JP2007178873A

JP2007178873A - 光学素子

Info

Publication number: JP2007178873A
Application number: JP2005379281A
Authority: JP
Inventors: Madoka Nishiyama; 円西山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2007-07-12

Abstract

【課題】２次元、又は３次元の構造を有し、反射防止膜等の光学素子やフォトニック結晶として用いることが可能な、新規な光学素子を提供する
【解決手段】バイナリー形状と、入射する波長以下のピッチを有する突起形状が混在することを特徴とする２次元又は３次元の光学素子
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子に関するものである。

ＤＯＥ、反射防止構造、３次元素子などの微細構造を有する光学素子は、リソグラフィー工程を行った後、高密度プラズマやＲＩＥなどのDry Etchingプロセスを行うことで、直接基板もしくは薄膜に溝を掘り込み、所望の素子や複数の機能を有する素子を作製することができる。またＢＯＥなどのバイナリー素子を作製する場合は、リソグラフィーとEtching工程をｎ回繰り返すことで、２^ｎの段数を有する素子を作製する。たとえばリソグラフィーとEtching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、Etching工程を複数回有する素子を作製する場合、露光のつなぎ精度やEtchingによるバラツキが生じるために、所望の形状を有する素子を作製することが困難である。特に狭いピッチや高アスペクトの素子を作製する場合は、上記バラツキが発生し易く、光学特性にも大きく影響を及ぼす。

又、ナノプリント法を用いて、型から転写することで素子を大量に安く作製できるが、型を精度よく作製しなければ所望の特性の素子は作製することはできない。又、反射防止構造（Moth-Eye、ARS =AR Structure）は、平面や曲面などに形成する方法は提案・研究開発が活発にされているが、ＤＯＥ（２ＢＯＥ、４ＢＯＥ、・・・）への応用は困難である。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、２次元、又は３次元の構造を有し、反射防止膜等の光学素子やフォトニック結晶として用いることが可能な、新規な光学素子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、バイナリー形状と、入射する波長以下のピッチを有する突起形状が混在することを特徴とする光学素子である。

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、前記バイナリー形状の深さが、少なくとも入射する波長の１／４以上であることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段であって、前記バイナリー形状の深さが、少なくとも入射する波長以上であることを特徴とするものである。

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、前記バイナリー形状の深さと、前記突起形状の高さが異なることを特徴とするものである。

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、前記突起形状の直径又はピッチがランダムであることを特徴とするものである。

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、前記突起形状に、そのアスペクト比（高さ／直径）が５以上のものが含まれることを特徴とするものである。

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、型からパターンを転写することにより形成されたことを特徴とするものである。

本発明によれば、２次元、又は３次元の構造を有し、反射防止膜等の光学素子やフォトニック結晶として用いることが可能な、新規な光学素子を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態である２次元又は３次元形状を有する光学素子及びその製造方法について説明する。

まず、基板（Si、Si/SiＯ_２、ＳＯＩ、GaAsなどの半導体材料などの基板）にレジストを塗布し、マスクを通して露光を行う。露光はｇ線、ｉ線、エキシマレーザ光、Ｆ_２レーザ光、ＥＵＶＬ、ＥＢ、Ｘ線、放射光等を使用したステッパを使用して行ってもよい。または、ＥＢやLaserなどを用いた直接描画による露光方法でもよい。また２光束干渉させて露光を行ってもよい。露光を行ったあと現像を行う。このようにして作製されたものをResist原盤と呼ぶことにする。

Resist原盤に、Etching装置を用いて、Dry Etchingを行う。このとき、Etchingは基板の材料にあわせてEtching gassを任意に選択する。Etching gass（流量、gass流量比）、Etchingのプラズマ状態（ion、ラジカル、エネルギー等）、プラズマ密度、プラズマ温度、チャンバーの側壁状態、等によりEtchingの条件を変化させてEtchingを行ってもよい。またEtching rateやEtchingプラズマ状態を把握しながらEtchingを行ってもよい。

上記のようにしてエッチングを行うことで、任意の深さで、任意のパターンに対応した２ＢＯＥ素子や２ＢＯＥ素子に微細突起構造を有する素子の作製が可能となる。このようにして作製したものを第１Master基板と呼ぶ。

突起形状のピッチが350nm以下のものも製造可能である。また、素子全体に入射する波長をλとした際に、突起形状のピッチが 2λ/3程度以下であってもよいし、ランダムであってもよい。このようにすることで、光学的な機能素子としての働きを持たせることができる。突起形状の深さについては、少なくとも深さがλ/4以上もしくはλ/2以上もしくはλ以上であってもよく、又100nm以上もしくは500nm以上であってもよい。また、突起形状のアスペクト比（＝高さ/直径）が少なくとも５以上の構造体が含まれていてもよい。また直径がランダムに存在している場合は、アスペクト比が１０以上の構造体が含まれていてもよい。

又、第１Master基板を用いて、さらにリソグラフィーとEtchingを行うことで、４ＢＯＥ素子や４ＢＯＥ素子に突起構造を有する素子の作製が可能となる。このようにして作製したものを第４Master基板と呼ぶ。

又、第４Master基板を用いて、さらにリソグラフィーとEtchingを行うことで、８ＢＯＥ素子や８ＢＯＥ素子に突起構造を有する素子の作製が可能となる。このようにして作製したものを第８Master基板と呼ぶ。

第１Master基板、第４Master基板、第８Master基板を作製した後、電鋳を行ってもよい。その電鋳を行ったものを第２Master基板と呼ぶこととする。または、第１Master基板、第４Master基板、第８Master基板、第２Master基板からナノプリント法を用いて樹脂転写を行い剥離することで、第３Master基板を作製してもよい。

また第１Master基板、第４Master基板、第８Master基板等の上に薄膜を積層し、リソグラフィーを行い、薄膜部分をDry Etchingを行って微細構造を作成してもよい。それぞれのMaster基板と薄膜や樹脂を任意に組み合わせることにより、任意の形状、任意のピッチ、幅、径、深さ、厚み、任意の位置、任意の欠陥を形成することが可能となる。

これらの製造方法を用いることで、２次元もしくは３次元の構造を有する光学素子やフォトニック結晶などが作製可能となる。

上記の光学素子は、単体で用いてもよいし、レンズやＭＥＭＳ等の技術を入れた素子を併せて用いてもよい。またLaserやLED等とも組み合わせた素子であってもよい。

任意の形状とピッチを有するマスク（従来方法で作成した４倍マスク）を複数作製した。特にピッチは、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、１μm、２μm、４μmとした。Si基板にレジストを塗布し、Nikon社製のｉ線ステッパで露光を行った後現像を行い、Etchingを複数種類の条件で行った。Etchingガスは、ＳＦ_６系、Cl_２系、Ar、ＣＦを使用した。アンテナ／バイアスパワーは、500-1000Ｗとした。Etchingを行う際、HR-SEM分析を行い形状観察を行いながら、Etching条件出しを行っていくことが重要である。たとえば、Depo量が多くなる条件とSidewall taper角が寝てくる条件と逆taper角になる条件を見出して、gass流量やアンテナ／バイアスパワーや基板温度などplasma密度を可変できる範囲を見出してから、たとえば、gass流量を０〜200sccmまで５sccmおきに変化させた素子をSamplingしながらHR-SEMで形状観察をしていくことで、溝幅と溝深さの異なる素子を複数種類作製した。このようにして、３次元構造を有するSi原盤を作製した。ナノプリントにて樹脂を転写させ、真空中でナノプリントを複数回行い、剥離することで素子を用意した。剥離する際には、Nikon original半自動剥離装置で行った。図１、図２に断面SEM分析した結果の一部を示す。２ＢＯＥ素子に、異なる深さを有する突起構造（狭ピッチ〜300nm以下）が作製できている。これらの結果は、２ＢＯＥ＋突起構造（反射防止構造）の作製ができることを示唆している。

任意の形状とピッチを有するマスクを複数作製した。特にピッチは200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、１μm、２μm、４μmとした。Si/SiＯ_２基板を用いてレジストを塗布し、Nikon社製のｉ線ステッパーで露光を行い、現像を行った。Etchingを複数種類の条件で行った。その後、Asingを行いResistを除去し、２ＢＯＥ素子を作製した。その後、さらにResist塗布を行い、異なるレチクルを用いて、露光・現像・Etchingをすることで、４ＢＯＥ素子の作製が可能となる。ここで、２ＢＯＥのEtchingはスムーズな表面形状を有する条件でEtchingを行い、４ＢＯＥのEtchingを行う際に、実施例１に記載したようなEtchingを行うことで、４ＢＯＥの溝幅と溝深さの異なる深さを有する突起構造（狭ピッチ〜300nm以下）が作製できた。これは、４ＢＯＥ＋突起構造の作製ができることを示唆している。

また、ナノプリントにて樹脂を転写させ、真空中でナノプリントを行い、剥離することでナノプリント素子を作製することが可能である。

任意の形状とピッチを有するマスクを複数作製した。特にピッチは200nm,、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、１μm、２μm、４μmとした。ＳＯＩ基板を用いてレジストを塗布し、Nikon社製のi線ステッパーで露光を行い、現像を行った。Etchingを複数種類の条件で行った。その後、Asingを行いResistを除去し、２ＢＯＥ素子を作製した。その後、さらにResist塗布を行い、異なるレチクルを用いて、露光・現像・Etchingをすることで、４ＢＯＥ素子の作製が可能となった。同様に、Resist塗布、露光・現像・Etchingを行うことで、８ＢＯＥ素子の作製を行った。ここで、２ＢＯＥ、４ＢＯＥのEtchingはスムーズな表面形状を有する条件でEtchingを行い、８ＢＯＥのEtchingを行う際に、実施例１に記載したようなEtchingを行うことで、８ＢＯＥの溝幅と溝深さの異なる深さを有する突起構造（狭ピッチ〜300nm以下）が作製できた。８ＢＯＥ＋突起構造の作製ができることを示唆している。

本発明の実施例である光学素子のＳＥＭ写真である。本発明の実施例である光学素子のＳＥＭ写真である。

Claims

バイナリー形状と、入射する波長以下のピッチを有する突起形状が混在することを特徴とする２次元又は３次元の光学素子。
前記バイナリー形状の深さが、少なくとも入射する波長の１／４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。
前記バイナリー形状の深さが、少なくとも入射する波長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。
前記バイナリー形状の深さと、前記突起形状の高さが異なることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の光学素子。
前記突起形状の直径又はピッチがランダム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。
前記突起形状に、そのアスペクト比（高さ／直径）が５以上のものが含まれる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。
型からパターンを転写することにより形成された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。