JP2017223914A

JP2017223914A - 赤外線用機能性膜付シリコン基板

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Publication number: JP2017223914A
Application number: JP2016121116A
Authority: JP
Inventors: 茂樹岡; Shigeki Oka; 良奥田; Makoto Okuda
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2036-06-17
Also published as: JP6982951B2

Abstract

【課題】赤外線に対する光学機能を有しつつ、耐久性のよい赤外線用機能性膜付シリコン基板を提供する。
【解決手段】シリコン基板上に複数の薄膜を積層してなる赤外線用機能性膜付シリコン基板であって、シリコン基板の少なくとも一方の面において、シリコン基板の上にＳｉからなる密着層と、密着層の上に機能性膜層と、が形成されている。さらに、機能性膜層は、反射防止膜層である。さらに、反射防止膜層は、シリコン基板から最も外側の最終層がシリコン基板の屈折率より低い屈折率を有する材料からなる第１薄膜層である。
【選択図】図１

Description

本開示は、シリコン基板上に複数の薄膜を積層してなる赤外線用機能性膜付シリコン基板に関するものである。

従来、基板上に屈折率の異なる薄膜を積層させることによって、反射防止機能や増反射機能を有した機能性膜付基板が知られている。このような、機能性膜付基板は、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的気相成長法を用いて基板に薄膜を積層させることによって形成されたものが知られている（特許文献１参照）。

例えば、このような機能性膜付基板において、赤外線用（赤外光用）の機能性膜付基板を製造する際に、シリコン基板が用いられることがある。シリコン基板は、赤外線用機能性膜付基板を製造する際に用いられる他の基板（例えば、ゲルマニウム基板、カルコゲナイド基板等）に比べてコスト的に安価である。

例えば、赤外線用機能性膜付基板の製造において、シリコン基板を用いる場合に、シリコン基板の表面に薄膜を積層させようとすると、シリコン基板と薄膜との密着性が弱いために、シリコン基板から薄膜が剥離しやすい。このため、シリコン基板の表面にイオンビームを照射し、シリコン基板の表面に改質層を形成し、シリコン基板と薄膜との密着性を向上させる方法が提案されている（特許文献２参照）。

特開２００７−２７１８６０号公報特開平７−２０３０２号公報

しかしながら、赤外線用機能性膜付シリコン基板の製造において、シリコン基板と薄膜との密着性を改善するために、シリコン基板の表面にイオンビームを照射する方法は、イオンビームを照射する高価な設備を別途必要とし、シリコン基板に容易に薄膜を積層させることは困難であった。

本開示は、上記問題点を鑑み、赤外線に対する光学機能を有しつつ、耐久性のよい赤外線用機能性膜付シリコン基板を提供することを技術課題とする。

上記課題を解決するために、本開示は以下のような構成を備えることを特徴とする。

（１）本開示の第１態様に係る赤外線用機能性膜付シリコン基板は、シリコン基板上に複数の薄膜を積層してなる赤外線用機能性膜付シリコン基板であって、前記シリコン基板の少なくとも一方の面において、前記シリコン基板の上にＳｉからなる密着層と、前記密着層の上に機能性膜層と、が形成されていることを特徴とする。

本実施形態における赤外線用機能性膜付シリコン基板の積層構成を示す概略図である。

以下、本件発明の実施形態における赤外線用機能性膜付シリコン基板について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態における赤外線用機能性膜付シリコン基板の積層構成を示す概略図である。

例えば、本実施形態において、赤外線用機能性膜付シリコン基板は、シリコン基板上に複数の薄膜を積層してなる赤外線用機能性膜付シリコン基板である。例えば、赤外線用機能性膜付シリコン基板１は、シリコン基板（Ｓｉ基板）２と、密着層３と、機能性膜層４と、で形成される。例えば、本実施形態において、シリコン基板２の少なくとも一方の面において、シリコン基板２の上に密着層３が形成されている。また、例えば、密着層３の上に機能性膜層４が形成されている。すなわち、例えば、シリコン基板２の一方の面には、シリコン基板２側から順に、密着層３、機能性膜層４、が順に積層されている。

なお、本実施形態における赤外線用機能性膜付シリコン基板１は、シリコン基板２の一方の面に密着層３と機能性膜層４とが形成される構成を例に挙げて説明しているがこれに限定されない。例えば、赤外線用機能性膜付シリコン基板１としては、シリコン基板２の両面に密着層３と機能性膜層４とが形成される構成であってもよい。なお、本実施形態においては、赤外線用機能性膜付シリコン基板１における機能性膜層４として反射防止膜層が用いられる場合を例に挙げて説明する。すなわち、以下の説明においては、赤外線用機能性膜付シリコン基板の内、赤外線用反射防止膜付シリコン基板を例に挙げて説明する。

例えば、本実施形態において、赤外線用機能性膜付シリコン基板１は、２μｍ以上の赤外波長領域において透過率が高くなるように構成されている。もちろん、赤外波長領域は、上記構成に限定されない。透過率を高くする赤外波長領域は、任意の赤外波長領域を設定することができる。例えば、透過率を高くする赤外波長領域は、２μｍ〜１５μｍ付近の赤外波長領域等であってもよい。なお、透過率を高くする赤外波長領域に応じて、機能性膜層４の材料、光学的膜厚が適宜設定される。以下の説明においては、１０μｍ付近の赤外波長領域の透過率を高くする赤外線用機能性膜付シリコン基板を例に挙げて説明する。

例えば、本実施形態において、シリコン基板２は、屈折率として３．４を有するシリコン基板である。なお、本実施形態においては、屈折率として３．４のシリコン基板２を用いる構成を例に挙げて説明するがこれに限定されない。例えば、異なる屈折率のシリコン基板２が用いられる構成としてもよい。例えば、本実施形態において、シリコン基板２は、０．５ｍｍの厚みを有する。もちろん、異なる厚みのシリコン基板２が用いられる構成としてもよい。なお、例えば、本実施形態におけるシリコン基板２は、板状に限定されず、フィルム基板を含むものとしている。また、例えば、本実施形態におけるシリコン基板２としては、レンズ等の光学部材も含むものとしている。

例えば、密着層３は、シリコン基板２と機能性膜層４との間の密着性を向上させるために形成される層である。例えば、密着層３は、Ｓｉ（ケイ素）からなる。例えば、本実施形態において、密着層３は屈折率３．４のＳｉである。なお、本実施形態においては、密着層３として、屈折率３．４のＳｉを用いる構成を例に挙げて説明するがこれに限定されない。例えば、密着層３として、異なる屈折率のＳｉが用いられる構成としてもよい。なお、密着層３としては、Ｓｉに限定されない。例えば、密着層３としては、ＳｉＯ、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２等の金属酸化物も使用されうる。また、例えば、密着層３としては、ＹＦ_３、ＬａＦ_３、ＭｇＦ_２、ＣｅＦ_３、ＹｂＦ_３等のフッ化物も使用されうる。また、例えば、密着層３としては、上記記載の物質の少なくとも２つ以上を混合した混合物も使用されうる。

なお、例えば、密着層３の材料としては、透過率を高くする赤外波長領域で透明である、又は、透過率を高くする赤外波長領域の光の吸収が少ない等の材料が選択されることが好ましいと考えられる。もちろん、透過率を高くする赤外波長領域の光の吸収が多いものであっても、膜厚を小さくすることによって、適用されうる。なお、赤外線用機能性膜付シリコン基板１が、７μｍ〜１５μｍ付近の赤外波長領域において透過率が高くなるように構成される場合には、より透明性の高いＳｉが選択されることが好ましい。

例えば、密着層３の物理膜厚は、シリコン基板２との密着性が高いとともに機能性膜層４との密着性が高い効果を有する膜厚であればよい。例えば、密着層３の物理膜厚は、１ｎｍ以上４００ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。例えば、物理膜厚が１ｎｍ未満であると、密着性が悪くなり、機能性膜層４がシリコン基板２から剥離しやすくなる。また、例えば、物理膜厚が４００ｎｍを超えると、赤外波長領域における透過率を低下させるため、反射防止機能が低下する傾向となる。すなわち、Ｓｉには赤外波長領域の光を吸収する性質がある。このため、Ｓｉの光学的膜厚は、小さい（薄い）方が赤外波長領域の光が吸収されづらくなるためより好ましい。本実施形態において、密着層３の物理膜厚は、３０ｎｍである。なお、例えば、物理膜厚とは、物差しで膜厚を測定することによって算出される一般的にいう膜厚のことである。なお、光学膜厚は、物理膜厚に物質の屈折率を掛けあわせることによって算出される。

例えば、機能性膜層４は、屈折率に差のある材料を積層した構造とし、物理膜厚、屈折率等を調整することにより反射防止機能が得られるものである。このため、機能性膜層４を複数の薄膜層を積層して構成することも可能である。なお、機能性膜層４の膜厚は、透過率を高くする赤外波長領域に応じて、適宜設定される。例えば、機能性膜層４の光学膜厚（物理膜厚と屈折率との掛けあわせ）はλ／４（λは透過率を高くする赤外波長領域の中心波長）で設定される。

例えば、本実施形態において、機能性膜層４は、反射防止膜層である。例えば、本実施形態において、機能性膜層４は、屈折率の異なる薄膜が積層された多層膜からなる。より詳細には、例えば、本実施形態において、機能性膜層４は、第１薄膜層５と、第２薄膜層６と、で形成される。

例えば、第１薄膜層５は、シリコン基板２の屈折率より低い屈折率の材料（低屈折材料）からなる薄膜層である。なお、本実施形態においては、第１薄膜層５がシリコン基板２の屈折率より低い屈折率の材料からなる場合を例に挙げて説明しているが、これに限定されない。例えば、第１薄膜層５は、第２薄膜層６の屈折率よりも低い屈折率の材料からなる薄膜層であってもよい。例えば、低屈折材料としては、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、フッ化イットリウム層（ＹＦ_３層）、二酸化シリカ層（ＳｉＯ_２層）等が挙げられる。本実施形態においては、第１薄膜層５としてＺｎＳ層（屈折率２．３）が用いられる。もちろん、ＺｎＳの屈折率は２．３に限定されず、他の屈折率であってもよい。例えば、本実施形態においては、第１薄膜層５の物理膜厚は、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは、３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下である。物理膜厚がこれ以上厚くても、薄くても反射防止機能を有することが困難となる。本実施形態においては、第１薄膜層５の物理膜厚は、１１００ｎｍである。

例えば、第２薄膜層６は、シリコン基板２の屈折率より高い屈折率の材料（高屈折材料）からなる薄膜層である。なお、本実施形態においては、第２薄膜層６がシリコン基板２の屈折率より高い屈折率の材料からなる場合を例に挙げて説明しているが、これに限定されない。例えば、第２薄膜層６は、第１薄膜層５の屈折率よりも高い屈折率の材料からなる薄膜層であってもよい。例えば、高屈折材料としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）等が挙げられる。本実施形態においては、第２薄膜層６としてＧｅ層（屈折率４．０）が用いられる。もちろん、Ｇｅの屈折率は４．０に限定されず、他の屈折率であってもよい。例えば、本実施形態においては、第２薄膜層６の物理膜厚は、５０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。物理膜厚がこれ以上厚くても、薄くても反射防止機能を有することが困難となる。本実施形態においては、第２薄膜層６の物理膜厚は、６５０ｎｍである。

例えば、本実施形態の機能性膜層４において、シリコン基板２から最も外側の最終層が低屈折材料からなる第１薄膜層５となっている。すなわち、シリコン基板２側から順に第２薄膜層６、第１薄膜層５の順に積層されている。なお、シリコン基板２から最も外側の最終層を異なる薄膜としてもよい。例えば、シリコン基板２から最も外側の最終層は、高屈折材料からなる第２薄膜層６であってもよい。この場合には、機能性膜層４の反射防止機能に影響が及ばない程度の膜厚で形成されることが好ましい。

なお、本実施形態において、機能性膜層４は、複数の薄膜が積層された多層膜からなる構成を例に挙げて説明したがこれに限定されない。例えば、機能性膜層４は、少なくとも１つ以上の薄膜からなる構成であればよい。この場合、例えば、機能性膜層４は、シリコン基板２より低屈折材料からなる第１薄膜層５（例えば、ＺｎＳ層等）のみで構成されるようにしてもよい。

なお、本実施形態において、機能性膜層４は、第１薄膜層５と、第２薄膜層６と、の２層で形成される場合を例に挙げて説明しているが、これに限定されない。例えば、機能性膜層４は、第１薄膜層５の材料と第２薄膜層５の材料との複数の薄膜が交互に繰り返し積層されている構成（例えば、シリコン基板２側から４層（Ｇｅ層、ＺｎＳ層、Ｇｅ層、ＺｎＳ層の順に積層）で構成、７層（ＺｎＳ層、Ｇｅ層、ＺｎＳ層、Ｇｅ層、ＺｎＳ層、Ｇｅ層、ＺｎＳ層の順に積層）で構成、８層で構成等）としてもよい。

なお、本実施形態において、機能性膜層４は、２つの異なる材料を用いて形成される場合を例に挙げて説明しているが、これに限定されない。例えば、機能性膜層４は、第１薄膜層５の材料及び第２薄膜層５の材料に加え、さらに、異なる材料による薄膜層を形成するようにしてもよい。

なお、本実施形態においては、機能性膜層４は、反射防止機能を有する反射防止膜層を例に挙げて説明したがこれに限定されない。例えば、機能性膜層４は、他の機能を有するものであってもよい。例えば、機能性膜層４は、増反射、エッジフィルター、ビームスプリット、バンドパス、等の機能を有するものであってもよい。

上記で示した各薄膜層（密着層３、機能性膜層４）をシリコン基板２上に形成する方法としては、物理的気層成長方法（ＰＶＤ）では、真空蒸着方法、スパッタ方法、イオンプレーティング方法等が挙げられる。また、化学的気層成長方法（ＣＶＤ）では、化学的気層成長方法等が挙げられる。これらの成膜方法は、本実施形態としてすべて使用可能であるが、成膜に際して高温を伴うような方法では熱によるシリコン基板２の変形等が考えられるため、シリコン基板２での多層膜の成膜は高熱を必要としない真空蒸着方法やスパッタ方法が好適に用いられる。

以上のように、例えば、本実施形態においては、シリコン基板と機能性膜層との間にＳｉからなる密着層を設けることによって、シリコン基板に機能性膜層を形成した場合であっても、シリコン基板から機能性膜層が剥離することを抑制し、耐久性のよい赤外線用機能性膜付シリコン基板を得ることができる。すなわち、赤外線用機能性膜付基板において、コスト的に安価なシリコン基板を用いる場合であっても、赤外線に対する光学機能を有しつつ、耐久性のよい赤外線用機能性膜付シリコン基板を容易に得ることができる。

また、例えば、本実施形態においては、機能性膜層として反射防止膜層を設け、シリコン基板と反射防止膜層との間にＳｉからなる密着層を設けることによって、シリコン基板に反射防止膜層を形成した場合であっても、シリコン基板から反射防止膜層が剥離することを抑制し、耐久性のよい赤外線用機能性膜付シリコン基板を得ることができる。

以下、本実施例及び比較例を示して本開示を具体的に説明するが、本開示は、下記実施例に制限されるものではない。以下、実施例１〜２では、シリコン基板の一方の面において、シリコン基板の上にＳｉからなる密着層と、密着層の上に機能性膜層（本実施例の場合には反射防止膜層）と、をシリコン基板側から順に形成し、得られた赤外線用機能性膜付シリコン基板の密着性、及び機能性を評価した。実施例３〜４では、シリコン基板の両面において、シリコン基板の上にＳｉからなる密着層と、密着層の上に機能性膜層と、をシリコン基板側から順に形成し、得られた赤外線用機能性膜付シリコン基板の密着性、及び機能性を評価した。

比較例１〜２では、シリコン基板の一方の面において、シリコン基板の上に機能性膜層を形成し、得られた赤外線用機能性膜付シリコン基板の密着性、及び機能性を評価した。

＜実施例１＞
実施例１では、蒸着源にＳｉ顆粒、Ｇｅ顆粒、ＺｎＳ顆粒を用意し、真空蒸着により、密着層としてＳｉを、高屈折率の第１反射膜層（薄膜層）としてＧｅを、低屈折率の第２反射膜層（薄膜層）としてＺｎＳを、シリコン基板上にシリコン基板側から順番に積層し、反射防止膜付シリコン基板を得た。すなわち、高屈折率の第１反射膜層としてＧｅと低屈折率の第２反射膜層としてＺｎＳとによって、反射防止膜層を形成した。ここで、シリコン基板としては、厚さ０．５ｍｍのシリコン板を用いた。Ｓｉからなる密着層の膜厚は、物理膜厚で３０ｎｍとした。Ｇｅからなる第１反射膜層の膜厚は、物理膜厚で６５０ｎｍとした。ＺｎＳからなる第２反射膜層の膜厚は、物理膜厚で１１００ｎｍとした。得られた反射防止膜付シリコン基板の透過率を赤外分光光度計(ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅＩｎｃ．Ｆｒｏｎｔｉｅｒ)にて測定した。評価基準は、反射防止膜層を付ける前のシリコン基板の透過率（５１％）より透過率が高かった場合には評価○、反射防止膜を付けていないシリコン基板の透過率（５１％）以下であった場合には評価×とした。また、反射防止膜付シリコン基板に対して密着試験を行い、反射防止膜層とシリコン基板の密着性の評価を行った。密着試験は反射防止膜付シリコン基板に粘着テープ(ニチバン（株）テープＮｏ．４０５) を強く貼り付け、それを素早く剥がし反射防止膜の剥がれの有無を確認した。この作業を３回繰り返し、反射防止膜層が剥離しなかった場合には評価○、反射防止膜層が一部でも剥離した場合には評価×とした。下記の実施例２、比較例１〜２についても同様の評価をした。評価結果を表１に示した。

＜実施例２＞
反射防止膜層をＧｅからなる第１反射膜層とＺｎＳからなる第２反射膜層とによって形成した代わりに、反射防止膜層を低屈折率の第１反射膜層としてＺｎＳのみで形成した以外は、実施例１と同様に反射防止膜付シリコン基板を作製した。ＺｎＳからなる第１反射膜層の膜厚は、物理膜厚で１１００ｎｍとした。

＜比較例１＞
シリコン基板と反射防止膜層との間に密着層を形成しない以外は、実施例１と同様に反射防止膜付シリコン基板を作製した。

＜比較例２＞
シリコン基板と反射防止膜層との間に密着層を形成しない以外は、実施例２と同様に反射防止膜付シリコン基板を作製した。

（結果）
以上、表１で示されるように、シリコン基板と反射防止膜層との間にＳｉからなる密着層を設けた赤外線用機能性膜付シリコン基板の密着性が、シリコン基板と反射防止膜層との間にＳｉからなる密着層を設けない場合の密着性と比較して向上する。また、Ｓｉからなる密着層を用いた場合に、密着層の上に積層される薄膜層が高屈折材料又は低屈折材料のいずれの材料であっても、密着性を向上させることができる。

このように、シリコン基板と反射防止膜層との間にＳｉからなる密着層を設けることによって、シリコン基板に反射防止膜層を形成した場合であっても、シリコン基板から反射防止膜層が剥離することを抑制し、耐久性のよい赤外線用機能性膜付シリコン基板を得ることができる。

Claims

シリコン基板上に複数の薄膜を積層してなる赤外線用機能性膜付シリコン基板であって、
前記シリコン基板の少なくとも一方の面において、前記シリコン基板の上にＳｉからなる密着層と、前記密着層の上に機能性膜層と、が形成されていることを特徴とする赤外線用機能性膜付シリコン基板。
請求項１の赤外線用機能性膜付シリコン基板において、
前記機能性膜層は、反射防止膜層であることを特徴とする赤外線用機能性膜付シリコン
請求項１又は２の赤外線用機能性膜付シリコン基板において、
前記機能性膜層は、前記シリコン基板から最も外側の最終層が前記シリコン基板の屈折率より低い屈折率を有する材料からなる第１薄膜層であることを特徴とする赤外線用機能性膜付シリコン基板。
請求項２又は３の赤外線用機能性膜付シリコン基板において、
前記機能性膜層は、さらに、前記シリコン基板の屈折率より高い屈折率を有する材料からなる第２薄膜層を備えることを特徴とする赤外線用機能性膜付シリコン基板。
請求項３の赤外線用機能性膜付シリコン基板において、
前記第１薄膜層は、ＺｎＳからなる薄膜層であることを特徴とする赤外線用機能性膜付シリコン基板。
請求項４の赤外線用機能性膜付シリコン基板において、
前記第２薄膜層は、Ｇｅからなる薄膜層であることを特徴とする赤外線用機能性膜付シリコン基板。