ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАСТЕР-КОПИИ, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ОПТИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА, И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
OPTICAL DEVICE, METHOD OF MAKING MASTER COPY USED IN MAKING OPTICAL DEVICE, AND PHOTOELECTRIC CONVERTER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к оптическому устройству, которое имеет на своей поверхности множество структур с возвышенными участками или углубленными участками, расположенных с малым шагом, равным или меньшим, чем длина волны видимого света, к способу изготовления мастер-копии, предназначенной для использования при производстве оптического устройства, и к фотоэлектрическому преобразователю.
Уровень техники
Существуют оптические устройства, в которых используется полупрозрачный материал основания, такой как стекло или пластик, и поверхность которого обработана так, чтобы подавлять отражение света от поверхности. В качестве обработки поверхности такого типа используется способ, в котором оптическое устройство имеет мелкую, плотную поверхность неоднородной формы (типа "глаз мотылька") (см., например, "Phototechnology Contact", Vol.43, No.11 (2005), 630-637).
Обычно в оптическом устройстве, имеющем поверхность с периодическими неровностями, когда свет проходит через неровную поверхность оптического устройства, возникает дифракция света, и прямой компонент проходящего света значительно уменьшается. Однако, когда шаг элементов неровной формы короче, чем длина волны света, который пропускают через него, дифракция не возникает, и, таким образом, можно получить эффективно антиотражение. Оптическое устройство, имеющее такую структуру поверхности, показано на фиг.29 (см., например, публикацию № JP 2003-294910 заявки на японский патент). Оптическое устройство 101 имеет конфигурацию, в которой множество конических и высоких структур 103 размещены на поверхности основания 102 через мелкий шаг, равный или короче, чем длина волны света (видимого света). В оптическом устройстве 101, имеющем описанную выше структуру поверхности, незначительное изменение коэффициента преломления происходит на границе перехода между наклонными участками структур 103 и слоем воздуха, что эффективно предотвращает отражение падающего света от поверхности основания 102. Форма структур 103 не ограничивается такими высокими формами, и аналогичный эффект может быть получен, даже когда структуры сформированы из углубленных участков.
Кроме того, что касается структур 103, предложены различные формы поперечного сечения и компоновок. Например, в оптическом устройстве 101, показанном на фиг.28, каждая из структур 103, имеющая показанную форму, представляет собой модуль решетки, размещенный с формированием структуры квадратной решетки. С другой стороны, например, в публикации № JP 2004-317922 заявки на японский патент раскрыт пример, в котором, как показано на фиг.30, структуры 104 расположены в форме правильной шестиугольной решетки. Кроме того, в публикации № JP 2004-317922 заявки на японский патент представлен пример, в котором эти структуры имеют коническую форму.
Кстати, что касается производства оптических устройств, подложку-реплику формируют из прототипа эталона (мастер-форма), имеющего микроструктуру поверхности, составляющую каждую структуру, и, кроме того, пресс-форма сформована на основе поверхности реплики. На основе приведенного выше ожидается, что оптические устройства могут быть серийно произведены с низкой стоимостью путем литья под давлением. В частности, формируют подложку-реплику, отверждаемую под действием ультрафиолетового излучения, используя один эталонный прототип, и пресс-форму формируют по поверхности подложки-реплики, используя технологию нанесения покрытия, в результате чего оптические устройства, сформированные из, например, поликарбонатной смолы, можно серийно производить путем литья под давлением, с использованием пресс-формы.
Эталонный прототип формируют следующим образом. Слой резиста наносят на подложку и подвергают экспозиции, а затем проявляют для формирования структуры из резиста, после чего используют сухое травление с применением этой структуры резиста в качестве маски. Затем резист (или маску) удаляют для формирования неровной структуры поверхности, в такой структуре возвышенные участки или углубленные участки расположены с мелким шагом на поверхности подложки. Следует отметить, что в качестве материала подложки, формирующего эталонный прототип, можно использовать неорганический материал, такой как кварц, или тому подобное.
Для производства эталонного прототипа с очень высокой точностью формируют такие же уровни, что и структура резиста, сформированного на поверхности подложки. В качестве технологии формирования структуры с мелким шагом, равным или короче, чем длина волны видимого света с высокой точностью, например, известно использование облучения электронным лучом.
В качестве структуры типа "глаз мотылька", сформированной путем облучения электронным лучом, описаны мелкие структуры в форме навеса типа "глаз мотылька" (шаг: приблизительно 300 нм; глубина: приблизительно 400 нм) показанные на фиг.31 (см. "Мастер-копия пресс-формы для противоотражающей структуры (типа "глаз мотылька"), не обладающей зависимостью от длины волны", NTT Advanced Technology Corporation, (online), (поиск выполнен 20 августа 20079 г.), Интернет <URL: http://keytech.ntt-at.co.jp/nano/prd> 0016.html>). Структуры типа "глаз мотылька", как представляется, могут быть произведены с использованием способа, в котором неровную структуру формируют путем записи с помощью электронного луча, выполняемой на фоторезисте на подложке из Si (кремния), и полученную в результате подложку подвергают анизотропному травлению поверхности Si подложки, используя неровную структуру слоя фоторезиста в качестве маски. Структуры типа "глаз мотылька" формируют так, чтобы они представляли собой шестиугольную решетку, как показано на фиг.32, в результате чего возникает противоотражающий эффект (отражающая способность 1% или меньше) с очень сильной зависимостью от длины волны в диапазоне длин волны видимого света. На фиг.33 показаны характеристики зависимости коэффициента отражения от длины волны для мастер-копии из кремния (Si).
2
Однако экспозиция электронным лучом имеет недостаток, состоящий в том, что время работы, выраженное в часах, велико, и следовательно, этот способ не пригоден для промышленного производства. Например, при экспонировании электронным лучом с использованием электронного луча в 100 пА, которые используют при вычерчивании самой тонкой структуры для резиста, который требует величину дозы несколько десятков мС/см, такого как Calixarene, даже если экспонирование будет продолжено в течение 24 часов, не может быть заполнена область квадрата, имеющего одну сторону размером 200 мкм. Кроме того, для экспонирования электронным лучом площади небольшого по размеру 2,5 дюймового дисплея (50,8 мм × 38,1 мм), в настоящее время, обычно используемого в мобильных телефонах, требуется приблизительно 20 дней.
Поэтому требуется технология для производства мастер-копии с малой стоимостью за короткое время. Для удовлетворения такой потребности предложена технология производства мастер-копии с использованием экспонирования лазером. В частности, рассматриваются различные технологии для производства эталонного прототипа с использованием технологии записи оптического диска.
Например, описано оптическое устройство, имеющее микроструктуру нанометрового размера (структура с низкой отражающей способностью типа "глаз мотылька"), сформированную на подложке из кремния (Si) в форме диска, имеющей диаметр 12 см, с использованием технологии формирования мастер-копии оптического диска (см. публикацию "Development of a Desktop Apparatus Enabling Nanometer-scale Fine Processing", National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, (online), (searched on August 20, 2007), Internet <URL: http://www.aist j/press release/pr2006/pr20060306/pr20060 306 html>). В этом документе указано, что в соответствии с данным способом, структура из точек 50 нм, которая соответствует одной шестой или меньше размера пятна лазерного луча, может быть сформирована со скоростью 6000000 точек/с путем облучения лазерным лучом с частотой импульсов 60 МГц, при вращении подложки со скоростью 6 м/с. На фиг.34 показан пример формирования структуры из наноточек такого оптического устройства.
Кроме того, описан способ, в котором шесть пятен сформированы в каждой вершине правильной шестиугольной формы слоя фоторезиста на поверхности стеклянной эталонной формы путем параллельного разделения лазерного луча на шесть лазерных лучей, используя фазовую дифракционную решетку, имеющую правильную треугольную структуру и с помощью пилообразной дифракционной решетки, имеющей шесть областей, и обеспечения схождения шести лучей лазера в одно пятно с использованием линз объектива на основе интерференции между ними (см., например, публикацию японской патентной заявки № JP 2003-131390).
Однако оптическое устройство, произведенное с использованием таких технологий, обладает плохими характеристиками зависимости отражающей способности от длины волны, и не может реализовать низкую отражательную способность порядка 1% или меньше, и поэтому не пригодно для практического использования в качестве противоотражающей структуры. Причина этого, как предполагается, состоит в том, что оптическое устройство имеет низкую плотность (50% или меньше) наноточечной структуры (соотношение просветов) и значительное отражение Френеля в области плоскости участка, не формирующего структуру. На фиг.35 показаны свойства отражения оптического устройства, представленного на фиг.34.
Настоящее изобретение выполнено с учетом этих проблем и направлено на создание оптического устройства, обладающего высокой производительностью и отличным антиотражением, способа производства эталонной копии для использования при производстве оптического устройства и фотоэлектрического преобразователя.
Сущность изобретения
Авторы настоящего изобретения провели интенсивные исследования для решения проблем предшествующего уровня техники. Их результаты представлены ниже.
Авторы настоящего изобретения изучили оптическое устройство, произведенное с использованием технологии изготовления оригинала оптического диска, а именно оптическое устройство, в котором структуры развернуты по форме дуги (круговой формы), для улучшения антиотражения.
Обычно в области техники, относящейся к упомянутому выше оптическому устройству, структура, которая должна быть выполнена на оптическом устройстве, желательно имеет коническую форму, имеющую круглую нижнюю часть, для улучшения антиотражения. Кроме того, такую форму рассматривают как идеальную форму для получения антиотражения. Кроме того, для увеличения плотности упаковки структур, имеющих такую форму, желательно, чтобы эти структуры были упорядочены в форме правильной шестиугольной решетки.
Однако, насколько известно авторам изобретения, в оптическом устройстве, сформированном с применением технологии изготовления оптических дисков с помощью мастер-копии, трудно сформировать структуру, которая представляла бы собой идеальную форму конуса, и, с учетом фактической производительности, предпочтительно формировать структуру в форме эллиптического конуса так, что нижняя часть эллипса имеет главную ось в направлении вдоль окружности.
Кроме того, насколько известно авторам настоящего изобретения, оптическое устройство, имеющее структуры в форме эллиптического конуса, могут иметь, по существу, такое же антиотражение, что и оптическое устройство, имеющее структуры в форме обычного конуса.
Поэтому авторы настоящего изобретения изучили оптическое устройство, имеющее структуры в форме эллиптического конуса, для улучшения антиотражения. В частности, они изучили возможность увеличения плотности упаковки структур, скомпонованных в форме шестиугольной решетки. В результате авторы изобретения определили, что при экспонировании лазерным облучением, которое применяют в технологии изготовления оптического диска с помощью мастер-копии, высота (глубина) структур в направлении окружности уменьшается по мере того, как зазор между структурами становится уже, и шаг Р1 компоновки в направлении окружности, и шаг Р2 компоновки структур, расположенных в двух соседних дорожках, невозможно установить как аналогичный короткий шаг, и, таким образом, трудно разместить структуры в форме правильной шестиугольной решетки.
Поэтому авторы настоящего изобретения исследовали возможность поиска альтернативной компоновки структуры для замены компоновки в виде правильной шестиугольной решетки. В результате было определено, что структуры должны быть размещены в форме квазишестиугольной решетки, искривленной и увеличенной в направлении внешней окружности.
Кроме того, если структура имеет форму эллиптического конуса, плотность упаковки в радиальном направлении может быть повышена при размещении структур в форме квазишестиугольной решетки, вместо размещения в форме шестиугольной решетки, когда структуры имеют форму эллиптического конуса.
Настоящее изобретение было выполнено на основе этих исследований.
Более конкретно, оптическое устройство в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что на поверхности основания размещено множество структур, имеющих возвышенные участки или углубленные участки с коротким шагом, равным или меньшим, чем длина волны света. Структуры размещены так, что они составляют множество дугообразных дорожек на поверхности основания и формируют конфигурацию квазишестиугольной решетки. Эта структура имеет форму эллиптического конуса или усеченного эллиптического конуса, главная ось которого расположена в направлении вдоль дугообразных дорожек.
Способ производства мастер-копии для использования при формировании оптического устройства в соответствии с настоящим изобретением представляет собой способ производства мастер-копии для использования при формировании оптического устройства, в котором множество структур, имеющих возвышенные участки или углубленные участки, размещены с коротким шагом, равным или короче, чем длина волны света. Способ характеризуется тем, что включает в себя первый этап для подготовки подложки, имеющей слой резиста, сформированный на поверхности, второй этап попеременного облучения слоя резиста лазерным лучом при вращении подложки и относительном перемещении лазерного луча в направлении, радиальном относительно вращения подложки, для формирования скрытого изображения, имеющего эллиптическую форму с шагом короче, чем длина волны видимого света, и третий этап проявления слоя резиста для формирования структуры резиста на поверхности подложки. На втором этапе скрытое изображение формируется таким образом, что образуется конфигурация квазишестиугольной решетки в соседних трех рядах дорожек.
Согласно настоящему изобретению выполняется множество структур на поверхности с мелким шагом, равным или короче, чем длина волны видимого света, таким образом, что они составляют множество дугообразных рядов дорожек и образуют конфигурацию шестиугольной решетки в соседних трех рядах дорожек. Поэтому может быть достигнута высокая плотность упаковки структур на поверхности для улучшения эффективности антиотражения видимого света, и, таким образом, может быть получено оптическое устройство, имеющее, как отличные антибликовые свойства, так и чрезвычайно высокую степень пропускания. Кроме того, при формировании структур используется технология записи оптического диска, и поэтому мастер-копия для использования при производстве оптического устройства, имеющего такую конструкцию, может быть эффективно получена за короткое время, и для улучшения производительности при производстве оптического устройства можно обрабатывать подложку большого размера. Кроме того, характеристики пропускания могут быть дополнительно улучшены благодаря выполнению точно расположенных структур на светоиспускающей поверхности в дополнение к поверхности, на которую падает свет.
Кроме того, в настоящем изобретении на втором этапе выполняют облучение лазерным лучом слоя резиста при изменении цикла облучения для каждой дорожки, благодаря чему структуры (скрытое изображение) могут быть размещены и сформированы так, что они составляют конфигурацию квазишестиугольной решетки в соседних трех рядах дорожек. Что касается периода облучения лазерным лучом, например, подложку вращают с постоянной угловой скоростью, и частоту импульсов лазерного луча оптимизируют таким образом, чтобы обеспечивался постоянный шаг структур, расположенных в направлении вдоль окружности. В частности, модуляцией управляют таким образом, что период облучения лазерным лучом уменьшается по мере того, как положение дорожки удаляется от центра подложки. Это обеспечивает возможность формирования наноструктуры, в которой обеспечивается однородная пространственная периодичность по всей подложке.
Скрытое изображение, формируемое с помощью способа, проявляют, и выполняют травление с использованием полученной таким образом структуры резиста в качестве маски, для получения структур в форме эллиптического конуса или в форме усеченного эллиптического конуса, главная ось которого расположена в направлении вдоль дугообразных дорожек. В частности, предпочтительно, чтобы каждая структура в форме эллиптического конуса или форме усеченного эллиптического конуса имела более крутой наклон в среднем участке, чем наклоны на участке кончика при вершине и на нижнем участке для обеспечения большей надежности и возможности переноса на другие устройства.
Кроме того, с помощью данного способа может быть получена конфигурация квазишестиугольной решетки, в которой шаг структур вдоль дорожки больше, чем шаг структур между соседними двумя дорожками, и в результате этого плотность упаковки структур может быть дополнительно улучшена.
Оптическое устройство, имеющее конструкцию в соответствии с настоящим изобретением, можно использовать как световодную пластину или световодное окно в различных оптических устройствах, таких как дисплеи, солнечные элементы и осветительные устройства, и т.п. Таким образом, может быть получено оптическое устройство, имеющее малую степень поверхностного отражения и отличную эффективность использования света.
В частности, фотоэлектрический преобразователь в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что он включает в себя слой фотоэлектрического преобразования и пропускающее свет оптическое устройство, выполненное на светопринимающем участке слоя фотоэлектрического преобразования. Оптическое устройство имеет множество структур, имеющих возвышенные участки или углубленные участки, размещенные с коротким шагом, равным или короче, чем длина волны видимого света на светопринимающей поверхности, и структуры размещены так, что они составляют множество дугообразных рядов дорожек на поверхности падения света, так что они формируют конфигурацию квазишестиугольной решетки. Такая структура имеет форму эллиптического конуса или форму усеченного эллиптического конуса, главная ось которого расположена в направлении вдоль дугообразных дорожек.
При использовании такой конструкции становится возможным создать фотоэлектрический преобразователь, включающий в себя светопринимающий участок, обладающий превосходным свойством пропускания света в широком диапазоне длин волн, и поэтому эффективность использования света может быть повышена, и эффективность генерирования энергии на участке фотоэлектрического преобразования может быть улучшена.
Как описано выше, в соответствии с настоящим изобретением становится возможным получить оптическое устройство с превосходными свойствами антиотражения и чрезвычайно высокой степенью пропускания.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана схема, представляющая конструкцию оптического устройства в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения, на которой:
фиг.1А - вид сверху основного участка;
фиг.1В - вид в перспективе основного участка, если смотреть в направлении X, показанном на фиг.1А;
фиг.1C - вид в перспективе основного участка, если смотреть в направлении Y, показанном на фиг.1А;
фиг.2 - увеличенный схематический вид сверху исходной подложки оптического устройства и ее основного участка, показанного на фиг.1;
фиг.3А-3В - схемы, на которых показаны примеры оптического устройства в соответствии с настоящим изобретением, вырезанного из исходной подложки, показанной на фиг.2;
фиг.4А-4Е - схематично показаны виды, поясняющие способ производства мастер-копии для использования при производстве оптического устройства в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.5 - схематичный вид, представляющий конструкцию устройства экспозиции, используемого в процессе производства мастер-копии, предназначенной для использования при производстве оптического устройства в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.6А-6Е - схематично показаны виды, поясняющие этапы производства подложки-реплики в пресс-форме и оптического устройства по мастер-копии для использования в производстве оптического устройства в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.7А-7Е - схемы, поясняющие процесс изготовления оптического устройства в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.8 - схематичная конфигурация сенсибилизированного красителем солнечного элемента, используемого как фотоэлектрический преобразователь, поясняемого в третьем варианте осуществления настоящего изобретения;
фиг.9 - схематичная конфигурация кремниевого солнечного элемента, используемого как фотоэлектрический преобразователь, поясняемого в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения;
фиг.10А и 10В - схематичные виды основных участков для пояснения примера, в котором настоящее изобретение применяют на поверхности подложки кремниевого солнечного элемента;
фиг.11 - таблица, представляющая условия производства каждого образца, приготовленного во втором примере настоящего изобретения;
фиг.12 - схема, изображающая фотографию SEM (СЭМ, сканирующий электронный микроскоп) образца, подготовленного в одном примере в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.13 - графики, представляющие характеристику зависимости отражающей способности от длины волны для образцов, приготовленных в одном примере настоящего изобретения;
фиг.14 - графики, представляющие характеристику зависимости отражающей способности от длины волны для образцов, приготовленных в одном примере настоящего изобретения;
фиг.15 - фотография СЭМ основной поверхности подложки-реплики, приготовленной в третьем примере настоящего изобретения;
фиг.16 - фотография СЭМ поперечного сечения подложки-реплики, приготовленной в третьем примере настоящего изобретения;
фиг.17 - таблица, представляющая условия производства каждого образца, приготовленного в пятом примере настоящего изобретения;
фиг.18 - графики, представляющие характеристику зависимости от длины волны отражающей способности для образцов А1, А2 и Е1, приготовленных в пятом примере настоящего изобретения;
фиг.19 - график, представляющий характеристику зависимости от длины волны пропускающей способности для образца EW1, приготовленного в пятом примере настоящего изобретения;
фиг.20 - график, представляющий характеристику зависимости от длины волны пропускающей способности для образца FW1, приготовленного в пятом примере настоящего изобретения;
фиг.21 - таблица, представляющая условия производства каждого образца, подготовленного в шестом примере настоящего изобретения;
фиг.22 - график, представляющий характеристику зависимости от длины волны пропускающей способности для образца FW1, приготовленного в шестом примере настоящего изобретения;
фиг.23 - график, представляющий характеристику зависимости от длины волны пропускающей способности для образца GW1, приготовленного в шестом примере настоящего изобретения;
фиг.24 - график, представляющий соотношение между спектром солнечного света и распределением чувствительности типичного кремниевого солнечного элемента;
фиг.25 - график, представляющий характеристику зависимости от длины волны отражающей способности для образцов, приготовленных в седьмом примере настоящего изобретения;
фиг.26А-26С - схематичные виды, представляющие конструкции оптических устройств в восьмом-десятом примерах настоящего изобретения;
фиг.27 - таблица, представляющая различные числовые значения для образцов в восьмом-десятом примерах настоящего изобретения;
фиг.28 - график, представляющий характеристику зависимости от длины волны отражающей способности для восьмого-десятого примеров настоящего изобретения;
фиг.29 - схематичный вид в перспективе оптического устройства из уровня техники;
фиг.30 - схематичный вид сверху основного участка другого оптического устройства-аналога;
фиг.31 - вид (фотография СЭМ), представляющий структуру поперечного сечения мастер-копии аналога, предназначенной для использования при производстве оптического устройства, мастер-копия сформирована путем экспонирования электронным лучом;
фиг.32 - вид сверху основного участка мастер-копии аналога, предназначенной для использования при производстве оптического устройства, показанного на фиг.31;
фиг.33 - график, представляющий характеристику зависимости от длины волны отражающей способности для оптического устройства, приготовленного на основе мастер-копии аналога, для использования при производстве оптического устройства, показанного на фиг.32;
фиг.34 - вид сверху основного участка мастер-копии аналога, предназначенной для использования при производстве оптического устройства, сформированной в результате использования технологии записи оптического диска;
фиг.35 - график, представляющий характеристику зависимости от длины волны отражающей способности для оптического устройства, приготовленного на основе мастер-копии аналога, для использования при производстве оптического устройства, представленного на фиг.34.
Подробное описание изобретения
Ниже каждый из вариантов осуществления настоящего изобретения описан со ссылкой на прилагаемые чертежи. Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничивается представленными вариантами осуществления, и различные модификации допустимы на основе технической концепции настоящего изобретения.
(Первый вариант осуществления изобретения)
На фиг.1 схематично показана конструкция оптического устройства 10 в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.1А показан вид сверху основного участка оптического устройства 10, на фиг.1В показан вид в перспективе основного участка оптического устройства 10, если смотреть в направлении X, указанном на фиг.1А, и на фиг.1C показан вид в перспективе основного участка оптического устройства 10, если смотреть в направлении Y, указанном на фиг.1А.
Оптическое устройство 10 в соответствии с настоящим вариантом осуществления имеет конфигурацию (конфигурация с размером меньше длины волны), в которой количество структур 12, имеющих возвышенные участки на поверхности основания 11, размещены через мелкий шаг, равный или короче, чем длина волны видимого света, Используемый здесь термин "длина волны, равная или короче, чем длина волны видимого света", представляет собой длину волны, равную или короче, чем приблизительно 400 нм. Оптическое устройства 10 имеет функцию предотвращения отражения на границе перехода между структурами 12 и окружающим воздухом для света, который проходит через основание 11 в направлении Z, обозначенном на фиг.1А.
Основание 11 представляет собой прозрачное основание, обладающее свойством пропускания света, например, из прозрачной синтетической смолы, такой как поликарбонат (PC, ПК) или полиэтилентерефталат (PET, ПЭТ), или из стекла и т.п., и что касается формы основания, отсутствуют какие-либо конкретные ограничения, и основание может быть в виде пленки, в виде листа, в виде пластины или в виде блока. В частности, оптическое устройство 10 в соответствии с настоящим вариантом воплощения применяют для различных оптических устройств, в которых требуется обеспечить заданные характеристики пропускания света (функцию антиотражения), например, в дисплеях, фотоэлектронных устройствах, устройствах оптической передачи данных, солнечных элементах и осветительных устройствах, и т.п. Форму основания 11 определяют в зависимости от формы основного корпуса оптического устройства или формы листа или пленки, или формы элементов световода, закрепленных на оптическом устройстве.
Структуры 12 выполнены, например, объединенными с основанием 11. Отдельные структуры 12 имеют одну и ту же форму, соответственно, но они не ограничиваются этим. Предпочтительно, структуры 12 имеют форму эллиптического конуса, основание которого является эллиптическим, вытянутым или овальной формы, имеющим длинную ось и короткую ось, для формирования конической формы, а вершина изогнута, или имеют коническую структуру в форме усеченного эллиптического конуса, основание которого выполнено как эллипс, удлиненной или овальной формы, имеющий длинную ось и короткую ось, а вершина плоская. Это связано с тем, что такие формы позволяют улучшить плотность упаковки в радиальном направлении. Кроме того, с точки зрения улучшения свойства отражения и характеристик пропускания, предпочтительно, чтобы структуры 12 имели форму усеченного эллиптического конуса с более крутым наклоном на среднем участке, чем наклоны на нижнем и верхнем участках (см. фиг.1В и 1C), или форму усеченного эллиптического конуса с плоским верхним участком (см. фиг.16).
Структуры 12 не ограничиваются возвышенным участком, показанным на чертежах, и эти структуры могут включать в себя углубленные участки, сформированные на поверхности основания 11. Что касается высоты (глубины) структур 12, отсутствуют какие-либо конкретные ограничения, и они могут быть установлены произвольно в соответствии с диапазоном длин волн света, которые они должны пропускать, например, в диапазоне от приблизительно 236 нм до 450 нм.
Отношение размеров (высота/шаг размещения) структур 12, предпочтительно, установлено в диапазоне от 0,81 до 1,46 и, более предпочтительно, в диапазоне от 0,94 до 1,28. Если отношение размеров меньше, чем 0,81, свойство отражения и характеристики пропускания проявляют тенденцию к ухудшению, а если отношение размеров превышает 1,46, ухудшается их отслоение в процессе производства оптического диска, и, таким образом, затрудняется правильное удаление копий во время изготовления реплик.
Кроме того, с точки зрения улучшения отражения, отношение размеров для структур 12, предпочтительно, установлено в диапазоне от 0,94 до 1,46.
Кроме того, с точки зрения улучшения характеристик пропускания, отношение размеров для структур 12 предпочтительно установлено в диапазоне от 0,81 до 1,28.
Следует отметить, что отношение размеров в соответствии с настоящим изобретением определено следующим выражением (1):
,
где Н: высота структуры, и Р: средний шаг размещения (средний период).
Средний шаг Р размещения определен следующим выражением (2):
где Р1: шаг размещения в направлении вдоль окружности (период вдоль окружности), и Р2: шаг размещения в направлениях ±θ к направлению вдоль окружности (где θ=60°-δ, значение δ, предпочтительно, установлено в диапазоне 0°<δ≤11°, и более предпочтительно, установлено в диапазоне 3°≤δ≤6°).
Кроме того, высота Н структуры представляет собой высоту в радиальном направлении структур 12. Поскольку высота структуры в направлении вдоль окружности меньше, чем высота в радиальном направлении, и, кроме того, высота участков, не являющихся участком структуры 12, в направлении вдоль окружности по существу совпадает с высотой в радиальном направлении, глубина структуры с размерами меньше длины волны представлена высотой в радиальном направлении. Однако, если структуры 12 представляют собой углубленные участки, высота Н структуры в выражении (1) представляет собой глубину Н структуры.
Кроме того, не обязательно, чтобы все структуры 12 имели одинаковое отношение размеров, каждая структура может иметь определенный разброс по высоте (например, отношение размеров в диапазоне от 0,83 до 1,46). Благодаря обеспечению структур 12, имеющих определенный разброс по высоте, зависимость характеристики отражающей способности от длины волны может быть понижена. Поэтому может быть реализовано оптическое устройство, имеющее превосходное антиотражение.
Термин "разброс по высоте" означает, что на поверхности основания 11 выполнены структуры 12, имеющие более чем два вида высоты (глубины). Другими словами, это означает, что на поверхности основания 11 обеспечены структуры 12, имеющие высоту, используемую как опорная высота, и структуры 12, имеющие высоту, отличающуюся от опорной высоты. Структуры 3, имеющие высоту, отличающуюся от опорной высоты, выполняются, например, на поверхности основания 2 периодически или апериодически (случайно). В качестве направления периодичности, например, используется направление вдоль окружности, радиальное направление и т.п.
Далее, как показано на фиг.1В и 1C, предпочтительно обеспечить участок 12а юбки на участке внешней кромки структуры 12. Это связанно с тем, что такой участок позволяет легко вынимать оптический диск из литейной формы, или тому подобное, в процессе производства оптического диска. Кроме того, с точки зрения свойства отслоения, юбочный участок 12а, предпочтительно, сформирован как слегка наклоненная изогнутая поверхность.
Следует отметить, что юбочный участок 12а может быть выполнен как участок внешней кромки структуры 12, но с точки зрения улучшения указанного выше свойства отслоения, юбочные участки 12а предпочтительно должны быть на всех внешних кромочных участках структур 12. Кроме того, если структуры 12 представляют собой углубленные участки, юбочные участки 12а становятся изогнутыми поверхностями на участках внешней кромки у отверстий, образующих углубленные участки, которые представляют собой структуры 12.
Как показано на фиг.2, основания 11 сформированы практически по всей поверхности подложки 11W в форме диска и вырезаны по форме в соответствии с заданным размером изделия из подложки 11W, как показано на фиг.3А и 3В. Структуры 12 сформированы на основании экспонированной конфигурации, сформированной на подложке 11W с использованием устройства записи оптического диска (описано ниже).
Поэтому, когда подложки 12 вырезают с заданным размером из подложки 11W, как показано на фиг.1А, структуры 12 располагаются таким образом, что они составляют множество рядов T1, T2, Т3… дугообразных дорожек (далее они называются "дорожками Т") на поверхности основания 11. При такой компоновке структуры 12 могут быть изготовлены с использованием технологии мастер-копии оптического диска, и, таким образом, производительность их изготовления может быть улучшена по сравнению с технологией, известной из уровня техники. Кроме того, характеристики пропускания и отражение в дугообразной компоновке не отличаются от этих характеристик при линейной компоновке.
В таком случае структуры 12 расположены таким образом, что главная ось оснований направлена в круговом направлении дорожек Т. Кроме того, каждая структура 12 имеет в основании юбочный участок 12а, простирающийся в круговом направлении дугообразных дорожек Т, как показано на фиг.1В. Предпочтительно, высота H1 структур 12 в круговом направлении дорожек Т (если рассматривать в направлении Y) меньше, чем высота Н2 структур 12 в радиальном направлении дугообразных дорожек Т (если рассматривать в направлении X). Более конкретно, предпочтительно, чтобы высоты H1 и Н2 структур 12 удовлетворяли соотношению H1<Н2. Поскольку, если структуры 12 установлены так, что выполняется соотношение H1≥Н2, требуется, чтобы шаг Р1 размещения в направлении вдоль окружности был установлен длинным, и, соответственно, плотность упаковки структур 12 в направлении вдоль окружности при этом уменьшается. Когда плотность упаковки уменьшается, как описано выше, свойство отражения может быть ухудшено.
Что касается каждой структуры 12, на соседних двух дорожках Т, в центральном положении (в положении, сдвинутом наполовину шага) каждой структуры 12, расположенной на одной дорожке (например, T1), расположены структуры 12 другой дрожки (например, T2). Следовательно, как показано на фиг.2, на соседних трех дорожках (T1-Т3) каждая структура 12 размещена так, что формируется конфигурация квазишестиугольной решетки с центрами структур 12, соответственно, расположенными в точках a1-а7. Термин "конфигурация квазишестиугольной решетки", используемый здесь, не означает обычную шестиугольную решетку, но означает шестиугольную решетку, изогнутую вдоль дуги дорожек Т и растянутую и изогнутую в круговом направлении. При размещении структур 12, имеющих форму эллиптического конуса или форму усеченного эллиптического конуса, в виде конфигурации квазишестиугольной решетки, плотность упаковки в радиальном направлении может быть более высокой, по сравнению с компоновками описанных выше структур 12 в обычной шестиугольной решетке.
Когда каждая структура 12 размещена так, что формируется конфигурация квазишестиугольной решетки, как показано на фиг.2, шаг Р1 размещения (например, расстояние между а1-а2) каждой структуры 12 на одной дорожке (например, Т1) становится длиннее, чем шаг Р2 размещения структур 12 между соседними двумя дорожками (например, Т1 и Т2), то есть шаг Р2 размещения (например, расстояние между а1-а7 или а2-а7) структур 12 в направлениях ±θ к направлению вдоль окружности (где θ=60°-δ, δ предпочтительно установлено в диапазоне 0°<δ≤11°, а более предпочтительно в диапазоне 3°≤δ≤6°).
Каждая из структур 3, находящихся на одной дорожке, выполнена, например, с определенным шагом Р1 размещения (например, расстояние между а1-а2). Шаг Р1 размещения, предпочтительно, установлен в диапазоне от приблизительно 300 нм до 350 нм, более предпочтительно, установлен в диапазоне 315-350 нм; шаг выбирают, например, равным приблизительно 330 нм. Если шаг Р1 размещения составляет меньше, чем 300 нм, углубленные участки между структурами будут мелкими, и свойство отражения будет ухудшено, но если шаг превышает 350 нм, углубленные участки между структурами будут широкими, между структурами образуются плоские участки, и таким образом, проявляется тенденция к ухудшению свойства отражения. Кроме того, в направлениях ±θ к направлению внешней окружности (где θ=60°-δ, значение δ предпочтительно установлено в диапазоне 0°<δ≤11°, и более предпочтительно установлено в диапазоне 3°≤δ≤6°), каждая из структур 3 выполнена с определенным шагом Р2 (например, расстояние а1-а7 (а2-а7)), шаг Р2 размещения предпочтительно установлен в диапазоне приблизительно 265-300 нм, шаг выбирают, например, приблизительно равным 300 нм. Если шаг размещения Р2 составляет меньше, чем 265 нм, углубленные участки между структурами становятся мелкими, и свойство отражения ухудшается, но если шаг превысит 300 нм, углубленные участки между структурами становятся широкими, между структурами образуются плоские участки, и таким образом, проявляется тенденция к ухудшению свойства отражения.
Соотношение шагов размещения Р1/Р2, предпочтительно, установлено в диапазоне 1,00<Р1/Р2≤1,32, более предпочтительно, в диапазоне 1,05≤Р1/Р2≤1,20, и наиболее предпочтительно, в диапазоне 1,10≤Р1/Р2≤1,17. Если соотношение Р1/Р2 равно 1,00 или меньше, углубленные участки между структурами становятся мелкими, и свойство отражения ухудшается, а если соотношение Р1/Р2 превышает 1,32, углубленные участки между структурами становятся широкими, и образуются плоские участки между структурами, и, таким образом, ухудшается свойство отражения.
Матрица из структур 12, имеющих такую конструкцию, не ограничивается случаем формирования структур 12 на поверхности основания 11, структуры 12 могут быть также сформированы на задней поверхности основания 11. В этом случае становится возможным получить функцию антиотражения как на поверхности падения света, так и на поверхности выхода света из основания 11, через которое пропускают свет, и, кроме того, можно улучшить свойство пропускания. В настоящем варианте воплощения упорядоченная конфигурация структур 12 выполнена, по меньшей мере, на стороне поверхности входа света.
Ниже будет описан способ изготовления оптического устройства 10, имеющего такую конструкцию. В настоящем варианте воплощения оптическое устройство 10, имеющее такую конструкцию, изготавливают с использованием процесса изготовления мастер-копии для использования при формировании оптического устройства, процесса изготовления подложки-реплики для использования при формировании оптического устройства, процесса изготовления пресс-формы для использования при формировании оптического устройства и процесса формирования оптического устройства.
На фиг.4А-4Е схематично показаны виды, поясняющие процесс изготовления мастер-копии для использования при формировании оптического устройства.
Прежде всего, как показано на фиг.4А, предоставляют дискообразную (в форме диска) кварцевую подложку 1. Затем, как показано на фиг.4В, формируют слой 2 резиста на поверхности кварцевой подложки 1. Слой 2 резиста может быть сформирован из органического материала или из неорганического материала. В качестве резиста органического типа, например, можно использовать резист типа новалак, или резист с химическим усилением. Кроме того, в качестве резиста неорганического типа, например, предпочтительно использовать материалы из окислов металлов, включающие в себя, по меньшей мере, один из двух переходных металлов, таких как вольфрам или молибден.
Затем, как показано на фиг.4С, при вращении кварцевой подложки 1, слой 2 резиста облучают лазерным лучом (лучом экспонирования) 2b. В этом случае слой резиста попеременно облучается лазерным лучом, при перемещении лазерного луча 2b в радиальном направлении относительно вращающейся кварцевой подложки 1, так что экспонируется вся поверхность слоя 2 резиста.
Таким образом, на всей поверхности слоя 2 резиста формируется скрытое изображение 2а в соответствии с местами попадания лазерного луча 2b, с шагом короче, чем длина волны видимого света. Подробности этапа экспонирования описаны ниже.
Затем при вращении кварцевой подложки 1 на слой 2 резиста наносят проявитель в виде капелек для проявления и обработки слоя 2 резиста, как показано на фиг.4D. Как показано на чертеже, когда слой 2 резиста формируют из резиста положительного типа, участок, экспонированньш лазерным лучом 2b, имеет повышенную скорость растворения в проявителе по сравнению с неэкспонированным участком, и поэтому в слое 2 резиста формируется рисунок, соответствующий экспонированному участку (скрытому изображению 2а).
Затем поверхность кварцевой подложки 1 подвергают процессу травления с использованием конфигурации слоя 2 резиста (конфигурации резиста), сформированного на кварцевой подложке 1, в качестве маски для формирования конфигурации 3 углубленных участков, показанной на фиг.4Е. Травление проводят с использованием сухого травления. В этом случае, когда травление и озоление выполняют поочередно, можно сформировать не только представленную конфигурацию из конических углубленных участков 3, но также можно изготовить кварцевую мастер-копию, имеющую глубину, в три раза или больше превышающую слой резиста (избирательное соотношение: 3 или больше) для реализации увеличенного соотношения размеров структур.
Как описано выше, изготовляют мастер-копию 4 для использования при формировании оптического устройства в соответствии с настоящим вариантом осуществления изобретения. Мастер-копия 4 представляет собой мастер-копию для формирования оптического устройства 10, показанного на фиг.1, и неровная поверхность, имеющая углубленные участки 3, образует структуры 12 оптического устройства 10 с использованием описанной ниже подложки-реплики и пресс-формы. Поэтому углубленные участки 3 мастер-копии 4 размещены так, что формируется конфигурация квазишестиугольной решетки, искривленной в круговом направлении мастер-копии 4.
Ниже со ссылкой на фиг.5 описан этап экспонирования, представленный на фиг.4С. На фиг.5 схематично показан вид, представляющий конструкцию устройства 5 экспонирования. В настоящем варианте воплощения устройство 5 экспонирования построено на основе устройства записи оптического диска.
Как показано на фиг.5, лазерный источник 21 представляет собой источник света для экспонирования слоя 2 резиста, сформированного на поверхности кварцевой подложки 1, и генерирует, например, лазерный луч 2b в дальнем ультрафиолетовом диапазоне с длиной волны λ=266 нм. Луч 2b лазера, излучаемый из лазерного источника 21, формирует пленку, как коллимированный луч, и попадает в электрооптический модулятор (ЕОМ) 25. Луч 2b лазера, который прошел через ЕОМ 25, отражается зеркалом 22, и его подают в систему 23 оптической модуляции.
Зеркало 22 включает в себя расщепитель поляризованного луча и имеет функцию отражения одного поляризованного компонента и передачи другого поляризованного компонента. Поляризованный компонент, переданный через зеркало 22, принимают на фотодиоде 24, и ЕОМ 25 управляют в соответствии с принятым сигналом для выполнения модуляции фазы лазерного луча 2b.
2
В системе 23 оптической модуляции лазерный луч 2b собирают в точку с помощью конденсора 26 на акустико-оптическом модуляторе (АОМ) 27, который включает в себя кварц (SiO) или тому подобное. Интенсивность лазерного луча 2b модулируют с помощью АОМ 27 и рассеивают, и затем коллимируют с помощью линз 28. Коллимированный луч 2b экспонирования, испускаемый из оптической системы 23 модуляции, отражается с помощью зеркала 29 и подается на движущийся оптический стол 30 в виде горизонтального и параллельного луча.
Движущийся оптический стол 30 включает в себя расширитель 31 луча, зеркало 32 и линзу 33 объектива. Лазерный луч 2b, подаваемый на движущийся оптический стол 30, формируют с приданием лучу требуемой формы с помощью расширителя 31 луча, и затем облучают слой 2 резиста на кварцевой подложке 1 через зеркало 32 и линзу 33 объектива. Кварцевая подложка 1 установлена на поворотной платформе (не показана), соединенной с двигателем 34 шпинделя. Кроме того, при вращении подложки 1 и перемещении лазерного луча 2b в радиальном направлении относительно вращения подложки 1, слой 2 резиста поочередно облучается лазерным лучом для выполнения этапа экспонирования слоя 2 резиста. Сформованное скрытое изображение 2а имеет, по существу, эллиптическую форму с основной осью в направлении окружности. Перемещение лазерного луча 2b осуществляют путем сдвига подвижного оптического стола 30 в направлении, обозначенном стрелкой R.
Устройство 5 экспонирования, показанное на фиг.5, имеет механизм 37 управления, предназначенный для формирования в слое 2 резиста скрытого изображения 2а, образованного 2-мерной конфигурацией квазишестиугольной решетки, показанной на фиг.2. Механизм 37 управления включает в себя модуль 35 инверсии полярности, предназначенный для управления временем облучения слоя 2 резиста лазерным лучом 2b, и драйвер 36, для управления АОМ 27 в ответ на выход модуля 35 инверсии полярности.
Механизм 37 управления синхронизирует модуляцию интенсивности лазерного луча 2b с помощью АОМ 27, скорость привода во вращение двигателя 34 шпинделя и скорость движения подвижного оптического стола 30 для каждой дорожки таким образом, что 2-мерная конфигурация скрытого изображения 2а пространственно соединяется. Подложкой 1 управляют так, чтобы она вращалась с постоянной угловой скоростью (CAV, ПУС). Формирование конфигурации осуществляется за соответствующее число оборотов подложки 1 с помощью двигателя 34 шпинделя, при соответствующей частотной модуляции интенсивности лазера с помощью АОМ 27, и соответствующем шаге подачи лазерного луча 2b с помощью подвижного оптического стола 30. Это позволяет сформировать скрытое изображение 2а в конфигурации квазишестиугольной решетки на слое 2 резиста.
Например, для получения шага Р1 размещения длиной 330 нм в направлении окружности и шага Р2 размещения длиной 300 нм в направлении приблизительно 60° к направлению окружности (в направлении приблизительно -60°), как показано на фиг.2, шаг подачи может составлять 251 нм. Следует отметить, что для получения Р1 длиной 315 нм и Р2 длиной 275 нм шаг подачи может составлять 226 нм. Кроме того, для получения Р1 длиной 300 нм и Р2 длиной 265 нм шаг подачи может составлять 219 нм.
Кроме того, сигнал управления модуля 35 инверсии полярности постепенно изменяют таким образом, что пространственная периодичность (структурная плотность скрытого изображения 2а: Р1: 330, Р2: 300 нм; или Р1: 315 нм, Р2: 275 нм; или Р1: 300 нм, Р2: 265 нм) была однородной. В частности, экспонирование выполняют при изменении периода облучения лазерным лучом 2b слоя 2 резиста на каждой дорожке, и частотную модуляцию лазерного луча 2b выполняют в механизме 37 управления таким образом, что Р1 становится приблизительно равным 330 нм (или 315 нм, 300 нм) на каждой из дорожек Т. То есть модуляцией управляют таким образом, что период облучения лазерным лучом становится короче, по мере того, как положение дорожки удаляется от центра подложки. Это позволяет сформировать наноструктуру, в которой пространственная периодичность получается однородной по всей подложке.
Далее со ссылкой на фиг.6 описана последовательность этапов производства оптического устройства 10 по мастер-копии 4 для использования при производстве оптического устройства.
На фиг.6А схематично показан вид, поясняющий схематичные этапы производства оптического устройства 10 по мастер-копии 4, предназначенной для использования при производстве оптического устройства. Как отмечено выше, мастер-копию 4 для использования при производстве оптического устройства получают путем формирования конфигурации слоя 2 резиста на поверхности кварцевой подложки 1 (фиг.6А) травления подложки с использованием конфигурации резиста в качестве маски для формирования неровной структуры, имеющей углубленные участки 3 на поверхности подложки 1 (фиг.6В).
В конфигурации слоя 2 резиста, после проявления, толщина слоя в радиальном направлении подложки 1 отличается от толщины слоя в круговом направлении, и толщина слоя в круговом направлении меньше, чем толщина слоя в радиальном направлении. Причина этого состоит в том, что, поскольку на этапе экспонирования выполняют облучение с помощью лазерного луча 2b при вращении подложки 1, время облучения лазерным лучом 2b в направлении окружности становится длиннее, чем время облучения в радиальном направлении подложки, что приводит к различию толщины в слое 2 резиста после проявления. При последующем травлении различие в толщине слоя 2 резиста между направлением вдоль окружности и радиальным направлением подложки 1 приводит к анизотропии формы формуемого углубленного участка 3.
Затем смолу, отвердевающую под действием света, такую как полимерная смола, отвердевающая под действием ультрафиолетового излучения или т.п., наносят на поверхность неровной структуры полученной мастер-копии 4, и поверх полимерной смолы помещают прозрачную подложку, такую как акриловая пластина или т.п. После этого ультрафиолетом облучают на прозрачной подложке смолу, отвердевающую под действием света, и затем ее снимают с мастер-копии 4. Таким образом, как показано на фиг.6С, получают подложку 8-реплику для использования при производстве оптического устройства, в которой неровная структура, включающая в себя полимерную смолу 7, отвердевающую под действием света, перенесена на прозрачную подложку 6.
Затем на поверхности неровной структуры полученной подложки 8-реплики формируют электропроводную пленку методом химического восстановления и затем формируют слой металлического покрытия методом электролитического нанесения покрытия. В качестве материала, составляющего пленку покрытия, нанесенную методом химического восстановления, и слоя электролитического покрытия предпочтительно использовать, например никель (Ni). После формирования слоя покрытия этот слой снимают с подложки 8-реплики, и подвергают внешней обработке, в случае необходимости, для получения формы 9, предназначенной для использования при изготовлении оптического устройства, показанного на фиг.6D.
Затем полученную форму 9 устанавливают в качестве формы устройства литья под давлением, форму закрывают для получения полости и затем ее заполняют расплавленной полимерной смолой, такой как поликарбонат или т.п., для получения, как показано на фиг.2, подложки в форме диска, в которой сформирована «тонкая» конфигурация структур 12 интегрально на поверхности подложки 11 (фиг.6Е). Затем подложку разрезают с заданным размером для получения оптического устройства 10, имеющего на поверхности структуры, размером меньше длины волны, показанную на фиг.1.
Следует отметить, что мастер-копия 4 не ограничивается мастер-копией, сформированной способом травления подложки 1 в качестве мастер-копии можно использовать подложку 1, имеющую сформированную на ней конфигурацию слоя 2 резиста.
Как описано выше, в настоящем варианте воплощения, множество структур 12, расположенных на поверхности подложки 11 с малым шагом, равным или короче, чем длина волны видимого света, выстроены таким образом, что они формируют множество дугообразных рядов - дорожек, и формируют структуру с размерами меньше длины волны, образующую конфигурацию квазишестиугольной решетки в соседних трех рядах - дорожках. Поэтому плотность упаковки структур 12 на поверхности подложки 11 может быть высокой для повышения эффективности антиотражения видимого света, и для получения оптического устройства 10, имеющего отличные свойства антиотражения в широком диапазоне длин волны и с чрезвычайно высокой степенью пропускания.
Кроме того, мастер-копию 4, предназначенную для использования при производстве оптического устройства, формируют с помощью устройства 5 экспонирования, которое получают с применением устройства записи оптического диска. Поэтому не только оптическое устройство 10, имеющее конструкцию, которая может быть эффективно изготовлена за короткое время, но и подложки большого размера также можно обрабатывать для повышения производительности.
(Второй вариант осуществления изобретения)
На фиг.7 схематично показаны виды в разрезе основного участка для пояснения способа производства оптического устройства, имеющего структуры с размерами меньше длины волны, сформированные на обеих поверхностях основания 11. На фиг.7А показан этап формирования конфигурации слоя 2 резиста на поверхности кварцевой подложки 1, на фиг.7 В показан этап получения мастер-копии 4 для использования при производстве оптического устройства, путем выполнения травления с использованием конфигурированного слоя 2 резиста в качестве маски, причем мастер-копия имеет неровную структуру, включающую в себя углубленные участки 3 на поверхности подложки 1, на фиг.7С показан этап получения подложки 8-реплики для использования при формировании оптического устройства, в котором неровную структуру, включающую в себя смолу 7, отвердевающую под действием света, переносят на прозрачную подложку 6, на фиг.7D показан этап изготовления формы 9, предназначенной для использования при формировании оптического устройства, которую получают путем наращивания проводящей пленки на поверхности неровной структуры подложки 8-реплики и снятия ее с подложки 8-реплики.
В настоящем варианте осуществления изобретения подготавливают две формы 9, полученные, как описано выше, и эти формы 9 устанавливают в качестве формы для устройства формования под давлением. В таком случае полости, которые должны быть заполнены расплавленной полимерной смолой, формируют в каждой поверхности с неровной структурой форм 9, и затем, как показано на фиг.7Е, получают подложку в форме диска, имеющую структуры с «мелкой» компоновкой структур 12, интегрально сформированные на передней и задней поверхностях. Затем подложку 11W разрезают с требуемой формой, для получения оптического устройства 40, имеющего на обеих поверхностях основания 11 структуры размером меньше длины волны.
Поскольку структуры размером меньше длины волны формируются на обеих поверхностях основания 11, оптическое устройство 40 обладает антиотражением, как на поверхности входа света, так и на поверхности выхода света. Это позволяет дополнительно улучшить характеристики пропускания света.
Когда оптическое устройство 40, соответствующее настоящему варианту осуществления изобретения используется, в частности, как элемент световода в различных осветительных устройствах, таких как световодное окно фотоэлектрического преобразователя, такого как, например, солнечные элементы, пластина световода, оптический лист или пленка жидкокристаллического дисплея, светоизлучающее окно осветительного устройства, становится возможным предотвратить отражение света от передней поверхности и от задней поверхности, что способствует существенному улучшению эффективности использования света.
(Третий вариант осуществления изобретения)
На фиг.8 показан третий вариант осуществления настоящего изобретения. В настоящем варианте в качестве примера описан сенсибилизированный красителем солнечный элемент 50, в котором в качестве световодного окна используется оптическое устройство 40, имеющее конструкцию, поясняющуюся во втором варианте осуществления изобретения.
Сенсибилизированный красителем солнечный элемент 50 включает в себя световодное окно 40 с прозрачной проводящей пленкой 41, слоистую структуру, в которой слой 45 металло-оксидного полупроводника и слой 46 электролита выполнены между (прозрачной) проводящей пленкой 42, противоположной прозрачной проводящей пленке 41, и подложку 44, имеющую материал 43 для сбора тока. Слой 45 полупроводника включает в себя, например, материалы оксидного полупроводника и сенсибилизирующие красители. Кроме того, прозрачная проводящая пленка 41 и проводящая пленка 42 соединены через проводник, так что формируется цепь для тока, в которую включен амперметр 47.
Световодное окно 40 сформировано с использованием стеклянной подложки или прозрачной пластиковой подложки, и структуры с мелкой компоновкой в виде квазишестиугольной решетки (структура с размерами меньше длины волны), такие как структуры 12, пояснявшиеся в первом варианте воплощения, выполнены на поверхности входа света, на внешней стороне (стороне приема света) и на поверхности выхода света на внутренней стороне.
2
2
3
2
5
3
Слой 45 металло-оксидного полупроводника составляет слой фотоэлектрического преобразования, сформированный в результате спекания металло-оксидных частиц на прозрачной проводящей пленке 41. В качестве материалов, формирующих слой 45 из металло-оксидного полупроводника, они, например, включают в себя такие оксиды металлов, как TiO, MgO, ZnO, SnO, WO, NbO, TiSrO. Кроме того, сенсибилизирующие красители «держатся» на слое 45 металло-оксидного полупроводника, и структуру металло-оксидного полупроводника сенсибилизируют с помощью сенсибилизирующих красителей. Сенсибилизирующие красители не ограничены чем-либо конкретным, и любой сенсибилизирующий краситель, позволяющий обеспечить сенсибилизацию, можно использовать, например, бипиридин, производные фенантролина, краситель ксантенового типа, краситель цианинового типа, основной краситель, соединение порфириногово типа, азокраситель, фталоцианиновое соединение, краситель антрахинонового типа, и краситель типа полициклического хинина.
-
3-
-
2
-
2
Слой 46 электролита включает в себя, по меньшей мере, один вид системы материалов (типа окисление-восстановление), обеспечивающей реверсивное изменение состояния окисления/восстановления, растворенной в электролите. Электролит может представлять собой жидкий электролит или гелевый электролит, имеющий систему материалов, содержащуюся в высокомолекулярных материалах, высокомолекулярных твердых материалах, или в неорганических твердых электролитах. В качестве материала системы типа окисление-восстановление, например, можно использовать галогены, такие как I/I и Br/Br, хинон/гидрохинон, псевдогалогены, такие как SCN/(SCN), ион железа (II)/ион железа (III), ион меди (I)/ион меди (II), но не ограничивается этим. В качестве растворителя можно использовать расплавленные при обычной температуре соли, такие как нитрилы, такие как ацетонитрил, пропиленкарбонат, карбонаты, такие как этиленкарбонат, гамма-бутиролактон, пиридин, диметилацетамид, другие полярные растворители, метилпропилимидазолиум-иодин, или их смеси.
В сенсибилизированном красителем солнечном элементе 50, имеющем такую конструкцию, свет, получаемый принимающей поверхностью световодного окна 40, возбуждает сенсибилизирующие красители, находящиеся на поверхности слоя 45 металло-оксидного полупроводника, и сенсибилизирующие красители быстро передают электроны в слой 45 металло-оксидного полупроводника. С другой стороны, сенсибилизирующие красители, потерявшие электроны, получают электроны от ионов из слоя 46 электролита, который представляет собой слой с подвижными носителями. Молекулы, которые передали электроны, принимают электроны от противоположного электрода 42. Как описано выше, ток протекает между электродами 41 и 42.
В соответствии с настоящим вариантом осуществления изобретения, поскольку поверхность приема света сенсибилизированного красителем солнечного элемента 50 выполнена со световодным окном 40, которое представляет собой оптическое устройство, соответствующее с настоящему изобретению, отражение передней поверхностью света, принимаемого поверхностью (поверхность входа света) и отражение прошедшего света на задней поверхности (поверхности выхода света) световодного окна 40 можно эффективно предотвратить. Это позволяет повысить эффективность использования принимаемого света и улучшить эффективность фотоэлектрического преобразования, то есть эффективность генерирования энергии.
Кроме того, поскольку поверхность входа света и поверхность выхода света световодного окна 40 имеет структуры с размером меньше длины волны, в которых структуры 12 (фиг.1) плотно расположены, с шагом короче, чем длина волны видимого света, эффективность фотоэлектрического преобразования фотоэлектрического преобразователя, имеющего чувствительность в диапазоне от ближней ультрафиолетовой области до видимого света и области ближнего инфракрасного света, можно эффективно повысить.
(Четвертый вариант осуществления изобретения)
На фиг.9 представлен четвертый вариант осуществления изобретения. В настоящем варианте описан пример, в котором настоящее изобретение применяется в кремниевом солнечном элементе 60 в качестве устройства фотоэлектрического преобразования.
На фиг.9 схематично показана конструкция кремниевого солнечного элемента 60. Кремниевый солнечный элемент 60 включает в себя кремниевую подложку 61, прозрачные проводящие пленки 64, 65, сформированные на передней и задней поверхностях кремниевой подложки 61, нагрузку 66, подключенную между прозрачными проводящими пленками 64 и 65. Кремниевая подложка 61 включает в себя кремниевую подложку с переходом, имеющую слой 62 полупроводника n-типа и слой 63 полупроводника р-типа, и p-n-переход 67 между слоем 62 полупроводника n-типа и слоем 63 полупроводника р-типа, в ней сформирован слой фотоэлектрического преобразования, который генерирует электричество в соответствии с количеством падающего света, поступающего в слой 62 полупроводника n-типа.
В настоящем варианте воплощения поверхность слоя 62 полупроводника n-типа, составляющая поверхность, принимающую свет, представляет собой поверхность со структурой с размерами меньше длины волны, в который структуры 12 (фиг.1) расположены с мелким шагом, равным или короче, чем длина волны падающего света, в виде квазишестиугольной решетки, и предотвращается отражение света на поверхности входа слоя 62 полупроводника n-типа, что, таким образом, улучшает характеристику пропускания. Это позволяет повысить эффективность фотоэлектрического преобразования в p-n-переходе 67.
Кроме того, благодаря формированию структуры с плотной компоновкой структур 12 (фиг.1), сформированных на поверхности падения света кремниевой подложки 61 с мелким шагом, равным или короче, чем длина волны света, в области ближнего ультрафиолета, возможно значительно улучшить эффективность фотоэлектрического преобразования кремниевого солнечного элемента, имеющего чувствительность в широком диапазоне от области ближнего ультрафиолета до ближней инфракрасной области.
Кремниевый солнечный элемент 60, имеющий описанную выше структуру, может быть изготовлен путем непосредственного травления поверхности кремниевой подложки 61, составляющей слой 62 полупроводника n-типа. На фиг.10 показан разрез основного участка для пояснения способа производства такого кремниевого солнечного элемента.
4
Прежде всего, как показано на фиг.10А, слой 70 резиста формируют на поверхности кремниевой подложки 61, применяют экспонирование и процесс проявления, которые выполняют при записи оптического диска (они пояснялись в первом варианте осуществления изобретения), для формирования конфигурации маски из слоя 70 резиста на поверхности кремниевой подложки 61. Затем сформированная маска из слоя 70 резиста используется для осуществления процесса травления в травильном газе, используя фторуглеродный газ, такой как CF, и, как показано на фиг.10В, формируют неровную структуру на поверхности кремниевой подложки 61 с углубленными участками 71 в форме конуса. Таким образом, получают кремниевую подложку 61, имеющую на поверхности структуры с размерами меньше длины волны.
Ниже описаны примеры настоящего изобретения, но настоящее изобретение не ограничивается следующими примерами.
(Пример 1)
[Приготовление мастер-копии]
Слой резиста типа химического усиления или типа положительного новолака нанесли на кварцевую подложку толщиной приблизительно 150 нм, и сформировали скрытое изображение конфигурации в виде квазишестиугольной решетки на слое резиста, используя устройство 5 экспонирования, показанное на фиг.5. Длина волны лазерного луча составляла 266 нм, и использовали мощность лазера 0,50 мДж/м. Затем слой резиста подвергли проявлению для формирования структуры из слоя резиста. В качестве проявителя использовали неорганический щелочной проявитель (производитель-поставщик - компания TOKYO OHKA KOGYO CO., LTD).
3
Затем несколько раз выполнили процесс удаления структуры слоя резиста, используя O2 озоление, и увеличение диаметра отверстий, и процесс обработки кварцевой подложки с использованием плазменного травления в атмосфере газообразного CHF. В результате открытую поверхность кварцевой подложки вытравливали, по мере того как постепенно увеличивался диаметр структуры квазишестиугольной решетки, а другая область не была вытравлена, поскольку слой резиста использовался в качестве маски, таким образом, сформировали углубленные участки 3, по существу, треугольной формы в поперечном сечении, схематично показанные на фиг.6В. Степень травления меняли путем изменения времени травления. Наконец, структуру слоя резиста полностью удалили с использованием O2 озоления.
Таким образом, как описано выше, была приготовлена мастер-копия (мастер) со структурой размерами меньше длины волны, имеющая заглубленные участки в виде квазишестиугольной решетки, с шагом Р1 330 нм в круговом направлении, с шагом Р2 300 нм в направлении под углом приблизительно 60° к круговому направлению (в направлении приблизительно -60°) и глубиной приблизительно от 250 до 450 нм.
[Приготовление подложки-реплики]
Затем отвердевающую под действием ультрафиолетового излучения полимерную смолу нанесли на сформированную мастер-копию, имеющую структуры с размерами меньше длины волны, после чего приклеили акриловую пластину на полимерную смолу, отвердевающую под действием ультрафиолетового излучения. Затем акриловую пластину облучали ультрафиолетовым светом для отверждения полимерной смолы, и полученную в результате смолу сняли с кварцевой мастер-копии. Таким образом, как описано выше, была получена подложка-реплика, отвердевшая под действием ультрафиолетового излучения, со структурой с размерами меньше длины волны, имеющая возвышенные участки структуры в виде квазишестиугольной решетки.
[Изготовление пресс-формы]
Затем проводящую пленку, включающую в себя никелевую пленку, сформировали с использованием способа осаждения методом химического восстановления на неровную структуру, сформированную на подложке-реплике, отвердевшей под действием ультрафиолетового света, в виде структуры с размерами меньше длины волны. Затем подложку-реплику, на которой был сформирован слой проводящей пленки, поместили в устройство для гальванопластики, и на проводящей пленке способом нанесения гальванического покрытия нанесли слой из никелевого покрытия толщиной приблизительно 300±5 мкм. После этого никелевое покрытие сняли с подложки-реплики, используя резак или т.п., и затем перенесенную поверхность с неровной структурой промыли в ацетоне, получив, таким образом, металлическую никелевую мастер-копию со структурами с размерами меньше длины волны (пресс-форма), имеющую углубленные участки, образующие квазишестиугольную решетку.
[Изготовление оптического устройства]
Затем изготовили подложку, отлитую под давлением из поликарбонатной смолы, используя сформированную мастер-копию из металлического Ni, со структурой с размерами меньше длины волны, для получения отлитой подложки-реплики со структурой с размерами меньше длины волны, имеющей возвышенные участки, образующие квазишестиугольную решетку на поверхности. Затем полученную подложку-реплику нарезали на куски заданного размера для получения оптического устройства, соответствующего настоящему изобретению.
(Пример 2)
3
В настоящем примере изменили время травления плазменным газом CHF на этапе изготовления мастер-копии для получения кварцевых мастер-копий А, В каждая со структурой с размерами меньше длины волны, имеющей конфигурацию квазишестиугольной решетки, в которой пространственная периодичность (период вдоль окружности (шаг Р1 размещения): 330 нм; период в направлении под углом 60° к направлению вдоль окружности (шаг Р2 размещения): 300 нм} однородна. Кроме того, изготовили кварцевую мастер-копию D со структурой с размерами меньше длины волны, образующей конфигурацию квазишестиугольной решетки с однородной пространственной периодичностью (Р1: 350 нм; шаг Р2: 300 нм).
После этого, соответственно, изготовили подложку A1-реплику, отвердевающую под действием ультрафиолетового излучения, для кварцевой мастер-копии А со структурой с размерами меньше длины волны, лист В1-реплику, отвердевающий под действием ультрафиолетового излучения, для кварцевой мастер-копии со структурой с размерами меньше длины волны, и слитые подложки А2, В2-реплики (поликарбонат; коэффициент преломления: 1,59) для кварцевых мастер-копий A, D со структурой с размерами меньше длины волны. Время травления кварцевых мастер-копий А, В, D, а также форма неровных структур подложек (листов) А1, В1-реплик, затвердевших под действием ультрафиолетового излучения, и слитых подложек А2, D2-реплик показаны на фиг.11. Следует отметить, что высота структуры каждого образца измерена по профилям поперечного сечения, полученным с помощью АРМ (АСМ, атомно-силовой микроскопии).
На фиг.11 высота (глубина) структуры в направлении вдоль окружности меньше, чем высота (глубина) в радиальном направлении, и, кроме того, высота (глубина) участка, отличного от структуры с размерами меньше длины волны, в направлении вдоль окружности, по существу, такая же, как и высота (глубина) в радиальном направлении, и поэтому глубина структуры с размерами меньше длины волны представлена высотой (глубиной) в радиальном направлении.
Кроме того, на фиг.11 отношение размеров и средний шаг размещения определены по следующим выражениям (1) и (2):
,
где Н: высота структуры в направлении вдоль окружности и Р: средний шаг размещения (средний период).
,
где P1: шаг размещения в направлении окружности (период вдоль окружности) и Р2: шаг размещения в направлении ±θ к направлению вдоль окружности (где θ=60°-δ).
Следует отметить, что отношение размеров и шаг размещения аналогично определены также и в следующих примерах.
На фиг.12 показана фотография СЭМ, отвердевшей под действием ультрафиолетового излучения подложки А1 дубликата. Форма структуры с размерами меньше длины волны, показанная на фиг.12, представляет собой форму эллиптического конуса, имеющего наклон на среднем участке более крутой, чем наклоны на верхнем участке и на нижнем участке. Кроме того, структуры с размером меньше длины волны выстроены в конфигурации квазишестиугольной решетки. Структура, имеющая такую форму, может быть получена при применении этапа травления кварцевой мастер-копии А, в ходе которого время травления от верхнего участка до среднего участка структуры выбирают длинным, а время травления от среднего участка до нижнего участка структуры постепенно устанавливают все более коротким. В частности, была последовательно выполнена обработка, представленная ниже. Следует отметить, что тот же способ использовали для других кварцевых мастер-копий В и D, за исключением регулировки времени травления или количества циклов, соответственно, в соответствии с их формой.
3
1. O2 Озоление в течение 5 секунд, травление CHF в течение 1 минуты
3
2. O2 Озоление в течение 5 секунд, травление CHF в течение 2 минут
3
3. O2 Озоление в течение 5 секунд, травление CHF в течение 3 минут
3
4. O2 Озоление в течение 5 секунд, травление CHF в течение 4 минут
3
5. O2 Озоление в течение 5 секунд, травление CHF в течение 3 минут
3
6. O2 Озоление в течение 5 секунд, травление CHF в течение 2 минут
3
7. O2 Озоление в течение 5 секунд, травление CHF в течение 1 минуты
8. O2 Озоление в течение 15 секунд
Следует отметить, что высота структуры в направлении вдоль окружности была меньше, чем высота в радиальном направлении. Кроме того, высота участков, отличных от структуры в направлении вдоль окружности, была, по существу, такой же, что и высота в радиальном направлении, и поэтому высоту в радиальном направлении репрезентативно использовали как высоту структуры.
(Оценка отражающей способности)
Для каждого образца выполнили оценку отражающей способности с использованием устройства ("V-500", изготовлено и продано - JASCO Corporation). Зависимость отражающей способности от длины волны для каждого образца показана на фиг.13А, 13В, 14А и 14В.
На фиг.13А показана отражающая способность образца А1. Отражающая способность образца А1 имеет зависимость от длины волны, но усредненное отражение достаточно малое, 0,45% в диапазоне видимого света (400-780 нм).
На фиг.13В представлена отражающая способность образца В1. Образец В1 также проявляет зависимость отражающей способности от длины волны, и имеет увеличенное отражение со стороны большей длины волны, но обладает удовлетворительной отражающей способностью меньше 1%, в диапазоне видимого света от 780 нм или меньше, и отражающей способностью меньше чем 0,6% в диапазоне длин волн для дисплея (R: 650 нм; G: 530 нм; В: 440 нм).
На фиг.14А показаны характеристики отражающей способности для образца А2. Образец А2 проявляет зависимость от длины волны и имеет такой же коэффициент отражения, как и у образца А1. Результаты подтвердили, что образец А1 и образец А2 имеют аналогичные характеристики пропускания для поверхности с неровной структурой.
На фиг.14В показана отражающая способность для образца D2. Образец D2 показал зависимость отражающей способности от длины волны, но обладает достаточно малой средней отражающей способностью, такой как 0,40% в диапазоне видимого света. Результаты подтвердили, что структура квазишестиугольной решетки, в которой пространственная периодичность составляет Р1: 350 нм и Р2: 300 нм, позволяет получить превосходное антиотражение.
Как можно видеть из приведенных выше результатов, когда пространственная периодичность составляет Р1: 330-350 нм, Р2: 300 нм, можно получить удовлетворительное антиотражение. Другими словами, для подложки-реплики, имеющей Р1/Р2, равное от 1,1 до 1,17, может быть получено удовлетворительное антиотражение.
Кроме того, когда структура типа "глаз мотылька" имеет форму высокого эллиптического конуса в конфигурации искривленной шестиугольной решетки, имеет разброс по высоте и с отношением размеров от 1,25 до 1,46, может быть получено очень хорошее антиотражение.
(Пример 3)
3
В настоящем примере время травления в плазменном газе CHF на этапе изготовления мастер-копии было установлено определенным для получения кварцевой мастер-копии С со структурами с размером меньше длины волны и имеющей конфигурацию квазишестиугольной решетки, в которой пространственная периодичность {период вдоль окружности (шаг Р1 размещения): 330 нм; период под углом 60° к окружности (шаг Р2 размещения): 300 нм} является однородной. Следует отметить, что углубленные участки кварцевой мастер-копии С структуры с размерами меньше длины волны имеют разброс по величине глубины.
Затем были получены подложки С1-реплики, отвердевающие под действием ультрафиолетового излучения, для кварцевой мастер-копии С со структурой размером меньше длины волны. Время травления для кварцевой мастер-копии С и форма неровной структуры подложки С1-реплики, отвердевающей под действием ультрафиолетового излучения, показаны на фиг.11. Следует отметить, что высота структуры для каждого из образцов была измерена по профилям поперечного сечения АСМ (атомно-силовой микроскопии).
На фиг.11 высота (глубина) структуры в направлении вдоль окружности была меньше, чем высота (глубина) в радиальном направлении, и, кроме того, высота (глубина) другого участка, отличного от структуры с размерами меньше длины волны в направлении вдоль окружности, была по существу такой же, как высота (глубина) в радиальном направлении, и поэтому глубина структуры с размерами меньше длины волны была представлена по высоте (глубине) в радиальном направлении.
Кроме того, соотношение размера и средний шаг размещения на фиг.11 определены выражениями (1) и (2).
На фиг.15 и 16 показаны фотографии СЭМ подложки С-реплики, отвердевшей под действием ультрафиолетового излучения. Эти структуры расположены в виде квазишестиугольной решетки, как показано на фиг.15. Кроме того, структура имеет форму эллиптического конуса. Структура, имеющая такую форму, может быть получена путем формирования отверстия в маске резиста и применения этапа травления для кварцевой мастер-копии С, чтобы получить определенное время озоления и время травления. В частности, была последовательно выполнена обработка, показанная ниже.
3
1. O2 Озоление в течение 5 секунд, травление CHF в течение 2,5 минут
3
2. O2 Озоление в течение 5 секунд, травление CHF в течение 2,5 минут
3
3. O2 Озоление в течение 5 секунд, травление CHF в течение 2,5 минут
3
4. O2 Озоление в течение 5 секунд, травление CHF в течение 2,5 минут
3
5. O2 Озоление в течение 5 секунд, травление CHF в течение 2,5 минут
3
6. O2 Озоление в течение 5 секунд, травление CHF в течение 2,5 минут
3
7. O2 Озоление в течение 5 секунд, травление CHF в течение 2,5 минут
3
8. O2 Озоление в течение 5 секунд, травление CHF в течение 2,5 минут
9. O2 Озоление в течение 15 секунд
(Оценка отражающей способности)
Для каждого образца выполнили оценку отражающей способности с использованием устройства ("V-500", изготовляемого и поставляемого - JASCO Corporation). Результаты показаны на фиг.13С.
На фиг.13С представлена отражающая способность образца С1. Образец С1 имеет стабильную отражающую способность даже со стороны больших длин волн, малую зависимость от длины волны, и очень малый коэффициент отражения. Образец проявляет очень хорошее антиотражение, так как отражающая способность меньше, чем 0,35% в диапазоне видимого света, и среднее значение отражающей способности 0,3%. Зависимость от длины волны мала ввиду тех фактов, что неровная конфигурация шестиугольной решетки искажена, и распределение по высоте (распределение по глубине) неровной структуры является большим.
Кроме того, в качестве причины малой отражающей способности предполагается, что, поскольку форма эллиптического конуса имеет большую ширину, можно повысить плотность упаковки.
Структуры в примерах 2 и 3 сравнивали, и если структуры в примерах 2 и 3 рассматривать сверху на подложке, то структуры в примере 2 выглядят как малые тонкие круги, а структуры в примере 3 видны как большие круги. Другими словами, структуры в примере 3 выглядят как структуры, имеющие большой объем по сравнению со структурами в примере 2. В соответствии с этим плотность упаковки структур в примере 3 может быть установлена более высокой, чем плотность упаковки структур в примере 2.
(Пример 4)
[Изготовление мастер-копии]
Слой с резистом типа химического усилителя или типа положительного новолака нанесли на кварцевую подложку с толщиной приблизительно 150 нм, и скрытое изображение конфигурации квазишестиугольной решетки сформировали в слое резиста, используя устройство 5 экспонирования, показанное на фиг.5. Длина волны лазерного луча составила 266 нм, и мощность лазера установили 0,50 мДж/м. Затем слой резиста подвергли проявлению для формирования структуры слоя резиста. В качестве проявителя использовали неорганический щелочной проявитель (производитель и поставщик от компании TOKYO OHKA KOGYO CO., LTD.)
2
3
2
Затем многократно выполнили процесс удаления структуры слоя резиста путем О озоления (5 секунд) и увеличения диаметра отверстий, и процесс обработки кварцевой подложки с использованием плазменного травления (3 минуты) в атмосфере газообразного CHF. В результате экспонированную поверхность кварцевой подложки вытравливали, постепенно увеличивая диаметр квазишестиугольной решетки, а другая область не была вытравлена, поскольку резист использовался в качестве маски, в результате чего были сформированы углубленные участки 3, по существу треугольной формы в поперечном сечении, схематично показанные на фиг.6В. Степень травления изменяли в соответствии со временем травления. В конечном итоге резист был полностью удален в результате озоления О.
Таким образом, как описано выше, приготовили мастер-копию (мастер) со структурой с размерами меньше длины волны, углубленные участки которой образовывали конфигурацию квазишестиугольной решетки, с шагом Р1 330 нм в направлении вдоль окружности, шагом Р2 300 нм в направлении под углом приблизительно 60° к направлению вдоль окружности (в направлении приблизительно под углом 60°), и глубиной приблизительно от 270-400 нм.
[Изготовление подложки-реплики]
Затем на сформированную мастер-копию со структурой с размерами меньше длины волны нанесли полимерную смолу, отвердевающую под действием ультрафиолетового излучения, и затем акриловую пластину приклеили на смолу, отвердевающую под действием ультрафиолетового излучения. Затем выполнили отверждение полимерной смолы, отвердевающей под действием ультрафиолетового излучения, путем облучения ультрафиолетовым излучением, и удалили с кварцевой мастер-копии. Таким образом, как описано выше, изготовили подложку-реплику, отвердевшую под действием ультрафиолетового излучения, со структурой с размерами меньше длины волны, имеющей возвышенные участки структуры в виде квазишестиугольной решетки.
[Изготовление пресс-формы]
Затем проводящую пленку, включающую в себя никелевую пленку, сформировали с использованием способа химического осаждения на неровной структуре сформированной подложки-реплики из отвердевшей под действием ультрафиолетового излучения смолы со структурой с размерами меньше длины волны. Затем подложку-реплику, на которой был сформирован слой проводящей пленки, поместили в устройство для гальванопластики, и на проводящей пленке с помощью способа гальванопластики нанесли слой никелевого покрытия толщиной приблизительно 300±5 мкм. После этого слой никелевого покрытия сняли с подложки-реплики, используя резак или тому подобное, и затем перенесенную неровную поверхность структуры промыли ацетоном для получения металлической никелевой мастер-копии (пресс-формы) структуры с размерами меньше длины волны, имеющей углубленные участки в конфигурации квазишестиугольной решетки.
[Изготовление оптического устройства]
Затем изготовили подложку литьем под давлением из поликарбонатной смолы, используя сформированную никелевую металлическую мастер-копию структуры с размерами меньше длины волны, для получения литой подложки-реплики структуры с размерами меньше длины волны, имеющей на поверхности возвышенные участки структуры в виде квазишестиугольной решетки. Затем подложку-реплику разрезали на заданные размеры для получения оптического устройства в соответствии с настоящим изобретением.
(Пример 5)
3
В настоящем примере время травления плазменным газом CHF на этапе изготовления мастер-копии меняли для получения кварцевых мастер-копий А, Е структуры с размерами меньше длины волны, каждая из которых имела конфигурацию квазишестиугольной решетки с однородной пространственной периодичностью {период вдоль окружности (шаг Р1 размещения): 330 нм; период в направлении под углом 60° к окружности (шаг Р2 размещения): 300 нм). Кроме того, изготовили кварцевую мастер-копию F структуры с размерами меньше длины волны в виде квазишестиугольной решетки, в которой была обеспечена однородная пространственная периодичность (Р1: 315 нм; шаг Р2: 275 нм).
Затем, соответственно, изготовили отвердевающие под действием ультрафиолетового излучения подложки A1, E1, F1-реплики для кварцевых мастер-копий А, Е, F, структур с размерами меньше длины волны и литую подложку-реплику А2 (поликарбонат; коэффициент преломления: 1,59) для кварцевой мастер-копии А структуры с размерами меньше длины волны. Затем изготовили подложки-реплики EW1, FW1, отвердевающие под действием ультрафиолетового излучения (подложка-реплика, имеющая неровную структуру, включающую в себя смолу 7, отвердевающую под действием ультрафиолетового излучения, перенесенная на обе поверхности прозрачной подложки 6 по фиг.6С). На обеих сторонах подложки-реплики, отвердевающей под действием ультрафиолетового излучения, были обеспечены структуры с размерами меньше длины волны. Время травления для кварцевых мастер-копий А, Е, F и неровных структур подложек A1, E1, F1-реплик, отвердевших под действием ультрафиолетового излучения, и литой подложки А2-реплики совместно показаны на фиг.17.
Высоту структуры каждого образца измеряли по профилям поперечного сечения, полученным с использованием АСМ (атомно-силовая микроскопия). Следует отметить, что высота структуры в направлении вдоль окружности была меньше, чем высота в радиальном направлении. Кроме того, высота других участков, вне структуры в направлении вдоль окружности, по существу, была такой же, как и высота в радиальном направлении, и поэтому высота структуры представлена высотой в радиальном направлении.
(Оценка пропускающей способности)
Для каждого образца выполнили оценку пропускающей способности, используя измерительное устройство "V-500", изготовленное и поставленное компанией JASCO Coprporation. Зависимость пропускающей способности от длины волны для каждого образца показана на фиг.18-20.
На фиг.18А показаны характеристики пропускающей способности для образца A1. Образец A1 имел слабую зависимость пропускающей способности от длины волны, и средняя пропускающая способность составила 95-96% на длинах волн (440 нм - 800 нм), и поэтому обладал удовлетворительными свойствами.
На фиг.18В показаны характеристики пропускающей способности образца А2. У образца А2 характеристики пропускающей способности на длине волны 450 нм или меньшей длине волны были настолько хорошими, но средняя пропускающая способность составила 95-96% в диапазонах длин волн, используемых для дисплея (R: 650 нм; G: 530 нм; В: 450 нм), и поэтому образец обладал удовлетворительными свойствами. Кроме того, образец А2 имел зависимость пропускающей способности от длины волны, аналогичную образцу А1 подложки-реплики, отвердевшей под действием ультрафиолетового излучения. Результаты подтвердили, что образец А1 и образец А2 имеют аналогичные характеристики пропускающей способности для неровной поверхности структуры.
На фиг.18С показаны характеристики пропускающей способности образца Е1. Образец Е1 обладает малой зависимостью от длины волны и имеет очень высокую и стабильную пропускающую способность. Образец показал среднюю пропускающую способность 95-96% даже при длинах волн (430-800 нм) и отличные характеристики пропускающей способности.
На фиг.19 показаны характеристики пропускающей способности в зависимости от угла падения света на образец EW1. Характеристики пропускающей способности образца EW1 подложки-реплики, отвердевшей под действием ультрафиолетового излучения, со структурой с размерами меньше длины волны на обеих его поверхностях, дополнительно улучшились по сравнению с образцом Е1, поскольку в этом случае отсутствовало отражение на задней поверхности. Средняя пропускающая способность составила 99% под углом падения 0° в диапазоне длин волн 430-800 нм, поэтому могут быть получены весьма удовлетворительные свойства. Кроме того, даже если угол падения увеличивали, были получены удовлетворительные свойства, такие как пропускающая способность 96% под углом падения 20° и пропускающая способность 93,5% под углом падения 30° на длине волны синего цвета (450 нм).
В публикации № JP 2006-145885 заявки на японский патент (патентный документ 1), описан пример, в котором пропускающая способность света красного светодиода (640 нм), света зеленого светодиода (530 нм) и света синего светодиода (450 нм) были улучшены до 80%, 80% и 50%, соответственно, в результате использования ламинированной структуры диэлектрических тонких пленок, однако, в примерах в соответствии с настоящим изобретением значение пропускающей способности составляет 99%, 99% и 99%, соответственно, и, таким образом, пропускающая способность была значительно улучшена. Зависимость от угла падения также оказалась незначительной, и достаточные характеристики пропускающей способности были получены в углах от ±20° до 30°.
В частности, пропускающая способность для синего света (450 нм) улучшена от 50% до 99%, что показывает в два раза лучшую характеристику. Это означает меньшую вероятность того, что устройства будут повреждены в результате поглощения синего света. Таким образом можно обеспечить очень надежный оптический фильтр или светодиодный дисплей, используя такой оптический фильтр. Кроме того, поскольку редкоземельные элементы, такие как ниобий (Nb), не используются, можно обеспечить оптический фильтр, не создающий проблему загрязнения окружающей среды, или светодиодный дисплей с использованием такого оптического фильтра.
Затем, на фиг.20 представлены характеристики зависимости пропускающей способности и угла падения для образца FW1. Характеристики пропускающей способности образца FW1 подложки-реплики, отвердевшей под действием ультрафиолетового излучения, со структурой с размерами меньше длины волны на обеих поверхностях, показывают малую зависимость от длины волны, и среднее значение пропускающей способности составило 98% в диапазоне видимого света (400-800 нм), что позволяет реализовать значительно улучшенные характеристики пропускающей способности. Значительно улучшенные характеристики пропускающей способности также подтверждаются для конфигурации квазишестиугольной решетки с пространственной периодичностью (Р1: 315 нм; шаг Р2: 275 нм). В соответствии с этим, помимо светодиодного дисплея, такое оптическое устройство можно применять во многих изделиях, таких как дисплеи на основе флуоресцентных ламп, и устройства-световоды осветительных устройств.
На основе приведенных выше результатов можно получить достаточно хорошие характеристики пропускающей способности при пространственной периодичности Р1: 315-330 нм и Р2: 275-300 нм. Другими словами, могут быть получены достаточно хорошие характеристики пропускающей способности подложки-реплики, имеющей значение Р1/Р2, равное 1,05-1,2.
Кроме того, когда структура с размерами меньше длины волны имеет форму высокого эллиптического конуса в конфигурации искривленной шестиугольной решетки и с разбросом по высоте, когда соотношение размеров в диапазоне 0,94-1,28, могут быть получены отличные характеристики пропускающей способности.
(Пример 6)
3
В настоящем примере время травления в плазменном газе CHF изменяли на этапе изготовления мастер-копии для получения кварцевой мастер-копии F со структурой с размерами меньше длины волны, имеющей конфигурацию квазишестиугольной решетки, в которой пространственная периодичность {период вдоль окружности (шаг Р1 размещения): 315 нм; период под углом 60° в направлении вдоль окружности (шаг Р2 размещения): 275 нм}, была однородной. Кроме того, была изготовлена кварцевая мастер-копия G структуры с размерами меньше длины волны, в конфигурации квазишестиугольной решетки, в которой пространственная периодичность (Р1: 300 нм; шаг Р2: 265 нм) была равномерной.
Затем были, соответственно, приготовлены подложка F1-реплика, отвердевшая под действием ультрафиолетового излучения для кварцевой мастер-копии F структуры с размерами меньше длины волны, и литая подложка-реплика (поликарбонат; коэффициент преломления: 1,59) G1 для кварцевой мастер-копии G структуры с размерами меньше длины волны. Кроме того, соответственно, приготовили подложки-реплики, отвердевающие под действием ультрафиолетового излучения, имеющие на обеих сторонах структуры с размерами меньше длины волны (подложка-реплика, имеющая неровную структуру, включающая в себя полимерную смолу 7, отвердевающую под действием ультрафиолетового излучения, перенесенную на обе поверхности прозрачной подложки 6 по фиг.6С) FW1, GW1. Время травления кварцевых мастер-копий F, G и неровных структур подложки F1-реплики, отвердевшей под действием ультрафиолетового излучения, и литой подложки G1-реплики формования показаны на фиг.21.
4
На фиг.21 показан образец солнечного элемента Н, в котором, как показано на фиг.10, была сформирована структура кремневой подложки с покрытием из резиста (материал солнечного элемента) в конфигурации квазишестиугольной решетки, в которой пространственная периодичность {в направлении вдоль окружности (Р1): 300 нм; в направлении под углом 60° к направлению вдоль окружности (Р2): 330 нм} была равномерной, и которую затем подвергали травлению в плазме с применением газа CHF для формирования структуры с размерами меньше длины волны в конфигурации квазишестиугольной решетки на поверхности.
Высоту структуры в каждом образце измеряли по профилям поперечного сечения с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). Высота структуры в направлении вдоль окружности была меньше, чем высота в радиальном направлении. Кроме того, высота на других участках, не имеющих структуры, в направлении вдоль окружности по существу была такой же, как и высота в радиальном направлении, и поэтому высоту в радиальном направлении для представления использовали как высоту структуры.
(Оценка пропускающей способности)
Для каждого образца выполнили оценку пропускающей способности, используя измерительное устройство "V-500", изготовленное и поставленное компанией JASCO Corporation. Зависимость пропускающей способности от длины волны для каждого образца показана на фиг.22 и 23.
На фиг.22 показаны характеристики пропускающей способности образца FW1. Следует отметить, что этот образец FW1 был такой же, как образец FW1, описанный в примере 2, и на фиг.22 показан более широкий диапазон длин волны, чем на фиг.20. Как показано на фиг.22, образец FW1 имел пропускающую способность приблизительно 98% в диапазоне длин волн 400-1200 нм, и поэтому обладал удовлетворительными свойствами. Кроме того, пропускающая способность постепенно понижалась в диапазоне коротких длин волн (350-400 нм), но удовлетворительная пропускающая способность, приблизительно 70%, была получена даже на длине волны 350 нм. Кроме того, подтвердили, что зависимость от угла была низкой, и пропускающая способность оставалась постоянной до тех пор, пока угол падения не становился равным ±30°.
С другой стороны, на фиг.23 показаны характеристики пропускающей способности для образца GW1. Аналогично, образец GW1 имел пропускающую способность 98% в диапазоне длин волн 400-1200 нм, и поэтому обладал удовлетворительными свойствами.
Кроме того, пропускающая способность постепенно уменьшалась в диапазоне коротких длин волны (350-400 нм), но удовлетворительные свойства пропускающей способности 90% были получены даже при длине волны 350 нм.
Кроме того, подтвердили, что зависимость от угла была низкой, и пропускающая способность оставалась постоянной до тех пор, пока угол падения не становился равным ±30°.
На фиг.24 показан спектр солнечного света и спектр чувствительности типичного кремневого солнечного элемента (источник ссылки: "Thermo Photo Voltaic (TPV) electric generating system" Internet <URL:http://www.mech.tohoku.ac.jp/mech-labs/yugami/resear ch/tpv/tpv info.html>). Как показано на фиг.24, спектр солнечного света находится в диапазоне длин волн 350-1200 нм. В соответствии с этим, когда образцы FW1 и GW1, соответствующие настоящим примерам, обладающие отличными характеристиками пропускающей способности в широком диапазоне длин волн 350-1200 нм, применяют в качестве световодного окна для солнечного элемента, становится возможным повысить эффективность использования света, и это способствует улучшению эффективности генерирования энергии. Кроме того, помимо солнечных элементов, настоящее изобретение применимо для световодных окон и т.п., для многих датчиков света.
Исходя из приведенных выше результатов могут быть получены удовлетворительные характеристики пропускающей способности при пространственной периодичности; P1: 300-315 нм и Р2: 265-275 нм. Кроме того, возможно получить отличные характеристики пропускающей способности, в которых структура с размерами меньше длины волны имеет форму высокого эллиптического конуса в конфигурации искривленной шестиугольной решетки, и с разбросом по высоте структуры, с соотношением размеров от 1,09 до 1,19. Кроме того, солнечный элемент Н, имеющий структуры с размерами меньше длины волны в конфигурации квазишестиугольной решетки {период вдоль окружности (шаг Р1а размещения): 330 нм; период в направлении 60° к направлению окружности (шаг размещения Р2): 300 нм, глубина: 251 нм, соотношение размеров: 0,85) на поверхности имеет отражающую способность (при угле падения 5°) приблизительно 2% на очень малом участке структуры, по сравнению с коэффициентом отражения (приблизительно 40%) на плоских участках кремневой подложки. Поскольку солнечный элемент Н, имеющий структуру с размерами меньше длины волны, имеет малую зависимость от угла, можно ожидать повышения эффективности приблизительно в 1,5-2 раза.
(Пример 7)
Образец подложки-реплики, отвердевающей под действием ультрафиолетового излучения, получили с использованием того же способа, что и в примере 1, за исключением изменения соотношения размеров (Н/Р) до 0,58, 0,75, 0,92, 1,08, 1,25, 1,42 и 1,58, соответственно.
(Оценка отражающей способности)
Для каждого образца выполнили оценку отражающей способности с использованием устройства ("V-500", производитель-поставщик - компания JASCO Corporation). Зависимость отражающей способности от длины волны для каждого образца показана на фиг.25. Следует отметить, что на фиг.25 показана отражающая способность, установленная равной "1" для всех отражений. На фиг.25 можно видеть, что отражающая способность на стороне больших длин волн увеличивается по мере уменьшения соотношения размеров (Н/Р).
Ниже поясняются примеры 8-10 со ссылкой на фиг.26-28.
(Пример 8)
Как показано на фиг.26А, отражающая способность была получена для оптического устройства, имеющего структуры без юбочных участков, выполненных на основной поверхности в квазишестиугольной решетке. Следует отметить, что были установлены: глубина структуры 420 нм, период 330 нм и соотношение размеров 1,27, как показано на фиг.27. Результат этого показан на фиг.28.
(Пример 9)
На фиг.26В показана отражающая способность оптического устройства, имеющего структуры с юбочными участками, выполненными на основной поверхности. Следует отметить, что глубина структуры составила 420 нм, период 330 нм и соотношение размеров 1,27, как показано на фиг.27. Кроме того, юбочный участок был сформирован таким образом, что 10% внешней части от основной структуры имел наклон в диапазоне глубины 70 нм. Результат этого показан на фиг.28.
(Пример 10)
На фиг.26С показана отражающая способность прозрачной пластины, не имеющей структур. Результат этого показан на фиг.28.
(Оценка параметра отражающей способности)
Что касается примеров 8 и 9, имеющих структуры, отражающая способность в значительной степени уменьшена по сравнению с примером 10, не имеющим структуры. Кроме того, пример 9 со структурами с юбочными участками позволил получить отражающую способность, по существу, равную отражающей способности в примере 8, без юбочных участков на структурах. Следует отметить, что если юбочные участки выполнены на структурах, используемых в качестве оптического устройства, как в примере 9, оптическое устройство легче снимать с формы на этапе изготовления оптического устройства.
Исходя из приведенного выше результата, для уменьшения отражающей способности и для облегчения съема оптического устройство с формы, предпочтительно выполнять юбочные участки на структурах.
В частности, выше были описаны варианты воплощения и примеры в соответствии с настоящим изобретением, но настоящее изобретение не ограничивается этими вариантами воплощения и примерами, и может быть модифицировано на основе технической концепции настоящего изобретения.
Например, численные значения, приведенные в вариантах воплощения и в примерах, представляют собой просто примеры, и другие численные значения можно использовать в случае необходимости.
Кроме того, настоящее изобретение применимо к любой ультрамелкой обработанной структуре, включающей в себя боросиликатное стекло и т.п. Такую обработанную структуру можно использовать, например, как стекло покрытия для устройств съемки неподвижного изображения, таких как CCD (прибор с зарядовой связью) или CMOS (комплементарный металло-оксидный полупроводник). Как показано на фиг.22, поскольку высокая степень пропускающей способности обеспечивается в видимом свете, учитывается возможность предпочтительного применения настоящего изобретения для стекол покрытия.
ОПИСАНИЕ НОМЕРОВ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1. КВАРЦЕВАЯ ПОДЛОЖКА
2. СЛОЙ РЕЗИСТА
4. МАСТЕР-КОПИЯ
5. УСТРОЙСТВО ЭКСПОНИРОВАНИЯ
8. ПОДЛОЖКА-РЕПЛИКА
9. ФОРМА
10. ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
11. ОСНОВАНИЕ
11W. ПОДЛОЖКА
12. СТРУКТУРА
12а. ЮБОЧНЫЙ УЧАСТОК
40. ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО (СВЕТОВОДНОЕ ОКНО)
50. СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, СЕНСИБИЛИЗИРОВАННЫЙ КРАСИТЕЛЕМ
60. КРЕМНИЕВЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ