JP5658484B2

JP5658484B2 - 反射型波長板

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Publication number: JP5658484B2
Application number: JP2010122889A
Authority: JP
Inventors: 成田　博和; 博和成田; 佐藤　正明; 正明佐藤; 利通名須川; 梅木　和博; 和博梅木
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2030-05-28
Also published as: JP2011248213A

Description

本発明は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のための光ピックアップ装置、その他の光学装置において、直線偏光を円偏光に変換するための波長板（位相差板）に関するものである。

波長板には透過型と反射型がある。反射型波長板は、光源光の偏光状態を変換するとともにその光路を変更することができることから、波長板を使用した光学装置の光学系、例えば光ピックアップ光学系など、の薄型化と小型化が実現できる。

反射型波長板は透過型波長板と反射板を一体化させたものに相当するので、部品点数の削減が可能となり、この点からも省スペース、小型化及び軽量化が実現できる。例として、光ピックアップ光学系では、対物レンズを搭載したアクチュエータには対物レンズに入射光を導くとともに対物レンズからの出射光を受光するために反射板と波長板が別個のものとして搭載されているが、反射型波長板では反射板と波長板の機能を１つの素子として複合させることができるので、アクチュエータの小型化と軽量化が実現する（特許文献１参照。）。

さらに、透過型波長板は光透過機能部品であるため、光透過性材料（具体的には透過率が９５％の材料）が必須であったが、反射型波長板の反射板は反射光学素子であるため、高価な透過性材料を使用する必要がなく、安価な材料で製作することができる。

また波長板機能を、水晶などの光学結晶に代えて、使用光の波長以下の周期をもつサブ波長凹凸構造体により実現することも行われている。サブ波長凹凸構造体であれば材料選択の幅が大幅に広がる。

特許第３５４５００８号公報

金属膜による反射膜は反射面で位相差が発生しないため設計が容易である。しかし、高いレーザーパワーで使用する場合、反射面での光吸収による発熱や劣化が問題となる。

また、反射型波長板の新しい構造として、ガラス基板の上に金属膜からなる反射膜を介して使用波長以下の周期をもつサブ波長凹凸構造体を積層した反射型波長板を考えると、サブ波長凹凸構造体は一般に誘電体により構成されるので、サブ波長凹凸構造体と金属反射膜との間の密着強度が弱く、耐久性に問題が生じる。

本発明は、反射膜での吸収が少なく、反射膜とサブ波長凹凸構造体との密着強度が強くて耐久性にも優れた反射型波長板を提供することを目的とするものである。

本発明は基板上に反射膜を介してサブ波長凹凸構造体が配置されてなり、入射光の波長λに対して略λ／４の位相差を付加して出射する反射型波長板である。そして、反射膜は誘電体多層膜からなり、入射光の波長λに対して略λ／２の位相差を発生させる膜構成をもち、サブ波長凹凸構造体は入射光の波長λに対して略λ／８の位相差を発生させるようにフィリングファクタと凹凸の溝の深さが設定されていることを特徴とするものである。

ここで、位相差に関して「略λ／２」、「略λ／４」及び「略λ／８」というように「略」をつけているのは、それぞれがちょうどλ／２、λ／４及びλ／８であるときに反射型波長板としては直線偏光を完全な円偏光に変換できる最も優れた光学特性を得ることができるが、実際の設計と製作では最もよい条件からいくらか外れることがある。それでも実用上、差し支えのない程度の円偏光が得られるのであれば、そのような反射型波長板も本発明の範囲内に含まれることを意図して「略」と称している。

サブ波長凹凸構造体において略λ／８の位相差を発生させるフィリングファクタと凹凸の溝の深さは、特に限定されるものではないが、その一例はフィリングファクタが０．６、凹凸の溝の深さが１７６ｎｍである。

反射率が９６％以上で略λ／２の位相差を発生させる反射膜の構成は次のようなものである。基板上に下から順に厚さが７５ｎｍのＳｉＯ₂層と厚さが５１ｎｍのＴａ₂Ｏ₅層を交互に形成して２５層に積層したものを反射膜とする。さらにその上に位相差を発生させるサブ波長構造を形成するために厚さが１３０ｎｍのＴａ₂Ｏ₅膜と全反射機能をもつ厚さが６０ｎｍのＳｉＯ₂膜を形成する。上記の深さが１７６ｎｍの凹凸の溝は、厚さが１３０ｎｍのＴａ₂Ｏ₅膜と厚さが６０ｎｍのＳｉＯ₂膜からなる合計膜厚が１９０ｎｍの積層膜に形成したものである。

誘電体多層膜を反射膜に使用すると金属反射膜に比べて入射光の吸収が少ない。また、サブ波長凹凸構造体は一般に誘電体で構成されるので、誘電体多層膜は金属反射膜に比べてサブ波長凹凸構造体との密着強度が強い。

一方、誘電体多層膜を反射膜として使用した反射型波長板では反射膜でも位相差が発生し、主として位相差を発生させるサブ波長凹凸構造体の光学軸（進相軸）に対して反射膜の光学軸方向が異なることから、サブ波長凹凸構造体で発生する位相差を調整しても直線偏光から円偏光への変換が十分でないことがある。それを避けるためには誘電体多層膜の位相差がちょうど１８０度（λ／２）になるように設計し製作すればよいが、その場合には位相差を特定の値に固定した上で光学特性（反射率）と位相差を両立させることが必要になる。

そこで、光学特性と位相差を両立させる上での好ましい形態の反射型波長板は、反射膜とサブ波長凹凸構造体の間にサブ波長凹凸構造体の底部を構成する位相差調整層が存在し、その位相差調整層と反射膜との積層膜が入射光の波長λに対して略λ／２の位相差を発生させるようにしたものである。すなわち、その位相差調整層により反射膜における位相差調整の機能をもたせるものであり、誘電体多層膜の設計と製作においては、誘電体多層膜自体で光学特性と位相差を両立させる必要がなくなり、誘電体多層膜の設計と製作は反射率等の光学特性や分光特性に特化することが可能となるため、容易な設計と安定した製作が可能となる。

本発明では、主として位相差を発生させる部分がサブ波長凹凸構造体であり、反射型であるため位相差発生層を光が２回通過することでλ／４の位相差を発生すればよいことから、サブ波長凹凸構造体の溝深さがλ／８相当でよいことになり、サブ波長凹凸構造体の加工が容易である。

そして、反射型波長板の利点を活かしつつ、反射膜が誘電体多層膜であることから金属反射膜に比べて入射光の吸収が少なく、サブ波長凹凸構造体との密着強度が強くて耐久性に優れる。

本発明の反射型波長板の光学モデルを示す概略断面図である。本発明の反射型波長板を光学シミュレーションするための便宜上のモデルを示す概略斜視図である。本モデルを基に各層それぞれの位相差を変化させたときの素子全体の位相差を楕円率（β／α）として示すグラフである。一実施例の反射型波長板を示す断面図である。位相差調整膜の厚さを横軸にとり、反射膜と位相差調整膜の２つの膜で発生する位相差を縦軸にとったグラフである。石英型を製造する方法を示す工程断面図である。シリコン型を製造する方法を示す工程断面図である。一実施例の反射型波長板を製造する第１の方法を示す工程断面図である。同実施例の反射型波長板を製造する第２の方法を示す工程断面図である。

本発明の反射型波長板によって直線偏光が円偏光に変換される原理を示す。図１は、本発明の反射型波長板の光学モデルを示し、偏光方向１１をもつ直線偏光が入射側（λ／８）板１２を透過し、反射膜１３で反射し、出射側（λ／８）板１４を透過したのち、円偏光１５となって出射する。

本光学モデルを光学シミュレーションするための便宜上のモデルを図２に示す。図２のモデルでは、本来は同一である（λ／８）板を入射側（λ／８）板２１と出射側（λ／８）板２３に分割し、更に反射膜１３を透過膜２２に置き換えた。入射側（λ／８）板２１の光学軸方向２１ａ、透過膜２２の光学軸方向２２ａ及び出射側（λ／８）板２３の光学軸方向２３ａとともに、直線偏光である入射光の偏光方向２４と、出射光の円偏光２５も図２に示した。（λ／８）板の光学軸方向２１ａ、２３ａはサブ波長凹凸構造体の形成方向により決められるのに対し、反射膜の光学軸方向は反射面に対する光の入射方向によって決められる。

本モデルを基に各層２１、２２、２３それぞれの位相差を変化させたときの素子全体の位相差を楕円率（β／α）として図３に示す。出射光を楕円偏光とみたとき、βは楕円の短軸長さ、αは長軸長さであり、楕円率が１になると円偏光となる。構造上、（λ／８）層２１と２３は同一位相差となるため、（λ／８）層２１と２３は同一位相差となるよう計算した。

図３より、所望の円偏光を得るためには、（λ／８）層２１，２３と反射層２２がともに所定の位相差をもつように調整する必要があることがわかる。

本実施例では、（λ／８）板の位相差を４５±３度（反射による往復で９０±６度）、反射層の位相差を１８０±３度に設定し製作した。製作した（λ／８）板の反射による往復の実測位相差は８５度〜９５度であり、楕円率０．９１〜１．０の円偏光を得ることができた。この実施例における（λ／８）板と反射層の設定位相差の「±３度」は本発明における「略」の１つの目安を示すものである。

本発明における実施の形態を詳細に説明する。
図４は、一実施例の反射型波長板を断面図として示したものである。

この反射型波長板は、ガラス基板４１の上に形成された誘電体多層膜からなる反射膜４２と、その上に配置された単層膜からなる位相差調整膜４３と、さらにその上のサブ波長凹凸構造体４４で構成されている。位相差調整膜４３はサブ波長凹凸構造体４４と同一物質からなるものであり、具体的にはサブ波長凹凸構造体４４の底部を構成するものである。サブ波長凹凸構造体４４は入射波長より短い一定の周期もち、その凹凸構造の凸部と凹部が紙面垂直方向に延びた構造である。その凹凸構造の凸部４４ｂは主として狙いの位相差を発生させる部分であり、その表面に反射防止膜４４ａを備えている。

ここで、本実施例のそれぞれの構造について説明する。ガラス基板４１は本発明において光を通過させないため、特定の光学特性は不要である。しかし反射光の反射波面の維持を目的として平面度が良好な基板が望ましい。本実施例では両面研磨で平面度及び平行度を確保したガラス基板を採用した。

また反射膜４２は、ＳｉＯ₂とＴａ₂Ｏ₅の膜を交互に積層した膜で構成した。使用するレーザ光の波長を４０５ｎｍとしたときに反射率９６％が得られるように多層膜を設計した。この膜に対し、使用する入射角４５°において発生する位相差も同時に計算した結果１７７度であった。反射特性を満たす多層膜の位相差が１８０度ではないことから、位相差の調整が必要となるが、この調整を受け持つのが位相差調整膜４３である。図５に位相差調整膜４３の厚さを横軸にとり、反射膜４２と位相差調整膜４３の２つの膜で発生する位相差を縦軸にとったグラフを示す。このグラフより、位相差調整膜４３の厚さが５ｎｍのときと５０ｎｍのときに位相差１８０度が得られることが分かる。そこで、本実施例では位相差調整膜４３の厚さを５ｎｍに設定した。

続いてサブ波長凹凸構造体４４は、波長４０５ｎｍに対してλ／８の位相差が発生するように設計した。サブ波長凹凸構造体は使用する波長より短い周期の凹凸構造によって入射光に対して複屈折特性を得ることができる特性を利用し、構造寸法（フィリングファクタと凹凸の溝の深さ）をパラメータとして調整することによって位相差を任意に設定することができる。

より詳しく述べると、図４に示されるように、サブ波長凹凸構造体４４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、サブ波長凹凸構造体における凸部４４ｂ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。

断面矩形波状のサブ波長凹凸構造体のピッチＰは、図４に示すように、一対をなすランドとスペースのランド幅ａとスペース幅ｂの和（ａ＋ｂ）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ｄとする。

このとき、フィリングファクタ（ＦＦ）はａ／Ｐ、アスペクト比はｄ／ｂ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ａが大きい（スペース幅ｂが小さい）ことを意味し、アスペクト比が大きいほど、スペース幅ｂに対する溝深さｄが大きいことを意味する。アスペクト比が大きいほどサブ波長凹凸構造体形成が難しくなる。

サブ波長凹凸構造体の凹凸のピッチは波長以下であるので、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が、入射光に対して複屈折性を示す。すなわち、サブ波長凹凸構造体へ空気領域から入射する入射光において、サブ波長凹凸構造体の周期方向（図４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、サブ波長凹凸構造体は屈折率が異なる媒質のように作用する。

サブ波長凹凸構造体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、サブ波長凹凸構造体が形成された薄層材料の屈折率ｎ、サブ波長凹凸構造体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
ｎ（ＴＭ）＝［ｎ²／｛ｆ＋（１−ｆ）ｎ²｝］^1/2

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ｄを用いると、サブ波長凹凸構造体の光学的厚さは、偏光成分ＴＭに対して「ｄ・ｎ（ＴＭ）」、偏光成分ＴＥに対して「ｄ・ｎ（ＴＥ）」であるので、これら光学的厚さの差ｄ｛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。

光学的厚さの差であるｄ｛ｎ（ＴＥ）−ｎ（ＴＭ）｝をＤとし、波長をλとすると、δ＝２πＤ／λであるが、サブ波長凹凸構造体においては、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。

ｎ（ＴＥ）、ｎ（ＴＭ）は、サブ波長凹凸構造体を構成する凸部４４ｂの材料の屈折率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及び溝深さｄにより定まるから、結局、リタデーションはサブ波長凹凸構造体が形成された薄層材料（ｎが定まる。）とサブ波長凹凸構造体の構造寸法（フィリングファクタｆと溝深さｄ）を調整することにより所望のものを得ることができる。

位相差の計算は、公知のＦＤＴＤ（時間領域差分）法を用いて計算した。

次に、本実施例の波長板の作成手順を説明する。
ここで、素子作成の説明に先立って、型の作成方法を説明する。

図６（Ａ）〜（Ｄ）は石英を基材とした型の作成方法を説明するための図である。
（Ａ）石英材料の基板３０の表面に電子線描画用のレジスト３２を所定の厚さに塗布し、プリベークする。予め設計されたプログラムにより、電子線３４により波長板の諸元に対応したピッチ（周期）と線幅に描画する。

（Ｂ）レジストに対し、現像およびリンスを行うことにより、サブ波長凹凸構造のレジストパターン３２ａが形成される。レジストパターン３２ａの凹凸の溝の底には石英基板３０が露出している。

（Ｃ）サブ波長凹凸構造のレジストパターン３２ａをマスクとして、石英基板３０のドライエッチングを行い、石英のサブ波長凹凸構造体３６を得る。エッチングにはＲＩＥ（反応性イオンエッチング）、ＮＬＤ（磁気中性子放電プラズマエッチング）、ＴＣＰ（誘導結合型プラズマエッチング）等のエッチング装置にて、反応ガスとしてＣＦ₄ガスとＣＦ₃ガスを用いて行う。基板にバイアスをかけることで、面に垂直にエッチングを進行させる。

（Ｄ）レジストパターン３２ａを剥離する。剥離の方法はドライエッチング装置内で酸素ガスを導入し、酸素ガスプラズマ中でレジスト除去を行う方法と、基板を装置から取り出してＣＡＲＯＳ洗浄（硫酸と過酸化水素水の混合液による洗浄）で除去する方法とがある。完成した石英のサブ波長凹凸構造体３６を石英型として用いる。

図７（Ａ）〜（Ｄ）はシリコンを基材とした型の作製方法を説明するための図である。以下に説明する方法は、必ずしもシリコン基板に限定されることはなく、石英基板上にスパッタリング法やＣＶＤ式等で形成されたシリコン膜に対しても同様の方法で型の製作が可能である。

（Ａ）シリコン基板３８の表面に電子線描画用のレジスト３２を所定の厚さに塗布し、プリベークする。予め設計されたプログラムにより、電子線３４で波長板の諸元に対応したピッチ（周期）と線幅に描画する。

（Ｂ）レジスト３２に対し、現像およびリンスを行うことにより、サブ波長凹凸構造のレジストパターン３２ａを形成する。凹凸構造の溝の底にはシリコン基板３８が露出している。

（Ｃ）サブ波長凹凸構造のレジストパターン３２ａをマスクとしてシリコン基板３８のアルカリウェットエッチング（ＫＯＨ溶液使用）を行い、シリコンのサブ波長凹凸構造３９を得る。シリコン基板３８はシリコン面を壁として、ピッチを維持したまま深さ方向にエッチングされる。なお、前述した石英基板上にスパッタリング法やＣＶＤ式等と同様の方法で形成されたシリコン膜に対しても型の製作が可能である。この場合、ボッシュプロセス用いたドライエッチングでも同様の構造を制作できる。

（Ｄ）レジストパターン３２ａを剥離する。完成したシリコンのサブ波長凹凸構造３９をシリコン型として用いる。
このようにして作られた石英型又はシリコン型を便宜上、金型と呼ぶことがある。

図８（Ａ）〜（Ｇ）はガラス基板上にＳｉＯ₂膜とＴａ₂Ｏ₅膜による多層膜によって反射膜を形成し、その上に位相差を発現するサブ波長凹凸構造体を形成するためのＴａ₂Ｏ₅膜及びさらにその上に反射防止機能を発現するためのＳｉＯ₂膜を成膜し、最上層のＳｉＯ₂膜とその下のＴａ₂Ｏ₅膜にサブ波長凹凸構造体を形成する手順を示す図である。以下に、図８（Ａ）から（Ｇ）に沿って説明する。

（Ａ）ガラス基板５０の表面にＳｉＯ₂膜とＴａ₂Ｏ₅膜からなる多層膜５１を形成する。その多層膜５１は反射膜５２となる多層膜とサブ波長凹凸構造体用のＴａ₂Ｏ₅膜５４からなる。Ｔａ₂Ｏ₅膜５４はその表面に反射防止機能を発現するためのＳｉＯ₂膜をもつ。Ｔａ₂Ｏ₅膜５４の厚さは、シミュレーションにより求められたサブ波長凹凸構造体の溝の深さと位相差調整層を合計した厚さで成膜する。これらの膜の形成方法としては、スパッタリング法を用いて次のような条件で製作する。
膜構成：（ガラス材料５０）／ＳｉＯ₂膜／（Ｔａ₂Ｏ₅膜＋ＳｉＯ₂膜）×１４回＋Ｔａ₂Ｏ₅膜。
膜厚の例：ＳｉＯ₂膜７５ｎｍ、Ｔａ₂Ｏ₅膜５１ｎｍ、最上層のＴａ₂Ｏ₅膜５４は１３０ｎｍ。
成膜時圧力：０．１３Ｐａ。
成膜速度：ＳｉＯ₂膜０．３４７ｎｍ／ｓｅｃ、Ｔａ₂Ｏ₅膜０．３５０ｎｍ／ｓｅｃ。
成膜時間：１４０ｍｉｎ（排気２０ｍｉｎ）

（Ｂ）Ｔａ₂Ｏ₅膜５４上のＳｉＯ₂膜上にＵＶ硬化樹脂５６を塗布し、上からモールド型５８で押圧する。モールド型５８としてはシリコン型、石英型ともに使用しうるが、サブ波長凹凸構造体を形成するナノインプリントにおいては、石英型の方が光透過性なので適している。ＵＶ硬化樹脂はＰＡＣ−０１（東洋合成（株）の製品）を用いる。また、ＵＶ硬化樹脂に代えて熱硬化性転写材料を使用する場合は、シリコン型も利用できる。

（Ｃ）モールド型５８の背面からＵＶ（紫外線）５９を照射し、樹脂５６を固める。
また、モールド型としてシリコン型を用いる場合は、ＵＶをガラス基板５０側から与える。

（Ｄ）モールド型５８を離型する。ＵＶ硬化樹脂に凸状のサブ波長凹凸構造体のマスクパターン５６ａが形成されている。

（Ｅ）Ｔａ₂Ｏ₅膜５４上のＳｉＯ₂膜が露出するまでＵＶ硬化樹脂をドライエッチングする。この工程は、最下部に樹脂層がない状態、すなわち転写された樹脂の凹凸パターンの凹部の底に樹脂層がない状態、までマスクパターンの型形状を転写できれば、省くことが可能である。

このときのドライエッチングは以下の条件で行う。
ガス種：酸素ガス（Ｏ₂）。
ガス流入量：２０ｓｃｃｃｍ。
圧力：０．４Ｐａ。
樹脂エッチング速度：３０ｎｍ／ｓｅｃ。
上部バイアス電力：ｌＫＷ。
下部バイアス電力：１００Ｗ。

（Ｆ）Ｔａ₂Ｏ₅膜５４上のＳｉＯ₂膜を貫通し、Ｔａ₂Ｏ₅膜５４の溝が所望の深さになるまでドライエッチングしてサブ波長凹凸構造体５４ａを形成する。

このときのドライエッチングは以下の条件で行う。
エッチング装置：ＲＩＥ（住友金属社製ＲａＬｉｎｂｏｗ４５００機平行平板ＲＦ印加ＳｐｒｉｔＰｏｗｅｒ方式）。
稼働条件：
上部電極パワー：２００Ｗ。
下部電極パワー：２００Ｗ。
電極間隔：９．５ｍｍ、
上部電極温度：１０℃。
下部電極温度：１０℃。
ガス種：
ＣＦ₄＝３０ｓｃｃｍ。
ＣＨＦ₃＝６０ｓｃｃｍ。
Ａｒ＝１００ｓｃｃｍ。
Ｈｅ＝５ｓｃｃｍ。
反応室内圧力：３０Ｐａ。
Ｔａ₂Ｏ₅膜５４のエッチング速度：８ｎｍ／ｓｅｃ。

このとき、Ｔａ₂Ｏ₅膜５４のパターン（サブ波長凹凸構造体５４ａ）の谷部を完全にエッチングせずに設計厚さでエッチングを止める。すなわち、位相差調整層となるＴａ₂Ｏ₅膜を残す。Ｔａ₂Ｏ₅膜の残膜量、Ｔａ₂Ｏ₅膜の屈折率、フィリングファクタ、ピッチ（周期）、深さ等を最適化することによって、目的とする波長板の位相差を確保する。

この実施例では、サブ波長凹凸構造体と位相差調整層となるＴａ₂Ｏ₅膜の厚さは１３０ｎｍ、Ｔａ₂Ｏ₅膜の残膜量は５ｎｍ、Ｔａ₂Ｏ₅膜の屈折率は２．３２１７、フィリングファクタは０．６、ピッチ（周期）は１２５ｎｍ、最上層の反射防止機能をもつＳｉＯ ₂ 膜表面からの深さは１７６ｎｍとした。その結果、サブ波長凹凸構造体の位相差は９０°、位相差調整層と反射膜を合わせた位相差は１８０°、反射膜の反射率は９８％であった。次の実施例でも同様である。

（Ｇ）最後に、最上部に残った樹脂マスクを酸素ガスプラズマ中でドライエッチングによる剥離処理により除去する。この状態で波長板が完成する。

図９（Ａ）〜（Ｇ）は金型を使用しない波長板の作製方法を説明するための図であり、ガラス基板上に反射膜としてのＴａ₂Ｏ₅膜とＳｉＯ₂膜からなる多層膜を形成し、その上に位相差を発現するためのＴａ₂Ｏ₅膜及び反射防止機能を発現するためのＳｉＯ₂膜を成膜し、Ｔａ₂Ｏ₅膜にサブ波長凹凸構造体を形成する手順を示す図である。以下に、図９（Ａ）から（Ｇ）に沿って説明する。

（Ａ）ガラス基板５０の表面にＳｉＯ₂膜とＴａ₂Ｏ₅膜からなる多層膜５１を形成する。その多層膜５１は反射膜５２となる多層膜とサブ波長凹凸構造体用のＴａ₂Ｏ₅膜５４からなる。Ｔａ₂Ｏ₅膜５４はその表面に反射防止機能を発現するためのＳｉＯ₂膜をもつ。Ｔａ₂Ｏ₅膜５４の厚さは、シミュレーションにより求められたサブ波長凹凸構造体の溝の深さと位相差調整層を合計した厚さで成膜する。これらの膜の形成方法としては、スパッタリング法を用いて次のような条件で製作する。
膜構成：（ガラス材料５０）／ＳｉＯ₂膜／（Ｔａ₂Ｏ₅膜＋ＳｉＯ₂膜）×１４回＋Ｔａ₂Ｏ₅膜。
膜厚の例：ＳｉＯ₂膜７５ｎｍ、Ｔａ₂Ｏ₅膜５１ｎｍ、Ｔａ₂Ｏ₅膜５４は１３０ｎｍ。
成膜時圧力：０．１３Ｐａ。
成膜速度：ＳｉＯ₂膜０．３４７ｎｍ／ｓｅｃ、Ｔａ₂Ｏ₅膜０．３５０ｎｍ／ｓｅｃ。
成膜時間：１４０ｍｉｎ（排気２０ｍｉｎ）

さらに、Ｔａ₂Ｏ₅膜５４上のＳｉＯ₂膜上にＣｒ（クロム）膜６０を形成する。Ｃｒ膜６０の形成方法としては、スパッタリング法を用い次のような条件で行う。
基板温度：７０〜１００℃。
製膜時圧力：７〜８×１０^-4Ｔｏｒｒ。
成膜速度：０．５〜１．０Å／ｓｅｃ。
ＲＦパワー：１００〜２００Ｗ。

（Ｂ）Ｃｒ膜６０上に電子線描画用のレジスト６２を塗布する。

（Ｃ）「高精度微細幅露光装置」によりＩ線ステッパを使用して露光する。露光後、現像工程を経て部分的にレジストを除去してレジストパターン６２ａを形成する。Ｃｒ膜６０はレジストが除去された部分に露出する。レジストパターン６２ａは以後のＣｒ膜エッチング用マスクパターンとなる。

（Ｄ）レジストパターン６２ａをマスクとしてＴａ₂Ｏ₅膜５４上のＳｉＯ₂膜が露出するまでＣｒ膜６０をドライエッチングしてＣｒマスク６２ａを形成する。Ｃｒ膜６０のドライエッチングはエッチング装置：ＲＩＥ（住友金属社製Ｒａｉｎｂｏｗ４７２０機平行平板ＲＦ印加Ｐｌａｓｍａｍｏｄｅ方式）を使用して以下の条件で行う。
稼働条件：
上部電極パワー：４００Ｗ。
下部電極パワー：８０Ｗ。
電極間隔：１２ｍｍ。
上部電極温度：０℃。
下部電極温度：２０℃。
ガス種：
Ａｒ＝５０ｓｃｃｍ。
Ｏ₂＝２０ｓｃｃｍ。
Ｃ１₂＝８０ｓｃｃｍ。
反応室内圧力：３５Ｐａ。

（Ｅ）残ったレジストパターン６２ａを酸素ガスプラズマ中でドライエッチングによる剥離処理により除去する。

（Ｆ）Ｃｒマスク６２ａをマスクとして、Ｔａ₂Ｏ₅膜５４上のＳｉＯ₂膜を貫通し、Ｔａ₂Ｏ₅膜５４の溝が所望の深さになるまでドライエッチングしてサブ波長凹凸構造体５４ａを形成する。

（Ｆ）最後に最上部に残ったＣｒマスク６０ａをＣｒ剥離液中でウェットエッチングにより除去する。

（Ｇ）この状態で波長板が完成する。ガラス基板の片面がＴａ₂Ｏ₅膜とＳｉＯ₂膜によって構成される反射膜及び波長板になっている。

４１ガラス基板
４２反射膜
４３位相差調整膜
４４サブ波長凹凸構造体

Claims

基板上に反射膜を介してサブ波長凹凸構造体が配置されてなり、入射光の波長λに対して略λ／４の位相差を付加して出射する反射型波長板において、
前記反射膜は所定の反射率をもち、前記入射光の波長λに対して位相差を発生させる誘電体多層膜からなり、
前記サブ波長凹凸構造体は、前記入射光の波長λに対して略λ／８の位相差を発生させるようにフィリングファクタと凹凸の溝の深さが設定されており、
前記反射膜と前記サブ波長凹凸構造体の間には、前記サブ波長凹凸構造体と同一物質からなり、前記サブ波長凹凸構造体と一体成形され、前記サブ波長凹凸構造体の底部を構成する位相差調整層が存在しており、前記位相差調整層と前記反射膜との積層膜が前記入射光の波長λに対して略λ／２の位相差を発生させる膜構成となっていることを特徴とする反射型波長板。