JP2007011206A

JP2007011206A - 素子および素子の製造方法

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Publication number: JP2007011206A
Application number: JP2005194981A
Authority: JP
Inventors: Satoru Ota; 哲太田; Atsushi Yamaguchi; 山口　　淳
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-07-04
Filing date: 2005-07-04
Publication date: 2007-01-18

Abstract

【課題】最表面に入射する光の反射率を低減することができ、位相板または偏光分離素子などの製品に利用することができる素子とその製造方法を提供する。
【解決手段】凹凸が周期的に形成された基板の表面上に屈折率の異なる複数の誘電体膜が周期的に積層されている素子であって、基板の凹凸の周期に対する各誘電体膜の突出高さの比である各誘電体膜のアスペクト比（各誘電体膜の突出高さ／基板の凹凸の周期）が基板側から素子の最表面側に向かって順次減少している素子とその素子の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は素子および素子の製造方法に関し、特に最表面に入射する光の反射率を低減することができ、位相板または偏光分離素子などの製品に利用することができる素子とその製造方法に関する。

従来から、フォトニック結晶を利用した素子を作製する方法として、自己クローニング法が知られている。この自己クローニング法は、下地となる基板の表面に凹凸を周期的に形成し、この基板の凹凸の表面上に屈折率の異なる誘電体膜を周期的に積層することによって、基板の表面の周期的な凹凸パターン形状を誘電体膜に反映させる手法である。このような構造の素子については偏光依存性または波長依存性などの光学特性が生じ得るため、そのような光学特性を発揮する素子の開発が期待されている。

たとえば、特許文献１には、自己クローニング法を利用して作製された素子が開示されている。図７に、特許文献１に開示されている従来の素子の模式的な断面図を示す。この素子は、断面が三角形状の凹凸が周期的に形成された基板１の表面上に、互いに屈折率が異なる２種類の第１誘電体膜２および第２誘電体膜３が交互に周期的に積層された構造を有している。

図７に示される従来の素子は、以下のようにして作製される。まず、基板１上にマグネトロンスパッタにより第１誘電体膜２を積層する。次に、第２誘電体膜３を第１誘電体膜２と同じ膜厚だけ積層して１周期目の多層膜が積層される。引き続き、同様にして第１誘電体膜２および第２誘電体膜３を上記と同一厚みとなるように交互に積層する操作を繰り返して、第１誘電体膜２および第２誘電体膜３が周期的に積層される（特許文献１の［００１４］参照）。
特開２００３−２１５３６６号公報

しかしながら、図７に示される従来の素子においては、最表面の凹凸の高低差が非常に大きい。したがって、この素子の最表面から光を入射することによって素子の光学特性を発揮させる場合には入射した光の反射率が高くなるため、素子の光学特性による効果を十分に得ることができないという問題があった。

そこで、本発明の目的は、最表面に入射する光の反射率を低減することができる素子とその素子の製造方法を提供することにある。

本発明は、凹凸が周期的に形成された基板の表面上に屈折率の異なる複数の誘電体膜が周期的に積層されている素子であって、基板の凹凸の周期に対する各誘電体膜の突出高さの比である各誘電体膜のアスペクト比（各誘電体膜の突出高さ／基板の凹凸の周期）が基板側から素子の最表面側に向かって順次減少している素子であることを特徴としている。

ここで、本発明の素子は、位相板または偏光分離素子に用いることができる。
また、本発明は、凹凸が周期的に形成された基板の表面上に屈折率の異なる複数の誘電体膜が周期的に積層されている素子を製造する方法であって、各誘電体膜は、蒸着によって、基板の凹凸の周期に対する各誘電体膜の突出高さの比である各誘電体膜のアスペクト比（各誘電体膜の突出高さ／基板の凹凸の周期）を順次減少して積層される素子の製造方法であることを特徴としている。

ここで、本発明の素子の製造方法において、蒸着はイオンアシスト蒸着であることが好ましい。

また、本発明の素子の製造方法は、各誘電体膜をイオンアシスト蒸着によって積層する際に、誘電体膜の成膜と成膜の間にイオンビームを誘電体膜に照射する工程を含んでいてもよい。

本発明によれば、最表面に入射する光の反射率を低減することができる素子とその素子の製造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説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

図１に、本発明の素子の好ましい一例の模式的な断面図を示す。この素子は、断面が三角形状の凹凸が周期的に形成された基板１の表面上に、互いに屈折率の異なる２種類の第１誘電体膜２、第２誘電体膜３が交互に周期的に積層されており、基板１の凹凸の周期に対する各誘電体膜の突出高さの比である各誘電体膜のアスペクト比（各誘電体膜の突出高さ／基板１の凹凸の周期）が基板１側から素子の最表面側に向かって順次減少していることを特徴としている。

このように、基板１側から素子の表面側に向かってアスペクト比が順次減少するように第１誘電体膜２および第２誘電体膜３をそれぞれ交互に積層していくことによって、積層するごとに各誘電体膜のテーパ角が小さくなっていき、これらの誘電体膜の表面の凹凸が平坦化されていって、図１に示す素子の最表面に位置する第２誘電体膜３の表面の凹凸は積層される各誘電体膜の中で最も平坦化されることになる。

ここで、本発明において、各誘電体膜のアスペクト比は、図２の模式的拡大断面図に示すように、基板１の凹凸の周期Ｐと各誘電体膜の突出高さＨとの比（Ｈ／Ｐ）で表される。また、本発明において、各誘電体膜のテーパ角は、図２に示すように、基板１の凹凸の周期Ｐ方向に伸びる直線と各誘電体膜の表面の傾斜とが為す角度αで表される。

図３に、断面が三角形状の凹凸が２００ｎｍのピッチで周期的に形成された基板上にＴａ₂Ｏ₅膜とＳｉＯ₂膜とを交互に順次積層した素子を形成し、素子の最表面に波長４００ｎｍの光を垂直に入射したときの反射率と、素子の最表面に位置するＳｉＯ₂膜のテーパ角との関係を示す。

図３に示すように、素子の最表面に位置するＳｉＯ₂膜のテーパ角が小さくなるにつれて入射した光の反射率が指数関数的に減少しているのがわかる。

したがって、本発明の素子においては、最表面の凹凸の高低差を従来の素子と比べて大幅に低減して平坦化することができるため、素子の最表面から入射する光の反射率を低減することができるのである。

このような本発明の素子は、たとえば図４に示すイオンアシスト蒸着装置を用いて作製することができる。ここで、イオンアシスト蒸着装置は、蒸着室４の上方にイオンビーム８を照射するための分岐管９を備えており、蒸着室４の内部の下方には誘電体膜の原料６を収容するための容器５と容器５を加熱するための加熱器７が設置されている。

このイオンアシスト蒸着装置の蒸着室４の上方に基板１を設置し、蒸着室４の下方に設置された容器５に図１に示す第１誘電体膜２の原料６を充填する。そして、加熱器７によって容器５を加熱することによって原料６を蒸発させ、蒸発した原料ガス６ａが基板１の表面に接触することによって基板１の表面上に第１誘電体膜２が蒸着により成膜される。ここで、この第１誘電体膜２の成膜中においては、分岐管９からイオンビーム８が照射されることによって、第１誘電体膜２はエッチングされてその形状を整えられながら成膜する。これにより、次に成膜される図１に示す第２誘電体膜３の成膜形状がより調節しやすくなる。

次に、容器５には、図１に示す第２誘電体膜３の原料を充填し、加熱器７によって容器５を加熱することによって原料を蒸発させ、蒸発した原料ガスが基板１上に成膜された第１誘電体膜２の表面に接触することによって第２誘電体膜３が第１誘電体膜２の表面上に蒸着により成膜される。ここで、第２誘電体膜３は、先に成膜されている第１誘電体膜２よりもアスペクト比が減少するように調節して成膜される。また、この第２誘電体膜３の成膜中においても、分岐管９からイオンビーム８が照射されることによって、第２誘電体膜３はエッチングされてその形状を整えられながら成膜する。このイオンビーム８の照射により、その次に新たに成膜される第１誘電体膜２の成膜形状がより調節しやすくなる。

続いて、容器５には、再度、第１誘電体膜２の原料６を充填し、加熱器７によって容器５を加熱することによって原料を蒸発させ、蒸発した原料ガスが基板１上に成膜された第２誘電体膜３の表面に接触することによって第１誘電体膜２が第２誘電体膜３の表面上に蒸着により成膜される。ここで、第１誘電体膜２は、先に成膜されている第２誘電体膜３よりもアスペクト比が減少するように調節して成膜される。また、この第１誘電体膜２の成膜中においても、分岐管９からイオンビーム８が照射されることによって、第１誘電体膜２はエッチングされてその形状を整えられながら成膜する。このイオンビーム８の照射により、その次に新たに成膜される第２誘電体膜３の形状をより調節しやすくなる。

最後に、再度、容器５に第２誘電体膜３の原料を充填し、加熱器７によって容器５を加熱することによって原料を蒸発させ、蒸発した原料ガスが最表面に位置する第１誘電体膜２の表面に接触することによって第２誘電体膜３が第１誘電体膜２の表面上に蒸着により成膜される。ここで、第２誘電体膜３は、その直下の第１誘電体膜２よりもアスペクト比が減少するように調節して成膜される。ここで、この第２誘電体膜３の成膜中においても、分岐管９から基板１に向けてイオンビーム８が照射されることによって、第２誘電体膜３はエッチングされてその形状を整えられながら成膜する。これにより、第２誘電体膜３の表面形状を整えることができる。このようにして、図１に示す本発明の素子がイオンアシスト蒸着によって作製される。

なお、上記において、イオンビームは、誘電体膜の成膜中にのみ照射（以下、「成膜時照射」という。）しているが、誘電体膜の成膜と成膜の間（誘電体膜の成膜後であって次の誘電体膜の成膜開始前）に照射（以下、「成膜後照射」という。）することもできる。すなわち、本発明におけるイオンアシスト蒸着とは、最初の誘電体膜の成膜開始時から素子の製造終了時までの間に少なくとも１回イオンビームが照射されればよいことを意味する。成膜後照射においては蒸着による影響を受けることなく誘電体膜の形状を整えることができるため、誘電体膜の形状をより精細に整えることができる。

また、成膜時照射とともに成膜後照射をすることによって、成膜時照射において誘電体膜の形状をある程度整えた後に成膜後照射において誘電体膜の形状をさらに精細に整えることができる。したがって、成膜時照射とともに成膜後照射をした場合には、成膜時照射のみの場合と比べて誘電体膜の形状をより精細に整えることができる傾向にある。

なお、イオンアシスト蒸着においては、イオンビームの電圧、電流または誘電体膜の成膜速度などを調節することで、積層される誘電体膜のアスペクト比を徐々に減少することができる。

また、上記においては、イオンアシスト蒸着によって各誘電体膜を成膜した場合について説明しているが、イオンアシスト蒸着以外の蒸着（たとえば真空蒸着）などによっても基板側から素子の表面側に向かって各誘電体膜のアスペクト比が順次減少するように各誘電体膜を成膜することができる。ただし、イオンアシスト蒸着は、他の蒸着と比べてアスペクト比をより容易に制御することができる点で有利となる。

また、上記においては、第１誘電体膜と第２誘電体膜の２種類の誘電体膜を用いているが、本発明においては互いに屈折率が異なる２種類以上の誘電体膜を用いることもできる。なお、本発明において、誘電体膜としては、たとえばＳｉＯ₂膜、Ｔａ₂Ｏ₅膜、Ｎｂ₂Ｏ₅膜、ＴｉＯ₂膜またはＳｉ膜などを用いることができる。

また、上記において、基板としては、断面が三角形状の凹凸が周期的に形成されたものが用いられているが、その周期的に形成される凹凸の形状は矩形状または台形状などでもよく、特に限定されるものではない。ただし、三角形状の断面を有する誘電体膜を形成するためには、上記のように断面が三角形状の凹凸が周期的に形成された基板を用いることが好ましい。なお、本発明において、基板としては、たとえばガラス基板などの半導体基板またはアクリルなどの樹脂基板などが用いられる。また、基板の表面に周期的に形成される凹凸は、半導体リソグラフィ技術を応用して作製する方法または半導体リソグラフィ技術で所定の母型を作製し、射出成形法やスタンプ法などを用いてその母型のパターンを転写する方法などがある。

このような本発明の素子は、たとえば図５の模式的斜視図に示すような偏光分離素子または図６の模式的斜視図に示すような位相板などに利用することができる。図５に示す偏光分離素子においては、最表面に入射した光のうちＴＥ波については透過させずＴＭ波のみを透過させる機能を有している。また、図６に示す位相板においては、最表面に入射した円偏光を直線偏光に変える機能を有している。

本発明の素子を上記のような偏光分離素子や位相板などに適用することによって、最表面に入射する光の反射率を低減することができるために、偏光分離素子や位相板などの光学特性を十分に発揮させることができる。なお、本発明の素子が適用されるアプリケーションは偏光分離素子や位相板に限定されないことは言うまでもない。

幅２００ｎｍで高さ７０ｎｍの三角形の断面がその三角形の幅方向に２００ｎｍの周期で形成されている表面を有するガラス基板を母型として、アクリル系の紫外線硬化樹脂にその周期形状を転写し、紫外線を照射することによって硬化した樹脂基板を用意した。

そして、この樹脂基板の表面上に、厚さ８７ｎｍのＴａ₂Ｏ₅膜と厚さ５８ｎｍのＳｉＯ₂膜の積層体を１８周期形成した。ここで、Ｔａ₂Ｏ₅膜およびＳｉＯ₂膜はイオンアシスト蒸着によって形成し、Ｔａ₂Ｏ₅膜およびＳｉＯ₂膜のそれぞれの成膜中および成膜後にイオンビームを照射してＴａ₂Ｏ₅膜およびＳｉＯ₂膜の形状をそれぞれエッチングにより整えた。なお、イオンビームは、Ｏ₂ガスをイオン化させたものを用い、電圧１０００Ｖおよび電流８００ｍＡの条件で照射した。また、Ｔａ₂Ｏ₅膜の成膜速度は０．１ｎｍ／ｓであり、ＳｉＯ₂膜の成膜速度は０．５ｎｍ／ｓであった。

このようにして作製した本実施例の素子の最表面に位置するＳｉＯ₂膜のテーパ角は２５〜３０°程度となった。

ここで、一般的に反射防止膜の膜厚として設定されるλ／４ｎ（ｎ：屈折率）を最表面に入射する光の反射率を低減することができる膜厚の基準とする。そして、波長４００ｎｍの光をこの素子の最表面のＳｉＯ₂膜（ｎ＝１．５）の表面に対して垂直に入射する条件においては、入射光の反射率を低減することができるＳｉＯ₂膜の厚さはλ／４ｎ＝４００／（４×１．５）＝６７ｎｍとなり、アスペクト比は６７／２００＝０．３３５となる。そして、このアスペクト比からテーパ角を算出すると、この条件において入射光の反射率を低減することができるテーパ角は約３３度となる。

したがって、この条件下では、テーパ角が３３度以下であれば最表面に入射する光の反射率を低減できていることになるため、テーパ角が２５〜３０°程度である本実施例の素子はこの条件下で最表面に入射する光の反射率を低減できることがわかる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。例えば、図４に示すイオンアシスト蒸着装置においては、蒸着室４には原料６のみが収容されており、イオンビーム発生手段は収容されていないが、これに限定されず、イオンビーム発生手段および原料６がともに蒸着室４に収容される構成であっても本発明の範囲に含まれる。

本発明によれば、最表面に入射する光の反射率を低減することができる素子とその製造方法を提供することができ、本発明の素子は位相板や偏光分離素子などの製品に好適に利用することができる。

本発明の素子の好ましい一例の模式的な断面図である。本発明における各誘電体膜のアスペクト比とテーパ角を図解する模式的な断面図である。素子の最表面に波長４００ｎｍの光を垂直に入射したときの反射率と素子の最表面に位置するＳｉＯ₂膜のテーパ角との関係を示す図である。本発明に用いられるイオンアシスト蒸着装置の好ましい一例の模式的な構成図である。本発明の素子を利用した偏光分離素子の好ましい一例の模式的な斜視図である。本発明の素子を利用した位相板の好ましい一例の模式的な斜視図である。特許文献１に開示された従来の素子の模式的な断面図である。

符号の説明

１基板、２第１誘電体膜、３第２誘電体膜、４蒸着室、５容器、６原料、６ａ原料ガス、７加熱器、８イオンビーム、９分岐管。

Claims

凹凸が周期的に形成された基板の表面上に屈折率の異なる複数の誘電体膜が周期的に積層されている素子であって、基板の凹凸の周期に対する各誘電体膜の突出高さの比である各誘電体膜のアスペクト比（各誘電体膜の突出高さ／基板の凹凸の周期）が基板側から素子の最表面側に向かって順次減少していることを特徴とする、素子。
位相板または偏光分離素子に用いられることを特徴とする、請求項１に記載の素子。
凹凸が周期的に形成された基板の表面上に屈折率の異なる複数の誘電体膜が周期的に積層されている素子を製造する方法であって、各誘電体膜は、蒸着によって、基板の凹凸の周期に対する各誘電体膜の突出高さの比である各誘電体膜のアスペクト比（各誘電体膜の突出高さ／基板の凹凸の周期）を順次減少して積層されることを特徴とする、素子の製造方法。
前記蒸着はイオンアシスト蒸着であることを特徴とする、請求項３に記載の素子の製造方法。
各誘電体膜をイオンアシスト蒸着によって積層する際に、誘電体膜の成膜と成膜の間にイオンビームを誘電体膜に照射する工程を含む、請求項４に記載の素子の製造方法。