JP2005173120A

JP2005173120A - 低反射構造体および低反射構造体の作製方法

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Publication number: JP2005173120A
Application number: JP2003411971A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Mukai; 厚史向井
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】大きさが制限されることなく、容易な方法で低反射構造体を作製する。
【解決手段】陽極酸化により作製された複数の微細孔12を有するポーラスアルミナ12の皮膜が表面に形成されたアルミニウム基板11を作製し、微細孔12ａに、その底部から２分の１の深さまで充填材としてSiO₂13を充填し、ポアワイド処理を行って微細孔12ａのSiO₂13が充填されていない部分の口径を広げ、さらに、ポアワイド処理により口径が段階的に大きくなった部分にSiO₂13を充填するとともに、底部のアルミニウム基板11をヨウドメタノールで除去して低反射構造体10を作製する。
【選択図】図２

Description

本発明は、低反射構造体に関し、特にポーラスアルミナを利用して作製された低反射構造体およびその作製方法に関するものである。

1973年にMoth-Eyeと呼ばれる蛾の目の構造の反射防止原理が示された。その原理は、光の波長以下のピッチの凹凸によって、見かけ上の屈折率分布層を形成し、それによる光学干渉効果（規則構造による回折）で反射防止を行うことができるというものである。凹凸によって見かけ上の屈折率分布層を形成することができるために、材料の自由度を大きくすることができる（非特許文献１参照）。従来技術では、材料としてダイヤモンドを用い、ホログラフィー露光、ＥＢ露光により作製されていた。
Jpn. J. Appl. Phys.Vol.40(2001)pp.L747-L749 Part2, No.7B

上記の作製方法では、露光装置により大きさが制限され、また露光に時間がかかるため、大面積の低反射構造体を作製することは難しかった。

本発明は上記事情を鑑みて、大きさが制限されることなく、かつ容易に作製することができる低反射構造体およびその作製方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、陽極酸化により作製される、波長以下のサイズの孔がピッチ20〜500ｎｍのハニカム構造を有するポーラスアルミナに着目し、上記課題を解決する以下の発明に至った。

本発明の第一の低反射構造体は、規則的に配列された、大きさの揃った複数の微細孔を有するポーラスアルミナからなる基体であって、前記複数の微細孔が底部から開口方向に向かって段階的に広がる２以上の異なる径を有する基体と、
該基体の前記複数の微細孔に埋め込まれた透明誘電体とからなることを特徴とするものである。

ここで「大きさの揃った複数の微細孔」とは、各微細孔の深さ、口径が略同じであるとの意である。

なお、「複数の微細孔を有するポーラスアルミナ」は、アルミニウムを酸性電解液中で陽極酸化することにより、該アルミニウムの表面に多孔性酸化被膜として形成されるものである。このポーラスアルミナは、直径数ｎｍ〜数百ｎｍ程度の極めて微細な孔が、互いに独立してその表面に対して略垂直な方向に延びる状態に形成され、またそれらの微細孔は略等間隔に形成されるという特徴を有するものである。そしてその微細孔の径や深さや間隔は、陽極酸化の条件を制御することにより、比較的自由に設定可能となっている（益田秀樹、「陽極酸化アルミナにもとづく高規則性メタルナノホールアレー」、固体物理、1996年、第31巻、第5号、p.493参照）。

本発明の第一の低反射構造体の作製方法は、規則的に配列された、第一の径と深さの微細孔を複数有するポーラスアルミナからなる基体の前記微細孔に、該微細孔の底部から第二の深さまでの部分に前記アルミナとは異なる材料を充填し、
アルミナエッチングを行って、前記微細孔の前記第二の深さより上方の部分の径を前記所定第一の径より段階的に大きい第二の径に拡張し、
前記複数の微細孔に透明誘電体を埋め込むことを特徴とするものである。

ここで、「アルミナとは異なる材料」とは、アルミナエッチングの際にエッチングされない材料をいうものとする。

また、「前記複数の微細孔に透明誘電体を埋め込む」とは、先に「アルミナとは異なる材料」として透明誘電体を用いていれば、そのまま微細孔の径拡張部分にさらに透明誘電体を埋め込むものであるが、「アルミナとは異なる材料」として透明誘電体とも異なる材料を用いていれば、一旦この材料を除去した上で、透明誘電体を微細孔の埋め込むものである。

本発明の第二の低反射構造体は、規則的に配列された、大きさの揃った複数の微細孔を有するポーラスアルミナからなる基体であって、前記複数の微細孔が底部から開口方向に向かって段階的に広がる２以上の異なる径を有する基体を鋳型として作製された、基板上に該基板側から離間する方向に向かって段階的に小さくなる２以上の異なる径を有する複数の棒状部が立設されてなることを特徴とするものである。

本発明の第二の低反射構造体の作製方法は、規則的に配列された、第一の径と深さの微細孔を複数有するポーラスアルミナからなる基体の前記微細孔に、該微細孔の底部から第二の深さまでの部分に前記アルミナとは異なる材料を充填し、
アルミナエッチングを行って、前記微細孔の前記第二の深さより上方の部分の径を前記所定第一の径より段階的に大きい第二の径に拡張し、
前記複数の微細孔に透明誘電体を埋め込み、
その後、前記基体を除去することにより、基板上に該基板側から離間する方向に向かって段階的に小さくなる２以上の異なる径を有する複数の棒状部が立設されてなることを特徴とするものである。

本発明の第一の低反射構造体は、複数の微細孔が底部から開口方向に向かって段階的に広がる２以上の異なる径を有するポーラスアルミナからなる基体と該基体の複数の微細孔に埋め込まれた透明誘電体とからなるものであり、段階的に広がる径に埋め込まれた透明誘電体により微細孔の深さ方向に屈折率の段差を持った構造であるため、基体の微細孔開口側とは反対の裏面側から入射した光に対して、入射側のポーラスアルミナ面での反射は起こるが、該入射光の開口位置側の面での反射を効果的に抑えることができる。また、屈折率分布がアルミナ基体の中に保護された構造になっているため、外力等による破壊の虞も少ない。

本発明の第一の低反射構造体の作製方法によれば、ポーラスアルミナに対してその微細孔の口径を段階的に広げる処理を行い、この微細孔に透明誘電体を埋め込むことにより低反射構造体を作製するので、容易かつ安価に製造することができる。また、露光装置を用いないため露光装置を用いた際に生じる大きさの制限もなく、大面積の低反射構造体を得ることもできる。

本発明の第二の低反射構造体は、複数の微細孔が底部から開口方向に向かって段階的に広がる２以上の異なる径を有するポーラスアルミナからなる基体を鋳型として作製された、基板上に該基板側から離間する方向に向かって段階的に小さくなる２以上の異なる径を有する複数の棒状部が立設されてなるものであり、該棒状部の延びる方向に屈折率段差を持った構造であるため、該棒状部の先端側から入射した光の反射を効果的に抑えることができる。

本発明の第二の低反射構造体の作製方法によれば、ポーラスアルミナに対してその微細孔の口径を段階的に広げる処理を行い、この微細孔に透明誘電体を埋め込み、基体を除去することにより低反射構造体を作製するので、容易かつ安価に製造することができる。また、露光装置を用いないため露光装置を用いた際に生じる大きさの制限もなく、大面積の低反射構造体を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明の第一の実施の形態に係る低反射構造体の斜視図を示すものである。図１に示すように、第一の実施の形態の低反射構造体10は、規則的に配列された、大きさの揃った複数の微細孔12ａを有するポーラスアルミナからなる基体であって、複数の微細孔12ａが底部から開口方向に向かって段階的に広がる２つの異なる径d1，d2を有する基体12と、基体12の複数の微細孔12ａに埋め込まれた透明誘電体13とからなるものである。

透明誘電体13としては、例えばSiO₂が挙げられる。

この低反射構造体10は、基体12の微細孔開口面14とは反対の裏面16側から入射する光18に対して、入射側のポーラスアルミナ面16での反射は生じるが、該入射光15の開口面14での反射は効果的に抑えることができる。微細孔12ａのピッチは入射光18の波長以下であり、光の波長以下のピッチの凹凸によって見かけ上の屈折率分布層が形成され、屈折率分布が基体12の中に保護された構造になっているため、外力等による破壊の虞も少ない。なお、微細孔12ａのピッチは、例えば、波長400〜800ｎｍの可視光の入射光18に対して250ｎｍ程度とする。

次に、図１に示す低反射構造体の製造方法を図２に示す工程図を参照して説明する。

まず図２（１）に示すように、陽極酸化により作製された複数の微細孔12を有するポーラスアルミナの皮膜12（以下、ポーラスアルミナ基体12という）が表面に形成されたアルミニウム基板11を作製する。ここで、第一の深さh1および径d1を有する微細孔12ａを作製する。具体的には、例えば、陽極酸化ポーラスアルミナの規則配列微細孔作製条件（硫酸0.3Ｍ、25Ｖ、16℃）にて、径80ｎｍ、深さ750ｎｍ、ピッチ250ｎｍのハニカム構造を有するポーラスアルミナ基体12を作製する。

次に、図２（２）に示すように、微細孔12ａに、その底部から２分の１の深さ（第二の深さh2）まで充填材としてSiO₂13を充填する。SiO₂13の充填は、蒸着もしくはプラズマＣＶＤ法等で行う。充填されたSiO₂13は、微細孔12ａの底部から２分の１の深さh2の部分を、後述のポアワイド処理液と接触しないよう保護する保護層の役割を担うものである。

その後、図２（３）に示すように、ポアワイド処理を行って、微細孔12ａのSiO₂13が充填されていない部分の口径を第一の径d1から第二の径d2に広げる。ポアワイド処理は、例えば、リン酸5％／ｗ、30℃、30分の条件で行い、口径を160ｎｍ程度に広げる。

さらに、図２（４）に示すように、ポアワイド処理により口径が段階的に大きくなった部分にSiO₂13を充填するとともに、底部のアルミニウム基板11をヨウドメタノールなどで除去する。以上の工程を経て図１に示す低反射構造体を作製することができる。

なお、図１（２）の工程において保護層としてSiO₂を充填するものとしたが、保護層としてはSiO₂に限るものではない。透明でない材料であってもアルミナとの関係において後に除去可能なもの、すなわち、アルミナの微細孔の径を変化させることなく除去可能なものであればいかなる材料を用いてもよい。その場合、その材料を除去した後に、微細孔全体にSiO₂等の透明誘電体を充填すればよい。

なお、アルミニウム基板11に層状のポーラスアルミナ12を形成する方法としては、上記の条件のほか、いくつかの方法が挙げられる。基本的には、アルミニウム基板11を酸性電解液中で陽極酸化処理する際に、酸化被膜の生成と、生成された酸化被膜の溶解とを同時に進行させる方法が適用される。この方法によれば、陽極酸化の開始初期にアルミニウム基板11の上に形成された酸化被膜の表面に、酸による溶解作用で微小なピット（小孔）がランダムに発生する。そして、陽極酸化の進行とともに、この中のいくつかのピットが優先的に成長して略等間隔に配列するようになる。酸化被膜において一旦ピットが形成された部分では、他の部分と比較してより高い電場が加わるので、その部分の溶解がより促進される。その結果、層状のポーラスアルミナ12においては、その成長とともに選択的に溶解されて微細孔12ａが形成される一方、溶解されないで微細孔12ａを取り囲むように残る部分が形成される。

以上のようにして得られるポーラスアルミナ12においては、多数の微細孔12ａが規則的に配列して形成される。これらの微細孔12ａは、ポーラスアルミナ12の表面に対して略垂直方向に延び、そして互いに略同一の断面形状で、底部が閉じられた円柱状空間となる。

なお、特開2001−9800号公報並びに特開2001−138300号公報には、上記微細孔の形成位置を制御する方法が開示されている。これらの方法では、例えばアルミニウムに集束イオンビームを照射する等により、所望の位置に溶解開始点を形成する。この処理の後に前述のような陽極酸化処理を行うことにより、所望の位置に微細孔12ａを形成することができる。また、上記集束イオンビームを照射する際に、その照射量、ビーム径、照射エネルギー等の条件を制御することにより、溶解開始点の凹み形状や組成を変えることができるので、最終的に形成される微細孔12ａの直径も自在に制御可能となる。

また、微細孔12ａの配列を特に高密度化させる方法として、例えばシュウ酸を用いる方法がある。すなわち、陽極酸化用の電解液としてシュウ酸を用い、40Ｖ程度の定電圧下で陽極酸化処理を行うことにより、微細孔12ａが規則的に配列して高密度に形成されるようになる。この微細孔12ａの配列の規則化は、陽極酸化時間の経過に伴って進行するので、長時間陽極酸化処理することにより、高度に規則化して高密度に配置された微細孔12ａを形成することができる。

次に、本発明の第二の実施の形態について説明する。

図３は本発明の第二の実施の形態に係る低反射構造体の斜視図を示すものである。図３に示すように、第二の実施の形態の低反射構造体30は、基板31と、該基板31上に基板31側から離間する方向に向かって段階的に小さくなる２つの異なる径d1，d2を有する規則的に配列された大きさの揃った複数の棒状部33が立設されてなるものである。この基板31および棒状部33はSiO₂等の透明誘電体からなるものである。

この低反射構造体30は、規則的に配列された、大きさの揃った複数の微細孔を有するポーラスアルミナからなる基体であって、微細孔が底部から開口方向に向かって段階的に広がる２つの異なる径を有する基体を鋳型として作製されたものである。

この低反射構造体30は、棒状部33の上方から入射した光38に対して低反射膜として作用する。棒状部33のピッチは入射光38の波長以下であり、その基板31上に立設された複数の棒状部33により構成される凹凸によって見かけ上の屈折率分布層が形成され、それによる光学干渉効果で反射防止を行うものである。ただし、屈折率分布構造が保護されていないため第１の実施の形態の低反射構造体10と比較して外力等による破壊には弱い。

この低反射構造体30の製造方法を図２および図４に示す工程図を参照して説明する。

大きさの揃った複数の微細孔を有するポーラスアルミナからなる基体であって、複数の微細孔が底部から開口方向に向かって段階的に広がる２つの異なる径を有する基体12の作製方法は図２で示した工程と同様の工程でなされる。図４の工程図は、図２（３）の後の工程を示すものであり、ここでは、図４の工程のみを説明する。

図２（３）に示すようにポアワイド処理がなされた後、図４（１）に示すように、ポアワイド処理により口径が段階的に大きくなった部分にSiO₂13を充填する。

さらに図４（２）に示すように、SiO₂を基体12の微細孔開口面14上に積層して基板31を作製する。

その後、図４（３）に示すように、底部のアルミニウム基板11をヨウドメタノールなどで除去するとともに、リン酸などでアルミナ基体12を完全に除去する。以上の工程を経て図３に示す低反射構造体を作製することができる。

従来のホログラフィー露光、ＥＢ露光等を用いた凹凸作製方法と比較して、容易かつ露光装置による大きさの制限を受けることなく低反射構造体を作製することができる。

上記実施の形態においては、２つの異なる径を有する微細孔を備えた基体を作製して低反射構造体を作製するものとしたが、微細孔深さ方向に３以上の異なる径を有する微細孔を作製し、溝深さ方向もしくは棒状部高さ方向に３段階以上の屈折率分布をもつ低反射構造体を作製することもできる。この場合、一回のSiO₂の充填量を溝深さのｘ分の１とし、その真空蒸着等の充填処理とポアワイド処理とをｘ回繰り替えることでｘ段階屈折率分布をもつ低反射構造体を作製することができる。

第一の実施の形態の低反射構造体第一の実施の形態の低反射構造体の作製工程を示す図第二の実施の形態の低反射構造体第二の実施の形態の低反射構造体の作製工程を示す図

符号の説明

10、30 低反射構造体
11 アルミニウム基板
12 ポーラスアルミナ基体
12ａ微細孔
13 SiO₂
31 基板
33 棒状部

Claims

規則的に配列された、大きさの揃った複数の微細孔を有するポーラスアルミナからなる基体であって、前記複数の微細孔が底部から開口方向に向かって段階的に広がる２以上の異なる径を有する基体と、
該基体の前記複数の微細孔に埋め込まれた透明誘電体とからなることを特徴とする低反射構造体。
規則的に配列された、第一の径と深さの微細孔を複数有するポーラスアルミナからなる基体の前記微細孔に、該微細孔の底部から第二の深さまでの部分に前記アルミナとは異なる材料を充填し、
アルミナエッチングを行って、前記微細孔の前記第二の深さより上方の部分の径を前記第一の径より段階的に大きい第二の径に拡張し、
前記複数の微細孔に透明誘電体を埋め込むことを特徴とする低反射構造体の作製方法。
規則的に配列された、大きさの揃った複数の微細孔を有するポーラスアルミナからなる基体であって、前記複数の微細孔が底部から開口方向に向かって段階的に広がる２以上の異なる径を有する基体を鋳型として作製された、基板上に該基板側から離間する方向に向かって段階的に小さくなる２以上の異なる径を有する複数の棒状部が立設されてなることを特徴とする低反射構造体。
規則的に配列された、第一の径と深さの微細孔を複数有するポーラスアルミナからなる基体の前記微細孔に、該微細孔の底部から第二の深さまでの部分に前記アルミナとは異なる材料を充填し、
アルミナエッチングを行って、前記微細孔の前記第二の深さより上方の部分の径を前記所定第一の径より段階的に大きい第二の径に拡張し、
前記複数の微細孔に透明誘電体を埋め込み、
その後、前記基体を除去することにより、基板上に該基板側から離間する方向に段階的に小さくなる２以上の異なる径を有する複数の棒状部が立設されてなることを特徴とする低反射構造体の作製方法。