JPH06100334A

JPH06100334A - イオンビームを用いたガラスの表面処理方法及びガラス部材

Info

Publication number: JPH06100334A
Application number: JP4252735A
Authority: JP
Inventors: Norio Shibata; 規夫柴田; Terunori Kobayashi; 輝紀小林
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-09-22
Filing date: 1992-09-22
Publication date: 1994-04-12

Abstract

(57)【要約】【目的】ガラスからなる光学素子の表面に、耐久性の
よい反射防止または反射増加効果を有する層を形成す
る。【構成】ガラス８に該ガラス８を構成する元素中の所
望の元素と反応するイオンビーム１０を照射して、前記
所望の元素をガラス内部から除去することでガラス８表
面部の屈折率を変化させる。そして、このガラス８表面
部に形成された屈折率が変化した層が、反射防止または
反射増加効果を有するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラスからなる光学素
子（レンズ、プリズム等）の表面処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガラスからなる光学素子におい
て、この素子表面での光の反射を減らして透過率を増加
させたい時や表面での反射率を高めてミラーとして使用
したい時は、素子表面に薄膜を形成してこの薄膜が反射
防止膜や反射増加膜（反射膜）として機能するようにし
ていた。例えば、大気中の屈折率をｎ_o、薄膜を形成す
る物質の屈折率をｎ、光学素子（ガラス）の屈折率をｎ
_sとすると、この薄膜を反射防止膜として機能させるた
めには、ｎ_s＞ｎ＞ｎ_oを満たす物質からなる薄膜を成
膜すればよい。より反射防止効果（透過率）を高めるた
めに、下式を満たす屈折率を有する物質からなる薄膜を
形成したり、

【０００３】

【数１】

【０００４】薄膜を厚さｄが、（ｎｄ＝λ/4）（λは使
用する波長）を満たすように成膜する場合もあった。さ
らに反射防止効果を高めるために、屈折率の高い膜と屈
折率の低い膜とを交互に積層させる場合もあった。一
方、前記薄膜を反射膜として機能させるためには、ｎ_o
＜ｎ＞ｎ_sを満たす物質からなる薄膜を成膜していた。
薄膜の厚さｄが、（ｎｄ＝λ/4）を満たすようにすると
反射率はより高まる。また、さらに反射率を高めるため
に、反射防止膜と同様に屈折率の高い膜と屈折率の低い
膜とを交互に積層させる場合もあった。

【０００５】このような薄膜をガラスからなる光学素子
上に形成させる場合、通常は、ＣＶＤ、ＰＶＤ等の成膜
方法を用いていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記薄膜を
形成する際に用いていた各種ＣＶＤ、ＰＶＤ等の成膜方
法では、薄膜形成時に水分、ガス、成膜装置構成物質等
の不純物が薄膜中に取り込まれるという問題があった。
不純物が取り込まれると薄膜の性質が変化てしまうの
で、薄膜全体が一様な性質とならず光学的特性が低下す
る。また、レンズ等曲率を有する光学素子に薄膜を形成
する場合、膜厚が均一になるように成膜することが難し
いため膜厚ムラが生じ、これにより光学特性がばらつく
等の問題が生じていた。また、薄膜として用いる物質に
よってはガラスに対する密着性が低く、薄膜が剥がれる
という問題もあった。

【０００７】この問題を解決する方法として、ガラスに
イオンビームを照射してこのイオンガラス中に注入する
イオン注入法が提案された。一般に、ガラス中の元素組
成が変化すると、そのガラスの屈折率は変化する。この
イオン注入法は、ガラス内（表面部）にイオンを注入し
て元素組成を変えることでこの表面部の屈折率を変化さ
せるようにしたもので、表面部の屈折率が高くなるよう
なイオンを注入すると反射増加効果が得られ、屈折率が
低くなるようなイオンを注入すると反射防止効果が得ら
れる。しかし、この方法ではイオンを注入する際に照射
するイオンのエネルギーを高く（10keV 以上）設定する
必要があり、この高エネルギーによってガラス表面が荒
れてしまうという問題があった。そのため、イオン注入
をした後でガラス表面を平滑化する処理をしなければな
らず、手間および時間がかかるという問題が生じてい
た。

【０００８】本発明は、このような問題を解決すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的のために、本発
明では、ガラスに該ガラスを構成する元素中の所望の元
素と反応するイオンビームを照射し、該照射によって前
記所望の元素を前記ガラス内部から除去することで該ガ
ラス表面部の屈折率を変化させるようにした（請求項
１）。また、前記イオンビームを、ガラスを構成する元
素中の所望の元素と化学的に反応する反応性イオンビー
ムとしてガラスの表面を処理するようにした（請求項
２）。さらに、前記イオンビームの射出時のエネルギー
を、50eV〜４keV に設定した（請求項３）。そして、こ
の方法を用いてガラス表面の構成元素の一部をイオンビ
ームを照射して選択的に除去し、これにより前記表面部
の屈折率が変化したガラス部材（請求項４）を提供する
ようにした。

【００１０】

【作用】本発明は、イオンビームおよび反応性イオンビ
ームを用いてガラス中の所望の構成元素を選択的に取り
除くことで、このガラス表面部の屈折率を変化させるも
のである。不活性ガスイオンを加速してターゲットに照
射すると、この時のイオン衝撃効果でターゲット表面か
らはその構成元素が除去（スパッタまたはエッチング）
される。ここで除去される元素は、照射するイオン（不
活性ガス）の原子量と近い原子量を有する元素であるた
め、ガラス中の所望の構成元素が選択的に除去される
（スパッタされる）ように前記不活性ガスを選択すれ
ば、この不活性ガスのイオンビームをガラス表面に照射
することでガラス表面部の元素組成を変化させることが
できる。

【００１１】例えば、ガラス表面での反射率を増加させ
たい時は、このガラス表面部から原子量の小さい元素を
除去すればよい。この場合は、イオンビームとして用い
る不活性ガスに、その原子量が前記除去する元素に近い
ものを使用すれば、イオンビームの照射によって所望の
元素を除去することができる。その結果、ガラス表面部
の元素組成が変化して屈折率が高くなる。つまり、ガラ
ス表面部に形成された屈折率が変化した部分（以下、屈
折率変化層という）を反射増加膜として機能させること
ができる。これに対し、ガラス表面での反射率を減少さ
せたい時は、このガラス表面部から原子量の大きい元素
を除去すればよいので、不活性ガスにその原子量が前記
除去する元素に近いものを使用する。この場合、ガラス
表面部の屈折率は低下し、形成された反射率変化層は反
射防止膜として機能する。このように、イオンビームと
して使用する不活性ガス種類を適宜選択することによ
り、ガラスの反射率を増加させたり減少させたりするこ
とができる。

【００１２】また、イオンビームとして反応性（活性）
ガスに基づく反応性イオンビームを用いると、反応性ガ
スイオンとガラス中の特定の構成元素との間で化学反応
が生じるため、より選択的にガラス中の構成元素を取り
除くことができる。反応性ガスとしては、O₂、H₂、F₂、
Cl₂ 、CF₄ （フッ化炭素）、SF₆（六フッ化イオウ）、
CCl₄（四塩化炭素）等を使用でき、ガラスの種類と除去
すべき元素の種類に応じて適宜選択すればよい。例え
ば、石英（SiO₂）系のガラスでは、Siを除去したい時は
SF₆を、Ｏを除去したい時はH₂を用いればよい。また、
リン酸（P₂O₅）系ガラスやホウ酸（B₂O₃）系ガラスの場
合は、フッ素系や塩素系のガスを使用すればよい。

【００１３】屈折率変化層の厚さｄ₀は、ガラスに照射
するイオンビームに与えるエネルギーによって制御でき
る。従って、屈折率変化層の厚さｄ₀を、使用する波長
λ₀に対して、（ｎｄ₀＝λ₀/4）となるように設定す
れば、従来と同様、反射防止効果や反射増加効果を高め
ることが可能となる。なお、イオンビームに与えるエネ
ルギーが高いほど屈折変化層が形成され易くなるが、過
度に高くすると照射したイオンがガラス内に取り込まれ
て除去作用が低下するため好ましくない。そのため、前
記イオンビームは、射出時のエネルギーを50eV〜４keV
に設定することが望ましい。これよりもエネルギーを高
くすると、照射したイオンが被加工物（ガラス）内に取
り込まれてしまい、構成元素の除去作用が低下してしま
うので好ましくない。また、前記値より低いとエネルギ
ーが足りず、構成元素の除去作用を得られなくなる。

【００１４】また、イオンビームをガラス表面に対して
垂直方向から入射させた方が屈折変化層が形成され易く
なる。

【００１５】

【実施例１】図１は、本発明に使用する処理装置の一例
を示す概略構成図である。本装置は、イオンビームを発
生させるイオン銃、このイオン銃に接続された真空容器
９、真空容器９内に配置された被加工物８を載置するた
めのステージ７、ステージ７を移動させる移動手段６と
を備えている。前記イオン銃は、反応性ガスに対しても
使用できるＥＣＲイオン銃であり、プラズマ生成室３、
この生成室に接続されたマイクロ波発生装置１およびイ
オン化ガス導入手段４、グリッド（電極板）５、および
生成室３の外部を囲むように設置されたは電磁石２とを
備えている。

【００１６】ここで、本装置のイオン銃によってイオン
ビームを発生させる過程を説明する。まず、排気手段
（図示せず）よりプラズマ生成室３および真空容器８内
を所定の真空度（２×10^-6Torr程度）まで排気する。次
に、マイクロ波発生装置１により周波数約2.45GHｚのマ
イクロ波を発生させてこのマイクロ波を生成室３内に導
入する。そして、イオン化ガス導入手段４によってイオ
ン化させるガス（イオン化ガス）を生成室３内に導入
し、この生成室３内のガス圧を6.0 ×10^-5Torrに設定し
た。さらに、電磁石２によって生成室３内に875 ガウス
の磁場をかけると、この磁場の強さに対応する共鳴周波
数のマイクロ波と前記磁場とによって光や熱等から発生
した電子が電子サイクロトロン共鳴と呼ばれる回転振動
を起こし、プラズマ（ＥＣＲプラズマ）１１が生成され
る。この状態で、図示していない印加手段によりグリッ
ド５に電圧を印加すると、プラズマ１１が充満した空間
に電位勾配が生じてプラズマ１１中のイオンをイオンビ
ーム１０として引き出すことができる。イオンビームに
与えるエネルギーは、イオンの加速電圧（グリッド５に
印加する電圧）を制御することで設定できる。本実施例
では、イオンの加速電圧が1.5keVとなるように設定し
た。

【００１７】なお、本実施例では前記イオン化ガスとし
て不活性ガスの一種であるAr（アルゴン）を使用した
が、アルゴンの他にHe（ヘリウム）やXe（キセノン）を
用いることも可能である。移動手段６は、被加工物８を
載置するステージ７を図のようにθ方向に回転ささせる
回転機構と、ＸＹＺ方向へ移動させる移動機構（共に図
示せず）とを備えている。また、ステージ７の回転軸を
α、β方向に傾けることができるように構成されてい
る。この移動手段６は、被加工物８の形状等に基づいて
数値制御されるように構成してもよい。

【００１８】被加工物８には、ホウ酸系ガラスの一種で
あるランタンフリント系ガラスを硝材とした光学素子を
用いた。表面処理を行う時は、前述のようにイオンビー
ム１０を発生させた状態で、移動手段６によってステー
ジ７上の被加工物８を回転（自転）させながら、ＸＹＺ
方向へ適宜移動させ、被加工物８表面にイオンビーム１
０が照射されるようにする。この時、被加工物８の回転
軸を傾けて、被加工物８表面にイオンビーム１０が一様
に照射されるようにする。また、被加工物８表面にイオ
ンビームが垂直方向から入射するようにステージ７を移
動させると、屈折率変化層を効率よく形成できる。被加
工物８にはイオンビームを15分程照射すればよい。

【００１９】表１は、本実施例で処理されたガラス表面
部の組成状態をＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析機）で測定
し、加工前の組成状態からの変化率を示したものであ
る。

【００２０】

【表１】

【００２１】表に示すように、アルゴン（原子量約40）
のイオンビームを照射したことでガラスの構成元素のう
ち、Ｂ（ホウ素）、Ｏ（酸素）、Zn（亜鉛）等の原子量
が小さい元素が選択的にスパッタされ、原子量の大きい
Zr（ジルコニウム）、Ｙ（イットリウム）、Ba（バリウ
ム）等の元素はガラス表面に残留していた。また、ＸＰ
Ｓでガラス表面の深さ方向の組成状態（デプスプロファ
イル）を測定したところ、表面に厚さ約20nmの屈折率変
化層（本実施例では屈折率は増加する）が形成されてい
ることがわかった。つまり、この屈折率変化層が反射増
加膜として機能していることがわかる。

【００２２】なお、本実施例では屈折率変化層が反射増
加膜（反射膜）として機能するようにしたが、屈折率変
化層を反射防止膜として機能させるには原子量の大きい
元素をガラス表面部から除去すればよい。その場合は、
原子量の大きい（約 131）Xe（キセノン）をイオン化ガ
スとして使用すればよい。

【００２３】

【実施例２】実施例１と同じ装置を使用し、反応性イオ
ンビームを被加工物に照射することで表面処理を行っ
た。この場合、前記イオン化ガスとして反応性ガスを用
いればよい。被加工物８は、石英ガラス（SiO₂）からな
る光学素子とした。また、反応ガスとしてSF₆（六フッ
化イオウ）を用いた。反応ガスから生じるフッ素イオン
は石英ガラス中のケイ素と化学反応を起こし易いため、
ケイ素が選択的に除去されていく。その結果、石英ガラ
ス表面は酸素リッチとなって屈折率が低下するため、形
成された屈折率変化層は反射防止膜として機能する。な
お、屈折率変化層を反射増加膜して機能させるには、石
英ガラス中の酸素と反応し易いイオンビームを発生させ
る反応ガス（例えば、H₂）を用いればよい。

【００２４】図２は、本実施例で処理した石英ガラスの
デプスプロファイルをＸＰＳで測定した結果を示すグラ
フである。横軸は表面からの深さ、縦軸は石英ガラスの
元素組成比を示す。図２によって、ガラス表面から約25
nmの深さまで組成が変化した（酸素リッチになった）こ
とがわかる。表面処理後の石英ガラスの透過率を測定し
たところ、紫外線領域の波長に対しては処理していない
石英ガラスに比較して透過率が数％増加し、反射防止効
果が向上したことが確認できた。つまり、この組成が変
化した部分（屈折率変化層）が、反射防止膜として機能
していることがわかる。この屈折率変化層の厚さは、イ
オンビームに与えるエネルギーの大きさを変えることで
制御できる。

【００２５】図３は、本実施例で表面処理した石英ガラ
スに対して垂直方向から入射した光の波長と、この波長
に対する石英ガラスの透過率との関係を示すグラフであ
る。表面処理前の石英ガラスの屈折率は1.46、処理によ
って形成された屈折率変化層の最表面部の屈折率は1.4
0、形成された屈折率変化層の厚さ25nmとした。また、
屈折率変化層においては、その屈折率は深さ方向と比例
して最表面部の1.40から未変化部（処理前と屈折率が変
化していない部分）の1.46まで直線的に変化しているも
のとした。比較のために、本発明による表面処理を施し
ていない他は同一の条件に設定して測定された石英ガラ
スの透過率を点線で示す。図から、本発明の処理によっ
て石英ガラスの透過率が向上（つまり、反射率が低下）
し、前記屈折率変化層が反射防止機能を有していること
がわかる。この傾向は、照射した光の波長が短いほど顕
著となる。

【００２６】

【発明による効果】本発明によれば、ガラスからなる光
学素子自身の表面の均一な屈折率変化層を形成し、この
屈折率変化層を反射膜や反射防止膜として機能させるこ
とができる。そのため、ガラス表面に薄膜を形成してこ
の薄膜を反射膜や反射防止膜として機能させる必要がな
い。その結果、光学素子の耐久性を向上させることが可
能となる。

【００２７】また、前記屈折率変化層は、層全体が均一
な性質となると共に層の厚さも一定にできるので、光学
的特性が一様となり光学素子の信頼性が向上する。本発
明で得られる屈折率変化層は耐久性がよく、レーザや短
波長光のようなエネルギーの大きな光に対して特に有用
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明に用いた処理装置の一例を示す概略
構成図である。

【図２】は、実施例２で表面処理を行った石英ガラス表
面部の深さ方向の組成状態をＸＰＳで測定した結果を示
すグラフである。横軸は表面からの深さ、縦軸は石英ガ
ラスの元素組成比を示す。

【図３】は、実施例２で処理した石英ガラスに対して垂
直方向から入射した光の波長と、この波長に対する石英
ガラスの透過率との関係を示すグラフである。

【主要部分の符号の説明】

１マイクロ波発生装置２電磁石３プラズマ生成室４イオン化ガス導入手段５グリッド６移動手段７ステージ８被加工物９真空容器１０イオンビーム１１プラズマ（ＥＣＲプラズマ）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラスに該ガラスを構成する元素中の所
望の元素と反応するイオンビームを照射し、該照射によって前記所望の元素を前記ガラス内部から除
去することで該ガラス表面部の屈折率を変化させること
を特徴とするイオンビームを用いたガラスの表面処理方
法。
【請求項２】前記イオンビームが、ガラスを構成する
元素中の所望の元素と化学的に反応する反応性イオンビ
ームであることを特徴とする請求項１記載のイオンビー
ムを用いたガラスの表面処理方法。
【請求項３】前記イオンビームの射出時のエネルギー
を、50eV〜４keV に設定することを特徴とする請求項１
および２記載のイオンビームを用いたガラスの表面処理
方法。
【請求項４】表面の構成元素の一部がイオンビームを
照射されることで選択的に除去され、該除去により前記
表面部の屈折率が変化していることを特徴とするガラス
部材。