JP2014502373A - 光学ミラーのためのアルミニウム上の強化され保護された銀被覆 - Google Patents

Abstract

本開示は、光学ミラーとして使用するための強化された銀被覆アルミニウム基板であって、銀とアルミニウムとの間の電解腐食が防がれる銀被覆アルミニウム基板、およびそのような銀被覆およびミラーを製造する方法に関する。本開示による光学ミラーは、アルミニウム基板（１０）と銀層（１４）との間に挿入された、その場で形成された「バリア」層（１２）を有する。その上、選択された層が、堆積中に高出力ＲＦイオン源を使用してその堆積を行うことによって、緻密化される。

Description

優先権

本出願は、その内容が依拠され、ここに全てが引用される、２０１０年１１月１８日に出願された米国仮特許出願第６１／４１４９６２号の米国法典第３５編第１１９条の下での優先権の恩恵を主張するものである。

本開示は、光学ミラーとして使用するための強化された銀被覆アルミニウム基板であって、銀とアルミニウムとの間の電解腐食が防がれる銀被覆アルミニウム基板、およびそのような銀被覆およびミラーを製造する方法に関する。

銀被覆アルミニウムミラーを製造する試みが数多く行われてきたが、そのような試みは、アルミニウム基板および銀薄膜被覆の２つの材料の性質のために、うまくいっていない。銀をアルミニウム基板上に被覆すると、「電解腐食」と称されるマイナスの反応が生じ、これはミラーの推定寿命に劇的に影響を与える。電解腐食は、異なる金属の対、例えば、銀とアルミニウムが互いに接触するときに生じる化学反応の結果である。この反応の作用は、他方にとって「陽極」である、金属の対の部材を溶解させることである。アルミニウム基板、例えば、Ｔ６０６１アルミニウムは、一般的な金属のほとんどにとって陽極であるので（この中の表１：「ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８９からのガルバニック表」を参照）、アルミニウム基板の反射率を向上させるために施された金属鏡被覆、特に銀被覆は、そのアルミニウムの自然な耐食性に悪影響を与える。特許文献１および特許文献２には、銀被覆鏡を製造する代わりの方法が開示されている。

米国特許第６０７８４２５号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１４１２７２号明細書

しかしながら、鏡を形成するためのアルミニウム基板上の銀被覆には、まだ問題がある。それゆえ、本開示に記載されたような、さらなる改善が必要とされている。

１つの実施の形態において、本開示は、機械試験、環境試験、およびスペクトル試験の厳しさに耐える前面光学ミラー被覆を製造する、材料と技法の組合せを利用した被覆堆積プロセスに関する。このプロセスにおいて、被覆すべき表面、例えば、アルミニウム表面の状態を調節し、潜在的な汚染物質を除去するそのプロセスの前処理(pre-cleaning)段階に、高出力ＲＦイオン源が利用される。前処理段階が完了した後、蒸発物を支援し、また充填密度を増加させ、これにより、堆積され形成されるときにバリア層膜に空隙または「ピンホール」をなくすまたは最小にするためにＲＦイオン源を利用して、窒化クロム（「ＣｒＮ」）の「バリア」層が、窒素／アルゴン雰囲気内でその場で堆積または形成される。「バリア」層が形成されると、次いで、銀を蒸発させて、窒化クロム層上に堆積させ、その後、クロムの層（結合層として）を堆積させ、次いで、酸素の存在下でイオングロープラズマ放電により処理して、クロム結合層を完全に酸化させ、酸化クロム層を形成する。一旦、クロム結合層が完全に酸化されたら、１つまたは複数の強化（保護）層を連続的に堆積させて、所望の反射率を有する鏡、例えば、アルミニウム基板上の銀被覆鏡を生成する。上述した鏡は、強化層により環境から保護され、アルミニウム基板と銀層との間のその場で形成された窒化クロム層のために、アルミニウム基板との電解反応を経ない。窒化クロム層の形成中にＲＦイオン源を使用すると、銀とアルミニウムとの電解反応をもたらし得る空隙またはピンホールのない、もしくはそれらの数が最小である緻密化されたＣｒＮ層が生成される。

別の実施の形態において、本開示は、向上した電解腐食耐性を有する銀鏡において、アルミニウム基板であって、アルミニウム基板上の５０〜１５０ｎｍの範囲の厚さを有するその場で形成された窒化クロム層、窒化クロム層上の７５〜１５０ｎｍの範囲の厚さを有する銀層、銀層の上面の０．１〜０．６ｎｍの厚さを有する形成された酸化クロム層、および酸化クロム層上に形成された１つまたは複数の強化層を有するアルミニウム基板から実質的になり、複数の強化層が使用された場合、交互に隣接する層に異なる材料が使用される、銀鏡に関する。例えば、三層の強化構造が使用される場合、その構造はＡ−Ｂ−Ａ構造であって差し支えなく、ここで、例えば、Ａは二酸化ケイ素であり、Ｂは五酸化ニオブである。１つの実施の形態において、窒化クロム層の厚さは５０〜１２５ｎｍの範囲にある。別の実施の形態において、窒化クロム層の厚さは７５〜１２５ｎｍの範囲にある。ある実施の形態において、銀層の厚さは７５〜１５０ｎｍの範囲にある。別の実施の形態において、銀層の厚さは１００〜１３０ｎｍの範囲にある。１つまたは複数の強化層は、個別に、二酸化ケイ素、一酸化ケイ素、五酸化ニオブ、フッ化イッテルビウム、二酸化チタン、五酸化タンタル、フッ化マグネシウム、フッ化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、またはそれらの組合せからなる群より選択される。しかしながら、複数の強化層が使用される場合、交互の隣接する層に異なる材料が使用される。例えば、交互の隣接する上に異なる材料が使用されるという条件で、複数の強化層は、Ａ−Ｂ−Ａ、Ａ−Ｂ−Ｃ、Ａ−Ｂ−Ａ−Ｃなどの構造を有し得る。個々の強化層は、各々、１０〜１００ｎｍの範囲の厚さを有し得、複数の強化層が使用される場合、各層は、１０〜１００ｎｍの範囲内の異なる厚さを有し得る。

追加の実施の形態において、本開示は、図１に示された高反射率銀鏡において、アルミニウム基板１０であって、アルミニウム基板１０の上にその場で形成された５０〜１２５ｎｍの範囲の厚さの窒化クロム層１２、窒化クロム層１２上に堆積された７５〜１５０ｎｍの範囲の厚さを有する銀被覆層１４、銀層１４上に堆積された１〜６オングストローム（０．１〜０．６ｎｍ）範囲の厚さを有する形成された酸化クロム層１６、酸化クロム層１６上に堆積された３０〜８０ｎｍの範囲の厚さを有する第１の強化層１８、第１の強化層１８上に堆積された１５〜１００ｎｍの範囲の厚さを有する第２の強化層２０および第２の強化層２０上に堆積された１０〜１００ｎｍの範囲の厚さを有する第３の強化層の三層強化層を有するアルミニウム基板１０からなる銀鏡に関する。特別な例において、強化層は、酸化クロム層１６上に堆積された４０〜６０ｎｍの範囲の厚さを有する第１の二酸化ケイ素層１８、第１の二酸化ケイ素層１８上に堆積された１５〜３０ｎｍの範囲の厚さを有する五酸化ニオブ層２０および五酸化ニオブ層２０上に堆積された４０〜６０ｎｍの範囲の厚さを有する第２の二酸化ケイ素層２２であった。

アルミニウム基板上の本開示による膜構造を示す説明図 アルミニウム基板上の強化保護銀被覆を調製するための本開示の工程を示すプロセスの流れ図

ここに記載されたようなアルミニウム基板を使用した銀鏡を製造するプロセスでは、任意の材料の堆積の前に、並びに速い堆積速度を可能にし、製品の寿命の改善にも役立つ膜の充填密度を増加させるための、バリア層、結合層、および特定の強化層の堆積の最中に、表面処理のために市販のＲＦイオンガンを利用する。

図２は、本開示の方法を示すプロセス流れ図である。以下のプロセスを使用する前に、基板は、真空槽に装填する準備ができる時間まで、基板を慎重に洗浄し、検査し、窒素パージ済み容器に入れる。

図２に示されたプロセスは、
被覆すべき製品器具（基板）を被覆槽に装填する工程［１００］、
被覆槽を３×１０^-6トール未満の圧力まで排気する工程［１０２］、
７〜１５分間の範囲の期間に亘り約１０ｓｃｃｍのアルゴン流を被覆槽に通して、３００〜５００ＷでＲＦ前処理を行う工程［１０４］、
それによってクロムを窒化クロムに転化させる４００ＷのＲＦ出力で約３０ｓｃｃｍのＮ₂および約５ｓｃｃｍのＡｒ（約６／１ Ｖ／ＶのＮ₂／Ａｒ）の流れの中でクロム（Ｃｒ）の堆積により、５０〜１５０ｎｍの範囲の厚さまで、その場で形成される窒化クロムバリア層を堆積させる工程［１０６］、
ＲＦ出力をオフにし、銀層を７５〜１５０ｎｍの範囲の厚さまで堆積させる工程［１０８］、
ＲＦ出力をオフにし、ガスを流さずに、０．１〜０．６ｎｍの範囲の厚さを有するクロム（Ｃｒ）層を堆積させる工程［１１０］、
ＲＦ出力を２００〜３００Ｗの設定値でオンにして、約５０ｓｃｃｍの酸素流を提供し、これらの条件を維持して、クロム層を酸化クロム層（形成された酸化クロム層とも呼ばれる）に完全に酸化させる工程［１１２］、
１つまたは複数の強化層を堆積させる工程［１１４］、および
例えば、窒素または空気を使用して、槽を排気し、きれいにし、槽から被覆鏡を取り出す工程［１１６］、
を有する。

複数の強化層の例が、以下の順番に（ｉ）４０〜６０ｎｍの範囲の厚さを有する第１の二酸化ケイ素層１８、（ｉｉ）１５〜３０ｎｍの範囲の厚さを有する五酸化ニオブ層２０、および（ｉｉｉ）４０〜６０ｎｍの範囲の厚さを有する第２の二酸化ケイ素層２２として堆積された三層として、図１に示されている。他の材料を、以下に記載するように、強化層材料として、単独で、または組合せで使用することができる。

１０６に上述したようなプロセスにおいて、クロム（Ｃｒ）が、堆積されている金属である。しかしながら、堆積が、それぞれ、２８／３．５ｓｃｃｍの流量でＲＦイオン源（４００Ｗの出力レベル）に流すことによって、純粋な窒素（９９．９９９％）とアルゴン（９９．９９９％）の混合物を使用して行われる場合、クロムが変えられて、窒化クロムの層を形成する。同様に、１１０において、クロムが４〜６ｎｍの範囲の目的厚さまで堆積されている金属であり、この金属が堆積された後、工程１１２が行われ、それによって、クロムが酸化クロムに酸化される。クロム金属を酸化クロムに酸化するのに要する時間は、おおよそ７〜８分間の範囲にある。さらに、１つの実施の形態において、ＲＦ前処理工程が８〜１２分間の範囲の時間で行われる。

一例において、アルミニウム基板を使用して、銀被覆鏡を調製した。アルミニウム基板から最後に施された被覆層（強化層）まで、ここに記載したように調製した鏡上の被覆は、１００ｎｍのＣｒＮ、１２０ｎｍのＡｇ、０．４５ｎｍ（４．５オングストローム）の酸化クロム、５５．３ｎｍの第１の二酸化ケイ素層、２０．９ｎｍの五酸化ニオブおよび５３．８ｎｍの第２の二酸化ケイ素層の測定厚を有した。各厚さのばらつきは、±１０％のばらつきを有し得る酸化クロム層を除いて、±５％であった。

１１４により図２に示されるようなプロセスの最終段階は、強化層としばしば称されるものの追加の堆積である。これらの層は、異なる波長領域において反射率を増加させるために酸化クロム層１１２の上面に堆積される、酸化物またはフッ化物としての金属の任意の組合せであって差し支えない。このプロセスに利用される材料としては、二酸化ケイ素、一酸化ケイ素、五酸化ニオブ、フッ化イッテルビウム、二酸化チタン、五酸化タンタル、フッ化イットリウム、酸化ハフニウム、フッ化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、またはそれらの組合せ、例えば、制限するものではなく、酸化ケイ素アルミニウム(silicon aluminum oxide)などが挙げられる。「強化(enhancing)」は、１つだけの層を使用して行うことができるが、一般に、３から９の交互の層の範囲の複数の層を使用して行われる。複数の強化層が使用される場合、交互の隣接する層に様々な材料が使用される；例えば、制限するものではなく、Ａ−Ｂ−ＡおよびＡ−Ｂ−Ｃ−Ａ、Ａ−Ｂ−Ａ−Ｂなど。

本発明を、限られた数の実施の形態に関して説明してきたが、本開示の恩恵を受けた当業者には、ここに開示された本発明の範囲から逸脱しない他の実施の形態を想起できることが認識されるであろう。したがって、本発明の範囲は、付随する特許請求の範囲のみによって制限されるものとする。

１０ アルミニウム基板
１２ 窒化クロム層
１４ 銀層
１６ 酸化クロム層
１８ 第１の強化層
２０ 第２の強化層
２２ 第３の強化層

Claims (10)

1. 向上した電解腐食耐性を有する銀鏡において、アルミニウム基板であって、該アルミニウム基板上の５０〜１５０ｎｍの範囲の厚さを有するその場で形成された窒化クロム層、該窒化クロム層上の７５〜１５０ｎｍの範囲の厚さを有する銀層、該銀層の上面の０．１〜０．６ｎｍの厚さを有する形成された酸化クロム層、および該酸化クロム層上に形成された１つまたは複数の強化層を有するアルミニウム基板から実質的になり、
   複数の強化層が使用された場合、交互の隣接する強化層に異なる材料が使用され、各個別の強化層が１０〜１００ｎｍの範囲の厚さを有する、銀鏡。
2. 前記窒化クロム層の厚さが７５〜１２５ｎｍの範囲にある、請求項１記載の銀鏡。
3. 前記銀層の厚さが１００〜１３０ｎｍの範囲にある、請求項１記載の銀鏡。
4. 前記強化層が、個別に、二酸化ケイ素、一酸化ケイ素、五酸化ニオブ、フッ化イッテルビウム、二酸化チタン、五酸化タンタル、フッ化マグネシウム、フッ化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、またはそれらの組合せからなる群より選択される、請求項１記載の銀鏡。
5. アルミニウム基板、該基板上に堆積された１００ｎｍ厚のＣｒＮ層、該ＣｒＮ層上に堆積された１２０ｎｍ厚のＡｇ層、該Ａｇ層上に形成された０．４５ｎｍ厚の酸化クロム層、該酸化クロム層上に堆積された５５．３ｎｍ厚の第１の二酸化ケイ素層、該第１の二酸化ケイ素層上に堆積された２０．９ｎｍ厚の五酸化ニオブおよび該五酸化ニオブ層上に堆積された５３．８ｎｍ厚の第２の二酸化ケイ素層からなる銀被覆鏡であって、
   前記酸化クロム層を除いた各層の厚さのばらつきが±５％であり、該酸化クロム層が、±１０％の厚さのばらつきを有する、銀被覆鏡。
6. アルミニウム基板を使用した銀鏡であって、アルミニウムと銀との間の電解反応を回避する銀鏡を形成する方法において、
   被覆すべき前記アルミニウム基板を被覆槽に装填する工程、
   該被覆槽を３×１０^-6トール未満の圧力まで排気する工程、
   ７〜１５分間の範囲の期間に亘り約１０ｓｃｃｍのアルゴン流を前記被覆槽に通して、３００〜５００ＷでＲＦ前処理を行う工程、
   それによってクロムを窒化クロムに転化させる２５０〜４００ＷのＲＦ出力で約３０ｓｃｃｍのＮ₂および約５ｓｃｃｍのＡｒの流れの中でクロムの堆積により、５０〜１５０ｎｍの範囲の厚さまで、窒化クロムバリア層を堆積させる工程、
   前記ＲＦ出力をオフにし、銀層を７５〜１５０ｎｍの範囲の厚さまで堆積させる工程、
   前記ＲＦ出力をオフにし、ガスを流さずに、０．１〜０．６ｎｍの範囲の厚さを有するクロム層を堆積させる工程、
   前記ＲＦ出力を２５０Ｗの設定値でオンにして、約５０ｓｃｃｍの酸素流を提供し、これらの条件を維持して、前記クロム層を酸化クロム層に完全に酸化させる工程、
   １つまたは複数の強化層を堆積させる工程、および
   前記槽を排気し、きれいにし、該槽から前記アルミニウム基板を使用した銀鏡を取り出す工程、
   を有する方法。
7. 交互の隣接する強化層に異なる材料が使用されるという条件で、前記強化層が複数使用され、該強化層の数が３〜９の範囲にあり、各個別の強化層が１０〜１００ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項６記載の方法。
8. 前記強化層が、独立して、二酸化ケイ素、一酸化ケイ素、五酸化ニオブ、フッ化イッテルビウム、二酸化チタン、五酸化タンタル、フッ化マグネシウム、フッ化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、またはそれらの組合せからなる群より選択される、請求項７記載の方法。
9. 前記窒化クロムバリア層の厚さが７５〜１２５ｎｍの範囲にある、請求項６記載の方法。
10. 前記銀層の厚さが１００〜１３０ｎｍの範囲にある、請求項６記載の方法。

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