專利名稱：光學薄膜、光學裝置以及它們的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可用于多種光學技術(shù)領(lǐng)域(例如信息通信、信息記錄、 圖像攝影和顯示)中的光學薄膜和光學裝置，以及它們的制備方法。
背景技術(shù)：
一直以來，利用含氫碳膜的機械性能和化學穩(wěn)定性，它們主要用 作工具、模具、機械部件、電氣部件和光學部件等的涂布材料。近年
來，含氫碳膜用于廣泛的應用領(lǐng)域，人們已經(jīng)開發(fā)出了適用于各應用 領(lǐng)域的具有不同的物理性能的含氫碳膜。
例如，作為專利文獻1的日本專利申請公開No. 2003-248193中
批露了一種偏光器的制備方法使用能量束(例如離子束、電子束、 質(zhì)子束、a射線、中子束、光線、X射線或Y射線)對DLC (類金剛石 碳)膜(一種含氫碳膜)的一部分進行照射，從而對含氫碳膜的一部 分進行光學改性。在這種情況中，例如使用離子束(例如氦離子束或 氬離子束)照射含氫碳膜的預定部分，這樣該含氫碳膜的經(jīng)離子束照 射的那部分被改性，從而具有增大的折射率。另一方面，含氫碳膜的 未經(jīng)離子束照射的部分沒有被改性，所以其折射率未改變。因此，可 以利用離子束照射，通過在含氫碳膜中形成折射率的分布來制備偏光 器。
此外，作為專利文獻2的日本專利申請公開No. 2004-20783批露 了一種光波導的制備方法使用能量束對與上述相似的DLC膜的一 部分進行照射，從而對該部分進行光學改性。在這種情況中，例如也 是使用離子束對含氫碳膜的預定區(qū)域進行照射從而使其改性，使得經(jīng) 照射的區(qū)域比其它區(qū)域具有增大的折射率。因此，利用離子束照射， 通過在含氫碳膜中形成折射率增大的區(qū)域來制備光波導。
專利文獻1:日本專利申請公開No. 2003-248193專利文獻2:日本專利申請公開No. 2004-2078
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題
如上所述，當使用能量束對含氫碳膜進行照射時，在經(jīng)照射的區(qū) 域中其折射率增大。對于這種現(xiàn)象，由于含氫碳膜中的氫含量在能量 束照射前和照射后發(fā)生變化，所以可認為是能量束照射使氫原子從含 氫碳膜中逃逸出去并使膜的密度增加，從而使折射率增大。然而，造 成折射率增大的詳細機理仍未充分研究清楚。
如果氫原子從含氫碳膜中逃逸出去，那么在用來與氫原子連接的 碳原子上會產(chǎn)生缺陷(懸空鍵)，為了修復這種缺陷，需要新的配對 物以形成新的鍵連接。當具有缺陷(懸空鍵)的碳原子與另一個具有 缺陷的碳原子彼此接近時，據(jù)認為這些碳原子會以一定的概率相互鍵 合進而變得穩(wěn)定。另一方面，當具有缺陷(懸空鍵)的碳原子與另一 個不具有缺陷的碳原子彼此接近時，據(jù)認為該缺陷趨于形成不飽和鍵 或者與來自氣氛中的氫、氧等重新鍵合。
此處，由于氧和碳的鍵合是穩(wěn)定的，因此可認為該鍵合的形成阻 止了含氫碳膜中由于能量束照射而引起的折射率增大。即，如果氧和 碳之間形成鍵，那么這種鍵不容易斷裂，結(jié)果含氫碳膜的改性達到飽 和的程度，從而不可能獲得所期望的光學性能。另外，在有氧存在的 條件下可能發(fā)生氧化分解反應，含氫碳膜可能因為氧的存在而產(chǎn)生耐 久性降低的問題。
此外，在用于光學改性的能量束具有高的能量密度或者氣氛中有 高濃度的02或H20的情況中，含氫碳膜中的碳-氧反應和氫-氧反應 被促進，因此該膜從其表面開始依次被氧化和氣化，導致產(chǎn)生這樣一
種現(xiàn)象含氫碳膜的表面除去效果要高于光學改性效果。另外，在用
于光學改性的能量束具有特別高的能量密度的情況中，含氫碳膜會發(fā) 生磨損。
而且，由于熱或光促進了氧化反應，所以由含氫碳膜形成的光學 裝置在使用時也可能發(fā)生劣化。本發(fā)明的目的是防止在對含氫碳膜進行光學改性時所產(chǎn)生的缺 陷與氧重新結(jié)合、防止在進行改性時含氫碳膜與氧發(fā)生反應并氣化、 以及防止含氫碳膜在使用時由熱和光所促進的氧化劣化，等。
解決問題的手段
在根據(jù)本發(fā)明的一方面的光學薄膜中，在基底上形成有至少包含 碳和氫作為主要成分的含氫碳膜，以及在該含氫碳膜上層疊有至少一 層保護層，該保護層包括氧化物膜、氮化物膜、氧氮化物膜、氟化物 膜以及含有氫和碳作為主要成分的膜中的一種。
在根據(jù)本發(fā)明的另一方面的光學薄膜中，在基底上形成有至少包 含碳和氫作為主要成分的含氫碳膜，然后在該含氫碳膜上粘結(jié)有厚度 不小于10 pm的透明材料板。
在根據(jù)本發(fā)明的再一方面的光學薄膜中，在基底上形成有至少包 含碳和氫作為主要成分的含氫碳膜，在該含氫碳膜之上層疊有至少一 層保護層，該保護層包括氧化物膜、氮化物膜、氧氮化物膜、氟化物 膜以及含有氫和碳作為主要成分的薄膜中的一種，并且在所述保護層
之上粘結(jié)有厚度不小于10 pm的透明材料板。
本發(fā)明的光學裝置包括上述光學薄膜，并且含氫碳膜在與其表面 平行的方向上具有折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的光學裝置的制造方法中，使用能量束(包括電磁波或 粒子線)以預定的圖案照射上述光學薄膜，從而使預定圖案中的折射 率增加。在光學裝置的制造方法中，優(yōu)選的是，在基本上不含氧氣或 水分的氣氛中進行能量束照射，也優(yōu)選的是，在將基底的溫度保持在 高于8(TC的狀態(tài)下進行能量束照射。
本發(fā)明的效果
根據(jù)上述的本發(fā)明，可以防止在對含氫碳膜進行光學改性時所產(chǎn) 生的缺陷與氧重新結(jié)合、可以防止在改性時含氫碳膜與氧發(fā)生反應并 氣化、可以防止含氫碳膜在使用時由熱和光所促進的氧化劣化。
本發(fā)明的最佳實施方式
下面將詳細描述本發(fā)明的光學薄膜和光學裝置的制造方法。(含氫碳膜)
首先，對本發(fā)明中的含氫碳膜(即，起始材料)進行定義。艮P， 本文中的含氫碳膜是指含有氫和碳作為主要成分的膜。作為這種含氫 碳膜，可以使用通過氣相合成法獲得的膜或者由樹脂材料制成的膜。
例如，所述通過氣相合成法獲得的含氫碳膜可以通過高頻等離 子體CVD (化學氣相沉積)法來制備。在這種情況中，作為高頻等
離子體CVD法的原料，可以使用至少一種烴類氣體，例如甲烷(CH4)、 乙垸(C2H6)、丙烷(C3H8) 、 丁烷(C4H1())、己烷(C6H14)、辛 烷(C8H18)、乙炔(C2H2)、苯(C6H6)和環(huán)己烷(C6H12)。
艮口，可以通過下述步驟在基底上形成含氫碳膜將上述烴類氣體 引入到高頻等離子體CVD設(shè)備中，直至壓力為幾個Pa至幾百Pa， 將溫度為室溫(25°C)至30(TC的基底設(shè)置在高頻電極上，并且對該 基底施加高頻電力。也可以使用氣相合成法(例如，陰極弧離子鍍法 或濺射法)代替高頻等離子體CVD法來形成含氫碳膜。需要注意的 是，通過氣相合成法獲得的含氫碳膜具有無定形結(jié)構(gòu)，該無定形結(jié)構(gòu) 在X-射線衍射法等中只能觀察到光暈圖案。
作為由樹脂材料制成的膜，可以使用通過旋涂法、浸涂法、噴涂 法等沉積在基底上而形成的諸如樹脂涂布膜之類的膜，或者使用沒有 基底的獨立的樹脂膜。
作為這種含氫碳膜的組成，其(氫)/ (氫+碳)的原子比值大于 0.4而小于0.7。特別是，其原子比值優(yōu)選大于0.45而小于0.65，更 優(yōu)選大于0.50而小于0.60。在這種組成范圍內(nèi)的含氫碳膜是高度透 明的，并且通過能量束照射進行改性后其光學性能和物理性能的變化 范圍增大。
在改性前含氫碳膜的折射率優(yōu)選為大于1.50而小于1.70，更優(yōu) 選大于1.52而小于1.60。特別是，在改性前折射率小于1.57的含氫 碳膜是有用的，這是因為在改性后該含氫碳膜容易獲得較大的折射率差。
H元素的含量可以通過HFS (氫前向散射法)確定，H元素與其 它元素的比值也可以通過聯(lián)合使用HFS和RBS (盧瑟福背向散射法)來確定。例如，各種組成元素的組成比可以通過下述步驟測定使用 氦離子照射待分析的薄膜，并使用檢測器檢測背向散射的氦離子的能 量光譜和前向散射的氫原子的能量光譜。但是，由于在HFS法中氫 原子被氦離子從薄膜中反沖出來，所以隨著檢測時間的延長薄膜中的 氫含量會降低。因此，使用這樣一種方法，其中以所檢測到的氫含量 的變化對檢測時間做圖，通過外推法來確定氫的初始含量。
需要注意的是，盡管通過氣相合成法獲得的膜和由樹脂材料制得 的膜中的任意一者都可以通過能量束照射來進行光學改性，但是通過 氣相合成法獲得的膜趨于更容易被改性。 (保護膜)
下面，將對在含氫碳膜上形成的保護層進行解釋，該保護層是由 氧化物膜、氮化物膜、氧氮化物膜、氟化物膜或含有氫和碳作為主要 成分的薄膜所構(gòu)成的。
這種保護層用于防止在進行光學改性時或者在使用含氫碳膜時 含氫碳膜與氧或水發(fā)生反應。期待該保護層起到對氧和水的阻擋膜的 作用，并且表現(xiàn)出抑制含氫碳膜表面的元素逃逸和燒蝕的作用。然而， 據(jù)認為，這種保護膜對于分子尺寸較小的氫氣分子或者原子尺寸較小 的氫原子具有相對較低的阻擋作用。
更具體來說，氧化硅膜、氧氮化硅膜、氮化硅膜、氧化鋁膜、氧 化鈦膜、氧化鉭膜、氟化鎂膜、其氫含量低于下層含氫碳膜的氫含量 的含氫碳膜、同時還含有硅和氧的含氫碳膜、或者聚合物膜優(yōu)選作為 所述保護層。這些薄膜中的任何一種都對氧和水具有高的阻擋特性， 并且當它們被包含在光學裝置中時，仍具有高的透明度。另外，有利 的是，在所述保護膜中不存在或者存在非常少的小孔和裂縫。
諸如等離子體CVD法、濺射法、真空蒸發(fā)法或離子束輔助真空 蒸發(fā)法等的氣相合成法適用于形成保護膜。此外，對于一些聚合物， 可以通過旋涂法來形成保護膜。
更具體而言，氧化硅保護膜、氧化鋁保護膜等可以通過等離子體
CVD法、'濺射法、真空蒸發(fā)法或離子束輔助真空蒸發(fā)法等中的一種
方法來形成。氧氮化硅保護膜、氮化硅保護膜等可以主要通過等離子體CVD法等來合成。氧化鈦保護膜、氧化鉭保護膜、氟化鎂保護膜 等可以主要通過濺射法、真空蒸發(fā)法或離子束輔助真空蒸發(fā)法等來合 成。
此外，其氫含量低于下層的含氫碳膜的氫含量的保護性含氫碳膜 可以采用上述等離子體CVD法通過下述步驟而獲得相對于形成下 層含氫碳膜時的情況，提高高頻電力或者降低氣體壓力。
含有硅和氧的保護性含氫碳膜可以通過引入硅氧烷等作為原料 氣體并按照與形成下層含氫碳膜時的情況相類似的方法而獲得。硅氧
烷是一類材料的總稱，該材料的原子骨架中包含-Si-O-重復結(jié)構(gòu)，并
且也包括在從硅原子伸出來的側(cè)鏈上連接有氫或烴基這樣的結(jié)構(gòu)，所
述硅氧烷例如有聚二甲基硅氧烷[(CH3)2SiO]n、聚二苯基硅氧垸 [(C6H5)2SiO]n、聚甲基苯基硅氧烷[(CH3)(C6H5)SiO]n、聚氫甲基硅氧 烷[(H)(CH3)SiO]n。
當在光學改性前形成保護膜時，在進行改性時和在含氫碳膜用作 光學裝置時該保護膜都可以提供保護作用。然而，如果只為了提高含 氫碳膜在用作光學裝置時的耐久性，也可以在進行改性時不使用保護 膜而是在改性后再形成保護膜。在改性前形成保護膜的情況中，為了 不妨礙改性，要對保護膜的材料和厚度進行一些限定。而在改性后形 成保護膜的情況中，則沒有這種限定。需要注意的是，下文中將會在 對含氫碳膜進行改性前形成保護膜的情況中詳細地描述保護膜的厚 度。
在改性前形成保護膜的情況中，通常優(yōu)選的是在不將下層含氫碳 膜從薄膜沉積設(shè)備中取出到空氣中的條件下連續(xù)地形成保護膜。這是 因為如果將下層含氫碳膜取出到空氣中，那么在保護膜中容易形成諸 如小孔之類的缺陷。然而，這種情況不適用于使用旋涂法等形成聚合 物等的涂層的情況。 (透明材料板)
粘結(jié)在含氫碳膜上的透明材料板可以是任何物質(zhì)，對其沒有特別 的限定，只要其可以阻擋氧和水并可以透光即可。通常來說，作為透 明材料板，玻璃型材料是優(yōu)選的。這是因為玻璃型材料的價格相對便宜并且對氧和水具有優(yōu)良的阻擋效果。此外，涂敷有無機透明材料的 樹脂薄片也可以被用作透明材料板。
透明材料板的厚度優(yōu)選不小于10 |im。這是因為具有這種厚度的 透明材料板對于氧和水具有高的阻擋效果，并且容易操作。
用粘合劑(例如熱固型粘合劑、紫外線固化型粘合劑、可見光固 化型粘合劑等)將透明材料板直接固定在含氫碳膜之上，或者固定在 含氫碳膜上的保護膜上。優(yōu)選的是，用于粘結(jié)的這種粘合劑對氧氣和 水也具有低的滲透性，也優(yōu)選的是，該粘合劑層的厚度很薄。
與保護膜一樣，如果在改性前進行粘結(jié)，在改性時和在含氫碳膜 用作光學裝置時透明材料板均可以提供保護作用。然而，通常優(yōu)選的 是在改性后粘結(jié)透明材料板，以便只提高含氫碳膜用作光學裝置時的 耐久性，這是因為能量束可能不能透過透明材料板或者透明材料板本 身被能量束劣化。
需要注意的是，將這種透明材料板與保護膜聯(lián)合使用可以進一步 提高保護效果。
(光學改性)關(guān)于含氫碳膜的光學改性，可以采用能量束(包括電磁波(例如 X-射線、Y射線、激光、燈光等)，或者粒子束(例如電子束、離子束或
中子束p對薄膜進行照射的方法。
在利用電磁波進行的改性中，可以使用X-射線、Y射線、激光、
燈光等中的任何一種，特別是，其波長比紫外線的波長更長的電磁波
在大氣壓力下就可以使用，并且易于操作。更具體而言，波長大于150 nm而小于700 nm的電磁波是優(yōu)選的。波長越短，含氫碳膜的光學改 性的程度越高。波長越長，含氫碳膜的改性深度越深。波長大于190 nm 而小于400 nm的電磁波是更優(yōu)選的。這是因為在該波長范圍內(nèi)，改 性效果和改性深度可以較好地達到平衡，并且處于該波長范圍內(nèi)的穩(wěn) 定光源容易獲得。
具體來說，作為具有這種波長的光源，可以使用任何一種激光， 例如各種準分子激光(ArF、 KrF、 XeCl、 XeF)、 F2激光、YAG (釔鋁 石榴石)三次諧波激光和YAG四次諧波激光，或者可以使用任何一種高亮度燈，例如各種汞燈、氙燈和金屬鹵化物燈。
在由電磁波進行的改性中，保護膜的厚度優(yōu)選大于0.02 pm而小 于10 pm。這是因為如果厚度不大于0.02 |im，那么對于氧和水的阻 擋作用不充分，如果厚度不小于10pm，那么保護層容易產(chǎn)生裂縫。 保護膜的最小厚度更優(yōu)選大于0.05 pm，進一步優(yōu)選大于0.1 pm。保 護膜的最大厚度更優(yōu)選小于5 pm，進一步優(yōu)選小于3 pm。
另一方面，在由粒子束進行的改性中，可以使用電子束、離子束 或者中子束中的任何一種。然而，由于電子束在固體中容易發(fā)生散射 而擴散，因此不容易通過電子束在窄而深的圖案中進行光學改性。中 子束不容易處理，因為它的能量水平和密度不容易控制。離子束在能 量水平和密度方面具有優(yōu)良的可控性，適合于使用重量相對較輕的元 素(例如氫或氦)的離子在窄而深的圖案中進行改性。
在由粒子束進行的改性中，保護膜的厚度優(yōu)選大于0.02 )am而小 于lpm。這是因為如果保護膜的厚度不大于0.02 ^m，那么對于氧和 水的阻擋作用不充分，而如果保護膜的厚度不小于1 ^m，那么粒子 束可能不能到達含氫碳膜。保護膜的最小厚度更優(yōu)選大于0.05 pm， 進一步優(yōu)選大于0.1 pm。保護膜的最大厚度更優(yōu)選小于0.5 pm，進一 步優(yōu)選小于0.2 iam。
此外從保護膜的厚度與在光學裝置所使用的波長帶范圍中保護 膜的消光系數(shù)的關(guān)系方面考慮，保護膜也應該具有處于一定的優(yōu)選范 圍內(nèi)的厚度。這是因為保護膜的透光率取決于膜的厚度和消光系數(shù)。 保護膜的消光系數(shù)優(yōu)選小于5xl(T3，更優(yōu)選小于lx10—3，進一步優(yōu)選 小于5xl0—4。通常來說，在保護膜的厚度與保護膜的內(nèi)透過率的關(guān)系 方面，這樣的膜厚度是優(yōu)選的，該膜厚度可以使得內(nèi)透過率大于80%， 更優(yōu)選可以使得內(nèi)透過率大于90%，進一步優(yōu)選可以使得內(nèi)透過率大 于99%。
另一方面，在使用可見光至紫外光范圍內(nèi)的光(電磁波)照射來 對含氫碳膜進行光學改性的情況中，在保護膜的厚度與保護膜對波長 的透過率的關(guān)系方面，這樣的薄膜厚度是優(yōu)選的，該膜厚度可以使得 透過率大于40%，更優(yōu)選可以使得透過率大于60%，進一步優(yōu)選可以使得透過率大于80%。 (改性時的氣氛) 由于本發(fā)明的保護膜的作用，不管是在空氣中還是在液體中，由 能量束照射而進行的含氫碳膜改性都不受太多的限制，但更優(yōu)選的是 在基本上不含氧氣或水的氣氛中進行改性。在這種氣氛中，即使保護 膜中存在小孔，也可以防止通過小孔而進行的氧化作用，此外，即使 保護膜本身具有較低的氣體阻擋作用，仍預期可以避免氧化作用。
具體來說，例如，優(yōu)選在小于100 Pa的減壓氣氛或真空氣氛中 進行改性。即，通過利用減壓氣氛或者真空氣氛，可以使起到氧原子 源作用的02和H20的氣氛濃度降低，從而使得在進行改性時，氧很 少進入到含氫碳膜中。氣氛壓力更優(yōu)選小于5xl0—3Pa，進一步優(yōu)選小 于lx10-5 Pa。
另一方面，不使整個氣氛成為減壓氣氛或者真空氣氛，取而代之 的是使用不含02或H20的氣體來代替。在這種情況中，優(yōu)選的是02 和H20的分壓力之和小于氣氛總壓力的0.1%。即，例如當使用l標 準大氣壓(約100 KPa)的氬氣代替該氣氛時，氣氛中02和1120的 分壓力之和優(yōu)選小于約100 Pa。氣氛中02和H20的分壓力之和更優(yōu) 選小于100ppm，進一步優(yōu)選小于10ppm。待使用的替代氣體優(yōu)選為 惰性氣體，例如He、 Ne、 Ar、 Kr、 Xe或N2氣。在進行氣氛替換時， 在該過程中最方便的是氣體的總壓力在標準大氣壓的附近，例如氣體 的總壓力大于0.95標準大氣壓而小于1.05標準大氣壓。然而，取決 于使用目的，可以將替代氣體的壓力調(diào)節(jié)為真空、減壓或加壓狀態(tài)。 (改性時的溫度)
在使用能量束對含氫碳膜進行照射以進行改性時，基底的溫度可 以是任意的溫度。例如，在基底的溫度為室溫狀態(tài)下進行改性時無需 溫度控制裝置，從簡化工藝和降低成本的角度考慮這是優(yōu)選的。然而， 實際上可能的情況是，由于能量束的照射，改性后的部位附近的基底 溫度趨于變得高于室溫。由于在能量束照射時基底的溫度會影響含氫 碳膜的物理性能，所以優(yōu)選的是積極地調(diào)節(jié)基底溫度以增加對改性的 控制性。
12更具體而言， 一般來說，進行改性時含氫碳膜的溫度保持得越高， 改性速度變得越快。另一方面，如本發(fā)明中所示，在含氫碳膜的表面 上設(shè)置有保護層的情況中，含氫碳膜的改性速度趨于變慢。因此當設(shè) 置有這種保護層時，通過增加基底溫度來增加改性速度的方法是有效
的。具體來說，基底溫度優(yōu)選高于80。C而低于40(TC，更優(yōu)選高于100°C 而低于250°C，進一步優(yōu)選高于12(TC而低于220°C。
然而，盡管從增加改性速度的角度考慮髙的基底溫度是優(yōu)選的， 但是從含氫碳膜的著色或者改性的控制性方面考慮，如果基底溫度過 高，將會引起副作用。另外，在對基底進行加熱時，除了采用通常的 加熱器進行加熱之外，采用含有波長不小于3 pm的光的紅外線輻射 來進行加熱也是有效的。 (折射率調(diào)制)
取決于能量束的照射量，可使含氫碳膜的折射率增加不小于0.3，
取決于所用的技術(shù)，可使含氫碳膜的折射率增加不小于0.5。此外，
通過使用能量束來照射含氫碳膜的局部區(qū)域的圖案，可以使薄膜的該 區(qū)域具有不同的光學物理性能(例如折射率)，從而獲得光學裝置。
對于對局部區(qū)域進行的能量束照射，可以采用使用掩模的方法、用會 聚光束進行掃描的方法或者使用干涉曝光的方法。使用這些方法中的 一種方法可以以預定的圖案使含氫碳膜的折射率改變(調(diào)制)，從而 制造光導、衍射光學元件等。 (光學裝置)
由于本發(fā)明的光學裝置可以涵蓋從紅外光至可見光或者乃至近 紫外光的范圍，因此適于廣泛的應用。此外，由于本發(fā)明的光學裝置 是由薄膜形成的，并且是折射率調(diào)制型，因此其可以使裝置結(jié)構(gòu)緊湊 而且薄。另外，本發(fā)明的光學裝置適用于光學通信用的各種光學裝置、 光學加工裝置(例如激光器)中的光學裝置、各種圖像顯示裝置或者 光學記錄裝置中的光學系統(tǒng)、光學測量設(shè)備中的光學裝置等。
至于本發(fā)明的衍射光學元件的功能，具體來說，可以獲得波長合 /分功能、功率合/分功能、偏振光合/分功能、光會聚功能、光束整形 功能等。波長合/分功能適用于光學通信中的合波器/分波器、圖像顯示裝置中的RGB (紅色、綠色和藍色)合/分光用光學元件等。功率 合/分功能適用于激光加工設(shè)備中的多激光束加工設(shè)備、用于光學通
信的光學耦合器等。偏振光合/分功能適用于光學通信中的TE波和 TW波用分光器、偏振器、檢偏器、液晶用偏振板等。光會聚功能適 用于顯示裝置或者記錄裝置中的各種透鏡、微透鏡陣列等。光束整形 功能適用于加工設(shè)備或顯示裝置中的光束均化器等。
實施例1
在本發(fā)明的實施例1中，樣品1A是通過在石英基底上形成這樣 的含氫碳膜而制備的，該含氫碳膜的[H]/[H+C]比值為0.55、氧的含 量低于1原子％、折射率為1.54、厚度為1.5 (im。樣品1B和1C是通 過采用磁控濺射法在樣品1A上形成厚度為0.1 pm的Si02保護膜而 制備的。
將樣品1A和1B置于大氣中，而將樣品1C置于大氣壓下的氬氣 中。將處于這種狀態(tài)中的樣品用準分子激光(ArF:波長為193nm) 以80 W的功率照射40分鐘。結(jié)果，樣品1A、 1B和1C的折射率分 別增加至1.62、 1.68和1.69。
激光照射后通過XPS (X射線光電子能譜法)測定含氫碳膜中的 氧含量，樣品1A中的氧含量高達7原子％，而樣品1B和1C中的氧 含量低于1原子％。此外，樣品1A的膜厚度顯著地降至0.2 pm至0.5 pm，而樣品1B和1C的膜厚度(均包含Si02膜在內(nèi))分別為1.4 pm 和1.5 pm，表明含氫碳膜的厚度降低很少。
此外，樣品1D、 1E和1F是通過使用可見光固化型粘合劑將厚 度為0.05 mm的玻璃板分別粘結(jié)在樣品1A、 1B和1C上而制備的。 用從100 W的氙燈的光中提取并會聚的、波長不大于400 nm的光來 照射樣品1A-1F 500小時。此后，檢査樣品1A-1F對波長為460 nm 的藍光的透過率的變化量。結(jié)果，樣品1A的透過率變化量為7%，樣 品1B和1C的透過率變化量約為0.5%，樣品1D、 1E和1F的透過率 變化量小于0.5%。這表明含有Si02保護膜的樣品以及在該Si02保護 膜上進一步還粘結(jié)有薄玻璃板的樣品的透過率劣化小一些。實施例2
在本發(fā)明的實施例2中，樣品2A是通過在玻璃基底上形成這樣 的含氫碳膜而制備的，該含氫碳膜的[H]/[H+C]比值為0.52、氧的含 量低于1原子％、折射率為1.56、厚度為2.0 iam。樣品2B和2C是通 過采用等離子體CVD法在樣品2A上形成厚度為0.3 的Si-O-C-H 保護膜而制備的。
將樣品2A和2B置于大氣中，而將樣品2C置于大氣壓下的氬氣 中。將處于這種狀態(tài)中的樣品用準分子激光(KrF:波長為248 nm) 以220 W的功率照射20分鐘。結(jié)果，樣品2A中的含氫碳膜完全消 失，而樣品2B和2C中包括保護膜在內(nèi)的膜厚度均為2.1 pm。樣品 2B和2C的折射率分別增加至1.72和174。此外，樣品2B和2C的 含氫碳膜中氧的含量分別為3.5原子％和小于1原子％。
此外，樣品2D和2E是通過使用紫外線固化型粘合劑將厚度為 0.1 mm的玻璃板分別粘結(jié)在樣品2B和2C之上而制備的。用從200 W 的汞燈的光中提取并會聚的、波長不大于400 nm的光來照射樣品 2B-2E 200小時。此后，檢査樣品2B-2E對波長為460 nm的藍光的透 過率的變化量。結(jié)果，樣品2B和2C的透過率變化量為0.5%~0.8%， 樣品2D和2E的透過率變化量小于0.5%。
實施例3
在本發(fā)明的實施例3中，樣品3A是通過在玻璃基底上形成這樣 的含氫碳膜而制備的，該含氫碳膜的[H]/[H+C]比值為0.57、氧的含 量低于1原子％、折射率為1.53、厚度為1.0 ^m。樣品3B是通過在 樣品3A上形成厚度為0.1 )im的氧氮化硅保護膜而制備的。
在真空度為3xl0—4 Pa的條件下將He離子以8x 1016個離子/cm2 的速度注入到樣品3A和3B中。結(jié)果，樣品3A的折射率增加至1.82， 樣品3B的折射率增加至1.83。并且，樣品3A的含氫碳膜中氧含量 為2.5原子％，而樣品3B的含氫碳膜中氧含量小于1原子％。此外， 樣品3A的含氫碳膜的厚度降至0.85 pm，而樣品3B中包括保護膜在 內(nèi)的薄膜厚度為1.0 pm。
此外，樣品3C和3D是通過使用熱固型粘合劑將厚度為0.2 mm的玻璃板分別粘結(jié)在樣品3A和3B上而制備的。用從200 W的汞燈 的光中提取并會聚的、波長不大于400 nm的光來照射樣品3A-3D 200 小時。此后，檢查樣品3A-3D對波長為460 nm的藍光的透過率的變 化量。結(jié)果，樣品3A的透過率變化量為9%，樣品3B的透過率變化 量約為0.8%，樣品3C和3D的透過率變化量小于0.5%。 實施例4
在本發(fā)明的實施例4中，將石英基底設(shè)置在膜沉積設(shè)備中的基底 電極上，然后加入環(huán)己烷直至壓力為67Pa，采用高頻等離子體CVD 法在頻率為13.56 MHz、功率為0.5 W/cm2的條件下沉積形成厚度為 1.2 pm的含氫碳膜。此后，將三甲基二硅氧烷加入到膜沉積設(shè)備中直 至壓力為13Pa，利用高頻等離子體CVD法在頻率為13.56 MHz、功 率為0.2 W/cm2的條件下在含氫碳膜上形成厚度為0.3 pm的Si-O-C-H 保護膜。
此外，使用其中凹面和凸面的重復間隔為1 pm的石英相位光柵 掩模，利用準分子激光(KrF)進行干涉曝光，在含氫碳膜中形成具 有圖案的折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)。曝光時的氣氛為純度不低于99.9%的l標 準大氣壓的氮氣氣氛。此后，使用可見光固化型粘合劑將厚度為0.1 mm的石英板固定在Si-O-C-H保護膜上。
可以證實的是，按照實施例4的方式獲得的光學裝置起到衍射光 柵的作用。也可以證實的是，在使用一年后這種光學裝置不會發(fā)生衍 射效率、衍射角等的變化。
另外，按照與實施例4相似的方式制造作為對比例的光學裝置， 不同之處在于不設(shè)置保護膜和石英板。盡管作為對比例的這種光學裝 置也起到衍射光柵的作用，但是在使用一年后其衍射效率降低20%。
實施例5
在本發(fā)明的實施例5中，將石英基底設(shè)置在膜沉積設(shè)備中的基底 電極上，然后加入環(huán)己烷直至壓力為100 Pa，采用高頻等離子體CVD 法在頻率為13.56 MHz、功率為0.3 W/cm2的條件下沉積形成厚度為 1.5 pm的含氫碳膜。此后，通過濺射法在含氫碳膜上形成厚度為0.5 iam的Si02保護膜。隨后，通過采用剝離方法(liftoffmethod)在Si02保護膜上形成 具有圖案的金掩模，再通過暴露于同步輻射(能量為50 eV至3000 eV) 下來調(diào)制含氫碳膜的折射率，并通過蝕刻除去金掩模。按照這種方式 制造的實施例5的光學裝置起到對可見光具有會聚功能的折射率調(diào)制 型衍射透鏡。即使在使用一年以后，該光學裝置的聚光性能也沒有發(fā) 生變化。此外，按照與實施例5相似的方式制造作為對比例的光學裝置， 不同之處在于不設(shè)置Si02膜。盡管作為對比例的這種光學裝置也起 到透鏡的作用，但是在使用一年后其焦距發(fā)生變化。實施例6在本發(fā)明的實施例6中，使用甲烷作為高頻等離子體CVD法的 原材料，在玻璃基底上形成這樣的含氫碳膜，該含氫碳膜的[H]/[H+C] 比值為0.56、氧的含量低于1原子％、折射率為1.57、厚度為1.5 pm。 通過采用等離子體CVD法在含氫碳膜上形成厚度為1.5 pm的 Si-O-C-H保護膜，從而制得樣品6A、 6B和6C。在1標準大氣壓的 氮氣氣氛中用準分子激光(KrF:波長為248 nm)在功率為10 mW/mm2 的條件下照射這些樣品20分鐘。在照射時，通過水冷夾套將樣品6A的基底溫度控制為20°C，通 過包含熱電偶和加熱器的夾套將樣品6B的基底溫度控制為20(TC， 通過含有波長不小于3 pm的遠紅外線的紅外線進行加熱，并使用輻 射溫度計將樣品6C的基底溫度控制為18(TC。結(jié)果，樣品6A、 6B 和6C的折射率分別增加至1.58、 1.72和1.74。注意的是，樣品6A、 6B和6C任何一個樣品中的氧含量均小于1原子％。實施例7在本發(fā)明的實施例7中，將石英基底設(shè)置在膜沉積設(shè)備中的基底 電極上，然后加入環(huán)己垸直至壓力為60Pa，使用高頻等離子體CVD 法在頻率為13.56 MHz、功率為0.4 W/cm2的條件下沉積形成厚度為 1.4pm的含氫碳膜。隨后，在膜沉積設(shè)備中加入三甲基二硅氧垸直至 壓力為10Pa，通過使用高頻等離子體CVD法在頻率為13.56 MHz、 功率為0.15 W/cn^的條件下在含氫碳膜上沉積形成厚度為1.0 pm的Si-O-C-H保護膜。然后，通過使用其中凹面和凸面的重復間隔為0.55 |im的石英掩 模(相位光柵掩模)，利用準分子激光(KrF)進行干涉曝光，在含 氫碳膜中形成具有圖案的折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)。在曝光時將純度不低于 99.9%、壓力設(shè)定為1標準大氣壓的氮氣作為氣氛，通過使用包含加 熱器和熱電偶的基底夾套進行溫度調(diào)節(jié)，將石英基底的溫度控制為 18(TC。隨后，使用可見光固化型粘合劑將厚度為0.2mm的石英板固 定在Si-O-C-H保護膜上?？梢宰C實的是，按照實施例7的方式獲得的光學裝置起到衍射光 柵的作用。也可以證實的是，這種光學裝置在使用一年后不會發(fā)生衍 射效率、衍射角等的變化。此外，按照與實施例7相同的方式制造作為對比例的光學裝置， 不同之處在于不設(shè)置保護膜和石英板。盡管作為對比例的這種光學裝 置也起到衍射光柵的作用，但是在使用一年后其衍射效率降低50%。工業(yè)適用性如上所述，本發(fā)明可以提供穩(wěn)定的光學薄膜，該光學薄膜即使在 受到能量束照射后也難以劣化，并且也可以使通過對該光學薄膜進行 能量束照射而制得的光學裝置的穩(wěn)定性得以改善。
權(quán)利要求
1.一種光學薄膜，其包含設(shè)置在基底上的至少含有碳和氫作為主要成分的含氫碳膜，以及層疊在所述含氫碳膜上的至少一層保護層，所述保護層包括氧化物膜、氮化物膜、氧氮化物膜、氟化物膜以及含有氫和碳作為主要成分的膜中的一種。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學薄膜，其中在所述保護層上接合 有厚度不小于10 pm的透明材料板。
3. —種包含權(quán)利要求1所述的光學薄膜的光學裝置，其中所述 含氫碳膜在與其表面平行的方向上具有折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)。
4. 一種光學裝置的制造方法，其中使用包括電磁波或粒子束的 能量束按照預定的圖案來照射權(quán)利要求1所述的光學薄膜，從而使所 述預定的圖案中的折射率增加。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學裝置的制造方法，其中在基本上 不含有氧氣或水的氣氛中進行所述的能量束照射。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學裝置的制造方法，其中在將所述 基底的溫度保持在高于8(TC的狀態(tài)下進行所述能量束照射。
7. —種光學薄膜，其包含設(shè)置在基底上的至少含有氫和碳作 為主要成分的含氫碳膜，以及接合在所述含氫碳膜上的厚度不小于 10 pm的透明材料板。
8. —種包含權(quán)利要求7所述的光學薄膜的光學裝置，其中所述 含氫碳膜在與其表面平行的方向上具有折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)。
9. 一種光學裝置的制造方法，其中使用包括電磁波或粒子束的 能量束按照預定的圖案來照射權(quán)利要求7所述的光學薄膜，從而使所 述預定的圖案中的折射率增加。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學裝置的制造方法，其中在基本上不含有氧氣或水的氣氛中進行所述能量束照射。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學裝置的制造方法，其中在將所述 基底的溫度保持在高于8(TC的狀態(tài)下進行所述能量束照射。
全文摘要
在本發(fā)明的光學薄膜中，在基底上形成有至少含有碳和氫作為主要成分的含氫碳膜，以及層疊在所述含氫碳膜之上的至少一層保護層，該保護層包括氧化物膜、氮化物膜、氧氮化物膜、氟化物膜以及含有氫和碳作為主要成分的膜中的一種。
文檔編號G02B5/18GK101297222SQ20068004037
公開日2008年10月29日 申請日期2006年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月28日
發(fā)明者今井貴浩, 后利彥, 松浦尚, 織田一彥, 赤羽良啟 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社