JP2004086073A

JP2004086073A - 回折格子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2004086073A
Application number: JP2002249863A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Umebayashi; 梅林　信弘; Akihito Sakamoto; 酒本　彰人
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】本発明は、ブレーズ角の精度及び溝壁面の平滑性の優れたエシェル回折格子及びその製造方法を提供することである。
【解決手段】Ｓｉ＜１００＞基板３０の表面に多数のＶ字溝３１がそれぞれ平行に形成されているエシェル回折格子であって、Ｖ字溝３１の光が入射される壁面３２が、Ｓｉ結晶の（１１１）面であり、その壁面３２上に反射膜３４が形成されている。このエシェル回折格子のＶ字溝３１のブレーズ角θ_Ｂは、Ｓｉ結晶の（１００）面と（１１１）面とのなす角度に相当し５４．７度となる。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折格子及びその製造方法に関し、より詳細には、Ｓｉ＜１００＞基板上に複数のＶ字状の溝を備えた回折格子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、インターネットの普及に伴い光通信の大容量化が求められている。これを達成するための一つの方法に、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ：Ｄｅｎｓｅ　Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式がある。この方式は、波長毎に情報をのせた信号を多数重ね合わせて、一本の光ファイバで伝搬させることにより、情報伝搬量の大容量化を図るものである。この方式で受信した信号は、分波器により各波長に分波され、情報再生が行われる。この際、分波器には反射型の回折格子を用いた分波器がよく用いられる。
【０００３】
従来の反射型の回折格子を図１に示す。図１は反射型の回折格子の断面図である。従来の反射型の回折格子は、図１に示すように、基板１０の表面に多数の鋸状の溝１１がそれぞれ平行に形成されており、溝１１のブレーズ角（θ_１，θ_２，θ_３，θ_４，…）は、分波される各波長の回折光の強度が一定になるように、回折格子内で周期的に変化させて形成されている。また、従来の反射型の回折格子は、図１に示すように、溝１１間の凸部の頂角θ_Ｔは９０度で形成される。図１に示すような回折格子では、通常、溝壁面に入射する光の方向は特定しない。このような回折格子に波長λ_１〜λ_ｎの光が多重化された光が入射されると、入射光は回折格子の表面に形成された溝により回折され干渉する。これにより、特定の波長を有する光が特定の方向に反射され、多重化された光を分波させることができる。
【０００４】
図１に示すような反射型の回折格子を製造するには、ガラス、セラミック及び金属などから形成された基板を用意し、かかる基板に、例えばダイヤモンドヘッドを有する溝加工機を用いて機械加工により溝を形成する必要があった。しかしながら、このような機械加工による溝の形成方法では、溝のブレーズ角の精度及び溝壁面の平滑性に限界があるため、回折光の有効利用率が十分ではないという問題があった。さらに、このような機械加工による製法は、回折格子の寸法の再現性に乏しく、量産に不向きであるという問題があった。
【０００５】
ところで、反射型の回折格子には、図２に示すようなエシェル回折格子と呼ばれる回折格子が知られている。エシェル回折格子は、図２に示すように、溝２１のブレーズ角θ_Ｂが全ての溝で一定となるように光学設計されている。また、エシェル回折格子では、図２に示すように、光２２の溝壁面２３に対する入射角が９０度になるように入射される。このようなエシェル回折格子では、入射光２２と溝壁面２３とのなす角度が常に９０度となるように調整されているので、分波された各波長の回折光が同じ強度になるだけでなく、回折光の偏光面が常に一定になるという特徴がある。また、エシェル回折格子では、図２に示すように、溝２１間の凸部の頂角θ_Ｔが９０度となるような凸部が形成される。図２に示すようなエシェル回折格子をＤＷＤＭシステムに適用した一例が、ＷＯ０１／８１９６４に開示されている。しかしながら、エシェル回折格子も、従来の反射型の回折格子と同様に、機械加工により溝が形成されるので、上記問題は未解決のままである。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の問題を解決するものであって、ブレーズ角の精度及び溝壁面の平滑性が優れた回折格子及びその製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様に従えば、反射型の回折格子であって、Ｓｉ＜１００＞基板を有し、上記Ｓｉ＜１００＞基板上に複数のＶ字状の溝がそれぞれ平行に形成されており、上記溝の一方の壁面がＳｉ結晶の（１１１）面であり、且つ上記溝の少なくとも一方の壁面に反射膜が形成されていることを特徴とする回折格子が提供される。
【０００８】
本発明の回折格子は、Ｓｉ＜１００＞基板上に複数のＶ字状の溝が形成された反射型の回折格子であって、溝の一方の壁面がＳｉ結晶の（１１１）面であり、且つ溝の少なくとも一部の壁面に反射膜が形成されている。その一例を図３に示す。図３に示すような本発明の回折格子では、Ｖ字状の溝３１の一方の壁面３２にはＳｉ結晶の（１１１）面が現われているので、溝３１のブレーズ角θ_Ｂは、Ｓｉ結晶の（１００）面と（１１１）面とのなす角度に相当し、いずれも５４．７度になる。一方、Ｖ字状の溝３１の他方の壁面３３はＳｉ結晶の（−１−１−１）面であるので、壁面３３の傾斜角θ_Ｂ’は、Ｓｉ結晶の（１００）面と（−１−１−１）面とのなす角度に相当し、ブレーズ角θ_Ｂと同じ５４．７度となる。これにより、溝３１間の凸部の頂角θ_Ｔは７０．６度になる。さらに、本発明の回折格子では、入射光３５を反射するための反射膜３４が溝３１の壁面３２に形成されている。ただし、反射膜３４は壁面３３に形成されていても良く、また、壁面３２及び３３の両壁面に形成されていても良い。
【０００９】
本発明の回折格子では、上記反射膜は金属であることが好ましく、Ｖ字状の溝のピッチが一定であることが好ましい。また、本発明の回折格子は、エシェル回折格子として好適に使用し得る。
【００１０】
本発明の第２の態様に従えば、基板上に複数の溝が形成された反射型の回折格子の製造方法であって、Ｓｉ＜１００＞基板上に上記複数の溝に相当するマスクをパターニングする工程と、パターニングされた上記マスクが形成された上記Ｓｉ＜１００＞基板を異方性エッチングして上記複数の溝を基板上に形成する工程と、上記Ｓｉ＜１００＞基板上に残存した上記マスクを除去する工程と、上記形成された溝の少なくとも一部の壁面に反射膜を形成する工程とを含む回折格子の製造方法が提供される。
【００１１】
本発明の回折格子の製造方法では、回折格子の基板としてＳｉ＜１００＞基板を用いることに特徴がある。このＳｉ＜１００＞基板上に所定のマスクをパターニングした後、異方性エッチングすると、マスクされていないＳｉ＜１００＞基板の表面は、Ｓｉ＜１００＞基板の結晶配向性により、Ｓｉ結晶の（１１１）面及び（−１−１−１）面に沿って優先的にエッチングされ、得られた溝壁面にＳｉ結晶の（１１１）面及び（−１−１−１）面が現われる。これらの（１１１）面及び（−１−１−１）面はいずれもＳｉ結晶の（１００）面に対して５４．７度で傾斜している。それゆえ、溝のブレーズ角は５４．７度となる。次いで、Ｓｉ＜１００＞基板上に形成された溝の少なくとも一部の壁面に反射膜を形成すると、本発明の回折格子が得られる。
【００１２】
本発明の回折格子の製造方法では、Ｓｉ＜１００＞基板の異方性エッチングの方法として、アルカリ溶液を用いたウェットエッチングが好ましい。
【００１３】
本発明の回折格子の製造方法では、Ｓｉ＜１００＞基板上に形成されるマスクがアルカリ溶液に対して耐性を有する材料で形成されることが好ましく、特に、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜及び金属膜からなる群から選ばれる少なくとも一種の膜で形成されていることが好ましい。また、溝壁面に形成される反射膜は金属で形成されることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の回折格子の製造方法では、Ｓｉ＜１００＞基板上に複数の溝に相当するマスクをパターニングする方法として、例えば、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、Ｓｉ＜１００＞基板４０上に第１マスク４１を形成する工程（図４（ａ））と、第１マスク４１上にフォトレジストを塗布して第２マスク４２を形成する工程（図４（ｂ））と、第２マスク４２を露光及び現像し、第１マスク４１をマスクするための、第２マスク４２の所定のマスクパターンを形成する工程（図４（ｃ））と、第１マスク４１上に残存した第２マスク４２をマスクとして第１マスク４１をエッチングし、Ｓｉ＜１００＞基板４０の表面をマスクするための、第１マスク４１及び第２マスク４２の所定のマスクパターンを形成する工程（図４（ｄ））とを含むパターニング方法が好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の回折格子及びその製造方法について実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００１６】
【実施例】
この実施例では、図３に示すように、Ｖ字溝３１のブレーズ角θ_Ｂが全てのＶ字溝で一定であり、且つＶ字溝３１のピッチｄが一定であるエシェル回折格子をＳｉ＜１００＞基板３０を用いて作製する。このエシェル回折格子の製造プロセスを図４を用いて説明する。まず、図４（ａ）に示すように、Ｓｉ＜１００＞基板４０の表面を熱酸化することにより０．５〜２．０μｍ程度の厚みのＳｉＯ_２膜４１を基板４０上に形成する。ただし、ＳｉＯ_２膜４１の代わりにＳｉＮ膜やＣｒ膜などを用いても良い。
【００１７】
次に、ＳｉＯ_２膜４１上に、図４（ｂ）に示すように、フォトレジスト４２を塗布する。フォトレジストの膜厚は０．５〜５．０μｍ程度とする。フォトレジスト４２を塗布した後、図４（ｃ）に示すように、フォトレジスト４２を所定パターンで露光及び現像し、ＳｉＯ_２膜４１をマスクするための、フォトレジスト４２の所定のマスクパターンを形成する。次いで、ＳｉＯ_２膜４１上に残存したフォトレジスト４２をマスクにしてＳｉＯ_２膜４１をエッチングすると、図４（ｄ）に示すように、フォトレジスト４２及びＳｉＯ_２膜４１の所定のマスクパターンのみがＳｉ＜１００＞基板４０上に残る。この例で作製するエシェル回折格子では、図３に示すように、Ｖ字溝３１のピッチｄは一定であるので、Ｓｉ＜１００＞基板４０の表面に残存するフォトレジスト４２及びＳｉＯ_２膜４１のマスクパターンは等間隔で配置されている。これらの残存フォトレジスト４２及びＳｉＯ_２膜４１の幅はそれぞれ０．５μｍ程度である。
【００１８】
このようにしてＳｉ＜１００＞基板４０の表面をマスクするための所定のマスクパターンが形成された後、図４（ｅ）に示すように、Ｓｉ＜１００＞基板４０の表面に残存したＳｉＯ_２膜４１及びフォトレジスト４２をマスクとしてＳｉ＜１００＞基板４０の表面領域を、アルカリ溶液で異方性エッチングする。ここで、アルカリ溶液には、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＡＭＴＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）またはメチレンジアミンを用い得る。Ｓｉ＜１００＞基板４０の表面をアルカリ溶液で異方性エッチングすると、図４（ｅ）に示すように、Ｓｉ＜１００＞基板４０の性質により、Ｓｉ＜１００＞基板４０の表面はＳｉ結晶の（１１１）面４３及び（−１−１−１）面４４に沿って優先的にエッチングされる。さらに、異方性エッチングが進むと、図４（ｆ）に示すように、溝壁面がＳｉ結晶の（１１１）面４３及び（−１−１−１）面４４であるＶ字溝４５がＳｉ＜１００＞基板４０の表面に形成される。また、この際、Ｓｉ＜１００＞基板４０の表面に残存していたフォトレジスト４２は、アルカリ溶液により除去する。従って、異方性エッチング後は、図４（ｆ）に示すように、Ｓｉ＜１００＞基板４０の表面にはＳｉＯ_２膜４１だけが残る。
【００１９】
Ｓｉ＜１００＞基板４０の表面を異方性エッチングした後、Ｓｉ＜１００＞基板４０の表面に残存したＳｉＯ_２膜４１をフッ酸によるウェットエッチングで除去すると、図４（ｇ）に示すように、多数のＶ字溝４５がそれぞれ平行に形成されたＳｉ＜１００＞基板４０が得られる。次いで、図４（ｈ）に示すように、Ｖ字溝４５の壁面４３に、蒸着やスパッタによりＡｕまたはＡｇを１００ｎｍ以上の膜厚で堆積して反射膜４６を形成すると、本発明のエシェル回折格子が得られる。
【００２０】
この例で作製されるエシェル回折格子では、図３に示すように、Ｖ字溝３１のブレーズ角θ_Ｂは全てのＶ字溝で一定であり、そのＶ字溝３１のブレーズ角θ_Ｂは、Ｓｉ結晶の（１００）面と（１１１）面とのなす角度に相当するので、５４．７度となる。一方、Ｖ字溝３１の壁面３３の傾斜角θ_Ｂ’は、Ｓｉ結晶の（１００）面と（−１−１−１）面とのなす角度に相当するので、ブレーズ角θ_Ｂと同じ５４．７度となる。これにより、溝３１間の凸部の頂角θ_Ｔは７０．６度となる。
【００２１】
また、この例で作製されるエシェル回折格子は、図３に示すように、Ｖ字溝３１のピッチｄが等間隔の回折格子である。Ｖ字溝３１のピッチｄの幅は、入射光の波長領域により異なるが、一般にピッチｄの値は、ｄ＝ｎλ／（２ｓｉｎθ_Ｂ）で与えられる。ここで、ｎは整数であり、λは入射光の波長である。
【００２２】
上記に示したように、この例のエシェル回折格子の製造方法では、Ｓｉ＜１００＞基板の結晶配向性を利用してエッチングすることによりＳｉ結晶の（１１１）面が溝壁面に現われるので、いずれのＶ字溝もブレーズ角θ_Ｂ＝５４．７度となるとともに、Ｖ字溝の壁面の表面粗度Ｒａが０．２ｎｍ以下となる。それゆえ、ブレーズ角精度及び表面平滑性の優れた格子を有するエシェル回折格子を作製することができる。
【００２３】
【変形例】
変形例では、Ｖ字溝の壁面に反射膜を形成する際に、反射膜を無電解メッキ法で作製する以外は、実施例と同様にエシェル回折格子を作製する。この例で作製するエシェル回折格子の断面図を図５に示す。この例で作製されるエシェル回折格子は、図５に示すように、実施例と同様に、Ｖ字溝５１のブレーズ角θ_Ｂが５４．７度であり、全てのＶ字溝で一定である。また、Ｖ字溝５１のピッチｄが等間隔のエシェル回折格子である。
【００２４】
この例では、反射膜５２を無電解メッキで形成するので、図５に示すように、Ｓｉ＜１００＞基板５０のＶ字溝５１が形成されている側の表面全体に反射膜５２が一様に形成される。即ち、この例のエシェル回折格子では、図５に示すように、Ｖ字溝５１の両壁面に反射膜が形成される。従って、この例のエシェル回折格子のＶ字溝５１の両壁面は同じ傾斜角を有するので、Ｖ字溝５１のどちらの壁面に光を入射させても同じ回折特性が得られる。また、この例のエシェル回折格子では、図５に示すように、Ｓｉ＜１００＞基板５０の表面の法線方向５３に対して対称的な方向から光５４及び５５を同時に入射して回折させることも可能である。従って、光ファイバから入力される波長多重情報を分波する際に、２本のファイバから入力される情報を一つの回折格子により同時に且つ独立して分波することができる。それゆえ、一つのエシェル回折格子に対して２方向から光入射する新規な分波システムが構築される。
【００２５】
上記実施例及び変形例では、Ｖ字溝のピッチｄが一定であるエシェル回折格子について説明したが、本発明はこれに限定されず、Ｖ字溝のピッチｄが回折格子内で異なっていても良い。また、上記実施例及び変形例で作製した回折格子は、エシェル回折格子として使用する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、図１に示すような、溝壁面に対して入射する光の方向を特定しない通常の回折格子として用いても良い。
【００２６】
また、上記実施例及び変形例では、Ｓｉ＜１００＞基板の表面に形成されたＶ字溝の壁面に直接反射膜を形成してＳｉ＜１００＞基板の回折格子を作製したが、本発明はこれに限定されず、Ｓｉ＜１００＞基板の表面に形成されたＶ字溝を樹脂基板に転写し、樹脂基板に転写されたＶ字溝の少なくとも一部の壁面に反射膜を形成して樹脂製の回折格子を作製しても良い。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の回折格子及びその製造方法に従えば、Ｓｉ＜１００＞基板の表面を異方性エッチングすることにより、Ｓｉ結晶の（１１１）面及び（−１−１−１）面を壁面とするＶ字状の溝を形成することができるので、ブレーズ角の精度及び溝壁面の平滑性に優れた回折格子及びその製造方法を提供することができる。また、本発明の回折格子の製造方法に従えば、回折格子の寸法の再現性に優れ、量産性の高い回折格子の製造方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の回折格子の概略断面図を示した図である。
【図２】従来のエシェル回折格子の概略断面図を示した図である。
【図３】実施例のエシェル回折格子の概略断面図を示した図である。
【図４】実施例のエシェル回折格子の製造方法のフローチャートを示した図である。
【図５】変形例のエシェル回折格子の概略断面図を示した図である。
【符号の説明】
１０，２０，３０，４０，５０　Ｓｉ＜１００＞基板
１１，２１　溝
２２，３５　入射光
２３　反射面
３１，４５，５１　Ｖ字溝
３２，４３　Ｓｉ結晶の（１１１）面
３３，４４　Ｓｉ結晶の（−１−１−１）面
３４，４６，５２　反射膜
４１　ＳｉＯ_２膜
４２　フォトレジスト

Claims

反射型の回折格子であって、
Ｓｉ＜１００＞基板を有し、上記Ｓｉ＜１００＞基板上に複数のＶ字状の溝がそれぞれ平行に形成されており、上記溝の一方の壁面がＳｉ結晶の（１１１）面であり、且つ上記溝の少なくとも一方の壁面に反射膜が形成されていることを特徴とする回折格子。
上記溝のブレーズ角が５４．７度であることを特徴とする請求項１に記載の回折格子。
上記溝の他方の壁面がＳｉ結晶の（−１−１−１）面であることを特徴とする請求項１または２に記載の回折格子。
上記反射膜が金属で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回折格子。
上記複数の溝のピッチが一定であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の回折格子。
上記回折格子が、エシェル回折格子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の回折格子。
基板上に複数の溝が形成された反射型の回折格子の製造方法であって、
Ｓｉ＜１００＞基板上に上記複数の溝に相当するマスクをパターニングする工程と、
パターニングされた上記マスクが形成された上記Ｓｉ＜１００＞基板を異方性エッチングして上記複数の溝を基板上に形成する工程と、
上記Ｓｉ＜１００＞基板上に残存した上記マスクを除去する工程と、
上記形成された溝の少なくとも一部の壁面に反射膜を形成する工程とを含む回折格子の製造方法。
上記反射膜が、金属で形成されることを特徴とする請求項７に記載の回折格子の製造方法。
上記異方性エッチングが、アルカリ溶液を用いるウェットエッチングであることを特徴とする請求項７または８に記載の回折格子の製造方法。
上記マスクが、アルカリ溶液に対して耐性を有する材料で形成されることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の回折格子の製造方法。
上記マスクが、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜及び金属膜からなる群から選ばれる少なくとも一種の膜で形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の回折格子の製造方法。
上記Ｓｉ＜１００＞基板上に上記複数の溝に相当する上記マスクをパターニングする工程が、上記Ｓｉ＜１００＞基板上に第１マスクを形成する工程と、第１マスク上にフォトレジストを塗布して第２マスクを形成する工程と、第２マスクを露光及び現像し、第１マスクをマスクするための、第２マスクの所定のマスクパターンを形成する工程と、第１マスク上に残存した第２マスクをマスクとして第１マスクをエッチングし、上記Ｓｉ＜１００＞基板の表面をマスクするための、第１マスク及び第２マスクの所定のマスクパターンを形成する工程とを含む請求項７〜１１のいずれか一項に記載の回折格子の製造方法。
請求項７〜１２のいずれか一項に記載の回折格子の製造方法を用いて作製された回折格子。