JP5171214B2

JP5171214B2 - フォトニック結晶を用いた波長板の製造方法

Info

Publication number: JP5171214B2
Application number: JP2007289544A
Authority: JP
Inventors: 和憲藤井
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 2007-11-07
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2027-11-07
Also published as: JP2009116077A

Description

本発明は、ＤＶＤやＣＤ、ＢＤ（Blu-ray Disc：登録商標）、ＨＤ−ＤＶＤ（High-Definition DVD）等の光ピックアップにおいて、１／４波長板や１／２波長板として使用されるフォトニック結晶を用いた波長板を製造する方法に関するものである。

従来のこの種の１／４波長板（位相差９０ｄｅｇ）、１／２波長板（位相差１８０ｄｅｇ）としては、水晶や樹脂フィルム等からなる波長板があった。この波長板の製造方法としては、従来、樹脂フィルムおよび水晶を用いたものが製品化されている。

例えば、特許文献１には、１／４波長板として機能する波長板を得るために、波長λの単色に対して位相差αの水晶波長板と位相差βの水晶波長板とを光軸が交差するように貼り合わせて、全体として機能するようにした積層波長板が記載されており、また、特許文献２には、波長λの単色光に対して位相差αの波長板と位相差βの波長板とを光軸が交差するように貼り合わせて、全体として１／４波長板として機能する積層波長板において、一方の波長板の材料を複屈折性を有するフィルムとし、他方の波長板の材料を水晶としたことが記載されている。

このような波長板を用いて、音楽や映像関連情報を光学記録媒体であるＣＤやＤＶＤ、さらに近年ではＢＤやＨＤ−ＤＶＤ等を、直線偏光や円偏光等のレーザー光を利用し記録および再生を行う光ディスク装置が幅広く利用されている。中でも各記録媒体のコンパチブル（互換性）が可能な光ディスク装置の普及と共に装置の小型化の要求も高まり、光学部品点数の削減等の簡素化による装置小型化が要求されている。

特許文献１に記載されるような波長板に用いる水晶は、一軸性の異方性結晶として用いていることから、光学軸を平面内に設定して切断・研磨することで形成されている。そして、１／２波長板や１／４波長板をこれらの水晶により製作する場合、位相差は屈折率差（Δｎ）×板厚であって、厚さが数十μｍ以下となり、研磨による製作が困難で、さらには取り扱いが不便である。このため、半波長の奇数倍の厚さにする方法、あるいは厚さの差が半波長の位相差を与える２枚の素子を互いに光軸をずらし貼り合わせる方法があるが、前者は動作波長範囲が狭い、後者は製作工程が煩雑である等の問題がある。

また、特許文献２のように、樹脂フィルムにより製作される波長板は設計の自由度があり比較的容易に製作可能であるために、大面積化および低コスト化が進み液晶ディスプレイをはじめ広く用いられている。しかし水晶のみにより製作される波長板に対して耐熱性および高出力光源等での耐光性に劣るという問題があった。

このため、特許文献３，４に記載されるようなフォトニック結晶を用いた波長板は、微小な凹凸形状（Ｌ／Ｓ形状：ライン＆スペース）を形成した基板（例えば、石英、テンパックス、パイレックス（登録商標）、白板、ＢＫ７他、光学ガラス全般）に対して、使用波長において透明である屈折率の異なる２種類以上の層を周期的に積層することで製造されるために設計の自由度が高く、基板および層を形成する材料を無機材料とすることで耐熱性および耐光性および低コスト化に優れている。

また、光ビームを出射する光源と、光学軸を有する波長板と、波長板を透過した光ビームを透過および分光させる偏光ビームスプリッタと、光ビームの一部を遮るアパーチャとを有する光ピックアップを調整する光ピックアップ調整方法において、波長板の回転角度を調整することで、光源から出射する光量と偏光ビームスプリッタおよび他の光学部品を透過する光量との比率を所定値に合わせ、光ピックアップの光結合効率のばらつきを抑える光ピックアップが記載されている（特許文献５参照）。
国際公開第０３／０９１７６８号パンフレット特開２００４−３５４９３６号公報特開２００１−５１１２２号公報特許第３２８８９７６号公報特開２００５−１３５４９１号公報特開２００５−２５６１１９号公報

しかしながら、前述したフォトニック結晶を用いた波長板において、波長板の特性である位相差が、例えば１／４波長あるいは１／２波長という位相差を得ようとした場合に、水晶の波長板であれば、例えば位相差を確認しながら研磨による厚さの調整にて位相差の合わせ込みが可能である。しかし、フォトニック結晶を用いた波長板の場合、スパッタリングに代表される真空装置にて薄膜を積層するために、製作途中で位相差を確認しながら調整することは困難であり、加工後に所望の位相差が得られない場合は製品として使用することは困難であった。さらに、加工後に位相差を調整するために再度、薄膜を積層することは可能であるが、この場合においても、所望の位相差に達成することは難しく、製造歩留りが悪いという問題があった。

本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、フォトニック結晶を用いた波長板に有する設計の自由度が高く、耐熱性および耐光性に優れた特長を生かしつつ、製造歩留りを向上させたフォトニック結晶を用いた波長板の製造方法を提供することを目的とする。

まず、この発明の方法により製造される波長板を説明する。
この発明の波長板は、基本的に、一方向に周期凹凸構造を有する透明基板と、屈折率の異なる２種類以上の透明体を周期凹凸構造上に積層した多層膜よりなる積層周期構造体とを備え、透明基板上に積層周期構造体を形成してなるフォトニック結晶波長板であり、所望の位相差を高精度で得るための基準が設けられている。

また、このフォトニック結晶を用いた波長板は、波長板の透明基板が、一方向の周期凹凸構造を両側の面に有し、周期凹凸構造上に屈折率の異なる２種類以上の透明体を積層した多層膜よりなる積層周期構造体を形成した構成であることができる。

上記フォトニック結晶を用いた波長板は、透明基板と積層周期構造体の多層膜との中間に反射防止機能を形成することができ、積層周期構造体となる多層膜の表面に反射防止機能を形成することもできる。

この場合の反射防止機能は、１種類もしくは複数種類の透明体よりなり単層もしくは複数層の光学薄膜であることができる。

上述の波長板は、所望の位相差とするために、方位軸方向に回転させて切り出されるが、積層周期構造体となる多層膜として積層する透明体を、ＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ3およびＴａ_２Ｏ_５およびＮｂ_２Ｏ_５およびＴｉＯ_２のいずれかにより構成することができる。

請求項１記載のフォトニック結晶を用いた波長板の製造方法は、一方向に周期凹凸構造を有する透明基板と、屈折率の異なる２種類以上の透明体を前記周期凹凸構造上に積層した多層膜よりなる積層周期構造体とを備え、前記透明基板上に前記積層周期構造体を形成してなり、所望の位相差のフォトニック結晶波長板を製造する方法であって、透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程と、積層周期構造体として周期凹凸構造上に屈折率の異なる２種類以上の透明体を積層して多層膜を形成する工程と、透明基板上に積層周期構造体を形成したフォトニック結晶波長板の位相差を測定する工程と、所望の位相差とするためフォトニック結晶波長板を方位軸方向に回転して基準を設定する工程とからなる。
前記「位相差を測定する工程」は、位相差測定器を用いて測定し、位相差測定器に対して、前記フォトニック結晶波長板を回転させて、前記所望の位相差を与えるときの回転角：θｃを測定して基準調整値：Δθｃとする工程である。
また、前記「基準を設定する工程」は、前記透明基板に予め形成されたオリエンタルフラットを基準として、前記フォトニック結晶波長板を方位軸方向に基準調整値：Δθｃだけ回転して、波長板の基準を設定する工程である。

また、請求項２に記載したフォトニック結晶を用いた波長板の製造方法は、請求項１の製造方法における透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程において、透明基板の両方の面に周期凹凸構造を形成し、周期凹凸構造上に屈折率の異なる２種類以上の透明体を積層した多層膜よりなる積層周期構造体を設けてフォトニック結晶波長板を形成することを特徴とする。

また、請求項３、４に記載したフォトニック結晶を用いた波長板の製造方法は、請求項１、２の製造方法のフォトニック結晶波長板において、透明基板と積層周期構造体の多層膜との中間に反射防止機能を形成する工程を設けたこと、またさらに、積層周期構造体となる多層膜の表面に反射防止機能を形成する工程を設けたことを特徴とする。

また、請求項５に記載したフォトニック結晶を用いた波長板の製造方法は、請求項１１，１２の製造方法における反射防止機能が、１種類もしくは複数種類の透明体よりなり単層もしくは複数層の光学薄膜であることを特徴とする。

また、請求項６、７に記載したフォトニック結晶を用いた波長板の製造方法は、請求項１〜５の製造方法のフォトニック結晶波長板において、所望の位相差とするために、方位軸方向に回転させて切り出す工程を設けたこと、さらに、積層周期構造体となる多層膜として積層する透明体が、ＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ₃およびＴａ_２Ｏ_５およびＮｂ_２Ｏ^５およびＴｉＯ_２のいずれかにより構成されることを特徴とする。

この発明によれば、透明基板上にフォトニック結晶を用いた多層膜を積層して製作する波長板において、従来の「歩留りの問題」を解決し、所望する位相差を実現できる波長板の製造方法を提供することができる。

本発明によれば、フォトニック結晶を用いた波長板に有している設計の自由度が高く、耐熱性および耐光性に優れた特長を生かしつつ、製造歩留りを向上させたフォトニック結晶を用いた波長板の製造方法を提供することができるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態におけるフォトニック結晶の構造を示す図であり、一方向の周期凹凸構造がわかるように連続する周期構造と直行する方向から見た断面図である。図１の構造は横方向（ｘ方向）と縦方向（ｚ方向）に周期性があり、図示されない奥行方向（ｙ方向）では周期性がない。

図１において、１は透明基板であり一方向の周期凹凸構造が形成されている。２は積層周期構造の多層膜４の一部分にあたる低屈折率層である。３は積層周期構造の多層膜４の一部分にあたる高屈折率層である。このような周期構造は軸方向への周期性の違いにより１軸方向への周期性を持つ構造体であれば一次元フォトニック結晶となり、光学薄膜を多層に積層して作られるダイクロイックフィルターやＰＢＳフィルター等が古くから知られている。２軸方向への周期性を持つ構造体であれば二次元フォトニック結晶となり、図１の構造はこの二次元フォトニック結晶である。３軸方向への周期性を持つ構造体であれば三次元フォトニック結晶となり、光学軸が複数方向へ立体的に存在する構造体である。

本発明で製造対象とするフォトニック結晶は波長板としての機能を有するが、二次元フォトニック結晶の場合は主に次に述べるパラメータにより光学特性が決定される。図１において、
１．透明基板１の屈折率
２．低屈折率層２の屈折率
３．低屈折率層２の膜厚ｄＬ
４．高屈折率層３の屈折率
５．高屈折率層３の膜厚ｄＨ
６．周期凹凸構造の周期Ｐ
７．周期凹凸構造（Ｖ字状）の傾斜θｖ
を基本として、さらには
８．高屈折率層３と低屈折率層２の積層する層数もしくは周期数
９．積層周期毎の膜厚ｄＬおよび膜厚ｄＨ
以上により構成されるパラメータを所望の特性が得られる値に整合させる。

また、本実施形態では、積層する透明薄膜は低屈折率材と高屈折率材の組み合わせを基本としているが、例えば、ＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２とＮｂ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３とＴａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３とＮｂ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３とＴｉＯ_２等の組み合わせであっても良い。

フォトニック結晶は周期凹凸構造が形成された透明基板１を、例えばエッチング源を有する図２に示す成膜装置に導入する。この成膜装置は図２の概略図に示すようにターゲットをスパッタリングして、基板にターゲットの材料の薄膜を形成する成膜装置であって、真空槽１０、真空槽１０内に設けられた円筒形の基板ホルダー１１、エッチング源１２、および真空槽１０の内部に設けられ遮蔽板で区画された第１のターゲット１３、第２のターゲット１４、反応源１５を有する。真空槽１０の内部は、図示していない排気系で排気されて、高真空状態に保たれている。円筒形の基板ホルダー１１は、所定の回転速度で回転可能であり、基板ホルダー１１の外周には、単数または複数の透明基板１を保持することができる（特許文献６：図３参照）。

この成膜装置に導入した、透明基板１上の矩形形状の周期凹凸構造にエッチング加工を行いＶ字状の周期凹凸構造とする。さらに高屈折率材の原材料（第１のターゲット）をスパッタリング（成膜）し前述の透明基板１上に所望の膜厚となるよう高屈折率層３を形成する。このとき、同時にエッチング源を作動させてプラズマによるエッチング効果を作用させ基板に形成させたＶ字状の周期凹凸構造と同一の形状に整形する。

続けて低屈折率材の原材料（第２のターゲット）をスパッタリング（成膜）し前述の透明基板１上に所望の膜厚となるよう低屈折率層２を形成する。このとき、前述のエッチング源を同時に作動させてプラズマによるエッチング効果を作用し基板に形成させたＶ字状の周期凹凸構造と同一の形状に整形する。以降、目的の積層数に達するまで前述の高屈折率材と低屈折率材の成膜を繰り返すが、各層の膜厚は設計値に基づいた膜厚に制御しフォトニック結晶を製作する。

また、反射防止機能を得ようとした場合、図１に示す透明基板１と多層膜４の境界面の反射防止、多層膜４と表面媒質（主に空気）との境界の反射防止が存在し、製造方法においては分類すると２種類の方法がある。第１の方法は透明基板１表面もしくは透明基板１へ積層される周期構造で最初の層の表面形成後にエッチング源を作動させてエッチング源の印加エネルギーを高出力側に設定し、表面の粗さ（ラフネス）を持たせることで微細な凹凸のうねりが形成され、この構造により反射防止機能が得られる。同様に多層膜４の最終層表面に対しても表面の粗さ（ラフネス）を持たせることで微細な凹凸のうねりが形成され反射防止機能が得られる技術である。

第２の方法は透明基板１と多層周期構造の間に反射防止効果に有効となる膜厚で構成された反射防止膜を形成する。この場合、反射防止膜の材質（屈折率）は多層周期構造と同じ低屈折率材料および高屈折率材料での構成も可能であり、透明基板１と多層膜４の境界面の反射防止の場合には透明基板１の屈折率と多層周期構造の膜厚および屈折率により反射防止膜の屈折率と膜厚および積層数が決定される。さらには多層膜４と表面媒質（主に空気）との境界の反射防止についても多層周期構造の膜厚および屈折率と表面媒質の屈折率により反射防止膜の屈折率と膜厚および積層数が決定される。また、反射防止膜は多層周期構造以外の材料で構成することも可能であり、この場合にも透明基板１の屈折率と多層周期構造の膜厚および屈折率もしくは多層周期構造の膜厚および屈折率と表面媒質の屈折率により反射防止膜の屈折率と膜厚および積層数が決定される。

このようにして製作されたフォトニック結晶波長板を測定器にて位相差を測定する。測定器は位相差測定器を用いて測定され、セナルモン法と呼ばれる測定原理に基づいて位相差を検出している。位相差測定器の構成は光源、偏光子、１／４波長板、検光子、ディテクタより構成され、偏光子と１／４波長板の光路中間にフォトニック結晶波長板を配置する。この状態で偏光子と検光子は光学軸が直交位置（クロスニコル状態）にあり偏光子により直線偏光となった光は、対角位置に置かれたフォトニック結晶の複屈折により偏光状態が変化し、一般には楕円偏光となりこの偏光された光が偏光子と同じ進相軸の１／４波長板を通過するときに傾き（θｄｅｇ）を持った直線偏光に変換され、この傾き（θｄｅｇ）を検光子を回転させることで得られる消光位置により求める。この測定原理により得られる傾き（θｄｅｇ）を（数１）により解析して位相差が得られることとなる。
（数１）
位相差（δ）＝（λ／１８０）×θｄｅｇ
λは光の波長であり位相差測定器で用いる光源の測定に使用した波長となる。

前記の位相差測定器を用いてフォトニック結晶波長板の位相差を測定し位相差を求めるが、フォトニック結晶波長板の基板にはあらかじめオリエンタルフラット（ＯＦ）が形成されていてこのオリエンタルフラットを基準として位相差を測定する。このとき、例えば測定波長（使用波長）が４０５ｎｍで位相差が９０ｄｅｇ（１／４波長）のフォトニック結晶波長板を設計して製作した場合に、位相差測定値が目標９０．０ｄｅｇに対して狙いどおり９０．０ｄｅｇとなった場合はオリエンタルフラットを角度０度基準として、波長４０５ｎｍに対応する位相差９０ｄｅｇの１／４波長板となる。

しかしながら高精度な加工精度にて製作されるフォトニック結晶波長板でも位相差を設計どおりにしかも小さい誤差で製作することは困難で、例えば位相差９０．０ｄｅｇで誤差が測定器の仕様性能以下の性能を連続して生産することは困難である。本発明の特徴である、位相差を非常に小さい誤差で製作される波長板を効率よく低価格にて提供するための構造と工法を以下に述べる。

前出の位相差測定器を用いてフォトニック結晶波長板のオリエンタルフラット（ＯＦ）を基準として位相差を求めるが、このとき位相差測定値が目標９０．０ｄｅｇに対して例えば９０．５ｄｅｇとなったフォトニック結晶波長板は、位相差測定器上で１／４波長板を位相差９０．０ｄｅｇに対応する４５ｄｅｇに固定し、測定器の測定結果が位相差９０．０ｄｅｇとなるよう基板上のオリエンタルフラットを基準として、フォトニック結晶波長板を固定した回転ステージを回転し消光位置を求める。

このときにオリエンタルフラットを基準とした回転ステージの回転角（θｃ）を測定し基準調整値（Δθｃ）とする。このフォトニック結晶波長板を使用する際に組み込まれる光学系の基準に対して基準調整値（Δθｃ）を補正値とし、フォトニック結晶波長板を回転調整することで高精度の位相差が得られる。

また、上記の位相差９０．５ｄｅｇのフォトニック結晶波長板で基準調整値（Δθｃ）を用いて大型基板から小型チップへの切り出しによる位相差特性の基準位置とチップ化されるフォトニック結晶波長板の外形基準を整合させることが可能である。図３に示すように、位相差測定を終えたフォトニック結晶波長板８をダイシング装置に装着し波長板への入射側光軸もしくは出射側光軸に対するチップ（波長板７）の外形９に対応する切断方向に対し基準調整値（Δθｃ）の角度を補正して切断することで、位相差の基準位置とチップ化されるフォトニック結晶波長板の外形基準を整合され、位相差９０．０ｄｅｇの波長板７が得られる。

ここで、本実施形態について、具体的な実施例を挙げ説明する。まず、実施例１において使用する透明基板は、石英基板に電子線レジストを塗布し電子線描画にて微細なラインを描画し、レジストを現像した後にドライエッチングを実施した微細加工において、一方向の周期凹凸構造を形成した透明基板を製作する。この透明基板の溝の幅は２００ｎｍ、溝の深さは１００ｎｍである。図２に示す成膜装置にて前述の透明基板１を基板ホルダー１１に保持し、装置内の真空槽１０を１×１０^−４Ｐａ以下に排気した。エッチング源１２にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを透明基板１に照射し、透明基板１の矩形形状をＶ字状の周期凹凸構造に加工する（図１参照）。このときＡｒガスを１００ｓｃｃｍ導入しエッチング源１２には２．５ｋｗの電力を供給した。

続いて、第１のターゲット１３（Ｓｉターゲット）近傍からＡｒガスを２００ｓｃｃｍ導入し、第１のターゲット１３のカソードに７ｋｗの電力を導入し、Ｓｉ膜を極薄く透明基板１上に成膜する。このときＳｉの成膜と同時に、反応源１５（酸化源）に酸素１００ｓｃｃｍを導入し、さらに５ｋｗの電力を供給して酸素プラズマおよびラジカルを透明基板１上に照射して、透明基板１上のＳｉを酸素化反応させてＳｉＯ_２の薄膜を形成する。その後、エッチング源１２にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを透明基板１上に形成されたＳｉＯ_２薄膜に照射して、Ｖ字状の周期凹凸構造に成型する。このときのＳｉＯ_２薄膜の膜厚は５０ｎｍとなるように調整し成膜を実施した。

また、第２のターゲット１４（Ｔａターゲット）近傍からＡｒガスを２００ｓｃｃｍ導入し、第２のターゲット１４のカソードに５ｋｗの電力を導入し、Ｔａ膜を極薄く透明基板１上に成膜する。このときＴａの成膜と同時に、反応源１５（酸化源）に酸素１００ｓｃｃｍを導入し、さらに５ｋｗの電力を供給して酸素プラズマおよびラジカルを透明基板１上に照射して、透明基板１上のＴａを酸素化反応させてＴａ_２Ｏ_５の薄膜を形成する。その後、エッチング源にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを基板上に形成されたＴａ_２Ｏ_５薄膜に照射して、Ｖ字状の周期凹凸構造に成型する。このときのＴａ_２Ｏ_５薄膜の膜厚は５０ｎｍとなるように調整し成膜を実施した。

上記ＳｉＯ_２薄膜およびＴａ_２Ｏ_５薄膜を成型する工程を交互に３０回繰り返し、最後にＳｉＯ_２薄膜の成型工程を行って、合計６１層の多層の成膜を実施した。

上記のように透明基板１上に多層膜を成膜したフォトニック結晶波長板を位相差測定器で、フォトニック結晶波長板のオリエンタルフラットを基準として測定したところ波長４０５ｎｍでの位相差は９４．５ｄｅｇであった。さらに、透過率を測定したところ波長４０５ｎｍでの透過率は９２％であった。

フォトニック結晶波長板として、波長４０５ｎｍでの位相差を９０ｄｅｇとなる基準位置を求めたところ、例えば図４に示すようにオリエンタルフラットに対し８ｄｅｇ回転した位置に基準位置を設定した。さらにこの基準位置と平行となるように縦５ｍｍ×横８ｍｍのチップ（波長板７）にダイシング装置にて切断を実施した（図３参照）。

このチップ状に切断されたフォトニック結晶波長板８の横８ｍｍの稜線を基準として位相差を測定したところ波長４０５ｎｍにおいて位相差９０．０ｄｅｇが確認された。

次に、実施例２として、上記の実施例１で説明したフォトニック結晶波長板に反射防止機能の光学薄膜を追加した例を説明する。本実施例２においても使用する透明基板は、石英基板に電子線レジストを塗布し電子線描画にて微細なラインを描画し、レジストを現像した後にドライエッチングを実施した微細加工において、一方向の周期凹凸構造を形成した透明基板を製作する。また透明基板の溝の幅は２００ｎｍ、溝の深さは１００ｎｍである。図２に示す成膜装置にて前述の透明基板１を基板ホルダー１１に保持し、装置内の真空槽１０を１×１０^−４Ｐａ以下に排気した。エッチング源１２にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを透明基板１に照射し、透明基板１の矩形形状をＶ字状の周期凹凸構造に加工する（図１参照）。このときＡｒガスを１００ｓｃｃｍ導入しエッチング源１２には２．５ｋｗの電力を供給した。

続いて、第２のターゲット１４（Ｔａターゲット）近傍からＡｒガスを２００ｓｃｃｍ導入し、第２のターゲット１４のカソードに５ｋｗの電力を導入し、Ｔａ膜を極薄く透明基板１上に成膜する。このときＴａの成膜と同時に、反応源１５（酸化源）に酸素１００ｓｃｃｍを導入し、さらに５ｋｗの電力を供給して酸素プラズマおよびラジカルを透明基板１上に照射して、透明基板１上のＴａを酸素化反応させてＴａ_２Ｏ_５の薄膜を形成する。その後、エッチング源にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを基板上に形成されたＴａ_２Ｏ_５薄膜に照射して、Ｖ字状の周期凹凸構造に成型する。このときのＴａ_２Ｏ_５薄膜の膜厚は８２ｎｍとなるように調整し反射防止膜の成膜を実施した。

その後、第１のターゲット１３（Ｓｉターゲット）近傍からＡｒガスを２００ｓｃｃｍ導入し、第１のターゲット１３のカソードに７ｋｗの電力を導入し、Ｓｉ膜を極薄く透明基板１上に成膜する。このときＳｉの成膜と同時に、反応源１５（酸化源）に酸素１００ｓｃｃｍを導入し、さらに５ｋｗの電力を供給して酸素プラズマおよびラジカルを透明基板１上に照射して、透明基板１上のＳｉを酸素化反応させてＳｉＯ_２の薄膜を形成する。その後、エッチング源１２にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを透明基板１上に形成されたＳｉＯ_２薄膜に照射して、Ｖ字状の周期凹凸構造に成型する。このときのＳｉＯ_２薄膜の膜厚は８５ｎｍとなるように調整し反射防止膜の成膜を実施した。

次に、第２のターゲット１４（Ｔａターゲット）近傍からＡｒガスを２００ｓｃｃｍ導入し、第２のターゲット１４のカソードに５ｋｗの電力を導入し、Ｔａ膜を極薄く透明基板１上に成膜する。このときＴａの成膜と同時に、反応源１５（酸化源）に酸素１００ｓｃｃｍを導入し、さらに５ｋｗの電力を供給して酸素プラズマおよびラジカルを透明基板１上に照射して、透明基板１上のＴａを酸素化反応させてＴａ_２Ｏ_５の薄膜を形成する。その後、エッチング源にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを基板上に形成されたＴａ_２Ｏ_５薄膜に照射して、Ｖ字状の周期凹凸構造に成型する。このときのＴａ_２Ｏ_５薄膜の膜厚は８０ｎｍとなるように調整し成膜を実施した。

また、第１のターゲット１３（Ｓｉターゲット）近傍からＡｒガスを２００ｓｃｃｍ導入し、第１のターゲット１３のカソードに７ｋｗの電力を導入し、Ｓｉ膜を極薄く透明基板１上に成膜する。このときＳｉの成膜と同時に、反応源１５（酸化源）に酸素１００ｓｃｃｍを導入し、さらに５ｋｗの電力を供給して酸素プラズマおよびラジカルを透明基板１上に照射して、透明基板１上のＳｉを酸素化反応させてＳｉＯ_２の薄膜を形成する。その後、エッチング源１２にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを透明基板１上に形成されたＳｉＯ_２薄膜に照射して、Ｖ字状の周期凹凸構造に成型する。このときのＳｉＯ_２薄膜の膜厚は８０ｎｍとなるように調整し成膜を実施した。

そして、上記Ｔａ_２Ｏ_５薄膜およびＳｉＯ_２薄膜を成型する工程を交互に１５回繰り返し、多層の成膜を実施した。

さらに、第２のターゲット１４（Ｔａターゲット）近傍からＡｒガスを２００ｓｃｃｍ導入し、第２のターゲット１４のカソードに５ｋｗの電力を導入し、Ｔａ膜を極薄く透明基板１上に成膜する。このときＴａの成膜と同時に、反応源１５（酸化源）に酸素１００ｓｃｃｍを導入し、さらに５ｋｗの電力を供給して酸素プラズマおよびラジカルを透明基板１上に照射して、透明基板１上のＴａを酸素化反応させてＴａ_２Ｏ_５の薄膜を形成する。その後、エッチング源にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを基板上に形成されたＴａ_２Ｏ_５薄膜に照射して、Ｖ字状の周期凹凸構造に成型する。このときのＴａ_２Ｏ_５薄膜の膜厚は７３ｎｍとなるように調整し反射防止膜の成膜を実施した。

続いて、第１のターゲット１３（Ｓｉターゲット）近傍からＡｒガスを２００ｓｃｃｍ導入し、第１のターゲット１３のカソードに７ｋｗの電力を導入し、Ｓｉ膜を極薄く透明基板１上に成膜する。このときＳｉの成膜と同時に、反応源１５（酸化源）に酸素１００ｓｃｃｍを導入し、さらに５ｋｗの電力を供給して酸素プラズマおよびラジカルを透明基板１上に照射して、透明基板１上のＳｉを酸素化反応させてＳｉＯ_２の薄膜を形成する。その後、エッチング源１２にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを透明基板１上に形成されたＳｉＯ_２薄膜に照射して、Ｖ字状の周期凹凸構造に成型する。このときのＳｉＯ_２薄膜の膜厚は４３ｎｍとなるように調整し反射防止膜の成膜を実施し、透明基板１上に合計３４層の多層の成膜を実施した。

続いてフォトニック結晶を形成した透明基板１の裏面に対して、真空蒸着装置等を使用して反射防止膜を形成した。この反射防止膜は透明基板１上にＡｌ_２Ｏ_３を０．２５λの薄膜を形成し、さらに、Ａｌ_２Ｏ_３の薄膜上にＭｇＦ_２を０．２５λの薄膜を形成した。なお、このときλは使用波長となり本実施例では４０５ｎｍである。

上記のように透明基板１上に多層膜および反射防止膜を成膜したフォトニック結晶波長板を位相差測定器で、フォトニック結晶波長板のオリエンタルフラットを基準として測定したところ波長４０５ｎｍでの位相差は９４．５ｄｅｇであった。さらに、透過率を測定したところ波長４０５ｎｍでの透過率は９９％以上であった。

次に、実施例３として、上記の実施例１で説明したフォトニック結晶波長板に反射防止機能（表面粗さを持たせることにより機能を持たせた）の光学薄膜を追加した例を説明する。本実施例３においても使用する透明基板は、石英基板に電子線レジストを塗布し電子線描画にて微細なラインを描画し、レジストを現像した後にドライエッチングを実施した微細加工において、一方向の周期凹凸構造を形成した透明基板を製作する。また透明基板の溝の幅は２００ｎｍ、溝の深さは１００ｎｍである。図２に示す成膜装置にて前述の透明基板１を基板ホルダー１１に保持し、装置内の真空槽１０を１×１０^−４Ｐａ以下に排気した。エッチング源１２にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを透明基板１に照射し、透明基板１の矩形形状をＶ字状の周期凹凸構造に加工する（図１参照）。このときＡｒガスを１００ｓｃｃｍ導入しエッチング源１２には２．５ｋｗの電力を供給した。

続いて、第１のターゲット１３（Ｓｉターゲット）近傍からＡｒガスを２００ｓｃｃｍ導入し、第１のターゲット１３のカソードに７ｋｗの電力を導入し、Ｓｉ膜を極薄く透明基板１上に成膜する。このときＳｉの成膜と同時に、反応源１５（酸化源）に酸素１００ｓｃｃｍを導入し、さらに５ｋｗの電力を供給して酸素プラズマおよびラジカルを透明基板１上に照射して、透明基板１上のＳｉを酸素化反応させてＳｉＯ_２の薄膜を形成する。その後、エッチング源１２にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを透明基板１上に形成されたＳｉＯ_２薄膜に照射して、Ｖ字状の周期凹凸構造に成型する。このときのＳｉＯ_２薄膜の膜厚は８０ｎｍとなるように調整し反射防止膜の成膜を実施した。

その後、エッチング源１２にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを透明基板１上に照射してＳｉＯ_２の薄膜（反射防止膜）の表面のラフネスを大きくする。このときのＡｒガスは２００ｓｃｃｍ導入しエッチング源１２には３．５ｋｗの電力を供給した。このときのＳｉＯ_２のラフネスはイオンビーム照射前の表面粗さ（Ｒａ）は０．０４μｍ〜０．０２μｍであり、イオンビーム照射後の表面粗さ（Ｒａ）は０．０８μｍ〜０．０５μｍであった。

そして、上記Ｔａ_２Ｏ_５薄膜およびＳｉＯ_２薄膜を成型する工程を交互に１５回繰り返し、透明基板１上に合計３１層の多層の成膜を実施した。

その後、最後に成膜したＳｉＯ_２薄膜に対してエッチング源１２にＡｒガスを導入し、イオンビームソースを作動させてＡｒのイオンビームを透明基板１上に照射してＳｉＯ_２の薄膜（反射防止膜）の表面のラフネスを大きくする。このときのＡｒガスは２００ｓｃｃｍ導入しエッチング源１２には３．５ｋｗの電力を供給した。また前述と同様にＳｉＯ_２のラフネスはイオンビーム照射前の表面粗さ（Ｒａ）は０．０４μｍ〜０．０２μｍであり、イオンビーム照射後の表面粗さ（Ｒａ）は０．０８μｍ〜０．０５μｍであった。

続いてフォトニック結晶を形成した透明基板１の裏面に対して、真空蒸着装置等を使用して反射防止膜を形成した。この反射防止膜は透明基板１上にＡｌ_２Ｏ_３を０．２５λの薄膜を形成し、さらに、Ａｌ_２Ｏ_３の薄膜上にＭｇＦ_２を０．２５λの薄膜を形成した。なお、このときのλは使用波長となり本実施例では４０５ｎｍである。

上記のように透明基板１上に多層膜および反射防止膜を成膜したフォトニック結晶波長板を位相差測定器で、フォトニック結晶波長板のオリエンタルフラットを基準として測定したところ波長４０５ｎｍでの位相差は９４．５ｄｅｇであった。さらに、透過率を測定したところ波長４０５ｎｍでの透過率は９７％以上であった。

また、図５は別のフォトニック結晶波長板を位相差測定器で、フォトニック結晶波長板のオリエンタルフラットを基準として測定した各波長に応じた位相差を示す図である。図５において、オリエンタルフラットに対し０〜３０ｄｅｇ変化（フォトニック結晶波長板を回転）させたときの特性を示しており、前述と同様の波長４０５ｎｍに着目して位相差を見てみると、０ｄｅｇでは１８０度付近であった位相差が、１０ｄｅｇでは１５５度付近に変化している。

図３に示すように、フォトニック結晶波長板８から位相差９０．０ｄｅｇを得る場合に、２４ｄｅｇ回転した位置に基準位置を設定し外形９を切り出すことにより、波長４０５ｎｍにおける位相差９０．０ｄｅｇの波長板７が得られ、波長板７として周期凹凸構造体の薄膜積層における小さい誤差に対しても、回転により範囲内の位相差を得ることがき、波長板７の製造歩留りを向上できる。

また、図６は本実施形態における波長板の製作工程を示すフローチャートであり、波長板の製造工程について図１，図２を参照しながら説明する。図６に示すように、素材加工として、成膜装置に導入して透明基板１上における矩形形状の周期凹凸構造をエッチング加工により、Ｖ字状の周期凹凸構造を製作する（Ｓ１）。

この透明基板１上にＳｉおよびＴａターゲットを用いて、スパッタリングとプラズマによるエッチングを組み合わせて、各層を積層して周期凹凸構造と同一の形状を保存しながら交互に多層膜４のフォトニック結晶を製作する（Ｓ２）。なお、このとき反射防止機能を有する薄膜を前述したように透明基板１と多層膜４との間、もしくは多層膜４の表面に形成してフォトニック結晶波長板とする。

製作したフォトニック液晶波長板の位相差を測定し、フォトニック液晶波長板の基板におけるオリエンタルフラットを基準に調整が必要か否か判定し（Ｓ３）、調整要と判定された場合（Ｓ３のＹｅｓ）、フォトニック液晶波長板のオリエンタルフラットを基準に回転ステージの回転角を測定し基準調整値（Δθｃ）を決定する（Ｓ４）。

波長板として組み込む光学系の基準に対して、決定された基準調整値を補正値とし、フォトニック結晶波長板を回転調整して切り出すことにより、高精度の位相差の波長板を得る（Ｓ５）。

なお、処理Ｓ３において、調整不要の場合（Ｓ３のＮｏ）は、多層膜の積層において、所望の位相差を得ることができるため、フォトニック結晶波長板を回転させることなく、切り出しのみして所望の波長板を得ることができる。

以上のように、フォトニック結晶波長板による多層膜を積層して製作する波長板において、従来の歩留りの問題を解決し所望する位相差を得ることができる波長板の製造方法を提供することができる。また、特許文献５のような波長板の回転角度を調整することで、光学部品を透過する光量を所定値に合わせる光ピックアップ等においても、本発明の波長板を用いることで、調整する回転角度の範囲を正確に規定でき、より正確な調整が可能となる。

本発明に係るフォトニック結晶を用いた波長板とその製造方法は、この波長板に有している設計の自由度が高く、耐熱性および耐光性に優れた特長を生かしつつ、製造歩留りを向上させた波長板とその製造方法を提供でき、ＤＶＤやＣＤ、ＢＤ、ＨＤ−ＤＶＤ等の光ピックアップの１／４波長板や１／２波長板として有用である。

本発明の実施形態におけるフォトニック結晶の構造を示す図成膜装置の概略構成を示す図フォトニック結晶波長板を回転し波長板の切り出しを示す図フォトニック結晶波長板の角度と各波長に応じた位相差の変化を示す図別のフォトニック結晶波長板の角度と各波長に応じた位相差の変化を示す図本実施形態の波長板の製作工程を説明するフローチャート

符号の説明

１透明基板
２低屈折率層
３高屈折率層
４多層膜
７波長板
８フォトニック結晶波長板
９外形
１０真空槽
１１基板ホルダー
１２エッチング源
１３第１のターゲット
１４第２のターゲット
１５反応源

Claims

一方向に周期凹凸構造を有する透明基板と、屈折率の異なる２種類以上の透明体を前記周期凹凸構造上に積層した多層膜よりなる積層周期構造体とを備え、前記透明基板上に前記積層周期構造体を形成してなり、所望の位相差のフォトニック結晶波長板を製造する方法であって、
予めオリエンタルフラットが形成された透明基板の一方向に、周期凹凸構造を形成する工程と、
積層周期構造体として前記周期凹凸構造上に屈折率の異なる２種類以上の透明体を積層して多層膜を形成する工程と、
前記透明基板上に前記積層周期構造体を形成したフォトニック結晶波長板の位相差を、
位相差測定器を用いて測定し、位相差測定器に対して、前記フォトニック結晶波長板を回転させて、前記所望の位相差を与えるときの回転角：θｃを測定して基準調整値：Δθｃとする工程と、
前記オリエンタルフラットを基準として、前記フォトニック結晶波長板を方位軸方向に基準調整値：Δθｃだけ回転して、波長板の基準を設定する工程とからなることを特徴とするフォトニック結晶を用いた波長板の製造方法。
前記透明基板の一方向に周期凹凸構造を形成する工程において、前記透明基板の両方の面に周期凹凸構造を形成し、前記周期凹凸構造上に屈折率の異なる２種類以上の透明体を積層した多層膜よりなる積層周期構造体を設けてフォトニック結晶波長板を形成することを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶を用いた波長板の製造方法。
前記フォトニック結晶波長板において、透明基板と積層周期構造体の多層膜との中間に反射防止機能を形成する工程を設けたことを特徴とする請求項１または２記載のフォトニック結晶を用いた波長板の製造方法。
前記フォトニック結晶波長板において、積層周期構造体となる多層膜の表面に反射防止機能を形成する工程を設けたことを特徴とする請求項１、２または３記載のフォトニック結晶を用いた波長板の製造方法。
前記反射防止機能が、１種類もしくは複数種類の透明体よりなり単層もしくは複数層の光学薄膜であることを特徴とする請求項３または４記載のフォトニック結晶を用いた波長板の製造方法。
前記フォトニック結晶波長板において、所望の位相差とするために、方位軸方向に回転させて切り出す工程を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のフォトニック結晶を用いた波長板の製造方法。
前記フォトニック結晶波長板において、積層周期構造体となる多層膜として積層する透明体が、ＳｉＯ _２およびＡｌ _２Ｏ ₃ およびＴａ _２Ｏ _５およびＮｂ _２Ｏ _５およびＴｉＯ _２のいずれかにより構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに１項に記載のフォトニック結晶を用いた波長板の製造方法。