JP2004271828A

JP2004271828A - 光学素子およびその製造方法

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Publication number: JP2004271828A
Application number: JP2003061538A
Authority: JP
Inventors: Takashi Tokunaga; 隆志徳永; Yoshio Fujii; 善夫藤井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2004-09-30
Also published as: US20050174642A1

Abstract

【課題】透過光、反射光を偏光させる光学素子、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】光を偏光させる光学素子が、第１軸を含み、第１軸方向に周期的な凹凸を有する主表面を備えた基板と、主表面上に設けられ、第１誘電体層と、該第１誘電体層とは屈折率の異なる第２誘電体層とが交互に積層された積層構造体とを含む。積層構造体は、第１軸方向に周期性を有して配置された低屈折率領域を含む。低屈折率領域の屈折率は、隣接する該第１誘電体層又は該第２誘電体層の屈折率より小さい。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透過光、反射光を偏光させる光学素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
偏光素子は、任意の直線偏光成分のみを透過または反射させることができる光学素子であり、例えば、屈折率の互いに異なる誘電体材料層を、波長以下の周期で積層した２次元周期構造体、いわゆるフォトニック結晶が用いられた偏光素子が提案されている。フォトニック結晶は、誘電体材料層の周期を適切に設定することにより、光を伝播しないフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）を示す。ＰＢＧでは、異なる伝播特性を示す互いに直交する偏波成分に対して、一方を反射し、他方を透過させることができる。
【０００３】
フォトニック結晶を用いた偏光素子の一例として、１次元的にほぼ周期的な凹凸を持つ２種類以上の膜状物質を、ほぼ周期的に積層した偏光素子がある。具体的には、周期的な溝を有する基板上に、透明の低屈折率媒質であるＳｉＯ_２層と、透明の高屈折率媒質であるＳｉ層とが、交互に積層された多層構造体となっている（例えば、特許文献１参照）。
かかる偏光素子は、バイアス・スパッタリング法を用いて、周期的な溝状の凹凸を形成した基板上に、凹凸の形状を維持しながらＳｉＯ_２層とＳｉ層とを交互に形成することにより作製される。かかるバイアス・スパッタリング法は、堆積とエッチングとを同時に行うもので、オートクローニング法として提案されている。
【０００４】
また、同様のフォトニック結晶を用いた偏光素子として、Ｓｉ／ＳｉＯ_２が繰り返し積層された多層膜に、ＲＩＥを用いて溝を形成することにより周期的な繰り返し構造を作製した偏光素子も提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３２８８９７６号公報
【非特許文献１】
ＣｈｕａｎＣ．Ｃｈｅｎｇｅｔａｌ．， ”Ｎｅｗｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓ” Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ１５（６），ｐｐ．２７６４−２７６７（１９９７）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の第１の偏光素子では、オートクローニング法において、堆積とエッチングとが適当に行われるように制御する必要があり、バイアス・スパッタリングの条件設定が困難であった。また、汎用的なスパッタ装置が使用できないという問題もあった。
また、第２の偏光素子では、Ｓｉ層とＳｉＯ_２層の異質の材料を交互に積層した積層構造に、光の波長以下の周期で溝を形成することは非常に難しく、この結果、積層数を少なくせざるを得ないため、消光比も小さくなるという問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明は、工業的に作製が容易な積層型光学素子、およびその製造方法の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光を偏光させる光学素子であって、第１軸を含み、該第１軸方向に周期的な凹凸を有する主表面を備えた基板と、該主表面上に設けられ、第１誘電体層と、該第１誘電体層とは屈折率の異なる第２誘電体層とが交互に積層された積層構造体とを含み、該積層構造体が、該第１軸方向に周期性を有して配置された低屈折率領域を含み、該低屈折率領域の屈折率が、隣接する該第１誘電体層又は該第２誘電体層の屈折率より小さいことを特徴とする光学素子である。
【０００９】
また、本発明は、光を偏光させる光学素子の製造方法であって、第１軸を含む主表面を有する基板を準備する工程と、該主表面上に、該第１軸方向に周期的な凹凸を形成する工程と、該主表面上に、第１誘電体層と、該第１誘電体層と屈折率が異なる第２誘電体層とを交互に堆積する積層工程とを含み、該積層工程が、該主表面に入射する粒子線を該凸部が部分的に遮蔽するように、該主表面の鉛直方向に対して傾いた方向から該粒子線を入射させ、該第１誘電体層中および該第２誘電体層中に、隣接する該第１誘電体層または該第２誘電体層より屈折率の小さい低屈折率領域を形成する工程であることを特徴とする光学素子の製造方法でもある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態にかかる、全体が１００で表される積層型の光学素子の断面図である。図中、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は、互いに直交する３軸を表し、ｘ軸はシリコン基板１０の主表面に平行な軸、ｚ軸はシリコン基板１０の主表面に垂直な軸である。
【００１１】
光学素子１００は、シリコン基板１０を有する。シリコン基板１０の主表面には、ｘ軸方向に、所定の周期で凸部１１が設けられている。凸部１１は、ｙ軸方向にストライプ状に延びて形成されている。
【００１２】
図２（ａ）は、シリコン基板１０の主表面近傍の、ｘ軸方向の断面図である。シリコン基板１０の主表面をエッチングして凹部１２とすることにより、凸部１１が周期的に形成されている。凸部１１は、ｘ軸方向に、光学素子１００で偏光する光の波長より短い周期で形成され、ここでは、周期（ピッチ）Ｐが０．４μｍとなっている。凸部１１の幅Ｗ_Ｌは０．０８μｍ、高さＨは０．０５μｍである。
【００１３】
シリコン基板１０の上には、透明な誘電体層であるシリコン層１と、同じく透明な誘電体層である酸化シリコン層２とが交互に積層されている。シリコン層１の屈折率は、酸化シリコン層２の屈折率より大きい。シリコン層１、酸化シリコン層２の、ｚ軸方向の膜厚ｔ１、ｔ２は、それぞれ０．１１μｍ、０．１６μｍである。シリコン層１と酸化シリコン層２とは、それぞれ７層ずつ、合計１４層形成されている。これにより、光学素子１００では、ｚ軸方向に、屈折率の異なる層が交互に積層された構造となる。
【００１４】
なお、最上層の酸化シリコン層２の膜厚のみ、０．３５μｍとなっている。これは、リップルと呼ばれる透過特性の変動を防止するためである。また、シリコン基板１０の裏面は、例えばＳｉＯＮ等からなる無反射膜（図示せず）により覆われて、裏面での入射光の反射を防止している。
【００１５】
また、光学素子１００では、シリコン層１と酸化シリコン層２とが、凸部１１の上に積層されるため、凹部１２上には空隙３が形成される。空隙３は、ｚ軸方向から角度θだけ傾斜して形成されている。後述するように、角度θは、シリコン層１と酸化シリコン層２とを形成するための、スパッタ粒子の入射角度に依存する。
図１に示すように、空隙３は、ｘ軸方向に所定の周期で形成されている。また、空隙３の屈折率（空気の屈折率）は、その両側に形成されたシリコン層１、酸化シリコン層２のいずれの屈折率よりも小さい。このため、光学素子１００では、ｚ軸方向から角度θだけ傾いて設けられた低屈折率の空隙３が、ｘ軸方向に所定の周期を有して配置された構造となる。
【００１６】
このように、光学素子１００では、シリコン基板１０の主表面が、ｚ軸方向に延びたストライプ構造であるとともに、ｘ軸方向およびｚ軸方向に、高屈折率層と低屈折率層とが、所定の周期で交互に積層された構造となっている。これにより、光学素子１００は、ｚ軸方向の光に対して偏光特性を有する。
【００１７】
図３は、ｚ軸方向から光を入射させた場合の、光学素子１００の透過特性である。透過特性は、分光光度計を用いて測定した。図３中、横軸は透過光の波長、縦軸は透過率である。図３からわかるように、波長が約１．４μｍから約１．６μｍの範囲において、互いに偏波方向が９０°異なる光の透過率が大きく異なる。従って、光学素子１００を用いることにより、約１．４μｍから約１．６μｍの波長の光に対して良好な偏波特性が得られることがわかる。
【００１８】
このような良好な偏波特性を有する光学素子１００を得るためには、図２（ａ）において、凸部１１の周期Ｐ、幅Ｗ_Ｌ、高さＨは、以下のように設定することが好ましい。
Ｐ＜λ
０＜Ｗ_Ｌ≦ｋ・Ｐ
０＜Ｈ≦ｋ・Ｐ
ここで、λは光の波長、ｋは係数である。本実施の形態ではｋの値を０．５としたが、好適には０．３である。なお、ｋ＞０．５の条件では、積層数が増加すると空隙３がなくなり、隣接する凸部１１上の誘電体膜どうしがつながってｘ軸方向に連続した膜となる。かかる構造でも偏光特性は見られるが、偏光依存性波長シフトが減少したり、消光比が低下したりする。
【００１９】
なお、光学素子１００では、ｘ軸方向の周期（Ｐ）、ｚ軸方向の周期を（膜厚ｔ_１、ｔ_２）を制御することにより、ｚ軸方向の光に含まれるＴＥ波とＴＭ波に対して、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）が生じる波長帯域を任意に変えることができる。
【００２０】
続いて、光学素子１００の製造方法について簡単に説明する。本実施の形態にかかる製造方法では、まず、主表面を有するシリコン基板１０を準備する。シリコン基板１０に代えて、ＧａＡｓなどの他の半導体基板、石英、パイレックス（登録商標）などのガラス基板、および高分子材料の基板などを用いても構わない。
【００２１】
次に、シリコン基板１０の主表面をエッチングして、図２（ａ）のような、所定の周期で設けられたストライプ状の凸部１１を形成する。
凸部１１の形成工程では、まず、ＥＢ露光を用いたフォトリソグラフィ工程により、０．４μｍピッチでｙ軸方向に延びたストライプ状のレジストパターンをシリコン基板１０上に形成する。続いて、レジストパターンをエッチングマスクに用いたＥＣＲエッチングにより、図２（ａ）のようなパターンを形成する。
なお、熱酸化膜付きシリコン基板、またはマスク層を予め形成したシリコン基板を用い、レジストパターンをエッチングマスクとして用いたＥＣＲエッチングにより、ストライプ状のパターンをかかるシリコン基板上の熱酸化膜またはマスク層に形成した後、ウエットエッチング等の等方性エッチングを行い、図２（ｂ）に示すような凸部１３としても構わない。
【００２２】
次に、スパッタ法を用いて、シリコン粒子と酸化シリコン粒子とをシリコン基板１０の主表面上に交互に堆積させる。シリコン層１は、シリコンをターゲットに用いたＤＣスパッタ法により、酸化シリコン層２は、酸化シリコンをターゲットに用いたＲＦスパッタ法により、それぞれ形成する。
かかるスパッタでは、スパッタ粒子の入射方向を、ｚ軸方向（鉛直方向）から所定の角度θだけ傾斜させた方向とする。具体的には、シリコン基板１０をスパッタ装置の基板ホルダに対して略垂直に配置し、シリコン基板１０の主表面に斜めからスパッタ粒子が入射するようにする。
この結果、シリコン基板１０の主表面に入射したスパッタ粒子の一部が凸部１１に遮られ（シャドウ効果）、シリコン基板１０上の一部には誘電体膜が堆積されず、空隙３となる。
なお、スパッタターゲットとシリコン基板１０との間に遮蔽板（図示せず）を配置して、シリコン基板１０にｚ軸方向（鉛直方向）から入射するスパッタ粒子成分を遮蔽しても良い。これにより、隣接する誘電体層の間がつながるのを防止できる。
【００２３】
シリコン粒子、酸化シリコン粒子を交互に供給することにより、これらの粒子の入射方向、即ち、ｚ軸から角度θだけ傾斜した方向にシリコン層１、酸化シリコン層２が堆積される。さらに、その間に、同じくｚ軸方向から角度θだけ傾斜した方向に延びた空隙３が形成される。
ここでは、凸部１１上に形成される誘電体層の材料としてシリコン、酸化シリコンを用いたが、これらに換えて、光学素子１００の使用波長において透明な他の材料を用いることもできる。例えば、ゲルマニウムやＧａＡｓ等の半導体材料、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ等の酸化物や窒化物を用いても構わない。
以上の工程で、図１に示す光学素子１００が完成する。
【００２４】
なお、光学素子１００では、隣接する誘電体層（シリコン層１、酸化シリコン層２）の間に空隙３を形成したが、スパッタ粒子の入射角θを適当に選択することにより、シリコン層１や酸化シリコン層２に比較して低密度の誘電体層を形成することもできる。かかる構造でも、低密度の誘電体層の屈折率は、隣接するシリコン層１や酸化シリコン層２の屈折率より小さいため、空隙３を形成した場合と同様の効果を得ることができる。
【００２５】
以上のように、本実施の形態では、良好な偏波特性を有する光学素子を得ることができる。
また、従来の方法に比較して簡単な方法で、高精度な光学素子を作製することができる。更に、汎用的な製造装置のみを使用して光学素子を作製できる。この結果、安価で歩留りの高い光学素子の製造が可能となる。
【００２６】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態にかかる、全体が２００で表される積層型の光学素子の断面図である。図中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示し、座標軸も、図１と同じである。
【００２７】
光学素子２００では、上述の光学素子１００と同様に、主表面にストライプ状の凹凸を有するシリコン基板２０が用いられるが、凸部２１、凹部２２のアスペクト比は、光学素子１００より大きくなっている。また、凸部２１上に積層されるシリコン層１、酸化シリコン層２は、ほぼｚ軸方向に、例えばそれぞれ３層ずつ積層されている。
【００２８】
図４では、ストライプ状の凸部２１の周期（ピッチ）Ｐが１．４μｍとなっている。凹部２１の幅Ｗ_Ｇは０．８μｍ、高さＨは１．０μｍである。
また、シリコン層１、酸化シリコン層２の、ｚ軸方向の膜厚ｔ_１、ｔ_２は、それぞれ０．２６μｍ、０．１１μｍである。かかる膜厚とすることにより、波長１．５５μｍで使用する偏光ミラーを構成できる。
なお、最上層の酸化シリコン層２の膜厚のみ、リップルと呼ばれる透過特性の変動を防止するために０．３５μｍとなっている。
【００２９】
凹部２２の上部には空隙３が形成されるが、積層数が増すにつれて凸部２１の上に堆積されるシリコン層１および酸化シリコン層２の幅が広くなっている。
【００３０】
かかる光学素子２００においても、図３に示すような良好な偏波特性を得ることができる。
【００３１】
次に、光学素子２００の製造方法について簡単に説明する。かかる製造方法では、まず、主表面を有するシリコン基板２０を準備する。実施の形態１と同様に、シリコン基板２０に代えて、半導体基板、ガラス基板等を用いても構わない。
【００３２】
次に、シリコン基板２０の主表面をＥＣＲエッチングして、図５のような、所定の周期で設けられたストライプ状の凸部２１を形成する。
【００３３】
次に、スパッタ法を用いて、シリコン粒子と酸化シリコン粒子とをシリコン基板２０の主表面上に交互に堆積させる。シリコン層１は、シリコンをターゲットに用いたＤＣスパッタ法により、酸化シリコン層２は、酸化シリコンをターゲットに用いたＲＦスパッタ法により、それぞれ形成する。ただし、実施の形態１とは異なり、スパッタ粒子の入射方向は、特定の角度に傾斜させた方向とする必要はなく、シャドウ効果が作用する斜め入射方向（斜め入射成分）を含む構成であれば良い。
【００３４】
シリコン基板２０では、特に、凹部２２のアスペクト比（高さ／幅）が大きいため、シリコン基板２０の主表面に入射したスパッタ粒子の一部が凸部２１に遮られ（シャドウ効果）、凹部２２内に堆積されるシリコン層１、酸化シリコン層２の量が少なくなる。この結果、図４に示すように、凹部２２の上部に空隙３が形成される。
【００３５】
なお、積層数の増加とともに、凸部２１の上に堆積されるシリコン層１および酸化シリコン層２の、ｘ軸方向の幅は徐々に広くなる。しかし、光学素子２００が凹部２２上に空隙３を有することにより、ｘ軸方向に偏波特性を有することができる。
【００３６】
このように、シャドウ効果を利用して空隙３を形成するには、凹部２２の幅Ｗ_Ｇと深さＨの関係が、
０．１Ｗ_Ｇ≦Ｈ≦１０Ｗ_Ｇ
であることが必要である。
また、ｘ軸方向に良好な偏波特性を得るには、ｘ軸方向に形成される凸部２１（又は凹部２２）の周期（ピッチ）と使用波長λとの関係が、
Ｐ≦λ
であることが好ましい。
【００３７】
なお、実施の形態１と同様に、凸部２１上に形成される誘電体層の材料には、光学素子２００の使用波長において透明な、他の材料を用いることもできる。
また、光学素子２００では、凹部２２の上は空隙３としたが、シリコン層１や酸化シリコン層２に比較して低密度の誘電体層を形成してもよい。
以上の工程で、図４に示す光学素子２００が完成する。
【００３８】
以上のように、実施の形態１と同様に、本実施の形態では、良好な偏波特性を有する光学素子を得ることができる。また、従来の方法に比較して簡単な方法で、高精度な光学素子を作製することができる。更に、汎用的な製造装置のみを使用して光学素子を作製できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明では、安価で、高歩留りの製造に適し、かつ良好な偏波特性を有する光学素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる光学素子の断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる光学素子に用いるシリコン基板の断面図である。
【図３】実施の形態１にかかる光学素子の、波長と透過率の関係である。
【図４】実施の形態２にかかる光学素子の断面図である。
【図５】実施の形態２にかかる光学素子に用いるシリコン基板の断面図である。
【符号の説明】
１シリコン層、２酸化シリコン層、３空隙、１１凸部、１２凹部、１００光学素子。

Claims

光を偏光させる光学素子であって、
第１軸を含み、該第１軸方向に周期的な凹凸を有する主表面を備えた基板と、
該主表面上に設けられ、第１誘電体層と、該第１誘電体層とは屈折率の異なる第２誘電体層とが交互に積層された積層構造体とを含み、
該積層構造体が、該第１軸方向に周期性を有して配置された低屈折率領域を含み、該低屈折率領域の屈折率が、隣接する該第１誘電体層又は該第２誘電体層の屈折率より小さいことを特徴とする光学素子。
上記低屈折率領域が、上記基板の主表面の鉛直方向に対して傾斜して設けられたことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
上記低屈折率領域が、空隙からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
上記低屈折率領域が、隣接する誘電体層より低密度の領域からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
光を偏光させる光学素子の製造方法であって、
第１軸を含む主表面を有する基板を準備する工程と、
該主表面上に、該第１軸方向に周期的な凹凸を形成する工程と、
該主表面上に、第１誘電体層と、該第１誘電体層と屈折率が異なる第２誘電体層とを交互に堆積する積層工程とを含み、
該積層工程が、該主表面に入射する粒子線を該凸部が部分的に遮蔽するように、該主表面の鉛直方向に対して傾いた方向から該粒子線を入射させ、該第１誘電体層中および該第２誘電体層中に、隣接する該第１誘電体層または該第２誘電体層より屈折率の小さい低屈折率領域を形成する工程であることを特徴とする光学素子の製造方法。
上記積層工程が、上記粒子線のうち、上記鉛直方向から上記主表面に入射する成分を抑制する工程であることを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
光を偏光させる光学素子の製造方法であって、
第１軸を含む主表面を有する基板を準備する工程と、
該主表面上に、該第１軸方向の断面が、深さＨ、幅Ｗの略矩形であって、下記式１：
０．１・Ｗ ≦ Ｈ（式１）
の関係を満たす凹部を、該第１軸方向に周期的に形成する工程と、
該主表面上に、第１誘電体材料と第２誘電体材料との粒子線を交互に入射させ、第１誘電体層と、該第１誘電体層とは屈折率が異なる第２誘電体層とを交互に堆積する積層工程とを含み、
該積層工程が、該主表面に、傾いた方向からの入射成分を含む該粒子線を入射させ、隣接する誘電体層より屈折率の低い低屈折率領域を、該凹部の上の該第１誘電体層および該第２誘電体層中に形成する工程であることを特徴とする光学素子の製造方法。
上記低屈折率領域が、空隙からなることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の製造方法。
上記低屈折率領域が、隣接する誘電体層より低密度の領域からなることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の製造方法。