JP2007328128A - 光学素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面の微細凹凸形状の断面形状が矩形でない場合であっても、基材の軟化温度にかかわらず製作することのできるようにする。
【解決手段】基板２の表面に断面形状が矩形の微細凹凸形状８が形成し、等方的な条件でエッチングを施して三角形の断面形状とする。その上に堆積を行い、かまぼこ型に盛り上がった凸条１４として隣接する凸条１４間を接触させる。その後、凸条１４にスパッタリングを施すことにより断面形状を三角形に近づける。
【選択図】図２

Description

本発明は表面に微細凹凸形状をもち波長板などとして使用される光学素子とその製造方法に関するものである。
波長板は直交する２つの直線偏光の間に位相差を生じさせるもので、１／４波長板、１／２波長板、全波長板などとして用いられ、液晶プロジェクタなどの画像投影装置、光ディスク装置の書込み読出し装置、その他の光学装置に利用されている。

波長板には水晶などの複屈折物質の厚さを調整して常光線と異常光線との位相差が波長に対して所定の関係になるようにした結晶研磨型波長板のほかに、誘電体にてなる微細凹凸表面が複屈折を示すことを利用した格子型波長板も使用されている。本発明は後者の格子型波長板など、表面に微細凹凸形状をもつ光学素子に関するものである。

微細凹凸形状の形成法として、基板表面にフォトリソグラフィーでマスクパターンを形成し、そのマスクパターン形状をドライエッチングにより基板に転写する方法がよく用いられる。

図１にそのようなフォトリソグラフィーを利用した微細凹凸形状を形成する方法の一例を示す。
感光体であるレジスト層４を基板２上に塗布し（Ａ，Ｂ）、形成しようとする微細凹凸形状に対応したフォトマスク６を介してレジスト層４の所定の部分をＵＶ（紫外線）光で露光することによりその部分を硬化又は分解させ（Ｃ）、その後、硬化していない部分又は露光により分解したレジストを現像液により除去することでレジストパターン４ａを形成する（Ｄ）。その後、ドライエッチング法によりレジストパターン４ａを基板に転写し（Ｅ）、残ったレジストパターン４ａを灰化などにより除去して、基板２の表面に微細凹凸形状８を得る（Ｆ）。

最近は、図１（Ｃ）の露光と（Ｄ）の現像の工程に替えて、インプリント技術を用いてエッチングマスクを形成する手法が提案されている。インプリント技術ではレジスト層４に替えて基板表面に樹脂層を形成し、型を用いてその樹脂層を成型することによりエッチングマスクとなる樹脂パターンを形成する。その後は、図１（Ｅ），（Ｆ）の工程によりその樹脂パターンを基板に転写する。
インプリント技術は工程が簡略であり、また大掛かりな露光装置も不要であることから、次世代の技術として注目され盛んに開発が行われている。

近年、表面に微細凹凸形状をもつ複屈折構造を用いて新たな光学特性を得る研究が盛んに行われている。例えば、サブミクロンピッチで高アスペクト比の断面が矩形形状のライン・アンド・スペース構造を形成することで、違いが比較的大きい２波長で共用できる波長板とすることが提案されている（特許文献１参照。）。

また、他の機能として、微細構造の新たな新規光学機能として、屈折率が２より大きい基材部の表面に光の波長以下のピッチで円錐状突起を互いに隣接するように配置した微細凹凸構造を形成し、その微細凹凸構造を基材部より小さい屈折率をもつ透明な平滑層で被うことにより反射防止構造体とすることが提案されている（特許文献２参照。）。

その反射防止構造体の製造方法として、まず、プレス面の形状が基材部の表面に形成しようとする凹凸構造と同一の形状に精密加工されたマスター型を用いて、加熱軟化したガラスをプレス成形することにより、ガラスからなる凹凸構造成形用金型を作製する。そして、その凹凸構造成形用金型を用いて、基材をプレス成形することにより、表面に凹凸構造を有する基材部を作製する。その後、凹凸構造が形成された基材部の表面に透明材料を塗布し、その表面を平坦化することにより反射防止構造体を製造することが記載されている。
特開２００４−２５８２９７号公報 特開２００５−１８１７４０号公報

格子型波長板など、表面に微細凹凸形状をもつ複屈折構造を用いた光学素子は、断面が矩形の凸条が互いに平行に等間隔に配置されたものであり、凸条の頂面も隣接凸条間の谷部も平面面となっている。そのため、平坦面で入射光の反射が起こり、その素子を透過型素子として使用する場合には光の利用効率の低下が問題となる。

提案されている反射防止構造体のような表面構造にすることにより反射率を抑えることが考えられるが、その場合は微細凹凸形状をもつ複屈折構造の上層に反射防止層として提案の反射防止構造体を積層することになるが、通常はそのような複雑な構造は製造上の観点から採用しにくい。そのため、一般には、複屈折構造の表面に反射防止膜を形成して低反射率の素子を実現しているが、反射防止膜のみで十分な低反射率を実現するには限界がある。
そこで、本発明の第１の目的は、表面に微細凹凸形状をもつ格子型波長板などの光学素子において、反射防止膜を形成する場合もしない場合も含めて、さらに反射率を抑えて光の利用効率を高めることである。

提案の反射防止構造体の製造方法として記載されているのは、ガラスからなる凹凸構造成形用金型を用いて基材をプレス成形することであるので、基材の材質はガラスよりも低温で軟化するものに限られる。したがって、そのような製造方法は、表面に微細凹凸形状をもつ複屈折構造を用いた光学素子の製造方法として一般化できるものではない。

微細凹凸形状の形成法として、ドライエッチング法が広く用いられている。しかしながら、断面形状が矩形の凹凸であれば問題はないが、断面形状が傾斜をもち、しかも隣接凸条間に底辺を有しない連続した凹凸形状をドライエッチング法により形成するのは非常に難しい。すなわち、まず、フォトリソグラフィーにおいて、現像後の形状は基本的にレジストがあるかないかのデジタル形状である。その後レジストを熱変形させたり、露光の際にＵＶ光の強度を面内方向で露光量が傾斜をもつグラデーション的に変化させることにより、レジストパターンの形状として断面形状の斜面が傾斜をもつような三次元形状に形成する技術は提案されているが、その場合もレジストパターンの隣接する凸部間には平坦面は存在する。ドライエッチングは基本的にレジストパターンをマスクとしてその形状を基板に転写する技術であり、したがって、マスク形状の時点で平坦面が存在している場合には、ドライエッチング工程でその平坦面をなくしたり鋭角状にすることはできないからである。

近年、微細凹凸形状の形成法として、金型を用いて成型するインプリント法が盛んに研究されている。インプリント法では、金型の形状如何では凸部間の谷部が鋭角であるようなマスク形状を形成可能である。しかしながらその後のドライエッチングにおいてはサイドエッチングが少なからず発生し、斜面が垂直でない形状に対してはその傾向が顕著であるため、最終的なエッチング後の形状において凸部間の谷部が平坦ない形状を形成することは困難であった。

インプリント法で形成した形状をそのまま製品として使用したものも提案されている。特許文献２に記載されている反射防止構造体の製造方法もこのインプリント法の範疇に属する。一般には、インプリント法は金型とワーク間に流動性材料を挟み込んで熱や光で硬化させて形状を転写する方法であるため、形状転写材料が限られる。この為、インプリント可能な材料はガラスや金属酸化物に比べ耐環境性で劣っているものがほとんどであり、用途が限れられていた。

また、ドライエッチングでは選択比等の問題で高アスペクト比の形状を形成することが難しい。選択比は被エッチング基板とマスク材のエッチングレート差に依存する。この為、被エッチング材料が難エッチング材である場合にこの問題は顕著である。光学部品に使用される材料は高屈折率（材料）であると設計の自由度が向上する。しかしながら、一般に高屈折率材料は難エッチング材である。
本発明の第２の目的は、表面の微細凹凸形状の断面形状が矩形でない場合であっても、基材の軟化温度にかかわらず製作することのできる製造方法を提供することである。

本発明者らは、誘電体にてなる微細凹凸表面は断面形状が矩形でなくて複屈折を示すことを見出し、本発明をなすに至った。
すなわち第１の目的を達成するための本発明の光学素子は、基板の表面に、誘電体にてなり、傾斜した側面をもつ凸条が互いに平行に、かつ使用波長域に含まれる光の波長以下のピッチで等間隔に配置されていることを特徴とするものである。

凸条の断面形状は三角形又は台形であることが好ましい。この場合の三角形及び台形は幾何学的に厳密な意味での三角形及び台形である必要はなく、断面形状の側辺は直線であることが好ましいが、湾曲していても差支えがない。

隣接する凸条間により形成される谷部は、底部に平坦面をもたない凹条となっていることが好ましい。
凸条の表面には凸条内部の材質とは屈折率の異なる反射防止膜層が形成されていることが好ましい。
また、凸条の材質は基板の材質とは異なっていてもよい。その場合、凸条内部の材質は基板の材質よりも高屈折率であることが好ましい。

このような表面の微細凹凸形状を形成するための第２の目的を達成するための本発明の製造方法は、基板の表面に断面矩形の凸条が互いに平行に、かつこの光学素子を使用するときの使用波長域に含まれる光の波長以下のピッチで等間隔に配置された微細凹凸を形成する微細凹凸形成工程と、その後、ドライエッチング工程と堆積工程を含んで凸条の断面形状を三角形又は台形に加工するドライ加工工程と、を含んでいる。
この場合の凸条の断面形状の三角形及び台形も上に記載しているように幾何学的に厳密な意味での形状である必要はない。

ドライ加工工程は隣接する凸条間に形成される谷部の底に平坦面がなくなるまでドライエッチング工程と堆積工程を交互に繰り返すことが好ましい。このとき、堆積する材料は、１種類のみでなく、屈折率の異なる複数の材料であってもよい。
凸条の材質と基板の材質とが異なったものとするには、この光学素子を使用するときの使用波長域において透明である基板上に所望の屈折率の材料の層を堆積するか、又は張り合わせた後、その材料層に微細凹凸形成工程及びドライ加工工程を施すようにすればよい。

凸条の表面には凸条内部の材質とは屈折率の異なる反射防止膜層を形成するには、ドライ加工工程における堆積工程では微細凹凸形成工程で形成された微細凹凸を構成する材料とは異なる屈折率の材料層を堆積するようにすればよい。

以下に、本発明の製造方法の好ましい形態における流れを概略的に示す。図２はその流れにおける断面形状変化を示したものである。
（Ａ）は図１（Ｆ）に示されているドライエッチング後の形状の代表例である。基板２の表面に微細凹凸形状８が形成されている。微細凹凸形状８は断面形状が矩形であり、それぞれの矩形断面形状で示される凸部が紙面垂直方向に延びて凸条となっている。これを初期形状として本発明の光学素子を製作する。

（Ｂ）この形状に対して等方的な条件でエッチングを実施すると、図２（Ｂ）のような三角形の断面形状となる。この状態では断面形状が矩形から三角形になったものの、隣接する凸条間に平坦面１２が残っている。

（Ｃ）この形状に同じ材料又は他の材料で堆積を行う。堆積は体積あたりの表面積が小さくなる方向に進行するため、三次元形状の上部及び角部に堆積しやすい特性がある。そのため、この堆積により、図２（Ｃ）に示されるように、かまぼこ型に盛り上がった凸条１４となる。図２（Ｃ）の形状では断面形状の鋭角形状は維持されず、やや丸みを帯びた形状となる。
また、このとき、隣接する凸条１４が接近して隣接する凸条１４間の平坦面がなくなるようにすることができる。

（Ｄ）図２（Ｃ）形状を変更する必要がある場合には、例えばＡｒのような不活性ガスによる物理的スパッタリング条件下でエッチングを実施すると、斜面の丸みを帯びた部分の突部がエッチングされやすくなるので、図２（Ｄ）に示されるような凸条の断面形状を三角形に近づけることができる。このとき、凸条の断面形状は基板に入射するイオンのエネルギーや圧力等で制御することができる。

図２（Ｂ）の段階で隣接する凸条１０間の幅が広く、一度の堆積では隣接する凸条１０間の平坦部１２が残ってしまったり、アスペクト比が高く所望の深さをもつ形状を一度の工程では得られない場合には、図２（Ｃ）と（Ｄ）の工程を複数回繰り返すことにより、最終的に隣接する凸条１４間に平坦面をもたずに、断面が三角形状の凸条が接触して連った形状の微細凹凸構造を得ることができる。

本発明の光学素子は、基板の表面に、誘電体にてなり、傾斜した側面をもつ凸条が互いに平行に、かつ使用波長域に含まれる光の波長以下のピッチで等間隔に配置されているので、誘電体にてなる微細凹凸表面が複屈折を示すことを利用した格子型波長板などの光学素子であるとともに、凸条の側面が傾斜していることにより入射光の反射を抑えた光学素子とすることができる。

隣接する凸条間により形成される谷部が底部に平坦面をもたない凹条となっているようにすることにより入射光の反射をより一層抑えることができる。
凸条の表面には凸条内部の材質とは屈折率の異なる反射防止膜層が形成されているようにすることにより表面での光の反射をより一層抑えることができる。
凸条の材質を基板の材質とは異なったものとすることにより、材料選択の自由度か高まり、製作が容易になる。

本発明の製造方法によれば、微細凹凸形成工程とドライ加工工程とにより断面形状が三角形又は台形の凸条を形成することができる。
図２（Ｃ）の堆積工程は、凸条の頂部に近い所がより堆積しやすい性質を有する。このことにより、図２（Ｃ）〜（Ｄ）の工程の繰り返しで、更に高アスペクト比をもつ形状を形成することが可能となる。マスク形状を掘り込んで上層から下層へ形状転写するドライエッチングのようなトップダウン工程で凹凸形状を形成しようとすれば、深さを深くするためにはマスクとのエッチングレート差を大きくすることが必要となるが、本発明工程では深さは堆積による材料の積み上げで形成し、エッチングはその後の形状調整に使うため、マスク材との選択比を考慮する必要がない。このため、高アスペクト比の形状を作成することが容易となる。また、エッチングは物理的スパッタリングで行うので、ケミカルエッチングとしての反応性が低く、エッチングされ難い難エッチング材料においても加工可能である。

このように、本発明の製造方法によれば、今まで形成が難しいとされてきた凸条間の谷部が鋭角形状である微細凹凸形状も、難エッチング材料では形成困難な高アスペクト比の形状形成を可能となる。
その結果、本発明によれば、実施例で挙げた複屈折構造の微細光学デバイスへの応用展開の他にも、ＭＥＭＳ(Micro Electrical Mechanical System)などの分野にも応用展開が可能である。

（実施例１）
図３を参照して、本発明の光学素子の第１の実施例を製造方法とともに示す。
図３（Ｄ）は一実施例の光学素子を表わす。石英ガラス基板２０の表面に、誘電体である五酸化タンタルにてなり、断面形状が三角形の凸条２８が互いに平行に、かつ使用波長域に含まれる光の波長以下のピッチで等間隔に配置されて表面の微細三次元構造が形成されている。微細三次元構造が形成されている五酸化タンタルは基板の石英よりも屈折率が大きい。隣接する凸条２８間により形成される谷部３０は、底部に平坦面をもたない凹条となっている。
微細三次元構造上には微細三次元構造を構成する材料とは別の屈折率をもつ材料層が形成されて、素子の表面が平坦化されていてもよい。他の実施例においても同様である。

図３（Ａ）から（Ｄ）を参照して製造方法の一実施例を説明する。
（Ａ）厚さ１ｍｍの石英ガラス基板２０上に五酸化タンタルを０．５μｍの厚さにスパッタリングにより成膜した。成膜した五酸化タンタルは基板とは異なる「材料」の一例である。基板２０上に形成する材料層は、基板よりも高屈折率材料であることが好ましく、そのような誘電体の高屈折率材料としては、五酸化タンタルの他に、酸化チタン、五酸化ニオブ、硫化亜鉛、酸化ジルコニウム、ＩＴＯ（Indium-Tin Oxide)、ＺＴＯ（ＺｒＴｉＯ₂）、酸化インジウム、酸化スズなどを用いることができる。また、下地基板としてこの実施例では石英ガラス基板を用いたが、最終製品として所望の光学性能を満たすものであれば、他の光学材料でも構わない。

成膜基板を硫酸・過酸化水素混合液で３分間洗浄した。
洗浄後の基板の五酸化タンタル膜上に電子線描画用レジストを滴下し、３０００ｒｐｍで３０秒間スピンコートして塗布した。その後、プリベークとしてホットプレートで２００℃で１８０秒間加熱した。レジスト膜厚は１５０ｎｍになるように設定した。
レジストを塗布した基板に電子線描画を実施し、ピッチ１５０ｎｍでライン：スペース＝１：１のライン・アンド・スペース状に描画した。ラインは凸条、スペースは凸条間の間隔である。描画後の基板を現像処理することにより深さ１５０ｎｍでアスペクト比１：１のレジストパターンを得た。

このレジストパターンの微細凹凸形状をドライエッチング法により五酸化タンタルに形状転写した。ここでは、エッチング装置としてＩＣＰ（誘導結合プラズマ）装置を用い、ＣＨＦ₃の流量を２０ｓｃｃｍ、圧力を５ｍＴｏｒｒ、ソースパワー／バイアスパワー＝１０００Ｗ／１００Ｗの条件で４５秒間エッチングを実施した。

以上の工程により、石英基板２０上に五酸化タンタルにてなる高さ１００ｎｍ、ピッチ１５０ｎｍのライン：スペース＝１：１のライン・アンド・スペース形状の微細凹凸形状２２を形成した。この微細凹凸形状２２を基にして断面形状が三角形の凸条からなる微細凹凸形状を形成する。

（Ｂ）微細凹凸形状２２にスパッタリング装置を用いてスパッタリングを施した。用いたスパッタリング装置は、基板側にＲＦバイアスを印加することができ、成膜や逆スパッタの際にイオンの入射エネルギーを制御することができる。
このスパッタリング工程では、１０ｍＴｏｒｒの圧力下でＡｒプラズマを発生させて逆スパッタを実施した。このとき、基板側に８０ＷのＲＦバイアスを印加し、１２０秒間スパッタリングを実施した。

この工程によりスパッタリング反応のイールド（反応のしやすさ）の関係により矩形形状の角が取れ、図３（Ｂ）に示すような断面形状が三角形の凸条２４になる。この時点での寸法はＡＦＭ（原子間力顕微鏡）による測定値において凸条２４の高さが９５ｎｍ、凸条２４間の谷部２５の平坦面の幅が７５ｎｍになっている。断面が矩形の凸条２２が断面が三角形の凸条２４に変形することにより凸条の高さが若干目減りするものの、谷部２５の平坦面の幅はほとんど変わらずに、凸条２４の三角形状が形成できている。

（Ｃ）次に、工程（Ｂ）と同じスパッタリング装置を使用し、１０ｍＴｏｒｒの圧力下でスパッタリング法により五酸化タンタルを２５０ｎｍの厚さに成膜した。この時は、基板に３０Ｗのバイアスパワーを印加して成膜を行った。低パワーのバイアスを印加しながら成膜することで、凸条２４の断面の三角形の上部と下部に堆積する割合を制御し、図３（Ｃ）に示すかまぼこ型の断面形状をもつ凸条２６形状を形成した。このとき、隣接する凸条２６が接触しており、隣接する凸条２６間の谷部に平坦面は残っていない。

（Ｄ）次に、同じスパッタリング装置を使用し、１０ｍＴｏｒｒの圧力下でＡｒプラズマを発生し、再度逆スパッタを実施した。このとき、基板側に１５０ＷのＲＦバイアスを印加し、４０秒間実施した。やや強めのバイアスパワーを印加することで、凸条２６の側面が抉れるようにスパッタリング反応が進行する。このスパッタリング工程により、ピッチ１５０ｎｍ、深さ２５０ｎｍの断面三角形上の凸条２８を得た。隣接する凸条２８間の谷部３０に平坦面は残っていない。
本実施例における加工された基板を位相差測定機にて測定した結果、位相差は波長４００ｎｍで０.２７５λ、波長４２５ｎｍで０.２５λ、波長４５０ｎｍで０.２３λであり、この構造は波長４００〜４５０ｎｍにおいてλ／４の位相差を示す。
本実施例では堆積工程（Ｃ）を１回実施したが、堆積（Ｃ）とスパッタリング（Ｄ）の組を複数回実施すれば更に深い形状形成も可能である。

（実施例２）
図４を参照して、本発明の光学素子の第２の実施例を製造方法とともに示す。
図４（Ｄ）は第２の実施例の光学素子を表わす。石英ガラス基板２０の表面に、誘電体にてなり、断面形状が三角形の凸条３８が互いに平行に、かつ使用波長域に含まれる光の波長以下のピッチで等間隔に配置されて表面の微細三次元構造が形成されている。微細三次元構造が形成されている材質は基板２０の石英よりも屈折率が大きい。隣接する凸条３８間により形成される谷部３０は、底部に平坦面をもたない凹条となっている。
凸条３８は、断面形状が三角形で五酸化タンタルからなる凸条３４の表面に、五酸化タンタルとは屈折率の異なる五酸化ニオブからなる反射防止膜層３６ａが形成されたものである。

図４（Ａ）から（Ｄ）を参照してこの実施例の製造方法を説明する。
（Ａ）厚さ１ｍｍの石英ガラス基板２０上に五酸化タンタルを０．５μｍの厚さにスパッタリングにより成膜した。五酸化タンタル成膜基板を硫酸・過酸化水素混合液で３分間洗浄した。

洗浄後の成膜基板の五酸化タンタル膜上にインプリント法で樹脂にてなる微細凹凸形状を形成した。
そのインプリント法の一例を示す。成膜基板の五酸化タンタル膜上の中心部に被転写樹脂を０．３ｍｇ塗布した。被転写樹脂としては、ライトウェルド４０１（大日本インキ株式会社の製品）を使用した。この樹脂層上に、別途用意した、高さ１５０ｎｍ、ピッチ１５０ｎｍのライン：スペース＝１：２のライン・アンド・スペース形状の微細凹凸形状をもつ石英ガラス製の金型を載せ、面合わせを実施した。次にその面合わせ基板を１００ｋＰａで加圧した状態で、波長３６５ｎｍのＵＶ光を６００ｍｊ照射して樹脂を硬化させた。その後、金型の離型を行った。以上の工程により五酸化タンタル膜上に高さ１５０ｎｍ、ライン：スペース＝２：１のライン・アンド・スペース形状を樹脂で形成した。

この樹脂形状をドライエッチング法により五酸化タンタルに形状転写した。ここでは、エッチング装置としてはＩＣＰ装置を用い、ＣＨＦ₃の流量を２０ｓｃｃｍ、圧力を５ｍＴｏｒｒ、ソースパワー／バイアスパワー＝１０００Ｗ／１００Ｗの条件で５５秒間エッチングを実施した。

以上の工程により、石英基板２０上に五酸化タンタルにてなる高さ１１０ｎｍ、ピッチ１５０ｎｍのライン：スペース＝２：１のライン・アンド・スペース形状の微細凹凸形状３２を形成した。この微細凹凸形状３２を基にして断面形状が三角形の凸条からなる微細凹凸形状を形成する。

（Ｂ）微細凹凸形状３２に実施例１と同じスパッタリング装置を用いてスパッタリングを施した。このスパッタリング工程では、１０ｍＴｏｒｒの圧力下でＡｒプラズマを発生させて逆スパッタを実施した。このとき、基板側に８０ＷのＲＦバイアスを印加し、１２０秒間スパッタリングを実施した。

この工程によりスパッタリング反応のイールドの関係により矩形形状の角が取れ、図４（Ｂ）に示すような断面形状が三角形の凸条３４になる。この時点での寸法はＡＦＭによる測定値において凸条３４の高さが１００ｎｍ、凸条３４間の谷部３５の平坦面の幅が５０ｎｍになっている。断面が矩形の凸条３２が断面が三角形の凸条３４に変形することにより凸条の高さが若干目減りするものの、谷部３５の平坦面の幅はほとんど変わらずに、凸条３４の三角形状が形成できている。

（Ｃ）次に、工程（Ｂ）と同じスパッタリング装置を使用し、１０ｍＴｏｒｒの圧力下でスパッタリング法により五酸化ニオブを２００ｎｍの厚さに成膜した。この時は、基板に３０Ｗのバイアスパワーを印加して成膜を行った。低パワーのバイアスを印加しながら成膜することで、凸条３４の断面の三角形の上部と下部に堆積する割合を制御し、図４（Ｃ）に示すかまぼこ型の断面形状をもつ凸条３６形状を形成した。このとき、隣接する凸条３６が接触しており、隣接する凸条３６間の谷部に平坦面は残っていない。

（Ｄ）次に、同じスパッタリング装置を使用し、１０ｍＴｏｒｒの圧力下でＡｒプラズマを発生し、再度逆スパッタを実施した。このとき、基板側に１５０ＷのＲＦバイアスを印加し、４０秒間実施した。やや強めのバイアスパワーを印加することで、凸条３６の側面が抉れるようにスパッタリング反応が進行する。このスパッタリング工程により、ピッチ１５０ｎｍ、深さ２９０ｎｍの断面三角形状の凸条３８を得た。隣接する凸条３８間の谷部３０に平坦面は残っていない。

本実施例では、１００ｎｍの高さの五酸化タンタルの断面が三角形状の凸条３４上に、底部においては５０ｎｍ、頂部においては１９０ｎｍの厚さの五酸化ニオブ層３６ａが乗っている形になる。このように複数層の構成にして各層間の屈折率を変えることで、より強いアンチ・リフレクト（低反射率）効果を発現することが可能となる。
本実施例における加工された基板を位相差測定機にて測定した結果、位相差は波長５２０ｎｍで０.２７５λ、波長５６０ｎｍで０.２５λ、波長６００ｎｍで０.２３λであり、この構造は波長５２０〜６００ｎｍにおいてλ／４の位相差を示す。

なお、凸条３４上の五酸化ニオブ層３６ａの底部と頂部の成膜量は、スパッタリング装置のチャンバー内圧力によって平均自由工程を制御すること、及び堆積する基板にバイアスパワーを印加しイオンの入射エネルギーを設定することにより、五酸化ニオブ層３６ａの成膜量が凸条３４上の底部と頂部で等しい状態から頂部で厚く堆積された状態まで任意に制御可能である。

（実施例３）
図５を参照して、本発明の光学素子の第３の実施例を製造方法とともに示す。
図５（Ｅ）は第３の実施例の光学素子を表わす。石英ガラス基板２０の表面に、誘電体である五酸化タンタルにてなり、断面形状が三角形の凸条２８が互いに平行に、かつ使用波長域に含まれる光の波長以下のピッチで等間隔に配置されて表面の微細三次元構造が形成されている。微細三次元構造が形成されている五酸化タンタルは基板の石英よりも屈折率が大きい。隣接する凸条２８間により形成される谷部３０は、底部に平坦面をもたない凹条となっている。
本実施例では、凸条２８の頂部２８ａが断面形状において半径５ｎｍ程度の円形になっており、凸条２８の表面には反射防止膜が形成されている。

図５（Ａ）から（Ｅ）を参照して本実施例の製造方法を説明する。
（Ａ）〜（Ｄ）図３に示される第１の実施例の製造方法（Ａ）から（Ｄ）に従い、五酸化タンタルからなるピッチ１５０ｎｍ、深さ２５０ｎｍの断面三角形上の凸条２８を得た。隣接する凸条２８間の谷部３０に平坦面は残っていない。

（Ｅ）続いて、同じスパッタリング装置を使用し、５０ｍＴｏｒｒの圧力下でＡｒプラズマを発生し、逆スパッタを２０秒間実施した。このとき、バイアスパワーはかけずに自己バイアスのみで実施した。この工程により、凸条２８の底部の形状は変化せずに、頂部が変形して断面形状で半径が５ｎｍの円弧状になった。

次に、この微細凹凸形状に反射防止膜を形成した。反射防止膜は、λ＝４５０ｎｍとしてＡｌ₂Ｏ₃（膜厚ｎｄ＝λ／２）、ＺｒＯ₂（膜厚ｎｄ＝λ／２）、ＭｇＦ₂（膜厚ｎｄ＝λ／４）の条件にて成膜した。
この光学素子も実施例１のものと同様に、波長４００〜４５０ｎｍにおいてλ／４の位相差を示す波長板となった。

（実施例４）
図６を参照して、本発明の光学素子の第４の実施例を製造方法とともに示す。
図６（Ｃ）は第４実施例の光学素子を表わす。ホウケイ酸ガラス基板４０の表面に、誘電体である五酸化タンタルにてなり、断面形状が台形の凸条４６が互いに平行に、かつ使用波長域に含まれる光の波長以下のピッチで等間隔に配置されて表面の微細三次元構造が形成されている。微細三次元構造が形成されている五酸化タンタルは基板のホウケイ酸ガラス基板４０よりも屈折率が大きい。隣接する凸条４６間により形成される谷部４８は、底部に平坦面をもたない凹条となっている。凸条４６の表面及び側面には反射防止膜が形成されている。

図６（Ａ）から（Ｃ）を参照して本実施例の製造方法を説明する。
（Ａ）厚さ１ｍｍのホウケイ酸ガラス基板４０上に五酸化タンタルを０．５μｍの厚さにスパッタリング法により成膜した。五酸化タンタル成膜基板を硫酸・過酸化水素混合液で３分間洗浄した。

洗浄後の基板の五酸化タンタル膜上に電子線描画用レジストを滴下し、３０００ｒｐｍで３０秒間スピンコートして塗布した。その後、プリベークとしてホットプレートで２００℃で１８０秒間加熱した。レジスト膜厚は１５０ｎｍになるように設定した。
レジストを塗布した基板に電子線描画を実施し、ピッチ１５０ｎｍでライン：スペース＝２：１のライン・アンド・スペース状に描画した。描画後の基板を現像処理することにより深さ１５０ｎｍでアスペクト比１：１のレジストパターンを得た。

このレジストパターンの微細凹凸形状をドライエッチング法により五酸化タンタルに形状転写した。エッチング装置としてＩＣＰ装置を用い、ＣＨＦ₃の流量を２０ｓｃｃｍ、圧力を５ｍＴｏｒｒ、ソースパワー／バイアスパワー＝１０００Ｗ／１００Ｗの条件で４５秒間エッチングを実施した。

以上の工程により、ホウケイ酸ガラス基板４０上に五酸化タンタルにてなる高さ１５０ｎｍ、ピッチ１５０ｎｍのライン：スペース＝２：１のライン・アンド・スペース形状の微細凹凸形状４２を形成した。この微細凹凸形状４２を基にして断面形状が三角形の凸条からなる微細凹凸形状を形成する。

（Ｂ）実施例１と同じスパッタリング装置を用い、まず、１０ｍＴｏｒｒの圧力下でＡｒプラズマを発生し逆スパッタを実施した。このとき、基板側に８０ＷのＲＦバイアスを印加し、４０秒間実施した。
この工程によりスパッタリング反応のイールドの関係により凸条４２の断面矩形形状の角が取れ、図４（Ｂ）に示されるような断面が台形形状になる。この時点での断面形状の寸法は、ＡＦＭ測定値において底部幅が５０ｎｍ、高さが１５０ｎｍになっていた。本実施例においては逆スパッタの時間を短く設定してあるので、凸条４２の高さも谷部４５の平坦面の幅もほとんど変わらずに、断面が台形の凸条４４が形成できている。

（Ｃ）次に、工程（Ｂ）と同じスパッタリング装置を使用し、５ｍＴｏｒｒの圧力下で五酸化タンタルを１００ｎｍの厚さに成膜した。このとき、基板にバイアスパワーを２０Ｗ印加して成膜を行った。高真空条件で、弱めのバイアスを印加しながら成膜することにより、断面形状が台形の頂部と底部での成膜レート差を小さくし、図６（Ｃ）に示されるような高さが２５０ｎｍの断面形状が台形の凸条４６を形成した。
この成膜を実施することにより、隣接する凸条４６が接触しており、隣接する凸条４６間の谷部の平坦面は消滅し、凸条４６の頂面の角が丸味を帯び、半径５ｎｍ程度の曲面になっている。

その後、この微細凹凸形状に図３に示される実施例３と同様に反射防止膜を形成した。
本実施例における加工された基板を位相差測定機にて測定した結果、位相差は波長４００ｎｍで０.１８λ、波長５５０ｎｍで０.１２３λ、波長７００ｎｍで０.０９６λであり、この実施例による素子は、波長４００〜７００ｎｍにおいてλ／８の位相差を示す波長板となった。

（実施例５）
図７を参照して、本発明の光学素子の第５の実施例を製造方法とともに示す。
図７（Ｂ）は第５実施例の光学素子を表わす。石英ガラス基板５０の表面に、誘電体である五酸化タンタルにてなり、断面形状が三角形の凸条５４が互いに平行に、かつ使用波長域に含まれる光の波長以下のピッチで等間隔に配置されて表面の微細三次元構造が形成されている。微細三次元構造が形成されている五酸化タンタルは基板の石英ガラス基板５０よりも屈折率が大きい。隣接する凸条５４間により形成される谷部５５は、底部に平坦面をもっている。凸条５４の表面、側面及び谷部５５の底面には反射防止膜が形成されている。

図７（Ａ）及び（Ｂ）を参照して本実施例の製造方法を説明する。
（Ａ）厚さ１ｍｍの石英ガラス基板５０上に酸化タンタルを０．５μｍの厚さにスパッタリング法により成膜した。五酸化タンタル成膜基板を硫酸・過酸化水素混合液で３分間洗浄した。

洗浄後の基板の五酸化タンタル膜上に電子線描画用レジストを滴下し、３０００ｒｐｍで３０秒間スピンコートして塗布した。その後、プリベークとしてホットプレートで２００℃で１８０秒間加熱した。レジスト膜厚は１５０ｎｍになるように設定した。

レジストを塗布した基板に電子線描画を実施し、ピッチ１５０ｎｍでライン：スペース＝４：１のライン・アンド・スペース状に描画した。描画後の基板を現像処理することにより深さ１５０ｎｍでアスペクト比５：１のレジストパターンを得た。

このレジストパターンの微細凹凸形状をドライエッチング法により五酸化タンタルに形状転写した。エッチング装置としてＩＣＰ装置を用い、ＣＨＦ₃の流量を２０ｓｃｃｍ、圧力を３ｍＴｏｒｒ、ソースパワー／バイアスパワー＝１０００Ｗ／１００Ｗの条件で４５秒間エッチングを実施した。

以上の工程により、石英ガラス基板５０上に五酸化タンタルにてなる高さ１５０ｎｍ、ピッチ１５０ｎｍのライン：スペース＝４：１のライン・アンド・スペース形状の微細凹凸形状５２を形成した。この微細凹凸形状５２を基にして断面形状が三角形の凸条からなる微細凹凸形状を形成する。

（Ｂ）工程（Ａ）と同じＩＣＰ装置を用い、Ａｒの流量を２０ｓｃｃｍ、圧力を３ｍＴｏｒｒ、ソースパワー／バイアスパワー＝１０００Ｗ／８０Ｗの条件で２５秒間エッチングを実施した。
この工程によりエッチング反応のイールドの関係により断面形状が矩形形状の凸条５２の角が取れ、図７（Ｂ）に示されるような断面形状が三角形の凸条５４となる。この時点での寸法は、ＡＦＭ測定値において凸条５４の断面形状の高さが１５０ｎｍ、隣接する凸条５４間の谷部５５の底部の幅が３０ｎｍで、凸条５２の高さも谷部５５の平坦面の幅もほとんど変わらずに、断面が三角形の凸条５４が形成できている。
その後、この微細凹凸形状に図３に示される実施例３と同様に反射防止膜を形成した。

本実施例における加工された基板を位相差測定機にて測定した結果、位相差は波長４００ｎｍで０.１３５λ、波長４２５ｎｍで０.１２４λ、波長４５０ｎｍで０.１１７λであり、この実施例による素子は、波長４００〜４５０ｎｍにおいてλ／８の位相差を示す波長板となった。

フォトリソグラフィーを利用した微細凹凸形状を形成する方法の一例を示す工程断面図である。 本発明の製造方法の流れを工程断面図である。 第１の実施例を示す工程断面図である。 第２の実施例を示す工程断面図である。 第３の実施例を示す工程断面図である。 第４の実施例を示す工程断面図である。 第５の実施例を示す工程断面図である。

符号の説明

２ 基板
８，２２，３２ 微細凹凸形状
１０，１４，２２，２４，２６，２８，３４，３８，４２，４６ 凸条
１２ 凸条間の平坦面
２０ 石英ガラス基板
２５，３０，３５，４５，４８ 谷部
２８ａ 頂部
３６ａ 反射防止膜層
４０ ホウケイ酸ガラス基板

Claims (11)

1. 基板の表面に、誘電体にてなり、傾斜した側面をもつ凸条が互いに平行に、かつ使用波長域に含まれる光の波長以下のピッチで等間隔に配置されていることを特徴とする光透過型の光学素子。
2. 前記突条の断面形状は三角形又は台形である請求項１に記載の光学素子。
3. 隣接する前記凸条間により形成される谷部は、底部に平坦面をもたない凹条となっている請求項１又は２に記載の光学素子。
4. 前記凸条の表面には凸条内部の材質とは屈折率の異なる反射防止膜層が形成されている請求項１から３のいずれかに記載の光学素子。
5. 前記凸条の材質は前記基板の材質とは異なっている請求項１から４のいずれかに記載の光学素子。
6. 前記凸条内部の材質は前記基板の材質よりも高屈折率である請求項５に記載の光学素子。
7. 請求項１に記載の光学素子を製造する方法であって、
   基板の表面に断面矩形の凸条が互いに平行に、かつ該光学素子を使用するときの使用波長域に含まれる光の波長以下のピッチで等間隔に配置された微細凹凸を形成する微細凹凸形成工程と、
   その後、ドライエッチング工程と堆積工程を含んで前記凸条の断面形状を三角形又は台形に加工するドライ加工工程と、
   を含むことを特徴とする光学素子製造方法。
8. 前記ドライ加工工程は隣接する凸条間に形成される谷部の底に平坦面がなくなるまでドライエッチング工程と堆積工程を交互に繰り返す請求項７に記載の光学素子製造方法。
9. 該光学素子を使用するときの使用波長域において透明である基板上に所望の屈折率の材料の層を堆積し、この材料層に前記微細凹凸形成工程及びドライ加工工程を施す請求項７又は８に記載の光学素子製造方法。
10. 該光学素子を使用するときの使用波長域において透明である基板上に所望の屈折率の材料層を張り合わせ、この材料層に前記微細凹凸形成工程及びドライ加工工程を施す請求項８又は８に記載の光学素子製造方法。
11. 前記ドライ加工工程における堆積工程では前記微細凹凸形成工程で形成された微細凹凸を構成する材料とは異なる屈折率の材料層を堆積する請求項７から１０のいずれかに記載の光学素子製造方法。

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