JP2006084635A - 光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複雑で微細な構造を有する光学素子を容易に製造する方法を提供する。
【解決手段】 基板１は、ガラス等の基礎基板１ａの上に、紫外線硬化樹脂等からなる付加基板１ｂを接合したものであり、付加基板１ｂの表面には接着部２と光学部３が設けられ、光学部３の表面には凹凸構造が設けられている。基板４は、樹脂からなり、その表面には接着部５と光学部６が設けられ、光学部６の表面には凹凸構造が設けられている。基板１の接着部２と基板４の接着部５に接着剤を塗布し、（ｂ）に示すように両者を接着する。すると、付加基板１ｂと基板４の間に空隙部７を有する光学素子が形成される。このようにして、表面に凹凸構造を有する基板を２枚組み合わせることにより、非常に細かいピッチの凹凸が形成された空隙部７を有し、しかも、その部分での空隙の高さが大きい、従来では製造できなかったような段差構造を有する光学素子を製造することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学素子、特に周期構造を有することにより所定の光学特性を発揮できる光学素子やフォトニック結晶等の光学素子の製造方法に関するものである。

微細加工技術の発達により、回折格子等、周期構造を有することにより所定の光学特性を発揮する光学素子や、様々な構造のフォトニック結晶が製造されるようになってきている。

このうち、フォトニック結晶を例に挙げると、２次元フォトニック結晶では円孔配列のフォトニック結晶が盛んに研究されている。３次元フォトニック結晶については、オパール法による3次元フォトニック結晶、ウエハー融着法による３次元フォトニック結晶が研究されている現状である。

しかしながら、オパール法による３次元フォトニック結晶の製造方法では、作製は容易であるが、任意に欠陥が導入できない、十分なバンドギャップが形成されないという問題点がある。また、ウエハー融着法による３次元フォトニック結晶の製造方法では、完全なバンドギャップ形成はできるものの、高精度な加工技術が必要であり、作製時間がかかり、大幅な設備投資が必要であり、かつ、大面積化が容易でない等の問題点がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、複雑で微細な構造を有する光学素子を容易に製造する方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、表面に凹凸構造が形成された複数枚の基板を、前記凹凸構造が形成された側の面同士を対面させて、互いの凹部と凸部の全てが接触することがないように貼り合わせる工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法（請求項１）である。

一般に凹凸構造を有する光学素子は、１枚の基板の表面に凹凸構造を形成して光学特性を持たせるか、２枚の屈折率が異なる基板の表面に、互いに嵌り合う凹凸構造を形成して嵌め合わせて接合することにより形成される。

しかし、このような方法で光学素子を形成しようとすると、凹凸のピッチが狭くなるに従い、アスペクト比が制限される関係上、凹凸の段差も小さくせざるをえず、かつ、多様な段差を形成することが困難となる。

本手段においては、表面に凹凸構造が形成された複数枚の基板を、凹凸構造が形成された側の面同士を対面させて貼り合わせるようにしているので、たとえば２枚の基板を貼り合わせた場合、凹凸の段差（空隙部の高さの差）を１枚の基板の場合の倍とすることができ、かつ、段差の種類も多様なものとすることができる。貼り合わせる基板が多数枚に及ぶ場合は、中間に挟まれる基板の両面に凹凸構造を形成すればよく、このように３枚以上の基板を用いることにより、さらに複雑な光学特性を有するものとすることができる。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、少なくとも１枚の基板に形成された前記凹凸構造のピッチの最小値が320nm以下であり、段差の最大値が500nm以上であることを特徴とするもの（請求項２）である。

前述のように、前記第１の手段は、凹凸構造のピッチが細かく、凹凸の段差が大きい場合に、従来技術では製造が困難であったような光学素子を製造することができる。よって、１枚の基板として、凹凸構造のピッチの最小値が320nm以下であり、段差の最大値が500nm以上であるものを使用すると、特に効果が大きい。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、貼り合わせによって形成された空隙部のピッチの最小値が320nm以下であり、高さの最大値が１μｍ以上であることを特徴とするもの（請求項３）である。

前述のように、前記第１の手段は、凹凸構造のピッチが細かく、凹凸の段差が大きい場合に、従来技術では製造が困難であったような光学素子を製造することができる。よって、貼り合わせによって形成された空隙部のピッチの最小値が320nm以下であり、高さの最大値が１μm以上であるようにすると、特に効果が大きい。なお、本明細書及び特許請求の範囲でいう「空隙部」とは、基板と基板の間の空隙部をいい、そこに気体や液体、ナノ分子膜やポリマー等の固体が充填されている場合を含むものである。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記凹凸構造が形成された面同士を対面させて貼り合わせた光学素子の貼り合わせ面の間隔が50nm以下であることを特徴とするもの（請求項４）である。

貼り合わせ面の間隔を50nm以下とすることにより、貼り合わせ精度が良くなって、回折パターンがきれいになり、波面収差がでにくくなる。又、０次光の発生を低減することができる。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、前記基板の屈折率が、２種類以上であることを特徴とするもの（請求項５）である。

第１の手段から第４の手段においては、張り合わされた基板の凹部と凸部の全てが接触することがないので、２つの基板の間に空隙部が存在する。よって、これらを考慮すると、本手段は、３種類の屈折率を有する層が積層されてできた光学素子となる。光学素子に含まれる層の屈折率の種類が多くなるほど、設計の自由度が増し、かつ、種々の特性を有する光学素子を形成可能となる。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、前記基板として、光学特性に関係しない部分にアライメントマークが形成されたものを使用し、基板同士を貼り合わせる際に、前記アライメントマークを基準として位置合わせを行うことを特徴とするもの（請求項５）である。

本手段においては、アライメントマークを基準にして重ね合わせる基板の位置合わせを行っているので、正確な位置合わせができ、従って、設計値に近い光学特性を有する光学素子を形成することができる。

前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、前記基板として、光学特性に関係する部分の周囲に凹部を有し、さらにこの凹部に隣接して凸部を有するものを少なくとも１枚使用し、前記凸部を貼り合わせ面とすることを特徴とするもの（請求項６）である。

本手段においては、前記凸部を貼り合わせ面として基板を貼り合わせたときに、貼り合わせ面からあふれ出た接着剤が凹部に溜まり、光学特性に関係する部分に流れ込まないので、接着剤により光学特性が設計値と異なるものになるのを防止することができる。

前記課題を解決するための第７の手段は、前記第１の手段から第６の手段のいずれかであって、少なくとも１枚の前記基板面の凹凸構造が、型からのスタンピング、又は型を利用した成型により形成されたものであることを特徴とするもの（請求項７）である。

本手段においては、少なくとも１枚の基板面の凹凸構造が、型からのスタンピング、又は型を利用した成型により形成されたものであるので、安価で多数枚の凹凸構造を有する基板を製造することができ、これらの基板を使用して光学素子を製造することができる。

前記課題を解決するための第８の手段は、前記第１の手段から第７の手段のいずれかであって、前記光学素子がフォトニック結晶であることを特徴とするもの（請求項８）である。

前記前記第１の手段から第７の手段によれば、微細で複雑な構造を有する光学素子を容易に製造することができる。よって、フォトニック結晶の製造に特に有利である。

本発明によれば、複雑で微細な構造を有する光学素子を容易に製造する方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の第１の例である光学素子の製造方法を示す図である。（ａ）には２枚の基板１と４が示されている。基板１は、ガラス等の基礎基板１ａの上に、紫外線硬化樹脂等からなる付加基板１ｂを接合したものであり、付加基板１ｂの表面には接着部２と光学部３が設けられ、光学部３の表面には凹凸構造が設けられている。

このような基板１を作るには、例えばリソグラフィにより表面にレジストの凹凸構造を有する型を形成し、その型と基礎基板１ａとを対面させて、その間に紫外線硬化樹脂を注入して、紫外線を照射し、硬化した紫外線硬化樹脂を型から剥離することにより、基礎基板１ａと一体となった付加基板１ｂを形成するという周知の方法を採用することができる。

レジストの凹凸構造の上にニッケルめっき等を施した型を使用してもよいし、レジストの凹凸構造を有する母型から、樹脂により形成されるレプリカを作成し、このレプリカを型として用いてもよい。これらの技術は、光ディスク等を製造する技術として周知のものであるので、その説明を省略する。

基板４は、樹脂からなり、その表面には接着部５と光学部６が設けられ、光学部６の表面には凹凸構造が設けられている。基板４は、例えば、樹脂の表面に凹凸を有する型を押し付けてスタンピングを行うことにより形成される。この技術や型の形成方法は、光ディスク等を製造する技術として周知のものであるので、その説明を省略する。

基板の凹凸の形成方法としては、この他に、ガラス等の基板の上にレジストを塗布してステッパにより露光し、レジストを現像した後、ドライエッチングによりレジストと基板を同時にエッチングして、レジストのパターンを基板に転写する周知の方法も採用可能である。

基板１の付加基板１ｂと基板４の材質は同じである場合も異なる場合もある。光学部３と光学部６に構成される凹凸の最小ピッチは、320nm以下であり、凸部と凹部の高さの差の最高値は500nm以上とされている。なお、図１は断面図であり、紙面の奥行き方向にも、同様な凹凸構造が形成され、光学部３と光学部６に形成される凹凸構造は、高さまで考慮すると３次元的なものとなっている。

このようにして形成された基板１の接着部２と基板４の接着部５に接着剤を塗布し、（ｂ）に示すように両者を接着する。すると、付加基板１ｂと基板４の間に空隙部７を有する光学素子が形成される。この空隙部７のピッチには320nm以下の部分があり、空隙部の高さの最大値は１μｍ以上である。光学部３の凸部と光学部６の凸部とが接触する部分があるので、空隙部の高さの最小値は０である。

このようにして、表面に凹凸構造を有する基板を２枚組み合わせることにより、320nm以下という非常に細かいピッチの凹凸が形成された空隙部７を有し、しかも、その部分での空隙の高さが１μm以上というような、従来では製造できなかったような段差構造を有する光学素子を製造することができる。

しかも、付加基板１ｂの表面の凹凸のピッチと、基板４の表面の凹凸のピッチをずらすことにより、非常に複雑な形状を持った空隙部７を形成することができ、複雑な光学特性を有する光学素子を製造することが可能となる。

なお、空隙部７には、空気以外の気体を充填したり、所定の屈折率を有する液体を充填したりしてもよく、又、この空隙は真空としてもよい。このことは、後に示す実施の形態においても同じである。

図２は、本発明の実施の形態の第２の例である光学素子の製造方法を示す図である。（ａ）には２枚の基板１と４が示されている。これらの基板１と基板４とは、図１に示されたものと同じものである。以下の説明においては、前出の図に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略することがある。

（ａ）には第３の基板８が示されている。この基板８は樹脂からなり、両面に接着部９，１０を有すると共に、光学部１１，１２を有している。光学部１１．１２には、凹凸構造が形成されている。基板８の材質は付加基板１ｂ、基板４の一方又は両方と同じであってもよいし、付加基板１ｂ、基板４とは屈折率の異なる物質で形成されていてもよい。基板８の製造方法は、例えば型を対向させ、その間に紫外線硬化樹脂を注入して紫外線を照射して硬化させてもよいし、両側から型で押圧して成型してもよい。

このような３つの基板の接着部２，９，１０，５に接着剤を塗布し、基板８を中心にして重ね合わせて接着する。すると、（ｂ）のような構造を有する光学素子が形成される。付加基板１ｂと基板８、基板８と基板４の間にそれぞれ空隙部１３，１４が形成される。空隙部１３，１４には、空気の他に他の気体や液体を封入してもよいし、空隙部１３に封入される物質と空隙部１４に封入される物質を変えるようにしてもよい。又、この空隙部は真空としてもよい。このようにして３層構造の基板とその間の空隙から構成される複雑な構造を有する光学素子が形成される。

４層以上の基板を有する光学素子を形成する場合には、例えば、基板８のように両面に光学部を有し、その光学部に凹凸構造が形成されたものを必要数積層して接着し、その両側を、片側に凹凸構造が形成された基板で挟んで接着すればよい。なお、前述の何れの場合においても、接着剤の厚さはなるべく薄くし、50nm以下とすることが好ましい。これ以上になると、波面収差の影響で、回折パターンがきれいに現れなくなったり、０次光が多くなったりする可能性がある。

さらに、図１、図２においては、基礎基板１ａの表面、基板４の光学部６と反対側の表面は平面としているが、これらの面に光学的パワーを持たせるような形状としてもよい。

図３は、本発明の実施の形態の第３の例である光学素子の製造方法を示す図である。（ａ）は（ｂ）におけるＡ−Ａ断面図、（ｂ）は平面図である。

基板２１には、接着部２１ａ、光学部２１ｂの他に、光学部２１ｂを取り囲むように、接着部２１ａとの間に凹部２１ｃが形成され、同様に基板２２には、接着部２２ａ、光学部２２ｂの他に、凹部２２ｃが形成されている。接着部２１ａ，２２ａに接着剤２３を塗布して、基板２１と２２とを接着する。その際、各々の基板２１、２２に形成されたアライメントマーク２４を基準にして位置合わせを行う。アライメントマークは、接着部２１ａ、２２ａに対応する位置に形成されている。

接着に際し、接着剤２３が、接着部２１ａ、２２aの外側にはみ出すが、内側にはみ出した接着剤２３は、図に示すように凹部２１ｃ、２２ｃの中に溜まり込み、光学部２１ｂ、２２ｂ中に入り込むことがないので、接着剤２３により光学特性が悪化することが避けられる。なお、図３においては、凹部を基板２１と２２の両方に設けているが、接着する際に下側になる基板（図３においては基板２２）側に設けるのみでもよい。

以上説明した実施の形態においては、一組の基板から１つの光学素子を製造する例を説明した。しかし、１つの基板に複数の光学素子を形成し、それを後にダイシング等によって切断して複数の光学素子を分離して取り出したり、複数の光学素子をアレイとして使用する場合がある。このような光学素子の製造方法は、上述の説明から、当業者は容易に類推することができるであろう。

本発明の実施の形態の第１の例である光学素子の製造方法を示す図である。 本発明の実施の形態の第２の例である光学素子の製造方法を示す図である。 本発明の実施の形態の第３の例である光学素子の製造方法を示す図である。

符号の説明

１…基板、１ａ…基礎基板。１ｂ…付加基板、２…接着部、３…光学部、４…基板、５…接着部、６…光学部、７…空隙部、８…基板、９…接着部、１０…接着部、１１…光学部、１２…光学部、１４…空隙部、２１…基板、２１ａ…接着部、２１ｂ…光学部、２１ｃ…凹部、２２…基板、２２ａ…接着部、２２ｂ…光学部、２２ｃ…凹部、２３…接着剤、２４…アライメントマーク

Claims (9)

1. 表面に凹凸構造が形成された複数枚の基板を、前記凹凸構造が形成された側の面同士を対面させて、互いの凹部と凸部の全てが接触することがないように貼り合わせる工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 少なくとも１枚の基板に形成された前記凹凸構造のピッチの最小値が320nm以下であり、段差の最大値が500nm以上であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光学素子の製造方法であって、貼り合わせによって形成された空隙部のピッチの最小値が320nm以下であり、高さの最大値が１μｍ以上であることを特徴とする光学素子の製造方法。
4. 請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の光学素子の製造方法であって、前記凹凸構造が形成された側の面同士を対面させて貼り合わせた光学素子の貼り合わせ面の間隔が50nm以下であることを特徴とする光学素子の製造方法。
5. 前記基板の屈折率が、２種類以上であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
6. 前記基板として、光学特性に関係しない部分にアライメントマークが形成されたものを使用し、基板同士を貼り合わせる際に、前記アライメントマークを基準として位置合わせを行うことを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
7. 前記基板として、光学特性に関係する部分の周囲に凹部を有し、さらにこの凹部に隣接して凸部を有するものを少なくとも１枚使用し、前記凸部を貼り合わせ面とすることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
8. 少なくとも１枚の前記基板面の凹凸構造が、型からのスタンピング、又は型を利用した成型により形成されたものであることを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
9. 前記光学素子がフォトニック結晶であることを特徴とする請求項１から請求項８のうちいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
   

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