ナノインプリント技術を用いた広帯域波長板の作製
Super Wide-band Polymeric Quarter Wave Plates (QWPs) Fabricated by Nanoimprint Technologies

増田修＊

宮越博

史＊＊Masuda, Osamu

Miyakoshi, Hiroshi

山森田

基

弘＊

Yamada, Motohiro

川雅齊

藤真紀子＊

Saito, Makiko

弘＊

Morikawa, Masahiro

要旨
1/4 波長板は，光ピックアップの主要な光学部品のひ１はじめにとつである。青色光を利用する次世代光ディスクの登場

1/4波長板は，光ピックアップにおいて，レーザーのにより，DVD，CD との 3 波長互換の波長板が求めら

投光路と受光路を効率良く分離するために必須となる光れる。今回我々は，構造性複屈折を利用して広帯域 1/4学素子であり，直線偏光を円偏光に，円偏光を直線偏光波長板の実現を目指した。構造性複屈折は，サブ波長オーに変換する機能を持つ。この機能は，サブ波長オーダーダーの周期構造により発現し，この周期構造の寸法選択の周期構造によって複屈折性を発生させる，いわゆる構により光学性能を制御できる。そこで我々は，広い波長造性複屈折で実現することができる１）。

帯域で一定の位相差特性を持ち，且つ高透過率を両立でFig. １にサブ波長構造とその波長板としての機能を模きる波長板を設計した。更に，超微細構造の型転写にナ式的に示す。サブ波長オーダーの周期構造により，構造ノインプリント技術を採用し，ハイアスペクト比の構造に垂直な電気ベクトルを持つTM波と，それに直交する性複屈折波長板の製作に成功した。

TE波とで屈折率差が生じ，両者に位相差が起こる。ここで，発生する位相差量とその広帯域性は，構造寸法にAbstractより変化させることができる２）。従って，一般的な波長

Quarter wave plates (QWPs) are one of the principal

板として多く利用されている液晶や位相差フィルム，水components of an optical pickup.QWPs will have to

晶とは異なり，複屈折材料でなくとも位相差やその広帯

accommodate not only the different wavelengths(λ)

域性を構造寸法設計により制御できることが，最大の特utilized by CDs and DVDs, but also the blue laser light

徴と言える。しかしながら，そのサブ波長構造には非常of next-generation optical disks. This paper reports theに高いアスペクト比が要求され，低コストで製作するのdevelopment of wide-band QWPs which utilize form

は容易ではない。これが製品化に結びつかない要因の一b i re f r i n g e n c e t o p ro v i d e t h a t c a p a b i l i t y. F o r mつと推測される。

birefringence is induced by subwavelength periodic
structures, allowing optical performance to becontrolled through the selection of periodic structuraldimensions. Recognizing this, we designed QWPs thatobtains both constant retardation properties and hightransmittance. In addition, we applied nanoimprint
technologies in fabricating high aspect ratio
subwavelength structures (SWSs) ,and succeeded in
the fabrication of the QWPs.

Fig.1

Form birefringence induced by subwavelength structure

一般的な光学材料を使い波長に対して広い広帯域性を＊コニカミノルタテクノロジーセンター㈱アドバンスト加工開発室＊＊コニカミノルタテクノロジーセンター㈱
SJ開発室
日本光学会
ら転載

微小光学研究グループ

デバイス技術研究所持つ1/4波長板を構造性複屈折で得るためには，数百nm

デバイス技術研究所の構造周期に対して，高さ2μm程度の構造が必要とな

第103回微小光学研究会論文集かる。加えて，高い透過率を維持するためには10nm程度の高い精度が要求される。我々はこれまで，製作の難度

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を下げるため，約半分の高さの構造を作り，2枚を対向図的に大きくして他の波長と近づけることで広帯域性のして貼り合わせることで1/4波長相当の位相差をもつ波良い設計解が得られる。しかし構造高さに対して位相差長板の製作に取り組んできた３〜５）。今回は製造コスト，性能が大きく変化してしまうということは加工誤差にお

光学性能，薄く軽いといった点で大きなアドバンテージいて厳しい設計であると言え，構造寸法変化に対して性がある１枚で1/4波長板を製作した。Fig. ２に両者の比能変化が小さい（＝変動が小さい）設計解が理想的であ較を示す。

る。これも同様に構造寸法選択により制御できるので，加工誤差に対して強い設計を選択することも重要である。３）

Fig.2

２QWPs composition (cross section)

設計

構造性複屈折で波長板を得るには，0次光以外の不要な回折光を抑えるため，構造周期＜λ/2（λ：使用波長）程度を目安とするのが適切と考えるが，この領域では高い広帯域性を持たせることができない。次世代ディスク，
DVD，CDでの使用波長λ＝405nm，650nm，780nmに

Fig.4

Retardation vs. structural height of SWS calculated via RCWA

対して広帯域性を得るには，λ/2＜構造周期＜λの範囲にする必要がある。ただし，この構造周期では0次光以これらのトレードオフを踏まえ，設計値を選定した。

外の回折光の発生により，0次光の透過率は構造高さのその透過率及び位相差特性をTable １に，構造寸法を変化に伴い周期的に変動するため，所望の位相差の得ら

Fig. ５に他の代表的な微細構造と比較する形で示す。一れる構造寸法で必ずしも高い0次光透過率が得られると般的な光ピックアップの仕様を満足する特性を持った設は限らない。Fig. ３に一例として，RCWA（Rigorous計解を得たが，加工が非常に難しい寸法であることが判

Coupled Wave Analysis）を用いたシミュレーション結る。

果を示す。尚，ここで用いた構造は周期370nm，構造の幅255nm，計算波長は405nmである。90degの位相差をTable 1

Design performance of QWP calculated via RCWA生じる構造高さでは，TE波とTM波の平均透過率は75%程度しか得られないことが分かる。このような透過率変動を考慮した上での構造寸法の選定が重要となる。

Fig. 3

Transmission vs. sructural height of SWS

加えて，広帯域性を得るために，それぞれの波長で生じる位相差のバラツキがなるべく小さくなるように設計する必要がある。ところが通常はFig. ４に示すように発現する位相差性能が波長によって大きく異なってしまう。そこで構造寸法制御により短波長の位相差変動を意

102Fig.5

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.5（2008）

Feasibility of fabricating SWSusing nanoimprint lithography

３製作

３．１

基本プロセス

Fig. ６に素子作製のプロセスを示す。リソグラフィー
技術を用いて作製したサブ波長構造を持つシリコンモールドを使い樹脂に転写する方法を採った。サブ波長構造の転写には，微細な高アスペクト比構造の転写可能性のあるナノインプリント法６） を用いた。ナノインプリントの方式は熱可塑性樹脂の表面に加熱した金型をプレスする「熱式インプリント」を採用した。より具体的には，加熱した金型を常温の被成形材表面にプレスすることで充填，その後，金型を冷却し離型する方法である４，５，７）。
紫外線硬化樹脂を使用した光インプリント方式も広く知られた方法だが，ブルー耐光性，収縮などの問題があるため,ピックアップ光学系で実績のあるポリオレフィン系樹脂（熱可塑性樹脂）を使用できる本方式を採用した。
尚，使用した被成形材の厚みは0.1mmである。
Fig.7

Reproducibility of Si mold for nanoimprint

る。
その為に，まずモールド表面にフッ素系薄膜コーティング処理を行った７）。フッ素系薄膜コーティングの効果は顕著で，処理を行わない場合，離型プロセスでサブ波長構造が破断したが，処理をしたものは破断領域を大幅に減少させることができた。しかしながら，走査型電子顕微鏡（SEM）で詳細に観察するとFig. ８(a)のように，
Fig.6

Fabrication process

構造の根元が延伸されていることが判かった。そこで，もう一つの改善として，ドライエッチングのプロセスパ

３．２

モールド作製ラメータを調整し，構造側壁の粗さを10nm以下に低減基材となる単結晶シリコンに塗布したレジストを電子させた。そのモールドを使って転写を試みた結果をFig.

ビーム描画装置でパターンニングし，それをマスクとし８(b)に示す。構造の根元の延伸をほぼ無くすことに成てプラズマによるドライエッチング加工を行い，サブ波功した。４） この結果から，側壁の粗さによる機械的か長構造を持つモールドを作製した。ここで，ドライエッみ合いに起因する離型抵抗を減少できたと考える。

チングの方法には，エッチングガスにSF6を使用したDRIE（Deep Reactive Ion Etching）を用いた。
パターン形状を決定するモールドには，非常に高い精度が要求される。設計した光学性能を達成するために，インプリント後の構造に対応する溝の寸法に要求される精度は深さ20nm，幅は10nm程度である。この精度を得るために電子ビーム描画及びドライエッチング加工の両プロセスの最適化を行った。Fig. ７にエッチングのチャンバー内雰囲気の安定化を行った後の構造寸法の再現性を確認した結果を示す。図の横軸に示す各サンプルはいずれも異なるタイミングでエッチングしており，溝の深Fig.8

SEM image of cross section of SWSs

さ1950nm，幅250nmを狙った結果である。溝の深さ，および幅の再現性は，それぞれ＜±15nm，＜±5nm得られ，必要精度内であることを確認した。

３．３

ナノインプリント装置

自社開発した装置外観と構成をFig. ９に示す。

インプリントプロセスでは，サブ波長構造を破壊しなインプリント装置本体に関しては，破断しやすいサブいようにモールドと被成形材の離型性確保が重要であ

波長構造部にプレス力方向以外の誤差成分の力を発生さ

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の張力すなわち離型抵抗力の大きさと生成された欠陥面積の間に強い相関が見られた。この結果から，離型抵抗力を10N以下に抑えて離型を完了させれば欠陥が抑制できると考えられるが，欠陥の生成現象がミリ秒オーダーの現象であるため，サブミリ秒の応答性およびサブミクロン分解能の微動作が必要になる。そこで，離型専用装置を導入し，無欠陥化に対応した。４，５） その結果得られた転写品の全体写真をFig.12に示す。

Fig.9

Nanoimprint processing apparatus

せないことを要件として設計した。つまり，真っ直ぐな

Fig.10

SEM image of defect on polymer SWS after imprint process

運動基準に沿ってプレスすることおよびプレス力に対してモーメントを発生させないことが重要となる。
運動基準には有限ころ軸受のガイドポストを4本使用し，誤差運動を小さくするための工夫をした。その結果，運動誤差は可動プレート10mm移動時に0.1μmの誤差運動にすることができた。そして，装置全体の構造は，プレス力に対する構造の剛性が軸対称になるようにフレームを配置した。その結果，誤差力の発生はプレス力に対して0.05%に抑えることができた。制御部は，温度，位置，力などの各種センサ信号にもとづいてプロセス制御できるように一元管理できるシステムにした。４，５）
３．４

Fig.11

Relationship between defect area and release force

ナノインプリントプロセス

ハイアスペクト比構造のナノインプリントにおいて特に難度が高いのが離型である。モールドに充填したのちサブ波長構造を破壊させることなく離型することは非常に困難である。初期の検討において離型プロセスで発生する欠陥の発生率を最小にするために，主にプロセス中の温度条件（型温度）を最適化した。これは本質的には樹脂の変形および破断問題ととらえ，事前に温度をパラメータとして測定した被成形材の粘弾性特性データを参考に検討した。しかしこの最適化では，サブ波長構造を直径4mmの範囲へインプリントした場合，欠陥を抑制しきれず面積比で3 〜 5％が欠陥として残った。Fig.10
はその欠陥の観察像である。
ここで，離型現象について種々の解析を行った結果，Fig.11に示すように，サブ波長構造に作用する離型方向

104Fig.12KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.5（2008）

Whole of imprinted pattern

４４．２

評価

４．１

光学特性評価今回試作した広帯域1/4波長板の透過率および位相差外観評価の測定結果をFig.15に示す。透過率，位相差の実測性能試作した広帯域1/4波長板の外観をFig.13(a)に，直交ニコルで観察した結果をFig.13(b)に示す。直径4mmのはRCWAから導いた設計性能に非常に近い値が得られた。

サブ波長構造領域においてムラ無く均一に仕上がっていることが分かる。また，そのサブ波長構造部のSEM観察像をFig.14に示す。モールドの高アスペクトなサブ波長構造が，変形や破損なく正確に転写されていることを確認した。

Fig.15

Measured and RCWA design values

透過波面収差は波長405nmで目標としたRMS10mλ以下を達成できていることが判った。透過波面収差評価
時のフリンジパターンをFig.16に示す。
Fig.13

Appearance of QWPs

Fig.16

Fringe pattern

更に,本試作品を次世代光ディスクドライブに搭載し，評価を行った。Fig.17は対物レンズで集光されたビームスポットを撮像したものであるが，単一波長用水晶波長板を搭載したものと比較しても遜色のない結果となった。また，Fig.18は，次世代光ディスクの再生信号である。実用可能な再生信号パターンが得られていることをFig.14

SEM images of nanoimprint fabricated SWS確認した。

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.5（2008）105

●参考文献１）日本光学会光設計研究グループ，“回折光学素子入門”，オプトロ
ニクス社（1997）
２）H.Kikuta, Y.Ohira and K.Iwata, Appl. Opt., 36 (7) 1556-1572(1997)
３）M .Imae, M.Miyakoshi, O.Masuda, K.Furuta, Konica Minolta Tech. Rep., 3 62-67 (2006)４）H.Miyakoshi, M.Morikawa, O.Masuda , M.Imae，M.Yamada,(a) Using super wide-bandpolymeric QWP
Fig.17(b) Using quartz QWP

K.Furuta, OPTRONICS, No. 7, 167-172 (2006)５）M.Morikawa, O.Masuda, H.Miyakoshi, M.Imae，M.Yamada,K.Furuta，ODF ’06, Nara, 49-50 (2006)

Focused laser beam image

６）C hou, US Pat 5, 772, 905, 6,309,580/APL, 67, 3114 (1995)/Science, 272, 85 (1996)
７）H.Miyakoshi, M.Morikawa, O.Masuda , K.Furuta, Konica Minolta Tech. Rep., 2 97-100 (2005)

Fig.18５

Eye pattern

まとめナノインプリントプロセスを用いた構造性複屈折広帯域1/4波長板の作製について報告した。試作した波長板は，波長405 〜 780nmの範囲で一定の位相差特性，且つ高透過率を両立しており，次世代光ディスク用の光ピックアップ光学系にて実用可能なことを確認した。
特に今回1枚で1/4波長板を得たことで，光学性能向上，薄肉，軽量化と共に，低コスト化が図れ，実用化に向けて大きなアドバンテージを得た。
波長板のみならずサブ波長領域の構造を持った素子の機能は非常に魅力的であり，ナノインプリントプロセスは，それらを安価に実現できる製作手法として，高い可能性を持っている。今後，高精度なモールドを如何に安価に作製，さらに寿命を延ばしてゆくかなどの課題を解決し，実用的な生産技術・量産化技術に仕上げてゆきた
いと考えている。

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