JP2017009964A

JP2017009964A - 微小光学構造体

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Publication number: JP2017009964A
Application number: JP2015128431A
Authority: JP
Inventors: 浩司山口; Koji Yamaguchi; 玲皇米谷; Reo Kometani; 悦男前田; Etsuo Maeda; 雅貴後藤; Masataka Goto
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2017-01-12

Abstract

【課題】様々な光学特性をもつ光学構造体をより容易に１チップに集積化できるようにする。
【解決手段】微小光学構造は、下部金属層１０１と、下部金属層１０１の上に形成されて平面視矩形とされたパターン１０２とを備える。パターン１０２は、対象とする光が透過する材料から構成されて下部金属層１０１の上に接して形成された中間層１０３と、中間層１０３の上に接して形成された上部金属層１０４とから構成されている。下部金属層１０１は、平面視でパターン１０２より大きい面積とされている。下部金属層１０１および上部金属層１０４は、例えばＡｕから構成されている。中間層１０３は、例えば、ＳｉＯ₂から構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、任意の吸光特性・反射特性を有する微小光学構造体に関する。

近年、ナノ・マイクロスケール構造体を利用した様々な光学構造，あるいは光学素子の研究が活発に行われ、波長フィルタや偏光素子など様々な応用が期待されている。例えば、ガリウムヒ素系の半導体薄膜から構成し、平面視で「卍」型の微小構造よりなる周期構造を利用した円偏光放出素子がある（非特許文献１参照）。また、石英基板上に配列したＳｉ周期構造を用いた広視野角カラーフィルタがある（非特許文献２参照）。また、金ナノ構造を用いた面内位相変調と、この面内位相変調を用いた平面レンズがある（非特許文献３参照）。

K. Konishi et al., "Circularly Polarized Light Emission from Semiconductor Planar Chiral Nanostructures", Physical Review Letters, vol.106, no.5, 057402, 2011. Y. Kanamori et al., "Reflection color filters of the three primary colors with wide viewing angles using commonthickness silicon subwavelength gratings", Optics Express, vol.22, no.21, pp.25663-25672, 2014. X. Ni et al., "Broadband Light Bending with Plasmonic Nanoantennas", Science, vol.335, p.427, 2012.

しかしながら、上述した光学構造体は、吸光特性や反射特性を制御するために光学構造体の幅や周期の他、構造体の厚さも変える必要があるものが多く、異なる光学特性を有する構造体を１つのチップに集積して作製するためには、複雑な半導体製造プロセスが必要となる。このように、前述した従来の技術では、様々な光学特性（吸光・反射特性）をもつ光学構造体を１チップに集積化することが、容易ではないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、様々な光学特性をもつ光学構造体をより容易に１チップに集積化できるようにすることを目的とする。

本発明に係る微小光学構造体は、下部金属層と、下部金属層の上に形成されて平面視矩形とされたパターンとを備え、パターンは、対象とする光が透過する材料から構成されて下部金属層の上に接して形成された中間層と、中間層の上に接して形成された上部金属層とから構成されている。

上記微小光学構造体において、下部金属層の上に配列されて各々の中間層の厚さおよび上部金属層の厚さが等しい複数のパターンを備える構成とし、複数のパターンは、矩形の短い辺が延在する方向に等しい間隔で配列させるとよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、様々な光学特性をもつ光学構造体をより容易に１チップに集積化できるようになる。

図１は、本発明の実施の形態における微小光学構造体の構成を示す斜視図である。図２Ａは、本発明の実施の形態における微小光学構造体の構成を示す平面図である。図２Ｂは、本発明の実施の形態における微小光学構造体の構成を示す断面図である。図３Ａは、実施の形態における微小光学構造体の製造方法を説明する各工程における状態を示す構成図である。図３Ｂは、実施の形態における微小光学構造体の製造方法を説明する各工程における状態を示す構成図である。図３Ｃは、実施の形態における微小光学構造体の製造方法を説明する各工程における状態を示す構成図である。図３Ｄは、実施の形態における微小光学構造体の製造方法を説明する各工程における状態を示す構成図である。図４Ａは、設計値幅３００ｎｍとして作製したパターン１０２の状態を示す電子顕微鏡写真である。図４Ｂは、設計値幅７００ｎｍとして作製したパターン１０２の状態を示す電子顕微鏡写真である。図５は、分光エリプソメータを用いた実施の形態の微小光学構造体の光学特性評価の方法を説明するための説明図である。図６は、分光エリプソメータを用いて実施の形態の微小光学構造体の光学特性評価を行った結果を示す特性図である。図７は、紫外可視近赤外顕微鏡を用いた実施の形態の微小光学構造体の光学特性評価の方法を説明するための説明図である。図８は、紫外可視近赤外顕微鏡を用いて実施の形態の微小光学構造体の光学特性評価を行った結果を示す特性図である。図９は、酸化シリコンから構成した中間層の厚さを１２０ｎｍとした場合の微小光学構造体の光学特性を求めた結果を示す特性図（ａ），（ｂ）および、中間層の厚さを変化させたときの微小光学構造体の光学特性を求めた結果を示す特性図（ｃ）である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における微小光学構造体の構成を示す斜視図である。

この微小光学構造体は、下部金属層１０１と、下部金属層１０１の上に形成されて平面視略矩形とされたパターン１０２とを備える。パターン１０２は、下部金属層１０１の上に接して形成された中間層１０３と、中間層１０３の上に接して形成された上部金属層１０４とから構成されている。中間層１０３は、対象とする光が透過する材料から構成されていれば良い。下部金属層１０１は、平面視でパターン１０２より大きい面積とされている。下部金属層１０１および上部金属層１０４は、例えばＡｕから構成されている。中間層１０３は、例えば、ＳｉＯ₂から構成されている。

この微小光学構造体は、光アンテナとして機能し、中間層１０３が配置されている下部金属層１０１と上部金属層１０４との間を光が伝搬する。平面視矩形のパターン１０２の短い方の辺の長さ（以下幅とする）を対象とする光の１／２波長とすることで、中間層１０３に取り込まれた光が定在波となる。この場合、平面視矩形のパターン１０２の長い方の２つの側面が、光の開放端となる。

このようにして形成された定在波は、下部金属層１０１と上部金属層１０４との間において一部が吸収され、下部金属層１０１の表面へ向かう。また、下部金属層１０１の上面と上部金属層１０４の下面との間隔を、対象とする光の波長の１／ｎ（ｎは偶数）とすることで、下部金属層１０１と上部金属層１０４との間で更に定在波が形成される。

以上のように定在波を形成する光（吸収される光）の波長、あるいは反射される光の波長は、パターン１０２の幅によって規定される。このような特徴を持つ微小光学構造体によれば、所望とする特定の波長の光の吸収あるいは反射を大きくすることができ、この制御が、パターン１０２の幅を変えることにより実現できる。

また、図２Ａの平面図に示すように、下部金属層１０１の上に、複数のパターン１０２を配列すると良い。各パターン１０２は、中間層１０３の厚さおよび上部金属層１０４の厚さが等しい。また、複数のパターン１０２は、平面視の矩形の短い辺が延在する方向に等しい間隔で配列されている。例えば、幅ｗのパターン１０２を、間隔４ｗで配列させれば良い。例えば、幅３００ｎｍ程度または７００ｎｍ程度とすれば良い。また、パターン１０２の長さｌは、６００μｍ程度とすれば良い。

例えば、図２Ｂの断面図に示すように、シリコン基板２０１の上に酸化シリコン層２０２を形成し、この上に下部金属層１０１を形成し、形成した下部金属層１０１の上に、複数のパターン１０２を形成すれば良い。例えば、酸化シリコン層２０２は、層厚２８０ｎｍ、下部金属層１０１は、層厚１００ｎｍ、中間層１０３は、層厚８０ｎｍ、上部金属層１０４は、層厚４０ｎｍとすれば良い。

次に、上述した実施の形態における微小光学構造体の製造方法について図３Ａ〜図３Ｄを用いて説明する。図３Ａ〜図３Ｄは、実施の形態における微小光学構造体の製造方法を説明する各工程における状態を示す構成図である。ここでは、各工程における微小光学構造体の断面を模式的に示している。

まず、図３Ａに示すように、シリコン基板２０１の上に酸化シリコン層２０２を形成し、この上に、下部金属層１０１，酸化シリコン層２０３，金属層２０４を順次に形成する。例えば、下部金属層１０１および金属層２０４は、Ａｕから構成すれば良い。

下部金属層１０１は、真空蒸着法によりＡｕを堆積することで形成する。また、酸化シリコン層２０３は、スパッタリング法によりＳｉＯ₂を堆積することで形成する。また、金属層２０４は、スパッタリング法によりＡｕを堆積することで形成する。なお、下部金属層１０１は、上面をＣｒ層とし、金属層２０４は、下面をＣｒ層とし、酸化シリコン層２０３との間の密着性（接着力）を向上させる。Ａｕに続いてＣｒを堆積することで下部金属層１０１とすれば良い。また、酸化シリコン層２０３を形成した後、Ｃｒを堆積した後Ａｕを堆積することで金属層２０４とすれば良い。各Ｃｒ層は、厚さ７ｎｍ程度とすれば良い。

また、金属層２０４の上に、レジスト層２０５を形成する。レジスト層２０５は、電子線レジストであるＮＥＢ−２２Ａ２（住友化学工業株式会社製）を用いれば良い。このレジストを、１０００ｒｐｍ・１分の条件でスピンコートし、この後、ホットプレート上で１１０℃・２分の条件で加熱処理し、レジスト層２０５とすれば良い。

以上にようにして形成したレジスト層２０５を、公知の電子線リソグラフィー技術によりパターニングし、図３Ｂに示すように、レジストパターン２０６を形成する。例えば、露光は、加速電圧５０ｋＶ，ビーム電流１００ｐＡの電子ビームを用い、露光ドーズは、９μＣ／ｃｍ²とすれば良い。この露光によりレジスト層２０５に所定のパターンの潜像を形成した後、ホットプレートで１００℃・２分間の条件で加熱して反応を促進させた後、ＴＭＡＨ（Tetra Methyl Ammonium Hydroxide）２．３８％溶液を用いて現像し、レジストパターン２０６を形成する。

次に、形成したレジストパターン２０６をマスクとしたエッチングにより、図３Ｃに示すように、上部金属層１０４，中間層１０３を形成する。例えば、Ａｒガスを用いたドライエッチングにより、金属層２０４をエッチングして上部金属層１０４を形成する。例えば、一般的な反応性イオンエッチング装置を用い、Ａｒガス流量は、２０ｓｃｃｍとし、エッチング処理室内の圧力は０．６Ｐａとし、プラズマ生成のためのバイアスＲＦ出力は、５０Ｗとすればよい。また、エッチング時間は、４０秒とすれば良い。なお、ｓｃｃｍは流量の単位であり、０℃・１０１３ｈＰａの流体が１分間に１ｃｍ³流れることを示す。

また、ＣＨＦ₃ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、酸化シリコン層２０３をエッチングして中間層１０３を形成する。例えば、一般的な反応性イオンエッチング装置を用い、ＣＨＦ₃ガス流量は、２０ｓｃｃｍとし、エッチング処理室内の圧力は０．５Ｐａとし、プラズマ生成のためのバイアスＲＦ出力は、３８Ｗとすればよい。また、エッチング時間は、６５秒とすれば良い。

次に、レジストパターン２０６を除去し、図３Ｄに示すように、下部金属層１０１の上に、複数のパターン１０２が配列された状態とする。例えば、Ｏ₂とＡｒとの混合ガスを用いたドライエッチングにより、レジストパターン２０６を除去すれば良い。例えば、上記同様の反応性イオンエッチング装置を用い、流量は、Ｏ₂：３０ｓｃｃｍ／Ａｒ：２０ｓｃｃｍとし、エッチング処理室内の圧力は０．９Ｐａとし、プラズマ生成のためのバイアスＲＦ出力は、１００Ｗとすればよい。これらのことにより、実施の形態における微小光学構造体が得られる。

次に、上述したことにより製造した実施の形態における複数のパターン１０２が配列された微小光学構造体について説明する。まず、作製した微小光学構造体を走査型電子顕微鏡により観察した結果について図４Ａ，図４Ｂを用いて説明する。図４Ａは、設計値幅３００ｎｍとして作製したパターン１０２の状態を示す電子顕微鏡写真であり、図４Ｂは、設計値幅７００ｎｍとして作製したパターン１０２の状態を示す電子顕微鏡写真である。なお、図４Ａ，図４Ｂの（ａ）は、上面より撮影した状態を示し、図４Ａ，図４Ｂの（ｂ）は、試料台を６０°傾斜させて斜め上より撮影した状態を示す。

設計値幅３００ｎｍとして作製したパターン１０２の幅は、３４７ｎｍであり、設計値幅７００ｎｍとして作製したパターン１０２の幅は、７４６ｎｍであった。これらの寸法は、走査型電子顕微鏡の観察により決定した。なお、実際に作製した微小光学構造体は、配列方向に６００μｍの長さの中に複数のパターン１０２を形成しており、数百個のパターン１０２を備えるものとなっている。

次に、分光エリプソメータを用いて微小光学構造体の光学特性評価を行った結果について説明する。この評価では、図５に示すように、ＴＭ偏光の偏光方向をパターン１０２の配列方向とした状態で、ＴＭ偏光の光が斜め４５度から照射される状態とし、−４５°の位置に配置した受光部で反射光を受光し、微小光学構造体の光反射率を測定した。なお、図５において、ｙ軸方向が配列方向である。下部金属層１０１などの構造の厚さが十分であると考えて透過光の影響を除外し、光反射率から微小光学構造体のＴＭ偏光における光吸収率を算出した。算出結果を図６に示す。

図６に示すように、吸収を示す明瞭なピークが観察された。図６において、実線が幅３４７ｎｍのパターン１０２による微小光学構造体の結果を示し、点線が、幅７４６ｎｍのパターン１０２による微小光学構造体の結果を示している。図６に示すように、吸収ピーク波長は、幅３４７ｎｍのパターン１０２による微小光学構造体では、吸収ピーク波長が１０８５ｎｍとなり、幅７４６ｎｍのパターン１０２による微小光学構造体では、吸収ピーク波長が１３０７ｎｍとなった。このように、実施の形態における微小光学構造体により、特定の波長位置で吸収を起こすことできることが分かった。また、上述した結果からも明らかなように、パターン１０２の幅を変えることにより、吸収ピーク波長を制御（変更）することが可能である。

次に、幅３４７ｎｍのパターン１０２による微小光学構造体について、下部金属層１０１の平面の法線方向から光を照射した（垂直照射した）場合の光学特性を評価した結果について説明する。この評価では、紫外可視近赤外顕微鏡を用いた。この評価では、図７に示すように、ＴＭ偏光の偏光方向をパターン１０２の配列方向とした状態で、ＴＭ偏光の光が垂直照射される状態として微小光学構造体の光反射率を測定した。なお、図７において、ｙ軸方向が配列方向であり、ｚ軸方向が垂直方向である。

この場合においても、下部金属層１０１などの構造の厚さが十分であると考えて透過光の影響を除外し、光反射率から微小光学構造体のＴＭ偏光およびＴＥ偏光における光吸収率を求めた。算出結果を図８に示す。図８において、実線がＴＭ偏光に対する微小光学構造体の結果を示し、点線が、ＴＥ偏光に対する微小光学構造体の結果を示している。

図８に実線に示すように、ＴＭ偏光の光を照射した場合は、およそ１６５０ｎｍから１８５０ｎｍの位置に明瞭の吸収ピークが確認された。また、図８の点線に示すように、ＴＥ偏光の光を照射した場合は、短波長側から吸収率は緩やかに低下し、ＴＭ偏光の光照射により明瞭な吸収ピークが観察された１６５０ｎｍから１８５０ｎｍの波長範囲において吸収率は５％ほどであり、ほぼ光を吸収しない特性を示す結果となった。

以上の結果より、実施の形態における微小光学構造体によれば、ＴＭ偏光の光を微小光学構造体に対して垂直照射することでも、特定の波長位置に吸収を起こすことでき、吸光特性は偏光に強く依存し、更にはＴＭ偏光の光に対し吸収が起こった波長範囲においてもＴＥ偏光の光に対してはほとんど光の吸収を起こさせない光学特性を達成できることが分かる。

以上に説明したように、本発明では、下部金属層の上に形成した平面視矩形のパターンを、対象とする光が透過する材料から構成されて下部金属層の上に接して形成された中間層と、中間層の上に接して形成された上部金属層とから構成して微小光学構造体とした。

この結果、本発明によれば、まず、特定の光波長に対して吸収あるいは反射特性を有する微小光学構造体が実現できるようになる。また、パターンの厚さを変えることなく、パターンの幅を変え、また、配列した複数のパターンの間隔（周期）を偏光することで、吸収あるいは反射する光の波長が制御できるようになる。

また、吸収あるいは反射の特性が、光の偏光に対して強く依存する微小光学構造体が実現できる。また、本発明によれば、パターンの厚さを変えることなく、パターンの幅や配列した複数のパターンの間隔を変更すれば、吸収あるいは反射する光の波長が変更できるので、各々異なる光学特性を有する複数の微小光構造体を、一般的な半導体製造プロセス技術により１つのチップ上に集積化して製造することが可能になる。これらのように、本発明によれば、様々な光学特性をもつ光学構造体をより容易に１チップに集積化できる。

ところで、前述した実施の形態では、主にパターンを構成する中間層の厚さを８０ｎｍとした場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば、酸化シリコンから構成した中間層の厚さを１２０ｎｍとしても、同様の作用効果が得られる。このように、パターンの厚さを変更しても、パターン厚さを固定した状態で、パターンの幅や配列した複数のパターンの間隔を変更することで、微小光学構造体における吸収あるは反射する光の波長が制御できる。

また、照射する光の偏光方向に吸光特性は強く依存する。例えば、図９（ａ）に示すように、ＴＭ偏光に対しては、パターンの幅に対応して吸収する比係の波長が変化する。また、図９の（ｂ）に示すように、ＴＥ偏光に対しては、パターンの幅を変化させても、ほぼ吸収が起きない光学特性が得られる。また、図９の（ｃ）に示すように、ＴＭ偏光に対しては、酸化シリコンから構成した中間層の厚さ変えることで、特定の吸収波長位置において吸収波長範囲が選択できる。

なお、図９の（ａ），（ｂ），（ｃ）は、前述した実施の形態と同様に、Ａｕから構成した下部金属層の上に、酸化シリコンから構成した中間層およびＡｕから構成した上部金属層による複数のパターン（間隔は幅の４倍）を備える微小光学構造体を対象とし、パターン周囲の媒質を無限の空気空間として、厳密結合波解析法による数値解析により算出した結果である。

上述した本発明の微小光学構造体は、波長フィルタや偏光素子，レンズの要素構造として利用可能である。また、本発明の微小光学構造体は、波長フィルタや偏光素子などの光学素子としての応用の他に、波長フィルタの広帯域化など新しい機能を有する光学素子などの実現に貢献するものと考えられる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

例えば、上述では、ラインアンドスペース構造を例示したが、正方平板構造や丸形の平板構造、その多層構造での実施も可能である。また、上述では、金属をＡｕとし、対象とする光が透過する材料をＳｉＯ₂とした場合を例示したが、金属は、ＡｇやＣｕとし、対象とする光が透過する材料は、ＣａＦ₂やＳｉ、Ａｌ₂Ｏ₃単結晶、ＺｎＳｅなどとしても良い。

また、上述した実施の形態では、光の照射を０°（垂直），および４５°の角度とした場合を例示したが、光の入射角度についてもこれに限定されることなく任意に選択することが可能である。

更に、微小光学構造体の製造は、電子ビーム露光技術，フォトリソグラフィー，ナノインプリント技術，ドライ・ウエットエッチング技術，蒸着・スパッタリング・化学気相成長法等製膜技術などの、既存の超微小加工技術を組み合わせるようにすれば良い。また、パターンを構成する各層の厚さ、パターンの幅，周期は、上述した値に限定されるものではない。

１０１…下部金属層、１０２…パターン、１０３…中間層、１０４…上部金属層。

Claims

下部金属層と、
前記下部金属層の上に形成されて平面視矩形とされたパターンとを備え、
前記パターンは、
対象とする光が透過する材料から構成されて前記下部金属層の上に接して形成された中間層と、
前記中間層の上に接して形成された上部金属層と
から構成されていることを特徴とする微小光学構造体。
請求項１記載の微小光学構造体において、
前記下部金属層の上に配列されて各々の前記中間層の厚さおよび前記上部金属層の厚さが等しい複数の前記パターンを備え、
複数の前記パターンは、前記矩形の短い辺が延在する方向に等しい間隔で配列されている
ことを特徴とする微小光学構造体。