JP2007133097A - 光学素子および光学素子の作製方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】微細ピッチでかつ微細スペース幅の高アスペクト比構造と略同等の光学特性を備え、歩留まり良く簡便に作製することが可能となる構造を有する光学素子および光学素子の作製方法を提供する。
【解決手段】使用光の波長よりも短い周期の周期構造体を有する光学素子を、つぎのように構成する。
前記周期構造体が複数の段より構成されており、少なくともそのうち一つの段の周期構造体と、その上段或いは下段の周期構造体が、それぞれ同一の周期ベクトルを有する構成とする。
【選択図】 図１
【解決手段】使用光の波長よりも短い周期の周期構造体を有する光学素子を、つぎのように構成する。
前記周期構造体が複数の段より構成されており、少なくともそのうち一つの段の周期構造体と、その上段或いは下段の周期構造体が、それぞれ同一の周期ベクトルを有する構成とする。
【選択図】 図１
Description
本発明は、光学素子および光学素子の作製方法に関し、特に、簡便に作製が可能な微細構造を有する光学素子および光学素子の作製方法に関するものである。
近年、フォトニック結晶やサブ波長構造など、様々なナノメートルサイズの光学素子の提案がなされている。
これらの提案の中には、少なくともその一部に微細ピッチでかつ微細スペース幅の高アスペクト比構造とすることが、機能上望ましいとされているものがある。なお、本明細書において、アスペクト比とは、構造体における高さとスペース幅の比（アスペクト比＝高さ／スペース幅）を意味している。
例えば、特許文献１では、光学素子構造の一部として、図９（ａ）あるいは図９（ｃ）に示すような構造が提案されている。
すなわち、図９（ａ）に示される構造は、１６０ｎｍピッチ、３２ｎｍスペース幅、アスペクト比３０の構造であり、図９（ｃ）に示される構造は、１６０ｎｍピッチでスペース幅が２４ｎｍと非常に狭く、かつアスペクト比２０程度の構造とされている。
特開２００４−１３９００１号公報
これらの提案の中には、少なくともその一部に微細ピッチでかつ微細スペース幅の高アスペクト比構造とすることが、機能上望ましいとされているものがある。なお、本明細書において、アスペクト比とは、構造体における高さとスペース幅の比（アスペクト比＝高さ／スペース幅）を意味している。
例えば、特許文献１では、光学素子構造の一部として、図９（ａ）あるいは図９（ｃ）に示すような構造が提案されている。
すなわち、図９（ａ）に示される構造は、１６０ｎｍピッチ、３２ｎｍスペース幅、アスペクト比３０の構造であり、図９（ｃ）に示される構造は、１６０ｎｍピッチでスペース幅が２４ｎｍと非常に狭く、かつアスペクト比２０程度の構造とされている。
ところで、上記した特許文献１のような微細ピッチでかつ微細スペース幅の高アスペクト比構造は、エッチング、電子ビーム描画、ＬＩＧＡプロセス、フォトリソグラフィー、多光束レーザ干渉法、多積層薄膜などの手法で作製することが提案されている。
しかしながら、これらの作製手法では、上記構造を歩留まり良く簡便に作製することは困難である。
例えば、これをエッチングによって、レジストパターン等のマスク形状を元に所望の材料を加工する場合等には、微細パターンを精度良く光学材料に転写するに際し、プロセス条件の最適化に非常に手間がかかる。
特に、高アスペクト比構造を作製する場合には手間を要する。
これらは、概ねつぎのような理由による。
それは形成したい材料にもよるが、一般的にマスクのスペース幅が狭い場合には、マスクのスペース幅が広い場合と比較してドライエッチングレートがドライエッチング深さに依存して遅くなったり、エッチングが進行しなくなったりすることがある。
これに伴い、スループットが低下するという問題が生じる。
また、ドライエッチング時のマスクとなる材料の変形や、エッチングがマスク下横方向に広がるサイドエッチング現象が見られるなど、微細スペース部の、断面形状の所望の条件とのずれが顕著になってくる。
しかしながら、これらの作製手法では、上記構造を歩留まり良く簡便に作製することは困難である。
例えば、これをエッチングによって、レジストパターン等のマスク形状を元に所望の材料を加工する場合等には、微細パターンを精度良く光学材料に転写するに際し、プロセス条件の最適化に非常に手間がかかる。
特に、高アスペクト比構造を作製する場合には手間を要する。
これらは、概ねつぎのような理由による。
それは形成したい材料にもよるが、一般的にマスクのスペース幅が狭い場合には、マスクのスペース幅が広い場合と比較してドライエッチングレートがドライエッチング深さに依存して遅くなったり、エッチングが進行しなくなったりすることがある。
これに伴い、スループットが低下するという問題が生じる。
また、ドライエッチング時のマスクとなる材料の変形や、エッチングがマスク下横方向に広がるサイドエッチング現象が見られるなど、微細スペース部の、断面形状の所望の条件とのずれが顕著になってくる。
本発明は、上記課題に鑑み、微細ピッチでかつ微細スペース幅の高アスペクト比構造と略同等の光学特性を備え、歩留まり良く簡便に作製することが可能となる構造を有する光学素子および光学素子の作製方法を提供することを目的とするものである。
本発明は上記課題を解決するため、つぎように構成した光学素子および光学素子の作製方法を提供するものである。
本発明は、使用光の波長よりも短い周期の周期構造体を有する光学素子を、つぎのように構成したことを特徴としている。
本発明では、前記周期構造体が複数の段より構成されており、少なくともそのうち一つの段の周期構造体と、その上段或いは下段の周期構造体が、それぞれ同一の周期ベクトルを有することを特徴としている。
また、本発明においては、前記複数の段における周期構造体が、それぞれ高さに対するスペース幅の大きさが小さい周期構造体で構成されていることを特徴としている。
また、本発明においては、前記複数の段における周期構造体が、それぞれの構造体の並進位置間に相関関係を有さずに積層されていることを特徴としている。
また、本発明においては、前記複数の段における周期構造体が、下段の周期構造体とその上段の周期構造体との間に、周期構造をもたない中間層を有することを特徴としている。
また、本発明においては、前記中間層が、前記使用光を透過する材料で構成されていることを特徴としている。
また、本発明においては、前記中間層の厚さが、前記使用光の波長よりも薄いことを特徴としている。
また、本発明においては、使用光の波長よりも短い周期の周期構造体を有する光学素子を、つぎのように構成したことを特徴としている。
本発明では、前記周期構造体を、第１の方向に周期を有する周期構造体に対し、前記第１の方向と直交する第２の方向に周期を有する周期構造体が対向して配置された構成とする。
そして、前記第１の方向に周期を有する周期構造体を、上記したいずれかに記載の光学素子の周期構造体によって構成するようにしたことを特徴としている。
また、本発明は、使用光の波長よりも短い周期の周期構造体を有する光学素子の作製方法を、つぎのように構成したことを特徴としている。
本発明の方法においては、前記周期構造体を、基板上に積層された複数の段による周期構造体によって形成する工程を有する構成とする。
そして、前記工程において、下段の周期構造体の周期ベクトルの方向と、その上段の周期構造体の周期ベクトルの方向とを、一致させるようにして位置合わせをするようにしたことを特徴としている。
また、本発明の方法では、前記工程において、前記複数の段による周期構造体を、それぞれ高さに対するスペース幅の大きさが小さい周期構造体で形成することを特徴としている。
また、本発明の方法では、前記工程において、前記複数の段に積層するに際しその並進位置については各段の位置合わせを行うことなく積層することを特徴としている。
また、本発明の方法では、前記工程において、前記複数の段に積層するに際し下段の周期構造体とその上段の周期構造体との間に、周期構造をもたない中間層を形成することを特徴としている。
また、本発明の方法では、前記中間層が、前記使用光を透過する材料で形成することを特徴としている。
また、本発明の方法では、前記中間層の厚さを、前記使用光の波長よりも薄くすることを特徴としている。
本発明は、使用光の波長よりも短い周期の周期構造体を有する光学素子を、つぎのように構成したことを特徴としている。
本発明では、前記周期構造体が複数の段より構成されており、少なくともそのうち一つの段の周期構造体と、その上段或いは下段の周期構造体が、それぞれ同一の周期ベクトルを有することを特徴としている。
また、本発明においては、前記複数の段における周期構造体が、それぞれ高さに対するスペース幅の大きさが小さい周期構造体で構成されていることを特徴としている。
また、本発明においては、前記複数の段における周期構造体が、それぞれの構造体の並進位置間に相関関係を有さずに積層されていることを特徴としている。
また、本発明においては、前記複数の段における周期構造体が、下段の周期構造体とその上段の周期構造体との間に、周期構造をもたない中間層を有することを特徴としている。
また、本発明においては、前記中間層が、前記使用光を透過する材料で構成されていることを特徴としている。
また、本発明においては、前記中間層の厚さが、前記使用光の波長よりも薄いことを特徴としている。
また、本発明においては、使用光の波長よりも短い周期の周期構造体を有する光学素子を、つぎのように構成したことを特徴としている。
本発明では、前記周期構造体を、第１の方向に周期を有する周期構造体に対し、前記第１の方向と直交する第２の方向に周期を有する周期構造体が対向して配置された構成とする。
そして、前記第１の方向に周期を有する周期構造体を、上記したいずれかに記載の光学素子の周期構造体によって構成するようにしたことを特徴としている。
また、本発明は、使用光の波長よりも短い周期の周期構造体を有する光学素子の作製方法を、つぎのように構成したことを特徴としている。
本発明の方法においては、前記周期構造体を、基板上に積層された複数の段による周期構造体によって形成する工程を有する構成とする。
そして、前記工程において、下段の周期構造体の周期ベクトルの方向と、その上段の周期構造体の周期ベクトルの方向とを、一致させるようにして位置合わせをするようにしたことを特徴としている。
また、本発明の方法では、前記工程において、前記複数の段による周期構造体を、それぞれ高さに対するスペース幅の大きさが小さい周期構造体で形成することを特徴としている。
また、本発明の方法では、前記工程において、前記複数の段に積層するに際しその並進位置については各段の位置合わせを行うことなく積層することを特徴としている。
また、本発明の方法では、前記工程において、前記複数の段に積層するに際し下段の周期構造体とその上段の周期構造体との間に、周期構造をもたない中間層を形成することを特徴としている。
また、本発明の方法では、前記中間層が、前記使用光を透過する材料で形成することを特徴としている。
また、本発明の方法では、前記中間層の厚さを、前記使用光の波長よりも薄くすることを特徴としている。
本発明によれば、微細ピッチでかつ微細スペース幅の高アスペクト比構造と略同等の光学特性を備え、歩留まり良く簡便に作製することが可能となる構造を有する光学素子および光学素子の作製方法を実現することができる。
本発明の上記構成によれば、微細ピッチでかつ微細スペース幅の高アスペクト比構造と略同等の光学特性を備えた光学素子構造を、歩留まり良く簡便に作製することが可能となる。
それは、本発明者らが、鋭意研究した結果によるつぎのような知見に基づくものである。
すなわち、本発明者らは、上記した従来例の作製が困難である微細ピッチでかつ微細スペース幅の高アスペクト比構造に代え、アスペクト比のより小さい周期構造体を複数の段に積層した構成とした。
これにより、光学素子としての機能が略同等なものを安価に、高スループットで、容易に作製することができるということを見出した。
それは、本発明者らが、鋭意研究した結果によるつぎのような知見に基づくものである。
すなわち、本発明者らは、上記した従来例の作製が困難である微細ピッチでかつ微細スペース幅の高アスペクト比構造に代え、アスペクト比のより小さい周期構造体を複数の段に積層した構成とした。
これにより、光学素子としての機能が略同等なものを安価に、高スループットで、容易に作製することができるということを見出した。
以下に、これらについて本発明の実施の形態に基づいて、更に詳細に説明する。
まず、本実施の形態の光学素子である、複数の段に積層させた構成について、従来例と比較し説明する。
上記特許文献１において、光学素子の一部に、図９（ａ）に示すような、基板１１０１上の面内方向に、誘電体と空気層が交互に並んだ周期構造１１００の形状が記載されている。ピッチが１６０ｎｍと小さく、更にスペース幅は３２ｎｍと非常に小さい。
しかも、高さは９００ｎｍと、アスペクト比が非常に高い構成となっている。
これに対して、本実施の形態では光学素子の構成を、上記従来例の構造に代えて、アスペクト比が上記よりも小さい周期構造体を、多段に重ねた構成とした。
図１に、本実施の形態における光学素子の構造を示す。
図１に示されるように、本実施の形態の光学素子では、断面形状において垂直性が良い微細構造が作製できる厚さに分割された段を、複数積層することによって形成された構成とされている。
図１に示されるように、本実施の形態の構造では５つの段より光学素子が形成されている。図１において、１０１は基板、１００は高屈折率材料による微細パターン構造である。
また、図１において、矢印で示された１０３は周期ベクトルを示している。
ここで、周期構造の並進対称性に相当するベクトル群の中で、絶対値最小のものを周期ベクトルと呼ぶこととする。
本実施の形態では、上下の段において、ラインの長手方向が平行であれば、スペース位置は図１のように一致していなくても良い。つまり、上下の段において、周期ベクトルが同一であればよい。
まず、本実施の形態の光学素子である、複数の段に積層させた構成について、従来例と比較し説明する。
上記特許文献１において、光学素子の一部に、図９（ａ）に示すような、基板１１０１上の面内方向に、誘電体と空気層が交互に並んだ周期構造１１００の形状が記載されている。ピッチが１６０ｎｍと小さく、更にスペース幅は３２ｎｍと非常に小さい。
しかも、高さは９００ｎｍと、アスペクト比が非常に高い構成となっている。
これに対して、本実施の形態では光学素子の構成を、上記従来例の構造に代えて、アスペクト比が上記よりも小さい周期構造体を、多段に重ねた構成とした。
図１に、本実施の形態における光学素子の構造を示す。
図１に示されるように、本実施の形態の光学素子では、断面形状において垂直性が良い微細構造が作製できる厚さに分割された段を、複数積層することによって形成された構成とされている。
図１に示されるように、本実施の形態の構造では５つの段より光学素子が形成されている。図１において、１０１は基板、１００は高屈折率材料による微細パターン構造である。
また、図１において、矢印で示された１０３は周期ベクトルを示している。
ここで、周期構造の並進対称性に相当するベクトル群の中で、絶対値最小のものを周期ベクトルと呼ぶこととする。
本実施の形態では、上下の段において、ラインの長手方向が平行であれば、スペース位置は図１のように一致していなくても良い。つまり、上下の段において、周期ベクトルが同一であればよい。
このことを、ＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ）によるシミュレーションにて確認した。
図６に、厚さ１８０ｎｍのＴｉＯ2膜７００に、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅１６ｎｍのスリット７０１を形成したものを２枚重ねてモデルとした場合の計算結果を示す。
本モデルにおいて、周期ベクトルとは、ｘ方向（図中左右方向）向きで長さ１６０ｎｍのベクトルである。
スペース部分及びＴｉＯ2膜の上下は真空とした。
ｚ方向（図中上下方向）に、波長４５０ｎｍの光を入射させたときの、ＴｉＯ2膜７００を透過する透過率を図６（ｂ）に示す。
図６（ｂ）では、上下の段のスペース位置がｘ座標において完全に一致したところをシフト量０ｎｍとし、そこから上下の段の位置関係をｘ方向（図中左右方向）にずらしていったときのずれ量を横軸、それに対応する透過率を縦軸とした。図６（ｂ）において、Ｅｘ成分の最大値と最小値はそれぞれ、０．９７１、０．９５９であり、Ｅｙ成分の最大値と最小値は、０．７２７、０．７２２であった。透過率のずれ量依存性は、殆ど見られなかった。
図６に、厚さ１８０ｎｍのＴｉＯ2膜７００に、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅１６ｎｍのスリット７０１を形成したものを２枚重ねてモデルとした場合の計算結果を示す。
本モデルにおいて、周期ベクトルとは、ｘ方向（図中左右方向）向きで長さ１６０ｎｍのベクトルである。
スペース部分及びＴｉＯ2膜の上下は真空とした。
ｚ方向（図中上下方向）に、波長４５０ｎｍの光を入射させたときの、ＴｉＯ2膜７００を透過する透過率を図６（ｂ）に示す。
図６（ｂ）では、上下の段のスペース位置がｘ座標において完全に一致したところをシフト量０ｎｍとし、そこから上下の段の位置関係をｘ方向（図中左右方向）にずらしていったときのずれ量を横軸、それに対応する透過率を縦軸とした。図６（ｂ）において、Ｅｘ成分の最大値と最小値はそれぞれ、０．９７１、０．９５９であり、Ｅｙ成分の最大値と最小値は、０．７２７、０．７２２であった。透過率のずれ量依存性は、殆ど見られなかった。
図７（ａ）、図７（ｂ）に 更に、同じ周期構造を有するＴｉＯ2膜（厚さ１８０ｎｍ）を５段積層させたときのモデルと光の透過率を示す。
ここでは、スペース幅を３２ｎｍとした。図６と同様、ピッチは１６０ｎｍ、１段の厚さは１８０ｎｍとした。
本モデルにおいて、周期ベクトルは先ほどと同様、ｘ方向（図中左右方向）向きで長さ１６０ｎｍのベクトルである。
５段それぞれのスペース位置のずれ量は乱数を発生させることでランダムに決定し、計算を行った（モンテカルロシミュレーション、計算回数は６８回）。
図７（ｂ）のグラフにおいて、横軸を計算した回数、縦軸を透過率としている。図７（ｂ）より、５段ランダムに重ねても、透過率に対する構造依存は殆どないことがわかる。
また、図７（ｃ）に、上記条件にて透過するＥｘ偏光の光とＥｙ偏光の光の位相差を示す。
横軸は、図７（ｂ）同様計算した回数、縦軸は位相差（Δφ。単位は、πラジアン。位相差なしのときはゼロ、位相差がπの時は−１。）とした。
図７（ｃ）において、Δφの最大値、最小値はそれぞれ−０．９１２，−０．８６４であった。
また、スペース位置をずらさないで５段全てずれ量ゼロで積層させた場合のΔφは、−０．８７４０であった。位相差は、各段の間の位置ずれにほとんど依存しないことがわかる。
ここでは、スペース幅を３２ｎｍとした。図６と同様、ピッチは１６０ｎｍ、１段の厚さは１８０ｎｍとした。
本モデルにおいて、周期ベクトルは先ほどと同様、ｘ方向（図中左右方向）向きで長さ１６０ｎｍのベクトルである。
５段それぞれのスペース位置のずれ量は乱数を発生させることでランダムに決定し、計算を行った（モンテカルロシミュレーション、計算回数は６８回）。
図７（ｂ）のグラフにおいて、横軸を計算した回数、縦軸を透過率としている。図７（ｂ）より、５段ランダムに重ねても、透過率に対する構造依存は殆どないことがわかる。
また、図７（ｃ）に、上記条件にて透過するＥｘ偏光の光とＥｙ偏光の光の位相差を示す。
横軸は、図７（ｂ）同様計算した回数、縦軸は位相差（Δφ。単位は、πラジアン。位相差なしのときはゼロ、位相差がπの時は−１。）とした。
図７（ｃ）において、Δφの最大値、最小値はそれぞれ−０．９１２，−０．８６４であった。
また、スペース位置をずらさないで５段全てずれ量ゼロで積層させた場合のΔφは、−０．８７４０であった。位相差は、各段の間の位置ずれにほとんど依存しないことがわかる。
以上のシミュレーションから、微細スペース位置が各段においてｘ方向にずれていても、各段における周期ベクトルが同一であれば、微細スペース位置がずれていない場合と同様の複屈折率性を示すことがわかった。
このことは、入射波長に対して周期構造のピッチが小さいときに生じる現象である。
本実施の形態によれば、上記従来例による高アスペクト比な構造を作製することなく、図１のようにアスペクト比のより小さい複数の段に分割して作製することで、光学素子としての機能が略同等なものを、安価に、高スループットで、容易に作製可能となる。
このことは、入射波長に対して周期構造のピッチが小さいときに生じる現象である。
本実施の形態によれば、上記従来例による高アスペクト比な構造を作製することなく、図１のようにアスペクト比のより小さい複数の段に分割して作製することで、光学素子としての機能が略同等なものを、安価に、高スループットで、容易に作製可能となる。
つぎに、本実施の形態における光学素子の作製方法について説明する。
図２に、本実施の形態における上記の複数の段に積層させた構造を有する光学素子の作製方法を説明する図を示す。
ここで、所望の光学素子構造において、スペース幅をＳ、ライン幅をＬ、ピッチをＰ（＝Ｌ＋Ｓ、Ｐ＜使用光波長）、高さをＴとする。
本実施の形態における光学素子の作製方法が特に有効となるのは、ＰやＳが小さく、Ｔが大きい値の時である。
特に、ＰやＳが可視光の波長程度かそれ以下の時、更に、Ｓが１００ｎｍ以下で、Ｔ／Ｓ＞８の時に非常に有効な手段となる。
上記条件のとき、所望の構造を一度に作製することは容易ではない。
そこで、この構造と略同等の光学特性を示す構造を、各段の高さがＴよりも低い複数の段を積層させることによって作製する方法を、以下に述べる。
図２に、本実施の形態における上記の複数の段に積層させた構造を有する光学素子の作製方法を説明する図を示す。
ここで、所望の光学素子構造において、スペース幅をＳ、ライン幅をＬ、ピッチをＰ（＝Ｌ＋Ｓ、Ｐ＜使用光波長）、高さをＴとする。
本実施の形態における光学素子の作製方法が特に有効となるのは、ＰやＳが小さく、Ｔが大きい値の時である。
特に、ＰやＳが可視光の波長程度かそれ以下の時、更に、Ｓが１００ｎｍ以下で、Ｔ／Ｓ＞８の時に非常に有効な手段となる。
上記条件のとき、所望の構造を一度に作製することは容易ではない。
そこで、この構造と略同等の光学特性を示す構造を、各段の高さがＴよりも低い複数の段を積層させることによって作製する方法を、以下に述べる。
（１）基板上にパターンをつぎのようにして作製する。
まず、基板１０１上に所望の材料による微細パターン構造１０２を作製する。
ここで、スペース幅はＳ、ライン幅はＬ、ピッチはＰ、パターン高さはＴ１となるようにする（図２（ａ））。
パターン高さＴ１においては、微小スペースの断面形状において、垂直性良く加工ができる膜厚となるよう、最終的デバイス高さＴよりも低く作製する（Ｔ１＜Ｔ）。なお、Ｔ１の設定の詳細については、後の実施例において説明する。
このパターン作製の方法としては、レジストパターンニングとリフトオフ法を用いることができ、またレジストパターニングとドライエッチングを用いることができ、さらにはＦＩＢやＥＢやレーザ等による直接加工等を用いることができる。
どれを用いるかは、作製したいものの材料、形状等の設計条件と、加工方法等のプロセス条件によって選択する。
レジストパターニングについては、ＥＢ露光、ＥＵＶ露光、Ｘ線露光、ＤＵＶ露光、エキシマレーザ露光、近接場露光、など微小パターンが良好に形成できるものであればよい。
また、レジストに関して、微小パターンが良好に形成できるものであればポジ型、ネガ型を問わない（ネガ型の場合は本実施の形態に記述しているライン幅とスペース幅を、所望のパターンに合わせて再設定する）。
レジストプロセスについて、単層レジスト法、表面イメージング法など微小パターンが良好に形成できるものであれば良い。全体の工程数を減らすためには、できるだけ高アスペクト比なパターンが形成できる簡便なプロセスを選択することが好ましい。
まず、基板１０１上に所望の材料による微細パターン構造１０２を作製する。
ここで、スペース幅はＳ、ライン幅はＬ、ピッチはＰ、パターン高さはＴ１となるようにする（図２（ａ））。
パターン高さＴ１においては、微小スペースの断面形状において、垂直性良く加工ができる膜厚となるよう、最終的デバイス高さＴよりも低く作製する（Ｔ１＜Ｔ）。なお、Ｔ１の設定の詳細については、後の実施例において説明する。
このパターン作製の方法としては、レジストパターンニングとリフトオフ法を用いることができ、またレジストパターニングとドライエッチングを用いることができ、さらにはＦＩＢやＥＢやレーザ等による直接加工等を用いることができる。
どれを用いるかは、作製したいものの材料、形状等の設計条件と、加工方法等のプロセス条件によって選択する。
レジストパターニングについては、ＥＢ露光、ＥＵＶ露光、Ｘ線露光、ＤＵＶ露光、エキシマレーザ露光、近接場露光、など微小パターンが良好に形成できるものであればよい。
また、レジストに関して、微小パターンが良好に形成できるものであればポジ型、ネガ型を問わない（ネガ型の場合は本実施の形態に記述しているライン幅とスペース幅を、所望のパターンに合わせて再設定する）。
レジストプロセスについて、単層レジスト法、表面イメージング法など微小パターンが良好に形成できるものであれば良い。全体の工程数を減らすためには、できるだけ高アスペクト比なパターンが形成できる簡便なプロセスを選択することが好ましい。
（２）２段め以降のパターンを、つぎのようにして作製する。
２段目のパターンを、１段目の上に形成する。
ここで、スペース幅はＳ、ライン幅はＬ、ピッチはＰ、パターン高さはＴ２となるようにする（図２（ｂ））。
パターン高さＴ２においては、微小スペースの断面形状が垂直性良く加工できる膜厚となるよう、最終的なデバイス高さＴよりも低く作製する（Ｔ２＜Ｔ）。
プロセスの条件だしなど、作業の効率化の点から、Ｔ２はＴ１と同じにするとスループットの向上となる。
ここで、上述のように、スペース幅が一致しており、周期ベクトルの大きさ（＝Ｐ＝Ｌ＋Ｓ）と向きが同じであれば、１段目と２段目のスペース位置が一致していなくても良い。
つまり、１段目と２段目とのアライメントが簡便となる。なお、設定の詳細については、後の実施例において説明する。
Ｔ＜Ｔ１＋Ｔ２の場合は、
Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２＋・・・＋Ｔｎ
となるようにする。
すなわち、ｎ番目の段を（ｎ−１）番目の段の上に積層することを、最終的なデバイス高さＴとなるまで繰り返す（図２（ｃ））。
上述したように、図２（ｃ）のように、微細スペース位置が図の上下方向に揃っていなくても、透過率や位相差の光学的性質は殆ど変わらないが、作製の方法は非常に簡便とすることができる。
積層させる方法としては、１段目を作製した後、その上に２段目以降を順次積層して加工を行う方法、あるいは２段目以降を１段目の基板とは異なる基板に作製し、順次はりあわせていく、等の方法がある。
積層方法は、ドライエッチング、リフトオフ等のパターン加工方法に応じて選択する。
ここで、積層構造を作製する際に、下の段のスペースによってその上段の構造の作製が難しくなる場合には、各段の間に周期構造を有さず、使用光を透過する材質のスペーサ層を挿入してもよい。その際、スペーサ層の厚さを、使用光の波長よりも薄い厚さとしてもよい。
２段目のパターンを、１段目の上に形成する。
ここで、スペース幅はＳ、ライン幅はＬ、ピッチはＰ、パターン高さはＴ２となるようにする（図２（ｂ））。
パターン高さＴ２においては、微小スペースの断面形状が垂直性良く加工できる膜厚となるよう、最終的なデバイス高さＴよりも低く作製する（Ｔ２＜Ｔ）。
プロセスの条件だしなど、作業の効率化の点から、Ｔ２はＴ１と同じにするとスループットの向上となる。
ここで、上述のように、スペース幅が一致しており、周期ベクトルの大きさ（＝Ｐ＝Ｌ＋Ｓ）と向きが同じであれば、１段目と２段目のスペース位置が一致していなくても良い。
つまり、１段目と２段目とのアライメントが簡便となる。なお、設定の詳細については、後の実施例において説明する。
Ｔ＜Ｔ１＋Ｔ２の場合は、
Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２＋・・・＋Ｔｎ
となるようにする。
すなわち、ｎ番目の段を（ｎ−１）番目の段の上に積層することを、最終的なデバイス高さＴとなるまで繰り返す（図２（ｃ））。
上述したように、図２（ｃ）のように、微細スペース位置が図の上下方向に揃っていなくても、透過率や位相差の光学的性質は殆ど変わらないが、作製の方法は非常に簡便とすることができる。
積層させる方法としては、１段目を作製した後、その上に２段目以降を順次積層して加工を行う方法、あるいは２段目以降を１段目の基板とは異なる基板に作製し、順次はりあわせていく、等の方法がある。
積層方法は、ドライエッチング、リフトオフ等のパターン加工方法に応じて選択する。
ここで、積層構造を作製する際に、下の段のスペースによってその上段の構造の作製が難しくなる場合には、各段の間に周期構造を有さず、使用光を透過する材質のスペーサ層を挿入してもよい。その際、スペーサ層の厚さを、使用光の波長よりも薄い厚さとしてもよい。
図８に、スペーサ層を有した構造の光学特性のシミュレーション結果を示す。モデルとして、１６０ｎｍピッチ、スペース幅３２ｎｍのＴｉＯ2膜７００の５段構造の間に、ＳｉＯ2膜７０２が１０ｎｍ厚ずつ形成されているとした（図８（ａ））。
図８（ｂ）に、それぞれの段のｘ方向ずれをランダムに変えたときの透過率依存性を示す。
また、図８（ｃ）に、Ｅｘ偏光の光とＥｙ偏光の光の位相差を示す。
これらより、透過率、位相差ともに、各段の間の位置ずれと依存性は見られなかった。
位相差に関しては、６８回の計算で、最大値と最小値はそれぞれ−０．８７８９、−０．９２５であった。また、スペースの位置を５段揃えて積層させた場合の位相差量は−０．８７４８であった。
これらの結果から、各段の間にスペーサ層があっても光学特性には影響しないことがわかった。
従って、プロセスによって、２段目以降の膜形成のために平坦化処理をし、あるいは２段目以降の微細パターン作製のためにドライエッチングの際のエッチスストップ層を形成する、等必要に応じてスペーサ層を挿入することができる。
図８（ｂ）に、それぞれの段のｘ方向ずれをランダムに変えたときの透過率依存性を示す。
また、図８（ｃ）に、Ｅｘ偏光の光とＥｙ偏光の光の位相差を示す。
これらより、透過率、位相差ともに、各段の間の位置ずれと依存性は見られなかった。
位相差に関しては、６８回の計算で、最大値と最小値はそれぞれ−０．８７８９、−０．９２５であった。また、スペースの位置を５段揃えて積層させた場合の位相差量は−０．８７４８であった。
これらの結果から、各段の間にスペーサ層があっても光学特性には影響しないことがわかった。
従って、プロセスによって、２段目以降の膜形成のために平坦化処理をし、あるいは２段目以降の微細パターン作製のためにドライエッチングの際のエッチスストップ層を形成する、等必要に応じてスペーサ層を挿入することができる。
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１では、本発明を適用した光学素子の構造と、その作製方法について説明する。
なお、本実施例で作製する光学素子は、可視領域でλ／４板として機能するよう設計されている。
本実施例では、プロセス条件の最適化に非常に手間がかかる従来例に代え、４回に分けて作製、積層する方法を用いた。
例えば図９（ｃ）に示される従来例では、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅２４ｎｍ（ライン幅１３６ｎｍ）、高さ３９０ｎｍのＴａ2Ｏ5２００微細構造の上に、つぎのような微細構造が形成されている。
すなわち、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅２４ｎｍ（ライン幅１３６ｎｍ）、高さ１００ｎｍのＳｉＯ2２１１微細構造が形成されている。
そのため、スペース幅が非常に狭く、それに対して高さが高いため、上記パターンを一度に作製することはプロセス条件の最適化に非常に手間がかかる。
これに対して、本実施例では高さ１００ｎｍ程度ずつ４回に分けて作製、積層する方法により、作製の容易化が図られている。
本実施例では、露光方法、レジストプロセスとして、近接場マスク露光法と３層レジスト法、リフトオフ法、等が用いられる。
しかしながら、本発明はこれらに限定されるものではなく、同様の構造が作製できるものであれば、他のプロセスでもよい。
［実施例１］
実施例１では、本発明を適用した光学素子の構造と、その作製方法について説明する。
なお、本実施例で作製する光学素子は、可視領域でλ／４板として機能するよう設計されている。
本実施例では、プロセス条件の最適化に非常に手間がかかる従来例に代え、４回に分けて作製、積層する方法を用いた。
例えば図９（ｃ）に示される従来例では、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅２４ｎｍ（ライン幅１３６ｎｍ）、高さ３９０ｎｍのＴａ2Ｏ5２００微細構造の上に、つぎのような微細構造が形成されている。
すなわち、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅２４ｎｍ（ライン幅１３６ｎｍ）、高さ１００ｎｍのＳｉＯ2２１１微細構造が形成されている。
そのため、スペース幅が非常に狭く、それに対して高さが高いため、上記パターンを一度に作製することはプロセス条件の最適化に非常に手間がかかる。
これに対して、本実施例では高さ１００ｎｍ程度ずつ４回に分けて作製、積層する方法により、作製の容易化が図られている。
本実施例では、露光方法、レジストプロセスとして、近接場マスク露光法と３層レジスト法、リフトオフ法、等が用いられる。
しかしながら、本発明はこれらに限定されるものではなく、同様の構造が作製できるものであれば、他のプロセスでもよい。
つぎに、図３を用いて、本実施例における１段目のパターン形成について説明する。
図３において、２０１は下層レジスト層、２０２はＳＯＧ層、２０３は上層レジスト層、２０４は近接場露光用マスク、２０５は露光用光である。
本実施例では、レジストプロセスとして３層レジスト法を用いる。
そこで、まず３層構造を形成する。
基板１０１の上に、下層レジスト層２０１を１２０ｎｍ厚形成する。その上に中間層となるＳＯＧ層２０２を２０ｎｍ厚形成する。更にその上に上層レジスト層２０３を３０ｎｍ厚形成する（図３（ａ））。
これらの膜厚は、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅２４ｎｍ程度のパターンが近接場露光と３層レジスト法プロセスによって再現性良く良好に作製可能な膜厚として選択した。
下層レジスト層の膜厚を厚くすると、パターン断面形状において、垂直性の良い加工が難しくなる。
ドライエッチング時間が長くなるため、下層レジスト層の上部（ＳＯＧ層側）ではサイドエッチング量が多くなりスペース幅が２４ｎｍよりも広がってしまう。また、エッチング時間を長くしても下部（基板側）までなかなかエッチングできない、という現象が起きやすくなる。
一方、下層レジスト層の膜厚を１２０ｎｍよりも薄くすれば、断面形状が良好なパターンが得られやすくなるが、素子全体を作製するまでのプロセス回数が多くなってしまうため、スループットが低下する。
図３において、２０１は下層レジスト層、２０２はＳＯＧ層、２０３は上層レジスト層、２０４は近接場露光用マスク、２０５は露光用光である。
本実施例では、レジストプロセスとして３層レジスト法を用いる。
そこで、まず３層構造を形成する。
基板１０１の上に、下層レジスト層２０１を１２０ｎｍ厚形成する。その上に中間層となるＳＯＧ層２０２を２０ｎｍ厚形成する。更にその上に上層レジスト層２０３を３０ｎｍ厚形成する（図３（ａ））。
これらの膜厚は、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅２４ｎｍ程度のパターンが近接場露光と３層レジスト法プロセスによって再現性良く良好に作製可能な膜厚として選択した。
下層レジスト層の膜厚を厚くすると、パターン断面形状において、垂直性の良い加工が難しくなる。
ドライエッチング時間が長くなるため、下層レジスト層の上部（ＳＯＧ層側）ではサイドエッチング量が多くなりスペース幅が２４ｎｍよりも広がってしまう。また、エッチング時間を長くしても下部（基板側）までなかなかエッチングできない、という現象が起きやすくなる。
一方、下層レジスト層の膜厚を１２０ｎｍよりも薄くすれば、断面形状が良好なパターンが得られやすくなるが、素子全体を作製するまでのプロセス回数が多くなってしまうため、スループットが低下する。
つぎに、３層構造の上層レジスト層２０３に対して、近接場露光を行う。
ピッチ１６０ｎｍ、遮光膜部の幅１２０ｎｍの近接場露光用マスク２０４を用いて、上層レジスト層２０３を露光する（図３（ｂ））。
これを現像することにより、上層レジスト層２０３に、ピッチ１６０ｎｍのパターンを形成する（図３（ｃ））。
近接場露光、現像により作製された上層レジストパターン高さを、３層レジスト法を用いることによって、Ｔａ2Ｏ5やＳｉＯ2の材料の加工に耐えられる程度に高くする。
上層レジストパターンをエッチングマスクとして、フッ素系のガスを用いてＳＯＧ層２０２をドライエッチングすることで、上層レジストパターンをＳＯＧ２０２層に転写する。
更に、このＳＯＧ層のパターンをエッチングマスクとして、酸素系のガスを用いて下層レジスト層２０１をドライエッチングすることで、ＳＯＧ層のパターンを下層レジスト層に転写する。
このようにして、高さ１２０ｎｍ、ピッチ１６０ｎｍ、パターン幅２４ｎｍ程度のレジスト構造を作製する（図３（ｄ））。
これに、Ｔａ2Ｏ5２００膜を厚さ１００ｎｍ成膜する（図３（ｅ））。
その後レジストを取り除くことで、高さ１００ｎｍ、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅２４ｎｍのＴａ2Ｏ5構造を作製する（図３ｆ））。
ピッチ１６０ｎｍ、遮光膜部の幅１２０ｎｍの近接場露光用マスク２０４を用いて、上層レジスト層２０３を露光する（図３（ｂ））。
これを現像することにより、上層レジスト層２０３に、ピッチ１６０ｎｍのパターンを形成する（図３（ｃ））。
近接場露光、現像により作製された上層レジストパターン高さを、３層レジスト法を用いることによって、Ｔａ2Ｏ5やＳｉＯ2の材料の加工に耐えられる程度に高くする。
上層レジストパターンをエッチングマスクとして、フッ素系のガスを用いてＳＯＧ層２０２をドライエッチングすることで、上層レジストパターンをＳＯＧ２０２層に転写する。
更に、このＳＯＧ層のパターンをエッチングマスクとして、酸素系のガスを用いて下層レジスト層２０１をドライエッチングすることで、ＳＯＧ層のパターンを下層レジスト層に転写する。
このようにして、高さ１２０ｎｍ、ピッチ１６０ｎｍ、パターン幅２４ｎｍ程度のレジスト構造を作製する（図３（ｄ））。
これに、Ｔａ2Ｏ5２００膜を厚さ１００ｎｍ成膜する（図３（ｅ））。
その後レジストを取り除くことで、高さ１００ｎｍ、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅２４ｎｍのＴａ2Ｏ5構造を作製する（図３ｆ））。
つぎに、図４を用いて本実施例における２段目以降のパターン形成について説明する。
１段目の微細構造２０６の上に、下層レジスト層２０１をスピンコートにて１２０ｎｍ厚成膜する。
１層目のスペース幅が非常に小さいため、このスペースに下層レジストは埋まらない。その上に中間層となるＳＯＧ層２０２を２０ｎｍ厚、更にその上に上層レジスト層２０３を３０ｎｍ厚形成する（図４（ａ））。
１段目のラインの長手方向と２段目のラインの長手方向が平行となるよう、近接場露光を行う。その後現像を行ってピッチ１６０ｎｍのパターンを作製し（図４（ｂ））、Ｔａ2Ｏ5２００層を１００ｎｍ高さ形成し（図４（ｃ））、レジスト層を取り除く。
このようにして、１段目の微細構造上に、１段目の周期ベクトルと同一の周期ベクトル構造を持つ、高さ１００ｎｍ、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅２４ｎｍによるパターンをＴａ2Ｏ5２００層に形成する（図４（ｄ））。
上記したように、各段のスペース幅の位置が各段において図中左右方向に揃っていなくても、周期ベクトルの方向と大きさが同一であれば、透過率、複屈折率性の光学特性は殆ど変わらない。
２段目形成と同様に、３段目を形成することによって、３段の積層構造の高さは３００ｎｍとなる。
同様に、４段目を９０ｎｍ厚形成する。これで積層構造の高さは３９０ｎｍとなる。
つぎに、５段目として、高さ１００ｎｍ、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅２４ｎｍのＳｉＯ2２１１パターンを形成する（図４（ｅ））。
１段目の微細構造２０６の上に、下層レジスト層２０１をスピンコートにて１２０ｎｍ厚成膜する。
１層目のスペース幅が非常に小さいため、このスペースに下層レジストは埋まらない。その上に中間層となるＳＯＧ層２０２を２０ｎｍ厚、更にその上に上層レジスト層２０３を３０ｎｍ厚形成する（図４（ａ））。
１段目のラインの長手方向と２段目のラインの長手方向が平行となるよう、近接場露光を行う。その後現像を行ってピッチ１６０ｎｍのパターンを作製し（図４（ｂ））、Ｔａ2Ｏ5２００層を１００ｎｍ高さ形成し（図４（ｃ））、レジスト層を取り除く。
このようにして、１段目の微細構造上に、１段目の周期ベクトルと同一の周期ベクトル構造を持つ、高さ１００ｎｍ、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅２４ｎｍによるパターンをＴａ2Ｏ5２００層に形成する（図４（ｄ））。
上記したように、各段のスペース幅の位置が各段において図中左右方向に揃っていなくても、周期ベクトルの方向と大きさが同一であれば、透過率、複屈折率性の光学特性は殆ど変わらない。
２段目形成と同様に、３段目を形成することによって、３段の積層構造の高さは３００ｎｍとなる。
同様に、４段目を９０ｎｍ厚形成する。これで積層構造の高さは３９０ｎｍとなる。
つぎに、５段目として、高さ１００ｎｍ、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅２４ｎｍのＳｉＯ2２１１パターンを形成する（図４（ｅ））。
上記方法により、図９（ｃ）に示されている光学素子と透過率、複屈折率性が殆ど変わらない光学素子の構造を、一度に作製する厚さを薄くしたことで微細スペースの断面形状性が良いまま歩留まり良く加工することができる。
また、各段同士のアライメントは一軸方向のみで良いため、容易に作製することができる。
以上の本実施例の方法によれば、従来の方法では作製に非常に手間がかかった、微細ピッチかつ微細スペース幅の高アスペクト比構造とほぼ同じ透過率、複屈折率の光学的性質を有する光学素子を、容易に、また安価に作製することができる。
また、各段同士のアライメントは一軸方向のみで良いため、容易に作製することができる。
以上の本実施例の方法によれば、従来の方法では作製に非常に手間がかかった、微細ピッチかつ微細スペース幅の高アスペクト比構造とほぼ同じ透過率、複屈折率の光学的性質を有する光学素子を、容易に、また安価に作製することができる。
［実施例２］
実施例２では、本発明を適用した光学素子の一部の構造と、その作製方法について、更にそれを含む光学素子と作製方法について説明する。
なお、本実施例で作製する光学素子は、可視領域でλ／４板として機能するよう設計されている。
従来例の図１０に示すような、素子Ａと素子Ｂを対向させて配置して構成した光学素子を作製するに際し、その素子Ａを作製する場合にプロセス条件の最適化に非常に手間がかかる。
そのため、本実施例では上記従来例の構成に代え、素子Ａを５回に分けて作製、積層する方法を用いた。
なお、図１０において、素子Ａは前述した図９（ａ）に示されている光学素子に対応するものであり、また、素子Ｂは前述した図９（ｂ）に示されている光学素子に対応するものであり、これらの周期構造体が直交する方向に対向して配置されている。
この従来例においては、これら高屈折材料１００による光素子Ａと素子Ｂ同士が接するよう対向させて構成されている。
この従来例においては、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅３２ｎｍ（ライン幅１２８ｎｍ）、高さ９００ｎｍの五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）による微細構造２００を有している。
そのため、スペース幅が非常に狭く、それに対して高さが高いため、上記パターンを一度に作製することは非常に難しい。
これに対して、本実施例では高さ１８０ｎｍずつ五段階に分けて作製、積層する方法により、作製の容易化が図られている。
本実施例では、露光方法、レジストプロセスとして、近接場マスク露光法と３層レジスト法、リフトオフ法、等が用いられる。
しかしながら、本発明はこれらに限定されるものではなく、同様の構造が作製できるものであれば、他のプロセスでもよい。
実施例２では、本発明を適用した光学素子の一部の構造と、その作製方法について、更にそれを含む光学素子と作製方法について説明する。
なお、本実施例で作製する光学素子は、可視領域でλ／４板として機能するよう設計されている。
従来例の図１０に示すような、素子Ａと素子Ｂを対向させて配置して構成した光学素子を作製するに際し、その素子Ａを作製する場合にプロセス条件の最適化に非常に手間がかかる。
そのため、本実施例では上記従来例の構成に代え、素子Ａを５回に分けて作製、積層する方法を用いた。
なお、図１０において、素子Ａは前述した図９（ａ）に示されている光学素子に対応するものであり、また、素子Ｂは前述した図９（ｂ）に示されている光学素子に対応するものであり、これらの周期構造体が直交する方向に対向して配置されている。
この従来例においては、これら高屈折材料１００による光素子Ａと素子Ｂ同士が接するよう対向させて構成されている。
この従来例においては、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅３２ｎｍ（ライン幅１２８ｎｍ）、高さ９００ｎｍの五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）による微細構造２００を有している。
そのため、スペース幅が非常に狭く、それに対して高さが高いため、上記パターンを一度に作製することは非常に難しい。
これに対して、本実施例では高さ１８０ｎｍずつ五段階に分けて作製、積層する方法により、作製の容易化が図られている。
本実施例では、露光方法、レジストプロセスとして、近接場マスク露光法と３層レジスト法、リフトオフ法、等が用いられる。
しかしながら、本発明はこれらに限定されるものではなく、同様の構造が作製できるものであれば、他のプロセスでもよい。
つぎに、本実施例の素子Ａにおける１段目のパターン形成について説明する。ここでは、実施例１における１段目のパターン形成と同様の方法が用いられる。まず、基板１０１の上に、下層レジスト層２０１を２２０ｎｍ厚形成する。
その上に中間層となるＳＯＧ層２０２を２０ｎｍ厚形成する。更にその上に上層レジスト層２０３を３０ｎｍ厚形成する（図３（ａ））。
これらの膜厚は、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅３２ｎｍ程度のパターンが近接場露光と３層レジスト法プロセスによって再現性良く良好に作製可能な膜厚として選択した。
ピッチ１６０ｎｍ、遮光膜部の幅１２０ｎｍの近接場露光用マスク２０４を用いて、上層レジスト層２０３を露光する（図３（ｂ））。
これを現像することにより、上層レジスト層２０３に、ピッチ１６０ｎｍのパターンを形成する（図３（ｃ））。
この上層レジストパターンをエッチングマスクとして、フッ素系のガスを用いてＳＯＧ層２０２をドライエッチングすることで、上層レジストパターンをＳＯＧ層に転写する。
更に、このＳＯＧ層のパターンをエッチングマスクとして、酸素系のガスを用いて下層レジスト層２０１をドライエッチングすることで、ＳＯＧ層のパターンを下層レジスト層に転写する。
このようにして、高さ２２０ｎｍ、ピッチ１６０ｎｍ、パターン幅３０ｎｍ程度のレジスト構造を作製した（図３（ｄ））。
これに、Ｔａ2Ｏ5２００膜を厚さ１８０ｎｍ成膜する（図３（ｅ））。
その後レジストを取り除くことで、高さ１８０ｎｍ、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅３２ｎｍのＴａ2Ｏ5構造を作製する（図３（ｆ））。
その上に中間層となるＳＯＧ層２０２を２０ｎｍ厚形成する。更にその上に上層レジスト層２０３を３０ｎｍ厚形成する（図３（ａ））。
これらの膜厚は、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅３２ｎｍ程度のパターンが近接場露光と３層レジスト法プロセスによって再現性良く良好に作製可能な膜厚として選択した。
ピッチ１６０ｎｍ、遮光膜部の幅１２０ｎｍの近接場露光用マスク２０４を用いて、上層レジスト層２０３を露光する（図３（ｂ））。
これを現像することにより、上層レジスト層２０３に、ピッチ１６０ｎｍのパターンを形成する（図３（ｃ））。
この上層レジストパターンをエッチングマスクとして、フッ素系のガスを用いてＳＯＧ層２０２をドライエッチングすることで、上層レジストパターンをＳＯＧ層に転写する。
更に、このＳＯＧ層のパターンをエッチングマスクとして、酸素系のガスを用いて下層レジスト層２０１をドライエッチングすることで、ＳＯＧ層のパターンを下層レジスト層に転写する。
このようにして、高さ２２０ｎｍ、ピッチ１６０ｎｍ、パターン幅３０ｎｍ程度のレジスト構造を作製した（図３（ｄ））。
これに、Ｔａ2Ｏ5２００膜を厚さ１８０ｎｍ成膜する（図３（ｅ））。
その後レジストを取り除くことで、高さ１８０ｎｍ、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅３２ｎｍのＴａ2Ｏ5構造を作製する（図３（ｆ））。
つぎに、図５を用いて、２段目以降のパターン形成について述べる。
１段目の微細構造２０６の上にＳＯＧ層をスピンコートにて成膜することで１０ｎｍ厚のスペーサ２０７を形成する。
１段目のスペース幅が小さいことと、粘性の高いＳＯＧを用いることで、このスペースにＳＯＧは埋まらない。
その上に、下層レジスト層２０１を２２０ｎｍ厚、その上に中間層となるＳＯＧ層２０２を２０ｎｍ厚、更にその上に上層レジスト層２０３を３０ｎｍ厚形成する（図５（ａ））。
１段目の周期ベクトルと同一の周期ベクトルを有するように近接場露光、現像を行ってピッチ１６０ｎｍのパターンを作製し（図５（ｂ））、Ｔａ2Ｏ5層２００を１８０ｎｍ高さ形成する（図５（ｃ））。
つぎに、レジスト層を取り除くことで、１段目の微細構造上に、高さ１８０ｎｍ、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅３２ｎｍのＴａ2Ｏ5パターンを形成する（図５（ｄ））。
１段目の微細構造２０６の上にＳＯＧ層をスピンコートにて成膜することで１０ｎｍ厚のスペーサ２０７を形成する。
１段目のスペース幅が小さいことと、粘性の高いＳＯＧを用いることで、このスペースにＳＯＧは埋まらない。
その上に、下層レジスト層２０１を２２０ｎｍ厚、その上に中間層となるＳＯＧ層２０２を２０ｎｍ厚、更にその上に上層レジスト層２０３を３０ｎｍ厚形成する（図５（ａ））。
１段目の周期ベクトルと同一の周期ベクトルを有するように近接場露光、現像を行ってピッチ１６０ｎｍのパターンを作製し（図５（ｂ））、Ｔａ2Ｏ5層２００を１８０ｎｍ高さ形成する（図５（ｃ））。
つぎに、レジスト層を取り除くことで、１段目の微細構造上に、高さ１８０ｎｍ、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅３２ｎｍのＴａ2Ｏ5パターンを形成する（図５（ｄ））。
図５（ｄ）のようにスペーサ層２０７を有し、また各段のスペース幅の位置が図中左右方向に揃っていなくても、上述のように各段の周期ベクトルが同一であれば、透過率、複屈折率性の光学特性は殆ど変わらない。
２段目形成と同様に、３段目を形成することによって高さ５６０ｎｍの構造を作製することができる。このうち２０ｎｍ厚はＳｉＯ2分である。
同様に、４段目、５段目を形成する。
これにより、図９（ａ）に示されている、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅３２ｎｍ（ライン幅１２８ｎｍ）、高さ９００ｎｍの微細構造と光学特性が殆ど変わらない光学素子の構造を、微細スペースの断面形状良く、簡便に作製することができる。
２段目形成と同様に、３段目を形成することによって高さ５６０ｎｍの構造を作製することができる。このうち２０ｎｍ厚はＳｉＯ2分である。
同様に、４段目、５段目を形成する。
これにより、図９（ａ）に示されている、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅３２ｎｍ（ライン幅１２８ｎｍ）、高さ９００ｎｍの微細構造と光学特性が殆ど変わらない光学素子の構造を、微細スペースの断面形状良く、簡便に作製することができる。
つぎに、本実施例の素子Ｂの作製について説明する。
これは、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅６４ｎｍ（ライン幅９６ｎｍ）、高さ２５０ｎｍの五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）構造である。
スペース幅が比較的広く、アスペクト比が低いため、この構造は上記述べた近接場マスク露光、３層レジスト法、リフトオフ法を用いて一度に作製することができる。また、ドライエッチング法を用いても作製することができる。
上述のようにして作製された素子Ａと素子Ｂを、図１０のように対向させて配置することで、可視光領域の広範囲（０．４０μｍ〜０．７０μｍの全域）に亙ってほぼλ／４板として機能する光学素子を作製することができる。
これは、ピッチ１６０ｎｍ、スペース幅６４ｎｍ（ライン幅９６ｎｍ）、高さ２５０ｎｍの五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）構造である。
スペース幅が比較的広く、アスペクト比が低いため、この構造は上記述べた近接場マスク露光、３層レジスト法、リフトオフ法を用いて一度に作製することができる。また、ドライエッチング法を用いても作製することができる。
上述のようにして作製された素子Ａと素子Ｂを、図１０のように対向させて配置することで、可視光領域の広範囲（０．４０μｍ〜０．７０μｍの全域）に亙ってほぼλ／４板として機能する光学素子を作製することができる。
以上の本実施例の方法によれば、従来の方法では作製に非常に手間がかかった、微細ピッチかつ微細スペース幅の高アスペクト比構造とほぼ同じ光学的性質を有する光学素子を歩留まり良く加工することができる。
すなわち、本実施例の方法によれば、一度に作製する厚さを薄くしたことで、微細スペースの断面形状性が良いまま歩留まり良く加工することができる。
また、各段同士のアライメントは一軸方向のみで良いため、容易に作製することができる。
すなわち、本実施例の方法によれば、一度に作製する厚さを薄くしたことで、微細スペースの断面形状性が良いまま歩留まり良く加工することができる。
また、各段同士のアライメントは一軸方向のみで良いため、容易に作製することができる。
１００：高屈折率材料による微細パターン構造
１０１：基板
１０２：所望材料による微細パターン構造
１０３：周期ベクトル
２００：Ｔａ2Ｏ5層
２０１：下層レジスト層
２０２：ＳＯＧ層
２０３：上層レジスト層
２０４：近接場露光用マスク
２０５：露光用光
２０６：１段目の微細構造
２０７：スペーサ層
２１１：ＳｉＯ2
７００：ＴｉＯ2膜
７０１：スリット
７０２：ＳｉＯ2膜
１０１：基板
１０２：所望材料による微細パターン構造
１０３：周期ベクトル
２００：Ｔａ2Ｏ5層
２０１：下層レジスト層
２０２：ＳＯＧ層
２０３：上層レジスト層
２０４：近接場露光用マスク
２０５：露光用光
２０６：１段目の微細構造
２０７：スペーサ層
２１１：ＳｉＯ2
７００：ＴｉＯ2膜
７０１：スリット
７０２：ＳｉＯ2膜
Claims (13)
- 使用光の波長よりも短い周期の周期構造体を有する光学素子であって、
前記周期構造体が複数の段より構成されており、少なくともそのうち一つの段の周期構造体と、その上段或いは下段の周期構造体が、それぞれ同一の周期ベクトルを有することを特徴とする光学素子。 - 前記複数の段における周期構造体は、それぞれ高さに対するスペース幅の大きさが小さい周期構造体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
- 前記複数の段における周期構造体は、それぞれの構造体の並進位置間に相関関係を有さずに積層されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学素子。
- 前記複数の段における周期構造体は、下段の周期構造体とその上段の周期構造体との間に、周期構造をもたない中間層を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子。
- 前記中間層が、前記使用光を透過する材料で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
- 前記中間層の厚さが、前記使用光の波長よりも薄いことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の光学素子。
- 使用光の波長よりも短い周期の周期構造体を有する光学素子であって、
第１の方向に周期を有する周期構造体に対し、前記第１の方向と直交する第２の方向に周期を有する周期構造体が対向して配置された構成を備え、
前記第１の方向に周期を有する周期構造体が、少なくとも請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学素子の周期構造体によって構成されていることを特徴とする光学素子。 - 使用光の波長よりも短い周期の周期構造体を有する光学素子の作製方法であって、
前記周期構造体を、基板上に積層された複数の段による周期構造体によって形成する工程を有し、
前記工程において、下段の周期構造体の周期ベクトルの方向と、その上段の周期構造体の周期ベクトルの方向とを、一致させるようにして位置合わせをすることを特徴とする光学素子の作製方法。 - 前記工程において、前記複数の段による周期構造体を、それぞれ高さに対するスペース幅が小さい周期構造体で形成することを特徴とする請求項８に記載の光学素子の作製方法。
- 前記工程において、前記複数の段に積層するに際しその並進位置については各段の位置合わせを行うことなく積層することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の光学素子の作製方法。
- 前記工程において、前記複数の段に積層するに際し下段の周期構造体とその上段の周期構造体との間に、周期構造をもたない中間層を形成することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の光学素子の作製方法。
- 前記中間層が、前記使用光を透過する材料で形成することを特徴とする請求項１１に記載の光学素子の作製方法。
- 前記中間層の厚さを、前記使用光の波長よりも薄くすることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の光学素子の作製方法。
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