JP4678268B2

JP4678268B2 - 赤外線透過フィルター及びその製造方法

Info

Publication number: JP4678268B2
Application number: JP2005266243A
Authority: JP
Inventors: 直人米山; 保文川鍋
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2025-09-14
Also published as: JP2006119612A

Description

本発明は、可視光を透過せず赤外線を透過するフィルターに関する。

可視光を透過せず赤外線を透過するフィルターとしてはガラス中に金属をドープして黒色にした色ガラスフィルターと、ガラス基板に高屈折率膜と低屈折率膜を交互に積層したもの等が知られている。このうち、高屈折率膜にシリコン（Ｓｉ）、低屈折率膜に二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を用いた多層膜があるが、熱による経時変化を引き起こすため、中間屈折率を持つ金属酸化膜を用い自然酸化膜の形成を防止する方法がとられている（例えば、特許文献１及び２）。
特開２００１−２４２３１８号公報特許第３３８１１５０号

しかしながら、従来の発明では成膜材料を少なくとも３種類は用意しなければならなく、坩堝数の少ない装置では作製が困難であり、かつ成膜コストも増大してしまう。

また、異種酸化物同士の境界ができるので、境界の部分で剥離（境界剥離）しやすく、耐久性において不利なものとなっていた。本発明は、上述のような発明者の知見に基づきなされたもので、可視光の遮断特性、赤外線の透過特性及び耐久性を向上させ、低価格化を図ることを技術的課題としている。

本発明の第１の側面は、透光性基板の片面又は両面に異なる成膜材料からなる第１及び第２の膜が交互に積層された可視光遮断赤外線透過フィルターであって、第１及び第２の膜の界面における化学組成の変化が連続的である赤外線透過フィルターである。また、第１又は第２の膜の少なくとも一方が酸化膜である構成とした。さらに、第１及び第２の膜がシリコン及びシリコン酸化膜からなる構成とした。ここで、化学組成の変化を原子濃度の変化で規定した。

また、上記第１の側面において、交互に積層される第１及び第２の膜からなる多層膜の深さ方向に対する酸素原子濃度の変化が、反復される第１及び第２の区間からなり、第２の区間は、酸素原子濃度が第２の膜の酸素原子濃度と一致する区間として規定され、第１の区間は第２の区間以外の区間として規定され、第１の区間において、酸素原子濃度が０より大きい最小値を有し、第１の区間と第２の区間との境界から最小値を与える深さまでの厚さが１０ｎｍ以上となる構成とした。

本発明の第２の側面は、可視光遮断赤外線透過フィルターの製造方法であって、透光性基板の片面又は両面にシリコン（Ｓｉ）と二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を交互に積層する工程、及び積層する工程の後に成膜された基板を２３０℃以上で加熱する工程からなる製造方法である。さらに、加熱温度を２８０℃としたものである。また、加熱する工程を大気中雰囲気で行なうようにした。
さらに本発明の第３の側面は、上記第２の側面による方法を用いて製造した可視光遮断赤外線透過フィルターである。

本発明によれば、可視光の透過率を平均０．０１％以下とし赤外線（９５０ｎｍ〜１３００ｎｍ）の透過率を平均８０％以上としたフィルターが膜厚２．５μｍ以下で作製することができ、酸素組成比を連続的かつ周期的に変化した膜構造とすることで境界がない状態になり、内部応力を緩和させることができるため境界剥離を防止でき、耐熱性に優れクラックの発生がなく、かつ予め大気中で加熱し組成を変化させているため経時変化による自然酸化膜の形成を阻止することにより劣化を防止した低価格の赤外線透過フィルターを提供することができる。
さらに、膜設計を適正化することにより、透過する赤外線の帯域を広げ、８００ｎｍ〜２５００ｎｍとすることもできる。

実施例１．
図１は本発明に係るフィルターの断面図を示し、図２は本発明に係るフィルターを最外層から基板側へ深さ方向にＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）を用い分析した結果であり、深さ（膜厚）に対する原子濃度の変化を示したものである。図２が示すように明らかに酸素組成比が連続的かつ周期的に変化した構造となっている。なお、ここでは原子濃度は酸素組成比にほぼ単調に相関している。

もっとも、本実施例においては、最も好適な例として各膜の界面の酸素組成比が連続的になるようにしているが、原子濃度が連続的になるようにすれば他の原子組成比が連続的であってもよいし、原子濃度に限らず化学組成を表わす何らかの指標が連続的であればよい。また、説明の便宜のため、基板に形成された膜の片面側についてのみに言及しているが、成膜面は基板の片面であっても両面であってもよい。

成膜方法としては周知の真空蒸着法を用い、シリコン膜の成膜条件は、成膜物質にＳｉを用い、基板温度を２３０℃、成膜速度４Å／ｓ、真空中、到達真空度７×１０^−４Ｐａ、シリコン酸化膜の成膜条件は、成膜物質に二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を用い、基板温度を２３０℃、成膜速度１０Å／ｓ、真空中、到達真空度７×１０^−４Ｐａであり、表１に示す構成で成膜を行なう。

成膜後、電気炉にて温度２８０℃、大気中雰囲気、１時間加熱をし、大気中雰囲気で自然冷却をする。なお、実施例においては、成膜後の加熱温度を２８０℃としたが、この温度を成膜中と同様に２３０℃で加熱してもよい。即ち、成膜後に所定の温度で加熱することが必要であり、好ましくは２３０℃以上、最適には２８０℃であるという主旨である。
なお、本実施例では２４層の積層膜としたが、層数は適宜変更可能である。また、成膜物質は赤外線透過フィルターに適したものであれば上記に示したもの以外（例えば、Ｓｉ_ｘＯ_ｙ（ｘ、ｙは自然数）のようなシリコン酸化物）を用いてもよい。

こうして実際に形成されたフィルターの分光透過率を示すものが図３であり、可視光の透過率が平均０．０１％以下で赤外線（９５０ｎｍ〜１３００ｎｍ）の透過率を平均８０％以上とした赤外線透過フィルターが得られた。

また、加熱処理によってシリコン酸化膜中の酸素原子がシリコン膜側に移動し、シリコン層、即ち、吸収層が薄くなることから吸収端が短波長側に移動する。これにより、赤外線透過帯域がシフトし、例えば、図４に示すように短波長端が移動して短波長側の透過率が上がることになる。

ここで、組成変化の連続性について、図５を用いてより詳細に説明する。図５（ａ）は図２における酸素原子濃度の線のみを抜き出し、第２４層から基板までの深さについてその濃度を示したものである。但し、一般にＸＰＳ分析では、深さが深くなるにつれて測定誤差が大きくなるので、主に上位層（番号の大きい層）に着目して説明する。なお、説明の便宜のため、図５（ａ）の一部を拡大して模擬的に示す図５（ｂ）及び（ｃ）と併せて説明する。

図５（ｂ）において、破線Ｌ０はＳｉ膜とＳｉＯ_２膜とを加熱処理を用いずに積層した場合の酸素原子濃度を示す線であり、実線Ｌ１は本発明による酸素原子濃度を示す線である。即ち、両膜を積層しただけではＬ０のような段階的な（不連続な）濃度変化となるが、加熱処理によりＬ０におけるｘ軸に垂直な部分に傾きが生じ、Ｌ１のような線が形成される。また、加熱処理時にＳｉ膜に酸素原子が侵入するため、Ｌ１の最小値は０％にはならない。

図５（ｃ）に示すように、線Ｌ１は区間Ｄ１及びＤ２からなり、これらは反復して繰り返される。区間Ｄ１は連続的変化領域を含む区間であり、区間Ｄ２は連続的変化領域を含まない区間である。また、言い換えると、区間Ｄ２は酸素原子濃度がＳｉＯ_２の酸素原子濃度にほぼ一致する区間であり、区間Ｄ１はＤ２以外の区間と定義することもできる。
ここで、Ｌ１の形状には２通りの形状が存在し得る。その一方は、図５（ｃ）における第ｍ層のように、区間Ｄ１に非変化領域（平坦な領域：ｄ２）が存在するものであり、他方は第ｎ層のように、結果的に区間Ｄ１の非変化領域が存在しなくなるものである。

本発明によると、第ｍ層においては、区間Ｄ１とＤ２との境界からＬ１の最小値に達するまでその酸素原子濃度が略線形に連続的に変化し、厚みｄ１及びｄ３が生ずる。また、第ｎ層においては、非変化領域ｄ２が事実上なくなっている。
また、フィルターを形成する全ての区間Ｄ１を非変化領域ｄ２が存在する第ｍ層タイプとしてもよいし、逆に全ての区間Ｄ１を非変化領域が存在しない第ｎ層タイプとしてもよく、また、両者を適宜組み合わせてもよい。

表２は、表１の第２４層から第１６層における設計膜厚に対する各部の厚さを示すものである。ここで、設計膜厚とは加熱処理前の膜厚である。なお、表２における非変化領域の厚みは図５（ｃ）におけるｄ２に相当し、変化領域の厚みはｄ１又はｄ３に相当する。従って、例えば、第２１層及び第１９層のように非変化領域の厚みが０でないものは図５（ｃ）における第ｍ層タイプのものであり、第２３層及び第１７層のように非変化領域の厚みが０ｎｍのものは第ｎ層タイプのものである。表２から分かるように、区間Ｄ１とＤ２との境界から最小値を与える深さまでの厚さｄ１及びｄ３を１０ｎｍ以上とするのが好ましい。

実施例２．
他の赤外線透過フィルターの作製例を示す。本実施例では、膜設計を工夫してより広帯域の赤外線を透過するフィルターを作製するものである。表３に広帯域赤外線透過フィルターの設計膜厚を示す。この膜厚設計に従って形成された層を実施例１と同様に加熱処理してフィルターを作製する。

本実施例においては、図４に示すような特性を有する赤外線透過フィルターに対して、赤外域の透過帯の長波長側（１３００〜１５００ｎｍ）の落ち込みを減らす（小さくする）ように膜設計の最適化を行ない、９００ｎｍ〜２５００ｎｍの広範囲で高い透過率を有する図６に示す特性の赤外線透過フィルターを得た。（なお、図４においても、同図には示されていないが、１５００〜２５００ｎｍに高い透過率を有する部分がある。）

本発明は、暗視カメラ用投光器、ハロゲンヒーター等の用途に用いて好適である。

本発明に係るフィルターの断面を示す図。本発明に係るフィルターの組成比を説明する図。本発明に係るフィルターの分光透過率を示す図。本発明に係るフィルターの分光透過率を説明する図。本発明に係るフィルターの組成比を説明する図。本発明に係るフィルターの分光透過率を示す図。

符号の説明

１……透光性基板
２……シリコン膜
３……シリコン酸化膜

Claims

透光性基板の片面又は両面に異なる成膜材料からなる第１及び第２の膜が交互に積層された可視光遮断赤外線透過フィルターであって、
該第１及び第２の膜はそれぞれシリコン及びシリコン酸化物からなり、
該第１及び第２の膜の界面における化学組成の変化が連続的であり、
前記化学組成の変化はシリコン又は酸素の原子濃度の変化で規定され、
該第１の膜において、酸素原子濃度が０より大きい最小値を有することを特徴とする赤外線透過フィルター。
請求項１記載の赤外線透過フィルターであって、
任意の隣接する前記第１及び第２の膜について、前記第２の膜の膜厚が前記第１の膜の膜厚よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする赤外線透過フィルター。
請求項１又は請求項２記載の赤外線透過フィルターであって、
前記化学組成の変化は酸素組成比の変化で規定されることを特徴とする赤外線透過フィルター。
請求項１又は２記載の赤外線透過フィルターであって、
該交互に積層される第１及び第２の膜からなる多層膜の深さ方向に対する酸素原子濃度の変化が、反復される第１及び第２の区間からなり、
該第２の区間は、酸素原子濃度が該第２の膜の酸素原子濃度と一致する区間として規定され、該第１の区間は該第２の区間以外の区間として規定され、
該第１の区間において、酸素原子濃度が０より大きい最小値を有し、
該第１の区間と該第２の区間との境界から該最小値を与える深さまでの厚さが１０ｎｍ以上であることを特徴とする赤外線透過フィルター。
可視光遮断赤外線透過フィルターの製造方法であって、
透光性基板の片面又は両面にシリコン（Ｓｉ）と二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を交互に積層する工程、及び
前記積層する工程の後に成膜された基板を、大気中雰囲気で、２３０℃から２８０℃の範囲で加熱する工程からなる製造方法であって、
前記シリコンが積層された膜は、酸素原子濃度が０より大きい最小値を有することを特徴とする製造方法。
請求項５に記載の製造方法によって製造された可視光遮断赤外線透過フィルター。