JP2005140972A - 回折光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度に回折光学素子を製造して，回折効率の向上を図ることが可能な，回折光学素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】 マスクを用いてレジスト２が塗布された基板１を露光，現像してレジストパターンを形成し，エッチングする一連のプロセスを繰り返して，周期的な階段形状を有する回折光学素子を製造する。第１プロセスで，階段の幅と同じ幅のパターンを形成し，以降のプロセスでは，パターン幅をより大きくしていく。７段階段形状の回折光学素子を製造する場合は，階段の段差Ｄとしたとき，第１プロセスで，２，４，６段目部分を深さＤでエッチングし，第２プロセスで，９段目部分を深さ２Ｄでエッチングし，第３プロセスで５，６，７段目部分を深さ２Ｄでエッチングし，第４プロセスで３，４，５，６，７段目部分を深さ２Ｄでエッチングする。
【選択図】 図３

Description

本発明は，階段形状を有する回折光学素子の製造方法に関するものである。

近年，周期的な微細形状により光の進行方向と位相を制御する回折光学素子の需要が高まっている。回折光学素子の形状は複数種類あり，そのうち，断面が鋸歯形状のものが理論上の回折効率は高いが，実際には，この鋸歯形状を近似した階段形状のものが製作容易であり，多用されている。一般に，階段形状を有する回折光学素子を製造する方法としては，下記非特許文献１に記載されたように，半導体の微細加工技術を利用してｍ（ｍは自然数）枚のマスクを用いて露光，現像，エッチングの一連のプロセスを繰り返すことにより２^ｍ段の回折光学素子を製造する方法がある。例えば，８段の階段形状の場合には，３枚のマスクを用いて，露光，現像，エッチングを３回繰り返す。この製造工程を図１２を参照しながら説明する。

以下の説明では，階段形状が形成される周期の幅をＰ，最終プロセスで形成される階段の幅をＬ，段差をＤとする。周期の幅Ｐとは，いわゆる格子ピッチＰのことであり，図では一点鎖線でその領域を示す。階段の幅は全て等しいものとし，Ｌ＝Ｐ／ｋとする。ここで，ｋは段数であり，例えば８段の階段形状の場合はｋ＝８である。また，階段全体の高さをＨとしたとき，段差Ｄは，Ｄ＝Ｈ／（ｋ−１）で表される。図１２（７）に最終的に形成される階段形状と，上記のＰ，Ｌ，Ｄ，Ｈを示す。

図１２は各プロセスにおける工程断面図である。まず，第１プロセスにおいて，図１２（１）に示すように，基板１上にレジスト２を塗布する。次に，図１２（２）に示すマスク１１を用いて露光，現像を行い，図１２（２）に示すレジストパターン７１を形成する。マスク１１は，格子ピッチＰの中に１つずつの遮光部と開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅はそれぞれ４Ｌである。次に，レジストパターン７１を用いて深さ４Ｄまでエッチングを行い，図１２（３）に示す溝形状を形成する。次に，レジストパターン７１を除去する。

次に第２プロセスに移行する。まず，第１プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジストを塗布する。次に，図１２（４）に示すマスク１２を用いて露光，現像を行い，図１２（４）に示すレジストパターン７２を形成する。マスク１２は，格子ピッチＰの中に２つずつの遮光部と開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅はそれぞれ２Ｌである。次に，レジストパターン７２を用いて深さ２Ｄまでエッチングを行い，図１２（５）に示す溝形状を形成する。次に，レジストパターン７２を除去する。

次に第３プロセスに移行する。まず，第２プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジストを塗布する。次に，図１２（６）に示すマスク１３を用いて露光，現像を行い，図１２（６）に示すレジストパターン７３を形成する。マスク１３は，格子ピッチＰの中に４つずつの遮光部と開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅はそれぞれＬである。次に，レジストパターン７３を用いて深さＤまでエッチングを行い，図１２（７）に示す溝形状を形成する。そして，レジストパターン７３を除去することにより，８段の階段形状を有する回折光学素子を得る。

また，７段の階段状の回折光学素子を，３枚のマスクを用いて同様なプロセスを繰り返して製造する方法として，下記特許文献１に記載されているものがある。この製造工程を図１３を参照しながら説明する。下記説明で用いられる，Ｐ，Ｌ，Ｄの定義は前述のものと同様であり，ｋ＝７の場合として考えられる。

図１３は各プロセスにおける工程断面図である。まず，第１プロセスにおいて，図１３（１）に示すように，基板１上にレジスト２を塗布する。次に，図１３（２）に示すマスク２１を用いて露光，現像を行い，図１３（２）に示すレジストパターン８１を形成する。マスク２１は，格子ピッチＰの中に１つずつの遮光部と開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅はそれぞれ３Ｌ，４Ｌである。次に，レジストパターン８１を用いてエッチングを行い，図１３（３）に示す溝形状を形成する。この第１プロセスでのエッチング深さＤｃ_１は４Ｄである。次に，レジストパターン８１を除去する。

次に第２プロセスに移行する。まず，第１プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジストを塗布する。次に，図１３（４）に示すマスク２２を用いて露光，現像を行い，図１３（４）に示すレジストパターン８２を形成する。マスク２２は，格子ピッチＰの中に２つずつの遮光部と開口部を有し，２つの遮光部のパターン幅は上段側，下段側がそれぞれＬ，２Ｌであり，２つの開口部のパターン幅は共に２Ｌである。次に，レジストパターン８２を用いてエッチングを行い，図１３（５）に示す溝形状を形成する。この第２プロセスでのエッチング深さＤｃ_２は２Ｄである。次に，レジストパターン８２を除去する。

次に第３プロセスに移行する。まず，第２プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジストを塗布する。次に，図１３（６）に示すマスク２３を用いて露光，現像を行い，図１３（６）に示すレジストパターン８３を形成する。マスク２３は，格子ピッチＰの中に３つの遮光部と４つの開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅は全てＬである。次に，レジストパターン８３を用いてエッチングを行い，図１３（７）に示す溝形状を形成する。この第３プロセスでのエッチング深さＤｃ_３はＤである。そして，レジストパターン８３を除去することにより，７段の階段形状を有する回折光学素子を得る。

特開平１１−１４８１３号公報 佐々木浩紀，他６名，「光源とシリコンマイクロレンズの高精度実装技術」，エレクトロニクス実装学会誌，２００２年，Ｖｏｌ５，Ｎｏ．５，ｐ．４６６−４７２

上記に示す従来の階段状回折光学素子の製造方法では，工程が進むにつれて，マスクのパターン幅が細くなっている。そのため，格子ピッチＰの中に含まれる遮光部と開口部の数が増え，遮光部と開口部との境界も増えている。また，基板は，工程が進むにつれ，段数が増加している。図１４（１）は図１２に示す第３プロセスの露光時の工程断面図である。図１４（１）では，レジスト２のうち，遮光される部分と露光される部分を区別するため，方向の異なる斜線で表している。図１４（１）に示すように，マスク１３を用いる第３プロセスでは，格子ピッチＰにおいて４つの露光部３１，３２，３３，３４があり，遮光部と開口部との境界は７箇所ある。各露光部は段が異なり，そのため塗布されたレジスト厚も異なる。図１４（２）は，図１４（１）に示すものを露光，現像して得られたレジストパターン７３の一例である。遮光部との境界に注目すると，形成されたレジストパターン７３は，マスクパターンどおりの形状となっていない。というのは，基板上に塗布されるレジスト厚は各段によって異なるため，４つの露光部の最適露光条件はそれぞれ異なるからである。最適露光時間を超過した露光部３１では，隣接した遮光部のレジスト２が余分に除去され，そのパターン幅は設計値より広くなる。最適露光時間が不足した露光部３３，３４では，レジストが残留することになり，そのパターン幅は設計値より狭くなる。図１４（３）は，図１４（２）のレジストパターン７３を用いてエッチングを行い，レジストパターン７３を除去した後の断面図である。図１４（３）では，設計値の形状を点線，実際に形成された形状を実線で表している。図１４（３）に示すように，露光部３１に相当する箇所では，設計値と比較して幅が広くなった段４１が生じている。また，露光部３３，３４に相当する箇所では，階段形状のエッジ部に突起４３が発生し，設計値と比較して幅が狭くなった段４４が生じている。このように，従来の製造方法では，設計値と異なった寸法の階段形状が形成されたり，エッジ部に突起が発生したりすることがあり，そのために回折効率の低下を招くという問題があった。

そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，階段形状を有する回折光学素子を高精度に製造可能な，新規かつ改良された回折光学素子の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，レジストパターンを用いたエッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して，周期的なｋ（ｋは２以上の自然数）段の階段形状を有する回折光学素子を製造する回折光学素子の製造方法であって，１回目のプロセスでは，１周期の領域におけるエッチング部の数と非エッチング部の数は，ｋが偶数の場合はともにｋ／２であり，ｋが奇数の場合はそれぞれ（ｋ−１）／２と（ｋ＋１）／２であり，２回目以降のプロセスでは，１周期の領域におけるエッチング部の数と非エッチング部の数はそれぞれ，１回目のプロセスのものより少ないことを特徴とする回折光学素子の製造方法が提供される。ここで，１周期の領域とは，階段形状を構成するための領域であり，階段形状の構成に関与しない領域は含まない。エッチング部とは，エッチング工程においてエッチングされる部分であり，非エッチング部とは，エッチング工程においてエッチングされない部分である。形成される階段の段に関係なく，１周期の領域内の連続したエッチング部を１つのエッチング部として数え，１周期の領域内の連続した非エッチング部を１つの非エッチング部として数える。レジストパターンとは，レジスト除去部とレジスト残留部からなるパターンである。このレジストパターンを基板表面に形成してエッチングを行うと，レジスト除去部はエッチングされ，レジスト残留部はエッチングされず，所定のレジストパターンを用いることにより，所望の領域をエッチングすることができる。このことから，エッチング部と非エッチング部の数はそのままレジスト除去部とレジスト残留部の数に相当する。一般に，後工程になるほど，段ごとのレジスト厚の差が生じ，レジストパターン形状に誤差が発生しやすくなる。誤差はレジスト除去部とレジスト残留部の境界で生じる。本発明の構成によれば，１周期の領域内のエッチング部と非エッチング部の数は１回目のプロセスで最も多く，後のプロセスではそれより減少する。１周期の領域内のレジスト除去部とレジスト残留部の数も１回目のプロセスで最も多く，後のプロセスではそれより減少する。レジスト除去部とレジスト残留部の境界の数は，１回目のプロセスで最も多く，後のプロセスではそれより減少する。よって，本発明の構成によれば，段ごとのレジスト厚の差が顕著になる後工程で，誤差の発生しやすい部分である境界の数を減らすことができる。したがって，誤差を少なくでき，階段形状を有する回折光学素子を高精度に製造することができる。

上記製造方法において，２回目以降のプロセスでは，１周期の領域におけるエッチング部の数と非エッチング部の数は共に１つであるように構成することが好ましい。かかる構成によれば，段数が増える２回目以降のプロセスで，レジスト除去部とレジスト残留部の境界は１つになる。よって，上記のレジストパターンの誤差を考慮する箇所は１箇所のみとなり，この箇所で誤差が生じないよう露光条件を決めればいいため，最適な条件を容易に決定することができる。

また，本発明の別の観点によれば，レジストパターンを用いたエッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して，周期的な階段形状を有する回折光学素子を製造する回折光学素子の製造方法であって，１回目のプロセスでは，１周期の領域におけるエッチング部のパターン幅は，階段の最小の幅と略同一であることを特徴とする回折光学素子の製造方法が提供される。ここで，階段の最小の幅とは，最終的に形成される階段の各段の幅が異なる場合は，最小の幅を有する段の幅であり，最終的に形成される階段の各段の幅が全て同じ場合は，１つの段の幅となる。一般に，後工程に進むにつれて，段差が増し，段ごとのレジスト厚の差が増すため，後工程で最小パターン幅を高精度に形成するのは難しい。本発明の構成によれば，１回目のプロセスで最小パターン幅となる部分をエッチング加工する。１回目のプロセスでは平坦な基板上にレジストが塗布されており，レジスト厚は均一であるから，この状態で高精度に最小パターン幅を形成するのは容易である。

本発明の別の観点によれば，レジストパターンを用いたエッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して，７段の階段形状を有する回折光学素子を製造する回折光学素子の製造方法であって，２，４，６段目となる部分を階段の段差である第１の深さでエッチングする第１工程と，最下段となる部分を第１の深さの２倍の深さでエッチングする第２工程と，５，６，７段目となる部分を第１の深さの２倍の深さでエッチングする第３工程と，３，４，５，６，７段目となる部分を第１の深さの２倍の深さでエッチングする第４工程と，を含むことを特徴とする回折光学素子の製造方法が提供される。なお，最上段を１段目とし，下段にいくに従い２段目，３段目としている。かかる構成によれば，第１工程で最小のパターン幅を用い，以降の工程では，工程が進むにつれてより大きなパターン幅を用いることができる。段差が増加し，段ごとのレジスト厚の差が顕著になる後工程ほど，大きなパターン幅を採用しているため，レジストパターン形状に誤差が発生しにくい。よって，高精度に階段形状を有する回折光学素子を製造することができる。

また，本発明の別の観点によれば，レジストパターンを用いたエッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して，９段の階段形状を有する回折光学素子を製造する回折光学素子の製造方法であって，２，４，６，８段目となる部分を階段の段差である第１の深さでエッチングする第１工程と，最下段となる部分を第１の深さの２倍の深さでエッチングする第２工程と，３，４，７，８，９段目となる部分を第１の深さの２倍の深さでエッチングする第３工程と，５，６，７，８，９段目となる部分を第１の深さの４倍の深さでエッチングする第４工程と，を含むことを特徴とする回折光学素子の製造方法が提供される。

また，本発明の別の観点によれば，レジストパターンを用いたエッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して，８段の階段形状を有する回折光学素子を製造する回折光学素子の製造方法であって，２，４，６，８段目となる部分を階段の段差である第１の深さでエッチングする第１工程と，７，８段目となる部分を第１の深さの２倍の深さでエッチングする第２工程と，５，６，７，８段目となる部分を第１の深さの２倍の深さでエッチングする第３工程と，３，４，５，６，７，８段目となる部分を第１の深さの２倍の深さでエッチングする第４工程と，を含むことを特徴とする回折光学素子の製造方法が提供される。

また，本発明の別の観点によれば，レジストパターンを用いたエッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して，５段の階段形状を有する回折光学素子を製造する回折光学素子の製造方法であって，２，４段目となる部分を階段の段差である第１の深さでエッチングする第１工程と，最下段となる部分を第１の深さの２倍の深さでエッチングする第２工程と，３，４，５段目となる部分を第１の深さの２倍の深さでエッチングする第３工程と，を含むことを特徴とする回折光学素子の製造方法が提供される。

また，本発明の別の観点によれば，レジストパターンを用いたエッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して，７段の階段形状を有する回折光学素子を製造する回折光学素子の製造方法であって，最下段となる部分を階段の段差の２倍である第１の深さでエッチングする第１工程と，２，４，６段目となる部分を階段の段差である第２の深さでエッチングする第２工程と，５，６，７段目となる部分を第１の深さでエッチングする第３工程と，３，４，５，６，７段目となる部分を第１の深さでエッチングする第４工程と，を含むことを特徴とする回折光学素子の製造方法が提供される。

また，本発明の別の観点によれば，レジストパターンを用いたエッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して，９段の階段形状を有する回折光学素子を製造する回折光学素子の製造方法であって，最下段となる部分を階段の段差の２倍である第１の深さでエッチングする第１工程と，２，４，６，８段目となる部分を階段の段差である第２の深さでエッチングする第２工程と，３，４，７，８，９段目となる部分を第１の深さでエッチングする第３工程と，５，６，７，８，９段目となる部分を第１の深さの２倍の深さでエッチングする第４工程と，を含むことを特徴とする回折光学素子の製造方法が提供される。

また，本発明の別の観点によれば，レジストパターンを用いたエッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して，５段の階段形状を有する回折光学素子を製造する回折光学素子の製造方法であって，最下段となる部分を階段の段差の２倍である第１の深さでエッチングする第１工程と，２，４段目となる部分を階段の段差である第２の深さでエッチングする第２工程と，３，４，５段目となる部分を第１の深さでエッチングする第３工程と，を含むことを特徴とする回折光学素子の製造方法が提供される。

上記記載の全ての製造方法において，エッチングは異方性エッチングであることが好ましい。なお，基板としてシリコン，石英，ＧａＡｓ，ＩｎＰのいずれかを用いるようにしてもよい。

以上のように本発明の回折光学素子の製造方法によれば，階段形状を有する回折光学素子を高精度に製造することができ，これにより，回折効率の向上を図ることができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本発明の実施の形態にかかる回折光学素子の製造方法では，半導体の微細加工技術を利用した一連のプロセスを繰り返すことにより，周期的な階段形状を有する回折光学素子を製造する。一連のプロセスとは，基板にレジスト塗布し，所定のパターンが形成されたマスクを用いてこの基板を露光および現像して，レジスト除去部とレジスト残留部からなるレジストパターンを形成し，このレジストパターンを用いてエッチングするというものである。

なお，回折光学素子には様々な種類があるが，そのうち２つの例の模式図をそれぞれ図１および図２に示す。図１は，回折格子が直線状に一定の格子ピッチで配列された回折光学素子を示す。図１（ａ）は，その回折光学素子の平面図であり，回折格子の配列状態を直線で示す。図１（ｂ）は，図１（ａ）の回折光学素子を紙面に垂直な面で切断した場合の断面の部分拡大図である。図１（ｂ）では，各段の幅が等しい周期的な階段形状の構成が示されている。以下では，図１に示す例をリニアグレーティング型の回折光学素子と呼ぶ。図２は，回折格子が円環状に配列され，その格子ピッチは円の中心から外側にいくに従い小さくなる回折光学素子を示す。図２（ａ）は，その回折光学素子の平面図であり，回折格子の配列状態を円周で示している。図２（ｂ）は，図２（ａ）に示す回折光学素子を，円の中心を通り紙面に垂直な面で切断した断面図である。図２（ｃ）は，図２（ｂ）の部分拡大図である。図２（ｂ）は，平凸レンズを光軸方向に関して一定の厚さに輪切りにし，その表面形状を保ったまま位相変化が面内で一定となる領域をだるま落とし的に除去させた形状を示す。図２（ｃ）の点線は，図２（ｂ）で表された曲面を示し，図２（ｃ）では，この曲面を近似した周期的な階段形状の構成が示されている。以下では，図２に示す例をフレネルレンズ型の回折光学素子と呼ぶ。以下では，リニアグレーティング型の回折光学素子の製法例を第１〜第４の実施の形態により説明し，フレネルレンズ型の回折光学素子の製法例を第５の実施の形態により説明する。

以下の第１〜第４の実施の形態の説明では，階段形状が形成される周期の幅をＰ，最終プロセスで形成される階段の幅をＬ，段差をＤとする。周期の幅Ｐとは，いわゆる格子ピッチＰのことであり，図では一点鎖線でその領域を示す。階段の幅は全て等しいものとし，Ｌ＝Ｐ／ｋとする。ここで，ｋは段数であり，例えば８段の階段形状の場合はｋ＝８である。また，階段全体の高さをＨとしたとき，段差Ｄは，Ｄ＝Ｈ／（ｋ−１）で表される。また，階段の最上段を１段目として，それから下段にいくに従い２段目，３段目，…と呼んでいる。なお，図で描かれている基板の厚みは必ずしも正確ではない。また，理解を助けるために，エッチング工程を示す図では，エッチングにより溝を形成した領域を矢印で示している。以下の説明では，エッチング部および非エッチング部を数えるとき，格子ピッチＰ内の連続した領域を１つとして数えている。例えば，エッチング部または非エッチング部が階段の複数の段にわたる領域となっていても，隣接する複数の段にわたるものであり，連続した領域となっていれば，１つのエッチング部または１つの非エッチング部と数える。ここで一例を挙げれば，後述するように，図３（９）に示す工程では，１段目から６段目までが連続してエッチングされない領域となっており，この領域を１つの非エッチング部とみなす。

本発明の第１の実施の形態にかかる回折光学素子の製造方法について，図３，図４を参照しながら説明する。図３は本発明の第１の実施の形態にかかる回折光学素子の製造方法の工程を示す断面図であり，図４は，図３に続く工程を示す断面図である。本実施の形態では，周期的に形成された７段の階段形状を有する，７位相階段状回折光学素子を製造する方法について述べる。図４（１０）に最終的に得られる７段の階段形状と，上記のＰ，Ｌ，Ｄ，Ｈを示す。以下の工程では全て，基板としてシリコンを使用し，エッチング工程では，反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ装置）を用い，エッチングガスとしてＳＦ_６を使用して異方性のドライエッチングを行った。また，フォトリソグラフィー工程では，ｉ線ステッパおよび標準的なポジ型レジストを用いた。

図３（１）〜図３（５）は第１プロセスにおける断面図である。まず，図３（１）に示すように，基板１上にレジスト２を塗布する。次に，図３（２）に示すように，マスク１０１を用いて露光する。マスク１０１は，格子ピッチＰの中に４つの遮光部と３つの開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅はそれぞれＬである。次に，現像を行い，図３（３）に示すレジストパターン１２１を形成する。レジストパターン１２１のレジスト残留部とレジスト除去部のパターン幅もそれぞれＬとなる。次に，レジストパターン１２１を用いてエッチングを行い，図３（４）で示す溝形状を形成する。この第１プロセスでのエッチング深さＤｐ_１はＤである。すなわち，２，４，６段目となる領域を深さＤエッチングする。１，３，５，７段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に４つの非エッチング部と３つのエッチング部がある。次に，レジストパターン１２１を除去して，図３（５）に示す溝形状を形成する。このようにして，第１プロセスで，幅Ｌの溝からなる凹凸の周期構造を形成する。

次に第２プロセスに移行する。図３（６）〜図３（１０）は第２プロセスにおける断面図である。まず，図３（６）に示すように，第１プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジスト２を塗布する。次に，図３（７）に示すように，マスク１０２を用いて露光する。マスク１０２は，格子ピッチＰの中に１つずつの遮光部と開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅はそれぞれ６Ｌ，Ｌである。次に，現像を行い，図３（８）に示すレジストパターン１２２を形成する。レジストパターン１２２のレジスト残留部とレジスト除去部のパターン幅もそれぞれ６Ｌ，Ｌとなる。次に，レジストパターン１２２を用いてエッチングを行い，図３（９）に示す溝形状を形成する。この第２プロセスでのエッチング深さＤｐ_２は２Ｄである。すなわち，７段目となる領域を深さ２Ｄエッチングする。１〜６段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に１つの非エッチング部と１つのエッチング部がある。次に，レジストパターン１２２を除去して，図３（１０）に示す溝形状を形成する。

次に第３プロセスに移行する。図４（１）〜図４（５）は第３プロセスにおける断面図である。まず，図４（１）に示すように，第２プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジスト２を塗布する。次に，図４（２）に示すように，マスク１０３を用いて露光する。マスク１０３は，格子ピッチＰの中に１つずつの遮光部と開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅はそれぞれ４Ｌ，３Ｌである。次に，現像を行い，図４（３）に示すレジストパターン１２３を形成する。レジストパターン１２３のレジスト残留部とレジスト除去部のパターン幅もそれぞれ４Ｌ，３Ｌとなる。次に，レジストパターン１２３を用いてエッチングを行い，図４（４）に示す溝形状を形成する。この第３プロセスでのエッチング深さＤｐ_３は２Ｄである。すなわち，５〜７段目となる領域を深さ２Ｄエッチングする。１〜４段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に１つの非エッチング部と１つのエッチング部がある。次に，レジストパターン１２３を除去して，図４（５）に示す溝形状を形成する。

次に第４プロセスに移行する。図４（６）〜図４（１０）は第４プロセスにおける断面図である。まず，図４（６）に示すように，第３プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジスト２を塗布する。次に，図４（７）に示すように，マスク１０４を用いて露光する。マスク１０４は，格子ピッチＰの中に１つずつの遮光部と開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅はそれぞれ２Ｌ，５Ｌである。次に，現像を行い，図４（８）に示すレジストパターン１２４を形成する。レジストパターン１２４のレジスト残留部とレジスト除去部のパターン幅もそれぞれ２Ｌ，５Ｌとなる。次に，レジストパターン１２４を用いてエッチングを行い，図４（９）に示す溝形状を形成する。この第４プロセスでのエッチング深さＤｐ_４は２Ｄである。すなわち，３〜７段目となる領域を深さ２Ｄエッチングする。１，２段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に１つの非エッチング部と１つのエッチング部がある。そして，レジストパターン１２４を除去することにより，図４（１０）に示すような，７段の階段形状を有する回折光学素子を得る。

以上のように，本実施の形態の製造方法では，マスクの開口部のパターン幅は，第１，第２，第３，第４プロセスでそれぞれＬ，Ｌ，３Ｌ，５Ｌであり，後工程のパターン幅は前工程のパターン幅以上になっている。第２プロセス以降では，工程が進むにつれパターン幅が大きくなっている。また，図３（７），図４（２），図４（７）に示すように，第２，第３，第４プロセスでは格子ピッチＰ内の遮光部と開口部との境界は１箇所である。第２，第３，第４プロセスの露光時には，この境界部分の形状が設計値通りになるように露光条件を決めることになるが，境界部分が１箇所のみであるため，この箇所の誤差を最小にするように最適露光条件を設定すればよい。よって，最適露光条件を一つに固定することができ，高精度に所望の溝形状を形成できる。なお，第１プロセスでは遮光部と開口部との境界は複数箇所あるが，レジスト厚は全て同一であるため，何ら問題なく公知の方法で高精度に溝を形成できる。

図１４に示すような従来の方法では，格子ピッチＰ内の遮光部と開口部との境界は複数箇所あり，且つレジスト深さが異なっていたため，全ての箇所を最適にする露光条件を設定することは困難であった。そのため，従来の方法では，露光時間の過不足により，突起の発生や寸法誤差が生じていたが，本実施の形態では，このような問題を解決することができる。よって，本実施の形態によれば，回折光学素子を構成する階段形状を高精度に製造することができる。これにより，回折効率の向上を図ることができる。

実際に，格子ピッチ３．５μｍ，段の幅０．５μｍの７段の回折光学素子を本実施の形態の方法に従って製造した。製造された回折光学素子では，段差のエッジ部に突起は発生せず，またその段の幅は０．４７μｍとなり，その誤差は約６％であり，精密な回折光学素子を製造することができた。

なお，本発明の実施の形態にかかる７位相階段状回折光学素子の製造方法について上述したが，既製の７位相階段状回折光学素子が本発明を用いて製造されたものかどうかを判別することが可能である。図５（ａ），図５（ｂ）を参照しながら，２つの判別方法について述べる。図５（ａ）は上記の本実施の形態の製造方法を用いて，基板上に製造した７位相階段状回折光学素子の段差形状と，製造に使用するマスク１０１，１０２，１０３，１０４のパターンの相対的な位置関係を示す。図５（ｂ）は特許文献１に記載の方法で製造した従来の７位相階段状回折光学素子の段差形状と，製造に使用するマスク２１，２２，２３のパターンの相対的な位置関係を示す。回折の法則から，回折光の波長λと基板の屈折率nを用いて，Ｈは下記式（１）のように表すことができ，また，７位相階段状回折光学素子の場合，Ｄは下記式（２）のように表すことができる。

図５（ａ）に示すように，本発明の第１の実施の形態の方法で製造した回折光学素子では，基板表面と階段の最も高い部分とが一致している。そして，基板表面Ｓから階段の最も低い部分までの高低差Ｈａは，下記式（３）のように表すことができる。

一方，図５（ｂ）に示すように，特許文献１の方法で製造した回折光学素子では，基板表面Ｓと階段の最も高い部分とは一致していない。そして，基板表面から階段の最も低い部分までの高低差Ｈｂは，回折光の波長λと基板の屈折率ｎを用いて，下記式（４）のように表すことができる。

よって，回折光学素子と基板表面の高低差を測定し，式（３），式（４）を参照することにより，7位相回折光学素子がいずれの製造方法で製造されたかを知ることができる。これが１つ目の判別方法である。

次に２つ目の判別方法について述べる。上述の各プロセスの説明では，マスクパターン１０１，１０２，１０３，１０４を用いて基板をエッチングする際，そのエッチング深さを段差Ｄを用いて表した。しかし厳密に言えば，実際のエッチング深さは諸条件により微小の誤差を含み，エッチング工程ごとに異なる。本実施の形態の製造方法によって製造された回折光学素子の階段形状の各段の段差を図５（ａ）に示すように，最上段の方から順にＨａ_１，Ｈａ_２，…，Ｈａ_６とすると，下記のようになる。段差とは，その段とその段に隣接する下段との高さの差である。
Ｈａ_１＝Ｄｐ_１
Ｈａ_２＝Ｄｐ_４−Ｄｐ_１
Ｈａ_３＝Ｄｐ_１
Ｈａ_４＝Ｄｐ_３−Ｄｐ_１
Ｈａ_５＝Ｄｐ_１
Ｈａ_６＝Ｄｐ_２−Ｄｐ_１
上記より，
Ｈａ_１＝Ｈａ_３＝Ｈａ_５＝Ｄｐ_１
であることがわかる。つまり，階段の奇数段目の段差は全てＤｐ_１となる。

一方，従来の製造方法による７位相階段状の回折光学素子の階段形状の各段の段差を図５（ｂ）に示すように最上段の方から順にＨｂ_１，Ｈｂ_２，…，Ｈｂ_６とすると，下記のようになる。
Ｈｂ_１＝Ｄｃ_２−Ｄｃ_３
Ｈｂ_２＝Ｄｃ_３
Ｈｂ_３＝Ｄｃ_１−（Ｄｃ_２＋Ｄｃ_３）
Ｈｂ_４＝Ｄｃ_３
Ｈｂ_５＝Ｄｃ_２−Ｄｃ_３
Ｈｂ_６＝Ｄｃ_３
上記より，
Ｈｂ_２＝Ｈｂ_４＝Ｈｂ_６＝Ｄｃ_３
であることがわかる。つまり，階段の偶数段目の段差は全てＤｃ_３となる。よって，７位相階段状回折光学素子の各段の段差を測定し，上記関係式を参照することにより，７位相回折光学素子がいずれの製造方法で製造されたかを知ることができる。以上のように，製造された7位相の階段状の回折光学素子において，その基板表面と格子の最も低い段との高低差，または格子の各段差を測定することにより，製造された7位相階段状回折光学素子の制作方法に本発明の技術が使用されているかどうかを確認することが可能となる。

次に，本発明の第２の実施の形態にかかる回折光学素子の製造方法について，図６を参照しながら説明する。図６は本発明の第２の実施の形態にかかる回折光学素子の製造方法の工程を示す断面図である。本実施の形態では，周期的に形成された９段の階段形状を有する９位相階段状回折光学素子を製造する方法について述べる。下記説明で用いられる，Ｐ，Ｌ，Ｄの定義は第１の実施の形態のものと同様であり，ｋ＝９の場合として考えられる。以下の工程では全て，基板としてシリコンを使用し，エッチング工程では，反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ装置）を用い，エッチングガスとしてＳＦ_６を使用して異方性のドライエッチングを行った。また，フォトリソグラフィー工程では，ｉ線ステッパおよび標準的なポジ型レジストを用いた。

第１プロセスでは，まず，第１の実施の形態の図３（１）に示す工程と同様に，基板１上にレジストを塗布する。次に，図６（１）に示すマスク２０１を用いて露光，現像を行い，図６（１）に示すレジストパターン２２１を形成する。マスク２０１は，格子ピッチＰの中に５つの遮光部と４つの開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅はそれぞれＬである。レジストパターン２２１のレジスト残留部とレジスト除去部のパターン幅もそれぞれＬとなる。次に，レジストパターン２２１を用いてエッチングを行い，図６（２）に示す溝形状を形成する。すなわち，２，４，６，８段目となる領域を深さＤエッチングする。１，３，５，７，９段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に５つの非エッチング部と４つのエッチング部がある。次に，レジストパターン２２１を除去する。このようにして，第１プロセスで，幅Ｌの溝からなる凹凸の周期構造を形成する。

次に第２プロセスに移行する。まず，第１プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジストを塗布する。次に，図６（３）に示すように，マスク２０２を用いて露光，現像を行い，図６（３）に示すレジストパターン２２２を形成する。マスク２０２は，格子ピッチＰの中に１つずつの遮光部と開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅はそれぞれ８Ｌ，Ｌである。レジストパターン２２２のレジスト残留部とレジスト除去部のパターン幅もそれぞれ８Ｌ，Ｌとなる。次に，レジストパターン２２２を用いてエッチングを行い，図６（４）に示す溝形状を形成する。すなわち，９段目となる領域を深さ２Ｄエッチングする。１〜８段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に１つの非エッチング部と１つのエッチング部がある。次に，レジストパターン２２２を除去する。

次に第３プロセスに移行する。まず，第２プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジストを塗布する。次に，図６（５）に示すように，マスク２０３を用いて露光，現像を行い，図６（５）に示すレジストパターン２２３を形成する。マスク２０３は，格子ピッチＰの中に２つずつの遮光部と開口部を有し，２つの遮光部のパターン幅は共に２Ｌであり，２つの開口部のパターン幅は上段側，下段側がそれぞれ２Ｌ，３Ｌである。レジストパターン２２３のレジスト残留部のパターン幅は２Ｌとなり，レジスト除去部のパターン幅は上段側，下段側がそれぞれ２Ｌ，３Ｌとなる。次に，レジストパターン２２３を用いてエッチングを行い，図６（６）に示す溝形状を形成する。すなわち，３，４，７〜９段目となる領域を深さ２Ｄエッチングする。１，２，５，６段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に２つの非エッチング部と２つのエッチング部がある。次に，レジストパターン２２３を除去する。

次に第４プロセスに移行する。まず，第３プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジストを塗布する。次に，図６（７）に示すように，マスク２０４を用いて露光，現像を行い，図６（７）に示すレジストパターン２２４を形成する。マスク２０４は，格子ピッチＰの中に１つずつの遮光部と開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅はそれぞれ４Ｌ，５Ｌである。レジストパターン２２４のレジスト残留部とレジスト除去部のパターン幅もそれぞれ４Ｌ，５Ｌとなる。次に，レジストパターン２２４を用いてエッチングを行い，図６（８）に示す溝形状を形成する。すなわち，５〜９段目となる領域を深さ４Ｄエッチングする。１〜４段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に１つの非エッチング部と１つのエッチング部がある。次に，レジストパターン２２４を除去することにより，９段の階段形状を有する回折光学素子を得る。

本実施の形態の場合も，第１の実施の形態と同様に，回折光学素子を構成する階段形状を高精度に製造することができ，回折効率の向上を図ることができる。実際に，格子ピッチ４．５μｍ，段の幅０．５μｍの９段の回折光学素子を本実施の形態の方法に従って製造した。製造された回折光学素子では，段差のエッジ部に突起は発生せず，またその段の幅は０．４８μｍとなり，その誤差は約４％であり，精密な回折光学素子を製造することができた。

次に，本発明の第３の実施の形態にかかる回折光学素子の製造方法について，図７を参照しながら説明する。図７は本発明の第３の実施の形態にかかる回折光学素子の製造方法の工程を示す断面図である。本実施の形態では，周期的に形成された８段の階段形状を有する８位相階段状回折光学素子を製造する方法について述べる。下記説明で用いられる，Ｐ，Ｌ，Ｄの定義は第１の実施の形態のものと同様であり，ｋ＝８の場合として考えられる。以下の工程では全て，基板としてシリコンを使用し，エッチング工程では，反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ装置）を用い，エッチングガスとしてＳＦ_６を使用して異方性のドライエッチングを行った。また，フォトリソグラフィー工程では，ｉ線ステッパおよび標準的なポジ型レジストを用いた。

第１プロセスでは，まず，第１の実施の形態の図３（１）に示す工程と同様に，基板１上にレジストを塗布する。次に，図７（１）に示すマスク３０１を用いて露光，現像を行い，図７（１）に示すレジストパターン３２１を形成する。マスク３０１は，格子ピッチＰの中に４つの遮光部と４つの開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅はそれぞれＬである。レジストパターン３２１のレジスト残留部とレジスト除去部のパターン幅もそれぞれＬとなる。次に，レジストパターン３２１を用いてエッチングを行い，図７（２）に示す溝形状を形成する。すなわち，２，４，６，８段目となる領域を深さＤエッチングする。１，３，５，７段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に４つの非エッチング部と４つのエッチング部がある。次に，レジストパターン３２１を除去する。このようにして，第１プロセスで，幅Ｌの溝からなる凹凸の周期構造を形成する。

次に第２プロセスに移行する。まず，第１プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジストを塗布する。次に，図７（３）に示すように，マスク３０２を用いて露光，現像を行い，図７（３）に示すレジストパターン３２２を形成する。マスク３０２は，格子ピッチＰの中に１つずつの遮光部と開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅はそれぞれ６Ｌ，２Ｌである。レジストパターン３２２のレジスト残留部とレジスト除去部のパターン幅もそれぞれ６Ｌ，２Ｌとなる。次に，レジストパターン３２２を用いてエッチングを行い，図７（４）に示す溝形状を形成する。すなわち，７，８段目となる領域を深さ２Ｄエッチングする。１〜６段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に１つの非エッチング部と１つのエッチング部がある。次に，レジストパターン３２２を除去する。

次に第３プロセスに移行する。まず，第２プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジストを塗布する。次に，図７（５）に示すように，マスク３０３を用いて露光，現像を行い，図７（５）に示すレジストパターン３２３を形成する。マスク３０３は，格子ピッチＰの中に１つずつの遮光部と開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅は共に４Ｌである。レジストパターン３２３のレジスト残留部とレジスト除去部のパターン幅も共に４Ｌとなる。次に，レジストパターン３２３を用いてエッチングを行い，図７（６）に示す溝形状を形成する。すなわち，５〜８段目となる領域を深さ２Ｄエッチングする。１〜４段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に１つの非エッチング部と１つのエッチング部がある。次に，レジストパターン３２３を除去する。

次に第４プロセスに移行する。まず，第３プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジストを塗布する。次に，図７（７）に示すように，マスク３０４を用いて露光，現像を行い，図７（７）に示すレジストパターン３２４を形成する。マスク３０４は，格子ピッチＰの中に１つずつの遮光部と開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅はそれぞれ２Ｌ，６Ｌである。レジストパターン３２４のレジスト残留部とレジスト除去部のパターン幅もそれぞれ２Ｌ，６Ｌとなる。次に，レジストパターン３２４を用いてエッチングを行い，図７（８）に示す溝形状を形成する。すなわち，３〜８段目となる領域を深さ２Ｄエッチングする。１，２段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に１つの非エッチング部と１つのエッチング部がある。次に，レジストパターン３２４を除去することにより，８段の階段形状を有する回折光学素子を得る。

本実施の形態の場合も，第１の実施の形態と同様に，回折光学素子を構成する階段形状を高精度に製造することができ，回折効率の向上を図ることができる。実際に，格子ピッチ４．０μｍ，段の幅０．５μｍの８段の回折光学素子を本実施の形態の方法に従って製造した。製造された回折光学素子では，段差のエッジ部に突起は発生せず，またその段の幅は０．４７μｍとなり，その誤差は約６％であり，精密な回折光学素子を製造することができた。

次に，本発明の第４の実施の形態にかかる回折光学素子の製造方法について，図８を参照しながら説明する。図８は本発明の第４の実施の形態にかかる回折光学素子の製造方法の工程を示す断面図である。本実施の形態では，周期的に形成された５段の階段形状を有する５位相階段状回折光学素子を製造する方法について述べる。下記説明で用いられる，Ｐ，Ｌ，Ｄの定義は第１の実施の形態のものと同様であり，ｋ＝５の場合として考えられる。以下の工程では全て，基板としてシリコンを使用し，エッチング工程では，反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ装置）を用い，エッチングガスとしてＳＦ_６を使用して異方性のドライエッチングを行った。また，フォトリソグラフィー工程では，ｉ線ステッパおよび標準的なポジ型レジストを用いた。

第１プロセスでは，まず，第１の実施の形態の図３（１）に示す工程と同様に，基板１上にレジストを塗布する。次に，図８（１）に示すマスク４０１を用いて露光，現像を行い，図８（１）に示すレジストパターン４２１を形成する。マスク４０１は，格子ピッチＰの中に３つの遮光部と２つの開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅はそれぞれＬである。レジストパターン４２１のレジスト残留部とレジスト除去部のパターン幅もそれぞれＬとなる。次に，レジストパターン４２１を用いてエッチングを行い，図８（２）に示す溝形状を形成する。すなわち，２，４段目となる領域を深さＤエッチングする。１，３，５段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に３つの非エッチング部と２つのエッチング部がある。次に，レジストパターン４２１を除去する。このようにして，第１プロセスで，幅Ｌの溝からなる凹凸の周期構造を形成する。

次に第２プロセスに移行する。まず，第１プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジストを塗布する。次に，図８（３）に示すように，マスク４０２を用いて露光，現像を行い，図８（３）に示すレジストパターン４２２を形成する。マスク４０２は，格子ピッチＰの中に１つずつの遮光部と開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅はそれぞれ４Ｌ，Ｌである。レジストパターン４２２のレジスト残留部とレジスト除去部のパターン幅もそれぞれ４Ｌ，Ｌとなる。次に，レジストパターン４２２を用いてエッチングを行い，図８（４）に示す溝形状を形成する。すなわち，５段目となる領域を深さ２Ｄエッチングする。１〜４段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に１つの非エッチング部と１つのエッチング部がある。次に，レジストパターン４２２を除去する。

次に第３プロセスに移行する。まず，第２プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジストを塗布する。次に，図８（５）に示すように，マスク４０３を用いて露光，現像を行い，図８（５）に示すレジストパターン４２３を形成する。マスク４０３は，格子ピッチＰの中に１つずつの遮光部と開口部を有し，遮光部と開口部のパターン幅はそれぞれ２Ｌ，３Ｌである。レジストパターン４２３のレジスト残留部とレジスト除去部のパターン幅もそれぞれ２Ｌ，３Ｌとなる。次に，レジストパターン４２３を用いてエッチングを行い，図７（６）に示す溝形状を形成する。すなわち，３，４，５段目となる領域を深さ２Ｄエッチングする。１，２段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に１つの非エッチング部と１つのエッチング部がある。次に，レジストパターン４２３を除去することにより，５段の階段形状を有する回折光学素子を得る。本実施の形態の場合も，第１の実施の形態と同様に，回折光学素子を構成する階段形状を高精度に製造することができ，回折効率の向上を図ることができる。

次に，フレネルレンズ型の回折光学素子の製法例について，第５の実施の形態と変形例を用いて説明する。まず，本発明の第５の実施の形態にかかる回折光学素子の製造方法について，図９，図１０を参照しながら説明する。図９は，本発明の第５の実施の形態にかかる回折光学素子の製造方法の工程を示す断面図であり，図１０は，図９に続く工程を示す断面図である。本実施の形態では，周期的に形成された７段の階段形状を有する，フレネルレンズ型の７位相階段状回折光学素子を製造する方法について述べる。図１０（４）に最終的に得られる７段の階段形状を示す。フレネルレンズ型の回折光学素子では，曲面を近似した階段形状を構成することになるため，格子ピッチ内の階段の幅は一定ではなく，近似すべき曲面のカーブが急になるに従い，階段の幅は徐々に狭くなる。本実施の形態は，第１の実施の形態から階段の幅を変更したものとして考えることができる。

以下の第５の実施の形態と変形例の説明では，階段形状が形成される周期の幅をＰ，段差をＤとする。周期の幅Ｐとは，いわゆる格子ピッチＰのことであり，図では一点鎖線でその領域を示す。また，階段の最上段を１段目として，それから下段にいくに従い２段目，３段目，…と呼んでいる。なお，図で描かれている基板の厚みは必ずしも正確ではない。また，理解を助けるために，エッチング工程を示す図では，エッチングにより溝を形成した領域を矢印で示している。エッチング部および非エッチング部の数え方は，第１〜第４の実施の形態と同様である。以下の工程では全て，基板としてシリコンを使用し，エッチング工程では，反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ装置）を用い，エッチングガスとしてＳＦ_６を使用して異方性のドライエッチングを行った。また，フォトリソグラフィー工程では，ｉ線ステッパおよび標準的なポジ型レジストを用いた。

第１プロセスでは，まず，第１の実施の形態の図３（１）に示す工程と同様に，基板１上にレジストを塗布する。次に，図９（１）に示すマスク５０１を用いて露光，現像を行い，図９（１）に示すレジストパターン５２１を形成する。マスク５０１は，格子ピッチＰの中に４つの遮光部と３つの開口部を有する。次に，レジストパターン５２１を用いてエッチングを行い，図９（２）に示す溝形状を形成する。すなわち，２，４，６段目となる領域を深さＤエッチングする。１，３，５，７段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に４つの非エッチング部と３つのエッチング部がある。次に，レジストパターン５２１を除去する。このようにして，第１プロセスで，凹凸の周期構造を形成する。

次に第２プロセスに移行する。まず，第１プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジストを塗布する。次に，図９（３）に示すように，マスク５０２を用いて露光，現像を行い，図９（３）に示すレジストパターン５２２を形成する。マスク５０２は，格子ピッチＰの中に１つずつの遮光部と開口部を有する。次に，レジストパターン５２２を用いてエッチングを行い，図９（４）に示す溝形状を形成する。すなわち，７段目となる領域を深さ２Ｄエッチングする。１〜６段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に１つの非エッチング部と１つのエッチング部がある。次に，レジストパターン５２２を除去する。

次に第３プロセスに移行する。まず，第２プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジストを塗布する。次に，図９（５）に示すように，マスク５０３を用いて露光，現像を行い，図９（５）に示すレジストパターン５２３を形成する。マスク５０３は，格子ピッチＰの中に１つずつの遮光部と開口部を有する。次に，レジストパターン５２３を用いてエッチングを行い，図１０（１）に示す溝形状を形成する。すなわち，５〜７段目となる領域を深さ２Ｄエッチングする。１〜４段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に１つの非エッチング部と１つのエッチング部がある。次に，レジストパターン５２３を除去する。

次に第４プロセスに移行する。まず，第３プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジストを塗布する。次に，図１０（２）に示すように，マスク５０４を用いて露光，現像を行い，図１０（２）に示すレジストパターン５２４を形成する。マスク５０４は，格子ピッチＰの中に１つずつの遮光部と開口部を有する。次に，レジストパターン５２４を用いてエッチングを行い，図１０（３）に示す溝形状を形成する。すなわち，３〜７段目となる領域を深さ２Ｄエッチングする。１，２段目はエッチングされない。このように，格子ピッチＰの中に１つの非エッチング部と１つのエッチング部がある。次に，レジストパターン５２４を除去することにより，図１０（４）に示すような，７段の階段形状を有するフレネルレンズ型の回折光学素子を得る。

本実施の形態の場合も，第１の実施の形態と同様に，回折光学素子を構成する階段形状を高精度に製造することができ，回折効率の向上を図ることができる。特に，本実施の形態では，第１の実施の形態からマスクのパターン幅を変更するだけで，その他は同様にして，所定の曲面を近似した階段形状を有するフレネルレンズ型の回折光学素子を得ることができる。なお，フレネルレンズ型の回折光学素子の製造法は７段の階段形状に限るものではなく，他の段数の場合もマスクのパターン幅を変更するだけで同様に作製可能である。

上記の第１〜第５の実施の形態にかかる製法と，従来の製法における各プロセスでの非エッチング部とエッチング部の数を下表に示す。表中の従来例１および従来例２はそれぞれ，本明細書の背景技術で説明した８段および７段の階段形状の製法によるものである。これら従来例でのエッチング部および非エッチング部の数え方も，第１〜第５の実施の形態と同様である。

（表１）

上記表１からわかるように，本発明の第１〜第５の実施の形態にかかる製造方法では，階段の段数をｋとしたとき，第１プロセスでは，１周期の領域（格子ピッチＰの領域）におけるエッチング部の数と非エッチング部の数は，ｋが偶数の場合はともにｋ／２であり，ｋが奇数の場合はそれぞれ（ｋ−１）／２と（ｋ＋１）／２であり，第２プロセスでは，１周期の領域におけるエッチング部の数と非エッチング部の数はそれぞれ，１回目のプロセスのものより少ない。特に，第１，第３〜第５の実施の形態にかかる製造方法では，第２プロセス以降では１周期の領域におけるエッチング部の数と非エッチング部の数は共に１つである。逆に，従来の製造方法では，エッチング部および非エッチング部の数は，第１プロセスで１つであり，第２プロセス以降では順に増加している。

エッチング部と非エッチング部の数はそのままレジスト除去部とレジスト残留部の数に相当する。本発明の実施の形態の製法によれば，１周期の領域内のレジスト除去部とレジスト残留部の数は１回目のプロセスで最も多く，後のプロセスではそれより減少する。したがって，レジスト除去部とレジスト残留部の境界の数は，１回目のプロセスで最も多く，後のプロセスではそれより減少する。一般に，後工程になるほど，段ごとのレジスト厚の差が生じ，レジストパターン形状に誤差が発生しやすくなる。誤差はレジスト除去部とレジスト残留部の境界で生じる。以上のことから，本発明の実施の形態の製法によれば，誤差を少なくでき，階段形状を有する回折光学素子を高精度に製造することができる。特に，第１，第３〜第５の実施の形態にかかる製造方法では，段数が増える２回目以降のプロセスで，１周期の領域内の境界は１つになる。よって，レジストパターンの誤差を考慮する箇所は１箇所のみとなり，この箇所で誤差が生じないよう露光条件を決めればいいため，最適な条件を容易に決定することができる。

次に，第５の実施の形態の変形例にかかる回折光学素子の製造方法について，図１１を参照しながら説明する。図１１は，この変形例にかかる回折光学素子の製造方法の工程を示す断面図である。この変形例は，第５の実施の形態の第１プロセスと第２プロセスの順番を入れ替えて，図１０（４）に示す７段の階段形状を有するフレネルレンズ型の回折光学素子を製造する方法に関する。この相違点に着目して説明し，同様な点は一部重複説明を省略する。

第１プロセスでは，まず，第１の実施の形態の図３（１）に示す工程と同様に，基板１上にレジストを塗布する。次に，図１１（１）に示すマスク６０１を用いて露光，現像を行い，図１１（１）に示すレジストパターン６２１を形成する。次に，レジストパターン６２１を用いてエッチングを行い，図１１（２）に示す溝形状を形成する。すなわち，７段目となる領域を深さ２Ｄエッチングする。最下段の７段目となる領域は，格子ピッチＰの中で最も幅が狭い領域である。次に，レジストパターン６２１を除去する。

次に第２プロセスに移行する。まず，第１プロセスで形成された溝形状を有する基板上にレジストを塗布する。次に，図１１（３）に示すように，マスク６０２を用いて露光，現像を行い，図１１（３）に示すレジストパターン６２２を形成する。次に，レジストパターン６２２を用いてエッチングを行い，図１１（４）に示す溝形状を形成する。すなわち，２，４，６段目となる領域を深さＤエッチングする。次に，レジストパターン６２２を除去する。この時点で基板１に形成された溝形状は，図９（４）に示すものと同じになる。よって，次に，第５の実施の形態の第３プロセスに移行し，以降は同様に図９（５），および図１０（１）〜図１０（３）を用いて説明したプロセスで作製することにより，本変形例の場合も，図１０（４）に示すような，７段の階段形状を有するフレネルレンズ型の回折光学素子を得る。

本変形例は，第１プロセスで最も幅が狭い最下段をエッチング加工する点が特徴である。一般に，後工程に進むにつれて，段差が増し，段ごとのレジスト厚の差が増すため，後工程になるほど，最小パターン幅を高精度に形成するのは難しい。一方，第１プロセスでは，平坦な基板上にレジストが塗布されており，レジスト厚は均一であるから，この状態で高精度に最小パターン幅を形成するのは容易である。本変形例の製法では，この第１プロセスで最小パターン幅となる部分を加工するようにしているため，最小パターン幅を高精度に形成することが容易にできる。

なお，この変形例の方法は，第５の実施の形態の方法の第１プロセスと第２プロセスを入れ替えたものであるから，当然，７段の階段形状に関する第１の実施の形態にも適用可能である。また，５，９段の階段形状に関する第４，第２の実施の形態でも，第１プロセスと第２プロセスを入れ替えることにより，本変形例の方法を採用することができる。さらに，本変形例は，第４，第２の実施の形態のパターン幅を変更して５，９段の階段形状を有するフレネルレンズ型の回折光学素子を得る場合にも適用可能である。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

上記第１〜４の実施の形態においては，基板としてＳｉを使用し，エッチングガスとしてＳＦ_６を使用しているが，ＧａＡｓやＩｎＰ，石英など，レンズとして使用可能な素材と，それに対応した異方性エッチングが可能なエッチングガスを用いることも可能である。例えば，基板にＳｉを使用した場合，エッチングガスとしてＣ_４Ｆ_８，ＣＢｒＦ_３，ＣＦ_４＋Ｏ_２，Ｃｌ_２，ＳｉＣｌ_４＋Ｃｌ_２，ＳＦ_６＋Ｎ_２＋Ａｒ，ＢＣｌ_２＋Ｃｌ_２＋Ａｒが使用可能であり，基板にｐｏｌｙ−Ｓｉを使用した場合，エッチングガスとしてＣｌ_２，Ｃｌ_２＋ＨＢｒ，Ｃｌ_２＋Ｏ_２，ＣＦ_４＋Ｏ_２，ＳＦ_６，Ｃｌ_２＋Ｎ_２，Ｃｌ_２＋ＨＣｌ，ＨＢｒ＋Ｃｌ_２＋ＳＦ_６が使用可能であり，基板にＳｉ_３Ｎ_４を使用した場合，エッチングガスとしてＣＦ_４，ＣＦ_４＋Ｏ_２，ＣＦ_４＋Ｈ_２，ＣＨＦ_３＋Ｏ_２，Ｃ_２Ｆ_６，ＣＨＦ_３＋Ｏ_２＋ＣＯ_２，ＣＨ_２Ｆ_２＋ＣＦ_４が使用可能であり，基板にＳｉＯ_２を使用した場合，エッチングガスとしてＣＦ_４，Ｃ_４Ｆ_８＋Ｏ_２＋Ａｒ，Ｃ_５Ｆ_８＋Ｏ_２＋Ａｒ，Ｃ_３Ｆ_６＋Ｏ_２＋Ａｒ，Ｃ_４Ｆ_８＋ＣＯ，ＣＨＦ_３＋Ｏ_２，ＣＦ_４＋Ｈ_２が使用可能であり，基板にＡｌを使用した場合，エッチングガスとしてＢＣｌ_３＋Ｃｌ_２，ＢＣｌ_３＋ＣＨＦ_３＋Ｃｌ_２，ＢＣｌ_３＋ＣＨ_２＋Ｃｌ_２，Ｂ＋Ｂｒ_３＋Ｃｌ_２，ＢＣｌ_３＋Ｃｌ_２＋Ｎ_２，ＳｉＯ_４＋Ｃｌ_２が使用可能であり，基板にＣｕを使用した場合，エッチングガスとしてＣｌ_２，ＳｉＣｌ_４＋Ｃｌ_２＋Ｎ_２＋ＮＨ_３，ＳｉＣｌ_４＋Ａｒ＋Ｎ_２，ＢＣｌ_３＋ＳｉＣｌ_４＋Ｎ_２＋Ａｒ，ＢＣｌ_３＋Ｎ_２＋Ａｒが使用可能であり，基板にＴａ_２Ｏ_５を使用した場合，エッチングガスとしてＣＦ_４＋Ｈ_２＋Ｏ_２が使用可能であり，基板にＴｉＮを使用した場合，エッチングガスとしてＣＦ_４＋Ｏ_２＋Ｈ_２＋ＮＨ_３，Ｃ_２Ｆ_６＋ＣＯ，ＣＨ_３Ｆ＋ＣＯ_２，ＢＣ_３＋Ｃｌ_２＋Ｎ_２，ＣＦ_４が使用可能であり，基板にＳｉＯＦを使用した場合，エッチングガスとしてＣＦ_４＋Ｃ_４Ｆ_８＋ＣＯ＋Ａｒが使用可能である。

また，上記実施の形態では，マスクのパターンを用いてレジストパターンを形成したが，本発明はこれに限定されるのものではなく，電子ビームで直接描画してレジストパターンを形成する方法を用いてもよい。また，使用するレジストはポジ型に限定されるものではなく，ネガ型レジストを用いることも可能である。この場合，マスクのパターンとしては，前述の各例で示したマスクのパターンに対し，反転したものとなる。また，フォトリソグラフィー工程では，ｉ線ステッパだけでなく，Ｘ線リソグラフィー等の別のリソグラフィー方法を用いてもよい。なお，上記フレネルレンズ型の回折光学素子は，例えば，光通信用のレーザコリメータレンズや，フォトダイオード用集光レンズとして応用することが考えられる。

本発明は，周期的な階段形状を有する回折光学素子の製造方法に適用可能であり，例えば，レンズ素子として機能する回折光学素子の製造方法に適用可能である。

回折光学素子の例を示す模式図である。 回折光学素子の例を示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる回折光学素子の製造方法の工程断面図である。 図１に続く工程を示す工程断面図である。 製造された回折光学素子の製造方法の判別法を説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる回折光学素子の製造方法の工程断面図である。 本発明の第３の実施の形態にかかる回折光学素子の製造方法の工程断面図である。 本発明の第４の実施の形態にかかる回折光学素子の製造方法の工程断面図である。 本発明の第５の実施の形態にかかる回折光学素子の製造方法の工程断面図である。 図９に続く工程を示す工程断面図である。 本発明の変形例にかかる回折光学素子の製造方法の工程断面図である。 従来の回折光学素子の製造方法の工程断面図である。 従来の回折光学素子の製造方法の工程断面図である。 従来の回折光学素子の製造方法の問題点を説明するための図である。

符号の説明

１ 基板
２ レジスト
１１，１２，１３，１４ マスク
１０１，１０２，１０３，１０４ マスク

Claims (12)

1. レジストパターンを用いたエッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して，７段の階段形状を有する回折光学素子を製造する回折光学素子の製造方法であって，
   ２，４，６段目となる部分を前記階段の段差である第１の深さでエッチングする第１工程と，
   最下段となる部分を前記第１の深さの２倍の深さでエッチングする第２工程と，
   ５，６，７段目となる部分を前記第１の深さの２倍の深さでエッチングする第３工程と，
   ３，４，５，６，７段目となる部分を前記第１の深さの２倍の深さでエッチングする第４工程と，
   を含むことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
2. レジストパターンを用いたエッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して，９段の階段形状を有する回折光学素子を製造する回折光学素子の製造方法であって，
   ２，４，６，８段目となる部分を前記階段の段差である第１の深さでエッチングする第１工程と，
   最下段となる部分を前記第１の深さの２倍の深さでエッチングする第２工程と，
   ３，４，７，８，９段目となる部分を前記第１の深さの２倍の深さでエッチングする第３工程と，
   ５，６，７，８，９段目となる部分を前記第１の深さの４倍の深さでエッチングする第４工程と，
   を含むことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
3. レジストパターンを用いたエッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して，８段の階段形状を有する回折光学素子を製造する回折光学素子の製造方法であって，
   ２，４，６，８段目となる部分を前記階段の段差である第１の深さでエッチングする第１工程と，
   ７，８段目となる部分を前記第１の深さの２倍の深さでエッチングする第２工程と，
   ５，６，７，８段目となる部分を前記第１の深さの２倍の深さでエッチングする第３工程と，
   ３，４，５，６，７，８段目となる部分を前記第１の深さの２倍の深さでエッチングする第４工程と，
   を含むことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
4. レジストパターンを用いたエッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して，５段の階段形状を有する回折光学素子を製造する回折光学素子の製造方法であって，
   ２，４段目となる部分を前記階段の段差である第１の深さでエッチングする第１工程と，
   最下段となる部分を前記第１の深さの２倍の深さでエッチングする第２工程と，
   ３，４，５段目となる部分を前記第１の深さの２倍の深さでエッチングする第３工程と，
   を含むことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
5. レジストパターンを用いたエッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して，７段の階段形状を有する回折光学素子を製造する回折光学素子の製造方法であって，
   最下段となる部分を前記階段の段差の２倍である第１の深さでエッチングする第１工程と，
   ２，４，６段目となる部分を前記階段の段差である第２の深さでエッチングする第２工程と，
   ５，６，７段目となる部分を前記第１の深さでエッチングする第３工程と，
   ３，４，５，６，７段目となる部分を前記第１の深さでエッチングする第４工程と，
   を含むことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
6. レジストパターンを用いたエッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して，９段の階段形状を有する回折光学素子を製造する回折光学素子の製造方法であって，
   最下段となる部分を前記階段の段差の２倍である第１の深さでエッチングする第１工程と，
   ２，４，６，８段目となる部分を前記階段の段差である第２の深さでエッチングする第２工程と，
   ３，４，７，８，９段目となる部分を前記第１の深さでエッチングする第３工程と，
   ５，６，７，８，９段目となる部分を前記第１の深さの２倍の深さでエッチングする第４工程と，
   を含むことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
7. レジストパターンを用いたエッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して，５段の階段形状を有する回折光学素子を製造する回折光学素子の製造方法であって，
   最下段となる部分を前記階段の段差の２倍である第１の深さでエッチングする第１工程と，
   ２，４段目となる部分を前記階段の段差である第２の深さでエッチングする第２工程と，
   ３，４，５段目となる部分を前記第１の深さでエッチングする第３工程と，
   を含むことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
8. レジストパターンを用いたエッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して，周期的なｋ（ｋは２以上の自然数）段の階段形状を有する回折光学素子を製造する回折光学素子の製造方法であって，
   １回目のプロセスでは，１周期の領域におけるエッチング部の数と非エッチング部の数は，ｋが偶数の場合はともにｋ／２であり，ｋが奇数の場合はそれぞれ（ｋ−１）／２と（ｋ＋１）／２であり，
   ２回目以降のプロセスでは，１周期の領域におけるエッチング部の数と非エッチング部の数はそれぞれ，１回目のプロセスのものより少ないことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
9. ２回目以降のプロセスでは，１周期の領域における前記エッチング部の数と前記非エッチング部の数は共に１つであることを特徴とする請求項８に記載の回折光学素子の製造方法。
10. レジストパターンを用いたエッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して，周期的な階段形状を有する回折光学素子を製造する回折光学素子の製造方法であって，
    １回目のプロセスでは，１周期の領域におけるエッチング部のパターン幅は，前記階段の最小の幅と略同一であることを特徴とする回折光学素子の製造方法。
11. 前記エッチングは異方性エッチングであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の回折光学素子の製造方法。
12. 前記基板としてシリコン，石英，ＧａＡｓ，ＩｎＰのいずれかを用いたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の回折光学素子の製造方法。
    
    

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