JP2001262317A

JP2001262317A - 光学薄膜及びその製造方法

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Publication number: JP2001262317A
Application number: JP2000076688A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kawamata; 健川俣
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2001-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】クラックの発生のない耐久性を有した反射防
止膜などの光学薄膜を成膜する。【解決手段】基板上にＴａ及びＡｌの酸化物膜と、Ｍ
ｇＦ_２膜とをスパッタリングによって積層する。Ｔａ及
びＡｌからなる酸化物膜によってクラックの発生を防止
でき、耐久性も向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スパッタリング法
を用いて製造される反射防止膜等の光学薄膜及びその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】反射防止膜等の光学薄膜を基板上に形成
する場合、手法の容易さや成膜速度の速さなどの点から
真空蒸着法が多く用いられいたが、自動化・省力化・大
面積基板への適用性などの点で有利なことから近年スパ
ッタリング法による膜形成が行われている。このスパッ
タリング法では、低屈折率物質であるＭｇＦ_２の成膜が
難しいことが支障となっていたが、本発明者はスパッタ
リング法によるＭｇＦ _２膜の成膜を可能としており、そ
の内容を既に出願している（特開平９−３１６３８
号）。

【０００３】一方、光学薄膜としての反射防止膜にスパ
ッタリング法を適用した従来の方法は、特開平８−４３
３０４公報に開示されている。この方法は、高屈折率物
質としてＺｒ−Ｓｉ−Ｏを使用し、低屈折率物質として
Ｍｇ−Ｓｉ−Ｏ−Ｆを使用し、これらを２層構成とする
ことにより反射防止膜としている。この構成の反射防止
膜では、Ｚｒ−Ｓｉ−Ｏ膜の屈折率が１．９１〜１．９
４程度であり、以前より高屈折率物質として用いられて
いるＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５膜の屈折率が２．
１〜２．４程度であるのと比較して低いため、広帯域の
反射防止膜とすることができる点で有用となっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たＺｒ、Ｓｉ、Ｏからなる光学薄膜ではクラックが発生
し易い問題を有しており、例えば、この膜を樹脂製基板
上に成膜した場合、２０℃と８０℃との間を行き来する
ヒートショック工程で容易にクラックが発生している。
これはＺｒＯ_２がその物性上、非常に脆いからである。

【０００５】これに加えて、Ｚｒを含む組成のターゲッ
トをスパッタリングした場合には、成膜速度が著しく遅
い問題も有している。さらに、ターゲット材質にＺｒや
Ｓｉを含む場合には、これらの酸化物がきわめて絶縁性
が高いため、スパッタリング中にアークが発生し易い問
題も有しており、この結果、膜にダメージを与えてい
る。

【０００６】本発明は、このような従来の問題点を考慮
してなされたものであり、成膜速度の速いターゲット材
料を用い、スパッタリング法によって成膜することがで
き、しかもクラックが発生しにくい反射防止膜等の光学
薄膜及びその製造方法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】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明の光学薄膜は、基板上にＴａ及びＡ
ｌの酸化物膜と、ＭｇＦ_２膜とを積層したことを特徴と
する。

【０００８】この発明では、高屈折率膜として、Ｔａと
Ａｌの酸化物膜を使用している。この酸化物膜は、従来
のものと比較して耐クラック性に優れている。これは、
特にＴａ_２Ｏ_５の物性に由来するものであり、特に樹脂
製基板上に反射防止膜を形成した場合に効果的となる。
又、ＴａとＡｌの比を変えることにより、Ｔａ_２Ｏ
_５（屈折率が約２．２）とＡ１_２Ｏ_３（屈折率が約１．
６５）の間の屈折率を任意に選択することができる。こ
のため、従来のような１．９程度の屈折率の膜を得るこ
とも可能である。

【０００９】請求項２の発明は、基板上にＴａ及びＡｌ
の酸化物膜と、ＭｇＦ_２膜とを交互に積層したことを特
徴とする。

【００１０】請求項２の発明では、以上の酸化物膜と低
屈折率物質であるＭｇＦ_２とを交互に積層して２〜６層
程度の反射防止膜を形成するものであり、この積層によ
り、屈折率を任意に選択することができる。このため、
反射防止膜やビームスプリッタ、エッジフィルタ等の光
学薄膜として機能することができる。この発明の場合に
は、屈折率が１．８８〜２．１の範囲にあると良い。こ
の範囲とすることにより、可視域の全域において十分な
反射防止効果を得ることができる。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１又は２記載の
発明であって、前記酸化物膜中のＴａとＡｌの原子比が
Ｔａ／Ａｌ＝０．７〜４の範囲であることを特徴とす
る。

【００１２】光学薄膜の酸化物膜における、ＴａとＡｌ
の原子比をＴａ／Ａｌ＝０．７〜４とすることにより、
屈折率を１．８８〜２．１の範囲に調整することがで
き、目眼鏡レンズ等として用いることができる。

【００１３】請求項４の発明の光学薄膜の製造方法は、
ＴａとＡｌの混合物をターゲットとし、不活性ガス及び
酸素を導入しながらスパッタリングによりＴａとＡｌと
を含む酸化物膜を基板上に形成することを特徴とする。

【００１４】この発明では、ＴａとＡｌの混合物をター
ゲットとすることにより、従来と比較して成膜速度が向
上する。従来で使用されているＺｒと比較してＴａの方
がスパッタリングされ易いためである。又、Ｔａ及びＡ
ｌは導電性を有しているため、、ＲＦスパッタリングの
みでなくＤＣスパッタリングも可能であり、これによ
り、成膜速度をさらに速くすることが可能となる。な
お、スパッタリング時には、Ａｒ等の不活性ガスに酸素
を加えることにより、ＴａとＡｌの酸化物膜を容易に形
成することができる。さらに、ＴａとＡｌの混合物をタ
ーゲットとする場合には、これらが導電性のため、アー
クの発生がなく膜にダメージを与えることがなくなる。

【００１５】請求項５の発明は、ＴａとＡｌの混合物を
ターゲットとし不活性ガス及び酸素を導入しながらスパ
ッタリングによりＴａ及びＡｌを含む酸化物膜を基板上
に形成した後、ＭｇＦ_２をターゲットとしスパッタリン
グによりＭｇＦ_２膜を形成することを特徴とする。

【００１６】この発明では、Ｔａ及びＡｌを含む酸化物
膜上に、ＭｇＦ_２膜を形成するものであり、低屈折率物
質を積層するため、屈折率を任意に選定することができ
る。又、ＭｇＦ_２膜を酸化物膜と同様にスパッタリング
によって形成するため、同一の成膜装置を使用した効率
の良い成膜を行うことができる。

【００１７】請求項６の発明は、ＴａとＡｌの混合物を
ターゲットとし不活性ガス及び酸素を導入しながらスパ
ッタリングにより形成するＴａ及びＡｌの酸化物膜と、
ＭｇＦ_２をターゲットとしスパッタリングにより形成す
るＭｇＦ_２膜と、を交互に積層することを特徴とする。

【００１８】この発明では、Ｔａ及びＡｌの酸化物膜及
びＭｇＦ_２膜を交互に積層するため、高性能な光学薄膜
とすることができ、反射防止膜やビームスプリッタ、エ
ッジフィルタ等の光学薄膜として用いることができる。
特に、ＭｇＦ_２もスパッタリングにより形成するため、
Ｔａ及びＡｌの酸化物膜と、ＭｇＦ_２膜とを同一の成膜
装置で容易に形成することができる。

【００１９】請求項７の発明は、請求項４〜６のいずれ
かに記載の発明であって、前記ＴａとＡｌの原子比がＴ
ａ／Ａｌ＝０．７〜４の範囲であるターゲットを用いる
ことを特徴とする。

【００２０】ターゲットのＴａとＡｌの原子比は、成膜
される膜中でも略同一で保存される。この発明では、タ
ーゲットの組成比がＴａ／Ａｌ＝０．７〜４であること
により、成膜される薄膜は、屈折率が１．８８〜２．１
の範囲にある膜とすることができる。

【００２１】以上の請求項４〜７記載の発明の製造方法
では、基板を加熱する必要がないため、基板の析質に対
する制限がなくなる。従って、光学ガラスや窓ガラス等
のガラス類、アクリルやポリカーボネート、ポリオレフ
ィン等の各種の樹脂材料、その他の材料を基板として用
いることができる。なお、基板としては、板状、フィル
ム状、レンズ状などの形状を用いることができ、その形
状に制限はない。

【００２２】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）図１は成膜装置
であり、真空槽１の内部が隔壁９及び横壁１１によって
左右の隔室１２、１３に仕切られており、それぞれの隔
室１２及び１３の内部に、第１及び第２のマグネトロン
カソード３ａ、３ｂが配置されている。また、横壁１１
によって仕切られた隔室１２、１３の上方は、成膜が施
される基板６の搬送室１４となっており、それぞれの隔
室１２、１３と対向した横壁１１の対向部位には開口部
１５ａ、１５ｂが形成されている。基板６は搬送室１４
内に配置された移動装置（図示省略）によって、矢印Ａ
で示すように左から右へ移動される。また、基板６は横
壁１１の開口部１５ａ、１５ｂとの対向位置に達したと
き、一時的に移動が停止され、この停止状態で成膜が行
われる。

【００２３】左側の隔室１２内の第１のマグネトロンカ
ソード３ａは、ＤＣ電源からなる第１のスパッタ用電源
５ａに接続されており、右側の隔室１３内の第２のマグ
ネトロンカソード３ｂはＲＦ電源からなる第２のスパッ
タ用電源５ｂに接続されている。また、第１のマグネト
ロンカソード３ａ上には、原子比Ｔａ／Ａｌ＝１の直径
１００ｍｍのＴａＡｌターゲット２が載置され、第２の
マグネトロンカソード３ｂ上には、ＭｇＦ_２ターゲット
が載置されている。

【００２４】なお、それぞれの隔室１２、１３には、ガ
ス導入口７ａ、７ｂが開口されている。この実施の形態
における基板６としては、洗浄した屈折率１．６５の紫
外線硬化樹脂基板を用いるものである。

【００２５】この実施の形態では、不図示の真空ポンプ
により真空層１内の全体を３×１０ ^−４Ｐａの真空度ま
で排気する。その後、不活性ガスであるＡｒと、Ｏ_２の
混合ガスを９：１の混合比で、ガス導入口７ａから左側
の隔室１２内に３×１０^−１Ｐａの圧力となるまで導入
する。

【００２６】そして、ＤＣ電源である第１のスパッタ用
電源５ａから６００Ｗの電力を第１のマグネトロンカソ
ード３ａに供給しスパッタリングを開始する。この状態
で基板６をターゲット２上に移動させて、基板６上にＴ
ａ及びＡｌの酸化物膜を光学的膜厚２２０〜２８０ｎｍ
の範囲の厚さで形成する。この時の成膜速度は４０ｎｍ
／ｍｉｎであり十分に速いものであった。

【００２７】形成された膜の屈折率は可視域でほぼ１．
９３であった。また、膜の組成比（原子比）はＴａ／Ａ
ｌがほぼ１であり、ターゲットの組成をそのまま維持し
ていた。さらに、スパッタリング中にアークの発生は見
られなかった。

【００２８】比較例として、ＺｒとＳｉの２：１混合物
からなるターゲットを用いて同様の成膜を試みたが、ス
パッタリング中にアークが多く発生し、膜の表面にター
ゲットから飛散した粒子が多量に付着しており、光学膜
としては不適であった。また、成膜速度も８ｎｍ／ｍｉ
ｎと非常に遅かった。

【００２９】（実施の形態２）この実施の形態では、実
施の形態１によってＴａとＡｌの酸化物膜を成膜した基
板６に対してさらに成膜を行うものであり、実施の形態
１の処理の後、ＡｒとＯ_２の混合ガスの供給を停止し、
真空槽１内を所定時間排気してＡｒ及びＯ_２ガスを除去
する。その後、右側の隔室１３側のガス導入口７ｂから
Ｏ_２ガスを導入して真空槽内を４×１０^−１ＰａのＯ_２
雰囲気とする。

【００３０】そして、ＲＦ電源である第２のスパッタ用
電源５ｂから６００Ｗの電力を第２のマグネトロンカソ
ード３ｂに供給し、プラズマを発生させる。第２のマグ
ネトロンカソード３ｂ上のＭｇＦ_２ターゲット４はこの
プラズマにより加熱され、カソード３ｂ下面の冷却水
（不図示）による冷却能とつり合った温度に保持されな
がらスパッタリングされる。ここで、基板６をターゲッ
ト４上方の開口部１５ｂに移動させて、ＭｇＦ_２膜を光
学的膜厚１１５〜１３０ｎｍの範囲の厚さで形成する。
形成された膜の屈折率は可視域で略１．３８であった。

【００３１】図２は、実施の形態１で成膜されたＴａと
Ａｌの酸化物膜と、この上に成膜されたＭｇＦ_２膜から
なる反射防止膜の分光反射特性を示す。特性曲線ａは光
学的膜厚２６０ｎｍの酸化物膜上に光学的膜厚１３０ｎ
ｍのＭｇＦ_２膜を成膜した場合の分光反射特性を、特性
曲線ｂは光学的膜厚２８０ｎｍの酸化物膜上に光学的膜
厚１１５ｎｍのＭｇＦ_２膜を成膜した場合の分光反射特
性を、特性曲線ｃは光学的膜厚２２０ｎｍの酸化物膜上
に光学的膜厚１３０ｎｍのＭｇＦ_２膜を成膜した場合の
分光反射特性をそれぞれ示す。

【００３２】図２から明らかなように、いずれの反射防
止膜も４２０〜６８０ｎｍの波長域で反射率が１．２％
以下となっている。特に、光学的膜厚２６０ｎｍの酸化
物膜上に光学的膜厚１３０ｎｍのＭｇＦ_２膜を成膜した
特性曲線ａでは、４２０〜７００ｎｍの広い波長域で反
射率が０．６％以下となっており、従来以上の反射防止
効果を備えている。

【００３３】（実施の形態３）この実施の形態では、原
子比Ｔａ／Ａｌが０．７及び４であるいずれも直径１０
０ｍｍの大きさのＴａＡｌターゲットを用意して、実施
の形態１と同様に酸化物膜膜を形成した。基板６は実施
の形態１と同様に、屈折率１．６５の紫外線硬化型樹脂
板であり、真空槽１内の雰囲気及び電力も実施の形態１
と同様である。基板６上に形成されたＴａとＡｌの酸化
物膜の屈折率は、それぞれ１．８８、２．１０であっ
た。

【００３４】その後、基板６に対して実施の形態２と同
様にしてＭｇＦ_２膜を成膜し、ＴａとＡｌの酸化物膜と
ＭｇＦ_２膜とからなる２層の反射防止膜を成膜した。Ｍ
ｇＦ _２膜の膜厚は実施の形態２と同じである。

【００３５】図３（ａ）、（ｂ）は以上のようにして形
成された反射防止膜の分光反射率の特性図であり、
（ａ）は屈折率１．８８の特性を、（ｂ）は屈折率２．
１０の特性を示す。いずれの酸化物膜も４３０ｎｍ〜６
７０ｎｍの広い波長域で反射率が０．６％以下と良好な
反射防止効果を有している。

【００３６】（実施の形態４）この実施の形態では、実
施の形態２、３で成膜した反射防止膜の耐久性試験を行
った。まず、それぞれの反射防止膜にセロハンテープを
貼り付けた後、９０°方向に強く引き剥がすテープ剥離
試験を実施したが、いずれの膜も剥離は生じなかった。

【００３７】次に、エタノールで湿らせたレンズクリー
ニング用ペーパーで強くこすった後、膜表面を肉眼で観
察する耐擦傷性試験を実施したが、いずれの膜も傷はつ
かなかった。

【００３８】さらに、−３０℃と８０℃の間を行き来す
るヒートショック試験を実施したが、いずれの膜にもク
ラック等の異常は発生しなかった。

【００３９】以上の実施の形態２、３、及び４から、Ｔ
ａＡｌターゲットの組成比は、原子比Ｔａ／Ａｌが０．
７〜４の範囲であれば、良好な耐久性を有することが判
明した。又、基板の種類を光学ガラス、アクリル系ハー
ドコート付きのＰＥＴ製フィルム等に変更しても同様の
結果が得られた。

【００４０】（実施の形態５）図４はこの実施の形態に
用いる成膜装置であり、図１と同一の要素は同一の符号
で対応させてある。この実施の形態の成膜装置では、第
１及び第２のマグネトロンカソード３ａ，３ｂが切り替
えスイッチ２１を介してＲＦ電源である第２のスパッタ
用電源５ｂに接続されている。従って、切替え操作する
ことにより、第１のマグネトロンカソード３ａまたは第
２のマグネトロンカソード３ｂにＲＦ電力を印加するこ
とができる。

【００４１】この実施の形態では、実施の形態１と同様
にして、Ｔａ及びＡｌの酸化物膜を２６０ｎｍの光学的
膜厚で形成した。この場合、成膜速度がやや遅くなる
が、屈折率は１．９３であり、ＤＣ電源を使用した場合
と略同じであった。

【００４２】その後、実施の形態２及び３と同様にし
て、酸化物膜上にＭｇＦ_２膜を成膜して２層の反射防止
膜を形成した。この反射防止膜の反射防止効果及び耐久
性も上述した各実施の形態と同様であった。

【００４３】（実施の形態６）この実施の形態では、基
板６として屈折率１．５２のポリオレフィン系樹脂板を
用いるとと共に、図１の成膜装置を用いて、実施の形態
２と同様な方法でＴａ及びＡｌの酸化物膜と、ＭｇＦ_２
膜とを交互に４層積層して反射防止膜とした。各層の光
学的膜厚は、基板６側から第１の酸化物膜が３２ｎｍ、
第１のＭｇＦ_２膜が３２ｎｍ、第２の酸化物膜が２８５
ｎｍ、第２のＭｇＦ_２膜が１３０ｎｍである。

【００４４】図５はこの実施の形態の分光反射率の特性
図であり、４２０〜６８０ｎｍの極めて広い波長域で反
射率が０．４％以下の優れた反射防止効果を有してい
る。

【００４５】なお、本発明では、さらに良好な反射防止
帯域を広げるため、さらに酸化物膜とＭｇＦ_２膜とを交
互に５〜６層積層して反射防止膜を形成することも可能
である。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、高屈折率膜がＴａ及びＡｌの酸化物膜からなる
ため、クラックなどが発生することがなく、耐久性を有
した光学薄膜とすることができる。

【００４７】請求項２の発明によれば、可視域の全域に
十分な反射防止効果を有した光学薄膜とすることができ
る。

【００４８】請求項３の発明によれば、屈折率を良好に
調節することができる。

【００４９】請求項４の発明によれば、クラックなどが
発生することがなく、耐久性を有した光学薄膜を高速に
形成することができる。

【００５０】請求項５の発明によれば、可視域の全域に
十分な反射防止効果を有した光学薄膜を高速に形成する
ことができる。

【００５１】請求項６の発明によれば、高屈折率膜であ
る酸化物膜と、低屈折率物質であるＭｇＦ_２膜をスパッ
タリングにより形成するため、これらを効率良く、しか
も、高速で形成することができる。

【００５２】請求項７の発明によれば、良好な屈折率を
有した酸化物膜を確実に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の成膜に使用される成膜装置の断面図で
ある。

【図２】実施の形態２の光学薄膜の分光反射率の特性図
である。

【図３】（ａ）及び（ｂ）は、実施の形態３の酸化物膜
の特性図である。

【図４】本発明に用いる別の成膜装置の断面図である。

【図５】実施の形態６の分光反射率特性図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上にＴａ及びＡｌの酸化物膜と、Ｍ
ｇＦ_２膜とを積層したことを特徴とする光学薄膜。
【請求項２】基板上にＴａ及びＡｌの酸化物膜と、Ｍ
ｇＦ_２膜とを交互に積層したことを特徴とする光学薄
膜。
【請求項３】前記酸化物膜中のＴａとＡｌの原子比が
Ｔａ／Ａｌ＝０．７〜４の範囲であることを特徴とする
請求項１又は２記載の光学薄膜。
【請求項４】ＴａとＡｌの混合物をターゲットとし、
不活性ガス及び酸素を導入しながらスパッタリングによ
りＴａ及びＡｌを含む酸化物膜を基板上に形成すること
を特徴とする光学薄膜の製造方法。
【請求項５】ＴａとＡｌの混合物をターゲットとし不
活性ガス及び酸素を導入しながらスパッタリングにより
Ｔａ及びＡｌを含む酸化物膜を基板上に形成した後、Ｍ
ｇＦ_２をターゲットとしスパッタリングによりＭｇＦ_２
膜を形成することを特徴とする光学薄膜の製造方法。
【請求項６】ＴａとＡｌの混合物をターゲットとし不
活性ガス及び酸素を導入しながらスパッタリングにより
形成するＴａ及びＡｌを含む酸化物膜と、ＭｇＦ_２をタ
ーゲットとしスパッタリングにより形成するＭｇＦ_２膜
と、を交互に積層することを特徴とする光学薄膜の製造
方法。
【請求項７】前記ＴａとＡｌの原子比がＴａ／Ａｌ＝
０．７〜４の範囲であるターゲットを用いることを特徴
とする請求項４〜６のいずれかに記載の光学薄膜の製造
方法。