JPH09184902A - Production of thin film and apparatus for production - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、スパッタリング法
を用いて薄膜を製造する方法及び装置に関し、特に薄膜
の物性や基板へのダメージをコントロールすることがで
きる薄膜の製造方法及び装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for producing a thin film by using a sputtering method, and more particularly to a method and an apparatus for producing a thin film capable of controlling the physical properties of the thin film and the damage to the substrate.
【0002】[0002]
【従来の技術】薄膜を形成する場合においては、手法の
容易さや成膜速度の速さなどの点から、真空蒸着法が多
く用いられてきた。この真空蒸着法は反射防止膜やハー
フミラー、エッジフィルターなどの光学薄膜を形成する
場合にも使用されている。これに対して、近年、光学薄
膜やその他の薄膜においては、自動化・省力化・大面積
基板への適用性などの点で真空蒸着法に比べて有利なス
パッタリング法によるコーティングの要求が高まってき
た。2. Description of the Related Art In the case of forming a thin film, a vacuum vapor deposition method has been widely used because of its easiness of the method and the speed of film formation. This vacuum deposition method is also used when forming an optical thin film such as an antireflection film, a half mirror, and an edge filter. On the other hand, in recent years, in optical thin films and other thin films, there is an increasing demand for coating by a sputtering method, which is more advantageous than the vacuum evaporation method in terms of automation, labor saving, and applicability to a large area substrate. .
【0003】しかし、スパッタリング法は真空蒸着法と
比較して成膜速度が遅いという欠点がある。金属膜の場
合はそれでも実用レベルにはあるが、その他の膜の場合
には成膜速度が著しく遅いために、工業的な普及が遅れ
がちであった。また、光学薄膜として代表的な低屈折率
物質であるMgF2 等のフッ化物をスパッタリングする
と、MgとFとに解離して、膜中ではFが不足するた
め、可視光の吸収が生じることがあり、スパッタリング
法を光学薄膜に適用する上での大きな障害となってい
た。[0003] However, the sputtering method has a disadvantage that the film forming rate is lower than that of the vacuum evaporation method. In the case of a metal film, it is still at a practical level, but in the case of other films, the film formation rate is extremely slow, and therefore industrial diffusion tends to be delayed. Further, when a fluoride such as MgF 2 which is a typical low refractive index substance is sputtered as an optical thin film, it is dissociated into Mg and F and F is insufficient in the film, so that absorption of visible light may occur. This is a major obstacle to applying the sputtering method to optical thin films.
【0004】光学薄膜にスパッタリング法を適用した例
としては、特開平4−223401号公報記載の方法が
ある。この方法はMgF2 をスパッタリングすると可視
光の吸収が生じることを考慮してなされたものであり、
MgF2 にSiを添加したものをターゲットとしてスパ
ッタリングをすることにより光吸収のほとんどない低屈
折率膜を形成している。ところが、この方法では2.8
W/cm2 の高周波電力を投入しても、成膜速度は最高
で10nm/分以下であり、成膜速度が遅いというスパ
ッタリング法の欠点を解消できていない。この程度の成
膜速度では、たとえば可視域に適用される単層の反射防
止膜を形成するのに10分以上を要し、このため工業的
な普及は困難であると言わざるを得ない。また、この方
法に対する本発明者の追実験によれば、MgF2 上にS
iウエハーを載置したものをターゲットとしてスパッタ
リングをしても、可視域で光吸収が実用上問題ない程度
であって、屈折率が1.4以下のような膜を形成するこ
とはできなかった。As an example of applying the sputtering method to the optical thin film, there is a method described in JP-A-4-223401. This method was made in consideration that absorption of visible light occurs when MgF 2 is sputtered,
A low refractive index film with almost no light absorption is formed by sputtering with a target in which Si is added to MgF 2 . However, with this method, 2.8
Even if a high frequency power of W / cm 2 is applied, the film forming rate is 10 nm / min or less at the maximum, and the defect of the sputtering method that the film forming rate is slow cannot be solved. At such a film-forming speed, it takes 10 minutes or more to form a single-layer antireflection film applied in the visible region, for which reason it must be said that industrial diffusion is difficult. In addition, according to a follow-up experiment of the present inventor for this method, S on MgF 2
Even if the i-wafer was placed on the target and was sputtered, the light absorption was practically no problem in the visible region, and a film having a refractive index of 1.4 or less could not be formed. .
【0005】これに対し本発明者は、膜原料を載置した
電極に交流を印加することで電極を負電位にすると共
に、この交流の電力により膜原料上にプラズマを発生さ
せ、このプラズマにより膜原料表面の温度を上昇させな
がら、膜原料を正イオンによりスパッタリングすること
により、膜原料の少なくとも一部を分子状態で跳び出さ
せ、この分子状態の膜原料が基板に到達して基板上に膜
を形成することで、光吸収がないフッ化物膜を高速で形
成できることを見いだしている。On the other hand, the present inventor applies an alternating current to the electrode on which the film raw material is placed to bring the electrode to a negative potential, and at the same time, a plasma is generated on the film raw material by the electric power of the alternating current. While raising the temperature of the surface of the film raw material, by sputtering the film raw material with positive ions, at least a part of the film raw material is jumped out in a molecular state, and the film raw material in this molecular state reaches the substrate and reaches the substrate. By forming the film, it has been found that a fluoride film that does not absorb light can be formed at high speed.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】ところで、交流を利用
したスパッタリング法の場合、基板やその上に形成され
る膜に対して、多くの荷電粒子が跳び込み易い特徴があ
る。このようなことから上述した薄膜の形成方法の場
合、この荷電粒子の入射量を制御しないと所望の特性を
有する薄膜が得られにくい場合があることが判明した。By the way, the sputtering method utilizing alternating current has a feature that many charged particles easily jump into the substrate and the film formed thereon. From the above, it has been found that in the case of the thin film forming method described above, it may be difficult to obtain a thin film having desired characteristics unless the incident amount of the charged particles is controlled.
【0007】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、所望の特性を有する薄膜をスパッタリ
ング法により高速で形成することができる方法及び装置
を提供することを目的としている。The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a method and an apparatus capable of forming a thin film having desired characteristics at a high speed by a sputtering method.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の方法は、膜原料を載置した第1の電極に交流を印加
して第1の電極を負電位にすると共に、前記交流の電力
により膜原料上にプラズマを発生させ、このプラズマに
より膜原料の温度を上昇させながら膜原料を正イオンに
よりスパッタリングして膜原料の少なくとも一部を分子
状態で跳び出させ、この分子状態の膜原料を基板に到達
させて薄膜を形成する際、基板に入射する荷電粒子の量
を制御することを特徴とする。According to the method of the present invention for achieving the above object, an alternating current is applied to a first electrode on which a film raw material is placed so that the first electrode has a negative potential, and Plasma is generated on the film raw material by electric power, and the temperature of the film raw material is raised by this plasma, and the film raw material is sputtered by positive ions to cause at least a part of the film raw material to jump out in a molecular state. When the raw material reaches the substrate to form a thin film, the amount of charged particles incident on the substrate is controlled.
【0009】この方法においては、光学用途に用いられ
る薄膜を形成することを特徴とすることができる。This method can be characterized by forming a thin film used for optical applications.
【0010】本発明の製造装置は、膜原料が載置され、
負電位に印加される第1の電極と、前記膜原料上にプラ
ズマを発生させて膜原料の温度を上昇させる交流電源手
段と、前記膜原料と対向するように載置される基板と、
この基板に入射する膜原料の荷電粒子の量を制御する手
段と、を備えていることを特徴とする。In the manufacturing apparatus of the present invention, a film raw material is placed,
A first electrode applied to a negative potential, an AC power supply means for generating plasma on the film material to raise the temperature of the film material, and a substrate mounted so as to face the film material,
Means for controlling the amount of charged particles of the film raw material incident on the substrate.
【0011】この装置において、基板に入射する荷電粒
子の量を制御する手段としては、基板を保持する第2の
電極と、この第2の電極にバイアス電圧を印加する手段
と、から構成することができる。In this apparatus, the means for controlling the amount of charged particles incident on the substrate is composed of a second electrode for holding the substrate and a means for applying a bias voltage to the second electrode. You can
【0012】又、基板に入射する荷電粒子の量を制御す
る手段としては、前記第1及び第2の電極と別個に設け
られた第3の電極と、この第3の電極に電位を与える手
段と、から構成できる。As means for controlling the amount of charged particles incident on the substrate, a third electrode provided separately from the first and second electrodes, and means for applying an electric potential to the third electrode. And can consist of
【0013】従来のスパッタリング法では、イオンがタ
ーゲットに衝突する際に、ターゲット内の原子間結合を
切って原子を飛び出させる必要があり、加速されたイオ
ンのエネルギーの一部は原子間結合を切ることに費やさ
れてしまうために、スパッタ収率が低くなり、その結
果、成膜速度が遅くなる欠点があった。本発明では、膜
原料の温度を上昇させておくことであらかじめ結合力を
弱めておいて、イオンを膜原料であるターゲットに衝突
させるので、加速されたイオンのエネルギーの大部分を
スパッタリングに使用できる。このためスパッタ収率が
高くなり、従来法と比較して成膜速度を著しく速くする
ことができる。In the conventional sputtering method, when the ions collide with the target, it is necessary to break the interatomic bond in the target to eject the atom, and a part of the accelerated ion energy cuts the interatomic bond. Since this is spent, the sputtering yield becomes low, and as a result, the film forming rate becomes slow. In the present invention, the binding force is weakened in advance by raising the temperature of the film raw material, and the ions are made to collide with the target which is the film raw material. Therefore, most of the accelerated ion energy can be used for sputtering. . For this reason, the sputtering yield is increased, and the film formation rate can be significantly increased as compared with the conventional method.
【0014】この場合、膜原料を加熱する手段は適宜に
選択することができるが、スパッタリングを行うため、
膜原料を載置した電極に交流を印加することで電極上に
プラズマが発生して負電位になり、このプラズマにより
膜原料を加熱することができることから、本発明はこの
手段を用いるものである。本発明において交流とは、1
3.56MHzの高周波や10KHz程度の中周波をも
含むものである。In this case, the means for heating the film raw material can be appropriately selected, but since sputtering is performed,
By applying an alternating current to the electrode on which the film raw material is placed, plasma is generated on the electrode to have a negative potential, and the film raw material can be heated by this plasma. Therefore, the present invention uses this means. . In the present invention, alternating current is 1
It also includes a high frequency of 3.56 MHz and a medium frequency of about 10 KHz.
【0015】従来のスパッタリング法では、原子間結合
が切れてターゲットから原子が跳び出すが、本発明では
膜原料の温度を上昇させておくことで、熱振動により結
合力の強い箇所と弱い箇所ができ、跳び出す粒子の形態
が分子となるように制御するものである。ここでの分子
とは、単分子のみではなく、クラスター状に集合体をな
す多分子を含むものである。このようなターゲットから
跳び出す分子の形態は、熱による蒸発分子とほぼ同じに
なると考えることができる。In the conventional sputtering method, the interatomic bond is broken and the atom jumps out from the target. However, in the present invention, by raising the temperature of the film raw material, a portion having a strong binding force and a portion having a weak binding force due to thermal vibration are generated. It is possible to control the morphology of particles that jump out into molecules. The molecule here includes not only a single molecule but also multiple molecules that form an aggregate in a cluster. It can be considered that the shape of the molecule jumping out from such a target is almost the same as that of the vaporized molecule by heat.
【0016】本発明では基板に入射する荷電粒子の量を
制御することから、基板や膜に対する荷電粒子の影響を
コントロールすることができる。荷電粒子とは、膜原料
であるターゲットから跳び出す等により発生する電子
や、導入されたガスや跳び出した膜原料が電子に衝突す
ること等で発生するイオンを指す。これらが基板やその
上に形成された膜に入射すると、基板の温度上昇や変
質、膜の再スパッタや膜組成、内部応力、ステップカバ
レージの変化等をもたらす。例えば、スパッタリング中
に基板の温度が上昇する主要因は基板に流入する電子に
起因するため、温度上昇が好ましくない場合は、基板へ
の電子の流入を抑制するように制御する。本発明では、
基板に入射する荷電粒子の量を成膜途中に必要に応じて
変化させても良いのはもちろんである。In the present invention, since the amount of charged particles incident on the substrate is controlled, the influence of the charged particles on the substrate or film can be controlled. The charged particles refer to electrons generated by jumping from a target which is a film raw material, or ions generated by collision of an introduced gas or jumped film raw material with electrons. When these are incident on the substrate or the film formed on the substrate, the temperature of the substrate is increased or the quality of the film is changed, the film is re-sputtered, the film composition, the internal stress, or the step coverage is changed. For example, the main cause of the temperature rise of the substrate during sputtering is due to the electrons flowing into the substrate. Therefore, when the temperature rise is not desirable, control is performed so as to suppress the flow of electrons into the substrate. In the present invention,
Of course, the amount of charged particles incident on the substrate may be changed during film formation as needed.
【0017】基板に入射する荷電粒子の量を制御する手
段は特に限定されるものではなく、複数の手法を併用し
ても良い。最も容易な手段としては、基板を保持する第
2の電極にバイアス電圧を印加することである。バイア
ス電圧を正にすれば電子の流入を増加させて、正イオン
の入射を減少させることができるし、負にすればその逆
も可能である。バイアス電圧を印加するのに加えて、基
板周囲に磁場を形成することで、さらに基板に入射する
荷電粒子を制御することが容易となる。The means for controlling the amount of charged particles incident on the substrate is not particularly limited, and a plurality of methods may be used together. The easiest way is to apply a bias voltage to the second electrode holding the substrate. If the bias voltage is made positive, the inflow of electrons can be increased and the incidence of positive ions can be decreased, and if it is made negative, the opposite is also possible. By forming a magnetic field around the substrate in addition to applying a bias voltage, it becomes easier to control charged particles incident on the substrate.
【0018】基板に入射する荷電粒子の量を制御する別
の手段として、荷電粒子の基板への入射経路に第3の電
極を配置するようにしても良い。この第3の電極は、膜
原料を載置した第1の電極及び基板を保持する第2の電
極とは別個に設置されるものであり、この電極に電位を
与えることで、基板に入射する荷電粒子を制御すること
が容易になる。その具体的な構造としては、第1、第2
の電極間やその近傍にメッシュ状や棒状等の電極を設
け、この電極の電位を制御することでイオンや電子をト
ラップしたり、加速して、基板に入射する荷電粒子の量
やエネルギーを制御することができる。なお、この第3
の電極は1つである必要はなく、複数設置しても良い。As another means for controlling the amount of charged particles incident on the substrate, a third electrode may be arranged in the path of incidence of charged particles on the substrate. The third electrode is installed separately from the first electrode on which the film raw material is placed and the second electrode holding the substrate, and is applied to the substrate by applying a potential to this electrode. It becomes easy to control the charged particles. The specific structure includes the first and second
Electrodes of mesh shape or rod shape are provided between or near the electrodes, and ions or electrons are trapped or accelerated by controlling the potential of these electrodes to control the amount and energy of charged particles incident on the substrate. can do. Note that this third
It is not necessary to have one electrode, and a plurality of electrodes may be installed.
【0019】本発明によって作製される薄膜が光学的な
用途の場合、特に薄膜生成プロセスを厳密に制御するこ
とが必要になる。本発明では、ターゲットから跳び出す
粒子が分子状となることから、膜原料と同じ組成の薄膜
を得られやすいが、基板に入射する荷電粒子を制御する
ことでより所望の特性を得られやすくなる。たとえば、
基板の材質がガラス等で加熱することが可能な場合、基
板に多量の電子が流入するようにして基板温度を上昇さ
せながら成膜した方が密度、結晶性、耐久性等の点で良
質な膜が得られる。When the thin film produced by the present invention is used for optical purposes, it is necessary to strictly control the thin film production process, in particular. In the present invention, since particles jumping out of the target are in a molecular form, it is easy to obtain a thin film having the same composition as the film raw material, but it is easier to obtain desired characteristics by controlling the charged particles incident on the substrate. . For example,
If the substrate material can be heated with glass, etc., it is better in terms of density, crystallinity, durability, etc. to form a film while raising the substrate temperature so that a large amount of electrons flow into the substrate. A film is obtained.
【0020】一方、基板の材質が樹脂等で加熱しない方
が良い場合、基板に流入する電子が少なくなるようにし
て、基板温度が上昇しないようにすることもできる。ま
た、スパッタリング中には膜にイオンが入射するが、そ
の入射量を多くすると、膜が再スパッタされる量が増
え、強く結合した原子のみが残って、膜質が向上した
り、ステップカバレージを向上させる効果がある。一
方、イオンが入射すると基板や膜が損傷する恐れがある
場合、例えば基板の材質が光学ガラスであって、その成
分がイオンの入射により還元されて光吸収を生じやすい
場合や、基板の材質がPMMAのような樹脂であってイ
オンの入射により表面に変質層が形成されて膜の密着性
が低くなる場合、あるいは、イオンの入射により膜その
ものがダメージを受けやすいフッ化物の場合、本発明で
はイオンの入射量を少なくする。On the other hand, when it is better not to heat the substrate material with resin or the like, it is possible to reduce the electrons flowing into the substrate so that the substrate temperature does not rise. Also, while ions are incident on the film during sputtering, increasing the incident amount increases the amount of re-sputtering of the film, leaving only strongly bonded atoms, improving the film quality and improving step coverage. Has the effect of On the other hand, if the substrate or film may be damaged by the incidence of ions, for example, if the substrate material is optical glass and its components are easily reduced by the incidence of ions to cause light absorption, or if the substrate material is In the present invention, in the case of a resin such as PMMA, which deteriorates the adhesion of the film due to the formation of an altered layer on the surface due to the incidence of ions, or a fluoride which is easily damaged by the incidence of ions. Reduce the amount of incident ions.
【0021】本発明の膜原料については特に制限はな
く、基本的にはどのような材料も適用できる。用途に合
わせた材料、たとえば光学用途の薄膜の場合、フッ化
物、酸化物、窒化物、硫化物等を用いることができる。
特にこれまでスパッタリングにより膜を形成することが
難しいとされてきたMgF2 等のフッ化物の場合に対し
て、本発明を適用することは多大なる効果を有する。The film raw material of the present invention is not particularly limited, and basically any material can be applied. Fluorides, oxides, nitrides, sulfides and the like can be used in the case of a material suitable for the application, for example, a thin film for optical use.
In particular, the application of the present invention has a great effect in the case of a fluoride such as MgF 2 which has been difficult to form a film by sputtering.
【0022】上述した本発明によって作製されたフッ化
物薄膜は、化学量論比に近く可視域で吸収がほとんどな
く、その屈折率は十分に低く、単層でも十分な反射防止
効果を有する。このためレンズやプリズム、光ファイバ
ー、眼鏡、サングラス、ゴーグル等の光学部品やその機
器類、ブラウン管や液晶等の表示素子、各種窓材、スク
リーン等への反射防止膜として使用できる。また、高屈
折率膜と組み合わせた多層構成とすることにより、より
高性能な反射防止膜やその他のハーフミラーやエッジフ
ィルター等の光学薄膜を形成することができる。The above-mentioned fluoride thin film produced by the present invention has a near stoichiometric ratio, almost no absorption in the visible region, its refractive index is sufficiently low, and even a single layer has a sufficient antireflection effect. Therefore, it can be used as an antireflection film for optical components such as lenses, prisms, optical fibers, spectacles, sunglasses, goggles and the like, display devices such as cathode ray tubes and liquid crystals, various window materials and screens. Further, by using a multi-layered structure in combination with a high refractive index film, it is possible to form a higher performance antireflection film and other optical thin films such as half mirrors and edge filters.
【0023】[0023]
(実施の形態1)図1は実施の形態1で用いる成膜装置
を示す。1は真空槽であり、この真空槽1内の上部に
は、光学ガラスからなる基板2が回転可能に配置されて
いる。基板2は可変電源11に接続されており、この電
源11によって基板2にはバイアス電圧VB が印加され
る。(Embodiment 1) FIG. 1 shows a film forming apparatus used in Embodiment 1. Reference numeral 1 denotes a vacuum chamber, and a substrate 2 made of optical glass is rotatably arranged in an upper portion of the vacuum chamber 1. The substrate 2 is connected to a variable power source 11, and the power source 11 applies a bias voltage V B to the substrate 2.
【0024】膜原料3としては、粒径0.5〜2mmの
MgF2 顆粒が使用される。このMgF2 顆粒3は石英
製の皿4に充填されており、この皿4が直径3インチ
(約75mm)のマグネトロンカソード5上に載置され
ている。このマグネトロンカソード5は第1の電極を構
成するものである。かかるマグネトロンカソード5はマ
ッチングボックス6を介して、出力13.56MHzの
高周波電源7と接続されている。また、カソードの温度
を一定に保つためにカソードの下面には水温が25±
0.5℃に制御された冷却水8が流されている。さらに
真空槽1の側面にはガス導入口9が設けられており、カ
ソード5と基板2との間にはシャッター10が設けられ
ている。As the film raw material 3, MgF 2 granules having a particle size of 0.5 to 2 mm are used. The MgF 2 granules 3 are filled in a quartz dish 4, which is placed on a magnetron cathode 5 having a diameter of 3 inches (about 75 mm). The magnetron cathode 5 constitutes the first electrode. The magnetron cathode 5 is connected to a high frequency power source 7 having an output of 13.56 MHz via a matching box 6. Also, in order to keep the temperature of the cathode constant, the water temperature is 25 ±
Cooling water 8 controlled at 0.5 ° C. is flowing. Further, a gas inlet 9 is provided on the side surface of the vacuum chamber 1, and a shutter 10 is provided between the cathode 5 and the substrate 2.
【0025】上記構造において、光学ガラスである基板
2をセットし、真空度7×10-5Paまで真空槽1内を
排気する。その後、N2 ガスをガス導入口9から1Pa
の真空度となるまで導入する。バイアス電圧VB は+1
0V〜−15Vまで5Vずつ変化させてそれぞれの電圧
で薄膜を形成する。In the above structure, the substrate 2 which is an optical glass is set, and the vacuum chamber 1 is evacuated to a vacuum degree of 7 × 10 -5 Pa. After that, N 2 gas was introduced from the gas inlet 9 to 1 Pa.
It is introduced until the degree of vacuum reaches. Bias voltage V B is +1
A thin film is formed by changing the voltage from 0V to -15V in 5V increments.
【0026】高周波電源7から500Wの電力をマグネ
トロンカソード5に供給し、プラズマを発生させる。M
gF2 顆粒3はこのプラズマにより加熱され、カソード
下面の冷却水8による冷却能と釣り合った温度に保持さ
れるとともに、スパッタリングされる。ここで、基板2
を回転させ、シャッター11を開放すると、基板2上に
MgF2 膜が形成される。そして、この光学的膜厚が1
30nmとなるようにシャッターを閉じた。Electric power of 500 W is supplied from the high frequency power source 7 to the magnetron cathode 5 to generate plasma. M
The gF 2 granules 3 are heated by this plasma, kept at a temperature balanced with the cooling capacity of the cooling water 8 on the lower surface of the cathode, and sputtered. Here, the substrate 2
Is rotated and the shutter 11 is opened, an MgF 2 film is formed on the substrate 2. And this optical film thickness is 1
The shutter was closed to 30 nm.
【0027】成膜中のプラズマ発光スペクトルの波長を
調べたところ、Mg原子の他にMgF分子からの発光が
認められ、膜原料の少なくとも一部は分子状態で跳んで
いることが確認された。When the wavelength of the plasma emission spectrum during film formation was examined, it was confirmed that light was emitted from MgF molecules in addition to Mg atoms, and at least a part of the film raw material jumped in the molecular state.
【0028】表1は基板2に印加するバイアス電圧VB
が異なるときの結果を示す。バイアス電圧VB が正の場
合が、成膜終了時の基板温度が高くなっている。次に、
成膜された膜に粘着製テープ(商品名「セロハンテー
プ」)を貼り付けた後、90°方向に強く引き剥がす密
着性試験を実施したが、いずれの条件で製造した膜でも
剥離は生じなかった。また、アルコールにより湿らせた
レンズクリーニング用ペーパーで20往復強く擦った
後、膜表面を肉眼で観察する耐擦傷性試験を行ったとこ
ろ、基板2がBK7、KzFS4のいずれの硝材の場合
も、バイアス電圧V B が正になるに伴って膜の耐擦傷性
が向上した。これは基板温度が上昇することと相関があ
ると考えられる。Table 1 shows the bias voltage V applied to the substrate 2.B
Shows the results when different. Bias voltage VBIs a positive place
In this case, the substrate temperature at the end of film formation is high. next,
Adhesive tape (trade name "Cello-Hante
), And then peel it off strongly in the 90 ° direction.
Adhesion test was carried out, but the film produced under any condition
No peeling occurred. Also moistened with alcohol
Rubbed 20 times with lens cleaning paper
After that, a scratch resistance test was conducted to observe the film surface with the naked eye.
If the substrate 2 is a glass material of BK7 or KzFS4
Also the bias voltage V BScratch resistance of the film as the value becomes positive
Has improved. This correlates with the rise in substrate temperature.
It is thought to be.
【0029】続いて、光学的膜厚が130nmの場合に
おける波長400nmでの光吸収率を測定した。その結
果、基板2がBK7の場合、バイアス電圧VB が−10
V以上ではいずれも0.5%以下で問題なかったが、−
15Vの場合には1%程度の光吸収が発生した。これは
MgF2 膜へのイオン入射により膜の一部がスパッタさ
れ、Fが解離したことによる。一方、基板がKzFS4
の場合、バイアス電圧VB が0から負になるに伴って光
吸収が増加した。これは上述した膜へのイオン入射によ
る影響の他に、基板へのイオン入射により基板中の成分
であるPbOが還元されることによる。Subsequently, the optical absorptance at a wavelength of 400 nm was measured when the optical film thickness was 130 nm. As a result, when the substrate 2 is BK7, the bias voltage V B is −10.
Above V, there was no problem at 0.5% or less, but −
In the case of 15V, about 1% of light absorption occurred. This is because a portion of the MgF 2 film was sputtered by the incident ions and the F was dissociated. On the other hand, the substrate is KzFS4
In the case of, the light absorption increased as the bias voltage V B became 0 to negative. This is because PbO, which is a component in the substrate, is reduced by the ion incidence on the substrate, in addition to the influence of the ion incidence on the film described above.
【0030】以上の結果を表1に示す。同表において、
「密着性」欄の「○」は剥離がないものを、「×」は剥
離があったものを示す。「耐擦傷性」欄の「○」は傷が
ないものを、「△」は顕微鏡で判別できる程度の傷があ
るものを、「×」は肉眼で判別できる傷があるものを示
す。「光吸収」欄における「○」は0.5%以下の光吸
収を、「△」は0.5〜1.5%の範囲の光吸収を、
「×」は1.5%以上の光吸収を示す。The above results are shown in Table 1. In the table,
In the “Adhesiveness” column, “◯” indicates that there was no peeling, and “x” indicates that there was peeling. In the “Scratch resistance” column, “◯” indicates that there is no scratch, “Δ” indicates that there is a scratch that can be distinguished by a microscope, and “x” indicates that there is a scratch that can be distinguished by the naked eye. In the "light absorption" column, "○" means light absorption of 0.5% or less, and "△" means light absorption of 0.5 to 1.5%.
“X” indicates light absorption of 1.5% or more.
【0031】[0031]
【表1】 [Table 1]
【0032】この実施の形態では、以上の光学ガラスの
他に種々の光学ガラス上にMgF2膜を形成したが、基
板に正のバイアスを印加することでいずれも優れた特性
の薄膜を形成することができた。さらに、膜材料とし
て、MgF2 に代えてLiF、CaF2 、SrF2 、A
lF3 、GaF3 、InF3 を用いて薄膜を形成した
が、いずれも同様の結果が得られた。また、導入するガ
スをN2 からO2 としてもさらには、これらの混合ガス
としても同様の結果を得ることができた。In this embodiment, the MgF 2 film was formed on various optical glasses other than the above optical glasses, but a positive bias is applied to the substrate to form a thin film having excellent characteristics. I was able to. Further, as a film material, LiF, CaF 2 , SrF 2 , A instead of MgF 2
A thin film was formed using 1F 3 , GaF 3 , and InF 3, and the same result was obtained in each case. Similar results could be obtained when the gas to be introduced was changed from N 2 to O 2 , and further, as a mixed gas thereof.
【0033】(実施の形態2)実施の形態1と同一の装
置を用い、同様な方法でガラス製の回折格子上にMgF
2 膜を形成した。基板2に対するバイアス電圧VB を変
えたときの膜の断面構造を図2に示す。同図において、
2は回折格子からなる基板、12は基板2に形成された
MgF2 の薄膜であり、(a)はバイアス電圧VB が正
の場合、(b)はVB が零の場合、(c)はVB が負の
場合をそれぞれ示す。バイアス電圧VBが0または正の
場合、ステップカバレージが悪いが、負の場合はステッ
プカバレージが良いことがわかる。これは、バイアス電
圧VB が負の場合、N+ 等の正イオンが多く入射するこ
とによる効果である。なお、基板2に対してRFバイア
スを印加しても同様の結果が得られた。(Embodiment 2) The same apparatus as in Embodiment 1 is used, and MgF is formed on a glass diffraction grating by the same method.
Two films were formed. FIG. 2 shows the cross-sectional structure of the film when the bias voltage V B for the substrate 2 is changed. In the figure,
Reference numeral 2 is a substrate made of a diffraction grating, 12 is a MgF 2 thin film formed on the substrate 2, (a) is a case where the bias voltage V B is positive, (b) is a case where V B is zero, (c). Indicates the case where V B is negative. It can be seen that when the bias voltage V B is 0 or positive, the step coverage is bad, but when it is negative, the step coverage is good. This is an effect due to the large number of positive ions such as N + incident when the bias voltage V B is negative. Similar results were obtained even when an RF bias was applied to the substrate 2.
【0034】以上のように、基板2に印加するバイアス
電圧を変化させることで、回析格子のような段差のある
基板に対するステップカバレージを改善することが可能
となっている。As described above, by changing the bias voltage applied to the substrate 2, it is possible to improve the step coverage for a substrate having a step like a diffraction grating.
【0035】(実施の形態3)実施の形態1と同一の装
置を使用し、同様な方法でポリカーボネートからなる樹
脂基板上にMgF2 膜を形成した。成膜中において、基
板のバイアス電圧VBを正にしたままの場合、多量の電
子が流入して基板の温度が上昇し、面形状が変化した
が、バイアス電圧VB が0または負の場合、基板温度の
上昇は抑えられる一方、膜の擦傷性がやや低くなった。
また、膜の内部応力を検査したところ、バイアス電圧V
B が正または0の場合は圧縮応力となっていた。(Embodiment 3) Using the same apparatus as in Embodiment 1, a MgF 2 film was formed on a resin substrate made of polycarbonate by the same method. If the bias voltage V B of the substrate remains positive during film formation, a large amount of electrons flow in to raise the temperature of the substrate and the surface shape changes, but the bias voltage V B is 0 or negative. Although the rise in substrate temperature was suppressed, the scratch resistance of the film was slightly lowered.
In addition, when the internal stress of the film was inspected, the bias voltage V
When B was positive or 0, there was compressive stress.
【0036】そこで、初めの10秒間は基板に−10V
のバイアス電圧を印加し、その後+10Vを印加しなが
ら成膜した。その結果、基板温度の上昇が抑えられて面
形状の変化が無く、表面には耐擦傷性の高い膜が形成さ
れていた。また、膜全体の内部応力はほとんど零となっ
ており、70℃、80%等の高温高湿下に放置しても、
膜にクラックが生じる等の不具合は無かった。なお、バ
イアス電圧を負から正へと連続的に変化させても同様の
結果が得られた。Therefore, -10V is applied to the substrate for the first 10 seconds.
Was applied and then +10 V was applied to form a film. As a result, an increase in the substrate temperature was suppressed, the surface shape did not change, and a film having high scratch resistance was formed on the surface. Moreover, the internal stress of the entire film is almost zero, and even if it is left under high temperature and high humidity such as 70 ° C. and 80%,
There were no problems such as cracks in the film. Similar results were obtained even when the bias voltage was continuously changed from negative to positive.
【0037】以上のように、この実施の形態ではバイア
ス電圧を成膜途中に変化させることで所望の特性を有す
る薄膜を形成することができた。As described above, in this embodiment, it was possible to form a thin film having desired characteristics by changing the bias voltage during film formation.
【0038】(実施の形態4)図3はこの実施の形態の
成膜装置を示し、図1と同一の要素は同一の符号を付し
て対応させてある。この実施の形態では、第2の電極と
してのメッシュアノード13を配置したものである。こ
のメッシュアノード13はターゲットとしての膜原料が
充填された皿4を囲むように配置されている。また、メ
ッシュアノード13は可変電源14に接続されて、同電
源14からアノード電圧VA が印加されるようになって
いる。(Embodiment 4) FIG. 3 shows a film forming apparatus of this embodiment, and the same elements as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals and correspond to each other. In this embodiment, the mesh anode 13 as the second electrode is arranged. The mesh anode 13 is arranged so as to surround the dish 4 filled with the film raw material as the target. Further, the mesh anode 13 is connected to a variable power source 14, and an anode voltage V A is applied from the power source 14.
【0039】この実施の形態では、ターゲット材料とし
てSiO2 、WO3 、In2 O3 、SnO2 等の酸化物
を用いた。メッシュアノード13に加えるアノード電圧
VAを+5〜10V程度に設定すると、基板2に向かう
電子は全てここでトラップされるため、基板2の温度上
昇はほとんどなかった。一方、アノード電圧VA を−5
〜20V程度に設定すると、基板2に入射する正イオン
の入射を抑制することができ、基板2のダメージをなく
すことができた。In this embodiment, oxides such as SiO 2 , WO 3 , In 2 O 3 and SnO 2 are used as the target material. When the anode voltage V A applied to the mesh anode 13 is set to about +5 to 10 V, all the electrons toward the substrate 2 are trapped here, so that the temperature of the substrate 2 hardly rises. On the other hand, the anode voltage V A is set to −5
When the voltage is set to about 20 V, the incidence of positive ions incident on the substrate 2 can be suppressed, and damage to the substrate 2 can be eliminated.
【0040】(実施の形態5)図4は実施の形態の成膜
装置を示す。この装置は図3に示す構成に加えて、磁場
発生手段15を設けるものであり、磁場発生手段15は
真空槽1の外側に設けられている。磁場発生手段15に
より基板面と平行な磁場を形成することで、電子が基板
2に入射することを抑止することができる。これと併せ
て、メッシュアノード13に加えるアノード電圧VA を
−5〜20V程度に設定して基板2に入射する正イオン
を抑制することで、基板2に対する荷電粒子の入射をほ
ぼ完全になくすことができる。なお、磁場発生手段15
は基板2の裏面付近に設置しても同様の効果を得ること
ができるものである。(Embodiment 5) FIG. 4 shows a film forming apparatus according to an embodiment. This apparatus is provided with a magnetic field generating means 15 in addition to the configuration shown in FIG. 3, and the magnetic field generating means 15 is provided outside the vacuum chamber 1. By forming a magnetic field parallel to the substrate surface by the magnetic field generation means 15, it is possible to prevent electrons from entering the substrate 2. At the same time, the anode voltage V A applied to the mesh anode 13 is set to about −5 to 20 V to suppress the positive ions incident on the substrate 2, thereby almost completely eliminating the incidence of charged particles on the substrate 2. You can The magnetic field generating means 15
The same effect can be obtained even if it is installed near the back surface of the substrate 2.
【0041】(実施の形態6)図5は実施の形態6の成
膜装置を示す。この装置は図3に示す構成に加えて、第
3の電極としてメッシュアノード16を設けるものであ
る。このメッシュアノード16は第2の電極としてのメ
ッシュアノード13と、基板2との間に配置されてお
り、これにより荷電粒子の基板2への入射経路内に位置
している。かかるメッシュアノード16は可変電源17
に接続されており、これによりバイアス電圧VC が印加
される。この場合、メッシュアノード13、17へのバ
イアス電圧VA 、VC 及び基板2へのバイアス電圧VB
は全て独立して電位を設定できるようになっている。こ
のようにすることで、基板に対する荷電粒子の入射をほ
ぼ完全に制御することができる。(Sixth Embodiment) FIG. 5 shows a film forming apparatus according to a sixth embodiment. This device is provided with a mesh anode 16 as a third electrode in addition to the structure shown in FIG. The mesh anode 16 is arranged between the mesh anode 13 as the second electrode and the substrate 2, and is thereby positioned in the incident path of the charged particles to the substrate 2. The mesh anode 16 is a variable power source 17
, And the bias voltage V C is applied thereby. In this case, the bias voltages V A and V C to the mesh anodes 13 and 17 and the bias voltage V B to the substrate 2
All can set the potential independently. By doing so, it is possible to almost completely control the incidence of charged particles on the substrate.
【0042】例えば、バイアス電圧VA をアースに、バ
イアス電圧VC を負電位にすることで、正イオンを加速
して基板2に入射させることができる。さらに、バイア
ス電圧VB も負電位にすることで、基板2に対して電子
の入射が無く、正イオンにより強く叩かれる状況を作り
出すことができる。このような構成は例えば、実施の形
態2のような段差のある基板に対し、ステップカバレー
ジを良くする必要がある場合に非常に有効であった。For example, by setting the bias voltage V A to ground and the bias voltage V C to a negative potential, positive ions can be accelerated and made incident on the substrate 2. Furthermore, by setting the bias voltage V B to a negative potential, it is possible to create a situation in which electrons are not incident on the substrate 2 and the substrate 2 is strongly hit by positive ions. Such a configuration was very effective, for example, when it was necessary to improve the step coverage with respect to the substrate having the steps as in the second embodiment.
【0043】(実施の形態7)図6は実施の形態7の成
膜装置を示す。この装置は成膜中に基板2が矢印で示す
直線方向に等速で移動するようになっている。又、マグ
ネトロンカソード5が2基、並列状に配置されており、
各マグネトロンカソード5には30KHzの交流電源7
から半周期ずらした交流を印加するようになっている。
このマグネトロンカソード5には膜原料であるMgF2
顆粒3がそれぞれ載置されている。さらに、棒状の電極
18がターゲットの横に立設されている。この電極18
は可変電源19から電圧VD が印加される。なお、各マ
グネトロンカソード5の下面には冷却水8が流されてい
る。(Embodiment 7) FIG. 6 shows a film forming apparatus according to Embodiment 7. In this apparatus, the substrate 2 moves at a constant speed in the linear direction indicated by the arrow during film formation. Also, two magnetron cathodes 5 are arranged in parallel,
Each magnetron cathode 5 has a 30 KHz AC power supply 7
The alternating current is applied with a shift of a half cycle from.
For this magnetron cathode 5, MgF 2 which is a film raw material is used.
Granules 3 are placed on each. Furthermore, a rod-shaped electrode 18 is provided upright next to the target. This electrode 18
A voltage V D is applied from the variable power source 19. Cooling water 8 is made to flow on the lower surface of each magnetron cathode 5.
【0044】上記構成において、真空槽1内を排気した
後、H2 及びO2 を混合したガスをガス導入口9から
0.1Paになるまで導入する。電極18の電位VD は
正電位に保ち、電子をトラップするように設定する。交
流電源7から電力をカソード5に供給し、プラズマを発
生させる。このプラズマによりMgF2 は加熱されると
ともにスパッタされ、基板2上にMgF2 膜が形成され
る。この方法により薄膜を形成した場合、電子をトラッ
プする電極18を設置しているため、基板2の温度上昇
は全くなかった。In the above structure, after the inside of the vacuum chamber 1 is evacuated, a mixed gas of H 2 and O 2 is introduced from the gas inlet 9 to 0.1 Pa. The potential V D of the electrode 18 is maintained at a positive potential and is set so as to trap electrons. Electric power is supplied from the AC power supply 7 to the cathode 5 to generate plasma. The MgF 2 is heated and sputtered by this plasma, and an MgF 2 film is formed on the substrate 2. When the thin film was formed by this method, the temperature of the substrate 2 did not rise at all because the electrode 18 for trapping electrons was installed.
【0045】なお、以上説明した本発明の実施の形態に
よれば、以下の如き、構成が得られる。 [付記1]膜原料を載置した第1の電極に交流を印加し
て第1の電極を負電位にすると共に、前記交流の電力に
より膜原料上にプラスチックを発生させ、このプラズマ
により膜原料の温度を上昇させながら膜原料を正イオン
によりスパッタリングして膜原料の少なくとも一部を分
子状態で跳び出させ、この分子状態の膜原料の荷電粒子
の量を制御しながら基板に入射させて薄膜を形成するこ
とを特徴とする薄膜の製造方法。 [付記2]光学用途に用いられる薄膜を形成することを
特徴とする付記1記載の薄膜の製造方法。 [付記3]膜原料が載置され、負電位に印加される第1
の電極と、前記膜原料上にプラズマを発生させて膜原料
の温度を上昇させる交流電源手段と、前記膜原料と対向
するように載置され、正電位に印加される基板と、この
基板に入射する膜原料の荷電粒子の量を制御する手段
と、を備えていることを特徴とする薄膜の製造装置。 [付記4]前記基板に入射する荷電粒子の量を制御する
手段が、基板を保持し正電位に印加される第2の電極
と、この第2の電極にバイアス電圧を印加する手段と、
からなることを特徴とする付記3記載の薄膜の製造装
置。 [付記5]前記基板に入射する荷電粒子の量を制御する
手段が、前記第1及び第2の電極と別個に設けられた第
3の電極と、この第3の電極に電位を与える手段と、か
らなることを特徴とする付記3記載の薄膜の製造装置。According to the embodiment of the present invention described above, the following constitution can be obtained. [Supplementary Note 1] An alternating current is applied to the first electrode on which the film raw material is placed to make the first electrode have a negative potential, and plastic is generated on the film raw material by the AC power, and the plasma is used to generate the film raw material. The film raw material is sputtered with positive ions while the temperature of the film is raised to cause at least a part of the film raw material to jump out in a molecular state. Forming a thin film. [Supplementary Note 2] The method for producing a thin film according to Supplementary Note 1, wherein a thin film used for optical applications is formed. [Supplementary Note 3] First, in which a film raw material is placed and applied to a negative potential
Electrode, an AC power supply means for generating plasma on the film material to raise the temperature of the film material, a substrate placed so as to face the film material and applied with a positive potential, and And a means for controlling the amount of charged particles of the film raw material incident thereon. [Supplementary Note 4] A means for controlling the amount of charged particles incident on the substrate is a second electrode that holds the substrate and is applied to a positive potential, and a means that applies a bias voltage to the second electrode.
5. The thin film manufacturing apparatus as described in appendix 3, comprising: [Supplementary Note 5] A means for controlling the amount of charged particles incident on the substrate is a third electrode provided separately from the first and second electrodes, and means for applying a potential to the third electrode. The thin-film manufacturing apparatus as set forth in appendix 3, comprising:
【0046】[0046]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、固体状の
膜原料をあらかじめ加熱してスパッタリングするもので
あり、加速されたイオンのエネルギーの大部分をスパッ
タリングに使用できるためスパッタ収率が高くなり、そ
の結果従来法と比較して成膜速度を著しく速くすること
ができる。又、基板に入射する荷電粒子の量を制御する
手段を有しているので、膜の品質や基板へのダメージを
コントロールすることができる。これによりMgF2 に
代表されるフッ化物系の光学膜をスパッタリング法によ
り形成するのに有効に適用することができる。As described above, according to the present invention, a solid film raw material is preheated and then sputtered. Since most of the accelerated ion energy can be used for sputtering, the sputtering yield can be improved. As a result, the film forming rate can be significantly increased as compared with the conventional method. Further, since the means for controlling the amount of charged particles incident on the substrate is provided, the quality of the film and the damage to the substrate can be controlled. Accordingly, it can be effectively applied to the formation of a fluoride-based optical film typified by MgF 2 by the sputtering method.
【図1】実施の形態1の成膜装置の断面図である。FIG. 1 is a sectional view of a film forming apparatus according to a first embodiment.
【図2】(a)〜(c)は実施の形態2によって成膜さ
れた薄膜の断面図である。2A to 2C are cross-sectional views of a thin film formed according to the second embodiment.
【図3】実施の形態4の成膜装置の断面図である。FIG. 3 is a sectional view of a film forming apparatus according to a fourth embodiment.
【図4】実施の形態5の成膜装置の断面図である。FIG. 4 is a sectional view of a film forming apparatus according to a fifth embodiment.
【図5】実施の形態6の成膜装置の断面図である。FIG. 5 is a sectional view of a film forming apparatus according to a sixth embodiment.
【図6】実施の形態7の成膜装置の断面図である。FIG. 6 is a sectional view of a film forming apparatus according to a seventh embodiment.
2 基板 3 膜原料 5 マグネトロンカソード 7 高周波電源 11 可変電源 2 substrate 3 film material 5 magnetron cathode 7 high frequency power supply 11 variable power supply
Claims (5)
加して第1の電極を負電位にすると共に、前記交流の電
力により膜原料上にプラズマを発生させ、このプラズマ
により膜原料の温度を上昇させながら膜原料を正イオン
によりスパッタリングして膜原料の少なくとも一部を分
子状態で跳び出させ、この分子状態の膜原料を基板に到
達させて薄膜を形成する際、基板に入射する荷電粒子の
量を制御することを特徴とする薄膜の製造方法。1. An alternating current is applied to a first electrode on which a film raw material is placed so that the first electrode has a negative potential, and plasma is generated on the film raw material by the electric power of the alternating current. While raising the temperature of the raw material, the film raw material is sputtered with positive ions to cause at least a part of the film raw material to jump out in the molecular state, and when the thin film is formed by making the molecular raw material reach the substrate, a film is formed on the substrate. A method for producing a thin film, which comprises controlling the amount of incident charged particles.
とを特徴とする請求項1記載の薄膜の製造方法。2. The method for producing a thin film according to claim 1, which comprises forming a thin film used for optical applications.
第1の電極と、 前記膜原料上にプラズマを発生させて膜原料の温度を上
昇させる交流電源手段と、 前記膜原料と対向するように載置される基板と、 この基板に入射する膜原料の荷電粒子の量を制御する手
段と、を備えていることを特徴とする薄膜の製造装置。3. A first electrode on which a film material is placed and which is applied to a negative potential, an AC power supply means for generating plasma on the film material to raise the temperature of the film material, and the film material. An apparatus for producing a thin film, comprising: substrates placed so as to face each other; and means for controlling the amount of charged particles of a film raw material incident on the substrate.
する手段が、基板を保持する第2の電極と、この第2の
電極にバイアス電圧を印加する手段と、からなることを
特徴とする請求項3記載の薄膜の製造装置。4. The means for controlling the amount of charged particles incident on the substrate comprises a second electrode for holding the substrate and a means for applying a bias voltage to the second electrode. The thin film manufacturing apparatus according to claim 3.
する手段が、前記第1及び第2の電極と別個に設けられ
た第3の電極と、この第3の電極に電位を与える手段
と、からなることを特徴とする請求項3記載の薄膜の製
造装置。5. A means for controlling the amount of charged particles incident on the substrate, a third electrode provided separately from the first and second electrodes, and means for applying a potential to the third electrode. 4. The thin film manufacturing apparatus according to claim 3, comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7342991A JPH09184902A (en) | 1995-12-28 | 1995-12-28 | Production of thin film and apparatus for production |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7342991A JPH09184902A (en) | 1995-12-28 | 1995-12-28 | Production of thin film and apparatus for production |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09184902A true JPH09184902A (en) | 1997-07-15 |
Family
ID=18358097
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7342991A Withdrawn JPH09184902A (en) | 1995-12-28 | 1995-12-28 | Production of thin film and apparatus for production |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09184902A (en) |
-
1995
- 1995-12-28 JP JP7342991A patent/JPH09184902A/en not_active Withdrawn
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