JP2004271558A

JP2004271558A - 偏光光学素子とその製造方法

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Publication number: JP2004271558A
Application number: JP2003058061A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Umeki; 和博梅木
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2023-03-05
Also published as: JP4280518B2

Abstract

【課題】生産の工程を簡素化して高精度の表面３次元構造をもつ「無機材料製品」の偏光光学素子を再現性よく、安価に製造する。
【解決手段】離型処理した金型上に紫外線硬化型樹脂１６を塗布し、その上にシランカップリング処理した光透過性の製品基板２を押し当て、製品基板２の裏面側から均一な紫外線光を照射して紫外線硬化型樹脂層１６を硬化させた後、金型を剥離する。樹脂層１６の形状をドライエッチングにより製品基板２に転写する。製品基板２のパターンが形成された表面上にＴｉＮ膜を８ｎｍ程度成膜し、その上にＡＬ−ＣＶＤ膜を０．１２μｍ成膜して、溝は完全に埋める。３５０℃で５分間リフローした後、アルミニウム膜を製品基板表面までエッチバックして、アルミニウムの導電素子アレイが石英基板に埋め込まれた偏光光学素子を製作した。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に超微細加工を施すことによって、光学的機能を発現する製品及びその製造方法に関し、特に無機誘電体基板表面に入射光の波長よりも短いピッチで等間隔に配列された多数の帯状導電素子からなるアレイを備えた無機偏光光学素子（光の性質のうち電磁波成分を利用する光学素子）とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
偏光光学素子には有機シート材料を使用した「有機材料製品」と、無機材料基板に金属細線をアレイ状に配列した「無機材料製品」がある。
「有機材料製品」は、構成材料がＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を主成分とする有機高分子材料からなる。その製造方法は、ＰＶＡフィルム材料に沃素材料又は有機染料を含浸し混合した後、これをＸ方向又はＸ−Ｙ方向に延伸させた後、上下方向からＰＶＡ等の有機フィルム材料でサンドイッチ構造に接合する方法がとられ、そのため二色性偏光子とも称されている。有機高分子材料から構成されているため、使用温度は１００℃以下に制限されている。
【０００３】
一例をあげるとと、ＰＶＡ材料で製作される「偏光板」は携帯用液晶の偏光板としては安価で十分な機能を発揮するが、最近需要が広がっている液晶プロジェクター（大画面テレビやプレゼンテーション用大画面表示装置に使用されている。高輝度ランプ光を光学的に集光させて高密度光を液晶パネルに垂直に照射する光学製品で、液晶パネル付近の温度が１２０℃程度に上昇する。その温度上昇を避けるために冷却用ファンなどが設置されている。）用偏光板としては、耐熱性、耐久性の問題で使用できない。特にこの用途では、波長の短い光を長時間にわたって照射するとその機能が低下する。
【０００４】
対策として、効率的な冷却が重要であるが、▲１▼冷却用のファンの設置、▲２▼パネルの熱吸収源であるブラックマトリックス（ＢＭ）の設置やＢＭ膜への反射膜の採用、▲３▼パネル枠対を金属にする、▲４▼熱伝導率の大きな（ガラスの４０倍）サファイアガラスを支持機材に使用するなどが行なわれているが、全て高価格となって液晶用表示素子の弱点となっている。
【０００５】
「無機材料製品」は、上記問題を解決するために提案されているもので、無機材料基板上に金属細線をアレイ状に配列したものであり、無機誘電体基板表面に使用光の波長よりも短いピッチで等間隔に配列された多数の帯状導電素子からなるアレイを備えた偏光光学素子が知られている（特許文献１−５参照。）。
【０００６】
図４はそのような偏光光学素子を概略的に表わしたものであり、誘電体基板２０上に幅ｗの多数の帯状導電素子２２が入射光の波長よりも短いピッチｐで互いに平行に配列されたアレイを備えている。この偏光光学素子に入射光２４が垂線からθの角度をもって入射面が導電素子２２に直交ように入射すると、この偏光光学素子は入射光２４の偏光成分のうち入射面に直交する偏光ベクトルを有する偏光成分を反射光２６とし、入射面に平行な偏光ベクトルを有する偏光成分を透過光２８とする偏光光学素子として機能する。
【０００７】
このような「無機材料製品」は、Ｘ線露光とリフトオフ法を使用して製作され、ガラス材料上に導電素子２２としてアルミニウム線が形成される。
【０００８】
超微細構造の製作方法としては、次のＡ），Ｂ）の方法が提案されている。
Ａ）電子ビーム、レーザービームやイオンビーム等を用いた直接描画法と、光リソグラフィーと、ドライエッチング技術を組み合わせた方法（非特許文献１参照。）。
Ｂ）複合機能回折光学素子の製作方法について、一定のレリーフ深さ（２値レベル）のフィリングファクターで特徴付けられた構造の素子の組合わせで光波の位相変調量を制御する「有効屈折率法」の方法（非特許文献２参照。）。
【０００９】
【特許文献１】
特表２００３−５０２７０８号公報
【特許文献２】
米国特許第６２０８４６３号明細書
【特許文献３】
米国特許第６１２２１０３号明細書
【特許文献４】
米国特許第６２４３１９９号明細書
【特許文献５】
米国特許５４５８０８４号明細書
【非特許文献１】
「応用物理」誌、第６８巻第６号（１９９９）Ｐ．６３３〜６３８参照
【非特許文献２】
「第２７回光学シンポジウム」講演番号９，１０，１１：講演予稿集（２００１）Ｐ．２５〜３６
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の「無機材料製品」の偏光光学素子では、ガラス基板の表面上にアルミニウム導電素子が形成されているので、ガラス基板材料とアルミニウム導電素子との密着性が悪いために剥れやすく、耐久性に問題がある。
また、表面に微細な凹凸があるため、手で触ると汚れが凹部に入って除去できなくなるため、手扱い困難であるという問題もある。
そこで、本発明の第１の目的は、耐久性があり、手扱いも容易な「無機材料製品」の偏光光学素子を提供することである。
【００１１】
本発明が対象とするような、使用する光学波長よりも小さなＬ／Ｓ（ライン・アンド・スペース）の超微細・三次元構造を形成する方法としては、上記のＡ），Ｂ）の方法のうち、Ａ方法では、回折光学素子の製作研究報告はあるものの、断面構造がテーパー状であり、またピッチは使用波長の０．７倍程度（０．７λ）で大きいものしかなかった。更に、次のような問題もある。
【００１２】
（イ）レーザービームやイオンビーム或いはＸ線を使用したマスク露光方法では、形成可能なＬ（ライン）幅に限界があり（露光に使用する光の波長よりも小さなＬは形成できないという限界）、十分小さな超微細構造が製作できない。
【００１３】
（ロ）電子ビームを使用した直接描画方法では、次の▲１▼〜▲６▼に列挙するような問題がある。
▲１▼広範囲の描画に莫大な描画時間を要する（５００μｍ×５００μｍの正方形で１０〜１５時間程度）。
▲２▼描画範囲が５００μｍ×５００μｍに限られこの有効描画領域を繋ぎ合わせることが必要である。
▲３▼その場合の繋ぎ合わせの精度σは１５ｎｍ程度である。繋ぎ合わせの精度は１回だけ描画する場合にはこれよりも高精度に描画することができる。しかし、多数回繰り返して描画する場合には次の理由ａ）〜ｄ）により繋ぎ合わせの精度が劣化する。
ａ）長時間描画により、描画中にフィラメント電流量が揺らぐ。
ｂ）長時間描画により、描画位置精度が低下する。
ｃ）フィラメント自身が劣化する。
ｅ）描画装置自体の性能（装置設計に依存する）
▲４▼描画に再現性が乏しい。
▲５▼描画時の欠陥が生じ易い。
▲６▼高精度な制御技術を有する装置が必要で、描画装置が高価である（１０億〜１５億円／台）。
【００１４】
そのため、低価格安定供給が求められる量産製品の製造方法としては、電子ビームを使用した直接描画方法は使用できない状況にあり、実用化された例はない。
そこで、本発明の第２の目的は、生産の工程を簡素化して高精度の表面３次元構造をもつ「無機材料製品」の偏光光学素子を再現性よく、安価に製造するための方法を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の偏光光学素子は、入射光に対して透明で、平坦な表面をもつ無機誘電体基板の平坦な表面に、同じ幅、同じ深さをもち、入射光の波長よりも短いピッチで等間隔に配列され、表面が前記基板の平坦な表面と同一平面となるように埋め込まれた多数の帯状導電素子からなるアレイを少なくとも１つ備えたことを特徴とするものである。
【００１６】
本発明では、導電素子は基板に埋め込まれているので、耐熱性がよく、導電素子が基板から剥れることがないので耐久性にも優れている。また、表面は平坦で凹凸がないため、手で触れて汚れがついても容易に除去することができ、手扱いが容易になる。
【００１７】
この偏光光学素子を製造する本発明の製造方法は、以下の工程（Ａ）から（Ｆ）をその順に備えている。
（Ａ）平坦な表面に、同じ幅、同じ高さをもち、入射光の波長よりも短いピッチで等間隔に配列された多数の凸状のアレイからなる微細形状をもつ金型を製作する工程。
（Ｂ）前記金型表面に硬化可能な樹脂を介して製品基板を押し当て、金型表面形状を製品基板上の前記樹脂に転写する工程。
（Ｃ）前記樹脂を硬化させる工程。
（Ｄ）前記樹脂を前記製品基板に接合させた状態でその樹脂を前記金型から剥離させる工程。
（Ｅ）前記樹脂に転写された形状をドライエッチング法によって前記製品基板に転写する工程。
（Ｆ）上記（Ｅ）工程で前記製品基板表面に形成された凹部を金属で埋める工程。
【００１８】
この製造方法の内容を大きく分けると次の２段階で構成されている。▲１▼Ｌ／Ｓの超微細・三次元構造を所望の基板上に形成すること、及び、▲２▼この三次元構造の溝部分を金属膜で埋めることである。
【００１９】
本発明では、Ｌ／Ｓの超微細・三次元構造を金型をもちいて樹脂に転写し、その転写された形状を製品基板に転写する方法をとる。金型を製作する工程では高価な描画装置を用いる必要があり、しかも描画に長時間を要するが、一度、高精度の金型を製作すれば、この金型を用いて製品を製造するので、量産製品毎に直接描画する必要がなく、生産の工程が簡素化され、偏光光学素子を再現性よく安価に製造することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
帯状導電素子アレイが埋め込まれている基板表面とその反対側の面には反射防止膜が形成されていることが好ましい。これにより、超微細構造に密着性が良く、安価で耐熱性・耐腐食性が高く、かつ光学的効率の高い偏光素子とすることができる。
【００２１】
帯状導電素子アレイが形成されている領域以外の領域に帯状導電素子につながる導電層を埋め込んでおいてもよい。この場合、帯状導電素子アレイ部分の偏光光学素子表面が熱を発生す場合、その熱を放出しやすくなる。その導電層に放熱板を接触させれば、放熱効果がさらに高まる。
【００２２】
製造方法において、工程（Ｂ）で金型表面に樹脂を介して製品基板を押し当てる前に、金型表面に離型処理を施すのが好ましい。金型表面の離型処理の一例は、金型表面に金属薄膜を成膜することで、この離型処理により、金型の形状転写性が飛躍的に増し、正確な転写が行なえると同時に、剥離性が容易となり金型の寿命が飛躍的に向上する。
【００２３】
離型処理として、さらにその金属薄膜上に微細な構造のフッ素樹脂を含む層によって表面処理を施すことが好ましい。
離型処理の施された金型表面に樹脂を介して製品基板を押し当てる際、樹脂と製品基板表面との間に両者の密着性を向上させるためのプライマー表面処理を施しておくことが好ましい。これにより、剥離工程で金型側から選択的に剥離が行なわれ、樹脂のクワレ（剥離の際に樹脂の一部が金型に残ること）が急激に減少する。その結果、次工程での形状転写性が向上する。
【００２４】
金型の表面形状の反転形状を転写する樹脂としては、紫外線硬化型樹脂や熱硬化型樹脂を用いることができる。
その樹脂として紫外線硬化型樹脂を用いる場合には、次のような利点がある。▲１▼常温での硬化が可能である。▲２▼液体状で塗布できるので、流動性がよく、泡などの発生を防ぐことができる。▲３▼紫外光を均一に照射して硬化させることができるので、均一に硬化させることができる。▲４▼短時間に硬化させることができる。その結果、金型表面形状を正確に容易に転写することができるようになる。
【００２５】
その樹脂として熱硬化型樹脂を用いる場合でも、均一に硬化させることによって、紫外線硬化型樹脂と同様に金型表面形状を正確に転写することができる。熱硬化型樹脂としては、プラスチック眼鏡レンズや、コンタクトレンズの製造に使用されている樹脂を用いることができる。
【００２６】
金型の表面形状の反転形状を転写する樹脂として紫外線硬化型樹脂を使用する場合、紫外線硬化型樹脂を硬化させる方法として、金型と製品基板のうち少なくとも一方は紫外線透過材料からなるものを選択しておき、紫外線硬化型樹脂の硬化工程では、紫外線透過材料の金型もしくは製品基板、又は両方を通して紫外線硬化型樹脂に紫外線を照射してその紫外線硬化型樹脂を均一に硬化させるようにするのが好ましい。紫外線硬化型樹脂を均一に硬化させることにより、金型の形状転写性が飛躍的に増し、正確な転写が行なえる。
【００２７】
金型の表面形状の反転形状を転写する樹脂として熱硬化型樹脂を使用する場合、熱硬化型樹脂を硬化させる方法として、金型と製品基板を位置決めした状態で固定し、樹脂注入口を別途設ける。熱硬化型樹脂の硬化工程では徐々に加熱しながら金型全体に均一に熱が行きわたるようにして加熱硬化させるのが望ましい。
【００２８】
一般に、樹脂は硬化の際に収縮するものである。そこで、その収縮量を予め求めておき、感光性材料のドライエッチングによる金型母材料への形状転写工程では、その収縮量部分を見込んで金型母材料の形状が深くなるように補正して加工し、また、金型の表面平坦部と製品基板の表面平坦部は、互いに平行で、かつその隙間が微小になるように定量的に制御するのが好ましい。これにより、硬化収縮量の補正が可能となる。
【００２９】
金型表面の微細形状を形成する好ましい１つの方法は、以下の工程（Ｇ）から（Ｉ）をその順に備えた方法である。
（Ｇ）前記微細形状を形成しようとする金型母材料表面上に感光性材料（レジスト）を塗布する工程。
（Ｈ）電子線（ＥＢ）により感光性材料に所望の形状を描画し、次いで現像して感光性材料に所望形状を形成する工程。
（Ｉ）その感光性材料の形状をドライエッチング法によって金型母材料に転写する工程。
【００３０】
電子線により所望の形状を描画することにより、１度のプロセスで所望の形状を高精度で作製できる。
また、感光性材料の形状をドライエッチング法によって金型母材料に転写するようにすれば、軟質材料であるレジスト形状を硬質金型材料に転写できる。
【００３１】
この場合、金型母材料はドライエッチング可能な材料であることが必要であり、そのような材料として金属材料、ガラス材料、セラミックス材料、半導体材料、プラスチック材料及び硬質ゴム材料からなる群から選ばれた１種を用いることができる。
【００３２】
一般には、金型母材は平面基板．であり、その平面上の表面に微細形状を形成する。
金型を作る際に金型母材料表面に感光性材料パターンを形成するために電子線描画用感光性材料を使用する場合は、その電子線描画用感光性材料はポジ型レジストとネガ型レジストのいずれも使用することができるが、微細構造製造方法としてポジ型レジストを塗布し電子線描画方法で描画する場合には、描画の再現性が良く、電子の漏れ等の制御が容易で制御し易いという利点がある。
【００３３】
金型を製作する際、感光性材料の形状をドライエッチング法によって金型母材料に転写する工程におけるドライエッチング工程で、所望の形状を深さ方向に深く（アスペクト比：大きくなるように）転写するために、選択比を段階的又は連続的に変化させることが好ましい。このように、選択比を段階的又は連続的に変化させることにより、転写時に所望の形状を深く得ることができるようになる。ここで「金型」とは、基となる形状を有する物品で、「転写すべき基形状を有する原盤」を意味している。また本件では詳細に述べないが、上記「金型」（マザー型）を基にして電鋳法で（形状が反転するが）「金属型製作」（シスター型）し、これを「転写用金型」として用いることもできる。この場合は、メッキできる材料であれば金属や合金材料など特別の制限はない。
【００３４】
樹脂に転写された形状をドライエッチング法によって製品基板に転写する際、製品基板に所望の形状を形成するためにそのドライエッチングにおける樹脂と製品基板とのエッチングの選択比を段階的又は連続的に変化させることが好ましい。この選択比の調整により深さ方向の形状の補正が可能となり、所望の深い形状に転写できるようになる。また、（超微細転写のための）エッチング工程を途中で中断し樹脂層を基板表面に僅かに残し、その後樹脂層をシード層ごと除去する工程によって、基板表面の平坦性を確保できる。
【００３５】
製品基板に形成された三次元超微細構造の溝部分を金属膜で埋める製作方法としては、半導体集積回路製造分野において、０．１μｍ（＝１００ｎｍ）のスルーホール穴埋め技術としてＷ、Ｃｕ材料が提案されている。しかし、本発明の偏光光学素子では、（イ）ラインの線幅が１００ｎｍ以下と更に細線となることがあること、（ロ）高反射率性能を発揮するＡＬ（アルミニウム）材料が好ましいものとして求められること、（ハ）確実な穴埋め性能を要求されること、（ニ）穴埋め材料中に気泡があってはいけないこと、などの特性を求められることから、従来方法により単に金属膜を成膜するだけではうまくいかないことがある。
【００３６】
そこで、本発明の好ましい方法では、製作された超微細構造に好ましい金属としてアルミニウム材料を穴埋めする方法として、超微細構造中に緻密かつ、着き廻り性良く成膜するためにＡＬ−ＣＶＤ法を用いる。
【００３７】
ＡＬ−ＣＶＤ法は、先ずＡＬ膜が還元反応で成長するためのシード層（種層）を超真空中でスパッタリング法で形成する。これは、Ｔｉ又はＴｉＮ材料からなるシード層である。この方法によって、目的基板の超微細な穴中にもシード層としてのＴｉＮ、Ｔｉが成膜される。
【００３８】
必要に応じて、上で述べた超微細転写のためのエッチング工程を途中で中断し樹脂層を基板表面に僅かに残し、その後樹脂層を除去する工程をここで行なってもよい。
次に、特殊なＡＬ−ＣＶＤ用のガスを加熱させて蒸発させて、ＣＶＤ成膜専用装置（チャンバー）に導入する。装置内では製品基板表面が還元ＣＶＤ反応が十分におきるような基板温度に上昇されているため、基板表面ではシード層表面を基に金属ＡＬ膜が成膜（堆積）する。完全に穴埋めするまで成膜する。
【００３９】
アルミニウムで完全に穴埋めされた表面は、僅かにオーバー成膜（穴の深さよりも厚くなるように）されている。したがって、ガラス基板表面は、全面アルミニウムで覆われている。しかし、アルミニウムの成長の際に基板表面全てが均一の速度で成膜されるわけではないので、微視的に観察すると、表面のモホロジーは、数ｎｍ〜数十ｎｍオーダーで荒れている。この荒れを除去するために、リフロー工程を通すのが好ましい。この工程は、金属ＣＶＤ膜成膜後、大気に曝すことなく真空チャンバー中で金属が溶融する温度以上に加熱し金属膜表面を平坦化する、加熱リフロー工程である。加熱リフローすることによって、基板表面のアルミニウムは表面表力と重力によって基板表面平行、重力に垂直方向に平坦化する。
【００４０】
その後、光学的性能を発現させるために基板表面に（ガラス質からなる）透明な透過ライン面を出すために超微細構造を形成している製品基板表面まで、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）工法で高精度に研磨量を制御しながら表面を研磨するか、又は、ドライエッチング装置中でエッチングし金属アルミニウム膜を除去する、いわゆるエッチバックを行なう。
【００４１】
【実施例】
（実施例１）
図１（Ａ），（Ｂ）に示す偏光光学素子を製作した。図１の（Ａ）は概略平面図、（Ｂ）は（Ａ）の導電素子アレイ部分を縦方向に沿って切断した状態の断面図を示している。この偏光光学素子は厚さｔが１．０ｍｍの合成石英基板２の表面に形成されたライン・アンド・スペースＬ／Ｓが３５ｎｍ／３５ｎｍ、ピッチＰが７０ｎｍ、深さＤが１１０ｎｍの溝構造にアルミニウムを穴埋めした導電素子４がアレイ状に配列されたものである。基板２のサイズは２５ｍｍ×２０ｍｍで、その素子有効範囲は２２ｍｍ×１７ｍｍである。そのアレイにはＬ／Ｓの導電素子４が短手方向に平行に規則的なパターンとして配列されている。Ｌ（ライン）はアルミニウム膜が埋められている部分で、Ｓ（スペース）は石英表面が残っている部分、ＰはＬ＋Ｓのピッチを示している。ライン数は省略している。図は導電素子４を拡大し簡略化して４本だけを示している。
【００４２】
導電素子アレイの外周部分数ｍｍは、導電素子４のない部分が帯状に存在している。その部分には導電素子４につながる導電層５が埋め込まれている。導電層５は導電素子４と同じアルミニウム膜であり、導電素子４との形成時に導電素子４と同時に形成することができる。
【００４３】
この偏光光学素子の表裏両面には反射防止膜６が成膜してある。反射防止膜６は、例えばＭｇＦ_２膜，ＳｉＯ_２膜及びＴｉＯ_２膜を含む５層膜構成の膜である。この反射防止膜６が反射防止機能を有する波長は、３８０〜７００ｎｍの範囲であり、透過率は石英基板の透過率を１００％とすると９９％以上である。
【００４４】
以下に、図２，３を参照してこの偏光光学素子の製作手順を示す。
以下に工程毎の断面図で説明する。
（ａ）（金型母材料上に電子線用感光性材料を塗布し、電子線で描画する工程）
金型母材料１０として直径が６インチ、厚さが１．０ｍｍのシリコン基板を用意した。この金型母材料１０の表面上に電子線描画用感光性材料（レジスト）１２（日本ゼオン社製：ＺＥＰ−５２０）をスピンナーにて、５００ｒｐｍで５秒間、続いて４０００ｒｐｍで３０秒間塗布した。その後、９０℃で５分間のプリベークを行なった後、急冷却した。この時のレジスト膜厚は、０．１４μｍであった。
【００４５】
次に、図１に示す形状の反転形状（凹凸が反対）を得る為に、別途専用ソフトを使用してＥＢ照射ビームがなぞる領域分割、経路及びビーム径、ドーズ量、描画時間等を入力しておく。本実施例の場合には、描画全領域を５００μｍ×５００μｍの正方形の領域に分割して描画プログラムを作成し、この領域を繋ぎ合わせて２２ｍｍ×１７ｍｍの全領域を描画した。なお、本件では最終製品形状と描画形状とは、反転した関係である。予め、反転形状でプログラムを製作するのは当然である。
【００４６】
そのレジスト１２を塗布した金型母材料１０を電子線描画装置にセットし、所定の真空度まで排気する。次いで、専用データを描画装置の制御装置に転送し、描画を開始する。本件の場合には、Ｘ−Ｙステージを移動させながら描画し、描画に４８時間を要した。
【００４７】
（ｂ）（現像・リンスする工程）（図は現像後のパターン断面形状を示している。）
描画後、現像液（ＺＥＰ−５２０現像液）を使用して２５℃で３分間現像した。リンスを行ない、窒素ブロアーとスピンナー回転にて直ぐに乾燥させた。また、ポストベークを１２０℃で５分間行なった。
【００４８】
（ｃ）（感光性材料１２をマスクとして、ドライエッチングにより金型を製作する工程）（必要に応じて、剥離処理を施す工程。）
描画後のレジストのパターン１２ａをドライエッチング法によって金型母材料１０に転写した。このときのドライエッチングは、ＴＣＰ（誘導結合型プラズマ）エッチング装置を用い、ＣＦ_４：２０ｓｃｃｍのガスを導入しながら、基板バイアス電圧：５００Ｗ、上部電極パワー：１２５０Ｗ、真空度１．０×１０^−３Ｔｏｏｒ（すなわち１．５ｍＴｏｏｒ）で０．５分間エッチングを行なった。このときのエッチング速度は、０．１８μｍ／分であった。僅かに（０．０１μｍ程）アンダーエッチングで終了させた。つまり表面に僅かにレジストが残っている状況である。エッチングの選択比（金型母材料のエッチング速度／レジストのエッチング速度）は１．０でエッチング後の金型１０ａの形状１４の高さは、０．１２μｍ（１２０ｎｍ）であった。表面粗さＲａは０．００２μｍ以下で良好であった。この形状高さは、次工程での選択比と、樹脂収縮（７％）を見込んで設定した。この時の金型形状１４は、描画時の形状に比較して、ピッチ一定で、高さだけが０．９倍になっていた。
【００４９】
この金型１０ａの表面を離型処理するために、表面をフッ素官能基を有するトリアジンチオール有機化合物で表面処理した。これは、有機鍍金法と言われる方法で行なった。具体的には、フッ素化ＳＦＴＴ（スーパーファイントリアジンチオール）を溶媒に溶かした溶液中で電解重合処理（有機鍍金）して、金型表面にフッ素系の有機薄膜を形成した。フッ素化ＳＦＴＴは、有機硫黄化合物の１つであるトリアジンチオールの側鎖をフッ素化したものである。フッ素分子の数ｎは、ｎ＝７が最も撥水効果（剥型効果）が高かったので、この条件で１００Å成膜した。
【００５０】
（ｄ）（金型パターン上に樹脂を塗布し、製品基板を上方から押し当てる工程）
離型処理した金型１０ａを下にセットして、この上に好ましい樹脂である紫外線硬化型樹脂１６としてアクリル系樹脂（大日本インキ社製：ＧＲＡＮＤＩＣＲＣ−８７２０）を１ｃｃ塗布した。この金型１０ａを専用の接合機にセットし、予め別の工程でシランカップリング処理（密着性向上処理）を施した光透過性の製品基板の平面基板２（信越石英社製：合成石英スプラシルＰ−２０）のシランカップリング処理面をゆっくりと押し当てる。このとき、紫外線硬化型樹脂１６の中に泡が発生しないように降下速度と、金型と製品基板の平行度（間隔が５０ｎｍ以下となるように）を制御した自動接合機で接合した。
次に、金型１０側からゆっくりと製品基板２側に押し上げて、形状転写時に余分となる紫外線硬化型樹脂１６を除去した。
【００５１】
（ｅ）（紫外線照射し樹脂を硬化させ、次いで剥離する工程）
製品基板２の裏面側から均一な紫外線光を３０００ｍＪ照射して紫外線硬化型樹脂層１６を硬化させた。このときの紫外線硬化型樹脂層１６の厚さ（紫外線硬化型樹脂層１６のトップと製品基板２間の距離）は、０．０５μｍ以下であった。当然、紫外線硬化型樹脂層１６の最大厚さは、「パターン深さ：０．１２」＋「０．０５以下」＝０．１７μｍ以下である。
【００５２】
（ｆ）（製品基板から金型を剥離する工程）
次に、紫外線硬化型樹脂層１６を製品基板２に接合したまま金型１０ａの表面から剥離するために、治具を使って、金型材料シリコン基板１０ａをやや凸形状に変形させながら互いに平行状態を維持しながら剥離させた。
製品基板２の表面上の樹脂層１６の転写形状を測定したところ、光学素子部の高さは、０．１１μｍ（１１０ｎｍ）に小さくなっていた。これは、樹脂層１６が硬化収縮したためであり、その硬化収縮率は平均で約８．５％であった。
【００５３】
（ｇ）（ドライエッチングして樹脂形状を製品基板に転写する工程）
次に、製品基板２上の樹脂層１６の転写形状を上記と同様に転写した。このときのドライエッチングは、ＴＣＰ（誘導結合型プラズマ）エッチング装置を用い、ＣＦ_４：２０ｓｃｃｍのガスを導入しながら、基板バイアス電圧：５００Ｗ、上部電極パワー：１２５０Ｗ、真空度１．０×１０^−３Ｔｏｏｒ（すなわち１．５ｍＴｏｏｒ）で０．５分間エッチングを行なった。このときのエッチング速度は、０．１０μｍ／分であった。僅かに（０．０４μｍ程）アンダーエッチングで終了させた。つまり表面に僅かに樹脂が残っている状況である。エッチングの選択比（製品基板のエッチング速度／樹脂層のエッチング速度）は１．０でエッチング後の製品基板２の形状高さは、０．１１μｍ（１１０ｎｍ）であった。表面粗さＲａは０．００２μｍ以下で良好であった。
【００５４】
エッチング後の形状を側長ＳＥＭ装置を用いて、Ｌ／Ｓ寸法測定、段差測定を行なった。この中間工程での光学素子形状は、製品基板２の合成石英材表面にＬ／Ｓ＝３５／３５ｎｍ、Ｐ＝７０ｎｍ、深さ：Ｄ＝１１０ｎｍの溝構造４ａが製作できた。
【００５５】
（ｈ）（ＡＬ―ＣＶＤ法（▲１▼Ｔｉ又はＴｉＮシード層＋▲２▼ＡＬ―ＣＶＤ）によって溝をＡＬで穴埋めする工程）
（これらの工程は、いくつもの真空チャンバーを有し、中央に搬送系を要するインテグレーションタイプの反応槽が統合された真空装置で行なった。）
通常のスパッタリング装置を用いて製品基板２のパターンが形成された表面上にＴｉＮ膜を８ｎｍ程度成膜した。
【００５６】
次いで、必要に応じて別のチャンバーで表面活性化を目的として、Ａｒガス中で逆スパッタリングを０．５分間行なった。この工程で、ＴｉＮ膜の表面が活性化される。
【００５７】
次いで、基板を１２５℃に加熱しながらＭＰＡ（１−メチルピロリジンアラン：分解反応によって、ピロリジンガスとアルミニウムを含むアランガスに分解する。アランガスからアルミニウムが基板表面に析出する）ガスを１０ＳＣＣＭで１分間流しながら成膜圧力４７Ｐａの条件下で、ＡＬ−ＣＶＤ膜を０．１２μｍ成膜した。
【００５８】
このとき溝は完全に埋められたが、アルミニウムの表面粗さが粗かったので、３５０℃で５分間リフローしてアルミニウム表面の平坦化・均一化、緻密化、密着性の向上を図った。このときのアルミニウムの（石英基板表面からの）膜厚は、１０ｎｍであった。この処理後のアルミニウムの表面粗さは、Ｒａ＝３ｎｍ以下で良好であった。
【００５９】
（ｉ）（石英表面にオーバー成膜された金属ＡＬ膜を製品基板の石英が表面に現れるまで、エッチバック法で除去する工程）
アルミニウム成膜、リフロー後のアルミニウム膜をエッチバック（ドライエッチング）法によって製品基板の石英基板表面までエッチングした。このときのドライエッチングは、ＴＣＰ（誘導結合型プラズマ）エッチング装置を用い、ＣＦ_４：７ｓｃｃｍ、Ａｒ：１０ｓｃｃｍ、ＢＣＬ３：３ｓｃｃｍ、のガスを導入しながら、基板バイアス電圧：３００Ｗ、上部電極パワー：１２５０Ｗ、基板温度：２０℃、真空度１．０×１０^−３Ｔｏｏｒ（すなわち１．０ｍＴｏｏｒ）で０．５分間エッチングを行なった。このときのエッチング速度はアルミニウムとＴｉＮ膜を含めて、２０ｎｍ／分（１０ｎｍ／０．５分）であった。エンドポイントディテクターを使用してエッチングストップを行なったので、石英基板表面のジャストエッチングで終了させた。つまり表面にアルミニウムと石英が出ている状況である。表面粗さは、Ｒａ＝０．００２μｍ以下で良好であった。
【００６０】
（ｊ）石英基板２の両面に反射防止膜を成膜する。
基板の形態で進めてきたが、最後に、製品化するためにダイシング装置で個々の偏光光学素子に切断し、切り離す。
得られた偏光光学素子のパターン寸法と光学性能を評価する。
製品検査は、抜き取りの断面形状評価と測長ＳＥＭで寸法測定を行なった。
上記実施例の製造方法によって、設計通り、透過率：６４％、コントラスト：６８３（λ＝４５０ｎｍ）の偏光特性が得られた。
【００６１】
【発明の効果】
本発明の偏光光学素子は、入射光に対して透明で、平坦な表面をもつ無機誘電体基板の平坦な表面に、同じ幅、同じ深さをもち、入射光の波長よりも短いピッチで等間隔に配列され、表面が前記基板の平坦な表面と同一平面となるように埋め込まれた多数の帯状導電素子からなるアレイを備えているので、耐熱性がよく、導電素子の基板への密着性がよいので耐久性にも優れている。また、表面は平坦で凹凸がないため、手で触れて汚れがついても容易に除去することができ、手扱いが容易になる。
【００６２】
本発明の製造方法では、表面に微細形状をもつ金型の表面に硬化可能な樹脂を介して製品基板を押し当て、金型の表面形状の反転形状をその樹脂に転写し、その樹脂を硬化させ、その樹脂を製品基板に接合させた状態で金型を剥離した後、その樹脂に転写された形状をドライエッチング法によって製品基板に転写することにより、微細表面構造をもつ物品を製造するようにしたので、微細構造（高精度の表面３次元構造）を高精度で、量産製品を大量に生産可能となった。生産の工程を簡素化して再現性あるかつ容易な製造工程とし、低コスト化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例の偏光光学素子を示す図で、（Ａ）は概略平面図、（Ｂ）は（Ａ）の導電素子アレイ部分を縦方向に沿って切断した状態の断面図である。
【図２】製造方法の一実施例の前半部を示す工程断面図である。
【図３】製造方法の一実施例の後半部を示す工程断面図である。
【図４】従来の偏光光学素子を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
２合成石英基板
４導電素子
４ａ溝構造
６反射防止膜
１０金型母材料
１２電子線用感光性材料
１０ａ金型
１４金型の形状
１６紫外線硬化型樹脂

Claims

入射光に対して透明で、平坦な表面をもつ無機誘電体基板の平坦な表面に、同じ幅、同じ深さをもち、入射光の波長よりも短いピッチで等間隔に配列され、表面が前記基板の平坦な表面と同一平面となるように埋め込まれた多数の帯状導電素子からなるアレイを備えたことを特徴とする偏光光学素子。
前記帯状導電素子アレイが埋め込まれている前記基板表面とその反対側の面には反射防止膜が形成されている請求項１に記載の偏光光学素子。
前記帯状導電素子アレイが形成されている領域以外の領域に前記帯状導電素子につながる導電層が埋め込まれている請求項１又は２に記載の偏光光学素子。
以下の工程（Ａ）から（Ｆ）をその順に備えて偏光光学素子を製造する製造方法。
（Ａ）平坦な表面に、同じ幅、同じ高さをもち、入射光の波長よりも短いピッチで等間隔に配列された多数の凸状のアレイからなる微細形状をもつ金型を製作する工程。
（Ｂ）前記金型表面に硬化可能な樹脂を介して製品基板を押し当て、金型表面形状を製品基板上の前記樹脂に転写する工程。
（Ｃ）前記樹脂を硬化させる工程。
（Ｄ）前記樹脂を前記製品基板に接合させた状態でその樹脂を前記金型から剥離させる工程。
（Ｅ）前記樹脂に転写された形状をドライエッチング法によって前記製品基板に転写する工程。
（Ｆ）上記（Ｅ）工程で前記製品基板表面に形成された凹部を金属で埋める工程。
前記工程（Ｂ）で金型表面に前記樹脂を介して製品基板を押し当てる前に、前記金型表面に離型処理を施す請求項４に記載の製造方法。
前記樹脂は紫外線硬化型樹脂である請求項４又は５に記載の製造方法。
金型表面の前記微細形状は、以下の工程（Ｇ）から（Ｉ）をその順に備えて形成する請求項４から６のいずれかに記載の製造方法。
（Ｇ）前記微細形状を形成しようとする金型母材料表面上に感光性材料を塗布する工程。
（Ｈ）電子線により前記感光性材料に所望の形状を描画し、次いで現像して前記感光性材料に所望形状を形成する工程。
（Ｉ）前記感光性材料の形状をドライエッチング法によって前記金型母材料に転写する工程。
前記金型母材料はドライエッチング可能な材料であり、シリコン材料、半導体材料、金属材料、ガラス材料、セラミックス材料、プラスチック材料及び硬質ゴム材料からなる群から選ばれた１種である請求項７に記載の製造方法。
工程（Ｆ）で前記凹部を埋める金属材料としてＡＬを用い、ＡＬ−ＣＶＤ法で成膜する請求項４に記載の製造方法。
前記ＡＬ−ＣＶＤ法は以下の工程（Ｊ）と（Ｋ）を備えている請求項９に記載の製造方法。
（Ｊ）前記凹部が形成されている製品基板表面にＴｉ又はＴｉＮ材料からなるシード層を形成する工程。
（Ｋ）前記シード層上に前記凹部を完全に穴埋めするまでＡＬ−ＣＶＤ膜を成膜する工程。
前記工程（Ｅ）及び（Ｆ）を以下の工程（Ｌ）から（Ｎ）をその順に備えて行なう請求項４に記載の製造方法。
（Ｌ）工程（Ｅ）のドライエッチング工程を前記樹脂層が製品基板表面に残っている途中の段階で中断し、その状態で前記凹部が形成されている製品基板表面にＴｉ又はＴｉＮ材料からなるシード層を形成する工程。
（Ｍ）基板表面に残っている樹脂層をその上のシード層とともに除去するリフトオフ工程。
（Ｎ）前記基板表面上でシード層が残っている凹部にその凹部を完全に穴埋めするまでＡＬ−ＣＶＤ膜を選択的に成膜する工程。
前記工程（Ｆ）は、以下の工程（Ｏ）と（Ｐ）を備えて行なう請求項４，９，１０又は１１に記載の製造方法。
（Ｏ）前記金属を前記凹部の深さよりも厚く成膜した後、その金属層を大気に曝すことなく真空チャンバー中で金属が溶融する温度以上に加熱して金属層表面を平坦化する加熱リフロー工程。
（Ｐ）その後、その平坦化された金属層を製品基板表面が露出するまで除去する工程。
前記工程（Ｐ）はＣＭＰ工法又はエッチバック工法で行なう請求項１２記載の製造方法。