JP3625876B2

JP3625876B2 - 光学薄膜の製造方法および該光学薄膜を有する光学部品

Info

Publication number: JP3625876B2
Application number: JP27920494A
Authority: JP
Inventors: 宣明三田村; 健川俣
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-11-14
Filing date: 1994-11-14
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2020-03-02
Also published as: JPH08134637A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光学部品などに用いられる反射防止膜やハーフミラー、干渉フィルターなどの光学薄膜の製造方法および該光学薄膜を有する光学部品に係り、より詳しくはスパッタリング法による光学薄膜の製造方法およびこの方法により得られる光学薄膜を有する光学部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、反射防止膜やハーフミラー、干渉フィルターなどの光学薄膜を光学部品に形成する場合、真空中で膜材料を加熱して蒸発させ、基板上に付着させる真空蒸着法が主に使用されてきた。しかし、近年になり、上記光学薄膜を成形する際においても、真空蒸着法に比較して自動化・省力化・大面積基板への適用性などの点で有利なスパッタリング法によるコ−ティングの要求が高まってきた。
【０００３】
一方、光学薄膜を構成する物質としては、ＳｉＯ_２やＴｉＯ_２などの金属酸化物が一般的であるが、この他に屈折率が低い等の理由により、ＭｇＦ_２などの金属フッ化物がしばしば用いられている。ところが、ＭｇＦ_２などの金属フッ化物は真空蒸着法により容易に良質な膜が成形できるのに対し、スパッタリング法においては、スパッタリングを行う際にフッ素（Ｆ）が解離しやすく、形成した膜に可視光の吸収が生じやすいという問題がある。
【０００４】
そこで、従来、スパッタガスとしてフッ素を含有するガスを用いることにより、解離したフッ素を補充するという技術が検討されている。このような試みは、例えば特開平４−２８９１６５号公報に開示されている。この公報によれば、金属フッ化物をスパッタする際、スパッタガスとして不活性ガスとフッ素ガスまたはフッ素ガス含有化合物ガスとの混合ガスを用い、金属フッ化物の膜を形成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術で用いられているフッ素ガスやフッ素含有化合物ガスなどのフッ素系ガスは、極めて腐食性が高く、真空チャンバーやポンプ、真空油などを劣化させてしまう恐れがあった。また、人体にも有害で、特別な排ガス処理装置が必要である等、生産性や安全性において問題があった。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、スパッタリング法により、光吸収の少ない光学薄膜を生産性良く安全に形成することができる光学薄膜の製造方法および該光学薄膜を有する光学部品を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するために、以下のように構成した。
請求項１の発明は、スパッタリング法により光学薄膜を製造するにあたり、少なくとも金属酸フッ化物（ＭＦ_ｘＯ_ｙ；Ｍは金属）を含むターゲットをスパッタリングすることにより、光学薄膜を基板上に形成することとした。ここで、フッ素（Ｆ）と酸素（Ｏ）の金属に対する組成比（ｘおよびｙ）は、特に限定されるものではない。また、本発明では、金属酸フッ化物に他の金属酸フッ化物や金属酸化物などを、本発明の効果を享受し得る範囲で混合しても良く、また他の金属酸化物や金属などからなる層と組み合わせて多層の光学薄膜を構成しても一向に構わない。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１における金属酸フッ化物の金属をＭｇとした。また請求項３の発明は、ガラスまたはプラスチックスを基板として、その上に金属酸フッ化物からなる光学薄膜を有する構成の光学部品とした。本発明の金属酸フッ化物を構成する金属は、特に限定をする必要はなく、Ｌｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｃａ，Ｇａ，Ｓｒ，Ｙ，Ｉｎ，Ｂａ，Ｐｂ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｄｙ，Ｙｂ等、さまざまなものが適用可能であるが、膜の屈折率や耐久性などを勘案すると、特に金属がＭｇである時に有効である。
【０００９】
なお、本発明における光学薄膜とは、反射防止膜、反射増加膜、ハーフミラー、ビームスプリッター、干渉フィルター、位相膜等をさし、特に限定されるものではない。
【００１０】
また、本発明におけるスパッタリング法とは、マグネトロンスパッタリング、高周波（ＲＦ）スパッタリング、低周波（ＬＦ）スパッタリング、二極スパッタリング、ＥＣＲスパッタリング、イオンビームスパッタリング（ＩＢＳ）等をさし、特に限定されるものではない。
【００１１】
【作用】
上記請求項１にあっては、少なくとも金属酸フッ化物（ＭＦ_ｘＯ_ｙ；Ｍは金属）を含むターゲットを用いて、金属酸フッ化物からなる光学薄膜を製造する。金属酸フッ化物は、通常の金属フッ化物に比べてスパッタ時のフッ素の解離が少なく、製造された膜は光吸収が生じにくくなる。これは、金属に結合している酸素（Ｏ）が同じく金属に結合しているフッ素（Ｆ）の解離を抑える作用があるからである。
【００１２】
また、少なくとも金属酸フッ化物（ＭＦ_ｘＯ_ｙ；Ｍは金属）を含むターゲットを用いて得られる金属酸フッ化物の膜は、通常の金属フッ化物の膜に近い屈折率を有し、光学特性や耐久性においても金属フッ化物と同等以上の性能を有しているので、従来の金属フッ化物と同様に光学薄膜に用いることができる。さらに、スパッタガスとして特殊なフッ素系のガスを用いる必要がなく、生産性や安全性を損なうことがない。
したがって、請求項３の光学部品にあっては、金属フッ化物の膜に比べ、その上に形成される金属酸フッ化物の膜は金属に結合した酸素が同じく金属に結合しているフッ素の解離を抑える作用があるから、光吸収が生じにくくなり、よって光吸収の少ない光学部品が得られる。
【００１３】
請求項２のように、金属酸フッ化物を構成する金属を、特にＭｇとした場合、スパッタリングにより得られる膜は、特に屈折率が低い（ｎ≦１．４）とともに耐久性が高く、光学薄膜に有効である。
【００１４】
【実施例１】
本発明の実施例１では、ターゲットにＭｇＦ_ｘＯ_ｙ（ｘ＝１．８，ｙ＝０．１）を用い、ガラス基板上にＭＦ_ｘＯ_ｙからなる単層の反射防止膜を形成した。
上記ターゲットのＭｇＦ_ｘＯ_ｙは、ＭｇＦ_２を真空中で熱酸化するなどして、容易に製造することができる。
【００１５】
図１は本実施例で使用したスパッタリング装置を示す概略構成図である。
スパッタリング装置のチャンバー１は三槽構造となっており、基板をセットする第一槽２、基板上に成膜を行う第二槽３および成膜した基板を取り出す第三槽４から構成される、いわゆるインライン式の装置である。第一槽２と第二槽３はゲートバルブ５および第二槽３と第三槽４はゲートバルブ６でそれぞれ仕切られている。第二槽３には、ガス導入バルブ７を備えたガス導入口８が設けられており、ガス導入バルブ７を開くことによりＡｒガスなどのスパッタガスを第二槽３内に外部から導入することができるようになっている。また、第二槽３内には、マグネトロンを使用したカソードが設けられ、４インチのターゲット９を取り付け得るようになっている。ターゲット９のカソードには、ＲＦ電源１０が備えられている。さらに、ターゲット９と基板ホルダ１２で保持されたガラス基板１１の間には、ターゲット９からの粒子を遮るためのシャッタ１３が開閉自在に設けられている。
【００１６】
上記基板ホルダー１２は、第一槽２、第二槽３および第三槽４内を移動自在に設けられており、第一槽２でガラス基板１１を保持させた後、第二槽３内でターゲット９と対向する位置に移動させてガラス基板１１上に成膜した後、第三槽４に移動させ得るようになっている。なお、排気系は図示を省略してあるが、排気系はロータリーポンプとターボ分子ポンプとからなっている。
【００１７】
本実施例では、第二槽３のターゲット９としてＭｇＦ_ｘＯ_ｙ（ｘ＝１．８，ｙ＝０．１）をカソードに取り付け、ＭｇＦ_ｘＯ_ｙをスパッタする際には、真空槽内を十分に排気した後、ガス導入バルブ７を徐々に開いてガス導入口８から分圧が２ＰａのＡｒガスを導入し、ＲＦ電源１０の投入電力を４００Ｗとする。このようにすることで、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、ガラス基板１１上にＭｇＦ_ｘＯ_ｙ膜を形成することができる。
【００１８】
次に、本実施例の光学薄膜の成膜手順を説明する。
まず、硝材ＬａＳＫ０１（（株）オハラ製、屈折率ｎ＝１．７６）からなるガラス基板１１を基板ホルダ１２に保持し、第一槽１内にセットする。槽内を図示を省略した排気系のターボ分子ポンプにより１×１０^−３Ｐａまで排気した後、ゲートバルブ５を開き、基板ホルダ１２とともにガラス基板１１を第二槽３内の所定位置に送る。
【００１９】
ガラス基板１１が第二槽３に入るとゲートバルブ５を閉じ、シャッタ１３を開き、光学的膜厚ｎｄ＝１３０ｎｍのＭｇＦ_ｘＯ_ｙ膜をガラス基板１１上に形成した後、シャッタ１３を閉じる。続いて、ゲートバルブ６を開き、ガラス基板１１を基板ホルダ１２とともに第三槽４に送る。
【００２０】
ガラス基板１１が第三槽４内に送られた後、ゲートバルブ６を閉じ、第三槽４を大気圧にリークしてガラス基板１１を基板ホルダ１２とともに取り出す。このようにして、ガラス基板１１上にＭｇＦ_ｘＯ_ｙからなる単層の反射防止膜を形成することができる。本実施例の成膜条件等を表１にまとめて示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
本実施例では、金属酸フッ化物であるＭｇＦ_ｘＯ_ｙのターゲットを用いているため、通常の金属フッ化物であるＭｇＦ_２をターゲットに用いた場合に比べて、スパッタ時のフッ素の解離が少なく、形成した膜の光吸収が生じない。これは、Ｍｇに結合している酸素（Ｏ）が同じくＭｇに結合しているフッ素（Ｆ）の解離を抑える作用があるからである。
【００２３】
すなわち、本実施例の製造方法によって得られるＭｇＦ_ｘＯ_ｙの膜は、通常のＭｇＦ_２の膜の屈折率（ｎ＝１．３８）に近い、低い屈折率（ｎ＝１．３９）を有し、光学特性や耐久性においてもＭｇＦ_２と同等以上の性能を有している。
また、本実施例では、スパッタガスとして特殊なフッ素系のガスを用いておらず、生産性や安全性を損なうことがない。
【００２４】
本実施例により形成した反射防止膜の分光反射特性を図２に示す。図２に示すように、ＭｇＦ_ｘＯ_ｙからなる反射防止膜は、単層で良好な反射防止効果が得られていることがわかる。また、光吸収は可視域で０．３％以下であり、実用上何ら問題はなかった。
【００２５】
以上のように、本発明の実施例１によれば、ＭｇＦ_ｘＯ_ｙのターゲットをスパッタリングすることにより、反射防止膜を形成したので、光吸収の少ない反射防止膜をスパッタリング法によりガラス基板上に生産性良く安全に製造することができる。また、本実施例では、特に金属がＭｇなので、膜の屈折率が低く、良好な反射防止膜を有するガラス基板が得られる他、反射防止膜の耐久性も高い。
【００２６】
なお、本実施例では、ＭｇＦ_ｘＯ_ｙからなる反射防止膜を単層で形成した例を示したが、これに限られないことはいうまでもない。例えば、ＴｉＯ_２やＴａ_２Ｏ_５のような酸化物などと組み合わせた２〜６層程度の反射防止膜や、その他ハーフミラー、干渉フィルター等でも、同様の手法で光吸収のない良好な光学薄膜を製造することができた。また、基板１１もガラスに限られず、例えばポリカーボネートやアモルファスポリオレフィンなどのプラスチックにも適用でき、同様の効果が得られた。その他、スパッタリング装置も本実施例のようなインライン式の装置でなく、バッチ式のものを用いても同様の効果を有する反射防止膜を製造することができた。
【００２７】
【実施例２〜８】
本発明の実施例２〜８では、実施例１におけるターゲット９のＭｇＦ_ｘＯ_ｙ（ｘ＝１．８，ｙ＝０．１）に代え、表２に示す材質のターゲットを用い、実施例１で使用したスパッタリング装置により、実施例１と同じ成膜条件でガラス基板上に金属酸フッ化物の膜からなる反射防止膜を形成した。すなわち、実施例２ではＭｇＦ_ｘＯ_ｙ（ｘ＝１．４，ｙ＝０．３）、実施例３ではＡｌＦ_ｘＯ_ｙ（ｘ＝２．４，ｙ＝０．３）、実施例４ではＣａＦ_ｘＯ_ｙ（ｘ＝１．６，ｙ＝０．２）、実施例５ではＳｒＦ_ｘＯ_ｙ（ｘ＝１．８，ｙ＝０．１）、実施例６ではＩｎＦ_ｘＯ_ｙ（ｘ＝２．４，ｙ＝０．３）、実施例７ではＧａＦ_ｘＯ_ｙ（ｘ＝２．４，ｙ＝０．３）、実施例８ではＭｇＦ_ｘＯ_ｙ（ｘ＝１．４，ｙ＝０．３）とＡｌＦ_ｘＯ_ｙ（ｘ＝２．４，ｙ＝０．３）の混合物をターゲットの材質に用いた。
【００２８】
【表２】

【００２９】
実施例２〜８でも、実施例１と同様に、金属酸フッ化物あるいはそれらを含む混合物のターゲットを用いているため、通常の金属フッ化物に比べて、スパッタ時のフッ素の解離が少なく、膜の光吸収が生じない金属酸フッ化物の膜が得られる。
【００３０】
なお、上記各実施例の製造方法によって得られる金属酸フッ化物の膜は、通常の金属フッ化物の膜の屈折率に近い屈折率を有し、スパッタガスとして特殊なフッ素系のガスを用いておらず、生産性や安全性を損なうことがない。
【００３１】
上記各実施例におけるターゲットを用いた場合にも、実施例１と同様、表２に示すように光吸収の少ない光学薄膜をスパッタリング法により、生産性良く安全に製造することができた。
【００３２】
次に、本発明の各実施例に対する比較例１〜６を、表３に示す。比較例はターゲット材質を金属フッ化物に変え、本発明の各実施例と同じ膜厚、ガス圧、投入電力で成膜した。
【００３３】
【表３】

【００３４】
表３に示すように、比較例１は実施例１，２に、比較例２は実施例３に、比較例３は実施例４に、比較例４は実施例５、比較例５は実施例６、比較例６は実施例７に対応するもので、各比較例で形成した各膜は、いずれの場合も本発明の各実施例で形成した膜よりも、光吸収が著しく大きかった。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１によれば、少なくとも金属酸フッ化物（ＭＦ_ｘＯ_ｙ；Ｍは金属）を含むターゲットをスパッタリングすることにより、光学薄膜を形成することとしたので、光吸収の少ない光学薄膜をスパッタリング法により生産性良く安全に製造することができる。
【００３６】
請求項２によれば、特に金属酸フッ化物を構成する金属をＭｇとしたので、屈折率が低く、耐久性が高い光学薄膜をスパッタリング法により生産性良く安全に製造することができる。
請求項３によれば、金属フッ化物の薄膜に比べ、金属酸フッ化物の薄膜では金属に結合した酸素が同じく金属に結合しているフッ素の解離を抑えているので、光吸収が生じにくくなっており、光吸収の少ない光学部品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る各実施例の光学薄膜の製造方法に用いるスパッタリング装置を概略的に示す構成図である。
【図２】本発明の実施例１で形成した反射防止膜の分光反射特性を示す図である。
【符号の説明】
９ターゲット
１１ガラス基板

Claims

スパッタリング法により光学薄膜を製造するにあたり、少なくとも金属酸フッ化物（ＭＦ_ｘＯ_ｙ；Ｍは金属）を含むターゲットをスパッタリングすることにより、光学薄膜を基板上に形成することを特徴とする光学薄膜の製造方法。
上記金属酸フッ化物の金属はＭｇであることを特徴とする請求項１記載の光学薄膜の製造方法。
ガラスまたはプラスチックスを基板として、その上に金属酸フッ化物からなる光学薄膜を有することを特徴とする光学部品。