JP3972919B2

JP3972919B2 - 複屈折光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP3972919B2
Application number: JP2004122649A
Authority: JP
Inventors: 光横山; 直樹西田
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2004-04-19
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2024-04-19
Also published as: JP2005308859A; US20050231802A1; US20070195413A1; US7227689B2

Description

本発明は、複屈折光学素子、特に、構造性複屈折を生じさせるために一次元周期で並設された複数本のトレンチを備えた複屈折光学素子の製造方法に関する。

図１０に示すように、光Ｌの波長よりも微細な構造体（トレンチ）２を波長よりも短い周期で整列させると、光Ｌは微細構造には反応せず、微細構造で決定される平均的な屈折率のみに反応する。このような効果が現れる領域は等価屈折率領域と呼ばれている。等価屈折率領域の微細構造を光学面に対して方向性を持つように配すると、強い光学異方性（偏光Ａ、偏光Ｂ）を光学面に持たせることができる。光学異方性は構造複屈折と称されている。

この種の複屈折光学素子は、従来、水晶などの天然結晶を削りだして製作していたが、人工的に製作することが種々提案されている（特許文献１，２参照）。

ところで、構造複屈折を有する光学素子を製作する方法として、図１０及び図１１に示すように、半導体基板１に微細な幅、具体的には２００ｎｍ程度の周期ｐでデューティー比１：１のトレンチ２を形成する方法が考えられる。このような微細構造を形成した半導体基板１をそのまま光学素子として使用してもよく、あるいは、この基板を母型として金型材料に転写して、樹脂成形などで光学素子を製作してもよい。

周期ｐが２００ｎｍ程度の微細構造を半導体基板上に形成する方法としては、フォトリソグラフィーや電子線リソグラフィーなどでマスクをパターニングした後、該マスクを用いてドライエッチング又はウェットエッチングする方法が知られている。

構造複屈折により生じる複屈折性を利用して位相板などの偏光素子とするには、所望の位相差を縦偏波と横偏波に与えなければならないため、所望の位相差になるまで、光を複屈折媒質内で伝播させる必要がある。

即ち、構造性複屈折媒質においては、トレンチの深さにより位相差の大きさが決まることになる。トレンチの深さは位相差に対応するが、光の波長や媒質の材料などによっては数μｍ程度になることもある。光学性能を十二分に発揮するためには、非常に精度よく、例えば、２００ｎｍ周期でデューティー比が１：１であれば、幅１００ｎｍのトレンチを数μｍの深さで形成することになり、非常に高い加工性が要求される。このような深溝はドライエッチングでは困難であり、半導体結晶を異方性エッチングすることが考えられる。

ウェットエッチングによる微細構造のパターニング方法としては、（１１０）面のＳｉ基板を用いてトレンチを形成する方法が考えられる。即ち、トレンチの側壁がＳｉの（１１０）面に対して垂直に切り立った面、例えば、相対向する（−１１１）面と（１−１−１）面との組合せ、あるいは、（１−１１）面と（−１１−１）面との組合せとなるように、マスクをパターニングし、水酸化カリウムや水酸化テトラメチルアンモニウムなどのアルカリ溶剤でウェットエッチングする方法である。

この場合、［１１０］方向のエッチングスピードに比べて［−１１１］方向や［１−１−１］方向のエッチングスピードが１００〜１０００倍程度遅いので、溝幅がほとんど広がることなく、［１１０］方向にのみ垂直性の非常に良好なトレンチを深く形成すること
が可能である。

しかしながら、このような微細構造体を光学素子として使用する場合、素子面積は光束（最小は数十μｍから最大で数ｃｍ、利用方法によってはさらに大きな場合がある）よりも大きくする必要があり、非常に長い、幅の狭いトレンチを形成しなければならない。

長大なトレンチを形成するには、フォトリソグラフィーであれ電子線リソグラフィーであれ、マスクのパターニングの方向を所望の結晶方位に寸分違わぬ方向で一致させなくてはならない。図１２（Ａ）はマスクの転写用開口５を示し、図１２（Ｂ）はエッチングされたトレンチ２を示す。図１３（Ａ），（Ｂ）に示すように、開口５が結晶方位と少しでもずれると（ずれ角θ参照）、（１−１１）面や（−１１−１）面が出るまでエッチングが進行し、溝幅が広くなるだけでなく、隣接するトレンチ２どうしがつながってしまい、所望の微細な一次元周期構造が得られなくなる。

例えば、トレンチの長さが１ｍｍ、隣接するトレンチとの距離が１００ｎｍの場合、トレンチの幅などを考慮しない単純な計算（下式参照）では、６×１０^-3度ずれただけで隣接するトレンチとつながってしまう。

θ＝ｔａｎ^-1（１００ｎｍ／１ｍｍ）
＝ｔａｎ^-1（１００×１０^-9／１×１０^-3）
≒（１００×１０^-9／１×１０^-3）ｒａｄ
＝１×１０^-4ｒａｄ
＝６×１０^-3度

通常、このような方位軸合わせは、基板に付けられた結晶方位を表すオリエンテーションフラット１ａ（図１１（Ａ）参照）を用いる。しかしながら、オリエンテーションフラットを使用しても、完全に結晶方位と溝方向を一致させることは極めて困難である。
特開２００１−３３２４６２号公報特開２００３−２０７６３６号公報

そこで、本発明の目的は、隣接するトレンチがつながってしまうことのない微細な一次元周期構造を備えた複屈折光学素子の製造方法を提供することにある。

以上の目的を達成するため、本発明に係る複屈折光学素子の製造方法は、トレンチの転写用開口が形成されたマスクを素子基板上に重ね合わせてエッチングする際に、切れ目によって分断された破線状に形成されている転写用開口を有するマスクを用い、あるいは、少なくとも１箇所に切れ目を有する転写用開口を有するマスクを用い、隣接するトレンチがつながってしまうことのない一次元周期構造を形成すること、を特徴とする。

即ち、本発明に係る複屈折光学素子の製造方法は、素子基板の結晶と形成されるトレンチの方位がある程度ずれることを見越して、長さの短い細溝を所定の間隔を開けて実質的に一次元に周期的に並べてトレンチを形成する。トレンチの長さが短いため、隣接するトレンチがつながってしまうことはなく、微細な一次元周期構造を備えた複屈折光学素子を得ることができる。トレンチは厳密な意味で必ずしも正確な一次元周期構造でない場合があるが、光の波長以下の周期構造であるため、光はトレンチの切れ目に反応することなく、平均的な屈折率のみに反応する。

本発明で製造された複屈折光学素子において、トレンチの切れ目は周期方向に関して規則的に位置していてもよく、あるいは、周期方向に関して不規則に位置していてもよい。また、切れ目で分割されたトレンチはその延在方向に対して所定の角度で傾斜していてもよい。

本発明で用いられるエッチングは結晶の異方性エッチングを利用するものであり、深溝を得るにはウェットエッチングが好ましい。また、素子基板としては半導体単結晶が用いられ、Ｓｉウエハを好適に用いることができ、（１１０）面のＳｉであることが最も好ましい。

以下、本発明に係る複屈折光学素子の製造方法の実施例について、添付図面を参照して説明する。

複屈折光学素子（例えば、位相差板として使用される偏光素子）は、図１（Ａ）に示すように、切れ目６によって分断されて破線状に形成されている転写用開口５を有するマスクを素子基板に重ね合わせてエッチングすることにより製造される。これにて、図１（Ｂ）に示すように、切れ目３によって分断されたトレンチ２が一次元周期で並設された微細構造体が得られる。なお、マスクのパターニングはフォトリソグラフィーや電子線リソグラフィーによって行う。

複屈折光学素子において、一次元周期のトレンチ２の切れ目３は周期方向に関して規則的に位置していてもよく（図２（Ａ）参照）、あるいは、周期方向に関して不規則に位置していてもよい（図２（Ｂ）参照）。また、切れ目３で分割されたトレンチ２はその延在方向に対して所定の角度で傾斜していてもよい（図２（Ｃ）参照）。そして、トレンチ２は少なくとも１箇所に切れ目３を有していればよい。

製造方法において、切れ目６によって分断された破線状に形成されている転写用開口５を有するマスクを用いるか、あるいは、少なくとも１箇所に切れ目６を有する転写用開口５を有するマスクを用いる。この場合、転写されたトレンチ２は破線状であってもよいし、破線状でなくてもよい。要は、エッチングされたトレンチ２が隣接するトレンチ２とつながっておらず、光の波長以下の一次元周期で整列していればよいのである。

ここで、どのような破線形状のトレンチを形成するかを、Ｓｉ基板を例にとって考察する。例えば、図３に示すような、幅１００ｎｍのトレンチ２を２００ｎｍの周期で、長さ１０ｃｍに形成する場合を考察する。

Ｓｉの結晶方位と形成するトレンチ２の方位がある程度ずれることを見越して、図１（Ａ）に示した破線状の転写用開口５を有するマスクを製作する。この場合、主な重要点は、以下のとおりである。

（１）どの程度ずれることがあり得るのか。オリエンテーションフラットを用いた位置合わせで、概ね１０分程度のずれがあると想定する。
（２）転写用開口５の溝幅はどこまで狭くできるのか。かなり微小に狭くできるのであれば、多少の角度ずれは許容できるが、現在のマスク製作技術では５０ｎｍ程度が限界である。
（３）破線の長さはどの程度にするのか。
（４）破線の切れ目６の長さはどの程度にするのか。あまり大きすぎるとエッチング後も破線が目立ちすぎ、小さすぎると光学的効果が薄れる。

定性的には図４に示すように、ずれ角θが大きい場合には、破線部を短くしなければならず、その長さＬは転写用開口５の溝幅（イニシャル溝幅）と形成されたトレンチ２の溝幅（仕上がり溝幅）の関係でほぼ決定される。

ここで、周期構造の周期をｐ、イニシャル溝幅をａ₀、仕上がり溝幅をａ₁、結晶方位に関するずれ角θ（ｒａｄ）とした場合、θが十分に小さいと、破線一つ当たりの長さは概ね以下の式で表されるＬ１，Ｌ２のうち、小さい方の値以下にしなければならない。

Ｌ１＝（ａ₁−ａ₀）／θ
Ｌ２＝（ｐ−ａ₀）／（２θ）

例えば、周期ｐが２００ｎｍ、イニシャル溝幅ａ₀が５０ｎｍ、仕上がり溝幅ａ₁が１００ｎｍ、結晶方位に対するずれ角θが１０／６０×π／１８０（ｒａｄ）＝１０（分）の場合、

L1＝（100−50）／（10/60×π／180）＝17189（nm）＝17μｍ
L2＝（200−50）／（10/60×2π／180）＝25783（nm）＝26μｍ
であるため、小さい方のＬ１の値を採用し、破線一つ当たりの長さを１７μｍ以下に設定する。

一方、図５に示すように、切れ目６の長さｄは、概ねイニシャル溝幅ａ₀以上であれば問題はない。

本発明者らによって、図６に示すように、周期２００ｎｍ、長さ１５μｍ、切れ目６の長さ１５０ｎｍ、イニシャル溝幅５０ｎｍの転写用開口５を有するマスクを、結晶軸から１０分ずれて素子基板に重ね合わせ、温度４０℃、濃度３０％のＫＯＨを用いて深さ１．５μｍのエッチングを行った。その結果、図７に示すトレンチ２が形成された。このトレンチ２は非常に垂直性の高い溝であって、互いにつながることはなかった。

この実験例において、切れ目６の長さｄはイニシャル溝幅ａ₀の３倍である１５０ｎｍとしているため、図７に示すように、エッチング終了後であっても９０ｎｍ程度の長さの切れ目３となっていた。この程度の切れ目３であれば、光学特性に悪影響を与えることはない。

また、図６に示したのと同じ転写用開口５を有するマスクを用いて同様のエッチングを行ったとき、図８に示すように、結晶軸のずれが逆であった場合でも、図９に示す良好なトレンチ２が形成された。

以上二つの実験例から明らかなように、切れ目によって分断された破線状に形成されている転写用開口を有するマスクを用いることによって、±１０分のずれ角θに対して有効であることが証明された。

なお、本発明に係る複屈折光学素子の製造方法は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できる。

特に、素子基板の材質は必ずしもＳｉである必要はない。また、実施例に示した転写用開口の寸法や形成されたトレンチの寸法はあくまで一例であることは勿論である。

本発明によって製造された複屈折光学素子の一例を示し、（Ａ）はマスクの転写用開口の平面図、（Ｂ）は素子基板上に形成されたトレンチの平面図である。前記複屈折光学素子におけるトレンチの各種配列を示す平面図である。前記トレンチの形状を示す説明図である。転写用開口のずれ角θと形成可能なトレンチの長さＬを示し、（Ａ）は転写用開口の平面図、（Ｂ）はトレンチの平面図である。転写用開口とトレンチとの関係を示す説明図である。実験例で使用したマスクの転写用開口を示す説明図である。前記実験例で形成されたトレンチを示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面を示すチャート図である。図６に示したマスクを使用して行った他の実験例の説明図である。前記他の実験例で形成されたトレンチを示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面を示すチャート図である。従来の複屈折光学素子におけるトレンチ構造を模式的に示す斜視図である。従来のトレンチ構造を示し、（Ａ）は光学素子基板の説明図、（Ｂ）は光学素子基板の斜視図説明図である。従来の製造方法を説明するもので、（Ａ）は転写用開口の平面図、（Ｂ）はトレンチの平面図である。従来の製造方法を説明するもので、（Ａ）は転写用開口の平面図、（Ｂ）はトレンチの平面図である。

符号の説明

１…光学素子基板
２…トレンチ
３…切れ目
５…転写用開口
６…切れ目

Claims

構造性複屈折を生じさせるために一次元周期で並設された複数本のトレンチを備えた複屈折光学素子の製造方法において、
前記トレンチの転写用開口が形成されたマスクを素子基板上に重ね合わせてエッチングする際に、切れ目によって分断された破線状に形成されている転写用開口を有するマスクを用い、隣接するトレンチがつながってしまうことのない一次元周期構造を形成すること、
を特徴とする複屈折光学素子の製造方法。
構造性複屈折を生じさせるために一次元周期で並設された複数本のトレンチを備えた複屈折光学素子の製造方法において、
前記トレンチの転写用開口が形成されたマスクを素子基板上に重ね合わせてエッチングする際に、少なくとも１箇所に切れ目を有する転写用開口を有するマスクを用い、隣接するトレンチがつながってしまうことのない一次元周期構造を形成すること、
を特徴とする複屈折光学素子の製造方法。
前記エッチングは結晶の異方性エッチングを利用するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の複屈折光学素子の製造方法。
前記エッチングはウェットエッチングであることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の複屈折光学素子の製造方法。
前記素子基板として半導体単結晶を用いることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４に記載の複屈折光学素子の製造方法。
前記半導体単結晶はＳｉであることを特徴とする請求項５に記載の複屈折光学素子の製造方法。
前記半導体単結晶は（１１０）面のＳｉであることを特徴とする請求項５に記載の複屈折光学素子の製造方法。