JP5269933B2

JP5269933B2 - 光学多層膜フィルタ

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Publication number: JP5269933B2
Application number: JP2011044845A
Authority: JP
Inventors: 元生高田; 伸也亀卦川; 利真西; 裕人石川
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2027-12-17
Also published as: JP2011158909A

Description

本発明は例えば水晶からなる光学ローパスフィルタ（OLPF：Optical Low Pass Filter）の表面に形成する光学多層膜フィルタの帯電を除去する方法として、光学多層膜フィルタの表面に金属膜を形成する技術に関する。

従来、デジタルビデオカメラやディジタルカメラの固体撮像素子であるＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサまたはＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）センサの前面にはガラス基板又は水晶基板などで構成された光学ローパスフィルタを設置している。光学的ローパスフィルタは、低い周波数成分を通し、高周波成分をカットすることで、主として輝度差が大きい細かな模様をボカしている。例えば、固体撮像素子は規則正しく並んだ細かい模様を撮影すると干渉縞（モアレ）が発生し、また逆光に輝く髪の毛など、輝度差が激しい輪郭部分は偽色（色モアレ）と呼ばれる色づきが発生してしまう。このため、光学ローパスフィルタはこうした干渉縞や偽色を低減するために、画像をわずかにボカすことでエッジを鈍らせ、干渉縞と偽色とを除去している。

また、こうした光学ローパスフィルタの前面又は後面には、光学多層膜フィルタを設置している。光学多層膜フィルタは赤外線感度の良い固体撮像素子をより人間の視覚に近づけるために赤外線を除去して、人間が感じる可視光領域だけを通過させる役目をしている。光学ローパスフィルタの基板はガラス基板又は水晶基板であるため、その圧電効果により帯電し、光学ローパスフィルタが帯電すると、その表面の光学多層膜フィルタも帯電する。帯電した光学多層膜フィルタはゴミを吸着しやすくなり、特にレンズ交換式のデジタル一眼レフカメラにおいて、レンズ交換を行うたびに外気に触れ、外気中のチリ、ホコリなどのゴミを吸着しやすくなる。また、付着したゴミは帯電しているために、除去も難しくなる。

特許文献１では光学多層膜フィルタの最終層に、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）を蒸着させ、光学多層膜フィルタの表面を導電体で形成する方法で帯電を除去していた。ＩＴＯは可視光の透過率が約９０％あり、膜の光学特性を変化させない方法と用いられてきた。
特開２００７−２９８９５１

しかしながら、ＩＴＯを蒸着する方法は屈折率の高い誘電体膜と低い誘電体膜とを交互に積層した最後にＩＴＯを蒸着させるため、蒸着層内を汚し、光学多層膜フィルタの特性を劣化させる問題がある。また、インジウムＩｎは希少金属であり、ＩＴＯが液晶パネルや有機ＥＬなどのＦＰＤ（フラット・パネル・ディスプレイ）に広く使われ、価格の高騰と将来の供給不足とが心配される。

本発明の目的は、ＩＴＯに代わる光学多層膜フィルタを形成することにより、光学多層膜フィルタの表面に導電性を持たせ、光学ローパスフィルタからの静電気を除去することにある。

第１の観点の光学多層膜フィルタは、高屈折率材料から成る高屈折率薄膜と、低屈折率材料から成る低屈折率薄膜とが交互に複数積層された多層膜を、透明基板上に成膜した光学多層膜フィルタである。そして、高屈折率材料及び低屈折率材料よりも小さな原子量で組成された蒸着材料を最終層に形成する。
この構成により、ＩＴＯを使用することなく導電性の高い光学多層膜フィルタを提供することができ、この光学多層膜フィルタは静電気が溜まることがなくゴミ、ホコリなどが付着することがない。

第２の観点の光学多層膜フィルタの高屈折率薄膜は、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５のいずれか、又はＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５のいずれかを主成分とした複合酸化物から成り、低屈折率薄膜は、ＳｉＯ_２、Ｂｉ_２Ｏ_３のいずれか、又はＬａ_２Ｏ_３とＡｌ_２Ｏ_３との複合酸化物から成る酸化物である。
これらの材料が高屈折率薄膜又は低屈折率薄膜として適用できる。

第３の観点の光学多層膜フィルタの透明基板が、ガラス基板又は水晶基板である。
ガラス基板又は水晶基板が光学フィルタとして適している。

本発明の光学多層膜フィルタは最終層である光学多層膜フィルタの表面にＩＴＯ等の透明電極材料を用いずに金属膜を形成することで光学ローパスフィルタからの静電気を除去することにある。

＜＜実施例１＞＞
本発明の光学多層膜フィルタ３０は光学ローパスフィルタである水晶基板２０の表面に高い屈折率の酸化物と、低い屈折率の酸化物とを積層し、最終層に低い屈折率の非酸化物を積層することで、除電機能のもつ光学多層膜フィルタ３０を提供する。例えば、光学多層膜フィルタ３０は屈折率の高い材料として二酸化チタン（ＴｉＯ_２）３２を用い、屈折率の低い材料として二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）３３を用いている。光学多層膜フィルタ３０は高屈折材料と低屈折材料とを２０層から６０層重ねることで、赤外線を除去し、最終層にフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）３１を積層することで、帯電を除去する。

＜光学多層膜フィルタ３０の製造方法＞
光学多層膜フィルタ３０は温度や湿度の変化に対する光学特性の変化が少ない、安定な薄膜形成が求められる。このため、光学多層膜フィルタ３０はイオンアシスト蒸着（IAD：Ion Assisted Deposition）などの手法を用いて薄膜を形成している。イオンアシスト蒸着装置１０は図１に示すような構成により、均一で安定な光学多層膜フィルタ３０を形成している。

図１で示すように、イオンアシスト蒸着装置１０は真空チャンバ１９の容器で囲まれ、イオンアシストするためのイオン源１３を備えている。イオン源１３は蒸発物質２１にイオン２２で運動エネルギーを与え、堆積する膜の結晶構造をアモルファス化する。アモルファス化することは薄膜の密度を向上させ、外気中においても波長シフトの起こりにくい特性を得ることができる。

また、イオンアシスト蒸着装置１０は照射したイオン２２（＋）で薄膜に電荷が蓄積するため、中和器１４で電子２３（−）を照射し、電荷の蓄積を防止している。

また、イオンアシスト蒸着装置１０は真空チャンバ１９内で高い屈折率の蒸発物質を飛散させる第１蒸発源１１と、低い屈折率の蒸発物質を飛散させる第２蒸発源１２とを備えている。各蒸発源の上部にはシャッタ１６があり、シャッタ１６の上部には基板ドーム１５が設置されている。基板ドーム１５の内側には水晶基板２０を配置し、基板ドーム１５を回転させることで、水晶基板２０に蒸発物質２１が均一に堆積することができる。

イオンアシスト蒸着装置１０の第１蒸着工程では第１蒸発源１１と第２蒸発源１２とに電子銃１７で電子を照射することで、各蒸発源の物質を蒸発させ、上部のシャッタ１６を交互に、また所定の時間開けることで、第１蒸発源１１と第２蒸発源１２との材料を所定の厚みに積層することができる。例えば第１蒸発源１１には二酸化チタン３２を入れ、第２蒸発源１２に二酸化ケイ素３３を入れる。なお、二酸化チタン３２の成膜時には酸素ガスを供給しながら蒸着させる。

イオンアシスト蒸着装置１０の第２蒸着工程では、第１蒸発源１１に代えて第３蒸発源（図示せず）を配置し、第３蒸発源にフッ化マグネシウム３１を入れて電子銃１７で電子を照射することでフッ化マグネシウム３１を蒸発させて、水晶基板２０の最上膜を形成する。

イオンアシスト蒸着装置１０の真空チャンバ１９は第１蒸着工程で常に真空引きし続け、二酸化チタン３２と二酸化ケイ素３３とを積層する。第１蒸着工程の終了後にイオンアシスト蒸着装置１０は真空チャンバ１９を一旦大気開放し、その後第２蒸着工程を開始する。大気開放することで大気中の水分（水蒸気）が真空チャンバ１９内に入り、基板ドーム１５に取り付けられた水晶基板２０に水分が吸収される。第２蒸着工程を開始するにあたり、再度、イオンアシスト蒸着装置１０は真空チャンバ１９を真空引きし続け、フッ化マグネシウム３１を積層する。

第１蒸着工程後に真空チャンバ１９を大気開放することは、第１蒸着工程の二酸化ケイ素層と二酸化チタン層とに水分が入り込み、第２蒸着工程のマグネシウムＭｇが適量に二酸化ケイ素層と二酸化チタン層とに入り込む効果がある。

＜光学多層膜フィルタ３０の構成＞
光学多層膜フィルタ３０の光透過率は透明薄膜の屈折率と膜厚の積で決まるため、所望する赤外線を反射するように屈折率と膜厚と積層数とを設計する。一般的に膜厚は波長の反射率もしくは透過率が最大になるように波長の１／４前後に設計される。

図２はイオンアシスト蒸着装置１０で水晶基板２０に薄膜を積層した構成図を示す。例えば、赤外線を除去するために、水晶基板２０に透明薄膜である高い屈折率の二酸化チタン３２を１層目に蒸着し、２層目に低い屈折率の二酸化ケイ素３３を蒸着し、交互に積層することで複層にする。最終層のｎ層には低い屈折率のフッ化マグネシウム３１を積層し、（ｎ−１）層には低い屈折率の二酸化ケイ素３３を積層している。ｎ層と（ｎ−１）層は光学多層膜フィルタ３０のなかで唯一、低い屈折率の物質同士を重ね、２種類の物質で所定の薄膜を形成する。薄膜の積層数は積層方法により２０層から６０層に重ねる。

最終層（ｎ層）に積層したフッ化マグネシウム３１のマグネシウムＭｇは低い屈折材料や高い屈折材料より小さな原子量を持ち、また酸素と結合しやすい性質のため、下層の二酸化ケイ素層に入り込み、酸素と結合することで、一酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が形成される。また、マグネシウム（Ｍｇ）は二酸化ケイ素層の下部の二酸化チタン層にも入り込み、一酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が形成されることで、一酸化チタン（ＴｉＯ）が形成される。ちなみに、マグネシウム（Ｍｇ）の原子量は２４．３０５、フッ素（Ｆ）の原子量は１８．９９８、ケイ素（Ｓｉ）の原子量は２８．０８５、チタン（Ｔｉ）の原子量は４７．８６７である。

酸化マグネシウムと一酸化チタンとは共に金属膜であるため導電性がある。つまり、光学多層膜フィルタ３０の表面に金属膜を形成することができ、除電効果を持つことができる。

図３は適量にマグネシウム（Ｍｇ）が二酸化チタン層にまで入り込んだ光学多層膜フィルタ３０を調べたグラフである。図３のグラフはＸ軸に光学多層膜フィルタ３０の表面からの深さをとり、Ｙ軸に各元素の量をカウントで示している。なお、光学多層膜フィルタ３０に含まれるフッ素（Ｆ）又は酸素（Ｏ）はグラフを分かりやすくするため表示していない。

グラフで分かるように光学多層膜フィルタ３０の表面より５０ｎｍ付近までｎ層のマグネシウム（Ｍｇ）がピークを示し、（ｎ−２）層まで徐々に減少し、二酸化チタン層にも入り込んでいる様子が分かる。二酸化チタン層にはマグネシウム（Ｍｇ）が図３の破線枠Ａで示すように１０カウントから５０カウントの幅で混入し、酸化マグネシウムと一酸化チタンとが形成されている。（ｎ−３）層以下にはマグネシウムＭｇが１０カウント以下になり、真空チャンバ１９内を浮遊するマグネシウム（Ｍｇ）が混入しているものと考えられる。

（ｎ−１）層の二酸化ケイ素層は光学多層膜フィルタ３０の表面より７０ｎｍ付近でケイ素Ｓｉのピークがあり、（ｎ−２）層では２桁程度低いカウントとなっている。また、（ｎ−２）層の二酸化チタン層のチタンＴｉは（ｎ−３）層で３桁程度低いカウントとなっており、各層の主元素が入れ替わっていることが分かる。

以上より、イオンアシスト蒸着装置１０では、所定厚でそれぞれの物質が水晶基板２０に蒸着され、マグネシウムＭｇの特性により、適度に下層まで入り込んでいる様子が分かる。これにより光学多層膜フィルタ３０は赤外線を除去し、また金属膜を形成することができ帯電を除去することができる。

図４はマグネシウムＭｇが二酸化チタン層に入り込みすぎた、不良品の光学多層膜フィルタ３０を示す。図４の破線枠Ｂで示すようにマグネシウムＭｇは（ｎ−２）層の二酸化チタン層で１００カウントから２００カウント程度の量が入り込んでいるのが分かる。

不良品の光学多層膜フィルタ３０は第１蒸着工程で二酸化チタン３２と二酸化ケイ素３３とを積層した後に、真空状態を維持したまま、第２蒸着工程のフッ化マグネシウム３１を積層する。真空状態のまま第２蒸着工程に移ると、マグネシウムＭｇは水分に阻害されることなく二酸化チタン層までより多く入り込む。この結果、一酸化マグネシウムと一酸化チタンとがより多く形成されるため除電効果を持つことができるが、光学多層膜フィルタ３０は金属成分が増えすぎて黒くなってしまい赤外線除去フィルタの役目をなさない。

本実施形態の良品の光学多層膜フィルタ３０は除電性能のテストを行うと、帯電したフィルタの除電効果がよくわかる。たとえば、除電性能のテストは光学多層膜フィルタ３０をワイピングクロスなどで擦り、５００Ｖ以上の静電気を帯電させる。次に光学多層膜フィルタ３０の表面とアースとを接続すると帯電した静電気は０Ｖになり、除電されることがわかる。たとえば、第１蒸着工程終了後の光学多層膜フィルタ３０を同じ方法で除電性能のテストを行うと、第１蒸着工程終了後の光学多層膜フィルタ３０は光学多層膜フィルタ３０の表面とアースとを接続しても数百Ｖの静電気が残り、帯電が除去されてないことが分かる。

＜＜実施例２＞＞
実施例２は実施例１での光学多層膜フィルタ３０をデジタルスチルカメラの撮像モジュール１００に適用した場合を示す。図５はデジタルスチルカメラの撮像モジュール１００の構成図である。撮像モジュール１００は光学ローパスフィルタである水晶基板２０と、光学ローパスフィルタの前面に蒸着した光学多層膜フィルタ３０と、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサなどの固体撮像素子４０と、固体撮像素子４０の駆動部５０と、で構成されている。

入射光７０はレンズ６０を通過し、撮像モジュール１００に入射する。撮像モジュール１００に入った光は、光学多層膜フィルタ３０を通過して赤外線が除去され、光学ローパスフィルタである水晶基板２０を通過することでモアレの原因である、高周波成分が除去される。処理された入射光は固体撮像素子４０で電気信号に変換される。固体撮像素子４０は駆動部５０で駆動され画像処理部（図示せず）へ伝送される。

光学多層膜フィルタ３０の表面にはアースが接続され、圧電素子である水晶基板２０で帯電した静電気を除去する。

本発明の実施形態では光学ローパスフィルタの水晶基板に光学多層膜フィルタ３０を直接蒸着したが、ガラス基板などの他の透明基板に光学多層膜フィルタ３０を蒸着させる方法でもよい。

また、本発明の実施形態では高い屈折材料として、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いていたが_、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）_、五酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）の酸化物や、これらを主成分とした複合酸化物であっても良い。

また、本発明の実施形態では低い屈折材料として、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を用いていたが_、酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）の酸化物や、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）と酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）との複合酸化物であっても良い。

また、本発明の実施形態では最終層にフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）を用いていたが_、フッ化リチウム（ＬｉＦ）を用いても良い。なお、リチウム（Ｌｉ）の原子量は６．９４１である。

イオンアシスト蒸着装置１０の構成図を示す斜視図である。水晶基板２０に薄膜を積層した構成図である。良品の光学多層膜フィルタ３０における薄膜の構成を調べたグラフである。不良品の光学多層膜フィルタ３０における薄膜の構成を調べたグラフである。デジタルスチルカメラの撮像モジュール１００の構成図である。

１０ … イオンアシスト蒸着装置
１１ … 第１蒸発源
１２ … 第２蒸発源
１３ … イオン源
１４ … 中和器
１５ … 基板ドーム
１６ … シャッタ
１７ … 電子銃
１９ … 真空チャンバ
２０ … 水晶基板
２１ … 蒸発物質
２２ … イオン（＋）
２３ … 電子（−）
３０ … 光学多層膜フィルタ
３１ … フッ化マグネシウム
３２ … 二酸化チタン
３３ … 二酸化ケイ素
４０ … 固体撮像素子
５０ … 駆動部
１００ … 撮像モジュール

Claims

酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）を使用しない光学多層膜フィルタであって、
酸化物の高屈折率材料から成る高屈折率薄膜と酸化物の低屈折率材料から成る低屈折率薄膜とが交互に複数積層された多層膜が積層された透明基板からなり、
最終層の２層前に前記高屈折率薄膜を、最終層の１層前に前記低屈折率薄膜を真空状態で形成し、一旦大気解放された後、最終層にＭｇＦ_２又はＬｉＦの蒸着材料を真空状態で形成した光学多層膜フィルタ。
前記高屈折率薄膜は、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５のいずれか、又はＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５のいずれかを主成分とした複合酸化物から成り、前記低屈折率薄膜は、ＳｉＯ_２、Ｂｉ_２Ｏ_３のいずれか、又はＬａ_２Ｏ_３とＡｌ_２Ｏ_３との複合酸化物から成る酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の光学多層膜フィルタ。
前記透明基板が、ガラス基板又は水晶基板であることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか一項に記載の光学多層膜フィルタ。
前記最終層のＭｇＦ_２又はＬｉＦが、前記高屈折率薄膜及び前記低屈折率薄膜の酸素と反応して、最終層のＭｇＦ_２又はＬｉＦの一部が酸化金属膜となり、且つ所定の透過率を有する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光学多層膜フィルタ。