JP2007094040A - フレーム治具及びそれを用いた光学薄膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板上に形成される光学薄膜の内部応力による基板の反りの発生を防ぐと共に、膜剥がれの発生等を防止した光学薄膜を形成することができるフレーム治具、及びそれを用いた光学薄膜の形成方法を提供する。
【解決手段】
ガラス基板２と、断面がコの字形を有する棒状のステンレスからなり、断面の上面１０ｂが凹にそり幅α反ったフレーム治具１０を、オーブン１１に投入して加熱する加熱工程と、フレーム治具１０のコの字形の溝部（溝１０ａ）にガラス基板２の外周部を保持する保持工程と、フレーム治具１０に外周部が保持されたガラス基板２を冷却する冷却工程と、ガラス基板２の成膜面２ａに真空蒸着法を用いて高屈折率材料層と低屈折率材料層とを交互に成膜して誘電体多層膜３を形成する成膜工程とから、ガラス基板２上に光学薄膜を形成する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、真空蒸着法等を用いて基板上に反射防止膜やＩＲカット膜等の光学薄膜を形成する際に用いられるフレーム治具、及びそれを用いた光学薄膜の形成方法に関する。

従来より、基板上に光学薄膜を形成する光学物品として、例えば、ガラス基板上に高屈折率材料層と、低屈折率材料層を交互に多数層形成して所定のフィルタ特性を有する光学多層膜フィルタが知られている。こうした光学多層膜フィルタは、ガラス基板上に形成される光学薄膜の内部応力によりガラス基板が反る等により、フィルタ特性の歪み、あるいはガラス基板上に形成された膜の剥がれ等が発生する。
通常、光学多層膜フィルタは、ガラス基板上にスパッタリング法や真空蒸着法等により成膜される。成膜される多層膜には、膜が縮まろうとする方向の引張応力と、膜が広がろうとする圧縮応力との膜応力が発生し、ガラス基板に反りが発生する。ガラス基板は、膜応力（内部応力）が引張応力の場合には、成膜された面が凹となり、圧縮応力の場合には凸となる。

こうした反りの発生を防止するために、基板の一側に蒸着された内部応力を有する第１蒸着膜と、第１蒸着膜の反対側に蒸着され第１蒸着膜の有する内部応力と釣合った内部応力を有する第２蒸着膜から成る両面蒸着積層物が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、基板上に屈折率が異なる少なくとも二種類の膜が交互に積層され、隣接する膜の内部応力が互いに相殺する方向に生じる膜材料を用いて形成された光学薄膜が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開昭５８−２１７９０１号公報 特開２００３−２７７９１１号公報

しかしながら、特許文献１に記載される蒸着積層物は、基板の両面の蒸着膜で各面の反りを相殺しているため、蒸着積層物の内部応力を緩和する効果を得るためには、基板の両面に成膜する必要があり、作業効率に課題がある。また、特許文献２に記載の光学薄膜は、圧縮応力を内部応力とする薄膜と、引張応力を内部応力とする薄膜を交互に積層された多層膜により、多層膜全体の内部応力が緩和され、基板を歪ませることは少ないが、基板とこれに接する第１層の薄膜との間で膜剥がれが発生し易い懸念がある。

そこで本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、基板上に形成される光学薄膜の内部応力による基板の反りの発生を防ぐと共に、膜剥がれの発生等を防止した光学薄膜を形成することができるフレーム治具、及びそれを用いた光学薄膜の形成方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のフレーム治具は、真空蒸着法またはスパッタリング法を用いて基板上に光学薄膜を形成する際に用いるフレーム治具であって、前記フレーム治具は、断面がコの字形を有する棒状の材料からなり前記コの字形の断面の上下方向に凸または凹に反った形状を有し、前記基板上に前記光学薄膜を形成する前に、前記フレーム治具のコの字形の溝部に前記基板の外周部を保持することを特徴とする。

これによれば、真空蒸着法またはスパッタリング法を用いて基板上に光学薄膜を形成する際、基板上に光学薄膜を形成する前に、断面がコの字形を有する棒状の材料からなり、コの字形の断面の上下方向に凸または凹に反った形状を備えたフレーム治具のコの字形の溝部に基板の外周部を保持することで、基板上に形成される光学薄膜に生じる内部応力に対応した反りを基板に付与し、基板の反りを防ぐことができる。反りの発生を防ぐことで、光学薄膜が略平坦化した状態に形成され、光学薄膜の剥がれ、クラック等の発生、あるいは光学的歪の発生を防止した高性能の光学特性を有する光学薄膜が得られる。また、フレーム治具に光学薄膜が形成される基板を保持するだけなので予め基板を加工する必要はない。

本発明のフレーム治具は、前記フレーム治具の前記コの字形の断面の上下方向に凸または凹に反った形状の反りは、前記基板上に前記光学薄膜を形成する際に前記基板に生じる反り方向と反対の方向であることを特徴とする。
これによれば、フレーム治具のコの字形の断面の上下方向に凸または凹に反った形状の反りが、基板上に光学薄膜を形成する際に基板に生じる反り方向と反対の方向であることにより、基板上に形成される光学薄膜に生じる内部応力を相殺する反りを基板に付与し、基板の反りを防ぐことができる。また、光学薄膜に発生する内部応力が圧縮応力であっても、引張応力の場合であっても、フレーム治具の上下を逆にして基板を保持することで対応できる。

本発明の光学薄膜の形成方法は、前記フレーム治具を加熱する加熱工程と、前記フレーム治具の前記コの字形の溝部に前記基板の外周部を保持する保持工程と、前記フレーム治具及び前記基板を冷却する冷却工程と、前記基板上に前記光学薄膜を形成する成膜工程と、を順に備えたことを特徴とする。

この光学薄膜の形成方法によれば、断面がコの字形を有する棒状の金属材料からなり、コの字形の断面の上下方向に凸または凹に反った形状を備えたフレーム治具を、加熱する加熱工程と、フレーム治具のコの字形の溝部に基板の外周部を保持する保持工程と、フレーム治具および基板を冷却する冷却工程と、基板上に光学薄膜を形成する成膜工程と、が順に加工されることにより、加熱工程で加熱されたフレーム治具が膨張し、上下方向に凸または凹に反っているにも係わらず、コの字形の溝部に基板の外周部を容易に挿入して保持することができる。そして、フレーム治具に保持された基板およびフレーム治具が冷却されることで、フレーム治具が収縮して基板の外周部が強固に固定されると共に、基板にフレーム治具が反った方向の反りが付与され、成膜工程において基板上に光学薄膜が形成されると、光学薄膜に生じる内部応力と、フレーム治具が反った方向の反りとが相殺され、基板の反りの発生を防ぐことができる。反りの発生を防ぐことで、光学薄膜が略平坦化した状態に形成され、光学薄膜の剥がれ、クラック等の発生、あるいは光学的歪の発生を防止した高性能の光学特性を有する光学薄膜を形成することができる。

本発明の光学薄膜の形成方法は、前記フレーム治具を加熱する加熱工程は、前記フレーム治具の溝部が前記基板を挿入可能な溝幅になる加熱温度まで、前記フレーム治具の溝部が前記基板を挿入可能な広さとなるまで、前記フレーム治具を加熱し膨張させることを特徴とする。
この光学薄膜の形成方法によれば、フレーム治具が加熱されることにより、フレーム治具が基板よりも膨張し、フレーム治具がコの字形の断面の上下方向に凸または凹に反っているにも係わらず、前記フレーム治具の溝部に基板の端面を容易に挿入することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、本実施形態の光学薄膜の形成は、例えば、可視波長域の光を透過し、所定波長以下の紫外波長域、および所定波長以上の赤外波長域での光の吸収が少ない反射特性を有する光学多層膜フィルタ、いわゆる、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ（Ultraviolet-Infrared cut filter）に適用した場合を一例として説明する。

図１はガラス基板に形成される膜構成を説明するための光学多層膜フィルタの断面模式図であり、図２は誘電体多層膜に生じた膜応力によりガラス基板の反った態様を示す模式図である。なお、図１および図２を含み、以後に説明する全ての図面は、説明の便宜のために各構成要素の寸法や比率は実際のものとは異なる。
図１において、光学多層膜フィルタ（ＵＶ−ＩＲカットフィルタ）１は、光を透過する基板としてのガラス基板２と、ガラス基板２の一方の面の表面に、屈折率が異なる高屈折率材料Ｈと低屈折率材料Ｌの二種類の膜が交互に積層された誘電体多層膜３が形成されている。

ガラス基板２は、複屈折性を有し光を透過する水晶板からなり、例えば、平面サイズが略３８×３８ｍｍの矩形形状で、板厚が０．８３ｍｍ程度の基板である。
誘電体多層膜３は、高屈折率材料層Ｈが、ＴｉＯ₂（屈折率：２．４０）、低屈折率材料層ＬがＳｉＯ₂（屈折率：１．４６）の成膜材料で成膜される。

図１において、誘電体多層膜３は、ガラス基板２上に、第１層として高屈折率材料のＴｉＯ₂膜Ｈ１が成膜され、成膜された高屈折率材料のＴｉＯ₂膜Ｈ１の上面に、低屈折率材料のＳｉＯ₂膜Ｌ１が積層される。以下、低屈折率材料のＳｉＯ₂膜Ｌ１の上面に、高屈折率材料のＴｉＯ₂膜と低屈折率材料のＳｉＯ₂膜とが、交互に積層される。そして最上膜層に低屈折率材料のＳｉＯ₂膜Ｌ２０が積層されて、高屈折率材料層Ｈと低屈折率材料層Ｌが各２０層、計４０層の誘電体の層が成膜されている。

この誘電体多層膜３の膜構成の詳細を説明する。
以下に説明する膜厚構成は、高屈折率材料層Ｈの膜厚を光学膜厚ｎｄ＝１／４λの値を１Ｈとして表記し、同様に低屈折率材料層Ｌを１Ｌと表記する。また、（ｘＨ、ｙＬ）^Sで表すＳの表記は、スタック数と呼ばれる繰り返しの回数で、括弧内の構成を周期的にＳ回数繰り返すことを表している。なお、設計波長λは７５５ｎｍである。

誘電体多層膜３の膜厚構成は、第１層の高屈折率材料のＴｉＯ₂膜（高屈折率材料層）Ｈ１が１．１４Ｈ、第２層の低屈折率材料のＳｉＯ₂膜（低屈折率材料層）Ｌ１が１．０９Ｌである。以下、第３層から順に１．０３Ｈ、１．０１Ｌ、（０．９９Ｈ、０．９９Ｌ）⁶、１．０２Ｈ、１．０８Ｌ、１．３１Ｈ、０．１８Ｌ、１．３７Ｈ、１．２４Ｌ、１．２７Ｈ、１．２８Ｌ、（１．２８Ｈ、１．２８Ｌ）⁶、１．２６Ｈ、１．２８Ｌ、１．２５Ｈ、最上層に０．６３Ｌの低屈折率材料のＳｉＯ₂膜Ｌ２０が形成されている。なお、４０層の誘電体の層が形成された誘電体多層膜３の膜厚は、４．０×１０^-6ｍ程度である。

ガラス基板２上に高屈折率材料層Ｈと低屈折率材料層Ｌとが、交互に成膜されて多層膜が形成されると、一般的に、ガラス基板２は低屈折率材料のＳｉＯ₂膜の強い圧縮応力と、高屈折率材料のＴｉＯ₂膜の弱い引張応力により、図２に示すように、ガラス基板２に誘電体多層膜３の形成された面が凸になる形状の反りが発生する。

このように、誘電体多層膜３の膜応力（内部応力）によりガラス基板２に反りが発生するのを防ぐために、本実施形態においては、矩形形状のガラス基板２の四辺に沿う外周部に、所定の方向に反らせたフレーム治具１０が取り付けられた（後述する図４参照）後、すなわち、フレーム治具１０にガラス基板２の外周部が保持された後に、ガラス基板２上に誘電体多層膜３が形成される。

図３（ａ）はフレーム治具の斜視図であり、図３（ｂ）は同図（ａ）におけるＡ方向からの正面図であり、図３（ｃ）はフレーム治具の長手方向の中心線Ｏにおける断面を右側面視（同図（ａ）におけるＢ方向）した断面図である。なお、図３（ａ）〜（ｃ）は、模式図であり、各図面間の寸法や比率は実際とは異なる。

フレーム治具１０の材質は、ヤング率がガラス基板２よりも大きく、且つ熱膨張係数がガラス基板２より小さい材料からなり、例えば、ステンレスの金属材料からなる。ステンレス（例えば、オーステナイト系のＳＵＳ３０４）の熱膨張係数は１７．３×１０^-6／℃であり、ヤング率は１９０ＧＰａである。なお、ガラス基板２を構成する水晶は、熱膨張係数が８０×１０^-7／℃、ヤング率が略７０ＧＰａ、ポアソン比が０．１３５程度である。

フレーム治具１０の形状は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、断面がカタカナのコの字形で、長手方向に延伸する棒状の形状を有している。また、長手方向の両端が、長手方向の略中心線Ｏを中心として断面のコの字形の上下方向に所定の反り幅α反った形状をなしている。
コの字形の断面の形状寸法は、例えば、厚さ寸法ａが４．０ｍｍ、幅寸法ｂが３．０ｍｍからなり、厚さ方向の一方の側面の略中心位置（すなわち、寸法ｃが２．０ｍｍの位置）に、幅ｄが１．０ｍｍ、深さｅが１．５ｍｍの、溝部としての溝１０ａが形成されている。長手方向に延伸する長さ寸法ｆは、平面が矩形形状のガラス基板２の辺の長さより４ｍｍ程度短い略３４ｍｍである。

フレーム治具１０の所定の反り幅αは、予めガラス基板２の一方の表面に、所定のテスト成膜を行うことにより設定される。テスト成膜は、先ず、ガラス基板２の一方の表面に、所定の誘電体多層膜３を形成する。そして、誘電体多層膜３を形成することによりガラス基板２に生じた反り幅δ（図２参照）を計測する。そして、計測したガラス基板２の反り幅δに基づいて、ガラス基板２に反りが発生するのを防ぐためのフレーム治具１０の反り幅αが算出される。
なお、フレーム治具１０の所定の反り方向は、ガラス基板２の表面に誘電体多層膜３を形成する際に生じるガラス基板２が反る方向とは反対の方向に設定される。本実施形態においては、断面のコの字形の上面１０ｂ側が、凹となる反り方向に設定される。

テスト成膜は、ガラス基板２（平面が３８×３８ｍｍ程度の矩形形状で、板厚が０．８３ｍｍ程度の水晶板）の一方の表面の略中央部に、フレーム治具１０の取り付けを考慮した３５×３５ｍｍ程度の平面寸法の多層膜の成膜を行う。多層膜の成膜は、前述に説明した高屈折率材料層Ｈと低屈折率材料層Ｌを各２０層、計４０層の誘電体多層膜３を形成した（図１参照）。そして、ガラス基板２の反り幅δを計測した。反り幅δの測定は、例えば、高精度フラットネステスタＦＴ−９００（（株）ニデック製）を用いた。測定の結果、ガラス基板２に誘電体多層膜３が形成された面が凸で、反り幅δが６０μｍ程度の反りが確認された。

そして、計測したガラス基板２の反り幅δに基づいて、フレーム治具１０に設定される反り幅αを算出する。
フレーム治具１０の反り幅αの算出方法を以下に説明する（図２を参照）。

先ず、ガラス基板２の表面に成膜された薄膜（誘電体多層膜３）の膜応力σ（Ｐａ）を、Stoneyの式に基づく、下記の一般式（１）により算出する。
σ＝（（Ｅｓ×ｔｓ²）／（３（１−νｓ）ｔｆ・Ｌ²））×δ …（１）
（但し、Ｅｓ：ガラス基板のヤング率（Ｐａ、パスカル）、ｔｓ：ガラス基板の厚さ（ｍ）、νｓ：ガラス基板のポアソン比、ｔｆ：薄膜の厚さ（ｍ）、Ｌ：成膜された多層膜の中心までの長さ（ｍ）、δ：ガラス基板の反り幅（ｍ））

本実施形態において、ガラス基板２の反り幅δ：６０×１０^-6ｍ、ガラス基板２のヤング率Ｅｓ：７０×１０⁹Ｐａ、ガラス基板２の厚さｔｓ：０．８３×１０^-3ｍ、ガラス基板２のポアソン比νｓ：０．１３５、薄膜（誘電体多層膜３）の厚さｔｆ：４．０×１０^-6ｍ、成膜された多層膜の中心までの長さＬ：（３５／２）×１０^-3ｍ、から算出された膜応力σの値は、０．９１ＧＰａとなる。

そして、ガラス基板２の成膜される断面にかかる力Ｆ（Ｎ、ニュートン）を算出する。力：Ｆの算出は、下記の一般式（２）に基づいて算出する。但し、Ｓは矩形形状のガラス基板２の長手方向における断面積である。
σ＝Ｆ／Ｓ …（２）
ガラス基板２の断面全体にかかる力Ｆの値は、一般式（１）に基づいて算出された膜応力σ：０．９１ＧＰａの値と、ガラス基板２の成膜面における断面積Ｓ：２９．０２ｍｍ²（長さ３５ｍｍ×厚さ０．８３ｍｍ）から算出され、２．６４×１０⁴Ｎとなる。

そして、膜応力σ（ガラス基板２の成膜される断面にかかる力Ｆ）を打ち消すのに必要なフレーム治具１０の応力σｆ（Ｇｐａ）を算出する。応力σｆの算出は、一般式（２）と同様の下記の一般式（３）に基づいて算出する。但し、Ｓｆはフレーム治具１０の断面積（ｍｍ²）である。なお、本実施形態において、フレーム治具１０の断面積Ｓｆの値は、矩形形状のガラス基板２の各々対向する二辺に沿う外周部に取り付けられることから、２つのフレーム治具１０の断面積を用いる。
σｆ＝Ｆ／Ｓｆ …（３）
フレーム治具１０の応力σｆの値は、前記一般式（２）に基づいて求められたガラス基板２の成膜される断面にかかる力Ｆ：２．６４×１０⁴Ｎの値と、フレーム治具１０の断面積Ｓｆ：２１．０ｍｍ²から算出され、１．２６Ｇｐａとなる。

そして、前記一般式（１）により求められたガラス基板２の表面に成膜された薄膜（誘電体多層膜３）の膜応力σ：０．９１ＧＰａ、計測したガラス基板２の反り幅δ：６０μｍと、前記一般式（３）に基づいて求められたフレーム治具１０の応力σｆ、の比（σ／δ＝σｆ／α）から、フレーム治具１０の所定の反り幅αを算出する。
算出されたフレーム治具１０の所定の反り幅αの値は、８３μｍとなる。この結果に基づいて、８３μｍ程度の反り幅αを反らせたフレーム治具１０を準備する。

次に、誘電体多層膜３の形成方法について、図４および図５に基づいて説明する。
図４（ａ）はフレーム治具をガラス基板に取り付ける態様を説明する斜視図であり、図４（ｂ）は取付部の拡大断面図である。図５は、ガラス基板に誘電体多層膜を形成する工程を示す模式図であり、（ａ）は成膜前のガラス基板の断面図、（ｂ）はフレーム治具に保持されたガラス基板の断面図、（ｃ）は誘電体多層膜が形成された後のガラス基板の断面図、（ｄ）はフレーム治具が取外されたガラス基板の断面図である。

誘電体多層膜３の形成に際し、予め準備した、断面のコの字形の上面１０ｂが凹に、８３μｍ程度反らせたフレーム治具１０（図３（ｂ）参照）に、矩形形状のガラス基板２の四辺に沿う外周部を保持して、フレーム治具１０にガラス基板２を固定（保持）させる。

ガラス基板２の保持方法は、先ず、反らせたフレーム治具１０とガラス基板２を、炉内温度（加熱温度）が１１５℃程度に設定されたオーブン１１内に投入し、加熱する（加熱工程）。そして、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、加熱されたフレーム治具１０の溝１０ａに、加熱されたガラス基板２の四辺の各端面２ｂを挿入して、ガラス基板２の四辺に沿う外周部を保持する（保持工程）。このガラス基板２の挿入は、ガラス基板２の成膜される面（成膜面）２ａをフレーム治具１０のコの字形の上面１０ｂ側にして、ガラス基板２の端面２ｂが、フレーム治具１０の溝１０ａの底面に密着するように行われる。

フレーム治具１０の取り付け（ガラス基板２の外周部の保持）に際し、フレーム治具１０が、加熱温度１１５℃程度に加熱されてガラス基板２よりも膨張し、フレーム治具１０（溝１０ａ）がコの字形の上面１０ｂ側に凹に反っているにも係わらず、溝１０ａにガラス基板２の端面２ｂを容易に挿入することができる。これは、フレーム治具１０の熱膨張係数がガラス基板２の熱膨張係数よりも大きいことにより、フレーム治具１０の溝１０ａの幅（溝幅）ｄが、ガラス基板２の厚さｔｓを挿入可能な溝幅に膨張することによる。
そして、フレーム治具１０がガラス基板２の四辺の外周部に取り付けられたガラス基板２は、オーブン１１内から取り出されて冷却工程に移行する。

冷却工程は、フレーム治具１０が四辺の外周部に取り付けられたガラス基板２が、例えば、常温雰囲気下で冷却される。冷却されると、ガラス基板２が、四辺の外周部に取り付けられた各フレーム治具１０に強固に固定される。これは、フレーム治具１０の熱膨張係数がガラス基板２の熱膨張係数よりも大きいことにより、フレーム治具１０がガラス基板２に比べて、より収縮することにより、ガラス基板２を保持することができる。

ガラス基板２がフレーム治具１０に保持されることにより、図５（ａ）に示すように、フレーム治具１０の取り付け前に略平坦であったガラス基板２は、フレーム治具１０の収縮する応力を受けて、反り幅αが８３μｍ程度反ったフレーム治具１０の溝１０ａに沿ってひずみ、図５（ｂ）に示すように、ガラス基板２の成膜される面２ａが凹の形状に湾曲する。これは、フレーム治具１０を構成するステンレスのヤング率（１９０ＧＰａ）が、ガラス基板２を構成する水晶のヤング率（７０ＧＰａ）よりも大きいことによる。
そして、フレーム治具１０に保持されたガラス基板２は、成膜工程に移行する。

成膜工程は、ガラス基板２の成膜面２ａに誘電体多層膜３が形成される。
誘電体多層膜３の形成は、図５（ｃ）に示すように、フレーム治具１０に保持されたガラス基板２を成膜用のサセプタに取り付けて（図示せず）、真空蒸着装置の真空蒸着チャンバー１２内に投入し、真空蒸着法を用いてＴｉＯ₂の高屈折率材料層ＨとＳｉＯ₂の低屈折率材料層Ｌとが交互に多層で成膜される（図１参照）。ガラス基板２上に形成された誘電体多層膜３は、低屈折率材料のＳｉＯ₂膜の強い圧縮応力と、高屈折率材料のＴｉＯ₂膜の弱い引張応力により、ガラス基板２の成膜面２ａが凸に反る内部応力が発生する（図２参照）。

しかし、成膜面２ａが凸に反る内部応力によるガラス基板２の反りと、ガラス基板２の四辺の外周部に取り付けられ、成膜面２ａ側に凹に反ったフレーム治具１０の反りとが、互いに相殺されて、誘電体多層膜３は、ガラス基板２が略平坦化した状態に成膜される。なお、ガラス基板２上に形成される誘電体多層膜３は、ガラス基板２に取り付けられたフレーム治具１０のコの字形の上面１０ｂにも形成されるが、図５（ｃ）においては、これを省略した。

そして、図５（ｄ）に示すように、誘電体多層膜３が形成されたガラス基板２は、真空蒸着チャンバー１２内から取り出された後に、フレーム治具１０が取り外されて、ＵＶ−ＩＲカット機能を備えた光学多層膜フィルタ１が完成する。
なお、光学多層膜フィルタ１が用いられる光学製品が、フレーム治具１０をガラス基板２に取り付けた状態であっても機能する場合には、取り外すことなく用いることができる。フレーム治具１０をガラス基板２から取り外すことなく用いることで、光学物品に組み込む等の取り扱い時に、ガラス基板２の端面コーナー部の欠け等を防ぐことができる。

以上に説明した誘電体多層膜３の形成において、誘電体多層膜３の形成前に、ガラス基板２に対して誘電体多層膜３の接着力を補強する接着助剤的な表面処理を行うのが好ましい。
表面処理は、シラン系カップリング剤あるいはチタン系カップリング剤を、希釈剤としてヘキサン等の有機溶剤に溶解したプライマーと呼ばれる表面処理剤を、ガラス基板２の表面に塗布した後、乾燥させる。これにより、ガラス基板２に対して、優れた接着性を有する誘電体多層膜３を形成することができる。

シラン系カップリング剤としては、トリメトキシシラン、トリエトキシシラン、トリプロポキシシラン、トリイソプロポキシシラン、トリブトキシシラン、トリオクチロキシシラン、メチルジメトキシシラン、エチルジメトキシシラン、メチルジエトキシシラン、エチルジエトキシシラン、メチルジオクチロキシシラン、ジメチルメトキシシラン、ジメチルオクチロキシシラン等が挙げられる。

チタン系カップリング剤としては、テトラメトキシチタネート、テトラエトキシチタネート、テトラプロポキシチタネート、テトラブトキシチタネート、テトラ（２，２−ジアリルオキシメチル−１−ブチル）ビス（ジトリデシル）ホスファイトチタネート、テトラオクチルビス（ジトリデシルホスファイト）チタネート、イソプロピルトリイソステアロイルチタネート、イソプロピルトリデシルベンゼンスルホニルチタネート、イソプロピルトリオクタイノルチタネート、ジクミルフェニルオキシアセテートチタネート等が挙げられる。

これらのカップリング剤を希釈する溶媒として、ヘキサンの他に、メチルアルコール、エチルアルコール、プロパノール、ブタノール、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、アセトン、トルエン、キシレン、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、デカリン、テトラリン等が挙げられる。

また、誘電体多層膜３の形成によるガラス基板２の反りの発生を防ぐことにより、少なくても１枚の光学多層膜フィルタ１を含む２枚以上のガラス基板を張り合わせて使用する光学物品の場合に、張り合わせ精度が向上し、高性能の光学特性の光学物品を得ることができる。例えば、光学薄膜が形成された光学多層膜フィルタ１を用いることで、ＵＶ−ＩＲカット機能の光学多層膜フィルタを一体的に構成した光学ローパスフィルタを容易に得ることができる。
以下に、フレーム治具１０を用いて光学薄膜が形成された光学多層膜フィルタを一体的に構成した光学ローパスフィルタについて説明する。

図６は、光学ローパスフィルタの構造及び光学軸と光線の進行方向について説明する模式図である。なお、図６は、光学ローパスフィルタを構成する各基板を分解して斜視図により示している。
光学ローパスフィルタ１００は、複屈折性を有する透明な２つの水晶板２０，３０と、２つの水晶板２０，３０の間に、水晶からなる１／４波長板４０を挿入した３層構造の４５度分離タイプの一例である。これら３層構造を構成する水晶板２０と、１／４波長板４０と、水晶板３０は、それぞれが光学接着剤等によって気泡が発生しないように一体に貼り合わされている。

水晶板２０として、前述の光学薄膜の形成方法により誘電体多層膜３が形成された、ＵＶ−ＩＲカット機能を一体的に構成した光学多層膜フィルタ１を用いる。
水晶板２０は、複屈折性を有する透明な水晶からなり、水晶板２０の一方の表面に誘電体多層膜３が形成され（図示せず、図１参照。）、誘電体多層膜３が形成された面が光入射側に配置される。

また、水晶板２０は、光入射面と直交し、かつ紙面と平行な面（ｘ−ｚ平面）において、ｚ軸と約４５度の方位角をなす方向（矢印Ａ１により示す方向）に光学軸（光学的主軸）を有している。この水晶板２０に入射した光線Ｌ１０は、水晶板２０の有する複屈折性によって、互いに直交する２つの光線Ｌ１１，Ｌ１２に分離される。これらの光線Ｌ１１，Ｌ１２は、それぞれ偏光状態が直線偏光に変換されて１／４波長板４０に出射する。

１／４波長板４０は、光入射面（ｘ−ｙ平面）において、ｘ軸と略４５度の方位角をなす方向（矢印Ａ２により示す方向）に光学軸を有している。これにより、１／４波長板４０に入射した光線Ｌ１１，Ｌ１２は、それぞれ直線偏光光から円偏光光に偏光状態が変換されて、２つの光線Ｌ１３，Ｌ１４となって水晶板３０に出射する。

光出射側に配置される水晶板３０は、光入射面と直交し、かつ紙面と直交する面（ｙ−ｚ平面）において、ｙ軸と略４５度の方位角をなす方向（矢印Ａ３により示す方向）に光学軸を有している。この水晶板３０に入射した円偏光光線Ｌ１３は、水晶板３０の有する複屈折性によって、入射面に対して水平方向と垂直方向の互いに直交する２つの光線Ｌ１５，Ｌ１６に分離されて出射する。同様に、水晶板３０に入射した光線Ｌ１４は、入射面に対して水平方向と垂直方向の互いに直交する２つの光線Ｌ１７，Ｌ１８に分離されて出射する。これらの光線Ｌ１５，Ｌ１６，Ｌ１７，Ｌ１８は、それぞれ偏光状態が直線偏光に変換されて出射される。

このように構成された、光学ローパスフィルタ１００は、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ機能の光学多層膜フィルタ１を一体的に構成した光学ローパスフィルタを得ることができる。特に、構成するそれぞれの水晶板が貼り合わされて一体構造になっている構成において、反りの少ない、光学的歪を防止した光学ローパスフィルタ１００を得ることができる。

ＵＶ−ＩＲカットフィルタ機能の光学多層膜フィルタ１を一体的に構成した光学ローパスフィルタ１００は、例えば、デジタルスチルカメラ等に用いることができる。また、光学ローパスフィルタ１００を防塵ガラス機能として配置することも可能であり、貼り合せ制度が良い、良好な光学特性のデジタルスチルカメラ等が得られる。
光学ローパスフィルタ１００は、デジタルスチルカメラ以外の電子機器装置として、例えば、カメラ付き携帯電話、カメラ付携帯パソコン（パーソナルコンピュータ）等の撮像部に用いることができる。

以下、本実施形態の効果を記載する。
（１）真空蒸着法またはスパッタリング法を用いてガラス基板２上に誘電体多層膜３を形成する際に、断面がコの字形を有する棒状の金属材料からなり、コの字形の断面の上下方向に凸または凹に反った形状を備えたフレーム治具１０が加熱され、フレーム治具１０のコの字形の溝部にガラス基板２の外周部を保持することで、ガラス基板２上に形成される誘電体多層膜３に生じる内部応力に対応した反りをガラス基板２に付与し、ガラス基板２の反りを防ぐことができる。反りの発生を防ぐことで、誘電体多層膜３が略平坦化した状態に形成され、誘電体多層膜３の剥がれ、クラック等の発生、あるいは光学的歪の発生を防止した高性能の光学特性を有する光学薄膜が得られる。

（２）フレーム治具１０は、誘電体多層膜３が形成されるガラス基板２を保持するだけなので、予めガラス基板２を加工する必要はなく、フレーム治具１０は加熱されることにより膨張し、上下方向に凸または凹に反っているにも係わらず、ガラス基板２を容易に保持できる。

（３）フレーム治具１０のコの字形の断面の上下方向に凸または凹に反った形状の反りが、ガラス基板２上に誘電体多層膜３を形成する際に、ガラス基板２に生じる反り方向と反対の方向であることにより、ガラス基板２上に形成される誘電体多層膜３に生じる内部応力を相殺する反りをガラス基板２に付与し、ガラス基板２の反りを防ぐことができる。なお、フレーム治具１０は、誘電体多層膜３に発生する内部応力が圧縮応力であっても、引張応力の場合であっても、フレーム治具１０の上下を逆にしてガラス基板２を保持することで対応できる。

（４）本実施形態の光学薄膜の形成方法は、断面がコの字形を有する棒状の金属材料からなり、前記コの字形の断面の上下方向に凸または凹に反った形状を備えたフレーム治具１０を加熱する加熱工程と、フレーム治具１０のコの字形の溝部にガラス基板２の外周部を保持する保持工程と、フレーム治具１０およびガラス基板２を冷却する冷却工程と、ガラス基板２上に誘電体多層膜３を形成する成膜工程と、がこの順に加工されることにより、加熱工程で加熱されたフレーム治具１０が膨張し、フレーム治具１０のコの字形の断面が上下方向に凸または凹に反っているにも係わらず、ガラス基板２の外周部をコの字形の溝部に容易に挿入して保持することができる。そして、フレーム治具１０に保持されたガラス基板２およびフレーム治具１０が冷却されることで、フレーム治具１０が収縮してガラス基板２の外周部が強固に固定されると共に、ガラス基板２にフレーム治具１０が反った方向の反りが与えられる。そして、成膜工程においてガラス基板２上に誘電体多層膜３が形成されると、誘電体多層膜３に生じる内部応力と、フレーム治具１０が反った方向の反りとが相殺され、ガラス基板２の反りの発生を防ぐことができる。

以上に説明した本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。以下に変形例を記載する。

（変形例１）
光学薄膜の形成を、光学多層膜フィルタ１（ＵＶ−ＩＲカットフィルタ）に適用した場合で説明したが、高反射膜、ＩＲカットフィルタ（Infrared cut filter）、反射防止膜、ハーフミラー等を形成する光学物品に適用することができる。

（変形例２）
ガラス基板２として水晶を用いた場合で説明したが、これに限定されず、白板ガラス、ＢＫ７、サファイアガラス、ホウケイ酸ガラス、青板ガラス、ＳＦ３、ＳＦ７、あるいは、一般に市販されている光学ガラス等の光を透過する基板を用いることができる。

（変形例３）
光学薄膜（誘電体多層膜３）を形成する成膜材料として、高屈折率材料層ＨにＴｉＯ₂を用いた場合で説明したが、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＧｄＦ₃等を用いることができる。一方、低屈折率材料層ＬにＳｉＯ₂を用いた場合で説明したが、ＭｇＦ₂を用いることができる。

（変形例４）
誘電体多層膜３の成膜は、真空蒸着法を用いた場合で説明したが、スパッタリング法、イオンアシスト蒸着法、イオンプレーティング法等を用いた場合であっても、同様な効果がえられる。

（変形例５）
ガラス基板２をフレーム治具１０に保持する（フレーム治具１０をガラス基板２に取り付ける）際に、フレーム治具１０を加熱温度１１５℃程度に加熱し、取り付け後に常温程度に冷却した場合で説明したが、加熱温度と冷却温度の値はこれに限定されない。なお、加熱温度と冷却温度の設定温度は、加熱温度と冷却温度の温度差が、許容される範囲内において大きい値に設定することが好ましい。これにより、ガラス基板２にフレーム治具１０がより取り付け易くなると共に、フレーム治具１０の反り幅αがより大きな場合に対応することができる。

（変形例６）
フレーム治具１０とガラス基板２を所定の加熱温度に設定したオーブン内に投入し、オーブン内でガラス基板２にフレーム治具１０を取り付ける場合で説明したが、フレーム治具１０のみを所定の温度に加熱し、加熱したフレーム治具１０を、例えば、常温雰囲気下のガラス基板２に取り付ける場合であっても良い。この場合であっても、フレーム治具１０の熱膨張係数がガラス基板２の熱膨張係数よりも大きいことで、ガラス基板２にフレーム治具１０を容易に取り付けると共に、強固に固定することができる。

（変形例７）
ガラス基板２上に形成される誘電体多層膜３は、真空蒸着法を用いて成膜し、低屈折率材料のＳｉＯ₂膜の強い圧縮応力と、高屈折率材料のＴｉＯ₂膜の弱い引張応力により、ガラス基板２の成膜面２ａが凸に反る圧縮応力（内部応力）が発生する場合で説明したが、同じ成膜材料からなる光学薄膜であっても、用いる成膜方式や、成膜条件（ガラス基板の温度、成膜速度、成膜時の真空度、蒸着源とガラス基板との位置関係等）により内部応力の方向が変化し、ガラス基板の成膜面が凹に反る引張応力が発生する場合がある。この場合には、コの字形の断面の上下方向に反ったフレーム治具１０を、ガラス基板２の成膜面２ａ側が凸になるように保持すればよい。すなわち、誘電体多層膜３に生じる内部応力に対応して、フレーム治具１０の上下方向を逆に用いればよい。

（変形例８）
フレーム治具１０の材質に、金属材料のステンレスを用いた場合で説明したが、ヤング率がガラス基板２よりも大きく、且つ熱膨張係数がガラス基板２より小さい材料ならば、どんな材質であってもよい。この場合におけるフレーム治具１０に設定される反り幅αは、前述の一般式（１）〜（３）に基づいて算出することができる。

（変形例９）
フレーム治具１０にバイメタル機能を備えることができる。フレーム治具１０は、断面のコの字形の上面１０ｂ側に、フレーム治具１０本体の材質よりも低膨張係数からなる材料を圧接固定（図示せず）して構成する。このフレーム治具１０を用いることで、フレーム治具１０を予め反らせることなくガラス基板２に保持し、フレーム治具１０、またはフレーム治具１０とガラス基板２を所定の温度に加熱することで、フレーム治具１０が、バイメタル効果により、低膨張係数からなる材料側が凹に反る。

そして、この状態のガラス基板２上に、所定の誘電体多層膜３が形成されると、誘電体多層膜３の内部応力により成膜面２ａが凸に反るガラス基板２の反りと、加熱されることによるフレーム治具１０の反りとが、互いに相殺されて、ガラス基板２が略平坦化した状態の誘電体多層膜３を形成することができる。この場合には、誘電体多層膜３が形成されたガラス基板２は、真空蒸着チャンバー内から取り出された後に、フレーム治具１０をガラス基板２から取り外す必要がある。

なお、バイメタル効果を備えたフレーム治具１０は、前記一般式（１）〜（３）、用いる２つの材料を加熱することにより発生する曲げモーメントの式、弾性曲線の曲がりの公式等に基づく湾曲係数の演算、両端支持梁の公式等に基づいて、用いる２つの材料の板厚、加熱温度等を求めることができる。なお、バイメタル効果を備えたフレーム治具１０に用いる材質としては、例えば、本体にステンレス（オーステナイト系のＳＵＳ３０４、熱膨張係数１７．３×１０^-6／℃、ヤング率１９０ＧＰａ）、本体のコの字形の上面に圧接固定される低膨張係数からなる材料として、アンバー（例えば、Ｆｅ−２９Ｎｉ−１７Ｃｏ、熱膨張係数５．０×１０^-6／℃、ヤング率１９７ＧＰａ）を用いることができる。

（変形例１０）
ガラス基板２として、平面が矩形形状で３８×３８ｍｍ程度の平面サイズを用いて、ガラス基板２上に一組の誘電体多層膜３を形成して、一つの光学多層膜フィルタ１を得る場合で説明したが、より大きな平面サイズのガラス基板を用いて、多数の光学多層膜フィルタを一度に製造することができる。誘電体多層膜３が形成され、冷却されたガラス基板は、レーザカッタ、あるいはダイシングカッタ等を用いて切断することにより、多数の光学多層膜フィルタ１を一度に完成することができる。

ガラス基板に形成される膜構成を説明するための光学多層膜フィルタの断面模式図。 誘電体多層膜に生じた膜応力によりガラス基板の反った態様を示す模式図。 （ａ）は、フレーム治具の斜視図。（ｂ）は、同図（ａ）におけるＡ方向からの正面図。（ｃ）は、フレーム治具の長手方向の中心線Ｏにおける断面を右側面視した断面図。 （ａ）はガラス基板をフレーム治具に保持する態様を説明する斜視図。（ｂ）は保持部の拡大断面図。 ガラス基板に誘電体多層膜を形成する工程を示す模式図であり、（ａ）は成膜されるガラス基板の断面図。（ｂ）はフレーム治具に保持されたガラス基板の断面図。（ｃ）は、誘電体多層膜が形成された後のガラス基板の断面図。（ｄ）は、フレーム治具が取外されたガラス基板の断面図。 光学ローパスフィルタの構造及び光学軸と光線の進行方向について説明する模式図。

符号の説明

１…光学多層膜フィルタ、２…基板としてのガラス基板、２ａ…成膜面、２ｂ…端面、３…誘電体多層膜、１０…フレーム治具、１０ａ…溝部としての溝、１０ｂ…上面、１１…オーブン、１２…真空蒸着チャンバー、２０，３０…複屈折性を有する水晶板、４０…１／４波長板、１００…光学ローパスフィルタ、Ｈ…高屈折率材料層、Ｌ…低屈折率材料層、α…フレーム治具の所定の反り幅、δ…ガラス基板に生じた反り幅。

Claims (4)

1. 真空蒸着法またはスパッタリング法を用いて基板上に光学薄膜を形成する際に用いるフレーム治具であって、
   前記フレーム治具は、断面がコの字形を有する棒状の材料からなり前記コの字形の断面の上下方向に凸または凹に反った形状を有し、
   前記基板上に前記光学薄膜を形成する前に、
   前記フレーム治具のコの字形の溝部に前記基板の外周部を保持することを特徴とするフレーム治具。
2. 請求項１に記載のフレーム治具において、
   前記フレーム治具の前記コの字形の断面の上下方向に凸または凹に反った形状の反りは、
   前記基板上に前記光学薄膜を形成する際に前記基板に生じる反り方向と反対の方向であることを特徴とするフレーム治具。
3. 請求項１または２に記載のフレーム治具を用いた光学薄膜の形成方法であって、
   前記フレーム治具を加熱する加熱工程と、
   前記フレーム治具の前記コの字形の溝部に前記基板の外周部を保持する保持工程と、
   前記フレーム治具及び前記基板を冷却する冷却工程と、
   前記基板上に前記光学薄膜を形成する成膜工程と、
   を順に備えたことを特徴とする光学薄膜の形成方法。
4. 請求項３に記載の光学薄膜の形成方法において、
   前記フレーム治具を加熱する加熱工程は、
   前記フレーム治具の前記コの字形の溝部が前記基板を挿入可能な溝幅になる加熱温度まで、前記フレーム治具を加熱し膨張させることを特徴とする光学薄膜の形成方法。
   

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