JP2002040220A - 回折格子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】共鳴領域において広い波長帯域に渡って高い回
折効率を持ち、レプリカ作製にも好適な回折格子を提供
する。 【解決手段】溝断面形状がラミナー型（矩形状）以外の
例えば鋸歯状や正弦波状のものであって、その溝底部を
平坦な形状とした。近赤外から赤外にかけて溝周期と波
長が同程度の領域においては、従来のホログラフィック
・グレーティング及びエシェレット・グレーティングよ
り優れた分光性能（広い波長域でバランス良く高効率）
を有するグレーティングとして機能し、また、レプリカ
作製時においては溝のアスペクト比が小さいので溝同士
が噛み合う力が小さく、且つ溝底が大きいため剥形剤が
溝底まで充分行き渡るので、パーティング時に溝欠損な
どの不具合が生じにくい。

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。こ
れらを溝断面形状により大別すると、基板に塗付した
ホトレジスト層に２光束干渉（ホログラフィック露光
法）による干渉縞を露光・現像して製作される、溝断面
形状が正弦波状のレジストパターンを有するホログラフ
ィック・グレーティング（以下、溝断面形状が正弦波状
のグレーティングをホログラフィック・グレーティング
と称す）、更にをイオンビーム加工技術で溝断面形
状を鋸歯状に変換したブレーズド・ホログラフィック・
グレーティングや、ルーリングエンジン等により機械刻
線された溝断面形状が鋸歯状のルールド・グレーティン
グ（以下、溝断面形状が鋸歯状のグレーティングを総称
してエシェレット・グレーティングという）、また
をイオンビーム加工技術で溝断面形状を矩形状に変換し
たラミナー・グレーティングが知られている。

【０００３】光は、直行する電波と磁波の２成分を持っ
た横波であり、本来は、電波と磁波の境界領域での作用
が異なるため、グレーティングに入射する光を溝方向に
平行に振動している成分と、垂直に振動している成分と
に分け、この成分毎に回折格子溝表面での作用を計算
し、回折効率を求める必要があるが、グレーティングの
溝周期に対して使用波長が小さい場合には、入射光を２
成分に分けて議論しなくても光の強度のみ、すなわち回
折格子溝のフラウンフォーファ回折を全ての回折格子溝
で積分することにより、回折効率を計算するだけで良い
一致が得られる。この計算理論をスカラー理論といい、
この理論によれば、実際と良く一致する良好な計算結果
が得られる。

【０００４】溝周期／波長＞５の領域をスカラー領域と
いい、個々の回折格子溝が寄与するフラウンフォーファ
回折を積分することにより、回折効率が計算できる。こ
の領域では、スペクトル形状において偏光による差異は
少ない。

【０００５】これに対し、溝周期／波長＜５の領域をRe
sonance Domain（ここでは共鳴領域と呼ぶ）といい、も
はやスカラー理論は成立しない。共鳴領域では、偏光に
依る境界領域での作用が異なるため、グレーティングに
入射する光をベクトル量とし、回折格子溝表面での作用
を厳密に計算して回折効率を求める必要がある。

【０００６】ところで、一般に、放射光のような短波長
の分光には溝断面形状が矩形状のラミナー・グレーティ
ングがよく使用され、紫外から近赤外の分析装置の分光
器には主として溝断面形状が鋸歯状のエシェレット・グ
レーティングが用いられる。その理由にはいろいろある
が、主には使用する波長域やグレーティングの使用方法
等から、回折効率が最適な溝形状があるためである。こ
の領域ではスカラー理論で計算した結果が実際と比較的
良く一致する。しかし、近赤外から赤外にかけて溝周期
と波長が同程度の領域になる共鳴領域の場合には、溝断
面形状が正弦波状のホログラフィック・グレーティング
の方がエシェレット型グレーティングより回折効率に優
れる場合があり、しばしば用いられている。

【０００７】また、レプリカ・グレーティングの量産手
法としては、一般的にはネガ・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。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】グレーティングを製作
する場合、使用波長域で分解能を得ようとすると、グレ
ーティングの溝本数を多く（溝周期を小さく）する必要
があり、溝周期と使用波長が同程度の領域になってくる
と、溝周期に対する溝深さ（アスペクト比）を大きくす
る必要があるが、ホログラフィック・グレーティングの
場合、露光時の干渉縞の溝断面形状が正弦波状であるこ
とや、露光時の振動や熱の外乱により、露光中に安定し
てコントラストの良い干渉縞を作ることが困難なため、
溝深さが深いレジストパターンを製作することがが出来
ず、結果的に溝深さの深いホログラフィック・グレーテ
ィングやブレーズド・ホログラフィック・グレーティン
グを製作することはできなかった。

【０００９】製作可能な範囲のある程度アスペクト比が
大きなホログラフィック・グレーティングやエシェレッ
ト・グレーティングをレプリカする場合、剥形剤が溝表
面に有効に付かず、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、溝形状が忠実に転写されないため性能が劣化するな
ど、製作効率が極端に悪くなることが多かった。このよ
うな剥離作業における不具合を避けるためには、アスペ
クト比が小さいことや、剥離しやすい形状が望ましい
が、特に近赤外から赤外にかけて使用するグレーティン
グで高分解能を得ようとする場合、アスペクト比が大き
なだけでなく、絶対的な溝深さも深くなり、上記の問題
点がより顕著であった。

【００１０】さらに、エシェレット・グレーティングや
ホログラフィック・グレーティングでは、共鳴領域にな
るといくらアスペクト比を大きくしても、ピークが短波
長側に留まり所望の波長にピークを持ってくることが理
論上も一般に困難であり、近傍の波長域で十分な回折効
率を持つ反射（透過）帯を形成することは困難であっ
た。

【００１１】本発明は、このような問題点を解決し、広
波長領域、特に共鳴領域において高い回折効率を持ち、
且つレプリカ作製に好適な回折格子を提供することを目
的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本願発明者らは、使用波
長域等の用途によってタイプの異なるグレーティングが
使用されていることに着目し、鋭意研究した結果、従来
の溝断面形状を基に製作方法を考慮しながら回折効率に
優れるという上記課題を解決できる溝断面形状を見出し
た。

【００１３】計算によれば、近赤外から赤外にかけてで
溝周期と波長が同程度の領域では、エシェレット・グレ
ーティングよりホログラフィック・グレーティングが優
れている。また、レプリカにおいては溝のアスペクト比
が小さいほど、溝同士が噛み合う力が小さく、溝底が大
きいほど剥形剤が溝底まで充分行き渡る。以上の条件を
満たす溝形状として、本発明に係る回折格子では、溝断
面形状がラミナー型（矩形状）以外の例えば鋸歯状や正
弦波状等のものであって、その溝底部を平坦な形状とし
た。

【００１４】このような溝断面形状を有する回折格子に
ついて、回折効率のシミュレーションを行ったところ、
従来のエシェレット・グレーティングやホログラフィッ
ク・グレーティングでは得られなかった高い回折効率
が、所望の波長域で得られることが分かり、実際に製作
した回折格子の回折効率測定結果ともよく一致し、良好
な実効結果が得られた。

【００１５】なお、基となる溝断面形状はラミナー型以
外であればよく、鋸歯状、正弦波状、あるいはこれらを
若干変形したものを対象としており、溝底部に平坦部を
有していればよい。また、反射型のものであっても透過
型のものであってもよい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る回折格子の作
製方法およびレプリカ方法について、溝断面形状が正弦
波状のものを例にとって説明する。

【００１７】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（登録商
標）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60m
m×60mm×11.3mm）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。

【００１８】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MP1400-22を3000rpmで40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400nmのホトレジスト層２とした。

【００１９】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が、露光時間と現像時
間の制御により、基板面上に正弦半波状のホトレジスト
の回折格子パターン21を作成することができ、本実施例
ではデューティ比（溝幅／溝周期）を0.5とした。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）も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300nmとした。

【００２０】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Arガス
を混合比：Ar／（CF4＋Ar）＝60％、ガス圧2×10^-2 Pa
とし、基板の法線方向からイオンビームを照射した。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400nm、デューティ比0.5で溝断面形状が正弦
半波状の回折格子を作製した（図１(d)）。

【００２１】なお、使用するエッチングガスのCF4とAr
との混合比率は、最初に作るレジストパターンの高さと
所望の回折格子溝深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、Ar／（CF4＋A
r）＝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＋Arの混合ガスに限
らず、CF4とO2や、例えばCHF3、CBRF3等のフッ素系ガス
とArあるいはO2の混合ガスでも良い。また、イオンビー
ムの入射方向も直入射（０°）に限定されない。要する
に、最終的に得ようとする回折格子の回折効率が最適な
溝深さを得ることを目的としている。

【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400nmの時、1.55μm帯でＴＥ偏光
が40%、ＴＭ偏光が95%となり、例えば光通信関連で使用
するのに好適なものである。同じ溝深さでは、格子溝形
状が鋸歯状のブレーズド・グレーティングでＴＥ偏光が1
7%、ＴＭ偏光が80%、ホログラフィック・グレーティング
でＴＥ偏光が22%、ＴＭ偏光が94%となり、今回作製した
平底型ホログラフィック・グレーティングはエシェレッ
ト・グレーティングや従来型のホログラフィック・グレー
ティングに比べて大変優れた回折効率を示した。

【００２３】また共鳴理論によるエシェレット・グレー
ティング、ホログラフィック・グレーティングと今回製
作した平底型ホログラフィック・グレーティングの偏光
別回折効率のシミュレーション結果を図３〜図５に示
す。このシミュレーション結果からも平底型ホログラフ
ィック・グレーティングが非常に優れており、シミュレ
ーション結果とも良い一致を示している。これと比較し
てエシェレット型の場合はシミュレーション結果とのズ
レが有る。これは、平底型のものは製造上のバラツキが
少なく、品質上からもエシェレット型のものより優れて
いることの証明であり、従って製造期間やコスト面でも
従来のグレーティングより優れていることが分かる。

【００２４】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、紫外から赤外領域で比較的反射率
が高いアルミニウム（Al）をコーティングした。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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）より剥離すると、離形剤を境に
してネガ基板が剥離する。剥離後、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)）。

【００２８】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、剥離を行う。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。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。

【００２９】

【発明の効果】溝周期に対して波長が同程度或いはそれ
以上の波長領域になると、従来のエシェレット型及びホ
ログラフィック型のグレーティングでは、ＴＭ偏光、Ｔ
Ｅ偏光両方の回折効率を高くバランス良く得ることは困
難であったし、また、これらのグレーティングの場合、
溝のアスペクト比が大きくなり、レプリカが困難で、オ
リジナル・グレーティングの溝形状を有効に転写でき
ず、良好な回折効率を持ったグレーティングの供給が困
難であったが、本発明に係る回折格子では、溝断面形状
の正弦半波や鋸歯状において平底型の回折格子としたこ
とにより、溝周期に対して波長が同程度或いはそれ以上
の波長領域であっても、ＴＭ偏光、ＴＥ偏光両方の回折
効率が高く且つバランスの良いものとすることができ、
更にはレプリカによる複製が従来のエシェレット・グレ
ーティングやホログラフィック・グレーティングよりも
容易であるため、高分解能で明るい分光器を安価に製作
できるようになった。特に、光通信用として有用な1.2
〜1.7μｍ帯で高分解能で且つ効率に優れた回折格子を
提供できる。

【００３０】

【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。

【図3】本発明に係る回折格子のTE偏光による回折効率
シミュレーション図である。

【図4】本発明に係る回折格子のTM偏光による回折効率
シミュレーション図である。

【図5】本発明に係る回折格子の無偏光による回折効率
シミュレーション図である。

【符号の説明】

1：ガラス基板 2：ホトレジスト層 21：回折格子パターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 誠 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 (72)発明者 佐藤 晃 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 (72)発明者 宮内 真二 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 AA45 AA48 AA53 AA58 AA59 AA63 CA05 CA15 CA24 CA28

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溝形状がラミナー型以外の反射型又は透過
   型の回折格子であって、その溝断面形状の溝底部が平坦
   に形成されていることを特徴とする回折格子。
2. 【請求項２】請求項１記載の回折格子からの転写により
   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。