ガラスモールド法による位相制御可能な微細構造の形成
Sub-wavelength Periodic Structures with Phase Control Fabricated by Precision Glass Molding

長谷川研

人＊

Hasegawa, Kento

森登史晴＊

Mori, Toshiharu

要旨
光ピックアップや液晶プロジェクターなどでは光の利

１

波多野卓

史＊

Hatano, Takuji

はじめに用効率を高めるために光の振動方向（偏光）を変化させ現在，光ピックアップ装置，液晶プロジェクターなどる波長板と呼ばれる光学部材が必須となっている。波長の光学系において，波長板は光の利用効率を上げるため板には高精度に加工した水晶や複屈折ポリマーが多用さに必須の光学部材となっている。一般的に波長板には水れているが，前者は低コスト化，後者は耐熱性向上が課晶の研磨品，複屈折ポリマーなどが用いられている。し題として残されている。我々は，これらの課題を解決すかしながら，水晶の波長板は波長オーダーの加工精度がべく，ガラスモールド法を用いて，高アスペクト比のサ必要なため高価で，複屈折ポリマーの波長板は熱に弱い

ブ波長周期構造をガラス表面に形成し，偏光を制御するという問題があった。一方，光の波長レベル以下の微細素子の開発を試みている。

な周期を有する構造（サブ波長周期構造）は偏光無依存

そして，今回ガラスモールド法で初めて酸化物ガラスの回折１），波長分離２），無反射３, ４），位相制御５）が可能

表面に一次元サブ波長周期構造を形成することに成功しであることが古くから知られており，光学素子への応用た。また，可視光域において，TE偏光とTM偏光透過光が期待されていた。しかし，サブ波長周期構造の形成方の位相差を確認した。

法としては電子ビーム（EB）描画とドライエッチングの組み合わせが一般的であるが，生産コストが高く，実Abstract用化まで至らなかった。

To improve light use efficiency, optical pickups andこのような中，サブ波長周期構造の形成方法の一つとliquid-crystal projectors must have a wave plate, an

して，レンズの製造に用いられているモールド法が注目

optical element which controls polarization. The wave

されている。モールド法が適用できれば，金型を一つ作

plate is usually formed from either a high-precision

ることにより，サブ波長周期構造を持つ光学素子を大量

fabricated quartz or from a birefringent polymer.に生産することができるようになり，大幅なコスト削減

However, the former is costly, and the latter suffers fromが期待できる。最近では，紫外線を用いたインプリント

low resistance to heat. In response, we aimed to

法や熱インプリント法により，様々な微細構造が樹脂基

develop a polarization controlling element by fabricating

板やフィルムへ形成できることが報告されている４, ６）。

sub-wavelength periodic structures with high aspect

しかしながら，樹脂基板やフィルムでは光学素子に求め

ratios on the surface of glass during the glass molding

られる高温，高湿環境下などでの信頼性を満たすことはprocess. As a result, it has been demonstrated for the

難しい。そこで，我々は広い屈折率・分散の選択範囲を

first time that the glass molding process allows precise

持ち，耐久性・耐熱性・耐光性あるいは優れた温度特性

fabrication of one-dimensional sub-wavelength periodicを有するガラスに着目し，モールド法による微細構造のstructures upon oxide glasses. Further, phase形成を試みた。

retardation between TE- and TM-polarized transmission

ガラスモールド法により，高屈折率の酸化物ガラス表

beams was recognized in the visible wavelength region.

面上に高いアスペクト比を持つ一次元サブ波長周期構造を形成したことを報告する。また，形成した一次元周期構造の位相差特性についても報告する。

２構造性複屈折による位相差の発現

本研究ではサブ波長周期構造素子として，ガラスの構造性複屈折素子をガラスモールド法を用いて作製した。
＊コニカミノルタオプト㈱生産技術センター

加工・成形部

サブ波長周期構造は，光波に対して平均的な屈折率（有KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.5（2008）95効屈折率）をもつ媒質として作用し，その構造の方向性用いた。GC基板上にEBレジストをスピンコート法によに起因する光学異方性を構造性複屈折と呼ぶ。一次元周り塗布した。上記の基板をEBで直接描画し，現像する期のサブ波長周期構造の場合，周期を持つ方向と持たなことでEBレジストに一次元周期構造をパターニングしい方向で異なる有効屈折率を持ち，TE偏光とTM偏光た。そのEBレジストをマスクとして用い，反応性ガスの伝播速度に差が生じることで位相差が発現し，それ自として酸素を用いた誘導結合プラズマ反応性イオンエッ身で構造性複屈折波長板として機能する。また，サブ波チング（ICP-RIE）によりGC基板上へ周期パターンを長構造を有効屈折率の媒質で置き換える考え方は有効媒形成した。また，残余のEBレジストは有機溶剤により質理論（Effective Medium Theory；EMT）と呼ばれる。

除去した。

構造性複屈折により位相差を発現させるパラメーター
として，周期，filling factor，高さ，屈折率などがある（Fig.
１参照）。これらのパラメーターにより位相差特性は大４ガラス成形プロセス

きく変わり，EMTによる計算やシミュレーションなど

Fig.３にガラスモールド法による成形プロセスを示を駆使することによって位相差特性を制御することが可す。ガラスプリフォームを上下のモールドの間に置き，能である。例えば，より高い位相差を発現させるためにガラスプリフォームとモールドを加熱後，一次元周期構は，Fig. １の高さがより高い構造を形成し，かつ屈折率造を持ったモールドでガラスプリフォームをプレスしの高いガラスを用いればよい。また，例えばガラスの屈た。その後，数分間保持し，モールドを冷却し離した。

折率が1.8，周期300nm，filling factor0.5，高さ500nmの

ここで，ガラス成形は圧力0.4kN/cm2，ガラスの軟化温構造を形成した場合，発現する位相差は0.25λ（=90deg）

度付近で行った。また，成形チャンバー内はN2雰囲気程度となる。これに光を透過させた場合，光の振動方向にし，特に成形中は真空状態にして行った。

を直線から円に変換することが可能であり，1/4波長板として機能する。これにより，光利用効率の高い光ピックアップユニットの達成が可能となる。

Fig.3■P（周期）: Pitch

Glass molding

Fig.４⒜は実験で使用した成形装置内部，Fig.４⒝は■L（幅）: Line width■f : Filling factor ( f = L / P )昇温加熱時の成形装置の写真である。加熱には赤外線ラ■H（高さ）: Height

ンプヒーターを用い，最大加熱温度は800℃である。また，■n（屈折率）: Refractive index
2

成形の加圧時は下軸が上昇する。最大プレス圧は40kN

Fig.1３まで設定可能であり，φ150mmまでのモールドを搭載

Wave plates with form birefringence

可能である。

モールドの作製プロセス

モールドの作製プロセスをFig.２に示す。本研究では，モールド材料としてGC（グラッシーカーボン）基板を⒜Fig.4５⒝Molding machine: (a) interior exposed, (b) during heating

ガラス成形結果

本研究では，サブ波長一次元周期構造素子の作製として，高アスペクト比の成形と実際に可視域で機能する波長板の作製についての検討を行った。
Fig.2

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Fabrication of glassy carbon molds

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.5（2008）

５．１

高アスペクト比の成形検討

おける屈折率が1.59のリン酸塩系ガラスである。

溝幅が広いほど，ガラスの充填率が向上するという仮

Fig.６⒝に成形したガラスのSEM写真を示す。溝幅定の下にモールドのパターンを設計した。Fig.５に⒜溝150nm，220nm，290nm，及び330nmのモールドを用い，幅が狭い場合と⒝溝幅が広い場合の成形ガラスの流れにそれぞれ380nm，510nm，610nm，及び730nmの構造のついての概念図を示す。

高さを形成することができた。
形成したガラス表面の一次元周期構造のfilling factorと高さの関係をFig.７に示す。GCモールドの溝幅が広くなるほど，成形されたガラスの構造の高さが直線的に増加していることがわかる。

Fig.5

Flow of molded glass through glassy-carbon mold (a) withnarrow groove width and (b) with broad groove widthFig.６⒜に0.6×0.9mm2の範囲に実際にパターニングしたモールドの表面の走査型電子顕微鏡（SEM）写真を示す。周期と溝深さはそれぞれ500nm，750nmである。
溝幅を150nm，220nm，290nm，及び330nmとした４つのパターンをモールド表面に作製した。ガラスを成形した結果，一次元サブ波長周期構造をGCモールドからガラス表面へ転写することに成功した。ここで，本実験に

Fig.7

Dependence of height on filling factor

おいて使用したガラスは軟化温度500℃，波長588nmに５．２可視域で機能する波長板の作製検討

光ピックアップに搭載する波長板を想定し，より広い範囲へパターニングを施したGCモールドも作製した。
パ タ ー ン の 周 期， 溝 深 さ， 面 積 は そ れ ぞ れ500nm，350nm，6×6mm2である。Fig.８⒜は実際にパターニングしたモールドの表面SEM写真である。このパターンの filling factor は約0.5である。Fig.８⒝に上記モールドによって成形されたガラスのSEM表面写真を示す。溝
深さ350nmの一次元周期構造を全面に形成することができた。

Fig.8 S EM images of (a) glassy-carbon mold and (b)corresponding molded glass６周期構造を持つ成形ガラスの光学特性得られた周期構造体に構造性複屈折が発生していることを確認するため，形成された一次元周期構造を透過す
Fig.6

S EM images of four (a) glassy-carbon molds and (b)corresponding molded glass

るTE偏光とTM偏光の位相差を回転検光子法により測定した。

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.5（2008）

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６．１

測定原理には向かないという問題点もあり，より高い耐久性のあ測定原理をFig.９に示す。平行ニコルと直交ニコルの状態で，それぞれ透過スペクトルを測定し，その強度比を元に各波長の位相差を算出することができる。

るモールドの開発に取り組んでいく必要がある。
また，位相差測定において，回折の影響によりピークが発生しているが，よりフラットな位相差特性を得るた
めには，使用する光の波長よりも短い周期で一次元周期構造を形成することが必要となる。このため，より微細の構造を持つ金型の作製技術を確立していく必要がある。

８まとめ

ガラスモールド技術を応用すれば，光の波長レベル以下の周期構造をガラス表面に短時間で形成できるため，高精度な素子を大量・安価に生産することが可能となる。
そのため，本研究では，サブ波長周期構造をガラスモールド法により酸化物ガラス上の広範囲へ形成できることを確認した。また，TE偏光とTM偏光の位相差発現を可視光域において確認した。今後は，周期構造の更なる最適化と成形に用いるガラスの高屈折率化により大きな
Fig.9

 easurement principle of phase retardation between TEM
and TM-polarized beams transmitted through a fabricated
1-D periodic structure

６．２

測定結果

位相差発現の達成を目指していく。

９謝辞

本研究は，革新的部材産業創出プログラム「次世代光Fig.10に測定結果を示す。波長600nm付近で約0.1λの波制御材料・素子化技術」の一環として新エネルギー・位相差発現を確認した。ここで，530nm付近でのピーク

産業技術総合開発機構（NEDO）からの委託を受けて実施は入射光の回折によるものである。またFig.10に厳密結したものである。
（独）
産業技術総合研究所の西井準治様，合波解析（RCWA）により計算した理論波長特性を示す。

金高健二様，笠晴也様らの御指導ならびに御協力に感謝

Fig.10に示されるように，測定結果は理論予測値とよく致します。

一致している。
●参考文献
１）J . Nishii, K. Kintaka, and T. Nakazawa, “High-efficiencytransmission gratings buried in a fused-SiO2 glass plate,”Appl. Opt., 43, 1327-1330 (2004).
２）T . Glaser, S. Schröter, H. Bartelt, H. Fuchs, and E. Kley,“Diffractive optical isolator made of high-efficiency dielectric
gratings only,” Appl. Opt., 41, 3558-3566 (2002).
３）S. J. Wilson, and M. C. Hutley,“The optical properties of‘motheye’ antireflection surfaces,” Opt. Acta, 29, 993-1009 (1982).
４）H. Toyota, K. Takahara, M. Okano, T. Yotsuya, and H. Kikuta,“Fabrication of Microcone Array for Antireflection Structured
Surface Using Metal Dotted Pattern,” Jpn. J. Appl. Phys., 40,
L747-L749 (2001).
Fig.10Dependence of phase retardation on wavelength５）H. Kikuta, Y. Ohira, and K. Iwata, “Achromatic quarter-wave
plates using the dispersion of form birefringence,” Appl.
Opt., 36, 1566-1572 (1997).

７６）T. Yoshikawa, T. Konichi, M. Nakajima, H. Kikuta, H. Kawata,

考察

and Y. Hirai, “Fabrication of 1/4 wave plate by nanocasting

今回，実験に用いたGCモールドは，ドライエッチン

lithography,” J. Vac. Sci. Technol. B, 23, 2939-2943 (2005).

グによる加工が比較的容易に行え，また，ガラスとの反応性も低く離型性がよいという点が特長である。しかしながら，モールドとしては機械的強度が脆く，連続成形

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