(57)【要約】【課題】膜厚方向及び膜面方向の微小金属体の配列に規則性を持たせることが可能な機能性多層膜及びその製造方法を提供する。【解決手段】多数の微小金属体４を誘電体からなるマトリックス１に固定してなる機能性膜であって、上記マトリックス１は所定の厚さに成膜される誘電体薄膜２と、上記多数の微小金属体４を任意に配列した上記誘電体薄膜２の膜面３上に形成される金属パターン５からなる金属配列薄膜６を積層してなり、上記微小金属体４は膜面方向に対して任意の形状を有する島状の薄膜である。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の微小金属体を誘電体からなるマトリックスに固定してなる機能性膜であって、
上記マトリックスは所定の厚さに成膜される誘電体薄膜と、上記多数の微小金属体を任意に配列した上記誘電体薄膜の膜面上に形成される金属パターンからなる金属配列薄膜を積層してなることを特徴とする機能性多層膜。
【請求項２】
上記微小金属体は膜面方向に対して任意の形状を有する島状の薄膜であることを特徴とする請求項１記載の機能性多層膜。
【請求項３】
上記微小金属体は上記金属配列薄膜毎又は複数の金属配列薄膜からなる領域毎に異なる形状を有することを特徴とする請求項１又は２記載の機能性多層膜。
【請求項４】
上記誘電体薄膜及び金属パターンは上記金属配列薄膜毎又は複数の金属配列薄膜からなる領域毎に異なる材質からなることを特徴とする請求項１乃至３記載の機能性多層膜。
【請求項５】
上記微小金属体を熱処理して略球状に形成してなることを特徴とする請求項１記載の機能性多層膜。
【請求項６】
誘電体からなる誘電体薄膜を所定の厚さに成膜し、誘電体薄膜の膜面上に金属薄膜を成膜した後、
金属薄膜をエッチング加工して、島状の多数の微小金属体を任意に配列してなる金属パターンを形成して金属配列薄膜とし、
誘電体薄膜と金属パターンからなる金属配列薄膜を積層してマトリックスを形成することを特徴とする機能性多層膜の製造方法。
【請求項７】
誘電体からなる誘電体薄膜を所定の厚さに成膜し、誘電体薄膜の膜面上に金属薄膜を成膜した後、
金属薄膜をエッチング加工して、島状の多数の微小金属体を任意に配列してなる金属パターンを形成して金属配列薄膜とし、
金属パターンを形成した後に熱処理を行い、島状の微小金属体を凝集させて略球状に形成し、
微小金属体を略球状に形成した金属配列薄膜を積層してマトリックスを形成することを特徴とする機能性多層膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小な金属体を誘電体中に分散させた機能性膜であって、特に金属体の大きさを略均一にすると共に膜厚方向及び膜面方向の配列に規則性を持たせた機能性多層膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、非線形光学効果を示す光学材料として、微小金属体を誘電体中に分散させ固定したものが用いられている。このような光学材料は、電位差を与えることにより、入射光の屈折や回折を変化させることができ、また逆に光を入射させることで材料内の電界を変化させることができる。このような特性を利用して、非線形光学効果を示す光学材料は、光通信分野や全光演算素子等に活用することができる。
【０００３】
ここで、その光学材料の特性は、誘電体からなるマトリックス中に分散される微小金属体の大きさや配列によって変化する。したがって、所望の性能を有する光学材料を製造するには、微小金属体を所定の大きさや配列にすることが必要である。誘電体マトリックス中において微小金属体は、できるだけ同じ大きさであると共に、その粒子密度は均一でかつ整列されていることが望ましい。さらに、微小金属体に特定の配列を持たせた構成とすることで、所望の特性を持たせることができる。
【０００４】
このような非線形光学効果を示す光学材料は、例えば特表平１１−５１４４９２のように、ポリマー等を含む溶液中に金属微粒子を包含させ、溶液の揮発性溶媒を除去し、金属微粒子が封入された誘電体マトリックスを形成することによって製造される。この場合には図７に示すように、金属微粒子１１は誘電体マトリックス１０内にランダムに分散される。
【０００５】
しかし、従来の非線形光学効果を示す光学材料においては、以下の問題点を有していた。
金属微粒子を誘電体中にランダムに分散させる場合には、金属微粒子の配列に規則性を持たせることはできず、また部位による粒子密度のばらつきを生じやすい。さらに、金属微粒子は誘電体中を拡散するため、金属微粒子の分散密度を大きくした場合には、造粒作用により粒子が大きくなることがあり、粒子の大きさが不安定となる。このように粒子の分布にばらつきを生じることや、大きさが不安定であることにより、従来の光学材料においては優れた非線形性を得るには至らなかった。
【０００６】
そこで本発明者は、薄膜状に形成された誘電体薄膜を積層してマトリックスを形成し、多数の金属微粒子を各誘電体薄膜の膜面上に分散配置する機能性多層膜を提案した。
このような機能性多層膜によれば、膜厚方向に所定の間隔で金属微粒子を配置することができる。これによりマトリックス内における金属微粒子の部位的なばらつきを抑えることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような機能性多層膜によっても、金属微粒子を膜厚方向には所定間隔で配置することはできるが、各誘電体薄膜上の金属微粒子は膜面方向にばらつきを有するものになってしまう。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、膜厚方向及び膜面方向の微小金属体の配列に規則性を持たせることが可能な機能性多層膜及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る機能性多層膜は、多数の微小金属体を誘電体からなるマトリックスに固定してなる機能性膜であって、
上記マトリックスは所定の厚さに成膜される誘電体薄膜と、上記多数の微小金属体を任意に配列した上記誘電体薄膜の膜面上に形成される金属パターンからなる金属配列薄膜を積層してなることを特徴として構成されている。
【００１０】
本発明によれば、膜厚方向に微小金属体を略同じ間隔や所定の間隔に配置することができ、さらに微小金属体を膜面方向に規則的に配置することができる。
【００１１】
また、本発明に係る機能性多層膜は、上記微小金属体が膜面方向に対して任意の形状を有する島状の薄膜であることを特徴として構成されている。
【００１２】
本発明によれば、膜面方向に対して任意の形状を有する島状の薄膜であることから、機能性多層膜に入射の偏光方向に対する異方性を持たせることができる。
【００１３】
また、本発明に係る機能性多層膜は、上記微小金属体は上記金属配列薄膜毎又は複数の金属配列薄膜からなる領域毎に異なる形状を有することを特徴として構成されている。
【００１４】
本発明によれば、微小金属体が異なる形状を有することから、機能性多層膜に入射の偏光方向に対する所望の異方性を持たせることができる。
【００１５】
また、本発明に係る機能性多層膜は、上記誘電体薄膜及び金属パターンは上記金属配列薄膜毎又は複数の金属配列薄膜からなる領域毎に異なる材質からなることを特徴として構成されている。
【００１６】
本発明によれば、誘電体薄膜や金属パターンは金属配置薄膜毎または複数の金属配置薄膜からなる領域毎に異なる材質からなることにより、１つの機能性多層膜に複合的な機能性効果を持たせることができる。
【００１７】
また、本発明に係る機能性多層膜は、上記微小金属体を熱処理して略球状に形成してなることを特徴として構成されている。
【００１８】
本発明によれば、配列された微小金属体を略球状にすることにより、光に対する微小金属体の感受面積を光の波長に対して十分に小さくすることができるとともに、微小金属体の体積は金属薄膜の面積と膜厚で決まるので、均一な粒径とすることができる。
【００１９】
また、本発明に係る機能性多層膜の製造方法は、誘電体からなる誘電体薄膜を所定の厚さに成膜し、誘電体薄膜の膜面上に金属薄膜を成膜した後、
金属薄膜をエッチング加工して、島状の多数の微小金属体を任意に配列してなる金属パターンを形成して金属配列薄膜とし、
誘電体薄膜と金属パターンからなる金属配列薄膜を積層してマトリックスを形成することを特徴として構成されている。
【００２０】
本発明によれば、微小金属体が膜厚方向及び膜面方向に所定間隔の配列を持つ機能性多層膜を製造することが可能となる。
【００２１】
また、本発明に係る機能性多層膜の製造方法は、誘電体からなる誘電体薄膜を所定の厚さに成膜し、誘電体薄膜の膜面上に金属薄膜を成膜した後、
金属薄膜をエッチング加工して、島状の多数の微小金属体を任意に配列してなる金属パターンを形成して金属配列薄膜とし、
金属パターンを形成した後に熱処理を行い、島状の微小金属体を凝集させて略球状に形成し、
微小金属体を略球状に形成した金属配列薄膜を積層してマトリックスを形成することを特徴として構成されている。
【００２２】
本発明によれば、略球状に形成された微小金属体が膜厚方向及び膜面方向に所定間隔の配列を持つ機能性多層膜を製造することが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を添付図面に沿って詳細に説明する。まず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態における機能性多層膜を模式的に示した斜視図である。また、図２は、第１の実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。
【００２４】
これら各図において、本実施形態における機能性多層膜は、図示しない基板上に誘電体からなる誘電体薄膜２を成膜し、この誘電体薄膜２の膜面３上に金属パターン５を形成して金属配列薄膜６とし、これを積層してなるマトリックス１からなるものである。誘電体薄膜２の材質としては、ＳｉＯ２等が用いられる。また、金属パターン５の材質としてはＡｕ等が用いられる。
【００２５】
図２は、このようにして形成されたマトリックス１の断面図であり、この図に示すように、誘電体薄膜２の膜面３上に、長方形で島状・薄膜の多数の微小金属体４からなる金属パターン５が形成されている。ここで、金属パターン５は微小金属体４を規則的に配列させて構成される。このような誘電体薄膜２と金属パターン５からなる金属配列薄膜６を積層することによって、マトリックス１を形成する。ここで、誘電体薄膜２は２ａ〜２ｃまで３層とし、各誘電体薄膜２ａ〜２ｃは略同一の厚さに成膜される。ただし、積層する誘電体薄膜２の層数はこれに限られるものではない。
【００２６】
このように、金属配列薄膜６を積層する構成とすることで、膜厚方向に微小金属体４を略同じ間隔毎に配置することができ、図７のように誘電体マトリックス１０中にランダムに金属微粒子１１を配置する場合に比べて、膜厚方向の部位的なばらつきを抑えることができる。また、微小金属体４を規則的に整列してなる金属パターン５を誘電体薄膜２の膜面３上に形成することにより、微小金属体４を膜面方向に規則的に配置することができ、膜面方向の部位的なばらつきを抑えることができる。
【００２７】
なお、本実施形態では、微小金属体４の形状を長方形としたが、微小金属体４の表面積が大きければ大きいほど優れた非線形光学効果を得ることができるので、微小金属体４の形状を例えば星形、円形、正方形、十字形等に形成してもよい。また、このような形状にすることによって、機能性多層膜が入射の偏光方向に対して任意の異方性を有するようになる。すなわち、微小金属体４が光の入射方向に対して一定の形状でないことから、光の入射方向によって光の回折角が異なるようになる。この様な特徴を用いて光の偏向分離を行ったり、ある偏光方向に対してだけ光の非線形効果を助長することが可能となる。
また、誘電体薄膜２の膜面３上の微小金属体４をそれぞれ異なる形状に形成することもできる。これにより、所望の異方性を機能性多層膜に持たせることができる。
【００２８】
次に、このような機能性多層膜の製造方法について説明する。まず、基板上に、誘電体薄膜２を所定の膜厚に成膜し、その膜面３上に金属薄膜を成膜する。この金属薄膜をエッチング加工することにより、多数の島状の微小金属体４から構成される金属パターン５を形成して金属配列薄膜６とする。具体的には、金属薄膜上にフォトニスを塗布し、電子ビームを露光することにより金属パターン５を形成する。エッチング加工に電子ビーム露光を用いることにより、微細なパターンの形成が可能となると共に、各層の金属パターン５を様々な異なるパターンに形成することが容易になる。
この金属パターン５の上にさらに誘電体薄膜２を所定の膜厚に成膜し、この過程を繰り返すことにより、金属配列薄膜６を積層したマトリックス１を形成する。なお、成膜は、スパッタ法やＣＶＤ法等の方法を用いて行うことができる。
【００２９】
次に、第２の実施形態について説明する。図３は、本実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。本実施形態における機能性多層膜は、誘電体薄膜２の膜面３上に、長方形で島状・薄膜の多数の微小金属体４からなる金属パターン５が形成された金属配列薄膜６を積層して構成されるため、微小金属体４に膜厚方向について配列パターンを与えることができる。第１の実施形態では微小金属体４を膜厚方向に略一定間隔となるように配置している。しかし、必ずしも一定間隔とする必要はなく、任意の間隔となるように誘電体薄膜２を成膜することもできる。
【００３０】
図３に示すように本実施形態においては、誘電体薄膜２の膜厚を一定とせず、それぞれ任意の膜厚に形成されている。すなわち、図３においては、誘電体薄膜２ｂは他の誘電体薄膜２ａ、２ｃよりも厚く成膜されている。誘電体薄膜２の膜面３上に、長方形で島状・薄膜の多数の微小金属体４からなる金属パターン５が形成されることについては、上記第１の実施形態と同様である。このように、誘電体薄膜２の膜厚を変化させて積層することにより、微小金属体４は膜厚方向に配列パターンを有することになる。したがって、所望の非線形光学効果をこの機能性多層膜によって得ることができるようになる。
【００３１】
次に、第３の実施形態について説明する。図４は、本実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。本実施形態における機能性多層膜は、誘電体薄膜２の膜面３上に、長方形で島状・薄膜の多数の微小金属体４からなる金属パターン５が形成された金属配列薄膜６を積層して構成されているため、金属配列薄膜６毎に誘電体薄膜２の材質を変えたり、金属パターン５の材質を変えることができる。
【００３２】
本実施形態においては、誘電体薄膜２ｂとそれ以外の誘電体薄膜２ａ、２ｃとは異なった材質からなっている。また、誘電体薄膜２ｂの膜面３上に形成される金属パターン５と誘電体薄膜２ａ、２ｃの膜面３、３上に形成される金属パターン５、５とは異なった材質からなっている。このように、金属配列薄膜６によって誘電体薄膜２や金属パターン５の材質を変えることにより、１つの機能性多層膜に複合的な機能を持たせることができる。
【００３３】
次に、第４の実施形態について説明する。図５は本実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。本実施形態においては、マトリックス１の膜厚方向端部に多層膜フィルタ７ａ、７ｂを有した構成とされている。すなわち、誘電体薄膜２を積層した機能性多層膜領域８が多層膜フィルタ７ａ、７ｂに挟まれている。多層膜フィルタ７ａ、７ｂは、いわゆる狭帯域反射フィルタとして機能するもので、特定の波長の光のみを透過させる。このように構成することにより、特定の波長の光については、多層膜フィルタ７ａ、７ｂの反射ミラー効果により機能性多層膜領域８を何度か往復させることができるようになる。これによって、入射光に対する非線形光学効果を制御することができる。なお、ここでは機能性多層膜領域８を多層膜フィルタ７ａ、７ｂで挟む構成としたが、機能性多層膜２の中間に多層膜フィルタを有するようにしてもよい。
【００３４】
機能性多層膜領域８においては、その領域における電界によって光の反射や透過をコントロールすることができるので、機能性多層膜領域８に図示しない電極を設けることで、上記のように特定の波長の光について反射を何度か繰り返させて、非線形光学効果を制御することができる。また、機能性多層膜領域８においては、光を入射させることにより、その領域における電界は変化する。したがって、機能性多層膜領域８において、透過するある特定の光があった場合に、別の制御光を入射させることで電界状態を変化させて、その領域においてその特定の光を反射させるようにすることもできる。これにより、光により制御する光スイッチを構成することができる。
【００３５】
次に、第５の実施形態について説明する。図６は第５の実施形態における機能性多層膜を模式的に示した斜視図である。本実施形態においては、誘電体薄膜２の膜面３上に、略球状の多数の微小金属体４から構成される金属パターン５が形成されている。ここで、金属パターン５は微小金属体４を規則的に整列させて構成される。上記実施形態では微小金属体４を島状の薄膜に形成したが、本実施形態では微小金属体４を略球状に形成することにより、光の入射方向に対して機能性多層膜の光の回折角が依存しないようになる。すなわち、異方性を有しない機能性多層膜となる。
このような誘電体薄膜２と、略球状の微小金属体４から構成される金属パターン５からなる金属配列薄膜６を積層することによって、マトリックス１を形成する。
【００３６】
次に、本実施形態における機能性多層膜の製造方法について説明する。製造過程は途中までは第１の実施形態と同じであり、まず基板上に誘電体薄膜２を所定の膜厚に成膜し、その膜面３上に金属薄膜を成膜する。この金属薄膜をエッチング加工することにより多数の島状の微小金属体４から構成される金属パターン５を形成して金属配列薄膜６とする。ここで、金属パターン５を構成する多数の微小金属体４は同じ大きさであることが望ましい。
【００３７】
誘電体薄膜２の膜面３上に金属パターン５を形成した後、金属パターン５を熱処理することにより、金属パターン５を構成する個々の微小金属体４は熱拡散によって凝集し、加熱を継続することにより凝集が進んで微小金属体４は略球状となる。微小金属体４の球の大きさは、加熱前の微小金属体４の薄膜の面積と厚さで決まる。
この略球状の多数の微小金属体４からなる金属パターン５の上に、さらに誘電体薄膜２を所定の膜厚に成膜し、この過程を繰り返すことにより、金属配列薄膜６を積層したマトリックス１を形成する。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、マトリックスは所定の厚さに成膜される誘電体薄膜と、多数の微小金属体を任意に配列した上記誘電体薄膜の膜面上に形成される金属パターンからなる金属配列薄膜を積層してなることにより、膜厚方向に微小金属体を略同じ間隔や所定の間隔に配置することができ、さらに微小金属体を膜面方向に規則的に配置することができるため、誘電体マトリックス中にランダムに微小金属体を配置する場合に比べて、部位的なばらつきを抑えることができるとともに任意の非線形性を与えるように設計された多層膜構成を実現することができる。これにより、良好な非線形性を有する機能性多層膜とすることができる。
【００３９】
また、本発明によれば、微小金属体は膜面方向に対して任意の形状を有する島状の薄膜であるので、機能性多層膜に入射の偏光方向に対する異方性を持たせることができ、光の偏向分離を行ったり、ある偏光方向に対してだけ光の非線形効果を助長することが可能となる。
【００４０】
また、本発明によれば、微小金属体は金属配列薄膜毎又は複数の金属配列薄膜からなる領域毎に異なる形状を有するので、機能性多層膜に入射の偏光方向に対する所望の異方性を持たせることができ、任意の方向に光を偏向分離させたり、任意の方向に対して光の非線形効果を助長することが可能となる。
【００４１】
また、本発明によれば、誘電体薄膜及び金属パターンは金属配列薄膜毎又は複数の金属配列薄膜からなる領域毎に異なる材質からなるので、１つの機能性多層膜に複合的な機能性効果を持たせることができる。
【００４２】
また、本発明によれば、微小金属体が略球状に形成されているので、機能性多層膜に入射光に対する異方性を持たせないようにすることができ、一定の非線形光学効果を示す機能性多層膜とすることができる。
【００４３】
また、本発明によれば、誘電体からなる誘電体薄膜を所定の厚さに成膜し、誘電体薄膜の膜面上に金属薄膜を成膜した後、金属薄膜をエッチング加工して、島状の多数の微小金属体を任意に配列してなる金属パターンを形成して金属配列薄膜とし、該金属配列薄膜を積層してマトリックスを形成するので、微小金属体が膜厚方向及び膜面方向に所定間隔の配列を持つ機能性多層膜を製造することが可能となる。
【００４４】
また、本発明によれば、誘電体からなる誘電体薄膜を所定の厚さに成膜し、誘電体薄膜の膜面上に金属薄膜を成膜した後、金属薄膜をエッチング加工して、島状の多数の微小金属体を任意に配列してなる金属パターンを形成して金属配列薄膜とし、金属パターンを形成した後に熱処理を行い、島状の微小金属体を凝集させて略球状に形成し微小金属体を略球状に形成した金属配列薄膜を積層してマトリックスを形成するので、略球状に形成され整列され、かつ粒径のそろった微小金属体が膜厚方向及び膜面方向に所定間隔の配列を持つ機能性多層膜を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における機能性多層膜を模式的に示した斜視図である。
【図２】第１の実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。
【図３】第２の実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。
【図４】第３の実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。
【図５】第４の実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。
【図６】第５の実施形態における機能性多層膜の断面模式図である。
【図７】従来の非線形光学効果を示す光学材料を模式的に示した斜視図である。
【符号の説明】
１　　　　　マトリックス
２　　　　　誘電体薄膜
３　　　　　膜面
４　　　　　微小金属体
５　　　　　金属パターン
６　　　　　金属配列薄膜
７ａ、７ｂ　多層膜フィルタ
８　　　　　機能性多層膜領域
１０　　　　誘電体マトリックス
１１　　　　金属微粒子
【図１】
2004117664.tif 000003
【図２】
2004117664.tif 000004
【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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