JP2012074111A - 広帯域１／４波長板 - Google Patents

Abstract

【課題】薄い膜厚で加工しやすく、従って必要な位相差と高い透過率の精度を向上することができる格子構造を形成するための透明性材料と、その構造を選定した広帯域１／４波長板を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、格子構造を形成するための透明性材料は、窒化シリコン膜からなり、その厚さは８００ｎｍ以下であり、要求特性に応じ各ラインパターンの断面形状を台形形状とすることにより、薄い膜厚で加工しやすく、従って必要な位相差と高い透過率の精度を向上することができる広帯域１／４波長板を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、構造複屈折を用いた広帯域波長板に関し、特に広帯域１／４波長板に関する。

光ディスク装置などの光ピックアップ機能において、１／４波長板は、レーザの投光路と受光路を効率良く分離するための光学素子であり、波長板を透過した光のＴＥ偏光とＴＭ偏光の間に９０°（＝１／４波長）の位相差を生じさせ、円偏光を直線偏光に、直線偏光を円偏光に変換するものである。
特に近年、青色光を利用する次世代光ディスクの登場により、ＤＶＤ、ＣＤと合わせ、３波長（例えば４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍ）に共通して使える、広帯域対応の１／４波長板が求められている。

構造複屈折は、例えば下記非特許文献１に記載されるように、透明材料の表面に微細な周期構造（例えば図１のような格子構造）を作り込み、周期構造を透過するＴＥ偏光（電場ベクトルの方向が周期方向に直交）とＴＭ偏光（電場ベクトルの方向が周期方向に一致）に屈折率差を与えることで、両偏光間に位相差を生じさせる。従って、構造複屈折による位相差は、周期構造の寸法（周期、線幅、高さなど）によって変化させることができる。

森川、表面技術、Ｖｏｌ．５９、Ｎｏ．１０、２００８、p.18

しかしながら、従来の一般的な透明材料を用いて、構造複屈折により、９０°程度のＴＥ−ＴＭ間位相差と高い透過率を、しかも広い波長領域（４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍ）にわたって実現するには、数百ｎｍの構造周期に対して、少なくとも１．５μｍ以上の高さをもつ高アスペクト比の格子構造を精度良く作ることが必要であり、困難が伴っていた。

そこで本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、構造複屈折を利用して、１μｍ以下の高さによる比較的小さいアスペクト比からなり、広い波長領域（４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍ）にわたって、９０°程度のＴＥ−ＴＭ偏光間位相差と、高い透過率を有する、広帯域１／４波長板を提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明は、透明性材料が周期的な格子構造にパターニングされ、且つ当該格子構造を透過した後のＴＥ偏光とＴＭ偏光との間に、波長７８０ｎｍで７５°以上１０５°以下の位相差と、９０％以上のＴＥ偏光とＴＭ偏光の平均透過率があり、且つ波長６５０ｎｍで８４°以上９６°以下の位相差と、９０％以上のＴＥ偏光とＴＭ偏光の平均透過率があり、且つ波長４０５ｎｍで８７°以上９３°以下の位相差と、８５％以上のＴＥ偏光とＴＭ偏光の平均透過率を有し、且つ前記格子構造が、シリコンと窒素を主要な構成元素とする透明性材料のパターンからなることを特徴とする広帯域１／４波長板である。

また、請求項２に記載の本発明は、前記格子構造部分の高さが８００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の広帯域１／４波長板である。
また、請求項３に記載の本発明は、前記格子構造部分の断面形状が、底辺が上辺よりも長い台形形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の広帯域１／４波長板である。

本発明は、周期的な格子構造を形成する材料が、適度に屈折率が大きく透明性が高い、シリコン（以下Ｓｉと表記する)と窒素を主たる構成元素とする窒化シリコン膜（以下ＳｉＮと表記する）からなるので、従来よりも薄い膜厚（従って小さいアスペクト比）で、広い波長域にわたり、１／４波長板としての位相差と、高い透過率を提供することができる。また、製造条件に応じ、格子構造を底辺が上辺よりも長い台形形状とすることによって、必要な波長における位相差と透過率の値を調整することができる。

本発明の広帯域１／４波長板の第１実施形態の構造を示す断面模式図である。 本発明の広帯域１／４波長板の第２実施形態の構造を示す断面模式図である。 広帯域１／４波長板の目標性能を示す説明図である。 典型的な窒化シリコン膜の光学定数を示す説明図である。 図１の広帯域１／４波長板で窒化シリコン膜を透明膜材料とした場合の位相差の計算結果を示す特性図である。 図１の広帯域１／４波長板で窒化シリコン膜を透明膜材料とした場合の透過率の計算結果を示す特性図である。 図２の広帯域１／４波長板で窒化シリコン膜を透明膜材料とした場合の位相差の計算結果を示す特性図である。 図２の広帯域１／４波長板で窒化シリコン膜を透明膜材料とした場合の透過率の計算結果を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ、説明する。実施の形態において、同一構成要素には同一符号を付け、実施の形態において重複する説明は省略する。
（第１実施形態）
図１に示すように、本発明の第１実施形態に関わる広帯域１／４波長板１は、透明基板３と、透明基板３上に成膜した透明性材料をパターニングして形成された、周期的な格子構造２からなっており、格子構造２となる透明性材料は、Ｓｉと窒素を主要な構成元素とするＳｉＮ膜である。ここで「主要な」とは、「主要な元素」の合計で９５％以上の組成比を占めるものとする。

第１実施形態の広帯域１／４波長板１においては、格子構造２を透過した後のＴＥ（Transverse Electric）偏光とＴＭ（Transverse Magnetic）偏光との間に、波長７８０ｎｍで７５°以上１０５°以下の位相差があるともに、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の平均の透過率が８５％以上となっている。さらに好ましくは、波長６５０ｎｍで８４°以上９６°以下の位相差があるともに、平均の透過率が９０％以上となっている。さらに好ましくは、波長４０５ｎｍで８７°以上９３°以下の位相差があるともに、平均の透過率が９０％以上となっている。

第１実施形態の透明基板３としては、合成ガラス、石英、アルミナなどがありうるが、波長４００ｎｍから７８０ｎｍにわたって、光の吸収度をあらわす指標である消衰係数が実質的に０（ゼロ）であるものであればよい。
第１実施形態の広帯域１／４波長板１における格子構造２を形成するひとつひとつのラインパターンは、その側壁角がほぼ９０°（垂直）となっている。同時に、格子構造２を決める周期ｐ、線幅ｗ、高さＨは、前記の波長７８０ｎｍ、６５０ｎｍ、４０５ｎｍにおける位相差と透過率の条件を満たすように決定されている。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に関わる広帯域１／４波長板１は、図２に示すように、格子構造２を形成するひとつひとつのラインパターンの断面形状は、底辺が上辺よりも長い台形形状となっている。同時に、格子構造２を決める周期ｐ、上辺の線幅ｗa、底辺の線幅ｗb、高さＨは、第１実施形態と同じ波長７８０ｎｍ、６５０ｎｍ、４０５ｎｍにおける位相差と透過率の条件を満たすように決定されている。

第２実施形態の広帯域１／４波長板１における格子構造２となる透明性材料は、第１実施形態と同じＳｉと窒素を主要な構成元素とするＳｉＮ膜である。また、透明基板３の材料も第１実施形態の場合と同じである。
以下、本発明の第１、第２実施形態で規定する、格子構造２となる透明性材料、及び格子構造２の形状（寸法）の選択について、例をあげて説明する。

図３に、広帯域１／４波長板の一般的な目標性能を示す。図に示すように、波長４０５ｎｍ、６５９ｎｍ、７８０ｎｍの広い波長域において、高い透過率と９０°前後の位相差が要求される。
ＴＥ偏光とＴＭ偏光間の位相差は、入射光が透明基板上に形成された格子構造を透過することによって、ＴＥ成分に対する屈折率とＴＭ成分に対する屈折率に差ができることによって生じる。ここで、ＴＥ成分に対する屈折率をｎＴＥ、ＴＭ成分に対する屈折率をｎＴＭとすると、屈折率差Δｎは
Δｎ＝｜ｎＴＥ−ｎＴＭ｜ ・・・（１）
であり、格子構造の高さをＨ、波長をλとすると、位相差ＰＳは、
ＰＳ（°）≒３６０°・Δｎ・Ｈ／λ ・・・（２）
で表わされる。

屈折率差Δｎは、格子構造となるもともとの透明性材料の光学定数（屈折率ｎ、消衰係数ｋ）、格子構造
の周期ｐ、線幅ｗ、及び入射光の波長λに依存して決まる。従って、広帯域１／４波長板においては、それぞれ必要とする波長（例えば４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍ）において同時にＰＳ＝９０°前後となるように、格子構造の周期ｐ、線幅ｗ、及び高さＨを選定する必要がある。

ここで、格子構造となるもともとの透明性材料の光学定数について考えると、格子構造を透過後の屈折率差Δｎは、もともとの透明性材料の屈折率が大きいほど屈折率差Δｎも大きくなる。屈折率差Δｎが大きく
なると、（２）式より、９０°の位相差を得るための格子構造の厚さＨが小さくてすむようになる。つまり、格子構造のアスペクト比を小さく抑えるには、なるべく屈折率の大きい透明性材料を使うことが望ましい。しかしあまりに屈折率が大きいと、空間の屈折率（＝１）との差が大きくなって、反射率が大きくなり、透過率が低下するようになるので、適度に屈折率の大きい透明性材料を使うことが望ましい。

次に、透明性材料の消衰係数について考えると、格子構造のアスペクト比を抑えても、少なくとも数百ｎｍの高さＨは必要であるので、透過率＞８５％を満たすには、透明性材料の消衰係数は、必要な波長領域において、実質的に０（ゼロ）である必要がある。
上記のような観点から、格子構造を形成する透明性材料を考えると、ＳｉＮ膜が候補となりうる。図４にＳｉＮ膜の、波長４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍの光学定数を示す。ＳｉＮ膜の光学定数は、Ｓｉと窒素の組成比によって多少変化するが、これはもっとも典型的なＳｉ：Ｎ＝３：４の膜に対する値である。

図４のＳｉＮ膜を透明性材料として、広帯域１／４波長板の設計を検討した。良好な結果が得られた例を以下に示す。格子構造の周期ｐ＝４００ｎｍ、線幅ｗ＝２５２ｎｍ、ラインパターンの断面形状は垂直として、高さＨに対する、３つの波長での位相差を計算すると図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のようになる。図５における帯の部分は、図３の位相差の許容範囲とそれに伴う高さの許容範囲を表わしている。

更に、前記の構造のときの高さＨに対する、３つの波長での透過率を計算すると図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のようになる。図５、図６より、このときの周期ｐ＝４００ｎｍ、線幅ｗ＝２５２ｎｍの構造においては、高さＨ＝６３０ｎｍ付近で、波長４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍに対する位相差と、透過率の目標を達成することができ、前記第１実施形態の広帯域１／４波長板を作製できることが分かる。

図４のＳｉＮ膜を透明性材料として、広帯域１／４波長板の設計を検討し、良好な結果が得られた別の例を以下に示す。格子構造の周期ｐ＝４００ｎｍ、各ラインパターンの断面形状を上辺の線幅ｗa＝１３８ｎｍ、底辺の線幅ｗb＝３９８ｎｍの台形形状として、高さＨに対する、３つの波長での位相差を計算すると図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のようになる。図７における帯の部分は、図３の位相差の許容範囲とそれに伴う高さの許容範囲を表わしている。

更に、前記の構造のときの高さＨに対する、３つの波長での透過率を計算すると図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のようになる。図７、図８より、このときの周期ｐ＝４００ｎｍ、上辺の線幅ｗa＝１３８ｎｍ、底辺の線幅ｗb＝３９８ｎｍの台形形状においては、高さＨ＝６６０ｎｍ付近で、波長４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍに対する位相差と、透過率の目標を達成することができ、本発明の第２実施形態の広帯域１／４波長板を作製できることが分かる。

上記の２つの例を比較すると、各ラインパターンの断面形状が垂直である場合（第１実施形態に関わる例）よりも、台形形状である場合（第２実施形態に関わる例）の方が、高さＨはやや高くなっているが、どの波長においても透過率が高くなっていることが分る。これは、断面が台形形状になったことで、格子部分の垂直方向の屈折率変化が、より緩やかになり、反射率が低下したことによる。このように、各ラインパターンの断面形状を台形形状にすることで、最適高さは高くなるが、透過率の高い１／４波長板を作成することができる。

＜実施例１＞
まず、石英基板上に、ＳｉＮ膜を、Ｓｉをターゲットとし、Ａｒガスと窒素ガスを添加した反応性スパッタリング法により、６３１ｎｍの厚さで成膜した。目的の６３０ｎｍでなく、６３１ｎｍとしたのは、後述の洗浄工程による膜厚減少を見越したものである。
次に、前記ＳｉＮ膜上に電子線レジストを塗布し、電子線描画法と現像によりレジストパターンを形成した。パターンは周期４００ｎｍ、線幅２５４ｎｍ、スペース幅１４６ｎｍのラインアンドスペースパターンとした。目的の線幅２５２ｎｍでなく、２５４ｎｍとしたのは、後述の洗浄工程による量側面からの膜厚減少を見越したものである。

このレジストパターンをマスクとし、フッ素ガスを主体として、あらかじめ求めておいたＳｉＮ膜の垂直な形状が得られるドライエッチング条件により、ＳｉＮ膜のパターニングを行った。
次に、電子線レジストの剥離を行った後、一般的な酸およびアルカリ系の洗浄液により洗浄を行い、ＳｉＮ膜からなる格子構造を形成した。

このようにして作製したＳｉＮ膜の格子構造からなる素子について、分光光度計により透過率の測定を行ったところ、波長４０５ｎｍに対して８６．５％、波長６５０ｎｍに対して９０．７％、波長７８０ｎｍに対して９４．１％であった。また、回転検光子法によりＴＥ偏光とＴＭ偏光間の位相差を測定したところ、波長４０５ｎｍに対して９２°、波長６５０ｎｍに対して９１°、波長７８０ｎｍに対して８２°であり、透過率、位相差ともに目標を満たしていた。

＜実施例２＞
まず、石英基板上に、ＳｉＮ膜を、Ｓｉをターゲットとし、Ａｒガスと窒素ガスを添加した反応性スパッタリング法により、７７１ｎｍの厚さで成膜した。目的の７７０ｎｍでなく、７７１ｎｍとしたのは、後述の洗浄工程による膜厚減少を見越したものである。
次に、前記ＳｉＮ膜上に電子線レジストを塗布し、電子線描画法と現像によりレジストパターンを形成した。パターンは周期４００ｎｍ、線幅３００ｎｍ、スペース幅１００ｎｍのラインアンドスペースパターンとした。

このレジストパターンをマスクとし、ＳｉＮ膜のドライエッチングを行ったが、ドライエッチング条件は、ＳｉＮ膜のパターンを台形状にするために、フッ素ガスに酸素を添加し、レジストパターン側面の後退と、ＳｉＮパターンの側壁保護により、ＳｉＮ膜の断面が台形状になる条件で行った。
次に、電子線レジストの剥離を行った後、一般的な酸およびアルカリ系の洗浄液により洗浄を行い、ＳｉＮ膜からなる格子構造を形成した。

このようにして作製したＳｉＮ膜の格子構造からなる素子について、分光光度計により透過率の測定を行ったところ、波長４０５ｎｍに対して９３．２％、波長６５０ｎｍに対して９６．３％、波長７８０ｎｍに対して９６．８％であった。また、回転検光子法によりＴＥ偏光とＴＭ偏光間の位相差を測定したところ、波長４０５ｎｍに対して９２°、波長６５０ｎｍに対して８８°、波長７８０ｎｍに対して８３°であり、透過率、位相差ともに目標を満たしていた。

以上、詳細に説明したように、格子構造を形成する透明性材料として、窒化シリコン膜を用い、さらに必要に応じて、格子構造のラインパターンの断面形状を台形形状することで、従来よりも薄い７００ｎｍの高さで、波長４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍに対してほぼ９０°のＴＥ偏光−ＴＭ偏光間位相差を持ち、且つ高い透過率をもつ広帯域１／４波長板を得ることができることが確認された。

本発明は、光ディスク装置などの光ピックアップ機能において、レーザの投光路と受光路を効率良く分離し、光利用効率を高める広帯域１／４位相板としての利用が期待される。
特に近年、青色光を利用する次世代光ディスク、ＤＶＤ、ＣＤと合わせ、３波長（４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍ）に共通して使える、広帯域対応の１／４波長板としての利用が期待される。

１・・・広帯域１／４波長板
２・・・格子構造
３・・・透明基板

Claims (3)

1. 透明性材料が周期的な格子構造にパターニングされ、且つ当該格子構造を透過した後のＴＥ偏光とＴＭ偏光との間に、波長７８０ｎｍで７５°以上１０５°以下の位相差と、９０％以上のＴＥ偏光とＴＭ偏光の平均透過率があり、且つ波長６５０ｎｍで８４°以上９６°以下の位相差と、９０％以上のＴＥ偏光とＴＭ偏光の平均透過率があり、且つ波長４０５ｎｍで８７°以上９３°以下の位相差と、８５％以上のＴＥ偏光とＴＭ偏光の平均透過率を有し、且つ前記格子構造が、シリコンと窒素を主要な構成元素とする透明性材料のパターンからなることを特徴とする広帯域１／４波長板。
2. 前記格子構造部分の高さが８００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の広帯域１／４波長板。
3. 前記格子構造部分の断面形状が、底辺が上辺よりも長い台形形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の広帯域１／４波長板。

Images