JP2005258032A

JP2005258032A - ブレーズド格子の作製方法および光学シート

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Publication number: JP2005258032A
Application number: JP2004068965A
Authority: JP
Inventors: Akira Nagano; 彰永野
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-09-22

Abstract

【課題】マイクロ文字や細線等の微小なパターンであっても高精度に表現することが可能なブレーズド格子を作製すること。
【解決手段】格子線方向２０に沿って設けられた各走査線Ｓ_１〜Ｓ_ｎに対する照射エネルギーを、各走査線毎に段階的に変化させながら各走査線毎に所定の照射エネルギーで荷電粒子ビームを照射することによってブレーズド格子を作製する方法であって、各走査線Ｓ_１〜Ｓ_ｎにおける各照射開始位置Ｓ_１（ｓ）〜Ｓ_ｎ（ｓ）が予め定めた第１の曲線３８上に存在するか、または各走査線における各照射終了位置Ｓ_１（ｅ）〜Ｓ_ｎ（ｅ）が予め定めた第２の曲線４０上に存在するか、または各走査線における各照射開始位置が予め定めた第１の曲線３８上に存在し、且つ各走査線における各照射終了位置が予め定めた第２の曲線４０上に存在するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、ブレーズド格子の作製方法および光学シートに関し、更に詳しくは、高解像度のパターンを表示するのに好適なブレーズド格子を作製する方法、およびこの方法によって作製されたブレーズド格子が載置されて形成されてなる光学シートに関するものである。

従来、回折格子を基板表面上に構成した光学シートは、光の回折機能を利用して光の射出方向を任意に制御することができるためディスプレイの用途や偽造防止を目的としたセキュリティ用途、電子表示機器の光制御フィルム等に広く用いられている。

このような回折格子による光学シートに用いられるバイナリ格子は、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すようにその断面が矩形状もしくは正弦波状であり、典型的な格子ピッチは０．５〜２μｍ程度、格子深さは０．１〜１μｍ程度である。矩形状の断面形状を有するバイナリ格子１０、および正弦波状の断面形状を有するバイナリ格子１２に対してそれぞれ垂直方向から入射光１４を入射した場合、その回折光は、＋ｎ（ｎは１以上の整数）次の方向、および−ｎ次の方向にほぼ均等に分布し、±１次回折光の光量が最も多く、次数が増えるにしたがって光量は減少する。

これまで、回折格子による光学シートとしてはこのバイナリ格子を用いたものが一般的であったが、バイナリ格子では、原理上、十分な回折効率が得られないことや、多くの回折光が様々な方向に射出されてしまうことが欠点である。

一方、図６（ａ）のようにブレーズド格子１６は、典型的な格子ピッチや格子深さはバイナリ格子と同等であるが、その断面形状が鋸歯状であり、垂直方向からの入射光１４に対し回折角度と傾斜面による光の反射角とが一致した場合、その方向に理論上回折効率が１００％である回折光が生じ、それ以外の角度には光が射出されないという光学作用がある。すなわち、ブレーズド格子１６は、バイナリ格子と比較して非常に高い回折効率を得ることができ、また光の進行角度を厳密に制御できるという特徴をもっている。

ブレーズド格子１６のパラメータとして、
（１）回折格子の空間周波数（格子線の格子間隔（ピッチ））、
（２）回折格子の方向（格子線の方向）、
（３）回折格子の傾斜角、
の３つがあり、
（１）に応じて、定点に対してその回折格子が光って見える色が変化し、
（２）に応じて、その回折格子が光って見える方向が変化し、
（３）に応じて、その回折格子が光って見える角度が変化する。

また、図６（ｂ）のように断面形状が片側のみ階段状となっている階段状回折格子１８でも鋸歯状の断面形状をもつブレーズド格子１６よりは光の利用効率はやや劣るが、同様に高い回折効率を有する回折光を得ることができる。

ブレーズド格子を利用した発明としては、基板表面をマトリクス状に分割し、予め用意された画素の集合により絵柄や文字を表現したピクセルデータ等の情報をもとに、各小領域毎に空間周波数および／または方向を様々に変化させたブレーズド格子を配置したディプレイが提案されている（例えば特許文献１参照）。

ブレーズド格子の作製方法としては、電子線描画装置等の荷電粒子ビームを備えた露光装置を用い、且つ、コンピュータ制御により、ステージ上に載置された平面状の基板にブレーズド格子の形状を形成していく方法が知られている。例えば、ポジ型の感光材料（例えば電子線レジスト）が塗布された基板に荷電粒子ビームを照射し、現像処理を行うと露光部分が凹んだ形状が得られるが、荷電粒子ビームの照射時間を長くしたり、強度を高めたりすることでより深い加工ができ、反対に荷電粒子ビームの照射時間を短くしたり、強度を下げたりすることで浅い加工ができる。

このような方法を用い、図７（ａ）に示すように、格子線方向２０に沿って設けられた各走査線Ｓ_１〜Ｓ_ｎに沿って電子線等の荷電粒子ビームを走査させる。この場合、照射エネルギーは、同一走査線では一定とするが、隣接する走査線毎に段階的に少しずつ変化させることによってブレーズド格子１６の鋸歯形状が得られている。

つまり、走査線Ｓ_１に対しては、照射開始位置Ｓ_１（ｓ）から照射終了位置Ｓ_１（ｅ）まで照射エネルギーＥ_１で荷電粒子ビームを照射しながら走査させる。これによって、走査線Ｓ_１に沿ってレジスト２２が露光される。次に、走査線Ｓ_１に隣接する走査線Ｓ_２に対して、照射開始位置Ｓ_２（ｓ）から照射終了位置Ｓ_２（ｅ）まで照射エネルギーＥ_１よりも高い照射エネルギーＥ_２で荷電粒子ビームを照射しながら走査させる。これによって、走査線Ｓ_２に沿ってレジスト２２が走査線Ｓ_１よりも強く露光され、ブレーズド格子１６の鋸歯形状の傾斜の一部が形成される。同様に、走査線Ｓ_３から走査線Ｓ_ｎに対しても、各走査線毎に段階的に照射エネルギーＥを増やしながら荷電粒子ビームを照射させて行くことによって、１つの鋸歯形状が形成される。図７（ｂ）は、照射開始位置Ｓ_ｎ（ｓ）から照射終了位置Ｓ_ｎ（ｅ）まで走査線Ｓ_ｎに沿って荷電粒子ビームＶを照射しながら走査して行く状態を示している概念図である。

なお、走査線Ｓ毎の照射エネルギーＥは、走査線Ｓ_１からＳ_ｎに行くにしたがって走査速度を遅く、すなわち照射時間を長くすることによって段階的に強くすることができる。また、走査時間は変えないまま走査回数を増やすことによっても段階的に強くすることができる。例えば、走査線Ｓ_１に対しては、照射開始位置Ｓ_１（ｓ）から照射終了位置Ｓ_１（ｅ）まで一回のみ走査するのに対し、走査線Ｓ_２に対しては、照射開始位置Ｓ_２（ｓ）から照射終了位置Ｓ_２（ｅ）まで二回、走査線Ｓ_３に対しては、照射開始位置Ｓ_３（ｓ）から照射終了位置Ｓ_３（ｅ）まで三回というようにすることによって、照射エネルギーを段階的に強くしてゆき、鋸歯形状が形成される。

このような方法により作製されるブレーズド格子１６の断面形状は、原理的には図７（ｃ）に示すように階段状となるが、走査線間のピッチを十分に細かく設定することで、荷電粒子ビームがレジスト２２内で散乱し、周辺部を感光する近接効果が生じ、また、現像条件を最適化することによっても、滑らかな斜面を有し、高い回折効率が得られるブレーズド格子１６が作製される。

なお、図７において、レジスト２２はポジ型であり、このレジスト２２は、荷電粒子ビームが照射されたことでブレーズド格子１６の形状が得られているように描かれているが、これは荷電粒子ビームによるブレーズド格子１６の作製方法を概念的に示したものであり、厳密には、荷電粒子ビームの照射後に適切な現像工程を実施することでブレーズド格子１６の形状を得ることができる。

また、予め複数枚のマスクパターンを作製し、それらを用いて感光材料（レジスト）やガラス等をエッチングする方法が知られている。図８（ａ）、図８（ｂ）、および図８（ｃ）は、マスクパターンを用いた階段状回折格子１８の作製工程の一例を断面図として示したものであり、３枚のマスク２４，２６，２８により８段構造から成る階段状の階段状回折格子１８を形成している。図８に示すように、基板３０に塗布されたレジスト２２上に、開口部の大きさが異なるマスク２４，２６，２８を密着して載置し、エッチング液２１によりエッチングすることで、階段形状の階段状回折格子１８が得られる。一般には、ｎ枚のマスクによりｎ回のエッチングを繰り返すことにより２のｎ乗段の階段が形成される。ｎ＝１，２，３，４の時の回折効率は理論上それぞれ約４１，８１，９５，９９％となる。ｎの数を十分に増やすことで、斜面が滑らかなブレーズド格子を得ることができる。

なお、前述したような荷電粒子ビームを用いた方法や、イオンビームエッチングによる方法などにより形成されるブレーズド格子は、そこから複数回の使用に耐えうる金属版等を複製時の原版であるスタンパとして作製し、熱可塑性樹脂や紫外線硬化樹脂、電子線硬化樹脂等の成型用材料を、スタンパに密着し硬化させることで量産することができる。
特開２０００−３９５０８号公報

前述したような荷電粒子ビームにより、走査線Ｓ毎の走査回数や走査速度を変化させる方法を用いてブレーズド格子１６を作製する場合、各走査線Ｓ毎の照射開始位置Ｓ（ｓ）および照射終了位置Ｓ（ｅ）は、ブレーズド格子１６が配置される領域の外形（アウトライン）上に位置している。

また、基板３０の表面上の領域がマトリクス状に配置された微小な矩形状のセルから構成され、各セル毎にブレーズド格子１６の特性を示す空間周波数や方向等のパラメータが異なっている場合、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、矩形のセルを構成する何れか一辺上の点を走査線の照射開始位置Ｓ（ｓ）とし、照射終了位置Ｓ（ｅ）を、走査が終了する他の一辺上に位置する。

図９は、このようなブレーズド格子１６が載置されてなる光学シート３２の一例を示す斜視図である。この光学シート３２は、基板３０上に大小様々な面積からなる複数の各矩形セル３４内に、それぞれ複数のブレーズド格子１６が配置されて形成されている。各矩形セル３４に配置されているブレーズド格子１６は、それぞれ空間周波数や方向等といった固有のパラメータを持つ。ブレーズド格子１６は熱可塑性樹脂や紫外線硬化樹脂等を成型用材料とし、このような光学シート３２として複製することができる。光学シート３２はディスプレイの用途や偽造防止を目的としたセキュリティ媒体、電子表示機器の光制御フィルム等に幅広く用いることができる。

図１０は照射時の荷電粒子ビームの走査の様子を基板３０の正面側から見た図である。図９のように各セル３４内に配置されたブレーズド格子は、図１０に示すように、セルの外形３３により直線状に分断される。このようなセル３４内にブレーズド格子１６を荷電粒子ビームにより形成する場合、各走査線Ｓ毎の照射開始位置Ｓ（ｓ）および照射終了位置Ｓ（ｅ）は、セル３４の外形３３である直線状の線分上に位置している。

このような微小なセル３４の集合によりディスプレイを表示した場合、その解像度（絵柄の細かさ）は、セル３４の大きさに依存する。セル３４の大きさは通常１０μｍ〜数百μｍ程度であるので、目視した際には、一見、滑らかな外形をもつ絵柄と知覚される場合もあるが、光学顕微鏡等により拡大観察した場合、セル形状によりでこぼこした絵柄になっていることが認識されてしまう。特に、拡大観察を前提としたマイクロ文字や細線等の微細なパターンを記録する場合、文字や絵柄、細線の外形がセル３４の矩形形状によりでこぼこになってしまい、元となるデータの文字や絵柄の品質が損なわれてしまったり、ある程度より小さいパターンの記録が不可能になったりしてしまう。

したがって、このようなブレーズド格子１６が載置された光学シート３２をセキュリティ用途に用いる場合、偽造防止のために、より複雑なパターンを表現することや、より微細なパターンを用いることが要求されるため、従来の技術では自ずと限界がある。

一方、ブレーズド格子１６が載置された光学シート３２を、光制御シート等の光学部材用途に用いる場合でも、光の制御を厳密に行うためには元のデータの形状を正確に反映できることが望ましく、矩形のセルを配置する方法では複雑な形状に対応できない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、マイクロ文字や細線等の微小なパターンであっても高精度に表現することが可能なブレーズド格子を作製する方法を提供することにある。

また、その第２の目的は、このようなブレーズド格子を載置することによって、光の制御を厳密に行い、もって、複雑な形状を有する絵柄や文字といった対象物であっても、その形状を忠実かつ高精度に表現することが可能な光学シートを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明では、以下のような手段を講じる。

すなわち、請求項１の発明は、格子線方向に沿って設けられた各走査線に対する照射エネルギーを、各走査線毎に段階的に変化させながら各走査線毎に所定の照射エネルギーで荷電粒子ビームを照射することによってブレーズド格子を作製する方法であって、各走査線における各照射開始位置が予め定めた第１の曲線上に存在するか、または各走査線における各照射終了位置が予め定めた第２の曲線上に存在するか、または各走査線における各照射開始位置が予め定めた第１の曲線上に存在し、且つ各走査線における各照射終了位置が予め定めた第２の曲線上に存在するようにしている。

請求項２の発明は、請求項１の発明の作製方法において、第１および第２の曲線は、所定の絵柄または所定の文字の外形の一部である。

請求項３の発明は、請求項１の発明の作製方法において、第１および第２の曲線は、所定の絵柄または所定の文字のドローデータにおける所定の絵柄または所定の文字の外形に対応する部位の一部である。

請求項４の発明は、請求項１乃至３のうち何れか１項の発明のブレーズド格子の作製方法によって作製されたブレーズド格子が載置されてなる光学シートである。

セル毎にブレーズド格子を作製する従来の方法では、ブレーズド格子はセルの外形により直線状に分断されるため、表示パターンの解像度は、格子線ではなく、セルの大きさに依存する。ここで、ブレーズド格子を作製する際に走査線Ｓ毎において、段階的に荷電粒子ビームの照射エネルギー量を制御する方式においては、照射開始位置Ｓ（ｓ）と照射終了位置Ｓ（ｅ）とを決定することができる。

本発明のブレーズド格子の製作方法では、以上のような手段を講じることによって、滑らかな外形を有する文字や絵柄等を表現する場合に、セル単位にパターンを分割するのではなく、滑らかな外形に応じて照射開始位置Ｓ（ｓ）と照射終了位置Ｓ（ｅ）とを決定することができるので、高解像度なパターンを表現することができるブレーズド格子を作製することが可能となる。

また、本発明の光学シートは、このようにして作製されたブレーズド格子が載置されてなるので、光の制御を厳密に行うことができ、複雑な形状を有する絵柄や文字といった対象物であっても、その形状を忠実かつ高精度に表現することが可能となる。

本発明によれば、マイクロ文字や細線等の微小なパターンであっても高精度に表現することが可能なブレーズド格子を作製する方法を実現することができる。

また、このようなブレーズド格子を載置することによって、光の制御を厳密に行い、もって、複雑な形状を有する絵柄や文字といった対象物であっても、その形状を忠実かつ高精度に表現することが可能な光学シートを実現することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図１から図４を参照しながら説明する。

なお、以下の形態の説明に用いる図中の符号は、図５乃至図１０と同一部分については同一符号を付して示すことにする。

図１は、図１０と同様に、照射時の荷電粒子ビームの走査の様子を基板３０の正面側から見た図である。

すなわち、本実施の形態に係るブレーズド格子の作製方法では、図１に示すように、予め任意の曲線３８，４０を定義し、格子線方向２０に沿った各走査線Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、・・・Ｓ_ｎ毎の照射開始位置Ｓ_１（ｓ）、Ｓ_２（ｓ）、Ｓ_３（ｓ）、・・・、Ｓ_ｎ（ｓ）を曲線３８上に、照射終了位置Ｓ_１（ｅ）、Ｓ_２（ｅ）、Ｓ_３（ｅ）、・・・、Ｓ_ｎ（ｅ）を曲線上にそれぞれ位置させる。この曲線３８，４０は、例えば図３に示すように、図２に示すような所定の絵柄または所定の文字（図２の場合「あ」という文字）の外形の一部または全部である。図２に示すような絵柄や文字の元データを、コンピュータ等の手段によって作製された詳細なドローデータとするようにしても良い。ドローデータは、所定の文字や絵柄等の画像を数式で記録したデータであるので、拡大、縮小、回転等の変換を行っても画像情報の欠落が生じず、表現したい画像の滑らかさが損なわれない。そのため、一度作成したドローデータは、いかなる大きさで用いてもその品質が損なわれず、本実施の形態に係る光学シートで表現する画像の元データとして有効である。

このように決定された照射開始位置Ｓ（ｓ）から照射終了位置Ｓ（ｅ）まで、各走査線Ｓ毎に荷電粒子ビームを照射して行くことによって、解像度の高いパターンを描画し、ブレーズド格子の鋸歯形状を形成してゆく。

すなわち、例えば図２に示すような滑らかな外形を有する文字や絵柄等を表現する場合に、従来技術のようにセル単位にパターンを分割するのではなく、滑らかな外形に応じて照射開始位置Ｓ（ｓ）と照射終了位置Ｓ（ｅ）とを決定しているので、複雑な形状の外形を有する文字や絵柄等であっても、それを忠実に反映した高解像度なパターンを表現する。

そして、各走査線Ｓ_１〜Ｓ_ｎに沿って電子線等の荷電粒子ビームを走査させる。この場合、従来技術と同様に、照射エネルギーは、同一走査線では一定とするが、隣接する走査線毎に段階的に少しずつ変化させることによってブレーズド格子１６の鋸歯形状を得る。

ブレーズド格子１６のピッチは０．５〜２μｍ程度であり、精度の高い鋸歯形状を作製するためには、走査線間のピッチをその１／８以下（つまり、階段数を８段以上）となるよう、すなわち０．０６２５〜０．２５μｍ程度に加工することが望ましい。その場合回折効率は理論上約９５％が見込まれる。

本実施の形態に係るブレーズド格子の作製方法では、走査線間のピッチを、０．２５μｍ以下、場合によっては０．０１μｍで走査できるので、これによって作製されたブレーズド格子１６を光学顕微鏡等を用いて拡大観察した場合であっても、滑らかな外形を有するマイクロ文字等を高品質に表現できる高解像度のパターン表示を可能としている。

もちろん、同様の方法により、図４のように、文字の内部のブレーズド格子１６ａのみならず、文字の外部のブレーズド格子１６ｂを配置することも可能としている。

次に、以上のように構成した本実施の形態に係るブレーズド格子の作製方法および光学シートの作用について説明する。

すなわち、本実施の形態に係るブレーズド格子１６の作製方法では、光学シート３２上に表現した文字や絵柄の外形に対応する曲線３８，４０上に、各走査線Ｓの照射開始位置Ｓ（ｓ）と照射終了位置Ｓ（ｅ）とを位置させる。そして、各走査線Ｓ毎に段階的に照射エネルギーを変化させながら、対応する照射開始位置Ｓ（ｓ）から照射終了位置Ｓ（ｅ）まで荷電粒子ビームを照射しながら走査することによってブレーズド格子１６の鋸歯形状を形成することができる。

したがって、この作製方法で作製されたブレーズド格子１６が載置された光学シート３２では、光の制御を厳密に行うことが可能となる。したがって、複雑な形状の外形を有する文字や絵柄等を表現する場合であっても、でこぼこが非常に少なく、形状を忠実に反映した滑らかな外形を表現することが可能となる。

また、走査線間のピッチは、０．２５μｍ以下、場合によっては０．０１μｍとすることができる。これによって走査線間のピッチを、ブレーズド格子１６のピッチの１／８以下とすることができるので、作製されたブレーズド格子１６を光学顕微鏡等を用いて拡大観察した場合であっても、滑らかな外形を有するマイクロ文字等を高品質に表現できる高解像度のパターンを表示することが可能となる。

以上、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかかる構成に限定されない。特許請求の範囲の発明された技術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施の形態では、直線状の走査線を例に示したが、直線状のみならず、曲線状の走査線であっても同様にブレーズド格子を作製することが可能であり、同様の作用効果を奏することができる。

荷電粒子ビームの走査線の一例を示す概念図。「あ」という文字が表現された光学シートの一例を示す平面図。ブレーズド格子によって「あ」という文字が表現された光学シートの一例を示す図。ブレーズド格子によって「あ」という文字が表現された光学シートの一例を示す図。バイナリ格子の回折の様子を示す模式図。ブレーズド格子の回折の様子を示す模式図。荷電粒子ビームを用いてブレーズド格子を形成する工程を説明するための模式図およびブレーズド格子の断面図。エッチング法によりブレーズド格子を形成する工程を説明するための模式図。セル毎に構成されたブレーズド格子によって形成された光学シートの一例を示す概念図。従来技術による荷電粒子ビームの走査線の一例を示す概念図。

符号の説明

Ｓ…走査線、Ｓ（ｓ）…照射開始位置、Ｓ（ｅ）…照射終了位置、Ｖ…荷電粒子ビーム、１０，１２…バイナリ格子、１４…入射光、１６…ブレーズド格子、１８…階段状回折格子、２０…格子線方向、２１…エッチング液、２２…レジスト、２４，２６，２８…マスク、３０…基板、３２…光学シート、３３…外形、３４…セル、３８，４０…曲線

Claims

格子線方向に沿って設けられた各走査線に対する照射エネルギーを、前記各走査線毎に段階的に変化させながら前記各走査線毎に所定の照射エネルギーで荷電粒子ビームを照射することによってブレーズド格子を作製する方法であって、
前記各走査線における各照射開始位置が予め定めた第１の曲線上に存在するか、または前記各走査線における各照射終了位置が予め定めた第２の曲線上に存在するか、または前記各走査線における各照射開始位置が予め定めた第１の曲線上に存在し、且つ前記各走査線における各照射終了位置が予め定めた第２の曲線上に存在するようにしたブレーズド格子の作製方法。
請求項１に記載の作製方法において、
前記第１および第２の曲線は、所定の絵柄または所定の文字の外形の一部であるブレーズド格子の作製方法。
請求項１に記載の作製方法において、
前記第１および第２の曲線は、所定の絵柄または所定の文字のドローデータにおける前記所定の絵柄または所定の文字の外形に対応する部位の一部であるブレーズド格子の作製方法。
請求項１乃至３のうち何れか１項に記載のブレーズド格子の作製方法によって作製されたブレーズド格子が載置されてなる光学シート。