CN108732659A - 光学薄膜和光学元件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供光学薄膜和光学元件的制造方法。设置在基底基材上的光学薄膜包括主成分为氧化镱的层和主成分为氟化镁的层。主成分为氟化镁的层布置在所述主成分为氧化镱的层上。主成分为氟化镁的层相对于主成分为氧化镱的层与基底基材相对配置。

Description

光学薄膜和光学元件的制造方法

技术领域

本发明涉及用作减反射膜的光学薄膜。光学薄膜可以适用于诸如透镜和棱镜的光学元件。

背景技术

迄今为止，已知一种多层膜，在该多层膜中，高折射率层和低折射率层交替层叠，作为用于诸如透镜的光学元件的减反射膜。应当指出，在下面的描述中将该多层膜称为光学薄膜。

已知氟化镁(MgF₂)作为沉积在构成光学薄膜的层中的空气侧上的低折射率层的材料。作为形成氟化镁膜的方法，溅射工艺引人注目。虽然溅射工艺是通过利用诸如等离子体的带电粒子通过雾化和飞散材料来形成膜的方法，但与真空沉积方法相比，该工艺在膜厚的重复性和可控性高且成膜温度低方面优异。

虽然溅射工艺具有上述优点，但是难以控制在形成氟化物膜时溅射材料和衬底材料与氟的反应，且难以控制由带电粒子引起的损坏。特别是，当要在玻璃基材或氧化物膜上形成由氟化物组成的减反射膜的情况下，由于玻璃基材或氧化物膜被入射到与基底的界面周围的具有强氧化性质的氟原子还原，所以存在形成具有电子缺陷的变质层(alteratedlayer)的情况。因此，存在光学吸收发生在比与原始带隙对应的波长更长的波长侧的情况，并且光学特性变得不适宜作为减反射膜。

日本专利申请公开2015-114599号公开了一种光学薄膜，其中在由高折射率材料组成的氧化物膜和作为低折射率材料的氟化镁膜之间形成氟氧化镁膜，以抑制在氧化物膜和氟化镁膜之间的界面周围发生的光吸收。

虽然在氧化物膜和氟化镁膜之间形成氧氟化镁膜的光学薄膜的情况下，可以抑制在界面处引起的光吸收，但是氟化镁有可能在高温高湿环境下剥离。特别是，在氟氧化镁膜内的氧比率增加的情况下，其物理性质变得较接近于水溶性氧化镁，使得氟化镁膜在高湿环境下倾向于剥离。

因此，要求实现一种光学薄膜，该光学薄膜可以抑制与基底的高折射率材料的界面周围的光吸收，并且在使用氟化镁(即低折射率材料)时在高温高湿环境下具有高耐久性。

发明概述

根据本发明的第一方面，设置在基底基材(base substrate)上的光学薄膜包括主成分为氧化镱的层，和布置在主成分为氧化镱的层上的主成分为氟化镁的层。主成分为氟化镁的层相对于主成分为氧化镱的层与基底基材相对配置。

根据本发明的第二方面，在基底基材上设置了多层膜的光学元件的制造方法包括通过溅射工艺形成主成分为氧化镱的层，且通过溅射工艺在主成分为氧化镱的层上形成主成分为氟化镁的层。

从以下参照附图对示例性实施方案的描述中，本发明的其他特征将变得明显。

附图简要说明

图1是说明实施方案的光学薄膜的构造的示意性剖视图。

图2是说明用于制造实施方案的光学薄膜的成膜装置的构造的示意图。

图3是说明与氧比率相关的成膜条件的变化的图。

图4是说明第一实施方案的光学薄膜的构造的示意性剖视图。

图5是表示第一实施方案的光学薄膜在高温高湿测试之前和之后的光吸收率和波长之间的关系的图。

图6是表示第一实施方案的光学薄膜和第二实施方案的光学薄膜的光吸收率和波长之间的关系的图。

图7A是表示第一实施方案的光学薄膜和在氧化区域中形成的单层膜的X射线衍射测量结果的图。

图7B是表示第二实施方案的光学薄膜和在过渡区域中形成的单层膜的X射线衍射测量结果的图。

图8A是显示第一实施方案的光学薄膜的截面的透射电子显微镜照片。

图8B是显示第二实施方案的光学薄膜的截面的透射电子显微镜照片。

图9是显示第三实施方案的光学薄膜的截面的透射电子显微镜照片。

图10是表示示例性膜构造中的吸收率的柱状图。

具体实施方式

以下将参照附图描述本公开内容的实施方案的光学薄膜及其制造方法。

光学薄膜

本公开内容的实施方案的光学薄膜具有减反射功能，且适用于包括透镜、镜子、棱镜、滤光器和衍射光栅的多种光学元件和光学部件。该光学薄膜可以特别适合用于材料为玻璃或塑料的透镜。在以下说明中，将会有将其上要设置光学薄膜的光学元件或光学部件称作“基底基材”的情况。

该实施方案的光学薄膜是其中层叠有多个层的薄膜，且包括如下部分，该部分中，氟化镁层和氧化镱层以从基底基材的相反侧(即从大气侧)观察时彼此相邻地依次设置。应注意到，尽管为了说明的方便使用了术语“大气侧”，但是并不意味禁止将本公开内容的光学薄膜放置在不同于常规大气的环境中。

图1是说明本公开内容的实施方案的光学薄膜的层叠构造的示意性剖视图。如图1所示，在基底基材100上，从基底基材侧依次设置交替层104、氧化硅层103、氧化镱层102和氟化镁层101，上述交替层104中交替层叠了高折射率层和低折射率层。

因为氟化镁是可用作光学膜的材料中折射率最低的材料之一，所以在图1所示的实施方案中，使用氟化镁层101作为最上层，即，与空气接触的表面层。然而，本公开内容的实施方案不必限于将氟化镁层布置为大气侧最上层的情况。更进一步，氟化镁层不限于仅设为一层，而可以在多层膜内设置多个氟化镁层。氟化镁层是含氟化镁(MgF₂)作为主成分的层，且优选为含80wt.％以上氟化镁的层，更优选为含90重量％以上氟化镁的层。应注意的是，因为通过后述的溅射来形成氟化镁层101，所以存在氟化镁层101层在层内包含氩的情况。相对于550nm波长的光，氟化镁层的折射率期望为1.40以下。

根据本公开内容的实施方案的光学薄膜，将氧化镱层设置为氟化镁层的基底。氧化镱层是含氧化镱(Yb₂O₃)作为主成分的层，且优选含80wt.％以上的氧化镱。

将氧化镱层用作氟化镁层的基底，因为氧化镱是还原性低的材料，且即使在通过溅射工艺来形成氟化镁层时具有强氧化性质的氟原子入射到基底上，氧化镱也难以被还原。由此，难以形成电子缺陷，且抑制了光吸收。更进一步，即使氟与镱结合且层的界面变质为氟化镱，该层即使在高湿环境下也不会剥离，因为层是固体的且是不溶的。即，通过使用氧化镱层作为由溅射工艺形成的氟化镁层的基底层，能够有效抑制界面处的光吸收和高湿环境下的剥离。

在如图1所示的实施方案中，将氧化镱层102布置在氟化镁层101的正下方。氧化镱层102的折射率通常为1.91。应注意的是，氧化镱层102可能在层内含有氩，因为氧化镱层102是通过后述的溅射工艺形成的。

在本公开内容的实施方案的光学薄膜中，期望设置介电层，该介电层的主成分是硅化合物，诸如氧化硅、氮氧化硅和氮化硅。例如，在图1所示的实施方案中，设置氧化硅层103作为氧化镱层102的基底层。

这是因为，如果将氧化镱层形成在例如主要由氧化铌组成的高折射率层的正上方，则贯穿整个表面产生气泡状缺陷。当通过透射电子显微镜观察膜的截面时，证实了在氧化镱层和氧化铌层的界面处产生空隙。当由于强应力产生这样的空隙时，期望的是在氧化镱层的正下方设置由硅化合物组成的介电层(诸如氧化硅层)作为基底层，以防止这样的缺陷。

当在氧化硅层103正上方形成氧化镱层102的情况下，光学薄膜不仅减反射特性优异，并且有效抑制由于交替布置低折射率层和高折射率层引起的缺陷的发生。

在本公开内容的实施方案的光学薄膜中，期望在基底基材和氧化镱层之间，或者在基底基材和由硅化合物组成的介电层之间设置交替层，在该交替层中，高折射率层和低折射率层交替层叠。因而，在图1所示的实施方案中，其中交替层叠了高折射率层和低折射率层的交替层104设置在基底基材100和氧化硅层103之间。

对于包含在交替层104中的低折射率层，可以使用折射率为1.35以上且小于1.75的低折射率材料。更具体地，可以使用氧化硅、氮氧化硅、氧化铝等作为低折射率材料。

对于包含在交替层104中的高折射率层，可以使用折射率为1.75以上且2.7以下的材料。更具体地，可以使用氧化锆、氧化钽、氧化铌、氧化钛、氮化硅、氮氧化硅等作为高折射率材料。

应注意的是，图1所示的实施方案中，合适的是，布置高折射率层作为交替层104的最上层。就减反射特性而言，设置高折射率层作为交替层104的最上层是有利的，因为氧化硅层103布置在交替层104的正上方，且氧化硅层103具有低折射率。

如上所述，在本实施方案中，作为氟化镁层正下方的基底层的材料，不使用交替层的低折射率层的材料(即氧化硅、氮氧化硅、氧化铝等)，而使用氧化镱。由此，具有强氧化性质的氟原子不与基底层的材料结合，且在形成氟化镁层时在界面上没有形成氟化物。因此，将没有氧化硅或氮氧化硅变质为气态氟化硅，且膜将不倾向于从该部分剥离。更进一步，将没有氧化铝变质为可溶性氟化铝，且膜将不倾向于在高湿环境中剥离。

更进一步，根据本实施方案，作为氟化镁层正下方的基底层的材料，不使用交替层的高折射率层的材料(即氧化钽、氧化铌、氧化钛、氧化锆等)，而使用氧化镱。因此，在形成氟化镁层时将不形成否则则会由具有强氧化性质的氟原子导致的具有电子缺陷的变质层。由此，在与基底的界面附近不发生比对应于带隙的波长长的波长侧的光吸收。更进一步，将没有氧化锆被氟化为水溶性氟化锆，且当将膜放置在高湿环境下时，膜将不倾向于剥离。

如上所述，本实施方案的光学薄膜是从大气侧观察，布置氟化镁层101作为第一层和氧化镱层102作为第二层的层叠体。更进一步，优选从大气侧观察，布置氧化硅层103作为第三层。根据减反射性能，交替层104布置在基底基材和上述三层之间，所述交替层中，交替布置有高折射率层和低折射率层。

光学薄膜的制造系统和制造方法

将参照图2描述适用于制造本实施方案的光学薄膜的溅射系统200的整体构造和功能。应注意的是，为了方便，存在将在通过顺序层叠多个层来形成光学薄膜时用于形成各个层的单独步骤称作“成膜工艺”的情况。

溅射系统200是在基底基材231(即，成膜工艺的对象)上通过溅射来形成多层膜的系统，该系统包括真空室210和保持器232，该保持器被配置为在真空室210内保持基底基材231。溅射系统200还包括阴极机构222，该阴极机构222被配置为支撑靶221以使靶221在真空室210内面向基底基材231。

尽管在本实施方案中使用采用了永磁体的直流磁控管式阴极机构222，但是RF(高频)放电式机构或不使用磁性的直流放电式机构也可以用于阴极机构222。

将保持器232布置在面向真空室210内的靶221的位置。通过保持器232可附着地/可拆卸地保持基底基材231(即在其上将形成膜的对象)。在本发明实施方案中，将玻璃透镜用作基底基材231。

例如将至多250mm直径和100mm厚的玻璃用作基底基材231。将合成二氧化硅或S-BSL7(本文以下例举的所有玻璃材料都由OHARA Inc.制造)等用作基底基材231的玻璃材料。基底基材由未示出的机构保持，使得在形成膜时可以转动基底基材。溅射系统200被配置为可以同时安置多个基底基材231，只要基底基材231的尺寸落在上述尺寸范围内，且在这样的情况下，保持多个基底基材以便旋转。

尽管可以如图2所示布置基底基材231使其面对靶221，但是可以根据成膜速率和对膜厚分布的控制来适当改变到靶221的距离和角度。

在透镜玻璃(即，基底基材231)上形成的光学薄膜是含氟化镁层和氧化镱层的多层减反射膜。光学薄膜还可以包括选自氧化锆、氧化钽、氧化铌、氧化钛、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝等的层。

真空室210内的阴极机构222与直流电源251连接，直流电源251可以通过由控制部切换和控制的电源开关252施加高电压。直流电源251的阴极连接到电源开关252侧，并且其阳极接地。靶221可附着地/可拆卸地安装在阴极机构222上。虽然依赖于阴极机构222的形状，但多个靶221能够同时安装在阴极机构222上。图2中，四个靶安装在阴极机构222上，且成膜工艺期间通过切换材料可以形成至少四种材料。

在通过未示出的真空泵抽出空气并保持预定的真空度的条件下，通过进口241、242、243和244引入惰性气体(诸如氩)和反应性气体(诸如氮、氧和氟)。

真空室210与等离子体发射监测器261连接，以能够监测等离子体的状态。配置为会聚等离子体的光发射的发射获取部262被布置在真空室210内，以能够通过光纤将光发射引入等离子体发射监测器261。等离子体发射监测器261由未示出的波长选择部和光接收部组成。等离子体发射监测器261被配置为使得光被用作波长选择部的分光器的衍射光栅等分光，并且使得可以通过用作光接收部的CCD等以每个预定波长的电信号的形式获得发射强度。除了它们之外，可以配置发射获取部262，以通过使用带通滤波器(BPF)作为波长选择部来选择预定波长，并且通过光电倍增管(PMT)等的光接收部来获得发射强度。

电源开关252由上述构造的溅射系统200中的控制部来切换和控制。在安装于与直流电源251连接的阴极机构222上的靶221的上方产生等离子体。由此，通过在真空腔室210内溅射靶，来开始由保持器232所保持的基底基材231上的成膜。

然后，等离子体内的离子与保持在阴极处的靶221碰撞，并且如果靶是硅靶，则硅原子被溅出。硅原子与等离子体内的反应性气体的氧和氮结合，成为氧化硅、氮化硅和氮氧化硅，并附着于基底基材231以形成层。

用作成膜装置的溅射系统200的每个控制元件与未示出并且用作控制部的计算机连接。该计算机使得能够共同控制溅射系统200。在控制部中存储了用于执行用于制造本实施方案的光学薄膜的溅射的程序。

在形成膜时，通过真空室210的各种进气口241、242、243和244引入气体。例如，在引入氩241和氧243的情况下，形成了氧化硅膜，而在引入氩241和氮242的情况下，形成了氮化硅膜。也就是说，可以根据将形成的目标膜来仅仅引入适当选择的反应气。由于引入了氩，所以通过与用透射电子显微镜观察横截面部分同时进行的分光分析(诸如能量色散X射线光谱等)，证实了氩存在于层内。但是，因为氩是惰性气体，所以对减反射特性没有影响。使用溅射系统的成膜工艺的特征在于层在层内含有氩。

图3是表示氧与引入到腔室中的气体的比率和成膜条件(即成膜速度)之间的关系的图。如图3所示，能够根据氧气与形成膜时引入的全部气体的比率，将成膜条件大致划分为金属区域、过渡区域和氧化区域。图的横轴表示氧比率，纵轴表示成膜速度。

将氧比率低并且成膜速度恒定的区域称为金属区域，将氧比率高并且成膜速度恒定的区域称为氧化区域，且将氧比率介于这些区域之间且成膜速率急剧变化的区域称为过渡区域。通过将氧比率调节至充分低或充分高，可以在金属区域和氧化区域中以恒定的速度形成膜。

在过渡区域中，成膜速度随着氧比率的轻微变化而波动。因此，为了在过渡区域中形成膜，通过使用等离子体发射监测器261监测靶221和反应气体固有的发射光谱，控制和设定气体流速以保持光谱强度恒定。

在本实施方案中，通过使用氧化区域和/或过渡区域来形成光学薄膜。例如通过直流电源251输入到靶221的电力为5kW。为了稳定放电，可以根据需要叠加100kHz级的高频。尽管通过控制部通过测量成膜时间来控制膜厚，但是也可以使用膜厚监测器。

如上所述的工艺条件(诸如气体的类型、流速和输入的电力)可以根据材料和期望的膜质量来适当地改变。

第一实施方案

图4是说明第一实施方案的光学薄膜的构造的示意性剖视图。如图4所示，在基底基材400上，从基底基材400顺序布置了交替层404、氧化硅层403、氧化镱层402和氟化镁层401。交替层404总共包括高折射率层和低折射率层交替布置的五个层。应注意的是，尽管在本实施方案中，交替层404由五个层组成，但是可以适当改变层数和膜厚，以获得期望的减反射性能。

虽然在第一实施方案中将合成二氧化硅用于基底基材400，但是可以使用其中引入了常规添加剂的硼硅酸盐冕玻璃材料(由OHARA Ltd.制造：S-BSL7)或氟冕玻璃材料(同样由OHARA Ltd.制造：S-FSL5)。

此外，尽管在第一实施方案中使用平板玻璃作为基底基材400，但是取决于将在其上形成光学薄膜的光学元件的类型，基底基材可以具有平板以外的形状。例如，在光学元件是透镜的情况下，基底基材可以包括凹形或凸形弯曲表面，并且在光学元件是棱镜的情况下，基底基材可以具有例如多边形柱状形状。在光学元件是镜子或滤光器的情况下，可以如本实施方案那样使用平板。

首先，通过使用如图2所示的溅射系统，在基底基材400上形成了具有高折射率的氧化铌层，然后交替形成了具有低折射率的氧化硅层和具有高折射率的氧化铌层。即，在基底基材400上形成总共由五层构成的交替层404。

在以下条件下形成氧化铌层：引入700sccm的氩气和100sccm的氧气，0.23Pa的压力和5.5kW的电力供给。在以下条件下形成氧化硅层：引入70sccm的氩气和90sccm的氧气，0.21Pa的压力和5.5kW的电力供给。尽管在氧化区域的形成条件下形成了层，但也可以在过渡区域中形成层。

因为交替层404的最上层是具有高折射率的氧化铌层，所以在其上形成氧化硅层403，即从大气侧的第三层。尽管成膜条件可以与交替层404的氧化硅层的成膜条件相同，但膜厚优选为3nm以上且20nm以下。这是因为期望将厚度抑制在20nm以下，以保持减反射性能。如果期望更高的减反射性能，则更期望将厚度保持在15nm以下。更进一步，如果厚度为3nm以下，则难以获得用于使氧化镱层402与氧化铌层隔绝的阻挡效果，并且变得难以控制形成膜时的厚度。因此，氧化硅层403的厚度期望为3nm以上，以抑制在高湿环境下产生气泡状缺陷。

接下来，在氧化硅层403上形成氧化镱层402，即从大气侧的第二层。在以下条件下形成氧化镱层402：引入70sccm的氩气和60sccm的氧气，0.18Pa的压力和3kW的电力供给。

该条件对应于氧化区域中的成膜条件。尽管如后述第二实施方案所述也能够在过渡区域中形成层，但为了降低在与氟化镁层的界面处发生的光吸收，合适的是在氧化区域中形成层。因此，期望氧化镱层402的厚度为3nm以上，以抑制在界面处发生的光吸收，在高湿环境下保持防剥离功能，并且保持成膜装置对膜厚控制的容易性。更进一步，期望氧化镱层402的厚度为15nm以下，以实现减反射性能并且抑制否则则会由形成层所需时间的延长而导致的生产率下降。

接下来，在氧化镱层402上形成氟化镁层401，即从大气侧的第一层。在以下条件下形成氟化镁层401：引入100sccm的氩气、15sccm的含氟的氟利昂气(HFC)和30sccm的氧气，0.4Pa的压力和6kW的电力供给。尽管上述成膜条件对应于氧化区域中的条件，但是也能够在过渡区域中形成层。

表1表示了在上述成膜条件下形成的各层的具体厚度。

[表1]

尽管各层的厚度可以任意设定，但如上所述，氧化镱层402和氧化硅层403的厚度设定在5nm以上且20nm以下的范围内。更进一步，其中交替设置有氧化铌层的高折射率层和氧化硅层的低折射率层的交替层404不必总是由五层构成。

在形成第一实施方案的光学薄膜之后，进行光吸收的评估和在高温高湿环境下的测试。

通过使用由Hitachi High-technologies Inc.制造的分光光度计U-4100，通过以5度的入射角测量在400至700nm的波长范围内的透射率和反射率来进行光吸收的评估。通过从100％减去透射率的百分比和反射率的百分比来计算光吸收。虽然计算值严格意义上表示也包括的散射的整个膜损失，但将其记录为吸收，因为在该波长范围内由膜表面和界面粗糙度引起的散射是可以忽略的水平。

图5是表示吸收率的波长依赖性的图。图的横轴表示波长，纵轴表示吸收率。实线表示刚形成膜后的结果，虚线表示高温高湿测试后的结果。在450nm波长处两者都具有低于0.2％的良好的吸收率。

通过使用由Espec Inc.制造的小型环境测试仪SH-221并且通过设定对应于加速测试的温度和湿度，进行从数百到数千小时的高温高湿环境下的测试。此后，当通过眼睛和通过使用光学显微镜评估膜的外观时，确认没有剥离。更进一步，即使进行对膜的磨损测试和利用溶剂的擦拭测试，膜也没有剥离，因此证实形成了良好的膜。

第二实施方案

虽然在第一实施方案中在氧化区域中形成氧化镱层402，但是在第二实施方案中在过渡区域中形成氧化镱层402。在以下条件下形成氧化镱层：引入140sccm的氩气，以及0.35Pa的压力。然后，控制氧气流速，以使就从等离子体发射监测器261获得的发射强度而言在波长346nm处的峰值保持为20000。以与第一实施方案相同的方式形成交替层404、氧化硅层403和氟化镁层401。

第一和第二实施方案的比较

图6是表示第一实施方案和第二实施方案的光吸收率的波长依赖性的比较结果的图，在第一实施方案中，在氧化区域中形成氧化镱层402；而在第二实施方案中，在过渡区域形成氧化镱层402。图的横轴表示波长，纵轴表示光吸收率。实线表示在氧化区域中形成层的结果，虚线表示在过渡区域中形成层的结果。当在氧化区域形成层的情况下，光吸收在450nm波长下低于0.2％，因此其是良好的。当在过渡区域中形成层的情况下，光吸收为1％左右。可以看出，通过像第一实施方案那样在氧化区域中形成层，能够获得光学特性优异的多层膜。从分析测试中发现，这是因为在过渡区域中形成的氧化镱层402与氟化镁层401的界面处发生了更多的光吸收。

为了验证在氧化区域中和在过渡区域中形成氧化镱层的情况下的结构差异，通过在第一实施方案的多层膜上和在第二实施方案的多层膜上使用X射线衍射来分析结晶性。更进一步，为了更清楚地比较氧化镱层的结构差异，还制备了两种单层样品，这两种单层样品中，在二氧化硅玻璃基材上分别在氧化区域和在过渡区域中形成了100nm厚的氧化镱层。使用由Rigaku Ltd.制造的X射线衍射仪ATX-G，通过面内XRD方法测量了X射线衍射。

图7A和7B是表示X射线衍射结果的图。图7A表示在氧化区域中形成氧化镱层的情况，图7B表示在过渡区域中形成氧化镱层的情况。图的横轴表示角度，纵轴表示X射线反射的强度。该图分别表示了实施方案的多层膜和单层膜样品的测量结果。

当在氧化区域中形成膜的情况下，如图7A所示，在第一实施方案的多层膜中和在单层膜样品中的相同位置处存在峰。在多层膜中观察到的峰与单层膜样品的峰相比较小的原因在于，除了组成多层膜的其它材料的衍射之外，多层膜中的氧化镱层的膜厚与单层膜样品中的氧化镱层的膜厚相比较薄。注意氧化镱晶体的取向面，可以看出，第一实施方案的多层膜和单层膜样品在各个面(222)、(440)和(622)的衍射峰的高度方面都具有(222)>(440)>(622)的关系。如果使各个面(222)、(440)和(622)的衍射峰的高度比例为6:2:1，则更为优选。这表明如果在氧化区域中形成膜，则氧化镱具有无特定取向的特征。

同时，当在过渡区域中形成膜的情况下，如图7B所示，与氧化区域的情况类似，与单层膜样品相比，第二实施方案的多层膜的峰较小。另一方面，当在过渡区域中形成膜的情况下，峰出现的方式在单层膜样品中和在第二实施方案的多层膜中不同。

可以看出，单层膜样品在(440)的特定方向上具有取向，因为仅在(440)中峰是强的。然而，从多层膜的衍射中看不到显著的特征。尽管假定多层膜也具有与单层膜相同的特定方向的取向，但认为由于多层膜内的氧化镱层是薄的，所以不能充分检测到取向。

就衍射峰与吸收之间的关系而言，认为在取向为(440)的Yb₂O₃层中，由于与F基的反应和形成MgF₂膜时的能量，Yb₂O₃的表面层的光栅(grating)变形，并且改变为吸收可见光波长区域的能量的电子状态。

如上所述，第一实施方案的多层膜具有低光吸收并且在光学性能方面优异，上述第一实施方案的多层膜包括在氧化区域中形成的氧化镱层作为氟化镁层的基底。根据X射线衍射测量，第一实施方案的氧化镱层在作为氧化镱的固有取向的面(222)、(440)和(622)的衍射峰的高度方面具有(222)>(440)>(622)的关系。如果使各个面(222)、(440)和(622)的衍射峰的高度比例为6:2:1，则更为优选。

接下来，图8A和8B显示了通过透射电子显微镜观察到的膜截面的结果。图8A是在氧化区域中形成氧化镱层402的第一实施方案的情况，图8B是在过渡区域中形成氧化镱层402的第二实施方案的情况。

如图8A所示，在氧化区域中形成的氧化镱层802中观察到晶体晶界。作为通过透射电子显微镜观察的截面的结果，粒径为从3nm到15nm。因此，氟化镁层801和氧化硅层803之间的界面也被粗糙化，并且表示粗糙度(即峰和谷之差)的PV值为6nm以上。

同时，如图8B所示，通过透射电子显微镜的观察，在过渡区域中形成的氧化镱层812的截面是非常均匀的，并且几乎观察不到晶体晶界或即使观察到晶界，其尺寸也是非常小的。因此，氟化镁层811与氧化硅层813之间的界面的PV值为2nm以下，且是非常平坦的。

如上所述，虽然包含在氧化区域中形成的氧化镱层的多层膜具有低光吸收并且在光学性能方面优异，但在通过透射电子显微镜观察截面时，在氧化镱层中包含晶体晶界，并且粒径为从3nm到15nm。

第三实施方案

在第三实施方案中，控制成膜装置，以在过渡区域中开始成膜工艺，并在工艺的途中切换到氧化区域并完成成膜工艺，以提高通过溅射工艺形成氧化镱层时的厚度可控性。在过渡区域中形成膜时的条件与第二实施方案中描述的条件相同，在氧化区域中形成膜时的条件与第一实施方案中描述的条件相同。即，在溅射工艺期间氧气比率增加，以从过渡区域转换到氧化区域。

如果该层仅在氧化区域中形成，则如图8A所示存在某种大粒径的晶体。尽管如果存在大粒径的晶体，则存在晶粒侵入相邻的上层和下层的情况，但是如第一实施方案中所述，将基底的氧化硅层的膜厚特别设定为20nm以下。由此，如果氧化镱的晶粒侵入氧化硅层，则膜厚偏离设定值，可能降低减反射性能。

因此，如果在过渡区域中开始氧化镱层的成膜工艺，则抑制了与基底的界面周围的晶粒的生长。因此，氧化镱层与氧化硅层的界面变得平坦，并且基底层几乎不被侵入。

同时，为了抑制在与通过溅射工艺形成的上层的氟化镁层的界面处发生光吸收，优选在氧化区域中完成氧化镱层的成膜工艺。因此，控制氧化镱层的成膜工艺，以在过渡区域中开始，并在工艺途中切换到氧化区域，并在氧化区域中完成工艺。

图9显示了一部分结果，即通过透射电子显微镜观察到的第三实施方案的多层膜的截面。如图9所示，多层膜包括氟化镁层901、在过渡区域中形成氧化镱的部分9022、在氧化区域中形成氧化镱的部分9021、氧化硅层903和交替层904。可以看出，由部分9021和9022组成的氧化镱层中靠近氟化镁层901一侧的晶体粒径大于靠近基底基材一侧的晶体粒径。

更进一步，如图9所示，根据通过使用透射电子显微镜进行的横截面观察，在过渡区域中形成氧化镱的部分9022与氧化硅层903之间的界面确保PV值为2nm以下的平坦度。

结果，氧化硅层903的厚度是非常均匀的。即，氧化镱层和氧化硅层之间的界面的粗糙度小于氧化镱层和氟化镁层之间的界面的粗糙度。

虽然在氧化区域中形成氧化镱层的部分9021与氟化镁层901之间的界面粗糙至以PV值计为6nm以上，但这不是问题，因为氟化镁层的厚度充分大。由于在形成氟化镁层时，在界面附近引起氧化镱的光栅缺陷的可能性小，所以抑制了光吸收。

虽然在本实施方案中氧化镱层的成膜条件在从过渡区域向氧化区域转换时已经改变了一次，但是该条件可以通过分成多个阶段来改变，或者可以通过连续改变条件而转换。在这样的情况下，存在即使通过透射电子显微镜观察界面也没有观察到清晰边界的情况。

表2表示了作为第三实施方案的两个具体实例的膜A和B的层状构造。在氧化区域中形成的氧化镱层9021和在过渡区域中形成的氧化镱层9022的厚度方面，如表2所示的膜A和B是不同的。

[表2]

由于在过渡区域中成膜速度快，所以过渡区域中成膜的比率越高，制造整个膜所需的时间就变得越短，从而提高了生产率。但是，为了抑制在与氟化镁层901的界面处的光吸收，要求在氧化区域中形成的层的厚度为3nm以上。更进一步，由于需要如第一实施方案中所述将氧化镱层的厚度抑制在15nm以内，所以优选将氧化镱层9021和9022的总厚度设定为15nm以下。

图10是表示第一实施方案的多层膜、第二实施方案的多层膜和第三实施方案的膜A和B在波长450nm处的光吸收率的柱状图。与仅在氧化区域中形成的第一实施方案类似，第三实施方案的膜A和B具有较小的光吸收率和良好的光学特性。

本公开内容的实施方案不限于上述那些实施方案，并且例如可以对多层膜的层数、厚度、材料、成膜条件等进行适当修改。

尽管氟化镁(即低折射率材料)已经用于本公开内容的实施方案中，但是能够实现如下光学薄膜，该光学薄膜在与基底的高折射率材料的界面周围的光吸收被抑制，且该光学薄膜在高温高湿环境下具有高耐久性。

通过在基底基材上设置这样的光学薄膜，也能够提供减反射特性和耐久性优异的光学元件。

其他实施方案

虽然已经参照示例性实施方案描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施方案。以下权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这些修改以及等同的结构和功能。

Claims (11)

1.一种设置在基底基材上的光学薄膜，包括：

主成分为氧化镱的层；和

布置在所述主成分为氧化镱的层上的主成分为氟化镁的层，所述主成分为氟化镁的层相对于所述主成分为氧化镱的层、与所述基底基材相对配置。

2.根据权利要求1所述的光学薄膜，其中所述主成分为氧化镱的层布置在主成分为硅化合物的层上，所述主成分为氧化镱的层相对于所述主成分为硅化合物的层与所述基底基材相对配置。

3.根据权利要求1所述的光学薄膜，其中所述主成分为氧化镱的层的厚度为3nm以上且15nm以下。

4.根据权利要求1或2所述的光学薄膜，其中在氧化镱的固有取向(222)、(440)和(622)方面，所述主成分为氧化镱的层具有通过X射线衍射测量的以(222)、(440)、(622)的次序为高的衍射峰。

5.根据权利要求2所述的光学薄膜，其中所述主成分为氧化镱的层和所述主成分为硅化合物的层之间的界面的粗糙度小于所述主成分为氧化镱的层和所述主成分为氟化镁的层之间的界面的粗糙度。

6.根据权利要求2所述的光学薄膜，其中在所述主成分为氧化镱的层中，在较接近于所述主成分为氟化镁的层的一侧的晶体粒径大于在较接近于所述主成分为硅化合物的层的一侧的晶体粒径。

7.根据权利要求1或2所述的光学薄膜，其中所述主成分为氟化镁的层和所述主成分为氧化镱的层包含氩。

8.一种光学元件，包括：

基底基材，和

设置在基底基材上的权利要求1或2所述的光学薄膜。

9.一种光学元件的制造方法，在该光学元件中，多层膜设置在基底基材上，所述方法包括

通过溅射工艺形成主成分为氧化镱的层；和

通过溅射工艺在所述主成分为氧化镱的层上形成主成分为氟化镁的层。

10.根据权利要求9所述的光学元件的制造方法，其中在通过溅射工艺形成所述主成分为氧化镱的层时，在溅射工艺期间氧与引入腔室的气体的比率增大。

11.根据权利要求9所述的光学元件的制造方法，其中在通过溅射工艺形成所述主成分为氧化镱的层时，通过控制在溅射工艺期间氧与引入腔室的气体的比率，将区域从过渡区域转换成氧化区域。