(57)【要約】【課題】仕様から外れたものであっても仕様内に修正し、不良品の発生を抑える。【解決手段】基板上に波長選択用の光学薄膜が成膜形成され、その光学薄膜上面及び基板裏面の少なくとも一方に反射防止膜が成膜形成される構造の光学薄膜素子において、反射防止膜を屈折率傾斜膜を含む層構成とすることにより、任意膜厚の反射防止膜をその屈折率傾斜膜の屈折率傾斜を選定して構成可能とし、所要の膜厚の反射防止膜を成膜することにより光学薄膜に所要の反りを発生させて光学薄膜の光学特性を調整する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に波長選択用の光学薄膜が成膜形成され、その光学薄膜上面及び基板裏面の少なくとも一方に反射防止膜が成膜形成される構造の光学薄膜素子における上記光学薄膜の光学特性を調整する方法であって、
上記反射防止膜を、屈折率傾斜膜を含む層構成とすることにより、任意膜厚の反射防止膜をその屈折率傾斜膜の屈折率傾斜を選定して構成可能とし、
所要の膜厚の反射防止膜を成膜することにより、上記光学薄膜に所要の反りを発生させて光学薄膜の光学特性を調整することを特徴とする波長選択用光学薄膜素子の光学特性調整方法。
【請求項２】
基板上に波長選択用の光学薄膜が成膜形成され、その光学薄膜上面及び基板裏面の少なくとも一方に反射防止膜が成膜形成されてなる波長選択用光学薄膜素子において、
上記反射防止膜は屈折率傾斜膜を含む層構成とされ、その屈折率傾斜膜の屈折率傾斜が選定されて、上記光学薄膜に所要の反りを発生させる膜厚を有するものとされ、
上記光学薄膜は上記反射防止膜の成膜によって発生する反りによって、その光学特性が調整されていることを特徴とする波長選択用光学薄膜素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は基板上に誘電体多層膜構造とされた光学薄膜が成膜形成されてなる波長選択用の光学薄膜素子に関し、特にその光学薄膜の光学特性を調整する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長選択用の光学薄膜素子では、透過率や反射率及びそれら透過帯や反射帯の帯域は重要な特性である。帯域に要求される精度が高いほど、光学薄膜素子は製作が難しく、コストが高くなる。
そのような高難易度の光学薄膜素子は光学薄膜全体の膜厚が厚くなる傾向にあり、光学薄膜による応力が基板に与える反りの影響により光学薄膜の各層の膜厚が変化し、波長帯域がシフトするという特性劣化が発生することがある。特に、光学薄膜と基板の熱膨張係数が異なる時は、温度変化によって波長帯域がシフトしやすい。
さらに、光学薄膜素子では例えば基板裏面に反射防止膜を成膜形成し、基板裏面の反射及び内部の多重干渉を抑制する。この時、反射防止膜による応力によって基板が反り、その反りの影響によって光学薄膜の各層の膜厚が変化することにより、波長帯域のシフトが同様に発生する。
【０００３】
図２は薄膜の応力による基板の反り（たわみ）を模式的に示したものであり、金属酸化物を薄膜材料とした場合、一般的に応力として図２に示したような圧縮応力が働くため、基板１０には薄膜１１の成膜後は薄膜１１の成膜面とは反対側の裏面中心がへこむ方向に反りが発生する。
このような基板の反りが光学薄膜の光学特性に与える影響を、光学薄膜素子をバンドパスフィルタとし、その基板裏面に反射防止膜を成膜した場合を例として、以下、説明する。簡単のため、バンドパスフィルタをなす光学薄膜２０は図３に示したような１つのスペーサ層２１の両側に対称に反射層２２を設けた構造とする。
【０００４】
また、バンドの中心波長をλ０  とすると、スペーサ層２１の光学膜厚（屈折率と幾何学的膜厚の積）はλ０  ／２の整数倍を持ち、反射層２２ではそれぞれλ０  ／４の厚みを持つ高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌとが交互に繰り返す構造であるとする。この１キャビティ（共振器）とされた光学薄膜２０の積層構造は下記のように表わされる。
（ＨＬ）ａ  ・ｂＬ・（ＬＨ）ａ  
但し、ａは整数であって、（ＨＬ）及び（ＬＨ）で表わされる２層の繰り返し積層数を表わす。また、ｂは偶数（０を含まない）とされる。
なお、反射防止膜３０はλ０  に対して、Ｈ，Ｌが決まった関係を持たないため、その詳しい構造については、ここでは表記しない。
まず、バンドパスフィルタをなす光学薄膜２０を成膜することで、基板１０はその成膜面と反対側の裏面がへこむ方向に反る。その状態で基板１０の裏面に反射防止膜３０を成膜すると、元の反りが解消される方向に基板１０に応力が加わる。
【０００５】
光学薄膜２０が剥離せずに基板１０に付着しているならば、基板１０の表面から厚み方向へ進むにつれて、面方向の長さが短かくなるために光学薄膜２０の各層は面方向の圧縮を受け、厚み方向に伸びることで応力の緩和が行われる。その結果、λ０  を実効的に伸ばしたこととなり、バンドパスフィルタの透過スペクトル全体が長波長側へシフトする。
実際に、基板１０の裏面に、２層反射防止膜３０を成膜した前後で透過スペクトルを測定した結果を図４に示す。
バンドパスフィルタを構成する光学薄膜２０及び反射防止膜３０とも、高屈折率層ＨはＴａ２  Ｏ５（屈折率≒２．０８）、低屈折率層ＬはＳｉＯ２（屈折率≒１．４８）を用い、ガラス（屈折率≒１．５）よりなる基板１０に成膜したものである。基板１０の厚みは７ｍｍ、光学薄膜２０の厚みは約９００ｎｍ、反射防止膜３０の厚みは約４００ｎｍである。
【０００６】
図４では反射防止膜３０の成膜前後で中心波長のシフト量Δλは０．０７ｎｍとなっており、反射防止膜３０の成膜により中心波長は長波長側にシフトしている。
このような反射防止膜の成膜による波長シフトは原理的にバンドパスフィルタのみならず、エッジフィルタや利得透過フィルタでも発生する。この波長シフト量は薄膜材料の内部応力及びその厚みと、基板及びその基板に成膜形成されている光学薄膜全体の弾性によって決まり、一般的に基板を厚くするか、その弾性係数を高くするか、あるいは基板裏面に成膜する反射防止膜の厚みを薄くすれば波長シフト量は小さくなり、それぞれ逆にすれば波長シフト量は大きくなると予測される。
【０００７】
ところで、反射防止膜は一般に各層、屈折率が均一な膜の積層によって構成され（例えば、特許文献１参照）、例えば屈折率が均一な膜から構成される２層反射防止膜において、上述の波長シフト量を制御するために、単に２層目の膜厚を変化させると、当該波長λ０  における透過率は劣化してしまう。
図５に２層反射防止膜（λ０  ＝１５５０ｎｍ）の屈折率膜厚方向分布と、その膜厚における透過率の理論計算値を示す。図５において、１層目の膜厚が異なるものを丸数字▲１▼〜▲５▼で示しており、図５Ａ，Ｂにおいて同じ丸数字のものが対応している。
【０００８】
この図５より、１層目が最も薄い７４ｎｍの時（▲１▼）、全膜厚が４０７．５ｎｍで透過率が最大の０．９９９９７（９９．９９７％）となる。
１層目を７４ｎｍより厚くすると、透過率が最大となる全膜厚は厚くなる方向へずれるが、透過率最大値そのものは１層目が最も薄い場合（▲１▼）について、２層目を単に厚くするよりも小さくなる。なお、１層目の膜厚を７４ｎｍよりも薄くすると、図５に示す厚くした例よりも、さらに透過率最大値は低下するので示していない。
【０００９】
【特許文献１】
特開平６−２５０００１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、屈折率が均一な膜の積層によって構成される反射防止膜の膜厚を変えることによって波長シフト量を制御しようとすると、反射防止膜自体の透過率が劣化してしまい、よってこのような方法による波長シフト量の制御は基本的に困難となっていた。
一方、この種の波長選択用光学薄膜素子では、一般に膜質の向上及び信頼性試験のため、一定時間、加熱処理（アニール）したのち、さらに所望の波長域へ達するようアニールを続けるという波長チューニングを行っている。
【００１１】
つまり、２段階のアニール工程を行うが、第１段階のアニール工程で所望の波長域を越えてしまうことがある。アニールによる特性変化は不可逆過程であり、さらなる温度処理を行っても元に戻すことができないため、仕様を満たすことができない不良品となってしまう。このような不良の発生は、例えば複数の光学薄膜素子を同時に加熱する際に、加熱器の温度ムラと光学薄膜素子自体の個性が結びついて起こる。
この発明の目的はこのような状況に鑑み、反射防止膜を使用し、それ自身の特性を低下させることなく、波長選択用光学薄膜の波長帯域特性を調整できるようにし、よって例えば仕様から外れた光学薄膜素子であっても仕様内に修正可能とする光学特性の調整方法を提供することにあり、さらにその方法を用いて作製された波長選択用光学薄膜素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、基板上に波長選択用の光学薄膜が成膜形成され、その光学薄膜上面及び基板裏面の少なくとも一方に反射防止膜が成膜形成される構造の光学薄膜素子における光学薄膜の光学特性は、反射防止膜を屈折率傾斜膜を含む層構成とすることにより、任意膜厚の反射防止膜をその屈折率傾斜膜の屈折率傾斜を選定して構成可能とし、所要の膜厚の反射防止膜を成膜することにより、光学薄膜に所要の反りを発生させて調整するものとされる。
請求項２の発明によれば、基板上に波長選択用の光学薄膜が成膜形成され、その光学薄膜上面及び基板裏面の少なくとも一方に反射防止膜が成膜形成されてなる波長選択用光学薄膜素子において、反射防止膜が屈折率傾斜膜を含む層構成とされ、その屈折率傾斜膜の屈折率傾斜が選定されて、光学薄膜に所要の反りを発生させる膜厚を有するものとされ、光学薄膜は反射防止膜の成膜によって発生する反りによって、その光学特性が調整されているものとされる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明では反射防止膜を従来のような屈折率均一膜の積層ではなく、屈折率傾斜膜を含む層構成とする。
図１は図５に対して、反射防止膜（λ０  ＝１５５０ｎｍ）の１、２層目の屈折率の境界を離散的にではなく、連続的に変化させた場合について、つまり屈折率均一膜と屈折率傾斜膜と屈折率均一膜との３層構造よりなる反射防止膜について、その屈折率の膜厚方向分布と、透過率の膜厚依存性を示したものであり、図５と同様、図１Ａ，Ｂにおいて同じ丸数字のものが対応している。
【００１４】
なお、図１Ｂの縦軸の幅は図５Ｂの縦軸の幅より小さくしており、また透過率の理論計算を簡単にするために、屈折率の境界（屈折率傾斜膜の屈折率の段階的な変化）は３０段階に刻んだ場合について透過率を求めた。
図５と図１とを比較すると、反射防止膜の全膜厚を４０７．５ｎｍから４２１ｎｍへ変えた場合、図５の屈折率均一膜のみからなる反射防止膜では透過率が０．９９９９７から０．９９８９５と約０．００１（０．１％）劣化するのに対して、図１の屈折率傾斜膜を含む反射防止膜では全膜厚ごとに屈折率傾斜を選定して最適化すれば、０．９９９９２となり、０．００００５（０．００５％）程度しか劣化しないことが計算される。
【００１５】
従って、屈折率均一膜のみの構成に比べて、境界に屈折率傾斜膜を用いた場合、同じ厚さだけ、反射防止膜の全膜厚を変えても、屈折率傾斜を最適化することで、最大透過率をほぼ維持することができる。
以上の計算は２層の屈折率均一膜間に屈折率傾斜膜が介在する単純な層構成の反射防止膜についてであるが、例えばさらに層数を重ねて最適化したり、屈折率傾斜膜の屈折率傾斜を直線的変化ではなく、最適な傾斜曲線に選定することにより、最大透過率を維持できる全膜厚を幅広く変化させることができ、任意膜厚の反射防止膜を構成できるものとなる。
【００１６】
基板上に成膜形成された波長選択用光学薄膜の光学特性（波長帯域特性）は光学薄膜に所要の反りを発生させることによって調整することができ、この例では上述したように任意膜厚の反射防止膜を構成できるため、所要の反りを発生させるために必要な所要の膜厚の反射防止膜を成膜することにより、光学特性を調整することが可能となる。
なお、反射防止膜の形成は光学薄膜が成膜形成された基板の裏面のみならず、例えば光学薄膜上面あるいは基板裏面と光学薄膜上面の双方に適宜形成されるが、その膜厚を選定し、さらには薄膜材料を選定することにより、いずれの場合にも光学薄膜の光学特性を調整することができる。
また、このように反射防止膜の成膜によって光学特性が調整されている光学薄膜素子では、従来のようなアニールによる波長チューニング工程は不要となり、その分工程の短縮を行うことができる。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による調整方法によれば、例えば仕様から外れた光学薄膜素子であっても、その特性を反射防止膜の成膜により制御することで仕様内へ修正でき、よって不良品の発生を抑えることができ、高難易度の波長選択用光学薄膜素子においても高い歩留りが得られるものとなる。
また、従来行っていたアニールによる波長チューニング工程は不要となり、その分工程の短縮を図ることができる。
さらに、光学薄膜及び基板の機械的特性、温度特性に合わせて反射防止膜の応力を最適化できるので、薄膜や基板の材料制限、設計条件を緩和することができる。
なお、基板厚を薄くすることもでき、これにより光学薄膜素子の薄型化を図ることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明において用いる屈折率傾斜膜を含む反射防止膜の屈折率の膜厚方向分布と、透過率の膜厚依存性を示すグラフ。
【図２】薄膜の応力による基板の反りを模式的に示した図。
【図３】波長選択用光学薄膜素子の一例として、バンドパスフィルタの構造を模式的に示した図。
【図４】反射防止膜の成膜前後における図３のバンドパスフィルタの透過スペクトルの変化を示すグラフ。
【図５】従来の屈折率均一膜のみからなる２層反射防止膜の屈折率の膜厚方向分布と、透過率の膜厚依存性を示すグラフ。
【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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