ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ
OPTICAL ELEMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к оптическому элементу. Конкретнее, изобретение относится к оптическому элементу, в котором множество структур, сформированных из выступов или впадин, размещены на его поверхности с малым шагом, равным или меньше длины волны видимого света.
Уровень техники
Традиционно известны оптические элементы, включающие в себя светопропускающие подложки, состоящие из стекла, пластмассы или тому подобного, которые подвергаются поверхностной обработке для подавления отражения света поверхностью. В качестве такой обработки известен способ, в котором мелкие и плотные выступы и впадины (стрекозиный глаз) сформированы на поверхности оптического элемента (например, ссылка на «Optical and electrooptical engineering contact» (Оптический и электрооптический технический контакт). Vol.43, No. 11(2005), 630-637).
В общем, в случае, когда на поверхности оптического элемента выполнена форма с периодическими выступами и впадинами, когда свет проходит через эту поверхность, происходит дифракция, и благодаря этому количество прошедшего света, света, который проходит прямо, значительно снижается. Однако в случае, когда шаг формы с выступами и впадинами короче, чем длина волны проходящего света, дифракция не возникает, и можно получить полезный антиотражательный эффект для монохроматического света, соответствующего шагу, глубине или тому подобному этой формы с выступами и впадинами.
Поскольку структура типа "стрекозиный глаз" изготавливается путем воздействия электронным пучком, раскрыта структура типа "стрекозиный глаз" в виде мелких шатров (шаг: примерно 300 нм, глубина: примерно 400 нм) (например, в работе NTT Advanced Technology Corporation "Master mold for forming anti-reflective (moth-eye) structure having no wavelength dependency" (Исходная форма для образования антиотражательной структуры (стрекозиный глаз) без зависимости от длины волны), [online], [найдено 27 февраля 2008 года]. Internet<http://keytech.ntt-at.co.jp/nano/prd_0033.html>). Считается, что структура типа "стрекозиный глаз", например, должна изготавливаться следующим образом.
Сначала, формируется конфигурация из выступов и впадин путем фиксации электронного пучка на фоторезисте на кремниевой подложке, и эта кремниевая подложка протравливается с использованием конфигурации из выступов и впадин на фоторезисте в качестве маски. Таким образом, на поверхности подложки формируются мелкие структуры в виде шатров с размерами менее длины волны (шаг: примерно 300 нм, глубина: примерно 400 нм). Тем самым изготавливается кремниевая исходная форма (см. фиг.1А). Эти мелкие структуры размещены в конфигурации четырехугольной решетки или в конфигурации шестиугольной решетки.
1
2
Изготовленная таким образом кремниевая исходная форма может проявлять антиотражающий эффект для света с широким диапазоном длин волн. В частности, как показано на фиг.1В, когда мелкие структуры в виде шатров с размерами менее длины волны получены в форме шестиугольной решетки, высокий антиотражающий эффект (коэффициент отражения: 1% или менее) может быть получен в видимой области (см. фиг.2). На фиг.2 символы 1 и 1 указывают соответственно коэффициент отражения плоской части и коэффициент отражения структурированной части кремниевой исходной формы.
3
4
Затем изготавливается покрытая никелем матрица конечной кремниевой исходной формы (см. фиг.3). Как показано на фиг.4, на поверхности этой матрицы образуется конфигурация из выступов и впадин, перевернутая по отношению к конфигурации из выступов и впадин кремниевой исходной формы. Далее, с помощью этой матрицы конфигурация из выступов и впадин переносится на прозрачную поликарбонатную пластмассу. Благодаря этому получается запланированный оптический элемент (копия подложки). Этот оптический элемент может также проявлять антиотражающий эффект (коэффициент отражения: 1% или менее) (см. фиг.5). На фиг.5 символы 1 и 1 указывают соответственно коэффициент отражения в отсутствие указанной конфигурации и коэффициент отражения при наличии указанной конфигурации.
Однако воздействие электронным пучком имеет тот недостаток, что оно требует длительного времени работы и непригодно для промышленного производства. Формирование конфигурации из выступов и впадин путем фиксации электронным пучком и площадь, на которую можно воздействовать, зависят от величины тока электронного пучка и величины дозы, необходимой для резиста. Например, в случае, когда выполняется рисование с помощью пучка с током 100 пА, который используется при рисовании самой мелкой конфигурации на резисте, для которого требуется доза в несколько десятков микрокулонов на квадратный сантиметр, таком как каликсарен, даже если воздействие выполняется 24 часа, нельзя заполнить квадрат со стороной 200 мкм. Далее, для воздействия на квадрат размером 1 мм × 1 мм требуется 25 дней и считается, что такое воздействие ограничивается микроустройствами с размером в несколько сотен микрометров или менее.
2
Между тем, в случае, когда рисование выполняется с использованием пучка в 2 нА, что не намного больше, на химически усиленном резисте, на который можно воздействовать при примерно 100 мкК/см или менее, таком как SAL601 или NEB-22, квадрат размером 2 нм × 2 нм можно зарисовать в течение одного часа или менее. Отметим, что требуемая доза изменяется в зависимости от подложки /условий проявки и т.п. В общем, для высокого разрешения требуется высокая величина дозы.
Однако даже в данном способе производства требуется достаточно много дней для обработки дисплея малого размера, что является недостатком, т.к. это неэффективно. Например, воздействие на область мобильного телефона с малым дисплеем (2,5 дюйма; 50,8 мм × 38,1 мм), который обычно используется в настоящее время, занимает 50,8×38,1/(2×2)=483,9 часов.
Технологическая группа Super-RENS, центр прикладных исследований оптики ближнего поля Национального института передовой промышленной науки и технологии (здесь и далее обозначаемый как «AIST»), добился успеха в разработке нанотехнологического устройства на основе метода термолитографии, в котором объединены способ литографии лазером видимого света с использованием полупроводникового лазера (длина волны: 406 нм) и термически нелинейный материал (например, см. работу Национального института AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) "Development of a Desktop Apparatus Enabling Nanometer-scale Microfabrication" (Разработка настольного устройства, обеспечивающего микропроизводство в масштабе нанометров) [online], [найдено 27 февраля 2008 года], Internet<http://aist.go.jp/aist_i/press_release/pr2006/pr20060306/pr20060306.html>).
Разработан метод высокоскоростной записи на дисковой подложке диаметром 12 см. Используя характеристики высокоскоростного недорогого метода производства оптических дисков на большой площади, AIST и Pulstec Industrial Co., Ltd., совместно работают над разработкой оптических элементов, имеющих мелкую структуру масштаба нанометров (структура типа стрекозиного глаза с малым отражением), которую можно изготавливать с высокой скоростью на большой площади и для изготовления которой можно снизить стоимость, и также работают над разработкой соответствующих устройств.
Метод термолитографии, в котором объединены способ литографии лазером видимого света и термически нелинейный материал, представляет собой способ, в котором используется температурное распределение, имеющее место в световом пятне. Когда подложка облучается светом, то, если эта подложка имеет свойство поглощать свет, световая энергия преобразуется в тепло. Свет, сфокусированный объективом на подложке, имеет Гауссово распределение интенсивности света, а распределение тепла, вырабатываемого благодаря поглощению света подложкой, имеет аналогичный профиль распределения температур.
Следовательно, при использовании в качестве светопоглощающего такого материала, который быстро изменяется благодаря теплу, вырабатываемому за счет поглощения света, возможно реализовать тонкую литографию с размером, равным или меньше диаметра светового пятна. В данном способе, когда изменение объема вещества вызывается в малой области фоторезиста путем термохимической реакции или тепловой диффузии вещества для выполнения литографии, трудно изготовить структуры с разрешением 100 нм или менее и с высоким значением отношения размеров, а также трудно достичь воспроизводимости. При этих обстоятельствах новые материал и технология обработки перепроверены и разработан метод термолитографии, который может надежно воспроизводить структуры в 100 нм или менее с высоким значением отношения размеров (аспектным отношением). Таким образом выполнено настольное устройство микрообработки с масштабом нанометров.
Устройство микрообработки в масштабе нанометров включает в себя вращательную ступень, одноосную ступень и узел автофокусировки, что обеспечивает высокоскоростную литографию в масштабе нанометров. Далее, для рисования лазерными пучками используется полупроводниковый лазер с длиной волны 405 нм, а в оптической системе для фокусировки света используется объектив с числовой апертурой (NA) 0,85, посредством чего реализуется весьма компактное устройство.
Фиг.6 показывает наноточечную структуру, сформированную устройством с описанной выше конфигурацией. Показанный на фиг.6 результат получен путем облучения голубым светом импульсного лазера при вращении со скоростью 6 м/с (2.600-3.600 об/мин) для выполнения рисования. За счет возбуждения лазерного пучка с частотой импульсов 60 МГц устройство может формировать точечную структуру в 50 нм, что равно или менее одной шестой размера пятна лазерного пучка, со скоростью 6 миллионов точек/с. Скорость рисования обычного устройства литографии электронным пучком или тому подобного составляет примерно 0,2 м/с, а потому описанное выше устройство может формировать мелкие структуры в масштабе нанометров со скоростью в 30 раз выше, чем у обычного устройства. Далее, за счет объединения этого метода со способом сухого травления, используемым в обработке полупроводников, возможно сформировать структуру наноотверстий с диаметром 100 нм и глубиной 500 нм или более по всей поверхности подложки при размере оптического диска (диаметр: 12 см). Таким образом, с помощью описанного выше устройства возможно изготавливать форму для нанопечати, имеющей мелкий рисунок масштаба нанометров, на большой площади, с высокой скоростью и низкой стоимостью.
2
Далее, фиг.7 показывает пример, в котором для снижения коэффициента отражения света изготовлена мелкая структура, включающая в себя дисковую подложку из SiO диаметром 12 см, имеющую антиотражающую функцию. Хотя и можно изготовить антиотражающую наноструктуру с высокой скоростью на большой площади при низкой стоимости, коэффициент отражения близок к 2%, т.е. данная структура является не неотражающей структурой, а низкоотражающей структурой.
Причиной того, что получена низкоотражающая структура, считается то, что плотность (апертурное отношение) наноотверстий низкая (50% или менее) и высокое френелевское отражение на плоскости, не являющейся наноотверстием. В противоположность этому, как показано на фиг.1А и 1В, когда наноструктуры в виде шатров сформированы в очень плотной упаковке, в конфигурации шестиугольной решетки может быть реализован эффект отсутствия отражения.
Раскрытие изобретения
Техническая задача
2
Как описано выше, формирование конфигурации из выступов и впадин путем записи электронным пучком и площадь воздействия зависят от величины тока электронного пучка и величины дозы, необходимой для резиста. Однако, даже когда воздействие выполняется на химически усиленном резисте, на который можно воздействовать пучком в 2 нА при примерно 100 мкК/см или менее, оно занимает длительное время примерно 20 дней для экспонирования площади в 2,5 дюйма. То есть при воздействии электронным пучком требуется значительно больше дней для экспонирования даже малого размера дисплея, что является недостатком будучи неэффективным. Кроме того, даже в антиотражающем приборе, изготовленном за длительный период времени, если этот прибор имеет структуры с традиционными формами, имеются ограничения по антиотражающей способности.
В отношении разработки оптического элемента с мелкой структурой в масштабе нанометров (структура типа стрекозиного глаза с малым отражением) на основе метода термолитографии, в котором объединены способ литографии лазером видимого света, использующий полупроводниковый лазер (длина волны: 406 нм), и термически нелинейный материал и при котором используются характеристики высокоскоростного недорогого метода изготовления оптических дисков с большой площадью, возможно изготовление оптического элемента при высокой скорости с большой площадью, при котором стоимость может быть снижена, при этом коэффициент отражения близок к 2%, и тем самым данная структура не является неотражающей структурой, а является низкоотражающей структурой, что представляет собой недостаток.
За счет синхронизации генератора формата с контроллером вращения и переноса для генерирования сигнала и выполнения рисунка при постоянной угловой скорости (CAV) и с соответствующим шагом подачи, чтобы двумерные конфигурации были пространственно связаны друг с другом, возможно сформировать полностью шестиугольную решетку. Однако постоянная решетки изменяется следующим образом: 340 нм по внутренней окружности, 400 нм по срединной окружности и 460 нм по наружной окружности. Поэтому видимый свет дифрагирует на срединной окружности и наружной окружности из-за большой постоянной решетки (шага решетки) и нельзя получить антиотражающий эффект стрекозиного глаза, что является недостатком.
Таким образом, цель настоящего изобретения состоит в получении оптического элемента с высокой производительностью и прекрасными антиотражательными характеристиками.
Техническое решение
Чтобы преодолеть описанные выше проблемы, настоящее изобретение предлагает оптический элемент, включающий в себя основание, первичные структуры и вторичные структуры, расположенные на поверхности основания, причем каждая из первичных структур и вторичных структур представляет собой выступ или впадину, при этом первичные структуры составляют множество рядов дорожек на поверхности основания и размещены, периодически повторяясь с мелким шагом, равным или меньше, чем длина волны видимого света, а вторичные структуры меньше по размеру, чем первичные структуры.
В этом случае, предпочтительно, первичные структуры соединены друг с другом вторичными структурами, имеющими мелкую выступающую форму. Предпочтительно, первичные структуры расположены в конфигурации шестиугольной решетки или квазишестиугольной решетки либо в конфигурации четырехугольной решетки или квазичетырехугольной решетки, при таком решетчатом размещении смежные участки первичных структур соединены друг с другом вторичными структурами.
Предпочтительно, вторичные структуры имеют пространственную частоту, более высокую, чем период размещения первичных структур. В этом случае частота вторичных структур предпочтительно вдвое или больше, а более предпочтительно вчетверо или больше превышает частоту первичных структур. В этом случае, предпочтительно, частота вторичных структур выбрана так, чтобы она не была целым кратным частоте первичных структур. Когда между первичными структурами создаются зазоры, вторичные структуры предпочтительно формируются так, чтобы заполнять эти зазоры. Вторичные структуры могут предусматриваться на поверхностях первичных структур. В этом случае, предпочтительно, вторичные структуры имеют глубину примерно 10-150 нм.
Предпочтительно, вторичные структуры формируются с использованием материала с более низким коэффициентом преломления, чем основание и первичные структуры. В этом случае, предпочтительно, вторичные структуры формируются в зазорах между первичными структурами или на поверхностях первичных структур.
В настоящем изобретении, предпочтительно, первичные структуры размещены периодически в конфигурации четырехугольной решетки или квазичетырехугольной решетки. Выражение «четырехугольная решетка» относится к регулярной четырехугольной решетке. Выражение «квазичетырехугольная решетка» относится к регулярной четырехугольной решетке, которая искажена в отличие от регулярной четырехугольной решетки.
Например, в случае, когда первичные структуры размещены линейно, выражение «квазичетырехугольная решетка» относится к четырехугольной решетке, полученной растягиванием и искажением регулярной четырехугольной решетки в направлении линейного размещения (в направлении дорожки). В случае, когда первичные структуры размещены в форме дуги, выражение «квазичетырехугольная решетка» относится к четырехугольной решетке, полученной растягиванием регулярной четырехугольной решетки в форму дуги, либо относится к четырехугольной решетке, полученной растягиванием и искажением регулярной четырехугольной решетки в направлении линейного размещения (в направлении дорожки) и искажением в форме дуги.
В настоящем изобретении, предпочтительно, первичные структуры размещены периодически в конфигурации шестиугольной решетки или квазишестиугольной решетки. Здесь выражение «шестиугольная решетка» относится к регулярной шестиугольной решетке. Выражение «квазишестиугольная решетка» относится к регулярной шестиугольной решетке, которая искажена в отличие от регулярной шестиугольной решетки.
Например, в случае, когда первичные структуры размещены линейно, выражение «квазишестиугольная решетка» относится к шестиугольной решетке, полученной растягиванием и искажением регулярной шестиугольной решетки в направлении линейного размещения (в направлении дорожки). В случае, когда первичные структуры размещены в форме дуги, выражение «квазишестиугольная решетка» относится к шестиугольной решетке, полученной растягиванием регулярной шестиугольной решетки в форму дуги, либо относится к шестиугольной решетке, полученной растягиванием и искажением регулярной шестиугольной решетки в направлении линейного размещения (в направлении дорожки) и искажением в форме дуги.
В настоящем изобретении нижняя поверхность каждой первичной структуры предпочтительно имеет форму эллипса или окружности. Здесь выражение «эллипс» включает в себя не только математически определенные идеальные эллипсы, но также слегка искаженные эллипсы (такие, как продолговатые фигуры и овалы). Выражение «окружность» включает в себя не только математически определенные идеальные окружности (истинные окружности), но также слегка искаженные окружности.
В настоящем изобретении выражение «ориентации шестикратной симметрии» означает ориентации 60°×n (где n есть целое число от 1 до 6). Выражение «ориентации практически шестикратной симметрии» означает ориентации (60°×n)±δ (где n есть целое число от 1 до 6, и 0°<δ≤11°, предпочтительно 3°≤δ≤6°).
В настоящем изобретении выражение «ориентации четырехкратной симметрии» означает ориентации 90°×n (где n есть целое число от 1 до 4). Выражение «ориентации практически четырехкратной симметрии» означает ориентации (90°×n)±δ (где n есть целое число от 1 до 4, и 0°<δ≤11°).
В настоящем изобретении первичные структуры размещены на поверхности основания так, что эти первичные структуры составляют множество рядов дорожек и повторяются периодически с мелким шагом, равным или меньше, чем длина волны видимого света, а вторичные структуры, меньшие по размеру, чем первичные структуры, расположены на поверхности основания. Поэтому можно получить оптический элемент с высокими антиотражательными характеристиками по сравнению с традиционными оптическими элементами.
Технический результат
Как описано выше, согласно настоящему изобретению можно получить оптический элемент с высокой производительностью и прекрасными антиотражательными характеристиками.
Краткое описание чертежей
Фиг.1А и 1В - фотографии, каждая из которых показывает структуру традиционной кремниевой исходной формы.
Фиг.2 - график, показывающий зависимость коэффициента отражения от длины волны для традиционной кремниевой исходной формы.
Фиг.3 - схема, показывающая структуру покрытой никелем матрицы традиционной кремниевой исходной формы.
Фиг.4 - фотография, показывающая увеличенный вид покрытой никелем матрицы, показанной на фиг.3.
Фиг.5 - график, показывающий зависимость коэффициента отражения от длины волны для традиционного оптического элемента.
Фиг.6 - фотография, показывающая наноточечный рисунок, сформированный с помощью традиционного устройства.
2
Фиг.7 - график, показывающий пример, в котором для снижения коэффициента отражения света изготовлена тонкая структура на дисковой подложке из SiO диаметром 12 см, имеющая антиотражательную функцию.
Фиг.8А - схематический вид сверху примера структуры оптического элемента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения; фиг.8В - частичное увеличение вида сверху оптического элемента, показанного на фиг.8А; фиг.8С - вид в поперечном сечении вдоль дорожек Т1, Т3,…, показанных на фиг.8В; а фиг.8D - вид в поперечном сечении вдоль дорожек Т2, Т4,…, показанных на фиг.8В.
Фиг.9 - частичный увеличенный вид в перспективе оптического элемента, показанного на фиг.8А.
Фиг.10А и 10B - схемы размещения первичных структур.
Фиг.11А - вид в перспективе примера структуры валика-оригинала; а фиг.11В -частичный увеличенный вид сверху валика-оригинала, показанного на фиг.11А.
Фиг.12 - пример структуры устройства экспонирования.
Фиг.13А-13С - виды, иллюстрирующие процессы в примере способа изготовления оптического элемента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.14А-14С - виды, иллюстрирующие процессы в примере способа изготовления оптического элемента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.15А - вид сверху примера структуры оптического элемента согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения; фиг.15В - частичный увеличенный вид сверху оптического элемента, показанного на фиг.15А; фиг.15С - поперечное сечение вдоль дорожек Т1, Т3,…, показанных на фиг.15В; а фиг.15D - поперечное сечение вдоль дорожки Т2, Т4,…, показанной на фиг.15В.
Фиг.16А - вид в перспективе примера структуры валика-оригинала; а фиг.16В - частичный увеличенный вид сверху валика-оригинала, показанного на фиг.16А.
Фиг.17 - пример структуры устройства экспонирования.
Фиг.18А - вид сверху примера структуры оптического элемента согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения; фиг.18В - частичный увеличенный вид сверху оптического элемента, показанного на фиг.18А; фиг.18С - поперечное сечение вдоль дорожек Т1, Т3,…, показанных на фиг.18В; а фиг.18D - поперечное сечение вдоль дорожки Т2, Т4,…, показанной на фиг.18В.
Фиг.19А - вид сверху примерной структуры оптического элемента согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения; фиг.19В - частичный увеличенный вид сверху оптического элемента, показанного на фиг.19А; фиг.19С -поперечное сечение вдоль дорожек Т1, Т3,… показанных на фиг.19В; а фиг.19D - поперечное сечение вдоль дорожки Т2, Т4,…, показанной на фиг.19В.
Фиг.20А - вид сверху примерной структуры оптического элемента согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения; фиг.20В - частичный увеличенный вид сверху оптического элемента, показанного на фиг.20А; фиг.20С - поперечное сечение вдоль дорожек Т1, Т3,…, показанных на фиг.20В; а фиг.20D - поперечное сечение вдоль дорожки Т2, Т4,…, показанной на фиг.20В.
Фиг.21 - фотография оптического элемента из Примера 1 с электронного сканирующего микроскопа (SEM).
Фиг.22 - график, показывающий отражательные характеристики оптического элемента из Примера 3.
Фиг.23 - фотография оптического элемента из Примера 2 с электронного сканирующего микроскопа (SEM).
Фиг.24А и 24В - фотография оптического элемента из Примера 4 с электронного сканирующего микроскопа (SEM).
Фиг.25 - фотография оптического элемента из Примера 5 с электронного сканирующего микроскопа (SEM).
Фиг.26А - изображение оптического элемента из Примера 5 с атомно-силового микроскопа (АРМ); а фиг.26В - профиль сечения изображения с атомно-силового микроскопа, показанного на фиг.26А.
Фиг.27 - график, показывающий результаты моделирования тестового примера 1.
Фиг.28 - график, показывающий результаты моделирования тестового примера 2.
Фиг.29 - график, показывающий результаты моделирования тестового примера 3.
Фиг.30 - график, показывающий результаты моделирования тестового примера 4.
Фиг.31 - график, показывающий результаты моделирования тестового примера 5.
Наилучшие варианты осуществления изобретения
Ниже описаны варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на чертежи. Отметим, что одинаковые или соответствующие части обозначены одними и теми же ссылочными позициями по всем чертежам в приведенных ниже вариантах осуществления.
(1) Первый вариант осуществления
(1-1) Структура оптического элемента
Фиг.8А представляет собой схематичный вид сверху примера структуры оптического элемента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Фиг.8В - частичный увеличенный вид сверху оптического элемента, показанного на фиг.8А. Фиг.8С - поперечное сечение вдоль дорожек T1, T3,…, показанных на фиг.8В. Фиг.8D - поперечное сечение вдоль дорожки Т2, Т4,…, показанной на фиг.8В.
Оптический элемент 1 подходящим образом используется для различных оптических устройств, таких как дисплеи, оптоэлектронные приборы, устройства оптической связи (оптические волокна), солнечные элементы и осветительные приборы. Например, оптический элемент 1 можно использовать для антиотражающих подложек и световодных пластин, которые пригодны для предотвращения отражения света в диапазоне длин волн видимого света. Оптический элемент 1 можно использовать для оптических фильтров с коэффициентом пропускания, соответствующим углу падения падающего света, и в системах задней подсветки, включающих в себя эти оптические фильтры.
Оптический элемент 1 включает в себя основание 2, первичные структуры 3, которые представляют собой выступы, и вторичные структуры 4, расположенные на поверхности основания 2. Оптический элемент 1 имеет функцию предотвращения отражения света, проходящего через основание 2 в направлении Z на фиг.8 от границ раздела между первичными структурами 3 и окружающим воздухом. Выражение «равно или меньше, чем длина волны видимого света» означает длину волны примерно 400 нм или менее.
Основание 2, первичные структуры 3 и вторичные структуры 4, составляющие оптический элемент 1, описаны ниже в этом порядке.
(Основание)
Основание 2 представляет собой прозрачное основание. Основание 2 состоит, в основном, из синтетического полимера, такого как поликарбонат (PC) или полиэтилентерефталат (PET), либо стекла, хотя материал для основания 2 не ограничен конкретно ими. Основание 2 может быть, например, в виде пленки, листа, пластины или блока, хотя форма основания 2 не ограничена конкретно ими. Предпочтительно, форма основания 2 соответственно выбирается в зависимости от основного тела каждого из различных оптических приборов, таких как дисплеи, оптоэлектронные приборы, устройства оптической связи, солнечные элементы и осветительные приборы, для которых требуется заданная антиотражающая функция, либо в зависимости от формы листового или пленочного антиотражающего элемента, прикрепленного к каждому из оптических приборов.
(Первичная структура)
Предпочтительно, каждая первичная структура 3 имеет коническую структуру в форме эллиптического конуса, в которой нижняя поверхность имеет форму эллипса, продолговатой фигуры или овала с большой осью и малой осью, а вершина имеет искривленную поверхность; либо коническую структуру в форме усеченного эллиптического конуса, в которой нижняя поверхность имеет форму эллипса, продолговатой фигуры или овала с большой осью и малой осью, а вершина имеет плоскую поверхность. Когда применяется такая форма, первичная структура 3 располагается на поверхности основания так, что большая ось нижней поверхности первичной структуры 3 направлена в направлении распространения дорожек (в направлении X). В данном описании могут быть случаи, когда направление распространения дорожек соответственно называется «направлением дорожки».
Например, много первичных структур 3, которые представляют собой выступы, размещено периодически на поверхности основания 2 с шагом, практически равным длине волны видимого света. Первичные структуры 3 оптического элемента 1 размещены на поверхности основания 2 так, что они составляют множество рядов дорожек T1, T2, Т3,… (здесь и далее они могут коллективно называться «дорожки Т»). Выражение «дорожка» относится к участку, в котором первичные структуры 3 размещены линейно в ряд. Выражение «направление столбца» относится к направлению (направлению Y), ортогональному к направлению распространения дорожек (направлению X) на сформированной поверхности основания 2.
В данном описании шаг Р1 размещения, шаг Р2 размещения и шаг Р3 размещения означают следующее.
Шаг Р1 размещения: шаг размещения первичных структур 3, размещенных в направлении распространения дорожек (направлении X).
Шаг Р2 размещения: шаг размещения первичных структур 3, размещенных в направлении ±θ по отношению к направлению распространения дорожек.
Шаг Р3 размещения: шаг размещения дорожек.
В двух смежных дорожках Т первичные структуры 3, размещенные на одной дорожке, сдвинуты на половину шага от первичных структур 3, размещенных на другой дорожке. Конкретно, в двух смежных дорожках Т в промежуточных положениях (в положениях, сдвинутых на половину шага) между первичными структурами 3, размещенными на одной дорожке (к примеру, Т1), расположены первичные структуры 3 на другой дорожке (к примеру, Т2). В результате, как показано на фиг.8 В, в трех смежных рядах дорожек (Т1-Т3) первичные структуры 3 размещены так, что они образуют конфигурацию шестиугольной решетки или квазишестиугольной решетки с центрами первичных структур 3, располагающимися в точках а1-а7. Выражение «конфигурация квазишестиугольной решетки» означает, в отличие от конфигурации регулярной шестиугольной решетки, конфигурацию шестиугольной решетки, которая растянута и искажена в направлении распространения дорожек (в направлении X).
Когда первичные структуры 3 размещены так, чтобы образовывать конфигурацию квазишестиугольной решетки, как показано на фиг.8 В, шаг Р1 размещения (расстояние между а1 и а2) первичных структур 3 на одной и той же дорожке (к примеру, Т1) длиннее, чем шаг размещения первичных структур 3 между двумя смежными дорожками (к примеру, Т1 и Т2), то есть шаг Р2 размещения (к примеру, расстояние между а1 и а7 или а2 и а7) первичных структур 3 в направлении θ по отношению к направлению распространения дорожек. При размещении первичных структур 3 таким образом плотность упаковки первичных структур 3 может быть улучшена.
Высота (глубина) первичных структур 3 не ограничена конкретно и устанавливается соответствующим образом в соответствии с диапазоном длин волн падающего света, например в диапазоне примерно 236-450 нм. Отношение размеров (высота Н / шаг Р размещения) первичных структур 3 предпочтительно устанавливается в диапазоне от 0,81 до 1,46, а более предпочтительно в диапазоне от 0,94 до 1,28. Причина этого состоит в том, что если отношение размеров меньше 0,81, характеристики отражения и характеристики пропускания имеют тенденцию уменьшаться, а если отношение размеров превышает 1,46, уменьшается показатель выхода при изготовлении оптического элемента 1 и затрудняется правильное удаление воспроизведенной копии.
С точки зрения дальнейшего улучшения отражательных характеристик, отношение размеров первичных структур 3 предпочтительно устанавливается в диапазоне от 0,94 до 1,46. С точки зрения дальнейшего улучшения характеристик пропускания, отношение размеров первичных структур 3 предпочтительно устанавливается в диапазоне от 0,81 до 1,28.
В настоящем изобретении отношение размеров (аспектное отношение) определяется приведенным ниже выражением (1):
где Н - высота первичных структур 3, а Р - средний шаг размещения (средний период), и средний шаг размещения определяется приведенным ниже выражением (2):
где P1 - шаг размещения в направлении распространения дорожек (период в направлении распространения дорожек), а Р2 - шаг размещения в направлении ±θ по отношению к направлению распространения дорожек (где θ=60°-δ, и предпочтительно 0°<δ≤11°, а более предпочтительно 3°≤δ≤6°) (период в направлении θ).
Высота Н первичных структур 3 определяется как высота в направлении столбца первичных структур 3. Высота в направлении распространения дорожек первичных структур 3 меньше, чем высота в направлении столбцов. Высота других участков, не расположенных между первичными структурами 3, или участков, расположенных в направлении распространения дорожек первичных структур 3, практически такая же, как и высота в направлении столбцов. Поэтому высота первичных структур 3 представляется высотой в направлении столбцов. Однако в случае, когда первичные структуры 3 являются впадинами, высота Н первичных структур 3 в выражении (1) считается глубиной Н первичных структур 3.
Форма первичных структур 3 не ограничивается выступами, показанными на чертежах, и первичные структуры 3 могут быть впадинами, расположенными на поверхности основания 2. Высота первичных структур 3 не ограничивается конкретно и, например, составляет примерно 420 нм, конкретнее 236-450 нм. Когда первичные структуры 3 имеют форму впадин, глубина первичных структур 3 рассматривается вместо высоты.
В такой первичной структуре 3, с учетом антиотражательной функции, предпочтительно коэффициент преломления изменяется постепенно в направлении глубины (z). Например, при эллиптической конической или усеченной эллиптической конической форме, включающей в себя параболическую искривленную поверхность, коэффициент преломления изменяется линейно в зависимости от z в направлении глубины, и коэффициент преломления может изменяться постепенно. В этом случае, поскольку форма вершины первичной структуры 3 не является острой, можно получить долговечность, достаточную для практического использования. В первичной структуре 3 с конической формой или четырехгранной пирамидальной формой коэффициент преломления изменяется пропорционально квадрату z в направлении глубины. В этом случае, поскольку форма вершины первичной структуры 3 является острой, долговечность ухудшается и коэффициент отражения на больших длинах волн ухудшается. Поэтому предпочтителен профиль коэффициента преломления, в котором n(z) изменяется на среднем уровне между изменением для случая параболической искривленной поверхности и изменением для случая конической искривленной поверхности. В оптическом элементе, включающем первичные структуры с эллиптической конической или усеченной эллиптической конической формой и содержащем вторичные структуры 4, может быть достигнута удовлетворительная долговечность, поскольку можно получить такой мягкий профиль коэффициента преломления и можно получить превосходные антиотражательные характеристики.
На фиг.8 первичные структуры 3 имеют одинаковую форму. Однако форма первичных структур 3 не ограничивается этим. Первичные структуры 3 с двумя или более разными формами могут располагаться на поверхности основания. Первичные структуры 3 могут быть сформированы как единое целое с основанием 2.
Помимо этого, первичные структуры 3 могут не обязательно иметь одно и то же аспектное отношение. Первичные структуры 3 могут быть выполнены так, чтобы иметь некоторое распределение по высоте (например, аспектное отношение в диапазоне от 0,83 до 1,46). За счет обеспечения первичных структур 3 с распределением по высоте можно снизить зависимость отражательных характеристик от длины волны. Следовательно, можно реализовать оптический элемент 1 с превосходными антиотражательными характеристиками.
Выражение «распределение по высоте» означает, что на поверхности основания 2 выполнены первичные структуры 3 с двумя или более различными высотами (глубинами). То есть это означает, что на поверхности основания 2 предусмотрены первичные структуры 3 с высотой, отличной от эталонной высоты. Первичные структуры 3 с высотой, отличной от эталонной высоты, предусматриваются, например, на поверхности основания 2 периодически или апериодически (случайным образом). В качестве направления периодичности могут подразумеваться, например, направления распространения дорожек, направление столбцов или тому подобное. (Вторичная структура)
Вторичные структуры 4 представляют собой структуры с меньшей высотой, чем первичные структуры 3, например участки с мелкими выступами. Когда высота вторичных структур 4 равна длине оптического пути, выбранной с учетом коэффициента преломления, и составляет четверть используемой длины волны или менее, может быть обеспечена антиотражательная функция, и высота вторичных структур 4 равна, например, примерно 10-150 нм. В качестве материала для вторичных структур 4 можно, например, использовать тот же самый материал, что и для основания 2 и первичных структур 3, но предпочтительно используется материал с более низким коэффициентом преломления, чем у основания 2 и первичных структур 3. Причина этого состоит в том, что можно еще более снизить коэффициент отражения. Выше описан в основном случай, когда первичные структуры 3 и вторичные структуры 4 представляют собой выступы. Однако выступы и впадины можно менять местами, и как первичные структуры 3, так и вторичные структуры 4 могут быть впадинами. Соотношение выступов и впадин между первичными структурами 3 и вторичными структурами 4 можно изменять на обратное (инвертировать). Конкретно, когда первичные структуры 3 являются выступами, вторичные структуры 4 могут быть впадинами. Когда первичные структуры 3 являются впадинами, вторичные структуры 4 могут быть выступами.
Вторичные структуры 4 располагаются, например, между первичными структурами 3. Конкретно, вторичные структуры 4 предпочтительно предусматриваются на участках, наиболее близких к первичным структурам 3, и первичные структуры 3 соединяются между собой вторичными структурами 4, предусмотренными на этих наиболее близких участках. При этом плотность упаковки первичных структур 3 можно улучшить. Пространственная частота вторичных структур 4 предпочтительно более высокая, чем частота, полученная исходя из периода первичных структур 3. Конкретно, пространственная частота вторичных структур 4 предпочтительно вдвое или больше, а более предпочтительно вчетверо или больше превышает частоту, полученную исходя из периода первичных структур 3. Предпочтительно, пространственная частота (частотный компонент) вторичных структур 4 не является целым кратным частотного компонента первичных структур 3.
С точки зрения легкости формирования вторичных структур 4, как показано на фиг.8В, вторичные структуры 4 предпочтительно размещены в положениях, указанных черными кружками, где первичные структуры 3 эллиптической конической формы, усеченной эллиптической конической формы или тому подобные соединяются друг с другом. При таком размещении вторичные структуры 4 могут формироваться на всех смежных участках первичных структур 3 или формироваться только в направлении распространения дорожек, таких как Т1 или Т2. Когда первичные структуры 3 размещены периодически, например, в конфигурации шестиугольной решетки или квазишестиугольной решетки, эти первичные структуры 3 лежат рядом друг с другом вдоль ориентации шестикратной симметрии. В таком случае вторичные структуры 4 предпочтительно предусмотрены на смежных участках, и первичные структуры 3 соединяются друг с другом вторичными структурами 4. С точки зрения улучшения плотности упаковки, вторичные структуры 4 предпочтительно формируются в зазорах 2а, показанных на фиг.8В, между первичными структурами 3. Вторичные структуры 4 могут формироваться как в смежных участках первичных структур 3, так и в зазорах 2а. Положения, в которых формируются вторичные структуры 4, не ограничены конкретно вышеописанными примерами. Вторичные структуры 4 могут формироваться по всем поверхностям первичных структур 3.
С точки зрения улучшения характеристик отражения и характеристик пропускания, предпочтительно, чтобы по меньшей мере один тип мелких выступов и впадин, например участки 4а мелких выступов и впадин, формировались на поверхностях вторичных структур 4.
Чтобы получить оптический элемент 1 с хорошей антиотражательной функцией и малой зависимостью от длины волны, мелкие выступы или впадины вторичных структур 4 предпочтительно формируются так, чтобы иметь пространственную частоту высокочастотной волны с более коротким периодом, чем период первичных структур 3. Например, вторичные структуры 4 предпочтительно включают в себя волнистые участки 4а выступов и впадин, имеющие мелкие впадины и выступы, как показано на фиг.9. Эти участки мелких выступов и впадин могут формироваться, например, соответствующим выбором условий травления, такого как реактивное ионное травление (RIE), в процессе изготовления оптического элемента, как описано далее, или материала для оригинала. Конкретно, в качестве материала для оригинала предпочтительно используется стекло пирекс.
Хотя в приведенном выше примере описан случай, когда предусматриваются вторичные структуры 4, может применяться и другая конфигурация. Например, на участках, где первичные структуры 3 эллиптической конической формы или усеченной эллиптической конической формы соприкасаются друг с другом, нижние части первичных структур 3, соответствующие примерно четверти длины оптического пути или менее, имеют более крупную форму, чем период (см. фиг.10А и 10В). То есть вместо того, чтобы обеспечивать вторичные структуры 4, может применяться конфигурация, в которой нижние части смежных первичных структур 3 перекрывают друг друга. В этом случае для размещения первичных структур 3 предпочтительна эллиптическая форма, как показано на фиг.8В. При этом за счет увеличения числа пересечений до шести можно увеличить плотность упаковки. Далее, возможно изменение профиля коэффициента преломления постепенно от вершины каждой структуры в направлении глубины.
Помимо этого, можно применять конфигурацию, в которой нижние части смежных первичных структур 3 перекрывают друг друга, а вторичные структуры 4 формируются на поверхности основания 2.
(1-2) Структура валика- оригинала
Фиг.11 показывает пример структуры валика-оригинала, используемого для изготовления оптического элемента с описанной выше структурой. Как показано на фиг.11, валик-оригинал 11 имеет структуру, в которой на поверхности цилиндрического оригинала 12 размещены много первичных структур 13, которые являются впадинами, с шагом, практически равным длине волны видимого света. Эти первичные структуры 13 используются для формирования первичных структур 3, которые представляют собой выступы на основании. Хотя это и не показано на чертеже, на поверхности цилиндрического оригинала 12 формируются вторичные структуры, которые являются впадинами, более плоскими, чем первичные структуры 13. Эти вторичные структуры используются для формирования вторичных структур 4, которые являются выступами на основании. Вторичные структуры 4 предпочтительно размещаются в положениях, указанных черными кружками, где первичные структуры 13, например, эллиптической конической формы, усеченной эллиптической конической формы или тому подобные, лежат рядом друг с другом.
В качестве материала для оригинала 12 можно использовать, например, стекло, но этот материал не является ограничивающим. С помощью устройства экспонирования валика-оригинала, которое будет описано позже, за счет синхронизации сигнала разметки инверсий полярности с контроллером вращения записывающего устройства для генерирования сигнала для каждой дорожки и выполнения рисунка при постоянной угловой скорости (CAV) и с соответствующим шагом подачи, чтобы двумерные конфигурации были пространственно связаны друг с другом, возможно записать конфигурацию шестиугольной решетки или квазишестиугольной решетки. За счет соответствующей установки частоты сигнала разметки инверсий полярности и числа оборотов валика в желательной области записи формируется конфигурация решетки с одинаковой пространственной частотой.
(1-3) Способ изготовления оптического элемента
Далее, со ссылкой на фиг.12-14 описан пример способа изготовления оптического элемента с описанной выше структурой.
Способ изготовления оптического элемента согласно первому варианту осуществления включает в себя этап формирования слоя резиста на оригинале, этап экспонирования для формирования скрытого изображения конфигурации стрекозиный глаз на слое резиста с помощью устройства экспонирования оригинала-цилиндра, этап проявления для проявления слоя резиста со скрытым изображением, этап травления для получения оригинала-цилиндра с помощью плазменного травления и этап копирования для получения подложки с копией с помощью отверждаемой ультрафиолетом смолы.
(Структура устройства экспонирования)
Сначала со ссылкой на фиг.12 описана структура устройства экспонирования оригинала-цилиндра, используемого на этапе экспонирования конфигурации «стрекозиный глаз». Это устройство для экспонирования оригинала-цилиндра выполнено на основе устройства записи оптического диска.
Лазерный источник 21 света представляет собой источник света для экспонирования слоя резиста, сформированного на поверхности оригинала 12 в качестве носителя записи, и генерирует, например, лазерный луч 15 для записи с длиной λ волны 266 нм. Лазерный луч 15, излученный из лазерного источника 21 света в виде коллимированного луча, проходит по прямой линии и входит в электрооптический модулятор (ЭОМ) (ЕОМ) 22. Лазерный луч 15, прошедший через электрооптический модулятор 22, отражается от зеркала 23, а затем направляется в систему оптической модуляции 25.
Зеркало 23 включает в себя поляризационный разделитель луча и имеет функцию отражения составляющей света с одной поляризацией и пропускания составляющей света с другой поляризацией. Поляризованная составляющая, прошедшая через зеркало 23, принимается фотодиодом 24, и электрооптический модулятор 22 управляется на основе сигнала принятой поляризованной составляющей для выполнения фазовой модуляции лазерного луча 15.
2
В системе 25 оптической модуляции лазерный луч 15 фокусируется собирающей линзой 26 на акустооптическом модуляторе (АОМ) 27, состоящем из стекла (SiO) или тому подобного. Лазерный луч 15 модулируется по интенсивности акустооптическим модулятором 27 и рассеивается, а затем собирается линзой 28. Лазерный луч 15, излученный из системы 25 оптической модуляции, отражается от зеркала 31 и направляется на подвижный оптический стол 32, перемещающийся горизонтально и параллельно.
Подвижный оптический стол 32 включает в себя расширитель 33 луча и объектив 34. Лазерный луч 15, направленный на подвижный оптический стол 32, формируется в желательную форму луча расширителем 33 луча, а затем облучает слой резиста на оригинале 12 через объектив 34. Оригинал 12 помещается на поворотном столе 36, соединенном со шпиндельным электродвигателем 35. При вращении оригинала 12 и перемещении лазерного луча 15 в направлении высоты оригинала 12 слой резиста периодически облучается лазерным лучом 15 для выполнения этапа экспонирования слоя резиста. Получающееся скрытое изображение имеет, например, практически эллиптическую форму с большой осью в направлении по окружности. Лазерный луч 15 движется за счет перемещения подвижного оптического стола 32 в направлении, указанном стрелкой R.
Устройство экспонирования включает в себя управляющий механизм 37 для формирования скрытого изображения, соответствующего двумерной конфигурации шестиугольной решетки или квазишестиугольной решетки, показанной на фиг.8В. Этот управляющий механизм 37 включает в себя узел 29 разметки и возбудитель 30. Узел 29 разметки включает в себя блок инвертирования полярности, и этот блок инвертирования полярности управляет синхронизацией облучения слоя резиста лазерным лучом 15. Возбудитель 30 управляет акустооптическим модулятором 27 в ответ на выходной сигнал из блока инвертирования полярности.
В устройстве для экспонирования оригинала-цилиндра сигнал разметки инверсий полярности синхронизируется с контроллером вращения записывающего устройства для генерирования сигнала для каждой дорожки, чтобы двумерные конфигурации были пространственно связаны друг с другом, и модуляция по интенсивности выполняется акустооптическим модулятором 27. За счет выполнения конфигурации при постоянной угловой скорости (CAV) и с соответствующим числом оборотов, соответствующей частотой модуляции и с соответствующим шагом подачи возможно записать конфигурацию шестиугольной решетки или конфигурацию квазишестиугольной решетки.
Отдельные этапы способа изготовления оптического элемента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения описаны ниже.
(Этап формирования слоя резиста)
Сначала, как показано на фиг.13А, подготавливается цилиндрический оригинал 12. Этот цилиндрический оригинал 12 представляет собой, например, стеклянный оригинал. Далее, как показано на фиг.13 В, на поверхности оригинала 12 формируют слой 14 резиста. В качестве материала для слоя 14 резиста можно использовать, например, органический резист или неорганический резист. В качестве органического резиста можно использовать новолачный резист или химически усиленный резист. В качестве неорганического резиста можно, например, использовать оксид металла, содержащий один либо два или более переходных металлов.
(Этап экспонирования)
Затем, как показано на фиг.13С, с помощью описанного выше устройства экспонирования оригинала-цилиндра слой 14 резиста при вращении цилиндрического оригинала 12 облучается лазерным лучом (экспонирующим лучом) 15. На этом этапе при перемещении лазерного луча 15 в направлении высоты оригинала 12 слой 14 резиста периодически облучается лазерным лучом 15 для экспонирования всей поверхности слоя 14 резиста. В результате скрытое изображение 16, следующее за траекторией лазерного луча 15, формируется по всей поверхности слоя 14 резиста с шагом, практически равным длине волны видимого света.
(Этап проявления)
Затем при вращении оригинала 12 на слой 14 резиста капля за каплей наносится проявитель. Благодаря этому слой 14 резиста подвергается проявлению, как показано на фиг.14А. Как показано на этом чертеже, в случае, когда слой 14 резиста формируется с помощью позитивного резиста, экспонированный участок, открытый для лазерного луча 15, имеет увеличенную скорость растворения в проявителе по сравнению с неэкспонированным участком. В результате на слое 14 резиста формируется рисунок, соответствующий скрытому изображению (экспонированному участку) 16.
(Этап травления)
Затем с использованием в качестве маски рисунка слоя 14 резиста (рисунок резиста), сформированную на оригинале 12 поверхность оригинала 12 подвергают травлению. Благодаря этому, как показано на фиг.14В, возможно получить впадины эллиптической конической формы или усеченной эллиптической конической формы с большой осью, проходящей в направлении распространения дорожки, т.е. первичные структуры 13. В качестве травления используют, например, метод сухого травления. На этом этапе за счет попеременного травления и озоления можно сформировать, например, рисунок из конических первичных структур 13, а, кроме того, можно получить стеклянный оригинал с глубиной, в три или более раз превышающей слой 14 резиста (возможность выбора: 3 или более), для достижения высокого аспектного отношения первичных структур 3. Благодаря этому можно получить оригинал-цилиндр 11 с конфигурацией шестиугольной решетки или квазишестиугольной решетки.
(Этап копирования)
Затем оригинал-цилиндр 11 и лист акрилового полимера или тому подобного, на который нанесена отверждаемая ультрафиолетом смола, приводятся в тесное соприкосновение друг с другом, и после отверждения смолы облучением ультрафиолетовым светом этот лист отделяется от оригинала. Благодаря этому, как показано на фиг.14С, получают запланированный оптический элемент.
Согласно первому варианту осуществления первичные структуры 3 формируются на поверхности основания так, что эти первичные структуры 3 периодически повторяются с мелким шагом, равным или меньше длины волны видимого света, и составляют множество рядов дорожек, а вторичные структуры 4 меньшего размера, чем первичные структуры 3, располагаются на поверхности основания. Поэтому возможно реализовать оптический элемент 1 с высокой производительностью и прекрасными антиотражающими характеристиками.
(2) Второй вариант осуществления
(2-1) Структура оптического элемента
Фиг.15А представляет схематичный вид сверху, показывающий пример структуры оптического элемента согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. Фиг.15В - частичный увеличенный вид сверху оптического элемента, показанного на фиг.15А. Фиг.15С - поперечное сечение вдоль дорожки Т1, Т3,…, показанной на фиг.15В. Фиг.15D - поперечное сечение вдоль дорожки Т2, Т4,…, показанной на фиг.15В.
В оптическом элементе 1 согласно второму варианту осуществления дорожки Т имеют дугообразную форму и первичные структуры 3 размещены по этим дугам. Как показано на фиг.15В, в трех смежных рядах дорожек (Т1-Т3) первичные структуры 3 размещены так, что они образуют конфигурацию квазишестиугольной решетки с центрами первичных структур 3, располагающимися в точках а1-а7. Выражение «конфигурация квазишестиугольной решетки» означает конфигурацию шестиугольной решетки, которая в отличие от конфигурации регулярной шестиугольной решетки искажена вдоль дугообразной дорожки Т, или же означает конфигурацию шестиугольной решетки, которая в отличие от регулярной шестиугольной решетки искажена вдоль дугообразной дорожки Т и растянута или искажена в направлении распространения дорожек (направление X).
За исключением того, что описано выше, структура оптического элемента 1 такая же, как и в первом варианте осуществления, и описание ее будет опущено.
(2-2) Структура дискового оригинала
Фиг.16 показывает пример структуры дискового оригинала для изготовления оптического элемента с описанной выше структурой. Как показано на фиг.16, дисковый оригинал 41 имеет много первичных структур 43, которые являются впадинами, размещены на поверхности дискообразного оригинала 42 с шагом, практически равным длине волны видимого света. Первичные структуры 42 расположены на концентрических или спиральных дорожках.
За исключением того, что описано выше, структура дискового оригинала 41 такая же, как и у оригинала-цилиндра 11 в первом варианте осуществления, и ее описание будет опущено.
(2-2) Способ изготовления оптического элемента
Фиг.17 показывает пример устройства экспонирования, используемого для производства дискового оригинала с описанной выше структурой.
Подвижный оптический стол 32 включает в себя расширитель 33 луча, зеркало 38 и объектив 34. Лазерный луч 15, направленный на подвижный оптический стол 32, формируется с помощью расширителя 33 в луч с требуемой формой, а затем облучает слой резиста на дискообразном оригинале 42 с помощью зеркала 38 и объектива 34. Оригинал 42 помещается на поворотном столе (не показан), соединенном со шпиндельным электродвигателем 35. При вращении оригинала 42 и перемещении лазерного луча 15 в радиальном направлении вращения оригинала 42 слой резиста на оригинале 42 периодически облучается лазерным лучом 15 для выполнения этапа экспонирования слоя резиста. Получающееся скрытое изображение имеет, например, практически эллиптическую форму с большой осью в направлении по окружности. Лазерный луч 15 движется за счет перемещения подвижного оптического стола 32 в направлении, указанном стрелкой R.
Устройство экспонирования, показанное на фиг.17, включает в себя управляющий механизм 37 для формирования скрытого изображения, соответствующего двумерной конфигурации шестиугольной решетки или квазишестиугольной решетки, показанной на фиг.16. Этот управляющий механизм 37 включает в себя блок инвертирования полярности, который управляет синхронизацией облучения слоя резиста лазерным лучом 15, и возбудитель 30, который управляет акустооптическим модулятором 27 в ответ на выходной сигнал из блока инвертирования полярности.
Управляющий механизм 37 синхронизирует процесс модуляции интенсивности лазерного луча 15 акустооптическим модулятором 27, приводную скорость вращения шпиндельного электродвигателя 35 и скорость перемещения подвижного оптического стола 32 для каждой дорожки, чтобы двумерные конфигурации скрытого изображения были пространственно связаны друг с другом. Оригинал 42 управляется так, чтобы вращаться с постоянной угловой скоростью (CAV). Выполнение рисунка осуществляется при соответствующем числе оборотов оригинала 42 шпиндельным электродвигателем 35 с соответствующей частотой модуляции интенсивности лазера акустооптическим модулятором 27 и с соответствующим шагом подачи лазерного луча 15 подвижным оптическим столом 32. Благодаря этому на слое резиста формируется скрытое изображение конфигурации шестиугольной решетки или квазишестиугольной решетки.
Например, чтобы получить шаг Р1 размещения 330 нм в направлении по окружности и шаг Р2 размещения 300 нм в направлении под углом примерно 60° (в направлении под углом примерно -60°) по отношению к направлению по окружности, шаг подачи устанавливается на 251 нм. А для того чтобы получить Р1 размером 315 нм и Р2 размером 275 нм, шаг подачи устанавливается на 226 нм. Далее, чтобы получить Р1 размером 300 нм и Р2 размером 265 нм, шаг подачи устанавливается на 219 нм.
Далее, управляющий сигнал из блока инвертирования полярности постепенно изменяется так, чтобы пространственная частота (плотность скрытого изображения: Р1: 330 нм, Р2: 300 нм, или Р1: 315 нм, Р2: 275 нм; или Р1: 300 нм, Р2: 265 нм) была одинаковой. Конкретнее, экспонирование выполняется с изменением периода облучения лазерным лучом 15 слоя резиста для каждой дорожки, и частотная модуляция лазерного луча 15 выполняется управляющим механизмом 37 так, чтобы Р1 составлял примерно 330 нм (или 315 нм, 300 нм) на каждой дорожке Т. То есть модуляцией управляют так, что период облучения лазерным лучом становится короче по мере того, как положение дорожки становится более удаленным от центра дискообразного оригинала 42. Благодаря этому возможно сформировать нанорисунок, в котором пространственная частота одинаковая по всей поверхности.
За исключением того, что описано выше, способ изготовления оптического элемента такой же, как и в первом варианте осуществления, и его описание будет опущено.
Согласно второму варианту осуществления, как и в случае, где первичные структуры 3 размещены линейно, возможно получить оптический элемент 1 с превосходными коэффициентами пропускания и отражения.
(3) Третий вариант осуществления
Фиг.18А схематично представляет вид сверху примера структуры оптического элемента согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Фиг.18В - частичный увеличенный вид сверху оптического элемента, показанного на фиг.18А. Фиг.18С - поперечное сечение вдоль дорожки Т1, Т3,…, показанной на фиг.18В. Фиг.18D - поперечное сечение вдоль дорожки Т2, Т4,…, показанной на фиг.18В.
Оптический элемент 1 согласно третьему варианту осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что в трех смежных рядах дорожек первичные структуры 3 образуют конфигурацию четырехугольной решетки или квазичетырехугольной решетки. Выражение «конфигурация квазичетырехугольной решетки» означает конфигурацию четырехугольной решетки, которая в отличие от регулярной четырехугольной решетки растянута или искажена в направлении распространения дорожек (направление X). Когда первичные структуры 3 размещены периодически в конфигурации четырехугольной решетки или квазичетырехугольной решетки, например, первичные структуры 3 лежат рядом друг с другом вдоль ориентации направления четырехкратной симметрии. При растягивании и искажении четырехугольной решетки первичные структуры могут также лежать рядом с первичными структурами на той же самой дорожке и может быть достигнуто размещение с высокой плотностью упаковки, в котором одна первичная структура лежит рядом с первичными структурами не только вдоль ориентации четырехкратной симметрии, но также в двух положениях на одной и той же дорожке. В таком случае вторые структуры 4 предпочтительно предусматриваются на смежных участках, и первичные структуры 3 соединяются друг с другом этими вторичными структурами 4.
В двух смежных дорожках Т в промежуточных положениях (в положениях, сдвинутых на половину шага) между первичными структурами 3, размещенными на одной дорожке (к примеру, Т1), располагаются первичные структуры 3 на другой дорожке (к примеру, Т2). В результате, как показано на фиг.18В, в трех смежных рядах дорожек (Т1-Т3) первичные структуры 3 размещены так, что они образуют конфигурацию четырехугольной решетки или квазичетырехугольной решетки с центрами первичных структур 3, располагающимися в точках а1-а4.
Высота или глубина первичных структур 3 практически не ограничена и, например, составляет примерно 159-312 нм. Шаг Р2 в направлении θ относительно дорожки Т, например, составляет примерно 275-297 нм. Аспектное отношение (высота Н / шаг Р размещения) первичных структур 3, например, составляет примерно 0,54-1,13. Первичные структуры 3 могут не обязательно иметь одно и то же аспектное отношение. Первичные структуры 3 могут быть выполнены так, чтобы иметь некоторое распределение по высоте.
Шаг Р1 размещения первичных структур 3 на одной и той же дорожке предпочтительно длиннее, чем шаг Р2 размещения первичных структур 3 между двумя смежными дорожками. Отношение Р1/Р2 предпочтительно удовлетворяет соотношению 1,4<Р1/Р2≤1,5, где P1 - шаг размещения первичных структур 3 на одной и той же дорожке, а Р2 - шаг размещения первичных структур 3 между двумя смежными дорожками. За счет выбора такого числового диапазона можно улучшить плотность упаковки структур с эллиптической конической или усеченной эллиптической конической формой. Следовательно, можно улучшить антиотражающие характеристики.
В третьем варианте осуществления возможно получить оптический элемент 1 с превосходными коэффициентами пропускания и отражения, как и в первом варианте осуществления.
(4) Четвертый вариант осуществления
Фиг.19А представляет схематичный вид сверху примера структуры оптического элемента согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения. Фиг.19В - частичный увеличенный вид сверху оптического элемента, показанного на фиг.19А. Фиг.19С - поперечное сечение вдоль дорожки Т1, Т3,…, показанной на фиг.19В. Фиг.19D - поперечное сечение вдоль дорожки Т2, Т4,…, показанной на фиг.19В.
2
Оптический элемент 1 согласно четвертому варианту осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что по поверхности основания, снабженного первичными структурами 3, наносится слой 5 с низким коэффициентом преломления. Этот слой 5 с низким коэффициентом преломления состоит в основном из материала, имеющего более низкий коэффициент преломления, чем материалы, составляющие основание 2, первичные структуры 3 и вторичные структуры 4. В качестве материала для слоя 5 с низким коэффициентом преломления можно использовать общеизвестный органический материал, такой как фтористая смола, или неорганический материал с низким коэффициентом преломления, такой как LiF или MgF.
В четвертом варианте осуществления коэффициент отражения можно еще больше снизить по сравнению с первым вариантом осуществления.
(5) Пятый вариант осуществления
Фиг.20А представляет схематичный вид сверху примера структуры оптического элемента согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения. Фиг.20В -частичный увеличенный вид сверху оптического элемента, показанного на фиг.20А. Фиг.20С - поперечное сечение вдоль дорожки Т1, Т3,…, показанной на фиг.20 В. Фиг.20D - поперечное сечение вдоль дорожки Т2, Т4,…, показанной на фиг.20В.
Оптический элемент 1 согласно пятому варианту осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что на поверхностях первичных структур 3 и вторичных структур 4 сформирована форма с мелкими выступами и впадинами. Когда оптический элемент 1 имеет зазоры 2а, форма с мелкими выступами и впадинами предпочтительно формируется также и в этих зазорах 2а.
В пятом варианте осуществления коэффициент отражения можно еще больше снизить по сравнению с первым вариантом осуществления.
Примеры
Настоящее изобретение далее описано на основе примеров. Однако следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается только этими примерами.
Пример 1
Сначала был приготовлен стеклянный оригинал-цилиндр с наружным диаметром 126 мм, и на поверхности этого стеклянного оригинала сформирован слой резиста следующим образом. Фоторезист разбавлялся до 1/10 разбавителем, и слой резиста формировался путем нанесения на цилиндрическую поверхность стеклянного оригинала-цилиндра разбавленного резиста толщиной примерно 130 нм методом погружения. Затем стеклянный оригинал в качестве записывающего носителя переносился в устройство экспонирования оригинала-цилиндра, показанное на фиг.12, и резист экспонировался. Благодаря этому в резисте получалось скрытое изображение, проходящее по спирали и образующее конфигурацию квазишестиугольной решетки.
Область, на которой должна быть формирована конфигурация квазишестиугольной решетки, облучалась лазерным лучом с мощностью 0,50 мВт/м для экспонирования поверхности стеклянного оригинала-цилиндра. Благодаря этому формировалась конфигурация квазишестиугольной решетки, имеющая впадины. Толщина резиста в направлении столбцов по отношению к рядам дорожек составляла примерно 120 нм, а толщина резиста в направлении распространения дорожек составляла примерно 100 нм.
Затем резист на стеклянном оригинале-цилиндре подвергался проявлению, при котором резист на экспонированном участке растворялся. Непроявленный стеклянный оригинал-цилиндр помещался на поворотный стол проявочной машины (не показано), и в процессе вращения стеклянного оригинала-цилиндра вместе с поворотным столом проявитель капля за каплей наносился на поверхность стеклянного оригинала-цилиндра для проявления резиста на поверхности. Благодаря этому получался стеклянный оригинал-цилиндр, в котором слой резиста имел отверстия в конфигурации квазишестиугольной решетки.
3
2
Далее с помощью плазменного травления цилиндра в атмосфере газа СНF выполнялось плазменное травление. Благодаря этому травление происходило только на экспонированном участке с конфигурацией квазишестиугольной решетки из слоя резиста на поверхности стеклянного оригинала-цилиндра, а остальная часть не протравливалась из-за фоторезиста, служившего маской. Таким образом получались впадины в форме эллиптических конусов. В этом процессе величина (глубина) травления в конфигурации варьировалась путем изменения времени травления. Наконец, за счет полного удаления фоторезиста озолением в O получался стеклянный оригинал-цилиндр типа стрекозиного глаза с конфигурацией шестиугольной решетки, содержащий впадины. Глубина этих впадин в направлении столбцов была больше, чем глубина впадин в направлении распространения дорожек.
Затем стеклянный оригинал-цилиндр типа стрекозиного глаза и акриловый лист, на который нанесены отверждаемая ультрафиолетом смола, приводились в тесное соприкосновение друг с другом, и после отверждения смолы облучением ультрафиолетовым светом этот лист отделялся от оригинала. Благодаря этому изготавливался оптический элемент.
Оценка формы
Оптический элемент, изготовленный, как описано выше, обследовался сканирующим электронным микроскопом (СЭМ) (SEM). Результаты этого показаны на фиг.21. Как видно из фиг.21, первичные структуры в направлении дорожек соединяются друг с другом вторичными структурами.
Пример 2
Конфигурация четырехугольной решетки записывалась на слой резиста при нанесении рисунка на слой резиста путем регулировки частоты сигнала разметки инверсий полярности, числа оборотов цилиндра, соответствующего шага подачи и пятна экспонирования для каждой дорожки. За исключением этого оптический элемент 1 изготавливался точно так же, как и в Примере 1.
Пример 3
Конфигурация квазишестиугольной решетки записывалась на слой резиста при нанесении рисунка на слой резиста путем регулировки частоты сигнала разметки инверсий полярности, числа оборотов цилиндра, соответствующего шага подачи и пятна экспонирования для каждой дорожки. За исключением этого оптический элемент 1 изготавливался точно так же, как и в Примере 1.
Пример 4
Конфигурация квазишестиугольной решетки записывалась на слой резиста при нанесении рисунка на слой резиста с меньшими отверстиями, чем в Примере 1, путем регулировки частоты сигнала разметки инверсий полярности, числа оборотов цилиндра, соответствующего шага подачи и пятна экспонирования для каждой дорожки и регулировки условий травления и озоления. За исключением этого оптический элемент 1 изготавливался точно так же, как и в Примере 1.
Пример 5
Конфигурация квазишестиугольной решетки записывалась на слой резиста при нанесении рисунка на слой резиста с меньшими отверстиями, чем в Примере 1, путем регулировки частоты сигнала разметки инверсий полярности, числа оборотов цилиндра, соответствующего шага подачи и пятна экспонирования для каждой дорожки и регулировки условий травления и озоления. За исключением этого оптический элемент 1 изготавливался точно так же, как и в Примере 1.
Пример 6
Конфигурация квазишестиугольной решетки записывалась на слой резиста при нанесении рисунка на слой резиста путем регулировки частоты сигнала разметки инверсий полярности, числа оборотов цилиндра, соответствующего шага подачи и пятна экспонирования для каждой дорожки, а также путем регулировки условий травления и озоления. За исключением этого оптический элемент 1 изготавливался точно так же, как и в Примере 1.
Оценка формы
Поверхности выступов и впадин (поверхности, снабженные структурами) оптического элемента в Примерах 1-5 и оригинал в Примере 6, изготовленные таким образом, исследовались атомно-силовым микроскопом (АРМ) и сканирующим электронным микроскопом (СЭМ) (SEM). Высота и шаг структур в каждом примере определялись из профилей поперечного сечения, наблюдавшихся посредством AFM. Результаты этого показаны в таблице 1.
Фиг.22 - график, показывающий характеристики отражения оптического элемента по Примеру 3. Как видно из фиг.22, получен высокий антиотражающий эффект, т.е. 1,0% или менее в видимой области, в частности 0,1% или менее в области средних длин волн.
Как видно из фиг.23, первичные структуры лежат рядом друг с другом вдоль ориентации четырехмерной симметрии, и эти структуры соединяются друг с другом на всех смежных участках.
Как видно из фиг.24А и 24В, выступающие участки (вторичные структуры) располагаются в нижних частях первичных структур, причем эти выступающие участки (вторичные структуры) удлинены в направлении от вершин к нижним частям первичных структур. Видно также, что на вершинах первичных структур образованы мелкие отверстия (вторичные структуры). То есть видно, что вторичные структуры располагаются на всей поверхности (поверхности, снабженной структурами) оптического элемента.
Как видно из фиг.25, выступающие участки (вторичные структуры), удлиненные в направлении от вершин к нижним частям первичных структур, и т.п. располагаются на всей поверхности оптического элемента. Отметим, что вместо выступающих участков (выступов) в качестве вторичных структур могут быть сформированы впадины.
Как видно из фиг.26, структуры (впадины) образуются в конфигурации квазишестиугольной решетки на поверхности оригинала, и глубина этих структур (впадин) анизотропна.
Соотношение между высотой структур и коэффициентом отражения проверялось с использованием моделирования связанных волн (RCWA).
Тестовый пример 1
Проводилось моделирование RCWA, в котором диаметр нижней поверхности первичной структуры варьировался на 85%, 90%, 95% и 99% относительно шага P1 дорожки. Результаты этого показаны на фиг.27.
Моделирования проводились при следующих условиях:
Форма первичной структуры: колоколообразная
Поляризация: неполяризованная
Коэффициент преломления: 1,48
Шаг Р1 дорожки: 320 нм
Высота первичной структуры: 365 нм
Аспектное отношение: 1,14
Размещение первичных структур: шестиугольная решетка.
Как очевидно из фиг.27, когда диаметр нижней поверхности первичной структуры изменяется и плотность упаковки уменьшается, коэффициент отражения ухудшается.
Тестовый пример 2
Проводились моделирования, как в Тестовом примере 1, за исключением того, что между первичными структурами в направлении дорожек располагались вторичные структуры, которые были низкими выступающими участками с аспектным отношением 0,3. Результаты этого показаны на фиг.28.
Как очевидно из фиг.28, когда вторичные структуры, сформированные из низких выступающих участков, лежат между первичными структурами в направлении дорожек, даже если плотность упаковки уменьшена, коэффициент отражения может быть снижен.
Тестовый пример 3
Вторичные структуры с размером, соответствующим четверти высоты первичных структур, размещались между первичными структурами в направлении дорожек, а первичные структуры с соответствующими высотами размещались в той же самой пропорции. Результаты на соответствующих высотах и результаты (сред.) в случае, когда было задано распределение по глубине, показаны на графике фиг.29.
Форма первичной структуры: колоколообразная
Поляризация: неполяризованная
Коэффициент преломления: 1,48
Шаг Р1 дорожки: 320 нм
Диаметр нижней поверхности первичной структуры: 90% от шага Р1 дорожки
Аспектное отношение: 0,93, 1,00, 1,14 и 1,30 (глубина: 0,270, 0,320, 0,385 и 0,415 мкм соответственно)
Схема размещения первичных структур: шестиугольная решетка.
Как очевидно из фиг.29, когда вторичные структуры, которые являются низкими выступающими участками, располагаются между первичными структурами в направлении дорожек, а первичные структуры выполнены так, чтобы иметь распределение по высоте, можно получить низкие отражательные характеристики с малой зависимостью от длины волны.
Тестовый пример 4
Проводились моделирования RCWA для случая, когда никакие вторичные структуры не включены, и для случаев, когда порядок пространственной частоты вторичных структур устанавливался на 2,3 и 4,8. Результаты этого показаны на фиг.30.
Моделирования проводились при следующих условиях:
Форма первичной структуры: колоколообразная
Поляризация: неполяризованная
Коэффициент преломления: 1,50
Шаг P1 дорожки: 320 нм
Высота первичной структуры: 365 нм
Аспектное отношение: 1,14
Схема размещения первичных структур: шестиугольная решетка.
Как очевидно из фиг.30, когда порядок вторичных структур увеличивается, возможно получение оптических характеристик с малой зависимостью от длины волны и низким коэффициентом отражения по сравнению со случаем, когда никакие вторичные структуры не включены.
Тестовый пример 5
Проводились моделирования RCWA для случая, когда нижние части первичных структур не соединялись друг с другом, и для случая, когда нижние части первичных структур перекрывались и соединялись друг с другом, причем первичные структуры размещались в конфигурации шестиугольной решетки и имели колоколообразную форму в каждом случае. Результаты этого показаны на фиг.31.
Моделирования проводились при следующих условиях:
Форма первичной структуры: колоколообразная
Поляризация: неполяризованная
Коэффициент преломления: 1,50
Шаг Р1 дорожки: 320 нм
Высота первичной структуры: 365 нм
Аспектное отношение: 1,14
Схема размещения первичных структур: шестиугольная решетка
Как очевидно из фиг.31 для случая, когда нижние части первичных структур не соединялись друг с другом, и для случая, когда нижние части первичных структур перекрывались и соединялись друг с другом, хорошие антиотражающие характеристики можно получить в случае, когда нижние части соединены друг с другом, при этом первичные структуры размещены в конфигурации шестиугольной решетки и имеют колоколообразную структуру в каждом случае.
Выше описаны варианты осуществления и примеры настоящего изобретения. Однако следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается описанными выше вариантами осуществления и примерами и возможны различные изменения на основе технической сущности настоящего изобретения.
Например, числовые значения, формы, материалы и т.п., описанные в вариантах осуществления и примерах, приведенных выше, и числовые значения, формы, материалы и т.п., отличные от описанных выше, могут использоваться при необходимости.
Пояснения ссылочных позиций
1 - Оптический элемент
2 - Основание
2а - Зазор
3 - Структура
4 - Вторичная структура
4а - Участок выступов и впадин
5 - Слой с низким коэффициентом преломления
6 - Форма мелких выступов и впадин