JP2007047695A

JP2007047695A - 回折格子

Info

Publication number: JP2007047695A
Application number: JP2005234667A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Nagano; 哲也長野
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2007-02-22

Abstract

【課題】１枚で広い波長域に渡って回折効率特性がフラットな回折格子を安価に提供し、分光器の設計や調整を容易にする。
【解決手段】基板１の表面に、フォトレジスト層２を形成した基板１１に、２光束干渉によるホログラフィック露光法で、フォトレジスト回折格子パターン２１を作製した。基板３１上に全体面積の６０％（領域Ａ）の窓の開いた金属マスクを密着させイオンビームを照射することによりエッチングを行った。できたガラス回折格子パターンはフレーズ角７.６度であった。再び、基板３１の上に、回折格子表面の面積の４０％（領域Ｂ）の窓の開いた金属マスク６を密着させ、先ほどと別の角度でイオンビームを照射し、エッチングを行った。できたガラス回折格子パターンは、ブレーズ角が２１度であった。このようにして作製した回折格子は、２００ｎｍから８００ｎｍの回折効率を測定した結果、全域でフラットな特性を示した。
【選択図】図１

Description

本発明は、分光器に用いられる回折格子に関する。

回折格子は、光を単一の波長にするための分散素子として分光器には欠かせない存在であり、該回折格子は、平面基板上にサブミクロンの微細な格子をルーリングエンジンと呼ばれる刻線装置やレーザ干渉によるホログラフィック法などにより形成されている。

回折格子用の基板には、一般的には光学ガラスや合成石英が使われており、基板には規定の精度が要求される。基板表面の形状精度がλ／１０までは機械的に仕上げることができるが、λ／２０〜λ／１００の高精度になると手研磨の手法がとられている。また、形状精度の他に表面の平滑性が真空紫外域では要求される。通常の光学研磨面は２ｎｍＲＭＳ程度の平滑性であるが、真空紫外用には０．１〜０．５ｎｍＲＭＳが必要となるため、ボールフィード法やフロートポリシング法等特殊な研磨法が用いられる。また、光源の高出力化に伴い、回折格子用基板として熱伝導性の良いシリコンや炭化ケイ素が要求されている。

ここで、回折格子の性能を規定する大きな要素は、結像特性と回折効率特性であり、通常は、平面、球面、楕円面、トロイダル面などの特定面形状の基板上に結像特性が良好になるように溝形状を最適化設計し、次に、回折効率特性が良好になるように個別の溝の断面形状を最適化設計する。

従来は、回折格子のブレーズ波長（またはブレーズ角）を決定する場合、光源の出力特性と検出器の感度特性を考慮して、使用波長範囲の短波長寄りにブレーズ波長を選定していた。例えば、波長２００ｎｍから８００ｎｍを使用する分光器を製作する場合、ブレーズドタイプで、ブレーズ波長が２５０ｎｍのものを使用する場合が多く、図３に示すような回折効率特性を持つ、短波長の比較的回折効率の高い回折格子を使用してきた。しかし、波長範囲が広い場合などは、長波長の回折効率が低くなってしまう。このように、波長範囲が広い場合は、回折格子の回折効率が短波長を重視するので、長波長側のエネルギーを犠牲にする場合が多い。

一方、分光器を設計する場合、取り出すエネルギーはフラットな特性が望ましい場合が多くあり、図４に示すような回折効率特性を持つノンブレーズドタイプの回折格子を使用してきたが、波長域全体でよりフラットな特性になるが、全体に回折効率は低くなる。図４の横軸は波長、縦軸は回折効率を示す。

また２枚の回折格子を使用する場合は、広い波長域で全体に効率を高くできるが、２枚の面精度などの特性のバランスが繊細になるほか、調整機構も複雑となり、高価である。

この特性を改善するため、波長範囲が広い場合など、しばしば、ノンブレーズタイプ（ホログラフィック）の回折格子が使用される。
特開平５−１５０１１０号公報特開２００４−２２７００９号公報

ブレーズドタイプの回折格子を使用する場合、通常短波長側にブレーズ波長を設定するため、分光器の長波長側のエネルギーが犠牲になる。さらに、ブレーズ波長と、両端の波長では回折効率差が大きく、分光器の出力差が大きくなるため、きめ細かなアンプのゲインの調整が必要となり、回折格子の効率のばらつきに影響を受けやすい。

また、ノンブレーズドタイプの回折格子は、その広い波長域に対してフラットな特性を生かして広い波長域を１枚の回折格子でカバーする場合が多いが、ブレーズドタイプに比べ、全体に回折効率が低い場合が多い。

また、使用波長域でなるべくフラットな効率特性を得る別の解決方法として、２枚以上の回折格子を使用する場合があるが、回折格子が高価になり、分光器の機構部分や調整方法及び回折格子の仕様が複雑となる。

本発明の目的は、１枚で回折効率特性がフラットな回折格子を安価に提供し、分光器の設計や調整を容易にすることにある。

回折格子の１つの表面領域を刻線方向に対し垂直に複数分割し、それぞれの領域を交互に、互いに異なる２つのブレーズ角を製作する。このブレーズ角は、分光器の光源出力特性、検出器感度特性を考慮し、片方は使用波長の短波長寄りにブレーズがくるように、もう片方は使用波長の長波長寄りにブレーズがくるようにし、さらにそれぞれの領域の割合を決める。ここで、「複数」とは、好ましくは２〜５つの領域をいう。

ホログラフィック露光法とイオンビームエッチング法で回折格子を製造し、使用波長域でフラットな特性を持たせる。

本発明によれば、広い波長範囲に使用できる回折格子であり、ブレーズドタイプの回折格子のような、一部の波長だけが高回折効率なために生じる、分光器検出器出力アンプの細かな調整を不要にし、回折格子間のばらつきの影響も少ない。また、ノンブレーズドタイプの回折格子に比べて、全域で高効率な性能を持つ。

さらに、広い波長域を１枚でカバーすることができるため、多数の回折格子を使用しなくてもよく、光学部品コスト、機構部品コスト、調整コストなどが大幅に削減できるため、品質に優れた、安価な分光器の製作が可能である。

例えば、波長２００ｎｍから８００ｎｍを使用する分光器を製作する場合、ブレーズドタイプで、ブレーズ波長が２５０ｎｍのものを使用する場合が多く、短波長の比較的回折効率の高い回折格子を使用する。回折効率特性は図３のようになる。しかし、２５０ｎｍ付近と８００ｎｍ付近の回折効率の差が大きく、アンプ出力の調整が困難である。ノンブレーズドタイプを使用する場合は、図４のような回折効率になり、波長域全体でよりフラットな特性になるが、全体に回折効率は低くなる。

２枚の回折格子を使用する場合は、図５のように広い波長域で全体に効率は高くできるが、２枚の面精度などの特性のバランスが繊細になるほか、調整機構も複雑となり、高価である。

本発明によれば、１枚の回折格子の表面を図１（ａ）に示すように２領域Ａ、Ｂに分割し、Ａの領域には図６の１の効率を持つブレーズ角を製作し、Ｂの領域には、図６の２の効率を持つブレーズ角を製作する。Ａの領域は、波長２００〜４００ｎｍ、回折効率２５〜５５％、Ｂの領域は、波長３５０〜８００ｎｍ、回折効率３０〜５５％である。

それぞれの領域の面積比を、（Ａの領域）：（Ｂの領域）＝６：４にすると、図７のように、全体にフラットな効率カーブになる。

ブレーズドタイプの効率（図３）と、ノンブレーズドタイプの効率（図４）と、本発明の回折効率（図７）を比較したのが図８である。本発明品が全体にフラットな特性であることがわかる。

以下、本発明の第１の実施例の形態を、図１、図２を参照しながら詳細に説明する。図２（ａ）において、符号１はＢＫ７光学ガラスの基板（約６０ｍｍ×６０ｍｍ×１１．３ｍｍ）である。基板１は石英や耐熱強化ガラスでもよく、色ガラスフィルターでもよい。
まず、基板１を光学研磨して、超音波洗浄により表面を清浄する。
次に基板１の表面に、フォトレジスト層２を形成する。フォトレジストとしては、ホログラフィック露光が可能なものであれば何でもよく、例えばＭＰ１８００シリーズ（シプレイ製）やＯＦＰＲ５０００（東京応化社製）等が使用できる。本実施例ではＭＰ１８０５を３０００ｒｐｍで４０秒スピンコートした後、コンベクション・オーブンで９０℃、３０分間ベーキングし、厚さ０．３μｍのフォトレジスト層２とした（基板１１）。

このようにして準備した図２（ａ）の基板１１を、ホログラフィック露光装置にセットし、Ｈｅ−Ｃｄレーザ（λ＝４４１．６ｎｍ）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１２００本／ｍｍの干渉縞を露光した後、専用現像液ＭＰ３０３Ａで現像後、純粋リンスを順次行い、フォトレジスト回折格子パターン（正弦波状）を作製する。この時、２光束干渉の干渉縞の強度分布は正弦波であるため、フォトレジストの回折格子溝パターンは正弦波状のパターンとなり、その溝深さは露光時間と現像時間により制御する。露光時間と現像時間を適切に制御すれば、図２（ｂ）に示すような基板面上に正弦半波状のフォトレジスト回折格子パターン２１を作製することができる。本実施例では溝深さ０．１μｍの正弦半波状のフォトレジスト回折格子パターン２１を作製した（基板３１）。

次に、反応性イオンビームエッチングを行う。
基板３１の上に、いくつかの同面積の窓の開いた金属マスク５を密着させる。金属マスク５の窓の面積は全体の６０％になるようにした（領域Ａ）（図２（ｃ））。
領域Ａを、基板１の斜め方向、フォトレジスト回折格子パターン２１の垂直方向からイオンビームを照射し、エッチングを行う（図２（ｄ））。エッチングガスはＣＦ４とＡｒガスを混合比Ａｒ／（ＣＦ４＋Ａｒ）＝６０％、ガス圧２×１０^-2Ｐａである。

フォトレジスト回折格子パターン２１が消滅していきＢＫ７ガラス基板１にパターンが斜め方向に削れていき、フォトレジスト回折格子パターン２１が完全にガラス回折格子パターンに転写刻線されるまで、エッチングを行った。エッチング時間は約２０分である。できたガラス回折格子パターンはブレーズ角７.６度である（図１（ｂ）、図２（ｄ））。

再び、基板３１の上に、回折格子表面の面積の４０％（領域Ｂ）の窓の開いた金属マスク６を密着させる（図２（ｅ））。
同様にして、基板斜め方向、かつフォトレジスト回折格子パターン２１の垂直方向から先ほどと別の角度でイオンビームを照射し、フォトレジスト回折格子パターン２１が完全に消滅し、ガラス回折格子パターンに完全に転写されるまで、エッチングを行う（図２（ｆ））。エッチング時間は約１８分であった。できたガラス回折格子パターンは、ブレーズ角が２１度である（図１（ｃ））。
基板１から金属マスク６を取り除き、回折格子表面にアルミニウムを約０．２μｍの膜厚で蒸着した。

このようにして作製した回折格子（図１（ａ））は、２００ｎｍから８００ｎｍの回折効率を測定した結果、全域でフラットな特性を示した。図１（ｂ）は領域Ａのパターン断面、図１（ｃ）は領域Ｂのパターン断面である。

以下、本発明の第２の実施例の形態を説明する。上述の第１の実施例と同様に作製した基板３１の上に、領域Ｃの窓の開いた金属マスク７を密着させる。金属マスク７の窓の面積は全体の５５％になるようにした（領域Ｃ、図９（ａ））。
領域Ｃを、基板１の斜め方向、フォトレジスト回折格子パターン２１の垂直方向からイオンビームを照射し、エッチングを行う（図２（ｄ））。エッチングガスはＣＦ４とＡｒガスを混合比Ａｒ／（ＣＦ４＋Ａｒ）＝６０％、ガス圧２×１０^-2Ｐａである。

フォトレジスト回折格子パターン２１が消滅していきＢＫ７ガラス基板１にパターンが斜め方向に削れていき、フォトレジスト回折格子パターン２１が完全にガラス回折格子パターンに転写刻線されるまで、エッチングを行った。エッチング時間は約２０分である。できたガラス回折格子パターンはブレーズ角７.６度である（図９（ｄ））。この回折格子を用いた場合の回折効率は図１０（１）のようになる。

再び、基板３１の上に、回折格子表面の面積の２０％（領域Ｄ）の窓の開いた金属マスク８を密着させる（図９（ｂ））。
同様にして、基板斜め方向、かつフォトレジスト回折格子パターン２１の垂直方向から先ほどと別の角度でイオンビームを照射し、フォトレジスト回折格子パターン２１が完全に消滅し、ガラス回折格子パターンに完全に転写されるまで、エッチングを行う（図２（ｆ））。エッチング時間は約１８分であった。できたガラス回折格子パターンは、ブレーズ角が１５.７度である（図９（ｅ））。この回折格子を用いた場合の回折効率は図１０（２）である。

再度、基板３１の上に、回折格子表面の面積の２５％（領域Ｅ）の窓の開いた金属マスク９を密着させる（図９（ｃ））。
同様にして、基板斜め方向、かつフォトレジスト回折格子パターン２１の垂直方向から先ほどと別の角度でイオンビームを照射し、フォトレジスト回折格子パターン２１が完全に消滅し、ガラス回折格子パターンに完全に転写されるまで、エッチングを行う（図２（ｆ））。エッチング時間は約１８分であった。できたガラス回折格子パターンは、ブレーズ角が１５.７度である（図９（ｅ））。この回折格子を用いた場合の回折効率は図１０（３）である。
基板３１から金属マスク９を取り除き、回折格子表面にアルミニウムを約０．２μｍの膜厚で蒸着した。

このようにして作製した回折格子（図９（ｇ））は、１つの面に３つのブレーズ角を持った構造をしている。

通常のブレーズドタイプの効率（図１１（４））と、通常のノンブレーズドタイプの効率（図１１（５））であり、本発明の１つの面に３つのブレーズ角を持った構造をしている回折格子を用いて２００ｎｍから８００ｎｍの回折効率を測定した結果、図全領域でさらにフラットな効率値の特性を示した（図１１（６））。

回折格子を用いる、分析装置、計測装置、通信機器等に利用可能である。

本発明の第１の実施例で作製された２つのブレーズ角を有する回折格子の図である。本発明の第１の実施例の回折格子の製造方法の図である。ブレーズドタイプの回折格子を使用した場合の回折効率特性の図である。ノンブレーズドタイプの回折格子を使用した場合の回折効率特性の図である。２枚の回折格子を使用した場合の回折効率特性の図である。本発明における領域Ａ、Ｂそれぞれのブレーズ角が持つ回折効率特性の図である。本発明における領域Ａ、Ｂの最適面積比のときの回折効率特性の図である。ブレーズドタイプ、ノンブレーズドタイプ、および本発明の回折効率を比較した図である。本発明の第２の実施例で作製された３つのブレーズ角を有する回折格子の図である。本発明における領域Ｃ、Ｄ、Ｅそれぞれのブレーズ角が持つ回折効率特性の図である。ブレーズドタイプ、ノンブレーズドタイプ、および本発明の３つのブレーズ角を有する回折格子の回折効率特性を示した図である。

符号の説明

１基板
２フォトレジスト層
５金属マスク
６金属マスク
７金属マスク
８金属マスク
９金属マスク
１１基板
２１フォトレジスト回折格子パターン
３１基板
Ａ領域
Ｂ領域
Ｃ領域
Ｄ領域
Ｅ領域

Claims

一つの回折格子表面が、刻線方向に対し垂直に分割した複数の領域に分かれ、交互に互いに異なる複数のブレーズ角を有した回折格子で構成したことを特徴とする回折格子。
一つの回折格子表面が、刻線方向に対し垂直に分割した複数の領域に分かれ、交互に互いに異なる複数のブレーズ角を有した回折格子で、複数のブレーズ波長の領域の面積が異なることを特徴とする回折格子。
請求項１の回折格子において、ホログラフィック露光法とイオンビームエッチング法で製造することを特徴とする請求項１記載の回折格子。