(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に屈折率の異なる２種類以上の交互膜から成る誘電体多層膜において、
基板に対してＳｉＯ２、ＡｌＦ３及びこれらの混合物又は化合物から選択される非結晶質膜が形成されており、
物理的膜厚１ｎｍ以上４ｎｍ以下のＳｉＯ２、ＡｌＦ３及びこれらの混合物又は化合物から選択される非結晶質膜を間に備えた、同種の材料から成る第１及び第２のＬａＦ３、ＳｍＦ３及びこれらの混合物又は化合物から選択される５ｎｍ以上１５ｎｍ以下である結晶質膜と、
ＳｉＯ２、ＡｌＦ３及びこれらの混合物又は化合物から選択される非結晶質膜と、
が交互に積層してなることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
対象波長が１２０乃至２５０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の構成を用いたミラー。
【請求項３】
対象波長が１２０乃至２５０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の構成を用いた反射防止膜。
【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や光学フィルターなどの光学素子に係り、特に低損失で適切な屈折率を有する光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な製品にミラーや反射防止膜などの光学素子が用いられている。これら光学素子は基板に誘電体膜を積層した構成であることが多い。基板に高屈折率膜と低屈折率膜を交互に積層することで所望の光学特性を得るものである。
【０００３】
これら光学素子が所望の光学特性を得るために、それぞれの構成膜である誘電体膜は対象とする光学波長において光学損失（吸収や散乱）が小さく、屈折率が適切であることが求められる。
【０００４】
これまで、対象とする光学波長において光学損失（吸収や散乱）が小さく、屈折率が適切であるような誘電体膜を得るため、真空蒸着法やスパッタ法などの物理的蒸着法を用いた様々な技術検討が行われてきた。しかし、膜種や膜構成によっては初期の設計通りの特性が得られない場合が多い。例えば、光学的膜厚０．２５λのＭｇＦ２と光学的膜厚０．２５λのＧｄＦ３を交互に積層した多層膜ミラーにおいては、設計上では反射率が97%程度になるが、実際に得られたものの反射率は設計値よりも10%程度低い。
【０００５】
発明者は物理的蒸着法で積層された誘電体膜における鋭意研究の結果、以下の膜特性における現象を明らかにした。物理的蒸着法で積層された誘電体膜は、その膜厚により光学特性が大きく変化することがある。膜厚が大きくなるにしたがい、斜影効果が大きくなり膜密度の低下や、表面粗さの増加が起きる。それにより、光学損失の増加や屈折率の低下が起きてしまうのである。特に結晶質膜の場合はそれが顕著に現れる。
【０００６】
この現象の結果、異なる屈折率膜の交互層から成る誘電体多層膜ミラーや反射防止膜などでは、基板付近の膜屈折率に対して、素子表面付近の膜屈折率が変化することや、また表面や界面粗さによる散乱によって光学損失が増加してしまうことで、設計通りの特性が得られなくなる場合がある。よって、この現象は膜厚が大きな光学素子や高精密な特性が求められる光学素子においては深刻な問題である。
【０００７】
このような問題を防ぐために、成膜プロセスの改善や非晶質膜を用いる方法がある。
【０００８】
成膜プロセスの改善は、斜影効果を低くするために膜粒子の基板表面でのマイグレーションを向上させるものである。マイグレーションを向上する方法として、まず膜粒子を高エネルギーにするものがある。しかし、この場合、膜粒子の高エネルギー化のために基板や膜にダメージが入り、光学吸収が増加する問題がある。また、成膜時に基板温度をより高くする方法がある。しかし、この場合、膜熱応力の増加によりクラックや剥離の発生や、加熱や応力による素子の形状変化が問題となる。よって、成膜プロセスの改善だけでは問題の解決は困難である。
【０００９】
非晶質膜を用いる方法は非常に効果がある。しかし、誘電体多層膜による光学素子では異なる屈折率膜が二種類以上必要であるのに対して、所望の屈折率を持ち、さらに対象波長で光学損失が小さい非晶質膜が２つもある場合は少ない。特に対象波長が紫外域である場合、光学損失が小さい材料は弗化物に限られるが、弗化物膜の多くは結晶質である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は光学素子に用いる誘電体多層膜において、結晶質膜の膜厚が大きくなることにより生じる特性変化の問題を解決し、高品質な光学素子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】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明の光学素子は基板上に屈折率の異なる２種類以上の交互膜から成る誘電体多層膜において、同種の材料から成る第１及び第２の結晶質膜と、前記第１及び第２の結晶質膜の間に物理的膜厚１ｎｍ以上４ｎｍ以下の非結晶質膜を設けた構成を１つ以上含むことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の光学素子は、前記第１及び第２の結晶質膜が５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明の光学素子は、前記第１及び第２の結晶質膜がＧｄＦ３、ＬａＦ３、ＮｄＦ３、ＤｙＦ３、ＰｄＦ３、ＭｇＦ２、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＳｒＦ２、ＥｒＦ３、ＳｍＦ３、ＣｅＦ３、Ｎａ３ＡｌＦ６、Ｎａ５Ａｌ３Ｆ１４、ＳｍＦ３、ＹｂＦ３、ＥｒＦ３、ＴｂＦ３、ＬｕＦ３及びこれらの混合物又は化合物から選択されることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の光学素子は、前記非結晶質膜がＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＡｌＦ３及びこれらの混合物又は化合物から選択されることが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明の構成を用いたミラー及び反射防止膜は、対象波長が１２０乃至２５０ｎｍであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、光学設計に大きく影響しない膜厚の非晶質膜を結晶質膜に挿入することで結晶質膜の膜厚を小さくし、光学損失の増加や屈折率膜の低下を防ぎ、高品質な光学素子の実現が可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に本発明の実施形態を図面用いて説明する。言うまでもなく本発明はこの説明に限定されるものではない。
【００１８】
本発明の一例であるミラーを図１に示す。
基板１０に結晶質膜１２、非晶質膜１３を物理的膜厚２ｎｍ、そして結晶質膜１２を順次積層した交互層３層を一対として、これを交互層１４とし、光学的膜厚０．２５λの非晶質膜１１と交互層１４を順次それぞれ１３層づつ積層した。
【００１９】
各層の膜は、真空蒸着法、スパッタ法、イオンアシスト蒸着法、イオンプレーティング法などの物理的蒸着法により基板上に形成される。
【００２０】
また、結晶質膜はＧｄＦ３、ＬａＦ３、ＮｄＦ３、ＤｙＦ３、ＰｄＦ３、ＭｇＦ２、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＳｒＦ２、ＥｒＦ３、ＳｍＦ３、ＣｅＦ３、Ｎａ３ＡｌＦ６、Ｎａ５Ａｌ３Ｆ１４、ＳｍＦ３、ＹｂＦ３、ＥｒＦ３、ＴｂＦ３、ＬｕＦ３およびこれらの混合物または化合物から選ばれた１つ以上の成分からなり、非晶質膜はＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＡｌＦ３およびこれらの混合物または化合物から選ばれた１つ以上の成分からなる。
【００２１】
結晶質膜１２の物理的膜厚は１５ｎｍ以下であることが好ましい。これは、１５nm以上では、斜影効果による膜密度の低下や、膜表面粗さの増加による界面の荒れが無視できなくなる場合が多いためである。
【００２２】
非晶質膜１３は本実施形態において物理的膜厚２ｎｍとしたが、４ｎｍ以下であれば良い。４ｎｍ以上になると、設計を行う際の自由度が低下して、得られる特性が良くないという問題がある。図１２に光学的膜厚0.25λのＡｌＦ３とＧｄＦ３を交互に積層した多層膜ミラーにおいて、非晶質膜１３を２nm、４nm、６nm、０nmとした場合の反射率特性を示す。６nmの場合では、0nmつまり本発明を用いない場合とあまり大差がないものになっている。  対象中心波長が１８０〜２５０ｎｍの場合は真空蒸着法かスパッタ法、１２０〜２００ｎｍの場合は真空蒸着法が特に好ましい。
【００２３】
本実施形態により、結晶質膜の膜厚が小さくなり、光学損失の増加や屈折率膜の低下を防ぎ、高品質なミラーの実現が可能となる。
【実施例１】
【００２４】
図２に本発明の実施例１を示す。実施例１は真空蒸着法により合成石英基板２０に結晶質ＳｍＦ３膜２２を光学的膜厚０．１２５λ、非晶質ＡｌＦ３膜２３を物理的膜厚１ｎｍ、そして結晶質ＳｍＦ３膜２２を光学的膜厚０．１２５λ、順次積層した交互層３層を一対として、これを交互層２４とし、光学的膜厚０．２５λの非晶質ＡｌＦ３膜２１と交互層２４を順次それぞれ１３層づつ積層した構成のミラーである。対象中心波長は１９３ｎｍである。結晶質ＳｍＦ３２２の物理的膜厚は１４ｎｍである。
【００２５】
また、実施例１の比較例１として図３ようなミラーを示す。比較例１は真空蒸着法により基板３０に光学的膜厚０．２５λの非晶質ＡｌＦ３膜３１と光学的膜厚０．２５λの結晶質ＳｍＦ３膜３２を交互にそれぞれ１０層ずつ積層したものである。対象中心波長は１９３ｎｍである。結晶質ＧｄＦ３の物理的膜厚は２９ｎｍである。
【００２６】
図４に実施例１と比較例１の反射特性を示す。実施例１の方が良好な特性を示している。
【実施例２】
【００２７】
図５に本発明の実施例２を示す。実施例２は真空蒸着法によりショット社のＺＥＲＯＤＵＲ基板５０に非晶質ＡｌＦ３膜５１と結晶質ＬａＦ３膜５２を交互に積層した広帯域誘電体多層膜ミラーである。それぞれの物理的膜厚が基板５０側から
３．９ｎｍＬａＦ３、６８．５ｎｍＡｌＦ３、２５．４８ｎｍＬａＦ３、７６．６ｎｍＡｌＦ３、１５．３ｎｍＬａＦ３、２６．２ｎｍＡｌＦ３、１２．７ｎｍＬａＦ３、２６．９ｎｍＡｌＦ３、４１．６ｎｍＬａＦ３、５６．３ｎｍＡｌＦ３、９１．５ｎｍＬａＦ３、３２．７ｎｍＡｌＦ３、１３．４ｎｍＬａＦ３、２３．１ｎｍＡｌＦ３、１９．８ｎｍＬａＦ３、３５．７ｎｍＡｌＦ３、２０．４ｎｍＬａＦ３、３０．０ｎｍＡｌＦ３、１４．６ｎｍＬａＦ３、３０．６ｎｍＡｌＦ３、２０．８ｎｍＬａＦ３、３５．０ｎｍＡｌＦ３、２０．１ｎｍＬａＦ３、２７．６ｎｍＡｌＦ３、１３．８ｎｍＬａＦ３、４９．４ｎｍＡｌＦ３、１３．８ｎｍＬａＦ３、４９．４ｎｍＡｌＦ３、１０．６ｎｍＬａＦ３、３６．０ｎｍＡｌＦ３、３０．７ｎｍＬａＦ３、２７．４ｎｍＡｌＦ３、２３．５ｎｍＬａＦ３、３４．４ｎｍＡｌＦ３、２３．６ｎｍＬａＦ３、３７．３ｎｍＡｌＦ３、２５．８ｎｍＬａＦ３、３１．０ｎｍＡｌＦ３、２３．９ｎｍＬａＦ３、３４．１ｎｍＡｌＦ３、２４．６ｎｍＬａＦ３、３５．９ｎｍＡｌＦ３、２５．９ｎｍＬａＦ３、３７．３ｎｍＡｌＦ３、２３．８ｎｍＬａＦ３、７９．４ｎｍＡｌＦ３、０．３ｎｍＬａＦ３である構成のものを比較例２として、この比較例２において、ＬａＦ３膜をＨｎ（ｎは基板側からの番号）として、Ｈｎを全て（０．５Ｈｎ／１ｎｍＡｌＦ３／０．５Ｈｎ）に置き換えた構成のものである。実施例２の結晶質膜の膜厚は１５ｎｍ以下である。
【００２８】
図６に実施例２と比較例２の反射特性および比較例２の設計シュミレイション値を示す。対象中心波長は１５７ｎｍである。比較例２は設計シュミレイション値から大きく特性が異なってしまっている。そして、実施例２の方が比較例２より良好な特性を示している。
【実施例３】
【００２９】
図７に本発明の実施例３を示す。実施例３は真空蒸着法により合成石英基板７０に非晶質ＡｌＦ３膜７３、結晶質ＬａＦ３膜７４、非晶質ＡｌＦ３膜７５と結晶質ＬａＦ３膜７６、非晶質ＡｌＦ３膜７７、結晶質ＬａＦ３膜７８、非晶質ＡｌＦ３膜７９を交互に積層した９層の広帯域誘電体反射防止膜である。それぞれの物理的膜厚が基板７０側から、８３．９ｎｍ非晶質ＡｌＦ３膜７３、８．８ｎｍ結晶質ＬａＦ３膜７４、８８．３ｎｍ非晶質ＡｌＦ３膜７５、２３．４ｎｍ結晶質ＬａＦ３膜７６’、４０．５ｎｍ非晶質ＡｌＦ３膜７９である構成のものを比較例３として、この比較例３において、基板側から第４層目の結晶質ＬａＦ３膜７６’を１１．７ｎｍ結晶質ＬａＦ３／２ｎｍ非晶質ＡｌＦ３／１１．７ｎｍ結晶質ＬａＦ３に置き換えたものが実施例３である。実施例３の結晶質膜の膜厚は１５ｎｍ以下である。
【００３０】
図８に実施例３と比較例３の透過特性および比較例３の設計シュミレイション値を示す。対象中心波長は１９３ｎｍである。比較例３は設計シュミレイション値から大きく特性が異なってしまっている。そして、実施例３の方が比較例３より良好な特性を示している。
【実施例４】
【００３１】
図９に本発明の実施例４を示す。実施例４は合成石英基板９０に真空蒸着法で０．２５λのＳｉＯ２膜９１と０．０６３λの結晶質ＴｉＯ２膜９２、３ｎｍの非晶質ＳｉＯ２膜９３、０．０６３λの結晶質ＴｉＯ２膜９４、３ｎｍの非晶質ＳｉＯ２膜９５、０．０６３λの結晶質ＴｉＯ２膜９６、３ｎｍの非晶質ＳｉＯ２膜９７、０．０６３λの結晶質ＴｉＯ２膜９８の７つの層を順次積層した膜９９を交互に１５層ずつ積層したミラーである。実施例４の結晶質膜の膜厚は１５ｎｍ以下である。
【００３２】
また、図１０にその比較例として、合成石英基板１００に真空蒸着法で０．２５λの非晶質ＳｉＯ２膜１０１と０．２５λの結晶質ＴｉＯ２膜１０２を交互に１５層ずつ積層したミラーを比較例４として示す。
【００３３】
図１１に実施例４と比較例４のミラーの反射特性を示す。設計中心波長は５２０ｎｍである。実施例４の方が良好な反射特性である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上のように、本発明により高品質な特性の光学素子が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明を用いたミラーの実施形態である。
【図２】本発明の実施例１を示す図である。
【図３】比較例１を示す図である。
【図４】実施例１と比較例１の反射特性図である。
【図５】本発明の実施例２を示す図である。
【図６】実施例２と比較例２の反射特性図である。
【図７】本発明の実施例３と比較例３を示す図である。
【図８】実施例３と比較例３の透過特性図である。
【図９】本発明の実施例４を示す図である。
【図１０】比較例４を示す図である。
【図１１】実施例４と比較例４の反射特性図である。
【図１２】実施形態で述べた、多層膜ミラーにおいて非晶質膜１３を２nm、４nm、６nm、０nmとした場合の反射率特性である。
【符号の説明】
【００３６】
１０、２０、３０、５０、７０、９０、１００  基板
１１、１３、２１、２３、３１、５１、７１、７３、７５、７７、７９、９１、９３、９５、９７、１０１  非晶質膜
１２、２２、３２、５２、７２、７４、７６、７６’、７８、９２、９４、９６、９８、１０２  結晶質膜
１４、２４、９９  交互層。
【図１】
0004630574.tif 000002
【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】
0004630574.tif 000008
【図８】
0004630574.tif 000009
【図９】
0004630574.tif 000010
【図１０】
0004630574.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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