成膜装置および成膜方法
【課題】
スパッタリング法を用い、大面積基材に対して、均質かつ高精度な、所定の膜厚分布の光学薄膜を得ることができる成膜装置を提供する。
【解決手段】
スパッタリング法を用いて基材に薄膜を形成する成膜装置において、スパッタ粒子を放出するターゲットの中心を貫く法線と前記基材の表面とが直交するように前記ターゲットと前記基材とを配置し、前記ターゲットと前記基材の表面との距離を一定にしたまま、前記ターゲットと前記基材とを相対的に移動させて、前記基材に薄膜を形成する。
スパッタリング法を用い、大面積基材に対して、均質かつ高精度な、所定の膜厚分布の光学薄膜を得ることができる成膜装置を提供する。
【解決手段】
スパッタリング法を用いて基材に薄膜を形成する成膜装置において、スパッタ粒子を放出するターゲットの中心を貫く法線と前記基材の表面とが直交するように前記ターゲットと前記基材とを配置し、前記ターゲットと前記基材の表面との距離を一定にしたまま、前記ターゲットと前記基材とを相対的に移動させて、前記基材に薄膜を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜の成膜装置および成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学薄膜の作製手法は真空蒸着法、プラズマやイオンビームによるアシスト蒸着法、イオンプレーティング法などが多く用いられてきた。真空蒸着法は小さな蒸発源から蒸発源を取り囲む大きな面積の基材（レンズ）に対して均一な成膜を行うのに適した成膜法である。蒸発源と基材は通常５００ｍｍ以上の距離を保ち、基材を公転や遊星回転させて成膜の均一化を図っている。そして膜厚を毎回同じようにするために基材ホルダー付近にモニターを設け、直接そのモニターに入る蒸発量を読み取り、成膜速度、堆積量を感知して蒸発源の蒸発量を制御している。様々な蒸着条件に対応して、膜厚分布の均一な光学薄膜を形成するために、様々の工夫がなされている。例えは特許文献１では、自公転可能な基材保持部と蒸着源と基材保持部との相対位置を、水平、垂直、傾斜方向のうち少なくとも1つの方向に変化させる、可変機構を設けた蒸着装置が開示されている。
【０００３】
一方スパッタリング法は半導体やフラットパネルディスプレイ、電子部品などの薄膜製造工程における量産装置として使用されている。スパッタリング技術は、低圧のスパッタリングガスをグロー放電によりイオン化（プラズマ状化）し、そのプラズマ状イオンを電極間で加速させ、陰極に配置したターゲット材料に衝突させている。次にイオン衝撃により飛び出されたターゲット材料構成原子は、陽極近傍に設けられた基材上に付着堆積してターゲット材料の薄膜を形成している。このようにスパッタリング法は放電現象を用いるため真空蒸着法よりも高い圧力下で成膜を行わなくてはならない。スパッタリング技術はスパッタリングされたターゲット材料構成原子が高いエネルギーを持って基材に入射するため緻密な膜が得られるという特徴がある。しかし、スパッタリングされたターゲット材料構成原子は、基材上に堆積するまでの間に成膜チャンバー内圧力に応じた頻度でスパッタリングガス等と衝突散乱してスパッタリングされた直後の初期のエネルギーを失って行ってしまう。そのため緻密な膜を得るためにはターゲットと基材の距離を適度に１５０ｍｍ程度に短くする必要がある。またスパッタ粒子の斜入射膜も膜密度が低いので、スパッタ粒子の斜入射成分を極力抑えることが必要である。
【０００４】
このためスパッタリング法において、大面積な基材に均質かつ高精度に所定の膜厚分布を得るためには、ターゲットのサイズを基材のサイズに対して十分に大きくする必要がある。あるいは、ターゲットと基材を相対的に移動走査させる等の工夫が必要である。従来のスパッタリング装置では、基材面とターゲット面が平行に配置されていた。そのような従来のスパッタリング装置においては、基材に付着する膜の膜厚分布、組成比分布、不純物分布などを広範囲に均一化するために基材よりも大きな径のターゲットを用いていた。しかし、基材径が大きくなりすぎると、膜厚分布に与えるターゲットの非エロージョン領域の影響が大きくなってくる等の問題が発生した。従って、単にターゲット径を大径化しただけでは膜厚分布、組成比分布、不純物分布を均一化することができなかった。
そこで、特許文献２では基材を適度の早さで回転させると共に、基材の法線に対し、ターゲットの中心軸線の角度θを、１５°≦θ≦４５°の関係に保つという斜め入射成膜方式が開示されている。この方式によれば、ターゲットの径を基材と同等以下にしても、均一膜厚、膜質を生成できるとしている。また、特許文献３ではターゲットと基材を相対的に移動走査させる方法が開示されている。この方式によれば、堆積量及び堆積形状の基体面内の均一性が向上し、また複数のターゲットを用いることで、ターゲットの径を基体の径より小さくすることができるとしている。
ところが近年の光リソグラフィーの分野においては半導体露光装置の微細化に伴って短波長化や高ＮＡ化が進み、基材口径の大型化や基材形状が多様化し、従来にも増して高精度な膜厚制御が要求されるようになった。そこで特許文献４では成膜中に基材とカソードの相対位置関係等を独立に可変出来る制御軸が３軸以上有することを特徴とするスパッタ装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１５２３３６号公報
【特許文献２】特開２０００−２６５２６３号公報
【特許文献３】特開平５−２３４８９３号公報
【特許文献４】特開２００４−２６９９８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、成膜分布の予測が難しい。粒子の散乱や特に反応を含む複雑なスパッタプロセスにおいて、密度の高い高品質な膜を様々な凹凸形状の基材に対して目標の膜厚ムラに精度良く成膜するには、単に独立に可変ができる制御軸が多いだけでは不十分である。スパッタリングされる時のターゲット材料構成原子の放出分布はどのようになっているのか正確に調べるのは難しい。また仮にそれがわかったとしても、その後の基材に達するまでの輸送過程で、どのような散乱や反応が起こっているのかを正確に予測シミュレーションするのは難しい。そのためいかにして膜厚分布を予想して、成膜中に基材とターゲットの相対位置関係等を制御し決定するかが問題となる。また、密度の高い高品質な膜を成膜するには、スパッタ粒子の斜入射成分を極力抑えることも考慮に入れる必要がある。
【０００７】
そこで、本発明は、スパッタリング法を用い、大面積基材に対して、均質かつ高精度な、所定の膜厚分布の光学薄膜を得ることができる成膜装置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】
上記課題を解決するための本発明の成膜装置は、スパッタリング法を用いて基材に薄膜を形成する成膜装置において、スパッタ粒子を放出するターゲットの中心を貫く法線と前記基材の表面とが直交するように前記ターゲットと前記基材とを配置し、前記ターゲットと前記基材の表面との距離を一定にしたまま、前記ターゲットと前記基材とを相対的に移動させて、前記基材に薄膜を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、スパッタリング法を用い、大面積基材に対して、均質かつ高精度な、所定の膜厚分布の光学薄膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態１の成膜装置の概略図である。
【図２】本発明の実施形態１のマスクの模式図である。
【図３】本発明の実施形態１の膜厚分布 を表したグラフである。
【図４】本発明の実施形態１の膜厚分布関数を表したグラフである。
【図５】本発明の実施形態１の膜厚計算のための基材表面の摸式図である。
【図６】本発明の実施形態１の膜厚計算のための基材表面の摸式図である。
【図７】本発明の実施形態１の回転対称な膜厚分布のグラフである。
【図８】図７の膜厚分布の速度と時間の表である。
【図９】図８の条件で成膜した膜厚分布のグラフである。
【図１０】本発明の実施形態２の非回転対象な膜厚分布を表したグラフである。
【図１１】図１０の膜厚分布の速度と時間の表である。
【図１２】図１１の条件で成膜した膜厚分布のグラフである。
【図１３】本発明の実施形態３のマスク効果のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態１の成膜装置の模式的断面図を図１に示す。本成膜装置１００は球面形状を持った基材にスパッタリング法を用いて薄膜を形成する成膜装置である。以下図面を参照しながらステップ毎に成膜装置１００の機能および構造について説明する。
（ＳＴＥＰ１）ターゲット１１の中心を貫く法線５０と曲率をもった基材面２０とが常に直交するように配置する。ターゲット１１と基材２１を緻密な膜を得るのに適したある一定の距離で配置し、基材２１の中心２２と外周２３との間でターゲット１１を相対的に走査（移動）して成膜し、基材面２０内の成膜分布を実験的に確認する。この時ターゲット１１は、ターゲット１１の中心を貫く法線５０に対して回転対称なターゲット構造を持ち、ターゲット１１の中心を貫く法線５０と曲率をもった基材面２０とが常に直交するような配置で成膜する。ターゲット１１から放出されるスパッタ粒子は、ターゲット１１の中心から回転対称に放出され、基材面２０に成膜される膜厚も、ターゲット１１の中心を貫く法線５０と基材面２０との交点Ｑを中心に回転対称な分布を持つ。この様子を図３に示す。ここで、スパッタリングガスや反応性ガスの導入条件によって、回転対称な分布が得られない場合は、ガスの導入条件として、ターゲット１１の中心を貫く法線５０に対して、回転対称な形状を持つガス導入口１８，１９を設けるようにしなくてはならない。そのため基材面２０内の任意の点の膜厚は、「ターゲット中心を貫く法線５０と基材面２０の交点Ｑからの距離Ｘの関数（膜厚関数）」で表記可能となる。これを図４に示す。膜厚関数としては多項式関数が利用できる。
【００１２】
（ＳＴＥＰ２）図５に示すように、ターゲット１１の中心を貫く法線５０と曲率をもった基材面２０とが常に直交するように配置し、ターゲット１１の中心を貫く法線５０と基材面２０との交点をＱとする。Ｑを含む基材曲面上２０において、「交点Ｑ」と「基材面２０内の中心から半径ｒの距離の点Ｐ」に注目する。ここで、基材曲面を平面に簡素化して考え、図６に示すように点Ｑ（ｓ，０）と点Ｐ（ｒｃｏｓθ，ｒｓｉｎθ）を定義する。ここで基材が自転する際に点Ｐ通る軌跡を考えた場合、点Ｐが通る軌跡の各位置での成膜レートは膜厚関数により点Ｑと点Ｐの距離から求まる。すなわち多項式関数である膜厚関数
【００１３】
【数１】
に点ＰＱ間の距離
【００１４】
【数２】
を代入して得られた値が成膜レートとなることを特徴とする。さらに膜厚関数をθ：０→２πで積分すると、基材が自転して１回転した際に点Ｐに成膜される膜厚の合計を計算することができる。
【００１５】
【数３】
なお、簡素化のため基材曲面２０を平面に置き換えて考えたが、曲面であっても同様に点Ｑと点Ｐを結ぶ弧または弦の長さを考えればよく、本質的には何ら変わらない。
【００１６】
（ＳＴＥＰ３）ターゲット１１と基材２１はターゲット１１の中心を貫く法線５０と曲率をもった基材面２０とが常に直交するように配置させる構造を持つ。そのターゲット１１と基材２１の距離を一定にしたまま基材２１の中心２２と外周２３との間でターゲット１１を走査させて成膜する。この場合、基材面２０上の任意の点における成膜レートは走査動作をコマ切りにした場合の各位置での交点Ｑと交点Ｐの距離（膜厚関数）で表すことができることを特徴とする。
【００１７】
（ＳＴＥＰ４）外径寸法Ｆの基材の面２０内を径方向にｍ等分、周方向にｎ等分すると、基材面内の点Ｒは極座標を用いて
【００１８】
【数４】
（ただしｊ＝0〜ｍ、ｋ＝0〜ｎの整数）
と表すことができる。この座標系を使って所定の膜厚分布を表現しておく。
（ＳＴＥＰ５）ＳＴＥＰ２とＳＴＥＰ３において、レンズの自転速度をω（ｔ）としターゲット１１の走査速度（ターゲット１１の基材２１に対する相対速度）をｖ（ｔ）として速度制御すると、
【００１９】
【数５】
と表すことができる。すると、成膜開始時間ｔ０から成膜終了時間ｔ１までの間にＲ(ｒｊ、θｋ)の点に成膜される膜厚は、前記積分を改良して以下のように表記することができる。（式１）
【００２０】
【数６】
上記積分計算をω（ｔ）とｖ（ｔ）を未知数としてｍ×ｎ個の点について実施する。ｍ×ｎ個の各点について積分計算した結果が、ＳＴＥＰ４で準備した所定の膜厚分布になるように、「積分計算の結果（算出された膜厚）−所定の膜厚」の２乗が最小になるように、レンズの自転速度ω（ｔ）とターゲット１１の走査速度ｖ（ｔ）を決定する。レンズの自転速度ω（ｔ）とターゲット１１の走査速度ｖ（ｔ）の速度分布の具体的な関数モデルは、所定の膜厚分布の形状に応じて様々な型を考えることができる。（相関がある）
【００２１】
実施形態１の成膜装置１００について図１にもとづいて説明する。成膜装置１００には内部を真空状態に維持する成膜室１、成膜室１を排気する真空ポンプ等からなる排気系２を設けている。成膜室１内の側面には基材２１を保持する基材ホルダー３を設けていて、この基材ホルダー３は前後に動作し、さらに基材面２０の中心を貫く法線６０を回転軸として成膜中に自転する機構となっている。また成膜室１内の基材ホルダー３を設けている別の側面にはターゲット及びマスクユニット駆動系４が設けてある。ターゲット及びマスクユニット駆動系４は前後に動作することができる。またターゲット及びマスクユニット駆動系４の上面に回転駆動が可能で同じ回転軸を持つターゲットユニット５とマスクユニット１２が設けられている。ターゲットユニット５には内部に磁石２５を収め、外部から供給される冷却水を内部に流通させてターゲット１１の冷却を行うことができる冷却ボックス６が設けられている。磁石２５はターゲット１１の表面に平行な方向に磁場を持ち、かつターゲット１１の中心を貫く法線５０に対して、回転対称となるように配置されている。この冷却ボックス６の側面にはカソード電極としてバッキングプレート７が配置されている。
【００２２】
またバッキングプレート７の側面には、絶縁材８を介し、アノード電極として複数の開孔を持つ仕切り板であるメッシュ板９が、ターゲット１１の中心を貫く法線５０に対して、回転対称な形状でユニットとして組み込まれている。このバッキングプレート７とメッシュ板９に対して、直流電源１０により直流電圧を印加することができる。このメッシュ板９には、スパッタリングガスと反応性ガスの分離性を高める役割もある。バッキングプレート７の側面にはターゲット１１の中心を貫く法線５０に対して回転対称な構造となっているターゲット１１が取り付けられている。ターゲット１１の材料としては、電気抵抗の小さい金属やフッ素添加金属等の利用が望まれる。特に、磁石２５の配置とターゲット１１の形状については、ターゲット１１の中心を貫く法線５０に対して回転対称としている。またスパッタリングされた基材面２０上に堆積することになるターゲット１１の材料構成原子のうち、基材上に堆積するまでの距離が、緻密な膜を得るのに適度な距離以上の成分とスパッタ粒子の斜入射成分をカットする。そのために、ターゲット１１と基材２１の間に配置することができ、ターゲット１１の中心を貫く法線５０に対して回転対称な構造を持つマスクユニット１２（マスク機構）が設けられている。回転対称な構造を持つマスクユニット１２の例として、円形の開口を持つマスクの模式図を図２に示す。
【００２３】
そして基材ホルダー３とメッシュ板９の間には放電が安定するまで基材２１が成膜されないように遮蔽板１３が設けられる。この遮蔽板１３は高速で開閉可能になっている。また成膜室１はゲートバルブ１４を介して、ロードロック室１５とつながっている。ロードロック室１５には成膜室１とは別に排気系（ＬＬ室）１６がついており、基材ホルダー３は移動機構１７に連結されロードロック室１５と成膜室１を自在に移動させることが可能である。そしてスパッタリングガス導入ポート１８、反応性ガス導入ポート１９よりマスフローコントローラを含むガス供給系（不図示）によってガスを供給できるようになっている。スパッタリングガス導入ポート１８、反応性ガス導入ポート１９はターゲット１１の中心を貫く法線５０に対して回転対称な形状を持つ形状となっている。スパッタリングガス導入ポート１８からはスパッタリングガスとして不活性ガスＡｒ，Ｈｅ，Ｎｅ，Ｋｒ，Ｘｅ等のガスと水素が導入される。また、反応性ガス導入ポート１９からは、反応性ガスとして、フッ素を含むＣＦ４やＮＦ３といったガスや、Ｆ２を希ガスで希釈したガスをそれぞれ必要に応じて切り替えて導入することができるようになっている。ここで導入するガスは、不図示のマスフローコントローラやガス純化器によって、流量、純度、圧力を高精度に制限できるようになっている。
【００２４】
次に図1の本発明の実施形態１の成膜装置１００を用いて、ＣａＦ２基材上に高屈折材ＬａＦ３と低屈折材ＭｇＦ２を積層した低吸収な多層膜を形成する方法について詳しく説明する。基材ホルダー３をロードロック室１５に移動させ、ロードロック室１５をリークする。リークが完了したらＣａＦ２基材を投入し、排気系（ＬＬ室）１６により排気する。この時、成膜室１内は排気系（成膜室）２により５×１０−５乗Ｐａ程度に排気しておく。排気系（成膜室）２はＦ２など腐食性の高いガスを流すため、耐食性の高いポンプを使用し、軸パージ、排気ガスの不活性ガスによる希釈、排気ガス処理設備（不図示）を設置することが必要である。ロードロック室１５の圧力が１×１０−４乗Ｐａ程度になったら、ゲートバルブ１４を開けて、移動機構１７によりＣａＦ２基材を乗せた基材ホルダー３を成膜室１へ移動する。移動が完了したら、遮蔽板１３を閉じた状態でＡｒガスを導入し、バッキングプレート７に直流電源１０より直流電源を印加すると放電しＡｒガスがイオン化する。このプラズマは成膜室１内の圧力がコンマ数Pa程度でも安定している。このような低い圧力でもプラズマが生成されるのは、冷却ボックス６内に収められた磁石のマグネトロン効果により、電子が磁場に垂直な面内をサイクロトロン運動し、ターゲット１１近傍の電子密度を上げることができるからである。
【００２５】
そして放電により、ターゲット１１表面近傍にシースが形成され、プラズマ中のＡｒ＋イオンはシースで加速されてターゲット１１に衝突し、ターゲット材料がスパッタされる。ターゲット１１は高純度Ｌａ（９９．９９９％）、Ｍｇ（９９．９９９％）を使用している。ターゲット冷却水はチラ−（不図示）によって温度・流量管理され、成膜レートを安定させるためターゲット１１の表面温度を一定に保つ。次に反応性ガス導入ポート１９よりＦ２ガスを導入する。ＬａＦ３を成膜する場合はＡｒガスを１５０ＳＣＣＭ、Ｆ２ガスを２０ＳＣＣＭ、直流電源を４００Ｗに設定する。ＭＧＦ２を成膜する場合は、Ａｒガスを１５０ＳＣＣＭ，Ｈ２ガスを２５ＳＣＣＭ、Ｆ２ガスを１６ＳＣＣＭ、直流電源を４００Ｗに設定することが好ましい。これ以上フッ素の流量を減らしてしまうと、成膜された膜はそれぞれＭｇＦ２とＬａＦ３の化学量論比を満たすことができず、フッ素欠陥の膜になってしまう。また逆に、これ以上フッ素を増やしていくと、スパッタリングガスのＡｒの流量に対して、反応性ガスＦ２の流量が増えてしまい、ガス分離性が悪化し、その結果（１）ターゲット１１近傍のＦイオンの量が増えてしまう。質量の大きい負イオンは冷却ボックス６に装備された磁石のマグネトロンではほとんど軌道を曲げることができないため、数百Ｖのシースにより加速されたＦ−イオンがＣａＦ２基材に入射して、基材や膜にダメージを与える原因となる。
【００２６】
さらにまた（２）ターゲット１１表面がフッ化されて絶縁物のフッ化物を形成してしまう。そうすると、この絶縁物がチャージアップされ、それがイオンや電子によって絶縁破壊されて異常放電が起こる。異常放電が発生すると膜中に異物が混入し、表面の粗い膜になる。その対策として、数ｋＨｚ程度の交流を直流に電圧に重畳するとチャージキャンセルし、異常放電を防ぐことができる。しかし重畳する周波数を上げすぎると、基材セルフバイアス電圧が発生してしまい、今度はプラズマ中の陽イオンがＣａＦ２基材に入射しダメージを与えてしまうことがわかった。ダメージをなくすには２０ｋＨｚ以下の周波数の電圧を重畳する必要がある。またＭｇＦ２を成膜する際にはＨ２を流入した方が良い。Ｍｇはゲッターとして用いられるように、スパッタされたＭｇは成膜室１の残留水分等に起因するＨ２Ｏ、Ｏ２等の気体分子と反応・結合してＭｇＯなどの形で基材に成膜されやすい。ＭｇＯは真空紫外領域で大きな吸収を持つため、ＭｇＯが取り込まれたＭｇＦ２は膜吸収が大きくなってしまう。そこでＨ２を加えると水素ラジカル等の活性水素による還元反応によりＭｇＯの生成を抑える効果が生まれ、低吸収なＭｇＦ２を成膜することができる。
【００２７】
次にこの状態のまま直流電源１０で確認されるターゲット電圧が安定するまで待つ。この間にターゲット１１中心を貫く法線５０と曲率をもった基材面２０とが直交するように前記ターゲット１１と前記基材２１を正対に配置しておく。この時基材ホルダー３は自転させない。ターゲット電圧が安定したら遮蔽板１３を開いて成膜を開始する。このときのターゲット電圧は、ＬａＦ３成膜の際は３３０Ｖ程度、ＭｇＦ２成膜の際は３２０Ｖ程度であった。その後、ＣａＦ２基材上に成膜されたＬａＦ３単層膜またはＭｇＦ２単層膜の分光特性を分光光度計（不図示）により測定し、基材面２０内の膜厚分布を算出する。この結果からターゲット１１中心を貫く法線５０と基材面２０の交点からの距離ｘの関数（膜厚関数）を決定する。
【００２８】
以下、回転対称なＭＧＦ２単層膜を成膜する場合について述べる。膜厚関数は図４に示す多項式関数で表現できた。外径３００ｍｍの基材２１に成膜する回転対称な膜の所定の膜厚分布を、基材の面２０内を径方向に４０等分、周方向に４０等分し図７のように表しておく。この場合、基材面２０内で膜厚が一定であることが目標となる。次に基材２１の自転速度ω（ｔ）とターゲット１１の走査速度ｖ（ｔ）のモデル関数を与える。ターゲット１１の中心を貫く法線５０と曲率をもった基材面２０とが直交するように前記ターゲット１１と前記基材２１を正対に配置する。その正対位置関係と前記ターゲット１１と前記基材２１の距離を一定にしたまま前記基材２１の中心から外周にかけて走査させて成膜する場合を想定して、次のように設定した。基材２１の自転速度ω（ｔ）のモデル関数は１回転内で速度分布を持たせ、それを繰り返す周期関数とした。成膜開始時間Ｔ０から成膜終了時間Ｔ１までの時間をＴ（＝Ｔ１−Ｔ０）、その間のレンズ自転回数をＵとして、1回転あたりの時間Ｔ／Ｕを８分割し、Δｔ１，Δｔ２，・・・，Δｔ８とした。時間Δｔ１，Δｔ２，・・・，Δｔ８の際の基材２１の自転速度を、各々ω１，ω２，・・，ω８とした。次にターゲット走査速度ｖ（ｔ）は、成膜開始時間Ｔ０から成膜終了時間Ｔ１までの時間Ｔ（＝Ｔ１−Ｔ０）の間を８分割し、Δｕ１，Δｕ２，・・・，Δｕ８とした。時間Δｕ１，Δｕ２，・・・，Δｕ８の際のターゲット走査速度を、Ｔ時間に回転する距離が１８０ｍｍになるという関係のもと、各々ｖ１，ｖ２，・・・，ｖ８とした。これらΔｔ１〜Δｔ８、ω１〜ω８、Δｕ１〜Δｕ８、ｖ１〜ｖ８を未知数として［式１］に代入し、所定の膜厚分布図７として注目しているレンズ面内の４０×４０個の点について連立方程式を立てる。そして４０×４０個の点について「積分計算（算出された膜厚）−所定の膜厚」の２乗が最小になるように未知数を決定した。具体的な未知数の計算結果は図８のようになった。またこの条件をもとに実際にＭｇＦ２を成膜した実験結果は図９のようになった。所定の膜厚分布とのズレは数％程度であった。
【００２９】
次に、本発明の実施形態２について述べる。実施形態１の回転対称の例と異なり、非回転対称なＭｇＦ２単層膜を成膜する例について説明する。膜厚関数は、同じく図４に示す多項式関数で表現できる。外径３００ｍｍの基材２１に成膜する非回転対称な膜の所定の膜厚分布を、基材の面２０内を径方向に４０等分、周方向に４０等分し図１０のように表しておく。次に基材２１の自転速度ω（ｔ）とターゲット１１の走査速度ｖ（ｔ）のモデル関数を与える。ターゲット１１の中心を貫く法線５０と曲率をもった基材面２０とが直交するように前記ターゲット１１と前記基材２１を正対に配置する。その正対位置関係と前記ターゲット１１と前記基材の距離を一定にしたまま前記基材２１の中心から外周にかけて走査させて成膜する場合を想定して、次のように設定した。基材２１の自転速度ω（ｔ）のモデル関数は１回転内で速度分布を持たせ、それを繰り返す周期関数とした。成膜開始時間Ｔ０から成膜終了時間Ｔ１までの時間をＴ（＝Ｔ１−Ｔ０）、その間のレンズ自転回数をＵとする。１回転あたりの時間Ｔ／Ｕを８分割し、Δｔ１，Δｔ２，・・・，Δｔ８とし、時間Δｔ１，Δｔ２，・・・，Δｔ８の際の基材２１の自転速度を、各々ω１，ω２，・・・，ω８とした。次にターゲット１１の走査速度ｖ（ｔ）は、成膜開始時間Ｔ０から成膜終了時間Ｔ１までの時間Ｔ（＝Ｔ１−Ｔ０）の間を８分割し、Δｕ１，Δｕ２，・・・，Δｕ８とした。時間Δｕ１，Δｕ２，・・・，Δｕ８の際のターゲット走査速度を、Ｔ時間に回転する距離が１８０ｍｍになるという関係のもと、各々ｖ１，ｖ２，・・・，ｖ８とした。これらΔｔ１〜Δｔ８、ω１〜ω８、Δｕ１〜Δｕ８、ｖ１〜ｖ８を未知数として[式１]に代入し、所定の膜厚分布 図１０として注目しているレンズ面内の４０×４０個の点について連立方程式を立てる。そして４０×４０個の点について「積分計算（算出された膜厚）−所定の膜厚」の２乗が最小になるように未知数を決定した。具体的な未知数の計算結果は図１１のようになった。またこの条件をもとに実際にＭｇＦ２を成膜した実験結果は図１２のようになった。所定の膜厚分布とのズレは数％程度であった。
【００３０】
次に、本発明の実施形態３のマスク効果の例について述べる。ＬａＦ３単層膜を成膜した場合の基材面２０内の膜厚分布と屈折率分布について、図１３にマスクを使用時と未使用時での違いを示す。マスクの開口形状はφ７２ｍｍの円形である。φマスクを使用することで、屈折率の不均一度（＝（（最大値）−（最小値））／（（最大値）＋（最小値）））は１．８４％から１．０９％に向上した。
【符号の説明】
【００３１】
１１ ターゲット
５０ ターゲットの中心を貫く法線
２０ 基材面
２１ 基材
２２ 基材の中心
２３ 基材の外周
１００ 成膜装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜の成膜装置および成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学薄膜の作製手法は真空蒸着法、プラズマやイオンビームによるアシスト蒸着法、イオンプレーティング法などが多く用いられてきた。真空蒸着法は小さな蒸発源から蒸発源を取り囲む大きな面積の基材（レンズ）に対して均一な成膜を行うのに適した成膜法である。蒸発源と基材は通常５００ｍｍ以上の距離を保ち、基材を公転や遊星回転させて成膜の均一化を図っている。そして膜厚を毎回同じようにするために基材ホルダー付近にモニターを設け、直接そのモニターに入る蒸発量を読み取り、成膜速度、堆積量を感知して蒸発源の蒸発量を制御している。様々な蒸着条件に対応して、膜厚分布の均一な光学薄膜を形成するために、様々の工夫がなされている。例えは特許文献１では、自公転可能な基材保持部と蒸着源と基材保持部との相対位置を、水平、垂直、傾斜方向のうち少なくとも1つの方向に変化させる、可変機構を設けた蒸着装置が開示されている。
【０００３】
一方スパッタリング法は半導体やフラットパネルディスプレイ、電子部品などの薄膜製造工程における量産装置として使用されている。スパッタリング技術は、低圧のスパッタリングガスをグロー放電によりイオン化（プラズマ状化）し、そのプラズマ状イオンを電極間で加速させ、陰極に配置したターゲット材料に衝突させている。次にイオン衝撃により飛び出されたターゲット材料構成原子は、陽極近傍に設けられた基材上に付着堆積してターゲット材料の薄膜を形成している。このようにスパッタリング法は放電現象を用いるため真空蒸着法よりも高い圧力下で成膜を行わなくてはならない。スパッタリング技術はスパッタリングされたターゲット材料構成原子が高いエネルギーを持って基材に入射するため緻密な膜が得られるという特徴がある。しかし、スパッタリングされたターゲット材料構成原子は、基材上に堆積するまでの間に成膜チャンバー内圧力に応じた頻度でスパッタリングガス等と衝突散乱してスパッタリングされた直後の初期のエネルギーを失って行ってしまう。そのため緻密な膜を得るためにはターゲットと基材の距離を適度に１５０ｍｍ程度に短くする必要がある。またスパッタ粒子の斜入射膜も膜密度が低いので、スパッタ粒子の斜入射成分を極力抑えることが必要である。
【０００４】
このためスパッタリング法において、大面積な基材に均質かつ高精度に所定の膜厚分布を得るためには、ターゲットのサイズを基材のサイズに対して十分に大きくする必要がある。あるいは、ターゲットと基材を相対的に移動走査させる等の工夫が必要である。従来のスパッタリング装置では、基材面とターゲット面が平行に配置されていた。そのような従来のスパッタリング装置においては、基材に付着する膜の膜厚分布、組成比分布、不純物分布などを広範囲に均一化するために基材よりも大きな径のターゲットを用いていた。しかし、基材径が大きくなりすぎると、膜厚分布に与えるターゲットの非エロージョン領域の影響が大きくなってくる等の問題が発生した。従って、単にターゲット径を大径化しただけでは膜厚分布、組成比分布、不純物分布を均一化することができなかった。
そこで、特許文献２では基材を適度の早さで回転させると共に、基材の法線に対し、ターゲットの中心軸線の角度θを、１５°≦θ≦４５°の関係に保つという斜め入射成膜方式が開示されている。この方式によれば、ターゲットの径を基材と同等以下にしても、均一膜厚、膜質を生成できるとしている。また、特許文献３ではターゲットと基材を相対的に移動走査させる方法が開示されている。この方式によれば、堆積量及び堆積形状の基体面内の均一性が向上し、また複数のターゲットを用いることで、ターゲットの径を基体の径より小さくすることができるとしている。
ところが近年の光リソグラフィーの分野においては半導体露光装置の微細化に伴って短波長化や高ＮＡ化が進み、基材口径の大型化や基材形状が多様化し、従来にも増して高精度な膜厚制御が要求されるようになった。そこで特許文献４では成膜中に基材とカソードの相対位置関係等を独立に可変出来る制御軸が３軸以上有することを特徴とするスパッタ装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１５２３３６号公報
【特許文献２】特開２０００−２６５２６３号公報
【特許文献３】特開平５−２３４８９３号公報
【特許文献４】特開２００４−２６９９８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、成膜分布の予測が難しい。粒子の散乱や特に反応を含む複雑なスパッタプロセスにおいて、密度の高い高品質な膜を様々な凹凸形状の基材に対して目標の膜厚ムラに精度良く成膜するには、単に独立に可変ができる制御軸が多いだけでは不十分である。スパッタリングされる時のターゲット材料構成原子の放出分布はどのようになっているのか正確に調べるのは難しい。また仮にそれがわかったとしても、その後の基材に達するまでの輸送過程で、どのような散乱や反応が起こっているのかを正確に予測シミュレーションするのは難しい。そのためいかにして膜厚分布を予想して、成膜中に基材とターゲットの相対位置関係等を制御し決定するかが問題となる。また、密度の高い高品質な膜を成膜するには、スパッタ粒子の斜入射成分を極力抑えることも考慮に入れる必要がある。
【０００７】
そこで、本発明は、スパッタリング法を用い、大面積基材に対して、均質かつ高精度な、所定の膜厚分布の光学薄膜を得ることができる成膜装置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】
上記課題を解決するための本発明の成膜装置は、スパッタリング法を用いて基材に薄膜を形成する成膜装置において、スパッタ粒子を放出するターゲットの中心を貫く法線と前記基材の表面とが直交するように前記ターゲットと前記基材とを配置し、前記ターゲットと前記基材の表面との距離を一定にしたまま、前記ターゲットと前記基材とを相対的に移動させて、前記基材に薄膜を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、スパッタリング法を用い、大面積基材に対して、均質かつ高精度な、所定の膜厚分布の光学薄膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態１の成膜装置の概略図である。
【図２】本発明の実施形態１のマスクの模式図である。
【図３】本発明の実施形態１の膜厚分布 を表したグラフである。
【図４】本発明の実施形態１の膜厚分布関数を表したグラフである。
【図５】本発明の実施形態１の膜厚計算のための基材表面の摸式図である。
【図６】本発明の実施形態１の膜厚計算のための基材表面の摸式図である。
【図７】本発明の実施形態１の回転対称な膜厚分布のグラフである。
【図８】図７の膜厚分布の速度と時間の表である。
【図９】図８の条件で成膜した膜厚分布のグラフである。
【図１０】本発明の実施形態２の非回転対象な膜厚分布を表したグラフである。
【図１１】図１０の膜厚分布の速度と時間の表である。
【図１２】図１１の条件で成膜した膜厚分布のグラフである。
【図１３】本発明の実施形態３のマスク効果のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態１の成膜装置の模式的断面図を図１に示す。本成膜装置１００は球面形状を持った基材にスパッタリング法を用いて薄膜を形成する成膜装置である。以下図面を参照しながらステップ毎に成膜装置１００の機能および構造について説明する。
（ＳＴＥＰ１）ターゲット１１の中心を貫く法線５０と曲率をもった基材面２０とが常に直交するように配置する。ターゲット１１と基材２１を緻密な膜を得るのに適したある一定の距離で配置し、基材２１の中心２２と外周２３との間でターゲット１１を相対的に走査（移動）して成膜し、基材面２０内の成膜分布を実験的に確認する。この時ターゲット１１は、ターゲット１１の中心を貫く法線５０に対して回転対称なターゲット構造を持ち、ターゲット１１の中心を貫く法線５０と曲率をもった基材面２０とが常に直交するような配置で成膜する。ターゲット１１から放出されるスパッタ粒子は、ターゲット１１の中心から回転対称に放出され、基材面２０に成膜される膜厚も、ターゲット１１の中心を貫く法線５０と基材面２０との交点Ｑを中心に回転対称な分布を持つ。この様子を図３に示す。ここで、スパッタリングガスや反応性ガスの導入条件によって、回転対称な分布が得られない場合は、ガスの導入条件として、ターゲット１１の中心を貫く法線５０に対して、回転対称な形状を持つガス導入口１８，１９を設けるようにしなくてはならない。そのため基材面２０内の任意の点の膜厚は、「ターゲット中心を貫く法線５０と基材面２０の交点Ｑからの距離Ｘの関数（膜厚関数）」で表記可能となる。これを図４に示す。膜厚関数としては多項式関数が利用できる。
【００１２】
（ＳＴＥＰ２）図５に示すように、ターゲット１１の中心を貫く法線５０と曲率をもった基材面２０とが常に直交するように配置し、ターゲット１１の中心を貫く法線５０と基材面２０との交点をＱとする。Ｑを含む基材曲面上２０において、「交点Ｑ」と「基材面２０内の中心から半径ｒの距離の点Ｐ」に注目する。ここで、基材曲面を平面に簡素化して考え、図６に示すように点Ｑ（ｓ，０）と点Ｐ（ｒｃｏｓθ，ｒｓｉｎθ）を定義する。ここで基材が自転する際に点Ｐ通る軌跡を考えた場合、点Ｐが通る軌跡の各位置での成膜レートは膜厚関数により点Ｑと点Ｐの距離から求まる。すなわち多項式関数である膜厚関数
【００１３】
【数１】
に点ＰＱ間の距離
【００１４】
【数２】
を代入して得られた値が成膜レートとなることを特徴とする。さらに膜厚関数をθ：０→２πで積分すると、基材が自転して１回転した際に点Ｐに成膜される膜厚の合計を計算することができる。
【００１５】
【数３】
なお、簡素化のため基材曲面２０を平面に置き換えて考えたが、曲面であっても同様に点Ｑと点Ｐを結ぶ弧または弦の長さを考えればよく、本質的には何ら変わらない。
【００１６】
（ＳＴＥＰ３）ターゲット１１と基材２１はターゲット１１の中心を貫く法線５０と曲率をもった基材面２０とが常に直交するように配置させる構造を持つ。そのターゲット１１と基材２１の距離を一定にしたまま基材２１の中心２２と外周２３との間でターゲット１１を走査させて成膜する。この場合、基材面２０上の任意の点における成膜レートは走査動作をコマ切りにした場合の各位置での交点Ｑと交点Ｐの距離（膜厚関数）で表すことができることを特徴とする。
【００１７】
（ＳＴＥＰ４）外径寸法Ｆの基材の面２０内を径方向にｍ等分、周方向にｎ等分すると、基材面内の点Ｒは極座標を用いて
【００１８】
【数４】
（ただしｊ＝0〜ｍ、ｋ＝0〜ｎの整数）
と表すことができる。この座標系を使って所定の膜厚分布を表現しておく。
（ＳＴＥＰ５）ＳＴＥＰ２とＳＴＥＰ３において、レンズの自転速度をω（ｔ）としターゲット１１の走査速度（ターゲット１１の基材２１に対する相対速度）をｖ（ｔ）として速度制御すると、
【００１９】
【数５】
と表すことができる。すると、成膜開始時間ｔ０から成膜終了時間ｔ１までの間にＲ(ｒｊ、θｋ)の点に成膜される膜厚は、前記積分を改良して以下のように表記することができる。（式１）
【００２０】
【数６】
上記積分計算をω（ｔ）とｖ（ｔ）を未知数としてｍ×ｎ個の点について実施する。ｍ×ｎ個の各点について積分計算した結果が、ＳＴＥＰ４で準備した所定の膜厚分布になるように、「積分計算の結果（算出された膜厚）−所定の膜厚」の２乗が最小になるように、レンズの自転速度ω（ｔ）とターゲット１１の走査速度ｖ（ｔ）を決定する。レンズの自転速度ω（ｔ）とターゲット１１の走査速度ｖ（ｔ）の速度分布の具体的な関数モデルは、所定の膜厚分布の形状に応じて様々な型を考えることができる。（相関がある）
【００２１】
実施形態１の成膜装置１００について図１にもとづいて説明する。成膜装置１００には内部を真空状態に維持する成膜室１、成膜室１を排気する真空ポンプ等からなる排気系２を設けている。成膜室１内の側面には基材２１を保持する基材ホルダー３を設けていて、この基材ホルダー３は前後に動作し、さらに基材面２０の中心を貫く法線６０を回転軸として成膜中に自転する機構となっている。また成膜室１内の基材ホルダー３を設けている別の側面にはターゲット及びマスクユニット駆動系４が設けてある。ターゲット及びマスクユニット駆動系４は前後に動作することができる。またターゲット及びマスクユニット駆動系４の上面に回転駆動が可能で同じ回転軸を持つターゲットユニット５とマスクユニット１２が設けられている。ターゲットユニット５には内部に磁石２５を収め、外部から供給される冷却水を内部に流通させてターゲット１１の冷却を行うことができる冷却ボックス６が設けられている。磁石２５はターゲット１１の表面に平行な方向に磁場を持ち、かつターゲット１１の中心を貫く法線５０に対して、回転対称となるように配置されている。この冷却ボックス６の側面にはカソード電極としてバッキングプレート７が配置されている。
【００２２】
またバッキングプレート７の側面には、絶縁材８を介し、アノード電極として複数の開孔を持つ仕切り板であるメッシュ板９が、ターゲット１１の中心を貫く法線５０に対して、回転対称な形状でユニットとして組み込まれている。このバッキングプレート７とメッシュ板９に対して、直流電源１０により直流電圧を印加することができる。このメッシュ板９には、スパッタリングガスと反応性ガスの分離性を高める役割もある。バッキングプレート７の側面にはターゲット１１の中心を貫く法線５０に対して回転対称な構造となっているターゲット１１が取り付けられている。ターゲット１１の材料としては、電気抵抗の小さい金属やフッ素添加金属等の利用が望まれる。特に、磁石２５の配置とターゲット１１の形状については、ターゲット１１の中心を貫く法線５０に対して回転対称としている。またスパッタリングされた基材面２０上に堆積することになるターゲット１１の材料構成原子のうち、基材上に堆積するまでの距離が、緻密な膜を得るのに適度な距離以上の成分とスパッタ粒子の斜入射成分をカットする。そのために、ターゲット１１と基材２１の間に配置することができ、ターゲット１１の中心を貫く法線５０に対して回転対称な構造を持つマスクユニット１２（マスク機構）が設けられている。回転対称な構造を持つマスクユニット１２の例として、円形の開口を持つマスクの模式図を図２に示す。
【００２３】
そして基材ホルダー３とメッシュ板９の間には放電が安定するまで基材２１が成膜されないように遮蔽板１３が設けられる。この遮蔽板１３は高速で開閉可能になっている。また成膜室１はゲートバルブ１４を介して、ロードロック室１５とつながっている。ロードロック室１５には成膜室１とは別に排気系（ＬＬ室）１６がついており、基材ホルダー３は移動機構１７に連結されロードロック室１５と成膜室１を自在に移動させることが可能である。そしてスパッタリングガス導入ポート１８、反応性ガス導入ポート１９よりマスフローコントローラを含むガス供給系（不図示）によってガスを供給できるようになっている。スパッタリングガス導入ポート１８、反応性ガス導入ポート１９はターゲット１１の中心を貫く法線５０に対して回転対称な形状を持つ形状となっている。スパッタリングガス導入ポート１８からはスパッタリングガスとして不活性ガスＡｒ，Ｈｅ，Ｎｅ，Ｋｒ，Ｘｅ等のガスと水素が導入される。また、反応性ガス導入ポート１９からは、反応性ガスとして、フッ素を含むＣＦ４やＮＦ３といったガスや、Ｆ２を希ガスで希釈したガスをそれぞれ必要に応じて切り替えて導入することができるようになっている。ここで導入するガスは、不図示のマスフローコントローラやガス純化器によって、流量、純度、圧力を高精度に制限できるようになっている。
【００２４】
次に図1の本発明の実施形態１の成膜装置１００を用いて、ＣａＦ２基材上に高屈折材ＬａＦ３と低屈折材ＭｇＦ２を積層した低吸収な多層膜を形成する方法について詳しく説明する。基材ホルダー３をロードロック室１５に移動させ、ロードロック室１５をリークする。リークが完了したらＣａＦ２基材を投入し、排気系（ＬＬ室）１６により排気する。この時、成膜室１内は排気系（成膜室）２により５×１０−５乗Ｐａ程度に排気しておく。排気系（成膜室）２はＦ２など腐食性の高いガスを流すため、耐食性の高いポンプを使用し、軸パージ、排気ガスの不活性ガスによる希釈、排気ガス処理設備（不図示）を設置することが必要である。ロードロック室１５の圧力が１×１０−４乗Ｐａ程度になったら、ゲートバルブ１４を開けて、移動機構１７によりＣａＦ２基材を乗せた基材ホルダー３を成膜室１へ移動する。移動が完了したら、遮蔽板１３を閉じた状態でＡｒガスを導入し、バッキングプレート７に直流電源１０より直流電源を印加すると放電しＡｒガスがイオン化する。このプラズマは成膜室１内の圧力がコンマ数Pa程度でも安定している。このような低い圧力でもプラズマが生成されるのは、冷却ボックス６内に収められた磁石のマグネトロン効果により、電子が磁場に垂直な面内をサイクロトロン運動し、ターゲット１１近傍の電子密度を上げることができるからである。
【００２５】
そして放電により、ターゲット１１表面近傍にシースが形成され、プラズマ中のＡｒ＋イオンはシースで加速されてターゲット１１に衝突し、ターゲット材料がスパッタされる。ターゲット１１は高純度Ｌａ（９９．９９９％）、Ｍｇ（９９．９９９％）を使用している。ターゲット冷却水はチラ−（不図示）によって温度・流量管理され、成膜レートを安定させるためターゲット１１の表面温度を一定に保つ。次に反応性ガス導入ポート１９よりＦ２ガスを導入する。ＬａＦ３を成膜する場合はＡｒガスを１５０ＳＣＣＭ、Ｆ２ガスを２０ＳＣＣＭ、直流電源を４００Ｗに設定する。ＭＧＦ２を成膜する場合は、Ａｒガスを１５０ＳＣＣＭ，Ｈ２ガスを２５ＳＣＣＭ、Ｆ２ガスを１６ＳＣＣＭ、直流電源を４００Ｗに設定することが好ましい。これ以上フッ素の流量を減らしてしまうと、成膜された膜はそれぞれＭｇＦ２とＬａＦ３の化学量論比を満たすことができず、フッ素欠陥の膜になってしまう。また逆に、これ以上フッ素を増やしていくと、スパッタリングガスのＡｒの流量に対して、反応性ガスＦ２の流量が増えてしまい、ガス分離性が悪化し、その結果（１）ターゲット１１近傍のＦイオンの量が増えてしまう。質量の大きい負イオンは冷却ボックス６に装備された磁石のマグネトロンではほとんど軌道を曲げることができないため、数百Ｖのシースにより加速されたＦ−イオンがＣａＦ２基材に入射して、基材や膜にダメージを与える原因となる。
【００２６】
さらにまた（２）ターゲット１１表面がフッ化されて絶縁物のフッ化物を形成してしまう。そうすると、この絶縁物がチャージアップされ、それがイオンや電子によって絶縁破壊されて異常放電が起こる。異常放電が発生すると膜中に異物が混入し、表面の粗い膜になる。その対策として、数ｋＨｚ程度の交流を直流に電圧に重畳するとチャージキャンセルし、異常放電を防ぐことができる。しかし重畳する周波数を上げすぎると、基材セルフバイアス電圧が発生してしまい、今度はプラズマ中の陽イオンがＣａＦ２基材に入射しダメージを与えてしまうことがわかった。ダメージをなくすには２０ｋＨｚ以下の周波数の電圧を重畳する必要がある。またＭｇＦ２を成膜する際にはＨ２を流入した方が良い。Ｍｇはゲッターとして用いられるように、スパッタされたＭｇは成膜室１の残留水分等に起因するＨ２Ｏ、Ｏ２等の気体分子と反応・結合してＭｇＯなどの形で基材に成膜されやすい。ＭｇＯは真空紫外領域で大きな吸収を持つため、ＭｇＯが取り込まれたＭｇＦ２は膜吸収が大きくなってしまう。そこでＨ２を加えると水素ラジカル等の活性水素による還元反応によりＭｇＯの生成を抑える効果が生まれ、低吸収なＭｇＦ２を成膜することができる。
【００２７】
次にこの状態のまま直流電源１０で確認されるターゲット電圧が安定するまで待つ。この間にターゲット１１中心を貫く法線５０と曲率をもった基材面２０とが直交するように前記ターゲット１１と前記基材２１を正対に配置しておく。この時基材ホルダー３は自転させない。ターゲット電圧が安定したら遮蔽板１３を開いて成膜を開始する。このときのターゲット電圧は、ＬａＦ３成膜の際は３３０Ｖ程度、ＭｇＦ２成膜の際は３２０Ｖ程度であった。その後、ＣａＦ２基材上に成膜されたＬａＦ３単層膜またはＭｇＦ２単層膜の分光特性を分光光度計（不図示）により測定し、基材面２０内の膜厚分布を算出する。この結果からターゲット１１中心を貫く法線５０と基材面２０の交点からの距離ｘの関数（膜厚関数）を決定する。
【００２８】
以下、回転対称なＭＧＦ２単層膜を成膜する場合について述べる。膜厚関数は図４に示す多項式関数で表現できた。外径３００ｍｍの基材２１に成膜する回転対称な膜の所定の膜厚分布を、基材の面２０内を径方向に４０等分、周方向に４０等分し図７のように表しておく。この場合、基材面２０内で膜厚が一定であることが目標となる。次に基材２１の自転速度ω（ｔ）とターゲット１１の走査速度ｖ（ｔ）のモデル関数を与える。ターゲット１１の中心を貫く法線５０と曲率をもった基材面２０とが直交するように前記ターゲット１１と前記基材２１を正対に配置する。その正対位置関係と前記ターゲット１１と前記基材２１の距離を一定にしたまま前記基材２１の中心から外周にかけて走査させて成膜する場合を想定して、次のように設定した。基材２１の自転速度ω（ｔ）のモデル関数は１回転内で速度分布を持たせ、それを繰り返す周期関数とした。成膜開始時間Ｔ０から成膜終了時間Ｔ１までの時間をＴ（＝Ｔ１−Ｔ０）、その間のレンズ自転回数をＵとして、1回転あたりの時間Ｔ／Ｕを８分割し、Δｔ１，Δｔ２，・・・，Δｔ８とした。時間Δｔ１，Δｔ２，・・・，Δｔ８の際の基材２１の自転速度を、各々ω１，ω２，・・，ω８とした。次にターゲット走査速度ｖ（ｔ）は、成膜開始時間Ｔ０から成膜終了時間Ｔ１までの時間Ｔ（＝Ｔ１−Ｔ０）の間を８分割し、Δｕ１，Δｕ２，・・・，Δｕ８とした。時間Δｕ１，Δｕ２，・・・，Δｕ８の際のターゲット走査速度を、Ｔ時間に回転する距離が１８０ｍｍになるという関係のもと、各々ｖ１，ｖ２，・・・，ｖ８とした。これらΔｔ１〜Δｔ８、ω１〜ω８、Δｕ１〜Δｕ８、ｖ１〜ｖ８を未知数として［式１］に代入し、所定の膜厚分布図７として注目しているレンズ面内の４０×４０個の点について連立方程式を立てる。そして４０×４０個の点について「積分計算（算出された膜厚）−所定の膜厚」の２乗が最小になるように未知数を決定した。具体的な未知数の計算結果は図８のようになった。またこの条件をもとに実際にＭｇＦ２を成膜した実験結果は図９のようになった。所定の膜厚分布とのズレは数％程度であった。
【００２９】
次に、本発明の実施形態２について述べる。実施形態１の回転対称の例と異なり、非回転対称なＭｇＦ２単層膜を成膜する例について説明する。膜厚関数は、同じく図４に示す多項式関数で表現できる。外径３００ｍｍの基材２１に成膜する非回転対称な膜の所定の膜厚分布を、基材の面２０内を径方向に４０等分、周方向に４０等分し図１０のように表しておく。次に基材２１の自転速度ω（ｔ）とターゲット１１の走査速度ｖ（ｔ）のモデル関数を与える。ターゲット１１の中心を貫く法線５０と曲率をもった基材面２０とが直交するように前記ターゲット１１と前記基材２１を正対に配置する。その正対位置関係と前記ターゲット１１と前記基材の距離を一定にしたまま前記基材２１の中心から外周にかけて走査させて成膜する場合を想定して、次のように設定した。基材２１の自転速度ω（ｔ）のモデル関数は１回転内で速度分布を持たせ、それを繰り返す周期関数とした。成膜開始時間Ｔ０から成膜終了時間Ｔ１までの時間をＴ（＝Ｔ１−Ｔ０）、その間のレンズ自転回数をＵとする。１回転あたりの時間Ｔ／Ｕを８分割し、Δｔ１，Δｔ２，・・・，Δｔ８とし、時間Δｔ１，Δｔ２，・・・，Δｔ８の際の基材２１の自転速度を、各々ω１，ω２，・・・，ω８とした。次にターゲット１１の走査速度ｖ（ｔ）は、成膜開始時間Ｔ０から成膜終了時間Ｔ１までの時間Ｔ（＝Ｔ１−Ｔ０）の間を８分割し、Δｕ１，Δｕ２，・・・，Δｕ８とした。時間Δｕ１，Δｕ２，・・・，Δｕ８の際のターゲット走査速度を、Ｔ時間に回転する距離が１８０ｍｍになるという関係のもと、各々ｖ１，ｖ２，・・・，ｖ８とした。これらΔｔ１〜Δｔ８、ω１〜ω８、Δｕ１〜Δｕ８、ｖ１〜ｖ８を未知数として[式１]に代入し、所定の膜厚分布 図１０として注目しているレンズ面内の４０×４０個の点について連立方程式を立てる。そして４０×４０個の点について「積分計算（算出された膜厚）−所定の膜厚」の２乗が最小になるように未知数を決定した。具体的な未知数の計算結果は図１１のようになった。またこの条件をもとに実際にＭｇＦ２を成膜した実験結果は図１２のようになった。所定の膜厚分布とのズレは数％程度であった。
【００３０】
次に、本発明の実施形態３のマスク効果の例について述べる。ＬａＦ３単層膜を成膜した場合の基材面２０内の膜厚分布と屈折率分布について、図１３にマスクを使用時と未使用時での違いを示す。マスクの開口形状はφ７２ｍｍの円形である。φマスクを使用することで、屈折率の不均一度（＝（（最大値）−（最小値））／（（最大値）＋（最小値）））は１．８４％から１．０９％に向上した。
【符号の説明】
【００３１】
１１ ターゲット
５０ ターゲットの中心を貫く法線
２０ 基材面
２１ 基材
２２ 基材の中心
２３ 基材の外周
１００ 成膜装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタリング法を用いて基材に薄膜を形成する成膜装置において、
スパッタ粒子を放出するターゲットの中心を貫く法線と前記基材の表面とが直交するように前記ターゲットと前記基材とを配置し、前記ターゲットと前記基材の表面との距離を一定にしたまま、前記ターゲットと前記基材とを相対的に移動させて、前記基材に薄膜を形成することを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記基材の中心と外周との間で、前記ターゲットを前記基材に対して移動させて、前記基材に薄膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記基材の表面は、球面であることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記ターゲットは、前記ターゲットの中心を貫く法線に対して回転対称な構造を持つことを特徴とする請求項1〜３のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項５】
前記基材を保持する基材ホルダーを有し、
前記基材ホルダーは、前記基材の表面の中心を貫く法線を回転軸として前記基材を自転させることを特徴とする請求項1〜４のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項６】
前記ターゲットの前記基材に対する相対速度および前記基材の自転速度に、膜厚分布と相関がある分布を持たせることを特徴とする請求項５に記載の成膜装置。
【請求項７】
前記ターゲットと前記基材の間に配置されており、前記ターゲットの中心を貫く法線に対して回転対称な開口が設けられたマスクユニットを有することを特徴とする請求項1〜６のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項８】
スパッタリング法を用いて基材に薄膜を形成する成膜方法において、
スパッタ粒子を放出するターゲットの中心を貫く法線と前記基材の表面とが直交するように前記ターゲットと前記基材とを配置し、前記ターゲットと前記基材の表面との距離を一定にしたまま、前記ターゲットと前記基材とを相対的に移動させて、前記基材に薄膜を形成することを特徴とする成膜方法。
【請求項１】
スパッタリング法を用いて基材に薄膜を形成する成膜装置において、
スパッタ粒子を放出するターゲットの中心を貫く法線と前記基材の表面とが直交するように前記ターゲットと前記基材とを配置し、前記ターゲットと前記基材の表面との距離を一定にしたまま、前記ターゲットと前記基材とを相対的に移動させて、前記基材に薄膜を形成することを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記基材の中心と外周との間で、前記ターゲットを前記基材に対して移動させて、前記基材に薄膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記基材の表面は、球面であることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記ターゲットは、前記ターゲットの中心を貫く法線に対して回転対称な構造を持つことを特徴とする請求項1〜３のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項５】
前記基材を保持する基材ホルダーを有し、
前記基材ホルダーは、前記基材の表面の中心を貫く法線を回転軸として前記基材を自転させることを特徴とする請求項1〜４のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項６】
前記ターゲットの前記基材に対する相対速度および前記基材の自転速度に、膜厚分布と相関がある分布を持たせることを特徴とする請求項５に記載の成膜装置。
【請求項７】
前記ターゲットと前記基材の間に配置されており、前記ターゲットの中心を貫く法線に対して回転対称な開口が設けられたマスクユニットを有することを特徴とする請求項1〜６のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項８】
スパッタリング法を用いて基材に薄膜を形成する成膜方法において、
スパッタ粒子を放出するターゲットの中心を貫く法線と前記基材の表面とが直交するように前記ターゲットと前記基材とを配置し、前記ターゲットと前記基材の表面との距離を一定にしたまま、前記ターゲットと前記基材とを相対的に移動させて、前記基材に薄膜を形成することを特徴とする成膜方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−２４８５９４（Ｐ２０１０−２４８５９４Ａ）
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０１４７３（Ｐ２００９−１０１４７３）
【出願日】平成２１年４月１７日（２００９．４．１７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１７日（２００９．４．１７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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