JP4384264B2 - ガラス上のマトリクス成形不透明低反射被膜 - Google Patents

Description

発明の技術分野
本発明は、ガラス上の被膜に関し、より詳細には、低反射率被膜に関する。
発明の背景
多くの異なった形式の装置は、ガラスを通して光を受けたり放出したりする。このような装置の１つの形式のものは、空間光変調器である。これらの変調器は、区域アレイ変調器や、光電子または磁気電子変調器を含んでいる。区域アレイ変調器は、典型的には、行および列に配列された個々の素子のアレイからなり、典型的には、ディスプレイおよびプリンタのようなイメージ応用において使用されている。それらは、ソース光で照射され、その光をイメージに変調する。
装置の個々の素子は、典型的には、作られたイメージの１つの絵素（画素）に対応する。これらのアレイはガラスを通して光を受け、その後、選択された素子は光をディスプレイ表面に放出する。放出光であるか（白）そうでないか（黒）の選択がイメージを形成する。グレースケールおよびフィールド・シーケンシャル・カラー用のパルス幅変調のような幾つかの高性能技術が、カラー・イメージを作るために適用され得る。これらの変調器は幾つかの長所を持っているが、それらうちの大きなものはイメージ上の個々のドットを制御する能力である。
これらのアレイが効果的に機能するためには、システムの迷光（stray light）を制御する必要がある。光は、ソース光が素子以外の装置のどの部分にも当らないようにする不透明被膜によりアレイの活性領域に拘束される。これは、イメージにアーチファクトを生じさせる恐れがある装置の他の部分からのどのような反射をも防止する。現在の具体例にあって、ガラスは高い反射率を必要とすると考えられていた。不透明被膜に当たるパッケージの外側のソースからの光は反射してしまう。好ましくないことに、この高い反射率により、アレイによって投射されたイメージの縁部の周囲にゴースト・イメージを生じさせることが分かった。この形式の反射を防止する１つの方法は、光を吸収する不透明アパーチャ被膜を必要とすることである。
しかしながら、不透明被膜がありにも多くの光を吸収するとしたら、それはパッケージをも過熱することになる。従って、パッケージの外部からの反射率か低くかつパッケージをその制限を越えて加熱させない光アパーチャを定める被膜が必要である。
発明の概要
本発明の１つの態様は、ガラス表面の低反射不透明被膜である。一実施例において、この被膜は、１つのゲルマニウム層を含む３層被膜である。閉じられたパッケージの内部化学的環境を制御するために、ゲルマニウムをチタンに含有させる。他の実施例は、酸化イットリウムおよびゲルマニウムの２層被膜を含んでいる。第３の実施例は、酸化イットリウムの層を備えるかそれを備えていない炭素フィルムおよび黒鉛層を用いる。
本発明の他の態様は、結合された２ステップ・プロセスで被膜を蒸着するプロセスである。最初に非反射性被膜が置かれ、次いで、その上に低反射性被膜が置かれる。被膜の上記実施態様は、現在のプロセスとともにまたは新たなプロセスとともに使用され得る。
本発明の利点は、ガラス表面用の低反射率不透明被膜を提供することである。
本発明の他の利点は、ガラスを被膜するプロセスを低コストで実現可能にすることである。
【図面の簡単な説明】
本発明およびその他の利点のより完全な理解のために、次の添付図面に関連して行なわれる以下の詳細な説明を参照する。
図１は、低反射被膜を備えたガラス表面の従来技術の具体例を示す。
図２は、低反射被膜を備えたガラス表面の一実施例を示す。
図３は、低反射被膜を備えたガラス表面の第１の別の実施例を示す。
図４は、低反射被膜を備えたガラス表面の第２の別の実施例を示す。
図５は、低反射被膜を備えたガラス表面の第３の別の実施例を示す。
図６は、低反射被膜を備えたガラス表面の第４の別の実施例を示す。
好適実施例の詳細な説明
図１は、空間光変調器アレイに関連して使用されるガラス表面化パッケージ１０の従来技術の具体例の横断面図を示す。アレイ１８は、フレーム１６によって保持されているガラスの下方に置かれる。ガラスの外側表面は、フレーム１６上に伸びる非反射性（ＡＲ）被膜１４を有している。ガラスの内部表面すなわちアレイと面する表面上で、ＡＲ被膜はアパーチャ被膜１２を覆っている。上面図からは、アパーチャ被膜１２は不透明材料の中空の枠に見えることであろう。アパーチャ被膜１２は３層構造からなり、その中間層３０は銀である。
アレイ側から見た種々の表面境界での反射率および透過率の割合は、矢印２０，２２，３４により示されている。矢印２０によって示されたＡＲ被膜およびガラスの透明な区域は、９９％の透過率を有している。矢印２２として示されたガラスと被膜との間の境界の反射は、０．５％の反射率を有する。これは、矢印２８によって示されるようなパッケージのソース光側からのものと同じである。矢印３４によって示されるような、アパーチャ被膜に当たるアレイからの光の反射は、２０％の反射率を有する。この形式の反射は、形成しないように意図したピクセルをアパーチャ被膜から反射した光を用いてアレイが形成してしまう可能性があるため、イメージ（画像）にアーチファクトをも生じさせてしまう恐れがある。
パッケージのソース光側からの反射率および透過率の割合は、矢印２４，２６および上で述べた矢印２８により示されている。矢印２６は、０．１％の透過率を有するアパーチャ被膜を通って進行するソース光の通路を示す。矢印２８は、典型的には０．５％であるＡＲ被膜からの反射を示す。これらの矢印のうちで、パッケージの内部からのアパーチャ被膜での反射（矢印２４および矢印３４）が、最も重要である。従って、矢印２０，２６，２８，２２は以下の記載では省略される。
矢印２４は、外側反射と呼ぶこととする、パッケージの外側でアパーチャ被膜からのソース光の反射を示す。この場合には、ガラスは高い反射率を呈する。この高い反射率は望ましいものと考えられていた。しかしながら、この高い反射率は、前に述べたゴースト・イメージの原因である。従って、その問題点を取り除くためには新たな被膜を開発する必要があった。
１つのこのような被膜が図２に示されている。構造的には、３層被膜が図１の従来技術の具体例と極めて類似しているように見える。しかしながら、この例においては、中間層はゲルマニウムである。これら３つの層の一例は、ガラスと対面する一酸化チタンの厚さ６０ｎｍの層と、厚さ約３００ｎｍのゲルマニウムの中間層３０と、厚さ１５０ｎｍのチタンの最後の層とを含んでいる。この最後の層はオプションである。ある場合には、パッケージの化学的環境を維持するためにゲルマニウムの層を金属の層で覆うことが必要となることがある。
低反射不透明アパーチャ層のこの実施例は、吸収用のゲルマニウム層に依存する。理想的には、反射率は、不透明性を維持する一方、１０％以下でなければならない。パッケージの温度上昇は、１２℃以下に制限されなければならない。人間の観測者が見るような反射である明所視反射率の減少は、メタルハライド光源が使用されるときには７％以下でなければならないことが見い出された。従って、矢印２４によって示される光に対する明所視反射率の範囲は、７％〜１０％でなければならない。メタルハライド光源エネルギーのラジオメトリック（放射）反射率は８％よりも大きくなければならない。ラジオメトリック反射率は、人間の目によって検出されるものとは全く異なり、ある均一な検出器によってどれが検出されるであろうかというものである。
図２の実施例は、図１の従来技術と同じプロセスを使用する。図３では、プロセスが変更されており、これは窓を製造する上でコスト減少となる。図１および図２において、アパーチャ被膜はガラス上に直接置かれる。中間部の意図した透明区域を覆うために、フォトレジストのマスクがガラスの頂部上に形成される。３層不透明被膜が蒸着され、次いで、表面が不用な被膜およびフォトレジストを取り除くために浸漬されて揺動される。このリフト・オフ・プロセスは、往々、装置の性能に影響を及ぼす欠陥を生じさせてしまう。最後に、ＡＲ被膜がガラスおよびアパーチャ被膜の頂部に置かれる。
図３〜図６の実施例において使用される被膜は、使用されるステップの数および材料の量を減少する新たなプロセスを有する。ＡＲ被膜および不透明低反射体被膜の両者は、１つの作業でガラスに蒸着される。次いで、不透明低反射体被膜は、材料を取り除かなければならない区域を露出するためにマスキングされる。これら材料は、次いで、プラズマエッチングされるかウェット化学エッチングされて、好ましくない材料を取り除く。このエッチングはＡＲ被膜に損傷を与えない。この態様で、ステップの数は減少され、上で述べたリフト・オフ・プロセスの複雑さは減少される。
図３はこの態様で置かれた被膜を示す。ここで使用される被膜は、ＡＲ被膜の頂部に蒸着される。この実施例では、それらは酸化イットリウムおよびゲルマニウムの２層構造である。酸化イットリウムはＡＲ被膜に当接して置かれ、次いで、ゲルマニウム層がその頂部に置かれる。一実施例では、酸化イットリウム層は６０ｎｍ厚であり、ゲルマニウム層は３００ｎｍ厚である。フォトレジストで残されるべき区域をパターン化した後に、不要なゲルマニウムがエッチングされる。エッチング・プロセスの一例は過酸化水素溶液を使用することである。不要な酸化イットリウムは、酢酸（酢）のような任意の弱酸中で腐食する。
被膜のこの実施例は、矢印２４での所望範囲の外側反射と、矢印３４で示されるアパーチャ被膜での４５％の反射とを有する。アパーチャ被膜でのパッケージの内側からの反射を内側反射と呼ぶことにする。４５％の内側反射が好ましくならないようにすることが可能である。
アパーチャ被膜の他の実施例は、炭素の殆ど透明な５０ｎｍ厚のフィルムを用いており、これは２．２〜１０．５の屈折率を有する。この後に、約３．０〜１０．３の屈折率を備えた硬質黒鉛の５００ｎｍ厚の層が続く。最初の層は、エチレンのような炭化水素ガスを解離することによって蒸着される。第２の層は、ＲＦ励起アルゴン・プラズマを用いる電子ビーム銃によって蒸着される。光の殆ど全てが硬質黒鉛層に吸収され、両層は酸素ＲＦプラズマ内で容易にエッチングされることができる。この被膜は、２５％の内側反射率と、適切な範囲の外側反射率とを有する。
この被膜の変更は、１１００ｎｍ厚の炭素の層を用いる。これは、光吸収を増大するように選ばれた、バイアス電圧，ガス圧力，電流およびガス流量のような蒸着パラメータで、エチレンを用いて蒸着されることができる。これらの値は、特定の被膜形成チャンバに依存する。１１００ｎｍの吸収炭素は、５５０ｎｍよりも長い波長を僅かに透過する。厚さの増加は、被膜を十分に不透明とする。しかしながら、その外側反射は、吸収によるパッケージ温度の付随した上昇を考えると、余りにも低くなる可能性がある。
図４の実施例で通路３４に沿った内側反射は図３での４５％の反射率から２５％への改善があったが、それは依然として好ましくないほど高い。これに対する可能な解決法が図５に示されている。２つのステップ・プロセスにおいて、酸化イットリウムの第３の層を加えることは、通路３４に沿った外側反射率を所望の範囲に維持する一方、内側反射を５％に減少する。
上で述べたように、明所視反射率は、人間の目が見ることができる特定の光源分布である。全体反射率またはラジオメトリック反射率は、ある均一の検出器によって見られる特定の光源の反射率である。明所視反射率を上げずに装置の温度上昇を減少するために、ラジオメトリック反射率を上昇することが可能である。これは幾つかの態様で達成可能である。
一例において、ＡＲ被膜と２または３層不透明アパーチャ被膜との間に１つの層を蒸着することができる。この新たな層の厚さは、光学的な約５４０ｎｍの半波長となるように調節されることができる。１つのこのような層は、酸化イットリウムの１２０ｎｍ厚の層であり得る。それは、明所視反射率に関しては僅かな効果しか持たないが、ラジオメトリック反射率を倍増する。従って、入射光のうちの約半分だけが吸収され、温度上昇も半分にされることになる。酸化イットリウムに関連して上述したように、それは容易にエッチングすることができる。
一層複雑な例は、多層構造を伴う。より多くの層を用いるときには、損傷または欠陥の危険性が大きくなる。ＡＲ被膜へのオーバーエッチングは反応イオン・エッチング（ＲＩＥ）を用いるときには可能性があるが、光フィルム厚さモニタで取り除かれる厚さを監視することはこの危険性を最小限にする。光フィルム厚さモニタは、フィルムの蒸着において定常的に使用されている。従って、この装置は、透明なアパーチャ区域を定めるように被膜の取り除きの進行を制御するために使用されることができる。
これら多層構造の一例が図６に示されている。フィルタ層３６が３層不透明反射体に加えられて示されているが、２層構造体に加えられるようにすることも可能である。フィルタ層３６は、５５０ｎｍの１倍、２倍および４分の１倍の波の光学的厚さを有する幾つかの材料の組（とりわけ，二酸化チタン，二酸化ケイ素および二酸化チタン）の１つとなることができる。ラジオメトリック反射率は，４倍だけ増加される。この被膜は、図３〜図６で使用された被膜のどれとも同様に、現在の技術または上で述べた２ステップ・プロセスを用いて置かれることができる。より多くの層を有するより複雑な構造は、明所視反射率を実質的に増大せずにラジオメトリック反射率を更に増大することができる。
上の実施例において、前に所望されたガラス上の高反射率被膜によって生じるゴースト・イメージを取り除くガラス表面の低反射率不透明アパーチャ被膜が与えられる。ガラス表面は、上で記載されたように、自己含有パッケージに対しては透過表面となることができる。しかしながら、このパッケージは例のみとして意図される。ガラス表面は透過変調器によって使用されることができ、その際に処理されたガラス表面は、ＡＲ被膜によって被膜された第２の表面を持たない。このガラス表面は、光の投射用の透明なアパーチャを定めるために、不透明なアパーチャ被膜を必要とする任意の変調器とともに使用されることができる。
従って、この点に対して低反射率不透明被膜の形成方法およびその構造の特定の実施例が記載されたが、このような特定の参照対象が以下の請求の範囲で記載されたものを除きこの発明の適用範囲に対する制限として解釈されるようには意図されていない。

Claims (15)

1. 光を透過させるように動作可能な空間光変調器とともに使用されるガラス表面の低反射被膜であって、
   ガラス表面の少なくとも１つの側上の非反射性被膜と、
   該非反射性被膜上の不透明被膜とを具備し、
   該不透明被膜が、少なくとも２つの層と、１０％以下の明順応反射率とを有し、
   該不透明被膜が、以下の層の組合せのいずれか１つを含む、ガラス表面の低反射被膜：
   一酸化チタン層、ゲルマニウム層、およびチタン；又は
   酸化イットリウム層およびゲルマニウム層；又は
   酸化イットリウム層、炭素フィルムおよび硬質黒鉛層。
2. 前記不透明被膜が３つの層を含む、請求項１記載のガラス表面の低反射被覆。
3. 前記不透明被膜がフィルタ層を含む、請求項１記載のガラス表面の低反射被覆。
4. 前記フィルタ層が、二酸化チタン層、二酸化ケイ素層および第２の二酸化チタン層からなる、請求項３記載のガラス表面の低反射被覆。
5. 前記３つの層が、一酸化チタン、ゲルマニウムおよびチタンである、請求項２記載のガラス表面の低反射被膜。
6. 前記不透明被膜が２つの層を含む、請求項１記載のガラス表面の低反射被覆。
7. 前記２つの層が酸化イットリウムおよびゲルマニウムである、請求項６記載のガラス表面の低反射被膜。
8. ガラス表面上に不透明低反射率アパーチャ被膜を設ける方法であって、
   前記ガラス表面の少なくとも１つの側上に非反射性被膜を設けるステップと、
   低反射率不透明層を蒸着するステップと、
   前記不透明層の取り除き可能な区域を定めるために前記不透明層をパターン化するステップと、
   前記取り除き可能な区域を取り除くために前記不透明層をエッチングして、該エッチングされた不透明層が光を透過することができる透明アパーチャ区域を定めるようにするステップと、
   を具備し、前記蒸着ステップが、酸化イットリウムの層およびゲルマニウムの層を蒸着するステップをさらに具備する、方法。
9. 前記蒸着ステップが、炭素の層を蒸着するように動作可能な炭化水素ガスを解離するステップをさらに具備する、請求項８記載の方法。
10. 前記蒸着ステップが、電子銃およびＲＦ励起アルゴン・プラズマで前記炭素層上に硬質黒鉛層を蒸着するステップをさらに具備する、請求項９記載の方法。
11. 前記蒸着ステップが、前記硬質黒鉛層上に酸化イットリウムの層を蒸着するステップをさらに具備する、請求項１０記載の方法。
12. 前記蒸着ステップが、前記不透明層を蒸着する前にフィルタ層を蒸着するステップをさらに具備する、請求項８記載の方法。
13. 前記エッチング・ステップが、過酸化水素溶液およびその後の酸内でエッチングするステップをさらに具備する、請求項８記載の方法。
14. 前記エッチング・ステップが、酸素ＲＦプラズマ内で前記不透明層をエッチングするステップをさらに具備する、請求項８記載の方法。
15. 前記エッチング・ステップが、反応イオン・エッチングを含む、請求項８記載の方法。

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