JP3128554B2 - 酸化物光学薄膜の形成方法及び酸化物光学薄膜の形成装置 - Google Patents

酸化物光学薄膜の形成方法及び酸化物光学薄膜の形成装置

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高性能を有する酸
化物光学薄膜の形成方法及び酸化物光学薄膜の形成装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】Ta25 、Nb25 、In23
SiO2 、TiO2 などの酸化物薄膜は光学薄膜として
多層反射防止膜、反射増加膜、干渉フィルター膜などに
利用されている。従来このような酸化物薄膜は反応蒸着
法により作製されていた。この方法は、蒸着材料から抵
抗加熱あるいは電子ビームにより蒸発させた蒸発粒子を
酸素ガスと酸化反応を生じさせ300℃以上の高温基板
上に成膜させる方法である。
【0003】近年、より高性能の酸化物光学薄膜を作製
するために、蒸発粒子と酸素ガスとをプラズマ領域中で
反応させ、成膜するプラズマアシスト蒸着法が提案され
た。この方法はプラズマの活性状態を利用し、より低基
板温度での酸化反応の促進、基板との密着性の向上を計
るものである。
【0004】例えば高周波電圧を印可してグロー放電に
よりプラズマを発生させ、薄膜の基板への密着性や緻密
さを向上させるRFプラズマアシスト蒸着法、あるいは
最近では熱電子を発生させやすいLaB6 (六化ホウ素
ランタン)からなる陰極を含むプラズマガンからアーク
放電を発生させ高密度のプラズマ流を形成し、蒸着材料
を蒸発させ成膜させるアーク放電プラズマアシスト蒸着
法(特開平9−71857号公報など)が提案されてい
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし上記に示したプ
ラズマアシスト蒸着法では以下のような問題点が挙げら
れる。 (1)プラズマ中のイオンなどの高エネルギー粒子の膜
表面衝撃により光学薄膜の諸特性が劣化(表面粗さ増に
よる透明性の減衰など)する。 (2)通常の真空蒸着法に比べ、高い真空度が得にく
く、成膜される薄膜の膜密度が低くなる。 (3)酸化反応性、膜密度を向上させるために基板に3
00℃以上の高温を印加していた。 このため成膜対象(被成膜物)が耐熱性のある材料に限
られていた。
【0006】本発明の第1の目的は、被成膜物を強制加
熱せずに、優れた光学特性を有する酸化物光学薄膜を形
成することができる装置を提供することであり、本発明
の第2の目的は、被成膜物を強制加熱せずに、優れた光
学特性を有する酸化物光学薄膜を容易に形成する方法を
提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の請求項1の発明は、酸素を流すことで所定の圧力に設
定して高周波放電により酸素プラズマを生成する第1真
空槽と、この第1真空槽が連結されるとともに、第1真
空槽より高真空に設定された内部に被成膜物と、電子ビ
ームにより蒸発粒子を前記被成膜物上へ蒸発させる蒸発
源とが設置された第2真空槽とを備えた酸化物光学薄膜
の形成装置において、前記第1真空槽に径0.3mm以
下のオリフィスを設けた誘電体板を設置し、前記第1真
空槽中で高周波放電により生成した酸素プラズマを前記
オリフィスを介することで酸素ラジカルに支配的なプラ
ズマ流として前記第2真空槽中の被成膜物上に照射し、
前記蒸発粒子をこのプラズマ流を通過・混合させて成膜
を行うことを特徴とする酸化物光学薄膜の形成装置であ
る。
【0008】ラジカルを酸化反応活性種として成膜に利
用している例は、近年よく認められる。代表的な例で
は、特開平8−60347号公報に代表されるラジカル
ビーム方式がある。しかしながら、この方式は高周波プ
ラズマ源から基板(被成膜物)まで空間が直結してい
る。そのため基板(被成膜物)にはラジカルだけでなく
イオン、紫外線など成膜に関連しうる活性種が照射され
るため、ラジカルの選択的な照射が妨げられる。
【0009】本発明の酸化物光学薄膜の形成装置におい
ては、高周波プラズマ源から被成膜物までの間に径0.
3mm以下のオリフィスを設けた誘電体板を設置し、こ
のオリフィスを介してラジカルを照射しているため、よ
り選択的にラジカルを被成膜物に対して照射できる。
【0010】また、本発明の酸化物光学薄膜の形成装置
においては、第1真空槽と第2真空槽が前記オリフィス
を有する誘電体板を介在しており、成膜する槽内が高真
空に保たれていることで、被成膜物近傍での水蒸気を始
めとする残留ガスをできるだけ少なくし膜密度低下を抑
制できる。
【0011】請求項2の発明は、請求項1記載の酸化物
光学薄膜の形成装置において、前記第1真空槽及び誘電
体板が窒化ホウ素、ホウ珪酸ガラス、石英、酸化アル
ミ、窒化アルミから選択される少なくとも1つのセラミ
ックス材料で形成されていることを特徴とする。前記第
1真空槽及び誘電体板をラジカルがトラップされにくい
材質にすることで第1真空槽内でのラジカルの残留寿命
を延ばし、第2真空槽へ高濃度のラジカルを供給でき
る。
【0012】請求項3の発明は、請求項1あるいは請求
項2記載の酸化物光学薄膜の形成装置において、前記第
2真空槽中の被成膜物上に照射される酸素ラジカル濃度
が1016個/cm2 ・s以上であることを特徴とする。
前記蒸発源からの蒸発粒子を、1016個/cm2 ・s以
上の高濃度酸素ラジカルに支配的なプラズマ流と混合さ
せることで、高活性な酸素ラジカルにより酸化反応を促
進させ、またイオンなどの高エネルギー粒子による表面
衝撃を極力抑制でき、高い光学特性を有する酸化物薄膜
を作製できる。
【0013】請求項4の発明は、請求項1から請求項3
のいずれかに記載の酸化物光学薄膜の形成装置を用い、
金属酸化物からなる蒸発材料を蒸発源とし、かつ強制加
熱しない被成膜物上に成膜することを特徴とする酸化物
光学薄膜の形成方法である。
【0014】本発明で用いる被成膜物は、ガラス・ポリ
マーフィルムなどの材質やその形状にかかわらず使用で
き、また被成膜物の種類で本発明の効果が損なわれるも
のではない。
【0015】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
用いて詳細に説明する。図1は、本発明の酸化物光学薄
膜の形成装置の一実施形態を説明するための概略説明図
である。本発明における高屈折率酸化物光学薄膜の形成
は、図1に示すような真空蒸着装置1を用いて行う。こ
の真空蒸着装置1は、真空チャンバー2内に蒸発材料3
を保持するるつぼ4と蒸発材料3に照射して蒸発させる
電子銃5、真空チャンバー2の側壁からその内部へ挿入
されたステンレス管6、そのステンレス管6の内部に設
置された高周波印加コイル(以下RFコイルと称す)7
の巻かれたセラミックス管8、そのセラミックス管8の
先端部に設置されたオリフィス14のある誘電体セラミ
ックス板9、成膜基板(被成膜物)10およびそれを保
持する基板ホルダー11から構成されている。
【0016】上記真空蒸着装置1を用いて、酸化物光学
薄膜を形成する際は、まず真空度4×10-5Pa以下と
した真空チャンバー2(第2真空槽)内の下部に設置さ
れているるつぼ4内部に保持された金属酸化物からなる
蒸発材料3を蒸発源とし、その蒸発材料3を電子銃5か
ら照射される電子ビームで蒸発させる。一方、酸素ガス
をセラミックス管8(第1真空槽)に導入し圧力を30
Pa程度にする。RFコイル7から高周波出力を印可す
ることにより酸素プラズマを発生させ、セラミックス管
8の先端にある誘電体セラミックス板9のオリフィス1
4を介して酸素ラジカルに支配的な雰囲気を持つ酸素プ
ラズマ流13を成膜基板(被成膜物)10に向かって照
射する。この時、成膜基板(被成膜物)10のある真空
槽2内の真空度は、10-3〜10-4Paであり、セラミ
ックス管8内の真空度より著しく高くなっている。蒸発
源から蒸発した蒸発粒子12がこの酸素プラズマ流13
を通過・混合して、基板ホルダー11に保持された成膜
基板(被成膜物)10上に薄膜が形成される。
【0017】
【実施例】次に本発明の実施例により、さらに具体的に
説明する。まず図1に示した成膜基板(被成膜物)10
としてガラス板を真空蒸着装置1の真空チャンバー2内
上部の基板ホルダー11に設置した。次いでるつぼ4に
蒸発材料3を設置した。上記の成膜基板(被成膜物)1
0と蒸発源を用いて、以下の成膜条件で成膜した。 (1)電子ビーム出力:200〜350W (2)RFコイル印加出力:450W (3)蒸発材料3:TiOx(x=0.3〜2.0) (4)蒸発速度:0.5Å/s (5)反応系内圧力:8×10-4Pa以下 なお成膜基板(被成膜物)10は強制加熱しなかった。
【0018】上記の実施例で成膜した薄膜の屈折率及び
吸収率は、反射率・透過率を測定した後、Swanep
oelの式(J.Phys.E,16,1214(19
83)参照)を用いて算出した。各蒸発材料から作成さ
れた酸化チタン薄膜の屈折率と吸収率(%)(波長55
0nm)を表1に示す。
【0019】
【表1】
【0020】各蒸発材料から得られた酸化チタン薄膜は
すべて透明であった。表1に示されるように成膜した酸
化チタン薄膜は、波長550nmにおいて2.3以上の
高い屈折率および0.52%以下の少ない吸収率を示
し、優れた光学的特性を有していた。
【0021】また各蒸発材料から得られた酸化チタン薄
膜について、雰囲気温度60℃、湿度90%の状況下に
おける耐湿熱安定性試験を行った。これは上記条件下で
の薄膜の反射率のピーク波長変化を1000時間測定す
るものである。酸化チタン薄膜中の空孔に水分が吸着す
ることで、屈折率が変化する。屈折率の変化は光学膜厚
は屈折率に比例するため、光学膜厚をしめす反射率のピ
ーク波長をシフトさせる。すなわちこの試験は酸化チタ
ン薄膜の緻密さの目安となるものである。上記のピーク
波長変化を測定した結果、全ての酸化チタン薄膜におい
て5nm以下であり極めて緻密な膜であることが判っ
た。
【0022】
【発明の効果】従来は高温の基板温度(被成膜物温度)
でしか高屈折率酸化物薄膜が得られなかったが、本発明
の酸化物光学薄膜の形成装置を用いると、被成膜物を強
制加熱せずに従来から用いられている真空蒸着法あるい
はプラズマアシスト蒸着法で得られる薄膜より優れた光
学特性を有する酸化物光学薄膜の成膜が可能となる。こ
のため、従来使用が困難とされていたプラスチック部
品、精密部品などの被成膜物への高性能酸化物光学薄膜
の成膜が可能となり、工業的な価値は多大である。
【0023】本発明の酸化物光学薄膜の形成方法によ
り、被成膜物を強制加熱せずに優れた光学特性を有する
酸化物光学薄膜を容易に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の酸化物光学薄膜の形成装置の一実施
形態を説明するための概略説明図である。
【符号の説明】
1 真空蒸着装置 2 真空チャンバー 3 蒸発材料 4 るつぼ 5 電子銃 6 ステンレス管 7 RFコイル 8 セラミックス管 9 誘電体セラミックス板 10 成膜基板(被成膜物) 11 基板ホルダー 12 蒸発粒子 13 酸素プラズマ流 14 オリフィス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 泰美 東京都台東区台東1丁目5番1号 凸版 印刷株式会社内 (72)発明者 宇山 晴夫 東京都台東区台東1丁目5番1号 凸版 印刷株式会社内 審査官 瀬良 聡機 (56)参考文献 特開 平3−93608(JP,A) 特開 平8−60347(JP,A) 堂山昌男 外1名「材料テクノロジー 9、材料のプロセス技術[▲I▼](昭 62−11−30)東京大学出版会p.145 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 14/00 - 14/58 G02B 1/11

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸素を流すことで所定の圧力に設定して
    高周波放電により酸素プラズマを生成する第1真空槽
    と、この第1真空槽が連結されるとともに、第1真空槽
    より高真空に設定された内部に被成膜物と、電子ビーム
    により蒸発粒子を前記被成膜物上へ蒸発させる蒸発源と
    が設置された第2真空槽とを備えた酸化物光学薄膜の形
    成装置において、前記第1真空槽に径0.3mm以下の
    オリフィスを設けた誘電体板を設置し、前記第1真空槽
    中で高周波放電により生成した酸素プラズマを前記オリ
    フィスを介することで酸素ラジカルに支配的なプラズマ
    流として前記第2真空槽中の被成膜物上に照射し、前記
    蒸発粒子をこのプラズマ流を通過・混合させて成膜を行
    うことを特徴とする酸化物光学薄膜の形成装置。
  2. 【請求項2】 前記第1真空槽及び誘電体板が窒化ホウ
    素、ホウ珪酸ガラス、石英、酸化アルミ、窒化アルミか
    ら選択される少なくとも1つのセラミックス材料で形成
    されていることを特徴とする請求項1記載の酸化物光学
    薄膜の形成装置。
  3. 【請求項3】 前記第2真空槽中の被成膜物上に照射さ
    れる酸素ラジカル濃度が1016個/cm2 ・s以上であ
    ることを特徴とする請求項1あるいは請求項2記載の酸
    化物光学薄膜の形成装置。
  4. 【請求項4】 請求項1から請求項3のいずれかに記載
    の酸化物光学薄膜の形成装置を用い、金属酸化物からな
    る蒸発材料を蒸発源とし、かつ強制加熱しない被成膜物
    上に成膜することを特徴とする酸化物光学薄膜の形成方
    法。
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