(57)【要約】【課題】低屈折率材料として一般的に用いられているケイ素酸化物の屈折率を、その屈折率の対環境性能を維持したまま低屈折率化を図る。【解決手段】反射防止フィルタなどの光学フィルタにおいて、基板１上に、ＳｉＯ２を主成分として含む層である（第１層，第３層，第５層）と，Ｔａ２Ｏ５（第２層，第４層）を交互に積層する構造とし、ＳｉＯ２層の少なくとも１つの層にホウ素を含有させることにより、屈折率を下げることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
珪素の酸化物を主成分とし、かつホウ素を含有する層を少なくとも１層備えたことを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
前記珪素の酸化物を主成分とする層と、タンタル，チタン，ニオブのいずれかの酸化物を主成分とする層とを交互に積層したことを特徴とする請求項１記載の光学デバイス。
【請求項３】
屈折率が１.４４以下である珪素の酸化物を主成分とする層を、少なくとも１層備えたことを特徴とする請求項１または２記載の光学デバイス。
【請求項４】
５層の薄膜から構成され、各層の厚みが１０ナノメートルから２００ナノメートルである光学デバイスであって、５層の膜厚の合計が１５０ナノメートルから４００ナノメートルであり、基板となる材料側から前記珪素の酸化物を主成分とする層と、前記タンタル，チタン，ニオブのいずれかの酸化物を主成分とする層とを交互に積層したことを特徴とする請求項１，２または３記載の光学デバイス。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項記載の光学デバイスを製造する方法であって、珪素を主成分とし、かつホウ素を含有し、抵抗率が０.１〜１０Ω・ｃｍであるターゲット材料を用い、真空チャンバ内にアルゴンガスと酸素ガスを導入し、前記ターゲット材料に直流または交流電圧を付加することによって、真空チャンバ内に配置された基板上に、珪素の酸化物を主成分とし、かつホウ素を含有する薄膜をスパッタリング法により形成することを特徴とする光学デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１層以上の薄膜で形成される光学デバイス、およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、反射防止フィルタや波長選択フィルタに代表される薄膜積層型の光学フィルタは、その量産性と装置の簡便さから、主に電子ビーム蒸着法などの真空蒸着法によって製造されている。またディスプレイパネルや窓ガラスに用いられる反射防止フィルタの一部は、塗布焼結法などにより製造されている。いずれの方法においても、反射防止フィルタの特性向上，生産性向上、あるいは品質安定に対して様々な取り組みが行われている。以下、それらの技術について説明する。
【０００３】
従来、反射防止フィルタを形成するためには複数の材料を積層することが一般的であるが、特許文献１に記載の発明では、主成分は同一でありながら成膜プロセスにおいて屈折率を変化させるようにしている。これにより、例えば真空蒸着法では蒸発材料の切り替えを不要にし、簡便に反射防止フィルタを形成することを可能にしようとするものである。
【０００４】
特許文献１に記載の発明は、プラスチックフィルムの片面にハードコート層，反射防止層，防汚層が順次形成されている反射防止フィルムにおいて、反射防止層が、ハードコート層に近い方から順にＳｉＯｘ（ｘ＝０.８〜１.５）層，ＳｉＯｙ（ｙ＝１.６〜２.０）層から形成され、かつ下記の条件を満足するものである。
【０００５】
反射防止層のＳｉＯｘ（ｘ＝０.８〜１.５）層が、ｘ値が層方向に連続的に変化した不均一な層であり、かつ該ｘ値がハードコート層に近い方が大きく、ＳｉＯｙ層に向かうにしたがって小さくなっていること。
【０００６】
反射防止層の厚さが５０〜２５０ｎｍであり、かつＳｉＯｘ層とＳｉＯｙ層の厚さの比率が１：０.５〜８であること。
【０００７】
さらに、特許文献１には以下のような記載がある。
【０００８】
この反射防止フィルムのＳｉＯｘ（ｘ＝０.８〜１.５）層、およびＳｉＯｙ（ｙ＝１.６〜２.０）層の形成方法は、誘導加熱方式あるいは抵抗加熱方式の真空蒸着法を使用することができる。また、反射防止層であるＳｉＯｘ（ｘ＝０.８〜１.５）層、ＳｉＯｙ（ｙ＝１.６〜２.０）層は真空蒸着法により形成することができるため、使用する材料は、ＳｉＯの１種類のみで足り、複数の材料を必要としない。したがって、反射防止層形成の製造工程での作業性が向上する。
【０００９】
特許文献１に記載の発明において、反射防止フィルムのハードコート層上に、所望の屈折率のＳｉＯｘ（ｘ＝０.８〜１.５）層、およびＳｉＯｙ（ｙ＝１.６〜２.０）層を形成するには、ＳｉＯを蒸着材料として使用し、真空蒸着機の真空曹内に酸素を導入し、反射防止層としての特性を安定させるために酸素の導入量を調整して、真空度を一定に保ちつつ、ＳｉＯと酸素とを反応させながら蒸着し形成する。
【００１０】
ＳｉＯｘ（ｘ＝０.８〜１.５）層を形成するには、ｘ値に応じて適宜の量の酸素を導入し、蒸着材料であるＳｉＯと反応させることにより、屈折率が１.５４〜２.１のＳｉＯｘ層を形成する。このときに、真空度に占める酸素分圧が高すぎると、酸素とＳｉＯとの反応率が上がりｘ値が１.５より大きくなり、２に近づくために所望の屈折率が得られず好ましくない。また、真空度に占める酸素分圧が低すぎると、ＳｉＯの分解が進みすぎて、ｘ値が０.８より小さくなるために透過光黄色度が高くなるので好ましくない。ＳｉＯｘ層のｘ値が０.８〜１.５であれば、所望の屈折率１.５４〜２.１となる。したがって、ｘ値は０.８〜１.５が好ましい。
【００１１】
また、ＳｉＯｙ（ｙ＝１.６〜２.０）層を形成するには、ｙ値に応じて適宜の量の酸素を導入し、蒸着材料であるＳｉＯと反応させることにより、屈折率が１.４〜１.６のＳｉＯｙ層を形成する。このときに、真空度に占める酸素分圧が高すぎると、ＳｉＯｙ層が緻密でなくなるとともに、ＳｉＯｘ層や防汚層との密着力が低下するので好ましくない。また、真空度に占める酸素分圧が低すぎると、酸素とＳｉＯとの反応率が下がりｙ値が１.６より小さくなるために所望の屈折率が得られず好ましくない。ＳｉＯｙ層のｙ値が１.６〜２.０であれば、所望の屈折率１.４〜１.５２となる。したがって、ｙ値は１.６〜２.０が好ましい。
【００１２】
以上が特許文献１に記載の発明の概要であり、主に材料数削減によるコスト削減や生産性向上を図ったものであるといえる。
【００１３】
次に特許文献２に記載の発明について説明する。特許文献２に記載の発明はスパッタリングターゲットの製造方法に関するものであり、従来例と比較して、形成される薄膜の物性は変えずに、スパッタリング方法をＲＦスパッタリングからＤＣスパッタリングに変えることを主目的にするものである。
【００１４】
特許文献２に記載の発明は、光記録ディスク用の干渉膜をＤＣスパッタ法により形成する際に用いられるターゲットであって、カルコゲン化物とガラスとを含み、電気抵抗値が０.００１〜０.１Ω・ｃｍである光記録媒体の干渉膜用スパッタリングターゲットに係り、このターゲットは、光記録ディスク用の干渉膜をＤＣスパッタ法により形成する際に用いられるものである。
【００１５】
さらに、特許文献２には以下のような記載がある。
【００１６】
ターゲットの構成物質はカルコゲン化物とガラスとを主要マトリックス材として含む。カルコゲン化物としては、硫化亜鉛（ＺｎＳ），セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ），テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ），硫化鉛（ＰｂＳ），セレン化鉛（ＰｂＳｅ），テルル化鉛（ＰｂＴｅ），硫化カルシウム（ＣａＳ），硫化マグネシウム（ＭｇＳ）等が挙げられる。中でも、硫化亜鉛を用いることが好ましい。
【００１７】
カルコゲン化物は、１種を用いても２種以上を併用してもかまわない。ガラスとしては、酸化ケイ素（ＳｉＯ２），酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２），酸化スズ（ＳｎＯ２），酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３），酸化テルル（ＴｅＯ２）等が挙げられる。中でも、酸化ケイ素を用いることが好ましい。ガラスは１種を用いても２種以上を併用してもかまわない。カルコゲン化物，ガラスは、通常、化学量論組成で存在するが、多少、化学量論組成から偏倚していてもかまわない。
【００１８】
カルコゲン化物とガラスとの混合比は、ガラスが１０〜３０ｍｏｌ％、特に１５〜２５ｍｏｌ％であることが好ましい。ガラスの含有量が多すぎると、光記録ディスクの干渉膜としたときに、屈折率が小さくなりすぎて高Ｃ／Ｎが得られにくくなり、良好な特性が得られにくくなる。一方、ガラスの含有量が少なすぎると、光記録ディスクの干渉膜としたときに、記録消去の繰り返しに関する信頼性が低下してきて、良好な特性が得られにくくなる。
【００１９】
そして、特許文献２に記載の発明のスパッタリングターゲットは、電気抵抗値を０.００１〜０.１Ω・ｃｍ、好ましくは０.００３〜０.０２Ω・ｃｍにする。従来、干渉膜材料として用いられているカルコゲン化物とガラスの混合物は絶縁体であり、ＲＦスパッタ法でしか成膜できなかったが、このように電気抵抗値を低くすることによって、量産化に適したＤＣスパッタ法で成膜することが可能になる。
【００２０】
以上が特許文献２に記載の発明の概要である。
【特許文献１】特開２００２−６１０７号公報
【特許文献２】特開２０００−６４０３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、前記従来の技術では課題がいくつか挙げられる。
【００２２】
特許文献１に記載の発明において、確かに１材料で屈折率を制御できるということは製造上非常に有利であると考えられる。しかし、より高性能な光学フィルタが求められたときに、１.４〜２.１の範囲の屈折率では対応しきれなくなる可能性がある。それにもまして、元来の二酸化珪素の化学量論比から大きくスライドさせることにより屈折率を変化させているという点から、信頼性の面で問題があると思われる。
【００２３】
化学量論比からずれていることは、薄膜中に多くの欠陥が存在することを意味する。例えば空孔欠陥への水分の侵入などにより、屈折率が経時的に変化し、それに伴って反射防止フィルタの特性も変化してしまうという問題がある。また、屈折率をプロセス中に導入する酸素ガスの流量で規定しているが、その安定性、再現性に問題があると思われる。
【００２４】
特許文献２に記載の発明において、該発明を光学薄膜に適用しようとする際、透過率や反射率などの面で不十分である。また特許文献２に記載の発明に係る方法は、その実施形態にある光ディスクの干渉膜のような不透明膜には有効であると考えられるが、本発明に係る可視光領域における反射防止フィルタなどでは吸収膜となり、使用できるものではない。また、添加元素の割合についても、光学薄膜の機能を発現できるように規定することが肝要である。
【００２５】
本発明は、前記従来の技術に鑑み、低屈折率材料として一般的に用いられているケイ素酸化物の屈折率を、その屈折率の対環境性能を維持したまま低屈折率化を図ることができる光学デバイス、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、珪素の酸化物を主成分とし、かつホウ素を含有する層を少なくとも１層備えたものであり、この構成によって、主成分であるケイ素の酸化物に対して、化学量論比から大きくずれることがない微量のホウ素を添加することにより、一般的に低屈折率材料として使用される珪素の酸化物（例えば二酸化ケイ素：ＳｉＯ２）における屈折率を下げることができる。
【００２７】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の光学デバイスにおいて、珪素の酸化物を主成分とする層と、タンタル，チタン，ニオブのいずれかの酸化物を主成分とする層とを交互に積層したものであり、この構成によって、低屈折率のケイ素酸化物との組み合わせで、高い反射防止特性を発現することができる。
【００２８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の光学デバイスにおいて、屈折率が１.４４以下である珪素の酸化物を主成分とする層を、少なくとも１層備えたものであり、この構成によって、一般的に低屈折率材料として用いられているフッ化マグネシウムを使用することなく、フィルタの設計自由度を拡大することができる。
【００２９】
請求項４に記載の発明は、請求項１，２または３記載の光学デバイスにおいて、５層の薄膜から構成され、各層の厚みが１０ナノメートルから２００ナノメートルであり、５層の膜厚の合計が１５０ナノメートルから４００ナノメートルである光学デバイスであって、基板となる材料側から前記珪素の酸化物を主成分とする層と、前記タンタル，チタン，ニオブのいずれかの酸化物を主成分とする層とを交互に積層したものであり、この構成によって、屈折率が約１.５である一般的なガラス基材に対して形成する光学デバイスの構造として好適なものになる。
【００３０】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４いずれか１項記載の光学デバイスを製造する方法であって、珪素を主成分とし、かつホウ素を含有し、抵抗率が０.１〜１０Ω・ｃｍであるターゲット材料を用い、真空チャンバ内にアルゴンガスと酸素ガスを導入し、前記ターゲット材料に直流または交流電圧を付加することによって、真空チャンバ内に配置された基板上に、珪素の酸化物を主成分とし、かつホウ素を含有する薄膜をスパッタリング法により形成することにより、ケイ素酸化物を主成分とする薄膜に対して、その化学量論比を崩さない程度微量のホウ素元素を添加することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、ケイ素酸化物に、その化学量論比を崩さない程度のホウ素を微量添加することにより、その屈折率を下げることができる。このことによりフッ化マグネシウムを使用しなくても反射率を低く抑えることができるフィルタの設計が可能となる。
【００３２】
また、このホウ素を含有したスパッタリングターゲットを用いて成膜することにより、ケイ素酸化物の透過率を下げることなく、簡便にホウ素を添加することができる。また、ケイ素のターゲットにホウ素を添加することにより、従来、ＲＦスパッタリングのみが可能であったものが、ＤＣスパッタリングをも可能にすることができる。これにより、設備コストを大幅に簡単にすることができ、結果としてコスト削減にもつながる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３４】
図１は本発明の実施形態である反射防止フィルタを示す断面図、図２は反射防止フィルタにおける構成材料の屈折率と膜厚の具体例を示す図である。
【００３５】
図１において、基板１の材料としてはＢＫ−７（住田光学ガラス製）を用いた。この基板１上に、ＳｉＯ２（第１層，第３層，第５層），Ｔａ２Ｏ５（第２層，第４層）を交互に計５層積層する構造とした。本実施形態では、ＳｉＯ２の少なくとも１つの層にホウ素を含有させる。
【００３６】
図３（ａ）は、図２に示した構成で、かつＳｉＯ２の層にホウ素は含まれていない比較例の反射防止フィルタの反射スペクトルを示す図である。この場合、図３（ａ）から分るように、４００〜６５０ｎｍの波長域における反射率の最大値は約０.６％である。
【００３７】
これに対して、図３（ｂ）は、図２に示した構成で、かつＳｉＯ２の３つの層すべてにホウ素を含有させた本実施形態における反射防止フィルタの反射スペクトルを示す図である。なお、本例におけるＳｉＯ２層の屈折率は１.４５である。図３（ｂ）により、４００〜６５０ｎｍの波長域における反射率の最大値が約０.３％と良化していることが分る。
【００３８】
なお、ＳｉＯ２の３つの層すべてをホウ素を含有した低屈折率の層とせずに、少なくとも１つの層をホウ素を含有した低屈折率ＳｉＯ２とすることによっても、反射率を抑える効果は得られる。
【００３９】
図４は本発明に係る反射防止フィルタの製造に用いたスパッタリング装置を模式化して示す断面図であり、１は図１にも示す基板、２はホウ素添加ケイ素のターゲット、３はＤＣ電源、４はガス導入配管である。
【００４０】
図４において、ホウ素を含有する抵抗率が１０Ω・ｃｍであるターゲット２を、真空チャンバ内（図示していない）に配置し、ターゲット２と対向する位置に基板１を設置し、ガス導入配管４から、アルゴンガスと、材料を酸化させて酸化物薄膜を作成するために酸素ガスとを、それぞれ１００ｓｃｃｍずつ導入し（アルゴン流量：酸素流量＝１：１）、ＤＣ電源３からターゲット２に電力を印加してスパッタリング成膜を行った。この方法により、屈折率１.４５のホウ素を含有したＳｉＯ２薄膜を形成することができた。さらにターゲットをＴａとして前記と同様にスパッタリングを行うことにより、Ｔａ２Ｏ５薄膜を形成することができた。
【００４１】
このように本実施形態に係る反射防止フィルタは、従来、低屈折率材料と高屈折率材料の組み合わせで形成されていた反射防止フィルタにおいて、一般的に低屈折率材料として使用される珪素の酸化物（例えば二酸化ケイ素：ＳｉＯ２）に、ホウ素を微量添加することにより屈折率を下げることを可能にしたものである。添加するホウ素の量としては、主成分であるケイ素の酸化物を化学量論比から大きくずれることがない程度のものとすることが肝要である。また、反射防止フィルタを構成するケイ素の酸化物を主成分とする層のすべてにホウ素を添加する必要はなく、少なくとも１層にホウ素を添加することで効果が得られる。
【００４２】
また、高屈折率材料として、前記実施形態にて使用したタンタル以外にも、チタン，ニオブのいずれかの酸化物を用いることができ、低屈折率のケイ素酸化物との組み合わせで、高い反射防止特性を発現する。
【００４３】
また、反射防止フィルタにおいて低屈折率層であるケイ素酸化物を主成分とする層の屈折率を１.４４以下とすることにより、一般的に低屈折率材料として用いられているフッ化マグネシウムを使う必要がなくなり、フィルタの設計自由度が拡大する
また、図１，図２に示すように、反射防止フィルタを５層の薄膜から構成し、その一層あたりの物理的な厚みを１０ナノメートル〜２００ナノメートルとし、５層の膜厚の合計が１５０ナノメートル〜４００ナノメートルになるようにし、さらに基板となる材料側から珪素の酸化物を主成分とする層と、タンタル，チタン，ニオブのいずれかの酸化物を主成分とする層とを交互に積層することにより、屈折率が約１.５の一般的なガラス基材に対して形成する反射防止フィルタの構造として好適な構成となる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、カメラの内部に用いられるレンズなどの各種光学素子の特性を向上するための反射防止フィルタ、その製造方法として適用され、特にホウ素を含有する低屈折率のケイ素酸化物は、ひとつの母材料で屈折率差を持った薄膜を作成することができ、反射防止膜に代表される光学フィルタのほかに、光導波路のコア部分とクラッド部分の形成にも応用展開することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態である反射防止フィルタを示す断面図
【図２】反射防止フィルタにおける構成材料の屈折率と膜厚の具体例を示す図
【図３】（ａ）はＳｉＯ２の層にホウ素は含まれていない比較例の反射防止フィルタの反射スペクトルを示す図、（ｂ）はＳｉＯ２の３つの層にホウ素を含有した本実施形態における反射スペクトルを示す図
【図４】本発明に係る反射防止フィルタの製造に用いたスパッタリング装置を模式化して示す断面図
【符号の説明】
【００４６】
１  基板
２  ホウ素添加ケイ素ターゲット
３  ＤＣ電源
４  ガス導入配管
【図１】
2006030530.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006030530.tif 000005
【図４】
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