(57)【要約】【課題】厚さの薄い膜を精度良く堆積層に堆積させ、波長の推移に伴う光輝度の推移が自由曲線となる自由曲線多層膜干渉フィルターを提供する。【解決手段】本発明は、波長の推移に伴う光輝度の推移が自由曲線となる自由曲線多層膜干渉フィルターであって、複数の酸化物の薄膜から構成され、前記複数の酸化物の薄膜は交互に１００乃至３００層積層され、前記積層には光学膜厚５０ｎｍ以下の極薄膜が挿入され、前記複数の酸化物薄膜の膜厚およびその積層順序には規則性がなく、前記複数の酸化物は、５酸化タンタルと２酸化ケイ素であり、前記自由曲線多層膜干渉フィルターの特性は、前記５酸化タンタル、前記２酸化ケイ素の積層数、前記５酸化タンタル、前記２酸化ケイ素の薄膜の膜厚の積層順序、及び、光学膜厚５０ｎｍ以下の極薄膜の挿入位置により決定されることを特徴とする。【選択図】図３
2012177749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長の推移に伴う光輝度の推移が自由曲線となる自由曲線多層膜干渉フィルターであって、
複数の酸化物の薄膜から構成され、
前記複数の酸化物の薄膜は交互に１００乃至３００層積層され、
前記積層には光学膜厚５０ｎｍ以下の極薄膜が挿入され、
前記複数の酸化物薄膜の膜厚およびその積層順序には規則性がないことを特長とする自由曲線多層膜干渉フィルター。
【請求項２】
前記複数の酸化物は、５酸化タンタルと２酸化ケイ素であることを特長とする請求項１に記載の自由曲線多層膜干渉フィルター。
【請求項３】
前記自由曲線多層膜干渉フィルターの特性は、前記５酸化タンタル、前記２酸化ケイ素の積層数、前記５酸化タンタル、前記２酸化ケイ素の薄膜の膜厚の積層順序、及び、光学膜厚５０ｎｍ以下の極薄膜の挿入位置により決定されることを特長とする請求項１に記載の自由曲線多層膜干渉フィルター。
【請求項４】
前記複数の酸化物薄膜の膜厚は、（数１）波長毎の透過率（Ｔλ）の計算式、（数２）膜厚算定式において、必要な分光特性を得るための膜厚をＤｊ、これを求めるための任意の膜厚をｄｊ、真値Ｄと任意の値ｄとの誤差量ξからＤ＝ｄ＋ξとし、λｉとＤｊの関数Ｆ（λｉ、Ｄｊ）の１階偏微分項からなる誤差を最少とするξを求めてＤｉを得ることを特徴とする請求項１に記載の自由曲線多層膜干渉フィルター。
波長毎の透過率（Ｔλ）
【数１】
2012177749.tif 000016
ただし、
2012177749.tif 000017
Ｍは、特性マトリックスで以下の通り表示される。
2012177749.tif 000018
膜厚算定式
【数２】
2012177749.tif 000019
ただし、Ｄは必要な透過率特性を得るための膜厚、ｄは任意の膜厚、ξはＤとｄとの誤差量。
【請求項５】
前記光学膜厚５０ｎｍ以下の極薄膜の挿入位置は、（数１）によりλに対するＴを決めることにより決定されることを特徴とする請求項１に記載の自由曲線多層膜干渉フィルター。
【請求項６】
前記酸化物薄膜の積層数は、λとＤに関する関数（数３）をテイラー展開し１階の偏微分項の和である誤差関数（数４）が零と見なせる値となり、かつ、最小層数である事を条件として決定されることを特徴とする請求項１に記載の自由曲線多層膜干渉フィルター。
【数３】
2012177749.tif 000020
【数４】
2012177749.tif 000021
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自由曲線多層膜干渉フィルターに係り、より詳しくは、ソーラシミュレータや分光器に適用され、波長の推移に伴う光輝度の推移が自由曲線となる自由曲線多層膜干渉フィルターに関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、環境対策として太陽電池が注目される中、太陽光関連の各種の評価にソーラシミュレータが活用されているが、太陽電池の性能は、光の強度、光のスペクトル分布に依存する。
ソーラシミュレータの光源としては、分光特性のよく似たＸｅランプが使用され、更に太陽光との近似度を上げる手段として分光特性を変換する光学フィルターが使用される。
【０００３】
従来フィルターによる近似精度は、分光特性の総放射照度と特定波長区域に分けた領域の放射照度との比で定義されているため、ある波長で分光特性に大きな違いを生じても、区切られた波長内でそれを打ち消す特性があれば放射照度の積算値としては同じものとなり、分光特性で大きな違いがあってもその差異は明確に表れなかった。
【０００４】
しかし、太陽電池のタンデム型や、色素増感型では、特定の波長帯で特定の感度特性を有しており、この波長帯に疑似光の分光特性の異なる部分が当たれば、太陽光での評価と大きく異なる結果となるため、Ｘｅランプの分光特性を太陽光に近付ける必要があったが、従来のフィルターでは困難であった。
従来のフィルターでは、太陽光のような波長の推移と共になだらかな湾曲を示す特性や、輝線のような急峻な変化や、さらには、輝線が多数ある場合には対応できなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６−２３０２１９号公報
【特許文献２】特開平９−３０６２０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記のような点を考慮してなされたものであって、厚さの薄い膜を精度良く堆積層に堆積させ、波長の推移に伴う光輝度の推移が自由曲線となる自由曲線多層膜干渉フィルターの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、波長の推移に伴う光輝度の推移が自由曲線となる自由曲線多層膜干渉フィルターであって、複数の酸化物の薄膜から構成され、前記複数の酸化物の薄膜は交互に１００乃至３００層積層され、前記積層には光学膜厚５０ｎｍ以下の極薄膜が挿入され、前記複数の酸化物薄膜の膜厚およびその積層順序には規則性がないことを特徴とする。
【０００８】
前記複数の酸化物は、５酸化タンタルと２酸化ケイ素であることを特徴とする。
【０００９】
前記自由曲線多層膜干渉フィルターの特性は、前記５酸化タンタル、前記２酸化ケイ素の積層数、前記５酸化タンタル、前記２酸化ケイ素の薄膜の膜厚の積層順序、及び、光学膜厚５０ｎｍ以下の極薄膜の挿入位置により決定されることを特徴とする。
【００１０】
前記複数の酸化物薄膜の膜厚は、（数１）波長毎の透過率（Ｔλ）の計算式、（数２）膜厚算定式、により算出されることを特徴とする。
波長毎の透過率（Ｔλ）
【数１】
2012177749.tif 000003
ただし、
2012177749.tif 000004
Ｍは、特性マトリックスで以下の通り表示される。
2012177749.tif 000005
膜厚算定式
【数２】
2012177749.tif 000006
ただし、Ｄは必要な透過率特性を得るための膜厚、ｄは任意の膜厚、ξはＤとｄとの誤差量。
【００１１】
前記光学膜厚５０ｎｍ以下の極薄膜の挿入位置は、（数１）によりλに対するＴを決めることにより決定されることを特徴とする。
【００１２】
前記酸化物薄膜の積層数は、λとＤに関する関数の数（３）をテイラー展開し１階の偏微分項の和である誤差関数（数４）が零と見なせる値となり、かつ、最小層数である事を条件として決定されることを特徴とする。
【数３】
2012177749.tif 000007
【数４】
2012177749.tif 000008
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、太陽光に類似の分光特性をもつフィルターが得られ太陽光に近似させた照射試験における照射精度が向上する。
また、任意の分光分布を有するフィルターを得ることができるため、緯度、経度、天候、時刻の異なる太陽光の分光分布を作り出すことができる。
さらに、１枚のフィルターで類似太陽光を作ることができるため、ソーラーシミュレーターの機構を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】スパッタの概念図である。
【図２】本発明の多層膜干渉フィルターの製造装置の概略図である。
【図３】本発明の多層膜干渉フィルターの特性を示す図である。
【図４】本発明の多層膜干渉フィルターの特性を示す図である
【図５】本発明の多層膜干渉フィルターの特性を示す図である
【図６】本発明の多層膜干渉フィルターの特性を示す図である
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ソーラシミュレータの光源としては、分光特性の良く似たＸｅランプがよく使われるが、太陽光への擬似性をさらに向上させる手段の１つとして、分光特性を変換する光学フィルターが使われる。このようなフィルターの使い方は、特開２００７−１６５３７号公報や特開平９−３０６２０１号公報に記載されている。
従来のフィルターでも、特定のランプに対してソーラシミュレータの規格に合わせることは、ある程度可能であった。しかしながら、この近似精度は、分光特性の近似度ではなく、分光特性の総放射照度と、特定波長区域に分けた領域の放射照度との比で定義されているものである。即ち、ある波長で、分光特性に大きな違いを生じても、区切られた波長内で、それを打ち消す特性があれば、放射照度の積算値として同じものとなり、分光特性から見て、大きな違いがあっても許されることになる。
【００１６】
しかし、例えば太陽電池のタンデム型や、色素増感型などは特定な波長帯に具わった感度特性を持っている。異なった感度特性を持った波長帯に擬似光の大きく分光特性が合わない部分が当たれば、太陽光での評価値と大きく異なる結果となるため、従来は、感度特性毎の擬似を考える必要があったが、太陽光の分光特性そのものの擬似精度を上げれば、感度特性を考慮せずに、評価の信頼度を上げることができる。
【００１７】
従来のフィルターでは、Ｘｅランプの分光特性を太陽光に精度良く近似させることが困難であった。これは、太陽光のように波長の推移と共に、なだらかな湾曲を持った特性は、多層膜フィルターで精度の良いものが作れず、輝線のような急峻な強度変化を来たす特性も作れなかったことによる。
更に、多くの輝線が有る場合に対応できるフィルターや、緩やかな湾曲を擬似し、同時に、輝線を除去することも１枚のフィルターでは不可能であった。
【００１８】
従来品では、剥離やクラックを避けるため、複数の基板に成膜し、その各々の特性を合成して用いていた。複数の基板を使う事は、同じ工程を繰り返す事となり、時間の浪費、製造コストの増加を来す。光学性能も複数の基板を光が通過する度に、光の減衰を生じるので、１枚基板の方が有利である。複数基板で製作しても自由曲線多層膜フィルターの特徴は有するが、膜が厚すぎて、膜応力での剥離、熱膨張による膜剥離やクラックを生じていた。本発明のフィルターは、スパッタ成膜により、この欠点を無くし、部品点数の削減。成膜工程の簡略化でコスト低減を計ると共に、他の光源との組合わせを必要としないため、コンパクト化も同時に図れるものである。
【００１９】
次に、多層膜干渉フィルターの製造方法について説明する。
多層膜干渉フィルターの製造方法は、スパッタリング槽内に不活性ガスを充填する段階と、フィルター基板６の自転と公転盤５の公転の回転数の比率を設定する段階と、電極間に電圧をかける段階と、スパッタリング対象材にマスクをかける段階と、からなる。
膜厚監視はマルチチャンネルセンサーを備えた高速分光機により、逐次、積層膜の分光特性を測定し、分光特性の変化から膜厚堆積速度を求める。
膜厚堆積速度を監視しながら、スパッタリングを行う。
【００２０】
本願発明の自由曲線多層膜干渉フィルターは、波長の推移に伴う光輝度の推移が自由曲線となるフィルターであり、複数の酸化物の薄膜から構成される。複数の酸化物の薄膜は交互に１００乃至３００層積層され、積層には光学膜厚５０ｎｍ以下の極薄膜が挿入され、複数の酸化物薄膜の膜厚およびその積層順序には規則性がないことを特徴とする。
複数の酸化物は、５酸化タンタルと２酸化ケイ素であり、本願の自由曲線多層膜干渉フィルターの特性は、５酸化タンタル、２酸化ケイ素の積層数、５酸化タンタル、２酸化ケイ素の薄膜の膜厚の積層順序、及び、光学膜厚５０ｎｍ以下の極薄膜の挿入位置により決定される。
【００２１】
前記複数の酸化物薄膜の膜厚は、（数１）波長毎の透過率（Ｔλ）の計算式、（数２）膜厚算定式において、必要な分光特性を得るための膜厚をＤｊ、これを求めるための任意の膜厚をｄｊ、真値Ｄと任意の値ｄとの誤差量ξからＤ＝ｄ＋ξとし、λｉとＤｊの関数Ｆ（λｉ、Ｄｊ）の１階偏微分項からなる誤差を最少とするξを求めてＤｉを得ることを特徴とする。
まず、下記（数１）により波長毎の透過率（Ｔλ）の計算を行う。
【数１】
2012177749.tif 000009
ただし、
2012177749.tif 000010
Ｍは、特性マトリックスで以下の通り表示される。
2012177749.tif 000011
上記右辺のマトリックスが１層毎の膜厚を表している。
2012177749.tif 000012
ただし、
2012177749.tif 000013
【００２２】
以上より、層数、各層の物質の屈折率、膜厚が決まれば波長を変数として、波長毎に透過率Ｔλｉを計算し、横軸を波長、縦軸を透過率にしたグラフを作成すれば、分光透過率特性のグラフが得られる。      
または分光反射率は、膜層数、屈折率、膜厚を変更することで変化し、フィルターとして必要な分光特性は、膜層数、屈折率、膜厚を変更することで得られる。
必要な分光特性は、膜厚を変化させて分光特性を計算し、必要な分光特性が得られない場合は、層数を増やして必要な分光特性が得られるまで繰り返し計算する。
【００２３】
次に、膜厚の算出を行う。
必要な分光特性を得るための膜厚をＤ１，Ｄ２，・・・・・、Ｄｊ−１，Ｄｊとし、これを求めるために任意の膜厚をｄ１，ｄ２，・・・・・、ｄｊ−１，ｄｊ、真値Ｄと任意の値ｄとの誤差量をξとして等価の式よりξを求める。
即ち、Ｄ＝ｄ＋ξよりＤを求める。
（数１）より、Ｆ（λｉ、Ｄ）を設定し以下のように展開する。
2012177749.tif 000014
が十分小さな値となり０と見なされるまで計算を行う。
【００２４】
自由曲線多層膜干渉フィルターは、自由曲線の形状が複雑なほど、また近似度を上げるほど、堆積させる薄膜の層数を増やし、各層の厚みの自由度を増す必要がある。従来の干渉膜と大きく異なる点は、数十ナノメータ程度の膜層を多用していることと数十ナノメータの膜厚を正確に積層させることである。膜層数は数百層を必要とするものも有る。膜層数が増えると、膜応力が増大し、これにより、膜自身の損傷や、基板と膜との剥離を起こす。そのため、応力に関し耐久性の強い膜を生成出来る成膜方式を用いる必要がある。
【００２５】
このような特性を有するフィルターを製造するために、成膜方式として高周波マグネトロンスパッタリング方式を採用している。
高周波マグネトロンスパッタリング方式によれば、スパッタリングの堆積速度（レート）とスパッタ流（スパッタ粒子）の飛散分布を制御することでフィルター基板上に均一に成膜を得ることができ、スパッタ法を用いれば、レートを変更しても、丈夫な膜を生成することができる。
また、精度良く薄膜を堆積させるためには、スパッタの流れを変えるマスクを配置する必要がある。
【００２６】
図１のスパッタ概念図に示す通り、高周波マグネトロンスパッタリング方式では、極低気圧の気体中に置かれた、カソード（ターゲット＝堆積用の物質）とアノード（フィルター用基板）に高周波をかけ放電を起こさせる。これにより気体は電離し、生じた正イオンがカソードに衝突する。その結果、カソードの原子が飛び出し（スパッタ効果、またはスバッタ粒子）、それがアノードに堆積する。
ターゲットの裏側には永久磁石を置き、ターゲット近傍に磁界を作る。放電により、電離した封入気体（アルゴンなど）がターゲットに引き寄せられて衝突した際に生じる２次電子を磁界で閉じ込める。この電子が、封入気体のイオン化を促進させるので、スパッタ効率が上がる。
【００２７】
高周波マグネトロンスパッタリング方式を本発明の自由曲線多層膜干渉フィルターに適用する際の問題点は、膜厚を制御するための膜厚測定である。
本発明の自由曲線多層膜干渉フィルターの薄膜の膜厚は、実用光波長のλ／４より、遥かに薄く、膜層数は３００層を越えるものであるため、従来の膜厚測定法は適用できない。
【００２８】
従って、本発明では新たな膜厚測定方式を用いた。
膜厚測定方法として、従来の膜厚系の受光器部を、マルチチャンネルセンサーを装備した分光機に替えて、積層膜を透過してきた光を受光させ、分光特性を測定する。
分光器の性能は、２５０ｎｍ〜１１００ｎｍまでの波長領域を、０．１〜１秒で測定できるものである。
得られた分光特性から「膜厚／時間＝レート」を求めるために既知の量は、
ａ，測定時までに堆積させた総層数。
ｂ，堆積が行われている層での堆積開始時刻から測定が行われる時刻までの時間。
ｃ，各層で使われた物質の屈折率。である。
透過率の（数１）、（数２）で未知数は、膜厚だけとなる。
ここで、自由曲線多層膜干渉フィルターの設計時に用いた、「必要な特性Ｔλｉ」の代わりに、測定された分光特性を用いて前記膜厚を求める（数３）、（数４）を適用すれば各層の膜厚と、測定中に成膜していた層の膜厚が求められる。
従って、「測定中に成膜していた層の膜厚」／「堆積が行われている層での堆積開始時刻から測定が行われる時刻までの時間」＝レート  となり、
「所望の厚み」／レート  ＝  必要な堆積時間  が得られる。
必要な堆積時間分、成膜を続ければ、所望の膜厚が得られる。
各層毎に上記を繰り返えせば、層毎に膜厚制御が行える。
【００２９】
膜厚を均一にするために多重膜基板を二重回転（遊星回転）させ、基板（遊星子）の自転（ターゲットの中心位置に回転軸を持つ回転）と公転（成膜装置の中心に回転軸を持つ回転）の回転数（と回転方向）を夫々独立に変えられる構造を設け、両者の回転数の比率を自由に変えることで、堆積膜厚が均一になる条件を作り出した。即ち、基板上の全ての点が、ターゲット上の全ての点を同じ時間だけ通過する条件を作りだした。
【００３０】
表１は、膜設計の１例である。
本発明の自由曲線多層膜干渉フィルターは、擬似太陽光用のフィルター、定エネルギ一分光光源用フィルターとも、五酸化タンタルと二酸化ケイ素の交互層で作る。表１の値は、設計値の一部であり、１層毎の光学膜厚を示す。
膜構成の特徴は、光学膜厚に３０．９３ｎｍ、６．８５ｎｍ、７．４４ｎｍの極薄膜を含むことであり、この膜厚を精度良く積層する必要がある。
表１    
2012177749.tif 000015
従来の膜厚制御は、膜の堆積が進行している基板に単色光を入射し、透過光強度、反射光強度を測定して行くと、膜厚が単色光波長のλ／４に達する毎に変曲点を示す。これを利用して変曲点から変曲点の間に堆積を促進させるものであるが、λ／４の変曲点を出現させるには、
３０．９３×４＝  １２３．  ７２ｎｍ、６．８５×４＝２７．４ｎｍ、７．４４×４＝２９．７６ｎｍ  といった波長の光を入射させる必要がある。しかし、この様な短波長の光を発光、ないし受光できる膜厚計は開発されていない。
【００３１】
もう一つの特徴は、交互層の膜厚の値の並びに規則性をもたせないことである。従来の膜設計では、膜厚の並びに、同じ模厚が繰り返される様にしていた。
例えば、Ｓｉ０２とＴａ２０５層の光学厚みが、１００ｎｍを繰り返す構成である。光学厚みはλ／４毎に変曲点を迎えるが、前の層の厚みが、入射波長のλ／４の倍数の厚みでない場合、次の層では、変由点の位置から光強度の変化が始まらず、λ／４周期の判定が困難になる。同じ光学膜厚の繰り返しであれば、堆積物質が変わっても膜厚制御は続行できるが、膜厚が変われば、続行が難かしい。自由曲線多層膜干渉フィルターの構成は、両者を含む構成となっている。
【００３２】
前記製造条件を満たす本願発明による自由曲線多層膜干渉フィルターを製造する多層膜干渉フィルターの製造装置１は、図２に示す通り、複数のターゲット２，３と、スパッタ効果を促進するためにターゲット直下に装着された永久磁石７と、ターゲット２，３と対向して自転するフィルター基板６と、複数個のフィルター基板６を装着して公転する公転盤５と、ターゲットの一部を被覆し、スパッタ流が均一になるような開口部を有するマスク８と、からなっている。
フィルター基板６の自転と公転盤５の公転の回転数と回転方向は各々独立に変更可能であり、高速分光器により、積層の分光特性が測定され、逐次レートが算出される。
前記所定の膜厚は、スパッタ物質毎のレートに膜厚堆積時間を掛けて得られる。
フィルター基板６の自転と公転盤５の公転の回転数の比率を自由に変えることにより、フィルター基板６の全ての点が、ターゲット上の全ての点を同じ時間だけ通過するようになっている。
【００３３】
本発明の自由曲線多層膜干渉フィルターの特性を以下に示す。
図３は、本発明の自由曲線多層膜干渉フィルターを定エネルギー分光照射装置に適用した場合の特性を示す図であり、横軸の波長（ｎｍ）に対する相対強度（縦軸）を示す。
薄色線は、Ｘｅ光源を分光器に入射させ、分光後に出射する光の分光特性であり、総合特性はＸｅ光源の特性と分光器の特性の掛算となる。
濃色線は、定エネルギー分光照射装置用の自由曲線多層膜干渉フィルターの特性であり、上記分光後に出射する光の分光特性と掛け合わせると常に一定の数値になる特性を有する。
細線は、出力特性とフィルター特性を掛け合わせた結果の計算値を示す。
Ｘｅ光源及び分光器は、光波長に対して特有の分光特性を有しているため、両者を通した光の出力値は波長毎に異なる。自由曲線多層膜干渉フィルターを光路上に配置すれば、出力は波長に依存せず一定になる。
【００３４】
図４は、自由曲線多層膜干渉フィルター（ＦＬＴ）の効果を示す図である。
分光器から出力される波長幅を５ｎｍに設定し、横軸の波長（ｎｍ）に対する放射照度（縦軸）を示すもので、
薄色線は、Ｘｅ光源と分光器の特性を掛け合わせたフィルター（ＦＬＴ）なしの出射光の分光特性を示し、濃色線は、フィルターを装着した時の分光特性の実測値を示す。出力が略一定となっていることが分かる。
【００３５】
図５は、ソーラシミュレータ用自由曲線多層膜干渉フィルターの近似度を示す図であり、波長に対する相対強度を表すものである。
濃色線は、Ｘｅ光源からの光を太陽光（ＪＩＳ結晶系用規格値）に擬似させるために必要なフィルター分光特性の目標値（理想値）を示し、薄色線は、実際に設計できた特性を示す。目標値と実績値が殆ど一致し、良好な結果を示していることが分かる。
【００３６】
図６は、自由曲線多層膜干渉フィルターを用いたソーラシミュレータの性能を示す図である。グラフを見易くするために、各特性は、波長６００ｎｍの値で正規化してある。
図５と同様、波長に対する相対強度を表すものであり、
細線は、フィルターを使用しない場合で、Ｘｅ光源の特性を示す図である。長波長に大きな輝線が存在する。
濃色線は、太陽光の擬似特性で、ＪＩＳ結晶系用規格値に合わせたものを示す。
薄色線は、Ｘｅ光源に自由曲線多層膜干渉フィルターを用いたときの特性を示す図であり、ＪＩＳ規格値の値に良く一致していることが分かる。
【符号の説明】
【００３７】
１  多層膜干渉フィルター製造装置
２、３  ターゲット
５  公転盤
６  フィルター基板
７  永久磁石
８  マスク
【図１】
2012177749.tif 000022
【図２】
2012177749.tif 000023
【図３】
2012177749.tif 000024
【図４】
2012177749.tif 000025
【図５】
2012177749.tif 000026
【図６】
2012177749.tif 000027