JP2003098341A - Method for manufacturing optical element for laser - Google Patents

Method for manufacturing optical element for laser

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JP2003098341A
JP2003098341A JP2001290489A JP2001290489A JP2003098341A JP 2003098341 A JP2003098341 A JP 2003098341A JP 2001290489 A JP2001290489 A JP 2001290489A JP 2001290489 A JP2001290489 A JP 2001290489A JP 2003098341 A JP2003098341 A JP 2003098341A
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film
refractive index
laser
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index material
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Koki Kunii
弘毅 国井
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Nidec Copal Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To manufacture an optical element for laser at low cost which has high reliability by using Zr or Hf as a vapor deposition material. SOLUTION: The optical element for laser composed of an optical multilayer film 4 in which a film 2 of a high refractive index material and a film 3 of a low refractive index material are laminated on a base plate 1 is manufactured. The film 2 of the high refractive index material is composed of ZrO2 or HfO2 . In a first process, metal Zr or Hf is heated and evaporated in a chamber in which the base plate 1 is set. In a second process, gaseous O2 is introduced into the chamber which is filled with the vapor of Zr or Hf. In a third process, dense ZrO2 or HfO2 is deposited on the base plate by accelerating while causing a reaction of Zr or Hf and O in a gaseous phase. In the third process, the dense ZrO2 or HfO2 is deposited by accelerating by an ion plating method or an ion assist method. For example, the film 2 composed of the high refractive index material composed of ZrO2 or HfO2 and the film 3 of the low refractive index material composed of SiO2 are alternately laminated on the base plate 1, thus the optical multilayer film is formed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、紫外波長から近赤
外波長の高出力レーザーを利用した装置に用いられる、
レーザー用光学素子の製造方法に関する。より詳しく
は、高屈折率材料の光学膜と低屈折率材料の光学膜とを
基板の上に積層した光学多層膜からなるレーザー用光学
素子の製造方法において、特に高屈折率材料の光学膜の
成膜技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is used in an apparatus using a high-power laser having an ultraviolet wavelength to a near infrared wavelength,
The present invention relates to a method for manufacturing an optical element for laser. More specifically, in a method for manufacturing an optical element for laser comprising an optical multilayer film in which an optical film made of a high refractive index material and an optical film made of a low refractive index material are laminated on a substrate, particularly, an optical film made of a high refractive index material Regarding film forming technology.

【0002】[0002]

【従来の技術】レーザー光学系を組み込んだ装置には、
ミラー、レンズ、ビームスプリッタなど各種の光学部品
が用いられる。これらの光学部品は、レーザーパワーに
対する耐久性が要求される。光学部品にレーザー光を照
射した場合、最も耐久性に劣る部位が基板上に積層され
た光学多層膜である。特に、高屈折率材料の光学膜が耐
久性に乏しいことが確認されている。耐久性を向上させ
る為に、基板材料及び膜材料に関し、レーザー光の照射
に対して耐性の高い材料を選択する必要がある。又、基
板の表面や光学膜に存在する欠陥を極力低減化する対策
がなされている。更には、膜厚を調整して、特に耐久性
が小さい高屈折率材料の光学膜界面から、レーザー光の
電界強度ピークをずらすなどの試みもなされている。前
述した様に、光学多層膜は高屈折率材料の膜と低屈折率
材料の膜を交互に重ねた積層構造をとる。この様な光学
多層膜にレーザー光が入射した時、最もレーザー光の照
射に対して弱い部分である高屈折率材料の膜界面から、
低屈折率材料の膜中など他の部分に、レーザー光の電界
の最も大きくなる位置をずらす様に、光学設計を行な
う。レーザー光も電磁波であり、光の影響を考える場合
には電界の強度を考慮した光学設計が有効である。
2. Description of the Related Art A device incorporating a laser optical system,
Various optical components such as mirrors, lenses and beam splitters are used. These optical components are required to have durability against laser power. When an optical component is irradiated with a laser beam, the portion having the lowest durability is the optical multilayer film laminated on the substrate. In particular, it has been confirmed that the optical film made of a high refractive index material has poor durability. In order to improve durability, it is necessary to select materials having high resistance to laser light irradiation for the substrate material and the film material. Further, measures are taken to reduce defects existing on the surface of the substrate and the optical film as much as possible. Furthermore, attempts have been made to adjust the film thickness and shift the peak of the electric field intensity of laser light from the interface of the optical film of a high-refractive index material having particularly low durability. As described above, the optical multilayer film has a laminated structure in which films of high refractive index material and films of low refractive index material are alternately stacked. When a laser beam is incident on such an optical multilayer film, from the film interface of the high refractive index material, which is the weakest part to the irradiation of the laser beam,
The optical design is performed so that the position where the electric field of the laser beam becomes the maximum is shifted to other parts such as the film of the low refractive index material. Laser light is also an electromagnetic wave, and when considering the influence of light, an optical design considering the strength of the electric field is effective.

【0003】上述した種々の対策のうち、特に高屈折率
材料としてレーザー光に対する耐久性が高い金属酸化物
を使うことが有効である。近年、高屈折率を示す膜材料
としては、紫外から近赤外の波長領域において、従来か
ら多用されている材料であるTiO2やTa25より
も、HfO2やZrO2が耐久性に優れていることが確認
され、使用され始めている。一般に、レーザー光に対す
る耐久性の高い膜は、レーザー波長域にて吸収がなく、
膜欠陥(ピンホール、ボツ、内部欠陥など)が少なく、
更に屈折率が小さい方が耐久性に優れていると考えられ
ている。一般に、バンドギャップが広ければ、レーザー
光照射により引き起こされる「電子雪崩」発生の確率が
小さくなると言われており、屈折率が小さいとバンドギ
ャップの幅が広い傾向にある。又、膜の充填密度が大き
くなるとレーザー光に対する耐久性が大きくなると考え
られている。この点、HfO2やZrO2は、高屈折率の
光学膜材料として通常使用されているTiO2やTa2
5と比較して屈折率は多少小さく、更に膜吸収や膜欠陥
が少ない可能性がある。
Among the various measures described above, it is particularly effective to use a metal oxide having a high durability against laser light as a high refractive index material. In recent years, as a film material exhibiting a high refractive index, HfO 2 and ZrO 2 are more durable than TiO 2 and Ta 2 O 5 , which have been widely used in the past, in the wavelength region from ultraviolet to near infrared. It has been confirmed to be excellent, and is being used. Generally, a film with high durability against laser light has no absorption in the laser wavelength range,
There are few film defects (pinholes, pits, internal defects, etc.),
Further, it is considered that the smaller the refractive index is, the more excellent the durability is. Generally, if the band gap is wide, the probability of occurrence of “electron avalanche” caused by laser light irradiation is said to be small, and if the refractive index is small, the band gap tends to be wide. Further, it is considered that the durability against laser light increases as the packing density of the film increases. In this respect, HfO 2 and ZrO 2 are TiO 2 and Ta 2 O which are usually used as optical film materials having a high refractive index.
The refractive index is a little smaller than that of 5, and there is a possibility that film absorption and film defects are small.

【0004】尚、金属酸化物を成膜する手法は、従来か
ら種々開発されており、例えば特開平10−10738
1号公報には、金属を原料として酸素プラズマを発生さ
せ、金属酸化物を生成する手法が開示されている。又、
特開平10−233336号公報には、イオンプレーテ
ィング法に関し、高密度プラズマを発生させる為の機構
が開示されている。又、特開平11−101903号公
報は、エキシマレーザー用の光学多層膜素子を開示して
いる。この光学多層膜素子は、高屈折率材料(Nd
3、LaF3などのフッ化物及びAl23)をIAD法
で作成している。
Various methods for forming a metal oxide film have been developed in the past, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-10738.
Japanese Patent Publication No. 1 discloses a method in which oxygen plasma is generated from a metal as a raw material to generate a metal oxide. or,
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-233336 discloses a mechanism for generating high-density plasma with respect to the ion plating method. Further, JP-A-11-101903 discloses an optical multi-layer film element for excimer laser. This optical multilayer film element is made of a high refractive index material (Nd
Fluorides such as F 3 and LaF 3 and Al 2 O 3 ) are prepared by the IAD method.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】従来、HfO2やZr
2は、これらの酸化物を予めペレット状に加工し、電
子ビーム蒸着にて基板上に成膜している。その際、Hf
2、ZrO2のペレットは電子ビームが照射された部分
のみ融解する特性がある。この為、成膜が進むに連れ、
ペレットから蒸着した部分が窪んでいく為、膜厚分布が
変わり易く、ばらつきの原因になっていた。又、蒸着部
分のみが窪んでいくことで、材料の消耗が早く、膜厚を
大きくすることが困難である。又、高屈折率材料として
使用されているHfO2のペレットは非常に高価であ
り、作成したレーザー用光学素子の価格が高くなってし
まうという課題がある。
[Problems to be Solved by the Invention] Conventionally, HfO 2 and Zr
O 2 is obtained by processing these oxides into pellets in advance and forming a film on the substrate by electron beam evaporation. At that time, Hf
The O 2 and ZrO 2 pellets have the property of melting only the portion irradiated with the electron beam. Therefore, as the film formation progresses,
Since the portion vapor-deposited from the pellets was depressed, the film thickness distribution was likely to change, which was a cause of variation. Further, since only the vapor deposition portion is depressed, the material is consumed quickly and it is difficult to increase the film thickness. Further, the pellet of HfO 2 used as a high refractive index material is very expensive, and there is a problem that the cost of the produced laser optical element becomes high.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題に鑑み、本発明はZr又はHfを蒸着材料として、信
頼性に優れ且つ安価なレーザー用光学素子を製造するこ
とを目的とする。係る目的を達成するために以下の手段
を講じた。すなわち、本発明は、高屈折率材料の膜と低
屈折率材料の膜とを基板の上に積層した光学多層膜から
なるレーザー用光学素子の製造方法において、前記高屈
折率材料の膜はZrO2又はHfO2からなり、基板をセ
ットしたチャンバ内で、金属Zr又はHfを加熱して蒸
発させる第1過程と、Zr又はHfの蒸気で満たされた
チャンバにO2ガスを導入する第2過程と、Zr又はH
fとOを互いに気相で反応させつつ加速して基板に緻密
なZrO2又はHfO2を堆積する第3過程とにより成膜
すること特徴とする。好ましくは、前記第3過程は、イ
オンプレーティング法又はイオンアシスト法により加速
して緻密なZrO2又はHfO2を堆積する。又、ZrO
2又はHfOからなる高屈折率材料の膜とSiO
らなる低屈折率材料の膜とを基板の上に交互に積層して
光学多層膜を形成する。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-mentioned problems of the prior art, an object of the present invention is to manufacture a reliable and inexpensive optical element for laser using Zr or Hf as a vapor deposition material. The following measures have been taken to achieve this purpose. That is, the present invention relates to a method for manufacturing an optical element for a laser, which comprises an optical multi-layer film in which a film of a high refractive index material and a film of a low refractive index material are laminated on a substrate, and the film of the high refractive index material is ZrO 2. 2 or HfO 2 , a first step of heating and evaporating metal Zr or Hf in a chamber in which a substrate is set, and a second step of introducing O 2 gas into a chamber filled with Zr or Hf vapor. And Zr or H
It is characterized in that a film is formed by a third step of accelerating f and O while reacting with each other in the vapor phase to deposit dense ZrO 2 or HfO 2 on the substrate. Preferably, in the third step, a dense ZrO 2 or HfO 2 is deposited by acceleration by an ion plating method or an ion assist method. Also, ZrO
A film of a high refractive index material made of 2 or HfO 2 and a film of a low refractive index material made of SiO 2 are alternately laminated on a substrate to form an optical multilayer film.

【0007】本発明によれば、紫外から近赤外域のレー
ザー光学系で使用されるレーザー用光学素子の製造方法
において、高屈折率材料の膜(以下、高屈折率膜と呼ぶ
場合がある)を作成する際の原材料として、Zr又はH
fを使用する。これらの金属原材料を電子ビームなどで
蒸発させるとともに、成膜チャンバ内に酸素ガスを導入
することで、金属酸化物(ZrO2、HfO2)を作成す
る。更に、酸化の程度を促進させ、レーザー光に対する
耐久性低下の原因となる膜中の金属単体及び低級酸化物
成分の低減と膜充填密度の向上を図る為、イオンアシス
ト法やイオンプレーティング法などの手法にて蒸着物質
を加速させつつ成膜している。尚、低級酸化物とは、例
えばZrの酸化物の場合、ZrOxで特にx<2の場合
を意味する。又、膜充填密度は(膜構成材料の占める体
積/膜全体の体積)*100%で定義される。理想的に
は充填密度は100%が目標である。しかし薄膜を成膜
した場合、膜内に隙間が形成され充填密度は100%に
達しない。大気中では、この隙間に水分が吸着され、光
学多層膜の信頼性を損なう可能性がある。
According to the present invention, a film of a high-refractive index material (hereinafter sometimes referred to as a high-refractive index film) in a method of manufacturing an optical element for a laser used in a laser optical system in the ultraviolet to near infrared region. Zr or H as a raw material when making
Use f. Metal oxides (ZrO 2 , HfO 2 ) are created by evaporating these metal raw materials with an electron beam or the like and introducing oxygen gas into the film forming chamber. Furthermore, in order to promote the degree of oxidation and reduce the metal simple substance and lower oxide components in the film that cause the deterioration of durability against laser light and improve the film packing density, an ion assist method, an ion plating method, etc. The method is used to accelerate the deposition material to form a film. Incidentally, the lower oxide means, for example, in the case of an oxide of Zr, ZrO x , and particularly x <2. Further, the film packing density is defined by (volume occupied by film constituent material / volume of entire film) * 100%. Ideally, the packing density should be 100%. However, when a thin film is formed, a gap is formed in the film and the packing density does not reach 100%. In the atmosphere, water may be adsorbed in the gaps, and the reliability of the optical multilayer film may be impaired.

【0008】本発明は、高屈折率膜の原材料としてZr
又はHfを使用している。Zr(ジルコニウム)及びH
f(ハフニウム)は、Ti(チタン)と同族の遷移元素
である。原子及びイオンの大きさがほぼ等しい為、ジル
コニウムとハフニウムの両元素の化学的性質は極めてよ
く類似している。ジルコニウムとハフニウムは化合物中
ではほとんど常にイオン価の状態を取り、酸化物はZr
2、HfO2となる。ジルコニウムやハフニウムの各単
体は融点、沸点の高い金属である。ジルコニウムの融点
は1860℃、沸点は4750℃、密度は6.53、結
晶構造は六方最密である。ハフニウムの融点は2200
℃、沸点は5100℃、密度は13.1、結晶構造は六
方最密である。従来の様に、ZrO2、HfO2の酸化物
ではなく、単体金属のZr、Hfを蒸着原材料としてい
る。これにより、膜形成の際に蒸発用のルツボに入れた
原料が均一に融解する。成膜厚みを大きくしても、ルツ
ボ内で融解している金属単体の液面が経時的に下がるの
みで、ほとんど膜厚分布に悪影響を与えることはない。
蒸着材料としてZrO2、HfO2のペレットを使用した
従来例と比較し、ルツボ内に収納される材料の量が多
く、更に全体が融解する為、ルツボ当りの膜形成に使用
可能な分量が非常に多くなり、多くの積層数が必要な光
学素子の作成も容易となる。従来使用しているZr
2、HfO2の酸化物は、電子ビームを照射した部分し
か溶融しないので、無駄になる原料の部分が多いととも
に、蒸着膜厚にばらつきが生じる。
The present invention uses Zr as a raw material for a high refractive index film.
Or, Hf is used. Zr (zirconium) and H
f (hafnium) is a transition element in the same family as Ti (titanium). The chemical properties of both zirconium and hafnium elements are very similar because the size of the atoms and ions are nearly equal. Zirconium and hafnium almost always have an ionic valence state in the compound, and the oxide is Zr.
It becomes O 2 and HfO 2 . Zirconium and hafnium simple substances are metals having high melting points and boiling points. Zirconium has a melting point of 1860 ° C., a boiling point of 4750 ° C., a density of 6.53, and a crystal structure of hexagonal closest packing. Hafnium has a melting point of 2200
C., boiling point is 5100.degree. C., density is 13.1, and crystal structure is hexagonal closest packed. Instead of the oxide of ZrO 2 and HfO 2 as in the prior art, Zr and Hf of simple metals are used as the vapor deposition raw materials. As a result, the raw material placed in the evaporation crucible during film formation is melted uniformly. Even if the film thickness is increased, the liquid level of the metal simple substance melted in the crucible only decreases with time, and there is almost no adverse effect on the film thickness distribution.
Compared to the conventional example that uses pellets of ZrO 2 and HfO 2 as the evaporation material, the amount of material stored in the crucible is large, and the whole melts, so the amount usable for film formation per crucible is extremely high. Therefore, it becomes easy to produce an optical element that requires a large number of layers. Conventionally used Zr
Since the oxides of O 2 and HfO 2 are melted only in the portion irradiated with the electron beam, many raw material portions are wasted and the vapor deposition film thickness varies.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態を詳細に説明する。図1は本発明に従って製造さ
れた反射率50%を示すYAGレーザー用光学素子を示
す模式図であり、(A)は断面図、(B)は平面図であ
る。(B)に示す様に、レーザー用光学素子は例えば矩
形を有し、有効範囲は長手方向で40mmとなってい
る。波長1064nm、入射角度45度において、ラン
ダム光の基板中心位置における反射率Rは50±2%と
し、基板上の長手方向位置に対して反射率Rの変化が
0.4%/mmとなる様な光学設計になっている。但
し、これは例示であって、本発明の範囲を何ら限定する
ものではない。このレーザー用光学素子は、YAGレー
ザー用反射ミラーの設計例であって、YAGレーザー照
射時(波長1064nm、10nsパルス)のレーザー
出力は、10J/cm2以上を対象にしている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing an optical element for a YAG laser showing a reflectance of 50% manufactured according to the present invention, (A) is a sectional view, and (B) is a plan view. As shown in (B), the laser optical element has, for example, a rectangular shape, and the effective range is 40 mm in the longitudinal direction. At a wavelength of 1064 nm and an incident angle of 45 degrees, the reflectance R of the random light at the substrate center position is 50 ± 2%, and the variation of the reflectance R with respect to the longitudinal position on the substrate is 0.4% / mm. It has a simple optical design. However, this is an example and does not limit the scope of the present invention. This laser optical element is a design example of a YAG laser reflection mirror, and the laser output at the time of YAG laser irradiation (wavelength 1064 nm, 10 ns pulse) is intended to be 10 J / cm 2 or more.

【0010】(A)は、(B)に示したレーザー用光学
素子のA−A線に沿った断面図である。図示する様に、
本レーザー用光学素子は、高屈折率材料の膜(高屈折率
膜)2と低屈折率材料の膜(低屈折率膜)3とを基板1
の上に積層した光学多層膜4からなる。基板1は、例え
ば石英からなり、その屈折率は1.45である。高屈折
率層2はZrO2からなり、以下の過程により成膜す
る。即ち、基板1をセットしたチャンバ内で、金属Zr
を加熱して蒸発させる第1過程を行なう。次に、Zrの
蒸気で満たされたチャンバにO2ガスを導入する第2過
程を行なう。最後に、ZrとOを互いに気相で反応させ
つつ加速して基板1に緻密なZrO2を堆積する第3過
程を行なう。この第3過程では、イオンプレーティング
法又はイオンアシスト法により加速して緻密なZrO2
からなる高屈折率層2を堆積する。本例では、ZrO2
からなる高屈折率膜2と、SiO2からなる低屈折率膜
3とを基板1の上に交互に積層して光学多層膜4を形成
している。ZrO2の屈折率は2.05である。SiO2
の屈折率は1.45である。尚、高屈折率膜2を形成す
る為に、上述したZrに代えてHfを用いてもよい。こ
の場合には、高屈折率膜2はHfO2からなる。
FIG. 3A is a sectional view taken along line AA of the laser optical element shown in FIG. As shown,
In the optical element for a laser of the present invention, a film 1 of a high refractive index material (high refractive index film) 2 and a film of a low refractive index material (low refractive index film) 3 are provided on a substrate 1.
The optical multilayer film 4 is laminated on the above. The substrate 1 is made of quartz, for example, and its refractive index is 1.45. The high refractive index layer 2 is made of ZrO 2 and is formed by the following process. That is, in the chamber in which the substrate 1 is set, the metal Zr
The first step of heating and evaporating is carried out. Next, a second process of introducing O 2 gas into the chamber filled with Zr vapor is performed. Finally, the third step of depositing dense ZrO 2 on the substrate 1 by accelerating Zr and O while reacting with each other in the gas phase is performed. In the third step, the dense ZrO 2 is accelerated by the ion plating method or the ion assist method.
The high refractive index layer 2 consisting of is deposited. In this example, ZrO 2
An optical multilayer film 4 is formed by alternately laminating a high refractive index film 2 made of SiO 2 and a low refractive index film 3 made of SiO 2 on a substrate 1. The refractive index of ZrO 2 is 2.05. SiO 2
Has a refractive index of 1.45. In addition, in order to form the high refractive index film 2, Hf may be used instead of Zr described above. In this case, the high refractive index film 2 is made of HfO 2 .

【0011】図示の光学多層膜4は、ZrO2からなる
高屈折率層2とSiO2からなる低屈折率層3を交互に
計10層重ねた積層構造となっている。高屈折率層2の
光学膜厚をHで表わしている。Hの係数が1の場合、高
屈折率層2の光学膜厚がちょうどλ0/4であることを
示す。尚、λ0は入射レーザー光の波長であり、本例の
場合YAGレーザーの1064nmに設定されている。
同様に、低屈折率層3の光学膜厚をLで表わしている。
Lの係数が1の時、低屈折率層3の光学膜厚はちょうど
λ0/4であることを示している。
The illustrated optical multilayer film 4 has a laminated structure in which a high refractive index layer 2 made of ZrO 2 and a low refractive index layer 3 made of SiO 2 are alternately laminated in total 10 layers. The optical film thickness of the high refractive index layer 2 is represented by H. When the coefficient of H is 1, it indicates that the optical film thickness of the high refractive index layer 2 is exactly λ0 / 4. It should be noted that λ0 is the wavelength of the incident laser light, which is set to 1064 nm of the YAG laser in this example.
Similarly, the optical film thickness of the low refractive index layer 3 is represented by L.
When the coefficient of L is 1, it indicates that the optical film thickness of the low refractive index layer 3 is exactly λ0 / 4.

【0012】図2は、図1に示したレーザー用光学素子
の1064nm(YAGレーザー光の波長)における光
学特性及び物理特性を示すグラフである。横軸に基板中
央部からの距離を取り、縦軸の左側に反射特性を取って
いる。又、縦軸の右側に膜厚比率を取ってある。直線イ
で示す様に、本レーザー用光学素子の反射特性は、基板
中央で0.50(50%)となり、中央から左側での反
射特性が−(マイナス)方向となり、基板中央から右側
での反射特性が+(プラス)方向となる様に設計されて
いる。係る基板の長手方向に沿った反射特性の傾斜を実
現する為、光学多層膜の厚みが傾斜を持つ様に、膜厚比
率が設計されている。具体的には、基板中央部から左側
に離れた点で、光学多層膜4の総厚は中央部に比べ直線
ロで示す様に−(マイナス)方向に設定されている。逆
に、基板中央から右側に離れた点では、膜厚比率が+
(プラス)方向に設定されている。
FIG. 2 is a graph showing optical characteristics and physical characteristics of the laser optical element shown in FIG. 1 at 1064 nm (wavelength of YAG laser light). The horizontal axis indicates the distance from the center of the substrate, and the vertical axis indicates the reflection characteristic on the left side. The film thickness ratio is shown on the right side of the vertical axis. As indicated by the straight line a, the reflection characteristic of the optical element for the laser is 0.50 (50%) at the center of the substrate, and the reflection characteristic at the left side of the center is the − (minus) direction, and at the right side of the center of the substrate. It is designed so that the reflection characteristics are in the + (plus) direction. In order to realize the inclination of the reflection characteristic along the longitudinal direction of the substrate, the film thickness ratio is designed so that the thickness of the optical multilayer film has an inclination. Specifically, the total thickness of the optical multilayer film 4 is set in the − (minus) direction at a point separated from the center of the substrate to the left, as indicated by the straight line B, compared to the center. On the contrary, at the point away from the center of the substrate to the right, the film thickness ratio is +
It is set in the (plus) direction.

【0013】図3は、図1に示したレーザー用光学素子
の基板中央部における分光反射特性を示すグラフであ
る。この分光反射特性は基板中央部で測定されたもので
あり、グラフの縦軸は反射特性(反射率)を表わし、横
軸は入射波長を表わしている。ランダム偏光(曲線
イ)、S波(曲線ロ)及びP波(曲線ハ)の何れの場合
も、波長950nmの付近に反射特性のピークが来る様
に設計されている。
FIG. 3 is a graph showing the spectral reflection characteristics in the central portion of the substrate of the laser optical element shown in FIG. The spectral reflection characteristic is measured at the central portion of the substrate, the vertical axis of the graph represents the reflection characteristic (reflectance), and the horizontal axis represents the incident wavelength. In any case of random polarization (curve B), S wave (curve B), and P wave (curve C), the peak of the reflection characteristic is designed to come near the wavelength of 950 nm.

【0014】図4は、図1に示したレーザー用光学装置
の製造に用いる反応性イオンプレーティング装置を示す
模式的なブロック図である。図示する様に、本装置は、
チャンバ11で構成されており、その中に基板ホルダー
12、蒸発源13、電子銃14、イオンガン15などが
組み込まれている。このチャンバ11は、真空ポンプな
どを含む排気ユニット16で真空排気可能である。又、
チャンバ11にはガス配管が接続しており、例えばO2
ガスを成膜時に導入可能である。基板ホルダー12に
は、石英からなる基板が装着される。蒸発源13には、
ルツボに収納した蒸着材料が納められている。光学多層
膜4の高屈折率層2を成膜する時、蒸発源として金属Z
rを用いる。場合によっては、Zrに代えて化学特性や
物理特性が類似したHfを用いることもある。
FIG. 4 is a schematic block diagram showing a reactive ion plating apparatus used for manufacturing the laser optical apparatus shown in FIG. As shown, this device
The chamber 11 includes a substrate holder 12, a substrate holder 12, an evaporation source 13, an electron gun 14, an ion gun 15, and the like. The chamber 11 can be evacuated by an exhaust unit 16 including a vacuum pump. or,
A gas pipe is connected to the chamber 11, for example, O 2
Gas can be introduced during film formation. A substrate made of quartz is mounted on the substrate holder 12. The evaporation source 13 includes
The vapor deposition material stored in the crucible is stored. When forming the high refractive index layer 2 of the optical multilayer film 4, a metal Z is used as an evaporation source.
r is used. In some cases, Hf having similar chemical properties and physical properties may be used instead of Zr.

【0015】この反応性イオンプレーティング装置で
は、電子銃14から放射した電子ビームで材料の融解/
蒸発を行なうと同時に、O2ガスをチャンバ11に導入
し、イオンガン15よりチャンバ11内に大電子粒を放
出することで、酸素プラズマを発生させる。蒸着源13
から蒸発した金属粒子M+はイオン化され、セルフバイ
アスにより基板ホルダー12側に加速されるとともに、
酸素と結合し酸化物として基板上に堆積される。
In this reactive ion plating apparatus, the electron beam emitted from the electron gun 14 melts / dissolves the material.
At the same time as the vaporization, O 2 gas is introduced into the chamber 11, and large electron particles are released from the ion gun 15 into the chamber 11 to generate oxygen plasma. Evaporation source 13
The metal particles M + evaporated from are ionized and accelerated toward the substrate holder 12 side by self bias, and
It combines with oxygen and is deposited on the substrate as an oxide.

【0016】蒸発源13において蒸発材料を入れるルツ
ボは、ZrやHfの高い蒸発温度に耐える材質で、成膜
原料と反応性のないタングステンを使用する。金属材料
との反応が進行しなければ、カーボンのルツボでもよ
い。酸素ガス導入によりチャンバ11を2.7×10-2
Paの圧力に保った状態で、電子銃14から電子ビーム
を蒸発源13に向けて放射し、金属Zrを溶解して、基
板上にZrO2からなる高屈折率層を作成した。尚、Z
rの蒸発温度は2900℃以上である。又、Hfの蒸発
温度は3200℃以上である。何れも、大気中にて測定
した値である。因みに、Moの融点は2620℃、Ta
の融点は2996℃、Cの融点は3727℃、Wの融点
は3380℃である。なお、蒸発材料を成膜時に融解す
る際には、ルツボを水冷している為、成膜真空度におい
て、蒸発材料のV.P.(沸点)>M.P.(融点)で
あったとしても、使用可能の場合がある。
The crucible for containing the evaporation material in the evaporation source 13 is made of a material that can withstand the high evaporation temperature of Zr or Hf, and is made of tungsten that does not react with the film forming raw material. A carbon crucible may be used as long as the reaction with the metal material does not proceed. The chamber 11 was brought to 2.7 × 10 -2 by introducing oxygen gas.
While maintaining the pressure of Pa, an electron beam was emitted from the electron gun 14 toward the evaporation source 13 to dissolve the metal Zr and form a high refractive index layer made of ZrO 2 on the substrate. Incidentally, Z
The evaporation temperature of r is 2900 ° C. or higher. The Hf evaporation temperature is 3200 ° C. or higher. Both are values measured in the atmosphere. By the way, the melting point of Mo is 2620 ° C., Ta
Has a melting point of 2996 ° C., C has a melting point of 3727 ° C., and W has a melting point of 3380 ° C. Since the crucible is water-cooled when the evaporation material is melted during film formation, the evaporation material V. P. (boiling point)> M. P. Even if it is (melting point), it may be usable.

【0017】成膜されたZrO2膜は、物理膜厚約0.
35nmにおいて、屈折率は1.974、光吸収量は
0.4%(入射波長930nmでの値)であった。
The formed ZrO 2 film has a physical film thickness of about 0.
At 35 nm, the refractive index was 1.974 and the light absorption amount was 0.4% (value at incident wavelength 930 nm).

【0018】上記のデータは何ら加速手段を採用しない
場合の結果である。これに対し、イオンプレーティング
法あるいはイオンアシスト法などの加速手段を用いて緻
密な膜を形成することが本発明の特徴となっている。緻
密な膜を形成することで、膜の酸化程度を向上させるこ
とができる。図4の装置でイオンガン15を作動させ、
反応性イオンプレーティング法にて成膜した場合、高屈
折率膜の屈折率は2.223(測定波長470nm)で
あり、吸収はほとんど見られなかった。例えば、YAG
レーザーの出力波長である1064nmにおいて、通常
の成膜法とほぼ同様の分散を示すものと仮定すると、反
応性イオンプレーティング法にて成膜した場合の屈折率
は、1064nmで2.05〜2.10の間にあると推
定される。低屈折率膜についても同様の反応性イオンプ
レーティング法により成膜し、高屈折率層2と低屈折率
層3の交互層よりなる光学多層膜4を形成することがで
きる。低屈折率膜3の材質はSiO2が用いられる。こ
れにより、耐久性に優れたレーザー用光学素子が形成で
きる。尚、今回使用した蒸着材料は従来の酸化物と異な
り金属単体であり、融解時に導電性を示す為、電子ビー
ム照射によるチャージアップや、反応性イオンプレーテ
ィング法で使用するイオンガンの照射による悪影響も避
けることができる。酸化物(誘電体)の場合、電子ビー
ムが照射されるに従い、材料表面に負の電荷が蓄積さ
れ、ペレットを使用している場合など材料の割れなどが
発生し、成膜速度が不安定になるとともに、スプラッシ
ュやブツなどが現われ易い。これに対し、反応性イオン
プレーティング法を用いると、電子銃から電子ビームを
照射すると同時に、イオンガンから蒸発材料の方向に大
電子粒を放出している。これにより、アーク放電による
プラズマが発生する。仮に、蒸発材料がこの時点で導電
性を持たないと、安定してアーク放電を維持することが
できない。その点、本発明では蒸発材料として金属単体
を用いているので、安定してアーク放電を維持すること
ができる。
The above data is the result when no acceleration means is employed. On the other hand, the feature of the present invention is to form a dense film by using an acceleration means such as an ion plating method or an ion assist method. By forming a dense film, the degree of oxidation of the film can be improved. Operate the ion gun 15 with the device of FIG.
When the film was formed by the reactive ion plating method, the high refractive index film had a refractive index of 2.223 (measurement wavelength: 470 nm), and almost no absorption was observed. For example, YAG
Assuming that the dispersion at the laser output wavelength of 1064 nm is almost the same as that of the ordinary film formation method, the refractive index when the film is formed by the reactive ion plating method is 2.05 to 2 at 1064 nm. It is estimated to be between 10 and 10. The low refractive index film can also be formed by the same reactive ion plating method to form the optical multilayer film 4 including the alternating layers of the high refractive index layer 2 and the low refractive index layer 3. As the material of the low refractive index film 3, SiO 2 is used. This makes it possible to form a laser optical element having excellent durability. Note that the vapor deposition material used this time is a metal simple substance, unlike the conventional oxide, and exhibits conductivity when melted, so there is no adverse effect due to charge-up by electron beam irradiation or irradiation of the ion gun used in the reactive ion plating method. Can be avoided. In the case of oxides (dielectrics), as the electron beam is irradiated, negative charges are accumulated on the surface of the material, causing cracks in the material such as when using pellets, which makes the deposition rate unstable. Also, splashes and lumps are likely to appear. On the other hand, when the reactive ion plating method is used, an electron beam is emitted from an electron gun and, at the same time, large electron particles are emitted from the ion gun toward the evaporation material. As a result, plasma is generated by the arc discharge. If the evaporation material is not electrically conductive at this point, the arc discharge cannot be stably maintained. In this respect, since the present invention uses a simple metal as the evaporation material, it is possible to stably maintain the arc discharge.

【0019】本実施例ではイオンプレーティング法を用
いている。前述した様に、イオンプレーティング法は、
蒸発物質や導入ガスなどに、外部からエネルギーを与え
ることでプラズマ化させ、バイアスを印加することで基
板に付着する粒子にエネルギーを与える方式である。反
応性イオンプレーティング法では、導入ガスをプラズマ
化し、蒸発材料と反応させることで、基板上に化合物を
形成させている。このイオンプレーティング法により、
緻密な高屈折率膜を形成できる。尚、本発明はイオンプ
レーティング法に限られるものではなく、例えばイオン
アシスト法によって緻密な膜を形成することもできる。
イオンアシスト法は、電子ビーム蒸着時に、イオンガン
から基板へアルゴンなどのイオンを照射する方式であ
る。このイオン照射により、堆積した膜の表面が物理的
に叩かれ、膜が緻密化する。
In this embodiment, the ion plating method is used. As mentioned above, the ion plating method
This is a method in which energy is externally applied to an evaporated substance, introduced gas, or the like to generate plasma, and a bias is applied to apply energy to particles attached to a substrate. In the reactive ion plating method, a compound is formed on the substrate by converting the introduced gas into plasma and reacting it with the evaporation material. By this ion plating method,
A dense high refractive index film can be formed. The present invention is not limited to the ion plating method, and a dense film can be formed by, for example, the ion assist method.
The ion assist method is a method in which ions such as argon are irradiated from an ion gun to a substrate during electron beam evaporation. By this ion irradiation, the surface of the deposited film is physically hit and the film is densified.

【0020】膜の緻密さの指標として、レーザー用光学
素子(フィルタ)を高温状態に曝した時の分光スペクト
ルのシフト量を測定する方法がある。例えば、透過率5
0%位置が550nm付近にある長波長パスフィルタを
通常の真空蒸着法で作成した場合、10nm程度短波長
側にシフトする。これに対し、反応性イオンプレート法
で成膜すると、分光スペクトルのシフト量が0.1nm
以下である。
As an index of the denseness of the film, there is a method of measuring the shift amount of the spectrum when the laser optical element (filter) is exposed to a high temperature state. For example, transmittance 5
When a long-wavelength pass filter whose 0% position is near 550 nm is created by a normal vacuum vapor deposition method, it shifts to a short wavelength side by about 10 nm. On the other hand, when the film is formed by the reactive ion plate method, the shift amount of the spectrum is 0.1 nm.
It is the following.

【0021】[0021]

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、成
膜材料にZr又はHfの金属単体を使用し、成膜時にお
ける酸素導入及び緻密な膜を形成する手法(イオンアシ
スト法、イオンプレーティング法など)を用いること
で、吸収がなくレーザー衝撃に対して良好な耐久性を示
す、レーザー用光学素子を得ることができる。又、蒸着
源として金属単体を用いる為膜厚分布が変動せず、安定
した光学特性が得られ、ルツボ当りで成膜に使用可能な
分量が多くなる為、多層に積層することが容易である。
加えて、緻密な膜が形成されることにより、レーザー衝
撃に対して良好な耐久性を示すレーザー用光学素子を安
価に作成することが可能になった。
As described above, according to the present invention, a method of using a single metal of Zr or Hf as a film forming material, introducing oxygen during film formation and forming a dense film (ion assist method, By using the ion plating method or the like), it is possible to obtain an optical element for laser that does not absorb and exhibits good durability against laser shock. In addition, since a single metal is used as the vapor deposition source, the film thickness distribution does not fluctuate, stable optical characteristics are obtained, and the amount usable for film formation per crucible is large, so that it is easy to stack in multiple layers. .
In addition, by forming a dense film, it has become possible to inexpensively produce an optical element for laser that exhibits good durability against laser shock.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に従って製造される反射率50%を示す
YAGレーザー用光学素子を示す模式図である。
FIG. 1 is a schematic view showing an optical element for a YAG laser showing a reflectance of 50% manufactured according to the present invention.

【図2】図1に示したレーザー用光学素子の1064n
m(YAGレーザー光の波長)における反射特性を示す
グラフである。
2 is a laser optical element 1064n shown in FIG.
It is a graph which shows the reflection characteristic in m (wavelength of YAG laser light).

【図3】図1に示したレーザー用光学素子の基板中央部
における分光反射特性を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing spectral reflection characteristics in the central portion of the substrate of the laser optical element shown in FIG.

【図4】図1に示したレーザー用光学素子の作成に用い
る反応性イオンプレーティング装置を示す模式的なブロ
ック図である。
FIG. 4 is a schematic block diagram showing a reactive ion plating apparatus used for making the optical element for laser shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・基板、2・・・高屈折率層、3・・・低屈折率
層、4・・・光学多層膜、11・・・チャンバ、12・
・・基板ホルダー、13・・・蒸発源、14・・・電子
銃、15・・・イオンガン、16・・・排気ユニット
1 ... Substrate, 2 ... High refractive index layer, 3 ... Low refractive index layer, 4 ... Optical multilayer film, 11 ... Chamber, 12 ...
..Substrate holder, 13 ... evaporation source, 14 ... electron gun, 15 ... ion gun, 16 ... exhaust unit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C23C 14/06 C23C 14/06 P Fターム(参考) 2H048 GA04 GA12 GA33 GA60 GA61 4F100 AA17B AA20C AT00A BA03 BA07 BA10A BA10C EH66B EH66C GB41 JL02 JN18B JN18C 4G059 AA11 AB11 AB19 AC09 EA01 EA05 GA02 GA04 GA11 4K029 AA08 BA43 BA46 BB02 BC08 BD00 CA04 DD03 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) C23C 14/06 C23C 14/06 PF term (reference) 2H048 GA04 GA12 GA33 GA60 GA61 4F100 AA17B AA20C AT00A BA03 BA07 BA10A BA10C EH66B EH66C GB41 JL02 JN18B JN18C 4G059 AA11 AB11 AB19 AC09 EA01 EA05 GA02 GA04 GA11 4K029 AA08 BA43 BA46 BB02 BC08 BD00 CA04 DD03

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 高屈折率材料の膜と低屈折率材料の膜と
を基板の上に積層した光学多層膜からなるレーザー用光
学素子の製造方法において、 前記高屈折率材料の膜はZrO2又はHfO2からなり、 基板をセットしたチャンバ内で、金属Zr又はHfを加
熱して蒸発させる第1過程と、 Zr又はHfの蒸気で満たされたチャンバにO2ガスを
導入する第2過程と、 Zr又はHfとOを互いに気相で反応させつつ加速して
基板に緻密なZrO2又はHfO2を堆積する第3過程と
により成膜すること特徴とするレーザー用光学素子の製
造方法。
1. A method of manufacturing an optical element for laser comprising an optical multi-layered film comprising a high refractive index material film and a low refractive index material film laminated on a substrate, wherein the high refractive index material film is ZrO 2 Alternatively, a first step of heating and evaporating the metal Zr or Hf in a chamber in which a substrate is set, and a second step of introducing O 2 gas into a chamber filled with vapor of Zr or Hf. A third step of accelerating Zr or Hf and O while reacting with each other in a vapor phase to deposit dense ZrO 2 or HfO 2 on a substrate.
【請求項2】 前記第3過程は、イオンプレーティング
法又はイオンアシスト法により加速して緻密なZrO2
又はHfO2を堆積することを特徴とする請求項1記載
のレーザー用光学素子の製造方法。
2. The third step is accelerating by an ion plating method or an ion assist method to form a dense ZrO 2 film.
Alternatively, HfO 2 is deposited, and the method for manufacturing an optical element for laser according to claim 1.
【請求項3】 ZrO2又はHfOからなる高屈折率
材料の膜とSiOからなる低屈折率材料の膜とを基板
の上に交互に積層して光学多層膜を形成することを特徴
とする請求項1記載のレーザー用光学素子の製造方法。
3. An optical multilayer film is formed by alternately laminating a film of a high refractive index material made of ZrO 2 or HfO 2 and a film of a low refractive index material made of SiO 2 on a substrate. The method for manufacturing an optical element for laser according to claim 1.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007270336A (en) * 2006-03-31 2007-10-18 Showa Shinku:Kk Film deposition system and film deposition method
JP2008132766A (en) * 2006-10-14 2008-06-12 Schott Ag Picvd coating for plastic container
JP2014224285A (en) * 2013-05-15 2014-12-04 Hoya株式会社 Thin film formation device, and thin film formation method

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