JP2007316270A

JP2007316270A - 光学部品の製造方法、位相差素子および偏光子

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Publication number: JP2007316270A
Application number: JP2006144943A
Authority: JP
Inventors: Naoki Hanashima; 直樹花島
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-05-25
Filing date: 2006-05-25
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】位相差板などの光学部品において、格子のアスペクト比が大きなものであっても、形状ばらつきの少ない微細格子を得、位相差のゆらぎを低減する。
【解決手段】ガラス基板１１上に誘電体１２（例えばSiO₂膜）を形成し、その上にパターンマッチング用のメタルマスク層１３としてタングステンシリサイドを成膜し（図１（ｂ））、その後フォトレジスト層１４を形成する。次に微細格子が表面に形成された金型をフォトレジスト層１４に押し付けて金型パターンをレジストに転写し、金型を離型して図１（ｄ）のような微細格子パターンを形成する。その後パターニングされたフォトレジスト（１４）をマスクとしてマスク層１３をパターニング（エッチング）し、その後フォトレジスト層１４を除去する。次に、パターニングされたマスク層１３によりガラス基板１１上の誘電体（１２）をエッチングによりパターニングした後、マスク層１３を除去する（図１（ｈ））。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学部品の製造方法、位相差素子および偏光子に係り、偏光板や位相差板など人工光学異方性媒体などに用いられる微細格子形状の作製に関する。

互いに直交する偏光成分間に所望の位相差を与える位相差板（リターダー）には、（１）異方性光学結晶を用いたもの（２）高分子材料を一方向に配列させたもの、が広く用いられている。前者では複屈折性を有する光学結晶を所望の位相差となる厚さに研磨することで、また後者では、例えばシート状のものを加熱軟化状態で延伸することで一方向に配列させ、延伸条件によって位相差を所望のものにする方法がある。

また、光の波長よりも小さな微細格子による構造複屈折を利用する方法もある。これは、微細格子のピッチが波長に比べて小さい場合に複屈折性を発現することを用いるもので、微細格子に平行な方向の屈折率ns、垂直な方向の屈折率npとすると、屈折率は各々、

で与えられる。ここでｐは格子周期にしめる第一の媒質の幅比、ｎａは格子を構成する第一の媒質の屈折率、ｎｂは第二の媒質の屈折率としている。位相差板として用いる場合には全位相差が問題となり、これは格子の深さをd、波長をλとして、

で与えられる。

微細格子によるものでは、複屈折の大きさは格子を構成する誘電体の屈折率差で、また全位相差は格子の深さも合わせて決定される。例えば、第一の媒質がSiO₂(na=1.46)、第二の媒質を空気（nb=1.00））とすると、波長600nmの光に対して位相差1/4波長を与えるためには格子深さd=150/(1.46-1)=326nmとなる。

また、第一の媒質がNb₂O₅(na=2.28)のときには117nmとなる。第一の媒質の屈折率を大きくすると必要な溝深さは少なくてすむが、第一の媒質と入出射媒質の間の反射が大きくなってしまう。微細格子では表面は凸凹形状となるため反射防止膜の形成が容易でなく反射を抑えることが難しいため、格子の最上層は比較的低い屈折率の材料が好ましい。しかし低い屈折率では得られる複屈折が大きくないためエッチング深さが深くなり、アスペクト比の高い溝形状が必要となる。

上記第一の媒質の微細パターンは、例えば図１、図２に示すように、まず、予め準備したピッチ〜100nmの凸凹パターンを有する金型（例えば図２の２０）をフォトレジストに押し付けることによって金型パターンをレジストに転写し、その後、その微細格子パターンが形成されたフォトレジストをエッチングマスクとして第一の媒質のエッチングを行なうことによって形成される。

従ってフォトレジストにエッチング耐性が要求されるが、深い溝形成のためには、エッチングされる材料（第一の媒質）とマスク材料での選択比（エッチングレートの比）を大きくとる必要がある。

図１、図２は微細格子の作製工程を表しており、まず図１（ａ）においてガラス基板１１上に誘電体１２（例えばSiO₂膜）を形成し、その上にパターンマッチング用のマスク層１３を成膜し（図１（ｂ））、その後塗布によってフォトレジスト層１４を形成する（図１（ｃ））。

次に図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、微細格子が表面に形成された金型２０をフォトレジスト層１４に押し付けて金型パターンをレジストに転写し、金型を離型すると、図１（ｄ）のように微細格子パターンが形成される。

その後パターニングされたフォトレジスト（１４）をマスクとしてマスク層１３をパターニング（エッチング）し（図１（ｅ））、その後フォトレジスト層１４を除去する（図１（ｆ））。

次に図１（ｇ）のように、パターニングされたマスク層１３によりガラス基板１１上の誘電体（１２）をエッチングによりパターニングした後、マスク層１３を除去する（図１（ｈ））。

前記において、例えば誘電体がSiO₂の場合、CF₄などのCF化合物ガスが用いられるが、この場合レジストとの選択比は2〜3が得られる。この場合、深さ400nmの溝をエッチングするためには厚さ200nmのレジストが必要となる。金型パターンを押し付けられた後のレジスト厚さは、塗布膜厚ではなく金型自体の凸凹部分の深さで決まる。この結果200nmの溝深さを有する金型２０が必要となるが、転写時の金型とフォトレジストとの離型が難しくなる。特にリフトオフなどの手法を用いる場合、レジスト断面形状を逆テーパ状にしなければならないため、いっそうこの離型が難しくなる。

この問題を回避する方法として、レジストよりもエッチング耐性の大きい（選択比の大きい）別のマスク材料（例えば金属材料）を誘電体とレジストの間に形成し、まず、レジストをマスクとして金属材料をエッチングし、次に金属材料をマスクとして誘電体をエッチングするという方法がとられる。

例えば、マスク材料としてAlを用いれば、SiO₂とAlの選択比は>10、レジストとAlの選択比は〜3であり、誘電体に400nmの溝を形成する場合でも、金型の溝は<100nmの深さで済むことになる。

尚従来、凹凸状格子パターンを備えた光学波長板として、例えば下記特許文献１に記載のものが提案されている。
特開２００５−２４２０８３号公報

しかし、前述のようにエッチングマスクとして例えばAl,Crなどを用いた場合には多結晶化する場合が多い。結晶中と境界部分とではエッチング速度が異なり、その粒径が波長と同程度であるためにエッチング後は直線が凸凹となってしまう。

そのような境界が凸凹上となったマスクを用いて誘電体のエッチングを行なうと、誘電体自身の微細格子も図３（ｂ）に示すように凸凹をそのまま転写されたようになる。このため、溝深さが均一であっても格子形状が凸凹であると得られる複屈折の大きさが変動することになり、これによって、所望の位相差が得られないという問題があった。

本発明は、偏光板や位相差板など人工光学異方性媒体などに用いられる微細格子形状の作製に関し、格子のアスペクト比が大きなものであっても、形状ばらつきの少ない微細格子を得ることを目的とする。

多結晶膜での結晶粒界によるエッチング形状劣化を回避するためには、アモルファス膜を用いることが有効である。例えば、エッチングマスクとしてタングステンシリサイド合金を用いた場合にはアモルファス状態での膜が容易に得られ、これをエッチングマスクとして用いることで粒界に起因するエッチング境界面の凸凹が抑制され、所望の位相差を安定して得ることが可能になる。

したがって、前記課題を解決するための本発明の光学部品の製造方法は、基板上に誘電体を形成する工程と、タングステンシリサイド合金をエッチングマスクとして前記誘電体をエッチングして微細格子を形成する工程とを備えたことを特徴としている。

また本発明の位相差素子は、基板上に誘電体を形成し、タングステンシリサイド合金をエッチングマスクとして前記誘電体をエッチングして微細格子を形成して製造されたことを特徴としている。

また本発明の偏光子は、基板上に金属或いは半導体を形成し、タングステンシリサイド合金をエッチングマスクとして前記金属或いは半導体をエッチングして微細格子を形成して製造されたことを特徴としている。

上記構成において、エッチングマスクとしてタングステンシリサイド合金を用いることで比較的大きなアスペクト比の格子であっても作製が可能になる。またアモルファス状態での膜が容易に得られることから多結晶粒界に起因するエッチング境界面の凸凹が抑制され、形状ばらつきの少ない微細格子を得ることができる。

（１）請求項１〜３に記載の発明によれば、微細格子による構造複屈折を用いた異方性光学デバイスにおいて、格子側面の凸凹形状の発生が抑えられ、その結果、位相差のゆらぎを低減できる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。

本発明の一実施形態例として、光学部品、例えば１／４波長板などの位相差板の製造工程を図１、図２とともに説明する。予め図２（ａ）のように、2光束干渉露光によって100nmピッチで深さ100nmの微細格子が表面に形成されたSOI（シリコンオンインシュレータ）製の金型２０を準備する。金型２０の表面には離型剤を表面に形成し転写時の離型性を高める工夫をしても良い。

先ず、硼珪酸ガラス基板１１上に厚さ400nmのSiO₂膜（誘電体１２）をスパッタリングによって形成する（図１（ａ））。その上に、図１（ｂ）に示すように、パターニング用のメタルマスク層としてWSi（タングステンシリサイド）をスパッタリングで40nmの厚さに成膜（マスク層１３）した後、フォトレジストを厚さ300nmとなるよう塗布してフォトレジスト膜（１４）を形成する（図１（ｃ））。

次に図２（ａ）〜（ｃ）のように、準備した金型２０をレジスト膜（１４）に押し付け、その状態で基板１１の裏面よりUV（紫外線）を照射して当該レジストを硬化させた後、金型２０をレジスト表面より離型する。離型した状態が図１（ｄ）であり、レジストの形状を計測したところ、ほぼ金型２０と同じ形状が得られた。

次に図１（ｅ）のように、RIE（反応性イオンエッチング）装置で、エッチングガスとしてCF₄とSF₆を使用し、パターニングされたフォトレジスト膜（１４）を用いてメタルマスク層（１３）をパターニングする。

RIE（反応性イオンエッチング）は常に物理的、化学的エッチング反応が共存しており、作製条件によって両者のバランスを変えることで最適化を図ることが可能である。そして、メタルマスク層（１３）のパターニング後、酸素プラズマアッシングでフォトレジスト膜（１４）を除去する（図１（ｆ））。

次に、図１（ｇ）のように、パターニングされたメタルマスク層（１３）により、RIEにてCHF₃ とCH₄との混合ガスを用いてSiO₂層をエッチングでパターニングし、その後SF₆ガスを用いてメタルマスク層１３を除去する（図１（ｈ））。

こうして作製されたサンプルの断面を観察したところ、図３（ａ）に示すように、ピッチ90〜110nmで、溝深さ〜380nmの微細格子が形成されていることが確認できた。すなわち図３（ｂ）のように、マスク材料としてAlを用いた場合に見られた誘電体格子側面の凸凹形状は見られなかった。また、光学特性についても測定したところ、従来の、格子の側面凸凹に起因する複屈折性のゆらぎも低減され、本発明の効果を確認できた。

すなわち、本発明による微細格子（図３（ａ））を用いた１／４波長板２枚を、光学軸が互いに直交するように配置し、直線偏光を入射させたところ直線偏光度の劣化はなかった。

一方、従来例による微細格子（図３（ｂ））を用いたものでは、顕著な直線偏光度の劣化が見られた。これは微細な格子形状の揺らぎによって局所的に複屈折率と位相差が変化していることに起因する。

また本発明の位相差素子は、前記光学部品の製造方法により作製された微細格子を備えて構成される。

また本発明の偏光子は、前記光学部品の製造方法により作製された微細格子を備えて構成されるが、この場合、前記基板上には誘電体の代わりに金属或いは半導体を形成し、タングステンシリサイド合金をエッチングマスクとして前記金属或いは半導体をエッチングして微細格子を形成して製造されるものである。

本発明の一実施形態例の微細格子の作製工程の全体を示す説明図。本発明の一実施形態例の微細格子の作製工程の一部を示す説明図。エッチングマスクによる格子形状の違いを表し、（ａ）は本発明による微細格子を示す斜視図、（ｂ）は従来例による微細格子を示す斜視図。

符号の説明

１１…基板、１２…誘電体、１３…マスク層、１４…フォトレジスト層、２０…金型。

Claims

基板上に誘電体を形成する工程と、
タングステンシリサイド合金をエッチングマスクとして前記誘電体をエッチングして微細格子を形成する工程と
を備えたことを特徴とする光学部品の製造方法。
基板上に誘電体を形成し、タングステンシリサイド合金をエッチングマスクとして前記誘電体をエッチングして微細格子を形成して製造された位相差素子。
基板上に金属或いは半導体を形成し、タングステンシリサイド合金をエッチングマスクとして前記金属或いは半導体をエッチングして微細格子を形成して製造された偏光子。