(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮応力を有する薄膜を基板上に成膜して形成された光学素子であって、前記基板として、前記薄膜の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する、厚さが0.8mm以下の素材が使用されており、前記薄膜の厚さと前記基板の厚さの比が１：80から３：１の間にあり、前記薄膜の厚さが１０μｍ〜３０μｍであり、前記素材が石英であることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記薄膜は、多層膜構造を有することを特微とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
基板の上に、圧縮応力を有する薄膜を成膜する工程を含む光学素子の製造方法であって、前記基板に前記薄膜の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する、厚さが0.8mm以下の素材を使用し、前記薄膜の厚さと前記基板の厚さの比が１：80から３：１の間にあり、前記薄膜の厚さが１０μｍ〜３０μｍであり、前記素材が石英であり、成膜完了後に、表面に薄膜が形成された前記基板を常温に戻したとき、前記基板の変形が許容範囲に収まるような温度で成膜を行うことを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項４】
前記薄膜は、多層膜構造を有することを特徴とする請求項４に記載の光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の上に誘電体膜等の薄膜を成膜して形成される光学素子、及びこのような光学素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信等に使用される干渉フィルタや反射防止膜等の光学素子の中には、厚さが１mm以下のガラスの上に、薄膜を多層に形成し、多層薄膜における光の干渉を利用して所望の光学特性を持たせるものがある。【０００３】
このような光学素子は、例えば、５０mm角、厚さが約0.3mmのガラス基板（ＢＫ７）の上に、低屈折物質であるSiＯ２と、高屈折物質であるNb２Ｏ５、Ta２Ｏ５、TiＯ２、ZrＯ２、HfＯ２等の薄膜を交互に積層して（各薄膜の一層当たりの厚さは、典型的には数十nm〜数百nmである）形成される。又、Al２Ｏ３のような前記低屈折率物質の薄膜と高屈折率物質の薄膜の中間の屈折率を有する薄膜が、これらの低屈折率物質と高屈折率物質の間に適当に介在する膜構造の多層薄膜とすることもある。【０００４】
成膜には、スパッタリング法やイオンビームアシスト法が使用されることが多い。成膜の完了後、表面に多層薄膜を有する基板は常温に冷却され、ダイシングソー等により所定の大きさに切断されて、光学素子として使用される。【０００５】
このような光学素子を製造する際に、多層薄膜の圧縮応力の影響で、基板に反りが発生するという問題点がある。この場合、圧縮応力とは、多層薄膜が成膜された側の基板の面を伸ばすように働く応力のことであり、このために、成膜後の基板は、多層薄膜が成膜された側が凸となるように変形する。このような圧縮応力は、Nb２Ｏ５の場合には、50〜150ＭPa、SiＯ２の場合には、150〜350ＭPaと推定されている。【０００６】
この基板の変形が許容限度を超えると、ダイシングソー等での切断が困難になったり、取り扱い中に破損したりするという問題がある。又、切り出された光学素子の表面が平坦にならないという問題点が発生する場合がある。切り出された光学素子の表面が平坦にならないと、当該光学素子に入射する光の位置によって光学特性が変わったり、これらの微小な光学素子を並べて、ガラス等の他の光学素子の間に挟む際に、表面が凹凸となり、接着がうまく行われない等の問題点が発生する。
【発明の開示】
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、成膜完了後の変形が少なく、従って、切断等の取り扱いが容易で、光学特性の良好な光学素子、及びこのような光学素子の製造方法を提供することを課題とする。
【０００８】
前記課題を解決するための第１の手段は、圧縮応力を有する薄膜を基板上に成膜して形成された光学素子であって、前記基板として、前記薄膜の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する、厚さが0.8mm以下の素材が使用されており、前記薄膜の厚さと前記基板の厚さの比が１：80から３：１の間にあり、前記薄膜の厚さが１０μｍ〜３０μｍであり、前記素材が石英であることを特徴とする光学素子である。
【０００９】
一般に、薄膜の成膜はスッパタリング法やイオンビームアシスト法等によって行われ、これらは高温で行われる。よって、基板として、薄膜の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する素材を使用すれば、成膜完了後に常温としたとき、薄膜の収縮量が基板の収縮量より大きくなる。よって、薄膜の圧縮応力と温度降下により基板と薄膜の間に発生する熱応力が相殺し合い、成膜完了後に基板が常温となった状態では、薄膜の圧縮応力により発生する基板の変形量を小さくすることができる。基板の厚さが0.8mm以上となると、膜応力による変形が小さくなって本手段の効果が小さくなるので、基板の厚さを0.8mm以下に限定する。
【００１０】
基板の厚さは、0.7mm、0.6mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.2mm、0.1mmと薄くなるに従って、本手段の効果が大きくなる。なお、本手段は、必ずしも、スッパタリング法やイオンビームアシスト法によって薄膜が形成されたものに限らない。
【００１２】
基板の上に誘電体膜等の薄膜を成膜して形成される光学素子の薄膜の厚さは、殆どの場合１０μｍ〜３０μｍである。又、基板の厚さは、１０μｍ〜0.8mmである。よって、薄膜の厚さと基板の厚さの比が１：80から３：１の間にある場合に、特に前記第１の手段の効果が大きい。
一般に薄膜の線膨張係数は、約５０×１０−７／Ｋ程度とされている。これに対し、石英の線膨張係数は、約５×１０−７／Ｋ程度と一桁小さいので、前記第１の手段の素材として用いると、特に効果が大きい。
【００１３】
前記課題を解決する為の第２の手段は、前記第１の手段であって、前記薄膜が、多層膜構造を有することを特徴とするものである。
【００１４】
前記第１の手段は、干渉フィルターなどを形成する多層膜構造のものであってもよく、積層数が多くなると、様々な分光透過率特性を実現しやすくなるが、一方では薄膜自身の応力も大きくなるので、前記第１の手段を適用することにより得られる効果は、薄膜が、多層膜構造を有する場合に特に大きい。
【００１７】
前記課題を解決するための第３の手段は、基板の上に、圧縮応力を有する薄膜を成膜する工程を含む光学素子の製造方法であって、前記基板に、前記薄膜の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する、厚さが0.8mm以下の素材を使用し、前記薄膜の厚さと前記基板の厚さの比が１：80から３：１の間にあり、前記薄膜の厚さが１０μｍ〜３０μｍであり、前記素材が石英であり、成膜完了後に、表面に薄膜が形成された前記基板を常温に戻したとき、前記基板の変形が許容範囲に収まるような温度で成膜を行うことを特徴とする光学素子の製造方法である。
【００１８】
前述のように、基板として薄膜の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する素材を使用すると、薄膜の圧縮応力と熱応力が相殺して、常温での基板の変形を小さくすることができる。基板を常温に戻したときの熱応力の大きさは、成膜中の基板の温度が高くなるにつれて大きくなるので、成膜中の基板の温度を調節すれば、薄膜の圧縮応力と熱応力を相殺させて、基板を常温に戻したときの変形量を小さくすることができる。なお、基板の厚さを0.8mm以下に限定する理由は第１の手段と同様である。
【００１９】
基板の厚さは、0.7mm、0.6mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.2mm、0.1mmと薄くなるに従って、本手段の効果が大きくなる。
【００２１】
前記課題を解決する為の第４の手段は、前記第３の手段であって、前記薄膜が、多層膜構造を有することを特徴とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態の１例である光学素子の製造方法を説明するための図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例である光学素子の製造方法を説明するための図である。石英製の基板１（約５０mm角、厚さ約0.3mm）の表面に、スパッタリング装置を使用して、SiＯ２薄膜２とNb２Ｏ５薄膜３を、交互に合計約100層成膜して、多層光学薄膜４を形成する。多層光学薄膜４の厚さは約30μｍである。【００２５】
基板１としては、例えば、石英の他に、例えば、株式会社オハラ製のクリアセラムＺ、ショット社製のゼロデュア、コーニング社製のパイレックスガラス、ショット社製のテンパックスガラス等、線膨張率が小さい光学材料を使用することができる。【００２６】
多層光学薄膜４の線膨張係数は、約50×10−７／Ｋである（Nb２０５の線膨張率は、6.5×10−５／Ｋ、Si０２の線膨張率は、４〜５×10−５／Ｋである。）。従来のガラス（ＢＫ７）の線膨張係数は約75×10−７／Ｋであり、多層光学薄膜４の線膨張係数より大きかったので、成膜後の基板１を常温としたとき、圧縮応力と熱応力が同じ向きに働き、基板１の変形をさらに大きくしていた。【００２７】
本実施の形態においては、基板１の線膨張係数が多層光学薄膜４の線膨張率より小さいので、基板１を、通常200℃程度である成膜状態から常温としたとき、多層光学薄膜４の圧縮応力と、温度降下によって発生する熱応力が相殺して、基板１の変形（反り）が軽減される。よって、基板１をダイシングソー等により切断するときに加工が容易であり、破損することが少なく、かつ、切り出された光学素子の面精度が向上する。【００２８】
又、多層光学薄膜４の形成時において、成膜条件に支障の無い範囲で、成膜温度を調節し、それにより基板１を常温としたときの熱応力を調節し、その結果、常温状態での基板１の変形を小さくすることができる。その方法として、例えば、基板１の材料を決定した後、成膜温度を変化させて成膜を行い、その後に基板１を常温状態にしたときの変形量が最も小さくなるような成膜温度を見つけて、その温度で成膜をするようにすればよい。【００２９】
又、成膜温度に制約があるときは、例えば、基板１の材料を変えて、所定の成膜温度で成膜を行い、その後に基板１を常温状態にしたときの変形量が最も小さくなるような基板１の材料を見つけて、その材料を基板１の材料として使用するようにすればよい。【００３０】
本発明に使用される薄膜を構成する物質としては、SiＯ２、Nb２Ｏ５の他に、Ta２Ｏ５、TiＯ２、ZrＯ２、HfＯ２、Al２Ｏ３のような材料の他、成膜時に圧縮応力を発生するような材料を使用することができる。
【実施例】
【００３１】
図１に示すような基板１として、５０mm角、厚さ0.3mmの石英を用い、その表面にスパッタリング装置により、Si０２を５１層、Nb２０５を５０層、交互に成膜した。成膜温度は約200℃であった。１層のSi０２の平均厚さは150nm程度、１層のNb２０５の平均厚さは250nm程度であった。このようにして形成された多層光学薄膜４の厚さは約２０μｍであった。【００３２】
成膜中における基板１の反り量を観測したところ、約1.1mmであった。成膜完了後、基板１を常温にしたところ、基板１の反り量は0.5mmに改善された。【００３３】
この基板をダイシングソーでカットすることにより、厚さ0.3mm、８mm×0.3mm角の光学素子を多数切り出した。これらの素子を導波路中に挟んで使用したところ、導波路に形成された溝に、問題なく嵌め込むことができた。又、所望の光学特性を得ることができた。
【比較例】
【００３４】
基板１としてガラス（ＢＫ７）を使用した他は、実施例１と同じ方法で光学素子を製造した。
【００３５】
成膜中における基板１の反り量を観測したところ、約0.9mmであった。成膜完了後、基板１を常温にしたところ、基板１の反り量は1.4mmに悪化した。すなわち、実施例の約３倍の反り量となった。
【００３６】
この基板をダイシングソーでカットすることにより、厚さ0.3mm、８mm×0.3mm角の光学素子を多数切り出した。これらの素子を導波路中に挟んで使用したところ、導波路に形成された溝に嵌め込むことができないものがあった。又、所望の光学特性を得ることができないものがあったが、これは、表面の反りによる入射角の変動に起因するものと推定される。
【図１】
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