JP4999556B2 - Manufacturing method of optical element having fine irregularities on surface - Google Patents
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Description
本発明は表面に微細凹凸形状をもつ位相板や回折素子などの光学素子の製造方法に関するものである。
位相板は直交する2つの直線偏光の間に位相差を生じさせるもので、1/4波長板、1/2波長板、全波長板などとして用いられ、液晶プロジェクタなどの画像投影装置、光ディスク装置の書込み読出し装置、その他の光学装置に利用されている。
回折素子は光ディスクなどの光記録媒体への記録又は光記録媒体からの再生を行う光ピックアップなどに利用されている。
The present invention relates to a method of manufacturing an optical element such as a phase plate or a diffraction element having a fine uneven shape on the surface.
The phase plate generates a phase difference between two orthogonal linearly polarized lights, and is used as a quarter-wave plate, a half-wave plate, a full-wave plate, and the like. Are used for writing / reading devices and other optical devices.
A diffractive element is used for an optical pickup for recording on or reproducing from an optical recording medium such as an optical disk.
波長板には水晶などの複屈折物質の厚さを調整して常光線と異常光線との位相差が波長に対して所定の関係になるようにした結晶研磨型波長板のほかに、誘電体にてなる微細凹凸表面が複屈折を示すことを利用した格子型波長板も使用されている。 In addition to a crystal-polished wave plate, the thickness of a birefringent material such as quartz is adjusted so that the phase difference between ordinary and extraordinary rays has a predetermined relationship to the wavelength. A grating-type wave plate utilizing the fact that the fine irregular surface formed by (2) exhibits birefringence is also used.
光学素子の1種として知られる位相(差)板は、互いに直交する偏光成分間に位相差を与える光学機能を持ち、種々の光学装置に用いられている。従来、位相板は、人造または天然のルチル、方解石、水晶など「複屈折性を示す一軸異方性結晶」を用いたものが知られているが、人造のものは「結晶を均一に成長させる」ことが難しく、天然の結晶は「光学的に均一で大きな形状のもの」が入手困難で高価である。また、このような「結晶材料を用いた位相板」は動作波長範囲が狭い。 A phase (difference) plate known as a kind of optical element has an optical function of giving a phase difference between mutually orthogonal polarization components, and is used in various optical devices. Conventionally, phase plates using “uniaxial anisotropic crystals exhibiting birefringence” such as artificial or natural rutile, calcite, and quartz are known. "Natural crystals are difficult to obtain and expensive in" optically uniform and large shape ". Such a “phase plate using a crystal material” has a narrow operating wavelength range.
近来「広帯域の波長範囲に対して機能できる位相板」として、サブ波長構造(SWS)による位相板が提案されている(特許文献1、2)。サブ波長構造の光学作用に関しては非特許文献1等に説明がされている。また、サブ波長構造の形成方法の一例として非特許文献2記載のものが知られている。
Recently, a phase plate having a sub-wavelength structure (SWS) has been proposed as a “phase plate capable of functioning over a wide wavelength range” (Patent Documents 1 and 2). The optical action of the subwavelength structure is described in Non-Patent Document 1 and the like. Moreover, the thing of a
特許文献1には、サブ波長構造を「ガラス基板の表面構造」として形成した位相板が開示されている。特許文献2には「平行平板を基板として平面状に格子構造を転写した位相板」が開示されているが、平行平板や格子構造が転写される部分の材質に関しては全く記載されていない。
Patent Document 1 discloses a phase plate in which a sub-wavelength structure is formed as a “surface structure of a glass substrate”.
非特許文献2には、サブ波長構造の形成方法として、樹脂バルク材を用いる熱式ナノインプリント法が開示されている。ナノインプリント法では金型を用いて樹脂に金型の形状を転写した後、樹脂を硬化させて光学素子とする。
Non-Patent
他の制作方法として、ドライエッチング法を使用して溝構造を形成する方法がある。この方法としては、
(1)基板素材をドライエッチングで溝加工する方法と、
(2)基板素材上に高屈折率材料を成膜し、これをドライエッチングする方法が提案されている。
(1) a method of groove processing a substrate material by dry etching;
(2) A method has been proposed in which a high refractive index material is formed on a substrate material and dry-etched.
ナノインプリント法による樹脂材料で構成されたサブ波長格子は、樹脂材料で構成されるため耐環境性(耐光性、耐温湿度性)や、信頼性、長期安定性に劣っている。また、樹脂材料を成型して製作する際の樹脂材料の流動粘度を低くできないため、成型時の樹脂流れが悪く、高アスペクト構造(開口部の寸法に対して深さが深い構造)を実現するのは容易ではない。結局、ナノインプリント法によってもサブ波長格子は高価となる。 A sub-wavelength grating made of a resin material by the nanoimprint method is inferior in environmental resistance (light resistance, temperature and humidity resistance), reliability, and long-term stability because it is made of a resin material. In addition, since the flow viscosity of the resin material when molding the resin material cannot be lowered, the resin flow at the time of molding is poor, and a high aspect structure (a structure having a deeper depth than the size of the opening) is realized. It's not easy. Eventually, the sub-wavelength grating becomes expensive even by the nanoimprint method.
ドライエッチング法は、ドライエッチング時のパターン垂直性が課題である。何故なら、ドライエッチング時、基板に作用するエッチング種(実際にエッチングに寄与する化学反応種)が、パターン深さが深くなればなるほどエッチングポイントに到達し難くなり、さらにはエッチング時に放出される被エッチング種がエッチングにより形成された凹部から排出され難くなる。このため、加工深さのバラツキ、底面形状のバラツキなどが生じる。この結果、加工基板内バラツキ、加工基板間バラツキが大きくなり、品質の安定化が難しい。 The dry etching method has a problem of pattern perpendicularity during dry etching. This is because, during dry etching, the etching species that act on the substrate (chemical reaction species that actually contribute to etching) become harder to reach the etching point as the pattern depth becomes deeper. It becomes difficult for the etching species to be discharged from the recess formed by etching. For this reason, variations in processing depth, variations in bottom shape, and the like occur. As a result, the variation within the processed substrate and the variation between the processed substrates increase, and it is difficult to stabilize the quality.
いずれの方法によっても高アスペクト比のサブ波長構造を製作することは難しい。
さらに、フィリングファクタ(FF)を大きくできないという課題もある。フィリングファクタは後で図1を用いて示されるように、凹凸構造のピッチPに対するランド幅Lの割合であり、FF=L/Pとして定義される比のことである。
It is difficult to produce a sub-wavelength structure with a high aspect ratio by either method.
Furthermore, there is a problem that the filling factor (FF) cannot be increased. The filling factor is a ratio of the land width L to the pitch P of the concavo-convex structure, as shown later using FIG. 1, and is a ratio defined as FF = L / P.
本発明は、耐環境性(耐光性、耐温湿度性)、信頼性及び長期安定性に優れた光学素子を安価に製造することができ、大きいフィリングファクタの実現も容易な製造方法を提供することを目的とするものである。 The present invention provides a manufacturing method that can inexpensively manufacture an optical element excellent in environmental resistance (light resistance, temperature and humidity resistance), reliability, and long-term stability, and can easily realize a large filling factor. It is for the purpose.
本発明は、無機材料からなる透明基板の少なくとも一方の表面に無機材料からなり使用する波長よりも小さい周期の矩形波形状のサブ波長構造を有する光学素子を製造する方法である。その対象とする光学素子は、素子全体が使用する波長よりも小さい周期の矩形波形状のサブ波長構造のみからなるものの他、そのようなサブ波長構造からなる領域とそのようなサブ波長構造をもたない領域とが混在しているものも含んでいる。
本発明の一形態はそのようなサブ波長構造の製造工程を特徴とする光学素子の製造方法であって、以下の工程(A)から(D)を含んでいる。
(A)前記基板表面に形状転写可能な樹脂層を形成する工程、
(B)前記サブ波長構造と同じ構造をもつ金型を前記樹脂層に押し当てて前記金型のサブ波長構造を反転したサブ波長構造を前記樹脂層に転写する工程を含んで、前記基板表面に前記金型のサブ波長構造の凹部に対応する凸部からなる前記樹脂によるサブ波長構造を形成する工程、
(C)前記基板表面に粘度が200mPa・s(=CP)以下の無機又は有機・無機複合のゾル−ゲル材料を塗布して前記樹脂によるサブ波長構造の凹部を埋め、その後、塗布されたゾル−ゲル材料を硬化させる工程、
(D)前記基板表面から前記樹脂を除去して硬化したゾル−ゲル材料によるサブ波長構造を前記基板表面に残す工程。
The present invention is a method of manufacturing an optical element having a rectangular wave-shaped sub-wavelength structure with a period smaller than a wavelength used on an at least one surface of a transparent substrate made of an inorganic material. The target optical element includes not only a subwavelength structure having a rectangular wave shape with a period smaller than the wavelength used by the entire element, but also a region including such a subwavelength structure and such a subwavelength structure. Including those that are mixed with other areas.
One embodiment of the present invention is a method of manufacturing an optical element characterized by a manufacturing process of such a subwavelength structure, and includes the following processes (A) to (D).
(A) forming a resin layer capable of shape transfer on the substrate surface;
(B) pressing the mold having the same structure as the sub-wavelength structure against the resin layer and transferring the sub-wavelength structure obtained by inverting the sub-wavelength structure of the mold to the resin layer, Forming a sub-wavelength structure with the resin comprising convex portions corresponding to the concave portions of the sub-wavelength structure of the mold,
(C) An inorganic or organic / inorganic composite sol-gel material having a viscosity of 200 mPa · s (= CP) or less is applied to the substrate surface to fill the concave portion of the subwavelength structure with the resin, and then the applied sol -Curing the gel material;
(D) The process of leaving the subwavelength structure by the sol-gel material hardened | cured by removing the said resin from the said substrate surface on the said substrate surface.
工程(A),(B)は、基板表面に樹脂を塗布して樹脂層を形成し、プリベークの後、その樹脂層に金型を押し当てるインプリント法による形状転写工程である。インプリント法による形状転写工程では転写されたサブ波長構造の凹部の底に樹脂が薄く残ることがあるので、その場合にはドライエッチングを施すことによりサブ波長構造の凹部の底に残った樹脂を除去し、サブ波長構造の凹部に基板表面を露出させる。 Steps (A) and (B) are shape transfer steps by an imprint method in which a resin layer is applied to the substrate surface to form a resin layer, and after pre-baking, a mold is pressed against the resin layer. In the shape transfer process by the imprint method, the resin may remain thinly on the bottom of the recessed portion of the transferred sub-wavelength structure. In this case, the resin remaining on the bottom of the recessed portion of the sub-wavelength structure is removed by dry etching. The substrate surface is exposed in the concave portion of the subwavelength structure.
工程(C)では粘度が200mPa・s以下のゾル−ゲル材料を塗布して樹脂によるサブ波長構造の凹部を埋めるので、ゾル−ゲル材料の液流れがよく、樹脂によるサブ波長構造の凹部の隅までゾル−ゲル材料が入り込んでいく。樹脂によるサブ波長構造が高アスペクト比であればゾル−ゲル材料ゾル−ゲル材料によるサブ波長構造も高アスペクト比構造となる。
塗布するゾル−ゲル材料の粘度を200mPa・s以下とする根拠は次の通りである。工程(B)で樹脂によるサブ波長構造を形成し、工程(C)でそのサブ波長構造の凹部をゾル−ゲル材料で埋める際の樹脂サブ波長構造のフィリングファクタ(FF)F/Fと埋込み可能なゾル−ゲル材料の粘度(単位はmPa・s)の関係を測定した結果を図12に示す。サブ波長構造のピッチPと高さHは図中に示したA〜Fの条件のように変化させた。このような、ピッチP、高さH及びF/Fの値は製作しようとするサブ波長構造に適用される範囲である。使用したゾル−ゲル材料は実施例1で使用したものであり、溶媒としてはPGP(プロピレン・グリコール・モノプロピルエーテル)を使用した。この結果は、ゾル−ゲル材料や溶媒の種類によって多少の変動はあるが、塗布するゾル−ゲル材料は粘度が200mPa・s以下であれば製作しようとするサブ波長構造の凹部を埋めることができることを示している。
In step (C), a sol-gel material having a viscosity of 200 mPa · s or less is applied to fill the concave portion of the sub-wavelength structure made of resin, so that the liquid flow of the sol-gel material is good, and the corner of the concave portion of the sub-wavelength structure made of resin is good. The sol-gel material enters. If the sub-wavelength structure by the resin has a high aspect ratio, the sub-wavelength structure by the sol-gel material sol-gel material also has a high aspect ratio structure.
The grounds for setting the viscosity of the applied sol-gel material to 200 mPa · s or less are as follows. Sub-wavelength structure is formed by resin in step (B), and filling factor (FF) F / F of resin sub-wavelength structure can be embedded when recesses of the sub-wavelength structure are filled with sol-gel material in step (C) FIG. 12 shows the results of measuring the relationship of the viscosity (unit: mPa · s) of a simple sol-gel material. The pitch P and height H of the subwavelength structure were changed as in the conditions of A to F shown in the figure. Such values of pitch P, height H, and F / F are ranges that are applicable to the subwavelength structure to be manufactured. The sol-gel material used was that used in Example 1, and PGP (propylene glycol monopropyl ether) was used as the solvent. This result varies somewhat depending on the type of sol-gel material and solvent, but the applied sol-gel material can fill the concave portion of the subwavelength structure to be manufactured if the viscosity is 200 mPa · s or less. Is shown.
ドライエッチング法で凹凸を形成する方法では、フィリングファクタを大きくするためには幅の狭い空間をエッチングにより形成しなければならないが、本発明の方法では幅のより広い空間に塗布により無機材料を充填することによりフィリングファクタを大きくすることができるので、フィリングファクタの大きな製品を製作するのが容易である。フィリングファクタ値が大きいほど広い帯域を網羅することができ、安定性が高い。 In the method of forming irregularities by the dry etching method, a narrow space must be formed by etching in order to increase the filling factor, but in the method of the present invention, an inorganic material is filled by coating in a wider space. By doing so, the filling factor can be increased, so that it is easy to manufacture a product having a large filling factor. The larger the filling factor value, the wider the band can be covered, and the higher the stability.
工程(C)はその途中にゾル−ゲル材料の硬化工程を含む。ゾル−ゲル材料は、溶媒に溶解して塗布する。塗布方法は、通常のスピンナーコート法や、印刷法、インクジェット塗布法などが使用できる。これらの工法によれば、成膜材料である溶液性ゾル−ゲル材料が樹脂によるサブ波長構造の凹部に良く浸透し、超微細な凹凸構造部を埋めることができる。サブ波長構造パターンの凹部の底部にも良好に成膜されるようになり、凹部を無機材料で充填するのが容易になる。 Step (C) includes a curing step of the sol-gel material in the middle thereof. The sol-gel material is applied after being dissolved in a solvent. As a coating method, a normal spinner coating method, a printing method, an inkjet coating method, or the like can be used. According to these methods, the solution sol-gel material, which is a film forming material, penetrates well into the concave portion of the sub-wavelength structure made of resin, and can fill the ultrafine uneven structure portion. A film is also satisfactorily formed on the bottom of the concave portion of the sub-wavelength structure pattern, and it becomes easy to fill the concave portion with an inorganic material.
そのゾル−ゲル材料の成膜工程は基板側にゾル−ゲル材料を塗布した後に、溶媒成分を気化させるための加熱工程をオーブン又はホットプレート上で行う。加熱・硬化工程では溶媒成分が蒸発し、ゾル−ゲル材料の主成分が化学反応によってゲル化して3次元的な骨格構造を形成し、安定な構造物を構成する。その後、工程(D)で基板表面から樹脂を除去すると、硬化したゾル−ゲル材料によるサブ波長構造が基板表面に形成された状態となる。 In the sol-gel material film forming process, after the sol-gel material is applied to the substrate side, a heating process for vaporizing the solvent component is performed on an oven or a hot plate. In the heating / curing process, the solvent component is evaporated, and the main component of the sol-gel material is gelled by a chemical reaction to form a three-dimensional skeleton structure, thereby forming a stable structure. Thereafter, when the resin is removed from the substrate surface in the step (D), a sub-wavelength structure made of the cured sol-gel material is formed on the substrate surface.
樹脂を除去した後に形成されるサブ波長構造は無機材料からなるものであることから、この光学素子は、耐環境性(耐光性、耐温湿度性)、信頼性及び長期安定性に優れたものとなる。 Since the sub-wavelength structure formed after removing the resin is made of an inorganic material, this optical element has excellent environmental resistance (light resistance, temperature and humidity resistance), reliability, and long-term stability. It becomes.
工程(B)で使用する金型は、例えば以下の工程により製作することができる。
(a)シリコン基板の(110)面に耐エッチング材料により、得ようとする微細凹凸構造の平面パターンをもつマスクパターンを形成する工程、
(b)そのマスクパターンをマスクとして前記シリコン基板をアルカリ液でエッチングを行ない、側面に{111}面を有する微細凹凸構造を形成する工程、及び
(c)その後、前記マスクパターンを除去する工程。
The mold used in the step (B) can be manufactured, for example, by the following steps.
(A) forming a mask pattern having a planar pattern of a fine concavo-convex structure to be obtained on an (110) surface of a silicon substrate with an etching resistant material;
(B) a step of etching the silicon substrate with an alkaline solution using the mask pattern as a mask to form a fine relief structure having {111} planes on the side surfaces; and (c) a step of removing the mask pattern thereafter.
シリコン基板の(110)面をアルカリ液でエッチングすると、得られる凹部の内側面が{111}面となるように基板表面に対して垂直方向にエッチングが進行する異方性ウエットエッチングとなる。この方法は高アスペクト比の凹凸を形成することができるので、高アスペクト比の金型を製作できる。 When the (110) plane of the silicon substrate is etched with an alkali solution, anisotropic wet etching is performed in which etching proceeds in a direction perpendicular to the substrate surface so that the inner surface of the resulting recess becomes a {111} plane. Since this method can form irregularities with a high aspect ratio, a mold with a high aspect ratio can be manufactured.
ゾル−ゲル材料は硬化後は基板と同じ屈折率をもつ材料とすることもできるし、異なる屈折率をもつ材料とすることもできる。硬化後のゾル−ゲル材料と基板の屈折率が同じ場合には、光学設計において屈折率の異なる材料間で発生する光の反射現象を考慮する必要がないことから光学設計の不確定要因が少なくなり、また組成がほぼ同じ材料とすることができるので、そのときは密着性が高く、異なる材料間で生じる密着不良に対する密着性向上のための処理が不要になるという効果がある。一方、屈折率が異なる場合には基板材料の選択の幅が広がり、製造上で優位な基板材料を選択でき。例えば、基板材料として、安価材料、耐溶剤性の高い材料、又は重金属を含まないというような環境対策材料を選択して使用することができるようになる。また、高屈折率材料を使用することにより微細構造の高さを低くすることができ、製作が容易になって安価に製作することができるようになるという効果がある。 The sol-gel material may be a material having the same refractive index as the substrate after curing, or a material having a different refractive index. If the refractive index of the sol-gel material after curing and the substrate are the same, there is less uncertainty in the optical design because there is no need to consider the light reflection phenomenon that occurs between materials with different refractive indexes in the optical design. In addition, since the materials having the same composition can be used, the adhesiveness is high at that time, and there is an effect that the treatment for improving the adhesiveness against the adhesive failure occurring between different materials becomes unnecessary. On the other hand, when the refractive index is different, the range of substrate materials can be selected, and a substrate material superior in manufacturing can be selected. For example, an inexpensive material, a material with high solvent resistance, or an environmental measure material that does not contain heavy metals can be selected and used as the substrate material. In addition, the use of a high refractive index material can reduce the height of the fine structure, which is advantageous in that it can be manufactured easily and inexpensively.
工程(A)で樹脂層を形成する前に、基板表面に基板とは屈折率の異なる無機材料層を形成するようにしてもよい。そのような無機材料層は硬化後のゾル−ゲル材料と同じ屈折率をもつ材料であってもよく、異なる屈折率をもつ材料であってもよい。その無機材料層として、例えば、基板材料とサブ波長構造材料の中間の屈折率をもつ膜を使用すると、反射防止効果を得ることができる。
その無機材料層は塗布法により形成することができる。また、その無機材料層は真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法など、一般に工業的に使用されている成膜方法を適用して成膜することもでき、これらの成膜方法により成膜した薄膜は密着性が高い。
Before forming the resin layer in the step (A), an inorganic material layer having a refractive index different from that of the substrate may be formed on the substrate surface. Such an inorganic material layer may be a material having the same refractive index as that of the cured sol-gel material, or may be a material having a different refractive index. As the inorganic material layer, for example, when a film having an intermediate refractive index between the substrate material and the subwavelength structure material is used, an antireflection effect can be obtained.
The inorganic material layer can be formed by a coating method. The inorganic material layer can also be formed by applying film forming methods generally used industrially, such as vacuum deposition, sputtering, and CVD, and thin films formed by these film forming methods. Has high adhesion.
本発明で製造の対象とする光学素子は、素子全体が使用する波長よりも小さい周期の矩形波形状のサブ波長構造のみからなるものに限らず、そのようなサブ波長構造からなる領域とそのようなサブ波長構造をもたない領域とが混在しているものも含んでいるが、後者の混在型の光学素子の具体的な一例は、透明基板上に形成された光の波長よりも大きいピッチを有する周期的凹凸部と、光の波長よりも小さいピッチを有する表面凹凸型の周期状のサブ波長構造の充填部とを備え、異なる2つの波長λ1、λ2の光に対して用いられる波長選択性回折素子である。その光学素子では、サブ波長構造の充填部材の有効屈折率(有効屈折率については後述の(1),(2)式に定義されている。)と周期的凹凸部の凸部の屈折率が、波長λ1の光に対して実質的に等しく、波長λ2の光に対しては異なるように、サブ波長構造の格子形状と、凹凸部材を構成する材料の屈折率及び充填部材を構成する材料の屈折率を調節した構成を有している。この構成により、波長λ2の光が回折し、回折対象でない波長λ1の光が透過するため、異なる波長の複数の光源を用いる場合でも、各波長の光線に対して適切な回折効率を確保することが可能な波長選択回折素子を実現できる。 The optical element to be manufactured in the present invention is not limited to a subwavelength structure having a rectangular wave shape with a period smaller than the wavelength used by the entire element, but a region having such a subwavelength structure and such In particular, an example of the latter mixed type optical element is a pitch larger than the wavelength of light formed on the transparent substrate. And a wavelength-selection unit that is used for light of two different wavelengths λ1 and λ2, and a surface-concave-type periodic sub-wavelength structure filling portion having a pitch smaller than the wavelength of light. Diffractive element. In the optical element, the effective refractive index of the filling member having the sub-wavelength structure (the effective refractive index is defined in the equations (1) and (2) described later) and the refractive index of the convex portion of the periodic concavo-convex portion. The grating shape of the sub-wavelength structure, the refractive index of the material constituting the concavo-convex member, and the material constituting the filling member so as to be substantially equal to the light of wavelength λ1 and different to the light of wavelength λ2. The refractive index is adjusted. With this configuration, light of wavelength λ2 is diffracted, and light of wavelength λ1 that is not the object of diffraction is transmitted. Therefore, even when a plurality of light sources having different wavelengths are used, appropriate diffraction efficiency is ensured for light of each wavelength. It is possible to realize a wavelength-selective diffraction element capable of
このような光学素子を回折素子として用いると、光ピックアップとして、少なくとも2つの異なる波長λ1、λ2の光を出射する光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体上に集光させるための対物レンズと、前記光源と前記対物レンズとの間に設けられ、波長λ1の光を回折せず、波長λ2の光を回折する回折素子を備えた光ピックアップを実現することができる。 When such an optical element is used as a diffraction element, as an optical pickup, a light source that emits light of at least two different wavelengths λ1 and λ2 and an objective for condensing the emitted light from the light source on an optical recording medium. An optical pickup including a diffractive element that is provided between the lens, the light source, and the objective lens and that does not diffract light having the wavelength λ1 but diffracts light having the wavelength λ2 can be realized.
この構成により、波長λ2の光を回折させ、回折対象でない波長λ1の光を透過するように、サブ波長構造の格子形状と、凹凸部材と充填部材を構成する屈折率を調節して設定できるようになるので、異なる波長の複数の光源を用いる場合でも、各波長の光線に対して適切な回折効率を確保することが可能な光ピックアップを実現できる。 With this configuration, it is possible to adjust and set the grating shape of the sub-wavelength structure and the refractive index that constitutes the concavo-convex member and the filling member so that light of wavelength λ2 is diffracted and light of wavelength λ1 that is not the object of diffraction is transmitted. Therefore, even when a plurality of light sources having different wavelengths are used, it is possible to realize an optical pickup capable of ensuring appropriate diffraction efficiency for light beams having different wavelengths.
他の光ピックアップとして、波長λ2の光を回折させ回折対象でない波長λ1の光を透過するようにサブ波長構造の格子形状と凹凸部材を構成する材料の屈折率及び充填部材を構成する材料の屈折率を調節した第1の回折素子と、波長λ2の光を回折せず波長λ1の光を回折する第2の回折素子とを備えたものも実現できる。このとき、第2の回折素子も、透明基板上に形成された光の波長よりも大きいピッチを有する周期的凹凸部と、周期的凹凸部を充填する充填部とを備え、この場合はサブ波長構造の充填部材の有効屈折率と周期的凹凸部の凸部の屈折率が、波長λ2の光に対して実質的に等しく、波長λ1の光に対しては異なるように、サブ波長構造の格子形状と、凹凸部材を構成する材料の屈折率及び充填部材を構成する材料の屈折率を調節した構成を有している。 As another optical pickup, the grating shape of the sub-wavelength structure and the refractive index of the material constituting the concavo-convex member and the refraction of the material constituting the filling member so as to diffract the light of wavelength λ2 and transmit the light of wavelength λ1 that is not the object of diffraction It is also possible to realize a device including a first diffractive element in which the rate is adjusted and a second diffractive element that diffracts light having wavelength λ1 without diffracting light having wavelength λ2. At this time, the second diffractive element also includes a periodic uneven portion having a pitch larger than the wavelength of the light formed on the transparent substrate, and a filling portion filling the periodic uneven portion. The sub-wavelength structure grating so that the effective refractive index of the filling member of the structure and the refractive index of the convex portion of the periodic concavo-convex portion are substantially equal to light of wavelength λ2 and different from light of wavelength λ1. The shape, the refractive index of the material constituting the concavo-convex member, and the refractive index of the material constituting the filling member are adjusted.
そのような混在型の光学素子を製造する方法では、金型としては、使用する光の波長よりも大きいピッチを有する周期的凹凸構造の凸部に該当する部分が凹部となり、その周期的凹凸構造の凹部に該当する部分にサブ波長構造と同じ構造をもつ金型を使用する。そして、前記の工程(D)の後に以下の工程(E)から(G)をさらに含む。
(E)サブ波長構造が形成された側の基板表面を感光性材料層で被い、硬化したゾル−ゲル材料によるサブ波長構造が形成されている領域以外の前記感光性材料層を除去する工程、
(F)前記感光性材料層が除去された部分に前記ゾル−ゲル材料とは硬化後の屈折率が異なる第2のゾル−ゲル材料を塗布し、硬化させる工程、及び
(G)サブ波長構造が形成されている領域に残されていた前記感光性材料層を除去する工程。
In the method of manufacturing such a mixed optical element, as a mold, a portion corresponding to a convex portion of a periodic concavo-convex structure having a pitch larger than the wavelength of light to be used becomes a concave portion, and the periodic concavo-convex structure A mold having the same structure as the sub-wavelength structure is used in a portion corresponding to the concave portion. And after the said process (D), the following processes (E) to (G) are further included.
(E) A step of covering the substrate surface on which the sub-wavelength structure is formed with a photosensitive material layer and removing the photosensitive material layer other than the region where the sub-wavelength structure is formed by the cured sol-gel material. ,
(F) a step of applying and curing a second sol-gel material having a refractive index after curing different from that of the sol-gel material on the portion from which the photosensitive material layer has been removed; and (G) a subwavelength structure. Removing the photosensitive material layer left in the region where the film is formed.
第2のゾル−ゲル材料は、例えばサブ波長構造を形成するゾル−ゲル材料よりも硬化後の屈折率が低い材料とすることができる。この場合、第2のゾル−ゲル材料の硬化後の屈折率は基板材料の屈折率と同じものとする。この構造は、基板材料と同じ屈折率の周期的凹凸構造の凹部に、高屈折率のサブ波長構造の充填部材が埋め込まれた構造となる。これにより、微細構造の高さを低くすることができ、製作が容易になって光学素子を安価に製作することができるようになる。
樹脂層は光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂とすることができる。
The second sol-gel material can be, for example, a material having a lower refractive index after curing than the sol-gel material forming the subwavelength structure. In this case, the refractive index after curing of the second sol-gel material is the same as the refractive index of the substrate material. This structure is a structure in which a filling member having a high refractive index sub-wavelength structure is embedded in a concave portion of a periodic uneven structure having the same refractive index as that of the substrate material. As a result, the height of the fine structure can be reduced, the manufacture becomes easy, and the optical element can be manufactured at low cost.
The resin layer can be a photocurable resin or a thermosetting resin.
サブ波長構造を形成するゾル−ゲル材料は微粒子を混合したものとすることができ、その微粒子は硬化後のこのゾル−ゲル材料よりも屈折率の高い材料からなりサブ波長構造の凹部の寸法よりも小さい大きさのものとすることができる。これにより、ゾル−ゲル材料の硬化後の屈折率を調整することができる。 The sol-gel material forming the sub-wavelength structure may be a mixture of fine particles , and the fine particles are made of a material having a higher refractive index than the cured sol-gel material, and the size of the concave portion of the sub-wavelength structure It may be of even smaller size. Thereby, the refractive index after hardening of sol-gel material can be adjusted.
以上は基板の一方の表面に光学素子用の凹凸構造を形成ところまでを述べているが、本発明で製造する光学素子は、基板の表裏の両方に光学素子用の凹凸構造をもつものも含んでいる。そのような両面型の光学素子を製造するための本発明の形態は、基板の一方の表面に上記の方法によりサブ波長構造を有する光学素子を形成した後、基板の反対側の表面に同じ方法を繰り返して一方の側の光学素子と位置を対応づけてサブ波長構造を有する光学素子を形成する。
使用するゾル−ゲル材料は無機又は有機・無機複合のゾル−ゲル材料である。そのゾル−ゲル材料の一例はシロキサンを主成分とする無機ゾル−ゲル材料であり、他の例はシリコーンを含有した有機・無機複合ゾル−ゲル材料である。
The above describes the formation of the concave-convex structure for the optical element on one surface of the substrate. However, the optical element manufactured by the present invention includes those having the concave-convex structure for the optical element on both the front and back sides of the substrate. It is out. In the embodiment of the present invention for manufacturing such a double-sided optical element, the optical element having the sub-wavelength structure is formed on one surface of the substrate by the above method, and then the same method is applied to the opposite surface of the substrate. Is repeated to form an optical element having a sub-wavelength structure by associating the position with the optical element on one side.
The sol-gel material used is an inorganic or organic / inorganic composite sol-gel material. One example of the sol-gel material is an inorganic sol-gel material mainly composed of siloxane, and the other example is an organic / inorganic composite sol-gel material containing silicone.
第1の回折素子と第2の回折素子とが1つの回折素子として一体化されている両面型の光学素子を光ピックアップに使用すれば、第1の回折素子と第2の回折素子とが一体化されているため、部品点数を削減できることに加え、簡易に製造することが可能な光ピックアップを実現できる。 If a double-sided optical element in which the first diffractive element and the second diffractive element are integrated as one diffractive element is used in the optical pickup, the first diffractive element and the second diffractive element are integrated. Therefore, in addition to reducing the number of parts, an optical pickup that can be easily manufactured can be realized.
本発明の製造方法によれば、耐環境性、信頼性及び長期安定性に優れた高耐久性光学素子が実現できる。この方法は製造工程の再現性が高いので製品バラツキが少ない。また、歩留まりが向上できるので、光学素子を安価に製作できる。
フィリングファクタを大きくすることができるので、広帯域波長板を実現することが容易である。
According to the manufacturing method of the present invention, a highly durable optical element excellent in environmental resistance, reliability, and long-term stability can be realized. Since this method has high reproducibility of the manufacturing process, there is little product variation. Further, since the yield can be improved, the optical element can be manufactured at a low cost.
Since the filling factor can be increased, it is easy to realize a broadband wave plate.
本発明の製造方法により製造される製品の効果としては、以下のものをあげることができる。
1)2つの波長間での屈折率の大きな変化をサブ波長構造で実現することにより、有機材料にくらべ耐熱性に強い酸化物薄膜などの無機材料を選択可能とし、高温下で使用される光学機器にも適用可能とする。
Examples of the effects of the product produced by the production method of the present invention include the following.
1) By realizing a large change in refractive index between two wavelengths with a sub-wavelength structure, it is possible to select an inorganic material such as an oxide thin film that is more resistant to heat than an organic material, and optics used at high temperatures. Applicable to equipment.
2)同様に有機材料に比べ耐光性に強い酸化物薄膜などの無機材料を選択可能とし、短波長の光ビーム(例えば青色半導体レーザ搭載機器)や、パワーの強い光ビーム(例えば高速記録用光ピックアップに使用されるハイパワーレーザ)などを用いる光学機器にも適用可能となる。 2) Similarly, it is possible to select an inorganic material such as an oxide thin film that is more light-resistant than an organic material, and a short-wavelength light beam (for example, a device equipped with a blue semiconductor laser) or a powerful light beam (for example, high-speed recording light) The present invention can also be applied to an optical apparatus using a high power laser used for a pickup.
3)ナノインプリント工法でサブ波長構造を簡単に多数個同時に製作できる。また、高屈折率材料を使用すればサブ波長構造の深さを低くすることができる。さらに、使用する光の波長よりも大きいピッチを有する周期的凹凸構造とその凹凸構造の凹部をサブ波長構造が充填している光学素子(後述の図5,9を参照。)を製造する場合には、製造された光学素子は、サブ波長構造の深さとサブ波長構造でない周期的凹凸構造の高さが等しくなり、かつサブ波長構造を形成された部位とサブ波長構造でない部位が交互に存在するようになる。その結果、この光学素子は、外部から加わる力がサブ波長構造に集中することなく、サブ波長構造でない部位にも分散することになるので、全面がサブ波長構造となっている光学素子よりも、超音波洗浄時の耐洗浄衝撃性やふきあげ作業時の耐磨耗性が大きくなる。 3) A large number of sub-wavelength structures can be easily manufactured simultaneously by the nanoimprint method. Further, if a high refractive index material is used, the depth of the subwavelength structure can be reduced. Furthermore, when manufacturing an optical element (see FIGS. 5 and 9 described later) in which a sub-wavelength structure is filled with a periodic concavo-convex structure having a pitch larger than the wavelength of light to be used and a concave portion of the concavo-convex structure. In the manufactured optical element, the depth of the sub-wavelength structure is equal to the height of the periodic uneven structure that is not the sub-wavelength structure, and the portion where the sub-wavelength structure is formed and the portion that is not the sub-wavelength structure are alternately present. It becomes like this. As a result, this optical element is not concentrated in the sub-wavelength structure, but the force applied from the outside is not dispersed in the sub-wavelength structure. Increases impact resistance during ultrasonic cleaning and wear resistance during wiping work.
4)本質的に薄膜素子であり、素子の強度を持たせるだけの基板厚さがあればよいので、例えば、100μm程度と極めて薄く、軽量な素子を構成することもできる。 4) Since it is essentially a thin film element and needs only to have a substrate thickness sufficient to give the element strength, for example, an extremely thin and lightweight element of about 100 μm can be formed.
5)このような光学素子は、異なる波長の複数の光源を用いる場合でも、各波長の光線に対して適切な回折効率を確保する、使用しない波長を通過させた場合でも不要回折光が発生しないことが可能な波長選択性回折素子や光ピックアップを実現することができる。 5) Such an optical element secures appropriate diffraction efficiency for light beams of different wavelengths even when a plurality of light sources having different wavelengths are used, and unnecessary diffracted light is not generated even when the unused wavelengths are passed. It is possible to realize a wavelength-selective diffraction element and an optical pickup that can be used.
まず、本発明の方法により製作しようとする光学素子の一例を説明する。
図1は、位相板の一形態を説明するための図である。
この位相板は、図1(A)に示すように、平行平板状のガラス平板11の両面に薄層12a、12bが形成された構成となっている。薄層12a、12bは好ましくは屈折率が1.6以上の材料により形成され、その表面形状として断面矩形波状の微細凹凸構造が、使用される光の波長よりも小さい周期をもつサブ波長構造として形成されている。
First, an example of an optical element to be manufactured by the method of the present invention will be described.
FIG. 1 is a diagram for explaining an embodiment of a phase plate.
As shown in FIG. 1A, the phase plate has a configuration in which
図1(B)を参照して用語を説明する。図1(B)は薄層に形成された断面矩形波状の微細凹凸構造を模式的に示している。微細凹凸構造の凹凸は断面形状が図示の矩形波形状であり、このような矩形波状の凹凸が、紙面垂直方向に延びている。したがって、微細凹凸構造における凸部は紙面垂直方向に延びた長い凸条をなし、凹部も紙面垂直方向に延びた長い凹条をなす。凸条をなす凸部を「ランド」と呼び、凹条をなす凹部を「スペース」と呼ぶ。 Terms will be described with reference to FIG. FIG. 1B schematically shows a fine concavo-convex structure having a rectangular cross section formed in a thin layer. The unevenness of the fine unevenness structure has a rectangular wave shape as shown in the cross-sectional shape, and such a rectangular wave-like unevenness extends in a direction perpendicular to the paper surface. Accordingly, the convex portions in the fine concavo-convex structure form long ridges extending in the direction perpendicular to the paper surface, and the concave portions also form long ridges extending in the direction perpendicular to the paper surface. The convex portion forming the ridge is called “land”, and the concave portion forming the ridge is called “space”.
断面矩形波状の微細凹凸構造のピッチPは、図に示すように、一対をなすランドとスペースのランド幅Lとスペース幅Sの和(L+S)である。また、スペース底部に対するランドの高さを溝深さHとする。 As shown in the drawing, the pitch P of the fine concavo-convex structure having a rectangular wave shape in cross section is the sum (L + S) of a land width L and a space width S of a pair of lands and spaces. The height of the land with respect to the space bottom is defined as a groove depth H.
このとき、フィリングファクタ(FF)はL/P、アスペクト比はH/Sである。すなわち、フィリングファクタが大きいことは、ピッチPに占めるランド幅Lが大きい(スペース幅Sが小さい)ことを意味し、アスペクト比が大きいほど、ランド幅Lに対する溝深さHが大きいことを意味する。アスペクト比が大きいほど微細凹凸構造形成が難しくなる。 At this time, the filling factor (FF) is L / P and the aspect ratio is H / S. That is, a large filling factor means that the land width L occupying the pitch P is large (the space width S is small), and the larger the aspect ratio is, the larger the groove depth H with respect to the land width L is. . The larger the aspect ratio, the more difficult it is to form a fine relief structure.
非特許文献1、2等により知られているように、微細凹凸構造がサブ波長構造であると、そのピッチよりも大きい波長の光は回折せず、0次光としてそのまま透過する(このときの透過率を「0次透過率」と呼ぶ。)が、入射光に対して複屈折性を示す。
As known from
すなわち、図1(C)に示すように、微細凹凸構造へ空気領域から入射する入射光において、微細凹凸構造の周期方向(図の左右方向)に平行に振動する偏光成分TM、ランド長手方向(紙面垂直方向)に平行に振動する偏光成分TEに対し、微細凹凸構造は屈折率が異なる媒質のように作用する。 That is, as shown in FIG. 1C, in the incident light incident on the fine concavo-convex structure from the air region, the polarization component TM oscillating parallel to the periodic direction (left-right direction in the figure) of the fine concavo-convex structure, the land longitudinal direction ( The fine concavo-convex structure acts like a medium having a different refractive index with respect to the polarization component TE that vibrates in parallel with the direction perpendicular to the paper surface.
微細凹凸構造の部分における有効屈折率を、偏光成分TMにつきn(TM)、偏光成分TEについてn(TE)とすると、これらの有効屈折率は、微細凹凸構造が形成された薄層材料の屈折率n、微細凹凸構造のフィリングファクタfを用いて以下のように表される。
n(TE)={fn2+(1−f)}1/2 (1)
n(TM)=[n2/{f+(1−f)n2}]1/2 (2)
If the effective refractive index in the portion of the fine concavo-convex structure is n (TM) for the polarization component TM and n (TE) for the polarization component TE, these effective refractive indexes are the refraction of the thin layer material on which the fine concavo-convex structure is formed. It is expressed as follows using the rate n and the filling factor f of the fine relief structure.
n (TE) = {fn 2 + (1−f)} 1/2 (1)
n (TM) = [n 2 / {f + (1-f) n 2}] 1/2 (2)
このため、透過光における偏光成分TMに対し、偏光成分TEは位相が「δ」だけ遅れることになる。すなわち、溝深さHを用いると、微細凹凸構造の光学的厚さは、偏光成分TMに対して「H・n(TM)」、偏光成分TEに対して「H・n(TE)」であるので、これら光学的厚さの差H{n(TE)−n(TM)}に応じて位相遅れδが生ずる。この位相遅れδがリタデーション(Reterdation)である。 For this reason, the phase of the polarization component TE is delayed by “δ” with respect to the polarization component TM in the transmitted light. That is, when the groove depth H is used, the optical thickness of the fine concavo-convex structure is “H · n (TM)” for the polarization component TM and “H · n (TE)” for the polarization component TE. Therefore, a phase delay δ is generated according to these optical thickness differences H {n (TE) −n (TM)}. This phase delay δ is retardation.
光学的厚さの差H{n(TE)−n(TM)}をDとし、波長をλとすると、δ=2πD/λであるが、微細凹凸構造においては、波長λの広い領域にわたって、略一定のリタデーションが得られる。 If the optical thickness difference H {n (TE) -n (TM)} is D and the wavelength is λ, then δ = 2πD / λ. However, in the fine concavo-convex structure, over a wide region of the wavelength λ, A substantially constant retardation is obtained.
n(TE)、n(TM)は、微細凹凸構造が形成された薄層材料の屈折率nと、フィリングファクタfにより決定され、リタデーションδは、屈折率n、フィリングファクタf、溝深さHにより定まるから、結局、リタデーションは微細凹凸構造が形成された薄層材料(nが定まる。)と微細凹凸構造の形態(フィリングファクタfと溝深さHが定まる。)を調整することにより所望のものを得ることができる。 n (TE) and n (TM) are determined by the refractive index n and the filling factor f of the thin layer material on which the fine concavo-convex structure is formed, and the retardation δ is the refractive index n, the filling factor f, and the groove depth H. Therefore, the retardation is eventually determined by adjusting the thin layer material (n is determined) on which the fine uneven structure is formed and the form of the fine uneven structure (the filling factor f and the groove depth H are determined). You can get things.
図1(A)に示す光学素子のように、ガラス平板11の両面に微細凹凸構造が形成されている場合、微細凹凸構造12aによるリタデーションを「δ1」、微細凹凸構造12bによるリタデーション「δ2」とすれば、位相板としてのリタデーションは「δ1+δ2」となる。
When the fine concavo-convex structure is formed on both surfaces of the glass
したがって、図1(A)に示す位相板の場合には、リタデーション(δ1+δ2)を調整することにより、偏光成分TM、TEに対する位相差を、例えば「πやπ/2」に設定でき、各種波長板を実現できる。 Therefore, in the case of the phase plate shown in FIG. 1A, the phase difference with respect to the polarization components TM and TE can be set to, for example, “π or π / 2” by adjusting the retardation (δ1 + δ2), and various wavelengths A board can be realized.
次に、上述のような位相板を製作する一実施例の製造方法を図2から図3を参照して説明する。 Next, a manufacturing method according to an embodiment for manufacturing the phase plate as described above will be described with reference to FIGS.
図2はナノインプリント工法を適用する工程で使用する金型を製作する工程を示したものである。
(A)金型の基板として(110)表面をもつシリコン基板20を用意する。
そのシリコン基板20の表面に電子線描画用レジスト22を塗布し、プリベークする。
レジスト22に対し、予め設定されたプログラムにしたがって金型パターンを形成するためのパターンを電子線描画する。このパターンは位相板の微細凹凸構造の平面パターンをもつパターンである。電子線描画は目的の位相板のピッチ及び線幅によって描画条件は異なったものとなる。
FIG. 2 shows a process of manufacturing a mold used in the process of applying the nanoimprint method.
(A) A
An electron beam drawing resist 22 is applied to the surface of the
A pattern for forming a mold pattern is drawn on the resist 22 by an electron beam according to a preset program. This pattern is a pattern having a planar pattern of the fine uneven structure of the phase plate. The drawing conditions for electron beam drawing differ depending on the pitch and line width of the target phase plate.
(B)電子線描画されたレジスト22を現像し、リンスを行ってレジストパターン22aとする。その後、レジストパターン22aをポストベークする。このパターン22aは得ようとする位相板の微細凹凸構造の凸条となる部分にレジストが残ったパターンである。
(B) The resist 22 drawn with the electron beam is developed and rinsed to form a resist
(C)レジストパターン22aをマスクとしてシリコン基板20をアルカリウエットエッチングする。ここではエッチング液としてKOH溶液を使用する。しかし、エッチング液としては、他にヒドラジン、EPW(エチレンジアミン・ピテカテコール・水の混合溶液)、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)などを使用してもよい。
(C) The
シリコン基板20はその表面が(110)面であるので、シリコン基板のアルカリ液によるエッチングは{111}面が壁面となるように基板表面に対して垂直方向に進行し、レジストパターン22aのピッチを維持したまま深さ方向にエッチングされる。
Since the surface of the
(D)レジストパターン22aを除去すると金型24が完成する。レジストパターン22aの除去は、例えばシリコン基板20に対してO2アッシング処理を施すことにより行なう。この金型24には微細凹凸構造が形成されており、そのピッチP、ライン幅L、スペース幅S及びフィリングファクタ(FF)L/Pは目的とする位相板のものと同じである。また、その微細凹凸構造の深さDは目的とする位相板の溝深さHとほぼ等しいものである。
(D) The
(実施例1)
次に、図3により金型24を用いて製品基板26に無機材料でサブ波長構造の微細凹凸構造を形成して目的とする位相板を製作する第1の実施例の工程を説明する。
Example 1
Next, the steps of the first embodiment in which a target phase plate is manufactured by forming a fine concavo-convex structure having a sub-wavelength structure with an inorganic material on the
図3(A)と(B)は製品基板26上に樹脂パターンを形成する工程を示したものである。
(A)製品基板26として平坦な表面をもつ平行平板の光透過性石英ガラス基板(屈折率は1.45)を使用する。製品基板26はパイレックス(登録商標)、テンパックス(登録商標)といったガラス材料を使用することもできる。
3A and 3B show a process of forming a resin pattern on the
(A) A parallel plate light-transmitting quartz glass substrate (refractive index: 1.45) having a flat surface is used as the
基板26の表面に転写樹脂28を滴下する。転写樹脂28としては、UV(紫外線)硬化性樹脂や熱硬化性樹脂を用いることができる。UV硬化性樹脂を使用した場合は、紫外線照射により樹脂を硬化させるために、製品基板26と金型24の少なくとも一方は紫外線を透過させる特性のものである必要がある。この実施例では金型24はシリコン基板であるので、製品基板26は紫外線を透過させるものとする必要がある。しかし、転写樹脂として、熱硬化性樹脂を使用する場合は、製品基板も金型も光を通す必要がない。
A
樹脂28としては充分に粘度の低いものが好ましい。UV硬化性樹脂としては、例えばPAK−01(東洋合成株式会社の商品名:粘度5〜20cp)やGRANDIC RC-8790(大日本インキ株式会社の商品名:粘度2〜10cp)などを使用することができる。熱硬化性樹脂としては、PMMA(ポリメチルメタクリレート)樹脂材料やPMMA主成分レジスト材料などを使用することができる。
The
樹脂28上から金型24の微細凹凸パターン面が基板26側となるように押し当てる。樹脂28には金型24の凹凸パターンが転写され、金型の凹部に樹脂が入り込んで基板26の表面上に樹脂の凸条が紙面垂直方向に延びたパターンが形成される。
The fine concavo-convex pattern surface of the
樹脂28を硬化させる。樹脂28がUV硬化性樹脂のように光硬化性樹脂の場合は基板26側から光を照射する。この実施例では、金型24としてシリコン基板を使用しているが、もし金型として光透過性の石英ガラス基板などを使用した場合は、金型側から光を照射することもできる。樹脂28が熱硬化性樹脂を使用した場合は加熱して硬化させる。
The
(B)樹脂28の硬化後、金型24を剥離すると、基板26上に樹脂パターン28aが形成された状態となる。樹脂パターン28aは紙面垂直方向に延びる凸条のものが互いに平行に配列されたものである。基板26の表面と樹脂パターン28aにより形成される凹凸パターンは、目的とする位相板の凹凸パターンとは凹凸が逆になっている。
(B) When the
樹脂パターン28aは基板26上にサブ波長構造の樹脂パターン28が形成され、目的とする製品のサブ波長構造の凹部に該当する凸部が樹脂で充填された状態の樹脂パターンとなる。
The
このとき樹脂パターン28のサブ波長構造の凹部の底には、基板26上に樹脂が薄く残っていることがある。そのときは、ドライエッチングを施すことにより、サブ波長構造の樹脂パターン28aの凹部の底に残った薄い樹脂層を除去する。このドライエッチングとしては、TCP(誘導結合型プラズマ)やNLD(Neutral Loop Discharge)などの高密度プラズマエッチング方法を用いる。そのエッチング条件の一例は、ガス種としてO2ガスを用い、ガス注入量は20sccm、圧力0.4Pa、上部バイアス電力を1KW、下部バイアス電力を60Wとする。このときの樹脂エッチング速度は約30nm/秒であるので、40秒程度エッチングする。
At this time, the resin may remain thin on the
(C)次に、樹脂パターン28aのサブ波長構造の凹部に塗布膜を形成する。塗布膜30としては、基板26にスピンナーにてゾル−ゲル材料を塗布する。ゾル−ゲル材料は塗布後にプリベークする。ゾル−ゲル材料の塗布は必要な高さに応じて塗布とプリベークを繰り返す。最後にポストベークを実施して完全にゲル化させて硬化させる。ゾル−ゲル材料は完全硬化すると僅かに収縮する。
(C) Next, a coating film is formed in the concave portion of the sub-wavelength structure of the
ゾル−ゲル材料の一例としてはシロキサンを主成分とする感光性のナノコンポジット材料(JSR社の製品で、型番Z−7503)に高屈折率の無機超微粒子を混合してベース材料の屈折率を上昇させたものを使用する。混合する無機超微粒子は粒径が10nm以下で、材質がTa2O5である。無機超微粒子を混合したゾル−ゲル材料は、粘度が10mPa・sである。溶媒としてPGP(プロピレン・グリコール・モノプロピルエーテル)を使用した。ここで、ナノコンポジット材料自体の硬化後の屈折率が1.45、無機超微粒子Ta2O5の屈折率が2.00であり、無機超微粒子を混合したゾル−ゲル材料はその硬化後の屈折率が1.90となるように無機超微粒子Ta2O5の混合割合を調製する。硬化のための光照射エネルギー量として、400mj/cm2で120秒間照射する。ゾル−ゲル材料をプリベークし、その後ポストベークすることによって完全にゲル化させて硬化させる。 As an example of a sol-gel material, a photosensitive nanocomposite material mainly composed of siloxane (a product of JSR, model number Z-7503) is mixed with high refractive index inorganic ultrafine particles to obtain a refractive index of the base material. Use a raised one. The inorganic ultrafine particles to be mixed have a particle size of 10 nm or less and the material is Ta 2 O 5 . The sol-gel material mixed with inorganic ultrafine particles has a viscosity of 10 mPa · s. PGP (propylene / glycol / monopropyl ether) was used as a solvent. Here, the refractive index of the nanocomposite material itself after curing is 1.45, the refractive index of the inorganic ultrafine particles Ta 2 O 5 is 2.00, and the sol-gel material mixed with the inorganic ultrafine particles is obtained after the curing. The mixing ratio of the inorganic ultrafine particles Ta 2 O 5 is adjusted so that the refractive index is 1.90. Irradiation is performed at 400 mj / cm 2 for 120 seconds as the amount of light irradiation energy for curing. The sol-gel material is pre-baked and then post-baked to fully gel and cure.
(D)次に、樹脂層28aを除去する。樹脂の除去には、例えばCAROS洗浄(硫酸と過酸化水素水の混合液による洗浄)を行う。樹脂層樹脂層28aを除去すると、ゾル−ゲル材料の硬化したものからなる無機材料のサブ波長構造32が形成される。
(D) Next, the
(実施例2)
図4は基板26の両面に無機材料による凸条32a,32bからなるサブ波長構造の微細凹凸パターンを形成した実施例を示したものである。凸条32a,32bからなる微細凹凸パターンを基板26の両面に形成する場合も、図3と全く同じ方法により、無機材料によるパターンを基板26の片面ずつ形成する。
(Example 2)
FIG. 4 shows an embodiment in which a fine uneven pattern having a sub-wavelength structure composed of
(実施例3)
図5に示すように、基板26上に、使用される光の波長よりも大きいピッチを有する無機の周期的凹凸構造34と、その周期的凹凸構造の凹部を充填した無機のサブ波長構造32からなる光学素子を製造駆る方法について説明する。サブ波長構造32は実施例1で説明したように、使用される光の波長よりも小さいピッチを有するサブ波長構造である。基板26、凹凸構造34及びサブ波長構造32はそれぞれの屈折率が等しいものであってもよく、互いに異なっていてもよい。
(Example 3)
As shown in FIG. 5, from an inorganic periodic concavo-
この実施例の製造工程で使用する金型は図6に示されるものである。この金型も図2に示されたようにシリコン基板のフォトリソグラフィとエッチングにより製作することができる。この金型は、光学素子のサブ波長構造32に対応するサブ波長構造パターン24と、周期的凹凸構造34の凸部に対応する部分が凹部36となったパターンをもつ金型である。
The metal mold | die used by the manufacturing process of this Example is shown by FIG. This mold can also be manufactured by photolithography and etching of a silicon substrate as shown in FIG. This mold is a mold having a
次に、その製造方法を図7を参照して説明する。
(A)図6に示される金型を用いて、図3(A),(B)と同じ工程により樹脂パターン28aを基板26上に形成する。樹脂パターン28aは基板26上にサブ波長構造の樹脂パターンが形成され、製品の周期的凹凸構造34の凸部に該当する部分が樹脂28bで充填された状態の樹脂パターンとなる。このときサブ波長構造の凹部の底には、基板26上に樹脂が薄く残っていることがある。
Next, the manufacturing method will be described with reference to FIG.
(A) Using the mold shown in FIG. 6, the
(B)サブ波長構造の凹部の底に薄く残った樹脂層を除去するために、図3(B)の工程で示したのと同じドライエッチングを施す。 (B) In order to remove the thin resin layer remaining on the bottom of the concave portion of the sub-wavelength structure, the same dry etching as shown in the step of FIG.
(C)次に、樹脂パターン28aのサブ波長構造の凹部に塗布層30を形成する。塗布膜30としては、この基板26にスピンナーにてゾル−ゲル材料を塗布する。この工程は図3(C)と同じである。
(C) Next, the
(D)次に、図3(D)と同じ工程により樹脂層28a,28bを除去すると、ゾル−ゲル材料の硬化したものからなる無機材料のサブ波長構造32が形成される。
(D) Next, when the resin layers 28a and 28b are removed by the same process as in FIG. 3D, an inorganic material
次に、サブ波長構造32の間に凹部として残った部分に無機材料を埋めて光学素子の周期的凹凸構造の凸部を形成する工程を図8に示す。
Next, FIG. 8 shows a step of forming a convex portion of the periodic concavo-convex structure of the optical element by filling an inorganic material in a portion remaining as a concave portion between the
(A)図7(D)の工程で形成したサブ波長構造32のある表面側をフォトレジスト40で覆う。このレジスト40としてはポジ型レジストを使用する。
サブ波長構造32の部分を覆う露光用マスク41を使用してレジスト40を露光する。レジスト40はサブ波長構造32の間の領域、すなわち製品となったときの周期的凹凸構造の凸部に該当する部分に光照射が行われ、その部分のレジスト40が溶解性を帯びる。
(A) The surface side with the
The resist 40 is exposed using an
(B)レジスト40を現像し、リンスすることにより、工程(A)で光照射された部分のレジスト40が溶解して除去される。その結果、サブ波長構造32の部分がレジスト42で覆われた状態となる。
(B) By developing and rinsing the resist 40, the portion of the resist 40 irradiated with light in the step (A) is dissolved and removed. As a result, the
(C)次に、サブ波長構造32が形成されている側の基板表面にゾル−ゲル材料を塗布する。このゾル−ゲル材料として、実施例1で使用したのと同じ感光性のナノコンポジット材料(JSR社の製品で、型番Z−7503)を使用する。ゾル−ゲル材料は粘度が1mPa・sである。硬化のための光照射エネルギー量として、400mj/cm2で120秒間照射する。
ゾル−ゲル材料をプリベークし、その後ポストベークすることによって完全にゲル化させて硬化させる。ゾル−ゲル材料の硬化後の屈折率は1.45である。
(C) Next, a sol-gel material is applied to the substrate surface on the side where the
The sol-gel material is pre-baked and then post-baked to fully gel and cure. The refractive index after curing of the sol-gel material is 1.45.
(D)レジスト層42をCAROS洗浄(硫酸と過酸化水素の混合液で、約110〜120℃に加熱して行う洗浄法。)の方法により除去することにより、目的とする光学素子が得られる。
(D) The resist
この光学素子は使用される光の波長よりもピッチの大きい周期的凹凸構造34と、その凹部を埋める光の波長よりも小さいピッチのサブ波長構造32とからなるものであり、屈折率はサブ波長構造32の方が周期的凹凸構造34よりも大きい素子となる。
This optical element comprises a periodic concavo-
図9は図7及び図8により製造した光学素子を基板26の両面に形成したものである。両面に光学素子をもつものは、図7と図8の工程を基板の両面でそれぞれ繰り返すことにより同じ方法で製作することができる。
FIG. 9 shows the optical element manufactured according to FIGS. 7 and 8 formed on both sides of the
(実施例4)
図10は更に他の実施例を示したものである。この光学素子では基板26上に基板とは屈折率の異なる無機材料層46が形成され、その無機材料層46上にサブ波長構造32と周期的凹凸構造34からなる光学素子が形成されたものである。
(Example 4)
FIG. 10 shows still another embodiment. In this optical element, an
この実施例の光学素子を製造するには、図11に示されるように、基板26上に無機材料層46を形成した後、図7と図8に示した同じ方法により素子を形成することができる。
In order to manufacture the optical element of this embodiment, as shown in FIG. 11, after forming the
サブ波長構造32、周期的凹凸構造34及び無機材料層46としてはシリコーン含有ゾル−ゲル材料である有機無機・複合コーティング材(例えば、米国Silecs社の製品XCシリーズ(XC-100, -200, -300, -400)を用いることができ、この材料に高屈折率の無機超微粒子を混合して屈折率を調節して使用する。一例としては、混合する無機超微粒子を粒径が10nm以下のTa2O5とし、無機超微粒子を混合したゾル−ゲル材料の粘度を10mPa・sとし、硬化後のゾル−ゲル材料の屈折率を1.90とすることができる。
硬化のためには、プレ硬化として90℃で5分間加熱し、本硬化として250℃で10分間加熱する。この本硬化のための加熱により、ゾル−ゲル材料に含まれる有機成分が除去されて無機材料のみが残る。
As the
For curing, heating is performed at 90 ° C. for 5 minutes as pre-curing, and heating is performed at 250 ° C. for 10 minutes as main curing. By this heating for the main curing, the organic component contained in the sol-gel material is removed and only the inorganic material remains.
20 シリコン基板
22 電子線描画用レジスト
22a レジストパターン
24 金型
26 製品基板
28 転写樹脂
28a 樹脂パターン
30 無機ゾル−ゲル材料
32,32a,32b 無機材料からなるサブ波長構造
34,34a,34b 周期的凹凸構造
46 無機材料層
20
Claims (11)
前記サブ波長構造を以下の工程(A)から(D)を含んで製造することを特徴とする光学素子の製造方法。
(A)前記基板表面に形状転写可能な樹脂層を形成する工程、
(B)前記サブ波長構造と同じ構造をもつ金型を前記樹脂層に押し当てて前記金型のサブ波長構造を反転したサブ波長構造を前記樹脂層に転写する工程を含んで、前記基板表面に前記金型のサブ波長構造の凹部に対応する凸部からなる前記樹脂によるサブ波長構造を形成する工程、
(C)前記基板表面に粘度が200mPa・s以下の無機又は有機・無機複合のゾル−ゲル材料を塗布して前記樹脂によるサブ波長構造の凹部を埋め、その後、塗布されたゾル−ゲル材料を完全にゲル化させて硬化させる工程、
(D)前記基板表面から前記樹脂を除去して硬化したゾル−ゲル材料によるサブ波長構造を前記基板表面に残す工程。 In a method of manufacturing an optical element having a subwavelength structure of a rectangular wave shape with a period smaller than the wavelength used of an inorganic material on at least one surface of a transparent substrate made of an inorganic material,
A method of manufacturing an optical element, wherein the sub-wavelength structure is manufactured including the following steps (A) to (D).
(A) forming a resin layer capable of shape transfer on the substrate surface;
(B) pressing the mold having the same structure as the sub-wavelength structure against the resin layer and transferring the sub-wavelength structure obtained by inverting the sub-wavelength structure of the mold to the resin layer, Forming a sub-wavelength structure with the resin comprising convex portions corresponding to the concave portions of the sub-wavelength structure of the mold,
(C) An inorganic or organic / inorganic composite sol-gel material having a viscosity of 200 mPa · s or less is applied to the substrate surface to fill the concave portion of the sub-wavelength structure with the resin, and then the applied sol-gel material is applied A process of completely gelling and curing,
(D) The process of leaving the subwavelength structure by the sol-gel material hardened | cured by removing the said resin from the said substrate surface on the said substrate surface.
前記金型として前記周期的凹凸構造の凸部に該当する部分が凹部となり、前記周期的凹凸構造の凹部に該当する部分に前記サブ波長構造と同じ構造をもつ金型を使用し、
前記工程(D)の後に以下の工程(E)から(G)をさらに含む請求項1から6のいずれか一項に記載の製造方法。
(E)前記基板表面を感光性材料層で被い、硬化したゾル−ゲル材料によるサブ波長構造が形成されている領域以外の前記感光性材料層を除去する工程、
(F)前記感光性材料層が除去された部分に前記ゾル−ゲル材料とは硬化後の屈折率が異なる第2のゾル−ゲル材料を塗布し、硬化させる工程、
(G)サブ波長構造が形成されている領域に残されていた前記感光性材料層を除去する工程。 The optical element is a periodic concavo-convex structure having a pitch larger than the wavelength of light to be used, and the concave portion of the concavo-convex structure is filled with the sub-wavelength structure,
A portion corresponding to the convex portion of the periodic concavo-convex structure becomes a concave portion as the mold, and a die having the same structure as the sub-wavelength structure is used in a portion corresponding to the concave portion of the periodic concavo-convex structure,
The manufacturing method according to any one of claims 1 to 6, further comprising the following steps (E) to (G) after the step (D).
(E) a step of covering the substrate surface with a photosensitive material layer and removing the photosensitive material layer other than the region where the sub-wavelength structure is formed by the cured sol-gel material;
(F) A step of applying and curing a second sol-gel material having a refractive index after curing different from that of the sol-gel material on the portion from which the photosensitive material layer has been removed,
(G) A step of removing the photosensitive material layer left in the region where the sub-wavelength structure is formed.
前記基板の反対側の表面に同じ方法を繰り返して一方の側の光学素子と位置を対応づけて前記サブ波長構造を有する光学素子を形成する製造方法。 After forming the optical element having the sub-wavelength structure on one surface of the substrate by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 10,
The manufacturing method which forms the optical element which has the said subwavelength structure by repeating the same method on the surface of the other side of the said board | substrate, matching an optical element of one side, and a position.
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