JP2005077966A

JP2005077966A - 回折光学素子

Info

Publication number: JP2005077966A
Application number: JP2003311036A
Authority: JP
Inventors: Kimio Ito; 公夫伊藤; Mitsuru Kitamura; 満北村
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2005-03-24
Also published as: US20050207011A1; US7085055B2; TW200513682A

Abstract

【課題】２次元的な微細な周期構造を持つ光学素子製造用の位相シフトマスクや２次元的な光ビーム分割素子として使用可能な２次元的構造を持つ回折光学素子。
【解決手段】透明基板表面１が直交する２方向に整列して同一形状の微細な正方形領域群２、３に分割されて正方形領域群２、３が碁盤の目状に配置され、それぞれの方向に、透明基板表面１に垂直に入射する基準波長光に対して位相２ｐπと位相｛（２ｑ＋１）π±δπ｝（だだし、０≦δ≦０．２５，ｐ，ｑ：整数）を与える正方形領域２と３が交互に配置され、かつ、その２方向の４５°対角方向に、位相２ｐπを与える正方形領域２及び位相｛（２ｑ＋１）π±δπ｝を与える正方形領域３が整列するように配置されてなる回折光学素子１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、回折光学素子に関し、特に、微細な周期構造を持つ光学素子製造用の位相シフトマスクや光ビーム分割素子等の光学素子として使用可能な回折光学素子に関するものである。

位相型回折格子を光ビーム分割素子として用いることは公知である（特許文献１）。また、位相構造を持つ位相シフトマスクを用いて微細な構造を露光することは位相シフトマスクとして実用化されている（例えば特許文献２）。
特開７−１４０３１１号公報特開５−１３４３８９号公報「光学」３２巻８号（２００３）４８９〜４９１頁

本発明は従来技術のこのような状況の下になされたものであり、その目的は、２次元的な微細な周期構造を持つ光学素子製造用の位相シフトマスクや２次元的な光ビーム分割素子として使用可能な２次元的構造を持つ回折光学素子を提供することである。

本発明の回折光学素子は、透明基板表面が直交する２方向に整列して同一形状の微細な正方形領域群に分割されて正方形領域群が碁盤の目状に配置され、それぞれの方向に、透明基板表面に垂直に入射する基準波長光に対して位相２ｐπと位相｛（２ｑ＋１）π±δπ｝（だだし、０≦δ≦０．２５，ｐ，ｑ：整数）を与える正方形領域が交互に配置され、かつ、その２方向の４５°対角方向に、位相２ｐπを与える正方形領域及び位相｛（２ｑ＋１）π±δπ｝を与える正方形領域が整列するように配置されてなることを特徴とするものである。

この回折光学素子は、透明基板に略垂直に入射する光束を４本又は５本の光束に分割する光束分割素子として使用可能である。

このような光束分割素子は、同心円又は渦巻き状のトラックに沿って情報が記録されている光記録媒体の読み取りヘッドのトラッキング制御のために、４本又は５本の光束を発生させるための手段として使用可能であり、また、同心円又は渦巻き状のトラックに沿って情報が記録されている光記録媒体の読み取りヘッドのトラッキング位置センサー信号発生のために、４本又は５本の光束を発生させるための手段としても使用可能である。

本発明の回折光学素子は、また、２次元的な微細な周期構造に対応する露光量分布のアレイを発生させる位相シフトマスクとして使用できる。

このような２次元的な微細な周期構造としては、マイクロレンズアレイ、反射防止構造体、フォトニック結晶等がある。

本発明においては、透明基板表面が直交する２方向に整列して同一形状の微細な正方形領域群に分割されて正方形領域群が碁盤の目状に配置され、それぞれの方向に、透明基板表面に垂直に入射する基準波長光に対して位相２ｐπと位相｛（２ｑ＋１）π±δπ｝（だだし、０≦δ≦０．２５，ｐ，ｑ：整数）を与える正方形領域が交互に配置され、かつ、その２方向の４５°対角方向に、位相２ｐπを与える正方形領域及び位相｛（２ｑ＋１）π±δπ｝を与える正方形領域が整列するように配置されてなるので、透明基板に略垂直に入射する光束を４本又は５本の光束に分割する光束分割素子や、２次元的な微細な周期構造に対応する露光量分布のアレイを発生させる位相シフトマスクとして用いることができる。

以下に、本発明の回折光学素子の原理と実施例を図面を参照にして説明する。

図１に本発明の回折光学素子１０の基本形の平面図（ａ）と斜視図（ｂ）を示す。本発明の回折光学素子１０は、透明基板１の表面に直交する２軸ｘ、ｙを設定すると、ｘ軸、ｙ軸両方向に整列して同一形状の微細な正方形領域２、３が碁盤の目状に分割配置されており、透明基板１に垂直に入射する基準波長λ₀の光に対して位相０を与える正方形領域２と位相πを与える正方形領域３が、ｘ軸方向、ｙ軸方向それぞれに交互に配置されている。そして、ｘ軸とｙ軸の間の４５°、１３５°に設定される相互に直交する対角方向をｘ’軸、ｙ’軸とすると、ｘ’軸、ｙ’軸両方向に、位相０を与える正方形領域２と位相πを与える正方形領域３が整列するように、これら正方形領域２と３が配置されている。すなわち、正方形領域２と３の配置はいわゆる市松模様を構成している。そして、ｘ軸方向、ｙ軸方向の正方形領域２又は３の繰り返しピッチをΛとすると、対角方向のｘ’軸方向、ｙ’軸方向の正方形領域２又は３の繰り返しピッチはΛ／√２となる。

図２に、実際の回折光学素子１０の平面図を示す。この場合、縦横方向（ｘ軸、ｙ軸方向）の繰り返しピッチはΛ＝４μｍであり、対角方向（ｘ’軸、ｙ’軸方向）の繰り返しピッチはΛ／√２＝４／√２μｍ＝２√２μｍである。また、基準波長λ₀＝８００ｎｍとしている。

このような構成の回折光学素子１０に透明基板１に垂直に波長λ₀の光２０を入射させると、図３に示すように、反対側に４本の回折光２１_+1x'、２１_-1x'、２１_+1y'、２１_-1y'が射出する。ただし、回折方向は直交する２軸のｘ軸、ｙ軸方向ではなく、直交する対角方向のｘ’軸方向、ｙ’軸方向であり、それぞれの方向の＋１次光２１_+1x'、２１_+1y'、−１次光２１_-1x'、２１_-1y'である。回折光学素子１０の透明基板１の法線に対する回折角θは、これらの４本の回折光２１_+1x'、２１_-1x'、２１_+1y'、２１_-1y'に対して、回折の式から、θ＝ａｒｃｓｉｎ｛λ₀／（Λ／√２）｝の関係にあり、図２の場合でλ₀＝０．８μｍの場合は、θ＝１６．４３°となる。ただし、ｘ’軸方向、ｙ’軸方向何れも＋１次光と−１次光は当然ながらθの符号は反対である。

このように直交する対角方向ｘ’軸方向、ｙ’軸方向に回折光が出る理由は、位相０を与える正方形領域２及び位相πを与える正方形領域３をそれぞれ連続的に繋いだ直線状領域（１次元位相回折格子）が対角方向であるｘ’軸方向とｙ’軸方向に繰り返しているからであると考えられる。また、０次回折光が出ないのは、回折光学素子１０全面で位相０を与える正方形領域２の面積と位相πを与える正方形領域３の面積が等しく、回折光学素子１０から離れた遠方位置では、正方形領域２を回折されずに透過した成分と正方形領域３を回折されずに透過した成分とが相互に相殺するためである。また、奇数次の高次光も若干回折するが（偶数次の回折光はない。）、次の表１に示すように、これらの回折光は＋１次光２１_+1x'、２１_+1y'、−１次光２１_-1x'、２１_-1y'に対して相対的に弱いので、通常の使用状態では無視し得る。

以下の表１で、横軸をｘ軸方向、縦軸をｙ軸方向とし、それぞれの数字は字数を表すとする。上記の４本の回折光２１_+1x'、２１_-1x'、２１_+1y'、２１_-1y'は、それぞれ（＋１，＋１）次、（−１，−１）次、（−１，＋１）次、（＋１，−１）次に対応し、入射光２０の強度を１００％とすると、１６．４３％となる。この表１から、奇数次の高次光の強度は＋１次光２１_+1x'、２１_+1y'、−１次光２１_-1x'、２１_-1y'に対して相対的に弱いことが分かる。

図１のような構成では、入射光２０が主として４本の回折光２１_+1x'、２１_-1x'、２１_+1y'、２１_-1y'に均等に分割され、０次回折光は生じないことを説明したが、図４に示すように、０次回折光２１₀も同時に存在し、入射光２０が主として５本の回折光２１₀、２１_+1x'、２１_-1x'、２１_+1y'、２１_-1y'に分割されることが望ましい場合がある。そのためには、正方形領域３が与える位相をπから若干ずらせばよい。その例として、位相をπからその２４．２％浅い０．７５８πにした場合の表１と同様の表を表２に示す。この例の場合は、＋１次光２１_+1x'、２１_+1y'、−１次光２１_-1x'、２１_-1y'の強度が若干弱くなり（１４．１７％）、その分０次回折光２１₀に移り、０次回折光２１₀の強度は＋１次光２１_+1x'、２１_+1y'、−１次光２１_-1x'、２１_-1y'と略同じになり（１３．７９％）、入射光２０が５本の回折光２１₀、２１_+1x'、２１_-1x'、２１_+1y'、２１_-1y'に略均等に分割されることになる。

このように１本の入射光を４本又は５本の光に分割する本発明の回折光学素子１０の適用例として、ＣＤやＤＶＤのような同心円あるいは渦巻き状のトラックに沿って情報が記録されている光記録媒体の読み取りヘッド用の光学素子があげられる。図５（ａ）に示すように隣接する３本のトラック５１、５２、５３上に、図５（ｂ）に示すように本発明の回折光学素子１０から分割されて出る４本の光ビーム（２本の＋１次光と２本の−１次光）又は５本の光ビーム（０次光と２本の＋１次光と２本の−１次光）の中、一方の対角方向に分割された＋１次光と−１次光が３本のトラック５１、５２、５３の中の両側のトラック５１と５３に入射し、それらからの散乱光が等しくなるようにトラッキング制御して、他方の対角方向の分割された＋１次光と−１次光と０次光とが中央のトラック５２に同時に入射するようにして、４本の光ビームの場合（図３）は、他方の対角方向に分割された＋１次光と−１次光にて中央のトラック５２に記録された情報（ピット）を読み取るようにし、また、５本の光ビームの場合（図４）は、０次光にて中央のトラック５２に記録された情報（ピット）を読み取るようにする。

以上のようなトラッキング制御とは別にあるいは同時に、中央のトラック５２に入射する他方の対角方向の分割された＋１次光と−１次光による散乱光の強さや方向により、読み取りヘッドがどの位置のトラック上にあるかが読み取れる。その概念図を図６に示す。図６（ａ）はＣＤやＤＶＤの内側のトラック上に存在するときであり、図６（ｂ）は外側のトラック上に存在するときである。図６（ａ）のときには、他方の対角方向の分割された＋１次光と−１次光の中央のトラック５２による散乱光の散乱方向には偏りがあり、散乱光の強さは相対的に弱くなる。これに対して、図６（ｂ）のときには、他方の対角方向の分割された＋１次光と−１次光の中央のトラック５２による散乱光の散乱方向には偏りが少なく散乱光の強さは相対的に強くなる。したがって、４本又は５本の光ビームの中の対角方向の２本の光ビームによりトラッキング位置センサー信号が得られる。

もちろん、本発明の上記のような１本の入射光を４本又は５本の光に分割する光ビーム分割素子としての回折光学素子１０は、例えば１本のレーザビームを４か所あるいは５か所の異なる位置に同時に導いてレーザビーム加工に用いる等の用途にも用いることができる。

次に、図１に示すように、ｘ軸、ｙ軸両方向に整列して同一形状の微細な正方形領域２、３が碁盤の目状に分割配置されており、位相０を与える正方形領域２と位相πを与える正方形領域３がｘ軸方向、ｙ軸方向それぞれに交互に配置されており、ｘ’軸、ｙ’軸両方向に、位相０を与える正方形領域２と位相πを与える正方形領域３が整列するように正方形領域２と３が配置されてなる本発明の回折光学素子１０は、２次元的な微細な周期構造を持つマイクロレンズアレイや反射防止構造体等を作製するのに使用する位相シフトマスクとして利用可能なことを説明する。

図７は、このような本発明の回折光学素子１０の位相シフトマスクとしての作用を説明するための図であり、図７（ａ）に示すように、回折光学素子１０の裏面から所定波長の平行な照明光３０を入射させると、碁盤の目状に分割配置された正方形領域２と３それぞれから球面波状に広がる回折光３２、３３が回折される。その回折光３２、３３の波面においては正面方向の振幅が最も強くなる。回折光学素子１０の射出側に近接して配置された感光材料４０上には、これらの回折光３２、３３が相互に正方形領域２、３の境界線４の近傍領域３４で重なって干渉しながら入射する。正方形領域２と正方形領域３の間には位相差がπあるので、隣接する正方形領域２と３からの回折光３２と３３はこの近傍領域３４では相互に打ち消し合って強度が略ゼロになる。一方、正方形領域２、３それぞれの中心領域３５では、隣接する正方形領域３又は２からの回折光３３、３２は余り強く入射しない。そのため、感光材料４０の正方形領域２と３それぞれに対応するの正方形領域４１間の境界線４２（境界線４と対応する。）に近い領域である各正方形領域４１の周辺領域４３では露光量が弱く、各正方形領域４１の中心領域４４では露光量が相対的に強くなる。したって、感光材料４０の各正方形領域４１では、例えば略同心状で中心程露光量が多い露光量分布４５となる。そこで、例えば露光量に応じて現像液に対する溶解量が異なるフォトレジスト等を感光材料４０として用いてこのような露光を行うと、感光材料４０表面に露光量に応じた高さの分布を得ることができ、その高さの分布を透明材料等に複製することにより、正方形領域２、３の一辺と同じ長さの繰り返し周期を持つ碁盤の目状に並んだマイクロレンズアレイや反射防止構造体、フォトニック結晶等を作製することができる。なお、可視域の反射防止構造体、フォトニック結晶を作製するには、それより波長の短い紫外域の波長を基準波長λ₀として、上記位相シフトマスクの露光にその紫外域の光を用いるようにすればよい。

図８、図９の（ａ）〜（ｄ）に、図２の例の場合（Λ＝４μｍ、λ₀＝８００ｎｍ）であって、正方形領域３がこのλ₀＝８００ｎｍの波長に対して正確にπの位相を与えるように構成した場合の位相シフト面（透明基板１の正方形領域２と３を設けた面）からのそれぞれ２０μｍ、２４μｍ、２８μｍ、３２μｍの位置での波長λ₀＝８００ｎｍの光で露光した場合の露光量分布４５を示す。何れの位置でも、中心部で最も露光量が多い略同心状の露光量分布のアレイとなっていることが分かる。図は省いてあるが、回折光学素子１０の位相シフト面からの距離が上記の位置の間の位置でこのような略同心状の分布がくずれることもある。また、回折光学素子１０の位相シフト面からの距離が上記以外でも、同様の中心部で最も露光量が多い略同心状の露光量分布を得ることができる。

また、図１０〜図１２の（ａ）〜（ｅ）は、上記のように回折光学素子１０を図２の例の場合（Λ＝４μｍ、λ₀＝８００ｎｍ）であって、正方形領域３がこのλ₀＝８００ｎｍの波長に対して正確にπの位相を与えるように構成した場合に、露光波長がそれぞれ６４０ｎｍ、７２０ｎｍ、８００ｎｍ、８８０ｎｍ、９６０ｎｍであって、回折光学素子１０の位相シフト面からの距離がそれぞれ３７μｍ、３２μｍ、２８μｍ、２４μｍ、２１μｍの位置での露光量分布４５を示す。何れの場合も、中心部で最も露光量が多い略同心状の露光量分布のアレイとなっていることが分かる。

これらの図から、基準波長光に対して正方形領域２と正方形領域３の間の位相差は厳密にπである必要はなく、π±０．２π程度の誤差があっても十分に上記のようなマイクロレンズアレイや反射防止構造体（例えば、非特許文献１参照）、フォトニック結晶等を作製するための位相シフトマスクとして使用可能であることが分かる。

なお、図８〜図１２において、中心部の露光量分布４５と周辺部の露光量分布４５とに若干の差異が見られる場合もあるが、その理由は回折光の発生領域を限定して計算しているためであり、図２のように実際の正方形領域２と３の繰り返し数が多くなると、全ての露光量分布４５は中心部の露光量分布４５と同じになる。

ところで、位相０を与える正方形領域２に対して位相πを与える正方形領域３が厚さｄだけ厚く、その媒質の屈折率をｎとすると、２（ｎ−１）ｄ／λ₀＝（２ｑ＋１）（ｑ：整数）の関係を満足すればよく、ｑは必ずしも０である必要はない。また、透明基板１上の全ての正方形領域３について、上記ｑが同じである必要もない。また、透明基板１上の全ての正方形領域２及び３が同じ厚さである必要もない。

図１３はこのような構成の１例を示す斜視図であり、透明基板１の表面にまず等間隔で幅の２倍のピッチで、厚さｄが２（ｎ−１）ｄ／λ₀＝（２ｑ＋１）の関係を満足するストライプ状の薄膜６３をｘ軸方向に伸びるように形成し、その上に、薄膜６３と同一の等間隔で幅の２倍のピッチで、厚さｄが２（ｎ−１）ｄ／λ₀＝（２ｑ’＋１）（ｑ’：整数）の関係を満足するストライプ状の薄膜６４をｙ軸方向に伸びるように形成し、透明基板１上に薄膜６３、６４が形成されなかった正方形領域及び両薄膜６３、６４が重畳して形成された正方形領域を正方形領域２とし、薄膜６３と６４の一方のみが形成された正方形領域を正方形領域３とすることによっても、本発明の回折光学素子１０を構成することができる。

あるいは、透明基板１の表面にまず等間隔に平行なｘ軸方向に伸びたストライプ状の開口を持ちその開口の幅の２倍のピッチを有するマスクを成膜し、そのマスクから露出した透明基板１表面を深さｄが２（ｎ−１）ｄ／λ₀＝（２ｑ＋１）の関係を満足する溝をｘ軸方向に伸びるように形成し、そのマスクを除去し、今度は同じ形状のマスクであってｙ軸方向にストライプ状の開口が伸びるマスクを透明基板１の表面に成膜し、そのマスクから露出した透明基板１表面を深さｄが２（ｎ−１）ｄ／λ₀＝（２ｑ’＋１）（ｑ’：整数）の関係を満足する溝をｙ軸方向に伸びるように形成し、透明基板１上の何れの溝も形成されなかった正方形領域及び両方の溝が重畳して形成された正方形領域を正方形領域２とし、溝の一方のみが形成された正方形領域を正方形領域３とすることによっても、図１３と同様の本発明の回折光学素子１０を構成することができる。

ところで、本発明の回折光学素子１０の基準波長λ₀は１５０ｎｍ〜２μｍの範囲で構成可能であり、その正方形領域２、３の繰り返しピッチΛは１００ｎｍ〜１００μｍの範囲で構成可能である。

以上、本発明の回折光学素子をその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。なお、本発明の回折光学素子１０の射出側に体積ホログラム感光材料を密着あるいは近接して配置し、複製照明光を回折光学素子１０側から入射させてホログラム複製することにより、回折光学素子１０と同様の特性（特に、５本の光に分割する回折光学素子）の体積ホログラムを作製することができる。

本発明の回折光学素子の基本形の平面図と斜視図である。実際の回折光学素子の１例の平面図である。本発明の回折光学素子が入射光を４本の回折光に分割する様子を示す斜視図である。本発明の回折光学素子が入射光を５本の回折光に分割する様子を示す斜視図である。本発明による光束分割素子がトラッキング制御用に使用可能であることを説明するための図である。本発明による光束分割素子がトラッキング位置センサー信号発生用に使用可能であることを説明するための図である。本発明の回折光学素子の位相シフトマスクとしての作用を説明するための図である。本発明の１実施例の回折光学素子の位相シフト面からの距離が変化したときの露光量分布を示す図である。本発明の１実施例の回折光学素子の位相シフト面からの距離が変化したときの露光量分布を示す別の図である。本発明の１実施例の回折光学素子の露光波長が変化したときの露光量分布を示す図である。本発明の１実施例の回折光学素子の露光波長が変化したときの露光量分布を示す別の図である。本発明の１実施例の回折光学素子の露光波長が変化したときの露光量分布を示す別の図である。本発明の回折光学素子の別の構成例を示す斜視図である。

符号の説明

１…透明基板
２、３…正方形領域
４…正方形領域の境界線
１０…回折光学素子
２０…入射光
２１₀…０次回折光
２１_+1x'、２１_-1x'、２１_+1y'、２１_-1y'…回折光
３０…照明光
３２、３３…回折光
３４…境界線の近傍領域
３５…正方形領域の中心領域
４０…感光材料
４１…正方形領域
４２…境界線
４３…周辺領域
４４…中心領域
４５…露光量分布
５１、５２、５３…トラック
６３、６４……ストライプ状の薄膜

Claims

透明基板表面が直交する２方向に整列して同一形状の微細な正方形領域群に分割されて正方形領域群が碁盤の目状に配置され、それぞれの方向に、透明基板表面に垂直に入射する基準波長光に対して位相２ｐπと位相｛（２ｑ＋１）π±δπ｝（だだし、０≦δ≦０．２５，ｐ，ｑ：整数）を与える正方形領域が交互に配置され、かつ、その２方向の４５°対角方向に、位相２ｐπを与える正方形領域及び位相｛（２ｑ＋１）π±δπ｝を与える正方形領域が整列するように配置されてなることを特徴とする回折光学素子。
透明基板に略垂直に入射する光束を４本又は５本の光束に分割する光束分割素子として使用されることを特徴とする請求項１記載の回折光学素子。
同心円又は渦巻き状のトラックに沿って情報が記録されている光記録媒体の読み取りヘッドのトラッキング制御のために、４本又は５本の光束を発生させるための手段として用いられることを特徴とする請求項２記載の回折光学素子。
同心円又は渦巻き状のトラックに沿って情報が記録されている光記録媒体の読み取りヘッドのトラッキング位置センサー信号発生のために、４本又は５本の光束を発生させるための手段として用いられることを特徴とする請求項２記載の回折光学素子。
２次元的な微細な周期構造に対応する露光量分布のアレイを発生させる位相シフトマスクとして使用されることを特徴とする請求項１記載の回折光学素子。
前記２次元的な微細な周期構造がマイクロレンズアレイであることを特徴とする請求項５記載の回折光学素子。
前記２次元的な微細な周期構造が反射防止構造体であることを特徴とする請求項５記載の回折光学素子。
前記２次元的な微細な周期構造がフォトニック結晶であることを特徴とする請求項５記載の回折光学素子。