JP2004170672A

JP2004170672A - 光学部材及び光学部材の製造方法

Info

Publication number: JP2004170672A
Application number: JP2002336283A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Sato; 正聡佐藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】取り扱いが容易な、基板を持たない多層膜素子を供給するための、多層膜素子と担体とを具えた光学部材とその製造方法を提供することである。
【解決手段】本発明の光学部材１は担体３と前記担体表面上に設けられた多層膜素子２とを具える光学部材であって、前記多層膜素子２の一部は前記担体３に固定され、前記多層膜素子２の他の一部は前記担体３から離隔することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は膜のみから構成される多層膜素子を担体上に具えた光学部材、特に光通信用等に用いられるフィルタ等の多層膜素子を具えた光学部材及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信等の分野に於いて光を合波、分波や利得調整等をする為に、基板上に光学薄膜を複数層積層した多層膜素子が使われてきた。これらの多層膜素子は基板として用いられるガラスやポリイミドの光学的影響を受けて光学性能を充分に高めることが出来ないばかりでなく、光学薄膜自体が発生する応力の為に基板が変形、更には破壊する問題があった。
【０００３】
以上の問題を解決する為に、基板を持たない多層膜素子が最近使われ始めている。（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）
【０００４】
【特許文献１】
特開平３−１９６００１号公報
【特許文献２】
特公平８−２７４０８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、基板を持たない多層膜素子は、非常に薄くてもろいので、壊れやすい。又、光通信の導波路等に用いられる場合には、多層膜素子の寸法が例えば約２ｍｍ×２ｍｍと小さいので、視認しにくく、取り扱いが困難である。即ち、従来の、基板を持たない多層膜素子は、洗浄したり、搬送したり、それを使用する光学装置に組み込んだりする取り扱いが困難である。その困難の為に、取り扱いのための特別の熟練を必要とし、又は、製造歩留り又は製造品質が低下する。その結果、製造コストが上昇する問題があった。
【０００６】
本発明は、基板を持たない多層膜素子の、以上の問題を解決する為になされたものであり、取り扱いが容易な、基板を持たない多層膜素子を供給するための、多層膜素子と担体との光学部材とその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決する為の手段】
以上の課題を解決する為に、本発明の光学部材は、担体と前記担体表面上に設けられた多層膜素子とを具える光学部材であって、前記多層膜素子の一部は前記担体に固定され、前記多層膜素子の他の一部は前記担体から離隔することを特徴とする（請求項１）。
【０００８】
本発明の光学部材の製造方法は、担体と前記担体表面上に設けられた多層膜素子とを具える光学部材の製造方法であって、前記担体表面上の一部に犠牲膜を形成する段階と、前記犠牲膜が形成された部分を含む前記担体表面上に多層膜を形成し、前記多層膜を形成後に、前記犠牲膜を除去することにより、前記多層膜素子を形成する段階とを具えることを特徴とする（請求項２）。
【０００９】
又、本発明の光学部材は、請求項２の方法により製造された光学部材であって、多層膜素子の少なくとも一部が担体から離隔することを特徴とする（請求項３）。
【００１０】
又、本発明の光学部材において、前記多層膜素子が、前記担体表面上に形成された多層膜の前記担体から浮いた部分であり、前記担体表面上の浮いていない他の部分を介して前記担体と固定されていることが好ましい（請求項４）。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の光学部材１を示す図である。図１に示すように、本実施形態の光学部材１は、多層膜素子２と担体３と担体３に付着した多層膜４とを具える。多層膜素子２は所望の光学特性を有した光学多層膜構造を有し、基板を有しない自立膜となっている。又、担体３に付着した多層膜４は、多層膜素子２と同じ多層膜構造を具える。この付着した多層膜４と多層膜素子２とは一体的に形成されているため、多層膜素子２は担体３に付着した多層膜４によって担体３に固定されている。
【００１２】
その為、多層膜素子２と、多層膜素子２を担体３に固定する為の担体３に付着した多層膜４とは、同一プロセスで形成することができる。故に、多層膜素子２を担体３に固定する為に、特別なプロセスを遂行する必要が無くなる。
【００１３】
尚、本発明に於ける光学部材１は、多層膜素子２を担体３に固定する方法としては、これだけに限らず、多層膜素子２の光線が通過する部分を担体から離隔するようにして、多層膜素子が担体３に接着されて固定するようにしても良い。このような多層膜素子２を担体３に固定する方法は特に限定されない。その意味で、以上の担体３に付着した多層膜４や接着剤、又は機械的な固定部材を、単に固定部材と総称することもできる。
【００１４】
本発明の光学部材１は多層膜素子２の少なくとも一部を担体３から離隔させている。このように離隔させることにより、その間隙に例えばピンセットの先を差し込んで多層膜素子２を挟んで、担体から切り離す等のことをすることが出来るので、取り扱いが容易となる。
【００１５】
本発明の光学部材１は、多層膜素子２を複数具えることが好ましい。多層膜素子２の数に比例して光学部材の寸法は大きくなる。多層膜素子２の数は、取り扱いのし易さと、それを使用する対象装置の生産規模、即ち、多層膜素子の必要数から決定される。
【００１６】
又、本発明の光学部材１は取り扱いをし易い寸法、形状とすることが好ましい。具体的な取り扱いとしては、多層膜素子を対象装置に組み込む作業、洗浄作業や運搬作業がある。取り扱いをし易い、好ましい寸法は、長さで１０ｍｍ以上、２００ｍｍ以下である。
【００１７】
図２〜図７は、本発明の光学部材の製造方法の説明図である。この例では光学部材１は、担体３表面上に多層膜素子２を３５個具え、多層膜素子２は、担体３へ固定するために多層膜素子２を構成する多層膜が担体３の表面上にも成膜されるようにして製造されている。
【００１８】
以下に製造方法を順に示すが、本発明の製造方法は本方法、本手順に限定されるものではない。
（１）担体３上にレジスト膜をスピンコーターにて２００ｎｍ塗布し、マスクパターンをレジスト膜２０上に投影し、レジスト膜を露光後に現像することにより、ストライプ状のレジスト膜パターンを形成する（図２）。
（２）レジスト膜パターン上にＡｌ膜をスパッタ法により１００ｎｍ形成する（図３）。
（３）レジスト膜を剥離することによりＡｌ膜パターンを形成する（図４）。
（４）Ａｌ膜パターン上に多層膜の、１４００ｎｍ以下の波長をカットし、それ以上の波長を透過するエッジフィルターを反応性スパッタ法により成膜する（図５）。表１に膜構成を２例示す。どちらの多層膜もＮｂ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２の交互層構成であり、例１は通常構成であり、例２は例１の構成の多層膜の最下層と最上層に厚いＳｉＯ_２層を更に追加した構成である。
【表１】

【００１９】
反応性スパッタ装置は、図９に概要が示されるような１００ｍｍ×３６０ｍｍの大きさのターゲット３３を２枚使用するデュアルマグネトロンタイプであり、ターゲット３３と担体（基板）３４間距離は、約１２０ｍｍ、担体３４の回転速度は１００ｒｐｍである。
【００２０】
図９にて、３０は真空槽、３１は真空排気系、３２は交流デュアルカソードスパッタ源、左右の３３は各々１００ｍｍ×３６０ｍｍの純度９９．９％の金属ニオブ（Ｎｂ）のターゲット、３４は担体（基板）、３５はターンテーブル、３６は真空槽内の全圧を測定する真空計、３７はアルゴンガス用流量制御バルブ、３８はアルゴンガス供給源、３９は酸素ガス用流量制御バルブ、４０は酸素ガス供給源、４１は圧力制御器である。尚、図９の反応性スパッタ装置は、不図示の位置に１００ｍｍ×３６０ｍｍの純度９９．９％の金属シリコン（Ｓｉ）のターゲットが２枚とこのターゲット用の交流デュアルカソードスパッタ源も具える。アルゴンガスは流量制御バルブ３７を介して真空槽３０に導入され、酸素ガスは流量制御バルブ３９を介して真空槽３０に導入される。圧力制御器４１は、真空計３６により検出された真空槽内の全圧力が所定圧力を保ち、且つ、アルゴンガスと酸素ガスの流量比が所定値を保つように、ガスの流量を調節する。
【００２１】
真空槽の全圧を所定値に制御した状態で、交流デュアルカソードスパッタ源３２の電源がＯＮして放電を開始し、ターゲットから金属ニオブをスパッタさせる。本反応性スパッタ装置は、導入された酸素ガスがスパッタされた金属原子に化学的に作用し反応するので、金属をスパッタさせることにより、金属の酸化物薄膜を担体上に堆積させることができる。従って、金属ニオブターゲット３３をスパッタさせることにより、担体３４面に酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）層が堆積する。この交流デュアルカソードスパッタ源３２の電源は４０ｋＨｚの交流電源であり、２つのターゲット３２に対し２５μｓｅｃの周期で交互にスパッタリングを行なう。Ｎｂ_２Ｏ_５層が所定膜厚に達したら、成膜を終了させ、次には金属シリコン用の不図示の交流デュアルカソードスパッタ源をＯＮさせ、金属シリコン（Ｓｉ）をスパッタさせることにより、担体３４面に２酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層が堆積する。ＳｉＯ_２層が所定膜厚に達したら、成膜を終了させる。
【００２２】
以下に多層膜の成膜手順を示す。
▲１▼担体をスパッタ装置にセットし、槽内を６×１０^−４Ｐａ以下に排気し、且つ担体を２００℃に加熱する。
▲２▼ＳｉＯ_２層とＮｂ_２Ｏ_５層を、以下に示された成膜条件で、表１に示された厚みに成膜する。
【００２３】
ＳｉＯ_２層：容積比でＡｒガスとＯ２ガスの２：１の混合ガスを槽内に導入し、圧力を０．２Ｐａに制御して、スパッタパワー約３ＫＷ、スパッタレート５Å／秒で成膜する。
【００２４】
Ｎｂ_２Ｏ_５層：容積比でＡｒガスとＯ_２ガスの２：１の混合ガスを槽内に導入し、圧力を０．２Ｐａに制御して、スパッタパワー約３ＫＷ、スパッタレート３．５Å／秒で成膜する。
▲３▼所定の層数の成膜が終了したら、担体を冷却後、真空槽内を大気圧に戻し、担体を取り出す（図５）。
（５）ダイシングソーにより、多層膜面に切り込みを入れる。切り込みの深さは少なくとも担体３表面よりも深くされる。又、切り込みの内部が、Ａｌ膜２１の上に多層膜２２が形成された領域と、多層膜２２のみが形成された領域とを含むように切り込み位置が決められる。Ａｌ膜２１の上に多層膜２２が形成された領域は、所望の多層膜素子とほぼ同一形状且つ同一寸法になるように切り込み位置が決められる（図６）。
（６）担体３を１０重量％のＮａＯＨに浸漬することにより、多層膜２２の下のＡｌ膜２１を溶解して、多層膜２２を部分的に剥離させる。多層膜の剥離した部分は応力によって上面が凹状に撓む。この剥離した部分が多層膜素子である。図７は、担体を上右方向から見た様子を示す。このように多層膜を部分的に剥離させることにより、担体から離隔した所望形状、所望寸法の多層膜素子２が形成される（図７）。形成された多層膜素子１個の拡大図を図８に示す。
【００２５】
以上のようにして多層膜素子２を３５個、担体上に具える光学部材が製造される。本発明の多層膜素子の膜構成は表１のものに限らず、成膜装置、成膜条件も上記のものに限らないことは言うまでもない。
【００２６】
本発明の光学部材は、それが具える多層膜素子を担体表面から浮かせるばかりでなく、適切な間隙で離隔させることが好ましい。本発明の光学部材は、多層膜を固定部材とする場合、多層膜の膜応力を調整することにより適切な間隙に調節することができる。
【００２７】
多層膜は複数の薄膜から構成される。薄膜に生じる応力には、主に▲１▼真応力、▲２▼熱応力、▲３▼外部作用の応力の３種類がある。その他に▲４▼多層膜の膜構成固有の応力がある。▲１▼は成膜時に膜中に取り込まれた空孔や不純物により発生すると言われている。▲２▼は基板と薄膜の線膨張係数が異なる場合に、成膜中の温度から室温に下げるときに発生する応力である。▲３▼は成膜時の真空環境から大気圧に戻して薄膜を取り出す際に、薄膜中の空隙に水分が浸入する事により発生する応力である。
▲４▼は多層膜の互いに隣接する層間で層の構成材料の線膨張係数が異なる場合に、成膜中の温度から室温に下げるときに発生する隣接層間で及ぼし合う応力、又は、層の境界での格子定数のミスフィット等に起因する応力である。
【００２８】
本発明の光学部材が具える多層膜素子は基板（本発明の場合は担体）から剥離されているので、▲２▼の熱応力の影響は無視できる。又、本発明の光学部材が具える多層膜素子は、空隙が殆ど無いと言えるほど高密度に成膜されているので、▲３▼の外部作用の応力も無視できる。
【００２９】
本発明の光学部材は、多層膜を固定部材とする場合、多層膜の▲１▼の真応力、又は▲４▼の多層膜固有の応力を適正な大きさに調整することにより適切な間隙に調節される。
【００３０】
本発明の光学部材が具える多層膜素子を担体から適切な間隙で離隔させる為に、▲１▼又は▲４▼の応力を調整することにより、例えば、剥離した多層膜の担体側の部分の構成層の個々の層の応力の合成応力が全体として圧縮に、そして担体と反対側の残りの部分の構成層の個々の層の応力の合成応力が全体として引っ張りに働くようにすることが好ましい。
【００３１】
その為に、多層膜の膜構成が積層方向に非対称となるように膜材料と膜厚の組み合わせを選び、多層膜の担体側の部分の構成層に全体として圧縮応力が、そして担体と反対側の残りの部分の構成層に全体として引っ張り応力が働くようにしても良い。又は、多層膜の膜構成は積層方向に対称であるが、多層膜の担体側の構成層の成膜条件と担体と反対側の構成層の成膜条件とを異ならせることにより、多層膜の担体側の部分の構成層に全体として圧縮応力が、そして担体と反対側の残りの部分の構成層に全体として引っ張り応力が働くようにしても良い。更に、膜構成を非中心対称とすることと担体側と担体側と反対側の構成層の成膜に異なる成膜条件を適用することとの両方を行なっても良い。
【００３２】
応力は小さすぎると、多層膜素子と担体との間隙が狭すぎるために取り扱い上不都合である。逆に大きすぎると、間隙が充分に大きくなるために取り扱い上の都合は良いが、使用状態で多層膜素子の応力による変形が大きくなりすぎて、光学特性が変化したり、機械的寸法が変化したりすることがあるので好ましくなく、最適応力範囲がある。
【００３３】
本発明の光学部材１は、光学部材がそのままの形でユーザに使用されることはない。光学部材が具える多層膜素子が、対象装置の部品として組み込まれ、ユーザに使用される。
【００３４】
本発明の光学部材１は、それの製造完了からその光学部材１が具える多層膜素子の対象装置（対象装置の一例として、図１１に導波路の一部を示す）への組み込み段階に到る前までの間、担体３から切り離すことなく、光学部材１単位で取り扱いが行なわれる。多層膜素子２を対象装置に組み込む必要が生じた段階で初めて、一枚づつ担体３から切り離し、それを装置に組み込んで使用される。
【００３５】
本発明の光学部材１は、この光学部材が具える多層膜素子を光通信の導波路に用いる場合、例えば、図１０、図１１で示すように取り扱われる。図１０は光学部材１が具える多層膜素子２をピンセット６で挟んだ状態を示す。尚、光学部材１は、簡単のために、多層膜素子２を１個だけ具えている。図１１は導波路８のフィルタ収納部１１に多層膜素子２が取り付けられた状態を示す。フィルタ２の未取り付け状態で、左右の各導波路８はフィルタ収納部の位置にて遮断されている。
【００３６】
先ず、多層膜素子２を取り扱いがし易い位置と方向に来るように、光学部材１を作業者に対して所定の位置・方向に置く。この状態で、ピンセット６の先７の一方を光学部材１上の多層膜素子２と担体３との間に差し込み、ピンセット６の先７で多層膜素子２を挟む。多層膜素子２を挟んだら、ピンセット６に、端部５を中心に矢印方向に回転させる力を働かせる。そうすると端部５付近に集中応力が発生し、その応力が限界値を超えたときに、端部５付近は破断し、多層膜素子２は固定部材４から切り離される。この多層膜素子２をピンセット６で挟んだ状態で図１１に示される導波路のフィルター収納部１１に運び、そこに置く。次に接着剤を導波路８と多層膜素子２との間隙１２に流し込み、接着剤１２が多層膜素子２の面部１４と導波路の端部１３に密着し、多層膜素子２をコア９に対して位置出しした状態で、接着剤を硬化することにより、導波路８へ多層膜素子２を固定する。
【００３７】
ここで、接着剤１２は、導波損失を低減するために、その屈折率がコア９の屈折率と屈折率整合するように選定される。通常はコア９の屈折率と同じか又は近い屈折率の接着剤が好ましい。接着剤の屈折率は多層膜素子の入射及び出射媒質となるので、その光学特性に影響を与える。そこで、接着剤としては、屈折率整合のみならず、必要に応じて多層膜素子の光学特性を考慮して選定することが好ましい。
【００３８】
尚、多層膜素子２が安定的に端部５で破断されるためには、端部５付近での曲率半径を多層膜素子の部分よりも小さくすることが好ましい。そうすることにより端部５付近での集中応力を大きくし、より安定的に、端部５に近い位置で破断させることができる。
【００３９】
本発明の光学部材が具える多層膜素子の洗浄に当たっては、真の洗浄対象は多層膜素子であるが、本発明の光学部材はそのままの形で、洗浄機のハンガーに乗せる等することにより、光学部材ごと洗浄される。ハンガーが直接多層膜素子に触れることはない。例えば、超音波洗浄機で洗浄する場合に、超音波が多層膜素子の離隔された間隙に良く入り込むので、多層膜素子の表面のみならず、担体側である裏面も高い清浄度で洗浄することができる。又、多層膜素子は担体にしっかりと保持されているので、洗浄液の揺動や洗浄中の搬送の振動などの力で多層膜素子が所定の取り付け位置から外れて、傷がついたり、散逸したりすることがないので、多層膜素子の製造歩留りも向上することができる。
【００４０】
本発明の光学部材の運搬に当たっては、光学部材をそのまま運搬箱に収納して、輸送機関を含めた手段を用いて運搬される。一般に運搬する際には、品物を運搬時の振動で動かないように固定しなければならない、多層膜素子のように小さくて、高い清浄度の維持が必要で、傷が付きやすい品物を運搬箱に固定することは一般に容易ではない。本発明の光学部材は充分に大きくて保持しやすく、傷や汚れに対する許容度が高い担体を固定すれば良いので、運搬箱への収納が容易であり、極めて安全に運搬が可能である。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の光学部材は、担体上に多層膜素子を担持し、担体単位で多層膜素子を取り扱うことができるので、取り扱いが容易である。又、本発明の光学部材の製造方法は、取り扱いがし易い光学部材を確実に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の光学部材を示す。
【図２】本発明の実施形態の光学部材の製造方法を示す。
【図３】本発明の実施形態の光学部材の製造方法を示す。
【図４】本発明の実施形態の光学部材の製造方法を示す。
【図５】本発明の実施形態の光学部材の製造方法を示す。
【図６】本発明の実施形態の光学部材の製造方法を示す。
【図７】本発明の実施形態の光学部材の製造方法を示す。本図は製造された光学部材を示す。
【図８】図７で製造された光学部材の拡大図であり、発明を理解しやすくするために、多層膜素子を１個のみ示す。
【図９】本発明の実施形態の光学部材の製造方法で多層膜の成膜に用いる反応性スパッタ装置を示す。
【図１０】本発明の実施形態の光学部材の多層膜素子を担体から切り離す為にピンセットで挟んでいる様子を示す。
【図１１】導波路のフィルタ収納部付近の様子を示す。
【符号の説明】
１光学部材
２多層膜素子
３担体
４多層膜
５端部
６ピンセット
７ピンセットの先
８導波路
９コア
１０クラッド
１１フィルタ収納部
１２間隙（接着剤）
１３導波路の端部
１４多層膜素子の面部
２０レジスト膜
２１Ａｌ膜
２２多層膜
２３切り込み
３０真空槽
３１真空排気系
３２交流デュアルカソードスパッタ源
３３ターゲット
３４担体（基板）
３５ターンテーブル
３６真空計
３７アルゴンガス用流量制御バルブ
３８アルゴンガス供給源
３９酸素ガス用流量制御バルブ
４０酸素ガス供給源
４１圧力制御器

Claims

担体と前記担体表面上に設けられた多層膜素子とを具える光学部材であって、前記多層膜素子の一部は前記担体に固定され、前記多層膜素子の他の一部は前記担体から離隔することを特徴とする光学部材。
担体と前記担体表面上に設けられた多層膜素子とを具える光学部材の製造方法であって、前記担体表面上の一部に犠牲膜を形成する段階と、前記犠牲膜が形成された部分を含む前記担体表面上に多層膜を形成し、前記多層膜を形成後に、前記犠牲膜を除去することにより、前記多層膜素子を形成する段階とを具えることを特徴とする光学部材の製造方法。
請求項２の方法により製造された光学部材であって、多層膜素子の少なくとも一部が担体から離隔することを特徴とする光学部材。
前記多層膜素子が、前記担体表面上に形成された多層膜の前記担体から浮いた部分であり、前記担体表面上の浮いていない他の部分を介して前記担体と固定されていることを特徴とする請求項１記載の光学部材。