JP5081443B2 - 光学素子およびその製造方法、ならびに光学素子作製用複製基板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
凸部または凹部からなる構造体が可視光の波長以下の微細ピッチで基体表面に多数配置されてなる光学素子であって、
構造体は、隣接する3列のトラック間において準六方格子パターンを構成し、
構造体は、頂部の傾きが緩やかで中央部から底部に徐々に急峻な傾きの楕円錐形状または楕円錐台形状を有し、
楕円錐形状または楕円錐台形状は、トラックの方向に長軸方向をもち、
準六方格子パターンは、同一トラック内における構造体の配置ピッチP1が隣接する2つのトラック間における構造体の配置ピッチP2よりも長い、配置ピッチP1と配置ピッチP2とを辺とする準六方格子パターンであることを特徴とする光学素子である。
凸部または凹部からなる構造体が可視光の波長以下の微細ピッチで基板表面に多数配置されてなる光学素子作製用複製基板であって、
構造体は、隣接する3列のトラック間において準六方格子パターンを構成し、
構造体は、頂部の傾きが緩やかで中央部から底部に徐々に急峻な傾きの楕円錐形状または楕円錐台形状を有し、
楕円錐形状または楕円錐台形状は、トラックの方向に長軸方向をもち、
準六方格子パターンは、同一トラック内における構造体の配置ピッチP1が隣接する2つのトラック間における構造体の配置ピッチP2よりも長い、配置ピッチP1と配置ピッチP2とを辺とする準六方格子パターンであることを特徴とする光学素子作製用複製基板である。
凸部または凹部からなる構造体が可視光の波長以下の微細ピッチで基板表面に多数配置されてなる光学素子作製用複製基板の製造方法であって、
表面にレジスト層が形成された基板を準備する第1の工程と、
基板を回転させるとともに、レーザ光を基板の回転半径方向に相対移動させながら、レジスト層にレーザ光を間欠的に照射して、可視光の波長よりも短いピッチで潜像を形成する第2の工程と、
レジスト層を現像して、基板の表面にレジストパターンを形成する第3の工程と、
レジストパターンをマスクとするエッチング処理を施すことで、基板の表面に凹凸構造を形成する第4の工程と、
基板の凹凸構造を転写して複製基板を作製する第5の工程と
を有し、
第2の工程では、隣接する3列のトラック間において準六方格子パターンを構成するように潜像を形成し、
第4の工程では、頂部の傾きが緩やかで中央部から底部に徐々に急峻な傾きの楕円錐形状または楕円錐台形状を有する構造体を形成し、
楕円錐形状または楕円錐台形状は、トラックの方向に長軸方向をもち、
準六方格子パターンは、同一トラック内における潜像の配置ピッチP1が隣接する2つのトラック間における潜像の配置ピッチP2よりも長い、配置ピッチP1と配置ピッチP2とを辺とする準六方格子パターンであることを特徴とする光学素子作製用複製基板の製造方法。
凸部または凹部からなる構造体が可視光の波長以下の微細ピッチで基板表面に多数配置されてなる光学素子の製造方法であって、
表面にレジスト層が形成された基板を準備する第1の工程と、
基板を回転させるとともに、レーザ光を基板の回転半径方向に相対移動させながら、レジスト層にレーザ光を間欠的に照射して、可視光波長よりも短いピッチで潜像を形成する第2の工程と、
レジスト層を現像して、基板の表面にレジストパターンを形成する第3の工程と、
レジストパターンをマスクとするエッチング処理を施すことで、基板の表面に凹凸構造を形成する第4の工程と、
基板の複製基板を作製し、複製基板の凹凸構造の上に金属メッキ層を形成する第5の工程と、
金属メッキ層を複製基板から剥離して、凹凸構造が転写された成形金型を作製する第6の工程と、
成形金型を用いて凹凸構造が表面に形成された透明基体を成形する第7の工程と
を有し、
第2の工程では、隣接する3列のトラック間において準六方格子パターンを構成するように潜像を形成し、
第4の工程では、頂部の傾きが緩やかで中央部から底部に徐々に急峻な傾きの楕円錐形状または楕円錐台形状を有する構造体を形成し、
楕円錐形状または楕円錐台形状は、トラックの方向に長軸方向をもち、
準六方格子パターンは、同一トラック内における潜像の配置ピッチP1が隣接する2つのトラック間における潜像の配置ピッチP2よりも長い、配置ピッチP1と配置ピッチP2とを辺とする準六方格子パターンであることを特徴とする光学素子の製造方法。
図1Aは、本発明の実施形態による光学素子1の構成の一例を示す概略平面図である。図1Bは、図1Aに示した光学素子1の一部を拡大して表す平面図である。図1Cは、図1Bに示した構造体3に対応する潜像をパターニングする際に用いられる信号の波形を示す。図2は、図1Aに示した光学素子1の一部を拡大して表す斜視図である。
次に、以上のように構成される光学素子の製造方法の一例について説明する。この光学素子の製造方法は、原盤の製造工程と、複製基板の製造工程と、成形金型の製造工程と、光学素子の作製工程と、切り出し工程とを有する。以下、図3〜図7を参照しながら、これらの工程を順次説明する。
まず、図3Aに示すように、ディスク状(円盤状)の基板11を準備する。この基板11は、例えば石英基板などである。次に、図3Bに示すように、基板11の表面にレジスト層12を形成する。レジスト層12は、例えば有機系レジストまたは無機系レジストからなる。有機系レジストとしては、例えばノボラック系レジストや化学増幅型レジストを用いることができる。また、無機系レジストとしては、例えばタングステンやモリブデンなどの1種または2種以上の遷移金属からなる金属酸化物が好適である。
次に、作製した原盤15の凹凸構造面に紫外線硬化樹脂などの光硬化樹脂を塗布し、その上にアクリル板などの透明基板16aを重ねて配置する。そして、透明基板16aの上から紫外線などを照射し光硬化樹脂を硬化させた後、原盤15から剥離する。これにより、図6Aに示すように、透明基板16aの一主面に光硬化樹脂からなる凸部16bが設けられ、複製基板16が作製される。
次に、作製した複製基板16の凹凸構造面に導電化膜を無電界メッキ法により形成した後、電界メッキ法によって金属メッキ層を形成する。これら無電解メッキ膜および電界メッキ層の構成材料には、例えばニッケル(Ni)が好適である。そして、金属メッキ層の形成後、複製基板16から金属メッキ層を剥離し、必要に応じて外形加工を施する。これにより、図6Bに示すように、凹部17aが一主面に設けられた成形金型17が作製される。
次に、作製した成形金型17を射出成形機の所定位置に設置し、金型を閉じキャビティを形成した後、ポリカーボネートなどの溶融樹脂を充填する。次に、溶融樹脂を冷却した後に金型を開き、固化した樹脂を取り出す。これにより、図6Cに示したように、構造体3が基体2の一主面に一体形成されたディスク状基板1Wが作製される。
次に、ディスク状基板1Wを所定の製品サイズに応じて切り出す。例えば、ディスク状基板1Wが直径200mmを有する円形状である場合、図7Aに示すように、ディスク状基板1Wから携帯電話機用(例えば横2.5インチ)の光学素子1を4枚、あるいは、図7Bに示すように、ディスク状基板1Wから携帯ゲーム装置用(例えば横4.3インチ)の光学素子1を2枚切り出すことができる。以上により、図1に示す光学素子1が作製される。
[原盤の作製]
石英基板11上に、化学増幅型またはノボラック系ポジ型レジスト層12を厚さ150nm程度塗布し、このレジスト層12に、図5に示した露光装置を用いて準六方格子パターンの潜像12aを形成した。レーザ光13の波長は266nm、レーザパワーは0.50mJ/mとした。なお、レジスト層12に対するレーザ光13の照射周期を1トラック毎に変化させた。その後、レジスト層12に対して現像処理を施して、準六方格子状のレジストパターンを作製した。現像液としては、無機アルカリ性現像液(東京応化社製)を用いた。
次に、作製したサブ波長構造体石英マスター15上に紫外線硬化樹脂を塗布した後、アクリル板16aを紫外線硬化樹脂上に密着させた。そして、紫外線を照射して紫外線硬化樹脂を硬化させ、石英マスター15から剥離した。以上により、準六方格子状に凸部16bが配置されたサブ波長構造体紫外線硬化複製基板16が作製された。
まず、ポリカーボネートからなる、屈折率1.59の基板16aを用いる以外は実施例1と同様にして、準六方格子状に凸部16bが配置されたサブ波長構造体紫外線硬化複製基板16を作製した。次に、作製したサブ波長構造体石英マスター15上に紫外線硬化樹脂を再び塗布し、サブ波長構造体紫外線硬化複製基板16の平面側を紫外線硬化樹脂上に密着させた。そして、紫外線を照射して紫外線硬化樹脂を硬化させ、石英マスター15から剥離した。以上により、凸部16bが両面に設けられたサブ波長構造体紫外線硬化複製基板16が作製された。
サブ波長構造体石英マスター(原盤)15の作製工程におけるアッシング時間およびエッチング時間を変える以外は実施例1と同様にして、サブ波長構造体紫外線硬化複製基板16を作製した。
サブ波長構造体石英マスター(原盤)15の作製工程におけるアッシング時間およびエッチング時間を変える以外は実施例1と同様にして、サブ波長構造体紫外線硬化複製基板16を作製した。
(1)光ディスク記録装置を応用した露光装置を用いて、サブ波長構造体3を一主面に有する光学素子1を作製することができる。
(2)石英マスターのエッチング工程において、アッシングとエッチングとを繰り返し交互に行うと共に、エッチングの時間を徐々に長くすることにより、サブ波長構造体3の形状を、頂部の傾きが緩やかで中央部から底部に徐々に急峻な傾きの楕円錐形状にできる。
(3)レジスト層12に対するレーザ光13の照射周期を1トラック毎に変化させることにより、楕円錐形状のサブ波長構造体3を準六方格子状に形成できる。
なお、凸部16bの円周方向の高さは半径方向の高さよりも小さく、また、凸部16bの円周方向以外の部分の高さが半径方向の高さとほぼ同一であったことから、凸部16bの高さを半径方向の高さで代表した。
また、平均周期Pは以下の式(1)により定義される。
平均周期P=(P1+P2+P2)/3=(330+300+300)/3=310 ・・・(1)
上述のようにして作製した実施例1〜4の複製基板の反射率および透過率を測定した。なお、反射率および透過率の測定には、紫外可視分光光度計(日本分光社株式会社製、商品名:V−500)を用いた。その測定結果を図9〜12に示す。
(a)実施例1
(a−1)反射特性(図9A参照)
反射率は波長依存性を有しており、微小振幅のサイン波形状を示しているが実用上問題はない。なお、図13に示すように、サブ波長構造体3を釣鐘状楕円錐体にしたときには、微小振幅のサイン波の波長依存はあるが長波長領域において反射率が増加しないことがRCWAシミュレーションにより確認されている。また、反射率の平均は0.2%以下であり、NTTアドバンステクノロジ株式会社製の複製基板の無反射効果(反射率0.3%以下)より優れた特性が得られている。さらに、反射率の角度依存性も少なく、入射角±40度までは平均反射率が0.2%以下であり、入射角±50度で平均反射率が0.5%であり、入射角±60度で平均反射率が1.5%である。すなわち、非常に優れた入射角特性が得られている。
透過率は波長依存性を有するが、良好な特性が得られている。例えば、入射角0度の透過率は波長依存性を有するが、波長420〜800nmの範囲では平均透過率は95〜96%であり、十分な特性が得られている。また、裏面反射が3.5%程度あるが、基板の両主面に釣鐘型楕円錐形状の凸部(サブ波長構造体)を形成する、または発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)などの光源基板に釣鐘型楕円錐形状を直接形成することで、波長420〜800nmの範囲では平均透過率99%を達成可能である。入射角依存性は少なく、入射角±20度まで波長450〜800nmの範囲では平均透過率が95〜96%であり、LEDなどの導光板としては十分な特性が得られている。
(b−1)反射特性(図10A参照)
実施例1と同様の波長依存性と反射特性が得られる。この結果から、実施例1と実施例2とは凹凸構造面について同様な転写性である。
両面にサブ波長構造体を設けた実施例2では、裏面反射が無いため、透過特性はさらに向上している。透過率は波長依存性を有するが、良好な特性が得られている。例えば、入射角0度の透過率は波長依存性を有しているが、波長420〜800nmの範囲では透過率99%が得られている。
(c−1)反射特性(図11A、図12A参照)
実施例3,4では、実施例1よりアスペクト比が小さいが、長波長領域において反射率の増加はなく、反射率の平均が0.25%以下である。また、角度依存性も少なく、入射角±40度まで平均反射率が0.25%以下であり、非常に優れた良い入射角特性を示している。すなわち、実施例1と同様な優れた無反射特性が得られている。
実施例3,4では、透過率(入射角0度)に波長依存性があるが、波長420〜800nmの範囲では平均透過率が95〜96%であり、十分な特性が得られている。すなわち、実施例1と同様な優れた透過率特性が得られている。
[原盤の作製・複製基板の作製]
まず、原盤の作製および複製基板の作製を実施例1と同様にして行い、サブ波長構造体紫外線硬化複製基板16を作製した。
次に、作製したサブ波長構造体紫外線硬化複製基板16の凹凸パターン上に、無電界メッキ法によりニッケル皮膜でなる導電化膜を形成した。そして、導電化膜層が形成された複製基板を電鋳装置に設置し、電気メッキ法により導電化膜上に300±5μm程度の厚さのニッケルメッキ層を形成した。続いて、複製基板からニッケルメッキ層をカッターなどを用いて剥離した後、転写された凹凸構造面をアセトンで洗浄し、凹部準六方格子パターンを有するサブ波長構造体Ni金属マスター(成形金型)17を作製した。
次に、作製したサブ波長構造体Ni金属マスター17を用いてポリカーボネート樹脂の射出成形基板を作製し、表面に凸部準六方格子パターンを有するサブ波長構造体成形複製基板1Wを得た。その後、この複製基板1Wを所定サイズに切り出して、光学素子1を作製した。
上述のようにして作製した光学素子1を走査型電子顕微鏡(SEM:scanning electron microscope)により観察を行った。その結果、実施例1と同様の形状および配置を有するサブ波長構造体3が基体2の表面に形成されていることが分かった。
1W ディスク状基板
2 基体
3 構造体
11 基板
12 レジスト層
12a 潜像
13 露光ビーム
14 現像液
15 原盤
16 透明基板
17 成形金型
21 レーザ
22 EOM
23,31,34 ミラー
24 PD
25 変調光学系
26 集光レンズ
27 AOM
28 コリメータレンズ
29 フォーマッタ
30 ドライバ
32 移動光学テーブル系
33 BEX
35 対物レンズ
36 スピンドルモータ
L レーザ光
Claims (10)
- 凸部または凹部からなる構造体が可視光の波長以下の微細ピッチで基体表面に多数配置されてなる光学素子であって、
上記構造体は、隣接する3列のトラック間において準六方格子パターンを構成し、
上記構造体は、頂部の傾きが緩やかで中央部から底部に徐々に急峻な傾きの楕円錐形状または楕円錐台形状を有し、
上記楕円錐形状または楕円錐台形状は、上記トラックの方向に長軸方向をもち、
上記準六方格子パターンは、同一トラック内における上記構造体の配置ピッチP1が隣接する2つのトラック間における上記構造体の配置ピッチP2よりも長い、上記配置ピッチP1と上記配置ピッチP2とを辺とする準六方格子パターンであることを特徴とする光学素子。 - 上記構造体は、上記基体表面において複数列の円弧状トラックをなすように配置されていることを特徴とする請求項1記載の光学素子。
- 凸部または凹部からなる構造体が可視光の波長以下の微細ピッチで基板表面に多数配置されてなる光学素子作製用複製基板であって、
上記構造体は、隣接する3列のトラック間において準六方格子パターンを構成し、
上記構造体は、頂部の傾きが緩やかで中央部から底部に徐々に急峻な傾きの楕円錐形状または楕円錐台形状を有し、
上記楕円錐形状または楕円錐台形状は、上記トラックの方向に長軸方向をもち、
上記準六方格子パターンは、同一トラック内における上記構造体の配置ピッチP1が隣接する2つのトラック間における上記構造体の配置ピッチP2よりも長い、上記配置ピッチP1と上記配置ピッチP2とを辺とする準六方格子パターンであることを特徴とする光学素子作製用複製基板。 - 凸部または凹部からなる構造体が可視光の波長以下の微細ピッチで基板表面に多数配置されてなる光学素子作製用複製基板の製造方法であって、
表面にレジスト層が形成された基板を準備する第1の工程と、
上記基板を回転させるとともに、レーザ光を上記基板の回転半径方向に相対移動させながら、上記レジスト層にレーザ光を間欠的に照射して、可視光の波長よりも短いピッチで潜像を形成する第2の工程と、
上記レジスト層を現像して、上記基板の表面にレジストパターンを形成する第3の工程と、
上記レジストパターンをマスクとするエッチング処理を施すことで、上記基板の表面に凹凸構造を形成する第4の工程と、
上記基板の凹凸構造を転写して複製基板を作製する第5の工程と
を有し、
上記第2の工程では、隣接する3列のトラック間において準六方格子パターンを構成するように上記潜像を形成し、
上記第4の工程では、頂部の傾きが緩やかで中央部から底部に徐々に急峻な傾きの楕円錐形状または楕円錐台形状を有する構造体を形成し、
上記楕円錐形状または楕円錐台形状は、上記トラックの方向に長軸方向をもち、
上記準六方格子パターンは、同一トラック内における上記潜像の配置ピッチP1が隣接する2つのトラック間における上記潜像の配置ピッチP2よりも長い、上記配置ピッチP1と上記配置ピッチP2とを辺とする準六方格子パターンであることを特徴とする光学素子作製用複製基板の製造方法。 - 上記第4の工程では、上記レジストパターンをマスクとするエッチング処理と上記レジストパターンに対するアッシング処理とを繰り返し行うと共に、エッチング処理時間を徐々に長くすることを特徴とする請求項4記載の光学素子作製用複製基板の製造方法。
- 上記第5の工程では、上記基板の表面に光硬化樹脂層を形成した後、該光硬化樹脂層を剥離し、上記凹凸構造が転写された複製基板を作製することを特徴とする請求項4記載の光学素子作製用複製基板の製造方法。
- 凸部または凹部からなる構造体が可視光の波長以下の微細ピッチで基板表面に多数配置されてなる光学素子の製造方法であって、
表面にレジスト層が形成された基板を準備する第1の工程と、
上記基板を回転させるとともに、レーザ光を上記基板の回転半径方向に相対移動させながら、上記レジスト層にレーザ光を間欠的に照射して、可視光波長よりも短いピッチで潜像を形成する第2の工程と、
上記レジスト層を現像して、上記基板の表面にレジストパターンを形成する第3の工程と、
上記レジストパターンをマスクとするエッチング処理を施すことで、上記基板の表面に凹凸構造を形成する第4の工程と、
上記基板の複製基板を作製し、上記複製基板の凹凸構造の上に金属メッキ層を形成する第5の工程と、
上記金属メッキ層を上記複製基板から剥離して、上記凹凸構造が転写された成形金型を作製する第6の工程と、
上記成形金型を用いて上記凹凸構造が表面に形成された透明基体を成形する第7の工程と
を有し、
上記第2の工程では、隣接する3列のトラック間において準六方格子パターンを構成するように上記潜像を形成し、
上記第4の工程では、頂部の傾きが緩やかで中央部から底部に徐々に急峻な傾きの楕円錐形状または楕円錐台形状を有する構造体を形成し、
上記楕円錐形状または楕円錐台形状は、上記トラックの方向に長軸方向をもち、
上記準六方格子パターンは、同一トラック内における上記潜像の配置ピッチP1が隣接する2つのトラック間における上記潜像の配置ピッチP2よりも長い、上記配置ピッチP1と上記配置ピッチP2とを辺とする準六方格子パターンであることを特徴とする光学素子の製造方法。 - 上記第7の工程の後、上記透明基体を所定サイズに切り出す第8の工程をさらに有する
ことを特徴とする請求項7記載の光学素子の製造方法。 - 上記第4の工程では、上記レジストパターンをマスクとするエッチング処理と上記レジストパターンに対するアッシング処理とを繰り返し行うと共に、エッチング処理時間を徐々に長くすることを特徴とする請求項7記載の光学素子の製造方法。
- 上記第5の工程では、上記基板の表面に光硬化樹脂層を形成した後、該光硬化樹脂層を剥離し、上記凹凸構造が転写された複製基板を作製することを特徴とする請求項7記載の光学素子の製造方法。
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