JP3397495B2 - 有彩色薄膜の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は有彩色薄膜の製造方法、
具体的には、樹脂、ガラス、金属、セラミックからなる
物品等の表面に有彩色薄膜を形成する方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来より、メガネ用レンズその他の光学
レンズ、スポーツ用ゴーグル、その他の各種物品に所望
の色相若しくは光学特性を付与するため、物品の表面に
透光性有彩色薄膜を形成することが行われている。この
種の薄膜形成技術としては物理的蒸着法や化学的蒸着法
など種々の方法が開発され実用化されているが、紫外線
遮断効果や装飾効果などを目的とするスキー用ゴーグル
等の場合、排水処理の不要な真空蒸着法やイオンプレー
ティング法などの物理的蒸着法が一般的である。この場
合、単層の薄膜では所望の色相を得ることができないた
め、通常、複数の薄膜形成材料を用い、これらを３〜３
０層、一般的には、８〜１２層積層することが行われて
いる。例えば、スキー用ゴーグルの場合、ゴーグル材料
として耐熱性、透明性及び耐候性に優れ寸法安定性の良
いポリカーボネート製基板を用い、この基板を真空容器
の上部に水平に配置する一方、前記基板に対向して真空
容器の下部に薄膜形成材料を入れた坩堝を配設し、坩堝
内の薄膜形成材料を適当な手段で加熱蒸発又は昇華さ
せ、基板表面にコーティングする真空蒸着法が採用され
ている。

【０００３】他方、工業的にアルミニウム薄膜を形成す
る手段として高周波励起式イオンプレーティング法が開
発され、樹脂成形品、ガラス、金属、セラミック等の装
飾に適用されている。この方法は、真空容器の中央に蒸
発源を、その周囲に被蒸着材である基板をそれぞれ配設
する一方、蒸発源と基板との間にリング状又はコイル状
の高周波電極を設け、不活性ガス中で抵抗加熱によりＡ
lを加熱し蒸発させ、その蒸発粒子の一部を高周波電界
によってトロイダル状に回転させて十分にイオン化し、
生成した陽イオンを直流電界により加速して基板表面に
衝突させることにより薄膜を形成するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記真
空蒸着法では、真空容器の容積がある以上の大きさを超
えると、薄膜の均一性及び再現性が低下するため、容器
の大きさが制限され、そのため最大でも３００mm^２程度
の基板までしか適用できず、一回当りの処理量が制限さ
れるという問題がある。また、所望の色相を付与するた
め多層コーティングを施す場合、複数の金属を順次蒸発
させるためためには、複数の電子銃るつぼを用い、その
上方に蒸発粒子の流れを制御するシャッター等の特殊な
機構を設ける必要があるため、装置の構造が複雑にな
り、しかも、蒸着速度が２〜５Å/sと極めて遅いため、
薄膜を所望の厚さ（通常、数μm〜数十μm）にするのに
要する時間が非常に長くなるため、量産性に欠け製造コ
ストの増大が避けられないという問題があった。

【０００５】他方、高周波励起式イオンプレーティング
は、真空排気処理後、高周波電界によるイオンボンバー
ドで基板表面の洗浄が行われるため、薄膜の密着性及び
再現性が良く、真空容器の内容積を大きくして大きな基
板にも適用できるという利点があるが、基本的に単層コ
ーティング用であるため、多層コーティングに適用する
ためには、薄膜を一層形成する毎に空気を導入して蒸発
源を交換しなければならず、その交換毎に真空容器内に
導入される空気により前工程で形成した薄膜の表面が酸
化し、薄膜間の密着性が低下するという問題がある他、
真空容器の内容積を大きくすればするほど真空排気処理
に要する時間が長くなり、しかも、真空排気処理をコー
ティングする層数だけ反復して行わなければならず、実
用化が困難であるという問題があった。

【０００６】従って、本発明は、より少ない層数で所望
の色相を呈する有彩色薄膜、特に、透光性有彩色薄膜を
効率良く、安価に量産できるようにすることを目的とす
るものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を解
決する手段として、基本的には、真空容器の略中央に複
数の薄膜形成材料蒸発部を配設して垂直方向に伸張する
蒸発面を形成させ、該蒸発面に対向して被蒸着物を配置
し、前記薄膜形成材料蒸発部の薄膜形成材料を抵抗発熱
により加熱蒸発させて前記蒸発面から粒子の形態で略水
平方向に放出させ、その蒸発粒子の少なくとも一部を高
周波電界によりイオン化すると同時に、薄膜形成材料蒸
発部と被蒸着物との間に印加される直流電界により蒸発
粒子を加速して被蒸着物表面に薄膜を形成する高周波励
起式イオンプレーティングを行う有彩色薄膜の製造方法
であって、前記複数の薄膜形成材料蒸発部を無彩色薄膜
形成材料及び有彩色薄膜形成材料で構成して前記蒸発面
を相互に異なる薄膜形成材料を蒸発させる蒸発面とな
し、前記無彩色薄膜形成材料を不活性ガス雰囲気中で加
熱蒸発させて高周波励起式イオンプレーティンを行い２
００〜１２００Å厚の無彩色の下地層を形成し、それに
引き続き前記真空容器の雰囲気を酸化性雰囲気にして当
該酸化性雰囲気中で前記有彩色薄膜形成材料を加熱蒸発
させて高周波励起式イオンプレーティングを行い１００
〜１０００Å厚の金属酸化物からなる有彩色薄膜を形成
する工程を含んでなることを特徴とする有彩色薄膜の製
造方法を提供するものである。

【０００８】前記薄膜は、一種の薄膜形成材料で形成し
ても良く、また、２種の薄膜形成材料を組合わせて形成
しても良い。この薄膜形成材料としては、ゲルマニウ
ム、シリコンなどの半導体、亜鉛、チタン、鉄、アルミ
ニウム、セリウムその他の金属若しくはそれらの合金又
は金属間化合物などが挙げられ、これらは単独で又は２
種を組合わせて使用することができる。前記金属酸化物
薄膜を形成する場合、金属酸化物を薄膜形成材料として
使用する必要はなく、その原料として金属を用い、これ
を真空容器内で酸化させて薄膜を形成するのが好適であ
る。また、抵抗発熱素子の材料としては、使用する薄膜
形成材料に応じて適宜選択できるが、一般的には、タン
グステン、モリブデン、タンタルなど高融点金属材料を
使用するのが好適である。

【０００９】前記方法は、ベースプレートと、該ベース
プレートに搭載され真空空間を形成する真空容器と、前
記ベースプレートの中央に立設され、薄膜形成材料を蒸
発させる蒸発部と、前記ベースプレート上に回転可能に
配設され自転しながら前記蒸発部の回りを回転する被蒸
着物保持手段と、前記蒸発部に隣接して配設された高周
波電極とからなり、前記蒸発部が抵抗発熱源と該抵抗発
熱源に保持された薄膜形成材料とからなる複数の蒸発電
極で構成され、該蒸発電極を垂直面上に相互に所定間隔
をおいて配列して垂直蒸発面を形成させてなることを特
徴とする有彩色薄膜形成装置を用いることにより実施で
きる。

【００１０】好ましい実施態様においては、前記前記蒸
発部が、相対して配設され、相互に異なる薄膜形成材料
を蒸発させる二つの垂直蒸発面を有し、各垂直蒸発面を
形成する一群の蒸発電極が電力制御手段に接続され、該
電力制御手段により一群の蒸発電極に通電して一種の薄
膜形成材料を加熱蒸発させて下地層を形成した後、他方
の一群の蒸発電極に通電して前記薄膜形成材料と異なる
薄膜形成材料を加熱蒸発させて下地層の上に異種の薄膜
形成材料からなる薄膜を積層して、２層からなる有彩色
薄膜の形成が行われる。被蒸着物が透明である場合、薄
膜の色相付与効果を高めるため無彩色の下地層を形成す
るのが好ましい。この下地層の材料としては、無彩色の
ものであれば任意のものを使用できるが、汎用性及び価
格の点からステンレス鋼を採用するのが好ましい。この
下地層は、通常、２００〜１２００Å厚に形成するのが
好適である。これは、２００Å未満では、その効果がさ
ほど期待できず、１２００Åを超えると、透光性を低下
させるからである。また、有彩色薄膜は、通常、１００
〜１０００Å厚に形成される。これは、１００Å未満で
は、その効果がさほど期待できず、１０００Åを超える
と、透光性を低下させるからである。

【００１１】以下、本発明に係る高周波励起式イオンプ
レーティング装置を示す添付の図面を参照して、本発明
を説明する。図示の装置は、基本的には、円板状ベース
プレート１と、真空容器２と、ベースプレート１の中央
に立設され薄膜形成材料を蒸発させる蒸発部３と、前記
ベースプレート１上に回転可能に配設され、自転しなが
ら前記蒸発部３の回りを回転する被蒸着物保持手段４
と、前記蒸発部３に隣接して配設された高周波電極５と
で構成されている。

【００１２】円板状ベースプレート１はその中央に真空
ポンプ（図示せず）に接続される排気口６を有し、その
排気口６を挟んで２本のガイドレール７が配設され、該
ガイドレール７上に円形台車８が搭載されている。円形
台車８は、その円形テーブルの中央部に薄膜形成材料蒸
発部３が設置され、その外周部には後述の自転用歯車と
噛み合う歯が形成されている。真空容器２はベルジャー
型のもので、ベースプレート１の上方に昇降可能に配設
され、その正面側に覗き窓１０が形成され、その頂部に
形成された開口２ａを閉鎖する蓋１１に高周波電極１１
が装着されている。この高周波電極１１は、図３に示す
ように、Ｕ字状の形態を有し、薄膜形成材料蒸発部３を
挟んで相対して配設されている。

【００１３】前記薄膜形成材料蒸発部３は、２対の電極
ホルダー１２と、対の電極ホルダーに取り付けられた複
数の蒸発電極１３とからなり、各電極ホルダー１２は導
電性支柱１４Ａ、１４Ａ’、１４Ｂ、１４Ｂ’と、各支
柱にその長手方向に所定間隔をおいて相互に平行に固定
された複数の導電性アーム１５Ａ、１５Ａ’、１５Ｂ、
１５Ｂ’とで構成され、支柱１４Ａは支柱１４Ａ’と対
をなし、支柱１４Ｂは支柱１４Ｂ’と対をなしている。
これらの支柱は台車８のテーブル８ａ上に一列に立設さ
れ、その上端部は絶縁プレート１６で相互に連結して固
定されている。

【００１４】各蒸発電極１３は、抵抗発熱源１７と蒸発
源１８とで構成されるが、本実施例では、図４に示すよ
うに、複数の高融点金属材料からなる抵抗ワイヤーを撚
りあわせ、その略中央部分に薄膜形成材料製ワイヤーを
巻き付けた構造にし、両端をそれぞれアーム１５の先端
に設けた一対の舌片１５ａ間に挟んで容易に着脱できる
ようにしてある。なお、蒸発電極１３は、必ずしも図４
に示す形態のものに限られず、任意の形態のものを使用
でき、例えば、図５に示すように、高融点金属材料で箱
形容器１７を形成する一方、その上部に流動規制板１９
を設け、その内部に収容された薄膜形成材料１８の蒸気
を水平方向に放出させるようにしたものでも良い。

【００１５】また、前記台車８上にはそれと同軸にリン
グプレート２０が回転可能に配設され、このリングプレ
ート２０は、その外周に形成された歯２１を歯車２２と
噛み合わせることにより駆動モータ３０に連結されてい
る。リングプレート２０は、その下側に複数の歯車２３
が台車テーブル８ａの外径より大径の円に沿って配設さ
れ、これらを台車テーブル８ａの外周に形成された歯と
噛み合わせることによってガイドされ、プレートリング
２０の回転により歯車２３をそのシャフトと共に回転さ
せ、そのシャフトに取り付けられた歯車２４と噛み合う
歯車２５を駆動し、歯車２５に取り付けられた被蒸着物
保持手段としての被蒸着物駆動シャフト２６を回転させ
るようにしてある。従って、駆動モータ３０を回転させ
ると、リングプレート２０が装置の中心軸回りに回転
し、それによって歯車２３が駆動され、歯車２４及び２
５を介して被蒸着物駆動シャフト２６が回転させられる
ため、被蒸着物は自転しながら蒸発部３の回りを回転す
ることになる。

【００１６】

【作用】高周波電界を印加しながら、抵抗発熱により蒸
発源から薄膜形成材料を蒸発させると、蒸発粒子は高周
波電界によって１０^−４Torr程度の比較的高いガス圧で
も高効率でイオン化され、そのイオンは蒸発源と被蒸着
物との間に印加される直流電界によって被蒸着物側へ加
速され、被蒸着物の表面に衝突、付着し、薄膜を形成す
る。高周波電界によるイオン化と直流電界による加速と
の相乗作用により蒸発粒子の被蒸着物への密着力が高め
られ、雰囲気のガス圧が比較的高くても薄膜を形成でき
るため、真空容器を大きくすることが可能となり、大寸
法の被蒸着物にも薄膜を形成することが可能となる。ま
た、被蒸着物の温度を変化させることにより薄膜の結晶
構造を調整できるため、酸化性雰囲気にして金属酸化物
系薄膜若しくはセラミックス系薄膜を形成することも可
能にしている。さらに、被蒸着物は自転させながら蒸発
源の回りを回転させることにより、表面全体に均一に薄
膜を形成することを可能にしている。

【００１７】

【実施例１】薄膜の下地層形成材料としてステンレス鋼
ワイヤを、色相付与材料としてＴiワイヤをそれぞれ薄
膜形成材料蒸発源１８として用い、これらをタングステ
ン製ワイヤを２本撚りあわせた抵抗発熱源１７にそれぞ
れ巻き付けて蒸発電極１３Ａ、１３Ｂを形成し、蒸発電
極１３Ａを図１の装置の電極ホルダー１２Ａを構成する
支柱対１４Ａ、１４Ａ’のアーム間に取り付ける一方、
蒸発電極１３Ｂを他方の支柱対１４Ｂ、１４Ｂ’にそれ
ぞれ取り付け、ポリカーボネート製基板を被蒸着物とし
て被蒸着物駆動シャフト２６に取り付けた後、真空容器
を降下させて密閉する。

【００１８】次に、真空ポンプで真空容器内を１×１０
^−４Ｔorrまで排気したのち、駆動モータによりリング
プレートを回転させて基板を自転させながら蒸発源の回
りを回転させる。真空容器内にアルゴンガスを導入して
３×１０^−４Ｔorrに調整した後、高周波電極に高周波
を印加してイオンボンバードを行って基板表面を清浄化
する。次いで、高周波を印加した状態で、電極ホルダー
１２Ａを介して蒸発電極１３Ａに通電してステンレス鋼
を蒸発させ、ステンレス鋼のイオンプレーティングを約
２分間行い、５００Å厚のステンレス鋼薄膜を形成した
後、蒸発電極Ａへの通電を停止する。通電停止後、真空
容器内を再び１×１０^−４Ｔorrまで減圧し、アルゴン
ガスを導入して２×１０^−４Ｔorrに調整した後、酸素
ガスを導入して６×１０^−４Ｔorrに調整する。真空容
器内にアルゴンガスと酸素ガスを供給して真空容器内の
真空度を３×１０^−４Ｔorrに維持しながら、支柱対１
４Ｂ、１４Ｂ’を介して蒸発電極１３Ｂに通電してチタ
ンを蒸発させ、イオンプレーティングを１０分間行い、
２５０Å厚の酸化チタン薄膜を形成した。イオンプレー
ティング中、真空容器内を３×１０^−４Ｔorrの酸化性
雰囲気に維持することによりチタンの酸化率が一定に維
持され、基板表面に形成される薄膜は、ゴールド系→レ
ッド系→ブルー系の順で発色をくり返す。真空容器の覗
き窓１０から観察して、基板表面が所望の色合いになっ
た時点で蒸発電極１３Ｂ及び高周波電極５への通電を停
止させると同時に、アルゴンガス及び酸素ガスの供給を
停止させ、イオンプレーティングを終了させ、真空容器
内に空気を導入してその内部圧力を大気圧に戻し、駆動
モータ３０を停止させた後、真空容器から基板を取り出
して、有彩色薄膜の試料を得た。有彩色薄膜の色は観察
する角度によって黄、赤、青ないしそれらの中間色にま
で種々に変化した。

【００１９】

【参考例】 薄膜形成材料として硫化亜鉛（ＺｎＳ）粉末
を用い、これを図５に示す箱形のモリブデン製抵抗発熱
源１７に入れて蒸発電極１３を形成し、この蒸発電極１
３を図１の装置の電極ホルダー１２Ａを構成する支柱対
１４Ａ、１４Ａ’の各対のアーム間にそれぞれ取り付け
た後、ポリカーボネート製基板を被蒸着物駆動シャフト
２６に取り付け、真空容器を降下させて密閉した。

【００２０】次に、真空ポンプで真空容器内を１×１０
^−４Ｔorrまで排気したのち、駆動モータによりリング
プレートを回転させて基板を自転させながら蒸発源の回
りを回転させる。真空容器内にアルゴンガスを導入して
３×１０^−４Ｔorrに調整した後、高周波電極に高周波
を印加してイオンボンバードを行って基板表面を清浄化
し、続いて、電極ホルダー１２Ａを介して蒸発電極１３
に通電して硫化亜鉛を加熱昇華させ、イオンプレーティ
ングを約５分間行い、３００Å厚の有彩色薄膜を得た。

【００２１】得られた有彩色薄膜について、分光光度計
（島津製作所製ＵＶ２１００）を用いて２００〜８００
nmの波長域で光の透過率を測定した。その結果を比較例
（薄膜を形成してない基板単体）についての結果と共に
図６に示す。同図から、明らかなように、本発明方法に
よりコーティングしたものは、４４０nm及び６８０nmの
近傍で吸収のピークを示し、色は観察する角度によって
変化し、黄、赤、青ないしそれらの中間色にまで種々に
変化した。

【００２２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、高周波電界を印加しながら、抵抗発熱により
蒸発源から薄膜形成材料の粒子を水平方向に放出させ、
高周波電界によってイオン化させるようにしたので、１
０^−４Torr程度の比較的高いガス圧でも蒸発粒子を高効
率でイオン化でき、しかも、生成したイオンを蒸発粒子
と共に直流電界によって被蒸着物側へ加速するようにし
たので、密着度の高く均質な有彩色薄膜を形成できる。
また、高周波電界によるイオン化と直流電界による加速
との相乗作用により蒸発粒子の被蒸着物への密着力が高
められ、雰囲気のガス圧が比較的高くても薄膜を形成で
きるため、真空容器を大きくすることが可能となり、大
寸法のものにも有彩色薄膜を形成することができる。ま
た、被蒸着物の温度を変化させることにより薄膜の結晶
構造を調整できるため、一種の材料で有彩色薄膜を形成
でき、しかも、金属を薄膜生成材料として用い酸化性雰
囲気中でプレーティングを行うと、金属酸化物系薄膜若
しくはセラミックス系薄膜からなる有彩色薄膜を形成す
るができる。さらに、被蒸着物は自転させながら蒸発源
の回りを回転させることにより、表面全体に均一に薄膜
を形成することができる、薄膜材料の選択の自由度が高
く、基板温度を低温から高温まで任意に変化させること
によって薄膜の結晶構造を制御できるため、単層又は２
層構造でも任意の色彩を得ることができるなど、優れた
効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る高周波励起式イオンプレーティ
ング装置の概略断面図、

【図２】 図１のＡ−Ａ線における断面平面図、

【図３】 図１の装置の要部斜視図、

【図４】 蒸発電極の構造の一例を示す平面図、

【図５】 蒸発電極の構造の他の例を示す斜視図、

【図６】 参考例により製造した有彩色薄膜の光透過率
を示すグラフである。

【符号の説明】

１： ベースプレート ２： 真空容器 ３： 蒸発部 ４： 被蒸着物保持手段 ５： 高周波電極 １３： 蒸発電極 １７： 抵抗発熱源 １８： 蒸発源

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器の略中央に複数の薄膜形成材料
   蒸発部を配設して垂直方向に伸張する蒸発面を形成さ
   せ、該蒸発面に対向して被蒸着物を配置し、前記薄膜形
   成材料蒸発部の薄膜形成材料を抵抗発熱により加熱蒸発
   させて前記蒸発面から粒子の形態で略水平方向に放出さ
   せ、その蒸発粒子の少なくとも一部を高周波電界により
   イオン化すると同時に、薄膜形成材料蒸発部と被蒸着物
   との間に印加される直流電界により蒸発粒子を加速して
   被蒸着物表面に薄膜を形成する高周波励起式イオンプレ
   ーティングを行う有彩色薄膜の製造方法であって、前記
   複数の薄膜形成材料蒸発部を無彩色薄膜形成材料及び有
   彩色薄膜形成材料で構成して前記蒸発面を相互に異なる
   薄膜形成材料を蒸発させる蒸発面となし、前記無彩色薄
   膜形成材料を不活性ガス雰囲気中で加熱蒸発させて高周
   波励起式イオンプレーティンを行い２００〜１２００Å
   厚の無彩色の下地層を形成し、それに引き続き前記真空
   容器の雰囲気を酸化性雰囲気にして当該酸化性雰囲気中
   で前記有彩色薄膜形成材料を加熱蒸発させて高周波励起
   式イオンプレーティングを行い１００〜１０００Å厚の
   金属酸化物からなる有彩色薄膜を形成する工程を含んで
   なることを特徴とする有彩色薄膜の製造方法。
2. 【請求項２】 前記有彩色薄膜形成材料がゲルマニウ
   ム、シリコン、亜鉛、チタン、鉄、アルミニウム、セリ
   ウム若しくはそれらの合金又は金属間化合物からなる群
   から選ばれた少なくとも一種である請求項１に記載の方
   法。
3. 【請求項３】 前記無彩色薄膜形成材料としてステンレ
   ス鋼を用いる一方、前記有彩色薄膜形成材料として金属
   チタンを用い、初めに不活性ガス雰囲気中でステンレス
   鋼を薄膜形成材料として高周波励起式イオン・プレーテ
   ィングを行い被蒸着物表面にステンレス鋼薄膜を形成
   し、次いで酸化性雰囲気中でチタンを薄膜形成材料とし
   て高周波イオン・プレーティングを行うことによりチタ
   ン酸化物薄膜を前記ステンレス鋼薄膜上に積層すること
   を特徴とする請求項１に記載の方法。