JP2008164680A - 光学波長板及び該波長板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易な位相格子型の光学波長板を得る。
【解決手段】誘電体基板である石英ウエハ上に、プラズマＣＶＤ法を用いて、第１の誘電体媒質としてＳｉＯ₂膜の成膜を開始する（ステップＳ１）。ＳｉＯ₂膜を成膜開始後に、このＳｉＯ₂膜上にＳｉＯ₂とＴｉＯ₂から成る誘電体混合膜を成膜する（ステップＳ２）。そして、この誘電体混合中のＴｉＯ₂の割合が１００％となった状態において、所定の膜厚に至るまで第２の誘電体媒質であるＴｉＯ₂膜を成膜する（ステップＳ３）。ＴｉＯ₂膜上にＳｉＯ₂とＴｉＯ₂から成る誘電体混合膜を成膜し、徐々にＳｉＯ₂の割合を増加させ、表面において第１の誘電体媒質としてＳｉＯ₂の割合を１００％とする（ステップＳ４）。最後に、ステップＳ４で得られたＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の混合膜にフォトリソグラフィプロセスによりレリーフ状格子を形成する（ステップＳ５）。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば１／４波長板、１／２波長板、全波長板等の光学波長板及び該波長板の製造方法に関するものである。

各種光学機器に用いられる光学波長板は、従来では水晶の結晶を研磨することにより製造されている。常光と異常光の位相差が、１／４波長板では(Ｎ＋１／４)波長、１／２波長板では(Ｎ＋１／２)波長、全波長板ではＮ波長(Ｎは整数)になるような厚さに調整されている。

このような結晶研磨による方法以外に、非特許文献１に示す誘電体の構造複屈折を利用した格子を用いた方法が提案されている。格子を用いた光学波長板は、格子ピッチをｄ、使用波長をλとすると、波長λが格子ピッチｄに比べて十分に小さい領域においては、格子の溝に平行な方向の屈折率ｎ_pと、格子の溝に直交する方向の屈折率ｎ_cが異なることを利用している。

上述の非特許文献１によると、格子が矩形状の場合においては、屈折率ｎ_p、ｎ_cは次式で与えられる。
ｎ_p＝［ｎ₁ ²＋ｎ₂ ²(１−ｑ)］^1/2 ・・・(１)
ｎ_c＝［(１／ｎ₁)²ｑ＋(１／ｎ₂)²(１−ｑ)]^-1/2 ・・・(２)

ここで、ｎ₁は媒質１の屈折率、ｎ₂は媒質２の屈折率、ｑは格子の１周期中に媒質１の占める割合であり、１≧ｑ≧０である。

複屈折の大きさΔｎは次式で与えられる。
Δｎ＝｜ｎ_p−ｎ_c｜ ・・・(３)

また、複屈折の大きさΔｎを有する格子に入射した波長λの光が受ける位相差ΔΦは、格子の溝深さをＤとすると次式で与えられる。
ΔΦ［ｒａｄ］＝(２πＤ／λ)・Δｎ ・・・(４)

この(４)式から、大きな位相差ΔΦを得るには、格子の溝深さＤを大きくするか、或いは複屈折の大きさΔｎを大きくすればよい。この関係は格子形状が矩形だけでなく、正弦波状、三角波状等の場合でも成立する。

上述の原理を基に、具体的に格子による光学波長板を製造するには、主に次の２つの方法がある。第１の製造法は、干渉露光法によりフォトレジストに格子を形成し、その格子から金型を製作し、ホットプレス法や射出成形法で熱可塑性樹脂に転写したり、或いは光硬化性樹脂に転写する。

第２の製造法は、誘電体基板上に第１の製造法と同様に、フォトレジスト格子を形成し、フォトレジストをマスクとして誘電体基板をイオンエッチング法、又は反応性イオンエッチング法によりエッチングすることにより表面に格子を得る。

特公平７−９９４０２号公報 D.C.Flanders ，Applied Physics Letter誌、第４２巻第６号(１９８３年３月１５日発行)、第４９２〜４９４頁

このような格子を第１の製造法により製造する場合には、媒質と電鋳金型との実的な接触表面積が著しく増大するために、金型面から剥離する際の引張り剪断力が大きくなる。このために、剥離時に硬化した媒質が誘電体基板から剥がれ、金型面に残留してしまい、格子の転写が困難になるという問題点がある。

また、第２の製造法においては、エッチングに要する時間が長いため、エッチングに耐え得るフォトレジストマスクの厚さが大きくなってしまい、フォトレジストマスクの形成が困難である。

フォトレジストに形成した格子をエッチング耐性の強い物質、例えばクロムに転写し、その物質をマスクとしてエッチングする場合においても、次のような問題が生ずる。つまり、格子の溝深さの増加に伴い、一度エッチングされた誘電体基板の表面への再付着や、溝底部への活性種、イオン、中性粒子の到達粒子数の減少等によりエッチングの進行が阻止され、所望の形状の格子の形成が困難となる。

このような問題は格子の形状によらずに生じ、更に基板サイズが大きい場合には、エッチングで面内の均一性が悪く、歩留まりが悪化するという問題もある。

これらの問題に対して、特許文献１においては屈折率の十分に大きい誘電体媒質で格子を被覆することにより、溝の深さを小さくすることが開示されている。しかし、この製造方法も溝幅が狭いために、溝底部まで誘電体媒質を成膜することは困難である。

また、高屈折率の誘電体媒質を材料として格子形状を作製することにより、溝深さを低下させる方法が知られているが、高屈折率の誘電体媒質の場合には、反射率が高くなり、光学素子として必要かつ十分な透過率を得ることは困難である。

この問題を解決するために、表面に屈折率の小さい誘電体媒質を成膜する方法が知られているが、高屈折率誘電体媒質と低屈折率誘電体媒質の界面での反射及び散乱が生じ、期待されるほどの透過率を得ることは困難である。

本発明の目的は、上述の問題点を解決し、製造が容易な光学波長板及び該波長板の製造方法を提供することにある。

本発明に係る光学波長板の技術的特徴は、誘電体基板上に堆積膜を形成し、該堆積膜は少なくとも２種類の元素から成る元素組成比を膜厚方向に連続的に変化させることによる傾斜した屈折率を有し、エッチングにより入射光の波長以下の周期構造を有する凹凸状格子パターンとしたことにある。

また、本発明に係る光学波長板の製造方法の技術的特徴は、誘電体基板上に少なくとも２種類の元素から成る堆積膜を該堆積膜の成長と共に元素組成比を膜厚方向に連続的に変化させながら形成することで、前記堆積膜に傾斜した屈折率を与え、前記堆積膜に入射光の波長以下の周期構造を有する凹凸状格子パターンをエッチングにより形成することにある。

本発明における光学波長板及び該波長板の製造方法によれば、誘電体基板上に傾斜した屈折率特性の変化を有する堆積膜を形成することで、全体としての屈折率は大きいが、基板界面及び表面での反射が小さくすることができる。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の原理を説明するための、傾斜した屈折率を有する誘電体媒質による堆積膜に、レリーフ状格子を形成した格子型の光学波長板の断面図を示している。

先ず、屈折率ｎ₁を有する誘電体基板１上に、原料ガスを導入することにより屈折率ｎ₁に近い又は同じ屈折率ｎ₂を有する誘電体媒質２を一面に成膜する。

続いて、誘電体媒質２の膜上に、誘電体媒質２の原料ガスと共に、屈折率ｎ₁よりも大きい屈折率ｎ₃を有する誘電体媒質３を、誘電体媒質２に対する混合比が徐々に大きくなるように、２つの原料ガスの流量を連続的に変化させながら導入する。そして、誘電体媒質２の膜上に誘電体媒質２及び誘電体媒質３から成る誘電体媒質混合膜４を成膜する。この誘電体媒質混合膜４中の誘電体媒質３の割合が１００％になった後に、この誘電体媒質３の膜を１００％の割合の状態のまま任意の膜厚まで成膜する。

更に、誘電体媒質３の膜上に、誘電体媒質３の屈折率ｎ₃よりも小さい屈折率を有する誘電体媒質５を、誘電体媒質２に対する混合比が徐々に大きくなるように、誘電体媒質３及び誘電体媒質５の原料ガスの流量を連続的に変化させながら導入する。誘電体媒質３の膜上に、誘電体媒質３及び誘電体媒質５から成る誘電体媒質混合膜６を成膜し、混合膜６の上部は誘電体媒質５が１００％の割合となるように成膜し、この誘電体媒質５の膜を任意の膜厚まで成膜する。

このようにして、傾斜した屈折率を有する誘電体媒質から成る堆積膜が得られ、この堆積膜に、エッチングを施すことにより図１に示すようなレリーフ状格子７を形成する。本実施例１におけるレリーフ状格子７は、誘電体基板１との屈折率差が同じ又は近いため、界面での反射を小さくできる。また、表面の誘電体媒質５の屈折率が小さいため、表面の反射も小さくできる。これにより、誘電体媒質混合膜４、６の平均的な屈折率が高く、かつ表面及び誘電体基板１の界面での反射を抑制することのできる光学波長板が得られる。

図２は本実施例１におけるプロセスのフローチャート図を示しており、先ずステップＳ１において、真空容器に石英ウエハから成る誘電体基板を配置し、真空容器内にＳｉＯ₂膜の原料ガスとしてＳｉ(ＯＣ₂Ｈ₅)₄(以下、ＴＥＯＳと云う)を導入する。そして、この基板上においてプラズマＣＶＤ法を用いることにより、原料ガスであるＴＥＯＳを分解、堆積させ、第１の誘電体媒質としてＳｉＯ₂膜を成膜する。

続いて、ステップＳ２において、ステップＳ１で成膜したＳｉＯ₂膜上に、ＳｉＯ₂とＳｉＯ₂よりも屈折率の高い材料であるＴｉＯ₂から成る誘電体混合膜を成膜する。原料ガスとして、ＴＥＯＳに対してＴｉ(Ｉ−ＯＣ₃Ｈ₇)₄(以下、ＴＴＩＰと云う)の割合を徐々に増加させながら導入することにより、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂から成る誘電体混合膜を成膜する。この際に、ＴＴＩＰの割合を徐々に増加させることにより、誘電体混合膜である堆積膜の成長と共に、ＳｉとＴｉの元素組成比を連続的に変化させて屈折率特性を連続的に変化させることができる。

ステップＳ３において、この誘電体混合膜中のＴｉＯ₂の割合が１００％となった状態において、所定の膜厚に至るまで第２の誘電体媒質であるＴｉＯ₂膜を成膜する。

続いて、ステップＳ４において、原料ガスとしてＴＴＩＰに対してＴＥＯＳの割合を徐々に増加させながら導入し、ＴｉＯ₂膜上にＳｉＯ₂とＴｉＯ₂から成る誘電体混合膜を成膜する。徐々にＳｉＯ₂の割合を増加させ、表面において第１の誘電体媒質としてＳｉＯ₂の割合を１００％とすることにより、ＳｉとＴｉの２種類の元素から成る元素組成比を膜厚方向に連続的に変化させ、傾斜した屈折率を有する堆積膜を成膜する。

図３は上述のＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の膜組成比を示しており、原料ガスであるＴＥＯＳとＴＴＩＰの流量を制御しながら、膜厚１０００ｎｍのＴｉＯ₂及びＳｉＯ₂の混合膜を成膜する。屈折率についても、ほぼ同様に膜組成比に比例した特性が得られる。

最後にステップＳ５において、ステップＳ４において得られたＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の堆積膜に、フォトリソグラフィプロセスによりＣＦ₄によりドライエッチングする。これにより、０．２６μｍのパターンニングを行い、入射光の波長以下の周期構造を有する凹凸状格子パターンであるレリーフ状格子７を形成することができる。

本実施例１によれば、誘電体基板と第１の誘電体媒質であるＳｉＯ₂膜の屈折率の差がないため、界面での反射を小さくすることができる。更に、成膜した堆積膜の表面も第１の誘電体媒質であるＳｉＯ₂膜の波長板と同等の反射率を有し、平均の屈折率が高い膜で波長板を形成するため、エッチングの工程が容易となる。従って、製作が容易、安価で量産性に富み、かつ透過率の高い光学波長板が得られる。本実施例においては、ＳｉとＴｉから成る２種類の原料ガスを用いたが３種類以上の原料ガスを用いてもよい。

レリーフ格子に入射する光が受ける位相差ΔΦは、格子の溝深さＤと複屈折の大きさΔｎに比例する。そこで、上述のように誘電体基板上に、誘電体基板と同じ又は誘電体基板に近い誘電体媒質と、誘電体基板よりも十分に屈折率が大きい誘電体媒質と屈折率が小さい誘電体媒質を、連続的に元素組成比が変化するように成膜する。これにより、堆積膜全体の屈折率は高いが、表面と基板界面の屈折率差が小さい堆積膜を成膜することができる。

因みに、基板界面と堆積膜、及び表面と空気の屈折率差が小さいため、反射率が小さく、透過率の高い誘電体膜となる。また、この堆積膜は傾斜した屈折率を有する単層の膜であるため、積層化した膜のような膜界面での反射がない。この堆積膜にサブ波長格子形状を形成することで、レリーフ格子の溝深さＤを小さくすることができる。

図４は実施例２におけるプロセスのフローチャート図を示している。実施例１と同様に、先ずステップＳ１１において、真空容器に石英ウエハから成る誘電体基板を配置し、この基板上にプラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯ₂膜の成膜を開始する。このＳｉＯ₂膜の原料ガスとして実施例１と同様にＴＥＯＳを用いる。

ステップＳ１２において、ＳｉＯ₂膜を成膜開始後に、ＴＥＯＳに対して屈折率を高くするＴａ₂Ｏ₅の原料ガスであるＴａ(ＯＣ₂Ｈ₅)₅の割合を増加させながら導入する。図５に示すような組成比になるように原料ガスの流量を制御しながら、Ｔａ₂Ｏ₅及びＳｉＯ₂から成る誘電体混合膜を成膜する。ステップＳ１３において、Ｔａ₂Ｏ₅の割合が１００％となった状態で、所定の膜厚になるまでＴａ₂Ｏ₅膜を成膜する。

続いてステップＳ１４において、Ｔａ(ＯＣ₂Ｈ₅)₅に対してＴＥＯＳの割合を徐々に増加させながら導入し、ＳｉＯ₂とＴａ₂Ｏ₅から成る誘電体混合膜を成膜する。そして、徐々にＳｉＯ₂の割合を増加させ、表面においてＳｉＯ₂の割合を１００％とすることにより、ＳｉとＴａの２種類の元素から成る元素組成を膜厚方向に連続的に変化させた屈折率を有する堆積膜を成膜する。

ステップＳ１５において、フォトリソグラフィプロセスによりＴａ₂Ｏ₅及びＳｉＯ₂の堆積膜をＣＦ₄でドライエッチングすることで、０．２６μｍのパターンニングを行い、波長以下の周期構造を有する凹凸状格子パターンを形成する。

本実施例２においては、実施例１と同様に誘電体基板とＳｉＯ₂膜の屈折率差がないため界面での反射が小さく、かつ表面もＳｉＯ₂膜の波長板と同等の反射率を有し、平均の屈折率が高い堆積膜により波長板を形成するため、エッチングの工程が容易となる。従って、製作が容易、安価で量産性に富み、かつ透過率の高い光学波長板が得られる。

上述の実施例１、２においては、それぞれＴｉ、Ｔａ原子を含む原料ガスを用いたが、Ｎｂ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｈｆ原子を含む原料ガスを用いてもよい。

また、本発明は上述の実施例に制限されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、入射光の波長λに対して、λ、λ／２、λ／４等の位相遅延差を発生させる波長板にも適用可能である。また、設計波長、周期等についても種々の変更が可能である。

このようにして製造した位相格子型の光学波長板は、測定器やその他の各種の光学機器において使用することができる。

実施例１の光学波長板の断面図である。 実施例１のプロセスのフローチャート図である。 実施例１の混合膜の組成比のグラフ図である。 実施例２のプロセスのフローチャート図である。 実施例２の混合膜の組成比のグラフ図である。

符号の説明

１ 誘電体基板
２、３、５ 誘電体媒質
４、６ 誘電体媒質混合膜
７ レリーフ状格子

Claims (8)

1. 誘電体基板上に堆積膜を形成し、該堆積膜は少なくとも２種類の元素から成る元素組成比を膜厚方向に連続的に変化させることによる傾斜した屈折率を有し、エッチングにより入射光の波長以下の周期構造を有する凹凸状格子パターンとしたことを特徴とする光学波長板。
2. 前記堆積膜の表面の屈折率を内部の屈折率よりも低くしたことを特徴とする請求項１に記載の光学波長板。
3. 誘電体基板上に少なくとも２種類の元素から成る堆積膜を該堆積膜の成長と共に元素組成比を膜厚方向に連続的に変化させながら形成することで、前記堆積膜に傾斜した屈折率を与え、前記堆積膜に入射光の波長以下の周期構造を有する凹凸状格子パターンをエッチングにより形成することを特徴とする光学波長板の製造方法。
4. 前記堆積膜は少なくとも２種類以上から成る原料ガスを真空容器に導入し、前記原料ガスを分解、堆積するプラズマＣＶＤ法により形成することを特徴とする請求項２に記載の光学波長板の製造方法。
5. 前記原料ガスは、Ｓｉ原子を含むガスと、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｈｆ原子のうちの少なくとも１つを含むガスとすることを特徴とする請求項４に記載の光学波長板の製造方法。
6. １種類の前記堆積膜を成膜した後に、徐々に更に他の１種類の原料ガスを増加させることで、前記堆積膜の成長と共に前記元素の組成比を膜厚方向に連続的に変化させることを特徴とする請求項４に記載の光学波長板の製造方法。
7. 請求項１又は２に記載の光学波長板を用いたことを特徴とする光学機器。
8. 請求項３〜６の何れか１つの請求項に記載の光学波長板の製造方法により製造した光学波長板を用いたことを特徴とする光学機器。