(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性ガーネットからなる光学基板上に形成された少なくとも第１の層と該第１の層の上に形成され第１の層と屈折率の異なる第２の層とを有する反射防止膜において、第１の層の内部応力および第２の層の内部応力は圧縮応力であり、第１の層の内部応力は第２の層の内部応力よりも圧縮方向において大きいことを特徴とする反射防止膜。
【請求項２】
磁性ガーネットからなる光学基板上に第１の層を形成する工程と、前記第１の層上に前記第１の層と屈折率の異なる第２の層を形成する工程とを有する反射防止膜形成方法において、第１の層の内部応力および第２の層の内部応力は圧縮応力であり、第１の層の内部応力は第２の層の内部応力よりも圧縮方向において大きくしたことを特徴とする反射防止膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信、光情報処理システム等で用いられる光学部品である光アイソレータ等を構成するための光学基板上に形成される多層の反射防止膜およびその形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、光ファイバ通信、光情報処理システム等で用いられる光学部品である光アイソレータ等を構成するための光学基板の光入出射面での反射光を抑制するために、この光学基板の表面にコーティングされる単層または多層の反射防止膜が種々提案されている。
【０００３】
単層の反射防止膜の場合、広波長帯域において低反射率条件を満足する単層膜を形成することは簡単ではあるが、膜の材質が限られてしまうということが例えば特開昭６３−２０１６０２で報告されている。
【０００４】
一方、多層の反射防止膜の場合、低屈折率材料と高屈折率材料との異種膜材料を交互に重ねて積層構造とすることにより広波長帯域において低反射率条件を満足することが容易である。例えば特開平１−２５３７０９や特開平２−６９７０１にこのような多層の反射防止膜が記載されている。
【０００５】
しかし、多層の反射防止膜を形成する際には各層の内部応力に注意する必要がある。各層の内部応力は光学基板に対する多層膜全体の密着強度に大きな影響を与えるからである。すなわち、光学基板上に形成される各層の内部応力が不均衡である場合には膜剥離が生じ易くなる。また、このように形成された多層膜が高温高湿度条件下に放置されると、各層の内部応力は変化しやすくなり、膜剥離が急激に進行してしまう。
【０００６】
ところで、基板上に薄膜を形成する場合、基板を任意の温度で加熱する場合が多い。従って、薄膜の内部応力は基板と薄膜との間の熱膨張係数の差によって生じる熱応力によって大きく影響されると考えられる。
【０００７】
ガラスやシリコン（Ｓｉ）のような低熱膨張係数（３×１０−６／℃以下）を有する基板上に形成された多層膜の内部応力はよく知られている。例えば、反射防止膜によく用いられる低屈折率材料であるＳｉＯ２と高屈折率材料であるＴｉＯ２の場合、ＳｉＯ２膜の内部応力は圧縮応力になり易く、ＴｉＯ２膜の内部応力は引張応力になり易い。
【０００８】
一例として、真空蒸着法を用い、任意の成膜条件でＳｉ基板上に形成した種々の膜厚のＴｉＯ２膜およびＳｉＯ２膜における内部応力の実測結果を図１および図２に示す。図１はＳｉ基板上に種々の膜厚のＴｉＯ２膜を形成して各膜厚における内部応力を実測した結果を示す図であり、図２はＳｉ基板上に種々の膜厚のＳｉＯ２膜を形成して各膜厚における内部応力を実測した結果を示す図である。図１および図２にはＳｉＯ２膜の内部応力が圧縮応力（負値）であり、ＴｉＯ２膜の内部応力が引張応力（正値）であることが示されている。
【０００９】
ガラスやＳｉのような低熱膨張係数を有する基板上に多層膜を形成する場合には、内部応力が圧縮応力である層と引張応力である層とを交互に積み重ねて積層構造とし、多層膜全体の内部応力がほぼ０になるように構成することにより信頼性の高い多層膜を形成できることが知られている。ガラスやＳｉのような低熱膨張係数を有する基板を用いた場合、内部応力が圧縮応力や引張応力となる膜材質を有する膜が複数存在することから多層膜全体の内部応力をほぼ０とする多層膜の形成が容易である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光学部品である光アイソレータ等に用いられる光学基板としての磁性ガーネットのような高熱膨張係数（約１１×１０−６／℃）を有する基板の場合には、内部応力が大きく引張応力となる膜は現在まで知られていない。
【００１１】
図１および図２に示された内部応力の実測結果と同じ成膜条件の場合において磁性ガーネットのような高熱膨張係数を有する基板上に形成した種々の膜厚のＴｉＯ２膜およびＳｉＯ２膜の内部応力の実測結果を図３および図４に示す。図３は磁性ガーネットのような高熱膨張係数を有する基板上に種々の膜厚のＴｉＯ２膜を形成して各膜厚における内部応力を実測した結果を示す図であり、図４は磁性ガーネットのような高熱膨張係数を有する基板上に種々の膜厚のＳｉＯ２膜を形成して各膜厚における内部応力を実測した結果を示す図である。
【００１２】
図１および図２の実測結果と図３および図４の実測結果との比較からわかるように、ガラス基板やＳｉ基板上に形成された場合とは異なり、磁性ガーネットのような高熱膨張係数を有する基板上に形成されたＳｉＯ２膜およびＴｉＯ２膜の内部応力は共に圧縮応力となっている。従って、磁性ガーネットのような高熱膨張係数を有する基板上には内部応力が大きく引張応力を示すような膜を形成することが困難であり、多くの膜材料は圧縮応力を示すことになる。
【００１３】
従って、磁性ガーネットのような高熱膨張係数を有する基板上に内部応力が圧縮応力である層と引張応力である層とを交互に積み重ねて積層構造とし、多層膜全体の内部応力がほぼ０になるように構成することは困難であり、このような多層膜を形成すると内部応力が残留してしまい、膜剥離が生じ易い。特に、高温高湿度状態では膜剥離が急激に進行してしまう。さらに、この膜剥離は光学部品の光学特性にも影響を及ぼしてしまう。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、多層膜全体に内部応力が残留するような光学基板上において密着強度および光学特性が光学部品として使用上問題のないように形成される光学基板用の反射防止膜およびその形成方法を提供することである。
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明は、磁性ガーネットからなる光学基板上に形成された少なくとも第１の層と該第１の層の上に形成され第１の層と屈折率の異なる第２の層とを有する反射防止膜において、第１の層の内部応力および第２の層の内部応力は圧縮応力であり、第１の層の内部応力は第２の層の内部応力よりも圧縮方向において大きいことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、磁性ガーネットからなる光学基板上に第１の層を形成する工程と、前記第１の層上に前記第１の層と屈折率の異なる第２の層を形成する工程とを有する反射防止膜形成方法において、第１の層の内部応力および第２の層の内部応力は圧縮応力であり、第１の層の内部応力は第２の層の内部応力よりも圧縮方向において大きくしたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の光学基板上に形成された反射防止膜について図面を参照して説明する。
【００２２】
なお、以下に述べる光学基板に対する薄膜の密着強度の評価基準には、ＡＳＴＭ規格Ｄ３３５９に示されているクロス・ハッチ・テープ・テストを適用している。また、このクロス・ハッチ・テープ・テストに使用したテープはパーマセル製マスキングテープＰ７８１である。
【００２３】
（実施の形態１）
図５は本発明の第１の実施の形態である光学基板上に形成される多層の反射防止膜の構成を示す図であり、図６は従来の成膜方法によって光学基板上に形成される多層の反射防止膜の各層の構成、材質、光学的膜厚および内部応力を示す図である。図５および図６からわかるように、光学基板１として磁性ガーネットを用い、光学基板１の両面に第１層としてＴｉＯ２膜２を形成し、第２層としてＳｉＯ２膜３を形成することにより２層の対空気多層の反射防止膜４を構成している。成膜方法としては真空蒸着法を用い、図３および図４に示された内部応力の実測結果と同様な成膜条件で反射防止膜４を形成している。図６からわかるように、第２層のＳｉＯ２膜３の内部応力は第１層のＴｉＯ２膜２の内部応力より圧縮方向において大きくなっている。なお、膜の屈折率は光の波長や成膜条件によって異なるが、ＴｉＯ２膜の屈折率は２．０〜２．６であり、ＳｉＯ２膜３の屈折率は１．４〜１．５である。
【００２４】
なお、ここでは、各層の成膜前後で光学基板１の反りの度合い（曲率）を表面あらさ計を用いて測定し、その測定結果を基にして所定の計算式を用いて光学基板１上に形成される各層の内部応力を求めている。具体的には、光学基板１上に第１層のＴｉＯ２膜２を形成した後にＴｉＯ２膜２の内部応力Ｓａを求め、さらに、ＴｉＯ２膜２の上に第２層のＳｉＯ２膜３を形成して全体の内部応力Ｓｔを求める。その後、内部応力Ｓｔから内部応力Ｓａを減算することによりＳｉＯ２膜３の内部応力Ｓｂを求めている。
【００２５】
図６に示すように構成されているサンプルを市販されているプレッシャー・クッカー・テスト（ＰＣＴ）用装置内に配置して磁性ガーネット基板１に対する対空気多層の反射防止膜４の密着強度についての評価を行った。ここでは、サンプルをＰＣＴ用装置内に配置して温度１０５°Ｃ、湿度１００％で１００時間経過した後、サンプルをＰＣＴ用装置から取出して反射防止膜４の密着強度についての評価を行ったところ、膜剥離が生じた。膜の剥離箇所は第１層と第２層との間である。
【００２６】
図７は本発明の第１の実施の形態の光学基板上に形成される対空気多層の反射防止膜の各層の構成、材質、光学的膜厚および内部応力を示す図である。図７からわかるように、第１層のＴｉＯ２膜２の内部応力が第２層のＳｉＯ２膜３の内部応力よりも圧縮方向において大きくなるようにＳｉＯ２とＴｉＯ２の成膜条件を設定している。なお、各層の内部応力は上述した方法で求めている。
【００２７】
設定された成膜条件を基にして形成され図７に示すように構成されているサンプルを上述のＰＣＴ用装置内に配置して磁性ガーネット基板１に対する反射防止膜４の密着強度について評価を行った。ここでは、サンプルをＰＣＴ用装置内に配置して温度１０５°Ｃ、湿度１００％で５００時間経過した後、サンプルをＰＣＴ用装置から取出して反射防止膜４の密着強度についての評価を行ったが、膜剥離は生じなかった。
【００２８】
さらに、密着強度を測定したサンプルと同じ条件のＰＣＴを経たサンプルについて光学特性の変化も調べたが、設計波長の中心波長±３０ｎｍの範囲において反射防止膜４の反射率が磁性ガーネット基板１の片面で０．２％以下に保たれており、このような多層の反射防止膜を光学部品に使用しても問題がないことがわかった。
【００２９】
（実施の形態２）
図８は本発明の第２の実施の形態の光学基板上に形成される対空気多層の反射防止膜の各層の構成、材質、光学的膜厚および内部応力を示す図である。図７からわかるように、第１の実施の形態の場合と同様に、第１層のＴｉＯ２膜２の内部応力が第２層のＳｉＯ２膜３の内部応力よりも圧縮方向において大きくなるようにＳｉＯ２とＴｉＯ２の成膜条件を設定している。なお、各層の内部応力は上述した方法で求めている。
【００３０】
設定された成膜条件を基にして形成され図７に示すように構成されているサンプルを上述のＰＣＴ用装置内に配置して磁性ガーネット基板１に対する反射防止膜４の密着強度について評価を行った。ここでは、第１の実施の形態の場合と同様に、サンプルをＰＣＴ用装置内に配置して温度１０５°Ｃ、湿度１００％で５００時間経過した後、サンプルをＰＣＴ用装置から取出して反射防止膜４の密着強度についての評価を行ったが、膜剥離は生じなかった。
【００３１】
さらに、密着強度を測定したサンプルと同じ条件のＰＣＴを経たサンプルについて光学特性の変化も調べたが、設計波長の中心波長±３０ｎｍの範囲において反射防止膜４の反射率が磁性ガーネット基板１の片面で０．２％以下に保たれており、このような多層の反射防止膜を光学部品に使用しても問題がないことがわかった。
【００３２】
以上の結果から、光学基板上に形成される多層膜全体において内部応力が残留していても、第１層の内部応力が第２層の内部応力よりも圧縮方向において大きくなるように各層を成膜することで、高温高湿度条件下でも光学基板に対する密着強度の劣化がない多層の反射防止膜を得ることが可能である。
【００３３】
本発明の実施の形態では、真空蒸着法を用いて光学基板上に多層の反射防止膜を形成しているが、他の方法、例えば、スパッタリング法やイオンプレーティング法を用いて多層の反射防止膜を形成することも可能である。
【００３４】
また、本発明の実施の形態では、多層の反射防止膜を構成する薄膜材料としてＴｉＯ２とＳｉＯ２を用いたが、一般的に光学薄膜材料として知られているＴａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＭｇＦ２等を用いて多層の反射防止膜を形成しても良い。
【００３５】
また、本発明の実施の形態では、光学基板として磁性ガーネットを用いたが、ルチル、ガラス、水晶等を光学基板として用いることもできる。
【００３６】
また、本発明の実施の形態では、対空気多層の反射防止膜を形成したが、対空気多層の反射防止膜以外の例えば対接着剤多層の反射防止膜の形成にも本発明を適用することができる。
【００３７】
また、本発明の実施の形態では、２層の反射防止膜について説明したが、３層の反射防止膜についても各層の内部応力を調整することによって形成することが可能である。このような３層の反射防止膜において第１層の内部応力をＳ１、第２層の内部応力をＳ２、および第３層の内部応力をＳ３とすると、圧縮方向に対してＳ１＞Ｓ２＞Ｓ３の関係になるように内部応力を調整すれば、２種類の膜形成材料を用いて３層の反射防止膜を形成することが可能である。さらに、４層以上の多層の反射防止膜を形成することも可能である。なお、層数が増えるにつれて反射防止膜全体の内部応力が圧縮方向において大きくなってしまうことに注意する必要がある。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、第１層の内部応力が第１層と屈折率の異なる第２層の内部応力よりも圧縮方向において大きくなるように成膜条件を設定して多層の反射防止膜を磁性ガーネットからなる光学基板上に形成することにより、高温高湿度条件下においても光学基板に対する密着強度および光学特性の劣化がない光学基板用の多層の反射防止膜を得ることができる。さらに、本発明による多層の反射防止膜が形成された複数の光学基板を用いて光モジュール部品を構成することにより、光モジュール部品全体の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｓｉ基板上に種々の膜厚のＴｉＯ２膜を形成して各膜厚における内部応力を実測した結果を示す図。
【図２】Ｓｉ基板上に種々の膜厚のＳｉＯ２膜を形成して各膜厚における内部応力を実測した結果を示す図。
【図３】磁性ガーネット基板上に種々の膜厚のＴｉＯ２膜を形成して各膜厚における内部応力を実測した結果を示す図。
【図４】磁性ガーネット基板上に種々の膜厚のＳｉＯ２膜を形成して各膜厚における内部応力を実測した結果を示す図。
【図５】本発明の第１の実施の形態の光学基板上に形成される対空気多層の反射防止膜の構成を示す図。
【図６】従来の成膜方法によって光学基板上に形成される対空気多層の反射防止膜の各層の構成、材質、光学的膜厚およびその内部応力を示す図。
【図７】本発明の第１の実施の形態の光学基板上に形成される対空気多層の反射防止膜の各層の構成、材質、光学的膜厚および内部応力を示す図。
【図８】本発明の第２の実施の形態の光学基板上に形成される対空気多層の反射防止膜の各層の構成、材質、光学的膜厚および内部応力を示す図。
【符号の説明】
１  磁性ガーネット基板
２  ＴｉＯ２膜
３  ＳｉＯ２膜
４  反射防止膜
【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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【図７】
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【図８】
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