JPWO2015166852A1 - 光学素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
光学素子10は、支持基板5、およびこの支持基板5上に設けられた光学材料層7を有する。支持基板5の表面に第一の微細パターンP3が形成されており、光学材料層7の成膜時に光学材料層の表面に第一の微細パターンP3の転写された第二の微細パターンP5が形成されている。【選択図】 図3
Description
本発明は、グレーティング素子などの光学素子およびその製造方法に関するものである。
半導体レーザ素子が有する回折格子を形成する方法として、ナノインプリント法を採用することが検討されている。回折格子の形成にナノインプリント法を採用することで、半導体レーザ等のデバイスの製造コストを低減させることができる等の利点がある。
ナノインプリント法によって回折格子を形成する際には、まず、回折格子を形成すべき半導体層上に樹脂層を形成する。そして、この回折格子の形状に対応した凹凸パターンを有するモールドをこの樹脂層に押し付け、その状態で樹脂層を硬化させる。これにより、モールドの凹凸パターンを樹脂層に転写する。その後、この樹脂層の形状を半導体層に転写することにより、半導体層に微細構造を形成する。
特許文献1には、ナノインプリント法を用いた分布帰還型半導体レーザの製造方法が記載されている。この方法では、分布帰還型半導体レーザの回折格子のための半導体層のパターニングを、ナノインプリント法で行っている。
また、非特許文献1、2には、ナノインプリント技術を利用したサブ波長構造広帯域波長板の製作が記載されている。
更に、非特許文献3には、光学デバイスを作製するためにナノインプリント技術を応用することが記載されている。こうした光学デバイスとしては、波長選択素子、反射制御素子、モス・アイ構造などが例示されている。
「KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT」 Vol. 2 (2005) 97〜100頁「ナノインプリント技術を利用したサブ波長構造広帯域波長板の製作」
「Synthesiology」 Vol. 1, No. 1 (2008) 24〜30頁「高機能光学素子の低コスト製造へのチャレンジ ―ガラスインプリント法によるサブ波長周期構造の実現―
古田著、「ナノインプリント技術と光学デバイスへの応用」、月刊ディスプレイ 2007年6月号 54〜61頁
本発明者は、支持基板上にクラッド層を介して光導波路層を形成し、光導波路層の表面に数百nmピッチの凹凸(ブラッググレーティングパターン)を形成することを試みた。
しかし、光導波路には下地よりも高い屈折率が要求され、結果的に難加工性の材質からなるものが多い。ナノインプリント法によって光導波路層の表面にグレーティング加工を実施する場合、光導波路層の材質によって、エッチング加工が困難なものがあり、グレーティングの光特性を満足するものが得られにくい事が有った。特に、ある程度深い微細な孔を多数形成することは困難であリ、パターニング不良が生じた。
本発明の課題は、支持基板、光学材料層、および光学材料層に形成された微細パターンを有する光学素子を製造するのに際して、光学材料層に形成される微細パターンの不良を防止することである。
本発明は、支持基板、およびこの支持基板上に設けられた光学材料層を有する光学素子であって、
支持基板の表面に第一の微細パターンが形成されており、光学材料層の成膜時に光学材料層の表面に第一の微細パターンに対応する第二の微細パターンが形成されていることを特徴とする。
支持基板の表面に第一の微細パターンが形成されており、光学材料層の成膜時に光学材料層の表面に第一の微細パターンに対応する第二の微細パターンが形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、支持基板、およびこの支持基板上に設けられた光学材料層を有する光学素子を製造する方法であって、
支持基板の表面に第一の微細パターンを形成し、次いで光学材料層を成膜するときに光学材料層の表面に第一の微細パターンに対応する第二の微細パターンを形成することを特徴とする。
支持基板の表面に第一の微細パターンを形成し、次いで光学材料層を成膜するときに光学材料層の表面に第一の微細パターンに対応する第二の微細パターンを形成することを特徴とする。
本発明者は、光学材料層がエッチングによって難加工性であるために、モールドのパターンを光学材料層にインプリントするのに際して、パターニング不良が生じたり、凹部の深さが小さくなるという問題点を解決するために種々検討していたが、この問題は解決が困難であった。
ここで、本発明者は、発想を転換し、相対的に加工し易い支持基板の表面に微細パターンを形成し、その上に光学材料層を形成する際に支持基板の微細パターンを光学材料層に転写することを想到した。相対的に加工し易い支持基板に微細パターンを形成しつつ、この微細パターンをその上に成膜される光学材料層に転写することで、パターニング不良を抑制することに成功し、本発明に到達した。
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
まず、支持基板に好ましくはノインプリント法によってモールドの設計パターンを転写する。例えば図1に示すように、支持基板1の表面1aに樹脂層2を形成し、モールド3の成形面を樹脂層2の表面2aに対向させる。モールド3の成形面には設計パターンP1が設けられている。本例では、設計パターンP1は、一定周期で交互に形成された凹部3bと凸部3bからなる。
まず、支持基板に好ましくはノインプリント法によってモールドの設計パターンを転写する。例えば図1に示すように、支持基板1の表面1aに樹脂層2を形成し、モールド3の成形面を樹脂層2の表面2aに対向させる。モールド3の成形面には設計パターンP1が設けられている。本例では、設計パターンP1は、一定周期で交互に形成された凹部3bと凸部3bからなる。
モールド3の設計パターンP1を転写する際には、図1(b)に例示するように、モールド3の成形面を樹脂層2に接触させ、樹脂層に設計パターンP1を転写する。そして、モールドを支持基板から剥離し、図1(c)に示すように、樹脂層2Aに、凸部2bと凹部2cとからなる転写パターンP2を形成する。
インプリントを行う際には、樹脂層2が熱可塑性樹脂からなる場合には、樹脂層2を樹脂の軟化点以上に加熱することによって樹脂層を軟化させ、モールドを押しつけて樹脂を変形させることができる。この後の冷却時に樹脂層2Aが硬化する。樹脂層2が熱硬化性樹脂からなる場合には、未硬化の樹脂層2に対してモールドを押しつけて樹脂を変形させ,次いで樹脂層を樹脂の重合温度以上に加熱して硬化させることができる。樹脂層2を光硬化性樹脂によって形成した場合には、未硬化の樹脂層2にモールドを押しつけて変形させ、設計パターンを転写し、樹脂層2に光を照射して硬化させることができる。
樹脂層に設計パターンを転写した後、支持基板をエッチングし、支持基板に微細パターンを成形する。この際には、樹脂層をマスクすることができるが、樹脂層と支持基板との間に別体のマスク材料層を設けることもできる。
まず、樹脂層をマスクとして利用する場合について述べる。図1(c)に示すように、樹脂層2Aの凹部2cの底には樹脂が残留する。この残留する樹脂をアッシングによって除去し、図2(a)に示す形態とする。図2(a)において、樹脂マスク3には貫通孔3aが多数形成されており、この貫通孔3の下に支持基板1の表面1aを露出させる。次いで、樹脂マスク3をマスクとしてエッチングを行い、支持基板の材質を一部除去し、凹部5bを形成する。樹脂マスク3の直下はエッチングされないので、凸部5aとして残る(図2(b))。
次いで、樹脂マスク3を除去し、図2(b)に示すような支持基板5を得る。支持基板5には、周期的に形成された凸部5aと凹部5bとの微細パターンP3が形成されている。
また、樹脂層と支持基板との間に別のマスク材料層を設ける場合について述べる。この場合にも、前述のように樹脂層に設計パターンを転写する。次いで、樹脂層の凹部の底に残った樹脂をアッシングによって除去し、下地であるマスク材料層を露出させる。マスク材料層は、樹脂層に形成された貫通孔を通して空間に露出することになる。
次いで、マスク材料層をエッチングし、設計パターンに応じてマスク材料層に多数の貫通孔を形成し、マスクを得る。次いで、エッチングによってマスクの貫通孔直下の支持基板の材質を除去し、図2(b)に示すような凹部5bを形成する。マスクの直下には支持基板がそのまま残り、凸部5aを形成する。ついで、不要な樹脂層およびマスクを除去し、図2(b)に示す支持基板5を得る。
次いで、図3(a)に示すように、支持基板5上にクラッド層6を形成する。支持基板5の凸部5a、凹部5bのパターンが成膜時にクラッド層6に転写され、凸部6a、凹部6bの繰り返しパターンからなる第二の微細パターンP4を形成する。
次いで、図3(b)に示すように、クラッド層6上に光学材料層7を形成する。クラッド層6の凸部6aおよび凹部6bからなる第二の微細パターンP4が、成膜時に光学材料層7に転写され、凸部7aおよび凹部7bの繰り返しパターンからなる第三の微細パターンP5を形成する。これによって、光学素子10が得られる。
光学素子の好適形態を図4に示す。本例の光学素子10においては、光学材料層7の表面7c側に例えば一対のリッジ溝11が形成されており、一対のリッジ溝11の間にリッジ部9が形成されている。このリッジ部9はチャンネル型光導波路13として機能する。
こうしたチャンネル型光導波路の平面的形態は特に限定されないが、例えば図4(b)のように、ブラッググレーティングのパターンP5を光導波路13に形成することによって、グレーティング部13bを形成することができる。そして、好ましくは、回折格子のない入射側伝搬部13aと出射側伝搬部13cとを更に設けることができる。矢印Aは素子への入射光であり、矢印Bは出射光である。
しかし、光導波路はリッジ型光導波路には限定されず、プロトン交換型光導波路やチタン拡散型光導波路などであってもよい。また、スラブ光導波路であってもよい。
支持基板の具体的材質は特に限定されず,ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、AlN、SiC、ZnO、石英ガラスなどのガラス、合成石英、水晶、Siなどを例示することができる。ここで、支持基板の加工し易さという観点からは、支持基板の材質は、石英ガラスなどのガラス、合成石英、水晶、Siであることが好ましい。
支持基板の厚さは、ハンドリングの観点からは、250μm以上が好ましく、また小型化という観点からは、1mm以下が好ましい。
光学材料層は、酸化珪素、酸化亜鉛、酸化タンタル、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、五酸化ニオブ、酸化マグネシウム等の光学材料から形成することが好ましい。また、光学材料層の屈折率は、1.7以上が好ましく、2以上がさらに好ましい。
光学材料層中には、光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、スカンジウム(Sc)及びインジウム(In)からなる群より選ばれる1種以上の金属元素を含有させてもよく、この場合、マグネシウムが特に好ましい。また結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。希土類元素としては、特にNd、Er、Tm、Ho、Dy、Prが好ましい。
光学材料層の厚さは、特に限定されないが、光の伝搬損失を低減するという観点からは、0.5〜3μmが好ましい。
クラッド層を設ける場合には、クラッド層の厚さを厚くすることによって、伝搬光の支持基板への染み出しを抑制できるので、この観点からは、クラッド層の厚さは0.5μm以上が好ましい。
クラッド層を設ける場合には、クラッド層の厚さを厚くすることによって、伝搬光の支持基板への染み出しを抑制できるので、この観点からは、クラッド層の厚さは0.5μm以上が好ましい。
なお、光学材料層の表面に上側クラッド層をさらに設けることもできる。
クラッド層および上側クラッド層は、光学材料層の材質よりも低い屈折率を有する材質から形成するが、たとえば酸化珪素、酸化タンタル、酸化亜鉛によって形成することができる。また、クラッド層や上側クラッド層にドーピングすることによって、その屈折率調整することができる。こうしたドーパントとしては、P、B、Al、Gaを例示できる。
マスク材料層の材質としては、Cr、Ni、Ti、Al、タングステンシリサイド等及びその多層膜が例示できる。
クラッド層および上側クラッド層は、光学材料層の材質よりも低い屈折率を有する材質から形成するが、たとえば酸化珪素、酸化タンタル、酸化亜鉛によって形成することができる。また、クラッド層や上側クラッド層にドーピングすることによって、その屈折率調整することができる。こうしたドーパントとしては、P、B、Al、Gaを例示できる。
マスク材料層の材質としては、Cr、Ni、Ti、Al、タングステンシリサイド等及びその多層膜が例示できる。
光学材料層、クラッド層、上側クラッド層は、それぞれ、単層からなっていてよく、あるいは多層膜であっても良い。
また、光学材料層、クラッド層、上側クラッド層は、薄膜形成法によって成膜して形成してよい。こうした薄膜形成法としては、スパッタ、蒸着、CVDを例示できる。
支持基板や光学材料層に形成する微細パターンとは、一周期が10μm以下のパターンを意味しており、一周期が1μm以下のパターンに対して特に効果的である。また、微細パターンの具体例としては、サブ波長構造広帯域波長板、波長選択素子、反射制御素子、モス・アイ構造、ブラッググレーティング、リッジ型光導波路などを例示できる。
また、エッチング方法としては以下が好ましい。
ドライエッチング及びウェットエッチングが例示できる。
ドライエッチングは例えば、反応性エッチング等が有り、ガス種としてフッ素系・塩素系が例示できる。
ウェットエッチングは例えば、フッ酸系やTMAH系が例示できる。
ドライエッチング及びウェットエッチングが例示できる。
ドライエッチングは例えば、反応性エッチング等が有り、ガス種としてフッ素系・塩素系が例示できる。
ウェットエッチングは例えば、フッ酸系やTMAH系が例示できる。
図1〜図3を参照しつつ発明した方法によって、図4に示す光学素子を製造した。
ただし、具体的には、支持基板としてはSi基板を使用した。支持基板のエッチングは、SF6とO2を用いたドライエッチングによった。波長980nmで反射特性を有する光学素子を得る場合には、微細パターンの凹凸のパターン周期を約240nmとすることが適切である。このため、凹凸パターン周期が約240nmであるモールドを使用した。また、モールドの設計パターンを転写する樹脂層は紫外性硬化型樹脂を使用した。凹部の深さは反射量に依存するが、レーザーの発振波長安定用に約100nm程度形成する。
第一の微細パターンP3の形成された支持基板5の表面にクラッド層6を形成した。クラッド材料としては、SiO2を用い、クラッド層の厚さは1μmとし、クラッド層はスパッタによって形成した。
次いで、クラッド層6上に、Ta2O5からなる光学材料層7を形成した。この光学材料層の厚さは2μmとし、成膜方法はスパッタとした。
次いで、図4に示すように一対のリッジ溝を形成することによって、リッジ部を形成した。本例では、リッジ部の幅を3μmとし、リッジ溝の深さを1μmとした。これによって、リッジ型光導波路内に波長980nmの光を閉じ込めて伝搬する光学素子が得られた。得られた光学素子を光の入射端面側から見た写真を図5に示す。
また、図4に示すように、凹凸からなるグレーティングパターンP5を周期状に(周期240nmで)長さ50nm形成したときの、光学素子の反射特性を示す(図6)。図6に示すように、グレーティングに寄与する、単峰性の反射特性を観察することできた。
本例の光学素子の応用例としては、例えば、980nmの半導体レーザー光源とを組合せることで、波長975nmで発振波長が安定する光源を得ることが可能となった。また、この素子に対して、975nmで位相整合する波長変換素子と組み合わせることで、出力波長、出力パワーが安定する青緑色の第二高調波発生(SHG)光源を得ることができた。
Claims (8)
- 支持基板、およびこの支持基板上に設けられた光学材料層を有する光学素子であって、
前記支持基板の表面に第一の微細パターンが形成されており、前記光学材料層の成膜時に前記光学材料層の表面に前記第一の微細パターンに対応する第二の微細パターンが形成されていることを特徴とする、光学素子。 - 前記支持基板と前記光学材料層との間に形成されたクラッド層を更に備えており、前記クラッド層に前記第一の微細パターンに対応する第三の微細パターンが形成されていることを特徴とする、請求項1記載の素子。
- 前記支持基板の前記第一の微細パターンが、前記第一の微細パターンに対応する設計パターンの形成されたモールドを用いたインプリント法によって形成されていることを特徴とする、請求項1または2記載の素子。
- 前記第二の微細パターンが、サブ波長構造、広帯域波長板、波長選択素子、反射制御素子、モス・アイ構造またはブラッググレーティングを形成することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一つの請求項に記載の素子。
- 支持基板、およびこの支持基板上に設けられた光学材料層を有する光学素子を製造する方法であって、
前記支持基板の表面に第一の微細パターンを形成し、次いで前記光学材料層を成膜するときに前記光学材料層の表面に前記第一の微細パターンに対応する第二の微細パターンを形成することを特徴とする、光学素子の製造方法。 - 前記支持基板上にクラッド層を形成し、この際前記クラッド層に前記第一の微細パターンに対応する第三の微細パターンを形成し、次いで前記クラッド層上に前記光学材料層を形成することを特徴とする、請求項5記載の方法。
- 前記支持基板に対して、前記第一の微細パターンに対応する設計パターンの形成されたモールドを用いたインプリント法によって前記第一の微細パターンを転写することを特徴とする、請求項5または6記載の方法。
- 前記第二の微細パターンが、サブ波長構造、広帯域波長板、波長選択素子、反射制御素子、モス・アイ構造またはブラッググレーティングを形成することを特徴とする、請求項5〜7のいずれか一つの請求項に記載の方法。
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