DE69838039T2

DE69838039T2 - Verfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE69838039T2
Application number: DE69838039T
Authority: DE
Inventors: Matsumoto Shinjyuku-ku Shigeharu; Kikuchi Kazuo; Yamasaki Yokohama-shi Masafumi; Tang Yokohama-shi Qi; Shigetaro Nishi-ku Kobe-shi Ogura
Original assignee: Shincron Co Ltd
Current assignee: Shincron Co Ltd
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1998-08-19
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2018-08-20
Also published as: EP1350864A3; US6207536B1; EP0945523B1; DE69838039D1; JPH11279757A; EP1350864A2; US6328865B2; EP0945523A1; DE69819298T2; DE69819298D1; JP3735461B2; US20010015173A1; EP1350864B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bilden eines Dünnfilms einer zusammengesetzten Metallverbindung. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Bilden eines Dünnfilms einer zusammengesetzten Metallverbindung auf einem Substrat durch Sputtern in einer stabilen Art und Weise und unter einer hohen Niederschlagsrate.
Die EP-A-0 497 499 beschreibt ein System und ein Verfahren zum Bilden von schützenden, relativ dicken Dünnfilmbeschichtungen mit optischer Qualität. Die verwendete Vorrichtung umfasst ein Drehzylinder-Sputtersystem, das getrennte Niederschlagsvorrichtungen und mindestens eine chemische Reaktionsvorrichtung zum gleichzeitigen Niederschlagen von Materialien, die Zug- und Druckoxide bilden, einsetzt, wonach die niedergeschlagenen Materialien oxidiert werden. Die chemische Reaktionsvorrichtung ist eine lineare Magnetron-Ionenquelle-Oxidierer-Vorrichtung. Das Ziel dieses Verfahrens ist es, die Filmspannung in der Dünnfilmbeschichtung zu kontrollieren. Die Spannungskontrolle wird durch Kontrollieren von Energie zu den Metall-Targets jeweils erreicht.
Die EP-0 428 358 beschreibt das Einstellen eines Brechungsindex durch eine Leistungssteuerung des Targets. Dieses Dokument ist allerdings auch auf Reaktionsprozesskammern gerichtet, die eine Ionenquelle haben. Weiterhin werden HF-Techniken, die in den vorliegenden Unterlagen für den Reaktionsprozess verwendet werden, dahingehend diskutiert, dass sie weniger bevorzugt sind.
Herkömmlich sind, wenn optische, dünne Filme bzw. Schichten für verschiedene Gruppen von Produkten über die Verwendung von nur existierenden Dampfniederschlagsmaterialien gebildet werden, zufrieden stellende Funktionsweisen, wie sie durch die Produkte erforderlich sind, sehr schwierig zu erhalten. Das bedeutet, dass sich ein Auslegen von optischen Dünnfilmen über die Verwendung nur von Substanzen, die in der natürlichen Umgebung existieren, im Hinblick auf das Erzielen von optischen, spektralen Charakteristika, wie sie durch eine bestimmte Gruppe von Produkten erforderlich sind, als schwierig erwiesen hat.
Zum Beispiel erfordert eine Konfiguration von Breitband-Antireflexionsschichten Ma terialien, die einen Zwischenbrechungsindex (zwischen 1,46 und 2,20) besitzen, die nur spärlich in der natürlichen Umgebung existieren.
Allgemein muss, um, zum Beispiel, das Reflexionsvermögen von Glas, über den gesamten Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts, zu verringern, Glas mit einem Dampfniederschlagsmaterial beschichtet werden, das einen Brechungsindex von 1,46–2,20 besitzt, bezeichnet als ein Zwischenbrechungsindex. Materialien, die einen Zwischenbrechungsindex haben, sind begrenzt, und der Brechungsindex kann nicht so ausgewählt werden, wie dies erwünscht ist. Dementsprechend sind die folgenden Techniken als alternative Techniken zum Erreichen eines Zwischenbrechungsindex des vorstehend erwähnten Bereichs bekannt.
(1) Ein niedrig brechendes Material (z.B. SiO₂ (Brechungsindex: 1,46)) und ein hoch brechendes Material (z.B. TiO₂ (Brechungsindex: 2,35)) werden gleichzeitig von entsprechenden Verdampfungsquellen verdampft, und ein Zwischenbrechungsindex (1,46–2,40) wird aufgrund deren Mischungsverhältnis erhalten; (2) ein niedrig brechendes Material und ein hoch brechendes Material werden gleichzeitig von einer einzelnen Verdampfungsquelle in der Form einer Mischung verdampft, und ein Zwischenbrechungsindex wird aufgrund deren Mischungsverhältnis erhalten; (3) ein Zwischenbrechungsindex wird äquivalent über die Kombination eines niedrig brechenden Materials und eines hoch brechenden Materials (bezeichnet als die äquivalente Schichttechnik) erhalten; und (4) ein Komposit-Target-Material wird beim Sputtern verwendet.
Allerdings besitzen die vorstehend erwähnten Techniken die folgenden Nachteile.
In der vorstehend erwähnten Technik (1), bei der ein niedrig brechendes Material (z.B. SiO₂ (Brechungsindex: 1,46)) und ein hoch brechendes Material (z.B. TiO₂ (Brechungsindex: 2,35)) gleichzeitig von jeweiligen Verdampfungsquellen verdampft werden und ein Zwischenbrechungsindex (1,46–2,40) aufgrund deren Mischungsverhältnisses erhalten wird, ist ein geschichteter Niederschlag einer Schicht über die gleichzeitige Kontrolle der Raten eines Niederschlags von den zwei Verdampfungsquellen schwierig zu erreichen, und demzufolge ist es schwierig, einen erwünschten Brechungsindex mit einer guten Reproduzierbarkeit zu erreichen.
In der vorstehend erwähnten Technik (2), bei der ein niedrig brechendes Material und ein hoch brechendes Material gleichzeitig von einer einzelnen Verdampfungsquelle in der Form einer Mischung verdampft werden und ein Zwischenbrechungsindex aufgrund deren Mischungsverhältnis erhalten wird, ändert sich, wenn die Verdampfung für eine lange Zeitperiode fortfährt, der Brechungsindex aufgrund von Differenzen im Schmelzpunkt und in dem Dampfdruck zwischen dem niedrig brechenden Material und dem hoch brechenden Material. Als Folge ist es schwierig, einen erwünschten Brechungsindex stabil zu erhalten.
In der vorstehend erwähnten Technik (3), bei der ein Zwischenbrechungsindex durch die Verwendung einer äquivalenten Schicht, gebildet aus einer kombinierten Verwendung eines niedrig brechenden und eines hoch brechenden Materials, erhalten wird, erfordert ein gegebener Brechungsindex die Bildung einer sehr dünnen Schicht; demzufolge wird die Kontrolle einer Schichtdicke schwierig und kompliziert.
Wie vorstehend erwähnt ist, schlagen die herkömmlichen Techniken dahingehend fehl, gleichzeitig eine hohe, stabile Niederschlagsrate, einen weiten Bereich einer Brechungsindexvariation und ein einfaches Steuersystem zu erzielen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bilden eines Dünnfilms bzw. einer dünnen Schicht einer zusammengesetzten Metallverbindung zu schaffen, das zum Kontrollieren des Brechungsindex eines Dünnfilms so, wie dies erwünscht ist, geeignet ist, wobei ein Ultra-Dünnfilm gebildet wird, während der Ultra-Dünnfilm einer Oxidation, einer Nitrierung, einer Fluorierung, oder einer entsprechenden Reaktion unterworfen wird, und Bilden, auf einem Substrat, eines Dünnfilms einer Metallverbindung, der stabile, optische Charakteristika, dynamische Charakteristika, und ähnliche Charakteristika, ohne die Substrattemperatur zu erhöhen, und unter einer hohen Niederschlagsrate besitzt, ebenso wie eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens zu schaffen.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist diejenige, ein Verfahren zum Bilden einer dünnen Schicht bzw. eines Dünnfilms aus einer zusammengesetzten Metallverbindung zu schaffen, das dazu geeignet ist, einen weiten Bereich einer Brechungsindexvariation zu erhalten, und zwar über die Verwendung eines einfachen Steuersystems, und eine Vorrichtung zum Ausführen desselben zu schaffen.
Die vorstehende Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Hier wird der Ausdruck "ultradünne Schicht" bzw. "Ultra-Dünnfilm" dazu verwendet, einen abschließenden Dünnfilm von einer Mehrzahl von Ultra-Dünnfilmen zu unterscheiden, die niedergeschlagen werden, um dann den abschließenden Dünnfilm zu werden, und gibt an, dass jeder der Ultra-Dünnfilme im Wesentlichen dünner als der abschließende Dünnfilm ist. Der Ausdruck "aktivierte Formen" bezieht sich auf Radikale, Radikale in einem angeregten Zustand, Atome in einem angeregten Zustand, Moleküle in einem angeregten Zustand, und dergleichen. Eine "Radikale" bezieht sich auf ein Atom oder ein Molekül, das mindestens ein nicht gepaartes Elektron besitzt. Ein "angeregter Zustand" bezeichnet den Zustand, bei dem das Energieniveau höher verglichen mit dem stabilen Grundzustand ist, der die niedrigste Energie besitzt.
Die Aspekte der vorliegenden Erfindung werden als nächstes im Detail beschrieben.
Erster Aspekt:
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden eines Dünnfilms aus einer zusammengesetzten Metallverbindung geschaffen, bei dem zuerst unabhängige Targets, gebildet aus mindestens zwei unterschiedlichen Metallen, gesputtert werden, um so auf einem Substrat einen Ultra-Dünnfilm aus einem Komposit-Metall oder einem nicht vollständig reagierten Komposit-Metall zu bilden. Zum Beispiel wird eines von zwei Targets aus Si gebildet, während das andere Target aus Ta gebildet wird.
Als nächstes wird der so gebildete Ultra-Dünnfilm (z.B. Si + Ta) auf dem Substrat mit den elektrisch neutralen, aktivierten Formen eines reaktiven Gases (z.B. aktivierte Formen von Sauerstoffgas) bestrahlt, um so das Komposit-Metall oder das nicht vollständig reagierte Komposit-Metall in eine zusammengesetzten Metallverbindung (z.B. ein Komposit aus SiO₂ und Ta₂O₂) über eine Reaktion der Ultra-Dünnfilme mit den aktivierten Formen des reaktiven Gases umzuwandeln. Die vorstehend angegebenen Schritte eines Bildens von Ultra-Dünnfilmen und einer Umwandlung der Ultra-Dünnfilme in eine zusammengesetzten Metallverbindung werden sequenziell wiederholt, um so auf einem Substrat einen Dünnfilm aus einer zusammengesetzten Metallverbindung zu bilden, die eine erwünschte Dicke besitzt.
In einem Schritt eines Niederschlagens einer reaktiven Schicht, bei der eine zusammengesetzten Metallverbindung von einem Komposit-Metall oder einem nicht vollständig reagierten Komposit-Metall erhalten wird, werden aktivierte Formen aus dem folgenden Grund verwendet. Für die chemische Reaktion in dem Schicht-Niederschlags-Schritt sind chemisch aktive, elektrisch neutrale, aktivierte Formen, wie beispielsweise Radikale und angeregte Formen, entscheidend wichtiger als geladene Teilchen, wie beispielsweise Ionen und Elektroden.
Aktivierte Formen werden über die Verwendung einer Plasmaquelle zum Erzeugen eines hoch dichten Plasmas, verbunden mit einer Hochfrequenzenergieversorgungsquelle, erzeugt. Genauer gesagt ist die Plasmaquelle eine induktiv gekoppelte oder kapazitiv gekoppelte Plasmaquelle, die eine äußere und eine innere Wicklung besitzt, oder eine Spiralwellenplasmaquelle. Um ein hoch dichtes Plasma zu erhalten, wird ein magnetisches Feld von 20–300 Gauss in einer Plasmaerzeugungseinheit erzeugt.
Eine Spannung (gewöhnlich eine negative Spannung), angelegt an jedes der Targets, wird unter 1–200 kHz Intervallen zu einer positiven Spannung hin invertiert, die zwischen +50 V und +200 V liegt, um dadurch, mit Elektronen im Plasma, positive Ladungen zu neutralisieren, die sich in einer Verbindung akkumulieren, die auf der Oberfläche gebildet werden sollen, insbesondere an einem nicht erodierten Bereich davon, und zwar jedes der Targets. Demzufolge wird, über die temporäre Inversion zu einer positiven Spannung von einer negativen Spannung, der positiv geladene Zustand an den Oberflächen der Targets neutralisiert, so dass die Spannung der Targets auf einem normalen Niveau gehalten werden kann.
Die 4 bis 6 stellen die Beziehung zwischen einer elektrischen Energie und optischen Charakteristika, wie beispielsweise Brechungsindex, Absorption, Heterogenität, usw., für Ta_xSi_yO_z-Schichten, dar. In den 4 bis 6 werden optische Konstanten basierend auf Daten berechnet, die sich auf die spektralen Charakteristika einer Einzel-Polaritäts-Schicht beziehen. Wie in 4 dargestellt ist, variieren die Brechungsindizes von Ta_xSi_yO_z Schichten mit dem Verhältnis der Energie, die an eine Führung zu der Energie angelegt ist, die an die andere Führung angelegt ist.
Wie anhand der 4 zu sehen ist, verringert sich, wenn sich das angelegte Energieverhältnis zwischen der Si-Kathode und der Ta-Kathode erhöht, der Brechungsindex. Da die Dampfniederschlagsrate auf 40 nm/min fixiert ist, gilt die dargestellte Beziehung des Verhältnisses zwischen dem Brechungsindex und der angelegten Energie. Als Folge werden der minimale und der maximale Brechungsindex bei einer Wellenlänge von 550 nm bei 1,463 und 2,182 jeweils vorgefunden. Wenn sich das Verhältnis der angelegten Energie erhöht, erhöht sich der Brechungsindex bei einer Wellenlänge von 550 nm von 1,463 auf 2,182. Auch kann der Brechungsindex von 2,182 auf 1,463 verringert werden.
Beim Niederschlagen eines Dünnfilms einer zusammengesetzten Metallverbindung, die eine erwünschte Dicke besitzt, auf einem Substrat, wie dies vorstehend beschrieben ist, kann, wenn zwei Metalle jeweils, über, zum Beispiel, ein Magnetronsputtern gesputtert werden, irgendein Brechungsindex innerhalb des Bereichs zwischen dem Brechungsindex der der einen Metall-Verbindung eigen ist, und dem Brechungsindex, der der anderen Metall-Verbindung eigen ist (z.B. der Bereich zwischen 1,46 und 2,25, wobei 1,46 der Brechungsindex von SiO₂, eine Si-Verbindung, ist, und 2,25 der Brechungsindex von Ta₂O₂, eine Ta-Verbindung, ist), auf den Dünnfilm über eine geeignete Kontrolle der Energie, angelegt an die Magnetron-Sputter-Targets, beeinträchtigt werden.
Der Schichtniederschlagsvorgang wird als nächstes unter Bezugnahme auf 3 beschrieben, die den Prozess zum Bilden eines Dünnfilms aus einer zusammengesetzten Metallverbindung auf einem Substrat darstellt.
Zuerst wird ein Substrat in der Position eines ersten Metall-Targets platziert. Das erste Metall-Target wird so gesputtert, um eine dünne, metallische Schicht (Ultra-Dünnfilm) auf dem Substrat zu bilden. Dann wird das Substrat zu der Position eines zweiten Metall-Targets bewegt. Das zweite Metall-Target wird so gesputtert, um eine sehr dünne, metallische Schicht (Ultra-Dünnfilm) auf dem Substrat zu bilden. Wie in 3 dargestellt ist, werden das erste und das zweite Metall homogen auf dem Substrat niedergeschlagen, um einen Ultra-Dünnfilm zu bilden. Das bedeutet, dass ein Ultra-Dünnfilm eines Komposit-Metalls oder eines nicht vollständig reagierten Komposit-Metalls auf dem Substrat gebildet wird.
Der so gebildete Ultra-Dünnfilm wird abschließend mit den elektrisch neutralen, aktivierten Formen eines reaktiven Gases bestrahlt, um so das Komposit-Metall oder das nicht vollständig reagierte Komposit-Metall zu einer zusammengesetzten Metallverbindung über die Reaktion des Ultra-Dünnfilms mit den aktivierten Formen des reaktiven Gases umzuwandeln. Genauer gesagt wird der Ultra-Dünnfilm in der Position einer radikalen Quelle oxidiert. Der Schritt eines Bildens des Ultra-Dünnfilms und der Schritt eines Um wandelns der zusammengesetzten Metallverbindung werden sequenziell wiederholt, um so auf dem Substrat einen Dünnfilm aus der zusammengesetzten Metallverbindung zu bilden, der eine erwünschte Dicke besitzt.
Unter dem vorliegenden Aspekt kann ein Substrat solange überführt oder fixiert werden, wie der Schritt eines Bildens eines Ultra-Dünnfilms und der Schritt eines Umwandelns zu einer zusammengesetzten Metallverbindung sequenziell wiederholt werden, um auf dem Substrat einen Dünnfilm der zusammengesetzten Metallverbindung zu bilden, der eine erwünschte Dicke besitzt.
Zweiter Aspekt:
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bilden einer dünnen Schicht bzw. eines Dünnfilms einer zusammengesetzten Metallverbindung geschaffen, aufweisend eine Vakuumkammer, Schichtniederschlags-Prozesskammern, eine Reaktionsprozesskammer und eine Separationseinrichtung (d.h. Abschirmplatten). In den Schichtniederschlags-Prozesskammern wird ein Arbeitsgas (z.B. Argon-Gas) darin eingeführt, und unabhängige Targets, gebildet an mindestens zwei unterschiedlichen Metallen (z.B. Si und Ta in dem Fall von zwei unterschiedlichen Metallen), werden so gesputtert, um auf einem Substrat einen Ultra-Dünnfilm eines Komposit-Metalls oder eines nicht vollständig reagierten Komposit-Metalls zu bilden.
In der Reaktionsprozesskammer wird der Ultra-Dünnfilm (z.B. Si und Ta), gebildet in den Schichtniederschlags-Prozesskammern, mit den elektrisch neutralen, aktivierten Arten eines reaktiven Gases (z.B. die aktivierten Arten von Sauerstoff) bestrahlt, um so das Komposit-Metall oder das nicht vollständig reagierte Komposit-Metall in eine zusammengesetzten Metallverbindung (z.B. SiO₂ und Ta₂O₂) über die Reaktion des Ultra-Dünnfilms mit den aktivierten Arten des reaktiven Gases umzuwandeln. Die Separationseinrichtung ist so angepasst, um die Reaktionsprozesskammer von den Schichtniederschlags-Prozesskammern im Hinblick auf einen Raum und einen Druck mittels der Abschirmplatten zu separieren.
Die Abschirmplatten, die als die Separationseinrichtung dienen, definieren innerhalb der Vakuumkammer separate Räume, die als die Reaktionsprozesskammer und die Schichtniederschlags-Prozesskammern dienen. Das bedeutet, dass die so definierten Räume innerhalb der Vakuumkammer nicht vollständig voneinander separiert sind, sondern einen im Wesentlichen unabhängigen Zustand so beibehalten, um als die Reaktions prozesskammer und die Schichtniederschlags-Prozesskammern zu dienen, die unabhängig voneinander kontrolliert werden. Demzufolge sind die Reaktionsprozesskammer und die Schichtniederschlags-Prozesskammern so konfiguriert, um am geringsten gegeneinander beeinflussend zu sein, so dass optimale Bedingungen in jeder der Kammern eingerichtet werden können.
Demzufolge verhindert die Separationseinrichtung, dass sich das reaktive Gas (z.B. die aktivierten Arten von Sauerstoff) mit dem Arbeitsgas (z.B. Argon-Gas) in den Schichtniederschlags-Prozesskammern mischen, so dass dabei sequenziell ein stabiler Schichtniederschlags-Prozess und ein Reaktionsprozess wiederholt werden können, um dadurch auf einem Substrat einen Dünnfilm einer zusammengesetzten Metallverbindung, der eine erwünschte Dicke besitzt, zu bilden.
Wie in dem Fall des ersten Aspekts werden die aktivierten Arten eines reaktiven Gases, verwendet in der Reaktionsprozesskammer, elektrisch neutrale Radikale (Atome oder Moleküle, die mindestens ein ungepaartes Elektron haben, oder Atome oder Moleküle in einem angeregten Zustand). Auch in dem vorliegenden Aspekt kann eine Magnetron-Sputtervorrichtung als eine Niederschlagsvorrichtung für einen Dünnfilm dienen.
Aktivierte Spezies werden erzeugt mittels: einer Hochfrequenz-Entladungskammer, die eine Quarzröhre aufweist, um die herum eine Hochfrequenzspule gewickelt ist; einer Hochfrequenz-Energieversorgungsquelle zum Anlegen von Energie an die Hochfrequenzspule über eine Anpassungs-Box; einer Reaktionsgas-Zuführeinrichtung zum Einführen eines reaktiven Gases von einem Gaszylinder in die Hochfrequenz-Entladungskammer über eine Massenfluss-Steuereinrichtung; einer externen oder internen Wicklung zum Erzeugen eines magnetischen Felds von 20–300 Gauss innerhalb der Hochfrequenz-Entladungskammer; und eines Multi-Apertur-Gitters, eines Multi-Schlitz-Gitters, oder eines entsprechenden Gitters, angeordnet zwischen der Hochfrequenz-Entladungskammer und der Reaktionsprozesskammer.
Ein Multi-Apertur-Gitter ist aus einem Metall oder einem Isolator gebildet, in dem eine Anzahl von Aperturen bzw. Öffnungen gebildet ist, die einen Durchmesser von 0,1–3 mm haben, und ist gekühlt. Ein Multi-Schlitz-Gitter ist aus einem Metall oder einem Isolator gebildet, in dem eine Anzahl von Schlitzen gebildet ist, die eine Breite von 0,1–1 mm haben, und ist gekühlt.
Vorzugsweise ist eine Kühlmaßnahme, wie beispielsweise eine Wasserkühlmaßnahme, für das Multi-Apertur-Gitter oder das Multi-Schlitz-Gitter vorgesehen. Die Kühlmaßnahme kann eine bekannte Technik einsetzen. Ein solches Gitter bewirkt, dass Ionen und Elektronen in einem Plasma gegenseitig Ladungen auf der Oberfläche des Gitters austauschen, um dadurch in die Reaktionsprozesskammer nur aktivierte Spezies einzuführen, die reaktiv sind und nicht geladen sind, d.h. die elektrisch neutral sind.
Wie in dem Fall des ersten Aspekts wird eine Spannung (gewöhnlich eine negative Spannung), angelegt an jedes der Targets, unter Intervallen von 1–200 kHz zu einer positiven Spannung, die zwischen +50 V und +200 V liegt, invertiert, um dadurch mit Elektronen in dem Plasma positive Ladungen zu neutralisieren, die sich in einer Verbindung ansammeln, die auf der Oberfläche, insbesondere an einem nicht erodierten Bereich davon, jedes der Targets gebildet ist.
Dritter Aspekt:
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden eines Dünnfilms einer zusammengesetzten Metallverbindung geschaffen, bei dem ein Dünnfilm einer zusammengesetzten Metallverbindung, der eine erwünschte Dicke besitzt, auf einem Substrat in einer Art und Weise ähnlich zu derjenigen des ersten Aspekts gebildet wird, und bei dem auf dem Dünnfilm irgendein Brechungsindex innerhalb des Bereichs zwischen dem optischen Brechungsindex, der einer Bestandteil-Metall-Verbindung der Dünnfilme eigen ist, und einem optischen Brechungsindex, der einer anderen Bestandteil-Metall-Verbindung der Dünnfilme eigen ist, aufgebracht wird.
Dabei ist der vorliegende Aspekt dadurch gekennzeichnet, dass auf den Dünnfilm irgendein Brechungsindex innerhalb des Bereichs zwischen dem optischen Brechungsindex, der einer Bestandteil-Metall-Verbindung eines Dünnfilms einer zusammengesetzten Metallverbindung eigen ist, und einem optischen Brechungsindex, der einer anderen Bestandteil-Metall-Verbindung des Dünnfilms eigen ist, aufgebracht wird.
Wie in dem Abschnitt des ersten Aspekts unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ist, werden Si, das als ein erstes Metall dient, und Ta, das als ein zweites Metall dient, zum Beispiel, gesputtert, und der vorstehend erwähnte Schichtniederschlagsprozess wird wiederholt, um eine Komposit-Oxidschicht zu bilden.
Über die Kontrolle der Größe einer Energie, angelegt an das erste Metall-Target, und derjenigen einer Energie, angelegt an das zweite Metall-Target, kann der Brechungs index eines Dünnfilms variiert werden. Zum Beispiel variiert, wie in 4 dargestellt ist, der Brechungsindex eines Dünnfilms mit dem Verhältnis zwischen der Energie, angelegt an Si, das als das erste Metall dient, und der Energie, angelegt an Ta, das als das zweite Metall dient. Dementsprechend kann, über die fortlaufende Variation der Energie, angelegt an die zwei Targets, entsprechend einer vorbestimmten Regel, eine refraktive Gradienten-Schicht gebildet werden.
Wie in den Fällen der vorhergehenden Aspekte sind die elektrisch neutralen, aktivierten Spezies eines reaktiven Gases Radikale (Atome oder Moleküle, die mindestens ein ungepaartes Elektron haben, oder Atome oder Moleküle in einem angeregten Zustand). Auch kann das vorstehend erwähnte Sputtern ein Magnetronsputtern sein. Weiterhin wird eine Spannung (gewöhnlich eine negative Spannung), angelegt an jedes der Targets, unter Intervallen von 1–200 kHz zu einer positiven Spannung, die zwischen +50 V und +200 V reicht, invertiert, um dadurch zu neutralisieren, mit Elektronen in dem Plasma, wobei sich positive Ladungen in einer Verbindung ansammeln, die auf der Oberfläche gebildet wird, insbesondere in einem nicht erodierten Bereich davon, und zwar jedes der Targets.
Vierter Aspekt:
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bilden eines Dünnfilms einer zusammengesetzten Metallverbindung geschaffen, die die Merkmale des zweiten Aspekts und eine Übertragungseinrichtung zum sequenziellen und wiederholten Überführen eines Substrats zwischen den Dünnfilm-Niederschlagsbereichen zum Bilden eines Dünnfilms über Sputtern, wobei die Dünnfilm-Niederschlagsbereiche den vorstehend erwähnten Schichtniederschlags-Prozesskammern entsprechen, und einem Bereich, der Radikale aussetzt, zum Aussetzen eines Dünnfilms den Radikalen eines reaktiven Gases, abgegeben von einer Radikalen-Quelle, wobei der Bereich für ein Aussetzen gegenüber Radikalen der vorstehend erwähnten Reaktionsprozesskammer entspricht, aufweist. Ein Dünnfilm aus einer zusammengesetzten Metallverbindung wird auf dem Substrat über die sequenziell wiederholte Überführung des Substrats zwischen den Dünnfilm-Niederschlagsbereichen und dem Bereich zum Aussetzen gegenüber Radikalen gebildet. Auch wird auf dem Dünnfilm irgendein Brechungsindex innerhalb des Bereichs zwischen dem optischen Brechungsindex, der einer Bestandteil-Metall-Verbindung eines Dünnfilms einer zusammengesetzten Metallverbindung eigen ist, und dem optischen Bre chungsindex, der einer anderen Bestandteil-Metall-Verbindung des Dünnfilms eigen ist, aufgebracht.
Gemäß dem vorliegenden Aspekt wird ein Substrat durch einen elektrisch isolierten Substrathalter so gehalten, um das Auftreten einer ungewöhnlichen Entladung an dem Substrat zu verhindern. Wie in dem Fall der vorhergehenden Aspekte werden die aktivierten Spezies eines reaktiven Gases, verwendet in der Reaktionsprozesskammer, elektrisch neutrale Radikale (Atome oder Moleküle, die mindestens ein ungepaartes Elektron haben, oder Atome oder Moleküle in einem angeregten Zustand); eine Magnetron-Sputtervorrichtung dient als eine Schichtniederschlagsvorrichtung; und eine negative Spannung, angelegt an jedes der Targets, wird unter Intervallen von 1–200 kHz zu einer positiven Spannung invertiert, die von +50 V bis zu +200 V reicht, um dadurch, mit Elektronen in dem Plasma, positive Ladungen zu neutralisieren, die sich in einer Verbindung ansammeln, die auf der Oberfläche gebildet werden soll, insbesondere in einem nicht erodierten Bereich davon, und zwar jedes der Targets. Auch sind ein Mechanismus zum Erzeugen der aktivierten Spezies, ein Gitter und eine Abschirmeinrichtung ähnlich zu solchen der vorhergehenden Aspekte.
Fünfter Aspekt:
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Dünnfilm einer zusammengesetzten Metallverbindung auf einem Substrat in einer Art und Weise ähnlich zu dem ersten Aspekt gebildet, und irgendwelche optischen Charakteristika werden auf den Dünnfilm über die fortlaufende Variation des Brechungsindex der Dünnfilme in der Richtung der Dicke der Dünnfilme innerhalb des Bereichs zwischen dem optischen Brechungsindex, der einer Bestandteil-Metall-Verbindung der Dünnfilme eigen ist, und dem optischen Brechungsindex, der einer anderen Bestandteil-Metall-Verbindung der Dünnfilme eigen ist, aufgebracht.
Als nächstes werden, als Beispiele, eine 3-schichtige Antireflexionsschicht, die eine Zwischen-Refraktiv-Index-Schicht besitzt, und eine 2-schichtige Antireflexionsschicht, die eine refraktive Gradientenschicht besitzt, beschrieben. Deren Schichtkonfigurationen sind, zum Beispiel, wie folgt:

(1) Substrat/M(λ/4)/2H(λ/2)/L(λ/4)/Luft; und
(2) Substrat/G/L(λ/4)/Luft (G: refraktive Gradientenschicht).

In diesem Fall wird der Brechungsindex der Zwischen-Refraktiv-Index-Schicht M durch
dargestellt, wobei n_m der Brechungsindex der Zwischen-Refraktiv-Index-Schicht M ist, n₁ der Brechungsindex der Niedrig-Refraktiv-Index-Schicht ist, und n_s der Brechungsindex des Substrats ist. Die 2-schichtige Antireflexionsschicht ist basierend auf dem herkömmlichen 2-schichtigen Antireflexions-Design, bezeichnet als w-Coat, aufgebaut; genauer gesagt Substrat/2H(λ/2)/L(λ/4)/Luft. 7 stellt die berechneten und gemessenen spektralen Kurven der 3-schichtigen und 2-schichtigen Antireflexionsschichten dar. Wie anhand von 7 zu sehen ist, befinden sich die berechneten Werte und die gemessenen Werte in einer guten Übereinstimmung. In dem Fall der 2-schichtigen Antireflexionsschicht wird die Schicht mit einem hohen Brechungsindex des herkömmlichen w-Coats durch eine refraktive Gradientenschicht ersetzt, um dadurch den Bereich einer Antireflexion zu erweitern.
Wie vorstehend erwähnt ist, können, über die kontinuierliche Variation des Brechungsindex eines dünnen Films bzw. eines Dünnfilms in der Richtung der Dicke der Dünnfilme, irgendwelche optischen Charakteristika auf den Dünnfilm aufgebracht werden.
Gemäß den vorstehend beschriebenen Aspekten werden zwei Sputtereinrichtungen zum Sputtern von zwei Arten von Metallen verwendet. Allerdings können drei oder mehr Sputtereinrichtungen verwendet werden. Eine solche Konfiguration ist durchführbar, da die Schichtniederschlags-Prozesskammern und die Reaktionsprozesskammer gegeneinander durch die Abschirmeinrichtung separiert sind und unabhängig voneinander kontrolliert werden können.
Demzufolge erzielt die vorliegenden Erfindung die folgenden Vorteile: der Brechungsindex kann auf irgendeinen Wert innerhalb des Bereichs zwischen den jeweiligen Brechungsindizes, die für eine Mehrzahl von Metallen, die gesputtert werden sollen, eigen sind, kontrolliert werden; ein Ultra-Dünnfilm kann gebildet werden, während der Ultra-Dünnfilm einer Oxidation, Nitrierung, Fluorierung, oder einer anderen, entsprechenden Reaktion unterworfen wird; und ein Dünnfilm einer metallischen Verbindung, die stabile, optische Charakteristika, dynamische Charakteristika und entsprechende Charakteristika besitzt, kann auf einem Substrat ohne Erhöhen der Substrattemperatur unter einer hohen Niederschlagsrate gebildet werden. Auch kann ein weiter Bereich einer Brechungsindexvariation über die Verwendung eines einzelnen Steuersystems erreicht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Ansicht, die eine Vorrichtung zum Bilden eines Dünnfilms darstellt;
2 zeigt eine schematische Seitenansicht, gesehen entlang der Linie A-B-C der 1;
3 zeigt eine erläuternde Ansicht, die den Prozess eines Bildens eines Dünnfilms einer zusammengesetzten Metallverbindung auf einem Substrat darstellt;
4 zeigt eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen einem Leistungsverlust (power ratio) und dem Brechungsindex darstellt;
5 zeigt eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen Extinktionskoeffizienten und einem Brechungsindex darstellt;
6 zeigt eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen einer Heterogenität und einem Brechungsindex für eine Mehrzahl von Dünnfilmen darstellt; und
7 zeigt eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen einem Reflexionsvermögen und der Wellenlänge zum Vergleich zwischen berechneten Werten und experimentellen Werten darstellt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Vorrichtung S zum Bilden eines Dünnfilms gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vakuumkammer 11, Schichtniederschlags-Prozesskammern 20 und 40, eine Reaktionsprozesskammer 60, Abschirmplatten 31, 51 und 75 (die als eine Separationseinrichtung oder eine Abschirmeinrichtung dienen), einen Substrathalter 13 und eine Antriebseinrichtung dafür (die als eine Überführungseinrichtung dient), und Einrichtungen zum Erzeugen von aktivierten Spezies.
Die Vakuumkammer 11 ist aus einem geschlossenen, hohlen Behälter, der irgendeine Form besitzt, gebildet. Der im Wesentlichen zylindrische Substrathalter 13 ist an der Mitte der Vakuumkammer 11 in einer Art und Weise, drehbar unter einer vorbestimmten Geschwindigkeit, angeordnet. Die Schichtniederschlags-Prozesskammern 20 und 40 und die Reaktionsprozesskammer 60 sind um den Substrathalter 13 herum und innerhalb der Vakuumkammer 11 angeordnet.
Die Schichtniederschlags-Prozesskammern 20 und 40 sind mit den Abschirmplatten 31 und 51 jeweils, unabhängig voneinander, umschlossen, und besitzen mindestens zwei Sputtereinrichtungen.
Die Schichtniederschlags-Prozesskammern 20 und 40 sind entgegengesetzt zueinander in Bezug auf den Substrathalter 13 angeordnet. Die Schichtniederschlags-Prozesskammern 20 und 40 sind durch die Abschirmplatten 31 und 51 jeweils definiert.
Die Abschirmplatten 31, 51 und 75 definieren separate Räume, die als die Schichtniederschlags-Prozesskammern 20 und 40 und die Reaktionsprozesskammer 60 jeweils dienen (die später beschrieben werden), in einer Vakuumatmosphäre, eingerichtet innerhalb der Vakuumkammer 11. Die so definierten Räume sind nicht vollständig voneinander getrennt, sondern sind im Wesentlichen unabhängig voneinander und dienen als die Schichtniederschlags-Prozesskammern 20 und 40 und die Reaktionsprozesskammer 60, die unabhängig kontrollierbar sind.
Dementsprechend sind die Schichtniederschlags-Prozesskammern 20 und 40 und die Reaktionsprozesskammer 60 so konfiguriert, um zumindest so zueinander beeinflussbar zu sein, dass optimale Bedingungen in jeder der Kammern 20, 40 und 60 eingerichtet werden können. Vorzugsweise wird der Druck der Schichtniederschlags-Prozesskammern 20 und 40 höher als derjenige der Reaktionsprozesskammer 60 eingestellt.
Eine solche Druckeinstellung verhindert, dass ein reaktives Gas (z.B. Sauerstoffgas) in der Reaktionsprozesskammer 60 von den Schichtniederschlags-Prozesskammern 20 und 40 aus eintritt. Demzufolge kann dabei das Auftreten einer ungewöhnlichen Entladung, die ansonsten aufgrund der Bildung einer metallischen Verbindung auf den Oberflächen der Targets 29 und 49 resultieren würde, verhindert werden. Zum Beispiel beträgt der Druck (der Grad eines Vakuums) der Schichtniederschlags-Prozesskammern 20 und 40 vorzugsweise 0,8 – 10 × 10^–3 Torr, und der Druck (der Grad eines Vakuums) der Reaktionsprozesskammer 60 beträgt vorzugsweise 0,8 – 8 × 10^–3 Torr, um dadurch den Zustand einzurichten, dass der Druck der Schichtniederschlags-Prozesskammern 20 und 40 größer als derjenige der Reaktionsprozesskammer 60 ist.
Die Schichtniederschlags-Prozesskammern 20 und 40 besitzen jeweils Sputterelektroden 21 und 41. Räume vor den Sputterelektroden 21 und 41 dienen als Sputterschicht-Niederschlagsbereiche.
Die Schichtniederschlags-Prozesskammern 20 und 40 sind mit den Sputtergaszylindern 27 und 47 über Massenfluss-Steuerrichtungen 25 und 45 jeweils verbunden. Ein Sputtergas, wie beispielsweise Argon, wird von den Zylindern 27 und 47 in die Schichtniederschlags-Prozesskammern 20 und 40 jeweils eingeführt, um dadurch eine regulierte Sputteratmosphäre innerhalb der Schichtniederschlags-Prozesskammern 20 und 40 einzurichten. Über das Anlegen von Energie von den Sputterenergiequellen 23 und 43 wird ein Sputtern durchgeführt. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein niedrig brechendes Material als das Target 29 verwendet. Beispiele eines solchen niedrig brechenden Materials umfassen Si. Auch wird ein hoch brechendes Material als das Target 49 verwendet. Beispiele eines solchen hoch brechenden Materials umfassen Ti, Zr, Ta und Nb.
Die Reaktionsprozesskammer 60 umfasst einen Generator 61 für aktivierte Spezies, der als eine Quelle für Radikale dient, zum Erzeugen der aktivierten Spezies eines reaktiven Gases, und ein Gitter 62. Das Gitter 62 kann ein Multi-Apertur-Gitter oder ein Multi-Schlitz-Gitter sein.
Der Generator 61 für aktivierte Spezies kann ein induktiv gekoppelter Typ, ein kapazitiv gekoppelter Typ oder ein induktiv, kapazitiv gekoppelter Typ sein, und besitzt externe oder interne Elektroden.
Der Generator 61 für aktivierte Spezies umfasst eine Hochfrequenz-(HF)-Entladungskammer 63, gebildet aus einem Quarzrohr, und eine Hochfrequenz-(HF)-Wicklung, gewickelt auf der HF-Entladungskammer 63. Eine Hochfrequenz-(HF)-Energiequelle 69 legt Energie (eine Hochfrequenzenergie von 100 kHz bis 50 MHz) an die HF-Spule 65 über eine Anpassungs-Box 67 an. Gleichzeitig wird ein reaktives Gas, wie beispielsweise Sauerstoffgas, von einem Zylinder 73 für reaktives Gas in die HF-Entladungskammer 63 über eine Massenfluss-Steuereinheit 71 eingeführt. Als Folge wird das Plasma des reaktiven Gases erzeugt. Beispiele eines solchen reaktiven Gases umfassen oxidierende Gase, wie beispielsweise Sauerstoff und Ozon, nitrierende Gase, wie beispielsweise Stickstoff, karbonisierende Gase, wie beispielsweise Methan, und fluorierende Gase, wie beispielsweise CF₄.
Um ein hoch dichtes Plasma zu erhalten, wird ein magnetisches Feld von 20–300 Gauss innerhalb des Quarzrohrs über die Verwendung der externen Spule 80 oder der internen Spule 81 erzeugt. Das Gitter 62, angeordnet an dem Verbindungsbereich zwischen dem Quarzrohr und der Vakuumkammer 11, ist so angepasst, um nur aktivierte Spezies in die Reaktionsprozesskammer 60 hinein freizugeben.
Das Multi-Apertur-Gitter, das als das Gitter 62 dient, ist aus einem Metall oder einem Isolator gebildet, in dem eine Anzahl von Öffnungen gebildet ist, die einen Durchmesser von 0,1–3 mm besitzen, und ist gekühlt. Das Multi-Schlitz-Gitter, das als das Gitter 62 dient, ist aus einem Metall oder einem Isolator gebildet, in dem eine Anzahl von Schlitzen gebildet ist, die eine Breite von 0,1–1 mm besitzen, und ist gekühlt.
Über die Verwendung des Gitters 62 werden selektiv in die Reaktionsprozesskammer 60 die aktivierten Spezies eines reaktiven Gases eingeführt, d.h. Radikale, Radikale in einem angeregten Zustand, Atome in einem angeregten Zustand, und Moleküle in einem angeregten Zustand, während geladene Teilchen, wie beispielsweise Elektronen und Ionen, nicht durch das Gitter 62 hindurchführen können, und demzufolge nicht in die Reaktionsprozesskammer 60 eintreten können. Dementsprechend wird, in der Reaktionsprozesskammer 60, ein metallischer Ultra-Dünnfilm nicht den vorstehend erwähnten, geladenen Teilchen ausgesetzt, sondern wird nur elektrisch neutralen, aktivierten Spezies eines Reaktionsgases ausgesetzt, und reagiert mit den aktivierten Spezies, um dadurch von einem metallischen Dünnfilm aus Si und Ta, oder dergleichen, zu einem Dünnfilm einer zusammengesetzten Metallverbindung (SiO₂ und Ta₂O₂) umgewandelt zu werden.
Die Überführungseinrichtung der vorstehenden Ausführungsform ist so angepasst, um sequenziell und wiederholt ein Substrat zwischen Dünnschicht-Niederschlagsbereichen zum Bilden eines Dünnfilms über Sputtern, wobei die Dünnfilm-Niederschlagsbereiche den Schichtniederschlags-Prozesskammern 20 und 40 entsprechen, und einem Bereich zum Aussetzen gegenüber Radikalen, um einen Dünnfilm Radikalen eines reaktiven Gases, emittiert von einer Radikalen-Quelle, auszusetzen, zu überführen, wobei der Bereich zum Aussetzen gegenüber Radikalen der Reaktionsprozesskammer 60 entspricht.
Die Überführungseinrichtung der vorliegenden Ausführungsform wird nun genauer beschrieben. Wie in den 1 und 2 dargestellt ist, ist der im Wesentlichen zylindrische Substrathalter 13, der als die Überführungseinrichtung dient, an der Mitte der Vakuumkammer 11 in einer Art und Weise drehbar unter einer vorbestimmten Geschwindigkeit angeordnet. Der Substrathalter 13 ist drehbar durch nicht dargestellte Lagerbereiche in der Vakuumkammer 11 gehalten. Die Lagerbereiche können innerhalb oder außerhalb der Vakuumkammer 11 gebildet sein. Der Substrathalter 13 ist mit der Abtriebswelle eines Drehantriebs 17 (Motor) verbunden und wird durch die sich drehende Abtriebswelle gedreht.
Der Drehantrieb 17 ist so konfiguriert, dass die Drehgeschwindigkeit davon kontrolliert werden kann. Ein Substrat (nicht dargestellt) ist an dem Substrathalter 13 befestigt und wird sequenziell und wiederholt zwischen den Dünnschicht-Niederschlagsbereichen zum Bilden einen Dünnfilm über Sputtern in den Schichtniederschlags-Prozesskammern 20 und 40 und dem Bereich zum Aussetzen gegenüber Radikalen zum Aussetzen einen Dünnfilm den Radikalen eines reaktiven Gases, emittiert von der Radikale-Quelle in der Reaktionsprozesskammer 60, überführt.
BEISPIELE
Sputterbedingungen und Bedingungen zum Erzeugen der aktivierten Spezies eines reaktiven Gases sind wie folgt:

(1) Sputterbedingungen (Si) Angelegte Energie: 0–2,9 kW Substrattemperatur: Raumtemperatur Argonfluss: 300 sccm Drehgeschwindigkeit des Substrathalters: 100 U/min Dicke des Ultra-Dünnfilms: 2–6 Ångström
(2) Sputterbedingungen (Ta) Angelegte Energie: 0–1,5 kW Substrattemperatur: Raumtemperatur Argonfluss: 200 sccm Drehgeschwindigkeit des Substrathalters: 100 U/min Dicke des Ultra-Dünnfilms: 1–4 Ångström
(3) Bedingungen zum Erzeugen von Radikalen eines reaktiven Gases (O₂) Angelegte Energie: 2,0 kW Sauerstofffluss: 60 sccm

Um die vorliegende Erfindung zu beschreiben, wird als nächstes, anhand eines Beispiels, der Fall beschrieben, bei dem ein Dünnfilm einer zusammengesetzten Metallverbindung aus SiO₂ und Ta₂O₂ unter den vorstehend angegebenen Sputterbedingungen und den Bedingungen zum Erzeugen der aktivierten Spezies eines reaktiven Gases niedergeschlagen wird.
Silizium (Si) wird in den Schritten gesputtert: Fixieren von Silizium, das als das Target 29 dient, an Ort und Stelle; Einführen von Argon-Gas in die Schichtniederschlags-Prozesskammer 20 von dem Sputtergaszylinder 27 aus; und Anlegen von Energie an das Target 29 von der Sputterenergiequelle 23. Tantal (Ta) wird in den Schritten gesputtert: Fixieren von Tantal, das als das Target 29 dient, an Ort und Stelle; Einführen von Argon- Gas in die Schichtniederschlags-Prozesskammer 40 von dem Sputtergaszylinder 47 aus; und Anlegen von Energie an das Target 29 von der Sputterenergiequelle 43.
Ein Brechungsindex, der erhalten werden soll, hängt von dem Verhältnis zwischen der Energie, angelegt an das Magnetron-Sputtertarget, und der Energie, angelegt an das andere Magnetron-Sputtertarget in 3, ab. Sauerstoffgas wird in den Generator 61 für aktivierte Spezies von dem Reaktivgaszylinder 73 eingeführt und der Generator 61 für aktivierte Spezies wird aktiviert, um dadurch die aktivierten Spezies eines Sauerstoffgases (Sauerstoffatome) zu erzeugen.
Wenn der Substrathalter 13, der ein Substrat trägt, mit dem Drehantrieb 17 (Motor) gedreht wird, wird eine ultradünne Si-Schicht auf dem Substrat niedergeschlagen, wenn das Substrat vor der Sputterelektrode 21 (der Niederschlagsbereich zum Sputtern der Dünnfilme) in der Schichtniederschlags-Prozesskammer 20 angeordnet ist. Als nächstes wird eine ultradünne Ta-Schicht auf dem Substrat niedergeschlagen, wenn das Substrat vor der Sputterelektrode 41 (der Niederschlagsbereich zum Sputtern der Dünnfilme) in der Schichtniederschlags-Prozesskammer 40 angeordnet ist. Der so gebildete Dünnfilm des Komposit-Metalls wird durch die aktivierten Spezies des Sauerstoffgases oxidiert, wenn das Substrat vor dem Gitter 62 (der Bereich zum Aussetzen gegenüber Radikalen) in der Reaktionsprozesskammer 60 angeordnet ist. Als Folge wird der Dünnfilm des Komposit-Metalls zu einem Dünnfilm einer zusammengesetzten Metallverbindung aus SiO₂ und Ta₂O₂ umgewandelt.
Der Substrathalter 13, der das Substrat trägt, wird gedreht, um so den Niederschlag eines Ultra-Dünnfilms aus Si und Ta und die Umwandlung des Ultra-Dünnfilms aus Si und Ta zu einem Dünnfilm einer zusammengesetzten Metallverbindung von SiO₂ und Ta₂O₂ zu wiederholen, bis ein Dünnfilm einer zusammengesetzten Metallverbindung aus SiO₂ und Ta₂O₂, der eine erwünschte Dicke besitzt, erhalten ist.
Räume vor den Sputterelektroden 21 und 41 werden durch die Abschirmplatten 31 und 51 jeweils umschlossen, und ein Raum vor dem Gitter 62 wird durch die Abschirmplatten 75 umschlossen. Ein Sputtergas wird in die entsprechenden, umschlossenen Räume von den Sputtergaszylindern 27 und 47 eingeführt, und ein Reaktionsgas wird in den entsprechenden, umschlossenen Raum von dem Reaktionsgaszylinder 73 aus eingeführt.
Die so eingeführten Gase werden in ein Evakuierungssystem durch eine Vakuumpumpe 15 evakuiert. Dementsprechend tritt das Sputtergas nicht in den Raum, umschlossen durch die Abschirmplatten 75, ein, oder das reaktive Gas tritt nicht in die Räume, umschlossen durch die Abschirmplatten 31 und 51, ein.
Auch können eine Entladung, zugeordnet einem Magnetronsputtern, und eine Entladung, zugeordnet der Erzeugung der aktivierten Spezies eines Reaktionsgases, unabhängig voneinander kontrolliert werden, um dadurch keinen Effekt aufeinander zu haben, und können demzufolge stabil durchgeführt werden, um dadurch das Auftreten eines unerwarteten Vorfalls zu vermeiden und eine hohe Zuverlässigkeit zu erzielen. Weiterhin ist das Substrat, da der Generator für aktivierte Spezies so konfiguriert ist, um nicht ein Substrat einem Plasma auszusetzen, frei von verschiedenen Beschädigungen, die ansonsten aufgrund von aufgeladenen Teilchen auftreten würden. Auch kann die Substrattemperatur auf 100°C oder niedriger kontrolliert werden, um dadurch einen unvorteilhaften Temperaturanstieg zu vermeiden. In dem Fall eines Kunststoffsubstrats wird, da die Substrattemperatur nicht 100°C übersteigt, ein Glasübergangspunkt nicht während eines Sputterns überschritten. Demzufolge erleidet das Kunststoffsubstrat nicht irgendeine Deformation oder eine ähnliche Beschädigung.
Die vorstehend erwähnten Phänomene werden nun unter Bezugnahme auf die 4 bis 7 beschrieben. Die 4 bis 7 stellen die Beziehung zwischen Energie- und optischen Charakteristika dar, wie beispielsweise Brechungsindex, Extinktionskoeffizient und Heterogenität von Ta_xSi_yO_z. Optische Konstanten werden basierend auf Daten, die sich auf die spektralen Charakteristika einer Einzel-Polaritäts-Schicht beziehen, berechnet. Wie in 4 dargestellt ist, variieren die Brechungsindizes von Ta_xSi_yO_z mit dem Verhältnis der Energie, angelegt an eine Führung, zu der Energie, angelegt an die andere Führung. Wie anhand der 4 zu sehen ist, verringert sich, wenn sich das Verhältnis der angelegten Energie zwischen der Si-Kathode und der Ta-Kathode erhöht, der Brechungsindex.
Da die Dampfniederschlagsrate auf 40 nm/min fixiert ist, gilt die dargestellte Beziehung zwischen dem Brechungsindex und der angelegten Energie. Als Folge werden der minimale und der maximale Brechungsindex bei einer Wellenlänge von 550 nm bei 1,463 und 2,182 jeweils vorgefunden. Wenn sich das Verhältnis der angelegten Energie erhöht, erhöht sich der Brechungsindex bei einer Wellenlänge von 550 nm von 1,463 auf 2,182. Auch kann der Brechungsindex von 2,182 auf 1,463 verringert werden.
5 stellt die Beziehung zwischen dem Extinktionskoeffizienten und dem Brechungsindex dar, und 6 stellt die Beziehung zwischen einer Heterogenität und dem Brechungsindex für eine Vielzahl von Dünnfilmen dar. Wie in 5 dargestellt ist, sind die Extinktionskoefhzienten von Dünnfilmen, die einen Brechungsindex von 1,463 bis 2,00 bei einer Wellenlänge von 550 nm haben, kleiner als 5 × 10^–4. Die Extinktionskoeffizienten von Dünnfilmen, die einen Brechungsindex von 2,00 bis 2,182 haben, sind kleiner als 1 × 10^–3.
Wie anhand von 6 zu sehen ist, zeigen die Dünnfilme eine sehr geringe Heterogenität.
Dünnfilme, die einen Brechungsindex nicht höher als 2,00 haben, sind negativ heterogen.
Dünnfilme, die einen Brechungsindex höher als 2,00 haben, sind positiv heterogen.
Basierend auf den vorstehenden Erkenntnissen wurden eine 3-schichtige Antireflexionsschicht, die eine Zwischen-Refraktiv-Index-Schicht besitzt, und eine 2-schichtige Antireflexionsschicht, die eine refraktive Gradientenschicht besitzt, ausgelegt und hergestellt.
Die hergestellten Schicht-Konfigurationen waren wie folgt:

Der Brechungsindex der Zwischen-Refraktiv-Index-Schicht M ist durch
dargestellt, wobei n_m der Brechungsindex der Zwischen-Refraktiv-Index-Schicht M ist, n₁ der Brechungsindex der Niedrig-Refraktiv-Index-Schicht ist, und n_s der Brechungsindex des Substrats ist. Die 2-schichtige Antireflexionsschicht wurde basierend auf dem herkömmlichen 2-schichtigen Antireflexions-Design, bezeichnet als w-Coat, ausgelegt; genauer gesagt Substrat/2H(λ/2)/L(λ/4)/Luft. 7 stellt die berechneten und gemessenen, spektralen Kurven der 3-schichtigen- und 2-schichtigen Antireflexionsschichten dar.
Wie anhand der 7 zu sehen ist, befinden sich die berechneten Werte und die gemessenen Werte in einer guten Übereinstimmung. In dem Fall der 2-schichtigen Antireflexionsschicht wurde die Schicht mit hohem Brechungsindex des herkömmlichen w-Coats durch eine refraktive Gradientenschicht ersetzt, um dadurch den Bereich einer Antireflexion zu erweitern.
Die vorliegende Erfindung umfasst die folgenden Ausführungsformen:

– eine Vorrichtung zum Bilden eines Dünnfilms einer zusammengesetzten Metallver bindung, wobei das Multi-Apertur-Gitter aus einem Metall oder einem Isolator gebildet ist, bei dem eine Anzahl von Aperturen bzw. Öffnungen gebildet ist, die einen Durchmesser von 0,1–3 mm besitzen, und gekühlt wird
– eine Vorrichtung zum Bilden eines Dünnfilms einer zusammengesetzten Metallverbindung, wobei das Multi-Schlitz-Gitter aus einem Metall oder einem Isolator gebildet ist, bei dem eine Anzahl von Schlitzen gebildet wird, die eine Breite von 0,1–1 mm besitzen und gekühlt wird
– ein Verfahren zum Bilden eines Dünnfilms einer zusammengesetzten Metallverbin dung, aufweisend die Schritte: Sputtern von mindestens zwei unabhängigen, unterschiedlichen Metallen, um so auf einem Substrat einen Ultra-Dünnfilm eines Komposit-Metalls oder eines nicht vollständig reagierten Komposit-Metalls zu bilden; und Bestrahlen des Ultra-Dünnfilms mit elektrisch neutralen, aktivierten Spezies eines reaktiven Gases, um so das Komposit-Metall oder das nicht vollständig reagierte Komposit-Metall in eine zusammengesetzten Metallverbindung über die Reaktion des Ultra-Dünnfilms mit den aktivierten Spezies des reaktiven Gases umzuwandeln, wobei der Schritt eines Bildens des Ultra-Dünnfilms und der Schritt eines Umwandelns zu der zusammengesetzten Metallverbindung sequenziell wiederholt werden, um so auf dem Substrat einen Dünnfilm der zusammengesetzten Metallverbindung zu bilden, der eine erwünschte Dicke besitzt, und wobei dabei auf dem Dünnfilm irgendein Brechungsindex innerhalb des Bereichs zwischen dem optischen Brechungsindex, der einer Bestandteil-Metall-Verbindung des Dünnfilms eigen ist, und dem optischen Brechungsindex, der einer anderen Bestandteil-Metall-Verbindung des Dünnfilms eigen ist, über die kontinuierliche Variation des Brechungsindex des Dünnfilms in der Richtung der Dicke des Dünnfilms, aufgebracht wird.

Claims

Verfahren zum Bilden eines Dünnfilms einer zusammengesetzten Metallverbindung in einer Vorrichtung, die umfasst: wenigstens eine erste und eine zweite Filmabscheide-Prozesskammer (20, 40), die jeweils unabhängig von Abschirmplatten (31, 51) umschlossen sind, wobei die erste Kammer (20) ein erstes Metall-Target (29) enthält und die zweite Kammer (20) ein zweites Metall-Target (49) enthält; eine Reaktions-Prozesskammer (60) mit einer Radikalen-Quelle (61) zum Erzeugen der aktivierten Spezies eines reaktiven Gases; Abschirmeinrichtungen (31, 51) zum Abschirmen der Filmabscheide-Prozesskammer (20, 40); eine Abschirmeinrichtung (75) zum Abschirmen der Reaktionsprozesskammer (60); ein Substrat, auf dem Dünnfilm ausgebildet wird; und eine Überführungseinrichtung (13) zum sequentiellen und wiederholten Überführen des Substrats zwischen Dünnfilm-Abscheidepositionen zum Ausbilden eines Dünnfilms auf dem Substrat durch Sputtern, wobei die Dünnfilm-Abscheidepositionen den Filmabscheide-Prozesskammern (20, 40) entsprechen, und einer Radikalen ausgesetzten Position, an der ein Dünnfilm Radikalen eines reaktiven Gases ausgesetzt ist, das von der Radikalen-Quelle (61) emittiert wird, wobei die Radikalen ausgesetzte Position der Reaktions-Prozesskammer (60) entspricht und ein Dünnfilm aus zusammengesetzter Metallverbindung auf dem Substrat durch die sequentiell wiederholte Überführung des Substrats zwischen der Dünnfilm-Abscheideposition und der Radikalen ausgesetzten Position ausgebildet wird und die Stärke von an das erste Metall-Target (29) angelegtem Strom sowie die Stärke von an das zweite Metall-Target angelegtem Strom so gesteuert werden, dass der Dünnfilm so ausgebildet wird, dass er einen Brechungsindex innerhalb des Bereiches zwischen dem optischen Brechungsindex, der einem Metallverbindungs-Bestandteil des Dünnfilms aus der zusammengesetzten Metallverbindung eigen ist, und dem optischen Brechungsindex hat, der einem anderen Metallverbindungs-Bestandteil des Dünnfilms eigen ist.
Verfahren zum Ausbilden eines Dünnfilms aus einer zusammengesetzten Metallverbindung nach Anspruch 1, wobei das Substrat von einem elektrisch isolierten Substrathalter (16) so gehalten wird, dass das Auftreten einer ungewöhnlichen Entladung an dem Substrat verhindert wird.
Verfahren zum Ausbilden eines Dünnfilms einer zusammengesetzten Metallverbindung nach Anspruch 1, wobei eine negative Spannung, die an jedes der Targets (29, 49) der Filmabscheide-Prozesskammern (20, 40) angelegt wird, in Intervallen von 1–200 kHz zu einem Bereich positiver Spannung zwischen +50 V und +200 V invertiert wird, um so mit Elektronen in Plasma positive Ladungen zu neutralisieren, die sich in einer Verbindung akkumulieren, die sich an der Oberfläche jedes der Targets (29, 49) bildet.