JP5549495B2 - 光学素子、その製造方法及びその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂層上にナノオーダーの複数の金属パターンを配置した光学素子及びその製造方法に関する。

従来、光学素子として、例えば、回折格子が広く利用されている。回折格子は、ガラスや石英等の基板を用いて形成されており、回折格子の形状や寸法等は光の波長に応じて個別に設計されている。

近年、上記従来の光学素子とは異なる材料を利用する新規な構成の光学素子が、例えば、非特許文献１に提案されている。この光学素子では、適当に形状が制御された金属ナノ構造体を伸長可能な柔軟な基板上に配置してある。基板に外力を加えることで金属ナノ構造体間の配置が変化し、その結果、金属ナノ構造体間の近接場相互作用が変化し、光学応答が変化する。また、特許文献１に開示された光学素子では、偏光方向に依存せずに物質界面での反射率をゼロとし、光を１００％透過させることができるようにしたメタマテリアルを構成している。この光学素子では、メタマテリアルとして銀をＣ字形状に形成したナノ構造体である磁気共振器をガラス基板上に複数配置した構造を有している。

特開２００６−３５０２３２号公報 王暁星ほか、第５６回応用物理学会関係連合講演会（２００９春、筑波大学）１ｐ−Ｈ−９

上述の光学素子を伸長可能な柔軟な基板上に形成すると、基板に外力を加えることでＣ字形状の開口部距離が変化するので、共振波長の変化が生じることが期待されるが、伸長可能な柔軟な基板にナノ構造体を形成することは、基板の平坦性を確保することが難しく、ナノオーダーの金属パターンを精度よく、かつ伸長時に剥がれないよう密着性を確保しながら形成することは困難であった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、樹脂層上に配置するナノオーダーの金属パターンの樹脂層との密着性を改善する光学素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る光学素子は、透光性及び弾性を有する樹脂層と、前記樹脂層上に配置された複数の金属パターンと、を備え、前記金属パターンは、前記樹脂層上に配置される第１の金属層と、前記第１の金属層上に配置される第２の金属層とが積層して構成され、隣接する前記第２の金属層の間隔が１０００ｎｍ以下であり、前記樹脂層を変形させることで隣接する前記第２の金属層の間隔が変化することを特徴とする。この光学素子によれば、第１の金属層を樹脂層上に配置し、第１の金属層上に第２の金属層を配置したため、樹脂層と金属パターンとの密着性を改善でき、樹脂層から金属パターンが剥がれることを防止できる。また、所定の外力を加えて隣接する金属パターン間の間隔を変化させることにより、隣接する金属パターン間に発生する近接場光相互作用を変化させて、入射する光の偏光を変化させる等の機能を発揮することができる。

本発明の一実施形態に係る光学素子は、透光性及び弾性を有する樹脂層と、前記樹脂層上に配置された複数の金属パターンと、を備え、前記金属パターンは、前記樹脂層上に配置される第１の金属層と、前記第１の金属層上に配置される第２の金属層とが積層して構成され、前記第２の金属層は少なくとも一部に切り欠き部を有する略リング形状であり、前記切り欠き部の間隔が１０００ｎｍ以下であり、前記樹脂層を変形させることで前記切り欠き部の間隔が変化することを特徴とする。この光学素子によれば、第１の金属層を樹脂層上に配置し、第１の金属層上に第２の金属層を配置したため、樹脂層と金属パターンとの密着性を改善でき、樹脂層から金属パターンが剥がれることを防止できる。また、所定の外力を加えて隣接する金属パターン間の間隔を変化させることにより、隣接する金属パターン間に発生する近接場光相互作用を変化させて、入射する光の偏光を変化させる等の機能を発揮することができる。

また、本発明の一実施形態に係る光学素子は、前記第１の金属層と前記第２の金属層が上面視において同一形状であってもよい。この光学素子によれば、透光性を維持することができる。

また、本発明の一実施形態に係る光学素子は、前記第１の金属層が前記樹脂層の全面に配置されてもよい。この光学素子によれば、第１の金属層のパターンニング工程が不要となり、より簡便に光学素子を製造することができる。

また、本発明の一実施形態に係る光学素子は、前記第１の金属層がＣｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、これらの酸化物及び窒化物のいずれかを含んでもよい。この光学素子によれば、樹脂層と金属パターンとの密着性を改善でき、樹脂層から金属パターンが剥がれることを防止できる。

また、本発明の一実施形態に係る光学素子は、前記第１の金属層の厚さが１ｎｍ以上、５ｎｍ以下であってもよい。この光学素子によれば、第１の金属層の厚さを透光性に影響を与えない程度に形成することができる。

また、本発明の一実施形態に係る光学素子は、前記樹脂層がシリコン樹脂からなってもよい。この光学素子によれば、透光性及び弾性を有する樹脂基板を光学素子の構成として用いることができる。

本発明の一実施形態に係る光学素子の製造方法は、第１の基板上に透光性及び弾性を有する樹脂層を形成し、前記樹脂層上に第１の金属層を形成し、前記第１の金属層上にレジストを塗布し、その露光、現像を行ない、少なくとも複数の開口の幅が１０００ｎｍ以下となるようにレジストパターンを形成し、少なくとも前記レジストパターンの開口により露出した前記第１の金属層上に第２の金属層を形成し、前記レジストパターンを除去し、前記第１の金属層と前記第２の金属層が積層した金属パターンを形成し、前記第１の基板と前記樹脂層を離間させて剥離すること、を含むことを特徴とする。この光学素子の製造方法によれば、第１の金属層を樹脂層上に配置し、第１の金属層上に第２の金属層を配置したため、樹脂層と金属パターンとの密着性を改善でき、樹脂層から金属パターンが剥がれることを防止できる。

本発明の一実施形態に係る光学素子の製造方法は、第１の基板上に透光性及び弾性を有する樹脂層を形成し、前記樹脂層上に第１の金属層を形成し、前記第１の金属層上に第２の金属層を形成し、前記第２の金属層上にレジストパターンを形成し、前記レジストパターンをマスクとして、隣接する前記第２の金属層の間隔が１０００ｎｍ以下となるように前記第２の金属層をエッチングして、前記第１の金属層と前記第２の金属層が積層した金属パターンを形成し、前記第１の基板と前記樹脂層を離間させて剥離すること、を含むことを特徴とする。この光学素子の製造方法によれば、第１の金属層を樹脂層上に配置し、第１の金属層上に第２の金属層を配置したため、樹脂層と金属パターンとの密着性を改善でき、樹脂層から金属パターンが剥がれることを防止できる。

本発明の一実施形態に係る光学素子の製造方法は、第１の基板上に透光性及び弾性を有する樹脂層を形成し、前記樹脂層上に第１の金属層を形成し、前記第１の金属層上にレジストを塗布し、その後露光、現像を行ない、少なくとも一部に切り欠き部を有する略リング形状の開口を有し、前記切り欠き部の間隔が１０００ｎｍ以下となるようにレジストパターンを形成し、少なくとも前記レジストパターンの開口により露出した前記第１の金属層上に第２の金属層を形成し、前記レジストパターンを除去し、前記第１の金属層と前記第２の金属層が積層した金属パターンを形成し、前記第１の基板と前記樹脂層を離間させて剥離すること、を含むことを特徴とする。この光学素子の製造方法によれば、第１の金属層を樹脂層上に配置し、第１の金属層上に第２の金属層を配置したため、樹脂層と金属パターンとの密着性を改善でき、樹脂層から金属パターンが剥がれることを防止できる。

本発明の一実施形態に係る光学素子の製造方法は、第１の基板上に透光性及び弾性を有する樹脂層を形成し、前記樹脂層上に第１の金属層を形成し、前記第１の金属層上に第２の金属層を形成し、前記第２の金属層上にレジストパターンを形成し、前記レジストパターンをマスクとして、少なくとも一部に切り欠き部を有する略リング形状の開口を有し、前記切り欠き部の幅が１０００ｎｍ以下となるように前記第２の金属層をエッチングして、前記第１の金属層と前記第２の金属層が積層した金属パターンを形成し、前記第１の基板と前記樹脂層を離間させて剥離すること、を含むことを特徴とする。この光学素子の製造方法によれば、第１の金属層を樹脂層上に配置し、第１の金属層上に第２の金属層を配置したため、樹脂層と金属パターンとの密着性を改善でき、樹脂層から金属パターンが剥がれることを防止できる。

また、本発明の一実施形態に係る光学素子の製造方法は、前記樹脂層の形成後に、平坦面を有する第２の基板を前記樹脂層に押し当て、前記第２の基板の平坦面を前記樹脂層に転写すること、を更に含んでもよい。この光学素子の製造方法によれば、樹脂層の平滑性を改善でき、樹脂層上に配置する第１の金属層表面の平滑性も改善でき、金属パターンの形成位置の精度を向上させることができる。

本発明によれば、樹脂層上に配置するナノオーダーの金属パターンの樹脂層との密着性を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る光学素子の概略構成を示す図であり、（Ａ）は光学素子の概略構成を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ´線から見た断面図、（Ｃ）は金属パターンの構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学素子の他の概略構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学素子の金属パターンの配置例を示す図であり、（Ａ）は隣接する金属パターン間の間隔をＤ１に設定した場合を示す図、（Ｂ）は隣接する金属パターン間の間隔をＤ２に設定した場合を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学素子の製造方法の一例を示す図であり、（Ａ）は下基板の準備工程、（Ｂ）はＰＤＭＳの滴下工程、（Ｃ）は押付け基板準備工程、（Ｄ）は離型層形成工程、（Ｅ）は押付け工程、（Ｆ）は分離工程、（Ｇ）は下基板準備工程、（Ｈ）はＣｒ層形成工程、（Ｉ）はレジスト塗布工程、（Ｊ）はＥＢ描画・現像工程、（Ｋ）はＡｕ層形成工程、（Ｌ）リフトオフ工程、（Ｍ）ＰＤＭＳ分離工程を、それぞれ示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学素子の製造方法の他の例を示す図であり、（Ａ）はＣｒ層形成工程、（Ｂ）はＡｕ層形成工程、（Ｃ）はレジスト塗布工程、（Ｄ）はＥＢ描画・現像工程、（Ｅ）はＣｒ層及びＡｕ層のエッチング工程、（Ｆ）はＰＤＭＳ分離工程を、それぞれ示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学素子に外力を加える例を示す図であり、（Ａ）は光学素子を曲げた状態を示す図、（Ｂ）曲げる前と曲げた後の隣接する金属パターン間の間隔の変化を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学素子の概略構成を示す図であり、（Ａ）は光学素子の概略構成を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ´線から見た断面図、（Ｃ）は金属パターンの構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学素子の他の概略構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学素子の金属パターンの配置例を示すであり、（Ａ）は隣接する金属パターン間の間隔をＤ２１に設定した場合を示す図、（Ｂ）は隣接する金属パターン間の間隔をＤ２２に設定した場合を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学素子に外力を加える例を示す図であり、（Ａ）は光学素子を曲げた状態を示す図、（Ｂ）曲げる前と曲げた後の隣接する金属パターン間の間隔の変化を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光学素子の概略構成を示す図であり、（Ａ）は光学素子の概略構成を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ´線から見た断面図、（Ｃ）は金属パターンの構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光学素子の他の概略構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光学素子に外力を加える例を示す図であり、（Ａ）は光学素子を曲げた状態を示す図、（Ｂ）曲げる前と曲げた後の隣接する金属パターン間の間隔の変化を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る光学素子の概略構成を示す図であり、（Ａ）は光学素子の概略構成を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＤ−Ｄ´線から見た断面図、（Ｃ）は金属パターンの構成を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る光学素子の他の概略構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る光学素子に外力を加える例を示す図であり、（Ａ）は光学素子を曲げた状態を示す図、（Ｂ）曲げる前と曲げた後の隣接する金属パターン間の間隔の変化を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係る光学素子の概略構成を示す図であり、（Ａ）は光学素子の概略構成を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＥ−Ｅ´線から見た断面図、（Ｃ）は金属パターンの構成を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係る光学素子の他の概略構成を示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る光学素子に外力を加える例を示す図であり、（Ａ）は光学素子を曲げた状態を示す図、（Ｂ）曲げる前と曲げた後の隣接する金属パターン間の間隔の変化を示す図である。 本発明の第６の実施の形態に係る光学素子の概略構成を示す斜視図である。

（発明に至る経緯）
新規の光学素子として、例えば、非特許文献１において金属ナノ構造体の配置の変化に応じて生じる近接場光相互作用を利用して放射場の変調を行う光学素子が検討されている。この非特許文献１では、伸縮可能で柔軟な基板上に複数のナノ構造体を配置し、基板に対して一様に加えられた外力によりナノ構造体間の配置関係、すなわち、相互作用が変化し、全体システムの光学応答が制御可能と期待される、としている。

しかし、上記非特許文献１の光学素子では、基板に対して一様に加えられた外力によりナノ構造体間の配置関係、すなわち、相互作用が変化することを利用するため、基板には繰り返し外力が加えられることになる。このため、基板上に配置される金属ナノ構造体は、繰り返し加えられる外力に耐えられる構造が必要である。また、基板上に金属ナノ構造体を精度よく形成する製造方法が必要である。また、金属ナノ構造体の材料には、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等が一般的に使用される。しかし、これらの金属層を伸縮可能な材料である樹脂基板に直接形成すると、樹脂基板に対する金属ナノ構造体の密着力が弱いため、変形により金属ナノ構造体に剥がれが生じる虞がある。上記光学素子を実現するためには、金属ナノ構造体と樹脂基板の密着性を改善する必要がある。そこで、本発明の発明者らは、この光学素子の構造と製造方法について検討した。以下の実施の形態では、透光性及び弾性を有する樹脂基板上にナノオーダーの複数の金属パターンを配置する光学素子において、樹脂基板と金属ナノ構造体との密着性を改善し、繰り返し加えられる外力に耐えられる構造及び製造方法について説明する。また、樹脂基板上に金属ナノ構造体を精度良く形成する製造方法について説明する。

以下、図面を参照して本発明に係る光学素子及びその製造方法について説明する。但し、本発明の光学素子は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す多数の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

（第１の実施の形態）
本発明に係る第１の実施の形態について図面を参照して説明する。

＜光学素子の構成＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光学素子の概略構成を示す図である。図１（Ａ）は第１の実施の形態に係る光学素子１００の概略構成を示す平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ´線から見た断面図、図１（Ｃ）は金属パターンの構成を示す図である。図１（Ａ）及び（Ｂ）において、光学素子１００は、樹脂基板１０１（樹脂層）上に配置される第１の金属層１０２と、第１の金属層１０２上に配置される第２の金属層１０３とを備え、第１の金属層１０２と第２の金属層１０３が積層した構造を有する金属パターン１０４を含んでいる。

樹脂基板１０１としては、柔軟性を有する透光性の樹脂からなり、例えば、シリコン樹脂を用いることができる。透光性及び材料強度の観点からＰＤＭＳ（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ：ポリジメチルシロキサン）を用いることが望ましい。この樹脂基板１０１は、光学素子としての利用に支障を来さない程度の透光性を有していればよく、好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上、さらに好ましくは９５％以上の光透過率を有する。光に対する透過率が８０％未満であると、光学素子としての機能を発現しにくくなるためである。なお、透過率は大塚電子株式会社製透過スペクトル測定機ＭＣＰＤ２０００により測定した値である。また、樹脂基板１０１は、その弾性率が引張り強度において１００ＫＰａ以上、１０ＭＰａ以下の弾性を有するものを用いることが望ましい。弾性率が１００ＫＰａ未満であると、樹脂基板１０１の外力に対する変形量が小さくなり、例えば、光変調機能の効果を発現しにくくなるからである。なお、引っ張り強度は万能試験機インストロン５５６５を用いダンベル試験片の破断強度により測定した値である。

第１の金属層１０２としては、樹脂基板１０１と第２の金属層１０３との密着性を向上させる金属材料を含み、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗまたはこれらの酸化物、窒化物を用いてもよく、特に、樹脂基板１０１との密着性が強く、樹脂基板１０１の透光性を維持するため薄く成膜できる金属材料を用いることが望ましい。なお、第１の金属層１０２は導電性を有していてもよいし、導電性に乏しいものであってもよく、目的とする光学素子の機能に応じて適宜選択しうる。

第２の金属層１０３は、図１（Ａ）に示す形状にパターンニングされており、複数の金属パターン１０４を構成している。この金属パターン１０４は、図１（Ｃ）に示すように、長方形の左右端部に矩形の凸部を有する形状であり、図中に示す寸法Ｌ１は、例えば、１００ｎｍ、寸法Ｌ２は、例えば、２００ｎｍ、寸法Ｌ３は、例えば、１００ｎｍとする。これらの寸法Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の各値は一例であり、特に限定するものではないが、１０００ｎｍ以下の寸法に設定することが望ましい。また、図１（Ａ）に示す隣接する金属パターン１０４間の最接近した部分の間隔Ｄは、ナノオーダーに設定されており、例えば、４０ｎｍとする。この間隔Ｄの値は一例であり、特に限定するものではないが、適用する光の波長に応じて適宜設定しうる値であり、好ましくは１０００ｎｍ以下、より好ましくは５００ｎｍ以下の寸法に設定することが望ましい。なお、間隔Ｄの下限値は加工上の制約を考慮すると、２０ｎｍ以上とすることが好ましい。したがって２０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲でＤを設定するのが最も好ましい。また、第２の金属層１０３は、金属材料を含み、例えば、貴金属であるＡｕ、Ａｇ、やＡｌ等の金属材料を用いてもよい。樹脂基板１０１と第２の金属層１０３の間に第１の金属層１０２を介在させることにより、各層の密着性を向上させることができる。

図１（Ｂ）に示す断面図では、第１の金属層１０２が樹脂基板１０１の上面全面に形成した場合を示しているが、この構成に限定するものではなく、例えば、図２に示すように、第２の金属層１０３に形成される金属パターン１０４の形状に実質的に合わせて形成してもよい。また、図１（Ａ）に示した隣接する金属パターン１０４間の間隔Ｄは、例えば、図３（Ａ）に示すように、間隔Ｄ１としてもよく、また、図３（Ｂ）に示すように、間隔Ｄ１よりも広い間隔Ｄ２としてもよい。この隣接する金属パターン１０４間の間隔Ｄによって、上述した金属ナノ構造体間に発生する近接場光相互作用の程度が変化する。また、上述したように、柔軟性を有する樹脂基板１０１に対して外力が加えられ、樹脂基板１０１が曲げられた場合、隣接する金属パターン１０４間の間隔Ｄが変化し、金属ナノ構造体間に発生する近接場光相互作用に変化をもたらす。なお、変形は曲げ以外に、伸縮、ねじれ等を含むものとする。個々の金属パターン１０４間の間隔は、樹脂基板１０１の面内において均一に設定してもよいし、第１の領域とそれとは異なる第２の領域において間隔を異ならせて面内分布を持たせてもよい。

＜光学素子の製造方法＞
次に、図１に示した光学素子１００の製造方法について図４を参照して説明する。

（１）下基板の準備（図４（Ａ）参照）
まず、樹脂基板１０１を形成するために用いる下基板１１０（第１の基板）を準備する。この下基板１１０としては、例えば、６インチの石英基板を用いるものとする。なお、下基板１１０は、石英基板に限るものではなく、シリコン基板を用いてもよい。

（２）ＰＤＭＳ滴下（図４（Ｂ）参照）
次に、下基板１１０の上面に樹脂層としてＰＤＭＳ１０１を所定量（例えば、１５ｇ）滴下して、厚さを１ｍｍ程度に設定する。

（３）押付け基板の準備（図４（Ｃ）参照）
次に、下基板１１０の上面に滴下したＰＤＭＳ１０１を平坦化するための押付け基板１１１（第２の基板）を準備する。この押付け基板１１１としては、例えば、シリコン基板を用いるものとする。押付け基板１１１の表面は、表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以下であることが好ましい。

（４）離型層形成（図４（Ｄ）参照）
次に、押付け基板１１１の一方の面上に、フッ素系の離型剤を塗布して離型層１１２を形成する。この離型剤は、ＰＤＭＳ１０１を平坦化した後、ＰＤＭＳ１０１から押付け基板１１１を分離することを容易にするためのものである。

（５）押付け（図４（Ｅ）参照）
次に、押付け基板１１１の離型層１１２を形成した面を硬化前のＰＤＭＳ１０１の表面に押し付けた状態を保持し、ＰＤＭＳを硬化させ押付け基板１１１の平坦面をＰＤＭＳ１０１の表面に転写することで、ＰＤＭＳ１０１の表面を平坦化する。その際、２時間以上室温で放置することでＰＤＭＳは硬化するが、１００℃以上に加熱することにより短時間で硬化させることも出来る。基板上に平坦な樹脂層を形成する方法としてスピンコート法が一般的であるが、硬化前のＰＤＭＳのような粘性の高い材料を平坦性よく塗布することが困難である。本方法では押付け基板１１１の平坦面をＰＤＭＳに転写することで、押付け基板１１１の平坦面と同等の平坦性を容易に実現できる。ＰＤＭＳ１０１の表面を平坦化することにより、後述する工程において形成される第１の金属層１０２であるＣｒ層１０２及び第２の金属層１０３であるＡｕ層１０３の平滑性を向上できる。

（６）分離（図４（Ｆ）参照）
次に、ＰＤＭＳ１０１表面を平坦化した後、ＰＤＭＳ１０１から押付け基板１１１を分離する。

（７）下基板の準備（図４（Ｇ）参照）
次に、押付け基板１１１を分離し、ＰＤＭＳ１０１表面を平坦化した下基板１１０を準備する。

（８）Ｃｒ層の形成（図４（Ｈ）参照）
次に、例えば、スパッタ法、蒸着法等の真空成膜法を用いてＰＤＭＳ１０１表面上にＣｒ層１０２を形成する。このＣｒ層１０２の厚さは、例えば、２ｎｍである。Ｃｒ層１０２の厚さは、特に限定するものではないが、ＰＤＭＳ１０１の透光性に影響を与えない程度のナノオーダーの厚さ１ｎｍ〜５ｎｍ程度に形成することが望ましい。

（９）レジスト塗布（図４（Ｉ）参照）
次に、Ｃｒ層１０２上にレジスト１１４を厚さ３００ｎｍ程度塗布する。このレジスト１１４としては、例えば、電子線レジストＺＥＰ５２０（日本ゼオン株式会社製）等を用いてもよい。なお、レジスト材料は、特に限定するものではない。

（１０）ＥＢ描画・現像（図４（Ｊ）参照）
次に、ＥＢ描画及び現像により、図１（Ｃ）に示した金属パターン１０４に対応する開口を有するレジストパターン１１４を形成する。ＰＤＭＳ１０１上に導電性を有するＣｒ層１０２が形成されているため、電子線描画における電子のチャージアップを防止することができる。また、ＰＤＭＳ１０１上にＣｒ層１０２を成膜した後でレジストを形成するため、ＰＤＭＳ１０１表面でレジストが剥がれてしまうのを防ぐことができる。なお、レジストパターンの形成は、ナノインプリントリソグラフィや集束イオンビームリソグラフィなどで行うことも可能である。

（１１）Ａｕ層の形成（図４（Ｋ）参照）
次に、例えば、スパッタ法、蒸着法等の真空成膜法を用いてＣｒ層１０２上及びレジストパターン１１４上にＡｕ層１０３を形成する。このＡｕ層１０３の厚さは、例えば、２００ｎｍ程度である。

（１２）リフトオフ（図４（Ｌ）参照）
次に、レジストパターン１１４及びレジストパターン１１４上のＡｕ層１０３を除去し（リフトオフ）、Ｃｒ層１０２上にＡｕ層１０３が積層した金属パターン１０４を形成する。

（１３）ＰＤＭＳ分離（図４（Ｍ）参照）
次に、ＰＤＭＳ１０１から下基板１１０を分離して光学素子１００の製造を完了する。なお、完成したＰＤＭＳ１０１の厚さは、０．１ｍｍ〜５ｍｍ程度にすることが望ましい。０．１ｍｍ未満であると、ＰＤＭＳ１０１分離の際に、機械的強度が足りず破損が生じる。５ｍｍより大きいと弾性が生じにくくなるため、好ましくない。すなわち、ＰＤＭＳ１０１は、曲げることが可能な厚さにすることが望ましい。

以上の製造方法によりＰＤＭＳを樹脂基板１０１とし、樹脂基板１０１上に第１金属層１０２としてＣｒ層１０２及び第２金属層１０３としてＡｕ層１０３からなる金属パターン１０４を積層した光学素子１００の製造が可能になる。この製造方法により製造された光学素子１００は、金属との密着性が強いＣｒ層１０２を樹脂基板１０１上に成膜し、Ｃｒ層１０２上に金属パターン１０４を形成するＡｕ層１０３を成膜するため、樹脂基板と金属ナノ構造体との密着性を改善でき、繰り返し加えられる外力に耐えられる構造とすることができる。また、上記製造方法では、押付け基板１１１を用いて樹脂基板１０１となるＰＤＭＳ１０１表面を平坦化したため、その平滑性を改善でき、その後に成膜するＣｒ層１０２表面の平滑性も改善でき、Ａｕ層１０３による金属パターン１０４の形成位置の精度を向上させることができる。

図１に示した光学素子１００の製造方法は、図４に示したリフトオフ法を用いる他、後述するように積層した金属をエッチングすることにより金属パターン１０４を作製してもよい。このエッチング法を用いる光学素子の製造方法について図５を参照して説明する。なお、Ｃｒ層の形成〜ＰＤＭＳ分離以前の工程は上述の工程と略同様であり、図５ではその図示及び説明を省略する。

（１）Ｃｒ層の形成（図５（Ａ）参照）
次に、例えば、スパッタ法、蒸着法等の真空成膜法を用いてＰＤＭＳ１０１表面上にＣｒ層１０２を形成する。このＣｒ層１０２の厚さは、例えば、２ｎｍである。Ｃｒ層１０２の厚さは、特に限定するものではないが、ＰＤＭＳ１０１の透光性に影響を与えない程度のナノオーダーの厚さ１ｎｍ〜５ｎｍ程度に形成することが望ましい。

（２）Ａｕ層の形成（図５（Ｂ）参照）
次に、例えば、スパッタ法、蒸着等の真空成膜法を用いてＣｒ層１０２上にＡｕ層１０３を形成する。このＡｕ層１０３の厚さは、例えば、２００ｎｍ程度である。

（３）レジスト塗布（図５（Ｃ）参照）
次に、Ｃｒ層１０２上にレジスト１１４を厚さ３００ｎｍ程度塗布する。このレジスト１１４としては、例えば、電子線レジストＺＥＰ５２０（日本ゼオン株式会社製）等を用いてもよい。なお、レジスト材料は、特に限定するものではない。

（４）ＥＢ描画・現像（図５（Ｄ）参照）
次に、ＥＢ描画及び現像により、レジスト１１４に図１（Ｃ）に示した金属パターン１０４に対応したレジストパターン１１４を形成する。ＰＤＭＳ１０１上に導電性を有するＣｒ層１０２が形成されているため、電子線描画における電子のチャージアップを防止することができる。

（５）Ｃｒ層及びＡｕ層のエッチング（図５（Ｅ）参照）
次に、レジストパターン１１４をマスクにしてＣｒ層１０２、Ａｕ層１０３をエッチングする。その後、レジストパターン１１４を除去し、Ｃｒ層１０２にＡｕ層１０３が積層して構成された金属パターン１０４を得る。

（６）ＰＤＭＳ分離（図５（Ｆ）参照）
次に、ＰＤＭＳ１０１から下基板１１０を分離して光学素子１００の製造を完了する。

次に、第１の実施の形態に係る光学素子１００の動作について図６を参照して説明する。図６（Ａ）は光学素子１００に外力が加えられた状態を示す図、図６（Ｂ）は外力が加えられたことにより隣接する金属パターン１０４間の間隔Ｄが変化する状態を示す図である。

図６（Ａ）において、図中に示すｙ方向に曲げられる外力が光学素子１００に加えられると、樹脂基板１０１はｙ方向に曲げられる。このように樹脂基板１０１が曲げられると、図６（Ｂ）に示すように、隣接する金属パターン１０４間の間隔Ｄは、曲げられる前の間隔Ｄよりも曲げられた後の間隔Ｄが広がる。この隣接する金属パターン１０４間の間隔Ｄの変化は、隣接する金属パターン１０４間に発生する近接場光相互作用を変化させる。このため、図１（Ａ）に示すように、光学素子１００に対して紙面の手前から奥方向に垂直に入射する光は、偏光状態が変化する。また、図示はしていないが、樹脂基板１０１を引っ張って伸長させて、隣接する金属パターン１０４間の間隔Ｄを変化させて近接場光相互作用を変化させてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る光学素子１００は、所定の外力を加えて隣接する金属パターン１０４間の間隔Ｄを変化させることにより、隣接する金属パターン１０４間に発生する近接場光相互作用を変化させて、入射する偏光を変化させる等の機能を発揮することができる。この光学素子１００の機能と偏光フィルタを利用することにより、例えば、入射光の透過と遮断を行う光スイッチ等として適用することが可能になる。また、光学素子１００は、金属パターン１０４の大きさ及び隣接する金属パターン１０４間の間隔Ｄを可視光領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）に適用するように設計すれば、所定の外力を加えて隣接する金属パターン１０４間の間隔Ｄを変化させることにより、可視光領域の入射光の偏光を変化させることが可能になる。したがって、樹脂基板１０１上に金属パターン１０４を配置した光学素子１００は、従来のガラスや石英等の基板を用いる光学素子に比べて利用範囲を拡大できる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る光学素子２００について図７〜図１０を参照して説明する。第２の実施の形態に係る光学素子２００は、金属パターンの形状を短冊形状にしたことに特徴がある。なお、図７〜図１０に示す光学素子２００の構成では、第１の実施の形態に示した光学素子１００と同一の構成部分には同一符号を付しており、その構成説明は省略する。

図７は、本発明の第２の実施の形態に係る光学素子の概略構成を示す図である。図７（Ａ）は第２の実施の形態に係る光学素子２００の概略構成を示す平面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＢ−Ｂ´線から見た断面図、図７（Ｃ）は金属パターンの構成を示す図である。図７（Ａ）及び（Ｂ）において、光学素子２００は、樹脂基板１０１（樹脂層）上に配置される第１の金属層１０２と、第１の金属層１０２上に配置される第２の金属層２０３とを備え、第１の金属層１０２と第２の金属層２０３が積層した構造を有する金属パターン２０４を含んでいる。

第２の金属層２０３は、図７（Ａ）に示す形状にパターンニングされており、複数の金属パターン２０４を構成している。この金属パターン２０４は、図７（Ｃ）に示すように、短冊形状であり、図中に示す寸法Ｌ２１は、例えば、１００ｎｍ、寸法Ｌ２１は、例えば、２００ｎｍとする。これらの寸法Ｌ２１，Ｌ２２の各値は一例であり、特に限定するものではないが、１０００ｎｍ以下の寸法に設定することが望ましい。また、図７（Ａ）に示す隣接する金属パターン２０４間の最接近した部分の間隔Ｄは、ナノオーダーに設定されており、例えば、８０ｎｍとする。この間隔Ｄの値は一例であり、特に限定するものではないが、適用する光の波長に応じて適宜設定しうる値であり、好ましくは１０００ｎｍ以下、より好ましくは５００ｎｍ以下の寸法に設定することが望ましい。なお、間隔Ｄの下限値は加工上の制約を考慮すると、２０ｎｍ以上であることが好ましい。したがって２０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲でＤを設定するのが最も好ましい。また、第２の金属層２０３は、例えば、貴金属であるＡｕ、Ａｇ、やＡｌ等の金属材料を用いてもよい。樹脂基板１０１と第２の金属層２０３の間に第１の金属層１０２を介在させることにより、各層の密着性を向上させることができる。

図７（Ｂ）に示す断面図では、第１の金属層１０２が樹脂基板１０１の上面全面に形成した場合を示しているが、この構成に限定するものではなく、例えば、図８に示すように、第２の金属層２０３に形成される金属パターン２０４の形状に実質的に合わせて形成してもよい。また、図７（Ａ）に示した隣接する金属パターン２０４間の間隔Ｄは、例えば、図９（Ａ）に示すように、間隔Ｄ２１としてもよく、また、図９（Ｂ）に示すように、間隔Ｄ２１よりも広い間隔Ｄ２２としてもよい。この隣接する金属パターン２０４間の間隔Ｄによって、上述した金属ナノ構造体間に発生する近接場光相互作用の程度が変化する。また、上述したように、柔軟性を有する樹脂基板１０１に対して外力が加えられ、樹脂基板１０１が曲げられた場合、隣接する金属パターン２０４間の間隔Ｄが変化し、金属ナノ構造体間に発生する近接場光相互作用に変化をもたらす。なお、変形は曲げ以外に、伸縮、ねじれ等を含むものとする。個々の金属パターン２０４間の間隔は、樹脂基板１０１の面内において均一に設定してもよいし、第１の領域とそれとは異なる第２の領域において間隔を異ならせて面内分布を持たせてもよい。

第２の実施の形態に係る光学素子２００の製造方法は、第１の実施の形態において図４又は図５に示した製造方法と同様であるため、その説明は省略する。

次に、第２の実施の形態に係る光学素子２００の動作について図１０を参照して説明する。図１０（Ａ）は光学素子２００に外力が加えられた状態を示す図、図１０（Ｂ）は外力が加えられたことにより隣接する金属パターン２０４間の間隔Ｄが変化する状態を示す図である。

図１０（Ａ）において、図中に示すｙ方向に曲げられる外力が光学素子２００に加えられると、樹脂基板１０１はｙ方向に曲げられる。このように樹脂基板１０１が曲げられると、図１０（Ｂ）に示すように、隣接する金属パターン２０４間の間隔Ｄは、曲げられる前の間隔Ｄよりも曲げられた後の間隔Ｄが広がる。この隣接する金属パターン２０４間の間隔Ｄの変化は、隣接する金属パターン２０４間に発生する近接場光相互作用を変化させる。このため、図７（Ａ）に示すように、光学素子２００に対して紙面の手前から奥方向に垂直に入射する光は、その偏光が変化する。また、図示はしていないが、樹脂基板１０１を引っ張って伸長させて、隣接する金属パターン２０４間の間隔Ｄを変化させて近接場光相互作用を変化させてもよい。

本発明の第２の実施の形態に係る光学素子２００は、所定の外力を加えて隣接する金属パターン２０４の間隔Ｄを変化させることにより、隣接する金属パターン２０４間に発生する近接場光相互作用を変化させて、入射する光の偏光状態を変化させる等の機能を発揮することができる。この光学素子２００の機能を利用することにより、例えば、入射光の透過と遮断を行う光スイッチ等として適用することが可能になる。また、光学素子２００は、金属パターン２０４の大きさ及び隣接する金属パターン２０４間の間隔Ｄを可視光領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）に適用するように設計すれば、所定の外力を加えて隣接する金属パターン２０４間の間隔Ｄを変化させることにより、可視光領域の入射光の偏光を変化させることが可能になる。したがって、樹脂基板１０１上に金属パターン２０４を配置した光学素子２００は、従来のガラスや石英等の基板を用いる光学素子に比べて利用範囲を拡大できる。また、光学素子２００は、密着性が強いＣｒ層１０２を樹脂基板１０１上に成膜し、Ｃｒ層１０２上に金属パターン２０４を形成するＡｕ層１０３を成膜したため、樹脂基板と金属ナノ構造体との密着性を改善でき、繰り返し加えられる外力に耐えられる構造とすることができる。また、上記製造方法では、押付け基板１１１を用いて樹脂基板１０１となるＰＤＭＳ１０１表面を平坦化したため、その平滑性を改善でき、その後に成膜するＣｒ層１０２表面の平滑性も改善でき、Ａｕ層２０３による金属パターン２０４の形成位置の精度を向上させることができる。

上述の第１の実施形態の形態および第２の実施の形態に記載した金属パターン１０４、２０４の形態は一例であって、例えば「十」字形状、「卍」形状、「Ｔ」字形状等の模様の組合せを用いることもできる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る光学素子３００について図１１〜図１３を参照して説明する。第３の実施の形態に係る光学素子３００は、金属パターンとして略リング形状の一部に切り欠き部を有する金属ナノ構造体を複数配置したことに特徴がある。光学素子３００はメタマリアルを構成するためのメタマリアル用部材である。なお、図１１〜図１３に示す光学素子３００の構成では、第１の実施の形態に示した光学素子１００と同一の構成部分には同一符号を付しており、その構成説明は省略する。

図１１は、本発明の第３の実施の形態に係る光学素子の概略構成を示す図である。図１１（Ａ）は第３の実施の形態に係る光学素子３００の概略構成を示す平面図、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）のＣ−Ｃ´線から見た断面図、図１１（Ｃ）は金属パターンの構成を示す図である。図１０（Ａ）及び（Ｂ）において、光学素子３００は、樹脂基板１０１（樹脂層）上に配置される第１の金属層１０２と、第１の金属層１０２上に配置される第２の金属層３０３とを備え、第１の金属層１０２と第２の金属層３０３が積層した構造を有する金属パターン３０４を含んでいる。なお、樹脂基板１０１としてはＰＤＭＳを用い、第１の金属層１０２としてはＣｒ層を用いることができる。

第２の金属層３０３は、図１１（Ａ）に示す略リング形状の一部に切り欠き部を有する複数の金属パターン３０４が形成されている。この金属パターン３０４は、図１１（Ｃ）に示すように、直径Ｌ３１が１３０ｎｍ程度の略リング形状であり、その左側部に間隔Ｄ３１が２０ｎｍ程度の切り欠き部３０４ａが形成されている。なお、略リング形状とは、第２の金属層が少なくとも１つの切り欠き部を有しながら、全体として環状であることをさすものとする。なお、環状とは円環状、方環状、多角形の環状等の種々の形態を包含する。これらの寸法Ｌ３１，Ｄ３１の値は一例であり、特に限定するものではないが、好ましくは１０００ｎｍ以下、より好ましくは５００ｎｍ以下の寸法に設定する。また、図１０（Ａ）に示す隣接する金属パターン３０４の中心間の間隔Ｄ３２は、例えば、１６０ｎｍとする。この間隔Ｄ３２の値は一例であり、特に限定するものではないが、好ましくは１０００ｎｍ以下、より好ましくは５００ｎｍ以下の寸法に設定する。例えば、適用する光の波長が可視光領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）である場合、Ｌ３１の値は、その適用する光の波長内に収まるように設定し、Ｌ３１の値に応じてＤ３１及びＤ３２の各値を変更することが望ましい。また、第２の金属層３０３としては、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等の金属材料を用いてもよい。樹脂基板１０１と第２の金属層３０３の間に第１の金属層１０２を介在させることにより、各層の密着性を向上させることができる。第２の実施の形態では、第２の金属層３０３としてＡｕを用いるものとする。図１０（Ｃ）に示す金属パターン３０４の形状は、負屈折率などの自然界に存在しない機能を有する、いわゆるメタマテリアル機能を発現する。

図１１（Ｂ）に示す断面図では、第１の金属層１０２が樹脂基板１０１の上面全面に形成した場合を示しているが、この構成に限定するものではなく、例えば、図１２に示すように、第２の金属層３０３に形成される金属パターン３０４の形状に実質的に合わせて形成してもよい。また、上述したように、樹脂基板１０１に対して外力が加えられ、樹脂基板１０１が曲げられた場合、金属パターン３０４の切り欠き部３０４ａの間隔Ｄ３１が変化し、金属ナノ構造体の容量が変化することで、メタマテリアルとしての特性が変化する。

第３の実施の形態に係る光学素子３００の製造方法は、第１の実施の形態において図４又は図５に示した製造方法と同様であるため、その説明は省略する。

次に、第３の実施の形態に係る光学素子３００の動作について図１３を参照して説明する。図１３（Ａ）は光学素子３００に外力が加えられた状態を示す図、図１３（Ｂ）は外力が加えられたことにより金属パターン３０４の切り欠き部３０４ａの間隔Ｄ３１が変化する状態を示す図である。

図１３（Ａ）において、図中に示すｙ方向に曲げられる外力が光学素子３００に加えられると、樹脂基板１０１はｙ方向に曲げられる。このように樹脂基板１０１が曲げられると、図１３（Ｂ）に示すように、金属パターン３０４の切り欠き部３０４ａの間隔Ｄ３１は、曲げられる前の間隔Ｄ３１よりも曲げられた後の間隔Ｄ３１が広がる。この金属パターン３０４の切り欠き部３０４ａの間隔Ｄ３１が変化し、金属ナノ構造体のＬＣ特性を変化させる。このため、図１１（Ａ）に示すように、光学素子３００に対して紙面の手前から奥方向に垂直に入射する光に対する屈折率が変化する。また、図示はしていないが、樹脂基板１０１を引っ張って伸長させて、金属パターン３０４の切り欠き部３０４ａの間隔Ｄ３１を変化させてもよい。

本発明の第３の実施の形態に係る光学素子３００は、所定の外力を加えて金属パターン３０４の切り欠き部３０４ａの間隔Ｄ３１を変化させることにより、金属ナノ構造体のＬＣ特性を変化させて、メタマテリアル機能を発現する波長をシフトさせる等の機能を発揮することができる。また、光学素子３００は、金属パターン３０４及び切り欠き部３０４ａの大きさを可視光領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）に適用するように設計すれば、所定の外力を加えて金属パターン３０４の切り欠き部３０４ａの間隔Ｄ３１を変化させることにより、可視光領域の入射光の波長依存性をシフトさせることが可能になる。したがって、樹脂基板１０１上にナノマテリアルとしての金属パターン３０４を配置した光学素子３００は、従来のガラスや石英等の基板を用いる光学素子に比べて利用範囲を拡大できる。また、光学素子３００は、密着性が強いＣｒ層１０２を樹脂基板１０１上に成膜し、Ｃｒ層１０２上に金属パターン３０４を形成するＡｕ層３０３を成膜したため、樹脂基板と金属ナノ構造体との密着性を改善でき、繰り返し加えられる外力に耐えられる構造とすることができる。また、上記製造方法では、押付け基板１１１を用いて樹脂基板１０１となるＰＤＭＳ１０１表面を平坦化したため、その平滑性を改善でき、その後に成膜するＣｒ層１０２表面の平滑性も改善でき、Ａｕ層３０３による金属パターン３０４の形成位置の精度を向上させることができる。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係る光学素子４００について図１４〜図１６を参照して説明する。第４の実施の形態に係る光学素子４００は、金属パターンとして略リング形状のものに複数の切り欠き部を有しており、Ｃ字形状のパターンを有する金属ナノ構造体を複数配置したことに特徴がある。光学素子４００はメタマリアルを構成するためのメタマリアル用部材である。なお、図１４〜図１６に示す光学素子４００の構成では、第１の実施の形態に示した光学素子１００と同一の構成部分には同一符号を付しており、その構成説明は省略する。

図１４は、本発明の第４の実施の形態に係る光学素子の概略構成を示す図である。図１４（Ａ）は第４の実施の形態に係る光学素子４００の概略構成を示す平面図、図１４（Ｂ）は図１４（Ａ）のＤ−Ｄ´線から見た断面図、図１４（Ｃ）は金属パターンの構成を示す図である。図１４（Ａ）及び（Ｂ）において、光学素子４００は、樹脂基板１０１（樹脂層）上に配置される第１の金属層１０２と、第１の金属層１０２上に配置される第２の金属層４０３とを備え、第１の金属層１０２と第２の金属層４０３が積層した構造を有する金属パターン４０４を含んでいる。なお、樹脂基板１０１としてはＰＤＭＳを用い、第１の金属層１０２としてはＣｒ層を用いることができる。

第２の金属層４０３には、図１４（Ａ）に示す２つのＣ字形状パターン４０４ａ及び４０４ｂを間隔Ｄ４１を空けて上下に配置した金属パターン４０４が複数形成されている。この金属パターン４０４は、図１４（Ｃ）に示すように、直径Ｌ４１が１３０ｎｍ程度の略リング形状であり、そのＣ字形状パターン４０４ａ及び４０４ｂ間の間隔Ｄ４１が２０ｎｍ程度に形成されている。これらの寸法Ｌ４１，Ｄ４１の値は一例であり、特に限定するものではないが、好ましくは１０００ｎｍ以下、より好ましくは５００ｎｍ以下の寸法に設定する。また、図１４（Ａ）に示す隣接する金属パターン４０４の中心間の間隔Ｄ４２は、例えば、１６０ｎｍとする。この間隔Ｄ４２の値は一例であり、特に限定するものではないが、好ましくは１０００ｎｍ以下、より好ましくは５００ｎｍ以下の寸法に設定する。例えば、適用する光の波長が可視光領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）である場合、Ｌ４１の値は、その適用する光の波長内に収まるように設定し、Ｌ４１の値に応じてＤ４１及びＤ４２の各値を変更することが望ましい。また、第２の金属層４０３としては、例えば、貴金属であるＡｕ、Ａｇ、やＡｌ等の金属材料を用いてもよい。樹脂基板１０１と第２の金属層４０３の間に第１の金属層１０２を介在させることにより、各層の密着性を向上させることができる。第３の実施の形態では、第２の金属層４０３としてＡｕを用いるものとする。図１４（Ｃ）に示す金属パターン４０４の形状は、メタマテリアル機能を発現する金属ナノ構造体として機能する。

図１４（Ｂ）に示す断面図では、第１の金属層１０２が樹脂基板１０１の上面全面に形成した場合を示しているが、この構成に限定するものではなく、例えば、図１５に示すように、第２の金属層４０３に形成される金属パターン４０４の形状に実質的に合わせて形成してもよい。また、上述したように、樹脂基板１０１に対して外力が加えられ、樹脂基板１０１が曲げられた場合、金属パターン４０４のＣ字形状パターン４０４ａ及び４０４ｂ間の間隔Ｄ４１が変化し、Ｃ字形状パターン４０４ａ及び４０４ｂで生じるＬＣ特性に変化をもたらす。

第４の実施の形態に係る光学素子４００の製造方法は、第１の実施の形態において図４又は図５に示した製造方法と同様であるため、その説明は省略する。

次に、第４の実施の形態に係る光学素子４００の動作について図１６を参照して説明する。図１６（Ａ）は光学素子４００に外力が加えられた状態を示す図、図１６（Ｂ）は外力が加えられたことにより金属パターン４０４のＣ字形状パターン４０４ａ及び４０４ｂ間の間隔Ｄ４１が変化する状態を示す図である。

図１６（Ａ）において、図中に示すｙ方向に曲げられる外力が光学素子４００に加えられると、樹脂基板１０１はｙ方向に曲げられる。このように樹脂基板１０１が曲げられると、図１６（Ｂ）に示すように、金属パターン４０４のＣ字形状パターン４０４ａ及び４０４ｂ間の間隔Ｄ４１は、曲げられる前の間隔Ｄ４１よりも曲げられた後の間隔Ｄ４１が広がる。この金属パターン４０４のＣ字形状パターン４０４ａ及び４０４ｂ間の間隔Ｄ４１が変化し、金属ナノ構造体のＬＣ特性を変化させる。このため、図１４（Ａ）に示すように、光学素子４００に対して紙面の手前から奥方向に垂直に入射する光に対する屈折率が変化する。また、図示はしていないが、樹脂基板１０１を引っ張って伸長させて、金属パターン４０４の間隔Ｄ４１を変化させてもよい。

本発明の第４の実施の形態に係る光学素子４００は、所定の外力を加えて金属パターン４０４のＣ字形状パターン４０４ａ及び４０４ｂ間の間隔Ｄ４１を変化させることにより、金属ナノ構造体のＬＣ特性を変化させて、メタマテリアル機能を発現する波長をシフトさせる等の機能を発揮することができる。また、光学素子４００は、金属パターン４０４及びＣ字形状パターン４０４ａ及び４０４ｂ間の間隔Ｄ４１を可視光領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）に適用するように設計すれば、所定の外力を加えて金属パターン４０４のＣ字形状パターン４０４ａ及び４０４ｂ間の間隔Ｄ４１を変化させることにより、可視光領域の入射光の波長依存性をシフトさせることが可能になる。したがって、樹脂基板１０１上にナノマテリアルとしての金属パターン４０４を配置した光学素子４００は、従来のガラスや石英等の基板を用いる光学素子に比べて利用範囲を拡大できる。また、光学素子４００は、密着性が強いＣｒ層１０２を樹脂基板１０１上に成膜し、Ｃｒ層１０２上に金属パターン４０４を形成するＡｕ層４０３を成膜したため、樹脂基板と金属ナノ構造体との密着性を改善でき、繰り返し加えられる外力に耐えられる構造とすることができる。また、上記製造方法では、押付け基板１１１を用いて樹脂基板１０１となるＰＤＭＳ１０１表面を平坦化したため、その平滑性を改善でき、その後に成膜するＣｒ層１０２表面の平滑性も改善でき、Ａｕ層４０３による金属パターン４０４の形成位置の精度を向上させることができる。

（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態に係る光学素子５００について図１７〜図１９を参照して説明する。第５の実施の形態に係る光学素子５００は、金属パターンとして矩形のリング形状の一部に切り欠き部を有する金属ナノ構造体を複数配置したことに特徴がある。光学素子５００はメタマリアルを構成するためのメタマリアル用部材である。なお、図１７〜図１９に示す光学素子５００の構成では、第１の実施の形態に示した光学素子１００と同一の構成部分には同一符号を付しており、その構成説明は省略する。

図１７は、本発明の第５の実施の形態に係る光学素子の概略構成を示す図である。図１７（Ａ）は第５の実施の形態に係る光学素子５００の概略構成を示す平面図、図１７（Ｂ）は図１７（Ａ）のＥ−Ｅ´線から見た断面図、図１７（Ｃ）は金属パターンの構成を示す図である。図１７（Ａ）及び（Ｂ）において、光学素子５００は、樹脂基板１０１（樹脂層）上に配置される第１の金属層１０２と、第１の金属層１０２上に配置される第２の金属層５０３とを備え、第１の金属層１０２と第２の金属層５０３を積層した構造を有する金属パターン５０４を含んでいる。なお、樹脂基板１０１としてはＰＤＭＳを用い、第１の金属層１０２としてはＣｒ層を用いることができる。

第２の金属層５０３には、図１７（Ａ）に示す方環の一部に切り欠き部を有する複数の金属パターン５０４が形成されている。この金属パターン５０４は、図１７（Ｃ）に示すように、一辺の長さＬ５１が１３０ｎｍ程度の矩形のリング形状であり、その左側部に間隔Ｄ５１が２０ｎｍ程度の切り欠き部５０４ａが形成されている。これらの寸法Ｌ５１，Ｄ５１の値は一例であり、特に限定するものではないが、好ましくは１０００ｎｍ以下、より好ましくは５００ｎｍ以下の寸法に設定することが望ましい。また、図１７（Ａ）に示す隣接する金属パターン５０４の中心間の間隔Ｄ５２は、例えば、１５０ｎｍとする。この間隔Ｄ５２の値は一例であり、特に限定するものではないが、１０００ｎｍ以下の寸法に設定することが望ましい。例えば、適用する光の波長が可視光領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）である場合、Ｌ５１の値は、その適用する光の波長内に収まるように設定し、Ｌ５１の値に応じてＤ５１及びＤ５２の各値を変更することが望ましい。また、第２の金属層５０３としては、例えば、貴金属であるＡｕ、Ａｇ、やＡｌ等の金属材料を用いてもよい。樹脂基板１０１と第２の金属層５０３の間に第１の金属層１０２を介在させることにより、各層の密着性を向上させることができる。第２の実施の形態では、第２の金属層５０３としてＡｕを用いるものとする。図１７（Ｃ）に示す金属パターン５０４の形状は、メタマテリアル機能を発現する。

図１７（Ｂ）に示す断面図では、第１の金属層１０２が樹脂基板１０１の上面全面に形成した場合を示しているが、この構成に限定するものではなく、例えば、図１８に示すように、第２の金属層５０３に形成される金属パターン５０４の形状に実質的に合わせて形成してもよい。また、上述したように、樹脂基板１０１に対して外力が加えられ、樹脂基板１０１が曲げられた場合、金属パターン５０４の切り欠き部５０４ａの間隔Ｄ５１が変化し、金属ナノ構造体の容量が変化することで、メタマテリアルとしての特性が変化する。

第５の実施の形態に係る光学素子５００の製造方法は、第１の実施の形態において図４又は図５に示した製造方法と同様であるため、その説明は省略する。

次に、第５の実施の形態に係る光学素子５００の動作について図１９を参照して説明する。図１９（Ａ）は光学素子５００に外力が加えられた状態を示す図、図１９（Ｂ）は外力が加えられたことにより金属パターン５０４の切り欠き部５０４ａの間隔Ｄ５１が変化する状態を示す図である。

図１９（Ａ）において、図中に示すｙ方向に曲げられる外力が光学素子５００に加えられると、樹脂基板１０１はｙ方向に曲げられる。このように樹脂基板１０１が曲げられると、図１９（Ｂ）に示すように、金属パターン５０４の切り欠き部５０４ａの間隔Ｄ５１は、曲げられる前の間隔Ｄ５１よりも曲げられた後の間隔Ｄ５１が広がる。この金属パターン５０４の切り欠き部５０４ａの間隔Ｄ５１が変化し、金属ナノ構造体のＬＣ特性を変化させる。このため、図１７（Ａ）に示すように、光学素子５００に対して紙面の手前から奥方向に垂直に入射する光に対する屈折率が変化する。また、図示はしていないが、樹脂基板１０１を引っ張って伸長させて、金属パターン５０４の切り欠き部５０４ａの間隔Ｄ５１を変化させてもよい。

本発明の第５の実施の形態に係る光学素子５００は、所定の外力を加えて金属パターン５０４の切り欠き部５０４ａの間隔Ｄ５１を変化させることにより、金属ナノ構造体のＬＣ特性を変化させて、メタマテリアル機能を発現する波長をシフトさせる等の機能を発揮することができる。また、光学素子５００は、金属パターン５０４及び切り欠き部５０４ａの大きさを可視光領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）に適用するように設計すれば、所定の外力を加えて金属パターン５０４の切り欠き部５０４ａの間隔Ｄ５１を変化させることにより、可視光領域の入射光の波長依存性をシフトさせることが可能になる。したがって、樹脂基板１０１上にナノマテリアルとしての金属パターン５０４を配置した光学素子５００は、従来のガラスや石英等の基板を用いる光学素子に比べて利用範囲を拡大できる。また、光学素子５００は、密着性が強いＣｒ層１０２を樹脂基板１０１上に成膜し、Ｃｒ層１０２上に金属パターン５０４を形成するＡｕ層５０３を成膜したため、樹脂基板と金属ナノ構造体との密着性を改善でき、繰り返し加えられる外力に耐えられる構造とすることができる。また、上記製造方法では、押付け基板１１１を用いて樹脂基板１０１となるＰＤＭＳ１０１表面を平坦化したため、その平滑性を改善でき、その後に成膜するＣｒ層１０２表面の平滑性も改善でき、Ａｕ層４０３による金属パターン４０４の形成位置の精度を向上させることができる。

（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態に係る光学素子６００について図２０を参照して説明する。第６の実施の形態に係る光学素子６００は、第３の実施の形態に示した光学素子３００を５層積層して構成している。第３の実施形態に示した光学素子３００を積層した場合を例示しているが、第４の実施形態、第５の実施形態に示した光学素子４００、光学素子５００を積層してもよい。積層数は５層に限定されるものではなく、用途、求める特性に応じて複数の層を積層することができる。略リング形状の金属パターンは積層方向に位置合わせされていてもよいし、１層あるいは複数層毎に切り欠き部の位置を交互にずらして配置してもよいし、さらには積層された状態で切り欠き部の位置が上面視でランダムに配置されるようにしてもよい。また、積層する光学素子は第３の実施の形態に示した光学素子３００に限るものではなく、第４の実施の形態に示した光学素子４００、または第５の実施の形態に示した光学素子５００であってもよい。また、図２０に示す光学素子６００は複数の光学素子３００を密着させて積層する構成を示しているが、光学素子３００間を所定間隔離隔して積層する構成としてもよい。

このように複数の光学素子３００を積層した光学素子６００は、積層する光学素子３００の配置を変更することで、例えば、入射する光の屈折率を負の値にするいわゆるメタマテリアル機能を発揮することができる。

１００，２００，３００，４００，５００，６００…光学素子、１０１…樹脂基板、１０２…第１の金属層（Ｃｒ層）、１０３，２０３，３０３，４０３，５０３…第２の金属層（Ａｕ層）、１０４，２０４，３０４，４０４，５０４…金属パターン。

Claims (14)

1. 透光性及び弾性率が１００ＫＰａ以上１０ＭＰａ以下の弾性を有する樹脂層と、
   前記樹脂層上に配置された複数の金属パターンと、を備え、
   前記金属パターンは、前記樹脂層上に配置される第１の金属層と、前記第１の金属層上に配置される第２の金属層とが積層して構成され、
   隣接する前記第２の金属層の間隔が１０００ｎｍ以下であり、
   前記樹脂層を変形させることで隣接する前記第２の金属層の間隔が変化することを特徴とする光学素子。
2. 透光性及び弾性率が１００ＫＰａ以上１０ＭＰａ以下の弾性を有する樹脂層と、
   前記樹脂層上に配置された複数の金属パターンと、を備え、
   前記金属パターンは、前記樹脂層上に配置される第１の金属層と、前記第１の金属層上に配置される第２の金属層とが積層して構成され、
   前記第２の金属層は少なくとも一部に切り欠き部を有する略リング形状であり、
   前記切り欠き部の間隔が１０００ｎｍ以下であり、
   前記樹脂層を変形させることで前記切り欠き部の間隔が変化することを特徴とする光学素子。
3. 前記第１の金属層と前記第２の金属層が上面視において同一形状であることを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子。
4. 前記第１の金属層が前記樹脂層の全面に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子。
5. 前記第１の金属層がＣｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、これらの酸化物及び窒化物のいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の光学素子。
6. 前記第１の金属層の厚さが１ｎｍ以上、５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５記載の光学素子。
7. 前記樹脂層がシリコン樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の光学素子。
8. 第１の基板上に透光性及び弾性率が１００ＫＰａ以上１０ＭＰａ以下の弾性を有する樹脂層を形成し、
   前記樹脂層上に第１の金属層を形成し、
   前記第１の金属層上にレジストを塗布し、その露光、現像を行ない、少なくとも複数の開口の幅が１０００ｎｍ以下となるようにレジストパターンを形成し、
   少なくとも前記レジストパターンの開口により露出した前記第１の金属層上に第２の金属層を形成し、
   前記レジストパターンを除去し、前記第１の金属層と前記第２の金属層が積層した金属パターンを形成し、
   前記第１の基板と前記樹脂層を離間させて剥離すること、を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
9. 第１の基板上に透光性及び弾性率が１００ＫＰａ以上１０ＭＰａ以下の弾性を有する樹脂層を形成し、
   前記樹脂層上に第１の金属層を形成し、
   前記第１の金属層上に第２の金属層を形成し、
   前記第２の金属層上にレジストパターンを形成し、
   前記レジストパターンをマスクとして、隣接する前記第２の金属層の間隔が１０００ｎ
   ｍ以下となるように前記第２の金属層をエッチングして、前記第１の金属層と前記第２の金属層が積層した金属パターンを形成し、
   前記第１の基板と前記樹脂層を離間させて剥離すること、を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
10. 第１の基板上に透光性及び弾性率が１００ＫＰａ以上１０ＭＰａ以下の弾性を有する樹脂層を形成し、
    前記樹脂層上に第１の金属層を形成し、
    前記第１の金属層上にレジストを塗布し、その後露光、現像を行ない、少なくとも一部に切り欠き部を有する略リング形状の開口を有し、前記切り欠き部の間隔が１０００ｎｍ以下となるようにレジストパターンを形成し、
    少なくとも前記レジストパターンの開口により露出した前記第１の金属層上に第２の金属層を形成し、
    前記レジストパターンを除去し、前記第１の金属層と前記第２の金属層が積層した金属パターンを形成し、
    前記第１の基板と前記樹脂層を離間させて剥離すること、を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
11. 第１の基板上に透光性及び弾性率が１００ＫＰａ以上１０ＭＰａ以下の弾性を有する樹脂層を形成し、
    前記樹脂層上に第１の金属層を形成し、
    前記第１の金属層上に第２の金属層を形成し、
    前記第２の金属層上にレジストパターンを形成し、
    前記レジストパターンをマスクとして、少なくとも一部に切り欠き部を有する略リング形状の開口を有し、前記切り欠き部の幅が１０００ｎｍ以下となるように前記第２の金属層をエッチングして、前記第１の金属層と前記第２の金属層が積層した金属パターンを形成し、
    前記第１の基板と前記樹脂層を離間させて剥離すること、を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
12. 前記樹脂層の形成後に、平坦面を有する第２の基板を前記樹脂層に押し当て、前記第２の基板の平坦面を前記樹脂層に転写すること、を更に含むことを特徴とする請求項９乃至１１の何れか一項に記載の光学素子の製造方法。
13. 透光性及び弾性を有する樹脂層と、前記樹脂層上に配置された複数の金属パターンと、を備え、前記金属パターンは、前記樹脂層上に配置される第１の金属層と、前記第１の金属層上に配置される第２の金属層とが積層して構成され、隣接する前記第２の金属層の間隔が１０００ｎｍ以下である光学素子であって、当該光学素子の前記樹脂層を変形させて隣接する前記第２の金属層の間隔を変化させることを特徴とする光学素子の使用方法。
14. 透光性及び弾性を有する樹脂層と、前記樹脂層上に配置された複数の金属パターンと、を備え、前記金属パターンは、前記樹脂層上に配置される第１の金属層と、前記第１の金属層上に配置される第２の金属層とが積層して構成され、前記第２の金属層は少なくとも一部に切り欠き部を有する略リング形状であり、前記切り欠き部の間隔が１０００ｎｍ以下である光学素子であって、当該光学素子の前記樹脂層を変形させて隣接する前記切り欠き部の間隔を変化させることを特徴とする光学素子の使用方法。