JP6040111B2

JP6040111B2 - 電磁波反射防止構造体およびその製造方法

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Publication number: JP6040111B2
Application number: JP2013143459A
Authority: JP
Inventors: 卓郎田島; 和彦高河原; 光雅中島
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2033-07-09
Also published as: JP2015018025A

Description

本発明は、電磁波反射防止構造体およびその製造方法に関するものである。

従来において、電磁波の反射を防止する電磁波反射防止構造体として、例えば、図１３に示すものが知られている。

電磁波反射防止構造体は、１つの誘電体１００に形成される複数の基本構造１１Ａを有する。基本構造１１Ａは、円錐などの錐体である。

基本構造１１Ａを錐体とすることで、電磁波反射防止構造体の実効的な誘電率は、錐体の底面において誘電体自体の値を呈し、錐体の頂点に向かうに従い、空気の誘電率へと連続的に変化する。よって、誘電体と空気の界面における電磁波の反射が低減され、結果として、電磁波反射防止構造体は、電磁波の反射を防止する。

Yeeu-Chang Lee, Che-Chun Chang, and Yen-Yu Chou, Optics Express, ‘Experimental and simulation studies of anti-reflection sub-micron conical structures on a GaAs substrate’, 14 January 2013, Vol. 21, No. S1, pp. A36-A41

図１３のような電磁波反射防止構造体は、例えば、樹脂成形で作られる。しかし、樹脂成形では、成形温度が高いので、誘電体としては、高温に耐えうる限られた材料しか使用できない。よって、樹脂成形以外の製造方法で作れる電磁波反射防止構造体が望まれる。

また、電磁波反射防止構造体は、例えば、切削加工で作られる。しかし、切削加工は一般的に生産性が低い。また、切削加工できるほどの硬さを有する材料は、その反面欠けやすく、例えば、錐体の頂点の部分が欠けてしまう。その防止のため、頂点を平らに加工する必要がある。よって、理想的な錐体が得られず、反射防止性能が低下する。

また、電磁波反射防止構造体は、例えば、等方性ウェットエッチングで作られる。しかし、錐体の形状にあわせてエッチング速度を制御するのが難しい。よって、理想的な錐体が得られず、反射防止性能が低下する。

また、電磁波反射防止構造体は、例えば、ドライエッチングで作られる。しかし、異方性エッチングであるドライエッチングでは、等方性ウェットエッチングと同様に形状制御が困難であり、理想的な錐体が得られず、反射防止性能が低下する。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エッチングにより製造でき、且つ、高い反射防止性能が得られる電磁波反射防止構造体およびその製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、第１の本発明は、電磁波の反射を防止する電磁波反射防止構造体であって、１つの誘電体に形成される複数の基本構造を有し、且つ、前記基本構造を構成する誘電体の部分には同心円状に、もしくは複数の同心円のそれぞれに内接するような多角形状に、複数の誘電率調整溝が形成され、且つ、前記誘電率調整溝の深さは同心円の中心から遠いほど深いことを特徴とする。

第２の本発明は、電磁波の反射を防止する電磁波反射防止構造体であって、１つの誘電体に形成される複数の基本構造を有し、且つ、前記基本構造を構成する誘電体の部分は錐体状であり、且つ、錐体の頂点を中心として同心円状に、もしくは複数の同心円のそれぞれに内接するような多角形状に、複数の誘電率調整溝が形成されている
ことを特徴とする。

第３の本発明は、電磁波の反射を防止する電磁波反射防止構造体であって、１つの誘電体に形成される複数の基本構造を有し、且つ、前記基本構造を構成する誘電体の部分には複数の同心円のそれぞれに点在するように誘電率調整穴が形成され、且つ、前記誘電率調整穴の深さは同心円の中心から遠いほど深いことを特徴とする。

例えば、同心円の中心から最も遠い前記誘電率調整溝の深さは電磁波の半波長以上である。

例えば、前記誘電率調整溝の面積は同心円の中心から遠いほど大きい。

例えば、隣り合う２つの基本構造の中心間の距離が電磁波の半波長以上である。

第４の本発明は、電磁波の反射を防止する電磁波反射防止構造体の製造方法であって、前記電磁波反射防止構造体は、１つの誘電体に形成される複数の基本構造を有し、前記製造方法は、前記基本構造を構成する誘電体の部分に同心円状に、もしくは複数の同心円のそれぞれに内接するような多角形状に、複数の誘電率調整溝を形成し、且つ、前記誘電率調整溝の深さを同心円の中心から遠いほど深くすることを特徴とする。

例えば、前記誘電率調整溝の形成後、隣り合う前記誘電率調整溝の間に存在する誘電体の部分の全部、もしくは一部を取り除く。

本発明によれば、電磁波反射防止構造体をエッチングで製造でき、且つ、高い反射防止性能を得ることができる。

第１の実施の形態に係る電磁波反射防止構造体の斜視図である。（ａ）は、図１に示す電磁波反射防止構造体の上面図、（ｂ）は、ＡＡ断面図である。第１の実施の形態の変形例に係る電磁波反射防止構造体の斜視図である。（ａ）は、図３に示す電磁波反射防止構造体の上面図、（ｂ）は、ＡＡ断面図である。（ａ）は、ドライエッチングにおける開口幅とエッチング後にできる溝の深さの関係を示す図であり、（ｂ）はエッチングレートとアスペクト比の関係を示す図である。電磁波反射防止構造体の透過特性と反射特性の一例を示す図である。第２の実施の形態に係る電磁波反射防止構造体の斜視図である。（ａ）は、図７に示す電磁波反射防止構造体の上面図、（ｂ）は、ＡＡ断面図である。第２の実施の形態に係る電磁波反射防止構造体の製造方法の一例を示す図である。第３の実施の形態に係る電磁波反射防止構造体の斜視図である。（ａ）は、図１０に示す電磁波反射防止構造体の上面図、（ｂ）は、ＡＡ断面図である。第３の実施の形態の変形例に係る電磁波反射防止構造体における誘電率調整穴の配置を示す図である。（ａ）は、従来の電磁波反射防止構造体の上面図、（ｂ）は、ＢＢ断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
図１、図２に示すように、電磁波反射防止構造体１ａは、電磁波の反射を防止する電磁波反射防止構造体であって、１つの誘電体１００に形成される複数（ここでは８個）の基本構造１１を有し、且つ、基本構造１１を構成する誘電体の部分には複数の同心円（図示せず）のそれぞれに内接するような多角形状（ここでは６角形状）の誘電率調整溝１２が複数形成され、且つ、誘電率調整溝１２の深さは同心円の中心Ｃから遠いほど深くなっている。

図３、図４に示すように、変形例の電磁波反射防止構造体１ａは、１つの誘電体１００に形成される複数（ここでは７個）の基本構造１１を有し、且つ、基本構造１１を構成する誘電体の部分には同心円状に複数の誘電率調整溝１２が形成され、且つ、誘電率調整溝１２の深さは同心円の中心Ｃから遠いほど深くなっている。

誘電体１００の材料は例えば、シリコン、ガリウムヒ素、インジウムリン等の半導体材料であり、また、この他にもセラミックスやガラスフィラーを混入したセラミックス混合材料、石英、ガラスを使用できる。また、使用する電磁波において誘電体損失が小さい材料が望ましく、例えば、テフロン、ポリエチレン、ポリイミド等も使用できる。

例えば、周波数１ＴＨｚ（テラヘルツ）の電磁波の大気中での波長は、０．３ｍｍであり、この場合、同心円の中心に最も近い誘電率調整溝１２の深さを例えば、波長の１０分の１である３０μｍとし、中心から遠くなるに従い、３０μｍずつ増加させる。

図１、図２に示す基本構造１１は、擬似的な錐体（六角錐）であり、図３、図４に示す基本構造１１は、擬似的な錐体（円錐）である。

基本構造１１において、一定体積の任意の領域での実効的な誘電率は、領域での誘電体と空気の体積比で決まる。よって、誘電率調整溝１２の深さを同心円の中心から遠いほど深くしたことで、実効的な誘電率は、錐体の底面において誘電体自体の値を呈し、錐体の頂点に向かうに従い、空気の誘電率へと連続的に変化する。よって、電磁波の反射を防止することができる。

なお、基本構造１１は、擬似的な六角錐とすることで密に配置でき、円錐とした場合のように隙間ができないので、誘電率を連続的に変化でき、好ましい。

また、反射防止性能向上のため、同心円の中心から最も遠い誘電率調整溝１２の深さ（錐体の高さ）は電磁波の半波長以上であることが好ましい。

例えば、周波数１ＴＨｚ（テラヘルツ）の電磁波の大気中での波長は、０．３ｍｍであるから、同心円の中心から最も遠い誘電率調整溝１２の深さ（錐体の高さ）は、例えば、１８０μｍ以上とする。

また、反射防止性能向上のため、隣り合う２つの基本構造１１の中心Ｃ間の距離Ｄは電磁波の半波長以上であることが好ましい。距離Ｄは、基本構造１１の大きさとも言える。

例えば、周波数１ＴＨｚ（テラヘルツ）の電磁波の大気中での波長は、０．３ｍｍであるから、距離Ｄを１５０μｍ以上とする。

電磁波反射防止構造体を加工し、製造するには、例えば、ドライエッチング法を用いる。

図５に示すように、ドライエッチングでは、マスクされていない部分の縦横の幅（開口幅）が広いほど、その部分におけるエッチングガスの流入量が増え、エッチング後にできる溝の深さが深くなる。また、開口幅は、エッチングレートとアクペクト比にも影響を与える。

開口幅は、すなわち、誘電率調整溝１２の幅であり、同心円の中心Ｃから遠いほど広くすることで、ガス流入量に特段の調整を加えずとも、誘電率調整溝１２の深さを同心円の中心から遠いほど深くすることができる。

例えば、誘電体にシリコンを用いると、例えば、エッチング後にできる溝の深さを５００μｍまで深くでき、アスペクト比も１００まで高められる。よって、高さの高い擬似的な錐体（基本構造）が得られ、長波長帯にも使用できる。

このように、誘電率調整溝１２の幅を同心円の中心からの距離に応じて変え、擬似的な錐体を製造することにより、前述の実効的な誘電率の変化が得られる。

なお、誘電率調整溝１２の幅は、少なくとも電磁波の１／１０波長以上とするのが好ましい。

例えば、周波数１ＴＨｚ（テラヘルツ）の電磁波の大気中での波長は、０．３ｍｍであるから、同心円の中心に最も近い誘電率調整溝１２の幅を例えば、５μｍとし、中心から遠くなるに従い、１μｍずつ増加させる。

図６に示すように、これまで例示した値を採用した場合、１ＴＨｚの電磁波に対する電磁波反射防止構造体の透過損失は０ｄＢ程度、反射損失は−２０ｄＢ以下となる。

以上のように、第１の実施の形態によれば、電磁波反射防止構造体をエッチングで製造でき、且つ、高い反射防止性能を得ることができる。よって、高い成形温度を必要とする樹脂成形で製造する必要がなく、誘電体の材料選択の自由度が高まる。また、切削加工が不要であり、切削時に一部が欠け落ち、不良品となる心配がない。

なお、６角形状の誘電率調整溝１２は、正三角形、正方形、正７角形以上としてもよい。

［第２の実施の形態］
図７、図８に示すように、電磁波反射防止構造体１ｂは、電磁波の反射を防止する電磁波反射防止構造体であって、１つの誘電体に形成される複数（ここでは８個）の基本構造１１を有し、且つ、基本構造１１を構成する誘電体の部分は錐体状（ここでは六角錐）であり、且つ、錐体の頂点Ｓを中心とした複数の同心円（図示せず）のそれぞれに内接するような多角形状の誘電率調整溝１２が形成されている。

図１等に示す電磁波反射防止構造体１ａとの違いは、基本構造１１を構成する誘電体の部分を、擬似的な錐体というより寧ろ実際に錐体状としたことである。これにより、誘電率調整溝１２の深さには制限がなくなる。なお、誘電率調整溝１２の深さは、図１等に示す電磁波反射防止構造体１ａと同様に、同心円の中心から遠いほど深くしてもよい。

基本構造１１を構成する誘電体の部分を錐体状としたことで、実効的な誘電率は、錐体の底面において誘電体自体の値を呈し、錐体の頂点に向かうに従い、空気の誘電率へと連続的に変化する。よって、電磁波の反射を防止することができる。

図９（ａ）に示すように、電磁波反射防止構造体１ａを製造するには、まず、誘電体１００に対し、感光性レジスト等のマスク層Ｍを形成した後、誘電率調整溝１２の位置におけるマスク層Ｍの部分を除去する。

次に、エッチングガスを流入させると、図９（ｂ）に示すように、マスク層Ｍが除去された部分にある誘電体１００がエッチングされ、つまり誘電率調整溝１２が形成される。例えば、エッチングガスとしては、ＳＦ_６とＣ_４Ｆ_８ガスを混合したものが用いられる。

ドライエッチングの参考文献としては、例えば、Chen-Kuei Chung, “Geometrical pattern effect on silicon deep etching by an inductively coupled plasma system”, Journal of micromechanics and microengineering, 14, pp. 656-662, 2004）がある。

また、誘電体がシリコンの場合は、フレオン（ＣＦ_４）ガスを用いたプラズマエッチングを行ってもよい。

次に、マスク層Ｍを除去する。第１の実施の形態、および後述の第３の実施の形態に係る電磁波反射防止構造体は、ここまでの工程で製造できる。

一方、第２の実施の形態の電磁波反射防止構造体では、次に、隣り合う誘電率調整溝１２の間に存在する誘電体の部分（壁）を、同心円の中心から遠いほど短くなるように、部分的にエッチングする（図９（ｃ））。これにより、錐体が得られ、その頂点と同心円の中心とが一致する。

例えば、この工程ではウェットエッチングを使用できる。表面張力により、誘電率調整溝１２の中にエッチング液が浸透することで、誘電率調整溝１２のパターンに依存したエッチングが可能である。

エッチング液としては、例えばフッ酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ_３）を混ぜたフッ硝酸を、酢酸（ＣＨ_３ＣＯＯＨ）で希釈したもの、もしくは水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（ＴＭＡＨ）を用いることができる。

壁は薄い板状であり、エッチング時間は短く、エッチング後には、錐体の基本構造１１が残存する。

なお、第２の実施の形態では、基本構造１１の形状である錐体を円錐状とし、その頂点から同心円状に複数の誘電率調整溝１２を形成してもよい。

この場合、同心円の中心（錐体の頂点）から最も遠い誘電率調整溝の深さを、第１の実施の形態と同様に、電磁波の半波長以上とするのが好ましい。
また、誘電率調整溝１２の幅を同心円の中心から遠いほど広くすることで、誘電率調整溝１２の深さを自動的に調整でき、好ましい。

また、反射防止性能向上のため、隣り合う２つの基本構造１１の中心間の距離（錐体の頂点間の距離）Ｄは電磁波の半波長以上であることが好ましい。

以上のように、第２の実施の形態によれば、電磁波反射防止構造体をエッチングで製造でき、且つ、高い反射防止性能を得ることができる。よって、高い成形温度を必要とする樹脂成形で製造する必要がなく、誘電体の材料選択の自由度が高まる。また、切削加工が不要であり、切削時に一部が欠け落ち、不良品となる心配がない。

また、図９（ｃ）では、隣り合う誘電率調整溝１２の間に存在する誘電体の部分（壁）の一部を残したが、壁の全部を取り除き、結果的に、誘電率調整溝１２を無くしてもよい。誘電率調整溝１２が無くなっても、基本構造１１は錐体であるから、電磁波の反射を防止することができる。

［第３の実施の形態］
図１０、図１１に示すように、電磁波反射防止構造体１ｃは、１つの誘電体１００に形成される複数の基本構造１１を有し、且つ、基本構造１１を構成する誘電体の部分には複数の同心円のそれぞれに点在するように誘電率調整穴１３が形成され、且つ、誘電率調整穴１３の深さは同心円の中心から遠いほど深くなっている。

第１、第２の実施の形態のように誘電率調整溝１２、つまり、線状の溝を形成すると、反射防止性が電磁波の入射角や偏波方向に依存してしまう。そこで、誘電率調整溝１２に代えて誘電率調整穴１３を設けたのが第３の実施の形態である。

第１、第２の実施の形態と同様に、同心円の中心から最も遠い誘電率調整穴１３の深さは、電磁波の半波長以上であることが好ましい。

また、誘電率調整穴１３の面積を同心円の中心から遠いほど大きくすることで、誘電率調整穴１３の深さを自動的に調整でき、好ましい。

例えば、同心円の中心に最も近い誘電率調整穴１３の半径を例えば、２．５μｍとし、中心から遠くなるに従い増加させ、中心から最も遠い誘電率調整穴１３の半径を５μｍとする。

この場合、例えば、同心円の中心に最も近い誘電率調整穴１３の深さは３０μｍとなり、中心から最も遠い誘電率調整穴１３の深さは１８０μｍとなる。

また、第１、第２の実施の形態と同様に、隣り合う２つの基本構造１１の中心間の距離は、電磁波の半波長以上であることが好ましい。

なお、これらの値は、必ずしも上記のように限定する必要はなく、反射防止する電磁波の帯域や電磁波の入射角度に応じて設定すればよい。

また、誘電率調整穴１３の形状は、円に限らず、正六角形，正三角形，正方形等でもよい。

また、誘電率調整穴１３は、図１２に示すように放射線上に並んでいなくてもよい。

以上のように、第３の実施の形態によれば、電磁波反射防止構造体をエッチングで製造でき、且つ、高い反射防止性能を得ることができる。よって、高い成形温度を必要とする樹脂成形で製造する必要がなく、誘電体の材料選択の自由度が高まる。また、切削加工が不要であり、切削時に一部が欠け落ち、不良品となる心配がない。

１ａ、１ｂ、１ｃ…電磁波反射防止構造体
１１…基本構造
１２…誘電率調整溝
１３…誘電率調整穴
１００…誘電体
Ｃ…同心円の中心
Ｄ…隣り合う基本構造の中心間の距離
Ｓ…錐体の頂点

Claims

電磁波の反射を防止する電磁波反射防止構造体であって、
１つの誘電体に形成される複数の基本構造を有し、且つ、
前記基本構造を構成する誘電体の部分には同心円状に、もしくは複数の同心円のそれぞれに内接するような多角形状に、複数の誘電率調整溝が形成され、且つ、前記誘電率調整溝の深さは同心円の中心から遠いほど深い
ことを特徴とする電磁波反射防止構造体。
電磁波の反射を防止する電磁波反射防止構造体であって、
１つの誘電体に形成される複数の基本構造を有し、且つ、
前記基本構造を構成する誘電体の部分は錐体状であり、且つ、錐体の頂点を中心として同心円状に、もしくは複数の同心円のそれぞれに内接するような多角形状に、複数の誘電率調整溝が形成されている
ことを特徴とする電磁波反射防止構造体。
電磁波の反射を防止する電磁波反射防止構造体であって、
１つの誘電体に形成される複数の基本構造を有し、且つ、
前記基本構造を構成する誘電体の部分には複数の同心円のそれぞれに点在するように誘電率調整穴が形成され、且つ、前記誘電率調整穴の深さは同心円の中心から遠いほど深い
ことを特徴とする電磁波反射防止構造体。
同心円の中心から最も遠い前記誘電率調整溝の深さは電磁波の半波長以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波反射防止構造体。
前記誘電率調整溝の面積は同心円の中心から遠いほど大きいことを特徴とする請求項１、２および４のいずれかに記載の電磁波反射防止構造体。
隣り合う２つの基本構造の中心間の距離が電磁波の半波長以上であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の電磁波反射防止構造体。
電磁波の反射を防止する電磁波反射防止構造体の製造方法であって、
前記電磁波反射防止構造体は、１つの誘電体に形成される複数の基本構造を有し、
前記製造方法は、
前記基本構造を構成する誘電体の部分に同心円状に、もしくは複数の同心円のそれぞれに内接するような多角形状に、複数の誘電率調整溝を形成し、且つ、前記誘電率調整溝の深さを同心円の中心から遠いほど深くする
ことを特徴とする電磁波反射防止構造体の製造方法。
前記誘電率調整溝の形成後、隣り合う前記誘電率調整溝の間に存在する誘電体の部分の全部、もしくは一部を取り除くことを特徴とする請求項７記載の電磁波反射防止構造体の製造方法。