(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタ法によって基板に光学薄膜を形成する弗化物光学薄膜成膜方法において、
弗化物ターゲットを用い、該基板の位置を該弗化物ターゲット表面の法線域から外すとともに該基板の法線を弗化物ターゲット表面の法線と交差させ、かつ成膜時に導入するスパッタガスと酸化物系反応性ガスの流量比を変えることにより、膜厚方向に向かって連続的あるいは段階的に屈折率が変化する傾斜膜を成膜することを特徴とする弗化物光学薄膜成膜方法。
【請求項２】
該基板の法線を弗化物ターゲット表面の法線と垂直に交差させる請求項１記載の弗化物光学薄膜成膜方法。
【請求項３】
前記弗化物ターゲットにＡｌＦ3を用いる請求項１または２記載の弗化物光学薄膜成膜方法。
【請求項４】
前記弗化物ターゲットにＭｇＦ2を用いる請求項１または２記載の弗化物光学薄膜成膜方法。
【請求項５】
前記スパッタガスとしてＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、ＫｒおよびＸｅのうち１種類以上を用い、前記酸化物系反応性ガスとして、Ｏ2、Ｈ2Ｏ、Ｏ3、Ｎ2Ｏ、ＮＯ、ＮＯ2、ＣＯ2、ＣＯおよびＳＯ2のうち１種類以上用いる請求項１〜３の何れか一項記載の弗化物光学薄膜成膜方法。
【請求項６】
請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の弗化物光学薄膜成膜方法で成膜された膜であって、屈折率を膜厚方向に向かって連続的あるいは段階的に変化させてなる弗化膜からなることを特徴とする弗化物光学薄膜。
【請求項７】
請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の弗化物光学薄膜成膜方法で成膜された膜であって、屈折率を膜厚方向に向かって連続的あるいは段階的に変化させてなる酸化膜と弗化膜との混合膜からなることを特徴とする弗化物光学薄膜。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に光学素子の表面にコーティングされる光学薄膜材料、及びその作成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、傾斜膜のような連続的に屈折率が変化する膜を作成するには特開平０７−５６００１、特開平０９−６８６０１、特開平０５−６５６４９、特開平０５−６５６４８のようにＣＶＤ法を用いるのが一般的であった。また、スパッタ法においても「薄膜光デバイス」（吉田  貞史、矢嶋  弘義著：東京大学出版）に示すように、複数のターゲットを用いる方法、または酸化膜の場合、酸素分圧を変えて酸化度を制御する方法、または膜密度を変化させる方法などがあった。また、特開平０８−２０１６０１のようにターゲット材料に弗化物を用いて、投入ガスを酸素を含むガスとし、ターゲットに供給する電力を変えることによって傾斜膜を得る方法。また、登録Ｎｏ．２５５６２０６のようにターゲットに酸化物を用いたイオンビームスパッタなどであった。また、特開平０９−２６３９３７のように、複数の金属材料のターゲットとそれによってできた金属膜を化合物に変換する設備を持った装置による方法であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般にＣＶＤに使われる金属ガスは、可燃性、腐食性、猛毒性などがあり、危険度が大きく、ガス供給設備及びガス処理設備などに多大な出費がかかる。また、低基板温度（摂氏２００度以下）で成膜すると、不純物ガス成分が十分に除去できない。そのため膜密度、密着性、膜強度が低下し、さらには光学性能も十分なものが得られない。また、傾斜膜を単独で使わない膜構成の場合、傾斜膜を成膜するためだけにＣＶＤを使うというのは効率的ではない。
【０００４】
スパッタにおいて複数種材料のターゲットを用いた場合は、スパッタ率の違う材料のターゲットを個別に制御して、基板上での屈折率を制御するという方法であり、膜に自由な屈折率を持たせるためには、導入パワー、ガス分圧、スパッタ粒子の分布などを考慮しなければならなく、複雑な手順が必要となる。さらに、リアクテイブスパッタの場合は、ターゲット材料による反応性の違いも考慮しないとならないため、さらに複雑な手順が必要となる。
【０００５】
酸素分圧を変えて、酸化膜の酸化度を変えて屈折率を変化させる方法は、酸化度に応じて光吸収が変化するため、使用波長域が限られる。
【０００６】
膜密度を変化させる方法では、密度が疎の場合、膜に吸湿が起こり、屈折率が経時変化する。また、水分が膜を透過して基板にヤケを生じさせるなど、耐候性に大きな問題がある。
【０００７】
特開平０８−２０１６０１のように、弗化物ターゲットを用い、投入する酸素系のガスを一定にしてターゲットの投入電力を変化させる方法は、つまり成膜レートによって、酸化の度合いを変える方法であり、酸化度の高い膜を得たい場合には、レートはほとんど０になってしまい生産性はない。特開平０９−２６３９３７のように複数の金属材料のターゲットと反応室を持つ装置では、基板の搬送機構など、構造が複雑であり、高価な装置になってしまう。また、一度金属膜を付けてからその膜を金属化合物に変換するという手順を踏むため、一つの屈折率の膜を得るために２回以上の成膜の手順が必要である。膜厚が厚くなるにしたがい、変換の手順が多くなり膜のストレスが大きくなり、耐久性に問題がある膜になることは容易に予想できる。また、手順の多さで、簡便な作成法とはいえない。
【０００８】
また、弗化物をターゲットとしてスパッタした場合、ターゲットからのＦ−の負イオンの影響により、基板上で格子欠陥などが生じ透明な弗化膜はできなかった。
【０００９】
本発明は前記の問題点を解決した新規の光学薄膜成膜法及び該方法により成膜した光学薄膜を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的は以下の手段によって達成される。
【００１１】
すなわち、本発明はスパッタ法によって基板に光学薄膜を形成する光学薄膜成膜方法において、
弗化物ターゲットを用い、該基板の位置を該弗化物ターゲット表面の法線域から外すとともに該基板の法線を弗化物ターゲット表面の法線と交差させ、かつ成膜時に導入するスパッタガスと酸化物系反応性ガスの流量比を変えることにより、膜厚方向に向かって連続的あるいは段階的に屈折率が変化する傾斜膜を成膜することを特徴とする弗化物光学薄膜成膜方法を提案するものであり、該基板の法線を弗化物ターゲット表面の法線と垂直に交差させること、前記弗化物ターゲットにＡｌＦ3を用いること、前記弗化物ターゲットにＭｇＦ2を用いること、前記スパッタガスとしてＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、ＫｒおよびＸｅのうち１種類以上を用い、前記酸化物系反応性ガスとして、Ｏ2、Ｈ2Ｏ、Ｏ3、Ｎ2Ｏ、ＮＯ、ＮＯ2、ＣＯ2、ＣＯおよびＳＯ2のうち１種類以上用いることを含む。
【００１２】
また本発明は前記弗化物光学薄膜成膜方法で成膜された膜であって、屈折率を膜厚方向に向かって連続的あるいは段階的に変化させてなる弗化膜からなることを特徴とする弗化物光学薄膜を提案するものである。
【００１３】
また、本発明は前記の弗化物光学薄膜成膜方法で成膜された膜であって、屈折率を膜厚方向に向かって連続的あるいは段階的に変化させてなる酸化膜と弗化膜との混合膜からなることを特徴とする弗化物光学薄膜を提案するものである。
【００１５】
本発明は弗化物ターゲットを持つスパッタ装置において、基板位置をターゲット面の法線域に入らない位置に配置し、成膜時に真空容器内に、スパッタガスと反応性ガスを導入し、そのガスの流量比を連続的、あるいは段階的に制御することにより、化合物膜の屈折率を制御可能となる。
【００１６】
本発明は、スパッタ法で基板位置を工夫し、また導入するガス種の流量比を変えることにより、膜中の酸化物と弗化物の組成比を変えられる。そのため、大がかりな装置がいらず、簡便に無理なく屈折率を自由に変えることが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照してさらに説明する。
【００１８】
図１は本発明のスパッタリング法の実験装置の一例を示す概略図である。
【００１９】
本発明により光学薄膜を成膜するには図１に示すように真空槽１０１内にマグネトロンカソードなどにＡｌＦ3 ，ＭｇＦ2 ，ＬａＦ2 ，ＣａＦ2,ＮａＦ，ＰｂＦ2 ，ＢａＦ2 ，ＬｉＦ，等の弗化物材料を取り付け、ターゲット１０２として用いる。真空槽１０１内には内部を排気するための排気ポンプ１０４が設けられていると共にシャッター１０８が設けられており、真空槽１０１内の放電が安定状態になるまでターゲット１０２と基板１０５間を塞ぐようになされている。
【００２０】
電源は１０〜３００ＭＨｚのＲＦ、ＤＣ，ＡＣ，マイクロ波などが用いられ、インピーダンスマッチングボックスを介してカソードに電力が供給される。
【００２１】
基板１０５としてガラス、蛍石、ＳｉＯ2 などが用いられる。
【００２２】
また、基板位置はターゲット面から法線を引いた領域１１１に入らないようにすることが肝要である。
【００２３】
導入ガスとしてはスパッタガスとしてＨｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅのうち１種類以上を用い、反応性ガスとして、Ｏ2 ，Ｈ2 Ｏ，Ｏ3 ，Ｎ2 Ｏ，ＮＯ，ＮＯ2 ，ＣＯ2 ，ＣＯ，ＳＯ2 の酸化物系ガスを１種以上使用する。
【００２４】
導入ガスはマスフローコントローラ１０９にて流量を制御し、またＲＦのパワー及びガス流量は、パーソナルコンピューター１１０により制御する。
【００２５】
本発明の光学薄膜を成膜するには真空槽１０１内を１×１０-4Ｐａ以下、排気系１０４にて排気し、その後、マスフローコントローラコントローラー１０９を介してガス管１０７よりスパッタガスと、ガス管１０６より反応性ガスを所望のガス流量導入する。
【００２６】
この際、ガスの流量はパーソナルコンピューター１１０にて制御する。
【００２７】
次いで高周波電源１０３からの電力をターゲット１０２に供給し、プラズマを発生させる。
【００２８】
この際、供給電力は、パーソナルコンピューター１１０にて制御し、２５００Ｗまで段階的に供給する。
【００２９】
その後シャッター１０８を開き、基板上へ成膜させる。成膜中にスパッタガスと酸化物系ガスとの流量比を変えることにより任意の屈折率の光学薄膜が得られる。
【００３０】
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。
【００３１】
【実施例】
（実施例１）
図１は本実施例のスパッタリング法の実験装置の概略図である。
【００３２】
真空槽１０１にはその内部を排気するための排気ポンプ１０４が取り付けられている。ターゲット１０２はマグネトロンカソードに取り付けられたＡｌＦ3 である。真空槽内部には、シャッター１０８が設けられており、放電が安定状態になるまでターゲットと基板１０５の間を塞いでいる。高周波電源１０３には１３．５６ＭＨｚのＲＦを用いており、マッチングボックスを介してカソードに電力が供給される。基板１０５には石英を用いる。なお基板位置はターゲット面からの法線を引いた領域１１１に入らないようにする。導入ガスは、Ａｒ及びＯ2 であり、マスフローコントローラー１０９にて流量を制御している。なお、ＲＦのパワー及びガス流量は、パーソナルコンピューター１１０にて制御を行う。
【００３３】
本実施例の光学薄膜及びその成膜方法を説明する。まず、１×１０-4Ｐａ以下まで真空槽１０１内を排気系１０４にて排気する。その後、マスフローコントローラー１０９を介してガス管１０７よりＡｒ、ガス管１０６よりＯ2 を所望のガス流量導入する。この際ガスの流量はパーソナルコンピューター１１０にて制御する。次に電源からの電力をターゲットに供給し、プラズマを発生させる。この際、供給電力は、パーソナルコンピューター１１０にて制御しており、約３分間で２５００Ｗまで段階的に供給する。その後シャッター１０８を開き、基板上への成膜を開始する。
【００３４】
この方法で基板上に成膜される膜の屈折率と導入するＡｒ，Ｏ2 ガスの流量との関係を図２に示す。図２より、ガスの流量により屈折率が制御されていることがいえる。
【００３５】
（実施例２）
図３は本実施例のスパッタリング法の実験装置の概略図である。
【００３６】
真空槽３０１にはその内部を排気するための排気系３０９が取り付けられている。対向に配置したターゲット３０３はマグネトロンカソードに取り付けられたＭｇＦ2 である。真空槽内部には、シャッター３１０が設けられており、放電が安定状態になるまでターゲットと基板３０２の間を塞いでいる。高周波電源３０５には１３．５６ＭＨｚのＲＦを用いており、マッチングボックス３０４を介してカソードに電力が供給される。基板３０２には石英を用いる。基板を固定する基板ホルダー３０６は、回転及び首振り機構を備えており、膜厚むらをとることができ、基板加熱機構も備えている。なお、基板位置はターゲット面からの法線を引いた領域３１１に入らないようにする。導入ガスは、Ａｒ及びＯ2 ガスであり、それぞれマスフローコントローラー３０７にて流量を制御している。なお、ＲＦのパワー及びガス流量は、パーソナルコンピューター３０８にて制御を行う。本実施例の光学薄膜及びその成膜方法を説明する。まず、１×１０-4Ｐａ以下まで真空槽３０１内を排気系３０９にて排気する。その後、マスフローコントローラー３０７を介してＡｒ及びＯ2 を所望のガス流量導入する。この際ＡｒガスとＯ2 ガスの流量はパーソナルコンピューター３０８にて制御する。次に電源からの電力をターゲットに供給し、プラズマを発生させる。この際、供給電力は、パーソナルコンピューター３０８にて制御しており、約３分間で２５００Ｗまで段階的に供給する。その後シャッター３１０を開き、基板上への成膜を開始する。成膜中にＡｒとＯ2 の流量比を変えることにより、ＭｇＦ2 からＭｇＯの混合膜ができ、任意の屈折率を得ることができる。
【００３７】
ターゲットを対向にすることにより、加速されたＦの負イオンによるスパッタ効果で、高いレートが得られる。
【００３８】
（実施例３）
図４は本実施例のスパッタリング法の実験装置の概略図である。
【００３９】
真空槽４０１にはその内部を排気するための排気系４０９が取り付けられている。対向に配置したターゲット４０３はマグネトロンカソードに取り付けられたＡｌＦ3 である。真空槽内部には、シャッター４１０が設けられており、放電が安定状態になるまでターゲットと基板４０２の間を塞いでいる。高周波電源４０５には１３．５６ＭＨｚのＲＦを用いており、マッチングボックス４０４を介してカソードに電力が供給される。基板４０２には石英を用いる。基板を固定する基板ホルダー４０６は、回転及び首振り機構を備えており、膜厚むらをとることができ、基板加熱機構も備えている。なお、基板位置はターゲット面からの法線を引いた領域４１１に入らないようにする。導入ガスは、Ａｒ，Ｏ2 ，Ｈｅガスであり、それぞれマスフローコントローラー４０７にて流量を制御している。なお、ＲＦのパワー及びガス流量は、パーソナルコンピューター４０８にて制御を行う。
【００４０】
本実施例の光学薄膜及びその成膜方法を説明する。まず、１×１０-4Ｐａ以下まで真空槽４０１内を排気系４０９にて排気する。その後、マスフローコントローラー４０７を介してＡｒ及びＯ2を所望のガス流量導入する。この際ＡｒガスとＯ2ガス及びＨｅガスの流量はパーソナルコンピューター４０８にて制御する。次に電源からの電力をターゲットに供給し、プラズマを発生させる。この際、供給電力は、パーソナルコンピューター４０８にて制御しており、約３分間で２５００Ｗまで段階的に供給する。その後シャッター４１０を開き、基板上への成膜を開始する。成膜中にＨｅガスの流量は一定にし、ＡｒとＯ2の流量比を変えることにより、ＡｌＦ3からＡｌ2Ｏ3の混合膜ができ、任意の屈折率を得ることができる。
【００４１】
ターゲットを対向にすることにより、加速されたＦの負イオンによるスパッタ効果で、高いレートが得られる。また、Ｈｅガスを流すことにより、膜の密度が高められる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明により、スパッタ法にて、複数のターゲット材料を用いずに傾斜膜が作成可能となる。
【００４３】
本発明により、弗化物系のガスを用いずに傾斜膜ができるため、処理系が非常に簡単なものとなり、生産性が高い。
【００４４】
本発明により、酸化物系ガスと希ガスの流量比のみを変えるだけで、高い屈折率制御性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学薄膜を形成するためのスパッタ装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】実施例１記載の、導入するＡｒ，Ｏ2 ガスの流量と成膜される膜の屈折率の関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施例２に示すスパッタ装置の説明図である。
【図４】本発明の実施例３に示すスパッタ装置の説明図である。
【符号の説明】
１０１，３０１，４０１    真空槽
１０２，４０３            ＡｌＦ3ターゲット
１０３，３０５，４０５    高周波電源
１０４，３０９，４０９    真空排気系
１０５，３０２，４０２    石英基板
１０６                    Ｏ2ガス配管
１０７                    Ａｒガス配管
１０８，３１０，４１０    シャッター
１０９，３０７，４０７    マスフローコントローラー
１１０，３０８，４０８    パーソナルコンピューター
１１１，３１１，４１１    ターゲット面の法線領域
３０３                    ＭｇＦ2ターゲット
３０６，４０６            基板ホルダー
３０４、４０４            マッチングボックス
【図１】
0004405615.tif 000002
【図２】
0004405615.tif 000003
【図３】
0004405615.tif 000004
【図４】
0004405615.tif 000005