JP2697000B2 - 光学膜を被覆した物品 - Google Patents

光学膜を被覆した物品

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、透明基体上に薄膜を形成した物品に関し、
特に直流スパッタリング法によって、大きな透明基体上
に膜厚を均一に、被覆することが可能な、金属珪酸化物
膜を用いた光学膜を被覆した物品に関する。
〔従来の技術〕
光学膜を被覆した物品は、その機能により非常に多く
の種類があり、その膜構成は様々であるが、高屈折率膜
と低屈折率膜を交互に積層したものを用いることが多
い。例えば、透明基体表面の反射を低減する反射防止膜
は、第5図に示す高屈折率膜1(ZrO2など)と低屈折率
膜4(MgF2など)を透明基体3の上に積層した4層構成
のものがディスプレイ用を始めとして広く用いられてい
る。また、可視光を透過し、近赤外波長域の熱線を反射
するコールドフィルターも、第6図に示すように高屈折
率膜1(TiO2など)と低屈折率膜4(SiO2など)を透明
基体3の上に繰り返し積層した膜構成になっている。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来、これらの光学膜を被覆した物品は比較的膜の被
覆面積が小さかったので、真空蒸着法によって作成する
ことができた。例えばディスプレイ用反射防止膜の寸法
は、最も良く用いられる14インチおよび20インチディス
プレイで、それぞれ約240×310nm、350×460mmである。
また、複写機用コールドフィルターで、約300×30mmで
ある。しかし真空蒸着法においては、より面積の大きい
基板、例えば今後普及すると予想される50インチ(約80
0×1200mm)以上のディスプレイや1500×1000mmもある
乗用車の窓ガラスに対して、膜厚の均一性を確保するこ
とが難しいという問題があった。
一方、建築物の窓ガラスのように寸法がたとえば2400
×3600mmにもなる大面積の透明基体への光学膜の被覆方
法として、直流スパッタリング法が用いられている。こ
の方法は、大面積の基体上での膜厚均一性が真空蒸着法
に比べて本質的に良いという利点を持っているが、次の
理由で実現されていない。すなわち低屈折率膜であるMg
F2膜を直流スパッタリング法で被覆するには、Mgターゲ
ットをフッ素を含むガス中で直流スパッタする方法が考
えられるが、フッ素を含むガス中で作成したMgF2膜は耐
磨耗性が極めて悪い事が報告されている(William J.Co
leman,APPLIED OPTICS,Vol.13,No.4,April 1974 pp 946
−951)。またMgF2ターゲットを用いる方法は、MgF2
ーゲットは導電性がなく直流スパッタリングができない
ため、高周波スパッタリング法を用いなければならな
い。しかし高周波スパッタリング法は1辺が1000mm以上
の大きい基体に安定して行うのは困難であるため、真空
蒸着法と同様に大面積の基体への被覆には適さない。
また、SiO2(屈折率1.46)、Al2O3(屈折率1.63)、M
gO(屈折率1.70)などの低屈折率膜として機能する物質
をスパッタリング法で基体に被覆することは、Si、Al、
Mgをそれぞれターゲットとする減圧された酸素ガスを含
む反応性スパッタリングに於いては、ターゲット表面の
酸化により長時間安定して被覆を実施することが困難で
あり、またSiO2、Al2O3、MgO材料をターゲットとする高
周波スパッタリング法では、とくに被覆すべき基体の面
積が大きい場合には、MgF2の場合と同様安定して被覆す
ることができない。そのため、大面積の透明基体上に第
5図や第6図で示される光学膜を被覆した物品を製造す
ることは極めて困難である。
本発明の目的は、上記従来の問題点を解決するために
直流スパッタリングにより大面積の基体に、膜厚を均一
に被覆可能な低屈折率材料を用いた、光学膜を被覆した
物品を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は第1図に示すような、透明基体3の上に高屈
折率物質1と低屈折率物質2とを交互に積層した多層膜
を形成した物品において、低屈折率物質2としてCr、T
a、W、Ti、Moのいずれかの金属の珪酸化物を用いる。
この金属珪酸化物の組成は、以下の理由により表1で示
される範囲内であることが必要である。表1のxが4.0
より大きくなると、用いる金属珪化物ターゲットの表面
の被膜形成時における酸化が進み、電気的に絶縁体にな
りやすいので、安定して直流スパッタリングによる被覆
が困難になる。また、表1の組成範囲よりxの値が小さ
いと屈折率が高くなる。特に屈折率が1.8を超えると高
屈折率材料の屈折率2.0〜2.4に近くなってくるので、低
屈折率膜としての機能が失われてしまう。
また高屈折率物質としては、TiO2(屈折率2.4)、Ta2
O5(屈折率2.1)、ZrO2(屈折率2.1)、ZnO屈折率2.
0)、SnO2(屈折率2.0)、ITO(屈折率2.0)などが使用
可能である。もちろんこれらの高屈折率膜は、従来から
行われているように、それぞれTi、Ta、Zr、Zn、Sn、
(In+Sn)金属ターゲットを用い、酸素ガスまたは酸素
ガスとアルゴンガスなどの不活性ガスの混合ガス雰囲気
中で直流スパッタリングをおこなうことにより被覆する
ことができる。ただしITOの場合は金属ターゲットの代
わりに焼結された酸化物ターゲットでも、導電性が充分
あるので直流スパッタリングのターゲットとして用いる
ことができる。
これらの金属珪酸化物は、前記金属の珪化物ターゲッ
トを用い、酸素ガスまたは、酸素ガスとアルゴンガスな
どの不活性ガスの混合ガス雰囲気中で直流スパッタリン
グをおこなうことにより成膜される。基体を金属珪化物
ターゲットの表面に対向する位置を通過させる、マグネ
トロンスパッタリング法で実施することが、大きな面積
の基体に膜厚を均一に被覆する上で、最も好ましい。金
属珪酸化膜の化学組成及び屈折率は、被膜の堆積スピー
ドと雰囲気ガス条件たとえば、ガス組成、ガス圧力など
により調整される。すなわち、スパッタリング時の雰囲
気ガス中の酸素ガスを多量存在させると、膜中の酸素含
有量が多くなり、得られる膜の屈折率は低屈折率を有す
る二酸化珪素の値に近づく。一方、スパッタリング時の
雰囲気ガス中の酸素ガスを少量存在させると、得られる
膜の屈折率は、ターゲットを構成する金属の酸化物が有
する高い屈折率の値に近づく。本発明においては、高屈
折率膜と低屈折率膜の積層構成に低屈折率膜として適し
た第1表の屈折率欄に記載した範囲の屈折率を有する膜
を、適度の導電性がある上記の金属珪化物をターゲット
としているので、安定したプラズマ放電下の直流スパッ
タリングにより被膜形成ができるという効果を有する。
本発明にかかる低屈折率膜として用いる金属珪酸化物の
被膜を、金属珪化物から酸素を含む減圧された雰囲気ガ
スにおいて直流の反応性スパッタリングで実施すること
は、金属珪化物のターゲットの表面の酸化による電気絶
縁層が形成されにくく、導電性が長時間に渡って確保さ
れるので、従来のAlやMgなどの金属をターゲットとする
酸素ガスを含む減圧された雰囲気下でおこなう直流スパ
ッタリング法が有している欠点、すなわちターゲットの
表面が急速に酸化され、被膜堆積速度が経時的に変化す
るのと同時に、グロー放電プラズマが不安定になってし
まう欠点が克服される。さらにターゲット表面の導電性
が確保されることは、大きな面積の基体に、膜厚を均一
に被覆するうえで好ましい。この高融点金属珪化物ター
ゲットは、例えば特公昭63−37072に記載されている方
法で製造、入手することができる。また、この時の雰囲
気中の酸素ガスの量は、膜が充分に酸化されて透明にな
るのに必要なだけ導入されなければならない。そのよう
な条件下で成膜された高融点金属珪酸化物膜の屈折率
は、第1表に示すようになる。屈折率の値はxの値によ
って変化し、xが小さいほど屈折率が大きくなって高融
点金属酸化物の屈折率に近づき、xが大きいほど屈折率
が小さくなって二酸化珪素の屈折率に近づく。
本発明にかかる多層膜の膜厚およびその層数は、低屈
折率膜と高屈折率膜の目標とする波長および帯域に於け
る光の干渉効果を利用して決められる。また透明基体と
してはガラス、プラスチックスのいずれでも適用でき
る。
〔作用〕
本発明にかかる多層膜を形成する高融点金属珪酸化物
膜は、1.54〜1.80の低い屈折率を有しているので、屈折
率が2.0以上の高屈折率膜と積層されることにより低屈
折率膜として光干渉作用を呈し、光学機能を透明基体に
付与せしめる。また高融点金属珪酸化物膜を酸素を含む
減圧された雰囲気下で直流反応性スパッタリングで被覆
するに際して、金属珪化物ターゲットは、表面の酸化に
よる電気絶縁層の形成を少くし、ターゲット表面を導電
性に維持させるので、長時間安定して珪酸化物の被覆を
おこなうことができる。
〔実施例〕
以下、実施例により、さらに詳細に説明する。
実施例1 使用したスパッタリング装置は真空槽内に2つのプレ
ーナー型マグネトロンカソードが並設された装置で、真
空槽内の一方の端にあるガラスホルダーにセットされた
ガラス板を、2つのターゲット面に対向する位置を通過
させながら、ターゲット材料をスパッタリングさせて膜
を被覆し、真空槽内の他方の端にガラス板を移動させる
方法を用いた。このスパッタリング装置の2つのカソー
ドのうち一方の端に近いカソードにSnターゲットを他方
の短に近いカソードにMoSi2ターゲットをセットした。
真空槽内の一方の端にあるガラスホルダーに1.1mmの厚
みの洗浄したガラス板をセットし、クライオポンプによ
り真空槽の圧力を1×10-5Torr以下まで排気した。次に
酸素ガス50体積%アルゴンガス50体積%の割合で混合ガ
ス100ccをガスパイプから導入し、真空槽内の圧力を5mT
orrになるようにクライオポンプのオリフィスバルブで
調節した。
SnターゲットおよびMoSi2ターゲットに、それぞれ4kW
/cm2の電力を直流電源から印加し、スパッタリングを開
始した。その後ガラス板の移動速度をSnターゲット面に
対向する位置を通過するときは380mm/minで、MoSiター
ゲット面に対向する位置を通過するときは70mm/minにし
て2層の膜を被覆し、ガラスを他方の端に移した。放電
を停止し、ガス導入を停止し、真空槽を大気圧にしてガ
ラス板を取出した。得られた2層膜付ガラスの第1層の
モリブデンの珪酸化物膜および第2層の酸化錫膜の屈折
率をエリプソメーターにより、光学膜厚をタリステップ
の測定値から計算して求め第2表を得た。また分光反射
スペクトルを測定して第2図を得た。
また得られたモリブデン珪酸化物膜の化学組成をX線
マイクロアナライザーで調べたところ、MoSi2O7の組成
を得た。また膜の被覆にあたってはグロー放電プラズマ
は安定していた。
実施例2 実施例1と同じスパッタリング装置で、Snターゲット
の代りにTiターゲットをカソードにセットした。洗浄し
たガラス板を真空槽内の一方の端にあるガラスホルダー
にセットし、真空槽内をクライオポンプにより1×10-5
Torr以下に排気し、その後ガスパイプから酸素ガス50体
積%アルゴンガス50体積%の割合で混合ガス100ccを導
入し、同様に5mTorrの圧力に調節した。Tiターゲットに
5W/cm2、MoSi2ターゲットに4W/cm2の電力を直流電源か
ら印加し、ガラス板の移動速度をTiターゲット表面に対
向する位置を通過するときは、20mm/minに、MoSi2ター
ゲット表面に対向する位置を通過するときは55mm/minに
し、一方の端から他方の端に移動させ2層の膜を被覆し
た。その後両ターゲットへの電力の印加を停止し、ガラ
ス板を一方の端に移動させて戻した。同様の操作をさら
に3回繰返し、合計8層の膜を被膜した。その後ガラス
9を一方の端から他方の端に4W/cm2の電力を印加したTi
ターゲットの面を通過させるときは20mm/minで、5W/cm2
の電力を印加したMoSi2ターゲット面を通過させるとき
は110mm/minにして移動させ、合計10層の膜の被覆を完
了した。放電を停止し、ガス導入を停止し真空槽内を大
気圧に戻して、ガラスを取出した。TiO2膜の屈折率はエ
リプリメーターで測定して2.40を得た。得られた10層か
らなる多層膜の構成を第3表に示す。また分光透過率曲
線を測定し第3図の特性を得た。またいずれの際の被覆
に際してもグロー放電プラズマは安定していた。
実施例3 実施例2と同じスパッタ装置において、Tiターゲット
の代りにTaターゲットをカソードにセットした。洗浄さ
れた1.1mmの厚みのガラス板を一方の端にあるガラスホ
ルダーにセットした。クライオポンプにより真空槽内の
圧力を1×10-5Torr以下まで排気した。次に酸素ガス50
体積%アルゴンガス50体積%の割合でガスパイプより混
合ガス10ccを導入し、真空槽内の圧力が5mmTorrになる
ようにクライオポンプのオリフィスバルブで調節した。
Taターゲットに5W/cm2、MoSi2ターゲットに4W/cm2の電
力を直流電源から印加し、Taターゲット面に対向する位
置およびMoSi2ターゲット面に対向する位置を通過させ
るときのガラス板の移動速度をそれぞれ70mm/min、55mm
/minにしてガラス板を移動させ他方の端にガラス板を移
した。両ターゲットへの電力の印加を停止し、ガラス板
を一方の端に戻して2層からなる膜の被覆を完了した。
同じ操作を繰返し、さらに2層の膜を被覆し合計4層と
した。その後さらに5W/cm2の電力が印加されたTaターゲ
ット面に対向する位置およびMoSi2ターゲット面に対向
する位置をそれぞれ70mm/min、110mm/minの速度で通過
させ合計6層からなる膜の被覆を完了した。放電を停止
し、ガスの導入を停止して真空層内を大気圧に戻してガ
ラス板を取出した。得られた熱線反射膜付ガラスのTa2O
5の屈折率は2.15であった。
膜の構成と分光透過率曲線を第4表および第4図に示
す。また可視光線透過率(標準A光源)および日射エネ
ルギー透過率はそれぞれ90.9%、72.6%であった。
〔発明の効果〕 本発明の高融点金属珪酸化物膜は、その金属珪化物が
いずれも酸素との反応性直流スパッタリングにおいて電
気絶縁層の生成が抑制され異常放電が抑制された成膜が
可能な導電性を有しているので、安定して成膜すること
ができる。またスパッタリングによる成膜時の雰囲気ガ
スの酸素量を調整することにより、低屈折率膜と高屈折
率膜との交互積層膜を構成するのに適した屈折率を有す
る膜を安定して得ることができる。低屈折率膜および高
屈折率膜とも反応性直流スパッタリングで成膜できる本
願発明は、とりわけ面積が大きい大型ディスプレイ用の
反射防止膜、建築物や自動車の窓材への熱線反射膜にも
用いることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の、金属珪酸化物膜を低屈折率膜とし高
屈折率膜と交互に積層した多層膜の構造を示す断面図、
第2図から第4図は、本発明の実施例の分光スペクトル
特性を示す図、第5図、第6図は従来の真空蒸着法で作
成された、それぞれ反射防止膜、コールドフィルターの
構造を示す断面図である。 1……高屈折率物質膜、2……本発明の金属珪酸化物を
用いた低屈折率物質膜、3……透明基体、4……従来の
低屈折率物質膜

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】透明基体上に、低屈折率膜と高屈折率膜を
    交互に積層した多層膜が形成された物品において、前記
    低屈折率膜は、下記の化学式で示される金属の珪酸化物
    からなる群から選ばれたいずれか1つの膜であり、 CrSixO2x+1.5(2.0≦x≦4.0) TaSixO2x+2.5(0.8≦x≦4.0) WiSxO2x+3(0.5≦x≦4.0) TiSixO2x+2(1.5≦x≦4.0) MoSixO2x+3(0.3≦x≦4.0) 前記金属珪酸化物の膜は、減圧された酸素を含む雰囲気
    中で、その金属の珪化物をターゲットとする反応性直流
    スパッタリング法により被覆された膜であることを特徴
    とする物品。
  2. 【請求項2】前記高屈折率膜の屈折率が2.0以上である
    金属酸化物であることを特徴とする特許請求の範囲第1
    項に記載の物品。
  3. 【請求項3】前記金属酸化物がTiO2、Ta2O5、ZrO2、Zn
    O、SnO2、ITOからなる群から、いずれか1つが選ばれた
    ことを特徴とする特許請求の範囲第2項に記載の物品。
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