(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単に薄膜の光学的特性の向上を図り、特に多層構造とした場合に光学特性の向上を可能にする。【解決手段】真空容器内１０に保持した基板１４に高屈折率物質と低屈折率物質とを交互にイオンアシスト蒸着法によって蒸着する光学薄膜形成方法において、基板１４に形成した低屈折率物質の蒸着薄膜に高屈折率物質の蒸発粒子とイオンとを同時に供給する蒸着工程の前に、イオンを所定時間供給する予備的イオン照射工程を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に保持した基板に高屈折率物質と低屈折率物質とを交互にイオンアシスト蒸着法によって蒸着する光学薄膜形成方法において、
前記基板に形成した低屈折率物質の蒸着薄膜に前記高屈折率物質の蒸発粒子とイオンとを同時に供給する蒸着工程の前に、イオンを所定時間供給する予備的イオン照射工程を設けたことを特徴とする光学薄膜形成方法。
【請求項２】
高屈折率物質の蒸着工程の前および低屈折率物質の蒸着工程の前に予備的イオン照射工程を設けた請求項１記載の光学薄膜形成方法。
【請求項３】
高屈折率物質および低屈折率物資の蒸着工程の後にイオン照射を停止するイオン照射停止期間を設ける請求項１または２の光学薄膜形成方法。
【請求項４】
基板に蒸着された高屈折率物質はＴiＯ2であり、低屈折率物質はＳiＯ2である請求項１〜３のいずれかの光学薄膜形成方法。
【請求項５】
真空容器内に保持した基板に高屈折率物質と低屈折率物質とを交互にイオンアシスト蒸着法によって蒸着する光学薄膜形成装置において、
所定の圧力に保たれた真空容器と、この真空容器内に保持された基板と、
この基板に所定距離離して対向する高屈折率物質の蒸発手段および低屈折率物資の蒸発手段と、
これらの蒸発手段と基板との間にそれぞれ進退出動する第１の蒸発源シャッターおよび第２の蒸発源シャッタと、
基板に対してイオンを照射するイオン銃と、
このイオン銃による基板へのイオン照射を制御するイオン銃シャッターと、
前記高屈折率物質または低屈折率物質の蒸発粒子とイオンとを同時に供給する蒸着工程を制御すると共に前記高屈折率物質の蒸着工程に先行してイオンを所定時間供給するように制御するコントローラと、
を備えることを特徴とする光学薄膜形成装置。
【請求項６】
請求項５において、さらに基板に向かって電子を照射するニュートラライザを備える光学薄膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＴiＯ2などの高屈折率物質とＳiＯ2などの低屈折率物質とを交互にイオンアシスト蒸着法によって蒸着する光学薄膜形成方法と、この方法の実施に直接使用する光学薄膜形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学分野で用いる光学レンズや光学フィルタなどでは基材表面に薄膜を形成することにより、光学特性を制御している。例えばＴiＯ2やＴａ2Ｏ5などの高屈折率物質とＳiＯ2などの低屈折率物質との薄膜をそれぞれ所定厚さで交互に多層に積層した反射防止膜が知られている。また特定波長域の光を選択的に透過するフィルタも広く用いられている。
【０００３】
これらの高屈折率物質や低屈折率物質の薄膜形成方法の１つとして、イオンアシスト蒸着法（ion beam assisted deposition; IBAD、イオンビーム支援堆積法ともいう。）が公知である。この方法は、真空容器の中で蒸発させた中性の薄膜材料（蒸着粒子）を基板表面に到達させる際に、イオン銃で数１００ｅＶ程度の比較的低エネルギーのガスイオン（および基板表面にたまるプラス電荷を中和するための同量の電子）を基板に照射し、その運動エネルギーによって緻密な膜にする方法である。
【０００４】
【特許文献１】特開平１−１９７７０１号公報
【特許文献２】特開２００５−４２１３２号公報
【特許文献３】特開平１０−１２３３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のイオンアシスト蒸着法は中性の蒸着粒子とイオンとを同時に供給するものであり、蒸着粒子が基板に付着する際にイオンの運動エネルギーを利用して薄膜の吸収・散乱などの光学特性の向上を図り、薄膜の密度向上を可能にするものである。
【０００６】
一方光学機器においては光透過率などの光学特性の向上が常に要求されている。特に高屈折率物質と低屈折率物質とを交互に多層に積層する反射防止膜や光学フィルタなどでは、薄膜の吸収・散乱などの光学特性の僅かな低下により最終製品としての特性は著しく低下することになる。
【０００７】
一般に真空容器内は常に真空ポンプで排気されているが、真空容器内に収容された蒸発源や基板の保持手段やシャッタ機構などの種々の部分から不純物が蒸発するため、これらの不純物が基板表面に付着する。このような不純物があると蒸着膜に不純物が入ったり、蒸着膜が結晶化しやすくなり、吸収や散乱が増え、多層膜の光学特性が低下する。不純物を除去するためには、排気時間を長くしたり真空度を上げることが考えられるが、この場合には処理能率が低下したり真空系が複雑になる。
【０００８】
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、簡単に薄膜の光学的特性の向上が図れ、特に多層構造とした場合に光学特性の向上が可能になる光学薄膜形成方法を提供することを第１の目的とする。また同様な光学薄膜形成装置を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によれば第１の目的は、真空容器内に保持した基板に高屈折率物質と低屈折率物質とを交互にイオンアシスト蒸着法によって蒸着する光学薄膜形成方法において、前記基板に形成した低屈折率物質の蒸着薄膜に前記高屈折率物質の蒸発粒子とイオンとを同時に供給する蒸着工程の前に、イオンを所定時間供給する予備的イオン照射工程を設けたことを特徴とする光学薄膜形成方法、により達成される。
【００１０】
また第２の目的は、真空容器内に保持した基板に高屈折率物質と低屈折率物質とを交互にイオンアシスト蒸着法によって蒸着する光学薄膜形成装置において、所定の圧力に保たれた真空容器と、この真空容器内に保持された基板と、この基板に所定距離離して対向する高屈折率物質の蒸発手段および低屈折率物資の蒸発手段と、これらの蒸発手段と基板との間にそれぞれ進退出動する第１の蒸発源シャッターおよび第２の蒸発源シャッタと、基板に対してイオンを照射するイオン銃と、このイオン銃による基板へのイオン照射を制御するイオン銃シャッターと、前記高屈折率物質または低屈折率物質の蒸発粒子とイオンとを同時に供給する蒸着工程を制御すると共に前記高屈折率物質の蒸着工程に先行してイオンを所定時間供給するように制御するコントローラと、を備えることを特徴とする光学薄膜形成装置、により達成される。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、高屈折率物質の蒸発粒子とイオンとを同時に照射する蒸着工程に先行して、イオンを照射する工程（予備的イオン照射工程）を付加したので、高屈折率物質の蒸着に先行してイオンが低屈折率物質の蒸着薄膜の表面に衝突して表面を清浄化する。
【００１２】
高屈折率物質の蒸着に先行してイオンを低屈折率物質の蒸着薄膜の表面に照射するので、低屈折率物質の蒸着薄膜の表面に付着する不純物を高屈折率物質の蒸着開始に先行して除去することができ、その直後に連続して高屈折率物質の蒸着を行うので薄膜に不純物が混入しにくくなる。このため高屈折率物質の吸収・散乱などの光学特性を向上させることができる。
【００１３】
なお高屈折率物質の蒸着に先行する予備的イオン照射工程は、イオン銃あるいはイオン銃シャッタを制御するだけであるから、処理能率の大幅な低下を招くことがなく、装置が複雑になることもない。
【００１４】
請求項５の発明によれば、前記請求項１の発明の実施に直接使用する光学薄膜形成装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明は高屈折率物質の蒸着に適するものであるが、低屈折率物質の蒸着にも先行して予備的イオン照射工程を行ってもよい。また高屈折率物質および低屈折率物資の蒸着工程の後にイオンの供給を停止する期間（イオン照射停止期間）を設けるのがよい。この期間を設けることによって基板の表面温度の上昇を抑制し温度管理が可能になるからである。
【００１６】
予備的イオン照射工程におけるイオンのイオン照射電力（パワー）は、高屈折率物質の蒸着中のイオン照射電力と同じあるいは大きくしたり小さくしてもよい。特にこの照射電力を小さくした場合には、下地となる低屈折率物質の蒸着表面を傷めるおそれがなくなるので好ましい。ここに照射電力密度はイオンの加速電圧（Ｖ）とイオン電流密度（Ｉ）の積（Ｖ・Ｉ）である。
【００１７】
この場合、予備的イオン照射工程の時間は、イオンの照射電力や下地の表面状態によって変化させるのがよい。例えば照射電力を大きくする場合には照射時間（Ｔ）を短くし、反対に照射電力を小さくする場合には照射時間（Ｔ）を長くすることによって、照射エネルギー密度（Ｖ・Ｉ・Ｔ）を制御するのがよい。
【００１８】
蒸着される高屈折率物質は、ＴiＯ2（二酸化チタン）やＴａ2Ｏ5（五酸化タンタル）などであるが、特にＴiＯ2が安価であって好ましい。蒸着される低屈折率物質はＳiＯ2（二酸化シリコン）が望ましい。この場合イオン銃は、ＴiＯ2に対して反応性ガスとしてのＯ2と希ガスとしてのＡｒをイオン化して射出し、ＳiＯ2に対しては反応性ガスＯ2のみをイオン化して射出するものとするのがよい。
【００１９】
また真空容器には、電子を照射するニュートラライザを設け、イオンによる基板表面の帯電を電子によって中和させるのがよい。基板表面が帯電すると放電によって薄膜に損傷を与え光学特性が劣化するからである。
【実施例１】
【００２０】
図１は本発明の一実施例である光学薄膜形成装置の概念図である。この図で符号１０は真空容器であり、図示しない排気手段によって所定の圧力（例えば３×１０-2〜１０-4Ｐaの程度）に排気される。この真空容器は縦置き円筒状であり、その内部の上方には球面状のステンレス製の基板ホルダ１２が垂直軸回りに回動可能に保持されている。この基板ホルダ１２の下面には多数の基板１４が薄膜形成面を下向きにして固定されている。基板１４は形状が板状あるいはレンズなどに加工されたガラスや樹脂である。
【００２１】
基板ホルダ１２の中心に設けた開口には光学モニタ１６および水晶モニタ１８が配設されている。光学モニタ１６は基板１４と同じ材料で作られた透明な板であり、真空容器１０の上方に設けたミラーユニット２０によって、投光器２２から供給される光を光学モニタ１６に導き、この光学モニタ１６の反射光をミラーユニット２０を介して分光器２４に導き、一定波長の光強度から膜厚検出部２６で光学膜厚を検出するものである。また水晶モニタ１８は、その表面に薄膜が付着することによる共振周波数の変化から物理膜厚を膜厚検出部２６で検出する。膜厚の検出結果は、コントローラ２８に送られる。
【００２２】
基板ホルダ１２の上方には電気ヒータ３０が配設されている。基板ホルダ１２の温度は熱電対などの温度センサ３２で検出され、その結果はコントローラ２８に送られる。コントローラ２８はこの温度センサ３２の出力を用いて電気ヒータ３０を制御して基板１４の温度を適切に管理する。
【００２３】
真空容器１０の内部の下方には、高屈折率物質（ＴiＯ2）蒸発手段である蒸発源３４、低屈折率物質（ＳiＯ2）の蒸発手段である蒸発源３６、イオン銃３８が配設されている。蒸発源３４、３６は電子ビーム加熱方式によって高屈折率物質や低屈折率物質を加熱し蒸発させる。イオン銃３８は反応性ガス（Ｏ2など）や希ガス（Ａｒなど）のプラズマから帯電したイオン（Ｏ2+、Ａｒ+）を引出し加速電圧により加速して基板１４に向けて射出する。
【００２４】
蒸発源３４の上方には、開閉可能な第１のシャッタ３４Ａが取付けられている。蒸発源３６の上方には、開閉可能な第２のシャッタ３６Ａが取付けられている。イオン銃３８の上方にはイオン銃シャッタ３８Ａが開閉可能に取付けられている。
【００２５】
４０はニュートラライザである。このニュートラライザ４０は電子を基板１４に向かって放出するものでありＡｒなどの希ガスのプラズマから電子（ｅ−）を引き出し、加速電圧で加速して電子を射出する。ここから射出される電子は、基板表面に付着したイオンを中和する。
【００２６】
次にこの装置の動作を図２を用いて説明する。図２は各シャッタ３４Ａ、３６Ａ、３８Ａの開閉タイミングの時間変化を説明するタイミング図である。真空容器１０内に基板１４を固定した基板ホルダ１２をセットし、真空容器１０内を所定圧力まで排気する。その後電気ヒータ３０を発熱させ、基板ホルダー１２を低速で回転させる。この回転によって多数の基板１４の温度と膜形成条件とを均一化する。
【００２７】
コントローラ２８は、基板１４の温度が設定温度になったことを温度センサ３２の出力により判定すると蒸着工程に入るが、その前にイオン銃３８はイオン源をアイドル運転状態としておく。また蒸発源３４、３６もシャッタ３４Ａ、３６Ａの開動作によって直ちに蒸発粒子を拡散（放出）できるように準備しておく。
【００２８】
図２において、Ａは高屈折率物質の蒸着工程を、Ｂは低屈折率物質の蒸着工程を示す。コントローラ２８は、高屈折率物質の蒸着工程Ａに先行してイオン銃３８の照射電力をアイドル状態から事前に設定された照射電力に増大させ、イオン銃シャッタ３８Ａを開く。この工程は図２のＣで示す予備的イオン照射工程（プレ照射ともいう）である。この工程Ｃは実験から決めた最適時間、例えば約１０〜２０秒間続ける。
【００２９】
この予備的イオン照射工程の照射電力（Ｖ・Ｉ）および時間（Ｔ）は、照射電力（Ｖ・Ｉ）が強すぎたり時間（Ｔ）が長いと、下地となる薄膜（低屈折率物質の蒸着薄膜）が少しずつスパッタされることになるので、光の吸収・散乱が少ない必要な膜特性が得られる範囲でできるだけ照射電力を弱くし時間を短くするのがよい。蒸着速度（蒸着レートという）が速いほど照射電力を相対的に強くしかつ時間を長くするのがよい。
【００３０】
この工程Ｃに続いて、コントローラ２８はイオン銃シャッタ３８Ａを開いたままイオン銃３８の照射電力を正規の蒸着工程Ａに対応するようにして、同時に第１の蒸発シャッタ３４Ａを開く。このため高屈折率物質の蒸着工程Ａに入り、高屈折率物質の蒸着が行われる。この工程Ａではコントローラ２８は膜厚を光学モニタ１６、水晶モニタ１８により監視し続け、所定の膜厚になると蒸着を停止する。
【００３１】
すなわちコントローラ２８は、この工程Ａを終了させるために第１のシャッタ３４Ａとイオン銃シャッタ３８Ａを閉じ、イオン銃３８をアイドル状態に戻す。この状態で、蒸発物質Ｂの蒸発準備（事前溶かし込み）を行い、準備完了後コントローラ２８はイオン銃３８の照射電力を正規の蒸着工程Ｂに対応するようにすると共に、低屈折率物質の第２のシャッタ３６Ａとイオン銃シャッタ３８Ａとを同時に開く。このため低屈折率物質の蒸発粒子が基板１４に付着する。この工程Ｂでは、コントローラ２８は膜厚を監視し続け、所定の膜厚になると停止する。
【００３２】
すなわち第２の蒸発シャッタ３６Ａとイオン銃シャッタ３８Ａを閉じ、イオン銃３８をアイドル状態に戻す。このように高屈折率物質と低屈折率物質との蒸着を複数回繰り返すことにより、多層膜を形成することができる。
【実験例１】
【００３３】
次にこの装置を用いて行った本発明による実験例を、従来方法による実験例と比較して説明する。ここに従来方法は本発明における予備的イオン照射工程を除いたものである。
【００３４】
実験例の成膜条件は次の通りである。
基板：    ＢＫ７（屈折率ｎ＝１．５２）
基板温度：１５０℃
ＴiＯ2蒸着時のイオン銃条件：
加速電圧：１０００Ｖ
イオン電流密度：１１０μＡ／ｃｍ2
放電ガス：酸素６０ｓｃｃｍ＋アルゴン７ｓｃｃｍ
ＳiＯ2蒸発時のイオン銃条件：
加速電圧：１０００Ｖ
イオン電流密度：１１０μＡ／ｃｍ2
放電ガス：酸素６０ｓｃｃｍ
予備的イオン照射条件：
加速電圧：３００Ｖ，１０００Ｖ
イオン電流密度：３５μＡ／ｃｍ2，１１０μＡ／ｃｍ2
放電ガス：酸素６０ｓｃｃｍ＋アルゴン７ｓｃｃｍ
放電時間：０〜２０秒
ＴiＯ2の蒸着速度：０．３，０．５，０．７ｎｍ／ｓ
ＳiＯ2の蒸発速度：１．０ｎｍ／ｓ
ニュートライザの条件：
加速電圧：５０Ｖ
電子電流：２．０Ａ
放電ガス：アルゴン１０ｓｃｃｍ
【００３５】
本発明による実験例では予備的イオン照射工程（プレ照射）を１０秒、２０秒としたのに対し、従来方法では０秒とした点が両者で異なる。この実験例で３３層の多層膜からなるＵＶ−ＩＲカットフィルタ（紫外線領域と赤外線領域を不透過にするフィルタ）を形成し、その光学特性を測定した。図３はその測定結果を示す図、表１はその予備的イオン照射条件を示す。
【００３６】
すなわち表１はＴiＯ2の成膜レート（蒸着速度、ｎｍ／ｓ）と予備的イオン照射条件との関係を示し、×はその効果が無い時であって図３（Ａ）に示す結果となる。△は効果が小さい時であって図３（Ｂ）に示す結果となる。○は効果が大きい時であって図３（Ｃ）に示す結果となっている。なお表１において、予備的イオン照射電力密度の０．０１Ｗ／ｃｍ2，０．１１Ｗ／ｃｍ2は、加速電圧とイオン電流密度の積であり、前者は３００Ｖ×３５μＡ／ｃｍ2の場合、後者は１０００Ｖ×１１０μＡ／ｃｍ2の場合である。また実験では基板ホルダ１２の異なる場所にセットした複数（９枚）の基板の測定値の平均値を測定値としている。
【００３７】
【表１】
2007248828.tif 000003
【００３８】
図３（Ａ）によれば、予備的イオン照射（プレ照射）時間を０秒とした時（すなわち予備的イオン照射を行わない従来方法による時）には、光透過率Ｔの測定値は可視光の波長範囲で約８７％であることが解る。なお比較のためにこの時の設計値が破線で加えてある。この設計値は約９５％である。このように設計値（約９５％）と測定値（約８７％）とが大きく異なることが解る。なお図３（Ｂ）によれば、光透過率Ｔの測定値は約９２％であり、設計値９５％とはまだ相当大きな違いがある。
【００３９】
図３（Ｃ）によれば、光透過率Ｔの測定値は可視光の波長範囲で約９５％となり、ほぼ設計値（破線で示す）通りの値を得ることができることが解った。これは、予備的イオン照射（プレ照射）によってＴiＯ2の膜質が向上し、膜の屈折率の変動が少なく均一化し、光の吸収係数が一定以下で安定化するためと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る装置の概念図
【図２】シャッタの開閉タイミングおよびイオン銃のイオン照射電力の時間変化を示す図
【図３】多層膜の光透過率の実測値を設計値と対比して示す図
【符号の説明】
【００４１】
１０  真空容器
１２  基板ホルダ
１４  基板
２８  コントローラ
３４  高屈折率物質の蒸発源（蒸発手段）
３４Ａ  第１のシャッタ
３６  低屈折率物質の蒸発源（蒸発手段）
３６Ａ  第２のシャッタ
３８  イオン銃
３８Ａ  イオン銃シャッタ
４０  ニュートラライザ
Ａ  高屈折率物質の蒸着工程
Ｂ  低屈折率物質の蒸着工程
Ｃ  予備的イオン照射工程
【図１】
2007248828.tif 000004
【図２】
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【図３】
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