JP4118008B2

JP4118008B2 - 多層膜反射ミラー

Info

Publication number: JP4118008B2
Application number: JP2000269863A
Authority: JP
Inventors: 基今村; 直人山内; 辰次天野
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2020-09-01
Also published as: JP2001194526A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外線レーザを照射するレーザ装置等に使用される紫外線反射用の多層膜反射ミラーに関する。
【０００２】
【従来技術】
治療等のために紫外域のレーザ光を利用するレーザ装置では、レーザ光源からのレーザ光の光路を変えるために反射ミラーが使用されている。この反射ミラーは高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層した多層膜を基板上に形成することにより高反射率を得ているが、特定の光を反射させる場合、その波長領域によって膜材料を選択する必要がある。
【０００３】
例えば、２４８ｎｍ付近の波長のレーザ光を効率よく反射させるためには高屈折率膜にＨｆＯ₂を、低屈折率膜にＳｉＯ₂を使用するが、異なる波長域である１９３ｎｍ付近のレーザ光を反射させようとする場合、前述した膜構成では高い反射率が得られない。このため、１９３ｎｍ付近の波長のレーザ光を効率よく反射させるために高屈折率膜に弗化ランタン（ＬａＦ₃）を、低屈折率膜にクリオライト（Ｎａ₃ＡｌＦ₆）を使用した多層膜反射ミラーが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高屈折率膜に弗化ランタン（ＬａＦ₃）を、低屈折率膜にクリオライト（Ｎａ₃ＡｌＦ₆）を使用した反射ミラーは、１９３ｎｍ付近の波長のレーザ光を効率よく反射する反面、クリオライトが持つ潮解性のため湿度に弱く、反射ミラーの作成過程や保存性において安定しない等、耐環境性能に難点がある。
【０００５】
これを改善する膜構成としては、潮解性を持たない弗化マグネシウム（ＭｇＦ₂）をクリオライトの代わりに使用することも考えられるが、この場合、内部応力の高いＭｇＦ₂を多層に亘って積層することにより、表面にクラックが生じ易いという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、耐環境性能に優れ、また、表面にクラックが発生する恐れの少ない紫外線反射用の多層膜反射ミラーを提供することを技術課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
【０００８】
（１）１９３ｎｍ付近の紫外域の光を効率よく反射するための多層膜反射ミラーにおいて、１９３ｎｍ付近の紫外域の光を９４％以上反射させるために，該反射ミラーの基板上にＬａＦ₃からなる高屈折率膜とＭｇＦ₂からなる低屈折率膜とを光学膜厚（１／４）λ（ただし、λ＝193nm）にて交互に積層して形成される積層膜と、該積層膜に生じる内部応力を緩衝させるために前記積層膜の層数が２０層前後（ただし、前記層数が１５層以上であり，且つクラックが生じないとされる積層膜数である）に対して１層形成される緩衝膜であって、前記積層膜を形成する前記低屈折率膜の一部の代替膜として光学膜厚（３／４）λのＳｉＯ₂からなる緩衝膜と、からなることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施形態である紫外域の光を反射する反射ミラー１０に形成される膜の積層構成を示す模式図である。１は反射ミラー１０の基板であり、合成石英等の一般的なガラス材料が用いられる。基板１の反射面側には多層膜２が形成されている。この多層膜２は高屈折率膜２ａと低屈折率膜２ｂとが交互に積層されるように形成される。
【００１８】
本実施の形態で使用する反射ミラー１０は、紫外域である１９３ｎｍ付近の波長の光を特に効率よく反射させるようにするために、高屈折率膜を構成する物質として、ＹＦ₃、ＹｂＦ₃、ＤｙＦ₃、ＬａＦ₃、ＮｄＦ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｃ₂Ｏ₃、ＨｆＯ₂やこれらを主成分とした複合材料等を使用することが好ましい。また、低屈折率膜には潮解性を有しないＭｇＦ₂やＭｇＦ₂を主成分とした複合材料が使用される。このような構成物質を使用して高屈折率膜２ａと低屈折率膜２ｂとを基板１上に交互に積層していくことにより、波長１９３ｎｍ付近の波長域において、高反射率を示す反射ミラー１０を製作することが可能となる。
【００１９】
しかしながら、高屈折率膜２ａと低屈折率膜２ｂのみで構成される多層膜では、積層する膜の層数が多くなるにしたがって、形成している膜の内部応力によるクラックが生じ易くなる。このため適当な積層膜数に達したら、図のように内部応力を打ち消すための緩衝膜層２ｃを形成しておき、さらにこの緩衝膜層２ｃの上に先程と同じように高屈折率膜２ａと低屈折率膜２ｂとを交互に積層していく。
【００２０】
このときの緩衝膜２ｃは高屈折率膜２ａ、低屈折率膜２ｂによって生じる内部応力を打ち消す（緩衝させる）応力を生じさせる特性を持つ物質を使用する。例えば、高屈折率膜２ａにＬａＦ₃、低屈折率膜２ｂにＭｇＦ₂を使用する場合、これらを積み重ねた積層膜に発生する内部応力は引っ張り応力となる。この引っ張り応力を緩衝させるためには、その反対の応力となる圧縮応力が生じる膜を緩衝膜２ｃとして使用する必要がある。膜の形成時に圧縮応力が生じるような膜の構成物質は種々考えられるが、代表的なものとしては、ＭｇＦ₂と同程度の低屈折率の特性を持つＳｉＯ２が挙げられる。
【００２１】
このように緩衝膜２ｃを高屈折率膜２ａと低屈折率膜２ｂからなる積層膜の間に配置することにより、その下に積層された膜構成の内部応力を緩衝させるため、総積層膜数が増えてもクラックを生じさせなくすることができる。
【００２２】
なお、反射させる波長域によっては、所望する反射率を得るために高屈折率膜２ａと低屈折率膜２ｂとをさらに積層していく必要が生じることもある。この場合も適当な積層膜数に達したら、再び緩衝層２ｃを形成しておくことでクラックを抑えながらさらに積層数を増やしていくことが可能である。
【００２３】
また、基板１上に積層する膜数は、使用する膜材料、所望する反射率等により適宜選択されるが、なるべく総積層膜数を少なくしつつ反射率を上げることが好ましい。例えば、緩衝層２ｃを形成する前までの高屈折率膜２ａと低屈折率膜２ｂとからなる積層膜の数を少なくした場合、当然クラックの発生は抑制されるが、使用する緩衝膜２ｃの数が多くなるため、結果として総積層膜数が増えることとなり効率が悪い。
【００２４】
また反対に、緩衝層２ｃを形成する前までの高屈折率膜２ａと低屈折率膜２ｂとからなる積層膜の数をあまり多くしてしまうと、緩衝膜２ｃを形成する前にクラックが生じてしまう。したがって所望する反射率に対して、反射ミラー１０上の総積層膜数をなるべく少なくするためには、緩衝層２ｃを形成する前までの高屈折率膜２ａと低屈折率膜２ｂとからなる積層膜の数を、クラックが生じない程度の積層膜数内にてなるべく多くの膜数になるように積層させることが必要となる。
【００２５】
図１では積層膜数が５層毎に緩衝膜２ｃを１層形成するように示しているが、実際に高屈折率膜２ａにＬａＦ₃を低屈折率膜２ｂにＭｇＦ₂を使用する場合には、積層膜数が２０層前後に対して緩衝膜２ｃを１層形成するようにするのが好ましい。
【００２６】
また、図１では緩衝膜２ｃを高屈折率膜２ａの間に形成しているが、これは緩衝膜２ｃを構成する物質の屈折率が低屈折率の場合であり、低屈折率膜２ｂの代わりとして緩衝膜２ｃが形成されることによるものである。したがって、高屈折率である構成物質を用いて緩衝膜２ｃを形成させる場合には、高屈折率膜２ａの代わりとして低屈折率膜２ｂの間に緩衝膜２ｃを形成する。
【００２７】
基板１上に形成された膜の最外層は高屈折率膜２ａ、低屈折率膜２ｂのどちらでもかまわないが、レーザ光の照射時の耐久性を向上させるためには低屈折率膜２ｂを最外層に形成させておくことが好ましい。また、最外層に形成される膜の光学膜厚は光学的な影響の少ない膜厚となる（１／２）λが好ましい。
【００２８】
次に、このような多層膜を形成するための成膜方法を説明する。多層膜を形成するには真空蒸着法やスパッタ法等の一般的な膜形成方法にて行うことができる。図２は真空蒸着法にて成膜する様子を模式的に示したものである。
【００２９】
２０は真空蒸着器であり、内部には蒸着物質２２（膜を構成する物質となる）を蒸発させるための蒸着源２１が備わっている。蒸着源２１には抵抗加熱器や電子銃等の一般的に知られているものが真空蒸着に使用される。蒸着面（反射面）を下側にした基板１を図のように蒸着器２０内上部に取り付けておき、真空ポンプ２３にて蒸着器内２０を真空度１．０×１０^-2〜１．０×１０^-4Ｐａ程度に保ちながら、蒸着源２１により蒸着物質２２を加熱し、蒸発させる。蒸発時の蒸着器２０内の温度はあまり高いと成膜時にクラックが生じてしまうため、常温〜２００℃程度が好ましい。
【００３０】
基板１への最初の反射用成膜は高屈折率膜２ａ用の蒸着物質にて行ない、所定量の膜厚に達するまで成膜を行う。膜厚は反射波長域に応じて決定され、その膜厚形成状況は図示無き光学モニター上に目的の波長の光を投光し、その反射率の変化によって検知することができる。所定量の膜厚に達したら、蒸着物質を低屈折率膜２ｂ用の蒸着物質に切り替えて２層目の成膜を行う。このようにして高屈折率膜２ａと低屈折率膜２ｂとを交互に積層していく。積層膜数が所定積層数に達したら、緩衝膜２ｃ用の蒸着物質に切り替えて高屈折率膜２ａ上に１層分だけ緩衝膜２ｃを形成する。緩衝膜２ｃの形成が終了したら、緩衝膜２ｃの上に先程と同じように高屈折率膜２ａ→低屈折率膜２ｂ→高屈折率膜２ａ…の順に積層していき、多層膜の反射ミラー１０を完成させる。
【００３１】
また、反射用の成膜を行う前に基板１上にアンダーコート等を行っておき、その上から前述した多層膜を成膜することも可能である。
【００３２】
上述した多層膜反射ミラーにおいては、湿度に対する耐久性が高いものが得られるが、湿度に対する高耐久性に加え、さらに耐熱性の高い多層膜反射ミラーを得るためには、上述の多層膜反射ミラーに対して最外層直前の層をＭｇＦ₂（１／２）λとし、最表面（最外層）にＳｉＯ₂をオーバーコートしておく。
【００３３】
最外層に成膜されるＳｉＯ₂の光学膜厚は、光学的な影響の少ない膜厚となる（１／２）λが好ましい。最外層にＳｉＯ₂をオーバーコートしておくことにより、湿度に対する高耐久性を維持しつつ、耐熱性に優れた多層反射ミラーを得ることができる。
【００３４】
以下に、より具体的な実施例を挙げ、本発明を説明する。
【００３５】
＜実施例１＞
高屈折率膜２ａにＬａＦ₃を、低屈折率膜２ｂにＭｇＦ₃、緩衝膜２ｃにＳｉＯ₂を使用した。基板１上の総積層膜数を４６層とし、成膜方法は真空蒸着法を使用し、真空度１．０×１０^-3Ｐａ以下、蒸着器の内部温度を１５０℃にして蒸着を行った。この時の膜構成を表１に示す。
【００３６】
【表１】

【００３７】
表１に示すように、基板１の反射面側の下層から光学膜厚をそれぞれ（１／４）λ(ただし、λ＝１９３ｎｍ)として高屈折率膜２ａ−低屈折率膜２ｂの順に交互に積層し、１５層目を高屈折率膜２ａとする第１の積層膜を形成した。そして、１６層目に緩衝膜ＳｉＯ₂を光学膜厚（３／４）λだけ形成した。続いて、この第１の積層膜と同順の第２の積層膜をもう１周期（１７層〜３１層）形成した後、３２層目に再び緩衝膜ＳｉＯ₂を光学膜厚（３／４）λだけ形成した。さらに３３層目から４５層目まで高屈折率膜２ａ−低屈折率膜２ｂの順に交互に積層していき、最表面（４６層目）に低屈折率膜２ｂを光学膜厚（１／２）λだけ形成した。
【００３８】
このような多層膜を形成した反射ミラー１０の多層膜表面を顕微鏡にて倍率４００倍で観察を行った。観察の結果、表面にクラックは生じていなかった。
【００３９】
また、分光光度計にて反射特性（４５度反射率）を検査した。その結果を図３に示す。図に示すように、波長２００ｎｍより短波長側で８０％以上の反射率が得られ、波長１９３ｎｍ付近においては９７％以上の高反射率を得ることができた。
【００４０】
＜実施例２＞
基板１上には、ＨｆＯ₂とＳｉＯ₂とを交互に積層したアンダーコートを予め行い、基板１上の総積層膜数を５４層とし、表２に示すような膜構成の多層膜の反射ミラー１０を真空蒸着法により製作した。成膜に使用する蒸着物質は高屈折率膜、低屈折率膜、緩衝膜とも実施例１と同じ物質を使用した。なお、表２の成膜順序の欄において、（Ｕ）と記しているのはアンダーコート用の膜であることを示している。
【００４１】
【表２】

【００４２】
実施例１と同様に顕微鏡にて観察を行ったが、クラックは生じていなかった。また、その光学特性を図４に示す。この図に示すようにアンダーコートを行った上で本発明の多層膜を成膜することにより、紫外領域の波長１９３ｎｍ付近にて９４％以上、２３６ｎｍ付近にて８０％以上の反射率が得られた。また、可視領域においても５６０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長域では７０％以上、さらに６２０ｎｍ〜６５０ｎｍでは８０％以上の高反射率を得ることができた。このような光学特性を備える反射ミラーは、紫外域のレーザ光と可視域のレーザ光を使用するレーザ装置等に特に好適に用いることができる。
【００４３】
＜実施例３＞
実施例３では実施例１で得られた多層膜に、さらに最外層（４７層目）としてＳｉＯ₂膜を光学膜厚（１／２）λだけオーバーコートさせて多層膜反射ミラーを完成させた。また、得られた多層反射ミラーをオーブンに入れ、１３０℃にて１２時間おく加熱試験を行った。この加熱前と加熱後の多層膜反射ミラーの各々について分光光度計にて反射特性（４５度反射率）を検査した。その結果を図５に示す。図に示すように、波長２００ｎｍより短波長側では加熱前の多層膜反射ミラーの反射率と殆ど差がない結果となった。
【００４４】
＜比較例１＞
実施例１で得られた多層反射ミラーを、実施例３と同様な加熱試験を行い、その耐熱性について評価を行った。その結果を図６に示す。
【００４５】
最外層にＳｉＯ₂膜がオーバーコートされていない実施例１の多層反射ミラーの場合、波長２００ｎｍより短波長側では加熱前の多層膜反射ミラーの反射率に比べ、加熱後の多層反射ミラーの反射率が格段に低下した。
【００４６】
このように、多層反射ミラーを形成する各層の屈折率に影響を及ぼすような環境（例えば、高温下）で使用する必要がある場合は、実施例３のようなＳｉＯ₂膜を最外層にオーバーコートさせて使用することが好ましい。また、各層の屈折率に影響を及ぼさない環境下であれば、実施例１、２のような多層反射ミラーを使用すればよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、紫外域において高反射率を有すると共に、耐環境性能に優れ、クラックの発生を抑えた反射ミラーを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の膜構成の概略を示す図である。
【図２】真空蒸着法にて成膜する様子を模式的に示した図である。
【図３】実施例１の反射ミラーの光学特性を示したグラフである。
【図４】実施例２の反射ミラーの光学特性を示したグラフである。
【図５】実施例３の反射ミラーにおける加熱前と加熱後との光学特性を比較したグラフである。
【図６】実施例１の反射ミラーにおける加熱前と加熱後との光学特性を比較したグラフである。
【符号の説明】
１基板
２多層膜
２ａ高屈折率膜
２ｂ低屈折率膜
２ｃ緩衝膜
１０反射ミラー
２０真空蒸着器
２１蒸着源
２２蒸着物質
２３真空ポンプ

Claims

１９３ｎｍ付近の紫外域の光を効率よく反射するための多層膜反射ミラーにおいて、１９３ｎｍ付近の紫外域の光を９４％以上反射させるために，該反射ミラーの基板上にＬａＦ₃からなる高屈折率膜とＭｇＦ₂からなる低屈折率膜とを光学膜厚（１／４）λ（ただし、λ＝193nm）にて交互に積層して形成される積層膜と、該積層膜に生じる内部応力を緩衝させるために前記積層膜の層数が２０層前後（ただし、前記層数が１５層以上であり，且つクラックが生じないとされる積層膜数である）に対して１層形成される緩衝膜であって、前記積層膜を形成する前記低屈折率膜の一部の代替膜として光学膜厚（３／４）λのＳｉＯ₂からなる緩衝膜と、からなることを特徴とする多層膜反射ミラー。