JP5148839B2

JP5148839B2 - 赤外光用反射防止膜

Info

Publication number: JP5148839B2
Application number: JP2006125464A
Authority: JP
Inventors: 豊山岸; 聡秋岡
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: JP2007298661A

Description

本発明は、例えば非接触放射温度計測や人体検知等の用途に用いられる熱型赤外線センサの窓材や光学フィルタなどのように、６〜１２μｍ波長領域の中赤外光を利用する光学機器の反射防止のために使用される赤外光用反射防止膜に関する。

この種の反射防止膜のうち、基板上に単一の膜を形成してなる単層構造の反射防止膜の場合は、基板の屈折率（以下、ｎで表わす）の平方根（√ｎ）と等しい屈折率を持つ膜を形成することにより、ある波長の一点で反射率を０％にすることが可能である。例えば、基板がシリコン基板である場合、シリコン（Ｓｉ）の屈折率は、ｎ＝３．４であるから、反射率の低減を図るためには、√（３．４）＝１．８４の屈折率を持つ膜を形成することが必要であり、それに近い屈折率を有する膜材料としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ、その屈折率ｎ＝１．８）が相当する。しかし、このＳｉＯ単層をＳｉ基板上に形成した反射防止膜は、５μｍ以下の波長領域で高い透過率が得られるものの、６μｍ以上の波長領域ではＳｉＯ中の不純物による吸収が多く、高い透過率を得ることができず、６〜１２μｍ波長領域の中赤外光を利用する光学機器の反射防止膜としては全く実用に供し得ない。

また、Ｓｉ基板を用いる赤外光用反射防止膜として、前記酸化ケイ素（ＳｉＯ）に代えて、硫化亜鉛（ＺｎＳ、ｎ＝２．３）を用い、このＺｎＳ層上に該硫化亜鉛の屈折率（ｎ＝２．３）の平方根、即ち、√（２．３）＝１．５１に近い屈折率を有する材料層、例えばＢａＦ₂ やＰｂＦ₂ （共に、ｎ＝１．４）等の低屈折率材料を積層して多層構造としたものが考えられるが、これら各層を反射防止に必要な厚膜に成膜すると、多結晶性が顕著になり、粒界面での光の散乱によって高い透過率を得ることが技術的に難しい。さらに、厚膜多層構造であるために、基板を含む下地との密着性にも問題があり、短期間の使用で剥離が生じるなど実用に供し得ない。

上述のようなＳｉ基板を用いる赤外光用反射防止膜では単層構造、多層構造のいずれの場合も６〜１２μｍ波長領域で実用に十分に供し得るだけの透過特性、反射特性が得られない。この点に鑑みて、従来、基板として６〜１２μｍ波長領域で不純物吸収が少ないゲルマニウム（Ｇｅ）基板を用い、このＧｅ基板上に、ＺｎＳ層、Ｇｅ層、ＺｎＳ層及びフッ化イットリウム（ＹＦ₃ ）層を基板側から順に積層して、６〜１２μｍ波長領域で高い透過率が得られるように構成した反射防止膜が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６４−１５７０３号公報

上記特許文献１に示した従来の赤外光用反射防止膜は、基板から最も外側の最終層、つまり、光が最初に入射する層に、中赤外光領域での屈折率がｎ＝１．５という低屈折率のＹＦ₃ 層を用いていることにより、反射防止膜面の３〜１５μｍ波長領域での平均透過率を９０％以上と高くすることが可能である。反面、Ｇｅ基板はＳｉ基板に比べて、１０倍以上もコスト高であり、そのため、全体コストの安価な光学機器への適用は実際問題として困難である。また、最終層に低屈折率のＹＦ₃層を用いた従来の赤外光用反射防止膜は、高い平均透過率が得られるものの、図２の点線で示すように、９μｍ前後の波長領域に透過率が急激かつ局所的に低下する、いわゆる、リップルが発生し、実用範囲において平坦な透過特性が得られないという難点があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、コスト的に安価な割に不純物吸収があるシリコン基板を用いながらも、６〜１２μｍ波長領域の全範囲に亘って高く、かつ、リップルのない平坦な透過特性を得ることができる赤外光用反射防止膜を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る赤外光用反射防止膜は、シリコン基板に複数の薄膜が積層状態に形成されてなる赤外光用反射防止膜であって、前記シリコン基板の少なくとも一方の面に、ゲルマニウム層、硫化亜鉛層、ゲルマニウム層、硫化亜鉛層及び他の層よりも低屈折率のフッ化イットリウム層を前記シリコン基板側から順に積層し、これら計五つの各層それぞれの光学膜厚を６〜１２μｍ付近の赤外波長領域で９０％以上の透過特性となるように設定した多層構造で構成されていることを特徴としている。

上記構成の本発明によれば、基板として、材料コスト的に非常に安価なＳｉ基板を用いて反射防止膜全体（製品）のコスト低減を図り、経済的な見地から光学機器への適用範囲を広く確保しながら、Ｓｉ基板中の不純物による吸収が現れない６〜１２μｍ付近の赤外波長領域において重点的に透過率が高くなるように最も外側に低屈折率のフッ化イットリウム層を配した多層構造とすることによって、実用的な中赤外波長領域の全範囲に亘って透過率が９０％以上と高く、かつ、リップルのない平坦な透過特性、反射特性を得ることができる。また、反射率が小さくなるので、該反射防止膜をセンサへの導光路に設置して用いることで、迷光の影響を低減できるという効果も奏する。

特に、本発明に係る赤外光用反射防止膜において、上記のような高い透過特性を得るための前記ゲルマニウム層、硫化亜鉛層、ゲルマニウム層、硫化亜鉛層及びフッ化イットリウム層の各光学膜厚を、請求項２に記載のように、Ｇｅ：１．７９μｍ、ＺｎＳ:２．５０μｍ、Ｇｅ：０．９３μｍ、ＺｎＳ：６．００μｍ及びＹＦ₃ ：５．３８μｍに設定することにより、全体を薄膜にして基板との密着性を良好に保ちつつ、図２の実線に示すように、６〜１２μｍ付近の赤外波長領域において、平均透過率が９５〜９８％でリップルのない平坦な透過特性を確実に得ることができる。

また、本発明に係る赤外光用反射防止膜において、前記シリコン基板の他の面には、ロングパスフィルタまたはショートパスフィルタなどのエッジフィルタや、バンドパスフィルタを形成してもよく、また、請求項３に記載のように、前記したと同一のゲルマニウム層、硫化亜鉛層、ゲルマニウム層、硫化亜鉛層及びフッ化イットリウム層を形成して所定波長領域の中赤外光の透過特性を持たせてもよい。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る赤外光用反射防止膜の多層膜構造を示す概略縦断面図であり、同図において、１はシリコン（Ｓｉ）基板であり、このＳｉ基板１は１ｍｍの厚さを有し、その一方の面上に、第１ゲルマニウム（Ｇｅ）層２、第１硫化亜鉛（ＺｎＳ）層３、第２Ｇｅ層４、第２ＺｎＳ層５及びフッ化イットリウム（ＹＦ₃ ）層６を、前記Ｓｉ基板１側から順に積層してなる。

前記第１Ｇｅ層２、第１ＺｎＳ層３、第２Ｇｅ層４、第２ＺｎＳ層５及びＹＦ₃ 層６それぞれの光学膜厚は、Ｇｅ：１．７９μｍ、ＺｎＳ:２．５０μｍ、Ｇｅ：０．９３μｍ、ＺｎＳ：６．００μｍ及びＹＦ₃：５．３８μｍで、６〜１２μｍ付近の赤外波長領域で９０％以上の透過特性となるように設定されている。
ここで、実際には、各層の屈折率は成膜条件により多少変化するとともに、屈折率の波長分散によって広い波長範囲で一様な値にならないが、上述したような各層それぞれの光学膜厚は、各層材料の波長１０μｍ付近の屈折率を、Ｇｅ＝４．２５、ＺｎＳ＝２．３、ＹＦ₃＝１．５とみなして設定している。

なお、各層２〜６の形成手段としては、真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング等の真空薄膜堆積方法が用いられる。また、最外側のＹＦ₃ 層６の外側の屈折率は空気の屈折率（ｎ＝１．０）とみなしている。

上記のように、Ｓｉ基板１中の不純物による吸収が現れない６〜１２μｍ付近の赤外波長領域を重点的に透過率が高くなるように、最も外側に低屈折率のＹＦ₃ 層６を配した多層構造とすることによって、基板として材料コストの非常に安価なＳｉ基板１を用い、かつ、反射防止機能を発揮する各層の膜厚も薄くして膜全体（製品）のコスト低減を図り、光学機器への適用範囲を経済的見地からも広く確保しながら、図２の実線に示すように、６〜１５μｍの広い赤外波長領域に亘って９０％以上の高い透過率で、特に、６〜１２μｍ付近の赤外波長領域においては平均透過率が９５〜９８％で、かつ、リップルのほとんどない平坦な透過特性、反射特性を得ることができる。

図３は、上記した赤外光用反射防止膜において、最外側のＹＦ₃ 層６を真空蒸着によりその光学膜厚が５．３８μｍとなるように比較的厚膜に成膜する場合に用いられる真空蒸着装置の概要構成図である。該真空蒸着装置は、蒸着炉１０内の上部に、前記第１Ｇｅ層２、第１ＺｎＳ層３、第２Ｇｅ層４、第２ＺｎＳ層５を積層形成したＳｉ基板１（以下、Ｓｉ基板１等という）を下向き状態に支持するホルダ１１と、このホルダ１１に支持されたＳｉ基板１等を輻射加熱するヒータ１２とが配置されているとともに、蒸着炉１０内の下部に、ＹＦ₃を充填したハース（ルツボ）１３に電子銃１４から放射される電子ビームを照射させてハース１３を加熱しＹＦ₃ を蒸発させる電子銃加熱源１５とが配置されて構成されている。

次に、上記のような構成の真空蒸着装置を用いてＳｉ基板１等の最外側に、ＹＦ₃ を真空蒸着して所定の光学膜厚のＹＦ₃ 層６を成膜する方法について説明する。
まず、Ｓｉ基板１等をホルダ１１にセットした上で、ヒータ１２を作動させてＳｉ基板１等を１００℃以下、詳しくは、６０℃以上１００℃以下に加熱し、その加熱温度を維持しつつ、電子銃加熱源１５の電子銃１４から放射される電子ビームをハース１３に照射して該ハース１３を加熱することにより、ハース１３に充填されているＹＦ₃ を蒸発させて１〜１５Å／ｓｅｃ．の速度で成膜を開始する。

このように蒸着温度を１００℃以下とすることにより、密着強度が大きく、膜剥離の生じないＹＦ₃ 層６を確実に成膜することができる。

本発明に係る赤外光用反射防止膜の多層膜構造を示す概略縦断面図である。本発明に係る赤外光用反射防止膜及び従来の反射防止膜の透過特性を示すグラフである。本発明に係る赤外光用反射防止膜における最外側ＹＦ₃ 層の成膜に用いられる真空蒸着装置の概要構成図である。

符号の説明

１Ｓｉ基板
２第１ゲルマニウム（Ｇｅ）層
３第１硫化亜鉛（ＺｎＳ）層
４第２Ｇｅ層
５第２ＺｎＳ層
６フッ化イットリウム（ＹＦ₃ ）層

Claims

シリコン基板に複数の薄膜が積層状態に形成されてなる赤外光用反射防止膜であって、
前記シリコン基板の少なくとも一方の面に、ゲルマニウム層、硫化亜鉛層、ゲルマニウム層、硫化亜鉛層及び他の層よりも低屈折率のフッ化イットリウム層を前記シリコン基板側から順に積層し、これら計五つの各層それぞれの光学膜厚を６〜１２μｍ付近の赤外波長領域で９０％以上の透過特性となるように設定した多層構造で構成されていることを特徴とする赤外光用反射防止膜。
前記ゲルマニウム層、硫化亜鉛層、ゲルマニウム層、硫化亜鉛層及びフッ化イットリウム層の光学膜厚が、１．７９μｍ、２．５０μｍ、０．９３μｍ、６．００μｍ及び５．３８μｍに設定されている請求項１に記載の赤外光用反射防止膜。
前記シリコン基板の両面に、前記したと同一のゲルマニウム層、硫化亜鉛層、ゲルマニウム層、硫化亜鉛層及びフッ化イットリウム層が形成されている請求項１または２に記載の赤外光用反射防止膜。