JP2004051388A

JP2004051388A - 光学素子の表面加工方法

Info

Publication number: JP2004051388A
Application number: JP2002208102A
Authority: JP
Inventors: Junji Nishii; 西　井　準　治; Kenji Kanetaka; 金　高　健　二; Yasushi Kawamoto; 川　本　　　泰; Hisao Kikuta; 菊　田　久　雄; Akio Mizutani; 水　谷　彰　夫
Original assignee: Moritex Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Moritex Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】光が光学素子を透過する際にその境界面で生じる反射を少なくして、光透過率をより向上させる。
【解決手段】パターニング工程（Ｓ_１）で、ガラス基材（２）の表面に塗布したレジスト膜（５）に光の波長レベルの周期の格子パターンを露光し、これを現像した後、ドライエッチング工程（Ｓ_２）でガラス基材（２）の表面にドライエッチングを施して格子パターンの隙間に周期的な突起（３）を形成し、コーティング工程（Ｓ_３）で少なくとも屈折率が基材と等しい材料でオーバーコート層（４）を形成し、熱処理工程（Ｓ_４）でオーバーコート層（４）とガラス基材（２）をこれらが密着する温度まで加熱した後、ウェットエッチング工程（Ｓ_５）でオーバーコート層（４）の表面をエッチング液に浸してその表面を円滑に仕上るようにした。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶ディスプレイパネル、回折格子、レンズ、プリズムなどの光学素子の表面の反射率を低下させて透過率を向上させる光学素子の表面加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信の分野においては、より多くの情報をより高効率で伝送することが望まれており、そのために、通信波長帯の広帯域化と各光学素子の高透過率化が不可欠である。
【０００３】光学素子の透過率を向上させるために光透過面を無反射化することが有効であり、その手段として、光透過面に誘電体多層膜を形成することが知られているが、誘電体多層膜は大きな波長依存性があるため、広帯域ＷＤＭ通信には使用できない。
また、誘電体多層膜をディスプレイパネルなどに使用した場合には、角度依存性があるために視野角が狭くなってしまう。
【０００４】広い波長範囲で高い透過率を得るために、「Ｍｏｔｈ　Ｅｙｅ」と称する表面構造が知られている。これは、光学素子の表面（光透過面）に光の波長レベル又はそれ以下の周期でピラミッド型の微小突起を縦横に配列形成したものである。
【０００５】これは、石英基板の表面に塗布形成された感光性レジスト膜に、光の波長レベル又はそれ以下の直交格子パターンを露光し、レジスト膜を現像した後に、レジスト膜をマスクとして、そのマスクと石英基板のエッチング速度の差を利用して、石英基板に直交格子パターンに応じた格子溝を形成することにより、その格子溝間に周期的な微小突起を形成するようにしている。
これによれば、光が透過するときにその境界面に微小突起が形成されていることから、光が反射しにくく、平滑面よりも高い透過率が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにドライエッチングにより形成された石英基板の表面は、電子顕微鏡により拡大して見ると、格子パターンの周期に応じた滑らかな曲面になっているわけではなく、荒削りされたような肌荒面になっていることが判明した。
そして、光学素子の表面がこのような肌荒面に形成されていると、光が透過する際に反射は生じなくても、光散乱を生じてしまうため、その分だけ、光透過率がロスされることになる。
【０００７】このため本出願人らは、光学素子の材料となるガラス基材の表面に、光の波長レベル又はそれ以下の周期で微小突起を配列形成し、その微小突起の周期形状に沿ってガラス基材と少なくとも屈折率の等しいオーバーコート層を形成した後に、そのガラス転移点温度の２／３以上、軟化点以下の温度で加熱処理を行う表面加工方法を提案した（特願２００１−３２１５０１）。
【０００８】この表面加工方法により、シリカガラスの片面に周期１０００ｎｍ、高さ１０００ｎｍの微小突起…を形成して無反射化したときの透過率は、未処理のシリカガラスの比透過率より１．７％高く９５．１％に達した。
【０００９】さらに、その微小突起にシリカガラスからなる２２０〜３５０ｎｍの膜厚のオーバーコート層４を形成し、これを管状炉に入れ、酸素雰囲気中７００℃で１時間熱処理したところ、透過率がさらに０．９％上昇して９６．０％に達した。
しかし、シリカガラスの片面が無反射であるときの理論透過率９６．８であることから、さらなる改善の余地がある。
【００１０】そこで本発明では、光学素子の表面の反射率を抑えることにより、その透過率を理論透過率に極限まで近付けるようにすることを技術的課題としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明は、ガラス基材により形成される光学素子の表面の反射率を低下させて透過率を向上させる光学素子の表面加工方法であって、ガラス基材の表面に塗布形成された感光性レジスト膜に光の波長レベル又はそれ以下の周期の格子パターンを露光するパターニング工程と、現像したレジスト膜の上からガラス基材の表面にドライエッチングを施して前記格子パターンのピッチに応じた周期的な微小突起を形成するドライエッチング工程と、前記微小突起の表面に前記ガラス基材と少なくとも屈折率が等しい材料でオーバーコート層を形成するコーティング工程と、該オーバーコート層とガラス基材をこれらが密着する温度まで加熱する熱処理工程と、熱処理が完了したガラス基材の表面をエッチング液に浸してその表面を円滑に仕上るウェットエッチング工程とからなることを特徴とする。
【００１２】本発明方法によれば、光の波長レベル又はそれ以下の周期の格子パターンを露光した後、レジスト膜を現像すると、未露光部が覆われたまま、露光部のレジスト膜が除去されてそこにガラス基材が露出されることとなる。
【００１３】次いで、ＥＣＲプラズマエッチングやＩＣＰプラズマエッチングなどのドライエッチングを行うと、レジスト膜をマスクとして、そのマスクと基材のエッチング速度の差により、基材表面に前記格子パターンに応じた格子溝が形成されるので、その格子溝間に周期的な微小突起が形成される。
【００１４】この場合に、ドライエッチングにより形成された基材表面は肌荒れしているので、基材と同一材料等の屈折率の等しい材料でオーバーコート層を形成することにより肌荒れした表面が覆われて滑らかになり、透過光の乱反射による光損失が少なくなる。
【００１５】また、パターニング工程において、二光束干渉露光法を用いればその干渉光は平行干渉パターンとなるので、格子パターンが平行格子である場合には干渉光を露光し、前記格子パターンが直交格子である場合には干渉光を露光した後、ガラス基材を９０度回転させて再度露光するだけで、それぞれの格子パターンを露光することができるので、露光が極めて簡単で、露光用のマスクパターンを形成する必要もない。
【００１６】そして、コーティング工程で、ガラス基材と少なくとも屈折率の等しい材料でオーバーコート層を形成した後に、形成されたオーバーコート層をガラス基材に密着させる温度までオーバーコート層を加熱すると、オーバーコート層の密着性が向上すると同時に、その表面が平滑化されて、さらに光損失が低下する
【００１７】すなわち、オーバーコート層はもともと肌荒れされた表面に形成されるので、荒れた表面形状がそのまま反映されているが、熱処理することにより、ガラス基材に形成された微小突起とオーバーコート層が確実に融合して一体化するだけでなく、オーバーコート層の表面をさらに滑らかにすることができるので、反射や散乱による光損失がさらに低下する。
【００１８】そして最後に、熱処理が完了したガラス基材２の表面をエッチング液に浸すと、その微小突起の表面が徐々に浸食されてより滑らかになり、理想的な円錐形状に近づくので、反射率がさらに低下して透過率が向上する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
図１は本発明に係る光学素子を示す説明図、図２は本発明方法を示す説明図、図３は二光束干渉露光法を示す説明図、図４は光透過率と波長の関係を示すグラフ、図５は光反射率と入射角の関係を示すグラフ、図６及び図７は他の実施形態を示すグラフである。
【００２０】本例の光学素子１は、光通信用の光学素子に用いられるもので、シリカガラスからなるガラス基材２の表面に、光の波長レベル又はそれ以下の周期で微小突起３…が縦横に配列形成されると共に、前記突起３…による表面の周期形状に沿って、前記基材２と少なくとも屈折率の等しい材料（例えば同一材料）でオーバーコート層４が形成されて成る。
【００２１】この光学素子１を製造する場合、まず、パターニング工程Ｓ_１で、ガラス基材２の表面に塗布形成された感光性レジスト膜５に、二光束干渉露光法により直交格子パターンを露光する（図２（ａ）〜（ｃ））。
【００２２】図３は二光束干渉露光法を行う光学系を示すもので、波長λのＨｅ−Ｃｄレーザ６から照射された波長λｎｍのレーザ光をハーフミラー７で二つの光路に分け、これをガラス基材２の表面に立てた垂線を挟んで両側から角度θで照射すると、ガラス基材２表面で二つの光束が干渉し合い、干渉光は周期Λ＝λ／（２ｓｉｎθ）の平行格子パターンとなる。
【００２３】したがって、ガラス基材２をターンテーブル８に固定して干渉光を照射すると、感光性レジスト膜５に平行格子パターンが露光され、次いで、ターンテーブル８を９０°回転させて、再び干渉光を照射すれば、同じ平行格子パターンが、先に露光された平行格子パターンに直交して露光されるので、直交格子パターンが感光性レジスト膜５に焼付けられることになる。
【００２４】このレジスト膜５を現像すると、未露光部が覆われたまま、露光部のレジスト膜が除去されてそこにガラス基材が露出されるので、本例の場合、点状のマスクが縦横に配列形成されることとなる。
【００２５】次いで、ドライエッチング工程Ｓ_２で、ガラス基材２の表面に、ＥＣＲプラズマエッチングやＩＣＰプラズマエッチングなどのドライエッチングを施せば、残ったレジスト膜５がマスクとなって、そのマスクと基材２のエッチング速度の差により、基材２の表面に前記格子パターンに応じた格子溝９…が形成され、その結果、夫々の格子溝９…間には周期的な微小突起３…が形成される（図２（ｄ）〜（ｅ））。
【００２６】このとき、微小突起３…の周期及び高さが１００〜２０００ｎｍに形成されると共に、高さ／周期で定義されるアスペクト比＝１〜３の範囲に選定されている。
微小突起３がこれより低いと、低反射の効果が少なくなり、これより高いと成形が困難だからである。
【００２７】ドライエッチング工程Ｓ_２が終了すると、コーティング工程Ｓ_３でドライエッチングが施されたガラス基材２の表面に対しプラズマＣＶＤやＲＦスパッタ装置を用いて、微小突起３…による表面の周期形状に沿って前記基材２と同一材料でオーバーコート層４を形成し、エッチングにより生じた表面の肌荒れを滑らかにする（図２（ｆ））。
【００２８】このオーバーコート層４の膜厚が１００〜１０００ｎｍに形成されると共に、前記微小突起３の高さの０．１〜５倍に選定されている。
膜厚がこれより薄いと、エッチングによる肌荒れをカバーすることができず、これより厚いと微小突起３の形状がなまって、アスペクト比が前述の下限値を下回るおそれがあるからである。
【００２９】このようにして、ガラス基材２と同一の材料でオーバーコート層を形成した後、熱処理工程Ｓ_４でそのガラス転移点温度の２／３以上、軟化点以下の温度に加熱する熱処理を行う（図２（ｇ））。
これにより、オーバーコート層４の表面をさらに滑らかにすることができるだけでなく、ガラス基材２とオーバーコート層４が融合して確実に一体化するので、内部反射や内部散乱による光損失を生じるおそれもない。
【００３０】そして最後に、熱処理が完了したガラス基材２の表面を、ウェットエッチング工程Ｓ_５でフッ酸などのエッチング液に浸すと、微小突起３の表面が徐々に浸食されてより滑らかになり、微小突起３…は理想的な円錐形状に近づくので、反射率がさらに低下して透過率が向上する（図２（ｈ））。
【００３１】
【実験例】
まず、パターニング工程Ｓ_１で、シリカガラスからなるガラス基材２の表面に形成された膜厚１μｍの感光性レジスト膜５を波長λ＝３２５ｎｍ、ハーフミラー７で分けられた光路の片側の出力が８．０ｍＷ／ｃｍ^２のＨｅ−Ｃｄレーザ６を用いて露光する。
このとき、夫々の入射角θ＝９．３５°で照射させると、ガラス基材２の表面上にピッチΛ＝１０００ｎｍの干渉光が形成される。
ここで、ターンテーブル８を０°にセットして干渉光を１５秒照射した後、ターンテーブル８を９０°回転させてさらに１５秒照射することにより感光性レジスト膜５を露光して、現像するとピッチ１０００ｎｍの直交格子パターンが得られる。
【００３２】次いで、ドライエッチング工程Ｓ_２に移行し、そのレジスト膜５の上からガラス基材２の表面にＥＣＲプラズマエッチング装置によりドライエッチングを施すと前記格子パターンのピッチに応じた周期的な微小突起３が形成される。
【００３３】その後、ガラス基材２に残るレジスト膜をアセトン洗浄し、さらに酸素プラズマアッシングにより表面を洗浄した。
微小突起３…は、深さ１０００ｎｍまでエッチングした時点で、頂点が直径２５０ｎｍの平面部分を残す円錐台形状に形成され、透過率は９５．１％であり、未処理のシリカガラスより１．７％高かった。
【００３４】さらに、コーティング工程Ｓ_３でガラス基材２の表面にＣＶＤ法によりシリカガラスからなる２２０〜３５０ｎｍの膜厚のオーバーコート層４を形成した後、熱処理工程Ｓ_４でガラス基材２を管状炉に入れ、７００℃で１時間熱処理したところ、透過率がさらに０．９％上昇して９６．０％に達した。
【００３５】そして最後に、ウェットエッチング工程Ｓ_５でエッチング液となるフッ酸（５％）に浸して浸食させるウェットエッチングを行えば、微小突起３の表面が徐々に浸食されてより滑らかになり、各突起３…は理想的な円錐形状に近づくので、反射率がさらに低下して透過率が向上する。
このとき、エッチング液に１分間浸しては透過光強度を測定するという操作を繰り返しながら、透過光強度が最も高くなるように形状制御し、本例では合計６分間ウェットエッチングを施した。
【００３６】これにより、さらに透過率が向上し、シリカガラスの片面を無反射にしたときの理論透過率９６．８％に極めて近い透過率９６．７％となり、略無反射の状態なった。
【００３７】図４はこのようにして光学素子１の片面を表面加工して、微小突起３を形成したときの波長−透過光強度線図を示す。
ウェットエッチングを施した光学素子１の透過率は、未処理のシリカガラスの透過率９３．４％に比して３〜４％高い９６．７％となり、理論透過率９６．８％の９９．９％に達する。
また、本例によれば、波長１４００ｎｍ以下の領域では光が回折を起こすために透過率が低下しているが、光通信に用いられる波長１５００ｎｍの帯域が全てカバーされる波長１４００ｎｍ以上の広範な領域で無反射化が達成されている。
【００３８】また、図５は、入射角−反射率線図であって、これより、入射角が０〜３０°の範囲では略無反射であり、入射角が４５°まで反射率が１％以内という極めて良好な低反射率を示していることがわかる。
【００３９】なお、上述の説明では、ガラス基材２の表面に微小突起を形成したものをそのまま光学素子として使用する場合について説明したが、このように表面加工されたガラス基材２の表面形状を転写したポリマーフィルムを光学素子として使用する場合であっても良い。
【００４０】この場合、前述と同じ方法でパターニング工程Ｓ_１からウェットエッチング工程Ｓ_５までの表面加工を施した後、図６（ａ）及び（ｂ）に示す転写工程Ｓ_６により、そのガラス基材２の表面形状を樹脂フィルム１０へ転写し、これを光学素子として用いる。
【００４１】転写工程Ｓ_６では、片面に微小突起３…を形成したガラス基材２の表面に金属を流して微小突起３の形状が反転して転写された金型１１を形成し（図６（ａ）、図７）、この金型１１を用いて注型成型又は射出成型などにより樹脂を流せば（図６（ｂ））、その表面にガラス基材２の表面形状が転写された樹脂フィルム１０が製造される。
【００４２】さらに、金型１１を作ることなく、片面に微小突起３…を形成したガラス基材２をそのまま型として用い、その表面に樹脂を流し込めば、図７に示すように、ガラス基材２の微小突起３の形状が反転して転写され、円錐上の微小凹部１２が多数形成された樹脂フィルム１３が製造され、この樹脂フィルム１３を光学素子として用いても同様に無反射面が得られる。
【００４３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ガラス基材の表面に光の波長レベル又はそれ以下の周期の微小突起を配列形成したので、光が透過する際にその境界面で反射を起すことがなく、反射による透過率のロスを減少させることができるだけでなく、その表面の周期形状に沿って基材と同一材料のオーバーコート層を形成して熱処理したので、微小突起の表面の肌荒れが無くなり、透過光の散乱による透過率のロスを減少させて透過率を向上させることができ、さらに、ウェットエッチングを施すことにより微小突起を理想的な円錐形状により近付けることができ、これにより略無反射状態を達成して理想透過率に近い透過率を得ることができるという大変優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法により表面加工された光学素子を示す説明図。
【図２】本発明方法を示す説明図。
【図３】二光束干渉露光法を示す説明図。
【図４】透過率と波長の関係を示すグラフ。
【図５】反射率と入射角の関係を示すグラフ。
【図６】他の実施形態を示す説明図。
【図７】他の実施形態を示す説明図。
【符号の説明】
１………光学素子
２………ガラス基材
３………突起
４………オーバーコート層
５………感光性レジスト膜
９………格子溝
Ｓ_１……パターニング工程
Ｓ_２……ドライエッチング工程
Ｓ_３……コーティング工程
Ｓ_４……熱処理工程
Ｓ_５……ウェットエッチング工程
Ｓ_６……転写工程

Claims

ガラス基材（２）により形成される光学素子の表面の反射率を低下させて透過率を向上させる光学素子の表面加工方法であって、ガラス基材（２）の表面に塗布形成された感光性レジスト膜（５）に光の波長レベル又はそれ以下の周期の格子パターンを露光するパターニング工程（Ｓ_１）と、現像したレジスト膜（５）の上からガラス基材（２）の表面にドライエッチングを施して前記格子パターンのピッチに応じた周期的な微小突起（３）を形成するドライエッチング工程（Ｓ_２）と、前記微小突起（３）の表面に前記ガラス基材（２）と少なくとも屈折率が等しい材料でオーバーコート層（４）を形成するコーティング工程（Ｓ_３）と、該オーバーコート層（４）とガラス基材（２）をこれらが密着する温度まで加熱する熱処理工程（Ｓ_４）と、熱処理完了後、オーバーコート層（４）の表面をエッチング液に浸してその表面を円滑に仕上るウェットエッチング工程（Ｓ_５）とからなることを特徴とする光学素子の表面加工方法。
表面の反射率を低下させて透過率を向上させる光学素子の表面加工方法であって、ガラス基材（２）の表面に塗布形成された感光性レジスト膜（５）に光の波長レベル又はそれ以下の周期の格子パターンを露光するパターニング工程（Ｓ_１）と、現像したレジスト膜（５）の上からガラス基材（２）の表面にドライエッチングを施して前記格子パターンのピッチに応じた周期的な微小突起（３）を形成するドライエッチング工程（Ｓ_２）と、前記微小突起（３）の表面に前記ガラス基材（２）と少なくとも屈折率が等しい材料でオーバーコート層（４）を形成するコーティング工程（Ｓ_３）と、該オーバーコート層（４）とガラス基材（２）をこれらが密着する温度まで加熱する熱処理工程（Ｓ_４）と、熱処理完了後、オーバーコート層（４）の表面をエッチング液に浸してその表面を円滑に仕上るウェットエッチング工程（Ｓ_５）と、その表面形状を転写した樹脂製光学素子を成形する転写工程（Ｓ_６）からなることを特徴とする光学素子の表面加工方法。