(57)【要約】【課題】安定した光学特性とを有し、且つ耐久性に富む光学多層膜と、その製造方法とを提供する。【解決手段】高屈折率誘電体膜３１の一部もしくは全部がアナターゼ結晶構造を有する二酸化チタン製とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率が互いに異なる２種類の誘電体膜が交互に積層されてなる光学多層膜であって、
前記２種類の誘電体膜のうちで高い屈折率を有する高屈折率誘電体膜の一部もしくは全部がアナターゼ結晶構造を有する二酸化チタンからなる
ことを特徴とする光学多層膜。
【請求項２】
屈折率が互いに異なる２種類の誘電体膜が交互に積層されてなる光学多層膜の製造方法であって、
前記２種類の誘電体膜のうちで高い屈折率を有する高屈折率誘電体膜の一部もしくは全部を非晶質相を有する二酸化チタンにより形成させる誘電体膜形成工程と、
前記二酸化チタンの構造をアナターゼ結晶構造に変化させる誘電体膜構造変化工程と
を有することを特徴とする光学多層膜製造方法。
【請求項３】
前記誘電体膜構造変化工程では、前記二酸化チタンを加熱することにより当該二酸化チタンの構造を変化させることを特徴とする請求項２に記載の光学多層膜製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系デバイスに用いられる誘電体多層膜と、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ビデオ・プロジェクタやリアプロジェクション・テレビといった大画面表示装置においては、光源として低消費電力で高輝度が得られる放電型メタルハライドランプ等を用いることにより高輝度が図られている。
【０００３】
また、上記の高輝度化とともにコントラストの改善も行われている。このためには、例えば、表示装置内に設けられるＰＢＳ（Polarizing Beam Splitter）プリズムのＰＢＳ多層膜の積層数を増大させるとともに、前記のメタルハライドランプから発せられる高輝度光への耐久性を付与する必要がある。
【０００４】
上記の光学多層膜は、２種類の誘電体膜、つまり相対的に高い屈折率を有する高屈折率誘電体膜と、相対的に低い低屈折率誘電体膜とを交互に積層することにより形成される。
【０００５】
なお、一般的に２種類の誘電体膜における屈折率差を大きくするほど少ない積層数で所望の光学特性を得ることができる。
【０００６】
また、屈折率ｎが２以上の誘電体膜を高屈折率誘電体膜とし、ｎが２未満の誘電体膜を低屈折率誘電体膜とした場合、前者の材料としては、酸化チタン（ｎ≒２．４）、酸化ニオブ（ｎ≒２．３）、酸化ジルコニウム（ｎ≒２．２）、酸化タンタル（ｎ≒２．１）などが挙げられ、後者としては、酸化シリコン（ｎ≒１．４６）、フッ化マグネシウム（ｎ≒１．３８）などが挙げられる。
【０００７】
また、ＰＢＳプリズム等においては、上記のＰＢＳ多層膜が形成されていない面に光の反射を防止するためのＡＲ（Anti-Reflection）膜が形成される。このＡＲ膜の材料としては、物理的耐久性や化学的安定性に優れた酸化シリコン、酸化チタンなどが挙げられる。
【０００８】
上記のＰＢＳ多層膜及びＡＲ膜の形成方法としては、電子ビーム真空蒸着法、スパッタ法などが挙げられる。
【０００９】
なお、高屈折率誘電膜の材料については前述したが、これらのうち、酸化チタンは屈折率が高く、所望の工学特性を得ることが容易であり、さらに安価であるため、高屈折率誘電体の材料として広く用いられている。
【００１０】
しかしながら、酸化チタン薄膜には一般的に次のような問題点が存在する。即ち、周知のようにＴｉの価数は２価から４価であり、真空度、酸素分圧、薄膜が形成されるガラス基板の温度といった薄膜形成条件の変動により化学量論組成（ＴｉＯ２）に変化が生じ、所望の光学特性が得られない場合がある。
【００１１】
また、上記の点に付随して、ｎや消衰係数ｋが経時変化することがあり、これにより光の波長のシフトや吸収量の増加といった問題が生じる場合もある。
【００１２】
上記の経時変化を防止する方法としては、高屈折率誘電体膜の材料である酸化シリコンと、低屈折率誘電体膜の材料である酸化チタン（二酸化チタン）とをアモルファス（非晶質）とする方法が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。
【００１３】
また、高屈折率誘電体膜の主成分を酸化チタンとし、これに金属酸化物（ＮＯ）、具体的には酸化ニオブや酸化タンタル等を添加する方法もある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開昭６３−１４４３０６号公報
【特許文献２】特開２００２−２７７６３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記のＰＢＳプリズム等に設けられたＰＢＳ多層膜においては、メタルハライドランプの長時間照射により光学特性が変化する場合があり、これにより、このＰＢＳプリズムが備えられた表示装置により投影される画像に劣化（具体的には、色邑等）が生じる。
【００１５】
つまり、従来のＰＢＳ多層膜の耐久性は十分ではなく、望むべき耐久時間（例えば、１０万時間以上）も満たしてはいない。
【００１６】
このような事情に鑑み本発明は、安定した光学特性とを有し、且つ耐久性に富む光学多層膜と、その製造方法と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】
【００１７】
請求項１に記載の本発明は、屈折率が互いに異なる２種類の誘電体膜が交互に積層されてなる光学多層膜であって、２種類の誘電体膜のうちで高い屈折率を有する高屈折率誘電体膜の一部もしくは全部がアナターゼ結晶構造を有する二酸化チタンからなることを要旨とする。
【００１８】
請求項２に記載の本発明は、屈折率が互いに異なる２種類の誘電体膜が交互に積層されてなる光学多層膜の製造方法であって、２種類の誘電体膜のうちで高い屈折率を有する高屈折率誘電体膜の一部もしくは全部を非晶質相を有する二酸化チタンにより形成させる誘電体膜形成工程と、二酸化チタンの構造をアナターゼ結晶構造に変化させる誘電体膜構造変化工程とを有することを要旨とする。
【００１９】
請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の発明において、誘電体膜構造変化工程では、二酸化チタンを加熱することにより二酸化チタンの構造を変化させることを要旨とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、安定した光学特性とを有し、且つ耐久性に富む光学多層膜と、その製造方法とを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の光学多層膜及び光学多層膜製造方法についての説明を行う。
【００２２】
なお、以下の実施例は、あくまでも本発明の説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であれば、これらの各要素又は全要素を含んだ各種の実施例を採用することが可能であるが、これらの実施例も本発明の範囲に含まれる。
【００２３】
また、実施例を説明するための全図において、同一の要素には同一の符号を付し、これに関する反復説明は省略する。
【実施例１】
【００２４】
図１（ａ）は、本発明の第１の実施例（実施例１）に係るＰＢＳプリズム１を示す図である。
【００２５】
このＰＢＳプリズム１は、ガラス基板２ａ及び２ｂ（以下、適宜“ガラス基板２”と総称する）と、これらの間に位置するＰＢＳ多層膜（光学多層膜）３と、ガラス基板２ａ及び２ｂの表面に設けられ、光の反射を防止するＡＲ膜４とからなる。
【００２６】
上記のＰＢＳプリズムを作成するにあたっては、図１（ｂ）に示すように、ガラス基板２ａ及び２ｂのいずれか一方（本実施例においては２ａ）にＰＢＳ多層膜を設け、さらにガラス基板２ａ及び２ｂの表面上にＡＲ膜を設け、その後にＰＢＳ多層膜とガラス基板２ｂとを接着することによりガラス基板２ａ及び２ｂを一体化する。
【００２７】
上記のＰＢＳ多層膜３は、図２に示すように、屈折率が異なる２種類の誘電体膜からなり、図２に示すように、上記の２種類の誘電体膜のうちで相対的に高い屈折率を有する高屈折率誘電体膜３１と、相対的に低い屈折率を有する低屈折率誘電体膜３２とが交互に積層することにより形成される。
【００２８】
なお、本実施例においては、高屈折率誘電体膜３１及び低屈折率誘電体３２がそれぞれ２４層、計４８層積層されている。
【００２９】
また、上記の高屈折率誘電体膜３１の一部または全部は二酸化チタン（ＴｉＯ２）製であり、低屈折率誘電体膜３２の一部または全部は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）製である。
【００３０】
次に、上記のＰＢＳ多層膜３の製造方法について説明する。
【００３１】
ＰＢＳ多層膜３は、多層膜の形成工程と、多層膜の加熱工程とを経て製造される。なお、以降の説明においては、形成工程を経た多層膜には３’、後述する加熱工程を経て完成した多層膜には３の番号を付与する
本発明におけるＰＢＳ多層膜３’の形成工程においては、図３に示すような蒸着装置５ａが用いられる。
【００３２】
この蒸着装置５ａは、ＥＢＤ（Electron Beam Deposition：電子ビーム蒸着）法により成膜を行うものであり、密閉可能な蒸着装置本体６と、この蒸着装置本体６内に設けられた回転ドーム７と、蒸着材料８ａ（二酸化チタン）及び８ｂ（二酸化シリコン）と、蒸発源（電子銃）９と、蒸着装置本体６内の換気・加圧・減圧等を行うためのポンプ１１とからなる。
【００３３】
上記の蒸着材料８ａ及び８ｂは、回転可能に構成されたテーブル上に載置されている。このため、蒸着材料８ａ及び８ｂを蒸発源９から発せられる電子ビーム１０により交互に蒸発させ、回転ドームの内壁面に固定された複数のガラス基板２ａに図２に示したような構造を有するＰＢＳ多層膜３’を形成させることができる。
【００３４】
なお、蒸着材料８ａ（二酸化チタン）により高屈折率誘電体膜３１を形成させるにあたっては、蒸着装置本体内が酸素（Ｏ２）ガスで満たされる。
【００３５】
一方、蒸着材料８ｂ（二酸化シリコン）により低屈折率誘電体膜３２を形成させるにあたっては、上記のようなガスは用いられない。
【００３６】
上記の方法により形成された高屈折率誘電体膜３１を形成する二酸化チタンは非晶質相と、低屈率誘電体膜３２を形成する二酸化シリコンとはともに非晶質相を有することとなる。
【００３７】
図４は、上記の方法により形成されたＰＢＳ多層膜３’等のＸＲＤ（X-ray Diffraction：Ｘ線回折）パターンを示す図であり、図中の線４４はガラス基板２ａ、線４３はＰＢＳ多層膜３’、線４２は僅かに存在する結晶のＸＲＤをそれぞれ示している。なお、線４１については後述する。
【００３８】
前記のとおり、高屈折率誘電体膜３１は非晶質相を有する二酸化チタンを含むが、この点は線４３が示すＸＲＤからみて明らかである。
【００３９】
次に、上記のＰＢＳ多層膜３’を有するＰＢＳプリズムを複数個作製し、約２００倍の加速条件で信用性試験を行った。以下、その結果について説明する。
【００４０】
まず、４００時間（実使用時間で約８万時間に相当）が経過すると、Ｐ波の吸収バンドが顕著になり、６００時間（実使用時間で約１２万時間に相当）が経過すると、画像に色邑が生じることが確認された。
【００４１】
さらに、８００時間（実使用時間で約１６万時間に相当）が経過すると、３０％強と多くのＰＢＳプリズムで吸収バンドが観測された。
【００４２】
また、さらなる検討を行った結果、上記の現象は高屈折率誘電体膜３１、つまりニ酸化チタンの劣化に起因することが判明した。
【００４３】
また、高屈折率誘電体膜３１の材料としてニ酸化チタンに比べ屈折率が低い酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）を用いた場合には、劣化は生じなかったが、誘電体膜の積層数と製造コストが増加してしまうため、実用的であるとはいえない。
【００４４】
したがって、本発明においては、上記の形成工程により得られたＰＢＳ多層膜３’に加熱処理を施すことにより高屈折率誘電体膜３１（二酸化チタン）の構造をアナターゼ（Anatase）結晶構造へと変化させ、これにより劣化を防止する。以下、そのための加熱工程の詳細について説明する。
【００４５】
まず、加熱処理を行う前にＰＢＳ多層膜３’が形成されたガラス基板２aをガラス基板２ｂと接着し、さらにＡＲ膜４を形成し、ＰＢＳプリズム１を得る。そして、このＰＢＳプリズム１を図５の加熱装置１４により加熱する。
【００４６】
この加熱装置１４は、ＰＢＳ多層膜３’を有するＰＢＳプリズム１を載置可能、且つ密閉可能な加熱装置本体１５と、この加熱装置本体１５内の換気・加圧・減圧等をためのポンプ１１とからなる。
【００４７】
以下、この加熱装置１４を用いた加熱処理の結果について説明する。
【００４８】
上記の加熱装置１４内を窒素（Ｎ２）ガスあるいは空気で満たし、ＰＢＳプリズム１（ＰＢＳ多層膜３’を含む）を２８０℃で２時間加熱した。
【００４９】
この加熱処理により得られたＰＢＳ多層膜３のＸＲＤを図４の線４１に示すが、これと、図中のアナターゼ結晶面指数（ｈＫｌ）からみて二酸化チタンがアナターゼ結晶構造を有することは明らかである。
【００５０】
アナターゼ単相の微結晶は、３５０℃より高温では３０分という短時間で形成されるが、それ以上時間をかけてもすでに飽和しており変化はしない。
【００５１】
一方、１５０℃での長時間保持（１０００時間オーダー）でも結晶は形成される。また、ガス雰囲気が真空、還元雰囲気（５％水素Ａｒガス）、空気中、窒素ガス雰囲気の何れの場合も、ＸＲＤ、分光特性、ＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy：Ｘ線光電子分光法）の分析結果は同じであり、二酸化チタンの酸素量の変動は見られない。
【００５２】
なお、二酸化シリコンは、上記の処理を経ても非晶質構造を保持したままであることは周知のとおりである。
【００５３】
このようにして得られたＰＢＳプリズム１（高屈折率誘電体膜３１）に対して上記と同様の加速条件信頼性試験を行ったところ、従来のＰＢＳプリズムの一部で観測された吸収バンドの劣化は１０００時間以上の試験においても全く発生せず、安定した特性を有することが確認された。
【００５４】
また、ＡＲ膜４も上記の処理において加熱されるため、その構造がアナターゼ結晶構造となり、高屈折率誘電体膜３１と同様に安定した特性を得ることができる。
【００５５】
また、形成工程において予め二酸化チタン膜を形成させ、その後、加熱工程において非晶質主体の緻密な膜を微結晶化することにより、単一の工程において微結晶化されたニ酸化チタンを形成させた場合に比べより緻密な構造が得られる。このため、水分に起因するピークシフトを抑制することができる。
【００５６】
また、結晶化を行う加熱工程を多層膜の形成工程から分離することにより、生産管理が容易となり、さらに、多層膜の形成工程における蒸着温度を低温とすることができるとともに、総工程時間も短縮できる。したがって、コスト及び消費エネルギーを低減することができる。
【実施例２】
【００５７】
上記の実施例１においては、蒸着装置５ａがＥＢＤを行うためのものである場合を示したが、これに限定されず、図６に示すような蒸着装置５ｂを用いることもできる。
【００５８】
この蒸着装置５ｂは、ＩＡＤ（Ion Assisted Deposition：イオンアシスト蒸着）法により成膜を行うものであり、密閉可能な蒸着装置本体６と、この蒸着装置本体６内に設けられた回転ドーム７と、蒸着材料８ａ（二酸化チタン）及び８ｂ（二酸化シリコン）と、蒸発源（電子銃）９と、蒸着装置本体６内の換気・加圧・減圧等を行うためのポンプ１１と、イオン銃１２と、中和器（ニュートラライザ）１３とからなる。
【００５９】
この装置を用いて多層膜を形成させるにあたっては、蒸着装置本体６内にイオン化した不活性ガス（Ａｒ等）と酸素混合ガス（不活性ガスのみでも可）を満たし、中和器１３より電気的中和のための電子ビームを照射する。
【００６０】
なお、上記の実施例においては、ＰＢＳプリズムを製造する場合を示したが、本発明の光学多層膜（ＰＢＳ多層膜）は、あらゆる光学系デバイスに用いることができる。
【００６１】
また、上記の装置を用いる光学多層膜製造方法も本発明の範囲に含まれる。
【００６２】
以上のとおり本発明によれば、安定した光学特性を有し、光吸収変化が抑制された光学多層膜を実現できる。
【００６３】
また、上記の光学多層膜を用いることにより安定した光学特性を有し、且つ耐久性に富む光学系デバイスを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施例１に係るＰＢＳプリズムを示す図である。
【図２】図１のＰＢＳ多層膜の拡大図である。
【図３】本発明の実施例１に係る蒸着装置の構成図である。
【図４】本発明の実施例１に係るＰＢＳ多層膜のＸ線回折パターンを示す図である。
【図５】本発明の実施例１に係る加熱装置の構成図である。
【図６】本発明の実施例２に係る蒸着装置の構成図である。
【符号の説明】
【００６５】
１…ＰＢＳプリズム
２ａ、２ｂ…ガラス基板
３…ＰＢＳ多層膜
４…ＡＲ膜
５ａ、５ｂ…蒸着装置
６…蒸着装置本体
７…回転ドーム
８ａ、８ｂ…蒸着材料
９…蒸着源
１０…電子ビーム
１１…ポンプ
１２…イオン銃
１３…ニュートラライザ
１４…加熱装置
１５…加熱装置本体
３１…高屈折率誘電体膜
３２…低屈折率誘電体膜
【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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