(57)【要約】【課題】可視域で機能することができ、素子の構造界面における密着力を向上させることが可能となる３次元構造を有する光学素子及び光学素子の製造方法を提供する。【解決手段】基板１上に、少なくとも第１の層２と第２の層３とを有する光学素子をつぎのように構成する。すなわち、前記第１の層と前記第２の層が、可視光の波長以下のピッチの空間と構造体との繰り返し構造を備え、前記第１の層と前記第２の層との界面において、前記第１の層の繰り返し構造と前記第２の層の繰り返し構造とが、積層方向にオーバーラップした構造を有する構成とする。【選択図】            図１
2007264604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくとも第１の層と第２の層とを有する光学素子であって、
前記第１の層と前記第２の層が、可視光の波長以下のピッチの空間と構造体との繰り返し構造を備え、
前記第１の層と前記第２の層との界面において、前記第１の層の繰り返し構造と前記第２の層の繰り返し構造とが、積層方向にオーバーラップした構造を有していることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記基板と前記第１の層との間に複数の層を有し、前記第１の層が前記基板から数えてｉ層目の層によって構成され、前記第２の層がｉ＋１層目の層によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記オーバーラップした構造において、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲で、前記第１の層の繰り返し構造と前記第２の層の繰り返し構造とがオーバーラップしていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１及び第２の層の繰り返し構造が、ラインアンドスペースによる構造、ホールによる構造、ドットによる構造、の何れかであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１及び第２の層における可視光の波長以下のピッチが、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１及び第２の層の繰り返し構造が、同一材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記第１及び第２の層の繰り返し構造が、誘電体で構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項８】
基板上に、少なくとも第１の層と第２の層とを有する光学素子の製造方法であって、
第１の層を形成する工程と、
前記第１の層に、可視光の波長以下のピッチの繰り返し構造を形成する工程と、前記繰り返し構造におけるスペース領域を、犠牲層材料で埋め込み、犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層をエッチングして、前記繰り返し構造の上部を、前記犠牲層から露出させる工程と、
前記繰り返し構造および前記犠牲層の上に、第２の層を形成する工程と、
前記第２の層に、可視光の波長以下のピッチの繰り返し構造を形成する工程と、前記犠牲層を取り除く工程と、
を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項９】
前記繰り返し構造の上部を前記犠牲層から露出させる工程は、前記繰り返し構造の側面を、前記繰り返し構造の上面から３ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲で露出させることを特徴とする請求項８に記載の光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子及び光学素子の製造方法に関する。
特に、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次元の中空構造を有する光学素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、３次元中空構造を有する光学部品の提案が盛んに行われている。
このような３次元中空構造を得ることは、今後、光学部品の機能向上において、不可欠な技術であるが、ナノメートルオーダーの構造であり、製法が確立されておらず、素子の強度等に関しても実用上多くの問題を有している。
３次元中空構造を得るに際し、マイクロメートルオーダーの中空構造、いわゆるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）を製造する方法として犠牲層を用いる方法がある（特許文献１）。
【０００３】
これらのＭＥＭＳ構造は、デジタルミラーデバイスを提供する。
このデジタルミラーデバイスは、稼動ミラーを受けるためのヒンジを形成し、外力を受けるヨークをヒンジ上に形成し、さらに、外光を偏向させるミラーをヨーク上に形成し、構成される。
これらの構造は、数ミクロンから数百ミクロンのサイズであり、上層と下層の密着力は十分であり、実用上問題は発生しない。
【０００４】
また、特許文献２には、フォトニック結晶導波路の構造および製造方法が、開示されている。
フォトニック結晶導波路は、ラインアンドスペース構造を有する層に、構造欠陥を与え、これらを、直行する方向で積層することにより、３次元導波路を得ようとするものである。
ここで開示されている製造方法は、半導体材料を用いて、高温で半導体元素をマストランスポートさせ、接合を実施する。
これらの材料における接合は、金属結合や、共有結合をさせることが可能で、強固に上層と下層を密着させることが可能である。
【特許文献１】米国特許第４，６６２，７４６号明細書
【特許文献２】特開２００１−０７４９５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、半導体材料は、赤外域では透明であるが、可視域では不透明であるため、可視域で機能する光学素子には、半導体材料を用いることは出来ない。
そのため、誘電体を用ることが必要となるが、誘電体は高温に加熱しても、誘電体同士で元素をマストランスポートさせ、接合を実施することが困難である場合もある。このように材料によって熱による接合が困難な場合もある。
また、犠牲層プロセスを用いてボトムアップによる積層構造を得ることを試みた場合は、可視光の波長以下のナノメートル構造の場合、上層と下層の接触面積が極端に小さくなる。
そのため、その界面での密着力が極端に小さく、素子が非常に脆弱になるという不都合が生じる。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、可視域で機能することができ、素子の構造界面における密着力を向上させることが可能となる３次元構造を有する光学素子及び光学素子の製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を達成するために、以下のように構成した３次元構造を有する光学素子及び光学素子の製造方法を提供するものである。
本発明の光学素子は、基板上に、少なくとも第１の層と第２の層とを有する光学素子であって、
前記第１の層と前記第２の層が、可視光の波長以下のピッチの空間と構造体との繰り返し構造を備え、
前記第１の層と前記第２の層との界面において、前記第１の層の繰り返し構造と前記第２の層の繰り返し構造とが、積層方向にオーバーラップした構造を有していることを特徴としている。
また、本発明の光学素子は、前記基板と前記第１の層との間に複数の層を有し、前記第１の層が前記基板から数えてｉ層目の層によって構成され、前記第２の層がｉ＋１層目の層によって構成されていることを特徴としている。
また、本発明の光学素子は、前記オーバーラップした構造において、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲で、前記第１の層の繰り返し構造と前記第２の層の繰り返し構造とがオーバーラップしていることを特徴としている。
また、本発明の光学素子は、前記第１及び第２の層の繰り返し構造が、ラインアンドスペースによる構造、ホールによる構造、ドットによる構造、の何れかであることを特徴としている。
また、本発明の光学素子は、前記第１及び第２の層における可視光の波長以下のピッチが、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴としている。
また、本発明の光学素子は、前記第１及び第２の層の繰り返し構造が、同一材料で構成されていることを特徴としている。
また、本発明の光学素子は、前記第１及び第２の層の繰り返し構造が、誘電体で構成されていることを特徴としている。
また、本発明の光学素子の製造方法は、基板上に、少なくとも第１の層と第２の層とを有する光学素子の製造方法であって、
第１の層を形成する工程と、
前記第１の層に、可視光の波長以下のピッチの繰り返し構造を形成する工程と、前記繰り返し構造におけるスペース領域を、犠牲層材料で埋め込み、犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層をエッチングして、前記繰り返し構造の上部を、前記犠牲層から露出させる工程と、
前記繰り返し構造および前記犠牲層の上に、第２の層を形成する工程と、
前記第２の層に、可視光の波長以下のピッチの繰り返し構造を形成する工程と、前記犠牲層を取り除く工程と、
を有することを特徴としている。
また、本発明の光学素子の製造方法は、前記繰り返し構造の上部を前記犠牲層から露出させる工程は、前記繰り返し構造の側面を、前記繰り返し構造の上面から３ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲で露出させることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、基板上における上層と下層の密着力をアップさせることができ、密着不良が起こらないようにすることができる。
また、製造プロセス等で、外力が作用する場合等において、パターン倒れなどの微細構造特有の問題を生じないようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
つぎに、本発明の実施の形態として、本発明の基板上に、少なくとも第１の層と第２の層とを有する光学素子の構成例について説明する。
図１に、本実施の形態における３次元構造を有する光学素子の構成を説明する模式図を示す。
（ａ）は斜視図、（ｂ）は矢印ｉの方向から視た断面図、（ｃ）は矢印ｉｉの方向から視た断面図である。
図１において、１は基板、２は第１の構造体、３は第２の構造体、２０１及び３０１は空間（エアギャップ）である。
本実施の態様においては、基板１上に、第１の層の繰り返し構造体（第１の構造体２と空間２０１が積層方向に対して垂直な方向、つまり基板表面に沿って繰り返された構造体）と第２の層の繰り返し構造体（第２の構造体３と空間３０１が積層方向に対して垂直な方向に繰り返された構造体）とが積層され、このような積層構造体を備えた光学素子が構成されている。
その際、基板１と第１の構造体２の間には、複数の層を存在させ、この構造体２を基板から数えてｉ層目の層によって構成してもよい。
また、第２の構造体３の上層に、複数の層を存在させるようにしてもよい。
【００１０】
ここで、構造体２を基板から数えてｉ層目の層によって構成した場合、ｉ層目の層とｉ＋１層目の層とを、可視光の波長以下のピッチの空間と構造体との繰り返し構造によって構成する。
そして、これら各層の界面において、これらのパターン構造がその積層方向においてオーバーラップした構造とする。
すなわち、ｉ層目の層（第１の構造体２）とｉ＋１層目の層（第２の構造体３）との界面において、ｉ層目の可視光の波長以下のピッチの繰り返し構造とｉ＋１層目の可視光の波長以下のピッチの繰り返し構造とが、積層方向において重なり部を有している。つまり相互にくい込んだ構造を有している。
以下、このくい込んだ状態をオーバーラップと称し、くい込んだ構造をオーバーラップ構造と称することにする。
また、くい込んだ部分４をオーバーラップ部と称することにする。
本実施の態様においては、このようなオーバーラップ構造を有することによって、ｉ層目とｉ＋１層目の接触面積を大きくすることができ、相互の密着力を大きくすることが可能となる。
また、このようなオーバーラップ部の存在により、パターン倒れなどの微細な構造欠陥を防止することが可能となる。
その際、上記したｉ層目の層（第１の構造体２）とｉ＋１層目の層（第２の構造体３）との界面において、最も深くオーバーラップした部分４が３ｎｍ以上から２０ｎｍ以下の範囲で、オーバーラップさせることが望ましい。
面内の最も深いオーバーラップ部が、３ｎｍ以下の場合、製造上の面内分布が発生したとき、部分的に密着不良が発生する可能性がある。
また、３ｎｍ以下の場合、上下層の接触面積が小さく、十分な密着強度が得られない。
また、面内の最も深いオーバーラップ部が、２０ｎｍ以上の場合、ｉ＋１層目の平坦性が悪くなり、光散乱など、光学的に悪影響が発生する。
また、オーバーラップ部分の屈折率は、ｉ層とｉ＋１層の中間の値をとるため、光学的に薄くしなければ所望の特性が得にくくなってしまうこととなる。
【００１１】
また、本実施の形態において、上記ｉ層とｉ＋１層目の層における可視光の波長以下のピッチの繰り返し構造は、ラインアンドスペースによる構造、ホールによる構造、ドットによる構造の何れかによって構成することができる。
パターンが、ラインアンドスペースによる構造の場合は、光の偏光成分に対して、異方性となり、偏光ビームスプリッタや、ローパスフィルターなどの構成を、得る上で有効な構造である。
さらに、ラインアンドスペースによる構造体のラインを可視光波長以下のピッチで分割してもよい（図１１参照）。分割することにより膜応力によるパターンの剥がれを防ぐことができる。
また、パターンが柱状であるドットによる構造や、パターンが穴状であるホールによる構造の場合、光の偏光成分に対して、等方性となり、多層干渉膜による、反射防止膜や、バンドパスフィルターの構成要素として有効となる。
【００１２】
ここで、繰り返し構造のピッチを可視光の波長以下とすることによって、光学素子の使用波長における回折現象を防止することにより、光学的に安定な特性を得ることが可能となる。
その際、この繰り返し構造のピッチを１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下にすることが望ましい。特に、ピッチが１５０ｎｍ以下の場合には、波長４００ｎｍ以上の可視光領域で機能する４５°入射角光学素子において、回折光が発生しないため、有効に機能する。１０ｎｍ未満であると構造体として維持することが難しい。
また、空間（本明細書においては、以下エアギャップと称することにする。）と構造体で構成される層の有効性は、特に所望の屈折率が得られることにある。
一般的に、屈折率は材料ごとに決まっており、任意の屈折率を得ることは困難である。
ところが、エアギャップと構造体で構成させれば、その比率を制御することにより、任意の屈折率を獲得できる。
具体的には、構造体を構成する物質の屈折率から、空気の屈折率１よりも大きな値まで、理論的には制御可能である。特に、低屈折率層として、安定的に用いることが出来るフッ化マグネシウムの屈折率は１．３８である。
ところが、構造体として酸化ケイ素（屈折率１．４６）を用い、エアギャップを９割とした場合、ホール構造を形成したとき、屈折率は１．１４６となり、誘電体では実現し得ない、非常に低い屈折率層を得ることが可能となる。
また、ラインアンドスペース構造で、同様にエアギャップを９割とした場合、さらに低屈折率で、かつ、屈折率異方性が出現する。
電界（ライン方向に平行な光の振動成分）に対する屈折率は１．０５５、磁界（ライン方向に垂直な光の振動成分）に対する屈折率は１．０２８となる。
【００１３】
また、本実施の形態においては、ｉ層目およびｉ＋１層目の層による構造材料を、同一材料とすることができる。
このように、ｉ層目およびｉ＋１層目の層の構造材料を、同一材料で形成する場合、前述の中間屈折率の影響を無視できるため、所望の特性が得安くなる。
また、本実施の形態においては、構造材料に誘電体を用いることができる。
可視域で機能する光学素子は、可視域で吸収のない材料を用いることが望ましい。
多くの誘電体は、可視域で透明であり、本発明の光学素子の構造材料として有効である。特に、酸化ケイ素、酸化チタン、五酸化タンタル、酸化ジルコニウム等は、エッチング工程を考慮した場合、容易にエッチング可能なので、有効な材料である。
【００１４】
つぎに、本実施の形態における３次元構造を有する光学素子の製造方法を説明する。
まず、ｉ層目の、可視光の波長以下のピッチの繰り返し構造を形成する工程は、フォトリソグラフィー法を用いてパターニングを行った後、エッチングを行う。フォトリソグラフィー法において、露光は、ステッパー、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ）描画装置、Ｘ線露光装置、干渉露光装置など、特に限定するものではなく、所望のピッチを獲得できる方法であればよい。
また、エッチングは微細な構造のため、ドライエッチングを用いることが望ましい。
ドライエッチングにおいて、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）、ＮＬＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ  Ｌｏｏｐ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）など、いくつかの方法があるが、特に限定するものではなく、所望のピッチを獲得できる方法であれば良い。
また、ウエットエッチングにおいて、所望のピッチを獲得できるのであれば、ウエットエッチングでもよい。
また、レジストをマスクに、誘電体をエッチングしようとした場合、選択比が問題になることがある。この場合、構造体をエッチングするためのマスクを、多層マスクにして、選択比が得られる構成にすることが望ましい。
【００１５】
次に、スペース部（スペース領域）を犠牲層材料で、埋め込み犠牲層を形成する工程は、一般的なコーティング技術を応用することが出来る。例えば、スピンコート法やスプレーコート法、スリットコート法を用いればよい。
また、犠牲層の材料は、フォトレジスト剤、ＢＡＲＣ（Ｂｏｔｔｏｍ  Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  Ｃｏａｔｉｎｇ）材、アクリル系樹脂、ポリスチレン樹脂など、酸素でアッシング可能な材料であれば良い。
また、犠牲層表面の平坦性を良くする為には、構造体上面からの厚さを、厚くするほうがよい。
一方、平坦化工程のプロセス時間を短くするためには、薄い方が望ましい。
したがって、構造体上面からの犠牲層の厚さは、５０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下が望ましい。尚、犠牲層の平坦性を向上させるためには、複数回に分けて塗布を行うことが有効である。
【００１６】
次に、犠牲層全面をエッチング（エッチングバック）して、ｉ層目の繰り返し構造体の上部を、前記犠牲層から露出させる工程は、一般的なドライエッチングを用いることが望ましい。
例えば、平行平板のＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）装置を用いることが出来る。繰り返し構造体の側面を、繰り返し構造体の上面から３ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲で前記犠牲層から露出させる。
エッチング量の制御は、エッチング時間で行うことが可能である。
この際、エッチングガスとして酸素を用いるが、純酸素の場合、エッチングレートが早く、エッチング量の制御性を悪くすることが有る。
そこで、ＣＦ４やＣＨＦ３Ｃｌガスを酸素に混合することにより、エッチングレートを遅くすることが出来て、エッチング量の制御性を向上することが可能となる。
【００１７】
次に、ｉ層目上にｉ＋１層目の材料を形成する工程は、一般的な成膜技術を用いることが可能である。例えば、蒸着法スパッタリング法、ＣＶＤ法などを用いる。
但し、犠牲層が変形、変質しない様に、プロセス温度の管理を行わなければならない。
次に、ｉ＋１層目の可視光の波長以下ピッチの繰り返し構造を形成する工程は、ｉ層目のパターニングと同様の方法を用いる。
犠牲層が表出するまでエッチングを行なうため、ｉ層目のパターンの上部をオーバーラップ部分の高さ範囲と同じ深さでエッチングすることになる。（図１（ｃ）４参照）
ｉ層目のパターンの上部を光学特性が許す範囲でオーバーラップ部分の高さ範囲以上エッチングしてもよい。このようにすると、ｉ層目のパターンとｉ＋１層目のパターンの間に段差ができるので、犠牲層を取り除きやすくなる。
最後に、ｉ層目のスペースに埋め込まれている犠牲層を取り除く工程は、ドライエッチングを用いることが可能である。
一般的な純酸素を用いたＲＩＥ装置でのエッチングで良い。
この他、レジスト専用のアッシング装置を用いることも可能である。ここでのプロセス制御も、時間で行うことが可能である。
以上の方法で、３次元構造体光学素子を得ることが可能となる。
【００１８】
以上のように、本実施の形態によれば、基板上における上層と下層の密着力をアップさせることができ、密着不良が起こらないようにすることができる。
また、製造プロセス等で、外力が作用する場合等において、パターン倒れなどの微細構造特有の問題を生じないようにすることができる。
また、６インチや８インチなどの大面積一括加工において、全面有効に使えるため、取り個数が多くなり、効率的な生産が可能となる。
また、オーバーラップ部が厚くなると光学特性に影響が出るが、２０ｎｍ以下の範囲で、オーバーラップさせる構成を採ることにより、所望の光学特性を容易に得ることが可能となる。
【実施例】
【００１９】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
まず、図２及び図３を用いて、本実施例における光学素子の３次元構造における基板とパターン配置について説明する。
６インチ石英ウエハー基板５上に、□２５ｍｍのパターン６を、９点パターニングする。このとき、第１層目のパターンは、図３（ａ）に示すような、０．２６μｍピッチ、ホールパターン７の径は０．１３μｍで正三角形の頂点に配列される構造とした。
また、第２層目のパターンは、図３（ｂ）に示すような、０．２６μｍピッチ、ホールパターン８の径は０．２μｍで正三角形の頂点に配列される構造とした。なお、本実施例では、ホール径は同一マスクを用いて、露光量にて制御を行っているが、マスクは交換しても良い。
【００２０】
次に、３次元構造を有する光学素子の製造プロセスについて説明する。
図４に、本実施例における上記光学素子の製造プロセスを説明する図を示す。
まず、第１層目のパターニングについて説明する。
６インチ石英ウエハー基板９を洗浄乾燥後、膜厚１００ｎｍの酸化ケイ素を、スパッタリング法により成膜を行い、酸化ケイ素層１０を形成した。これにより、第１層目の構造体を形成する層を得た（図４（ａ））。
次に、酸化ケイ素層１０をパターニングするためのフォトリソグラフィー工程を実施する。
その際、まずパターニングのためのフォトレジストとして、クラリアント社製ＡＸ６８５０Ｐを用いた。
レジスト塗布はスピンコート法を用い、膜厚３００ｎｍとなるようにコーティングを行った。
コーティングの後、１１０℃で２分間プリベークを行った。
次に、露光は、キヤノン社製ステッパーＦＰＡ−５０００−ＥＳ４ｂを用いた。露光パターンとしては、□２５ｍｍエリアに０．１３μｍホールパターンを０．２６μｍピッチで正三角形の頂点に配列されるように露光した。
このときの露光量は、３２ｍＪ／ｃｍ２であった。また、６インチ基板内に９点露光を行った。
露光後、１２０℃で２分間  ＰＥＢ（Ｐｏｓｔ  Ｅｘｐｏｓｕｒｅ  Ｂａｋｅ）（露光後焼きしめ）を行った。
【００２１】
次に、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）２．３８％の現像液に１分間浸漬した後、純水シャワーでリンスを行いレジストのホールパターン１１を得た（図４（ｂ））。
次に、酸化ケイ素層のエッチングを行った。平行平板型のＲＩＥ装置で、ＣＨＦ３をエッチングガスとして圧力２．７Ｐａ、ＲＦパワー１００Ｗ（０．３Ｗ／ｃｍ２）で４．３分間エッチングを実施した。
さらに、残渣レジストを取り除くため、酸素ガスをエッチングガスとして圧力２．７Ｐａ、ＲＦパワー１００Ｗで１分間アッシングを実施した。
そして、ホール深さ１００ｎｍの酸化ケイ素ホールパターン１２を得た（図４（ｃ））。
【００２２】
つぎに、埋め込み、平坦化工程について説明する。
埋め込み材料は、クラリアント社製ＡＺ  Ｅｘｐ．ＫｒＦ−１７Ｃ８を用いた。埋め込みは、スピンコート法を用いた。２５００ｒｐｍで３０秒スピンコートを行った後、１８０℃で１分間プリベークを行った。
これを２回繰り返して、埋め込みを行った（図４（ｄ））。
その結果、酸化ケイ素ホールパターン上面１４より５０ｎｍ上方に、埋め込み層界面１３が平坦に存在した。
平坦化は、エッチングと同様の装置で行った。酸素ガス（１７ｖｏｌ％）とＣＨＦ３（８３ｖｏｌ％）の混合ガスをエッチングガスとして圧力３Ｐａ、ＲＦパワー２０Ｗ（０．０６Ｗ／ｃｍ２）で５．５分間アッシングを実施した。
ＡＦＭで測定の結果、酸化ケイ素の構造体の露出量（酸化ケイ素パターン側面１４１がパターン上面１４まで犠牲層上面から露出する高さであって、図４（ｅ）のＡで示した部分）が３ｎｍである平坦化基板（図４（ｅ））を得た。
【００２３】
つぎに、第２層目のパターニングについて説明する。
第２層目のパターニングに際し、基板に対して第２層目をスパッタリング法により、膜厚１０ｎｍの酸化ケイ素成膜を行った。
その結果、表面の平坦性が良く、連続で一様な酸化ケイ素層１５を得ることが出来た（図４（ｆ））。
次に、第２の酸化ケイ素層をパターニングするためのフォトリソグラフィー工程を実施する。第１の酸化ケイ素層のパターニングと同様に行ったが、露光量のみ、５０ｍＪ／ｃｍ２とした。
現像後のパターンは０．２６μｍピッチで、ホール径は０．２μｍであった。
次に、第２の酸化ケイ素層を第１の酸化ケイ素層と同様に、エッチングを行った。但し、エッチング時間のみ０．５分間とした。
さらに、残渣レジストを取り除くため、酸素ガスをエッチングガスとして圧力２．７Ｐａ、ＲＦパワー１００Ｗで１分間アッシングを実施した。
そして、ホール深さ１０ｎｍの酸化ケイ素ホールパターン１６を得た（図４（ｇ））。なお、本断面模式図は、図４（ｉ）のａ−ａ´間における断面を示している。
【００２４】
つぎに、犠牲層のアッシングについて説明する。
犠牲層のアッシングは、ＲＩＥ装置を用いて、酸素ガスによりアッシングを行った。アッシング条件は、圧力３Ｐａ、パワー１００Ｗで、３分間実施した。
そして、第１層のホールに埋め込まれた犠牲層を取り除き、中空構造１７を得た（図４（ｈ））。
気化されて、取り除かれる犠牲層は、非常に微細な隙間１８から、プラズマにより気化されて、取り除かれる（図４（ｉ））。
犠牲層の材料特性としては、常温固体で、有機溶剤に溶解した時、スピンコートやスプレーコートで、薄膜化可能な材料である必要が有る。
また、酸素プラズマで、蒸気圧の高い気体に分解可能な材料であれば、基本的にはどのようなものでも、使用可能である。
以上のようにして、２層構成の酸化ケイ素３次元構造を得た。６インチ面内の９点パターン全てに於いて、外観上、パターンを作成した□２５ｍｍの範囲は均一であり、０．５ＭＰａの窒素ブローを実施しても、外観に変化は無く、良好な構造であった。
また、パターン中央を割断して、断面をＦＥ−ＳＥＭで観察した結果、第１層と第２層の界面は、強固に密着していることが確認された。
【００２５】
［実施例２］
実施例２においては、平坦化工程を６分間実施した。平坦化により、酸化ケイ素構造体上部が２０ｎｍ露出する構造となった。
また、第２の酸化ケイ素層を７０ｎｍとして、第２の酸化ケイ素層のエッチング時間を３．５分間とした。上記以外は実施例１と同様にして、２層構成の酸化ケイ素３次元構造を得た。
第２の酸化ケイ素層の成膜工程後、断面観察を行った結果、表面は約５ｎｍの凹凸があるものの、連続膜となっており、後工程も同様に実施することが出来た。６インチ面内の９点パターン全てに於いて、外観上、パターンを作成した□２５ｍｍの範囲は均一であり、０．５ＭＰａの窒素ブローを実施しても、外観に変化は無く、良好な構造であった。
また、パターン中央を割断して、断面をＦＥ−ＳＥＭ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ−Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察した結果、第１層と第２層の界面は、強固に密着していることが確認された。
【００２６】
［実施例３］
実施例３においては、実施例１と同様に６インチウエハ形状の光学ガラス基板を用い、９点露光を行った。
図５に、本実施例における光学素子の３次元構造の製造プロセスを説明する図を示す。
まず、オハラ社製Ｓ−ＴＩＨ５３光学ガラス基板１９を洗浄後、五酸化タンタル層２０を９６０ｎｍの膜厚で蒸着を行った（図５（ａ））。
次に、五酸化タンタルをエッチングする為のマスク材として、ＷＳｉ層２１をスパッタリング成膜した。次に、ＷＳｉ層２１をエッチングする為のマスク材として、酸化ケイ素層２２を成膜した。
これらの多層マスク層は、後述のエッチング工程において、フォトレジストと、エッチングされる層との、選択比が取れない場合に、有効な手法である。ＷＳｉ層及び酸化ケイ素層の膜厚はそれぞれ２００ｎｍ及び１２０ｎｍとした。
【００２７】
次に、酸化ケイ素層をエッチングする為のマスクとして、フォトレジストパターンを作成した。フォトレジストパターンの露光工程は、干渉露光法を用いて行った。
このとき、多層マスクにＷＳｉを用いている為、露光時の裏面戻り光が強くなる。そのため、戻り光と、入射光の干渉が生じ、露光、現像後のフォトレジスト断面形状が、矩形にならない問題が生じる。
そのため、ＢＡＲＣ層２３を設けて、この層に裏面戻り光を吸収させて、露光、現像後のフォトレジスト断面形状を矩形にする。
フォトレジストは、シプレイ社製ＵＶ−１７０を用いた。また、ＢＡＲＣは、クラリアント社製ＡＺ  Ｅｘｐ．ＫｒＦ−１７Ｃ８を用いた。それぞれの材料を、多層マスク材料を成膜した基板にスピンコートした。
ＢＡＲＣは、１８０℃で１分間プリベークを行った。その時の膜厚は１１５ｎｍであった。また、フォトレジストは、１００℃で２分間プリベークを行った。その時の膜厚は１４０ｎｍであった。
【００２８】
次に、この基板を二光束干渉露光法で露光を行った。使用光源は、Ｎｄ−ＹＡＧ（Ｎｅｄｙｍｉｕｍ  ：ｙｔｔｒｉｕｍ−ａｌｕｍｉｎｕｍ−ｇａｒｎｅｔ）の４倍波である２６６ｎｍの波長を使用し、基板への入射角度は５６°とした。レーザビームは、ビームエキスパンダを用いて、１００倍に拡大した。
また、露光量は、３０ｍＪ／ｃｍ２とした。ちなみに、三光束とした場合は、実施例１のホールパターンを形成することも可能である。
露光後、１２０℃で１．５分間ＰＥＢを実施した後、ＴＭＡＨ２．３８％の液中に３０秒間浸漬後、純水シャワーでリンスを行い、フォトレジストパターン２４を得た（図５（ｂ））。
このとき、□３５ｍｍの範囲で、パターン有効エリアを取ることが出来た。
【００２９】
次に、ＢＡＲＣ、酸化ケイ素、ＷＳｉ、五酸化タンタル層のエッチングを実施した。エッチングは、ＩＣＰ装置を用いて行った。
ＢＡＲＣ及び酸化ケイ素のエッチングは、実施例１と同様のエッチングガスを用い、エッチング条件も同様に設定した。ＷＳｉのエッチングは、ＳＦ６と塩素を１：２の混合ガスで実施した。
圧力２．７Ｐａ、ＲＦパワー１．５Ｗ／ｃｍ２で、４０秒間エッチングを行った。その後、ＳＦ６をエッチングガスとして、圧力６Ｐａ、パワー１．２Ｗ／ｃｍ２、基板側のバイアス２０Ｗを掛け、５０分間五酸化タンタルのエッチングを実施し、五酸化タンタルのラインアンドスペース構造２５を得た（図５（ｃ））。ここで、ラインアンドスペースの状態は、ライン１３０ｎｍ、スペース３０ｎｍ、ピッチ１６０ｎｍであった。
次に、埋め込み平坦化工程を実施した。埋め込みは、実施例１と同様に行った。その結果、五酸化タンタルパターン上面より５０ｎｍ上方に、埋め込み層界面２６が平坦に存在する埋め込み基板を得た（図５（ｄ））。
次に、実施例１と同様の方法で５．６分間、平坦化を実施した。その結果、五酸化タンタル構造体の側面２７１が犠牲層上面から五酸化タンタル構造体の上面２７まで５ｎｍの高さで露出した平坦化基板を得た（図５（ｅ））。
次に、第２層及び第３層目の成膜を実施した。真空蒸着法を用いて、五酸化タンタル層２８を２４ｎｍ蒸着した後、酸化ケイ素層２９を１０ｎｍ蒸着した（図５（ｆ））。
【００３０】
この後、多層マスクを形成し、干渉露光法で第１層目と同様にして、フォトレジストパターンを作成した。
このときの露光量は、２５ｍＪ／ｃｍ２とした。その後、第１層目と同様にして、多層マスク、及び、酸化ケイ素層と五酸化タンタル層のエッチングを行った。酸化ケイ素層と五酸化タンタル層のエッチングは、第１層目の五酸化タンタルのエッチング条件と同様に、同時に行った。
エッチング時間は１．５分とした。このときの断面模式図を図５（ｇ）に示した。この断面模式図は、図５（ｆ）の矢印ｉ方向から見た断面図を示してある。
つまり、第１層と第２層のパターンは直行している。このときの、ラインアンドスペースの状態３０は、ライン９６ｎｍ、スペース６４ｎｍ、ピッチ１６０ｎｍであった。
【００３１】
次に、実施例１と同様の方法で、犠牲層のアッシングを実施し、中空構造３１を有する３次元構造体光学素子を得た（図５（ｈ））。
この断面模式図は、図５（ｇ）の矢印ｉｉ方向から見た図である。
６インチ面内の９点パターン全てに於いて、外観上、パターンを作成した□３５ｍｍの範囲は均一であり、０．５ＭＰａの窒素ブローを実施しても、外観に変化は無く、良好な構造であった。
また、パターン中央を割断して、断面をＦＥ−ＳＥＭで観察した結果、第１層と第２層の界面は、強固に密着していることが確認された。
【００３２】
本実施例の光学素子は、位相板として機能する。
図６に本実施例による位相板の位相差特性と、一般的に用いられる水晶製位相板の位相差特性の比較を示す。
図中の■は、従来の水晶位相板の位相特性を示し、●は、図５（ｉ）構造の位相板の位相特性を、示している。
この結果から、本実施例による位相板は、可視域における位相差の変化が、水晶製位相板よりも小さく、光学的特性に優れていることが解る。
また、図７に、可視域の平均透過率を測定した結果を示す。
これによると、可視域の平均透過率も１００％に近く、反射防止効果も同時に得られることが分かる。
これは、最終層に設けた酸化ケイ素の構造体が、低屈折率層として機能することにより、反射防止効果をより効率的に引き出していると考えられる。
【００３３】
［実施例４］
実施例４では、上記した実施例３と同様の光学ガラス基板を用い、酸化チタン層を３６０ｎｍスパッタリング法で成膜を行った。
次に、実施例３と同様に多層マスクをスパッタリング法にて成膜した。多層マスクの構成は、膜厚５０ｎｍのクロム及び膜厚８０ｎｍの酸化ケイ素である。
次に、実施例３と同様に、ＢＡＲＣ及びフォトレジストを塗布後、パターニング、エッチングを行い、第１層目の構造体を得た。
但し、干渉露光の基板への入射角度を７２°とし、露光量は３５ｍＪ／ｃｍ２とし、クロムのエッチング条件は、エッチングガスとして塩素と酸素の１：３混合ガスを用い、圧力６Ｐａで、ＲＦパワー５０Ｗ、基板バイアス１２０Ｗで１分４０秒実施した。
また、酸化チタン層のエッチング時間は２５分とした。以上の要領で、第１層目の構造体を得た。ここで、第１層目のラインアンドスペースの状態は、ライン３０、スペース１１０ｎｍ、ピッチ１４０ｎｍであった。
【００３４】
次に、実施例３と同様に埋め込み平坦化プロセスを実施した。
同様の材料を用いて、埋め込み条件は、１０００ｒｐｍで３０秒スピンコートを行った後、１８０℃で１分間プリベークを行った。これを２回繰り返して、埋め込みを行った。
その結果、酸化チタンパターン上面より２００ｎｍ上方に、埋め込み層界面が平坦に存在した。平坦化は、実施例３と同様にして、２２分間アッシングを実施した。
図２に示した、６インチ光学ガラス基板上の９点のパターン中心における酸化チタンの露出量をＡＦＭで測定した結果、６−１、６−３、６−７、６−９では２０ｎｍ、６−２、６−４、６−６、６−８では１５ｎｍ、６−５では１０ｎｍであった。
【００３５】
次に、第２層目の形成を実施した。
第２層目も酸化チタンを７０ｎｍ、多層マスクとして、第１層目と同様に、膜厚５０ｎｍのクロム及び膜厚８０ｎｍの酸化ケイ素を、スパッタリング法で成膜を行った。その後、レジストパターンを作成した。露光量は１８ｍＪ／ｃｍ２とした。
そして、第１層と、酸化チタンのエッチング時間を５分間とした以外、第１層と同様の条件で第２層目の構造体を形成した。第２層目のラインアンドスペースの状態は、ライン１２０ｎｍ、スペース２０ｎｍ、ピッチ１４０ｎｍであった。
【００３６】
次に、実施例３と同様に犠牲層をアッシングして、第１層目の中空構造を作成した。
さらに、第１層目の埋め込み平坦化プロセスと同様の処理を施した。この基板上に酸化チタンを、３６０ｎｍの膜厚でスパッタリングした。
この第３の酸化チタン層も、第１層と同様の方法でパターニングを行った。ラインアンドスペースの状態は、第１層目と同様、ライン３０ｎｍ、スペース１１０ｎｍ、ピッチ１４０ｎｍであった。最後に第１層目の犠牲層と同様にアッシングを行い第２層目の中空構造を作成した。
第３層目の形成過程は、第２層目のスペースが小さいため、犠牲層プロセスを用いず直接成膜を施した場合でも連続膜を形成することが可能である。この方法においても、スペース部上部にも成膜材料が埋め込まれ、第２層目と第３層目を積層方向にオーバーラップさせることが可能である。
【００３７】
６インチ面内の９点パターン全てに於いて、外観上、パターンを作成した□３５ｍｍの範囲は均一であり、０．５ＭＰａの窒素ブローを実施しても、外観に変化は無く、良好な構造であった。
また、パターン中央を割断して、断面をＦＥ−ＳＥＭで観察した結果、第１層と第２層の界面、及び第２層と第３層の界面は、強固に密着していることが確認された。
次に、得られた３層構造の基板をスクライブして、２８．３×２０ｍｍの長方形に切り出し、９個の３次元構造体基板を作成した。９枚を用いて、各々Ｓ−ＴＩＨ５３基板と貼り合わせを実施した。
【００３８】
図８に、その張り合わせのためのプロセスについて説明する模式図を示す。
まず、Ｓ−ＴＩＨ５３基板３２を洗浄した（図８（ａ））。
次に、接着剤層をスピンコート後、仮硬化を行う。接着剤として、チタンカップリング剤である味の素ファインテック社製プレーンアクトＫＲ−５５を、イソプロプリアルコールで６０倍に希釈したものを用いた。
スピンコートは５０００ｒｐｍで３０秒間、仮硬化は１８０℃で２分間実施し、接着剤層３３付基板を得た（図８（ｂ））。
次に、前述のスクライブされた３次元構造を有する基板３４を、構造体部と、接着層が接触するように重ね合わせる。
次に、この重ね合わせた基板を、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（図８（ｃ））。
基板を冷却後、Ｓ−ＴＩＨ５３製の４５°プリズム３５で挟み込むように接着を行い、プリズムを得た（図８（ｄ））。
【００３９】
本実施例の光学素子は、偏光ビームスプリッタとして機能する。
本実施例おけるプリズムの入射角４５°プラスマイナス１０°におけるＳ偏光及びＰ偏光の分光透過率を図９に示す。
この図に示されているように、入射角３５度におけるＳ偏光の透過率が上昇することと、入射角５５度におけるＰ偏光の透過率が低下する以外、問題が無い。
特に４５°プラスマイナス５°の入射角における特性の変化はほとんど無く、光学特性に優れていることが分かる。（４０°及び５０°の入射角については４５°の入射角とほぼ同じ結果が得られたためプロットは省略した。）
図８では、３次元構造が基板の端まで構成されているが、図１０に示すように、基板の端部と構造体の間に空間部を有している構造でもよい。
このように構成することにより、素子開口部に空間を持たせることができるため急激な温度変化に対して熱的損傷を緩和させ、接合部からのガス放出を押えることができる。
これによりさらに対環境的に安定した投影面像を得ることが可能となる。
【００４０】
（比較例１）
比較例１においては、第１層目の埋め込み層を平坦化する工程で、２０分間アッシングを実施した。
この時、図２に示した、６インチ光学ガラス基板上の９点のパターン中心における酸化チタンの露出量をＡＦＭで測定した結果、６−１、６−３、６−７、６−９では１ｎｍ、６−２、６−４、６−６、６−８では−４ｎｍ、６−５では−９ｎｍであった。
ここで、マイナスは、酸化チタンは露出せず、表面に犠牲層が残った状態を示している。この後、実施例４と同様のプロセスを実施した。パターン６−２、６−４、６−６、６−８、及び６−５は、犠牲層をアッシング後において、光散乱を生じていた。欠陥部を、割断してＦＥ−ＳＥＭで測定の結果、第２層の酸化チタン層が、微小なエリアで全面欠陥が生じていた。
また、パターン６−１、６−３、６−７、６−９は、概観の不都合が無いため、プリズムで接合したところ、接着剤のポストベーク工程である２００℃で放置中に、界面から剥離することが確認された。
【００４１】
（比較例２）
比較例２においては、６．１分間平坦化を実施した。このときの五酸化タンタルの露出量は２５ｎｍであった。それ以外、実施例３と同様にして位相板を得た。
その結果、概観上、白く曇った状態となっていた。また、分光透過率を測定した結果、図７の▲で示すように、透過率の低下が確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態における３次元構造を有する光学素子の構成を説明する模式図。
【図２】本発明の実施例１における基板とパターン配置を説明する図。
【図３】本発明の実施例１における光学素子の３次元構造の第１層目と第２層目のパターン形状を示す図。
【図４】本発明の実施例１における３次元構造を有する光学素子の製造プロセスを説明するための断面模式図。
【図５】本発明の実施例３における３次元構造を有する光学素子の製造プロセスを説明するための断面模式図。
【図６】本発明の実施例３における位相板の位相差特性と、水晶製位相板の位相差特性の比較図。
【図７】本発明の実施例３における位相板及び比較例２の位相板の平均透過率を示す図。
【図８】本発明の実施例４におけるプリズムに張り合わせるためのプロセスについて説明する模式図。
【図９】本発明の実施例４における偏光ビームスプリッタのＳ偏光及びＰ偏光の分光透過率を示す図。
【図１０】本発明の実施例４における光学素子の他の実施例を示す図。
【図１１】ラインアンドスペースによる構造体パターンの一例を示す図。
【符号の説明】
【００４３】
１、９、１９、３２：基板
２：第１の構造体
３：第２の構造体
４：オーバーラップ構造
５：ウエハー基板
６、６−１、６−２、６−３、６−４、６−５、６−６、６−７、６−８、６−９：パターニングエリア
７：実施例１の１層目のホールパターン
８：実施例１の２層目のホールパターン
１０、１５、２２、２９：酸化ケイ素層
１１：レジストホールパターン
１２、１６：酸化ケイ素ホールパターン
１３、２６：埋め込み層界面
１４：酸化ケイ素露出面
１７、３１：中空構造
１８：微細な隙間
２０、２８：五酸化タンタル層
２１：ＷＳｉ層
２３：ＢＡＲＣ層
２４：フォトレジストパターン
２５：五酸化タンタルのラインアンドスペース構造
２７：五酸化タンタル露出面
３０：第２層目のラインアンドスペース構造
３３：接着剤層
３４：３次元構造を有する基板
３５：プリズム
【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】
2007264604.tif 000010
【図９】
2007264604.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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