JP7325122B2 - 光吸収素子、光吸収体、及び光吸収素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、広波長域の光を吸収する光吸収素子に関する。より詳しくは、本発明は、広い波長域（例えば可視光域の波長域と近赤外線の波長域）の光を吸収する極微細金属構造を備える光吸収素子に関する。

広波長域の光を吸収する黒色塗装は、例えば、光の反射や迷光の発生を抑制する目的で光学技術に欠かせないものである。しかし、実際に真に黒いものを作ることは極めて困難である。特に平坦な表面で黒色を実現することは、不可能に近かった。実際、表面に凹凸構造や毛羽立ったような構造を形成し、この構造内部に光を補足することで、黒色を実現している。そのため、黒色を得るために必要な層の厚みが厚くなる。

近年、ナノメートルスケールの極微細金属構造と光との共鳴相互作用を利用して、光の反射を抑制し光を吸収する技術が開発されている。このような技術は、例えば下記の特許文献１に開示されている。

国際公開公報ＷＯ２０１６／１３２９７９

しかし、特許文献１には、広波長域の光を吸収する極微細金属構造は開示されていない。そのため、広波長域の光を吸収する極微細金属構造が望まれる。例えば、このような極微細金属構造を利用して光学機器の黒色面を実現することが望まれる。

そこで、本発明の目的は、広波長域の光を吸収できる極微細金属構造の技術を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明による光吸収素子は金属材料により形成された渦巻構造を備え、
前記渦巻構造は、基点部と、該基点部から延びている線状部とを含み、
前記基点部を通る軸を基準軸とし、該基準軸から放射状に延びる方向を径方向として、
前記線状部は、前記基準軸を回りながら、且つ、前記基点部から前記径方向の外側へ移行しながら、前記基点部から渦巻き状に延びている。

また、本発明による光吸収体は、上述の光吸収素子と、前記光吸収素子を支持する素子支持面と有し、前記素子支持面には、多数の前記光吸収素子が配置されている。

また、本発明による製造方法は、光吸収素子の製造方法であって
前記光吸収素子は、金属材料により形成された渦巻構造を備え、
前記渦巻構造は、基点部と、該基点部から延びている線状部とを含み、
前記基点部を通る軸を基準軸とし、該基準軸から放射状に延びる方向を径方向として、
前記線状部は、前記基準軸を回りながら、且つ、前記基点部から前記径方向の外側へ移行しながら、前記基点部から渦巻き状に延びており、
被処理体の表面に、金属材料で形成され渦巻き状のパターンを有する渦巻き金属層を形成し、該渦巻き金属層は、前記基点部に相当する基点層部と、前記線状部に相当する線状層部を含む。

本発明によると、広波長域の光を吸収できる極微細金属構造を実現できる。

本発明の第１実施形態による光吸収素子の構造を示す。 図１Ａの１Ｂ－１Ｂ矢視図である。 第１実施形態による製造方法を示すフローチャートである。 第１実施形態による製造方法の説明図である。 第１実施形態による製造方法で製造された光吸収素子のＳＥＭ画像を示す。 本発明の第２実施形態による光吸収素子の構造を示す。 図５Ａの５Ｂ－５Ｂ矢視図である。 第２実施形態による製造方法を示すフローチャートである。 第２実施形態による製造方法の説明図である。 第２実施形態による製造方法で製造された光吸収素子のＳＥＭ画像を示す。 本発明の実施形態による光吸収体の構成を示す。 図９Ａの９Ｂ－９Ｂ矢視図である。 第１実施形態の製造方法に従って製造した光吸収体の光学特性に関する実験結果である。 第２実施形態の製造方法に従って製造した光吸収体の光学特性に関する実験結果である。 渦巻構造の他の形態を示す模式図である。 光吸収体の他の形態を示す模式図である。 渦巻構造が支持体の表面から離間していない構成を有する光吸収体の光学特性に関する実験結果である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。また、以下の説明は、特許請求の範囲に記載された発明を限定するものではない。例えば、本発明は、以下で述べる構成要素の全てを備えるものに限定されない。

［第１実施形態］
（光吸収素子の構成）
図１Ａは、本発明の第１実施形態による光吸収素子１０の構造を示す。図１Ｂは、図１Ａの１Ｂ－１Ｂ矢視図である。光吸収素子１０は、広波長域の光を吸収する。当該広波長域は、可視光（およそ波長３８０ｎｍ）から遠赤外光（波長およそ１ｍｍ）までの範囲の全部もしくは一部もしくはいくつかの部分を含んでよい。例えば、当該広波長域は、可視光域の波長域（すなわち、３８０ｎｍ～８１０ｎｍ）の一部または全部を含んでよい。また、当該広波長域は、可視光域の波長域の一部または全部に加えて、又は、可視光域の波長域の一部または全部の代わりに、赤外線の波長域（８１０ｎｍ～１ｍｍ）の一部を更に含んでよい。ここで、赤外線の波長域の一部は、近赤外線の波長域（０．７６μｍ～２．５μｍの波長域）を含んでよい。

光吸収素子１０は、全体の寸法が例えば数千マイクロメートル以下の極微細金属構造である渦巻構造３を備える。渦巻構造３は、金属材料により形成されている。渦巻構造３は、基点部３ａと、基点部３ａから渦巻き状に延びている線状部３ｂとを有する。以下において、基点部３ａを通る軸を基準軸Ｃとし、基準軸Ｃと平行な方向を軸方向とし、基準軸Ｃと直交して基準軸Ｃから放射状に延びる方向を径方向とする。本実施形態では、図１Ａと図１Ｂのように、線状部３ｂは、基準軸Ｃを回りながら、且つ、基点部３ａから径方向の外側および軸方向へ移行しながら、基点部３ａから渦巻き状に延びている。ただし、本発明によると、線状部３ｂの全体が、基点部３ａを含む平面に位置していてもよい。すなわち、線状部３ｂは、基準軸Ｃを回りながら、且つ、基点部３ａを含む平面に位置しつつ基点部３ａから径方向の外側へ移行しながら、基点部３ａから渦巻き状に延びていてもよい。

渦巻構造３を形成する金属材料は、例えばＡｕ、Ａｇ又はＣｕであるが、他の材料（Ｎｉなど）であってもよい。なお、以下で言及する各金属材料又は各金属も、例えばＡｕ、Ａｇ又はＣｕであるが、他の材料であってもよい。

本実施形態では、基点部３ａの径方向寸法は、線状部３ｂの径方向の太さよりも大きい。例えば、各径方向について、基点部３ａの径方向寸法は、線状部３ｂの径方向の太さよりも大きくてよい。ここで、線状部３ｂの径方向の太さとは、線状部３ｂにおいて径方向に互いに離間している各部分の径方向寸法を意味する。線状部３ｂの径方向の太さは、一例では、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下（例えば１００ｎｍ程度）である。

本実施形態では、線状部３ｂにおいて径方向に互いに隣接する部分同士の径方向間隔（隙間）は、線状部３ｂの径方向の太さと同程度あってよい。すなわち、一例では、当該径方向間隔は、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下（例えば１００ｎｍ程度）である。

また、渦巻構造３の径方向寸法は、例えば５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であってよいが、この範囲に限定されない。

線状部３ｂは、一例では、基点部３ａから延びて基準軸Ｃを少なくとも２周回っている。ただし、本発明は、これに限定されず、線状部３ｂは、例えば、２周よりも少なく基準軸Ｃを回っていてもよいし、３周より多く基準軸Ｃを回っていてもよい。また、一例では、線状部３ｂは、軸方向から見た場合に、図１Ｂのように曲線状に延びている。また、一例では、基準軸Ｃは、図１Ａのように、後述する支持体５の表面５ａと垂直な方向を向いている。また、一例では、金属材料で形成されている線状部３ｂは、基点部３ａとの結合位置から先端まで連続的に延びている。

また、光吸収素子１０は、渦巻構造３を支持する支持体５を備える。支持体５は、線状部３ｂから軸方向に離間している表面５ａと、該表面５ａから突出して基点部３ａに結合している突出部５ｂとを有する。突出部５ｂは、非金属材料（例えばガラスなどの透明な材料）で形成されていてもよい。図１Ａでは、支持体５は、表面５ａを有する基板５Ａを備える。

第１実施形態では、支持体５の表面５ａの全体は、非金属材料（例えばガラスなどの透明な材料）で形成されており、この表面５ａの一部には、金属層７が形成されている。なお、図１Ａにおいて、金属層７のみを、基準軸Ｃと平行な平面による断面として図示しており、当該平面は基準軸Ｃの近傍の面である。金属層７は、渦巻き金属層部７ａと周辺金属表面部７ｂを含む。図１Ｂにおいて、破線は、渦巻き金属層部７ａと周辺金属表面部７ｂとの仮想的な境界線を示す。渦巻き金属層部７ａは、表面５ａと垂直な方向から見た場合に、線状部３ｂにおいて径方向に互いに隣接する部分同士の間に位置し、線状部３ｂに沿って渦巻き状に延びている。このような金属層７と渦巻構造３との相互作用による光吸収が期待される。なお、金属層７は無くてもよい。

また、光吸収素子１０は、渦巻構造３が内部に埋め込まれるように形成された保護層８を備える。保護層８は、表面５ａに（図１Ａでは金属層７を介して）結合している。保護層８は、透明な材料（例えばポリマー）で形成されている。保護層８により、渦巻構造３が保護され、その損傷が防止される。

（光吸収素子の製造方法）
図２は、本発明の第１実施形態による、光吸収素子１０の製造方法を示すフローチャートである。図３Ａ～図３Ｊは、第１実施形態による製造方法の説明図である。

ステップＳ１において、図３Ａのように、被処理体５Ａを用意する。図３Ａの例では、被処理体５Ａの表面５ａ全体が非金属材料で形成されている。実施例では、被処理体５Ａは、非金属材料としてのシリコンで形成された基板である。なお、被処理体５Ａは、シリコン以外の非金属材料で形成されていてよい。

ステップＳ２において、後述する図３Ｅと図３Ｆのように、被処理体５Ａの表面５ａに、渦巻き状のパターン（以下で単に渦巻きパターンともいう）を有する渦巻き金属層１５を形成する。渦巻き金属層１５は、金属材料で形成されている。実施例では、ステップＳ２は、ステップＳ２１～Ｓ２５を有する。

ステップＳ２１では、被処理体５Ａの表面５ａに、レジスト層１１を形成する。レジスト層１１は、電子線に感光する材料で形成される。当該材料は、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）である。この場合、ＰＭＭＡの膜を表面５ａに塗布することにより、表面５ａに、ＰＭＭＡによるレジスト層１１を形成する。

ステップＳ２２では、図３Ｂのように、レジスト層１１の表面に、渦巻きパターンで電子ビームを照射する。

ステップＳ２３では、被処理体５Ａを現像液に浸すことにより、レジスト層１１において電子ビームが当てられた渦巻きパターンの部分を溶解させる。その結果、図３Ｃのように、レジスト層１１において、渦巻きパターンの部分が除去されることにより、渦巻き溝１３が形成される。渦巻き溝１３の底面は、露出した被処理体５Ａの表面５ａとなる。

渦巻き溝１３は、基点部３ａに相当する中央溝部１３ａと、線状部３ｂに相当する線状溝部１３ｂを有する。被処理体５Ａの表面５ａに直交する方向から見た場合、線状溝部１３ｂは、中央溝部１３ａから渦巻き状に延びている。表面５ａに平行な各方向において、中央溝部１３ａの寸法は、線状溝部１３ｂの太さよりも大きい。ここで、線状溝部１３ｂの太さとは、線状溝部１３ｂにおいて、中央溝部１３から離れる方向に互いに離間している各部分の寸法を意味する。このような中央溝部１３ａと線状溝部１３ｂの寸法関係により、中央溝部１３に相当する後述の基点層部１５ａと、線状溝部１３ｂに相当する後述の線状層部１５ｂのうち、線状層部１５ｂは、後述のエッチング処理により被処理体５Ａ（表面５ａ）から離間するが、基点層部１５ａは、後述のエッチング処理後でも被処理体５Ａに結合したままになる。

ステップＳ２４では、渦巻き溝１３の底面５ａと残存するレジスト層１１の表面に、真空蒸着法又はスパッタリング法により、金属材料を蒸着させることにより、図３Ｄのように、レジスト層１１の表面に金属層１６を形成し、渦巻き溝１３の底面に渦巻き金属層１５を形成する。

ステップＳ２５では、リフトオフ処理を行う。リフトオフ処理では、被処理体５Ａに残っているレジスト層１１を全て適宜の溶媒（有機溶媒）で溶かすことにより、被処理体５Ａにおいて、金属層１６を除去し、被処理体５Ａの表面５ａに直接形成された渦巻き金属層１５を残す。これにより、図３Ｅと図３Ｆのように、渦巻き金属層１５が被処理体５Ａの表面５ａに形成された状態になる。図３Ｆは、図３Ｅの３Ｆ－３Ｆ矢視図である。渦巻き金属層１５は、基点部３ａに相当する基点層部１５ａと、線状部３ｂに相当し基点層部１５ａから渦巻き状に延びている線状層部１５ｂとを有する。図３Ｆにおいて、破線は、基点層部１５ａと線状層部１５ｂとの仮想的な境界線である。

ステップＳ３において、被処理体５Ａの表面５ａのうち露出面を等方的に除去していくエッチング処理を行う。このエッチング処理は、例えば、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ－ＲＩＥ： Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）による処理であってよい。このＩＣＰ－ＲＩＥでは、真空の反応室において、エッチングガスに高周波を印加することによって、エッチングガスをプラズマ化し、プラズマ化したガスによる化学的反応で、被処理体５Ａの表面５のうち露出面を等方的にエッチングしていく。なお、当該露出面５ａを等方的にエッチングするために、被処理体５Ａにはバイアス電圧を印加しないようにしてよい。

ステップＳ３のエッチング処理により、被処理体５Ａにおいて、図３Ｇのように、線状層部１５ｂから軸方向に離間している新たな表面５ａと、当該表面５ａから突出して基点部３ａに結合された突出部５ｂを形成する。このような状態である時点で、エッチング処理を終了する。なお、エッチング処理後の被処理体５Ａが上述の支持体５を成す。

ステップＳ４において、真空蒸着法又はスパッタリング法により、図３Ｈのように、被処理体５Ａ及び渦巻き金属層１５上に更に金属層７を形成する。この場合、被処理体５Ａ上の金属層７は、上述の渦巻き金属層部７ａと周辺金属表面部７ｂを有する。また、基点層部１５ａと、基点層部１５ａ上の金属層７とが、上述の基点部３ａを成し、線状層部１５ｂと、線状層部１５ｂ上の金属層７とが、線状部３ｂを成す。

なお、ステップＳ４において、渦巻き金属層１５の背後に相当する位置では、渦巻き金属層１５が蒸着金属材料の障害となるので、上述の渦巻き金属層部７ａが形成される。また、ステップＳ４により、渦巻き金属層１５に更に金属層７を形成するので、その分、渦巻構造３の厚みを増やすことができる。

また、図３Ｉのように、線状部３ｂは、重力又は応力により、軸方向下方（この図の下方）へ移行しながら、渦巻き状に延びるようになる。その結果、上述した光吸収素子１０が形成される。なお、図３Ｅと図３Ｇと図３Ｈは、基点層部１５ａを含み当該図の紙面と平行な平面による断面図であり、図３Ｉと後述の図３Ｊは、当該図の紙面と垂直な方向へ渦巻構造３から離れた位置における断面を示す。

ステップＳ５において、内部に渦巻構造３を埋め込むように、透明な材料の保護層８を形成する。例えば、透明な材料の溶液の膜を、被処理体５Ａの表面５ａに（図３Ｊでは表面５ａ上の金属層７を介して）形成し、当該溶液を乾燥させた保護層８を形成する。一例では、透明な材料は、ポリマーであり、保護層８はポリマー層である。ステップＳ５により、保護層８の内部に渦巻構造３が埋め込まれた状態になる。

なお、金属層１５，７などを蒸着により形成する際に被処理体（基板）５Ａを加熱若しくは冷却するなどして応力を調整すると、図３Ｉの場合とは反対に、図３Ｋのように、表面５ａから離れる側に基点部３ａから渦巻き状に延びていく螺旋状構造を得ることもできる。この場合、光吸収素子１０の製造方法の他の点は、上述と同じであってよい。

なお、上述したステップＳ４を省略してもよい。この場合、ステップＳ３の後にステップＳ５が行われる。また、ステップＳ４とステップＳ５を省略してもよい。

図４は、第１実施形態における製造方法の実施例で製造した光吸収素子１０のＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）画像である。図４において、両方向矢印が示す範囲の寸法は５００ｎｍである。

第１実施形態によると、光吸収素子１０は、上述した立体的な極微細金属構造である渦巻構造３を有することにより、広波長域の光を吸収することができる。例えば、上述した光吸収素子１０は、赤外線の広波長域の光を吸収することができる。この場合、光吸収素子１０は、可視光域の広波長域の光と赤外線の広波長域（例えば近赤外線の広波長域）の光の両方を吸収することができる。このような効果は、後述する図１０Ａのように実験で確認された。

［第２実施形態］
（光吸収素子の構成）
図５Ａは、本発明の第１実施形態による光吸収素子１０の構造を示す。図５Ｂは、図１Ａの５Ｂ－５Ｂ矢視図である。第２実施形態による光吸収素子１０において、以下で説明しない点は、第１実施形態による光吸収素子１０と同じである。

第２実施形態の光吸収素子１０では、支持体５の構成が第１実施形態の場合と異なる。第２実施形態では、支持体５の表面５ａの全体は、金属材料で形成されており、この表面５ａには、上述の金属層７が形成されている。第２実施形態の実施例では、支持体５は、非金属材料で形成された非金属層（基板）１９と、非金属層１９上に形成された金属層２１を有する。なお、図５Ａにおいて、金属層７のみを、基準軸Ｃと平行な平面による断面として図示しており、当該平面は基準軸Ｃの近傍の面である。

（光吸収素子の製造方法）
図６は、本発明の第２実施形態による、光吸収素子１０の製造方法を示すフローチャートである。図７Ａ～図７Ｋは、第２実施形態による製造方法の説明図である。

ステップＳ１００において、被処理体５Ｂを用意する。実施例では、ステップＳ１００は、ステップＳ１１１～Ｓ１１３を有する。ステップＳ１１１では、図７Ａのように基板１９を用意する。ここで、基板１９の材料は、金属であっても非金属であってもよく、透明であっても不透明であってもよい。ステップＳ１１２では、図７Ｂのように、真空蒸着法又はスパッタリング法により、基板１９の表面全体に、金属層２１を形成する。ステップＳ１１３では、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの適宜の方法で、図７Ｃのように金属層２１上に犠牲槽２３を形成する。犠牲槽２３は、例えば窒化ケイ素で形成された層であってよい。このように基板１９上に金属層２１と犠牲層２３を順に積層したものが、被処理体５Ｂであり、犠牲層２３が、被処理体５Ｂの表面５ａを形成する。

ステップＳ２００において、被処理体５Ｂの表面５ａに、後述の図７Ｇのように渦巻きパターンを有する渦巻き金属層１５を形成する。渦巻き金属層１５は、金属材料で形成されている。実施例では、ステップＳ２００は、例えばステップＳ２１１～Ｓ２１５を有する。

ステップＳ２１１では、図７Ｄのように、犠牲槽２３の表面にレジスト層１１を形成する。レジスト層１１は、電子線に感光する材料で形成される。当該材料は、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）である。

ステップＳ２１２では、レジスト層１１の表面に、渦巻きパターンで電子ビームを照射する。

ステップＳ２１３では、被処理体５Ｂを現像液に浸すことにより、レジスト層１１において電子ビームが当てられた渦巻きパターンの部分を溶解させる。その結果、図７Ｅのように、レジスト層１１において、渦巻きパターンの部分が除去されることにより、渦巻き溝１３が形成される。渦巻き溝１３の底面は、露出した犠牲層２３の表面５ａとなる。渦巻き溝１３の構造は、第１実施形態の場合と同じである。

ステップＳ２１４では、渦巻き溝１３の底面５ａと残存するレジスト層１１の表面に、真空蒸着法又はスパッタリング法により、金属材料を蒸着させることにより、図７Ｆのように、レジスト層１１の表面に金属層１６を形成し、渦巻き溝１３の底面に渦巻き金属層１５を形成する。

ステップＳ２１５では、リフトオフ処理を行う。リフトオフ処理では、基板に残っているレジスト層１１を全て適宜の溶媒で溶かすことにより、被処理体５Ｂにおいて、金属層１６を除去し、犠牲層２３の表面５ａに直接形成された渦巻き金属層１５を残す。これにより、図７Ｇのように、渦巻き金属層１５が被処理体５Ｂ（犠牲層２３）の表面５ａに形成された状態になる。渦巻き金属層１５の構造は、第１実施形態の場合と同じである。

ステップＳ３００において、被処理体５Ｂの表面５ａとしての犠牲層２３の表面のうち露出面を等方的に除去していくエッチング処理を行う。このエッチング処理は、第１実施形態の場合と同様である。

ステップＳ３００のエッチング処理により、被処理体５Ｂにおいて、図７Ｈのように、線状層部１５ｂから軸方向に離間している新たな表面５ａと、当該表面５ａから突出して基点部３ａに結合された突出部５ｂを形成する。ここで、表面５ａは、図７Ｈでは金属層２１の表面であるが、図７Ｈと違って犠牲層２３の残存部の表面であってもよい。突出部５ｂは、犠牲層２３の残存部である。なお、エッチング処理後の被処理体５Ｂが上述の支持体５を成す。

ステップＳ４００において、真空蒸着法又はスパッタリング法により、図７Ｉのように、被処理体５Ｂ及び渦巻き金属層１５上に更に金属層７を形成する。この場合、被処理体５Ａ上の金属層７は、上述の渦巻き金属層部７ａと周辺金属表面部７ｂを有する。また、基点層部１５ａと、基点層部１５ａ上の金属層７とが、上述の基点部３ａを成し、線状層部１５ｂと、線状層部１５ｂ上の金属層７とが、上述の線状部３ｂを成す。

また、図７Ｊのように、線状部３ｂは、重力又は応力により、軸方向下方（この図の下方）へ移行しながら、渦巻き状に延びるようになってよい。その結果、上述した光吸収素子１０が形成される。なお、図７Ｇ～図７Ｉは、基点層部１５ａを含み当該図の紙面と平行な平面による断面図であり、図７Ｊと後述の図７Ｋは、当該図の紙面と垂直な方向へ渦巻構造３から離れた位置における断面を示す。

ステップＳ５００において、図７Ｋのように、第１実施形態と同様に、内部に渦巻構造３を埋め込むように、透明な材料の保護層８を形成する形成する。

なお、上述したステップＳ４００を省略してもよい。この場合、ステップＳ３００の後にステップＳ５００が行われる。また、ステップＳ４００とステップＳ５００を省略してもよい。

図８は、第２実施形態に基づく製造方法の実施例で製造した光吸収素子１０のＳＥＭ画像である。図８において、両方向矢印が示す範囲の寸法は５００ｎｍである。

第２実施形態による光吸収素子１０でも、第１実施形態による光吸収素子１０と同様の効果が得られる。

［光吸収体］
図９Ａは、本発明の実施形態による光吸収体２０の構成を示す。図９Ｂは、図９Ａの９Ｂ－９Ｂ矢視図である。光吸収体２０は、多数の光吸収素子１０と、これらの光吸収素子１０を支持する素子支持面５ａを有する。

素子支持面５ａは、各光吸収素子１０の支持体５の表面である。すなわち、多数の光吸収素子１０における支持体５の表面５ａは、１つの素子支持面５ａを構成している。したがって、支持体５は、多数の光吸収素子１０に共有されている。このような支持体５は、素子支持面５ａと、素子支持面５ａから突出した多数の突出部５ｂと、素子支持面５ａを有する基体部５ｃとを有する。

また、保護層８も、多数の光吸収素子１０に共有されている。すなわち、１つの保護層８が（例えば、図示を省略するが上述の金属層７を介して）素子支持面５ａに形成され、この保護層８内に多数の光吸収素子１０が埋め込まれている。

素子支持面５ａには、多数の光吸収素子１０が配置されている。例えば、図９Ｂのように、多数の光吸収素子１０は、規則的に素子支持面５ａに密に配列されていてよい。あるいは、多数の光吸収素子１０は、ランダムに素子支持面５ａに密に配列されていてよい。なお、光吸収体２０による光の吸収率は、多数の光吸収素子１０の密度が高い程、高くなる。

図９Ｂのように（この例では図の左右方向において）、素子支持面５ａにおいて隣接する光吸収素子１０同士の間隔（すなわち、当該光吸収素子１０同士の間における隙間の寸法）をＰとし、光吸収素子１０の渦巻構造３の径方向寸法をＱとした場合に、ＰはＱより小さくてよい（例えばＰはＱの半分以下である）。このＰとＱの関係は、素子支持面５ａに沿った第１方向（図９Ｂの左右方向）での関係であるが、当該第１方向と直交し素子支持面５ａに沿った第２方向（図９Ｂの上下方向）においても同様であってよい。すなわち、第２方向において、素子支持面５ａにおいて隣接する光吸収素子１０同士の間隔をＲとし、光吸収素子１０の渦巻構造３の径方向寸法をＳとした場合に、ＲはＳより小さくてよい（例えばＲはＳの半分以下である）。例えば、ＱとＳは、５００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であり、ＰとＲは、５００ｎｍ以下（例えば５００ｎｍ）であってよい。

本実施形態による光吸収体２０は、連続する広波長域の光を（例えば８０％以上の吸収率で）吸収する。この場合、当該広波長域の幅がＡ以上Ｂ以下であるとする。この場合、一例では、Ａは、１００ｎｍ、２００ｎｍ、５００ｎｍ、１０００ｎｍ、１５００ｎｍ、２０００ｎｍ、又は２５００ｎｍであり、これらのＡの各値について、Ｂは、６０００ｎｍ、５０００ｎｍ、４０００ｎｍ、又は３０００ｎｍであってよい。別の例では、Ａは、１００ｎｍ、２００ｎｍ、又は５００ｎｍであり、これらのＡの各値について、Ｂは、２０００ｎｍ又は１０００ｎｍであってよい。なお、本発明によると、上記広波長域の幅は、上述の各例に限定されない。

光吸収体２０では、多数の光吸収素子１０が広波長域の光を吸収する。各光吸収素子１０は、超微細構造であるので、光吸収素子１０を密に配置することができる。したがって、光吸収体２０の素子支持面５ａを、真の黒色に近づけた黒色にすることが可能となる。

このような光吸収体２０は、光学機器において光の反射または迷光を抑制するための黒色面を形成してよい。図９Ａの例では、光吸収体２０は、光学機器３０において反射または迷光を抑制するための対象面３０ａに設けられている。光学機器は、例えば、カメラ、天体望遠鏡、又は光学測定装置（例えば分光光度計）であるが、これらに限定されない。対象面３０ａは、一例では、カメラの鏡筒の内面、光学機器における反射面の裏面（例えば反射ミラーの裏面）であるが、これらに限定されない。

また、一例では、基体部５ｃはシート状に形成されている。この場合、光吸収体２０も、全体としてシート状に形成される。したがって、シート状の光吸収体２０を製造した後に、この光吸収体２０を光学機器３０の対象面３０ａへ取り付けることができる。

光吸収体２０は、次のように製造することができる。上述した第１実施形態又は第２実施形態に従って製造方法により、共通の基体部５ｃ上に多数の渦巻構造３を同時に形成する。第１実施形態の製造方法で光吸収体２０を製造する場合には、被処理体５Ａとして基体部５ｃを用意し、被処理体５Ａに対して、多数の渦巻構造３の各々に対する上述のステップＳ２～Ｓ５を行う。同様に、第２実施形態に従った製造方法で光吸収体２０を製造する場合には、被処理体５Ｂとして基体部５ｃを用意し、被処理体５Ｂに対して、多数の渦巻構造３の各々に対する上述のステップＳ２００～Ｓ５００を行う。

図１０Ａは、第１実施形態の製造方法に従って製造した光吸収体２０の光学特性に関する実験結果である。図１０Ｂは、第２実施形態の製造方法に従って製造した光吸収体２０の光学特性に関する実験結果である。図１０Ａと図１０Ｂにおいて、横軸は波長（μｍ）を示し、縦軸は、光吸収体２０に入射させた光の反射率を示す。反射率が低い波長範囲は、光の吸収率が高いことを示している。図１０Ａと図１０Ｂは、隣接する渦巻構造３同士の間隔（図９Ｂの間隔Ｐ，Ｒ）を５００ｎｍとして多数の渦巻構造３を等間隔で配列した場合を示す。

図１０Ａの場合には、１．５μｍ～４μｍの波長範囲で約８０％以上の光吸収率が得られている。図１０Ｂの場合には、１．５μｍ～２μｍの波長範囲と３．２μｍ～４．３μｍの波長範囲で約８０％以上の光吸収率が得られている。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上述した各効果は必ずしも本発明を限定的するものではない。また、本発明は、本明細書で示された効果のいずれか、又は、本明細書から把握され得る他の効果が奏されるものであってもよい。
また、以下の変更例１～９のいずれかを単独で採用してもよいし、変更例１～９の２つ以上を任意に組み合わせて採用してもよい。この場合、以下で述べない点は、上述と同じである。

［変更例１］
図１１Ａと図１１Ｂは、渦巻構造３の他の形態を示す模式図である。図１１Ａと図１１Ｂは、光吸収素子１０を、基準軸Ｃの方向から見た図である。

図１１Ａのように、基準軸Ｃの方向から見た場合に、線状部３ｂは、基準軸Ｃを１周する度に略Ｎ角形を１回形成するように基点部３ａから延びていてもよい。ここで、Ｎは、３以上の整数であり、図１１Ａの場合では３であり、図１１Ｂの場合には４であるが、５以上であってもよい。言い換えると、線状部３ｂは、基点部３ａから延びていく過程で、基準軸Ｃを１周する度にＮ回折れ曲がるように延び、折れ曲がる箇所以外では直線的に延びていてもよい。この場合、図１１Ｂのように１周目は（Ｎ＋１）回折れ曲がってもよい。

なお、線状部３ｂは、上述のように基準軸Ｃを１周する度に略Ｎ角形を１回形成するように基点部３ａから延びていく途中で、基準軸Ｃを１周する度に折れ曲がる回数が変化してもよい。

［変更例２］
図１１Ｃは、渦巻構造３の他の形態を示す模式図である。図１１Ｃは、光吸収素子１０を、基準軸Ｃの方向から見た図である。

線状部３ｂは、基点部３ａとの結合位置から先端まで連続していなくてもよく、図１１Ｃのように、線状部３ｂは、基点部３ａとの結合位置から先端まで不連続的に延びていてもよい。すなわち、線状部３ｂには、不連続箇所４１が存在していてもよい。

この場合、第１実施形態の製造方法に倣って次のように不連続的な線状部３ｂが形成されてよい。被処理体５Ａの表面に、渦巻き金属層１５の代わりに、渦巻き金属層１５と同じ形状と寸法を有するが透明な材質の渦巻き透明層を形成する。その後、被処理体５Ａの表面及び渦巻き透明層上にレジスト層を形成し、渦巻き透明層上のレジスト層のみに不連続的な渦巻き状パターンで電子ビームを照射し、現像液により、不連続的な渦巻き状パターンのレジスト層を溶かして除去する。その後、上述のステップＳ２４、Ｓ２５と同様に、金属層の形成とリフトオフ処理を行うことにより、渦巻き透明層上に不連続的に延びる渦巻き金属層が形成される。その後、上述のステップＳ３を行うことにより、渦巻き透明層とこれ上の渦巻き金属層が、被処理体５Ａの新たな表面５ａから離間する。その後、上述のステップＳ４を行わないが、上述のステップＳ５を行ってもよい。

同様に、第２実施形態の製造方法に倣って不連続的な線状部３ｂを形成することもできる。

［変更例３］
本発明の実施形態による光吸収体２０について、その素子支持面５ａ（支持体５の表面５ａ）への直線偏光の入射角を変化させ、この直線偏光の偏光方向を変えながら、光吸収体２０の光吸収率を測定した。測定結果によると、光の入射角と偏光方向によらず、入射光の各波長において、光の吸収率は一定であった。

したがって、光吸収体２０の各光吸収素子１０の突出部５ｂ（基準軸Ｃ）の向きは、光の吸収特性に影響を与えない。そのため、各光吸収素子１０の突出部５ｂは、支持体５の表面５ａから、表面５ａに垂直な方向に延びていてもよいし、又は当該垂直な方向に対して斜めの方向に延びていてもよい。言い換えると、上述では、渦巻構造３の基準軸Ｃは、支持体５の表面５ａと垂直な方向を向いていたが、表面５ａと垂直な方向から傾いた方向を向いていてもよい。

［変更例４］
図１Ａと図５Ａでは、渦巻構造３と、グラウンドとしての金属層７又は金属層２１とは、互いに分離しているが、渦巻構造３の線状部３ｂの一部（例えば基点部３ａ側と反対側の先端部）が金属層７に接触していてもよい。

［変更例５］
図１２は、光吸収体２０の他の形態を示す図である。上述した図９Ａにおいて、支持体５と、支持体５の素子支持面５ａ上に配置された多数の光吸収素子１０を１組の光吸収構成とする。この場合に、複数組の光吸収構成を、図１２のように積層したものを光吸収体２０としてもよい。図１２において、基体部５ｃは透明な材料で形成されていてよい。このように複数組（例えば多数組）の構成を積層することにより、光吸収体２０の光吸収率を更に高めることができる。

このような光吸収体２０は、例えば次のように製造できる。１組目の光吸収構成の保護層８上に２組目の光吸収構成の基体部５ｃを形成して、２組目の光吸収構成を１組目の光吸収構成上に積層する。３組目以降の光吸収構成も同様に積層してよい。
［変更例６］
図５Ａと図９Ａにおいて、周辺金属層部７ａは、表面５ａの全体に広がっていなくてもよく、渦巻構造３の近傍においてのみ存在していてもよい。
また、図７Ｈにおいて、金属層２１は、基板１９の表面全体に広がっていなくてもよく、渦巻構造３の近傍においてのみ存在していてもよい。

［変更例７］
図１Ａや図５Ａでは、線状部３ｂは、基点部３ａから延びる過程で、基準軸Ｃを回りながら、次第に支持体５の表面５ａに近づいていったが、本発明は、これに限定されない。例えば、線状部３ｂは、基点部３ａから延びる過程で、基準軸Ｃを回りながら、次第に支持体５の表面５ａから離れていってもよい。例えば、被処理体５Ａ又は５Ｂの表面５ａを鉛直下方に向けた状態で、ステップＳ３又はＳ３００を行うことにより、線状部３ｂは、重力で、基点部３ａから延びる過程で、基準軸Ｃを回りながら、次第に表面５ａから離れるようになる。

［変更例８］
上述の光吸収体２０において、各光吸収素子１０の渦巻構造３は、互いに同じ径方向寸法を有していた。しかし、素子支持面５ａ上に配置される多数の渦巻構造３の径方向寸法には、複数種類が存在していてもよい。この構成で、より広範囲の波長域の光を吸収できることが期待される。

［変更例９］
第１実施形態において、光吸収素子１０の基点部３ａと線状部３ｂは、被処理体５Ａ（支持体５）に結合された状態にあってもよい。例えば、上述の第１実施形態の製造方法において、ステップＳ３～Ｓ５を省略し、図３Ｅと図３Ｆに示す構造が本発明による光吸収素子であってもよい。この場合、図３Ｅと図３Ｆにおいて、渦巻き金属層１５は、本発明による光吸収素子の渦巻構造を成す。すなわち、渦巻き金属層１５の基点層部１５ａは、当該渦巻構造の基点部を成し、渦巻き金属層１５の線状層部１５ｂは、当該渦巻構造の線状部を成す。

この場合、図３Ｅと図３Ｆの渦巻き金属層１５を１つの支持体５の表面５ａに多数形成したものが本発明の光吸収体であってもよい。この光吸収体の光吸収率を測定した。この測定結果を図１３のグラフに示す。図１３において、横軸は、光吸収体への入射光の波長（μｍ）を示し、縦軸は、光吸収体の光吸収率を示す。図１３の実線は、ステップＳ３～Ｓ５を省略して得た図３Ｅと図３Ｆの渦巻き金属層１５による上記光吸収体の場合を示す。図１３の破線は、上述のステップＳ１～Ｓ５を行うことにより得た上述の光吸収体２０の場合を示す。渦巻き金属層１５（渦巻構造）による上記光吸収体とステップＳ１～Ｓ５で得た光吸収体２０のいずれにおいても、隣接する渦巻構造同士の間隔（図９Ｂの間隔Ｐ，Ｒに相当する間隔）を数百ナノメートル程度にした。

図１３から分かるように、渦巻き金属層１５による光吸収体の光吸収率（図１３の実線）は、ステップＳ１～Ｓ５を行うことにより得た上述の光吸収体２０の光吸収率（図１３の破線）よりも低いが、１．５μｍ～４μｍの波長範囲で約６０％以上となっている。

同様に、上述の第２実施形態の製造方法においても、ステップＳ３００～Ｓ５００の処理を省略してもよい。この場合、図７Ｇに示す構造が本発明による光吸収素子であってもよい。この場合、図７Ｇにおいて、渦巻き金属層１５は、本発明による光吸収素子の渦巻構造を成す。すなわち、渦巻き金属層１５の基点層部１５ａは、当該渦巻構造の基点部を成し、渦巻き金属層１５の線状層部１５ｂは、当該渦巻構造の線状部を成す。この場合に、犠牲層２３を形成するステップＳ１１３を省略し、ステップＳ２００で、金属層２１上に渦巻き金属層１５を形成してもよい。

図７Ｇに示す渦巻き金属層１５を１つの支持体５の表面５ａに多数形成したものが本発明の光吸収体であってもよい。この場合においても、上述のように犠牲層２３が省略されていてよい。

３ 渦巻構造
３ａ 基点部
３ｂ 線状部
５ 支持体
５ａ 表面（素子支持面）
５ｂ 突出部
５ｃ 基体部
７ 金属層
７ａ 渦巻き金属層部
７ｂ 周辺金属層部
８ 保護層
５Ａ，５Ｂ 被処理体（基板）
１０ 光吸収素子
１１ レジスト層
１３ 渦巻き溝
１５ 渦巻き金属層（第２の金属層）
１５ａ 基点層部
１５ｂ 線状層部
１６ 金属層（第２の金属層）
１７ 保護層
１９ 基板（非金属層）
２０ 光吸収体
２１ 金属層（第１の金属層）
２３ 犠牲槽
３０ 光学機器
３０ａ 対象面
４１ 不連続箇所
Ｃ 基準軸

Claims (20)

1. 光を吸収するための光吸収素子であって、
   金属材料により形成された渦巻構造と、
   当該渦巻構造を支持する支持体と、を備え、
   前記渦巻構造は、基点部と、該基点部から延びている線状部とを含み、
   前記基点部を通る軸を基準軸とし、該基準軸から放射状に延びる方向を径方向として、
   前記線状部は、前記基準軸を回りながら、且つ、前記基点部から前記径方向の外側へ移行しながら、前記基点部から渦巻き状に延びており、
   前記支持体は、前記基準軸と平行な軸方向に前記基点部から離間している表面と、当該表面から突出して前記基点部に結合している突出部とを有し、
   前記突出部における前記表面側の部分において、前記表面に沿った方向における当該部分の寸法は、前記基点部側へ移行するにつれて小さくなっている、光吸収素子。
2. 光を吸収するための光吸収素子であって、
   金属材料により形成された渦巻構造と、
   当該渦巻構造を支持する支持体と、を備え、
   前記渦巻構造は、基点部と、該基点部から延びている線状部とを含み、
   前記基点部を通る軸を基準軸とし、該基準軸から放射状に延びる方向を径方向として、
   前記線状部は、前記基準軸を回りながら、且つ、前記基点部から前記径方向の外側へ移行しながら、前記基点部から渦巻き状に延びており、
   前記支持体は、前記基準軸と平行な軸方向に前記基点部から離間している表面と、当該表面から突出して前記基点部に結合している突出部とを有し、
   前記基点部は、前記表面の側を向く面を有し、当該面は、前記基点部と前記突出部との結合箇所を囲むように当該結合箇所から前記径方向の外側に延びている、光吸収素子。
3. 光を吸収するための光吸収素子であって、
   金属材料により形成された渦巻構造と、
   当該渦巻構造を支持する支持体と、を備え、
   前記渦巻構造は、基点部と、該基点部から延びている線状部とを含み、
   前記基点部を通る軸を基準軸とし、該基準軸から放射状に延びる方向を径方向として、
   前記線状部は、前記基準軸を回りながら、且つ、前記基点部から前記径方向の外側へ移行しながら、前記基点部から渦巻き状に延びており、
   前記線状部は、前記基点部との結合位置から先端まで不連続的に延びている、光吸収素子。
4. 前記線状部は、前記基準軸を回りながら、且つ、前記基点部から前記径方向の外側および前記軸方向へ移行しながら、前記基点部から渦巻き状に延びている、請求項１又は２に記載の光吸収素子。
5. 前記基点部の径方向寸法は、前記線状部の前記径方向の太さよりも大きい、請求項１～３のいずれか一項に記載の光吸収素子。
6. 前記渦巻構造は渦巻き透明層を有し、前記線状部は、当該渦巻き透明層上に形成されており、
   前記光吸収素子は、前記渦巻構造を支持する支持体を備え、
   前記基準軸と平行な方向を軸方向として、
   該支持体は、前記線状部及び前記渦巻き透明層から前記軸方向に離間している表面と、該表面から突出して前記基点部に結合している突出部とを有する、請求項３に記載の光吸収素子。
7. 前記支持体の前記表面の全体が、金属材料で形成されている、請求項１、２、又は６に記載の光吸収素子。
8. 前記光吸収素子は、３８０ｎｍから１ｍｍまでの範囲の全部もしくは一部もしくはいくつかの部分を含む波長域の光を吸収する、請求項１～７のいずれか一項に記載の光吸収素子。
9. 前記光吸収素子は、可視光から遠赤外光までの範囲の全部もしくは一部もしくはいくつかの部分を含む波長域の光を吸収する、請求項１～７のいずれか一項に記載の光吸収素子。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の光吸収素子と、
    前記光吸収素子を支持する素子支持面と、を有し、
    前記素子支持面には、多数の前記光吸収素子が配置されている、光吸収体。
11. 光を吸収するための光吸収素子と、前記光吸収素子を支持する素子支持面と、を有する光吸収体であって、
    前記光吸収素子は、金属材料により形成された渦巻構造を備え、
    前記渦巻構造は、基点部と、該基点部から延びている線状部とを含み、
    前記基点部を通る軸を基準軸とし、該基準軸から放射状に延びる方向を径方向として、
    前記線状部は、前記基準軸を回りながら、且つ、前記基点部から前記径方向の外側へ移行しながら、前記基点部から渦巻き状に延びており、
    前記素子支持面には、多数の前記光吸収素子が配置されており、
    前記光吸収体は、光学機器において光の反射または迷光を抑制するための黒色面を形成している、光吸収体。
12. 請求項１又は２に記載の光吸収素子と、前記光吸収素子を支持する素子支持面と、を有する光吸収体であって、
    前記素子支持面には、多数の前記光吸収素子が配置されており、
    前記素子支持面は、各前記支持体の前記表面を形成しており、
    前記光吸収体は、連続する広波長域の光を８０％以上の吸収率で吸収し、当該広波長域の幅は、５００ｎｍ以上、１０００ｎｍ以上、１５００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以上、又は２５００ｎｍ以上である、光吸収体。
13. 前記光吸収素子は、３８０ｎｍから１ｍｍまでの範囲の全部もしくは一部もしくはいくつかの部分を含む波長域の光を吸収する、請求項１２に記載の光吸収体。
14. 前記光吸収素子は、可視光から遠赤外光までの範囲の全部もしくは一部もしくはいくつかの部分を含む波長域の光を吸収する、請求項１２に記載の光吸収体。
15. 光を吸収するための光吸収素子の製造方法であって、
    前記光吸収素子は、金属材料により形成された渦巻構造を備え、
    前記渦巻構造は、基点部と、該基点部から延びている線状部とを含み、
    前記基点部を通る軸を基準軸とし、該基準軸から放射状に延びる方向を径方向として、
    前記線状部は、前記基準軸を回りながら、且つ、前記基点部から前記径方向の外側へ移行しながら、前記基点部から渦巻き状に延びており、
    （Ａ）被処理体の表面に、金属材料で形成され渦巻き状のパターンを有する渦巻き金属層を形成し、該渦巻き金属層は、前記基点部に相当する基点層部と、前記線状部に相当する線状層部を含み、
    （Ｂ）前記（Ａ）の後、前記被処理体の前記表面のうち露出面を等方的に除去していくエッチング処理を行うことにより、前記被処理体において、前記線状層部から、前記基準軸と平行な軸方向に離間している新たな表面と、該表面から突出して前記基点層部に結合された突出部を形成する、光吸収素子の製造方法。
16. 光を吸収するための光吸収素子の製造方法であって、
    前記光吸収素子は、金属材料により形成された渦巻構造を備え、
    前記渦巻構造は、基点部と、該基点部から延びている線状部とを含み、
    前記基点部を通る軸を基準軸とし、該基準軸から放射状に延びる方向を径方向として、
    前記線状部は、前記基準軸を回りながら、且つ、前記基点部から前記径方向の外側へ移行しながら、前記基点部から渦巻き状に延びており、
    （Ａ）被処理体の表面に、金属材料で形成され渦巻き状のパターンを有する渦巻き金属層を形成し、該渦巻き金属層は、前記基点部に相当する基点層部と、前記線状部に相当する線状層部を含み、
    前記（Ａ）では、
    （Ａ１）前記被処理体の表面に、レジスト層を形成し、
    （Ａ２）前記レジスト層の表面に、渦巻きパターンで電子ビームを照射し、
    （Ａ３）現像液により、レジスト層において電子ビームが当てられた渦巻きパターンの部分を溶解させ、これにより、前記渦巻きパターンの溝を形成し、
    （Ａ４）前記溝の底面と残存する前記レジスト層の表面に、金属層を形成し、
    （Ａ５）残っている前記レジスト層を溶かすことにより、前記渦巻きパターンの前記金属層を前記渦巻き金属層として形成する、光吸収素子の製造方法。
17. 前記被処理体は、第１の金属層と該金属層上に形成された犠牲槽を有し、
    前記（Ａ）では、
    （ａ１）前記犠牲槽の表面に、レジスト層を形成し、
    （ａ２）前記レジスト層の表面に、渦巻きパターンで電子ビームを照射し、
    （ａ３）現像液により、レジスト層において電子ビームが当てられた渦巻きパターンの部分を溶解させ、これにより、前記渦巻きパターンの溝を形成し、
    （ａ４）前記溝の底面と残存する前記レジスト層の表面に、第２の金属層を形成し、
    （ａ５）残っている前記レジスト層を溶かすことにより、前記渦巻きパターンの前記第２の金属層を前記渦巻き金属層として形成し、
    前記（Ｂ）における前記新たな表面は、前記第１の金属層の表面である、請求項１５に記載の光吸収素子の製造方法。
18. 前記被処理体は、非金属材料で形成された基板である、請求項１６に記載の光吸収素子の製造方法。
19. 前記光吸収素子は、３８０ｎｍから１ｍｍまでの範囲の全部もしくは一部もしくはいくつかの部分を含む波長域の光を吸収する、請求項１５～１８のいずれか一項に記載の光吸収素子の製造方法。
20. 前記光吸収素子は、可視光から遠赤外光までの範囲の全部もしくは一部もしくはいくつかの部分を含む波長域の光を吸収する、請求項１５～１８のいずれか一項に記載の光吸収素子の製造方法。

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