JP2002174710A - 回折光学素子及びその製造方法 - Google Patents

回折光学素子及びその製造方法

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JP2002174710A
JP2002174710A JP2000371104A JP2000371104A JP2002174710A JP 2002174710 A JP2002174710 A JP 2002174710A JP 2000371104 A JP2000371104 A JP 2000371104A JP 2000371104 A JP2000371104 A JP 2000371104A JP 2002174710 A JP2002174710 A JP 2002174710A
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diffractive optical
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Masahiko Sakamoto
雅彦 阪本
Kozo Nukui
浩三 温井
Yasuhiko Iwai
靖彦 祝
Homare Mori
誉 森
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価で高性能な回折光学素子及びその製造方
法を提供する。 【解決手段】 炭酸ガスレーザ光に対して屈折率が4.
0以上となる基板上に、一定ピッチpのラインアンドス
ペースのパターンが形成され、入射する炭酸ガスレーザ
光を、上記パターンにより回折させて、0次回折光と±
1次回折光、または±1次回折光で構成される複数のビ
ームに分光する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、高速微細穴加工
等に用いられるレーザ加工装置において使用される回折
光学素子及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】レーザ加工装置において回折光学素子
(DOE)を使用することにより、レーザビームを複数
のビームに分光し、同時に複数の穴明け等の加工を行わ
せることができ、高速の穴加工処理が可能となる。この
ようなレーザ加工に用いられる回折光学素子として、例
えば、文献「SEIテクニカルレビュー」第153号p
119−127(1998年)に記載されるものがあっ
た。この回折光学素子は、ZnSe(セレン化亜鉛。C
O2レーザ光に対する屈折率は2.4)などの基板に微
細なセルパターンを形成したものであり、任意の数のレ
ーザビームに分光することができるものである。
【0003】図4に従来の上記回折光学素子の製造方法
を示す。図において、10はZnSeよりなる基板、2
はフォトレジスト、30はフォトマスク、4はレジスト
露光用のUV光である。まず、基板10上にフォトレジ
スト2が塗布される。次に、フォトレジスト2上に微細
なセルパターンが形成されたフォトマスク30が設置さ
れ、フォトマスク30の上からUV光4が照射され、パ
ターニング露光される。現像後、レジスト2のない部分
の基板1面がエッチングされ、所定の深さの溝が形成さ
れる。最後にレジスト2が除去される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の回折光学素子の
構造及び製造方法は上記の通りであったので、以下のよ
うな問題点があった。 ・基板上に形成されるパターンは微細なセルパターンで
あり、このような微細なセルパターンを刻んだフォトマ
スクが高価である。 ・回折光学素子に使用される基板はZnSeであるた
め、所定のパターンを形成するためにはエッチングによ
らねばならず、その際、エッチングの条件出しが難し
い。特に、エッチングにより削られる溝の深さが深い
程、溝深さ不良や面荒れ等が問題となる場合が多く、こ
れらは分光強度比不良や回折効率低下の原因となった。
【0005】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたものであり、安価で高性能な回折光学素
子及びその製造方法を提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の回折光学素子
は、炭酸ガスレーザ光に対して屈折率が4.0以上とな
る基板上に、一定ピッチのラインアンドスペースのパタ
ーンが形成され、入射する炭酸ガスレーザ光を、上記パ
ターンにより回折させて、0次回折光と±1次回折光、
または±1次回折光で構成される複数のビームに分光す
るものである。
【0007】また、本発明の回折光学素子は、ラインに
垂直な断面のパターン形状が矩形であるものである。
【0008】また、本発明の回折光学素子は、基板上に
形成されるパターンが、ノイズ光となる±2次回折光の
光強度と±3次回折光の光強度とが同じ強度となるよう
なパターン形状であるものである。
【0009】また、本発明の回折光学素子の製造方法
は、炭酸ガスレーザ光に対して屈折率が4.0以上とな
る基板上にフォトレジストを塗布する工程、上記レジス
トに一定ピッチのラインアンドスペースのパターンを露
光する工程、露光した上記レジストを現像する工程、現
像後に上記基板をソフトエッチングする工程、ソフトエ
ッチング後に上記基板と同一材料を蒸着する工程、及び
蒸着後に上記レジストを除去する工程を施すものであ
る。
【0010】
【発明の実施の形態】実施の形態1.以下、本発明の実
施の形態1を図を用いて説明する。図1は本発明の実施
の形態1による回折光学素子を用いたレーザ加工装置を
示す構成図である。図において、100は回折光学素子
(DOE)、200はレンズ、300は穴加工を施すワ
ークである。レーザ加工装置において本実施の形態1に
よる回折光学素子(DOE)100を使用することによ
り、レーザビームは3つにビームに分光され、分光され
たビーム1、2、3により、同時に複数の穴あけ等の加
工を行うことができる。図2にこの発明の実施の形態1
による回折光学素子100を示す。回折光学素子100
の基板上には一定ピッチのラインアンドスペースのパタ
ーンが形成されており、ラインに垂直な断面のパターン
形状は矩形である。また、上記パターンは、繰返しパタ
ーンのピッチがp、谷部分の幅がa、山部分の幅がb、
山部分の高さがhである。基板材料としては、炭酸ガス
(CO2)レーザ光に対して4.0以上の屈折率となる
ものを選定する。ここでは屈折率4.0であるGe(ゲ
ルマニウム)を選定する。
【0011】一般に、矩形の断面形状を持つ回折格子に
よる0次回折効率η0及びN次回折効率ηNは以下の式に
示す通りである。 η0=1−4d(1−d)sin2[π(n−1)h/λ] ηN=4sin2[πNd]sin2[π(n−1)h/λ]/(πN)2 …(1) ただし、N=±1, ±2, ±3,… λ:レーザ光の波長 n:基板材料の屈折率 d:格子のduty比(ピッチpに対する山部分の幅b
/p、またはピッチpに対する谷部分の幅a/p) h:パターンの溝の深さ(山部分の高さ)
【0012】例えば、炭酸ガスレーザ(λ=9.3μ
m)を用い、基板材料をGe(n=4.004)とし
て、形成するパターンのd、hをそれぞれd=0.5、
h=0.99μmとすると、(1)式は となり、0次回折光及び±1次回折光の光強度がほぼ等
しくなり、レーザビームを3つのビームに分光すること
ができる。またこの場合、±2次回折光は現れず、±3
次回折光はノイズ光(不要な光)となる。
【0013】なお、ZnSe基板を用いて同様に一定ピ
ッチのラインアンドスペースのパターンを形成し、炭酸
ガスレーザ光を3分光(0次回折光と±1次回折光で構
成)する回折光学素子、または2分光(±1次回折光で
構成)する回折光学素子を作製した場合、屈折率nがG
eに比べ低いため、パターンの溝の深さ(山部分の高
さ)hは2.1〜3.3μm程度必要となる。これに対
して、基板としてGeを用いた本実施の形態では、溝の
深さhが0.99〜1.55μmとなり、ZnSe基板
を用いた場合より浅くすることができるため、溝深さ不
良や面荒れ等が問題になることが少なく、高性能な回折
光学素子が得られる。
【0014】なお、本実施の形態において、基板上に形
成するパターンのd、hをそれぞれd=0.42、h=
1.02μmとすると、(1)式は となり、(2)式に示す実施の形態に比べると、0次回
折光及び±1次回折光の強度はやや低下するが、±3次
回折光の強度は、d=0.5、h=0.99μmの場合
と比べて小さくなる。この場合、同様にノイズ光である
±2次回折光が生じるが、その光強度は±3次回折光の
光強度と同じであり小さい。レーザ加工時にはノイズ光
のピークを小さくする方が良いケースが多く、ノイズ光
の小さい、品質のよいビームが得られる効果がある。
【0015】次に、上記回折光学素子の製造方法を述べ
る。図3において、1はGeなどの基板、2はフォトレ
ジスト、3はフォトマスク、4はレジスト露光用のUV
光である。まず、基板1上にフォトレジスト2を塗布す
る。次に、フォトレジスト2上にフォトマスク3を設置
し、フォトマスク3の上からUV光4を照射してパター
ニング露光する。フォトマスク3のパターンは一定ピッ
チのラインアンドスペースである。現像後、レジスト2
のない部分の基板1面をソフトエッチングする。ソフト
エッチングとは、0.02μm程度基板表面を削り、次
の蒸着工程で材料の密着性を良くするために行う処理で
ある。削り量が少ないので溝深さ不良や面荒れ等は生じ
ない。蒸着工程において蒸着される材料は基板1と同じ
材料であり、蒸着膜厚は作製する回折光学素子のパター
ンの溝深さにソフトエッチング深さを加算した値とす
る。蒸着工程において用いられる電子ビーム蒸着等の真
空蒸着は、蒸着時の膜厚制御がエッチング時より容易で
あり、溝深さの制御が容易にできる。最後に、レジスト
2を除去すると矩形の断面形状を有するパターン形成が
完了する。
【0016】実施の形態2.上記実施の形態1では、基
板1の片面に矩形の断面形状のパターンを形成し、入射
する炭酸ガスレーザ光を、上記パターンにより回折して
0次回折光と±1次回折光で構成される3つのビームに
分光する場合を示したが、基板1上に形成するパターン
のd、hをそれぞれ、例えばd=0.5、h=1.55
μmとし、 η0=0 η1=η-1=0.41 η2=η-2=0 η3=η-3=0.04 となるようにして、入射する炭酸ガスレーザ光を、±1
次回折光で構成される2つのビームに分光するようにし
てもよい。
【0017】また、基板1の両面にラインアンドスペー
スのパターンを形成し、その際、上記パターンを、例え
ば一方の面に3分光、他方の面に2分光のパターンを形
成するようにすれば、レーザ光を6分光することができ
る。同様に、両面に3分光のパターンを形成するとレー
ザビームを9分光することができる。また、両面に2分
光のパターンを形成するとレーザ光を4分光することが
できる。このように、本発明の回折光学素子は、簡単な
パターン構造によりレーザ光を2、3、4、6、9分光
することができ、安価で、かつ高性能の回折光学素子が
得られる効果がある。
【0018】なお、上記各実施の形態においては、ライ
ンに垂直な断面のパターン形状が矩形形状のものを示し
たが、パターンの断面形状は、回折光による分光が可能
な範囲で多少の曲面があってもよい。
【0019】
【発明の効果】以上のように、この発明の回折光学素子
は、炭酸ガスレーザ光に対して屈折率が4.0以上とな
る基板上に、一定ピッチのラインアンドスペースのパタ
ーンが形成され、入射する炭酸ガスレーザ光を、上記パ
ターンにより回折させて、0次回折光と±1次回折光、
または±1次回折光で構成される複数のビームに分光す
るものであるので、形成されるパターンは簡単であり、
かつパターンの溝の深さが浅く構成できるため、安価で
高性能な回折光学素子が得られる効果がある。
【0020】また、この発明の回折光学素子は、ライン
に垂直な断面のパターン形状が矩形であるので、分光特
性の優れた回折光が得られる効果がある。
【0021】また、この発明の回折光学素子は、基板上
に形成されるパターンが、ノイズ光となる±2次回折光
の光強度と±3次回折光の光強度とが同じ強度となるよ
うなパターン形状であるので、ノイズ光(不要な光)を
小さくでき、レーザ加工の品質を良くできる効果があ
る。
【0022】また、この発明の回折光学素子の製造方法
は、炭酸ガスレーザ光に対して屈折率が4.0以上とな
る基板上にフォトレジストを塗布する工程、上記レジス
トに一定ピッチのラインアンドスペースのパターンを露
光する工程、露光した上記レジストを現像する工程、現
像後に上記基板をソフトエッチングする工程、ソフトエ
ッチング後に上記基板と同一材料を蒸着する工程、及び
蒸着後に上記レジストを除去する工程を施すので、形成
されるパターンの溝の深さは浅くてよく、かつ深さ制御
が容易であるため、面荒れが生じず、安定した性能の素
子を製造できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1による回折光学素子を
使用したレーザ加工装置を示す構成図である。
【図2】 本発明の実施の形態1による回折光学素子を
示す部分斜視図である。
【図3】 本発明の実施の形態1による回折光学素子の
製造方法を示す図である。
【図4】 従来の回折光学素子の製造方法を示す図であ
る。
【符号の説明】
1,10 基板、2 フォトレジスト、3,30 フォ
トマスク、4 UV光、100 回折光学素子、200
レンズ、300 ワーク。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 祝 靖彦 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 森 誉 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 Fターム(参考) 2H049 AA03 AA13 AA31 AA37 AA46 AA53 AA66 4E068 CD04 CD08 DA11

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭酸ガスレーザ光に対して屈折率が4.
    0以上となる基板上に、一定ピッチのラインアンドスペ
    ースのパターンが形成され、入射する炭酸ガスレーザ光
    を、上記パターンにより回折させて、0次回折光と±1
    次回折光、または±1次回折光で構成される複数のビー
    ムに分光する回折光学素子。
  2. 【請求項2】 ラインに垂直な断面のパターン形状は矩
    形である請求項1記載の回折光学素子。
  3. 【請求項3】 基板上に形成されるパターンは、ノイズ
    光となる±2次回折光の光強度と±3次回折光の光強度
    とが同じ強度となるようなパターン形状である請求項1
    または2記載の回折光学素子。
  4. 【請求項4】 炭酸ガスレーザ光に対して屈折率が4.
    0以上となる基板上にフォトレジストを塗布する工程、
    上記レジストに一定ピッチのラインアンドスペースのパ
    ターンを露光する工程、露光した上記レジストを現像す
    る工程、現像後に上記基板をソフトエッチングする工
    程、ソフトエッチング後に上記基板と同一材料を蒸着す
    る工程、及び蒸着後に上記レジストを除去する工程を施
    した回折光学素子の製造方法。
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