JP6519198B2 - 光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、色特性の実現範囲に優れ、形成の容易な光学素子に関するものである。

液晶表示装置等の表示装置や、固体撮像素子等には、特定波長の可視光を透過させるカラーフィルタと呼ばれる光学素子が用いられる。また、標準色サンプルとして、特定波長の可視光を透過させる光学素子が用いられることがある。光学素子に対して光を照射すると、その光に含まれる可視光のうち特定波長の可視光のみが透過し、その透過光を観察することにより特定の色を認識することができる。

光学素子としては、特定波長の可視光を透過もしくは吸収する顔料、染料等の着色剤を樹脂に分散させたものが知られている。しかしながら、着色剤および樹脂等を用いた光学素子は、長時間の使用により、着色剤、樹脂等が劣化し、透過させる可視光の波長が変化するといった問題がある。例えば、顕微鏡観察に用いられる標準色サンプルでは、比較的高強度の光にさらされるため、着色材等の劣化を引き起こしやすい。
一方、光学素子として、無機材料、金属材料等を用いたものも知られている。無機材料等を用いた光学素子は耐候性に優れ、光による劣化等の問題が少ない。無機材料等を用いた光学素子としては、例えば、無機材料等を用いて回折格子を形成し、この回折格子による特定波長の可視光の干渉現象を利用して、特定波長の可視光を透過させるものを挙げることができる。しかしながら、回折格子を用いた光学素子は、光学素子に対する光の照射角度および観察角度によって回折光の波長特性に影響を受ける角度依存性があり、光学素子に照射される光の照射角度および観察角度によっては、所望の波長の可視光を透過させることができない場合があるといった問題がある。
このような問題に対して、非特許文献１では、石英基材と、石英基材上に形成され、貫通孔を有するアルミニウム層と、貫通孔に充填された酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）からなる充填剤と、を有するプラズモン共鳴現象を利用した光学素子が開示されている。非特許文献１に開示される光学素子によれば、貫通孔のサイズや間隔を可視光の波長よりも小さくすることにより、回折光の干渉を防止し、０次光のみを透過させることで角度依存性の少ないものとすることができる。また、上記光学素子は、貫通孔のサイズおよび間隔（以下ピッチともいう。）により透過する可視光の波長を自由度高く選択することが可能であり、光学フィルタとしての色特性（以下単に色特性という）に優れたものとすることができる。

Sozo Yokogawa. et al., NANO letters, 2012, 12 (8), p 4349-4354

しかしながら、非特許文献１の光学素子は、アルミニウム層に貫通孔を形成した後、その貫通孔内部に充填剤を充填する必要があることから、製造工程が煩雑であり、歩留まりが低くなるといった問題がある。

さらに、非特許文献１の光学素子において、アルミニウム層に設けられた貫通孔に充填剤を充填しなかった場合、すなわち、貫通孔内が空気で満たされている場合には、貫通孔のサイズおよびピッチを変化させても、透過する可視光の波長の選択の自由度が低く、色特性の実現範囲の狭いものとなる。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、色特性の実現範囲に優れ、形成の容易な光学素子を提供することを主目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決すべく研究を重ねた結果、貫通孔が形成される層を構成する材料によって、透過する可視光の波長を制御できること、特に、構成材料としてモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）系材料を用いることにより、貫通孔内に充填剤を充填しない場合でも透過する可視光の波長の選択の自由度に優れたもの、すなわち、色特性の実現範囲に優れた光学素子とすることができることを見出し、本発明を完成させるに至ったのである。

すなわち、本発明は、可視光透過性を有する基材と、上記基材の一方の表面上に形成され、複数の貫通孔を有するフィルタ層と、を有し、上記貫通孔の開口径が可視光の波長以下であり、上記フィルタ層の構成材料がモリブデンシリサイド系材料を含むことを特徴とする光学素子を提供する。

本発明によれば、フィルタ層の構成材料がモリブデンシリサイド系材料を含むことにより、貫通孔に充填剤を充填しない場合であっても、光学素子を色特性の実現範囲に優れたものとすることができる。

本発明においては、上記貫通孔のピッチが可視光の波長以下であることが好ましい。光学素子を観察する角度による色の変化を抑えることができるからである。

本発明においては、上記貫通孔の内部が空洞であることが好ましい。貫通孔の内部を空洞とすることにより、貫通孔への充填剤の充填を不要とすることができることで、光学素子の形成を容易とすることができるからである。

本発明においては、色特性の実現範囲に優れ、形成の容易な光学素子を提供できるといった効果を奏する。

本発明の光学素子の一例を示す概略平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の光学素子の他の例を示す概略平面図である。 本発明の光学素子の製造方法の一例を示す工程図である。 実施例１および比較例１〜２で得られた各光学素子の色度座標を示す図である。 実施例１で得られた光学素子の各ピッチでの透過率を示すグラフである。 実施例１で得られた光学素子のピッチと色度座標との関係を示すグラフである。 実施例１で得られた各光学素子の色度座標を示す図である。 比較例１で得られた光学素子の各ピッチでの透過率を示すグラフである。 比較例１で得られた光学素子のピッチと色度座標との関係を示すグラフである。 比較例１で得られた各光学素子の色度座標を示す図である。 比較例２で得られた光学素子の各ピッチでの透過率を示すグラフである。 比較例２で得られた光学素子の各ピッチと色度座標との関係を示すグラフである。 比較例２で得られた各光学素子の色度座標を示す図である。 比較例３〜５で用いた光学素子を示す概略平面図である。 図１５のＢ−Ｂ線断面図である。 比較例３〜５で得られた光学素子の色度座標を示す図である。 実施例２で得られた光学素子の観察結果である。

本発明は、光学素子に関するものである。
以下、本発明の光学素子について説明する。

本発明の光学素子は、可視光透過性を有する基材と、上記基材の一方の表面上に形成され、複数の貫通孔を有するフィルタ層と、を有し、上記貫通孔の開口径が可視光の波長以下であり、上記フィルタ層の構成材料がモリブデンシリサイド系材料を含むことを特徴とするものである。

このような本発明の光学素子について図を参照して説明する。図１は、本発明の光学素子の一例を示す概略平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。図１および図２に例示するように、本発明の光学素子１０は、可視光透過性を有する基材１と、上記基材１の一方の表面上に形成され、複数の貫通孔３を有するフィルタ層２と、を有し、上記貫通孔３の開口径が可視光の波長以下であり、上記フィルタ層２の構成材料がモリブデンシリサイド系材料を含むものである。
なお、図１および図２の例は、貫通孔の平面視形状が正方形状である場合を示すものである。また、この例は、貫通孔の平面視形状、開口径およびピッチの種類が１種類である場合を示すものである。
また、図１では、説明の容易のため、ハードマスク層４の記載を省略するものである。

本発明によれば、フィルタ層の構成材料がモリブデンシリサイド系材料を含むことにより、貫通孔に充填剤を充填しない場合であっても、光学素子を色特性の実現範囲に優れたものとすることができる。
ここで、フィルタ層の構成材料としてモリブデンシリサイド系材料を含むことにより、色特性の実現範囲に優れた光学素子とすることができる理由については以下のように推察される。

すなわち、モリブデンシリサイド系材料を用いて形成されたフィルタ層は、可視光領域の短波長側と長波長側との両側に透過領域を有し、中間波長を遮光する透過率波長特性（分光透過率ともいう。）を示す。このため、モリブデンシリサイド系材料を用いて形成されたフィルタ層は、フィルタ層を構成する貫通孔のピッチを変化させて、フィルタ層の透過率波長特性を変化させることで、短波長側の可視光（青）または長波長側の可視光（赤）を選択的に透過可能とすることが可能であり、色度図における色度座標（ｘ、ｙ）を顕著に変化させることが可能となる。
一方クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）を用いて形成されたフィルタ層は紫外〜青の短波長側に透過領域を有するが赤〜近赤外の長波長側に透過領域を有しない透過率波長特性を示す。このため、クロム等を用いて形成されたフィルタ層は、貫通孔のピッチを変化させてフィルタ層の透過率波長特性を変化させても短波長側の可視光（青）の透過率が変化するが、長波長側の可視光（赤）の透過率はほぼ遮光のまま変化しないため、色度座標に顕著な変化を生じさせることができない。
よって、モリブデンシリサイド系材料を用いて形成されたフィルタ層を用いることにより、フィルタ層の貫通孔の開口径とピッチを変化させることで光学素子を透過する可視光の色度図上の色度座標を顕著に変化させることができ、色特性の実現範囲に優れた光学素子とすることができる。
また、上記光学素子は、平面視形状、開口径およびピッチ等の条件の異なる貫通孔を組み合わせることで、波長が大きく異なる可視光を組み合わせて色度図上で広い範囲の色を実現することが容易である。

また、貫通孔の内部を空洞として、貫通孔への充填剤の充填を不要とすることができることで、光学素子を形成容易なものとすることができる。
さらに、貫通孔の開口径およびピッチが可視光の波長以下であることにより、回折光による干渉縞の発生を阻止でき、０次光のみが透過される。これにより、光学素子の透過率波長特性を角度依存性の少ないものとすることができる。

本発明の光学素子は、基材およびフィルタ層を有するものである。
以下、本発明の光学素子の各構成について詳細に説明する。

１．フィルタ層
本発明にけるフィルタ層は、基材の一方の表面上に形成され、複数の貫通孔を有するものである。
フィルタ層の構成材料はモリブデンシリサイド系材料を含むものである。
また、フィルタ層は、照射された光に含まれる可視光のうち特定波長の可視光を選択的に透過させるために用いられるものである。

（１）構成材料
本発明におけるフィルタ層の構成材料はモリブデンシリサイド系材料を含むものである。
本発明においては、上記構成材料がモリブデンシリサイド系材料を主原料として含むことが好ましく、具体的には、上記構成材料中のモリブデンシリサイド系材料の含有量が、７０質量％以上であることが好ましく、なかでも、９０質量％以上であることが好ましく、特に１００質量％、すなわち、フィルタ層がモリブデンシリサイド系材料からなるものであることが好ましい。上記含有量が上述の範囲であることにより、光学素子を色特性の実現範囲に優れたものとすることができるからである。
また、上記含有量の測定方法としては、含有量を精度良く測定できる方法であれば特に限定されるものではないが、例えば、上記フィルタ層の断面について、ＸＰＳ表面分析を行う方法を挙げることができる。

上記モリブデンシリサイド系材料は、モリブデン（Ｍｏ）およびシリコン（Ｓｉ）を含み、所望の波長の可視光を透過可能なフィルタ層を形成可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）、モリブデンシリサイド酸化物（ＭｏＳｉＯ）、モリブデンシリサイド窒化物（ＭｏＳｉＮ）、モリブデンシリサイド酸化窒化物（ＭｏＳｉＯＮ）等を挙げることができる。

上記モリブデンシリサイド系材料の屈折率および消衰係数の値としては、所望の波長の可視光を透過可能なフィルタ層を形成可能なものであれば特に限定されるものではなく、可視領域の波長５５０ｎｍで、屈折率が３．５〜４．７の範囲内であり、消衰係数が１．０〜２．０の範囲内とすることができる。
ここで、屈折率および消衰係数の測定方法としては、特に限定されないが、分光反射スペクトルから算出する方法、エリプソメーターを用いて測定する方法及びアッベ法を挙げることができる。エリプソメーターとしてはジョバンーイーボン社製ＵＶＳＥＬが挙げられる。なお、本件の屈折率および消衰係数はウーラム社製ＶＵＶ−ＶＡＳＥにて測定した値である。
なお、本発明での屈折率および消衰係数は特に波長の特定に言及が無い場合は５５０ｎｍの波長における値とする。

（２）貫通孔
本発明における貫通孔は、開口径が可視光の波長以下であるものである。

上記開口径は、可視光の波長以下であれば特に限定されるものではなく、フィルタ層を透過させる可視光の波長に応じて適宜設定されるものである。
ここで、可視光の波長以下であるとは、可視光の最短波長側の波長以下であることをいうものであり、具体的には、３８０ｎｍ以下であることをいうものである。
本発明においては、上記開口径が１００ｎｍ〜３８０ｎｍの範囲内であることが好ましい。上記開口径が上述の範囲内であることにより、貫通孔のピッチとともに、フィルタ層を透過する波長を自由度高く制御でき、光学素子を色特性の実現範囲に優れたものとすることができるからである。また、光学素子を角度依存性の少ないものとすることができるからである。
なお、上記開口径は、平面視上、貫通孔の全面を含むことができる最小の正方形の１辺の長さをいうものである。
例えば、貫通孔の平面視形状が正方形状である場合には、開口径は貫通孔の１辺の長さである。また、貫通孔の平面視形状が円形状である場合には、開口径は貫通孔の直径の長さである。上記開口径は、具体的には、既に説明した図２中のａで示されるものとすることができる。

上記貫通孔の平面視形状は、所望の波長の可視光を透過可能なフィルタ層を形成可能なものであれば特に限定されるものではないが、例えば、三角形状、四角形状、六角形状等の多角形、円形状、楕円形状等とすることができる。
なお、微細加工の製造上の観点からは、平面視形状の複雑な貫通孔は加工の難易度が高くなるため、貫通孔の平面形状としては、性能上特段の理由が無ければ、円形や矩形が選択される。

上記貫通孔のピッチ、すなわち、隣接する貫通孔間の距離は、フィルタ層を透過させる可視光の波長に応じて適宜設定されるものであり、例えば、可視光の波長以下であることが好ましい。光学素子を観察する角度による色の変化を抑えることができるからである。
上記ピッチは、より具体的には、１００ｎｍ〜３８０ｎｍの範囲内であることが好ましい。上記ピッチが上述の範囲内であることにより、貫通孔の開口径とともに、フィルタ層を透過する波長を自由度高く制御でき、光学素子を色特性の実現範囲に優れたものとすることができるからである。また、光学素子を角度依存性の少ないものとすることができるからである。
なお、上記貫通孔のピッチは、隣接する貫通孔間の距離の最大のものをいうものであり、具体的には、貫通孔の平面視形状が正方形状であれば、図２中のｂで示される幅をいうものである。貫通孔の平面視形状が不定形の場合は、その平面視形状の図形の重心位置を中心軸の位置とし、貫通孔と隣接する貫通孔の中心軸間の距離のうち最も大きい距離をピッチとする。例えば貫通孔の平面視形状が円形であれば、円形の中心が貫通孔の中心軸であり、隣接する貫通孔の中心軸との距離のうち最大のものをピッチとする。

上記貫通孔のデューティー比、すなわち、貫通孔のピッチに対する開口径の比（開口径／ピッチ）としては、フィルタ層を透過させる可視光の波長に応じて適宜設定されるものであるが、０．５以上であることが好ましく、なかでも０．６以上であることが好ましく、特に０．７以上であることが好ましい。上記デューティー比が上記範囲であることにより、光学素子を光透過率の高いものとすることができ光の使用効率を高めることができるからである。
なお、上記デューティー比の上限については、光学素子を光透過率の高いものとすることができるとの観点からは、大きいことが好ましいが、安定的に貫通孔を形成するとの観点、より具体的には、隣接する貫通孔を隔てるフィルタ層の形成容易の観点から０．８以下であることが好ましい。０．８以下であることにより、貫通孔間の壁を十分な厚さとすることができ、壁の変形や基材からの剥離等の欠陥の少ないものとすることができるからである。
なお、デューティー比は、貫通孔のピッチが決まれば開口径が決まるように導入した、フィルタ層の形状パラメータである。

上記貫通孔の種類、すなわち、開口径、平面視形状、ピッチおよびデューティー比の条件の種類としては、フィルタ層を透過させる可視光の波長に応じて適宜設定することができ、１種類であってもよく、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。
上記種類は、フィルタ層を透過させる可視光の波長の種類を少なくし、色の純度（彩度）を上げる観点からは、１種類であることが好ましい。
また、上記種類を２種類以上組み合わせること、より具体的には、第１の種類の貫通孔と第２の種類の貫通孔とを隣接して並べて、第１の種類の貫通孔が透過する第１の波長の可視光と、第２の種類の貫通孔が透過する第２の波長の可視光と、を透過するものとしてもよい。この場合には、第１の種類の貫通孔のみからなるフィルタ層を透過することにより認識される第１の色と、第２の種類の貫通孔のみからなるフィルタ層を透過することにより認識される第２の色とを混ぜた色を認識可能とすることができる。
なお、すでに説明した図１は貫通孔の種類が１種類である例を示すものである。また、図３は、開口径およびピッチがａ１およびｂ１の貫通孔３ａと、開口径およびピッチがａ２およびｂ２の貫通孔３ｂと、の２種類の貫通孔を含む例を示すものである。
また、図３中の符号については、図１のものと同一の部材を示すものであるので、ここでの説明は省略する。

上記貫通孔の数としては、複数であること、すなわち、２以上であれば特に限定されるものではないが、光学素子のサイズ等に応じて適宜設定されるものである。
例えば、光学素子が顕微鏡で用いられる標準色サンプルとして用いられる場合、１色あたり１ｍｍ角程度となるように形成される。この場合、上記貫通孔の数としては、貫通孔のピッチが２００ｎｍである場合には、概ね、５０００個×５０００個＝２５００００００個程度配置されるものとすることができる。

上記貫通孔の条件である、開口径、ピッチおよびデューティー比の条件の決定方法としては、所望の波長の可視光を透過可能な条件を精度よく決定できる方法であれば特に限定されるものではない。上記決定方法は、例えば、フィルタ層の構成材料を固定した状態、すなわち、フィルタ層の構成材料に対応する屈折率および消衰係数を固定した状態で、上記条件と透過する可視光の波長との関係をシミュレーションにより求め、そのシミュレーション結果に基づいて決定する方法を挙げることができる。
さらに、貫通孔の条件の決定は、シミュレーションにより得られた透過する可視光の波長と色度図上の配置（色度座標ｘ、ｙ）と、に基づいて行われるものであっても良い。

（３）フィルタ層
上記フィルタ層の厚みとしては、所望の波長の可視光を透過可能なフィルタ層を形成可能なものであれば特に限定されるものではない。上記厚みは、厚いほど色特性の実現範囲に優れたフィルタ層とすることができるが、可視光の透過率が低くなる。上記厚みは、色特性の実現範囲および透過率のバランスの観点から、例えば、１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内であることが好ましい。上記厚みは、具体的には、既に説明した図２中のｃで示されるものとすることができる。

上記フィルタ層は、上記貫通孔内に充填される固体状態の充填剤を有するものであってもよいが、充填剤を有しないものであること、すなわち、貫通孔の内部が空洞であることが好ましい。貫通孔の内部を空洞とすることにより、貫通孔への充填剤の充填を不要とすることができることで、光学素子を形成容易なものとすることができるとの本発明の効果をより効果的に発揮できるからである。
なお、貫通孔の内部の空洞は、通常空気で満たされるが、屈折率が同程度（ｎ＝１．０００）の他の気体、例えば窒素、ヘリウムなどの気体でもよく、さらに真空であっても良い。

２．基材
本発明における基材は、可視光透過性を有するものである。
ここで、可視光透過性を有するとは、フィルタ層を透過した可視光を透過させることができることをいうものである。

上記基材としては、上記フィルタ層を安定的に支持することができ、耐候性等に優れるものであれば特に限定されるものではない。上記基材は、例えば、光学研磨された合成石英ガラス、蛍石、フッ化カルシウムなどを用いることができるが、多用されており品質が安定しており、長時間の使用した場合でも劣化が少ないとの観点から合成石英ガラスを好ましく用いることができる。
上記基材の厚みとしては、本発明の光学素子の用途やサイズ等に応じて適宜選択することができる。

３．光学素子
本発明の光学素子は、上記基材およびフィルタ層を有するものであるが、必要に応じて、その他の構成を有するものであってもよい。
このようなその他の構成としては、フィルタ層の貫通孔を形成する際に用いたハードマスク層を挙げることができる。ハードマスク層を用いたエッチングによりフィルタ層の貫通孔を形成することで、光学素子を精度よく形成可能なものとすることができるからである。

上記ハードマスク層の材料は、フィルタ層の形成に用いられるフィルタ層形成層のエッチングに耐えるものであれば良く、フィルタ層形成層の構成材料に応じて適宜設定することができる。上記材料は、クロム系材料を用いることができる。クロム系材料はモリブデンシリサイド系材料を含むフィルタ層形成層のエッチング時にエッチングマスクとして機能するからである。
クロム系材料としては、クロム、クロム酸化物、クロム窒化物、クロム酸化窒化物等を挙げることができる。
上記ハードマスク層の厚みはフィルタ層形成層のエッチングに耐える厚みであれば良く、フィルタ層形成層の厚みが１００ｎｍ程度の場合、５ｎｍ〜１５ｎｍの範囲内程度が好ましい。
上記ハードマスク層の形成方法としては、フィルタ層形成層上にスパッタリング法などで形成する方法とすることができる。
上記ハードマスク層の形成箇所は、フィルタ層上であれば良く、例えば後述する酸化ケイ素膜上に形成されるもの、すなわち、フィルタ層上に酸化ケイ素膜を介して形成されるものであっても良い。
また、クロム酸化物のハードマスク層を表面反射防止層として使用しても良い。表面反射防止層とする場合のハードマスク層の厚さは、２５ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内程度が好ましい。
なお、既に説明した図２は、フィルタ層上にハードマスク層４を有する例を示すものである。

上記その他の構成は、フィルタ層に含まれるモリブデンシリサイド系材料が酸化することにより形成された、酸化ケイ素膜を上記フィルタ層上に有するものであってもよい。
上記酸化ケイ素膜に含まれる酸化ケイ素の含有量としては、酸化ケイ素を主成分として含むものであればよく、例えば、５０質量％以上とすることができる。
上記酸化ケイ素膜の厚みは、所望の波長の可視光を透過可能なものであれば特に限定されるものではないが、例えば、３ｎｍ〜１５ｎｍの範囲内とすることができる。

本発明の光学素子の製造方法としては、所望の形状の貫通孔を有するフィルタ層を含む光学素子を精度よく製造できる方法であれば特に限定されるものではない。
上記製造方法は、フィルタ層を形成可能なフィルタ層形成層上にパターン形成されたハードマスク層をエッチングマスクとして、フィルタ層形成層をエッチングすることで、貫通孔を形成するフィルタ層形成工程を有する方法であることが好ましい。ハードマスク層をエッチングマスクとして用いることにより、フィルタ層の微細なパターン加工がより高精度で可能となるといった利点があるからである。
上記製造方法は、より具体的には、基材１を準備し（図４（ａ））、上記基材１上にスパッタリング法により、モリブデンシリサイド系材料を含む上記構成材料からなるフィルタ層形成層２´を形成することにより、基材１および基材１上に形成され、モリブデンシリサイド系材料を含有するフィルタ層形成層２´を有する光学素子用基板を形成する（図４（ｂ））。
次いで、フィルタ層形成層２´上に、上記構成材料に応じたハードマスク形成層４´を設ける（図４（ｃ））。
次に、フォトリソグラフィ法によりパターン状レジスト１１を上記貫通孔が形成される箇所以外の箇所に形成し、パターン状レジスト１１をマスクとしてハードマスク形成層４´をエッチングガスｇ等を用いてエッチングすることにより(図４（ｄ）)、貫通孔が形成される箇所に開口部を有するハードマスク層を形成する。
次いで、ハードマスク層４をエッチングマスクとしてフィルタ層形成層２´をエッチングガスｇ等を用いてエッチングすることにより（図４（ｅ））、基材１およびフィルタ層２を有する光学素子１０を得ることができる（図４（ｆ））。
なお、ハードマスク層については、ハードマスク層を残したままでも光学素子が所望の性能が得られる場合はフィルタ層上に残しても良い。

本発明の光学素子の用途としては、所望の波長の可視光を透過することが要求されるものであれば特に限定されるものではないが、少ない角度依存性および高い耐退色性が要求される用途であることが好ましく、例えば、医療用標準色サンプルや健康診断用カラーチャート等を挙げることができる。
また、本発明の光学素子は、照射された光に含まれる可視光のうち特定波長の可視光を選択的に透過させるものである。したがって、本発明の光学素子は、透過させる波長の可視光を含む光を照射して用いられるものである。光学素子へ照射される照射光としては、標準の白色光を用いることができ、光源としては、Ｄ５０、Ｄ６５等により規定される光源を用いることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と、実質的に同一の構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなる場合であっても本発明の技術的範囲に包含される。

以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。

［実施例１］
光学素子のフィルタ層の材質をＭｏＳｉ系の材料とし、２００ｎｍ、２２０ｎｍ、２４０ｎｍ、２６０ｎｍ、２８０ｎｍ、３００ｎｍの各ピッチで形成された貫通孔に対して、ピッチに対する貫通孔の開口径の比率であるデューティー比（開口径／ピッチ）を０．５、０．６、０．７、０．８と変化させたときの分光透過率を波動解析によるシミュレーションを行った。波動解析はＲＣＷＡ(Rigorous Coupled Wave Analysis)法（例えば「回折光学素子の数値解析とその応用」丸善出版、小館香椎子監修に記載）に基づいて行った。得られた透過光の波長スペクトル（すなわち分光透過率）を色度座標に変換した結果を下記表１、図５、図６、図７および図８に示す。
なお、表１は、実施例１で得られた分光透過率をＹｘｙ表色系の色度座標（ｘｙ）で示すものである。
また、図５は、実施例１および後述の比較例１〜２において得られた各光学素子の色度座標（ｘｙ）を重ね合わせて示したものである。
図６は、実施例１で得られた光学素子の各ピッチでの分光透過率を示すグラフであり、横軸が波長（ｎｍ）であり、縦軸が分光透過率である。図６の各曲線は、貫通孔のデューティー比を０．８とし、貫通孔のピッチを２００ｎｍ、２２０ｎｍ、２４０ｎｍ、２６０ｎｍ、２８０ｎｍ、３００ｎｍと変化させた場合の分光透過率の変化を示すグラフである。
図７は、図６に示した分光透過率を色度座標（ｘｙ）に変換して示したグラフで、光学素子のピッチを変えた場合の色度座標の変化を示すグラフある。
図８は、表１に記載した貫通孔のピッチとデューティー比の全ての組み合わせによる光学素子（実施例１）の色度座標をプロットした図である。
なお、実施例１のシミュレーションにおける光学素子は、基材として合成石英を用い、フィルタ層の構成材料としてモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ、屈折率ｎ＝４．６、消衰係数ｋ＝１．９）を用いた。貫通孔のピッチ以外の条件としては、平面視形状を正方形とし、デューティー比を、０．５、０．６、０．７および０．８とした。なお、ピッチが２００ｎｍでデューティー比が０．５である場合の貫通孔の開口径は、２００ｎｍ×０．５と計算され、１００ｎｍとなる。フィルタ層の厚みは１２０ｎｍとした。
また、光学素子に照射される光は標準の白色光であるＤ６５の波長スペクトルの光を用いてシミュレーションを行った。

［比較例１〜２］
フィルタ層の構成材料をクロム（Ｃｒ）（比較例１）およびアルミニウム（Ａｌ）（比較例２）とした以外は、フィルタ層の貫通孔のピッチおよびデューティー比を実施例１と同じとしてシミュレーションを行った。その結果を、下記表２（比較例１、比較例２）、図９、図１０および図１１(比較例１)、ならびに図１２、図１３および図１４(比較例２)に示す。
表２は、比較例１〜２のシミュレーションで得られたフィルタ層の分光透過率をＹｘｙ表色系の色度座標（ｘｙ）に変換して示すものである。
図９、図１０および図１１は、フィルタ層の構成材料をクロム（Ｃｒ）系とした比較例１に関する図である。
図１２、図１３および図１４は、フィルタ層の構成材料をアルミ（Ａｌ）系とした比較例２に関する図である。
図９および図１２は実施例１の図６に対応しており、図９および図１２の各曲線は、貫通孔のデューティー比を０．８とし、貫通孔のピッチを２００ｎｍ、２２０ｎｍ、２４０ｎｍ、２６０ｎｍ、２８０ｎｍ、３００ｎｍと変化させた場合の分光透過率の変化を示すグラフである。
図１０および図１３は、実施例１の図７に対応しており、分光透過率を色度座標（ｘｙ）に変換して示したグラフで、光学素子のピッチを変えた場合の色度座標の変化を示すグラフある。
図１１および図１４は、実施例１の図８に対応しており、表２に記載した貫通孔のピッチとデューティー比の全ての組み合わせによる光学素子（比較例１、比較例２）の色度座標をプロットした図である。

［比較例３〜５］
フィルタ層の平面視形状を、実施例１のアレー状に配置された貫通孔の代わりにラインアンドスペース（ストライプパターンとも言う）とした場合の光学素子の分光透過率を波動解析によるシミュレーションを行って求めた。光学素子のフィルタ層の構成材料は、比較例３としてモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）系、比較例４としてクロム（Ｃｒ）系、比較例５としてアルミ（Ａｌ）系の３種類についてシミュレーションを実施した。
フィルタ層の平面視形状を図１５、Ｂ−Ｂ線に沿った断面形状を図１６に示す。基材２１上に細線２２が所定の開口幅ｄの開口部２３を介して所定のピッチｅで平行に配置されたものとし、ピッチを２００ｎｍ、２２０ｎｍ、２４０ｎｍ、２６０ｎｍ、２８０ｎｍおよび３００ｎｍとし、厚みｆを１２０ｎｍとし、デューティー比を０．３〜０．７とした。フィルタ層の平面視形状をラインアンドスペースとした以外は、実施例１と同様にしてシミュレーションを行った。ここで、例としてピッチｅが２００ｎｍ、デュ-ティー比が０．４であれば、開口幅ｄは８０ｎｍ（ピッチ２００ｎｍ×デューティー比０．４）となる。
このシミュレーションの結果を、下記表３および図１７に示す。
表３は比較例３〜５について波動解析によるシミュレーションで得られた分光透過率をＹｘｙ表色系の色度座標（ｘｙ）で記載したものである。
また、図１７は、比較例３〜５のシミュレーションで得られた各光学素子の色度座標（ｘｙ）を重ね合わせて示したものであり、図５（実施例１、比較例２〜３）に対応している。

［シミュレーション結果の評価］
図５は、フィルタ層の構成材料をモリブデンシリサイド系材料とした実施例１（△印）と、クロム系材料とした比較例１（×印）、アルミ系材料とした比較例２（○印）の各シミュレーション結果を１つの色度図上に配置して比較したものである。この図から実施例１（図５の△印）のフィルタの色特性が最も広い範囲を実現していることが確認できた。
表１に記載の通り実施例１のサンプル４の色度座標は（０．３５９、０．１６５）でマゼンダの色に近く、サンプル８の色度座標は（０．２６３、０．１３７）で紫色であり、サンプル１６の色度座標は（０．２４０、１．８８８）でブルーに近く、サンプル２４の色度座標は（０．２５９、０．２５９）で緑がかったブルーとなっており、その軌跡は図７に示す様に半円状の弧となっており、フィルタの色特性の実現範囲が広いことが確認できた。
一方、表２に記載の通り、比較例１（図５の×印）のサンプル４の色度座標は（０・２６２、０．２１７）でブルーであり、サンプル２４の色度座標は（０．２８８、０．３００）でブルーグレーの色を呈している。他のサンプル８、１６などの色度座標は、図１０に示すようにサンプル４とサンプル２４を結ぶ直線にほぼ乗っており、フィルタの色特性の実現範囲が狭いことが確認できた。さらに比較例２（図５の○印）の色度座標の分布も、図１３に示すように直線状に分布しておりフィルタの色特性の実現範囲が狭いことが確認できた。
表３に記載した比較例３〜５は、光学素子のフィルタ層の平面視形状をラインアンドスペースとした以外は実施例１、比較例１、比較例２と同じ構成であるが、そのシミュレーション結果を色度図上に配置した図１７を見ると、全ての色度座標が（０．３３０、０，３３０）から（０．３６０、０．３７０）の範囲に集中しており、色としては白から黄色の範囲に集中しており、フィルタの色特性の実現範囲が極端に狭いことが確認できた。つまり光学素子のフィルタ層の平面視形状としてラインアンドスペースは適さないことが示された。

［実施例２］
６インチ角の合成石英板に、モリブデンシリサイド膜が１２０ｎｍ厚で成膜され、表層にハードマスク層としてクロム膜が６ｎｍで成膜された積層板を準備した。
電子線レジストとして、富士フィルム製ＦＥＰ−１０１をクロム膜上に３００ｎｍ塗布した。
次いで、電子線描画装置として、日本電子製ＪＢＸ９０００を使用し、貫通孔とする部分に電子線を照射し、現像した。
次いで、ハードマスク層であるクロム膜をドライエッチングし、その後、電子線レジストを剥離しハードマスクをパターニングした。
その後、モリブデンシリサイド膜をハードマスク層を介してドライエッチングしたのち、ハードマスク層としてのクロム膜を剥離して、光学素子を得た。
なお、貫通孔のピッチは２００ｎｍ〜４００ｎｍの間で２０ｎｍ毎とし、デューティー比を０．４〜０．９までの間で０．１毎とし、合計６６サンプルを作成した。

［評価］
実施例２で得られた光学素子のモリブデンシリサイド膜について組成分析、電子顕微鏡観察およびフィルタの色特性の評価を行った。色特性については目視でも判断した。

（１）組成分析
モリブデンシリサイド膜の構成材料について下記分析条件にて組成分析を行った。
分析は、モリブデンシリサイド膜の最表面およびモリブデンシリサイド膜の内部の２か所について行った。なお、分析対象の光学素子は、貫通孔ピッチが２００ｎｍであり、デューティー比が０．４の光学素子を用いた。結果を下記表４（モリブデンシリサイド膜の最表面の分析結果）および表５（モリブデンシリサイド膜の内部の分析結果）に示す。
なお、表４、および表５は、検出され元素の合計を１００とした場合の各元素の割合を示すものである。
表４および表５より、内部にはモリブデンシリサイド系材料からなるフィルタ層が形成され、フィルタ層上に酸化ケイ素を主成分とする酸化ケイ素膜が形成されていることが確認できた。
また、モリブデンシリサイド系材料を構成材料の主成分として含むフィルタ層の厚みは１２０ｎｍであり、酸化ケイ素を主成分として含む酸化ケイ素膜の厚みは、９ｎｍであった。

（分析条件）
装置：Ｑｕａｎｔｕｍ２０００
Ｘ線条件：Ａｌ ｍｏｎｏ ２００μｍφ× ３０．３ １５ｋＶ
Ｘ線取込角度：４５°
中和条件：Ｉｏｎ／Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ２０μＡ
Ｅｔｃｈｉｎｇ条件：２ｋｖ Ｒａｓｔｅｒ ２×２（ＳｉＯ_２換算=６．０８ｎｍ/ｍｉｎ） ０．２５ｍｉｎ／回×２０Ｌｅｖｅl、０．５ｍｉｎ／回×２０ Ｌｅｖｅｌ

（２）電子顕微鏡観察
実施例２で得られた光学素子をＶｉＳＴＥＣ社製電子顕微鏡ＬＷＭ９０００により観察したところ、デューティー比が０．４〜０．８のものについては、精度よく貫通孔が形成されていることが確認できた。
しかしながら、デューティー比が０．９のものについてはフィルタ層全体がほぼ剥離していることが確認できた。

（３）色特性評価
実施例２で得られた６６種類の光学素子のうち、デューティー比が０．４〜０．８であり、ピッチが２００ｎｍ〜３８０ｎｍである５０種類の光学素子に対してＤ６５光源から照射した光を透過させ、透過した可視光の観察結果を確認した。可視光の観察結果を図１８に示す。
実施例２の可視光の観察結果より、デューティー比が大きいほど光透過率が大きくなり、また、ピッチを大きくすることにより、透過率波長特性が、赤系の光を透過する特性から青系の光を透過する特性に変化することが確認でき、実施例１のシミュレーションと同様の傾向を示すことが確認できた。

［まとめ］
表１、表２、図５、図８、図１１および図１４より、光学素子のフィルタ層の構成材料としてモリブデンシリサイド系材料を用いることで色特性の実現範囲に優れたフィルタ層とすることができることが確認できた。また、アルミニウム層またはクロム層に単に貫通孔を設けただけの場合、貫通孔のサイズおよびピッチを変化させても、透過する可視光の波長の選択の自由度が低く、色特性の実現範囲が狭いことが確認できた。
図６、図９および図１２より、モリブデンシリサイド系材料を用いてフィルタ層を形成すると、可視光領域の短波長側と長波長側との両側に透過領域を有し、中間波長を遮光する透過率波長特性を示すことが確認できた。一方クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）を用いてフィルタ層を形成すると紫外〜青の短波長側に透過領域を有するが赤〜近赤外の長波長側に透過領域を有しない透過率波長特性を示すことが確認できた。
表１、表２および図５（実施例１および比較例１〜２）と、表３および図１７（比較例３〜５）との比較より、フィルタ層が複数の貫通孔を有するものであることにより色特性の実現範囲に優れたものとすることができ、ラインアンドスペースでは色特性の実現範囲が大きく狭まることが確認できた。
表１、図５および図７（実施例１）と、図１８（実施例２）との比較より、形成した光学素子が、シミュレーションと同様の傾向を示すことが確認できた。

１ … 基材
２ … フィルタ層
３ … 貫通孔
４ … ハードマスク層
１０… 光学素子
１１… レジスト
２１ … 基材
２２ … 細線
２３ … 開口部

Claims (2)

1. 可視光透過性を有する基材と、前記基材の一方の表面上に形成され、複数の貫通孔を有し、照射された光に含まれる可視光のうち特定波長の可視光を選択的に透過させるフィルタ層と、を有し、
   前記貫通孔の開口径が１００ｎｍ〜３８０ｎｍの範囲内であり、
   前記フィルタ層の構成材料がモリブデンシリサイド系材料を含み、
   前記フィルタ層の構成材料中のモリブデンシリサイド系材料の含有量が、７０質量％以上であり、
   さらに、前記貫通孔のピッチが可視光の波長以下であることを特徴とする光学素子。
2. 前記貫通孔の内部が空洞であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。