JPWO2013151091A1 - 光学膜 - Google Patents
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Abstract
酸化チタン膜よりも高い屈折率を有する光学膜を提供する。光学膜は、アルミニウムチタン複合酸化物またはガリウムチタン複合酸化物からなる。アルミニウムチタン複合酸化物において、ＡｌとＴｉとの比（Ａｌ／Ｔｉ）は、原子比で１７／８３以下である。ガリウムチタン複合酸化物において、ＧａとＴｉとの比（Ｇａ／Ｔｉ）は、原子比で２０／８０以下である。アルミニウムチタン複合酸化物またはガリウムチタン複合酸化物は、ルチル構造の結晶を含む。
Description
本発明は、光学膜に関する。
従来、高い屈折率を有する光学膜としては、酸化チタン膜が用いられている。しかしながら、近年、反射防止膜等の膜数の低減や、高性能化が強く求められるようになってきており、それに伴い、酸化チタンの単体からなる酸化チタン膜（以下、実質的に酸化チタンのみからなる膜を「酸化チタン膜」とする。）よりも高い屈折率を有する光学膜が求められている。例えば、特許文献１には、酸化チタンに他の金属酸化物を添加した高屈折率誘電体膜が開示されている。
特許文献１に記載された高屈折率誘電体膜では、酸化チタン膜と同等の屈折率が実現されているものの、酸化チタン膜よりも高い屈折率を得ることは困難である。
本発明は、酸化チタン膜よりも高い屈折率を有する光学膜を提供することを主な目的とする。
本発明に係る光学膜は、ＡｌまたはＧａを含有するチタン複合酸化物からなり、ルチル構造の結晶を含む。
本発明の第１の局面に係る光学膜は、アルミニウムチタン複合酸化物からなる。アルミニウムチタン複合酸化物において、ＡｌとＴｉとの比（Ａｌ／Ｔｉ）は、原子比で１７／８３以下である。アルミニウムチタン複合酸化物は、ルチル構造の結晶を含む。
本発明の第２の局面に係る光学膜は、ガリウムチタン複合酸化物からなる。ガリウムチタン複合酸化物において、ＧａとＴｉとの比（Ｇａ／Ｔｉ）は、原子比で２０／８０以下である。ガリウムチタン複合酸化物は、ルチル構造の結晶を含む。
波長４００ｎｍにおける光学膜の屈折率が２．８以上であることが好ましい。
光学膜は、アモルファス領域を含んでいてもよい。
本発明によれば、酸化チタン膜よりも高い屈折率を有する光学膜を提供することができる。
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、以下の実施形態は、単なる一例であり、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されない。
（第１の局面の実施形態）
本実施形態に係る光学膜は、アルミニウムチタン複合酸化物からなる。アルミニウムチタン複合酸化物に含まれるＡｌとＴｉとの比（Ａｌ／Ｔｉ）は、原子比で１７／８３以下である。光学膜は、アルミニウムチタン複合酸化物のルチル構造の結晶を含む。このため、本実施形態に係る光学膜は、例えば波長４００ｎｍにおいて２．８以上という高い屈折率を有する。
本実施形態に係る光学膜は、アルミニウムチタン複合酸化物からなる。アルミニウムチタン複合酸化物に含まれるＡｌとＴｉとの比（Ａｌ／Ｔｉ）は、原子比で１７／８３以下である。光学膜は、アルミニウムチタン複合酸化物のルチル構造の結晶を含む。このため、本実施形態に係る光学膜は、例えば波長４００ｎｍにおいて２．８以上という高い屈折率を有する。
より高い屈折率を得る観点からは、アルミニウムチタン複合酸化物に含まれるＡｌとＴｉとの比（Ａｌ／Ｔｉ）は、原子比で２／９８〜１７／８３程度であることが好ましく、５／９５〜１２／８８程度であることがより好ましい。
光学膜は、アルミニウムチタン複合酸化物のルチル構造の結晶のみからなるものであってもよいが、アルミニウムチタン複合酸化物のアモルファス領域や、アルミニウムチタン複合酸化物のアナターゼ構造の結晶を含んでいてもよい。但し、より高い屈折率を得る観点からは、光学膜におけるアルミニウムチタン複合酸化物のルチル構造の結晶の占める割合が高い方が好ましい。
（第２の局面の実施形態）
本実施形態に係る光学膜は、ガリウムチタン複合酸化物からなる。ガリウムチタン複合酸化物に含まれるＧａとＴｉとの比（Ｇａ／Ｔｉ）は、原子比で２０／８０以下である。光学膜は、ガリウムチタン複合酸化物のルチル構造の結晶を含む。このため、本実施形態に係る光学膜は、例えば波長４００ｎｍにおいて２．８以上という高い屈折率を有する。
本実施形態に係る光学膜は、ガリウムチタン複合酸化物からなる。ガリウムチタン複合酸化物に含まれるＧａとＴｉとの比（Ｇａ／Ｔｉ）は、原子比で２０／８０以下である。光学膜は、ガリウムチタン複合酸化物のルチル構造の結晶を含む。このため、本実施形態に係る光学膜は、例えば波長４００ｎｍにおいて２．８以上という高い屈折率を有する。
より高い屈折率を得る観点からは、ガリウムチタン複合酸化物に含まれるＧａとＴｉとの比（Ｇａ／Ｔｉ）は、原子比で２／９８〜２０／８０程度であることが好ましく、１０／９０〜１８／８２程度であることがより好ましい。
光学膜は、ガリウムチタン複合酸化物のルチル構造の結晶のみからなるものであってもよいが、ガリウムチタン複合酸化物のアモルファス領域や、ガリウムチタン複合酸化物のアナターゼ構造の結晶を含んでいてもよい。但し、より高い屈折率を得る観点からは、光学膜におけるガリウムチタン複合酸化物のルチル構造の結晶の占める割合が高い方が好ましい。
（第１の局面及び第２の局面に共通の実施形態）
光学膜の厚みは、特に限定されないが、例えば、５ｎｍ〜１０００ｎｍ程度とすることができる。
光学膜の厚みは、特に限定されないが、例えば、５ｎｍ〜１０００ｎｍ程度とすることができる。
光学膜を、４２０℃以上の温度の基板上に成膜することが好ましく、４５０℃以上の温度の基板上に成膜することがより好ましい。光学膜を成膜する際の基板の温度を高めることにより、より高い屈折率を得ることが可能となる。この理由は定かではないが、光学膜に占めるアルミニウムチタン複合酸化物またはガリウムチタン複合酸化物のルチル構造の結晶の割合が高くなるためであると考えられる。
光学膜は、例えば、物理的堆積法等により成膜することができる。物理的堆積法の具体例としては、パルスレーザー堆積法、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法などが挙げられる。
基板としては、特に限定されず、例えば、ガラス、プラスチック、樹脂、フィルムなどが挙げられる。
以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
＜第１の局面＞
（実施例１）
［ターゲットの作製］
ＴｉＯ２（株式会社高純度化学研究所製、純度９９％）とＡｌ２Ｏ３（株式会社高純度化学研究所製、純度９９％）とを、原子比でＡｌ／Ｔｉ＝１０／９０となるように混合して、酸化物粉末１０ｇを得た。酸化物粉末１０ｇと２−プロパノール３０ｃｃとを部分安定化ジルコニア製の容器に入れ、遊星型ボールミル装置で１時間混合し、スラリーとした。スラリーを乾燥し、６４ＭＰａで一軸プレスした後、２５０ＭＰａの圧力で静水圧プレスし、１１５０℃で、３６時間、大気中で焼成して、ターゲットを得た。
（実施例１）
［ターゲットの作製］
ＴｉＯ２（株式会社高純度化学研究所製、純度９９％）とＡｌ２Ｏ３（株式会社高純度化学研究所製、純度９９％）とを、原子比でＡｌ／Ｔｉ＝１０／９０となるように混合して、酸化物粉末１０ｇを得た。酸化物粉末１０ｇと２−プロパノール３０ｃｃとを部分安定化ジルコニア製の容器に入れ、遊星型ボールミル装置で１時間混合し、スラリーとした。スラリーを乾燥し、６４ＭＰａで一軸プレスした後、２５０ＭＰａの圧力で静水圧プレスし、１１５０℃で、３６時間、大気中で焼成して、ターゲットを得た。
［光学膜の成膜］
次に、上記作製のターゲットを用い、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法により、以下の条件で、無アルカリガラス基板（日本電気硝子株式会社製のＯＡ−１０Ｇ、１５ｍｍ角、０．７ｍｍ厚）の上に光学膜を成膜した。
次に、上記作製のターゲットを用い、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法により、以下の条件で、無アルカリガラス基板（日本電気硝子株式会社製のＯＡ−１０Ｇ、１５ｍｍ角、０．７ｍｍ厚）の上に光学膜を成膜した。
雰囲気：酸素
雰囲気の圧力／１．５×１０−５Ｐａ以下
ターゲットと基板との距離／３５ｍｍ
成膜時の無アルカリガラス基板の温度／５００℃
レーザー／波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー（レーザーパワー／２００ｍＪ／パルス、レーザーの周波数／５Ｈｚ）
成膜時間／２０分
雰囲気の圧力／１．５×１０−５Ｐａ以下
ターゲットと基板との距離／３５ｍｍ
成膜時の無アルカリガラス基板の温度／５００℃
レーザー／波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー（レーザーパワー／２００ｍＪ／パルス、レーザーの周波数／５Ｈｚ）
成膜時間／２０分
得られた光学膜の厚みは、３９ｎｍであった。光学膜の組成とターゲットの組成を、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）により測定した。その結果、光学膜における組成とターゲット組成は、ほぼ同一であることが確認された。
［光学特性評価］
分子エリプソメトリーにより、波長４００ｎｍにおける光学膜の屈折率ｎを測定した。波長４００ｎｍにおける光学膜の屈折率は、図１に示されるように２．９８であった。なお、分子エリプソメトリーによる評価には、Ｈｏｒｉｂａ Ｊｏｂｉｎ Ｙｖｏｎ製のＡｕｔｏ ＳＥを用いた。
分子エリプソメトリーにより、波長４００ｎｍにおける光学膜の屈折率ｎを測定した。波長４００ｎｍにおける光学膜の屈折率は、図１に示されるように２．９８であった。なお、分子エリプソメトリーによる評価には、Ｈｏｒｉｂａ Ｊｏｂｉｎ Ｙｖｏｎ製のＡｕｔｏ ＳＥを用いた。
［電子線回折パターンの測定］
原子分解能分析電子顕微鏡（日本電子株式会社製のＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆ）を用いて、実施例１で得られた光学膜の電子線回折パターンを測定した。電子線回折パターンを図２に示す。図２に示されるように、実施例１で得られた光学膜には、ルチル型の結晶とアナターゼ型の結晶が含まれていることが確認された。また、光学膜には、アモルファス領域も存在していた。
原子分解能分析電子顕微鏡（日本電子株式会社製のＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆ）を用いて、実施例１で得られた光学膜の電子線回折パターンを測定した。電子線回折パターンを図２に示す。図２に示されるように、実施例１で得られた光学膜には、ルチル型の結晶とアナターゼ型の結晶が含まれていることが確認された。また、光学膜には、アモルファス領域も存在していた。
（実施例２）
ＴｉＯ２とＡｌ２Ｏ３とを、原子比でＡｌ／Ｔｉ＝５／９５となるように混合してターゲットを作製したこと以外は、実施例１と同様にして光学膜を成膜した。光学膜の厚みは、３７ｎｍであった。次に、実施例１と同様にして、光学膜の組成を測定し、光学特性を評価した。光学膜の屈折率は、２．９２であった。また、図示していないが、実施例１と同様に、実施例２で得られた光学膜には、ルチル型の結晶とアナターゼ型の結晶が含まれていることが確認された。
ＴｉＯ２とＡｌ２Ｏ３とを、原子比でＡｌ／Ｔｉ＝５／９５となるように混合してターゲットを作製したこと以外は、実施例１と同様にして光学膜を成膜した。光学膜の厚みは、３７ｎｍであった。次に、実施例１と同様にして、光学膜の組成を測定し、光学特性を評価した。光学膜の屈折率は、２．９２であった。また、図示していないが、実施例１と同様に、実施例２で得られた光学膜には、ルチル型の結晶とアナターゼ型の結晶が含まれていることが確認された。
（参考例１）
Ａｌ２Ｏ３を混合せずにターゲットを作製したこと以外は、実施例１と同様にして光学膜を成膜した。光学膜の厚みは、２１ｎｍであった。次に、実施例１と同様にして、光学膜の組成を測定し、光学特性を評価した。光学膜の屈折率は、２．８１であった。また、図示していないが、参考例１で得られた光学膜には、ルチル型の結晶は含まれておらず、アナターゼ型の結晶が含まれていることが確認された。
Ａｌ２Ｏ３を混合せずにターゲットを作製したこと以外は、実施例１と同様にして光学膜を成膜した。光学膜の厚みは、２１ｎｍであった。次に、実施例１と同様にして、光学膜の組成を測定し、光学特性を評価した。光学膜の屈折率は、２．８１であった。また、図示していないが、参考例１で得られた光学膜には、ルチル型の結晶は含まれておらず、アナターゼ型の結晶が含まれていることが確認された。
（参考例２）
ＴｉＯ２とＡｌ２Ｏ３とを、原子比でＡｌ／Ｔｉ＝２０／８０となるように混合してターゲットを作製したこと以外は、実施例１と同様にして光学膜を成膜した。光学膜の厚みは、３２ｎｍであった。次に、実施例１と同様にして、光学膜の組成を測定し、光学特性を評価した。光学膜の屈折率は、２．６９であった。また、図示していないが、参考例２で得られた光学膜には、ルチル型の結晶もアナターゼ型の結晶も含まれていないことが確認された。
ＴｉＯ２とＡｌ２Ｏ３とを、原子比でＡｌ／Ｔｉ＝２０／８０となるように混合してターゲットを作製したこと以外は、実施例１と同様にして光学膜を成膜した。光学膜の厚みは、３２ｎｍであった。次に、実施例１と同様にして、光学膜の組成を測定し、光学特性を評価した。光学膜の屈折率は、２．６９であった。また、図示していないが、参考例２で得られた光学膜には、ルチル型の結晶もアナターゼ型の結晶も含まれていないことが確認された。
（参考例３）
ＴｉＯ２とＡｌ２Ｏ３とを、原子比でＡｌ／Ｔｉ＝４０／６０となるように混合してターゲットを作製したこと以外は、実施例１と同様にして光学膜を成膜した。光学膜の厚みは、３１ｎｍであった。次に、実施例１と同様にして、光学膜の組成を測定し、光学膜の屈折率は、２．３９であった。また、図示していないが、参考例３で得られた光学膜には、ルチル型の結晶もアナターゼ型の結晶も含まれていないことが確認された。
ＴｉＯ２とＡｌ２Ｏ３とを、原子比でＡｌ／Ｔｉ＝４０／６０となるように混合してターゲットを作製したこと以外は、実施例１と同様にして光学膜を成膜した。光学膜の厚みは、３１ｎｍであった。次に、実施例１と同様にして、光学膜の組成を測定し、光学膜の屈折率は、２．３９であった。また、図示していないが、参考例３で得られた光学膜には、ルチル型の結晶もアナターゼ型の結晶も含まれていないことが確認された。
＜第２の局面＞
（実施例３）
［ターゲットの作製］
実施例１のターゲットの作製において、Ａｌ２Ｏ３に代えて、Ｇａ２Ｏ３（株式会社高純度化学研究所製、純度９９％）を用い、ＴｉＯ２とＧａ２Ｏ３とを、原子比でＧａ／Ｔｉ＝１０／９０となるように混合して、酸化物粉末を得た。これを用いて、実施例１と同様にしてターゲットを得た。
（実施例３）
［ターゲットの作製］
実施例１のターゲットの作製において、Ａｌ２Ｏ３に代えて、Ｇａ２Ｏ３（株式会社高純度化学研究所製、純度９９％）を用い、ＴｉＯ２とＧａ２Ｏ３とを、原子比でＧａ／Ｔｉ＝１０／９０となるように混合して、酸化物粉末を得た。これを用いて、実施例１と同様にしてターゲットを得た。
［光学膜の成膜］
次に、上記作製のターゲットを用い、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法により、以下の条件で、無アルカリガラス基板（日本電気硝子株式会社製のＯＡ−１０Ｇ、１５ｍｍ角、０．７ｍｍ厚）の上に光学膜を成膜した。
雰囲気：酸素
雰囲気の圧力／１．５×１０−５Ｐａ以下
ターゲットと基板との距離／５０ｍｍ
成膜時の無アルカリガラス基板の温度／５００℃
レーザー／波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー（レーザーパワー／２００ｍＪ／パルス、レーザーの周波数／５Ｈｚ）
成膜時間／２０分
次に、上記作製のターゲットを用い、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法により、以下の条件で、無アルカリガラス基板（日本電気硝子株式会社製のＯＡ−１０Ｇ、１５ｍｍ角、０．７ｍｍ厚）の上に光学膜を成膜した。
雰囲気：酸素
雰囲気の圧力／１．５×１０−５Ｐａ以下
ターゲットと基板との距離／５０ｍｍ
成膜時の無アルカリガラス基板の温度／５００℃
レーザー／波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー（レーザーパワー／２００ｍＪ／パルス、レーザーの周波数／５Ｈｚ）
成膜時間／２０分
得られた光学膜の厚みは、１３１ｎｍであった。光学膜の組成を、ＥＤＸで測定した。光学膜におけるＧａ量は、１５．６％であった。従って、光学膜におけるＧａ／Ｔｉは、１５．６／８４．４であった。従って、ガリウムチタン複合酸化物の場合、光学膜におけるＧａとＴｉの割合は、ターゲット組成に比較してＧａ量が増加していた。
［光学特性の評価］
実施例１と同様にして、分子エリプソメトリーにより、波長４００ｎｍにおける光学膜の屈折率ｎを測定した。波長４００ｎｍにおける光学膜の屈折率は、２．９８であった。
実施例１と同様にして、分子エリプソメトリーにより、波長４００ｎｍにおける光学膜の屈折率ｎを測定した。波長４００ｎｍにおける光学膜の屈折率は、２．９８であった。
（実施例４）
Ｇａ２Ｏ３とＴｉＯ２とを、原子比でＧａ／Ｔｉ＝５／９５となるように混合してターゲットを作製したこと以外は、実施例３と同様にして光学膜を成膜した。光学膜の厚みは１５７ｎｍであった。次に、実施例３と同様にして、光学膜の組成を測定した。光学膜の組成は、Ｇａ／Ｔｉが７．３／９２．７であった。また、実施例３と同様にして、光学特性を評価した。光学膜の屈折率は、２．８４であった。
Ｇａ２Ｏ３とＴｉＯ２とを、原子比でＧａ／Ｔｉ＝５／９５となるように混合してターゲットを作製したこと以外は、実施例３と同様にして光学膜を成膜した。光学膜の厚みは１５７ｎｍであった。次に、実施例３と同様にして、光学膜の組成を測定した。光学膜の組成は、Ｇａ／Ｔｉが７．３／９２．７であった。また、実施例３と同様にして、光学特性を評価した。光学膜の屈折率は、２．８４であった。
（参考例４）
Ｇａ２Ｏ３を混合せずにターゲットを作製したこと以外は、実施例３と同様にして光学膜を成膜した。光学膜の厚みは、１４３ｎｍであった。次に、実施例３と同様にして、光学特性を評価した。光学膜の屈折率は、２．８１であった。
Ｇａ２Ｏ３を混合せずにターゲットを作製したこと以外は、実施例３と同様にして光学膜を成膜した。光学膜の厚みは、１４３ｎｍであった。次に、実施例３と同様にして、光学特性を評価した。光学膜の屈折率は、２．８１であった。
（参考例５）
Ｇａ２Ｏ３とＴｉＯ２とを、原子比でＧａ／Ｔｉ＝２０／８０となるように混合してターゲットを作製したこと以外は、実施例３と同様にして光学膜を成膜した。光学膜の厚みは、１３９ｎｍであった。次に、実施例３と同様にして光学膜の組成を測定し、光学特性を評価した。光学膜の組成は、Ｇａ／Ｔｉ＝２６．３／７３．７であった。光学膜の屈折率は、２．６３であった。
Ｇａ２Ｏ３とＴｉＯ２とを、原子比でＧａ／Ｔｉ＝２０／８０となるように混合してターゲットを作製したこと以外は、実施例３と同様にして光学膜を成膜した。光学膜の厚みは、１３９ｎｍであった。次に、実施例３と同様にして光学膜の組成を測定し、光学特性を評価した。光学膜の組成は、Ｇａ／Ｔｉ＝２６．３／７３．７であった。光学膜の屈折率は、２．６３であった。
図３に、実施例３，４及び参考例４，５の光学膜におけるＧａの原子比と屈折率との関係を示す。図３に示すように、Ｇａを含み、かつＧａとＴｉとの比（Ｇａ／Ｔｉ）が２０／８０以下であるときに、参考例４のチタン酸化物より高い屈折率を示すことが分かる。
［Ｘ線回折パターンの測定］
実施例３，４及び参考例４，５で得られた光学膜について、Ｘ線回折パターンを測定した。Ｘ線回折パターンを図４に示す。図４に示されるように、実施例３及び４の光学膜は、２７．５度にルチル型結晶のピークが、ショルダーとして観察されている。従って、光学膜にはルチル型結晶が含まれていることが分かる。参考例４及び参考例５においては、このルチル型結晶のピークがほとんど認められなくなっている。
実施例３，４及び参考例４，５で得られた光学膜について、Ｘ線回折パターンを測定した。Ｘ線回折パターンを図４に示す。図４に示されるように、実施例３及び４の光学膜は、２７．５度にルチル型結晶のピークが、ショルダーとして観察されている。従って、光学膜にはルチル型結晶が含まれていることが分かる。参考例４及び参考例５においては、このルチル型結晶のピークがほとんど認められなくなっている。
Claims (5)
- ＡｌまたはＧａを含有するチタン複合酸化物からなり、ルチル構造の結晶を含む、光学膜。
- 原子比でＡｌ／Ｔｉが１７／８３以下であるアルミニウムチタン複合酸化物からなる、請求項１に記載の光学膜。
- 原子比でＧａ／Ｔｉが２０／８０以下であるガリウムチタン複合酸化物からなる、請求項１に記載の光学膜。
- 波長４００ｎｍにおける屈折率が２．８以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学膜。
- アモルファス領域を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学膜。
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