(57)【要約】  支持基板２、支持基板２上に設けられたクラッド層３、クラッド層３上に設けられた光学材料層４、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。光学素子の反りが＋７０μｍ以上、＋２．０ｍｍ以下である。光学材料層上に少なくとも樹脂層を設け、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６を用いてインプリント法によって樹脂層５Ａに設計パターンを転写し、ドライエッチング法によって光学材料層に微細パターンを形成する。モールドが樹脂層の湾曲に追従して変形する。【選択図】          図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板、
前記支持基板上に設けられたクラッド層、
前記クラッド層上に設けられた光学材料層、および
前記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方法であって、
前記光学素子の反りが＋７０μｍ以上、＋２．０ｍｍ以下であり、前記光学材料層上に少なくとも樹脂層を設け、前記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てインプリント法によって前記樹脂層に前記設計パターンを転写し、ドライエッチング法によって前記光学材料層に前記微細パターンを形成するのに際して、前記モールドが前記樹脂層の湾曲に追従して変形するモールドであることを特徴とする、光学素子の製造方法。
【請求項２】
前記微細パターンが、前記光学材料層の表面に周期的に形成された凹部からなることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記微細パターンがブラッググレーティングを構成することを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項４】
支持基板、
前記支持基板上に設けられたクラッド層、
前記クラッド層上に設けられた光学材料層、および
前記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方法であって、
前記光学素子の反りが＋７０μｍ以上、＋２．０ｍｍ以下であり、前記光学材料層上に少なくとも樹脂層を設け、前記微細パターンの一部に対応する設計パターンの形成されたモールドを用い、インプリント法によって前記樹脂層に前記設計パターンを転写する工程を、前記モールドを移動させて複数回実施し、次いでドライエッチング法によって前記光学材料層に前記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。
【請求項５】
前記微細パターンが、前記光学材料層の表面に周期的に形成された凹部からなることを特徴とする、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記微細パターンがブラッググレーティングを構成することを特徴とする、請求項５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グレーティング素子などの光学素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−０１６６５０
【特許文献２】特開２００９−１１１４２３
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「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」
【非特許文献２】「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―
【非特許文献３】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。この場合、通常は、EUV、ArF、KrFステッパ露光やEB描画によって露光を行うこととなる。そして、樹脂層をパターニングして樹脂マスクとしたり、樹脂層の下にある金属層をパターニングしてメタルマスクとし、エッチングによって下地の光導波路層表面にパターンを形成する。【００１０】
しかし、このようにして光導波路層に所定の微細パターンを形成することを試みると、以下の問題が生ずることが判明してきた。すなわち、支持基板とその上の光導波路層とにかなりの反りがあったために、ステッパやＥＢ露光を行う際に場所によってピントがズレるために、微細パターンの形成ができないことがわかった。【００１１】
一方、ナノインプリント法を適用することも考慮してみたが、この場合にも、モールドのパターン転写面と光学材料層表面との間隔が一定にならないために、パターンの転写が困難であった。【００１２】
本発明の課題は、支持基板、クラッド層、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、支持基板と光学材料層との密着性を高く維持しつつ、微細パターンの不良を防止することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、
支持基板、
支持基板上に設けられたクラッド層、
クラッド層上に設けられた光学材料層、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方法であって、
光学素子の反りが＋７０μｍ以上、＋２．０ｍｍ以下であり、光学材料層上に少なくとも樹脂層を設け、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てインプリント法によって樹脂層に設計パターンを転写し、ドライエッチング法によって光学材料層に微細パターンを形成するのに際して、モールドが樹脂層の湾曲に追従して変形するモールドであることを特徴とする。【００１４】
また、本発明は、支持基板、
支持基板上に設けられたクラッド層、
クラッド層上に設けられた光学材料層、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方法であって、
光学素子の反りが＋７０μｍ以上、＋２．０ｍｍ以下であり、前記光学材料層上に少なくとも樹脂層を設け、前記微細パターンの一部に対応する設計パターンの形成されたモールドを用い、インプリント法によって樹脂層に設計パターンを転写する工程を、前記モールドを移動させて複数回実施し、次いでドライエッチング法によって光学材料層に微細パターンを形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明者は、支持基板、クラッド層および光学材料層を備える光学基板が反る理由について検討し、以下の知見を得た。【００１６】
すなわち、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際に、光学材料層と支持基板との間の密着性が低くなるように光学材料層を形成した場合には、各層の界面での密着性が悪く、膜剥がれ発生等で光学特性や信頼性が劣化する現象が見られた。このため、光学材料層と支持基板との間の密着性を高くすることが望まれる。しかし、支持基板上にクラッド膜を成膜し、その上に光学材料層を形成して光学基板を形成した場合、膜応力により光学基板に反りが発生する。光学材料層と支持基板との間の密着性を高くすればするほど、この反りが大きくなる傾向がみられた。【００１７】
この場合、ステッパ露光の場合には、光学基板の反りが１０μｍを超えると、ピント合わせがしきれず、露光不良となる部分が発生した。ＥＢ描画の場合にも、光学基板の反りが１００μｍを超えると、同様に露光不良エラーが発生し、反りが７０μｍ以下であっても露光不良となる部分が発生することがわかった。こうした露光不良によって生じたグレーティングパターンを図９に例示する。【００１８】
このため、本発明者は、光学基板が適度に反っていることを前提し、支持基板と光学材料層との密着性を高く維持することとした。これと同時に、インプリント法を採用し、この際、インプリント用のモールドとして、光学材料層の湾曲に追従して変形するモールドを採用した。これによって、微細パターンの不良を抑制することに成功した。【００１９】
また、本発明者は、光学基板が適度に反っていることを前提としつつ、インプリント法によって樹脂層に設計パターンを転写する工程を、モールドを移動させて複数回実施することにした。各転写工程では、それぞれ目的とする微細パターンの一部しか転写しないので、一回の転写で転写される設計パターンの幅を小さくすることができ、モールドの幅に対応する反り量を、転写に必要な許容範囲に抑えることができる。これによって、微細パターンの不良を抑制することに成功した。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】反りのある光学基板１に対してステッパ露光を行っている状態を示す模式図である。
【図２】反りのある被加工体１０に対して、柔軟性のあるモールド６を用いてインプリント加工を行っている状態を示す模式図である。
【図３】反りのある被加工体１０に対して、小型のモールド７を用いてインプリント加工を行っている状態を示す模式図である。
【図４】反りのある被加工体１０に対して、小型のモールド７の位置を変更しながらインプリント加工を行っている状態を示す模式図である。
【図５】モールド６の設計パターンを樹脂層に転写している状態を模式的に示す図である。
【図６】樹脂層および光学材料層をドライエッチング法によって成形した状態を示す模式図である。
【図７】光学素子１２を示す模式図である。
【図８】実施例で得られたグレーティングパターンを示す写真である。
【図９】露光不良となったグレーティングパターンを示す写真である。
【図１０】（ａ）は、試料の反りが正の数値である場合の測定法を示し、（ｂ）は、試料の反りが負の数値である場合の測定法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１に示すように、光学基板１は、支持基板２、支持基板２の上面２ａ上に設けられたクラッド層３、クラッド層の上面３ａ上に設けられた光学材料層４を有する。本発明では、光学基板１の反りを＋７０μｍ以上、＋２．０ｍｍ以下に調整しており、光学材料層４の支持基板２への密着性が高く、膜はがれが起こりにくい。
【００２２】
なお、光学基板１の反りＷは、水平面Ｈを基準として、水平面Ｈと光学基板１の底面２ｂとの間隔の最大値である。光学基板１の光学材料層に対して微細パターンを形成して光学素子を得た後も、光学素子の反りは実質的に保持される。
【００２３】
ステッパ露光やＥＢ露光を行う場合には、レンズ１５を用いて矢印Ａのように光を光学材料層４に照射し、光学材料層４に所定の設計パターンを形成する必要がある。ここで、光学基板の反りが１０μｍを超えると、ピント合わせがしきれず、露光不良となる部分が発生した。たとえば図１において光学材料層４の中央部でピントを合わせても、光学材料層４の端部ではピントが大きくズレるために、領域Ｂで露光不良となるわけである。
【００２４】
本発明では、たとえば図２に示すように、光学基板１上に樹脂層５を形成し、被加工体１０を得る。そして、インプリント用のモールドとして、樹脂層５の湾曲に追従して変形するモールド６を採用した。モールド６の成形面には、凸部６ａと凹部６ｂとが周期的に交互に形成されており、設計パターンＰ１を構成している。このモールドを樹脂層５の表面５ａにインプリントすることで、設計パターンを樹脂層に転写する。
【００２５】
このように、樹脂層５の湾曲に追従して変形するモールド６を利用することによって、光学基板１０が反って樹脂層５が湾曲していても、樹脂層５のパターン形成面の全体にわたって均一に高精度で設計パターンを転写することが可能となる。
【００２６】
あるいは、図３に示すように、微細パターンの一部に対応する設計パターンＰ２の形成されたモールド７を用いる。モールド７の幅は、樹脂層の幅に比べて小さい。そして、インプリント法によって樹脂層５に設計パターンを転写する工程を行った後、矢印Ｃで示すようにモールドを移動させ、図４に示すように隣の位置にモールドを固定し、再びインプリント法によって樹脂層５に設計パターンＰ２を転写する。７ａは凸部であり、７ｂは凹部である。
【００２７】
このように、微細パターンの一部に対応する設計パターンの形成されたモールド７を利用し、モールドを移動させながら転写を反復することによって、光学基板１０が反って樹脂層５が湾曲していても、一度に転写する設計パターンの幅を小さくできるので、均一に高精度で設計パターンを転写することが可能となる。
【００２８】
モールドの設計パターンを転写する際には、図５に例示するように、モールド６の成形面を樹脂層に接触させ、樹脂層に設計パターンＰ１を転写し、樹脂層５Ａに、凸部５ｃと凹部５ｂとからなるパターンＰ４を形成する。また、図４に例示するように、モールド７の成形面を樹脂層に接触させ、樹脂層に設計パターンＰ２を転写し、樹脂層に、凸部５ｃと凹部５ｂとからなるパターンＰ３を形成する。
【００２９】
樹脂層が熱可塑性樹脂からなる場合には、樹脂層を樹脂の軟化点以上に加熱することによって樹脂層５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が硬化する。樹脂層が熱硬化性樹脂からなる場合には、未硬化の樹脂層５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５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５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５に光を照射して硬化させることができる。
【００３０】
また、図３、図４のように、モールドを移動させながら設計パターンを樹脂層に転写する場合にも、加熱によって樹脂層５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。あるいは、樹脂層５を光硬化性樹脂によって形成した場合には、硬化前の樹脂層５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５に光を照射して硬化させることができる。
【００３１】
樹脂層に設計パターンを転写した後、ドライエッチング法によって光学材料層をエッチングし、光学材料層に微細パターンを成形する。
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。
【００３２】
樹脂層をマスクとして利用する場合について述べる。図５に示すように、樹脂層５Ａの凹部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６に示す形態とする。図６において、樹脂マスク９には貫通孔９ａが多数形成されており、この貫通孔９Ａの下に光学材料層４を露出させる。次いで、樹脂マスクをマスクとしてエッチングを行い、光学材料層の材質を一部除去し、光学材料層に凹部４ｂを形成する。樹脂マスク９の直下はエッチングされないので、凸部４ａとして残る。
【００３３】
次いで、樹脂マスク９を除去し、図７に示すような光学素子１２を得る。光学素子１２においては、光学材料層４Ａに、周期的に形成された凸部４ａと凹部４ｂとの微細パターンＰ５が形成されている。
【００３４】
図８は、得られた光学素子の光学材料層の断面および表面写真である。上側には断面を示すが、凸部と凹部とが一定周期で形成されていることがわかる。また、下側に表面写真を示すが、良好なグレーティングパターンが形成されていることがわかる。
【００３５】
また、樹脂層と光学材料層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。
【００３６】
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光学材料層の材質を除去し、図６に示すような凹部４ｂを形成する。マスクの直下には光学材料層がそのまま残り、凸部４ａ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７に示す光学素子１２を得る。
【００３７】
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。
【００３８】
以下、光学素子の構成についてさらに述べる。
本発明では、光学素子の反りが＋７０μｍ以上、＋２．０ｍｍ以下である。本発明の観点からは、光学素子の反りは、＋１００μｍ以上がさらに好ましく、＋１ｍｍ以下がさらに好ましい。また、光学素子の反りは、光学素子の平面的寸法にかかわらず、一体の光学素子全体としての反りを意味する。
【００３９】
また、光学素子の反りは、特開２００９−１１１４２３に記載されている方法で決定される値である。
具体的には、図１０を参照しつつ述べる。
ここで、図１０（ａ）に示す例では、試料１４の底面１４ｂが凹状となり、上面１４ａが凸状となるように、試料１４が反っている。この反りを正（＋の記号で示す）とする。また、図１０（ｂ）に示す例では、試料１４の底面１４ｂが凸状となり、上面１４ａが凹状となるように、試料１４が反っている。この反りを負（−の記号で示す）とする。試料１４の底面１４ｂが形成する曲面を「反り曲面」とする。
【００４０】
また、反り曲面と平面Ｐとの距離の平均値が最も小さくなるような平面を想定し、この平面を最適平面Ｐとする。そして、この反り曲面と最適平面Ｐとの距離を測定する。すなわち、底面１４ｂのうち最適平面Ｐ上にある点をｚｐとする。また、底面１４ｂのうち最適平面Ｐと最も離れた点をｚｖとする。点ｚｖと最適平面Ｐとの距離を反りＷ（Ｒ）とする。１３は、試料と平面Ｐとの隙間である。
言い換えると、反りＷ（Ｒ）は、底面１４ｂにおいて、最適平面Ｐに最も近い点ｚｐと最も遠い点ｚｖとの高低差である。
【００４１】
モールドが光学材料層の湾曲に追従する性質を有するとは、モールドが容易に変形可能な材質からなることを意味する。こうした材質としては、樹脂などのフレキシブルな材質からなるフィルムを利用できる。こうした材質としては、ＰＥＴ（ペット）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ポリオレフィンが好ましい。
モールドの材料物性は、光学材料層の湾曲に追従し、容易に変形するという観点から、ヤング率が４０GPa以下であることが好ましく、１０GPa以下であることが更に好ましい。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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、２．０以上がさらに好ましい。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
クラッド層３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、樹脂、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。
【００４８】
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。
【００４９】
なお、支持基板の底面に、クラッド層３や光学材料層４と同じ熱膨張係数を有する材質からなる反り補正の膜を形成することもできる。
【００５０】
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もよい。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。この場合には、光学材料層は支持基体に直接形成されており、上述した接着層は存在しない。
【００５１】
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。光学材料層に形成する微細パターンとしては、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。
【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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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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2015166851.tif 000014
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