。

図において、１０１は密閉容器であり、１０２はその蓋
であり、１０３，１０４は光学素子（両凸レンズ）を成
形するための上記型部材であり、１０３は上型部材であ
り、１０４は下型部材である。１０５は上型押えであり
、１０６はＩＭ型部材であり、１０７は型ホルダーであ
り、１０８はヒーターであり、１０９は下型突き上げ棒
であり、１１０は該棒を駆動させるエアーシリンダーで
ある。ｉｉｔは油回転ポンプであり、１１２゜１１３．
１１４はバルブであり、１１５は窒素ガス導入パイプで
あり、１１６はバルブであり、１１７は排出パイプであ
り、１１８はバルブであり、１１９は温度センサーであ
り、１２０は水冷パイプであり、１２１は密閉容器ｌＯ
１の台である。

フリント系光学ガラス（ＳＦ１４、軟化点５Ｐ＝５８６
℃、ガラス転移点Ｔｇ＝４８５℃）を所定重量の球形状
として成形のためのブランクを作成した。

密閉容器１０１のｉ！１１０２を開き、上型部材１０３
及び上型押え１０５を取外して下型部材ｌＯ４上に上記
ブランクを佐せて、上型部材１０３及び上型押え１０５
を取付けた。更に蓋１０２を閉じてから、水冷パイプ１
２０に水を流し、ヒーター１０８に通電した。この時、
窒素ガス用バルブ１１６．バルブ１１８及び排気系バル
ブｌ１２．１１３，１１４を閉じておいた３次に、油回
転ポンプ１１１を作動させ、バルブ１１２を開き、容Ｂ
ｉｏｉ内を排気した。容！１１０１内の圧力がｌＯ″″
２Ｔｏｒｒ以下となった後に、バルブ１１２を閉じ、バ
ルブ１１６，１１８を開いて窒素ガスをボンベから密閉
容器１０１内へと導入した。所定温度になった後にエア
ーシリンダー１１０を作動させて１０Ｋｇ／ｃｍ２の圧
力で５分間プレス成形を行なった。加圧力を除去し、約
り℃／分の速度でガラス転移点以下になるまで冷却し、
その後２０℃／分以上の速度で冷却を行ない、温度が２
００℃以下に下った後に、バルブ１１６．１１８を閉じ
、リークバルブ１１３を開いて密閉容器１０１内に空気
を導入した０次に、蓋１０２を開き、上型部材１０３及
び上型押え１０５を取外して成形済光学１子を取出した
。

第１１図はプレス成形時のガラスの温度変化を示す図で
ある。

以上の様なプレス成形を同一型部材を用いて１５０００
回繰返した。その際の型部材１０３，１０４の成形面の
表面粗さ及び成形された光学素子の光学面の表面粗さに
ついて第１表に示す。尚、Ｎｏ、１は上記第１ｖｌＪの
本発明装置で製造された型部材を用いた場合であり、Ｎ
００２は上記第１θ図の＊ａで製造された型部材を用い
た場合である。

第　　１　　表 上記Ｎｏ、１及びＮｏ、２に関する１５０００回のプレ
ス後の型部材の成形面の走査型電子顕微鏡写真（倍率３
４５０倍）を参考写真１及び参考写真２に示す、参考写
真１はＮｏ、１のものであり、表面に何の欠陥もない、
一方、参考写真２はＮｏ、６のものであり１表面には欠
陥としての融着ガラスが白点状に現れている。

第１表及び参考写真から、１５０００回程度のプレス後
においてはＮｏ、１の方が優れていることが分る。これ
は、Ｎｏ、ｌの方が型部材被覆層の純度が高く、成形時
における不純物とガラスとの反応が生じにくいためであ
ると考えられる。

上記実施例ではスパッタリングターゲットとしてタンタ
ルを例示したが、その他チタン、モリブデン、タングス
テン、ホウ素、クロム、ハフニウム等の適宜のターゲッ
トを用いることができる。

また、上記実施例では反応性ガスとして窒素ガス及びア
ンモニアガスを例示したが、その他の窒素含有ガス更に
は炭素含有ガス等の適宜の反応性ガスを用いることもで
きる。

［発明の効果１ 以上の様な本発明によれば、基材面の近傍に少なくとも
表面部がスパッタリングターゲットと同一の材料からな
る反応ガス吐出部分を有する反応ガス供給器を配置した
ので、不純物含有率の小さい高純度の堆積膜を形成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第６図及び第７図は本発明によるスパッタリン
グ装置を示す概略構成図である。 第２図は反応ガス供給層の反応ガス吐出部分と基材との
位置関係を示す平面図である。 第３図（ａ）〜（Ｃ）及び第４図（ａ）。 （ｂ）はパイプ製造の一例を示す工程図である。 第５図は反応ガス供給器を示す縦断面図である。 第８図は光学素子成形用型部材の断面概略図である。 第９図はスパッタリング装置の概略構成図である。 第１０図は光学素子のプレス成形に用いた装置を示す断
面図である。 第１１図は光学素子のプレス成形時のガラスの温度変化
を示す図である。 ２：真空槽、　　　６：ヒータ。 ｌＯ二基材支持体、　　　１２二基材、１６：反応ガス
供給器。 １８：反応ガス吐出開口。 ３２：カソード電極。 ３４ニスバツタリングターゲツト。 第１図 釘３図 第４図 第６図 第７図 第８ズ 第７図 ”’　　　　　　　　　ｆ２ 第１Ｏ図 第１１図 闘　Ｍ粉）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）堆積膜形成の行なわれる基材面の近傍に少なくと
   も表面部がスパッタリングターゲットと同一の材料から
   なる反応ガス吐出部分を有する反応ガス供給器を備えて
   いることを特徴とする、スパッタリング装置。
2. （２）反応ガス供給器に電圧を印加する手段を有する、
   特許請求の範囲第１項のスパッタリング装置。
3. （３）反応ガス供給器の反応ガス吐出部分が基材とスパ
   ッタリングターゲットとを結ぶ方向に関し適宜の範囲に
   反応ガス吐出開口を有する、特許請求の範囲第１項のス
   パッタリング装置。
4. （４）反応ガス供給器の反応ガス吐出部分が基材とスパ
   ッタリングターゲットとを結ぶ方向と垂直の面内に関し
   基材を包囲する様に配置され且つ該基材に向いている反
   応ガス吐出開口を有する、特許請求の範囲第１項のスパ
   ッタリング装置。
5. （５）反応ガス供給器の反応ガス吐出部分が基材とスパ
   ッタリングターゲットとを結ぶ方向のまわりに巻回され
   たコイル形状のパイプからなる、特許請求の範囲第１項
   のスパッタリング装置。
6. （６）反応ガス供給器の反応ガス吐出部分の近傍にて基
   材とスパッタリングターゲットとを結ぶ方向の磁界を発
   生させるための手段を有する、特許請求の範囲第１項の
   スパッタリング装置。