JPH06201915A

JPH06201915A - 酸化タンタル−シリカ干渉フィルタおよびそれを用いたランプ

Info

Publication number: JPH06201915A
Application number: JP5278764A
Authority: JP
Inventors: Frederick W Dynys; フレデリック・ダブリュ・ダイニス; Jean Parham Thomas; トーマス・ジーン・パーハム
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1992-11-18
Filing date: 1993-11-09
Publication date: 1994-07-22
Also published as: EP0654814B1; EP0598539A3; DE69318560D1; EP0598539A2; EP0654814A2; US5422534A; DE69318560T2; EP0654814A3; US5569970A

Abstract

(57)【要約】【目的】電球エンベロープなどの光透過性ガラス質基
板上に形成する光干渉フィルタを提供する。【構成】酸化タンタル層とシリカ層とを交互に積層し
てなり、各酸化タンタル層が酸化チタンを約１０モル％
未満の量含有し、これにより酸化タンタル層の微細組織
を後続の結晶化時に制御し、酸化タンタル層の外因応力
を低減する。また、各酸化タンタル層に酸化チタンを含
有させる代りに、あるいは含有させた上で、酸化タンタ
ル層の少なくとも数層を酸化チタン層（前置層および／
または後置層）と接触関係に配置することもでき、これ
により酸化タンタル層の微細組織を後続の結晶化時に制
御し、酸化タンタル層の外因応力を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、酸化タンタル層およ
びシリカ層を交互に積層してなる光干渉フィルタおよび
そのランプへの使用に関する。この発明は、特に、酸化
タンタル層およびシリカ層を交互に積層してなり、酸化
タンタルに酸化チタンを導入するか、酸化タンタル層を
酸化チタン層と接触させるか、またはその両方により、
後で結晶化により酸化タンタル層に生じる外因応力を軽
減した光干渉フィルタおよびこのようなフィルタのラン
プへの使用に関する。

【０００２】

【従来の技術】屈折率の異なる２種以上の材料の層を交
互に積層した光学的薄膜コーティングは、干渉フィルタ
とも呼ばれ、当業界でよく知られている。このような光
学的コーティングは、電磁波スペクトルの種々の部分か
らの光放射線を選択的に反射するか透過するのに用いら
れ、また電球（ランプ）工業において反射器（リフレク
タ）やランプエンベロープを被覆するのに用いられてい
る。

【０００３】フィルタが約５００°Ｃ以上の高温にさら
される用途に用いる干渉フィルタは、低屈折率材料とし
てのシリカ（ＳｉＯ₂）の層と高屈折率材料としての酸
化タンタル（五酸化タンタルＴａ₂Ｏ₅）の層を交互に
積層して構成されている。このようなフィルタおよびそ
れを用いたランプが、たとえば、米国特許第４，９４
９，００５号、第４，６８９，５１９号、第４，６６
３，５５７号および第４，５８８，９２３号に開示され
ている。これらの米国特許明細書をこの発明の先行技術
として援用しておく。

【０００４】シリカ層と酸化タンタル層とを交互に積層
した干渉フィルタを高温で使用した場合に生じる過酷な
応力形成の問題が、米国特許第４，７３４，６１４号で
認識されている。この米国特許明細書もこの発明の先行
技術として援用しておく。この特許明細書によれば、酸
化タンタルは、物理的および化学的安定性に限界があ
り、８００°Ｃで約３０分後に多結晶形態に結晶化する
が、このような加熱によりクラクール（craquele）とし
て見える応力亀裂が生じる。この結果得られるフィルタ
は、可視光も赤外線も散乱させるため、所定の目的には
不適当である。

【０００５】複雑な形状の物体に比較的均一な皮膜を設
層することができ、得られるフィルムが亀裂を生じたり
基板からはがれたりする原因となる応力を導入しないよ
うにフィルムを形成する方法が必要とされ、この要請に
こたえるべく、本発明の共同発明者であるＴ．Parhamら
が米国特許第４，９４９，００５号で提案した干渉フィ
ルタ薄膜光学的コーティングは、本質的に酸化タンタル
層とシリカ層とを交互に積層してなり、光散乱が比較的
少なく、高温での使用に適当である。このようなコーテ
ィングを製造するには、化学蒸着（ＣＶＤ）法、好まし
くは低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）法を用いて、石英など
の適当な基板上にコーティングを形成する。交互の層を
適用した後、得られる光フィルタをアニールして、約６
００°Ｃ以上の温度での酸化タンタルの結晶化に基づく
体積変化による決定的な破壊につながる外因応力が生じ
るのを避ける。さもないと、かかる体積変化は、亀裂や
座屈の原因となり、その結果、接着性が低下し、剥離が
生じ、望ましくない光の光学的散乱が生じる。したがっ
て、被覆した基板を約５５０−６７５°Ｃの温度に加熱
し、この温度に約０．５−５時間維持しなければならな
い。

【０００６】しかし、関連技術が発展しているにもかか
わらず、応力を低減するために堆積後に必要なアニール
工程は、必須のままであり、干渉フィルタおよびこれら
の干渉フィルタを含むランプなどの物品を製造するのに
要する費用と時間を押しあげている。

【０００７】

【発明の目的】したがって、この発明の目的は、酸化タ
ンタル層の外因応力を低減し、こうして堆積後のアニー
ル処理の必要性を軽減した、酸化タンタル−シリカ光干
渉フィルタを提供することにあり、こうすれば、たとえ
ばシリカ層の応力を解除するアニール処理と組み合わせ
たとき、応力に関連した損傷（ダメージ）の少ないフィ
ルタが得られる。

【０００８】この発明の別の目的は、ＣＶＤまたは低圧
ＣＶＤ法により製造した低応力酸化タンタル−シリカ光
干渉フィルタを提供することにある。この発明の他の目
的は、低応力酸化タンタル−シリカ光干渉フィルタを設
けることで、エネルギー効率を改良したランプを提供す
ることにある。

【０００９】

【発明の概要】このような目的を達成するこの発明の光
干渉フィルタは、光透過性ガラス質基板と、酸化タンタ
ル（タンタラ）層および酸化けい素（シリカ）層の交互
積層体とを備える。各酸化タンタル層は酸化チタン（チ
タニア）を約１０モル％未満の量含有する。酸化チタン
・ドーパントを導入することにより、後での結晶化中の
酸化タンタル層の微細組織を制御し、これにより酸化タ
ンタル層の外因応力を減らす。各酸化タンタル層に酸化
チタンを導入する代りに、あるいは酸化チタンの導入に
加えて、この発明では、酸化チタン層を少なくとも数層
の酸化タンタル層と接触関係に設けること、すなわち酸
化チタンの前置層および／または後置層を設けることも
想定している。酸化チタン導入の場合のように、酸化タ
ンタル層を酸化チタン層と接触させることも、後でフィ
ルムを加熱することによる結晶化中の酸化タンタル層の
微細組織を制御し、これにより酸化タンタル層の外因応
力を減らすのに有効である。

【００１０】この発明はさらに、電気光源を包囲する光
透過性ガラス質エンベロープと、前述した通りのこの発
明による光干渉フィルタとを備えるランプを提供する。
この発明の干渉フィルタは、ＣＶＤ法、特に低圧ＣＶＤ
法により製造するのが好ましく、その製造方法として
は、ＣＶＤ、特に低圧ＣＶＤにより適当な前駆物質から
光透過性ガラス質基板上に酸化タンタル層およびシリカ
層を交互に堆積して被覆基板を形成し、この際各酸化タ
ンタル層の酸化チタン含有量を約１０モル％未満とす
る。酸化チタン添加酸化タンタル層の代りに、またはそ
れに加えて酸化チタンの前置層および／または後置層を
用いるこの発明の実施例では、製造方法が、少なくとも
数層の酸化タンタル層の堆積前または後に酸化チタン層
を堆積する工程を含む。この発明の光干渉フィルタを６
５０°Ｃ以上の温度で使用する予定であれば、被覆した
基板を、酸化タンタルを結晶化するのに十分な温度に十
分な時間アニールするのが好ましい。特に好ましくは、
被覆基板を約５５０−８００°Ｃの温度に約１時間以上
保持する。これにより酸化タンタルが結晶化する。特に
好ましくは、被覆基板を約６５０°Ｃに約２時間保持す
る。約６５０−６７５°Ｃの範囲の温度では、酸化タン
タルは約１−２時間以内に結晶化し、その後は加熱を継
続しても、それ以上の結晶化は起こらない。

【００１１】この発明はさらに、光干渉フィルタを支持
する光透過性ガラス質基板も提供し、この光干渉フィル
タは酸化タンタル層およびシリカ層を交互に積層してな
り、各酸化タンタル層が酸化チタンを約１０モル％未満
の量含有するか、酸化タンタル層の少なくとも数層が酸
化チタン層（前置層および／または後置層）と接触して
いる。

【００１２】

【具体的な構成】光干渉フィルムの全応力は、３つの独
立した応力、すなわち熱応力、内部応力および外因応力
の和である。熱応力は、基板とフィルムとの間の熱膨張
の不一致からくる一定の応力である。内部応力と外因応
力はプロセスに依存する。内部応力は、フィルム堆積中
の結合長さおよび角度の不規則から生じる。外因応力
は、無定形（アモルファス）であった材料の結晶化が体
積変化をもたらすことから生じる。たとえば、約６００
°Ｃ以上の温度でアモルファス酸化タンタルから酸化タ
ンタルの結晶化が生じる。結晶化中の体積変化により外
因応力が生成し、これがフィルムの亀裂や座屈の原因と
なり、この結果、望ましくない光の光学的散乱の起こる
部位が生成し、基板の強度が低下する。

【００１３】この発明では、酸化タンタルに酸化チタン
を添加するか、酸化タンタルを前置層および／または後
置層としての酸化チタン層と接触させるか、これらの両
方により、外因応力の減少した酸化タンタル層を光干渉
フィルタに設ける。こうすれば、この発明のフィルタ中
のアモルファス酸化タンタル層が後で結晶化したとき
に、この発明以外で得られるものよりはるかに規則性の
高い結晶性酸化タンタルが得られる。この発明による酸
化タンタル層は結晶粒子構造が細かく、微小割れが少な
い。この発明の方法およびこれらの方法で製造した光干
渉フィルタは、光散乱に基づく光学的損失が少ない。

【００１４】酸化チタンをドープした酸化タンタルの単
層を種々のＣＶＤ法で製造し、酸化タンタルの微細組織
が酸化チタンの濃度に依存することを確かめた。第１の
ＣＶＤ法では、酸化チタンの導入（ドーピング）を、気
相でチタンイソブトキシド蒸気とタンタルエトキシド蒸
気とを混合することにより行った。第２のＣＶＤ法で
は、酸化チタンの導入（ドーピング）を、液体チタンエ
トキシドと液体タンタルエトキシドとを混合し、混合液
を気相に蒸発させることにより行った。いずれの方法で
も、得られた酸化タンタルはアモルファスで、後での加
熱によるアモルファス酸化タンタルの結晶化が、ドープ
なしの酸化タンタルフィルムの場合より細かい結晶粒子
構造の核生成により区別できることを確かめた。これ
は、酸化チタンの導入が、後での結晶化中に、ドープさ
れた酸化タンタル層の微細組織を「制御」することを意
味する。

【００１５】したがって、たとえば、タンタルエトキシ
ドとチタンイソブトキシドを反応器内で別々に蒸発さ
せ、気相組成をチタン含有量０−３５モル％の範囲で変
えた場合、酸化チタンを約１０モル％未満の量、好まし
くは約０．１−２モル％の量含有するように形成したフ
ィルムは、結晶化後の微細組織が著しく向上していた
が、酸化チタン含有量がそれより多い（１０モル％以
上）フィルムは曇っており、望ましくない光学的散乱を
示した。したがって、酸化チタンのドーピングレベルが
高過ぎると、おそらくは望ましくない相が形成されるた
めに、低品質のフィルムが生じる。６５０°Ｃで１５時
間熱処理した後の酸化チタン添加フィルムの走査型電子
顕微鏡（ＳＥＭ）写真から、１−２モル％の酸化チタン
を含有するフィルムは微小割れがいちじるしく減少して
おり、光学的散乱が少ないことがわかった。これらのフ
ィルムのいくつかのＸ線回折（ＸＲＤ）測定から、少量
の酸化チタンを含有するフィルムが、純粋な酸化タンタ
ルフィルムより規則性がはるかに高い、すなわち、ピー
ク強度がはるかに高いことがわかった。タンタルエトキ
シドとチタンエトキシドを予め混合し、ついで予混合材
料を堆積室内で噴射し、蒸発させた場合にも、同様の結
果が得られた。

【００１６】８００°Ｃで２４時間加熱した酸化タンタ
ル（ドープなし）の単層は、ＳＥＭ写真から、結晶粒度
が均一で約１ミクロンであることがわかった。１％の酸
化チタンをドープした酸化タンタルの同様の写真は、結
晶粒度の双峰分布を示した。すなわち、粒度約０．５ミ
クロンの結晶粒子と約１ミクロンの結晶粒子が認められ
た。さらに、ドープなしの酸化タンタルフィルムは微小
割れの密度が高かったが、ドープしたフィルムは微小割
れのレベルが十分に低かった。これら２つの材料のＸＲ
Ｄパターンから、１モル％の酸化チタンを含有する酸化
タンタルが規則性の高い組織に結晶化したことがわかっ
た。したがって、酸化タンタル中の酸化チタンのドーピ
ングレベルは、後続の結晶化中に酸化タンタル層の微細
組織を制御するのに有効な量であればどのような量でも
よく、一般に約１０モル％未満の量である。したがっ
て、有益なドーピング範囲は、酸化タンタル中の約０．
００１モル％から約１０モル％未満まで、特に好ましく
は約０．１モル％から約２モル％までである。

【００１７】良好な酸化タンタル微細組織はほかに、酸
化タンタル層に隣接させて酸化チタンの薄層を設けるこ
とによっても得られる。この場合、酸化タンタルの層を
酸化チタンの薄い前置層の上に堆積するか、薄い酸化チ
タンの後置層を酸化タンタルの層の上に堆積するか、こ
れらの両方を行えばよい。たとえば、厚さ約１３０オン
グストロームの酸化チタンの前置層をチタンエトキシド
からＣＶＤにより堆積した後、その上に酸化タンタルを
堆積した。このようにして堆積した酸化チタンは、寸法
が約３００オングストロームのアナターゼの極端に小さ
い微結晶からなることを確かめた。

【００１８】酸化タンタルのアモルファス層に接触させ
て酸化チタンの隣接層を設けることが、酸化タンタルを
後で結晶化させるときに、酸化タンタルに一層微細な結
晶粒子構造の核を生成するのに有効であることを確かめ
た。この結果は、このような酸化チタン／酸化タンタル
２層のＳＥＭ調査により確認した。結晶化した酸化タン
タルの微細組織のいちじるしい変態が見られた。結晶化
した酸化タンタルは、粒度が約０．３−０．６ミクロン
の範囲の極めて小さい結晶粒子から構成された。ＸＲＤ
パターンから、この酸化タンタルが、結晶化後に、１モ
ル％の酸化チタンでドープした酸化タンタル層とほぼ同
じ有利な組織を持つことが確認された。すなわち、酸化
タンタルが規則性の高い状態に結晶化していた。その
上、これらの有利な結果が、２層を約６５０−９００°
Ｃの範囲のランプ点灯温度に加熱しても、そのまま保た
れた。

【００１９】酸化タンタルフィルム中の酸化チタンドー
パントの量が、少量の酸化チタン前駆物質での低圧ＣＶ
Ｄによる堆積時の気相中の酸化チタンの量とは、ある程
度独立であることを確かめた。すなわち、酸化チタンで
ドープした酸化タンタルフィルム中の酸化チタンの量
が、低圧ＣＶＤ堆積プロセス中の混合酸化チタン／酸化
タンタル前駆物質ガス雰囲気中の酸化チタン前駆物質の
量と同じでない、ことがわかった。

【００２０】さらに、隣接酸化チタン層は酸化タンタル
層よりいちじるしく薄くなければならない。限定するわ
けではないが、１例を挙げると、酸化タンタル層は通常
厚さ約５００オングストローム以上であるのに対して、
この酸化タンタル層に接触する、前に堆積した酸化チタ
ン層および／または後で堆積した酸化チタン層は通常厚
さ約５０−１５０オングストロームである。もちろん、
酸化タンタルが５００オングストロームより薄い例外も
あるが、目標は酸化チタン層を、酸化タンタルが後で結
晶化するときに所望の結晶形態（モルフォロジー）を得
るのに十分な薄さに維持することである。同時に、酸化
チタン層が、光学的特性を不当に妨害したり、フィルム
設計を不当に複雑にするほど厚くてはいけない。これ
は、酸化チタンの熱膨張係数が大きく、その結果熱応力
を生じるからである。さらに、酸化チタンの単層を約９
００°Ｃ以上に加熱すると、アナターゼからルチル型酸
化チタンへの変換が起こり、フィルムが曇る。

【００２１】ここで図面を参照してこの発明を説明す
る。図１に示すランプは、その外面にこの発明による酸
化タンタル−シリカ干渉フィルタが設けられている。こ
の干渉フィルタが赤外線を反射してフィラメントに戻
し、フィラメントで赤外線を可視光に変換する。図示の
ランプは、この発明の例示であって、この発明を限定す
るものではない。

【００２２】図１に示すランプは、約８００°Ｃ以上の
高温に耐える光透過性ガラス質材料、たとえば石英から
形成したエンベロープ（管）１０を備える。エンベロー
プ１０の各端部はピンチシール（圧潰）部１２となって
おり、このピンチシール部１２に導入リード・コネクタ
１３がシールされ、コネクタ１３がモリブデン箔１４に
溶接などの適当な手段で電気的かつ機械的に取り付けら
れ、モリブデン箔１４がランプのピンチシール部１２に
埋設され気密シールされている。モリブデンまたはタン
グステンなどの適当な耐火金属から形成したリード１５
の一端が、モリブデン箔１４の他端に取り付けられ、他
端がタングステンフィラメント１７に接続されている。
フィラメント１７はその軸線上でエンベロープ内に複数
の適当な支持部材１８、たとえば米国特許第３，１６
８，６７０号に開示された形式のタングステンの螺旋状
ワイヤ支持部材により支持されている。この発明の薄膜
光干渉フィルタ２０が、ランプの外面上に連続皮膜とし
て設けられている。

【００２３】フィルム２０は、酸化タンタル層とシリカ
層とを交互に、ランプが発光する放射線の通過帯域と阻
止帯域特性を調節するように積層した構成である。酸化
タンタル層は、この発明にしたがって、酸化チタンでド
ープされているか、酸化チタンの前置層および／または
後置層に隣接しているか、その両方である。シリカおよ
び酸化タンタル層の積層の総数は、できるだけ多くして
最高の光学性能を得るのが理想的であるが、応力への配
慮と光学性能とのバランスをとる必要がある。したがっ
て、総数を８−１００とするのが好ましい。層の数が２
０になると、特に層の数が６０になると、応力への配慮
が１要因となる。

【００２４】１実施例では、干渉フィルム２０は、タン
グステンフィラメント１７が発する赤外線を反射して、
フィラメントに戻す一方、可視光を透過する。あるいは
また、酸化タンタル層とシリカ層とを交互に積層してな
る干渉フィルムは、可視光を反射する一方、赤外線を透
過するように、周知の態様で設計してもよい。さらに別
の実施例では、フィルム２０は、電磁波スペクトルの特
定の領域内の放射線を透過する一方、透過するのが望ま
しくない光を反射するように設計することができる。

【００２５】図２−図６はＳＥＭ写真で、ドープなしの
酸化タンタル層、酸化チタンでドープした酸化タンタル
層、ドープされていないが、酸化チタン層に隣接してい
る酸化タンタル層を示す。これらの層は、タンタルエト
キシドおよびチタンエトキシドまたはチタンイソブトキ
シドを用いて、低圧ＣＶＤ法により形成した。図２は、
酸化チタン前置層上に設けた酸化タンタル膜を倍率７０
００ｘで示す。酸化チタン前置層の厚さは１３０オング
ストローム、全膜厚は３８００オングストロームであっ
た。過酷試験として、サンプルを空気中で８５０°Ｃに
急速に加熱し、同温度に２４時間維持した。

【００２６】図３は、酸化チタン前置層なしの酸化タン
タル膜を倍率７０００ｘで示す。酸化タンタル膜の厚さ
は２９００オングストロームで、図２との比較のために
作製した。亀裂と座屈が見える。図２と図３を比較する
と、この発明にしたがって酸化チタン前置層を設ける
と、隣接する酸化タンタル層の結晶度が、隣接酸化チタ
ン層のない酸化タンタル層と比べて、はるかに小さくな
り、有利であることがわかる。

【００２７】図４は、１０モル％の酸化チタンを含有す
る酸化タンタル層の倍率１０００ｘのＳＥＭ写真であ
る。サンプルを空気中で６５０°Ｃに急速に加熱し、同
温度に１５時間維持した。亀裂と座屈が見える。図５
は、１モル％よりわずかに少ない酸化チタンを含有する
酸化タンタル層の倍率１０００ｘのＳＥＭ写真である。
サンプルを空気中で６５０°Ｃに急速に加熱し、同温度
に１５時間維持した。サンプルには実質的に亀裂がな
い。

【００２８】図６は、酸化チタンを含有しない酸化タン
タル層の倍率１０００ｘのＳＥＭ写真である。サンプル
を空気中で６５０°Ｃに急速に加熱し、同温度に１５時
間維持した。ひどい亀裂と座屈、それに剥離（スポーリ
ング）のために酸化タンタルがなくなった区域がはっき
り見える。この酸化タンタル層は、図４および図５に示
す酸化チタンを含有する酸化タンタル層との比較のため
に作製した。この発明の、１モル％よりわずかに少ない
酸化チタンを含有する酸化タンタルサンプルについての
図５では、浮きがほとんど見られない。

【００２９】この発明にしたがって製造した酸化タンタ
ル層のＸ線回折（ＸＲＤ）による分析では、寸法１−２
μｍの微結晶を有する結晶粒子構造であるにもかかわら
ず、低強度のブロードなピークが見られた。このＸＲＤ
パターンのブロードニングは、膜中の内部応力および／
または結晶欠陥のためであると考えられる。内部応力と
結晶欠陥はいずれも、光学的用途の膜に望ましくなく、
粒界で分離する傾向の大きい弱い膜をつくる。このよう
な膜は基板に与える応力が大きく、膜の基板からの剥離
や浮きが増加する。膜の浮きも剥離も膜の光学的反射率
を低下し、光学的散乱を増加し、望ましくない。

【００３０】単層酸化タンタル膜および多層酸化タンタ
ル／シリカ膜に関する剥離（スポーリング）についての
過酷な試験は、８００°Ｃ以上に急速に加熱することで
ある。このような急速加熱サンプルの膜亀裂パターン
を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察した。こ
のようにして生じた酸化タンタルの亀裂や浮きは、アモ
ルファス層から結晶性酸化タンタルが核生成し、成長す
る結果である。純粋な酸化タンタル層をＳＥＭで調べる
と、膜の亀裂と割れたエッジの石英基板からの浮きが生
じているのがわかる。１３０オングストロームの酸化チ
タン膜の上に酸化タンタルを堆積すると、図２に示すよ
うに、酸化タンタルの結晶化の際の膜亀裂や浮きが、劇
的になくなる。酸化チタン層は１ミクロン未満のアナタ
ーゼ粒子からなる。（酸化チタン前置層を有する）酸化
タンタル膜の結晶粒度は１ミクロン未満であり、前述し
たように、図３に示すような隣接する酸化チタン層なし
で結晶化したドープなし酸化タンタル層と比べて、約３
分の１に減少、すなわち１−２μｍから０．３−０．６
μｍに減少している。結晶粒度の減少から、酸化チタン
層が酸化タンタル粒子の核生成頻度を増大することが明
らかである。酸化タンタルに約１０モル％未満の少量の
酸化チタンをドープすることも、膜の亀裂や浮きを減少
させるのに有効であることを確かめた。酸化タンタルに
ドープする酸化チタンが１モル％以下のごく少量であっ
ても、図５に示すように、膜の亀裂や浮きが減少する。
４０°傾斜（図中４０ｔｉｌｔ）も、浮いた膜エッジの
高さが減少したことを示す。したがって、以上を要約す
ると、厚さ約５０−５００オングストローム、好ましく
は厚さ約５０−１５０オングストロームの薄い酸化チタ
ン層の上または下に酸化タンタルを堆積するか、酸化タ
ンタルに１０モル％未満の酸化チタンをドープすること
により、膜の亀裂や浮きを抑制することができる。

【００３１】図７は、コンピュータで作製した、この発
明の干渉フィルタの他の例の反射率のチャートである。
干渉フィルタは、合計３５層の、酸化チタン前置層を有
する酸化タンタル／シリカＩＲ反射フィルタである。多
層光学コーティング用のＦＩＬＭ＊ＳＴＡＲ（商標）ソ
フトウェアを用い、酸化タンタル層およびシリカ層を
（それぞれ１２層）交互に有する通常の２４層設計の干
渉フィルタから出発した。酸化タンタル層のほとんど
は、その前に酸化チタンの薄い層が存在し、それと接触
していた。酸化タンタル膜厚を酸化チタン層を考慮して
薄くし、設計の最適化をやりなおした。この特定の設計
で、酸化タンタル層２８の前の酸化チタン層を除くのが
有利なことを確かめた。

【００３２】米国特許第５，１３８，２１９号７欄５３
−６３行に記載されている通り、多層コーティングを最
適化するためのコンピュータプログラムは多数が市販さ
れており、約１５の販売元およびプログラムのリスト
が、光学工業業界紙であるPHOTONICS SPECTRA 誌の１９
８８年９月号の１４４頁に記載されている。このリスト
には、たとえば、Ｏｐｔｉｋｏｓ（143 Albany Street,
Cambridge, MA 02139,USA ）から入手できる商品名Ｃ
ＡＭＳや、ＦＴＧ Software Associates （P.O.Box 57
9, Princeton, NJ 08524, USA ）から入手できる商品名
ＦＩＬＭ＊ＳＴＡＲ（商標）が含まれているが、プログ
ラム例はこれらに限らない。

【００３３】以下に、図７の干渉フィルタの３５層のリ
ストを示す。高屈折率材料（Ｈ）は屈折率約２．１９の
酸化タンタルであり、低屈折率材料（Ｌ）は屈折率約
１．４５のシリカであり、層（Ｔ）は屈折率２．５４の
酸化チタンの薄層である。屈折率は６００μｍで測定し
た。１１１０．０Ｔ１４１１３７．７Ｈ２７１８０１．５Ｌ２９１７．８Ｈ１５１９８７．２Ｌ２８２３８６．３Ｈ３１７３７．４Ｌ１６１１０．０Ｔ２９１８０１．５Ｌ４１１０．０Ｔ１７１１３７．７Ｈ３０１１０．０Ｔ５９１７．８Ｈ１８１９８７．２Ｌ３１２２７９．６Ｈ６１７３７．４Ｌ１９１１０．０Ｔ３２１８０１．５Ｌ７１１０．０Ｔ２０１１３７．７Ｈ３３１１０．０Ｔ８９１７．８Ｈ２１１９８７．２Ｌ３４２１９７．４Ｈ９１７３７．４Ｌ２２１１０．０Ｔ３５８０４．７Ｌ１０１１０．０Ｔ２３１１３７．７Ｈ１１９１７．８Ｈ２４１９８７．２Ｌ１２１７３７．４Ｌ２５１１０．０Ｔ１３１１０．０Ｔ２６２２７９．６Ｈこの発明の干渉フィルタ薄膜光学的コーティングは、蒸
着、スパッタリング、溶液塗工法（ディップコーティン
グなど）およびＣＶＤを含む種々の方法で製造すること
ができる。しかし、前述したように、この発明の干渉フ
ィルタ薄膜光学的コーティングは、ＣＶＤ法、特に低圧
ＣＶＤ法で製造するのが好ましく、薄膜の各材料ごとの
適当な金属酸化物前駆物質（１種または複数種）を別々
に分解室に導入し、そこで前駆物質を分解するか反応さ
せて、加熱基板上に金属酸化物を形成する。

【００３４】低圧ＣＶＤ法は、このようなコーティング
を複雑な形状の表面に設けることができ、厚さを適切に
制御することができる。このようにシリカ層および酸化
タンタル層（および場合により酸化チタン層）を別々に
基板上に、所望のフィルタ設計に達するまで設層する。
このようなＣＶＤ法は当業者に周知であり、たとえば、
米国特許第４，００６，４８１号、第４，２１１，８０
３号、第４，３９３，０９７号、第４，４３５，４４５
号、第４，５０８，０５４号、第４，５６５，７４７号
および第４，７７５，２０３号に開示されている。

【００３５】この発明にしたがって基板上に金属酸化物
膜を形成する場合、まず基板を堆積室内に配置する。基
板が、反応または分解を起こし、同時に基板上に金属酸
化物膜を堆積するのに好適な温度に達するように、堆積
室は通常炉内に収容されている。このような温度は、使
用した原料によるが、通常、約３５０−６００°Ｃであ
る。

【００３６】低圧ＣＶＤ法では、堆積室を排気し、蒸気
状態の所望の金属酸化物の適当な有機金属前駆物質を適
当な手段により堆積室に流す。原料が堆積室に流入する
と、それが分解されて、基板上に金属酸化物膜を堆積す
る。所望の膜厚に達したら、原料流れを停止し、堆積室
を排気し、別の材料用の原料を堆積室に、その材料が所
望の厚さに達するまで、流す。このプロセスを、所望の
多層干渉フィルタが得られるまで、繰り返す。

【００３７】この発明において、ＣＶＤまたは低圧ＣＶ
Ｄによりシリカ膜を堆積するのに用いる適当な化合物と
しては、ジアセトキシジブトキシシラン、テトラアセト
キシシラン、シリコンテトラキスジエチルオキシアミン
などがあるが、これらに限らない。この発明において、
ＣＶＤまたは低圧ＣＶＤにより酸化タンタル膜を堆積す
るのに用いる適当な原料としては、タンタルメトキシ
ド、タンタルペンタエトキシド、タンタルイソプロポキ
シド、タンタルブトキシド、タンタルアルコキシド混合
物、タンタルペンタクロライドなどと、水および／また
は酸素がある。この発明において、ＣＶＤまたは低圧Ｃ
ＶＤにより酸化チタン膜を堆積するのに用いる適当な原
料としては、チタンメトキシド、チタンエトキシド、チ
タンプロポキシド、チタンイソプロポキシド、チタンブ
トキシド、チタンイソブトキシド、チタンアルコキシド
混合物などがある。

【００３８】堆積室を通しての原料（１種または複数
種）の移動を促進するために堆積室にキャリヤガスを通
す必要はないが、当業界でよく知られているように、所
望に応じて、不活性キャリヤガスを用いることもでき
る。堆積中の室内の圧力は、使用した原料や基板の温度
にもよるが、通常約０．１−５．０Ｔｏｒｒの範囲であ
る。ＣＶＤ法には大気圧を用いればよい。堆積室内の原
料ガスの流量、反応室の寸法、原料、キャリヤガスの有
無、望ましい堆積速度などにもよるが、通常約１０−５
０，０００ＳＣＣＭの範囲である。

【００３９】この方法を用いることにより、金属酸化物
の個々の層を均一に堆積することができる。±約２％以
内の膜厚の均一性を有する層を、平坦な基板にも湾曲し
た基板にも堆積することができた。厚さ約１００−約２
０，０００オングストロームの範囲の酸化タンタル、酸
化チタンおよびシリカの均一な膜を形成することができ
る。

【００４０】この発明の干渉フィルタのシリカ層および
酸化タンタル層（および適当な場合には酸化チタン層）
を交互に形成するにあたっては、最初に酸化タンタルま
たはシリカの層を堆積し、特定のシリカまたは酸化タン
タル原料の堆積室への流れを停止し、堆積室を排気し、
ついで別の膜の前駆物質、すなわち反応物質である原料
の流れを堆積室に導入する。このプロセスを、干渉フィ
ルタに望ましい数の層を形成し終るまで、繰り返す。

【００４１】特定の理論に縛られるものではないが、こ
の発明の干渉フィルタを５５０−８００°Ｃの温度範囲
内で加熱すると、酸化タンタル層が結晶化し、非常に多
数の酸化タンタル微結晶（クリスタリット）を形成し、
このとき個別の微結晶を有意に成長させることなく、ま
た同時にこのような結晶成長からもたらされる決定的な
破壊につながる応力の生成もないと考えられる。温度を
約６５０−６７５°Ｃとするのが好ましい。約６００°
Ｃ以下の温度では、微結晶の形成に通常余りに長い時間
がかかり、工業的に採用できないからである。３５０−
５５０°Ｃの温度でＣＶＤまたは低圧ＣＶＤにより堆積
した直後の酸化タンタル層はアモルファスであり、その
後の５５０−８００°Ｃでの熱処理によって、斜方晶系
酸化タンタル微結晶の異方性成長からもたらされる決定
的な破壊につながる応力の生成を避けるのに十分な量の
微結晶の形成が可能になると考えられる。この発明は、
アニール処理の必要を減らし、そしてたとえばシリカ層
の応力を解除するためのアニール処理と組み合わせた場
合には、割れ、浮き、剥離、その他の応力に関係した損
傷の少ないフィルタが得られる。

【００４２】当業者には、この発明の要旨から逸脱しな
い範囲内で、種々の他の変更が明らかであり、簡単に採
用できる。したがって、この発明の要旨は前述した好適
な実施例の説明に限定されることなく、当業者に均等物
として扱われるすべての事項を含めて、その範囲内のあ
らゆる事項を包含すると解釈すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による光干渉膜を外面に設けた細長い
タングステン−ハロゲンランプの側面図である。

【図２】この発明による酸化チタン前置層を有する酸化
タンタル膜のＳＥＭ写真（倍率７０００ｘ）であり、そ
の結晶構造を示す。

【図３】図２と比較するための、酸化チタン前置層のな
い酸化タンタル膜のＳＥＭ写真（倍率７０００ｘ）であ
り、その結晶構造を示す。

【図４】この発明による１０モル％の酸化チタンを含有
する酸化タンタル膜のＳＥＭ写真（倍率１０００ｘ）で
あり、その結晶構造を示す。

【図５】この発明による１モル％の酸化チタンを含有す
る酸化タンタル膜のＳＥＭ写真（倍率１０００ｘ）であ
り、その結晶構造を示す。

【図６】図４および図５と比較するための、酸化チタン
を含有しない酸化タンタル膜のＳＥＭ写真（倍率１００
０ｘ）であり、その結晶構造を示す。

【図７】この発明による酸化チタン前置層を有する酸化
タンタル／シリカＩＲ反射性フィルタの反射率を示すコ
ンピュータによるグラフである。

【符号の説明】

１０ランプ１７フィラメント２０干渉フィルタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化タンタル層およびシリカ層を交互に
積層してなり、各酸化タンタル層が酸化チタンを１０モ
ル％未満の量含有する光干渉フィルタ。
【請求項２】基板上に酸化タンタル層およびシリカ層
を交互に積層して被覆基板を形成し、この被覆基板を酸
化タンタルを結晶化するのに十分な所定の温度および時
間加熱することを含む方法により製造した請求項１に記
載の光干渉フィルタ。
【請求項３】電気光源を包囲する光透過性ガラス質エ
ンベロープと、このガラス質エンベロープ上に形成した
光干渉フィルタとを含むランプであって、この光干渉フ
ィルタが酸化タンタル層およびシリカ層を交互に積層し
てなり、各酸化タンタル層が酸化チタンを１０モル％未
満の量含有しているランプ。
【請求項４】基板上に酸化タンタル層およびシリカ層
を交互に積層し、この際各酸化タンタル層の酸化チタン
含有量を１０モル％未満とし、こうして得られた被覆基
板を、酸化タンタルを結晶化するのに十分な所定の温度
および時間加熱する工程を含む光干渉フィルタの製造方
法。
【請求項５】交互に積層した酸化チタン層、酸化タン
タル層およびシリカ層を含む光透過性ガラス質基板を備
えた干渉フィルタであって、前記酸化タンタル層の少な
くとも数層が対応する酸化チタン層に接触しており、各
酸化チタン層の厚さがそれと接触している酸化タンタル
層の厚さより小さい光干渉フィルタ。
【請求項６】前記酸化タンタルが結晶性である請求項
５に記載の光干渉フィルタ。
【請求項７】電気光源を包囲する光透過性ガラス質エ
ンベロープと、このガラス質エンベロープ上に形成した
光干渉フィルタを含むランプであって、この光干渉フィ
ルタが酸化チタン層、酸化タンタル層およびシリカ層を
交互に積層してなり、前記酸化タンタル層の少なくとも
数層が対応する酸化チタン層に接触しており、各酸化チ
タン層の厚さがそれと接触している酸化タンタル層の厚
さより小さいランプ。