JP2006178218A

JP2006178218A - 光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP2006178218A
Application number: JP2004372014A
Authority: JP
Inventors: Madoka Nishiyama; 円西山; Tei Narui; 禎成井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2006-07-06

Abstract

【課題】ドライエッチングを使用することなく、かつ、エッチング工程を複数回行わずに、光学素子を製造する方法を提供する。
【解決手段】基板１の上にレジスト２を塗布し、リソグラフィ工程により、イオン注入を行いたい場所のレジスト２を除去しておき、所定の強さでイオン注入を行う。これにより、基板１中に所定パターンで所定深さを有するイオン注入領域３が形成される（ａ）。続いて、レジスト２を溶解除去し、新しいレジスト２を塗布して、別の場所に開口部を設け、先に行ったイオン注入における加速電圧とは別の加速電圧でイオン注入を行う。すると、先に行ったイオン注入と異なる深さまでイオンを注入することができる（ｂ）。その後、レジスト２を溶解除去し、基板１のウェットエッチングを行う（ｃ）。イオン注入領域３では、エッチングレートが大きくなるので、大きくエッチングされ、イオン注入深さに応じた形状の基板１が完成する（ｄ）。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイナリ光学素子、回折光学素子、フォトニック結晶(ＰｈＣ)等、微細な形状の構造を表面に有する基板を主たる要素として構成される光学素子の製造方法に関するものである。

従来、バイナリ光学素子、回折光学素子、フォトニック結晶(ＰｈＣ)等、微細な形状の構造を表面に有する基板を主たる要素として構成される光学素子は、電子線描画装置、ステッパ、レーザ描画装置等を使用したリソグラフィ方式によるレジストパターン形成工程（以下リソグラフィ工程という）の後、高密度プラズマやＲＩＥなどのトライエッチング工程を行って、直接基板又は薄膜に溝を掘り込むことにより製造されている。

例えば、ＢＯＥなどのバイナリ素子を作製する場合は、リソグラフィ工程とドライエッチング工程をｎ回繰り返すことで、２^ｎの段数を有するバイナリ素子を作製する。たとえばリソグラフィ工程とドライエッチング工程を４回繰り返すことにより、１６レベル(１６ＢＯＥ)の素子を作製することができる。

しかしながら、リソグラフィ工程とドライエッチング工程を複数回行って光学素子を製造する場合、リソグラフィ工程における位置精度を正確なものとしても、後工程のドライエッチングによるバラツキが生じるために、重ね合わせ部分が正確とならず、所望の形状を有する素子を作製することは、きわめて困難である。特に狭いピッチや高アスペクト比の構造を有する光学素子を作製する場合には、上記ばらつきが発生しやすく、光学特性にも大きく影響を及ぼす。

またドライエッチング装置は高価であり、かつ、大面積にわたって面内均一加工性を確保することは困難である。又、ナノプリント法を用い、型から転写することで素子を大量に安く製造できるが、型を精度よく作製しなければ所望の特性の素子を製造することはできない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ドライエッチングを使用することなく、かつ、エッチング工程を複数回行わずに、微細な形状の構造を表面に有する基板を主たる要素として構成される光学素子を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、基板表面に、当該表面の所定部分毎に異なる深さのイオン注入を行い、その後、前記基板をウェットエッチングすることにより、前記基板表面の形状を、前記イオン注入深さに応じた形状とし、当該基板を光学素子と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。

本手段おいては、基板表面の各部分に応じた深さにイオンを注入する。イオン注入された部分は、ウェットエッチングするときにエッチングレートが大きくなるので、ウェットエッチング後の基板表面の形状は、イオン注入深さに応じた形状となる。イオン注入位置は、リソグラフィ工程と組み合わせることにより正確な位置とすることができ、かつ、従来方法と違い、エッチング工程を１回しか行っていないので、重ね合わせ部分において形状誤差が発生することがない。又、ウェットエッチングにより処理ができるので、装置が高価で時間のかかるドライエッチング工程を使用しなくて済む。

前記課題を解決するための第２の手段は、基板表面に、当該表面の所定部分毎に異なる深さのイオン注入を行い、その後、前記基板をウェットエッチングすることにより、前記基板表面の形状を、前記イオン注入深さに応じた形状とし、当該基板を型として用い、当該型からパターンを転写す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２）である。

本手段においては、型を用いて、型のパターンを樹脂等からなる基材の表面に転写して光学素子を製造しているので、一つの型を作ることにより、それを使用して多くの光学素子を得ることができる。

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、前記基板がＳｉ基板であることを特徴とするもの（請求項３）である。

Ｓｉ基板は、半導体プロセスにおいて多用されており、イオン注入技術やウェットエッチング技術が確立されており、かつ、注入されたイオンによる不純物が拡散されて移動キャリアとなって酸化を促進し、エッチングレートが大きくなるので、基板として用いるのに好適である。

本発明によれば、ドライエッチングを使用することなく、かつ、エッチング工程を複数回行わずに、微細な形状の構造を表面に有する基板を主たる要素として構成される光学素子を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について、図を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態である光学素子の製造方法を説明するための図である。まず、基板１の上にレジスト２を塗布し、リソグラフィ工程により、イオン注入を行いたい場所のレジスト２を除去しておき、所定の強さでイオン注入を行う。これにより、基板１中に所定パターンで所定深さを有するイオン注入領域３が形成される（ａ）。

基板１としては、Ｓｉ、Ｓｉ／ＳｉＯ_２、ＳＯＩ、ＧａＡｓ等の半導体製造に用いられる基板を用いることが適当であるが、特にＳｉが半導体製造工程においてイオン注入技術が確立しており、かつ、注入されたイオンによる不純物が拡散されて移動キャリアとなって酸化を促進し、エッチングレートが大きくなるので、基板１の材料として好ましい。

注入するイオンとしては、例えば、Ｂ、ＢＦ２、Ｐ等を適宜選択できる。イオン注入深さは、これらイオンを注入する際の加速電圧を制御することによって調整できる。たとえば、加速電圧を10keV〜1000keVまで可変させて注入深さを調整する。イオン注入は、基板１の表面にはほとんど損傷を与えないで行うことができる。

続いて、レジスト２を溶解除去し、新しいレジスト２を塗布して、別の場所に開口部を設け、先に行ったイオン注入における加速電圧とは別の加速電圧でイオン注入を行う。すると、先に行ったイオン注入と異なる深さまでイオンを注入することができる（ｂ）。

その後、レジスト２を溶解除去し、基板１のウェットエッチングを行う（ｃ）。イオン注入領域３では、注入されたイオンが移動キャリアとなって酸化を促進し、エッチングレートが大きくなるので、大きくエッチングされ、イオン注入深さに応じた形状の基板１が完成する（ｄ）。

エッチング液としては、例えばＨＦ−ＨＮＯ_３系のエッチング液を使用することができる。この場合、ＨＦ−ＨＮＯ_３系エッチング液の組成比をコントロールすることにより、エッチングレートを制御することも可能である。

又、Ｓｉ基板に電気化学エッチングをする方法を用いてもよい。このときには、Ｓｉ基板をエッチング液に対してプラス側にバイアスして電極を配置する。電極からホールが注入されることで、酸化が促進し、エッチングが進行する。

上記のようにして作成した基板１を光学素子として用いる場合には、（ｄ）の上下方向に光を通過させることにより、基板１の場所に応じて光路長が異なることになり、パターン形状に応じた特性を有する光学素子となる。

図１においては、イオン注入深さを２段階に変えていたが、イオン注入深さを多段階に変え、各注入深さに対応するパターン形状を変えることにより、ＢＯＥや、フォトニック結晶、回折格子等の特性を持たせることができる。この方法によれば、凹凸の深さが、使用する光の波長の１／４以上であるような光学素子を製造することができ、又、凹凸のピッチを１０μｍ以下とすることもできる。ＢＯＥの場合は、８段、１６段以上のものを製造することもできる。

又、注入されるイオンがある程度透過するようなレジストを用い、グレースケールマスクを用いてレジスト厚さをアナログ的に変化させ、このようなレジスト上からイオン注入を行うことにより、基板に注入されるイオンの深さをアナログ的に変化させることもでき、このような場合には、表面形状がアナログ的に変化する光学素子を得ることができる。

図２は、本発明の第２の実施の形態である光学素子の製造方法を説明するための図である。この実施の形態は第１の実施の形態で製造された図１（ｄ）に示す基板１を、光学素子として用いるのではなく、型として用いている。

まず、型である基板１の上に、紫外線硬化型樹脂４を載置する（ａ）。そして、透明な定盤５と基板１との間に紫外線硬化型樹脂４を挟み込み、定盤５を通して紫外線を照射し、紫外線硬化型樹脂４を硬化させる（ｂ）。

その後、基板１と定盤５を紫外線硬化型樹脂４から剥離することにより、紫外線硬化型樹脂４からなる光学素子６が完成する（ｃ）。

このように、図１に示したようなプロセスで表面に凹凸パターンを有する基板を製造して型として用いることにより、図１に示したような複雑な工程を１回行うだけで、多数の光学素子を得ることができる。なお、図２（ｃ）に示した紫外線硬化型樹脂４を、さらに型として用いて、図２に示したのと同様な工程により光学素子を形成してもよい。

いずれの場合も、型として用いる基板１や紫外線硬化型樹脂４の表面に電鋳を行って、表面を固くしておくようにしてもよい。例えば、これらの表面に無電解メッキによりＮｉ薄膜を成膜し、これを電極として、Ｎｉの電鋳を行うことができる。

本発明の第１の実施の形態である光学素子の製造方法を説明するための図である。本発明の第２の実施の形態である光学素子の製造方法を説明するための図である。

符号の説明

１…基板、２…レジスト、３…イオン注入領域、４…紫外線硬化型樹脂、５…定盤、６…光学素子

Claims

基板表面に、当該表面の所定部分毎に異なる深さのイオン注入を行い、その後、前記基板をウェットエッチングすることにより、前記基板表面の形状を、前記イオン注入深さに応じた形状とし、当該基板を光学素子とすることを特徴とする光学素子の製造方法。
基板表面に、当該表面の所定部分毎に異なる深さのイオン注入を行い、その後、前記基板をウェットエッチングすることにより、前記基板表面の形状を、前記イオン注入深さに応じた形状とし、当該基板を型として用い、当該型からパターンを転写する工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
前記基板がＳｉ基板であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学素子の製造方法。