JP2009025558A - 波長選択素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明が解決しようとする課題は、格子パターンが形成された金型やマスクでパターニングすることによる、安価かつ選択波長をオーダーメイド可能な波長選択素子の製造、樹脂材料を使ったフレキシブルな波長選択素子の製作、視野角の広い波長選択素子の製作、可視光領域での波長選択素子を提供することである。
【解決手段】基板と、基板上に形成され格子層及び導波層を含むサブ波長構造層を備え、選択波を反射又は透過する波長選択素子であって、格子層の周期が選択波長の真空中の長さより小さく、かつ少なくとも格子層は樹脂材料で構成されていることを特徴とする波長選択素子である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光計測・分析、光情報処理・表示等に用いる波長選択素子及びその製造方法に関する。

特定の波長の光を透過あるいは反射する波長選択素子は、光計測や分析などの用途から、ディスプレイのような表示機器に到るまで幅広く使われている。例えばディスプレイ用カラーフィルタは、材料として染料、顔料、金属薄膜などが用いられている。このようなカラーフィルタは、赤・緑・青の色毎にフォトリソグラフィや印刷によってフィルタとなる色素を基板上に配置している。従って三色のカラーフィルタを配置するには少なくとも３回のフォトリソグラフィが必要となる。そのため製作工程が複雑になり、原材料の種類も増える。

その他の波長選択素子を製作する技術として多層膜フィルタがある。誘電体や金属などの薄膜を複数層重ねることで、干渉によって任意の波長、若しくは波長領域を透過させる。製作にかかるコストは層数や材質によって変化する。高機能のフィルターの製作には層数を増やす必要があり、それに伴って製作にかかる工程及びコストは増加する。また、透過又は反射させる波長によって膜の材質や膜厚などを変化させる必要があり、ディスプレイ用として三原色の画素の製作をするには染料・顔料系カラーフィルタと同様、色ごとに製作する工程が必要となる。そのため、異なる透過特性を持つフィルタを同一基板上に成膜することは困難である。

一方で、新しい光学素子として導波モード共鳴格子（Guided-mode resonant grating: GMRG）（非特許文献１、２）が注目されている。GMRGはサブ波長格子の波長選択フィルタである。理論値では狭帯域で100%の反射率を持つ。サブ波長格子は回折格子の周期を光の波長以下まで短くしたものである。回折波の次数が抑えられ、０次の透過波と反射波しか生じない。GMRGは周期や格子幅などを制御することによって反射率や透過率特性を変化させることができ、光通信用の波長選択フィルタへの応用が報告されている。GMRGによる波長選択素子は、従来の薄膜積層型波長選択素子と比較して、少ない積層数で同等の波長選択性を示し、積層数を増やすことでより高度な光学設計が可能となる。また、光学特性は格子周期や格子幅で決まるため、同一高さの格子であっても格子のパターニング次第で様々な波長選択特性を持つ複数の波長選択素子を同一基板上に一括製作することができる。

従来のGMRGは、微細加工技術が進んでいるSiなどの半導体材料で構成された研究が主になされていた。周期が数百nmオーダーのGMRGを形成するための手法としては、Electron Beam Lithography (EBL)と同程度のパターニング精度が必要である。しかし、前述のとおりEBLは一筆書きであること、その後のドライエッチングプロセスを必要とすることから、生産性が低く、高額な設備が不可欠となることが課題であった。

また、近年の有機発光素子や有機半導体などの発明により、これまでSiなどの半導体材料で構成されたデバイスの一部が樹脂材料に置き換わりつつあり、安価・軽量・フレキシブルなど多くの利点があることから樹脂材料を使った光学素子の開発が精力的に進められている。

一方、ナノメートルオーダーのパターンを安価に複製する方法として、格子パターンが形成された金型を用いてパターニングするナノインプリント技術（非特許文献３）のような技術も開発が進んでおり、EBLで問題となっているコストや生産性の問題を解決する一つの手法として注目されている。
T. J. Kim et al., "Control of optical transmission through metals perforated with subwavelength hole arrays", Opt. Lett. 24, (1999) 256. S. Tibuleac and R. Magnusson, "Reflection and transmission guided-mode resonance filters", Opt.Lett.14, (2001) 1617. S. Y. Chou et al., "Sub-10 nm imprint lithography and applications", J.Vac.Sci.Tecnol. B15(6), (1997) 2897.

上記のように、Siなどの半導体材料は、樹脂材料と比べると高価で割れやすく質量がある。また、従来のGMRGの対象とする波長領域は光通信用の赤外領域のものが多く、樹脂材料で可視光用GMRGを設計・製作した例は無い。
安価でフレキシブルな可視光用波長選択素子が実現できれば、オーダーメイドが可能な分析・センサ用の特殊用途向け波長選択素子や、表示装置用カラーフィルタへの応用が期待できる。なお、表示装置へ応用するためには、波長選択素子の視野角を広げる必要もある。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、格子パターンが形成された金型やマスクでパターニングすることによる製造コストの大幅な低減、選択波長をオーダーメイド可能な波長選択素子の製造、樹脂材料の利用によるフレキシブルな波長選択素子の製作及び製造コストの大幅な低減、視野角の広い波長選択素子の製作、可視光領域での波長選択素子を提供することである。

上記の課題を解決するために本発明は、次のような波長選択素子を提供するものである。
（１）基板と、基板上に形成され格子層及び導波層を含むサブ波長構造層を備え、選択波を反射又は透過する波長選択素子であって、格子層の周期が選択波長の真空中の長さより小さく、かつ少なくとも格子層は樹脂材料で構成されていることを特徴とする波長選択素子。
（２）上記サブ波長構造層の屈折率が基板の屈折率よりも大きいことを特徴とする（１）に記載の波長選択素子。
（３）上記サブ波長構造層の屈折率が２．０以下であり、上記基板の屈折率が１．４５以下であることを特徴とする（２）に記載の波長選択素子。
（４）上記格子層は単一周期、あるいは複数の周期性を重ね合わせた準周期で配置されることを特徴とする（１）、（２）又は（３）に記載の波長選択素子。
（５）上記基板及びサブ波長構造層で構成される層が２層以上積層された構造で構成されることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の波長選択素子。
（６）上記基板裏面上に拡散板をさらに備えたことを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の波長選択素子。
（７）上記サブ波長構造層及び基板はガラス転移点の異なる材料で構成されていることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の波長選択素子。
（８）上記導波層の厚みは、５００ｎｍ以下であることを特徴とする（１）乃至（７）のいずれかに記載の波長選択素子。

また本発明は、次のような波長選択素子の製造方法を提供するものである。
（９）基板上に導波層を積層する工程、導波層上に格子層となる樹脂材料層を積層する工程及び格子パターンが形成された金型又はマスクにより格子層となる樹脂材料層をパターニングし、格子層を形成する工程を含む波長選択素子の製造方法。
（１０）基板上に導波層を積層する工程、該導波層上に格子層となる樹脂材料層を積層する工程及び離散した複数の異なる格子パターンが形成された金型又はマスクにより格子層となる樹脂材料層をパターニングし、離散した複数の異なる格子層を形成する工程を含む波長選択素子の製造方法。
（１１）裏面に拡散板となる層が形成された基板上に導波層を積層する工程、導波層上に格子層となる樹脂材料層を積層する工程、格子パターンが形成された金型又はマスクにより格子層となる樹脂材料層をパターニングし、格子層を形成する工程及び金型又はマスクにより拡散板となる層をパターニングし、拡散板を形成する工程を含む波長選択素子の製造方法。
（１２）基板上に導波層及び格子層となる樹脂材料層を積層する工程及び格子パターンが形成された金型又はマスクにより格子層となる樹脂材料層の一部をパターニングし格子層を形成するとともに、導波層を形成する工程を含む波長選択素子の製造方法。
（１３）基板上に導波層及び格子層となる樹脂材料層を積層する工程及び離散した複数の異なる格子パターンが形成された金型又はマスクにより樹脂材料層の一部をパターニングし基板上に離散した複数の異なる格子層を形成するとともに導波層を形成する工程を含む波長選択素子の製造方法。
（１４）裏面に拡散板となる層が形成された基板上に導波層及び格子層となる樹脂材料層を積層する工程、格子パターンが形成された金型又はマスクにより格子層となる樹脂材料層の一部をパターニングし格子層を形成するとともに、導波層を形成する工程及び金型又はマスクにより拡散板となる層をパターニングし、拡散板を形成する工程を含む波長選択素子の製造方法。
（１５）（１）乃至（４）のいずれかに記載の波長選択素子を複数個用意する工程及び各波長選択素子のサブ波長構造層及び基板を平行な平板間で接着又は硬化することにより、順次又は一括で積層させる工程を含む波長選択素子の製造方法。

本発明によれば、EBLによるパターニング及びドライエッチングプロセスを省略でき、樹脂材料の使用により材料費の大幅な低減も可能となり、格子パターンが形成された金型やマスクでパターニングする技術を用いて安価に大量生産できる。また、特にナノインプリントに代表される格子パターンが形成された金型を用いたパターニングは、物理的な変形を利用するプロセスのため、化学変化に付帯する解像度の制限が無くなり、材料の選択性が広く設計及び製作の自由度が増す。また、樹脂材料で構成されるため、軽量でフレキシブルな波長選択素子が実現できる。また、GMRGの特長の一つとして、格子層の高さが同一でもパターンによって異なる分光特性を持たせることができることがあげられ、金型やマスクによる一括形成を行えば、一つの金型やマスクから選択波長の異なる数種類の波長選択素子を一度に形成することも可能であり、また、格子形状の設計の自由度が高いので、分析などの特定波長に対する波長選択素子やカラーフィルタのような三原色の波長選択素子など、色特性をオーダーメイドで設計できるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
高次回折波が発生しないサブ波長格子は、入射波長に対し平均的な屈折率を持った媒質と等価な特性を持ち、０次の透過波と反射波しか生じない。サブ波長格子の中でも格子周期に対する入射波長がほぼ同程度の場合においては共鳴現象が生じる。共鳴現象は、入射した光の特定の波長のみが格子層や導波層部分において光の閉じ込めや多重反射、伝播などが生じることにより、特定の波長の光のみが反射もしくは透過する。

そのため、狭帯域の波長選択フィルタとして機能する。格子周期に対する入射波長が非常に大きい条件下では共鳴現象は生じない。狭帯域の選択波長である共鳴波長は、格子周期、格子の厚さ、格子の屈折率、周囲媒質の屈折率、格子のフィルファクタなどの格子形状によって決定される。フィルファクタ(Fill factor（a/Λ）)とは、一周期における格子の体積占有率のことである。

GMRGは屈折率の高い材料でサブ波長周期の格子を構築し、その前後を屈折率の低い材料で挟みこんだ構成を持つ。格子の周期は選択波長の真空中の長さより小さい。
図１は、本発明の実施の形態による波長選択素子の概略構成を示すものである。格子層がグレーティングカプラとして働き、この下に位置する高屈折率で格子の無い層が導波層として働く。格子層と導波層は同じ材質で構成されている。
導波層の伝搬モードは、導波層の屈折率を固定値とすると、主に厚みと波長の関数となり、厚みが厚くなる、あるいは導波層を伝搬する波長が短いとマルチモードになる。可視光領域の波長においては、導波層の厚みが５００ｎｍ以下では導波層内部での光伝搬はシングルモードとなり、単一のピーク波長を有する波長選択フィルタとなる。一方、可視光領域外の波長においては、導波層の厚みが５００ｎｍを超えてもシングルモードとなる波長選択フィルタを製作することも可能である。

次に、格子形状と反射スペクトルについて記述する。
人間の可視域の波長はおよそ400〜800nmである。この領域で反射率のピークを持つ構造の設計を行う。前述の原理により、GMRGを形成するためには、導波層とそれを取り巻くクラッド部との間に屈折率の差が必要である。そのため、導波層の形成に用いるポリマーの屈折率を高いものにし、またクラッド部つまり基板として用いる樹脂の屈折率を低くしなければならない。導波層は基板側の屈折率よりも大きく、好ましくは、屈折率2.0以下の高屈折率樹脂、基板側を屈折率1.45以下の低屈折率樹脂の組み合わせを使用する。ただし、導波層に屈折率2.0以上、基板側に屈折率1.45以上の材料を組み合わせて用いてもよい。

回折効率のシミュレーションに当たっては、Rigorous Coupled-Wave Analysis (RCWA)法（Appl.Opt. 32(14), (1993) 2582.参照）を用いた。RCWA法は、周期構造の厳密的な電磁界解析方法のひとつであり、回折格子をFourier級数展開で表し、電磁場との結合方程式を求め、これを境界条件の下で数値的に解く事で回折効率を算出する計算手法である。
導波モード共鳴格子は挟帯域の反射を持つフィルタになる傾向が多く報告されているため、カラーフィルタのような広帯域の波長選択素子を実現させるには、この反射の領域を広く取る必要がある。

図２にRCWA法によって計算された、導波モード共鳴格子の周期と反射ピークの関係を示す。図２に示すように、格子周期と反射ピークには相関関係がある。
次に、格子部分の高さを変化させてより広い半値幅（Full width at half maximum: FWHM）を与える格子の設計を行った。格子層の厚さと反射率の関係を図３に示す。
図３からは、格子層の厚さは反射波のピークの位置には寄与せず、格子層が厚くなってもFWHMの増減を繰り返すという傾向がつかめた。
反射率の波長とFill factor依存性も計算した。その結果、FWHMはFill factorに依存し、FWHMが最大となる範囲がある程度存在し、１割程度の製作誤差があっても許容できることが分かった。

以上の計算結果の傾向より、一例として格子周期350nmで設計する場合、格子形状の寸法パラメータを数値計算により追い込んでいくことにより、緑の波長帯域で、FWHM約20nmの反射スペクトルが得られた。反射率は理論上100%である。

波長選択素子の製作プロセスは、次のとおりである。
（a）モールド製作プロセス
図４に、モールド製作プロセスを示す。モールドは、次のプロセスで作製した。
（１）Si基板へのレジストコーティング。
（２）EB（電子線描画装置）によるレジストへのパターンニング。
（３）FAB（高速原子線加工装置）によるSi基板へのエッチング。
（４）Si基板の酸洗浄。

(b)樹脂材料積層プロセス
図５に、樹脂材料積層プロセスを示す。屈折率１．４の低屈折率樹脂上に、熱可塑性で屈折率１．７の高屈折率樹脂を塗布して、成型用サンプルを製作した。
はじめに低屈折率樹脂上に、高屈折率樹脂をスピンコートし、次にオーブンでベークし、高屈折率樹脂を定着させる。高屈折率樹脂の塗布膜厚は、後工程であるパターン形成時に導波層の厚みが500nm以下となるようコーティング条件、ベーク条件を最適化する。なお、サブ波長構造層を形成する高屈折率樹脂のみをナノインプリントによりパターン形成したいため、サブ波長構造層及び基板はガラス転移点の異なる樹脂を選定した。

(c)ナノインプリントプロセス
上記(a)及び（ｂ）で製作したモールド及び樹脂材料サンプルを用いて、ナノインプリントによる格子パターンのパターニングを行った。
図６に、ナノインプリントプロセスを示す。
（１）モールド及び樹脂材料サンプルを準備する。
（２）樹脂材料サンプルを、少なくとも高屈折率樹脂側は高屈折樹脂のガラス転移点（Tg）以上に加熱し、モールドを押し当ててプレスすることにより、高屈折率樹脂上にモールドのパターンを転写成型する。
（３）ガラス転移点以下まで冷却し、モールドを離型する。

次に、各プロセスの評価について述べる。
(a)モールドの評価
モールドを上面からSEM（走査型電子顕微鏡）にて観察し、パターン寸法の評価を行った。図７に、モールドの形状を示す。

(b)樹脂材料サンプルの評価
高屈折率樹脂の膜厚を、短波長エリプソメータを用いて測定した。
図８に高屈折率樹脂の膜厚測定の結果を示す。２種類の樹脂材料サンプルの膜厚を測定したところ、それぞれ455nm±10nm、385nm±10nmであった。

(c)転写形状の評価
図７に示したモールドを用いてナノインプリントにより転写したサンプルを上面からSEM（走査型電子顕微鏡）にて観察し、パターン寸法の評価を行った。
図９に転写サンプルの形状を示す。
また図１０に、モールドと転写サンプルの寸法比較を示す。図１０によれば、モールドに対する相対寸法誤差は5%以内であり、FWHMの製作誤差内に入っていることが確認できた。

(d)光学評価
図１１に、製作した波長選択素子の光学顕微鏡写真の例を示す。GMRGが形成された領域では形状に依存した反射スペクトルにより赤・緑・青のカラーフィルタとして機能する波長選択素子が同一基板上に形成されていることが分かる。
このように、一つのモールドに選択波長の異なる波長選択素子を複数配置し、樹脂上へ一括転写することにより、波長選択性の異なる複数の波長選択素子を同一基板上に一括製作できていることが分かる。

図１２に、測定した反射スペクトルの一例を示す。入射波はTE偏光である。フィルタ１の最大反射率は50%以上が得られた。寸法の異なる種々の波長選択素子の光学測定から、反射ピークの形状は異なっていても、格子周期が長くなるに従って類似するピークのパターンが長波長側へ移動することが確認され、理論計算と同様の特性が得られた。

以上、本発明の波長選択素子について反射型波長選択素子について説明したが、透明樹脂を用いているため透過光を利用することにより透過型波長選択素子を実現できる。
樹脂材料には、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂等を指し、低融点ガラス等を用いてもよい。
また基板は透明樹脂材料だけでなく拡散効果のあるフッ素樹脂などや色付の樹脂材料であってもよい。
実施例では全て樹脂材料を用いて本発明を説明したが、本発明では少なくとも格子層となる層が樹脂材料からなる層であればよい。

本発明の波長選択素子について、図１３に示すように、サブ波長構造層と基板で構成される層を積層させることにより、各層のサブ波長構造層で得られる光学特性が重なりあった光学スペクトルが得られ、より高機能な波長選択素子を実現することができる。

本発明の波長選択素子は図１４に示すように、基板裏面に拡散板を形成することにより、透過光を拡散させ、広い視野角特性を有する波長選択素子を実現することができる。
また、本発明の波長選択素子について、実施例に示した単一周期の格子層を持つ波長選択素子だけではなく、複数の周期性を重ね合わせた準周期で配置される格子層であってもよい。

実施例では、サブ波長構造層を熱式ナノインプリントプロセスにより製作したが、光硬化式ナノインプリントや室温インプリント、ソフトリソグラフィー、ナノキャスティング、射出成型等、格子パターンが形成された金型を用いてパターニングをしてもよい。
また、格子パターンが形成されたフォトマスク等による露光・現像でパターニングしてもよい。

次に格子パターン及び拡散パターンが形成された金型及びマスクで、順次、又は両面同時にサブ波長構造層及び基板裏面の拡散板をパターニングすることができる。
波長選択素子の積層においては、各サブ波長構造層及び基板を平行な平板間で挟んで、順次又は一括で熱圧着、熱硬化、光硬化等させることで、組立コストを削減し、高精度に積層させることができる。
また、下層波長選択素子の格子層に上層波長選択素子の基板ポリマーをスピンコート法などで形成し、その上に導波層と格子層樹脂を形成し、その後、パターニングにより上層波長選択素子を順次、形成していくこともできる。
さらに、サブ波長構造層に基板を蒸着させることで素子を製造することもできる。

本発明に係る波長選択素子は、光分析・計測、光情報処理・表示装置等の様々な分野に適用できる。

波長選択素子の構成模式図。 反射率の格子周期及び波長依存性を示す図。 反射率の格子層厚さ及び波長依存性を示す図。 モールド製作プロセスを示す図。 樹脂材料積層プロセスを示す図。 ナノインプリントプロセスを示す図。 モールド形状図。 高屈折率樹脂の膜厚を示す図。 転写サンプル形状図。 モールドと転写サンプルの寸法比較図。 製作したカラーフィルタの光学顕微鏡写真。 測定した反射スペクトルを示す図。 サブ波長構造層と基板が積層された波長選択素子の構成模式図。 基板裏面上に拡散板を形成した波長選択素子の構成模式図。

Claims (15)

1. 基板と、基板上に形成され格子層及び導波層を含むサブ波長構造層を備え、選択波を反射又は透過する波長選択素子であって、格子層の周期が選択波長の真空中の長さより小さく、かつ少なくとも格子層は樹脂材料で構成されていることを特徴とする波長選択素子。
2. 上記サブ波長構造層の屈折率が基板の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の波長選択素子。
3. 上記サブ波長構造層の屈折率が２．０以下であり、上記基板の屈折率が１．４５以下であることを特徴とする請求項２に記載の波長選択素子。
4. 上記格子層は単一周期、あるいは複数の周期性を重ね合わせた準周期で配置されることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の波長選択素子。
5. 上記基板及びサブ波長構造層で構成される層が２層以上積層された構造で構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の波長選択素子。
6. 上記基板裏面に拡散板をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の波長選択素子。
7. 上記サブ波長構造層及び基板はガラス転移点の異なる材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の波長選択素子。
8. 上記導波層の厚みは、５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の波長選択素子。
9. 基板上に導波層を積層する工程、導波層上に格子層となる樹脂材料層を積層する工程及び格子パターンが形成された金型又はマスクにより格子層となる樹脂材料層をパターニングし、格子層を形成する工程を含む波長選択素子の製造方法。
10. 基板上に導波層を積層する工程、該導波層上に格子層となる樹脂材料層を積層する工程及び離散した複数の異なる格子パターンが形成された金型又はマスクにより格子層となる樹脂材料層をパターニングし、離散した複数の異なる格子層を形成する工程を含む波長選択素子の製造方法。
11. 裏面に拡散板となる層が形成された基板上に導波層を積層する工程、導波層上に格子層となる樹脂材料層を積層する工程、格子パターンが形成された金型又はマスクにより格子層となる樹脂材料層をパターニングし、格子層を形成する工程及び金型又はマスクにより拡散板となる層をパターニングし、拡散板を形成する工程を含む波長選択素子の製造方法。
12. 基板上に導波層及び格子層となる樹脂材料層を積層する工程及び格子パターンが形成された金型又はマスクにより格子層となる樹脂材料層の一部をパターニングし格子層を形成するとともに、導波層を形成する工程を含む波長選択素子の製造方法。
13. 基板上に導波層及び格子層となる樹脂材料層を積層する工程及び離散した複数の異なる格子パターンが形成された金型又はマスクにより樹脂材料層の一部をパターニングし基板上に離散した複数の異なる格子層を形成するとともに導波層を形成する工程を含む波長選択素子の製造方法。
14. 裏面に拡散板となる層が形成された基板上に導波層及び格子層となる樹脂材料層を積層する工程、格子パターンが形成された金型又はマスクにより格子層となる樹脂材料層の一部をパターニングし格子層を形成するとともに、導波層を形成する工程及び金型又はマスクにより拡散板となる層をパターニングし、拡散板を形成する工程を含む波長選択素子の製造方法。
15. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の波長選択素子を複数個用意する工程及び各波長選択素子のサブ波長構造層及び基板を平行な平板間で接着又は硬化することにより、順次又は一括で積層させる工程を含む波長選択素子の製造方法。