CN101464534B - 光学多层膜滤波器及其制造方法 - Google Patents

光学多层膜滤波器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种光学多层膜滤波器及其制造方法，通过形成光学多层膜滤波器(30)来取代氧化铟锡(ITO)，使得光学多层膜滤波器(30)的表面具有导电性，从而消除来自光学低通滤波器的静电。光学多层膜滤波器(30)是互相交替地层叠多个由高折射率材料构成的高折射率薄膜(32)和由低折射率材料构成的低折射率薄膜(33)的多层膜形成在透明基板(20)上的光学多层膜滤波器。其次，在最终层上形成由小于高折射率材料及低折射率材料的原子量组成的蒸镀材料(31)。

Description

光学多层膜滤波器及其制造方法
技术领域
本发明作为消除光学多层膜滤波器的静电的方法，涉及在光学多层膜滤波器的表面上形成金属膜的技术。其中光学多层膜滤波器形成在例如由晶体构成的光学低通滤波器(OLPF：Optical Low Pass Filter)的表面上。
背景技术
以往，作为数码摄像机或数码照相机的固体摄影元件的CCD(ChargeCoupled Device)传感器或者CMOS(Complementary Metal-OxideSemiconductor)传感器的前面设置有由玻璃基板或晶体基板等构成的光学低通滤波器。光学低通滤波器主要使低频率成分通过并除去高频率成分，以此来晕色亮度差较大的细微的图案。例如，若固体摄影元件对整齐排列的细微的图案进行摄影，则会产生干涉条纹(波纹)，另外在逆光下发亮的头发等亮度差强烈的轮廓部分还会产生称为虚色(色纹)的着色现象。因此，光学低通滤波器为了减少这种干涉条纹或虚色而稍微晕色图像来削弱边缘、以此消除干涉条纹和虚色。
另外，在这种光学低通滤波器的前面或者后面设置有光学多层膜滤波器。光学多层膜滤波器为了使高红外线敏感度的固体摄影元件更加接近人类的视觉而消除红外线，因此起到仅使人类可感觉的可视光区域通过的作用。由于光学低通滤波器的基板是玻璃基板或晶体基板，因此由其压电效果而带电，且若光学低通滤波器带电则其表面的光学多层膜滤波器也会带电。带电的光学多层膜滤波器容易吸附垃圾，特别就镜头更换式数码单反照相机而言，每次更换镜头时都会与外部空气接触，容易吸附外部空气中的尘埃、灰尘等垃圾。另外，由于吸附的垃圾也带电，因此难以除去。
在专利文献1(日本特开2007-298951号公报)中，利用在光学多层膜滤波器的最终层上蒸镀氧化铟锡(ITO：Indium Tin Oxide)且由导体形成光学多层膜滤波器的表面的方法来消除静电。ITO的可视光的通过率为90％，并一直用于不改变膜的光学特性的方法。
然而，由于蒸镀ITO的方法是相互交替地层叠高折射率的电介体和低折射率的电介体后蒸镀ITO，因此存在污染蒸镀层内部、恶化光学多层膜滤波器特性的问题。另外，铟In是稀有金属，且ITO广泛用于液晶面板或有机EL等的FPD(平板显示)上，价格的高涨和将来的供应不足令人担心。
发明内容
本发明的目的在于，通过形成光学多层膜滤波器来取代ITO，使得光学多层膜滤波器的表面具有导电性，从而消除来自光学低通滤波器的静电。
第1观点的光学多层膜滤波器是将互相交替地层叠多个由高折射率材料构成的高折射率薄膜和由低折射率材料构成的低折射率薄膜的多层膜形成在透明基板上的光学多层膜滤波器。其次，在最终层上形成由小于高折射率材料及低折射率材料的原子量组成的蒸镀材料。
根据这种结构，可以提供不使用ITO的高导电性的光学多层膜滤波器，且该光学多层膜滤波器不积攒静电，不吸附垃圾、灰尘。
第2观点的光学多层膜滤波器包含透过可视光且反射红外光的红外线隔离滤波器。
特别对于照相机等的图像摄影装置等所使用的红外线隔离滤波器可以防止静电，且减少垃圾、灰尘影响的效果非常明显。
第3观点的光学多层膜滤波器的高折射率薄膜及低折射率薄膜为氧化物，最终层的蒸镀材料为非氧化物。
非氧化物的最终层的蒸镀材料的一部分与氧化物的高折射率薄膜及低折射率薄膜连结而成为金属膜，并起到高导电性滤波器的作用。
在第4观点的光学多层膜滤波器中，最终层的蒸镀材料与高折射率薄膜及低折射率薄膜的氧气产生反应，使得最终层的蒸镀材料的一部分成为氧化金属膜。
根据这种构成，对于滤波器可以防止静电。
第5观点的光学多层膜滤波器的高折射率薄膜由TiO2、Nb2O5、Ta2O5中的任意一种或者将TiO2、Nb2O5、Ta2O5中的任意一种作为主要成分的复合氧化物构成，低折射率薄膜是由SiO2、Bi2O3中的任意一种或者La2O3、Al2O3的复合氧化物构成的氧化物。
这些材料适合用作高折射率薄膜或低折射率薄膜。
第6观点的光学多层膜滤波器的最终层的蒸镀材料是MgF2或者LiF。
MgF2或LiF的原子量较小，且进入高折射率薄膜或低折射率薄膜。
第7观点的光学多层膜滤波器的透明基板为玻璃基板或者晶体基板。
玻璃基板或晶体基板适合作为光学滤波器。
第8观点的光学多层膜滤波器的制造方法具有：互相交替地层叠多个由高折射率材料构成的高折射率薄膜和由低折射率材料构成的低折射率薄膜的第1蒸镀工序；在最终层上蒸镀由小于高折射率材料及低折射率材料的原子量组成的蒸镀材料的第2蒸镀工序；在第1蒸镀工序和第2蒸镀工序期间，使由小原子量组成的蒸镀材料不容易进入高折射率材料及低折射率材料的抑制工序。
通过设置抑制工序由小原子量组成的蒸镀材料难以进入高折射率材料及低折射率材料，可以制造光学多层膜滤波器。
第9观点的光学多层膜滤波器的制造方法的抑制工序是使上述高折射率材料及上述低折射率材料吸收水分的工序。
通过使高折射率材料及低折射率材料吸收水分，使得蒸镀材料难以进入高折射率材料及低折射率材料。
在第10观点的光学多层膜滤波器的制造方法中，在第1蒸镀工序中，通过真空蒸镀相互交替地形成高折射率薄膜和低折射率薄膜，在抑制工序中，将真空蒸镀向大气开放，在第2蒸镀工序中，再次通过真空蒸镀蒸镀上述蒸镀材料。
通过向大气开放，大气中包含的水分(水蒸气)被高折射率材料及低折射率材料吸收。因此，通过向大气开放的简单操作可以制造导电性良好的光学多层膜滤波器。
本发明的光学多层膜滤波器通过在最终层的光学多层膜滤波器的表面上不使用ITO等的透明电极材料而形成金属膜来消除来自光学低通滤波器的静电。
附图说明
图1是表示离子辅助蒸镀装置10的结构的立体图。
图2是在晶体基板20上层叠了薄膜的结构图。
图3是对合格的光学多层膜滤波器30的薄膜结构进行研究的图表。
图4是对不合格的光学多层膜滤波器30的薄膜结构进行研究的图表。
图5是数码静像照相机的摄影模块100的结构图。
图中：
10---离子辅助蒸镀装置，11---第1蒸发源，12---第2蒸发源，13---离子源，14---中和器，15---基板圆顶，16---开闭器，17---电子枪，19---真空室，20---晶体基板，21---蒸发物质，22---离子(+)，23---电子(-)，30---光学多层膜滤波器，31---氟化镁，32---二氧化钛，33---二氧化硅，40---固体摄影元件，50---驱动部，100---摄影模块。
具体实施方式
《实施例1》
本发明的光学多层膜滤波器30在光学低通滤波器的晶体基板20的表面上层叠高折射率的氧化物和低折射率的氧化物，且在最终层层叠低折射率的非氧化物，以此提供具有消除静电功能的光学多层膜滤波器30。例如，光学多层膜滤波器30将二氧化钛(TiO2)32用作高折射率材料，将二氧化硅(SiO2)33用作低折射率材料。光学多层膜滤波器30通过重叠20层至60层的高折射率材料和低折射率材料来消除红外线，且通过在最终层上层压氟化镁(MgF2)来消除静电。
<光学多层膜滤波器30的制造方法>
光学多层膜滤波器30希望形成对于温度或湿度的变化光学特性的变化较小的、稳定的薄膜。因此，光学多层膜滤波器30利用离子辅助蒸镀(IAD：Ion Assisted Deposition)等方法形成薄膜。离子辅助蒸镀装置10由如图1所示的结构形成均匀且稳定的光学多层膜滤波器30。
如图1所示，离子辅助蒸镀装置10封在真空室19的容器内，并具有为了进行离子辅助的离子源13。离子源13通过离子22给予蒸发物质21运动能量，且使堆积的膜的晶体结构非结晶化。进行非结晶化可以提高薄膜的密度，还可以得到即使在外部空气中也不容易引起波长改变的特性。
另外，由于离子辅助蒸镀装置10利用照射的离子22(+)使电荷蓄积在薄膜上，因此使用中和器14照射电子23(-)来防止电荷的蓄积。
另外，离子辅助蒸镀装置10在真空室19内具备：使高折射率的蒸发物质飞散的第1蒸发源11；以及使低折射率的蒸发物质飞散的第2蒸发源12。各蒸发源的上面有开闭器16，在开闭器16的上面设置有基板圆顶15。在基板圆顶15的内侧配置晶体基板20，通过旋转基板圆顶15可以在晶体基板20上均匀地堆积蒸发物质21。
在离子辅助蒸镀装置10的第1蒸镀工序中，通过用电子枪17照射第1蒸发源11和第2蒸发源12能够使各蒸发源的物质蒸发，通过交替地或在规定时间开闭上面的开闭器16能够使第1蒸发源11和第2蒸发源12的材料层叠成规定的厚度。例如在第1蒸发源11内放入二氧化钛32，在第2蒸发源12内放入二氧化硅33。在此，形成二氧化钛32膜时一边供给氧气一边进行蒸镀。
在离子辅助蒸镀装置10的第2蒸镀工序中，代替第1蒸发源11而配置第3蒸发源(未图示)，并在第3蒸发源内放入氟化镁31，用电子枪17照射电子，以此使氟化镁31蒸发而形成晶体基板20的最上膜。
离子辅助蒸镀装置10的真空室19在第1蒸镀工序中一直为真空，层叠二氧化钛32和二氧化硅33。离子辅助蒸镀装置10在第1蒸镀工序结束后暂且将真空室19向大气开放，之后开始第2蒸镀工序。通过向大气开放大气中的水分(水蒸气)进入真空室19内，使安装在基板圆顶15上的晶体基板20吸收水分。当第2蒸镀工序开始的时候，离子辅助蒸镀装置10再次使真空室19成为真空后层叠氟化镁31。
在第1蒸镀工序后将真空室19向大气开放有如下效果：水分进入第1蒸镀工序的二氧化硅层和二氧化钛层，第2蒸镀工序的镁Mg适量地进入二氧化硅层和二氧化钛层。
<光学多层膜滤波器30的结构>
由于光学多层膜滤波器30的光透过率取决于透明薄膜的折射率和层叠的薄膜厚度，因此对折射率、薄膜厚度及层叠数进行设计，以反射期望的红外线。一般，薄膜厚度设计成波长的1/4左右，以使光的反射率或者透过率最大。
图2是表示在离子辅助蒸镀装置10中将薄膜层叠在晶体基板20上的结构图。例如，为了消除红外线，在晶体基板20上蒸镀作为透明薄膜的高折射率的二氧化钛32为第1层，在第2层蒸镀低折射率的二氧化硅33，通过交替层叠而做成多层。在最终层的n层层叠低折射率的氟化镁31，而在(n-1)层层叠低折射率的二氧化硅33。n层和(n-1)层是在光学多层膜滤波器30中唯一相互层叠低折射率物质的层，并由2类物质形成规定的薄膜。薄膜的层叠数根据层叠方法重叠成20层至60层。
由于层叠在最终层(n层)的氟化镁31的镁Mg具有小于低折射材料或高折射材料的原子量，另外具有容易与氧气结合的性质，因此进入下层的二氧化硅层与氧气结合而形成一氧化镁(MgO)。另外，镁(Mg)还进入二氧化硅层下面的二氧化钛层形成一氧化镁(MgO)，由此形成一氧化钛(TiO)。另外，镁(Mg)的原子量为24.305，氟(F)的原子量为18.998，硅(Si)的原子量为28.085，钛(Ti)的原子量为47.867。
由于氧化镁和一氧化钛共同成为金属膜，因此具有导电性。即，可以在光学多层膜滤波器30的表面上形成金属膜，并可以具有除电效果。
图3是对适量的镁(Mg)进入到二氧化钛层的光学多层膜滤波器30进行研究的图表。在图3的图表中，X轴表示从光学多层膜滤波器30的表面的深度，Y轴以计数的方式表示各个元素的量。在此，为了使图表清楚，没有表示包含在光学多层膜滤波器30的氟气(F)和氧气(O)。
从图表中可以得知，n层的镁(Mg)从光学多层膜滤波器30的表面至50nm的附近显示为最高峰，到(n-2)层为止逐渐减少，因此可以得知镁(Mg)还进入到二氧化钛层。如图3的虚线框A所示，镁(Mg)以10点至50点的幅度混入二氧化钛层内，形成氧化镁和一氧化钛。在(n-3)层以下镁(Mg)为10点以下，可认为是混入了漂浮在真空室19内的镁(Mg)。
(n-1)层的二氧化硅层从光学多层膜滤波器30的表面至70nm附近呈现出硅Si的最高峰，在(n-2)层成为低2位左右的点数。另外可知，(n-2)层的二氧化钛层的钛Ti在(n-3)层成为低3位左右的点数，各层的主元素在交替。
由以上可知，在离子辅助蒸镀装置10中，以规定的厚度在晶体基板20上蒸镀各个物质，利用镁Mg的特性适当地进入到下层。由此光学多层膜滤波器30可以消除红外线，另外可以形成金属膜而消除静电。
图4表示过量的镁Mg进入二氧化钛层的不合格的光学多层膜滤波器30。如图4的虚线框B所示，可知100点至200点左右的镁Mg进入到了(n-2)层的二氧化钛层。
不合格的光学多层膜滤波器30是在第1蒸镀工序中层叠二氧化钛32和二氧化硅33之后，继续以真空状态层叠第2蒸镀工序的氟化镁31。若继续以真空状态移至第2蒸镀工序，镁Mg不会被水分阻碍而更多地进入到二氧化钛层。其结果，虽然可以因形成更多的一氧化镁和一氧化钛而具有除电效果，但光学多层膜滤波器30因金属成分过于增多而变黑，不能起到红外线消除滤波器的作用。
若对本实施方式的合格的光学多层膜滤波器30进行除电性能测试，则可详细了解带电的滤波器的除电效果。例如，除电性能测试是用抹布等擦拭光学多层膜滤波器30，使其带有500V以上的静电。其次可知，若将光学多层膜滤波器30表面接地，则所带的静电变为0V而消除静电。例如，若以相同的方法对第1蒸镀工序结束后的光学多层膜滤波器30进行除电性能测试，则即使将光学多层膜滤波器30的表面接地，第1蒸镀工序结束后的光学多层膜滤波器30也残留数百V的静电而不能消除静电。
《实施例2》
实施例2表示将实施例1中的光学多层膜滤波器30适用在数码静像照相机的摄影模块100的情况。图5是数码静像照相机的摄影模块100的结构图。摄影模块100由光学低通滤波器的晶体基板20、蒸镀在光学低通滤波器的前面的光学多层膜滤波器30、CCD传感器或CMOS传感器等的固体摄影元件40、以及固体摄影元件40的驱动部50构成。
入射光70通过镜头60入射到摄影模块100。进入摄影模块100的光通过光学多层膜滤波器30而消除红外线，通过光学低通滤波器的晶体基板20而消除形成波纹的高频成分。经过处理的入射光由固体摄影元件40转换成电信号。固体摄影元件40由驱动部50进行驱动并传送至图像处理部(未图示)。
将光学多层膜滤波器30的表面接地，并由压电元件的晶体基板20消除所带的静电。
在本发明的实施方式中，直接在光学低通滤波器的晶体基板上蒸镀了光学多层膜滤波器30，但也可以是在玻璃基板等的其它透明基板上蒸镀光学多层膜滤波器30的方法。
另外，在本发明的实施方式中将二氧化钛(TiO2)用作高折射材料，但也可以是五氧化钽(Ta2O5)、五氧化铌(Nb2O5)的氧化物，或者以这些为主要成分的复合氧化物。
另外，在本发明的实施方式中将二氧化硅(SiO2)用作低折射材料，但也可以是氧化铋(Bi2O3)的氧化物，或者氧化镧(La2O3)和氧化铝(Al2O3)的复合氧化物。
另外，在本发明的实施方式中在最终层上使用了氟化镁(MgF2)，但也可以使用氟化锂(LiF)。在此，锂(Li)的原子量为6.941。

Claims (8)

1.一种光学多层膜滤波器，将互相交替地层叠多个由高折射率材料构成的高折射率薄膜和由低折射率材料构成的低折射率薄膜的多层膜形成在透明基板上，并使可视光透过且反射红外光，其特征在于，上述高折射率薄膜和上述低折射率薄膜为氧化物，
在最终层的下下层形成上述高折射率薄膜，在最终层的下一层形成上述低折射率薄膜，在最终层形成由小于上述高折射率材料及上述低折射率材料的原子量组成的MgF2或LiF蒸镀材料，
在真空状态下形成上述高折射率薄膜和上述低折射率薄膜，暂时向大气开放之后，在真空状态下形成上述MgF2或LiF蒸镀材料，
上述最终层的MgF2或LiF与上述高折射率薄膜和上述低折射率薄膜的氧产生反应，使得最终层的上述MgF2或LiF的一部分成为氧化金属膜，并具有规定透过率。
2.根据权利要求1所述的光学多层膜滤波器，其特征在于，
上述高折射率薄膜由TiO2、Nb2O5、Ta2O5中的任意一种或者将TiO2、Nb2O5、Ta2O5中的任意一种作为主要成分的复合氧化物构成，上述低折射率薄膜的材料是由SiO2、Bi2O3中的任意一种或者La2O3、Al2O3的复合氧化物构成的氧化物。
3.根据权利要求1或2的任意一项所述的光学多层膜滤波器，其特征在于，
上述透明基板为玻璃基板或者晶体基板。
4.一种光学多层膜滤波器，其未使用氧化铟锡，其中
上述光学多层膜滤波器包括层叠有多层膜的透明基板，上述多层膜通过将多个由氧化物高折射率材料构成的高折射率薄膜和由氧化物低折射率材料构成的低折射率薄膜互相交替层叠而形成，
暂时向大气开放之后成为真空状态后，
在最终层的下下层形成有上述高折射率薄膜，在最终层的下一层形成有上述低折射率薄膜，在最终层形成有由小于上述高折射率材料及上述低折射率材料的原子量组成的MgF2或LiF蒸镀材料，
上述最终层的MgF2或LiF与上述高折射率薄膜和上述低折射率薄膜的氧产生反应，使得最终层的上述MgF2或LiF的一部分成为氧化金属膜，并具有规定透过率。
5.根据权利要求4所述的光学多层膜滤波器，其特征在于，
上述高折射率薄膜由TiO2、Nb2O5、Ta2O5中的任意一种或者将TiO2、Nb2O5、Ta2O5中的任意一种作为主要成分的复合氧化物构成，上述低折射率薄膜的材料是由SiO2、Bi2O3中的任意一种或者La2O3、Al2O3的复合氧化物构成的氧化物。
6.根据权利要求4所述的光学多层膜滤波器，其特征在于，
上述透明基板为玻璃基板或者晶体基板。
7.根据权利要求5所述的光学多层膜滤波器，其特征在于，
上述透明基板为玻璃基板或者晶体基板。
8.一种光学多层膜滤波器的制造方法，其特征在于，具有：
第1蒸镀工序，以真空状态在透明基板上互相交替地层叠多个由氧化物高折射率材料构成的高折射率薄膜和由氧化物低折射率材料构成的低折射率薄膜，在最终层的下下层层叠上述高折射率薄膜，在最终层的下一层层叠上述低折射率薄膜；
第2蒸镀工序，以真空状态在最终层蒸镀由小于上述高折射率材料及上述低折射率材料的原子量组成的MgF2或LiF蒸镀材料；
在上述第1蒸镀工序和上述第2蒸镀工序之间将上述真空状态暂时向大气开放的工序，
在上述第2蒸镀工序中，从上述大气开放状态重新变成真空状态，后蒸镀上述MgF2或LiF蒸镀材料。
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