JP5661296B2 - 193nmでの広角高反射ミラー - Google Patents
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Description
(HoLo)iが、基体上のHo層およびLo層からなる複数iのコーティング周期の積層体であり、
iが14〜20の範囲にあり、
Hoが非晶質MgAl2O4であり、
Loが非晶質SiO2であり、
それによって、基体上に非晶質MgAl2O4−SiO2コーティングを形成し、第1の周期のHo層が基体と接触している光学素子に関する。
(HoLo)iが、基体上の複数iの周期HoLoからなる積層体であり、iが14〜20の範囲にあり、Hoが非晶質MgAl2O4であり、Loが非晶質SiO2であり、第1の周期のHo層が基体と接触しており、
(LfHf)jが、(HoLo)iHoの上面に形成された積層体であり、Lfが第1の層であり、Hfが第2の層である交互の層により形成された複数jの周期LfHfであり、jが2から6での範囲にある整数であり、2Moが(LfHf)j積層体の上面のコーティングであり、
(LfHf)kが、(LfHf)j2Moの上面に形成された積層体であり、Lfが第1の層であり、Hfが第2の層である交互の層により形成された複数kの周期LfHfであり、kが2から6の範囲にある整数であり、2Moが(LfHf)k積層体の上面のコーティングであり、
Lfは低屈折率金属フッ化物であり、Hfは高屈折率金属フッ化物であり、2Moは、シリカ、溶融シリカ、およびFドープト溶融シリカからなる群より選択される酸化物材料である、
光学素子に関する。
(HoLo)iが、基体上の複数iのコーティング周期HoLoからなる積層体であり、iが14〜20の範囲にあり、Hoが非晶質MgAl2O4であり、Loが非晶質SiO2であり、第1の周期のHo層が基体と接触しており、
(LfHf)jが、(HoLo)iHoの上面に形成された積層体であり、Lfが第1の層であり、Hfが第2の層である交互の層により形成された複数jの周期LfHfであり、jが2から6の範囲にある整数であり、2Moが(LfHf)j積層体の上面のコーティングであり、
Hfが、第2のコーティングの上面に形成された第1の高屈折率金属フッ化物層であり、
(LfHf)kが、第1の高屈折率層Hfの上面に形成された、Lfが第1の層であり、Hfが第2の層である交互の層により形成された複数kの周期LfHfであり、kが2から6の範囲にある整数であり、2Moが(LfHf)k積層体の上面のコーティングであり、
Lfは低屈折率金属フッ化物であり、Hfは高屈折率金属フッ化物であり、2Moは、シリカ、溶融シリカ、およびFドープト溶融シリカからなる群より選択される酸化物材料である。
真空槽を提供する工程;この真空槽内において:
1つまたは複数のコーティングをその上に堆積すべき基体を提供する工程;
少なくとも1つの選択されたコーティング材料源、またはコーティング材料源の混合物を提供し、その材料を蒸発させて、コーティング材料の蒸気流束を提供する工程であって、この流束が、材料源から、選択されたマスクを通って、基体まで通過する工程;
プラズマ源からプラズマイオンを提供する工程;
基体を選択された回転周波数fで回転させる工程;および
基体上に1つまたは複数のコーティング層としてコーティング材料を堆積させ、材料の堆積プロセスの前および最中に、その基体および層にプラズマイオンを衝突させ、それによって、その上に1つまたは複数のコーティングを有する基体を形成する工程、
を有してなり、
基体上にコーティングを堆積させることは、式(HoLo)iHoを有する第1のコーティング、この第1のコーティングの上面の式(LfHf)j2Moの第2のコーティング、およびこの第2のコーティングの上面の式(LfHf)k2Moの第3のコーティングで基体を被覆して、その上に高反射コーティングを有する光学素子を提供することを意味し、
(HoLo)iが、基体上の複数iのコーティング周期HoLoからなる積層体であり、iが10〜25の範囲にあり、Hoが非晶質MgAl2O4であり、Loが非晶質SiO2であり、第1の周期のHo層が基体と接触しており、
(LfHf)jが、(HoLo)iHoの上面に形成された積層体であり、Lfが第1の層であり、Hfが第2の層である交互の層により形成された複数jの周期LfHfであり、jが2から6の範囲にある整数であり、2Moが(LfHf)j積層体の上面のコーティングであり、
(LfHf)kが、(LfHf)j2Moの上面に形成された、Lfが第1の層であり、Hfが第2の層である交互の層により形成された複数kの周期LfHfの積層体であり、kが2から6の範囲にある整数であり、2Moが(LfHf)k積層体の上面のコーティングであり、
Lfは低屈折率金属フッ化物であり、Hfは高屈折率金属フッ化物であり、2Moは、シリカ、溶融シリカ、およびFドープト溶融シリカからなる群より選択される酸化物材料である、
方法に関する。光学素子の形成において、ある実施の形態では、フッ化物積層体は、一連の部分マスクまたは逆マスクにより、電子ビームまたは抵抗加熱された蒸発源から堆積される。別の実施の形態において、フッ化物積層体は、フッ素を含有する不活性ガスにより、電子ビームまたは抵抗加熱された蒸発源を用いて、一連の部分マスクまたは逆マスクにより堆積される。
真空槽を提供する工程;この真空槽内において:
1つまたは複数のコーティングをその上に堆積すべき基体を提供する工程;
少なくとも1つの選択されたコーティング材料源、またはコーティング材料源の混合物を提供し、電子ビームを用いてその材料を蒸発させて、コーティング材料の蒸気流束を提供する工程であって、この流束が、材料源から、選択されたマスクを通って、基体まで通過する工程;
プラズマ源からプラズマイオンを提供する工程;
基体を選択された回転周波数fで回転させる工程;および
基体上に1つまたは複数のコーティング層としてコーティング材料を堆積させ、材料の堆積プロセスの前および最中に、その基体および層にプラズマイオンを衝突させ、それによって、その上に1つまたは複数のコーティングを有する基体を形成する工程、
を有してなり、
基体上にコーティングを堆積させることは、式(HoLo)iHoを有する第1のコーティング、この第1のコーティングの上面の式(LfHf)j2Moの第2のコーティング、およびこの第2のコーティングの上面の式Hf(LfHf)k2Moの第3のコーティングで基体を被覆して、その上に高反射コーティングを有する光学素子を提供することを意味し、
(HoLo)iが、基体上の複数iのコーティング周期HoLoからなる積層体であり、iが14〜20の範囲にあり、Hoが非晶質MgAl2O4であり、Loが非晶質SiO2であり、第1の周期のHo層が基体と接触しており、
(LfHf)jが、(HoLo)iHoの上面に形成された積層体であり、Lfが第1の層であり、Hfが第2の層である交互の層により形成された複数jの周期LfHfであり、jが2から6の範囲にある整数であり、2Moが(LfHf)j積層体の上面のコーティングであり、
Hfが、第2のコーティングの上面に形成された第1の高屈折率金属フッ化物層であり、
(LfHf)kが、第1の高屈折率金属フッ化物層Hfの上面に形成された、Lfが第1の層であり、Hfが第2の層である交互の層により形成された複数kの周期LfHfの積層体であり、kが2から6の範囲にある整数であり、2Moが(LfHf)k積層体の上面のコーティングであり、
Lfは低屈折率金属フッ化物であり、Hfは高屈折率金属フッ化物であり、2Moは、シリカ、溶融シリカ、およびFドープト溶融シリカからなる群より選択される酸化物材料である、
方法に関する。光学素子の形成において、ある実施の形態では、フッ化物積層体は、一連の部分マスクまたは逆マスクにより、電子ビームまたは抵抗加熱された蒸発源から堆積される。別の実施の形態において、フッ化物積層体は、フッ素を含有する不活性ガスにより、電子ビームまたは抵抗加熱された蒸発源を用いて、一連の部分マスクまたは逆マスクにより堆積される。
1. 酸化物系の多層においてAl2O3(屈折率n=1.84)の代わりに、MgAl2O4(屈折率n=1.96)の非晶質膜を使用することによって、屈折率比が増加した。非晶質MgAl2O4膜は、コーティング材料源として単結晶スピネルMgAl2O4を使用することによって生成した。単結晶スピネルMgAl2O4は、単結晶または単結晶から製造した粉末として存在してもよい。
2. 現場でのプラズマ平滑化を組み込んだ改良PIAD法を用いて、基体上に緻密な非晶質MgAl2O4膜を堆積させた。
3. 低屈折率フッ化物材料層および高屈折率フッ化物材料層からなる1つまたは複数の周期の、堆積によるフッ化物多層強化(enhancement)を用いて、最も外側のMgAl2O4層の吸収を減少させた。
4. 一連の部分マスクまたは逆マスクを用いて、周期間にSiO2層を挿入して、フッ化物膜構造を緩衝させ制御することによって、堆積したフッ化物強化層の散乱損失をなくした。SiO2挿入は、複数のフッ化物周期からなる積層体間であって差し支えない。例えば、合計で15のフッ化物周期がある場合、SiO2層は、5周期毎に挿入して差し支えない。
5. 酸化物平滑化およびフッ化物強化酸化物ミラーを形成するために、フッ化物積層体をSiO2封止層(最も外側の層としての)により環境から隔離した。すなわち、酸化物平滑化およびフッ化物強化酸化物ミラーの最後のコーティング層は、SiO2層である。
上述した各工程の結果として、選択された基体、基体の上面のMgAl2O4−SiO2多層コーティング、金属フッ化物コーティングの1つまたは複数の積層体(金属フッ化物コーティング周期の間に挿入されたSiO2層がなくてもよいが、あると好ましい)、およびフッ化物コーティング材料を環境から封止するための、最後の最も外側のSiO2層または数層の周期からなる高反射ミラーが製造される。
標準的な高反射ミラーは、高屈折率材料H、および低屈折率材料Lの多層、すなわち、H−L系ミラーからなる。このミラーの帯域幅は、多層構造を構築するのに用いられる低屈折率と低屈折率の比により著しく影響を受ける。コーティングがどのように働くかを説明するために、直角の入射角での標準的な1/4波長ミラーを例として用いる。この1/4波長ミラーは、式(1):
ここに用いるMgAl2O4膜を、改良PIAD技法を用いて堆積させた。堆積流束分布およびそのプラズマイオンとの相互作用により、Wang et al, “Wavefront control of SiO2-based ultraviolet narrow-bandpass filters prepared by plasma-ion assisted deposition,” Applied Optics 46(2), pp.175-179 (2007)により記載されているように、膜の光学的性質および機械的性質を改善することができる。その上、PIAD膜の結晶相は、Wang et al, “Crystal phase transition of HfO2 films evaporated by plasma ion-assisted deposition,” Applied Optics 47(13), C189-192(2008)により論じられたように、膜堆積中のプラズマイオン運動量移動の量を変更することによって、変えてもよい。MgAl2O4はスピネル結晶構造を有する。高反射光学素子のコーティングとして使用するために、材料は、緻密な非晶質MgAl2O4膜として堆積される必要があり、これにより、193nmでの散乱損失が無視できるほどで、MgAl2O4−SiO2系多層構造を調節することが可能になる。
MgAl2O4のバンドギャップの制限のために、非晶質MgAl2O4膜には193nmで少量の吸収が存在する。この非晶質膜の減衰係数は193nmで約0.01であり、この係数は可変角分光偏光解析法により決まる。図10は、層の数の関数としてのMgAl2O4−SiO2系ミラーの相対吸収分布をプロットしている。図10が示すように、吸収は、ミラーと空気の界面に近いほどMgAl2O4層について急激に増加する。ここで、層1は、基体から最も近い最も内側の層を表し、層31は、MgAl2O4の最も外側の層すなわち上層を表す。しかしながら、MgAl2O4積層体の吸収は、複数の金属フッ化物層の少なくとも1つの積層体を、層のMgAl2O4−SiO2積層体の上面に加えることによって減少させることができた。フッ化物は、酸化物よりも比較的広いエネルギーバンドギャップを有するので、吸収を減少させるための解決策は、酸化物積層体の上面にフッ化物積層体を加えることである。
(a) LfおよびHfは両方の積層体において同じである;
(b) Lfは両方の積層体において同じであり、Hfは異なる;
(c) Lfは異なり、Hfは両方の積層体において同じである;および
(d) LfおよびHfは両方の積層体において異なる。
すなわち、Lf材料としてとAlF3とMgF2を、高屈折率材料としてLaF3とGdF3を使用した例として、(a)、(b)、(c)および(d)は、以下のようになり得る:
(a) (HfLf)j=(LaF3AlF3)jおよび(HfLf)k=(LaF3AlF3)k;
(b) (HfLf)j=(LaF3AlF3)jおよび(HfLf)k=(GdF3AlF3)k;
(c) (HfLf)j=(LaF3AlF3)jおよび(HfLf)k=(LaF3MgF3)k;および
(d) (HfLf)j=(LaF3AlF3)jおよび(HfLf)k=(GdF3MgF3)k。
その上、2Moは、2つの積層体において同じであっても異なっても差し支えない。例えば、両方の積層体jおよびkにおいて、2MoはSiO2であるか、または積層体jにおいて、2MoはSiO2であり、積層体kにおいて、2MoはFドープトSiO2である。
Claims (10)
- 選択された基体および該基体上の式(HoLo)iHoの非晶質コーティングを有してなる光学素子であって、
(HoLo)iは、前記基体上のHo層およびLo層からなる複数iのコーティング周期の積層体であり、
iは14〜20の範囲にあり、
Hoは非晶質MgAl2O4であり、
Loは非晶質SiO2であり、
それによって、前記基体上に非晶質MgAl2O4−SiO2コーティングを形成し、第1の周期のHo層が前記基体に接触しており、
前記式(HoLo)iHoの非晶質コーティングの厚さが600nmから1200nmの範囲にあることを特徴とする光学素子。 - 前記非晶質コーティングの厚さが860nmから1200nmの範囲にあることを特徴とする請求項1記載の光学素子。
- 前記光学素子がミラーであり、
前記式(HoLo)iHoの非晶質コーティングが、860nmから1200nmの範囲の厚さを有し、
前記基体が、
(a)アルカリ土類金属フッ化物単結晶、
(b)シリカ、溶融シリカ、およびFドープト溶融シリカ、
(c)アルミニウム、チタン、SiおよびSi3N4、並びに
(d)各々が自身の上に金属コーティングを有する、シリカ、溶融シリカ、およびFドープト溶融シリカ、
からなる群より選択されることを特徴とする請求項1記載の光学素子。 - 前記光学素子が、非晶質SiO2、FドープトSiO2および溶融シリカからなる群より選択される非晶質材料のキャッピングコーティングをさらに備え、該キャッピングコーティングが前記(HoLo)iHoコーティングの上面にあることを特徴とする請求項3記載の光学素子。
- 前記基体がアルカリ土類金属フッ化物単結晶基体であり、前記非晶質(HoLo)iHoコーティングの厚さが860nmから1200nmの範囲にあり、該非晶質(HoLo)iHoコーティングの上面に、非晶質SiO2、FドープトSiO2および溶融シリカからなる群より選択される非晶質材料のキャッピングコーティングが配置されていることを特徴とする請求項1記載の光学素子。
- 式(HoLo)iHoを有する第1のコーティング、該第1のコーティングの上面に配置された式(LfHf)j2Moの第2のコーティング、および該第2のコーティングの上面に配置された式(LfHf)k2Moの第3のコーティングを有する選択された基体、
からなる光学素子であって、
(HoLo)iは、前記基体上の複数iの周期HoLoからなる積層体であり、iは14〜20の範囲にあり、Hoは非晶質MgAl2O4であり、Loは非晶質SiO2であり、第1の周期のHo層が前記基体と接触しており、
(LfHf)jは、(HoLo)iHoの上面に形成された積層体であり、Lfが第1の層であり、Hfが第2の層である交互の層によって形成された複数jの周期LfHfであり、jは2から6の範囲にある整数であり、2Moが(LfHf)j積層体の上面のコーティングであり、
(LfHf)kは、(LfHf)j2Moの上面に形成された積層体であり、Lfが第1の層であり、Hfが第2の層である交互の層により形成された複数kの周期LfHfであり、kが2から6の範囲にある整数であり、2Moが(LfHf)k積層体の上面のコーティングであり、
Lfは低屈折率金属フッ化物であり、Hfは高屈折率金属フッ化物であり、2Moは、シリカ、溶融シリカ、およびFドープト溶融シリカからなる群より選択される酸化物材料であることを特徴とする光学素子。 - 前記光学素子がミラーであり、
前記基体が、
アルカリ土類金属フッ化物単結晶、
シリカ、溶融シリカ、およびFドープト溶融シリカ、
アルミニウム、チタン、SiおよびSi3N4、並びに
自身の上に金属コーティングを有する、シリカ、溶融シリカ、およびFドープト溶融シリカ、
からなる群より選択され、
前記式(HoLo)iHoの第1のコーティングが、860nmから1200nmの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項6記載の光学素子。 - 前記基体がアルカリ土類金属フッ化物単結晶基体であり、
前記(HoLo)iHoコーティングの厚さが860nmから1200nmの範囲にあり、
前記積層体(LfHf)jおよび(LfHf)kの各々の層において、Lfの厚さが30nmから50nmの範囲にあり、Hfの厚さが20nmから40nmの範囲にあり、前記積層体の厚さが140nmから420nmの範囲にあることを特徴とする請求項6記載の光学素子。 - 高反射光学素子を製造する方法であって、
1) 真空槽を提供する工程;
2) 1つまたは複数のコーティングをその上に堆積すべき基体を提供する工程;
3) 少なくとも1つの選択されたコーティング材料源を提供し、前記少なくとも1つの選択された材料源を蒸発させて、前記材料源から、選択されたマスクを通って、前記基体まで通過する、コーティング材料の蒸気流束を提供する工程;
4) プラズマ源からプラズマイオンを提供する工程;
5) 前記基体を選択された回転周波数fで回転させる工程;および
6) 前記基体上に1つまたは複数のコーティング層として前記コーティング材料を堆積させ、該材料の堆積プロセスの前および最中に、前記基体および前記層に前記プラズマイオンを衝突させ、それによって、前記基体上に1つまたは複数のコーティングを有する基体を形成する工程、
を有してなり、
前記工程2)から6)が前記真空槽内で行われ、
前記基体上に前記コーティング材料を堆積させる工程において、該基体を、式(HoLo)iHoを有する第1のコーティング、該第1のコーティングの上面の式(LfHf)j2Moの第2のコーティング、および該第2のコーティングの上面の式(LfHf)k2Moの第3のコーティングで被覆して、前記基体上に前記第1、第2および第3のコーティングからなる高反射コーティングを有する光学素子を提供し、
(HoLo)iが、前記基体上の複数iのコーティング周期HoLoからなる積層体であり、iが14〜20の範囲にあり、Hoが非晶質MgAl2O4であり、Loが非晶質SiO2であり、第1の周期のHo層が前記基体と接触しており、
(LfHf)jが、(HoLo)iHoの上面に形成された積層体であり、Lfが第1の層であり、Hfが第2の層である交互の層により形成された複数jの周期LfHfであり、jが2から6の範囲にある整数であり、2Moが前記(LfHf)j積層体の上面のコーティングであり、
(LfHf)kが、(LfHf)j2Moの上面に形成された、Lfが第1の層であり、Hfが第2の層である交互の層により形成された複数kの周期LfHfの積層体であり、kが2から6の範囲にある整数であり、2Moが前記(LfHf)k積層体の上面のコーティングであり、
Lfは低屈折率金属フッ化物であり、Hfは高屈折率金属フッ化物であり、2Moは、シリカ、溶融シリカ、およびFドープト溶融シリカからなる群より選択される酸化物材料であることを特徴とする方法。 - 前記(LfHf)jおよび(LfHf)kのフッ化物積層体が、フッ素を含有する不活性ガスにより、電子ビームまたは抵抗加熱された蒸発源を用いて、一連の部分マスクまたは逆マスクにより堆積されることを特徴とする請求項9記載の方法。
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