JP3808917B2 - 薄膜の製造方法及び薄膜 - Google Patents
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Description
【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高速で光学薄膜を製造する方法および薄膜に関し、特に反射防止膜等の光学薄膜に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、薄膜を形成する場合に手法の容易さや成膜速度の速さ等の点から真空蒸着法が多く用いられてきた。反射防止膜やハーフミラーあるいはエッジフィルター等の光学薄膜を形成する場合も同様であった。一方、近年では光学薄膜やその他の薄膜の形成において、真空蒸着法に比較して自動化・省力化・大面積基板への適用性などの点で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いる。
【0003】
しかし、スパッタリング法に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あるが、その他の膜の場合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であるMgF2 等のフッ化物をスパッタリングすると、Mg等とFとに解離してしまい、膜中ではFが不足するために可視光の吸収が生じてしまうという欠点があった。以上の欠点が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。
【0004】
光学薄膜にスパッタリング法を適用した例として、例えば特開平4−223401号公報記載の発明がある。上記発明では、MgF2 をスパッタリングすると可視光の吸収が生じてしまうこと、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することにより光り吸収のほとんど無い低屈折率膜を形成すること等が開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開平4−223401号公報記載の発明においては、6inchのターゲットに500W(2.8/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。この成膜速度では、例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分以上要してしまい、工業的な普及は困難であると言わざるを得ない。
【0006】
また、本出願人が上記従来技術に従い追実験したところ、板状のMgF2 上にSi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みても、可視域で光吸収が実用上問題無い程度であり、屈折率が1.4以下となるような膜を形成することができなかった。
【0007】
請求項1〜2の課題は、薄膜をスパッタリング法により高速で形成する方法、光吸収のないフッ化物膜をスパッタリング法により高速で形成する方法および前記2つの方法により製造された薄膜、特に反射防止膜等を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、MgF2を膜原料とし、前記MgF2表面の温度を650℃〜1100℃の間に保持するとともに、酸素及び窒素の少なくとも一方を含むガスを導入しながら前記MgF2をイオンでスパッタリングすることにより、前記MgF2の少なくとも一部を分子状態で跳びださせ、前記分子状態のMgF2で基板上へ膜を形成することを特徴とする薄膜の製造方法である。
【0009】
請求項2の発明は、粒径0.1〜10mmの顆粒粒のMgF2を膜原料とし、酸素及び窒素の少なくとも一方を含むガスを導入しながら、高周波電力により前記MgF2上へプラズマを発生させ、前記プラズマにより前記MgF2の表面の温度を650℃〜1100℃の間に維持するとともに前記MgF2を正イオンでスパッタリングすることにより、前記MgF2の少なくとも一部を分子状態で跳びださせ、前記分子状態のMgF2で基板上へ膜を形成することを特徴とする薄膜の製造方法である。
【0011】
以下、請求項1を詳細に説明する。従来のスパッタリング法においてはイオンがターゲットに衝突した際にターゲット内の原子間結合を切り、ターゲットから原子を跳びださせる必要があった。そのため、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、結果として成膜速度が遅くなるという欠点があった。
【0012】
従来のスパッタリング法に比べ、本発明では膜原料の温度を上昇させておくことにより、予め原子間の結合力を弱めておいてイオンをターゲットに衝突させるものである。従って、加速されたイオンのエネルギーの大部分はスパッタリングに使われるためにスパッタ収率が高くなり、従来のスパッタリング法に比べて成膜速度を著しく速くすることができる。
【0013】
また、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だす。一方、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とができ、跳びだす粒子の形態が分子となる場合が生じる。ここでいう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。ターゲットから跳びだす分子の形態は、熱による蒸発分子とほぼ同じになると考えてよい。
光学薄膜として特に有用なMgF2のスプリッタリングの場合、ターゲットの表面温度が650℃以上であればその成膜速度を十分に高めることができる。一方、1100℃より高温になると、膜原料の蒸気圧は導入ガスの圧力と同程度にまで上昇してしまい、蒸発分子がそのまま基板に到達するようになり、単なる蒸着になってしまう。蒸着の場合、スパッタリングの場合と異なり耐擦傷性が低くなる。
【0014】
以下、請求項2を詳細に説明する。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し、前記膜原料を正イオンによりスパッタリングすることは、一般的に知られている高周波スパッタと同様な原理に基づくものである。ここでいう交流とは、いわゆる13.56MHzの高周波や数10kHzの中周波をも含むものである。
【0015】
請求項1では膜原料を加熱する手段を特に限定していない。つまり、抵抗加熱でも誘導加熱でも赤外線ヒーターでも何でもよい。しかし、請求項2ではスパックリングを行う際、膜原料を載置した電極にこうしゅうは電力を印加することで電極上にプラズマが発生する。このプラズマを利用してMgF2を加熱する。
【0016】
請求項2の発明において、光学薄膜として特に有用なMgF2のスパッタリングの場合、ターゲットの表面温度が650℃以上であればその成膜速度を十分に高めることができる。一方、1100℃よりも高温になると膜原料の蒸気圧は導入ガスの圧力と同程度にまで上昇してしまい、蒸発分子がそのまま基板に到達するようになり、単なる蒸着になってしまう。蒸着の場合、スパッタリングの場合と異なり耐擦傷性が低くなる。
【0017】
MgF2 を蒸着する場合、基板を300℃程度まで加熱しなければ耐擦傷性が著しく低くなり実用に耐えられないものとなってしまう。しかしながら、ターゲットの表面温度を1100℃以下に保っていれば耐擦傷性の高い膜が得られる。導入するガスとしては前述のガスの中でも経済性,入手性および安全性等を考慮すると酸素または窒素が特に好ましい。なお、ターゲット材料から跳び出した分子がプラズマ中の電子と衝突して正イオンになり、ターゲットに衝突してスパッタリングするいわゆるセルフスパッタリング現象が生じる場合もあるが、膜原料がMgF2 の場合はセルフスパッタリングによりターゲットから跳び出す粒子の形態は分子状態になるようであり、特に問題はない。
【0018】
このようにして製造された光学薄膜は、化学量論比に近く可視域での吸収がほとんど無く、その屈折率は1.38程度となる。従って、この光学薄膜は単層でも十分な反射防止効果を有し、レンズやプリズム,光ファイバー,眼鏡,サングラスおよびゴーグル等の光学部品・機器類,ブラウン管や液晶等の表示素子,各種窓材およびスクリーン等への反射防止膜として使用できるものである。また、高屈折率膜と組み合わせた多層構成により、より高性能な反射防止膜およびその他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。
【0019】
以上説明したように、本発明では基板を加熱する必要がないことから、適用できる材質については何等制限はない。すなわち、光学ガラスや窓ガラス等のガラス類,PMMAやポリカーボネート,ポリオレフィン等の各種樹脂類,その他の金属およびセラミックス等どのようなものにも適用できる。基板の形状についても、板状のものはもちろん、フィルム状や球状など特に制限はない。
【0020】
【発明の実施の形態】
[発明の実施の形態1]
図1〜図6は本発明の実施の形態を示し、図1は用いる装置の概略構成図、図2〜図5はグラフ、図6は比較例1のグラフである。1は真空槽で、この真空槽1の内部上方には基板2が自転可能に設置されている。膜原料である粒径1〜5mmのMgF2 顆粒3は石英製の皿4に入れられ、直径4インチ(約100mm)のマグネトロンカソード5上に載置されている。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13.56MHzの高周波電源7と接続されている。
【0021】
マグネトロンカソード5の下面には、マグネトロンカソード5の温度を一定に保つため、20±0.5℃に制御された冷却水8が流れている。真空槽1の側面には真空槽1内部にガスを導入するガス導入口9および10が設けられている。マグネトロンカソード5と基板2との間にはシャッター11が設けられている。ここで、基板2には加熱装置が設けられておらず、基板2は加熱されない。
【0022】
以上の構成からなる装置を用いての薄膜の製造は、屈折率1.75のLa系の光学ガラスである基板2をセットし、7×10-5Paまで真空槽1内を排気する。その後、O2 ガスをガス導入口9から4×10-1Paまで導入する。次に、高周波電源7から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。MgF2 顆粒3はこのプラズマにより加熱され、マグネトロンカソード5下面の冷却水8による冷却能とつ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。
【0023】
上記状態で、基板2を回転させてシャッター11を開けると、基板2上にMgF2 膜が形成される。光学的膜厚が130nmとなる時間が経過した後、シャッター11を閉じた。成膜中のプラズマ発光スペクトルの波長を調べると、投入電力が400W以上になると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。
【0024】
ここで、投入電力を変えた時、顆粒3の表面温度と基板2上の成膜速度とがどのように変化するかを図2に示す。投入電力が400W以上になると、表面温度が約650℃以上にまで上昇し、成膜速度が急激に速くなっていることが解る。一方、投入電力が800Wになると、表面温度が約1100℃まで上昇している。
【0025】
投入電力が400W〜800Wの間で形成した膜をEPMAにより分析した結果、その組成比はMg:Fが1:1.8〜1.95であり、投入電力の大きい方がF量が多いという結果であった。また、プロセスガスとして導入したO(酸素)はほとんど膜中に存在していないことも確認された。さらに、FT−IRにより分析した結果、Mgの膜中での状態はFとの結合が認められるが、O(酸素)との結合は認められなかった。続いて、XRDにより分析した結果、結晶性は低く明確なピークは認められなかった。
【0026】
次に、膜に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といういわゆるテープ剥離試験を実施したが、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強くこすった後、膜表面を肉眼にて観察するいわゆる耐擦傷性試験を実施したところ、投入電力800W未満のものでは全く傷は生じなかったが、800Wのものでは薄く傷が入っているのが観察された。さらに、900Wのものでは膜が容易に基板から剥離してしまった。
【0027】
次いで、本発明の実施の形態の製造方法により製造した反射防止膜の分光反射率の測定結果、分光エリプソメトリーによる屈折率nと吸収係数kの測定結果の一例を図3〜図5に示す。反射率は中心波長で0.2%以下まで落ちており良好な反射防止特性を有しているといえる。屈折率nは1.38程度、吸収係数kは10-4以下といずれも低屈折率光学膜として実用レベルにあるといって良い。
【0028】
尚、本発明の実施の形態で用いる顆粒の粒径は0.1mm〜10mmの範囲であれば同様の結果が得られ、何等問題はなかった。また、導入するO2 ガスの圧力は5×10-2Pa〜5×100 Paのいずれの範囲でも、必要な投入電力が多少異なるものの良好な光学特性および耐久性を有する反射防止膜を得ることができた。
【0029】
(比較例1)
MgF2 顆粒3の代わりにMgF2 焼結体を用いて同様の実験を行った結果を図6に示す。焼結体を用いた場合は顆粒の場合と異なり、投入電力を大きくしても加熱されにくく、温度はほとんど上昇しない。すなわち、通常行われているスパッタリングの状態であり、成膜速度が著しく遅くて実用的ではない。例えば、投入電力600Wの場合、発明の実施の形態1では成膜時間が18秒であったが、本比較例で同じ膜厚のものを得ようとすると11分要する。
【0030】
また、本比較例で製造された薄膜は可視域で吸収があり、光学的用途に用いることは不可能である。本比較例で製造された薄膜の組成比は、Mg:Fが1:1.5〜1.7であり、Fの量がかなり不足していることが確認された。また、その結晶性はやや高いことが確認された。
【0031】
(比較例2)
広く用いられている真空蒸着法によりMgF2 膜を形成した例を示す。基板を加熱しない場合と300℃に加熱した場合との2通りの条件で成膜した。どちらの条件の場合も光吸収は小さく、膜の組成比はMg:Fが1:1.9〜2.0であった。基板を加熱しない場合は結晶性が低くて耐擦傷性が著しく低かったが、基板を300℃に加熱した場合は結晶性が高くて耐擦傷性も高く実用レベルにある。
【0032】
(発明の実施の形態2)
前記発明の実施の形態1と同様の装置を用い、ガス導入口9からN2 を1×10-1Paまで、ガス導入口10からArを3×10-2Paまで導入した。前記発明の実施の形態1と比較すると、温度の上昇はやや少な目で投入電力が500W以上でターゲット表面温度が650℃以上にまで上昇した。投入電力650W,成膜時間21秒で基板上に成膜した結果、膜の分光反射率は図3と全く同様になった。可視域での光吸収は1%以下で十分実用レベルにあった。前記発明の実施の形態1と同様な試験を行った結果、テープ剥離試験で剥離することはなく、また耐擦傷性試験で傷が入ることもなかった。
【0032】
(発明の実施の形態3〜5)
図7は本発明の実施の形態で用いる装置の概略構成図である。本発明の実施の形態では、前記発明の実施の形態1の真空槽1とこれと同様な真空槽1aとを仕切のゲートバルブ12を介在させて連設したものである。なお、基板2は図示省略した搬送装置により真空槽1と真空槽1aとの間を搬送できるように構成されている。
【0033】
上記構成の装置を用いて真空槽1では前記発明の実施の形態1と同様な方法で成膜した。真空槽1aでは、ターゲットとしてTi,Ta,Zr等の金属板を用いる。マグネトロンカソード5aは直流電源13に接続されている。ガス導入口9aからO2 を、ガス導入口10aからArを導入し、DC反応性スパッタリング法によりTiO2 ,Ta2 O5 ,ZrO2 等の高屈折率膜を基板2上に形成する。
【0034】
基板2上に、真空槽1と真空槽1aとでそれぞれ所望の膜厚のMgF2 ,TiO2 ,Ta2 O5 およびZrO2 等を交互に形成することで、反射防止膜やハーフミラーを形成した。膜構成を表1に、分光特性を図8〜図10に示す。
【0035】
【表1】
【0036】
図8の反射防止膜は波長630nmで反射率がほぼゼロになっており、単波長の反射防止効果に優れたものである。図9の反射防止膜は、可視域である波長400〜700nm全域で反射率がほぼ1%以下であり、CRT用の反射防止膜としてだけでなく、カメラ・顕微鏡等の高精度な光学機器にも十分使用できるほどの極めて優れた特性である。図10のハーフミラーは、わずか5層構成であるにもかかわらず、波長450〜650nmと広い範囲で反射率が40〜45%とフラットな特性を有している。
【0037】
(発明の実施の形態6)
図11は本発明の実施の形態で用いる装置の概略構成図である。真空槽1b内部上方には基板2bが自転可能に設置されている。2基のマグネトロンカソード5bは400kHzの交流電源7bと接続されており、それぞれのマグネトロンカソード5bに半周期ずらした交流を印加できるように構成されている。膜原料である焼結された6インチのZnSeはマグネトロンカソード5b上に載置されている。また、それぞれのマグネトロンカソード5b下面には冷却水8が流されている。真空槽1bの側面には2つのガス導入口9b,10bが設けられている。マグネトロンカソード5bと基板2bとの間にはシャッター11bが設けられている。
【0038】
尚、成膜中に真空槽1c内にガス導入口9cから酸素や窒素等を流しておくと、Alの酸化物や窒化物等を基板2c上に形成することができる。
【0039】
【発明の効果】
請求項1〜2の効果は、固体状の膜原料を予め加熱しておいてスパッタリングするので、加速されたイオンのエネルギーの大部分がスパッタリングに使われるためにスパッタ収率が高くなる。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。また、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とができ、跳び出す粒子の形態が分子となる。これにより、通常はスパッタリングにより解離してしまう材料でも解離することなく出発材料とほぼ同じ材質の膜を形成することができる。この方法は、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とき特に有効であり、光吸収のない低屈折率膜を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 発明の実施の形態1で用いる装置の概略構成図である。
【図2】 発明の実施の形態1を示すグラフである。
【図3】 発明の実施の形態1を示すグラフである。
【図4】 発明の実施の形態1を示すグラフである。
【図5】 発明の実施の形態1を示すグラフである。
【図6】 発明の実施の形態1を示すグラフである。
【図7】 発明の実施の形態3〜5で用いる装置の概略構成図である。
【図8】 発明の実施の形態3を示すグラフである。
【図9】 発明の実施の形態4を示すグラフである。
【図10】 発明の実施の形態5を示すグラフである。
【図11】 発明の実施の形態6で用いる装置の概略構成図である。
【符号の説明】
1 真空槽
2 基板
3 顆粒
4 皿
5 マグネトロンカソード
6 マッチングボックス
7 高周波電源
8 冷却水
9,10 ガス導入口
Claims (2)
- MgF2を膜原料とし、前記MgF2表面の温度を650℃〜1100℃の間に保持するとともに、酸素及び窒素の少なくとも一方を含むガスを導入しながら前記MgF2をイオンでスパッタリングすることにより、前記MgF2の少なくとも一部を分子状態で跳びださせ、前記分子状態のMgF2で基板上へ膜を形成することを特徴とする薄膜の製造方法。
- 粒径0.1〜10mmの顆粒粒のMgF2を膜原料とし、酸素及び窒素の少なくとも一方を含むガスを導入しながら、高周波電力により前記MgF2上へプラズマを発生させ、前記プラズマにより前記MgF2の表面の温度を650℃〜1100℃の間に維持するとともに前記MgF2を正イオンでスパッタリングすることにより、前記MgF2の少なくとも一部を分子状態で跳びださせ、前記分子状態のMgF2で基板上へ膜を形成することを特徴とする薄膜の製造方法。
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