The design and fabrication of all carbon-based aperiodic multi-layered infrared filter
| Project/Area Number |
19K15405
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 28030:Nanomaterials-related
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| Research Institution | Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
近藤 裕佑 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 和泉センター, 研究員 (30470397)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
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| Keywords | a-C:H / 炭素系薄膜 / 光学薄膜 / 赤外線反射膜 / 非周期構造 / 応力制御 / a-C：H / 構造最適化 / カーボン系薄膜 / ダイヤモンドライクカーボン / プラズマCVD / 赤外線広帯域反射膜 / 非周期光学薄膜 |
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| Outline of Research at the Start |
太陽光赤外線の広帯域な遮蔽・集光用途や各種の赤外線センサーの高機能化のために、赤外線領域の光学特性を自由に制御できる薄膜コーティング技術が求められている。しかし、既存の赤外線領域の光学材料は耐久性に乏しく、光学定数を自由に制御できる材料がない。そこで、本研究ではこれらの課題をオールカーボン積層膜で解決する。カーボン薄膜は耐久性の高さに加え、成膜条件の調整により光学定数を一定の範囲内で調整することができるという特徴を持つ。しかし通常の光学干渉膜としてカーボンを代替しても光学設計の自由度が低く実用性が低い。そこで新規な非周期・超多層積層構造を用いて実用的な赤外線フィルターを設計し製作を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
太陽光赤外線の広帯域な遮蔽・集光用途や各種の赤外線センサーの高機能化のために、赤外線領域の光学特性を自由に制御できる薄膜コーティング技術が求められている。しかし、既存の赤外線領域の光学材料は耐久性に乏しく、光学定数を自由に制御できる材料がない。そこで、本研究ではこれらの課題をオールカーボン積層膜で解決する。カーボン薄膜は耐久性の高さに加え、成膜条件の調整により光学定数を一定の範囲内で調整することができるという特徴を持つ。しかし通常の光学干渉膜としてカーボンを代替しても光学設計の自由度が低く実用性が低い。そこで新規な非周期・超多層積層構造を用いて実用的な赤外線フィルターを設計し製作を行う。
本研究でカーボン薄膜の作製に使用するプラズマ支援気相成長法は、プラズマ源と基板を分離することで基板へのダメージを低減した製膜ができるが、積層数の増加に伴い、DLCの持つ内部応力が蓄積し基板からの剥離、あるいは基板変形といった課題が確認された。そこで本年度は、単層膜の成膜条件と積層構造が膜応力に及ぼす影響を定量的に測定し、構造全体での応力の緩和を目標とした研究を行った。その結果、以下のことが明らかになった。
内部応力値（圧縮応力）は基板パルスバイアスの絶対値の増加に伴い、一定値までほぼ線形増加し、一定値以上では飽和した。これを分光エリプソメーターにより評価したところ、高内部応力膜は高屈折率（高消衰係数）と、正の相関が確認された。また、基板パルスバイアス値及び製膜ガス圧を調整することにより、圧縮応力から引張応力へ転換する点があることを確認した。さらに、圧縮応力膜と引張応力膜をその混合割合を変えて、数十層程度積層することで、膜全体の応力値が混合割合により制御できることが確認された。今後、応力制御を用いて剥離や基板変形のない、実用的な赤外線フィルターの試作を進める。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の目的は、プラズマ支援気相成長法を用いて作成されるカーボン積層膜により耐久性が高くかつ周期構造や準周期構造では作製できない広帯域の高反射率の光学膜の設計及び製作を行うことである。研究遂行に付随する技術的な目標としては、①高速で効率的な設計プログラムの作成と②数百層程度のカーボン膜の積層技術開発である。本研究でカーボン薄膜の作製に使用するプラズマ支援気相成長法は、プラズマ源と基板を分離することで基板へのダメージを低減した製膜ができるが、積層数の増加に伴い、DLCの持つ内部応力が蓄積し基板からの剥離、あるいは基板変形といった課題が確認された。そこで本年度は、単層膜の成膜条件と積層構造が膜応力に及ぼす影響を定量的に測定し、構造全体での応力の緩和を目標とした研究を行った。その結果、以下のことが明らかになった。
内部応力値（圧縮応力）は基板パルスバイアスの絶対値の増加に伴い、一定値までほぼ線形増加し、一定値以上では飽和した。これを分光エリプソメーターにより評価したところ、高内部応力膜は高屈折率（高消衰係数）と、正の相関が確認された。また、基板パルスバイアス値及び製膜ガス圧を調整することにより、圧縮応力から引張応力へ転換する点があることを確認した。さらに、圧縮応力膜と引張応力膜をその混合割合を変えて、数十層程度積層することで、膜全体の応力値が混合割合により制御できることが確認された。
以上、②の目的の数百層程度のカーボン膜の積層技術開発について、剥離や膜変形の無い安定した積層構造作製に必要となる応力値制御について定量的な知見が得られた。以上から、本研究はおおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
プラズマアシストCVD製膜装置を用いて、内部応力値と光学定数値の異なるカーボン膜を作製し、製膜条件が光学定数値と内部応力値へ及ぼす影響をより広範囲に評価する。また、恒温恒湿試験など実環境を想定した耐久性についても定量的な評価を行い、実用的な製膜条件について評価する。
一定以下の膜厚層の除去、三種類以上の光学定数値を含む膜など総積層数のより少ない積層膜について設計プログラムを改良する。また、剥離や耐久性の評価結果を基に、内部応力が一定以下となる制約条件下において、光学特性を最適化するよう設計プログラムを改良する。
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Report
(2 results)
Research Products
(4 results)
