JP2006053279A - 透過型回折素子の製造方法、及び透過型回折素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 蒸着装置やエッチング装置などの高額設備や、高額な金型を使用せず、簡単、且つ低コストなプロセス、設備にて精度の良い透過型回折素子を形成することができる製造方法を提供する。
【解決手段】 透明ウェハ２の表面上に、感光することにより屈折率が低下する感光性樹脂層５を形成する工程と、感光性樹脂層を仮硬化させる仮硬化工程と、該感光性樹脂層に光を照射することにより屈折率の異なる領域５ａ、５ｂを交互に形成する屈折率差形成工程と、から成る。
【選択図】 図１

Description

本発明は光ディスクドライブ装置の光ピックアップや、光通信等の分野に使用される透過型回折素子及びその製造方法に適用する。

透過型回折素子は透明ガラス、透明結晶板、或いは透明樹脂板等の透明なウェハ表面に透明な材質にて凹凸部を形成し、凹凸部の位相差により回折光を発生させる光学素子（回折格子＝グレーティング）である。
透過型回折素子を光ディスクピックアップに適用する場合、透過型回折素子はＬＤと光ディスクの間に配置され、ＬＤから出射されたレーザ光を複数に分割して透過させる。このとき回折素子からの出射光中の直進する光を０次光、０次光の左右に生成する回折光を±１次光と呼ぶ。０次光はディスクに対する情報読込み及び書込み用として使用し、±１次光はトラッキング制御用として使用する。
従来の透過型回折素子は、例えば透明なガラス板、結晶板、或いは樹脂板等から成る透明ウェハ上にフォトレジスト膜を形成し、このレジスト膜を所定の周期格子マスクを用いて露光してから露光部を現像により除去するフォトリソグラフィ技術にて凹凸の格子状パターンを形成していた。また、透明ウェハ上にＳｉＯ₂などの誘電体膜をコーティングしてから、所定の周期格子マスクを用いて誘電体膜をフォトリソグラフィ技術を用いて露光、現像することにより凹凸の格子状パターンを形成する方法もある。
図４はこの従来方法を示しており、この例ではガラス板上にＳｉＯ₂のバイナリ格子を形成する一般的な透過型回折素子の製造手順示している。
まず、（ａ）に示したガラス板１００上に、（ｂ）に示したＳｉＯ₂膜１０１を真空蒸着法により形成する。（ｃ）ではＳｉＯ₂膜１０１上に所定の格子形状を有したフォトマスク１０２を形成する。（ｄ）ではこのフォトマスク１０２を介してＵＶ光をＳｉＯ₂膜１０１の露出部分に照射することでフォトマスクのパターンをＳｉＯ₂膜１０１上に形成する。続いてＲＩＥなどのエッチング装置を用いフォトマスクの開口から露出したＳｉＯ₂膜部分をエッチングする。エッチング後にフォトマスク１０２を除去し、ＳｉＯ₂の凹凸パターンを得る。
この方法は、フォトマスクにて格子状凹凸パターンのピッチを変えることができ、ＳｉＯ₂膜の膜厚を調整することにより凹凸パターンの高さを変えることができるため、多品種への対応が比較的容易であるが、真空蒸着装置、エッチング装置などの高額な設備を用い、更に工程も複雑であるためコストが高くなる問題があった。
この問題を解決するために、光学的等方性基板上に形成したアンダーコート膜としてのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）膜上に、ポリジアセチレン誘電体から成る凹凸状の周期格子をフォトリソグラフィ技術によって形成した回折格子が、特開平１０−２５３８１１号公報と、特開平１１−２２３７２９号公報に夫々開示されている。これによれば、樹脂層を形成し精度良く凹凸形状を形成することができる、とされる。

これらの従来方法は、フォトマスクにてピッチを変えることができ、ＵＶ照射量を調整することにより凹凸パターン部の高さを変えることができるため、多品種への対応は比較的容易であるが、樹脂層の構成が凹凸パターンを形成するポリジアセチレン層と、これをガラスへ密着させるＰＥＴ層の２層とからなるため製造工程が増えるばかりでなく、ポリジアセチレン層の形成にはＣＶＤなどの蒸着装置が必要であった。また、ポリジアセチレンは複屈折性を持つため、例えば波長板と回折格子を複合化する場合に、偏光状態により回折効率が変化する不具合が生じる可能性がある。また、基板上にＰＥＴ層を形成してから、ポリジアセチレン誘電体膜を塗布する作業工程を経るため、工数が増大するという問題がある。また、ポリジアセチレン誘電体膜に対してマスクを介してＵＶ照射して露光する際の露光時間が一時間程度と非常に長くなり量産には不向きである。
次に、透明ウェハ上にフォトリソグラフィ技術にて形成した所定の格子パターンのフォトレジスト膜上から、透明ウェハ上にＳｉＯ₂などの誘電体膜をコーティングし、その後レジスト膜だけをエッチングにより除去することにより、透明ウェハ上に誘電体膜パターンを形成するリフトオフ法も知られている。しかし、このリフトオフ法により、透明ウェハ上に凹凸の格子状パターンを形成する場合、蒸着装置、エッチング装置などの高額な設備が必要であり、製造工程も複雑になるという問題がある。

次に、金型に微細な凹凸を形成し、ガラス又は樹脂材料を用いてインジェクションモールドにて製作する方法も行われている。しかし、インジェクションモールドは、加工精度の高い金型を用いる必要があるため、金型の製造手数の増大により高額になり、凹凸の高さやピッチが変るたびに金型を製作するため多品種への対応が難しく、また金型の償却費が製品コストに大きく影響しコスト高になるという問題があった。
このことを具体例により説明すると、例えば、光ディスク用の記録再生装置の光ピックアップに使用される透過型回折素子において、透明ウェハ上に必要高さを有した凹凸パターンを形成する方法は次の通りであった。
回折素子の回折効率は凹凸パターンの光路長差により生じる位相差δにより決定される。位相差δは式（１）で表すことができる。

…（１）
δ：位相差、λ：波長、ｎＨ：屈折率（高）、ｎＬ：屈折率（低）、ｄ：凹凸高さ
ＣＤ、ＤＶＤなどの光ディスクに対する記録再生に際して使用する光ピックアップに使用される回折素子の場合、回折効率（０次光量／１次光量）は規格中心値に対し１５％程度の精度に収めなければならない。ＳｉＯ₂膜から成る格子パターンを形成した回折格子を例として、ｎＨ＝１．５、ｎＬ＝１（空気）、λ＝６５５ｎｍとし、回折効率１５％の精度を位相差δに換算すると０．０５ｒａｄとなる。このとき許容される凹凸高さｄのバラツキを、式（１）から計算する。
凹凸高さｄの最大値、最小値をそれぞれｄｍａｘ、ｄｍｉｎとし、そのときの位相差をそれぞれδｍａｘ、δｍｉｎとすると、各々は式（２）、（３）にて表すことができる。

…（２）

…（３）

ここでｄのバラツキ（ｄ_max−ｄ_min）は式（４）となる。

…（４）
式（４）から（ｄ_max−ｄ_min）は約１０ｎｍとなる。すなわち、ＳｉＯ₂膜等、屈折率が１．５程度の材質を用いて回折格子を製作するときの凹凸高さｄの精度は、１０ｎｍ以下に抑えなければならない。
ガラス板等の透明基板（透明ウェハ）上にＳｉＯ₂膜を蒸着し、フォトリソグラフィ技術を用いてＳｉＯ₂膜に凹凸パターンを形成することにより回折素子を製造する場合、凹凸高さｄの精度は、例えば水晶振動子を用いた周波数モニタ方法を利用することで、１０ｎｍ以内の高精度で制御する必要がある。このように従来の回折素子の製造にあっては、多大な手数を要していた。
特開平１０−２５３８１１号公報 特開平１１−２２３７２９号公報

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、蒸着装置やエッチング装置などの高額設備や、高額な金型を使用せず、簡単、且つ低コストなプロセス、設備にて精度の良い透過型回折素子を形成することができる製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、透明ウェハの表面上に、感光することにより屈折率が低下する感光性樹脂層を形成する工程と、感光性樹脂層を仮硬化させる仮硬化工程と、該感光性樹脂層に光を照射することにより屈折率の異なる領域を交互に形成する屈折率差形成工程と、から成ることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１において、前記屈折率差形成工程では、感光性樹脂層中の屈折率差が生じた領域の深さを、感光性樹脂層の全厚みより薄くすることで透明ウェハ内の位相差分布を向上させたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２において、前記屈折率差形成工程では、フォトマスクを介して感光性樹脂層に光を照射することを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１又は２において、前記屈折率差形成工程では、フォトマスクを用いない２光束干渉露光法にて感光性樹脂層に光を照射することを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１、２、３又は４において、前記感光性樹脂はポリシラン樹脂、又はアクリル樹脂であり、前記光はＵＶ光であることを特徴とする。
請求項６の発明に係る透過型回折素子は、請求項１乃至５の何れか一項に記載された透過型回折素子の製造方法によって製造されたことを特徴とする。

請求項１、３、５の発明によれば、フォトブリーチング性を有した樹脂、即ち感光性樹脂を透明ウェハ上に均一厚に成膜してから、感光性樹脂膜を選択的に格子パターン状に露光することによって当該樹脂膜内に屈折率の異なる領域を交互に形成するようにしたので、蒸着装置やエッチング装置などの高額設備や、高額な金型を使用せず、簡単、且つ低コストなプロセス、設備にて精度の良い透過型回折素子を形成することができる。
請求項２の発明では、感光性樹脂層の全厚に亘って感光させるのではなく、樹脂層厚に満たない深さの範囲で感光させるようにしたので、感光性樹脂層に形成する屈折率差を更に高精度に制御することができる。
請求項４の発明によれば、マスクを用いずに上記の製造方法を実施することが可能となる。
請求項６の発明に係る透過型回折素子は、製造設備、製造コストを削減しながらも、優れた特性を発揮することができる。

以下、本発明を図面に示した実施の形態により詳細に説明する。
以下、本発明の透過型回折素子（位相回折格子）を製造する方法を、図面に示した実施の形態により説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる製造方法を示しており、透明なガラス板、透明な結晶板、或いは透明な樹脂板等の透明ウェハ２上に、凹凸パターンではなく屈折率の異なる複数の領域から成る回折パターン１０を形成することにより透過型回折素子１を製造する方法を示している。
本発明に係る透過型回折素子の製造方法は、透明ウェハとしてのガラス板２の表面上に、感光することにより分解が生じて屈折率を制御できる性質（フォトブリーチング性）を備えた感光性樹脂層５（ポリシラン樹脂、アクリル樹脂等）を形成する工程と、感光性樹脂層を仮硬化させる仮硬化工程と、感光性樹脂層５にフォトマスク６を介してＵＶ光を照射することにより感光性樹脂層５に屈折率の異なる領域５ａ、５ｂを交互に（格子状に）形成する屈折率差形成工程と、から成る。
回折パターン１０を構成する感光性樹脂層５として、感光することで屈折率を制御できるアクリル樹脂、ポリシラン樹脂などを用いた場合、これらの樹脂とガラス板２表面との接合力は十分に強いため、ガラス板との密着力を確保するためのアンダーコート層（ＰＥＴ層等）を形成する必要がなくなり、ガラス板２上に直接感光性樹脂層５を形成することができる。また、感光性樹脂を塗布する方法はスピンナやローラを用いる方法が設備費用も比較的安価に抑えられるため望ましい。
感光性樹脂層５を仮硬化させた後で、所望の開口・遮光パターンが形成されたフォトマスクを介してＵＶ光を照射することにより、フォトマスクの遮光パターンで遮光されていない領域５ｂはＵＶ光が感光性樹脂層５に照射されて分解し、その屈折率が低下する。これにより未感光領域５ａとの間で屈折率差が生じ、屈折率が交互に異なる樹脂層を得ることができる。この場合、前述した凹凸パターンではなく樹脂内部に生じた屈折率が異なる領域により位相差が生じ回折格子として機能することができる。
尚、更に、感光性樹脂層５全体を加熱して本硬化させることにより、ＵＶ光や自然光によって各領域５ａ、５ｂの屈折率が変化することを防止する。

更に、具体的な実施例について図１を参照して説明する。
透明ウェハとしてはノンアルカリガラス基板２を用い、このガラス基板２の面上に感光性ポリシラン樹脂（フォトブリーチング性質を備えた感光性樹脂）をスピンコータを用いて均一厚に塗布して感光性樹脂層５を形成した後で、この感光性樹脂層５を１０分間程度、２５０℃の温度でベーキングすることにより仮硬化させる（（ａ））。
続いて、感光性樹脂層５上にフォトマスク６を介してＵＶ光を一分間照射し露光する（（ｂ））。露光により、フォトマスク６の開口から露出した感光性樹脂層５の領域５ｂのみが感光してポリシラン樹脂が分解する。この感光領域５ｂの屈折率ｎＬは非感光領域５ａの屈折率ｎＨに比べて低下している（（ｃ））。
上記の如き手順により製造された透過型回折素子１について、透過波面収差を測定したところ、従来から用いられているＳｉＯ₂膜から成る凹凸パターンを備えた回折素子と同等レベルの透過波面収差（９．３ｍλ）を有することが判明し、光学特性上の問題点がないことを確認できた。
次に、上記透過型回折格子１について、以下の如き項目について信頼性試験を実施したところ、試験前後の透過波面収差と同等レベルであることが確認された。
１．高温エージング（８０℃／２００Ｈ）
２．高温高湿（６０℃・９０％／２００Ｈ）
３．低温エージング（−４０℃／２００Ｈ）
４．常温エージング（２５℃／２００Ｈ）
なお、上記実施形態では、透明ウェハとしてノンアルカリガラス基板を用いた例を示したが、これは一例であり、石英、白板ガラス、ＢＫ７、水晶、ＬｉＮｂＯ₃から成る基板を用いても良い。
なお、上記実施形態のように透明ウェハとしてガラス材料を用いた場合には回折素子を製造することができ、水晶等の結晶材料を用いた場合には、位相回折素子（位相差が生じる回折格子）を製造することができる。
感光性樹脂としては、感光性ポリシラン樹脂に限らず、光の照射によって分解が生じて屈折率が低下するフォトブリーチング性を有したアクリル樹脂等を用いても良い。

次に、図２は本発明の他の実施形態に係る透過型回折素子の製造方法の説明図である。
この実施形態に係る製造方法は、感光性樹脂層５中の屈折率差が生じた領域５ｂの深さｔを、感光性樹脂層５の全厚みｄよりも薄くすることで透明ウェハ内の位相差分布を向上させた点が特徴的である。
即ち、本発明に係る透過型回折素子の製造方法は、透明ウェハとしてのガラス板２の表面上に、感光することにより分解が生じて屈折率を制御できる性質を備えた感光性樹脂層５（ポリシラン樹脂、アクリル樹脂等）を形成する工程（（ａ））と、感光性樹脂層を仮硬化させる仮硬化工程と、感光性樹脂層５にフォトマスク６を介してＵＶ光を照射することにより感光性樹脂層５に屈折率の異なる領域５ａ、５ｂを交互に（格子状に）形成する屈折率差形成工程（（ｂ）（ｃ））と、から成り、更に屈折率が低下した領域５ｂの厚みｔが、感光性樹脂５の全厚みｄよりも小さくなるように、ＵＶ光の照射量（照射深度）を制御するようにした点が特徴的である。
即ち、感光性樹脂層５を仮硬化させた後で、所望の開口・遮光パターンが形成されたフォトマスク６を介してＵＶ光を照射する際に、ＵＶ光の照射量を制御してＵＶ光により分解する感光性樹脂層の深度を調整することにより、フォトマスクの遮光パターンで遮光されていないために屈折率が低下する領域５ｂの屈折率を微調整することが可能となる。これにより未感光領域５ａとの間で屈折率差が生じ、屈折率が交互に異なる樹脂層を得ることができる。
その後、感光性樹脂層５全体を加熱して本硬化させて、ＵＶ光や自然光による屈折率の更なる変化を防止する。

以下、本発明を更に具体的な実施例に基づいて説明する。
図２において、ＵＶ光が照射されて屈折率が低下したポリシラン樹脂の感光領域５ｂの厚みをｔ、感光領域の屈折率をｎＬ、ＵＶ光が照射されていない非感光領域５ａの屈折率をｎＨとしたとき、生じる位相差は式（５）で表すことができる。

…（５）
すなわち樹脂層５の厚みｄは位相差には関与しないため、透明ウェハ２内の樹脂厚み分布は回折効率に影響を与えない。感光領域５ｂの厚みｔのみが回折効率に影響を与えることとなる。
続いて透明ウェハ内の位相差が所定の精度に収まるか否かを検証する。
透明ウェハ２内の位相差最大、最小の位置における位相差は式（６）、（７）にて表すことができる。

…（６）

…（７）
すなわち両者の位相差の差は式（８）となる。

…（８）
これによれば、透明ウェハ内における感光領域５ｂの屈折率分布が位相差の差に影響を与えることが判る。感光領域の屈折率は紫外線の照射量の影響を受けるため紫外線の照度分布が重要となる。

紫外線光源として一般的に使用されるＨｇランプは、それ単独では５インチ程度のエリアであっても照度には数倍の差が生じる。
そこで紫外線照射装置として、例えばウシオ電機株式会社製のＰＭ５０Ｃ−１２５Ａ１の様なインテグレータレンズ等を用いて面内照度分布を均一とした紫外線光源を使用して露光すれば、均一な紫外線照射量が得られる。本照射装置の照度面内分布はφ１２５のエリアにおいて１０％である。１０％の差により生じる感光領域の屈折率差（ｎ_Lmax−ｎ_Lmin）はポリシラン樹脂の場合、適当な条件に合わせれば０．００４程度である。更に感光領域５ｂの厚みｔを１．３μｍ以下とすればδｍａｘ−δｍｉｎの精度を０．０５ｒａｄ以下に抑えることができる。
類似の方法としてＳｉＯ₂膜を溶媒に溶かしたもの、又は樹脂をスピンコートし、フォトリソグラフィ技術にて回折格子を形成する方法が考えられる。この方法はスピンコートなどを用いて、ガラス板等の透明材料上にＳｉＯ₂層又は樹脂層を形成する。しかし、スピンコートする方法では、中央部と外周部とで厚さに１００ｎｍ程度の差が生じてしまうため、精度の面で実用に耐えうるものが製作できない。

次に、感光性樹脂層そのものの屈折率を変化させるため、例えばフォトマスクを用いずＨｅＣｄレーザ、ＡｒレーザなどのＵＶ域の発振波長をもつレーザを用い、所定の周期で描画する方法も考えられる。即ち、図３に示した２光束干渉露光法（特公平３−２３８８４号公報）では、上記レーザ光をハーフミラー２０によって２つに分波し、各分波光を夫々ミラー２１によって反射し、分波光の合成波を図示のように基板２５の上面に形成した感光性樹脂２６に照射したときに生じる干渉パターンにより露光する。この結果、露光した領域の屈折率だけを低下させることができ、屈折率が交互に異なる樹脂層を得ることができる。
この場合は、単位面積当りに照射するエネルギー量を、描画速度又は照度を制御することで調整し、位相差δを得る。この場合、レーザ描画装置が必要となるが、フォトマスクを必要としないため、フォトマスクを製作する時間を省くことができ短期間で製作が可能となる。

本発明の一実施形態に係る製造方法の説明図。 本発明の他の実施形態に係る製造方法の説明図。 本発明の他の実施形態に係る製造方法の説明図。 従来例の説明図。

符号の説明

１ 透過型回折素子、２ 透明ウェハ、５ 感光性樹脂層、５ａ 未感光領域、５ｂ 感光領域、６ フォトマスク、１０ 回折パターン、２０ ハーフミラー、２１ ミラー、２５ 基板、２６ 感光性樹脂。

Claims (6)

1. 透明ウェハの表面上に、感光することにより屈折率が低下する感光性樹脂層を形成する工程と、感光性樹脂層を仮硬化させる仮硬化工程と、該感光性樹脂層に光を照射することにより屈折率の異なる領域を交互に形成する屈折率差形成工程と、から成ることを特徴とする透過型回折素子の製造方法。
2. 前記屈折率差形成工程では、感光性樹脂層中の屈折率差が生じた領域の深さを、感光性樹脂層の全厚みより薄くすることで透明ウェハ内の位相差分布を向上させたことを特徴とする請求項１に記載の透過型回折素子の製造方法。
3. 前記屈折率差形成工程では、フォトマスクを介して感光性樹脂層に光を照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の透過型回折素子の製造方法。
4. 前記屈折率差形成工程では、フォトマスクを用いない２光束干渉露光法にて感光性樹脂層に光を照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の透過型回折素子の製造方法。
5. 前記感光性樹脂はポリシラン樹脂、又はアクリル樹脂であり、前記光はＵＶ光であることを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の透過型回折素子の製造方法。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載された透過型回折素子の製造方法によって製造されたことを特徴とする透過型回折素子。

Images