(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に、屈折率が異なる膜が複数層積層されている光フィルタにおいて、
前記膜は、クラスタ状の微結晶集合構造と、前記微結晶集合構造に生じた空隙を埋めるように配置された非晶質構造とを有し、単一膜内で屈折率が均一であることを特徴とする光フィルタ。
【請求項２】
前記クラスタ状の微結晶集合構造に使用される材料と、前記非晶質構造に使用される材料とが、同じ屈折率の材料である請求項１記載の光フィルタ。
【請求項３】
前記膜の境界が、非晶質構造のみで形成されている請求項１または２記載の光フィルタ。
【請求項４】
基板に、屈折率が異なる膜を複数層積層する光フィルタの製造方法において、
クラスタ状の微結晶集合構造の成膜において蒸着法若しくは化学気相成長（ＣＶＤ）法が適用され、非晶質構造の成膜においてスパッタリング法が適用され、前記蒸着法若しくは化学気相成長法と、前記スパッタリング法とが同時に適用されて、前記基板上に屈折率が段階的に変化する複数層の膜を形成することを特徴とする光フィルタの製造方法。
【請求項５】
成膜開始直後と成膜終了直前に前記蒸着法若しくは化学気相成長法による成膜を停止する請求項４記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、屈折率が段階的に変化する複数の膜が積層された光フィルタおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信の分野では、多量のデータの伝送を可能とするために、１本の光ファイバ内に複数の異なる波長の光を同時に送り込む波長分割多重（ＷＤＭ）伝送方式が知られている。この種の光フィルタとして、マルチキャビティー方式の光フィルタが知られており、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）やエッジフィルタなどに利用されている。
【０００３】
このマルチキャビティー方式の光フィルタの製造方法としては、蒸着法やイオンビームスパッタリング法が利用されている。蒸着法は、チャンバ内において原料となる材料を電子ビームで加熱して、そのとき蒸発した材料をガラス基板に付着させることにより行われる。またイオンビームスパッタリング法では、ターゲット材料とイオンガンとガラス基板とが、同じチャンバ内に配置されて、前記ターゲット材料にイオンビームを当てることでターゲットから飛び出した粒子を基板に付着させることにより行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記マルチキャビティー方式などに使用される光フィルタは、各層の光学膜厚を極めて精密にコントロールする必要があり、また積層層数は百層を越える多層膜が必要となり、さらに多層膜には屈折率の均一性、無偏光性、積層膜境界の平滑性、応力緩和等が高精度で要求されるので、上記した従来の製造方法では高精度な光フィルタを短時間で製造することが困難であった。
【０００５】
この種の光フィルタを前記蒸着法で行うと、成膜速度が速いという利点はあるものの粒子間に多くの隙間のある緻密度の低い構造となり、さらに膜と膜との境界で凹凸が生じて膜の境界部分が不明確となり、屈折率が均一な膜を形成できない。例えば図６の模式図で示すように、ガラス基板４に膜１１と膜１２を蒸着法で形成すると、各膜１１，１２で多数の隙間が形成され、しかも膜１１と膜１２との境界で平滑性が失われるので膜と膜との境界が不明確となり、高精度な膜を形成できない。
【０００６】
また、図７に蒸着法で成膜したＴｉＯ2の単層膜の断面ＳＥＭ写真、図８に蒸着法で成膜したときのＴｉＯ2／ＳｉＯ2多層膜の断面を示すＳＥＭ写真を示すが、図７では柱状に構成されたクラスタが形成され、かなり粗い柱状組織となっており、柱の間に多くの空隙（ボイド）が生じ、また図８ではブドウ状に構成されたクラスタが形成され、微粒子を囲むようにして空隙（ボイド）が生じているのが確認できる。これらのボイドによって屈折率の不均一が生じると同時に光の散乱が発生して光のロスとなる。
【０００７】
またイオンスパッタリング法は、非常に緻密度の高い膜を形成でき、単一膜内で屈折率が均一な膜を形成することが可能である。しかし、成膜速度が前記蒸着法に比べて非常に遅く、さらに膜の内部応力も大きく、歪みなどの原因となる欠点がある。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するものであり、屈折率が均一な膜をより短時間で形成でき、さらに膜の境界部分が明確な光フィルタ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板に、屈折率が異なる膜が複数層積層されている光フィルタにおいて、
前記膜は、クラスタ状の微結晶集合構造と、前記微結晶集合構造に生じた空隙を埋めるように配置された非晶質構造とを有し、単一膜内で屈折率が均一であることを特徴とするものである。
【００１０】
前記において、前記クラスタ状の微結晶集合構造に使用される材料と、前記非晶質構造に使用される材料とが、同じ屈折率の材料であることが好ましい。
【００１１】
本発明の光フィルタでは、クラスタ構造を構成する粒径が、数ナノメートル（ｎｍ）から数百ナノメートル（ｎｍ）の微結晶粒の隙間を緻密度の高い組成物で充填することができるので、単一膜内において屈折率が均一で且つ光の散乱が生じない多層膜を短時間で形成することができる。さらに、単一膜内で異なる構造の複合体であることから、その構成比率をコントロールすることで膜の内部応力を緩和でき、歪みやクラックを防止できる。
【００１２】
また前記膜の境界が、非晶質構造のみで形成されていることが好ましい。これにより膜の境界面が緻密な粒子のみで形成されるので、境界面が平滑化される。
【００１３】
また本発明の光フィルタの製造方法は、基板に、屈折率が異なる膜を複数層積層する光フィルタの製造方法において、
クラスタ状の微結晶集合構造の成膜に蒸着法若しくは化学気相成長（ＣＶＤ）法が適用され、非晶質構造の成膜にスパッタリング法が適用され、前記蒸着法若しくは化学気相成長法と、前記スパッタリング法とが同時に適用されて、前記基板上に屈折率が段階的に変化する複数層の膜を形成することを特徴とするものである。
【００１４】
この場合、成膜開始直後と成膜終了直前に前記蒸着法若しくは化学気相成長法による成膜を停止することが好ましい。
【００１５】
本発明の製造方法では、屈折率が均一な膜を短時間で多数積層することができるので、高精度な多層膜光フィルタの形成に適している。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の光フィルタの製造工程を示す説明図であり、（Ａ）は第１の工程、（Ｂ）は第２の工程、（Ｃ）は第３の工程を示す。図２は膜の内部構造を示す模式図を示す。図４は光フィルタのＴｉＯ2膜の断面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真図、図５は図４の一部を拡大した透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真図を示す。
【００１７】
図１に示す製造装置２０には、イオンビームスパッタ法を行うイオンビームスパッタ装置１と蒸着法を行う蒸着装置１０が搭載されている。また所定の位置にガラス基板４が配置されている。
【００１８】
イオンビームスパッタ装置１は、イオンガン２と、金属の酸化物などから形成されたターゲット材料３で構成されている。イオンガン２は、ターゲット材料３に向けて配置されており、アルゴンイオン（Ａｒ+）の発生部２ａと、アルゴンイオンをプラズマ化するディスチャージ室２ｂと、アルゴンイオンを加速するための複数のグリッド２ｃが平行に設けられている。前記グリッド２ｃ間に例えば１１００ボルトの高電圧がかけられることで、グリッド２ｃ間で前記アルゴンイオンが加速され、高速のアルゴンイオンビームが発射される。そして、ターゲット材料３にイオンビームを当てることで、そのターゲット材料３からスパッタ粒子が発生し、ガラス基板４の表面にラジカルな金属酸化物などからなる膜が形成される。なお、前記イオンはアルゴンに限らず、クリプトンやキセノンなどの、より比重の大きな不活性ガスであってもよい。
【００１９】
前記蒸着装置１０は、金属の酸化物などを粉末あるいはペレット状にした蒸着材料１１ａの入った容器１１ｂと電子銃１１ｃで構成され、前記電子銃１１ｃから発せられた電子ビーム（ｅ）を前記蒸着材料１１ａに当てることで蒸着材料１１ａを加熱させて蒸発させる。このとき蒸発した金属酸化物などの粒子を前記ガラス基板４に付着させて膜を形成する。
【００２０】
前記ターゲット材料３と蒸着材料１１ａは、屈折率が同じとなるように同種の材料が使用される。例えば前記材料３，１１ａとしては金属、金属の酸化物やフッ化物などであり、具体的には二酸化チタン（ＴｉＯ2）、二酸化珪素（ＳｉＯ2）、タンタルオキサイド（ＴａＯX）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）、ニオブオキサイド（ＮｂＯX）、フッ化アルミ（ＡｌＦ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、フッ化カルシウム（ＣａＦ2）、酸化ビスマス（Ｂｉ2Ｏ3）、カドミウムセレン（ＣｄＳｅ）、カドミウムサルファ（ＣｄＳ）、ケイ素（Ｓｉ）、フッ化ランタン（ＬａＦ3）、酸化アンチモン（Ｓｂ2Ｏ3）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）及びこれらの合金酸化物などから選択される。また、膜内部の応力や屈折率の観点から、タンタルオキサイドと二酸化ケイ素との組み合わせやチタンオキサイドと二酸化ケイ素の組み合わせが最も好ましい。
【００２１】
次に、前記製造装置２０を用いた光フィルタの製造方法について図１を参照して説明する。図１に示す本実施の形態は、イオンビームスパッタ装置１と蒸着装置１０とを併用して膜を形成する方法である。また図２では、ターゲット材料の一例として、ＴｉＯ2とＳｉＯ2を用いてガラス基板４に２層の膜を積層したときの状態を模式的に示している。
【００２２】
まず図１（Ａ）に示すように、ＴｉＯ2をターゲット材料３に設置してイオンビームスパッタ装置１のみを作動させる。これによりイオンガン２で生成されたアルゴンイオンがターゲット材料３に当たり、ガラス基板４上に微細な粒子８ａが集合した緻密度の高い構造のみからなる層（非晶質構造）５が形成される。そして前記（Ａ）の工程に続いて（Ｂ）の工程に移行して、イオンビームスパッタ装置１と蒸着装置１０とを同時に作動させて、前記層５の上にクラスタ状の微結晶集合構造としての緻密度の低い構造（粗い粒子８ｂの集合）を形成するとともに、前記粒子８ｂ間に形成された空隙（ボイド）に微小な粒子８ａが充填されて全体として密な構造からなる層６が形成される。そして前記（Ｂ）の工程から（Ｃ）の工程に移行して、前記蒸着装置１０を停止させてイオンビームスパッタ装置１のみを作動させることで、前記層６の上に緻密な粒子８ａのみからなる構造の層（非晶質構造）７が形成される。これによりＴｉＯ2の単一の組成からなる膜８が形成される。
【００２３】
さらに、ターゲット材料３及び蒸着材料１１ａをそれぞれＴｉＯ2からＳｉＯ2に変更し、前記と同様にして図１（Ａ）〜（Ｃ）の工程を行う。
【００２４】
（Ａ）工程において、イオンビームスパッタ装置１のみを動作させることで、前記層７の上に非晶質構造としてのＳｉＯ2の緻密な粒子１８ａの集合体のみからなる層１５が形成される。そしてイオンビームスパッタ装置１と蒸着装置１０とを同時に動作させることで、前記層１５の上に粗い粒子１８ｂの集合体（クラスタ状の微結晶集合構造）の隙間に微細な粒子１８ａの集合体が充填された構造の層１６が形成される。さらにイオンビームスパッタ装置１のみを動作させることで前記層１６の上に非晶質構造としての密な粒子１８ａの集合体のみからなる層１７が形成される。このようにしてＳｉＯ2の単一の組成からなる膜１８が形成される。
【００２５】
上記のようにターゲット材料３及び蒸着材料１１ａを選択して前記（Ａ）〜（Ｃ）の工程を繰り返すことで、異なる屈折率の膜が段階的に形成された疑似傾斜型の積層膜を有する光フィルタが得られる。このときの屈折率の選択、膜厚、積層層数は、光フィルタの使用目的に応じて適宜選択される。よって、積層層数が２桁から３桁のオーダーの膜からなる高精度な光フィルタを従来に比べてより短時間で形成することが可能になる。
【００２６】
例えば、蒸着法で成膜する割合とイオンビームスパッタ法で成膜する割合を体積比で８０：２０とすることで、成膜速度をイオンビームスパッタ法のみで成膜したときの５倍の速度で実行できるようになる。前記割合は膜の緻密度の状態や各装置の成膜速度に応じて適宜変更できるが、蒸着法による成膜速度がイオンビームスパッタ法の成膜速度を超えないように調節することが好ましい。
【００２７】
さらに、基板のクリーニングや蒸着のアシストとして、基板や蒸着粒子の飛散方向に沿った構成でイオンガンや電子銃を設置させることも効果的である。
【００２８】
上記の製造方法により形成された膜８，１８では、膜８の層７と膜１８の層１５との接合面がそれぞれ緻密な粒子の集合体であるので、互いの境界面が平滑化されて境界が明確となる。よって、屈折率を単一膜内において均一にでき、これを複数積層することで高精度な光フィルタを得ることができる。また前記膜８，１８では、緻密度の低い粒子で形成された隙間に緻密度の高い粒子が充填されて密な状態にあるので、構造差はあるものの光はその構造差を認識できずに均一な組成の膜として認識できる。
【００２９】
例えば図４に示すように、蒸着法とイオンビームスパッタ法とを適用して成膜して形成すると、各膜が緻密に形成されるとともに各膜の境界面が平滑化される。また図５に示すように、クラスタ状の微結晶集合構造の隙間に非晶質構造としてアモルファスな構造が埋められた膜が形成されていることが確認できる。
【００３０】
このようにして、マルチキャビティー型のバンドパスフィルタやランダム膜厚型のゲイン保障フィルタなどの積層膜を形成でき、高精度な光フィルタとして得ることができる。また、各膜毎に屈折率を段階的に変えていわゆるステップ傾斜構造の屈折率傾斜型の光フィルタを形成することもできる。この屈折率傾斜型の光フィルタでは均一屈折率での複合構成とすることで特に膜応力を緩和する効果を発揮できる。
【００３１】
図３は、前記製造装置２０の変形例である製造装置３０を示す。この製造装置３０は、前記製造装置２０と同様にイオンビームスパッタリング法と蒸着法とを併用して成膜可能な装置である。
【００３２】
前記製造装置３０は、選択板３１が設けられて、この選択板３１に複数枚のガラス基板４ａ，４ｂ，…が設けられたもので、その他の構成は前記製造装置２０と同様でありその説明を省略する。前記選択板３１は回転可能に支持された円盤であり、この円盤上にガラス基板４ａ，４ｂ，…が載置されており、ガラス基板４ａの成膜が終了したときに選択板３１を回転させて別のガラス基板４ｂを選択できるようになっている。この場合、単一膜内の各層５，６，７（１５，１６，１７）を成膜する毎に選択板３１を切り替えてもよく、または膜８（１８）を成膜する毎に選択板３１を切り替えるものであってもよい。よって、ガラス基板４ａの成膜が終了した後に直ちに別のガラス基板４ｂの成膜工程に入ることができるので、光フィルタの成膜時間をさらに短縮できる。
【００３３】
なお、本発明は上記実施の形態に限られるものではなく、複数のイオンビームスパッタ装置と蒸着装置の組が複数設けられて同時に複数のガラス基板に対して成膜できるものであってもよく、またターゲット材料や蒸着材料を回転可能に支持することで材料の交換ロスを無くして成膜時間の短縮が図れるように構成してもよい。
【００３４】
また本実施の形態では、蒸着法とイオンビームスパッタ法との組み合わせについて述べたが、これに限らず例えば蒸着法とヘリコンビームスパッタ法との組み合わせでもよく、あるいは化学触媒反応を利用した化学気相成長法（ＣＶＤ）とビームスパッタ法との組み合わせなど適宜変更可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明した本発明では、単一膜内で屈折率が均一な膜を短時間で形成でき、また膜の内部応力が少なく、さらに膜の境界部分が平滑化されて境界面が明確な光フィルタを得ることができる。
【００３６】
これによって、高精度なバンドパスフィルタ、帯域フィルタ、ゲイン保証フィルタなど高密度波長多重通信や偏光分割通信に必要な分波フィルタを安価で大量に供給可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光フィルタの製造工程を示す説明図、（Ａ）は第１の工程、（Ｂ）は第２の工程、（Ｃ）は第３の工程、
【図２】光フィルタの膜内部の構造を示す模式図、
【図３】製造装置の変形例を示す概略図、
【図４】本発明の光フィルタのＴｉＯ2膜の断面を示すＳＥＭ写真図、
【図５】図４の一部を拡大したＴＥＭ写真図、
【図６】蒸着法で成膜したときの膜内部の構造を示す模式図、
【図７】蒸着法で成膜したときのＴｉＯ2単層膜の断面を示すＳＥＭ写真図、
【図８】蒸着法で成膜したときのＴｉＯ2／ＳｉＯ2多層膜の断面を示すＳＥＭ写真図、
【符号の説明】
１  イオンビームスパッタ装置
２  イオンガン
３  ターゲット材料
４  ガラス基板
５，６，７  層
８，１８  膜
１０  蒸着装置
１１ａ  蒸着材料
１１ｂ  容器
１１ｃ  電子銃
２０，３０  製造装置
【図１】
0003917822.tif 000002
【図２】
0003917822.tif 000003
【図３】
0003917822.tif 000004
【図４】
0003917822.tif 000005
【図５】
0003917822.tif 000006
【図６】
0003917822.tif 000007
【図７】
0003917822.tif 000008
【図８】
0003917822.tif 000009