WO2008059671A1

WO2008059671A1 - Matrice de moulage pour dispositif optique avec structure antiréfléchissante, son procédé de fabrication et dispositif optique

Info

Publication number: WO2008059671A1
Application number: PCT/JP2007/069279
Authority: WO
Inventors: Kazuma Kurihara; Takayuki Shima; Junji Tominaga
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-11-15
Filing date: 2007-10-02
Publication date: 2008-05-22
Anticipated expiration: 2009-05-15

Description

明細書

反射防止構造を有する光学素子用成形型、その製造方法および光学素子

技術分野

[0001] 本発明は、反射防止構造を有する発光素子、受光素子、反射防止コート等の光学素子用成形型、その製造方法および光学素子ある。

背景技術

[0002] 従来、ガラス等から成る光学素子において、表面反射による戻り光を減少させ且つ透過光を増加させるために表面処理が行われている。この表面処理の具体的な方法として、光学素子表面に微細且つ緻密な凹凸形状を形成する方法が知られている。

[0003] このように光学素子表面に周期的な凹凸形状を設けた場合、光は、光学素子表面を透過するときに回折し、透過光の直進成分が大幅に減少するが、光学素子表面に形成された凹凸形状のピッチが透過する光の波長よりも短い凹凸形状の短形としたときには、光は回折しないために、そのピッチや深さ等に対応する単一波長の光に対して有効な反射防止効果を得ることが出来る。

[0004] さらに、凹凸形状を短形とするのではなぐ山と谷、すなわち光学素子材料側と大気側の体積比が連続的に変化するような、いわゆる錐形状（錐形状のパターン）とすることにより、広い波長域を有する光に対しても反射防止効果を得ることができることが知られている（例えば、特許文献 1、特許文献 2参照）。

[0005] このような広波長域に対して反射防止する構造を実現するためには、波長以下の微細なパターンが必要とされるため、このような微細構造を作製するために、電子ビ一ムリソグラフィ一法を用いる方法が知られている。この方法は電子線レジストを塗布したのち、電子線を用いてパターユングを行い、反応性エッチングを用いて基板の加ェ（エッチング）を行う方法である。

[0006] また、有機物のコロイドを用いて、ナノ周期構造を作製し、反射防止構造を作製する事が出来る事が知られている（例えば、特許文献 3参照）。有機物のコロイドを用いた作成方法は、溶液中に有機物のコロイドを混入させ、コロイドを基板表面に塗布し、コロイドビーズを基に、対象とする波長以下の微細構造を反応性エッチングにより構造物を作製し、反射防止構造を形成する方法である。

[0007] 特許文献 1：特開 2001— 272505号公報

特許文献 2：特開 2006— 243633号公報

特許文献 3 :特開 2005— 331868号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] しかしながら、電子線描画装置を用いて反射防止構造を作製する方法は、電子ビームを走査しパターユングをする必要があるために、描画スループットが極めて遅ぐノターン形成に時間を要する。また、そのことから、大面積化した光学素子へ対応するためには、コストが高くなる問題が発生している。

[0009] また、有機コロイドを保護マスクとして反射防止構造を作製する方法は、高速に大面積の周期的なナノ構造物を形成する事が出来るが、有機コロイドを均一、大面積に、且つ単一の均一層を形成する事が難しい。

[0010] さらに、有機コロイドを保護マスクとして反射防止構造を作製する方法は、液体に分散した有機物の塗布が必要なことから、複雑な構造を持つ構造体に塗布した場合、塗布される有機物の膜厚にばらつきが発生してしまい、光学特性が落ちる問題があ

[0011] 本発明は、上記問題点を解決することを目的とするものであり、その課題とするところは、次のようなナノ構造体を有する光学素子用成形型、ナノ構造体用成形型、その製造方法および光学素子を実現する点である。

( 1 )本発明に係る光学素子用成形型は、大面積で且つ複雑な形状の構造体力成る光学素子の表面に、均一に安定してナノ構造体を有しより広い波長帯域で反射防止効果をもち、且つ入射角度依存性の小さい反射防止構造を有する光学素子を製造すること力 Sでさるあのである。

(2)本発明に係る光学素子用成形型の製造方法は、少ない行程で、且つ生産性の高いドライプロセスのみで製造することができる方法である。

(3)本発明に係る光学素子は、基板表面に微細な凹凸面のナノ構造を有し、ランダムに配置されて成るナノパターンを備え、好ましくは、このナノパターンは、光源の波長以下の間隔を保たれている構成であるナノパターンを備えた光学素子である。課題を解決するための手段

[0012] 本発明は上記課題を解決するために、基板表面に微細な凹凸面の反射防止構造を有する光学素子成形するための光学素子用成形型の製造方法であって、前記基板上に 1層以上のエッチング転写層を形成し、該エッチング転写層上に島状微粒子生成用の薄膜を形成し、前記薄膜に、熱反応、光反応、化学反応のいずれか、またはそれらの複合反応を用いて、薄膜物質の凝集作用、分解作用、または核形成作用を生じさせて、島状微粒子を複数、形成し、前記複数の島状微粒子を保護マスクとしてエッチング転写層及び前記基板を順次エッチングして、基板の微細な表面に凸状のパターンを形成することを特徴とする反射防止構造を有する光学素子用成形型の製造方法を提供する。

[0013] 前記複数の島状微粒子は、それぞれの大きさはナノメータオーダであって、互いに対象とする反射すべき光の波長以下の間隔を保ちながらランダムに配置されて成るナノパターンを形成することが好ましレ、。

[0014] 前記薄膜の材料は、銀、金、白金、若しくはパラジウムを主成分とする物質、又は、銀、金、白金、パラジウム、タングステン、ビスマス、テルルのいずれかの成分を主成分とする酸化物若しくは窒化物であることを特徴とする請求項 1又は 2記載の反射防止構造を有する反射防止構造を有することが好ましレ、。

[0015] 前記島状微粒子は、その平均粒径は 5nm〜； !OOOnmであり、複数の島状微粒子の平均間隔は、 10nm〜2000nmであることを特徴とする請求項 1又は 2記載の反射防止構造を有することが好ましレ、。

[0016] 前記基板は、石英ガラス、樹脂、シリコン、窒化ガリウム、砒化ガリウム、インジウム燐、ニッケル、鉄、チタン、炭素、サフアイャ、又は窒化カーボンを主成分とする金属または非金属であることが好ましレ、。

[0017] 前記エッチング転写層は、酸化物、窒化物若しくは炭化物の 1層、又は酸化物、窒化物及び炭化物の!/、ずれかから成る多層で構成されることが好まし!/、。

[0018] 本発明は上記課題を解決するために、光学素子用成形型の製造方法によって製造された反射防止構造を有する光学素子用成形型を提供する。

[0019] 本発明は上記課題を解決するために、基板表面に微細な凹凸面のナノ構造を有し、ランダムに配置されて成るナノパターンを備えたことを特徴とする光学素子を提供する。

[0020] 前記ナノ構造体を有する光学素子の前記ナノパターンは、光源の波長以下の間隔を保たれて!/、る構成であることが好ましレ、。

発明の効果

[0021] 本発明によれば、次の効果が生じる。

(1)本発明に係る光学素子用成形型は、大面積で且つ複雑な自由曲面を持つ光学素子の表面に、均一に安定してナノ構造体を有しより広い波長帯域で反射防止効果をもち、且つ入射角度依存性の小さい反射防止構造を有する光学素子を製造すること力 Sできる。

(2)本発明に係る光学素子用成形型の製造方法は、少ない行程で、且つ生産性の高レ、ドライプロセスのみで製造することができる。

(3)本発明に係る光学素子は、基板表面に微細な凹凸面のナノ構造を有し、ランダムに配置されて成るナノパターンを備え、好ましくは、このナノパターンは、光源の波長以下の間隔を保たれている構成であるナノパターンを備えた光学素子である。図面の簡単な説明

[0022] [図 1]本発明の実施例 1を説明する図である。

[図 2]本発明の実施例 1を説明する図である

[図 3]本発明の実施例 1を説明する図である。

[図 4]本発明の実施例 1を説明する図である。

[図 5]本発明の実施例 2を説明する図である。

[図 6]本発明の実施例 1の光学素子用成形型を利用した射出成形型の製造及び光学素子の成形、並びに光学素子を説明する図である。

[図 7]本発明の実施例 2の光学素子用成形型を利用した射出成形型の製造及び光学素子の成形、並びに光学素子を説明する図である。

符号の説明 [0023] 1 光学素子用成形型

2 基板

3 エッチング転写層

4 島状微粒子作製の為の薄膜

5 島状微粒子

6 光学素子用成形型

7 基板

8 射出成形型

9 光学素子

10 射出成形型

11 光学素子

発明を実施するための最良の形態

[0024] 本発明に係る光学素子用成形型、その製造方法および光学素子を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。

[0025] 本発明は、反射防止効果を得るための微細な凹凸構造 (反射防止構造)を表面に有する光学素子を成形するための光学素子用成形型及びその製造方法である。本発明に係る光学素子用成形型の製造方法の工程は、次のとおりである。

(1)基板上への薄膜の形成工程

基板上に複数のエッチング転写層を形成し、さらに、一括に薄膜を形成する。これらの形成工程は、真空ドライプロセスで行う。

[0026] (2)ナノパターンの形成

熱反応、光反応、ガス反応のいずれ力、、またはこれらの反応を 2以上組み合わせた複合反応を用いて、上記薄膜に、薄膜物質の凝集作用、分解作用、または核形成を生じさせて、ナノメータオーダの微細な半球状の島状微粒子力反射防止の対象とする光の波長以下の間隔でランダムに存在するナノパターンを形成する。

[0027] 島状微粒子となる物質は、銀、金、白金、ノラジウムのいずれかを主成分とする材料、又は、銀、金、白金、パラジウム、タングステン、ビスマス、テルルのいずれかを主成分とする酸化物材料若しくは窒化物、を用いることで、複数の島状微粒子の間隔が狭いナノパターンを形成する事が可能である。このとき、半球状の島状微粒子の平均粒径は 5nm〜 1 OOOnmであり、隣接する島状微粒子の平均間隔は 1 Onm〜 200 Onm以下であることが好まし!/、。

[0028] (3)形成したナノパターンを用いて、即ち、島状微粒子を保護マスクとして、エツチング転写層をエッチングし、さらに、最終的に目的とする基板へのエッチングを行い、基板表面に微細な錐形状のナノ構造体を形成し、反射防止構造を有する光学素子用成形型を作製する。

[0029] この場合、島状物質と基板との間に、上記のとおり、複数層のエッチング転写層を設けてレ、るので、高アスペクト比の反射構造体を備えた光学素子を成形できる微細凹凸面 (反射防止構造型面）を、光学素子用成形型の表面に、効率的に作製する事が可能である。

[0030] この光学素子用成形型を使用すれば、以下の実施例において説明するように、基板表面に微細な凹凸面のナノ構造を有し、ランダムに配置されて成るナノパターンを備え、好ましくは、このナノパターンは、光源の波長以下の間隔を保たれている構成であるナノパターンを備えた光学素子である。

実施例 1

[0031] 以下、図面を参照して本発明に係る光学素子用成形型及びその製造方法の実施例 1について詳細に説明する。図 1は、本発明の実施例 1に係る光学素子用成形型 1を、反応性イオンエッチング法を用いて製造する製造方法の工程を説明する図である。

[0032] (1)成膜装置（図示しない。）を用いて、平面状の基板 2の表面に 1層以上から構成されるエッチング転写層 3と島状微粒子作製の為の薄膜 4を成膜する（図 l (a) )。本発明者らは、実証試験により、銀、金、白金、パラジウムを主成分とする物質は、基板 2 の表面に、反射防止対象である光の波長以下の間隔で、ランダムに島状微粒子 5を形成する為の薄膜 4の材料として、効果的であることを確認して!/、る。

[0033] (2)次に、凝集作用、核形成採用又は分解作用を用いて、波長以下の間隔で、ランダムに配置された島状微粒子 5を作製する（図 1 (b) )。図 2 (a)及び (b)は、基板 2及びエッチング転写層 3の上に形成された島状微粒子 5を示す断面図及び平面図であ [0034] ところで、熱反応、光反応、ガス反応等をパラメータとすることにより、材料の凝集反応、核形成反応を制御して、島状微粒子 5の平均粒径や間隔を制御することが可能である。また、本発明者らは、薄膜 4の材料に不純物を添加することによって、島状微粒子 5の平均粒径や間隔を制御可能な事を確認した。

[0035] また、銀、金、白金、パラジウム、タングステン、ビスマス、テルルのいずれかの成分を主成分とする酸化物を用いた場合は、熱、光、またはガス分解作用を用いることにより、島状微粒子 5の平均粒径や間隔を制御することが可能である。

[0036] (3)次に、形成した島状微粒子 5をマスキングとして、反応性ガス（例えば、 CF、 CH

4

F、 CH CF、 H、 C〇、 NH、 CI、 BC1 )を用いて、エッチング転写層 3のエツチン

3 4、 6 2 3 2 3

グを行う（図 l (c) )。ここで、エッチング転写層 3は、島状微粒子 5と同等の形状を維持し、エッチングされ、順次、次のエッチング転写層 3又は基板 2のためのマスキング層として機能する。

[0037] 島状微粒子 5を用いて、光学素子表面の反射防止構造を形成するための略錐形状の微細な凹凸面（反射防止構造型面） 1 'を基板 2の表面に形成する際に、上記のとおり、エッチング転写層 3を設けることにより、高アスペクト比構造の略錐形状の作製が可能である。エッチング転写層 3の材料としては、たとえば、銀を主成分とする島状微粒子 5をマスキング層とする場合は、炭素を主成分とする材料やシリコン、シリコン酸化物、シリコン窒化物などが有効である。

[0038] ここで、島状微粒子 5の主成分を銀、エッチング転写層 3を炭素、基板 2を石英とした場合には、島状微粒子 5とエッチング転写層 3とのエッチング速度が「島状微粒子 5 のエッチング速度」 < <「エッチング転写層 3のエッチング速度」となるようなガス種をもちいた反応性エッチングをする。これにより、島状微粒子 5がマスクキング効果を生じ、エッチング転写層 3にパターンを形成する事が可能である。

[0039] 次にエッチング転写層 3と基板 2とのエッチングの場合には、エッチング速度比が、「エッチング転写層 3のエッチング速度」 < <「基板 2のエッチング速度」となるようなガス種を用いた反応性エッチングを行う。これにより、基板 2の表面に、島状微粒子 5をもとにマスキングした略錐形状の反射防止構造の作製が可能である。また、エツチング転写層 3は単層である必要はなぐエッチングの為のプロセス設計により多層にしても、作製可能である。

[0040] 第 2層以降のエッチング転写層 3にも、同様のプロセスを行い（図 1 (d) )、最終的には、基板 2へのエッチングを行い、基板 2表面に略錐形状の微細な凹凸面（反射防止構造型面） 1 'が形成された光学素子用成形型 1を形成する（図 1 (f ) )。

[0041] 以上の製造方法を用いることにより、ドライプロセスのみで、基板 2表面に反射防止対象である光の波長以下の間隔で、ランダムに略錐形状に形成された微細凹凸構造を有する事が可能である。これにより、複雑な形状を持つ光学レンズにおいても、容易に作製可能であり、且つ作製プロセスの簡単化が実現できる。

[0042] 図 3は、本発明者らが実施例 1を実施して得られた島状微粒子 5の代表的な SEM 像（走査型電子顕微鏡像)を示す。これにより、基板 2表面に反射防止対象である光の波長以下の間隔で、ランダムに島状微粒子 5を形成できる事を確認した。また、この SEM像から、実施例 1によって、有効的な薄膜 4材料は、銀を主成分とする物質が効果的であることを確認した。

[0043] また、本発明者ら、実施例 1の実証試験を通じて、熱反応、光反応、またはガス反応を制御することにより、これらの材料の凝集反応、核形成反応を制御が実現され、島状微粒子 5の平均粒径や間隔を制御することが可能であることも確認した。また、これらの材料に不純物を添加することによって、島状微粒子 5の平均粒径や間隔を制御可能な事を確認した。

[0044] さらに、島状微粒子 5を形成する薄膜として、金、白金、パラジウム、タングステン、ビスマス、テルルのいずれかの成分を主成分とする酸化物を用いた場合にも、熱、光、またはガス分解作用を用いることにより、島状微粒子 5の平均粒径や間隔を制御すること力 S可倉であることあ確言忍した。

[0045] 図 4は、実施例 1によって製造した光学素子用成形型 1を用いて作製した光学素子用成形型 1 (光学素子そのものではない。）の反射特性のグラフである。即ち、図 3に示した島状微粒子 5をマスクキング層として用いて、図 1に示すプロセスを用いて、シリコン基板 2表面に略錐形状の微細凹凸面（反射防止構造型面） 1 'が形成された光学素子用成形型 1の反射特性のグラフである。 [0046] このグラフから、本発明に係る光学素子用成形型 1により、シリコン製の光学素子用成形型 1の平面では 50%程度ある反射力 5%以下まで減少出来ることを確認した。このことから、本発明は、ドライプロセスのみで、基板 2表面に略錐形状の微細な凹凸面 (反射防止構造型面） 1 'を作製出来ることから、低コスト化と生産性に優れた手法であることを確認、した。

[0047] また、基板 2の材料として、石英、ガラス、ポリカーボネイトや PMMAなどの樹脂、窒化ガリウム、砒化ガリウム、インジウム燐、ュッケル、鉄、チタン、炭素、サフアイャ、窒化カーボンなどを用いても、同様の効果があることを確認した。

実施例 2

[0048] 図 5は、本発明の実施例 2に係る光学素子用成形型 6の製造方法を、実施例 1と同様に、反応性イオンエッチング法を用いて行う工程を説明する図である。この実施例 2は、自由曲面を有する光学素子を成形する光学素子用成形型に関するものであり、基板 7は自由曲面を有する点で異なるが、その製造方法は同じであるので、その説明は省略する。

[0049] この実施例 2に係る製造方法で得られた光学素子用成形型 6は、基板 6表面に略錐形状の微細凹凸面 (反射防止構造型面） 7'が形成されており、反射特性についても実施例 1と同様の効果が得られる。

[0050] (射出成形用型の製造方法及び光学素子の成形）

次に、図 6に示す模式図を用いて、上記説明した反射防止構造を有する光学素子用成形型 1から射出成形用型の製造方法を説明するとともに、この射出成型用型を用いる反射防止構造を有する光学素子量産方法の一例を説明する。

[0051] 図 6 (a)は、本発明の実施例 1で得られたシリコン製の光学素子用成形型 1 (石英ガラス製の光学素子用成形型 1でもよい。）を示す。このシリコン製の光学素子用成形型 1を用いて、図 6 (b)に示すように、通常のニッケル電铸処理を行うことによって、図 6 (c)に示すような射出成形型 8を作成する。

[0052] 次に、この射出成形型 8を用いて図 6 (d)に示すように、射出成形型 8を利用して、図 6 (e)に示すような光学素子 9を量産することができる。この光学素子 9は、基板表面に微細な凹凸面のナノ構造を有し、ランダムに配置されて成るナノパターンを備え、好ましくは、このナノパターンは、光源の波長以下の間隔を保たれている構成であるナノパターンを備えた光学素子である。

[0053] 具体的には、光学素子 9ナノパターンは、島状であり、その平均径は 5nm〜； 1000 nmであり、隣接する島の平均間隔は 10nm〜2000nm以下であることが好ましい。

[0054] 図 7は、本発明の実施例 2で得られた光学素子用成形型 6 (図 7 (a)参照）を用いた方法を説明する図である。この方法は、図 6に示す方法と全く同じであり、通常のニッケル電铸処理を行うことによって（図 7 (b)参照）、射出成形型 10 (図 7 (c)参照）を作成する。

[0055] さらに、この射出成形型 10を用いて、に示すように、射出成形型を利用して光学素子を射出成形して（図 7 (d)参照）、光学素子 11 (図 7 (e)参照)も量産可能である。産業上の利用可能性

[0056] 本発明は、以上のような構成であるから、光学素子一般 (例えば、プロジェクター用レンズ、光ピックアップ、ディスプレイ等）、発光素子一般 (例えば、 LED,レーザ等）、受光素子一般 (フォトダイオード、太陽電池等）に適用可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 基板表面に微細な凹凸面の反射防止構造を有する光学素子成形するための光学素子用成形型の製造方法であって、

前記基板上に 1層以上のエッチング転写層を形成し、該エッチング転写層上に島状微粒子生成用の薄膜を形成し、

前記薄膜に、熱反応、光反応、化学反応のいずれか、またはそれらの複合反応を用いて、薄膜物質の凝集作用、分解作用、または核形成作用を生じさせて、島状微粒子を複数、形成し、

前記複数の島状微粒子を保護マスクとしてエッチング転写層及び前記基板を順次エッチングして、基板の微細な表面に凸状のパターンを形成することを特徴とする反射防止構造を有する光学素子用成形型の製造方法。

[2] 前記複数の島状微粒子は、それぞれの大きさはナノメータオーダであって、互いに対象とする光の波長以下の間隔を保ちながらランダムに配置されて成るナノパターンを形成する事を特徴とする請求項 1記載の反射防止構造を有する光学素子用成形型の製造方法。

[3] 前記薄膜の材料は、銀、金、白金、若しくはパラジウムを主成分とする物質、又は、銀、金、白金、パラジウム、タングステン、ビスマス、テルルのいずれかの成分を主成分とする酸化物若しく窒化物であることを特徴とする請求項 1又は 2記載の反射防止構造を有する反射防止構造を有する光学素子用成形型の製造方法。

[4] 前記島状微粒子は、その平均粒径は 5nm〜； !OOOnmであり、複数の島状微粒子の平均間隔は、 10nm〜2000nmであることを特徴とする請求項 1又は 2記載の反射防止構造を有する光学素子用成形型の製造方法。

[5] 前記基板は、石英ガラス、樹脂、シリコン、窒化ガリウム、砒化ガリウム、インジウム燐、ニッケル、鉄、チタン、炭素、サフアイャ、又は窒化カーボンを主成分とする金属または非金属であることを特徴とする請求項 1〜4のいずれ力、 1項に記載の反射防止構造を有する光学素子用成形型の製造方法。

[6] 前記エッチング転写層は、酸化物、窒化物若しくは炭化物の 1層、又は酸化物、窒化物及び炭化物のいずれかから成る多層で構成される事を特徴とする反射防止構造を有する光学素子用成形型の製造方法。

[7] 請求項 1〜6のいずれかの光学素子用成形型の製造方法によって製造されたことを特徴とする反射防止構造を有する光学素子用成形型。

[8] 基板表面に微細な凹凸面のナノ構造を有し、ランダムに配置されて成るナノパターンを備えたことを特徴とする光学素子。

[9] 前記ナノ構造体を有する光学素子の前記ナノパターンは、光源の波長以下の間隔を保たれている構成であることを特徴とする請求項 8記載の光学素子。