JP2007313764A - 透明積層膜及びその製造方法、並びに液体レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲット材料を変更することなく簡便に透明積層膜を成膜することのできる透明積層膜の製造方法を提供し、該透明積層膜の製造方法により形成された透明積層膜、並びに該透明積層膜を用いた液体レンズを提供する。
【解決手段】反応性ガスなし、あるいは反応性ガス８の存在下で、ＺｎＯにＡｌ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂のいずれかが含有されてなるターゲット３をスパッタガス７によりスパッタリングして、基材上に透明導電膜を成膜し、ついで反応性ガスの存在下で前記ターゲットをスパッタガスによりスパッタリングして、前記透明導電膜上に透明絶縁膜を成膜して透明積層膜を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、透明積層膜及びその製造方法、並びに前記透明積層膜を用いた液体レンズに関するものである。

従来、レンズを機械的に移動させることなく可変焦点することのできる技術が提案されており、その中でエレクトロウェッティング効果を用いた液体レンズが注目されている（例えば、特許文献１，２、非特許文献１参照。）。

この液体レンズとは、例えば上部から基材１／電極２／水溶液３／オイル４／絶縁膜５／電極６／基材７の構造となっており、電極２と電極６間に電圧を印加して水溶液３とオイル４の界面の形状を変化させることにより、焦点を変化させる駆動を行うものである。

ここで前記液体レンズのうち、絶縁膜５／電極６／基材７の構造については、基材７に金属膜または透明導電膜を電極６としてスパッタリング法により成膜し、その後電極６上に蒸着法により数μｍの膜厚の絶縁膜５を成膜するといった別々のプロセスで作製されており、積層膜の製造が煩雑であった。

また、従来の液体レンズでは、焦点を変化させる駆動を起こさせるために数十Ｖ以上の電圧を印加する必要があることから、種々の光学装置に用いる場合、とくに小型の液体レンズを多数用いる場合にはその適用が困難であり、印加電圧の低減が望まれていた。

国際公開第９９／１８４５６号公報 特開２００２−１６２５０６号公報 Ｂｒｕｎｏ Ｂｅｒｇｅ、機構部品ゼロ量産近づく液体レンズの実力、日経エレクトロニクス、日本経済新聞社、平成１７年１０月２４日、ｐ．１２９〜１３５

本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、ターゲット材料を変更することなく簡便に透明積層膜を成膜することのできる透明積層膜の製造方法を提供し、該透明積層膜の製造方法により形成された透明積層膜、並びに該透明積層膜を用いた液体レンズを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために提供する請求項１の発明は、反応性ガスなし、あるいは反応性ガスの存在下で、ＺｎＯにＡｌ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂のいずれかが含有されてなるターゲットをスパッタガスによりスパッタリングして、基材上に透明導電膜を成膜し、ついで反応性ガスの存在下で前記ターゲットをスパッタガスによりスパッタリングして、前記透明導電膜上に透明絶縁膜を成膜して透明積層膜を形成することを特徴とする透明積層膜の製造方法である。

また前記課題を解決するために提供する請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ターゲットのＡｌ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂のいずれかの含有量は、１０ｗｔ％以下であることを特徴とする透明積層膜の製造方法である。

また前記課題を解決するために提供する請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記透明絶縁膜の膜厚は、１μｍ以下であることを特徴とする透明積層膜の製造方法である。

また前記課題を解決するために提供する請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記透明絶縁膜の抵抗値は、前記反応性ガスとスパッタガスとの流量比により調整されてなることを特徴とする透明積層膜の製造方法である。

前記課題を解決するために提供する請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一に記載の透明積層膜の製造方法により基材上に透明導電膜、透明絶縁膜が順次積層されてなることを特徴とする透明積層膜である。

前記課題を解決するために提供する請求項６の発明は、請求項５に記載の透明積層膜と、電極を含む部材とにより、前記透明絶縁膜を内側にしてオイル及び水溶液が封止されてなるものであり、前記電極と透明導電膜間への電圧印加により前記透明絶縁膜上の水溶液とオイルとの界面の形状を変化させることを特徴とする液体レンズである。

本発明の透明積層膜の製造方法によれば、１つのスパッタリング成膜工程の中でターゲット材料を変更することなく同一のターゲットで簡便に透明積層膜を成膜することができる。
本発明の透明積層膜によれば、液体レンズに好適な透明積層膜を提供することができる。
本発明の液体レンズによれば、誘電率が高く膜厚の薄い透明絶縁膜を備えているので、低い電圧で駆動させることができる。

以下に、本発明に係る透明積層膜の製造方法について説明する。
図１は、本発明に係る透明積層膜の製造方法を実施する上で使用するスパッタ装置の構成を示す概略図である。
図１に示すように、スパッタ装置は直流方式のスパッタ装置であり、チャンバー１内に基板１１を保持する基板ホルダー２とターゲット３を保持するターゲットホルダー４とが対向配置されており、基板１１とターゲット３との間に電圧が印加されるようになっている。詳しくは、基板１１は基板ホルダー２を経由してグランドに接地され、ターゲット３はターゲットホルダー４を経由して直流電源５につながっており、基板１１のアース電位に対してターゲット３には直流電源５から所定のマイナスの電圧が印加される。

また、スパッタ装置は、チャンバー１内の排気系として排気ポンプ６を有している。さらに、ガス供給系としてＡｒガスボンベ７、Ｏ_２ガスボンベ８及びガスボンベ７，８それぞれからガスを途中で混合しこの混合したガスをチャンバー１内へ導くガス配管９を有しており、該混合ガスはガス配管９に設けられたＡｒガス流量コントローラ７ａ、Ｏ_２ガス流量コントローラ８ａによってそれぞれの流量比及び混合ガスとしての流量がコントロールされプロセスガス導入口９ａからチャンバー１内に導入されるようになっている。

本スパッタ装置により基板１１上に透明積層膜を成膜するに当っては、つぎの手順で処理を行う。
（Ｓ１１）基板ホルダー２に基板１１をセットする。
ここで、基板１１は、表面が清浄な透明ガラス基板またはポリカーボネイト（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリオレフィン（ＰＯ）のいずれかからなる透明な樹脂基板である。
（Ｓ１２）ターゲットホルダー４にターゲット３をセットする。
ここで、ターゲット３は、ＺｎＯにＡｌ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂のいずれかが含有されてなるもの（すなわち、ＡＺＯターゲット、ＧＺＯターゲット、ＳＺＯターゲットのいずれか）であり、ターゲット３のＡｌ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂のいずれかの含有量は、１０ｗｔ％以下がよく、例えば１．０〜１０．０ｗｔ％であることが好ましい。

（Ｓ１３）チャンバー１内を排気ポンプ６により排気し真空にする。
（Ｓ１４）ついで、排気を継続しながらチャンバー１内にＡｒガスボンベ７、Ｏ_２ガスボンベ８それぞれからのガスを所定量混合したガスをプロセスガス導入口９ａから導入し、チャンバー１内が一定の雰囲気圧力（例えば、０．１〜１．０Ｐａ）になるようにする。ここで、混合ガスの流量（ｓｃｃｍ）の比（反応性ガス流量比（Ｏ_２／Ａｒ））は、成膜される透明膜が所定の抵抗値以下となり導電性をもつように調整される（例えば、ＡＺＯターゲットの場合、０．２％）。あるいは、チャンバー１内にＯ_２ガスは導入せず、Ａｒガスのみを導入するようにしてもよい。
（Ｓ１５）ついで、直流電源５よりターゲット３と基板１１間に直流電圧を印加し、雰囲気ガス（Ｏ_２＋Ａｒ、またはＡｒ）についてグロー放電させプラズマ状態Ｐとする。
（Ｓ１６）直流電源５から電力（例えば、０．１〜７．８Ｗ／ｃｍ^２）を投入してスパッタリングを開始し、基板１１上にターゲット組成に基づいた透明導電膜１２を形成する（一旦成膜終了）。

（Ｓ１７）ついで、排気を継続しながらチャンバー１内にＡｒガスボンベ７、Ｏ_２ガスボンベ８それぞれからのガスを所定量混合したガスをプロセスガス導入口９ａから導入し、チャンバー１内が一定の雰囲気圧力（例えば、０．１〜１．０Ｐａ）になるようにする。ここで、混合ガスの流量（ｓｃｃｍ）の比（反応性ガス流量比（Ｏ_２／Ａｒ））は、成膜される透明膜が所定の抵抗値となり絶縁性をもつように調整される。すなわち、反応性ガス流量比及び投入電力を調整して膜中に酸素を過剰に入れることにより絶縁性を確保する。その反応性ガス流量比は２％以下でよく、例えばＡＺＯターゲットの場合、１．３％とする。
（Ｓ１８）ついで、直流電源５よりターゲット３と基板１１間に直流電圧を印加し、雰囲気ガス（Ｏ_２＋Ａｒ）についてグロー放電させプラズマ状態Ｐとする。
（Ｓ１９）直流電源５から電力（例えば、０．１〜７．８Ｗ／ｃｍ^２）を投入してスパッタリングを開始し、透明導電膜１２上にターゲット組成に基づいた透明絶縁膜１３を形成して透明積層膜を完成する。

また、別の透明積層膜の製造方法として、前記ステップＳ１６の成膜開始後に、反応性ガス流量比（Ｏ_２／Ａｒ）を徐々に増加させながらスパッタ成膜するようにして、膜厚方向において抵抗値が徐々に変化する傾斜膜を形成してもよい。
この場合、透明導電膜、透明絶縁膜の界面がなくなるため、密着性が向上する。

図２に、前記方法により形成された透明積層膜の断面構成を示す。
本発明の透明積層膜は、基板１１上に形成される透明導電膜１２、透明絶縁膜１３の積層構造をもつ光学膜である。

透明導電膜１２は、前述の通り、ターゲット３の組成に基づいた透明膜であって、例えば比抵抗が１．０×１０^−３〜１．０×１０^−２（Ω・ｃｍ）で、波長３８０〜７８０ｎｍの透過光の平均吸収率が３％以下となっている。また、透明導電膜１２の膜厚は２０〜２００ｎｍである。

透明絶縁膜１３は、前述の通り、前記透明導電膜１２を形成したターゲット３の組成に基づいた透明膜であって、例えば比抵抗が１．０×１０^＋２〜１．０×１０^＋７（Ω・ｃｍ）で、波長３８０〜７８０ｎｍの透過光の平均吸収率が３％以下となっている。また、透明絶縁膜１３の膜厚は１μｍであり、好ましくは２００〜６００ｎｍである。

つぎに、本発明の液体レンズについて説明する。
図３は、本発明の液体レンズの構成を示す断面図である。図３においては液体レンズ２０の光軸は上下方向に伸びており、光は図中上から液体レンズ２０の基材２１に入射し、基材２７から出射するようになっている。

本発明の液体レンズ２０は、中央に凹部を設けた透明な基材２７上に設けられた本発明の透明積層膜（透明導電膜１２、透明絶縁膜１３）と、電極２２を含む部材（基材２１及び電極２２）とにより、透明絶縁膜１３を内側にしてオイル２４及び水溶液２３が封止されてなるものであり、電極２２と透明導電膜１２間への電圧印加により透明絶縁膜１３上の水溶液２３とオイル２４との界面の形状を変化させ、入射してきた光を収斂または発散させて出射するものである。

基材２１，２７はともに透明ガラス基板またはポリカーボネイト（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリオレフィン（ＰＯ）のいずれかからなる透明な樹脂基板である。

また、透明導電膜１２及び透明絶縁膜１３は、前述した透明積層膜の製造方法により基材２７上に形成されてなるものであり、水溶液２３及びオイル２４には透明絶縁膜１３が接している。さらに電極２２が水溶液２３及びオイル２４を封止するように基材２１と透明絶縁膜１３との間に設けられている。また、透明導電膜１２、電極２２には電源２８が接続されており、両者の間に所定の電圧が印加されるようになっている。

水溶液２３及びオイル２４は、比重が等しく、屈折率が異なり、かつ互いに混ざることのない（不溶な）液体が選ばれる。例えば、水溶液２３は、水とエチルアルコールが所定比率で混合され、さらに所定量のＮａＣｌが加えられた、比重１．０６、室温での屈折率１．３８の電解液（導電性又は有極性を有する液体）であり、オイル２４は、無色透明で、比重１．０６、室温での屈折率１．４９のシリコーンオイルである。

水溶液２３及びオイル２４が封止される際には、まず基材２７の凹部の透明絶縁膜１３上にオイル２４を滴下し、ついで封止領域の残りの空間に水溶液２３を充填する。これにより、水溶液２３とオイル２４は混ざり合わずにそれぞれが独立して存在し、界面２５を形成している。

図４、図５に液体レンズ２０の駆動原理を示す。図４は透明導電膜１２、電極２２間に電圧を印加していない場合の透明絶縁膜１３／オイル２４／水溶液２３の各界面の張力の状態を示しており、図５は透明導電膜１２、電極２２間に電圧を印加している場合のそれを示している。

液体レンズ２０の内部では、透明絶縁膜１３／オイル２４／水溶液２３において３つの界面張力が発生している。すなわち、透明絶縁膜１３と水溶液２３の間の張力（ＳＷ）、オイル２４と水溶液２３の間の張力（ＯＷ）、透明絶縁膜１３とオイル２４の間の張力（ＳＯ）であり、ここではそれぞれをγ_SW，γ_OW，γ_SOと表す。

透明導電膜１２、電極２２間に電圧を印加していない場合には、３つの界面張力と、透明絶縁膜１３とオイル２４の接触角度（θ）の間にはいわゆるＹｏｕｎｇ-Ｌａｐｌａｃｅの方程式から次式の関係が成り立ち、これに基づいて界面２５の形状が決まる（図４）。
ｃｏｓθ＝（γ_SW−γ_SO）／γ_OW

透明導電膜１２、電極２２間に電圧を印加した場合には、エレクトロウェッティング効果により界面２５の形状が変化する。すなわち、電圧印加により透明絶縁膜１３と水溶液２３界面には電荷が発生し、それによって透明絶縁膜１３とオイル２４の間の張力（ＳＯ）方向に次式に示す圧力Πが加わるようになる。
Π＝１／２（ε・ε_０／ｄ）Ｖ^２
（ここで、εは絶縁部の誘電率，ε_０は真空誘電率，ｄは絶縁部の厚さ、Ｖは印加電圧を表す。）

したがって、この場合、３つの界面張力と、透明絶縁膜１３とオイル２４の接触角度（θ）の間には次式のような関係が成り立ち、電圧を印加しない場合に比べて接触角度θは増加して界面２５の形状が変化する。また、その変化の程度は電圧を変化させることによって制御可能である。
ｃｏｓθ＝（γ_SW−γ_SO）／γ_OW−１／２（ε・ε_０／ｄ）Ｖ^２ ・・・ （１）

以上のように、液体レンズ２０は屈折率の異なる水溶液２３、オイル２４の界面２５の形状が変化することによって、焦点距離を変化させることが可能であるとともに、その焦点距離は印加電圧により制御可能なものとなる。

また、従来の液体レンズと比較すると、本発明の液体レンズは優れた性能を示す。
例えば、従来の液体レンズでは、本発明の透明積層膜の代わりに、基材２７上にスパッタリング法あるいは蒸着法によりＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が成膜されてなる電極膜９２と、該電極膜９２上にパリレン（日本パリレン株式会社製、パリレンＣ、パリレンＮ）が数μｍの厚さで蒸着されてなる絶縁膜９３とが積層されている（図６）。

ここで、従来の液体レンズとしてパリレンからなる絶縁膜９３（膜厚：２μｍ、誘電率：２．６５）を用いた場合と、本発明の液体レンズ２０においてＺｎＯ−２ｗｔ％Ａｌ_２Ｏ_３のターゲットを用いて形成した透明絶縁膜１３（膜厚：１００ｎｍ、誘電率：８．７）を用いた場合とを比較すると、絶縁膜に関して膜厚で２０倍、誘電率で３．２８倍の差がある。すなわち、前記式（１）より、本発明の液体レンズ２０は従来の液体レンズよりも印加電圧を１／６５．６にすることが可能ということであり、例えば従来の液体レンズにおける印加電圧が４０〜１００Ｖであったとすると、本発明の液体レンズ２０では４．９３〜１２．３５Ｖまで印加電圧を低減することが可能である。

以下に本発明を検証し、実施した例を説明する。
（実施例１）
図１に示すスパッタ装置を使用し、以下の条件で透明膜サンプルを作製した。
・基板１１：ガラス基板
・ターゲット３：ＺｎＯ−２ｗｔ％Ａｌ_２Ｏ_３
・投入電力：０．１〜７．８Ｗ／ｃｍ^２
・反応性ガス流量比（Ｏ_２／Ａｒ）：０〜１．６（％）
なお、（反応性ガス流量比）＝（Ｏ_２ガス流量）／｛（Ｏ_２ガス流量）＋（Ａｒガス流量）｝×１００（％）とした。
・透明膜膜厚：１００ｎｍ

図７に、得られたサンプルの比抵抗測定結果を示す。
その結果、反応性ガス流量比に比例して比抵抗が増加する傾向を示した。この結果に従い、例えば、反応性ガス流量比を０．２％として透明導電膜１２を形成し、つぎに同じターゲット３を使用して反応性ガス流量比を１．３％として透明絶縁膜１３を形成することにより、本発明の透明積層膜を得ることができる。

（実施例２）
図１に示すスパッタ装置を使用し、以下の条件で透明膜サンプルを作製した。
・基板１１：ガラス基板（面積９ｃｍ^２）
・ターゲット３：ＺｎＯ−２ｗｔ％ＳｉＯ_２
・投入電力：１００〜４００Ｗ
・反応性ガス流量比（Ｏ_２／Ａｒ）：０〜０．５（％）
・透明膜膜厚：１００ｎｍ

図８に、得られたサンプルの比抵抗測定結果を示す。
その結果、反応性ガス流量比に比例して比抵抗が増加する傾向を示した。また、投入電力に比例して比抵抗が減少する傾向が見られた。

（実施例３）
本発明の透明積層膜の製造方法により、以下の条件で透明積層膜サンプルを作製した。なお、基板１１としてガラス基板を使用した。
（１）透明導電膜１２
・ターゲット３：ＺｎＯ−２ｗｔ％Ａｌ_２Ｏ_３
・反応性ガス流量比（Ｏ_２／Ａｒ）：０．２（％）
・膜厚：１００ｎｍ
（２）透明絶縁膜１３
・ターゲット３：ＺｎＯ−２ｗｔ％Ａｌ_２Ｏ_３
・反応性ガス流量比（Ｏ_２／Ａｒ）：１．３（％）
・膜厚：２００ｎｍ

得られたサンプルについて耐圧評価を行った。具体的には、図９に示すように、透明積層膜サンプルとソースメータとを接続し、透明導電膜１２に接したプローブに電圧を０〜６０Ｖの範囲で変化させて印加し、そのときの透明絶縁膜１３上の電解液に接したプローブに流れる電流値を測定した。

図１０に、その結果を示す。また、透明積層膜サンプルの構成のうち透明絶縁膜１３を省略し透明導電膜１２のみを形成したサンプルについて同様の耐圧測定を行った結果を図１１に示す。

透明積層膜サンプルは、透明導電膜１２のみ形成したサンプルの結果（図１１）と比較すると、オーミック反応を示さず、従来の構成のもの（図６に示すパリレンからなる絶縁膜を有する積層膜）と同等の耐圧特性が確認された。
また、本実施例の条件の透明積層膜を有する液体レンズを作製したところ、電圧印加によって焦点距離を可変で制御することができた。

本発明に係る透明積層膜の製造方法を実施する上で使用するスパッタ装置の構成を示す概略図である。 本発明に係る透明積層膜の構成を示す断面図である。 本発明に係る液体レンズの構成を示す断面図である。 透明導電膜、電極間に電圧を印加していない場合の界面の張力の状態を示す概略図である。 透明導電膜、電極間に電圧を印加した場合の界面の張力の状態を示す概略図である。 従来の透明積層膜の構成を示す断面図である。 実施例１の反応性ガス流量比と比抵抗の関係を示す図である。 実施例２の反応性ガス流量比と比抵抗の関係を示す図である。 透明積層膜について耐圧測定する際の接続構成を示す図である。 透明積層膜の耐圧測定結果を示す図である。 透明導電膜の耐圧測定結果を示す図である。

符号の説明

１…チャンバー、２…基板ホルダー、３…ターゲット、４…ターゲットホルダー、５…直流電源、６…排気ポンプ、７…Ａｒガスボンベ、８…Ｏ_２ガスボンベ、７ａ，８ａ…ガス流量コントローラ、９…ガス配管、９ａ…プロセスガス導入口、１１…基板、１２…透明導電膜、１３…透明絶縁膜、２０…液体レンズ、２１，２７…基材、２２…電極、２３…水溶液、２４…オイル、２５…界面、２８…電源、９２…電極膜、９３…絶縁膜、Ｐ…プラズマ

Claims (6)

1. 反応性ガスなし、あるいは反応性ガスの存在下で、ＺｎＯにＡｌ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂のいずれかが含有されてなるターゲットをスパッタガスによりスパッタリングして、基材上に透明導電膜を成膜し、ついで反応性ガスの存在下で前記ターゲットをスパッタガスによりスパッタリングして、前記透明導電膜上に透明絶縁膜を成膜して透明積層膜を形成することを特徴とする透明積層膜の製造方法。
2. 前記ターゲットのＡｌ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂のいずれかの含有量は、１０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１に記載の透明積層膜の製造方法。
3. 前記透明絶縁膜の膜厚は、１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の透明積層膜の製造方法。
4. 前記透明絶縁膜の抵抗値は、前記反応性ガスとスパッタガスとの流量比により調整されてなることを特徴とする請求項１に記載の透明積層膜の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一に記載の透明積層膜の製造方法により基材上に透明導電膜、透明絶縁膜が順次積層されてなることを特徴とする透明積層膜。
6. 請求項５に記載の透明積層膜と、電極を含む部材とにより、前記透明絶縁膜を内側にしてオイル及び水溶液が封止されてなるものであり、前記電極と透明導電膜間への電圧印加により前記透明絶縁膜上の水溶液とオイルとの界面の形状を変化させることを特徴とする液体レンズ。

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