KR20030095248A - 광학부품 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

광학소자로 구성된 기판 위에 서로 교대로 적층된 상이한 굴절률을 가지는 2종류의 막의 다층막은, 복수의 평행선으로 형성되고, 상기 다층막의 인접선은, 접속용 다층막에 의하여 서로 접속되어 보강된다. 이것은, 400nm 내지 700nm의 파장의 가시광선에 대해서도 양호한 편광특성을 나타내고, 높은 애스펙트비를 가지도록 설계되는 경우에도, 선형 다층막이 붕괴되지 않는 매우 신뢰성이 높은 광학부품을 제공할 수 있다. 또한, 어떠한 유기용매의 사용없이도 저가의 제조장치를 사용하여 미세 요철 형상이 확실하게 형성될 수 있는 제조방법을 제공한다.

Description

광학부품 및 그 제조방법{OPTICAL COMPONENT AND METHOD OF MANUFACTURING SAME}
본 발명은, 기판의 표면 위에 다층막이 형성된 편광빔스플리터나 위상판 등의 광학부품에 관한 것이고, 특히 높은 애스펙트비(aspect ratio)의 다층막을 가지는 광학부품 및 그 제조방법에 관한 것이다.
지금까지, 전자기기에 사용되는 렌즈 등의 광학소자는, 광간섭에 의거하여, 광학소자의 표면에 적층된 박층을 반사방지막으로서 가진다. 또한, 마찬가지의 광간섭에 의거하여, 투명광학소자로 구성된 기판의 표면에 박층이 적층되어, 입사광을 편광하고, 이에 의해 편광빔스플리터나 위상판을 형성한다. 간섭막은, 저가이고 양질의 재현성을 가져서 널리 실용화되고 있다.
도 5는, 종래부터 사용되고 있는, 간섭막 입체형 편광빔스플리터의 일례를 도시하고 있다. 도 5에서는, (12a)와 (12b)는, 45°로 기울어진 표면을 각각 가지는 투명체 기판을 나타낸다. (13)과 (14)는, 저굴절률층과 고굴절률층을 각각 나타낸다. 또한, 도면에 도시한 화살표는, 광이 진행하는 방향을 나타낸다. 일반적인 광은, 광의 진동방향이 도 5의 도면과 수직인 진동성분인 S편광빔과, 광의 진동방향이 도 5의 도면과 평행인 진동성분인 P편광빔을 가진다. 편광빔스플리터는, S편광빔을 반사하는 반면 P편광빔을 투과시킴으로써, 도면에 도시한 바와 같이 입사광이 2개의 성분으로 분할될 수 있다.
그러나, 도 5에 도시한 규빅형 편광빔스플리터가 제조하기가 매우 용이하고양질의 재현성을 가진다고 해도, 광학특성에 관해서는, 광의 입사각에 좌우하여 반사 및 투과 특성이 현저하게 변화해 버리는 문제가 있다.
예를 들면, 액정투사기와 같은 장치의 사이즈를 감소시키는 경우, 그 광로 거리는 단축시켜야만 한다. 종래에 사용된 간섭막 입체형 편광빔스플리터를 사용하여, 광로 거리를 단축시킬 수 있다. 그러나, 광이 편광빔스플리터에 입사하는 각이 입사위치에 좌우하여 현저하게 변화하기 때문에, 반사 또는 투과특성이 일정하지 않아서, 균일한 분광특성을 면내에 얻는 것이 불가능하다. 따라서, 전자기기의 기능을 더욱 향상시키기 위하여, 광의 입사각에 상관없이 양호한 광학특성을 제공하는 편광빔스플리터나 위상판 등의 광학부품이 필요하다.
이 수요를 충족하기 위하여, 일본국 특허공개 제 2000-56133호공보에 개시된 바와 같이, 투과체의 주기구조에 의한 전달특성의 이방성을 이용하여 입사광을 편광하고, 고굴절률층과 저굴절률층을 반복하여 서로 교대로 적층하여, 가시광선의 파장보다 작은 피치에서 주기적으로 구부러진 홈형상을 이루는 편광기가 최근에 제안되고 있다. 상기 공개공보는, 고굴절률층으로서 Si, GaAs, TiO2, TaO2를 사용하고, 저굴절률층으로서는 SiO2를 사용한다는 것을 설명하고 있다. 또한, 상기 공개공보는, 고굴절률과 저굴절률층이 0.32㎛의 주기적인 두께를 가지고, 또한 홈이 0.4㎛의 피치와 0.2㎛의 깊이를 가지는 일례가 설명되어 있다.
상기 일본국 특허공개 제 2000-56133호공보에 개시된 구성은, 1㎛의 파장의 광에 대해 상기 편광기는 편광빔스플리터로서 효과적으로 기능할 수 있다. 그러나, 편광하는 입사광이 400nm 내지 700nm의 파장을 가지는 가시광선일 경우, 상기 편광기는 곤란하게 된다. 즉, 고굴절률층을 구성하는 Si와 GaAs는, 가시광선에 대해 낮은 투과율을 가진다. 즉, 가시범위의 광을 투과시켜야 하는 액정투사기 등의 광학부품에 상기 편광기를 사용하는 것은 곤란하다. 또한, 고굴절률층을 구성하는 TiO2, TaO2의 굴절률과, 저굴절률층을 구성하는 SiO2의 굴절률 사이의 차이는 매우 작기 때문에, 충분한 편광특성을 얻을 수 없다.
문헌 "OPTICS LETTERS(Rong-Chung씨 외, Vol. 21, No. 10, p.761, 1996년)"에는, 도 6에 도시한 바와 같은 투명기판 위에 복수의 유전체 다층막이 라인형상으로 배치되는 편광빔스플리터가 기재되어 있다. 도 6에서는, (21)은, 빔스플리터나 편광판 등의 광학부품을 나타낸다. (22)는, 광학소자로서 투명기판을 나타내고, (23)과 (24)는, 저굴절률층과 고굴절률층을 각각 나타낸다. 저굴절률층(23)과 고굴절률층(24)은, 투명기판(22)의 표면 위에 교대로 적층되어, HL교호층(25)을 형성한다. (26a), (26b), (26c), (26d)는, 각각 라인형상으로 형성된 유전체 다층막을 나타낸다. 라인형상의 유전체 다층막(26a),(26b),(26c),(26d)은, 회절격자로서 주기적인 요철 기능을 형성하고, 입사광을 편광하는 광학부품으로서 우수한 특성을 가지고 있는 것이 알려져 있다. 특히, 입사광이 400nm 내지 700nm의 파장을 가지는 가시광선인 경우에도, 각 라인형상의 유전체 다층막의 라인폭은 가시광선의 파장보다 좁게 하고, 바람직하게는 0.1㎛ 이하로 함으로써, 원리적으로는 양호한 편광특성을 얻을 수 있다. 또한, 그 제조방법에 대해서, 초 LSI에 대한 패턴화 기술은, 유전체 다층막을 사용하여 주기적 요철을 제조하는데에 응용될 수 있다. 공지된 패턴화 기술의 예는, 불화수소산 등의 에칭액을 사용하는 습식에칭과, 반응 이온 에칭 등의 건식에칭을 포함한다.
그러나, 도 6에 도시한 라인형상의 유전체 다층막을 이용한 편광빔스플리터를 제조하는 경우, 상기 설명한 바와 같이, 습식 처리는 에칭공정이나 세척공정에서 실시된다. 또한, 건식공정은, 상기 습식처리 후에 요구된다. 따라서, 상기 공정동안, 오목부로 흘러든 처리액이 모세관력에 의해 볼록부를 끌어들여, 볼록부로서의 유전체 다층막에 응력을 인가하여 경사시킨다. 라인형상의 유전체 다층막에 의해 형성된 요철에서, 유전체 다층막의 두께가 오목부의 폭과 비교하여 상대적으로 큰 경우, 예를 들면, 요철의 애스펙트비가 높은 경우, 이 경향은 현저해진다. 특히 애스펙트비가 4이상인 경우, 이 경향이 매우 현저하게 된다.
이것은 회피하는 제조방법으로서는, 일본국 특허공개 제 2001-165568호공보에 초과 임계 상태를 이용한 건식방법이 개시되고 있다. 이 방법에 의하면, 처리된 패턴을 무극성용매로서의 노말헥산에 침지한 다음, 액체 이산화탄소와 함께 반응실에 봉입하고, 노말헥산을 액체 이산화탄소로 치환하고, 처리된 패턴을 건조시킨다. 이 방법은, 패턴의 결함을 방지하기 위해서는 효과적이다. 그러나, 반응실의 내압을 7.5 MPa로 설정하여야 하고, 그에 의해 고압 용기가 필요하다. 또한, 무극성용매로서 유기용매가 필요하여, 환경을 오염시킬 수 있다.
도 1은, 제 1실시예에 의한 편광빔스플리터의 사시도.
도 2a, 도 2b, 도 2c, 도 2d, 도 2e, 도 2f, 도 2g 및 도 2h는, 제 1실시예에 의한 편광빔스플리터의 제조공정을 도시한 단면도.
도 3은, 실시예 1에 의한 광학부품의 분광특성을 도시한 그래프.
도 4는, 비교실시예 1에 의한 광학부품의 분광특성을 도시한 그래프.
도 5는, 종래의 간섭막 입체형 편광빔스플리터를 도시한 단면도.
도 6은, 종래의 편광빔스플리터를 도시한 단면도.
도 7은, 종래의 편광빔스플리터에 대한 문제점을 예시한 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 편광빔스플리터 2 : 투명기판
3 : 저굴절률층 4 : 고굴절률층
5 : HL교호층 6a,6b,6c,6d : 다층막
7a,7b,7c,7d,7e,7f : 접속용 다층막 8 : 중간층
9 : 레지스트층
따라서, 본 발명의 목적은, 400nm 내지 700nm의 파장의 가시광선에 대해서양호한 편광특성을 나타낼 수 있는 광학부품을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 제조공정이나 실용과정에서, 유전체 다층막이 높은 애스펙트비를 가지는 경우에도 광학소자의 표면 위에 미세 요철 형상이 형성된 유전체 다층막의 형상을 안정하게 유지하도록 하는데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은, 어떠한 유기용매의 사용없이도 저가의 제조장치를 이용하여 미세 요철을 확실하게 형성할 수 있는 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 이들 목적을 이루기 위하여, 본 발명의 제 1측면은, 광학소자로 구성된 기판 위에, 가시광선의 파장보다 좁은 폭을 가지고 또한 가시광선의 파장보다 좁은 간격으로 각각 배치된 다층막의 복수의 평행선으로 형성된, 상이한 굴절률을 가지는 2종류의 층이 교대로 적층된 다층막과; 적어도 1개의 위치에서 상기 다층막의 인접한 상기 선이 서로 접속하고, 상기 다층막과 동일한 층구성을 가지는 접속용 다층막과;를 포함하는 광학부품을 제공하는 것이다.
본 발명에서, 상기 접속용 다층막은, 가시공선의 파장보다 좁은 폭을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서, 다층막의 인접선은, 접속용 다층막에 의해 적어도 2개의 위치에서 서로 접속되고, 인접한 접속용 다층막 사이의 간격은, 가시광선의 파장의 5배 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서, 선형 다층막은, 4이상의 애스펙트비를 가지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 제 2측면은, 광학소자로 구성된 기판 위에 형성된 상이한굴절률을 가지는 2종류의 층이 교대로 적층되고, 또한 상기 기판 위에 형성된 상기 다층막을 가지는 부분과 상기 기판 위에 형성된 다층막을 가지지 않는 부분으로 구성된 크립형상(예를 들면, ‡또는 반 ‡의 연속적인 형상)의 패턴으로 형성된 상기 다층막과; 를 포함하는 광학부품에 있어서, 한쪽 방향으로 서로 평행하게 배치된 크립형상의 다층막의 부분은, 각각 가시광선의 파장보다 좁은 폭을 가지고, 또한 가시광선의 파장보다 좁은 간격으로 서로 인접하여 있는 광학부품을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명에서는, 다른쪽 방향으로 서로 평행하게 배치된 크립형상의 다층막의 부분은, 각각 가시광선의 파장보다 좁은 폭을 가지고, 또한 가시광선의 파장의 5배 이상인 간격으로 서로 인접하여 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는, 크립형상의 다층막은, 4이상의 애스펙트비를 가지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 제 3측면은, 광학부품을 제조하는 방법으로서:
광학소자로 구성된 기판 위에 상이한 굴절률을 가지는 2종류의 막을 교대로 적층하여 다층막을 형성하는 공정과;
상기 다층막 위에 중간층을 형성하는 공정과;
상기 중간층 위에 레지스트층을 형성하는 공정과;
상기 레지스트층을 크립형상(예를 들면, ‡또는 반 ‡의 연속적인 형상)으로 패턴화하는 공정과;
상기 레지스트층을 마스크로서 사용하여 상기 중간막을 에칭하는 공정과;
상기 중간층을 마스크로서 사용하여 상기 다층막을 에칭하는 공정과;
상기 중간층을 제거한 다음 세척을 행하는 공정과를 포함함으로써, 기판 위에 형성된 크립형상의 다층막을 가지는 광학부품을 제공하는 광학부품의 제조방법을 제안하고 있다.
또한, 본 발명에서, 한쪽 방향으로 서로 평행하게 배치된 상기 크립형상의 다층막의 부분은, 각각 가시광선의 파장보다 좁은 폭을 가지고, 또한 가시광선의 파장보다 좁은 간격으로 서로 인접하여 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 의하면, 다른쪽 방향으로 서로 평행하게 배치된 상기 크립형상의 다층막의 부분은, 각각 가시광선의 파장보다 좁은 폭을 가지고, 또한 가시광선의 파장의 5배 이상인 간격으로 서로 인접하여 있다.
또한, 본 발명에서는, 크립형상의 다층막은, 4이상의 애스펙트비를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기 및 기타 목적은, 첨부도면과 함께 취한 다음 설명으로부터 더욱 자명하게 된다.
도 1은, 본 발명의 제 1실시예에 의한 광학부품으로서의 편광빔스플리터의 사시도이다. 도 1에서는, (1)은, 편광빔스플리터를 나타낸다. (2)는, 광학소자인 투명기판을 나타낸다. (3)과 (4)는, 저굴절률층과 고굴절률층을 각각 나타낸다. 저굴절률층(3)과 고굴절률층(4)는, 투명기판(2)의 표면 위에 서로 교대로 적층되어 HL교호층(5)을 형성한다. 투명기판(2)으로서, 석영, 광유리, 또는 아크릴 수지와 같은 투명 플라스틱 재료 등은 가시범위에서 투과되는 재료가 사용될 수 있다. 저굴절률층(3)으로서, SiO2, MgF2, Na2AlF6, 또는 그들의 혼합 조성물이 사용될 수 있다. 고굴절률층(4)으로서는, ZrO2, TiO2, Ta2O5, CeO2, 또는 그들의 혼합 조성물이 사용될 수 있다.
저굴절률층(3)과 고굴절률층(4)는, 파장(λ)의 1/4 이하이고 대략 70nm 내지 170nm로 설정되어 있는 두께를 각각 가져, 편광빔스플리터(1)는 편광기능을 제공한다. (6a), (6b), (6c), (6d)는, 선형 형상으로 형성된 다층막을 나타낸다. (7a), (7b)는, 다층막의 라인(6a),(6b)과 대략 수직으로 배치되어 라인이 서로 접속하도록 하는 접속용 다층막을 나타낸다. 마찬가지로, (7c), (7d)는, 다층막의 라인(6b),(6c)을 서로 접속하는 접속용 다층막을 나타내고, (7e), (7f)는, 다층막의 라인(6c),(6d)을 서로 접속하는 접속용 다층막을 나타낸다. 따라서, 라인(6a),(6b),(6c),(6d)과 접속용 다층막(7a),(7b),(7c),(7d),(7e),(7f)은, 크립형상(여기서, 2개의 ‡형상 및 2개의 반 ‡형상)의 다층막을 함께 구성한다.
다층막의 각각의 라인(6a),(6b),(6c),(6d)의 폭(L)은, 400nm 내지 700nm의 가시광선의 파장보다 좁도록 설정된다. 또한, 광입사각에 대한 분광특성의 의존성을 향상시키기 위해서는, 폭(L)을 100nm 이하로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 다층막의 인접라인(6a),(6b),(6c),(6d)간의 간격(S)은, 마찬가지로 400nm 내지 700nm의 가시광선의 파장보다 좁도록 설정된다. 또한, 광입사각에 대한 분광특성의 의존성을 향상시키기 위해서는, 간격(S)을 100nm 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
이들 값은, 엄밀 연합 분석(RCWA)의 수치해석 프로그램을 이용하여 구조부와 에어갭 사이의 굴절률 변조를 최적화함으로써, 파장에 대한 주기와 막두께의 의존성을 고려하여, 성능을 향상시킨 결과이다.
또한, 접속용 다층막(7a),(7b),(7c),(7d),(7e),(7f)의 각각의 폭(P)은, 400nm 내지 700nm의 가시광선의 파장보다 좁도록 설정된다. 이것은 폭(P)이 가시광선의 파장보다 넓은 경우, 접속용 다층막이 가시광선에 대한 불연속의 부분이 되기 때문에, 이 부분을 기점으로 특성이 저감하고, 따라서 균일한 광학특성을 얻을 수 없다. 또한, 광입사각에 대한 분광특성의 의존성을 향상시키기 위해서는, 상기 폭을 100nm 이하로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 인접한 접속용 다층막 (7a)와 (7b), (7c)와 (7d), (7e)와 (7f)간의 간격은, 400nm 내지 700nm의 가시광선의 파장의 5배가 되도록 설정한다. 이것은 자연광에 대한 간섭거리보다 넓은 갭을 설치하여, 따라서 광학부품의 광학특성에 대한 역효과를 감소시킨다고 생각한다. 부수적으로, 접속용 다층막(7a),(7b),(7c),(7d),(7e),(7f)의 형상은, 특별히 한정되지 않고 빔형상, 원통, 다각형 등이 될 수 있다.
또한, 상기 다층막은, 반드시 크립형상으로 형성될 필요가 없고, 접속용 다층막(7a),(7b),(7c),(7d),(7e),(7f)은, 빔, 원통, 다각형 등과 같은 형상이 될 수 있다. 또한, 접속용 다층막(7a),(7b),(7c),(7d),(7e),(7f)은, 상기 다층막의 라인(6a),(6b),(6c),(6d)간의 스태거 패턴을 형성하도록 배치될 수 있다. 또한, 다층막의 라인(6a),(6b),(6c),(6d) 중의 인접한 것들은, 반드시 2개의 접속용 다층막에 의해 서로 접속될 필요는 없고, 3개 이상의 접속용 다층막을 사용함으로써 접속될 수 있다. 또한, 소정의 강도를 얻을 수 있다면, 단일 접속용 다층막만으로 접속될 수 있다.
다음에, 상술한 편광빔스플리터의 제조방법을 설명한다. 본 실시예에 따라서 초 LSI에 대한 패턴화 기법인 포토리소그래피법은, 편광빔스플리터의 제조에 응용될 수 있다. 포토리소그래피법은, 레지스트 피복 공정, 노광공정, 현상공정, 에칭공정 및 박리공정을 거쳐서, 임의의 패턴 형상을 처리기판에 배치하는 것이다. 도 2a 내지 도 2h는, 편광빔스플리터를 제조하는 방법을 예시한 단면도이다.
먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이, 저굴절률층(3)과 고굴절률층(4)은, 증착법, 스퍼터링법, ECR법, 또는 CVD법 등의 일반적인 박막 제조기술에 의해 투명기판(2) 위에 교대로 적층되어, 6층 내지 8층으로 구성된 HL교호층(5)을 형성한다. 이 경우, 저굴절률층(3)과 고굴절률층(4)은, 각각 편광빔스플리터에 요구되는 기능에 따라서 미리 설계되는 막두께를 가진다. 일반적으로, 저굴절률층(3)은 SiO2로 구성되고, 고굴절률층(4)은 TiO2로 구성된다.
다음에, 도 2b에 도시한 바와 같이, 중간층(8)은, 스퍼터링법에 의해 HL교호막(5) 위에 형성된다. 상기 중간층(8)은, 후술하는 에칭공정동안 마스크로서 기능한다. 중간층(8)은, 후술하는 에칭공정에서 사용하는 에칭액과는 낮은 반응성을 가지고, 또한 후술하는 박리공정동안, 광학부품 구조부재로부터 선택적으로 제거될 수 있는 재료로 구성하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 라인형상의 다층막(6a),(6b),(6c),(6d)과 접속용 다층막(7a),(7b),(7c),(7d),(7e),(7f)의 각각의 재료가, SiO2, MgF2, Na2AlF6, 또는 그들의 혼합 조성물로 이루어진 저굴절률층(3)과, ZrO2, TiO2, Ta2O5, CeO2, 또는 그들의 혼합 조성물로 이루어진 고굴절률층(4)으로 구성된 유전체일 경우, 중간층(8)의 재료는, Cr, Ni, Ti, Al, Cu 등과 같은 금속이 될 수 있다. 중간층(8)의 두께는, 하부 유전체층을 에칭하는 공정동안, 중간층(8)에 대하여 마스크로서 충분히 효과적으로 기능하는 것이면 특별히 한정하지 않는다. 중간층(8)은, 일반적으로 대략 수십 내지 수백 nm의 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
다음에, 도 2c에 도시한 바와 같이, 레지스트층(9)은, 스핀 피복법에 의해 중간층(8) 위에 형성된다. 일반적으로, 레지스트층을 얇게 할수록, 미세패턴을 더욱 용이하게 형성할 수 있다. 본 실시예의 경우와 같이, 1㎛ 이하의 사이즈의 미세패턴을 형성하기 위해서는, 레지스트층을 가능한 한 얇게 형성하는 편이 유리하고, 특히 300nm 이하의 두께로 형성하는 것이 요구된다. 또한, 사용된 레지스트층(9)의 타입은, 특별히 한정되지 않고 설계된 구조를 얻을 수 있는 것이면, 포지티브형, 네가티브형, 화학증폭형 등을 포함하는 다양한 타입이 사용될 수 있다. 또한, 레지스트층(9)에 대한 재료는, 노광장치의 광원의 주파장에 대해서 양호한 노광 감도를 가진 것을 선택하는 것이 바람직하다.
다음에, 도 2d에 도시한 바와 같이, 도 2c에 도시한 공정에서 형성된 레지스트층(9)은, 광학 축소투사계(11)에 의하여 마스크(10)를 사용하여 소정의 패턴으로 노광된다. 가시광선의 파장보다 좁은 사이즈의 형상이 본 실시예의 경우와 같이패턴화되는 경우, 위상마스크를 사용한 엑시머 광원 스테퍼 등이, 얼라이너로서 사용된다. 상기 엑시머 광원 스테퍼를 사용한 경우, 대략 0.1㎛의 사이즈의 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 노광계로서 EB묘화계를 노광계로서 사용하는 경우, 대략 0.05㎛의 사이즈로 더욱 미세한 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 양산성을 고려할 경우, 간섭리소그래피법을 이용하는 것이 효과적이다. 간섭리소그래피법의 광원으로서 ArF 엑시머 레이저를 이용하는 경우, 대략 0.05㎛의 사이즈의 패턴을 얻을 수 있다.
다음에, 도 2e에 도시한 바와 같이, 도 2d의 공정에서 노광된 패턴은, PEB(Post Exposure Bake: 후처리 노광 소성)를 실시한 다음, 알칼리 용액에 의해 현상하여 소정의 패턴을 형성한다.
다음에, 도 2f에 도시한 바와 같이, 레지스트층(9)을 마스크로서 이용하여 중간층(8)을 패턴화하기 위해 에칭한다. 에칭 유체로서, 중간층이 가용성이고 레지스트는 불용성이거나 난용성인 에칭액을 사용할 수 있다. 또한, 이 경우, 건식 에칭을 이용할 수도 있다.
다음에, 도 2g에 도시한 바와 같이, 도 2f의 공정에서 패턴화한 중간층(8)에 동일한 패턴을 가지도록 HL교호층(5)을 에칭한다. 상기 에칭은, 건식 에칭이나 습식 에칭의 어느 쪽에 의해서도 실시될 수 있다.
습식 에칭에서는, 에칭되는 HL교호층(5)을 용해할 수 있고, 마스크재료로서 중간층(8)을 용해할 수 없거나 용해하는데 곤란할 수 있는 에칭액에 침지함으로써 패턴을 형성한다. 그러나, 패턴을 형성하는 동안 사이드 에칭을 동시에 행하고,높은 애스펙트비의 형상을 형성하는 경우, 형상을 설계할 때 충분히 고려할 필요가 있다. 또한, 건식 에칭은, 얇은 선형 패턴을 형성할 때 특히 효과적이다.
건식 에칭으로서는, RIE(Reactive Ion-beam Etching: 반응성 이온빔 에칭)을 사용할 수 있다. 또한, 불소계 가스를 에칭 가스로서 이용하는 ICP(Inductively Coupled Plasma: 유도결합 플라즈마) RIE를 사용할 수 있다. 고밀도의 플라즈마 분위기를 형성함으로써, 고속의 1 내지 10 ㎛/min으로 에칭을 실시할 수 있다. 또한, 중간층을 금속으로 형성한 경우, 금속재료에 대한 에칭 선택율은, 산화막에 대해서는 200:1과 레지스트에 대해서는 100:1로 높다. 따라서, 예를 들면 30 등의 높은 애스펙트비를 가지는 형상을 형성하는 데에 적합하다.
다음에, 도 2h에 도시한 바와 같이, 레지스트층과 중간층을 박리한다. 건식처리와 습식처리의 어느 것에 의해서도 박리를 행할 수 있고, 이들 처리 중의 어느 하나도 박리하는 재료와 패턴화된 HL교호층(5)의 재료에 대한 에칭 선택율에 따라서 적절하게 선택될 수 있다. 구체적으로는, 시판의 레지스트 박리 유체, 산소의 플라즈마 에칭 등을 사용할 수 있다. 또한, 상술한 에칭액은 중간층을 박리하는데에 사용할 수 있다. 마지막으로, 상기 공정을 통해 형성된 부재를 필요에 따라 세척하여 편광빔스플리터(1)를 얻는다.
본 실시예에서는, 중간층(8)이 도 2b의 공정에서 형성된다. 그러나, 중간층(8)은 반드시 필요하지 않다. 중간층(8)을 형성하는 일없이 HL교호층(5) 위에 직접 레지스트층(9)을 형성하고, 패턴화하여 에칭하는 것도 할 수 있다. 그러나, 중간층(8)을 형성하지 않는 경우, 레지스트의 하부에 위치하는 HL교호층(5)을, 에칭공정동안 레지스트층(9)이 보호할 필요가 있다. 이것을 이루기 위하여, 레지스트층(9)을 어느 정도 두껍게 할 필요가 있다. 그러나, 상기 설명한 바와 같이, 미세 패턴을 형성하는 경우, 레지스트층은 가능한 한 얇게 형성하는 것이 요구된다. 따라서, 중간층(8)을 HL교호층(5) 위에 형성한 다음, 패턴화와 에칭을 행하는 것이 더욱 바람직하다.
지금, 본 실시예의 구체적인 예를 설명한다.
(실시예 1)
도 1에 도시한 편광빔스플리터(1)를 제조하였고, 그 특성은 실험에 의해 검증하였다. 제조한 편광빔스플리터(1)는, 길이 30mm, 폭 30mm, 두께 1mm의 석영으로 구성된 투명기판(2) 위에 TiO2의 고굴절률층(4)과 SiO2의 저굴절률층(3)이 서로 교대로 적층되어 형성되었다. 이 경우, TiO2층은, 68nm의 두께를 가졌고, SiO2층은, 118nm의 두께를 가졌다. 이 값은, 45°의 광선 입사각에 의거하여, 편광빔스플리터가 충분한 기능을 제공하도록 설계하였다. 다층막의 라인(6a),(6b),(6c),(6d)은, 각각 100nm의 폭(L)을 가졌고, 다층막의 인접라인 (6a)와 (6b), (6b)와 (6c), 및 (6c)와 (6d) 사이의 간격(S)은 100nm이었다. 또한, 접속용 다층막(7a),(7b),(7c),(7d),(7e),(7f) 의 각각의 폭(P)은 100nm이었고, 접속용 다층막 (7a)와 (7b), (7c)와 (7d), (7e)와 (7f) 사이의 간격(W)은 2㎛이었다.
편광빔스플리터(1)를 제조하기 위하여, 세척을 행한 석영으로 이루어진 투명기판(1) 위에, 진공증착법을 이용하여, 고굴절률층으로서의 TiO2층과 저굴절률층으로서의 SiO2층을 교대로 적층했고, 따라서 HL교호층(5)을 형성했다. 이 때, 기판온도는 250℃이었고, 산소는 0.02Pa의 진공도가 되도록 도입되었다. 증착원이 전자빔가열에 의해 가열되어, 다층막을 형성하였다. 또한, 두께 제어는, 단색필터를 이용한 간섭 제어법에 의해 행해졌다(도 2a).
다음에, 에칭공정동안 마스크로서 이용한 금속 크롬으로 구성된 중간층(8)은, 마찬가지의 가열법을 사용하여 250nm의 두께가 되도록 증착하였다. 이 때, 진공도는 0.001Pa이었고, 두께 제어는, 수정 진동자법을 사용하여 행하였다(도 2b).
다음에, 세척 및 UV/03 처리를 행한 후, 중간층(8) 위에 감광성수지를 스핀코팅하여 레지스트층(9)을 형성하였다. 사용된 감광성수지는, JSR사에 의해 제조된 "포지티브형 화학증폭레지스트 KRF M20G"(상품명)이었다. 또한, 레지스트층은 100nm의 두께를 가졌다(도 2c).
다음에, 110℃로 180초 동안 선처리 소성(pre-bake) 후, KrF 엑시머 레이저를 광원으로 하는 축소 광학계 스테퍼(NA=0.6)를 이용하여 노광을 행하였다. 사용된 마스크는, 레벤손형 위상시프트 마스크였고, 패턴형상은, 라인형상의 다층막(6a),(6b),(6c),(6d)과 접속용 다층막(7a),(7b),(7c),(7d),(7e),(7f)의 형상에 대응한다. 노광량은 34 mJ/cm2이었다(도 2d).
노광 후, 120℃로 120초 동안 PEB를 행하였다. 다음에, 1.18% TMAH(테트라메틸암모늄 하이드록사이드) 용액을 이용하여 30초 동안 패들 현상을 행하였다. 다음에, 물에 의한 세척을 신속하게 행하였고, 100℃의 열판 위에서 2분 동안 건조하였다(도 2e).
다음에, 레지스트층(9)을 마스크로서 이용하여, 중간층(8)으로서의 크롬층을 습식 패턴화하였다. 사용된 에칭액은, 농축한 질산의 0.5 체적 %의 수용액에, 질산 제 2세륨 암모늄(Ce(NH4)2(NO3)6)의 15 중량 %를 용해함으로써 얻어진 용액이었다. 상기 용액을 이용하여 2분 동안 패들 에칭을 행한 후, 물에 의한 세척을 신속하게 행한 다음, 100℃의 열판 위에서 2분 동안 건조하였다(도 2f).
그 후, RIE(Reactive Ion-beam Etching:반응성 이온빔 에칭) 장치에 부재를 배치하였고, 중간층(8)을 마스크로서 사용하여 HL교호층(5)을 에칭하였다. 사용된 에칭가스는 CF4와 H2의 혼합가스이었다. 또한, 산소를 에칭가스로 이용하여, 표면의 레지스트층(9)을 박리하였다(도 2g).
마지막으로, 상기 언급한 크롬의 에칭 유체에 부재를 침지하였고, 마스크로서 사용한 금속 크롬으로 구성된 중간층(8)을 용해 박리하였다. 다음에, 상기 부재를 샤워로 수세한 다음, 100℃의 열판 위에 2분 동안 건조함으로써, 투명기판의 표면에 형성된, 높은 애스펙트비를 가지는 라인형상의 다층막과 접속용 다층막을 가지는 빔스플리터(1)를 얻었다(도 2h).
이 때, 빔스플리터(1)의 분광반사율을 분광광도계(히다치에 의해 제조된 "U4000 자기기록 분광광도계")를 사용하여 측정하였다. 그 결과는 도 3에 도시하였다. 이 경우, 측정광의 S편광성분은 반사하고 P편광성분은 투과하도록 편광빔스플리터를 배치하였다. 도 3에서는, 횡축은 광의 파장을 나타내고, 종축은 그 때의 반사율을 나타낸다. 그 도면에서는, S편광성분은 평균 80% 이상의 반사율을 나타내는 반면, P편광성분은 평균 10% 이하의 반사율을 나타낸다. 또한, 굵은 실선은, 45°의 입사각에서 얻어진 반사율특성을 나타내고; 점선은, 40°의 입사각에서 얻어진 반사율특성을 나타내며; 원으로 도시한 실선은, 50°의 입사각에서 얻어진 반사율특성을 나타낸다.
(비교실시예 1)
비교하여, 도 6에 도시한 간섭막 입체형 편광빔스플리터는, 실시예 1에서 형성된 것과 동일한 다층막을 사용하여 형성하였고, 그 분광 반사율은 분광광도계(히다치에 의해 제조된 "U4000 자기기록 분광광도계")를 사용하여 측정하였다. 그 결과를 도 4에 도시하고 있다. 이 경우, 사용된 광유리 재료는, "글래스 S-LAM60"(상품명; n=1.74; (주)오하라 제조)이었다. 도 4에서는, 횡축은 광의 파장을 나타내고, 종축은 이 때의 반사율을 나타낸다. 그 도면에서는, S편광성분은 평균 80% 이상의 반사율을 나타내는 반면, P편광성분은 평균 60% 이하의 반사율을 나타낸다. 또한, 굵은 실선은, 45°의 입사각에서 얻어진 반사율특성을 나타내고; 점선은, 40°의 입사각에서 얻어진 반사율특성을 나타내며; 원으로 도시한 실선은, 50°의 입사각에서 얻어진 반사율특성을 나타낸다.
실시예 1과 비교실시예 1에 의한 측정결과를 서로 비교한다. 편광빔스플리터의 기능을 향상시키기 위해서는, 각 편광성분의 분광 특성은, 반사광에 대해서80% 이상의 반사율과, 투과광에 대해서 20% 이하의 반사율을 나타낼 필요가 있다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1에 의한 편광빔스플리터는, 가시광선의 파장범위인 0.4㎛ 내지 0.7㎛에서 매우 양호한 분광특성을 나타낸다. 역으로, 비교실시예 1에 의한 편광빔스플리터에 의해, 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 45°의 입사각에서의 0.40㎛ 내지 0.45㎛의 S편광성분, 40°의 입사각에서의 0.45㎛ 내지 0.50㎛의 S편광성분, 40°의 입사각에서의 0.55㎛ 내지 0.65㎛의 P편광성분, 및 50°의 입사각에서의 0.40㎛ 내지 0.50㎛의 P편광성분에 대하여, 충분한 분광특성을 나타내지 않는다. 특히, 비교실시예 1과 비교하여, 실시예 1은 입사각이 변화하는 경우, P분광특성이 상당히 향상되고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 1에 의한 편광빔스플리터의 표면 전체에 대하여 분광특성을 측정하였다. 측정결과 모두는, 도 3에 도시한 바와 같은 양호한 분광특성이었다.
(비교실시예 2)
다음에, 비교실시예 2로서, 도 6에 도시한 바와 같은 라인형상의 다층막(26a),(26b),(26c),(26d) 사이에 접속용 다층막이 없는 편광빔스플리터를 실시예 1과 동일한 순서로 제조하였다.
육안으로 검사하는 경우, 설치된 편광빔스플리터는 기판의 주변부에서 백색으로 불투명하게 되어, 광학부품으로서는 분명하게 부적합하였다. 더욱 상세하게 검증하기 위하여, 약간 흰 불투명한 부분을 SEM으로 관찰하였다. 그 결과, 도 7에 도시한 바와 같이, 라인형상의 다층막이, 약간 흰 불투명한 부분에서 경사지는 것을 발견하였다. 따라서, 인접한 선형 다층막 간의 간격은 몇몇 부분에서 매우좁았고, 인접한 선형 다층막이 서로 접촉해 있는 부분에서 그 사이의 간격이 없는 것을 발견하였다. 또한, 어떤 부분에서는, 간격이 매우 넓었고, 일반적인 간격보다 거의 2배만큼 넓은 부분도 있었다. 인접한 선형 다층막 사이의 간격은, 편광빔스플리터가 충분한 편광특성을 나타낼 수 있도록 설계되고 있다. 특히, 간격이 증가하면, 설계 중심 파장이 장파장측으로 시프트해서 편광빔스플리터의 편광특성이 현저하게 저하된다. 따라서, 비교실시예 2의 편광빔스플리터의 편광특성은, 충분한 기능을 제공하기에 분명히 부적절하다.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명은, 가시광선의 파장보다 좁은 폭의 선형 다층막을, 인접한 선형 다층막 사이의 간격이 가시광선의 파장보다 좁아지도록 형성하고, 인접한 선형 다층막을 서로 접속하도록 접속용 다층막을 이용하여 보강하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 투명 기판 위에 다층막으로 형성된 볼록부와, 다층막으로 형성되지 않은 오목부가 높은 애스펙트비를 가지는 경우, 다층막이 붕괴되지 않고, 신뢰성이 높은 광학부품을 제공할 수 있다. 이 구성은 애스펙트비가 4 이상일 경우, 특히 효과적이다.
본 발명은, 파장 400nm 내지 700nm의 가시광선에 대해서 양호한 편광특성을 나타낼 수 있고, 또한 다층막이, 높은 애스펙트비를 가지는 경우에도, 제조공정이나 실용과정동안, 광학소자 표면 위에 형성된 미세 요철을 가지는 다층막의 형상을 안정하게 유지시킬 수 있는 광학부품을 제공한다. 또한, 어떠한 유기용매의 이용없이도 저가의 제조장치를 사용하여 미세 요철을 가진 광학부품을 확실하게 제조할수 있어, 환경보호에도 적합하다.

Claims (11)

  1. 기판과;
    상기 기판 위에, 가시광선의 파장보다 좁은 폭을 가지고 또한 가시광선의 파장보다 좁은 간격으로 각각 배치된 다층막의 복수의 평행선으로 형성된, 상이한 굴절률을 가지는 2종류의 층이 교대로 적층된 다층막과;
    적어도 1개의 위치에서 상기 다층막의 인접한 상기 선이 서로 접속하고, 상기 다층막과 동일한 층구성을 가지는 접속용 다층막과;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학부품.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 접속용 다층막은, 가시광선의 파장보다 좁은 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 광학부품.
  3. 제 2항에 있어서, 다층막의 인접선은, 접속용 다층막에 의해 적어도 2개의 위치에서 서로 접속되고, 인접한 접속용 다층막 사이의 간격은, 가시광선의 파장의 5배 이상인 것을 특징으로 하는 광학부품.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 선형 다층막은, 4이상의 애스펙트비를 가지는 것을 특징으로 하는 광학부품.
  5. 기판과;
    상기 기판 위에 형성된 상이한 굴절률을 가지는 2종류의 층이 교대로 적층되고, 또한 상기 기판 위에 형성된 상기 다층막을 가지는 부분과 상기 기판 위에 형성된 다층막을 가지지 않는 부분으로 구성된 크립형상의 패턴으로 형성된 상기 다층막과;
    를 포함하는 광학부품에 있어서,
    한쪽 방향으로 서로 평행하게 배치된 크립형상의 다층막의 부분은, 각각 가시광선의 파장보다 좁은 폭을 가지고, 또한 가시광선의 파장보다 좁은 간격으로 서로 인접하여 있는 것을 특징으로 하는 광학부품.
  6. 제 5항에 있어서, 다른쪽 방향으로 서로 평행하게 배치된 크립형상의 다층막의 부분은, 각각 가시광선의 파장보다 좁은 폭을 가지고, 또한 가시광선의 파장의 5배 이상인 간격으로 서로 인접하여 있는 것을 특징으로 하는 광학부품.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 크립형상의 다층막은, 4이상의 애스펙트비를 가지는 것을 특징으로 하는 광학부품.
  8. 기판 위에 형성된 크립형상의 다층막을 가지는 광학부품을 제조하는 방법으로서,
    광학소자로 구성된 기판 위에 상이한 굴절률을 가지는 2종류의 막을 교대로적층하여 다층막을 형성하는 공정과;
    상기 다층막 위에 중간층을 형성하는 공정과;
    상기 중간층 위에 레지스트층을 형성하는 공정과;
    상기 레지스트층을 크립형상으로 패턴화하는 공정과;
    상기 레지스트층을 마스크로서 사용하여 상기 중간막을 에칭하는 공정과;
    상기 중간층을 마스크로서 사용하여 상기 다층막을 에칭하는 공정과;
    상기 중간층을 제거한 다음 세척을 행하는 공정과;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학부품의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서, 한쪽 방향으로 서로 평행하게 배치된 상기 크립형상의 다층막의 부분은, 각각 가시광선의 파장보다 좁은 폭을 가지고, 또한 가시광선의 파장보다 좁은 간격으로 서로 인접하여 있는 것을 특징으로 하는 광학부품의 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서, 다른쪽 방향으로 서로 평행하게 배치된 상기 크립형상의 다층막의 부분은, 각각 가시광선의 파장보다 좁은 폭을 가지고, 또한 가시광선의 파장의 5배 이상인 간격으로 서로 인접하여 있는 것을 특징으로 하는 광학부품의 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 크립형상의 다층막은, 4이상의 애스펙트비를 가지는것을 특징으로 하는 광학부품의 제조방법.
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