TWI405999B - Optical element and optical element manufacturing method - Google Patents

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Description

光學元件及光學元件之製造方法
本發明，係關於在基板上成膜介電膜等薄膜所形成之光學元件、以及該光學元件之製造方法。
使用於光通訊等之干涉濾光器或抗反射膜等光學元件，係於厚度為1mm以下的玻璃上形成多層之薄膜，利用多層薄膜中之光的干涉使其具有所要求之光學特性。
如此之光學元件，例如，係於50mm見方、厚度約0.3mm之玻璃基板(BK7)上，交互積層低折射率物質SiO2 、與高折射率物質Nb2 O5 、Ta2 O5 、TiO2 、ZrO2 、HfO2 等薄膜(各薄膜單體的厚度，典型係數十nm~數百nm)所形成。又，亦有將如Al2 O3 之具有介於低折射率物質薄膜與高折射率物質薄膜之中間折射率的薄膜，適當置於該等低折射率物質與高折射率物質之間的膜構造之多層薄膜。
成膜時，常使用濺鍍法或離子束助鍍法。成膜完成後，將表面具有多層薄膜的基板，冷卻至常溫，並以切割機等切割成既定之大小，以作為光學元件使用。
於製造該光學元件時，由於多層薄膜之壓縮應力的影響會有基板發生翹曲的問題。於此場合，所謂壓縮應力，係指將多層薄膜成膜側的基板面拉伸的應力，因此，成膜後的基板，成膜有多層薄膜之側會變形為凸起狀。該壓縮應力，在Nb2 O5 時推測為50~150MPa，而在SiO2 時則推測為150~350MPa。
若該基板的變形超過容許限度，則以切割機等進行切割時會變得困難，且於處理中會產生破損等問題。又，會有所切割出的光學元件其表面不平坦之問題發生之情形。若切割出的光學元件其表面不平坦時，隨入射於該光學元件之光的位置會使光學特性改變，或將該等微小之光學元件加以排列、並挾持於玻璃等其他光學元件之間時，會有表面凹凸，而導致無法順利進行接著等問題。
本發明係鑑於上述情形而完成者，其課題在於提供一種成膜完成後之變形少、切割等之處理較為容易，且光學特性良好之光學元件及該光學元件之製造方法。
用以解決上述課題的第1手段，係於基板上成膜具有壓縮應力之薄膜所形成之光學元件，其特徵在於，該基板係使用具有較該薄膜的線膨脹係數更小的線膨脹係數之厚度為0.8mm以下的材料。
一般而言，薄膜之成膜，係以濺鍍法或離子束助鍍法來進行，而該等皆以高溫進行。因此，基板，若使用具有較薄膜的線膨脹係數更小的線膨脹係數之材料，當成膜完成後回復至常溫時，薄膜收縮的收縮量會大於基板的收縮量。藉此，薄膜的壓縮應力、與因溫度下降而於基板與薄膜間所產生的熱應力會相抵消，因此於成膜完成後基板回復至常溫之狀態時，可使因薄膜的壓縮應力所產生的基板變形量變小。若基板的厚度為0.8mm以上時，由於因膜應力所造成之變形變小，本手段的效果亦隨之變小，因此基板的厚度限定為0.8mm以下。
若使基板的厚度，依序遞減為0.7mm、0.6mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.2mm、0.1mm，則本手段的效果隨之變大。又，本手段，並非僅限於以濺鍍法或離子束助鍍法來形成薄膜。
用以解決上述課題的第2手段，係如該第1手段，其中，該薄膜的厚度與該基板的厚度比為1：80~3：1。
於基板上成膜介電膜等薄膜所形成之光學元件，其薄膜的厚度大致為10μm~30μm。又，基板的厚度為10μm~0.8mm。藉此，當薄膜的厚度與基板的厚度比於1：80~3：1之間時，該第1手段的效果特別大。
用以解決上述課題的第3手段，係如該第1手段或第2手段，其中該薄膜，係具有多層膜構造。
該第1手段、第2手段，亦可為形成干涉濾光器等之多層膜構造，若積層數愈多，則愈容易實現多樣的分光穿透率特性，但另一方面，薄膜本身的應力亦變大，因此當薄膜具有多層膜構造時，藉由使用該第1手段、第2手段所得之效果特別大。
用以解決該課題的第4手段，係如該第1手段~第3手段之任一者，其中該材料為石英。
一般而言，薄膜的線膨脹係數，約為50×10－ 7 /K左右。相對於此，石英的線膨脹係數為小一位數，約5×10－ 7 /K左右，因此若使用其作為該第1手段或第2手段的材料，則效果特別大。
用以解決該課題的第5手段，係一種包含於基板上將具有壓縮應力之薄膜加以成膜之步驟的光學元件之製造方法，其特徵在於，該基板，係使用具有較該薄膜的線膨脹係數更小的線膨脹係數之厚度為0.8mm以下的材料，將成膜溫度控制成，當成膜完成後，將表面形成有薄膜之該基板回復至常溫時，該基板的變形能在容許範圍內。
如上述，若使用具有較薄膜的線膨脹係數更小的線膨脹係數之材料作為基板時，則薄膜之壓縮應力會與熱應力相抵消，因此可使常溫下基板的變形變小。將基板回復至常溫時之熱應力的大小，係隨成膜中基板的溫度變高而變大，因此只要調節成膜中基板的溫度，即可使薄膜之壓縮應力與熱應力相抵消，而可將基板回復至常溫時之變形量減小。又，將基板的厚度限定為0.8mm以下之理由與第1手段相同。隨著基板的厚度遞減為0.7mm、0.6mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.2mm、0.1mm，本手段的效果亦隨之變大。
用以解決該課題的第6手段，係如該第5手段，其中，該薄膜的厚度與基板的厚度比為1：80~3：1。
用以解決該課題的第7手段，係如該第5手段或第6手段，其中該薄膜，係具有多層膜構造。
用以解決該課題的第8手段，係如該第5手段~第7手段之任一者，其中該材料為石英。
藉由本發明，可提供一種成膜完成後之變形少、切割等之處理較為容易，且光學特性良好之光學元件及該光學元件之製造方法
以下，使用圖式來說明本發明之實施形態之例。圖1，係用以說明本發明之實施形態之1例的光學元件其製造方法之圖。於石英製之基板1(約50mm見方、厚度約0.3mm)之表面，使用濺鍍裝置，將SiO2 薄膜2與Nb2 O5 薄膜3交互成膜合計約100層而形成多層光學薄膜4。該多層光學薄膜4之厚度約為30μm。
基板1，除石英以外，可使用如小原光學股份有限公司製之古里亞西拉姆Z(Clearceram－Z)、首德公司製之傑羅托亞(Zerodur)、康寧公司製之百雷克斯(Virex)玻璃、首德公司製之鐵帕克斯(Tempax)玻璃等線膨脹率小的光學材料。
多層光學薄膜4之線膨脹係數，約50×10－ 7 /K(Nb2 O5 之線膨脹率為6.5×10－ 5 /K、SiO2 之線膨脹率為4~5×10－ 5 /K)。以往玻璃(BK7)之線膨脹係數為約75×10－ 7 /K，由於較多層光學薄膜4之線膨脹係數大，因此將成膜後之基板1回復至常溫時，壓縮應力與熱應力會朝同方向作用，而使基板1的變形進一步擴大。
本實施形態中，由於基板1之線膨脹係數較多層光學薄膜4之線膨脹率小，因此將基板1由一般為200℃左右之成膜狀態回復至常溫時，多層光學薄膜4的應縮應力會與因溫度下降所產生的熱應力相抵消，而減輕基板1的變形(翹曲)。因此，將基板1以切割機等進行切割時，加工容易、破損少、且可使所切割出之光學元件的面精度提升。
又，於多層光學薄膜4形成時，在不妨礙成膜條件的範圍內，調節成膜溫度，藉此調節將基板1回復至常溫時之熱應力，其結果，可減小常溫狀態下基板1之變形。該方法，例如，於決定基板1之材料後，只要改變成膜溫度進行成膜，之後找出將基板1回復至常溫狀態時之變形量最小的成膜溫度，而以該溫度進行成膜即可。
又，當成膜溫度有限制時，例如，只要改變基板1之材料，以既定的成膜溫度進行成膜，之後找出將基板1回復至常溫狀態時之變形量最小的基板1之材料，而使用該材料作為基板1之材料即可。
構成本發明所使用之薄膜的物質，除SiO2 、Nb2 O5 之外，亦可使用Ta2 O5 、TiO2 、ZrO2 、HfO2 、Al2 O3 等在成膜時會產生壓縮應力的材料。
(實施例)
如圖1所示，係使用50mm見方、厚度0.3mm之石英作為基板，於其表面，以濺鍍裝置，將51層SiO2 、與50層Nb2 O5 交互成膜。成膜溫度約200℃。1層SiO2 的平均厚度為150nm左右、1層Nb2 O5 的平均厚度為250nm左右。如此方式所形成之多層光學薄膜4的厚度約20μm。
觀測於成膜中之基板1的翹曲量，結果為約1.1mm。成膜完成後，將基板回復至常溫時，基板1之翹曲量改善至0.5mm。
以切割機將該基板進行裁切，藉此切割出複數之厚度0.3mm、邊長8mm×0.3mm的光學元件。將該等元件挾持於波導管中使用時，可無問題地嵌入形成在波導管之溝槽。又，可得到所要求之光學特性。
(比較例)
基板1除使用玻璃(BK7)之外，以與實施例同樣的方法製造光學元件。
觀測於成膜中之基板1的翹曲量，結果為約0.9mm。成膜完成後，將基板回復至常溫時，基板1之翹曲量惡化至1.4mm。亦即，約為實施例之翹曲量的3倍。
以切割機將該基板進行裁切，藉此切割出複數之厚度0.3mm、邊長8mm×0.3mm之光學元件。將該等元件挾持於波導管中使用時，無法嵌入形成於波導管之溝槽。又，亦無法得到所要求之光學特性。其係推測起因於因表面之翹曲而造成入射角改變之故。
1．．．基板
2．．．SiO2 薄膜
3．．．Nb2 O5 薄膜
4．．．多層光學薄膜
圖1，係用以說明本發明之實施形態之1例的光學元件之製造方法之圖。
1．．．基板
2．．．SiO2 薄膜
3．．．Nb2 O5 薄膜
4．．．多層光學薄膜

Claims (4)

  1. 一種光學元件，係於基板上將具有壓縮應力之薄膜加以成膜所形成者，其特徵在於，該基板係使用具有較該薄膜的線膨脹係數更小的線膨脹係數之厚度為0.8mm以下的材料，該薄膜的厚度與該基板的厚度比為1：80至3：1之間，該薄膜的厚度為10μm~30μm，該材料為石英。
  2. 如申請專利範圍第1項之光學元件，其中，該薄膜具有多層膜構造。
  3. 一種光學元件之製造方法，係包含於基板上將具有壓縮應力之薄膜加以成膜的步驟，其特徵在於，該基板係使用具有較該薄膜的線膨脹係數更小的線膨脹係數之厚度為0.8mm以下的材料，該薄膜的厚度與該基板的厚度比為1：80至3：1之間，該薄膜的厚度為10μm~30μm，該材料為石英，將成膜溫度控制成，當成膜完成後，將表面形成有薄膜之該基板回復至常溫時，該基板的變形能在容許範圍內。
  4. 如申請專利範圍第3項之光學元件之製造方法，其中，該薄膜具有多層膜構造。
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