(57)【要約】【課題】反射防止膜やミラーを構成する光学多層膜の応力を低減し、変形の少ない多層膜光学素子を実現する。【解決手段】基板１上に積層される高屈折率膜２と低屈折率膜３からなる光学多層膜に、非晶質のＳｃＦ3 膜からなる応力緩和層４を挿入する。ＳｃＦ3 は、他の材料に比べて大きな圧縮応力を有するため、膜厚が小さくても光学多層膜の引張応力を相殺できる。基板１上に金属膜５を有する場合には、非晶質のＳｃＦ3 膜からなる応力緩和層４を金属膜５の上に挿入することで、防湿、防錆の効果も期待できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に積層された、屈折率の異なる少なくとも２層の薄膜を有する光学多層膜と、前記光学多層膜の応力を相殺するために前記光学多層膜に挿入された、少なくとも一層のＳｃＦ3 膜からなる応力緩和層と、を有することを特徴とする多層膜光学素子。
【請求項２】
前記光学多層膜の引張応力を、前記ＳｃＦ3 膜の圧縮応力によって相殺することを特徴とする請求項１記載の多層膜光学素子。
【請求項３】
前記ＳｃＦ3 膜の光学的膜厚は、対象波長λに対して、０．０２λ以上０．１１λ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の多層膜光学素子。
【請求項４】
前記ＳｃＦ3 膜は、非晶質であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の多層膜光学素子。
【請求項５】
前記光学多層膜は、金属膜と、屈折率の異なる少なくとも２層の薄膜と、を有することを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の多層膜光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射防止膜やミラーなどの光学特性を有する多層膜光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
様々な製品に光学薄膜を用いたミラーや反射防止膜などの多層膜光学素子が用いられており、これらは、屈折率が異なる光学薄膜を組み合わせることで所望の光学特性を実現するものである。そして、光学素子が所望の品質を得るために、光学多層膜には光吸収や光散乱等の光学損失が低いこと、設計値通りの光学特性、美しい外観、環境耐久性、レーザー耐久性などが求められる。
【０００３】
しかし、光学多層膜によっては強い膜応力を持つものがある。膜応力が大きいと膜にクラックや剥離が生じて外観異常、環境耐久性の劣化、素子形状の歪みが生じたりする。また、応力の問題が解決されても、場合によっては屈折率や膜厚が期待通りの値とならず、設計値通りの光学特性が得られないことがある。
【０００４】
さらに、設計値通りの光学特性が得られても、その後の環境耐久性やレーザー耐久性などに問題がある場合がある。特に金属膜は、雰囲気中の酸素、窒素、水などとその表面が反応して特性が劣化したりする場合が多い。
【０００５】
これらの問題を解決するために、例えば応力問題であれば、特許文献１に開示されているような逆向きの応力を持った膜を応力緩和層として挿入する方法が知られている。
【特許文献１】特開２００３−２９０２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、応力緩和層が対象とする波長に対して光吸収がある場合や、所望の屈折率を持っていない場合は、挿入することで所望の光学特性が実現できない膜構成になることがある。
【０００７】
例えば、波長が紫外域の光に対しては、光吸収やレーザー耐久性などの問題から酸化物膜の応力緩和層は用いることができない。また、紫外域の光に対して光吸収が低い弗化物膜であっても、例えば、特許文献１に記載されているＳｒＦ2 を用いた応力緩和層では、ＳｒＦ2 膜の応力が十分に強くないため、基板を加熱した場合の熱応力などの外部要因に左右されて所望の応力が得られない場合が多い。所望の応力を得ようとするとＳｒＦ2 膜の膜厚を大きくする必要があるが、この場合は、ＳｒＦ2 によって素子の光学特性が制限されてしまう。このように、光学設計上自由に応力緩和層を挿入することができないことが多い。
【０００８】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、低光学損失で、設計値通りの光学特性および美しい外観、環境耐久性、レーザー耐久性、適切な形状等を備えた多層膜光学素子を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の多層膜光学素子は、基板上に積層された、屈折率の異なる少なくとも２層の薄膜を有する光学多層膜と、前記光学多層膜の応力を相殺するために前記光学多層膜に挿入された、少なくとも一層のＳｃＦ3 膜からなる応力緩和層と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
図１１に示すように、ＳｃＦ3 の膜応力は他の弗化物膜に対して逆向きの強い応力である。ＳｒＦ2 等に比べるとその大きさが判る。このため、ＳｃＦ3 膜を応力緩和層として用いることで、応力が抑制された光学素子を得ることができる。
【００１１】
このＳｃＦ3 からなる挿入膜は強い応力を持つため比較的薄い膜厚であっても応力緩和の効果が得られる。そして、その膜厚を光学的膜厚０．０１λ以上０．１１λ以下と限定することにより、応力緩和層が無い場合と同等な光学特性を得ることができる。
【００１２】
ＳｃＦ3 膜は非晶質であるとよい。非晶質膜は、結晶質膜のように結晶粒が成長することにより表面が荒れることがないため、比較的平滑な表面が得やすい。そして、ＳｃＦ3 は基板温度が２５０℃程度までなら非晶質膜であるため、ＳｃＦ3 の挿入膜により、光学多層膜を設計値通りに成膜しやすくなり、設計値通りの光学特性を持った素子が得られる。
【００１３】
このように、応力が制御され、しかも設計どおりの光学特性を持った光学素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１の（ａ）は第１の実施の形態による膜構成を示す。この多層膜光学素子は、基板１に、光学多層膜を構成する高屈折率膜２および低屈折率膜３が積層され、両者の間にＳｃＦ3 膜からなる応力緩和層４が挿入された膜構成を有する。素子を構成する光学多層膜の光学特性は高屈折率膜２と低屈折率膜３によってほぼ実現される。応力緩和層４は、高屈折率膜２と低屈折率膜３により生じた合計の応力（引張応力）を相殺する逆向きの応力（圧縮応力）を持つ。このように、応力緩和層４により素子の応力が抑制され、クラックや剥離などによる外観異常や環境耐久性の問題、さらには素子形状歪みを抑えることができる。
【００１６】
応力緩和層４は、対象波長をλとした場合に光学的膜厚が０．０２λ以上０．１１λ以下である。このため、素子全体の光学特性にはほとんど影響しない。
【００１７】
膜材料は、高屈折率膜としてＬａＦ3 、低屈折率膜としてＭｇＦ2 、応力緩和膜としてＳｃＦ3 を用いて、真空蒸着法などにより成膜される。
【００１８】
基板は、０．６×１０-6／Ｋ以下の非常に小さい線熱膨張係数を持ったものが望ましい。基板の線熱膨張係数が０．６×１０-6／Ｋ以下の非常に小さい場合、成膜時の温度変化による膜と基板との熱膨張率の違いにより膜応力が生じやすい。しかし、本実施の形態によれば、０．６×１０-6／Ｋ以下の非常小さい線熱膨張係数の基板を用いた場合であっても応力が十分に制御される。このため、環境温度変化による熱膨張が少ない、つまり形状変化が少ない所望の光学特性を持った光学素子を得ることができる。
【００１９】
このようにして、応力、光学特性等の問題を解決することで、光吸収や光散乱が少なくて低光学損失であり、しかも、設計値通りの光学特性、美しい外観、レーザー耐久性等を備えた多層膜光学素子を実現することができる。
【００２０】
図１の（ｂ）は第２の実施の形態を示す。この多層膜光学素子は、基板１上に金属膜５を有し、その上に、非晶質のＳｃＦ3 からなる応力緩和層４を介して低屈折率膜３と高屈折率膜２とが積層された膜構成を有する。素子の光学特性は、金属膜５と低屈折率膜３と高屈折率膜２とによって実現される。ＳｃＦ3 からなる応力緩和層４は、金属膜５と低屈折率膜３と高屈折率膜２により生じた合計の応力（引張応力）を相殺する逆向きの応力（圧縮応力）を持つ。応力緩和層４により素子の応力が制御され、クラックや剥離などによる外観異常や環境耐久性の問題、さらには素子形状歪みを抑えることができる。また、ＳｃＦ3 からなる応力緩和層４は非晶質であるため、水、酸素などの素子雰囲気中ガスの金属膜５への浸透を効果的に防ぐことができる。
【００２１】
金属膜を含む多層膜においては、金属膜よりも入射光側に多層膜とは逆向きの応力を持った非晶質のＳｃＦ3 膜を挿入した膜構成が望ましい。
【００２２】
金属膜は雰囲気中の酸素、窒素、水分その他のガスと反応して特性が変化しやすい。また紫外域用の金属膜の保護膜として弗化物誘電体膜が用いられるが、それら弗化物誘電体膜は柱状構造などのガスを透過しやすい構造であることが多い。そこで、柱状構造をとらない非晶質のＳｃＦ3 膜を挿入することで、応力を制御すると同時に耐久性を向上させるとよい。
【００２３】
膜材料は、金属膜としてＡｌ、低屈折率膜としてＭｇＦ2 、高屈折率膜としてＬａＦ3 、応力緩和膜としてＳｃＦ3 を用いて、真空蒸着法などにより成膜される。
【００２４】
基板は、第１の実施の形態と同様に、０．６×１０-6／Ｋ以下の非常に小さい線熱膨張係数を持ったものが望ましい。
【実施例１】
【００２５】
図２は実施例１によるミラーの膜構成を示す。本実施例の基板１１は、０．０２×１０-6／Ｋの非常に小さい線熱膨張係数を持ったショット社製 zerodur基板（商品名）であり、その上に光学的膜厚１．３８λのＳｃＦ3 膜１６が積層される。次に、光学的膜厚０．２５λのＬａＦ3 膜（高屈折率膜）１２と光学的膜厚０．０５λのＳｃＦ3 膜（応力緩和層）１４と光学的膜厚０．２２λのＭｇＦ2 膜１３（低屈折率膜）と光学的膜厚０．０５λのＳｃＦ3 膜（応力緩和層）１４の計４層を一つの構成層１７として、この構成層１７が１７層積層される。そして、光学的膜厚０．２６λのＬａＦ3 膜１８の表面層を有する。
【００２６】
ＳｃＦ3 膜１４、１６は非晶質、ＬａＦ3 膜１２、１８と、ＭｇＦ2 膜１３は結晶質である。
【００２７】
（比較例１）
実施例１の比較例として、図３に比較例１によるミラーの膜構成を示す。本比較例は、ショット社製zerodur基板からなる基板１１ａに、光学的膜厚０．２８λのＬａＦ3膜１２ａと光学的膜厚０．２９λのＭｇＦ2 膜１３ａを交互に１７層積層し、最終層として、光学的膜厚０．２８λのＬａＦ3 膜１８ａを積層したものである。
【００２８】
ＬａＦ3 膜１２ａ、１８ａとＭｇＦ2 膜１３ａは結晶質である。
【００２９】
（比較例２）
実施例１の比較例として、図４に比較例２のミラーの膜構成を示す。比較例２の基板２１は、ショット社製zerodur基板であり、その上に光学的膜厚２．９１λのＳｃＦ3膜２６が積層される。次に、光学的膜厚０．２８λのＬａＦ3 膜２２と光学的膜厚０．２９λのＭｇＦ2 膜２３を交互に１７層ずつ積層し、最終層として、光学的膜厚０．２８λのＬａＦ3 膜２８を積層したものである。
【００３０】
ＳｃＦ3 膜２６の膜厚は、実施例１のＳｃＦ3 膜の総膜厚と同じである。
【００３１】
ＬａＦ3 膜２２、２８とＭｇＦ2 膜２３は結晶質である。
【００３２】
λ＝１９３ｎｍとした場合の、実施例１の反射率のシミュレイション値と実測値、比較例１の反射率のシミュレイション値と実測値、および比較例２の実測値を図５に示す。素子への入射光の角度は４５°である。
【００３３】
実施例１のシミュレイション値の反射率は、応力緩和層であるＳｃＦ3 膜が無い場合の比較例１のシミュレイション値とほぼ同じ反射率となっており、ＳｃＦ3 膜が光学特性に影響していないことが判る。また、実施例１の実測値もその設計シミュレイション値に近い値である。
【００３４】
しかし、比較例１の実測値の反射率は、そのシミュレイション値に比べて低いことが判る。
【００３５】
表１に実施例１と比較例１の全応力のシミュレイション値を示す。実施例１は比較例１の１／３程度の全応力値に軽減されている。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
この応力差のため、実施例１の外観ではクラックが見られなかったが、比較例１の外観ではクラックが見られた。
【００３８】
また、実施例１と比較例２について、温度６０℃、湿度９０％の高湿高温環境で保管した後の外観異常の有無を調べると、表２に示すように、実施例１では異常が見られないが、比較例２では膜にクラックや砂目が生じていた。
【００３９】
【表２】
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【００４０】
このように、実施例１の膜構成は、高い光学設計自由度と、設計値通りの良好な光学特性と、応力が制御された美しい外観を持った素子が得られるものであることが判った。
【００４１】
（比較例３）
実施例１の比較例として、図６に比較例３のミラーの膜構成を示す。本比較例の基板３１は、ショット社製zerodur基板であり、その上にＳｃＦ3膜３６が積層される。次に、ＬａＦ3 膜３２とＳｃＦ3 膜３４とＭｇＦ2 膜３３とＳｃＦ3 膜３４の計４層を一つの構成層３７としてこの構成層３７が１７層積層される。そしてＬａＦ3 膜３８が表面層として積層された構成である。この膜構成において、応力緩和層であるＳｃＦ3 膜３４の光学的膜厚を０．０１λ〜０．２１λまで変化させ、これに合わせて、ＳｃＦ3 膜３６、ＬａＦ3 膜３２、ＭｇＦ2 膜３３、ＬａＦ3 膜３８の光学的膜厚をその都度最適化してシミュレイション値を求めた。
【００４２】
図７に、λ＝１９３ｎｍでのシミュレイションによる反射率を示す。ＳｃＦ3 膜３４の膜厚が０．１１λ以下であれば、応力緩和層であるＳｃＦ3 膜３４が無い場合の反射率に対してあまり低下しないことが判る。
【００４３】
また、ＳｃＦ3 膜３４の膜厚が小さければ小さいほど光学設計上有利になるが、応力緩和と膜厚制御の問題から０．０２λ以上が望ましい。
【実施例２】
【００４４】
図８は実施例２によるミラーの膜構成を示す。本実施例は、基板４１として線熱膨張係数０．５５×１０-6／Ｋ、厚さ２ｍｍ、直径１００ｍｍの円形合成石英基板を用いて、その上にＡｌの金属膜４５が物理的膜厚で１８０ｎｍが積層される。次にＳｃＦ3 膜４６が光学的膜厚で０．５２λが積層される。次にＬａＦ3 膜（高屈折率膜）４２が光学的膜厚で０．２９λ、ＳｃＦ3 膜４４が光学的膜厚で０．１３λ、ＭｇＦ2 膜（低屈折率膜）４３が光学的膜厚で０．０３λ、ＳｃＦ3 膜４４が光学的膜厚で０．１３λ積層された計４層からなる構成層４７が３層積層される。そしてＬａＦ3 膜４８が表面層として光学的膜厚で０．２４λ積層されている構成である。
【００４５】
ＳｃＦ3 膜４４、４６は非晶質、ＭｇＦ2 膜４３とＬａＦ3 膜４２、４８は結晶質である。
【００４６】
（比較例４）
実施例２の比較例として、図９に比較例４を示す。本比較例は厚さ２ｍｍ、基板４１ａとして直径１００ｍｍの円形合成石英基板を用いて、その上にＡｌの金属膜４５ａが物理的膜厚で１８０ｎｍ積層される。次にＬａＦ3 膜４２ａが光学的膜厚で０．２８λ、ＭｇＦ2 膜４３ａが光学的膜厚で０．２９λ積層された計２層からなる構成層４７ａが３層積層され、ＬａＦ3 膜４８ａが表面層として光学的膜厚で０．２８λ積層されている構成である。
【００４７】
ＭｇＦ2 膜４３ａとＬａＦ3 膜４２ａ、４８ａは結晶質である。
【００４８】
実施例２と比較例４の反射率の実測値を図１０に示す。これらは共に入射角度４５°のＡｒＦ、ＫｒＦレーザー用ミラーであるが、同様な特性を有している。
【００４９】
しかし、実施例２と比較例４の素子にフルーエンスが１ｍＪ／ｃｍ2 のＡｒＦレーザーを１ billionショット照射したところ、実施例２では反射率の変化が１％未満であったが、比較例４では反射率の変化が５％程度見られた。
【００５０】
また、膜を積層したことによる基板の変形量は、表３に示すように、実施例２が０．９λ（λ＝１９３ｎｍ）、０．７λ（λ＝２４８ｎｍ）で、比較例４が９．６λ（λ＝１９３ｎｍ）、７．５λ（λ＝２４８ｎｍ）であった。実施例２は比較例４に対して１／１０以下の変形量であることが判る。
【００５１】
【表３】
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【００５２】
このように実施例２の構成は、光学特性とレーザー耐久性を満たし、しかも応力が制御されている素子であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】第１および第２の実施形態による膜構成を示す図である。
【図２】実施例１による膜構成を示す図である。
【図３】比較例１による膜構成を示す図である。
【図４】比較例２による膜構成を示す図である。
【図５】実施例１、比較例１、２の反射率を示すグラフである。
【図６】比較例３による膜構成を示す図である。
【図７】比較例３による反射率と応力緩和層の光学的膜厚関係を調べた結果を示すグラフである。
【図８】実施例２による膜構成を示す図である。
【図９】比較例３による膜構成を示す図である。
【図１０】実施例２と比較例４の反射率を示すグラフである。
【図１１】弗化物膜の応力値を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５４】
１、１１、１１ａ、２１、３１、４１、４１ａ    基板
２    高屈折率膜
３    低屈折率膜
４    応力緩和層
５    金属膜
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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