JPS6223016B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 プラスチツクのような材料は、軽量性、成型
性、透過性（光学的応用に関して）、加工性など
がすぐれているため、一般に非常に数多くの応用
分野で用いられている。しかしながら建築材料
（たとえば装飾パネル）、軽量ミラー、窓などの多
くの応用例に対しては、上記材料は、かき傷が付
きやすく化学的な雰囲気に対する抵抗力が欠けて
いるなどの理由により、あまり適していない。こ
のような制約は、衝撃にさらされる表面の上にガ
ラスその他の適当な材料で保護層を設けることに
よつてある程度除去することができる。しかしな
がら、そのような保護層を用いる場合には、２つ
の主要な問題点が存在する。１つは２つの材料間
の十分良好な結合が得られにくいことであり、も
う１つは、保護材料を設ける間プラスチツクが変
形・溶融せず、あるいは表面の混濁を生じないよ
うに十分低い温度に保つことが難しいことであ
る。さらに、付着プロセス後の冷却によつて剥離
（すなわち、サブストレート層と保護層とが分離
すること）が生ずることがある。加熱されたプラ
スチツクとガラスは、付着プロセスの間に膨張す
るが、それらは熱膨張係数が異なるため異なる割
合で膨張する。付着プロセスの後、ガラス及びプ
ラスチツクは加熱前の寸法に戻ろうとする。その
ときにも熱膨張係数が異なるために、プラスチツ
クはガラスよりも小さな寸法に縮まろうとして大
きな剪断応力を発生させる。従つて、２つの層の
結合が十分強くない場合には剥離が起る。収縮に
ともなう高い剪断応力を減らす１つの手段は、付
着プロセスの間プラスチツクを十分低温に保つこ
とである。このようにすることにより、プラスチ
ツクは付着前に対し少ない膨張量ですみ、付着後
の冷却においては小さな収縮力しか働かない。

他方、結合の困難さは、イオンビーム注入スパ
ツタリングなどの高度な結合技術を用いることで
解決することができる。これは、1974年６月５日
提出の本発明者のDisclosure DocumentNo.32867
の中に開示されている。過熱してしまう危険は、
所定のプロセスの付着速度を、エネルギ入力がプ
ラスチツクを変形し、溶融し、剥離し、あるいは
表面を混濁させてしまうのに必要な量以下になる
ような速度にすることによつて解決されるが、そ
の結果は、多くの応用例において実用にならない
程遅い速度であつた。過熱してしまう危険は、ガ
ラスを付けている間プラスチツクを冷却すること
によつても解決される。過熱の問題を扱うこの２
つの方法は、保護層が透明であり、そして光がそ
の保護層を通過するのを妨げられない（無吸収ガ
ラスと同じように）ことが必要な場合に用いられ
る。しかしながら、保護層構造の付着が、保護層
の側から見て着色を許容することができ又は着色
を必要とし、あるいはそれが着色して透過光の量
を調節するためのものであるならば（1975年12月
29日提出の米国特許出願第645262号「色の増強を
ともなう光制御」に記載したように）、本発明
は、適当な応用方法が用いられるときに、プラス
チツクサブストレートを冷却する必要がなく、お
よび／または許容しうる付着速度を大きく増大さ
せることができるように、保護層の付着を可能な
らしめる。

一般的な付着システムに関して、もしその付着
システムが蒸着法、プラズマ付着法、その他類似
の方法を含むならば、付着材料源は、それ自身非
常に熱く、そして／または熱い材料を放出する。
例えば、蒸着法は非常に熱い付着材料源を用いる
が、これはサブストレートや周囲の壁などに大量
の放射熱を発散する。そして、それは運動エネル
ギは小さいが大きな熱エネルキを持つ材料を放出
する。一方、カソードあるいは無線周波スパツタ
リング法などのシステムは冷却し得る放出源を有
するので、放出された材料は幾分高い運動エネル
ギを持つが、はるかに低い熱エネルギを持つこと
になる。しかしながら、一般にこの型の実際のシ
ステムではカソード（源）の冷却が困難であるた
め、カソード温度は200〜300℃以上にもなる。さ
らに重要なことは、サブストレート上のポテンシ
ヤルによつて残りのプラズマから引き出された
（又はカソードによつてはじかれた）多くの高エ
ネルギ電子がサブストレートに衝突し、そのため
サブストレートの温度は許容温度よりも相当高く
なる。イオンめつきにおいては、サブストレート
上への付着の間表面を清浄に維持するために用い
られる高エネルギイオンをサブストレートに衝突
させる。

イオンビームスパツタリング（IBS）（米国特
許No.3472751）あるいはイオンビーム注入スパツ
タリング（IBIS）（前記Disclosure Document
No.032867）において、サブストレートに対する主
要な熱源はイオンビームターゲツト（源）からの
放射熱である。何故なら、ターゲツトとサブスト
レートの間の空間は良好な真空状態であり、そし
て残りのイオンや電子が比較的少なく、放出され
た材料は比較的大きな運動エネルギを持つている
が、比較的小さい熱エネルギを持つことになるか
らである。実際のIBSあるいはIBISシステムにお
いては、この運動エネルギは、通常サブストレー
ト加熱の主たる因子ではない。このような付着シ
ステムにおいては、サブストレートに対する主要
熱源は源からの赤外放射エネルギであり、付着割
合の制限因子は通常、イオンビームによつてター
ゲツトに入射するエネルギからターゲツトの直接
の冷却および／または放射によつて失われるエネ
ルギを差引いた熱量（ビームエネルギの形）であ
る。この差の値がターゲツト温度、従つてターゲ
ツトからサブストレートに伝達される放射熱の正
味の量を決定する。本発明の目的は、サブストレ
ートをそれが変形、溶融、剥離、あるいは表面混
濁する臨界温度以下に保ちながら、冷却の必要な
しにサブストレート上への高速度の付着ができる
ようにすることである。

本発明は、材料の層を表面に付着させる時表面
の変形、溶融、剥離あるいは表面混濁を避けるた
めに、その表面を十分低温に保ちつつ付着させる
方法を提供するものである。本発明は、２段階の
工程からなる。最初に熱線領域で高い反射性をも
つ材料の層をサブストレート上に付着させる。熱
線反射性のため、どのような付着速度に対しても
サブストレートの温度はより低くなる。同様に、
サブストレートの変形、溶融あるいは表面混濁の
所定の限界温度に対して、熱線反射性が高いこと
により付着速度を増大させることができる。熱線
反射の程度は反射層が厚くなるに従つて限界値に
向つて増大していくので、反射層の許容付着速度
も反射層の厚さとともに増大する。本発明の方法
の第２工程として、熱線反射層の上に種々の材料
の層を連続的に付着させる。これらの連続層は、
熱線反射層が存在しない場合の許容速度よりも速
い速度で付着される。そして熱線反射層が存在す
ることにより、連続的に付着される材料の層のど
のような所定付着速度に対してもサブストレート
をより低い温度にすることができる。

本発明の好ましい実施例は、イオンビームスパ
ツタリング（IBS）法を用いてプラスチツクサブ
ストレート上に材料を付着させることを含む。最
初に金属層が付着されるが、この金属層は可視光
領域においては大きな透過率を持ち、一方赤外線
領域では高い反射率を有するものである。次に、
二酸化珪素（ガラス）のような保護絶縁層が金属
層の上に付着させられる。

以下本発明の基礎となる理論について説明す
る。イオンビームスパツタリングの場合、ターゲ
ツト（源）及びサブストレートの温度をそれぞれ
Ｔ_T（イオンビームからのエネルギ入力によつて
一定に保たれていると仮定する）及びＴ_Sとし、
そしてターゲツト及びサブストレートの周囲が高
度の真空状態にあるものとすれば、両者間のエネ
ルギ伝達は主として直接放射によつてなされる
（すなわち、ターゲツトやサブストレートに対し
て他の物体や周囲の媒体からの伝導熱はほとんど
無く、またそれらによる熱の吸収や再放射は皆無
である）。簡単にするため、サブストレートはサ
ブストレートホルダーと同じ寸法かあるいはそれ
よりも大きく、そのホルダーに中心を合せて取付
けられているものとする。ターゲツトからサブス
トレートへの上記の理想的なエネルギ伝達は、次
のステフアン―ボルツマンの法則の変形式によつ
て示される。

Ｑ＝CF_AF〓A（Ｔ_T ^４―Ｔ_S ^４） ここでＱ＝単位時間にターゲツトとサブストレ
ートの間を伝達される正味の熱量 Ｃ＝定数 Ｆ_A＝ターゲツト及びサブストレートが相互に見
る平均の立体角を考慮した視野係数、すな
わちターゲツト及びサブストレートの相対
面積および相対位置を考慮した係数 Ｆ〓＝ターゲツト及びサブストレートの相対放射
率（ε）を考慮した放射係数 Ａ＝ターゲツトの面積 実用的なシステムでは、一般にターゲツトの温
度がサブストレートの温度よりもかなり高いの
で、正味のエネルギ伝達はターゲツトからサブス
トレートに向つて後者の温度を上げる傾向があ
る。所定の温度Ｔ_T及び Ｔ_Sに対しＣ、Ｆ_A及び
Ａは一定であるので、上式(1)において正味の熱伝
達量を減らすために変更しうる係数はＦ〓であ
る。一般に、Ｆ〓はε_T（ターゲツトの放射率）
あるいはε_S（サブストレートの放射率）が小さ
くなるにつれて小さな値となる。Ｆ〓の正確な表
現は、システムの幾何学的形状などによつて決ま
る。説明のためターゲツトはε_T＝１の黒体であ
り、ターゲツト及びサブストレートはそれぞれＴ
_T及びＴ_Sの温度で平衡状態にあると仮定する。キ
ルヒホツフの法則によれば、平衡状態では物体の
放射率と吸収率は等しく、その値は物体の温度に
よつてのみ決まる。この場合、所定のＱ及びＴ_T
の値に対しＴ_Sを小さくする（すなわちＴ_T ^４―Ｔ
_S ^４を大きくする）ためには、サブストレートの
放射率を小さくすることによつてＦ〓を小さくし
なければならない。これは、その吸収率を小さく
することと同じである。

吸収率(A)と伝達率（ｔ）と反射率（Ｒ）の和は
１でなければならないので、Ａおよび／またはｔ
はＲの増大によつて減少させることができる。含
まれる実際の値に依存するが、これは次のことを
意味する。すなわち、サブストレートに比較して
かなり高い温度のターゲツトから発散され、サブ
ストレートによつて吸収されるとともに再発散さ
れ（高められた温度において）、そして部分的に
ターゲツトに再び吸収される（その百分率は幾何
学的形状によつて決まる）放射エネルギの一部
が、直接ターゲツトに戻つてきて再吸収される。

この機構は、十分に冷却されたホルダーに設置
されているために、ターゲツトから加えられる放
射熱を受けてもわずかしか温度が上昇しないサブ
ストレートを考えることによつて最も良く理解さ
れよう。また、熱を放射するターゲツトに面した
側の反射率が小さく又はその反射率が０のサブス
トレートについて考えると、もしサブストレート
の温度が冷却ホルダーの温度よりも高く、感知し
うるほど上昇したとすれば、サブストレートの吸
収率は０ではない。何故なら、反射されあるいは
伝達される成分はサブストレートの温度を上げる
ことがないからである。換言すれば、一般の現実
的な場合、サブストレートの温度上昇に対して反
射率Ｒと伝達率ｔの和が100％で吸収率Ａが０と
なることはありえないのである。多くのプラスチ
ツクのような低吸収率材料であつても、サブスト
レートホルダーへの熱伝導および／またはサブス
トレートホルダー、ターゲツト等への熱放射が平
衡状態に達するまでは、サブストレートがサブス
トレートホルダーの温度以上に上昇し続けること
に留意しなければならない。

次に、赤外線領域において高い反射率（Ｒ_n）
を持つ金属ｍ（例えば銅あるいは黄銅）の層がサ
ブストレートの表面に付着される場合について考
慮する。ここで、上記金属層は薄く、従つて入射
赤外線の反射されない吸収分は小さい（前記特許
出願「色の増強にともなう光制御」にある如く）
ものとする。最初のサブストレートに伝達された
入射赤外線の非反射部分（ｔ_nで示す）のうち、
伝達率tt_nの成分はサブストレートホルダーに伝
達され、吸収率At_nの成分はサブストレートに吸
収される。ここで、反射率Ｒ_nは０でなく相当の
大きさを持つため、ｔ_nはサブストレート上への
入射線の100％よりも小さい。従つて、サブスト
レートホルダーに伝達される成分（tt_n）は、反
射層のない場合の成分（ｔ）よりも小さい。さら
に重要なことは、吸収成分At_nもまた反射層のな
い場合の吸収成分Ａよりも小さいということであ
る。

上記のような複合構造は、初めの場合に比べて
高い反射率と低い伝達率及び低い吸収率を持つと
考えられる。一方、付加した反射層の吸収率が初
めのサブストレートよりも大きく、従つて多量の
エネルギが吸収されるので、より熱い金属層から
の伝導熱によつてサブストレートが加熱されると
いう場合を仮定することは可能である。しかし、
このような場合は本発明の実際例ではほとんど考
えられない。他に、冷却されていないサブストレ
ートホルダー、０でない元の反射率Ｒ、内部反射
（例えばサブストレートの後部表面におけるも
の）等の場合も仮定することはできるが、一般的
結論は同じである。すなわち、複合構造によつて
反射率を高めた場合には、吸収されるエネルギは
減少するということである。

こうして、２つの場合においてＱは同じ値をと
ることができる。すなわち、反射率が増大した場
合には、Ｆ〓が小さくなり（Ｔ_T ^４―Ｔ_S ^４）が大
きくなる（すなわち、Ｔ_Tが定数ならばＴ_Sは小さ
い値になる）。本質的には、サブストレートによ
る吸収と再放射の遷移段階が回避される。実際に
は、上記２つの場合は正確に同じではない。例え
ば（異なる立体角効果のため）放射ではなく反射
によつてターゲツトへ戻つてくるエネルギの量が
増加するため、ターゲツト温度はやや高くなり得
る。しかし、一般には、所定の一連の条件に対す
るサブストレート温度の変化は上述のように生
じ、そして本発明の実施の際に起る付着状態の変
化に適応させるためには、上記の理論にほんのわ
ずかな修正を必要とするだけである。

サブストレートがターゲツトに面する方向に反
射率が増大するように調整されているならば、薄
い二酸化珪素のような他の比較的低い反射率の材
料からなる（特に赤外線領域において）吸収のな
いあるいは吸収の少ない層を、反射層がない場合
に可能な速度よりもはるかに速い表面に適用する
ことができる。同様に所定の付着速度に対して、
サブストレートの温度をかなり下げることができ
る。（注：プラスチツクは通常、たとえば太陽光
線スペクトル中に存在する近似赤外線が考えられ
るために、赤外線領域では吸収のない材料と考え
られている。しかし、プラスチツクは赤外線領域
にわたつて多くの吸収帯を持つている。一方、溶
融シリカは、用途がたいてい科学用で赤外線領域
から離れた領域における媒質として用いられてい
ることから、赤外線吸収材の一つと考えられてい
る。しかし吸収率は100％ではなく、非常に薄い
層の場合シリカはある特定の波長の赤外線領域で
は相当の透過性を持つことができる。本発明の実
施の際シリカの吸収率はターゲツトの温度によつ
て決まる。この温度は300゜Ｋから900゜Ｋ又はそ
れ以上の範囲にあり、これに対応するピーク放射
は10ミクロンから約３ミクロンまでである。本発
明の実施の際に生ずる実際の状況、たとえば後述
のようなサングラスを製造する場合には、サブス
トレートとして用いられる比較的厚いプラスチツ
クの層が相当の発熱を生ぜしめるに十分な高い吸
収率を持ち、一方それに対し1/3〜1/4の薄さのオ
ーバーコーテイングしたシリカ層は比較的低い吸
収率を持つ。どのような特別な状況下において
も、精確な値はサブストレート材料、ガラス材
料、ターゲツト温度などに厳密に依存してい
る。） 以下、本発明による方法の適用例として、例え
ば1975年12月29日提出の米国特許出願第645262号
の「色の増強をともなう光制御」に記載されてい
る構造を持つサングラスレンズのようなプラスチ
ツクのサブストレートに対するコーテイングにつ
いて添付図面を参照して説明する。添付図面の第
１図から第３図に示すように、プラスチツクサブ
ストレート２１は適当なホールド機構２２（例え
ば両面接着テープまたはクリツプ）によつて設置
され、その表面２８は妨げられることなくターゲ
ツト（源）２３を見ることができるようになつて
いる。プラスチツクサブストレート２１の表面２
８は、透明あるいは部分的に可視光を吸収するも
のであつてよいが、この表面２８を被覆するとき
は、これを（いわゆる半反射性）の金属層２４で
被覆し、その上に二酸化珪素その他の適当な材料
からなる絶縁体の層２５をオーバーコーテイング
して、着色した反射性金属表面を形成し、そして
眼に到達する可視光及び赤外線の量を減少させる
ことが望ましい。前記の特許出願「色の増強にと
もなう光制御」に記載されているように可視光領
域では相当の透過率（たとえば50〜80％）を有し
赤外線領域では高い反射率（たとえば70〜95％）
を有する金属層２４を付着させることは可能であ
る。このIBSにおいて用いられる付着システムに
ついて説明すると、ターゲツト２３内に注入され
る高エネルギ―イオンビーム２６の形の最大可能
出力は公知である。付着速度には限界がある。と
いうのは、ターゲツト２３は、このターゲツトか
ら放射される熱によつてサブストレート２１が溶
融、変形、剥離あるいは光学的な混濁を起す温度
より低い温度に維持されなければならないからで
ある。

金属層２４の付着速度は、最初その限界値かそ
れより低い値に調整される。金属層２４がプラス
チツクサブストレート２１上に形成されるに従つ
て、すでに付着された層は、ターゲツトから入射
してくる赤外線の一部をサブストレートから反射
し始める（金属は本質的に赤外線反射の性質を持
つものとする）。磨かれた形で高い赤外線反射率
を持つ適当な金属の例としては銅、黄銅、金、銀
およびアルミニウムが含まれる。次に、金属の付
着速度は、前述のようにサブストレートの低い平
衡温度に対応した値まで引き上げられる。実際に
これは、イオンビーム２６のエネルギ入力を増加
することによつてターゲツト２３の温度が上昇
し、サブストレート２１の温度も上昇することを
意味する。しかしながら、サブストレート２１の
温度はサブストレート２１が相当の赤外線反射率
を持つ以前の温度と同じであるのに対し、付着速
度は速くなつているのである。最初の状態よりも
はるかに高い赤外線反射率を持つようになつた層
のために、付着速度は十分大きい値まで高められ
る。付着速度変化の正確な値は付着される金属、
システムの幾何学的形状、ターゲツトの冷却など
によつて決まる。

（もしあれば）所望の可視光透過率および／ま
たは着色効果のために必要な厚さまで金属層２４
が達したならば、金属付着操作は中止される。第
３図に示すように、IBS付着システムでは、通常
しかし必ずしも必要ではないが真空状態を維持し
たままで金属ターゲツト２３がガラスターゲツト
２７（たとえばSiO₂）に置き換えられ、金属層２
４の上に絶縁層２５が付着される。絶縁層２５
は、薄い層の場合にはたとえ着色されていたとし
ても低い赤外線吸収率しか持たないので、ガラス
ターゲツト２７からの赤外線放射はまだ金属層２
４によつて反射される。このようにして、ガラス
層２５は金属層２４が存在しない場合に比べては
るかに速い速度で付着されることができる。こう
して本発明は、所定時間内において所定厚さのコ
ーテイングをはるかに多量のレンズなどに施すこ
とを可能にし、そして所定時間内にサブストレー
ト２１の温度をずつと低い状態に保つたまま所定
厚さのコーテイングを施すことを可能にしてい
る。非常に重要なことは、この方法によれば多量
のレンズ、プラスチツク建築材料、前面ガラス保
護のプラスチツクミラーその他の類似の製品を製
造する場合は、付着の時にサブストレートを冷却
する必要がないということである。

この方法は、他の手段を用いて行うこともでき
る。例えば、反射金属層はオン―オフの間隔では
るかに速い速度にて付着させることができる。オ
ンの状態の間ターゲツトの温度は、サブストレー
トが変形、溶融、剥離しあるいは表面が混濁する
ようになる温度よりも高くならないようにされ
る。オフ状態の間ターゲツトは冷却される。オン
の時間とオフ時間の比率は付着金属が厚くなるに
つれて大きくなり、金属層が所望の厚さに達した
ならば、ガラスは最大速度で付着され得る。この
方法の他の適用例は当業者には明らかであろう。

本発明の方法は、他のサブストレート材料、他
の絶縁性材料、そしてイオンビーム注入スパツタ
リングなどの付着に対しても有効である。重要な
特徴は、連続的あるいは平均的（断続工程）であ
つても付着速度は、サブストレートを許容最高温
度以下に維持するために反射性材料の赤外線反射
率の関数として調整されるということである。反
射性材料の要求される赤外線反射領域は、もちろ
ん、ターゲツトの温度及び放射スペクトルに一致
していなければならない。例えば500℃のターゲ
ツトは約3.8ミクロンの波長が放射ピークとな
り、反射性材料の赤外線反射率はこの波長及びそ
の付近の波長帯で高くなければならない。逆に所
定の反射特性を有する金属層に対しては、技術を
最適化するために、ターゲツトの温度を適当な温
度に調整しなければならない。

本発明の方法は、上述のように完全な真空状態
における源及びサブストレートの完全なシステム
と同様に、実用的なシステムに対しても有効であ
ることに留意すべきである。反射層はターゲツト
以外の源からくる放射熱を反射し、付着速度を増
大せしめ、そして／またはサブストレートの温度
を下げるように作用することは明らかである。

他の構成や組合せ、すなわち二以上の金属層、
二以上の絶縁層、および／または他の組合せは当
業者にとつて明らかであろう。もちろん、この方
法はサブストレートを低温に保ち、そして／また
は付着速度を増加させることが要求されるどのよ
うな応用にも用いることができる。

以上本発明の原理及びその実施例について説明
したが、その中で特定の用語が用いられていて
も、それらは一般的な説明のために用いられてい
るものであつて本発明を限定するものではなく、
本発明の範囲は特許請求の範囲に記載のとおりで
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、イオンビームスパツタリング以前の
ターゲツトとサブストレートの略図である。第２
図は、イオンビームスパツタリングによつてサブ
ストレート上に金属を付着させるときの金属ター
ゲツト及びサブストレートの略図である。第３図
は、イオンビームスパツタリングによつて金属層
の上に絶縁体を付着させるときの絶縁体ターゲツ
ト、サブストレート及び金属層の略図である。 ２１……サブストレート、２２……サブストレ
ートホルダー、２３……金属ターゲツト、２４…
…金属層、２５……絶縁層、２６……高エネルギ
イオンビーム、２７……ガラスターゲツト、２８
……サブストレート表面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 変形、溶融、剥離又は表面の混濁を含む相当
   な崩壊が、反射物質がない場合に、放射熱伝達に
   よつて引き起こされる、プラスチツク・サブスト
   レートを含む熱的に崩壊し得るサブストレート上
   に放射熱の大部分を実質的に透過せしめる材料の
   層を付着する付着工程における、サブストレート
   への放射熱を減少せしめる方法において、 該付着工程中に、該サブストレート上への熱放
   射の相当な部分を反射する反射物質を該サブスト
   レート上に付着せしめ、 しかる後、該サブストレートを崩壊せしめる速
   度よりも遅く、且つ該反射物質がない場合に該サ
   ブストレートを崩壊せしめる速度と等しい速度又
   はこれよりも速い速度にて、該サブストレート上
   に該層を付着せしめる ことを特徴とする方法。 ２ 所望の反射率に達するまで該サブストレート
   上に付着される該反射物質の付着厚さに比例して
   増加する速度にて該反射物質を付着せしめる特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 該付着工程が、イオンビームでターゲツトに
   衝撃を与えることによりターゲツト材料のスパツ
   タリングをひき起して該ターゲツト材料を該サブ
   ストレート上に付着せしめる工程を含んでいる特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 該ターゲツトからの熱線スペクトルのパター
   ンと該反射物質の反射スペクトルのパターンとを
   より一致せしめるため該ターゲツトの温度を調整
   する特許請求の範囲第３項記載の方法。