JPS62220903A - 誘電体多層膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、膜の吸収損失がほとんど無く、中心波長や
カット・オフ波長が制御された高性能の誘電体多層膜が
得られる誘電体多層膜の製造方法に関する。

（従来の技術） 一般に、光フアイバ伝送方式における光波長多重技術は
、伝送容邑の増大を図れるだけでなく、双方向伝送や異
種信号の同時伝送を可能にする特徴を有し、長距離伝送
・近距離伝送、加入者系伝送、データリンク等、光フア
イバ伝送を用いるほとんど全ての分野での適用が考えら
れている。

ところで光波長多重伝送では、送信側においては、波長
の異なる複数の光を１本の光ファイバに結合するための
合波器が、受信側においては、光ファイバを伝搬してき
た波長の異なる光を夫々分離するための分波器が必要で
ある。

そして、これら光合分波器、例えば０．８１譚、０．８
９譚、１．２譚、１．３−の４波多重通信用の光合分波
器には、誘電体多層膜フィルタが用いられているが、こ
の種の誘電体多層膜フィルタとしては、バンド・パス・
フィルタ、長波長域通過フィルタ、短波長域通過フィル
タがある。

上記バンド・パス・フィルタとしては、光源を半導体レ
ーザとした場合、下記構成の３キャビティを有する層数
２３のものが知られているが、阻止域減衰量が充分でな
い。

基板ＩＡ−Ｌ−Ａ−Ｌ−Ａｔ接看剤・・・・・・（１）
ここで、Ａ　　Ｈ−Ｌ−Ｈ・２Ｌ−Ｈ−Ｌ−Ｈ但し、Ｈ
，Ｌは夫々光学的膜厚がλ。／４の高屈折率物質、低屈
折率物質である。λ。は中心波長である。２Ｌは光学的
膜厚がλ。／２の低屈折率物質であり、キャビティを表
わす。

さて、上記のようなバンド・パス・フィルタを初めとす
る各種誘電体多層膜を製造方法するには、電子ビーム加
熱による蒸着方法が知られており、高屈折率物質Ｈとし
ては二酸化チタン（ＴｉＯ２）や酸化ジルコニウム（Ｚ
ｒＯ２）が、低屈折率物質りとしては二酸化シリコン（
ＳｉＯ２）や酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ２）が用いら
れる。そして、上記構成〈１）のバンド・パス・フィル
タの製造に対しては、高屈折率物′ＲＨとして二酸化チ
タン、低屈折率物質りとして二酸化シリコンのみから形
成されるのが、通常である。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、電子ビーム加熱による蒸着法による誘電体多
層膜、特に光合分波器に用いられるバンド・パス・フィ
ルタにおいて、製造上置も問題となるのは、各波長帯に
ついて、バンド・パス・フィルタの中心波長の精度を高
精度に、例えば±４ｎｍの範囲に合せることである。

第３図からも分るように、構成（１）のバンド・パス・
フィルタの有する通過帯域幅が、斜線部で示す規格に対
して、僅かの許容範囲しか持たないため、中心波長がや
や異なった値の２枚のバンド・パス・フィルタを重ね合
せて用いると、２枚結合された光合分波器の特性として
は、通常帯域幅が非常に狭くなってしまうのである。中
心波長を高精度で層数ｎｍの範囲内に合せることを困難
にしている製造上の問題点としては、次のものが挙げら
れる。

（ａ）誘電体長ＩＩＩ！の各層の膜厚の精度を高精度に
しなければならず、膜厚精度は±１％以内と言われてい
る。

（ｂ）誘電体多層膜フィルタ、の分光特性は、測定時の
温度や湿度、又、成膜時の条件及び成膜終７時から測定
時の時間によって分光特性の変動があること。

以上の要因によって、各波長帯において、バンド・パス
・フィルタの中心波長を高精度で、しかも再現性良く、
所定の波長範囲内に制御することかは非常に困難であっ
た。

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたもの
で、中心波長が高精度で再現性良く制御された光合分波
器用バンド・パス・フィルタを、更に一般的には、膜の
吸収損失が少なく、中心波長やカット・オフ波長が高精
度で再現性良く制御された誘電体多層膜が容易に得られ
る誘電体多層膜の製造方法を提供することを目的とする
。［発明の構成］ 〈問題点を解決するための手段） この発明は、基板上に形成された任意の層数の二酸化チ
タンと二酸化シリコンの交互層を主体とした誘電体多層
膜の製造方法において、上記誘電体多層膜の積層終了後
、大気中又は酸化性雰囲気中において熱処理を行ない分
光特性の調整を行なうことを特徴とする誘電体多層膜の
製造方法であり、特にバンド・パス・フィルタの熱処理
前の中心波長が所望の中心波長より長波長側へ位置して
いる場合、上記所望の中心波長の値並びにそれからの差
異に応じて上記熱処理の温度を制御し、上記熱処理後、
所定の温度、湿度雰囲気中にて上記バンド・パス・フィ
ルタを経時変化させた後、上記中心波長を所望の波長範
囲内の値に制御することを特徴とする誘電体多層膜の製
造方法である。

（作用） この発明によれば、例えば光合分波器用バンド・パス・
フィルタのように、波長精度の規格値範囲が高精度で厳
しいものに対して、熱処理前で規格範囲から長波長側へ
はずれても、熱処理により規格内に納めることが出来、
この結果、歩留り向上に貢献する。又、熱処理により通
過帯域の透過率が向上し、躾の吸収損失がほとんどない
透明な、高性能の誘電体多層膜が提供出来る。

（実施例） 以下、図面を参照して、この発明の一実施例につき詳細
に説明する。

誘電体多層膜として、０．８１譚、０．８９Ｊｉｎ、１
．２ＪＪ１ｎ、１．３−の４波長帯共に、上記構成（１
）に挙げた２３層、３キャビティを有するバンド・パス
・フィルタを例にとって説明することにする。

即ち、この発明の製造方法では、第２図に示す電子ビー
ム蒸着装置を使用して、上記バンド・パス・フィルタを
蒸着により得ている。

上記電子ビーム蒸着装置において、蒸着源３０を有する
ルツボ３３は、二酸化チタンと二酸化シリコンの２種類
を複数個ずつ具備可能な円盤型のものである。そして、
所定の物質を蒸着させる場合、電子銃３４からエミッシ
ョン電流が到達する位置へ回転させて持ってくる。上記
電子銃３４の加速電圧は例えば１０ＫＶであり、エミッ
ション電流値は二酸化チタンの場合２８０ｍＡ、二酸化
シリコンの場合６０ｍＡである。二酸化チタンの蒸着の
場合、二酸化チタンが還元して黒色に着色した膜となる
のを防ぐため、真空槽２０内を＾真空に排気後、酸素を
例えば１ｘ１０’Ｔｏｒｒ導入する反応性蒸着を用いる
。基板温度は例えば３００℃とした。

各層の膜厚制御は、第２図に示すように、蒸゛着中のモ
ニタ基板１１の透過率（あるいは図示しない方法で反射
率）の変化による極値を検出することによって、製品と
なる基板２２．２３．２４の膜厚を制御する光学的な膜
厚制御方法を用いた。

即ち、光８！３１からの白色光は薄膜が蒸着されつつあ
るモニタ基板１１を通過し、波長が例えば波長λ。を有
する単色フィルタ３５を通過して受光部３２に到達する
。このようにして測定された蒸着中の光量変化を信号と
して、図示しない増幅器やペン・レコーダを経て透過率
の変化を表示、記録し、λ。／４に相当する！！ｆＡｌ
ｉｌを検出して光学的膜厚を制御する方法である。

尚、モニタ基板は１１に冒かれている１枚のみでバンド
・パス・フィルタの２３啜を全て制御しても良いし、１
２．１３・・・・・・に示すように、？！数枚用いるこ
とによって、バンド・パス・フィルタの２３層を制御し
ても良い。又、各波長帯に応じて、λ。を選べば、所望
中心波長を有するバンド・パス・フィルタが形成される
。例えば、０．８１／Ｊｍ帯用のバンド・パス・フィル
タでは、λ。として７７０ｎｍを有する単色フィルタを
用いた。

このようにして、２３１の多ＦＩＪ！！を真空中で形成
後、例えば基板温度を２５０℃以下に冷却後、大気圧に
戻し、取り出す。形成されたバンド・パス・フィルタは
、例えば０．８１声帯のものでは、貼り合わされた第３
図並びに第４図に示す分光特性とは異なるものである。

入射角は、光合分波器として接着剤にて貼り合わせた後
に１５°であるが、蒸着後の貼り合せ前の状態では、接
着剤を介さずに空気から誘電体多ＩＩ膜へ光が入射する
ので、１５°とは異なる。上記貼り合せ工程において、
接着剤として、例えばノーランドＮｏ。

６１（屈折率は１．５１＞を用いる場合には、スネルの
法則より、貼り合せ前の状態では入射角２３°にて分光
特性を測定する。蒸着後の分光特性の一例を、透過率で
測定したものについて第５図に、又、損失（ｄＢ）で表
わしたものを第６図に示す。しかし、バンド・パス・フ
ィルタの分光特性は、室温で大気中に放置すると、透過
率の値は、はぼ一定であるが、中心波長は長波長側へ移
動する。例えば、０．８１Ａｌｌ１１帯のバンド・パス
・フィルタの場合、第６図に示す値の如く移動する。

即ら、環境条件を２５℃、ＲＨ６０％として、バンド・
パス・フィルタ恒温恒湿雰囲気中に保持した場合には、
約２００日を経過し中心波長がほぼ一定値 となることが判明した。

例えば光合分波器用のバンド・パス・フィルタに関して
は、各波長帯において要求される中心波長値の精度は±
４ｎｍ、あるいはそれ以下の厳しい規格が要求される。

０．８１１ＩＩＲ帯のものは、８１１±４ｎｍであるが
、蒸着のバッチ内で、あるいはロフト間で、しばしば中
心波長値のバラツキが生じ、それがバンド・パス・フィ
ルタの歩留り低下の最大の要因である。例えば、第１図
の左半分に示すように、経時変化後では８１６ｎｍとな
り、規格外である。そこで、経時変化終了後（同図にお
いて中央部の１０４時間後）、熱処理を施す。２００℃
、３００℃、３５０℃、４００℃、５００℃で夫々３０
分間、大気中で熱処理を行なった後、前述の条件の恒温
恒湿槽内で保持した場合の、中心波長の経時変化の測定
結果を第１図の右半分に示す。２００℃、３００℃の場
合は、２５日程度で飽和するが、他の温度のものは５０
日程度で飽和する。しかも、３５０℃以上の熱処理温度
では、飽和した後の一定値は、熱処理前の中心波長値ま
でには戻らず、短波長側で一定値となる。第７図に、熱
処理後、２５℃、ＲＨ６０％に保管し、一定となったバ
ンド・パス・フィルタ０．８１ｍ帯の中心波長と、熱処
理温度との関係を示す。この場合、３２０℃乃至４２０
℃の範囲内で中心波長を所望の規格内に納めることが出
来る。即ち、熱処理前の中心波長と所望の中心波長との
差異に応じて熱処理の温度を選定することにより、中心
波長を微調整して所望の規格内に納めることが出来る。

第７図からも分るように、熱処理温度が３００℃以下の
場合は、経時変化後、熱処理下の中心波長値に戻ってし
まう。又、５００℃を超えると、ガラス基板の変形等の
不具合が生じる。それ故、最適熱処理温度は３００℃乃
至５００℃の範囲である。

尚、上記実施例では、分光特性の経時変化が飽和した後
、熱処理を施した場合を例にとって詳述したが、飽和す
る前に予め経時変化後の中心波長値を予知しておき、予
知した値と規格値との差異に応じて熱処理温度を選択し
て、中心波長値を所望の規格内に納めることも可能であ
る。蒸着直後の経時変化は急激であるため、分光測定を
行なって経時変化の飽和後の中心波長の予知を行なうの
は、誘電体多層膜の積ｌ！後、真空槽から取出してから
、１日以上の一定時間経過後が良い。尚、予知に当って
は、第１図に示す経時変化のパターンを予め求めておき
、参照するとよい。

実験方法並びに結果は、次の如くである。即ち、蒸着後
、真空槽から取出し、直ちに２５℃、ＲＨ６０％の恒温
恒湿槽に保管し、２日後分光測定を行ない、次いで２０
０℃乃至５００℃の温度範囲で熱処理を行なった。続い
て、同様に２５℃、Ｒ）１６０％の雰囲気中で保管し、
中心波長の経時変化を追跡した。この結果を第６図に示
す。第１図と比較して明らかなように、蒸着後、経時変
化の飽和するまで待たなくとも、熱処理後、一定となる
中心波長の値は、飽和後、熱処理を行なった場合と、は
とんど同じである。

又、誘電体多層膜を熱処理することは、バンド・パス・
フィルタ以外のフィルタであるが、特開昭５８−１３７
８０９号公報に記載されてる。この場合の二酸化チタン
は、ルチル膜であるとしている。二酸化チタンの結晶系
としては、例えば、日本化学会編・新実験化学ＩＩ座８
［無機化合物の合成（１＞ＪＰ、２６９．（１９７９）
、丸善に知られるように、アナーターゼ、ルチル、プル
ツクカイトがある。この発明の発明者達によるＸ線回折
等を用いた詳細な研究によると、熱処理前並びに後共に
、二酸化チタン膜はアナーターゼであり、ルチルとは明
確に異なる。尚、二酸化シリコン膿はアモルファスであ
った（アモルファス・シリカ）。

又、第７図に示す如く、熱処理によって移動可能な量は
、バンド・パス・フィルタ０．８１−帯では、短波長側
へ１４ｎｍ以内の値である。波長帯が長波長になるに従
い、熱処理によって移動する量も大きくなる。

この実施例では、０．８１ｕ１ｎ帯を例にとり詳ｊボし
たが、他の波長帯のバンド・パス・フィルタついても、
図示しないが、第６図に示すものとほぼ同様な経時変化
を示す。１゜３ｍ帯のバンド・パス・フィルタで、短波
長側への移動量は２５ｎｍ以内である。従って、熱処理
前の経時変化後の飽和値で、中心波長の規格値の長波長
側上限値より、長波長側２５ｎｍ以内（１，３ＪＪＪｒ
ｔ帯で）にあれば、熱処理によって中心波長が制御可能
である。

又、この発明では、二酸化チタン膜形成時の酸素圧力を
１Ｘ１０→Ｔｏｒｒとした。例えばバンド・パス・フィ
ルタ１．３ｐ１帯のものでは、分光特性の阻止域減衰愚
の値を大きくするため、即ち、二酸化チタン膜の屈折率
を大きくするため、導入酸素圧力を低く、例えば５ｘ１
０４Ｔｏｒｒ程度にする必要がある。この時、二酸化チ
タン膜の還元のため、得られるバンド・パス・フィルタ
がしばしば吸収性のあるやや黒色に着色し、分光特性と
しては第５図に示す通過帯での透過率が、例えば８０％
程度に下がることがある。しかし、この発明による熱処
理を施せば、２００℃以上において、吸収性のあるやや
黒色に着色したフィルタから透明なフィルタとなり、通
過帯での透過率も例えば９５％程度に回復するという効
果もある。

尚、上記実施例においては、誘電体多層膜として、光合
分波器用の２３１１１．５キャビティを有するバンド・
パス・フィルタを例にとり詳述したが、この発明は他の
構成のバンド・パス・フィルタに対しても適用出来るの
は、勿論である。。

又、この発明は、バンド・パス・フィルタ以外でも、高
精度の波長精度が要求される誘電体多層膜、例えば高精
度でカット・オフ波長が要求される長波長域通過フィル
タ型や短波長域通過フィルタ型の誘電体多層膜にも適用
出来る。

又、高温での熱処理や、膜の機械的な強度に対しては、
誘電体多層膜躾が形成された基板の大きさは、小さいほ
ど耐久性がある。即ち、例えば予め直径３０ｍｍ程度の
基板に予め多層膜を形成しておき、８ｍｍ角以下、例え
ば５ｍｍ角の寸法に切断した後、熱処理を施す方が、直
径３Ｑｍｍのものを熱処理した後、切り出すよりも効果
がある。

尚、８ｍｍ角以下の寸法であれば、丸でも良い。

又、上記実施例では、熱処理の雰囲気は、大気中で行な
ってた場合につき述べたが、他の酸化性雰囲気中、例え
ば酸素雰囲気中でも良い。

又、上記実施例では、蒸着後の保管環境として、２５℃
、ＲＨ６０％の雰囲気を用いた場合につき述べたが、空
温で大気中に放置しておいても良いし、高温中、例えば
ＲＨ９０％の雰囲気で保管し、飽和時間を加速しても良
い。

又、この発明の実施に当っては、誘電体多層膜積層後の
分光特性の経時変化及び各種温度における熱処理後の経
時変化を、種々の波長帯毎に予め求めておくと良い。

更に、この発明によれば、熱処理により分光特性を短波
長側にずらすことが出来るので、誘電体多層膜の積層は
、積層後の経時変化の飽和後の特性が所望する所定の波
長よりも多少長波長側となるように、形成すると良い。

これにより、熱処理によって所定の分光特性を満足する
良品を多数得ることが出来、歩留りが向上する。

［発明の効果］ この発明によれば、例えば光合分波器用バンド・パス・
フィルタのように、波長精度の規格値範囲が高精度で厳
しいものに対して、熱処理前で規格範囲から長波長側へ
はずれても、熱処理により規格内に納めることが出来、
この結果、歩留り向上に貢献する。又、熱処理により通
過帯域の透過率の向上し、躾の吸収がほとんどない透明
な、高性能の誘電体多層膜が提供出来る。

２、図面のｌｌ！Ｉ１１な説明 第１図はこの発明の一実施例に係る誘電体多層膜の製造
方法により得られるバンド・パス・フィルタ０．８１１
ＪＩｎ帯の蒸着後の中心波長の経時変化を示す特性曲線
図、第２図はこの発明で用いる電子ビーム蒸着装置を示
す概略断面図、第３図及び第４図は貼合せた後のバンド
・パス・フィルタの分光特性を示す特性曲線図、第５図
及び第６図は貼合せる前のバンド・パス・フィルタの分
光特性を示す特性曲線図、第７図は熱処理後の飽和中心
波長の熱処理依存特性を示す特性曲線図、第８図はバン
ド・パス・フィルタ０．８１ｕＩｎ帯の蒸ＩＩＩの経時
変化途中で熱処理をした場合の熱処理前並びに熱処理後
の中心波長の経時変化を示す特性曲線図ある。

１１．１２．１３・・・モニタ基板、２０・・・真空槽
、２２．２３．２４・・・製品となる基板、３０・・・
蒸着材料、３１・・・光源、３２・・・受光素子、３３
・・・ルツボ、３４・・・電子銃。

出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 黙処理基慮　ｋ 第７閏 ４景大　（ｄＢ） ４１大（ｄＢ） 立ゑ￥（”／、　） 手続補正書団式） ４−鴨６．，１６８

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に、少なくとも任意の層数の二酸化チタン
   と二酸化シリコンの交互層を積層形成する誘電体多層膜
   の製造方法において、 上記積層終了後、酸化性雰囲気中において熱処理を行な
   い分光特性の調整を行なうことを特徴とする誘電体多層
   膜の製造方法。
2. （２）上記熱処理は、恒温恒湿雰囲気中において所定時
   間保管した後、上記交互層の経時変化終了後の分光特性
   を予知して行なうことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の誘電体多層膜の製造方法。
3. （３）上記所定時間が積層後、一日以上経過後であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の誘電体多層
   膜の製造方法。
4. （４）上記熱処理は、大気中、あるいは恒温恒湿雰囲気
   中、あるいは高湿雰囲気中において、上記交互層の分光
   特性の経時変化終了を飽和させた後、行なうことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の誘電体多層膜の製造
   方法。
5. （５）上記基板がガラス基板であり、上記熱処理の温度
   が３００乃至５００℃の範囲にあることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項乃至第４項記載の誘電体多層膜の製
   造方法。
6. （６）上記交互層を積層した基板を、８ｍｍ角の寸法以
   下に切断した後、上記熱処理を行なうことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項乃至第５項記載の誘電体多層膜の
   製造方法。
7. （７）上記誘電体多層膜がバンド・パス・フィルタであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第６項記
   載の誘電体多層膜の製造方法。
8. （８）上記熱処理前の中心波長が、所望の中心波長より
   長波長側へ位置している場合、上記所望の中心波長の値
   並びにそれからの差異に応じて上記熱処理の温度を選定
   することを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の誘電
   体多層膜の製造方法。
9. （９）上記バンド・パス・フィルタの基本膜構成が、層
   数２３層、５キャビティであることを特徴とする特許請
   求の範囲第７項及び第８項記載の誘電体多層膜の製造方
   法。
10. （１０）上記熱処理前の中心波長の経時変化後の飽和値
    が、所望の中心波長の規格値の長波長側上限値より、長
    波長側２５ｎｍ以内にあることを特徴とする特許請求の
    範囲第８項記載の誘電体多層膜の製造方法。
11. （１１）上記二酸化チタンがアナターゼであり、上記二
    酸化シリコンがアモルファス・シリカであることを特徴
    とする特許請求の範囲第１項記載の誘電体多層膜の製造
    方法。