JP6440995B2 - 凹凸パターン及び光学素子並びに凹凸パターンの形成方法及び光学素子の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、凹凸パターン及び光学素子並びに凹凸パターンの形成方法及び光学素子の形成方法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、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。

凹凸繰返しパターンのサブ波長構造を有する光学素子は偏光解消素子だけではない。凹凸繰返しパターンのサブ波長構造は例えば回折格子や偏光変換素子などにも用いられる（例えば特許文献２を参照。）。

一般に、サブ波長構造を形成するための工法としてドライエッチング工法が用いられる。ドライエッチング工法では、例えば透明ガラス等の光学材料の上に所望のサブ波長構造に応じた凹凸パターンが形成される。そしてドライエッチング技術によってその凹凸パターンが光学材料に転写されることによってサブ波長構造が形成される。

しかし、例えばパターン深さが２μｍ（マイクロメートル）を超えるサブ波長構造をドライエッチング工法によって光学材料に形成することは工法上難しい。

そこで、エッチング技術によってシリコン基板やシリコン膜などのシリコン層を加工してシリコンからなる凹凸パターンを形成した後、そのシリコン層に熱酸化処理を施して二酸化ケイ素からなる凹凸パターンを形成することが考えられる。シリコン凹凸パターンに熱酸化処理を施して二酸化ケイ素凹凸パターンを形成することは例えば非特許文献１に開示されている。

特開２００４−３４１４５３号公報 特開２０１１−２４８２１３号公報 特開２０１０−１２１９３５号公報 特開２００７−１２２０１７号公報 特開２００７−２６４４７６号公報 特開２００５−２８５３０５号公報 特開２０１１−１８０５８１号公報

Kuei-Sung Chang et al. "A micro-fuel processor with trench-refilled thick silicon dioxide for thermal isolation fabricated by water-immersion contact photolithography', Journal of Micromechanics and Microengineering, Volume 15, 2005, S171-S178 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

シリコン凸条パターンを熱酸化して形成された二酸化ケイ素凸条パターンの体積はシリコン凸条パターンの体積に比べて大きくなる。例えば、歪みが解放されやすい幅方向の膨張率は２倍程度である。また、長さ方向にも１０％程度の膨張が発生する。そのため、二酸化ケイ素凸条パターンにおいて長さ方向で歪みや傾き、倒れが発生するという問題があった。

このような不具合は、サブ波長構造の凹凸パターンを形成する場合だけでなく、シリコン凸条パターンを熱酸化して二酸化ケイ素凸条パターンを形成する場合に同様に生じる。

本発明の目的は、シリコン凸条パターンを熱酸化して形成される二酸化ケイ素凸条パターンの長さ方向の歪みや傾き、倒れを低減することである。

本発明にかかる凹凸パターンの形成方法は、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とシリコン凹条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と上記シリコン凹条パターンから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形成する熱酸化工程と、を含み、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して上記シリコン凸条パターンの長さ方向において切断された切断部を有し、かつ上記長さ方向での両側面の対向する位置にそれぞれ形成されたシリコン突起部を有するものが形成され、上記熱酸化工程において、上記熱酸化処理によって上記シリコン凸条パターンの長さ方向で隣り合う上記シリコン凸条パターン同士に対応する上記二酸化ケイ素凸条パターン同士が連結され、上記二酸化ケイ素凸条パターンにおける上記シリコン突起部に対応する二酸化ケイ素突起部は隣の上記二酸化ケイ素凸条パターンとは接触されないことを特徴とする。

本発明にかかる光学素子の形成方法は、本発明の凹凸パターンの形成方法を用い、上記二酸化ケイ素凸条パターンと上記二酸化ケイ素凹条パターンが交互に繰り返して配置された光学素子を形成することを特徴とする。

本発明にかかる凹凸パターンは、本発明の凹凸パターンの形成方法によって形成された上記二酸化ケイ素凸条パターンと上記二酸化ケイ素凹条パターンからなる凹凸パターンであって、上記二酸化ケイ素凸条パターンの側面に上記二酸化ケイ素突起部が形成されていることを特徴とするものである。

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、上記二酸化ケイ素凸条パターンの側面に上記二酸化ケイ素突起部が形成されていることを特徴とするものである。

本発明の凹凸パターンの形成方法は、長さ方向において切断された切断部を有し、かつ上記長さ方向での両側面の対向する位置にそれぞれ形成されたシリコン突起部を有するシリコン凸条パターンを熱酸化して二酸化ケイ素凸条パターンを形成するので、二酸化ケイ素凸条パターンの長さ方向の歪みや傾き、倒れを低減することができる。

本発明の光学素子の形成方法は、本発明の凹凸パターンの形成方法を用いて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が交互に繰り返して配置された光学素子を形成する。したがって、本発明の光学素子の形成方法は、二酸化ケイ素凸条パターンの長さ方向の歪み等に起因する光学素子の光学特性変化を低減することができる。

本発明の凹凸パターンは、本発明の凹凸パターンの形成方法によって形成されたものであるので、二酸化ケイ素凸条パターンの長さ方向の歪みや傾き、倒れが低減された凹凸パターンを実現できる。さらに、本発明の凹凸パターンは、二酸化ケイ素凸条パターンの側面に二酸化ケイ素突起部が形成されているので、二酸化ケイ素突起部がない場合に比べて二酸化ケイ素凸条パターンの幅方向の強度が向上し、二酸化ケイ素凸条パターンの損傷が低減される。

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るので、二酸化ケイ素凸条パターンの長さ方向の歪みや傾き、倒れが低減され、光学的機能が安定した光学素子を実現できる。さらに、本発明の光学素子は二酸化ケイ素凸条パターンの側面に二酸化ケイ素突起部が形成されているので、二酸化ケイ素突起部がない場合に比べて二酸化ケイ素凸条パターンの幅方向の強度が向上する。これにより、二酸化ケイ素凸条パターンの損傷、ひいては光学素子の光学特性の変動が低減される。

光学素子の形成方法の一実施例を兼ねる凹凸パターン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平面図である。 同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。 同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Ｂ−Ｂ’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。 偏光解消素子の一例を概略的に示した平面図である。 シリコン凸条パターンに切断部を形成した場合と形成しなかった場合の二酸化ケイ素凸条パターンの形状を概略的に示した平面図である。 光学素子の形成方法の他の実施例を説明するための概略的な平面図である。 同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７のＣ−Ｃ’位置に対応する図である。 同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７のＤ−Ｄ’位置に対応する図である。 偏光解消素子の他の例を概略的に示した平面図である。

本発明にかかる凹凸パターンの形成方法として、上記シリコン突起部は、上記切断部によって分割された上記シリコン凸条パターンの上記長さ方向での中央部分に配置される例を挙げることができる。ただし、上記シリコン突起部は、上記切断部によって分割された上記シリコン凸条パターンの上記長さ方向での中央部分とは異なる位置に配置されてもよい。

本発明の光学素子の形成方法として、上記エッチング工程において、複数の上記切断部が不規則な配置で形成される例が挙げられる。ただし、本発明の光学素子の形成方法は、複数の切断部を規則的に配置してもよい。

本発明の光学素子の形成方法として、上記二酸化ケイ素凸条パターンと上記二酸化ケイ素凹条パターンを使用する光の波長よりも短い凹凸周期で配置してサブ波長構造を形成する例が挙げられる。ただし、本発明の光学素子の形成方法は、使用する光の波長よりも長い周期で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交互に繰り返して配置してもよい。

さらに、本発明の光学素子の形成方法として、上記サブ波長構造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形成して上記光学素子として偏光解消素子を形成する例が挙げられる。ただし、本発明の光学素子の形成方法は、１つのみのサブ波長構造領域を形成してもよいし、サブ波長構造の凹凸繰返し方向が同一の複数のサブ波長構造領域を形成してもよい。

本発明の光学素子の形成方法は、例えば、上記熱酸化工程において、全ての上記切断部のうちの少なくとも一部の上記切断部に対応する位置で、上記シリコン凸条パターンの長さ方向で隣り合う上記シリコン凸条パターン同士に対応する上記二酸化ケイ素凸条パターン同士が上記使用する光の波長よりも短い間隔で配置されるように、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に上記切断部が形成されるようにしてもよい。

また、本発明の光学素子は、本発明の光学素子の形成方法のこの局面によって形成されたものを含み、長さ方向で隣り合う上記二酸化ケイ素凸条パターン同士が上記使用する光の波長よりも短い間隔で配置されている部分が含まれていてもよい。

本発明の光学素子及びその形成方法において、長さ方向で隣り合う二酸化ケイ素凸条パターン同士の理想形状は、歪みを伴うことなくぴったりと連結された形状である。しかし、上記光学素子を実際に製作する際には、上記二酸化ケイ素凸条パターン同士に歪みを発生させることなくぴったりと連結させることは難しい。そこで、上記二酸化ケイ素凸条パターン同士の間隔が使用する光の波長よりも短い範囲内であれば上記光学素子の光学特性に影響がないので、許容できる。また、上記二酸化ケイ素凸条パターン同士が接触して多少歪んだとしても、歪みが光学特性に影響がない範囲であれば問題ない。

本発明の凹凸パターンの形成方法は、長さ方向において切断された切断部を有し、かつ上記長さ方向での両側面の対向する位置にそれぞれ形成されたシリコン突起部を有するシリコン凸条パターンを熱酸化して二酸化ケイ素凸条パターンを形成することによって、二酸化ケイ素凸条パターンの長さ方向の歪みや傾き、倒れを低減する。

本発明にかかる光学素子の形成方法は、本発明の凹凸パターンの形成方法を用い、上記二酸化ケイ素凸条パターンと上記二酸化ケイ素凹条パターンが交互に繰り返して配置された光学素子を形成する。このような光学素子として、例えば波長分割素子、広帯域波長板を含む波長板、波長分割フィルター、ピックアップ用波長分割素子などを挙げることができる（例えば特許文献３−６を参照。）。

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が交互に繰り返して配置された光学素子において、二酸化ケイ素凸条パターンが歪んで所望の形状が崩れてしまうと、所望の光学特性が得られない、安定した特性が得られない等の問題が発生する。例えば、散乱光の増大や透過率の低下等の光学特性の劣化が起こる。

本発明にかかる光学素子の形成方法は、本発明の凹凸パターンの形成方法を用い、二酸化ケイ素凸条パターンの歪みを低減することができるので、二酸化ケイ素凸条パターンの長さ方向の歪み等に起因する光学素子の光学特性変化を低減することができる。

図１は、光学素子の形成方法の一実施例を兼ねる凹凸パターン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平面図である。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って、図１のＡ−Ａ’位置に対応する図である。図３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って、図１のＢ−Ｂ’位置に対応する図である。図１、図２及び図３におけるカッコ数字（１），（２）は以下に説明される工程（１），（２）に対応している。なお、本発明の凹凸パターンの形成方法はこの実施例に限定されるものではない。また、図１（Ｂ）、図２（Ｂ）及び図３（Ｂ）は、光学素子の一実施例を兼ねる凹凸パターンの一実施例を示している。

工程（１）：シリコン層１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３とシリコン凹条パターン５を形成する。シリコン凸条パターン３は、シリコン凸条パターン３の長さ方向において切断された切断部３ａを有している。また、シリコン凸条パターン３は、シリコン凸条パターン３の長さ方向での両側面の対向する位置にそれぞれ形成されたシリコンシリコン突起部３ｂを有している。

シリコン層１は、例えば結晶面（１００）のノンドープシリコンウェハである。シリコン層１の厚みは例えば３００μｍである。まず、シリコン層１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１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３とシリコン凹条パターン５を形成する。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３とシリコン凹条パターン５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７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３とシリコン凹条パターン５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３とシリコン凹条パターン５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３の幅寸法は例えば８０ｎｍである。シリコン凹条パターン５の幅寸法は例えば２２０ｎｍである。シリコン凹条パターン５の深さ寸法（シリコン凸条パターン３の高さ寸法）は例えば４μｍである。

１本のシリコン凸条パターン３に対して複数の切断部３ａが配置されている。例えば、切断部３ａは、切断部３ａによって分割されたシリコン凸条パターン３の長さ寸法が例えば５〜１０μｍ、ここでは７μｍとなるように等間隔で配置されている。また、隣り合うシリコン凸条パターン３において、切断部３ａは、シリコン凸条パターン３の長さ方向で規則的にずらされた位置に配置されている。シリコン凸条パターン３の長さ方向での切断部３ａの長さ寸法は、例えば切断部３ａによって分割されたシリコン凸条パターン３の長さ寸法の１０％程度、ここでは７００ｎｍである。切断部３ａの深さ寸法は、例えばシリコン凸条パターン３の高さと同じであり、ここでは４μｍである。

切断部３ａの長さ寸法は、後述する工程（２）における熱酸化処理によってシリコン凸条パターン３の長さ方向で隣り合うシリコン凸条パターン同士に対応する二酸化ケイ素凸条パターン同士が連結される程度に設定される。

なお、１本のシリコン凸条パターン３において、切断部３ａはランダムな間隔（不規則な配置）で配置されていてもよい。ここで、切断部３ａによって分割されたシリコン凸条パターン３の長さ寸法は例えば５〜１０μｍである。また、隣り合うシリコン凸条パターン３において、切断部３ａは、シリコン凸条パターン３の長さ方向で不規則にずらされた位置に配置されていてもよい。

切断部３ａをランダムな間隔に配置する理由は、切断部３ａによる回折光を発生させないためである。規則的に切断部３ａが配置されると、回折光が発生し、透過率が低下すると考えられる。ただし、切断部３ａは次工程（２）で消滅するので、基本的には透過光に影響を与えない。切断部３ａの痕跡は、光の波長に対して十分に小さく、散乱、回折等は起こさないと考えられる。

また、光学素子の透過率を向上させるためには、１本のシリコン凸条パターン３（シリコン凸条パターン３の長さ方向に並ぶ、切断部３ａによって分割された複数のシリコン凸条パターン３）の長さ寸法は、シリコン凸条パターン３の幅寸法に対して１００倍以内であることが好ましい。例えば、シリコン凸条パターン３の長さ寸法の上限値はシリコン凸条パターン３の幅寸法の１００倍程度であり、下限値はシリコン凸条パターン３の幅寸法の２倍程度である。

１本のシリコン凸条パターン３において、複数の切断部３ａがランダムな間隔で配置されている場合、各切断部３ａの長さ寸法（シリコン凸条パターン３の長さ方向での寸法）は同じであってもよいし、異なっていてもよい。各切断部３ａの長さ寸法を異ならせる場合、シリコン凸条パターン３の長さ方向で切断部３ａの両側に配置されている、切断部３によって分割されたシリコン凸条パターン３の長さ寸法及び次工程（２）でのシリコン凸条パターン３の長さ寸法の膨張率を考慮して各切断部３ａの長さ寸法を決定することが好ましい。例えば、切断部３ａの長さ寸法は、次工程（２）での長さ方向での膨張率（例えば１０％）に合わせて、切断部３ａの両側に配置されているシリコン凸条パターン３の長さ寸法の合計寸法の１０％である。これにより、次工程（２）で、シリコン凸条パターン３の長さ方向で隣り合うシリコン凸条パターン３同士がちょうど連結されるようになる。

シリコン凸条パターン３のシリコン突起部３ｂは、シリコン凸条パターン３の長さ方向での両側面の対向する位置にそれぞれ形成されている。次工程（２）においてシリコン凸条パターン３が熱酸化されて形成される二酸化ケイ素凹条パターン９が歪んだり傾いたり倒れたりするのを防止するためである。

例えば、対向する位置に配置された一対のシリコン突起部３ｂ，３ｂは、切断部３ａによって分割されたシリコン凸条パターン３の長さ方向での中央部分に、分割されたシリコン凸条パターン３ごとに設けられている。ただし、一対のシリコン突起部３ｂ，３ｂは、切断部３ａによって分割されたシリコン凸条パターン３の長さ方向での中央部分とは異なる位置に配置されていてもよい。

シリコン突起部３ｂの長さ寸法（シリコン凸条パターン３の幅方向での寸法）は、次工程（２）においてシリコン突起部３ｂが熱酸化されて形成される二酸化ケイ素突起部７ｂが隣の二酸化ケイ素凹条パターン９に接触しない程度の寸法に設定される。シリコン突起部３ｂの長さ寸法は、例えば１２０〜４００ｎｍ、ここでは１８０ｎｍである。また、シリコン突起部３ｂの幅寸法（シリコン凸条パターン３の長さ方向での寸法）は、例えば８０〜４００ｎｍ、ここでは８０ｎｍである。

シリコン突起部３ｂは、シリコン凸条パターン３の熱酸化処理時に、シリコン凸条パターン３の変形を抑制するアンカー効果を発現する。そこで、シリコン突起部３ｂはシリコン凸条パターン３の長さ方向での中央部分に配置されることが好ましい。この構成は、シリコン凸条パターン３の熱酸化後の二酸化ケイ素凸条パターンについて、歪みを小さくすることができ、形状維持に効果的である。

また、シリコンの熱膨張率は、長さ方向において１０〜２０％程度であるので、シリコン突起部３ｂの長さ寸法（突出方向の寸法）が大きくなると、シリコン突起部３ｂ自体が変形しやすくなる。そこで、シリコン突起部３ｂの長さ寸法は、シリコン凸条パターン３の幅寸法の５倍以下であることが好ましい。

工程（２）：シリコン凸条パターン３とシリコン凹条パターン５を備えたシリコン層１に対して、例えばドライ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３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、形成される熱酸化膜の厚みが約０.１５μｍとした。具体的な条件としては酸化温度１１００℃で２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３とシリコン凹条パターン５から二酸化ケイ素凸条パターン７と二酸化ケイ素凹条パターン９が形成される。また、シリコン凸条パターン３の長さ方向で隣り合う、切断部３ａによって分割されたシリコン凸条パターン３同士に対応する二酸化ケイ素凸条パターン同士が連結されて１本の二酸化ケイ素凸条パターン７が形成される。

二酸化ケイ素凸条パターン７の幅寸法は約１６０ｎｍである。二酸化ケイ素凸条パターン７は、幅方向において、シリコン凸条パターン３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９の幅寸法は約１４０ｎｍである。二酸化ケイ素凹条パターン９の深さ寸法は約４μｍである。

二酸化ケイ素凸条パターン７は、長さ方向において、シリコン凸条パターン３に対して１０％程度膨張した。その膨張は切断部３ａにおいて吸収される。これにより、シリコン凸条パターン３の熱酸化処理による体積膨張に起因する二酸化ケイ素凸条パターン７の長さ方向の歪みや傾き、倒れが低減される。

二酸化ケイ素凸条パターン７は、シリコン突起部３ｂが熱酸化されて形成された二酸化ケイ素突起部７ｂを備えている。二酸化ケイ素突起部７ｂは隣の二酸化ケイ素凸条パターン７とは接触していない。二酸化ケイ素突起部７ｂの長さ寸法（二酸化ケイ素凸条パターン７の幅方向での寸法）は、シリコン突起部３ｂの長さ寸法に対して１０％程度膨張し、２００ｎｍである。また、二酸化ケイ素突起部７ｂの幅寸法（二酸化ケイ素凸条パターン７の長さ方向での寸法）は、シリコン突起部３ｂの幅寸法に対して２倍程度膨張し、１６０ｎｍである。

二酸化ケイ素突起部７ｂは、シリコン凸条パターン３の熱酸化処理による体積膨張に起因する二酸化ケイ素凸条パターン７の長さ方向の歪みや傾き、倒れの低減に寄与する。

二酸化ケイ素凸条パターン７と二酸化ケイ素凹条パターン９の凹凸繰返し構造はサブ波長構造を構成する。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。

本発明の光学素子の形成方法は、本発明の凹凸パターンの形成方法を用いて、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が交互に繰り返して配置された光学素子を形成する。本発明の光学素子の形成方法の一局面は、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からなるサブ波長構造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形成して、光学素子として偏光解消素子を形成する。このような偏光解消素子について説明する。まず、本発明の光学素子の形成方法によって形成され得るサブ波長構造について説明する。

図４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４を参照して説明する。図４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１１と凹条パターン１３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１１の幅がＬ、空気層からなる凹条パターン１３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２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１３の屈折率（例えば空気）、ｎ₂は凸条パターン１１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１３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偏光解消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１１及び凹条パターン１３は本発明の凹凸パターンの形成方法によって二酸化ケイ素で形成される。
次に、本発明の光学素子の形成方法によって形成され得る偏光解消素子の例について説明する。

図５は、偏光解消素子の一例を概略的に示した平面図である。
偏光解消素子１５に複数のサブ波長構造領域１７が配置されている。サブ波長構造領域１７は、例えば互いに隙間のない状態に配置されている。各サブ波長構造領域１７において、サブ波長構造は、サブ波長構造領域１７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１７の境界に接して形成されていてもよい。また、サブ波長構造領域１７は互いに間隔をもって配置されていてもよい。

図５は８×８＝６４個のサブ波長構造領域１７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１７の数は多いほどよい。例えば、偏光解消素子１５が５ｍｍ×５ｍｍの正方形で、サブ波長構造領域１７が５０μｍ×５０μｍであるとすると、１００×１００＝１００００個のサブ波長構造領域１７が配置された偏光解消素子１５となる。

サブ波長構造領域１７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。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。サブ波長構造領域１７のサブ波長構造は、本発明の凹凸パターン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と二酸化ケイ素凹条パターンによって形成されている。

各サブ波長構造領域１７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１７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１７間で光学軸方向が異なるようにサブ波長構造領域１７が配置されている。サブ波長構造領域１７の光学軸方向は３６０度を例えば１６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。偏光解消素子１５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１７が配置されている。

サブ波長構造領域１７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１７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１７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１７であってもよい。

偏光解消素子１５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、偏光解消素子１５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１７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１７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１７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７に開示されている。

図６は、シリコン凸条パターンに切断部を形成した場合と形成しなかった場合の二酸化ケイ素凸条パターンの形状を概略的に示した平面図である。

シリコン凸条パターン３に切断部３ａを形成した場合、シリコン凸条パターン３の熱酸化による長さ方向の膨張は切断部３ａによって吸収され、二酸化ケイ素凸条パターン７の歪みは低減される。また、二酸化ケイ素凸条パターン７の傾きや倒れも低減される。また、シリコン突起部３ｂ及び二酸化ケイ素突起部７ｂも、二酸化ケイ素凸条パターン７の歪みや傾きや倒れの低減に寄与する。

シリコン凸条パターン３に切断部３ａを形成しなかった場合、熱酸化によるシリコン凸条パターン３の長さ方向の膨張に起因して二酸化ケイ素凸条パターン７に歪みが発生する。また、二酸化ケイ素凸条パターン７の傾きや倒れも発生する。

二酸化ケイ素凸条パターン７に歪みや傾き、倒れが発生すると、サブ波長構造において設計通りの光学軸が得られないだけでなく、光の透過率が低下する。本発明の凹凸パターンの形成方法及び光学素子の形成方法は、このような不具合を低減することができる。

また、シリコン凸条パターン３の幅寸法が１００ｎｍであり、シリコン凸条パターン３の中央部分にシリコン突起部３ｂが配置されている場合、熱酸化後の二酸化ケイ素凸条パターン７に歪みや傾き、倒れが発生しない。この現象は、シリコンの熱膨張係数や熱酸化による体積膨張の関係からシミュレーションによって導き出せる。そこで、例えば、シリコン凸条パターン３の幅寸法が１００ｎｍ程度である場合、シリコン凸条パターン３の長さ寸法は、シリコン凸条パターン３の端部とシリコン突起部３ｂの間の寸法が５μｍ以下であることが好ましい。例えば、シリコン突起部３ｂがシリコン凸条パターン３の中央部分に配置される場合、シリコン凸条パターン３の長さ寸法は約１０μｍ以下であることが好ましい。

図７は、光学素子の形成方法の他の実施例を説明するための概略的な平面図である。図８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って、図７のＣ−Ｃ’位置に対応する図である。図９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って、図１のＤ−Ｄ’位置に対応する図である。図７、図８及び図９におけるカッコ数字（１），（２）は以下に説明される工程（１），（２）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。また、図７（Ｂ）、図７（Ｂ）及び図７（Ｂ）は、光学素子の他の実施例を示している。図７から図９において、図１から図３と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付されている。

工程（１）：図１から図３を参照して説明した上記工程（１）と同様にして、シリコン層１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３とシリコン凹条パターン５を形成する。ここで、切断部３ａの長さ寸法は、後述する工程（２）における熱酸化処理において、切断部３ａに対応する位置で、長さ方向で隣り合うシリコン凸条パターン３同士に対応する二酸化ケイ素凸条パターン７同士が使用する光の波長よりも短い間隔で配置される程度に設定されている。例えば、シリコン凸条パターン３の長さ寸法が７μｍ程度である場合、切断部３ａの長さ寸法は０.７μｍ程度である。

また、切断部３ａは、シリコン凸条パターン３の配列において、不規則な位置に配置されている。切断部３ａの不規則な位置に配置する理由は、上述のように、切断部３ａによる回折光を発生させないためである。なお、１本のシリコン凸条パターン３において、切断部３ａがランダムな間隔（不規則な配置）で配置されていることによって、切断部３ａの配列が不規則になっていてもよい。ただし、本発明は、切断部３ａが規則的に配列されている構成を含む。

工程（２）：図１から図３を参照して説明した上記工程（２）と同様にして、シリコン凸条パターン３とシリコン凹条パターン５を備えたシリコン層１に対して熱酸化処理を施して、二酸化ケイ素凸条パターン７と二酸化ケイ素凹条パターン９を形成する。ここで、上記工程（２）を参照して説明した実施例とは異なり、長さ方向で隣り合う二酸化ケイ素凸条パターン７同士は連結しない。長さ方向で隣り合う二酸化ケイ素凸条パターン７の間に存在する切断部７ａの長さ寸法は、使用する光の波長よりも短い。例えば、使用する光の波長が６５０ｎｍである場合、切断部７ａの長さ寸法は３００ｎｍ程度である。

切断部７aの長さは、使用する光の波長以下であり、例えばその波長の半分以下であることが好ましい。さらに好ましくは、切断部７aの長さは使用する光の波長の３分の１以下である。例えば、使用波長が６５０ｎｍ（近赤外）の場合には、切断部７aの長さを２１５ｎｍ以下とする。また、例えば使用波長が４００ｎｍ（可視紫外域）の場合には、切断部７aの長さを１３０ｎｍとする。また、例えば使用波長が２４０ｎｍ（紫外域）の場合には切断部７aの長さを８０ｎｍ以下とする。なお、本願発明は使用波長を問わず適用が可能である。

切断部７ａの寸法が使用する光の波長よりも短い場合、回折光は発生しないので、二酸化ケイ素凸条パターン７と二酸化ケイ素凹条パターン９の凹凸繰り返しパターンからなる光学素子は、目的の機能を発揮する。

長さ方向で隣り合う二酸化ケイ素凸条パターン７の間に切断部７ａを存在させることにより、熱酸化処理時に切断部３ａが消滅する場合に比べて、製造上の誤差等に起因する二酸化ケイ素凸条パターン７の歪み等を低減することができる。

この実施例では、全ての切断部３ａに対応する位置に切断部７ａが形成されているが、本発明はこれに限定されない。全ての切断部７ａのうちの一部の切断部３ａに対応する位置で、熱酸化処理工程において長さ方向で隣り合う二酸化ケイ素凸条パターン７が連結されて切断部７ａが形成されない箇所が存在していてもよい。

図１０は、偏光解消素子の他の例を概略的に示した平面図である。図１０の偏光解消素子は、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１０の偏光解消素子１９では、偏光解消素子１９の全面にわたって、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をもち、構造性複屈折を呈するサブ波長構造２１が形成されている。サブ波長構造２１は、本発明の凹凸パターンの形成方法又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と二酸化ケイ素凹条パターンによって形成されている。なお、図１０において二酸化ケイ素凸条パターンの二酸化ケイ素突起部の図示は省略されている。

サブ波長構造２１は、サブ波長構造２１の凹凸繰返し方向である光学軸方向が中心から放射状に広がるように、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が同心円状に配列されている。したがって、図中に矢印で示される光学軸方向は３６０度にわたって分布している。

さらに、サブ波長構造２１を構成する二酸化ケイ素凹条パターンの深さは、この偏光解消素子の中心（Ａ１）から半径方向の一点（Ａ２）に至る位置での断面図が、例えば、三角関数その他の任意の関数に従って連続して変化するように形成されている。なお、サブ波長構造２１を構成する二酸化ケイ素凹条パターンの深さは均一であってもよい。

偏光解消素子１９では入射光の中心が偏光解消素子の中心（Ａ１）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。

本発明の光学素子の形成方法によって形成され得る偏光解消素子の例が説明された。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偏光解消素子は、図５又は図１０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偏光解消素子は、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。

本発明の光学素子の形成方法によって形成され得るサブ波長構造を有する光学素子は、偏光解消素子に限定されず、他の光学素子であってもよい。
また、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、サブ波長構造を有するものに限定されない。

本発明の凹凸パターンの形成方法によって形成される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は、使用する光の波長と同一の凹凸周期又はその波長よりも長い凹凸周期で繰り返して配置されたものであってもよい。

また、本発明の凹凸パターンの形成方法によって形成される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は、光学素子以外の物に適用されてもよい。

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、凹凸パターンの形成方法の上記実施例において、シリコン層１として汎用的な面方位（１００）のノンドープのシリコンウェハを用いたが、シリコンウェハの結晶方位に制限はない。また、ノンドープのシリコンウェハを用いたが、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、シリコン層１は、シリコンスパッタ膜やシリコン蒸着膜などの膜層であってもよい。この場合、シリコン層が形成される下地基板は光透過率の高い光学材料であることが好ましい。凹凸パターンを形成する部分がシリコンであれば、例えば、シリコン層は石英基板上に成膜されたシリコン膜であってもよい。

例えば、下地基板上のシリコン層の厚みと、シリコン凸条パターンのパターン深さとを同一にしてもよい。これにより、シリコン凸条パターンのみを酸化して二酸化ケイ素凸条パターンを形成すればよいので、熱酸化時間を大幅に短縮することができる。なお、この場合、シリコン凹条パターンの底部及び二酸化ケイ素凹条パターンの底部はシリコン層の下地基板によって構成される。

また、下地基板として石英などの可視域において透明である材質を用いれば、熱酸化によって形成された凹凸パターンとあわせて、素子全体において可視域の光透過性を有する状態を実現することも可能である。

また、シリコン基板を用いて加工を実施した場合、使用する光の波長によっては、熱酸化されていないシリコン部分を取り除く必要がある。加工方法としては、例えば、研磨、ドライエッチング、ウェットエッチング等の加工があげられる。シリコン部分を取り除くことにより、可視域で使用可能な光学特性を得ることができる。

また、凹凸パターン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３及びシリコン凹条パターン５の熱酸化法としてドライ酸化を用いたが、この熱酸化処理はウェット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。

１ シリコン層
３ シリコン凸条パターン
３ａ 切断部
３ｂ シリコン突起部
５ シリコン凹条パターン
７ 二酸化ケイ素凸条パターン
７ｂ 二酸化ケイ素突起部
９ 二酸化ケイ素凹条パターン
１５，１９ 偏光解消素子
１７ サブ波長構造領域
２１ サブ波長構造

Claims (10)

1. 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とシリコン凹条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と前記シリコン凹条パターンから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形成する熱酸化工程と、を含み、
   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して前記シリコン凸条パターンの長さ方向において切断された切断部を有し、かつ前記長さ方向での両側面の対向する位置にそれぞれ形成されたシリコン突起部を有するものが形成され、
   前記熱酸化工程において、前記熱酸化処理によって前記シリコン凸条パターンの長さ方向で隣り合う前記シリコン凸条パターン同士に対応する前記二酸化ケイ素凸条パターン同士が連結され、前記二酸化ケイ素凸条パターンにおける前記シリコン突起部に対応する二酸化ケイ素突起部は隣の前記二酸化ケイ素凸条パターンとは接触されないことを特徴とする凹凸パターンの形成方法。
2. 前記シリコン突起部は、前記切断部によって分割された前記シリコン凸条パターンの前記長さ方向での中央部分に配置される、請求項１に記載の凹凸パターンの形成方法。
3. 請求項１又は２に記載された凹凸パターンの形成方法を用い、
   前記二酸化ケイ素凸条パターンと前記二酸化ケイ素凹条パターンが交互に繰り返して配置された光学素子を形成することを特徴とする光学素子の形成方法。
4. 前記エッチング工程において、複数の前記切断部が不規則な配置で形成される請求項３に記載の光学素子の形成方法。
5. 前記二酸化ケイ素凸条パターンと前記二酸化ケイ素凹条パターンを使用する光の波長よりも短い凹凸周期で配置してサブ波長構造を形成する請求項３又は４に記載の光学素子の形成方法。
6. 前記サブ波長構造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形成して前記光学素子として偏光解消素子を形成する請求項５に記載の光学素子の形成方法。
7. 前記熱酸化工程において、全ての前記切断部のうちの少なくとも一部の前記切断部に対応する位置で、前記シリコン凸条パターンの長さ方向で隣り合う前記シリコン凸条パターン同士に対応する前記二酸化ケイ素凸条パターン同士が前記使用する光の波長よりも短い間隔で配置されるように、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に前記切断部が形成される請求項５又は６に記載の光学素子の形成方法。
8. 二酸化ケイ素からなる二酸化ケイ素凸条パターンと二酸化ケイ素からなる二酸化ケイ素凹条パターンが交互に繰り返し配置された凹凸パターンであって、
   前記二酸化ケイ素凸条パターンの両側面に前記二酸化ケイ素凸条パターンの長さ方向に対して垂直な方向へ突起した二酸化ケイ素突起部が形成されており、前記二酸化ケイ素突起部は当該二酸化ケイ素突起部が形成されている前記二酸化ケイ素凸条パターンの隣の二酸化ケイ素凸条パターンに接触していないことを特徴とする凹凸パターン。
9. 請求項８に記載の凹凸パターンを有することを特徴とする光学素子。
10. 長さ方向で隣り合う前記二酸化ケイ素凸条パターン同士が使用する光の波長よりも短い間隔で配置されている部分が含まれている請求項９に記載の光学素子。
    

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