JP2005099177A - 凹凸形状の修正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学素子本体あるいは転写型の凹凸形状を追加工で精密且つ容易に修正できるようにする。
【解決手段】 表面に多数の溝が等間隔で形成されている光学素子本体あるいは光学素子成形用の転写型本体に、材料粒子を入射させ付着堆積させることによって、光学素子本体１０などの溝形成面上に整形層１２を設け、該整形層の断面での輪郭形状を部材本体の断面形状と非相似形の関係に調整する。その際、シャドーイング効果が強い材料を用いてスパッタリングで整形層を成膜し、材料の選択と膜厚制御により溝形状を修正する。そのため、融点が１０００℃以上の材料を使用する。シャドーイング効果を強めたい場合には、整形層の材料として特にＰｔ又はＭｏを用いることが望ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表面に形成されている凹凸形状をスパッタリングによって修正する方法に関し、更に詳しく述べると、多数の溝が等間隔で形成されている部材表面に整形層を設ける際に、スパッタリングする材料の選択と膜厚制御により溝形状を修正する方法に関するものである。この技術は、回折光学素子のような微小凹凸を有する光学素子の製造に有用である。

回折光学素子は、周知のように、光の回折を利用した光学部品であり、典型的な例は、素子表面に等間隔で多数の平行な溝を形成することで格子を構成している。このような回折光学素子は、例えば波長多重光通信において、波長多重光から任意の波長の光を取り出す分波器などとして用いられる。

回折光学素子の製法は様々であるが、その一つに転写成形法がある。この方法では、転写型（成形型）の周期的な溝構造を材料に転写することでレプリカ（複製品）を成形し、それを回折光学素子とする。反射型回折光学素子の場合には、成形体の格子面に反射膜を成膜する。

転写型表面の周期的な溝構造は、例えばルーリングエンジンにより切削加工する方法、基板に塗布した光硬化樹脂を干渉露光し、その後、パターン付き樹脂ごと基板をドライエッチングする方法、ガラス基板をドライエッチングする方法、あるいはシリコン基板をウエットエッチングする方法、など任意の方法で形成する。溝の形成密度は、例えば１mm当たり数百〜千数百本程度である。但し、転写成形法による回折光学素子は、型抜きするという製法上の物理的な制約から溝形状には一定の制限がある。

このような転写成形法は量産性に優れている利点があるが、その反面、転写成形後に転写型に形状的な不備が見つかった場合には、転写型を新規に作製し直す必要があり、型製作に長期間を要するという問題があった。その理由は、微細な形状の変更を伴うため、切削などの追加工で溝形状を修正することは極めて困難だからである。

また、既存の回折光学素子に対して、所望の光学特性が僅かに異なる回折光学素子を作製する場合でも、必要な光学特性毎に新規に転写型を作製する必要があった。例えば、使用する波長が変わると最適なブレーズ角度も変化するので、新規に転写型を作製しなければならない。あるいは耐熱性などの目的に応じて成形材料を変えた場合も、硬化時の収縮率が変化し出来上がった製品のブレーズ角度が変化するので、やはり新規に転写型を作製しなければならない。これらも、既存の転写型をベースとして追加工する技術が無かったからである。

このような問題を解決する技術として、本発明者等は「回折光学素子」（特許文献１参照）及び「回折格子成形用転写型」（特許文献２参照）に関する新しい技術を提案した。前者は、多数の溝が形成されて格子を構成している素子本体に斜め方向から材料粒子を入射させて格子整形層を付着堆積させた回折光学素子であり、後者は、付着堆積させた溝整形層によって、あるいは方向性エッチングによって、成形品の格子形状を微調整可能とした回折格子成形用転写型である。
特願２００２−１１７４３７ 特願２００２−１８０９２４

本発明が解決しようとする課題は、素子本体あるいは転写型の凹凸形状を追加工で精密且つ容易に修正できるようにすることである。

本発明者等は、表面に多数の溝が等間隔で形成されている部材表面に、スパッタリングにより材料粒子を付着堆積させたとき、スパッタターゲットの材料によってシャドーイング効果（溝上部での成膜速度が底部における成膜速度よりも大きくなる効果）に違いが生じること、そして材料の融点が高いほどシャドーイング効果が強くなる傾向があることを見出した。本発明は、このような現象の知得に基づき溝形状を修正する方法である。

本発明は、表面に多数の溝が等間隔で形成されている光学素子本体に、材料粒子を入射させ付着堆積させることによって光学素子本体の溝形成面上に整形層を設け、該整形層の断面での輪郭形状を光学素子本体の断面形状と非相似形の関係に調整する方法において、融点が１０００℃以上の材料を用いてスパッタリングで整形層を成膜し、その際の材料の選択と膜厚制御により溝形状を修正することを特徴とする凹凸形状の修正方法である。

また本発明は、表面に多数の溝が等間隔で形成されている光学素子成形用の転写型本体に、材料粒子を入射させ付着堆積させることによって転写型本体の溝形成面上に整形層を設け、該整形層の断面での輪郭形状を転写型本体の断面形状と非相似形の関係に調整する方法において、融点が１０００℃以上の材料を用いてスパッタリングで整形層を成膜し、その際の材料の選択と膜厚制御により溝形状を修正することを特徴とする凹凸形状の修正方法である。

整形層を成膜する材料として、特にＰｔ又はＭｏなどの高融点材料を用いることが望ましい。本発明方法では、光学素子本体又は転写型本体をターゲット面に対して傾けてスパッタリングを行うことが望ましい。

本発明方法は、回折格子本体にも適用できるし、回折格子を成形するための転写型にも適用できる。

本発明方法によれば、機械的な作用が不要で、所望の条件のブレーズ角度に精密に且つ容易に修正でき、設計に則した高性能の光学素子を製造できる。

表面に多数の溝が等間隔で形成されている光学素子本体あるいは光学素子成形用の転写型本体に、材料粒子を入射させ付着堆積させることによって、それら部材本体の溝形成面上に整形層を設け、該整形層の断面での輪郭形状を部材本体の断面形状と非相似形の関係に調整する。その際、本発明では、シャドーイング効果が強い材料を用いてスパッタリングで整形層を成膜し、材料の選択と膜厚制御により溝形状を修正する。そのため、具体的には、融点が１０００℃以上の金属材料を使用する。シャドーイング効果を強めたい場合には、整形層の材料として特にＰｔ又はＭｏを用いることが望ましく、また光学素子本体又は転写型本体をターゲット面に対して傾けて設置した状態でスパッタリングを行い材料粒子を斜め入射させることが望ましい。

最初に、多数の溝が等間隔で形成されている素子本体を作製する。これらの溝は、典型的にはゾルゲル材料を用いて転写成形法により形成する。この転写成形方法は、例えば特開２００１−９８４３公報に開示されている技術と同様の方法であってよい。まず、ガラス基板の表面に一定厚みでゾルゲルガラス材料を塗布した素板を用意する。他方、成形面（素板対向面）に等間隔で多数の平行な溝を形成した転写型（成形型）を用意する。転写型は、例えばガラス基板のドライエッチング、シリコン基板のウエットエッチング、エポキシなどの樹脂基板の成形など、任意の素材、任意の方法で製作したものでよい。転写型型の溝断面形状は、成形品に応じた形状とすることは言うまでもない。但し、型抜き可能な形状である必要があるため、溝の深さは６００nm程度以下、より好ましくは４００nm程度以下とする。溝の形成密度は、必要な光学的な特性上、１mm当たり数百〜千数百本程度（例えば９００本／mm）である。

ゾルゲルガラス材料（ゲル膜）に対して、真空に保たれているプレス成形機中で転写型を一定時間押圧させながら加熱しゲル膜を硬化させる。その後、プレス成形機内を大気圧に戻し、ゾルゲルガラス材料から転写型を離間させる。これによって、転写型の溝形状がゾルゲルガラス材料に転写される。その後、熱処理して縮重合させることで、ガラス基板と一体になったゾルゲルガラス組成物となる。このようにして、所望の溝形状の格子を有する素子本体が得られる。

本発明では、図１に示すように、このような表面に多数の溝が等間隔で形成されて格子を構成している素子本体１０の格子面に、材料粒子を入射させて付着堆積させ整形層１２を設ける。ここでは溝形状（断面形状）を三角形状とし、その斜面角度をθ、基線長（光学的に寄与する斜面の長さ）をＬとする。底部斜面側の膜厚をｔ_B 、上部斜面側の膜厚をｔ_T として、本明細書ではシャドーイング比Ｓを次式のように定義する。
Ｓ＝ｔ_T ／ｔ_B …（１）
このとき、成膜後の斜面角度Θ（ブレーズ角度）は、素子本体の斜面角度θに膜厚の分布による傾斜角ψが加わるから、
Θ＝θ＋ψ＝θ＋tan ^-1｛Ｔ_B （Ｓ−１）｝ …（２）
と表せる。但し、Ｔ_B は規格化膜厚（＝ｔ_B ／Ｌ）である。

ここで、図２に示すように、頂角が９０°で斜面角度θ＝４５°の三角形状の多数の溝を有する素子本体２０を用い、その基板面２０ａをスパッタターゲット２２のターゲット面２２ａに対して６５°傾けた状態（試料傾斜角＝６５°）でセットし、種々の金属材料を用いて成膜を行った。この状態では、一方の斜面２０ｂはターゲット面に対して２０°の傾斜となる。この斜面２０ｂについて、各種金属材料毎にシャドーイング比Ｓを測定した。その結果を表１に示す。

この結果から、試験に用いたいずれの金属材料に対してもシャドーイング比Ｓが２．６以上となることが分かる。各金属材料の融点とシャドーイング比Ｓの関係を図３に示す。図３から、金属材料の融点とシャドーイング比Ｓの間には明らかに正の相関関係があり、高融点金属ほどシャドーイング比Ｓが大きくなることが分かる。

このように、シャドーイング比Ｓは、スパッタリングする金属材料によって決まる値であるので、前記（２）式から、規格化膜厚Ｔ_B を制御することによって斜面角度Θ（ブレーズ角度）を精密に調整することが可能となる。シャドーイング比Ｓは、なるべく大きな値の方が薄い規格化膜厚Ｔ_B で所望の角度調整を実現することが可能になる。角度調整の制御性を重視する場合は、プロセスの安定性を勘案し、適切なシャドーイング比Ｓを選べばよい。概ねシャドーイング比Ｓが４以上であれば、良好な制御性が得られる。そこで、シャドーイング比Ｓが４以上となるように、融点が１０００℃以上の金属を用いてスパッタリング成膜すると、回折格子素子のブレーズ角度の修正を行うことができる。更に、融点が１７００℃以上のＰｔあるいはＭｏを用いれば、シャドーイング比Ｓが７以上の優れた特性が得られ、薄い規格化膜厚Ｔ_B でも十分なブレーズ角度修正が可能となる。

斜面角度を１°調整するのに必要な規格化膜厚を、前記表１に加えて示す。ＰｔあるいはＭｏを用いると、基線長Ｌ＝１mmの角度を調整する場合でも、膜厚ｔ_B が３μｍ以下で１°の角度調整を行うことが可能であることが分かる。

上記の実施例では、ターゲット面に対する素子本体の設置角度を６５°に設定しているが、この設置角度は任意であってよい。設置角度が小さくなると、シャドーイング効果が弱まる傾向にあるので、設置角度を調整することでブレーズ角度修正を行うことも可能である。従って、材料の選択、膜厚制御、設置角度調整を組み合わせることで、最適条件で凹凸形状の修正が可能となる。

以上のように本発明はスパッタリングプロセスを用いた溝形状修正方法であるため、機械的作業が不要で、全面にわたってブレーズ角度を一度に調整することができる。また、シャドーイング比と規格化膜厚によってプロセス全体を調整できるため、修正したい形状やプロセスの安定性に合わせた最適加工プロセスで作業を効率よく正確に行える。

上記の実施例は、表面に三角形状の溝を形成した場合であるが、本発明方法は、それに限らず、Ｖ型など平面を用いた凹凸でもよいし、正弦波形状、あるいは凸部の頂部が平坦で凹部（底部）が正弦波曲線の凹凸など曲面を用いた凹凸にも適用できる。

また本発明方法は、表面に凹凸を有する光学素子本体にも適用できるし、そのような光学素子を成形するための転写型などにも適用できる。光学素子本体に適用する場合には、整形層の表面に更にＡｕやＡｌなどの反射コートを付けた複合構造にしてもよい。また転写型に適用する場合には、Ｍｏ等が表面に存在していると離型し難い問題が生じることがあるので、最表面にＡｕなどのような離型コートを付けた複合構造にしてもよい。

本発明方法による整形層の説明図。 本発明によるスパッタリング方法の概念図。 金属材料の融点とシャドーイング比の相関を示すグラフ。

符号の説明

１０ 素子本体
１２ 整形層

Claims (4)

1. 表面に多数の溝が等間隔で形成されている光学素子本体に、材料粒子を入射させ付着堆積させることによって光学素子本体の溝形成面上に整形層を設け、該整形層の断面での輪郭形状を光学素子本体の断面形状と非相似形の関係に調整する方法において、融点が１０００℃以上の材料を用いてスパッタリングで整形層を成膜し、その際の材料の選択と膜厚制御により溝形状を修正することを特徴とする凹凸形状の修正方法。
2. 表面に多数の溝が等間隔で形成されている光学素子成形用の転写型本体に、材料粒子を入射させ付着堆積させることによって転写型本体の溝形成面上に整形層を設け、該整形層の断面での輪郭形状を転写型本体の断面形状と非相似形の関係に調整する方法において、融点が１０００℃以上の材料を用いてスパッタリングで整形層を成膜し、その際の材料の選択と膜厚制御により溝形状を修正することを特徴とする凹凸形状の修正方法。
3. 整形層を成膜する材料としてＰｔ又はＭｏを用いる請求項１又は２記載の凹凸形状の修正方法。
4. 光学素子本体又は転写型本体をターゲット面に対して傾けてスパッタリングを行う請求項１乃至３のいずれかに記載の凹凸形状の修正方法。
   

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