JP2008046428A - 表面に微細凹凸形状をもつ光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐環境性、信頼性及び長期安定性に優れた光学素子を安価に製造できるようにし、フィリングファクタも大きくできるようにする。
【解決手段】基板表面に配列された樹脂の凸条によって目的の微細凹凸構造とは凹凸が逆のパターンを形成し、成膜法によってそのパターンの凹部を誘電体層で充填する。その樹脂は除去するが、材質によっては残してもよい。
【選択図】図３

Description

本発明は表面に微細凹凸形状をもつ位相板などの光学素子の製造方法に関するものである。位相板は直交する２つの直線偏光の間に位相差を生じさせるもので、１／４波長板、１／２波長板、全波長板などとして用いられ、液晶プロジェクタなどの画像投影装置、光ディスク装置の書込み読出し装置、その他の光学装置に利用されている。

波長板には水晶などの複屈折物質の厚さを調整して常光線と異常光線との位相差が波長に対して所定の関係になるようにした結晶研磨型波長板のほかに、誘電体にてなる微細凹凸表面が複屈折を示すことを利用した格子型波長板も使用されている。本発明は後者の格子型波長板など、表面に微細凹凸形状をもつ光学素子に関するものである。

光学素子の１種として知られる位相板は、互いに直交する偏光成分間に位相差を与える光学機能を持ち、種々の光学装置に用いられている。従来、位相板は、人造または天然のルチル、方解石、水晶など「複屈折性を示す一軸異方性結晶」を用いたものが知られているが、人造のものは「結晶を均一に成長させる」ことが難しく、天然の結晶は「光学的に均一で大きな形状のもの」が入手困難で高価である。また、このような「結晶材料を用いた位相板」は動作波長範囲が狭い。

近来「広帯域の波長範囲に対して機能できる位相板」として、サブ波長構造（ＳＷＳ）による位相板が提案されている（特許文献１、２）。サブ波長構造の光学作用に関しては非特許文献１等に説明がされている。また、サブ波長構造の形成方法の一例として非特許文献２記載のものが知られている。

特許文献１には、サブ波長構造を「ガラス基板の表面構造」として形成した位相板が開示されている。特許文献２には「平行平板を基板として平面状に格子構造を転写した位相板」が開示されているが、平行平板や格子構造が転写される部分の材質に関しては全く記載されていない。
非特許文献２には、サブ波長構造の形成方法として、樹脂バルク材を用いる熱式ナノインプリント法が開示されている。

他の制作方法として、ドライエッチング法を使用して溝構造を形成する方法がある。この方法としては、
（１）基板素材をドライエッチングで溝加工する構造と、
（２）基板素材上に高屈折率材料を成膜し、これをドライエッチングする方法が提案されている。
特開２００５− ４４４２９号公報 特開２００５−１０６９０１号公報 菊田久雄著「構造性複屈折とその光学素子への応用 回折光学素子入門」（平成９年５月２０日 第１版第１刷発行） p158-167 オプトロニクス社刊行 KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.2,(2005) p97-100 「ナノインプリント技術を利用したサブ波長構造広帯域波長板の作製」

ナノインプリント法による樹脂材料で構成されたサブ波長格子は、樹脂材料で構成されるため耐環境性（耐光性、耐温湿度性）や、信頼性、長期安定性に劣っている。また、樹脂材料を整形して製作するため、樹脂材料の流動粘度が低くできないため、成形時の樹脂ながれが悪く、高アスペクト構造を実現するのは容易ではない。高アスペクト構造を実現するには高アスペクト構造の金型が必要になるが、高アスペクト構造の金型を製作するのも容易ではない。結局、ナノインプリント法によってもサブ波長格子は高価となる。

ドライエッチング法は、ドライエッチング時のパターン垂直性が課題である。何故なら、ドライエッチング時、基板に作用するエッチング種（実際にエッチングに寄与する化学反応種）が、パターン深さが深くなればなるほどエッチングポイントに到達し難くなり、さらにはエッチング時に放出される被エッチング種がエッチングにより形成された凹部から排出され難くなる。このため、加工深さのバラツキ、底面形状のバラツキなどが生じる。この結果、加工基板内バラツキ、バッチ間バラツキが大きくなり、品質の安定化が難しい。

いずれの方法によっても高アスペクト比のサブ波長構造を製作することは難しい。
さらに、後で図４を用いて定義される凹凸構造のフィリングファクタ（ＦＦ＝Ｌ／Ｐの比）を大きくできないという課題もある。Ｐは凹凸構造のピッチ、Ｌはランド幅である。

本発明は、耐環境性（耐光性、耐温湿度性）、信頼性及び長期安定性に優れた光学素子を安価に製造することができ、フィリングファクタも大きくすることができる製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明の一形態は、基板の少なくとも一方の表面に誘電体からなる断面矩形波状の微細凹凸構造が形成された光学素子を以下の工程（Ａ）から（Ｃ）を含んで製造する光学素子の製造方法である。
（Ａ）前記基板表面に配列された樹脂の凸条によって前記微細凹凸構造とは凹凸が逆のパターンを形成する工程、
（Ｂ）成膜法によって前記パターンの凹部を誘電体層で充填する成膜工程、及び
（Ｃ）前記樹脂を除去する工程。

工程（Ａ）の好ましい例は、基板表面に樹脂を塗布して樹脂層を形成し、プリベークの後、その樹脂層に前記微細凹凸構造の金型を押し当てるインプリント法による形状転写工程である。

本発明の他の形態は、基板の少なくとも一方の表面に誘電体からなる断面矩形波状の微細凹凸構造が形成され、その微細凹凸構造の隙間にシルセスキオキサンが存在している光学素子を以下の工程（Ａ）と（Ｂ）を含んで製造することを特徴とする光学素子の製造方法。
（Ａ）前記基板表面にシルセスキオキサンを塗布してシルセスキオキサン層を形成し、プリベークの後、そのシルセスキオキサン層に前記微細凹凸構造の金型を押し当ててインプリント法による形状転写を行なった後、シルセスキオキサンを熱硬化させてシルセスキオキサンの凸条によって前記微細凹凸構造とは凹凸が逆のパターンを形成する工程、及び
（Ｂ）成膜法によって前記パターンの凹部を誘電体層で充填する成膜工程。
シルセスキオキサンは硬化すると石英構造をもつため、光学素子に残存していても耐久性と耐環境性に優れている。硬化したシルセスキオキサンの屈折率は１．４５程度である。

本発明の光学素子における微細凹凸構造は、樹脂材料ではなく、工程（Ｂ）で凹部に充填された誘電体材料により構成される。そのような誘電体材料としては、ＴｉＯ₂，Ｔｉ₂Ｏ₅，Ｎｂ₂Ｏ₅，Ｉｎ₂Ｏ₅，ＳｎＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣｒＯ₂、ＺｒＯ₂、反射防止膜材料として用いられているＭｇＦ₂，ハイコム（メルク社の商品名：ＺｒＯ₂＋ＴｉＯ₂）、ＯＭ−１０（メルク社の商品名：Ｔａ₂Ｏ₅＋ＴｉＯｎ（ｎは酸素数であり、この化合物はＴｉが欠損状態にあるものを表わす。））、ＯＭ−４（メルク社の商品名）、Ｈ−４（メルク社の商品名）、Ｍ−４（メルク社の商品名）などを用いることができる。

光学素子が誘電体材料で構成されることから、樹脂を除去した形態の光学素子も、樹脂としてシルセスキオキサンを使用して残存させた形態の光学素子も、耐環境性（耐光性、耐温湿度性）、信頼性及び長期安定性に優れたものとなる。

工程（Ｂ）では凹部に誘電体材料を充填する。ドライエッチング法で凹凸を形成する方法では、フィリングファクタを大きくするためには幅の狭い空間をエッチングにより形成しなければならないが、本発明の方法では幅のより広い空間に成膜により誘電体材料を充填することによりフィリングファクタを大きくすることができるので、フィリングファクタの大きな製品（値が大きいほど広い帯域、安定性が高い）を製作するのが容易である。

工程（Ｂ）はその途中に基板側にバイアス電圧を印加して行なうバイアスプラズマ成膜工程を含むことが好ましい。バイアスプラズマ成膜工程では成膜物質である誘電体が基板に対して垂直方向に入射するので、パターンの凹部の底部にも良好に成膜されるようになり、凹部を誘電体層で充填するのが容易になる。

そのバイアスプラズマ成膜工程は基板側にバイアス電圧を印加した状態で逆スパッタリングを行なう基板バイアスエッチング工程を含むことが好ましい。基板バイアスエッチング工程では逆スパッタリング粒子が表面の凸部分に集中して入射するので、樹脂パターンの凸条上面に成膜された誘電体層がスパッタリングにより選択的に、かつ集中的に除去される。

ここで、凸条パターン（ライン）と凹条パターン（スペース）の繰返しからなるライン・スペースの微細凹凸パターンの凹部を誘電体層で充填する成膜工程について検討する。
この成膜を基板側にバイアス電圧を印加しない従来の方法により実行すると、ラインパターンの頂部に堆積される成膜物質がスペース側にも成長してくるため、スペース内部には成膜物質が到達しにくくなり、スペース内の堆積膜厚には限界ある。また、スペース内でラインパターンよりには成膜物質が到達しにくいため、スペース内の堆積膜厚は不均一になる。その結果、従来の成膜方法は本発明では使用することができない。

バイアスプラズマ成膜工程では成膜物質が基板に対して垂直方向に入射するので、スペースの底部に成膜物質が到達しやすくなるが、この場合もラインパターンの頂部に堆積される成膜物質がスペース側に成長してくることはさけられないため、スペース内の堆積膜厚には限界ある。

基板側にバイアス電圧を印加した状態で逆スパッタリングを行なう基板バイアスエッチング工程を含む場合には、ラインパターンの頂部に堆積された成膜物質が基板バイアスエッチング工程での逆スパッタリング粒子により除去されるので、ラインパターンの頂部に堆積された成膜物質がスペース側に成長してくることが防止され、スペース内に成膜物質が均一に堆積される。

工程（Ｂ）で凹部に充填する誘電体層は単一層であってもよく、多層膜構造としてもよい。多層膜構造とする場合は、その屈折率構成は表面が反射防止効果を有する薄膜構成となるようにするのが好ましい。これにより、獲られる光学素子の凹凸構造の凸条の表面に反射防止効果をもたせることができる。

工程（Ａ）の一例として、基板表面に樹脂層を塗布し、その樹脂層に微細凹凸構造の金型を押し当てるインプリント工法による工程を採用した場合に使用する金型は、以下の工程により製作することが好ましい。
（ａ）シリコン基板の（１１０）面にマスク材料により、得ようとする微細凹凸構造の平面パターンをもつマスクパターンを形成する工程、
（ｂ）前記マスクパターンをマスクとして前記シリコン基板をアルカリ液でエッチングを行ない、側面に｛１１１｝面を有する微細凹凸を形成する工程、及び
（ｃ）その後、前記マスクパターンを除去する工程。

シリコン基板の（１１０）面をアルカリ液でエッチングすると、得られる凹部の内側面が｛１１１｝面となるように基板表面に対して垂直方向にエッチングが進行する異方性ウエットエッチングとなる。この方法は高アスペクト比の凹凸を形成することができるので、高アスペクト比の金型を製作できる。

本発明の製造方法によれば、耐環境性、信頼性及び長期安定性に優れた高耐久性光学素子が実現できる。この方法は製造工程の再現性が高いので製品バラツキが少ない。また、歩留まりが向上できるので、光学素子を安価に製作できる。
フィリングファクタを大きくすることができるので、広帯域波長板を実現することが容易である。

まず、本発明の方法により製作しようとする光学素子の一例を説明する。
図１は、位相板の一形態を説明するための図である。
この位相板は、図１（Ａ）に示すように、平行平板状のガラス平板１１の両面に薄層１２ａ、１２ｂが形成された構成となっている。薄層１２ａ、１２ｂは好ましくは屈折率が１．６以上の材料により形成され、その表面形状として断面矩形波状の微細凹凸構造がサブ波長構造として形成されている。

図１（Ｂ）を参照して用語を説明する。図１（Ｂ）は薄層に形成された断面矩形波状の微細凹凸構造を模式的に示している。微細凹凸構造の凹凸は断面形状が図示の矩形波形状であり、このような矩形波状の凹凸が、紙面垂直方向に延びている。したがって、微細凹凸構造における凸部は紙面垂直方向に延びた長い凸条をなし、凹部も紙面垂直方向に延びた長い凹条をなす。凸条をなす凸部を「ランド」と呼び、凹条をなす凹部を「スペース」と呼ぶ。

断面矩形波状の微細凹凸構造のピッチＰは、図に示すように、一対をなすランドとスペースのランド幅Ｌとスペース幅Ｓの和（Ｌ＋Ｓ）である。また、スペース底部に対するランドの高さを溝深さＨとする。

このとき、フィリングファクタ（ＦＦ）はＬ／Ｐ、アスペクト比はＨ／Ｓである。すなわち、フィリングファクタが大きいことは、ピッチＰに占めるランド幅Ｌが大きい（スペース幅Ｓが小さい）ことを意味し、アスペクト比が大きいほど、ランド幅Ｌに対する溝深さＨが大きい。アスペクト比が大きいほど微細凹凸構造形成が難しくなる。

非特許文献１、２等により知られたように、微細凹凸構造がサブ波長構造であると、そのピッチよりも大きい波長の光は回折せず、０次光としてそのまま透過する（このときの透過率を「０次透過率」と呼ぶ。）が、入射光に対して複屈折性を示す。

すなわち、図１（Ｃ）に示すように、微細凹凸構造へ空気領域から入射する入射光において、微細凹凸構造の周期方向（図の左右方向）に平行に振動する偏光成分ＴＭ、ランド長手方向（紙面垂直方向）に平行に振動する偏光成分ＴＥに対し、微細凹凸構造は屈折率が異なる媒質のように作用する。

微細凹凸構造の部分における有効屈折率を、偏光成分ＴＭにつきｎ（ＴＭ）、偏光成分ＴＥについてｎ（ＴＥ）とすると、これらの有効屈折率は、微細凹凸構造が形成された薄層材料の屈折率ｎ、微細凹凸構造のフィリングファクタｆを用いて以下のように表される。
ｎ（ＴＥ）＝｛ｆｎ²＋（１−ｆ）｝^1/2 （１）
ｎ（ＴＭ）＝［ｎ²／｛ｆ＋（１−ｆ）ｎ²｝］^1/2 （２）

このため、透過光における偏光成分ＴＭに対し、偏光成分ＴＥは位相が「δ」だけ遅れることになる。すなわち、溝深さＨを用いると、微細凹凸構造の光学的厚さは、偏光成分ＴＭに対して「Ｈ・ｎ（ＴＭ）」、偏光成分ＴＥに対して「Ｈ・ｎ（ＴＥ）」であるので、これら光学的厚さの差Ｈ｛ｎ（ＴＥ）−ｎ（ＴＭ）｝に応じて位相遅れδが生ずる。この位相遅れδがリタデーション(Reterdation)である。

光学的厚さの差Ｈ｛ｎ（ＴＥ）−ｎ（ＴＭ）｝をＤとし、波長をλとすると、δ＝２πＤ／λであるが、微細凹凸構造においては、波長λの広い領域にわたって、略一定のリタデーションが得られる。

ｎ（ＴＥ）、ｎ（ＴＭ）は、微細凹凸構造が形成された薄層材料の屈折率ｎと、フィリングファクタｆにより決定され、リタデーションδは、屈折率ｎ、フィリングファクタｆ、溝深さＨにより定まるから、結局、リタデーションは微細凹凸構造が形成された薄層材料（ｎが定まる。）と微細凹凸構造の形態（フィリングファクタｆと溝深さＨが定まる。）を調整することにより所望のものを得ることができる。

図１（Ａ）に示す光学素子のように、ガラス平板１１の両面に微細凹凸構造が形成されている場合、微細凹凸構造１２ａによるリタデーションを「δ１」、微細凹凸構造１２ｂによるリタデーション「δ２」とすれば、位相板としてのリタデーションは「δ１＋δ２」となる。

したがって、図１（Ａ）に示す位相板の場合には、リタデーション（δ１＋δ２）を調整することにより、偏光成分ＴＭ、ＴＥに対する位相差を、例えば「πやπ／２」に設定でき、各種波長板を実現できる。

次に、上述のような位相板を製作する一実施例の製造方法を図２から図３を参照して説明する。
図２はナノインプリント工法を適用する工程で使用する金型を製作する工程を示したものである。
（Ａ）金型の基板として（１１０）表面をもつシリコン基板２０を用意する。
そのシリコン基板２０の表面に電子線描画用レジスト２２を塗布し、プリベークする。
レジスト２２に対し、予め設定されたプログラムにしたがって金型パターンを形成するためのパターンを電子線描画する。このパターンは位相板の微細凹凸構造の平面パターンをもつパターンである。電子線描画は目的の位相板のピッチ及び線幅によって描画条件は異なったものとなる。

（Ｂ）電子線描画されたレジスト２２を現像し、リンスを行なってレジストパターン２２ａとする。その後、レジストパターン２２ａをポストベークする。このパターン２２ａは得ようとする位相板の微細凹凸構造の凸条となる部分にレジストが残ったパターンである。

（Ｃ）レジストパターン２２ａをマスクとしてシリコン基板２０をアルカリウエットエッチングする。ここではエッチング液としてＫＯＨ溶液を使用する。しかし、エッチング液としては、他にヒドラジン、ＥＰＷ（エチレンジアミン・ピテカテコール・水の混合溶液）、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）などを使用してもよい。
シリコン基板２０はその表面が（１１０）面であるので、シリコン基板のアルカリ液によるエッチングは｛１１１｝面が壁面となるように基板表面に対して垂直方向に進行し、レジストパターン２２ａのピッチを維持したまま深さ方向にエッチングされる。

（Ｄ）レジストパターン２２ａを除去すると金型２４が完成する。レジストパターン２２ａの除去は、例えばシリコン基板２０に対してＯ₂アッシング処理を施すことにより行なう。この金型２４には微細凹凸構造が形成されており、そのピッチＰ、ライン幅Ｌ、スペース幅Ｓ及びフィリングファクタ（ＦＦ）Ｌ／Ｐは目的とする位相板のものと同じである。また、その微細凹凸構造の深さＤは目的とする位相板の溝深さＨとほぼ等しいものである。

（実施例１）
次に、図３により金型２４を用いて製品基板２６に誘電体材料で微細凹凸構造を形成して目的とする位相板を製作する第１の実施例の工程を説明する。

図３（Ａ）と（Ｂ）は製品基板２６上に樹脂パターンを形成する工程を示したものである。
（Ａ）製品基板２６として平坦な表面をもつ平行平板の光透過性石英ガラス基板を使用する。製品基板２６はパイレックス（登録商標）、テンパックス（登録商標）といったガラス材料を使用することもできる。

基板２６の表面に転写樹脂２８を滴下する。転写樹脂２８としては、ＵＶ（紫外線）硬化性樹脂や熱硬化性樹脂を用いることができる。ＵＶ硬化性樹脂を使用した場合は、紫外線照射により樹脂を硬化させるために、製品基板２６と金型２４の少なくとも一方は紫外線を透過させる特性のものである必要がある。この実施例では金型２４はシリコン基板であるので、製品基板２６は紫外線を透過させるものとする必要がある。しかし、転写樹脂として、熱硬化性樹脂を使用する場合は、製品基板も金型も光を通す必要がない。

樹脂２８としては充分に粘度の低いものが好ましい。ＵＶ硬化性樹脂としては、例えばＰＡＫ−０１（東洋合成株式会社の商品名：粘度５〜２０ｃｐ）やGRANDIC RC-8790（大日本インキ株式会社の商品名：粘度２〜１０ｃｐ）などを使用することができる。熱硬化性樹脂としては、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）樹脂材料やＰＭＭＡ主成分レジスト材料などを使用することができる。

樹脂２８上から金型２４の微細凹凸パターン面が基板２６側となるように押し当てる。樹脂２８には金型２４の凹凸パターンが転写され、金型の凹部に樹脂が入り込んで基板２６の表面上に樹脂の凸条が紙面垂直方向に延びたパターンが形成される。

樹脂２８を硬化させる。樹脂２８がＵＶ硬化性樹脂のように光硬化性樹脂の場合は基板２６側から光を照射する。この実施例では、金型２４としてシリコン基板を使用しているが、もし金型として光透過性の石英ガラス基板などを使用した場合は、金型側から光を照射することもできる。樹脂２８が熱硬化性樹脂を使用した場合は加熱して硬化させる。

（Ｂ）樹脂２８の硬化後、金型２４を剥離すると、基板２６上に樹脂パターン２８ａが形成された状態となる。樹脂パターン２８ａは紙面垂直方向に延びる凸条のものが互いに平行に配列されたものである。基板２６の表面と樹脂パターン２８ａにより形成される凹凸パターンは、目的とする位相板の凹凸パターンとは凹凸が逆になっている。

図３（Ｃ）から（Ｉ）による樹脂パターン２８ａを用いて誘電体による光学素子用の微細凹凸構造を形成する工程を説明する。
（Ｃ）基板２６を、基板にバイアス電圧が印加可能な製膜装置に設置する。製膜は基板２６を面内方向で回転させながら行なう。成膜する誘電体材料としては、Ｔａ₂Ｏ₅，ＴｉＯ₂，Ｔｉ₂Ｏ₅，Ｎｂ₂Ｏ₅，Ｉｎ₂Ｏ₅，ＳｎＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣｒＯ₂など、前述の種々の材料を使用することができる。

この成膜工程では基板にバイアス電圧が印加されているので、成膜物質である誘電体材料３０が基板２６に対し垂直方向に入射し、樹脂パターン２８ａの凹部の底部にも良好に成膜される。

（Ｄ）誘電体材料３０が適当な厚さに成膜されたところで、基板にバイアス電圧が印加されたままの状態で逆スパッタリングを行なう。このとき逆スパッタリング粒子、例えばアルゴンイオン粒子、は表面の凸部分に集中して入射するので、パターン上部に成膜された誘電体材料３０が主としてスパッタリングされて除去される。凹部の底部に成膜された誘電体材料３０は、スパッタ粒子が凹部までは届かないために除去されずに残る。

（Ｅ）工程（Ｃ）と同じ条件で再び誘電体材料３０の成膜を実施する。ここでは工程（Ｃ）で成膜した誘電体材料３０と同じ物質を成膜するが、屈折率の異なる誘電体材料を成膜してもよい。

（Ｆ）工程（Ｄ）と同様に逆スパッタリングを行なって凸部上の誘電体材料を除去する。

（Ｇ）さらに工程（Ｃ）と同じ条件で誘電体材料３０の成膜を実施する。この場合も異なる誘電体材料を成膜してもよい。
成膜は樹脂パターン２８ａとほぼ同じ高さになるまで行なうが、好ましくは樹脂パターン２８ａよりもわずかに低いところまで誘電体材料３０が充填されたところで成膜工程を完了する。

（Ｈ）最後に、基板にバイアス電圧を印加した状態のままで逆スパッタリングを行なって、樹脂パターン２８ａ上の誘電体材料をスパッタリングにより除去する。

（Ｉ）樹脂パターン２８ａを除去する。樹脂パターン２８ａを除去する方法として、例えばＣＡＲＯＳ洗浄（硫酸と過酸化水素水の混合液による洗浄）を行ない、有機物質である樹脂パターン２８ａを溶解して除去する。
これにより、基板２６上に誘電体材料３０による凸条３２が形成された微細凹凸構造をもつ位相板が完成する。誘電体材料３０によるパターンは紙面垂直方向に伸びる凸条３２であり、基板２６の表面と凸条３２とにより微細凹凸構造を構成している。

（実施例２）
実施例２として、樹脂にシルセスキオキサンを使用し、誘電体からなる断面矩形波状の微細凹凸構造の隙間にシルセスキオキサンが存在している光学素子を製造する方法を説明する。
この実施例は、樹脂にシルセスキオキサンを使用し、図３（Ａ）〜（Ｈ）の工程を実施する点は実施例１と同じである。そして、工程（Ｉ）を行なわないことにより、シルセスキオキサンを残存させる。

（実施例３）
図４は基板２６の両面に誘電体材料による凸条３０ａ，３０ｂからなる微細凹凸パターンを形成した実施例を示したものである。凸条３０ａ，３０ｂからなる微細凹凸パターンを基板２６の両面に形成する場合も、図３と全く同じ方法により、誘電体材料によるパターンを基板２６の片面ずつ形成する。
得られた位相板は、片面の微細凹凸構造の位相差がλ／４であるとすると、図５のように両面に微細凹凸構造をもつ位相板はその２倍のλ／２の位相差をもつものとなる。

製作した位相板は、厚さ１．０ｍｍ、屈折率１．４５の平行平板状の石英ガラス基板の両面に、誘電体材料としてＴｉＯ₂（屈折率：２.２５）を用いて上記の製造方法により断面矩形波状の微細凹凸構造をサブ波長構造として形成した。

製作した位相板の仕様と特性は以下のとおりである。
（１）位相板Ａ（青色映像光に対する１／２波長板相当の位相板）
薄層表面の微細凹凸構造：
ピッチ：Ｐ＝０．２０μｍ、
フィリングファクタ：ｆ＝０．６、
ランド幅：Ｌ＝０．１２０μｍ、
スペース幅：Ｓ＝０．０８０μｍ、
溝深さ：Ｈ＝０．３８０μｍ
光学特性域：
使用波長：４２０〜５２０ｎｍ、
リタデーション：５０±３％（５０％は位相差：π）、
透過率：０．８８±７％（偏光成分ＴＥ）；０．９３±７％（偏光成分ＴＭ）。
溝深さＨは片面の凹凸構造の深さを表わしており、両面に凹凸構造が形成されているので、両面を合わせると溝深さは２Ｈとなる。以下の位相板でも同じである

（２）位相板Ｂ（緑色映像光に対する１／２波長板相当の位相板）
薄層表面の微細凹凸構造：
ピッチ：Ｐ＝０．２２μｍ、
フィリングファクタ：ｆ＝０．７、
ランド幅：Ｌ＝０．１５４μｍ、
スペース幅：Ｓ＝０．０６６μｍ、
溝深さ：Ｈ＝０．５４３μｍ、
光学特性：
使用波長域：５２０〜６２０ｎｍ、
リタデーション：５０±３％（５０％は位相差：π）、
透過率：０．８８±９％（偏光成分ＴＥ）；０．９３±５％（偏光成分ＴＭ）。

（３）位相板Ｃ（赤色映像光に対する１／２波長板相当の位相板）
薄層表面の微細凹凸構造：
ピッチ：Ｐ＝０．３０μｍ、
フィリングファクタ：ｆ＝０．５、
ランド幅：Ｌ＝０．１５０μｍ、
スペース幅：Ｓ＝０．１５０μｍ、
溝深さ：Ｈ＝０．４７５μｍ、
光学特性：
使用波長域：６２０〜７００ｎｍ、
リタデーション：５０±４％（５０％は位相差：π）、
透過率：０．８８±５％（偏光成分ＴＥ）、０．９３±４％（偏光成分ＴＭ）。

この製作例における各位相板のリタデーション特性を図５示す。３原色（青：４２０〜５２０ｎｍ、緑：５２０〜６２０ｎｍ、赤：６２０〜７００ｎｍ）の各波長領域で、安定したリタデーションを確保できていることがわかる。

（実施例４）
図３の製造方法で製作される光学素子の誘電体材料による凸条３２が多層膜構造として形成されたものであり、その多層膜構造の屈折率構成が表面に反射防止効果を有する薄膜構成であるものである。

図３の工程（Ｃ）から（Ｇ）の成膜工程で屈折率の異なる誘電体膜を堆積して多層膜構造とする。ここでは、４回の成膜工程を繰り返して以下の多層膜構造を製作した。
基板：石英ガラス基板（屈折率１．４７）、
第１層目誘電体層：ＳｉＯ₂ （屈折率１.４５） 膜厚８６ｎｍ、
第２層目誘電体層：Ａｌ₂Ｏ₃（屈折率１.６３） 膜厚７７ｎｍ、
第３層目誘電体層：ＴｉＯ₂ （屈折率２.３０） 膜厚１０９ｎｍ、
第４層目誘電体層：ＳｉＯ₂ （屈折率１.４５） 膜厚８６ｎｍ、
凸条３２間の凹部：空気（屈折率１．００）

このように基板の片面に合計膜厚が３５８ｎｍの４層構造の誘電体からなる凸条３２を形成した。この構造の多層膜を平面上に形成すると、反射率が０．５％以下となる。この多層膜構造の光学素子を基板の両面に製作することにより、表面に反射防止膜機能をもち、青色光に対する１／２波長板相当の位相板となった。

（Ａ）は本発明の方法により製作しようとする光学素子の一例を示す概略断面図、（Ｃ）はその一部の拡大断面図、（Ｃ）は位相板の動作原理を説明する断面図である。 一実施例において金型を製作する工程を示す工程断面図である。 同実施例において誘電体材料による微細凹凸構造を形成する工程を示す工程断面図である。 他の実施例において基板の両面に微細凹凸構造を形成した位相板を示す概略断面図である。 本発明により製作した３つの位相板のリタデーション特性を示すグラフである。

符号の説明

２０ シリコン基板
２２ 電子線描画用レジスト
２２ａ レジストパターン
２４ 金型
２６ 製品基板
２８ 転写樹脂
２８ａ 樹脂パターン
３０ 誘電体材料
３２，３２ａ，３２ｂ 誘電体材料による凸条

Claims (8)

1. 基板の少なくとも一方の表面に誘電体からなる断面矩形波状の微細凹凸構造が形成された光学素子を以下の工程（Ａ）から（Ｃ）を含んで製造することを特徴とする光学素子の製造方法。
   （Ａ）前記基板表面に配列された樹脂の凸条によって前記微細凹凸構造とは凹凸が逆のパターンを形成する工程、
   （Ｂ）成膜法によって前記パターンの凹部を誘電体層で充填する成膜工程、及び
   （Ｃ）前記樹脂を除去する工程。
2. 前記工程（Ａ）は基板表面に樹脂を塗布して樹脂層を形成し、プリベークの後、その樹脂層に前記微細凹凸構造の金型を押し当てるインプリント法による形状転写工程である請求項１に記載の製造方法。
3. 基板の少なくとも一方の表面に誘電体からなる断面矩形波状の微細凹凸構造が形成され、その微細凹凸構造の隙間にシルセスキオキサンが存在している光学素子を以下の工程（Ａ）と（Ｂ）を含んで製造することを特徴とする光学素子の製造方法。
   （Ａ）前記基板表面にシルセスキオキサンを塗布してシルセスキオキサン層を形成し、プリベークの後、そのシルセスキオキサン層に前記微細凹凸構造の金型を押し当ててインプリント法による形状転写を行なった後、シルセスキオキサンを熱硬化させてシルセスキオキサンの凸条によって前記微細凹凸構造とは凹凸が逆のパターンを形成する工程、及び
   （Ｂ）成膜法によって前記パターンの凹部を誘電体層で充填する成膜工程。
4. 前記工程（Ｂ）はその途中に基板側にバイアス電圧を印加して行なうバイアスプラズマ成膜工程を含む請求項１から３のいずれかに記載の製造方法。
5. 前記バイアスプラズマ成膜工程は基板側にバイアス電圧を印加した状態で逆スパッタリングを行なう基板バイアスエッチング工程を含む請求項５に記載の製造方法。
6. 前記工程（Ｂ）は前記誘電体層を多層膜構造として形成する請求項１から５のいずれかに記載の製造方法。
7. 前記多層膜構造の屈折率構成は、表面が反射防止効果を有する薄膜構成である請求項６に記載の製造方法。
8. 前記金型は、以下の工程により製作する請求項２又は３に記載の製造方法。
   （ａ）シリコン基板の（１１０）面にマスク材料により前記微細凹凸構造の平面パターンをもつマスクパターンを形成する工程、
   （ｂ）前記マスクパターンをマスクとして前記シリコン基板をアルカリ液でエッチングを行ない、側面に｛１１１｝面を有する微細凹凸を形成する工程、及び
   （ｃ）その後、前記マスクパターンを除去する工程。
   

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