DE69628263T2

DE69628263T2 - Verfahren zur Herstellung eines Beugungsgitters

Info

Publication number: DE69628263T2
Application number: DE69628263T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi 1-chome Yamanaka; Junji 1-chome Nishii
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1995-11-17
Filing date: 1996-11-06
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2016-11-07
Also published as: US5716762A; CA2190239A1; EP0774675A1; JPH09145907A; JP2832337B2; EP0774675B1; DE69628263D1; CA2190239C

Description

Diese Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein gläsernes Beugungsgitter durch Bestrahlung mit Licht.
Herkömmliche Beugungsgitter wurden unter Verwendung von Glas im allgemeinen durch Maschinenarbeit hergestellt, aber als eine der optischen Herstellungsmethoden ist Photolithographie bekannt. Diese herkömmlichen optischen Mittel gehen jedoch mit dem Problem einher, daß die Herstellungskosten extrem hoch sind. In dieser Hinsicht kann optische Bearbeitung leicht ausgeführt werden, wenn ein Granulat als ein Substrat verwendet wird, aber ein anderes Problem entwickelt sich in diesem Fall, daß sowohl die Wärmebeständigkeit als auch die mechanische Stabilität gering sind.
Es ist bekannt, daß, abhängig von der verwendeten Glassorte, einige eine Dichteveränderung aufweisen, die mit der Veränderung einer Glasstruktur (und folglich der Veränderung eines Brechungskoeffizienten) einhergeht, sobald ein Laserstrahl angelegt wird.
Quarzglas, welches ultraviolette Strahlen und nahe Infrarotstrahlen durchläßt, wurde in der Vergangenheit z. B. als ein Grundmaterial für eine optische Faser für die Kommunikation verwendet, und GeO₂ wird allgemein in den Kernanteil der Faser dotiert. Wenn ein Argonionen-Laserstrahl, der eine Wellenlänge von 488 nm aufweist, oder ein Excimer-Laserstrahl, der eine Wellenlänge von 248 nm aufweist, an diese optische Faser angelegt wird, so verändert sich der Brechungskoeffizient des Kerns (es wird verwiesen auf K. O. Hill et al., Appl. Phys. Lett. 32 (1978) 647 oder R. M. Atkins et al., Electron. Lett. 29 (1993) 385). Dennoch geht die Veränderung des Brechungskoeffizienten in diesem Fall mit dem Schrumpfen des Volumens einher, und darüber hinaus ist die Größe der Veränderung des Brechungskoeffizienten etwa 1 × 10^–4. Daher ist seine Anwendung auf anderen Gebieten als der optischen Faser schwierig.
Auf der anderen Seite wird die Veränderung des optischen Brechungskoeffizienten auch bei GeO₂-SiO₂-Glas, das durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt wurde, beobachtet (K. D. Simons et I., Opt. Lett. 18 (1993) 25). Auch in diesem Fall bleibt die Größe der Veränderung des Brechungskoeffizienten auf demselben Niveau wie bei der oben beschriebenen optischen Faser.
US 4,877,717 offenbart ein Verfahren für die Herstellung von optischen Elementen über die Ausbildung eines lichtempfindlichen Films auf einem Substrat und selektivem Belichten des Films. Der Film beinhaltet eine photoreaktive Verbindung, und die selektive Belichtung des Films bewirkt die Wanderung der nicht reagierten Verbindung zu den belichteten Bereichen des Films.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat besondere Aufmerksamkeit auf die Tatsache gerichtet, daß die Dichteveränderung durch die Bestrahlung mit Licht bei einigen Glassorten irreversibel erfolgt, und hat auf der Vermutung, daß ein Beugungsgitter, dessen Gitterabstand sich dem Wellenlängenniveau des Lichts annähert, durch optische Mittel erhalten werden könnte, wenn ein Glas erzielt wird, das eine große Volumenausdehnung aufweist, intensive Versuche durchgeführt und war erfolgreich in der Bewältigung dieser Aufgabe.
Es ist daher eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Verwendung von Glas, dessen Volumen sich unter der Bestrahlung durch Licht irreversibel ausdehnt, ein Herstellungsverfahren für ein Beugungsgitter für ein Spektroskop bereitzustellen.
Es ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Glas, das eine Zusammensetzung aufweist, die einen hinreichenden Volumenausdehnungskoeffizienten für die Ausbildung eines Beugungsgitters hat, bereitzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für ein Beugungsgitter bereitgestellt mit den Stufen, in denen man
einen dünnen Film auf einem Substrat ausbildet,
selektiv Bestrahlungslicht auf einen Beugungsgitterbildungsbereich auf der Oberfläche des dünnen Films anwendet und
auf dem dünnen Film Furchen ausbildet, indem man bewirkt, daß sich der lichtbestrahlte Bereich des Beugungsgitterbildungsbereiches des dünnen Films erweitert, wobei ein Beugungsgitter ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß
der dünne Film aus Glas hergestellt ist, dessen Volumen sich bei Bestrahlung mit Licht irreversibel ausdehnt.
Daher umfaßt ein Herstellungsverfahren für ein Beugungsgitter gemäß der vorliegenden Erfindung, um die oben beschriebenen Aufgaben zu lösen, die Stufen der Ausbildung eines dünnen, aus Glas hergestellten Films, welcher eine irreversible Volumenausdehnung unter der Bestrahlung durch Licht auf einem Substrat aufweist, die selektive Anwendung von Licht auf einen Beugungsgitterbildungsbereich auf der Oberfläche des dünnen Films und die Ausbildung von Furchen (Linien, die im Querschnitt eine konvexe Gestalt haben) durch sich ausdehnendes Glas im Lichtbestrahlungsbereich, wodurch ein Beugungsgitter erhalten wird.
Das Licht, das angewendet werden soll, ist im allgemeinen ein Laserstrahl im ultravioletten Bereich, aber ein Laserstrahl im sichtbaren Strahlenbereich kann ebenfalls verwendet werden. Obwohl diese Laserstrahlen im allgemeinen in einer Pulswelle angewendet werden, kann ein kontinuierlicher Strahl angewendet werden, wenn die Leistungsdichte hoch ist. Im allgemeinen kann hinreichende Volumenausdehnung nicht erreicht werden, wenn die Leistungsdichte des Strahls, der angelegt wird, unter etwa 5 mJ/cm² beträgt, und die Leistungsdichte, die etwa 100 mJ/cm² überschreitet, ist allgemein nicht bevorzugt.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann ein Beugungsgitter, das hohe Wärmebeständigkeit und hohe mechanische Stabilität aufweist, genau und leicht durch Anwenden des Laserstrahls auf den dünnen Glasfilm, dessen Volumen sich unter der Bestrahlung durch Licht ausdehnt und durch Ausbildung von Furchen, die einen Kreis aufweisen, der zu dem der Wellenlänge des Strahls äquivalent ist, erhalten werden.
Obwohl die Ausbildung des oben beschriebenen dünnen Glasfilms nicht besonders begrenzt ist, kann Vakuumbesputterungsabscheidung bevorzugt verwendet werden.
Die Lichtquelle, die für die vorliegende Erfindung verwendet werden soll und einfach erhältlich ist, umfaßt den Excimer-Laser, den Nd-YAG-Laser und die ultravioletten Strahlen von einem Farblaser (welcher bevorzugt höhere Harmonische enthält, um die Wirksamkeit zu verbessern), aber die vorliegende Erfindung ist nicht besonders hierauf beschränkt.
Das Verfahren der selektiven Anwendung des Strahls auf den Gitterbildungsbereich ist nicht besonders beschränkt, und bevorzugt wird das Verfahren, das die Stufen einschließt, bei denen eine Phasenmaske auf den dünnen Film aufgelegt wird und Bestrahlung mit Licht durch die Maske bewirkt wird. Alternativ kann Interferenzlicht auf die Oberfläche des dünnen Films angewendet werden und umrandungsartige Ausstülpungen, die dem Zyklus des Interferenzlichts entsprechen, können auf der Oberfläche des dünnen Films ausgebildet werden.
Es gibt keine besondere Beschränkung der Zusammensetzung des dünnen Glasfilms und jegliche Glasmaterialien können verwendet werden, solange sie einen großen Volumenausdehnungskoeffizienten aufweisen. Ein besonders bevorzugtes Beispiel einer Zusammensetzung des dünnen Glasfilms ist Glas vom GeO₂-SiO₂-Typ, das einen GeO₂-Gehalt von 20–95 mol-% aufweist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Der dünne Glasfilm, der für die Ausbildung des Beugungsgitters gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird bevorzugt durch Radiofrequenz-Vakuumbesputterungsabscheidung auf einem Substrat, das eine flache optische Oberfläche aufweist, wie z. B. ein einzelner Silikonkristall, gebildet. Dieses Radiofrequenz-VakuumbesputterungsabscheidungsVerfahren kann auf die übliche Weise durchgeführt werden und seine Bedingung ist nicht besonders beschränkt. Im allgemeinen wird dieses Verfahren in der Atmosphäre von Argon oder einem Argon-Sauerstoff-Gasgemisch (mit dem Sauerstoffvolumengehalt von bis zu 50%) durchgeführt. Ein dünner Glasfilm, der die Veränderung des Brechungskoeffizienten aufweist, kann sogar erhalten werden, wenn der Sauerstoffvolumengehalt in dem Argon-Sauerstoff-Gasgemisch 50% überschreitet, aber diese Atmosphäre ist nicht praktikabel, weil die Bildungsrate des dünnen Glasfilms extrem niedrig wird.
Eine bevorzugte Dicke des dünnen Glasfilms ist vorzugsweise und im allgemeinen 0,1–10 μm (100–100.000 Å). Um die Laserwiderstandsfähigkeit zu verbessern, wird der resultierende dünne Glasfilm vorzugsweise in einer üblichen Weise bei etwa 300–800°C wärmebehandelt.
Ein besonders geeignetes zu verwendendes Glasmaterial ist Glas vom GeO₂-SiO₂-Typ, das einen GeO₂-Gehalt von 20–95 mol-% und besonders bevorzugt 25–55 mol-% aufweist. Die Veränderung des Brechungskoeffizienten von Glas vom GeO₂-SiO₂-Typ, das die oben beschriebene Zusammensetzung aufweist, beträgt im wesentlichen etwa –0,5% und die Rate der Volumenausdehnung beträgt im wesentlichen etwa +5%. Wenn der GeO₂-Gehalt in dem Glas vom GeO₂-SiO₂-Typ zu gering ist, kann, auch wenn Licht angewendet wird, keine große Volumenänderung beobachtet werden, und konkave bzw. konvexe Bereiche können nicht leicht ausgebildet werden. Auf der anderen Seite ist das Glas gelb gefärbt oder die Wasserdichtigkeit des Glases fällt ab, wenn er zu groß ist.
Die folgenden Verfahren können für die Ausbildung des Beugungsgitters eingesetzt werden. (1) Eine Phasenmaske wird vorab auf die Oberfläche des dünnen Glasfilms aufgelegt, und Lichtbe strahlung wird durch diese Phasenmaske für die Ausbildung periodischer konkaver und konvexer Bereiche einwirken gelassen. (2) Auf die Oberfläche des dünnen Glasfilms wird Interferenzlicht eines Lasers angewendet, um konkave und konvexe Bereiche auszubilden, die dem Kreis der Interferenzwellen auf der Glasoberfläche entsprechen. Beispiele von Lichtquellen für die Ausbildung dieser konkaven und konvexen Bereiche sind der Excimer-Laser von ArF, KrF etc., der Nd-YAG-Laser, der Ar-Ionenlaser oder ultraviolette höhere Harmonische des Farbstofflasers.
Unter Verwendung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Beugungsgitter, das hohe Wärmebeständigkeit und hohe mechanische Stabilität aufweist, leicht durch selektives Anlegen von Licht auf die Oberfläche des dünnen Films erhalten werden, der aus Glas gebildet wird, dessen Volumen sich bei Einstrahlung von Licht irreversibel ausdehnt, um konkave bzw. konvexe Bereiche auszubilden, die einen zu der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts äquivalenten Kreis aufweisen.
Im folgenden werden Beispiele der vorliegenden Erfindung und vergleichende Beispiele angegeben werden, um die charakteristischen Merkmale der vorliegenden Erfindung weiter zu erläutern.
Beispiel 1:
Ein Siliziumeinkristallsubstrat wurde im Inneren einer Kammer eines Vakuumbesputterungsabscheidungsgeräts ausgelegt, und ein atmosphärisches Gas, das eine Zusammensetzung aus 80% eines Ar-Gases und 20% eines O₂-Gases aufwies, wurde in die Kammer mit einer Flußrate von 3 cm³/min und bei einem inneren Druck der Kammer von etwa 10^–2 Torr eingeblasen, um einen dünnen Glasfilm von 25 mol-% GeO₂ und 75 mol-% SiO₂ auf dem Substrat bei einer Rate von etwa 8 nm/min für etwa 300 min abzulagern. Ob die Zusammensetzung des dünnen Films auf die beabsichtigte Zusammensetzung reguliert wurde oder nicht, wurde mit einem Röntgenphotoelektronenspektroskop (XPS) kontrolliert. Als die Röntgenbeugung des dünnen Films gemessen wurde, konnte nicht im geringsten ein scharfer Beugungspeak, der von dem Kristall des GeO₂ oder SiO₂ herrührt, beobachtet werden.
Der resultierende dünne Glasfilm wurde bei 500°C für eine Stunde im Vakuum wärmebehandelt, und eine aus Quarzglas gefertigte Phasenmaske, deren Furchen in einem Bereich von 5 × 10 mm mit 1 μm Abstand verworfen waren, wurde auf dem dünnen Film angeordnet. Als nächstes wurden 1.200 Pulse eines ArF-Excimer-Laserpulses, der eine Wellenlänge von 193 nm und eine Leistungsdichte von 30 mJ/cm² aufweist, von unmittelbar oberhalb der Phasenmaske angewendet.
Als die Oberfläche des so erhaltenen Materials mit einem Elektronenmikroskop untersucht wurde, wurden konkave und konvexe Bereiche mit einer Höhe von 0,2 μm gefunden, die auf der Oberfläche ausgebildet waren.
Als ein He-Ne-Laser auf den konkaven bzw. konvexen Bereich des resultierenden Materials angewendet wurde, wurde bestätigt, daß die primäre Beugungswirksamkeit bei etwa 7% lag.
Beispiel 2:
Ein dünner Glasfilm wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, und 1.000 Stöße eines Nd-YAG-Laserstrahls (Wellenlänge: 266 nm) von 1 mJ/mm² wurden aus beiden Richtungen in einem Winkel von 45°, bezogen auf die Senkrechte, unter Verwendung eines Spiegels angewendet. Auf der Oberfläche des Glases wurden entsprechend der Interferenzwellen konkave bzw. konvexe Bereiche ausgebildet, und die Beugung des Ne-He-Lasers wurde ähnlich zu dem Beugungsgitter aus Beispiel 1 bestätigt.
Beispiele 3 bis 6:
Unter Verwendung von Glas mit den in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen wurden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 dünne Filme hergestellt, und jeder dünne Film wurde bei 500°C für eine Stunde im Vakuum wärmebehandelt. Dann wurden 1.200 Pulse eines ArF-Excimer-Laserpulses durch dieselbe Phasenmaske wie die aus Beispiel 1 angewendet. Als ein Ergebnis wurde durch die Untersuchung unter einem Elektronenmikroskop bestätigt, daß die konkaven bzw. konvexen Bereiche mit den in Tabelle 1 aufgelisteten Abständen gebildet wurden.
Tabelle 1
Nebenbei beschreibt Tabelle 1 auch die Ergebnisse der Beispiele 1 und 2.
Vergieichsbeispiel 1:
Ein dünner Glasfilm, der die Zusammensetzung von 10 mol-% GeO₂ und 90 mol-% SiO₂ aufweist, wurde mit einer Rate von 8 nm/min für etwa 300 Minuten auf dem Siliziumeinkristallsubstrat in einem atmosphärischen Gas, das die Zusammensetzung von 80% Ar und 20% O₂ aufweist, bei einer Flußrate von 3 cm³/min und einem inneren Druck der Kammer von etwa 10^–2 Torr abgeschieden. Die Höhe der Veränderung des Brechungskoeffizienten war etwa +1 × 10^–4 und die Rate seiner Volumenänderung war 0,001%.
Die Herstellung des Beugungsgitters wurde unter Verwendung des resultierenden dünnen Films auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 versucht, aber konkave bzw. konvexe Bereiche wurden auf der Oberfläche gemäß der Untersuchung unter einem Elektronenmikroskop nicht ausgebildet.
Vergleichsbeispiel 2:
GeO₂-Glas wurde unter den gleichen Bedingungen wie im Vergleichsbeispiel 1 auf einem Silikonsubstrat ablagern und für eine Woche an der Luft stehen gelassen. Es wurde dann weiße Trübung auf der Oberfläche des Glases beobachtet. Als Glas aus jedem der Beispiele 1 bis 6 demselben Test unterworfen wurde, wurde überhaupt keine weiße Trübung beobachtet.

Claims

Herstellungsverfahren für ein Beugungsgitter mit den Stufen, in denen man einen dünnen Film auf einem Substrat ausbildet, selektiv Bestrahlungslicht auf einen Beugungsgitterbildungsbereich auf der Oberfläche des dünnen Films anwendet und auf dem dünnen Film Furchen ausbildet, indem man bewirkt, daß sich der lichtbestrahlte Bereich des Beugungsgitterbildungsbereiches des dünnen Filmes erweitert, wobei ein Beugungsgitter ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Film aus Glas hergestellt ist, dessen Volumen sich bei Bestrahlung mit Licht irreversibel ausdehnt.
Herstellungsverfahren für ein Beugungsgitter nach Anspruch 1, wobei das aufzubringende Licht ein Excimer-Laser, ein Nd-YAG-Laser oder ultraviolette höhere Harmonische eines Farbstofflasers ist.
Herstellungsverfahren für ein Beugungsgitter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei eine Phasenmaske auf den dünnen Film aufgelegt wird und Bestrahlung mit Licht durch diese Phasenmaske bewirkt wird.
Herstellungsverfahren für ein Beugungsgitter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei Interferenzlicht auf die Oberfläche des dünnen Films aufgebracht wird und umrandungsartige Ausstülpungen, die dem Zyklus des Interferenzlichts entsprechen, auf der Oberfläche des dünnen Films ausgebildet werden.
Herstellungsverfahren für ein Beugungsgitter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der dünne Glasfilm mittels eines Vakuumbesputterungsabscheidungsverfahrens ausgebildet wird.
Herstellungsverfahren für ein Beugungsgitter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Zusammensetzung des dünnen Glasfilms ein Glas vom GeO₂-SiO₂-Typ mit einem GeO₂-Gehalt von 20 bis 95 mol-% ist.