CN101861408A - 光学薄膜沉积装置及光学薄膜的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够制造具有良好的光学特性的光学薄膜的光学薄膜沉积装置，以及制造成本低廉而且具有良好的光学特性的光学薄膜的制造方法。在真空容器(10)内向基体(14)沉积沉积物质的光学薄膜沉积装置具有：圆顶形的基体保持单元(12)，其设置在真空容器(10)内，用于保持基体(14)；旋转单元，其使基体保持单元(12)旋转；沉积单元(34)，其与基体(14)相对设置；离子源(38)，其向基体(14)照射离子；以及中和器(40)，其向基体(14)照射电子。离子源(38)被设置在下述位置，即，所述位置是使从离子源(38)照射离子的轴线、与相对于基体(14)的表面的垂线之间的角度为8°以上40°以下，并使基体保持单元的旋转轴中心和离子源(38)的中心之间的垂直方向的距离、与基体保持单元(12)的直径之比为0.5以上1.2以下的范围。

Description

光学薄膜沉积装置及光学薄膜的制造方法
技术领域
本发明涉及光学薄膜沉积装置及光学薄膜的制造方法，尤其涉及具有向基体照射离子的离子源的光学薄膜沉积装置及光学薄膜的制造方法。
背景技术
以往，公知有当在真空容器内朝向基板表面蒸发薄膜材料时，通过向堆积在基板上的沉积层照射离子来实现致密化的沉积装置、即离子辅助沉积装置。在该沉积装置中，利用离子源向基体照射能量较低的离子束(气体离子)，同时利用被称为neutralizer的中和器向基板照射中和电子(电子)。根据这种结构，能够中和通过离子束而沉积在基板上的电荷，并利用离子束的动能镀制致密的光学薄膜(例如专利文献1)。
根据专利文献1公开的技术，如图7所示，从沉积源134交替地蒸发高折射率物质和低折射率物质并将其层叠，能够得到由多层膜构成的光学薄膜。在分别对高折射率物质和低折射率物质进行成膜时，利用从离子源138照射的氩离子或氧离子，使附着在基板114上的蒸发物质致密化，同时利用从中和器140照射的中和电子防止基板114和基板支架等电荷沉积。
并且，在专利文献1公开的技术中公开的沉积装置构成为，在与基板114相对的位置即真空容器的底面侧配置沉积源134和离子源138。在这种结构的装置中，为了使膜厚分布保持固定，需要根据基板支架的大小，将沉积源134与基板支架(基板114)之间的距离设为固定的比率。因此，在具有直径较大的基板支架的沉积装置中，如果把沉积源134和基板114配置为合适的距离，则成为基板支架与离子源138之间的距离较远的配置，造成离子辅助的效果降低。
为了解决这种问题而提出了下述的技术，在与沉积源相比更靠近基板支架的真空容器的侧面位置安装离子源，由此提高离子辅助效果，防止成膜效率的降低(参照专利文献2～4)。
专利文献1：日本特开2007-248828号公报
专利文献2：日本特开2000-129421号公报
专利文献3：日本特开2004-131783号公报
专利文献4：日本特开2006-045632号公报
根据上述专利文献2～4公开的技术，在与沉积源相比更靠近基板支架的位置、或者在与沉积源相比更靠近基板支架的位置且真空容器的侧面附近安装离子源，由此能够在某种程度上防止离子辅助的效果和离子镀引起的成膜效率的降低。更具体地讲，根据上述专利文献2～4公开的技术，虽然能够将从离子源照射的离子束保持较高能量状态照射到基板上，但还期望得到更高的离子辅助的效果。
另一方面，作为组合高折射率物质和低折射率物质得到的光学薄膜的一例，列举遮挡特定波长的光而使除此波长之外的波长的光透射的截止滤波器。在截止滤波器等的光学薄膜中，透射光的损失越小、白浊越少，越能成为良好的光学薄膜，作为其膜质量的指标，使用反射率与透射率之和的值(％)。并且，一般该值越接近100％，越能成为良好的光学薄膜。因此，期望反射率与透射率之和的值接近100％、而且如上所述确保较高的成膜效率的光学薄膜的形成装置。
但是，在上述专利文献2公开的技术中，由于基板支架是平面状的，因而通过设于真空容器侧的离子源得到的离子辅助效果难以相对于基板固定，结果，存在得到的光学薄膜的膜质量难以均匀的问题。另外，虽然专利文献3和4的基板支架是圆顶状的，但是没有具体公开从离子源向所设置的基板照射的离子束的角度等、离子源与基板支架之间的位置关系。因此，在专利文献3和4公开的技术中，虽然能够得到离子辅助效果，但是没有公开与离子源的安装位置相关联的离子辅助效果的程度。
因此，在现有技术中，很难实现获得较高的离子辅助效果、膜质量均匀、并具有较高的光学特性的光学薄膜。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有离子源的光学薄膜沉积装置，能够获得更高的离子辅助效果，而且膜质量均匀，具有良好的光学特性。
并且，本发明的其他目的在于，提供能够实现光学薄膜的制造成本降低、并制造高性能的光学薄膜的光学薄膜沉积装置，以及制造成本低廉而且高性能的光学薄膜的制造方法。
本发明的发明人为了解决上述问题，经过反复认真研究，结果得到了下述的新见解并完成了本发明，即，通过使照射离子的轴线与相对于基体表面的垂线形成预定的角度而入射来进行成膜处理，能够获得高于以往的离子照射的效果。
所述问题是利用本发明的光学薄膜沉积装置解决的，一种在真空容器内向基体沉积沉积物质的光学薄膜沉积装置，所述光学薄膜沉积装置具有：圆顶形的基体保持单元，其设置在所述真空容器内，用于保持所述基体；旋转单元，其使该基体保持单元旋转；沉积单元，其与所述基体相对设置；离子源，其向所述基体照射离子；以及中和器，其向所述基体照射电子，所述离子源被设置在下述位置的下述范围内，即，上述位置是使从所述离子源照射离子的轴线、与相对于保持在所述基体保持单元上的所述基体表面的垂线之间的最大角度为8°以上40°以下的位置，上述范围是使所述基体保持单元与旋转轴中心的交点和所述离子源的中心之间的垂直方向的距离、与所述基体保持单元的直径之比为0.5以上1.2以下的范围。
这样，光学薄膜沉积装置具有：圆顶状的基体保持单元，其将基体保持在真空容器内；旋转单元，其使该基体保持单元旋转；沉积单元，其与所述基体相对设置；离子源，其向所述基体照射离子；以及中和器，其向所述基体照射电子，该光学薄膜沉积装置交替地沉积高折射率物质和低折射率物质来形成光学薄膜，离子源被安装成为使从离子源照射离子的轴线相对于基体保持单元旋转的轴线形成预定角度。
并且，通过将从离子源照射离子的轴线和相对于基体表面的垂线形成的最大角度设计为8°以上40°以下，与使离子束以几乎接近直角的角度冲击基体的以往的光学薄膜沉积装置相比，在离子束冲击时，能够使横断方向的作用力作用于基体表面。即，给沉积物质的能量较大，使堆积在基体表面上的沉积物质移动，平滑化、致密化以及使薄膜组织均匀化的效果较高。因此，能够以更小的功率或者在短时间内对膜质量均匀的光学薄膜进行成膜，并能够实现膜质量的改善。
并且，如上所述，相对基体表面的垂线和离子束的轴线形成的最大角度为8°以上40°以下，照射的离子不会被基体保持单元遮挡，因而能够获得成膜于基体上的薄膜均匀、膜质量良好的光学薄膜。
与此相对，在上述的角度之外、例如相对于基体表面的垂线和离子束的轴线形成的最大角度大于40°的情况下，尤其在使用弯曲的基体保持单元时，离子束被基体保持单元遮挡，得到的光学薄膜的膜质量在基体上不均匀。另一方面，在相对于基体表面的垂线和离子束的轴线形成的角度小于8°的情况下，离子源与基板的距离变远，因而离子辅助效果变小，不是优选方式。
另外，离子源的安装位置被配置成为，使基体保持单元与旋转轴中心的交点和离子源的中心之间的垂直方向的距离、与基体保持单元的直径之比为0.5～1.2，由此离子束不会被基体保持单元遮挡，容易均匀地照射基体。结果，能够对离子辅助效果较高、而且具有良好的光学特性的光学薄膜进行成膜。
因此，通过使相对于基体表面的垂线和离子束的轴线形成的最大角度为8°以上40°以下，在使用具有凹凸的基体(例如凹透镜等透镜形状的基体)的情况下，离子束也不会被基体的一部分遮挡，能够形成可对膜质量良好的光学薄膜进行成膜的沉积装置。
此时，如权利要求2所述，优选所述离子源被设置在所述真空容器的侧面。
这样，离子源被设置在真空容器的侧面，由此能够将离子源配置在基板的附近，同时容易将离子束相对于基板的入射角度保持为期望的大小。通过形成这种结构，能够增大离子束的入射角度，给沉积物质的能量增大，能够进一步提高堆积在基板表面上的沉积物质的清洁化、平滑化、以及使薄膜组织致密化的效果。即，能够使保持较高能量的状态的离子束以合适的入射角度冲击基板表面，因而成膜于基板表面上的薄膜致密、而且组分的均匀性提高。并且，通过这样将离子源设置在真空容器的侧面，能够保持预定的离子束入射角度，关于基板实现作用力型畸变的减小。结果，能够形成可制造下述光学器件的光学薄膜沉积装置，该光学器件的折射率的变动较小(均匀性提高)、光的吸收系数较小。
另外，此时离子源被设置在真空容器的侧面，在相对于基体表面的垂线和离子束的轴线形成的最大角度为上述角度之外的角度、尤其大于40°的情况下，将成为离子源被设置在沉积对象即基体附近的结构，离子源暴露于飞散的沉积物质中，容易被污染。因此，需要频繁地进行离子源的维护，但通过设为上述的角度范围(8°以上40°以下)，离子源从基体隔开合适的距离进行设置，因而附着沉积物质的污物的情况减少，因此本发明的光学薄膜沉积装置的维护容易进行。
另外，此时如权利要求3所述，优选将所述离子源设置成为，使从所述基板到所述离子源的距离为从所述离子源照射的所述离子的平均自由行程以下。
这样，离子源被设置成为使从基板到离子源的距离为从离子源照射的离子的平均自由行程以下，由此即使是具有直径较大的基板支架的沉积装置，从离子源放出的多数离子也以无碰撞状态到达基板，因而能够向基板照射保持较高动能的离子束。另外，通过将离子源安装在上述位置，离子辅助的效果增大，能够以更低的功率或在短时间内进行成膜。另外，能够形成可提高得到的光学薄膜的膜质量的沉积装置。
并且，如权利要求4所述，优选所述离子源具有：离子源主体，其照射所述离子；连接部，其将该离子源主体和所述真空容器连接；以及真空导入部，其向所述真空容器内至少提供所述离子的原料气体，通过变更所述连接部，能够调整相对于下述垂线照射所述离子的角度，所述垂线是相对于所述基体表面的垂线。
这样，离子源具有设置在真空容器和离子源主体之间的连接部，通过适当变更连接部，能够自由调整离子源的安装角度。通过连接部安装在真空容器的侧面，由此能够将离子束的损失抑制在最小限度，并对成膜区域进行调整，以使离子电流密度成为均匀的分布。因此，容易均匀地控制离子电流密度分布，因而能够实现得到的光学薄膜的沉积物质均匀地成膜、并形成膜质量良好的光学薄膜的沉积装置。
此时，如权利要求5所述，优选所述连接部具有：托架，其固定在所述真空容器侧；以及制动部件，其以预定角度固定所述离子源主体的倾斜。
通过形成上述结构，在变更离子照射角度时，作业者只适当变更制动部件，即可容易地变更离子照射角度，能够形成作业性良好的光学薄膜沉积装置。
并且，如权利要求6所述，优选所述中和器被设置在与所述离子源隔开预定距离的位置。
这样，通过将中和器设置在从离子源隔开预定距离的位置，能够提供可实现高效成膜的光学薄膜沉积装置，而不会损失从离子源照射的离子或从中和器照射的电子。
另外，如权利要求7所述，优选所述离子源沿着所述基板支架的旋转方向设有多个。
这样，基板支架构成为能够旋转，离子源沿着基板支架的旋转方向设有多个，由此能够更容易地进行照射到基板的离子束的分布调整，尤其在大型的沉积装置中能够容易地调整照射到基板的离子束的密度分布。
并且，所述问题是利用权利要求8所述的光学薄膜的制造方法解决的，使用权利要求1～7中的任意一项所述的光学薄膜沉积装置进行镀制。
这样，通过使用权利要求1～7中的任意一项所述的光学薄膜沉积装置，能够制造膜厚均匀的、具有良好的光学特性的光学薄膜。
根据权利要求1所述的光学薄膜沉积装置，给沉积物质的能量较大，使堆积在基体表面上的沉积物质移动，平滑化、致密化以及使薄膜组织均匀化的效果较高，能够高效地实现膜质量的改善。
根据权利要求2所述的光学薄膜沉积装置，能够适当地保持离子束相对于基板的入射角度，能够高效地提高成膜于基板上的薄膜组织的均匀性。
根据权利要求3所述的光学薄膜沉积装置，能够使保持较高能量的状态的离子束冲击基板表面，因而离子辅助的效果增大，能够以更低的功率或在短时间内进行成膜，能够高效地实现膜质量的改善。
根据权利要求4所述的光学薄膜沉积装置，能够将离子束的损失抑制在最小限度，并对成膜区域进行调整，以使离子电流密度成为均匀的分布。
根据权利要求5所述的光学薄膜沉积装置，能够容易地变更离子照射角度。
根据权利要求6所述的光学薄膜沉积装置，能够高效地进行成膜，而不会损失从离子源照射的离子或从中和器照射的电子。
根据权利要求7所述的光学薄膜沉积装置，能够容易地调整照射到基板的离子束的分布。
根据权利要求8所述的光学薄膜的制造方法，制造成本比较低廉，能够制造具有良好特性的光学薄膜。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的光学薄膜沉积装置的简要剖面图。
图2是表示离子束入射角度θ与光学薄膜的透射率+反射率的关系的曲线图。
图3是表示离子束入射角度θ与光学薄膜的透射率+反射率的关系的曲线图。
图4是表示实施例3与比较例1的光学薄膜的透射率的曲线图。
图5是表示实施例3与比较例1的光学薄膜的透射率+反射率的曲线图。
图6是表示实施例4、5的光学薄膜的透射率+反射率的曲线图。
图7是以往的光学薄膜沉积装置的简要剖面图。
标号说明
1光学薄膜沉积装置；10、100真空容器；12基板支架(基体保持单元)；14、114基板(基体)；34、134沉积源；34a、38a闸门；38、138离子源；40、140中和器；44连接部件(连接部)；θ安装角度(离子束入射角度)；H从离子源到基板支架的中心的高度；h安装高度；D基板支架的直径；d从离子源到基板支架的中心的距离；T透射率；R反射率；λ波长；I平均自由行程。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。另外，以下说明的部件、配置等只是具体实施发明的一个示例，不能限定本发明，当然能够根据本发明的宗旨进行各种变更。
图1是本发明的一个实施方式的光学薄膜沉积装置1的简要剖面图。光学薄膜沉积装置1是能够从离子源38向基板照射离子束(气体离子)，同时进行成膜处理的离子辅助沉积装置，作为基体保持单元的基板支架12被保持在纵向放置的圆筒状真空容器10内部的上方。在真空容器10内部的下方设有作为沉积单元的沉积源34。并且，离子源38和中和器40设置在真空容器10内部的侧面。
利用未图示的排气单元，将真空容器10的内侧排气使之成为预定的压力(例如3×10-2～10-4Pa左右)。
作为基体保持单元的基板支架12是形成为圆顶状的不锈钢制的部件，被保持在真空容器10内的上侧且能够围绕垂直轴旋转，基板支架12与作为旋转单元的未图示的电机的输出轴连结。作为多个基体的基板14被支撑在基板支架12的下表面上，使成膜面朝下。
基板14是表面通过成膜附着有电介质膜或吸收膜的树脂(例如聚酰亚胺)或石英等具有透光性的部件。在本实施方式中，基板14采用圆板状的基板，但形状不限于此，只要能够在表面形成薄膜，例如也可以是透镜形状、圆筒状、圆环状等其他形状。
真空容器10是通常在公知的成膜装置中使用的大致圆筒形状的不锈钢制的容器，被设为接地电位。
在真空容器10上设有未图示的排气口，通过排气口连接未图示的真空泵。并且，在真空容器10上形成有用于向内部导入气体的气体导入管(未图示)。
沉积源34设置在真空容器10内的下侧，是采用电子束加热方式将高折射率物质和低折射率物质加热并朝向基板14放出的蒸发单元。能够开闭操作的闸门34a安装在沉积源34的上方。闸门34a由未图示的控制器适当控制开闭。
在本实施方式中，进行成膜的光学滤波器交替地层叠高折射率物质和低折射率物质来进行成膜，但本发明也能够适用于由一种或多种蒸发物质构成的光学滤波器的成膜，在这种情况下，能够适当变更沉积源的数量和配置。
另外，作为在本实施方式中镀制的光学滤波器的具体示例，列举了短波长透射滤波器(SWPF)和红外线截止滤波器，但也能够适用于除此之外的短波长透射滤波器、带通滤波器、ND滤波器等的薄膜器件。
离子源38具有：照射离子的离子源主体；连接部(连接部件44)，用于将离子源主体设置在真空容器10上；以及真空导入部(未图示的凸缘)，用于至少将成为被照射的离子的原料的气体导入到真空容器10的内部。真空导入部还具有作为给进部分的作用，用于导入除气体之外的电气、冷却水。离子源38用于朝向基板14放出离子束(ion beam)，从反应气体(例如O2)或稀有气体(例如Ar)的等离子中引出电荷沉积的离子(O2 +、Ar+)，并通过加速电压加速后射出。并且，在离子源38的上方安装有能够由未图示的控制器适当控制开闭的闸门38a。
中和器40用于朝向基板14放出电子(e-)，从Ar等稀有气体的等离子中引出电子，并通过加速电压加速后放出电子。利用从此射出的电子，将附着在基板14表面上的离子中和。
在本实施方式的光学薄膜沉积装置1中，中和器40与离子源38隔开预定距离设置。中和器40的安装位置只要是能够向基板14照射电子进行中和的位置即可。
下面，说明离子源38的安装方法和位置。
离子源38通过作为连接部的连接部件44安装在真空容器10的侧面。通过将离子源38安装在真空容器10的侧面，从离子源38照射的离子束以较短的飞行距离到达基板14，因而能够抑制冲击基板14时的离子的动能的降低。
另外，在本实施方式中，离子源38设置在真空容器10的侧面，但只要是满足后面叙述的安装角度θ、安装高度h的位置，则也可以设于底面。
在此，通过将离子源38安装在真空容器10的侧面，离子束具有角度地入射到基板14上。入射到基板14上的离子束具有角度，被认为具有较大的优点。即，如后所述，发现通过使保持较高的动能的状态的离子束从倾斜方向冲击基板14表面，能够获得高于以往的离子辅助的效果，例如使更大的能量作用于堆积在基板14表面上的沉积物质等。
另外，在本实施方式中，离子源38配置在与沉积源34的配置位置相比更靠近基板14的位置，其接近程度为离子源38的主体长度以上。并且，为了容易进行离子源38的安装，使真空容器10的侧面的一部分倾斜形成，但安装离子源38的位置是任意位置。另外，“离子源38的主体长度”是指，从离子源38(离子枪)的电极到设置有离子源38的真空容器10的壁面(侧壁)之间的距离。
连接部件44是离子源38的连接部，被安装在真空容器10的侧面。另外，在本实施方式中，离子源38设置在真空容器10的侧壁上，但也可以设置在底面上，在这种情况下，连接部件44也可以设置在真空容器10的底面上。连接部件44的主要构成要素包括：被固定在真空容器10侧的托架(未图示)；连接销(未图示)，其支撑在离子源38上，且使离子源主体(未图示)侧能够相对于托架倾斜；以及制动部件(未图示)，由在预定位置固定离子源38的倾斜的螺钉构成。因此，能够任意调节离子源38的安装角度。另外，通过把托架设在真空容器10侧，并固定在能够调整位置的未图示的基础板上，不仅能够调整安装角度，而且能够调整高度方向、真空容器10的半径方向的位置。另外，通过使上述的托架抵接基础板来进行固定，能够把离子源38调整到合适的位置。离子源38的高度方向、真空容器10的半径方向的位置调整，通过使基础板沿真空容器10的上下方向和半径方向移动来进行。
通过变更离子源38的安装高度h(以后称为“安装高度h”)和真空容器10的半径方向的位置，能够将离子源38和基板14调整为合适的距离，通过变更安装离子源38的角度，能够调整冲击基板14的离子束的入射角度和位置。
即，通过调整离子源38的高度方向、真空容器10的半径方向的位置以及安装角度，能够将离子束的损失抑制在最小限度，并对成膜区域进行调整，使得离子电流密度为均匀的分布。
其中，离子源38的安装角度θ(以后称为“安装角度θ”)是指，照射离子束的轴线与相对于设置于基板支架12上的基板14的表面的垂线形成的最大角度。如上所述，在基板支架12旋转时，基板14的位置变化，随之相对于基板14的表面的垂线与离子束形成的角度变化，把该角度最大时的角度定义为安装角度θ。另外，在本说明书中，安装角度θ与离子束照射角度是相同意思。
如果该安装角度θ过大，则基板14的表面与离子束形成的角度变小，结果，即使冲击基板14也不会对基板14产生较大的效果，离子束弹起并返回，因而认为离子辅助的效果降低。
另外，如果安装角度θ较大，尤其在使用弯曲的基板支架12的情况下，离子束被基板支架12遮挡，因而成膜于基板14上的光学薄膜的膜质量不均匀。并且，在安装角度θ过大的情况下，离子束被形成为圆顶状的基板支架12的一部分遮挡，成为离子辅助效率降低的原因。
另一方面，在安装角度θ较小的情况下，离子源38与基板的距离变远，因而离子辅助效果变小，不是优选方式。即，在该安装角度θ较小的情况下，离子束以接近直角的角度冲击基板14的表面，因而不能对沉积物质产生较大的能量，使堆积的沉积层致密化的效果降低。
因此，如下所述，通过把安装角度θ设为6°以上70°以下、优选设为8°以上40°以下，在使用例如具有像透镜等那样的凹凸的基板14的情况下，离子束也不会被基板14的一部分遮挡，能够实现可对膜质量良好的光学薄膜进行成膜的沉积装置。
并且，关于使离子束从倾斜方向入射到基板14表面的方法，只要基板14与离子源38的距离为平均自由行程以下或者相同，就能确认到效果，而与该距离无关。即，只要是来自离子源38的离子束能够到达基板14的范围，通过适用使离子束从倾斜方向入射到基板14表面的方法，就能够获得较高的离子辅助的效果。
另外，只要上述的安装角度θ在上述的角度范围内，当然也能够根据基板支架12和真空容器10的大小或成膜材料适当变更安装角度θ。
安装高度h被设定成为使离子源38与基板14的距离成为合适的距离。如果安装高度h过高，则离子源38与基板14的距离变近，因而离子源38容易被飞散的沉积物质污染。另一方面，如果安装高度h过低，则基板14与离子源38的距离变长，同时安装角度θ过小。因此，需要将安装高度h设为能够获得合适的安装角度θ的位置。
关于离子源38的安装位置，在把基板支架12与旋转轴中心的交点和离子源38的中心之间的垂直方向的距离、即从离子源到基板支架的中心的高度设为H，把基板支架12的直径设为D时，优选H与D之比、即H/D的值为0.5～1.2。例如，按照下面的表1所示设定上述D和H。
[表1]
最大入射角度(°) 最小入射角度(°)   D(mm)   H(mm)   H/D
  16   14   720   870   1.2
  35   27   1200   600   0.5
  19   14   1390   1080   0.8
优选离子源38和基板14的距离与从离子源38照射的离子的平均自由行程I相同或在其之下。例如，如果平均自由行程I＝500mm，则优选离子源38和基板14的距离为500mm以下。通过把离子源38和基板14的距离设为平均自由行程I以下，能够使从离子源38放出的离子的半数以上以无冲击状态冲击基板14。由于能够使离子束在具有较高能量的状态下照射基板14，因而离子辅助的效果增大，能够以更低的功率或在短时间内进行成膜。
另外，“离子源38与基板14的距离”是指，从离子源38的中心到基板支架12的成膜面侧的中心之间的距离。同样，“沉积源34与基板14的距离”是指，从沉积源34的中心到基板支架12的成膜面侧的中心之间的距离。
离子源38的安装位置不限于真空容器10的侧面的位置，也可以利用连接部件44配置在远离真空容器10的侧面的壁面的位置。连接部件44能够在真空容器10的半径方向调整离子源38的位置，因而能够容易地进行合适的配置。
在这种情况下，能够从更近的位置向基板14照射离子束，因而在能量(功耗)更小时也能够获得良好的离子辅助效果。并且，在大型的沉积装置中，当在真空度较低的成膜条件下进行成膜时，也能够适用本实施方式。另外，在基板支架12与真空容器10的内侧的壁面之间的距离较远的沉积装置中，也能够良好地适用本实施方式。
当然，也可以把离子源38设置在底部。在这种情况下，只要在底部安装台座而把离子源38安装在台座上即可。
并且，如上所述，由于在离子电流(功耗)更小时也能够获得良好的离子辅助效果，因而因离子束的冲击而造成的、附着在基板14表面或基板支架12上的沉积物质的剥离减少。即，能够减小存在于真空容器10内的异物，能够进行更高精度的成膜。即，通过提高成膜步骤的成品率，能够实现制造成本的降低，同时制造高精度的光学滤波器。
另外，通过把离子源38安装在真空容器10的侧面，离子束不会受到配置于沉积源34和基板14之间的膜厚校正板(未图示)的阻碍，离子的损失减小，能够实现更高效的成膜。
另外，伴随离子束向基板14的入射角度的增大，离子辅助的效果缓慢提高，因而通过增大安装角度θ，能够实现功耗降低和延长离子枪的寿命。具体情况将根据后面的实施例进行说明。
下面，说明中和器40的安装位置。
如上所述，中和器40的安装位置只要是能够向基板14照射电子进行中和的位置即可。但是，通过将中和器40配置在接近基板支架12的位置，能够朝向附着有从离子源38照射的离子的基板14的区域准确地照射电子。
并且，如果中和器40被配置在与离子源38隔开预定距离的位置，与从离子源38朝向基板14移动的离子的直接反应减少，能够高效地中和基板14的电荷。因此，与以往的光学薄膜沉积装置相比，即使将施加给中和器40的电流值设为较低的值，也能够良好地中和基板14。例如，在进行高折射率膜和低折射率膜等电介质膜的成膜时，能够向基板14表面提供充足的电子，因而针对氧离子的静电斥力难以作用在基板14上，氧离子容易飞向基板14。结果，能够使高折射率膜和低折射率膜等电介质膜完全氧化。
另外，优选中和器40与离子源38的距离为200mm左右，但也能够根据期望的成膜条件适当变更。此时，通过调整支撑离子源38的连接部件44，能够适当变更中和器40与离子源38的距离。
本实施方式的光学薄膜沉积装置1利用一个离子源38和一个中和器40构成，但也能够形成为分别配置多个离子源38和多个中和器40的结构。例如，也可以形成为沿着旋转的基板支架12的旋转方向设有多个离子源38和多个中和器40的结构。通过形成这种结构，能够将本发明更有效地适用于具有尺寸较大的基板支架12的大型沉积装置。
下面说明该光学薄膜沉积装置1的动作。
将基板14设置在真空容器10内的基板支架12上，将真空容器10内排气使之成为预定压力。并且，使基板支架12以预定转数旋转，同时利用未图示的加热器将基板14的温度设为预定温度。
并且，把离子源38设为能够马上进行离子照射的空转运转状态，把沉积源34设为能够通过闸门34a的打开动作而马上放出蒸发微粒的状态。另外，在基板支架12的转数和基板14的温度达到预定条件后，转入沉积步骤。
在沉积步骤中，控制用于放出高折射率物质(例如Ta2O5或TiO2)或低折射率物质(例如SiO2)的沉积源34的闸门开闭，朝向基板14交替地放出高折射率物质和低折射率物质。在放出这些沉积物质的期间，使离子源38的闸门38a进行打开动作，使放出的离子(例如O2 +或Ar+)冲击基板14，由此使附着在基板14上的沉积物质的表面变平滑，同时变致密。将该操作反复进行预定次数，由此形成多层膜。
此时，虽然在照射离子束时会在基板14产生电荷的偏向，但该电荷的偏向通过从中和器40向基板14照射电子而进行中和。
在此，考察将离子源38安装在真空容器10的侧面的效果。
作为第1效果，离子源38与基板14的距离与以往的光学薄膜沉积装置相比更接近，因而能够向基板14照射保持较高能量的状态的离子束。因此，能够以更低的功率或在短时间内进行成膜，还能够实现膜质量的改善。
作为第2效果，由于离子束以预定的角度入射到基板14上，因而与离子束以接近直角的角度冲击基板14时相比，能够使横断方向的作用力作用于基板14表面。即，给沉积物质的能量增大，使堆积在基板14表面上的沉积物质移动的效果提高，因此能够以更低的功耗或在短时间内进行成膜，还能够实现膜质量的改善。
膜质量的改善是指，实现堆积在基板14上的薄膜的清洁化和平滑化或薄膜组织的致密化，这种效果能够通过使构成堆积在基板14表面上的沉积层的分子(沉积分子)移动直到停止于基板14上的稳定的位置为止而表现出来。此时，被照射的离子束(离子)冲击，由此促进沉积分子的移动，因而薄膜变致密，而且组分的均匀性提高，同时能够实现薄膜组织的作用力型畸变的降低。
这样，通过使成膜后的组织具有较高的均匀性，能够获得折射率的变动较小、光的吸收系数在一定以下的稳定的光学滤波器。
在本实施方式中，在安装角度θ为8°以上40°以下的角度范围时，能够获得较高的离子辅助效果，因此能够实现功耗降低、膜质量良好的薄膜。具体情况将根据后面的实施例进行说明。
[实施例1]
关于使用图1所示的光学薄膜沉积装置1进行成膜的结果，参照图2进行说明。图2是表示安装角度(离子束入射角度)θ与光学薄膜的透射率+反射率的关系的曲线图，表示透射率T+反射率R(波长λ＝450～550nm的平均值)。测定到的安装角度θ在8～45°的范围内。安装角度θ通过调整离子源38的安装位置和连接部件44而变化。
另外，图2表示成膜时的离子束的能量密度为50mW/cm2的情况。在图2中，评价后的光学薄膜都是交替地对作为沉积物质的高折射率物质和低折射率物质进行成膜而得到的光学薄膜。另外，在任何光学薄膜中，都是对由使用Ta2O5作为高折射率物质、使用SiO2作为低折射率物质的36层构成的短波长透射滤波器(Short Wave Pass Filter：SWPF)的多层膜进行成膜。
图2中的各个光学薄膜的成膜条件如下所述。另外，由于Ta-O键和Si-O键的键能不同，Si和Ta的原子量不同，因而如下所述Ta2O5和SiO2是在不同的成膜条件下成膜的。
基板：BK7(折射率n＝1.52)
膜材料：Ta2O5(高折射率膜)、SiO2(低折射率膜)
Ta2O5的成膜速度：1.1nm/sec
SiO2的成膜速度：1.5nm/sec
Ta2O5/SiO2蒸发时的离子源条件
导入气体：氧气60sccm
离子加速电压：800V
离子电流：850mA
离子束能量密度：50mW/cm2
安装角度θ：8～45°
中和器的条件
中和器电流：1000mA
放电气体：氩气10sccm
根据图2，在安装角度θ＝8～40°的范围内镀制的多层膜，其透射率T+反射率R稳定，并显示出较高的值。
关于图2所示的多层膜，利用具体的透射率T+反射率R的值进行比较，在安装角度θ＝8°时为99.4％，θ＝40°时为99.5％，与此相对，在安装角度θ＝43°时为96.9％，根据图2可以明确得知，在安装角度θ大于40°的范围时，透射率T+反射率R的值变小。根据图2，透射率T+反射率R的值超过99％的范围截止到安装角度θ＝8～40°，通过设为这种安装角度θ的范围，离子辅助效果提高，能够对光学特性良好的多层膜进行成膜。
[实施例2]
下面，关于使用图1所示的光学薄膜沉积装置1进行成膜的结果，参照图3进行说明。图3是表示安装角度(离子束入射角度)θ与光学薄膜的透射率+反射率的关系的曲线图，表示波长λ＝550nm时的透射率T+反射率R。测定到的安装角度θ在0～85°的范围内。安装角度θ通过调整离子源38的安装位置和连接部件44而变化。
在上述实施例1中把离子束的能量密度设为50mW/cm2，而在实施例2中，按照下面所述设定离子束的能量密度，并把安装角度θ设为0～85°进行成膜。安装角度θ通过调整离子源38的安装位置和连接部件44而变化。
并且，相对于由36层膜构成的实施例1，实施例2是由使用Ti2O5作为高折射率物质、使用SiO2作为低折射率物质的27层构成的红外线截止滤波器的多层膜。
实施例2的成膜条件如下所述。
基板：BK7(折射率n＝1.52)
膜材料：Ti2O5(高折射率膜)、SiO2(低折射率膜)
Ti2O5/SiO2蒸发时的离子源条件
导入气体：氧气60sccm
离子加速电压：200～1200V
离子电流：200～1000mA
离子束能量密度：5～150mW/cm2
安装角度θ：0～85°(合计16个条件)
中和器的条件
中和器电流：1000mA
放电气体：氩气10sccm
另外，Ti2O5/SiO2的成膜速度是根据安装角度θ的值而变化的值。因此，根据安装角度θ的值，适当在上述的条件范围内改变离子加速电压和离子电流，以使Ti2O5/SiO2的成膜速度固定。
这样，在上述的成膜条件下，在安装角度θ为6～70°的范围内，确认到透射率T+反射率R的值得到改善的效果。即，通过使离子束以预定的角度入射到基板14上，能够获得光的吸收系数在一定以下、具有良好的膜质量的光学滤波器。
并且，在上述的成膜条件下，发现在将离子源38设置在真空容器10的底部侧的情况下，在安装角度θ＝6～70°的范围内，也能够获得膜质量良好的薄膜，因而与离子源38和基板14的距离无关，根据使离子束以预定的角度入射到基板14上的方法，能够获得具有良好的膜质量的薄膜。
另外，确认到伴随安装角度θ的增大，离子辅助的效果缓慢提高的效果。即，确认到伴随安装角度θ的增大，最佳的离子加速电压和离子电流缓慢下降的现象，因而通过设定较大的安装角度θ，在改善膜质量的基础上，还能够实现功耗的降低并延长离子枪的寿命。
因此，根据上述实施例1和2的测定结果，优选安装角度θ至少在波长λ＝550nm时为6～70°，在安装角度θ为8～40°时，在波长为450nm～550nm的范围内，透射率T+反射率R的值较大，因而是更优选的方式。
另外，对得到的光学薄膜实施纯水煮沸试验，结果在安装角度θ＝45°以上时得到的光学薄膜中观察到了波长推移，而在安装角度θ＝8～40°时得到的光学薄膜中没有观察到波长推移。这表示在正常环境下使用安装角度θ＝45°以上时得到的光学薄膜时，由于大气中的水分吸收，最初的光学特性发生变化。
因此，确认到在安装角度θ＝8～40°时，能够通过离子辅助来有效地抑制(或防止)上述的波长推移。并且，明确了通过设定上述的安装角度θ的范围，尤其能够抑制波长推移，离子辅助的效果表现得更明显。
[实施例3、比较例1]
关于使用图1所示的光学薄膜沉积装置1进行成膜的实施例1(安装角度θ＝40°)，与利用以往的光学薄膜沉积装置(参照图7)进行成膜的比较例1(安装角度θ＝0°)进行对比说明。另外，安装角度θ＝0°是指离子源38与基板支架12的曲率中心一致的情况。
实施例1和比较例1都是交替地对作为沉积物质的高折射率物质和低折射率物质进行成膜。另外，在实施例1和比较例1中都是对由使用Ta2O5作为高折射率物质、使用SiO2作为低折射率物质的36层构成的短波长透射滤波器(Short Wave Pass Filter：SWPF)的多层膜进行成膜。
并且，图4、图5表示与镀制出的SWPF多层膜的光学特性有关的测定结果。
实施例3的成膜条件如下所述。另外，由于Ta-O键与Si-O键的键能不同，Si和Ta的原子量不同，因而如下所述Ta2O5和SiO2是在不同的成膜条件下成膜的。
基板：BK7(折射率n＝1.52)
膜材料：Ta2O5(高折射率膜)、SiO2(低折射率膜)
Ta2O5的成膜速度：0.5nm/sec
SiO2的成膜速度：1.0nm/sec
Ta2O5蒸发时的离子源条件
导入气体：氧气60sccm、氩气7sccm
离子加速电压：500V
离子电流：500mA
安装角度θ：40°
SiO2蒸发时的离子源条件
导入气体：氧气50sccm
离子加速电压：500V
离子电流：500mA
安装角度θ：40°
中和器的条件
中和器电流：1000mA
放电气体：氩气10sccm
比较例1的成膜条件如下所述。另外，由于Ta-O键与Si-O键的键能不同，Si和Ta的原子量不同，因而如下所述Ta2O5和SiO2是在不同的成膜条件下成膜的。
基板：BK7(折射率n＝1.52)
膜材料：Ta2O5(高折射率膜)、SiO2(低折射率膜)
Ta2O5的成膜速度：0.5nm/sec
SiO2的成膜速度：1.0nm/sec
Ta2O5蒸发时的离子源条件
导入气体：氧气60sccm、氩气7sccm
离子加速电压：500V
离子电流：500mA
安装角度θ：0°
SiO2蒸发时的离子源条件
导入气体：氧气50sccm
离子加速电压：500V
离子电流：500mA
安装角度θ：0°
中和器的条件
中和器电流：1000mA
放电气体：氩气10sccm
在此，说明在比较例1中使用的以往的光学薄膜沉积装置、和在实施例3中使用的光学薄膜沉积装置1在无冲击状态下的离子到达概率。
假设实施例3和比较例1的真空状态为氧气氛围、250℃、2.5×10-2Pa，平均自由行程I都是500mm。以往的光学薄膜沉积装置的从离子源38到基板支架12的中心之间的距离(距离d)为1012mm，而光学薄膜沉积装置1的距离d为439mm，因而以往的光学薄膜沉积装置在无冲击状态下的离子到达概率是13％，而光学薄膜沉积装置1是41％。
即，在把离子源38的条件设为相同条件进行对比时，与以往的光学薄膜沉积装置相比，光学薄膜沉积装置1约有3倍的离子在不冲击气体分子的状态下到达基板14。因此，在光学薄膜沉积装置1中，照射到基板14的离子具有高于以往的光学薄膜沉积装置的动能。
图4是表示实施例3与比较例1的光学滤波器的透射分光特性(透射率)的曲线图，向镀制出的SWPF多层膜照射波长λ为400nm～1000nm的光，并相对于波长λ绘制出其透射率T。
根据图4，在波长λ为400nm～550nm的范围内，去除了一部分的波长区域，在实施例3中镀制出的多层膜与比较例1的多层膜相比，透射率T显示出较高的值。
具体地讲，利用波长λ＝480nm时的透射率T进行对比，比较例1的多层膜的透射率T是91.5％，实施例3的多层膜的透射率T是94.5％。并且，利用波长λ＝550nm时的透射率T进行对比，比较例1的多层膜的透射率T是92.1％，实施例3的多层膜的透射率T是94.3％。
因此，与以安装角度θ＝0°成膜的比较例1的多层膜相比，以安装角度θ＝40°成膜的实施例3的多层膜显示出具有更高的透射率T。
图5是表示实施例3与比较例1的光学滤波器的透射率T+反射率R之和的曲线图，向镀制出的多层膜照射波长λ为400nm～1000nm的光，并相对于波长λ绘制出将反射率R与该波长时的透射率T相加得到的值(透射率T+反射率R)。
根据图5，在波长λ为400nm～800nm的范围内，在实施例3中镀制出的多层膜显示出透射率T+反射率R高于比较例1的多层膜的值。
另外，在实施例1中镀制出的多层膜与比较例1的多层膜相比，显示出透射率T+反射率R比较平坦的推移。例如，在比较例1中镀制出的多层膜中，确认到在波长λ为680nm附近时透射率T+反射率R的下降，在实施例1中镀制出的多层膜中没有确认到这种下降的位置。
利用波长λ＝480nm时的透射率T+反射率R进行对比，比较例1的多层膜的透射率T+反射率R是96.9％，实施例3的多层膜的透射率T+反射率R是99.6％。并且，利用波长λ＝550nm时的透射率T+反射率R进行对比，比较例1的多层膜的透射率T是97.4％，实施例3的多层膜的透射率T+反射率R是99.6％。另外，实施例3的多层膜在400nm～1000nm的波长范围内，透射率T+反射率R的值比较平坦(固定)，而在比较例1的多层膜中，越到长波长区域，透射率T+反射率R的值越变动。
因此，与以安装角度θ＝0°成膜的比较例1的多层膜相比，以安装角度θ＝40°成膜的实施例3的多层膜的透射率T+反射率R的值更高，并且实施例3的多层膜在更宽的波长范围内保持稳定的光学特性。
这样，与利用现有装置镀制出的多层膜(比较例1)相比，利用本发明的光学薄膜沉积装置1镀制出的多层膜(实施例3)在波长λ为400nm～550nm的范围内，透射率T提高，同时透射率T+反射率R的值也明显提高。并且，实施例3在更宽的波长区域中显示出比较平坦的透射率T+反射率R。
即，上述的实施例3的光学薄膜具有折射率的变动较小、光的吸收系数在一定以下且稳定的特性，可以说是具有良好的光学特性的多层膜。
[实施例4、5]
图6是表示实施例4、5的光学薄膜的透射率T+反射率R之和的曲线图，向镀制出的多层膜照射波长λ为400nm～1000nm的光，并相对于波长λ绘制出将反射率R与该波长时的透射率T相加得到的值(透射率T+反射率R)。实施例4、5都是交替地对作为沉积物质的高折射率物质和低折射率物质进行成膜。另外，在实施例1和比较例1中都是对由使用Ta2O5作为高折射率物质、使用SiO2作为低折射率物质的36层构成的短波长透射滤波器(Short Wave Pass Filter：SWPF)的多层膜进行成膜。
并且，图6表示与镀制出的SWPF多层膜的光学特性有关的测定结果。
实施例4、5的成膜条件如下所述。另外，由于Ta-O键与Si-O键的键能不同，Si和Ta的原子量不同，因而如下所述Ta2O5和SiO2是在不同的成膜条件下成膜的。
基板：BK7(折射率n＝1.52)
膜材料：Ta2O5(高折射率膜)、SiO2(低折射率膜)
Ta2O5的成膜速度：0.5nm/sec
SiO2的成膜速度：1.0nm/sec
Ta2O5蒸发时的离子源条件
导入气体：氧气60sccm、氩气7sccm
离子加速电压：500V
离子电流：500mA
安装角度θ：45°
SiO2蒸发时的离子源条件
导入气体：氧气50sccm
离子加速电压：500V
离子电流：500mA
安装角度θ：40°
中和器的条件
中和器电流：1000mA
放电气体：氩气10sccm
图6示出在安装角度θ为27°(实施例4)、10°(实施例5)这两个条件下成膜的多层膜的测定结果。在任何条件的情况下都显示出在波长λ＝400nm～600nm的范围内，透射率T+反射率R的值大于99％，都是光学特性良好的多层膜。
这样，在安装角度θ被设定为8～40°(对于以特定的成膜条件、特定的使用环境为对象的光学薄膜是6～70°)的范围内成膜的多层膜，尤其在波长λ＝400nm～600nm的范围内，透射率T+反射率R的值提高，并且基本固定。即，通过使离子束以预定的角度入射到基板14上，能够获得光的吸收系数在一定以下、具有良好的膜质量的光学滤波器。
并且，在将离子源38配置在真空容器10的底部侧的情况下，在安装角度θ＝8～40°(对于以特定的成膜条件、特定的使用环境为对象的光学薄膜是6～70°)的范围内，光学特性不会因为大气中的水分而变化，能够获得膜质量良好的薄膜。因此，在把离子源38与基板14的距离设为与平均自由行程I相同或在其之下，并使离子束以预定的角度入射到基板14上的结构中，能够获得具有良好的膜质量的薄膜，而且与离子源38和基板14的距离无关。
另外，此时确认到伴随安装角度θ的增大，离子辅助的效果缓慢提高的效果。即，确认到伴随安装角度θ的增大，最佳的离子加速电压和离子电流缓慢下降的现象，因而通过设定较大的安装角度θ，在改善膜质量的基础上，还能够实现功耗的降低并延长离子源38的寿命。

Claims (8)

1.一种在真空容器内向基体沉积沉积物质的光学薄膜沉积装置，其特征在于，所述光学薄膜沉积装置具有：
圆顶形的基体保持单元，其设置在所述真空容器内，用于保持所述基体；
旋转单元，其使该基体保持单元旋转；
沉积单元，其与所述基体相对设置；
离子源，其向所述基体照射离子；以及
中和器，其向所述基体照射电子，
所述离子源被设置在下述位置的下述范围内，即，上述位置是使从所述离子源照射离子的轴线、与相对于保持在所述基体保持单元上的所述基体表面的垂线之间的最大角度为8°以上40°以下的位置，上述范围是使所述基体保持单元与旋转轴中心的交点和所述离子源的中心之间的垂直方向的距离、与所述基体保持单元的直径之比为0.5以上1.2以下的范围。
2.根据权利要求1所述的光学薄膜沉积装置，其特征在于，所述离子源被设置在所述真空容器的侧面。
3.根据权利要求1所述的光学薄膜沉积装置，其特征在于，将所述光学薄膜沉积装置设置成为，使所述离子源与所述基体之间的距离为从所述离子源照射的所述离子的平均自由行程以下。
4.根据权利要求1所述的光学薄膜沉积装置，其特征在于，
所述离子源具有：
离子源主体，其照射所述离子；
连接部，其将该离子源主体和所述真空容器连接；以及
真空导入部，其向所述真空容器内至少提供所述离子的原料气体，
通过变更所述连接部，能够调整相对于下述垂线照射所述离子的角度，所述垂线是相对于所述基体表面的垂线。
5.根据权利要求4所述的光学薄膜沉积装置，其特征在于，
所述连接部具有：
托架，其固定在所述真空容器侧；以及
制动部件，其以预定角度固定所述离子源主体的倾斜。
6.根据权利要求1所述的光学薄膜沉积装置，其特征在于，所述中和器被设置在与所述离子源隔开预定距离的位置。
7.根据权利要求1所述的光学薄膜沉积装置，其特征在于，所述离子源沿着所述基体保持单元的旋转方向设有多个。
8.一种使用了权利要求1～7中的任意一项所述的光学薄膜沉积装置的光学薄膜的制造方法。
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