JP2001235611A - ホログラフィック・グレーティング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】耐久性、迷光に優れ、回折効率が高く、且つ広
波長範囲での回折効率変化が少ないホロク゛ラフィック・ク゛レーティンク゛
を提供する。 【解決手段】レシ゛スト層２において目的の溝深さ以上に露光
形成された回折格子ハ゜ターンに対し、レシ゛ストハ゜ターンの刻線方向に
垂直で且つ基板の法線方向の斜め上方から、O2／（CF4
＋O2）＝0.1〜0.9の範囲で適宜混合したCF4とO2との混
合カ゛スにより、レシ゛スト層２が完全に消滅するまでエッチンク゛を行
い、光学カ゛ラス基板１に所望の溝深さの溝が直接刻線され
たホロク゛ラフィック・ク゛レーティンク゛を作製する。回折格子溝は光学カ゛ラス
基板１に直接刻線されているため、従来のク゛レーティンク゛のよ
うにレシ゛スト層の剥離等の不都合が発生せず、耐久性に優れ
たものとすることができる。また、エッチンク゛カ゛スにO2を混合
したものを使用しているため、エッチンク゛表面におけるカーホ゛ンリ
ッチ状態を解消し、ク゛レーティンク゛表面の白濁を防止することが
できる。また、エッチンク゛の際、面粗さもレシ゛ストの面粗さより
選択比分だけ縮少されることとなり、迷光値の小さい良
好なク゛レーティンク゛とすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、分光器や分波器に
使用される波長分離／選択素子であるグレーティング
（回折格子）に関するものであり、特にホログラフィッ
ク露光法を使用して作製するホログラフィック・グレー
ティングに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】グレーティング（回折格子）は分光器や
分波器等に使用される波長の分離／選択素子である。そ
の製作方法を大別すると、ルーリングエンジン等により
機械的にグレーティング溝を刻線する機械的方法と、基
板に塗付したホトレジスト層に２光束干渉による干渉縞
を露光・現像し、断面形状が正弦波状のレジストパター
ンを作製するホログラフィック露光法とが知られてい
る。このうちホログラフィック露光法により作製された
回折格子を総称してホログラフィック・グレーティング
と呼んでいる。

【０００３】グレーティングは精密機器であり、また作
製には多くの手順を要するため、一般にその製作には数
十時間から数百時間という長時間を要し、且つ大量に生
産することができない。よって、単価で数百万円という
高価なものとなり、また、性能にも個体差が生じること
は避けられない。そこで、１個のオリジナル・グレーテ
ィングから樹脂複製によるネガ・グレーティングが作製
され、更にこのネガ・グレーティングから再度複製した
レプリカ・グレーティングが作製されて、これが市場に
供給されている。

【０００４】レプリカ・グレーティングの量産手法とし
て一般的なものは、ネガ・グレーティングの格子面に剥
形剤として薄い油膜や金、白金などの付着力の弱い金属
膜を形成し、その上に真空蒸着によりアルミニウム薄膜
を形成した後、このアルミニウム薄膜上にレプリカ基板
（ガラス基板）を接着剤を介して接着し、接着剤の硬化
後、ガラス基板を母型より剥離するものである。アルミ
ニウム薄膜はガラス基板側に移り、結果としてネガ・グ
レーティングのグレーティング溝が転写されたレプリカ
・グレーティングが得られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな転写方法は量産に耐えるようなものではなかった。
即ち、オリジナル・グレーティングにホログラフィッ
ク露光法によりグレーティング溝を作製するため基板表
面に塗付されるホトレジスト層は樹脂より成るものであ
り、強度が低いこと、基板とホトレジスト層との密着
力が単一材料のそれに比較して低いこと、基板とホト
レジスト層との膨張係数、強度、硬度が異なる、などの
理由により、剥離（parting）の段階で破損が生じ易
く、例えば剥離の際にグレーティング溝が欠損したり、
レジストが裂けたり、レジスト層全体が基板から剥がれ
たりするので、結果として１枚のオリジナル・グレーテ
ィングから１０枚程度のレプリカしか取ることができな
かった。また、オリジナル・グレーティングの破損も頻
繁であり、製作効率も悪いものであった。

【０００６】このようなパーティング作業における不具
合を避けるためには、ホトレジスト層ではなく、基板自
体に直接グレーティング溝を刻線したオリジナル・グレ
ーティングを用いてレプリカを作製すれば良いと考えら
れ、次のような手法が試みられている。例えば、基板上
に設けられたホトレジスト層に露光した後、ホトレジス
ト層が完全に無くなるまで公知の反応性イオンビームエ
ッチング法（RIBE法）によりエッチングし、レジスト上
のグレーティングパターンをそのまま基板自体に転写す
るという手法が知られているが、この方法ではエッチン
グによるダメージが大きく、グレーティング溝の激しい
劣化が生じてしまい、転写された溝形状が悪くて回折効
率が出なかったり、或いは、グレーティング溝の面荒れ
（面粗さ）もレジストパターンの時よりも更に粗くなる
ので、散乱光成分が増大し、迷光が増大して分光器での
使用に適さなかったり、グレーティングの表面全体が白
っぽく濁ってしまい、外観上の商品価値が悪く、市場に
受け入れられないようなものしか作ることができなかっ
た。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願発明者は、鋭意研究
の結果、上記課題を解決する方法として、光学ガラス基
板に対し、反応性イオンビームエッチングに用いるエッ
チングガスとしてフッ素系ガスとO2との混合ガスを用い
ることにより基板への直接刻線を良好なものとできるこ
とを見出した。なお、その際、ホトレジスト層に露光に
より作製されるグレーティングの溝パターンは、最終的
に得ようとする溝深さの１倍以上の溝深さのものとされ
る。

【０００８】一般に用いられている反応性イオンビーム
エッチング法では、エッチングガスの種類と基板やレジ
ストの材質によって決まる 選択比＝（基板に対するエ
ッチング速度）／（レジスト層に対するエッチング速
度） が問題となることが多い。例えば、選択比によっ
ては、エッチングの目的物である基板がなかなか削られ
ず生産効率が悪かったり、或いは逆に基板ばかりが削ら
れてグレーティング溝の断面形状が所望のものとならな
かったりする。そこで、通常は基板のエッチング速度が
レジストのそれと同等又はそれ以上になるよう、エッチ
ングガスをハロゲン系ガス等との混合ガスとするなどし
て選択比を調整している。

【０００９】しかしながら、本願発明者は、こうした一
般的な調整とは逆の手法を採用することにより、光学ガ
ラス基板へのエッチングを良好に行うことができる本願
発明品の作製手法に想到したものである。即ち、光学ガ
ラス基板上のレジスト層に予め最終的に所望するグレー
ティング溝深さよりも深いレジストパターンを作製して
おいた上で、レジストに対するエッチング速度が基板に
対するそれより大きくなるように調整したフッ素系ガス
と酸素の混合ガスをエッチングガスとして用いて光学ガ
ラス基板自体に刻線して製作するようにしたものであ
る。このことにより、次の点について優れた作用効果を
奏することを見出した。

【００１０】まず、レジストパターンを予め所望のグレ
ーティング溝深さよりも大きいものとし、これをイオン
ビームエッチングにより最終的に所望の溝深さとしてい
るので、従来問題となっていたエッチングのダメージに
よるグレーティング溝の劣化や面荒れ（面粗さ）も選択
比（レジストに対する光学ガラス基板のエッチングレー
トの比率）分だけ縮少され、むしろ元のレジストパター
ンよりも面粗さを小さくすることができるので、散乱光
成分が更に少なくなり、迷光値が小さい良好なグレーテ
ィングを作製することができる。

【００１１】また、グレーティングの表面全体が白っぽ
く濁ってしまい、外観上の商品価値が悪くなるといった
従来の欠点をも解消することができる。このグレーティ
ングの表面にあらわれる白濁の原因は、カーボンと、基
板がレジストより早く削れることにより露光時のノイズ
やレジスト粒径に起因するレジストパターンの面粗さが
選択比分増大し、これが散乱光成分の増大となることで
ある。フッ素系のエッチングガスでのみイオンビームエ
ッチングを行った場合、有機物であるホトレジストに含
有されるカーボンはガス中のフッ素と反応し、テフロン
構造をとりエッチングを阻害するが、ガス中のカーボン
はホトレジストパターンの表面に析出してカーボンリッ
チの状態となり、エッチングを阻害するだけでなく、表
面にカーボンが析出したままエッチングを続けることで
面荒れが起こり、極端な場合にはレジストパターンの形
状が崩れたり、グレーティング表面を白濁させる原因と
なってしまう。本願発明ではフッ素系のエッチングガス
に酸素を混合させることにより、表面に析出するカーボ
ンを酸素と反応させてCO2とし、レジスト表面から離脱
させることによりカーボンリッチの状態を解消させてい
るので、グレーティングの表面が白濁することがない。
また、レジスト表面がテフロン構造をとりエッチングを
阻害することもなくなる。

【００１２】さらにはレジスト層が全てなくなるまでエ
ッチングし、光学ガラス基板自体に直接刻線を施すよう
にしているので、レプリカ作製の際、パーティング（pa
rting）の段階で破損が生じ易いという従来の問題点を
解決し、耐久性を飛躍的に向上させることができる。こ
れにより、従来１枚のオリジナル・グレーティングから
１０枚程度のレプリカしかとれなかったものが、本発明
により数千枚のレプリカが作製できるようになったの
で、非常に安価なグレーティングを市場に提供すること
が可能となった。

【００１３】また、上述した作製方法において、イオン
ビームの入射方向を刻線方向にほぼ垂直で基板の斜め上
方から入射させることにより、得られるグレーティング
溝の断面形状が若干ブレーズド・ホログラフィック・グ
レーティングに近づけた形状となるため、使用波長範囲
が広いというホログラフィック・グレーティングの長所
を維持したまま、回折効率も従来のホログラフィック・
グレーティングよりも高い、高性能なグレーティングと
することができる。また、正弦波形状とブレーズド形状
のどちらの要素を多くするかを調整できるので、使用す
る分光器に最適な効率分布を持ったグレーティングとす
ることもできる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るホログラフィ
ック・グレーティングの作製方法の一実施例を図を用い
て説明する。

【００１５】図１(a)において、１は光学ガラス製の基
板である。基板は回折格子のオリジナルのブランクであ
り、光学研磨が可能でレジストが塗付できるものであれ
ばその種類は問わないが、光学ガラスは熱変化による膨
張率が低く、光学素子である回折格子の基板素材として
優れている。例えばBK7、BSC2、パイレックスガラス、
ソーダガラス、石英ガラス、ゼロデュア（SCHOTT社
製）、クリストロン(HOYA(株)製)などの低膨張結晶ガラ
スが良好に使用できるが、本実施例ではBK7ガラスを一
例として採用する。まず、BK7ガラス（約60mm×60mm×1
1.3mm）を光学研磨して凹面基板を作製し、超音波洗浄
により表面を清浄する。

【００１６】次に基板１の表面に、ホトレジスト層２を
形成する。ホトレジストとしては、ホログラフィック露
光が可能なものであれば何でも良く、例えばMP1400（シ
フレイ製）やOFPR5000（東京応化社製）等が使用でき
る。本実施例ではMP1400を2500rpmで60秒スピンコート
した後、コンベクション・オーブンで90℃、30分間ベー
キングし、厚さ300nmのホトレジスト層２とした。

【００１７】このようにして準備した図１(a)のワーク
を、図２に示すようなホログラフィック露光装置にセッ
トし、例えばHe-Cdレーザ（λ＝441.6nm）の２光束干渉
によるホログラフィック露光法で、ホトレジストに900
本／mmの干渉縞の潜像を露光した後、専用現像液で現
像、純水リンスを順次行い、ホトレジストの回折格子パ
ターンを作製する（図１(b)）。この時、２光束干渉の
干渉縞の強度分布は正弦波であるため、作製されたホト
レジストの回折格子パターン21も正弦波状の断面形状と
なる。ホトレジストの回折格子パターン21の溝深さ（正
弦波状の振幅）は露光時間と現像時間の制御により決定
することができ、本実施例では200nmとした。

【００１８】次に、反応性イオンビームエッチングを行
う（図１(c)）。使用するエッチングガスはCF4とO2を混
合比：O2／（CF4＋O2）＝60％、ガス圧1.5×10^-4Torrと
し、レジストパターンの刻線方向に垂直で且つ基板の法
線方向から30°斜め上方から照射した。レジストパター
ンが消滅し、BK7ガラス基板１にパターンが完全に直接
刻線されるまで約10分間エッチングを続け、溝深さ65nm
で溝形状が若干イオンの入射方向へ傾いた正弦波状の回
折格子を作製した（図１(d)）。

【００１９】このように溝の断面形状を正弦波から若干
傾いた形状とすることにより、断面が正弦波状のホログ
ラフィック・グレーティングにおける広波長帯域で回折
効率の変化が少ないという長所と、断面形状が鋸歯状の
ブレーズド・グレーティングの回折効率が高いという長
所とを併せ持ったものとすることができる。また、イオ
ンビームの入射角を変えることで断面形状の傾き量を調
整することができ、正弦波形状とブレーズド形状の割合
を調整することにより回折効率分布を調整し、分光器に
最適なグレーティングを作製することができる。

【００２０】なお、使用するエッチングガスのCF4とO2
との混合比率は、最初に作るレジストパターンの高さに
よって決まるので、比率も上述した実施例に限定される
ものではなく、O2／（CF4＋O2）＝0.1〜0.9の範囲で都
度最適な値を選択すれば良い。使用するエッチングガス
もCF4＋O2の混合ガスに限らず、例えばCHF3、CBRF3等の
フッ素系ガスとO2の混合ガスでも良い。要するに、最終
的に得ようとする回折格子の溝深さよりも深い（1.5倍
以上でも良い）レジストパターンを作り、O2との混合ガ
スを使用することによりエッチング表面のカーボンリッ
チ状態を解消し、またエッチングの選択比の調整により
面粗さを縮少することを目的としている。

【００２１】また、イオン入射角についても、基板の法
線方向を０°とした場合、入射角を大きくすればするほ
ど回折効率のピーク値は大きくなるが、広波長帯域で回
折効率の変化が大きいものとなるので、どの程度の効率
のピーク値で、効率変化はどの程度に抑えたいかという
所望する仕様にあわせて、イオン入射角も10°〜80°の
範囲で任意に設定すればよく、入射角そのものが重要で
はない。

【００２２】このようにして作製した回折格子は、溝本
数900本／nmで溝深さ65nmの時、効率のピークはおよそ
波長220nmとなり、紫外・可視分光器に使用するのに最
適な効率分布となる。回折格子溝がレジストで形成され
ている従来のホログラフィック・グレーティングにおけ
る効率は30％程度であったが、本実施例における回折格
子では効率が39％となり、従来に比べて約３割の向上が
見られた。

【００２３】エッチングが完了したオリジナル・グレー
ティングを洗浄した後、真空蒸着装置にて、使用波長範
囲で最適な材料によりコーティングを行う（図１
(e)）。使用波長領域によってはオリジナル・グレーテ
ィングのままでも反射率が十分に高いためそのままの状
態で十分使用可能であるが、他の波長領域では必要に応
じて金（Au）や白金（Pt）、或いはＸ線多層膜などでコ
ーティングすることにより反射率や耐久性を上げて使用
する。本実施例では、紫外から可視領域で反射率が高い
アルミニウム（Al）をコーティングした。

【００２４】続いて、オリジナル・グレーティングから
レプリカ・グレーティングを作製する方法について説明
する（図１(f)）。Alコーティングしたオリジナル・グ
レーティングに、再び真空蒸着装置で、離形剤として例
えばシリコングリース等で薄い油膜（厚さ約1nm）を形
成し、続いてアルミニウム薄膜（厚さ約0,2μm）を真空
蒸着する。真空蒸着装置から取り出した後、接着剤を介
してネガ基板（ガラス基板など）を接着する。

【００２５】接着剤として、本実施例ではエポキシ樹脂
を採用したがこれに限定されるものではなく、他にも耐
熱性の熱硬化性樹脂である尿素樹脂、メラニン樹脂、フ
ェノール樹脂などを利用しても良く、可視光硬化樹脂で
あるBENEF IX VL（(株)アーデル製）などを用いると熱
歪の影響を少なくすることができる。また、弾性接着剤
EP-001（セメダイン製）なども利用することができる。

【００２６】接着剤の硬化後、ネガ基板をオリジナル・
グレーティング（母型）よりパーティング（剥離）する
と、離形剤を境にしてネガ基板が剥離する。パーティン
グ後、ネガ基板の表面に残っている離形剤をフレオン等
の溶剤で洗浄して除去する。このようにしてオリジナル
・グレーティングの回折格子溝が表面に転写されたネガ
・グレーティングが得られる（図１(g)）。

【００２７】従来のグレーティング（母型）は脆弱なレ
ジスト層に溝が形成されていたため、ネガ基板のパーテ
ィング段階でレジスト層が基板からはがれたりしたた
め、耐久性が悪いものであったのに対し、本実施例のグ
レーティングはBK7ガラス基板に直接溝が刻まれている
ので、耐久性に優れ、多数の複製を作ることができるも
のとなっている。

【００２８】また、本実施例のグレーティングはBK7ガ
ラス基板に直接溝が刻まれているので、従来のレジスト
層に溝が形成されたグレーティングのように、ネガ基板
において接着剤であるエポキシ樹脂の硬化冷却時に、レ
ジストと基板の膨張係数が異なるため、収縮率が異な
り、微小な回折格子溝に変化を及ぼし、オリジナル・グ
レーティングとネガ・グレーティングとの溝同志が食い
込んでしまい剥離ができないという問題も解消されてい
る。

【００２９】さらには、転写後の面粗さも解消され、迷
光も低く抑えられたものとなっている。本実施例のレプ
リカ・グレーティングを紫外可視分光硬度計UV1200（島
津製作所製）に搭載し、従来のものとその迷光値を比較
したところ、従来のものでは0.024％であったものが、
本実施例のものでは0.0061％と格段に良好なものとする
ことができた。迷光値にはグレーティング以外にも装置
自体が持っている分もあるので、グレーティング自体の
迷光値は極限まで小さくすることができたと言うことが
できる。

【００３０】レプリカ・グレーティングの作製方法はネ
ガ・グレーティングと同様で良い。ネガ・グレーティン
グに離形剤層、アルミニウム薄膜を形成し、接着剤によ
りレプリカ基板を接着した後、パーティングを行う。ネ
ガ・グレーティングの溝形状は再度反転され、レプリカ
・グレーティング表面に転写され、結果としてオリジナ
ル・グレーティングと等しい溝形状を持つレプリカ・グ
レーティングが作製される。このような工程を繰り返す
ことにより多数のレプリカ・グレーティングが作製され
る。複製過程において、オリジナル・グレーティングの
表面に傷が付いても、コーティングを剥がして再度コー
ティングすることによりまた使用可能となるため、耐久
性の面では著しく優れたものとなり、１枚のオリジナル
・グレーティングから数千枚のレプリカ・グレーティン
グをとることが可能となった。このことは、レプリカ・
グレーティングを安価に市場に提供できるのみならず、
レプリカ・グレーティングの性能のばらつきを少なくす
ることができ、品質の安定したグレーティングを提供で
きるという効果も奏する。

【００３１】なお、本実施例では凹面グレーティングを
作製するため、一旦ネガ・グレーティングに転写した
後、再度転写してレプリカ・グレーティングを得たが、
平面グレーティングの場合には直接レプリカ・グレーテ
ィングに転写することも勿論可能である。その他、公知
の製造方法、複製方法により適宜変形実施が可能であ
る。

【発明の効果】本発明に係るホログラフィック・グレー
ティングは、従来はレジストに回折格子溝が刻線されて
いたものを、ガラス基板に直接刻線するように構成して
いるため、耐久性を飛躍的に向上させることができたも
のであるので、複製品の作製工程においてパーティング
の際などにレジストが剥離したり溝が欠けたりする不都
合が生じず、１枚のオリジナル・グレーティングから数
千枚ものレプリカ・グレーティングをとることができ、
単価も格段に低く抑えることができる。また、オリジナ
ル・グレーティングが共通であるので、そこから作製さ
れるレプリカの性能にもばらつきがなく、安定した品質
を保証することができる。

【００３２】また、グレーティングの作製工程におい
て、レジストに形成されるグレーティング・パターンの
溝高さを、最終的に得ようとするグレーティングの溝高
さに比して1倍以上とした上で、基板に対するエッチン
グ速度よりもレジストに対するそれの方のエッチング速
度の方が大きくなるよう選択比を調整することにより、
エッチングの結果得られるグレーティング表面の面粗さ
も、レジスト表面の面粗さよりも選択比の分だけ縮少さ
れ、エッチングによる表面ダメージをむしろ向上させる
ことができ、迷光値の小さい良好なグレーティングを作
製することができるという比類なき効果を奏する。

【００３３】また、反応性イオンビームエッチングの工
程において、光学ガラス基板に対するエッチングガスと
してフッ素系ガスと酸素との混合ガスを採用したことに
より、エッチングにおける選択比を調整することは勿
論、エッチング表面におけるカーボンリッチの状態をも
解消し、エッチング効率を上げると同時に、グレーティ
ング表面の白濁という問題をも解消することができる。

【００３４】さらには、エッチングの際のイオンビーム
を、レジストパターンの刻線方向に垂直で且つ基板の法
線方向に対して傾斜した方向から照射することにより、
グレーティング溝の断面形状が、若干鋸歯形状に近づい
た（イオンの入射方向へ傾いた）概略正弦波状のグレー
ティングとなるようにしているので、溝の断面が正弦波
状のホログラフィック・グレーティングにおける広波長
帯域で回折効率の変化が少ないという長所と、断面形状
が鋸歯状のブレーズド・グレーティングの回折効率が高
いという長所とを併せ持ったものとすることができ、溝
の断面形状を正弦波形とブレーズド形のどちらに近い形
にするかを調整することにより、使用する分光器に最適
な波長に対する回折効率分布を持ったグレーティングを
作製することが可能となった。

【００３５】

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明に係るホログラフィック・グレーティン
グ及びレプリカ・グレーティングを作製する実施例を説
明する概略図である。

【図2】ホログラフィック露光装置の一構成例を説明す
る概略図である。

【符号の説明】

１：基板 ２：ホトレジスト層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０３Ｈ 1/04 Ｇ０３Ｈ 1/04 (72)発明者 副島 章雄 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会 社島津製作所内 Ｆターム(参考） 2H049 AA25 AA34 AA37 AA39 AA48 AA58 AA59 CA15 CA28 2H096 AA30 EA11 GA36 2K008 AA00 BB04 DD12 EE01 FF12 FF13 FF14 GG05 HH18 HH25 4G059 AA11 AB03 AB07 AB09 AB11 AC01 BB01 BB13 DA05 DB02 GA01 GA15

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光学ガラス基板上に設けたホトレジスト層
   に、所望の回折格子溝深さ以上の溝深さを有するレジス
   トパターンを露光法により刻線し、該レジストパターン
   が完全に消失するまでフッ素系ガスと酸素との混合ガス
   から生成されるイオンビームによりエッチングすること
   により、光学ガラス基板上に所望の溝深さの回折格子溝
   を直接刻線してなるホログラフィック・グレーティン
   グ。
2. 【請求項２】エッチングの際のイオンビームを、レジス
   トパターンの刻線方向に垂直で且つ基板の法線方向に対
   して傾斜した方向から照射することにより作製された請
   求項１記載のホログラフィック・グレーティング。
3. 【請求項３】請求項１及び請求項２記載のホログラフィ
   ック・グレーティングからの転写により作製されたネガ
   ・グレーティング及びレプリカ・グレーティング。