(57)【要約】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、回転楕円体形状の基盤に界面・表面荒れの少ない薄膜を形成する。成膜装置の真空室４内に回転軸を中心に自転する回転楕円体基盤２にスパッタリング法によって薄膜を形成する際、ガス圧を０．０４〜５．０Ｐａとし、またはスパッタリングガスとしてＡｒガスとＮ２ガスの混合ガスでその分圧比がＡｒガス１００に対してＮ２ガスが１〜６、またはＡｒガスとＮ２ガスとＯ２ガスの混合ガスでその分圧比がＡｒガス１００に対してＮ２ガスが１〜６、Ｏ２ガスが６とし、薄膜形成開始時の入力電力がスパッタリングプロセス全体において最大とし、または被着体基盤に負のバイアスをかけることにより、薄膜の界面または表面の荒れを少なくし、膜厚分布を小さくする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転楕円体形状を含む基盤上に薄膜を形成する薄膜の製造方法であって、前記回転楕円体軸を中心にしてスピンさせると同時に、ガス圧を０．０４Ｐａ以上５．０Ｐａ以下の範囲でスパッタリングすることを特徴とする薄膜の製造方法。
【請求項２】
回転楕円体形状を含む基盤上に薄膜を形成する薄膜の製造方法であって、前記回転楕円体軸を中心にしてスピンさせると同時に、スパッタリングガスをＡｒガスとＮ２ガスの混合ガスでその分圧比がＡｒガス１００に対してＮ２ガスが１〜６の範囲とするか、またはＡｒガスとＮ２ガスとＯ２ガスの混合ガスでその分圧比がＡｒガス１００に対してＮ２ガスが１〜６の範囲、およびＯ２ガスが６以下の範囲とすることを特徴とする薄膜の製造方法。
【請求項３】
回転楕円体形状を含む基盤上に薄膜を形成する薄膜の製造方法であって、前記回転楕円体軸を中心にしてスピンさせると同時に、薄膜形成開始時の入力電力がスパッタリングプロセス全体において最大であることを特徴とする薄膜の製造方法。
【請求項４】
回転楕円体形状を含む基盤上に薄膜を形成する薄膜の製造方法であって、前記回転楕円体軸を中心にしてスピンさせると同時に、回転楕円体基盤に負バイアスを印加することを特徴とする薄膜の製造方法。
【請求項５】
回転楕円体基盤が各種ハロゲン電球や白熱電球の電球バルブである請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜の製造方法。
【請求項６】
スパッタリング法として高周波スパッタリング法を用いる請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜の製造方法。
【請求項７】
薄膜材料として、Ｔａ２Ｏ５およびＳｉＯ２を用いる請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜の製造方法。
【請求項８】
赤外線反射膜の表面粗さＲａが、２．９ｎｍ以上２０．０ｎｍ以下であることを特徴とする電球。
【請求項９】
赤外線反射膜が、スパッタリング法で形成されたものである請求項８に記載の電球。
【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、及びこの薄膜を有する電球に関する。
【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）。
【０００３】
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。
【０００４】
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、且つ又は、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為、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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記のような干渉性多層膜では膜厚の正確さとともに、効率的な赤外反射が行われるための膜質が重要となるが、一般的な成膜条件であるスパッタリングガスとしてＡｒガス、またはＡｒガスとＯ２ガスの混合ガスを用いてスパッタリング法により成膜すると、形成された薄膜の界面あるいは表面に荒れが生じ、効果的な赤外反射が十分に行われないという問題があった。すなわち、赤外反射膜によって反射された赤外線が干渉性多層膜の界面あるいは表面の荒れによって乱反射し、効果的なフィラメントコイル部への集光ができず、赤外線反射の効率が低下するという問題があった。一方、ＣＶＤ法は界面あるいは表面の荒れが少ない薄膜を得られやすいものの、膜厚の絶対値の制御が必ずしも十分でないこと、被着体の加熱が避けられないこと、及び積層する異種の薄膜の積層毎に異なった原料ガスや成膜条件が必要なこと等の多くの問題があった。
【０００６】
本発明は、前記のような問題を解決するものであり、成膜方法としてスパッタリング法を用いて、回転楕円体形状を含む被着体基盤上に界面あるいは表面荒れの少ない薄膜を形成できる薄膜の製造方法、及びこの薄膜を有する電球を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の第１番目の薄膜の製造方法は、回転楕円体形状を含む基盤上に薄膜を形成する薄膜の製造方法であって、前記回転楕円体軸を中心にしてスピンさせると同時に、ガス圧を０．０４Ｐａ以上５．０Ｐａ以下の範囲でスパッタリングすることを特徴とする。
【０００８】
本発明の第２番目の方法は、回転楕円体形状を含む基盤上に薄膜を形成する薄膜の製造方法であって、前記回転楕円体軸を中心にしてスピンさせると同時に、スパッタリングガスをＡｒガスとＮ２ガスの混合ガスでその分圧比がＡｒガス１００に対してＮ２ガスが１〜６の範囲とするか、またはＡｒガスとＮ２ガスとＯ２ガスの混合ガスでその分圧比がＡｒガス１００に対してＮ２ガスが１〜６の範囲およびＯ２ガスが６以下の範囲とすることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第３番目の方法は、回転楕円体形状を含む基盤上に薄膜を形成する薄膜の製造方法であって、前記回転楕円体軸を中心にしてスピンさせると同時に、薄膜形成開始時の入力電力がスパッタリングプロセス全体において最大であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第４番目の方法は、回転楕円体形状を含む基盤上に薄膜を形成する薄膜の製造方法であって、前記回転楕円体軸を中心にしてスピンさせると同時に、回転楕円体基盤に負バイアスを印加することを特徴とする。
【００１１】
前記第１〜４番目の方法においては、回転楕円体基盤が各種ハロゲン電球や白熱電球の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、スパッタリング法として高周波スパッタリング法を用いることが好ましい。
【００１３】
また前記方法においては、薄膜材料として、Ｔａ２Ｏ５およびＳｉＯ２を用いることが好ましい。
【００１４】
次に、本発明の電球は、赤外線反射膜の表面粗さＲａが、２．９ｎｍ以上２０．０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１５】
また前記電球においては、赤外線反射膜が、スパッタリング法で形成されたものであることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の一例は、スパッタリングガス圧を０．０４Ｐａから５．０Ｐａとし、あるいはスパッタリングガスをＡｒガスとＮ２ガスの混合ガスでその分圧比がＡｒガス１００に対してＮ２ガスが１から６、またはＡｒガスとＮ２ガスとＯ２ガスの混合ガスでその分圧比がＡｒガス１００に対してＮ２ガスが１から６、Ｏ２ガスが６までとし、あるいは薄膜形成開始時の入力電力がスパッタリングプロセス全体において最大とし、あるいは被着体基盤に負のバイアスをかけることにより、回転楕円体形状を含む被着体基盤上に形成された薄膜は界面あるいは表面の荒れが少なくなり、また、膜厚分布が小さくなる。
【００１７】
以下、実施の具体例について詳細に述べる。図１は、各実施形態で用いた高周波スパッタリング装置を示したもので、高周波電源９を有するスパッタリング膜形成装置の真空室４内に設置された８インチ×３６インチのスパッタリングターゲット１（成膜源）に対向して回転楕円体基盤２があり、その間にシャッター５を有する。また、真空室４内に、Ａｒガスを供給するための供給口６、Ｎ２ガスを供給するための供給口７、Ｏ２ガスを供給するための供給口８を備えている。また、回転楕円体基盤２に直流電源３によってバイアス電圧を印加できるようになっている。また、成膜中には回転楕円体基盤２は回転楕円体軸Ｙを中心にしてスピンしている。
【００１８】
以下の具体的実施の形態において、ガス比率は体積比率を示す。
【００１９】
（実施の形態１）
実施形態１は、高周波スパッタリング法を用いて電球バルブ表面にＴａ２Ｏ５薄膜とＳｉＯ２薄膜を交互に積層形成した実施形態である。本実施形態では、電球バルブ表面の膜厚分布の不均一を解消させるために、電球バルブを回転楕円体軸Ｙを中心として一定角速度で回転させる運動を行った。また、スパッタリングガスとしてＴａ２Ｏ５薄膜を形成するときはＡｒガスとＯ２ガスの混合ガスを使用し、ＳｉＯ２薄膜を形成するときはＡｒガスのみを使用した。また、薄膜形成開始時は印加する入力電力を０Ｗとし、徐々に上げていき、１分後に最大入力電力４０００Ｗが印加されるようにした。スパッタリングガス圧をそれぞれ０．０３、０．０４、０．１５、０．４、１．０、２．０、３．０、４．０、５．０、６．０Ｐａとした場合に、形成された膜厚約１０００ｎｍの８層積層膜（サンプルＮｏ．１〜９）の表面粗さＲａを原子間力顕微鏡（以後ＡＦＭという）で測定し、表１に結果を示した。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
表１に示した結果から、スパッタリングガス圧を０．４Ｐａとして形成された積層膜３の表面粗さＲａが最も小さいことがわかる。Ｒａが２０．０ｎｍを超えると反射の際の散乱の影響が大きくなり、赤外反射膜の反射効率が劣化することになるので、ここでは、表面粗さＲａが２０．０ｎｍ以下のものを有効とし、スパッタリングガス圧として０．０４から５．０Ｐａで形成された積層膜の効果が確認できた。尚、スパッタリングガス圧が、０．０４〜２．０Ｐａの範囲であると好ましい。また、０．０４〜１．０Ｐａの範囲であるとさらに好ましい。
【００２２】
（実施の形態２）
実施形態１と同様に、高周波スパッタリング法を用いて電球バルブ表面にＴａ２Ｏ５薄膜とＳｉＯ２薄膜を交互に積層形成した実施形態である。実施形態１と異なるのは、スパッタリングガス圧を０．４Ｐａとし、スパッタリングガスとしてＴａ２Ｏ５薄膜を形成するときにはＡｒガスとＮ２ガスとＯ２ガスの混合ガスを使用し、ＳｉＯ２薄膜を形成するときにはＡｒガスとＮ２ガスの混合ガスを使用した点である。この条件により形成された膜厚約１０００ｎｍの８層積層膜１０から１３の表面粗さＲａをＡＦＭで測定し、表２に実施形態１で形成した積層膜３のデータとともに結果を示した。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
表２に示した結果から、スパッタリングガスとしてＴａ２Ｏ５薄膜を形成するときには１００対３対６の比率のＡｒガスとＮ２ガスとＯ２ガスの混合ガスを使用し、ＳｉＯ２薄膜を形成するときには１００対３の比率のＡｒガスとＮ２ガスの混合ガスを使用して形成された積層膜１１が最も表面粗さＲａが小さいことが分かる。また、ここでは表面粗さＲａがスパッタリングガスとしてＮ２ガスを混合せずに作成した積層膜３の表面粗さＲａよりも小さいものが効果があったとして、スパッタリングガスとしてＴａ２Ｏ５薄膜を形成するときにＡｒガスとＮ２ガスとＯ２ガスの混合ガスでその比率がＡｒガス１００に対してＮ２ガスが１から６、Ｏ２ガスが６までのものを使用し、ＳｉＯ２薄膜を形成するときにはＡｒガスとＮ２ガスの混合ガスでその比率がＡｒガス１００に対してＮ２ガスが１から６のものを使用して形成された積層膜の効果が確認できた。
【００２５】
（実施の形態３）
実施形態２と同様に、高周波スパッタリング法を用いて電球バルブ表面にＴａ２Ｏ５薄膜とＳｉＯ２薄膜を交互に積層形成した実施形態である。実施形態２と異なるのは、薄膜形成開始時の印加する入力電力を４０００Ｗとした点である。この条件により形成された膜厚約１０００ｎｍの８層積層膜１４の表面粗さＲａをＡＦＭで測定し、表３に実施形態２で形成した積層膜１１のデータとともに結果を示した。
【００２６】
【表３】
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【００２７】
表３に示した結果から、薄膜形成開始時に４０００Ｗの電力を印加して形成された積層膜１４の方が、薄膜形成開始から電力を徐々に上げていって形成された積層膜よりも積層膜の表面粗さＲａが小さいことがわかる。
【００２８】
（実施の形態４）
実施形態３と同様に、高周波スパッタリング法を用いて電球バルブ表面にＴａ２Ｏ５薄膜とＳｉＯ２薄膜を交互に積層形成した実施形態である。実施形態３と異なるのは、電球バルブにマイナス２０Ｖのバイアスを印加した点である。この条件により形成された膜厚約１０００ｎｍの８層積層膜１５の表面粗さＲａをＡＦＭで測定し、表４に実施形態３で形成した積層膜１４のデータとともに結果を示した。
【００２９】
【表４】
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【００３０】
表４に示した結果から、電球バルブにマイナス２０Ｖのバイアスを印加して形成された積層膜１５の方が、バイアスを印加せずに形成された積層膜１４よりも積層膜の表面粗さＲａが小さいことがわかる。
【００３１】
図２は本実施形態で用いた電球バルブ１０の平面図であり、図３は電球バルブ（ガラスバルブ）１０表面に形成された多層薄膜の拡大断面図を示すものである。本実施形態によれば、ガラスバルブ１１表面にはＳｉＯ２薄膜１２とＴａ２Ｏ５薄膜１３が交互に積層形成されている。形成された薄膜は、最外層がＳｉＯ２薄膜１２になる場合とＴａ２Ｏ５薄膜１３になる場合とがある。
【００３２】
前記の方法によれば、電球バルブの表面に形成された薄膜、すなわち赤外線反射膜の表面粗さＲａが、２．９ｎｍ以上２０．０ｎｍ以下の電球を実現できる。表面粗さＲａが２０．０ｎｍを越えると散乱が大きくなり、反射効率が悪くなる。一方、表面粗さが２．９ｎｍより小さいと電球ガラス表面との鏡界面で被着力が弱くなり、膜が剥がれやすくなる。表面粗さは、好ましくは２．９ｎｍ以上１５ｎｍ以下の範囲であり、より好ましくは２．９ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲である。
【００３３】
尚、前記電球としては、特に限定はなく、フィラメントを発光体とするクリプトン電球、ハロゲン電球等の全ての電球が含まれる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明の回転楕円体基盤への薄膜の製造方法によって、形成される薄膜の表面粗さＲａが小さくなる。このため、赤外反射膜の反射率が向上し、赤外反射膜としての性能の向上が得られる。
【００３５】
また、電球の赤外線反射膜の表面粗さＲａの範囲を２．９ｎｍ以上２０．０ｎｍ以下とすることによって、赤外線反射膜の反射効率が向上した高性能の電球が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による薄膜の一実施例の形成方法の構成を示した図である。
【図２】
本発明による電球バルブの一実施例の構成を示した正面図である。
【図３】
本発明による薄膜の一実施例の構成を示した断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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