(57)【要約】【課題】すぐれた偏光分離特性を有する膜割れのない光学多層膜を実現する。【解決手段】基板１０１上に下地層１０２を介して、低屈折率膜１１１と、高屈折率膜および中屈折率膜を含む挿入膜１１２または少なくとも高屈折率膜および中屈折率膜の一方を含む挿入膜１１２ａとを交互に積層した第１の誘電体膜群１１０を形成する。第１の誘電体膜群１１０上には、低屈折率膜１２１と高屈折率膜１２２を交互に積層した第２の誘電体膜群１２０を形成する。第１の誘電体膜群１１０の各低屈折率膜１１１を、引張応力を有するＭｇＦ2 膜と、圧縮応力を有するＳｉＯ2 膜を接合した２層構造にすることで、膜内応力を緩和する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率が２．０以上の高屈折率膜と、屈折率が１．５以上２．０未満の中間屈折率膜と、屈折率が１．５未満の低屈折率膜とを含む交互多層膜を有し、前記低屈折率膜が、引張応力を有する第１の低屈折率層と、圧縮応力を有する第２の低屈折率層とを接合した積層構造を備えたことを特徴とする光学多層膜。
【請求項２】
前記交互多層膜が、前記積層構造の低屈折率膜と、３層以下であって各層が中間屈折率膜または高屈折率膜からなる挿入膜を交互に積層した多層膜構成を有することを特徴とする請求項１記載の光学多層膜。
【請求項３】
前記第１の低屈折率層がＭｇＦ2 膜であり、全てのＭｇＦ2 膜の幾何学的厚さの合計が６００ｎｍ以上であって、前記第２の低屈折率層がＳｉＯ2 膜であり、各ＳｉＯ2 膜の幾何学的厚さが２０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１または２記載の光学多層膜。
【請求項４】
前記積層構造の低屈折率膜が、基板側から前記第１の低屈折率層、前記第２の低屈折率層の順で形成された２層構成の低屈折率膜であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の光学多層膜。
【請求項５】
基板側または前記基板側と反対側の界面に接して、高屈折率膜と低屈折率膜、または高屈折率膜と中間屈折率膜を交互に積層した第２の交互多層膜を有し、前記第２の交互多層膜の最終層は中間屈折率膜であって、該中間屈折率膜を介してプリズム接合されるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の光学多層膜。
【請求項６】
屈折率が２．０以上の高屈折率膜と、屈折率が１．５以上２．０未満の中間屈折率膜と、屈折率が１．５未満の複数の低屈折率膜とを含む交互多層膜を有する光学多層膜の製造方法において、
引張応力を有する第１の低屈折率層と、圧縮応力を有する第２の低屈折率層とからなる積層構造の低屈折率膜を真空蒸着法により形成する第１の工程と、
積層構造の低屈折率膜に接して、３層以上であって各層が中間屈折率膜または高屈折率膜からなる挿入膜をイオンビームアシスト法により形成する第２の工程と、を有し、
前記第１の工程と前記第２の工程を交互に繰り返して交互多層膜を形成することを特徴とする光学多層膜の製造方法。
【請求項７】
高屈折率膜と低屈折率膜、または中間屈折率膜と低屈折率膜からなる第２の交互多層膜を形成する第３の工程を有することを特徴とする請求項６記載の光学多層膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶プロジェクター等に搭載される偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）において、特に、可視域の青帯域ではＳ偏光透過、Ｐ偏光反射、赤帯域ではＳ偏光反射、Ｐ偏光透過の偏光分離特性を有する光学多層膜およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶プロジェクター等に用いられる偏光ビームスプリッタは、特許文献１に記載されているように、誘電体多層膜（偏光分離膜）をプリズムの接合面上に設けて構成されている。この偏光分離膜は高屈折率膜と低屈折率膜の交互層からなり、可視域において高いＳ偏光反射率と高いＰ偏光透過率特性を有するものである。
【０００３】
また、色分解光学フィルターとして、特許文献２に記載されているように、屈折率の異なる少なくとも３種類の誘電体膜を組み合わせて、それぞれ光学膜厚λ／４で繰り返し重ねた積層構造で構成されている例もある。このフィルターは、特定の波長帯域において高いＳ偏光反射率と高いＰ偏光反射率特性を有する。
【０００４】
また、偏光ビームスプリッタの応用例として、Ｐ偏光とＳ偏光の反射帯のエッジ（短波長側）が重なる場合、Ｐ偏光とＳ偏光の反射帯の反射率が略同等となる例が、非特許文献１に示されている。
【０００５】
色分解光学フィルターを高屈折率膜と低屈折率膜の交互層で構成する場合、屈折率差の大きい材料を用いる方が少ない層数で構成できることが知られており、特許文献３には、イオンビームアシスト蒸着法による光学多層膜が開示されている。この多層膜では、高屈折率膜としてＴｉＯ2 膜、低屈折率膜としてＭｇＦ2 膜を用い、イオンビームアシスト法により応力を緩和して積層するものである。
【特許文献１】特開平１１−０２３８４２号公報
【特許文献２】特開平０７−１６８０１７号公報
【特許文献３】特許第２５３０４６１号公報
【非特許文献１】「Thin-filmoptical filters 」(Angus Macleod )  １９８９年  １１月  日刊工業新聞社  Ｐ４０３〜Ｐ４０９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示された多層膜構成は、高屈折率膜と低屈折率膜の交互層を用いて、可視帯域全体に亘ってＳ成分とＰ成分とに効率よく分離するものである。しかしながら、特定の波長帯域、例えば、緑帯域を除いた赤帯域と青帯域において、Ｓ成分とＰ成分とに効率よく分離することができない。
【０００７】
また、特許文献２の多層膜構成は、３種類の誘電体膜を光学膜厚λ／４で繰り返し重ねて、特定の波長帯域において高いＳ偏光反射率と高いＰ偏光反射率特性を実現するものであるが、特定の波長帯域においてＳ成分とＰ成分とに効率よく分離することができない。
【０００８】
非特許文献１では、中間屈折率をＭ、低屈折率をＬ、高屈折率をＨ、４層からなる積層の繰り返し数をｎとした時、（ＭＬＭＨ）n の膜構成が示されている。これは、Ｐ偏光とＳ偏光の反射帯の反射率が同等となる場合であり、特定の波長帯域において高いＳ偏光透過率と高いＰ偏光反射率特性を有する例は開示されていない。
【０００９】
特許文献３では、イオンビームアシスト法を用いることにより膜割れを防止することができるが、同時にフッ化マグネシウム膜にダメージを与え、その吸収を防止することができない。
【００１０】
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、可視域の青帯域および赤帯域において、Ｐ成分の光とＳ成分の光を効率良く分離する偏光分離特性を有する高品質な光学多層膜およびその製造方法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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の光学多層膜は、屈折率が２．０以上の高屈折率膜と、屈折率が１．５以上２．０未満の中間屈折率膜と、屈折率が１．５未満の低屈折率膜とを含む交互多層膜を有し、前記低屈折率膜が、引張応力を有する第１の低屈折率層と、圧縮応力を有する第２の低屈折率層とを接合した積層構造を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
引張応力を有するＭｇＦ2 膜と圧縮応力を有するＳｉＯ2 膜を接合した積層構造にすることで、低屈折率膜の膜割れを防ぎ、可視域の青帯域ではＳ偏光透過、Ｐ偏光反射、赤帯域ではＳ偏光反射、Ｐ偏光透過の偏光分離特性を有する高品質な光学多層膜を実現することができる。
【００１３】
さらに、ＭｇＦ2 膜へのダメージ（吸収）を防止するＳｉＯ2 膜を介在させることで、中間屈折率膜および高屈折率膜へのイオンビームアシスト法の適用を可能にする。これによって、より一層応力を緩和することができる。
【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に示すように、基板１０１上に、屈折率が２．０以上の高屈折率膜Ｈと、屈折率が１.５以上２.０未満の中間屈折率膜Ｍと、屈折率が１.５未満の低屈折率膜Ｌとを、ＨＭＨＬ(またはＨＬＨＭ)の順で積層した第１の誘電体膜群(交互多層膜)１１０を有する。各低屈折率膜１１１は、引張応力を有する第１の低屈折率層Ｌ1 と、第１の低屈折率層Ｌ1 に接して形成された圧縮応力を有する第２の低屈折率層Ｌ2 の２層で構成したものである。
【００１６】
第１の誘電体膜群１１０の基体構成ＨＭＨＬにおいては、低屈折率膜１１１の間に挿入される挿入膜１１２は、中間屈折率膜Ｍと高屈折率膜Ｈを含む３層や、単層の挿入膜１１２ａとして、中間屈折率膜Ｍまたは高屈折率膜Ｈを間に挿入した構成を含む。あるいは、２層の挿入膜として、中間屈折率膜Ｍと高屈折率膜Ｈを用いてもよい。
【００１７】
さらに、低屈折率膜１２１（または中間屈折率膜）と高屈折率膜１２２を交互に積層した第２の誘電体膜群（交互多層膜）１２０を設ける。第２の誘電体膜群１２０は、第１の誘電体膜群１１０の基板側に接して設けてもよいし、基板側と反対側の界面に設けてもよいが、好ましくは基板側と反対側の界面に第２の誘電体膜群１２０を含むほうが応力制御上都合がよい。
【００１８】
さらに、最終層には図示しない中間屈折率膜を有し、この中間屈折率膜を介して高屈折率のプリズム（屈折率が１．８以上）で接合される。
【００１９】
第１の低屈折率層Ｌ1 としてはＭｇＦ2 膜、第２の低屈折率層Ｌ2 としてはＳｉＯ2 膜が最適であり、高屈折率膜ＨとしてはＴｉＯ2 膜、Ｎｂ2 Ｏ5 膜、Ｔａ2 Ｏ5 膜等を用いることができる。中間屈折率膜ＭとしてはＡｌ2 Ｏ3 膜が最適である。
【００２０】
本実施の形態による多層膜構成は、可視域の青帯域ではＳ偏光透過、Ｐ偏光反射、赤帯域ではＳ偏光反射、Ｐ偏光透過の偏光分離特性を得ることを目的としている。そのためには１層のＭｇＦ2 の幾何学的膜厚は４０ｎｍ以上であり、その積層された各幾何学的膜厚の合計は６００ｎｍ以上であることが好ましい。また、ＳｉＯ2 の膜厚は、応力制御、イオンビームアシスト時のＭｇＦ2 へのダメージ（吸収）防止から２０ｎｍ以上の幾何学的厚さを有することが好ましい。
【００２１】
応力制御のためには、イオンビームアシスト法を用いるのが好ましく、第１の誘電体膜群の挿入膜や、第２の誘電体膜群に用いることができる。
【００２２】
上記の構成においては、第１の低屈折率層であるＭｇＦ2 膜の層厚、層数が大きいほど偏光分離特性は良好な傾向を示すが、一方、膜割れは発生しやすくなる。各単膜の応力から、積層膜の全応力を推定することが可能で、おおよその膜割れの発生の有無を予測できる。検討の結果、ＭｇＦ2 膜を合計６００ｎｍ以上用いる多層膜構成では、その全応力（予測膜割れ限界全応力）を３００Ｎ／ｍ以下に抑えることが必要である。
【００２３】
引張応力を有する第１の低屈折率層と、圧縮応力を有する第２の低屈折率層とからなる低屈折率膜を用いることにより、光学多層膜の特性を損なうことなく全応力を緩和し膜割れを防止することができる。応力緩和のためには、第２の低屈折率層の厚さは２０ｎｍ以上必要である。
【００２４】
低屈折率膜の間に設けられる挿入膜を中間屈折率膜と高屈折率膜の３層以下で形成し、低屈折率膜と挿入膜を交互に設けた積層構成において、低屈折率膜と薄い高屈折率膜を含む挿入膜を交互に繰り返すことにより高いＰ偏光反射率を得ることができる。
【００２５】
ＭｇＦ2 膜を含む光学多層膜においては、その膜構成（材料、層数、膜厚、成膜条件）により多層膜の応力は変化するが、ＭｇＦ2 膜の合計の幾何学的厚さが６００ｎｍ以上となる場合、膜割れを防止するためにはＳｉＯ2 膜の使用が有効である。
【００２６】
ＳｉＯ2 膜の第１の役目はＭｇＦ2 膜の応力を緩和することであり、第２の役目は目的とする分光特性を得ることであり、第３の役目はイオンビームアシスト蒸着法を用いる場合、ＭｇＦ2 膜をイオンビームのダメージ（吸収）から防止することにある。このためにはＳｉＯ2 の膜厚が２０ｎｍ以上である必要がある。ここで、イオンビームアシストを用いる目的は、応力緩和とさらに高屈折率の高屈折率膜を得ることによる層数の削減にある。
【００２７】
基板側あるいは基板側と反対側の界面に接して高屈折率膜と低屈折率膜または高屈折率膜と中間屈折率膜からなる第２の交互多層膜を配設し、さらに最終層の中間屈折率膜を介してプリズム接合される構成においては、赤領域でのＳ偏光透過率を抑えることができる。
【実施例１】
【００２８】
基板として、ＰＢＨ５６（屈折率１．８４）プリズムを用い、可視域の青帯域ではＳ偏光透過、Ｐ偏光反射、赤帯域ではＳ偏光反射、Ｐ偏光透過の偏光分離特性を有する８４層の光学多層膜を、基板加熱温度２７０℃で真空蒸着法により形成した。本実施例の膜構成を表１に示す。ここで、ｄは幾何学的膜厚を示す。高屈折率膜にはＴｉＯ2 （屈折率２．３５）、中間屈折率膜にはＡｌ2 Ｏ3 （屈折率１．６２）、第１の低屈折率層にはＭｇＦ2 （屈折率１．３８）、第２の低屈折率層にはＳｉＯ2 （屈折率１．４６）を用いた。
【００２９】
基板に下地層を形成したのち、基板側から第１の低屈折率層と、第１の低屈折率層に接して形成される第２の低屈折率層からなる低屈折率膜を形成する。次いで、低屈折率膜に接して、ＴｉＯ2 膜およびＡｌ2 Ｏ3 膜の少なくとも一方からなる挿入膜を形成する。この２つの工程と交互に繰り返して第１の誘電体膜群を形成した。さらに、高屈折率膜と低屈折率膜を交互に積層して層番号２〜９の第２の誘電体膜群を形成した。
【００３０】
図２は実施例１の膜特性を示すグラフである。縦軸は透過率（％）、横軸は波長を示し、プリズム内入射角が４５度の時のＰ偏光（Ｔｐ）、Ｓ偏光（Ｔｓ）の特性である。
【００３１】
実施例１の膜構成においては、第１の低屈折率層であるＭｇＦ2 膜の総厚は６８０ｎｍであるが、第２の低屈折率層であるＳｉＯ2 膜の総厚１２６８ｎｍにより応力緩和され、膜割れを発生しなかったと考えられる。このとき、予測全応力は略２９０Ｎ／ｍであり、予測膜割れ限界全応力近傍であった。膜割れの観点からは、ＭｇＦ2 膜の総厚は薄い方が好ましいが、特性上は６００ｎｍ程度以上必要である。
【００３２】
【表１】
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【実施例２】
【００３３】
実施例１と同様に、偏光分離特性を有する８４層の光学多層膜を、基板加熱温度１５０℃で形成した。高屈折率膜としてはイオンビームアシスト法によるＴｉＯ2 膜（屈折率２．４５）、中間屈折率膜としてはイオンビームアシスト法によるＡｌ2 Ｏ3 膜（屈折率１．６４）を用いた。膜構成を表２に示す。
【００３４】
基板に下地層を形成したのち、基板側から第１の低屈折率層と、第１の低屈折率層に接して形成される第２の低屈折率層からなる低屈折率膜を真空蒸着法によって形成する。次いで、低屈折率膜に接してＴｉＯ2 膜およびＡｌ2 Ｏ3 膜の少なくとも一方からなる挿入膜をイオンビームアシスト法によって形成する。この２つの工程を交互に繰り返して第１の誘電体膜群を形成した。さらに、イオンビームアシスト法による高屈折率膜と真空蒸着法による低屈折率膜を交互に積層して層番号２〜９からなる第２の誘電体膜群を形成した。
【００３５】
表２において、ＩＡＤＴｉＯ2 、ＩＡＤＡｌ2 Ｏ3 は、イオンビームアシスト法によって成膜されたＴｉＯ2 膜、Ａｌ2 Ｏ3 膜を示し、いずれも加速電圧７５０ＫＶ、電流密度２０μＡ/ｃｍ2 の条件で成膜した。
【００３６】
第２の低屈折率層であるＳｉＯ2 膜の最低膜厚は、イオンビームアシスト法によるＴｉＯ2 膜の成膜時のＭｇＦ2 膜に対するダメージを防止するため、３０ｎｍとした。
【００３７】
図３に実施例２の膜特性を示す。縦軸は透過率（％）、横軸は波長を示し、プリズム内入射角が４５度の時のＰ偏光（Ｔｐ）、Ｓ偏光（Ｔｓ）の特性である。
【００３８】
実施例２の膜構成においては、第１の低屈折率層であるＭｇＦ2 膜の総厚は１１９０ｎｍであるが、第２の低屈折率層であるＳｉＯ2 膜と、イオンビームアシスト法によるＴｉＯ2 膜およびＡｌ2 Ｏ3 膜により応力緩和され、膜割れを発生しなかったと考えられる。このとき、予測全応力は略１１０Ｎ／ｍであり、予測膜割れ限界全応力以下であった。また、青領域（４２０〜４８０ｎｍ）におけるＳ偏光の吸収は１％程度であり、偏光分離特性も実施例１より向上した。
【００３９】
【表２】
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【００４０】
（比較例１）
偏光分離特性を有する６３層の光学多層膜を、真空蒸着法により形成した。ただし、第１の低屈折率層であるＭｇＦ2 膜のみで低屈折率膜を形成した。膜構成を表３に、膜特性を図４に示す。実施例１と同様、プリズム内入射角が４５度の時のＰ偏光（Ｔｐ）、Ｓ偏光（Ｔｓ）の特性である。ＭｇＦ2 膜の総厚が１５８２ｎｍと厚いが、６３層と少ない層数で、偏光分離特性は向上した。また、青領域（４２０〜４８０ｎｍ）におけるＳ偏光の吸収は１％程度であり、光学特性としては問題なかった。しかしながら、ＭｇＦ2 膜の応力が大きいため、多層膜には膜割れが発生し実用はできなかった。このとき、予測全応力は略８８０Ｎ/ｍであり、予測膜割れ限界全応力を大きく上回るものであった。
【００４１】
【表３】
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【００４２】
（比較例２）
実施例２と同様に、偏光分離特性を有する７９層の光学多層膜を、基板加熱温度１５０℃で形成した。高屈折率膜としてはイオンビームアシスト法によるＴｉＯ2 膜（屈折率２．４５）、中間屈折率膜としてはイオンビームアシスト法によるＡｌ2 Ｏ3 （屈折率１．６４）を同様に用いた。膜構成を表４に示す。第２の低屈折率層であるＳｉＯ2 膜の最低膜厚は、１５ｎｍとした。図５に比較例２の膜特性を示す。縦軸は透過率（％）、横軸は波長を示し、プリズム内入射角が４５度の時のＰ偏光（Ｔｐ）、Ｓ偏光（Ｔｓ）の特性である。
【００４３】
比較例２の膜構成においては、第１の低屈折率層であるＭｇＦ2 膜の総厚は１３０５ｎｍであるが、第２の低屈折率層であるＳｉＯ2 膜と、イオンビームアシスト法によるＴｉＯ2 膜、およびＡｌ2 Ｏ3 膜により応力緩和され、膜割れを発生しなかったと考えられる。このとき、予測全応力は略１２０Ｎ／ｍであり、予測膜割れ限界全応力以下であった。
【００４４】
また、偏光分離特性も実施例２より向上した。しかしながら、青領域（４２０〜４８０ｎｍ）におけるＳ偏光の吸収は２％程度あり、改善が望まれる。これは、第２の低屈折率層であるＳｉＯ2 膜の最低膜厚が１５ｎｍでは、イオンビームアシスト法によるＴｉＯ2 膜の成膜時にＭｇＦ2 膜に対するダメージ（吸収）を防止するためにはやや不足であるためと推測される。従って、第２の低屈折率層であるＳｉＯ2 膜の最低膜厚としては、２０ｎｍ以上必要であると考えられる。
【００４５】
【表４】
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【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】一実施の形態による多層膜構成を示す図である。
【図２】実施例１の光学多層膜の光学特性を示す図である。
【図３】実施例２の光学多層膜の光学特性を示す図である。
【図４】比較例１の光学多層膜の光学特性を示す図である。
【図５】比較例２の光学多層膜の光学特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０１    基板
１１０    第１の誘電体膜群
１１１、１２１    低屈折率膜
１１２、１１２ａ    挿入膜
１２０    第２の誘電体膜群
【図１】
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【図２】
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【図３】
2007183379.tif 000009
【図４】
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【図５】
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