(57)【要約】【課題】  従来手法での素子形状変化による光学特性の劣化や接合強度の不足による耐久性の不良を解消することが可能となる３次元構造体を有する光学素子の製造方法および光学素子を提供する。【解決手段】  酸化物材料で形成された少なくとも第一の光学部材及び第二の光学部材が接合されて構成された光学素子の製造方法であって、前記第一の光学部材及び第二の光学部材の少なくとも一方に、可視光波長以下の周期による屈折率周期構造体を形成する工程と、  前記第一の光学部材及び第二の光学部材に、酸素欠乏酸化物からなる接合層を形成する工程と、前記接合層を介して第一の光学部材と第二の光学部材を密着させる工程と、密着させた後、前記接合層を酸化させる工程と、を有する。【選択図】  図１
2010055067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物材料で形成された少なくとも第一の光学部材及び第二の光学部材が接合されて構成された光学素子の製造方法であって、
前記第一の光学部材及び第二の光学部材の少なくとも一方に、可視光波長以下の周期による屈折率周期構造体を形成する工程と、
前記第一の光学部材及び第二の光学部材に、酸素欠乏酸化物からなる接合層を形成する工程と、
前記接合層を介して第一の光学部材と第二の光学部材を密着させる工程と、
密着させた後、前記接合層を酸化させる工程と、
を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２】
前記密着させる工程が、少なくとも酸素を含む周囲雰囲気下で行われることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
【請求項３】
酸化物材料で形成された少なくとも第一の光学部材及び第二の光学部材が、接合されて構成された可視光波長以下の周期による屈折率周期構造体を有する光学素子であって、
前記第一の光学部材及び第二の光学部材の少なくとも一方には可視光波長以下の周期による屈折率周期構造体が形成され、
前記第一の光学部材及び第二の光学部材は、酸素欠乏酸化物からなる接合層を有し、該接合層を介して前記第一の光学部材と前記第二の光学部材が接合されていることを特徴とする光学素子。
【請求項４】
前記屈折率周期構造体が、ラインアンドスペース構造体、ホールパターン構造体及びドットパターン構造体、のいずれかの構造体であることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記屈折率周期構造体は、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、のいずれかによる酸化物材料で構成されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視光の波長以下の屈折率周期構造を有する３次元構造体による光学素子の製造方法および光学素子に関するものである。
【０００２】
例えば、その表面に可視光の波長より面内周期の短い構造を有する偏光ビームスプリッタ、位相板、バンドパスフィルターなどの３次元構造体による光学素子の製造方法および光学素子に関する。
【背景技術】
【０００３】
現在、可視光の波長以下の屈折率周期構造を有する三次元周期構造体による微細光学素子の開発が盛んに行われている。
【０００４】
例えば、特許文献１にはラインアンドスペース構造を、ライン方向を相互に９０°回転させて三層積層した構造からなる偏光素子が提案されている。ここでは、構造体と基板の接着方法として、接着剤としてチタンカップリング剤を用いた方法が記載されている。この方法では、チタンカップリング剤を、イソプロプリアルコールで６０倍に希釈したものをスピンコート法にて基板上に塗布し、１８０℃で２分間仮硬化することで接着剤層を得ている。その後、構造体と基板を接着剤層を介して密着させ、ホットプレート上で、２ｋｇの荷重をかけながら、５分間、２００℃で放置することで、接着を行っている。
【０００５】
特許文献２においては、構造体の接合方法として、構造体を有する基板を構造体が接するように重ね合わせ、Ｈ２雰囲気で６５０℃程度に加熱することにより、構造体を融着させる方式が記載されている。この方法を用いた場合、水素が拡散することにより共有結合や金属結合を実現することができ、金属や半導体では有効に接合が行なえる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２６４６０４号公報
【特許文献２】特開２００１−７４９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、３次元構造体による光学素子の製造方法に上記従来例による接着・接合方法を適用した場合、つぎのような課題を生じる。
【０００８】
すなわち、特許文献１で記載されている従来手法を、酸化物材料同士の接合を含むような可視光波長以下の周期からなる三次元構造体を有する微細光学素子の製造方法に適用した場合、接着剤層が毛細管力により構造体の凹部に入り込んでしまうこととなる。
【０００９】
そのため、所望の光学特性が得られないという問題を生じる。
【００１０】
また、特許文献２で記載されている従来手法を、酸化物材料同士の接合を含むような可視光波長以下の周期からなる三次元構造体を有する微細光学素子の製造方法に適用した場合、接合の対象が酸化物になる。
【００１１】
そのため、水素の拡散による共有結合や金属結合を実現することが難しくなり、充分な接合強度を得ることができないという問題が生じる。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑み、従来手法での素子形状変化による光学特性の劣化や接合強度の不足による耐久性の不良を解消することが可能となる３次元構造体による光学素子およびその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる光学素子の製造方法は、酸化物材料で形成された少なくとも第一の光学部材及び第二の光学部材が接合されて構成された光学素子の製造方法であって、前記第一の光学部材及び第二の光学部材の少なくとも一方に、可視光波長以下の周期による屈折率周期構造体を形成する工程と、前記第一の光学部材及び第二の光学部材に、酸素欠乏酸化物からなる接合層を形成する工程と、前記接合層を介して第一の光学部材と第二の光学部材を密着させる工程と、密着させた後、前記接合層を酸化させる工程と、を有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係わる光学素子は、酸化物材料で形成された少なくとも第一の光学部材及び第二の光学部材が、接合されて構成された可視光波長以下の周期による屈折率周期構造体を有する光学素子であって、前記第一の光学部材及び第二の光学部材の少なくとも一方には可視光波長以下の周期による屈折率周期構造体が形成され、前記第一の光学部材及び第二の光学部材は、酸素欠乏酸化物からなる接合層を有し、該接合層を介して前記第一の光学部材と前記第二の光学部材が接合されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、酸素原子を仲介とした化学的な結合により、接合強度及び耐久性に優れた光学素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の光学素子の製造方法を説明する工程断面図。
【図２】Ａｒスパッタ時間と酸素欠乏接合層のｘ値との関係を示す図。
【図３】オゾン酸化による酸化時間と酸化膜厚の関係を示す図。
【図４】本発明の実施例２における光学素子の製造方法を説明する工程断面図。
【図５】本発明の実施例３における光学素子の製造方法を説明する工程断面図。
【図６】本発明の実施例４における光学素子の製造方法を説明する工程断面図。
【図７】本発明の実施例５における光学素子の製造方法を説明する工程断面図。
【図８】本発明の実施例６における光学素子の製造方法を説明する工程断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態における少なくとも第一の光学部材と第二の光学部材とが接合されて構成された光学素子の製造方法について説明する。本発明の光学素子は、第一の光学部材と第二の光学部材の少なくともいずれか一方に酸化物材料からなる可視光波長以下のピッチを有する空気と構造体の繰り返し構造である屈折率周期構造体からなる第一の構造体を有している。
【００１８】
この本発明の光学素子の製造方法の一実施形態を図１を参照して説明する。
図１（ａ）において、第一の光学部材は、基板１１上に酸化物材料からなる可視光波長以下のピッチを有する空気と構造体の繰り返し構造である屈折率周期構造体からなる第一の構造体１２を設けて構成される。第一の構造体１２は、酸化物材料で構成される。以後、可視光波長以下のピッチを有する空気と構造体の繰り返し構造を屈折率周期構造体と称することにする。
【００１９】
また、第二の光学部材も酸化物材料で構成される。本実施形態においては、光学ガラス基板１３である例を示すが、この光学ガラス基板上に酸化物材料からなる可視光波長以下のピッチを有する空気と構造体の繰り返し構造である屈折率周期構造体を設けてもよい。
【００２０】
第一の光学部材と第二の光学部材を接合することにより光学素子が製造される。それぞれの光学部材は酸素欠乏酸化物からなる接合層を介して接合され、これにより３次元構造体を有する光学素子が形成される。本発明において酸素欠乏酸化物とは、化学量論組成より酸素が少ない酸化物のことを称し、例えば、第一の光学部材及び第二の光学部材を構成する酸化物の化学量論組成の酸素量の６５％以上９５％以下の酸素量である酸化物であることが好ましい。６５％より少ないと、光学特性を満足する光学素子を得られない場合があり、９５％より多いと結合強度が得られない場合がある。
【００２１】
（接合層を形成する工程）
酸素欠乏酸化物からなる接合層は、つぎのような手法により形成することができる。第一の手法は、図１（ｂ）に示すように、Ａｒイオン、Ｈｅイオン、Ｋｒイオン等の不活性ガスにより前記第一の光学部材および第二の光学部材をスパッタエッチングする方法である。第一の光学部材および第二の光学部材を構成する酸化物のうち、スパッタエッチングされる部分が酸素欠乏酸化物となる。これにより、それぞれに酸素欠乏酸化物からなる接合層１４、１５が形成される。
【００２２】
第二の手法は、スパッタ成膜により形成する方法である。前記第一の光学部材および第二の光学部材をスパッタ法により成膜する。この時、酸素欠乏酸化物となるように成膜条件を設定することにより酸素欠乏酸化物を成膜する。これにより、前記第一の光学部材および第二の光学部材に酸素欠乏酸化物からなる接合層が形成される。
【００２３】
（それぞれの接合層を密着させる工程）
次に、図１（ｃ）に示すように、第一の光学部材と第二の光学部材との接合を行なう。第一の光学部材と第二の光学部材とを、それぞれに形成した酸素欠乏酸化物からなる接合層を介して、少なくとも酸素を含む周囲雰囲気下で、例えば５Ｎ／ｍｍ２程度の力をかけて密着させ接合する。例えばチャンバー１６内を少なくとも酸素を含む周囲雰囲気にしておき、チャンバー内で第一の光学部材と第二の光学部材とを密着させる。このこのとき、例えば１００℃以上の加熱を施すことにより、さらに接合強度を強くすることができる。
【００２４】
このように、酸素欠乏酸化物からなる接合層を介して接合することにより、密着界面での原子における未結合手（ダングリングボンド）が多く、接合強度を強くすることが可能となる。
【００２５】
（接合層を酸化させる工程）
さらに、図１（ｄ）に示すように、上記密着接合後に、前記接合層を酸化させる。その際、前記接合層の酸化手段を、プラズマ酸化、熱酸化、オゾン酸化、のいずれかから選択して用いることができる。このとき、２００℃以上の加熱を行なうことによりより十分な酸化作用を得ることができる。これにより、酸素原子を仲介とした化学的な結合が行われ、接合強度をより強くすることができる。また、酸化工程での接合層の形状変化も小さいため、形状変化による光学特性の劣化も抑制することができる。そして、酸素欠乏接合層での光の吸収を低減させることができることにより、光学特性の劣化を低減させることが可能となる。
【００２６】
以上の製造方法により、少なくとも第一の光学部材と第二の光学部材とが接合されて構成された、耐久性及び光学性能に優れた光学素子を得ることができる。得られる光学素子は、酸化物により形成された第一の光学部材及び第二の光学部材の少なくとも一方には、可視光波長以下の周期による屈折率周期構造体を有している。そして、第一の光学部材及び第二の光学部材が結合される部分である、第一の光学部材及び第二の光学部材は、酸素欠乏酸化物からなる接合層を有している。そしてこの接合層を介して第一の光学部材と第二の光学部材は接合されている。前記接合層は、それぞれの光学部材または屈折率周期構造体を構成する酸化物材料と同じ構成元素の酸素欠乏酸化物であることが光学特性上好ましい。なお、屈折率周期構造体は、例えば、ラインアンドスペース構造体の他、ホールパターン構造体、ドットパターン構造体、のいずれかの構造体を用いることができる。また、前記屈折率周期構造体は、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、のいずれかによる酸化物材料で構成することができる。また、第一の光学部材または第二の光学部材の前記屈折率周期構造体以外の部分は、ホウ酸、ケイ酸、ランタン、のいずれかを含むガラス材料による酸化物材料で構成されていてもよい。
【実施例】
【００２７】
以下実施例により本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。
【００２８】
［実施例１］
本実施例における光学素子の製造方法を、実施形態で説明した図１を用いて説明する。
【００２９】
基板１１及び１３は、ケイ酸（ＳｉＯ２）を含む光学ガラスを用いた。第一の構造体１２として、酸化チタン（ＴｉＯ２）からなるラインアンドスペース構造体を形成した例を示す。
【００３０】
まず、図１（ａ）に示すように、光学ガラス基板１１上にＴｉＯ２からなるラインアンドスペース構造体１２を設けた第一の光学部材及び光学ガラス基板１３からなる第二の光学部材を準備した。ＴｉＯ２からなるラインアンドスペース構造体１２は、ＴｉＯ２膜をスパッタ法で成膜した後、通常の露光・現像工程によりフォトレジスト層をパターニングした。その後、ドライエッチング法にてＴｉＯ２膜のスペース部をエッチングし、残りのレジストを適切な溶剤によって除去することにより形成した。本実施例のラインアンドスペース構造１２の寸法は、ライン幅が３０ｎｍ、スペース幅が１１０ｎｍ、ライン高さが３００ｎｍとなるように形成した。
【００３１】
次に、図１（ｂ）に示すように、Ａｒイオンによりラインアンドスペース構造体１２のライン部上面及び光学ガラス基板１３の接合面を、スパッタエッチングした。このことによりＴｉＯ２からなるラインアンドスペース構造体１２の上部に、該ラインアンドスペース構造を構成する酸化物材料ＴｉＯ２と同じ構成元素であるＴｉＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層１４が形成された。また、光学ガラス基板１３の面上に、該光学ガラス基板に含まれる酸化物材料であるＳｉＯ２と同じ構成元素であるＳｉＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層１５が形成された。
【００３２】
本実施例ではｘ値がそれぞれ１．４になるようにスパッタエッチング条件を設定した。ここで、種々の検討により得られた、酸化物材料におけるＡｒイオンによるスパッタエッチング時間と酸素欠乏接合層のｘ値との関係を、図２に示す。スパッタエッチング前（スパッタエッチング時間が０ｍｉｎ）の時にｘ値が化学量論組成の値２より大きいのは表面のコンタミに含まれる酸素が原因である。
【００３３】
図２から分かるように、ＴｉＯ２膜表面をＡｒイオンによりスパッタエッチングすることで、酸素欠乏層を形成することができる。同様に、ＳｉＯ２を含む膜表面をＡｒイオンによりスパッタエッチングすることで、酸素欠乏層を形成することができる。
【００３４】
次に、図１（ｃ）に示すように、ラインアンドスペース構造体１２と光学ガラス基板１３とを接合するに際し、つぎのように密着工程を行なった。すなわち、ラインアンドスペース構造体１２と光学ガラス基板１３とを、これらに形成された前記接合層１４と接合層１５とを介して、チャンバー１６内を酸素雰囲気にし、密着接合させた。その際、これらの密着接合を、加圧、加熱により行うことで、より強固な接合強度を得ることができた。本実施例では５Ｎ／ｍｍ２の加圧と１００℃の加熱を施した。
【００３５】
次に、図１（ｄ）に示すように、オゾン雰囲気中で、２００℃で３０分間、酸化を行なった。ここで、種々の検討により得られた、酸化物材料における酸化時間と酸化膜厚の関係を図３に示す。図３から分かるように、２００℃で３０分間、オゾン酸化することにより、膜厚がおよそ１５ｎｍの酸化膜を得ることができた。本実施例では、ラインアンドスペース構造のため、両側の側壁から酸化が行われた。そのため、両側の側壁から１５ｎｍ酸化されることにより、３０ｎｍのライン全体が酸化された。この酸化工程によりさらに強固な接合が実現するとともに、所望の光学特性を得ることができた。以上の実施例によって形成された偏光板を評価したところ、耐久性及び光学特性の良好な素子が得られた。
【００３６】
［実施例２］
実施例２においては、上記実施例１とは異なる形態の３次元構造体による光学素子およびその製造方法の構成例について説明する。
【００３７】
図４に、本実施例における３次元構造体による光学素子の製造方法を説明する工程断面図を示す。図４において、４１及び４４はケイ酸（ＳｉＯ２）を含む光学ガラス基板、４２は酸化ケイ素膜（ＳｉＯ２膜）、４６はＳｉＯ２からなるラインアンドスペース構造である。４５と４７はＳｉＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層である。
４８はチャンバー、４９酸素欠乏領域である。
【００３８】
まず、図４（ａ）に示すように、光学ガラス基板４１上に、ＳｉＯ２膜４２と、該ＳｉＯ２膜と同じ構成元素であるＳｉＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層４３を、スパッタ法にて順次成膜した。また、光学ガラス基板４４上に、該光学ガラス基板に含まれる酸化物材料であるＳｉＯ２と同じ構成元素であるＳｉＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層４５をスパッタ法にて成膜した。本実施例ではｘ値がそれぞれ１．３になるように成膜条件を設定した。
【００３９】
次に、、図４（ｂ）に示すように、光学ガラス基板４１上のＳｉＯ２膜４２と酸素欠乏酸化物からなる接合層４３を、ラインアンドスペース構造体４６及び４７に形成した。このラインアンドスペース構造体４６及び４７は、通常の露光・現像工程によりフォトレジスト層をパターニングし、その後ドライエッチング法にて酸素欠乏酸化物からなる接合層４３及びＳｉＯ２膜４２のスペース部をエッチングした。そして残りのレジストを適切な溶剤によって除去することにより形成した。本実施例のラインアンドスペース構造４６及び４７の寸法は、ライン幅が３００ｎｍ、スペース幅が５０ｎｍ、ライン高さが３００ｎｍとした。
【００４０】
次に、図４（ｃ）に示すように、ラインアンドスペース構造体４６と光学ガラス基板４４とを接合するに際し、つぎのように密着工程を行なった。すなわち、ラインアンドスペース構造体４６と光学ガラス基板４４とを、これらに形成された接合層４７と接合層４５とを介して、チャンバー４８内を酸素雰囲気にし、密着接合させた。その際、これらの密着接合を、加圧、加熱により行うことで、より強固な接合強度を得ることができた。本実施例では３Ｎ／ｍｍ２の加圧と１５０℃の加熱を施した。
【００４１】
次に、図４（ｄ）に示すように、オゾン雰囲気中で、２００℃で３０分間、酸化を行った。図３より、２００℃で３０分間オゾン酸化することにより、膜厚がおよそ１５ｎｍの酸化膜を得ることができた。本実施例では、ラインアンドスペース構造体であり、ライン幅が３００ｎｍであるため、両側の側壁から酸化が行われるが、接合界面を含む接合界面近傍に酸素欠乏領域４９が残った。以上の実施例によって形成された偏光板を評価したところ、耐久性及び光学特性が良好な素子が得られた。ここで、酸素欠乏領域４９はライン方向に細く伸びているため、光学特性上大きな影響は無かった。
【００４２】
［実施例３］
実施例３においては、上記各実施例とは異なる形態の３次元構造体による光学素子およびその製造方法の構成例について説明する。図５に、本実施例における３次元構造体による光学素子の製造方法を説明する工程断面図を示す。図５において、５１及び５３はケイ酸（ＳｉＯ２）を含む光学ガラス基板、５２は（ＺｒＯ２）酸化ジルコニウムからなるホールパターン構造である。５４はＺｒＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層、５５はＳｉＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層である。５６はチャンバー、５７酸素欠乏領域である。
【００４３】
まず、図５（ａ）に示されているように、光学ガラス基板５１上にＺｒＯ２からなるホールパターン構造体５２及び光学ガラス基板５３を準備した。ここで、図５（ａ）の光学ガラス基板５１及びホールパターン構造体５２を上から見た様子を図５（ａ’）に示す。また、また斜め上前方より見た様子を図５（ａ”）に示す。図５（ａ）は図５（ａ’）のａ−ａ断面図になっている。このＺｒＯ２からなるホールパターン構造体５２は、ＺｒＯ２膜をスパッタ法で成膜した後、通常の露光・現像工程によりフォトレジスト層をパターニングした。その後、ドライエッチング法にてＺｒＯ２膜のホール部をエッチングし、残りのレジストを適切な溶剤によって除去することにより形成された。本実施例のホールパターン構造５２の寸法は、ホール半径５０ｎｍ、図５（ａ’）でのＸ方向およびＹ方向のホール中心間距離１５０ｎｍ、高さ２００ｎｍとした。
【００４４】
次に、図５（ｂ）に示されるように、ホールパターン構造５２の凸部上面に、該ホールパターン構造と同じ構成元素であるＺｒＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層５４をスパッタ法にて成膜した。また、光学ガラス基板５３上に、該光学ガラス基板に含まれる酸化物材料であるＳｉＯ２と同じ構成元素であるＳｉＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層５５をスパッタ法にて成膜した。本実施例ではｘ値がそれぞれおよそ１．３になるように成膜条件を設定した。
【００４５】
次に、図５（ｃ）に示すように、ホールパターン構造体５２と光学ガラス基板５３とを接合するに際し、つぎのように密着工程を行なった。すなわち、ホールパターン構造体５２と光学ガラス基板５３とを、これらに形成された接合層５４と接合層５５とを介して、チャンバー５６内を酸素雰囲気にし、密着接合させた。その際、これらの密着接合を、加圧、加熱により行うことで、より強固な接合強度を得ることができた。本実施例では１０Ｎ／ｍｍ２の加圧と３００℃の加熱を施した。ホールパターン構造の場合、ホール部が密閉されるため、接合後の酸化は難しい。そのため、本実施例では接合時の温度を３００℃と高くすることにより、接合と同時に熱酸化による酸化を行った。
【００４６】
次に、接合後の様子を図５（ｄ）に示す。接合時の酸化では不十分なため酸化が中心部まで届かず、接合界面を含む接合界面近傍に酸素欠乏領域５７が残った。
【００４７】
以上の実施例によって形成された光学素子を評価したところ、耐久性及び光学特性が良好な素子が得られた。ここで、酸素欠乏領域５７は光の入射方向に平行に伸びているため光学特性上大きな影響は無かった。
【００４８】
［実施例４］
実施例４においては、上記各実施例とは異なる形態の３次元構造体による光学素子およびその製造方法の構成例について説明する。図６に、本実施例における３次元構造体による光学素子の製造方法を説明する工程断面図を示す。
【００４９】
図６において、６１及び６３はケイ酸（ＳｉＯ２）を含む光学ガラス基板、６２は酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）からなるドットパターン構造である。
【００５０】
６５はＨｆＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層、６７はＳｉＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層、６８はチャンバーである。
【００５１】
まず、図６（ａ）に示されているように、光学ガラス基板６１上にＨｆＯ２からなるドットパターン構造体６２及び光学ガラス基板６３を準備した。ここで、図６（ａ）の光学ガラス基板６１及びドットパターン構造６２を上から見た様子を図６（ａ’）に示す。また、また斜め上前方より見た様子を図６（ａ”）に示す。図６（ａ）は図６（ａ’）のａ−ａ断面図になっている。このＨｆＯ２からなるドットパターン構造体６２は、ＨｆＯ２膜をスパッタ法で成膜した後、通常の露光・現像工程によりフォトレジスト層をパターニングした。その後、ドライエッチング法にてＨｆＯ２膜の凹部をエッチングし、残りのレジストを適切な溶剤によって除去することにより形成された。本実施例のドットパターン構造体６２の寸法は、ドット半径１５０ｎｍ、図６（ａ’）でのＸ方向およびＹ方向のホール中心間距離４００ｎｍ、高さ４００ｎｍとした。
【００５２】
次に、第図６（ｂ）に示されるように、光学ガラス基板６１とドットパターン構造体６２及び光学ガラス基板６３をチャンバー６４内に設置した。そして、水素や一酸化炭素、メタン等の還元性ガスを用いて光学ガラス基板６１とドットパターン構造６２及び光学ガラス基板６３の表面を還元した。このようにして、ドットパターン構造体６２上に、該ドットパターン構造体６２と同じ構成元素であるＨｆＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層６５を形成した。また、光学ガラス基板６３上に、該光学ガラス基板に含まれる酸化物材料であるＳｉＯ２と同じ構成元素であるＳｉＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層６７を形成した。この際、光学ガラス基板６１の露出部分にＳｉＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）からなる酸素欠乏領域６６も形成された。本実施例ではｘ値がおよそ１．８になるように還元条件を設定した。
【００５３】
次に、図６（ｃ）に示すように、ドットパターン構造体６２と光学ガラス基板６３とを接合するに際し、つぎのように密着工程を行なった。すなわち、ドットパターン構造体６２と光学ガラス基板６３とを、これらに形成された接合層６５と接合層６７とを介して、チャンバー６８内を酸素雰囲気にし、密着接合させた。その際、これらの密着接合を、加圧、加熱により行うことで、より強固な接合強度を得ることができた。本実施例では８Ｎ／ｍｍ２の加圧と２５０℃の加熱を施した。
【００５４】
次に、図６（ｄ）に示すように、オゾン雰囲気中で、４００℃で２００分間、酸化を行った。図３より、４００℃で２００分間オゾン酸化することにより、膜厚がおよそ１５０ｎｍの酸化膜を得ることができる。本実施例では、ドットパターン構造体のため、側壁全体から酸化が行われる。そのため、側壁から１５０ｎｍ酸化されることにより、ドット半径１５０ｎｍのドットパターン全体が酸化されることになった。ここで、本実施例ではオゾン酸化を用いたが、代わりにプラズマ酸化を用いても良い。以上の実施例によって形成された光学素子を評価したところ、耐久性及び光学特性の良好な素子が得られた。
【００５５】
［実施例５］
実施例５においては、上記各実施例とは異なる形態の３次元構造体による光学素子およびその製造方法の構成例について説明する。図７に、本実施例における３次元構造体による光学素子の製造方法を説明する工程断面図を示す。
【００５６】
図７（ａ−１）を矢印１の方向から見た図を図７（ａ’−１）に、また、図７（ａ−２）を矢印２の方向から見た図を図７（ａ’−２）に示す。
【００５７】
図７において、７１及び７４はケイ酸（ＳｉＯ２）を含む光学ガラス基板、７２、７３及び７５は酸化チタン（ＴｉＯ２）からなるラインアンドスペース構造体である。７６と７７はＴｉＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層、７８はチャンバーである。
【００５８】
まず、図７（ａ−１）に示すように、光学ガラス基板７１上にＴｉＯ２からなるラインアンドスペース構造７２及び７３を、ライン方向を９０°回転させて積層させた基板を準備した。また、図７（ａ−２）に示すように、光学ガラス基板７４上にＴｉＯ２からなるラインアンドスペース構造７５を設けた基板を準備した。このＴｉＯ２からなるラインアンドスペース構造体７２と７３からなる積層構造体は、実施例１と同様にしてラインアンドスペース構造体７２を形成した後、スペース部を樹脂犠牲層で埋め込み、平坦化した。その後、再度実施例１と同様にしてラインアンドスペース構造体７３を形成した後、ラインアンドスペース構造体７３のスペース部から樹脂犠牲層をアッシング除去することにより形成した。また、ＴｉＯ２からなるラインアンドスペース構造体７５は実施例１と同様にして形成した。本実施例のラインアンドスペース構造体７２および７５の寸法は、ライン幅が３０ｎｍ、スペース幅が１１０ｎｍ、ライン高さが３００ｎｍとなるように形成した。また、ラインアンドスペース構造体７３の寸法は、ライン幅が１１０ｎｍ、スペース幅が３０ｎｍ、ライン高さが１００ｎｍとなるように形成した。
【００５９】
次に、図７（ｂ）に示すように、Ａｒイオンによりラインアンドスペース構造体７３のライン部上面及びラインアンドスペース構造体７５のライン部上面をスパッタエッチングする。これによりＴｉＯ２からなるラインアンドスペース構造体７３及び７５の上部に、これらと同じ構成元素であるＴｉＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層７６及び７７が形成された。本実施例ではｘ値がそれぞれ１．９になるようにスパッタエッチング条件を設定した。
【００６０】
次に、図７（ｃ）に示すように、ラインアンドスペース構造体７３とラインアンドスペース構造体７５とを接合するに際し、つぎのように密着工程を行なった。すなわち、これらのラインアンドスペース構造体同士を、これらに形成された上記の接合層７６と接合層７７とを介して、チャンバー７８内を酸素雰囲気にし、密着接合させた。その際、これらの密着接合を、加圧、加熱により行うことで、より強固な接合強度を得ることができた。本実施例では５Ｎ／ｍｍ２の加圧と１００℃の加熱を施した。
【００６１】
次に、図７（ｄ）に示すように、オゾン雰囲気中で、２００℃で３０分間、酸化を行った。
【００６２】
図３より、２００℃で３０分間オゾン酸化することにより、膜厚がおよそ１５ｎｍの酸化膜を得ることができた。本実施例では、ラインアンドスペース構造体のため、両側の側壁から酸化が行われた。そのため、両側の側壁から１５ｎｍ酸化されることにより、３０ｎｍのライン全体が酸化されることになった。この酸化工程によりさらに強固な接合が実現するとともに、所望の光学特性を得ることができた。以上の実施例によって形成されたＰＢＳを評価したところ、耐久性及び光学特性の良好な素子が得られた。
【００６３】
［実施例６］
実施例６においては、上記各実施例とは異なる形態の３次元構造体による光学素子およびその製造方法の構成例について説明する。図８に、本実施例における３次元構造体による光学素子の製造方法を説明する工程断面図を示す。
【００６４】
図８において、８１及び８５はケイ酸（ＳｉＯ２）を含む光学ガラス基板、８２、８３及び８４は酸化チタン（ＴｉＯ２）からなるラインアンドスペース構造である。８６はＴｉＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層、８７はＳｉＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層、８８はチャンバーである。
【００６５】
まず、図８（ａ）に示すように、光学ガラス基板８１上にＴｉＯ２からなるラインアンドスペース構造体８２、８３及び８４を、ライン方向を９０°回転させて積層させた基板を準備した。また、光学ガラス基板８５を準備した。このＴｉＯ２からなるラインアンドスペース構造体８２、８３及び８４からなる積層構造体は、実施例１と同様にしてラインアンドスペース構造体８２を形成した後、スペース部を樹脂犠牲層で埋め込み、平坦化した。
【００６６】
その後、再度実施例１と同様にしてラインアンドスペース構造体８３を形成し、ラインアンドスペース構造体８３のスペース部から犠牲層をアッシング除去した。次に、ラインアンドスペース構造体８２と８３のスペース部に犠牲層を埋め込み、平坦化した。その後、実施例１と同様にしてラインアンドスペース構造体８４を形成し、ラインアンドスペース構造体８４のスペース部から犠牲層をアッシング除去することにより形成した。本実施例のラインアンドスペース構造体８２および８４の寸法は、ライン幅が３０ｎｍ、スペース幅が１１０ｎｍ、ライン高さが３００ｎｍとなるように形成した。
【００６７】
また、ラインアンドスペース構造体８３の寸法は、ライン幅が１１０ｎｍ、スペース幅が３０ｎｍ、ライン高さが１００ｎｍとなるように形成した。
【００６８】
次に、図８（ｂ）に示すように、Ａｒイオンによりラインアンドスペース構造体８４のライン部上面及び光学ガラス基板８５の接合面をスパッタエッチングした。これにより、ＴｉＯ２からなるラインアンドスペース構造体８４の上部に、該ラインアンドスペース構造体と同じ構成元素であるＴｉＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層８６が形成された。また、光学ガラス基板８５の接合面上に、該光学ガラス基板に含まれる酸化物材料であるＳｉＯｘ（１．３≦ｘ≦１．９）による酸素欠乏酸化物からなる接合層８７が形成された。本実施例ではｘ値がそれぞれ１．５になるようにスパッタエッチング条件を設定した。
【００６９】
次に、図８（ｃ）に示すように、ラインアンドスペース構造体８２、８３及び８４とガラス基板８５とを接合するに際し、つぎのように密着工程を行なった。すなわち、これらのラインアンドスペース構造体とガラス基板とを、これらに形成された上記の接合層８６と接合層８７とを介して、チャンバー８８内を酸素雰囲気にし、密着接合させた。その際、これらの密着接合を、加圧、加熱により行うことで、より強固な接合強度を得ることができた。本実施例では５Ｎ／ｍｍ２の加圧と１００℃の加熱を施した。
【００７０】
次に、図８（ｄ）に示すように、オゾン雰囲気中で、２００℃で３０分間、酸化を行なった。図３より、２００℃で３０分間オゾン酸化することにより、膜厚がおよそ１５ｎｍの酸化膜を得ることができた。
【００７１】
本実施例では、ラインアンドスペース構造体のため、両側の側壁から酸化が行われた。そのため、両側の側壁から１５ｎｍ酸化されることにより、３０ｎｍのライン全体が酸化されることになる。この酸化工程によりさらに強固な接合が実現するとともに、所望の光学特性を得ることができた。以上の実施例によって形成されたＰＢＳを評価したところ、耐久性及び光学特性の良好な光学素子が得られた。
【符号の説明】
【００７２】
１１、１３  基板
１２  構造体
１４、１５  酸素欠乏接合層
１６  チャンバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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