JP4204824B2

JP4204824B2 - 光学系

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Publication number: JP4204824B2
Application number: JP2002252257A
Authority: JP
Inventors: 崇展堀; 勲床本; 博司梶山; 加藤　　明; 賢一鬼沢; 阿部　　誠; 昇一廣田; 辰哉杉田; 昌哉足立; 克巳近藤
Original assignee: Hitachi Ltd; Shinmaywa Industries Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Shinmaywa Industries Ltd
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: US20030058547A1; CN1424598A; US7133218B2; CN100529815C; TWI251087B; KR100654518B1; JP2004004443A; KR20030025887A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は弗化物を含む光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
光学レンズ、ディスプレイ、光導波路等の光学系には、反射による光量損失等を抑制するために反射防止膜が形成されている。弗化マグネシウム（MgF₂）は、屈折率が１．３８と低く、反射防止効果が高いこと、真空蒸着法で容易に形成できること、３００℃程度に加熱した基材の表面に形成した場合には十分な耐久性を有すること等から、低屈折率の反射防止材料として広く使用されている。
【０００３】
しかし、基材がプラスティックである場合、又は基材に半導体などの電気回路が形成されている場合には、基材を３００℃以上に加熱することができない。従って、このような低耐熱性の基材上に弗化マグネシウム膜を形成して成る光学系を製造することはできなかった。なお、特殊なスパッタリング法を用いて弗化マグネシウムを低温で成膜する方法が特開平９−２４３８０２号公報に開示されているが、それにより得られた弗化マグネシウム膜の具体的な性状は明らかではない。
【０００４】
また、光導波路の分野では、特開平１０―９０５３２号公報に、主面に溝が形成された低屈折率の基板と、溝に充填された高屈折率の透明樹脂と、主面を覆う低屈折率の樹脂とを有する光導波路及びその作成方法が開示されている。しかしながら、この光導波路においては、基板として屈折率が比較的高いPMMA（polymethylmethacrylate:屈折率１．４９）等を用いている。従って、溝に充填する透明樹脂としては、この基板よりも更に屈折率の高い材料を選ぶ必要があり、また、基板と反応する透明樹脂を用いることはできないため、使用可能な透明樹脂は限られていた。
【０００５】
また、タッチパネルの分野では、液晶ディスプレイなどの電子ディスプレイや、電子ディスプレイ上にタッチパネルを備えた機器において、明るい環境下で周囲から機器の表示面に入射する外光の反射により、画像のコントラストが低下し、周囲環境が映り込むことで視認性が損なわれるという問題が存在していた。このため、液晶ディスプレイの表面や、この表面上に設けられたタッチパネルの表面などでの界面反射を防止することでコントラストの向上及び視認性を改善することが求められていた。この界面反射の防止方法としては、液晶ディスプレイであれば偏光板を構成する透明フィルムの表面上に、タッチパネルであれば表面側の透明基板の上に、それぞれフィルムや基板よりも屈折率の低い膜を可視波長の1/4の厚さで形成して干渉効果により反射を低減する方法、及び、屈折率の異なる２種以上の層を積層することでより広い波長範囲で反射をより低減する方法が知られている。
【０００６】
偏光板の表面又はタッチパネルの表面に反射防止膜を形成する方法として、▲１▼弗化マグネシウムなどの弗化物を真空蒸着又はスパッタリングにより成膜して反射防止膜とする方法、▲２▼低屈折率の含弗素重合体などの樹脂を溶解した溶液を塗布して乾燥させることにより反射防止膜とする方法（特開平６−１１５０２３号公報参照）などがある。
【０００７】
しかし、▲１▼の場合は透過率及び耐摩耗性の高い弗化マグネシウム膜を形成するには３００℃以上の高温が必要であり、耐熱温度の低い偏光板やタッチパネルに適用することができなかった。また、真空蒸着又はスパッタリング等により形成した弗化マグネシウム膜は、一般に柱状構造を有する多結晶体であるため比表面積が十数ｍ²／ｇ以上の多孔質を成している。従って、水分の吸着能が高いという欠点を有している。即ち、周辺の温度及び湿度の変化に伴って前記弗化マグネシウム膜への水分の吸着量が変化するため、使用される環境条件によって膜の屈折率が変化（シフト）してしまうという問題があった。更に、このような膜の場合、使用する環境条件を想定し、屈折率の変化分を見込んで成膜する必要があった。また、低温での成膜が可能な酸化チタン（TiO₂）と酸化シリコン（Si0₂）とを交互に積層することで反射防止膜を形成する方法があるが、この場合は広い波長範囲で、低い反射率を実現するには５層以上の膜を形成する必要があり生産性が悪くなるという問題がある。
【０００８】
また、▲２▼の方法は大面積の反射防止膜を高い生産性で形成することが可能であるが、含弗素重合体は一般に硬度が低く、耐摩耗性が低いという欠点がある。そこで、含弗素多官能重合性単量体を塗布した後、電子線照射により重合硬化させる方法（特開平８−４８９３５公報参照）が提案されている。この方法は、硬度が高くかつ耐摩耗性が向上した含弗素重合体の膜を提供できるが、電子線照射により基材等に着色などのダメージを与える可能性がある。
【０００９】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、光学特性と耐磨耗性に優れ、かつ低温で形成可能な光学系を提供することを第１の目的としている。
【００１０】
また、本発明は、作製が容易で基材材料と充填材料とを自由に選択できる光導波路を提供することを第２の目的としている。
【００１１】
また、本発明は、光学特性と耐磨耗性に優れ、且つ基材にダメージを与えないタッチパネルを提供することを第３の目的としている。
【００１２】
また、本発明は、水分の吸着量が少なく、温度及び湿度等の環境条件の変化に影響されにくく、安定した光学特性を有する光学系を提供することを第４の目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る光学系は、少なくとも一部が３ｎｍ以上且つ１０ｎｍ以下の結晶粒径を有する弗化物で構成されている。かかる構成とすると、光学特性と耐磨耗性とに優れる弗化物を低温で形成することができるので、低耐熱性の基材を用いても光学特性と耐磨耗性に優れた光学系を構築することができる。
【００１４】
また、前記弗化物が弗化マグネシウムであってもよい。かかる構成とすると、弗化マグネシウムの屈折率が１．３８であるので、光学系の透過率制御範囲を広げることができる。
【００１５】
また、前記弗化物がシリカ基材上に形成してあってもよい。かかる構成とすると、シリカ基材上に低温で弗化物が形成された光学系を実現できるので、生産に係るエネルギ消費量を抑え且つ生産効率を向上させることができる。
【００１６】
また、前記弗化物が樹脂基材上に形成してあってもよい。かかる構成とすると、樹脂基材上に弗化物膜を成膜することによって、例えば反射防止膜等の光学系を形成できるので、シートディスプレイ等の可変性基材上に光学系を構築できる。
【００１７】
また、前記光学系が誘電体多層膜反射板であってもよい。かかる構成とすると、前記弗化物を含む誘電体多層膜構造を形成することで、光の透過率及び反射率を任意の値に制御した光学系を構築できる。
【００１８】
また、前記光学系が光導波路であってもよい。かかる構成とすると、作製が容易で基材材料と充填材料とを自由に選択できる埋め込み型の光導波路を構築できる。
【００１９】
また、前記光学系が反射防止膜であってもよい。
【００２０】
また、前記光学系がディスプレイに用いられる偏光板であってもよい。
【００２１】
また、前記光学系がディスプレイに用いられるタッチパネルであってもよい。かかる構成とすると、光学特性と耐磨耗性とに優れ、且つ製造時において基材にダメージを殆ど与えないタッチパネルを構築することができる。
【００２２】
また、前記タッチパネルが、弗化マグネシウム膜を有する偏光板と1/4波長板とを配置してなるものとしてもよい。
【００２３】
また、本発明に係る光学系は、常温から１００℃までの範囲の温度において製造され、且つ少なくとも一部が弗化物で構成されている。かかる構成とすると、光学特性と耐磨耗性とに優れる弗化物が低温で形成されているので、低耐熱性の基材を用いても光学特性と耐磨耗性に優れた光学系を構築することができる。
【００２４】
また、本発明に係る光学系は、真空チャンバ内に配置されたバイアス供給電極の前面に基材を配置するプロセスと、弗化マグネシウムを蒸発させるプロセスと、前記バイアス供給電極を一方の電極として高周波電圧を供給して前記真空チャンバ内にプラズマを発生させるプロセスと、負の平均値と正の最大値とを有する波状に変化し１００ｋＨｚ以上２．４５ＧＨｚ以下の周波数を有するバイアス電圧を前記バイアス供給電極に印加するプロセスとにより前記基材上に形成された弗化マグネシウム膜を有している。かかる構成とすると、正のパルス状のバイアス電圧の印加により、弗素の解離が抑制され、光学特性と耐磨耗性とに優れた弗化膜を低温で形成することができるので、低耐熱性の基材を用いても光学特性と耐磨耗性とに優れた光学系を構築することができる。
【００２５】
また、本発明に係る光学系は、少なくとも一部が１ｍ²／ｇ以上且つ５ｍ²／ｇ以下の比表面積を有する弗化物によって構成されている。膜に吸着される水分量は、該膜の物理的な比表面積にほぼ対応しており、比表面積が小さいほど吸着される水分量は減少する。従って、上述したような構成を成す光学系は、１〜５ｍ²／ｇという比較的小さい比表面積の弗化物を有するため、水分の吸着を十分に抑制することができ、使用する際の環境条件に左右されにくく、屈折率の変動が少ない良好な光学特性を有する。
【００２６】
また、本発明に係る光学系は、前記一部が表層部であってもよく、即ち、少なくとも表層部が１〜５ｍ²／ｇの比表面積を有する弗化物によって構成されていてもよい。光学系において水分を吸着しやすいのは該光学系の表層部分である。従って、このような構成を成す光学系は、水分を吸着しやすい表層部を比較的小さい比表面積を有する弗化物によって構成するため、湿度及び温度等の環境条件に左右されにくく、屈折率の変動が少ない良質の光学特性を有する。
【００２７】
また、本発明に係る光学系は、前記弗化物が、弗化マグネシウムであってもよい。弗化マグネシウムは屈折率が比較的小さいため、上述したような構成を成す光学系は、低屈折率が要求される光学系としてより有望である。
【００２８】
また、本発明に係る光学系は、反射防止膜であってもよい。このような構成を成す光学系は、使用する環境条件に左右されにくく、屈折率の変動が少ない良好な反射防止膜を実現することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る光学系の構成を示す断面図である。図１に示すように、本実施の形態の光学系１０１は、基材１０２上に弗化物からなる膜（以下、「弗化物膜」という）１０３が形成されて構成されている。基材１０２は、ガラス、シリカ（SiO₂）、樹脂等の材料で構成されている。この光学系１０１では、弗化物膜１０３の膜厚に応じて可視光の透過率が変化する。従って、弗化物膜１０３の膜厚を要求される可視光の透過率に応じて設定することにより、任意の可視光透過率を有する光学系１０１を作成することができる。
【００３０】
そして、本実施の形態の特徴の一つは、この弗化物膜１０３が３ｎｍ以上かつ１０ｎｍ以下の結晶粒径を有していることである。このことは、この弗化物膜１０３が常温から１００℃程度の範囲の温度（以下、「低温」という）下で形成されたことを意味している。この弗化物膜１０３は、後述するように一定の耐久性を有している。従来は、このように低温下で形成されかつ一定の耐久性を有する弗化物膜を得ることはできなかったが、本件発明者が鋭意努力した結果、次に述べる特殊なイオンプレーティング装置により上述の弗化物膜１０３を得ることが可能になった。このように、弗化物膜１０３を低温で形成することが可能であるので、ガラス基材等の耐熱性のある基材に限らず、熱可塑性の樹脂基材，及び半導体回路を含む基材等の低耐熱性基材に対しても、弗化物膜を含む様々の光学系を構築することができる。ここで、弗化物としては、弗化マグネシウム（MgF₂）が好ましい。弗化マグネシウムは、屈折率が１．３８と低く、反射防止効果が高いこと、及び適正な条件下で成膜した場合には十分な耐久性があること等の理由からである。
【００３１】
次に、本実施の形態の光学系１０１の好適な製造装置の一例を説明する。図２（ａ）は、光学系１０１を製造可能な成膜装置１０の構成の概略を示す模式図である。該成膜装置１０は、成膜の方式としてイオンプレーティングに基づき成膜できるように構成されている。
【００３２】
成膜装置１０は真空チャンバ１と電力供給ユニット８とを備えており、電力供給ユニット８は高周波電源ユニット１１とバイアス電源ユニット１２とを備えている。
【００３３】
真空チャンバ１内の上部には、成膜される基材５を該基材５の成膜される表面に対する背面側から保持する基材ホルダ２が配設されている。図２（ａ）に示される該基材ホルダ２は、真空チャンバ１内に電力を供給できるように導電性の材質によって形成されている。そして、前記基材ホルダ２は、後に説明するように、バイアス電力と高周波電力との双方を真空チャンバ１内に供給できる電極を成している。
【００３４】
また、基材ホルダ２は図示されないモータによって回転駆動されるように成されており、基材ホルダ２を回転させることにより基材５を回転させつつ成膜できるように成されている。
【００３５】
チャンバ１内の下部には、弗化物からなる膜の材料物質を保持し、チャンバ１内の空間に該材料物質を蒸散させるための蒸発源３が配置されている。また、該成膜装置１０には、特に図示されない真空ポンプ等の排気手段及びガス供給手段が備えられ、チャンバ１内を所要の真空雰囲気とできるようにされている。即ち、真空チャンバ１内を成膜条件に応じた所要の真空雰囲気に自在に調整できるようにされている。
【００３６】
また、真空チャンバ１は、導電性の材質によって形成されており、そのチャンバ壁は接地されている。
【００３７】
高周波電源ユニット１１は、その出力端子の一端がハイパスフィルタ１５を介して基材ホルダ２に接続されており、その出力端子の他端は接地されている。そして、高周波電源ユニット１１より出力された高周波電力が基材ホルダ２に印加される。これにより、チャンバ１内にはプラズマを生成され、蒸発源３から蒸散した膜の材料物質はイオン化（励起）される。
【００３８】
ハイパスフィルタ１５は、高周波電源ユニット１１と基材ホルダ２との間に設けられており、高周波電源ユニット１１からの出力は基材ホルダ２側へ通過させるとともに、バイアス電源ユニット１２からの出力が高周波電源ユニット１１へ入力されることを阻止する。
【００３９】
高周波電源ユニット１１の出力について、その具体的な電力値及び周波数は、成膜しようとする膜の材質の種類や成膜条件に応じて必要な電力値及び周波数が選択される。
【００４０】
また、高周波電源ユニット１１とハイパスフィルタ１５との間には特に図示しないマッチングボックスが設けられる。このマッチングボックスは、コンデンサやコイルからなる周知のマッチング回路により構成されており、該マッチング回路を調整することにより、高周波電源ユニット１１側と真空チャンバ１側とのインピーダンスをマッチングさせることができる。
【００４１】
バイアス電源ユニット１２は、波形生成器１３とバイアス電源１４とを備えている。波形生成器１３は、バイアス電源ユニット１２から出力するためのバイアス電圧の波形を生成してバイアス電源１４へ入力するものである。この波形生成器１３は、定常的に一定値を取る直流成分，各周波数の交流成分，及び方形波又は三角波等の各種の波形を、基本波形として生成させることができ、また、複数の基本波形に基づき他の基本波形に合成することもできる。そして、波形生成器１３により生成された基本波形に基づき、バイアス電源１４によって所定の大きさの出力のバイアス電圧に増幅される。
【００４２】
バイアス電源１４は、その出力端子の一端がローパスフィルタ１６を介して基材ホルダ２に接続されており、その出力端子の他端は接地されている。そして、バイアス電源１４から出力されたバイアス電圧は基材ホルダ２に印加される。
【００４３】
ローパスフィルタ１６は、バイアス電源１４と基材ホルダ２との間に設けられており、バイアス電源１４からの出力は基材ホルダ２側へ通過させるとともに、高周波電源ユニット１１からの出力がバイアス電源ユニット１２側へ入力されることを阻止する。
【００４４】
次に、バイアス電源ユニット１２から出力されるバイアス電圧について説明する。図２（ｂ）は、バイアス電圧の波形の一例を示している。図２（ｂ）において、横軸は時間（ｓｅｃ．）に対応しており、縦軸は電圧値（Ｖ）の大きさに対応している。
【００４５】
バイアス電圧は、図２（ｂ）に示されるように周期的に電圧値が正負に変動する。より詳述すると該バイアス電圧は、一周期（Ｔ_W1＋Ｔ₁）のうちの期間Ｔ_W1の間は一定の正の電圧値（Ｖ_P1）をとる正バイアスを成し、該一周期のうちの他の期間Ｔ₁の間は一定の負の電圧値（−Ｖ_B1）をとる負バイアスを成し、方形パルス状の波形を成している。
【００４６】
以上に説明した成膜装置１０を用い、以下のように成膜することができる。蒸発源３には弗化物からなる膜の材料を装填し、基材ホルダ２には基材５をセットする。基材５を基材ホルダ２にセットするにあたり、成膜しようとする基材５の表面が蒸発源３に対向するようにセットする。
【００４７】
そして、蒸発源３にて弗化物を蒸発させつつ電力供給ユニット８を動作させ、高周波電力を基材ホルダ２を介してチャンバ１内に供給し、更にバイアス電圧を該基材ホルダ２に印加する。これにより、真空チャンバ１内にはプラズマが生成される。また、蒸発源３により蒸発された弗化物は前記プラズマによってイオン化（励起）され、弗化物のイオンは基材５に入射・付着されて基材５表面に弗化物膜が成膜される。
【００４８】
成膜装置１０を用いて基材５に成膜するプロセスにおいて、チャンバ１内にプラズマが存在している状態で基材ホルダ２に高周波電圧が印加されると、基材５の表面近傍には、いわゆる自己バイアスに伴う負電位が形成される。
【００４９】
そして、かかる自己バイアスに伴う負電位及びバイアス電圧の負バイアスによって、正電荷を帯びた弗化物のイオンを基材５に向かって加速させることができる。このように、バイアス電圧の負バイアスによって弗化物のイオンを一層加速することができ、基材５に形成される膜をより緻密な構造にすることができる。
【００５０】
また、成膜装置１０を用いた成膜プロセスにおいては、イオン化した弗化物から結合の弱い弗素が解離され易いが、バイアス電圧が期間Ｖ_W1の間に正バイアスをとるため、負電荷を帯びた弗素イオンを基材５に取り込むことができる。従って、基材５に形成される膜における弗素の欠乏を防ぐことができ、弗素の欠乏に伴って生ずる膜の機能の低下を防ぐことができる。
【００５１】
ここで、前記自己バイアスについて簡単に説明する。ハイパスフィルタ１５は、高周波電源ユニット１１に対して直列に接続されたブロッキングコンデンサ（図示せず）を有している。該ブロッキングコンデンサは、電流の高周波成分は透過させるが直流成分は遮断するという機能を有している。従って、高周波電力が真空チャンバ１内に供給された場合、該高周波電力の供給によって発生したプラズマから基材ホルダ２に流入した電荷は前記ブロッキングコンデンサに蓄積される。従って、ブロッキングコンデンサの両端には、ブロッキングコンデンサの容量と電荷量によって決まるオフセット電圧が生じ、このオフセット電圧が基材ホルダ２に印加される。また、プラズマ中に存在する電子とイオンとを比較すると、電子の方が速い速度で基材ホルダ側に移動するので、前記オフセット電圧は基材ホルダ２側が負の一定値となる。このような仕組みでプラズマに接する電極（ここでは基材ホルダ２）に発生する電圧を自己バイアスと呼んでいる。
【００５２】
次に、この自己バイアスとバイアス電源ユニット１２から出力されるバイアス電圧との関係について説明する。ブロッキングコンデンサとバイアス電源ユニット１２とは基材ホルダ２に対し互いに並列に接続されている。このような場合には、自己バイアスとバイアス電源ユニット１２によるバイアス電圧とのうち、優勢な方の電圧が支配的に基材ホルダ２に印加される。本実施の形態では、バイアス電源ユニット１２によるバイアス電圧が優勢であり、このバイアス電圧が支配的に基材ホルダ２に印加される。図３は、基材ホルダ２の電位を示すグラフである。図３に示すように、基材ホルダ２の電位Ｖ_Hは、バイアス電源ユニット１２によるバイアス電圧（図２（ｂ）参照）にほぼ従ったものとなり、それと同様に変化する。
【００５３】
次に、バイアス電圧の他の例について、図４を参酌しつつ説明する。図４は、バイアス電圧の他の波形の例を示している。図４に示されるバイアス電圧は、全体として滑らかな正弦波状の波形を成し、周期的に電圧値が正負に変動する。より詳述すると該バイアス電圧は、一周期（Ｔ_W2＋Ｔ₂）のうちの期間Ｔ_W2の間は正弦波状の正の電圧値（実効値：Ｖ_P2）をとる正バイアスを成し、該一周期のうちの他の期間Ｔ₂の間は正弦波状の負の電圧値（実効値：−Ｖ_B2，Ｖ_B2＞Ｖ_P2）をとる負バイアスを成している。図４に示される波形のバイアス電圧は、負の一定電圧値をとる直流電圧を交流電圧に加えることによって得ることができる。
【００５４】
なお、本実施の形態の光学系１０１を製造可能な成膜装置としては、上述した成膜装置１０に限られない。図５は、前記光学系１０１を製造可能な他の成膜装置３５の構成例の概略を示す模式図である。該成膜装置３５は前記成膜装置１０と同様に、成膜の方式としてイオンプレーティングに基づき成膜できるように構成されている。成膜装置３５は、真空チャンバ３６と高周波電源（ＲＦ）３７とバイアス電源ユニット（ＤＣ）３８とを備えている。
【００５５】
真空チャンバ３６内の上部には、成膜される基材５を該基材５の成膜される表面に対する背面側から保持する基材ホルダ３９が配設されている。基材ホルダ３９は、図５に示される例では、真空チャンバ３６内にバイアス電圧を供給するためのバイアス供給電極としても機能させ得るように構成されている。基材ホルダ３９は、導電性の材質によって形成されており、バイアス電源ユニット３８からのバイアス電圧が印加されるようにされている。
【００５６】
バイアス電源ユニット３８は、バイアス電圧として一定の正電圧値の直流電圧（ＤＣ）を出力することができる。このバイアス電源ユニット３８より出力されたバイアス電圧が基材ホルダ３９に印加されることにより、負電荷を帯びた弗素イオンを基材５に取り込むことができる。
【００５７】
チャンバ３６内の下部には、弗化物からなる膜の材料物質を保持し、チャンバ３６内の空間に該材料物質を蒸散させるための蒸発源３が配置されている。この蒸発源３は、前記成膜装置１０における蒸発源３と同様に構成される。
【００５８】
また、チャンバ３６内における蒸発源３と基材５との間にはコイル状イオン化電極４０が配置されている。コイル状イオン化電極４０は高周波電源３７に接続されており、イオン化電極４０を介してチャンバ３６内に高周波電力を供給できる。
【００５９】
高周波電源３７は、その出力端子の一端がマッチングボックス４１を介してイオン化電極４０に接続されており、その出力端子の他端は接地されている。マッチングボックス４１は、コンデンサやコイルからなる周知のマッチング回路により構成されており、該マッチング回路を調整することにより、高周波電源３７側と真空チャンバ３６側とのインピーダンスをマッチングさせることができる。このような高周波電源３７は、蒸発源３より蒸発してイオン化電極４０の内側を通過する膜の材料物質をイオン化（励起）させるべく、プラズマを生成させる高周波電力を前記イオン化電極４０内に供給する。
【００６０】
また、真空チャンバ３６は、特に図示されない真空ポンプ等の排気手段及びガス供給手段により内部空間を所要の真空雰囲気とできるように成されている。従って、真空チャンバ３６内を成膜条件に応じた所要の真空雰囲気に自在に調整できるようにされている。
【００６１】
以上に説明した成膜装置３５を用い、以下のように成膜することができる。蒸発源３には弗化物からなる膜の材料を装填し、基材ホルダ３９には基材５をセットする。そして、蒸発源３にて弗化物を蒸発させつつ高周波電源３７を動作させ、高周波電力をイオン化電極４０を介して真空チャンバ３６内に供給し、更にバイアス電源ユニット３８を動作させて正電圧の直流電圧を基材ホルダ３９に印加する。これにより、イオン化電極４０に囲まれた空間にはプラズマが生成される。また、蒸発源３により蒸発された弗化物は前記プラズマによってイオン化（励起）され、弗化物イオンは基材５に入射・付着されて基材５表面に弗化物膜が形成される。
【００６２】
また、成膜装置３５を用いて基材５に成膜するプロセスにおいて、イオン化した弗化物から結合の弱い弗素原子が解離され易いが、バイアス電源ユニット３８から出力された直流電圧が基材ホルダ３９に印加されるため、負電荷を帯びた弗素イオンを基板５に取り込むことができる。
【００６３】
次に、先に述べた成膜装置１０の好ましい製造条件、及び該成膜装置１０によって得られた弗化物膜の特性について説明する。なお、以下の実施例では、ガラス基板又は石英基板上に弗化物膜として弗化マグネシウム薄膜を形成したものについて述べる。
【００６４】
図６は、ガラス基板上に弗化マグネシウム薄膜が形成されてできた光学フィルタについて、バイアス電圧のパルス周波数に対する該光学フィルタの吸収率の依存性を示すグラフである。図６において、横軸及び縦軸は、それぞれ、光の波長及び吸収率を示す。そして、図２（ｂ）に示す波形のバイアス電圧を用い、そのパルス周波数をパラメータとして、６５ｋＨｚ及び１００ｋＨｚの２段階に変化させた。その結果、図６に示すように、パルス周波数が１００ｋＨｚの場合は、６５ｋＨｚの場合に比べて吸収率が著しく低く、良好な吸収率を有する光学フィルタが得られた。
【００６５】
なお、本実施例には示していないが、パルス周波数が６５ｋＨｚの場合は正バイアスを印加しない場合とほとんど同じ吸収率であった。また、パルス周波数が３５０ｋＨｚであって石英基板を用いた場合を後述する図７に示す。また、パルス周波数が３５０ｋＨｚ以上の場合について示していないが、理論的上、なるべく短い周期で短期間に渡って正バイアス期間が存在するのが好ましい。従って、パルス周波数は高いほど好ましい。但し、余りパルス周波数が高くなると、真空チャンバ中のプラズマ放電が不安定になるので、実用的には２．４５ＧＨｚ以下とするのが望ましい。但し、このパルス周波数を２．４５ＧＨｚとする場合にはＥＣＲ(electron cyclotron resonance)装置を用いるのが望ましい。
【００６６】
図７は、石英（シリカ）基板上に弗化マグネシウム薄膜が形成されてできた光学フィルタについての可視光域における光の吸収率を示すグラフであり、成膜時のバイアス電圧のパルス周波数は３５０ｋＨｚとした。該光学フィルタの吸収率（図７にて実線で示す）は、バイアス電圧のパルス周波数を３５０ｋＨｚとしたことと石英基板を用いたこととが相俟って、図６に示した光学フィルタの吸収率に比べてより低い吸収率が得られた。なお、参考までに、石英の吸収率（図７にて破線で示す）を示す。
【００６７】
図８は弗化マグネシウム薄膜の結晶粒径を示す表である。図８に示すように、３００℃で蒸着した弗化マグネシウム薄膜の結晶粒径は１２〜２０ｎｍ（ナノメートル）である。また、常温（基板無加熱）で蒸着した弗化マグネシウム薄膜は、結晶化しておらず、結晶粒径を計算することが不可能である。これに対し、成膜装置１０により形成した弗化マグネシウム薄膜の結晶粒径は３〜１０ｎｍである。従って、本実施例による弗化マグネシウム薄膜は、従来にない結晶粒径を有していることが判る。これは、主に、本実施例による弗化マグネシウム薄膜がイオンプレーティングによって比較的低温（１００℃以下）で形成されたためであると考えられる。
【００６８】
図９は耐磨耗性試験を説明するための図であって、図９（ａ）は耐摩耗性試験装置の概要を模式的に示す斜視図、図９（ｂ）は耐摩耗性評価基準を示す図である。
【００６９】
図９（ａ）に示すように、前記耐磨耗性試験装置は、往復動可能な可動台２０２と、該可動台２０２の背部に立設されたアーム２０６と、前記可動台２０２の上方に位置するように前記アーム２０６に保持され、前記可動台２０２と対向する下部にスチールウール２０４（ここでは、＃１０００のスチールウールを使用）が取り付けられた押圧子２０５とを備えている。耐磨耗性試験をする場合は、可動台２０２上面に試料（薄膜が形成された基材）２０３を載置し、押圧子２０５を下げて前記試料が所定の荷重（ここでは７００ｇ）で押圧されるようにする。更に可動台２０２を往復動させ、試料上面をスチールウール２０４によって摩擦する。
【００７０】
耐摩耗性は、図９（ｂ）に示すように、Ａ〜Ｄの４ランクにランク付けすることによって行った。ここで、ランクＡは「傷が付かない」、ランクＢは「傷が少し付く」、ランクＣは「傷がつき、膜の剥離もある」、ランクＤは「膜がほとんど剥離する」というランクである。
【００７１】
ところで、図２（ａ）に示すような成膜装置１０により形成された弗化マグネシウム膜には、上述したような特性に加え、比表面積が１〜５ｍ²／ｇであり環境条件に拘らず屈折率が変動しにくいという光学特性が備えられている。前記弗化マグネシウム膜が有する前記光学特性は、以下に説明するような理由から得られるものと考えられる。即ち、前記弗化マグネシウム膜を生成するに当たり、前述したように正電荷を帯びた弗化物イオンと負電荷を帯びた弗素イオンとが共に基材５へ向かって加速され、該基材５の成膜面に衝突する。この衝突により基材５の成膜面では、結晶成長及び結晶破壊という２つの現象が生じているものと考えられる。
【００７２】
実際、生成された弗化マグネシウム膜表層のSEM写真によれば、従来の膜と同様に柱状結晶が形成されているのが確認されたにも拘らず、Ｘ線回折ピークからは従来の膜に比較して突出した結晶性が確認されなかったことも、前記２つの現象が生じていることを示唆している。従って、該２つの現象が同時に生じた結果、一般に膜の比表面積を増加させる結晶粒面，結晶柱等の成長が抑制され、本実施の形態に係る弗化マグネシウム膜の比表面積は比較的小さくなっているものと予測される。
【００７３】
そこで、本発明者は、前記弗化マグネシウム膜の比表面積について実際に測定した。比表面積の測定に当たっては、Krガスによるガス吸着法を用いた。比表面積の測定法としては、重量法，液吸着法，及びガス吸着法等があるが、この中でガス吸着法は比較的容易であり高精度である。
【００７４】
以下に、ガス吸着法について概説する。ガス吸着法によって求められる単位重量当たりの表面積（比表面積）Ｓは次式（１）により与えられる。
【００７５】
Ｓ＝Ｎｍ・σ ・・・（１）
ここで、Ｎｍ：単分子層吸着量， σ：吸着分子の占有断面積
膜表面に存在する原子は膜内部に存在する原子に比べて隣接する原子が少なく、この不均衡をなくすため、膜表面の原子は周辺に存在する気体分子を引き付けようとする。この現象をガス吸着という。該ガス吸着により膜表面に吸着分子が隙間無く配列したと仮定すれば、膜表面を占有する吸着分子の数と一個の吸着分子の占める断面積とに基づき、膜表面積を算出することができる。吸着分子としては、不活性であり、膜表面との間で化学反応を起こさず、膜表面の凹凸に入り込める程度に十分に分子径が小さいこと（本実施の形態にあっては、少なくとも水分子より小さいこと）が望まれ、従って本実施の形態ではKr分子を用いている。
【００７６】
また、前記表面積Ｓを算出するためには、表面を占有する吸着分子の数を取得する必要があり、このため本実施の形態ではB.E.T式を用いた。該B.E.T式は、下式（２）により与えられる。
【００７７】
【数１】

実際に表面積を求めるに当たっては、初めに本実施の形態に係る弗化マグネシウム膜の表面に付着した水分等の不純物を除去するために、該弗化マグネシウム膜を真空中で加熱処理する。加熱処理後の弗化マグネシウム膜を真空容器中にて所定温度に冷却し、Krガスを段階的に導入する。段階的にKrガスを導入するに従って弗化マグネシウム膜の表面にはKrガスが吸着される。この工程中に容器内の圧力とKr分子の吸着量とをプロットした吸着等温線を作成し、該吸着等温線と上記式（１），（２）とに基づいて表面積を得ることができる。
【００７８】
この結果、例えば真空蒸着法により作成した弗化マグネシウム膜の比表面積が十数ｍ²／ｇであるのに対し、本実施の形態に係る弗化マグネシウム膜の比表面積は１〜５ｍ²／ｇ程度であることが判明した。従って、前述の予測の通り、前記弗化マグネシウム膜の比表面積は、従来の膜に比して極端に小さくなっている。また、前記弗化マグネシウム膜の高次構造は、従来に比して緻密であり、且つ表面形状がより平滑になっていることが予測される。
【００７９】
従って、前記弗化マグネシウム膜は、従来の膜と比較して比表面積が小さいが故に水分子が結晶間に入り込みにくく、膜内に吸着される水分量が少ない。その結果、湿度及び温度等の周辺の環境条件に影響されることが少なく屈折率が変動しにくいという光学特性を有するに至ったと考えられる。
【００８０】
なお、参考までに付け加えれば、一般にガラスの比表面積は１ｍ²／ｇ程度である。従って、比表面積が１〜５ｍ²／ｇである本実施の形態に係る弗化マグネシウム膜は、吸水による屈折率の変動を抑制するためには極めて良好なものであり、様々の光学系に用いることにより優れた光学特性を発揮する。
【００８１】
図１０は本実施例の光学系の多層膜への適用例を説明するための図であって、図１０（ａ）は多層膜の構成を示す図、図１０（ｂ）は基板上に形成された多層膜の可視光域における反射率を示す図表である。図１０（ａ）に示すように、本実施例の多層膜は、基板上に、Al₂O₃（屈折率ｎ＝１．６３）、ZrO₂（屈折率ｎ＝２．００）、及びMgF₂（屈折率ｎ＝１．３８）の各膜がこの順に形成されて構成されている。この多層膜の反射率は図１０（ｂ）に示すように良好であった。なお、この多層膜は、図２の成膜装置１０において、上記３つの膜の材料をそれぞれ備えた３つの蒸発源を用意し、各蒸発源を順次用いて基板上に各膜を順次形成した。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、本発明の光学系をディスプレイに用いられる誘電体多層膜反射板に適用した例を示すものである。
【００８２】
図１１は本実施の形態に係る光学系を適用したアクティブマトリクス型液晶表示装置の断面図である。本実施の形態における液晶表示装置は、半透過の反射型液晶表示装置である。
【００８３】
図１１において、SIは半導体層を、PXは画素電極を、TFTは薄膜トランジスタを、DEは薄膜トランジスタのドレイン電極を、SEは薄膜トランジスタのソース電極を、GEは薄膜トランジスタのゲート電極を、THはソース電極と画素電極とを接続するためのスルーホールを夫々示す。また、POLは偏光板を、SUB1,SUB2は透明絶縁基板を、BMは遮光パターンを、CFはカラーフィルタを、OCはオーバーコート膜を、CEは共通電極を、LCは液晶層を、ORI1,ORI2は配向膜を、GIはゲート絶縁膜を、PASは薄膜トランジスタの表面保護膜を、NSIは薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極と半導体層SIとのコンタクトを保証するための電極を、RXはSiO₂,SiN,MgF₂からなる誘電体多層膜反射板を、NFは位相差板を夫々示す。
【００８４】
薄膜トランジスタが配置される側の透明絶縁基板SUB1はTFT基板と称され、このTFT基板と液晶LCを介して対向配置される対向側の透明絶縁基板SUB2はCF基板と称される。
【００８５】
本実施の形態では、図１１に示すようにCF基板（透明絶縁基板）SUB2は、その液晶層LC側の面に、まずTFT上の画素電極の間隙に各画素領域を画するようにして遮光パターンBMが形成され、この遮光パターンBMの実質的な画素領域を決定する開口部にはカラーフィルタCFが形成されている。そして、遮光パターンBM、及びカラーフィルタCFを覆うように、例えば樹脂膜からなるオーバーコート膜OCが形成され、該オーバーコート膜OCの表面には共通信号電極CEが形成され、更に該共通信号電極CEの表面には配向膜ORI2が形成されている。CF基板SUB2の外側の面(液晶層LC側とは反対の面)には偏光板POLが形成されている。
【００８６】
また、CF基板SUB2における更にTFT基板SUB1側には、逆スタガの薄膜トランジスタTFTが配置されている。該薄膜トランジスタTFTでは、走査信号配線GLに薄膜トランジスタTFTのしきい値以上の電圧が加わると、半導体層SIが導通状態となり、薄膜トランジスタTFTの映像信号電極DEとソース電極SEとの間が導通となる。その際に映像信号配線DLに印加されている電圧が、画素電極PXに伝達される。また走査信号配線GLの電圧が薄膜トランジスタTFTのしきい値電圧以下の場合には、該薄膜トランジスタTFTの映像信号電極DEとソース電極SEとの間が絶縁となり、映像信号配線DLに印加されている電圧は画素電極PXに伝達されず、画素電極PXは映像信号電極DEとソース電極SEとが導通状態の時に伝達された電圧を保持する。なお、映像信号電極DE及びソース電極SEとシリコン層Siとの間には、リン等の不純物をドープしたシリコン膜からなる電極NSIが形成されている。
【００８７】
スルーホールTHは薄膜トランジスタの表面保護膜PASに形成されており、画素電極PXとソース電極SEとはスルーホールTHを介して電気的に接続されている。画素電極PXは偏光板POL側から入射した光を反射させる機能も有しており、この反射光を用いて表示をする。
【００８８】
配向膜ORI1,ORI2はその表面をラビング法等により処理を施すことにより液晶層LCを一定方向に配向させる機能を有している。
【００８９】
偏光板POLは入射した光を直線偏光に変換する機能を有している。偏光板POL側から入射した光は液晶層LCを通り誘電体多層膜RXで反射し、再度液晶層LCを通過し偏光板POLに到達する。液晶層LCは屈折率異方性を持っており、液晶層LCの屈折率異方性は液晶層LCに印加された電界によりその特性が変化する。
【００９０】
例えば液晶に電界が印加されない状態で白表示をするノーマリーホワイト型の液晶表示装置においては、液晶層LCに電界がかかっている際に、偏光板POLを通過し誘電体多層膜RXで反射して再度偏光板POLに到達した光は、液晶層LCを通過することにより、偏光板POLの吸収軸に対して平行な偏光となる。該偏光は偏光板POLで吸収されて反射型液晶表示装置の外には出射しないため、黒表示となる。一方で液晶層LCに電界が印加されていない状態においては、誘電体多層膜RXで反射し偏光板POLに到達した光が、液晶層LCを通過することにより偏光板POLの吸収軸に対して垂直な偏光となる。該偏光は偏光板POLで吸収されて反射型液晶表示装置の外に出射しないため白表示となる。
【００９１】
また、TFT基板SUB1側に配置した図示していないバックライトからの光を用いれば、該光が画素電極PXに到達するまでに位相差板NF等を用いて該光を円偏光とすることにより、外光を用いずに表示することも可能である。ここで、画素電極PX及び誘電体多層膜RXの透過率は、該誘電体多層膜RXの膜厚を制御することにより任意に変更することが可能である。この誘電体多層膜RXの透過率と反射率はトレードオフの関係にあるが、この誘電体多層膜RXは本実施の形態の光学系を構成しており、実施の形態１で図１０（ｂ）を用いて説明したように、吸収率の比較的低いものとなっている。そのため、透過率と反射率の和を100％に近い値に設計することが可能である。
【００９２】
前記誘電体多層膜RXの具体的な設計例と、該誘電体多層膜RXの光学特性とを図１２に示す。なお、図１２（ａ）は、前記誘電体多層膜RXの断面概要図であり、図１２（ｂ）は該誘電体多層膜RXの波長に対する反射率及び透過率の変化を示すグラフであるである。
【００９３】
図１２（ａ）に示す誘電体多層膜RXは、液晶層LCに近い側から画素電極PXに近い側へAl₂O₃,SiN,MgF₂がこの順に配置され、それぞれの膜厚は160nm、70nm、80nmとされている。ここで、誘電体多層膜RXよりもTFT基板SUB1に近い側に配置されている画素電極PX，薄膜トランジスタの表面保護膜PAS，及びゲート絶縁膜GIの夫々も反射特性に寄与するため、誘電体多層膜RXの設計ではこれらの反射特性についても考慮されている。画素電極PX，薄膜トランジスタの表面保護膜PAS，及びゲート絶縁膜GIは、夫々ITO、SIN、SiNで構成され、その膜厚は60nm,350nm,350nmとされている。図１２（ａ）に示した誘電体多層膜RXの反射率及び透過率は、図１２（ｂ）に示すように、透過率重視の設計とした場合には、透過率88%，反射率18%という良好な透過率を有するものとなった。なお、この設計では透過率重視の設計としてあるが、誘電体多層膜の層数，材料，及び膜厚を調整することで任意の透過率及び反射率を有する誘電体多層膜を設計することが可能である。
【００９４】
図１３は以上のような構成を成す液晶表示装置のTFT基板SUB1側の製造工程を示すプロセスフロー図である。本実施の形態では、具体的には、(A)〜(F)の、６段階のフォトリソグラフィー工程を経て液晶表示装置のTFT基板SUB1側が完成する。以下、工程順に説明する。
【００９５】
［工程(A)］透明絶縁基板SUB1を用意し、その表面全域に、例えばスパッタリング法によって、Cr膜を100〜300nm、好ましくは160nmの膜厚で形成する。次に、フォトリソグラフィー技術を用いてCr膜をエッチングし、ゲート電極GE，走査信号配線GL，及び図示していないが走査信号配線用端子GTM形成領域には走査信号配線GLの延在部を形成する。
【００９６】
［工程(B)］工程(A)が遂行された透明絶縁基板SUB1の表面全域に、例えばプラズマCVD法によって、ゲート絶縁膜GIとなる窒化シリコン膜を200〜700nm程度、好ましくは350nmの膜厚で形成する。さらに、このゲート絶縁膜GIの表面全域に、例えばプラズマCVD法によって、アモルファスシリコン膜を50〜300nm、好ましくは200nmの膜厚で、及びn型不純物としてリンをドーピングしたアモルファスシリコン膜を10〜100nm、好ましくは20nmの膜厚で順次積層する。次に、フォトリソグラフィー技術を用いてアモルファスシリコン膜をエッチングし、画素領域内に島状パターンSIを形成する。
【００９７】
［工程(C)］工程(B)が遂行された透明絶縁基板SUB1の表面全域に、例えばスパッタリング法によって、Cr膜を100〜300nm、好ましくは160nmの膜厚で形成する。次に、フォトリソグラフィー技術を用いてCr膜をエッチングし、画素領域内には薄膜トランジスタTFTのドレイン電極DE，ソース電極SE，映像信号配線DL，及び図示していないが映像信号配線用端子DTM形成領域には映像信号配線DLの延在部を形成する。その後、Cr膜をエッチングしたパターンをマスクとして、n型不純物としてリンをドーピングしたアモルファスシリコン膜をエッチングする。
【００９８】
［工程(D)］工程(C)が遂行された透明絶縁基板SUB1の表面の全域に、例えばプラズマCVD法によって、薄膜トランジスタTFTの表面保護膜PASとなる窒化シリコン膜を200nm〜900nm、好ましくは350nmの膜厚で形成する。次に、フォトリソグラフィー技術を用いて、表面保護膜PASをエッチングし、画素領域内に、該薄膜トランジスタTFTのソース電極SEの一部を露出させるためのスルーホールTHを形成する。これとともに、図示していない走査信号配線GTM形成領域には、表面保護膜PASの下層に位置するゲート絶縁膜GIにまで別個のスルーホールTHを貫通させて、走査信号配線GLの一部を露出させる。図示していない映像信号配線用端子DTM形成領域には映像信号配線DLの延在部を露出させるための更に別個のスルーホールTHを形成する。
【００９９】
［工程(E)］工程(D)が遂行された透明絶縁基板SUB1の表面全域に、例えばスパッタリング法によって、透明導電膜である多結晶ITO膜を60nmの膜厚で形成する。次に、フォトリソグラフィー技術を用いて、ITO膜をエッチングし、画素領域内には、スルーホールTHを介してソース電極SEに接続された画素電極PXを形成する。また図示していない走査信号配線用端子GTM上，及び映像信号配線用端子DTM上には、夫々端子保護用のパッド電極を形成する。
【０１００】
［工程(F)］工程(E)が遂行された透明絶縁基板SUB1の表面全域に、実施の形態１の成膜装置１０を用いて、MgF₂、SiN、Al₂O₃をそれぞれ80nm、70nm、160nmの膜厚で順次形成する。次に、フォトリソグラフィー技術を用いて、前記積層膜をエッチングし、図示していない走査信号配線端子GTM，及び映像信号配線端子DTMを露出させる。
【０１０１】
以上に示した工程により、液晶表示装置のTFT基板SUB1側が完成する。
一方，CF基板SUB2側には顔料分散法により作製したカラーフィルタCF，及びCr系若しくは有機材料からなる遮光パターンBMが形成される。その後、平坦化層となるオーバーコート膜を形成し、液晶表示装置のTFT基板SUB1側とCF基板SUB2側とを貼り合せ、間に液晶層LCを封入し、更にCF基板SUB2の外側に偏光板POLを配置するとともにTFT基板SUB1の外側に位相差板を配置することにより半透過の反射型液晶表示装置となる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３は、本発明の光学系を光導波路に適用した例を示したものである。
【０１０２】
図１４は本実施形態に係る光学系としての光導波路の構成を示す断面図である。この光導波路２０１は、溝部２１０を有するポリマー材料から成る光導波路基板２１８、該光導波路基板２１８の表面上に成膜されたMgF₂（弗化マグネシウム）膜２１４、前記溝部２１０に充填された透明樹脂から成るコア２１２、上部保護板２４５と前記光導波路基板２１８との接着層を兼ねたクラッド層２４６、及び前記上部保護板２４５を有している。コア２１２は、MgF₂膜２１４及びクラッド層２４６よりも屈折率が高く、コア２１２、MgF₂膜２１４及びクラッド層２４６により光導波部が形成される。
【０１０３】
図１５は、本実施形態に係る光導波路２０１の作製手順を示す工程図である。まず、射出成形に用いる型の作製手順を説明する。ガラス基板２３６上に塗布したレジスト２３４にマスク２３２を用いて露光する。次いで、レジスト２３４を現像し、露光部分のレジスト２３４を取り除く。次いで、レジスト２３４上にニッケル（Ni）めっき２３８を行い、ニッケルの型２４０を作製する。次に、この型２４０を用いて樹脂材料を射出成型し、コアを形成するための溝部２１０が形成された光導波路基板２１８を形成する。次に、実施の形態１の成膜装置１０を用いて、この光導波路基板２１８にMgF₂膜２１４を成膜する。続いて、溝部２１０を埋めるようにコア材２１２’を塗布し、紫外線照射又は加熱によりコア材２１２’を硬化させる。次いで、硬化したコア材２１２’を溝部２１０の上端まで研磨し、溝部２１０以外のコア材２１２’を取り除く。この研磨後、コア材２１２’よりも屈折率が低くクラッド層２４６となる透明樹脂を挟んで上部保護板２４５を貼り付けて光導波路２０１を作成する。
【０１０４】
このように、本実施の形態によれば、実施の形態１の成膜装置１０によって正パルスバイアスを印加するプラズマイオンプレーティング法を用いれば、光導波路基板２１８を加熱することなく透明性に優れ且つ耐磨耗性に優れたMgF₂膜２１４を成膜することができるようになったため、耐熱性の低い基板材料、特に樹脂材料を用いた光導波路基板２１８にMgF₂膜２１４を成膜することができ、クラッドとして機能させることが可能となった。
【０１０５】
また、無機材料からなるMgF₂膜２１４は、樹脂からなるコア材２１２’よりも硬く、研磨の際の研磨停止膜としても機能する。即ち、MgF₂膜２１４を用いない場合は、コア材２１２’と成型基板（光導波路基板）２１８との境界で研磨を止めることが難しく成型基板２１８も研磨される可能性が有り、溝２１０が浅くなることも起こりやすい。また研磨厚が場所により異なっていると部分的に溝２１０の深さが変化してしまう問題も起こる。しかしながら本実施の形態にようにMgF₂膜２１４を用いることにより、溝２１０の深さを減少させることなく、均一にコア材２１２’を研磨することが可能となる。
【０１０６】
また、本実施の形態においては、PMMA(polymethylmethacrylate)を用いて光導波路基板２１８を射出成型した。この場合には、樹脂の光導波路基板２１８上にMgF₂膜２１４を形成し、その上に液体状の透明樹脂のコア材２１２’を塗布し硬化させてコア２１２を形成しているため、コア２１２の材料としてはその屈折率がMgF₂膜２１４の屈折率よりも大きな材料を用いればよく、光導波路基板２１８の材料はコア２１２に拠らずに自由に選ぶことが出来る。従って、従来、屈折率が高く光導波路基板２１８として用いることが難しかったポリカーカーボネート（PC：屈折率１．５９）を用いることもできる。PCを用いた場合には、PMMAを用いた場合よりも耐熱性及び耐湿性に優れた光導波路２０１を形成することができる。また、PMMA、PC以外にも、クラッド材となる基板２１８には成形に適した透明ポリマを用いればよく、ポリスチレン、サイクリックポリオレフィン等を用いることもできる。
【０１０７】
更に、コア材２１２’と光導波路基板２１８との間にMgF₂膜２１４が介在するため、コア材２１２’と光導波路基板２１８とが反応することがない。そのため、コア材２１２’として光導波路基板２１８の材料と反応あるいは融解する材料も用いることができるようになり、コア２１２には光損失の少ない材料を用いることができるようになる。特に通常の樹脂材料において光吸収が大きい赤外波長での光損失を低減するためには、水素を弗素で置換した弗素化材料を用いることが有効である。しかし、弗素化することにより屈折率が低下した場合、従来射出成形に用いられていた成型用樹脂よりも屈折率が小さくなるため、前記弗素化材料をコアとして用いことができなかった。しかしMgF₂膜２１４は、可視光から赤外波長において屈折率が１.３８程度と低いため、射出成型されて表面上に該MgF₂膜２１４が成膜された樹脂材料は、低屈折率のコア２１２に対してもクラッドとして機能することができる。更に、上述したMgF₂膜２１４は比表面積が１〜５ｍ²／ｇと小さいため、コア２１２への水分や空気の進入を遮る効果もあり、光導波路の信頼性向上にも効果がある。
【０１０８】
本実施形態に用いた射出成形法は、光ディスク基板の作成に用いられている公知の方式とほぼ同様の方法であり、短時間で大量に光導波路基板２１８を作成できる。ここで、本実施の形態では、溝２１０の側面にもMgF₂膜２１４を成膜するために、射出成形においては、溝２１０の側面は垂直に形成するのではなく角度を有するよう形成することが望ましい。但し、光導波路２０１の作成方法は本実施形態の射出成形に限るものではなく、プレス等によりコア２１２用の溝２１０を形成してもよい。
【０１０９】
また本実施の形態では、硬化したコア材２１２’を研磨することによりコア２１２以外の場所におけるMgF₂膜２１４とクラッド層２４６との間のコア材２１２’を極力薄くし、導波光が漏れ出すことを抑制している。しかし、光導波路基板２１８とクラッド層２４６との間の余分なコア材２１２’を十分に薄く形成できる場合には、研磨工程を省略してもよい。例えば、上部保護板２４５を用いてコア材２１２’を上部から押圧しつつ、加熱又は紫外線照射を行ってコア材２１２’を硬化させることにより、光導波路基板２１８及び上部保護板２４５間における溝２１０以外の箇所に塗布されたコア材２１２’の厚みを十分に薄くすることができる。このような場合には研磨工程及びクラッド層２４６の形成を省略し、屈折率の小さい上部保護板２４５をクラッドとして用いることもできる。或いは、コア材２１２’をブレード塗布することにより、光導波路基板２１８における溝２１０以外の箇所のコア材２１２’を掻き取ることにより研磨工程を省略することもできる。
【０１１０】
さらに、本実施の形態では、溝２１０が形成された光導波路基板２１８を用い、溝２１０にコア２１２を形成した光導波路について説明している。しかし、樹脂製の平板かならな基板上にMgF₂膜を成膜し、MgF₂膜上にコア材を塗布して硬化させ、コア材を反応性イオンエッチング等の加工方法を用いて加工し、その上にクラッドを形成することにより光導波路を形成してもよい。このように光導波路を作成しても、本実施の形態と同様に、正パルスバイアスを印加するプラズマイオンプレーティング法を用いて、基板を加熱することなく樹脂基板上に透明性に優れ且つ耐磨耗性に優れたMgF₂膜を成膜することができるため、樹脂基板の材料は自由に選ぶことができる。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４は、本発明の光学系を光コネクタに用いられる反射防止膜に適用した例を示すものである。
【０１１１】
図１６は、本実施の形態に係る光学系としての反射防止膜を用いた光コネクタの側面図である。図１６に示すように、光コネクタ３５４に光ファイバ３５２が固定されており、該光ファイバ３５２の先端面にMgF₂膜からなる反射防止膜３１４が形成されている。
【０１１２】
この場合、実施の形態１の正パルスバイアスを印加するプラズマイオンプレーティング法を用いて成膜することにより、光ファイバ３５２を加熱することなく反射防止膜３１４を形成することができる。そのため、光ファイバ３５２としては、樹脂コートされた光ファイバや、コアもプラスチックで形成されたプラスチック光ファイバにも、MgF₂膜を用いた反射防止コートを施すことができる。
【０１１３】
更に、プラスチックよりなる光コネクタ３５４に光ファイバ３５２を固定した後でも、反射防止膜３１４を形成できる。特に、プラスチック光ファイバにおいては、正パルスバイアスを印加するプラズマイオンプレーティング法を用いて耐磨耗性に優れたMgF₂膜からなる反射防止膜３１４を形成することにより、光ファイバ同士を接続する場合にも、該反射防止膜３１４及び光ファイバが傷付くことがなく耐久性に優れたものとなる。
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５は、本発明の光学系を対物レンズに用いられる反射防止膜に適用した例を示すものである。
【０１１４】
図１７は、本実施の形態に係る光学系としての反射防止膜を用いた対物レンズの断面図である。図１７において、対物レンズ４５６の光入射面４６０には、ホログラム４５８が形成されている。該ホログラム４５８が形成された対物レンズ４５６は、波長の異なる入射光に対して焦点位置を変えることが出来る。従って、該対物レンズ４５６は、例えばコンパクトディスク（ＣＤ）の対物レンズとＤＶＤの対物レンズとして兼用できる二重焦点レンズとして用いられる。
【０１１５】
本実施の形態に示す対物レンズ４５６は、透明樹脂を射出成形して作成されている。この対物レンズ４５６の表面には、実施の形態１の正パルスバイアスを印加するプラズマイオンプレーティング法を用いてMgF₂膜が形成され、該MgF₂膜は反射防止膜４１４ａ，４１４ｂを成している。
【０１１６】
前記プラズマイオンプレーティング法を用いることにより、樹脂製の対物レンズ４５６を加熱することなく反射防止膜４１４ａ，４１４ｂを形成できる。また、成膜時の成膜粒子の真空チャンバ内での移動は直進性に優れるため、ホログラム４５８の溝構造の奥まった箇所にも均一性良く成膜することができる。また、波長の異なる入射光に対して反射防止効果を得るためには、使用される光の波長において反射率が低いことが望ましく、そのために反射防止膜４１４ａは、MgF₂膜を含む誘電体多層膜構造とすることが望ましい。
【０１１７】
また、前記プラズマイオンプレーティング法によれば、対物レンズ４５６を加熱しなくても耐磨耗性に優れたMgF₂膜４１４ａ，４１４ｂを形成できるため、対物レンズ４５６に傷が付くことを防止することができ、対物レンズ４５６のクリーニングが容易である。また、ＣＤ又はＤＶＤ等の光ディスクの対物レンズとして用いた場合に、万が一、該光ディスクと接触してもレンズに傷が付くのを防止できる。
【０１１８】
本実施の形態では、ホログラム４５８を用いて二重焦点レンズとして用いる場合について例示しているが、例えば光源波長が変動しても焦点位置が変動しない色消しレンズとして用いることもできる。
【０１１９】
更に、前記プラズマイオンプレーティング法による反射防止膜は、単レンズに限ることなく、レンズアレイでもよ。例えばマイクロレンズアレイに反射防止膜を施し、液晶プロジェクタにおけるインテグレータ又はライトバルブ等に用いることもできる。また、樹脂を成形することにより、ホログラムに限らず、レンズアレイ、凹面鏡、ミラー、プリズム等を一体に成形することができ、これらの光透過部の反射防止膜に用いることもできる。このような複雑な構成を成す光学部品であっても前記プラズマイオンプレーティング法における成膜粒子の優れた直進性により、良好な反射防止膜を形成することができる。
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６は、本発明の光学系を反射防止構造に適用した例を示すものである。
【０１２０】
図１８は、本実施の形態に係る光学系としての反射防止構造を示す図であって、図１８（ａ）は斜視図、図１８（ｂ）は断面図である。図１８において、本実施の形態では、樹脂基板５０１を射出成形することにより、波長以下の周期で凹凸を成す表面構造を形成し、反射防止構造５４８としている。
【０１２１】
所望の波長において１次以上の回折光が生じず０次光のみとなるような格子周期の小さなテーパ状の２次元格子５４８は、反射防止構造となることが知られている。反射率が小さくなるテーパのアスペクト比は、基板５０１を構成する媒質の屈折率にも依存するが、通常１以上とすることが望ましい。しかし、このような高アスペクト比においては、テーパ部の頂上や底部を急峻に形成することが困難であり平坦部が生じやすい。
【０１２２】
そこで、頂点或いは底部に平坦部があり、反射防止が不十分な場合には、図１８（ｂ）に示すように、基板５０１の表面に該基板５０１よりも屈折率が小さいMgF₂膜５１４を形成することによりさらに反射率を低減することができる。実施の形態１の正パルスバイアスを印加するプラズマイオンプレーティング法を用いることにより、このような高アスペクト比の構造に対してもテーパ構造を埋めることなくMgF₂膜を形成することができる。
【０１２３】
このような微細構造は、反射防止のみではなく、偏光素子、波長選択フィルター等の光学素子においても形成されるものである。従って、これらの光学素子にMgF₂膜５１４を形成することにより、良好な反射防止効果が得られる。MgF₂膜５１４による反射防止効果は、言うまでも無く通常の透過型回折格子やホログラムに対しても効果があるものである。
（実施の形態７）
本発明の実施の形態７は、本発明の光学系をディスプレイに用いられる偏光板に適用した例を示すものである。
【０１２４】
図１９は、本実施の形態に係る光学系としての偏光板の構造を示す断面図である。図１９において、本実施の形態の偏光板６０１は、ポリビニルアルコール（PVA）フィルムを延伸し、これにヨウ素を吸収させて偏光機能を付与した偏光膜６０２と、この偏光膜６０２の両面を被覆し、該偏光膜６０２を保護するトリアセチルセルロース（TAC）などの保護フィルム６０３，６０４を有している。尚、偏光膜６０２にはヨウ素の代わりに２色性有機染料を用いても良い。
【０１２５】
そして、偏光板６０１は、観察者側の保護フィルム６０３の表面に、さらに反射防止膜６１４が形成されている。この反射防止膜６１４は、保護フィルム６０３の表面上にアルミナ（Al₂O₃）層６０５、ジルコニア（ZrO₂）層６０６、弗化マグネシウム（MgF₂）層６０７がこの順序により積層形成されている。
【０１２６】
この反射防止膜６１４は、実施の形態１の正パルスバイアスを印加するプラズマイオンプレーティング法を用い、且つ、干渉効果によって広い波長範囲で反射率が低減されるような膜厚条件で成膜されている。この際、実質的に常温で成膜されるので、熱による偏光板６０１の性能劣化を伴うことなく、耐摩耗性が高く且つ透過率の大きい弗化マグネシウムの膜が形成できる。よって、この偏光板６０１を用いることで、明るい環境下でもコントラスト比が高く、映り込みが比較的少ない視認性の良いディスプレイを実現することができる。
（実施の形態８）
本発明の実施の形態８は、本発明の光学系をタッチパネルに用いられる反射防止膜に適用した例を示すものである。
【０１２７】
図２０は、本実施の形態に係る光学系としての反射防止膜が用いられるタッチパネルの構造を示す断面図である。図２０において、タッチパネル７０１は、電子ディスプレイの表面に配置し、指や入力用ペンなどで接触した位置を検出し、その信号に基いて入力操作等を行うものである。タッチパネル７０１の方式としては光学式、超音波式、電磁誘導式、抵抗膜式、静電容量式が知られているが、液晶ディスプレイとの組み合わせでは抵抗膜式が多く用いられており、本実施の形態に係るタッチパネル７０１も抵抗膜式のものを示している。
【０１２８】
本実施の形態のタッチパネル７０１は、片面に透明導電膜７０４が形成されたガラスなどの平坦で透明な材質から成る透明基板７０２と、同じく片面に透明導電膜７０５が形成されたポリエステル樹脂などからなる透明樹脂基板７０３とを備え、スペーサ７０６を介させることにより一定の空隙を設けて前記透明導電膜７０４，７０５同士が対向するように配置された構成となっている。
【０１２９】
抵抗膜式の前記タッチパネル７０１では、使用者が透明樹脂基板７０３を押した場合に、対向している透明導電膜７０４，７０５同士が接触される。そしてその接触位置の電位に基き、図示しない制御手段がパネル上の接触位置を判断する。
【０１３０】
本実施の形態に係るタッチパネル７０１では更に、透明樹脂基板７０３の外表面にアルミナ（Al₂O₃）層７０７、ジルコニア（ZrO₂）層７０８、及び弗化マグネシウム（MgF₂）層７０９がこの順序で形成されており、これらの層７０７〜７０９が反射防止膜７１０を構成している。この反射防止膜７１０は、実施の形態１の正パルスバイアスを印加するプラズマイオンプレーティング法を用い、且つ、干渉効果によって広い波長範囲で反射率が低減するような膜厚条件で成膜されている。
【０１３１】
本実施の形態によれば、耐摩耗性が高く且つ透過率の大きいMgF₂層７０９が最表面に形成できるので、広い波長範囲で表面の反射率が小さく、表面の耐摩耗性の高いタッチパネル７０１が実現できる。
【０１３２】
また、このタッチパネル７０１を電子ディスプレイと組み合わせることでで明るい環境下でもコントラスト比が高く、映り込みが少ない視認性の良いディスプレイを実現することができる。
（実施の形態９）
本発明の実施の形態９は、本発明の光学系をタッチパネルに用いられる偏光板に適用した例を示すものである。
【０１３３】
図２１は、本実施の形態に係る光学系としての偏光板が用いられるタッチパネルの構造を示す断面図である。図２１において図２０と同一符号を成す構成要素は同一又は相当する構成要素を示す。
【０１３４】
図２１に示すようにタッチパネル８０１は、図２０に示すタッチパネル７０１と同様に構成された透明基板７０２，７０３と、透明導電膜７０４，７０５とを備えている。該透明導電膜７０４，７０５は蒸着又はスパッタリングにより形成され、その材質としてはインジウム錫酸化物などの金属酸化物、又は、金，パラジウム，アルミニウム，銀などの金属を用いることができる。これら金属酸化物や金属の薄膜は一般に屈折率が大きく、スペーサ７０６によって形成される空隙と透明導電膜７０４，７０５との界面反射は、タッチパネル８０１の表面反射よりも大きくなる。
【０１３５】
本実施の形態のタッチパネル８０１は、図２０に示したタッチパネル７０１において反射防止膜７１０に代え、透明樹脂基板７０３の外表面上に１／４波長板８０３及び偏光板６０１がこの順に積層され、更に、透明基板７０２の外面には、必要に応じて１／４波長板８０２が配置されている。偏光板６０１は実施の形態７の偏光板（図１９参照）であり、実施の形態１の正パルスを印加するプラズマイオンプレーティング法により形成された反射防止膜を最外層に有するものである。偏光板６０１と１／４波長板８０３とは所謂円偏光板を構成するもので以下の通り作用する。
【０１３６】
外部から偏光板６０１に入射した光は、偏光板６０１で特定の直線偏光成分が吸収され、これと偏光軸が直交する直線偏光成分は透過する。偏光板６０１を透過した直線偏光は１／４波長板８０３を通過することにより略円偏光となる。この光の一部は透明樹脂基板７０３と透明導電膜７０５との界面、及び透明導電膜７０５と空気との界面で反射するが、反射の際、位相がπずれて円偏光の回転方向が逆方向となる。この反射光は再び１／４波長板８０３を通過することにより偏光板６０１で吸収される直線偏光に変換されて偏光板６０１で吸収されるため、外部には漏洩しない。即ち、タッチパネル８０１の各界面で生じる反射は、円偏光板を構成する偏光板６０１及び１／４波長板８０３にて吸収されて外部へは漏洩しない。
【０１３７】
また、タッチパネル８０１の最表面での反射が、弗化マグネシウムなどで構成される多層膜により低く抑えられるため、外部から入射された光の反射が極めて少なくなる。更に最表面が耐摩耗性の高い弗化マグネシウムであるため耐摩耗性の高いタッチパネルが実現する（図１９参照）。
【０１３８】
尚、タッチパネル８０１の下に配置される電子ディスプレイが液晶ディスプレイの場合、表示光は一般に直線偏光である。従って液晶ディスプレイの場合には、タッチパネル８０１の最裏面にも１／４波長板８０２を配置することにより、タッチパネル８０１の表面側に配置した１／４波長板８０３と裏面側に配置した１／４波長板との共同作用によって表示光が偏光板６０１を通過できる直線偏光に変換されるように構成する。このような構成とすることにより、液晶ディスプレイの表示光が偏光板６０１にて吸収されにくくなるため、表示が明るくなる。
【０１３９】
以上の説明から明らかなように、本実施の形態のタッチパネル８０１によれば、円偏光板の作用により、タッチパネル８０１の各界面での反射が抑制される。従って、該タッチパネル８０１と電子ディスプレイと組み合わせた場合、明るい環境下でもコントラストが高く、映り込みが少ない視認性の良いディスプレイを実現することできる。
【０１４０】
【発明の効果】
本発明は以上に説明したような形態で実施され、以下のような効果を奏する。
【０１４１】
第１に、光学特性と耐磨耗性に優れ、かつ低温で形成可能な光学系を提供できる。
【０１４２】
第２に、作製が容易で基板材料と充填材料とを自由に選択できる光導波路を提供できる。
【０１４３】
第３に、光学特性と耐磨耗性に優れ、かつ基材にダメージを与えないタッチパネルを提供できる。
【０１４４】
第４に、水分の吸着量が少なく、温度及び湿度等の環境条件の変化に影響されにくく、安定した光学特性を有する光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光学系の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す光学系を製造可能な成膜装置を説明する図であって、（ａ）は成膜装置の構成の概略を示す模式図、（ｂ）はバイアス電源ユニットから出力されるバイアス電圧の波形を示すグラフである。
【図３】基材ホルダの電位を示すグラフである。
【図４】バイアス電源ユニットから出力されるバイアス電圧の他の波形を示すグラフである。
【図５】図１の光学系を製造可能な他の成膜装置の構成例の概略を示す模式図である。
【図６】ガラス基板上に弗化マグネシウム薄膜が形成されてできた光学フィルタについて、バイアス電圧のパルス周波数に対する該光学フィルタの吸収率の依存性を示すグラフである。
【図７】石英（シリカ）基板上に弗化マグネシウム薄膜が形成されてできた光学フィルタについての可視光域における光の吸収率を示すグラフである。
【図８】弗化マグネシウム薄膜の結晶粒径を示す表である。
【図９】耐磨耗性試験を説明するための図であって、（ａ）は耐摩耗性試験装置の概要を模式的に示す斜視図、（ｂ）は耐摩耗性評価基準を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１の光学系の多層膜への適用例を説明するための図であって、（ａ）は多層膜の構成を示す図、（ｂ）は基板上に形成された多層膜の可視光域における反射率を示す図表である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る光学系を適用したアクティブマトリクス型液晶表示装置の断面図である。
【図１２】誘電体多層膜を示す図であって、（ａ）は誘電体多層膜の断面概要図、（ｂ）は誘電体多層膜の波長に対する反射率及び透過率の変化を示すグラフである。
【図１３】図１２に示す液晶表示装置のTFT基板の製造工程を示すプロセスフロー図である。
【図１４】本発明の実施の形態３に係る光学系としての光導波路の構成を示す断面図である。
【図１５】図１４の光導波路の作製手順を示す工程図である。
【図１６】本発明の実施の形態４に係る光学系としての反射防止膜を用いた光コネクタの側面図である。
【図１７】本発明実施の形態５に係る光学系としての反射防止膜を用いた対物レンズの断面図である。
【図１８】本発明の実施の形態６に係る光学系としての反射防止構造を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図１９】本発明の実施の形態７に係る光学系としての偏光板の構造を示す断面図である。
【図２０】本発明の実施の形態８に係る光学系としての反射防止膜が用いられるタッチパネルの構造を示す断面図である。
【図２１】本発明の実施の形態９に係る光学系としての偏光板が用いられるタッチパネルの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１，３６真空チャンバ
２，３９基材ホルダ
３蒸発源
５基材
８電力供給ユニット
１０，３５成膜装置
１１高周波電源ユニット
１２バイアス電源ユニット
１３波形生成器
１４バイアス電源
１５ハイパスフィルタ
１６ローパスフィルタ
３７高周波電源（ＲＦ）
３８バイアス電源ユニット（ＤＣ）
４０イオン化電極
４１マッチングボックス（ＭＢ）
１０１光学系
１０２基材
１０３弗化物膜
２０１光導波路
２０２可動台
２０３試料
２０４スチールウール
２０５押圧子
２０６アーム
２１０溝
２１２コア
２１４ＭｇＦ₂膜
２１８光導波路基板
２４５上部保護板
２４６クラッド層
３１４反射防止膜
３５２光ファイバ
３５４光コネクタ
４１４ａ，４１４ｂ反射防止膜
４５６対物レンズ
４５８ホログラム
５０１樹脂基板
５１４反射膜
５４８周期構造
６０１偏光板
６０２偏光膜
６０３，６０４保護フィルム
６０５，７０７Ａｌ₂Ｏ₃層
６０６，７０８ＺｒＯ₂層
６０７，７０９ＭｇＦ₂層
６１４，７１０反射防止膜
７０１，８０１タッチパネル
７０２透明基板
７０３透明樹脂基板
７０４，７０５透明樹脂基板
７０６スペーサ
８０２，８０３ 1/4波長板

Claims

少なくとも一部が、３ｎｍ以上且つ１０ｎｍ以下の結晶粒径から構成されると共に１ｍ ² ／ｇ以上且つ５ｍ ² ／ｇ以下の比表面積を有する弗化物で構成されていることを特徴とする光学素子。
前記弗化物が弗化マグネシウムである請求項１に記載の光学素子。
前記弗化物がシリカ基材上に形成されている請求項１に記載の光学素子。
前記弗化物が樹脂基材上に形成されている請求項１に記載の光学素子。
誘電体多層膜反射板である請求項１に記載の光学素子。
光導波路である請求項１に記載の光学素子。
反射防止膜である請求項１に記載の光学素子。
ディスプレイに用いられる偏光板である請求項２に記載の光学素子。
ディスプレイに用いられるタッチパネルである請求項２に記載の光学素子。
前記タッチパネルが、弗化マグネシウム膜を有する偏光板と１／４波長板とを配置してなる請求項９に記載の光学素子。
常温から１００℃までの範囲の温度において製造されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
真空チャンバ内に配置されたバイアス供給電極の前面に基材を配置するプロセスと、弗化マグネシウムを蒸発させるプロセスと、前記バイアス供給電極を一方の電極として高周波電圧を供給して前記真空チャンバ内にプラズマを発生させるプロセスと、負の平均値と正の最大値とを有して波状に変化し１００ｋＨｚ以上２．４５ＧＨｚ以下の周波数を有するバイアス電圧を前記バイアス供給電極に印加するプロセスとにより前記基材上に形成された弗化マグネシウム膜を有することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
前記一部が表層部であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。