WO2006025152A1

WO2006025152A1 - Ｄｌｃ膜およびその形成方法

Info

Publication number: WO2006025152A1
Application number: PCT/JP2005/012446
Authority: WO
Inventors: Takashi Matsuura; Kazuhiko Oda; Toshihiko Ushiro
Original assignee: Sumitomo Electric Industries, Ltd.
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2006-03-09
Also published as: JP2006071787A; TW200608048A; US20070242364A1; EP1785749A4; CN101010604A; KR20070048216A; EP1785749A1; US7466491B2

Abstract

光学素子として機能する小型化または集積化が容易なＤＬＣ膜およびその形成方法を提供する。　膜の中心Ｏから少なくとも１つの幅方向に屈折率が連続的に変化するＤＬＣ膜。より具体的には、膜の中心Ｏから少なくとも１つの幅方向に屈折率が連続的に低くなり、凸レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜。膜の中心から少なくとも１つの幅方向に前記屈折率が連続的に高くなり、凹レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜。膜厚方向に屈折率が連続的に変化するＤＬＣ膜。また、エネルギビームの照射により、ＤＬＣ膜の屈折率を、膜の中心から少なくとも１つの幅方向および膜厚方向の少なくとも１つの方向に連続的に変化させるＤＬＣ膜の形成方法。

Description

明細書

DLC膜およびその形成方法

技術分野

[0001] 本発明は、光学素子として利用可能な屈折率が連続的に変化する DLC膜に関し、より詳しくは、屈折率が連続的に低くまたは高くなることにより、凸レンズまたは凹レンズとしての機能を有する DLC膜に関する。

背景技術

[0002] 近年、光軸の中心力径方向にかけてその屈折率を連続的に低くまたは高くすることにより凸レンズまたは凹レンズの機能を持たせた光学素子が提案されている（たとえば、特許文献 1および特許文献 2を参照)。

[0003] しかし、上記光学素子は、特許文献 2に示すように、たとえばガラス中の Naイオンを溶融塩中の Agイオンで置換することにより径方向に屈折率分布を形成するレンズの場合、プロセス上、最小直径が lmm程度、径方向の最大屈折率差が 0. 1程度であるため、十分な集光または散光機能を持たせるためには、十分な厚さ（たとえば、 3m m〜 10mm程度）が必要であり、小型化または集積ィ匕を制限するものであった。

[0004] また、光軸の中心から径方向ではなぐ光軸方向に屈折率を変化させた材料が提案され、この材料を光軸の中心から径方向にかけてその厚さを連続的に薄くまたは厚くすることによって、集光または散光の際の収差を低減する光学素子が提案されて V、る (たとえば特許文献 3および非特許文献 1を参照)。

[0005] しかし、上記光学素子は、非特許文献 1に示すように、たとえば屈折率の異なるガラス層を積層化して加熱することにより、膜厚方向に 0. 1程度の屈折率分布を形成するレンズの場合、プロセス上十分な厚さ（たとえば、 lmm〜10mm程度）が必要であり、小型化または集積ィ匕が困難であった。

特許文献 1：特開昭 54-109456号公報

特許文献 2 :特開 2001-159702号公報

特許文献 3 :特開 2001-281417号公報

非特許文献 1 :外山章二，「光軸方向分布屈折率光学材料 GRADIUMU」， 0 plus E, (株）新技術コミュニケーションズ， 1998年 3月， p330- 336

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] 本発明は、光学素子として機能する小型化または集積ィ匕が容易な DLC膜およびその形成方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0007] 本発明は、膜の中心から少なくとも 1つの幅方向に屈折率が連続的に変化する DL C膜である。本 DLC膜は、膜の中心力少なくとも 1つの幅方向に屈折率を連続的に低くすることにより、凸レンズとしての機能を有することができる。また、本 DLC膜は、膜の中心から少なくとも 1つの幅方向に屈折率を連続的に高くすることにより、凹レンズとしての機能を有することができる。

[0008] 本発明は、膜厚方向に屈折率が連続的に変化する DLC膜である。本 DLC膜は、膜厚方向に屈折率を連続的に高くすることができる。さらに、本 DLC膜は、膜の中心力少なくとも 1つの幅方向に膜厚を連続的に薄くすることにより、凸レンズとしての機能を有することができる。また、本 DLC膜は、膜の中心から少なくとも 1つの幅方向に膜厚を連続的に厚くすることにより、凹レンズとしての機能を有することができる。さらに、本 DLC膜は、膜の中心力少なくとも 1つの幅方向に屈折率を連続的に低くすることにより、凸レンズとしての機能を有することができる。また、本 DLC膜は、膜の中心力少なくとも 1つの幅方向に屈折率を連続的に高くすることにより、凹レンズとしての機能を有することができる。

[0009] また、上記膜厚方向に屈折率が連続的に変化する DLC膜を、同心円状の複数の帯状リング領域を含み、それらの帯状リングゾーンは回折格子としての機能を有するように屈折率が相対的に変調されており、前記帯状リング領域の幅は前記同心円の中心力遠いリング領域ほど狭められている DLC膜とすることができる。さらに、この DLC膜は、同心円状の m個のリングゾーンを含み、リングゾーンの各々は n個の前記帯状リング領域を含み、リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて高、屈折率を有し、リングゾーンのそれぞれにお、て互!ヽに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有し、凸レンズとしての機能を有することができる。また、この DLC膜は、同心円状の m個のリングゾーンを含み、リングゾーンの各々は _n個の帯状リング領域を含み、リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて低、屈折率を有し、リングゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有し、凹レンズとしての機能を有することができる。

[0010] 本発明は、エネルギビームの照射により、 DLC膜の屈折率を、膜の中心から少なくとも 1つの幅方向および膜厚方向の少なくとも 1つの方向に連続的に変化させる DL C膜の形成方法である。本発明にカゝかる DLC膜の形成方法において、上記エネルギビームを、光線、 X線、イオンビームおよび電子線力なる群力選ばれる少なくとも!ヽずれかとすることができる。

発明の効果

[0011] 上記のように、本発明によれば、光学素子として機能する小型化または集積化が容易な DLC膜およびその形成方法を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0012] [図 1A]本発明にかかる一の DLC膜を示す模式図において、 DLC膜の上面模式図である。

[図 1B]本発明にかかる一の DLC膜を示す模式図において、 DLC膜の断面模式図である。

[図 1C]本発明にかかる一の DLC膜を示す模式図において、 DLC膜の断面模式図である。

[図 2A]本発明に力かる別の DLC膜を示す模式図にお、て、 DLC膜の平面模式図である。

[図 2B]本発明にカゝかる別の DLC膜を示す模式図におヽて、 DLC膜の断面模式図である。

[図 2C]本発明に力かる別の DLC膜を示す模式図にお、て、 DLC膜の断面模式図である。

[図 3A]本発明にかかる凸レンズ機能を有する一の DLC膜の形成方法を示す断面模式図において、 DLC膜上への金マスクの形成を示す。圆 3B]本発明にかかる凸レンズ機能を有する一の DLC膜の形成方法を示す断面模式図にお、て、 DLC膜の金マスク側からの Heイオンビーム照射を示す。

圆 4A]本発明にかかる凹レンズ機能を有する一の DLC膜の形成方法を示す断面模式図において、 DLC膜上への金マスクの形成を示す。

圆 4B]本発明にかかる凹レンズ機能を有する一の DLC膜の形成方法を示す断面模式図にお、て、 DLC膜の金マスク側からの Heイオンビーム照射を示す。

圆 5]本発明にかかる他の DLC膜の形成方法を示す断面模式図である。

圆 6A]本発明にかかる凸レンズ機能を有する他の DLC膜の一の形成方法を示す断面模式図にお、て、 DLC膜上へのレジストパターンの形成を示す。

圆 6B]本発明にかかる凸レンズ機能を有する他の DLC膜の一の形成方法を示す断面模式図において、 DLC膜およびレジストパターンのエッチングを示す。

圆 6C]本発明にかかる凸レンズ機能を有する他の DLC膜の一の形成方法を示す断面模式図において、エッチング後の DLC膜を示す。

圆 7A]本発明にかかる凹レンズ機能を有する他の DLC膜の一の形成方法を示す断面模式図にお、て、 DLC膜上へのレジストパターンの形成を示す。

圆 7B]本発明にかかる凹レンズ機能を有する他の DLC膜の一の形成方法を示す断面模式図において、 DLC膜およびレジストパターンのエッチングを示す。

圆 7C]本発明にかかる凹レンズ機能を有する他の DLC膜の一の形成方法を示す断面模式図において、エッチング後の DLC膜を示す。

圆 8]本発明にかかる凸レンズ機能を有する他の DLC膜の別の形成方法を示す断面模式図である。

圆 9]本発明にかかる凹レンズ機能を有する他の DLC膜の別の形成方法を示す断面模式図である。

[図 10A]本発明にかかるさらに他の DLC膜の模式図において、 DLC膜の平面模式図である。

[図 10B]本発明にかかるさらに他の DLC膜の模式図において、 DLC膜の断面模式図である。

圆 11A]本発明にかかるさらに他の DLC膜の形成方法を示す断面模式図において、 DLC膜上への金マスクおよびレジストパターンの形成を示す。

[図 11B]本発明にかかるさらに他の DLC膜の形成方法を示す断面模式図において、

DLC膜の金マスク側からの強い Heイオンビーム照射を示す。

[図 11C]本発明にかかるさらに他の DLC膜の形成方法を示す断面模式図において、 DLC膜の主面側からの弱い Heイオンビーム照射を示す。

符号の説明

[0013] 1, la, lb, lc, le, If, lp, lq, lv, lw, lx, ly DLC膜、 lg, lh 主面、 lj 高屈折率領域、 lk 低屈折率領域、 Is 膜厚方向に垂直な面、 10 導電層、 11 金マスク、 12 ^ ヽ Heィ: ンヒ、、一ム、 13 ¾ ヽ Heィ: ンヒ、、一ム、 21a, 21b, 21d, 21e, 31 レジストパターン、 22 Oプラズマ、 111 屈折率増大方向。

2

発明を実施するための最良の形態

[0014] まず、本発明をなすに際して、本発明者らは、透光性の DLC (diamond like carbon: ダイアモンド状カーボン)膜にエネルギビームを照射することによってその屈折率を高めることができることを確認している。この DLC膜は、シリコン基板、ガラス基板、その他の種々の基体上にプラズマ CVD (化学気相堆積）によって形成することができる。そのようなプラズマ CVDによって得られる本 DLC膜は、比較的低い硬度 (たとえば、ヌープ硬度が 1000未満）と比較的低い屈折率 (たとえば、 1. 55程度）を有している点で、比較的高い硬度 (たとえば、ヌープ硬度が 2000以上）と比較的高い屈折率（たとえば、 2. 0程度）を有する従来の DLC膜 (主に工具用に用いられる）と異なる。

[0015] ここで、本 DLC膜の屈折率を高めるためのエネルギビームとしては、イオンビーム、電子ビーム、シンクロトロン放射（SR)光線、紫外 (UV)光線などを用いることができる。これらのエネルギビーム照射の中でも Heイオン照射によって、 DLC膜の最大の屈折率変化量を Δ η=0. 65程度まで高め得ることを現状において確認できている。また、 SR光線照射によっても、 DLC膜の最大の屈折率変化量を Δ η=0. 50程度まで現状において高めることができる。さらに、 UV光線照射によっても、 DLC膜の最大の屈折率変化量を Δ η=0. 20程度まで現状において高めることができる。これらの、 D LC膜のエネルギビーム照射による屈折率変化量は、従来のガラスのイオン交換による屈折率変化量 (最大でも Δ η=0. 17)または石英系ガラスの UV光線照射による屈折率

変化量（ Δ n=0. 01以下程度）に比べて顕著に大き!/、ことが分かる。

[0016] 本発明に力かる一の DLC膜は、図 1および図 2を参照して、膜の中心 O力も少なくとも 1つの幅方向 Wに屈折率が変化する DLC膜である。本 DLC膜は、膜の中心か

1

ら少なくとも 1つの幅方向に屈折率が連続的に変化することにより、光学素子としての機能を有する。本発明にかかる一の DLC膜について、実施形態 1〜実施形態 4として以下にさらに詳しく説明する。

[0017] (実施形態 1)

本実施形態の DLC膜は、図 1Aおよび図 1Bを参照して、膜の中心 O力も少なくとも 1つの幅方向 Wに屈折率が連続的に低くなり（すなわち、図 1Bにおいて、屈折率増

1

大方向 111が膜の中心 Oに向力つており）、凸レンズとしての機能を有する DLC膜 1 Pである。

[0018] 本 DLC膜は、図 1Aおよび図 1Bに示すように、膜の中心 Oから、 1つの幅方向 Wの

1 みではなぐ任意の幅方向 W , W , W , · · ·、すなわち半径方向に、屈折率が連続

2 3 4

的に低くなるという屈折率分布を有するため、膜の中心 o軸上に焦点を有する凸レンズとしての機能を有する。なお、良好な凸レンズ機能を有するためには、屈折率は半径方向に半径の 2乗に比例して低くなるように設計することが好ま U、。

[0019] 本 DLC膜の形成方法は、たとえば以下のとおりである。まず、直径 5mmの主面を有する屈折率 1. 44の SiOガラス基板上に、プラズマ CVD法により厚さの D

2

LC膜 1を形成する。

[0020] 次に、図 3Aを参照して、上記 DLC膜 1上に、スパッタ法により金マスク 11を形成する。ここで、 RIE (反応性イオンエッチング）により表面が凸球面状に形成されたシリコン刻印型（図示せず）を金マスク 11に押しつけることにより、金マスク 11の厚さを、 DL C膜 1の中心 O上に位置する部分を薄ぐ DLC膜 1の中心から半径方向に離れるに従って同心円上に位置する部分を厚くする。

[0021] 次に、図 3Bを参照して、金マスク 11の上から、強い Heイオンビーム 12 (加速電圧： 800keV)を上記 DLC膜に直交する方向に注入する。次いで、この金マスク 11をェツチングにより除去することにより、膜の中心 Oから半径方向に屈折率が連続的に低くなり（すなわち、図 3Bにおいて、屈折率増大方向 111が膜の中心 Oに向かい）、凸レンズとしての機能を有する DLC膜 lpが形成される。なお、半径方向の屈折率分布は、まず半径方向の DLC膜中の水素濃度を SIMS (Secondary Ion Mass Spectrosco py; 2次イオン質量分析)法で測定した後、 DLC膜中の水素濃度と屈折率との関係式力屈折率を算出することにより求めた。

[0022] ここで、 DLC膜上に形成する金マスク 11の厚さを、 DLC膜の中心から半径方向に半径の 2乗に比例して厚くすることにより、 DLC膜の屈折率をその中心から半径方向に半径の 2乗に比例して低くすることができ、良好な凸レンズ機能を有する DLC膜が得られる。

[0023] (実施形態 2)

本実施形態の DLC膜は、図 1Aおよび図 1Cを参照して、膜の中心 O力も少なくとも 1つの幅方向 Wに屈折率が連続的に高くなり（すなわち、図 1Cにおいて、屈折率増

1

大方向 111が膜の外周に向かっており）、凹レンズとしての機能を有する DLC膜 lv である。

[0024] 本 DLC膜は、図 1Aおよび図 1Cに示すように、膜の中心 Oから、 1つの幅方向 W

1 のみではなぐ任意の幅方向 W , W , W , · · ·、すなわち半径方向に、屈折率が連

2 3 4

続的に高くなるという屈折率分布を有するため、膜の中心 o軸を中心として散光する凹レンズとしての機能を有する。なお、良好な凹レンズ機能を有するためには、屈折率は半径方向に半径の 2乗に比例して高くなるように設計することが好ましい。

[0025] 本 DLC膜の形成方法は、たとえば以下のとおりである。まず、直径 5mmの主面を有する屈折率 1. 44の SiOガラス基板上に、プラズマ CVD法により厚さの D

2

LC膜 1を形成する。

[0026] 次に、図 4Aを参照して、上記 DLC膜 1上に、スパッタ法により金マスク 11を形成する。ここで、 RIEにより表面が凹球面状に形成されたシリコン刻印型（図示せず)を金マスク 11に押しつけることにより、金マスク 11の厚さを、 DLC膜 1の中心 O上に位置する部分を厚ぐ DLC膜 1の中心から半径方向に離れるに従って同心円上に位置する部分を薄くする。

[0027] 次に、図 4Bを参照して、金マスク 11上から、強い Heイオンビーム 12 (加速電圧： 8 OOkeV)を DLC膜に直交する方向に注入する。次いで、この金マスク 11をエツチングにより除去することにより、図 4Bを参照して、膜の中心 Oから半径方向に屈折率が連続的に高くなり（すなわち、図 4Bにおいて、屈折率増大方向 111が膜の外周に向力い）、凹レンズとしての機能を有する DLC膜 lvが形成される。

[0028] ここで、 DLC膜上に形成する金マスクの厚さを、 DLC膜の中心から半径方向に半径の 2乗に比例して薄くすることにより、 DLC膜の屈折率をその中心から半径方向に半径の 2乗に比例して高くすることができ、良好な凹レンズ機能を有する DLC膜が得られる。

[0029] (実施形態 3)

本実施形態の DLC膜は、図 2Aおよび図 2Bを参照して、膜の中心 O力も少なくとも 1つの幅方向 Wに屈折率が連続的に低くなり（すなわち、図 2Bにおいて、屈折率増

1

大方向 111が膜の中心に向力つており）、凸レンズとしての機能を有する DLC膜 lp である。

[0030] 本 DLC膜は、図 2Aおよび図 2Bに示すように、膜の中心 Oから、 1つの幅方向 Wの

1 みに、屈折率が連続的に低くなるという屈折率分布を有するため、幅方向 W

1に直交する幅方向に焦線を有する凸レンズ (シリンドリカルレンズ)としての機能を有する。なお、良好な凸レンズ機能を有するためには、屈折率は幅方向 wに幅 (膜の中心から

1

の距離)の 2乗に比例して低くなるように設計することが好ま U、。

[0031] なお、本 DLC膜は、金マスクの厚さを DLC膜の中心上に位置する部分では薄く中心から 1つの幅方向に離れるに従って厚くする他は、実施形態 1と同様の方法によつて形成することができる。

[0032] (実施形態 4)

本実施形態の DLC膜は、図 2Aおよび図 2Cを参照して、膜の中心 O力も少なくとも

1つの幅方向 Wに屈折率が連続的に高くなり（すなわち、図 2Cにおいて、屈折率増

1

大方向 111が外周に向かっており）、凹レンズとしての機能を有する DLC膜 lvである [0033] 本 DLC膜は、図 2Aおよび図 2Cに示すように、膜の中心 Oから、 1つの幅方向 W

1 のみに、屈折率が連続的に高くなるという屈折率分布を有するため、幅方向 Wに直交する幅方向を含む面を対称面として散光する凹レンズ (シリンドリカルレンズ)としての機能を有する。なお、好適な凹レンズ機能を有するためには、屈折率は幅方向 w

1 に幅 (膜の中心からの距離)の 2乗に比例して高くなるように設計することが好ましい。

[0034] なお、本 DLC膜は、金マスクの厚さを DLC膜の中心上に位置する部分では厚く中心から 1つの幅方向に離れるに従って薄くする他は、実施形態 1と同様の方法によつて形成することができる。

[0035] (実施形態 5)

本発明にかかる他の DLC膜は、図 5を参照して、膜厚方向に屈折率が連続的に変化する DLC膜 laであり、より具体的には、 DLC膜の内面または表面であって DLC 膜の膜厚方向に垂直な面 Isから主面 lhにかけて、膜厚方向に屈折率が連続的に高くなる。

ここで、 DLC膜の膜厚方向に垂直な面 Isが、 DLC膜の他方の主面 lgに一致する場合は、 DLC膜の他方の主面 lgから一方の主面 lhにかけて、膜厚方向に屈折率が連続的に高くなる。本 DLC膜は、膜厚方向に屈折率が連続的に高くすることにより、屈折率が連続的に高くなる方向に光を入射させると、入射光を膜厚方向に平行な方向にそろえる光学素子としての機能を発現することが期待される。

[0036] 膜厚方向に屈折率が連続的に高くなる DLC膜は、図 5を参照して、たとえば DLC 膜の一方の主面 lh側から、弱い Heイオンビーム 13 (加速電圧： lOOkeV)を DLC膜に直交する方向に注入すると、 Heイオンが DLC膜の一方の主面 lhから膜厚方向に垂直な面 Is (このとき、主面 lhと膜厚方向に垂直な面 Isとの距離は 2 mとなる）に力けて注入され、 Heイオンのドーズ量が主面 lh力も膜厚方向に垂直な面 Isにかけて膜厚方向に連続的に減少するため、 DLC膜の膜厚方向に垂直な面 Isから主面 1 hにかけて、膜厚方向に屈折率が連続的に高くなる DLC膜 laが形成される。なお、膜厚方向の屈折率分布は、まず膜厚方向の DLC膜中の水素濃度を SIMS法で測定した後、 DLC膜中の水素濃度と屈折率との関係式力屈折率を算出することにより求めた。

[0037] 本発明にかかる他の DLC膜について、実施形態 6〜実施形態 10として以下にさらに詳しく説明する。 [0038] (実施形態 6)

本実施形態の DLC膜は、図 6Cを参照して、 DLC膜の膜厚方向に垂直な面 Isから一方の主面 lhにかけて膜厚方向に屈折を連続的に高くし、膜の中心から少なくとも 1つの幅方向に膜厚を連続的に薄くすることにより、凸レンズとしての機能を有する D LC膜 lcである。

[0039] ここで、膜の中心 Oから 1つの幅方向に膜厚を連続的に薄くすることにより焦線を有する凸レンズ (シリンドリカルレンズ）が得られ、膜の中心 Oから任意の幅方向すなわち半径方向に膜厚を連続的に薄くすることにより焦点を有する凸レンズが得られる。

[0040] また、この凸レンズにおいて膜厚方向に屈折率を連続的に高くすることにより、光軸を膜厚方向と一致させて、屈折率が連続的に高くなる方向に光を入射させると、入射光は、光軸の中心に集束した平行光線に変換されるため、集光による収差が少ない凸レンズが得られる。

[0041] 本 DLC膜の作成方法は、たとえば以下のとおりである。まず、図 6Aを参照して、実施形態 5の DLC膜 la (DLC膜の膜厚方向に垂直な面 Isから一方の主面 lhにかけて、膜厚方向に屈折率が連続的に高くなる DLC膜)の一方の主面 lh上に、 DLC膜 laの中心上の部分が厚く任意の幅方向（半径方向）に離れるにしたがって薄くなるレジストパターン 21aを形成する。すなわち、 DLC膜 laの主面 lh上に、スピンコータなどでレジストを塗布し、半硬化させた後、 RIEにより表面が凹球面状に形成されたシリコン刻印型（図示せず)を半硬化レジストに押しつけ、さらに半硬化レジストを完全硬ィ匕させることにより、 DLC膜 laの中心 O上に位置する部分が厚ぐ DLC膜 1の中心力も半径方向に離れるにしたがって薄くなるレジストパターン 21aが形成される。

[0042] 次に、図 6Bを参照して、レジストパターン 21aとともに DLC膜 laを Oプラズマ 22に

2

よりエッチングを行なう。レジストパターン 21bの外径が縮小しながら DLC膜 lbがエツチングされて、図 6Cを参照して、 DLC膜の膜厚方向に垂直な面 Isから一方の主面 lhにかけて膜厚方向に屈折率が連続的に高くなり、膜の中心から任意の幅方向（半径方向）に膜厚が連続的に薄くなり、凸レンズとしての機能を有する DLC膜 lcが得られる。なお、レジストパターン 21bのエッチング速度と DLC膜 lbのエッチング速度との比率を調節することにより、 DLC膜 lcの中心と外周との膜厚差を調節することができる。

[0043] (実施形態 7)

本実施形態の DLC膜は、図 7Cを参照して、 DLC膜の膜厚方向に垂直な面 Isから一方の主面 lhにかけて膜厚方向に屈折率を連続的に高くし、膜の中心から少なくとも 1つの幅方向に膜厚を連続的に厚くすることにより、凹レンズとしての機能を有する DLC膜 lcである。

[0044] ここで、膜の中心 Oから 1つの幅方向に膜厚を連続的に厚くすることによりその 1つの幅方向に直交する幅方向を含む面を対称面として散光する凹レンズ (シリンドリカルレンズ)が得られ、膜の中心 Oから任意の幅方向すなわち半径方向に膜厚を連続的に厚くすることにより膜の中心 O軸を中心として散光する凹レンズが得られる。

[0045] また、この凹レンズにおいて膜厚方向に屈折率を連続的に高くすることにより、光軸を膜厚方向と一致させて、屈折率が連続的に高くなる方向に光を入射させると、入射光は、光軸に平行な光線に変換されるため、散光による収差が少ない凹レンズが得られる。

[0046] 本 DLC膜の作成方法は、たとえば以下のとおりである。まず、図 7Aを参照して、実施形態 5の DLC膜 la (DLC膜の膜厚方向に垂直な面 Isから一方の主面 lhにかけて、膜厚方向に屈折率が連続的に高くなる DLC膜)の一方の主面 lh上に、 DLC膜 laの中心上の部分が薄く任意の幅方向（半径方向）に離れるにしたがって厚くなるレジストパターン 21dを形成する。すなわち、 DLC膜 laの主面 lh上に、スピンコータなどでレジストを塗布し、半硬化させた後、 RIEにより表面が凸球面状に形成されたシリコン刻印型（図示せず)を半硬化レジストに押しつけ、さらに半硬化レジストを完全硬ィ匕させることにより、 DLC膜 laの中心 O上に位置する部分が薄ぐ DLC膜 laの中心力も半径方向に離れるにしたがって厚くなるレジストパターン 21dが形成される。

[0047] 次に、図 7Bを参照して、レジストパターン 21dとともに DLC膜 laを Oプラズマ 22に

2

よりエッチングを行なう。レジストパターン 21eの内径が拡大しながら DLC膜 leがエツチングされて、図 7Cを参照して、 DLC膜の膜厚方向に垂直な面 Isから一方の主面 lhにかけて膜厚方向に屈折率が連続的に高くなり、膜の中心から任意の幅方向（半径方向）に膜厚が連続的に厚くなり、凹レンズとしての機能を有する DLC膜 Ifが得られる。なお、レジストパターン 21eのエッチング速度と DLC膜 leのエッチング速度との比率を調節することにより、 DLC膜 Ifの中心と外周との膜厚差を調節することができる。

[0048] (実施形態 8)

本実施形態の DLC膜は、図 8を参照して、 DLC膜の膜厚方向に垂直な面 Isから一方の主面 lhにかけて膜厚方向に屈折率を連続的に高くし、膜の中心から少なくとも 1つの幅方向に屈折率を連続的に低くする（すなわち、図 8の屈折率増大方向 111 を膜の中心 Oに向ける）ことにより、凸レンズとしての機能を有する DLC膜 lqである。

[0049] ここで、膜の中心 Oから 1つの幅方向に屈折率を連続的に低くすることにより焦線を有する凸レンズ (シリンドリカルレンズ)が得られ、膜の中心 Oから任意の幅方向すなわち半径方向に屈折率を連続的に低くすることにより焦点を有する凸レンズが得られる。

[0050] また、この凸レンズにおいて膜厚方向に屈折率を連続的に高くすることにより、光軸を膜厚方向と一致させて、屈折率が連続的に高くなる方向に光を入射させると、入射光は、光軸の中心に集束した平行光線に変換されるため、集光による収差が少ない凸レンズが得られる。

[0051] 本 DLC膜の作成方法は、たとえば以下のとおりである。図 3および図 8を参照して、まず、所定の金マスク 11を設けた DLC膜に強、Heイオンビーム 12 (加速電圧： 800 keV)を注入することにより、中心 Oから半径方向に屈折率が連続的に低くなり凸レンズとしての機能を有する DLC膜 lpを形成する。

[0052] 次に、上記 DLC膜 lpの一方の主面 lh側から、弱い Heイオンビーム 13 (加速電圧： lOOkeV)を DLC膜に直交する方向に注入すると、 Heイオンのドーズ量が主面 lh 力も膜厚方向に垂直な面 Is (このとき、主面 lhと膜厚方向に垂直な面 Isとの距離は 1 μ mとなる）にかけて膜厚方向に連続的に減少するため、中心 Oから半径方向に屈折率が連続的に低くなり、かつ、 DLC膜の膜厚方向に垂直な面 Isから主面 lhにかけて膜厚方向に屈折率が連続的に高くなる DLC膜 lqが形成される。

[0053] ここで、強いエネルギビームを用いて中心 Oから半径方向に屈折率が連続的に低くなる屈折率分布を形成した後、それより弱いエネルギビームを用いて、膜厚方向に屈折率が連続的に高くなる屈折率分布を形成することにより、両方の屈折率分布を有する DLC膜が得られる。順序を逆にすると、弱いエネルギビームにより形成された屈折率分布が、それより強、エネルギビームによって破壊される問題が生じる。

[0054] (実施形態 9)

本実施形態の DLC膜は、図 9を参照して、 DLC膜の膜厚方向に垂直な面 Isから一方の主面 lhにかけて膜厚方向に屈折率を連続的に高くし、膜の中心から少なくとも 1つの幅方向に屈折率を連続的に高くする（すなわち、図 9の屈折率増大方向 111 を外周に向ける）ことにより、凹レンズとしての機能を有する DLC膜 lwである。

[0055] ここで、膜の中心 Oから 1つの幅方向に屈折率を連続的に高くすることによりその 1 つの幅方向に直交する幅方向を含む面を対称面として散光する凹レンズ (シリンドリカルレンズ）が得られ、膜の中心 O力任意の幅方向すなわち半径方向に屈折率を連続的に高くすることにより膜の中心 O軸を中心として散光する凹レンズが得られる。

[0056] また、この凹レンズにおいて膜厚方向に屈折率を連続的に高くすることにより、光軸を膜厚方向と一致させて、屈折率が連続的に高くなる方向に光を入射させると、入射光は、光軸に平行な光線に変換されるため、散光による収差が少ない凹レンズが得られる。

[0057] 本 DLC膜の作成方法は、たとえば以下のとおりである。図 4および図 9を参照して、まず、所定の金マスク 11を設けた DLC膜に強、Heイオンビーム 12 (加速電圧： 800 keV)を注入することにより、中心 Oから半径方向に屈折率が連続的に高くなり凹レンズとしての機能を有する DLC膜 lvを形成する。

[0058] 次に、上記 DLC膜 lvの一方の主面 lh側から、弱い Heイオンビーム 13 (加速電圧： lOOkeV)を DLC膜に直交する方向に注入すると、 Heイオンのドーズ量が主面 lh 力も膜厚方向に垂直な面 Is (このとき、主面 lhと膜厚方向に垂直な面 Isとの距離は 1 μ mとなる）にかけて膜厚方向に連続的に減少するため、中心 Oから半径方向に屈折率が連続的に高くなり、かつ、 DLC膜の膜厚方向に垂直な面 Isから主面 lhにかけて膜厚方向に屈折率が連続的に高くなる DLC膜 lwが形成される。

[0059] ここで、強いエネルギビームを用いて中心 Oから半径方向に屈折率が連続的に高くなる屈折率分布を形成した後、それより弱いエネルギビームを用いて、膜厚方向に屈折率が連続的に高くなる屈折率分布を形成することが必要なのは、実施形態 8と同様である。

[0060] 本発明にかかるさらに他の DLC膜は、図 10を参照して、膜厚方向に垂直な面 Isから一方の主面 lhにかけて膜厚方向に屈折率が高くなり、同心円状の複数の帯状リング領域を含み、それらの帯状リングゾーンは回折格子としての機能を有するように屈折率が相対的に変調されており、前記帯状リング領域の幅は前記同心円の中心から遠、リング領域ほど狭められて、る DLC膜 lyである。本発明に力かるさらに他の DL C膜について、実施形態 10、実施形態 11として以下にさらに詳しく説明する。

[0061] (実施形態 10)

本実施形態の DLC膜は、図 10を参照して、 DLC膜の膜厚方向に垂直な面 Isから一方の主面 lhにかけて膜厚方向に屈折率を連続的に高くするとともに、同心円状の m個のリングゾーンを含み、リングゾーンの各々は n個の帯状リング領域 Rmnを含み、リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比ベて高、屈折率を有し、リングゾーンのそれぞれにお、て互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有することにより、凸レンズとしての機能を有する DLC膜 lyである。

[0062] ここで、帯状リング領域 Rmnにおいて内側の帯状リング領域の屈折率を外側の帯状リング領域の屈折率より高くすることにより、光の回折作用により焦点を有する凸レンズが得られる。

[0063] また、この凸レンズにおいて膜厚方向に屈折率を連続的に高くすることにより、光軸を膜厚方向と一致させて、屈折率が連続的に高くなる方向に光を入射させると、入射光は、光軸の中心に集束した平行光線に変換されるため、集光による収差が少ない凸レンズが得られる。

[0064] 図 10を参照して、本 DLC膜 lyは、同心円状の複数の帯状リング領域 Rmnを含んでいる。ここで、符号 Rmnは、第 m番目のリングゾーン中の第 n番目の帯状リング領域を表すとともに、同心円の中心力その帯状リング領域の外周までの半径をも表すものとする。それらの帯状リング領域 Rmnは、同心円の中心力も遠いものほど、減少させられた幅を有して、る。 [0065] ここで、互いに隣接する帯状リング領域 Rmnは、互いに異なる屈折率を有している図 10に示される凸レンズの機能を有する DLC膜 lqは、それが 2レベルの回折膜である場合には、 n= 2番目までの帯状リング領域を含むリングゾーンを m= 3番目まで含んでいることになる。そして、同じリングゾーン中では、外側に比べて内側の帯状リング領域の方が高、屈折率を有して、る。

[0066] このこと力も類推されるであろうように、 4レベルの回折型膜では、一つのリングゾーンカ =4番目までの帯状リング領域を含み、この場合にも同じリングゾーン中では同心円の中心に近い帯状リング領域ほど高い屈折率を有している。すなわち、一つのリングゾーン中で内周側力も外周側に向力つて 4段階の屈折率変化が形成されている。そして、そのような 4段階の屈折率変化の周期カ^ングゾーンごとに m回繰り返されることになる。

[0067] なお、帯状リング領域 Rmnの外周半径は、スカラー近似を含む回折理論カゝら次式 ( 1)にしたがって設定することができる。この式（1)において、 Lはレンズの回折レベルを表し、 λは光の波長を表し、そして fはレンズの焦点距離を表している。また、最大の屈折率変化量 Δ ηは、最大の位相変調振幅 Δ = 2 π (L- 1) ZLを生じさせ得るもの

でなければならない。

[0068] [数 1]

[0069] 本 DLC膜 lyの作成方法は、たとえば以下のとおりである。まず、図 11Aを参照して、 DLC膜 1の一方の主面 lh上に、たとえば Niの導電層 10を周知の EB (電子ビーム )蒸着法によって形成する。この Ni導電層 10上に、図 10中の n= lに対応する帯状リング領域 Rmn (m= l〜3)を覆うようにレジストパターン 31を形成する。そのレジストパターン 31の開口部に、電気めつきによって金マスク 11を形成する。

[0070] 次に、図 11Bを参照して、レジストパターン 31が除去されて、金マスク 11が残される。そして、その金マスク 11の開口部を通して、強い Heイオンビーム 12 (加速電圧： 80 OkeV)を DLC膜 1に照射する。その結果、 Heイオンビーム 12に照射された帯状リング領域 Rmlの屈折率が高められて高屈折率領域 ljが形成され、 Heイオンビーム 12 がマスクされた帯状リング領域 Rm2は当初の DLC膜 1の屈折率を維持して低屈折率領域 lkとなる。すなわち、図 11Bに示されているような 2レベルの回折領域を含む D LC膜 lxが得られる。

[0071] なお、図 11の例では DLC膜ごとにその上にマスク層が形成されるが、別個に作製された独立のマスクを用いて DLC膜に Heイオンビーム照射してもよいことは言うまでもない。また、順次パターンが調整されたマスクを用いて DLC膜に Heイオンビーム照射を繰り返すことによって、多レベルの回折型レンズが形成され得ることが理解されよう。

[0072] さらに、多段階に厚さが変化させられた同心円状の帯状リング領域を含む刻印型を用いて DLC膜上の金マスクに刻印し、その刻印された金マスクを介して Heイオンビーム照射することによって、 1回の Heイオンビーム照射で多レベルの回折膜を作製することも可會である。

[0073] さらにまた、上記においては焦点を有する凸レンズ機能を有する回折 DLC膜が説明されたが、本発明は焦線を有する凸レンズ機能を有する回折 DLC膜にも同様に適用し得ることが理解されよう。その場合には、屈折率変調された同心円状の複数の帯状リング領域の代わりに、屈折率変調された互いに平行な複数の帯状領域を形成すればよい。この場合、たとえば図 10Bの断面図において、屈折率変調された互いに平行な複数の帯状領域は、その図の紙面に対して垂直に伸びていることになる。また、その場合において、図 11B中の金マスク 11もその図の紙面に対して垂直に伸びていればよい。

[0074] 次に、図 11Cを参照して、金マスク 11をエッチングにより除去した DLC膜 lxの一方の主面 lh側から、弱い Heイオンビーム 13 (加速電圧： lOOkeV)を DLC膜に直交する方向に注入すると、 Heイオンのドーズ量は DLC膜の一方の主面 lhから膜厚方向に垂直な面 Is (このとき、主面 lhと膜厚方向に垂直な面 Isとの距離は 1 mとなる）にかけて膜厚方向に連続的に減少するため、 DLC膜の膜厚方向に垂直な面 1 sから主面 lhにかけて、膜厚方向に屈折率が連続的に高くなる。こうして、内側の帯状リング領域の屈折率が外側の帯状リング領域の屈折率より高い複数の帯状リング領域により凸レンズとしての機能を有し、膜厚方向に屈折率が連続的に高くすることにより集光による収差が少な、DLC膜 lyが得られる。

[0075] (実施形態 11)

本実施形態の DLC膜は、図 10を参照して、 DLC膜の膜厚方向に垂直な面 Isから一方の主面 lhにかけて膜厚方向に屈折率を連続的に高くするとともに、同心円状の m個のリングゾーンを含み、リングゾーンの各々は n個の帯状リング領域 Rmnを含み、リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比ベて低、屈折率を有し、リングゾーンのそれぞれにお!/、て互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有することにより、凹レンズとしての機能を有する DLC膜である。

[0076] ここで、帯状リング領域 Rmnにおいて内側の帯状リング領域の屈折率を外側の帯状リング領域の屈折率より低くすることにより、光の回折作用により膜の中心 O軸を中心として散光する凹レンズが得られる。

[0077] また、この凹レンズにおいて膜厚方向に屈折率を連続的に高くすることにより、光軸を膜厚方向と一致させて、屈折率が連続的に高くなる方向に光を入射させると、入射光は、光軸に平行な光線に変換されるため、集光による収差が少ない凹レンズが得られる。

[0078] なお、本 DLC膜は、各帯状リングにぉ、て内側の帯状リング領域の屈折率を外側の帯状リング領域の屈折率に比べて低くする以外は、実施形態 10と同様にして形成することができる。

[0079] なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではな、と考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims

請求の範囲

[I] 膜の中心から少なくとも 1つの幅方向に屈折率が連続的に変化する DLC膜。

[2] 前記膜の中心から少なくとも 1つの幅方向に前記屈折率が連続的に低くなり、凸レンズとしての機能を有する請求項 1に記載の DLC膜。

[3] 前記膜の中心から少なくとも 1つの幅方向に前記屈折率が連続的に高くなり、凹レンズとしての機能を有する請求項 1に記載の DLC膜。

[4] 膜厚方向に屈折率が連続的に変化する DLC膜。

[5] 前記膜厚方向に前記屈折率が連続的に高くなる請求項 4に記載の DLC膜。

[6] 膜の中心から少なくとも 1つの幅方向に膜厚が連続的に薄くなり、凸レンズとしての機能を有する請求項 4に記載の DLC膜。

[7] 膜の中心力も少なくとも 1つの幅方向に膜厚が連続的に厚くなり、凹レンズとしての機能を有する請求項 4に記載の DLC膜。

[8] 膜の中心から少なくとも 1つの幅方向に前記屈折率が連続的に低くなり、凸レンズとしての機能を有する請求項 4に記載の DLC膜。

[9] 膜の中心から少なくとも 1つの幅方向に前記屈折率が連続的に高くなり、凹レンズとしての機能を有する請求項 4に記載の DLC膜。

[10] 前記 DLC膜は、同心円状の複数の帯状リング領域を含み、それらの帯状リングゾーンは回折格子としての機能を有するように屈折率が相対的に変調されており、前記帯状リング領域の幅は前記同心円の中心力遠いリング領域ほど狭められている請求項 4に記載の DLC膜。

[II] 前記 DLC膜は、同心円状の m個のリングゾーンを含み、前記リングゾーンの各々は n個の前記帯状リング領域を含み、前記リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて高、屈折率を有し、前記リングゾーンのそれぞれにお、て互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有し、凸レンズとしての機能を有する請求項 10に記載の DLC膜。

[12] 前記 DLC膜は、同心円状の m個のリングゾーンを含み、前記リングゾーンの各々は n個の前記帯状リング領域を含み、前記リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて低、屈折率を有し、前記リングゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有し、凹レンズとしての機能を有する請求項 10に記載の DLC膜。

[13] エネルギビームの照射により、 DLC膜の屈折率を、膜の中心力も少なくとも 1つの幅方向および膜厚方向の少なくとも 1つの方向に連続的に変化させる DLC膜の形成方法。

[14] 前記エネルギビーム力光線、 X線、イオンビームおよび電子線力なる群力選ばれる少なくともいずれかである請求項 13に記載の DLC膜の形成方法。