CN104164650B - 薄膜形成装置和薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供薄膜形成装置和薄膜形成方法，该装置能够在成膜对象部件的表面形成致密薄膜，其用于使蒸镀材料蒸镀在玻璃基板(2)的表面而在玻璃基板(2)的表面形成薄膜，具备安装有玻璃基板(2)的保持部件(10)；使蒸镀材料蒸发的蒸发部(8)及朝向保持部件(10)对从蒸发部(8)蒸发出的蒸镀材料中照射离子束的离子枪(6)，离子枪(6)包括阳极(26)和阴极(22)；向阳极(26)和阴极(22)之间供给气体并产生等离子体的等离子体供给单元及分别对阳极(26)和阴极(22)施加电压以便在它们之间产生电位差的阳极电源(28)和阴极电源(24)，阴极(22)具有与阴极电源(24)并联连接的2个以上灯丝(22A)。

Description

薄膜形成装置和薄膜形成方法

技术领域

本发明涉及薄膜形成装置和薄膜形成方法，特别是涉及用于通过使蒸镀材料蒸镀在成膜对象部件(光学元件)的表面而形成薄膜的装置和方法。

背景技术

例如，为了使玻璃基板等光学元件的表面能防反射等，作为在光学元件的表面形成光学薄膜方法已知有真空蒸镀法。在真空蒸镀法中，使蒸镀材料在形成真空的容器内加热蒸发，在玻璃透镜等光学元件的表面上使蒸镀材料堆积在成膜对象材料上，由此形成薄膜。另外，作为这样的真空蒸镀法之一，已知有离子辅助蒸镀法(IAD：Ion AssistedDeposition)。在离子辅助蒸镀法中，利用离子枪进行离子束照射，由此与现有的加热蒸发方式相比，可以使蒸发了的蒸镀材料以高致密度堆积在成膜对象部件的表面上。(例如，参照非专利文献1的p.665-667的图7)

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：小林昭、河西敏雄、森脇俊道「超精密生産技術大系第2巻実用技術」、初版、株式会社フジ·テクノシステム(小林昭、河西敏雄、森脇俊道“超精密生产技术大系第2卷实用技术“，第一版，株式会社Fuji Techno System)，1994年8月23日，p.665-667的图7

发明内容

发明所要解决的课题

但是，对于以往在离子辅助蒸镀法(IAD：Ion Assisted Deposition)中所使用的热电子激发型的离子枪而言，所照射的离子束的离子电流密度难以说能对广泛的区域形成充分的高致密度膜。使用这样的离子电流密度不充分的离子枪而形成的薄膜会导致膜密度下降。对于膜密度低的薄膜而言，存在无法得到充分的防反射等性能这样的光学特性的问题；模糊或风化等外观上的问题；因温度或湿度的变化所致的反射率特性发生变化(波长偏移)等可靠性的问题；膜附着强度不足、膜剥离等机械耐久性不充分这样的问题；等等。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的是提供一种能够在成膜对象部件(光学元件)的表面形成致密的薄膜的薄膜形成装置。

用于解决课题的手段

本发明的薄膜形成装置是一种用于使蒸镀材料蒸镀在成膜对象部件的表面而在成膜对象部件的表面形成薄膜的装置，其具备：保持部件，其安装有成膜对象部件；蒸发部，其使蒸镀材料蒸发；以及离子枪，其朝向保持部件对从蒸发部蒸发出的蒸镀材料中照射离子束，离子枪包括：阳极和阴极；等离子体供给单元，其向阳极和阴极之间供给气体并产生等离子体；以及阳极电源和阴极电源，其分别对阳极和阴极施加电压以便在阳极和阴极之间产生电位差，阴极具有与阴极电源并联连接的2个以上的热电子产生部件。

另外，本发明的薄膜形成方法是一种使蒸镀材料蒸镀在成膜对象部件的表面而在成膜对象部件的表面形成薄膜的方法，其具备：蒸发步骤，其使蒸镀材料蒸发；以及照射步骤，其利用离子枪朝向成膜对象部件对蒸发出的蒸镀材料中照射离子束，离子枪包括阳极和阴极、以及分别对阳极和阴极施加电压的阳极电源和阴极电源，阴极由与阴极电源并联连接的2个以上的灯丝构成，在照射步骤中，对阳极和阴极之间供给等离子体，利用阳极电源对阳极施加电压，同时对由2个以上的热电子产生部件构成的阴极施加电压，以便在阳极和阴极之间产生电位差。

发明效果

根据本发明，可以在成膜对象部件的表面形成致密的薄膜。

附图说明

图1是表示本实施方式的薄膜形成装置的构成的垂直截面图。

图2是表示在图1的薄膜形成装置中所使用的离子枪的构成的示意图。

图3是表示保持部件(圆顶)上的离子电流密度比相对图2所示的离子枪自保持部件(圆顶)中心的距离的关系的曲线图。

图4是从蒸发部侧观察图1所示的保持部件时的仰视图。

图5是表示自图4所示的保持部件中心P起在A方向和B方向上的保持部件内的离子电流密度比的关系的曲线图。

图6是表示自图4所示的保持部件中心P起在C方向和D方向上的保持部件内的离子电流密度比的关系的曲线图。

图7是表示从本实施方式的薄膜形成装置中所使用的离子枪和现有的薄膜形成装置中所使用的离子枪照射在保持部件上的热电子量比的曲线图。

图8是与使用了现有的离子枪的薄膜形成装置进行比较表示使用SiO₂作为蒸镀材料进行了蒸镀时所测定的蒸镀速度、与使用了SiO₂的薄膜的真空中折射率的关系的曲线图。

图9是与使用了现有的离子枪的薄膜形成装置进行比较表示使用Ta₂O₅作为蒸镀材料进行了蒸镀时所测定的蒸镀速度、与使用了Ta₂O₅的薄膜的真空中折射率的关系的曲线图。

图10是表示用于说明现有的离子枪的照射方向的各方向的离子电流密度的曲线图。

图11是表示用于说明本实施方式的离子枪的照射方向的各角度方向上的离子电流密度的曲线图(其1)。

图12是表示用于说明本实施方式的离子枪的照射方向的各角度方向上的离子电流密度的曲线图(其2)。

图13是表示用于说明本实施方式的离子枪的照射方向的各角度方向上的离子电流密度的曲线图(其3)。

图14是表示基于其他实施方式的薄膜形成装置的阴极中的灯丝的配置的图(其1)。

图15是表示基于其他实施方式的薄膜形成装置的阴极中的灯丝的配置的图(其2)。

图16是表示基于其他实施方式的薄膜形成装置的阴极中的灯丝的配置的图(其3)。

图17是表示基于其他实施方式的薄膜形成装置的阴极中的灯丝的配置的图(其4)。

图18是表示基于其他实施方式的薄膜形成装置的阴极中的灯丝的配置的图(其5)。

图19是表示基于其他实施方式的薄膜形成装置的阴极中的灯丝的配置的图(其6)。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边对本发明的薄膜形成装置的一实施方式详细地进行说明。在以下的说明中，作为成膜对象部件，以在光学元件(透镜)等玻璃基板的表面上形成薄膜的情况为例进行说明。

图1是表示本实施方式的薄膜形成装置的构成的垂直截面图。如该图所示，本实施方式的薄膜形成装置1具备：保持部件10，其用于保持在形成气密的腔室4内所配设的玻璃基板(光学元件)2；蒸发部8，其使蒸镀材料蒸发；离子枪6，其照射离子束；膜厚传感器部15；控制部18；以及真空泵20。

保持部件10由圆顶形状的部件构成，其设置成顶部位于上方，并且中心轴X向垂直方向延伸。另外，保持部件10通过固定于腔室4的转动机构(未图示)而能够以中心轴X为中心进行转动。需要说明的是，作为转动机构，例如可以使用如下构成：预先在保持部件10的周边部的下面设置齿轮，将该齿轮载置于与设置在装置外部的马达连接的齿轮之上。利用这样的结构，通过使马达旋转，由此可以使保持部件10旋转。需要说明的是，保持部件10的形状可以是平板形状、圆锥形状、四棱锥形状等。

在保持部件10的顶部设置有开口，在该开口安装有构成膜厚传感器部15的检测头14和检测器16。另外，玻璃基板2以作为薄膜形成的对象的面朝向下方的状态安装于保持部件10的内面侧的检测头14的周围。

膜厚传感器部15由检测器16和检测头14构成，所述检测器16设置在腔室4的上部中处于与保持部件10的中心轴X的交点的位置。作为检测器16，例如在膜厚传感器部15为光学式膜厚计的情况下，向着作为检测头14的监测玻璃照射来源于由测定光源和受光部构成的检测器16的测定光，利用检测器16的受光部对来源于作为检测头14的监测玻璃的反射光的光量进行检测。若在检测头14的监测玻璃上形成薄膜，则利用检测器16的受光部检测到的光量(监测玻璃的反射率的变化所致的反射光量或透过光量)对应薄膜的厚度而发生变化。可以根据其光量变化的值测定出在监测玻璃上形成的薄膜的光学的膜厚(折射率n和物理膜厚d的积)。利用检测器16检测出的由于薄膜的光学膜厚变化所致的光量变化的信号被发送至控制部18。需要说明的是，可以采用利用检测器16的受光部对来源于监测玻璃的透过光的光量进行检测的方法来代替检测反射光的方法。这种情况下，检测器16例如可以设置在腔室4的下部中的、处于与保持部件10的中心轴X的交点的位置。

另外，膜厚传感器部15为石英振子式膜厚计的情况下，将来源于由振子控制部和振动频率测定部构成的检测器16的信号发送至作为检测头14的石英振子，利用检测器16检测作为检测头14的石英振子的振动频率。若在检测头14的石英振子上形成薄膜，则由检测器16检测出的振动频率发生变化。可以根据其频率变化的值测定出在石英振子上形成的薄膜的物理膜厚d。由检测器16检测到的、因薄膜的物理膜厚d的变化所致的频率变化的信号被发送至控制部18。

需要说明的是，即使是光学式膜厚计和石英振子式膜厚计任一种膜厚传感器部15的情况下，检测器16或检测头14也并不一定需要设置在保持部件10的上方，也可以设置在保持部件10的下方、保持部件10上的玻璃基板2附近、腔室4的内壁部附近。

蒸发部8例如通过对SiO₂、Ta₂O₅等蒸镀材料进行加热而使其蒸发。通过蒸发部8蒸发的蒸镀材料扩散至腔室4内。需要说明的是，作为使蒸镀材料在蒸发部8中蒸发的方法，例如可以使用利用电子枪对蒸镀材料照射电子束进行加热的方法、或利用加热器等进行加热的方法。

控制部18由微型计算机等构成，基于由膜厚传感器部15接收的、关于在检测头14上所形成的薄膜的厚度的信息，控制蒸发部8的加热，控制蒸镀材料的蒸发量。即，对于控制部18而言，在检测头14上所形成的薄膜的厚度薄于预定厚度时，按照使蒸发部8蒸发出蒸镀材料的方式进行控制；在检测头14上形成了预定厚度的薄膜时，按照使蒸发部8中的蒸镀材料的蒸发停止的方式来控制。

进一步，在到达预定的膜厚的瞬间，关闭在蒸发部8上部设置的蒸发部8的闸门(未图示)，由此阻碍蒸发出的蒸镀材料扩散至腔室4内，以便不会向保持部件10的所设置的玻璃基板2上堆积预定量以上的蒸镀材料。

真空泵20将腔室4内的气体向外部排出，降低腔室4内的气压使其接近真空状态。由此，可以防止蒸镀材料与腔室4内的会阻碍蒸镀材料附着在玻璃基板2的气体分子的碰撞。

另外，蒸镀材为SiO₂、TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、Al₂O₃等氧化物时，在成膜中，一边利用真空泵20进行排气，一边由导入孔(未图示)向腔室4内导入氧气，通过控制排气速度(真空压)和导入气体流量可以使其在固定的氧浓度中蒸镀，由此可以控制氧化物薄膜的氧化数和防止氧缺陷。

另外，根据后述的实验结果，离子枪6按照如下所述配置：在腔室4中设置的保持部件10的最下部P与离子枪6的照射口R的距离为50cm以上，并且自保持部件10的中心轴X向侧方偏移。另外，离子枪6按照如下的方式倾斜设置：所照射的离子束的照射方向CL从连接离子枪6和膜厚传感器部15而成的直线上偏离并且在离子枪6和保持部件10之间与保持部件10的中心轴X交叉。需要说明的是，离子束的照射方向CL与保持部件10的中心轴X虽然在附图上是交叉的，但在实际的现实空间(三维)中并未交叉(即，射束的照射方向CL与中心轴X在纵深方向错开)。在以下的说明中，即使是如上所述射束的照射方向CL与中心轴X在实际的现实空间中并未交叉，但在将射束的照射方向投影在包括中心轴X的特定的平面上时，所投影的射束的照射方向CL与中心轴X交叉的情况也表述为“按照交叉的方式倾斜设置”。

图2是表示在图1的薄膜形成装置1中使用的离子枪6的构成的示意图。如该图所示，离子枪6具备：阳极26和阴极22；放电气体供给单元(未图示)，其在这些阳极26和阴极22之间供给氩等放电气体；以及阳极电源28和阴极电源24，其分别对阳极26和阴极22施加电压。

阳极26由朝向中心倾斜的、形成有钵状的凹处的导电体构成，在中心设置有在上下方向贯通的开口26A。阳极26与阳极电源28连接，通过阳极电源28被施加电压。

阴极22由相对于阳极26在相同高度配置的2个以上(本实施方式中为4根)的、作为热电子产生部件的灯丝22A构成。在本实施方式中，这些灯丝22A按照基本等间距平行延伸的方式而水平排列。另外，这些2个以上的灯丝22A经由节点X、Y而与阴极电源24并联连接，通过阴极电源24而被施加电压。另外，在阴极电源24的正极侧采取了接地。需要说明的是，在图2中，为了便于表示2个以上的灯丝22A与阴极电源24并联连接，按照这些2个以上的灯丝22A的高度不同的方式进行了图示。

阳极电源28和阴极电源24对阳极26和阴极22赋予电压使得在阳极26和阴极22之间产生电位差。由此，在阳极26和阴极22之间，在连接它们的方向上形成了电场。

放电气体供给单元从在阳极26上形成的开口26A向阳极26和阴极22之间供给氩、氧等放电气体。并且，在放电气体在其之间存在的状态下，对阳极26和阴极22之间施加电压，由此产生放电，放电气体发生等离子体化。如此，在本实施方式中，由放电气体供给单元、以及被施加电压产生放电的阳极26和阴极22构成了等离子体产生单元。经等离子体化的氧离子O²⁺和氩离子Ar⁺因在阳极26和阴极22之间生成的电场而由阳极26朝向阴极22受力。如此，离子枪6可以照射由氧离子O²⁺和氩离子Ar⁺构成的离子束。

回到图1，离子枪6朝向保持部件10和玻璃基板2的成膜对象面上，对从蒸发部8蒸发出的蒸镀材料中照射离子束。由此，从蒸发部8蒸发出的蒸镀材料可以在玻璃基板2的表面上形成高致密且均匀膜质的薄膜。

若反复使用薄膜形成装置1，则在腔室4的内侧、特别是保持部件10的离子枪6侧的面上会堆积蒸镀材料。并且，若利用真空泵20将腔室4的内部的气体排出，则堆积物中所被吸附的物质(主要是水分)气化而被放出至腔室4内。这样，被放出的腔室4内的水分虽然可以通过真空泵20进行部分排气，但有一部分会被吸入到在玻璃基板2的表面上形成的薄膜内。像这样，若薄膜中吸入有水分，则导致薄膜的品质(膜密度、折射率)变得不稳定，膜的均匀性降低。

作为解决这种情况的办法，使用本实施方式的薄膜形成装置1，在玻璃基板2的表面上形成薄膜时，在通过蒸发部8蒸发蒸镀材料开始前，一边利用真空泵20进行排气，一边使用设置在保持部件10外侧周边的加热器对保持部件10和玻璃基板2、以及腔室4的内壁进行加热，进一步，除此以外积极进行利用离子枪6的预备加热。特别是，对于本实施方式的离子枪6而言，因为灯丝22A为2根以上所以来源于灯丝22A的辐射热也增大，因此也可以有效用作加热灯加热器。

另外，利用离子枪6的辐射热预备加热容易对从保持部件10和玻璃基板2的成膜对象侧的表面、腔室4的内壁的中部到下部区域的广泛范围进行热传递，可以充分且均匀地进行加热。因此，可以促进在保持部件10和玻璃基板2的成膜对象侧的表面、腔室4的内壁堆积的膜内所吸附的物质的气化，可以利用真空泵20向外部排出。由此，可以降低在成膜中来源于腔室4内的堆积物的气体产生，可以防止在腔室4内在成膜中所产生的水分等向薄膜内的吸附、吸入，除了进行利用离子枪6的离子辅助蒸镀以外，进一步可以得到膜厚的稳定性、膜质的均匀性。

另外，以往，在蒸镀开始前，一边进行利用真空泵20的排气，一边进行如下工序：使用在保持部件10外侧周边设置的加热器(未图示)对保持部件10和玻璃基板2、以及腔室4的内壁部进行加热，由此使在保持部件10和玻璃基板2、腔室4的内壁部的表面或堆积的薄膜内所吸附的水分、气体成分等气化而排气除去。在该方法中，加热器原本出于对在保持部件10上设置的玻璃基板2进行加热的目的而配置在保持部件10的外侧周边，因此保持部件10和玻璃基板2的成膜对象侧的表面、从腔室4的内壁的中部到下部的区域中，加热器的热不易传导，无法充分且均匀地进行加热。因此，在腔室4的内壁部的表面或堆积的薄膜内所吸附的水分、气体成分等无法充分进行加热气化，无法充分进行真空排气除去。

另外，以往，保持部件10的表面或从腔室4的内壁的中部到下部的区域中，由于受到对蒸镀材料进行加热的电子枪、离子辅助蒸镀的离子枪的辐射热，而且由于反复的蒸镀作业，导致该区域也是蒸镀材料大量堆积的区域。因此，在成膜中，由于电子枪的辐射热容易导致温度局部性地进一步上升，从堆积的膜中产生水分、气体成分等，这些水分等在成膜中被吸入至薄膜内，由此导致产生成膜的不稳定性、膜质的不均匀性。特别是，水分为抽真空后残余压力的主要成分，因此其在成膜中被吸入膜中，从而引起膜质的不均匀性、成膜的不稳定性。

与此相对，在本实施方式中，在利用蒸发部8蒸发蒸镀材料开始前，一边利用真空泵20进行排气，一边使用设置在保持部件10外侧周边的加热器，对保持部件10和玻璃基板2、以及腔室4的内壁进行加热，除此以外积极地进行利用离子枪6的预备加热，由此能够解决这些问题。

另外，在本实施方式的薄膜形成装置1中，如上所述，使离子枪6按照离子束的照射方向与连结离子枪6和膜厚传感器15的直线错开的方式相对保持部件10的中心轴X(旋转轴)倾斜角度α。

具有2个以上灯丝22A的离子枪6的离子产生量多、离子电流密度大，但灯丝22A(热电子产生部件)的数目较多，流经灯丝22A的电流量大，因此来源于灯丝22A的辐射热量也大。因此，若使离子枪6的离子束的照射方向朝向膜厚传感器15，则有时会产生如下异常：由于灯丝22A的辐射热会导致检测头14、检测器16的温度上升，由于热的影响导致检测头14、检测器16发生变动，无法进行精确的膜厚测定等。

因此，在本实施方式中，使离子枪6按照离子束的照射方向与连结离子枪6和膜厚传感器部15、特别是与连结离子枪6和检测头14或检测器16的直线错开的方式倾斜。由此，离子束的放射方向的中心变为朝向安装有玻璃基板2的方向，可以提高照射在玻璃基板2上的离子束的离子电流密度。进一步，离子束的照射方向按照与连结离子枪6和膜厚传感器部15、特别是与连结离子枪6和玻璃基板2的直线错开的方式倾斜，由此可以降低来源于构成离子枪6的灯丝22A向膜厚传感器部15的辐射热，可以防止玻璃基板2由于离子枪6的灯丝22A所带来的辐射热导致温度上升而产生异常的情况。

进一步，在本实施方式的薄膜形成装置1中，离子枪6相对于保持部件10的中心轴X设置于在侧方仅偏移Z的位置，进一步，按照从离子枪6照射的离子束的照射方向在离子枪6和保持部件10之间与中心轴X交叉的方式而倾斜设置离子枪6。通过如此配置离子枪6，从离子枪6照射的离子束相对保持部件10的中心轴X朝向离子枪6的相反侧的部分(图1中的右侧)而照射。需要说明的是，离子束也可以相对保持部件10的中心轴X朝向离子枪6的近前侧的部分(图1中的左侧)而照射。

由此，离子束的照射方向处于保持部件10的内面的半径部的中心(保持部件10的中心轴X和边缘的中间)附近的位置，并且处于与保持部件10的内面接近垂直的角度，可以使得照射至保持部件10上的离子束的电流密度分布(离子输出分布)的中央部附近照射在设置有玻璃基板2的保持部件10的内面的半径部的中央部附近的位置，因此可以有效地利用离子束。

本申请发明人对于本实施方式的薄膜形成装置1和现有的薄膜形成装置的薄膜形成的性能进行了比较实验，以下进行说明。

图3是表示在使图1所示的圆顶状的保持部件10停止了的状态下朝向保持部件10的中心利用离子枪6照射了离子束情况下的、从离子枪6朝向保持部件10所照射的离子的位于保持部件10的表面附近的离子电流密度比相对从保持部件10的中心向着周边的半径方向的距离的关系的曲线图。图3的纵轴表示电流密度比。该电流密度比是以比较例中的距离为0cm(保持部件10的中心位置)时的各个离子电流密度为标准进行了归一化的值。图3的横轴表示自保持部件10的中心轴X(后述的保持部件10的中心P)的距离。

另外，作为本实施方式的薄膜形成装置1的离子枪6的灯丝22A，使4根长度60cm、直径0.5mm的灯丝并联连接而成。另外，离子枪6的照射口R和保持部件10的顶部Q之间的距离设为68cm。

另外，在图3中，除了本实施方式的离子枪6的离子电流密度的测定结果以外，还表示了阴极由长度60cm、直径0.5mm的1根灯丝构成的离子枪(以下，称为现有的离子枪)的离子电流密度的测定值的比。需要说明的是，现有的薄膜形成装置是指使用了由1根灯丝构成了阴极(即，不是2个以上的灯丝并联连接)的现有的离子枪的装置。

需要说明的是，离子枪6和现有的离子枪的离子电流密度是停止保持部件10后所测定的。另外，测定中使用了法拉第杯(Faraday cup)。

如图3所示，本实施方式的离子枪6的离子电流密度与现有的离子枪的离子电流密度相比非常大。另外，本实施方式的离子枪6即使是在从保持部件10的中心轴X向着保持部件10的周边的半径方向的距离为较大的位置，也能够充分地维持较大的离子电流密度。另外，若使保持部件10旋转来测定离子电流密度，则保持部件10的表面整体的离子电流密度分布得更加均匀。由此，对于本实施方式的薄膜形成装置1而言，通过使保持部件10旋转而形成薄膜，则与不使保持部件10旋转而形成薄膜的情况相比，可以形成膜厚分布更加均匀的薄膜。需要说明的是，充分大的离子电流密度是指在图3中电流密度比为3.0以上的情况。

在图3中，即使是从保持部件10的中心轴X向着保持部件10的周边的半径方向的距离增大的情况也可以维持充分大的离子电流密度，对此已经进行了说明，进一步，以下，对于本实施方式的离子枪6能够在保持部件10的整面上维持高且均匀的离子电流密度进行说明。

图4是从蒸发部8侧(装置下方)向上观察图1所示的保持部件10时的仰视图。图4中所示的A方向表示从保持部件10的中心即保持部件中心P朝向蒸发部8侧的方向(图1中，中心轴X的右侧方向)。图4中所示的B方向表示从保持部件中心P朝向离子枪6侧的方向(图1中，中心轴X的左侧方向)。图4中所示的C方向表示从保持部件中心P朝向薄膜形成装置1的近前侧的方向(图1的中心轴X的纸面近前方向)。图4中所示的D方向表示从保持部件中心P朝向薄膜形成装置1的里侧的方向(图1的中心轴X的纸面里侧方向)。

另外，图5是表示自图4所示的保持部件中心P起在A方向和B方向上的保持部件内的离子电流密度比的关系的曲线图。另外，图6是表示自图4所示的保持部件中心P起在C方向和D方向上的保持部件内的离子电流密度比的关系的曲线图。需要说明的是，与图3的实施例一样，图5和图6中的电流密度比是以图3所示的比较例中的距离为0cm(保持部件中心P)时的各个离子电流密度为基准进行了归一化的值。另外，图5和图6使用与图3的情况相同的装置，利用与图3不同的测定条件，对离子电流密度进行测定。图5和图6中的纵轴表示电流密度比，图3的横轴表示自保持部件中心P起的距离。

在图5所示的A方向上，保持部件10的中心P位置处的电流密度比为4.6，自保持部件10的中心P起的距离为350mm的位置处的电流密度比为3.2。由此，自保持部件中心P起的距离为350mm的位置处的电流密度比相对保持部件中心P处的电流密度比的比例约为70％，即使在偏离中心P的周边部也维持有充分大的离子电流密度。

在图5所示的B方向上，保持部件中心P位置处的电流密度比为4.6，自保持部件中心P起的距离为350mm的位置处的电流密度比为3.7。由此，自保持部件中心P起的距离为350mm的位置处的电流密度比相对保持部件中心P处的电流密度比的比例约为80％，即使在偏离中心P的周边部也维持有充分大的离子电流密度。

在图6所示的C方向上，保持部件中心P位置处的电流密度比为4.6，自保持部件中心P起的距离为350mm的位置处的电流密度比为3.2。由此，自保持部件中心P起的距离为350mm的位置处的电流密度比相对保持部件中心P处的电流密度比的比例约为70％，即使在偏离中心P的周边部也维持有充分大的离子电流密度。

在图6所示的D方向上，保持部件中心P位置处的电流密度比为4.6，自保持部件中心P起的距离为350mm的位置处的电流密度比为3.8。由此，自保持部件中心P起的距离为350mm的位置处的电流密度比相对保持部件中心P处的电流密度比的比例约为83％，即使在偏离中心P的周边部也维持了充分大的离子电流密度。

如上所述，根据本实施方式可知：在保持部件10的周边部(自保持部件10的中心P起的距离为350mm附近)位置处的电流密度比相对保持部件10的保持部件中心P位置处的电流密度比的比例之中，即使是比例最小的A、C方向的比例也约为70％左右，即使在保持部件10的周边也可以维持充分大的离子电流密度。并且，A～D方向上的自保持部件中心P起的距离为350mm附近位置处的各电流密度比为相同程度的比。由此可知，利用本实施方式的离子枪6，可以在保持部件10的整面上形成均匀的薄膜。由此，在倾斜配置离子枪6、倾斜照射离子束的构成中，可以在广泛范围形成均匀膜质的薄膜。

图7是表示在本实施方式的薄膜形成装置1中使用的离子枪6和用作比较例的现有的薄膜形成装置中使用的离子枪的、照射在保持部件10上的玻璃基板2上的热电子量比的曲线图。图7的纵轴表示热电子量比。另外，图7的横轴表示流经灯丝22A的灯丝电流。该图中的热电子量比是以比较例的灯丝电流30A中的热电子量为基准进行归一化而得到的。需要说明的是，具体而言，在图1所示的装置中，对从离子枪6朝向保持部件10的中心部进行照射时的离子位于保持部件10的中心部的表面附近的热电子量进行测定。

需要说明的是，在上述研究中，作为薄膜形成装置1的离子枪6，使用了阴极由长度60cm、直径0.50mm的4根灯丝22A并联连接而成的离子枪6。另外，离子枪6和保持部件10的中心部之间的距离为68cm。另外，作为现有的离子枪，使用了阴极由一根长度60cm、直径0.50mm的灯丝构成(即，由单一的灯丝构成)的离子枪。

需要说明的是，热电子量测定是在保持部件10的旋转停止的(静止的)状态下进行的。另外，测定中使用了法拉第杯。

如图4所示，对于现有的离子枪而言，从灯丝电流为20A程度以上开始产生热电子，随着灯丝电流的增加，热电子发射量比增加。对于现有的离子枪而言，若使灯丝电流为30A以上，则灯丝变差产生断线等，因此灯丝寿命不足，无法使灯丝电流增加至该值以上。

与此相对，利用本实施方式的离子枪6，可以使灯丝电流为30A以上，从灯丝电流为70A以上开始热电子发射量增大。可以确认到灯丝电流为80A时约为3.0、为90A时约为5.0、为100A时约为5.5这样非常大的热电子发射量，可以确认到本实施方式的离子枪6的输出功率非常大。

由此，通过本实验可以确认到：利用本实施方式的薄膜形成装置1，与以往相比，可以对阴极施加大电流，可以照射高离子电流密度的离子束。由此，利用本实施方式的薄膜形成装置1，可以照射高离子电流密度的离子束，因此可以在保持部件10上的广泛范围内在玻璃基板2等光学元件的表面上形成致密的薄膜结构。

另外，本申请发明人利用薄膜形成装置1使用SiO₂和Ta₂O₅作为蒸镀材料，进行了蒸镀材料向玻璃基板2的蒸镀。图8和图9是对使用本实施方式的本发明的离子枪6的薄膜形成装置1和使用了现有的离子枪的薄膜形成装置进行比较表示使用SiO₂和Ta₂O₅作为蒸镀材料进行了蒸镀时所测定蒸镀速度(薄膜的形成速度)、与使用了SiO₂和Ta₂O₅的薄膜的真空中折射率的关系的曲线图。图5的纵轴表示使用了SiO₂的薄膜的真空中折射率，图8的横轴表示使用SiO₂进行了蒸镀时所测定的蒸镀速度(薄膜的形成速度)。图9的纵轴表示使用了Ta₂O₅的薄膜的真空中折射率，图9的横轴表示使用Ta₂O₅进行了蒸镀时所测定的蒸镀速度(薄膜的形成速度)。

如图8和图9所示，利用本实施方式的薄膜形成装置1，在将SiO₂和Ta₂O₅作为蒸镀材料的各情况中，在蒸镀速度为与比较例同等以上的范围中，真空中折射率与比较例相比增高。

使用了比较例的离子枪的薄膜形成装置的薄膜形成速度较慢。因此不适于形成高折射率膜、即具有致密结构的薄膜。与此相对，确认到：利用本实施方式的薄膜形成装置1，可以以高形成速度形成高折射率的薄膜。

进一步，本申请发明人对于使用本实施方式的薄膜形成装置1而制造的在表面具有薄膜的玻璃透镜(玻璃基板2)、以及使用利用了现有的离子枪的薄膜形成装置而制造的在表面具有薄膜的玻璃透镜进行了在高温高湿条件下的耐候性试验。

在本试验中，作为薄膜，形成了防反射膜。通过本实施方式的薄膜形成装置1和使用了现有的离子枪的薄膜形成装置在玻璃种类和形状不同的两种透镜A、B上形成膜构成G/(SiO₂/Ta₂O₅)³/MgF₂/Air，对于这些样品，放置在温度60℃、湿度90％的环境下，在经过了240小时、480小时、720小时、1000小时的时刻，基于外观、反射率特性、膜强度对有无变差进行了研究。

表1中示出了本试验的结果。

[表1]

如表1所示，确认了：与通过使用现有的离子枪的薄膜形成装置制造的玻璃透镜相比，通过本实施方式的薄膜形成装置1制造的在表面具有薄膜的玻璃透镜的耐候性得到显著改善。

进一步，本发明申请人对通过使用了本实施方式的离子枪6的薄膜形成装置1制造的在表面具有薄膜的玻璃透镜进行了加热试验(波长偏移试验)。在加热试验中，对在常温下形成有薄膜的玻璃透镜2的分光特性(各波长的反射率)、和通过加热器加热至150℃状态下所测定的玻璃透镜的分光特性进行了比较。其结果是：相同波长的在常温下测定的反射率(分光特性)和在加热时的反射率的测定值的差即反射率变化量(波长偏移量)是在测定误差内的非常小的量。由此确认到：通过本实施方式的薄膜形成装置1制造的具有薄膜的玻璃透镜(玻璃基板2)是具有高致密性的膜。

如以上说明，通过本实施方式的薄膜形成装置1，将用于构成离子枪6的阴极22由与阴极电源24并联连接的2个以上灯丝22A构成，因此可以使大于以往的电流流经灯丝22A。由此，可以使得由离子枪6照射的离子束的离子电流密度显著增大，可以在玻璃基板2形成致密结构的薄膜。

另外，以往，作为在离子辅助蒸镀法中使用的离子枪之一的RF(高频型)离子枪的加速能量大但离子产生量小。因此，在使用了RF离子枪的离子辅助蒸镀法中，虽然每个离子的能量大，但离子量为少量。

与此相对，在本实施方式的薄膜形成装置1中所使用的离子枪6中，用于构成离子枪6的阴极22是由与阴极电源24并联连接的2个以上的灯丝22A构成，因此与现有的RF离子枪相比，虽然每个离子能量小，但离子产生量较大。因此，通过本实施方式的薄膜形成装置1，即使从离子枪6照射的离子的加速能量小也能够在保持部件10上的广泛范围内形成充分高致密度的膜。进一步，由于对应玻璃基板2的形状遍布，因此可以稳定地形成折射率、密度高、且均匀的膜。

另外，在这样的离子辅助蒸镀法中，成膜时利用在保持部件10的周边设置的加热器等，将玻璃基板加热至100～350℃。但是，在使用了这样的加热器的方法中，存在温度分布不均匀、或加热耗费时间这样的问题。

与此相对，利用本实施方式的薄膜形成装置1，来源于构成离子枪6的阴极22的灯丝22A的辐射热量大，因此可以通过该辐射热对玻璃基板2进行加热。由此，与以往薄膜形成装置1所必须的、用于对玻璃基板2进行加热的加热器相比，可以均匀且短时间地对在保持部件10的广泛范围内设置的玻璃基板2进行加热，进一步可以削减或省略由现有的加热器所致的加热时间、加热输出。

另外，如上所述用于构成离子枪6的阴极22由与阴极电源24并联连接的2个以上的灯丝22A构成，由此来源于灯丝22A的辐射热也增大，有时导致膜厚传感器部15的温度上升、无法精确测定。与此相对，根据本实施方式，使离子枪6按照所照射的离子束的照射方向从连接离子枪6和膜厚传感器部15的直线上偏离的方式倾斜，由此可以减少来源于灯丝22A的辐射热对膜厚传感器部15的影响。另外，如此，通过倾斜离子枪6，离子束的照射方向朝向在保持部件10上安装的玻璃基板2，因此可以在玻璃基板2上以广泛范围均匀地照射离子电流密度更高的离子束。

另外，根据本实施方式，使离子枪6从保持部件10的中心轴X偏离设置，并且所照射的离子束的照射方向在离子枪6和保持部件10之间按照与保持部件10的中心轴X交叉的方式倾斜设置。由此，离子束按照其照射方向处于与保持部件10的内面接近垂直的角度的方式照射，可以使得照射在保持部件10上的离子束的单位面积的电子量最大化。进一步，根据本实施方式，由于使保持部件10旋转，因此可以使保持部件10的内面中的离子电流密度均匀化。

进一步，根据本实施方式，使离子枪6自保持部件10离开50cm以上，因此可以使保持部件10的各部中所照射的离子束的离子电流密度变得均匀。

需要说明的是，在本说明书中，如上所述的具备2个以上的灯丝22A的离子枪6的照射方向定义如下。图10是表示用于说明现有的离子枪的照射方向的各方向的离子电流密度的曲线图，图11～图13表示用于说明本实施方式的离子枪6的照射方向的各角度方向上的离子电流密度的曲线图。如图10所示，利用现有的离子枪，在离子枪的中心轴向(CL)具有较大波峰。因此，将离子枪的中心轴向作为照射方向较佳。

与此相对，如图11～图13所示，在本实施方式的薄膜形成装置1中使用的离子枪6的各角度上的离子电流密度与以往相比波峰的角度宽度增大且具有2个以上的波峰。

在图11所示的示例中，从离子枪6的中心轴向到规定的角度范围之间，离子电流密度基本不变，若从规定的角度范围偏离，则离子电流密度减小。因此，在如该图所示的情况下，离子枪6的照射方向定义为还包括离子电流密度为一定的角度范围内的任一方向。需要说明的是，这种情况下，离子枪6的照射方向的中心是指上述的规定的角度范围的中心。

在图12所示的示例中，离子枪6的离子电流密度虽然在离子枪6的中心轴向具有峰值，但在其周边也具有非常接近的值。这种情况下，离子枪6的离子束照射方向是指离子电流密度大于规定的值(例如，波峰的80％以上)的角度范围。需要说明的是，这种情况下，离子枪6的照射方向的中心是指形成波峰的角度或离子电流密度大于预定的值的角度范围的中心。

另外，在图13所示的示例中，离子束的离子电流密度在2个以上的角度方向具有峰值。这种情况下，将离子电流密度的谷部处的离子电流密度作为阈值，将离子电流密度大于该阈值的角度范围作为离子束照射方向。需要说明的是，这种情况下，离子枪照射密度的中心方向是指离子枪的中心轴的方向。

需要说明的是，在本实施方式中，对于阴极22为由等间距配置的、且与阴极电源并联连接的4根灯丝22A构成的情况进行了说明，但灯丝22A的配置并不限于此。

图14～图19是表示基于其他实施方式的薄膜形成装置的阴极22中的灯丝22A的配置的图。需要说明的是，使用这些图中所示的阴极22的情况下，将图中的X、Y与图2中的节点X、Y连接即可。

如图14所示，可以扩大阴极22中一部分(图14中为中央)的相邻的灯丝22A的间隔。

另外，如图15所示，作为阴极22，还可以使用5根灯丝22A，进一步，如图16所示，这些灯丝22A之中，可以扩大一部分(图15中为上方和下方)相邻的灯丝22A的间隔。

另外，如图17所示，可以将以矩形状(图17中为正方形状)配置的2个以上的灯丝22A与阴极电源并联连接而构成阴极22。

另外，如图18所示，可以将以三角形状配置的2个以上的灯丝22A与阴极电源并联连接而构成阴极22。

进一步，如图19所示，可以以涡卷状配置灯丝22A而构成阴极22。

另外，在本实施方式中，对在作为玻璃基板2的玻璃透镜(光学元件)的表面形成薄膜的情况进行了说明，但并不限于玻璃基板2，作为成膜对象部件的材料，只要是在由塑料或晶体、陶瓷、玻璃陶瓷构成的透镜或滤光器、偏振光元件、衍射元件、玻璃罩(coverglass)、显示屏基板等的表面形成薄膜的情况，就可以应用本发明。

另外，在本实施方式中，对于具备灯丝22A作为构成阴极22的热电子产生部件的离子枪6进行了说明，但作为阴极电源只要是能够放出大量热电子的形状即可，例如，可以以薄板状、棒状形成。

另外，在本实施方式中，使用了圆顶状的保持部件10，但并不限于此，也可以是平面状、多棱锥状、或圆锥状。

另外，在本实施方式中，作为膜厚传感器15，使用了对来源于监测玻璃的反射光进行受光的光学式膜厚传感器，但并不限于此，也可以使用石英振子式膜厚传感器，或者合用光学式膜厚传感器和石英振子式膜厚传感器。需要说明的是，石英振子式膜厚传感器还可以作为控制成膜速率的传感器来使用。

另外，在本实施方式中，对于检测来源于作为检测头14的监测玻璃的反射光或透过光的光量的光学式膜厚传感器、以及检测头14由石英振子构成的水晶振动式膜厚传感器作为膜厚传感器15的情况,分别进行了说明，但并不限于此。本发明可以合用光学式膜厚传感器和水晶振动式膜厚传感器。另外，虽然膜厚传感器15用于控制膜厚，但也可以作为控制蒸镀速度(薄膜的堆积速度、成膜速度)的传感器来使用。

另外，根据本实施方式，如上所述，与现有的热电子激发型离子枪相比，可以显著增大离子束的离子电流密度，因此能够使离子枪6和保持部件10之间的距离增大至50cm以上。由此，可以对保持部件10的表面附近和表面的整体的广泛空间区域均匀地照射能量高的离子。因此，即使保持部件10的面积大的情况也能够应用本发明。特别是，对于光学透镜、滤光器等光学部件的基于离子辅助蒸镀的薄膜形成装置1而言，为了进行多个、批量成膜或大型光学部件的成膜，多数情况下需要保持部件10的直径为50cm以上的装置，因此本发明的热电子激发型离子枪6可以增大离子枪6和保持部件10之间的距离。另外，能够输出大离子电流密度的离子枪比较适合。

另外，在本实施方式中，对于使用了热电子激发型离子枪6的薄膜形成装置1进行了说明，但与使用了RF(高频型)离子枪的薄膜形成装置相比，使用了热电子激发型离子枪6的薄膜形成装置1从离子枪6主体的灯丝22A产生了大量热电子，因此无需设置用于使在玻璃基板积蓄的正电荷进行电中和的中和器。即，热电子激发型离子枪6兼具中和器的作用。由此，使用了热电子激发型离子枪6的薄膜形成装置1无需设置中和器，因此可以防止薄膜形成装置1的大型化，同时可以使在薄膜形成装置1内设置的各部件的配置具有自由度。

最后，使用图等对本发明的实施方式进行概括。

如图1、2所示，本发明的实施方式中，薄膜形成装置1用于使蒸镀材料蒸镀在玻璃基板2的表面上而在玻璃基板2的表面上形成薄膜，其具备：保持部件10，其安装有玻璃基板2；蒸发部8，其使蒸镀材料蒸发；以及离子枪6，其朝向保持部件10对从蒸发部8蒸发出的蒸镀材料中照射离子束，离子枪6包括：阳极26和阴极22；等离子体供给单元，其对阳极26和阴极22之间供给等离子体；以及阳极电源28和阴极电源24，其分别对阳极26和阴极22施加电压以便在阳极26和阴极22之间产生电位差，阴极22具有与阴极电源24并联连接的2个以上的灯丝22A。

本次公开的实施方式在所有方面应该认为只是示例，而并非进行限制。本发明的范围并不依据上述说明而是如权利要求书所示，应视为包括与权利要求书均等的意思和范围内的全部变更。

符号的说明

1 薄膜形成装置

2 玻璃基板

4 腔室

6 离子枪

8 蒸发部

10 保持部件

14 检测头(监测玻璃)

15 膜厚传感器部

16 膜厚传感器

18 控制部

20 真空泵

22 阴极

22A 灯丝

24 阴极电源

26 阳极

28 阳极电源。

Claims (9)

1.一种薄膜形成装置，其是用于使蒸镀材料蒸镀在成膜对象部件的表面而在所述成膜对象部件的表面形成薄膜的装置，

该薄膜形成装置具备：

保持部件，其安装有所述成膜对象部件；

蒸发部，其使所述蒸镀材料蒸发；以及

离子枪，其朝向所述保持部件对从所述蒸发部蒸发出的蒸镀材料中照射离子束，

所述离子枪包括：

阳极和阴极；

等离子体供给单元，其向所述阳极和阴极之间供给气体并产生等离子体；以及

阳极电源和阴极电源，其分别对所述阳极和阴极施加电压以便在所述阳极和阴极之间产生电位差，

所述阴极具有与所述阴极电源并联连接的2个以上的热电子产生部件。

2.如权利要求1所述的薄膜形成装置，其中，

所述薄膜形成装置进一步具备检测头和检测器，所述检测器具有对在所述检测头上形成的薄膜的厚度进行测定的膜厚传感器，

从所述离子枪照射的离子束的照射方向从连接所述离子枪和所述检测器而成的直线上偏离。

3.如权利要求2所述的薄膜形成装置，其中，

所述检测头是在所述保持部件的中心部设置的监测玻璃，

所述检测器是光学式膜厚传感器，其具有对在所述监测玻璃上形成的薄膜的厚度进行测定的所述膜厚传感器，

从所述离子枪照射的离子束的照射方向从连接所述离子枪和所述光学式膜厚传感器而成的直线上偏离。

4.如权利要求3所述的薄膜形成装置，其中，

所述保持部件能够以其中心轴为中心转动，

所述离子枪从所述保持部件的中心轴偏移设置，并且按照所照射的离子束的照射方向在所述离子枪和所述保持部件之间与所述保持部件的中心轴交叉的方式倾斜设置。

5.如权利要求3所述的薄膜形成装置，其中，所述监测玻璃设置在所述保持部件的中心轴上。

6.如权利要求3所述的薄膜形成装置，其中，所述膜厚传感器设置在所述保持部件的中心轴上。

7.如权利要求3所述的薄膜形成装置，其中，所述离子枪与所述保持部件的距离为50cm以上。

8.如权利要求1所述的薄膜形成装置，其中，成膜对象部件为透镜。

9.一种薄膜形成方法，其是使蒸镀材料蒸镀在成膜对象部件的表面而在所述成膜对象部件的表面形成薄膜的方法，其中，

该薄膜形成方法具备：

蒸发步骤，使所述蒸镀材料蒸发；以及

照射步骤，利用离子枪朝向所述成膜对象部件对所述蒸发出的蒸镀材料中照射离子束，

所述离子枪包括：

阳极和阴极；以及

阳极电源和阴极电源，其分别对所述阳极和阴极施加电压，

所述阴极具有与所述阴极电源并联连接的2个以上的灯丝，

在所述照射步骤中，对阳极和阴极之间供给等离子体，

利用所述阳极电源对所述阳极施加电压，同时对所述由2个以上的灯丝构成的阴极施加电压，以便在所述阳极和阴极之间产生电位差。