JP2006171645A - 光学多層膜及び光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板の反りや、変形を防止すると共に、広い波長域で十分な明るさを確保できる光学多層膜、及びこれを備えた光学素子を提供することを目的とする。
【解決手段】 光学素子１は、ガラス平板からなる基板２と、基板２の表面２ａに形成された光学多層膜３とを備えている。光学多層膜３は、低屈折率の膜４であるＳｉＯ_２膜と、高屈折率の膜５であるＴａ_２Ｏ_５膜とを交互に２２層ずつ、合計４４層積層して構成されており、第１層から第４２層の膜の密度は、０．７５から０．７８になっており、第４３層の膜、及び第４４層の膜の密度が０．９９になっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、波長カットフィルター、ダイクロイックフィルターなどの光学多層膜、及び、これを備えた光学素子に関する。

デジタルカメラ、顕微鏡などの光学機器には、波長カットフィルター、ダイクロイックフィルターなどの光学多層膜が用いられている。
これら光学多層膜は、ガラス基板、プラスチック基板等の基板の表面に、薄膜状の高屈折率層と、低屈折率層とが、対を成すように交互に積層して構成されている。高屈折率層、及び低屈折率層は、その膜構造が安定し、光学的再現性が高くなるように、また、光学特性の経時変化が発生しないように、イオンアシスト蒸着法、スパッタリング法などにより形成されている。すなわち、これらの製法によって成膜した場合には、高屈折率層、低屈折率層の構造がアモルファス構造となっている。

ここで、従来の光学多層膜におけるアモルファス構造の膜としては、充填率が高いものが用いられている。膜の充填率とは、薄膜の微細構造である柱状構造固体部分と、柱状間の隙間空間との比率である（例えば、非特許文献１参照）。

このようなアモルファス構造の膜を含め、光学多層膜を備える光学素子は、近年、小型化する傾向がある。この小型化に伴って、光学多層膜を形成する基板の薄型化が要求されている。
光学薄膜の最適設計手法（技術情報協会）

しかしながら、基板表面に形成した高屈折率層、低屈折率層には、内部応力が発生する。そのため、基板を薄くした場合には、この内部応力によって、基板に反りや変形が生じるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、厚さの薄い基板に光学多層膜を形成する場合でも、基板の反りや、変形を防止することができる光学多層膜、及びこれを備えた光学素子を提供することを目的とする。

上記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、基板上に形成され、低屈折率の膜と、前記低屈折率の膜よりも屈折率が相対的に高い高屈折率の膜とが交互に積層された光学多層膜であって、前記光学多層膜は、膜の充填率が０．６以上０．９未満の充填率が低い層と、膜の充填率が０．９以上１以下の充填率が高い層とからなり、前記充填率が低い層として、前記低屈折率の膜と前記高屈折率の膜を複数有し、前記充填率が高い層として、前記低屈折率の膜と前記高屈折率の膜の少なくとも一方を有し、前記充填率が高い層が、最外層に配置されていることを特徴とする光学多層膜とした。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光学多層膜において、前記充填率が高い層は、前記低屈折率の膜からなることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の光学多層膜において、前記充填率が高い層は、前記低屈折率の膜と前記高屈折率膜からなることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光学多層膜において、前記低屈折率の膜が、ＳｉＯ_２膜であることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の光学多層膜と、該光学多層膜を表面に形成する前記基板と、を備えることを特徴とする光学素子とした。

この光学多層膜、及び光学素子では、イオンアシスト蒸着法やスパッタリング法によって形成させた膜において、積層する膜の充填率を０．６以上０．９未満の層とすることで、膜の内部応力を低減させている。ここで、膜分子は、薄膜の微細構造である柱状構造を構成しているが、膜の充填率が０．６以上０．９未満の場合、膜分子の分子間間隔は、５〜１５％広がる。膜分子の分子間間隔が広がると、薄膜内部の分子間引力が低下するので、膜の内部応力は減少することになる。例えば、膜の充填率が０．７８のＳｉＯ_２膜の内部応力は、３０ＭＰａ以下であり、膜の充填率が１の場合のＳｉＯ_２膜の応力の１／１０以下になる。一方、膜分子の分子間間隔が、水の分子サイズである３．６Å以上に広がると、膜中に水分が浸入し、光学特性の経時変化が生じる。したがって、膜分子の分子間間隔が水の分子サイズ３．６Åより小さくなるように、膜の充填率が０．９以上１以下のアモルファス構造の層を少なくとも１層設けると、水分の浸入が完全に防止される。

ここで、光学多層膜（光学多層膜を備えた光学素子）は、大気中で使用されることが多い。この場合、光学多層膜を構成する層のうち、最も外側に位置する層（以下、最外層とする）が、空気層と接触する。そこで、特に、膜中への水分の浸入を防ぐには、最外層に配置された膜の充填率を０．９以上１以下のアモルファス構造にすることが効果的である。なぜなら、水分は、そのほとんどが最外層から侵入する。そのため、最外層となる膜の充填率が０．９以上１以下であると、水の侵入を防止できる。その結果、光学特性の経時変化が生じることを防止できる。なお、多層膜に積層する膜の低屈折率層にＳｉＯ_２膜を用いた場合、紫外領域から赤外領域までの広い波長領域において、９５％以上の高い透過率を確保することができる。

本発明によれば、光学多層膜を形成する高屈折率層や低屈折率層の膜の充填率を０．６以上０．９未満にすることにより、高屈折率層や、低屈折率層の内部応力を小さくすることができ、基板の反りや変形を防止できる。さらに、少なくとも最外層の充填率を０．９以上１以下としたので、光学多層膜中への水分の侵入を防止できる。したがって、長期使用時の光学特性の経時変化を防止し、耐環境性を向上させることができる。
また、厚さの薄い基板に光学多層膜を形成しても基板の反りや変形を防止することができるため、光学素子の薄型化や、小型化を図ることができる。

以下に、本発明を実施するための最良に形態について説明する。

本発明を実施例１について、図１から図３を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すように、この実施例に係る光学素子１は、ガラス平板からなる基板２と、基板２の表面２ａに形成された光学多層膜３とを備えている。基板２は、板状の平行平板であり、例えば、１辺３０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍである。光学多層膜３は、基板２の表面２ａに、低屈折率の膜４であるＳｉＯ_２膜と、高屈折率の膜５であるＴａ_２Ｏ_５膜とを交互に２２層ずつ、合計４４層積層して構成したものである。
このような光学多層膜３は、スパッタリング法により形成されるものであり、その設計値は、基板２側から順に以下の通りである。
６４Ｈ、８３Ｌ、５４Ｈ、８６Ｌ、（４３Ｈ、９４Ｌ）８、３３Ｈ、１０３Ｌ、３８Ｈ、８４Ｌ、（５２Ｈ、７５Ｌ）８、５８Ｈ、７０Ｌ、５８Ｈ、２９Ｌ
ここで、例えば、設計値「６４Ｈ」は、Ｔａ_２Ｏ_５膜を６４ｎｍの膜厚(物理膜厚)で成膜して高屈折率の膜５を形成することを示し、「８３Ｌ」は、ＳｉＯ_２膜を８３ｎｍの膜厚(物理膜厚)で成膜して低屈折率の膜４を形成することを示す。さらに、「（４３Ｈ、９４Ｌ）８」は、Ｔａ_２Ｏ_５膜を４３ｎｍの膜厚で成膜した高屈折率の膜５と、ＳｉＯ_２膜を８３ｎｍの膜厚で成膜した低屈折率の膜４とを重ね合わせたものを、８回繰り返して形成することを示している。

次に、光学素子１を製造する成膜装置について、図２を用いて説明する。
成膜装置１０は、スパッタリング法によって基板２上に低屈折率の膜４や高屈折率の膜５を形成する装置である。成膜装置１０は、真空槽１１を有している。この真空槽１１の底部内側には、複数のカソード電極１２ａ，１２ｂが、真空槽１１の中心線Ｌ１からオフセットした位置に配設されている。カソード電極１２ａ，１２ｂは、真空槽１１外に配置されたマッチングボックス１３を介して、１３．５６ＭＨｚの高周波電源１４に接続されている。マッチングボックス１３は、高周波電源１４のエネルギーを有効に活用するために、カソード電極１２ａ，１２ｂのリアクタンス成分をキャンセルし、インピーダンスを補正するものである。
また、カソード電極１２ａ，１２ｂの上面には、バッキングプレート１５ａ，１５ｂが取り付けられている。これらバッキングプレート１５ａ，１６ｂは、無酸化銅から製造されている。また、その各々の上面には、スパッタリングターゲット１６ａ，１６ｂが、低融点金属であるインジウムのボンディングによって固定されている。

真空槽１１の上壁部には、中心線Ｌ１上に、支持軸２５が下向きに回転自在に設けられている。この支持軸２５には、基板ホルダー２３が取り付けられている。基板ホルダー２３は、中心線Ｌ１を中心とする円板で、基板ホルダー２３を上下に貫通する複数の孔（不図示）が、支持軸２５の回転中心軸線を中心とする同一円周上に設けられている。そして、これら孔を用いて基板ホルダー２３の下面に、複数の基板２がスパッタリングターゲット１６ａ，１６ｂに対向するように固定されている。なお、支持軸２５は、真空槽１１の上部に固定された駆動モーター２７に接続されている。そして、駆動モーター２７の駆動力によって、支持軸２５と基板ホルダー２３とを、真空槽１１の中心線Ｌ１回りに回転させることができる。

さらに、基板２と、スパッタリングターゲット１６ａ，１６ｂとの間には、シャッター２９ａ，２９ｂが設けられている。このような構成により、スパッタリングターゲット１６ａ，１６ｂからスパッタ粒子が放出されたときに、スパッタ粒子が基板２に到達することを阻止できるようになっている。各シャッター２９ａ，２９ｂは、真空槽１１の下部に配置されたシャッター支持棒３１ａ，３１ｂにそれぞれ支持されている。また、各シャッター２９ａ，２９ｂは、各スパッタリングターゲット１６ａ，１６ｂの直上を覆うような第１のシャッター位置と、そこから退避した第２のシャッター位置とに、それぞれが移動できるようになっている。つまり、シャッター２９ａ、２９ｂが第２の位置にあるときは、スパッタリングターゲット１６ａ，１６ｂから放出されたスパッタ粒子は、基板２に到達することができる。一方、シャッター２９ａ、２９ｂが第１のシャッター位置にあるときは、スパッタ粒子は基板２に到達しないので、成膜がなされない。そこで、第２のシャッター位置に退避させる時間を制御することで、基板２上に成膜される低屈折率の膜４、及び高屈折率の膜５の膜厚を制御することができる。

真空槽１１の側部には、外部から真空槽１１内部にスパッタガスを導入するためのガス導入口３３が設けられている。ガス導入口３３からは、Ｏ_２ガス、及びＡｒガスが供給できる。各ガスの供給量は、図示しない流量計により制御されている。よって、所望する量のガスを、真空槽１１内に導入することができる。
そして、各ガスの供給量を調整することにより、基板２上に形成される低屈折率の膜４と高屈折率の膜５について、各々の膜の充填率を調整することができる。

次に、この成膜装置１０を用いて、前述の４４層からなる光学多層膜３を形成する場合について説明する。
この光学多層膜３は、第１層から第４２層までを、充填率が低い層（以下、低充填率層とする）としている。具体的には、膜の充填率を、高屈折率の膜５で０．７５、低屈折率の膜４で０．７８として、各々の膜を形成している。さらに、第４３層の高屈折率の膜５と、第４４層の低屈折率の膜４とを、充填率が高い層（以下、高充填率層とする）としている。具体的には、膜の充填率を０．９９として、各々の膜を形成している。ここで、光学多層膜３の最も外側は、空気と接触することになる。本実施例では、空気と接触する膜は第４４層となる。この第４４層は、上述のように、高充填率層である。よって、本実施例では、高充填率層（第４３層及び第４４層）が光学多層膜３の最も外側、すなわち最外層に配置されていることになる。
スパッタリングターゲット１６ａには、高屈折率膜材料としてＴａターゲットを用い、スパッタリングターゲット１６ｂには、低屈折率膜材料としてＳｉターゲットを用いる。
成膜に際しては、最初に、基板２を基板ホルダー２３に取り付け、真空槽１１内を１×１０^-４Ｐａまで減圧する。第１層は、前記のように「６４Ｈ」であるので、Ｔａ_２Ｏ_５膜からなる高屈折率の膜５を基板２の表面２ａ上に６４ｎｍ成膜する。まず、ガス導入口３３から、Ｏ_２ガスを８０ＳＣＣＭ、Ａｒガスを３０ＳＣＣＭ導入する。続いて、真空槽１１内の真空度を２．０Ｐａとする。これらの成膜条件は、Ｏ_２ガス、及びＡｒガスの各導入量と、高屈折率の膜５の膜の充填率、内部応力、との関係を予め求めた結果に基づいて設定される。高屈折率の膜５として、Ｔａ_２Ｏ_５膜を形成する場合のＯ_２ガス、及びＡｒガスの各導入量と、膜の充填率、内部応力の関係を表１に示す。

なお、膜の充填率は、真空中、及び大気中での膜の屈折率変化を利用して下記の計算式から求めることができる。

ここで、低密度の高屈折率の膜５を形成する際には、膜の充填率が０．７５で、膜の内部応力が−２６ＭＰａとなる表１中の条件１を使用する。すなわち、真空槽１１内の真空度を２．０Ｐａとした後、シャッター２９ａを第１のシャッター位置に配し、成膜が行われない状態にする。このようにした状態で、高周波電源１４からカソード電極１２ａに電力を供給し、スパッタリングターゲット１６ａのプレスパッタを開始する。この時、カソード電極１２ａに供給する電力は４００Ｗとする。プレスパッタは、ターゲット１６ａ表面に発生するプラズマが安定し、ターゲット１６ａの表面温度が上昇し、この表面温度一定温度で安定するまで行われる。

そして、プレスパッタ終了後に、基板ホルダー２３を所定の回転数で回転させた状態で、シャッター２９ａを第２のシャッター位置に退避させる。これによって、ターゲット１６ａから放出されたＴａ粒子は、真空槽１１に導入されたＯ_２ガスにより酸化されつつ、基板２に到達する。これにより、基板２上に、Ｔａ_２Ｏ_５膜が形成される。この際、カソード電極１２ａに供給する電力は、プレスパッタ時と同等な４００Ｗとした。
最後に、所定のスパッタリング時間が経過した後、シャッター２９ａを第１のシャッター位置に戻してから、Ｔａ粒子の放出を止める。これによって、基板２上に、Ｔａ_２Ｏ_５膜からなる膜厚６４ｎｍの高屈折率の膜５が成膜される。

第１層目の高屈折率の膜５の成膜後には、光学多層膜３の第２層として、設計値「８３Ｌ」に基づいて、基板２上に形成した第１層の表面に、低屈折率の膜４であるＳｉＯ_２膜を形成する。低屈折率の膜４を成膜する際には、真空槽１１内を１×１０^-４Ｐａまで減圧する。次に、ガス導入口３３から、Ｏ_２ガスを８０ＳＣＣＭ、Ａｒガスを３０ＳＣＣＭ導入し、真空槽１１内の真空度を２．０Ｐａにする。これらの成膜条件は、Ｏ_２ガス、及びＡｒガスの各導入量と、低屈折率の膜４の膜の充填率、内部応力との関係を予め求めた結果に基づいて設定される。低屈折率の膜４として、ＳｉＯ_２膜を形成する場合のＯ_２ガス、及びＡｒガスの各導入量と、膜の充填率、内部応力の関係を表２に示す。

ここで、低密度の低屈折率の膜４を形成する際には、膜の充填率が０．７８で、膜の内部応力が−２０ＭＰａとなる表２中の条件１を使用する。すなわち、真空槽１１内の真空度を２．０Ｐａとした後、前述と同様のプレスパッタを行う。そして、プレスパッタ終了後に、基板ホルダー２３を所定の回転数で回転させた状態で、シャッター２９ｂを第２のシャッター位置に退避させる。ターゲット１６ｂから放出されたＳｉ粒子は、Ｏ_２ガスにより酸化されつつ、基板２上にＳｉＯ_２膜を形成する。この際、カソード電極１２ｂに供給する電力は、プレスパッタ時と同様に４００Ｗとした。

所定のスパッタリング時間経過後、シャッター２９ｂを第１のシャッター位置に戻してから、Ｓｉ粒子の放出を止める。すると、基板２上の第１層の表面に重なるように、ＳｉＯ_２膜からなる膜厚８３ｎｍの低屈折率の膜４が形成される。
このようにして第１層、及び第２層を形成した後には、順次同様なプロセスにより、前述の設計値の膜厚通りに、高屈折率の膜５、及び低屈折率の膜４を交互に、対となるように積層し、第４２層まで成膜する。

さらに、第４２層を形成した後は、その表面に第４３層として、高屈折率の膜５を、設計値「５８Ｈ」で形成する。この高屈折率の膜５は、高充填率層として形成する。よって、成膜にあたっては、膜の充填率が０．９９、膜の内部応力が−１８０ＭＰａとなる表１中の条件３を使用する。すなわち、真空槽１１内を１×１０^-４Ｐａまで減圧する。その後に、ガス導入口３３から、Ｏ_２ガスを５ＳＣＣＭ、Ａｒガスを２０ＳＣＣＭ導入する。続いて、真空槽１１内の真空度を０．２Ｐａとし、前述のプレスパッタプロセス、及びスパッタプロセスを行う。これにより、基板２の第４２層の表面に、Ｔａ_２Ｏ_５膜を５８ｎｍ形成する。
そして、第４３層の表面に第４４層として、低屈折率の膜４を形成する。この低屈折率の膜４は、設計値「２９Ｌ」で、高充填率層として形成する。よって、成膜にあたっては、膜の充填率が０．９９で、膜の内部応力が−２３０ＭＰａ以下となる表２中の条件３を使用する。すなわち、真空槽１１内を１×１０^-４Ｐａまで減圧する。その後に、ガス導入口３３から、Ｏ_２ガスを５ＳＣＣＭ、Ａｒガスを２０ＳＣＣＭ導入する。続いて、真空槽１１内の真空度を０．２Ｐａとする。そして、前述のプレスパッタプロセス、及びスパッタプロセスを行う。これにより、基板２の第４３層の表面に、ＳｉＯ_２膜を２９ｎｍ形成する。
このように、各設計値の膜厚通り高屈折率の膜５、及び低屈折率の膜４を交互に積層することで、合計４４層からなる光学多層膜３が形成される。

実施例２では、基板２の表面２ａ上に、高屈折率の膜５と、低屈折率の膜４とを交互に積層し、４４層としている。ただし、第１層から第４３層までは、低充填層とし、第４４層を高充填層とした。ここで、第４４層が、空気と接触するようになっている。よって、本実施例でも、高充填層が最外層に配置されている。
本実施例の光学薄膜３では、具体的には、第１層から第４３層までは、膜の充填率を、高屈折率の膜５で０．８２とし、低屈折率の膜４で０．８３としている。さらに、第４４層である低屈折率の膜４では、膜の充填率を０．９９としている。
このような構成を有する光学多層膜３は、高屈折率の膜５がＴａ_２Ｏ_５膜から形成され、低屈折率の膜４がＳｉＯ_２膜から形成され、４４層のそれぞれの設計値は、実施の形態１と同じ設計値を使用した。また、この光学多層膜３は、前述の実施例１と同様のガラス基板からなる基板２の表面２ａ上に、図２に示す成膜装置１０を使用してスパッタリング法により形成される。なお、この実施例では、スパッタリングクーゲット１６ａに、高屈折率膜材料としてのＴａターゲットが配置され、スパッタリングターゲット１６ｂに、低屈折率膜材料としてのＳｉターゲットが配置されている。

図２に示す成膜装置１０を用いて光学多層膜３を形成する場合には、最初に、基板ホルダー２３に基板２を取り付け、真空槽１１内を１×１０^-４Ｐａまで減圧してから、第１層目の高屈折率の膜５を成膜する。この高屈折率の膜５は、設計値「６４Ｈ」の低充填率層として形成する。よって、成膜にあたっては、膜の充填率が０．８２で、膜の内部応力が−３９ＭＰａとなる表１中の条件２を使用する。すなわち、ガス導入口３３から、Ｏ_２ガスを５０ＳＣＣＭ、Ａｒガスを３０ＳＣＣＭ導入する。続いて、真空槽１１内の真空度を１．５Ｐａとする。そして、実施例１と同様なプレスパッタプロセス、及びスパッタプロセスを行う。これにより、基板２の表面２ａに、Ｔａ_２Ｏ_５膜からなる膜厚６４ｎｍの高屈折率の膜５が形成される。

第１層の高屈折率の膜５を成膜した後には、光学多層膜３の第２層として、基板２上の第１層の表面に、設計値「８３Ｌ」の低屈折率の膜４であるＳｉＯ_２膜を形成する。この際に、膜の充填率が０．８３で、膜の内部応力が−３７ＭＰａとなる表２中の条件２を使用する。すなわち、真空槽１１内を１×１０^-４Ｐａまで減圧する。その後に、ガス導入口３３から、Ｏ_２ガスを５０ＳＣＣＭ、Ａｒガスを３０ＳＣＣＭ導入する。続いて、真空槽１１内の真空度を１．５Ｐａとする。そして、実施例１と同様なプレスパッタプロセス、及びスパッタプロセスを行う。これにより、基板２上の第１層の表面に、ＳｉＯ_２膜からなる膜厚８３ｎｍの低屈折率の膜４が形成される。

これら第１層、及び第２層の形成後には、順次同様なプロセスにより、各設計値の膜厚通りに、高屈折率の膜５、及び低屈折率の膜４を交互に積層し、第４３層まで成膜する。
さらに、基板２の第４３層の表面に、第４４層の低屈折率の膜４としてＳｉＯ_２膜を形成する。この低屈折率の膜４は、設計値「２９Ｌ」の高充填率層として形成する。よって、成膜にあたっては、膜の充填率が０．９９で、膜の内部応力が−２３０ＭＰａとなる表２中の条件３を使用する。すなわち、真空槽１１内を１×１０^-４Ｐａまで減圧する。その後に、ガス導入口３３から、Ｏ_２ガスを５ＳＣＣＭ、Ａｒガスを２０ＳＣＣＭ導入する。続いて、真空槽１１内の真空度を０．２Ｐａとする。そして実施例１と同様なプレスパッタプロセス、及びスパッタプロセスを行う。これにより、基板２の第４３層の表面に、ＳｉＯ_２膜からなる低屈折率の膜４を２９ｎｍ形成する。
このようにして、各設計値の膜厚通り高屈折率の膜５、及び低屈折率の膜４を交互に積層すると、合計４４層からなる光学多層膜３が形成される。

（比較例１）
比較例１は、基板２の表面２ａ上に、高屈折率の膜と、低屈折率の膜とを交互に積層し、４４層の光学多層膜を形成したものである。比較例１では、膜の充填率を、第１層から第４４層までの全てにおいて、高屈折率の膜で０．９９とし、低屈折率の膜で０．９９としてある。
比較例１の光学多層膜では、高屈折率の膜をＴａ_２Ｏ_５膜から構成し、低屈折率の膜をＳｉＯ_２膜から構成し、４４層の設計値は、実施の形態１と同等の設計値を使用した。また、比較例１の光学多層膜３は、実施の形態１と同様のガラス基板からなる基板２の表面２ａ上に、図２に示す成膜装置１０と同様の装置を使用してスパッタリング法により形成した。

基板２の表面２ａに、第１層としてＴａ_２Ｏ膜からなる高屈折率の膜を、設計値「６４Ｈ」に基づいて形成する。この際には、膜の充填率が０．９９で、膜の内部応力が−１８０ＭＰａとなる表１中の条件３を使用する。成膜にあたっては、基板ホルダー２３に基板２を取り付ける。そして、真空槽１１内を１×１０^-４Ｐａまで減圧する。その後に、ガス導入口３３から、Ｏ_２ガスを５ＳＣＣＭ、Ａｒガスを２０ＳＣＣＭ導入する。続いて、真空槽１１内の真空度を０．２Ｐａとする。そして、実施例１と同様なプレスパッタプロセス、及びスパッタプロセスを行う。これにより、基板２の表面２ａに、Ｔａ_２Ｏ_５膜からなる膜厚６４ｎｍの高屈折率の膜を形成する。

第１の高屈折率の膜の成膜後には、光学多層膜の第２層として、基板２上の第１層の表面に、設計値「８３Ｌ」の低屈折率の膜としてＳｉＯ_２膜を形成する。この際に、膜の充填率が０．９９で、膜の内部応力が−２３０ＭＰａとなる表２中の条件３を使用する。成膜にあたっては、真空槽１１内を１×１０-４Ｐａまで減圧する。その後に、ガス導入口３３から、Ｏ_２ガスを５ＳＣＣＭ、Ａｒガスを２０ＳＣＣＭ導入する。続いて、真空槽１１内の真空度を０．２Ｐａとする。そして、実施例１と同様なプレスパッタプロセス、及びスパッタプロセスを行う。これにより、第１層の表面に、ＳｉＯ_２膜からなる膜厚８３ｎｍの低屈折率の膜４を形成する。
第１層、及び第２層の形成後には、順次同様なプロセスにより、各設計値の膜厚通りに、高屈折率の膜、及び低屈折率の膜を交互に積層し、合計４４層からなる比較例１の光学多層膜を形成する。

（比較例２）
比較例２は、基板２の表面２ａ上に、高屈折率の膜と、低屈折率の膜とを交互に積層し、４４層の光学多層膜を形成したものである。比較例２では、膜の充填率を、高屈折率の膜で０．８２とし、低屈折率の膜で０．８３とした。
比較例２の光学多層膜では、高屈折率の膜をＴａ_２Ｏ_５膜から形成し、低屈折率の膜をＳｉＯ_２膜から形成し、４４層の設計値は、実施の形態１と同等の設計値を使用している。
また、比較例２の光学多層膜は、実施例１と同様のガラス基板からなる基板２の表面２ａ上に、図２に示す成膜装置１０と同様の装置を使用してスパッタリング法により形成した。

基板２の表面２ａに、第１層としてＴａ_２Ｏ_５膜からなる高屈折率の膜を、設計値「６４Ｈ」で形成する。その際には、膜の充填率が０．８２で、膜の内部応力が−３９ＭＰａとなる表１中の条件２を使用する。成膜にあたっては、最初に、基板ホルダー２３に基板２を取り付ける。そして、真空槽１１内を１×１０^-４Ｐａまで減圧する。その後に、ガス導入口３３から、Ｏ_２ガスを５０ＳＣＣＭ、Ａｒガスを３０ＳＣＣＭ導入する。続いて、真空槽１１内の真空度を１．５Ｐａとする。そして、実施例１と同様なプレスパッタプロセス、及びスパッタプロセスを行う。これにより、基板２の表面２ａに、Ｔａ_２Ｏ_５膜からなる膜厚６４ｎｍの高屈折率の膜を形成する。

第１層目の高屈折率の膜を成膜した後には、光学多層膜の第２層として、基板２上の第１層の表面に、設計値「８３Ｌ」の低屈折率の膜であるＳｉＯ_２膜を形成する。この際には、膜の充填率が０．８３で、膜の内部応力が−３７ＭＰａとなる表２中の条件２を使用する。成膜にあたっては、真空槽１１内を１×１０^-４Ｐａまで減圧する。その後に、ガス導入口３３から、Ｏ_２ガスを５０ＳＣＣＭ、Ａｒガスを３０ＳＣＣＭ導入する。続いて、真空槽１１内の真空度を１．５ＭＰａとする。そして、実施の形態１と同様なプレスパッタプロセス、及びスパッタプロセスを行う。これにより、第１層の表面に、ＳｉＯ_２膜からなる膜厚８３ｎｍの低屈折率の膜４を形成する。
このようにして、第１層、及び第２層を形成した後には、順次同様なプロセスにより、各設計値の膜厚通りに、高屈折率の膜、及び低屈折率の膜を交互に積層し、合計４４層からなる比較例２の光学多層膜を形成する。

(比較例３)
比較例３は、基板２の表面２ａ上に、高屈折率の膜と低屈折率の膜とを交互に積層し、４４層の光学多層膜を形成したものである。比較例３では、高屈折率の膜はＴｉＯ_２膜から構成され、低屈折率の膜はＭｇＦ_２膜から構成されている。
ここで、比較例３の光学多層膜における４４層の設計値を以下に示す。
８７Ｈ、３２Ｌ、５１Ｈ、１１４Ｌ、（４２Ｈ、９７Ｌ）８、３５Ｈ、１０５Ｌ、３９Ｈ、８８Ｌ、（５４Ｈ、７９Ｌ）８、６３Ｈ、７２Ｌ、５９Ｈ、３９Ｌ
これら設計値は、実施例１と同等な光学特性になる様に調整されている。例えば、設計値「８７Ｈ」は、ＴｉＯ_２膜を８７ｎｍの膜厚(物理膜厚)で成膜して高屈折率の膜を形成することを示し、設計値「３２Ｌ」は、ＭｇＦ_２膜を３２ｎｍの膜厚(物理膜厚)で低屈折率の膜４を形成することを示す。さらに、「（４２Ｈ、９７Ｌ）８」は、ＴｉＯ_２膜を４２ｎｍの膜厚で成膜した高屈折率の膜と、ＭｇＦ_２膜を９７ｎｍの膜厚で成膜した低屈折率の膜とを重ね合わせたものを、８回繰り返して形成することを示している。
また、比較例３の光学多層膜は、実施例１と同様のガラス基板からなる基板２の表面２ａ上に、イオンアシスト蒸着法により形成される。なお、イオンアシスト蒸着法とは、低屈折率の膜や高屈折率の膜を形成するための蒸着材料を電子ビームにより加熱して、気化した蒸発粒子を生成すると共に、酸素プラズマやアルゴンプラズマを生成し、このプラズマエネルギーを付与した蒸発粒子が基板２上で凝集することにより、低屈折率の膜や、高屈折率の膜を形成するものである。

比較例３では、光学多層膜の第１層として、基板２の表面２ａに、ＴｉＯ_２膜からなる膜厚８７ｎｍの高屈折率の膜５を形成する。この場合は、真空槽を５×１０^-４Ｐａまで減圧する。その後、４０ＳＣＣＭのＯ_２ガスを導入し、真空度を２×１０^-２Ｐａにする。なお、成膜時のプラズマエネルギーは３００ｅＶとする。
この第１層の高屈折率の膜の成膜後には、光学多層膜の第２層として、基板２上の第１層の表面に、ＭｇＦ_２膜からなる膜厚３２ｎｍの低屈折率の膜を形成する。このとき、真空槽を５×１０^-４Ｐａまで減圧する。その後、４０ＳＣＣＭのＯ_２ガスを導入し、真空度を２×１０^-２Ｐａにする。なお、成膜時のプラズマエネルギーは、第１層と同様に３００ｅＶとする。
このようにして、第１層、及び第２層を形成した後には、順次同様なプロセスにより、各設計値の膜厚通りに、高屈折率の膜、及び低屈折率の膜を交互に積層する。そして、合計４４層からなる比較例３の光学多層膜３を形成する。

次に、実施例１、２の光学多層膜３（光学素子１）と、比較例１、２、３の光学多層膜（光学素子）とを比較した結果について説明する。
まず、実施例１、２、及び比較例１、２、３のそれぞれの成膜方法と、４４層の構成とを表３に示す。

また、実施例１、２の光学多層膜３、及び比較例１、２、３の光学多層膜について、波長３７５ｎｍにおける透過率、基板の反り量、及び耐性試験後の波長シフト量について比較した結果を表４に示す。

表４には、それぞれの項目ごとに、基板２や光学多層膜３などを製品として使用した場合の評価の欄が設けられている。評価の欄には、問題が発生しないレベルの測定値である場合には「○」を記載し、実用上支障が生じるレベルの測定値である場合には「×」を記載してある。なお、透過率は、所定の分光測定機を用いて測定したものである。また、基板の反り量は、表面形状測定機を用いて、基板２の対角線上を長さ３０ｍｍに渡って測定した表面形状から算出したものである。
耐性試験は、４４層の光学多層膜３などを形成した基板２を温度７０℃、湿度８０％の高温多湿下に３００時間放置した場合における前後の膜の特性変化を比較する試験である。耐性試験後の特性の変化は、波長シフト量として示され、耐性試験前の透過率５０％での波長から、耐性試験後での透過率５０％の波長のズレ量を示している。
さらに、図３に実施例１、２の光学多層膜３における分光透過率を示し、図４に比較例１、２、３の分光透過率を示す。

図３、及び表４に示すように、実施例１、２の光学多層膜３では、４００ｎｍ以下の紫外領域において透過率が低下していない。すなわち、実施例１、２では、３７５ｎｍの紫外領域における透過率が９８％以上と高いため、十分な明るさが確保できている。また、実施例１、２では、基板２の反り量は、それぞれ１５μｍ、２３μｍである。そして、その大きさは、基板２や光学多層膜３を通過する光線の曲がりが生じない程度に小さくなっている。
さらに、耐性試験後の波長シフト量は、実施例１、２では、波長シフト量が２ｎｍ以下であり、環境による特性変化は、ほとんどない。これは、実施例１では第４３層と第４４層とを、実施例２では第４４層を、膜の充填率が０．９９となるような高充填層としていることにより、高充填層が光学多層膜３中への水分の浸入を防止しているからと考えられる。

比較例１では、波長３７５ｎｍにおける透過率と、耐性試験後の波長シフト量は、実施例１、２と同程度であるが、基板の反り量が、１０５μｍと著しく大きくなっている。これは、実施例１では、第１層から第４４層までを、膜の充填率を０．９９の層で形成してあるためである。すなわち、比較例１では、高屈折率の膜を構成するＴａ_２Ｏ_５膜の単層での内部応力が−１８０ＭＰａ、低屈折率の膜を構成するＳｉＯ_２膜の単層での内部応力が−２３０ＭＰａとなっている。そのため、比較例１では、実施例１、２の高屈折率の膜５、及び低屈折率の膜４と比較して、膜の内部応力が５倍以上になっている。このようなことから、比較例１では、基板２の反り量が著しく大きくなったと考えられる。この比較例１のように、基板２が反っていると、基板２や光学多層膜３を通過する光線が曲がるという不具合が生じる。
また、比較例１の耐性試験後の波長シフト量は、実施例１、２と同程度である。これは、比較例１では、第１層から第４４層まで全ての膜の充填率が０．９９であることによって、水分の浸入が防止されるので、結果的に、実施例１、２と同等の効果が得られていると考えられる。

比較例２では、波長３７５ｎｍにおける透過率と、基板の反り量とは、実施例１、２と同程度である。しかしながら、比較例２では、耐性試験後の波長シフト量が４．６ｎｍとなっており、実施例１、２に対して劣っている。これは、比較例２では、膜の充填率が０．９以下であるため、光学多層膜中へ水分が侵入し、その結果、特性変化が発生したものと考えられる。

比較例３では、４００ｎｍ以下の紫外領域において透過率が低下している。具体的には、波長３７５ｎｍの紫外領域における透過率が６７％で、実施例１、２の透過率より約３０％低下している。すなわち、比較例３では、著しい明るさの低下を引き起こしている。これは、比較例３では、ＭｇＦ_２膜からなる低屈折率の膜４をイオンアシスト蒸着法によって形成したため、フッ素脱離が発生して、紫外領域における透過率が低下したと考えられる。また、耐性試験後の波長シフト量も、実施例１、２に比べて劣っている。これは、比較例２と同様の理由による。

以上、表４に示したように、比較例１、２、３の光学多層膜の場合には、いずれかの評価項目に欠点があり、実用上の問題があるのに対して、実施例１、２では、紫外領域の透過率、基板の反り量、及び耐性試験後の波長シフトに関して、製品として使用した場合問題の発生しない数値となっている。

この実施例によれば、低屈折率の膜４、及び高屈折率の膜５の膜の充填率を０．７５から０．８３の範囲で調整することで、膜の内部応力が低減され、基板２の反り量を３０μｍ以下にする事ができる。したがって、基板２の反りや、変形を防止することができる。
さらに、空気層との接触面となる最外層の膜の充填率を０．９９とすることで、光学多層膜３中への水分の侵入を防止し、光学特性に経時変化の無い光学多層膜３や、光学素子１が得られる。
また、低屈折率の膜４として、安価で、紫外領域から赤外領域までの広い波長領域において高い透過率を有するＳｉＯ_２膜を用いることが可能になるので、紫外領域でも十分に高い透過率の光学多層膜３、及び光学素子１が得られる。
さらに、本実施の形態の光学素子１によれば、厚さの薄い基板２に光学多層膜３を設けても、基板２の反りや変形を防止することができるので、光学素子１の薄型化や、小型化を図ることができる。
なお、光学多層膜３を膜単独でみたとき、最外層は膜の両側に存在する。そうすると、実施例１、２の光学多層膜３では、最外層の一方は高充填率層が形成され、他方が基板２に接していることになる。しかしながら、最外層の両方に、高充填率層を形成してもよい。このようにすれば、膜単独で、光学多層膜３中への水分の侵入を防止することができる。よって、光学特性に経時変化の無い光学多層膜３を得ることができる。そして、このような光学多層膜３において、一方を基板２と接するようにしてもよい。

なお、本発明は、実施の形態に限定されずに広く応用することが可能である。
例えば、実施例１、２において、高屈折率の膜５は、Ｔａ_２Ｏ_５から構成されるとしたが、これに限定されることはなく、少なくともＴｉＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｐｒ_６Ｏ_１１、Ａｌ_２Ｏ_３から選択される１種類、又は化合物から構成されていれば良い。このような物質からなる膜を用いた場合でも、高屈折率の膜５の内部応力を小さくすることができる。
また、実施例１、２では、積層された層の膜の充填率を０．７５から０．８３の範囲で使用したが、これに限定されることはなく、層の膜の充填率は、０．６以上０．９未満であれば良い。すなわち、層の膜の充填率が、０．６未満の場合、膜分子の分子間間隔が広くなり過ぎ、膜の密着性が低下するためである。
さらに、実施例１、２では、空気層との接触面に配置される膜の充填率を０．９９としたが、これに限定されることはなく、膜の充填率０．９以上１以下の層であれば良い。

本発明の実施の形態に係る光学素子の構成図である。 光学素子を製造する成膜装置の断面図である。 実施例１、２に係る光学素子において、光の波長と光学多層膜の透過率との関係を示すグラフである。 比較例１、２、３に係る光学素子において、光の波長と光学多層膜の透過率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 光学素子

Claims (5)

1. 基板上に形成され、低屈折率の膜と、前記低屈折率の膜よりも屈折率が相対的に高い高屈折率の膜とが交互に積層された光学多層膜であって、
   前記光学多層膜は、膜の充填率が０．６以上０．９未満の充填率が低い層と、膜の充填率が０．９以上１以下の充填率が高い層とからなり、
   前記充填率が低い層として、前記低屈折率の膜と前記高屈折率の膜を複数有し、
   前記充填率が高い層として、前記低屈折率の膜と前記高屈折率の膜の少なくとも一方を有し、
   前記充填率が高い層が、最外層に配置されていることを特徴とする光学多層膜。
2. 前記充填率が高い層は、前記低屈折率の膜からなることを特徴とする請求項１に記載の光学多層膜。
3. 前記充填率が高い層は、前記低屈折率の膜と前記高屈折率膜からなることを特徴とする請求項１に記載の光学多層膜。
4. 前記低屈折率の膜が、ＳｉＯ_２膜であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光学多層膜。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光学多層膜と、該光学多層膜を表面に形成する前記基板と、を備えることを特徴とする光学素子。
   
   

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