JP2019174695A

JP2019174695A - 多層反射膜及びその製造方法

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Publication number: JP2019174695A
Application number: JP2018064056A
Authority: JP
Inventors: 昭宏中田; Akihiro Nakada; 良蔵伊藤; Ryozo Ito
Original assignee: MULTI KOOTO KK; OYO DENKI KK
Current assignee: MULTI KOOTO KK; OYO DENKI KK
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2019-10-10

Abstract

【課題】比較的広い波長域の光を高い反射率で反射できると同時に、強度が高く、層の総数が少なくて、低コストで製造できる多層反射膜及びその製造方法を提供する。【解決手段】基材１２上に所定の波長の光に対応した膜厚で設定された膜を多数積層して形成される多層反射膜であって、基材１２上に、二酸化チタンの膜２０と二酸化ケイ素の膜２２とを交互に積層して形成された第１積層部１４と、該第１積層部１４の上に形成された一酸化チタンの膜２８からなる中間層１６と、中間層１６の膜の上に、フッ化ランタンの膜３０と二酸化ケイ素の膜３２とを交互に積層して形成された第２積層部１８と、を備えた多層反射膜から構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、種々の光学系に利用される多層反射膜及びその製造方法に関する。

光源、レンズやフィルタ、ミラー、その他光学素子を含む様々な光学系では、光の透過や反射などをコントロールするために金属や誘電体を材料とした薄膜によるコーティングが活用されている。近時では、光学系における光の透過率や反射率の制御は、高性能化に従って、色特性の調整、コントラストの調整、フレアの発生防止等のためにますます重要であり、それに応じて薄膜技術の重要性も高まっている。従来、光の反射率を制御する薄膜技術として、例えば、ガラス基板の上に、屈折率が高い誘電体材料による膜と屈折率が低い誘電体材料による膜とを交互に積層して、目的の波長の光の反射を増加させたり又は減少させたりする多層反射膜や多層反射防止膜が広く利用されている。光は、高い屈折率の膜と低い屈折率の膜との境界では僅かな反射が生じるが、膜の屈折率をｎ、厚さをｄとするとその光学膜厚ｎｄがλ／４（λ：光の波長）に設定されると各層の反射光どうしが強め合うこととなり、積層する膜の数を増加することにより目的の光の波長周辺域の反射率を高くすることができる。また、多層反射膜は半導体レーザ素子の共振器端面などにも利用されており、例えば、特許文献１には、最表面層がＭｇＦ_２からなり、該表面層以外の層がＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５等の酸化物誘電を構成材料として含む誘電体多層反射膜の技術が開示されている。

特開平８−２９８３５１号公報

ランプ等の光源の集光ミラーなどでは広い波長域で高い反射率が求められるが、上記のような多層反射膜が利用されている。従来、例えば、波長域３００〜７５０ｎｍの光を９０％以上の反射率となる多層反射膜を構成するには、高い屈折率材料としてＨｆＯ_２（屈折率ｎ＝１．９５）やＺｒＯ_２（屈折率ｎ＝２．０５）、低い屈折材料としてはＳｉＯ_２（屈折率ｎ＝１．４６）やＭｇＦ_２（屈折率ｎ＝１．３８）を使用し、それらを交互に積層して構成されていた。しかしながら、これらの高い屈折材料及び低い屈折材料を使用した場合、反射率９０％以上を得るには総膜数は１００層以上積層する必要があった。そのため、多層反射膜の層の総数が多くなることから、材料コスト及び成膜に係るコストを含む製造コスト全体が高くつくとともに、層間で剥離が生じるおそれが高く、強度に劣る問題があった。

本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、その一つの目的は、比較的広い波長域の光を高い反射率で反射できると同時に、強度が高く、層の総数が少なくて、低コストで製造できる多層反射膜及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため本発明は、基材１２上に所定の波長の光に対応した膜厚で設定された膜を多数積層して形成される多層反射膜であって、基材１２上に、二酸化チタンの膜２０と二酸化ケイ素の膜２２とを交互に積層して形成された第１積層部１４と、該第１積層部１４の上に形成された一酸化チタンの膜２８からなる中間層１６と、中間層１６の膜（２８）の上に、フッ化ランタンの膜３０と二酸化ケイ素の膜３２とを交互に積層して形成された第２積層部１８と、を備えた多層反射膜１０から構成される。

また、中間層１６は、一層の一酸化チタンの膜２８のみからなることとしてもよい。

また、第２積層部１８は、少なくとも２０層以上形成されたこととしてもよい。

また、第２積層部１８のフッ化ランタンの膜３０は、膜応力が強く設定された層と膜応力が弱く設定された層とが交互に形成されたこととしてもよい。

また、中間層１６の一酸化チタンの膜厚が０．４ナノメートルに設定されたこととしてもよい。

さらに本発明は、基材１２上に二酸酸化チタンの膜２０と二酸化ケイ素の膜２２を交互に積層して第１積層部１４を形成し、該第１積層部１４の上に一酸化チタンの膜２８を形成し、該一酸化チタンの膜２８の上に、フッ化ランタンの膜３０と二酸化ケイ素の膜３２を交互に積層して第２積層部１８を形成する多層反射膜の製造方法であり、第２積層部１８のフッ化ランタンの成膜は蒸着法で形成されるとともに、フッ化ランタンを成膜する際に、酸素を導入して成膜する場合と、酸素を導入しないで成膜する場合と、を交互に行う多層反射膜の製造方法から構成される。

本発明の多層反射膜によれば、基材上に所定の波長の光に対応した膜厚で設定された膜を多数積層して形成される多層反射膜であって、基材上に、二酸化チタンの膜と二酸化ケイ素の膜とを交互に積層して形成された第１積層部と、該第１積層部の上に形成された一酸化チタンの膜からなる中間層と、中間層の膜の上に、フッ化ランタンの膜と二酸化ケイ素の膜とを交互に積層して形成された第２積層部と、を備えたことから、例えば、近紫外域と可視波長域を含むような広い波長域の光を高い反射率で反射できる多層反射膜を、比較的少ない層の数で、低コストで実現できる。その上、材料が異なる第１、第２積層部を積層しても中間層により、層の中間での剥離を良好に防止でき、高い強度の多層反射膜を実現できる。

また、中間層は、一層の一酸化チタンの膜のみからなる構成とすることにより、入射光や反射光の吸収が少ないとともに、第１積層部と第２積層部とを良好に密着することができる。

また、第２積層部は、少なくとも２０層以上形成された構成とすることにより、例えば、紫外域のある波長域を安定して高い反射率で反射することができる。

また、第２積層部のフッ化ランタンの膜は、膜応力が強く設定された層と膜応力が弱く設定された層とが交互に形成された構成とすることにより、フッ化ランタンの膜が膜応力の強い膜と弱い膜とでバランスをとって層間の剥離を良好に防止することができ、高い強度を保持することができる。

また、中間層の一酸化チタンの膜厚が０．４ナノメートルに設定された構成とすることにより、入射光や反射光の吸収が少ないとともに、第１積層部と第２積層部とを良好に密着することができる。

さらに本発明の多層反射膜の製造方法によれば、基材上に二酸酸化チタンの膜と二酸化ケイ素の膜を交互に積層して第１積層部を形成し、該第１積層部の上に一酸化チタンの膜を形成し、該一酸化チタンの膜の上に、フッ化ランタンの膜と二酸化ケイ素の膜を交互に積層して第２積層部を形成する多層反射膜の製造方法であり、第２積層部のフッ化ランタンの成膜は蒸着法で形成されるとともに、フッ化ランタンを成膜する際に、酸素を導入して成膜する場合と、酸素を導入しないで成膜する場合と、を交互に行うことから膜の強度が安定し、比較的広い波長域の光を高い反射率で反射できる多層反射膜を、比較的少ない層の数で、低コストで実現できると同時に、層の中間での剥離を良好に防止して、高い強度の多層反射膜を製造することができる。

本発明の多層反射膜の一実施形態の説明図である。フッ化ランタンと二酸化ケイ素を交互に２０層積層した構成での光の波長ごとの反射率をあらわした分光特性のグラフである。フッ化ランタンと二酸化ケイ素を交互に１８層積層した構成での光の波長ごとの反射率をあらわした分光特性のグラフである。図１の多層反射膜で、光の波長ごとの反射率をあらわした分光特性グラフである。

以下添付図面を参照しつつ本発明の多層反射膜及びその製造方法の実施形態について説明する。本発明に係る多層反射膜は、屈折率が異なる複数の材料から構成される膜を所定の波長の光に対応した膜厚で多数積層して形成され、例えば、光源、レンズやミラー、その他光学素子等に利用される多層膜である。図１は、本発明の多層反射膜の第１の実施形態を示している。図１に示すように、本実施形態では、多層反射膜１０は、基材１２上に複数の膜を積層して形成される第１積層部１４と、第１積層部１４上に形成される中間層１６と、中間層１６上に複数の膜を積層して形成される第２積層部１８と、を備えている。本実施形態では、基材１２は、例えば、屈折率ｎ＝１．４６程度のガラス基板（石英ガラス、ＳｉＯ_２）からなり、該ガラス基板の上に薄膜が多数積層される。

図１に示すように、第１積層部１４は、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）の膜２０と二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）の膜２２を交互に積層して形成された第１の多層反射膜部である。すなわち、第１積層部１４は、基材１２上に、高い屈折率材料の膜として屈折率ｎ＝２．３０の二酸化チタンの膜２０と、低い屈折率材料の膜として屈折率ｎ＝１．４６の二酸化ケイ素の膜２２と、を交互に積層して形成されている。二酸化チタンの膜２０、二酸化ケイ素の膜２２は、光学膜厚（屈折率ｎ×膜厚ｄ）が反射目的の所定の光（可視光域）の波長λの１／４倍となるように設定され、例えば、コンピュータ計算された適度な膜厚、例えば、膜厚ｄ＝０．５〜１ｎｍで形成されている。第１積層部１４の二酸化チタンの膜２０と二酸化ケイ素の膜２２は、例えば、真空蒸着によって成膜される。

具体的には、本実施形態では、第１積層部１４は、反射させる光の波長域に応じて各層の膜厚を調整して成膜されており、例えば、基材１２側から順に、６２０〜７５０ｎｍの波長域の光を反射するように設定された第１山部２４と、５２０〜６２０ｎｍの波長域の光を反射するように設定された第２山部２５と、４２０〜５２０ｎｍの波長域の光を反射するように設定され第３山部２６と、で形成されている。第１山部２４は、例えば、合計１６層の膜で形成されており、第１層から第１５層までの奇数層が二酸化チタンの膜２０で成膜され、第２層から第１６層までの偶数層が二酸化ケイ素の膜２２で成膜されている。第１山部２４では各層の膜厚は、６２０〜７５０ｎｍの波長域の光を反射するように設定されており、合計１６層積層することにより、入射光を９５％以上の反射率で反射しうる。第２山部２５は、例えば、合計１６層の膜で形成されており、第１層から第１５層（第１積層部全体では第１７層から第３１層）までの奇数層が二酸化チタンの膜２０で成膜され、第２層から第１６層（第１積層部全体では第１８層から第３２層）までの偶数層が二酸化ケイ素の膜２２で成膜されている。第２山部２５では各層の膜厚は、５２０〜６２０ｎｍの波長域の光を反射するように設定されており、合計１６層積層することにより、入射光を９５％以上の反射率で反射しうる。第３山部２６は、例えば、合計１６層の膜で形成されており、第１層から第１５層（第１積層部全体では第３３層から第４７層）までの奇数層が二酸化チタンの膜２０で成膜され、第２層から第１６層（第１積層部全体では第３４層から第４８層）までの偶数層が二酸化ケイ素の膜２２で成膜されている。第３山部２６では各層の膜厚は、４２０〜５２０ｎｍの波長域の光を反射するように設定されており、合計１６層積層することにより、入射光を９５％以上の反射率で反射しうる。これにより、第１積層部１４全体では、第１〜第３山部を積層して４８層構成したことにより、４２０〜７５０ｎｍの波長域の光を反射率９５％以上で反射できる。

中間層１６は、第１積層部１４と後述の第２積層部１８との間に形成され、それらを密着させる中間層である。中間層１６は、例えば、第１積層部１４の最終層である二酸化ケイ素の膜２２の上に形成された一酸化チタン（ＴｉＯ）の膜２８の一層からなる。一酸化チタンの膜は、例えば、真空蒸着により成膜される。中間層１６を形成する一層の一酸化チタンの膜２８は、第１積層部１４の最終層である二酸化ケイ素の膜２２と後述の第２積層部１８の第１層であるフッ化ランタンの膜３０との両方に密着性が良い結果、十分な強度で成膜材料が異なる第１積層部１４と第２積層部１８どうしを積層することができる。従来の多層膜では、異なる材料を中間で使用すると膜応力の違い等により、剥離するおそれが高くなり、強度を十分に保持できないため実用性が低い問題があった。しかしながら、本実施形態のように第１積層部と第２積層部との間に一酸化チタンの膜２８からなる中間層１６を設けることにより、層間での剥離を良好に防止でき、高い強度を保持できる。本実施形態では、一酸化チタンの膜２８の膜厚は、例えば、０．４ｎｍに設定される。一酸化チタンの膜厚が０．４ｎｍより大きいと光の吸収が大きくなり反射率が低下し、また一酸化チタンの膜厚が０．４ｎｍより小さいと第２積層部の接着性が十分に得られず強度が不十分となるおそれがあるので、膜厚を０．４ｎｍとすると好適である。

第２積層部１８は、中間層１６の上に形成され、フッ化ランタン（ＬａＦ_３）の膜３０と二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の膜３２とが交互に積層して形成された第２の多層反射膜部である。すなわち、第２積層部１８は、高い屈折率材料の膜として屈折率ｎ＝１．６０のフッ化ランタンの膜３０と、低い屈折率材料の膜として第１積層部同様に屈折率ｎ＝１．４６の二酸化ケイ素の膜３２と、を交互に積層して形成されている。第２積層部１８は、上記の二酸化チタンの屈折率よりは低い中屈折率材料のフッ化ランタンを利用しており、フッ化ランタンの膜３０、二酸化ケイ素の膜３２は、光学膜厚（屈折率ｎ×膜厚ｄ）が反射目的の所定の光（近紫外線域近傍）の波長λの１／４倍となるように設定され、例えば、コンピュータ計算された適度な膜厚、例えば、膜厚ｄ＝０．５〜１ｎｍで形成されている。フッ化ランタンの膜３０と二酸化ケイ素の膜３２は、例えば、それぞれ真空蒸着により形成される。

具体的には、第２積層部１８は、例えば、合計２０層の膜で形成されており、中間層１６上に密着される第１層から第１９層までの奇数層がフッ化ランタンの膜３０、第２層から第２０層までの偶数層が二酸化ケイ素の膜３２で形成されている。第２積層部１８では各層の膜厚は、紫外域の３００〜４２０ｎｍの波長域の光を反射するように設定されており、図２に示すように、フッ化ランタンの膜と二酸化ケイ素の膜を合計２０層積層することにより、入射光の波長３３０ｎｍ以上で９５％以上の反射率で反射しうる。なお、図２、図３は、第２積層部の構成の参考のために、ガラス基板上に、フッ化ランタンの膜と二酸化ケイ素の膜を交互に積層した構成についての分光特性を示したグラフであり、横軸が光の波長、縦軸が反射率である。図２のグラフは、フッ化ランタンの膜と二酸化ケイ素の膜を交互に合計２０層積層した場合の分光特性を示しており、図３のグラフは、フッ化ランタンの膜と二酸化ケイ素の膜を交互に合計１８層積層した場合の分光特性を示している。図２に示すように、２０層積層した構成では、３３０〜４００ｎｍの波長域の光を９５％以上の高い反射率で反射しており、当該波長域周辺では略平坦な数値となっていることがわかる。一方、図３に示すように、１８層積層した構成では、３３０〜４００ｎｍの波長域の反射率を比較すると、右肩下がりとなり、反射率の数値及び当該波長域での安定性が低いことが分かる。これにより、少なくとも２０層以上で構成すると、比較的安定した反射率を保持できることから、第２積層部１８の構成においても少なくとも２０層以上を積層する構成とすると好適である。

さらに、第２積層部１８においては、奇数層に成膜されるフッ化ランタンの膜３０は、膜応力が強く設定された層と、膜応力が弱く設定された層と、が交互に形成されている。本実施形態では、例えば、第１、第５、第９、・・・、第（４Ｍ−３）層目のフッ化ランタンの膜では膜応力が強く設定され、第３、第７、第１１、・・・、第（４Ｍ−１）層目のフッ化ランタンの膜では膜応力が弱く設定されている（Ｍは正の整数）。例えば、フッ化ランタンの膜の膜応力の強弱をつけた形成方法は、後述のように、真空蒸着によりフッ化ランタンの膜を成膜する際に、減圧された蒸着チャンバ内空間に酸素を導入したり、導入しなかったりすることによって実現している。このように第２積層部１８のフッ化ランタンの膜３０の膜応力を層で異ならせることにより、膜応力の強い層と弱い層とで互いにバランスをとることによって層どうしの剥離を良好に防止でき、強度が高い多層反射膜を実現することができる。

上述のように構成されることにより、本実施形態では、多層反射膜１０は、第１積層部１４が４８層、中間層１６が１層、第２積層部１８が２０層となり、全体で６９層の多層膜で構成されている。図４は、本実施形態の多層反射膜１０の分光特性のグラフ（横軸が光の波長、縦軸は反射率）を示しているが、３３０〜７５０ｎｍの波長域で反射率が９５％以上で、略平坦な数値で安定して反射していることがわかる。したがって、比較的広い波長帯域の光を高い反射率で反射できる多層反射膜を、膜の積層数を少なくして実現することができる。また、本実施形態の多層反射膜１０は、例えば、広い波長域の光を高い反射率で反射できることから、超高圧水銀灯、キセノンショートアークランプ、ハロゲンランプ等の光源の集光ミラーとして利用できる。また、例えば、可視波長域の光や近赤外域の光を同時に取得して種々の比較解析を行ったり、可視波長域の光や近紫外域の光（ＵＶ−Ａ）を同時に取得して種々の比較解析を行ったりする光学系に利用することもできる。

本実施形態に係る多層反射膜１０を製造する方法は、基材１２上に、例えば、真空蒸着法によって二酸酸化チタンの膜と二酸化ケイ素の膜を交互に積層して第１積層部１４を形成する。次に、第１積層部１４の最上層の二酸化ケイ素の膜２２の上に、真空蒸着によって、中間層１６である一酸化チタンの膜２８を一層のみ形成する。次に、該一酸化チタンの膜２８の上に、例えば、真空蒸着によって、フッ化ランタンの膜３０と二酸化ケイ素の膜３２を交互に積層して第２積層部１８を形成していく。この第２積層部の形成工程では、フッ化ランタンの膜を真空蒸着で成膜する際に、チャンバ内に酸素を導入して成膜する場合と、酸素を導入しないで成膜する場合と、を交互に行う。真空蒸着法での成膜では、所定の真空状態に減圧した状態から酸素を導入した場合には膜応力が比較的弱く成形されるとともに、酸素を導入しない場合には膜応力が強い膜が形成される。よって、第２積層部１８では、奇数層のフッ化ランタンの膜３０は、膜応力が強い層と弱い層とが交互に形成されることとなる。

以上説明した本発明の多層反射膜は、上記した実施形態のみの構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の本質を逸脱しない範囲において、任意の改変を行ってもよい。

本発明の多層反射膜は、光源、レンズ、ミラー、フィルタ、その他光学素子等、種々の光学系に利用することができる。

１０多層反射膜
１２基材
１４第１積層部
１６中間層
１８第２積層部
２０二酸化チタン
２２二酸化ケイ素
２８一酸化チタン
３０フッ化ランタン
３２二酸化ケイ素

Claims

基材上に所定の波長の光に対応した膜厚で設定された膜を多数積層して形成される多層反射膜であって、
基材上に、二酸化チタンの膜と二酸化ケイ素の膜とを交互に積層して形成された第１積層部と、
該第１積層部の上に形成された一酸化チタンの膜からなる中間層と、
中間層の膜の上に、フッ化ランタンの膜と二酸化ケイ素の膜とを交互に積層して形成された第２積層部と、を備えたことを特徴とする多層反射膜。
中間層は、一層の一酸化チタンの膜のみからなることを特徴とする請求項１記載の多層反射膜。
第２積層部は、少なくとも２０層以上形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の多層反射膜。
第２積層部のフッ化ランタンの膜は、膜応力が強く設定された層と膜応力が弱く設定された層とが交互に形成されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の多層反射膜。
中間層の一酸化チタンの膜厚が０．４ナノメートルに設定されたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の多層反射膜。
基材上に二酸酸化チタンの膜と二酸化ケイ素の膜を交互に積層して第１積層部を形成し、
該第１積層部の上に一酸化チタンの膜を形成し、
該一酸化チタンの膜の上に、フッ化ランタンの膜と二酸化ケイ素の膜を交互に積層して第２積層部を形成する多層反射膜の製造方法であり、
第２積層部のフッ化ランタンの成膜は蒸着法で形成されるとともに、フッ化ランタンを成膜する際に、酸素を導入して成膜する場合と、酸素を導入しないで成膜する場合と、を交互に行うことを特徴する多層反射膜の製造方法。