光学コーティングの原理とは何ですか?

光学コーティングと言えば、なじみがない人が多くいるかもしれないが、実はよく使われている重要な技術です。日常に使われるメガネ、カメラレンズ、スマートフォン、スマートウォッチだけでなく、チップの設計、自動車関連機器など、すべて光学コーティングに関連しています。 本記事では光学コーティングの原理、工程、適用分野、そして材料について説明し、さらに光学部品との関係性について理解を深めるように解説します。

光学コーティングとは何ですか？ここで説明！

光学コーティングは精密光学部品におけるよく行う工程の1つで、膜積層体が重なった構造となっています。その光学性能（高反射、ビームスプリッタ、フィルター、反射防止など）は、膜の厚みと媒質の異なる屈折率により反射、透過、散乱、吸収などの光学性能を提供し、レンズ、スマートフォンやカメラのレンズ、フィルター、光学機器、ウェハーなどの光学部品に幅広く運用することができます。

光学コーティング技術

光学コーティングにおける成膜方法はいくつがありますが、基本には「ウェットコーティング」と「ドライコーティング」に分けられます。光学性能の要求、精度、感度、解像度を満足させるためには、誘電体膜、金属膜、または交互に重なった膜を積層します。 以下、光学コーティング技術とその特徴を解説いたします。ご参考になれば幸いです。

プラズマスパッタリング

パッタリングは2極スパッタリング法とマグネトロンスパッタリングなどありますが、主に不活性ガスをプラズマ化させて成膜を行います。低真空中でArを導入し、高電圧をかけ放電することにより、Ar原子をイオン化されターゲットに衝突し、そのターゲットの原子が叩き出され、基板に付着して薄膜が形成されます。 プラズマスパッタリングのメリットは、膜となるターゲットの原子のエネルギーが大きく、成膜の付着力が強いことです。

 

イオンビームスパッタリング(IBSD)

イオンビームスパッタリングは高真空で、イオン源から高エネルギーに加速したイオンビーム(通常800V～1500V)は、マグネットで加速させ、ターゲットを叩き、緻密な薄膜の形成が可能で、成膜において高精度および高い再現性が得られることはメリットとなっています。

 

イオンビームアシスト蒸着 (IAD)

イオンビームアシスト蒸着は、中和用電子の使用により、高真空で均質な薄膜が形成され、電圧、電流、そしてイオンビームの入射角度と位置を調整できます。また、UV照射、加熱、イオンプレーティング、レーザー照射、プラズマアシストなどにより、成膜材料の粒子のエネルギーを大きくすることができます。

蒸着時に空気圧の上昇は薄膜内に気泡の原因になったり、電荷によって異常放電が発生し、薄膜にダメージを与える状況があるため、近年にはイオンビームアシスト蒸着と併用するプラズマアシストにより、高真空で中和電子が照射されることで良質な薄膜が成形されます。

 

蒸着法

蒸着コーティングにおいて、ターゲットは加熱、または電子ビームの衝撃で蒸発され、基板の表面に付着し、薄膜の強度と密着度を向上させます。加熱温度、真空圧力、基板位置と回転速度をコントロールしながら、厚みが均一化な薄膜が成形されます。
蒸着コーティングの薄膜は、比較的にやわらかい膜であり、不均一な膜や多孔質な膜になる傾向があります。また、周囲の水分を吸収し、成膜の屈折率が変化してしまい、性能が低下になることがあります。薄膜を強化するため、イオンビームアシストで基板における成膜材料の密着度を向上させることができます。

 

原子層堆積法

蒸着法とは違い、原子層沉積法の成膜材料は蒸発する必要がなく、直接にガスでコーティングを施します。原子層沉積法は同じく高温状態で行いますが、前駆体ガスを投入して基板表面と化学反応を起こし、基板表面に薄膜を一層ず形成していくため、成膜の厚みやデザインをコントロールできます。ナノ工程とマイクロ電子デバイスに適されていますが、成膜スピードが遅いことがデメリットです。

 

SWCコーティング

SWCコーティングと従来の光学コーティングとの一番大きいな違いは、SWCコーティングは基板表面のパターンを変えて特殊なコーティングです。そのパタンはリソグラフィで作った所定パターンとドライエッチングで作ったランダムパターンがあります。

光学コーティング材料

光学コーティングは膜積層体で構成され、使用されてる材料は様々ですが、通常は構造低屈折率材料(例：酸化ケイ素またはフッ化マグネシウム)と高屈折率材料(例：酸化チタンまたは酸化タンタル)を組み合わせることが多いです。高屈折率材料において、屈折率が高くて、化学的に安定しており、低導電性で、耐水性及び付着力が優れるとう特徴を有しているため、半導体部品や撥油フィルムなどの分野によく使用されています。低屈折率材料において、付着力が良好で、スクラッチに強く、耐酸性および耐アルカリ性であり、化学的に安定しており、ほかの材料と反応しにくい特徴を有しています。このように、異なる材料と工程を取り合わせ、ユニークな光学特性を有する光学薄膜を作り出していきます。

光学コーティングの用途は？

日常品における応用

光学コーティングは、メガネ、スマートフォン、カメラ、監視カメラ、自動車向け装飾コーティング、車載ヘッドアップディスプレイ、車載パネル、産業用制御機器、ウェアラブルデバイス、家電製品、照明機器などの様々な身の回りの日常製品に応用され、製品の性能を向上させるだけでなく、日常生活に便利さと快適さを実現してくれます。例えば、メガネのレンズに反射防止コーティングを施すことで、反射とグレアを軽減し、視覚の明瞭さを向上させることができます。スマートフォンやタブレットには、指紋つかないように視認性を向上させるために、指紋防止コーティングと反射防止コーティング施されています。カメラのレンズには、透過率および画像の鮮明さを高めるために光学コーティングを施されています。家庭用電化製品には、光学コーティングで画質と視認性を向上させることができます。

 

科学技術における応用

フィルター

光学フィルターには様々な機能と用途があり、主は特定の波長帯域をカット(阻止)し、光学部品の透過率を向上させたり、色を調整したりするために使用されます。フィルターには、レーザーラインフィルター、赤外長波長通過フィルター、赤外バンドパスフィルターなどがあります。レーザーラインフィルターとは、レーザー機器や装置において、特定の波長を通過させながら、単一波長または特定波長をカット(阻止)する光学部品であり、阻止帯域が広くて、高いブロッキング性能を有し、帯域の精度が優れ、そして高透過率で性能が安定して高い信頼性があることなどのメリットがあるため、主に生物化学分析機器、レーザー分析機器、医療用レーザー機器などに使用されています。 

赤外長波長パスフィルターと赤外バンドパスフィルターとは、主に単結晶シリコンを基板としており、阻止域での高いブロッキング性能かつ透過域での透過率が高く、膜の付着強度が強く、表面品質が優れ、吸収が少なく、安定して信頼性が高いなどのメリットがあります。主に測温センサー、ガス検出器、光学検出器、自動車用センサー、ウェルネススマートウォッチなどに応用されています。

反射防止コート(ARコート)

反射防止コートは、基板の表面に施す光学コーティングの１つで、光の干渉を利用し、反射を減少させ、透過率を増やします。主にレンズ、パネル、スマートフォンやその他の光学部品に施され、より鮮明で高画質な画像を実現しています。

 

結論

当記事を読むことで、光学コーティングにに対する理解が深まると思います。光学コーティングは、メガネ、カメラレンズ、光通信などのに応用されることが増え、関連の技術発展と工程が進んでいくことによって、より高い性能を実現できます。当社は、光学薄膜の設計とサービス提供において15年以上の経験を持ち、多種成膜材料のコーティング、ガラス加工、研削、化学薬品の製造委託サービスを提供しています。また、当社は、国内のコーティング工場および海外の企業と提携しながら、優れた実績を持っています。国内外において有名なメーカーの蒸着装置および各種加工ツールを取り入れ、スマートフォンレンズ、監視カメラレンズ、産業用制御機器、車載パネル、ウェーハウェーハ製品、人工衛星用の光学部品などに注力しています。