JPH0480362A - 薄膜製造方法および製造装置 - 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］ 本発明は、薄膜製造方法および製造装置に関し、特に、
リングレーザジャイロ用ミラー等に用い（れる低損失光
学薄膜を製造するために好適な薄膜製造方法および製造
装置に関する。

［従来の技術〕 光学薄膜の製造に好適な従来の薄膜製造装置を、第２図
を用いて説明する。

第２図は、従来技術の電子ビーム加熱に用いる真空蒸着
装置を示す断面図である。

同図に示すように、この電子ビーム蒸着装置２１は、真
空容器２２と、その真空容器２２内に配置された基板ホ
ルダ２５と、その基板ホルダ２５に対向して配置された
ルツボ２８と、その真空容器２２に酸素ガスを供給する
酸素ガス導入部２３と、この真空容器２２内を真空にす
る真空排気装置２４とを備えて構成される。

なお、図示してないが、ルツボ２８に隠れた部分には電
子ビーム発生装置が配置され、また、この電子ビーム発
生装置から発生した電子ビームを、矢印Ｘの方向に曲げ
て、試料２７に照射する磁場発生手段も配置されている
に の電子ビーム蒸着装置２１を用いて、光学薄膜を製造す
るには、電子ビーム発生装置から発生した電子ビームを
、磁場発生手段を用いて曲げて、ルツボ２８内の試料２
７に照射し、試料２７を加熱・蒸発させ、その蒸気を基
板上に輸送して、凝縮・析出させることにより行なう。

高反射率の薄膜を基板上に形成するには、試料２７とし
て、高屈折率物質と低屈折物質とを用い、これらを、そ
れぞれ、光の波長の四分の−に相当する厚さだけ、交互
に、基板上に堆積することにより行なう。

上記のように、高屈折率物質と低屈折物質とを。

それぞれ、光の波長の四分の−に相当する厚さだけ、交
互に、基板上に堆積させると高反射率の薄膜が得られる
ことは、周知事項である。

一般に、高屈折率物質としては、二酸化チタン（ＴｉＯ
２）または五酸化タンタル（Ｔａ２０．）、低屈折率物
質としては、二酸化シリコン（Ｓｉｎ２）が用いられる
。

上記電子ビーム加熱を用いた真空蒸着法により基板上に
形成された薄膜は、その内部に空孔が多く存在するので
、水分の侵入等により膜としての安定性に欠ける。また
、空孔をできるかぎり少なくするために基板の温度を上
げるので、結晶性を示す薄膜が得られる。

また、電子ビーム加熱を用いた真空蒸着法で製造したレ
ーザミラーを、リングレーザジャイロのレーザミラーと
して用いた場合においては、レーザミラー内の膜に結晶
が存在するので、レーザミラーからの後方散乱光を原因
とする、ロックイン現象と呼ばれるリングレーザジャイ
ロ特有の誤差が大きくなり、満足できるミラー性能を得
られないという問題がある。

上記の問題点である後方散乱光を少くするために、次に
示すイオンビームスパッタ技術が用いられている。

この従来技術は、特公昭５９−４１５１１号公報に記載
されている技術である。

第３図は、従来技術のイオンビームスパッタに用いるイ
オンビームスパッタ装置３１を示す断面図である。

同図に示すように、この装置の構造は、ガス導入管３５
を備えた真空処理室３２内に、低屈折率膜を形成するタ
ーゲットおよび高屈折率膜を形成するターゲットなどの
２種以上のターゲットＡ。

Ｂ、Ｃ，Ｄを保持するターゲットホルダ３３を設け、こ
れらのターゲットＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄに向けてアルゴン等の
希ガスイオンビームを照射する、通常カフマン型と呼ば
れるフィラメントを用いたイオン源３６とが設けられ、
このターゲットホルダ３３を臨む位置に基板ホルダ３４
が設けられた構造となっている。

特公昭５９−４１５１１号公報の記載によれば、この装
置を用いることにより、イオンビームによって、高屈折
率膜用材料および低屈折率膜用材料である複数のターゲ
ットからスパッタされた粒子が、基板上で化学量論的組
成の薄膜を形成するように、ガス導入管３５から酸素ガ
スが導入され、その結果、化学量論的組成の薄膜が基板
上に堆積するとなっている。

この装置は、目的とする厚さである四分の一波長厚の膜
が基板上に堆積すると、ターゲットホルダ３３が回転し
、別のターゲットがイオンビームによりスパッタされ、
低屈折率材料と高屈折率材料の層が、交互に、基板上に
堆積し、この結果、高反射率薄膜が基板上に形成される
ようになっている。

［発明が解決しようとする課題］ イオンビームスパッタ法は、後方散乱光の少ないレーザ
ミラーを製造するには一応有効な方法であることが判明
しているが、より一層の低散乱ミラーの要求や、高性能
光学薄膜の具備すべきもう一つの重要な性能である、光
の低吸収性能を満足するに至っていない。

上記従来技術のイオンビームスパッタ装置は、イオンビ
ームを用いてターゲットをスパッタするとともに、真空
処理室内に酸素ガスを導入することだけで、二酸化シリ
コン、二酸化チタンなどの膜を基板上に堆積させている
。

この方法では、スパッタ粒子の酸素成分が不足するので
、化学量論的組成の薄膜とはならない場合が多く、この
ため、散乱特性に限界があり、かつ、光吸収のある光学
膜が形成される可能性が高いという問題がある。

また、上記従来技術に係る装置を用いた場合において、
ターゲットとしてシリコン、チタン等の純金属を用いた
ときは、酸化反応を促進するために、多量の酸素ガスを
導入するので、上記のターゲット表面に酸化膜が形成さ
れる。その結果、成膜速度が極端に低下するので、所望
の膜厚を得るのに長時間を要し、生産性が低下するとと
もに、イオン源のフィラメントの焼損が生じるので、装
置の長時間作動が困難になるなど、実用性が乏しくなっ
てしまう不都合がある。

また、フィラメントの材質が光学膜中に微量ながら混入
し、その結果、光が吸収される問題もある。

本発明は、光学部品の表面散乱を減少させ、後方散乱が
少なく、また、光吸収の少ない高性能光学薄膜を製造す
る技術を提供するとともに、長時間稼動可能な薄膜製造
技術を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明の目的は、内部を真空排気可能な容器と、この容
器内に配置されるターゲットホルダと、このターゲット
ホルダに支持されるターゲットに向かってイオンビーム
を照射可能な第１のＥＣＲ（電子共鳴）イオン源と、こ
の容器内に上記ターゲットホルダと対向して配置可能な
基板ホルダと、この基板ホルダに支持される基板に向か
ってイオンビームを照射可能な第２のＥＣＲイオン源と
を備えて構成される薄膜製造装置により達成することが
できる。

また、夕、−ゲットに対して、第１のイオン源からイオ
ンビームを照射するとともに、基板に対して、第２のイ
オン源から酸素イオンビームを照射して、基板上にター
ゲット物質の酸化物を成膜する薄膜製造方法によって達
成できる。

［作　用コ 光学薄膜として必要な材質は、二酸化シリコン（Ｓｉｎ
２）、二酸化チタン（Ｔｉｅ、）などの酸化物であるの
で、ターゲットの材料としては、通常、これら酸化物を
形成する基物質であるシリコン、チタン等の純金属を用
いる。

まず、容器内を真空に排気した後、第１のイオン源から
ターゲットに向けてイオンビームを照射する。

イオンビームの照射により、ターゲットからスパッタさ
れた材料が基板上に堆積する。

この基板上への堆積中に、第２のイオン源から、酸素イ
オンビームを基板に向は照射すると、主に、基板上にお
いて、第２のイオン源からの酸素イオン、および酸素ラ
ジカルと、純金属ターゲットからスパッタされて飛来す
るチタン・シリコンなどの金属粒子とが化学反応し、基
板上に酸化物の薄膜が形成される。

また、冷却水を用いて、膜堆積中に、基板を冷却すれば
、その温度上昇が防止されるので、基板上に堆積する膜
は結晶化せずに、アモルファス状態の膜となる。

また、第１のイオン源からのイオンビームを酸素イオン
ビームとすれば、ターゲット上でターゲットを酸化させ
たり、また、スパッタ粒子そのものを酸化物にすること
ができるので、第２のイオン源からの酸素イオンビーム
の作用である、主に、基板上で酸化反応をおこし、酸化
物薄膜を堆積するという作用を補助し、化学量論的組成
の優れた酸化物薄膜が形成される。

［実施例コ 本発明の実施例を、第１図を用いて説明する。

第１図は、本実施例に係る薄膜製造装置を示す断面図で
ある。

本実施例の薄膜製造装置は、大別して、高真空に保持し
て成膜を行なう真空処理室１などの容器と、この真空処
理室１内を高真空度にする真空排気手段（図示せず）と
、この真空処理室１内に配置されたターゲット６にスパ
ッタ用イオンビーム７を照射するための第１のＥＣＲイ
オン源などのスパッタ用イオン源８と、この真空処理室
１内に配置された基板５にアシスト用イオンビーム９を
照射するための第２のＥＣＲイオン源などのアシスト用
イオン源１０と、基板およびターゲットのそれぞれに電
子ビームを照射する電子源１１ａ。

１１ｂなどの電子ビーム発生手段と、を備えて構成され
る。

また、上記２つのＥＣＲイオン源８，１０は、公知のも
のを用いることができる。

基板５は、基板ホルダ４に取付けられる。

この基板ホルダ４は、外部モータ２により、回転自在で
あり、さらに、基板を冷却するための冷却水の通路３を
有する。

また、真空処理室１の外部からの操作により、上記ター
ゲットホルダ１２は、紙面と直交する方向に、移動でき
るようになっており、移動軸方向に２種類の金属ターゲ
ット６を並列に配置でき、それぞれのターゲットをイオ
ンビームの照射位置に移動できる。

スパッタ用イオン源８には、ガス導入口１７が接続され
ており、このガス導入口１７には、マスフローコントロ
ーラを介して、Ａｒガスソース１９と、化学反応性の大
きい０２ガスソース１５とが接続されている。さらに、
これらのガスをプラズマ化するための、マイクロ波電源
が接続されている（図示せず）。

アシスト用イオン源１０には、ガス導入口１６が接続さ
れており、このガス導入口１６には、マスフローコント
ローラを介して、０２ガスソース１８が接続されている
。さらに、これらのガスをプラズマ化するための、マイ
クロ波電源が接続されている（図示せず）。

なお、真空処理室１のサイズは、４００φ×４５０Ｌ程
度であり、到達圧力は、ｌＸｌ０−’〜ｌＸｌ０−’Ｔ
ｏｒｒである。

次に、本実施例の薄膜製造装置の運転方法およびこれを
用いた薄膜の製造方法について説明する。

まず、洗浄済の基板５を、基板ホルダ４に取付ける。

次に、真空排気手段を用いて、真空処理室１内の圧力を
約５Ｘ１０−＠Ｔｏｒｒ以下にする。

次に、２つのＥＣＲイオン源８，１０を起動するために
、次の操作を行なう。

スパッタ用イオン源８に０２ガスを供給する。

この場合、０２ガスの供給量は、イオン電流が２０ｍＡ
以上となる量とする。この量は、メインガンが安定に動
作しているときは、約３３ＣＣＭである。

ただし、供給ガスは、１００％０２ガス、１００％Ａｒ
ガス、または、０２ガスとＡｒガスとの混合ガスの３種
類のガスのうち、いずれかを使用することができ、本実
施例においては、１００％０２ガスを用いた。

次に、アシスト用イオン源１０に、０２ガスを供給する
。

この場合、０２ガスの供給量は、イオン電流が４ｍＡ以
上となる量とする。この量は、アシストガンが安定に動
作しているときは、約２５ＣＣＭである。

次に、２つのイオン源８，１０に、マイクロ波を投入し
、プラズマを点火する。

次に、２つの電子源１１ａ、ｌｌｂに、Ａｒガスを約４
８ＣＣＭ流す。

なお、２つの電子源１１ａ、ｌｌｂは、それぞれ、ター
ゲットおよび基板のチャージアップ防止のために使用す
る。

次に、２つの電子源１１ａ、ｌｌｂから、電子を放出す
るす。

スパッタ用イオン源８の引出し電極に、電圧（約８００
Ｖ）を印加し、０２イオンビーム（約２０ｍＡ）を引出
す。

同時に、アシスト用イオン源１０の引出し電極に、電圧
（約１００Ｖ）を印加し、０２イオンビーム（約４ｍＡ
）を引出すことにより成膜を開始する。

なお、ターゲットとしては、ＳｉとＴｉの２種類の金属
を用い、これらを交互にターゲットとして、目的とする
交互多層薄膜を作成する。

次に、上記ＥＣＲイオン源１０からのイオンビームが本
実施例に好適な理由を、第４図を用いて説明する。

同図は、ＥＣＲイオン源からのイオン種を分析した周知
の実験データの一例を示すグラフであり、縦軸はイオン
電流値を示し、横軸はｍ／ｅを示す。

同図に示すように、ＥＣＲイオン源からのイオンビーム
は、０などのラジカルイオン源が多く、化学反応を促進
するイオン源としては好適であることがわかる。

次に、電子源１１ａ、ｌｌｂの作用について説明する。

基板５上に形成される薄膜は二酸化シリコンなどの絶縁
物であり、薄膜形成中において、この薄膜と同じ組成の
絶縁物薄膜がターゲット６上に形成されることが多い。

この結果、基板５上や、ターゲット６上に電荷が蓄積さ
れ、異常放電が生じ、形成中の薄膜が損傷する場合があ
る。

上記現象を防止するため、真空処理室１内の基板５とタ
ーゲット６の少なくとも一方に向けて電子ビームを照射
できる電子源１１ａ、ｌｌｂを設け、これらの電子源１
１ａ、ｌｌｂから照射される電子ビーム１３．１４によ
って、基板５やターゲット６め電荷を中和し、異常放電
を防止するようにしている。

なお、基板５上に形成される薄膜がＭ縁性でない場合な
どは、上記電子源１１ａ、１１．ｂは、必要ない。

次に、冷却水通路３の作用について説明する。

成膜中のイオンビーム９の照射およびターゲット６を照
射するイオンビーム７からの熱により、基板ホルダー４
に取り付けられた基板５は加熱される。この加熱を防ぐ
ため、冷却水通路３に冷却水を流がし、基板５を冷却す
る。

次に、本実施例における成膜のメカニズムについて説明
する。

本実施例においては、この真空処理室１内に、基板５に
向けてイオンビーム、例えば、酸素イオンビームを照射
する第２のＥＣＲイオン源１ｏを設けている。

これにより、この第２のＥＣＲイオン源１０からの酸素
イオンと酸素ラジカルとを用いて、第１のＥＣＲイオン
源８からのイオンビーム照射によりスパッタされるター
ゲット６の材料を、主に、基板５上で化学反応させ、基
板５上にターゲット６の材料の酸化物の薄膜を形成させ
る。

すなわち、第２のＥＣＲイオン源１０から一定エネルギ
の酸素イオンビームを基板５に照射することにより、基
板５の表面近傍のみに酸素イオン、酸素ラジカルが局在
し、基板５に飛来するスパっ夕粒子と、酸素イオン、酸
素ラジカルとを基板Ｅ上で十分化学反応させ、化学量論
的組成の酸化牛薄膜を、冷却水により冷却された基板５
の表面番、形成させるものである。

本実施例によれば、基板５に向けて酸素イオンビームを
照射する第２のＥＣＲイオン源１０を、ターゲット６用
のイオン源８とは別個に設けたＣで、スパッタされた粒
子が、主に基板５上で、／ｊ応性の強い酸素イオンおよ
び酸素ラジカルと化１反応し、正確な化学量論的組成の
酸化物薄膜力ｉｌｌられる。

また、第２イオン源１０からの酸素イオンおよび酸素ラ
ジカルは、基板５の近傍に局在し、真空処理室１内に拡
散することが少ないので、従来の真空処理室内全体を酸
素ガス雰囲気にする場合よりも、低いガス圧力で成膜で
きる。

また、第１のイオン源８としてもＥＣＲイオン源を用い
たので、真空処理室１内の酸素によるイオン源フィラメ
ントの破損を防止でき、長期間の４゜ 連続運転が可能となる。

また、第１のイオン源８から酸素イオンビームをターゲ
ット６に照射することも可能であるので、ターゲット６
上での酸化反応も期待できる。

また、基板５を冷却水を用いて冷却するので、基板５上
に形成される膜が、アモルファス状態にできる。

また、薄膜形成中に、電子線源１１ａ、ｌｌｂから、基
板５上やターゲット６上へ電子を照射することにより、
基板５上やターゲット６上の電荷が中和され、チャージ
アップによる異状放電が防止でき、異状放電による薄膜
表面の損傷を防止できる。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明によれば、光学部品
の表面散乱を減少させ、後方散乱が少なく、また、光吸
収の少ない高性能光学薄膜を製造でき、長時間稼動可能
な薄膜製造装置を提供できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例の光学薄膜製造装置を示す断
面図、第２図は従来技術の電子ビーム加熱に用いる真空
蒸着装置を示す断面図、第３図は従来技術のイオンビー
ムスパッタに用いるイオンビームスパッタ装置を示す断
面図、第４図はＥＣＲイオン源からのイオン種を分析し
た周知の実験データの一例を示すグラフである。 １・・・真空処理室、２・・・モータ、３・・・冷却水
通路、４・・・基板ホルダ、５・・・基板、６・・・タ
ーゲット、８・・・スパッタ用イオン源、１０・・・ア
シスト用イオン源、ｌｌａ、ｂ・・・電子源、２１・・
・電子ビーム蒸着装置、３１・・・イオンビームスパッ
タ装置。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．内部を真空排気可能な容器と、この容器内に配置さ
   れるターゲットホルダと、このターゲットホルダに支持
   されるターゲットに向かってイオンビームを照射可能な
   第１のＥＣＲ（電子共鳴）イオン源と、この容器内に上
   記ターゲットホルダと対向して配置可能な基板ホルダと
   、この基板ホルダに支持される基板に向かってイオンビ
   ームを照射可能な第２のＥＣＲイオン源とを備えて構成
   されることを特徴とする薄膜製造装置。
2. ２．上記第２のＥＣＲイオン源は、化学反応性の大きい
   イオンビームを放射可能であることを特徴とする請求項
   １記載の薄膜製造装置。
3. ３．上記容器内に配置される基板ホルダに支持される基
   板、およびターゲットホルダに支持されるターゲットの
   少なくとも一方に対して、電子ビームを照射可能な電子
   ビーム発生手段を設けたことを特徴とする請求項１記載
   の薄膜製造装置。
4. ４．上記第１のＥＣＲイオン源は、化学反応性の大きい
   イオンビームを放射可能であることを特徴とする請求項
   １記載の薄膜製造装置。
5. ５．上記真空容器内に配置される上記基板ホルダに取付
   けられる基板の温度上昇を防ぐための冷却装置を、該基
   板近傍に位置するように設けることを特徴とする請求項
   １記載の薄膜製造装置。
6. ６．薄膜が光学薄膜である請求項１，２，３，４または
   ５記載の光学薄膜製造装置。
7. ７．真空容器内で、ターゲットをスパッタして、基板上
   に薄膜を製造する方法において、ターゲットに対して、
   第１のイオン源からイオンビームを照射するとともに、
   基板に対して、第２のイオン源から酸素イオンビームを
   照射して、基板上にターゲット物質の酸化物を成膜する
   ことを特徴とする薄膜製造方法。
8. ８．真空容器内で、ターゲットをスパッタして、基板上
   に薄膜を製造する方法において、第１のイオン源から、
   複数のターゲットに対して、交互に、イオンビームを照
   射するとともに、第２のイオン源から酸素イオンビーム
   を基板上に照射して、基板上に、複数のターゲット物質
   の酸化物を層状に成膜することを特徴とする多層薄膜製
   造方法。
9. ９．電子ビームを、基板およびターゲットの少なくとも
   一方に照射する工程を含んで構成されることを特徴とす
   る請求項７または８記載の薄膜製造方法。