JPH06329444A

JPH06329444A - イオンビームを用いたガラスの表面処理方法及びガラス部材

Info

Publication number: JPH06329444A
Application number: JP5118061A
Authority: JP
Inventors: Terunori Kobayashi; 輝紀小林
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-05-20
Filing date: 1993-05-20
Publication date: 1994-11-29

Abstract

(57)【要約】【目的】ガラスにイオンを注入してガラス表面部の屈
折率を変化させる際、ガラス表面の荒れを防いで処理工
程を効率化する。【構成】ガラス８に、このガラス８を構成する元素中
の所望の元素と反応する元素を有するイオンビーム１０
を照射し、イオンビーム１０を構成する元素をガラス８
を構成する元素と反応させてガラス内部に注入すること
で、このガラス表面部の屈折率を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラスからなる光学素
子（レンズ、プリズム等）の表面処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガラスからなる光学素子におい
て、この素子表面での光の反射を減らして透過率を増加
させたいときや表面での反射率を高めてミラーとして使
用したいときは、素子表面に薄膜を形成してこの薄膜が
反射防止膜や反射防止膜（反射膜）として機能するよう
にしていた。例えば、大気中の屈折率をｎ_o、薄膜を形
成する物質の屈折率をｎ、光学素子（ガラス）の屈折率
をｎ_sとすると、この薄膜を反射防止膜として機能させ
るためには、（ｎ_s＞ｎ＞ｎ_o）を満たす物質からなる
薄膜を成膜すればよい。また、より反射防止効果（透過
率）を高めるために下式を満たす屈折率を有する物質か
らなる薄膜を形成したり、薄膜を厚さｄが（ｎｄ＝λ/
4）（λは使用する波長）を満たすように成膜する場合
もあった。

【０００３】

【数１】

【０００４】さらに反射防止効果を高めるために、屈折
率の高い膜と屈折率の低い膜とを交互に積層させる場合
もあった。さらに反射防止効果を高めるために屈折率の
高い膜と低い膜とを交互に積層させる場合もあった。一
方、前記薄膜を反射膜として機能させるためには、屈折
率ｎ_sが（ｎ_o＜ｎ＞ｎ_s）を満たす物質からなる薄膜
を成膜していた。薄膜の厚さｄが、（ｎｄ＝λ/4）を満
たすようにすると反射率はより高まる。また、さらに反
射率を高めるために、反射防止膜と同様に屈折率の高い
膜と低い膜とを交互に積層させる場合もあった。

【０００５】このような薄膜をガラスからなる光学素子
上に形成させる場合、通常は、ＣＶＤ、ＰＶＤ等の成膜
方法を用いていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記薄膜を
形成する際に用いていた各種ＣＶＤ、ＰＶＤ等の成膜方
法では、薄膜形成時に水分、ガス、成膜装置構成物質等
の不純物が薄膜中に取り込まれるという問題があった。
不純物が取り込まれると薄膜の性質が変化してしまうの
で、薄膜全体が一様な性質とならず光学的特性が低下す
る。また、レンズ等の曲率を有する光学素子に薄膜を形
成する場合、膜厚が均一になるように成膜することが難
しいため膜厚ムラが生じ、これにより光学特性がばらつ
く等の問題が生じていた。また、薄膜として用いる物質
によっては、ガラスに対する密着性が低くて薄膜が剥が
れるという現象が生じていた。

【０００７】そこで、ガラスにイオンビームを照射して
このイオンをガラス内に注入するイオン注入法が提案さ
れた。一般に、ガラスの元素組成が変化すると、そのガ
ラスの屈折率は変化する。このイオン注入法は、ガラス
内（表面部）にイオンを注入して元素組成を変えること
で、表面部の屈折率を変化させるようにしたもので、表
面部の屈折率が高くなるようなイオンを注入すると反射
増加効果が得られ、屈折率が低くなるようなイオンを注
入すると反射防止効果が得られる。ところが、従来のイ
オン注入法では、ガラス表面が荒れるという現象が生じ
ていた。そのため、イオン注入の後でガラス表面を平滑
化しなければならず、手間と時間がかかり効率が悪かっ
た。本発明はこのような問題を解決することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的のために、本発
明では、ガラスに該ガラスを構成する元素中の所望の元
素と反応する元素を有するイオンビームを照射して、該
イオンビームを構成する元素を前記ガラスを構成する元
素と反応させてガラス内部に注入することで、該ガラス
表面部の屈折率を変化させるようにした（請求項１）。
また、前記イオンビームの射出時のエネルギーを50eV〜
４keV に設定した（請求項２）。

【０００９】

【作用】従来のイオン注入法では、イオンの（射出時
の）エネルギーを高く（10keV 以上）設定していたの
で、この高いイオンエネルギーによりガラス表面が荒れ
るという現象が生じていた。これに対して、本発明で
は、ガラスを形成する物質と反応し易い反応性（活性）
ガスを用いてイオンビームを発生させる。そして、この
イオンビームをガラスに照射することで、イオンビーム
に含まれる所定の元素とガラスを構成する元素とを反応
させてこのビーム中の元素をガラス内部に注入してガラ
スの表面部の屈折率を変化（低下または増加）させる。
そのため、従来のイオン注入法よりイオンのエネルギー
を低くしてもガラス内部にこのイオンビーム中の所望の
物質を注入させることができ、ガラス表面の荒れを防止
できる。

【００１０】イオンビームをガラスに照射するとこの反
応性ガスを構成するイオンとガラスを構成する元素との
間で化学反応が生じ、ガラス内部にイオンビーム中の特
定の元素を注入することができる。そして、注入する元
素の種類に応じてガラス表面の屈折率が高くなったり低
くなったりする。例えば、石英（SiO₂）系ガラスの表面
の反射防止効果を高めるときは、屈折率を低下させるた
めに誘電率の低いフッ素（Ｆ）をガラス内部に注入すれ
ばよい。この場合、F₂、CF₄（フッ化炭素）、SF₆ （六
フッ化イオウ）、CF₄（フロン14）、CClF₃ （フロン1
3）、CHF₃（フロン23）、C₂F₆（フロン116 ）等のフッ
素系のガスを反応ガスとして使用するとよい。逆に、反
射効果を高めるときは、屈折率を高くするために誘電率
の高いゲルマニウム（Ge）をガラス内部に注入すればよ
い。この場合、GeF₄（フッ化ゲルマニウム）やGeCl₄
（塩化ゲルマニウム）などを反応ガスとして使用するこ
とができる。また、リン酸（P₂O₅）系ガラスの場合も、
フッ素系のガスを反応ガスとして使用するとガラス表面
の屈折率を低下させて反射防止効果を高めることができ
る。反応性ガスは、イオンビームを生成するのに適当
な、常温、１Torr以下のときに気体であるものが望まし
い。

【００１１】ガラス表面部に形成される屈折率が変化し
た層（以下、屈折率変化層という）の厚さｄ₀は、ガラ
スに照射するイオンビームに与えるエネルギーによって
制御できる。従って、屈折率変化層の厚さｄ₀を、使用
する波長λ₀に対して、（ｎｄ₀＝λ₀/4）となるよう
に設定すれば、従来と同様、反射防止効果を高めること
が可能となる。

【００１２】なお、イオンビームに与えるエネルギーが
高いほど屈折率変化層が形成され易くなるが、過度に高
くすると照射したイオンの衝撃によってガラス表面が荒
れてしまう。そのため、前記イオンビームは、射出時の
エネルギーを50eV〜４keV に設定することが望ましい。
これよりもエネルギーを高くすると前述のようにガラス
表面が荒れ、低いとエネルギーが足りないためイオンビ
ーム中の元素がガラス内部に注入され難くなる。また、
イオンビームをガラス表面に対して垂直方向から入射さ
せた方が屈折変化層が形成され易くなる。

【００１３】

【実施例】図１は、本実施例で使用した処理装置の一例
を示す概略構成図である。本装置は、イオンビームを発
生させるイオン銃（イオンガン）、このイオン銃に接続
された真空容器９、真空容器９内に配置された被加工物
（石英ガラス[SiO₂]からなる光学素子）８を載置するた
めのステージ７、ステージ７を移動させる移動手段６と
を備えている。前記イオン銃は、反応性ガスに対しても
使用できるＥＣＲイオン銃であり、プラズマ生成室３、
生成室３に接続されたマイクロ波発生装置１とイオン化
ガス導入手段４、グリッド（電極板）５、および生成室
３の外部を囲むように設置された電磁石２とを備えてい
る。

【００１４】ここで、本装置のイオン銃によるイオンビ
ームの発生過程を説明する。まず、排気手段（図示せ
ず）よりプラズマ生成室３および真空容器８内を所定の
真空度（２×10^-6Torr程度）まで排気する。次に、マイ
クロ波発生装置１により周波数約2.45GHｚのマイクロ波
を発生させてこのマイクロ波を生成室３内に導入する。
そして、イオン化ガス導入手段４によってイオン化させ
るガス（反応性ガス）を生成室３内に導入し、この生成
室３内のガス圧を6.0 ×10^-5Torrに設定する。イオン化
ガスには SF₆（６フッ化いおう）を用いた。イオン化ガ
スの導入後、電磁石２によって生成室３内に875 ガウス
の磁場をかけると、この磁場の強さに対応する共鳴周波
数のマイクロ波と前記磁場とによって、光や熱等から発
生した電子が電子サイクロトロン共鳴と呼ばれる回転振
動を起こしプラズマ（ＥＣＲプラズマ）１１が生成され
る。この状態で、図示していない印加手段によりグリッ
ド５に電圧を印加すると、プラズマ１１が充満した空間
に電位勾配が生じ、プラズマ１１中のイオンはイオンビ
ーム１０として引き出される。イオンビームに与えるエ
ネルギーは、イオンの加速電圧（グリッド５に印加する
電圧）を制御することで設定される。本実施例では、イ
オンの加速電圧が1.5keVとなるようにした。

【００１５】移動手段６は、被加工物８を載置するステ
ージ７を図のようにθ方向に回転ささせる回転機構と、
ＸＹＺ方向へ移動させる移動機構（共に図示せず）とを
備えている。また、ステージ７の回転軸をα、β方向に
傾けることができるように構成されている。この移動手
段６は、被加工物８の形状等に基づいて数値制御される
ように構成してもよい。

【００１６】以下、本実施例における表面処理過程を説
明する。まず、前述のようにイオン銃によってイオンビ
ーム１０を発生させ、この状態で移動手段６によりステ
ージ７上の被加工物８を回転（自転）させながらＸＹＺ
方向へ適宜移動させて、被加工物８表面にイオンビーム
１０が照射されるようにした。この時、被加工物８の回
転軸を適当量傾けて、被加工物８表面にイオンビーム１
０が一様に照射されるようにした。また、被加工物８表
面にイオンビームが垂直方向から入射するようにステー
ジ７を移動させて、屈折率変化層を効率よく形成できる
ようにした。被加工物８にはイオンビームを20分程照射
した。

【００１７】本実施例によれば、イオンビームに含まれ
るフッ素イオンが石英ガラスである被加工物８中のケイ
素と化学反応を起こし、石英ガラス中に取り込まれてい
く。その結果、石英ガラス表面にはフッ素を含むことで
屈折率が低下した層（以下、屈折率低下層という）が形
成される。この屈折率低下層が反射防止膜（層）として
機能する。表１は、本実施例で処理された石英ガラス表
面部の組成状態をＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析機）で測
定し、加工前の組成状態からの変化率を示したものであ
る。

【００１８】

【表１】図２は、本実施例で処理した石英ガラスのデプ
スプロファイルをＸＰＳで測定した結果を示すグラフで
ある。横軸は表面からの深さ、縦軸は石英ガラスの元素
組成比を示す。図２に示すように、ガラス表面から約50
nmの深さまでフッ素が注入され、この部分の組成が変化
したことがわかる。石英ガラス表面におけるフッ素の含
有率は約15％であり、フッ素を取り込んだ層（屈折率低
下層）は処理を行っていない石英ガラスに比べて屈折率
が 0.1％程低下していた。表面処理後の石英ガラスの透
過率を測定したところ、紫外線領域の波長に対しては未
処理の石英ガラスに比較して透過率が数％増加し、反射
防止効果が向上したことが確認できた。つまり、この組
成が変化した部分（屈折率変化層）が、反射防止膜
（層）として機能している。この屈折率変化層の厚さ
は、イオンビームに与えるエネルギーの大きさおよび照
射時間を変えることで制御でき、エネルギーを大きくま
たは照射時間を長くすれば層の厚さは増加する。

【００１９】図３は、本実施例で表面処理した石英ガラ
スに対して垂直方向から入射した光の波長と、この波長
に対する石英ガラスの透過率との関係を示すグラフであ
る。表面処理前の石英ガラスの屈折率を1.46、処理によ
り形成された屈折率変化層の最表面部の屈折率を1.36、
形成された屈折率変化層の厚さを50nmとしてある。ま
た、屈折率変化層においては、その屈折率は石英ガラス
の深さ方向に比例して、最表面部の1.36から未変化部
（処理前と屈折率が変化していない部分）の1.46まで直
線的に変化しているものとした。比較のために、表面処
理を施していない他は同一の条件で測定された石英ガラ
スの透過率を点線で示す。図から、本実施例の石英ガラ
スの透過率が向上（つまり、反射率が低下）し、前記屈
折率変化層が反射防止機能を有していることがわかる。
この傾向は、照射した光の波長が短いほど顕著となっ
た。

【００２０】なお、本実施例では屈折率変化層が反射防
止膜として機能するようにしたが、反応性ガスの種類を
変えて（例えば、GeF₄、GeCl₄ ）石英ガラス表面の屈折
率を高くすれば、屈折率変化層を反射膜として機能させ
ることもできる。

【００２１】

【発明による効果】本発明では、ガラスを構成している
物質と反応し易い反応性ガスを用いてイオンビームを生
成し、このビームをガラスに照射する。そのため、従来
のイオン注入法よりイオンのエネルギーを低くしても、
ガラス内部にこのイオンビーム中の所望の物質を注入さ
せてガラスの表面部の屈折率を変化（低下または増加）
させることができる。その結果、照射されるイオンのエ
ネルギーによってガラス表面が荒れることがない。従っ
て、イオン注入後にガラス表面を平滑化する後処理が不
要となり、ガラスの表面処理を効率よく実施することが
できる。

【００２２】また、ガラスからなる光学素子自身の表面
に屈折率か変化した層を形成し、この層を反射膜や反射
防止膜として機能させるため、ガラス表面に薄膜を形成
してこの薄膜を反射膜や反射防止膜として機能させる必
要がなく、光学素子の耐久性が向上する。さらに、前記
屈折率変化層は、層全体が均一な性質となると共に層の
厚さも一定にできるので、光学的特性が一様となり光学
素子の信頼性が向上する。

【００２３】本発明で得られる屈折率変化層は耐久性が
よく、レーザや短波長光のようなエネルギーの大きな光
に対して特に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明に用いた処理装置の一例を示す概略
構成図である。

【図２】は、実施例で表面処理を行った石英ガラス表面
部の深さ方向の組成状態をＸＰＳで測定した結果を示す
グラフである。横軸は表面からの深さ、縦軸は石英ガラ
スの元素組成比を示す。

【図３】は、実施例で処理した石英ガラスに対して垂直
方向から入射した光の波長と、この波長に対する石英ガ
ラスの透過率との関係を示すグラフである。

【主要部分の符号の説明】

１マイクロ波発生装置２電磁石３プラズマ生成室４イオン化ガス導入手段５グリッド６移動手段７ステージ８被加工物９真空容器１０イオンビーム１１プラズマ（ＥＣＲプラズマ）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラスに該ガラスを構成する元素中の所
望の元素と反応する元素を有するイオンビームを照射し
て、該イオンビームを構成する元素を前記ガラスを構成
する元素と反応させてガラス内部に注入することで、該
ガラス表面部の屈折率を変化させることを特徴とするイ
オンビームを用いたガラスの表面処理方法。
【請求項２】前記イオンビームの射出時のエネルギー
を、50eV〜４keV に設定することを特徴とする請求項１
記載のイオンビームを用いたガラスの表面処理方法。
【請求項３】請求項１または２記載の表面処理方法に
よって表面部に屈折率の変化した層が形成されているこ
とを特徴とするガラス部材。