JPWO2017104443A1

JPWO2017104443A1 - サファイア基板の製造方法及びサファイア基板

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Publication number: JPWO2017104443A1
Application number: JP2017555978A
Authority: JP
Inventors: 英夫鈴木; 勉西橋
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2018-08-30
Also published as: WO2017104443A1

Abstract

反射防止機能を持つサファイア基板を低コストで生産性よく製造することができるサファイア基板の製造方法を提供する。
サファイア基板Ｓｗの外表面側に、当該サファイア基板より屈折率の低い低屈折率領域を有して可視光に対する反射防止機能を持つ本発明のサファイア基板の製造方法は、サファイア基板の外表面に臨むプラズマ発生室１１ａに窒素含有ガスを導入し、プラズマＰを発生させ、プラズマ中で電離した窒素イオンを加速してサファイア基板の外表面側から注入し、当該サファイア基板の外表面から所定厚さに亘る低屈折率領域Ｓｗｅを形成する工程を含む。

Description

本発明は、サファイア基板の製造方法及びサファイア基板に関し、より詳しくは、サファイア基板の外表面側に、当該サファイア基板より屈折率の低い低屈折率領域を有して可視光に対する反射防止機能を持つサファイア基板の製造方法及びサファイア基板に関する。

近年、時計や携帯電話（スマートフォン）などの機器用の所謂カバーガラスに、無色透明で比較的高い硬度と強度を持つサファイア基板が用いられている。そして、機器の表示に対する利用者の視認性を高めるために、可視光（波長が４００〜８００ｎｍの範囲の光）に対する反射防止機能を持つようにサファイア基板の外表面に反射防止膜を積層することが知られている。

このような反射防止膜を備えたサファイア基板の製造方法は例えば特許文献１で知られている。このものでは、サファイア基板の表面に第１の窒化シリコン層、第１の酸化シリコン層、第２の窒化シリコン層及び最外層としての第２の酸化シリコン層を順次積層して反射防止膜が構成されている。この場合、各層は、反応性スパッタリング法により成膜される。

具体的には、スパッタリング装置の真空チャンバ内にシリコン製のターゲットとサファイア基板とを配置し、真空雰囲気下でアルゴン等の放電用ガスと共に窒素ガスまたは酸素ガスを適宜導入し、ターゲットに電力投入して真空チャンバ内にプラズマを形成し、プラズマ中の放電用ガスのイオンでシリコン製のターゲットをスパッタリングすることで反応性スパッタリング法により各層が形成される。然し、上記従来例のように反射防止膜を形成するのでは、所定膜厚の各層を順次形成していくのに時間がかかるばかりか、消耗品としてのターゲットを用いるため、製造コストが高くなるという問題がある。

特開２００６−２７５５２６号公報

本発明は、以上の点に鑑み、反射防止機能を持つサファイア基板を低コストで生産性よく製造することができるサファイア基板の製造方法及びサファイア基板を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、サファイア基板の外表面側に、当該サファイア基板より屈折率の低い低屈折率領域を有して可視光に対する反射防止機能を持つ本発明のサファイア基板の製造方法は、サファイア基板の外表面に臨むプラズマ発生室に窒素含有ガスを導入し、プラズマを発生させ、プラズマ中で電離した窒素イオンを加速してサファイア基板の外表面側から注入し、当該サファイア基板の外表面から所定厚さに亘る低屈折率領域を形成する工程を含むことを特徴とする。

本発明によれば、サファイア基板の外表面側から窒素イオンを注入することで、サファイア基板の結晶内中に窒素イオンが存在し、サファイア基板（屈折率ｎ＝１．８）より低い屈折率（ｎ＝１．３〜１．７の範囲）となる、外表面から所定厚さの低屈折率領域がサファイア基板の外表面側に形成される。そして、低屈折率領域の存在により、サファイア基板の外表面から入射する４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲の特定波長の可視光に対する反射率がサファイア基板の反射率（約８％）より小さくなり、サファイア基板に反射防止機能を付与することができる。この場合、所謂イオン注入法により窒素イオン（窒素原子、窒素分子のイオン）を注入するだけであるから、上記従来例の方法と比較して反射防止機能を付与するための時間を短縮できて生産性が向上し、しかも、ターゲット等が不要になることで製造コストも大幅に削減することができる。

本発明においては、窒素イオンを注入する工程にて窒素イオンのドーズ量を１Ｅ１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２〜１Ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ^２の範囲に設定することが好ましい。これによれば、低屈折率領域の屈折率を確実にサファイア基板の屈折率より小さくできる。この場合、ドーズ量が１Ｅ１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２より少ないと、反射防止機能を付与できる程、低屈折率領域の屈折率を低下させる（例えば、ｎ＜１．８）ことができない。また、１Ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ^２より多くなると、イオン注入時間が長くなり過ぎ、実用的でない。

また、本発明においては、窒素イオンを注入する工程にて窒素イオンの注入エネルギーを６０ｋｅＶ以下の範囲内で変化させることが好ましい。これによれば、サファイア基板の用途に応じて反射率を低下させたい特定の波長領域を変更することができ、有利である。この場合、注入エネルギーが６０ｋｅＶより大きいと、低屈折率領域が深くなり、その表面側に高屈折率領域が存在して反射率が低下しない（良好な反射防止機能を付与できない）という不具合がある。

上記課題を解決するために、サファイア基板の外表面側に、当該サファイア基板より屈折率の低い低屈折率領域を有して可視光に対する反射防止機能を持つ本発明のサファイア基板は、当該サファイア基板の外表面から所定厚さに亘る窒素イオンが注入された低屈折率領域を有することを特徴とする。

本発明においては、前記低屈折率領域の屈折率が、サファイア基板（屈折率ｎ＝１．８）よりも低い１．３〜１．７であることが好ましい。

また、本発明においては、前記低屈折率領域に注入された窒素イオンのドーズ量は１Ｅ１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２〜１Ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ^２の範囲内であることが好ましい。これによれば、低屈折率領域の屈折率を確実にサファイア基板の屈折率より小さくできる。

本発明のサファイア基板の製造方法に用いることができるイオン注入装置の模式図。本発明を実施して得られたサファイア基板の部分断面図。本発明の実験結果を示すグラフ。本発明の実験結果を示すグラフ。

以下、図面を参照して、本発明のサファイア基板の製造方法の実施形態を説明する。図１を参照して、ＩＭは、本実施形態のサファイア基板Ｓｗの製造方法に用いることができるイオン注入装置である。ここで、以下、「上」、「下」といった方向を示す用語を図１に示すイオン注入装置ＩＭの姿勢を基準として説明すれば、イオン注入装置ＩＭは、プラズマ発生室１１ａを画成する上チャンバ１１と、プラズマ処理室１２ａを画成する下チャンバ１２とを上下方向で環状の絶縁体１３を介して連設してなる真空チャンバ１を備える。下チャンバ１２には真空ポンプ２からの排気管２１が接続され、真空チャンバ１を所定圧力に真空排気できるようになっている。

上チャンバ１１の天井璧には高周波導入用の石英窓１２ｂが設けられ、石英窓１２ｂの上方には、公知の構造を持つ高周波電源Ｅ１に接続される高周波導入用のアンテナコイル５が設けられている。また、石英窓１２ｂには、窒素含有ガスとしての窒素ガスを収納したガス源３１に通じるガス導入管３が接続され、ガス導入管３に介設したマスフローコントローラ３２により所定の流量で窒素ガスをプラズマ発生室１１ａ内に導入できるようにしている。そして、真空チャンバ１内が所定圧力まで真空引きされた後、マスフローコントローラ３２を制御してプラズマ発生室１１ａ内に窒素ガスを導入し、高周波電源Ｅ１からコイル５に所定の高周波電力を投入することで、プラズマ発生室１１ａ内にＩＣＰ放電によりプラズマＰを発生させることができる。この場合、窒素ガスの導入量及び投入高周波電力を適宜制御することでプラズマ密度を変化させることができ、サファイア基板Ｓｗへのドーズ量を制御することができる。

下チャンバ１２内には、サファイア基板Ｓｗの一方の外表面がプラズマ発生室１１ａを臨むようにサファイア基板Ｓｗを保持するアース接地のステージ４が設けられている。また、上チャンバ１１の下端開口と下チャンバ１２の上端開口とで形成される連通部１４には、メッシュ部材で構成されるイオン引出電極６と、イオン引出電極６の下方に所定間隔を存して配置されるメッシュ状の加速電極７とが設けられ、イオン引出電極６と加速電極７とが公知の構造を持つ引出・加速用の直流電源Ｅ２に接続されている。そして、直流電源Ｅ２を制御することでサファイア基板Ｓｗへの窒素イオンの注入エネルギーを適宜制御することができる。以下に、窒素含有ガスを窒素ガスとして、上記イオン注入装置ＩＭを用いてサファイア基板Ｗの片面側から窒素イオンを注入して反射防止機能を持つサファイア基板Ｓｗ製造する方法を具体的に説明する。

先ず、プラズマ処理室１２ａ内のステージ４上にサファイア基板Ｓｗを載置した状態で真空ポンプ２により真空チャンバ１内を真空排気する。真空チャンバ１内が所定圧力まで真空引きされると、マスフローコントローラ３２を制御してプラズマ発生室１１ａ内に窒素ガスを導入する。この場合、窒素ガスのガス流量を１〜５０ｓｃｃｍの範囲の流量に制御する。そして、高周波電源Ｅ１からコイル５に０．１ｋＷ以上の高周波電力を投入し、プラズマ発生室１２ａ内にＩＣＰ放電によりプラズマＰを発生させる。

併せて、直流電源Ｅ２により、上チャンバ１１とイオン引出電極６との間に０．２ｋＶ〜３ｋＶの範囲の電圧を、上チャンバ１１と加速電極７との間に６０ｋＶ以下の範囲の電圧を夫々印加することで、主としてプラズマＰで電離した窒素分子イオンがプラズマ処理室１２ａ側に向けて引き出され、加速されて所定の注入エネルギーでサファイア基板Ｓｗに注入される。この場合、窒素分子イオンのドーズ量は１Ｅ１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２〜１Ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ^２の範囲に設定される。ドーズ量が１Ｅ１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２より少ないと、反射防止機能を付与できる程、低屈折率領域Ｓｗｅの屈折率を低下させる（例えば、ｎ＜１．８）ことができない。また、１Ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ^２より多くなると、イオン注入時間が長くなり過ぎ、実用的でない。他方、窒素分子イオンの注入エネルギーは６０ｋｅＶ以下の範囲内に設定される。注入エネルギーが６０ｋｅＶより大きくなると、低屈折率領域が深くなり、その表面側に高屈折率領域が存在して反射率が低下しない（良好な反射防止機能を付与できない）という不具合がある。尚、可視光（波長が４００〜８００ｎｍの範囲の光）においては注入エネルギーを１５ｋｅＶ以上とすることで、より良好な反射防止機能を得られて有利である。

以上のようにしてサファイア基板Ｓｗの片面側から窒素イオンを注入すれば、図２に示すように、サファイア基板Ｓｗの結晶中に窒素イオンが存在し、サファイア基板（屈折率ｎ＝１．８）より低い屈折率（ｎ＝１．３〜１．７の範囲）となる、外表面から所定厚さｄ（例えば、２０ｎｍ＜ｄ＜１５０ｎｍ）の低屈折率領域Ｓｗｅがサファイア基板Ｓｗの外表面側に形成される。そして、低屈折率領域Ｓｗｅの存在により、サファイア基板Ｓｗの外表面から入射する４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲の特定波長の可視光に対する反射率がサファイア基板の反射率（約８％）より小さくなり、サファイア基板Ｓｗに反射防止機能を付与することができる。

以上の実施形態によれば、所謂イオン注入法により窒素イオン（窒素原子、窒素分子のイオン）を注入するだけであるから、上記従来例の方法と比較して反射防止機能を付与するための時間を短縮できて生産性を向上でき、しかも、ターゲット等が不要になることで製造コストも大幅に削減することができる。

次に、本発明の効果を示すため図１に示すイオン注入装置ＩＭを用いて次の実験を行った。サファイア基板Ｓｗとして、φ５０．８ｍｍ×厚さ０．４ｍｍのものを用い、また、窒素イオンの注入に際しては、プラズマ発生室１２ａの圧力が１０^−２Ｐａ台、窒素ガスのガス流量が１０ｓｃｃｍ、注入エネルギーを３０ｋｅＶ、ドーズ量が１Ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ^２になるように、マスフローコントローラ３２、高周波電源Ｅ１及び直流電源Ｅ２を夫々制御した（このとき、上チャンバ１１とイオン引出電極６との間の電圧は２ｋＶ、上チャンバ１１と加速電極７との間の電圧は３０ｋＶ）。そして、図外の分光器を用いて窒素分子イオンが注入されたサファイア基板Ｗの片面における反射率を測定したところ、４００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲の波長の光に対する反射率を１％以下にでき、５００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲の波長の光に対する反射率を５％以下にでき、サファイア基板Ｓｗに反射防止機能を付与できることが確認された。

次に、窒素分子イオンの注入に際して、直流電源Ｅ２を制御することで注入エネルギーのみを１５ｋｅＶ、４０ｋｅＶ、６０ｋｅＶに夫々変更してサファイア基板に窒素分子イオンを注入し、図外の分光器を用いて窒素分子イオンが注入されたサファイア基板Ｗの片面における反射率を測定した。図３は、そのときの波長に対する反射率を示すグラフである。これによれば、注入エネルギーを変更すれば、サファイア基板Ｓｗの用途に応じて反射率を低下させたい特定の波長領域を変更することができることが確認された。

次に、窒素分子イオンの注入に際して、ドーズ量のみを５Ｅ１４ｉｏｎｓ／ｃｍ^２〜１Ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ^２の範囲で変更してサファイア基板に窒素分子イオンを注入し、図外の分光エリプソメータを用いて窒素分子イオンが注入された領域の屈折率を測定した。図４は、そのときのドーズ量に対する屈折率の変化を示すグラフである。これによれば、ドーズ量が５Ｅ１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２より少ないと、反射防止機能を付与できる程、低屈折率領域の屈折率を低下させることができないことが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。即ち、上記イオン注入装置ＩＭは、サファイア基板Ｓｗの製造方法に用いることができる一例の装置であり、例えばプラズマの発生方法はＩＣＰ放電を利用したものに限られるものではなく、また、質量分離して窒素ガスイオンのみをサファイア基板に注入するようなイオン注入装置でもよい。また、上記実施形態では、窒素含有ガスとして窒素ガスを用いるものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、窒素ガスイオンのみをサファイア基板に注入できるのであれば、広く適用することができる。

ＩＭ…イオン注入装置、Ｐ…プラズマ、Ｓｗ…サファイア基板、Ｓｗｅ…低屈折率領域、１１ａ…プラズマ発生室。

Claims

サファイア基板の外表面側に、当該サファイア基板より屈折率の低い低屈折率領域を有して可視光に対する反射防止機能を持つサファイア基板の製造方法であって、
サファイア基板の外表面に臨むプラズマ発生室に窒素含有ガスを導入してプラズマを発生させ、プラズマ中で電離した窒素イオンを加速してサファイア基板の外表面側から注入し、当該サファイア基板の外表面から所定厚さに亘る低屈折率領域を形成する工程を含むことを特徴とするサファイア基板の製造方法。
前記窒素イオンを注入する工程にて窒素イオンのドーズ量を１Ｅ１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２〜１Ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ^２の範囲に設定したことを特徴とする請求項１記載のサファイア基板の製造方法。
前記窒素イオンを注入する工程にて窒素イオンの注入エネルギーを６０ｋｅＶ以下の範囲内で変化させることを特徴とする請求項１または請求項２記載のサファイア基板の製造方法。
サファイア基板の外表面側に、当該サファイア基板より屈折率の低い低屈折率領域を有して可視光に対する反射防止機能を持つサファイア基板であって、
当該サファイア基板の外表面から所定厚さに亘る窒素イオンが注入された低屈折率領域を有することを特徴とするサファイア基板。
前記低屈折率領域の屈折率は１．３〜１．７であることを特徴とする請求項４記載のサファイア基板。
前記低屈折率領域に注入された窒素イオンのドーズ量は１Ｅ１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２〜１Ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ^２の範囲内であることを特徴とする請求項４または請求項５記載のサファイア基板