JP6309257B2 - 光学素子の形成方法及び光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子の形成方法及び光学素子に関し、特に凸条パターンと凹条パターンが繰り返されたサブ波長構造をもつ光学素子の製造方法及び光学素子に関するものである。

光学素子として微細なラインアンドスペースパターンからなるサブ波長構造（Sub-Wavelength Structures：ＳＷＳ）を有するものがある。このような光学素子として例えば偏光解消素子が知られている（例えば特許文献１を参照。）。

偏光解消素子は、例えば、レーザプリンタなどで問題となる偏光を解消させるための光学部品として用いられたり、光学露光装置や光学測定機などの光学機器の光学系のスペックルの発生を低減させるスペックル低減素子として用いられたりしている。

レーザからの光をマイクロレンズアレイやフライアイレンズを通すことによってひとつの光束を複数の光束に分割する際、通常、分割された光は偏光方向が同一方向に揃っている。光学系の中で特定の条件が整うと、分割された光がそれぞれ迷光の原因となって光学系の途中で光が強めあう点と弱めあう点が発生してスペックルが生じる場合がある。スペックルは光が強めあう点と弱めあう点の輝点間の（標準偏差）／（平均値）で定義される。スペックルは、いろいろな光学系で発生することが知られており、これを解消する方法が種々提案されているが、有効な解決策は確立されていない。

レーザのスペックルを解消する方法の一つとしては、偏光状態が様々になったいわゆるランダム偏光状態になっていることが望ましい。偏光が不揃いであると、光の干渉が起こりにくいからである。

スペックルを解消するには、偏光、波長、位相などの異なる特性の光を重ね合わせることが有効であると言われている。そのことに基づき、偏光を解消する手法の１つとして、基板表面を任意の領域に分割し、互いに特性の異なるサブ波長構造を各領域に設けた偏光解消素子が提案されている（例えば特許文献１を参照。）。

この偏光解消素子は、基板表面に互いに特性（光学軸）が異なるサブ波長構造領域をいくつも設けることで基板を光が通過する際に各サブ波長構造に応じた偏光を持たせ、各サブ波長構造を通過した光を重ね合わせることによってスペックルを解消する。ここで、サブ波長構造の光学軸は、サブ波長構造の凸条パターンと凹条パターンの凹凸繰返し方向を意味する。

サブ波長構造は、使用する光の波長よりも短い凹凸周期で繰り返して配列された凸条パターンと凹条パターンをもつ周期構造である。使用する光の波長よりも微小な周期の周期構造を有する格子構造は構造性複屈折作用をもつ。

特開２００４−３４１４５３号公報 特開２０１１−１８０５８１号公報

今榮真紀子、外３名，「構造性複屈折を用いた広帯域１／４波長板の最適設計」，コニカミノルタテクノロジーレポート、ＶＯＬ．３，コニカミノルタホールディングス株式会社，２００６年，ｐ．６２−６７

スペックルを解消するには、光波パラメータが異なる光を重ね合わせる（多重化する）ことが有効であるといわれている。

本発明は、様々な位相差を有するサブ波長構造をもつ光学素子を提供することを目的とするものである。

本発明にかかる光学素子の形成方法は、凸条パターンと凹条パターンが繰り返されたサブ波長構造をもつ光学素子の形成方法であって、エッチング技術によってシリコン層に溝を形成して、シリコン凸条パターン、シリコン凹条パターン、及び隣り合う上記シリコン凸条パターン同士を結合するシリコン支柱パターンを形成するエッチング工程と、上記シリコン層に対して熱酸化処理を施して、上記シリコン凸条パターン、上記シリコン凹条パターン及び上記シリコン支柱パターンから二酸化ケイ素凸条パターン、二酸化ケイ素凹条パターン及び二酸化ケイ素支柱パターンを形成する熱酸化工程と、を含み、上記熱酸化工程での上記熱酸化処理によって上記シリコン凸条パターンの形状に対して歪んだ上記二酸化ケイ素凸条パターンを含む光学素子を形成することを特徴とする。

本発明の光学素子の形成方法において、上記エッチング工程において、複数の上記シリコン支柱パターンが不規則な配置で形成される例を挙げることができる。ただし、複数の上記シリコン支柱パターンは、規則的な配置で形成されていてもよい。

また、本発明の光学素子の形成方法において、上記エッチング工程において、上記シリコン凸条パターンと上記シリコン凹条パターンの凹凸繰返し方向が互いに異なっている複数のサブ波長構造領域が形成される例を挙げることができる。ただし、本発明の光学素子の形成方法において、サブ波長構造領域は１つであってもよい。

本発明にかかる光学素子は、本発明の光学素子の形成方法によって形成された光学素子であって、長さ方向で幅寸法が変化している上記二酸化ケイ素凹条パターンを含んでいることを特徴とするものである。

本発明の光学素子の形成方法及び本発明の光学素子は、様々な位相差を有するサブ波長構造をもつ光学素子を提供することができる。

光学素子の形成方法の一実施例の工程を説明するための概略的なである。 図１の実施例の工程を説明するための概略的な断面図であって、図１のＡ−Ａ’位置に対応する図である。 サブ波長構造を説明するための概略的な断面図である。 光学素子の形成方法の参考例の工程を説明するための概略的なである。 サブ波長構造の凹凸パターンの長さ方向においてフィリングファクターが変化している構造（実施例（Ａ））と変化していない構造（参考例（Ｂ））での位相の状態を説明するための（上段）と位相変化のイメージ図（下段）である。 光学素子のさらに他の実施例であって複数のサブ波長構造領域を備えた光学素子を概略的に示した平面図である。 光学素子のさらに他の実施例を概略的に示した平面図である。

本発明の光学素子の形成方法は、熱酸化によってシリコンが二酸化ケイ素になる際の体積膨張を利用して、シリコン凸条パターンの形状に対して二酸化ケイ素凸条パターンの形状を歪ませる。これに伴い、二酸化ケイ素凹条パターンの形状はシリコン凹条パターンの形状に対して歪む。また、シリコン支柱パターンが二酸化ケイ素支柱パターンになる際の体積膨張は二酸化ケイ素凸条パターン及び二酸化ケイ素凹条パターンの上記歪みに寄与する。

二酸化ケイ素凸条パターンにおいて、二酸化ケイ素支柱パターンが形成されている位置と形成されていない位置とで歪み方が異なる。したがって、二酸化ケイ素凹条パターンにおいて、長さ方向で幅寸法が変化する。これにより、凸条パターン及び凹条パターンの長さ方向でフィリングファクターが変化しているサブ波長構造が得られる。フィリングファクターについては後述する。

本発明の光学素子は、本発明の光学素子の形成方法によって形成された光学素子であって、長さ方向で幅寸法が変化している上記二酸化ケイ素凹条パターンを含んでいる。つまり、本発明の光学素子は、凸条パターン及び凹条パターンの長さ方向でフィリングファクターが変化しているサブ波長構造を備えている。

サブ波長構造において凸条パターン及び凹条パターンの長さ方向でフィリングファクターが変化していることは、サブ波長構造内での位置によって位相差が変化していることを意味する。つまり、本発明の光学素子の形成方法及び本発明の光学素子は、様々な位相差を有するサブ波長構造をもつ光学素子を実現できる。

なお、本発明の光学素子の形成方法において、二酸化ケイ素凸条パターンの歪み具合によっては、使用する光の波長よりも大きい幅寸法の二酸化ケイ素凹条パターンが部分的に形成されることがある。つまり、構造性複屈折作用をもたない凸条パターンと凹条パターンの領域が部分的に形成されることがある。本発明の光学素子の形成方法は、構造性複屈折作用をもたない領域を部分的に有するサブ波長構造を形成する局面を含む。また、本発明の光学素子は、構造性複屈折作用をもたない領域を部分的に有するサブ波長構造を備えた光学素子を含む。

図１は、光学素子の形成方法の一実施例の工程を説明するための概略的なである。図２は、この実施例の工程を説明するための概略的な断面図である。図２は図１のＡ−Ａ’位置に対応する図である。図１（３）及び図２（３）は本発明の光学素子の一実施例を示している。図１及び図２におけるカッコ数字（１）〜（３）は以下に説明される工程（１）〜（３）に対応している。なお、本発明の光学素子の形成方法はこの実施例に限定されるものではない。

（１）下地基板１上にシリコン層３を成膜する。下地基板１は、光透過率の高い光学材料であることが好ましく、例えば石英基板である。ただし、下地基板１は石英基板に限定されない。下地基板１の厚みは例えば５００μｍ（マイクロメートル）である。シリコン層３は例えばスパッタ法や蒸着法などで成膜されたものである。シリコン層３の成膜方法は特に限定されない。シリコン層３の厚みは例えば４μｍである。

（２）シリコン層３にエッチング技術によって溝を形成して、シリコン凸条パターン５、シリコン凹条パターン７及びシリコン支柱パターン９を形成する。シリコン支柱パターン９は隣り合うシリコン凸条パターン５，５同士を結合している。シリコン凹条パターン７の底部は下地基板１で構成されている。本発明の光学素子の形成方法及び本発明の光学素子において、シリコン凹条パターンは、内側壁及び底部がシリコンで形成されているものの他、内側壁がシリコンで形成され、底部がシリコンとは異なる材料で形成されているものを含む。

まず、シリコン層３の上にエッチングマスクパターンを形成する。エッチングマスクパターンは、例えば、電子ビーム描画やフォトリソグラフィによって形成されたレジストパターンや、精密成型やインプリント法によって形成された樹脂パターンなどである。

エッチングマスクパターンをマスクにしてシリコン層３をドライエッチング技術によってパターニングして、シリコン凸条パターン５、シリコン凹条パターン７及びシリコン支柱パターン９を形成する。ここでは下地基板１が露出するまでエッチングした。このドライエッチング処理には、例えばＳＦ₆ベースのガス種が用いられる。その際にドライエッチング条件をサイドエッチングが起こりにくいように設定した。その後、残存するエッチングマスクパターンが除去される。

なお、エッチング技術によってシリコン凸条パターン５、シリコン凹条パターン７及びシリコン支柱パターン９を形成する方法は上記の方法に限定されない。エッチング技術によって凹凸パターンを形成する方法は例えば特許文献２に開示されている。

ドライエッチングの手法としては、一般的なＩＣＰ（inductively coupled plasma）エッチャーを用いた。プラズマ源としてはＥＣＲプラズマ（electron cyclotron resonance plasma）や平行平板型ＣＣＰ（capacitively coupled plasma）など、特に制限はない。また、微妙なサイドエッチ量の制御が必要な場合は、必要に応じてボッシュ法や、中性粒子ビーム法などを用いてもよい。

シリコン凸条パターン５とシリコン凹条パターン７は交互に繰り返して配置されている。シリコン凸条パターン５とシリコン凹条パターン７のピッチ（周期）は例えば３００ｎｍ（ナノメートル）である。シリコン凸条パターン５の幅寸法は例えば８０ｎｍである。シリコン凹条パターン７の幅寸法は例えば２２０ｎｍである。シリコン凹条パターン７の深さ寸法（シリコン凸条パターン５及びシリコン支柱パターン９の高さ寸法）は例えば４μｍである。

シリコン支柱パターン９は、例えば、隣り合うシリコン凹条パターン７でシリコン支柱パターン９の間隔が１／２だけ周期的にずれた千鳥状に配置されている。シリコン支柱パターン９の長さ寸法は、シリコン凹条パターン７の幅寸法と同じであり、例えば２２０ｎｍである。シリコン支柱パターン９の幅寸法は例えば８０ｎｍである。

（３）シリコン凸条パターン５、シリコン凹条パターン７及びシリコン支柱パターン９に対して、例えばウェット法による熱酸化処理を施す。熱酸化処理条件は、シリコン凸条パターン５及びシリコン支柱パターン９が完全に酸化される条件であればよい。例えば、この実施例では、酸化温度１１００℃で１８時間熱酸化した。

この熱酸化処理によって、シリコン凸条パターン５、シリコン凹条パターン７及びシリコン支柱パターン９から、二酸化ケイ素凸条パターン１１、二酸化ケイ素凹条パターン１３及び二酸化ケイ素支柱パターン１５が形成される。二酸化ケイ素凸条パターン１１の底部は下地基板１で構成されている。本発明の光学素子の形成方法及び本発明の光学素子において、二酸化ケイ素凹条パターンは、内側壁及び底部が二酸化ケイ素で形成されているものの他、内側壁が二酸化ケイ素で形成され、底部が二酸化ケイ素とは異なる材料で形成されているものを含む。

二酸化ケイ素凸条パターン１１の幅寸法は約１６０ｎｍである。二酸化ケイ素凸条パターン１１は、幅方向において、シリコン凸条パターン５に対して約２倍だけ膨張した。二酸化ケイ素凹条パターン１３の幅寸法は約１４０ｎｍである。二酸化ケイ素凹条パターン１３の深さ寸法は約４μｍである。二酸化ケイ素支柱パターン１５の幅寸法は例えば１６０ｎｍである。

二酸化ケイ素凸条パターン１１及び二酸化ケイ素支柱パターン１５は、長さ方向において、シリコン凸条パターン５及びシリコン支柱パターン９に対して１％程度だけ膨張した。その膨張によって、二酸化ケイ素凸条パターン１１の形状はシリコン凸条パターン５の形状に対して歪む。これに伴い、二酸化ケイ素凹条パターン１３の形状はシリコン凹条パターン７の形状に対して歪む。

シリコン支柱パターン９が二酸化ケイ素支柱パターン１５になる際の体積膨張は二酸化ケイ素凸条パターン１１及び二酸化ケイ素凹条パターン１３の上記歪みに寄与する。二酸化ケイ素凸条パターン１１において、二酸化ケイ素支柱パターン１５が形成されている位置と形成されていない位置とで歪み方が異なる。

二酸化ケイ素支柱パターン１５が形成されていない位置では、二酸化ケイ素凸条パターン１１に長さ方向の応力が加わる。二酸化ケイ素支柱パターン１５が形成されている位置では、長さ方向の応力に加えて、二酸化ケイ素支柱パターン１５の体積膨張によって二酸化ケイ素凸条パターン１１に二酸化ケイ素支柱パターン１５とは反対側へ応力が加わる。これにより、二酸化ケイ素凹条パターン１３において、長さ方向で幅寸法が変化する。

この実施例では、二酸化ケイ素支柱パターン１５が千鳥状に配置されているので、二酸化ケイ素凹条パターン１３の長さ方向の端部（二酸化ケイ素支柱パターン１５の近傍部分）の幅寸法は、中央部分の幅寸法に比べて大きくなっている。このように、二酸化ケイ素支柱パターン１５の配置を工夫することによって、二酸化ケイ素凹条パターン１３における長さ方向での幅寸法の変化を制御できる。

二酸化ケイ素凹条パターン１３において長さ方向での幅寸法が変化していることにより、二酸化ケイ素凹条パターン１３及び二酸化ケイ素凹条パターン１３の長さ方向でフィリングファクター（位相差）が変化しているサブ波長構造が得られる。ひいては様々な位相差を有するサブ波長構造が得られる。

二酸化ケイ素凸条パターン１１と二酸化ケイ素凹条パターン１３の凹凸繰返し構造はサブ波長構造を構成する。一般に、サブ波長構造とは使用する光の波長よりも短い凹凸周期で繰り返して配列された凸条パターンと凹条パターンをもつ周期構造のことである。使用する光の波長よりも微小な周期の周期構造を有する格子構造は構造性複屈折作用をもつ。

図３は、サブ波長構造を説明するための概略的な断面図である。サブ波長構造の複屈折作用について、図３を参照して説明する。図３に示された構造は一般的なサブ波長構造を示したものである。

サブ波長構造は、使用する光の波長よりも短い凹凸周期（ピッチ）Ｐで繰り返して配列された凸条パターン１７と凹条パターン１９を備えている。例えば、サブ波長構造の媒質として空気と屈折率ｎの媒質を想定する。屈折率ｎの凸条パターン１７の幅がＬ、空気層からなる凹条パターン１９の幅がＳであり、Ｐ＝Ｌ＋Ｓである。また、Ｌ／Ｐはフィリングファクター（ｆ）と呼ばれる。ｄは溝の深さである。

周期Ｐの目安としては、使用する最も短い入射光の波長より短い凹凸周期で、より望ましくは使用波長の半分以下の周期とする。周期Ｐが入射光の波長よりも短い凹凸周期構造は入射光を回折することはないため入射光はそのまま透過し、入射光に対して複屈折特性を示す。すなわち、入射光の偏光方向に応じて異なる屈折率を示す。その結果、構造に関するパラメータを調整することにより位相差を任意に設定することができるため各種波長板を実現できる。

構造性複屈折とは、屈折率の異なる２種類の媒質を光の波長よりも短い凹凸周期でストライプ状に配置したとき、ストライプに平行な偏光成分（ＴＥ波）とストライプに垂直な偏光成分（ＴＭ波）とで屈折率（有効屈折率と呼ぶ）が異なり、複屈折作用が生じることをいう。

例えば非特許文献１に記載されるように、有効屈折率ｎ_TE，ｎ_TMは次の式（１），（２）で示される。さらに、入射光の波長λに対する位相差（リタデーション）δは次の式（３）で示される。

ｎ_TE＝｛ｎ₁ ²×ｆ ＋ ｎ₂ ²×（１−ｆ）｝^1/2 ・・・（１）
ｎ_TM＝｛ｎ₁ ^-2×ｆ ＋ ｎ₂ ^-2×（１−ｆ）｝^-1/2 ・・・（２）
δ＝（ｎ_TE−ｎ_TM）×ｄ ・・・（３）

式（１），（２）において、ｎ₁は凹条パターン１９の屈折率（例えば空気）、ｎ₂は凸条パターン１７の材質の屈折率、ｆはフィリングファクターである。式（３）において、ｄは凹条パターン１９の深さである。

サブ波長構造領域に直線偏光の光が入射すると、この位相差によってその透過光は楕円偏光に変わる。サブ波長構造の凸条パターンと凹条パターンの凹凸繰返し方向（以下、光学軸ともいう）が互いに異なる複数のサブ波長構造領域が配置された光学素子を直線偏光の光が透過すると、サブ波長構造領域間で楕円率が異なる。

本発明の光学素子の形成方法によって形成されるサブ波長構造では、凸条パターン及び凹条パターンはシリコンが熱酸化された二酸化ケイ素で形成される。

なお、図３に示されたサブ波長構造においてフィリングファクターは一定であるが、本発明の光学素子の形成方法によって形成される光学素子においてサブ波長構造のフィリングファクターは位置によって変化している。

図４は、光学素子の形成方法の参考例の工程を説明するための概略的なである。

この形成方法の参考例は、図１及び図２を参照して説明された形成方法の実施例と比較して支柱パターンを形成しない。図４におけるカッコ数字（１）〜（３）は以下に説明される工程（１）〜（３）に対応している。

（１）下地基板１上にシリコン層３を形成する。シリコン層３の形成方法は図１（１）及び図２（１）を参照して説明された上記工程（１）と同様である。

（２）下地基板１上に形成されたシリコン層３にエッチング技術によって溝を形成してシリコン凸条パターン２１及びシリコン凹条パターン２３を形成する。シリコン層３のエッチング方法は図１（２）及び図２（２）を参照して説明された上記工程（２）と同様である。シリコン凸条パターン２１及びシリコン凹条パターン２３の幅寸法は、図１（２）及び図２（２）に示されたシリコン凸条パターン５及びシリコン凹条パターン７の幅寸法と同じである。

（３）シリコン凸条パターン２１及びシリコン凹条パターン２３に対して熱酸化処理を施す。シリコン凸条パターン２１及びシリコン凹条パターン２３から、二酸化ケイ素凸条パターン２５及び二酸化ケイ素凹条パターン２７が形成される。熱酸化処理条件は図１（３）及び図２（３）を参照して説明された上記工程（３）と同様である。二酸化ケイ素凸条パターン２５及び二酸化ケイ素凹条パターン２７の幅寸法は、図１（３）及び図２（３）に示された二酸化ケイ素凸条パターン１１及び二酸化ケイ素凹条パターン１３の幅寸法と同程度である。

二酸化ケイ素凸条パターン２５の形状は、シリコン凸条パターン２１の形状に対してほとんど歪んでおらず、直線状である。また、二酸化ケイ素凹条パターン２７の形状はシリコン凹条パターン２３の形状に対してほとんど歪んでおらず、直線状である。

二酸化ケイ素凸条パターン２５及び二酸化ケイ素凹条パターン２７において、長さ方向で幅寸法はほぼ変化していない。したがって、長さ方向において、フィリングファクター（位相差）はほぼ一定である。

図５は、サブ波長構造の凹凸パターンの長さ方向においてフィリングファクターが変化している構造（実施例（Ａ））と変化していない構造（参考例（Ｂ））での位相の状態を説明するための（上段）と位相変化のイメージ図（下段）である。

参考例（Ｂ）のサブ波長構造において、任意の大きさの領域（例えば円領域）内の平均的な位相差は、その領域を凹凸パターンの長さ方向（ライン長さ方向）で移動させても同じである。
これに対し、実施例（Ａ）のサブ波長構造では、任意の大きさの領域を凹凸パターンの長さ方向で移動させると、任意の領域内の平均的な位相差が変化する。

このように、サブ波長構造の凹凸パターンの長さ方向においてフィリングファクターが変化していると、任意の大きさの領域内で凹凸パターンの長さ方向での複屈折位相差が連続的に変化することになる。これにより、任意の大きさの領域の中においても位相の多様性がより増すことになる。したがって、本発明の光学素子は、光学素子を透過した光の偏光状態をよりランダムにすることができ、スペックルを低減することができる。

図１（３）に示された光学素子において、二酸化ケイ素支柱パターン１５の配置は規則的であるが、本発明において二酸化ケイ素支柱パターンはランダムに配置されてもよい。

二酸化ケイ素支柱パターンがランダムに配置された光学素子を作製した実施例について説明する。この実施例の光学素子を形成するために、下地基板上のシリコン層に、幅寸法が５０ｎｍのシリコン凸条パターンと幅寸法が１５０ｎｍのシリコン凹条パターンからなるピッチ２００ｎｍのライン＆スペースパターンを形成した。また、同一のシリコン層に、隣り合うシリコン凸条パターン同士を結合するシリコン支柱パターンを形成した。シリコン支柱パターンの幅寸法は５０ｎｍである。シリコン支柱パターンは凹凸パターンの長さ方向で７〜１３μｍの間隔でランダムに配置された。

そのシリコンパターンを熱酸化して、二酸化ケイ素凸条パターン、二酸化ケイ素凹条パターン及び二酸化ケイ素支柱パターンをもつサブ波長構造を有する光学素子を得た。二酸化ケイ素凸条パターン及び二酸化ケイ素支柱パターンの幅寸法は１００ｎｍ程度であった。

上述のように、シリコン凸条パターン及びシリコン支柱パターンのラインの熱酸化による膨張によってラインアンドスペースパターンが歪む。シリコン支柱パターンがランダムに配置されていることにより、ライン＆スペースパターンがランダムに歪んだサブ波長構造が形成された。

このようなサブ波長構造は、場所ごとの位相差のランダム性をより強めることが可能となる。つまり、任意の領域を切り取った時の平均位相が場所ごとに異なる効果がより強くなる。上述のようにして作製されたライン＆スペースパターンがランダムに歪んだサブ波長構造を備えた光学素子により、２０％のスペックルコントラストの改善が見られた。

次に、二酸化ケイ素凸条パターンと二酸化ケイ素凹条パターンの凹凸繰返し方向が互いに異なっている複数のサブ波長構造領域を有する光学素子の実施例について説明する。このような実施例の光学素子は、上記位相差のランダム性の効果に加えて、サブ波長構造領域ごとに光学軸方向が異なっていることによる位相差のランダム化の効果により、スペックルコントラストの効果的な改善が期待できる。

図６は、複数のサブ波長構造領域を備えた光学素子の一実施例を概略的に示した平面図である。

光学素子３１に複数のサブ波長構造領域３３が配置されている。サブ波長構造領域３３は、例えば互いに隙間のない状態で配置されている。各サブ波長構造領域３３において、サブ波長構造はサブ波長構造領域３３の境界（ここでは４辺）とは例えば数百ｎｍの間隔をもって形成されている。ただし、サブ波長構造はサブ波長構造領域３３の境界に接して形成されていてもよい。また、隣り合うサブ波長構造領域３３は互いに間隔をもって配置されていてもよい。

図６は８×８＝６４個のサブ波長構造領域３３が配置されたものを示している。ただし、これは概略図であり、その個数に限定されるものではなく、サブ波長構造領域３３の数は多いほどよい。例えば、光学素子３１が５ｍｍ×５ｍｍの正方形で、サブ波長構造領域３３が５０μｍ×５０μｍであるとすると、１００×１００＝１００００個のサブ波長構造領域３３が配置された光学素子３１となる。

サブ波長構造領域３３は、使用する光の波長よりも短い凹凸周期で繰り返して配列された二酸化ケイ素凸条パターンと二酸化ケイ素凹条パターンによって構成されるサブ波長構造をもっている。また、そのサブ波長構造は隣り合う二酸化ケイ素凸条パターンを結合している二酸化ケイ素支柱パターンを備えている。

サブ波長構造領域３３のサブ波長構造は、本発明の光学素子の形成方法によって形成された二酸化ケイ素凸条パターン、二酸化ケイ素凹条パターン及び二酸化ケイ素支柱パターンによって形成されている。

サブ波長構造の凹凸繰返し方向が光学軸であり、図では光学軸は矢印で示されている。二酸化ケイ素凸条パターン及び二酸化ケイ素凹条パターンが湾曲している場合の光学軸は、例えば、その湾曲を考慮したおおよその光学軸、又は、熱酸化される前のシリコン凸条パターン及びシリコン凹条パターンの光学軸である。

各サブ波長構造領域３３は１つずつの光学軸をもっている。光学軸方向は隣接するサブ波長構造領域３３間では異なる部分をもつように配置される。ここでは隣接するサブ波長構造領域３３間で光学軸方向が異なるようにサブ波長構造領域３３が配置されている。サブ波長構造領域３３の光学軸方向は３６０度を例えば１５分割した方向のいずれかの方向をもつように形成されている。光学素子３１としては光学軸方向がランダムになるようにサブ波長構造領域３３が配置されている。

サブ波長構造領域３３内における光学軸は１つである必要はない。例えば、互いに直交する２つの方向の光学軸をもつようにサブ波長構造領域３３を形成することもできる。また、さらに複数個の光学軸をもつようなサブ波長構造領域３３であってもよい。また、後述のように光学軸方向が中心から放射状に広がるようにサブ波長構造を構成する凹凸構造が同心円状に配列されているようなサブ波長構造領域３３であってもよい。

光学素子３１は、サブ波長構造を構成する二酸化ケイ素凹条パターンの深さに関し、光学素子３１全体で二酸化ケイ素凹条パターンの深さが同じであってもよいし、深さの異なるものを含んでいてもよい。

深さの異なるものを含んでいる場合、１つの形態は、各サブ波長構造領域３３内では二酸化ケイ素凹条パターンの深さを均一にし、二酸化ケイ素凹条パターンの深さの異なるサブ波長構造領域３３をランダムに配置したものである。他の形態は、各サブ波長構造領域３３内において二酸化ケイ素凹条パターンの深さを変化させたものである。このような形態は例えば特許文献２に開示されている。

光学軸が互いに異なる複数のサブ波長構造領域をもつ光学素子の形成方法の実施例の工程を説明する。

（１）下地基板上に形成されたシリコン層にエッチング技術によって溝を形成してシリコン凸条パターン、シリコン凹条パターン及びシリコン支柱パターンを形成する。このエッチング工程において、シリコン凸条パターンとシリコン凹条パターンの凹凸繰返し方向が互いに異なっている複数のサブ波長構造領域が形成されるように、シリコン凸条パターン、シリコン凹条パターン及びシリコン支柱パターンを形成する。

例えば、サブ波長構造の形成領域は矩形の単位セルに区切られる。１つの単位セルからなるサブ波長構造領域や、複数の単位セルが連結されたサブ波長構造領域が配置される。なお、本発明において、サブ波長構造領域の平面形状は特に限定されない。

シリコン支柱パターンは、例えば単位セルの境界上又は単位セルの対角線上に配置される。なお、なお、本発明において、シリコン支柱パターンの配置位置はこれに限定されない。

（２）シリコン凸条パターン、シリコン凹条パターン及びシリコン支柱パターンに対して熱酸化処理を施す。シリコン凸条パターン、シリコン凹条パターン及びシリコン支柱パターンから、二酸化ケイ素凸条パターン、二酸化ケイ素凹条パターン及び二酸化ケイ素支柱パターンが形成される。

二酸化ケイ素凸条パターン及び二酸化ケイ素支柱パターンの体積がシリコン凸条パターン及びシリコン支柱パターンに対して膨張することにより、二酸化ケイ素凸条パターンの形状はシリコン凸条パターンの形状に対して歪む。これに伴い、二酸化ケイ素凹条パターンの形状はシリコン凹条パターンの形状に対して歪む。また、二酸化ケイ素凸条パターン及び二酸化ケイ素凹条パターンが歪むことにより、二酸化ケイ素支柱パターンの形状も歪む。また、サブ波長構造領域の境界の近傍の二酸化ケイ素凸条パターン、二酸化ケイ素凹条パターン及び二酸化ケイ素支柱パターンの形状が歪むことにより、サブ波長構造領域の形状も歪む。

熱酸化される前のシリコン凸条パターン、シリコン凹条パターン及びシリコン支柱パターンからなるサブ波長構造領域は、その領域内で位相差（複屈折特性）がほぼ一定である。これに対し、二酸化ケイ素凸条パターン、二酸化ケイ素凹条パターン及び二酸化ケイ素支柱パターンからなるサブ波長構造領域は、上述のようにパターンが歪んでいることにより、その領域内の位置ごとで位相差が変化している構造をもつ。これは、各サブ波長構造領域内の位相差の多様性が増していることを示す。したがって、このようにして作製された光学素子はスペックル解消の効果をより効果的に発現することが可能となる。

図７は、光学素子のさらに他の実施例を概略的に示した平面図である。図７の光学素子は、複数のサブ波長構造領域に分割されることなく、全体として１つのサブ波長構造領域からなる。

図７の光学素子３５では、光学素子３５の全面にわたって構造性複屈折を呈するサブ波長構造３７が形成されている。サブ波長構造３７は、使用する光の波長よりも短い間隔で繰り返して配列された二酸化ケイ素凸条パターンと二酸化ケイ素凹条パターンをもち、構造性複屈折を呈する。サブ波長構造３７は、本発明の光学素子の形成方法によって形成された二酸化ケイ素凸条パターン、二酸化ケイ素凹条パターン及び二酸化ケイ素支柱パターンによって形成されている。

サブ波長構造３７は、シリコン凸条パターン、シリコン凹条パターン及びシリコン支柱パターンが熱酸化されて形成されたものである。シリコン凸条パターン及びシリコン凹条パターンは、サブ波長構造３７の凹凸繰返し方向である光学軸方向が中心Ｏから放射状に広がるように同心円状に配列される。また、シリコン支柱パターンは隣り合うシリコン凸条パターンを結合するように規則的に又はランダムに配置される。このように配置されたシリコン凸条パターン、シリコン凹条パターン及びシリコン支柱パターンが熱酸化されて形成された二酸化ケイ素凸条パターン、二酸化ケイ素凹条パターン及び二酸化ケイ素支柱パターンの形状は酸化前の形状に対して歪む。

サブ波長構造３７の光学軸方向は、図中に矢印で示されるように３６０度にわたって分布している。さらに、二酸化ケイ素凸条パターン及び二酸化ケイ素凹条パターンの上記歪みにより、位相差のランダム性が向上されている。

光学素子３５では入射光の中心が光学素子の中心Ｏにくるように光学系を配置するのが最も効果的な使用方法である。

なお、本発明の光学素子の形成方法によって形成され得る光学素子は、上記実施例に示されたものに限定されない。

本発明の光学素子の形成方法によって形成され得る光学素子は、使用する光の波長よりも短い間隔で繰り返して配列された二酸化ケイ素凸条パターンと二酸化ケイ素凹条パターンをもち構造性複屈折を呈するサブ波長構造からなるものであれば、どのような構成であってもよい。

以上、本発明の実施例が説明されたが本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、光学素子の形成方法の上記実施例において、シリコン層３として下地基板１上に成膜されたものが用いられているが、本発明においてシリコン層はこれに限定されない。本発明において、シリコン層は、例えばシリコンウェハであってもよい。この場合、光学素子の形成方法はシリコンウェハに対して所望の深さまでエッチングを行ってシリコン凸条パターン、シリコン凹条パターン及びシリコン支柱パターンを形成する。

シリコンウェハとして、例えば、汎用的な面方位（１００）のノンドープのシリコンウェハが挙げられる。ただし、シリコンウェハの結晶方位に制限はない。また、シリコンウェハはノンドープのものに限定されるものではなく、後工程において熱酸化した時に損失が発生するレベルでなければ、Ｎ型やＰ型のシリコンウェハを用いても構わない。

また、上記実施例では、シリコン凸条パターン５、シリコン凹条パターン７及びシリコン支柱パターン９を形成するために下地基板１が露出するまでシリコン層３をエッチングしているが、本発明はこれに限定されない。シリコン層３の厚み方向でシリコン層３の途中までエッチングされて、シリコン凸条パターン５、シリコン凹条パターン７及びシリコン支柱パターン９が形成されてもよい。

また、光学素子の形成方法の上記実施例において、シリコン凸条パターン５、シリコン凹条パターン７及びシリコン支柱パターン９の熱酸化法としてウェット酸化を用いたが、この熱酸化処理はドライ酸化で行なわれてもよい。例えば、下地基板上にシリコン凸条パターンを形成した場合はパターン部分のみの熱酸化で構わないので、熱酸化処理をドライ酸化で行ってもよい。

３ シリコン層
５ シリコン凸条パターン
７ シリコン凹条パターン
９ シリコン支柱パターン
１１ 二酸化ケイ素凸条パターン
１３ 二酸化ケイ素凹条パターン
１５ 二酸化ケイ素支柱パターン
３１，３５ 光学素子
３３ サブ波長構造領域
３５ サブ波長構造

Claims (4)

1. 凸条パターンと凹条パターンが繰り返されたサブ波長構造をもつ光学素子の形成方法であって、
   エッチング技術によってシリコン層に溝を形成して、互いに平行でかつ互いに離間した複数の直線状のシリコン凸条パターン、隣り合う前記シリコン凸条パターンの間に介在するシリコン凹条パターン、及び前記シリコン凹条パターンを途中で分断しかつ隣り合う前記シリコン凸条パターンの一部同士を結合するように隣り合う前記シリコン凸条パターンの間に介在するシリコン支柱パターンを形成するエッチング工程と、
   前記シリコン層に対して熱酸化処理を施して、前記シリコン凸条パターン、前記シリコン凹条パターン及び前記シリコン支柱パターンから二酸化ケイ素凸条パターン、二酸化ケイ素凹条パターン及び二酸化ケイ素支柱パターンを形成する熱酸化工程であって、前記シリコン支柱パターンが前記二酸化ケイ素支柱パターンになる際の体積膨張を利用して、前記二酸化ケイ素凸条パターンのうち前記二酸化ケイ素支柱パターンによって隣接する前記二酸化ケイ素凸条パターンと結合されている部分を歪ませる熱酸化工程と、を含む、光学素子の形成方法。
2. 前記エッチング工程において、複数の前記シリコン支柱パターンが不規則な配置で形成される請求項１に記載の光学素子の形成方法。
3. 前記エッチング工程において、前記シリコン凸条パターンと前記シリコン凹条パターンの凹凸繰返し方向が互いに異なっている複数のサブ波長構造領域が形成される請求項１又は２に記載の光学素子の形成方法。
4. 凸条パターンと凹条パターンが繰り返されたサブ波長構造をもつ光学素子であって、
   互いに平行にかつ互いに離間して設けられた二酸化ケイ素からなる複数の前記凸条パターンと、
   隣り合う前記凸条パターンの一部同士を結合するように前記凸条パターンの間に介在する二酸化ケイ素からなる支柱パターンと、を備え、
   前記凸条パターンの前記一部が前記支柱パターンとは反対方向へ突出するように歪んでいることを特徴とする光学素子。
   

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