JP2759568B2 - Manufacturing method of optical functional element - Google Patents
Manufacturing method of optical functional elementInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、透光性材料の内部に金
属が分散した光学機能素子を製造する方法に係り、特に
金属クラスターを透光性材料の薄膜内に混入させること
により前記光学機能素子を製造する方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing an optical functional element in which a metal is dispersed in a light-transmitting material, and more particularly to a method for manufacturing the optical function element by mixing a metal cluster into a thin film of the light-transmitting material. The present invention relates to a method for manufacturing a functional device.
【0002】[0002]
【従来の技術】酸化物ガラス材料、酸窒化ガラス材料内
に各種金属粒子が分散されたものは、光学機能素子とし
て使用することが可能である。この種の光学機能素子に
例えばレーザ光を与えると、ガラス内に分散している金
属が自己分極を生じ、非線形光学効果や、レーザ効果を
発揮でき、各種の小型光学装置に利用できることが予測
されている。2. Description of the Related Art An oxide glass material or an oxynitride glass material in which various metal particles are dispersed can be used as an optical function element. For example, when laser light is applied to this type of optical functional element, it is expected that the metal dispersed in the glass will cause self-polarization, exhibit nonlinear optical effects and laser effects, and can be used for various small optical devices. ing.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際に
は前記ガラス材料中に微小な金属を分散させるのは非常
に困難である。ガラス材料の内部に微小金属を分散させ
る方法として例えば酸化物ガラス材料または酸窒化ガラ
ス材料を化学気相成長法やスパッタリングなどで合成さ
せ、同時にその内部に金属を分散させて析出させること
が考えられるが、この場合、原料ガスの段階で金属が気
体中の酸素原子や窒素原子と反応して酸化物または窒素
酸化物などとなり、金属がその状態を維持したままガラ
ス中に均一に分散することは困難である。However, in practice, it is very difficult to disperse minute metals in the glass material. As a method of dispersing the fine metal inside the glass material, for example, it is considered that an oxide glass material or an oxynitride glass material is synthesized by a chemical vapor deposition method, sputtering, or the like, and at the same time, the metal is dispersed and deposited inside the glass material. However, in this case, at the stage of the raw material gas, the metal reacts with oxygen atoms or nitrogen atoms in the gas to form oxides or nitrogen oxides, and the metal is uniformly dispersed in the glass while maintaining that state. Have difficulty.
【0004】本発明は上記従来の課題を解決するもので
あり、微小金属が透光性材料中に均一に分散した光学機
能素子を製造できるようにすることを目的としている。An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to make it possible to manufacture an optical functional element in which fine metals are uniformly dispersed in a light-transmitting material.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明による光学機能素
子の製造方法は、透光性材料の膜を合成する反応室の上
方位置に超高温によるプラズマ発生手段を設け、このプ
ラズマ発生手段により発せられたプラズマ中に金属原子
を含む液体を供給して金属クラスターを生成し、前記反
応室内にて合成する前記膜中にこの金属クラスターを分
散させて介在させることを特徴とするものである。According to a method of manufacturing an optical function element according to the present invention, a plasma generating means for generating an ultrahigh temperature is provided at a position above a reaction chamber for synthesizing a film of a light-transmitting material, and the plasma is generated by the plasma generating means. A liquid containing metal atoms is supplied into the obtained plasma to generate metal clusters, and the metal clusters are dispersed and interposed in the film to be synthesized in the reaction chamber.
【0006】[0006]
【作用】上記手段では、例えば化学気相成長法(CVD
法)により、Siなどの金属原子を含む気体と、酸素原
子または窒素原子を含む気体とを反応させるなどして、
基板上に非晶質の酸化金属または酸窒化金属による透光
性材料の膜を析出させる。この薄膜を析出させる過程に
おいて、反応室の上方に配置した例えば高周波誘導プラ
ズマ発生装置などの超高温によるプラズマ発生手段内に
金属原子を含む液体を供給してこの金属原子どうしが結
合したクラスターを生成する。そして反応室内にて析出
させられる膜の中に金属クラスターを分散させ、非晶質
の透光性材料の薄膜中に金属粒子が分散した光学機能素
子を製造する。In the above means, for example, a chemical vapor deposition method (CVD)
Method), by reacting a gas containing a metal atom such as Si with a gas containing an oxygen atom or a nitrogen atom,
A film of a light-transmitting material made of amorphous metal oxide or metal oxynitride is deposited on a substrate. In the process of depositing this thin film, a liquid containing metal atoms is supplied into an ultra-high temperature plasma generating means such as a high-frequency induction plasma generator disposed above the reaction chamber to generate clusters in which the metal atoms are bonded to each other. I do. Then, metal clusters are dispersed in a film deposited in the reaction chamber, and an optical functional element in which metal particles are dispersed in a thin film of an amorphous translucent material is manufactured.
【0007】[0007]
【実施例】以下本発明の実施例を説明する。図1は本発
明による光学機能素子を製造する製造装置の構造説明
図、図2は光学機能素子の製造過程を説明する説明図で
ある。図1に示す製造装置の構造を説明する。符号1は
石英管などによって形成された反応管であり、その内部
が反応室Aとなっている。符号2はマイクロ波プラズマ
発生装置である。2aはマイクロ波発振器であり、この
実施例では、サイクロトロンにより2.45GHzのマ
イクロ波が発振される。2bは導波管、2cは整合器、
2dは反射板である。シリコン(Si)基板31は、反
応室A内にて支持部材4上に設置される。支持部材4
は、その上端にホルダ4aが設けられ、このホルダ4a
に前記基板31が設置される。ホルダ4aは、窒化シリ
コン(Si3N4)などによって形成されている。ホルダ
4aの支持部4bは石英管ならびに金属管により構成さ
れている。Embodiments of the present invention will be described below. FIG. 1 is a structural explanatory view of a manufacturing apparatus for manufacturing an optical functional element according to the present invention, and FIG. The structure of the manufacturing apparatus shown in FIG. 1 will be described. Reference numeral 1 denotes a reaction tube formed by a quartz tube or the like, and the inside thereof is a reaction chamber A. Reference numeral 2 denotes a microwave plasma generator. Reference numeral 2a denotes a microwave oscillator. In this embodiment, a microwave of 2.45 GHz is oscillated by the cyclotron. 2b is a waveguide, 2c is a matching device,
2d is a reflection plate. The silicon (Si) substrate 31 is set on the support member 4 in the reaction chamber A. Support member 4
Is provided with a holder 4a at its upper end.
The substrate 31 is installed on the substrate. The holder 4a is formed of silicon nitride (Si 3 N 4 ) or the like. The support portion 4b of the holder 4a is composed of a quartz tube and a metal tube.
【0008】反応室Aの上方には、高周波誘導プラズマ
発生装置10が設けられている。この高周波誘導プラズ
マ発生装置10は、イオンビーム管11と、このイオン
ビーム管11の周囲に設けられた高周波誘導コイル12
と、イオンビーム管11の上方に設けられたカーボンロ
ッド13と、イオンビーム管11の上方に開口する水溶
液導入口14とから構成されている。また反応室Aの側
方にはガス供給ノズル6が配置されている。このガス供
給ノズル6は多重管である。このガス供給ノズル6によ
り反応室A内に、透光性材料の薄膜を合成するためのガ
スが供給される。反応室Aには排気管7が接続されてお
り、排気ポンプにより反応室A内が10torr程度の圧力
に設定される。A high frequency induction plasma generator 10 is provided above the reaction chamber A. The high-frequency induction plasma generator 10 includes an ion beam tube 11 and a high-frequency induction coil 12 provided around the ion beam tube 11.
And a carbon rod 13 provided above the ion beam tube 11, and an aqueous solution introduction port 14 opened above the ion beam tube 11. Further, a gas supply nozzle 6 is arranged on the side of the reaction chamber A. This gas supply nozzle 6 is a multiple pipe. A gas for synthesizing a thin film of a light-transmitting material is supplied into the reaction chamber A by the gas supply nozzle 6. An exhaust pipe 7 is connected to the reaction chamber A, and the pressure in the reaction chamber A is set to about 10 torr by an exhaust pump.
【0009】この実施例は、基板31の表面に透光性材
料として非晶質の酸化シリコン(SiO2)を析出させ
る場合について示しており、その反応のためのガスとし
てガス供給ノズル6から反応室A内にシランガス(Si
H4)と笑気ガス(N2O)が供給され、これが反応室A
内にて混合される。シランガスは爆発性を有しているた
め、予め窒素ガス(N2)にて希釈されたものが使用さ
れる。シランガスを希釈するガスとしては窒素ガスが最
適であるが、他にキセノン、クリプトン、水素、アルゴ
ンなどの各ガスを使用することが可能である。また金属
クラスターを生成するための液体としては、例えばAl
Cl3とCrO2Cl2の水溶液が使用され、これが高周
波誘導プラズマ発生装置10内のイオンビーム管11内
に供給される。This embodiment shows a case where amorphous silicon oxide (SiO 2 ) is deposited as a light-transmitting material on the surface of a substrate 31, and a reaction gas is supplied from a gas supply nozzle 6 as a gas for the reaction. Silane gas (Si
H 4 ) and laughing gas (N 2 O) are supplied to the reaction chamber A.
Mixed within. Since the silane gas has an explosive property, a gas diluted with nitrogen gas (N 2 ) in advance is used. As the gas for diluting the silane gas, nitrogen gas is optimal, but other gases such as xenon, krypton, hydrogen, and argon can be used. As a liquid for forming metal clusters, for example, Al
An aqueous solution of Cl 3 and CrO 2 Cl 2 is used, and is supplied into an ion beam tube 11 in the high-frequency induction plasma generator 10.
【0010】次に上記装置を使用して光学機能素子を製
造する方法について、図1と図2を参照して説明する。
上記装置において、マイクロ波プラズマ発生装置2によ
り反応室A内にマイクロ波を与え、ガス供給ノズル6か
ら反応室A内にシランガスならびに笑気ガスを導入する
と、反応室A内にマイクロ波によるプラズマが発生し、
基板31の表面に非晶質の酸化シリコン(SiO2)の
薄膜32が析出される。この酸化シリコンの薄膜32が
合成されていく過程において、上方に位置する高周波誘
導プラズマ発生装置10の高周波誘導コイル12に高周
波を与え、上方の水溶液導入口14から例えばAlCl
3とCrO2Cl2の水溶液を供給する。高周波誘導加熱
によりイオンビーム管11内の超高温域において前記水
溶液が原子状態に解離され、尾炎部Bと称される低温部
において超高温領域の気体から化合物が生成される。こ
の化合物はAlとAlまたはAlとCrあるいはCrと
Crとが結合した金属クラスターである。Next, a method for manufacturing an optical functional element using the above-described apparatus will be described with reference to FIGS.
In the above-described apparatus, when microwaves are applied to the reaction chamber A by the microwave plasma generator 2 and silane gas and laughing gas are introduced into the reaction chamber A from the gas supply nozzle 6, plasma by the microwave is generated in the reaction chamber A. Occurs
A thin film 32 of amorphous silicon oxide (SiO 2 ) is deposited on the surface of the substrate 31. In the process of synthesizing the silicon oxide thin film 32, a high frequency is applied to the high frequency induction coil 12 of the high frequency induction plasma generator 10 located above, and, for example, AlCl 3 is supplied from the upper aqueous solution introduction port 14.
3 and an aqueous solution of CrO 2 Cl 2 are supplied. The aqueous solution is dissociated into an atomic state in an ultra-high temperature region in the ion beam tube 11 by high-frequency induction heating, and a compound is generated from a gas in the ultra-high temperature region in a low temperature portion called a tail flame portion B. This compound is a metal cluster in which Al and Al, Al and Cr, or Cr and Cr are bonded.
【0011】この金属クラスター33は、尾炎部Bから
反応室A内に送りこまれ、この時点で金属クラスター3
3はN2Oなどの反応ガスの雰囲気中に入るため、図2
にて符号34で示すように、金属クラスター33の周囲
に酸窒化膜が被覆された状態となる。この符号34で示
す酸窒化膜が形成された金属クラスターは成膜中の酸化
シリコンの内部に分散して入りこみ、酸化シリコンの薄
膜32中にAlとAlあるいはAlとCrまたはCrと
Crの結合した金属粒子が分散して介在する光学機能素
子が製造される。The metal cluster 33 is sent from the tail flame section B into the reaction chamber A. At this point, the metal cluster 3
2 is in the atmosphere of a reaction gas such as N 2 O.
As indicated by reference numeral 34, the state around the metal cluster 33 is covered with an oxynitride film. The metal cluster formed with the oxynitride film indicated by reference numeral 34 is dispersed and enters the inside of the silicon oxide being formed, and Al and Al or Al and Cr or Cr and Cr are bonded into the silicon oxide thin film 32. An optical function element in which metal particles are dispersed and interposed is manufactured.
【0012】この光学機能素子は透光性の良好な非晶質
の酸化シリコン(SiO2)内にアルミニウムやクロー
ムなどの金属粒子が分散したものであり、レーザ光など
を透過させたときに金属粒子が自己分極を生じ、非線形
光学効果やレーザ効果を発揮して、種々の光学機器に応
用できるようになる。なお、薄膜32を構成する非晶質
の透光性材料としては酸化シリコン(SiO2またはS
iO)に限られず例えば酸窒化アルミニウム(Al−O
−N)、窒化アルミニウム(AlN)などであってもよ
い。酸窒化アルミニウムは、ガス供給ノズル6により反
応室A内に、臭化アルミニウム(AlBr3)、笑気ガ
ス(N2O)、窒素ガス(N2)を供給することにより合
成でき、また窒化アルミニウムはガス供給ノズル6によ
り臭化アルミニウム(AlBr3)と窒素ガス(N2)を
供給することにより合成できる。さらに、臭化アルミニ
ウム(AlBr3)とシランガス(SiH4)と笑気ガス
(N2O)と窒素ガス(N2)を供給することにより薄膜
32としてサイアロン(Si−Al−O−N)を合成す
ることも可能である。This optical function element is a material in which metal particles such as aluminum and chrome are dispersed in amorphous silicon oxide (SiO 2 ) having good translucency. The particles generate self-polarization, exhibit nonlinear optical effects and laser effects, and can be applied to various optical devices. The amorphous light-transmitting material forming the thin film 32 is silicon oxide (SiO 2 or S
Not limited to iO), for example, aluminum oxynitride (Al-O
-N) or aluminum nitride (AlN). Aluminum oxynitride can be synthesized by supplying aluminum bromide (AlBr 3 ), laughing gas (N 2 O), and nitrogen gas (N 2 ) into the reaction chamber A by the gas supply nozzle 6. Can be synthesized by supplying aluminum bromide (AlBr 3 ) and nitrogen gas (N 2 ) through a gas supply nozzle 6. Further, by supplying aluminum bromide (AlBr 3 ), silane gas (SiH 4 ), laughing gas (N 2 O) and nitrogen gas (N 2 ), sialon (Si-Al-ON) is formed as the thin film 32. It is also possible to synthesize them.
【0013】さらに非晶質の透光性材料により薄膜32
を合成する方法としてはプラズマ発生装置2を使用した
プラズマCVD法に限られるものではなく、熱CVD
法、レーザCVD法あるいはCVD法以外のスパッタリ
ング法により形成することも可能である。これらの場
合、各方法により薄膜32を製造する反応室の上方領域
に高周波誘導プラズマ発生装置10を設けることによ
り、非晶質の透光性材料内に金属粒子が分散した光学機
能素子を製造することが可能である。さらに高周波誘導
プラズマ発生装置に供給する液体は、例えば臭化アルミ
ニウム(AlBr3)の水溶液などであってもよい。こ
の場合の金属クラスターはAlとAlの結合したものと
なる。Further, the thin film 32 is made of an amorphous translucent material.
Is not limited to the plasma CVD method using the plasma generator 2, but may be a thermal CVD method.
It can also be formed by a sputtering method other than the CVD method, the laser CVD method, or the CVD method. In these cases, the high-frequency induction plasma generator 10 is provided in the upper region of the reaction chamber where the thin film 32 is manufactured by each method, thereby manufacturing an optical functional element in which metal particles are dispersed in an amorphous translucent material. It is possible. Further, the liquid supplied to the high-frequency induction plasma generator may be, for example, an aqueous solution of aluminum bromide (AlBr 3 ). In this case, the metal cluster is a combination of Al and Al.
【0014】[0014]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、透光性材
料の内部に微小金属を均一に分散させた光学機能素子を
確実に合成できるようになる。As described above, according to the present invention, it is possible to reliably synthesize an optical functional element in which fine metals are uniformly dispersed in a translucent material.
【図1】本発明による光学機能素子の製造に使用される
プラズマCVD装置の装置構成を示す説明図、FIG. 1 is an explanatory view showing an apparatus configuration of a plasma CVD apparatus used for manufacturing an optical function element according to the present invention;
【図2】透光製材料中に金属粒子が分散して光学機能素
子が形成される過程を示す説明図、FIG. 2 is an explanatory view showing a process in which metal particles are dispersed in a light-transmitting material to form an optical functional element,
1 反応管 A 反応室 6 ガス供給ノズル 10 高周波誘導プラズマ発生装置 31 基板 32 非晶質の透光性材料による薄膜 33 金属クラスター Reference Signs List 1 reaction tube A reaction chamber 6 gas supply nozzle 10 high frequency induction plasma generator 31 substrate 32 thin film made of amorphous translucent material 33 metal cluster
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平井 敏雄 宮城県仙台市泉区高森3丁目4番地の91 (72)発明者 佐々木 眞 宮城県仙台市若林区南小泉3丁目1番3 号 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C23C 16/00 - 16/56 C23C 14/00 - 14/58 G02F 1/29 - 7/00 C03C 1/00 - 14/00────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Toshio Hirai 3-4-1 Takamori, Izumi-ku, Sendai-shi, Miyagi 91 (72) Inventor Makoto Sasaki 3-3-1 Minamikoizumi, Wakabayashi-ku, Sendai, Miyagi (58 6) Surveyed field (Int.Cl. 6 , DB name) C23C 16/00-16/56 C23C 14/00-14/58 G02F 1/29-7/00 C03C 1/00-14/00
Claims (1)
位置に超高温によるプラズマ発生手段を設け、このプラ
ズマ発生手段により発せられたプラズマ中に金属原子を
含む液体を供給して金属クラスターを生成し、前記反応
室内にて合成する前記膜中にこの金属クラスターを分散
させて介在させることを特徴とする光学機能素子の製造
方法。An ultra-high temperature plasma generating means is provided at a position above a reaction chamber for synthesizing a film of a light-transmitting material, and a liquid containing metal atoms is supplied to plasma generated by the plasma generating means. A method for producing an optical functional element, comprising forming clusters and dispersing and interposing the metal clusters in the film synthesized in the reaction chamber.
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JP26727291A JP2759568B2 (en) | 1991-09-18 | 1991-09-18 | Manufacturing method of optical functional element |
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JP26727291A JP2759568B2 (en) | 1991-09-18 | 1991-09-18 | Manufacturing method of optical functional element |
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- 1991-09-18 JP JP26727291A patent/JP2759568B2/en not_active Expired - Fee Related
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