薄膜形成方法、マスク及びそのマスクを備えた薄膜形成装置
【課題】 単純な開口形状を有するマスクを用いて、短時間で所望の膜厚分布を有する薄膜を形成することができる新規な薄膜形成方法、並びに、この方法で用いるマスク及びそのマスクを用いた薄膜形成装置を提供する。
【解決手段】 本発明に用いるマスクは、蒸発源から飛散する物質を通過させる開口部を複数の同一形状の開口部に分割して有している。このように開口部が複数の開口部に分割されているので、個々の開口部の面積を一層小さくすることができ、これにより、開口部を通過する物質の分布を一層均一にすることができる。また、分割された複数の開口部を基板の相対移動方法に配列させているので、蒸着効率を低下させることなく所望の膜厚分布の薄膜を形成することができる。
【解決手段】 本発明に用いるマスクは、蒸発源から飛散する物質を通過させる開口部を複数の同一形状の開口部に分割して有している。このように開口部が複数の開口部に分割されているので、個々の開口部の面積を一層小さくすることができ、これにより、開口部を通過する物質の分布を一層均一にすることができる。また、分割された複数の開口部を基板の相対移動方法に配列させているので、蒸着効率を低下させることなく所望の膜厚分布の薄膜を形成することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に所定の膜厚分布を有する薄膜を形成する方法、薄膜形成に用いるマスク及びそのマスクを備えた薄膜形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信におけるトラフィックの増大に伴い、可変光減衰器（ＶＯＡ：Variable Optical Attenuator）等の光量を任意に変化させる光学機器や高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ：Dense Wavelength Division Multiplexing）による通信技術等を用いて一本の光ファイバーに複数の波長の光信号を重ねて送信し、通信網における通信容量を増大させるような光通信機器の需要が拡大している。
【０００３】
可変光減衰器（ＶＯＡ）のような光学機器では、多くの場合、所定の光透過率分布を有する光学フィルタをモーター等の駆動手段を用いて駆動させて光量の調節を行っている。このような光学フィルタは、光学ガラス、光学フィルム等の透明基板上に、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｂ等の金属材料及びこれらの合金、並びに酸化物、窒化物等からなる薄膜を、所定の光透過率分布、例えば、一定方向に連続的な濃度勾配が生じるように形成することによって実現される。また、ＤＷＤＭ通信技術を用いた機器では、高精度に膜厚を制御した薄膜を透明基板上に積層光学フィルタを用いて光の分波を行っている。このような光学フィルタを大量生産するには、比較的広い領域に渡って高精度に膜厚を制御する必要がある。
【０００４】
これらの光学機器に必要とされる光学フィルタは、光学機器メーカー毎に仕様が大きく異なり汎用性がない。このため、光学フィルタメーカーは、各光学機器メーカーの仕様に応じて、さらには光学機器の機種に応じて光学フィルタを製造する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、薄膜を形成する方法としては、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法等の蒸着法（ベーパーディポジション法）が用いられる。これらの方法で光学フィルタ用薄膜を形成するには、通常、蒸着源やスパッタターゲット等の原料蒸発源と基板との間に開口部を有するマスクを設置する。この開口部は、蒸着あるいは飛散した原子または分子の通過量を規制し、それにより、基板上に形成される薄膜の膜厚を調整している。光学フィルタの薄膜に特定の膜厚分布を持たせるには、マスクの開口部の形状を非線形的に且つ精密に調整する必要がある。このようなマスクの開口部形状は、次のようにして決定される。まず、標準的な形状（例えば、矩形状）の開口部を有するマスクを用いて実際に成膜し、その膜厚分布を測定した後、所望の膜厚分布が得られるようにマスク開口部の形状に加工する（具体的には、開口部を部分的にカッティングする）。このような成膜−測定−加工の工程を繰り返し行うことによって、最適な開口部の形状が求められる。こうして得られたマスクの開口部は非常に複雑な形状となり、マスクの作製にかなりの手間と時間を要していた。
【０００６】
ところで、発明者の研究によると、蒸着等によって開口部を通過して基板上に堆積した原子または分子の分布は基板上の部位によって異なり、一般に蒸発源に近い程、蒸着物の密度が高くなる。即ち、蒸発源に近い程、形成される薄膜の膜厚も厚くなる。このような蒸着源と基板との相対位置に起因する膜厚の不均一性は、所望の膜厚分布の制御を一層複雑化していた。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、単純な開口形状を有するマスクを用いて、短時間で所望の膜厚分布を有する薄膜を形成することができる新規な薄膜形成方法、並びに、この方法で用いるマスク及びそのマスクを用いた薄膜形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様に従えば、蒸発源からの物質で基板上に薄膜を形成する方法であって、
前記蒸発源と基板との間に、複数の開口部が設けられたマスクを配置することと；
前記蒸発源から物質を基板に向けて飛散させながら、前記基板を蒸発源に相対的に移動することと；を含み、
前記複数の開口部が同一形状であり且つ基板の相対移動方向に配列していることを特徴とする薄膜形成方法が提供される。
【０００９】
本発明に用いるマスクは、蒸発源から飛散する物質を通過させる開口部を複数の同一形状の開口部に分割して有している。このように開口部が複数の開口部に分割されているので、個々の開口部の面積を一層小さくすることができ、これにより、開口部を通過する物質の分布（「蒸気分布」ともいう）を一層均一にすることができる。また、分割された複数の開口部を基板の相対移動方向に配列させているので、蒸着効率を低下させることなく所望の膜厚分布の薄膜を形成することができる。膜厚分布は、分割された個々の開口部を所定の形状に変形させることで適宜調整することが可能となる。
【００１０】
本発明の薄膜形成方法では、前記蒸発源から前記マスクまでの距離をｈとし、マスク上の前記蒸発源の中心の直上位置から前記開口部の最も遠い端部までの距離をａとし、前記開口部の前記基板の相対移動方向の最大幅をｂとし、前記開口部内での前記基板上に形成された薄膜の膜厚のばらつきの許容値をδとしたときに、下記式：
【数３】
を満足し得る。
【００１１】
図５に示すように、気相中で蒸発源Ｂ上に基板９を水平に設置した場合に、蒸発源２から蒸発して基板９に飛来する蒸気の密度は、一般に、蒸発源Ｂから基板９へ入射する蒸気の入射角（蒸発源の中心から基板に対して垂直となる方向を０°とする）をθ、蒸発源直上（即ち、入射角０°の位置）の基板上の位置Ｐθに堆積した蒸発物質の厚さ（膜厚）をｔ０、蒸気の入射角θとなる基板上の位置Ｐθにおける蒸発物質の厚さ（膜厚）をｔとすると、
ｔ／ｔ０＝cosｎθ …（２）
の関係が成り立つことが知られている。なお、図５では、蒸発源Ｂを説明上点源として表している。式（２）中、ｎの値は使用する装置によって異なり、装置毎に実験によって求められる。このｎの値について、発明者等が実験を通じて検証した結果、殆どの装置では、ｎ＝５以下になることが分かった。ｎの次数が大きい程、堆積した蒸発物質の膜厚に大きな分布が生じ、ｔ／ｔ０が小さくなる。よって、多くの場合、ｎ＝５におけるｔ／ｔ０の値が最小値となる。ここで、ｎ＝５におけるｔ／ｔ０の値は１未満の値なので、この値が大きい程膜厚分布が均一であることになる。
【００１２】
ところで、所望の薄膜を形成する場合に、薄膜の膜厚のばらつきをできるだけ抑制したい。かかる膜厚のばらつきを薄膜の最小膜厚／最大膜厚（＝最大ばらつき率Ｕ）で定義し、その許容値をδとすると、
Ｕ≧δ …（３）
であることが要求される。δは薄膜の用途に応じて決定される値であり、例えば均一な膜厚を有する光学フィルターのうち、ＷＤＭ用薄膜フィルタの場合には、δが０．９９以上であることが好ましく、例えば、δ＝０．９９９７〜０．９９９９である。また、ＮＤフィルタの場合には、δが０．８０以上であることが好ましく、例えば、δ＝０．８０〜０．９５である。即ち、ｔ／ｔ０が許容（最小）値δより大きくなるような角度θＬを決定することにより、その角度θＬの範囲内では得られる膜の膜厚が許容範囲内になると考えられる。図５に示すように、このときの蒸発源Ｂから位置Ｐ０までの高さをｈとし、Ｐ０からθＬにより決定される位置ＰＬまでの距離をｂとする。本発明では、この距離ｂの範囲内で開口部の最大幅を決定し、この開口部を有するマスクを用いることで得られる薄膜の膜厚を許容範囲内にすることができる。実際には、蒸発源Ｂが点源ではなく、蒸発源の直上に開口部の中心が位置するとは限らないので、図１を参照しながらより一般化した条件を求めることとする。
【００１３】
図１に示すように、蒸発源からマスクまでの高さ（距離）をｈとし、マスク上の蒸発源の中心の直上位置から開口部の遠い側の端部までの距離をａとし、開口部の基板の相対移動方向の最大幅をｂとしたときに、これらｈ、ａ及びｂと上記式（２）の角度θ及びｔ／ｔ０との関係から、薄膜の膜厚分布のばらつきの許容値δについて、以下のようにして式（１）が得ることができる。なお、上記開口部の遠い側の端部の位置において基板上に堆積する蒸発物質の厚さ（膜厚）をｔ１とし、開口部の近い側の端部（開口部の遠い側の端部から基板の相対移動方向手前側に最大幅ｂを隔てた端部）の位置において基板上に堆積する蒸発物質の厚さ（膜厚）をｔ２とする。また、各位置における蒸気の入射角をそれぞれθ１及びθ２とする。
上記式（２）より、
ｔ１／ｔ０＝cos５θ１ …（４）
ｔ２／ｔ０＝cos５θ２ …（５）
が得られる。
上記の開口部の範囲内で、上記式（３）の関係を満たすためには、
δ≦ｔ１／ｔ２ …（６）
が成り立つことが要求される。
上記式（４）及び（５）並びに（６）より、
δ≦ｔ０×cos５θ１／ｔ０×cos５θ２ …（７）
即ち
δ≦cos５θ１／cos５θ２ …（７’）
を得ることができる。
θ１及びθ２は、それぞれ前述のａ、ｂ及びｈを使って
θ１＝tan-1（a/h） …（８）
θ２＝tan-1（(a-b)/h） …（９）
と表すことができる。これらの式（８）及び（９）を式（７’）に代入することにより、下記式（１）を得ることができる。
【数４】
【００１４】
本発明では、蒸発源の上方にマスクの開口部を配置できれば、蒸発源中心の直上からマスク開口部がずれて配置されている場合にも、上記式（１）を満たすことにより、その開口部内における膜厚分布は許容範囲内であると見ることができる。従って、上記式（１）を満たすように開口部の大きさ（具体的には、開口部の基板の相対移動方向の最大幅ｂ）を決定することにより、多くの成膜装置でマスクの調整作業を要することなく、所望の膜厚分布を有する薄膜を形成することができる。
【００１５】
ところで、蒸気のようにマスクの開口部の寸法を決定すると、開口部の面積は極めて小さくなり、堆積効率が著しく低下することになる。そこで、本発明では、同一形状（寸法）の開口部を複数所定方向に配列させ、マスクに対して基板をその所定方向に相対移動させることにより堆積効率を向上させている。この場合、上記ｂの値を求めるために基準とする開口部は蒸発源から最も近い位置に存在する開口部とすることが好ましい。これは、蒸発源から最も近い開口部が最も堆積効率が高いからである。なお、マスク上の蒸発源の中心の直上位置から最も近い開口部以外の開口部についても、上記式（１）で求めた寸法の開口部を形成することにより、それらの開口部を通じて形成される膜厚分布もまたばらつきが許容限度内になるとみなしている。これは、全ての開口部について蒸発源からの角度を考慮して開口部毎に寸法を変更することはマスクの形状を複雑化するからであり、また、上記のようにして蒸発源に最も近い開口部を基準として求めたｂの値を蒸発源から最も離れた開口部に採用しても、膜厚のばらつきは許容範囲内に収まると考えられるからである。なお、本明細書において、「蒸発源から飛来（飛散）する」とは、蒸発源から物質を蒸発させる場合のみならず、蒸発源に微粒子またはプラズマを衝突させて蒸発源から物質を叩き出すまたはスパッタさせる場合も含む概念である。
【００１６】
本発明の薄膜形成方法では、前記開口部の形状が、基板の相対移動方向に対して一定の角度を有するような辺で規定されていることが好ましい。これにより、一定の方向に一定の割合で膜厚が変化するような薄膜を基板上に形成することができる。また、前記基板の移動方向が回転方向または直線方向であることが好ましい。さらに、前記薄膜形成方法が真空蒸着方法またはスパッタ法であることが好ましい。
【００１７】
本発明の第２の態様に従えば、蒸発源からの物質で基板上に薄膜を形成するときに用いるマスクであって、
同一形状で且つ所定方向に配列した複数の開口部を有し、
該開口部の形状が、前記所定方向に対して一定の角度を有するような辺で規定されていることを特徴とするマスクが提供される。本発明のマスクを用いることにより、基板上にある一定の膜厚変化を伴うような薄膜を形成することができる。
【００１８】
本発明のマスクでは、前記蒸発源から前記マスクまでの距離をｈとし、マスク上の前記蒸発源の中心の直上位置から前記開口部の最も遠い端部までの距離をａとし、前記開口部の前記基板の相対移動方向の最大幅をｂとし、前記開口部内での前記基板上に形成された薄膜の膜厚のばらつきの許容値をδとしたときに、下記式：
【数５】
を満足し得る。
【００１９】
本発明のマスクでは、一定の方向に一定の割合で膜厚が増加するような薄膜を形成する場合、前記マスクの開口部形状が扇形または三角形であることが好ましい。
【００２０】
本発明の第３の態様に従えば、蒸着法を用いて基板上に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
蒸発源と；
該蒸発源を蒸発させるための蒸発装置と；
本発明の第２の態様のマスクと；
前記蒸発源に対して基板を相対移動する駆動装置と；を備えることを特徴とする薄膜形成装置が提供される。
【００２１】
本発明の薄膜形成装置では、前記基板の相対移動方向が回転方向または直線方向であることが好ましい。また、前記蒸着法が真空蒸着法またはスパッタ法であることが好ましい。
【００２２】
本発明では、本発明の第１の態様の薄膜形成方法を用いて作製された光学素子が提供される。また、本発明では、本発明の第２の態様の薄膜形成装置を用いて作製された光学素子が提供される。これらの光学素子は、例えば、可変光減衰器用の光学フィルタに用いることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、基板上に所望の膜厚分布で薄膜を形成するためのマスクを容易に且つ短時間に作製できるので、そのような薄膜を有する光学素子を効率良く作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の薄膜形成方法の実施形態について、図を用いて説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００２５】
［第１実施形態］
本発明の第１の実施形態について、図１及び２を用いて説明する。本実施形態では、真空蒸着法を用いて基板上へ薄膜形成を行っている。薄膜形成に用いる真空蒸着装置の概略構成図を、図１に示す。本実施形態の真空蒸着装置１０は、主に、真空チャンバ１、ルツボ２、電子銃３、シャッター４、基板ホルダー５、回転駆動系６及びマスク７で構成されている。真空チャンバ１内の底面に、ルツボ２が設置されている。ルツボ２は、後述するマスク７に形成されている複数の開口部のうち、その配列の中央に位置する開口部の下方に位置するように設置されている。ルツボ２内には、蒸着源（蒸発源）としてＮｉからなる金属材料２０が充填されている。この金属材料２０は、その中心部分が最も高くなるように充填されている。ルツボ２の近傍には電子銃３が設置されており、ルツボ２内の金属材料２０を加熱するために用いられる。シャッター４は、ルツボ２の上方に設置されており、開閉動作の制御を行うことによって、蒸発した金属材料２０の基板上への成膜時間を調節することができる。基板ホルダー５は円板状部材であり、真空チャンバ１の上面に取り付けられた回転駆動系６の回転軸６６に吊り下げられるように支持されている。回転軸６６は、基板ホルダー５の中心に固定されており、基板ホルダー５は回転駆動系６によって回転される。基板ホルダー５の下面には、基板９が着脱可能に付けられており、回転駆動系６によって基板ホルダー５とともに基板９も回転軸６６の回りに回転する。基板５とシャッター４との間には、表面の一部に所定形状の開口部８が複数形成されたマスク７が設置されている。マスク７の複数の開口部８は、基板９の同一半径の周上、即ち、同一周上に配置されるように形成されている。なお、マスク７の開口部８の形状については後述する。また、真空チャンバの一方の側面には排気口が設けられており、常に一定の真空度が保たれるように試料から発生するアウトガス等を排気する。
【００２６】
基板上への成膜は、以下のようにして行う。まず、ルツボ２内の金属材料２０を電子銃３によって所定の温度に加熱すると、金属材料２０は溶融し蒸発する。シャッター４を開放すると、蒸発した金属材料２０は、マスク７に形成された開口部８を通過して基板９上に堆積する。このとき、基板９は前述の回転駆動系６によって回転しているので、各開口部８を通過した金属材料２０の蒸気が基板９上に順次堆積する。
【００２７】
ここで、所望の膜厚分布が生じるように成膜を行うために、以下の式（１）の条件を満たすように、マスク７に設けられた開口部８の最大幅が決定されている。ここで、薄膜の膜厚のばらつき許容値δとは、実際に成膜された薄膜の厚さのばらつきの許容限界を表わし、ここではある領域に均一な膜厚の薄膜の形成を試みた場合に、その領域に形成された膜の最大厚さに対する最小厚さの比で定義することとする。従って、δが１であれば膜厚のばらつきは生じておらず、δが小さい程、膜厚のばらつきが大きいことになる。式（１）において、図１に示すように、ｈはルツボ２に充填された金属材料２０の最上部（中心点）とマスク７までの高さ（距離）を示し、ａはマスク７上の蒸発源の中心点の直上位置から開口部８の最も遠い側の端部までの距離を示し、ｂはマスク７に設けられた開口部８の基板９の相対移動方向の最大幅を示している。
【００２８】
【数６】
【００２９】
［マスクの開口部形状］
一定の方向に連続的に膜厚が増加するような膜厚分布を伴う薄膜を形成するためのマスクの開口部は、以下のように形成し得る。図２（ａ）に示すように、マスク７には複数の扇形状の開口部８がマスクの同一半径位置の周上に配列するように形成されている。各開口部８は、扇形の弧の中心と扇形を画成する２辺に囲まれた頂点部分（以下、単に「頂点部分」と略す）とを結ぶ線がマスク７の中心７’を通る直線上、即ちマスクの直径上に配置される。即ち、各開口部８は、扇形の頂点部分がマスク７の中心７’に向くように配置されている。開口部８の頂点部分から扇形の弧の中心までの距離ｃは、基板上に形成する薄膜における膜厚変化方向の幅に相当する。また、開口部８のマスク半径方向に直交する方向（接線方向）の幅ｂは、開口部８の頂点部分からマスク外周に近づく程、直線的に連続して増大する。なお、基板を回転させた場合に、基板は回転中心から離れる程（即ち、外周に近づく程）、その位置における基板の移動速度（線速度）が速くなる。よって、基板の回転中心からの距離に応じて基板への金属材料の蒸着時間に差が生じる。そこで、この蒸着時間の差を考慮して、開口部８の形状（具体的には、上記接線方向の幅ｂ）を修正する。開口部形状の修正方法としては、マスク上の外側における任意の半径位置の半径をＲ、その開口部の接線方向の幅をＷとし、マスク上の内側における任意の半径位置の半径をｒ、その開口部の接線方向の幅をｗとしたとき、Ｒ／ｒ＝Ｗ／ｗを満たすように、即ち、開口部の内側から外側にかけて開口部８の幅ｂがさらに（Ｗ−ｗ）／（Ｒ−ｒ）の割合で増加するように開口部の幅ｂを決定する。即ち、形成する薄膜の膜厚変化にマスクの半径位置における修正分を加えた幅となるように、開口部の形状を決定する。このとき、修正後の幅ｂが上記式（１）の関係を満たすように決定する。なお、マスク上の開口部８の数は任意の複数の数にし得るが、蒸着効率を考慮すると多い方が望ましい。例えば、マスク１周に亘って開口部を形成することも可能である。また、蒸着源（蒸発源）から各開口部の距離に応じて前記式（１）に従って各開口部の形状（及び寸法）を調整してもよい。開口部の数は、形成する開口部の寸法やマスクの強度、製造コスト等を考慮して決定することが好ましい。また、開口部間の距離は、成膜効率を考慮して、できる限り短くすることが望ましい。
【００３０】
［第２実施形態］
次に、本発明の別実施形態について、図３及び４を用いて説明する。本実施形態では、第１実施形態の真空蒸着法の代わりにスパッタ法を用いて基板上に薄膜を形成する。また、本実施形態では基板を回転移動させる代わりに、基板を直線方向に移動させながら薄膜を形成する。図３に示すように、本実施形態で用いるスパッタ装置２０は、主に、真空チャンバ１１、インコネル（Ｎｉ：７８ｗｔ％，Ｃｒ：１５ｗｔ％，Ｆｅ：７ｗｔ％）からなるスパッタリングターゲット（蒸発源）１２、シャッター１３、直線駆動系（不図示）及びマスク１４で構成されている。スパッタリングターゲット１２は、真空チャンバ１１内の底面に設置されている。スパッタリングターゲット１２は、後述するマスク１４に形成されている複数の開口部のうち、その配列の中央に位置する開口部の下方に位置するように設置されている。シャッター１３は、スパッタリングターゲット１２の上方に設けられており、前記実施形態と同様に、開閉制御を行うことによって飛散したターゲット金属を基板上に成膜する時間を調節することができる。直線駆動系（不図示）は、例えばリニアモータによる駆動システムで構成され、基板１６を真空チャンバ１１内で水平方向に直線移動するために用いられる。マスク１４は、シャッター１３と基板１６との間に設けられており、その一部に複数の開口部１５を有している。開口部１５の形状については後述する。
【００３１】
基板上への成膜は、以下のようにして行う。まず、真空チャンバ１１にスパッタガスを導入し、不図示の電極を用いてスパッタガスを放電させる。スパッタリングターゲット１２に高周波電圧を印加して、スパッタガスでスパッタリングターゲット１２のターゲット金属を叩き出す（スパッタ）。スパッタされて飛散したターゲット金属は、シャッター１３の開放によりマスク１４に形成された開口部１５を通過して基板１６上に堆積する。このとき、基板１６は、前述の直線駆動系によってマスクに対して直線移動している状態で成膜が行われる。
【００３２】
［マスクの開口部形状］
本実施形態において、一定の方向に連続的に膜厚が増加するような膜厚分布を有するような成膜を行うためのマスクの開口部としては、以下のような形状にし得る。図４（ａ）に示すように、マスク１４には、二等辺三角形の開口部１５が基板の進行方向に沿って複数並んで形成されている。二等辺三角形の頂点（以下、単に「頂点部分」と略す）から底辺までの距離、即ち、二等辺三角形の高さｃは、形成する薄膜の膜厚変化方向における幅に相当する。また、開口部１５の基板移動方向の幅ｂは、開口部１５の頂点部分から底辺にかけて、直線的に連続して増大する。本実施形態では、第１実施形態と同様に、上記式（１）を満たすように開口部の最大幅ｂを決定する。なお、本実施形態では、基板の移動方向は直線方向であるので、開口部１５の頂点部分と底辺部分とでは基板の移動速度は変わらない。よって、第１実施形態で記載したような、基板の回転移動に起因する蒸発物質の蒸着時間の差を考慮して開口部の幅ｂを決定する必要はない。なお、第１実施形態と同様、マスク上の開口部１５の数は任意の複数の数にし得るが、蒸着効率を考慮すると多い方が望ましい。また、蒸着源（蒸発源）から各開口部の距離に応じて、前記式（１）に従って各開口部の形状（及び寸法）を調整してもよい。開口部の数は、形成する開口部の寸法やマスクの強度、製造コスト等を考慮して決定することが好ましい。また、開口部間の距離は、成膜効率を考慮して、できる限り短くすることが望ましい。
【００３３】
第１実施形態の真空蒸着装置では基板を回転させることによって成膜を行ったが、第２実施形態のように基板を直線方向に移動しながら成膜を行ってもよい。また、第２実施形態のスパッタ装置では基板を直線方向に移動させることによって成膜を行ったが、第１実施形態のように基板を回転させながら成膜を行ってもよい。
【００３４】
また、上記実施形態では、マスク開口部の形状を基板の移動方向に合わせて三角形または扇形にすることによって、基板上に一定方向に連続的に膜厚が変化するような薄膜を形成したが、例えば、直線方向に基板を移動して成膜する場合には、マスク開口部の形状を基板の移動方向に合わせて矩形または対向する一部分に弧を有するような略矩形にすることによって均一な膜厚分布を有する薄膜を形成することができる。なお、基板を回転方向に移動しながら均一な膜圧分布で成膜する場合には、第１実施形態と同様に、基板の回転移動における内外周の移動速度の差を考慮して、マスク開口部の形状を修正することが好ましい。
【００３５】
以下に、前記実施形態に示した成膜方法を用いて、可変ＮＤフィルタを作製した実施例について説明する。
【実施例１】
【００３６】
実施例１では、成膜装置として第１実施形態で説明した真空蒸着装置を用いるとともに、上述の図２（ａ）に示したような、開口部８の形状が扇形である円形マスク７を用いて成膜を行い、可変ＮＤフィルタを作製した。蒸着源中心位置の直上のマスク７上の位置から最も近い開口部８の遠い側の端部までの距離ａ＝１５０ｍｍ、開口部８の基板の移動方向（接線方向）における最大幅（以下、単に「最大幅」という）ｂ＝３０ｍｍ、蒸着源からマスク７までの高さ（距離）ｈ＝５００ｍｍ、開口部内における成膜された膜の膜厚のばらつき許容値δ＝０．９とした。また、マスク７上に設けられた開口部８のマスク半径方向の幅（長さ）ｃ＝１０ｍｍとし、マスク７上に形成した開口部８の数は１５個とした。なお、真空蒸着装置内における基板の回転数は３０ｒｐｍとした。また、真空蒸着装置内の真空チャンバ内の圧力は１．０×１０−３Ｐａとした。
【００３７】
比較例１
比較例１では、図２（ｂ）に示すように、マスク７上に形成された開口部８の最大幅ｂを６０ｍｍとし且つ開口部８の数を９個としたマスク７を用いて成膜を行った以外は、実施例１と同様にして可変ＮＤフィルタを作製した。
【００３８】
比較例２
比較例２では、以下のようにして作製した開口部が一つのマスクを用いて成膜を行い、可変ＮＤフィルタを作製した以外は、実施例１と同様にして可変ＮＤフィルタを作製した。まず、真空蒸着装置を用いてマスクが無い状態で基板上に成膜する。このときの蒸気分布を調査し、その蒸気分布から所望の膜厚分布が得られるような開口部形状を有するマスクを作製する。更に、そのマスクを用いて成膜を行い、得られた膜厚分布に基づいてマスク開口部形状の再加工（カッティング）を行う。所望の膜厚分布が得られるまで、上記のようなマスク開口部形状の微調整作業を繰り返すことにより、図２（ｃ）に示すような、開口部８の形状が複雑なマスク７が得られる。得られたマスク７を用いて成膜して、成膜された薄膜の膜厚を電子顕微鏡を用いて測定した。
【実施例２】
【００３９】
実施例２では、成膜装置として第２実施形態で用いたスパッタ装置を用いるとともに、図４（ａ）に示したような開口部の形状が二等辺三角形である矩形マスクを用いて成膜を行い、可変ＮＤフィルタを作製した。スパッタリングターゲットの中心位置の直上のマスク上の位置から最も近い開口部の遠い側の端部までの距離ａ＝１４０ｍｍ、開口部の基板の移動方向における開口部の最大幅（以下、単に「最大幅」という）ｂ＝１５ｍｍ、スパッタリングターゲットからマスクまでの高さ（距離）ｈ＝３００ｍｍ、開口部内における成膜された膜の膜厚のばらつき許容値δ＝０．９とした。また、マスク上に設けられた開口部の基板移動方向に直行する方向の幅（長さ）ｃ＝１０ｍｍとし、マスク上に形成された開口部の数は１４個とした。なお、スパッタ装置内における基板の移動速度は１ｍ／ｈｏｕｒとした。また、スパッタ装置内の真空チャンバ内の圧力は１０Ｐａとした。
【００４０】
比較例３
比較例３では、図４（ｂ）に示すように、マスク上に形成された開口部の最大幅ｂを３０ｍｍとし且つ開口部の数を１０個としたマスクを用いて成膜を行った以外は、実施例２と同様にして可変ＮＤフィルタを作製した。
【００４１】
比較例４
比較例４では、以下のようにして作製した開口部が一つのマスクを用いて成膜を行い、可変ＮＤフィルタを作製した以外は、実施例２と同様にして可変ＮＤフィルタを作製した。まず、スパッタ装置を用いてマスクが無い状態で基板上に成膜する。このときの蒸気分布を調査し、その蒸気分布から所望の膜厚分布が得られるような開口部形状を有するマスクを作製する。更に、そのマスクを用いて成膜を行い、得られた膜厚分布に基づいてマスク開口部形状の再加工（カッティング）を行う。所望の膜厚分布が得られるまで、上記のようなマスク開口部形状の微調整作業を繰り返すことにより、図４（ｃ）に示すような、開口部１５の形状が複雑なマスク１４が得られる。得られたマスク１４を用いて成膜して、成膜された薄膜の膜厚を電子顕微鏡を用いて測定した。
【００４２】
こうして得られた各実施例及び比較例において得られた可変ＮＤフィルタの最大ばらつき率Ｕを、表１に示す。ここで、最大ばらつき率Ｕは、成膜した薄膜の最小膜厚と最大膜厚との比（最小膜厚／最大膜厚）で定義される。前記式（３）で示したように、Ｕは膜厚のばらつきの許容値以上であることが要求される。また、各実施例及び比較例におけるマスク作製及び最終成膜処理に要した時間を、表１に併せて示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
表１から明らかなように、実施例１ではマスク作製の際に蒸気分布測定やマスク形状の補正を行う必要がないので、マスク作製に要する時間、ひいては可変ＮＤフィルタの作製に要する時間が短い。また、得られた可変ＮＤフィルタの最大ばらつき率Ｕの値は膜厚のばらつき許容値δよりも高い値を示しており、所望の値を満たしていることが分かる。
【００４５】
一方、比較例１では、実施例１同様、可変ＮＤフィルタの作製に要する時間が短いものの、得られた可変ＮＤフィルタの最大ばらつき率Ｕの値は膜厚のばらつき許容値δよりも低い値であり、所望の値を満たしていない。また、比較例２では、実施例１同様、得られた可変ＮＤフィルタの最大ばらつき率Ｕの値が膜厚のばらつき許容値δよりも高い値を示しており、所望の値を満たしているが、所望の開口部形状を有するマスクの作製に長い時間を要する。
【００４６】
また、表１から明らかなように、実施例２ではマスク作製の際に蒸気分布測定やマスク形状の補正を行う必要がないので、マスク作製に要する時間、ひいて可変ＮＤフィルタの作製に要する時間が短い。また、得られた可変ＮＤフィルタの最大ばらつき率Ｕの値は膜厚のばらつき許容値δよりも高い値を示しており、所望の値を満たしていることが分かる。
【００４７】
一方、比較例３では、実施例２同様、可変ＮＤフィルタの作製に要する時間が短いものの、得られた可変ＮＤフィルタの最大ばらつき率Ｕの値は膜厚のばらつき許容値δよりも低い値であり、所望の値を満たしていない。また、比較例４では、実施例２同様、得られた可変ＮＤフィルタの最大ばらつき率Ｕの値が膜厚のばらつき許容値δよりも高い値を示しており、所望の値を満たしているが、所望の開口部形状を有するマスクの作製に長い時間を要する。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の薄膜の成膜方法及び成膜装置を用いることにより、可変ＮＤフィルタ等の光学素子の製造におけるスループットを向上させることができるので、特に製造コスト面で有利となる。また、本発明の薄膜の成膜方法及び成膜装置は、光学通信機器以外の分野において薄膜の膜厚制御を行うような、例えば、記録媒体、電子素子、画像表示素子等の分野における製品の製造に用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１実施形態における真空蒸着装置の概略構成図である。
【図２】本発明の真空蒸着装置に用いたマスクの概略図である。
【図３】本発明の第２実施形態におけるスパッタ装置の概略構成図である。
【図４】本発明のスパッタ装置に用いたマスクの概略図である。
【図５】蒸気分布が均一な範囲について説明するための概略図である。
【符号の説明】
【００５０】
１，１１ 真空チャンバ
２ ルツボ
３ 電子銃
４，１３ シャッター
５ 基板ステージ
６ 回転駆動系
７，１４ マスク
７’ マスク中心
８，１５ 開口部
９，１６ 基板
１０ 真空蒸着装置
１２ スパッタリングターゲット
２０ スパッタ装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に所定の膜厚分布を有する薄膜を形成する方法、薄膜形成に用いるマスク及びそのマスクを備えた薄膜形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信におけるトラフィックの増大に伴い、可変光減衰器（ＶＯＡ：Variable Optical Attenuator）等の光量を任意に変化させる光学機器や高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ：Dense Wavelength Division Multiplexing）による通信技術等を用いて一本の光ファイバーに複数の波長の光信号を重ねて送信し、通信網における通信容量を増大させるような光通信機器の需要が拡大している。
【０００３】
可変光減衰器（ＶＯＡ）のような光学機器では、多くの場合、所定の光透過率分布を有する光学フィルタをモーター等の駆動手段を用いて駆動させて光量の調節を行っている。このような光学フィルタは、光学ガラス、光学フィルム等の透明基板上に、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｂ等の金属材料及びこれらの合金、並びに酸化物、窒化物等からなる薄膜を、所定の光透過率分布、例えば、一定方向に連続的な濃度勾配が生じるように形成することによって実現される。また、ＤＷＤＭ通信技術を用いた機器では、高精度に膜厚を制御した薄膜を透明基板上に積層光学フィルタを用いて光の分波を行っている。このような光学フィルタを大量生産するには、比較的広い領域に渡って高精度に膜厚を制御する必要がある。
【０００４】
これらの光学機器に必要とされる光学フィルタは、光学機器メーカー毎に仕様が大きく異なり汎用性がない。このため、光学フィルタメーカーは、各光学機器メーカーの仕様に応じて、さらには光学機器の機種に応じて光学フィルタを製造する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、薄膜を形成する方法としては、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法等の蒸着法（ベーパーディポジション法）が用いられる。これらの方法で光学フィルタ用薄膜を形成するには、通常、蒸着源やスパッタターゲット等の原料蒸発源と基板との間に開口部を有するマスクを設置する。この開口部は、蒸着あるいは飛散した原子または分子の通過量を規制し、それにより、基板上に形成される薄膜の膜厚を調整している。光学フィルタの薄膜に特定の膜厚分布を持たせるには、マスクの開口部の形状を非線形的に且つ精密に調整する必要がある。このようなマスクの開口部形状は、次のようにして決定される。まず、標準的な形状（例えば、矩形状）の開口部を有するマスクを用いて実際に成膜し、その膜厚分布を測定した後、所望の膜厚分布が得られるようにマスク開口部の形状に加工する（具体的には、開口部を部分的にカッティングする）。このような成膜−測定−加工の工程を繰り返し行うことによって、最適な開口部の形状が求められる。こうして得られたマスクの開口部は非常に複雑な形状となり、マスクの作製にかなりの手間と時間を要していた。
【０００６】
ところで、発明者の研究によると、蒸着等によって開口部を通過して基板上に堆積した原子または分子の分布は基板上の部位によって異なり、一般に蒸発源に近い程、蒸着物の密度が高くなる。即ち、蒸発源に近い程、形成される薄膜の膜厚も厚くなる。このような蒸着源と基板との相対位置に起因する膜厚の不均一性は、所望の膜厚分布の制御を一層複雑化していた。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、単純な開口形状を有するマスクを用いて、短時間で所望の膜厚分布を有する薄膜を形成することができる新規な薄膜形成方法、並びに、この方法で用いるマスク及びそのマスクを用いた薄膜形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様に従えば、蒸発源からの物質で基板上に薄膜を形成する方法であって、
前記蒸発源と基板との間に、複数の開口部が設けられたマスクを配置することと；
前記蒸発源から物質を基板に向けて飛散させながら、前記基板を蒸発源に相対的に移動することと；を含み、
前記複数の開口部が同一形状であり且つ基板の相対移動方向に配列していることを特徴とする薄膜形成方法が提供される。
【０００９】
本発明に用いるマスクは、蒸発源から飛散する物質を通過させる開口部を複数の同一形状の開口部に分割して有している。このように開口部が複数の開口部に分割されているので、個々の開口部の面積を一層小さくすることができ、これにより、開口部を通過する物質の分布（「蒸気分布」ともいう）を一層均一にすることができる。また、分割された複数の開口部を基板の相対移動方向に配列させているので、蒸着効率を低下させることなく所望の膜厚分布の薄膜を形成することができる。膜厚分布は、分割された個々の開口部を所定の形状に変形させることで適宜調整することが可能となる。
【００１０】
本発明の薄膜形成方法では、前記蒸発源から前記マスクまでの距離をｈとし、マスク上の前記蒸発源の中心の直上位置から前記開口部の最も遠い端部までの距離をａとし、前記開口部の前記基板の相対移動方向の最大幅をｂとし、前記開口部内での前記基板上に形成された薄膜の膜厚のばらつきの許容値をδとしたときに、下記式：
【数３】
を満足し得る。
【００１１】
図５に示すように、気相中で蒸発源Ｂ上に基板９を水平に設置した場合に、蒸発源２から蒸発して基板９に飛来する蒸気の密度は、一般に、蒸発源Ｂから基板９へ入射する蒸気の入射角（蒸発源の中心から基板に対して垂直となる方向を０°とする）をθ、蒸発源直上（即ち、入射角０°の位置）の基板上の位置Ｐθに堆積した蒸発物質の厚さ（膜厚）をｔ０、蒸気の入射角θとなる基板上の位置Ｐθにおける蒸発物質の厚さ（膜厚）をｔとすると、
ｔ／ｔ０＝cosｎθ …（２）
の関係が成り立つことが知られている。なお、図５では、蒸発源Ｂを説明上点源として表している。式（２）中、ｎの値は使用する装置によって異なり、装置毎に実験によって求められる。このｎの値について、発明者等が実験を通じて検証した結果、殆どの装置では、ｎ＝５以下になることが分かった。ｎの次数が大きい程、堆積した蒸発物質の膜厚に大きな分布が生じ、ｔ／ｔ０が小さくなる。よって、多くの場合、ｎ＝５におけるｔ／ｔ０の値が最小値となる。ここで、ｎ＝５におけるｔ／ｔ０の値は１未満の値なので、この値が大きい程膜厚分布が均一であることになる。
【００１２】
ところで、所望の薄膜を形成する場合に、薄膜の膜厚のばらつきをできるだけ抑制したい。かかる膜厚のばらつきを薄膜の最小膜厚／最大膜厚（＝最大ばらつき率Ｕ）で定義し、その許容値をδとすると、
Ｕ≧δ …（３）
であることが要求される。δは薄膜の用途に応じて決定される値であり、例えば均一な膜厚を有する光学フィルターのうち、ＷＤＭ用薄膜フィルタの場合には、δが０．９９以上であることが好ましく、例えば、δ＝０．９９９７〜０．９９９９である。また、ＮＤフィルタの場合には、δが０．８０以上であることが好ましく、例えば、δ＝０．８０〜０．９５である。即ち、ｔ／ｔ０が許容（最小）値δより大きくなるような角度θＬを決定することにより、その角度θＬの範囲内では得られる膜の膜厚が許容範囲内になると考えられる。図５に示すように、このときの蒸発源Ｂから位置Ｐ０までの高さをｈとし、Ｐ０からθＬにより決定される位置ＰＬまでの距離をｂとする。本発明では、この距離ｂの範囲内で開口部の最大幅を決定し、この開口部を有するマスクを用いることで得られる薄膜の膜厚を許容範囲内にすることができる。実際には、蒸発源Ｂが点源ではなく、蒸発源の直上に開口部の中心が位置するとは限らないので、図１を参照しながらより一般化した条件を求めることとする。
【００１３】
図１に示すように、蒸発源からマスクまでの高さ（距離）をｈとし、マスク上の蒸発源の中心の直上位置から開口部の遠い側の端部までの距離をａとし、開口部の基板の相対移動方向の最大幅をｂとしたときに、これらｈ、ａ及びｂと上記式（２）の角度θ及びｔ／ｔ０との関係から、薄膜の膜厚分布のばらつきの許容値δについて、以下のようにして式（１）が得ることができる。なお、上記開口部の遠い側の端部の位置において基板上に堆積する蒸発物質の厚さ（膜厚）をｔ１とし、開口部の近い側の端部（開口部の遠い側の端部から基板の相対移動方向手前側に最大幅ｂを隔てた端部）の位置において基板上に堆積する蒸発物質の厚さ（膜厚）をｔ２とする。また、各位置における蒸気の入射角をそれぞれθ１及びθ２とする。
上記式（２）より、
ｔ１／ｔ０＝cos５θ１ …（４）
ｔ２／ｔ０＝cos５θ２ …（５）
が得られる。
上記の開口部の範囲内で、上記式（３）の関係を満たすためには、
δ≦ｔ１／ｔ２ …（６）
が成り立つことが要求される。
上記式（４）及び（５）並びに（６）より、
δ≦ｔ０×cos５θ１／ｔ０×cos５θ２ …（７）
即ち
δ≦cos５θ１／cos５θ２ …（７’）
を得ることができる。
θ１及びθ２は、それぞれ前述のａ、ｂ及びｈを使って
θ１＝tan-1（a/h） …（８）
θ２＝tan-1（(a-b)/h） …（９）
と表すことができる。これらの式（８）及び（９）を式（７’）に代入することにより、下記式（１）を得ることができる。
【数４】
【００１４】
本発明では、蒸発源の上方にマスクの開口部を配置できれば、蒸発源中心の直上からマスク開口部がずれて配置されている場合にも、上記式（１）を満たすことにより、その開口部内における膜厚分布は許容範囲内であると見ることができる。従って、上記式（１）を満たすように開口部の大きさ（具体的には、開口部の基板の相対移動方向の最大幅ｂ）を決定することにより、多くの成膜装置でマスクの調整作業を要することなく、所望の膜厚分布を有する薄膜を形成することができる。
【００１５】
ところで、蒸気のようにマスクの開口部の寸法を決定すると、開口部の面積は極めて小さくなり、堆積効率が著しく低下することになる。そこで、本発明では、同一形状（寸法）の開口部を複数所定方向に配列させ、マスクに対して基板をその所定方向に相対移動させることにより堆積効率を向上させている。この場合、上記ｂの値を求めるために基準とする開口部は蒸発源から最も近い位置に存在する開口部とすることが好ましい。これは、蒸発源から最も近い開口部が最も堆積効率が高いからである。なお、マスク上の蒸発源の中心の直上位置から最も近い開口部以外の開口部についても、上記式（１）で求めた寸法の開口部を形成することにより、それらの開口部を通じて形成される膜厚分布もまたばらつきが許容限度内になるとみなしている。これは、全ての開口部について蒸発源からの角度を考慮して開口部毎に寸法を変更することはマスクの形状を複雑化するからであり、また、上記のようにして蒸発源に最も近い開口部を基準として求めたｂの値を蒸発源から最も離れた開口部に採用しても、膜厚のばらつきは許容範囲内に収まると考えられるからである。なお、本明細書において、「蒸発源から飛来（飛散）する」とは、蒸発源から物質を蒸発させる場合のみならず、蒸発源に微粒子またはプラズマを衝突させて蒸発源から物質を叩き出すまたはスパッタさせる場合も含む概念である。
【００１６】
本発明の薄膜形成方法では、前記開口部の形状が、基板の相対移動方向に対して一定の角度を有するような辺で規定されていることが好ましい。これにより、一定の方向に一定の割合で膜厚が変化するような薄膜を基板上に形成することができる。また、前記基板の移動方向が回転方向または直線方向であることが好ましい。さらに、前記薄膜形成方法が真空蒸着方法またはスパッタ法であることが好ましい。
【００１７】
本発明の第２の態様に従えば、蒸発源からの物質で基板上に薄膜を形成するときに用いるマスクであって、
同一形状で且つ所定方向に配列した複数の開口部を有し、
該開口部の形状が、前記所定方向に対して一定の角度を有するような辺で規定されていることを特徴とするマスクが提供される。本発明のマスクを用いることにより、基板上にある一定の膜厚変化を伴うような薄膜を形成することができる。
【００１８】
本発明のマスクでは、前記蒸発源から前記マスクまでの距離をｈとし、マスク上の前記蒸発源の中心の直上位置から前記開口部の最も遠い端部までの距離をａとし、前記開口部の前記基板の相対移動方向の最大幅をｂとし、前記開口部内での前記基板上に形成された薄膜の膜厚のばらつきの許容値をδとしたときに、下記式：
【数５】
を満足し得る。
【００１９】
本発明のマスクでは、一定の方向に一定の割合で膜厚が増加するような薄膜を形成する場合、前記マスクの開口部形状が扇形または三角形であることが好ましい。
【００２０】
本発明の第３の態様に従えば、蒸着法を用いて基板上に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
蒸発源と；
該蒸発源を蒸発させるための蒸発装置と；
本発明の第２の態様のマスクと；
前記蒸発源に対して基板を相対移動する駆動装置と；を備えることを特徴とする薄膜形成装置が提供される。
【００２１】
本発明の薄膜形成装置では、前記基板の相対移動方向が回転方向または直線方向であることが好ましい。また、前記蒸着法が真空蒸着法またはスパッタ法であることが好ましい。
【００２２】
本発明では、本発明の第１の態様の薄膜形成方法を用いて作製された光学素子が提供される。また、本発明では、本発明の第２の態様の薄膜形成装置を用いて作製された光学素子が提供される。これらの光学素子は、例えば、可変光減衰器用の光学フィルタに用いることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、基板上に所望の膜厚分布で薄膜を形成するためのマスクを容易に且つ短時間に作製できるので、そのような薄膜を有する光学素子を効率良く作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の薄膜形成方法の実施形態について、図を用いて説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００２５】
［第１実施形態］
本発明の第１の実施形態について、図１及び２を用いて説明する。本実施形態では、真空蒸着法を用いて基板上へ薄膜形成を行っている。薄膜形成に用いる真空蒸着装置の概略構成図を、図１に示す。本実施形態の真空蒸着装置１０は、主に、真空チャンバ１、ルツボ２、電子銃３、シャッター４、基板ホルダー５、回転駆動系６及びマスク７で構成されている。真空チャンバ１内の底面に、ルツボ２が設置されている。ルツボ２は、後述するマスク７に形成されている複数の開口部のうち、その配列の中央に位置する開口部の下方に位置するように設置されている。ルツボ２内には、蒸着源（蒸発源）としてＮｉからなる金属材料２０が充填されている。この金属材料２０は、その中心部分が最も高くなるように充填されている。ルツボ２の近傍には電子銃３が設置されており、ルツボ２内の金属材料２０を加熱するために用いられる。シャッター４は、ルツボ２の上方に設置されており、開閉動作の制御を行うことによって、蒸発した金属材料２０の基板上への成膜時間を調節することができる。基板ホルダー５は円板状部材であり、真空チャンバ１の上面に取り付けられた回転駆動系６の回転軸６６に吊り下げられるように支持されている。回転軸６６は、基板ホルダー５の中心に固定されており、基板ホルダー５は回転駆動系６によって回転される。基板ホルダー５の下面には、基板９が着脱可能に付けられており、回転駆動系６によって基板ホルダー５とともに基板９も回転軸６６の回りに回転する。基板５とシャッター４との間には、表面の一部に所定形状の開口部８が複数形成されたマスク７が設置されている。マスク７の複数の開口部８は、基板９の同一半径の周上、即ち、同一周上に配置されるように形成されている。なお、マスク７の開口部８の形状については後述する。また、真空チャンバの一方の側面には排気口が設けられており、常に一定の真空度が保たれるように試料から発生するアウトガス等を排気する。
【００２６】
基板上への成膜は、以下のようにして行う。まず、ルツボ２内の金属材料２０を電子銃３によって所定の温度に加熱すると、金属材料２０は溶融し蒸発する。シャッター４を開放すると、蒸発した金属材料２０は、マスク７に形成された開口部８を通過して基板９上に堆積する。このとき、基板９は前述の回転駆動系６によって回転しているので、各開口部８を通過した金属材料２０の蒸気が基板９上に順次堆積する。
【００２７】
ここで、所望の膜厚分布が生じるように成膜を行うために、以下の式（１）の条件を満たすように、マスク７に設けられた開口部８の最大幅が決定されている。ここで、薄膜の膜厚のばらつき許容値δとは、実際に成膜された薄膜の厚さのばらつきの許容限界を表わし、ここではある領域に均一な膜厚の薄膜の形成を試みた場合に、その領域に形成された膜の最大厚さに対する最小厚さの比で定義することとする。従って、δが１であれば膜厚のばらつきは生じておらず、δが小さい程、膜厚のばらつきが大きいことになる。式（１）において、図１に示すように、ｈはルツボ２に充填された金属材料２０の最上部（中心点）とマスク７までの高さ（距離）を示し、ａはマスク７上の蒸発源の中心点の直上位置から開口部８の最も遠い側の端部までの距離を示し、ｂはマスク７に設けられた開口部８の基板９の相対移動方向の最大幅を示している。
【００２８】
【数６】
【００２９】
［マスクの開口部形状］
一定の方向に連続的に膜厚が増加するような膜厚分布を伴う薄膜を形成するためのマスクの開口部は、以下のように形成し得る。図２（ａ）に示すように、マスク７には複数の扇形状の開口部８がマスクの同一半径位置の周上に配列するように形成されている。各開口部８は、扇形の弧の中心と扇形を画成する２辺に囲まれた頂点部分（以下、単に「頂点部分」と略す）とを結ぶ線がマスク７の中心７’を通る直線上、即ちマスクの直径上に配置される。即ち、各開口部８は、扇形の頂点部分がマスク７の中心７’に向くように配置されている。開口部８の頂点部分から扇形の弧の中心までの距離ｃは、基板上に形成する薄膜における膜厚変化方向の幅に相当する。また、開口部８のマスク半径方向に直交する方向（接線方向）の幅ｂは、開口部８の頂点部分からマスク外周に近づく程、直線的に連続して増大する。なお、基板を回転させた場合に、基板は回転中心から離れる程（即ち、外周に近づく程）、その位置における基板の移動速度（線速度）が速くなる。よって、基板の回転中心からの距離に応じて基板への金属材料の蒸着時間に差が生じる。そこで、この蒸着時間の差を考慮して、開口部８の形状（具体的には、上記接線方向の幅ｂ）を修正する。開口部形状の修正方法としては、マスク上の外側における任意の半径位置の半径をＲ、その開口部の接線方向の幅をＷとし、マスク上の内側における任意の半径位置の半径をｒ、その開口部の接線方向の幅をｗとしたとき、Ｒ／ｒ＝Ｗ／ｗを満たすように、即ち、開口部の内側から外側にかけて開口部８の幅ｂがさらに（Ｗ−ｗ）／（Ｒ−ｒ）の割合で増加するように開口部の幅ｂを決定する。即ち、形成する薄膜の膜厚変化にマスクの半径位置における修正分を加えた幅となるように、開口部の形状を決定する。このとき、修正後の幅ｂが上記式（１）の関係を満たすように決定する。なお、マスク上の開口部８の数は任意の複数の数にし得るが、蒸着効率を考慮すると多い方が望ましい。例えば、マスク１周に亘って開口部を形成することも可能である。また、蒸着源（蒸発源）から各開口部の距離に応じて前記式（１）に従って各開口部の形状（及び寸法）を調整してもよい。開口部の数は、形成する開口部の寸法やマスクの強度、製造コスト等を考慮して決定することが好ましい。また、開口部間の距離は、成膜効率を考慮して、できる限り短くすることが望ましい。
【００３０】
［第２実施形態］
次に、本発明の別実施形態について、図３及び４を用いて説明する。本実施形態では、第１実施形態の真空蒸着法の代わりにスパッタ法を用いて基板上に薄膜を形成する。また、本実施形態では基板を回転移動させる代わりに、基板を直線方向に移動させながら薄膜を形成する。図３に示すように、本実施形態で用いるスパッタ装置２０は、主に、真空チャンバ１１、インコネル（Ｎｉ：７８ｗｔ％，Ｃｒ：１５ｗｔ％，Ｆｅ：７ｗｔ％）からなるスパッタリングターゲット（蒸発源）１２、シャッター１３、直線駆動系（不図示）及びマスク１４で構成されている。スパッタリングターゲット１２は、真空チャンバ１１内の底面に設置されている。スパッタリングターゲット１２は、後述するマスク１４に形成されている複数の開口部のうち、その配列の中央に位置する開口部の下方に位置するように設置されている。シャッター１３は、スパッタリングターゲット１２の上方に設けられており、前記実施形態と同様に、開閉制御を行うことによって飛散したターゲット金属を基板上に成膜する時間を調節することができる。直線駆動系（不図示）は、例えばリニアモータによる駆動システムで構成され、基板１６を真空チャンバ１１内で水平方向に直線移動するために用いられる。マスク１４は、シャッター１３と基板１６との間に設けられており、その一部に複数の開口部１５を有している。開口部１５の形状については後述する。
【００３１】
基板上への成膜は、以下のようにして行う。まず、真空チャンバ１１にスパッタガスを導入し、不図示の電極を用いてスパッタガスを放電させる。スパッタリングターゲット１２に高周波電圧を印加して、スパッタガスでスパッタリングターゲット１２のターゲット金属を叩き出す（スパッタ）。スパッタされて飛散したターゲット金属は、シャッター１３の開放によりマスク１４に形成された開口部１５を通過して基板１６上に堆積する。このとき、基板１６は、前述の直線駆動系によってマスクに対して直線移動している状態で成膜が行われる。
【００３２】
［マスクの開口部形状］
本実施形態において、一定の方向に連続的に膜厚が増加するような膜厚分布を有するような成膜を行うためのマスクの開口部としては、以下のような形状にし得る。図４（ａ）に示すように、マスク１４には、二等辺三角形の開口部１５が基板の進行方向に沿って複数並んで形成されている。二等辺三角形の頂点（以下、単に「頂点部分」と略す）から底辺までの距離、即ち、二等辺三角形の高さｃは、形成する薄膜の膜厚変化方向における幅に相当する。また、開口部１５の基板移動方向の幅ｂは、開口部１５の頂点部分から底辺にかけて、直線的に連続して増大する。本実施形態では、第１実施形態と同様に、上記式（１）を満たすように開口部の最大幅ｂを決定する。なお、本実施形態では、基板の移動方向は直線方向であるので、開口部１５の頂点部分と底辺部分とでは基板の移動速度は変わらない。よって、第１実施形態で記載したような、基板の回転移動に起因する蒸発物質の蒸着時間の差を考慮して開口部の幅ｂを決定する必要はない。なお、第１実施形態と同様、マスク上の開口部１５の数は任意の複数の数にし得るが、蒸着効率を考慮すると多い方が望ましい。また、蒸着源（蒸発源）から各開口部の距離に応じて、前記式（１）に従って各開口部の形状（及び寸法）を調整してもよい。開口部の数は、形成する開口部の寸法やマスクの強度、製造コスト等を考慮して決定することが好ましい。また、開口部間の距離は、成膜効率を考慮して、できる限り短くすることが望ましい。
【００３３】
第１実施形態の真空蒸着装置では基板を回転させることによって成膜を行ったが、第２実施形態のように基板を直線方向に移動しながら成膜を行ってもよい。また、第２実施形態のスパッタ装置では基板を直線方向に移動させることによって成膜を行ったが、第１実施形態のように基板を回転させながら成膜を行ってもよい。
【００３４】
また、上記実施形態では、マスク開口部の形状を基板の移動方向に合わせて三角形または扇形にすることによって、基板上に一定方向に連続的に膜厚が変化するような薄膜を形成したが、例えば、直線方向に基板を移動して成膜する場合には、マスク開口部の形状を基板の移動方向に合わせて矩形または対向する一部分に弧を有するような略矩形にすることによって均一な膜厚分布を有する薄膜を形成することができる。なお、基板を回転方向に移動しながら均一な膜圧分布で成膜する場合には、第１実施形態と同様に、基板の回転移動における内外周の移動速度の差を考慮して、マスク開口部の形状を修正することが好ましい。
【００３５】
以下に、前記実施形態に示した成膜方法を用いて、可変ＮＤフィルタを作製した実施例について説明する。
【実施例１】
【００３６】
実施例１では、成膜装置として第１実施形態で説明した真空蒸着装置を用いるとともに、上述の図２（ａ）に示したような、開口部８の形状が扇形である円形マスク７を用いて成膜を行い、可変ＮＤフィルタを作製した。蒸着源中心位置の直上のマスク７上の位置から最も近い開口部８の遠い側の端部までの距離ａ＝１５０ｍｍ、開口部８の基板の移動方向（接線方向）における最大幅（以下、単に「最大幅」という）ｂ＝３０ｍｍ、蒸着源からマスク７までの高さ（距離）ｈ＝５００ｍｍ、開口部内における成膜された膜の膜厚のばらつき許容値δ＝０．９とした。また、マスク７上に設けられた開口部８のマスク半径方向の幅（長さ）ｃ＝１０ｍｍとし、マスク７上に形成した開口部８の数は１５個とした。なお、真空蒸着装置内における基板の回転数は３０ｒｐｍとした。また、真空蒸着装置内の真空チャンバ内の圧力は１．０×１０−３Ｐａとした。
【００３７】
比較例１
比較例１では、図２（ｂ）に示すように、マスク７上に形成された開口部８の最大幅ｂを６０ｍｍとし且つ開口部８の数を９個としたマスク７を用いて成膜を行った以外は、実施例１と同様にして可変ＮＤフィルタを作製した。
【００３８】
比較例２
比較例２では、以下のようにして作製した開口部が一つのマスクを用いて成膜を行い、可変ＮＤフィルタを作製した以外は、実施例１と同様にして可変ＮＤフィルタを作製した。まず、真空蒸着装置を用いてマスクが無い状態で基板上に成膜する。このときの蒸気分布を調査し、その蒸気分布から所望の膜厚分布が得られるような開口部形状を有するマスクを作製する。更に、そのマスクを用いて成膜を行い、得られた膜厚分布に基づいてマスク開口部形状の再加工（カッティング）を行う。所望の膜厚分布が得られるまで、上記のようなマスク開口部形状の微調整作業を繰り返すことにより、図２（ｃ）に示すような、開口部８の形状が複雑なマスク７が得られる。得られたマスク７を用いて成膜して、成膜された薄膜の膜厚を電子顕微鏡を用いて測定した。
【実施例２】
【００３９】
実施例２では、成膜装置として第２実施形態で用いたスパッタ装置を用いるとともに、図４（ａ）に示したような開口部の形状が二等辺三角形である矩形マスクを用いて成膜を行い、可変ＮＤフィルタを作製した。スパッタリングターゲットの中心位置の直上のマスク上の位置から最も近い開口部の遠い側の端部までの距離ａ＝１４０ｍｍ、開口部の基板の移動方向における開口部の最大幅（以下、単に「最大幅」という）ｂ＝１５ｍｍ、スパッタリングターゲットからマスクまでの高さ（距離）ｈ＝３００ｍｍ、開口部内における成膜された膜の膜厚のばらつき許容値δ＝０．９とした。また、マスク上に設けられた開口部の基板移動方向に直行する方向の幅（長さ）ｃ＝１０ｍｍとし、マスク上に形成された開口部の数は１４個とした。なお、スパッタ装置内における基板の移動速度は１ｍ／ｈｏｕｒとした。また、スパッタ装置内の真空チャンバ内の圧力は１０Ｐａとした。
【００４０】
比較例３
比較例３では、図４（ｂ）に示すように、マスク上に形成された開口部の最大幅ｂを３０ｍｍとし且つ開口部の数を１０個としたマスクを用いて成膜を行った以外は、実施例２と同様にして可変ＮＤフィルタを作製した。
【００４１】
比較例４
比較例４では、以下のようにして作製した開口部が一つのマスクを用いて成膜を行い、可変ＮＤフィルタを作製した以外は、実施例２と同様にして可変ＮＤフィルタを作製した。まず、スパッタ装置を用いてマスクが無い状態で基板上に成膜する。このときの蒸気分布を調査し、その蒸気分布から所望の膜厚分布が得られるような開口部形状を有するマスクを作製する。更に、そのマスクを用いて成膜を行い、得られた膜厚分布に基づいてマスク開口部形状の再加工（カッティング）を行う。所望の膜厚分布が得られるまで、上記のようなマスク開口部形状の微調整作業を繰り返すことにより、図４（ｃ）に示すような、開口部１５の形状が複雑なマスク１４が得られる。得られたマスク１４を用いて成膜して、成膜された薄膜の膜厚を電子顕微鏡を用いて測定した。
【００４２】
こうして得られた各実施例及び比較例において得られた可変ＮＤフィルタの最大ばらつき率Ｕを、表１に示す。ここで、最大ばらつき率Ｕは、成膜した薄膜の最小膜厚と最大膜厚との比（最小膜厚／最大膜厚）で定義される。前記式（３）で示したように、Ｕは膜厚のばらつきの許容値以上であることが要求される。また、各実施例及び比較例におけるマスク作製及び最終成膜処理に要した時間を、表１に併せて示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
表１から明らかなように、実施例１ではマスク作製の際に蒸気分布測定やマスク形状の補正を行う必要がないので、マスク作製に要する時間、ひいては可変ＮＤフィルタの作製に要する時間が短い。また、得られた可変ＮＤフィルタの最大ばらつき率Ｕの値は膜厚のばらつき許容値δよりも高い値を示しており、所望の値を満たしていることが分かる。
【００４５】
一方、比較例１では、実施例１同様、可変ＮＤフィルタの作製に要する時間が短いものの、得られた可変ＮＤフィルタの最大ばらつき率Ｕの値は膜厚のばらつき許容値δよりも低い値であり、所望の値を満たしていない。また、比較例２では、実施例１同様、得られた可変ＮＤフィルタの最大ばらつき率Ｕの値が膜厚のばらつき許容値δよりも高い値を示しており、所望の値を満たしているが、所望の開口部形状を有するマスクの作製に長い時間を要する。
【００４６】
また、表１から明らかなように、実施例２ではマスク作製の際に蒸気分布測定やマスク形状の補正を行う必要がないので、マスク作製に要する時間、ひいて可変ＮＤフィルタの作製に要する時間が短い。また、得られた可変ＮＤフィルタの最大ばらつき率Ｕの値は膜厚のばらつき許容値δよりも高い値を示しており、所望の値を満たしていることが分かる。
【００４７】
一方、比較例３では、実施例２同様、可変ＮＤフィルタの作製に要する時間が短いものの、得られた可変ＮＤフィルタの最大ばらつき率Ｕの値は膜厚のばらつき許容値δよりも低い値であり、所望の値を満たしていない。また、比較例４では、実施例２同様、得られた可変ＮＤフィルタの最大ばらつき率Ｕの値が膜厚のばらつき許容値δよりも高い値を示しており、所望の値を満たしているが、所望の開口部形状を有するマスクの作製に長い時間を要する。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の薄膜の成膜方法及び成膜装置を用いることにより、可変ＮＤフィルタ等の光学素子の製造におけるスループットを向上させることができるので、特に製造コスト面で有利となる。また、本発明の薄膜の成膜方法及び成膜装置は、光学通信機器以外の分野において薄膜の膜厚制御を行うような、例えば、記録媒体、電子素子、画像表示素子等の分野における製品の製造に用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１実施形態における真空蒸着装置の概略構成図である。
【図２】本発明の真空蒸着装置に用いたマスクの概略図である。
【図３】本発明の第２実施形態におけるスパッタ装置の概略構成図である。
【図４】本発明のスパッタ装置に用いたマスクの概略図である。
【図５】蒸気分布が均一な範囲について説明するための概略図である。
【符号の説明】
【００５０】
１，１１ 真空チャンバ
２ ルツボ
３ 電子銃
４，１３ シャッター
５ 基板ステージ
６ 回転駆動系
７，１４ マスク
７’ マスク中心
８，１５ 開口部
９，１６ 基板
１０ 真空蒸着装置
１２ スパッタリングターゲット
２０ スパッタ装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発源からの物質で基板上に薄膜を形成する方法であって、
前記蒸発源と基板との間に、複数の開口部が設けられたマスクを配置することと；
前記蒸発源から物質を基板に向けて飛散させながら、前記基板を蒸発源に相対的に移動することと；を含み、
前記複数の開口部が同一形状であり且つ基板の相対移動方向に配列していることを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項２】
前記蒸発源から前記マスクまでの距離をｈとし、マスク上の前記蒸発源の中心の直上位置から前記開口部の最も遠い端部までの距離をａとし、前記開口部の前記基板の相対移動方向の最大幅をｂとし、前記開口部内での前記基板上に形成された薄膜の膜厚のばらつきの許容値をδとしたときに、下記式：
【数１】
を満足することを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成方法。
【請求項３】
前記開口部が前記蒸発源の中心の直上位置から最も近い開口部であることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜形成方法。
【請求項４】
前記開口部の形状が、基板の相対移動方向に対して一定の角度を有するような辺で規定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の薄膜形成方法。
【請求項５】
前記基板の相対移動方向が回転方向または直線方向であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の薄膜形成方法。
【請求項６】
前記薄膜形成方法が真空蒸着方法またはスパッタ法であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の薄膜形成方法。
【請求項７】
蒸発源からの物質で基板上に薄膜を形成するときに用いるマスクであって、
同一形状で且つ所定方向に配列した複数の開口部を有し、
該開口部の形状が、前記所定方向に対して一定の角度を有するような辺で規定されていることを特徴とするマスク。
【請求項８】
前記蒸発源から前記マスクまでの距離をｈとし、マスク上の前記蒸発源の中心の直上位置から前記開口部の最も遠い端部までの距離をａとし、前記開口部の前記基板の相対移動方向の最大幅をｂとし、前記開口部内での前記基板上に形成された薄膜の膜厚のばらつきの許容値をδとしたときに、下記式：
【数２】
を満足することを特徴とする請求項７に記載のマスク。
【請求項９】
前記マスクの開口部形状が扇形または三角形であることを特徴とする請求項７または８に記載のマスク。
【請求項１０】
蒸着法を用いて基板上に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
蒸発源と；
該蒸発源を蒸発させるための蒸発装置と；
請求項７〜９のいずれか一項に記載のマスクと；
前記蒸発源に対して基板を相対移動する駆動装置と；を備えることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項１１】
前記基板の相対移動方向が回転方向または直線方向であることを特徴とする請求項１０に記載の薄膜形成装置。
【請求項１２】
前記蒸着法が真空蒸着法またはスパッタ法であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の薄膜形成装置。
【請求項１】
蒸発源からの物質で基板上に薄膜を形成する方法であって、
前記蒸発源と基板との間に、複数の開口部が設けられたマスクを配置することと；
前記蒸発源から物質を基板に向けて飛散させながら、前記基板を蒸発源に相対的に移動することと；を含み、
前記複数の開口部が同一形状であり且つ基板の相対移動方向に配列していることを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項２】
前記蒸発源から前記マスクまでの距離をｈとし、マスク上の前記蒸発源の中心の直上位置から前記開口部の最も遠い端部までの距離をａとし、前記開口部の前記基板の相対移動方向の最大幅をｂとし、前記開口部内での前記基板上に形成された薄膜の膜厚のばらつきの許容値をδとしたときに、下記式：
【数１】
を満足することを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成方法。
【請求項３】
前記開口部が前記蒸発源の中心の直上位置から最も近い開口部であることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜形成方法。
【請求項４】
前記開口部の形状が、基板の相対移動方向に対して一定の角度を有するような辺で規定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の薄膜形成方法。
【請求項５】
前記基板の相対移動方向が回転方向または直線方向であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の薄膜形成方法。
【請求項６】
前記薄膜形成方法が真空蒸着方法またはスパッタ法であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の薄膜形成方法。
【請求項７】
蒸発源からの物質で基板上に薄膜を形成するときに用いるマスクであって、
同一形状で且つ所定方向に配列した複数の開口部を有し、
該開口部の形状が、前記所定方向に対して一定の角度を有するような辺で規定されていることを特徴とするマスク。
【請求項８】
前記蒸発源から前記マスクまでの距離をｈとし、マスク上の前記蒸発源の中心の直上位置から前記開口部の最も遠い端部までの距離をａとし、前記開口部の前記基板の相対移動方向の最大幅をｂとし、前記開口部内での前記基板上に形成された薄膜の膜厚のばらつきの許容値をδとしたときに、下記式：
【数２】
を満足することを特徴とする請求項７に記載のマスク。
【請求項９】
前記マスクの開口部形状が扇形または三角形であることを特徴とする請求項７または８に記載のマスク。
【請求項１０】
蒸着法を用いて基板上に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
蒸発源と；
該蒸発源を蒸発させるための蒸発装置と；
請求項７〜９のいずれか一項に記載のマスクと；
前記蒸発源に対して基板を相対移動する駆動装置と；を備えることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項１１】
前記基板の相対移動方向が回転方向または直線方向であることを特徴とする請求項１０に記載の薄膜形成装置。
【請求項１２】
前記蒸着法が真空蒸着法またはスパッタ法であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の薄膜形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−２１６８（Ｐ２００６−２１６８Ａ）
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１７６４４２（Ｐ２００４−１７６４４２）
【出願日】平成１６年６月１５日（２００４．６．１５）
【出願人】（０００００５８１０）日立マクセル株式会社 (2,366)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月１５日（２００４．６．１５）
【出願人】（０００００５８１０）日立マクセル株式会社 (2,366)
【Ｆターム（参考）】
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