(57)【要約】【課題】スパッタリング法あるいは真空蒸着法で、回折格子の溝のように凹凸のある基体表面に金属膜、あるいはさらにその上に誘電体保護膜を形成する場合、膜の密度が低下する傾向があり、このため所望の光学定数を有した膜が得られないという問題点が発生する。加えて、膜が保護膜として利用される場合、膜の相対密度が低くなると耐久性を改善する効果が十分得られないといった問題も生じる。【解決手段】本発明においては、この膜の相対密度は８５％以上、より望ましくは９０％以上とする。この相対密度を得るため、基体表面斜め上方の２方向から同時に被膜を構成する元素を含む粒子を入射させる。また各溝間の凸部はその頂部に平坦部がなく、凸部の溝の方向に垂直な断面の頂角を９０°以上とすることが望ましい。【選択図】  図４
2004219532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の基体表面に複数、平行に形成された直線状の溝の表面に少なくとも１層の被膜を密着して設けた凹凸構造体において、前記被膜の相対密度が８５％以上であることを特徴とする凹凸構造体。
【請求項２】
前記被膜の相対密度が９０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の凹凸構造体。
【請求項３】
前記各溝は、一定周期間隔で配列され所定の波長の光に対して回折格子として機能することを特徴とする請求項１または２に記載の凹凸構造体。
【請求項４】
前記被膜が光反射または光透過の少なくとも一方の機能を有することを特徴とする請求項３に記載の凹凸構造体。
【請求項５】
前記各溝の側壁は各溝間で交わる２つの平面からなり、その交叉角が９０°以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の凹凸構造体。
【請求項６】
前記基体の巨視的表面に垂直に交わり、かつ前記溝の方向に平行な平面を挟んで相対し、前記溝を設けた側の基体表面斜め上方の２方向から同時に前記被膜を構成する元素を含む粒子を前記溝表面に入射することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の凹凸構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学分野で用いられる回折格子などに応用される凹凸構造体に関し、とくに凹凸構造体表面に形成する被膜およびその形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回折格子は分光光学素子あるいは光分波素子として広く利用されている。回折格子は、図１に示すように複数の微細な溝が一方向かつ一定周期間隔で基体表面あるいは基体内部に形成された凹凸構造体であり、各溝の側面で反射した光が干渉現象を起こすことにより波長分解され分光が可能になる素子である。
【０００３】
溝の形状は図１に示すように種々のものがある。（ａ）は溝側面が連続的な曲面になっている例である。（ｂ）、（ｃ）は溝側面が２つの平行な面からなる例で、（ｂ）は２つの面が対称な傾斜をもつ場合、（ｃ）は非対称な傾斜をもつ場合を示している。（ｄ）は溝の底部と溝間の頂部が平面になっている場合を示している。このもっとも極端な例は溝側面が垂直な矩形溝である。
【０００４】
このような回折格子のうち、反射される光の干渉現象を利用する回折格子を反射型回折格子と呼ぶ。一般に反射型回折格子には、回折格子の溝表面に反射膜を形成し、反射率の増大を図るのが望ましい。反射膜としては反射率の高い金属膜が使用される場合が多い。ただし、金属膜だけでは腐食等により耐久性に問題が発生する場合があるため、その場合には金属膜上にさらに金属膜あるいは透明誘電体材料等による保護膜が形成される（例えば特許文献１参照）。これらの膜は、スパッタリング法あるいは真空蒸着法により形成されることが一般的である。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２０９５３３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、スパッタリング法あるいは真空蒸着法で、回折格子の溝のように凹凸のある基体表面に金属膜、あるいはさらにその上に誘電体保護膜を形成する場合、膜の密度が低下する傾向があり、このため所望の光学定数を有した膜が得られないという問題点が発生する。加えて、膜が保護膜として利用される場合、膜の相対密度が低くなると耐久性を改善する効果が十分得られないといった問題も生じる。
【０００７】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたもので、回折格子などの凹凸構造体表面において所望の光学性能を発現し、かつ耐候性の高い被膜を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の凹凸構造体は、平板状の基体表面に複数、平行に形成された直線状の溝の表面に少なくとも１層の被膜を密着して設けたものであり、この被膜の相対密度を８５％以上、より望ましくは９０％以上とする。
【０００９】
被膜の相対密度が８５％以上であれば、膜は十分緻密であり、光学特性の劣化は少なく、また保護膜として使用した場合の耐久性も十分得られる。
ここで、被膜の相対密度とは、膜の質量密度を各材料バルクの質量密度で除した値のパーセント表示である。さらに膜の質量密度は単位体積当たりの膜質量である。
【００１０】
上記の各溝が一定周期間隔で配列されていれば、本発明の凹凸構造体は、所定の波長の光に対して回折格子として機能させることができる。この場合、被膜が光反射または光透過のいずれか一方、もしくは両方の機能を有することが望ましい。
【００１１】
このような凹凸構造体を構成する各溝の側壁は各溝間で交わる２つの平面からなり、溝間凸部の最上部に平坦部がないことが望ましく、その２平面の交叉角が９０°以上であることが好ましい。
交叉角が９０°以上であれば、溝側壁へ均一な膜を形成することが容易であるが、交叉角が９０°以下の場合には、被覆し難い部分が生じるので好ましくない。
【００１２】
本発明による凹凸構造体の製造方法、とくに凹凸構造体表面への被膜の形成方法においては、基体表面斜め上方の２方向から同時に被膜を構成する元素を含む粒子を入射する。この２方向とは、基体の巨視的表面に垂直に交わり、かつ溝の方向に平行な平面を挟んで相対する２方向である。
【００１３】
このような方法によれば、被膜を構成する元素を含む粒子は溝の側面にほぼ垂直な方向から入射されるため、堆積される膜を緻密にする効果がある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
スパッタリング法あるいは真空蒸着法によって、回折格子のような溝を有する凹凸構造体の表面に、金属膜および誘電体保護膜を形成する場合、従来の方法では図２に示すような関係となる。金属元素あるいは誘電体の構成元素からなるスパッタ粒子または蒸発粒子は、凹凸構造体２０の巨視的表面２０ａ（凹凸構造が形成される前の平板状基体の表面）に対してほぼ垂直な方向１０、言い換えれば溝２４の側面２４ａ、２４ｂに対しては斜め方向（入射角度θ）から入射されることになる。発明者らは、スパッタ粒子または蒸発粒子が斜め方向から入射されると、膜密度が低くなることを見出した。
【００１５】
スパッタ粒子または蒸発粒子が斜入射される場合に膜密度が低下する原因はつぎのように考えられる。スパッタ粒子または蒸発粒子が斜入射される場合、膜成長初期に形成される島状構造膜により、蒸発粒子またはスパッタ粒子の入射が制限される。すなわち、斜めから入射する粒子は島状構造によって遮られ、基板表面には、粒子が到達できない影の部分が生じる（自己遮蔽効果）。影の部分には膜堆積が起こらないために、膜全体の平均密度が低下することになる。
【００１６】
このような膜密度の低下を防ぐためには、成膜面である凹凸構造体の溝斜面に対して垂直に近い方向、言い換えれば巨視的な基体表面に対しては斜めの方向から粒子を入射すればよい。しかし、１方向からの成膜の場合には、スパッタ粒子または蒸発粒子を２方向に傾斜した溝斜面２４ａ、２４ｂの両方に対して垂直の方向から入射することはできない。
【００１７】
そこで本発明においては、図３に示したように、凹凸構造体２０の２つの溝斜面２４ａ、２４ｂに対してそれぞれほぼ垂直の方向、すなわち巨視的基体表面に対して斜めの２方向１０ａ、１０ｂから同時にスパッタ粒子または蒸発粒子を入射することにより高い密度の膜を形成する。
本発明の方法によれば、２方向からの粒子の入射速度の比率を制御することにより、非対称な構造の膜を作製することも可能となる。
【００１８】
本発明の成膜手段としては、蒸着、イオンプレーティング、マグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング等のいかなる方法も適用できる。しかし装置使用法の簡便さ、または安定性の点で、マグネトロンスパッタリングが有利である。
【００１９】
溝形状表面に均一な密度の膜を形成するためには、成膜プロセスにおけるガス圧力が高い方が好ましい。しかし、溝表面に均一な厚みの膜を形成し、溝形状が変わらないようにするためには、成膜プロセスのガス圧力は低い方が好ましい。したがって、膜に期待する機能によって最適のガス圧力が選ぶ必要が生じる。
【００２０】
しかし、一般的なスパッタリングにおいては、成膜中のガス圧は約０．１Ｐａ以上約４Ｐａ以下であることから、ガス圧力を調整する際の自由度が少ない。しかし、ターゲット表面の水平磁場強度を５０ｍＴ（ミリテスラ）以上に高くすることにより、０．０３Ｐａ程度の非常に低いガス圧力でも放電が可能となる。このような方法を用いれば、スパッタリング法の場合でのガス圧力の調整範囲が広くなり好ましい。
【００２１】
また、凹凸構造体の形状としては特に限定されものではないが、溝間凸部の最上部に図１（ｄ）のような平坦部がない同図（ｂ）、（ｃ）のような尖った形状が望ましい。すなわち溝の側壁が２つの平面のみからなることが好ましい。これは上記のように溝側壁をなす２つの平面にスパッタ粒子または蒸発粒子をほぼ垂直に入射させるような装置の配置を容易に実現できるためである。
【００２２】
溝間凸部の最上部あるいは溝の底部に平坦部が存在すると、２方向からの粒子の入射だけでは凹凸構造体の表面すべてを均一に被覆するのが難しい。溝側壁が曲面の場合も同様な問題点を有する。例えば断面が正弦波形状の場合（図１（ａ）参照）には、膜の相対密度を高めることは困難である。しかし、２平面の交叉部が鈍る程度であれば、膜の相対密度に対して阻害要因にはならない。
【００２３】
さらに、上記２平面の交叉角が９０°以上であることが好ましい。この交叉角が９０°以上であれば、溝側壁をなす２つの平面にスパッタ粒子または蒸発粒子をほぼ垂直に入射させるような装置の配置を容易に実現できるため、均一な膜を形成することができる。しかし交叉角が９０°に満たない場合には、基板に対する粒子の入射角を大きくとらなければならず、入射する粒子が隣接する凸部の影になって被覆し難い部分が発生するので好ましくない。
【００２４】
以下に具体的な実施例について説明する。
［実施例１］
図４に示す構造のスパッタリング装置３０に２個のＮｂターゲット３２ａ、３２ｂを取り付けた。凹凸構造体としては、基体２０に一定間隔で平行な直線状の溝２４を形成したものを用いた。溝は１μｍの等間隔に配列しており、溝深さは０．３μｍである。この溝はフォトリソグラフィーおよびドライエッチングを用いて作成されたものである。
【００２５】
溝側面２４ａは平面であり、基体２０の巨視的表面２０ａに立てた垂線２０ｐに対して４０°傾斜している。この表面２０ａは実質的に基体を取り付ける試料台３４の表面３４ａと平行であるので、溝側面２４ａは、試料台表面３４ａに立てた垂線３４ｐに対しても４０°傾斜していると言える。また、ターゲット表面３２ａの垂線３２ｐと試料台表面の垂線３４ｐのなす角度は、４０°になるように調整されており、ターゲット３２ａ、３２ｂと基体２０の距離は１０ｃｍとした。
【００２６】
基体の取り付け後、ロータリーポンプおよびターボ分子ポンプ（図示しない）により１．３×１０−４Ｐａまで排気を行った。次に、Ａｒと酸素の混合ガス（混合比、５０：５０）を導入し、ガス圧を０．０６Ｐａに調整した。それぞれのＮｂターゲット３２ａ、３２ｂに直流電力１ｋＷを加え、同時に放電を発生させることにより、基体表面上に膜を堆積させた。１５分間放電を持続した後に、電力供給およびガス供給を停止した。
【００２７】
基体表面上の両傾斜面に膜形成されたＮｂＯｘ膜の断面構造を観察することを目的に、走査型電子顕微鏡で観察を行った。膜５０が形成された溝２４の長手方向に垂直な方向の断面の構造は図５に示すような様子であった。観察結果から斜面に形成されたＮｂＯｘ膜の平均膜厚ｄをつぎの式によって求めた。
ｄ＝Ｓ／Ｌ      （１）
ただし、Ｓは膜の断面積、Ｌは「基体と膜界面の長さ」である。
【００２８】
膜が形成された凹凸構造体を一定幅取り、図５で塗りつぶして示した部分５２の面積を求め、これを膜の断面積Ｓとした。また、同じ幅の部分において基体２０と膜５０の界面に沿った線２６の長さを求め、これを基体と膜界面の長さＬとした。
【００２９】
次に、試料を溶解してＮｂＯｘ膜中に含まれる単位面積当たりＮｂ重量を化学的分析手法で求めた。これを式（２）により、単位体積当たりのＮｂ重量に換算した。
Ｄｖ＝Ｄｓ／ｄ      （２）
ここで、Ｄｖは単位体積当たりの金属重量、Ｄｓは単位面積当たりの金属重量であり、ｄは平均膜厚である。
【００３０】
ＮｂＯｘ膜の酸化度が一定の場合には、単位体積当たりＮｂ重量がＮｂＯｘ膜の密度に比例する。そこで、ＮｂＯｘ膜の密度を求めるために、平板基板表面上にＮｂＯｘ膜を形成し、この試料について膜密度をＸ線反射（ＧＩＸＲ）法で求め、次に、前述の方法で単位体積当たりのＮｂ重量を求めた。この膜密度と単位体積当たりＮｂ重量を基準値として、平行な溝形状の傾斜面上に形成された膜の平均密度を求めた。
【００３１】
上記条件で成膜したＮｂＯｘ膜の質量密度は４．２９ｇ／ｃｍ３、相対密度は９６％であり、膜密度が非常に高いことがわかる。すなわち、この膜は緻密であり耐久性にも優れる特徴を有しており、誘電体光学膜として優れていると言える。
【００３２】
［実施例２］
２個のＴｉターゲットをスパッタリング装置３０に取り付けた。凹凸構造体としては、実施例１と同様、基体２０に一定間隔で平行な直線状の溝２４を形成したものを用いた。溝側面とターゲット表面の位置関係並びに成膜条件は実施例１と同様とした。
【００３３】
実施例１と同様の方法で、ＴｉＯ２膜の膜密度を求めた。もちろんこの場合、（２）式から得られるのは単位堆積当たりのＴｉ重量である。得られたＴｉＯ２膜の質量密度は３．８６ｇ／ｃｍ３、相対密度は９２％であり、膜の相対密度が非常に高いことがわかる。すなわち、この膜は緻密であり耐久性にも優れる特徴を有しており、誘電体光学膜として優れていると言える。
【００３４】
［実施例３］
２個のＡｌターゲットをスパッタリング装置３０に取り付けた。凹凸構造体としては、実施例１と同様、基体２０に一定間隔で平行な直線状の溝２４を形成したものを用いた。溝側面とターゲット表面の位置関係は実施例１と同様とした。
【００３５】
基体の取り付け後、ロータリーポンプおよびターボ分子ポンプにより１．３×１０−４Ｐａまで排気を行い、次いで、Ａｒガスを導入し、ガス圧を０．１Ｐａに調整した。それぞれのＡｌターゲットに直流電力０．５ｋＷを加え、同時に放電を発生させることにより、基体表面上に金属Ａｌ膜を堆積させた。１分間放電を持続した後に、電力供給およびガス供給を停止した。
【００３６】
実施例１と同様の方法で、Ａｌ膜の膜密度を求めた。もちろんこの場合、（２）式から得られるのは単位体積当たりのＡｌ重量である。膜の質量密度は２．５７ｇ／ｃｍ３、相対密度は９５％であり、膜密度が非常に高いことがわかる。すなわち、この膜は緻密であり光学反射膜として優れていると言える。
【００３７】
［比較例１］
直径７．５ｃｍのＴｉターゲット４２を図６に示す構造のスパッタリング装置４０に取り付けた。この装置内に実施例同様の凹凸構造体を固定した。ターゲット表面４２ａの垂線４２ｐと試料台４４の表面４４ａの垂線４４ｐは、平行になるようように調整されており、ターゲット４２と基体２０の距離は１０ｃｍとした。
【００３８】
その後、実施例１または２と同様な条件で成膜を行った。すなわち、ロータリーポンプおよびターボ分子ポンプにより１．３×１０−４Ｐａまで排気を行った。次に、Ａｒと酸素の混合ガス（混合比、５０：５０）を導入し、ガス圧を０．０６Ｐａに調整した。そして、Ｔｉターゲットに直流電力１ｋＷを加えて放電を発生させることにより、基体表面上に膜を堆積させた。１５分間放電を持続した後に、電力供給およびガス供給を停止した。
【００３９】
実施例１と同様の方法で、ＴｉＯ２膜の膜密度を求めた。膜の質量密度は３．４４ｇ／ｃｍ３、相対密度は８２％であり、膜の相対密度が低いことが分かる。すなわち、この膜は疎であり、空隙が多く存在することがわかる。そのため、耐久性（耐水性）に劣り、光学膜として適さない膜であると言える。
【００４０】
以上、実施例で示した金属膜、誘電体膜は一例であって、これに限られない。また、実施例では膜の相対密度を求めるためにそれぞれ単層膜を成膜する場合について示したが、本発明の効果は複数の被膜を積層する場合にも得られる。例えば、回折格子の表面に反射膜としてＡｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの金属層を形成し、その上に保護膜としてＳｉＯ２膜、ＴｉＯ２膜、Ｔａ２Ｏ５膜、Ｎｂ２Ｏ５膜、ＭｇＦ２膜などの透明誘電体膜を形成するような場合に、良好な反射特性と耐候性が得られる。
【００４１】
また、高屈折率と低屈折率を交互に積層するフォトニック結晶を作成する場合には、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、Ａｌ２Ｏ３などの低屈折率膜とＳｉ、Ｇｅ，ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５などの高屈折率膜を交互積層する場合にも、良好な光学特性と高い耐久性を同時に兼ね備える膜が得られる。
【００４２】
基板の凹凸形状は、プレス成型によりマスター金型を転写して作成する方法が安価で好ましい。ただし、高価なマスター金型上への成膜であっても良い。さらに、マスター金型上に成膜し、プレス成型の際に膜を転写しても良い。
【００４３】
【発明の効果】
上記のように本発明によれば、凹凸構造体表面に被膜を形成する際、被膜の緻密さが失われるのを防ぐことができる。このため、被膜の光学特性の変動を防ぐことができ、また耐候性に優れた被膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】基体表面に溝を形成した凹凸構造体の例を示す模式図である。
【図２】従来の凹凸構造体表面への被膜形成における粒子の入射態様を示す図である。
【図３】本発明の凹凸構造体表面への被膜形成における粒子の入射態様を示す図である。
【図４】本発明の実施例として成膜に用いたスパッタリング装置の模式図である。
【図５】本発明の凹凸構造体表面に形成した被膜の断面模式図である。
【図６】比較例として成膜に用いたスパッタリング装置の模式図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ、１０ｂ  粒子の入射方向
２０  基体
２４  溝
３０、４０  スパッタリング装置
３２ａ、３２ｂ、４２  ターゲット
３４、４４  試料台
５０  膜
【図１】
2004219532.tif 000003
【図２】
2004219532.tif 000004
【図３】
2004219532.tif 000005
【図４】
2004219532.tif 000006
【図５】
2004219532.tif 000007
【図６】
2004219532.tif 000008