JP2008033341A

JP2008033341A - 多層膜カットフィルターの製造方法

Info

Publication number: JP2008033341A
Application number: JP2007214437A
Authority: JP
Inventors: Kunihiko Yano; 邦彦矢野; Takahiro Uchitani; 隆博内谷
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2008-02-14

Abstract

【課題】高精度の膜厚制御が可能であるため、設計通りの特性を有する多層膜カットフィルターを提供する。
【解決手段】特定の光をカットする機能を有する繰り返し交互層における高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌの光学的膜厚のバランスＨ／Ｌ又はＬ／Ｈの比を１．２〜２．０の範囲とする。また、補正板１６の幅を通常より広くし、ツーリング係数を０．６〜０．８５の範囲とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学フィルターのなかで、特定波長より短い波長の光をカットし、長い波長の光を透過する多層膜カットフィルターの製造方法に関する。

液晶プロジェクターは年々高輝度化と小型化が進み、光源に強い紫外線を発生する高出力の水銀ランプが使われるようになってきた。光学系も小さくなっているため、光学系を通過する光のエネルギー密度が高くなってきた。そのため、主に紫外線、さらに可視光でも短い波長の光により、内部の光学系に用いられている液晶パネルや偏光板、位相差板など有機物を使用した部品に劣化が生じ、短時間で表示品質が落ちてしまう問題が大きくなってきた。

高輝度水銀ランプより発生する有害な紫外線をカットするため、光を吸収する基板材料を使う吸収ガラスを用いることが可能で、材料の組成と厚みにより吸収（カット）する波長と吸収−透過へ変化する立ち上がり特性（急峻さ）を調整することができる。

しかしながら、材料により吸収波長の選択が制限されてしまう問題と、吸収した光のエネルギーが熱になるため、強い光を入れた場合、温度上昇により吸収ガラスが破損してしまうことがある問題がある。また注意深く選択、調整された材料でもカットする波長近くの短い波長での透過率があまり高くできないため、透過する光の減衰が生じてしまう。

これに対して、エッジフィルターと呼ばれる多層膜カットフィルターが知られている。この多層膜カットフィルターは、真空蒸着法等で光透過性基板上に高屈折率層と低屈折率層とを所定の光学的膜厚（＝屈折率ｎ×幾何学的膜厚ｄ）で交互に積層した多層膜誘電体が形成されたもので、特定波長より短い波長の光をカットし、長い波長の光を透過することができる。多層膜誘電体の多層膜は、カットする波長の選択が膜厚の調整で任意に選ぶことができ、カットする波長近くの短い波長での透過率も高くすることが可能である。

例えば、強い紫外線を含む光源にさらされる光学部品の手前に配置して紫外線と短波長の可視光の一部をカットするＵＶカットフィルターとすることができる。

しかしながら、多層膜誘電体が形成されたＵＶカットフィルターは、製造が極めて困難なフィルターとして知られている。即ち、立ち上がり特性を急峻にしようとすると、高屈折率層と低屈折率層とを交互に成膜する回数が例えば３０層以上というように成膜回数を極めて多くする必要がある。また、各層の膜厚が薄く、特に紫外線領域では薄くなり、しかも立ち上がりの波長を高精度にするために各層の膜厚制御を高精度に行わなければならない。例えば各層の膜厚が１％ずれると、立ち上がりの波長が５ｎｍずれるといわれており、現在の成膜技術では、膜厚制御を高精度に行って、設計通りの特性を有するＵＶカットフィルターを製造することが困難である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、高精度の膜厚制御が可能であるため、設計通りの特性を有する多層膜カットフィルターを提供することを目的とする。

また、本発明は、高精度の膜厚制御を容易にできる多層膜カットフィルターの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成するため、鋭意検討を重ねた結果、成膜装置における蒸着源と光透過性基板との間に補正板を介在させ、従来より幅の広い補正板を用いて補正板で遮蔽される飛来粒子の割合を多くすることによって、具体的には、光透過性基板に堆積される層の膜厚／モニタ基板に堆積される層の膜厚との比をツーリング係数とした場合、ツーリング係数を０．６〜０．８５とすることによって、光透過性基板よりモニタ基板の方に厚く成膜することから、光学式膜厚計での膜厚測定を高精度にでき、膜厚制御を容易にすることができる。

従って、請求項１記載の発明は、蒸着源より飛来する高屈折率層を形成する粒子と低屈折率層を形成する粒子とを交互に光透過性基板の上に繰り返し成膜すると共に、同時にモニタ基板上にも成膜し、このモニタ基板上に成膜された層の光学的膜厚を測定しながら膜厚制御を行う多層膜カットフィルターの製造方法において、前記蒸着源と前記光透過性基板との間に補正板を介在させ、前記光透過性基板に堆積される層の膜厚／前記モニタ基板に堆積される層の膜厚との比をツーリング係数とした場合に、前記ツーリング係数を０．６〜０．８５の範囲とすることを特徴とする多層膜カットフィルターの製造方法を提供する。

また、請求項２記載の発明は、前記多層膜カットフィルターがＵＶカットフィルターであるのが好ましい。

以下、本発明の多層膜カットフィルター及びその製造方法の実施の形態について説明するが、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。

本発明の多層膜カットフィルターは、特定波長より短い波長の光をカットし、長い波長の光を透過する、あるいは特定波長より長い波長の光をカットし、短い波長の光を透過するエッジフィルターと呼ばれるもので、機能によって、ＵＶカットフィルター、ＩＲカットフィルター、ダイクロックフィルター、コールドミラーなど使用目的にあった名称がある。各種光学測定やプロジェクションシステム（投影装置）、撮影装置、レーザー加工装置において、不要あるいは有害な高次周波数（短波長）の光をカットするのに用いられる。

本発明の多層膜カットフィルターの主な用途は、液晶プロジェクターのように高出力の水銀ランプ等の強い紫外線を含む光源にさらされる光学部品と光源の間に配置し、光源の紫外線と短波長の可視光の一部をカットして光学部品を保護するＵＶカットフィルターである。

多層膜カットフィルターは、光透過性基板上に高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した誘電体多層膜が形成されている。高屈折率層の材料として、ＴｉＯ₂（ｎ＝２．４）、Ｔａ₂Ｏ₅（ｎ＝２．１）、Ｎｂ₂Ｏ₅（ｎ＝２．２）などが用いられ、低屈折率層の材料として、ＳｉＯ₂（ｎ＝１．４６）あるいはＭｇＦ₂（ｎ＝１．３８）が使われる。屈折率は、波長によって異なり、上記屈折率ｎは５００ｎｍの値である。

膜厚の基本的な設計は一般に、高屈折率層と低屈折率層とが交互にそれぞれ同じ光学的膜厚で繰り返し積層された繰り返し交互層として、（０．５Ｈ、１Ｌ、０．５Ｈ）^Sのように表される。ここで、カットしたい波長の中心近くの波長を設計波長λとして、高屈折率層（Ｈ）の膜厚を光学的膜厚ｎｄ＝１／４λの値を１Ｈとして表記し、低屈折率層（Ｌ）を同様に１Ｌとする。Ｓはスタック数と呼ばれる繰り返しの回数で、括弧内の構成を周期的に繰り返すことを表している。実際に積層される層数は２Ｓ＋１層となり、Ｓの値を大きくすると吸収−透過へ変化する立ち上がり特性（急峻さ）を急にすることができる。Ｓの値としては３から２０程度の範囲から選定される。この繰り返し交互層によって、カットされる特定の波長が決定される。

透過帯域の透過率を高くし、リップルと呼ばれる光透過率の凹凸をフラットな特性にするためには、繰り返し交互層の基板近くと、媒質近くの数層ずつの膜厚を変化させて最適設計を行う。そのため、基板｜０．５ＬＨ・・・ＨＬ（ＨＬ）^sＨＬ・・・Ｈ、０．５Ｌのように表記される。また、高屈折率層にＴｉＯ₂などを使う場合、最外層を高屈折率層で終わらせるよりも、より耐環境特性にすぐれたＳｉＯ₂を最外層に追加して設計を行うことが多い。基板に接する層もＴｉＯ₂が基板と反応して特性が劣化することがあるので、化学的に安定なＳｉＯ₂を第１層に追加することもある。このような多層膜カットフィルターの設計は市販のソフトウエアを用いて理論的に行うことができる（参考文献：ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ誌１９９９Ｎｏ．５ｐ．１７５−１９０）。

高屈折率層と低屈折率層とを交互に光透過性基板上に成膜するには、物理的成膜法が一般的であり、通常の真空蒸着法でも可能であるが、膜の屈折率の安定した制御が可能で、保管・使用環境変化による分光特性の経時変化が少ない膜を作成できるイオンアシスト蒸着やイオンプレーティング法、スパッタ法が望ましい。真空蒸着法は、高真空中で薄膜材料を加熱蒸発させ、この蒸発粒子を基板上に堆積させて薄膜を形成する方法である。イオンプレーティング法は、蒸着粒子をイオン化し、電界により加速して基板に付着させる方法であり、ＡＰＳ（Advanced Plasma Source）、ＥＢＰＭ（Electron Beam Excited Plasma）法、ＲＦ（Radio Frequency）直接基板印加法（成膜室内に高周波ガスプラズマを発生させた状態で反応性の真空蒸着を行う方法）などの方式がある。スパッタ法は、電界により加速したイオンを薄膜材料に衝突させて薄膜材料を叩き出すスパッタリングにより薄膜材料を蒸発させ、蒸発粒子を基板上に堆積させる薄膜形成方法である。成膜される層の屈折率等の光学定数は、成膜方法、成膜条件等で異なってくるので、製造前に成膜される層の光学定数を正確に測定する必要がある。

図１に、膜厚制御に広く使われている光学式膜厚計を用いた物理的成膜装置の一例を示す。この物理的成膜装置は、成膜装置１０を構成する真空チャンバ１１内の下部に高屈折率素材と低屈折率素材の薄膜材料がそれぞれるつぼに充填された２個の蒸発源１２，１３が配置されている。蒸発源１２，１３は種々の方法で加熱あるいはスパッタリング可能である。真空チャンバ１１内の上方には光透過性基板を載せるドーム形状の蒸着ドーム１４が回転可能に支持されている。蒸着ドーム１４の上方には蒸着ドーム１４を加熱するための基板加熱ヒーター１５が設置されている。蒸着ドーム１４の中央部にはモニタ用の孔が穿設され、ここには光学式膜厚計２０を構成する膜厚監視用のモニタ基板２１が設置されている。モニタ基板２１はモニタガラスで構成されている。投光器２２から出射された光がモニタ基板２１の成膜面に入射し、成膜面で反射した反射光を受光器２３が受光して電気信号に変換して測定器２４に送信し、測定器２４で反射光量が測定され、その反射光量がレコーダー２５に出力される。また、蒸発源１２，１３と蒸着ドーム１４との間には、膜厚分布を補正する補正板１６が固定して設置されている。

図２に、補正板１６、蒸着ドーム１４、蒸着源１２、１３及びモニタ基板２１の垂直方向の位置関係を示す。２枚の補正板１６は蒸着源１２、１３の上方にそれぞれ固定されている一方、蒸着ドーム１４は回転する。補正板１６によって蒸着源１２、１３より飛来する濃度の高い部分の粒子が蒸着ドーム１４に到達することが妨げられるため、補正板１６は蒸着ドームに飛来する粒子の分布を均一化することができる。

蒸着源１２、１３から蒸発した薄膜材料の粒子は、イオンプレーティングの場合は図示しない電界により加速され、あるいは真空蒸着の場合はそのまま蒸着ドーム１４に飛来し、回転する蒸着ドーム１４に載置された光透過性基板に到達し、堆積し、光透過性基板上に光学膜が成膜される。その際、薄膜材料の粒子密度が大きい部分は補正板１６によって妨げられて、均一な膜厚分布が得られるようになっている。一方の蒸着源１２と他方の蒸着源１３を切り替えて２種類の薄膜材料を交互に成膜することができる。モニタ基板２１には、光透過性基板に成膜されると同時に、２種類の薄膜材料が交互に成膜される。

光学式膜厚計２０は、モニタ基板２１に付いた膜により指定した波長（膜厚計センサの使用可能な波長範囲から選ばれる）の反射もしくは透過光量が変化するのを成膜中に連続的に測定し、あらかじめ計算しておいた光量変化が生じたところで成膜を終了するようになっている。モニタ基板における光量変化は、図３に示すように、光学的膜厚が測定波長λの１／４の整数倍となる毎に周期的に増加・減少を繰り返してピークを示すため、ピークを基準に成膜量を決定することで、実際の光学膜厚を正確に制御できるので、光学式膜厚計２０は光学薄膜の成膜に広く用いられている。

ところが、紫外線カット（ＵＶカット）の場合、短い波長を設計波長に選ぶ必要があり、各層の膜厚が極めて薄くなってくるため、膜厚制御が困難になる。また、紫外線領域では、ＴｉＯ₂の屈折率の波長による変化を示す図４のように、基板や膜の屈折率等の光学定数の変動が大きいため、測定精度が不安定になるという問題がある。更に、光学式膜厚計を用いた成膜装置では、光量変化ピーク付近は光量変化が平坦になるため、光量変化ピークの判定が困難であり、制御精度が著しく劣化する問題が発生する。しかも、ＴｉＯ₂を用いると、このＴｉＯ₂の吸収により、光量変化の測定そのものが困難になるために成膜の精度が著しく悪くなる。さらに急峻な立ち上がり特性を実現するために繰り返し数Ｓが増加すると、益々成膜が困難になる。従来、スタック数Ｓが１０以上になる様な場合、大量に生産することは無理であった。

本発明では、このようなＵＶカットフィルターにおける成膜時の膜厚制御の困難性を繰り返し交互層の膜厚のバランスと補正板の大きさを工夫することにより克服し、高精度の膜厚制御を可能とし、大量生産を可能としたものである。

即ち、従来の設計では繰り返し交互層の光学的膜厚の比率Ｈ／Ｌを１．０とする。Ｈ／Ｌを１．０とすることは、モニタ基板の反射率がλ／４の整数倍となるピークのときに正確に成膜を停止する必要がある。この場合、光学式膜厚計の光量変化ピーク付近は光量変化が平坦になるため、光量変化ピークの判定が困難である。

これに対し、本発明では、繰り返し交互層のＨ／Ｌ又はＬ／Ｈの比を１．２〜２．０、好ましくは１．３〜１．５の範囲とするもので、高屈折率層と低屈折率層の一方を厚く、他方を薄くして厚みを偏らせる。この場合、偏りが大きすぎると、フィルターとしての特性に悪影響を与えるおそれがある。

これにより、一方の厚い方の膜を成膜する際には光学式膜厚計の光量変化のピークを過ぎた時点で成膜を停止することになるため、成膜の停止時期が明確になり、膜厚制御が容易になる。また、薄くした他方の膜厚制御は、厚くした膜の上に成膜するので、通常通りピークのときに成膜を停止することになるため、薄くした不都合は生じない。とりわけ、高屈折率層の方を厚くすることにより、幾何学的膜厚が薄く、膜厚制御が困難な高屈折率層を膜厚精度良く成膜することが可能となる。

次に、本発明では、補正板１６の幅を通常より広くし、補正板１６で遮蔽される飛来粒子の割合を多くしている。即ち、光透過性基板に堆積される膜の膜厚／モニタ基板に堆積される膜の膜厚の比をツーリング係数とすると、このツーリング係数を０．６〜０．８５の範囲とするものである。ツーリング係数が低すぎると、光透過性基板に付着する粒子量が少なくなりすぎるため、生産性の点で好ましくない。従来の成膜装置における通常のツーリング係数は、概ね０．９〜１．１の範囲である。

これにより、モニタ基板２１の方に光透過性基板よりも厚く膜が堆積され、正確に膜厚を測定することが可能となり、紫外線領域で屈折率等の光学定数が不安定になる問題を解決することができる。また、モニタ基板２１の光量変化のピークが光透過性基板の成膜のピークに先行し、光量変化のピークが過ぎた時点で成膜を停止することが可能となるため、成膜の停止時点が明確になり、膜厚制御が容易になる。その結果、膜厚精度を向上させることができる。

これらの繰り返し交互層との膜厚バランスの改良と補正板の幅を広くしてツーリング係数を低くする改良を組み合わせることによって、低屈折率層の成膜時における光学式膜厚計の光量変化のピークを過ぎた時点で成膜を停止することが可能となる効果も加わり、膜厚制御がより容易になる。

＜実施例１＞
繰り返し交互層の膜厚の比率をＨ／Ｌ＝１．３３程度にしてＨ層の膜厚を厚めのバランスとした。最外層と基板に接する第１層はＳｉＯ₂とした。

光透過性基板材料はＢＫ７（ｎ＝１．５２の白板ガラス）を用いた。使用する膜の材料は、高屈折率層（Ｈ）がＴｉＯ₂、低屈折率層（Ｌ）がＳｉＯ₂、成膜方法はＲＦイオンプレーティング装置（昭和真空（株）製）を用いた。単色式光学モニタ方式の光学式膜厚計を用いた。通常より幅の広い補正板を用い、ツーリング係数を０．８とした。

膜厚構成は、λ＝３６０ｎｍ、層数３３で、基板側から１．０８Ｌ、０．４４Ｈ、１．０４Ｌ、０．８８Ｈ、０．８０Ｌ、１．１６Ｈ、０．７６Ｌ、（１．１２Ｈ、０．８４Ｌ）¹⁰、１．００Ｈ、０．９２Ｌ、１．１６Ｈ、０．６０Ｌ、１．０４Ｈ、１．８０Ｌとした。

得られた多層膜カットフィルターの波長４１０ｎｍ付近の拡大した分光透過率を図５に示す。また、波長３５０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の分光透過率を図６に示す。

また、繰り返し交互層における光学式膜厚計の反射率の変化を図７に示す。実線は高屈折率層の成膜、一点鎖線は低屈折率層の成膜を示す。各線の右端はその時点で成膜を停止したことを示す。

＜実施例２＞
実施例１と同様の成膜条件で、膜厚構成は、λ＝３６０ｎｍ、層数１９で、基板側から１．０８Ｌ、０．４４Ｈ、１．０４Ｌ、０．８８Ｈ、０．８０Ｌ、１．１６Ｈ、０．７６Ｌ、（１．１２Ｈ、０．８４Ｌ）³、１．００Ｈ、０．９２Ｌ、１．１６Ｈ、０．６０Ｌ、１．０４Ｈ、１．８０Ｌとした。

この層構成は、生産性を考慮して層数を減らしたもので、繰り返し交互層のスタック数が少ないため、分光特性は急峻さが少なくなる。

＜比較例１＞
実施例１と同様の成膜条件で、従来の設計通りの最適化を行った。膜厚構成は、λ＝３６０ｎｍ、層数３３で、基板側から、１Ｌ、０．３Ｈ、０．９４Ｌ、１．１Ｈ、０．５８Ｌ、１．３Ｈ、０．７９Ｌ、（１Ｈ、１Ｌ）¹⁰、１．０２Ｈ、０．７１Ｌ、１．７４Ｈ、０．３２Ｌ、１．３５Ｈ、１．６８Ｌとした。

また、繰り返し交互層における光学式膜厚計の反射率の変化を図８に示す。実線は高屈折率層の成膜、一点鎖線は低屈折率層の成膜を示す。各線の右端はその時点で成膜を停止したことを示す。

＜比較例２＞
実施例１と同様の成膜条件で、膜厚構成は、λ＝３６０ｎｍ、層数１９で、１Ｌ、０．３Ｈ、０．９４Ｌ、１．１Ｈ、０．５８Ｌ、１．３Ｈ、０．７９Ｌ、（１Ｈ、１Ｌ）³、１．０２Ｈ、０．７１Ｌ、１．７４Ｈ、０．３２Ｌ、１．３５Ｈ、１．６８Ｌとした。

層数が少ないだけ作成がやや容易になるが、分光特性は急峻さが少なく劣る。

実施例１と比較例１とは同じ層数で、繰り返し交互層の膜厚のバランスが異なる。実施例１の方が分光特性が急峻である。同様に、実施例２と比較例２とは同じ層数で、繰り返し交互層の膜厚のバランスが異なるが、実施例２の方が分光特性が急峻である。

また、図８に示した光学モニタ光量の変化は、Ｈ／Ｌ＝１．００とする従来の繰り返し交互層の成膜における高屈折率層の成膜の際に、ピークの頂点で成膜を停止しなければならないため、成膜を停止する時点の判断が困難で、膜厚制御が困難であることを示している。一方、低屈折率層の成膜時には、ツーリング係数を０．８とした効果で、ピークが過ぎた時点で成膜を停止することができるため、膜厚制御が容易であることを示している。

これに対し、図７に示した繰り返し交互層の層厚のバランスをＨ／Ｌ＝１．３３とした本発明における光学モニタ光量の変化は、高屈折率層の成膜時に、ピークが過ぎた時点で成膜を停止することができるため、膜厚制御が容易であることを示している。また、低屈折率層の成膜時にも、ツーリング係数を０．８とした効果で、ピークが過ぎた時点で成膜を停止することができるため、膜厚制御が容易であることを示している。

本発明の多層膜カットフィルターの製造方法によれば、ツーリング係数を低くし、モニタ基板の方に厚く成膜するようにしたことにより、膜厚制御が容易になり、設計通りの特性を備える多層膜カットフィルターを製造することができる。

本発明の多層膜カットフィルターを製造する物理的成膜装置の概要を示す構成図である。図１の装置における補正板、蒸着ドーム、モニタ基板及び蒸発源の垂直方向の位置関係を示す配置図である。モニタ基板における成膜の光学的膜厚と反射率の関係を示すグラフである。ＴｉＯ₂の成膜における波長と屈折率の関係を示すグラフである。実施例、比較例で得られた多層膜カットフィルタの４１０ｎｍ付近における分光透過率を示すグラフである。実施例、比較例で得られた多層膜カットフィルタの３５０〜７００ｎｍにおける分光透過率を示すグラフである。実施例１における光学モニタの光量変化を示すグラフである。比較例１における光学モニタの光量変化を示すグラフである。

符号の説明

１０…成膜装置、１１…真空チャンバ、１２…蒸発源、１３…蒸発源、１４…蒸着ドーム、１５…基板加熱ヒータ、１６…補正板、２０…光学式膜厚計、２１…モニタ基板、２２…投光器、２３…受光器、２４…測定器、２５…レコーダー。

Claims

蒸着源より飛来する高屈折率層を形成する粒子と低屈折率層を形成する粒子とを交互に光透過性基板の上に繰り返し成膜すると共に、同時にモニタ基板上にも成膜し、このモニタ基板上に成膜された層の光学的膜厚を測定して膜厚制御を行う多層膜カットフィルターの製造方法において、
前記蒸着源と前記光透過性基板との間に補正板を介在させ、前記光透過性基板に堆積される層の膜厚／前記モニタ基板に堆積される層の膜厚、であるツーリング係数とした場合に、前記ツーリング係数を０．６〜０．８５の範囲とすることを特徴とする多層膜カットフィルターの製造方法。
前記多層膜カットフィルターがＵＶカットフィルターであることを特徴とする、請求項１に記載の多層膜カットフィルターの製造方法。