JP2006176854A - 光学多層膜の形成方法及び光学素子 - Google Patents

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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ＳｉＯ_２（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Ｔａ_２Ｏ_５（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、Ｔａ_２Ｏ_５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、ＳｉＯ_２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Ｔａ_２Ｏ_５膜を１＊λ／４の光学膜厚で成膜した高屈折率層５と、ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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Ｔａ_２Ｏ_５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。

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。

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。

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。

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、Ｏ_２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Ｏ_２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Ｏ_２ガスを供給することができ、このＯ_２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Ｏ_２ガスを、プラズマガン２１にはＡ_ｒ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Ｏ_２ガスはＡ_ｒ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、Ｏ_２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Ｔａ_２Ｏ_５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、Ｔａ_２Ｏ_５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Ｔａ_２Ｏ_５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ＳｉＯ_２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、Ｏ_２ガスを、プラズマガン２１にはＡ_ｒ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、Ｏ_２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ＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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。

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、Ｏ_２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、Ｏ_２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Ｏ_２ガスを１０５ＳＣＣＭ、プラズマガン２１にはＡ_ｒ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Ｔａ_２Ｏ_５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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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。

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Ｏ_２ガスを２５ＳＣＣＭ、プラズマガン２１にはＡ_ｒ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Ｔａ_２Ｏ_５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ＳｉＯ_２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、Ｏ_２ガスを２５ＳＣＣＭ、プラズマガン２１にはＡ_ｒ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ＳｉＯ_２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。

［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ＳｉＯ_２膜、高屈折率層５がＴｉＯ_２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、ＴｉＯ_２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Ｏ_２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、Ｏ_２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ＴｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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。

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。

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。

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。

本発明による一実施形態に係る光学素子の構成を示す図である。 本発明による一実施形態の成膜装置を示す断面図である。 この発明の第一実施形態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

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）

Claims (4)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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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