特開 2024-27591 光学部材の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024027591

(43)【公開日】2024-03-01

(54)【発明の名称】光学部材の製造方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 1/115 20150101AFI20240222BHJP

   G02B 1/14 20150101ALI20240222BHJP

   B32B 7/023 20190101ALI20240222BHJP

   B32B 9/00 20060101ALI20240222BHJP

【ＦＩ】

G02B1/115

G02B1/14

B32B7/023

B32B9/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022130499

(22)【出願日】2022-08-18

(71)【出願人】

【識別番号】000226057

【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】多田 孝昭

【テーマコード（参考）】

2K009

4F100

【Ｆターム（参考）】

2K009AA07

2K009BB02

2K009CC03

2K009DD03

2K009DD04

2K009DD12

4F100AA19A

4F100AA19B

4F100AA19C

4F100AA19E

4F100AA20C

4F100AA21C

4F100AA25C

4F100AA27C

4F100AR00D

4F100BA03

4F100BA04

4F100BA05

4F100BA07

4F100BA10A

4F100BA10C

4F100EH66B

4F100EH66C

4F100JM02B

4F100JM02C

4F100JN01A

4F100JN18D

4F100YY00B

4F100YY00C

(57)【要約】

【課題】ベーマイト層の破損を低減できる光学部材の製造方法を提供する。
【解決手段】光学部材の製造方法は、透光性基板の上に、酸化アルミニウムからなり、第１厚さを有する第１層を原子層堆積法により形成する工程と、前記第１層の表層をベーマイト層とする工程と、前記第１厚さより小さい第２厚さを有し、前記ベーマイト層を覆う第２層を原子層堆積法により形成する工程と、を有する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

透光性基板の上に、酸化アルミニウムからなり、第１厚さを有する第１層を原子層堆積法により形成する工程と、
前記第１層の表層をベーマイト層とする工程と、
前記第１厚さより小さい第２厚さを有し、前記ベーマイト層を覆う第２層を原子層堆積法により形成する工程と、
を有する、光学部材の製造方法。

【請求項2】

前記第１層の表層を前記ベーマイト層とする工程は、前記第１層を温度が７０℃以上の水に浸漬する工程を有する、請求項１に記載の光学部材の製造方法。

【請求項3】

前記第１層を形成する工程の前に、前記透光性基板の上に第３層を形成する工程を有し、
前記第１層は前記第３層の上に形成され、
前記第３層の屈折率は、前記透光性基板の屈折率よりも低く、かつ前記ベーマイト層の屈折率よりも高い、請求項１又は２に記載の光学部材の製造方法。

【請求項4】

前記第３層を形成する工程の前に、前記透光性基板の上に酸化アルミニウムからなる第４層を形成する工程を有し、
前記第３層は前記第４層の上に形成される、請求項３に記載の光学部材の製造方法。

【請求項5】

前記第１厚さは、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、請求項１又は２に記載の光学部材の製造方法。

【請求項6】

前記第２厚さは、４ｎｍ以上１５ｎｍ以下である、請求項１又は２に記載の光学部材の製造方法。

【請求項7】

前記第２層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、五酸化ニオブ、五酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン及び酸化亜鉛からなる群から選択された少なくとも１種を含む、請求項１又は２に記載の光学部材の製造方法。

【請求項8】

前記透光性基板は、サファイア基板である、請求項１又は２に記載の光学部材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光学部材の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

反射防止機能を有する部材の製造方法として、基材の上に原子層堆積法により酸化アルミニウム膜を形成し、酸化アルミニウム膜の水熱処理を施して微細凹凸構造を形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。酸化アルミニウム膜の水熱処理により形成される微細凹凸構造はベーマイトから構成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－１１４３８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ベーマイトから構成される微細な凹凸構造は強度が低く、微細な凹凸構造が破損しやすい。微細な凹凸構造は、例えば、指で擦る程度でも破損してしまう。このため、上記の微細な凹凸構造を備えた光学部材においては、安定した光学特性を得ることができない。

【0005】

本開示は、ベーマイト層の破損を低減できる光学部材の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

開示の技術の一態様によれば、光学部材の製造方法は、透光性基板の上に、酸化アルミニウムからなり、第１厚さを有する第１層を原子層堆積法により形成する工程と、前記第１層の表層をベーマイト層とする工程と、前記第１厚さより小さい第２厚さを有し、前記ベーマイト層を覆う第２層を原子層堆積法により形成する工程と、を有する。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、ベーマイト層の破損を低減できる光学部材の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態に係る光学部材の製造方法を説明するための断面図（その１）である。

【図2】第１実施形態に係る光学部材の製造方法を説明するための断面図（その２）である。

【図3】第１実施形態に係る光学部材の製造方法を説明するための断面図（その３）である。

【図4】第１実施形態に係る光学部材の製造方法を説明するための断面図（その４）である。

【図5】ベーマイト層の表面の形状の一例を説明するための模式図である。

【図6】ベーマイト層の表面の走査型電子顕微鏡写真の一例を示す図である。

【図7】酸化珪素層の表面の走査型電子顕微鏡写真の一例を示す図である。

【図8】第２実施形態に係る光学部材の製造方法を説明するための断面図（その１）である。

【図9】第２実施形態に係る光学部材の製造方法を説明するための断面図（その２）である。

【図10】第２実施形態に係る光学部材の製造方法を説明するための断面図（その４）である。

【図11】光学部材を含む発光装置の例を説明するための図である。

【図12】酸化珪素層の厚さと反射率との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しながら、本開示を実施するための実施形態を説明する。以下の説明は、本開示の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本開示を以下の記載に限定するものではない。

【0010】

各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態に分けて示す場合があるが、異なる実施形態や実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後に示す実施形態では、先に示した実施形態との異なる事項について主に説明し、先に示した実施形態と共通の事柄について重複する説明を省略することがある。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合がある。

【0011】

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。第１実施形態は光学部材の製造方法に関する。図１～図４は、第１実施形態に係る光学部材の製造方法を説明するための断面図である。第１実施形態の光学部材１は、透光性基板１０と、酸化珪素（ＳｉＯ_２）層１１と、酸化アルミニウム層１２と、酸化珪素層１３とを含む。なお、光学部材１は、酸化珪素層１１を含まなくてよい。

【0012】

第１実施形態では、まず、図１に示すように、透光性基板１０の上に第３層として酸化珪素層１１を形成する工程を行う。酸化珪素層１１は、例えばスパッタリング法又は化学気相成長（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）法により形成することができる。透光性基板１０は、例えばサファイア基板である。波長が５１０ｎｍの光に対するサファイアの屈折率は１．７６程度であり、酸化珪素の屈折率は１．４６程度であり、酸化珪素の屈折率はサファイア基板の屈折率よりも低い。酸化珪素層１１の厚さは、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。次いで、酸化珪素層１１の上に第１層として酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）層１２を原子層堆積（atomic layer deposition：ＡＬＤ）法により形成する工程を行う。酸化アルミニウム層１２は第１厚さを有する。第１厚さは、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。波長が５１０ｎｍの光に対する酸化アルミニウムの屈折率は１．６５程度である。

【0013】

次いで、酸化アルミニウム層１２の表層をベーマイト（ＡｌＯＯＨ）層とする工程を行う。具体的には、図２に示すように、ホットプレート２３の上に容器２１を載置し、容器２１に、純水２２と、透光性基板１０、酸化珪素層１１及び酸化アルミニウム層１２の積層体とを、酸化アルミニウム層１２の表面が純水２２により覆われるようにして入れる。そして、ホットプレート２３により純水２２を加熱する。この時、例えば、純水２２の温度は７０℃以上とし、加熱時間は１分間以上とする。つまり、酸化アルミニウム層１２を温度が７０℃以上の水に１分間以上浸漬する。このような温水浸漬処理の結果、図３に示すように、酸化アルミニウム層１２の少なくとも表層がベーマイト層１２Ａとなる。なお、酸化アルミニウム層１２の全体がベーマイト層１２Ａとなってもよい。波長が５１０ｎｍの光に対するベーマイトの屈折率は１．１以上１．２以下程度であり、ベーマイトの屈折率は酸化珪素の屈折率よりも低い。

【0014】

次いで、図４に示すように、第２層として、ベーマイト層１２Ａを覆う酸化珪素（ＳｉＯ_２）層１３をＡＬＤ法により形成する工程を行う。酸化珪素層１３は第１厚さより小さい第２厚さを有する。第２厚さは、例えば４ｎｍ以上１５ｎｍ以下である。

【0015】

このようにして、光学部材１を製造することができる。

【0016】

第１実施形態では、酸化珪素層１３がベーマイト層１２Ａに対する保護層として機能し、外力からベーマイト層１２Ａを保護する。このため、ベーマイト層１２Ａの破損を低減することができる。ベーマイト層１２Ａの表面は複雑な凹凸形状を有しているが、酸化珪素層１３をＡＬＤ法により形成しているため、ベーマイト層１２Ａの表面の全体を酸化珪素層１３により被覆しやすくすることができる。従って、ベーマイト層１２Ａを強固に保護することができる。

【0017】

図５は、ベーマイト層１２Ａの表面の形状の一例を説明するための模式図である。図５に示す例では、酸化アルミニウム層１２の全体がベーマイト層１２Ａとなっている。酸化アルミニウム層１２の表面は略平坦であるが、図５に示すように、ベーマイト層１２Ａの表面は無秩序に粗くなっている。このため、ベーマイト層１２Ａの表面には、上方を向く部分だけでなく、側方を向く部分及び下方を向く部分も存在する。酸化珪素層１３をＡＬＤ法により形成した場合、ベーマイト層１２Ａの表面のうちで側方を向く部分及び下方を向く部分にも酸化珪素層１３が形成されやすいため、ベーマイト層１２Ａの表面の全体を酸化珪素層１３により被覆しやすくすることができる。

【0018】

図６は、ベーマイト層１２Ａの表面の走査型電子顕微鏡写真の一例を示す図である。図７は、ベーマイト層１２Ａの表面に形成した酸化珪素層１３の表面の走査型電子顕微鏡写真の一例を示す図である。図６及び図７の倍率は互いに等しく、図６及び図７中のスケールバー３１は共通の長さを示す。図６に示すように、ベーマイト層１２Ａの表面は複雑な凹凸形状を有している。また、図７に示すように、酸化珪素層１３の表面も複雑な凹凸形状を有している。これは、ＡＬＤ法により形成された酸化珪素層１３がベーマイト層１２Ａの複雑な凹凸形状に追従して形成され、ベーマイト層１２Ａの表面の全体を被覆しているためであると推測される。

【0019】

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。第２実施形態は光学部材の製造方法に関する。図８～図１０は、第２実施形態に係る光学部材の製造方法を説明するための断面図である。

【0020】

第２実施形態では、まず、図８に示すように、透光性基板１０の上に第４層として酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）層１５を形成する工程を行う。酸化アルミニウム層１５は、例えばＡＬＤ法、スパッタリング法又はＣＶＤ法により形成することができる。酸化アルミニウム層１５の厚さは、例えば３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。次いで、酸化アルミニウム層１５の上に第３層として酸化珪素層１１を形成する工程を行う。次いで、酸化珪素層１１の上に第１層として酸化アルミニウム層１２をＡＬＤ法により形成する工程を行う。

【0021】

次いで、図９に示すように、酸化アルミニウム層１２の表層をベーマイト層１２Ａとする工程を行う。この工程では、例えば、第１実施形態と同様の温水浸漬処理を行う（図２参照）。次いで、図１０に示すように、第２層として、ベーマイト層１２Ａを覆う酸化珪素層１３をＡＬＤ法により形成する工程を行う。

【0022】

このようにして、光学部材２を製造することができる。

【0023】

第２実施形態によっても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、酸化アルミニウム層１５を形成しているため、光学部材２の全体の屈折率をより細かく調整することもできる。

【0024】

なお、ベーマイト層１２Ａを形成する方法は、温水浸漬処理に限定されない。例えば、水蒸気を含む雰囲気中での酸化アルミニウム層１２の加熱によってベーマイト層１２Ａを形成してもよい。

【0025】

また、第２層は酸化珪素層に限定されない。第２層が酸化珪素、酸化アルミニウム、五酸化ニオブ、五酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン及び酸化亜鉛からなる群から選択された少なくとも１種を含んでもよい。

【0026】

ここで、光学部材を含む発光装置の例について説明する。図１１は、光学部材を含む発光装置の例を説明するための図である。

【0027】

図１１に示すように、発光装置４０は、基体４１と、発光素子４２と、光学部材４３とを有する。基体４１は、底部５１と、壁部５２とを有する。発光素子４２は、基体４１の底部５１の一方の面５１Ａの上に配置されている。壁部５２は、基体４１の面５１Ａの上に配置され、発光素子４２を包囲している。底部５１及び壁部５２は一体である。面５１Ａを基準として、壁部５２の高さは、発光素子４２の高さよりも高い。発光素子４２は、例えば紫外光を発する発光ダイオードである。基体４１には、例えば、窒化アルミニウムを用いることができる。

【0028】

光学部材４３は、第１実施形態の光学部材１又は第２実施形態の光学部材２を含む。光学部材４３は、透光性基板１０が発光素子４２に対向し、酸化珪素層１３が発光装置４０の外側に位置するようにして、壁部５２の上面に固定されている。光源である発光素子４２が出射した光Ｌは、光学部材４３を透過する。

【0029】

次に、本願発明者が行った光学部材の強度に関する第１試験及び光学性能に関する第２試験について説明する。

【0030】

（第１試験）
第１試験では、次のようにして５種類の光学部材の試料を作製した。サファイア基板の上に厚さが５２．５ｎｍの酸化珪素層を形成し、酸化珪素層の上に厚さが１７．５ｎｍの酸化アルミニウム層をＡＬＤ法により形成した。次いで、沸騰した純水中で５分間の浸漬処理を行い、酸化アルミニウム層の表層をベーマイト層とした。次いで、ベーマイト層を覆う酸化珪素層を試料毎に異なる厚さでＡＬＤ法により形成した。このようにして試料を作製した。ＡＬＤ法による酸化珪素層の形成では、各試料において、成膜サイクル数を２５回、５０回、７５回、１００回、１５０回とした。２５回、５０回、７５回、１００回、１５０回の成膜サイクル数で形成される酸化珪素層の厚さは、それぞれ０．７ｎｍ、４．２ｎｍ、６．７ｎｍ、９．２ｎｍ、１４．５ｎｍ程度である。

【0031】

そして、酸化珪素層の形成後に各試料の反射率を測定した。次いで、酸化珪素層の表面に対して１０往復摩擦を加え、その後に各試料の反射率を測定した。図１２は、酸化アルミニウム層上の酸化珪素層の厚さと反射率との関係を示す図である。図１２中の横軸は酸化アルミニウム層上の酸化珪素層（第２層）の厚さ（第２厚さ）を示し、縦軸は反射率を示す。なお、本試験では酸化珪素層に加える摩擦の回数を変更することで強度を評価したが、例えば、ナノインデンテーション試験、スクラッチ試験、摩擦摩耗評価法等を用いて強度を評価してもよい。

【0032】

図１２に示すように、酸化珪素層の厚さが４．２ｎｍ以上である場合に、特に摩擦の前後の間での反射率の変化が小さかった。これは、酸化珪素層の厚さが４．２ｎｍ以上である場合に、特に優れた強度が得られたことを示している。また、酸化珪素層の厚さが４．２ｎｍ以上９．２ｎｍ以下である場合に、特に反射率が低かった。この結果は、酸化珪素層の厚さが４．２ｎｍ以上９．２ｎｍ以下である場合に、高い強度と低い反射率とを有する光学部材が得られたことを示している。

【0033】

第１試験の結果から、第２層としての酸化珪素層の第２厚さは、好ましくは４ｎｍ以上１５ｎｍ以下であり、より好ましくは４ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。また、第１層としての酸化アルミニウム層の第１厚さは、光学部材の用途、例えば透過させる光の波長に応じて適宜選択することができる。

【0034】

なお、本願発明者がベーマイト層を被覆する酸化珪素層をスパッタリング法により形成したところ、ＡＬＤ法により酸化珪素層を形成した場合ほどの強度の向上は見られなかった。これは、スパッタリング法により酸化珪素層を形成した場合には、原料の直進性が高く、複雑な凹凸構造を有するベーマイト層の表面に酸化珪素層により覆われない部分が広く残存したためであると推測される。

【0035】

（第２試験）
第２試験では、次のようにして光学部材の試料Ａ、Ｂ及びＣを作製した。

【0036】

試料Ａでは、サファイア基板の上に厚さが５２．０ｎｍの酸化珪素層を形成した。

【0037】

試料Ｂでは、サファイア基板の上に厚さが５２．５ｎｍの酸化珪素層を形成し、酸化珪素層の上に厚さが８５．３ｎｍの酸化アルミニウム層をＡＬＤ法により形成し、温水浸漬処理により酸化アルミニウム層をベーマイト層とした。

【0038】

試料Ｃでは、サファイア基板の上に厚さが３９．１ｎｍの酸化アルミニウム層を形成し、酸化アルミニウム層の上に厚さが１０．０ｎｍの酸化珪素層を形成し、酸化珪素層の上に厚さが８．８ｎｍの酸化アルミニウム層をＡＬＤ法により形成し、温水浸漬処理によりこの酸化アルミニウム層をベーマイト層とした。次いで、ベーマイト層を覆う酸化珪素層を５．０ｎｍの厚さでＡＬＤ法により形成した。

【0039】

そして、光学部材のサファイア基板側に光源を配置し、各試料を通過する光源からの光の放射束を測定した。

【0040】

ベーマイト層を含む試料Ｂの放射束は、ベーマイト層を含まない試料Ａの放射束に対して、１．３％程度高くなった。また、ベーマイト層に加えて、ベーマイト層を覆う酸化珪素層を含む試料Ｃの放射束は、試料Ａの放射束より１．４％程度高く、試料Ｃの放射束は試料Ｂの放射束とほぼ同等であった。この結果は、ベーマイト層を覆う酸化珪素層が設けられても、酸化珪素層が設けられていない場合と同程度の光学性能が得られたことを示している。

【0041】

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

【0042】

本明細書は、下記の実施形態を含む。
１．
透光性基板の上に、酸化アルミニウムからなり、第１厚さを有する第１層を原子層堆積法により形成する工程と、
前記第１層の表層をベーマイト層とする工程と、
前記第１厚さより小さい第２厚さを有し、前記ベーマイト層を覆う第２層を原子層堆積法により形成する工程と、
を有する、光学部材の製造方法。
２．
前記第１層の表層を前記ベーマイト層とする工程は、前記第１層を温度が７０℃以上の水に浸漬する工程を有する、上記１に記載の光学部材の製造方法。
３．
前記第１層を形成する工程の前に、前記透光性基板の上に第３層を形成する工程を有し、
前記第１層は前記第３層の上に形成され、
前記第３層の屈折率は、前記透光性基板の屈折率よりも低く、かつ前記第１層の屈折率よりも高い、上記１又は２に記載の光学部材の製造方法。
４．
前記第３層を形成する工程の前に、前記透光性基板の上に酸化アルミニウムからなる第４層を形成する工程を有し、
前記第３層は前記第４層の上に形成される、上記３に記載の光学部材の製造方法。
５．
前記第１厚さは、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、上記１から４のいずれか１つに記載の光学部材の製造方法。
６．
前記第２厚さは、４ｎｍ以上１５ｎｍ以下である、上記１から５のいずれか１つに記載の光学部材の製造方法。
７．
前記第２層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、五酸化ニオブ、五酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン及び酸化亜鉛からなる群から選択された少なくとも１種を含む、上記１から６のいずれか１つに記載の光学部材の製造方法。
８．
前記透光性基板は、サファイア基板である、上記１から７のいずれか１つに記載の光学部材の製造方法。

【符号の説明】

【0043】

１、２：光学部材
１０：透光性基板
１１：酸化珪素層
１２：酸化アルミニウム層
１２Ａ：ベーマイト層
１３：酸化珪素層
１５：酸化アルミニウム層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】