JPS6117906B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 種々の基材上に種々の材料の薄いフイルム及び
厚いフイルムを沈積させるには多くの技術が利用
可能である。基材に必要被膜材料を成功裡に伝達
せしめるために（特に多くの組合せに対して良好
な結合を得るのに必要な「きれいな」状態の下
で）、真空状態下の沈積技術が開発されている。
これらの技術には、蒸着、陰極スパツタリング、
高周波スパツタリング、イオンめつき、蒸気分解
及びイオン・ビーム・スパツタリング（例えば米
国特許第3472751号参照）が含まれる。一般に、
塗布、クラツデイング、めつき等のような「厚」
膜技術に対して、これらは比較的「薄」膜の技術
である。

これらの多くの技術が開発されているにも拘わ
らず、必要な特性を得るように結合させることが
できない基材と被膜材料の組合せも未だに多い。
このように失敗する４つの主な理由は、 １ 基材材料の融点或は変形点が低くて沈積条件
が制限されること。

２ 基材材料が軟らかく（即ち結合エネルギが低
く）、結合強度が低下すること。

３ 基材と被膜材料の熱膨脹係数の差が大きく、
結合強度を極めて高くしなければ、組合せの有
効温度範囲が沈積温度付近の狭い範囲に限られ
ること。

４ 基材をきれいにすることが困難で結合強度が
低下すること。

である。

これら４つの問題の全てを含む好例として、耐
かき傷性を与えるためにプラスチツクに硬い被膜
を施す際の問題を挙げることができる。これはプ
ラスチツク眼鏡用レンズの場合に特に望ましいこ
とである。これらのレンズは粉砕することがない
から着用には本質的に安全であるが、傷つき易く
急激にかすんだ状態になつてしまうので交換が必
要となる。もしレンズ表面に「硬い」被膜を沈積
させてかき傷から保護することができれば、これ
らのプラスチツク・レンズの安全性を保つたまま
有効寿命を伸ばすことができる。因みに、「硬
い」という語は、眼鏡に用いられる普通の光学硝
子と少なくとも同じ程度に硬い材料の被膜を意味
している。しかし眼鏡用レンズに用いられるプラ
スチツク（例えばPC39、或はCR39）は、プラス
チツクの標準からすれば硬いが、本質的にきれい
にすることが困難であり、普通に被膜が施される
金属、硝子或は半導体のような多くの他の材料に
較べると軟らかく、良好な結合を得ることが困難
である。またこれらのプラスチツクは低温（最高
温度約70℃或はそれ以下）でのみ加工可能であ
り、膨張係数が極めて大きく（約８〜９×10^-5／
℃）、高温で作業しなければならない膨脹係数の
比較的小さい（１×10^-5／℃以下）最も「硬い」
材料と両立はできない。事実、モース硬さが７
で、可視スペクトルに透明な石英硝子（sio₂）
は、線膨脹係数が0.54×10^-6／℃しかないことを
除けば、眼鏡用レンズに対する優秀な保護被膜と
なり得る。

基本的には、基礎ブランクを容易に鋳込むこと
ができること及び安全性が高いことからプラスチ
ツクを用いて眼鏡用レンズを作ることが望ましい
が、寿命を伸ばすために耐かき傷性被膜を施すこ
とが望ましい。プラスチツク安全窓、プラスチツ
ク光学レンズ（カメラ、顕微鏡等）、プラスチツ
ク自動車及び航空機用窓等のような他の多くの類
似の用途も直ちに考えられるであろう。更に、光
制御（サングラス）、熱制御（窓）、美術的理由
（装飾パネル）等のためにプラスチツクに着色或
は反射層を付加することが望ましく、またこれら
の光学層の上に硬い保護被膜を施すことも望まし
い。同様な応用は他の材料を用いる場合にも存在
する（例えば窒化硼素結晶等へのはんだ着け可能
な層の付着）。本発明の目的に対して以下に眼鏡
用レンズの問題について説明するが、これは例示
に過ぎず本発明がこれに限定されるものではない
ことを理解されたい。

低温非真空状態の下で付着させることが出来る
有機化合物のような被膜材料は、レンズに用いら
れる基礎的プラスチツクの縁をせいぜい改善する
程度であり、硬さにおいては石英硝子或は普通の
硝子のような材料の比ではない。これら後者の材
料を低温に迎えるためには真空技術を用いなけれ
ばならず、殆んどの従来方法ではプラスチツクと
両立できるような充分に低い基材温度では作動し
ない。しかし、本発明の方法は必要な低温で作動
し、大規模商業生産まで延長することができる。
本方法はイオン・ビームの変形である（基本的な
方法に関しては米国特許第3472751号を参照され
たい）。

本発明は、基材をその最高加工温度以下に保ち
つつ基材上に単数或は複数の被膜層を沈積させる
イオン・ビーム・スパツタリング法の改良に係る
ものである。

本発明の目的は、組成が100％基材から100％被
膜層まで連続的に変化するような理想的な基材・
被膜複合一体化構造を形成することである。

本発明の別の目的は、基材表面上の汚染膜を除
去してこの膜が基材と被膜層との間の結合に干渉
しないようにすることである。

本発明の好ましい方法では、基材上に沈積させ
る材料のターゲツト上に加速したイオン・ビーム
（一次ビーム）を集束させる。加速したイオンの
一次ビームは、ターゲツトからスパツタした中性
原子或は分子及びイオン化した粒子の二次ビーム
を発生させるのに充分なエネルギでなければなら
ない。スパツタした粒子は主として基材に向つて
走行し、被膜層を形成するように比較的低エネル
ギである。不利な状態の下で基材と被膜層との間
に良好な結合を得るために、またスパツタ浄化に
よつて汚染表面膜を除去するために、ターゲツト
からスパツタした粒子の一部をより高いエネルギ
まで上昇させなければならない。従つて本発明の
必須要件は、スパツタしたイオン化沈積粒子に加
速電圧を印加することである。この目的は、１実
施例では、基材の電位を電源を介して接地以下に
低下させることによつて達成されている。この結
果イオンは基材内に充分に突入し、汚染膜が飛散
することによつて基材表面がきれいになる。

本発明の方法の重要な特色は、ターゲツトから
スパツタする沈積粒子の一部、即ちイオン化した
沈積粒子のみが加速されて基材内に突入すること
である。スパツタした残余の沈積粒子は中性の原
子或は分子であり、それらのエネルギは加速電圧
による影響は受けない。従つて平衡が保たれる。
中性粒子は低エネルギであつて被膜形成に役立
ち、同時に加速されたイオン化粒子は高エネルギ
であつて表面浄化及び突入を行なう。基材内に被
膜が突入することによつて強い勾配付き結合が得
られまた基材から被膜層まで勾配付き熱膨脹係数
が得られることに注意されたい。この基材内への
被膜層の突入による勾配効果は本発明の別の目的
であつて、このために広い温度範囲に亘つて複合
構造を使用することができるようになる。

本発明の好ましい方法を遂行するために、上記
の目的及び仕様に従つて本発明の好ましい装置が
製作されている。この好ましい装置の重要な特色
は、スパツタしたイオン化沈積粒子を加速するた
めの手段を具備していることである。この手段は
好ましくは可変電源とし、加速電圧を増減させた
り、全沈積プロセスに亘つて印加し続けたり、或
は早目に遮断できるようにしておく。

以下に添付図面を参照して本発明の好ましい実
施例を説明する。

本発明の方法を理解するために、及び本方法が
どのようにしてプラスチツク眼鏡用レンズを石英
硝子で被膜する際の問題を解決しているかを示す
ために、第１Ａ図及び第１Ｂ図の一般的解決法を
参照する。

第１Ａ図は、蒸着のようなありふれた技術によ
つてプラスチツク上に別の材料の層を付着させた
時の通常の状態を示すものである。プラスチツク
は有機的であり殆んどの溶剤によつておかされる
ために徹底的にきれいにすることが極めて困難で
ある。もし洗浄剤を用いるとしても、残留洗浄剤
を除去するという問題が残つてしまう。また低い
温度限界のために別の問題を生ずる。従つて一般
的には沈積層とプラスチツク表面との間に極めて
薄い残留汚染層が介在し、被膜材料とプラスチツ
クとの間の結合を弱くしてしまう。この結合が被
膜とプラスチツク自体との間で本質的に直接的な
ものであるとしても、熱応力はせいぜい若干の単
分子層だけの結合距離にしか加わらないから、熱
応力（沈積温度以外の温度）によつて破断されて
しまう。被膜材料が石英硝子であること、石英と
プラスチツクとの間の熱膨脹係数が２桁以上も異
なるために、摂氏で10度の桁の熱変化があると結
合は破壊されることになる。

緩イオン・ビームによるミリング或はエツチン
グ（即ち緩スパツタリング法）によつて表面汚染
は層沈積前に除去することができる。これはプラ
ズマ・エツチング、高周波スパツタリング等を含
む必要な活動的イオン（100の桁のeV或はそれよ
り高いエネルギ）を基材に輸送する各種の方法に
よつて達成することができるが、基材温度及びエ
ツチング速度の絶体制御を維持するためにはイオ
ン・ビーム・スパツタリングが好ましい方法であ
る。

表面汚染層を除いてしまうと、プラスチツクの
軟らかさ及び熱不整合の問題は、硬い層を第１Ｂ
図に示すように充分にプラスチツク内に突入させ
る（10乃至100の桁のオングストローム）ように
硬い層を沈積させることによつて解消することが
できる。このような構造にすると、被膜は連続的
となりプラスチツクの遥かに厚い層に一体的に結
合するので強さが大きく増加する。更に熱的な変
化に対しては、熱的不整合に起因する応力が遥か
に厚い層に亘つて分布するようになるので原子層
当りの応力は大巾に減少し、それによつて結合の
破断を避けることができる。実際、熱膨脹係数は
プラスチツクから硬い層まで遷移領域全体に亘つ
て勾配を持つようになる。

基材・被膜組合せに苛酷な熱的変化が要求され
るような用途に対しては、熱的不整合に起因する
応力を、第１Ｃ図で示すように、最終被膜とバル
ク材料との間に中間層を挿入することによつて更
に分配させることができる。この中間層は、綜合
組合せを透明にするのであれば石英硝子の硬い被
膜の場合普通の透明硝子でよく、着色光吸収レン
ズの場合には普通の着色硝子でよく、或は反射窓
のように組合せを光及び熱の両方或は何れか一方
の制御に用いるのであれば金属反射層或は半反射
層でよい。当業者であれば多くの他の応用を直ち
に考え得るであろう。より軟かい無摩擦被膜を硬
い基材に良好に結合させなければならないような
場合には、基材と被膜の特性を逆転させることさ
えも可能である。

第１Ｂ図に示す基本的形状に近似のものは、基
材の表面をスパツタリングによつてきれいにする
のに充分なエネルギを有し、またバルク材料内に
充分な距離（10の桁のオングストローム或はそれ
以上）だけ突入するのに充分なエネルギを有する
原子或は分子を沈積させることによつて得ること
ができる。入射イオン及び基材材料の殆んどの組
合せに対するスパツタリングのしきい値エネルギ
は20〜30eVの範囲内であるが、大量の表面材料
の除去は（即ち産出量が１原子／イオンに近づく
のは）通常は入射エネルギが100の桁程度のeVに
なるまで発生しない。入射イオンによる10乃至
100の桁のオングストロームまでの突入は、１〜
5KeVの範囲の入射イオン・エネルギによつて達
成される。エネルギを高くする程大きいスパツタ
リング産出量と深い突入が得られる。過大に表面
材料を除去することなくスパツタ浄化し、また良
好な結合を得るためにイオンを充分に突入させる
のに最適のエネルギは、通常500eV乃至5KeVの
範囲であるが、特定の基材・被膜組合せに対して
は他の値も必要であるかも知れない。このエネル
ギ範囲でのスパツタリング係数は通常10以下であ
り、突入は10の桁のオングストロームであるか
ら、基材表面層が沈積材料で飽和するような平衡
状態に到達し、次いで沈積物が複合層の上に被膜
として堆積して行く。後述するように、この平衡
は、強い表面結合及び被膜層の形成をもたらす低
エネルギを有して基材に到達する多数の中性原子
及び分子が存在するから得られるのである。しか
し、もし基材表面における綜合スパツタリング係
数が１よりも大きければ、材料が鎮静するよりも
早く除去されてしまうので堆積しなくなる。スパ
ツタリング係数とは、入射イオン数当りの除去さ
れるイオン、原子及び分子の数の比として定義さ
れている。

本発明を遂行する方法は、入射する材料原子或
は分子とバルク材料との組合せによつて所望の堆
積及び必要な遷移複合層を得るものであり、入射
原子或は分子の若干は強い結合を得るために突入
するのに充分に活動的であり、他のものは強い表
面結合を与えるが大きい基材表面スパツタリング
（即ちスパツタ浄化）を与える程充分なエネルギ
ではない低いエネルギ（約50eV）である。

必要な入射沈積材料を供給する装置を第２図に
示す。活動的な（0.5〜50KeV、通常は20KeVに
等しいか或はそれ以上）の稀ガス・イオン（通常
はAr或はKr）のビーム１は、レンズ系１によつ
て集束され、汚染を防ぐために通常はターゲツト
４と同一材料のアパーチヤ３によつて好ましくは
平行化される。本発明の目的上、ビーム１は集束
或は平行化の何れかを行なえばよく、レンズ系２
或は平行化用アパーチヤ３の何れかは省略するこ
とができる。低密度（カウフマン型）或は他の型
のデユオプラズマトロンのようなどのようなイオ
ン源をイオンの源として用いてもよいが、イオン
に必要なエネルギを与えるためにビームが接地
（或は他のターゲツト電位）に対する必要電位に
よつて加速できること、及びターゲツトに正しく
捕捉されるように適切に制御できるものとする。
ターゲツト４が絶縁材料である場合にターゲツト
４上に電荷が稚積するのを防ぐために正のイオ
ン・ビーム１を中和する目的で、熱イオン放射に
よつて電子を放出させるようにフイラメント９を
ヒータ電源１９によつて加熱する。他の形で中和
を行なつてもよく、一般に実際的には電荷堆積が
問題となることはない。

入射するスパツタリング・イオンのエネルギが
高いので、入射スパツタリング・イオン当りター
ゲツトからスパツタされる原子、イオン或は分子
の数（即ち生産量）は、殆んどのスパツタリン
グ・ガス及びターゲツト材料の組合せに対して、
通常は１よりも遥かに大きくなる。またエネルギ
が高いために、スパツタされる粒子の相当部分は
ターゲツト表面を去る時にイオン化される。この
割合はエネルギの増大に伴つて増加し、スパツタ
リング・イオンの種類、入射エネルギ及び角度、
及びターゲツト材料及び構造の特定の組合せによ
つて割合の増減はあるにしても（10の桁のパーセ
ンテージが観測されている）、20KeVのエネルギ
においては２〜５％程度である。これらのスパツ
タされた粒子は中性粒子及びイオン化粒子共高い
平均エネルギ（10〜50eV程度）及び最高エネル
ギ（約100eV）を有している。第２図に示すよう
に、基材５は基材ホルダ６上に配置され、スパツ
タされた粒子の通路内に位置ぎめされている。タ
ーゲツト４上の何れかの小さいスポツトからスパ
ツタされた材料が問題の入射エネルギでスポツト
の垂線を中心として若干オーバー・コサイン分布
をしていることに注目されたい。換言すれば、ス
ポツトの垂直とスパツタされた粒子の方向との間
の差角の関数としてのスパツタされた粒子の分布
のスポツトは、差角が０に等しいか或は０に近い
場合の方がコサイン分布グラフよりも高い分布を
呈している。従つてスパツタされた粒子１０，１
１は、図示の形態では主として基材５に向かう速
度を有している。第２図に示すようにビームを巨
視的に見れば、全領域からの分布が加わつて基材
ホルダ６における分布を若干平坦化し、従つて基
材ホルダ６における分布は中央にピークを有し、
両側に向つてなだらかに低下するようになる。こ
の分布をより均一にするような他の変更を行なつ
てもよいが、これらは本発明にとつて重要なこと
ではない。もしこれらの活動的なスパツタされた
粒子が予め衝突し合うことなく基材ホルダ６上の
単一の或は複数の基材５に衝突するとすれば、こ
れらの粒子は数オングストローム突入するのに充
分なエネルギを有しているので殆んどの表面汚染
層を通過して突入し、蒸着（粒子エネルギは1eV
以下）或は基材５に衝突する前の多重衝突によつ
て極端に粒子エネルギを低下させるガス放電内の
他のスパツタリング技術（平均エネルギは約
1eV）のような他の技術よりも遥かに良い結合を
与える。

第２図に示す装置では、及び基本的イオン・ビ
ーム・スパツタリング装置では、ターゲツト室７
は、操作中であつても比較的高真空状態（約10^-4
トル）に排気されるので、スパツタされた粒子の
平均自由路（λ）は極めて長い。λの大体の値
は、 10^-4トルにおいて60cm、 ５×10^-5トルにおいて115cm、 ２×10^-5トルにおいて290cm、 10^-5トルにおいて700cm である。

これらの値から実際の装置では、（実際の典型
的真空レベルは５×10^-5トル或はそれ以上である
が10^-4トル或はそれ以下であつても）λがターゲ
ツト４と基材５との間の距離よりも大きくなるよ
うに物理的に構成することは容易であることが明
白であろう。従つて実際には、スパツタされた粒
子が基材に衝突する際の粒子の平均エネルギを高
く維持するために、動作真空レベルを超高真空レ
ベル（例えば米国特許第3472751号に開示されて
いるように10^-5トル以上）まで高める必要はな
い。実際には弁８によつてO₂或は他の活性ガス
を添加することによつて、沈積中のターゲツト室
７内の圧力を故意に数10^-5トル或はそれ以上に上
昇させる場合もある。石英硝子の沈積中にO₂を
使用するのは、沈積材料を酸素不足にしないため
である。

ターゲツト４上に一次イオン・ビーム１が入射
する結果として、中性原子或は分子１０、少数の
イオン化原子或は分子１１、及び多数の二次電子
１２がスパツタされて二次ビームが発生する。こ
れらの多くは基材５に向かう速度を有しており、
他の要因が無ければ基材５に衝突する。勿論、沈
積物の濃縮化等を得るためにO₂或は別のガスを
添加している場合を除いて、背景汚染ガスの量は
それ程多くない。

第２図に示すように、基材５は通常薄い汚染表
面フイルム２５を有している。本発明が打破しよ
うとしている問題は、被膜層と基材との間のこの
ような及び他の悪条件の下でも前述のように基材
上に充分に頑丈な沈積層を形成させることであ
る。第１Ｂ図に理想的な形態を示してあるこのよ
うな沈積層を形成させるために、若干の沈積粒子
を比較的高エネルギ（１〜5KeVの範囲内）まで
高めなければならない。後述のように、ターゲツ
ト４からスパツタされた粒子を基材５に向かわせ
るのに米国特許第3472751号の基本的イオン・ビ
ーム・スパツタリング（IBS）法を用いることが
できる。しかし、基本的IBS法によつてスパツタ
される沈積粒子のエネルギが比較的高い（約
50eV）にも拘わらず、基材と被膜層の極めて悪
い組合せに対して必要な状態（第１Ｂ図）を得る
ほど充分に高いエネルギではない。これらの状態
の下では他の方法では満足できる被膜を得ること
はできない。

一方、イオン銃内で必要沈積材料（例えば石英
硝子）をイオン化しこれらのイオンを加速して基
材に向けることによつて直接的に所要被膜を沈積
させようとするとすると２つの問題が生じる。第
１に被膜として望ましい石英硝子のような材料
は、商業的な量をイオン銃から供給するのが極め
て困難である。これは、この材料が高い融点を有
しており、また通常イオン銃において発生するエ
ネルギでは極めて低いスパツタリング係数を呈す
るからである。第２に、もしこの材料をイオン銃
から直接放射するものとすれば、イオン化粒子と
して生産可能であるとしても、必要を突入を得る
ように加速すると全ての材料が高エネルギとなり
（例えば１〜5KeV）、殆んどの場合基材に沈積す
るよりも除去される材料の方が多くなるような綜
合スパツタリング係数を呈してしまう。

本発明によれば、沈積材料は基本IBS法によつ
て供給され、使用されるエネルギ（典型的には
20KeV）のためにターゲツト材料のスパツタリン
グ係数は入射スパツタリング・ビームの10或はそ
れ以上倍（即ち入射する１個の20KeVイオンが10
或はそれ以上の低エネルギの粒子をスパツタさせ
る）となる（600amu／イオン或はそれ以上の産
出量）。これは、5eV以下では極めて低いスパツ
タリング産出量を有しているが20KeVのArイオ
ン当り約10SiO₂分子を産する石英硝子の場合特
に重要である。

従つて、要約すれば本発明は、不利な層・基材
条件の下でさえも、スパツタされた粒子を用いて
頑丈な沈積を基材上に形成させるものである。こ
れらのスパツタされる粒子は基材IBS法によつて
発生させる。しかし前述のようにIBS法だけを用
いたのではスパツタされる沈積用粒子のエネルギ
が不利な条件の下で満足できる結果（第１Ｂ図に
理想化）を得るには低過ぎる。本発明は以下に説
明するようにこの問題を解消する。

中性原子或は分子１０、イオン１１及び電子１
２の二次ビームが発生した後、基材ホルダ６（基
材５と共に）はその電位を接地よりも10KVまで
低くできるように電源１３によつて操作される。
この電源は沈積の始めに投入し、スパツタされた
イオン１１を基材５内に10の桁のオングストロー
ム或はそれ以上に突入させるのに必要なエネルギ
（約１〜5KeV）まで加速するのに必要な電圧に調
整する。従つてこれらのイオン１１を化学的に基
材材料と混合させるのではなく、基材５内に「注
入」するのである。基材５内への突入は入射する
加速されたイオン１１の運動エネルギによつて達
成されるのであり、基材５に通常見出される汚染
表面フイルムには無関係に得ることができる。基
材或は表面フイルムの表面結合と遊離して結合を
形成するのではなく、「注入」沈積材料は内部基
材材料と結合を形成する。これらの結合が化学的
方法（分解等）によつて形成される緩勾配の結合
と混同されないように注意されたい。即ちこれら
のイオン１１は結合の深さに従つて強さを与え
（第１Ｂ図参照）、同時にイオンの高いエネルギの
ために基材５の表面フイルタ２５をスパツタ浄化
する。従つて基材５にこの加速電圧を印加するこ
とによつて、入射粒子の一部が加速されて初期フ
イルム形成段階における浄化を可能ならしめ、ま
た結合強度を大きく増大させるという２つの目的
が達成される。一般にターゲツト４上にそしてタ
ーゲツトから基材５に他の材料がスパツタされて
戻つて来るのを避けるために、基材材料だけを二
次粒子ビームにさらすようにすることが（不可欠
ではないが）望ましい。従つて１つの方法は、基
材ホルダを沈積材料にさらさないように基材を並
べることである。別の方法は基材ホルダ６をター
ゲツト４と同じ材料で作つてホルダ６からスパツ
タされる材料がターゲツト４を汚染しないように
することである。また若干の基材材料に対して
は、表面劣化等を避けるためにそれ程大きいスパ
ツタリングを生じないレベルまで加速電圧を低下
させることも望ましいかも知れない。加速電圧
は、それを印加しない場合に、二次イオンが有し
ている平均エネルギ（約50eV）よりも高いエネ
ルギを加速された二次イオン１１に与えるもので
あれば、たとえイオン１１のエネルギが充分な表
面浄化を行なうには低過ぎるとしても（例えば若
干の材料に対して200Vの加速電圧）、どのような
大きさであつても結合を改善することを認識する
ことが重要である。

第２図に示すように、本発明の方法はターゲツ
ト室７内の１つ或は複数の基材５を用いて遂行す
ることができる。複数の基材を用いる方が商業的
製造には好ましい。

このプロセス全体が、基材５を殆んどのプラス
チツクの最高加工温度（約70℃）以下の温度に保
ちつつ遂行できることを認識することは極めて重
要である。事実この技術は、基材に入射するエネ
ルギだけが「加工」材料によつて運ばれるため
に、他の方法よりも充分に低い基材温度で操作さ
れる。

二次ビームの主要部分を占めている中性原子或
は分子１０は、基材５上の加連電圧による影響を
受けず、加速電圧が存在しないのと同様に同じ数
で同じエネルギで（大体の平均エネルギは
50eV）基材に到着し続けることに注目された
い。前述のように、これらのエネルギは充分なス
パツタ浄化を行なうほど高くはない。従つて、加
速されたイオンよりも中性原子或は分子の方が遥
かに多数であるために、スパツタ浄化中のものよ
りも多くの材料が基材に到達する。以上のように
表面浄化、結合形成、及び被膜形成が同時に行な
われるのである。

ビームが巨大であるとか強いというような若干
の一次ビームの状態の下においては、一次ビーム
によつてターゲツトからスパツタされる「若干」
の材料は、一次ビーム内の「比較的」濃いガスを
通過する際に若干の散乱衝突する可能性がある。
これらの状態の下では、二次イオン・ビーム内の
イオン１１のための加速電圧が存在することによ
つてスパツタされた粒子のエネルギの平均損失が
補償され、事実、二次ビーム粒子が一次ビームを
通過しないものとした場合の平均エネルギを大巾
に改善する。この事実は大規模な商業装置を設計
する上で重要である。また、１０，１１、及び１
２からなる二次ビーム内のイオン１１のパーセン
テージは、若干の組合せに対して、「ストリツピ
ング」効果のために一次ビームを通過後に増加す
ることにも注目されたい。沈積中に周囲ガス圧力
が比較的高い値（例えば10^-4トル以下）に上昇す
るような装置では、沈積プロセスの全体に亘つて
加速電圧を印加し続ける方が望ましいことさえあ
る（後述のように沈積中基材５上に累積する正電
荷の中和）。

被膜即ち沈積層２６が形成されると、加速され
たイオンはこの沈積した被膜２６には突入するが
基材材料には突入しなくなるから、最適結合状態
は比較的短時間（合計操業時間に対して）内に達
成される。汚染フイルム２５は沈積層２６が完全
に沈積してしまう時間までに、完全ではないにし
ても殆んどスパツタ浄化されることに注目すべき
であり、この事実を考慮に入れて第２図を見るべ
きである。過大な電荷が沈積層２６に累積するの
を避けるために、結合が形成された後に電源１３
を切離し、基材ホルダ６をスイツチ１４によつて
接地する。この電源１３をオフとした時に出力が
自動的に接地されるようになつているのであれ
ば、単に電源１３をオフにするだけでもよい。基
材を接地すると（電源が投入されている間ははね
返されていた）電子１２はもう一度基材５に達
し、正イオン１１の加液中に基材５内に相当の正
電荷が累積されていれば基材５に吸引されること
さえある。通常はその必要はないが、基材５上の
正電荷の中和は、バツフル１６によつて二次ビー
ムから遮蔽されている電子放出用フイラメント１
５によつて遂行する。他の同じような技術を用い
てもよい。（フイラメントによる汚染はその使用
時間から考えてそれ程重大ではないが、必要なら
ば公知の技術によつて避けることができる。）簡
単で効果的な方法は、結合形成中接地電位の両側
に振動する交流高圧電源を用いて正イオン及び電
子を交互に吸収させることである。これは、どの
ような状態の下でも中性を確実に維持するが、装
置が複雑となる。

第１Ｃ図に示すように、２層に被膜して中間層
が金属の場合には、金属の厚み等に依存して加速
されたイオンによる帯電効果は最低になるか、或
は完全に排除される。事実、石英硝子のような透
明被膜を沈積させる場合でさえ、その前に適当な
金属（Ni、Cu等）の数単分子層を基材内に加速
させ、その後に沈積する電荷を除去するのを援助
することができる。このような少量の金属が光を
吸収しないことは明白である。

また、第１Ｃ図に示すような２層被膜の場合、
中間層から最終層への遷移中に基材に加速電圧を
印加することが望ましいが、或は必要であるかも
知れない。しかし、より簡単な基本的IBS技術の
下で強い結合を形成する材料（例えば硼珪酸硝子
上の石英硝子）に対しては、このような複雑さを
必要としない場合もある。本発明の目的のために
は、単一或は複数の材料の性質には無関係に、ま
た最終複合構造を構成する層の合計数には無関係
に、ある材料の層上に別の材料の層を沈積及び注
入させる間加速電圧を印加できることを理解され
たい。

更に中間層と最終層との間を結合させるため
に、結合形成の初期段階中に、より良好な結合強
度が得られ且つ加速電圧を必要としない別の技術
を使用することができる。第３図に例として示す
ように硼珪酸硝子（基材５上の中間層３０）及び
石英硝子（基材５上の最終層３１）を用いた場
合、もし硼珪酸硝子と石英硝子との相対的組成を
一方が100％から他方が100％まで連続的に変化で
きるようにターゲツト４０を分割するものとすれ
ば、遷移層を連続的に変化させ、完全に一体化さ
せることができ、そして第１図に示すような理想
的状態を複製することができる。第３図に示すよ
うにターゲツト４０は、その大体半分が中間層３
０として沈積させる中間材料（例えば硼珪酸硝
子）４１で残りの半分が最終層３１として基材に
沈積させる最終材料（例えば石英硝子）４２であ
るように作ることができる。ターゲツト上の２つ
の材料４１，４２の境界は、ターゲツト４０上の
一次ビーム１の位置が変化した時に沈積させる材
料の量に所望の連続変化が得られるように角度を
つけておく。もし図示の位置にあるターゲツト４
０によつて中間層３０を形成させたのであれば
（第１の結合のために加速電圧を用いることがで
きる）、ターゲツトから充分な硼珪酸硝子を沈積
させた後に、所望の厚みの遷移領域を得るのに必
要な速さでターゲツトを左方に移動させてターゲ
ツト上の一次イオン・ビーム１の位置を移す。こ
のようにすると遷移領域は100％硼珪酸硝子から
100％石英硝子まで連続的に且つ均一に変化する
ようになる。最後に、一次ビームをターゲツトの
石英硝子部分４２に完全に照射させて必要な石英
硝子層の厚みが得られるまで操作する。勿論この
技術では他のどのような材料を用いてもよく、ま
た３つ或はそれ以上の材料を用いることもでき、
更に多くの他のターゲツト形状を用いて遷移を得
ることができる。

基本的なIBS技術によつて多くの元素材料及び
化合物をスパツタさせ転送させることができる。
特に、石英硝子は全く容易にスパツタさせ基本的
に分子形状で転送することができ、バルク石英硝
子の特性（透明性を含む）を持つ沈積層を形成す
ることができる。従つて熱膨脹係数の差を除けば
プラスチツク・レンズに望ましい硬い被膜として
優れた選択品である。他の良好な被膜材料は
Al₂O₃、コーニング社製7740（「パイレツクス」
（商標）、硼珪酸硝子）、及び7070（低損失電気硝
子、硼珪酸硝子）、及び硼珪酸硝子であり、また
当業者ならば他の材料も明らかである。しかし一
般にプラスチツクは、それらの大きい複雑な分子
故に本発明の開発に役立つ。プラスチツク基材表
面上の汚染ガス等は、それらの寸法及び小さい表
面結合の両方或は何れか一方のために浄化段階中
に優先的にスパツタされる。プラスチツクの密度
は低いから、「加速された」イオンによる突入は
比較的低エネルギでも極めて深く、強い結合強度
が得られる。最も重要なことは、これが基材を最
高加工温度以下に保つたまま遂行できることであ
る。

第４図は低温材料のマイラ（或は類似材料）の
フイルム５１に金属半反射フイルム５０を沈積さ
せて特に有用な形状としたもので、これらは次で
普通の硝子窓の外面５４にシリコンのような透明
糊５２によつて糊着けすることができる。従来の
方法を用いたのではマイラと金属とを充分良好に
結合させ、このような用途において「商買する」
ことは極めて困難である。本発明はこの使用を可
能にしている。最終目的は、オフイス、工場及び
家庭の窓に取付けて熱制御及びエネルギ保存に役
立てようとするものである。これらの複合フイル
ムは工場レベルで窓硝子に貼ることもできるし、
或は反射層を他の方法のように直接硝子に沈積さ
せることもできる。反射用マイラは、熱制御用と
して外側反射で用い泡（テニス・コートで用いら
れるような）を作るのに使用することができる。

第２図において、加速電圧を基材５に印加して
いる期間中、基材ホルダ６とターゲツト４との間
に電界が存在する。入射一次Ar或はKrイオン・
ビーム１は電界の一部を通過する。入射ビームは
極めて活動的であり（約20eV）、ビームが通過す
る電界は約1KVにしか過ぎないから、一次ビーム
は極く僅かに偏向されるようになる。この小さい
偏向は、もし発生しても、必要ならば一次イオ
ン・ビームの初期角度の変更、ターゲツトの移動
等によつて調整することが可能であり、実質的に
基本プロセスに影響を与えることはない。

第２図に示されている全ての電圧等及び物理的
形状は例示にしか過ぎない。基本的な概念を変更
することなく多くの他の形状を用いて操作するこ
とができる。実際の電圧等は使用する材料及び基
材に依存する。実際の装置には他の電子成分（電
流計、電源等）が用いられているが、この説明に
は必要がないので図示してない。

本発明を、現在では好ましいと考えられる実施
例に関して説明したが、当業者であれば本発明の
範囲から逸脱することなく多くの変更が考えられ
るであろう。更に、本発明を一般的に不活性ガス
のイオンのビームを使用するものとして説明した
が、中性化用フイラメント９の効果は正に帯電し
たイオン・ビームに電子を加えて原子粒子を形成
させることによつて中性化するものであることに
注意されたい。イオンの形成は静電加速のために
必要であるが、衝突させるという目的に対して
は、粒子が帯電したイオンであろうと中性の原子
であろうと重要なことではない。また本発明の範
囲は、負に帯電したイオン・ビームにまで及ぶも
のであることを理解されたい。一次イオン・ビー
ムに要求されることは、それが加速されたイオン
を含んでいることであり、これらのイオンは正負
何れに帯電していてもよく、またターゲツトに到
達する前に全体或は一部を中性化してもよいし、
中性化しなくてもよいのである。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は従来被膜技術による基材及び表面被
膜層の形状をこの層の露出表面からの距離の関数
として示す概要図であり、第１Ｂ図は本発明の方
法の１実施例によつて近似される基材及び表面被
膜層の理想化した形状をこの層の露出表面からの
距離の関数として示す概要図であり、第１Ｃ図は
本発明の方法の１実施例によつて近似される表面
被膜層を有する基材及び中間層の理想化した形状
を表面被膜層の露出表面からの距離の関数として
示す概要図であり、第２図は本発明の装置の１実
施例の概要図であり、第３図は本発明のターゲツ
ト及び多層被膜基材の別の実施例の斜視図であ
り、そして第４図はマイラ層と本発明の方法によ
つてこのマイラ層に沈積させた金属半反射フイル
ムとの複合体を窓硝子の外面に糊着けしてあるこ
とを示す断面図である。 １……一次イオン・ビーム、２……集束レンズ
系、３……平行化用アパーチヤ、４，４０……タ
ーゲツト、５……基材、６……基材ホルダ、７…
…ターゲツト室、８……ガス導入弁、９……電子
放出用フイラメント、１０……中性粒子、１１…
…イオン化粒子、１２……二次電子、１３……加
速用電源、１４……スイツチ、１５……電子放出
用フイラメント、１６……バツフル、１９……ヒ
ーター電源、２５……表面汚染層、２６……沈積
層、３０……中間層、３１……最終層、４１……
第１の材料、４２……第２の材料、５０……金属
層、５１……マイラー、５２……糊、５４……硝
子外面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも１つの材料の少なくとも１つの層
   を基材上に沈積させ、そして基材内に注入する方
   法において、 前記の材料のターゲツト表面から中性原子及び
   分子、及びイオン化した粒子をスパツタさせるの
   に充分なエネルギでイオンの一次ビームを前記の
   材料のターゲツト表面に向かわせ、 前記の中性原子及び分子、及びイオン化した粒
   子の通路内に前記の基材の表面を配置し、そして
   前記のイオン化した粒子を前記の基材表面に向け
   て加速し、それにより前記の基材内への前記の粒
   子の侵入を増大させる 諸段階を備えたことを特徴とする方法。 ２ 前記のイオン化した粒子を、調整可能な加速
   用電圧によつて加速することを特徴とする前記第
   １項に記載の方法。 ３ 前記のイオン化した粒子を、前記の基材内に
   相当の注入が行なわれるような平均エネルギまで
   加速することを特徴とする前記第１項に記載の方
   法。 ４ 前記の加速されたイオン化粒子の平均エネル
   ギを、前記の沈積、前記の相当の注入、及び前記
   の基材表面のスパツタ浄化が同時に発生するよう
   な平衡状態を生ずる範囲内とすることを特徴とす
   る前記第３項に記載の方法。 ５ 前記の基材がプラスチツク材料からなり、前
   記のターゲツト表面がSiO₂、Al₂O₃、硼珪酸塩硝
   子及び硼珪酸硝子を含む群から選択される材料で
   あることを特徴とする前記第１項に記載の方法。 ６ 前記の一次ビームが稀ガスの加速されたイオ
   ンからなつていることを特徴とする前記第１項に
   記載の方法。 ７ 前記の中性原子及び分子が10乃至50eVの範
   囲の平均エネルギを有し、前記のイオン化粒子を
   200eV乃至5KeVの範囲の平均エネルギまで加速
   することを特徴とする前記第１項に記載の方法。 ８ 第１の層及び第２の層を前記の基材上に沈積
   させ、前記の基材内に注入するようになつてい
   て、前記の基材がプラスチツク材料からなり、前
   記の第１の層が金属であり、そして前記の第２の
   層がSiO₂であることを特徴とする前記第１項に
   記載の方法。 ９ 前記の加速用電圧が10KV以下であつて基材
   を電源に電気的に接続することによつて調整可能
   なように印加され、前記の層の沈積及び注入中の
   前記の電圧の量及び接続時間が調整可能であるこ
   とを特徴とする前記第２項に記載の方法。 １０ 前記の基材上への電荷の累積を、前記の加
   速用電圧を遮断して前記の基材を接地することに
   よつて防いでいることを特徴とする前記第２項に
   記載の方法。 １１ 第１の材料の第１の層及び第２の材料の第
   ２の層を前記の基材上に沈積させ且つこの基材内
   に注入する前記第１項に記載の方法であつて、前
   記の第１の層の材料と第２の層の材料の前記のタ
   ーゲツト表面上の空間的配列が、前記の一次ビー
   ムの前記のターゲツト表面上の位置を変化させた
   時前記の第１及び第２の層の相対的組成が第１の
   層の100％から第２の層の100％まで連続的且つ一
   体的に変化するようにしてあることを特徴とする
   方法。 １２ イオン・ビーム・スパツタリング装置であ
   つて、基材保持具、中性粒子及びイオン化した粒
   子をターゲツトから基材に向つてスパツタさせる
   のに充分なエネルギでイオンの一次ビームをター
   ゲツトに向かわせる装置、及び前記のイオン化し
   た粒子を前記の基材に向けて加速する装置の組合
   せを具備する装置。 １３ 前記の加速装置が前記の基材に印加される
   直流電圧であることを特徴とする前記第１２項に
   記載の装置。