JP3069641B2 - 誘電体多層膜 - Google Patents
誘電体多層膜Info
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- JP3069641B2 JP3069641B2 JP9058230A JP5823097A JP3069641B2 JP 3069641 B2 JP3069641 B2 JP 3069641B2 JP 9058230 A JP9058230 A JP 9058230A JP 5823097 A JP5823097 A JP 5823097A JP 3069641 B2 JP3069641 B2 JP 3069641B2
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- film
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は高効率の光の反射
鏡、反射防止膜、光学フィルター等の光学素子として用
いられる誘電体多層膜に関し、特に高耐久性の誘電体多
層膜に関する。
鏡、反射防止膜、光学フィルター等の光学素子として用
いられる誘電体多層膜に関し、特に高耐久性の誘電体多
層膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】誘電体多層膜は光の高反射率鏡、反射防
止膜、フィルタ等の光学素子として従来から広く用いら
れている。誘電体多層膜の断面を図３に示す。基板２０
０上に屈折率の異なる複数の誘電体膜層１，２，３，…
が積層された誘電体多層膜１００が形成されている。基
板２００は通例ガラス等が用いられる。誘電体膜層１，
２，３，…の積層は、例えば真空蒸着、スパッタリン
グ、イオンビームスパッタリング等を用い複数の誘電体
材料を順次に成膜することで、適宜に行える。誘電体多
層膜１００が光学素子として作用する原理を以下に示
す。誘電体多層膜１００が光学素子として使用されると
きには、光が誘電体多層膜１００中を通過する。それぞ
れの誘電体層１−２、２−３、…間で屈折率が異なるこ
とから、誘電体膜層１、２、３、…の境界でフレネル反
射が起こる。誘電体膜層１、２、３、…それぞれの屈折
率、厚さを適切な値とすることで、複数の層間で生じる
フレネル反射波同士を相互に強め合うように、あるいは
弱めあうように干渉状態を制御できる。誘電体多層膜１
００は、フレネル反射波同士が相互に強め合う干渉状態
では反射鏡として、相互に弱め合う干渉状態では反射防
止膜として機能する。さらに、ある波長範囲内で反射波
同士が相互に弱め合いそれ以外の波長範囲では強め合う
場合は、その波長範囲の光のみを通過する波長選択フィ
ルタとして機能することになる。
止膜、フィルタ等の光学素子として従来から広く用いら
れている。誘電体多層膜の断面を図３に示す。基板２０
０上に屈折率の異なる複数の誘電体膜層１，２，３，…
が積層された誘電体多層膜１００が形成されている。基
板２００は通例ガラス等が用いられる。誘電体膜層１，
２，３，…の積層は、例えば真空蒸着、スパッタリン
グ、イオンビームスパッタリング等を用い複数の誘電体
材料を順次に成膜することで、適宜に行える。誘電体多
層膜１００が光学素子として作用する原理を以下に示
す。誘電体多層膜１００が光学素子として使用されると
きには、光が誘電体多層膜１００中を通過する。それぞ
れの誘電体層１−２、２−３、…間で屈折率が異なるこ
とから、誘電体膜層１、２、３、…の境界でフレネル反
射が起こる。誘電体膜層１、２、３、…それぞれの屈折
率、厚さを適切な値とすることで、複数の層間で生じる
フレネル反射波同士を相互に強め合うように、あるいは
弱めあうように干渉状態を制御できる。誘電体多層膜１
００は、フレネル反射波同士が相互に強め合う干渉状態
では反射鏡として、相互に弱め合う干渉状態では反射防
止膜として機能する。さらに、ある波長範囲内で反射波
同士が相互に弱め合いそれ以外の波長範囲では強め合う
場合は、その波長範囲の光のみを通過する波長選択フィ
ルタとして機能することになる。
【０００３】誘電体多層膜１００はフレネル反射を利用
しており、原理的に光の吸収を利用しない、また誘電体
１、２、３、…は一般に光の吸収が極めて小さい材料で
ある。このため、誘電体多層膜１００を用いて極めて高
効率な光学素子を製作できることが知られている。例え
ば、ＳｉＯ２とＴｉＯ２をそれぞれ１１０ｎｍ、６９ｎ
ｍの厚さで２１層の積層を行った誘電体多層膜１００
は、誘電体膜層１、２、…２１の消衰係数を無視すれ
ば、６３２．８ｎｍの波長において９９．９９％と、ほ
とんど１００％近い高反射率を有する反射鏡となり得
る。この反射分光特性を図４に実線で示す。図４のグラ
フにおいて、横軸は光の波長を、縦軸は反射率を表わ
す。図４はシミュレーション結果を示すものであるが、
実際にもこれとほぼ同等特性の誘電体多層膜を製作可能
である。しかし、誘電体多層膜が劣化すれば、光吸収が
増加し光学素子の効率が低下する。例えば、上記ＳｉＯ
２とＴｉＯ２の２１層の積層膜において誘電体多層膜層
１００の劣化によりＳｉＯ２とＴｉＯ２の消衰係数が
０．０１となったとすると、図４の破線に示すように波
長６３２．８ｎｍでの反射率が９８．４％まで低下して
しまう。この誘電体多層膜１００の劣化は特に大強度、
大エネルギーの光が入射するときに生じ易い。このた
め、大強度、大エネルギーの光を取り扱う光学素子の寿
命が極めて短かく、光学素子を頻繁に交換せねばならな
い原因となってきた。
しており、原理的に光の吸収を利用しない、また誘電体
１、２、３、…は一般に光の吸収が極めて小さい材料で
ある。このため、誘電体多層膜１００を用いて極めて高
効率な光学素子を製作できることが知られている。例え
ば、ＳｉＯ２とＴｉＯ２をそれぞれ１１０ｎｍ、６９ｎ
ｍの厚さで２１層の積層を行った誘電体多層膜１００
は、誘電体膜層１、２、…２１の消衰係数を無視すれ
ば、６３２．８ｎｍの波長において９９．９９％と、ほ
とんど１００％近い高反射率を有する反射鏡となり得
る。この反射分光特性を図４に実線で示す。図４のグラ
フにおいて、横軸は光の波長を、縦軸は反射率を表わ
す。図４はシミュレーション結果を示すものであるが、
実際にもこれとほぼ同等特性の誘電体多層膜を製作可能
である。しかし、誘電体多層膜が劣化すれば、光吸収が
増加し光学素子の効率が低下する。例えば、上記ＳｉＯ
２とＴｉＯ２の２１層の積層膜において誘電体多層膜層
１００の劣化によりＳｉＯ２とＴｉＯ２の消衰係数が
０．０１となったとすると、図４の破線に示すように波
長６３２．８ｎｍでの反射率が９８．４％まで低下して
しまう。この誘電体多層膜１００の劣化は特に大強度、
大エネルギーの光が入射するときに生じ易い。このた
め、大強度、大エネルギーの光を取り扱う光学素子の寿
命が極めて短かく、光学素子を頻繁に交換せねばならな
い原因となってきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、誘
電体多層膜は極めて高効率の光学素子を構成し得るが、
誘電体多層膜の劣化により高効率の利点を享受し難くな
る。本発明は誘電体多層膜の劣化を低減し、大強度ある
いは高エネルギー光を使用する環境中でも高効率を長期
間維持する、高耐力の誘電体多層膜を提供することを目
的とする。
電体多層膜は極めて高効率の光学素子を構成し得るが、
誘電体多層膜の劣化により高効率の利点を享受し難くな
る。本発明は誘電体多層膜の劣化を低減し、大強度ある
いは高エネルギー光を使用する環境中でも高効率を長期
間維持する、高耐力の誘電体多層膜を提供することを目
的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本願発明では、誘電体多
層膜の構成に際し、水素を含有する誘電体膜を用いる。
層膜の構成に際し、水素を含有する誘電体膜を用いる。
【０００６】
【作用】本願発明において、誘電体膜に含有された水素
が、光の吸収の原因となる誘電体中の格子欠陥を補償す
ることにより、誘電体多層膜の長寿命化をもたらす。
が、光の吸収の原因となる誘電体中の格子欠陥を補償す
ることにより、誘電体多層膜の長寿命化をもたらす。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の実施例を図１に示す。図
１では誘電体多層膜１００の断面が表わされていて、基
板２００上にそれぞれが水素を含有するＳｉＯ２膜１Ａ
とＴｉＯ２膜２Ａが交互に積層された誘電体多層膜１０
０が形成されている。水素を含有するＳｉＯ２とＴｉＯ
２の膜を形成するには種々の方法がある。例えば、Ｓｉ
Ｏ２、ＴｉＯ２の膜形成後に水素雰囲気中での熱処理、
あるいはイオンガンを用いた水素イオン打ち込みによっ
て行うことができる。熱処理、イオン打ち込みは誘電体
多層膜構造の形成後に行うことができる。また、各層を
形成するたびに行うことも可能であり、誘電体多層膜の
劣化低減により有効である。これは、以下に示すように
含有水素の量が劣化低減の程度と密接に関連するため、
各層で水素含有量が異なると水素含有量の少ない層が先
に劣化することが有り得るからである。しかし、一方で
は各層の誘電体の材質を考慮して、劣化しやすい材料に
対してより多くの水素を含有させることが、誘電体多層
膜全体としての劣化防止に有効な場合も有る。また他の
例として、水素雰囲気中でＳｉＯ２、ＴｉＯ２膜を形成
する方法もある。この方法では膜の形成と水素の含有が
同時に行われるので、水素を含有した誘電体多層膜を効
率よく形成できる。このとき、積層する膜の材料毎に水
素雰囲気の濃度を調整することで、上述の様に誘電体多
層膜全体として有効に劣化防止を図ることができる。
１では誘電体多層膜１００の断面が表わされていて、基
板２００上にそれぞれが水素を含有するＳｉＯ２膜１Ａ
とＴｉＯ２膜２Ａが交互に積層された誘電体多層膜１０
０が形成されている。水素を含有するＳｉＯ２とＴｉＯ
２の膜を形成するには種々の方法がある。例えば、Ｓｉ
Ｏ２、ＴｉＯ２の膜形成後に水素雰囲気中での熱処理、
あるいはイオンガンを用いた水素イオン打ち込みによっ
て行うことができる。熱処理、イオン打ち込みは誘電体
多層膜構造の形成後に行うことができる。また、各層を
形成するたびに行うことも可能であり、誘電体多層膜の
劣化低減により有効である。これは、以下に示すように
含有水素の量が劣化低減の程度と密接に関連するため、
各層で水素含有量が異なると水素含有量の少ない層が先
に劣化することが有り得るからである。しかし、一方で
は各層の誘電体の材質を考慮して、劣化しやすい材料に
対してより多くの水素を含有させることが、誘電体多層
膜全体としての劣化防止に有効な場合も有る。また他の
例として、水素雰囲気中でＳｉＯ２、ＴｉＯ２膜を形成
する方法もある。この方法では膜の形成と水素の含有が
同時に行われるので、水素を含有した誘電体多層膜を効
率よく形成できる。このとき、積層する膜の材料毎に水
素雰囲気の濃度を調整することで、上述の様に誘電体多
層膜全体として有効に劣化防止を図ることができる。
【０００８】次に水素含有による劣化低減の効果を示
す。図２は水素を含有したＳｉＯ２膜と含有しないＳｉ
Ｏ２膜それぞれに対して、ＡｒＦエキシマレーザーで波
長１９３ｎｍの高エネルギー光パルスを照射した結果を
示したものである。水素を含有したＳｉＯ２膜中の水素
濃度は１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３程度である。図
２のグラフの横軸は照射した光パルスの数、即ち全照射
量を示し、左側の縦軸は膜中のＥ’格子欠陥濃度、右側
の縦軸は膜中のＮＢＯＨＣ格子欠陥濃度をそれぞれ示
す。ここで、Ｅ’格子欠陥は「≡Ｓｉ・」、即ちシリコ
ン原子で未結合ボンドが生じていることを、ＮＢＯＨＣ
格子欠陥は「≡Ｓｉ−Ｏ・」、即ち酸素原子で未結合ボ
ンドが生じていることをそれぞれ意味している。このよ
うな格子欠陥は光吸収の原因となることが知られてお
り、Ｅ’格子欠陥の濃度増加により波長２１５ｎｍの光
吸収が、ＮＢＯＨＣ格子欠陥の濃度増加により波長２６
０ｎｍの光吸収がそれぞれ増加する。光吸収が増加すれ
ば、誘電体多層膜全体として、前述のように光の反射特
性、透過特性が劣化する。図４のグラフから、水素を含
有することにより、Ｅ’格子欠陥は１桁以上減少し、一
方ＮＢＯＨＣ格子欠陥は生成されないことが判る。この
格子欠陥低減のメカニズムは、光照射により原子間の結
合が切れて生じた格子欠陥が水素原子と結びつき補償す
ることによる。以上のように含有水素濃度を１０１８ｃ
ｍ−３のオーダー程度とすることで誘電体膜の光耐力を
大きく向上することができることが判る。そして、この
耐力向上は格子欠陥が水素原子と結びつくことによるも
のであるから、ＳｉＯ２のみならず広く誘電体一般、例
えばＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の金属酸化物誘電体に適用
可能である。
す。図２は水素を含有したＳｉＯ２膜と含有しないＳｉ
Ｏ２膜それぞれに対して、ＡｒＦエキシマレーザーで波
長１９３ｎｍの高エネルギー光パルスを照射した結果を
示したものである。水素を含有したＳｉＯ２膜中の水素
濃度は１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３程度である。図
２のグラフの横軸は照射した光パルスの数、即ち全照射
量を示し、左側の縦軸は膜中のＥ’格子欠陥濃度、右側
の縦軸は膜中のＮＢＯＨＣ格子欠陥濃度をそれぞれ示
す。ここで、Ｅ’格子欠陥は「≡Ｓｉ・」、即ちシリコ
ン原子で未結合ボンドが生じていることを、ＮＢＯＨＣ
格子欠陥は「≡Ｓｉ−Ｏ・」、即ち酸素原子で未結合ボ
ンドが生じていることをそれぞれ意味している。このよ
うな格子欠陥は光吸収の原因となることが知られてお
り、Ｅ’格子欠陥の濃度増加により波長２１５ｎｍの光
吸収が、ＮＢＯＨＣ格子欠陥の濃度増加により波長２６
０ｎｍの光吸収がそれぞれ増加する。光吸収が増加すれ
ば、誘電体多層膜全体として、前述のように光の反射特
性、透過特性が劣化する。図４のグラフから、水素を含
有することにより、Ｅ’格子欠陥は１桁以上減少し、一
方ＮＢＯＨＣ格子欠陥は生成されないことが判る。この
格子欠陥低減のメカニズムは、光照射により原子間の結
合が切れて生じた格子欠陥が水素原子と結びつき補償す
ることによる。以上のように含有水素濃度を１０１８ｃ
ｍ−３のオーダー程度とすることで誘電体膜の光耐力を
大きく向上することができることが判る。そして、この
耐力向上は格子欠陥が水素原子と結びつくことによるも
のであるから、ＳｉＯ２のみならず広く誘電体一般、例
えばＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の金属酸化物誘電体に適用
可能である。
【０００９】
【発明の効果】以上のように本発明により、誘電体多層
膜を構成する誘電体の各層あるいは１層が水素を含有す
ることにより、水素を含有しない誘電体に比し大強度、
高エネルギーの光に対して劣化の少ない誘電体多層膜を
提供することができる。この誘電体多層膜から構成され
た光学素子は、大強度あるいは高エネルギーの光を、長
期間に渡り光学特性が変化することなく取り扱うことが
できる。
膜を構成する誘電体の各層あるいは１層が水素を含有す
ることにより、水素を含有しない誘電体に比し大強度、
高エネルギーの光に対して劣化の少ない誘電体多層膜を
提供することができる。この誘電体多層膜から構成され
た光学素子は、大強度あるいは高エネルギーの光を、長
期間に渡り光学特性が変化することなく取り扱うことが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例であり、水素を含有する誘電体
を含む誘電体多層膜の断面を基板と共に示す。
を含む誘電体多層膜の断面を基板と共に示す。
【図２】水素を含有するＳｉＯ２材料と水素を含有しな
いＳｉＯ２材料にＡｒＦエキシマレーザーで光パルスを
照射したときの光パルス数と格子欠陥濃度の関係を示す
グラフである。
いＳｉＯ２材料にＡｒＦエキシマレーザーで光パルスを
照射したときの光パルス数と格子欠陥濃度の関係を示す
グラフである。
【図３】誘電体多層膜の断面を示す図である。
【図４】ＳｉＯ２とＴｉＯ２を積層した誘電体多層膜の
分光反射特性を示すグラフであり、実線は誘電体の消衰
係数が無視できる場合を、破線は誘電体の劣化によりそ
の消衰係数が０．０１となった場合を示す。
分光反射特性を示すグラフであり、実線は誘電体の消衰
係数が無視できる場合を、破線は誘電体の劣化によりそ
の消衰係数が０．０１となった場合を示す。
１：誘電体膜層 ２：誘電体膜層 ３：誘電体膜層 １Ａ：水素を含有するＳｉＯ２膜層 ２Ａ：水素を含有するＴｉＯ２膜層 １００：誘電体多層膜 ２００：基板
Claims (3)
- 【請求項１】屈折率の異なる複数の誘電体膜が積層され
てなる誘電体多層膜において、 上記誘電体膜のいずれか１以上が水素を含有する誘電体
膜であることを特徴とする誘電体多層膜 - 【請求項２】請求項１に記載の誘電体多層膜において、 水素を含有する誘電体膜がＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔｉ
Ｏ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２のいずれかに水
素を含有した誘電体膜であることを特徴とする誘電体多
層膜 - 【請求項３】請求項１又は２に記載の誘電体多層膜にお
いて、 水素を含有する誘電体膜の水素濃度が１×１０１７ｃｍ
−３以上であることを特徴とする誘電体多層膜
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9058230A JP3069641B2 (ja) | 1997-02-05 | 1997-02-05 | 誘電体多層膜 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9058230A JP3069641B2 (ja) | 1997-02-05 | 1997-02-05 | 誘電体多層膜 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10217377A JPH10217377A (ja) | 1998-08-18 |
| JP3069641B2 true JP3069641B2 (ja) | 2000-07-24 |
Family
ID=13078294
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9058230A Expired - Fee Related JP3069641B2 (ja) | 1997-02-05 | 1997-02-05 | 誘電体多層膜 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3069641B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2022092825A (ja) * | 2020-12-11 | 2022-06-23 | 日本電気硝子株式会社 | 光学フィルタ |
| KR20220157302A (ko) | 2021-05-20 | 2022-11-29 | 캐논 가부시끼가이샤 | 막, 소자, 및 기기 |
-
1997
- 1997-02-05 JP JP9058230A patent/JP3069641B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10217377A (ja) | 1998-08-18 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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