JP2014134745A

JP2014134745A - 光学素子、複合光学素子及び光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP2014134745A
Application number: JP2013004040A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Fujimura; 康浩藤村
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2014-07-24

Abstract

【課題】サブ波長のピッチを有する凹条部と凸条部の周期構造をもつ光学素子であって取扱性に優れた光学素子を提供する。
【解決手段】光学素子１は、サブ波長のピッチを有する凹条部５と凸条部７の周期構造と、隣り合う凸条部７の先端部７ａ同士を連結する連結部９とを備えている。凸条部７及び連結部９は二酸化ケイ素で形成されている。連結部９は凹条部５の底部とは間隔をもって配置されている。凹条部５の上部は連結部９によって閉じられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子、複合光学素子及び光学素子の製造方法に関するものである。

光学素子としてサブ波長構造（Sub-Wavelength Structures；ＳＷＳ）を備えたものが知られている（例えば特許文献１を参照。）。サブ波長構造は、光の波長よりも小さいサブ波長のピッチを有する凹条部と凸条部の周期構造である。

光の波長より短いピッチをもつ凹凸周期構造は、周期をもつ方向ともたない方向で異なる有効屈折率ｎＴＥ，ｎＴＭをもち、あたかも複屈折材料であるかのように振舞う。この有効屈折率の差によって各偏波方向の光の伝播速度に差ができるため、サブ波長構造を通過する光が位相差を生じる。

サブ波長構造は、構造の設計によって複屈折やそれらの分散を自由に制御できる。サブ波長構造のこの特性を利用して、偏光板、波長板、波長分離素子など、様々な製品が展開されている。

特開２００８−２９８８６９号公報

今榮真紀子、外３名，「構造性複屈折を用いた広帯域１／４波長板の最適設計」，コニカミノルタテクノロジーレポート、ＶＯＬ．３，コニカミノルタホールディングス株式会社，２００６年，ｐ．６２−６７

光学素子においてサブ波長構造は非常に有効な技術であるが、微細な構造であるために物理的強度が弱いという問題があった。したがって、サブ波長構造を備えた従来の光学素子は、汚れを拭き取れなかったり、超音波で洗浄すると微細構造であるために共振して破損したりするなど、取扱性に問題があった。

本発明は、サブ波長のピッチを有する凹条部と凸条部の周期構造をもつ光学素子であって取扱性に優れた光学素子を提供することを目的とするものである。

本発明にかかる光学素子は、サブ波長のピッチを有する凹条部と凸条部の周期構造と、隣り合う上記凸条部の先端部同士を連結する連結部と、を備え、上記凸条部及び上記連結部は二酸化ケイ素で形成されており、上記連結部は上記凹条部の底部とは間隔をもって配置されており、上記凹条部の上部は上記連結部によって閉じられているものである。

本発明にかかる光学素子の製造方法は、本発明の光学素子を製造するための方法であって、シリコン層の上に、上記凹条部と上記凸条部の周期構造に応じた凹凸周期構造をもつマスクパターンを形成する工程と、ドライエッチング技術によって上記マスクパターンをマスクにして上記シリコン層をパターニングして凹凸周期構造をもつシリコンパターンを形成する工程であって、上記シリコンパターンにおいて隣り合うシリコン凸条部の先端部同士が後工程のシリコン酸化処理によって連結され、隣り合う上記シリコン凸条部の基端部が上記シリコン酸化処理において連結されないように、上記シリコン凸条部の先端部の幅寸法を基端部の幅寸法よりも大きい寸法で形成する工程と、上記シリコン酸化処理を施して上記シリコン凸条部を完全に酸化させて二酸化ケイ素からなる上記凸条部及び上記連結部を形成する工程と、を含む。

本発明の光学素子の製造方法において、上記シリコン層は単結晶シリコンで形成されている例を挙げることができる。

また、本発明の光学素子の製造方法において、上記シリコン層は、基材上に成膜されたシリコン層である例を挙げることができる。

さらに、上記シリコン層は、上記シリコン酸化処理によって完全に酸化される例を挙げることができる。ただし、上記シリコン層は完全には酸化されなくてもよい。

また、上記基材の例として、石英ガラス又は光学機能膜を挙げることができる。

本発明にかかる複合光学素子は、表面に本発明の光学素子を備えたものである。

本発明の複合光学素子において、上記光学素子は上記表面の一部に配置されている例を挙げることができる。

本発明の光学素子において、サブ波長構造を構成する凹条部の上部は、隣り合う凸条部の先端部同士を連結する連結部によって閉じられているので、本発明は取扱性に優れた光学素子を提供できる。

光学素子の一実施例を説明するための概略的な断面図である。光学素子の製造方法の実施例を説明するための概略的な断面図である。光学素子の製造方法の他の実施例を説明するための概略的な断面図である。

図１は、光学素子の一実施例を説明するための概略的な断面図である。なお、本発明の光学素子はこれに限定されるものではない。

光学素子１は、基部３の表面に設けられたサブ波長のピッチを有する凹条部５と凸条部７の周期構造を備えている。光学素子１は、隣り合う凸条部７の先端部７ａ同士を連結する連結部９も備えている。

基部３、凸条部７及び連結部９は二酸化ケイ素で形成されている。連結部９は凹条部５の底部５ａとは間隔をもって配置されている。凹条部５の上部は連結部９によって閉じられている。これにより、サブ波長構造の強度が向上し、サブ波長構造の表面の拭き取りが可能になり、凹条部５の内部への異物の入り込みがなくなる。したがって、光学素子１は取扱性に優れている。

例えば、光学素子１において、凹凸構造の周期Ｐは２００ｎｍ（ナノメートル）である。凸条部７の幅寸法Ｌは約１３６.２ｎｍである。周期Ｐに占める凸条部７の幅寸法の割合を示すフィリングファクターｆ（ｆ＝Ｌ／Ｐ）は約０.６８である。凹条部５の幅寸法Ｓは約６３.８ｎｍである。凹条部５の深さＨは約２.７μｍ（マイクロメートル）である。連結部９の厚みＴは約０.３μｍである。

サブ波長の凹凸周期構造は複屈折性をもつことが知られている。サブ波長の凹凸周期構造は、例えば非特許文献１に記載されるように、周期をもつ方向ともたない方向とで異なる有効屈折率ｎ_TE，ｎ_TMをもつ。有効屈折率ｎ_TE，ｎ_TMは次の式（１），（２）で示される。さらに、入射光の波長λに対する位相差δは次の式（３）で示される。

ｎ_TE＝｛ｎ₁ ²×ｆ＋ｎ₂ ²×（１−ｆ）｝^1/2 ・・・（１）
ｎ_TM＝｛ｎ₁ ^-2×ｆ＋ｎ₂ ^-2×（１−ｆ）｝^-1/2 ・・・（２）
δ＝（ｎ_TE−ｎ_TM）×Ｈ・・・（３）

式（１），（２）において、ｎ₁は凹条部５の屈折率（この実施例では空気）、ｎ₂は凸条部７の材質（二酸化ケイ素）の屈折率、ｆはフィリングファクターである。式（３）において、Ｈは凹条部５の深さである。

これらの式に、この実施例の光学素子１の材質及び形状寸法を当てはめて計算すると、ｎ_TE＝１.３２３、ｎ_TM＝１.２４７となる。位相差δ（周期をもつ方向ＴＥと周期をもたない方向ＴＭの光路長差）は２０５.２ｎｍである。したがって、この実施例の光学素子１は、波長４２０ｎｍの光に対してのλ／２板を構成する。

図２は、光学素子の製造方法の実施例を説明するための概略的な断面図である。図２に示された断面は図１に対応している。図２を参照して製造方法の一実施例を説明する。図２におけるカッコ数字（１）〜（３）は以下に説明される工程（１）〜（３）に対応している。なお、本発明の製造方法はこの実施例に限定されるものではない。

（１）例えば、シリコン層１１の上に、インプリント法を用いて、ピッチ２００ｎｍ、フィリングファクター０.４５（ライン幅９０ｎｍ）のマスクパターン１３を形成する。マスクパターン１３は、図１に示された光学素子１の凹条部５と凸条部７の周期構造に応じた凹凸周期構造をもつように形成される。シリコン層１１は、例えば結晶面（１００）のノンドープシリコンウェハである。シリコン層１１の厚みは例えば３００μｍである。マスクパターン１３の凸条部の高さ（凹条部の深さ）は例えば１００ｎｍである。マスクパターン１３の材料は、インプリント法において一般的に用いられるものであればよく、特に限定されない。

（２）ドライエッチング技術によってマスクパターン１３をマスクにしてシリコン層１１をパターニングして凹凸周期構造をもつシリコンパターンを形成する。シリコン層１１を深さ方向に３μｍエッチングしてシリコン凸条部１５を形成する。その際にドライエッチング条件をサイドエッチングが起きやすいように設定した。

例えば、ＳＦ₆ベースのガス種でエッチングする等である。シリコン凸条部１５の加工仕上がりの寸法として、マスクパターン１３の近傍の先端部はフィリングファクター０.４５（幅９０ｎｍ）程度であり、中間部及び基端部はフィリングファクターが０.３（幅６０ｎｍ）程度である形状を得た。

シリコン凸条部１５の寸法は、シリコンパターンにおいて隣り合うシリコン凸条部１５の先端部同士が後の工程（３）のシリコン酸化処理によって連結され、隣り合うシリコン凸条部１５の基端部が工程（３）のシリコン酸化処理において連結されないように形成される。したがって、シリコン凸条部１５の先端部の幅寸法は基端部の幅寸法よりも大きい寸法をもつ。このように、意図的にボーイング形状（柱の中間が細った形状）をもつシリコン凸条部１５を形成する。

ドライエッチングの手法としては、一般的なＩＣＰ（inductively coupled plasma）エッチャーを用いた。プラズマ源としてはＥＣＲプラズマ（electron cyclotron resonance plasma）や平行平板型ＣＣＰ（capacitively coupled plasma）など、特に制限はない。また、微妙なサイドエッチ量の制御が必要な場合は、必要に応じてボッシュ法や、中性粒子ビーム法などを用いてもよい。

（３）残存しているマスクパターン１３を除去する。シリコン凸条部１５を備えたシリコンパターンに対して、ウェット法による熱酸化処理（シリコン酸化処理）を実施した。熱酸化処理条件は、シリコン凸条部１５が完全に酸化される条件であればよい。この実施例では、後工程との兼ね合いで、形成される熱酸化膜の厚みが３μｍとした。具体的な条件としては酸化温度１１００℃で１８時間熱酸化した。

シリコン凸条部１５が酸化されて、二酸化ケイ素からなる凸条部７及び連結部９が形成される。図２（３）において、シリコン凸条部１５は仮想線（二点鎖線）で示されている。凸条部７の形成に応じて形成される凹条部５が形成される。シリコン凸条部１５に応じた凹条部の底部のシリコン層１１が酸化されて、二酸化ケイ素からなる基部３が形成される。基部３の厚みは約３μｍである。

単結晶シリコンは熱酸化によって２.２７倍に膨張する特性を有している。これにより、シリコン凸条部１５が熱酸化されて形成された二酸化ケイ素からなる凸条部７の先端部７ａは９０ｎｍ×２.２７＝２０４.３ｎｍとなる。先端部７ａにおいて、凸条部７の幅方向に膨張して形成される二酸化ケイ素の寸法は凹凸周期構造の周期（２００ｎｍ）を超えるので、隣り合う先端部７ａ同士が連結され、連結部９が形成される。凸条部７の形成に応じて形成される凹条部５の上部は連結部９によって完全に閉じられた形となった。

また、シリコン凸条部１５の先端部以外は、上記工程（２）でサイドエッチングによりフィリングファクター０.３（幅６０ｎｍ）となっていたので、凸条部７の基端部及び中間部は、６０ｎｍ×２.２７＝１３６.２ｎｍ（フィリングファクター０.６８）になる。

このように、凸条部７の先端から０.３μｍの先端部７ａの範囲は連結部９によって閉じられており、内部は、ピッチが２００ｎｍ、フィリングファクターが０.６８、深さが２.７μｍのラインアンドスペースとなっている、サブ波長のピッチを有する凹条部５と凸条部７の周期構造をもつ光学素子１が得られた。

（４）図２（３）では図示されていないが、光学素子１の基部３の下方にはシリコン層１１が存在している。光学素子１の形成位置の下方のシリコン層１１部分をシリコン層１１の裏面側からエッチングして除去した。このエッチングには例えばボッシュ法が用いられる。二酸化ケイ素からなる基部３をエッチングストップ層として機能させ、シリコンのみを除去することができた。

次に、図３を参照して光学素子の製造方法の他の実施例を説明する。図３は、光学素子の製造方法の他の実施例を説明するための概略的な断面図である。図３におけるカッコ数字（１）〜（３）は以下に説明される工程（１）〜（３）に対応している。なお、本発明の製造方法はこの実施例に限定されるものではない。

（１）例えば、合成石英ガラスからなる基材１７上に膜厚が４.５μｍのシリコン層１１を成膜する。シリコン層１１にインプリント法を用いて、ピッチ２５０ｎｍ、フィリングファクター０.５（ライン幅１２５ｎｍ）のマスクパターン１３を形成する。マスクパターン１３の凸条部の高さ（凹条部の深さ）は例えば１００ｎｍである。マスクパターン１３の材料は、インプリント法において一般的に用いられるものであればよく、特に限定されない。

シリコン層１１の成膜方法は、例えばスパッタ法や蒸着法などのＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法や、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法など、特に限定されない。ただし、膜密度が低い場合は後の工程で影響が出る可能性があり、その場合は成膜後にアニール処理をすることが好ましい。

（２）ドライエッチング技術によってマスクパターン１３をマスクにしてシリコン層１１をパターニングして凹凸周期構造をもつシリコンパターンを形成する。シリコン層１１を深さ方向に４.２μｍエッチングしてシリコン凸条部１５を形成する。その際にドライエッチング条件をサイドエッチングが起きやすいように設定した。

シリコン凸条部１５の加工仕上がりの寸法として、マスクパターン１３の近傍の先端部はフィリングファクター０.５（幅１２５ｎｍ）程度であり、中間部及び基端部はフィリングファクターが０.３２（幅８０ｎｍ）程度である形状を得た。

ここでも、上記の実施例と同様に、シリコン凸条部１５の寸法は、シリコンパターンにおいて隣り合うシリコン凸条部１５の先端部同士が後の工程（３）のシリコン酸化処理によって連結され、隣り合うシリコン凸条部１５の基端部が工程（３）のシリコン酸化処理において連結されないように形成される。

（３）残存しているマスクパターン１３を除去する。シリコン凸条部１５を備えたシリコンパターンに対して、ウェット法による熱酸化処理（シリコン酸化処理）を実施した。熱酸化処理条件は、シリコン凸条部１５が完全に酸化される条件であればよい。この実施例では、酸化温度１１００℃で２時間熱酸化した。これにより、基材１７上に成膜されたシリコン層１１は完全に酸化された。ただし、基材１７上に成膜されたシリコン層１１は完全には酸化されなくてもよい。

シリコン凸条部１５が酸化されて、二酸化ケイ素からなる基部３、凸条部７及び連結部９、ならびに凸条部７に応じた凹条部５が形成される。基部３の厚みは約０.６３μｍである。

基材１７上に成膜によって形成されたシリコン層１１は、単結晶シリコンに比べて密度が低い関係で、熱酸化による膨張率が若干下がる。シリコン層１１の成膜条件によるが、熱酸化による膨張率は１.８〜２.２倍程度になるのが一般的である。今回使用した膜においては約２.１倍に膨張した。

これにより、シリコン凸条部１５が熱酸化されて形成された二酸化ケイ素からなる凸条部７の先端部７ａは１２５ｎｍ×２.１＝２６２.５ｎｍとなる。先端部７ａにおいて、凸条部７の幅方向に膨張して形成される二酸化ケイ素の寸法は凹凸周期構造の周期（２５０ｎｍ）を超えるので、隣り合う先端部７ａ同士が連結され、連結部９が形成される。凸条部７の形成に応じて形成される凹条部５の上部は連結部９によって完全に閉じられた形となった。

また、シリコン凸条部１５の先端部以外は、上記工程（２）でサイドエッチングによりフィリングファクター０.３２（幅８０ｎｍ）となっていたので、凸条部７の基端部及び中間部は、８０ｎｍ×２.１＝１６８ｎｍ（フィリングファクター約０.６７）になる。

このように、凸条部７の先端から０.６μｍの先端部７ａの範囲は連結部９によって閉じられており、内部は、ピッチが２５０ｎｍ、フィリングファクターが０.６７、深さが３.６μｍのラインアンドスペースとなっている、サブ波長のピッチを有する凹条部５と凸条部７の周期構造をもつ光学素子１が得られた。

上記の式（１）〜（３）に、この実施例で作製された光学素子１の材質及び形状寸法を当てはめて計算すると、ｎ_TE＝１.３３９、ｎ_TM＝１.２６７、位相差δ＝２８９.６ｎｍとなる。したがって、この実施例で作製された光学素子１は、波長５５０ｎｍの光に対してのλ／２板を構成する。

以上のように、シリコン凸条部１５の形成において、シリコン層１１の材質を考慮して、シリコン凸条部１５の先端部におけるフィリングファクターを０.４４〜０.５に設定する。また、シリコン凸条部１５の基端部及び中間部のフィリングファクターを後工程のシリコン酸化処理で隣り合う基端部及び中間部が連結されない値に設定する。これにより、後工程のシリコン酸化処理によって、隣り合う凸条部７の先端部７ａを連結する連結部９によって凹条部５の上部が閉じられている構造をもつ光学素子１が形成される。

以上のように、この実施例は基材１７上に成膜されたシリコン層１１を加工することによって光学素子１を形成する。基材１７は石英ガラスなので、基材１７を加工することにより、又は他の光学素子として予め加工された石英ガラスを用いることにより、他の光学素子に光学素子１を貼り付ける工程を設けることなく、複合光学素子を形成できる。これにより、他の光学素子に光学素子１を貼り付ける際の機械的な組み立てズレを無くすことができる。さらに、接着剤を用いることなく、光学素子１を他の光学素子の表面に密着性よく配置することができる。

この実施例では、基材１７として石英ガラスが用いられているが、本発明において、シリコン層が成膜される基材は光学機能膜であってもよい。この場合でも、シリコン層が成膜される基材として石英ガラスが用いられる場合と同様の作用及び効果が得られる。

ここで、光学機能膜は、例えば反射防止膜やフィルターなど、どのような光学機能を有するものであってもよい。また、光学機能膜は、１層の膜で形成されているものであってもよいし、複数層の膜で形成されているものであってもよい。

なお、光学機能膜を構成する層の材質は、光学機能膜上に成膜されるシリコン層が後工程で熱酸化される観点から、その熱酸化プロセスに耐え得るものであることが好ましい。その材質は、例えば、スパッタ法やイオンプレーティング法などで高密度に成膜された、二酸化ケイ素や、Ｔａ₂Ｏ₅やＴｉＯ₂などの金属酸化物などである。ただし、光学機能膜を構成する層の材質はこれらに限定されない。

本発明の複合光学素子の実施例を説明する。例えば、複合光学素子の一実施例は、例えば本発明の光学素子としての位相板を備えた複合光学素子である。位相板は、光学素子の一種であるが、他の光学素子、例えば偏光分離素子、プリズム、レンズ、又は他の位相板と組み合わせて使用される場合がある。本発明の位相板は、非常に薄い構造とすることができるので、他の光学素子の表面に形成又は配置することが好ましい。このようにすれば、位相板の支持体が省略でき、素子の組み合わせを小型化できる。また、個々の光学素子の組み合わせに比べて光を効率よく利用できる。なお、他の光学素子の表面に位相板を配置するときは、必要な部分のみに位相板を備えていればよい。

また、他の光学素子に本発明の光学素子を配置する方法は、他の光学素子の表面に本発明の光学素子を直接形成する方法であってもよいし、本発明の光学素子を接着剤によって他の光学素子の表面に貼り付ける方法であってもよい。

以上、本発明の実施例が説明されたが本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、製造方法の上記一実施例において、シリコン層１１として汎用的な面方位（１００）のノンドープのシリコンウェハを用いたが、後工程で加工できればシリコンウェハの結晶方位に制限はない。また、ノンドープのシリコンウェハを用いたが、後工程において熱酸化した時に損失が発生するレベルでなければ、Ｎ型やＰ型のシリコンウェハを用いても構わない。

また、製造方法の上記一実施例及び上記他の実施例において、マスクパターン１３の形成方法としてナノインプリント法を用いたが、マスクパターンの形成方法は、例えば精密成型や露光法、電子線による描画など、公知の他の方法であってもよい。

また、製造方法の上記一実施例及び上記他の実施例において、シリコン凸条部１５及びシリコン層１１の熱酸化法としてウェット酸化を用いたが、この熱酸化処理はドライ酸化で行なわれてもよい。

１光学素子
５凹条部
５ａ凹条部の底部
７凸条部
７ａ凸条部の先端部
９連結部
１１シリコン層
１３マスクパターン
１５シリコン凸条部
１７基材

Claims

サブ波長のピッチを有する凹条部と凸条部の周期構造と、隣り合う前記凸条部の先端部同士を連結する連結部と、を備え、
前記凸条部及び前記連結部は二酸化ケイ素で形成されており、
前記連結部は前記凹条部の底部とは間隔をもって配置されており、
前記凹条部の上部は前記連結部によって閉じられていることを特徴とする光学素子。
請求項１に記載された光学素子を製造するための方法であって、
シリコン層の上に、前記凹条部と前記凸条部の周期構造に応じた凹凸周期構造をもつマスクパターンを形成する工程と、
ドライエッチング技術によって前記マスクパターンをマスクにして前記シリコン層をパターニングして凹凸周期構造をもつシリコンパターンを形成する工程であって、前記シリコンパターンにおいて隣り合うシリコン凸条部の先端部同士が後工程のシリコン酸化処理によって連結され、隣り合う前記シリコン凸条部の基端部が前記シリコン酸化処理において連結されないように、前記シリコン凸条部の先端部の幅寸法を基端部の幅寸法よりも大きい寸法で形成する工程と、
前記シリコン酸化処理を施して前記シリコン凸条部を完全に酸化させて二酸化ケイ素からなる前記凸条部及び前記連結部を形成する工程と、を含む光学素子の製造方法。
前記シリコン層は単結晶シリコンで形成されている請求項２に記載の光学素子の製造方法。
前記シリコン層は、基材上に成膜されたシリコン層である請求項２に記載の光学素子の製造方法。
前記シリコン層は、前記シリコン酸化処理によって完全に酸化される請求項４に記載の光学素子の製造方法。
前記基材は石英ガラス又は光学機能膜である請求項４又は５に記載の光学素子の製造方法。
表面に請求項１に記載の光学素子を備えたことを特徴とする複合光学素子。
前記光学素子は前記表面の一部に配置されている請求項７に記載の複合光学素子。