JPWO2015166852A1 - 光学素子およびその製造方法 - Google Patents

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。

特開２０１３−０１６６５０ 特開２００９−１１１４２３

「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。

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。

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。

（ａ）は、支持基板１、樹脂層２およびモールド３を示す模式図であり、（ｂ）は、樹脂層２にモールドの設計パターンＰ１を転写している状態を示す模式図であり、（ｃ）は、樹脂層２Ａに転写パターンＰ２が形成されている状態を示す模式図である。 （ａ）は、支持基板１上にマスク３を形成した状態を示し、（ｂ）は、支持基板１に第一の微細パターンＰ３を形成した状態を模式的に示す。 （ａ）は、支持基板５上にクラッド層６を設けた状態を模式的に示し、（ｂ）は、クラッド層６上に光学材料層７を形成した状態を模式的に示す。 （ａ）は光学素子１０を模式的に示す正面図であり、（ｂ）は、光学素子１０を模式的に示す平面図である。 光学素子の端面を示す写真である。 グレーティング素子の反射特性を示すグラフである。

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。

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。

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。

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。

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、Ｔａ_２Ｏ_５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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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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