JP2023062415A - 光学用具の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学用具への斜め溝加工の寸法変換差を小さくし、寸法精度の高い光学用具を製造すること。【解決手段】傾斜凸部を有する光学用具の製造方法について、基材表面から斜めに立ち上がる傾斜面を有するマスク１６に対し、エッチングソースを前記傾斜面の傾斜角度で前記基材１１に当ててエッチングし、前記基材１１の内部から前記表面に向けて前記傾斜角度に沿った傾斜凸部２０を形成する光学用具１０の製造方法とした。【選択図】図８

Description

本発明は、エッチングによる斜め溝加工の寸法変換差を最小化するパターニング方法によって光学用具を製造する方法に関する。

回折光学素子や光学フィルターは、入射光とは異なる方向に光を照射させたり、所定の波長幅にある入射光だけを透過させたりする性質を有し、カメラの焦点合わせや、Virtual Reality（ＶＲ）用のヘッドセット、カラーフィルター等に利用される。一部の回折光学素子や光学フィルターの表面は凹凸に形成され、凹部と凸部の材料の屈折率の違いによって光を回折する。例えば特開２０１２－０９８５４８号公報（特許文献１）には、屈折率が異なる材料を用いた回折光学素子が記載されている。

特開２０１２－０９８５４８号公報

こうした回折光学素子や光学フィルター等の光学用具について、広い波長範囲に光を反射させたり、透過光を制限したりするなど、その用途に応じて様々な要請に添う光学用具が求められるようになり、その表面形状、特に凹凸の大きさや形状等についても厳しく制御された回折光学素子が求められている。そこで本発明は、こうした要請に応えるために開発されたものである。

本開示の一態様によれば、傾斜凸部を有する光学用具の製造方法であって、基材表面から斜めに立ち上がる傾斜面を有するマスクに対し、エッチングソースを前記傾斜面の傾斜角度で前記基材に当ててエッチングし、前記基材の内部から前記表面に向けて前記傾斜角度に沿った傾斜凸部を形成する光学用具の製造方法を提供する。

傾斜凸部を有する光学用具の製造方法について、基材表面から斜めに立ち上がる傾斜面を有するマスクに対し、エッチングソースを前記傾斜面の傾斜角度で前記基材に当ててエッチングすることとしたため、マスクが影となり実際に生じる溝寸法が所望の溝寸法との間で差が生じる寸法変換差を少なくすることができる。よって寸法制御の精度が高まり、歩留まり低下を防ぐことができる。
そして、前記基材の内部から前記表面に向けて前記傾斜角度に沿った傾斜凸部を形成する光学用具を得ることができるため、基材表面に傾斜面を有する凹凸の存在が要求されるＶＲ用途などに得られた光学用具を用いることができる。

また、本開示の一態様によれば、前記マスクは、前記基材側を底面に有する略円錐台形状である光学用具の製造方法とすることができる。
前記マスクの形状を前記基材側を底面に有する略円錐台形状としたため、エッチングソースの照射角度をマスクの傾斜角度に合わせることでができ、所望の溝を刻むことができる。

また、本開示の一態様によれば、前記マスクを、前記基材にパターニングした芯材を覆う被覆材に異方性エッチングを施して形成する工程を含む光学用具の製造方法である。
前記マスクを、前記基材にパターニングした芯材を覆う被覆材に異方性エッチングを施して形成する工程を含むこととしたため、基材に対して傾斜面を有するマスクを形成することができる。

本開示の一態様では、前記傾斜角度は、前記被覆材の成膜量と、前記芯材の高さとで調整する光学用具の製造方法とすることができる。
前記傾斜角度を前記被覆材の成膜量と前記芯材の高さとで調整することとしたため、傾斜角度の制御が可能で、所望の傾斜角を有する傾斜溝、又は傾斜凸部を有する光学用具を得ることができる。

そして本開示の一態様によれば、前記基材はガラス基材である光学用具の製造方法とすることができる。
前記基材はガラス基材であるため、ガラスの透明性を生かした光学用具の製造方法として好適である。

本発明によれば、光学用具への斜め溝加工の寸法変換差を小さくし、寸法精度の高い光学用具を製造することができる。

本発明の光学用具の製造方法の製造過程のうち、レジストを形成した状態を示す模式断面図である。 本発明の光学用具の製造方法の製造過程のうち、被覆材で被覆した状態を示す模式断面図である。 本発明の光学用具の製造方法の製造過程のうち、所望形状のマスクを形成した状態を示す模式断面図である。 マスクの幅と高さの関係を、底角が６０度の例で説明する説明図であり、分図４（Ａ）はその模式断面図、分図４（Ｂ）はその模式平面図である。 マスクの幅と高さの関係を、底角が３０度の例で説明する説明図であり、図４における分図４（Ａ）相当の模式断面図である。 マスクとマスク間の間隔について説明する一の説明図である。 マスクとマスク間の間隔をについて説明する別の説明図である。 本発明の光学用具の製造方法の製造過程のうち、マスクの傾斜に沿ってエッチングソースを照射する状態を示す模式断面図である。 本発明の光学用具の製造方法の製造過程のうち、得られた光学用具の形状を説明する模式断面図である。 本発明の光学用具の模式平面図である。 本発明の別の光学用具であり、分図１１（Ａ）はその模式平面図であり、分図１１（Ｂ）はその模式断面図である。 本発明の光学用具の別の製造方法で用いるマスクの図４相当図である。 従来のマスクを用いた方法では寸法変換差が大きいことを説明する説明図である。

本発明は、表面に凹凸を備える回折光学素子、光学フィルター等の光学用具について、最表面から凹んだ部分の形状を、その最表面から斜めに深掘りされた傾斜溝として得るための技術に関するものである。以下詳しく説明する。

一般に、傾斜溝を形成するためには、プラズマ、イオンビーム、又はＧＣＩＢ等のエッチング加工のソースを、被エッチング物である基板に対して角度を付けて斜めに入射させて加工する。しかしながら、実際に加工される溝の幅寸法が所望する溝と異なる寸法変換差という潜在的な問題がある。即ち、図１３の模式断面図で示すように、マスク材１に対してエッチングソース２を斜めから当てると、パターニングのマスク材１が影となり、所望の溝と実際に加工される溝との間で幅寸法に差が生じることから、寸法制御性の悪化による歩留まり低下の影響が課題とされてきた。本発明は寸法変換差の少ない傾斜溝の作製方法を提供する。

＜第１実施形態＞：
本実施形態の光学用具及びその製造方法について説明する。図１～図３、図８、及び図９には、この光学用具１０の製造工程を説明する模式断面図である。
まず、ガラス基板等の基材１１の上に図１で示すように、フォトリソグラフィ、ＲＩＥ等の手法によりレジスト１２をパターニングする（ステップ１）。レジスト１２には、合成樹脂等の有機系の材料を用いることが好ましい。パターニングが容易で被覆材１４との密着性に優れるからである。レジスト１２の高さについては後述する。

次にマスク材を成膜する。図２で示すように、レジスト１２を芯材１３として、無電解めっきや蒸着等の手法でＮｉ膜等を芯材１３の上面及び側面を覆って、被覆材１４を形成する（ステップ２）。この被覆材１４は、Ｎｉ膜とすると、ガラス基板１１との選択比及びレジスト１２との選択比が大きく好ましい。しかしＮｉ以外であっても、ガラス基板１１やレジスト１２との関係で選択比が大きい素材を適用できる。

そして、図３で示すような所望の形状にマスク表皮材１５を成形する（ステップ３）。マスク表皮材１５の形成は、被覆材１４に対してＲＩＥ等により、基材１１の表面に対して垂直方向の異方性エッチングを行う。この異方性エッチングにより、被覆材１４が傾斜面を有するように削られて生じたマスク表皮材１５と、芯材１３とで所望の形状のマスク１６を得ることができる。

図４には、断面が略台形形状となるマスク１６の傾斜角度（底角）を６０度に設計した場合を示し、図５には、マスク１６の傾斜角度（底角）を３０度に設計した場合をそれぞれ示す。傾斜角度が６０度となるマスク１６の場合は、マスク１６の底面における芯材１３からの横幅の長さＬを“１”とした場合に、理想のマスク１６の高さは“√３”である。そこで、上記ステップ１において、芯材１３となるレジスト１２の高さは“√３”となるように形成する。また、上記ステップ２において、マスク１６におけるマスク表皮材１５の幅が“１”となるようにＮｉ膜を成膜する。そしてステップ３において、基材１１が表れるまで被覆材１４をエッチングすることで、芯材１３の上面に付着した被覆材１４は剥がされ、芯材１３の側面に付着した被覆材１４も角が取れた形状となる。この場合、芯材１３の上面及びマスク表皮材１５の上面はオーバーエッチングのため、高さは“√３”よりは若干後退する。こうして、芯材１３の側面をマスク表皮材１５が覆い、傾斜角度が６０度で断面が台形状となる略円錐台形状のマスク１６が得られる。

同様にして、図５で示す、傾斜角度が３０度となるマスク１６も形成できる。この場合は、マスク１６の底面における芯材１３からの横幅の長さＬを“１”とした場合に、理想的なマスク１６の高さは“１／√３”になる。そこで、上記ステップ１において、芯材１３となるレジスト１２の高さは“１／√３”に形成する。また、上記ステップ２において、マスク表皮材１５の幅が“１”となるようにＮｉ膜からなる被覆材１４を成膜する。そしてステップ３において、基材１１が表れるまで被覆材１４をエッチングすることで、図５で示すような傾斜角度が３０度で断面が台形状となる略円錐台形状のマスク１６が得られる。

以上から、マスクパターン１７を構成する複数のマスク１６とその間隔１８は以下のように設計する。即ち図６で示すように、マスク１６における“Ｂ”の長さは、芯材１３の幅で調整し、“Ａ”及び“Ｃ”の長さは、マスク表皮材１５となる被覆材１４の成膜量で調整する。そして、マスク１６どうしの間隔１８である“Ｄ”の長さは、芯材１３のピッチで調整する。こうした調整を行って上記ステップ１～３を実行することにより所望のマスクパターン１７が得られる。よって、例えば図７で示すような１つのマスク１６の幅が“１”、間隔１８が“１”であるマスクパターン１７を形成しようとする場合は、図６におけるＡ＋Ｂ＋Ｃ＝Ｄとなるように各部の寸法を調整すれば良い。

次に、こうして得たマスクパターン１７を利用して基材１１をエッチングする。即ち、エッチングソース（エッチャント）をマスク１６の傾斜面の傾斜角度で基材１１表面に対して斜めに照射する（ステップ４）と、図８で示すように、所望の角度、開口幅に形成された傾斜溝１９を得ることができる。ここで、溝の深さや溝の幅などの大きさはエッチングにおける処理時間や、エッチングソースの種類等を適宜選択することで調整することができるが、好適な一態様としては、溝の幅は５０～５００ｎｍ、溝深さは５０～５００ｎｍとすることができる。

最後に、ウエットエッチング又はドライエッチングでマスク１６の除去をする（ステップ５）ことで、図９で示すように、斜めに傾斜した凹部を有する光学用具１０が得られる。なお、図１０は図９の光学用具１０の模式平面図であり、この図で示すように、光学用具１０は、エッチングされた基材１１の表面１１ａに対して斜円柱状の傾斜凸部２０（特に図１０の部分拡大模式図Ｒ参照）が複数個突出した形状として得られる。換言すれば、基材１１の最表面１１ｂから斜めに凹んだ傾斜溝１９を有する光学用具１０である。

図１０で示す傾斜凸部２０の配置は一例であり、レジスト１２を調整して芯材１３を形成することで、傾斜凸部２０がランダムに配置した、あるいはまたそれ以外の配置とした光学用具１０を形成することができる。
あるいはまた、マスク１６が略円錐台形状に形成する例を示したが、例えば図３の奥行き方向でも図３と同じ断面が生じるような角材状にマスクを形成することができる。こうしたマスクを形成すれば、図１１で示すような光学用具１０ａが得られる。この光学用具１０ａでは、傾斜凸部２０は基材の平面方向に平行に伸長する柱状に形成され、傾斜凸部２０に挟まれた凹部もまた柱状に形成される。

＜第２実施形態＞：
本実施形態の光学用具及びその製造方法では、マスク１６の形成に際してエッチングではなく、熱溶融により形成する。
前記実施形態では、被覆材１４を無電解めっき又は蒸着等による金属被膜（Ｎｉ被膜）により形成していたが、これに代えて塗布やスプレーにより熱可塑性樹脂皮膜を形成する。これを樹脂のガラス転移点（Ｔｇ）よりも高い温風をマスク１６の頂部側から吹き付けることでマスクの頂部を溶融させ所望の傾斜面を有するマスクを製造する。
こうした方法によっても、傾斜凸部２０を有する光学用具１０を得ることができる。

＜第３実施形態＞：
本実施形態の光学用具及びその製造方法では、作成するマスク１６の形状及び形成方法がこれまでの例とは異なる。
前記実施形態では、マスク１６の頂部形状は四方から面取りされたテーパー状としていたが、本実施形態でのマスクは、被覆材１４の被覆後に、芯材１２の斜め上方向等の一方向かＡｒ等のスパッタエッチングによりエッチングを行う。こうすることにより、マスク１６の上部が斜め平面で切断されたような形状が得られる。なお、被覆材１４には有機系の材料を用いると削られ易く好ましい。

本実施形態の方法では、これまでの実施形態でマスク１６を形成するために基材１１の表面に垂直な異方性エッチングを行ったのに対して、基材１１の表面に対して斜め方向からの異方性エッチングを行うため、図１２で示したような形状のマスク１６ａとなる。

上記実施形態は本発明の例示であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、実施形態の変更又は公知技術の付加や、組合せ等を行い得るものであり、それらの技術もまた本発明の範囲に含まれるものである。

１０，１０ａ 光学用具
１１ 基材（ガラス基板等）
１１ａ 基材のエッチングされた表面
１１ｂ 基材の最表面
１２ レジスト
１３ 芯材
１４ 被覆材
１５ マスク表皮材
１６，１６ａ マスク
１７ マスクパターン
１８ 間隔
１９ 傾斜溝
２０ 傾斜凸部
Ｒ 部分拡大模式図

Claims (5)

1. 傾斜凸部を有する光学用具の製造方法であって、
   基材表面から斜めに立ち上がる傾斜面を有するマスクに対し、エッチングソースを前記傾斜面の傾斜角度で前記基材に当ててエッチングし、前記基材の内部から前記表面に向けて前記傾斜角度に沿った傾斜凸部を形成する光学用具の製造方法。
2. 前記マスクは、前記基材側を底面に有する略円錐台形状である請求項１記載の光学用具の製造方法。
3. 前記マスクを、前記基材にパターニングした芯材を覆う被覆材に異方性エッチングを施して形成する工程を含む請求項１又は請求項２記載の光学用具の製造方法。
4. 前記傾斜角度は、前記被覆材の成膜量と、前記芯材の高さとで調整する請求項３記載の光学用具の製造方法。
5. 前記基材はガラス基材である請求項１～請求項４何れか１項記載の光学用具の製造方法。
   

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