JP3069641B2 - 誘電体多層膜 - Google Patents
誘電体多層膜Info
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Description
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。
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。
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。
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。
層膜の構成に際し、水素を含有する誘電体膜を用いる。
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。
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。
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。
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。
を含む誘電体多層膜の断面を基板と共に示す。
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。
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。
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 |
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JPH10217377A JPH10217377A (ja) | 1998-08-18 |
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ID=13078294
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP9058230A Expired - Fee Related JP3069641B2 (ja) | 1997-02-05 | 1997-02-05 | 誘電体多層膜 |
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Families Citing this family (2)
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JP2022092825A (ja) * | 2020-12-11 | 2022-06-23 | 日本電気硝子株式会社 | 光学フィルタ |
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1997
- 1997-02-05 JP JP9058230A patent/JP3069641B2/ja not_active Expired - Fee Related
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