JP2007010743A

JP2007010743A - 光フィルタの製造方法

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Publication number: JP2007010743A
Application number: JP2005188108A
Authority: JP
Inventors: Takehisa Asami; 剛尚浅見; Hideo Oura; 秀男大浦
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2007-01-18

Abstract

【課題】二酸化チタン膜と例えば酸化シリコン膜とを交互に積層した積層構造に真空中にて所定の熱処理を施すことにより、経時的に光学特性を安定化させることが可能な光フィルタの製造方法を提供する。
【解決手段】透明な基板３４上に、屈折率が高い高屈折率誘電体膜３４Ａと、該高屈折率誘電体膜よりも屈折率が低い低屈折率誘電体膜３４Ｂとを交互に積層してなる光学系デバイス２に用いる光フィルタ１８の製造方法において、前記高屈折率誘電体膜の一部、または全部が二酸化チタン（ＴｉＯ_２）よりなり、且つ前記高屈折率誘電体膜を非晶質の状態で成膜し、その後に、前記高屈折率誘電体膜がアナターゼ結晶構造に相変化しないように真空中にて所定の熱処理を施す。これにより、経時的に光学特性を安定化させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、特にビデオプロジェクタ、リアプロジェクション・テレビなどの大画面ディスプレイに多く使用される光学系デバイスに用いられる光フィルタの製造方法に関するものである。

一般に、大画面で映像を表示する装置として、液晶を用いたビデオプロジェクタ、リアプロジェクション・テレビ等の大画面ディスプレイが知られており、この種の大画面ディスプレイには、映像用の強い光を作成するための光学系デバイスが用いられている。そして、この光学系デバイスの光源としては、明るさを改善する目的で、低消費電力で高輝度が得られる放電形式のメタルハライドランプが用いられる傾向にあり、より高輝度化が追及されている。

ところで、このメタルハライドランプより出力される光には、かなり多くの紫外線や赤外線が含まれており、これらの紫外線や赤外線が光学系デバイスを構成する光学部品にダメージを与え、この大画面ディスプレイの信頼性を損なう恐れがある。そのため、このメタルハライドランプを光源として用いた場合には、このランプに対する耐久性及び信頼性を高めるために、画像表示に不必要な上記紫外線や赤外線をカットして表示に必要なＲＧＢ（赤緑青）の各色の光を通すためのバンドパスフィルタのような光フィルタが併せて設けられている。

この光フィルタは、透明な基板上に、高屈折率の誘電体膜と低屈折率の誘電体膜を交互に積層して形成されている。この時、上記２種の誘電体膜の屈折率差を大きくするほど、一般的には、少ない層数で所望の特性を実現できる。そして、屈折率ｎが２以上の高屈折率誘電体膜の材料としては酸化チタン（ｎ＝約２．４）、酸化ニオブ（ｎ＝約２．３）、酸化ジルコニウム（ｎ＝約２．２）、酸化タンタル（ｎ＝約２．１）などが良く知られている。また低屈折率誘電体膜の材料としては酸化シリコン（ｎ＝１．４６）、フッ化マグネシウム（ｎ＝１．３８）などが良く知られている。また空気と接する反射防止最表面膜には従来はフッ化マグネシウムが使われていたが、最近は応力に対する耐久性や安定性から酸化シリコンが多く用いられる。これらの各膜の成膜方法としては電子ビーム真空蒸着法、スパッタ法など真空成膜法が一般的であり、いずれにしても、透明な基板上に比較的低温で多層成膜される。この膜の形成方法は必要特性、生産性などを考慮して適宜選択される。

ここで上記した高屈折率誘電体材料の中で、酸化チタンは屈折率が最も高く、所望の膜設計ができることに加え、価格の面でも最も入手し易いことから広く用いられている。しかし、酸化チタン薄膜は一般的に次のような問題点がある。即ち、酸化チタンは周知のようにＴｉの価数が２価から４価の間で多く存在するために、真空度、酸素分圧、基板温度などの薄膜形成条件の変動により、化学量論組成であるＴｉＯ_２から僅かなずれが発生し、これに起因して光学多層膜に関して設計通りの光学特性が得られないことがある。加えて経時的に屈折率ｎや消衰係数ｋが変化し、波長シフトや光吸収の増加という問題が生じる場合がある。
これらの問題解決のために、特許文献１では酸化シリコン（通常アモルファス）に加えて酸化チタン（二酸化チタン）をアモルファス（非晶質）相とすることで、誘電体多層膜の成膜後の経時変化を無くし、安定で高精度の性能を得るようにした点が開示されている。更には特許文献２には酸化チタンを主成分として他の金属酸化物ＭＯ（Ｍはニオブ、タンタルなどの金属）を添加して非晶質とすることにより、経時的な光学特性の変化が少ない高屈折率誘電体膜を有する光フィルタを得ることが開示されている。

特開昭６３−１４４３０６号公報特開２００２−２７７６３０号公報

ところで、前述のような光フィルタは、高性能化のために更なる多層化が要求され且つ前記メタルハライドランプの高光量に対してその耐久性の向上及び信頼性の向上が要求されている。この光フィルタの多層膜は、上述のように高屈折率の誘電体膜（酸化チタン）と低屈折率の誘電体膜（酸化シリコン）を主体としてこれらを交互に積層して所望の特性の多層膜を形成している。しかしながら、メタルハライドランプの長時間に亘る照射（暴露）により、ある波長の光を吸収し、それが熱に変換されて熱応力により画面上にムラを発生する場合があり、中には応力により薄膜が破断してしまう場合もあった。特に、１０万時間以上の長期信頼性において、このような問題が解決されていないことは産業上極めて重大な問題である。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、二酸化チタン膜と例えば酸化シリコン膜とを交互に積層した積層構造に真空中にて所定の熱処理を施すことにより、経時的に光学特性を安定化させることが可能な光フィルタの製造方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、透明な基板上に、屈折率が高い高屈折率誘電体膜と、該高屈折率誘電体膜よりも屈折率が低い低屈折率誘電体膜とを交互に積層してなる光学系デバイスに用いる光フィルタの製造方法において、前記高屈折率誘電体膜の一部、または全部が二酸化チタン（ＴｉＯ_２）よりなり、且つ前記高屈折率誘電体膜を非晶質の状態で成膜する成膜工程と、この成膜工程の後に、前記高屈折率誘電体膜がアナターゼ結晶構造に相変化しないように、前記高屈折率誘電体膜に真空中にて所定の熱処理を施す熱処理工程と、を有することを特徴とする光フィルタの製造方法である。

本発明に係る光フィルタの製造方法によれば、透明な基板上に高屈折率誘電体膜と低屈折率誘電体膜とを交互に積層してなる光フィルタの製造方法において、高屈折率誘電体膜の材料に二酸化チタンを用いて、これがアナターゼ結晶構造（ルチル結晶構造）に変化しないように真空中で所定の熱処理を施すようにしたので、経時的に光学特性を安定化させて長寿命化させることができる。

以下に、本発明に係る光フィルタの一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る光フィルタを用いた光学系デバイスの一例を示す構成図、図２は光フィルタの断面を示す部分拡大断面図である。
図１はビデオプロジェクタに用いる光学系デバイスの一例を示しており、複数の例えば反射型液晶素子で映像信号に応じて光変調させ、この光変調された色光を合成してスクリーン等に投射することによりカラー映像を表示するようになっている。そして、この種のビデオプロジェクタにあっては、光源からの光を上記反射型液晶素子に入射させて光変調された色光を合成するために複数の偏光ビームスプリッタを組み合わせてなる光学系デバイス２を有している。

この光学系デバイス２は、白色光Ｌを出射する例えばメタルハライドランプ等よりなる光源４と、入射光を映像信号に応じて変調することにより反射光として射出する反射型液晶素子を主として有する液晶ユニット６Ｒ、６Ｇ、６Ｂと、上記入射光と反射光とを分離するための分離用光学素子としての偏光ビームスプリッタ８−１、８−２、８−３を主として有する光束分離ユニット１０と、上記変調された反射光をスクリーン１２上へ投射して表示する投射光学系１４とにより主に構成されている。
ここでは、カラー表示を行う装置例を示しているため、上記３つの液晶ユニット６Ｒ、６Ｇ、６Ｂは、それぞれ光の３原色である赤色光、緑色光、青色光に対応しており、また、上記光束分離ユニット１０の最終段には、上記３色光を合成するための色合成用偏光ビームスプリッタ１６が設けられている。そして、光源４からの光路の直ぐ下流側に本発明に係る光フィルタ１８が設けられており、白色光に含まれる紫外線や赤外線をカットするようになっている。この光フィルタ１８の構成については後述する。

まず、光源４から出射された白色光Ｌは、上記光フィルタ１８によって紫外線や赤外線がカットされてＲＧＢ光が通過し、インテグレータ光学系２０で均一化されて平行光にされると共に、例えばＳ偏光光に変換され出射される。この出射された光は、特定の波長域の光のみを透過して他の波長域の光は反射するダイクロイックミラー２２へ入射する。このダイクロイックミラー２２では、Ｇ、Ｂ光が透過してＲ光が反射される。ここで反射されたＲ光は、偏光ビームスプリッタ８−１にて赤色用の液晶ユニット６Ｒに向けて反射されて、ここで映像信号に基づいて変調を受けることになる。上記液晶ユニット６Ｒにて反射された変調光は、上記偏光ビームスプリッタ８−１を透過して色合成用ダイクロイックミラー１６に入射する。

一方上記ダイクロイックミラー２２を透過したＧ、Ｂ光は、全反射ミラー２８で反射された後に、ダイクロイックミラー３０に入射する。このダイクロイックミラー３０は、Ｇ光を反射し、Ｂ光を透過するようになっている。ここで反射されたＧ光は、偏光ビームスプリッタ８−２にて緑色用の液晶ユニット６Ｇに向けて反射されて、ここで映像信号に基づいて変調を受けることになる。上記液晶ユニット６Ｇにて反射された変調光は、上記偏光ビームスプリッタ８−２を透過して色合成用ダイクロイックミラー１６に入射する。
またダイクロイックミラー３０を透過したＢ光は、偏光ビームスプリッタ８−３にて青色用の液晶ユニット６Ｂに向けて反射されて、ここで映像信号に基づいて変調を受けることになる。上記液晶ユニット６Ｂにて反射された変調光は、上記偏光ビームスプリッタ８−３を透過して色合成用ダイクロイックミラー１６に入射する。
そして、上記色合成用ダイクロイックミラー１６に入射した各Ｒ、Ｇ、Ｂ光はここで合成されて、投射光学系１４によりリスクリーン１２上に投写されて映像が写されることになる。

さて、このように形成された光学系デバイス２の各構成部品を白色光に含まれる赤外線や紫外線から保護するために、上記光フィルタ１８において上記赤外線や紫外線をカットするようにしている。
具体的には、図２にも示すように、上記光フィルタ１８は、透明な基板３４の光の入射面側に、屈折率の高い高屈折率誘電体膜３４Ａと、これよりも屈折率の低い低屈折率誘電体膜３４Ｂとを交互に複数回繰り返して積層してなるバンドパス多層構造３６により構成されている。またこの基板３４の光の出射面側には、反射防止用多層構造３８が形成されている。
ここで上記基板３４としては、例えばガラス基板を用いることができる。また、上記高屈折率誘電体膜３４Ａとしては、一部または全部に二酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いることができる。また上記低屈折率誘電体膜３４Ｂとしては、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を用いることができる。ここでは両膜３４Ａ、３４Ｂ全体で例えば２８層の薄膜が形成されている。

上述のように、バンドパス多層構造３６は、周知のように屈折率の大きい膜と小さい膜とを交互に複数層重ね合わせて希望波長域の光を反射、または透過させるようになっており、ここでは紫外線や赤外線はカット（反射）して、Ｒ、Ｇ、Ｂ光（可視光）を透過し得るように設計されている。また、高屈折率誘電体膜３４Ａと低屈折率誘電体膜３４Ｂの内のどちらの膜を最初に基板３４に形成するようにしてもよい。
ここで本発明の特徴として、二酸化チタンよりなる上記高屈折率誘電体膜３４Ａを、成膜時に非晶質の状態で成膜し、その後、アナターゼ結晶構造（ルチル結晶構造）に相変化しないように真空中にて所定の熱処理を施すようにしており、非晶質状態を長期間に亘って維持できるようになっている。

一方、上記反射防止用多層構造３８は、上述のバンドパス多層構造３６の材料と同じ材料の例えばＳｉＯ_２膜４０ＡとＴｉＯ_２膜４０Ｂとを交互に繰り返して複数積層して、全体で例えば９層の積層構造となっている。尚、この反射防止多層構造３８に代えて、上記入射側とは別の特性を有するバンドパス多層構造を形成するようにしてもよい。
上記高屈折率誘電体膜３４Ａ及び低屈折率誘電体膜３４Ｂの成膜は、例えば通常の電子ビーム真空蒸着法を用い、蒸着材料を交互に加熱蒸着して、回転ドーム上に具備されたガラス基板よりなる基板３４上に交互に形成する。高屈折率誘電体膜３４Ａである上記二酸化チタン膜の形成時は背景とする酸素ガスを導入した雰囲気中で基本的に非晶質（アモルファス）相の二酸化チタン膜を形成し、低屈折率誘電体膜３４Ｂである上記二酸化シリコン膜の形成時には、背景とするガスは導入せず非晶質相（周知のように真空成膜では結晶相は作れない）の二酸化シリコン膜を形成することで、主として非晶質のＴｉＯ_２と非晶質のＳｉＯ_２の交互積層よりなる誘電体多層膜（バンドパス多層構造３６）を形成する。

また、より緻密な膜質にするイオンアシスト蒸着（ＩＡＤ）の場合は、上記背景のガス雰囲気中に不活性ガスと酸素混合ガス（不活性ガスのみでも可能）のイオンと電気的中和のための電子ビーム（ニュートラライザ）を上記回転ドームに照射しながら成膜形成する。尚、上記反射防止用多層構造３８も同様の蒸着工程を経て形成する。ここで用いたバンドパス多層構造３６のＸ線回折パターン（ＸＲＤ）を図３に示す。図中、Ｇｌａｓｓはガラス基板を示し、ガラス基板にバンドパス多層構造（誘電体多層膜）を形成した試料の典型的なＸ線回折パターンをａｍｏｒｐｈｏｕｓとして示す。尚、図３において横軸は測定角度を示し、縦軸は測定強度を示す。この結果、明らかにバンドパス多層構造は堆積した状態で非晶質相が主体の構造であることが判る。
従来の光フィルタでは、略非晶質相のＴｉＯ_２状態の薄膜を蒸着させたままの光フィルタを前述のように光フィルタとして使用していた。

しかしながら、このようにして作成した光フィルタは、約２００倍の加速条件で信頼性試験を行った結果、４００時間（実使用時間で約８万時間に対応）以上経過すると、Ｐ波透過率に吸収バンドが顕著になる場合があり、更に６００時間（実使用時間で約１２万時間に対応）以上経過すると画像にムラが観測され、製品保証時間にもよるが画像表示に関して問題を生じる恐れがあった。更に加速試験を８００時間以上行った結果、明らかな焼けが観察された。その結果を図４に示す。図４は光フィルタに対して信頼性試験を行った時の透過率の変化を示すグラフであり、この結果、４００〜７００ｎｍの可視光の範囲で、加速試験後には初期値に対して大きな劣化が生じているのが判明する。この原因を究明した結果、誘電体多層膜中の実質的に非晶質相であるＴｉＯ_２膜が劣化して上記特性劣化が生じていたことが判明した。

この場合、高屈折率誘電体膜としてＴｉＯ_２に比べて屈折率が少し低い酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）膜を用いたが、この場合には、特性の劣化は見られなかったが、膜総数の増加をさせなければならないばかりか、コスト面からも問題となり、好ましくなかった。
図５は、上記信頼性試験により劣化した誘電体多層膜のＸ線回折パターンを示す。
図中、アナターゼ結晶構造の結晶面指数（ｈｋｌ）も示すが、ＴｉＯ_２結晶化膜はアナターゼ単相の微結晶構造であることは明らかである。ここで、結晶面指数（ｈｋｌ）はミラー指数と呼ばれ、結晶格子面が任意の直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ軸）を横切る座標の逆数の最小公倍数である。
初期値を示す図３の場合と比較して明らかに結晶化（突起部分）が起きており、これにより光の吸収及び光の吸収による温度上昇が起きていることが判った。

次に、本発明のアナターゼ結晶構造への結晶化防止処理（熱処理）を施した場合について説明する。この熱処理は、具体的には真空中（〜数ｍｍＴｏｒｒ）の雰囲気にて２００℃で２時間の熱処理を施した。誘電体多層膜（バンドパス多層構造）のＸ線回折パターンを図６中の特性曲線ａとして示す。図６は、アナターゼ結晶構造への結晶化防止処理（真空中での熱処理）を行った光フィルタのバンドパス多層構造の負荷前と負荷後の特性の変化を示すグラフである。
この結晶化防止処理を施した光フィルタのバンドパス多層構造（誘電体多層膜）に、大気雰囲気中において３００℃で２時間晒す負荷をかけた。この時の誘電体多層膜のＸ線回折パターンを特性曲線ｂとして示す。ここで３００℃で２時間、大気雰囲気中で晒す理由は以下の通りである。

上述したように加速試験により劣化したＴｉＯ_２膜はアナターゼ結晶構造に変化していたが、誘電体多層膜を大気中で熱処理しても同様にアナターゼ結晶構造への相変化が起きていることを確認できたからであり、加速試験に代えて、この大気雰囲気中での高温処理を行っている。
図６に示すように、真空中で２００℃の２時間保持の熱処理を施した本発明の光フィルタの誘電体多層膜（バンドパス多層構造）については、大気中の高温熱処理の負荷後でも、アナターゼへの結晶化がほとんど生じていないことが判明した。更に大気中での熱処理負荷を継続して行っても図６の特性曲線ｂと同様であり、結晶化は起きていないことが判った。また、本実施例では、熱処理温度を２００℃としたが、これに限定されるものではなく、種々の熱処理温度について検討した結果、熱処理温度が１８０〜３５０℃の範囲内であれば、上述したと同様な効果が得られることを確認できた。

次に、上記真空中での結晶化防止処理の時間について検討した。ここでは結晶化処理の時間を１０分、２０分、４０分、６０分のように変化させて、結晶化防止処理後に、前述のように大気雰囲気中において３００℃で２時間の熱処理負荷を施し、結晶化が生ずるか否かを検討した。その結果を図７に示す。図７は光フィルタに対する真空中での結晶化防止処理の処理時間の依存性を示すグラフである。
その結果、結晶化防止処理時間が１０分の場合は明らかにアナターゼ相へ変化しているが、２０分、４０分へと処理時間が増加すると共にそのピークが小さくなっており、４０分以上の場合にはアナターゼ相への相変化がみられなかった。従って、結晶化防止処理時間は、２０分以上行うのが好ましく、より好ましくは４０分以上行うのがよいことが判った。また、ＳｉＯ_２膜はこれらの条件での処理では非晶質構造を保持したままであることは周知のとおりである。

このように非結晶のＴｉＯ_２膜の誘電体多層膜を作成して真空中で結晶化防止処理をし、上記加速条件の信頼性試験を行った結果、従来の光フィルタの一部で観測された吸収バンドの劣化は１０００時間以上の試験においても全く発生せず、安定な特性となることを確認した。また、反射防止用多層構造も同じ過程を施すことで熱により結晶化しないＴｉＯ_２膜となり、安定化させることができる。
非晶質を主体とした薄膜の成膜後に真空中で結晶化防止処理を行うことは、以下の点からもメリットがある。すなわち、非晶質主体の緻密な膜構造で、当初より結晶膜ＴｉＯ_２を形成したものに比べ、より緻密な構造が得られ、水分に起因するピークシフトが少ない。また、上記真空処理を蒸着工程に引き続きチャンバー内で行うことで、工程を容易にでき、コスト的及びエネルギー面で優位となる。

本発明によれば、分光特性の経時変化が無く、特に吸収バンドの劣化が無い安定な二酸化チタン及び酸化シリコンを主体に使った誘電体多層膜（バンドパス多層構造）を実現することができ、信頼性が高く且つ長寿命のプロジェクタなどの高輝度光源を使用する光学系デバイスを実現することができる。

本発明に係る光フィルタを用いた光学系デバイスの一例を示す構成図である。光フィルタの断面を示す部分拡大断面図である。バンドパス多層構造のＸ線回折パターン（ＸＲＤ）を示すグラフである。光フィルタに対して信頼性試験を行った時の透過率の変化を示すグラフである。信頼性試験により劣化した誘電体多層膜のＸ線回折パターンを示すグラフである。アナターゼ結晶構造への結晶化防止処理（真空中での熱処理）を行った光フィルタのバンドパス多層構造の負荷前と負荷後の特性の変化を示すグラフである。光フィルタに対する真空中での結晶化防止処理の処理時間の依存性を示すグラフである。

符号の説明

２…光学系デバイス、４…光源、６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ…液晶ユニット、８−１，８−２，８−３…偏光ビームスプリッタ、１０…光束分離ユニット、１２…スクリーン、１８…光フィルタ、３４…基板、３４Ａ…高屈折率誘電体膜、３４Ｂ…低屈折率誘電体膜、３６…バンドパス多層構造。

Claims

透明な基板上に、屈折率が高い高屈折率誘電体膜と、該高屈折率誘電体膜よりも屈折率が低い低屈折率誘電体膜とを交互に積層してなる光学系デバイスに用いる光フィルタの製造方法において、
前記高屈折率誘電体膜の一部、または全部が二酸化チタン（ＴｉＯ_２）よりなり、且つ前記高屈折率誘電体膜を非晶質の状態で成膜する成膜工程と、この成膜工程の後に、前記高屈折率誘電体膜がアナターゼ結晶構造に相変化しないように、前記高屈折率誘電体膜に真空中にて所定の熱処理を施す熱処理工程と、を有することを特徴とする光フィルタの製造方法。