JP6074560B2 - 光学素子の製造方法及び光学素子用成型型の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面に微細凹凸構造を備えた光学素子の製造方法及び光学素子用金型の製造方法に関する。

光の波長よりも小さなピッチ（周期）で配列された微細凹凸構造からなる反射防止構造が光学素子に使用されている。このような微細凹凸構造用の成形型の製造方法として、干渉露光や電子ビーム描画装置を使用してレジストをパターニングし、エッチングまたは電鋳を行う方法が知られている（たとえば、特許文献１）。しかし、これらの方法によって、大きな面積の面や曲面に微細凹凸構造を形成するのは困難である。

最近、レジストのパターニング工程なしで反射防止構造を作製する方法が開発されている。主として、ナノ粒子を基板表面に塗布することで、微細凹凸構造体を形成する方法（たとえば、特許文献２）、または、陽極酸化ポーラスアルミナを鋳型として微細凹凸構造体を形成する方法（たとえば、特許文献３）がある。これらの方法は、大きな面積の面や曲面への適用が期待されるが、プロセスの特性から微細凹凸構造体のピッチの大きさは、1マイクロメータ以下に制限される。したがって、たとえば、赤外線用の光学素子などに応用するのは困難である。

このように、赤外域を含む広い範囲のピッチの微細凹凸構造を、大きな面積の面や曲面を含む面に形成することのできる成形型、光学素子の製造方法は開発されていない。

WO2006/129514 特開2012-40878 特開2014-51710

したがって、赤外域を含む広い範囲のピッチの微細凹凸構造を、大きな面積の面や曲面を含む面に形成することのできる成形型及び光学素子の製造方法に対するニーズがある。

本発明の第１の態様による成形型の製造方法は、反応性イオンエッチング装置を使用した成形型の製造方法である。該装置内に、六フッ化硫黄と酸素との混合ガスを導入し、六フッ化硫黄と反応する半導体または金属の材料からなる基材を配置し、該基材の表面に酸化物を点在させ、該酸化物をエッチング防止マスクとして、六フッ化硫黄によって該基材の表面にエッチングを進行させることにより該基材の表面に、ピッチの上限が赤外域である微細凹凸構造を形成する。

本態様の製造方法は、エッチング防止マスクのためのパターニングを必要としないので手間がかからない。また、本態様の製造方法によれば、赤外域を含む広い範囲のピッチの微細凹凸構造を、大きな面積の面や曲面を含む面に形成することができる。

本発明の第１の態様の第１の実施形態による成形型の製造方法においては、成形型が光学素子用のものである。

本発明の第１の態様の第２の実施形態による成形型の製造方法においては、成形型が反射防止構造用のものである。

本発明の第１の態様の第３の実施形態による成形型の製造方法においては、成形型が赤外線反射防止構造用のものである。

本発明の第１の態様の第４の実施形態による成形型の製造方法においては、成形型が拡散板用のものである。

本発明の第２の態様による成形型は、反応性イオンエッチング装置内に、六フッ化硫黄と酸素との混合ガスを導入し、六フッ化硫黄と反応する半導体または金属の材料からなる基材を配置し、該基材の表面に酸化物を点在させ、該酸化物をエッチング防止マスクとして、六フッ化硫黄によって該基材の表面にエッチングを進行させることにより該基材の表面に、ピッチの上限が赤外域である微細凹凸構造を形成したものである。

本態様の成形型は、エッチング防止マスクのためのパターニングを使用せずに簡単な工程で製造することができる。また、赤外域を含む広い範囲のピッチの微細凹凸構造を、大きな面積の面や曲面を含む面に備えた成形型が得られる。

本発明の第３の態様による光学素子の製造方法は、反応性イオンエッチング装置を使用した光学素子の製造方法である。該装置内に、六フッ化硫黄と酸素との混合ガスを導入し、六フッ化硫黄と反応する半導体からなる基材を配置し、該基材の表面に酸化物を点在させ、該酸化物をエッチング防止マスクとして、六フッ化硫黄によって該基材の表面にエッチングを進行させることにより該基材の表面にピッチの上限が赤外域である微細凹凸構造を形成する。

本態様の製造方法は、エッチング防止マスクのためのパターニングを必要としないので手間がかからない。また、本態様の製造方法によれば、赤外域を含む広い範囲のピッチの微細凹凸構造を、大きな面積の面や曲面を含む面に形成することができる。

本発明の第４の態様による光学素子は、反応性イオンエッチング装置内に、六フッ化硫黄と酸素との混合ガスを導入し、六フッ化硫黄と反応する半導体からなる基材を配置し、該基材の表面に酸化物を点在させ、該酸化物をエッチング防止マスクとして、六フッ化硫黄によって該基材の表面にエッチングを進行させることにより該基材の表面に、ピッチの上限が赤外域である微細凹凸構造を形成したものである。

本態様の光学素子は、エッチング防止マスクのためのパターニングを使用せずに簡単な工程で製造することができる。また、赤外域を含む広い範囲のピッチの微細凹凸構造を、大きな面積の面や曲面を含む面に備えた光学素子が得られる。

本発明による、表面に微細凹凸構造を備えた成形型または光学素子に使用される反応性イオンエッチング装置２００の構成を示す図である。 本発明による成形型製造方法の原理を説明するための流れ図である。 平面に微細凹凸構造を備えた成形型を製造する方法を説明するための図である。 表面に微細凹凸構造を備えた光学素子を製造する方法を説明するための図である。 本発明による成形型の製造方法の一例として、反射防止構造用金型製造方法のエッチング条件を決定する方法を示す流れ図である。 表１のエッチング条件を維持して、高周波電源の電力を１００ワット及び２００ワットとした場合のエッチング時間と微細凹凸構造のピッチとの関係を示す図である。 表１のエッチング条件を維持して、高周波電源の電力を１００ワット及び２００ワットとした場合のエッチング時間と微細凹凸構造の深さとの関係を示す図である。 微細凹凸構造を備えた基材に入射する赤外線の波長と透過率との関係を示す図である。 透過率を説明するための図である。 透過率を向上させたい光の波長と、透過率を向上させる凹凸微細構造のピッチとの関係を示す図である。 表面に微細凹凸構造を備えていない基板１、表面に可視光用の微細凹凸構造を備えた基板２、及び表面に微細凹凸構造３を備えた基板３の外観写真を示す図である。 微細凹凸構造３の走査型電子顕微鏡写真である。

図１は、本発明による、表面に微細凹凸構造を備えた成形型または光学素子の製造に使用される反応性イオンエッチング装置２００の構成を示す図である。反応性イオンエッチング装置２００は、エッチング室２０１を有する。真空排気されたエッチング室２０１には、ガス供給口２０７からガスが供給される。さらに、エッチング室２０１には、ガス排気口２０９が設けられ、ガス排気口２０９には、バルブ２１７が取り付けられている。エッチング室２０１に取り付けられたガス圧力計２１３の測定値にしたがって、制御装置２１５にバルブ２１７を操作させることにより、エッチング室２０１内のガス圧力を所望の圧力値とすることができる。エッチング室２０１には、上部電極２０３及び下部電極２０５が備わり、両電極間に高周波電源２１１により高周波電圧をかけてプラズマを発生させることができる。下部電極２０５には、成形型の母材である基材１０１が配置される。下部電極２０５は、冷却装置２１９によって所望の温度に冷却することができる。冷却装置２１９は、たとえば、冷却に水冷式チラーを使用するものである。下部電極２０５を冷却するのは、基材１０１の温度を所望の温度とすることによりエッチング反応を制御するためである。

ここで、エッチング室２０１に供給されるガスは、六フッ化硫黄と酸素との混合ガスである。また、基材の材料は、六フッ化硫黄と反応する半導体または金属である。

図２は、本発明による成形型製造方法の原理を説明するための流れ図である。

図２のステップＳ１０１０において、プラズマドライエッチングを実施するように、高周波電圧をかけることにより、混合ガスがプラズマ化される。

図２のステップＳ１０２０において、プラズマ中の酸素イオンと、フッ素系ガス（六フッ化硫黄）に反応した基材の金属または半導体イオンとが結合し、酸化物として基材表面のランダムな位置に付着する。上記の酸化物は、六フッ化硫黄でほとんどエッチングされず、エッチング防止マスクとして機能する。

図２のステップＳ１０３０において、基材表面に付着した上記の酸化物をマスクとして六フッ化硫黄によって基材表面の酸化物に覆われていない部分のエッチングが進行する。この結果、基材表面に微細凹凸構造が形成される。

使用するガスは、上述のように、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）と酸素との混合ガスである。

基材の材料は、六フッ化硫黄と反応する、半導体、金属である。具体的には、シリコン、チタン、タングステン、タンタル、チタンに他の元素を添加したチタン合金、タングステンに他の元素を添加したタングステン合金などである。

図３は、平面に微細凹凸構造を備えた成形型を製造する方法を説明するための図である。

図３（ａ）は、エッチング前の基材１０１の断面を示す図である。

図３（ｂ）は、基材１０１の表面に反応性イオンエッチング装置を使用して微細凹凸構造の形状をエッチングしたものの断面を示す図である。なお、図３（ｂ）において、わかりやすくするために、基材と比較して微細凹凸構造の寸法を拡大して記載している。

図４は、表面に微細凹凸構造を備えた光学素子を製造する方法を説明するための図である。

図４（ａ）は、切削加工などにより曲面に加工したシリコン製の光学素子の断面を示す図である。シリコン製の光学素子は赤外線用に使用される。

図４（ｂ）はシリコン製の光学素子の表面に反応性イオンエッチング装置を使用して微細凹凸構造の形状をエッチングしたものの断面を示す図である。光学素子の表面の微細凹凸構造は、反射防止構造として機能する。なお、わかりやすくするために、図４（ｂ）において、光学素子と比較して微細凹凸構造の寸法を拡大して記載している。

図５は、本発明による成形型の製造方法の一例として、反射防止構造用成形型製造方法のエッチング条件を決定する方法を示す流れ図である。

図５のステップＳ２０１０において、エッチング条件の初期値を設定する。

図５のステップＳ２０２０において、設定したエッチング条件にしたがって反応性イオンエッチング装置を使用して基材をエッチングする。

図５のステップＳ２０３０において、製造した成形型の反射率を評価する。

図５のステップＳ２０４０において、製造した成形型の形状を評価する。形状の評価は、たとえば、走査型電子顕微鏡を使用して行う。

図５のステップＳ２０５０において、製造した成形型が反射防止構造用成形型として適切かどうか判断する。適切であれば処理を終了する。適切でなければステップＳ２０６０に進む。

図５のステップＳ２０６０において、エッチング条件を修正する。

エッチング条件について、以下において詳細に説明する。

表１は、エッチング条件の一部を示す表である。

反応性イオンエッチング装置２００のエッチング室２０１には、ガス供給口２０７から六フッ化硫黄と酸素との混合ガスが供給される。六フッ化硫黄及び酸素の供給流量は、それぞれ、毎分５０ミリ・リットルである。エッチング室２０１の圧力は、１パスカルに制御される。基材１０１が配置される下部電極２０５の温度は、摂氏３度に制御される。基材１０１はシリコン製である。

図６は、表１のエッチング条件を維持して、高周波電源２１１の電力を１００ワット及び２００ワットとした場合のエッチング時間と微細凹凸構造のピッチとの関係を示す図である。図６の横軸は、エッチング時間を表し、図６の縦軸は微細凹凸構造のピッチを表す。時間の単位は分であり、ピッチの単位はマイクロメータである。なお、高周波電源２１１の周波数は、１３．５６ＭＨｚである。

ここで、微細凹凸構造のピッチは、原子間力顕微鏡などによって得られた微細凹凸構造の断面における、隣接する凸部間または隣接する凹部間の基材面に平行な方向の距離の平均値である。微細凹凸構造の断面のフーリエ解析により求めてもよい。

図６によれば、微細凹凸構造のピッチは、エッチング時間が増加するにしたがって大きくなる。また、時間に対する微細凹凸構造のピッチの増加率は、高周波電源２１１の電力が増加するにしたがって大きくなる。

図７は、表１のエッチング条件を維持して、高周波電源２１１の電力を１００ワット及び２００ワットとした場合のエッチング時間と微細凹凸構造の深さとの関係を示す図である。基材１０１はシリコン製である。図７の横軸は、エッチング時間を表し、図７の縦軸は微細凹凸構造の深さを表す。時間の単位は分であり、深さの単位はマイクロメータである。

ここで、微細凹凸構造の深さは、原子間力顕微鏡などによって得られた微細凹凸構造の断面における、隣接する凸部及び凹部間の基材面に垂直な方向の距離の平均値である。

図７によれば、微細凹凸構造の深さは、エッチング時間が増加するにしたがって大きくなる。また、時間に対する微細凹凸構造の深さの増加率は、高周波電源２１１の電力が増加するにしたがって大きくなる。

このように、高周波電源２１１の電力及びエッチング時間を含むエッチング条件を調整することにより、可視光域及び赤外域に対応するピッチ及び深さを備えた微細凹凸構造を製造することができる。

図８は、微細凹凸構造を備えた基材に入射する赤外線の波長と透過率との関係を示す図である。図８の横軸は、基材に入射する赤外線の波長を表し、図８の縦軸は、赤外線の透過率を表す。図８において実線は、微細凹凸構造を備えていない基材に入射する赤外線の波長と透過率との関係を示し、二点鎖線は、以下に説明するエッチング条件１で製造した微細凹凸構造を備えた基材に入射する赤外線の波長と透過率との関係を示し、破線は、以下に説明するエッチング条件２で製造した微細凹凸構造を備えた基材に入射する赤外線の波長と透過率との関係を示す。

図９は、透過率を説明するための図である。透過率は、透過光の入射光に対する比率である。基材１０１の面に設置された微細凹凸構造１０１１の機能によって、透過率が変化する。

表２は、エッチング条件１及びエッチング条件２を示す表である。

エッチング条件１で製造した微細凹凸構造（以下、微細凹凸構造１と呼称する）のピッチは、１．０マイクロメータであり、深さは１．２１マイクロメータである。微細凹凸構造１の深さに対するピッチの比は、０．８３である。エッチング条件２で製造した微細凹凸構造（以下、微細凹凸構造２と呼称する）のピッチは、３．０マイクロメータであり、深さは２．７９マイクロメータである。微細凹凸構造２の深さに対するピッチの比は、１．１である。

図８によれば、微細凹凸構造１を備えた基材は、２乃至１５マイクロメータの波長範囲で、微細凹凸構造を備えていない基材と比較して透過率が高い。特に、３乃至７マイクロメータの波長範囲で、微細凹凸構造を備えていない基材と比較して透過率が約１０％以上高い。微細凹凸構造２を備えた基材は、６乃至１５マイクロメータの波長範囲で、微細凹凸構造を備えていない基材と比較して透過率が高い。特に、７乃至１２マイクロメータの波長範囲で、微細凹凸構造を備えていない基材と比較して透過率が約７％以上高い。上記の結果から、透過率を向上させる、すなわち、反射率を低下させる微細凹凸構造のピッチは、透過率を向上させたい波長の１／５から１／２の範囲であるのが好ましい。

図１０は、透過率を向上させたい光の波長と、透過率を向上させる凹凸微細構造のピッチとの関係の一例を示す図である。図１０の横軸は、透過率を向上させたい光の波長を表し、図１０の縦軸は、透過率を向上させる凹凸微細構造のピッチを表す。

微細凹凸構造２のピッチよりもさらに大きな赤外域のピッチの微細凹凸構造（以下、微細凹凸構造３と呼称）を製造した。

表３は、微細凹凸構造３のエッチング条件を示す表である。

微細凹凸構造３のピッチは、１８．０マイクロメータであり、深さは６．０マイクロメータである。微細凹凸構造３の深さに対するピッチの比は、３．０である。

表３に示したエッチング条件において、六フッ化硫黄の供給量よりも酸素の供給量を減少させている。この結果、基材表面に付着し、エッチングマスクとして機能する酸化物の相互の間隔が大きくなる。したがって、微細凹凸構造３の深さに対するピッチの比は、微細凹凸構造１及び２の深さに対するピッチの比よりも大きくなる。このように、六フッ化硫黄の供給量と酸素の供給量との比を変えることにより、微細凹凸構造の深さに対するピッチの比を変えることができる。

図１１は、表面に微細凹凸構造を備えていない基板１、表面に可視光用の微細凹凸構造を備えた基板２、及び表面に微細凹凸構造３を備えた基板３の外観写真を示す図である。基板２の微細構造のピッチは、０．２マイクロメータである。基板２の表面における反射は微細凹凸構造によって低減されるので、基板２は基板１と比較して黒く見える。微細凹凸構造３のピッチは、可視光の波長よりも十分に大きい。他方、微細凹凸構造３の隣接する凸部または凹部間の基材面に平行な方向の距離は一定ではなく所定の範囲に分布している。したがって、基板３の微細凹凸構造３によって、種々の波長の種々の次数の回折光が生じ、基板３は基板１と比較して白濁して見える。すなわち、表面に微細凹凸構造３を備えた基板３は、可視光を拡散させている。

このように、微細凹凸構造３を備えた基板３は、拡散板として機能する。

図１２は、微細凹凸構造３の走査型電子顕微鏡写真である。

Claims (6)

1. 反応性イオンエッチング装置内に、六フッ化硫黄と反応する半導体または金属の材料からなる基材を配置し、六フッ化硫黄と酸素との混合ガスを導入し、プラズマドライエッチングプロセスにおいて、プラズマ中の酸素イオンと、六フッ化硫黄に反応した該基材の材料と、を結合させ、該基材の表面に酸化物を点在させ、該酸化物をエッチング防止マスクとして、六フッ化硫黄によって該基材の表面にエッチングを進行させることにより該基材の表面に微細凹凸構造を形成する、光学素子用成形型の製造方法であって、成形型が反射防止構造用のものであり、微細凹凸構造の断面における、隣接する凸部間または隣接する凹部間の基材面に平行な方向の距離の平均値を微細凹凸構造のピッチとして、微細凹凸構造のピッチが０．３５マイクロメータよりも大きく、微細凹凸構造のピッチの上限が赤外域であり、該反応性イオンエッチング装置の高周波電源の電力及びエッチング時間を変えることによって、反射率を低下させたい波長の１／５から１／２の範囲であるように、微細凹凸構造のピッチを定める光学素子用成形型の製造方法。
2. さらに、微細凹凸構造の断面における、隣接する凸部及び凹部間の基材面に垂直な方向の距離の平均値を微細凹凸構造の深さとして、六フッ化硫黄の供給量と酸素の供給量との比を変えることにより、微細凹凸構造の深さに対する微細凹凸構造のピッチの比を定める請求項１に記載の光学素子用成形型の製造方法。
3. 成形型が赤外線反射防止構造用のものである請求項１に記載の光学素子用成形型の製造方法。
4. 請求項１から３のいずれかの方法によって成形型を製造し、
   該成形型を使用して成形によって光学素子を製造する光学素子の製造方法。
5. 反応性イオンエッチング装置内に、六フッ化硫黄と反応する半導体の材料からなる基材を配置し、六フッ化硫黄と酸素との混合ガスを導入し、プラズマドライエッチングプロセスにおいて、プラズマ中の酸素イオンと、六フッ化硫黄に反応した該基材の材料と、を結合させ、該基材の表面に該基材の材料の酸化物を点在させ、該酸化物をエッチング防止マスクとして、六フッ化硫黄によって該基材の表面にエッチングを進行させることにより該基材の表面に微細凹凸構造を形成する、反射防止用光学素子の製造方法であって、微細凹凸構造の断面における、隣接する凸部間または隣接する凹部間の基材面に平行な方向の距離の平均値を微細凹凸構造のピッチとして、微細凹凸構造のピッチの上限が赤外域であり、該反応性イオンエッチング装置の高周波電源の電力及びエッチング時間を変えることによって、反射率を低下させたい波長の１／５から１／２の範囲であるように、微細凹凸構造のピッチを定める光学素子の製造方法。
6. さらに、微細凹凸構造の断面における、隣接する凸部及び凹部間の基材面に垂直な方向の距離の平均値を微細凹凸構造の深さとして、六フッ化硫黄の供給量と酸素の供給量との比を変えることにより、微細凹凸構造の深さに対する微細凹凸構造のピッチの比を定める請求項５に記載の光学素子の製造方法。