光学膜成膜装置ULDiS-1500PHLの開発
荒谷卓磨 ・藤長徹志 ・小林大士 ・合使由貴 ・
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岩井治憲 ・彭弘郡 ・鄭嗣勳 ・張晃崇
＊2＊3＊3＊3Development of Sputtering System “ULDiS-1500PHL” for Optical Film Deposition
Takuma Araya , Tetsushi Fujinaga , Motoshi Kobayashi , Yoshitaka Goushi＊1＊1＊1＊2,Harunori Iwai , Hungchun Peng , Lisn Cheng , Hc Chang
＊2

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Institute of Advanced Technology, ULVAC, Inc., 2500 Hagisono, Chigasaki, Kanagawa 253-8543, Japan

Advanced Electronics Equipment Division, ULVAC, Inc., 2500 Hagisono, Chigasaki, Kanagawa 253-8543, Japan＊3ULVAC Taiwan Inc., 8F., No.5, Keji Rd., Hsinchu

Science Park, Hsinchu City 30078, Taiwan, R.O.C.

Optical films can select transmittance and reflectance at certain wavelength by combination ofthin films with different refractive index. And it have long been used as anti-reflection (AR) film,
specific wavelength transmission filter, and so on. In past, optical films are deposited on certain
substrate and assembled with electronic devices. However, recently case of assembling with opticalfilms on wafer and electronic devices before dicing is increasing along the miniaturization ofelectronic devices. So deposition system for optical film is required to meet wafer process andparticle control with semiconductor level. We developed sputtering system “ULDiS-1500PHL” forwafer, and report system and process especially for infrared band pass filter.

1.

はじめに光学多層膜はガラスや樹脂，金属などの基材に数種類の屈折率の異なる材料を交互に形成することで特定の波長の光を透過・反射する機能をもたせた薄膜である（Fig.1）。かねてよりレンズの反射防止膜や増反射ミラーなどで使用され，光学フィルタやハーフミラーなど応用例は多岐にわたる。
また，近年では 3D 顔認証用のセンサー，距離計測

Fig.1

Basic pinciple of optical thin film.

用のLiDAR（Light Detection and Ranging），生体認証などのデバイスにも光学薄膜が活用されている。こ

膜材料のTa 2 O 5 ，Nb 2 O 5 ，TiO 2 に比べて，近赤外波

れらのデバイスではFig.2に示すように，光源から特長領域での屈折率が高く可視光波長領域を吸収する特定の波長の光を対象物に照射し，対象物から反射して性をもつ水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）を使きた特定波長の光のみを検出するため，BPF（Band用したBPFが注目されている 。a-Si:Hを使用するこPass Filter）が用いられている。特に，顔認証用途のとでBPFの膜層数，膜厚の低減が可能となり生産性の近赤外BPFは，広い視野角にわたって信号損失を少な向上が期待される。

1）

くするため，対象物からの反射光が大きな角度で入射

また，Fig.3に示すようにスマートフォンのカメラモした場合でもBPF透過帯の中心波長のオフセット量がジュールなどは，従来レンズや光学フィルタなどの光小さく，高透過率のものが求められる。
そのため，これまで主に使用されてきた高屈折率成学部品とCMOSなどの半導体部品を別々に製造後，モジュールとして組み立てを行っていたが，今後ウェーハレベルで各部品を作製，貼り付けを行った後にカッ（株）アルバック 先進技術研究所（〒253-8543 神奈川県茅ケ崎市萩園2500）＊2	（株）アルバック 電子機器事業部（〒253-8543 神奈川県茅ケ崎市萩園2500）＊3	
ULVAC TAIWAN INC. 台湾新竹市東区30078新竹科学工業園区科技路5号8階＊1	

トするWLO（Wafer Level Optics）と呼ばれる製造方法が主流になると言われている。そのため，φ200 mm，φ300 mm ウェーハへの対応，品質面においても従来より低パーティクル装置・ハンドリング管理の対応が求められる。光学膜の成膜方法としては蒸着が用いら
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Fig.2

Example of use BPF.

Fig.3

Manufacturing method of optical device.

れてきたが，光学膜の用途が広がるにつれ膜厚制御性た粒子を酸化させて成膜する反応性スパッタと，金属や面内分布の要求がより高度になり，スパッタ法によ膜を数原子層成膜後に，別の場所で酸化さて酸化膜とる光学膜の成膜に注目が集まっている。

する工程を繰り返す後酸化法，通称，デジタルスパッ

本稿ではφ200 mm，φ300 mm ウェーハに対応したデジタルスパッタ装置「ULDiS-1500PHL」のハードウエタがある 。Fig.4に金属ターゲットを使う成膜方式の2）模式図を示す。

アについて紹介し，本装置を使用して開発したa-Si:Hを反応性スパッタは一般的にデジタルスパッタに比べ用いた近赤外BPF成膜プロセス技術について記述する。て成膜速度が数分の一から数十分の一に下がるため，生産性の面で不向きである。一方，デジタルスパッタ2.

 学膜成膜PVD（Physical Vapor
光Deposition）方式

リアクティブスパッタとデジタルスパッタは十分な酸化能力を持つ酸化源を備えることにより十分な生産性を確保できる。また，デジタルスパッタは表面平滑性に優れ，緻密な膜が得やすい。Fig.5にTiO 2膜を反応性スパッタとデジタルスパッタで成膜した場

光学薄膜は一般的に金属酸化膜の積層膜で構成され合の断面および表面のSEM像を示す。反応性スパッている。これらの金属酸化膜をPVD方式を用いて成タで成膜したTiO 2 膜は柱状構造で表面が粗い状態で膜する手法として酸化物ターゲットを使ったRFスパあるのに対し，デジタルスパッタで成膜したTiO 2 膜はッタを用いる方式と，金属ターゲットを使い反応性ガアモルファス状で平滑な膜が得られている。

スを流すことで金属を酸化させる方式がある。また，金属ターゲットを使う方法も 2 種類あり，Arと反応16性ガスを同時に流してターゲット表面とスパッタされ以下にデジタルスパッタ方式を用いた光学膜成膜装置及びプロセスについて紹介する。

Fig.4

PVD method of optical thin film.

Fig.5 （A）
 ,（B）Cross section and surface SEM image of TiO2 film deposited by reactive sputtering（C）,（D）Cross section and surface SEM image of TiO2 film deposited by digital sputtering.

3. ウェーハ用光学膜成膜装置「ULDiS-1500PHL」
φ200 mm，φ300 mmウェーハ用光学膜成膜装置「ULDiS-1500PHL」の模式図をFig.6に示す。本装置
は基板のセットを行うカセット室，基板を搬送するための搬送室，成膜処理を行うプロセス室で構成される。
カセット室は 2 室備えており，成膜処理中に次のバッチの基板をセットすることが可能なため生産性を向上させることができる。プロセス室は成膜基板が高速で自公転するターンテーブルが，カソードユニットおよびICP（Inductivity Coupled Plasma）酸化源，基板加熱用ヒーター上に，平行に配置されている。PVD方Fig.6

ULDiS-1500PHL

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式はデジタルスパッタを採用しており，カソードユニット上を通過した際に金属薄膜が成膜され，その後ICP酸化源上を通過することで金属薄膜が酸化される。
カソードユニットは 1 ユニットあたり 2 カソードを備え，最大で 3 ユニット搭載することが可能である。

4.

a-Si:Hを用いた近赤外BPF成膜プロセス

4.1 a-Si:Hの光学特性
a-Si:Hに求められる光学特性として，屈折率 nはBPFの透過帯の中心波長のオフセット量を小さくし，総膜厚を薄く，総膜層数を少なくするために高屈折率が好Fig.7

ましい。また，消衰係数kは高透過率を得るために限H2 flow rate dependence of a-Si:H opticalcharacteristics.

りなくゼロに近い値が好ましい。
Fig.7にa-Si:HのH 2 流量依存性を示す。屈折率 nと消衰係数 k はガラス基板上に成膜したa-Si:Hを分光光度計にて透過率と反射率を測定し，光学膜設計ソフトにて算出した波長940 nmにおける値である。この結果より，H 2 流量の増加に伴い，屈折率 nと消衰係数 kは低下することがわかる。
次にFig.8にa-Si:Hの光学特性の成膜時の基板温度依存性を示す。基板温度上昇に伴い，屈折率 nは高くなり，消衰係数 k は低くなっていく傾向が得られた。
4.2 a-Si:HおよびSiO2の膜厚分布
光学薄膜において膜厚分布の均一性は光学特性の波

Fig.8

S ubstrate temperature dependence of

a-Si:H optical characteristics.

長シフトに影響するため非常に重要である。
本装置ではターンテーブル装置で生じる内周・外周での周速差による膜厚分布を改善するために，1 つのカソードユニットに 2 つのカソードを搭載し，各カソードへの投入電力を調整することで膜厚分布をコントロールできるようにした。投入電力最適化後の膜厚分布をFig.9に示す。a-Si:HとSiO 2 共にφ300 mm（Edge Exclusion 10 mm）で膜厚分布±0.15 ％以下と良好な結果が得られた。
4.3 a-Si:HとSiO2を用いた近赤外BPF
低屈折率材としてSiO 2 ，高屈折率材としてa-Si:Hを使用した近赤外BPFの設計と成膜を行い，光学特性をFig.9

Film thickness uniformity of a-Si:H and SiO2.

評価した。今回設計した近赤外BPFはガラス基板の片面に940 nmを中心波長としたBP特性をもつ33層の積18層膜（5.4 μm）と，もう片面にBL（Blocking Layer：面内分布を示す。入射角 0 °の930～950 nmにおけるBP波長域の透過率を上昇させ，BP波長域以外を遮光

平均透過率は97.6 ％，入射角30°の920～940 nmにおする）特性をもつ22層の積層膜（1.8 μm）の構成としける平均透過率は97.1 ％で良好な透過率特性が得られた。なお，a-Si:Hについては上述した光学特性につい（Fig.10A），BP特性の 0 °から30°における中心波長のての結果から，n =3.68 k = 1E-4に最適化を行った。

シフト量は10.5 nm（Fig.10B）と角度依存性の点におFig.10にΦ200 mmウェーハの透過率特性，およびいても良好な結果が得られた。面内分布は透過率50

Fig.10 （A）
Transmittance characteristics of 940 nm BPF（Incident angle = 0°and Incident angle 30°）.
（B）Transmittance characteristics in φ200 mm wafer.

（C）Transmittance 50 ％ on wavelength uniformity in φ200 mm wafer.

Table 1Transmittance in each target life.

5.

まとめ本稿ではウェーハ用光学膜成膜装置「ULDiS-1500PHL」について紹介し，本装置を使用して開発した
a-Si:Hを用いた近赤外BPFについて報告した。a-Si:Hは検証結果より良好な光学特性が得られており，940 nmBPFのみならず生体への透過性が高い1320～1480 nm付近のBPF，IR-Pass Filterの薄膜化などへの応用が期待できる。また，本装置はSi以外のNb，Ta，Tiなど各種％の波長のバラつきが約± 1 nm（±0.12 ％）であっ金属材料も使用可能であることから，IR-Cut Filterやた（Fig.10C）。

反射防止膜用途など幅広い光学薄膜分野の生産技術にまた，ターゲットライフ中期から末期にかけて連続的に成膜テストを行った結果（Table 1），930～950 nm貢献することが期待できる。

における平均透過率（Tave）97 ％以上を安定して維文 献持できていた。

1） H.Yoda, et al.: Applied Optics, 43,（17）, 3540（2004）
2） 田部井雅利：マテリアルライフ学会誌，18（4），170（2006）

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