(57)【要約】【課題】耐久性に優れた微細構造より構成される反射防止表面を有する反射防止光学構造付き基板および反射防止光学構造付き基板の製造方法を提供する。【解決手段】基板表面上に微細な円錐形状やピラミッド状を有する突起を配置する際に、それらの微細な突起の頂部を円弧状に繋げることにより、表面接触等による破損を低減でき、機械的強度が向上できる。また、このような連続突起が配置された基板は、基板表面にメタンガスなどの炭化水素ガスをプラズマ中で分解して形成されるカーボンナノウオールを成長させ、それらの形状をエッチング加工などにより基板表面に転写することにより作製できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面上に円錐形状やピラミッド状を有する微細な突起が配置された反射防止光学構造付き基板であって、前記微細な突起の頂部が円弧状に繋がった連続突起を配置して成ることを、特徴とする反射防止光学構造付き基板。
【請求項２】
前記微細な突起の頂部が円弧状に繋がった前記連続突起の下部に、それらの連続突起を重畳させる凹凸構造を配置して成ることを、特徴とする請求項１記載の反射防止光学構造付き基板。
【請求項３】
表面加工の前に、基板表面にメタンガスなどの炭化水素ガスをプラズマ中で分解して形成されるカーボンナノウオールを成長させる工程を含むことを、特徴とする反射防止光学構造付き基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板表面上に微細な突起が配置された反射防止光学構造付き基板および反射防止光学構造付き基板の製造方法に関するもので、反射防止光学構造付き基板としての利用に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、反射防止光学構造体としては、基板表面に円錐形状やピラミッド状の突起が２次元に周期的に配列した構造が知られている（例えば、非特許文献１参照）。例えば、図８に示すように、円錐突起４１が等周期Ｐで２次元的に配列されている。この周期Ｐは、可視光線の波長よりも小さく設定されている。このような波長以下の微細構造が形成された基板４０では、外部媒質と基板４０との間に中間の屈折率を持つ薄膜層が存在することと等価となり、基板表面での反射率が減少する（例えば、非特許文献２参照）。また、図８（Ｂ）に示すように、円錐形状の断面が三角形の場合、深さ方向に屈折率が変化することになり、広い波長領域に亘り反射率を低くすることができる。
【０００３】
また、このような微細な構造体の作製には、微細パタン形成によく用いられる電子ビーム露光装置が使用される。電子ビーム露光装置により、周期的なドット状のレジストパタンを形成する。このレジストパターンをマスクとして、基板を円錐形状やピラミッド状にエッチングして所望の構造の反射防止光学構造を基板に形成することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】E.B.Grann, M.G.Moharam, and D.A.Pommet, “Optimal design for antireflective taperd two-dimensionalsubwavelength grating structures”, Journal of OpticalSociety of America A, 1995年, Vol.12, No.2, p333-339
【非特許文献２】菊田久雄、岩田耕一、「波長より細かな格子構造による光制御」、光学、1998年、27巻、１号、頁12-17
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、非特許文献１に記載のような、円錐形状やピラミッド状の突起の頂部は、十分な反射防止効果を得るために細いパタン形状となっている。例えば、可視光領域を対象とする反射防止光学構造で、突起頂部の寸法は５０ｎｍ程度とする必要がある。このような微細な突起は、表面接触等により容易に破損し、その結果、反射防止機能が低下する。特に、カメラレンズ等の基板のように、反射防止光学構造が機器内部に配置されるのではなく、外界の様々な環境の中で使用される場合には、表面接触等による破損のリスクは大幅に増大する。このように、円錐形状やピラミッド状の単純な突起を配置する反射防止光学構造付き基板は、基板表面に多層膜を成膜する反射防止光学構造付き基板と比較して、機械的強度が十分ではないため実用上、大きな課題があった。
【０００６】
一方、反射防止光学構造付き基板の作製工程の一部として、電子ビーム露光装置を用いる作製方法においては、周期的なドット状のレジストパターンを形成するための作業時間が、面積の増大とともに大幅に増大し、５０ｍｍ以上の大面積基板では１日単位の作業時間を要し、製造コスト面で大きな負担となる。これに対して、作製工程の一部として、半導体ＬＳＩ製造で広く使用されている紫外光露光装置を用いる作製方法においては、周期的なドット状のレジストパタンは２０ｍｍ程度の面積領域を単位として形成されることに伴い、反射防止構造が形成されない“つなぎ”部分の発生を十分に抑制することが出来ないために、基板全体でのパタン品質が低下する。このように、実用面で重要な面積の大きい反射防止光学構造付き基板の作製においては、製造コストとパタン品質との両立が困難であり、大きな課題であった。
【０００７】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、機械的強度を向上させて表面接触等による破損を低減できる反射防止光学構造付き基板、および、反射防止光学構造付き基板を低製造コストで高品質に製造することができる反射防止光学構造付き基板の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、上記の課題を解決するために、本発明に係る反射防止光学構造付き基板は、基板表面上に円錐形状やピラミッド状を有する微細な突起が配置された反射防止光学構造付き基板であって、前記微細な突起の頂部が円弧状に繋がった連続突起を配置して成ることを、特徴とする。
【０００９】
本発明に係る反射防止光学構造付き基板は、機械的強度を向上させることができ、表面接触等による破損を低減することが可能となる。
【００１０】
本発明に係る反射防止光学構造付き基板で、前記微細な突起の頂部が円弧状に繋がった前記連続突起の下部に、それらの連続突起を重畳させる凹凸構造を配置して成ることが好ましい。この場合、機械的強度を向上させること、および微細な連続突起の接触個数を減少させることにより、表面接触等による破損を低減することが可能となる。
【００１１】
本発明に係る反射防止光学構造付き基板の製造方法は、電子ビーム露光法などのレジストパタン形成方法の代わりとして、表面加工の前に、基板表面にメタンガスなどの炭化水素ガスをプラズマ中で分解して形成されるカーボンナノウオール（ＣＮＷ：Carbon Nanowalls）を成長させる工程を含むことを、特徴とする。
【００１２】
本発明に係る反射防止光学構造付き基板の製造方法は、カーボンナノウオールとして成長する円弧状の炭素パタンをマスクとして基板をエッチング加工することにより、微細な突起の頂部が円弧状に繋がった、連続突起が配置された反射防止光学構造付き基板を作製することができる。
【００１３】
メタンガスプラズマは、ガス圧力、高周波電力を調整することにより、密度およびエネルギーを気相中で制御できるため、基板表面での温度制御と組み合わせることにより、大面積基板、さらに凹凸のある基板の上での製作が可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、基板表面上に円錐形状やピラミッド状を有する突起が配置された反射防止光学構造付き基板において、それらの微細な突起の頂部が円弧状に繋がった連続突起とすることにより、機械的強度を向上させて表面接触等による破損を低減できる。したがって、実際の反射防止光学構造付き基板の使用において、使用効率や取り付け・取り外しの利便性の改善効果が期待できる。
【００１５】
また、微細な突起の頂部が円弧状に繋がった連続突起の下部に、それらの微細な連続突起を重畳させる寸法の大きな凹凸構造を設けることにより、機械的強度を向上させる効果がある。もし円弧形状突起が破損する危険性がある場合でも大きな凹凸構造の上部の凸部のみに限定され、下部の凹部での破損は防止できる。したがって、実際の反射防止光学構造付き基板の使用において、使用効率や取り付け・取り外しの利便性の改善効果が期待できる。
【００１６】
また、円錐形状やピラミッド状を有する突起を配置する方法として、その作製工程の一部に、基板表面にメタンガスなどの炭化水素ガスをプラズマ中で分解して形成されるカーボンナノウオールを成長させる工程を採用することにより、微細な突起の頂部が近似的に円弧状に繋がった連続突起を、平均寸法を確保してランダムに配置することができる。したがって、電子ビーム露光装置や紫外露光装置を使用しない作製工程のため、大面積の反射防止光学構造付き基板を低製造コストで高品質に作製できる効果が期待できる。さらに、凹凸がある基板にも適用できるため、各種光学素子に広く適用して反射率の低減効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施例としての反射防止光学構造付き基板を示す（Ａ）平面図、（Ｂ）格子点を通るＸ方向断面図、（Ｃ）格子点を通るＹ方向断面である。
【図２】本発明の第２の実施例としての反射防止光学構造付き基板を示す（Ａ）平面図、（Ｂ）Ｘ方向断面図、（Ｃ）Ｙ方向断面である。
【図３】本発明の第２の実施例としての別の反射防止光学構造付き基板を示す（Ａ）平面図、（Ｂ）Ｘ方向断面図、（Ｃ）Ｙ方向断面である。
【図４】本発明の第３の実施例としての反射防止光学構造付き基板の製造方法の説明図である。
【図５】本発明の第３の実施例としての反射防止光学構造付き基板を示す（Ａ）平面図、（Ｂ）Ｘ方向断面図、（Ｃ）Ｙ方向断面である。
【図６】図４に示す反射防止光学構造付き基板の製造方法で、ＣＮＷ成長に使用するヘリコンプラズマ装置を示す構成図である。
【図７】本発明の第３の実施例としての反射防止光学構造付き基板の製造方法を、（Ａ）回折格子、（Ｂ）光学レンズ、（Ｃ）マイクロレンズへ応用する実施例を示す断面図である。
【図８】基板表面上に微細な円錐形状やピラミッド状を有する突起を配置する、従来の反射防止光学構造付き基板を示す（Ａ）平面図、（Ｂ）Ｘ方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の上記および他の目的、特徴および利点を明確にすべく、添付した図面を参照しながら、本発明の実施の形態を以下に詳述する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の第１の実施例としての反射防止光学構造付き基板を、図１に示す。図１（Ａ）に示すように、本実施例の反射防止光学構造付き基板１０は、この連続突起１２（図１（Ａ）中の実線が頂部、点線が裾部）が周期３００ｎｍの正方格子の格子点１１上に配置されている。この連続突起１２の周期的な配置方法は、それら突起の方向を組み合わせることによりいくつかの方法がある。図１（Ｂ）および（Ｃ）から分かるように、この連続突起１２は三角形状、またはこれに類似する裾引き形状を有する突起が円弧状に連続的に繋がった微細な構造体である。さらに、頂部の平坦面を５０ｎｍ以下とすれば、可視光領域（波長４００ｎｍ〜９００ｎｍ）の反射防止光学構造付き基板１０として好適である。
【００２０】
本実施例の反射防止光学構造付き基板１０は微細な連続突起１２より構成されるが、円弧状突起であるため、実際の使用時に発生する表面接触等による外力を分散させることが出来る。このため、従来の単純な円錐状突起などに比べて強度が大幅に増大し、実際に使用において好適である。
【実施例２】
【００２１】
本発明の第２の実施例としての反射防止光学構造付き基板を、図２に示す。図２に示すように、本実施例の反射防止光学構造付き基板２０では、下部凹凸構造２２としては逆ピラミッド形状ホールである。図２（Ａ）に示すように、この逆ピラミッド形状ホールは、周期２μｍの正方格子上に配置されている。ここでは４個の正方格子が示されている。頂部が円弧状に繋がった連続突起２１（図２（Ａ）中の実線が頂部、点線が裾部）は、周期３００ｎｍの小さい正方格子上に配置されている。円弧形状の連続突起２１は、ピラミッド形状ホールとは特に配置の相関はなく、ピラミッド形状ホールの斜面に配置されている。
【００２２】
本実施例の反射防止光学構造付き基板２０は、微細な突起より構成されるが、微細な突起の頂部が円弧状に繋がった連続突起２１の下部に、寸法のより大きな凹凸構造２２を配置することにより、強度をさらに増大し、かつ、もし円弧形状の連続突起２１が破損する危険性がある場合でも、大きな微細凹凸構造２２の上部のみに限定し、反射防止光学構造付き基板２０としての全体の反射防止性能は確保できる。
【００２３】
図３は、下層の凹凸構造２７として、寸法のより大きな円弧状に繋がった連続突起を配置する実施例である。寸法のより大きな円弧状に繋がった連続突起ついては４個が示されている。このように大小２種類の連続突起を上下２段に配置することにより、強度とともに、反射防止性能が得られる光波長の領域を広く出来る。たとえば、円弧状に繋がった連続突起２６を周期３００ｎｍで配置すると、反射防止性能は波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍの光波長領域であるが、円弧状に繋がった大きな連続突起を下層に周期２μｍで配置すると、３μｍから７μｍの赤外線波長領域が追加されて、広い波長範囲で使用できる反射防止光学構造付き基板２５となる。
【実施例３】
【００２４】
本発明の第３の実施例としての反射防止光学構造付き基板について、その製造方法の実施例を、図４に示す。基板３１−ｆは、基板準備工程３１−ａで洗浄を行ったあと、ＣＮＷ成長工程３１−ｂを実施する。基板３１−ｆをヘリコンプラズマ装置の加熱試料台にセットして真空排気を十分に行った後、試料台ヒーターを加熱して基板温度を所定温度まで上昇させる。その後、メタンガスを装置内に導入して所定の圧力とした後、アンテナに所定の高周波電力を投入して高密度ヘリコンプラズマ（メタンガスプラズマ３１−ｇ）を形成する。ガス圧力、高周波電力を最適化して、プラズマの密度とイオンエネルギーとを制御することにより、近似的に円弧形状のＣＮＷを所望の平均寸法および平均間隔で所定の厚さまで成長させる。ここまでがＣＮＷ成長工程３１−ｂである。
【００２５】
次に、ＣＮＷを成長させた基板３１−ｆを室温まで温度降下させてヘリコンプラズマ装置から取り出し、ＲＩＥ装置などのエッチング装置にセットして真空排気を十分に行う。Ｏ２単体ガスまたはＮ２ガスなどとの混合ガスをエッチング装置内に導入して所定の圧力とした後、試料台電極に高周波電力を投入して高周波プラズマ（酸素ガスプラズマ３１−ｈ）を形成し、ＣＮＷの整形加工を実施する（ＣＮＷ整形加工工程３１−ｃ）。この整形加工では、ＣＮＷ成長時に基板３１−ｆとの界面近くの下部に形成されるアモルファスカーボン層に対して、垂直エッチングを行うことにより、この後基板３１−ｆをエッチングするエッチングマスクとして幅が狭く、かつ基板３１−ｆに垂直なＣＮＷパタンを形成することが出来る。このＣＮＷパタンは正方格子などの明確な周期性は無く、ランダム配置である。しかし、ＣＮＷパタンの長さ、および相互間隔などの寸法はＣＮＷの成長条件によって近似的に決まり、平均寸法として定義できる。ＣＮＷパタンの寸法としては、例えば、可視光の波長帯（４００ｎｍ〜８００ｎｍ）では、長さと相互間隔の平均寸法は３００ｎｍ程度、幅は５０ｎｍ程度とすることにより、良好な反射防止機能を実現できる。
【００２６】
次に、基板表面洗浄工程３１−ｄで基板３１−ｆの洗浄を行う。
最後の基板エッチング工程において、洗浄後基板３１−ｉの整形されたＣＮＷパタンをエッチングマスクとして、エッチングガスプラズマ３１−ｊにより、基板材料に適したドライエッチングを実施することにより、三角形状、またはこれに類似する裾引き形状を有し、その頂部で円弧状に繋がった連続突起が形成されて、反射防止光学構造付き基板が完成する。この基板のエッチングとしては、例えばＳｉ基板に対しては、塩素ガスを用いたＥＣＲエッチングを用いることができる。
【００２７】
上記の製造工程を用いて作製される反射防止光学構造付き基板としての実施例を、図５に示す。ＣＮＷはすでに説明したように、円弧形状、向き、寸法が異なるランダム配置であり、近似的な円弧形状の連続突起３２−ｂ，３２−ｃの配置は明確な周期性を持たない。近似的な円弧については、方向が４方向、寸法が２種類あり、それらを組み合わせた円弧状の連続突起３２−ｂ，３２−ｃは、周期的な配置から変動して配置されている。ランダムな配置を持つ反射防止光学構造付き基板３２−ａでは、特定の波長における回折効果を回避できるため、基板に色が付いて見えることがなく、広い波長領域に亘って反射率が一定となる。
【００２８】
図６には、上記実施例において重要な装置であるヘリコンプラズマ装置の構成図を示す。図６に示すように、メタンガスプラズマ３３−ｆは、所定のガス圧力において、外部印加磁場３３−ｈと高周波発信器３３−ｄによる高周波電力との相互作用により高密度で形成される。メタンガスの分解が十分に進み、試料台の加熱作用と合わせてＣＮＷを効率的に成長させることが出来る。
【００２９】
図４に示す実施例においては、ＣＮＷの成長、その整形加工、さらに基板のエッチングまでの全作製工程において、各工程での所望のガスを高周波電力により分解して得られるガスプラズマ用いる。ガスプラズマによる成膜およびエッチング等の処理技術は、半導体電子デバイスの製造において広く使用されている。特に、半導体Ｓｉ−ＬＳＩの製造においては、ガスプラズマによる大面積処理に多くの改良が加えられ、直径３００ｍｍのウエハ基板で均一な処理技術が確立されている。このように、ガスプラズマでは均一な大面積処理が可能であり、図６の実施例に示すＣＮＷ成長を利用する反射防止光学構造付き基板の作製においても、５０ｍｍ程度の大面積基板に対して、所望の平均寸法の連続突起を均一に作製することが可能である。
【００３０】
さらに、ＣＮＷの成長を含むガスプラズマを用いる処理では、ＣＮＷの成長は、基板に１０μｍ程度のまでの深さの凹凸がある場合、また、それ以上でも緩やかに変化する凹凸がある場合も、平坦面とほぼ同様な処理が可能であるため、図４に示す実施例は、図７に示すような様々な光学素子に適用でき、素子表面での反射を抑制することにより性能向上に貢献できる。
【００３１】
また、図４に示す実施例では、図３に示した大小２種類の円弧形状連続突起が上下２段に配置された反射防止光学構造付き基板を、作製工程を大幅に増やすことなく製造することが出来る。
【符号の説明】
【００３２】
１０  反射防止光学構造付き基板
１１  格子点
１２  連続突起
２０  反射防止光学構造付き基板
２１  連続突起
２２  下部凹凸構造
２３  Ｘ方向断面位置
２４  Ｙ方向断面位置
２５  反射防止光学構造付き基板
２６  連続突起
２７  下部凹凸構造
２８  Ｘ方向断面位置
２９  Ｙ方向断面位置
３１−ａ  基板準備工程
３１−ｂ  ＣＮＷ成長工程
３１−ｃ  ＣＮＷ整形加工工程
３１−ｄ  基板表面洗浄工程
３１−ｅ  基板エッチング工程
３１−ｆ  基板
３１−ｇ  メタンガスプラズマ
３１−ｈ  酸素ガスプラズマ
３１−ｉ  洗浄済基板
３１−ｊ  エッチングガスプラズマ
３２−ａ  反射防止光学構造付き基板
３２−ｂ  （平均寸法の大きな）連続突起
３２−ｃ  （平均寸法の小さな）連続突起
３２−ｄ  Ｘ方向断面位置
３２−ｅ  Ｙ方向断面位置
３３−ａ  ガラスチューブ
３３−ｂ  メタンガス導入部
３３−ｃ  ヘリカルアンテナ
３３−ｄ  高周波発信器
３３−ｅ  整合器
３３−ｆ  メタン（ＣＨ４）ガスプラズマ
３３−ｇ  加熱試料台
３３−ｈ  外部印加磁場
３３−ｉ  真空排気
３４−ａ  回折格子基板
３４−ｂ  回折格子パタン
３４−ｃ  円弧形状連続突起
３４−ｄ  レンズ基板
３４−ｅ  円弧形状連続突起
３４−ｆ  マクロレンズ基板
３４−ｇ  マイクロレンズ
３４−ｈ  円弧形状連続突起
４０  基板
４１  円錐突起
４２  円錐突起の頂部
４３  円錐突起の配置周期（Ｐ）
【図１】
2012058584.tif 000003
【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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