JPH09104976A - 光学薄膜の成膜方法および成膜装置 - Google Patents

光学薄膜の成膜方法および成膜装置

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JPH09104976A
JPH09104976A JP7260115A JP26011595A JPH09104976A JP H09104976 A JPH09104976 A JP H09104976A JP 7260115 A JP7260115 A JP 7260115A JP 26011595 A JP26011595 A JP 26011595A JP H09104976 A JPH09104976 A JP H09104976A
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target
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plasma
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JP7260115A
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Nobuaki Mitamura
宣明 三田村
Takeshi Kawamata
健 川俣
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光吸収が少なく、機械的強度が大きな光学薄
膜をスパッタリングによって確実に形成する。 【解決手段】 少なくとも金属フッ化物を含む材料をタ
ーゲットとし、放電ガスを成膜室に導入しながら高周波
電力をターゲットに投入してプラズマを発生させ、スパ
ッタリングするのに際し、プラズマ中の金属を含む分子
又は原子の発光強度を監視し、この監視結果をフィード
バックパラメータとして前記高周波電力又は/及び前記
放電ガスの圧力を制御して成膜する。飛散粒子の状態と
成膜速度を制御できるため、光吸収が少なく、機械的強
度が大きな薄膜となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は反射防止膜等の光学
薄膜をスパッタリング法によって成膜する方法及びこの
方法に使用される成膜装置に関する。
【0002】
【従来の技術】反射防止膜などの光学薄膜を光学部品等
の基板に成膜する場合、材料を加熱し蒸発させて基板に
付着させる真空蒸着法が従来、主に使われてきた。この
真空蒸着法に対して、スパッタリング法は自動化・省力
化・大面積基板への適用性、あるいはスパッタ粒子のエ
ネルギーが蒸着粒子に比べて1〜2桁高いことによる低
温成膜の可能性などの点で有利であり、このため近年、
スパッタリング法によるコーティングが多く行われてい
る。
【0003】ところで、反射防止膜を構成する物質とし
ては、SiO2 やZrO2 などの金属酸化物の他に、屈
折率が低いなどの理由により、CaF2 やMgF2 など
の金属フッ化物がしばしば用いられている。ところが、
CaF2 やMgF2 などの金属フッ化物は300℃程度
の基板加熱を行いながら真空蒸着することによって、光
吸収が少なく、機械的強度の高い良質な薄膜となるのに
対し、スパッタリング法に用いる場合には、スパッタリ
ングの際にフッ素が金属フッ化物から解離し易く、これ
により成膜した膜に可視域の光吸収が生じ易いという問
題がある。
【0004】そこで従来、スパッタガスとしてフッ素を
含有するガスを用いることにより、解離したフッ素を補
充する技術が開発されている。その一例として、特開平
4−289165号公報には、金属フッ化物をスパッタ
する際に、スパッタガスとして不活性ガスとフッ素ガス
またはフッ素含有化合物ガスとの混合ガスを用いること
が記載されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら特開平4
−289165号公報等の従来技術で成膜したMgF2
等の金属フッ化物の薄膜は目視では透明であるが、分光
光度計で測定したところ、可視域での光吸収が充分少な
いものではなく、反射防止膜としての機能を充分に有す
るものではなかった。又、補充するフッ素ガスやフッ素
含有化合物ガスなどのフッ素系ガスは、腐食性が極めて
高い特性を有し、この腐食性によって装置に使用されて
いる真空チャンバーやポンプ、真空油などを劣化させる
問題を有している。さらに人体にも有害で、特別な排ガ
ス処理装置が必要となるなど、生産性、安全性の点でも
問題点がある。
【0006】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたものであり、MgF2 等の金属フッ化物を用いスパ
ッタリング法で成膜するのに際して、光吸収が少なく、
しかも機械的強度を有し、さらには腐食性で有害なフッ
素系等のガスを補充することなく成膜することができる
光学薄膜の成膜方法を提供することを目的とする。又、
本発明はこの方法を好適に実施できる成膜装置を提供す
ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する請求
項1の光学薄膜の成膜方法は、少なくとも金属フッ化物
を含む材料をターゲットとし、放電ガスを成膜室に導入
しながら高周波電力をターゲットに投入してプラズマを
発生させ、スパッタリングするのに際し、プラズマ中の
金属を含む分子又は原子の発光強度を監視し、この監視
結果をフィードバックパラメータとして前記高周波電力
又は/及び前記ガス圧を変化させて飛散粒子の状態と成
膜速度を制御し成膜することを特徴とする。
【0008】ここで使用される金属フッ化物としては、
MgF2 を始めとして、AlF3 、LiF、NaF、C
aF2 、SrF2 、BaF2 、CeF3 、NdF3 、L
aF 3 、SmF3 、Na3 AlF6 、Na5 AlF14
の内の一種又は2種以上を選択することができる。
【0009】一般に、通常のスパッタリング法では、水
冷されたバッキングプレートに結合された板状の金属フ
ッ化物、例えばMgF2 をターゲットとしてArなどの
希ガスを含むガス中でスパッタリングするが、この場合
のプラズマの発光を分光してスペクトルとすると、図1
のように放電ガス(Ar)以外ではMg原子(285n
m付近や518nm付近)の発光しか観察できない。こ
れは、プラズマ中に存在して飛散する粒子が主にMg原
子であることを示しており、放電ガスのイオンがターゲ
ットに衝突した際に、ターゲットであるMgF2 がMg
とFとに解離してスパッタされていることを示唆してい
る。このような状態で成膜された膜はFが不足し、化学
量論比から外れた状態となり、光吸収が生じる。この解
離したFを補充するため、従来ではフッ素系ガスを成膜
室内に導入している。
【0010】本発明者らがターゲットの形態や放電ガス
の種類、ガス圧力、投入電力など種々の条件を変えて実
験を行い、鋭意研究を重ねた結果、条件によっては図2
のようにプラズマ中にMg原子の他にMgF分子の発光
(395nm付近)が観察できることを見いだした。こ
のようにMgF分子の発光があるということは、飛散す
る粒子にMgF2 分子があることを示している。MgF
分子の発光強度が強くなる。すなわちMgF2 分子の状
態で飛散する確率が高くなると、Fが解離することが少
なくなり、結果として成膜される膜の光吸収が少なくな
る。
【0011】このMgF分子の発光が出現する条件は、
一義的に規定できないが、例えばMgF2 の顆粒状材料
や熱的に断熱されたMgF2 の板状材料などをターゲッ
トとし、O2 やH2 O、あるいはN2 ガスなどを放電ガ
スに用いて、ガス圧力を0.05〜5Pa程度に保ち、
2W/cm2 程度以上の高周波電力を投入したときなど
によく発光が現れることを見いだした。このようにMg
F分子の発光が現れる条件では、ターゲットの温度が7
00℃程度以上の高温になっていることが赤外放射温度
計により確認されている。これらのことから、MgF2
分子の状態で飛散するのは、MgF2 の材料が高温に加
熱され、分子の状態で蒸発するか、しないかの状態の時
に、放電ガスイオンによりたたかれて(スパッタされ
て)飛散したためであると考えられる。
【0012】しかし、MgF分子の発光強度が強ければ
良いという訳ではなく、Mg原子の発光に比べてMgF
分子の発光強度が高くなりすぎると、膜の光吸収は少な
くなるけれども、基板加熱を行わない場合、膜の機械的
強度が低くなり易いことがわかった。このような条件で
は、ターゲットの温度が1000℃程度以上に高くなっ
ていることが赤外放射温度計により確認されている。こ
のことから、こうした条件ではMgF2 がスパッタされ
るよりも分子の状態で蒸発する確率が高くなり、飛散す
る蒸発粒子のエネルギーがスパッタ粒子に比べて1〜2
桁程度低くなってしまうために、真空蒸着と同様に基板
の加熱を行わないかぎり、得られる膜の機械的強度が低
くなってしまうと考えられる。
【0013】以上のことから、光吸収が少なく、且つ基
板加熱を行わなくても機械的強度が高いMgF2 膜を得
るためには、Mg原子の発光強度に対するMgF分子の
発光強度をある一定の範囲に保ちながら成膜を行う必要
がある。Mg原子の発光強度に対するMgF分子の発光
強度は、既述したようにターゲットの形態、放電ガスの
種類、ガス圧力、投入電力などの条件によって変わる
が、この発光強度を成膜時に積極的に制御するという観
点では、投入電力、またはガス圧力を制御することが望
ましい。
【0014】図3は投入電力を変えた時のプラズマの発
光スペクトルの変化を示す。投入電力によってスペクト
ルの形態が変化し、投入電力が高くなるに従い、Mg原
子に比べてMgF分子の発光が強くなっていることが判
る。これに対して、放電ガスの圧力を変える場合におい
ては、ガス圧を高くすると、Mg原子の発光に比べて、
MgF分子の発光強度が大きくなり、膜の光吸収が少な
くなるが、機械的強度が低下する傾向にあり、逆に、ガ
ス圧を低くすると、MgF分子の発光強度が弱くなり、
膜の機械的強度が向上するが、膜の光吸収が高くなる傾
向にある。
【0015】以上のような本発明は、プラズマ中の金属
を含む分子または原子の発光強度をフィードバックパラ
メータとして監視しながら、投入する高周波電力又は/
及び放電ガスの圧力を変化させているので、金属フッ化
物が分子の状態でスパッタされるように制御しながら薄
膜を成膜でき、光吸収が少なく、且つ基板加熱を行わな
くても機械的強度の高い光学薄膜を得ることが可能とな
る。また、フッ素の解離が少ないので、有害なフッ素系
ガスを用いる必要もなく、低温で成膜可能であることか
ら生産性、安全性も高い。
【0016】又、図3から明らかなように、投入電力が
変化するに従い、MgF分子およびMg原子の発光強度
が変化している。これは、プラズマ中のMgF分子ある
いはMg原子の存在量、すなわち基板に向かって飛散す
る粒子の量(成膜速度)が変化していることを示唆して
いる。例として図4にMgF分子およびMg原子の発光
強度と膜の成膜速度との関係を示すが、MgF分子およ
びMg原子の発光強度と膜の成膜速度に相関が認められ
る。このように、プラズマ中における少なくとも金属を
含む分子または原子の発光強度を監視することにより、
成膜速度が監視でき、この発光強度をフィードバックパ
ラメータとして、投入電力、またはガス圧力を変化させ
ることにより、膜の成膜速度を制御しながら光学薄膜を
成膜することが可能となる。
【0017】請求項2の成膜装置は、少なくとも金属フ
ッ化物を含む材料からなるターゲットと、放電ガスを成
膜室に導入するガス導入手段と、高周波電力をターゲッ
トに投入してプラズマを発生させるプラズマ発生手段
と、プラズマ中における金属を含む分子または原子の発
光強度を監視する監視手段と、この監視手段からの前記
発光強度に基づいて前記ターゲットへの高周波電力又は
/及び放電ガスの圧力を制御する制御手段とを備えてい
ることを特徴とする。
【0018】このような成膜装置は、プラズマ中におけ
る少なくとも金属を含む分子または原子の発光強度を監
視する監視手段と、この発光強度を投入電力、またはガ
ス圧力にフィードバックをさせる制御手段とを有してる
ので、金属フッ化物、例えばMgF2 分子の状態でスパ
ッタされるように制御しながら膜を成膜できる。このた
め光吸収が少なく、且つ基板加熱を行わなくても機械的
強度の高い光学薄膜を生産性良く安全に得ることが可能
であると同時に、成膜速度を制御しながら成膜すること
ができるため、所望の膜厚の光学薄膜とすることが可能
となる。
【0019】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)図5は成膜装置を示す。同図におい
て、1は成膜室としての真空槽であり、内部にはターゲ
ット3が上面に充填された状態の石英製の皿4が配置さ
れている。この皿4は直径4インチ程度のマグネトロン
カソード5に載置されており、カソード5はスパッタリ
ング用高周波電源6に接続されている。ターゲット3と
しては、粒径0.5〜1mmの顆粒状のMgF2 が使用
される。
【0020】真空槽1の上方には光学薄膜を成膜するた
めの基板2が配置される。この基板2は回転可能に真空
槽1内に設けられるものである。この基板2とターゲッ
ト3との間にはシャッター14が設けられている。この
シャッター14はシャッター開閉装置15によって回転
駆動されることで、ターゲット3及び基板2の間に進退
して、これらの間を開閉する。
【0021】また、真空槽1の側面には、放電ガスの導
入口7が挿入されている。この導入口7からの放電ガス
はマスフローコントローラ8によって、その流量が制御
され、これにより真空室1内の放電ガスのガス圧が制御
される。さらに、真空槽1の側面には、ガイド通路16
が延びており、このガイド通路16の終端に石英製の監
視窓11が取り付けられている。この監視窓11は真空
槽1内で発生したプラズマ9からの発光が通過し、監視
窓11を通過した光は分光器12に取り込まれるように
なっている。分光器12はプラズマ9内の金属分子又は
原子の発光強度を検出するものである。
【0022】図5において、13は制御手段としての制
御回路装置である。この制御回路装置13は分光器12
が検出したプラズマ9中の金属分子又は原子の発光強度
が入力され、この入力によってスパッタリング用高周波
電源6又は/及びマスフローコントローラ8を制御す
る。これによりターゲット3に投入される高周波電圧又
は/及び真空槽1内の放電ガスの圧力圧が制御される。
なお、この制御回路装置13はシャッター開閉装置15
の制御をも行うものである。
【0023】上記構成において、基板2として屈折率
1.52のBK7からなる光学ガラスを用い、この基板
2を真空槽1内にセットすると共に、MgF2 からなる
ターゲット3が充填された皿4をマグネトロンカソード
5上に載置し、この状態で真空ポンプ(図示省略)によ
り真空槽1内を1×10-4Paの真空度まで排気する。
このとき基板12の加熱を行わなかった。その後、放電
ガスとしてのO2 ガスをマスフローコントローラ8によ
り流量を制御しながら、ガス導入口7から真空室1内に
導入し、真空室1内を4×10-1Paの真空度とした。
【0024】この状態で高周波電源6から高周波電力を
マグネトロンカソード5に投入して、プラズマ9を発生
させた。このプラズマ9により、MgF2 ターゲット3
が加熱され、同時にプラズマ9中の放電ガスのイオンに
より、スパッタリングされて飛散する。
【0025】一方、プラズマ9からの発光は波長200
〜2000nm程度の波長光を透過する監視窓11を通
過し、真空槽1外に設置された分光器12に取り込まれ
る。この分光器12は波長220〜800nmの範囲の
光を分光し、ラインセンサーにより瞬時にそれぞれの波
長の相対強度を測定する。ここで監視窓11はガイド通
路16によってターゲット3から充分に離れているた
め、飛散した粒子が監視窓11に付着して発光強度に影
響を与えることを無視することができる。
【0026】この実施の形態では、プラズマ9からの発
光を分光器12によって分光して得たスペクトルの発光
強度が図6のようになるように、高周波電力を上昇さ
せ、さらにそのスペクトルが一定となるように、制御回
路装置13により高周波電力を制御した。このときの高
周波電力は450〜500W程度であった。
【0027】次に、基板2を回転させ、シャッター開閉
装置15によってシャッター14を開き、基板2上にM
gF2 膜を成膜した。スペクトル強度は図6のとき、実
験から求めたMgF2 の成膜速度は400nm/分程度
であることが予め、判明しているので、MgF2 膜の膜
厚を物理的膜厚にして100nmとするために、15秒
間でシャッター14を閉じた。加えて、スペクトル強度
から成膜速度を算出し、所望の膜厚となるようにシャッ
ター14の開放時間を制御した。
【0028】以上のようにして成膜されたMgF2 膜の
屈折率は1.38と真空蒸着法で成膜したものと同等に
低く、しかも光学膜厚も138nm(これは100nm
の物理的膜厚に相当する。)程度となっていた。図7は
このMgF2 膜の分光反射特性を示し、波長430nm
〜650nmの範囲で反射率が2%以下であり、可視域
の反射防止膜として極めて有効であった。又、可視域
(波長400〜700nm)での光吸収も0.5%以下
と真空蒸着法で得た膜と同等に少なく、光学的になんら
問題はなかった。さらには基板2の加熱を行っていない
にも関わらず、密着性、擦傷性等の膜の機械的強度も充
分に高いものであった。
【0029】なお、この実施の形態では、MgF2 以外
の金属フッ化物であるAlF3 、LiF、NaF、Ca
2 、SrF2 、BaF2 、CeF3 、NdF3 、La
3、SmF3 、Na3 AlF6 、Na5 AlF14を用
いて成膜しても同様な効果を得ることができた。さら
に、単層の反射防止膜としたが、TiO2 、Ta2 5
等の他の高屈折率の酸化物からなる薄膜と組み合わせた
多層膜としても良く、これにより反射防止膜以外のエッ
ジフィルターやビームスプリッター等の光学部品を作製
することができる。
【0030】(実施の形態2)この実施の形態では、M
gF2 をターゲット3として図5に示す成膜装置を用い
て成膜するが、基板2としてアモルファスポリオレフィ
ンからなるプラスチックを使用した。放電ガスとしてO
2 ガスをガス導入口7から導入して真空槽1内を5×1
-1Paの真空度とし、マグネトロンカソード5に50
0Wの高周波電力を投入してプラズマ9を発生させた。
【0031】そしてプラズマ9からの発光を分光器12
によって分光し、得られたスペクトルの発光強度が図6
のようになるように、O2 ガスの流量を制御回路装置1
3によって制御した。この結果、真空槽1内のガス圧力
は3〜7×10-1Pa程度の真空度となった。また、ス
ペクトル強度が図6のとき、MgF2 の成膜速度は40
0nm/分程度になることから、制御回路装置13によ
り15秒間でシャッター14を閉じ、MgF2 膜の膜厚
を物理的膜厚にして100nmとした。
【0032】以上のようにして得られたMgF2 膜は、
実施の形態1と同様に、屈折率が低く、可視域での光吸
収が少なく、可視域の反射防止膜として極めて有効であ
った。また、密着性、擦傷性等の膜の機械的強度も実用
上、充分に高かった。
【0033】(比較例)この比較例においても、MgF
2 をターゲット3 とし、図5の成膜装置を使用して成膜
した。実施の形態1と同様に、真空槽1内のO2 ガスの
圧力を4×10 -1Paの真空度としたが、プラズマ9の
スペクトルの発光強度を高周波電力にフィードバックせ
ずに、高周波電力を500Wに固定した。このときスペ
クトル9の発光強度は経時的に不安定であり、成膜速度
が50〜700nm/分と安定せず、しかも膜の光吸収
が若干増えたり、膜の機械的強度が若干劣化するなど、
再現性に乏しかった。
【0034】この比較例では、スペクトルの発光強度が
図8のようになるように、制御回路装置13によって高
周波電力を制御した。この制御で得られた膜の機械的強
度は実用上充分であったが、波長400nmでの光吸収
が4%以上あり、反射防止膜としての実用性に問題があ
った。一方、スペクトルの発光強度が図9のようになる
ように、制御回路装置13で高周波電力を制御したとこ
ろ、成膜された膜は可視域での光吸収が0.5%以下と
少なかったが、基板2の加熱を行わない限り、膜の機械
的強度が不十分で、実用性に問題があった。
【0035】
【発明の効果】請求項1の成膜方法は、高周波電力によ
って発生するプラズマ中の金属を含む分子又は原子の発
光強度を監視し、この監視結果をフィードバックパラメ
ータとして高周波電力又は/及び放電ガスの圧力を制御
するため、光吸収が少なく、機械的強度が大きな光学薄
膜を形成することができる。
【0036】請求項2の成膜装置は、プラズマ中の金属
の分子又は原子の発光強度を監視する監視手段と、この
監視手段からの発光強度に基づいてターゲットへの高周
波電力又は/及び放電ガスの圧力を制御する制御手段と
を備えているため、光吸収が少なく、機械的強度が大き
な光学薄膜を形成する上述した成膜方法を好適に実施す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】スパッタリング時に発生するプラズマのスペク
トルの特性図である。
【図2】MgF分子の発光を示すスペクトルの特性図で
ある。
【図3】高周波電力を変化させたときのプラズマの特性
図である。
【図4】プラズマの発光スペクトル強度と成膜速度との
関係を示す特性図である。
【図5】成膜装置の構成を示す断面図である。
【図6】高周波電力を制御するためのスペクトルの発光
強度の特性図である。
【図7】反射防止膜の分光反射率特性図である。
【図8】高周波電力を制御するためのスペクトルの発光
強度の特性図である。
【図9】高周波電力を制御するためのスペクトルの発光
強度の特性図である。
【符号の説明】
1 真空槽 2 基板 3 ターゲット 5 マグネトロンカソード 6 高周波電源 9 プラズマ 12 分光器 13 制御回路装置

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも金属フッ化物を含む材料をタ
    ーゲットとし、放電ガスを成膜室に導入しながら高周波
    電力をターゲットに投入してプラズマを発生させ、スパ
    ッタリングするのに際し、プラズマ中の金属を含む分子
    又は原子の発光強度を監視し、この監視結果をフィード
    バックパラメータとして前記高周波電力又は/及び前記
    放電ガスの圧力を制御して飛散粒子の状態と成膜速度を
    制御し成膜することを特徴とする光学薄膜の成膜方法。
  2. 【請求項2】 少なくとも金属フッ化物を含む材料から
    なるターゲットと、放電ガスを成膜室に導入するガス導
    入手段と、高周波電力をターゲットに投入してプラズマ
    を発生させるプラズマ発生手段と、プラズマ中における
    金属を含む分子または原子の発光強度を監視する監視手
    段と、この監視手段からの前記発光強度に基づいて前記
    ターゲットへの高周波電力又は/及び放電ガスの圧力を
    制御する制御手段とを備えていることを特徴とする光学
    薄膜の成膜装置。
JP7260115A 1995-10-06 1995-10-06 光学薄膜の成膜方法および成膜装置 Withdrawn JPH09104976A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009041091A (ja) * 2007-08-10 2009-02-26 Olympus Corp 成膜方法および成膜装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009041091A (ja) * 2007-08-10 2009-02-26 Olympus Corp 成膜方法および成膜装置

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