JP3606630B2 - Optical multilayer filter - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
この発明は、基板上に屈折率の異なる材料膜を交互に複数層積層形成してなる光学多層膜を有する光学多層膜フィルタに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、ガラス基板上に高屈折率材料膜と低屈折率材料膜を交互に複数層形成して所定のフィルタ特性を得る光学多層膜フィルタが知られている。光学多層膜は通常スパッタや真空蒸着等により形成されるが、フィルタ挿入による光路長増大とこれによる伝搬光散乱を小さく抑えるために、ガラス基板はできるだけ薄く研磨される。
【0003】
この種の光学多層膜フィルタにおいて、光学多層膜には通常、基板材料との熱膨張率の差や構造変化等に起因して、内部応力が発生する。一般にスパッタ等による薄膜の内部応力には、膜が縮まろうとする方向の引張応力と、膜が広がろうとする方向の圧縮応力とがある。従って基板厚を小さくすると、この内部応力によりフィルタ全体に反りが発生する。引張応力の場合には光学多層膜の形成された面が凹型になり、圧縮応力の場合は逆に凸になる。
【0004】
この様な光学多層膜フィルタの反りを防止するためには、例えば高屈折率材料膜と低屈折率材料膜の材料や膜厚の組み合わせを選択して、内部応力をできるだけ小さくすることが望まれる。しかし、必要とする光学フィルタ特性からこれらの材料や膜厚の選択には制限がある。
従来この様な光学多層膜フィルタの反りを防止する方法として、次のような方法が提案されている。
【0005】
▲1▼基板に予め分離可能な膜を成膜して、この上に光学多層膜を形成した後、光学多層膜のみを分離する。
▲2▼基板にポリイミド膜を塗布して、この上に光学多層膜を形成した後、基板を除去してポリイミドを最終基板とする。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
▲1▼の方法では、最終的に基板がなくなるため、光学多層膜フィルタの機械的強度が弱く、例えば実装等に困難を来す。
▲2▼の方法では、有機材料であるポリイミドが基板となるために、機械的強度や信頼性の点で問題が残る。
【0007】
この発明は、上記の点に鑑みなされたもので、機械的強度を損なうことなく内部応力による反りを防止した光学多層膜フィルタを提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明は、基板上に屈折率の異なる材料膜を交互に複数層積層形成してなる光学多層膜を有する光学多層膜フィルタにおいて、前記基板は、最終的に除去される耐熱性の出発基板上に火炎堆積法(FHD法)により形成されて焼結された、前記光学多層膜の内部応力と方向及び大きさが等しい内部応力を持つガラス層であることを特徴としている。
【0011】
【作用】
この発明によると、光学多層膜と同様の内部応力が発生するガラス層をFHD法により出発基板に形成して、出発基板を除去することにより、光学多層膜のフィルタの反りを防止することができる。出発基板は除去されるが、最終基板として焼結されたガラス層を用いるため、機械的強度は十分であり、実装上も問題はなく、有機材料と異なり信頼性も高い。
【0012】
【実施例】
以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。
図1は、この発明の一実施例による光学多層膜フィルタを示している。この実施例では先ず、図1(a)に示すように、BK−7基板11に、スパッタによりバッファ層12を形成した後、この上にスパッタにより光学多層膜13を形成する。光学多層膜13の内部応力が圧縮応力である場合には、バッファ層12はこれを打ち消す引張応力が発生するものとし、光学多層膜13の内部応力が引張応力である場合には、バッファ層12はこれを打ち消す圧縮応力が発生するものとする。
そして基板11は、図1(b)に示すように、最終的に例えば全体で30μm 程度の厚みとなるように研磨する。
【0013】
具体的にこの実施例の場合光学多層膜13は、図1(a)に拡大して示すように、低屈折率のSiO2 膜13a(屈折率=1.46)と、高屈折率のTiO2 膜13b(屈折率=2.25)を、それぞれ必要な光学膜厚(例えばλ/4相当の膜厚)をもって交互に複数層形成したものとする。それぞれの膜厚をλ/4相当分としたとき、SiO2 膜の膜厚は、TiO2 膜のそれの約1.5倍になる。このとき得られる光学多層膜13は、圧縮応力となる。そこで、バッファ層12としては、光学多層膜13の内部応力を打ち消すような引張応力が発生するように、この実施例ではTiO2 膜を用いる。
【0014】
この実施例において、バッファ層12により多層膜13応力を効果的に打ち消すためには、膜厚の選択も重要である。即ち、光学多層膜13を構成する高屈折率層と低屈折率層の膜厚をそれぞれ、dH ,dL 、単位膜厚当たりの応力をそれぞれ、σH ,σL とすると、光学多層膜13全体としての応力σT は、
σT =σH ΣdH +σL ΣdL
となる。
【0015】
これに対して、バッファ層12は、単位膜厚当たりの応力σB 、膜厚dB として、全体としての応力はσB ・dB となる。従って全体として光学多層膜の応力が打ち消されるためには、
σB ・dB =−σT
を満たすように、材料と膜厚を選択することが必要になる。
【0016】
図3は、石英基板上に形成した各種誘電体材料のスパッタ膜の内部応力をスパッタ条件の一つであるイオンアシスト電流密度に対して測定した結果である。このデータから、実施例のSiO2 /TiO2 の光学多層膜13は、TiO2 膜が厚いために全体として圧縮応力となる。従って、バッファ層12として、引張応力となる条件のイオン電流密度で形成したTiO2 膜を用いれば、応力打消が可能であることが分かる。
TiO2 の代わりに、MgF2 膜等をバッファ層として用いることもできる。
【0017】
図2は、この発明の別の実施例による光学多層膜フィルタの製造工程を示す。この実施例では、図2(a)に示すように、出発基板として耐熱性の石英基板21を用い、この上にFHD法によりSiO2 のすすを堆積し、これを高温で焼結してSiO2 層22を形成する。ついで図2(b)に示すように、スパッタにより光学多層膜23を形成する。光学多層膜23は、図に拡大して示すように、低屈折率材料であるSiO2 膜23aと高屈折率材料であるTa2 O5 膜23b(屈折率=2.1〜2.2)を交互にλ/4相当分ずつ積層したものとする。そして最終的に、図2(c)示すように出発基板である石英基板21を研磨して除去する。
【0018】
図3に示すように、SiO2 膜は膜形成条件によらずほぼ一定の圧縮応力を示し、これはFHD法による場合も変わらない。そこで、光学多層膜23を構成するもう一方のTa2 O5 膜の膜形成条件を、図3において、SiO2 膜と同じ圧縮応力となる条件を選ぶ。そうすると出発基板21を除去した時、内部応力による膜の膨張あるいは圧縮を妨げるものがなくなり、反りの発生が防止される。
FHD法によるSiO2 層22は、ポリイミド等の有機膜を用いた場合に比べて機械的強度、化学的安定性も十分である。
【0019】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、最終基板として、光学多層膜の内部応力と大きさ及び方向が等しいFHDによる焼結ガラス層を用いることにより、効果的に光学多層膜のフィルタの反りを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例による光学多層膜フィルタを示す。
【図2】この発明の他の実施例による光学多層膜フィルタを示す。
【図3】スパッタによる誘電体材料膜の内部応力データを示す。
【符号の説明】
11…BK−7基板、12…SiO2 膜(バッファ層)、13…光学多層膜、13a…SiO2 膜、13b…TiO2 膜、21…石英基板、22…FHDSiO2 層(最終基板)、23…光学多層膜、23a…SiO2 膜、23b…Ta2 O5 膜。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an optical multilayer filter having an optical multilayer film formed by alternately laminating a plurality of material films having different refractive indexes on a substrate.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known an optical multilayer filter that obtains predetermined filter characteristics by alternately forming a plurality of high refractive index material films and low refractive index material films on a glass substrate. The optical multilayer film is usually formed by sputtering, vacuum deposition, or the like, but the glass substrate is polished as thinly as possible in order to suppress the increase in the optical path length due to the insertion of the filter and the propagation light scattering caused thereby.
[0003]
In this type of optical multilayer filter, an internal stress is usually generated in the optical multilayer film due to a difference in coefficient of thermal expansion from the substrate material, a structural change, or the like. In general, the internal stress of a thin film caused by sputtering or the like includes a tensile stress in a direction in which the film tends to shrink and a compressive stress in a direction in which the film tends to spread. Therefore, when the substrate thickness is reduced, the internal filter warps due to the internal stress. In the case of tensile stress, the surface on which the optical multilayer film is formed becomes concave, whereas in the case of compressive stress, it becomes convex.
[0004]
In order to prevent such warpage of the optical multilayer filter, for example, it is desired to select a combination of materials and film thicknesses of a high refractive index material film and a low refractive index material film to reduce the internal stress as much as possible. . However, the selection of these materials and film thickness is limited due to the required optical filter characteristics.
Conventionally, the following method has been proposed as a method for preventing such warpage of the optical multilayer filter.
[0005]
(1) A separable film is formed on a substrate in advance, an optical multilayer film is formed thereon, and then only the optical multilayer film is separated.
(2) A polyimide film is applied to a substrate and an optical multilayer film is formed thereon, and then the substrate is removed to make polyimide the final substrate.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the method {circle around (1)}, the substrate is finally removed, so that the mechanical strength of the optical multilayer filter is weak, which makes it difficult to mount, for example.
In the method (2), since polyimide, which is an organic material, serves as the substrate, problems remain in terms of mechanical strength and reliability.
[0007]
The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide an optical multilayer filter that prevents warping due to internal stress without impairing mechanical strength.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention, in the optical multilayer filter having an optical multilayer film obtained by forming a plurality of layers stacked films of different materials having a refractive index on the base plate alternately, the substrate, the heat resistance of the starting substrate to be finally removed It is characterized in that it is a glass layer formed by a flame deposition method (FHD method) and sintered and having an internal stress whose direction and size are equal to the internal stress of the optical multilayer film.
[0011]
[Action]
According to the present invention, by forming the starting substrate a glass layer internal stress similar to the optical multilayer film is produced by FHD method, by removing the starting substrate, you are possible to prevent the Ri anti filter of the optical multilayer film it can. Although the starting substrate is removed, since a sintered glass layer is used as the final substrate, mechanical strength is sufficient, there is no problem in mounting, and reliability is high unlike an organic material.
[0012]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an optical multilayer filter according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, first, as shown in FIG. 1A, a
Then, as shown in FIG. 1B, the
[0013]
Specifically, in this embodiment, the
[0014]
In this embodiment, in order to effectively cancel the stress of the
σT = σH ΣdH + σL ΣdL
It becomes.
[0015]
On the other hand, the
σB · dB = −σT
It is necessary to select a material and a film thickness so as to satisfy the above.
[0016]
FIG. 3 shows the results of measuring the internal stress of sputtered films of various dielectric materials formed on a quartz substrate with respect to ion assist current density, which is one of the sputtering conditions. From this data, the
Instead of TiO 2 , an MgF 2 film or the like can be used as the buffer layer.
[0017]
FIG. 2 shows a manufacturing process of an optical multilayer filter according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, as shown in FIG. 2A, a heat-
[0018]
As shown in FIG. 3, the SiO 2 film exhibits a substantially constant compressive stress regardless of the film formation conditions, and this does not change even when the FHD method is used. Therefore, as the film forming conditions for the other Ta 2 O 5 film constituting the
The SiO 2 layer 22 by the FHD method has sufficient mechanical strength and chemical stability compared to the case where an organic film such as polyimide is used.
[0019]
【The invention's effect】
According to the present invention as mentioned above, as the final substrate, Ri by the the use of sintered glass layer due to internal stress and the size and direction are equal FHD the optical multilayer film, the effect to the optical multilayer film The warping of the filter can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an optical multilayer filter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows an optical multilayer filter according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows internal stress data of a dielectric material film formed by sputtering.
[Explanation of symbols]
11 ... BK-7 substrate, 12 ... SiO 2 film (buffer layer), 13 ... Optical multilayer film, 13a ... SiO 2 film, 13b ... TiO 2 film, 21 ... Quartz substrate, 22 ... FHDSiO 2 layer (final substrate), 23: Optical multilayer film, 23a: SiO 2 film, 23b: Ta 2 O 5 film.
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