(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転楕円体基盤表面上に回転軸を中心に基盤を自転しながら基盤表面上にスパッタリングまたは蒸着法によって薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、
薄膜の形成装置の真空室内に回転楕円体基盤および成膜源と、前記真空室内外を真空室壁を貫いて設置されたＹ型の光ファイバーの非分岐端部（幹部）が存在し、真空室外にＹ型の光ファイバーの２つの分岐端部が存在し、
前記真空室内の回転楕円体基盤、成膜源およびＹ型の光ファイバー端部の３つの位置関係が、成膜源に対して光ファイバー端部が基盤の影となることで光ファイバー端部に薄膜が成膜されないように配置させ、
且つ真空室外にあるＹ型光ファイバーの他の２つの分岐端の１端に設置した光源からの光をファイバー内を通過させ、真空室内にある光ファイバー端部から回転楕円体基盤表面に向けて照射し、その反射光を同じファイバーから帰還させて、真空室外にあるＹ型光ファイバーの２つの分岐端のもうひとつの端に設置した分光器に誘導することによって、前記回転楕円体基盤表面への薄膜形成と同時に前記回転楕円体基盤表面から直接反射分光特性を得ることを特徴とする回転楕円体基盤表面への薄膜の形成方法。
【請求項２】
回転楕円体基盤が、各種電球バルブである請求項１に記載の回転楕円体基盤表面への薄膜の形成方法。
【請求項３】
回転楕円体基盤表面上に回転軸を中心に基盤を自転しながら基盤表面上にスパッタリングまたは蒸着法によって薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、
薄膜の形成装置の真空室内に回転楕円体基盤および成膜源と、前記真空室内外を真空室壁を貫いて設置された光ファイバーの端部が存在し、前記真空室外に光ファイバーのもうひとつの端部が存在し、
前記真空室内の回転楕円体基盤、成膜源および光ファイバー端部の３つの位置関係が、成膜源に対して光ファイバー端部が基盤の影となることで光ファイバー端部に薄膜が成膜されない様に配置させ、かつ前記真空室内にある光を発する回転楕円体基盤表面からの発光を基盤表面上に成膜した薄膜を透過させて真空室内のファイバー端部から入射させ、真空室外にある光ファイバーのもうひとつの端に設置した分光器までこの光を誘導することによって、薄膜を形成しながら、同時に薄膜の透過分光特性を得ることを特徴とする回転楕円体基盤表面への薄膜の形成方法。
【請求項４】
光を発する回転楕円体基盤が、点灯状態の電球バルブである請求項３に記載の回転楕円体基盤表面への薄膜の形成方法。
【請求項５】
薄膜がＳｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5およびＴｉＯ2から選ばれる少なくとも一つの酸化物の各光学薄膜の単層またはこれらの積層膜として形成される請求項１または３に記載の回転楕円体基盤表面への薄膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電球・放電ランプ等の光源のバルブ表面に光学薄膜を形成する際に用いる薄膜の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
白熱電球やハロゲン電球の消費電力の高効率化を図るため、電球バルブの表面に赤外反射膜を形成させ、電球より放射される可視光はそのまま電球バルブを透過させ、放射エネルギーの７〜８割を占める赤外光を選択的に電球フィラメント部分に反射集光させることによって、フィラメントコイル部分を加熱する方法が提案されている（例えば、ジャーナル  オブ  イルミネイティング  エンジニアリング  ソサイエティ、１９８０年７月１９７〜２０３頁）。この方法によれば、電球のフィラメントコイルから発光した赤外光が赤外反射膜による赤外光の選択的な反射と、適当なバルブ形状による効果的なフィラメントコイル部への集光とによって、フィラメントコイル部がこの反射された赤外線によって再加熱されることで、電球として同じ明るさ（全光束値）で比較すれば、２０〜３０％の消費電力の効率化が実用水準で実現されている。
【０００３】
このような赤外反射膜の製法としては、スパッタリング法や各種蒸着法などが用いられるが、電球バルブから赤外光が熱線として飛び出す割合を少なくし、かつ可視光のみを選択的に透過して、できる限り多くの赤外光の反射を効果的に実現させるため、高屈折率と低屈折率をもつ複数の透明誘電体薄膜の積層構造による干渉性多層膜とした可視／赤外フィルターの光学膜技術が用いられてきた。この際、光学フィルターとしての波長選択性を得る為に通常、回転楕円体の立体形状を有する電球バルブ表面上に形成される各光学薄膜の膜厚の設計値とのずれや、その膜厚分布は十分に小さなものであることが要求される。
【０００４】
特に、光学膜の積層設計と実際の積層膜の膜厚とのずれを抑える目的で、成膜時に成膜レートを管理するために、成膜装置内に設置した水晶発振子等を用いて共振周波数の変化から成膜と同時に膜厚をモニターする方法等がとられてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように干渉性多層膜を用いた可視／赤外の光学フィルターにおいては、光学フィルターとして波長の選択性を得る為には予め設計によって定められた各層の膜厚が正確に成膜されることが、薄膜作成時において極めて重要である。
【０００６】
例えば、白熱電球やハロゲン電球のバルブのように、回転楕円体形状をその一部に有する形状をもつバルブ基盤上にスパッタリング法や各種蒸着法によって薄膜を形成する場合、基盤を回転楕円体の回転軸に対して、自転させながら成膜する必要があるのが一般的なのであるのに対して、例えば水晶発振式の膜厚モニターにおいては、通常は水晶発振子センサー自身は回転せずに固定されて設置されることから、自転しながら成膜されるバルブ本基盤との間に一定の関係があるものとしてその関係を明確にさせてから用いられてきた。
【０００７】
しかしながら上記の様な従来方法によれば、膜厚のモニター精度はほとんど、この膜厚モニターセンサー部と電球バルブ基盤部との間の位置による差の補正と、バルブ基盤が自転運動をするのに対して、このモニターセンサー部は固定されていることで、成膜速度差による補正で左右され、必ずしも十分な、膜厚モニター精度が得られないという問題点があった。
【０００８】
さらにまた、従来の膜厚モニターでは単に積層構造の干渉膜の各単層の膜厚がそれぞれ１層毎にリアルタイムにモニターできるというのみであったが、光学フィルター膜として、累積された各層の積層状態全体として、たとえば、反射分光特性が積層プロセスの途中の自転でそれぞれどの程度、その自転での理論特性と一致がとれているか等をリアルタイムで逐次評価しながら、薄膜を積層することが望まれるが、従来の膜厚モニターではこの点では全く機能できなかいという課題があった。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するものであり、スパッタリングおよび各種蒸着による成膜プロセスにおいて、回転楕円体基盤表面へ積層構造の光学膜を形成する際にその膜厚と各種分光特性をリアルタイムでモニターしながら薄膜を形成する方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の第１番目の回転楕円体基盤表面への薄膜の形成方法は、回転楕円体基盤表面上に回転軸を中心に基盤を自転しながら基盤表面上にスパッタリングまたは蒸着法によって薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、
薄膜の形成装置の真空室内に回転楕円体基盤および成膜源と、前記真空室内外を真空室壁を貫いて設置されたＹ型の光ファイバーの非分岐端部（幹部）が存在し、真空室外にＹ型の光ファイバーの２つの分岐端部が存在し、
前記真空室内の回転楕円体基盤、成膜源およびＹ型の光ファイバー端部の３つの位置関係が、成膜源に対して光ファイバー端部が基盤の影となることで光ファイバー端部に薄膜が成膜されないように配置させ、
且つ真空室外にあるＹ型光ファイバーの他の２つの分岐端の１端に設置した光源からの光をファイバー内を通過させ、真空室内にある光ファイバー端部から回転楕円体基盤表面に向けて照射し、その反射光を同じファイバーから帰還させて、真空室外にあるＹ型光ファイバーの２つの分岐端のもうひとつの端に設置した分光器に誘導することによって、前記回転楕円体基盤表面への薄膜形成と同時に前記回転楕円体基盤表面から直接反射分光特性を得ることを特徴とする。
【００１１】
前記方法においては、回転楕円体基盤が、各種電球バルブであることが好ましい。
【００１２】
また前記方法においては、薄膜がＳｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5およびＴｉＯ2から選ばれる少なくとも一つの酸化物の各光学薄膜の単層またはこれらの積層膜として形成されることが好ましい。
【００１３】
次に本発明の第２番目の回転楕円体基盤表面への薄膜の形成方法は、回転楕円体基盤表面上に回転軸を中心に基盤を自転しながら基盤表面上にスパッタリングまたは蒸着法によって薄膜を形成する薄膜の形成方法であって、薄膜の形成装置の真空室内に回転楕円体基盤および成膜源と、前記真空室内外を真空室壁を貫いて設置された光ファイバーの端部が存在し、前記真空室外に光ファイバーのもうひとつの端部が存在し、前記真空室内の回転楕円体基盤、成膜源および光ファイバー端部の３つの位置関係が、成膜源に対して光ファイバー端部が基盤の影となることで光ファイバー端部に薄膜が成膜されない様に配置させ、かつ前記真空室内にある光を発する回転楕円体基盤表面からの発光を基盤表面上に成膜した薄膜を透過させて真空室内のファイバー端部から入射させ、真空室外にある光ファイバーのもうひとつの端に設置した分光器までこの光を誘導することによって、薄膜を形成しながら、同時に薄膜の透過分光特性を得ることを特徴とする。
【００１４】
前記方法においては、光を発する回転楕円体基盤が、点灯状態の電球バルブであることが好ましい。
【００１５】
また前記方法においては、薄膜がＳｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5およびＴｉＯ2から選ばれる少なくとも一つの酸化物の各光学薄膜の単層またはこれらの積層膜として形成されることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明においては、回転楕円体基盤の回転軸を中心に基盤を自転させながら基盤表面上にスパッタリングまたは各種蒸着法によって薄膜を形成する薄膜の形成方法を用いる。薄膜の形成装置の真空室内の構成として、回転楕円体基盤、成膜源、真空室内外を真空室壁を貫いて設置されたセンサーとなるＹ型の光ファイバーの非分岐端部（幹部）が存在し、真空室外にはＹ型の光ファイバーの２つの分岐端部が存在する構成をもつ。薄膜を形成する真空室内にある回転楕円体基盤、成膜源、Ｙ型の光ファイバーの非分岐部（幹部）のファイバー端部の３つの位置関係が、成膜源に対して光ファイバー端部が基盤の影となることで光ファイバー端部に薄膜が成膜されないように配置する。さらにまた真空室外にあるＹ型光ファイバーの他の２つの分岐端の１端に設置した光源から発した光をファイバー中を通過させて、真空室内にある光ファイバー端部から回転楕円体基盤表面に向けて照射し、その反射光を同じ真空室内の端部ファイバー端部に帰還させ、真空室外にあるＹ型光ファイバーの２つの分岐端のもうひとつの１端に設置した分光器までこの反射光をファイバーを通して誘導する。分光器によって瞬時に分光特性を評価することで、回転楕円体基盤表面に薄膜を形成しながら、同時に反射分光特性を評価することで、その評価情報に基ついて成膜中に膜厚や分光特性等の機能から判断した成膜条件の調整することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１で示した実施例においては、回転楕円体基盤として、例えば、電球バルブのような透明硝子基盤上に成膜した光学薄膜の反射分光特性の変化を検知する方法を用いたが、真空室内に設置した回転楕円体基盤からその表面に形成中の薄膜を透過して発光できる様な場合（点灯状態の電球バルブなどがこれにあたる。）、成膜時に薄膜を透過してくる光を上記と同様な位置関係で光ファイバー中に入射させて真空室外の分光器まで誘導し、薄膜形成中の透過分光特性の時間変化を検知する方法として用いることができる。但し、この場合においては、真空室外の光源は必要ないので、２又のＹ型光ファイバーではなく、通常の光ファイバーを用いて真空室外の分光器と真空室内の回転楕対基盤を１本で結べばよい。
【００１８】
以下、実施の具体例について詳細に述べる。図１は、本発明の第１の実施例として、スパッタリング膜形成装置の真空室内に設置されたスパッタリングターゲット１（成膜源）、回転楕円形状を有する電球バルブ２、真空室隔壁３を貫いて設けられたＹ型光ファイバープローブ端４（非分岐端）、の位置関係を示したものである。ここで、回転楕円形状を有する電球バルブ２はターゲットから飛来する成膜粒子をバルブ基盤表面全体に成膜させる為に回転楕円体の回転軸を中心に自転運動をさせる駆動機構上に設置されている。
【００１９】
スパッタリングターゲット（成膜源）１から飛び出した成膜粒子は回転対象軸の周りで自転する電球バルブ２の表面に飛来してバルブ全面に薄膜を形成してゆくが、電球バルブの影にあるＹ型光ファイバープローブ端４（非分岐端）の端面には薄膜は形成されない。即ち時間と共に増加してゆく薄膜の膜厚は、電球バルブが半回転する毎に、スパッタリングタゲットと反対側の位置で、Ｙ型光ファイバープローブの真空室外に設置された２つの分岐端の内の１端に設けられた光源５から発した光をＹ型光ファイバープローブ端４（非分岐端）を通して電球バルブ表面に照射される光が電球バルブ表面およびその上に積層された薄膜面で反射されて、再びＹ型光ファイバープローブ端４に帰還した反射光を真空室外に設置された２つの分岐端の内のもうひとつの１端に設けられた分光器６によって評価するものである。また、薄膜の防着の必要に応じて、光ファイバープローブ端にはシャッター７を用いる。
【００２０】
図２は本発明を用いて、回転楕円体形状を含む電球バルブ上にＴａ2Ｏ5薄膜をＲＦスパッタリング法によって形成させた際の膜厚の変化を、図１の構成の光学系によって反射分光特性を成膜と同時進行で調べた結果である。成膜開始４分後、１０分後、１６分後の３つの測定結果についてだけ表わした。
【００２１】
図２に示した反射分光特性の例の様に成膜プロセス中の膜厚値の評価が、成膜開始後４分経過後、１０分経過後、１６分経過後の各時点で図２の各曲線の極小値からできる。ここで、極小値波長の４倍が光学膜厚に相当する。すなわち、予め決められた膜厚に相当する波長に分光特性の極小値が至ったのをみて、その成膜プロセスの終端を検知できる。
【００２２】
また、回転楕円体形状を含む電球バルブ上にＳｉＯ2薄膜（基盤面から偶数番目層）とＴａ2Ｏ5薄膜（基盤面から奇数番目層）をＲＦスパッタリング法によって形成させた際の積層膜の積層の進行に伴う反射分光特性の変化を図１の構成の光学系によって成膜と同時進行で調べた結果が、図３（ａ）である。図３（ａ）に示した第１層目、３層目、４層目、７層目、１０層目、の各層の終了直前の反射分光特性例に示した様に、電球バルブを成膜途中で真空室から取り出して測定をしなくとも、プロセスのその時点まで積層された薄膜全体の分光特性について、成膜プロセスの進行と同時に知ることができることがわかる。予めシミュレ−ションによって算出した上記の１，３、４、７、１０層の各層終了時点での反射分光特性予測結果（図３（ｂ））と照合させながら、実際の成膜プロセスのずれの修正を考慮しながら成膜を進めることができる。
【００２３】
成膜プロセスと同時進行でこのような評価を行うことについては、従来の水晶振動子を利用した膜厚モニターセンサーによる成膜管理法においては、これまでは困難であったもので、本発明の回転楕円体形状基盤への薄膜の形成方法によれば、これも可能になった。
【００２４】
基盤の回転機構によって、ターゲット側に面した楕円体曲面での成膜にひき続いて半回転した後、直ちに（本実施例では４０回転／分の回転速度をとり、周期は１．５秒）膜厚および分光特性評価が行えるという通常の平板基盤とは異なる基盤形状特有の事情がこれらの状況を可能にしたものである。
【００２５】
上記の実施例は、真空室内に置いた回転楕円体基盤に積層させた光学薄膜の反射分光特性を利用して薄膜の形成を形成と同時に制御するものであるが、回転楕円体基盤を通して発光するランプ光源の様な場合では、反射分光特性ではなくその発光の透過分光特性を利用して、上記と同様な薄膜形成の制御ができることは明らかである。この場合、図１の真空室外の光源５とＹ型の光ファイバー４は不要で、通常の分岐のない光ファイバーを用いればよい。
【００２６】
また、上記の実施例においては、ＳｉＯ2およびＴａ2Ｏ5膜の単層または積層の場合を説明したが、その他のたとえばＴｉＯ2等の、光学薄膜においても同様な効果が期待できる。また、スパッタリング法に限らず、各種の蒸着法による成膜においても上記と同様な結果が得られる。
【００２７】
【発明の効果】
以上の様に本発明の回転楕円体基盤表面への薄膜の形成方法によって、成膜プロセス中に成膜と同時進行で薄膜の膜厚管理と、任意の時点において積層膜のその時点までの累積した分光特性の理論値（設計値）とのずれが管理できることが可能になり、プロセス途中においてモニター結果を成膜条件にフィードバックすることでより正確な最終分光特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のによる薄膜の形成方法を示した図。
【図２】（ａ）は本発明の一実施形態のＴａ2Ｏ5膜の成膜開始後４分、１０分後、１５分後の各時点で成膜を続けながら同時に反射分光特性を評価した結果を示す図。
【図３】本発明の一実施形態の電球バルブ表面にＳｉＯ2膜（偶数層）およびＴａ2Ｏ5膜（奇数層）を成膜させた際の、第１層、第３層、第４層、第７層、第１０層の各層の成膜終了時点での反射分光特性であって、（ａ）本発明により実測評価結果を示した図、（ｂ）予め、上記各層の終了時点での分光特性をシミュレーションによって予測した特性を示した図。
【符号の説明】
１  スパッタリングターゲット
２  回転楕円体基盤
３  成膜装置  真空壁
４  Ｙ型光ファイバーの非分岐端
５  光源（白色）
６  分光器
７  シャッター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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