JP2001288562A - シリコン化合物薄膜の被覆方法およびそれを用いて得られる物品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】真空成膜法により被覆される反射防止膜は、従
来高屈折率の膜と低屈折率の膜を積層するいわゆる多層
構成で基板上に形成されていた。この膜は内部歪みが大
きく、膜と基板との界面で剥離しやすいという課題があ
った。また、蒸着材料を２種以上必要とした。 【解決手段】減圧した雰囲気が調整される成膜室内で、
シリコン金属の蒸着材料をアーク放電プラズマの照射に
より蒸発させ、ガラス板にシリコン化合物薄膜を被覆す
る。このとき、減圧雰囲気を構成する反応ガスの酸素と
窒素のガス比率をシリコン金属の蒸発中に変化させて膜
厚方向に屈折率傾斜をつくる。反射率４％のガラス板表
面を０．５％に低減する反射防止膜を単層構成で被覆で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板にシリコン化
合物薄膜を被覆する方法およびその方法により得られる
物品に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、反射防止などの光学機能をもつ薄
膜を基板に被覆する方法としては、真空成膜法を用いて
高屈折率の膜と低屈折率の膜を交互に被覆する方法が知
られている。反射防止膜はその優れた性能を得るため
に、それぞれの膜の厚みを精度よく制御することが必要
であり、再現性よくそれを実現するのが容易でないとい
う問題点があった。また、多層構成の膜は耐摩耗強度が
良好でなく、かつ２種又は３種の膜を多層に被覆するこ
とによって膜に歪みが発生し、そのために基板と膜の界
面で剥離が生じ易いという問題点があった。

【０００３】基板がガラス板である場合、ガラス板と多
層膜との密着性が十分でないために、建築用途や自動車
用途の窓ガラスに用いるには耐摩擦性が必ずしも実用上
十分にあるとはいえなかった。特に、自動車の窓ガラス
の用途では、膜が外面（車外）側にして用いられるに
は、耐摩耗強度の向上が必要とされていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、従来
技術が有していた上記の問題点を解決しようとするもの
であり、すなわち多層構成からなる薄膜が有する上記の
問題点を解決するためになされたものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１は、減圧した雰
囲気が調整できる成膜装置内で、シリコン金属の蒸着材
料をアーク放電プラズマの照射により蒸発させて基板に
シリコン化合物薄膜を被覆する方法において、前記減圧
雰囲気に導入する酸素と窒素のガス比率を前記シリコン
金属の蒸発中に変化させることを特徴とする膜厚方向に
屈折率傾斜を有するシリコン化合物薄膜の被覆方法であ
る。

【０００６】本発明において用いるシリコン金属はボロ
ンなどの不純物を、アークプラズマが安定して蒸着材料
に照射できる程度に微量含有させて通電性にするのがよ
い。

【０００７】本発明のシリコン化合物薄膜の屈折率は、
成膜装置内に導入される酸素及び窒素の濃度比によって
制御される。反応ガスについて酸素濃度を１００％とし
た場合には、得られる膜の屈折率は二酸化珪素膜にな
り、その屈折率は５５０ｎｍの波長で１．４８になり、
反応ガスについて窒素濃度を１００％とした場合には窒
化珪素膜になり、その５５０ｎｍの波長における屈折率
は２．１になる。

【０００８】請求項２は、請求項１において、前記屈折
率傾斜を、予め作成された導入する酸素と窒素のガス比
率とそのガス比率で被覆されるシリコン化合物薄膜の屈
折率との関係のデータおよび被覆しようとするシリコン
化合物薄膜の膜厚保方向の屈折率傾斜データから導入ガ
ス制御プログラムを作成し、前記シリコン化合物薄膜の
被覆中の膜の厚みを膜厚監視モニターで測定するととも
に、その膜厚を前記導入ガス制御プログラムに入力して
膜の厚みに応じて逐次算出される量の酸素と窒素を、前
記減圧雰囲気に導入することにより、形成することを特
徴とする。

【０００９】酸素と窒素のガス比率（濃度比）の制御
は、実成膜速度を膜厚監視モニターで監視しながらガス
流量制御系の演算処理部によって計算され、それにより
自動制御により行うのがよい。膜厚方向での組成制御に
基づく屈折率傾斜の制御を正確に行うためには、成膜さ
れている瞬間の屈折率を適切に制御することが好まし
い。そのため、水晶振動子を用いる膜厚監視モニターに
代表されるモニターと成膜室に酸素及び窒素を導入する
マスコントローラーをガス流量演算制御系に作成された
導入ガス流量実行プログラムにより制御して、屈折率傾
斜の制御を行うのがよい。

【００１０】請求項３は、請求項１または２の被覆方法
により反射防止機能を有するシリコン化合物薄膜が基板
に被覆された物品である。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施例の断面
図である。本発明の物品１０は、ガラス板２０の表面に
厚み方向に屈折率傾斜をもつ反射防止膜３０が被覆され
ている。

【００１２】図２は、本発明のシリコン化合物薄膜を基
板に被覆するのに用いた成膜装置の概略断面図である。
成膜装置１の側壁にはアーク放電プラズマ発生ガン４が
設けられている。アーク放電プラズマ発生ガン４として
は、たとえば刊行物である真空第２５巻第１０号（１９
８２年）に記載されている複合陰極型プラズマ発生ガン
や圧力勾配型プラズマ発生ガンを用いることができる。
電源９からアーク放電プラズマ発生ガン４に放電電流約
１５０Ａ、放電電圧約９０Ｖとなるように電力を印加
し、発生したアーク放電プラズマを水平磁場発生用磁気
コイル３により減圧雰囲気２に引き出し、るつぼ６の下
部に設けた垂直磁場発生用磁石５により、引き出したア
ーク放電プラズマ８をほぼ９０度の方向に曲げて、るつ
ぼ６内に充填したシリコン金属の蒸着材料１７に照射す
る。減圧雰囲気２は、真空排気ポンプ（図示されない）
により排気口１４から排気され、一方ガス導入口１５か
ら酸素、窒素がマスフロ−コントローラー１３によりそ
の量が制御された状態で導入される。シリコン金属の蒸
着材料１７の蒸発中は、通常一定の減圧に維持される。

【００１３】蒸発されたシリコン金属は、基板ホルダ１
８にセットされた複数のガラス板２０に蒸着されるが、
ガス導入口１５から導入された酸素と反応してシリコン
酸化物膜になり、また窒素と反応して窒化珪素膜とな
る。同時に導入したとき、酸素と窒素のガス比率によ
り、シリコン化合物膜中の酸素と窒素の含有比率がそれ
に応じて変わり、被覆される膜の屈折率はその膜組成に
応じて変わる。基板２０は必要によりヒータ−１６によ
り加熱される。

【００１４】基板２０の近傍に例えば水晶振動式の膜厚
センサー７をセットし、膜厚センサー７から膜厚モニタ
ー１１に堆積厚みに応じた電気信号が送られる。膜の蒸
着（被覆）中にガス流量制御系により、酸素、窒素の２
系統のガスについてマスフローコントローラー１３を制
御し、ガス導入口１５から減圧雰囲気２に導入される酸
素と窒素のガス比率が自動的に制御される。これにより
ガラス板２０にシリコン化合物膜の厚み方向に組成勾配
を有し、それにより屈折率傾斜を有する薄膜が被覆され
る。

【００１５】図３は、本発明のシリコン化合物薄膜を被
覆するのに、膜の厚み方向に所定の屈折率傾斜を有する
ように導入ガス量を自動制御により行う方法を説明する
実行命令のブロック系統図である。ガス流量制御系のメ
モリー部には、データＡが入力される。データＡは酸素
と窒素のガス比率を蒸着に一定にして基板に被覆した、
すなわち厚み方向一定組成のシリコン化合物薄膜を実際
に被覆し、その薄膜の屈折率とその膜を得るときに減圧
雰囲気に導入した酸素と窒素のガス比率の関係を定めた
データである。

【００１６】また、ガス流量制御系のメモリー部には、
基板に被覆しようとするシリコン化合物薄膜の屈折率傾
斜特性（特性Ｂ）がメモリー部に入力される。データＡ
と被覆目標である特性Ｂとから、蒸着開始後ｔだけ時間
が経過したときの膜の厚みがｄtのときに、ガス導入口
から導入すべき酸素流量ＶO₂（dt）および窒素流量ＶN ₂
（dt）が図６のデータ（Ｃ）として得られる。このデー
タＣを用いて、ガス導入の実行指令を行うガス導入制御
プログラムが実行される。

【００１７】蒸着（被膜の被覆）は、初期設定された酸
素と窒素が導入され、アーク放電プラズマ発生ガンに所
定の電力が投入されることにより開示される。シリコン
化合物薄膜が基板に被覆されるとともに、基板の近傍に
セットされた膜厚センサーに被覆される膜の積算重量の
信号を受けて、膜厚監視モニタに表示される厚みがｄt
であるとき、膜厚みがｄtから（ｄt＋△ｄ）になるま
で、ガス導入口から酸素と窒素が、図６で示されるデー
タ（Ｃ）に基づく導入ガス制御プログラムにより瞬時に
演算される。酸素と窒素についてのガス流量がマスフロ
ーコントローラー（ガス流量制御器）に指示命令され
る。膜厚監視モニターが監視する厚みｄtが被覆する膜
の設計厚みｄ1になれば、蒸着が自動的に終了される。

【００１８】Δｄは、図５の屈折率傾斜が急峻・緩慢に
応じて適宜定められる。本発明では膜厚みがΔｄだけ増
加するに従い、導入ガス流量のフィードバック自動制御
がかけられ、屈折率の傾斜が形成されていく。上記の方
法では、導入ガスの流量制御を酸素と窒素について行う
例を示したが、アルゴンガスを含んで行ってもよい。ま
た、膜厚監視モニターとして水晶振動方式の他に発光プ
ラズマ検出方式などの監視モニタなどを用いてもよい。

【００１９】かくして、減圧雰囲気内の酸素と窒素の組
成比率は、膜の堆積厚みにより、演算され新しい比率に
逐次変化していく。これにより、目標特性Ｂを有するシ
リコン化合物薄膜が基板に自動制御されて被覆される。

【００２０】本発明にアーク放電プラズマの生起、終了
についての自動制御機構を付加することにより、設計さ
れた屈折率傾斜を有する薄膜を全自動制御により被覆す
ることができる。

【００２１】以下に本発明を、実施例と比較例により、
詳述する。 実施例１（予備検討） 図２に示すアーク放電プラズマイオンプレーティング成
膜装置１の減圧雰囲気内にアーク放電プラズマを生起さ
せ、これをるつぼ内に充填したシリコン金属の蒸着材料
に照射して、シリコンを蒸発させた。基板としてソーダ
ライムガラス板（屈折率１．５２）を用い、このガラス
板に反射防止機能を有する膜を下記のようにして被覆し
た。

【００２２】被覆時のガラス板はとくに加熱しなかっ
た。ガラス板を基板ホルダーにセットし、真空排気ポン
プによって０．００２７Ｐａ以下の圧力に一旦排気し
た。その後、アーク放電プラズマを生起するためのガス
としてアルゴンを用い、アーク放電プラズマ発生ガンに
１５０Ａの電流を供給し、アーク放電プラズマを生起さ
せた。こうして生起させたアーク放電プラズマを、導電
性の蒸発材料とするために硼素を５ｐｐｍ含有したシリ
コン金属に照射して、ガラス板上に二酸化珪素膜を１０
０ｎｍの厚みに被覆した。さらに酸素と窒素の容量（窒
素／酸素＋窒素）（容量比）を、０．２、０．４、０．
６、０．８、１．０の５水準として、膜組成の異なる合
計６つのサンプル（二酸化珪素膜１種、シリコン酸窒化
膜４種、窒化珪素膜１種）を作製した。

【００２３】得られた６つのサンプルのそれぞれのシリ
コン化合物薄膜の５５０ｎｍにおける屈折率をエリプソ
メトリー法を用いて測定したところ、図４のように酸素
と窒素のガス流量比率と膜の屈折率との関係（データ
Ａ）を得た。

【００２４】実施例２（反射防止膜の被覆） 実施例１により、酸素と窒素の濃度比（ガス流量比）と
得られる膜の屈折率との関係をガス流量制御系（回路）
に予めプログラミングして読み込ませた。また、図５に
示す膜厚み方向の屈折率傾斜特性（特性Ｂ）を読み込ま
せた。この特性Ｂは、市販の光学設計シミュレーション
計算ソフトを用いて、反射防止機能を有するような屈折
率傾斜を算出したものである。本実施例においては、図
５に示す屈折率傾斜をもつ膜の被覆を自動制御により実
行されるプログラミングによる行った。すなわち、ガラ
ス板から厚みが８１ｎｍまでは単調に屈折率が１．４８
から２．０まで増加し、その後８１ｎｍから１００ｎｍ
までは屈折率が１．４８の一定の膜が被覆される導入ガ
ス自動制御プログラムにより行った。

【００２５】ガラス板を基板ホルダにセットし、真空排
気ポンプによって０．００２７Ｐａ以下の圧力に一旦排
気する。その後、放電ガスとしてアルゴンをアーク放電
プラズマ発生ガンから、ガス導入口から反応ガスとして
酸素と窒素を導入した。酸素と窒素の成膜装置への導入
量をガス流量制御系によって自動制御して、実施例１と
同じシリコン金属蒸着材料を蒸発し、厚みが１００ｎｍ
のシリコン化合物膜をガラス板上に被覆した。

【００２６】得られた光学膜の膜面入射光の反射率を測
定したところ、波長５５０ｎｍの光の反射率は０．５％
であり、ガラス板の反射率（約４％）よりも低下してい
ることが確認された。すなわち１種の蒸着材料から反射
防止機能をもつ光学膜をガラス板に被覆できることが確
認された。この反射防止膜について、ＪＩＳ−Ｒ３２２
１に定められる耐磨耗性試験と同等のテーバー磨耗試験
（荷重２５０ｇｆ、回転数１００回とする）を実施した
ところ、試験後においても目視で見える大きな傷はな
く、反射率も０．６％とほとんど変化しなかった。

【００２７】比較例 同じアーク放電プラズマイオンプレーティング法によ
り、実施例２と同種のガラス上にガラス板／ＳｉＯ₂／
ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂の順序で表されるそれぞれの層の厚み
が最適化された３層構成の反射防止膜を被覆した。この
反射防止膜の膜面反射率は０．５％であり、実施例２と
同等の光学特性を有していた。この３層構成の反射防止
膜について、同じ摩耗試験（荷重２５０ｇｆ、回転数１
００回とする）を実施したところ、試験後において目視
で見える大きな傷が確認され、反射率は３．８％に悪化
していた。傷の部分を電子顕微鏡にて観察したところ、
膜が基板から剥離している様子が確認された。

【００２８】

【発明の効果】本発明の反射防止膜は、厚み方向の連続
的な組成勾配に基づく屈折率傾斜を有し、それにより内
部歪みが小さいので、基板との密着力が大きい。これに
より外部から摩耗力を受けても基板からの剥離が生じに
くい。

【００２９】また、被覆を単一の蒸着材料で行うことが
できる。

【００３０】さらに、本発明のガス流量自動制御法によ
れば、厚み方向に目標とする屈折率傾斜を有する薄膜が
自動制御されて被覆できるので、人間が行う導入ガス量
等の操作や蒸着の監視などの作業が不要になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の物品の一実施例の断面図である。

【図２】本発明の実施に用いた成膜装置の概略断面図で
ある。

【図３】本発明にかかる屈折率傾斜を自動制御する方法
を説明するブロック図である。

【図４】実施例１で得られた膜の屈折率と導入する酸素
と窒素のガス比率との関係（データＡ）を示す図であ
る。

【図５】実施例２で設計した反射防止膜の厚み方向の屈
折率傾斜（特性Ｂ）を示す図である。

【図６】本発明の薄膜の屈折率傾斜を制御するのに用い
たガス流量と堆積膜厚との関係（データＣ）を示す説明
図である。

【符号の説明】

１：成膜装置、２：減圧雰囲気 ３：水平磁場発生用磁気コイル、４：アーク放電プラズ
マ発生ガン ５：垂直磁場発生用磁石、６：るつぼ ７：膜厚センサー、８：アーク放電プラズマ ９：電源、１１：膜厚モニター １２：ガス流量演算制御系、１３：マスフロ−コントロ
ーラー １４：排気口、１５：ガス導入口 １６：ヒーター、１７：シリコン金属の蒸着材料 １８：基板ホルダ １０：本発明の物品 ２０：ガラス板 ３０：厚み方向に屈折率傾斜をもつ反射防止膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荻野 悦男 大阪府大阪市中央区道修町３丁目５番11号 日本板硝子株式会社内 Ｆターム(参考） 4G059 AA01 AA11 AC04 EA05 EA12 EB01 4K029 AA09 BA46 BA58 BC08 CA04 DD06 EA01 EA05

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】減圧した雰囲気が調整できる成膜装置内
   で、シリコン金属の蒸着材料をアーク放電プラズマの照
   射により蒸発させて基板にシリコン化合物薄膜を被覆す
   る方法において、前記減圧雰囲気に導入する酸素と窒素
   のガス比率を前記シリコン金属の蒸発中に変化させるこ
   とを特徴とする膜厚方向に屈折率傾斜を有するシリコン
   化合物薄膜の被覆方法。
2. 【請求項２】前記屈折率傾斜を、予め作成された導入す
   る酸素と窒素のガス比率とそのガス比率で被覆されるシ
   リコン化合物薄膜の屈折率との関係のデータおよび被覆
   しようとするシリコン化合物薄膜の膜厚保方向の屈折率
   傾斜データから導入ガス制御プログラムを作成し、前記
   シリコン化合物薄膜の被覆中の膜の厚みを膜厚監視モニ
   ターで測定するとともに、その膜厚を前記導入ガス制御
   プログラムに入力して膜の厚みに応じて逐次算出される
   量の酸素と窒素を、前記減圧雰囲気に導入することによ
   り、形成することを特徴とする請求項１に記載のシリコ
   ン化合物薄膜の被覆方法。
3. 【請求項３】請求項１または２の被覆方法により、反射
   防止機能を有するシリコン化合物薄膜が基板に被覆され
   た物品。