-- OPTOMAN社コーティング比較 --
スパッタリング vs 蒸着
高度光学コーティングの分野では、成膜技術の選択が、膜の品質、再現性、そして過酷な条件下での性能に直接影響します。代表的なスパッタリングおよび蒸着法として、イオンビームスパッタリング（IBS）、マグネトロンスパッタリング（MS）、イオンビームアシストデポジション（IAD）、電子ビーム蒸着（EBE）などがあります。これらはいずれも多様な光学用途向けの薄膜製造に使用されますが、その動作原理、膜特性、および適用可能な用途は大きく異なります。各手法は、精度、スケーラビリティ、コストの独自のバランスを備えており、特定の光学性能を目標とする際には慎重な検討が必要です。これらの違いを理解することは、研究開発から量産環境に至るまで、最適な技術を選択する上で不可欠です。集中的なプロセス開発と高スループットの成膜運用により、OPTOMAN は IBSの主要なコスト要因を大幅に低減し、研究開発用途だけでなく量産用途においても非常に競争力の高い技術へと引き上げています。
メーカー
OPTOMAN（リトアニア）
イオンビームスパッタリング（IBS）
イオンビームスパッタリング（IBS）は、高精度な物理蒸着技術であり、高真空チャンバー内で、通常アルゴンなどの不活性ガスからなるエネルギーの揃った集束イオンビームをターゲット材料に照射します。イオン衝撃によってターゲット表面から原子が放出され、それらが良好に指向性を保った軌道で飛行し、回転する基板上に凝縮して薄膜を形成します。この構成により、イオンエネルギー、ビーム角度、フラックスを独立して制御でき、非常に高い膜均一性と表面品質を備えた、高密度で欠陥の少ないコーティングの成膜が可能になります。
IBSコーティングの主な利点 :
● 最先端のスペクトル特性要求と高い再現性
● レーザー照射に対する高い耐性
● ほぼゼロに近い散乱
● 非常に低い吸収損失
● バルク材に近いパッキング密度
● 優れた熱的・機械的安定性
イオンビームは単一エネルギー（すべてのイオンが同じエネルギーを持つ）かつ高い指向性を持つため、マグネトロンスパッタリングと比べて非常に精密な膜厚制御や、高密度で高品質な薄膜の成膜が可能です。また、非常に安定で低損失のコーティングを生成できることから、要求の厳しいレーザー用途において最適な技術とされています。
OPTOMAN の IBS 装置は比較的高い成膜速度を誇り、広面積（約 500mm）のコーティングを、高い均一性（面全体で 0.5% 未満の変動）で生成します。
IBS（イオンビームスパッタリング）にも欠点はあります。イオンビームが狭くかつ明確に定義されているため、スパッタ収率が制限され、通常、精度を犠牲にしてスループットを高めるマグネトロンスパッタリングと比べると成膜速度は低くなります。また、圧縮応力の高いコーティング（約 500 MPa）が発生します。ただし、プロセスの最適化や追加の製造工程により、基板の初期平坦性を維持することは可能です。
OPTOMAN の生産および研究開発チームは、IBS 装置に関する豊富な知識を活かして、IBS のほとんどの欠点を克服し、IBS が量産用途では競争力がないという誤解を覆しました。OPTOMAN の IBS 装置は比較的高い成膜速度を持ち、広面積（約 500mm）のコーティングを、非常に高い均一性（面全体で 0.5% 未満の変動）で生成します。
マグネトロンスパッタリング（MS）
マグネトロンスパッタリング（MS）は、ターゲット材料が不活性アルゴン雰囲気中で生成された高エネルギーイオンによって衝突される、プラズマ支援型物理的蒸着法です。ターゲット材料には強い負の電圧が印加され、これによりプラズマ中の正に帯電したAr?イオンが引き寄せられます。これらのイオンがターゲット表面に衝突し、運動量の移動によって原子が飛び出します。その後、飛び出した原子は真空チャンバーを通過し、基板上に凝縮して薄膜を形成します。
MSコーティングの利点 :
● 優れた成膜速度
● 大面積基板への拡張性
● 低コストでの量産が可能
● 幅広い材料との適合性
● 吸収とレーザー損傷閾値（LIDT）のバランスが良い性能
MSは高い成膜速度を可能にし、産業界で広く使用されていますが、イオンのエネルギーや方向性の制御が限定的であるため、膜密度や多層コーティングの光学特性に影響を及ぼします。また、MSで作製された膜は一般的に、高フルエンス条件や高繰り返しレーザー条件下での劣化を受けやすい傾向があります。
電子ビーム蒸着（EBE）
電子ビーム蒸着（EBE）は、高真空中で高エネルギーの電子ビームを固体の蒸発源材料に集中的に照射する熱蒸着法です。電子ビームはターゲットを急速に加熱し、材料を蒸発させて蒸気雲を形成し、それが基板上に凝縮して薄膜を形成します。電子ビームは通常、蒸発した材料が熱フィラメントに直接付着するのを防ぎ、システムの安定性を確保するために磁場によって曲げられています。
EBEコーティングの利点 :
● 優れた成膜速度
● 大面積で重要度の低いコーティングに対して高いコスト効率
● 高融点材料の蒸発が可能
● システム構造がシンプルで広く普及している
● イオンアシスト増強（例：IAD）との互換性
● 超低損失が必要ない広帯域ARコーティングや装飾用途に適している
EBEは、高融点酸化物を含む幅広い材料を成膜でき、膜品質向上のためにIADなどのイオンアシストプロセスと組み合わせて使用されることが多いです。しかし、基本形態のEBEでは、多孔質で柱状構造を持つ膜が形成されやすく、密度が低く環境耐久性も限定的であるため、高出力や精密レーザー用途にはあまり適していません。EBEの主な利点は、シンプルさ、コスト効率の良さ、そして高い成膜速度にあります
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（IAD）は、イオンビーム強化蒸着（IBED）とも呼ばれ、熱蒸着や電子ビーム蒸着などの従来の真空蒸着技術に、膜成長中に基板に向けた低エネルギーイオンビームを組み合わせた手法です。イオン照射は成膜中の膜に追加のエネルギーを与え、表面移動を促進し、空隙の形成を抑制するとともに、膜密度、付着性、構造安定性を向上させます。
IADコーティングの利点 :
● 純蒸着法に比べて膜密度が向上する
● 基板界面でのイオン混合により付着性が向上する
● 膜応力や形態の部分的な制御が可能
● IBSよりも高い成膜速度
● 既存の蒸着プラットフォームへの柔軟な統合が可能
● 中程度の要求レベルの光学用途に適している
IBSではイオンビームがスパッタされる材料の主要な供給源であるのに対し、IADではイオンビームは材料が到着する際または到着後に膜を修飾するためだけに使用されます。これにより、IADは材料選択の柔軟性が高く、IBSよりも成膜速度が比較的高い一方で、微細構造や膜品質の部分的な制御も可能です。しかし、イオンフラックスと材料フラックスが独立して制御されないため、プロセスの精密さはIBSに比べて低くなります。その結果、IADコーティングは密度が低く、耐久性や環境安定性に劣り、反射率が低下し、高性能光学用途では再現性にも限界があります。
膜特性の比較
光学コーティング用の成膜技術を選定する際には、膜密度、吸収率、表面粗さ、レーザー損傷閾値（LIDT）などの重要な膜特性が性能を決定する上で重要な役割を果たします。イオンビームスパッタリング（IBS）は依然として基準となる技術であり、バルクに近い密度、優れた表面品質、超低吸収、最小限の散乱を備えたコーティングを実現します。これらは、超高速および高出力レーザー領域で動作する高性能光学システムに不可欠な特性です。IBSではイオンパラメータを独立して制御できるため、層精度と一貫性が卓越しており、スペクトル忠実性と環境安定性の両方に優れたコーティングを実現できます。
マグネトロンスパッタリング（MS）、イオンビームアシスト蒸着（IAD）、電子ビーム蒸着（EBE）は、スループット、プロセス制御、コーティング品質の間でそれぞれ異なるトレードオフを示します。MSは高い成膜速度とスケーラビリティを提供しますが、一般的に柱状微細構造を持ち、表面粗さや吸収率が高くなる傾向があります。IADは、成長中の指向性イオン照射によって膜密度や付着性を向上させる点でEBEを上回ります。しかし、IBSほどの精密さはなく、プロセスパラメータの変動に敏感です。EBEはコスト効率が高くシンプルである一方で、一般的に最も密度が低く、環境影響を受けやすい膜を生成します。
最終的には、それぞれの手法に適した用途がありますが、厳しいレーザーおよび環境要件を持つ精密光学用途においては、IBSが最も信頼性の高い解決策であり続けます。
LIDT（レーザー損傷閾値）の性能は、高出力レーザー光学において最も重要な要素のひとつです。IBS（下の図では「スパッタリング」として記載）のコーティングは、特に超高速（フェムト秒）領域で、他の技術を一貫して上回る性能を示します。図はさらに、コーティング手法、材料選択（例：HfO?/SiO?）、および達成可能な損傷耐性との間に強い相関があることを示しており、高出力・短パルスレーザー光学においてIBSが最適な成膜法であることを裏付けています。
Broadband 920nm mirror thin film damage competition
Raluca A. Negres, Kyle R. P. Kafka, Chris Smith, Marek Stehlik, Sarah Olandt, Amy L. Rigatti, and Stavros G. Demos “Broadband 920-nm mirror thin film damage competition,” Optical Engineering 64(3), 031002 (4 October 2024).
なぜOPTOMANの注力はIBSにあるのか
OPTOMANでは、最高レベルの光学性能基準を満たすことは絶対条件です。IBSは、高密度で超平滑、欠陥のないコーティングを提供し、極端なレーザー条件や環境下でもスペクトル安定性と光学的完全性を維持できる能力のために、唯一の選択肢として採用されました。
OPTOMANはIBS技術のみを採用することで、すべてのコーティングが業界トップレベルのスペクトル性能、レーザー耐性、長期信頼性を提供することを保証しています。継続的な改良により、OPTOMANはIBSの従来の制約を超え、IBSのコスト要因を大幅に削減し、最先端の研究開発から量産までのニーズに対応しています。フェムト秒レーザーパルス用のミラー、ダイクロイックフィルター、劣化しないUVコーティングの製造においても、IBSは妥協なくお客様の基準を満たすことが保証されます。
YouTube動画
OPTOSHOP: Demo & Features
YouTube動画
