JP2006176854A - 光学多層膜の形成方法及び光学素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】 厚さの薄い基板に光学多層膜を形成する場合でも、片面のみの成膜で基板の反りを防止し、光学多層膜の光学特性を長期間安定させ、また、生産コストを低減させることが可能な光学多層膜の形成方法を提供すること。
【解決手段】 真空槽11内に基板保持部材14が配設され、該基板保持部材14に取り付けられた基板2上に、屈折率の異なる低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層する光学多層膜の形成方法において、少なくとも高屈折率層を形成する際に、真空槽11内にプロセスガスを導入し、真空槽11内の成膜真空度を0.06Pa以上0.15Pa未満になるようにプロセスガスの導入量を制御する工程と、基板2に対向して設けられたプラズマガン21よりプラズマを発生させる工程とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図2
【解決手段】 真空槽11内に基板保持部材14が配設され、該基板保持部材14に取り付けられた基板2上に、屈折率の異なる低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層する光学多層膜の形成方法において、少なくとも高屈折率層を形成する際に、真空槽11内にプロセスガスを導入し、真空槽11内の成膜真空度を0.06Pa以上0.15Pa未満になるようにプロセスガスの導入量を制御する工程と、基板2に対向して設けられたプラズマガン21よりプラズマを発生させる工程とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図2
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の形成方法及び光学素子に関する。
デジタルカメラ、顕微鏡等の光学機器には、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素子が用いられている。これらの光学素子は、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や低屈折率層を積層した光学多層膜から構成されている。
近年、光学多層膜を備える光学素子は、小型化・薄型化する傾向にあり、この小型化・薄型化に伴って、光学多層膜を形成する基板の厚さも薄くなっている。このような厚さの薄い基板に光学多層膜を形成した場合、基板に反りが生じ、光学素子の光学特性を劣化させる問題がある。この基板の反りは、光学多層膜の持つ内部応力に起因している。すなわち、この光学多層膜の内部応力には、基板を圧縮する方向に働く圧縮応力と、基板を引っ張る方向に働く引張り応力とがあり、光学多層膜を形成する高屈折率層や低屈折率層が共に圧縮応力の場合、基板が反ることになる。
最近、長期間に渡って光学特性が安定した耐環境性の高い光学薄膜を得るために、成膜中にプラズマエネルギーを利用したイオンアシスト蒸着法やイオンプレーティング蒸着法が光学多層膜の形成に用いられている。しかし、成膜中にプラズマエネルギーを利用するこれらの成膜手法で形成した光学多層膜は、非常に大きな圧縮応力を持つため、厚さの薄い基板に光学多層膜を形成する際の反りが問題となっている。
この基板の反りを防止する成膜手法としては、基板の表裏両面に多層膜を形成する成膜手法が知られている。
この基板の反りを防止する成膜手法としては、基板の表裏両面に多層膜を形成する成膜手法が知られている。
さらに、厚さの薄い基板上へ光学多層膜を形成する方法の一つとして、基板の表側面に異なる薄膜を交互に積層された誘電体多層膜フィルタの製造方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。この特許文献1に記載の製造方法により成膜された光学多層膜は、基板表面側に異なる薄膜を交互に積層し、その裏側面には、基板とほぼ同じ屈折率を有し、かつ、表側面の蒸着膜厚にほぼ等しい等価屈折率膜を蒸着した光学多層膜である。この成膜方法は、基板表側面への積層プロセス複数の工程に分け、裏側面への等価屈折率膜の積層プロセスも同じように複数の工程に分けて行われる。次に、各工程は基板が自転しつつ公転する状態で実行し、各工程毎に基板をその都度反転させ、基板の表側面と裏側面とにほぼ同じ厚さの蒸着膜を順次繰り返して積層する。そして、表裏両面の膜応力をほぼ同じにすることで、基板の反りを回避しているものである。
特開平9−33719号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載の製造方法では、基板表側面に積層した後、基板を反転させ基板裏側面に、同等なプロセスで同じ膜厚を積層する必要があり、このため、蒸着時間も2倍かかってしまう。また、蒸着材料も2倍必要となるため、生産コストの上昇につながってしまう。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、厚さの薄い基板に光学多層膜を形成する場合でも、片面のみの成膜で基板の反りを防止し、光学多層膜の光学特性を長期間安定させ、また、生産コストを低減させることが可能な光学多層膜の形成方法及び光学素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の光学多層膜の形成方法は、真空槽内に基板保持部材が配設され、該基板保持部材に取り付けられた基板上に、屈折率の異なる低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層する光学多層膜の形成方法において、少なくとも前記高屈折率層を形成する際に、前記真空槽内にプロセスガスを導入し、前記真空槽内の成膜真空度を0.06Pa以上0.15Pa未満になるようにプロセスガスの導入量を制御する工程と、前記基板に対向して設けられたプラズマガンよりプラズマを発生させる工程とを備えることを特徴とする。
本発明の光学多層膜の形成方法は、真空槽内に基板保持部材が配設され、該基板保持部材に取り付けられた基板上に、屈折率の異なる低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層する光学多層膜の形成方法において、少なくとも前記高屈折率層を形成する際に、前記真空槽内にプロセスガスを導入し、前記真空槽内の成膜真空度を0.06Pa以上0.15Pa未満になるようにプロセスガスの導入量を制御する工程と、前記基板に対向して設けられたプラズマガンよりプラズマを発生させる工程とを備えることを特徴とする。
この発明に係る光学多層膜の形成方法によれば、少なくとも高屈折率層を形成する際に、真空槽内の成膜真空度を0.06Pa以上0.15Pa未満になるようにプロセスガスの導入量を制御しつつ、プラズマガンからプラズマを発生させながら光学多層膜を形成すると、各層の内部応力である圧縮応力を低減、または、圧縮応力から引張り応力に変えることができる。すなわち、各層の形成中の成膜真空度を0.06Pa以上0.15Pa未満にすることは、光学多層膜の微細構造中に極わずかな隙間を生じ各層の内部応力を低減、または、圧縮応力から引張り応力に変えることに寄与する。
また、プラズマガンを使用しているので、0.06Pa以上0.15Pa未満の成膜真空度でもプラズマを発生させることが可能となり、耐環境性の劣化を生じない膜密度を得ることが可能となっている。
前記成膜真空度が、0.06Pa未満の場合には、光学多層膜の膜密度が高くなり、圧縮応力が大きくなり基板に反りが生じてしまう。また、成膜真空度が0.15Pa以上の場合には、引張り応力が大きくなり、基板に反りが生じることがあり、また、光学多層膜の微細構造中の隙間間隔が水分子の大きさ以上となり、光学多層膜中への水分の吸着が生じ、耐環境性の低下を生じることがある。
前記成膜真空度が、0.06Pa未満の場合には、光学多層膜の膜密度が高くなり、圧縮応力が大きくなり基板に反りが生じてしまう。また、成膜真空度が0.15Pa以上の場合には、引張り応力が大きくなり、基板に反りが生じることがあり、また、光学多層膜の微細構造中の隙間間隔が水分子の大きさ以上となり、光学多層膜中への水分の吸着が生じ、耐環境性の低下を生じることがある。
また、本発明の光学多層膜の形成方法は、前記低屈折率層及び前記高屈折率層を形成する際の前記真空槽内の成膜真空度を0.06Pa以上0.15Pa未満になるようにプロセスガスの導入量を制御することを特徴とする。
この発明に係る光学多層膜の形成方法によれば、真空槽内の成膜真空度を0.06Pa以上0.15Pa未満になるようにプロセスガスの導入量を制御することにより、基板に働く圧縮応力と引張り応力との平衡が保たれ、基板の反りを防止することができる。
この発明に係る光学多層膜の形成方法によれば、真空槽内の成膜真空度を0.06Pa以上0.15Pa未満になるようにプロセスガスの導入量を制御することにより、基板に働く圧縮応力と引張り応力との平衡が保たれ、基板の反りを防止することができる。
また、本発明の光学多層膜の形成方法は、前記プラズマガンからプラズマを発生させる際の印加電流が5A以上30A未満であることを特徴とする。
この発明に係る光学多層膜の形成方法によれば、各層の形成中の成膜真空度を0.06Pa以上0.15Pa未満に制御し、プラズマガンからプラズマを発生させる際の印加電流を5A以上30A未満とすることにより、真空槽内のプラズマ発生量を調整できるので、各層の内部応力の調整をより制御し易くすることができる。
この発明に係る光学多層膜の形成方法によれば、各層の形成中の成膜真空度を0.06Pa以上0.15Pa未満に制御し、プラズマガンからプラズマを発生させる際の印加電流を5A以上30A未満とすることにより、真空槽内のプラズマ発生量を調整できるので、各層の内部応力の調整をより制御し易くすることができる。
プラズマガンからプラズマを発生させる際の印加電流が5A未満の場合には、蒸着物質に与えるプラズマエネルギーが小さくなるため、光学多層膜の微細構造の膜密度が低くなり、光学多層膜中への水分の吸着が生じて、耐環境性の低下を生じることがある。また、印加電流が30A以上の場合、蒸着物質に与えるプラズマエネルギーが大き過ぎて、光学多層膜の微細構造の膜密度が高くなり、強い圧縮応力が生じてしまう。
本発明の光学素子は、上記に記載の光学多層膜の形成方法により、前記基板の表面に複数形成されてなることを特徴とする。
この発明に係る光学素子によれば、上述した光学多層膜の形成方法により、光学多層膜が形成されるので、基板の反りが防止され、光学特性が長期安定した光学多層膜が形成された光学素子を得ることが可能となる。
この発明に係る光学素子によれば、上述した光学多層膜の形成方法により、光学多層膜が形成されるので、基板の反りが防止され、光学特性が長期安定した光学多層膜が形成された光学素子を得ることが可能となる。
本発明においては以下の効果を奏する。
本発明に係る光学薄膜の形成方法によれば、基板の反りを防止することが可能となる。さらに、光学多層膜の光学特性を長期間安定させ、また、基板の表側面だけの成膜のため、生産コストの低減を図ることができる。
さらに、本発明に係る光学素子によれば、厚さの薄い基板に光学多層膜を備え、反りや変形が生じることのない高性能な光学素子が得られる。
本発明に係る光学薄膜の形成方法によれば、基板の反りを防止することが可能となる。さらに、光学多層膜の光学特性を長期間安定させ、また、基板の表側面だけの成膜のため、生産コストの低減を図ることができる。
さらに、本発明に係る光学素子によれば、厚さの薄い基板に光学多層膜を備え、反りや変形が生じることのない高性能な光学素子が得られる。
次に、本発明の一実施形態について、図1及び図2を参照して説明する。
本実施形態に係る光学素子1は、図1に示すように、ガラス平板、プラスチック平板などの基板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、平面視略矩形の板状に形成されており、その寸法は、一辺30mm、厚さ0.2mmである。
光学多層膜3は、基板2の表面2aに低屈折率層4と高屈折率層5とを交互に20層ずつ、合計40層積層して構成したものである。ここで、低屈折率層4の材料としては特に制限はないが、例えばSiO2(二酸化硅素)膜などが挙げられる。高屈折率層5の材料としては特に制限はないが、例えば、低屈折率層4よりも膜屈折率が大きいTa2O5(五酸化タンタル)膜などが挙げられる。
本実施形態に係る光学素子1は、図1に示すように、ガラス平板、プラスチック平板などの基板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、平面視略矩形の板状に形成されており、その寸法は、一辺30mm、厚さ0.2mmである。
光学多層膜3は、基板2の表面2aに低屈折率層4と高屈折率層5とを交互に20層ずつ、合計40層積層して構成したものである。ここで、低屈折率層4の材料としては特に制限はないが、例えばSiO2(二酸化硅素)膜などが挙げられる。高屈折率層5の材料としては特に制限はないが、例えば、低屈折率層4よりも膜屈折率が大きいTa2O5(五酸化タンタル)膜などが挙げられる。
本発明の実施形態に係る光学多層膜3は、プラズマガン21を用いた成膜法により形成される。前記光学多層膜3の構造としては、特に制限はないが、例えば基板2側から順に以下の設計値1としたものが挙げられる。
{(1H、1L)10、(1.25H、1.25L)10}・・・(設計値1)
ここで、設計中心波長λは450nmであり、例えば、設計値「1H」は、Ta2O5膜を1*λ/4の光学膜厚で成膜して高屈折率層5を形成することを示し、「1L」は、SiO2膜を1*λ/4の光学膜厚で成膜して低屈折率層4を形成することを示し、「(1H、1L)10」はTa2O5膜を1*λ/4の光学膜厚で成膜した高屈折率層5と、SiO2膜を1*λ/4の光学膜厚で成膜した低屈折率層4とを重ね合わせたものを10回繰り返して形成することを示している。
{(1H、1L)10、(1.25H、1.25L)10}・・・(設計値1)
ここで、設計中心波長λは450nmであり、例えば、設計値「1H」は、Ta2O5膜を1*λ/4の光学膜厚で成膜して高屈折率層5を形成することを示し、「1L」は、SiO2膜を1*λ/4の光学膜厚で成膜して低屈折率層4を形成することを示し、「(1H、1L)10」はTa2O5膜を1*λ/4の光学膜厚で成膜した高屈折率層5と、SiO2膜を1*λ/4の光学膜厚で成膜した低屈折率層4とを重ね合わせたものを10回繰り返して形成することを示している。
次に、上述した光学素子1を製造するプラズマガン21を用いた成膜装置10について説明する。
成膜装置10は、図1に示すように、蒸着法によって基板2上に低屈折率層4や高屈折率層5を形成するものであり、真空槽11と、真空槽11内部の下方側で、真空槽11の中心位置から側壁側に偏った位置に配設される蒸発源13a,13bとを備えている。蒸発源13a,13bは、真空槽11の中心から上下方向に延びる軸線を中心とする同一円周上にそれぞれ位置しており、低屈折率層4や高屈折率層5に応じた2種類の成膜材料が充填されている。
すなわち、第1の蒸発源13aは、二酸化硅素からなる低屈折率層4を形成するSiO2が充填され、また、第2の蒸発源13bは、五酸化タンタルからなる高屈折率層4を形成するTa2O5が充填されている。
成膜装置10は、図1に示すように、蒸着法によって基板2上に低屈折率層4や高屈折率層5を形成するものであり、真空槽11と、真空槽11内部の下方側で、真空槽11の中心位置から側壁側に偏った位置に配設される蒸発源13a,13bとを備えている。蒸発源13a,13bは、真空槽11の中心から上下方向に延びる軸線を中心とする同一円周上にそれぞれ位置しており、低屈折率層4や高屈折率層5に応じた2種類の成膜材料が充填されている。
すなわち、第1の蒸発源13aは、二酸化硅素からなる低屈折率層4を形成するSiO2が充填され、また、第2の蒸発源13bは、五酸化タンタルからなる高屈折率層4を形成するTa2O5が充填されている。
真空槽11内部の上方側には、基板2が蒸発源13a,13bに対向するように、複数の基板2を取り付けるための球面ドーム(基板保持部材)14が設けられている。この球面ドーム14は、球面ドーム14の中心に備えられた回転軸が真空槽11の上部に配置した駆動モータ(図示略)に接続されており、この駆動モータの駆動力により、前記回転軸を中心として球面ドーム14を回転させることができるようになっている。
この球面ドーム14上には、その厚さ方向に貫通する複数の孔(図示略)が形成されており、複数の基板2はこれらの孔に面して球面ドーム14の蒸発源13a,13bとは反対側の面上に保持されている。
この球面ドーム14上には、その厚さ方向に貫通する複数の孔(図示略)が形成されており、複数の基板2はこれらの孔に面して球面ドーム14の蒸発源13a,13bとは反対側の面上に保持されている。
基板2と各蒸発源13a,13bとの間には、蒸発源13a,13bから放出された成膜材料が基板2に到達することを阻止するシャッター15a,15bが配設されている。
これらシャッター15a,15bは、板状となっており、真空槽11の下壁部に固定されたシャッター支持棒16a,16bにそれぞれ開閉可能に取り付けられている。そして、このシャッター支持棒16a,16bを回転軸として、シャッター15a,15bを紙面の上下方向に回転させることにより、蒸発源13a,13bの直上を覆う第1のシャッター位置と、蒸発源13a,13bを球面ドーム14に臨ませる第2のシャッター位置との間で移動できるようになっている。
したがって、シャッター15a,15bが、第2のシャッター位置に配されている状態では、基板2上に低屈折率層4や高屈折率層5の成膜が行われ、シャッター15a,15bが、第1のシャッター位置に配されている状態では、前述の成膜が行われないことになる。
これらシャッター15a,15bは、板状となっており、真空槽11の下壁部に固定されたシャッター支持棒16a,16bにそれぞれ開閉可能に取り付けられている。そして、このシャッター支持棒16a,16bを回転軸として、シャッター15a,15bを紙面の上下方向に回転させることにより、蒸発源13a,13bの直上を覆う第1のシャッター位置と、蒸発源13a,13bを球面ドーム14に臨ませる第2のシャッター位置との間で移動できるようになっている。
したがって、シャッター15a,15bが、第2のシャッター位置に配されている状態では、基板2上に低屈折率層4や高屈折率層5の成膜が行われ、シャッター15a,15bが、第1のシャッター位置に配されている状態では、前述の成膜が行われないことになる。
また、球面ドーム14と、蒸着源13a,13bとの間には、真空槽11の側壁部に固定された補正板17a,17bが配されている。この補正板17a,17bは、球面ドーム14に取り付けられた基板2に形成される低屈折率層4や高屈折率層5の膜厚を均一とするためのものである。
球面ドーム14の中心部には、モニターガラス18が設けられている。モニターガラス18の上方部に位置する真空槽11の外部には、モニターガラス18上に形成される成膜材料の膜厚の増加と共に変化する反射光量値を計測する光量計測器19及び光量計測器19に接続された膜厚制御システムコンピュータ20が設けられている。この膜厚制御システムコンピュータ20は、光量計測器19で計測された反射光量値と目標反射光量値とを用いて、所望の膜厚を積層するように膜厚制御を行うものである。
球面ドーム14の中心部には、モニターガラス18が設けられている。モニターガラス18の上方部に位置する真空槽11の外部には、モニターガラス18上に形成される成膜材料の膜厚の増加と共に変化する反射光量値を計測する光量計測器19及び光量計測器19に接続された膜厚制御システムコンピュータ20が設けられている。この膜厚制御システムコンピュータ20は、光量計測器19で計測された反射光量値と目標反射光量値とを用いて、所望の膜厚を積層するように膜厚制御を行うものである。
すなわち、シャッター15a,15bを第2のシャッター位置に配した状態においては、基板2やモニターガラス18上に成膜材料が到達して膜厚が増加する。そして、光量計測器19によって計測される反射光量値が目標反射光量値に達すると、シャッター15a,15bの移動操作信号が膜厚制御システムコンピュータ20から送信され、シャッター15a,15bを第2のシャッター位置から第1のシャッター位置に移動させる。これにより、基板2に形成される低屈折率層4や高屈折率層5の膜厚を制御することができるようになっている。
なお、目標反射光量値は、予め設計膜厚に応じて算出した値であり、膜厚制御システムコンピュータ20に記憶されている。
なお、目標反射光量値は、予め設計膜厚に応じて算出した値であり、膜厚制御システムコンピュータ20に記憶されている。
真空槽11の下壁部の中心位置には、真空槽11内部にプラズマを発生させるプラズマガン21が配されている。このプラズマガン21は、外部から供給されるArガス(プロセスガス)を熱電子によりプラズマ化し、O2プラズマの引き金となるArプラズマを真空槽11内に放出するものである。
また、プラズマの元となるO2ガス(プロセスガス)を導入する酸素ガス導入口22が、プラズマガン21上面の上方位置に配されている。このガス導入口22からは、外方から真空槽11内部にO2ガスを供給することができ、このO2ガスの供給量は、図示しない流量計により確認して適宜調整できるようになっている。そして、上記プラズマガン21に供給する印加電流と、ガス導入口22から供給する酸素ガス供給量とを調整することにより、低屈折率層4や高屈折率層5を構成する膜の内部応力や膜屈折率を調整することができるようになっている。
また、プラズマの元となるO2ガス(プロセスガス)を導入する酸素ガス導入口22が、プラズマガン21上面の上方位置に配されている。このガス導入口22からは、外方から真空槽11内部にO2ガスを供給することができ、このO2ガスの供給量は、図示しない流量計により確認して適宜調整できるようになっている。そして、上記プラズマガン21に供給する印加電流と、ガス導入口22から供給する酸素ガス供給量とを調整することにより、低屈折率層4や高屈折率層5を構成する膜の内部応力や膜屈折率を調整することができるようになっている。
次に、本実施形態の成膜装置10を用いた光学多層膜3の形成方法について説明する。
基板2の表面2aに設計値「1H」の高屈折率層5を形成する際には、まず、球面ドーム14に基板2を取り付け、真空槽11内を1.0×10−4Paまで減圧する。次いで、駆動モータ(図示略)により、球面ドーム14を回転させた状態で、ガス導入口22から、真空槽11内にO2ガスを、プラズマガン21にはArガスをそれぞれ導入し、真空槽11内の成膜真空度を0.06Pa以上0.15Pa未満となるように調節する。
基板2の表面2aに設計値「1H」の高屈折率層5を形成する際には、まず、球面ドーム14に基板2を取り付け、真空槽11内を1.0×10−4Paまで減圧する。次いで、駆動モータ(図示略)により、球面ドーム14を回転させた状態で、ガス導入口22から、真空槽11内にO2ガスを、プラズマガン21にはArガスをそれぞれ導入し、真空槽11内の成膜真空度を0.06Pa以上0.15Pa未満となるように調節する。
真空槽11内の成膜真空度を0.06Pa以上0.15Pa未満に調整した後、プラズマガン21に電力を供給し、真空槽11内にプラズマを生成する。詳しくは、プラズマガン21内に導入したArガスが熱電子によりArプラズマとなり、真空槽11内に放出される。プラズマガン21に供給される印加電流としては、特に制限はないが、真空槽11内のプラズマ発生量との関係から、5A以上30A未満とすることが好ましい。そして、真空槽11内に導入されたO2ガスはArプラズマと反応し、酸素プラズマを生成し、真空槽11内に高い密度のプラズマが発生する。これにより、蒸着源13a,13bから放出した蒸着物質は、このプラズマに衝突することにより、イオン化され高いエネルギーを持って、基板2に積層されるものである。この際、真空槽11内への導入ガス量による成膜真空度の制御、プラズマガン21に供給する印加電流の制御をそれぞれ行い、膜の微細構造を任意に調整し、薄膜の内部応力を調整することが可能となる。
ここで、あらかじめ、成膜真空度、O2ガスの導入量、プラズマガン21に供給する印加電流、高屈折率層5の膜の内部応力、及び膜の屈折率の好適な関係を求めておく。これらの関係を表1に示す。
表1から分かるように、成膜真空度が0.01Pa、及び印加電流が45Aの条件5に対して、条件1〜条件4は、内部応力が1/5以下となり好適である。
次に、真空槽11内にプラズマを生成した後、シャッター15aを第1のシャッター位置に配した状態で蒸着源13aに配置されたTa2O5材料に電子銃フィラメント(図示略)を用いて熱エネルギーを供給し、材料の予備加熱を行う。この予備加熱は、Ta2O5材料の温度が一定温度に安定するまで2分間行われる。そして、予備加熱終了後に球面ドーム14を所定の回転数で回転させた状態で、シャッター15bを第2のシャッター位置に移動させる。
この状態においては、蒸発源13aから基板2及びモニターガラス18に高屈折率層5を形成する成膜材料が到達する。そして、モニターガラス18上の反射光量値が、設計膜厚に応じて算出した所定の目標反射光量値に達した際には、膜厚制御システムコンピュータ20からの信号によりシャッター15aが第1のシャッター位置に移動し、基板2の表面2aにTa2O5からなる高屈折率層5が形成される。
この第1層の高屈折率層5の成膜後には、次に、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「1L」の低屈折率層4であるSiO2膜を形成する。
低屈折率層4を成膜する際の真空槽11内の成膜真空度としては、特に制限はないが、より精密に基板の反りを制御するためには、前記第1層の成膜真空度と同様に0.06Pa以上0.15Pa未満に調整されることが好ましい。本実施の形態における第2層の具体的な形成方法としては、第1層の高屈折率層5の成膜後に、再度、真空槽11内を1.0×10−4Paまで減圧する。次に、ガス導入口22から真空槽11内に、O2ガスを、プラズマガン21にはArガスをそれぞれ導入し、真空槽11内の成膜真空度を0.06Pa以上0.15Pa未満となるように調整する。その後、プラズマガン21に電力を供給し、真空槽11内にプラズマを生成する。
低屈折率層4を成膜する際の真空槽11内の成膜真空度としては、特に制限はないが、より精密に基板の反りを制御するためには、前記第1層の成膜真空度と同様に0.06Pa以上0.15Pa未満に調整されることが好ましい。本実施の形態における第2層の具体的な形成方法としては、第1層の高屈折率層5の成膜後に、再度、真空槽11内を1.0×10−4Paまで減圧する。次に、ガス導入口22から真空槽11内に、O2ガスを、プラズマガン21にはArガスをそれぞれ導入し、真空槽11内の成膜真空度を0.06Pa以上0.15Pa未満となるように調整する。その後、プラズマガン21に電力を供給し、真空槽11内にプラズマを生成する。
ここで、あらかじめ、成膜真空度、O2ガスの導入量、プラズマガン21の印加電流、低屈折率層4の膜の内部応力、及び膜の屈折率の好適な関係を求めておく。これらの関係を表1に示す。
表2から分かるように、成膜真空度が0.01Pa、印加電流45Aの条件6及びプラズマ印加を行っていない条件5に対して、条件1〜条件4は、内部応力が1/3以下となり好適である。
次に、真空槽11内にプラズマを生成した後、シャッター15bを第2のシャッター位置に配した状態で蒸着源13bに配置されたSiO2材料に電子銃フィラメント(図示略)を用いて熱エネルギーを供給し、材料の予備加熱を行う。この予備加熱は、SiO2材料の温度が一定温度に安定するまで1.5分間行われる。そして、予備加熱終了後に球面ドーム14を所定の回転数で回転させた状態で、シャッター15bを第2のシャッター位置に移動させる。
この状態においては、蒸発源13bから基板2及びモニターガラス18に低屈折率層4を形成する成膜材料が到達する。そして、モニターガラス18上の反射光量値が、設計膜厚に応じて算出した所定の目標反射光量値に達した際には、膜厚制御システムコンピュータ20からの信号によりシャッター15bが第1のシャッター位置に移動し、基板2の表面2aにSiO2からなる低屈折率層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、高屈折率層5及び低屈折率層4を交互に積層し、光学薄膜を第40層まで成膜する。
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、高屈折率層5及び低屈折率層4を交互に積層し、光学薄膜を第40層まで成膜する。
次に、本発明を以下の実施例によってさらに詳細に説明する。なお、以下に説明する各実施例において、上述した実施の形態に係る成膜装置10と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
図1に示す前記実施の形態と同様に、ガラス平板からなる基板2の表面2aに光学多層膜3を形成した。光学多層膜3の設計値としては、前記実施の形態における設計値1を用いた。基板2は、平面視略矩形の板状に形成されており、その寸法は、一辺30mm、厚さ0.2mmである。
光学多層膜3は、高屈折率層5の形成の条件としては、成膜真空度0.11Pa、O2ガスの導入量が70SCCM、プラズマガンの印加電流25A、及び膜の内部応力が+37MPaとなる表1中の条件3を使用した。また、低屈折率層4の形成条件としては、成膜真空度0.14Pa、O2ガスの導入量が105SCCM、プラズマガン21の印加電流15A、及び膜の内部応力が+17MPaとなる表2中の条件1を使用して、基板2の表面2aに低屈折率層4と高屈折率層5とを交互に20層ずつ、合計40層積層して実施例1の光学多層膜を得た。得られた高屈折率層5の光学膜厚は1*λ/4nmであり、低屈折率層4の光学膜厚は1*λ/4nmであった。
光学多層膜3は、高屈折率層5の形成の条件としては、成膜真空度0.11Pa、O2ガスの導入量が70SCCM、プラズマガンの印加電流25A、及び膜の内部応力が+37MPaとなる表1中の条件3を使用した。また、低屈折率層4の形成条件としては、成膜真空度0.14Pa、O2ガスの導入量が105SCCM、プラズマガン21の印加電流15A、及び膜の内部応力が+17MPaとなる表2中の条件1を使用して、基板2の表面2aに低屈折率層4と高屈折率層5とを交互に20層ずつ、合計40層積層して実施例1の光学多層膜を得た。得られた高屈折率層5の光学膜厚は1*λ/4nmであり、低屈折率層4の光学膜厚は1*λ/4nmであった。
高屈折率層5及び低屈折率層4の材料及び設計値としては、実施例1と同様の材料及び設計値を用いた。
実施例1と同様な基板2の表面2aに設計値「1H」の高屈折率層5を形成する際には、はじめに、球面ドーム14に基板2を取り付け、真空槽11内を1.0×10−4Paまで減圧し、次いで、駆動モータ(図示略)により、球面ドーム14を回転させた状態で、ガス導入口22から、真空槽11内にO2ガスを105SCCM、プラズマガン21にはArガスを10SCCMそれぞれ導入し、真空槽11内の成膜真空度を0.14Paとした。
実施例1と同様な基板2の表面2aに設計値「1H」の高屈折率層5を形成する際には、はじめに、球面ドーム14に基板2を取り付け、真空槽11内を1.0×10−4Paまで減圧し、次いで、駆動モータ(図示略)により、球面ドーム14を回転させた状態で、ガス導入口22から、真空槽11内にO2ガスを105SCCM、プラズマガン21にはArガスを10SCCMそれぞれ導入し、真空槽11内の成膜真空度を0.14Paとした。
真空槽11内の成膜真空度を0.14Paとした後、プラズマガン21に印加電流15Aの電力を供給し、真空槽11内にプラズマを生成した。
真空槽11内にプラズマを生成した後、上述した本実施の形態と同様なプロセスを経て、基板2の表面2aにTa2O5からなる光学膜厚1*λ/4nmの高屈折率層5を形成した。
真空槽11内にプラズマを生成した後、上述した本実施の形態と同様なプロセスを経て、基板2の表面2aにTa2O5からなる光学膜厚1*λ/4nmの高屈折率層5を形成した。
この第1層の高屈折率層5の成膜後には、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「1L」の低屈折率層4であるSiO2膜を形成した。
低屈折率層4を成膜する際には、再度、真空槽11内を1.0×10−4Paまで減圧し、実施例1の場合とは異なりプラズマガン21を使用せずに、成膜真空度0.001Pa及び膜の内部応力が+115MPaとなる表2中の条件5を使用して、上述した本実施の形態と同様なプロセスを経て、基板2上の第1層の表面にSiO2膜からなる光学膜厚1*λ/4nmの低屈折率層4を形成した。
これら第1層及び第2層の形成後に、順次同様なプロセスにより、前記設計値の膜厚通りに、高屈折率層5及び低屈折率層4を交互に積層し、第40層まで成膜して実施例2の光学多層膜を得た。
低屈折率層4を成膜する際には、再度、真空槽11内を1.0×10−4Paまで減圧し、実施例1の場合とは異なりプラズマガン21を使用せずに、成膜真空度0.001Pa及び膜の内部応力が+115MPaとなる表2中の条件5を使用して、上述した本実施の形態と同様なプロセスを経て、基板2上の第1層の表面にSiO2膜からなる光学膜厚1*λ/4nmの低屈折率層4を形成した。
これら第1層及び第2層の形成後に、順次同様なプロセスにより、前記設計値の膜厚通りに、高屈折率層5及び低屈折率層4を交互に積層し、第40層まで成膜して実施例2の光学多層膜を得た。
[比較例1]
比較例1の高屈折率層5及び低屈折率層4の材料及び設計値としては、実施例1と同様の材料及び設計値を用いた。
比較例1の高屈折率層5及び低屈折率層4の材料及び設計値としては、実施例1と同様の材料及び設計値を用いた。
実施例1と同様な基板2の表面2aに設計値「1H」の高屈折率層5を形成する際には、はじめに、球面ドーム14に基板2を取り付け、真空槽11内を1.0×10−4Paまで減圧し、次いで、駆動モータ(図示略)により、球面ドーム14を回転させた状態で、ガス導入口22から、真空槽11内にO2ガスを25SCCM、プラズマガン21にはArガスを10SCCMそれぞれ導入し、真空槽11内の成膜真空度を0.01Paとした。
真空槽11内の成膜真空度を0.01Paとした後、プラズマガン21に印加電流45Aの電力を供給し、真空槽11内にプラズマを生成した。
真空槽11内にプラズマを生成した後、上述した本実施の形態と同様なプロセスを経て、基板2の表面2aにTa2O5からなる光学膜厚1*λ/4nmの高屈折率層5を形成した。
真空槽11内にプラズマを生成した後、上述した本実施の形態と同様なプロセスを経て、基板2の表面2aにTa2O5からなる光学膜厚1*λ/4nmの高屈折率層5を形成した。
この第1層の高屈折率層5の成膜後に、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「1L」の低屈折率層4であるSiO2膜を形成した。
低屈折率層4を成膜する際には、再度、真空槽11内を1.0×10−4Paまで減圧し、次いで、駆動モータ(図示略)により、球面ドーム14を回転させた状態で、ガス導入口22から、O2ガスを25SCCM、プラズマガン21にはArガスを10SCCMそれぞれ導入し、真空槽11内の成膜真空度を0.01Paとした。
低屈折率層4を成膜する際には、再度、真空槽11内を1.0×10−4Paまで減圧し、次いで、駆動モータ(図示略)により、球面ドーム14を回転させた状態で、ガス導入口22から、O2ガスを25SCCM、プラズマガン21にはArガスを10SCCMそれぞれ導入し、真空槽11内の成膜真空度を0.01Paとした。
真空槽11内の成膜真空度を0.01Paとした後、プラズマガン21に印加電流45Aの電力を供給し、真空槽11内にプラズマを生成した。以下、上述した本実施の形態と同様なプロセスを経て、基板2上の第1層の表面にSiO2膜からなる光学膜厚1*λ/4nmの低屈折率層4を形成した。
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、各設計値の膜厚となるように、高屈折率層5及び低屈折率層4を交互に積層し、第40層まで成膜して比較例1の光学多層膜を得た。
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、各設計値の膜厚となるように、高屈折率層5及び低屈折率層4を交互に積層し、第40層まで成膜して比較例1の光学多層膜を得た。
[比較例2]
比較例2の光学多層膜3の材料としては、低屈折率層4がSiO2膜、高屈折率層5がTiO2膜とされる。また、比較例2の光学多層膜3の設計値としては、実施例1と同様な設計値を用いた。
実施例1と同様な基板2の表面2aに高屈折率層5の第1層として、TiO2膜を設計値「1H」を形成する際には、はじめに、球面ドーム14に基板2を取り付け、真空槽11内を1.0×10−3Paまで減圧し、次いで、駆動モータ(図示略)により、球面ドーム14を回転させた状態で、ガス導入口22から、真空槽11内にO2ガスを30SCCM導入し、真空槽11内の成膜真空度を0.02Paとした。
比較例2の光学多層膜3の材料としては、低屈折率層4がSiO2膜、高屈折率層5がTiO2膜とされる。また、比較例2の光学多層膜3の設計値としては、実施例1と同様な設計値を用いた。
実施例1と同様な基板2の表面2aに高屈折率層5の第1層として、TiO2膜を設計値「1H」を形成する際には、はじめに、球面ドーム14に基板2を取り付け、真空槽11内を1.0×10−3Paまで減圧し、次いで、駆動モータ(図示略)により、球面ドーム14を回転させた状態で、ガス導入口22から、真空槽11内にO2ガスを30SCCM導入し、真空槽11内の成膜真空度を0.02Paとした。
真空槽11内の成膜真空度を0.02Paとした後、プラズマガン21に印加電流15Aの電力を供給し、真空槽11内にプラズマを生成した。次いで、成膜真空度0.02Pa、O2ガスの導入量が30SCCM、膜の内部応力が+180MPa、及び膜の屈折率2.34となる表1中の条件6を使用して、本実施の形態と同様なプロセスを経て、基板2の表面2aにTiO2からなる光学膜厚1*λ/4nmの高屈折率層5を形成した。
この第1の高屈折率層5の成膜後に、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「1L」の低屈折率層4であるSiO2膜を形成した。
低屈折率層4を成膜する際には、プラズマガンを使用せずに、成膜真空度0.001Pa、及び膜の内部応力が+115MPaとなる表2中の条件5を使用して、上述した本実施形態と同様なプロセスを経て、基板2上の第1層の表面にSiO2膜からなる光学膜厚1*λ/4nmの低屈折率層4を形成した。
これら第1層及び第2層の形成後に、順次同様なプロセスにより、前記設計値の膜厚となるように、高屈折率層5及び低屈折率層4を交互に積層し、第40層まで成膜して比較例2の光学多層膜を得た。
低屈折率層4を成膜する際には、プラズマガンを使用せずに、成膜真空度0.001Pa、及び膜の内部応力が+115MPaとなる表2中の条件5を使用して、上述した本実施形態と同様なプロセスを経て、基板2上の第1層の表面にSiO2膜からなる光学膜厚1*λ/4nmの低屈折率層4を形成した。
これら第1層及び第2層の形成後に、順次同様なプロセスにより、前記設計値の膜厚となるように、高屈折率層5及び低屈折率層4を交互に積層し、第40層まで成膜して比較例2の光学多層膜を得た。
実施例1、実施例2、比較例1、及び比較例2について、各成膜条件にて得られた高屈折率層と低屈折率層との内部応力の比較結果を表3に示し、基板2の反り量、耐性試験後の波長シフト量の比較結果を表4に示す。また、実施例1の分光透過率のグラフを図3に示す。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。
まず、表3中の各条件の低屈折率層と高屈折率層との内部応力を見てみると、実施例1では、低屈折率層及び高屈折率層の内部応力が共に40MPa以下であり、基板2の反り量を抑えている。また、実施例2では、圧縮応力を持つ膜(高屈折率層)と引張り応力を持つ膜(低屈折率層)とを交互に積層することで、光学多層膜3の内部応力を相殺する方向に働き、基板2の反り量が小さくなっている。一方、比較例1では、低屈折率層及び高屈折率層の内部応力が共に200MPa以上の圧縮応力であるため、基板2に大きな反りが生じている。また、比較例2でも、低屈折率層及び高屈折率層の内部応力が100MPa以上の圧縮応力であるため、基板2に反りが生じている。
表4には、基板2や光学多層膜3を製品として使用した場合、問題の発生しない測定値には、○印を記載する。ここで、基板2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。また、耐性試験は、40層の光学多層膜3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(650nm)から、耐性試験後での透過率50%の波長の位置ズレ量を示した値である。内部応力の測定方法としては、片持ち梁法(Cantilever法)を用いて測定した。内部応力の測定手順を以下に示す。
長さ50mm、幅5mm、厚さ0.07mmの珪酸ガラス上に所定の膜材料を250nm成膜する。膜の付いた上記珪酸ガラスの反り量を、接触式粗さ測定器(「Dektak3」Veco社製)にて計測し、反り量の計測結果より、以下の計算式を用いて膜の内部応力を算出する。
長さ50mm、幅5mm、厚さ0.07mmの珪酸ガラス上に所定の膜材料を250nm成膜する。膜の付いた上記珪酸ガラスの反り量を、接触式粗さ測定器(「Dektak3」Veco社製)にて計測し、反り量の計測結果より、以下の計算式を用いて膜の内部応力を算出する。
E;基板のヤング率、b;基板の厚さ、δ;反り量、ν;基板のポアソン比、d;膜厚、L;基板の長さである。
また、表4に示すように、基板2の反り量について、実施例1,2はそれぞれ10μm,33μmとなっており、その大きさは、基板2や光学多層膜3を通過する光線の光軸のズレが生じない程度に小さくなっている。一方、比較例1、比較例2の基板2の反り量は、145μm、70μmとなっており、基板2や光学多層膜3を通過する光線の光軸のズレが大きく、製品上問題となるレベルとなっている。
さらに、耐性試験後の波長シフト量について、実施例1,実施例2では、波長シフト量が2nm以下であり、イオンアシスト蒸着法と同等な耐環境性を示している。これらにより、実施例1及び実施例2では、製品として使用した場合、基板2の反り量と耐性試験後の波長シフトとの両方に関して、問題の発生しない数値となっている。
さらに、耐性試験後の波長シフト量について、実施例1,実施例2では、波長シフト量が2nm以下であり、イオンアシスト蒸着法と同等な耐環境性を示している。これらにより、実施例1及び実施例2では、製品として使用した場合、基板2の反り量と耐性試験後の波長シフトとの両方に関して、問題の発生しない数値となっている。
一方、イオンアシスト蒸着法を使用していない比較例2では、波長シフト量が、5nm以上であり、耐環境性が劣っている。
上記のように、本実施形態の光学多層膜3の形成方法によれば、厚さの薄い基板2の表面2aに光学多層膜3を形成する場合、少なくとも高屈折率層5を形成する際に、プロセスガスの導入量を制御しつつ、プラズマガン21からプラズマを発生させながら光学多層膜3を形成し、各層の内部応力を制御することにより、基板2の反りを防止することが可能となる。さらに、光学多層膜3の光学特性を長期間安定させ、また、基板2の表面2aだけの成膜のため、生産コストの低減を図ることができる。
さらに、本発明に係る光学素子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ため、光学素子1の薄型化や小型化を図ることができる。
上記のように、本実施形態の光学多層膜3の形成方法によれば、厚さの薄い基板2の表面2aに光学多層膜3を形成する場合、少なくとも高屈折率層5を形成する際に、プロセスガスの導入量を制御しつつ、プラズマガン21からプラズマを発生させながら光学多層膜3を形成し、各層の内部応力を制御することにより、基板2の反りを防止することが可能となる。さらに、光学多層膜3の光学特性を長期間安定させ、また、基板2の表面2aだけの成膜のため、生産コストの低減を図ることができる。
さらに、本発明に係る光学素子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ため、光学素子1の薄型化や小型化を図ることができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、上記光学多層膜の微細構造中の極わずかな隙間は、水分子の大きさ以下となるようにしてあるため、光学多層膜中への水分の吸着による耐環境性の低下を防止している。
また、上記光学多層膜の形成方法を用いることにより、基板の厚さが薄く、高性能な分光特性及び品質を有する波長カットフィルターやダイクロイックフィルター等を備えたレンズ等の光学素子を得ることができる。
なお、上記光学多層膜の微細構造中の極わずかな隙間は、水分子の大きさ以下となるようにしてあるため、光学多層膜中への水分の吸着による耐環境性の低下を防止している。
また、上記光学多層膜の形成方法を用いることにより、基板の厚さが薄く、高性能な分光特性及び品質を有する波長カットフィルターやダイクロイックフィルター等を備えたレンズ等の光学素子を得ることができる。
2 基板
2a 基板の表面
3 光学多層膜
4 低屈折率層
5 高屈折率層
11 真空槽
13a,13b 蒸着源
14 球面ドーム(基板保持部材)
2a 基板の表面
3 光学多層膜
4 低屈折率層
5 高屈折率層
11 真空槽
13a,13b 蒸着源
14 球面ドーム(基板保持部材)
Claims (4)
- 真空槽内に基板保持部材が配設され、該基板保持部材に取り付けられた基板上に、屈折率の異なる低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層する光学多層膜の形成方法において、
少なくとも前記高屈折率層を形成する際に、
前記真空槽内にプロセスガスを導入し、前記真空槽内の成膜真空度を0.06Pa以上0.15Pa未満になるようにプロセスガスの導入量を制御する工程と、
前記基板に対向して設けられたプラズマガンよりプラズマを発生させる工程とを備えることを特徴とする光学多層膜の形成方法。 - 前記低屈折率層及び前記高屈折率層を形成する際の前記真空槽内の成膜真空度を0.06Pa以上0.15Pa未満になるようにプロセスガスの導入量を制御することを特徴とする請求項1に記載の光学多層膜の形成方法。
- 前記プラズマガンからプラズマを発生させる際の印加電流が5A以上30A未満であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光学多層膜の形成方法。
- 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の光学多層膜の形成方法により、前記基板の表面に前記光学多層膜が形成されてなることを特徴とする光学素子。
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WO2019044779A1 (ja) * | 2017-09-01 | 2019-03-07 | Agc株式会社 | 膜付きガラス基板の製造方法、膜付きガラス基板、および膜の除去方法 |
-
2004
- 2004-12-24 JP JP2004373204A patent/JP2006176854A/ja not_active Withdrawn
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CN110997590A (zh) * | 2017-09-01 | 2020-04-10 | Agc株式会社 | 带有膜的玻璃基板的制造方法、带有膜的玻璃基板和膜的除去方法 |
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