JP2007065543A - Variable optical element and optical device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学特性を変えることのできる可変光学素子に関するものであり、さらに、その可変光学素子を用いた光学装置に関するものである。 The present invention relates to a variable optical element capable of changing optical characteristics, and further relates to an optical device using the variable optical element.
従来、光学特性を変えることができる可変光学素子として、高分子分散液晶または高分子安定化液晶を用いた図5に示す液晶可変ホログラム素子50が知られている(特許文献1参照)。液晶可変ホログラム素子50は、透明基板56、57の間に、高分子層58と液晶層59とが、使用する光の波長程度の間隔で交互に並んでいる。液晶層59は、例えばネマチック液晶の粒55が並んでおり、その粒55の間は高分子で隔てられてなる高分子分散液晶が用いられる。あるいは、液晶層59は、液晶分子53が高分子の壁あるいは網で隔てられている高分子安定化液晶でもよい。
また、他の可変光学素子として、フォトリソグラフィによるプログラム可能パターンの転写に関しては、2次元シャッター・アレイにより光透過率を電気的にコントロールするプログラム可能マスクが提案されている(特許文献2参照)。
As another variable optical element, a programmable mask that electrically controls light transmittance by a two-dimensional shutter array has been proposed for transferring a programmable pattern by photolithography (see Patent Document 2).
しかしながら、特許文献1に記載された液晶を用いた可変光学素子による光学装置では、可変光学素子が多チャンネルで制御されるようになっておらず、所望するパターン状に光学素子を制御することができないという問題があった。
また、特許文献2に記載された発明は、シャッターによる光透過率の制御であり、単に光の透過と非透過を制御するのみの可変光学素子であり、その用途も限定されてしまうという問題があった。
これらの従来の特許文献には、可変光学素子の透明領域の屈折率を変化させることに関しては何も述べられていない。
However, in the optical device using the variable optical element using the liquid crystal described in
Further, the invention described in
In these conventional patent documents, nothing is described regarding changing the refractive index of the transparent region of the variable optical element.
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、可変光学素子の透過光量を低下させずに、所望するパターン状に局所的に可変光学素子の光学特性を変えることが可能な可変光学素子を提供することである。さらに、その可変光学素子を用いた光学装置を提供するものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to locally change the optical characteristics of the variable optical element in a desired pattern without reducing the amount of transmitted light of the variable optical element. It is to provide a variable optical element capable of achieving the above. Furthermore, the present invention provides an optical device using the variable optical element.
請求項1の発明は、半導体ナノクリスタルを用いた可変光学素子において、前記半導体ナノクリスタルの屈折率を変えることを特徴とする。
The invention of
請求項2の発明は、請求項1に記載の可変光学素子において、前記半導体ナノクリスタルに電流を流して屈折率を変え、前記半導体ナノクリスタルを透過する光の位相を変調することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the variable optical element according to the first aspect, a current is passed through the semiconductor nanocrystal to change a refractive index, thereby modulating a phase of light transmitted through the semiconductor nanocrystal. .
請求項3の発明は、請求項1に記載の可変光学素子において、前記半導体ナノクリスタルに局所的に電流を流して屈折率を変え、前記半導体ナノクリスタルを透過する光の位相を局所的に変調することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the variable optical element according to the first aspect, the refractive index is changed by causing a current to flow locally in the semiconductor nanocrystal, thereby locally modulating the phase of light transmitted through the semiconductor nanocrystal. It is characterized by doing.
請求項4の発明は、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の可変光学素子において、前記半導体ナノクリスタルが、透明導電性ポリマー中に分散され、対向する2枚の透明電極にはさまれていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the variable optical element according to any one of the first to third aspects, the semiconductor nanocrystal is dispersed in a transparent conductive polymer, and the two transparent electrodes facing each other are dispersed. It is characterized by being sandwiched.
請求項5の発明は、請求項4に記載の可変光学素子において、前記透明導電性ポリマー中に分散した半導体ナノクリスタルを含む層が、一方の透明基板の透明電極上に設けられ、他方の透明基板上に少なくともX電極とY電極と薄膜トランジスタと、画素ピクセルとなる透明電極とをアレイ状に設けた薄膜トランジスタ基板と重ね合わされたものであることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the variable optical element according to the fourth aspect, a layer containing semiconductor nanocrystals dispersed in the transparent conductive polymer is provided on a transparent electrode of one transparent substrate, and the other transparent It is characterized by being superimposed on a thin film transistor substrate in which at least an X electrode, a Y electrode, a thin film transistor, and a transparent electrode to be a pixel pixel are provided in an array on the substrate.
請求項6の発明は、請求項4に記載の可変光学素子において、前記透明導電性ポリマー中に分散した半導体ナノクリスタルを含む層が、透明基板上に少なくともX電極とY電極と薄膜トランジスタと、画素ピクセルとなる一方の透明電極とをアレイ状に設けた薄膜トランジスタ基板上に設けられ、前記半導体ナノクリスタルを含む層の上に他方の透明電極が形成されたものであることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the variable optical element according to the fourth aspect, the layer containing semiconductor nanocrystals dispersed in the transparent conductive polymer has at least an X electrode, a Y electrode, a thin film transistor, and a pixel on a transparent substrate. One transparent electrode serving as a pixel is provided on a thin film transistor substrate provided in an array, and the other transparent electrode is formed on the layer containing the semiconductor nanocrystal.
請求項7の発明は、請求項4〜請求項6のいずれか1項に記載の可変光学素子において、前記透明導電性ポリマーが、ポリチオフェン、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリフラン、ポリフルオレン、ポリアルキルフルオレン、ポリピロール、ポリセレノフェン、ポリアニリン、およびこれらの誘導体、およびこれらの単量体の共重合物から選ばれた少なくとも1種または2種以上の混合物であることを特徴とする。
The invention of
請求項8の発明は、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の可変光学素子において、前記半導体ナノクリスタルが、1種または2種以上の半導体ナノクリスタルで形成されていることを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the variable optical element according to any one of the first to seventh aspects, the semiconductor nanocrystal is formed of one or more types of semiconductor nanocrystals. Features.
請求項9の発明は、請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の可変光学素子を用いたことを特徴とする光学装置である。 A ninth aspect of the invention is an optical apparatus using the variable optical element according to any one of the first to eighth aspects.
請求項10の発明は、請求項9に記載の光学装置において、前記光学装置が光露光装置であり、該光露光装置の変形照明の光学絞りに前記可変光学素子が用いられていることを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, in the optical device according to the ninth aspect, the optical device is a light exposure device, and the variable optical element is used for an optical diaphragm of a modified illumination of the light exposure device. And
本発明によれば、半導体ナノクリスタルを可変光学素子に用い、半導体ナノクリスタルの屈折率を変えることにより、透過光の位相を変調することが可能な可変光学素子が得ることができる。さらに、局所的に電流を流して半導体ナノクリスタルの屈折率を局所的に変えることにより、光の透過光量を低下させずに、所望するパターン状に局所的に光学特性を変えられる可変光学素子が可能となり、半導体ナノクリスタル材料とその粒径、および支持体基材とする透明基板に用いる材料を選択することにより、赤外光、可視光、紫外光に対応する可変光学素子が得られる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the variable optical element which can modulate the phase of transmitted light can be obtained by using a semiconductor nanocrystal for a variable optical element and changing the refractive index of a semiconductor nanocrystal. Furthermore, there is provided a variable optical element that can locally change the optical characteristics in a desired pattern without reducing the amount of transmitted light by locally changing the refractive index of the semiconductor nanocrystal by flowing a current locally. By selecting a semiconductor nanocrystal material and its particle size, and a material used for a transparent substrate as a support base material, a variable optical element corresponding to infrared light, visible light, and ultraviolet light can be obtained.
本発明の可変光学素子を用いることにより、透過光量を低下させずに、所望するパターン状に局所的に光学特性を変えられる光学装置が可能となる。本発明の可変光学素子を光露光装置の変形照明の光学絞りに用いることにより、可変絞りを有する光露光装置が可能となり、所望するパターン形状に最適な光学絞り形状を短時間に容易に得ることができる。 By using the variable optical element of the present invention, an optical device that can locally change optical characteristics into a desired pattern without reducing the amount of transmitted light becomes possible. By using the variable optical element of the present invention as an optical diaphragm for modified illumination of an optical exposure apparatus, an optical exposure apparatus having a variable aperture becomes possible, and an optical aperture shape optimum for a desired pattern shape can be easily obtained in a short time. Can do.
本発明の可変光学素子は半導体ナノクリスタルを用いており、半導体ナノクリスタルの屈折率を可変とするものである。半導体ナノクリスタルに電流等を流して半導体ナノクリスタルの屈折率を変え、半導体ナノクリスタルを透過する光の位相を変調させる可変光学素子が得られる。さらに、半導体ナノクリスタルに流す電流を局所的に制御することにより、パターン状に光学特性を変えられる可変光学素子とするものである。
以下、図面を参照して、本発明の可変光学素子の実施形態について説明する。
The variable optical element of the present invention uses a semiconductor nanocrystal, and makes the refractive index of the semiconductor nanocrystal variable. A variable optical element that changes the refractive index of the semiconductor nanocrystal by passing an electric current or the like through the semiconductor nanocrystal and modulates the phase of light transmitted through the semiconductor nanocrystal can be obtained. Furthermore, by locally controlling the current flowing through the semiconductor nanocrystal, a variable optical element whose optical characteristics can be changed into a pattern is obtained.
Hereinafter, embodiments of the variable optical element of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の可変光学素子の第1の実施形態を示す外観模式図であり、屈折率が変えられる可変光学素子10は、透明基板11a上に設けられた透明電極11と、この透明電極11上に形成した半導体ナノクリスタル12を含む層(以後、屈折率可変層と称する。)13と、透明基板14上にX電極15aとY電極15bと薄膜トランジスタ(TFT)16と、画素ピクセルとなる透明電極17とをアレイ状に設けた基板(以後、TFT基板と称する。)18とで構成される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic external view showing a variable optical element according to a first embodiment of the present invention. A variable
なお、本発明において、透明とは、光学素子として用いる光の波長領域において、光学素子としての機能を発現できる程度に光の透過率が高い状態を意味するものである。
図1においては、屈折率可変層13を設けた透明電極11の一部を切り欠いて示してあり、また屈折率可変層13とTFT基板18とは互いに離して示してあるが、これは図面の理解のためである。実際には、透明電極11上の屈折率可変層13とTFT基板18は、互いに密着している。
In the present invention, the term “transparent” means that the light transmittance is high enough to exhibit the function as an optical element in the wavelength region of light used as the optical element.
In FIG. 1, a part of the transparent electrode 11 provided with the refractive index variable layer 13 is cut away, and the refractive index variable layer 13 and the
本発明において、透明基板11aおよび透明基板14としては、光学素子として用いる光の透過率が高く表面平滑度の高い材料が好ましく、例えば、光学研磨された低膨張ガラス、合成石英ガラスや高分子フィルム等が用いられる。
透明電極11、透明電極17としては、酸化インジウム(ITOと称する)等の導電性の酸化物金属をスパッタリング等の方法で成膜した透明導電膜が用いられる。
In the present invention, the transparent substrate 11a and the transparent substrate 14 are preferably materials having high light transmittance and high surface smoothness used as optical elements, such as optically polished low expansion glass, synthetic quartz glass, and polymer films. Etc. are used.
As the transparent electrode 11 and the
上記のTFT基板18としては、液晶ディスプレイ等で用いられているアクティブマトリックス駆動方式によるTFT基板を用いることができ、X電極15a、Y電極15bはAl、Ta、W等の金属薄膜で形成されてソース線、ゲート線として用いられ、TFT16を介して画素ピクセルとなる透明電極17に接続されている。
As the
本発明に用いる半導体ナノクリスタル12は、粒径1〜100nmの範囲で用いるのが好ましく、さらに粒径2〜10nm程度の範囲がより好ましい。 The semiconductor nanocrystal 12 used in the present invention is preferably used in a particle size range of 1 to 100 nm, and more preferably in a range of about 2 to 10 nm.
半導体ナノクリスタル12の粒子形状を小さく球形状とすることにより、その中の電子は自由に運動ができなくなり、離散的な量子化エネルギー準位が形成される。粒径が小さくなるほど電子の量子化エネルギー準位が高くなり、光の吸収端は短波長側にシフトしていく。この半導体ナノクリスタルの量子準位にキャリア(電子)が注入されると、量子準位に相当する吸収ピークの吸収係数が減少する現象(ブリーチング)が観測されている。本発明者は、このとき、光の吸収係数が変わることにより屈折率の変化が生ずることを見出し、キャリアの注入を制御することにより、屈折率変調素子として機能する本発明を完成させたものである。 By making the particle shape of the semiconductor nanocrystal 12 small and spherical, the electrons therein cannot freely move, and discrete quantization energy levels are formed. The smaller the particle size, the higher the quantization energy level of the electrons, and the light absorption edge shifts to the short wavelength side. When carriers (electrons) are injected into the quantum level of the semiconductor nanocrystal, a phenomenon (bleaching) in which the absorption coefficient of the absorption peak corresponding to the quantum level decreases is observed. At this time, the inventor has found that a change in refractive index occurs due to a change in the light absorption coefficient, and has completed the present invention that functions as a refractive index modulation element by controlling carrier injection. is there.
クラマース・クローニヒの関係式によると、屈折率は、吸収ピークの付近で大きく変化する。誘電率(ε)の実部(ε')と虚部(ε'')の関係は、下記の数式1、数式2で示される。
According to the Kramers-Kronig relation, the refractive index changes greatly in the vicinity of the absorption peak. The relationship between the real part (ε ′) and the imaginary part (ε ″) of the dielectric constant (ε) is expressed by the following
ここで、ε∞は、ω=∞における誘電率の実部、Pはコーシーの主値を表す。誘電率と屈折率nとの関係は、実部と虚部に関して、数式3のように表すことができ、n(ω)の虚部は、吸収係数α(ω)に関して記述することができる。
Here, ε∞ represents the real part of the dielectric constant at ω = ∞, and P represents the main value of Cauchy. The relationship between the dielectric constant and the refractive index n can be expressed as
吸収係数が、吸収線の長波長側で、概して指数関数的に、急速に減少する狭い吸収ピークに関しては、半値幅の外側における屈折率変化Δnを、数式(4)に示すように単純な形で記述することができる。 For narrow absorption peaks where the absorption coefficient decreases rapidly on the long wavelength side of the absorption line, generally exponentially, the refractive index change Δn outside the full width at half maximum is a simple shape as shown in equation (4). It can be described by.
ここで、αmaxは、吸収係数のピーク値、Ω0はピーク位置、Γは、吸収線の半値全幅である。 Here, α max is the peak value of the absorption coefficient, Ω 0 is the peak position, and Γ is the full width at half maximum of the absorption line.
一例として、波長λ0を365nm、ピーク位置Ω0を330nm、半値全幅Γを25nm(0. 3eV)とすると、ナノクリスタル材料にキャリアを注入し、吸収係数のピーク値がαmax=4×104cm-1からαmax=4×103cm-1に変化するとした場合、ピーク位置から35nm(0.36eV)長波長側において負の屈折率変化(−0.0554)がおきることが分かる。 As an example, when the wavelength λ 0 is 365 nm, the peak position Ω 0 is 330 nm, and the full width at half maximum Γ is 25 nm (0.3 eV), carriers are injected into the nanocrystal material, and the peak value of the absorption coefficient is α max = 4 × 10 When changing from 4 cm −1 to α max = 4 × 10 3 cm −1 , it can be seen that a negative refractive index change (−0.0554) occurs on the long wavelength side of 35 nm (0.36 eV) from the peak position. .
可変光学素子として作用する屈折率差としては、4値を想定した場合、素子を透過した光の位相差を最大3/4λ(3/2π)つける必要がある。屈折率差(Δn=n0−n1)と位相差(ΔΦ)の関係は、数式5で与えられる。ここで、Lは素子長である。
Assuming that the refractive index difference acting as the variable optical element is four-valued, it is necessary to add a maximum phase difference of 3 / 4λ (3 / 2π) of the light transmitted through the element. The relationship between the refractive index difference (Δn = n 0 −n 1 ) and the phase difference (ΔΦ) is given by
光の波長を365nm、素子長を5μmとした場合、3/2πの位相差(ΔΦ)を与える屈折率差Δnは、0.0548となる。4値の位相差を得る屈折率差が得られることが分かる。なお、2値の場合には、0.0365の屈折率でλ/2(π)の位相差が得られるため、屈折率差が少なくてよい。 When the wavelength of light is 365 nm and the element length is 5 μm, the refractive index difference Δn that gives a phase difference (ΔΦ) of 3 / 2π is 0.0548. It can be seen that a refractive index difference for obtaining a quaternary phase difference can be obtained. In the case of binary values, a phase difference of λ / 2 (π) can be obtained with a refractive index of 0.0365, so that the refractive index difference may be small.
本発明に用いる半導体ナノクリスタル12の材料としては、例えば、CuCl等のI−VII族化合物、CdS、CdSe、CdTe、CdO、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnO等のII―VI族化合物、GaAs、GaP、InS、GaAlAs、InAlAs等のIII―V族化合物があり、これらの材料の1種または2種以上を混合して半導体ナノクリスタル12として用いることができる。例えば、光学素子として使用する光が可視領域である場合にはCdSe、CdSe/ZnS、CdTe/CdS等、紫外領域である場合にはZnO等の半導体ナノクリスタルを用いることができる。ナノクリスタルのキャップ材としては、TOPO(Trioctylphosphine)やアルキルアミン等が用いられる。 Examples of the material of the semiconductor nanocrystal 12 used in the present invention include I-VII compounds such as CuCl, II-VI compounds such as CdS, CdSe, CdTe, CdO, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, GaAs, and GaP. There are III-V group compounds such as InS, GaAlAs, InAlAs, etc., and one or more of these materials can be mixed and used as the semiconductor nanocrystal 12. For example, a semiconductor nanocrystal such as CdSe, CdSe / ZnS, or CdTe / CdS can be used when the light used as the optical element is in the visible region, and ZnO can be used when the light is in the ultraviolet region. As the nanocrystal cap material, TOPO (Tricylphosphine), alkylamine, or the like is used.
半導体ナノクリスタル12は、透明な導電性バインダー樹脂に分散させて樹脂溶液として用いるのが好ましく、スピン塗布法、インクジェット法、スクリーン印刷法等の方法でバインダー樹脂溶液を透明電極11上に塗布し、溶液に用いた水あるいはその他の溶媒を乾燥除去して、屈折率可変層13を形成する。 The semiconductor nanocrystal 12 is preferably dispersed in a transparent conductive binder resin and used as a resin solution. The binder resin solution is applied onto the transparent electrode 11 by a method such as a spin coating method, an ink jet method, or a screen printing method, The refractive index variable layer 13 is formed by drying and removing water or other solvent used in the solution.
本発明において、半導体ナノクリスタルを分散させる導電性バインダー樹脂としては、光学素子として用いる光の波長領域において透過率の高い透明導電性ポリマー12aが用いられる。
透明導電性ポリマー12aとしては、ポリチオフェン、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリフラン、ポリフルオレン、ポリアルキルフルオレン、ポリピロール、ポリセレノフェン、ポリアニリン、およびこれらの誘導体、およびこれらの単量体の共重合物から選ばれた少なくとも1種または2種以上の混合物を使用することができる。上記の透明導電性ポリマーの中でも、ポリジオキシチオフェンを含有する導電性ポリマーは、水あるいはその他の溶媒に溶解または分散しやすく、透明性と導電性が高く成膜性に優れるのでより好ましい。
In the present invention, as the conductive binder resin for dispersing the semiconductor nanocrystals, a transparent conductive polymer 12a having a high transmittance in the wavelength region of light used as an optical element is used.
As the transparent conductive polymer 12a, polythiophene, polyparaphenylene, polyparaphenylene vinylene, polyfuran, polyfluorene, polyalkylfluorene, polypyrrole, polyselenophene, polyaniline, and derivatives thereof, and copolymerization of these monomers A mixture of at least one or two or more selected from those can be used. Among the above transparent conductive polymers, a conductive polymer containing polydioxythiophene is more preferable because it is easily dissolved or dispersed in water or other solvents, has high transparency and conductivity, and is excellent in film formability.
本発明において、透明導電性ポリマー12aに含まれる半導体ナノクリスタル12の濃度は、樹脂100部に対し半導体ナノクリスタル0.1〜50部程度の範囲が好ましい。
形成された屈折率可変層13は、半導体ナノクリスタル12の周囲が導電性ポリマー12aで囲まれている。
In the present invention, the concentration of the semiconductor nanocrystal 12 contained in the transparent conductive polymer 12a is preferably in the range of about 0.1 to 50 parts of the semiconductor nanocrystals with respect to 100 parts of the resin.
In the formed refractive index variable layer 13, the periphery of the semiconductor nanocrystal 12 is surrounded by the conductive polymer 12a.
次に、本発明の半導体ナノクリスタル12の作用効果について説明する。半導体ナノクリスタル12は粒径1〜10μm程度の球形状とすることにより、いわゆる量子サイズ効果により、電子が量子化エネルギー準位にしか存在し得なくなり、粒径が小さくなるほど量子化エネルギー準位が高くなる。すなわち、粒径が小さくなるほど、半導体ナノクリスタル12の光の吸収波長はより短波長側にシフトしていく。そして、外部より電流等のキャリアを半導体ナノクリスタル12に与えて、半導体ナノクリスタル12の光吸収の吸収係数を変えることにより、半導体ナノクリスタル12の屈折率の変化を生じさせ、半導体ナノクリスタル12を透過する光の位相変化をおこさせるものである。この場合、透過する光は半導体ナノクリスタル12の光吸収の吸収端よりも長波長側の透明領域光が好ましい。この場合、光の吸収によるキャリアの占有状態の変化が無視できるため、屈折率変調に影響を及ぼさない。 Next, the effect of the semiconductor nanocrystal 12 of the present invention will be described. The semiconductor nanocrystal 12 has a spherical shape with a particle size of about 1 to 10 μm, so that electrons can only exist at the quantization energy level due to the so-called quantum size effect, and the quantization energy level becomes smaller as the particle size becomes smaller. Get higher. That is, as the particle size becomes smaller, the light absorption wavelength of the semiconductor nanocrystal 12 shifts to the shorter wavelength side. Then, an external carrier such as an electric current is applied to the semiconductor nanocrystal 12 to change the absorption coefficient of light absorption of the semiconductor nanocrystal 12, thereby causing a change in the refractive index of the semiconductor nanocrystal 12. This causes a phase change of the transmitted light. In this case, the transmitted light is preferably transparent region light having a longer wavelength than the absorption edge of light absorption of the semiconductor nanocrystal 12. In this case, since the change of the occupation state of the carrier due to light absorption can be ignored, the refractive index modulation is not affected.
本発明において、外部より与える電流は、対向する2つの透明電極によるものであり、より好ましくは、局所的に電流を制御するために、外部より与える電流は、少なくとも一方の透明電極は薄膜トランジスタ(TFT)によるのが好ましい。透明基板の透明電極上に設けられた半導体ナノクリスタル12とアレイ状のTFT基板を重ね合わせ、所定のTFTの電流を制御することにより、対向する2つの透明電極間を流れる電流により、半導体ナノクリスタル12の屈折率を局所的に変調することができ、アレイ状の各ピクセルの所望する部位を透過する光の位相を変えることができる。 In the present invention, the current applied from the outside is due to the two transparent electrodes facing each other. More preferably, in order to control the current locally, at least one of the transparent electrodes is a thin film transistor (TFT). ) Is preferred. The semiconductor nanocrystal 12 provided on the transparent electrode of the transparent substrate and the arrayed TFT substrate are overlapped, and the current flowing between the two transparent electrodes facing each other is controlled by controlling the current of the predetermined TFT. The refractive index of 12 can be locally modulated, and the phase of light transmitted through a desired portion of each pixel in the array can be changed.
透過光19は、TFT基板18側から可変光学素子10に入射し、屈折率可変層13側から出射する。このとき、所望するピクセルに電流を流し、所定の半導体ナノクリスタル12の屈折率の変化を生じさせ、パターン状に局所的に半導体ナノクリスタル12を透過する光の位相変化をおこさせるものである。このようにして、光学素子の透過光量を低下させずに、所望するパターン状に局所的に光学特性を変えることが可能な可変光学素子が得られる。また、半導体ナノクリスタル材料とその粒径、および支持体基材とする透明基板に用いる材料を選択することにより、赤外光、可視光、紫外光に対応する可変光学素子が得られる。
The transmitted
(第2の実施形態)
図2は、本発明の可変光学素子の第2の実施形態を示す外観模式図であり、屈折率が変えられる可変光学素子20は、透明基板24上に、X電極とY電極と薄膜トランジスタ(TFT)と、画素ピクセルとなる透明電極とをアレイ状に設けたTFT基板28の上に、半導体ナノクリスタル22を形成した層(以後、屈折率可変層と称する。)23と、透明電極21を設けて形成される。図2では、TFT面は屈折率可変層23で覆われているので図示していないが、図1のTFT基板1と同じTFT基板を用いることができる。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a schematic external view showing a second embodiment of the variable optical element of the present invention. The variable
第1の実施形態では、半導体ナノクリスタルを有する屈折率可変層は透明基板上に形成したのに対し、第2の実施形態では、半導体ナノクリスタル22を有する屈折率可変層23は、TFT基板28上に直接形成するものである。半導体ナノクリスタル22は透明導電性ポリマー22a中に分散された形態で用いるのが好ましい。屈折率可変層23上の全面には、TFT基板の透明電極に相対する他方の透明電極21が形成される。
透明電極21は、屈折率可変層23上に直接スパッタリング等の方法で成膜形成してもよいし、あるいは、透明基板に形成した透明電極を密着して重ね合わせてもよい。
In the first embodiment, the refractive index variable layer having the semiconductor nanocrystal is formed on the transparent substrate, whereas in the second embodiment, the refractive
The
第2の実施形態において、TFT基板28、半導体ナノクリスタル22、バインダー樹脂としての透明導電性ポリマー22aの材料および塗布方法は、実施形態1と同じ材料、方法を用いることができる。
In the second embodiment, the same materials and methods as those in the first embodiment can be used for the TFT substrate 28, the
図2には示されていないが、本実施形態においては、透明電極21の上に、さらにガラス基板や透明樹脂により透明保護層を設ける形態も可能である。この場合、保護層の屈折率は透明基板24とほぼ同程度が好ましい。
Although not shown in FIG. 2, in the present embodiment, a mode in which a transparent protective layer is further provided on the
図2において模式的に示すように、可変光学素子20に入射する光29は、TFT基板への入射側では入射光29aは所定の位相を有するが、屈折率可変層23の半導体ナノクリスタル22を透過することにより位相が変調されて、出射側では異なる位相の出射光29bとなる。このようにして、光学素子の透過光量を低下させずに、所望するパターン状に局所的に光学特性を変えることが可能な可変光学素子が得られる。
As schematically shown in FIG. 2, the light 29 incident on the variable
(光学装置)
本発明の可変光学素子は、透明領域の任意の形状の屈折率を変化させることが可能であり、可変光学素子を構成する半導体ナノクリスタル材料とその粒径、支持体基材を選択することにより、赤外光、可視光、紫外光に対応する種々の用途の光学装置に適用することができる。例えば、撮像装置、表示装置、光学測定装置、光露光装置等に用いることができる。
次に、本発明の可変光学素子を光露光装置の光学絞りに用いた場合について説明する。
(Optical device)
The variable optical element of the present invention can change the refractive index of an arbitrary shape in the transparent region, and by selecting a semiconductor nanocrystal material constituting the variable optical element, its particle size, and a support substrate It can be applied to optical devices for various uses corresponding to infrared light, visible light, and ultraviolet light. For example, it can be used for an imaging device, a display device, an optical measurement device, a light exposure device, and the like.
Next, the case where the variable optical element of the present invention is used for an optical diaphragm of an optical exposure apparatus will be described.
(光露光装置)
図3は、本発明の可変光学素子を光露光装置(ステッパー)の変形照明の光学絞りに用いた場合の光露光装置の概略図である。図3に示す光露光装置は、水銀灯やエキシマレーザ等の光源31と、本発明の可変光学素子を用いた光学絞り32と、コンデンサーレンズ33とからなる変形照明系34、所定のパターンを有するフォトマスク(レチクルとも称する)35、投影レンズ36および投影面にレジスト膜を設けた基板37で構成されている。この場合、変形照明なので、レジスト膜を感光させる露光光38が光学絞り32を透過する位置は、装置光軸からずれており、フォトマスク35への入射光は斜めになっている。
(Light exposure equipment)
FIG. 3 is a schematic view of a light exposure apparatus when the variable optical element of the present invention is used for an optical diaphragm for modified illumination of a light exposure apparatus (stepper). The light exposure apparatus shown in FIG. 3 includes a modified
本発明の光露光装置においては、光源の形状を、光学絞り32の光の位相差が周囲と異なる位相差変調領域の形状によって規定しており、この光学絞り32の位相差変調領域は可変である。使用目的に応じて、光源の形状を変えるときには、可変光学素子による光学絞り32の所定位置のTFT基板のアレイに局所的に電流を流し、所望する位相差が異なる位相差変調領域をパターン状に形成すればよい。
In the optical exposure apparatus of the present invention, the shape of the light source is defined by the shape of the phase difference modulation area where the phase difference of the light of the
図4は、本発明による可変光学素子による光学絞りの形状の例であり、平面模式図である。図4(a)は、二本の線状の位相差が異なる領域を設けたものであり、図4(b)は、略円形状の一つの位相差が異なる領域を設けたものであり、図4(c)は、四つの略円形状の位相差が異なる領域を設けたものである。図4(a)〜図4(c)のいずれの形状も、一つの光学絞りで形成するものである。なお、上記の略円形状は、TFT基板の構造上、必ずしも真円形状でなくてもよいが、TFTアレイの画素ピクセルを微細化すればするほど、真円度を高くすることができる。 FIG. 4 is a schematic plan view showing an example of the shape of the optical diaphragm using the variable optical element according to the present invention. FIG. 4 (a) is a region in which two linear phase differences are provided, and FIG. 4 (b) is a substantially circular shape in which a region having different phase differences is provided. FIG. 4C shows four substantially circular regions with different phase differences. Each of the shapes in FIGS. 4A to 4C is formed by one optical aperture. Note that the above-described substantially circular shape does not necessarily have to be a perfect circle due to the structure of the TFT substrate, but the roundness can be increased as the pixel pixels of the TFT array are miniaturized.
このようにして、所望するパターン状に局所的に光学特性を変えることが可能な可変光学素子による光学絞り32を用いた光露光装置が得られる。
本発明の光露光装置によれば、従来のように、使用目的に応じて透過光の穴形状の異なる光学絞りを交換する必要が無く、光学絞りの交換作業が不要となり、露光工程を著しく時間短縮することができる。さらに、露光するフォトマスクのパターン形状に最適な光学絞りを設定することが可能となり、レジストパターンの解像力を最大限に高めることができる。
以下、実施例により、本発明をさらに詳しく述べる。
In this way, an optical exposure apparatus using the
According to the light exposure apparatus of the present invention, there is no need to replace an optical aperture having a different hole shape for transmitted light according to the purpose of use as in the prior art. It can be shortened. Furthermore, it becomes possible to set an optical aperture that is optimal for the pattern shape of the photomask to be exposed, and the resolution of the resist pattern can be maximized.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples.
(実施例1)
光学研磨した厚さ1mmの石英ガラス基板上に、スパッタリング法によりITOを成膜し、表面抵抗値80Ω/cm2の透明電極を形成した。
次いで、バインダー樹脂としてポリエチレンジオキシチオフェンとポリスルホン酸とからなる導電性ポリマー水溶液(固形分量5%)に、半導体ナノクリスタル材料として粒径1〜10nmのZnOを分散させて、ZnOによる半導体ナノクリスタルの導電性ポリマー溶液を準備した。バインダー樹脂に含まれる半導体ナノクリスタルの濃度は、樹脂100部に対し半導体ナノクリスタル3部とした。
Example 1
An ITO film was formed by sputtering on an optically polished quartz glass substrate having a thickness of 1 mm to form a transparent electrode having a surface resistance of 80 Ω / cm 2 .
Next, ZnO having a particle diameter of 1 to 10 nm as a semiconductor nanocrystal material is dispersed in a conductive polymer aqueous solution (solid content: 5%) made of polyethylenedioxythiophene and polysulfonic acid as a binder resin, and the semiconductor nanocrystal of ZnO is dispersed. A conductive polymer solution was prepared. The concentration of semiconductor nanocrystals contained in the binder resin was 3 parts of semiconductor nanocrystals per 100 parts of resin.
次に、この半導体ナノクリスタルの導電性ポリマー溶液を、石英ガラス基板の透明電極上にスピン塗布し、皮膜形成後に水分を乾燥除去し、透明電極上に半導体ナノクリスタルと導電性ポリマーとからなる厚さ5μmの屈折率可変層を設けた基板を得た。 Next, the conductive polymer solution of the semiconductor nanocrystal is spin-coated on the transparent electrode of the quartz glass substrate, and after the film is formed, moisture is removed by drying. The thickness of the semiconductor nanocrystal and the conductive polymer is formed on the transparent electrode. A substrate provided with a 5 μm thick refractive index variable layer was obtained.
一方、上記と別な厚さ1mmの石英ガラス基板上に、W金属薄膜でX電極、Y電極、およびアモルファスシリコンでTFT、表面抵抗値80Ω/cm2のITOで画素ピクセルをアレイ状に形成し、TFT基板とした。
次いで、このTFT基板に上記の屈折率可変層を設けた基板を重ね合わせ、屈折率可変層基板とTFT基板を一体化したアレイ状の可変光学素子を形成した。
On the other hand, on a quartz glass substrate with a thickness of 1 mm, which is different from the above, pixel pixels are formed in an array using W metal thin film with X electrode, Y electrode, amorphous silicon with TFT, and surface resistance of 80Ω / cm 2 ITO. A TFT substrate was obtained.
Next, the substrate provided with the above-described variable refractive index layer was superposed on this TFT substrate to form an array-shaped variable optical element in which the variable refractive index layer substrate and the TFT substrate were integrated.
この可変光学素子をi線ステッパーの光学絞りに適用し、所定のTFTに電流を流し、その部分の画素ピクセルに対応した部分の半導体ナノクリスタルの屈折率を変えて、パターン状に絞りを形成し、変形照明法により半導体上のi線レジストに露光を行い、パターン形成を行なったところ、高解像の微細なレジストパターンが形成された。
さらに、光学絞りのパターンを他の形状に変えることにより、所望するパターン形状に最適な光学絞り形状を短時間に容易に得ることができた。
This variable optical element is applied to an optical aperture of an i-line stepper, a current is passed through a predetermined TFT, and the refractive index of a portion of the semiconductor nanocrystal corresponding to the pixel pixel of that portion is changed to form a stop in a pattern. When the i-line resist on the semiconductor was exposed to light by a modified illumination method to form a pattern, a fine resist pattern with high resolution was formed.
Furthermore, by changing the pattern of the optical aperture to another shape, it was possible to easily obtain the optical aperture shape optimal for the desired pattern shape in a short time.
(実施例2)
厚さ1mmの石英ガラス基板上にX電極、Y電極、TFT、ITOで画素ピクセルをアレイ状に形成したTFT基板上に、実施例1で用いたZnOによる半導体ナノクリスタルの導電性ポリマー溶液を直接スピン塗布し、次いで水分を乾燥除去し、TFT基板上に半導体ナノクリスタルと導電性ポリマーとからなる厚さ5μmの屈折率可変層を設けた。続いて、この半導体ナノクリスタル上の全面にITOをスパッタリング成膜し、表面抵抗値80Ω/cm2の透明電極を形成し、屈折率可変層を有する可変光学素子を得た。
(Example 2)
The conductive polymer solution of the semiconductor nanocrystal made of ZnO used in Example 1 is directly applied to the TFT substrate in which pixel pixels are formed in an array on the quartz glass substrate having a thickness of 1 mm with an X electrode, a Y electrode, TFT, and ITO. After spin coating, moisture was removed by drying, and a 5 μm-thick refractive index variable layer made of semiconductor nanocrystals and a conductive polymer was provided on the TFT substrate. Subsequently, ITO was formed on the entire surface of the semiconductor nanocrystal by sputtering to form a transparent electrode having a surface resistance value of 80 Ω / cm 2 , thereby obtaining a variable optical element having a refractive index variable layer.
この可変光学素子を、実施例1と同様に、i線ステッパーの光学絞りに適用し、所定のTFTに電流を流し、その部分の半導体ナノクリスタルの屈折率を変えて、パターン状に絞りを形成し、変形照明法により半導体上のi線レジストに露光を行なったところ、高解像の微細なレジストパターンが形成された。 As in Example 1, this variable optical element is applied to an optical aperture of an i-line stepper, and a current is passed through a predetermined TFT, and the refractive index of the semiconductor nanocrystal in that portion is changed to form the aperture in a pattern. When the i-line resist on the semiconductor was exposed by the modified illumination method, a fine resist pattern with high resolution was formed.
10、20 可変光学素子
11、21 透明電極
11a 透明基板
12、22 半導体ナノクリスタル
12a、22a 透明導電性ポリマー
13、23 屈折率可変層
14、24 透明基板
15a X電極
15b Y電極
16 薄膜トランジスタ(TFT)
17 透明電極
18 TFT基板
19、29 光
29a 入射光
29b 出射光
31 光源
32 光学絞り
33 コンデンサーレンズ
34 変形照明系
35 フォトマスク
36 投影レンズ
37 レジスト膜を設けた基板(投影面)
38 露光光
41、43、45 光学絞り
42、44、46 光の位相変調領域
50 液晶可変ホログラム素子
51、52 透明電極
53 液晶分子
54 駆動電源
55 ネマチック液晶の粒
56、57 透明基板
58 高分子層
59 液晶層
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
38
Claims (10)
The optical apparatus according to claim 9, wherein the optical apparatus is an optical exposure apparatus, and the variable optical element is used for an optical diaphragm of a modified illumination of the optical exposure apparatus.
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JP2008535019A (en) * | 2005-11-04 | 2008-08-28 | 韓国科学技術院 | Polymer or resist pattern, metal thin film pattern, metal pattern, polymer mold using the same, and methods for forming them |
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- 2005-09-02 JP JP2005254516A patent/JP2007065543A/en active Pending
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