JP2006183111A

JP2006183111A - 回折格子の製造方法

Info

Publication number: JP2006183111A
Application number: JP2004379981A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Furukawa; 泰之古川
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-07-13

Abstract

【課題】
表面粗度が細かくサイズを大きくすることを可能とする回折格子の製作方法を提供する。
【解決手段】
イオンビームを照射するイオン源４とイオンが照射されてスパッタリングされるターゲット材２とターゲット材２から叩き出された原子が堆積する基板１が設置され、ターゲット材２と基板１の間にはマスク３が配設されている。ターゲット材２には二酸化珪素材が使用される。マスク３は基板１より一回り大きく製作され、表面には格子状に透過部であるスリット１６が設けられている。スリット１６は回折格子の溝数に合わせて加工される。マスク３は上下に可動可能にガイド棒ホルダー１２に固定されたガイド棒６に挿入されたマスクホルダー７に取り付けられている。マスクホルダー７の右端はネジ棒９と螺合するボールネジ可動部８と一体にされており、ネジ棒９はモータホルダー１１に固定されたパルスモータ１０と連結されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回折格子特にその溝を特殊な方法によって形成する製作方法に関する。

回折格子の溝形状を形成する製作方法には、イオンビームエッチングによる加工や、レーザ光を照射して溝加工するレーザ加工などの方法が採用される（たとえば特許文献１参照）。以下たとえば反応性イオンビームエッチングでの溝形状を形成する方法は、イオン源から引き出され、加速された反応性ガスイオンビームをターゲットである基板表面に入射させて原子であるスパッタ粒子を真空中に放出させるスパッタリング現象を利用して基板表面を原子・分子の単位で除去し、溝を形成する加工方法である。

さらに別の製作法としてホログラフィック露光法を利用する方法もある。この方法は図４に示される。
まず光学研磨された石英ガラスなど光学ガラス製の基板１の表面にフォトレジスト層２０が形成される（図４（ａ））。このように準備したワークをホログラフィック露光装置にセットし、レーザビーム２１の２光束干渉によるホログラフィック露光法でフォトレジストに干渉縞の潜像を露光した後、現像液で現像、純水リンスを行ってフォトレジストの回折格子パターンをつくる（（図４（ｂ））。

次に、これを反応性イオンビームエッチング装置に取り付け、このパターンの上からイオンビーム２２を照射し続け基板１上に平底型パターンを作製する（図４（ｃ））。最後にプラズマアッシングによるエッチングによって硬くなったレジスト表面層を灰化し、その後リムーバ液に浸漬し、基板１上のフォトレジストパターンを剥離し矩形状形の回折格子（ラミナーグレーティング）のマスターを製作する（図４（ｄ））。さらに関連技術としてイオンビームスパッタによる非球面ミラーの作製に関する技術も提案されている。
以上のように回折格子は基板上面を除去加工して製作される方法が一般的である。
特開２００４−２２７００９号公報特開２００２−２２１５９６号公報

従来の回折格子の溝形状を形成するプロセスでは、エッチング工程の前に基板表面のフォトレジスト層の露光が行われる。この時、外部からの光が入ったり周囲の空気の乱れで光がゆれたり、光の跳ね返りなど無駄な光の外乱がある場合には、きれいなパターンができない。マスクパターンがきれいでないと次工程のエッチングで表面粗さがそのまま現れる。このため目的とする表面祖度が得られない場合がある。

また、高速のイオンビームを基板表面に衝突させ基板の一部をスパッタ現象で除去することで行うため、除去された基板の溝部分の表面粗さは研磨された基板よりも粗いものとなる。また、基板表面のフォトレジスト層の露光において、干渉縞のサイズが大きい場合レーザの可干渉性に限界があり、端部で所望の干渉縞が得られず、１００ｍｍ角より大きなサイズの回折格子を製作するのは困難である。
本発明はこのような問題を解決する回折格子の製作方法を提供する。

本発明が提供する回折格子の製作方法は、上記課題を解決するために、回折格子の溝形状を形成するための材料を蒸着技術にて飛散させる材料飛散工程と、飛散された材料を基盤に対置させたマスクを介して基板上に回折格子層を堆積させる材料堆積工程とからなり、基板上に材料の堆積で回折格子の溝形状を形成させるものである。
蒸着技術としては、たとえばスパッタリング方式を採用する。

ターゲット材のスパッタリングにより成膜を行う薄膜製造装置が利用できる。さらに本発明は、製作する回折格子の溝形状により、基板上に回折格子の溝を形成するスパッタ材が通過し基板に堆積させるスリットを具備したマスクをターゲットと基板との間に設置する。さらにこのマスクと基板との間隔を調節可能な機構を具備する。
さらにターゲット材とビーム源との距離を調節しターゲット材料の回折格子の溝形成を調節するように構成する。
さらに回折格子とマスクとの距離を調節しターゲット材料の回折格子の溝形成を調節するように構成する。このような構成によって溝の形成を最も望ましい形状に形成できる。

本発明が提供する回折格子の製作方法によれば、回折格子の溝表面の面精度が光学研磨された基板と同等の溝を得ることができる。
一辺２００ｍｍ角の大面積の回折格子の製作が可能である。
回折格子の製作工程が短く単純化され、コスト低減が図られる。

本発明の特徴は、回折格子の溝形状を蒸着技術を利用して、ターゲット材と基板との間にマスクを配設し、ターゲット材からスパッタされた材料を基板上に堆積し回折格子の溝形状を作成するもので、この蒸着技術としては、イオンビームスパッタ蒸着技術や化学的蒸着方式など各種による方式を材料との関連で適宜選択し利用する。他方、マスクの位置やターゲット材とイオンビーム源との距離も調節自在にする。これらの各方式と調節手段の組み合わせによって最良の形態を実現できる。

本発明の実施例を図１、図２および図３にしたがって説明する。
図１は、イオンビームスパッタ方式の蒸着技術を利用する製作装置の断面構造を示している。これらの図１、図２、図３において、イオンビームを照射するイオン源４とイオンが照射されてスパッタリングされるターゲット材２とターゲット材２から叩き出された原子が堆積する基板１が設置され、ターゲット材２と基板１の間にはマスク３が配設されている。処理室２３の内部は真空排気されている。

基板１は２００ｍｍ角の合成石英材で基板ステージ５に取り付けられている。ターゲット材２は支軸１８により支承され、支軸１８を回転中心とする一端をピエゾ素子１７で支持されている。実施例では、ターゲット材２には二酸化珪素材が使用される。マスク３は基板１より一回り大きく製作され、表面には格子状に透過部であるスリット１６が設けられている。スリット１６は回折格子の溝数に合わせて加工される。マスク３は上下に可動可能にガイド棒ホルダー１２に固定されたガイド棒６に挿入されたマスクホルダー７に取り付けられている。マスクホルダー７の右端はネジ棒９と螺合するボールネジ可動部８と一体にされており、ネジ棒９はモータホルダー１１に固定されたパルスモータ１０と連結されている。モータホルダー１１は処理室２３に固定された取付台１３にネジで締結されている。
イオン源４としては、イオン銃が用いられ処理室２３の下部に取り付けられている。

イオン源４で発生させた運動エネルギーを持つアルゴンイオンビーム１４を加速してターゲット材２の表面に照射すると、その衝突エネルギーにより蒸着物質１５であるターゲット材２の原子が真空中に放出され基板１上に堆積し薄膜を形成する。その際、放出された原子はマスク３の格子状のスリット１６を透過することによって基板１への堆積量が場所によって異なり、基板１上に一つのパターンができる。この基板１上に形成されるパターンはマスク３のスリット１６の形状、マスク３の厚み、マスク３と基板１との距離や基板１に対するマスク３の取り付け角度などにより異なったパターンが形成される。また、イオンビームスパッタ蒸着装置には固有の膜厚分布特性があるので、これも考慮に入れ予めシミュレーションを行い、最適な形状パターンが得られるマスク３を準備しておく。

次に、図１、図２で本発明の回折格子の形状を決定する要因の一つである基板１とマスク３の距離をどのように調節するか説明する。
図１でパルスモータ１０が正転、逆転することで、それと連結したネジ棒９も同様の回転をする。この回転にしたがってネジ棒９とかみ合ったボールネジ可動部８と一体のマスクホルダー７およびマスクホルダー７に取り付けられたマスク３は、ガイド棒６上を上下に移動する。これにより回折格子の形状を決定する基板１とマスク３との距離が調節可能となる。
また、ターゲット材２の傾斜角度は、ピエゾ素子１７の圧電効果による膨張収縮によって支軸１８を中心とした角度が調節され、溝形成に最適な傾斜角度が得られイオン源４との距離を調節できる。

図２は、基板１の表面とマスク３との表面が面一となった位置を示す。この点をマスク３の零点とする。パルスモータ１０の回転とボールネジ可動部８の移動距離はボールネジの仕様および実テストで求められ、回折格子の形状を決定に必要な距離は、パルスモータ１０の回転で得られる。
このような方法で、溝形成に必要な基板１とマスク３の距離の設定が行われ製作準備が完了する。

再現性で重要となる膜厚は、真空蒸着で用いられる光学式膜厚計を利用することで、波長オーダの膜厚を制御することで実現できる。

図３（ａ）は、正弦波形状回折格子が形成された基板１上の回折格子層１９のパターンを示す縦断面図である。マスク３とマスク３のスリット１６と基板１上に堆積された正弦波形状の回折格子層１９が断面表示されている。

マスク３のスリット１６の下端面より一点鎖線で示す円錐状に先に広がった範囲に原子が堆積される。格子状のそれぞれのスリット１６からは同じように円錐状の範囲に原子が堆積される。さらに、隣り合ったスリット１６どうしの円錐状の範囲の重なりにより基板１上には正弦波形状の回折格子層１９が形成される。
この正弦波形状の層は、平滑に仕上げられた基板１上に微細な原子で形成されるため表面は滑らかに仕上がる。また、基板１上に一工程で形成されるため、工程短縮により形状変形を受ける要因がなく従来品より精度良く回折格子層１９が得られる。この方法で製作された回折格子層１９の溝部の実際の表面粗さは、測定結果、成膜前の基板１の表面粗さから変化しないことが判明した。
図３（ｂ）は、矩形波形状回折格子が形成された基板１上の回折格子層１９のパターンを示す縦断面図である。これは、基板１とマスク３との間隔を小さくすることで得られる。

本発明のイオンビームスパッタ蒸着法で使用されるマスク３は２００ｍｍ角のサイズまで製作が可能であり、従来（約１００ｍｍ角）より大きな回折格子に製作が可能である。回折格子サイズが大きいので明るく、光量も増えることによりＳ／Ｎ比が改善される。また、基板１上に一工程で形成されるため、製作の再現性と工程短縮によりコスト削減の効果にもなる。

本発明の実施例では、イオンビームスパッタ蒸着装置で回折格子層１９を形成する例を示したが、請求項１で記載の製作方法として真空蒸着などで回折格子層１９を形成しても良く、その外、ＣＶＤなどによる方法など各種、蒸着技術を採用できる。
また、実施例ではターゲット材２として、二酸化珪素を挙げたが、これ以外の物質で形成しても良く、さらに、複数種類以上の物質で形成しても良い。
上述の実施例では平面形状の基板１を用いたが、球面形状の基板を使用しても良い。
請求項１で記載のマスク３と基板１は、ターゲット材２から飛び出す原子の方向に対し、垂直方向だけでなく、角度を持って配設されることで、非対称形の回折格子層１９を得ることもできる。
さらに基板１とマスク３との距離の調節をパルスモータ１０とボールネジからなるネジ送り機構としたが、モータを使わず間隔調節片を出入させたり、レーザで距離を測定し移動量を調整し位置決めする方法なども考えられる。ターゲット材２を傾斜させる例を示したが直線方向に前後する簡略的な機構とすることもでき、本発明はこれら全てを包含する。

本発明は、原子状の細かい表面粗さの堆積層を得るのに好適に使用される。

本発明の製造方法を実施するためのイオンビームスパッタ蒸着装置の構成を示す図である。零点合わせ時の基板に対するマスクの位置を示す図である。本発明の装置で使用されたマスクと製作された回折格子の溝形状を示す図である。従来の回折格子の製作プロセスを示す図である。

符号の説明

１基板
２ターゲット材
３マスク
４イオン源
５基板ステージ
６ガイド棒
７マスクホルダー
８ボールネジ可動部
９ネジ棒
１０パルスモータ
１１モータホルダー
１２ガイド棒ホルダー
１３取付台
１４アルゴンイオンビーム
１５蒸着物質
１６スリット
１７ピエゾ素子
１８支軸
１９回折格子層
２０フォトレジスト層
２１レーザビーム
２２イオンビーム
２３処理室

Claims

回折格子の溝形状を形成するためのターゲット材を蒸着技術にて飛散させる材料飛散工程と、飛散された材料を基板に対置させたマスクを介して基板に回折格子層を堆積させる材料堆積工程とからなり、基板への材料の堆積で回折格子の溝形状を形成させることを特徴とする回折格子の製作方法。
蒸着技術をイオンビーム源からのビームをターゲット材に照射しスパッタリングさせて材料を飛散させるスパッタリング方式としたことを特徴とする請求項１記載の回折格子の製作方法。
ターゲット材とビーム源との距離を調節しターゲット材料の回折格子の溝形成を調節するようにしたことを特徴とする請求項２記載の回折格子の製作方法。
回折格子とマスクとの距離を調節しターゲット材料の回折格子の溝形成を調節するようにしたことを特徴とする請求項２記載の回折格子の製作方法。