JP7253207B2

JP7253207B2 - 成膜装置及びこれを用いた成膜方法

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Publication number: JP7253207B2
Application number: JP2021067971A
Authority: JP
Inventors: 学幸松平; 尊重枡川; 芳幸大瀧; 匡之清水; 充祐宮内; 裕志室谷
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Priority date: 2021-04-13
Filing date: 2021-04-13
Publication date: 2023-04-06
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Description

本発明は、成膜装置及びこれを用いた成膜方法に関し、特にイオンビームアシスト真空蒸着方法を用いた成膜装置及び成膜方法に関するものである。

撮像素子として用いられるＣＣＤやＣＭＯＳは、銀塩写真フィルムに比べて表面での光反射が強いため、フレアやゴーストが発生し易い。また曲率半径の小さいレンズでは、光線の入射角度が位置によって大きく異なるため、レンズ表面の傾斜が大きな部分では低い反射率を保てない。さらに、ＬＣＤのような平面ディスプレイにおいては、ディスプレイ表面の光反射による外光の映り込みが問題になるので、アンチグレア処理が施されているが、ディスプレイの高密度化が進むと、液晶を透過した光がアンチグレア処理された表面で乱反射し、画像の高解像度化の妨げになる。このような基板表面の反射を低減するためには、低屈折率の表面層を成膜することが必要とされる（非特許文献１）。

反射低減技術の新展開（菊田久雄著，日本光学会会誌「光学」第４０巻第１号，２０１１年１月）

屈折率が１．５のガラスに、屈折率が１．３８のフッ化マグネシウムのような低屈折材料を用いて表面層を形成することは知られている。しかしながら、１．３８の低屈折率材料を用いても、１．４％の反射が残る。現在のところ、１．１～１．２といった低屈折率の薄膜材料は存在しない。また、低屈折率の膜に対し、簡単には剥がれないような機械的強度の向上も求められている。

本発明が解決しようとする課題は、低屈折率の膜を高い機械強度で形成できる成膜装置及びこれを用いた成膜方法を提供することである。

本発明は、少なくとも蒸着材料と被蒸着物とが設けられる成膜室と、前記成膜室の内部全体を減圧する排気装置と、前記被蒸着物を含む第１領域に、形成した膜と反応しないガスを供給する給気装置と、前記給気装置から供給したガスが、前記蒸着材料を含む第２領域に向かって流れるのを抑制する遮断部材と、蒸発した蒸着材料を前記被蒸着物に成膜する制御装置と、を備える成膜装置と、を備える成膜装置を用い、前記第１領域の、蒸発した前記蒸着材料の平均自由行程が、前記被蒸着物と前記蒸着材料との距離より小さくなるように、前記第１領域の圧力を設定し、前記第２領域の、蒸発した前記蒸着材料の平均自由行程が、前記被蒸着物と前記蒸着材料との距離より大きくなるように、前記第２領域の圧力を設定し、この状態で、真空蒸着法により、前記第２領域において前記蒸着材料を蒸発させ、前記第１領域において前記被蒸着物に前記蒸発した蒸着材料を成膜する成膜方法において、膜の厚さ方向に沿う断面視において、空隙を有する柱状構造の膜であって、水に対する接触角が３０°以下である薄膜を形成する成膜方法、又は膜の厚さ方向に沿う断面視において空隙を有する柱状構造の第１の膜と、前記第１の膜の上に形成された、前記空隙を有する柱状構造を阻害しない第２の膜と、を有する防曇性を発揮する薄膜を形成する成膜方法によって上記課題を解決する。

本発明によれば、成膜室の内部全体を減圧する一方、被蒸着物を含む第１領域に、形成した膜と反応しないガスを供給するに際し、遮断部材により、前記ガスが蒸着材料を含む第２領域に向かって流れるのを抑制するので、第２領域の雰囲気圧力が高くなるのを抑制することができる。これにより、蒸着材料を蒸発させる第２領域を低圧（高真空）にしながら、被蒸着物に蒸発した蒸着材料を成膜する第１領域を相対的に高圧（低真空）にすることができる。その結果、機械的強度の高い、低屈折率の膜を形成することができる。

本発明に係る真空蒸着装置の第１実施形態を示す概略縦断面である。図１のII-II線に沿う矢視図である。本発明に係る真空蒸着装置の第２実施形態を示す概略縦断面である。図３のIV-IV線に沿う矢視図である。本発明に係る真空蒸着装置の第３実施形態を示す概略縦断面である。図５のVI-VI線に沿う矢視図である。図１に示す第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の雰囲気圧並びに第１排気装置及び第２排気装置の設定圧力を示すグラフ（縦軸は圧力の対数）である。本発明の比較例に係る真空蒸着装置を示す概略縦断面である。本発明に係る薄膜の一実施の形態の表面を観察した顕微鏡写真である。図９Ａの断面を観察した顕微鏡写真である。本発明の参考例１～３に対し防曇性を評価した結果を示す図である。

《低屈折率・高強度の薄膜》
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る成膜装置の第１実施形態である真空蒸着装置１を示す概略縦断面、図２は、図１のII-II線に沿う矢視図である。なお、真空蒸着装置１は、本発明に係る成膜方法を実施する装置でもある。

本実施形態の真空蒸着装置１は、実質的に密閉空間となる成膜室２ａを構成する筐体２と、成膜室２ａの内部全体を減圧するための第１排気装置３と、成膜室２ａの内部の第２領域Ｒ２を局所的に減圧する第２排気装置４と、被蒸着物である基板Ｓを保持する基板ホルダ５と、蒸着機構６と、第１領域Ｒ１（被蒸着物である基板Ｓと、その周辺を含む領域をいう）に所定のガスを導入する給気装置８と、給気装置８から供給したガスが第２領域Ｒ２（蒸着材料Ｍとその周辺をいう）に向かって流れるのを抑制する遮断部材７と、成膜室２ａの内部の雰囲気圧力を制御しながら蒸着材料Ｍを蒸発させ、基板Ｓに蒸発した蒸着材料Ｍを成膜する制御を実行する制御装置１０と、イオンアシスト用のイオン源１１と、を備える。なお、第１領域Ｒ１は、少なくとも基板Ｓを含んだ領域であればよく、その範囲は明確に規定されるものではなく、何ら限定されない。同様に、第２領域Ｒ２は、少なくとも蒸着材料Ｍを含んだ領域であればよく、その範囲は明確に規定されるものではなく、何ら限定されない。また、成膜室２ａは、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２以外の領域を含んでもよく、含まなくてもよい。

本実施形態の真空蒸着装置１は、上面（天井面）、下面（底面）及び複数の側面を有する箱形、又は上面（天井面）、下面（底面）、曲面状の側面を有する筒形で構成された筐体２を有し、当該筐体２の内部が、実質的に密閉空間としての成膜室２ａを構成する。図１に示す真空蒸着装置１の姿勢において、筐体２の上側の面を上面、下側の面を下面、横側の面を側面と便宜的に称するが、これは単に筐体２と、当該筐体２に設けられる第１排気装置３、基板ホルダ５及び蒸着機構６との相対的な位置関係を説明するための便宜的な定義であり、実際に設置された真空蒸着装置１の姿勢を絶対的に定義するものではない。

たとえば、図１に示す実施形態の真空蒸着装置１は、基板ホルダ５と蒸着機構６とを上下方向（鉛直方向）に配置しているが、本発明の成膜方法及び成膜装置はこの配置に何ら限定されず、基板ホルダ５と蒸着機構６とを左右方向、水平方向、または斜め方向に配置してもよい。また、図１に示す実施形態の真空蒸着装置１は、基板ホルダ５と蒸着機構６とを上下方向（鉛直方向）に配置したため、そのレイアウトの関係で、第１排気装置３を筐体２の側面に配置し、第２排気装置４を筐体２の下面に配置したが、本発明の成膜装置及び成膜方法はこの配置に何ら限定されず、第１排気装置３及び第２排気装置４は、筐体２に対して適宜箇所に配置することができる。

第１排気装置３は、図１に示すように、筐体２の側面のほぼ中央に、ゲートバルブ３ａを介して設けられている。ゲートバルブ３ａは、第１排気装置３と成膜室２ａとを開閉する気密バルブであり、成膜室２ａを減圧する場合にはゲートバルブ３ａが開放される。一方、図示しない開口部を介して、基板Ｓを成膜室２ａに投入する場合や、成膜を終えた基板Ｓを成膜室２ａから取り出する場合などは、ゲートバルブ３ａが閉塞される。第１排気装置３として、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）や定圧ポンプ（ＣＰ）を挙げることができ、成膜室２ａの内部を０．０１Ｐａ以下まで減圧できる定格能力を有することが望ましい。

第２排気装置４は、図１に示すように、筐体２の下面であって蒸着機構６の直下に、ゲートバルブ４ａを介して設けられている。ゲートバルブ４ａは、第２排気装置４と成膜室２ａとを開閉する気密バルブであり、成膜室２ａの内部を減圧する場合にはゲートバルブ４ａが開放される。一方、図示しない開口部を介して、基板Ｓを成膜室２ａに投入する場合や、成膜を終えた基板Ｓを成膜室２ａから取り出する場合などは、ゲートバルブ４ａが閉塞される。第２排気装置４として、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）や定圧ポンプ（ＣＰ）を挙げることができ、成膜室２ａの内部のうち蒸着機構６を含む第２領域Ｒ２を０．０１Ｐａ以下まで減圧できる定格能力を有することが望ましい。

成膜室２ａの内部には、板状の基板ホルダ５が回転軸５ｂにより懸架され、回転軸５ｂは筐体２の上面に回転可能に支持されている。そして、基板ホルダ５は、駆動部５ｃにより回転する回転軸５ｂを中心に回転可能とされている。基板ホルダ５の基板保持面５ａには、蒸着材料Ｍの蒸着対象となる基板Ｓが保持される。なお、基板ホルダ５に保持する基板Ｓの数量は何ら限定されず、１枚であっても複数枚であってもよい。また、基板Ｓを保持する保持部を基板ホルダ５に対して自転可能に構成し、遊星機構により基板Ｓを自転及び公転させてもよい。さらに、駆動部５ｃを省略して非回転の基板ホルダ５としてもよい。図１に示す第１実施形態では、基板ホルダ５の基板保持面５ａに複数の基板Ｓが保持可能とされ、蒸着機構６の直上に複数の基板Ｓが位置するように基板ホルダ５が設けられている。

成膜室２ａの内部の下面近傍には、蒸着機構６が設けられている。本実施形態の蒸着機構６は、電子ビーム蒸着源からなり、蒸着材料Ｍを充填する坩堝６ａと、坩堝６ａに充填された蒸着材料Ｍに電子ビームを照射する電子銃６ｂとを備える。また、坩堝６ａの上方には、当該坩堝６ａの上部開口を開閉するシャッタ６ｃが移動可能に設けられている。基板ホルダ５に保持された基板Ｓに対して成膜処理を行う場合には、電子銃６ｂを作動して坩堝６ａに充填された蒸着材料Ｍを加熱蒸発させるとともにシャッタ６ｃを開き、蒸発した蒸着材料Ｍを基板Ｓに付着させる。なお、図１に示す符号６ｄは、マイスナトラップの冷却管コイルであって、成膜室２ａの内部を真空排気したときに、基板Ｓから放出される水分を効率的に除去するものである。本実施形態の真空蒸着装置１にて用いられる蒸着材料Ｍとしては、特に限定はされないが、二酸化ケイ素，フッ化マグネシウム，酸化アルミニウム，二酸化ジルコニウム，酸化タンタル，二酸化チタン，酸化ニオブ又は二酸化ハフニウム、などを挙げることができる。

なお、蒸着機構６の蒸発源として、電子銃を用いた電子ビーム加熱の代わりに、抵抗加熱を用いてもよい。抵抗加熱は、発熱体の両端に電圧をかけ、流れる電流によるジュール熱で加熱する方法である。発熱体として用いられるのは、タングステン、タンタル、モリブデンなどの高融点金属や、カーボン、窒化ホウ素・ホウ化チタン混合焼結体などである。発熱体は蒸発物質に応じて、適した形状に加工して用いてもよいし、耐熱性の坩堝を併用してもよい。

成膜室２ａの内部の下面近傍で、蒸着機構６の側方の第２領域Ｒ２には、イオン源１１が設置されている。イオン源１１は、蒸着機構６による基板Ｓの成膜処理を、イオンによって補助するイオンアシスト用のイオン源である。イオン源１１のイオンビームの照射範囲は、基板ホルダ５の基板保持面５ａの全部又は一部の所定範囲とされている。本実施形態の基板ホルダ５の基板保持面５ａに保持された基板Ｓの一部は、基板ホルダ５の回転に伴って一時的に遮断部材７により隠れるため、イオンビームが遮断部材７により遮蔽されない範囲に向けてイオン源１１からのイオンビームが照射される。

本実施形態では、イオン源１１として、例えば、プラズマからのイオンの引き出しに格子状の電極を利用するイオン源、いわゆるカウフマン型イオン源を用いている。カウフマン型イオン源の動作圧力は、０．０２Ｐａ以下である。図示は省略するが、カウフマン型のイオン源１１は、筐体と、筐体内に配されたアノード及びフィラメントと、筐体外部に配された磁界発生用のマグネットと、筐体の開口部に配されて筐体と同電位に保たれたスクリーン電極と、スクリーン電極の外側に配されるスクリーン状の加速電極とを備える。筐体内に酸素などの反応性ガス又はアルゴンなどの不活性ガスを供給し、アノードに正の電位を印可してフィラメントを加熱すると、放電が発生し、放電により発生した電子とガスとの衝突により、筐体内にプラズマが生成する。生成したプラズマは、筐体外部に配されたマグネットの磁界によって高密度化される。この状態で、加速電極に負の電位を印可すると、プラズマからイオンが引き出されてスクリーン電極を通過し、加速されて基板Ｓに照射される。

蒸着機構６により基板Ｓに堆積する蒸着膜にイオンビームを照射することで、緻密で強度が高く、表面が平滑な膜を得ることができる。なお、イオン源１１の上方に、基板Ｓに対するイオンの照射を遮るシャッタや、イオンの指向性を調整するための調整板などを設置してもよい。また、イオン源１１から照射された正イオンにより帯電した基板Ｓを電気的に中和するために、基板Ｓに向けて負の電子を照射するニュートラライザを成膜室２ａに設置してもよい。さらに、イオン源１１は、カウフマン型イオン源に限定されず、動作圧力が第２領域Ｒ２の雰囲気圧力である０．０５Ｐａ以下であれば、カウフマン型以外の形式のイオン源を用いてもよい。

本実施形態の真空蒸着装置１は、成膜室２ａのうちの、基板Ｓを含む第１領域Ｒ１の雰囲気圧力を第１圧力に設定する一方で、成膜室２ａのうちの、蒸着材料Ｍを含む第２領域Ｒ２の雰囲気圧力を第１圧力より低い第２圧力に設定し、蒸着処理を行うことができる。そして、蒸着材料Ｍを含む第２領域Ｒ２の第２圧力は、上述した第１排気装置３と第２排気装置４の排気によって設定される。これに対して、基板Ｓを含む第１領域Ｒ１の第１圧力は、上述した第１排気装置３と第２排気装置４の排気に加え、給気装置８によるガスの供給と、遮断部材７によるガス流れの制御によって設定される。

すなわち、本実施形態の真空蒸着装置１は、基板ホルダ５に保持された基板Ｓを含む第１領域Ｒ１に、所定の不活性ガス又は形成した膜と反応しない活性ガスを導入する給気装置８を備える。本実施形態の給気装置８は、ノズル８ａ及びガス供給源８ｂを含む。ガス供給源８ｂは、成膜室２ａの内部の雰囲気ガスを供給するための供給源であり、たとえばアルゴンガスその他の不活性ガス又は形成した膜と反応しないガスなどを供給するための供給源である。ノズル８ａ及びガス供給源８ｂは、第１領域Ｒ１の雰囲気圧力を第２領域の雰囲気圧力に対して増加させることを唯一の目的とするものであり、反応性ガスを供給して反応した膜を生成するものではない。したがって、蒸着材料が二酸化ケイ素の場合の酸素ガスのように、活性ガスであっても、形成した二酸化ケイ素の膜とほとんど反応しない活性ガスは、第１領域Ｒ１に導入してもよい。

図１には、１つのノズル８ａ及びガス供給源８ｂを示しているが、１つ又は複数のガス供給源８ｂに複数のノズル８ａを接続し、当該複数のノズル８ａから第１領域Ｒ１に向かって所定のガスを吹き付けるようにしてもよい。なお、成膜室２ａの内部は、不活性ガス雰囲気又は形成した膜と反応しない活性ガス雰囲気とされている。

また本実施形態の真空蒸着装置１は、基板Ｓを含む第１領域Ｒ１の第１圧力を設定するために、給気装置８から供給したガスが第２領域Ｒ２に向かって流れるのを抑制する遮断部材７を備える。本実施形態の遮断部材７は、底面７ａと、当該底面７ａから立ち上がる側面７ｂとを有するとともに、底面７ａに対面する上面７ｃの全部又は一部が開口された有底筒状に形成されている。図１に示す遮断部材７の横断面は、図２に示すように円形であるが、本発明はこれに限定されず、楕円形、多角形のいずれでもよく、基板ホルダ５の形状に応じて設定してもよい。また、図１に示すように、遮断部材７を貫通してノズル８ａを固定してもよい。

そして、本実施形態の遮断部材７は、その開口した上面７ｃと基板ホルダ５の基板保持面５ａとの間に、所定の隙間Ｇが形成されるように配置されている。この隙間Ｇは、遮断部材７で囲まれた第３領域Ｒ３に給気装置８からガスを導入したときに、当該ガスが隙間Ｇを通って第１領域Ｒ１に漏れるとともに、第１領域Ｒ１を第２領域Ｒ２よりも高い第１圧力に調整可能な寸法とされている。この隙間Ｇを設けることにより、給気装置８から供給されて第３領域Ｒ３に吹出したガスは、遮断部材７の底面７ａ及び／又は側面７ｂによって第２領域Ｒ２に直接向かう流れが抑制されながら、上面７ｃの開口に至り、当該隙間Ｇを介して基板ホルダ５の基板保持面５ａに沿って第１領域Ｒ１へ流出する。好適な隙間Ｇの寸法は、主として、遮断部材７で囲まれる第３領域Ｒ３の容積，給気装置８からのガスの流量，調整される第１領域Ｒ１の第１圧力及び第２領域Ｒ２の第２圧力により決定することができる。

制御装置１０は、第１排気装置３のＯＮ／ＯＦＦ、ゲートバルブ３ａの開閉、第２排気装置４のＯＮ／ＯＦＦ、ゲートバルブ４ａの開閉、基板ホルダ５の駆動部５ｃのＯＮ／ＯＦＦを含む回転速度制御、シャッタ６ｃの開閉を含む蒸着機構６の作動制御、ノズル８ａのＯＮ／ＯＦＦを含むガス流量制御、イオン源１１のＯＮ／ＯＦＦを含む作動制御などを司る。そして、成膜室２ａの内部を所定の雰囲気圧力に制御した状態で、イオンアシスト真空蒸着法による成膜制御を実行する。

次に作用を説明する。
本実施形態の真空蒸着装置１及びこれを用いた成膜方法は、基板ホルダ５の基板保持面５ａに基板Ｓを装着し、筐体２を密閉したのち、ゲートバルブ３ａを開いて第１排気装置３を作動し、当該第１排気装置３の設定値をたとえば０．０１Ｐａに設定して成膜室２ａの内部を全体的に減圧する。これと相前後してゲートバルブ４ａを開いて第２排気装置４を作動し、当該第２排気装置４の設定値をたとえば０．０１Ｐａに設定して蒸着機構６を含む第２領域Ｒ２を局所的に減圧する。また、これと相前後して給気装置８からガスを第３領域Ｒ３に供給し始める。なお、この時点で駆動部５ｃを駆動して基板ホルダ５の所定の回転速度で回転し始めてもよい。

時間の経過とともに成膜室２ａの内部は、常圧から減圧されるが、第３領域Ｒ３に供給されて隙間Ｇから漏れ出した不活性ガス等が、図１及び図２に破線矢印で示すように、基板ホルダ５に保持された基板Ｓを含む第１領域Ｒ１に向かって流れる。これにより、基板ホルダ５に保持された基板Ｓを含む第１領域Ｒ１の雰囲気圧力は、成膜室２ａの内部の一般領域に比べて高圧となる。これに対して、第３領域Ｒ３に供給されたガスは、遮断部材７の底面７ａ及び／又は側面７ｂによって、第２領域Ｒ２へ向かって直接流れることが抑制又は阻止されるので、第２領域Ｒ２には給気装置８による増圧効果は及ばない。これにより、蒸着機構６及びイオン源１１を含む第２領域Ｒ２の雰囲気圧力は、第２排気装置４により局所的な排気が行われるため、第１領域Ｒ１よりも低圧雰囲気が維持されることになる。

これら第１排気装置３、第２排気装置４、給気装置８及び遮断部材７の協働作用により、好ましくは、第２領域Ｒ２の雰囲気圧力が０．０５Ｐａ以下、第１領域Ｒ１の雰囲気圧力が０．０５～１００Ｐａになったら、蒸着機構６の電子銃６ｂを作動して坩堝６ａに充填された蒸着材料Ｍを加熱蒸発させるとともにシャッタ６ｃを開き、蒸発した蒸着材料Ｍを基板Ｓに付着させる。なお、図示は省略するが、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２のそれぞれには雰囲気圧力を検出する圧力センサが設けられ、この圧力センサの出力信号を制御装置１０で読み出すことで、蒸着機構６のシャッタ６ｃの開閉制御が実行される。

また、イオン源１１は、蒸着機構６の作動と同時、あるいは蒸着機構６の作動よりも先あるいは後に動作を開始し、基板Ｓに向けてイオンを照射する。イオン源１１は、動作圧力が０．０５Ｐａ以下とされたカウフマン型イオン源であるため、第２領域Ｒ２の雰囲気圧力で適正に動作する。

イオン源１１から照射されたイオンの運動エネルギにより、蒸着機構６により蒸発されて浮遊している蒸着材料Ｍを加速させて基板Ｓに押し付けたり、基板Ｓに堆積した薄膜の表面を緻密化したりする。これにより、基板Ｓの表面に形成される薄膜は、密着性、緻密性及び機械的強度が高くなる。

図７は、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の雰囲気圧並びに第１排気装置３及び第２排気装置４の設定圧力を示すグラフであり、縦軸は圧力の対数を示す。同図に示すように、蒸着機構６を含む第２領域Ｒ２を０．０５Ｐａ以下にする理由は、これより雰囲気圧力が高いと蒸着材料Ｍが蒸発しないからである。一方、基板Ｓを含む第１領域Ｒ１を０．０５Ｐａ以上にする理由は、これより雰囲気圧力が低いと所望の低屈折率の薄膜が得られないからである。また、基板Ｓを含む第１領域Ｒ１を１００Ｐａ以下にする理由は、これより雰囲気圧力が高いと蒸着材料Ｍが基板Ｓに届かず成膜できないからである。本実施形態では、蒸着機構６を含む第２領域Ｒ２が０．０５Ｐａ以下、基板Ｓを含む第１領域Ｒ１が、０．０５～１００Ｐａになればよいので、第１排気装置３及び第２排気装置４の設定圧力と、給気装置８からのガス供給量の具体的数値は特に限定されない。

以上のとおり、本実施形態の真空蒸着装置１及びこれを用いた成膜方法によれば、蒸着機構６を含む第２領域Ｒ２の雰囲気圧力を蒸着が可能な圧力（好ましくは上限に近い範囲の圧力）に設定する一方で、基板Ｓを含む第１領域Ｒ１の雰囲気圧力は相対的に高圧にするので、真空蒸着法により低屈折率の薄膜を得ることができる。また、第２領域Ｒ２内で動作可能なイオン源１１を用いてイオンアシストを行うので、イオンアシストを行わない場合に比べ、薄膜の機械的強度を高めることができる。

本発明の成膜装置及びこれを用いた成膜方法は、上述した図１及び図２に示す第１実施形態にのみ限定されず、種々に改変することができる。上述した第１実施形態では、基板ホルダ５に装着した基板Ｓの成膜を終了したら成膜室２ａを大気圧雰囲気に戻し、成膜後の基板Ｓを取り外すとともに成膜前の基板Ｓを装着する、いわゆるバッチ式生産方式による真空蒸着装置１を示したが、成膜室２ａに仕切バルブを介してロードロック室を接続し、基板Ｓを装着した基板ホルダ５を、ロードロック室を介して搬出／搬入する、いわゆる連続生産方式による真空蒸着装置１であってもよい。

また、上述した第１実施形態では、蒸着膜を形成する被成膜物として、半導体ウェーハやガラス基板などを例示し、これを基板ホルダ５に装着したが、長尺フィルムのようにロール状に巻回された被成膜物であってもよい。ロール状に巻回された被成膜物の場合には、基板ホルダ５に代えて、成膜前のロールを支持してフィルムを送り出す送り側ローラと、成膜後のフィルムを巻き取る巻取側ローラとを設けてもよい。

図３は、本発明に係る真空蒸着装置の第２実施形態を示す概略縦断面、図４は、図３のIV-IV線に沿う矢視図、図５は、本発明に係る真空蒸着装置の第３実施形態を示す概略縦断面、図６は、図５のVI-VI線に沿う矢視図である。第２実施形態及び第３実施形態は、第１実施形態に比べ、遮断部材７の構成が相違する。その他の構成については、第１実施形態の記載をここに援用する。

図３及び図４に示す第２実施形態の真空蒸着装置１では、遮断部材７の側面７ｂが筐体２に接続され、第３領域Ｒ３は、遮断部材７と筐体２の一部とで構成されている。このように、遮断部材７は、他の部品とともに第３領域Ｒ３を構成してもよい。また図５及び図６に示す第３実施形態の真空蒸着装置１では、遮断部材７が、給気装置８のノズル８ａの一部として構成されている。このように、遮断部材７は、それ単独ではなく他の部品の一部として構成してもよい。

《親水性・親水機能の持続性・耐久性に優れた薄膜》
本発明の成膜装置及びこれを用いた成膜方法は、親水性・親水機能の持続性・耐久性に優れた薄膜と、当該特性を有する薄膜の成膜方法にも適用することができる。最初に本発明により成膜できる薄膜の一実施の形態を説明したのち、その成膜方法の一実施の形態を説明する。

本実施形態の薄膜は、膜の厚さ方向に沿う断面視において、空隙を有する柱状構造の第１の膜Ｆを少なくとも含む薄膜である。この第１の膜Ｆの表面は、水に対する接触角が３０°以下、好ましくは１０°以下である。後述する成膜方法により成膜した二酸化ケイ素からなる第１の膜Ｆの表面を観察した顕微鏡写真を図９Ａに示し、同じく第１の膜Ｆの断面を観察した顕微鏡写真を図９Ｂに示す。図９Ｂにおいて、符号Ｓが基板を示し、符号Ｆが第１の膜を示す。また、図９Ａにおいて、符号ＣＲが後述する亀裂を示す。本実施形態の第１の膜Ｆの柱状構造は、図９Ｂに示すように、基本的には基板Ｓなどの下地の表面に対して９０°±２０°方向に延在する柱状構造である。

本実施形態の第１の膜Ｆが形成される下地は、特に限定されず、たとえば基板の表面、他の膜の表面、他の膜の層間などに形成される。成膜対象物である基板Ｓとしては、特に限定されず、ガラス基板のほか、アクリルその他のプラスチック基板や金属基板を適用することができる。なかでも撥水性があるために防曇処理が必要とされ、しかも触手や洗浄などの機会があるため機械的強度などの耐久性が必要とされる光学用途の基板を用いると、本発明の効果がより一層発揮される。

本実施形態の第１の膜Ｆは、図９Ｂに示すように、膜の厚さ方向に沿う断面視において、空隙を有する柱状構造の膜である。すなわち、本実施形態の第１の膜Ｆは、二酸化ケイ素の柱状構造の結晶が基板Ｓに対して略垂直、すなわち９０°±２０°方向に延在し、その間に微細な空隙が、第１の膜Ｆの表面から裏面に向けて形成されている。また、図９Ａに示すように、第１の膜Ｆの表面には、空隙と連通する亀裂ＣＲが形成されている。つまり、二酸化ケイ素の結晶の間に形成された微細な空隙は、第１の膜Ｆの表面で亀裂ＣＲとなって露呈している。

本実施形態の第１の膜Ｆは、特に限定はされないが、鉛筆硬度が２Ｂ以上であることが望ましい。また、本実施形態の薄膜Ｆは、特に限定はされないが、屈折率が１．４４未満であることが望ましい。さらに、本実施形態の第１の膜Ｆは、特に限定はされないが、単一の膜で構成してもよく、多層膜に適用してもよいが、単一の膜からなることが望ましい。本実施形態の第１の膜Ｆを多層膜に適用する場合、最下層、中間層又は最表面の何れに適用してもよい。本実施形態の第１の膜Ｆを含む薄膜の用途は、特に限定はされず、光学用途、機能用途、その他の用途に用いることができる。

本実施形態の第１の膜Ｆの材料としては、二酸化ケイ素，フッ化マグネシウム，酸化アルミニウム，二酸化ジルコニウム，酸化タンタル，二酸化チタン，酸化ニオブ又は二酸化ハフニウムなどを例示することができる。

さらに、本実施形態の第１の膜Ｆの表面に第２の膜を形成してもよい。このとき形成する第２の膜は、第１の膜Ｆの空隙を有する柱状構造を阻害しない、又は空隙を有する柱状構造を維持できる薄膜であることが望ましい。この種の第２の膜として、特に限定はされないが、二酸化ケイ素，フッ化マグネシウム，酸化アルミニウム，二酸化ジルコニウム，酸化タンタル，二酸化チタン，酸化ニオブ又は二酸化ハフニウムなどの単層薄膜を挙げることができる。また、この種の第２の膜として、有機膜を挙げることができる。さらにこの種の第２の膜として、二酸化ケイ素，フッ化マグネシウム，酸化アルミニウム，二酸化ジルコニウム，酸化タンタル，二酸化チタン，酸化ニオブ又は二酸化ハフニウム、又は有機膜を含む多層膜を挙げることができる。

第２の膜として、二酸化ケイ素，フッ化マグネシウム，酸化アルミニウム，二酸化ジルコニウム，酸化タンタル，二酸化チタン，酸化ニオブ又は二酸化ハフニウム、又は有機膜を含む多層膜を用いる場合、上記柱状構造を有する第１の膜Ｆの上に、二酸化ケイ素，フッ化マグネシウム，酸化アルミニウム，二酸化ジルコニウム，酸化タンタル，二酸化チタン，酸化ニオブ又は二酸化ハフニウムの多層膜を形成することができる。また、第２の膜として、二酸化ケイ素，フッ化マグネシウム，酸化アルミニウム，二酸化ジルコニウム，酸化タンタル，二酸化チタン，酸化ニオブ又は二酸化ハフニウム、又は有機膜を含む多層膜を用いる場合、上記柱状構造を有する第１の膜Ｆの上に、二酸化ケイ素，フッ化マグネシウム，酸化アルミニウム，二酸化ジルコニウム，酸化タンタル，二酸化チタン，酸化ニオブ又は二酸化ハフニウムの単層膜を形成し、さらにその上に有機膜を形成することができる。さらに、第２の膜として、二酸化ケイ素，フッ化マグネシウム，酸化アルミニウム，二酸化ジルコニウム，酸化タンタル，二酸化チタン，酸化ニオブ又は二酸化ハフニウム、又は有機膜を含む多層膜を用いる場合、上記柱状構造を有する第１の膜Ｆの上に、二酸化ケイ素，フッ化マグネシウム，酸化アルミニウム，二酸化ジルコニウム，酸化タンタル，二酸化チタン，酸化ニオブ又は二酸化ハフニウムの多層膜を形成し、さらにその上に有機膜を形成することができる。またはこれに代えて、第２の膜として、二酸化ケイ素，フッ化マグネシウム，酸化アルミニウム，二酸化ジルコニウム，酸化タンタル，二酸化チタン，酸化ニオブ又は二酸化ハフニウム、又は有機膜を含む多層膜を用いる場合、上記柱状構造を有する第１の膜Ｆの上に、低屈折率材料の薄膜と高屈折率材料の薄膜とを交互に形成してもよい。

柱状構造を有する第１の膜Ｆの上に第２の膜を形成する場合、第１の膜Ｆの空隙を有する柱状構造を阻害しない、又は空隙を有する柱状構造を維持できる薄膜であることが望ましいので、第２の膜の膜厚は２００ｎｍ以下程度にすることが望ましい。膜の厚さ方向に沿う断面視において空隙を有する柱状構造の第１の膜Ｆの表面は、水との接触角が３０°以下と小さいが、この上にたとえば有機膜を、第１の膜Ｆの空隙を有する柱状構造を阻害しないように、又は空隙を有する柱状構造を維持できるように形成すると、水との接触角は大きいが防曇性のある薄膜が得られる。

図１０は、上述した第１の膜Ｆの単層膜の参考例１と、第１の膜Ｆの上に第２の膜を形成した参考例２と、空隙を有する柱状構造ではない単層膜の参考例３とを用いて、ＪＩＳＫ２３９９（自動車用くもり止め剤）に準拠した装置にて３分間蒸気にさらし、曇りの有無を目視にて確認した結果を示す図である。水との接触角は、協和界面科学社製ＤＭ-３０１を用いて測定した。図１０に示すように、参考例３の薄膜の防曇性に比べると、参考例１の薄膜の防曇性は著しく優れているし、参考例２の薄膜の防曇性も見劣りなく優れている。

上述した低屈折率・高強度と、親水性・親水機能の持続性・耐久性との両方に優れた薄膜について、さらに具体的な実施例と比較例を挙げ、本発明を説明する。
［実施例１］
図１～２の真空蒸着装置１を用いて、ガラス製の基板Ｓ（ＳＣＨＯＴＴ社製Ｎ－ＢＫ７，板厚１．０ｍｍ，φ３０ｍｍ，屈折率ｎ：１．５１６８）の片面に、目標膜厚を５００ｎｍにして二酸化ケイ素の薄膜を成膜した。このときの成膜条件として、図１に示す蒸着機構６の坩堝６ａと基板Ｓとの垂直方向の距離を３５～7０ｃｍ、第１領域Ｒ１の目標真空度を１Ｐａ、第２領域Ｒ２の目標真空度を０．００１Ｐａとした。また、蒸着材料Ｍとして二酸化ケイ素を用い、電子銃６ｂの電流量を１７０ｍＡとした。また基板Ｓは２００℃に加熱した。また、イオン源としてカウフマン型のイオン源１１を用い、出力設定については、加速電圧を１．０ｋＶ、加速電流を０．８Ａとした。

得られた二酸化ケイ素膜について、分光光度計（日立ハイテクノロジーズ社製Ｕ－４１００）を用いて分光透過率と分光反射率を測定し、その透過率と反射率より成膜後の膜の屈折率を算出した。また、同じ膜について鉛筆硬度試験（ＪＩＳＫ５６００塗料一般試験方法４．４引っかき硬度（鉛筆法）に準じた。）を行った。また、同じ膜について協和界面科学社製ＤＭ-３０１を用いて、水に対する接触角を測定した。この結果を表１に示す。

［比較例１］
実施例１で用いた真空蒸着装置１から遮断部材７を取り外し（図８参照）、成膜室２ａの内部全体の真空度を０．００１Ｐａとし、イオン源１１の出力設定については、加速電圧を０．５ｋＶ、加速電流を０．２Ａとして真空蒸着による成膜を行ったこと以外は実施例１と同じ条件で成膜した。得られた二酸化ケイ素膜の鉛筆硬度と屈折率を表１に示す。

［考察］
実施例１の結果のとおり、第１領域Ｒ１の雰囲気圧力を０．０５～１００Ｐａ、第２領域Ｒ２の圧力を０．０５Ｐａ以下とし、遮断部材７を用いた真空蒸着装置１によるイオンアシスト真空蒸着法を行うと、成膜材料である二酸化ケイ素（バルク）の屈折率１．４６より低い、１．３３３の屈折率の膜が形成された。また、一般的に低屈折率膜は機械的強度が低いが、実施例１では、鉛筆硬度試験結果が２Ｈの膜が形成された。これは、第２領域Ｒ２の真空度が充分高くなったため、イオン源１１の出力設定値を高くできたからである。これに対して、比較例１の結果のとおり、図８に示す、遮断部材７のない真空蒸着装置１を用いたイオンアシスト真空蒸着法により、ガラス製の基板の表面に二酸化ケイ素膜を形成すると、第２領域Ｒ２の真空度が高くならず、イオン源１１の出力設定値を大きくできなかった。そのため、成膜された二酸化ケイ素膜の屈折率は１．３６４と低いが、膜の強度が相対的に小さくなった。なお、親水性については、実施例１及び比較例１共に、水に対する接触角が小さく親水性に優れていることが確認された。また、鉛筆硬度試験で確認される機械的強度も２Ｈと大きいことが確認された。これは、第２領域Ｒ２の真空度が充分高くなったため、イオン源１１の出力設定値を高くできたからである。

１…真空蒸着装置
２…筐体
２ａ…成膜室
３…第１排気装置
３ａ…ゲートバルブ
４…第２排気装置
５…基板ホルダ
５ａ…基板保持面
５ｂ…回転軸
５ｃ…駆動部
６…蒸着機構
６ａ…坩堝
６ｂ…電子銃
６ｃ…シャッタ
６ｄ…マイスナトラップ
７…遮断部材
７ａ…底面
７ｂ…側面
７ｃ…上面
８…給気装置
８ａ…ノズル
８ｂ…ガス供給源
１０…制御装置
１１…イオン源
Ｒ１…第１領域
Ｒ２…第２領域
Ｒ３…第３領域
Ｓ…基板
Ｍ…蒸着材料

Claims

少なくとも蒸着材料と被蒸着物とが設けられる成膜室と、
前記成膜室の内部全体を減圧する排気装置と、
前記被蒸着物を含む第１領域に、形成した膜と反応しないガスを供給する給気装置と、
前記給気装置から供給したガスが、前記蒸着材料を含む第２領域に向かって流れるのを抑制する遮断部材と、
蒸発した前記蒸着材料を前記被蒸着物に成膜する制御装置と、を備える成膜装置を用い、
前記第１領域の、蒸発した前記蒸着材料の平均自由行程が、前記被蒸着物と前記蒸着材料との距離より小さくなるように、前記第１領域の圧力を設定し、
前記第２領域の、蒸発した前記蒸着材料の平均自由行程が、前記被蒸着物と前記蒸着材料との距離より大きくなるように、前記第２領域の圧力を設定し、
この状態で、真空蒸着法により、前記第２領域において前記蒸着材料を蒸発させ、前記第１領域において前記被蒸着物に前記蒸発した蒸着材料を成膜する成膜方法において、
膜の厚さ方向に沿う断面視において、空隙を有する柱状構造の膜であって、
水に対する接触角が３０°以下である薄膜を形成する成膜方法。
少なくとも蒸着材料と被蒸着物とが設けられる成膜室と、
前記成膜室の内部全体を減圧する排気装置と、
前記被蒸着物を含む第１領域に、形成した膜と反応しないガスを供給する給気装置と、
前記給気装置から供給したガスが、前記蒸着材料を含む第２領域に向かって流れるのを抑制する遮断部材と、
蒸発した前記蒸着材料を前記被蒸着物に成膜する制御装置と、を備える成膜装置を用い、
前記第１領域の、蒸発した前記蒸着材料の平均自由行程が、前記被蒸着物と前記蒸着材料との距離より小さくなるように、前記第１領域の圧力を設定し、
前記第２領域の、蒸発した前記蒸着材料の平均自由行程が、前記被蒸着物と前記蒸着材料との距離より大きくなるように、前記第２領域の圧力を設定し、
この状態で、真空蒸着法により、前記第２領域において前記蒸着材料を蒸発させ、前記第１領域において前記被蒸着物に前記蒸発した蒸着材料を成膜する成膜方法において、
膜の厚さ方向に沿う断面視において空隙を有する柱状構造の第１の膜と、
前記第１の膜の上に形成された、前記空隙を有する柱状構造を阻害しない第２の膜と、を有する防曇性を発揮する薄膜を形成する成膜方法。
前記空隙は、前記膜の表面から裏面に向けて形成されている請求項１又は２に記載の成膜方法。
前記膜の表面に、前記空隙と連通する亀裂を有する請求項１～３のいずれか一項に記載の成膜方法。
前記薄膜の鉛筆硬度が２Ｂ以上である請求項１～４のいずれか一項に記載の成膜方法。
前記薄膜の屈折率が１．４４未満である請求項１～５のいずれか一項に記載の成膜方法。
膜の材料が二酸化ケイ素である請求項１～６のいずれか一項に記載の成膜方法。