JP5256945B2 - Light processing element - Google Patents
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Description
本発明は、設計自由度の高い光処理素子に関する。 The present invention relates to an optical processing element having a high degree of design freedom.
偏光板や波長板などの光学素子は、直交する二つの方向に対し、伝搬特性および吸収特性に異方性をもたせることにより、入射光の偏光方向の１成分を透過させたり、位相を変調させて偏光状態を、直線偏光から円偏光のように、偏光させたりする素子である。このような素子は、例えば、液晶パネルや有機ＥＬ（Electroluminescence）ディスプレイの画素のオン及びオフに利用されるほか、エリプソメトリーなどの光計測技術や、レーザー干渉計、光シャッターなど、様々な光学機器ならびに計測機器に利用されている。特に、液晶プロジェクタなどの画像投影装置への需要が伸びている。 Optical elements such as a polarizing plate and a wave plate allow transmission of one component of the polarization direction of incident light or modulation of the phase by providing anisotropy in propagation characteristics and absorption characteristics in two orthogonal directions. Thus, the polarization state is changed from linearly polarized light to circularly polarized light. Such elements are used, for example, for turning on and off pixels of liquid crystal panels and organic EL (Electroluminescence) displays, as well as various optical devices such as optical measurement techniques such as ellipsometry, laser interferometers, and optical shutters. It is also used for measuring equipment. In particular, there is an increasing demand for image projection devices such as liquid crystal projectors.
偏光板は、自然偏光を直線偏光に変換する素子であり、入射光の直交する偏光成分の一方のみを透過させ、他方を吸収又は反射、散乱により遮蔽するものである。現在特に液晶パネルに用いられる偏光板の多くは、ポリビニルアルコールなどの基板フィルムにヨウ素や有機染料などの二色性の材料を染色・吸着させ、高度に延伸して配向させることで吸収二色性を発現させるものである。 The polarizing plate is an element that converts natural polarized light into linearly polarized light, and transmits only one of the orthogonal polarized components of incident light, and shields the other by absorption, reflection, or scattering. Many polarizing plates currently used for liquid crystal panels, for example, absorb dichroism by dyeing and adsorbing dichroic materials such as iodine and organic dyes on a substrate film such as polyvinyl alcohol, and then stretching and orienting them. Is expressed.
一方、１／２波長板や１／４波長板のようなリターデーションプレート又は位相シフターは、複屈折性の光学結晶により作られ、常光線と異常光線の屈折率の違いにより偏光状態を変調するものである。この常光線と異常光線の光路差が波長の１／２となるものが１／２波長板であり、１／４となるものが１／４波長板である。このような、複屈折性を示す材料としては、方解石や水晶が用いられる。 On the other hand, a retardation plate or phase shifter such as a half-wave plate or a quarter-wave plate is made of a birefringent optical crystal and modulates the polarization state by the difference in refractive index between ordinary light and extraordinary light. Is. A half-wave plate is a half-wave plate in which the optical path difference between the ordinary ray and the extraordinary ray is ½ of a wavelength, and a quarter-wave plate is a quarter. As such a material showing birefringence, calcite or quartz is used.
ここで、吸収を利用する偏光制御素子は、熱による影響を受けやすく、透明度の低下、焦げる、といった問題があった。そのため、照射光量を大きくすることができない。また、使用温度条件が厳しく、液晶プロジェクタなどで使用する場合には、冷風機構が必要であり装置の小型化が困難、埃の付着による画質欠陥を生じるなどの問題があった。 Here, the polarization control element using absorption is easily affected by heat, and has problems such as a decrease in transparency and a burn. Therefore, the amount of irradiation light cannot be increased. In addition, the operating temperature conditions are severe, and when used in a liquid crystal projector or the like, there is a problem that a cold air mechanism is necessary, making it difficult to reduce the size of the apparatus, and causing image quality defects due to dust adhesion.
また、屈折率の異方性を利用する光学素子においては、複屈折性を示す光学結晶材料が限定されており、使用できる波長領域に制限があるなどの問題があった。また、光学結晶材料を貼り合わせることにより膜厚、すなわち光路差を調整し、偏光状態を制御しているので、光学結晶材料に対する依存性が強く、偏光制御性の自由度が低い。また、偏光制御素子自体を小型化、薄型化することが困難であるなどの問題があった。 Further, in an optical element utilizing the anisotropy of the refractive index, there is a problem that the optical crystal material exhibiting birefringence is limited and the usable wavelength range is limited. In addition, since the film thickness, that is, the optical path difference is adjusted by bonding the optical crystal material and the polarization state is controlled, the dependence on the optical crystal material is strong and the degree of freedom of polarization controllability is low. In addition, there is a problem that it is difficult to reduce the size and thickness of the polarization control element itself.
上記問題を解決するために、例えば、外部からの光を２次元導波路に結合させる素子としてグレーティングカプラと呼ばれる回折格子を用いる技術が開示されている（例えば、非特許文献１）。また、透明基板に、金やアルミニウムの細線を形成したワイヤグリッド偏光子が提案されている。この偏光素子は２．５μｍより長波長の光に対して機能する偏光素子として実用化されている。これに対し近年の微細加工技術の進歩により、可視波長（４００〜７００ｎｍ）で駆動できるワイヤグリッド構造が開示されている（例えば、特許文献１）。 In order to solve the above problem, for example, a technique using a diffraction grating called a grating coupler as an element for coupling light from the outside to a two-dimensional waveguide is disclosed (for example, Non-Patent Document 1). In addition, a wire grid polarizer is proposed in which fine wires of gold or aluminum are formed on a transparent substrate. This polarizing element has been put to practical use as a polarizing element that functions with respect to light having a wavelength longer than 2.5 μm. On the other hand, a wire grid structure that can be driven at a visible wavelength (400 to 700 nm) has been disclosed due to recent advances in microfabrication technology (for example, Patent Document 1).
さらに、偏光状態を制御する波長板または位相板を二次元表面における光の相互作用により実現する方法として、支持基板上に微小な金属パターンを形成することにより偏光状態を制御する技術が開示されている（例えば、特許文献２、非特許文献２）。具体的には、例えば、光デバイスにおいて、平滑なＳｉ基板上に卍型やＣ型又はその鏡像対称の金属パターンを有し、パターンの端部の傾きが直角から傾いたカイラリティを有しており、この傾きの大きさに依存して、偏光方向の二成分に位相差が生じ、また、パターン端部の向きに依存して右回り、および左回り偏光の違いを生じる技術である。 Furthermore, as a method for realizing a wave plate or phase plate for controlling the polarization state by the interaction of light on a two-dimensional surface, a technique for controlling the polarization state by forming a minute metal pattern on a support substrate is disclosed. (For example, Patent Document 2 and Non-Patent Document 2). Specifically, for example, in an optical device, it has a saddle-shaped or C-shaped or a mirror-symmetric metal pattern on a smooth Si substrate, and has a chirality in which the inclination of the end of the pattern is inclined from a right angle. Depending on the magnitude of this inclination, a phase difference occurs between two components of the polarization direction, and a difference between clockwise and counterclockwise polarization depends on the direction of the pattern edge.
また、ポリマーマトリクス中に金属微粒子が分散している高分子フィルムで、金属微粒子が分散している部分と、金属微粒子が分散していない又は金属微粒子が分散している部分に比べて金属微粒子の分散が少ない部分とが、ポリマーマトリクス中において縞状構造を形成している高分子フィルムからなる偏光子の技術が開示されている（例えば、特許文献３）。 Further, in the polymer film in which the metal fine particles are dispersed in the polymer matrix, the metal fine particles are compared with the portion where the metal fine particles are dispersed and the portion where the metal fine particles are not dispersed or where the metal fine particles are dispersed. A technique of a polarizer comprising a polymer film in which a portion with little dispersion forms a striped structure in a polymer matrix is disclosed (for example, Patent Document 3).
また、本発明者は、金属構造体の複数個を基板上に離隔して配置させた配列パターンを単位配列パターンとし、該単位配列パターンを２次元的に配列させた処理領域の面に対して垂直方向から印加する手段の発生磁界を制御することで入射光の偏光状態を制御する技術を開示している（例えば、特許文献４）。
しかし、上述した技術の偏光子は、反射型または散乱型の偏光子であり、入射光における二つの偏光成分のうち、一方を遮断するものであるため、本偏光子のみによる光学系の構成では、入射光の光エネルギーは最低でも５０％以上失われることになる。また、ワイヤグリッド型の偏光素子では、消光比を十分に取れないといった問題があった。 However, the polarizer of the above-described technique is a reflective or scattering polarizer and blocks one of the two polarization components in the incident light. Therefore, in the configuration of the optical system using only this polarizer, The light energy of the incident light is lost at least 50%. Further, the wire grid type polarizing element has a problem that the extinction ratio cannot be sufficiently obtained.
また、上記光デバイスは、ナノサイズの金属パターンのカイラリティを利用して、直線偏光を楕円偏光に変換する、位相板に相当する機能を有しているが、大きな楕円率が得られておらず、実用的な１／２波長板や１／４波長板を実現するのは困難といった問題があった。また、構造が複雑であり、加工精度の問題から、均一なカイラリティを有する構造を精度よく作製することは困難であり、形状のバラツキにより所望の偏光制御特性が得られないといった問題があった。 In addition, the optical device has a function equivalent to a phase plate that converts linearly polarized light into elliptically polarized light by utilizing the chirality of a nano-sized metal pattern, but a large ellipticity is not obtained. There is a problem that it is difficult to realize a practical half-wave plate or a quarter-wave plate. In addition, the structure is complicated, and it is difficult to accurately produce a structure having uniform chirality due to the problem of processing accuracy, and there is a problem that desired polarization control characteristics cannot be obtained due to variation in shape.
さらに、上述した偏光制御素子は、素子固有の光学応答特性を有した受動光学素子であり、実現したい機能が複雑になるほど光学素子の数が増加し、光学システムの小型化、軽量化などに制約が生じるといった問題があった。 Furthermore, the above-described polarization control element is a passive optical element having an optical response characteristic unique to the element, and the number of optical elements increases as the functions to be realized become more complicated, limiting the downsizing and weight reduction of the optical system. There was a problem that occurred.
本発明はこのような実情を鑑みてなされたものであり、光の透過率が高く、十分な位相差を与えることの可能な、設計自由度の高い新規な無機材料からなる光処理素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides an optical processing element made of a novel inorganic material having a high degree of freedom in design, which has a high light transmittance and can provide a sufficient phase difference. The purpose is to do.
本発明の光処理素子は、基板上に、波長λの入射光に対して直径ＤがＤ＜λである複数個の金属微細構造体を格子状に周期的に配列させた単位処理領域を備える光処理素子であって、単位処理領域は、金属微細構造体の所定方向における表面間隔ｄ１がｄ１＜Ｄとして配列され、かつ、金属微細構造体の前記所定方向と垂直な方向における表面間隔ｄ２がｄ２＞Ｄとして配列された構造である単位処理領域であり、単位処理領域は、基板上に複数設けられることにより処理領域を形成し、処理領域は、基板上に複数層積層されることにより処理領域層を形成し、処理領域層に配列された金属微細構造体の高さは、隣接する処理領域層に配列された金属微細構造体の高さと異なることを特徴とする。 The optical processing element of the present invention includes a unit processing region on a substrate, in which a plurality of metal microstructures having a diameter D of D <λ with respect to incident light having a wavelength λ are periodically arranged in a lattice shape. the optical processing element, the unit processing region, the surface distance d1 which definitive in a predetermined direction of the metal microstructure is arranged as d1 <D, and a surface interval in the predetermined direction perpendicular to the direction of metal microstructures d2 Is a unit processing region having a structure arranged as d2> D. A plurality of unit processing regions are provided on the substrate to form a processing region, and a plurality of processing regions are stacked on the substrate. The processing region layer is formed, and the height of the metal microstructures arranged in the processing region layer is different from the height of the metal microstructures arranged in the adjacent processing region layer.
本発明の光処理素子は、処理領域層に配列された金属微細構造体の高さは、基板上に設けられた他の処理領域層に配列された金属微細構造体の高さと異なることを特徴とする。 Light treatment device of the present invention, the height of the metal microstructure arranged in the processing region layer, the height and cross a Rukoto metal microstructure arranged in the other processing region layer provided on the substrate Features.
本発明の光処理素子は、処理領域層に配列された金属微細構造体と隣接する金属微細構造体との間隔は、基板上に設けられた他の処理領域層に配列された金属微細構造体と隣接する金属微細構造体との間隔と異なることを特徴とする。 In the optical processing element of the present invention, the distance between the metal microstructures arranged in the processing region layer and the adjacent metal microstructures is such that the metal microstructures arranged in other processing region layers provided on the substrate. And the distance between adjacent metal microstructures is different.
本発明の光処理素子は、処理領域層に配列された金属微細構造体の単位処理領域と隣接する単位処理領域とが、波長λの光が前記基板上に垂直入射する入射方向において空間的に重ならないよう形成されていることを特徴とする。 In the optical processing element of the present invention, the unit processing region of the metal microstructure arranged in the processing region layer and the adjacent unit processing region are spatially separated in the incident direction in which the light of wavelength λ is perpendicularly incident on the substrate. do not overlap, as being formed, characterized in Rukoto.
本発明の光処理素子は、金属微細構造体は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒの何れか、又は、２種以上の組み合わせであることを特徴とする。 Light treatment device of the present invention, metal fine pore structure, Au, Ag, Al, Pt, Ni, either Cr, or, characterized in that it is a combination of two or more thereof.
本発明の光処理素子は、金属微細構造体は、円柱形状及び半球形状の何れかであることを特徴とし、金属微細構造体は、直方体形状であることを特徴とする。 Light treatment device of the present invention, metal fine pore structure is characterized by either a cylindrical or hemispherical shape, the metal fine pore structure is characterized by a straight rectangular parallelepiped shape.
本発明によれば、設計自由度の高い新規な無機材料からなる光処理素子を実現することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to realize an optical processing element made of a novel inorganic material having a high degree of design freedom.
以下に本発明の実施形態の例について、図面を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, examples of embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る光処理素子の構成例を示す。図２は、本実施形態に係る光処理素子における波長と透過位相差との関係例を示す。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a configuration example of an optical processing element according to this embodiment. FIG. 2 shows an example of the relationship between the wavelength and the transmission phase difference in the light processing element according to this embodiment.
本実施形態では、図１に示すように、光学的に平坦な基板上に金属の微細構造物が形成されている。ここで処理すべき光の波長：λに対し、サイズ：Ｄ （Ｄ＜λ）を持つ微小な金属構造体ＳＴを複数個、金属構造体ＳＴの表面間隔：ｄ１（＜Ｄ）を隔して所定の配置で直線状に配列したパターンを単位配列パターンｐとし、この単位配列パターンｐを格子状に間隔：ｄ１（＜Ｄ）よりも大きい金属構造体ＳＴの表面間隔：ｄ２（＞Ｄ）で周期的に配列させた単位処理領域Ｓを基板上に複数形成している。 In this embodiment, as shown in FIG. 1, a metal microstructure is formed on an optically flat substrate. Here, a plurality of minute metal structures ST having a size: D (D <λ) and a surface interval of the metal structures ST : d1 (<D) with respect to the wavelength of light to be processed: λ. A pattern arranged in a straight line with a predetermined arrangement is defined as a unit arrangement pattern p, and the unit arrangement pattern p is arranged in a lattice pattern at a surface interval: d2 ( > D) of the metal structure ST larger than the interval: d1 (<D). A plurality of unit processing regions S arranged periodically are formed on the substrate.
このような金属微細構造パターンが形成された基板に対して光を照射する場合について説明する。入射偏光に対して金属微細構造配列パターンｐに、平行な向きの偏光成分と垂直な向きの偏光成分を入射した場合、金属微細構造ＳＴに生じる局在表面プラズモンの共鳴周波数に依存して、金属微細構造ＳＴ間に生じる近接場相互作用の大きさが、各金属微細構造に対し偏光の方向に応じて異なる。そのため、各金属微細構造配列ｐからの光が重畳された反射光あるいは透過光の偏光成分にも位相差が生まれ、図２に示すように、出射光における位相を変化させることができる。 A case where light is irradiated onto a substrate on which such a metal microstructure structure pattern is formed will be described. Depending on the resonance frequency of the localized surface plasmon generated in the metal microstructure ST when the polarization component in the direction parallel to the polarization component is incident on the metal microstructure array pattern p with respect to the incident polarization, the metal The magnitude of the near-field interaction generated between the microstructures ST differs depending on the direction of polarization for each metal microstructure. Therefore, even the polarization component of the reflected light or transmitted light which light is superimposed from the metal microstructures sequence p born retardation, as shown in FIG. 2, it is possible to change the phase of the emitted light.
本実施形態により、処理すべき光の波長：λに対し、サイズ：Ｄ （Ｄ＜λ）を持つ微小な金属構造体ＳＴを複数個、金属構造体ＳＴの表面間隔：ｄ１（＜Ｄ）を隔して所定の配置で直線状に配列したパターンを単位配列パターンｐとし、この単位配列パターンｐを格子状に間隔：ｄ１（＜Ｄ）よりも大きい金属構造体ＳＴの表面間隔：ｄ２（＞Ｄ）で周期的に配列させた単位処理領域Ｓが基板上に複数形成されているため、設計自由度の高い光処理素子を実現することが可能となる。 According to the present embodiment, a plurality of minute metal structures ST having a size: D (D <λ) with respect to a wavelength of light to be processed: λ, and a surface interval d1 (<D) of the metal structures ST are set. A pattern arranged in a straight line with a predetermined spacing is referred to as a unit array pattern p, and the unit array pattern p is arranged in a lattice pattern on the surface of the metal structure ST larger than the distance d1 (<D): d2 ( > Since a plurality of unit processing regions S periodically arranged in D) are formed on the substrate, it is possible to realize an optical processing element with a high degree of design freedom.
尚、上記した金属微細構造ＳＴの大きさ、金属微細構造ＳＴ間の間隔を調整することで、出射光の波長帯域に応じて位相、振幅を調整することが可能である。また、異なる間隔ｄ１、ｄ２を有する単位処理領域Ｓを複数基板に形成することにより、動作波長の異なった光処理素子を一枚の基板に形成することが可能である。 Note that by adjusting the size of the metal microstructure ST and the interval between the metal microstructures ST, the phase and amplitude can be adjusted according to the wavelength band of the emitted light. Further, by forming unit processing regions S having different distances d1 and d2 on a plurality of substrates, it is possible to form optical processing elements having different operating wavelengths on a single substrate.
（実施形態２）
図４は、本実施形態に係る光処理素子の構成例を示す。図示するように、処理すべき光の波長：λに対し、サイズ：Ｄ （Ｄ＜λ）を持つ微小な金属構造体ＳＴを複数個、金属構造体ＳＴの表面間隔：ｄ１（＜Ｄ）を隔して所定の配置で直線状に配列した単位配列パターンを単位配列パターンｐとする。この単位配列パターンｐを格子状に間隔：ｄ１（＜Ｄ）よりも大きい金属構造体ＳＴの表面間隔：ｄ２（＞Ｄ）で周期的に配列させた単位処理領域Ｓが基板上に複数形成されている領域を処理領域Ｒとする。この処理領域Ｒが複数層積層して形成され（処理領域層）、各層に形成されている金属構造体ＳＴ(n)（ｎ：自然数）の高さｈ(n)が、他の層に形成されている金属構造体(ｈ（n-1）、ｈ（n+1））の高さと異なる高さで形成されている。
(Embodiment 2)
FIG. 4 shows a configuration example of the light processing element according to the present embodiment. As shown in the drawing, a plurality of minute metal structures ST having a size: D (D <λ) with respect to a wavelength of light to be processed: λ, and a surface interval d1 (<D) of the metal structures ST are set. A unit arrangement pattern that is arranged in a straight line with a predetermined spacing is defined as a unit arrangement pattern p. A plurality of unit processing regions S in which the unit array patterns p are periodically arranged in a lattice pattern at a surface interval: d2 ( > D) of the metal structure ST larger than the interval: d1 (<D) are formed on the substrate. The area that is present is defined as a processing area R. The processing region R is formed by laminating a plurality of layers (processing region layer), and the height h (n) of the metal structure ST (n) (n: natural number) formed in each layer is formed in another layer. The metal structure (h (n-1), h (n + 1)) is formed at a height different from that of the metal structure.
本実施形態により、任意の偏光方向を有する光を高効率に選択することが可能となり、設計自由度の高い光処理素子を実現することができる。さらに、広帯域で動作可能な光処理素子を実現することができる。すなわち、動作波長帯域を広げることが可能となる。 According to the present embodiment, light having an arbitrary polarization direction can be selected with high efficiency, and an optical processing element with a high degree of design freedom can be realized. Furthermore, an optical processing element that can operate in a wide band can be realized. That is, the operating wavelength band can be expanded.
（実施形態３）
図５は、本実施形態に係る光処理素子の構成例を示す。図示するように、上記図１に示すような単位処理領域Ｓを積層して構成することにより、金属微細構造配列パターンｐの間から抜けてくる光に対しても位相差を付加することができる。すなわち、本実施形態に係る光処理素子は、各層に形成されている単位配列パターン（ｐ（ｎ））が、その前後の層の単位配列パターン（ｐ（n-1）、p（n+1））と光の入射方向において、空間的に重ならないよう形成されている。
(Embodiment 3)
FIG. 5 shows a configuration example of the light processing element according to the present embodiment. As shown in the figure, by stacking the unit processing regions S as shown in FIG. 1, a phase difference can be added to light that passes through between the metal fine structure arrangement patterns p. . That is, in the optical processing element according to the present embodiment, the unit arrangement pattern (p (n)) formed in each layer has unit arrangement patterns (p (n−1), p (n + 1) of the layers before and after that. )) And the incident direction of light.
本実施形態により、金属微細構造配列パターンｐの間から抜けてくる光に対しても位相差を付加することが可能であるため、位相差付加効率を向上させることが可能である。すなわち、各層で処理される光が空間的に重なることなく位相付加などの処理を行うことが可能となる。 According to the present embodiment, it is possible to add a phase difference even to light that passes through between the metal fine structure arrangement patterns p, so that it is possible to improve the phase difference addition efficiency. That is, processing such as phase addition can be performed without spatially overlapping the light processed in each layer.
（実施形態４）
図６は、本実施形態に係る光処理素子の構成例を示す。図示するように、処理すべき光の波長：λに対し、サイズ：Ｄ （Ｄ＜λ）を持つ微小な金属構造体ＳＴを複数個、金属構造体ＳＴの表面間隔：ｄ１（＜Ｄ）を隔して所定の配置で直線状に配列した単位配列パターンｐとする。この単位配列パターンｐを格子状に間隔：ｄ１（＜Ｄ）よりも大きい金属構造体ＳＴの表面間隔：ｄ２（＞Ｄ）で周期的に配列させた単位処理領域Ｓが基板上に複数形成されている領域を、処理領域Ｒとする。この処理領域Ｒが複数層積層して形成され、隣接する金属体構造との間隔が異なった間隔ｄ１、ｄ２である処理領域Ｒを積層して形成する。
(Embodiment 4)
FIG. 6 shows a configuration example of the light processing element according to the present embodiment. As shown in the drawing, a plurality of minute metal structures ST having a size: D (D <λ) with respect to a wavelength of light to be processed: λ, and a surface interval d1 (<D) of the metal structures ST are set. The unit arrangement pattern p is arranged in a straight line with a predetermined arrangement. A plurality of unit processing regions S in which the unit array patterns p are periodically arranged in a lattice pattern at a surface interval: d2 ( > D) of the metal structure ST larger than the interval: d1 (<D) are formed on the substrate. The area that is present is defined as a processing area R. The processing region R is formed by stacking a plurality of layers, and the processing regions R having the distances d1 and d2 having different distances from the adjacent metal structure are stacked.
本実施形態により、各層に形成されている金属構造体ＳＴ(n)（ｎ：自然数）において隣接する金属構造体との間の間隔ｄ１(n)が、他の層に形成されている金属構造体との間隔(ｄ（n-1）、ｄ（n+1））と異なる間隔であるであるため、動作波長帯域を広げることが可能である。すなわち、広帯域で動作可能な光処理素子を実現することが可能となる。 According to this embodiment, in the metal structures ST (n) (n: natural number) formed in each layer, the distance d1 (n) between adjacent metal structures is formed in the other layers. Since the distance is different from the distance (d (n−1), d (n + 1)) from the body, the operating wavelength band can be expanded. That is, an optical processing element that can operate in a wide band can be realized.
（実施形態５）
次に、上述した方法で作製された金属複合構造体に入射した光の偏光状態が、構造に依存して変化する原理を、数値計算結果に基づいて説明する。数値計算には、電磁界の運動を記述するマクスウェル方程式を時空間の差分方程式に近似して解く、有限時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）を利用した。
(Embodiment 5)
Next, the principle that the polarization state of the light incident on the metal composite structure manufactured by the above-described method changes depending on the structure will be described based on the numerical calculation results. For the numerical calculation, a finite time domain difference method (FDTD method) is used, which solves the Maxwell equation describing the motion of the electromagnetic field by approximating it to a space-time difference equation.
ＦＤＴＤ法により得られた金属微細構造体近傍の電界分布から遠方場光の特性を得るために、電界分布のフーリエ変換により角度θ＝０°の成分を抽出し、位相差を算出した。上述した図２では、金属構造体ＳＴの直径を152nm、金属構造体ＳＴの間隔ｄ１を50nm、位配列パターンｐの間隔ｄ２を400nmとし、金属構造体ＳＴの高さを16〜80nmと変えたときに透過光に付加される位相差の波長分散を示している。図２に示すように、金属構造体ＳＴの高さを制御することで、位相板として機能する波長帯域を制御することができる。すなわち、金属微小構造の高さを変化させることで、動作波長を選択でき、特定の入射波長のみに偏光面の回転などの作用を及ぼすことができる。 In order to obtain the characteristics of far-field light from the electric field distribution near the metal microstructure obtained by the FDTD method, a component at an angle θ = 0 ° was extracted by Fourier transform of the electric field distribution, and the phase difference was calculated. In FIG. 2 described above, the diameter of the metal structure ST is 152 nm, the distance d1 between the metal structures ST is 50 nm, the distance d2 between the position arrangement patterns p is 400 nm, and the height of the metal structure ST is changed to 16 to 80 nm. It shows the chromatic dispersion of the phase difference sometimes added to the transmitted light. As shown in FIG. 2, the wavelength band that functions as the phase plate can be controlled by controlling the height of the metal structure ST. That is, by changing the height of the metal microstructure, the operating wavelength can be selected, and an action such as rotation of the polarization plane can be exerted only on a specific incident wavelength.
金属材料としてＡｇ微小球を使用した場合にも、同様の計算結果が得られるが、この場合、偏光状態に変化の生じる波長領域はＡｇ微小球のプラズモン共鳴波長近傍である波長４００ｎｍ近傍であった。微細金属構造は図７、８、９、１０に示すように立方体形状でも同様の機能を示し、直方体や、その他の形状、例えば楕円構造や多角形状構造であっても良い。また、円形状の構造を連続して配置し、擬似的に楕円形状構造を形成するような構成でも良い。このような構造は、電子ビームリソグラフィ、ＤＵＶ（遠紫外線）・ＥＵＶ（深紫外線）リソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどの微細加工技術を利用して作製することが可能であり、各金属微小構造体ＳＴの形状は上記構造に特に限定される必要はなく、半球形状、円柱形上、半回転楕円体形状、楕円柱形状、多角柱形状、錐体形状の何れかでもよく、特に円柱形状や、半球形状などのものが作製しやすい。 A similar calculation result is obtained when Ag microspheres are used as the metal material. In this case, the wavelength region in which the polarization state changes is near the wavelength of 400 nm, which is near the plasmon resonance wavelength of the Ag microspheres. . As shown in FIGS. 7, 8, 9, and 10, the fine metal structure exhibits a similar function even in a cubic shape, and may be a rectangular parallelepiped or other shapes such as an elliptical structure or a polygonal structure. Moreover, the structure which arrange | positions circular structure continuously and forms pseudo-elliptical structure may be sufficient. Such a structure can be produced using microfabrication techniques such as electron beam lithography, DUV (deep ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography, nanoimprinting, and etching utilizing alteration of material properties. The shape of each metal microstructure ST is not particularly limited to the above structure, and may be any one of a hemispherical shape, a cylindrical shape, a semi-spheroid shape, an elliptical column shape, a polygonal column shape, and a cone shape, In particular, it is easy to produce a cylindrical shape or a hemispherical shape.
本実施形態により、金属構造体ＳＴが円柱形状、半球形状又は立方体形状等で形成されているため、任意の偏光方向を有する光を高効率に選択することが可能であり、設計自由度の高い光処理素子を実現することができる。 According to the present embodiment, since the metal structure ST is formed in a cylindrical shape, a hemispherical shape, a cubic shape, or the like, it is possible to select light having an arbitrary polarization direction with high efficiency and high design flexibility. An optical processing element can be realized.
（実施形態６）
図１１は、本実施形態に係る光処理素子の作製方法例を示す。以下光処理素子の作製方法について図１１に示す図を用いて説明する。
(Embodiment 6)
FIG. 11 shows an example of a method for manufacturing an optical processing element according to this embodiment. Hereinafter, a method for manufacturing an optical processing element will be described with reference to FIGS.
まず、例えば、ガラスからなる基板５２上にレジストを塗布し、電子ビームリソグラフィによりレジストを露光し、レジストパターン５１を形成する（１）。その後、反応性ドライエッチングによりガラス表面に凹凸パターン５３を形成する（２）。続いて、Ａｕなどの金属材料をスパッタリングまたは蒸着により成膜し、その後、レジストの除去にともなうリフトオフによって、金属微細構造５４を作製する（３）。続いて、ＳｉＯ2をスパッタリングなどにより順に成膜５５する（４）。さらにレジストを塗布し、電子ビームリソグラフィによりレジストを露光してリンスすることによりレジストパターン５６を形成し、凹凸形状を作製する（５）。 First, for example, a resist is applied on a substrate 52 made of glass, and the resist is exposed by electron beam lithography to form a resist pattern 51 (1). Then, the uneven | corrugated pattern 53 is formed in the glass surface by reactive dry etching (2). Subsequently, a metal material such as Au is formed by sputtering or vapor deposition, and then a metal microstructure 54 is produced by lift-off along with the removal of the resist (3). Subsequently, SiO 2 is sequentially deposited 55 by sputtering or the like (4). Further, a resist is applied, and the resist is exposed and rinsed by electron beam lithography to form a resist pattern 56, thereby producing an uneven shape (5).
続いて、反応性ドライエッチングによりガラス表面に凹凸パターン５７を形成する（６）。その後、金属材料をスパッタリングまたは蒸着により成膜し（７）、レジストの除去にともなうリフトオフにより、金属構造体５８を残すことにより、所望する構成を有する光処理素子が作製できる（８）。 Subsequently, an uneven pattern 57 is formed on the glass surface by reactive dry etching (6). Thereafter, a metal material is deposited by sputtering or vapor deposition (7), and the metal structure 58 is left by lift-off along with the removal of the resist, thereby producing an optical processing element having a desired configuration (8).
上述した工程を繰り返すことで、所望の複数層の光処理素子を作成することができる。以上は、本実施形態に係る光処理素子の作製工程の一例であるが、ＤＵＶ（遠紫外線）・ＥＵＶ（深紫外線）リソグラフィ技術による一括露光を行う方法や、モールドと呼ばれる型を用い、熱をかけて押し付けるナノインプリント加工技術などを利用して作製する方法も適用することが可能である。 By repeating the above-described steps, it is possible to create a desired multiple-layer optical processing element. The above is an example of the fabrication process of the light processing element according to the present embodiment. However, heat is applied using a method of performing batch exposure by DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography technology or a mold called a mold. It is also possible to apply a method of manufacturing using a nanoimprint processing technique that is pressed over.
また、上記光処理素子は以下のようにして実現できる。まず無機材料として光学ガラスを基板とし、その平坦な面に金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属材料をＣＶＤ等の化学蒸着法や物理蒸着をもちいた成膜法、あるいは鍍金等の堆積法で薄膜状に形成する。この金属膜上にフォトレジスト層を形成し、このフォトレジスト層に電子線描画やＸ線描画などの手法により、所望の微細構造に相当するパターンを残すようにレジストパターンを形成する。その後、不要部分の金属膜を例えばＲＩＥなどによりエッチングを行うことで、所望の微細構造金属パターンを形成することができる。 The light processing element can be realized as follows. First, optical glass is used as a substrate as an inorganic material, and a metal material such as gold (Au), silver (Ag), and aluminum (Al) is formed on the flat surface using a chemical vapor deposition method such as CVD or a physical vapor deposition method, Alternatively, it is formed into a thin film by a deposition method such as plating. A photoresist layer is formed on the metal film, and a resist pattern is formed on the photoresist layer so as to leave a pattern corresponding to a desired fine structure by a technique such as electron beam drawing or X-ray drawing. Thereafter, an unnecessary portion of the metal film is etched by, for example, RIE, so that a desired fine structure metal pattern can be formed.
また、無機材料として光学ガラスを基板とし、その平坦な面にフォトレジスト層を形成し、このフォトレジスト層に電子線描画やＸ線描画などの手法により、所望の微細構造に相当するパターン以外を残すようにレジストパターンを形成する。その後、金、銀、アルミニウムなどの金属材料をＣＶＤ等の化学蒸着法や物理蒸着をもちいた成膜法、あるいは鍍金等の堆積法でレジストパターン上に薄膜状に形成する。その後、レジスト膜を除去することで、レジスト膜上に形成された不要部分の金属膜を除去することで、所望の微細構造金属パターンを形成することができる。 Moreover, optical glass is used as a substrate as an inorganic material, a photoresist layer is formed on the flat surface, and a pattern other than a pattern corresponding to a desired fine structure is formed on the photoresist layer by a technique such as electron beam drawing or X-ray drawing. A resist pattern is formed so as to leave. Thereafter, a metal material such as gold, silver, and aluminum is formed in a thin film on the resist pattern by a film deposition method using chemical vapor deposition such as CVD, physical vapor deposition, or a deposition method such as plating. Thereafter, by removing the resist film and removing the unnecessary portion of the metal film formed on the resist film, a desired microstructure metal pattern can be formed.
無機材料としての基板には、石英ガラスや、ＢＫ７などの硼珪酸ガラス、ＣａＦ2、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ2Ｏ3などの光学結晶材料などが利用できる。該基板に微細金属構造パターンを形成した後、石英ガラスや、ＢＫ７などの硼珪酸ガラス、ＣａＦ2、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ2Ｏ3などの光学結晶材料をスパッタ等で形成した後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing:化学的機械研磨）で表面を研磨し、再度上記微細金属パターンを形成することにより積層された光処理素子を形成することができる。ＣＭＰは、研磨スラリー（研磨剤）と研磨パッドを用いて、ウェハーを研磨し、平坦化する技術である。ＣＭＰ装置では、研磨される半導体基板の表面を下向きに研磨パッドに押しつけ、双方を回転させながら、化学的作用と機械的作用を利用して表面を平坦化することができる。 For the substrate as the inorganic material, quartz glass, borosilicate glass such as BK7, optical crystal material such as CaF 2 , Si, ZnSe, and Al 2 O 3 can be used. After a fine metal structure pattern is formed on the substrate, an optical crystal material such as quartz glass, borosilicate glass such as BK7, CaF 2 , Si, ZnSe, Al 2 O 3 is formed by sputtering or the like, and then CMP (Chemical By laminating the surface by mechanical polishing (chemical mechanical polishing) and forming the fine metal pattern again, it is possible to form stacked optical processing elements. CMP is a technique for polishing and planarizing a wafer using a polishing slurry (abrasive) and a polishing pad. In a CMP apparatus, the surface of a semiconductor substrate to be polished can be pressed downward against a polishing pad and planarized using a chemical action and a mechanical action while rotating both.
また、これら金属微細構造の材料は、使用する光源波長でプラズモンが発生し、出射光に所望の位相差を与えるように選択すればよく、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕなどが使用可能であり、これら金属の合金でも良く、特に、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌが好ましい。 Further, these metal microstructures may be selected so that plasmons are generated at the light source wavelength to be used, and a desired phase difference is given to the emitted light. For example, Au, Ag, Al, Pt, Ni, Cr, Cu Etc. can be used, and alloys of these metals may be used, and Au, Ag, and Al are particularly preferable.
本実施形態により、微小な金属構造体が、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、クローム（Ｃｒ）のいずれか、または、これらの組み合わせ、または、これらの合金で構成されているため、任意の偏光方向を有する光を高効率に選択することが可能であり、設計自由度の高い光処理素子を実現することが可能となる。 According to this embodiment, the minute metal structure is any one of gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), platinum (Pt), nickel (Ni), chrome (Cr), or a combination thereof. Alternatively, since it is composed of these alloys, it is possible to select light having an arbitrary polarization direction with high efficiency and to realize an optical processing element with a high degree of design freedom.
以上好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上述した光処理素子に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であるということは言うまでもない。 Although the present invention has been described in detail based on the preferred embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described optical processing elements, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
５１ レジストパターン
５２ 基板
５３ 凹凸パターン
５４ 金属微細構造
５５ 成膜
５６ レジストパターン
５７ 凹凸パターン
５８ 金属構造体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 51 Resist pattern 52 Substrate 53 Uneven pattern 54 Metal fine structure 55 Deposition 56 Resist pattern 57 Uneven pattern 58 Metal structure
Claims (7)
前記単位処理領域は、前記金属微細構造体の所定方向における表面間隔ｄ１がｄ１＜Ｄとして配列され、かつ、前記金属微細構造体の前記所定方向と垂直な方向における表面間隔ｄ２がｄ２＞Ｄとして配列された構造である単位処理領域であり、
前記単位処理領域は、前記基板上に複数設けられることにより処理領域を形成し、
前記処理領域は、前記基板上に複数層積層されることにより処理領域層を形成し、
前記処理領域層に配列された前記金属微細構造体の高さは、隣接する処理領域層に配列された金属微細構造体の高さと異なることを特徴とする光処理素子。 An optical processing element comprising a unit processing region on a substrate in which a plurality of metal microstructures having a diameter D of D <λ with respect to incident light having a wavelength λ are periodically arranged in a lattice pattern,
The unit processing region, a surface spacing d1 which definitive in a predetermined direction of the metal microstructure is d1 <arranged as D, and the surface spacing d2 in the predetermined direction perpendicular to the direction of the metal microstructure is d2> D Is a unit processing area that is a structure arranged as
A plurality of unit processing regions are formed on the substrate to form processing regions,
The processing region is formed by stacking a plurality of layers on the substrate to form a processing region layer,
The optical processing element, wherein a height of the metal microstructures arranged in the processing region layer is different from a height of the metal microstructures arranged in an adjacent processing region layer.
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