(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高屈折率と低屈折率の材料とを交互に積層したミラー層と、スペーサー層を挟んで対称となる様にミラー層を設けたキャビティーを複数有する、光合分波器に用いられる薄膜フィルターであって、光学薄膜の稜線は基台の稜線より基台中心側に位置し、該光学薄膜の形状が多角錘台であることを特徴とする光合分波器用薄膜フィルター。
【請求項２】
多角錐台の形状を有する光学薄膜の基台と接した下面から光学薄膜の厚みの１／１０までの部分の斜面角度は６度以上６０度以下であることを特徴とする請求項１に記載の光合分波器用薄膜フィルター。
【請求項３】
多角錐台の形状を有する光学薄膜の斜面は、ドライエッチングで形成された面であることを特徴とする請求項１及び２に記載の光合分波器用薄膜フィルター。
【請求項４】
基板上に全面光学薄膜を形成する工程、光学薄膜にドライエッチング用マスクを設ける工程、ドライエッチング用マスク非覆部をドライエッチング行ない光学薄膜を多角錐台の形状に形成する工程、砥石等で切断する基板の切断しろを露出させる工程、ドライエッチング用マスクを除去する工程、基板が露出した切断しろ部を砥石等で切断し素子を形成する工程を有することを特徴とする光合分波器用薄膜フィルターの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＷＤＭ(高密度多重伝送システム)に用いられる光合分波器用薄
膜フィルターおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光合分波器用薄膜フィルターは特定波長の光のみを透過し、透過帯域の前後の波長の光を反射するように設計されている。特に高密度多重伝送の場合、透過帯域に近接する次の透過帯域の波長が近くなるので不透過領域から透過領域への遷移は可能な限り急峻にする必要がある。このような光学特性を達成するために、薄膜フィルターは基台上に高い屈折率と低い屈折率の材質の層を交互に１／４波長の光学膜厚で積層したミラー層と、１／２波長の整数倍の光学膜厚を持つ空孔（スペーサー層）を挟んで対称となる様に再度ミラー層を設けキャビティーを形成し、このように設計されたキャビティーをさらに４ないし５層組み合わせて繰り返し積層する。光学膜厚とは、物理的測定される膜厚にその材質の屈折率を掛け合わせたものである。一般的には低い屈折率の材質として二酸化珪素（ＳｉＯ２）を用い、高い屈折率の材質としては、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）等が用いられている。
【０００３】
高密度多重伝送用で、透過帯域が０．８（ｎｍ）の２００ＧＨｚ用の光合分波器用薄膜フィルターにおいては、ミラー層とスペーサー層の総数は約９０の光学薄膜多層構成であったが、透過帯域が更に狭い１００ＧＨｚ用では百数十層の光学薄膜多層構成となっている。積層した膜の総厚みは３０μｍ以上になるため膜の残留応力は大きなものとなってしまう。基板を切断して素子にするには、基板と基板上に設けられた多層の光学薄膜を同時に切断する必要がある。基板と光学薄膜を同時に切断すると、光学薄膜の稜部の欠けが発生するだけでなく、微細なクラックが発生してしまう。また、基板と光学薄膜の境界面にも微細なクラックが発生した。この様な欠けやクラックの発生は、光合分波器用薄膜フィルターの光学特性を損なうものである。また、光合分波器用光学薄膜フィルターの使用環境は、氷点下から高温域に及ぶため、温度変化によって基台と光学薄膜の境界面のクラックが進行し、最悪、基台と光学薄膜が剥がれてしまうと言うような問題になることがある。
【０００４】
図６に、従来の光合分波器用薄膜フィルターの斜視図を示す。基台２と光学薄膜１は砥石で同時に切断されているため、欠け４やクラック５が発生している。欠け４は数μｍから数１００μｍ、クラック５も数１０μｍから数１００μｍ以上光学薄膜に欠陥を与えていた。光は入射する径ｄ内に欠けやクラックが生じると光合分波器用薄膜フィルターとしての性能が得られないため、基台２の外寸ｗは光径ｄとクラック長さや欠け長さを加えた寸法とする必要があった。このため、一枚の基板から取れる基台の数が減少すると言う問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、光学薄膜が設けられた基板を切断し光合分波器用薄膜フィルター素子を得る際、光学薄膜の残留応力に起因する膜の剥がれやチッピング等の欠陥を防止し、使用環境温度変化時、基台と光学薄膜間の熱膨張差による応力が生じても、基台と光学薄膜の界面にクラック等の欠陥が生じ難い信頼性の高い光合分波器用薄膜フィルターを提供することと、基板からの光合分波器用薄膜フィルターの取れ数を増加することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光合分波器用薄膜フィルターは、高屈折率と低屈折率の材料とを交互に積層したミラー層をスペーサー層を挟んで対称となる様にミラー層を設けたキャビティーを複数有する、光合分波器に用いられる薄膜フィルターであって、光学薄膜の稜線は基台の稜線より基台中心側に位置し、該光学薄膜の形状が多角錘台であることを特徴とするものである。
以  上
【０００７】
多角錐台とは、三角錐台からｎ角錐台で円錐台を含むものである。また、ｎ角錐台の角部を円弧にしたような、つまり角部をｒ付けした形状も含むものである。多角錐台の形状とは多角を持つ上面と同数の角数を有する下面および斜面よりなる形状で、上面より下面の面積が大きいものである。本発明では、基台と接する光学薄膜面を下面、反対面を上面としている。上面の対角線寸法は、入射光径より大きいことが重要である。このことから最も上面が最小面積となるのは円形である。
【０００８】
本発明の光合分波器用薄膜フィルターの、基台形状は下面形状の相似形に限定されるものではない。基台形状が四角で光学薄膜が円錐台や三角錐台、ｎ角錐台でも良いものである。基台形状は、基板を砥石等で切断するので、三角形か四角形が好ましいものである。基台は、透過領域波長近傍で光の吸収を起さないことが重要であり、一般にソーダ系ガラス等の材料を用いることができる。
【０００９】
多角錐台の斜面は、一つ以上の平面または、曲面から構成されており、平面と曲面の組合せでも構わないものである。曲面も凹面、凸面の形状でも良いが、基台と光学薄膜が接する部位近傍は、平面もしくは凹面の方が基台と光学薄膜が剥がれ難い点で有利である。
【００１０】
本発明の光合分波器用薄膜フィルターは、多角錐台の形状を有する光学薄膜の基台と接した下面から光学薄膜の厚みの１／１０までの部分の斜面角度は６度以上６０度以下であることを特徴とするものである。
【００１１】
光学薄膜の斜面は、材質の異なる高い屈折率と低い屈折率の層を交互に積層した構造となっており、ドライエッチングでエッチング加工した場合、材質によるエッチング速度の違いからミクロ的には階段状になっている。斜面角度はこの階段状の頂点を繋いで斜面とし、基台と斜面のなす角度で規定している。前記光学薄膜の厚みの１／１０までと規定するのは、下面の面積を最小限にするためである。厚み全域を対象とした場合、低角度では下面が大きくなり過ぎるためである。下面の１／１０より上面方向領域の斜面角度θ’は９０度以下であれば良いものである。
【００１２】
斜面角度を小さくするほど、光学薄膜端部近傍の膜厚は薄くなり膜自体の剛性が低下するため変形し易くなり基台との応力が緩和され、温度変化に対し基台と光学薄膜が剥がれ難くなる。このため斜面角度θの上限は６０度とした。斜面角度が６度以下となると下面が大きくなるため、基板から取れる素子の数が減ってしまうためである。
【００１３】
本発明の光合分波器用薄膜フィルターの多角錐台の形状を有する光学薄膜の斜面は、ドライエッチングで形成された面であることを特徴とするものである。ドライエッチングとは、砥石等による機械的な加工や、エッチング液による化学エッチング法ではなく、エッチングガスや原子によって加工することを言う。具体的には、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、イオンミリング等を用いることが出来る。反応性イオンエッチングは、特定のガスと光学薄膜を構成している材質が化学反応を起こして蒸発し易い化合物になり、気化することで膜をエッチングすることである。このような加工は原子あるいは分子単位の加工であるので、砥石切断の場合のように物理的衝撃破壊による欠けやクラックが起こらない。イオンミリングの場合は加速されたアルゴン原子等を光学薄膜に衝突させ、その衝撃で、光学薄膜を分子単位で破壊し、飛散させることによりエッチングするものである。
【００１４】
本発明の光合分波器用薄膜フィルターは、基板上に全面光学薄膜を形成する工程、光学薄膜にドライエッチング用マスクを設ける工程、ドライエッチング用マスク非覆部をドライエッチング行ない光学薄膜を多角錐台の形状に形成する工程、砥石等で切断する基板の切断しろを露出させる工程、ドライエッチング用マスクを除去する工程、基板が露出した切断しろ部を砥石等で切断し素子を形成する工程を有することを特徴とするものである。
【００１５】
基板を真空成膜装置内に設置し、その一方の面に、高い屈折率を持つ二酸化珪素と低い屈折率を持つ五酸化タンタル等の層を交互に１／４波長の光学膜厚で製膜し積層したミラー層と、１／２波長の整数倍の光学膜厚を持つ空孔（スペーサー層）として二酸化珪素や五酸化タンタル等を挟んで対称となる様に再度ミラー層を設けキャビティーを形成する。さらにキャビティーを４ないし５層繰り返し積層を行ない、光学薄膜を基板上に形成する。
【００１６】
次に、ドライエッチング用マスクを設ける。マスクとしては、フォトリソグラフィー技術を用い作製することが好ましい。フォトレジストを光学薄膜全面に塗布し、露光、現像を行ない、フォトレジストマスクを作製する。金属を製膜して同様にマスクを作ることも出来るが、ドライエッチング後のマスク除去等の容易さからフォトレジストを用いることが良いものである。
【００１７】
次にフォトレジスト非覆部をドライエッチングし、光学薄膜を所定の形状に切断する。反応性イオンエッチングを用いた場合は、光学薄膜のみをエッチングすることが出来るので、基板までエッチングされることはない。イオンミリングを用いると、光学薄膜だけでなく基板も削られてしまうので、イオンミリングの作業時間を制御する必要がある。基板も僅か削ることはなんら問題の無いものである。イオンミリングを行なうときは、原子入射方向に対し基板を一定角度傾け、更に基板を回転させることで光学薄膜の多角錐台の斜面角度を制御することができる。基板を切断して基台にする切断しろ部分は、光学薄膜が全て除去された状態にすることが、砥石等で切断するとき欠けやクラックの発生を防ぐ上で重要である。
【００１８】
基板上の光学薄膜を多角錐台の形状に加工した後、マスクを除去すると多角錐台の形状をした光学薄膜が基板上に多数配された状態となる。光学薄膜が除去された切断しろに沿って砥石切断することで、基台に多角錐台の形状をした光学薄膜を有する光合分波器用薄膜フィルターが得られる。従来は、光学薄膜と基板を同時に切断するため、各々の材料に適した切断条件を適用できず、総合的に欠けやクラックの発生が少ない砥石や加工条件を適用せざるを得なかった。本発明では、砥石で切断するのは基板のみであるので、基板に最適な砥石の砥粒材や粒径、切断速度を選択できる。その結果、基板を砥石で切断した場合の基板の欠け、クラック幅は数μｍ以下になり、基板の欠けやクラックが光学薄膜に与える光学的な影響もない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照しながら本発明の実施形態に付いて詳細に説明する。図１は、本発明の光合分波器用薄膜フィルターの一実施態様の斜視図である。図２は、本発明の光合分波器用薄膜フィルターの断面図である。符号は、判り易いように同一部位には同符号を用いている。図１に示すように光合分波器用薄膜フィルター３は、四角錐台の形状をした光学薄膜１とガラスよりなる基台２により構成されている。四角錐台の光学薄膜の下面陵部は、基台の陵部とは同一部位には構成されていない。つまり、基台面積より光学薄膜下面の面積が小さいものである。図２に図１のｘ−ｘ断面を示す。図２ａ）に断面全体を、図２ｂ）に端部拡大を示している。光学薄膜１の厚みをＴとして、基台よりＴ／１０の位置での光学薄膜斜面の角度をθとしている。θは６度以上６０度以下である。θ’は４５度以上９０度以下とした。図中に記載した光学薄膜１は多層膜であるが本説明では各層を図示せず一体の膜として説明する。
【００２０】
図３は、本発明の光合分波器用薄膜フィルターの他の実施態様例の斜視図である。図３ａ）は、円錐台の光学薄膜１と四角の基台２、図３ｂ）は、六角錐台の光学薄膜１と四角の基台２、図３ｃ）は、四角錐台の角部を円弧にした光学薄膜１と四角形の基台２、図３ｄ）は、六角錐台の光学薄膜１と三角形の基台２で構成された光合分波器用薄膜フィルターである。基台２は砥石で基板を切断して形成するため、並行四辺形を含む四角形か三角形とし、光学薄膜１は多角錐台の組合せとすることが出来る。
【００２１】
次に本実施例で用いた製造方法に付いて図４を用いて説明する。まず、ガラス基板２’を準備する〔図４ａ）〕。基板２’を真空蒸着装置内にセットし、真空度１．２ｘ１０−２Ｐａで光学膜厚がλ／４となるように、低屈折率の膜は二酸化珪素を物理膜厚２６５ｎｍ、高屈折率の膜は五酸化タンタルを物理膜厚１８０ｎｍで交互に１５層製膜しミラー層を形成した。λ／２の３倍の光学膜厚となるように二酸化珪素を物理膜厚１５９０ｎｍ製膜し空孔（スペーサー層）を形成した。空孔を挟んで対称となる様に再度ミラー層を設けキャビティーを形成した。さらにキャビティーを４層繰り返し、積層総数１２４層の光学薄膜１’を作製した［図４ｂ）］。光学薄膜１’の面上にフォトレジストを１２μｍの厚さに塗布し、９０℃で硬化させたのち、コンタクトアライナーを用いてフォトレジストを露光、現像してドライエッチング用のマスクを形成した［図４ｃ］］。光学薄膜を反応性イオンエッチングにより選択的にエッチングし除去した［図４ｄ）］。反応性イオンエッチング装置は誘導結合プラズマ励起方式で、反応性ガスはテトラフロロメタン（ＣＦ４）とトリフロロメタン（ＣＨＦ３）、酸素（Ｏ２）の混合ガスを用い、約２４０分反応性イオンエッチングをおこなった。反応性ガスの圧力を変更することで、エッチングを等方性もしくは異方性とすることが出来る。反応性イオンエッチング作業の初期から中期は、ガス圧を５.３Ｐａとして異方性エッチングとし、反応性イオンエッチング作業の終期はガス圧を１３〜２０Ｐａで行ない等方性エッチングをおこない基板２’の表面が出るまでエッチングをおこなった。この様にガス圧を変更することで、図２に示した斜面角度θ’を８５度、θを３５度に制御した。
【００２２】
光学薄膜１’を四角錐台形状に切断したのち、ドライエッチング用マスクのフォトレジストをアセトンを用いて除去した〔図４ｅ）〕。四角錐台の形状をした光学薄膜１が碁盤目状に配された基板２’を切断砥石７を用い切り離し[図４ｆ）]、基台２上に四角錐台の形状の光学薄膜１を持つ光合分波器用薄膜フィルター３を得た〔図４ｇ）〕。切断はダイヤモンド砥石を用い、２５０ｍｍ／分の速度でおこなった。
【００２３】
本発明の光合分波器用薄膜フィルターの、斜面角度θと欠け、クラック発生の関係を図５に示す。基台、光学薄膜とも四角錐台の形状とし、斜面角度θを５．２度から８４．２度まで変化させた。図５で示した、θ’は８５度から８８度とした。光学薄膜端陵部と基台陵部の間隔は３から５μｍとした。光学薄膜に５μｍ以上の欠け、クラックが一つでも発生した光合分波器用薄膜フィルター数を、検査した光合分波器用薄膜フィルター数で除して百分率で表し、欠け、クラック発生率とした。検査した光合分波器用薄膜フィルター数は２９６５個である。θが６０度以下では光学薄膜には欠け、クラックいずれも発生していない。θが７０度で発生率は５．１％，８５度では１４．５％と欠け、クラックの発生率が著しく高くなった。θが８５度となるとθ’とほぼ同じ角度になっている。θとθ’が同じ角度でも基台と光学薄膜が接する角度θを規定することで、欠け、クラックの発生率を下げられると言うことが明らかになった。
【００２４】
欠け、クラックのなかったθが５度から８５度の合計５００個光合分波器用薄膜フィルターを、加熱冷却試験を行なった。−３０度で３０分保持したのち、５度／分の速度で８０度まで加熱し、３０分保持した後同様の温度勾配で−３０度まで冷却した。このサイクルを３０回行なったのち、欠け、クラックを検査した。傾斜角度θが７０度以下の光合分波器用薄膜フィルターには、加熱冷却試験で新たに欠け、クラックの発生はなかった。傾斜角度θが８５度の光合分波器用薄膜フィルターでは、４５個中３個に基台と光学薄膜間に剥がれた様なクラックが発生していた。このことからも、θを規定した本発明の光合分波器用薄膜フィルターは、過酷な温度環境下でも高い信頼性を示した。
【００２５】
上述したように、光学薄膜に従来片側より数百μｍ入っていた欠けやクラックをなくすことができた。本発明の光合分波器用薄膜フィルター基台２の外寸ｗは、光径ｄに光学薄膜の斜面の長さと基台の欠け幅数μｍを加えた程度まで小型化することが出来た。これにより基板から取れる光合分波器用薄膜フィルターの数は、約５％上げることができた。
【００２６】
【発明の効果】
以上で説明したように、光学薄膜をドライエッチングで多角錐台の形状に加工した後、基板のみを砥石で切断することで、光学薄膜の欠け、クラックの発生を防ぐことが出来、温度変化による新たな欠け、クラックの発生がない信頼性の高い光合分波器用薄膜フィルターを得ることが出来た。また、基板から光合分波器用薄膜フィルターの取れ数を多くすることができ、安価な光合分波器用薄膜フィルターを提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光合分波器用薄膜フィルターの一実施態様の斜視図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ断面を示す図である。
【図３】本発明の光合分波器用薄膜フィルターの他の実施態様例の斜視図である。
【図４】本発明の光合分波器用薄膜フィルターの製造工程を示す説明図である。
【図５】本発明の光合分波器用薄膜フィルターの傾斜角θと欠け、クラックの発生率の関係を示す図である。
【図６】従来の薄膜フィルターの斜視図である。
【符号の説明】
１  光学薄膜、１’  光学薄膜、２  基台、２’  基板、
３  光合分波器用薄膜フィルター、４  欠け、５  クラック、
６  ドライエッチング用のフォトレジストマスク、７  基板の切断用砥石。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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