(57)【要約】【課題】  複数の材料から形成される混合膜や多層膜を最適な条件にて、被成膜対象物上に成膜するのに好適な薄膜形成装置、及びこの装置による薄膜形成方法、並びにこの薄膜形成方法によって成膜された光学素子を提供すること。【解決手段】  薄膜形成装置１０が、チャンバ１２内に配設された２つ以上の同一材料と２つ以上の異なる材料とのうち少なくとも一方を含むターゲットを有する複数のスパッタリング源を有し、それぞれのスパッタリング源に異なる成膜条件を設定可能な成膜条件設定部を備える構成とした。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバ内に配設された２つ以上の同一材料と２つ以上の異なる材料とのうち少なくとも一方を含むターゲットを有する複数のスパッタリング源を有し、それぞれの前記スパッタリング源に異なる成膜条件を設定可能な成膜条件設定部を備えることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】
チャンバ内に配設された２つ以上の同一材料と２つ以上の異なる材料とのうち少なくとも一方を含むターゲットを有する複数のスパッタリング源を有し、該スパッタリング源ごとに真空計及びガス導入口を前記ターゲットの近傍に有し、それぞれの前記スパッタリング源ごとに異なるガス種を導入可能であり、導入する前記ガスの圧力をスパッタリング源ごとに設定可能な成膜条件設定部を備えることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項３】
チャンバ内に配設された被成膜対象物と、該被成膜対象物に対向して配設された２つ以上の同一材料と２つ以上の異なる材料とのうち少なくとも一方を含むターゲットを有する複数のスパッタリング源と、該スパッタリング源に対向する位置で回転する対象物回転機構とを有する薄膜形成装置であって、
前記チャンバ内の全空間に連通されて排気する主排気手段と、
前記スパッタリング源と前記対象物回転機構とが配設されるスパッタリング空間のうち少なくとも一つのターゲットに対応するスパッタリング空間に接続されている補助排気手段とを有することを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項４】
前記ターゲット間に配設されて前記ターゲットが配設される領域を互いに分離して仕切る第１の防着部材と前記ターゲットから被成膜対象物に向けて材料が飛散する最大領域を規定する第２の防着部材とからなる防着板を備えていることを特徴とする請求項３に記載の薄膜形成装置。
【請求項５】
前記補助排気手段が、前記チャンバと前記防着板とによって形成された仕切り空間に連通されていることを特徴とする請求項４に記載の薄膜形成装置。
【請求項６】
前記複数のターゲットの数に比例して、１ターゲットにつき、導入されるガスが少なくともアルゴンガス１系統以上及び酸素ガス１系統以上を備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。
【請求項７】
請求項３から請求項６のいずれか1項に記載の薄膜形成装置により前記被成膜対象物に成膜する方法であって、
前記スパッタリング源から前記対象物回転機構に配置された被成膜基板上に２つ以上の材料を成膜することにより混合膜を作製する工程を有することを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項８】
前記チャンバ内を前記主排気手段により高真空に排気し、前記補助排気手段により補助排気し、前記被成膜基板上に成膜することを特徴とする請求項７に記載の薄膜形成方法。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の薄膜形成方法により、前記被成膜対象物上に複数の薄膜を成膜されてなることを特徴とする光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射防止膜や干渉フィルタ等の光学薄膜を成膜する薄膜形成装置、及びこの薄膜形成装置による薄膜形成方法、並びにこの薄膜形成方法によって作製される光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
カメラ、顕微鏡等の光学機器には、反射防止膜や干渉フィルタ等の光学薄膜が多数用いられている。これらの光学薄膜は、単層から１００層以上のものまで様々であるが、所望の光学特性を得るためには、各層の膜厚を正確に制御することが重要となる。
【０００３】
レンズ等に設けられる反射防止膜は、例えば、レンズへの入射光の波長がλ＝５２０ｎｍの場合、膜厚λ／４を有する中間屈折率の層、膜厚λ／２を有する高屈折率の層、膜厚λ／４を有する低屈折率の層を基板側から順に積層することで、４２０ｎｍから６５０ｎｍの範囲において１％以下の分光反射率特性を得ることができる。
また、薄膜形成装置上の制約から、基板上に２種類の薄膜材料しか成膜できない場合、基板側の中間屈折率を高屈折率材料あるいは低屈折材料に置き換え、トータルで４層ないし５層とすることで同様の特性を得ることができることも知られている。しかしながら、４層〜５層と膜数を多くする成膜では、各層の膜厚を特に正確にする必要が生じるため、一般的に積層数が増えるにつれて膜厚制御の難易度が高くなる。
【０００４】
この場合の成膜技術としては大きく分けて真空蒸着法とスパッタリング法があげられる。真空蒸着法は大量生産に適しており、大面積基板への成膜や真空装置内における雰囲気及び成膜速度の安定性を重視する場合にはスパッタリング法が適している。こうした背景から、混合膜の成膜にあたってはスパッタリング法を採用する傾向がある。
【０００５】
このスパッタリング法を用いて上記光学薄膜を成膜する薄膜形成装置としては、基板と複数のターゲットとを、混合膜を作製するのに最適な距離となるように配設し、各ターゲットへの印加電力を制御することによって基板上に所望の混合膜を成膜するものがある（例えば、特許文献１参照。）。
この特許文献１に記載の薄膜形成装置は、混合膜を作製する際、装置本体の下部に設けられた排気口１つのみで、２つのターゲット物質を配置した薄膜形成装置内の排気が行われている。
【特許文献１】特開２００２−２６６０７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の薄膜形成装置では、２つの異なる材料を同じ基板位置で成膜することから、ターゲット間における成膜圧力に差をつけるのが困難なため、導入ガス成膜条件が限られ、２つの材料どちらかの成膜条件に引っ張られてしまい、成膜速度、吸収を考慮した各材料に最適な条件で成膜できない問題もあった。そのため、得られた膜の屈折率が不安定となっていた。
【０００７】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、複数の材料から形成される混合膜や多層膜を最適な条件にて、被成膜対象物上に成膜するのに好適な薄膜形成装置、及びこの装置による薄膜形成方法、並びにこの薄膜形成方法によって成膜された光学素子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】
【０００８】
本発明の薄膜形成装置は、チャンバ内に配設された２つ以上の同一材料と２つ以上の異なる材料とのうち少なくとも一方を含むターゲットを有する複数のスパッタリング源を有し、それぞれの前記スパッタリング源に異なる成膜条件を設定可能な成膜条件設定部を備えることを特徴とする。
【０００９】
この薄膜形成装置によれば、成膜条件設定部を備えることにより、スパッタリング源ごとに最適な条件に設定することができる。また、例えば２つの同一の材料のターゲットを有する場合においても、単一のターゲットのみに比べ、倍にして被成膜対象物を形成することができるとともに、同一のターゲットで同時に成膜しつつも、片方のみの成膜条件の調整により、微細比での混合膜を被成膜対象物上に形成できる。
【００１０】
本発明の薄膜形成装置は、チャンバ内に配設された２つ以上の同一材料と２つ以上の異なる材料とのうち少なくとも一方を含むターゲットを有する複数のスパッタリング源を有し、該スパッタリング源ごとに真空計及びガス導入口を前記スパッタリング源の近傍に有し、それぞれの前記スパッタリング源ごとに異なるガス種を導入可能であり、導入する前記ガスの圧力をスパッタリング源ごとに設定可能な成膜条件設定部を備えることを特徴とする。
【００１１】
この薄膜形成装置によれば、成膜条件設定部を備えることにより、スパッタリング源ごと導入するガスの圧力を設定することが可能になるため、スパッタリング源ごとに最適な条件に設定することができる。また、例えば２つの同一の材料のターゲットを有する場合においても、単一のターゲットのみに比べ、倍にして被成膜対象物を形成することができるとともに、同一のターゲットで同時に成膜しつつも、片方のみのガスの圧力の調整により、微細比での混合膜を被成膜対象物上に形成できる。なお、ターゲット近傍とは、ターゲットを有するカソード部周辺と防着板及びチャンバ壁で仕切られた空間とターゲットに対向する被成膜対象物周辺とを含む。
【００１２】
本発明の薄膜形成装置は、チャンバ内に配設された被成膜対象物と、該被成膜対象物に対向して配設された２つ以上の同一材料と２つ以上の異なる材料とのうち少なくとも一方を含むターゲットを有する複数のスパッタリング源と、該スパッタリング源に対向する位置で回転する対象物回転機構とを有する薄膜形成装置であって、前記チャンバ内の全空間に連通されて排気する主排気手段と、前記スパッタリング源と前記対象物回転機構とが配設されるスパッタリング空間のうち少なくとも一つのターゲットに対応するスパッタリング空間に接続されている補助排気手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
この薄膜形成装置によれば、チャンバ内を排気する主排気手段とは別にスパッタリング位置近傍に補助排気手段が備えられているので、スパッタリングを行うために必要なプロセスガスをターゲット近傍に流しプラズマを発生させた際、過剰となるガスをチャンバ外に排気させることが可能となる。したがって、チャンバ内を最適な条件下に保ちながら、複数の材料の混合膜を被成膜基板上に成膜を形成することができ、また、任意の屈折率を有する膜を被成膜対象物に成膜することが可能となる。
【００１４】
また、本発明の薄膜形成装置は、前記ターゲット間に配設されて前記ターゲットが配設される領域を互いに分離して仕切る第１の防着部材と前記ターゲットから被成膜対象物に向けて材料が飛散する最大領域を規定する第２の防着部材とからなる防着板を備えていることが好ましい。
この薄膜形成装置によれば、ターゲットを互いに分離して仕切る第１，第２の防着板が備えられているので、第１，第２の防着板で仕切られた各ターゲット内で到達真空度はほぼ等しくなるように主排気手段から排気することが可能となる。また、隣接するターゲット同士の材料が混入されてしまうことが抑制できる。
【００１５】
また、本発明の薄膜形成装置は、前記補助排気手段が、前記チャンバと前記防着板とによって形成された仕切り空間に連通されていることが好ましい。
この薄膜形成装置によれば、各仕切り空間ごとに補助排気を行うことができるため、成膜する際に他の仕切り空間に影響を及ぼさずに成膜状態を保持することが可能となる。
【００１６】
また、本発明の薄膜形成装置は、前記複数のターゲットの数に比例して、１ターゲットにつき、導入されるガスが少なくともアルゴンガス１系統以上及び酸素ガス１系統以上を備えるが好ましい。
この薄膜形成装置によれば、ガス導入系を複数のターゲットの数に比例して、１ターゲットにつき、導入されるガスが少なくともアルゴンガス１系統以上、酸素ガス１系統以上を備えていることにより、ターゲットにおけるアルゴンガスによるプラズマ発生と、被成膜対象物における酸素ガスによる形成膜の酸化促進とを同時にかつことなる配置で置くなうことができる。
【００１７】
本発明の薄膜形成方法は、上記本発明の薄膜形成装置により前記被成膜対象物に成膜する方法であって、前記スパッタリング源から前記対象物回転機構に配置された被成膜基板上に２つ以上の材料を成膜することにより混合膜を作製する工程を有することを特徴とする。
この薄膜形成方法によれば、複数の異なる材料のターゲットからの材料の混合比を変えることにより、膜厚方向に任意の屈折率分布を有する多層膜を形成することができ、所望する分光特性の被成膜対象物を得ることができる。
【００１８】
また、本発明の薄膜形成方法は、前記チャンバ内を主排気手段により高真空に排気し、前記補助排気手段により補助排気し、前記被成膜基板上に成膜することが好ましい。
この薄膜形成方法によれば、チャンバ内を主排気手段により高真空に排気し、補助排気手段により補助排気しながら、スパッタリング源の領域が互いに分離して仕切られた防着板とチャンバによって仕切られた仕切り空間内に、スパッタリング用のガスと反応用のガスとのうち少なくとも一方を導入し、スパッタリング源にプラズマを起こすために、例えば、直流または交流の電圧，電流，電力，高周波のいずれかを印加し、プラズマが安定する所定の時間の後、被成膜対象物を保持する対象物回転機構を回転させ、それまで被成膜対象物とスパッタリング源とを遮っていたシャッターを開けて被成膜対象物上に形成することができる。
また、混合膜を被成膜形成物上に形成する場合は、チャンバ空間内のすべてを高真空に排気し、スパッタリング源の領域が互いに分離して仕切られた防着板とチャンバとによって仕切られたしきり空間内に、スパッタリング用のガスと反応用のガスとのうち少なくとも一方を導入し、個々のスパッタリング源に直流電圧印加あるいは高周波印加し、プラズマが安定する所定の時間の後、被成膜対象物を保持する対象物回転機構を回転させ、それまで被成膜対象物と個々のスパッタリング源とを遮っていたシャッターを同時に開けて被成膜対象物上に形成する。
被成膜形成物が各ターゲット上を通過する際に、被成膜形成物上に材料が堆積するが、被成膜形成物を保持する対象物回転機構が高速で回転することが望ましく５０ｒｐｍ以上で回転することで層として堆積することなく複数の材料が混合しつつ被成膜対象物上に堆積する。
上記手法により、各材料の最適な条件で２つ以上の材料を同時に成膜することで、被成膜対象物上に混合膜を作製できる。
スパッタリング源に配置されるターゲット材料には、主に金属で構成された導電性材料、酸化物やフッ化物といった絶縁性材料のいずれを用いることも可能である。
【００１９】
本発明の光学素子は、上記本発明の薄膜形成方法により前記被成膜対象物上に複数の薄膜を成膜されてなることを特徴とする。
この光学素子によれば、上述した薄膜形成装置及び薄膜形成方法を用いて薄膜が形成されるので、任意の屈折率分布を有する多層膜が形成された光学素子を得ることが可能となる。また、光学素子を設計する段階での高性能化及び生産する上での制御性の向上が得られ、その結果、高性能の分光特性及び品質を有する反射防止膜や干渉フィルタ等を備えたレンズ等の光学素子を得ることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明においては以下の効果を奏する。
本発明の薄膜形成装置及び薄膜形成方法によれば、補助排気手段と防着板とを設け、補助排気手段により、防着板により仕切られたターゲットが配設された領域の過剰となるガスをチャンバ外に排気させることが可能となる。したがって、防着板により仕切られた複数のターゲット材料をターゲット毎に最適なスパッタリング条件で基板上に成膜できるので、任意の屈折率膜を容易かつ安定的に得ることができる。
【００２１】
さらに、本発明の光学素子によれば、ターゲット材料として異なる光学特性を有する材料を使用することによって、これらの材料から構成される薄膜が積層された、または混合された薄膜が成膜されたものが得られるので、任意の屈折率を用いて優れた分光特性、例えば、反射防止膜やフィルターといった高品質のレンズ等を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の第１実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
本実施形態に係る薄膜形成装置１０は、図１及び図２に示すように、チャンバ１２内に配設された光学ガラス平板からなる基板（被成膜対象物）１４と、この基板１４に対向する同一平面上の同一円周上位置にそれぞれ配設されたＳｉターゲット１６及びＮｂターゲット１８を有するスパッタリング源と、該スパッタリング源に対向する位置で回転する基板回転機構（対象物回転機構）２０と、チャンバ１２内を排気する排気手段５０とを備えており、これらのターゲットをそれぞれスパッタリングして基板１４上に薄膜を形成する装置である。この薄膜形成装置１０は、各ターゲット１６，１８に直流電力を印加する直流電源２２，２４と、基板１４に高周波電力を印加する高周波電源２６と、それぞれのスパッタリング源に異なる成膜条件を設定可能な成膜条件設定部とを備えている。ここで、成膜条件設定部とは後述する防着板４０と上部防着板４２とガス導入口７０，７２，７４，７６と真空計７８，８０とを設定するユニットのことである。
各ターゲット１６，１８はそれぞれ電源２２，２４に接続されており、リング状に配設されたマグネトロンカソード２８上に水冷されている。
【００２３】
基板回転機構２０は、図２に示すように、基板１４が配設されるヤトイ３０と、チャンバ１２の上部から内部に貫通された回転軸３２を有しヤトイ３０を備える回転部材３４と、回転部材３４を回転させる回転モータＭとを備えている。また、基板１４は、各ターゲット１６，１８から約１０５ｍｍ対向した位置に配されている。また、回転モータＭは、回転部材３４を毎分１０回転以上の速度で回転させることが可能となっている。
【００２４】
さらに、基板回転機構２０は、各ターゲット１６，１８が配設されている同一円周上に基板１４を回転移動させるようになっている。
また、基板１４と各ターゲット１６，１８との間には、スパッタリングによってターゲット１６，１８から飛散された被成膜物を遮断するＳｉターゲット１６側のシャッター３６及びＮｂターゲット１８側のシャッター３８が備えられている。また、基板１４の成膜の開始と終了は、駆動系（図示略）によりシャッター３６，３８の開閉で行うようになっている。
【００２５】
チャンバ１２内には、各ターゲット１６，１８間に配設されて、これらが配設される領域を互いに分離して仕切る防着板（第１の防着板）４０と、この防着板４０に対して垂直に固定された上部防着板（第２の防着板）４２とが備えられている。
この防着板４０は排気を妨げない高さとなっており、防着板４０と上部防着板４２とにより、回転部材３４への不要な成膜を防着するようになっている。
上部防着板４２には、図３に示すように、Ｓｉターゲット１６及びＮｂターゲット１８に対向する位置に設けられた開放部４４及び開放部４６が形成されている。この開放部４４，４６は、各ターゲット１６，１８の直径より若干大きい径で形成されている。
また、防着板４０と上部防着板４２とチャンバ１２の側壁１２ａとチャンバの底面１２ｂとによって、成膜空間（スパッタリング空間）が形成されている。
【００２６】
排気手段５０は、図１及び図２に示すように、チャンバ１２の側壁１２ａに設けられており、チャンバ１２内を低圧にするためにチャンバ１２内の全空間に連通されて排気する主排気手段５２と、各ターゲット１６，１８と基板回転機構２０とが配設される成膜空間に接続されている補助排気手段５４とを備えている。また、主排気手段５２及び補助排気手段５４は、粗引きポンプ６２を有する真空ホンプ６０に接続されている。
【００２７】
主排気手段５２は、チャンバ１２の側壁１２ａに形成されたチャンバ内全空間（各成膜空間と上部防着板４２の上部空間）の気体を排気する主排気口５２ａと、高真空ポンプ６０に接続される排気管５２ｂと、排気量を調節するバルブ５２ｃとを備えている。また、主排気口５２ａは、Ｓｉターゲット１６及びＮｂターゲット１８に対して対称の位置に配置されている。
補助排気手段５４は、各ターゲット１６，１８に対応する成膜空間に設けられており、Ｓｉターゲット１６を有する成膜空間を主に排気する第1の補助排気手段５６と、Ｎｂターゲット１８を有する成膜空間を主に排気する第２の補助排気手段５８とを備えている。
【００２８】
第1の補助排気手段５６は、Ｓｉターゲット１６が配されている成膜空間に接するチャンバ１２の側壁１２ａに形成された第１の補助排気口５６ａと、高真空ポンプ６０に接続される第１の排気管５６ｂと、排気量を調節する第１のバルブ５６ｃとを備えている。また、第２の補助排気手段５８は、Ｎｂターゲット１８が配されている成膜空間に接するチャンバ１２の側壁１２ａに形成された第２の補助排気口５８ａと、高真空ポンプ６０に接続される第２の排気管５８ｂと、排気量を調節する第２のバルブ５８ｃとを備えている。
第１，第２のバルブ５６ｃ，５８ｃは、全開／全閉を行うものになっている。
【００２９】
さらに、チャンバ１２内には、各ターゲット１６，１８が配設されている各成膜空間内のターゲット１６，１８の近傍にＡｒガスを導入するガス導入口７０，７２と、シャッター３６，３８の上方に設けられ基板回転機構近傍にＯ２ガスを導入するガス導入口７４，７６と、シャッター３６，３８と上部防着板４２との間のチャンバ１２の側壁１２ａに真空計７８，８０とが設置されている。
ここで、Ａｒガスの導入口７０とＳｉターゲット１６と第１の補助排気口５６ａ及びＡｒのガス導入口７２とＮｂターゲット１８と第2の補助排気口５８ａとが防着板４０を挟んで対称位置で一直線上に配されていることが望ましい。
【００３０】
次に、以上の構成からなる本実施形態の薄膜形成装置１０によって、ＳｉＯ２とＮｂ２Ｏ５とを混合し、ＳｉＯ２の屈折率とＮｂ２Ｏ５の屈折率との間の、任意の屈折率を有する光学薄膜を形成する薄膜形成方法について説明する。
まず、所定の屈折率（例えば１．５２）を有する光学ガラス平板からなる基板１４、Ｓｉターゲット１６及びＮｂターゲット１８等をセットし、バルブ５２ｃを開いた状態にし、所定の圧力（例えば７×１０-5Ｐａ）までチャンバ１２内を粗引きポンプ６２及び高真空ポンプ６０で排気する。このとき、第１，第２のバルブ５６ｃ，５８ｃは閉じた状態とし、各シャッター３６，３８も閉じた状態とする。
また、回転モータＭを駆動して、基板１４とともに回転部材３４を毎分５０回転させる。これにより、回転部材３４が回転し、基板１４は２点鎖線に示す軌跡を描いて回転する。
【００３１】
その後、バルブ５２ｃは開いた状態のまま、第１，第２のバルブ５６ｃ，５８ｃを開いた状態にし、各成膜空間に設けられている第１，第２の補助排気手段５６，５８により補助排気を行う。そして、ＡｒガスをＳｉターゲット１６用のガス導入口７０から真空計７８において圧力が４×１０-１Ｐａとなるまで導入し、さらに、引き続きＯ２ガスをガス導入口７４から圧力５×１０-１Ｐａとなるまで導入する。
続いて、電源２２から３００Ｗの直流電力を印加し、Ｓｉターゲット１６のＳｉ上にプラズマを発生させる。これにより、３分間後にＳｉＯ２膜の成膜準備が完了する。
【００３２】
同時にＮｂ２Ｏ５の成膜準備も以下の手順で行う。
ＡｒガスをＮｂターゲット１８用のガス導入口７２から真空計８０において圧力が７×１０−１Ｐａとなるまで、引き続きＯ２ガスをガス導入口７６から圧力が１．０Ｐａとなるまで導入する。続いて、電源２４から３００ｗの直流電力を印加し、Ｎｂターゲット１８のＮｂ上にプラズマを発生させる。これにより、３分間後にＮｂ２Ｏ５膜の成膜準備が完了する。
【００３３】
そして、成膜準備で印加した各印加電力から、Ｓｉターゲット１６に印加する印加電力と、Ｎｂターゲット１８に印加する印加電力とを混合膜の屈折率に応じてそれぞれ設定した後に、Ｓｉターゲット１６及びＮｂターゲット１８直上の各シャッター３６，３８を同時に開く。これにより、生成されたプラズマによってＳｉターゲット１６から弾き飛ばされたＳｉが、直上の開放部４４を通過して基板１４表面に到達する。同様に、Ｎｂターゲット１８から弾き飛ばされたＮｂが、直上の開放部４６を通過して基板１４表面に到達する。
所定の時間経過後、各シャッター３６，３８を同時に閉じることによって成膜が終了し、光学素子１４ａが得られる。
【００３４】
本実施形態に係る薄膜形成装置によれば、各成膜空間に第１，第２の補助排気手段５６，５８を設けることにより、プラズマを発生させた際、各成膜空間において過剰となるガスをチャンバ１２外に排気させることが可能となる。したがって、チャンバ１２内を最適な条件下に保ちながら、複数の材料の混合膜を被成膜基板上に成膜を形成することが可能となる。
また、防着板４０及び上部防着板４２を設けることにより、発生するプラズマの互いの干渉が抑制された状態で２つ以上の材料を同時に成膜することができ、基板１４上に混合膜を作製できる。
なお、本実施形態に用いた薄膜形成装置１０では、図２に示す補助排気口５６ａ，５８ａの位置を、図４に示すように、防着板４２を挟んで上側に位置する基板回転機構２０側と、下側に位置するターゲット１６，１８側の両方を排気する位置にしても良い。この場合、成膜開始前の排気の際、主排気系を用いると同時にバルブ５６ｃ，５８ｃを全開とすることで、排気を補助し、より効果的に高真空に排気することができる。また、成膜中にガス導入口７０，７２，７４，７６から導入するガスのうち、過剰のガスを排気することができる。
【００３５】
また、本実施形態に用いた薄膜形成装置１０は、これに限らない。例えば、図５に示すような、円筒型の対象物移動機構２５２を有した薄膜成膜装置２００でも、同様にＳｉ，Ｎｂをターゲット材料に用いてＳｉＯ２，Ｎｂ２Ｏ５膜及びこれの混合膜を基板１４上に形成することができる。この薄膜形成装置２００では、対象物回転機構２５２の回転軸に対して対象の位置にターゲット２５０，２５１が位置している。また、対象物移動機構２５２は、基板１４を複数保持するようになっており、回転モータＭにより回転し、ターゲット２５０，２５１に対向する位置を交互に通過する。なお、対象物移動機構２５２の両端が開いているので、各ターゲット２５０，２５１と不図示の防着板４０，４２で仕切られた空間を、主排気系及び補助排気系で排気するのに支障はない。
【００３６】
また、主排気手段２６５により高真空に排気した後、主排気手段と同一のポンプに接続している補助排気手段２５９，２６０に設けられた補助排気口２５９ｃ，２６０ｃを全開にし、排気を開始しつつ、ガス導入系２６１，２６２よりＡｒガスを、ガス導入系２６３，２６４よりＯ２ガスを各々各仕切られた空間に所定圧力まで導入する。ターゲット２５０，２５１を有する不図示のカソードは不図示の電源に接続されており、各ターゲットに印加する電力によって飛散する各々の材料のうち、防着板２５７の開口に応じた量が基板１４上に各々あるいは交互に堆積し、単一膜あるいは混合膜を形成する。成膜の開始、及び終了は不図示の駆動機構を有するシャッター２５６の開閉によって行われる。
なお、薄膜形成装置２００では、円筒型の対象物移動機構２５２の回転軸が横に位置し、基板１４が縦方向に回転するように示されているが、これに限らず回転軸が縦に位置し、基板１４が横方向に回転する薄膜形成装置であっても同様の効果が得られる。
【００３７】
また、第１実施形態として、スパッタリング源にプラズマを起こすためにＳｉターゲット，Ｎｂターゲットに電力を印加したが、印加するパラメータは電流，あるいは電圧でも良く、本発明の効果を妨げない。また、直流電源を交流電源に代えても良いし、高周波電源の代えて高周波電力を印加しても本発明の効果を妨げることはない。
また、第１実施形態として、ガス導入口７０，７２，７４，７６を防着板４０及び上部防着板４２で仕切られた空間内に配置しているが、反応用ガス７４，７６は仕切り空間外、例えば基板回転機構２０と上部防着板４２との間に位置しても本発明の効果を妨げることはない。
また、ガス導入口７０，７２，７４，７６より導入するガスについて、所望の圧力になるように設定したが、導入する量すなわち流量で設定しても本発明の効果を妨げることはない。
また、成膜条件設定部として、防着板４０と上部防着板４２とガス導入口７０，７２，７４，７６と真空計７８，８０とを示したが、これに限らず、いずれかであっても構わない。
【００３８】
次に、本発明に係る第２実施形態について、図６を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態において、上述した第１実施形態に係る薄膜形成装置１０と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
本実施形態に係る薄膜形成装置９０において、第１実施形態と異なる点は、第１実形態では、補助排気手段５４として第１，第２の補助排気手段５６，５８の２つを備えているのに対し、第２実施形態では、これに加えて、第３の補助排気手段９２及び第４の補助排気手段９４を備えている点である。
【００３９】
第３，第４の補助排気手段９２，９４は、チャンバ１２の上部１２ｃに第３，第４の排気口９２ａ，９４ａと、高真空ポンプ９６に接続される第３，第４の排気管９２ｂ，９４ｂと、排気量を調節する第３，第４のバルブ９２ｃ，９４ｃとを備えている。また、高真空ポンプ９６は、ロータリポンプ（図示略）によりポンプ内を排気するようになっている。
【００４０】
次に、以上の構成からなる本実施形態の薄膜形成装置９０によって、ＳｉＯ２とＮｂ２Ｏ５とを混合し、ＳｉＯ２の屈折率とＮｂ２Ｏ５の屈折率との間の、任意の屈折率を有する光学薄膜を形成する薄膜形成方法について説明する。
まず、第１，第２のバルブ５６ｃ，５８ｃの全開と同時に第３，第４のバルブ９２ｃ，９４ｃも全開にする。第１実施形態と同様にＳｉＯ２及びＮｂ２Ｏ５の成膜準備をした後、基板１４への成膜を行う。成膜中、基板１４に近い位置に配置されているガス導入口７４，７６から導入されるＯ２ガスを第３，第４の補助排気口９２ａ，９４ａにより排気する。その後は、基板１４の表面にＳｉＯ２とＮｂ２Ｏ５とが所定の膜厚及び所定の混合率にて混合された薄膜が形成される。
所定の時間経過後、各シャッター３６，３８を同時に閉じることによって成膜が終了して光学素子１４ｂが得られる。
【００４１】
すなわち、薄膜形成装置９０によれば、Ｏ２ガスが各ターゲット１６，１８へ流入することを防ぐことができ、かつ、Ｏ２ガスを基板１４側へ引き寄せることができるため、上記第１実施形態の薄膜形成装置１０に比べ、より効率的に成膜が可能となる。
【００４２】
次に、本発明に係る第３実施形態について、図７及び図８を参照して説明する。
第３実施形態と上記第１実施形態との異なる点は、第３実施形態の薄膜形成装置１００では基板１４の回転軌道上の直下にイオン照射機構１０２，Ａｌ２Ｏ３ターゲット１０４及び第５の補助排気手段１０６を備えている点及び防着板１０８，上部防着板１１０の形状が異なる点である。
【００４３】
第５の補助排気手段１０６は、図７に示すように、Ａｌ２Ｏ３ターゲット１０４が配されている成膜空間に接するチャンバ１２の側壁１２ａに形成された第５の補助排気口１０６ａと、高真空ポンプ６０に接続される第５の排気管１０６ｂと、排気量を調節する第５のバルブ１０６ｃとを備えている。
防着板１０８は、図８に示すように、Ｓｉターゲット１６，Ｎｂターゲット１８，Ａｌ２Ｏ３ターゲット１０４及びイオン照射機構１０２が配設される領域を互いに分離して仕切るように形成されている。また、上部防着板（防着板）１１０には、各ターゲット１６，１８，１０４に対向する位置に設けられた開放部４４，４６，１１２が形成されている。この開放部４４，４６，１１２は、各ターゲット１６，１８，１０４の直径より若干大きい径で形成されている。
【００４４】
このイオン照射機構１０２は、チャンバ１２内の主排気口５２ａ近傍位置に配設され、電源１１４から供給される電力によって駆動される。
また、イオン照射機構１０２による異常放電を防止するため、イオン照射機構１０２の近傍には、電子をチャンバ１２内に供給するニュートラライザー１１６が、操作用電源１１８によって駆動されるように配設されている。
【００４５】
次に、以上の構成からなる本実施形態の薄膜形成装置１００による薄膜形成方法について説明する。
第１，第２，第５の補助排気手段５６，５８，１０６により補助排気を行いながら、上記第１実施形態と同様の方法にてＳｉターゲット１６のＳｉ上、Ｎｂターゲット１８のＮｂ上、及びＡｌ２Ｏ３ターゲット１０４のＡｌ２Ｏ３上にプラズマをそれぞれ発生させる。
【００４６】
そして、ニュートラライザー１１６にＡｒガスを１０ｓｃｃｍ（標準状態に換算して毎分１０ｃｍ３）導入し、１５０Ａの電力を印加して電子線を引き出してイオン照射機構１０２周辺に電子を供給する。同時に、イオン照射機構１０２の内部にＯ２ガスを１５ｓｃｃｍ（標準状態に換算して毎分１５ｃｍ３）導入し、イオン照射機構１０２に５００ｗの電力を印加してＯ２をイオン化した後、回転している基板１４に向けてこれを照射する。
【００４７】
その後は、再び第１実施形態と同様に成膜を開始する。
すると、基板１４の表面にＳｉＯ２とＮｂ２Ｏ５とが所定の膜厚及び所定の混合率にて混合された薄膜が形成される。
所定の時間経過後、各シャッターを同時に閉じることによって成膜が終了して光学素子１４ｃが得られる。
その後、この光学素子１４ｃの混合膜の上に、Ａｌ２Ｏ３上のシャッターを開いてＡｌ２Ｏ３膜を形成すると、多層膜を形成できる。なお、Ｓｉ，Ｎｂ，Ａｌ２Ｏ３の各上のシャッターを同時に開き及び同時に閉じると３種の材料からなる混合膜を得ることもできる。
【００４８】
この薄膜形成装置１００によれば、各成膜空間に第１，第２，第５の補助排気手段５６，５８，１０６を設けることにより、各成膜空間における真空度を調節することができ、最適な条件で基板１４に成膜することが可能となる。また、基板に成膜した膜中にイオンエネルギーを付加するので、２つ以上のターゲットより成膜された膜を緻密にするとともに材料同士のアンカー効果を付与することができ、密着力の大きい安定した成膜を得ることができる。
【００４９】
また、イオン照射機構１０２を用いずに、高周波電源２６により基板１４に高周波を印加した場合でも、基板１４とチャンバ１２との間にプラズマが発生し、このプラズマ中を各ターゲットから弾き出された成膜材料が通過することによってイオンエネルギーが付与されることになり、本実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。
【００５０】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
上記第１，第２実施形態では、Ａｒガスの導入口７０とＳｉターゲット１６と第１の補助排気口５６ａ及びＡｒガスの導入口７２とＮｂターゲット１８と第2の補助排気口５８ａとが防着板４０を挟んで対称位置で一直線上に配されているとしたが、これに限るものではない。
また、薄膜形成装置１００によれば、第１，第２のバルブ５６ｃ，５８ｃを全閉、全開のみでなく、各成膜空間のガスの使用の有無及びガス導入圧に応じて使用するバルブの選択が可能である。
また、第１，第２のバルブ５６ｃ，５８ｃに代えて、コンダクタンスバルブを用いても良い。これにより、各成膜空間のガス導入圧に応じてコンダクタンスバルブの開度により排気速度を調整することが可能となる。
【００５１】
上記各実施形態において、補助排気手段５４は、主排気手段５２と同一の高真空ポンプ６０に接続されている構成としたが、これに代えて、主排気手段５２と異なる高真空ポンプ６０に接続する構成であっても良い。これにより、高真空ポンプ６０に異なる真空度及びガス排気という負荷を与えることなく、各材料の最適な条件で、２つ以上の材料を同時に成膜することができる。この場合、主排気手段５２に接続される高真空ポンプ６０に比べ、補助排気手段５４に接続される高真空ポンプは小型であって良い。
また、回転部材３４と上部防着板４２との距離は近いほど（防着板４０の高さで決定される）効果が高く、０．５ｍｍから３０ｍｍが好ましい。これにより、各ターゲットにより発生したプラズマの干渉を防ぐことが可能となる。ここで、回転部材３４と上部防着板４２との距離が０．５ｍｍ未満の距離である場合、成膜開始のできる排気到達時間がかかるが、回転部材３４と上部防着板４２との位置関係が正確に水平だししてあれば問題はない。回転部材３４と上部防着板４２との距離が３０mmより長い距離である場合、他の成膜空間への導入ガス流入の可能性があるが、上部防着板４２に設けられた開放部４４，４６の大きさを基板１４の径より小さくならない程度に小さくする方向で調整することにより、回転部材３４と上部防着板４２との距離を５０mmまでとることができる。また、スパッタリング放電（放電を発生させる投入電力等に依存する）を遮ることがなければ、さらに距離を長くすることが可能となる。
【００５２】
また、Ｓｉターゲット１６，Ｎｂターゲット１８の導入ガス及び成膜準備の順序を入れ替えてＳｉターゲット１６の成膜準備を後にしても、先に成膜準備をしているＮｂターゲット１８を成膜するために設定した真空度１．０Ｐａを示し、成膜空間へのガス導入が他の成膜空間の真空度に影響を及ぼさないことが分かった。
また、薄膜形成装置が有するマグネトロンカソード２８をリング状に配設しているが、各ターゲットが同一円周上に位置するように配設されていれば長方形状のものでも構わない。
さらに、上記実施形態では、２つまたは３つのターゲットを配設しているが、ターゲット数が４つ以上であっても仕切部材や防着板を増減することによって、同様の作用・効果が得られる。
【実施例１】
【００５３】
上記第１実施形態に基づいて基板１４上に混合膜からなる光学薄膜を形成した結果を以下に示す。
各ターゲットへの印加電力の設定及び成膜時間で形成された光学素子１４ａの薄膜中におけるＮｂ２Ｏ５の占める割合と波長５００ｎｍにおける薄膜の屈折率との関係を表１及び図９に示す。
【００５４】
【表１】
2005139549.tif 000003
【００５５】
図９に示すように、１．４６〜２．３７の範囲内の屈折率が任意に得ることができる。
また、表１に示す条件３，４，５を各５バッチずつ成膜して屈折率のばらつきを確認したところ、条件３は１．９６±０．０４，条件４は１．８０±０．０３，条件５は１．６１±０．０３となった。したがって、同じ条件で繰り返し再現性については、ばらつきが各屈折率±０．０４の範囲内と安定した屈折率を得ることができる。
【実施例２】
【００５６】
上記第１実施形態に対し、基板１４を一方の面が平面とし、他方の面が曲率半径が５０ｍｍで屈折率が１．７３５のカメラ用のレンズ基板上に光学薄膜を形成した結果を以下に示す。
まず、レンズ基板の平面側を成膜面となるようにターゲット側に向けて、ヤトイ３０にセットする。そして、第１実施形態と同様にＳｉターゲット１６及びＮｂターゲット１８の成膜準備が完了した後、表２に示すような、印加電力の設定及び成膜時間で３層の光学薄膜で成膜した結果を表２及び図１０に示す。
【００５７】
【表２】
2005139549.tif 000004
【００５８】
表２に示すように、曲率を有する基板上に３層の構成で図１０に示すような反射率特性を有する反射防止膜を付加することができる。
また、同じ条件で繰り返し再現性については、ばらつきが各屈折率±０．０５の範囲内の安定した屈折率を得ることができる。さらに、波長が４２０nｍから６５０nｍの範囲において０．５％以下の反射率に抑えることが可能となる。
【実施例３】
【００５９】
上記第２実施形態に基づいて実際に基板１４上に光学薄膜を形成した結果を以下に示す。
電源２２，２４からの印加される電力は表３に示すように調節して形成された光学素子１４ｂの薄膜中におけるＮｂ２Ｏ５の占める割合と波長５００ｎｍにおける薄膜の屈折率との関係を表３及び図１１に示す。
【００６０】
【表３】
2005139549.tif 000005
【００６１】
図１１に示すように、１．４６〜２．３７の範囲内の屈折率が任意に得ることができる。
また、表３に示す条件３，４，５を各５バッチずつ成膜して屈折率のばらつきを確認したところ、条件３は１．９６±０．０４，条件４は１．８０±０．０４，条件５は１．６１±０．０３となった。したがって、同じ条件で繰り返し再現性については、ばらつきが各屈折率±０．０４の範囲内と安定した屈折率を得ることができる。
また、第１実施形態に比べ、各マグネトロンカソード２８に投入する電力が４／５の値で同様の結果が得られるため、低電力化を図ることができる。
【実施例４】
【００６２】
本実施例では、上記第２実施形態におけるターゲット１０４のＡｌ２Ｏ３をターゲット１８と同一のターゲットＮｂに変更し、ターゲット１０４に高周波電力を供給する電源をターゲット１８と同じ電源に替える。この構成の場合、２つのＮｂのターゲット１８，２０共に同じ導入ガス圧、投入電力の成膜条件とすることで、Ｎｂ２Ｏ５膜を倍にして基板１４に形成することができる。すなわち、本実施例では、基板１４に混合膜を形成するうち、Ｎｂ２Ｏ５の占める割合の高い高屈折率混合膜については、第１実施形態に比べて短い成膜時間で形成が可能となった。この結果を表４に示す。
【００６３】
【表４】
2005139549.tif 000006
【００６４】
表４に示すように、屈折率２．３７は第２実施形態と比べて倍の成膜速度で成膜が可能となり、屈折率２．１９と屈折率２．３７との間の屈折率２．２７を用意に作成することができた。
【００６５】
本発明の効果を確認するため、上記第１実施形態において、防着板４０及び上部防着板４２を取り外すとともに補助排気手段５４のバルブ５６ｃ，５８ｃを全閉した。また、防着板４０及び上部防着板４２を取り外していることで、Ｓｉターゲット１６上とＮｂターゲット１８上との雰囲気は等しくなり、ガス導入口７０，７４からガスの導入は行わないものとする。それ以外の条件は同一として基板１４上に薄膜を形成した。
その結果、成膜速度０．５ｎｍ／ｓｅｃにて波長５００ｎｍでの屈折率が１．４６のＳｉＯ２膜が得られた。
また、成膜速度０．４５ｎｍ／ｓｅｃと第１実施形態による実施例に比べて０．１５ｎｍ／ｓｅｃ増加した速度にて、波長５００ｎｍでの屈折率が２．３９のＮｂ２Ｏ５膜が得られた。ただし、光学的膜厚１３０ｎｍの膜に対して、波長５００ｎｍで０．５％の吸収率を有するものであった。
なお、成膜準備完了時、２つのターゲット上で生じる放電は一つの大きな放電のようにターゲット上で見られた。
【００６６】
次に、Ｎｂターゲット１８にプラズマを発生して成膜準備状態としたままＳｉターゲット１６上に位置するシャッター３６のみ開とし、ＳｉＯ２膜を基板１４上に成膜した。その結果、薄膜の屈折率は１．４８と高めになり，成膜速度は０．３５ｎｍ／ｓｅｃと低下した。
成膜後、光学素子１４ａとＳｉターゲット１６を取り外してそれぞれ膜分析を行ったところ、ターゲット上のエロージョンの範囲の周辺にＮｂが観測された。これは、Ｓｉターゲット１６上とＮｂターゲット１８上とに発生した２つの放電が干渉しあうことによって膜条件が変化するとともに、ターゲットの汚染が生じたことを裏付けるものであった。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１実施形態における薄膜形成装置のターゲット配置を示す平面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ線矢視における第１実施形態の薄膜形成装置を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態における薄膜形成装置のＳｉターゲット，Ｎｂターゲット及び防着板の斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態における薄膜形成装置の変形例を示す断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態における薄膜形成装置の他の変形例を示す平面図である。
【図６】本発明の第２実施形態における薄膜形成装置を示す断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態における薄膜形成装置のターゲット配置を示す平面図である。
【図８】本発明の第３実施形態における薄膜形成装置に用いられる防着板の斜視図である。
【図９】本発明における実施例１において表１に対応する薄膜構成材料と屈折率との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明における実施例２において表２の膜厚で得られる分光反射率特性を示すグラフである。
【図１１】本発明における実施例３において表３に対応する薄膜構成材料と屈折率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６８】
１０，９０，１００  薄膜形成装置
１２  チャンバ
１４  基板（被成膜対象物）
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ  光学素子
１６  Ｓｉターゲット（ターゲット）
１８  Ｎｂターゲット（ターゲット）
２０  基板回転機構（対象物回転機構）
４０  防着板（第１の防着板）
４２  上部防着板（第２の防着板）
５２  主排気手段
５４，５６，５８，９２，９４，１０６  補助排気手段
１０４  Ａｌ２Ｏ３ターゲット（ターゲット）
【図１】
2005139549.tif 000007
【図２】
2005139549.tif 000008
【図３】
2005139549.tif 000009
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005139549.tif 000013
【図８】
2005139549.tif 000014
【図９】
2005139549.tif 000015
【図１０】
2005139549.tif 000016
【図１１】
2005139549.tif 000017