JP2007219280A - 屈折率変調型回折光学素子の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設計において期待される改善された特性を有する屈折率変調型回折光学素子を簡便かつ低コストで作製する方法を提供する。
【解決手段】１ｍｒａｄ以上の発散角を有するＵＶレーザ光（４ｂ）を位相格子マスク（３ａ）を介してＤＬＣ膜（２）に照射することによって屈折率変調型回折光学素子を作製する方法において、空気雰囲気中でＵＶレーザ光を５ｍＷ／ｍｍ²以下のパワー密度で照射することを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、屈折率変調型回折光学素子の作製方法の改善に関し、特に、特性の改善された屈折率変調型回折光学素子を簡便かつ低コストで作製する方法に関する。

周知のように、回折光学素子は、光の回折現象を利用することによって種々の機能を生じさせ得る光学素子である。より具体的には、波長合分岐、パワー合分岐、偏光合分岐、波長板、光アイソレータ、またはレンズなどの機能を有する回折光学素子が知られている。

一般に、回折光学素子は、透光性基板上に回折格子層を形成することによって作製される。その回折格子層の構造的相違に基づいて、回折光学素子はレリーフ型と屈折率変調型とに大別される。レリーフ型回折光学素子において回折が生じるのは、回折格子層のレリーフにおける厚い部分を通過する光の位相が薄い部分を通過する光の位相に比べて遅れることによって位相差が生じるかである。他方、屈折率変調型回折光学素子において回折が生じるのは、回折格子層の高屈折率領域を通過する光の位相が低屈折率領域を通過する光の位相に比べて遅れることによって位相差が生じるかである。

しかし、屈折率変調型回折光学素子は原理的には作製可能であるが、従来では実用的な屈折率変調型回折光学素子を作製することが困難であった。なぜならば、たとえば石英系ガラスに紫外光やＸ線のようなエネルギビームを照射することによって屈折率を高め得ることが知られているが、その場合の屈折率変化Δｎは０．０１以下程度に小さいからである。また、アルゴンレーザなどを用いて約５００ｎｍの波長の光をフォトポリマに照射してそれを熱処理することによってその屈折率変化Δｎを０．０４程度まで高め得ることも知られているが、屈折率差Δｎが０．０４程度の屈折率変調では良好な回折効率を有する回折光学素子を得るためには未だ不十分である。

ところが、近年において、本発明者らは、透光性ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン：ダイヤモンド状炭素）膜を利用して良好な回折効率を有する屈折率変調型回折光学素子を作製し得ることを特許文献１の特開２００４−１６３８９２号公報において開示している。すなわち、本発明者らは、イオンビームやＳＲ（シンクロトロン放射）光のようなエネルギビームをＤＬＣ膜に照射することによってその屈折率変化Δｎを０．１以上に顕著に高めることができることを確認している。そのようなＤＬＣ膜は、ガラス基板、ポリマ基板、およびその他の種々の透光性基板上にプラズマＣＶＤ（化学気相堆積）によって形成することができる。そして、そのようなプラズマＣＶＤによって得られる透光性ＤＬＣ膜は、通常は１．５５程度の屈折率を有している。

図３から図５は、特許文献１に開示された屈折率変調型回折光学素子の作製過程を図解する模式的な断面図である。なお、本願の図面において、長さや厚さのような寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を反映してはいない。

図３に示されているように、たとえばシリカガラス基板１上に、ＤＬＣ膜２がプラズマＣＶＤによってたとえば２μｍの厚さに堆積される。なお、屈折率変調型回折光学素子におけるＤＬＣ膜の厚さに特別な制限はなく、任意の厚さに設定し得る。ただし、ＤＬＣ膜があまりに厚過ぎれば、その膜による光吸収効果が大きくなり過ぎることにおいて好ましくない。また、ＤＬＣ膜があまりに薄過ぎれば、十分な回折効果を得ることが困難になる傾向にあるので好ましくない。現在利用可能なＤＬＣ膜においては、好ましくは０．５〜７μｍ程度の厚さ範囲内のＤＬＣ膜が屈折率変調型回折光学素子に利用される。しかし、より小さな光吸収係数を有するＤＬＣ膜が得られればより厚いＤＬＣ膜の利用も可能であろうし、屈折率変化Δｎをより大きくできればより薄いＤＬＣ膜の利用も可能になるであろう。

図４においては、ＤＬＣ膜２上に、たとえばリフトオフ法によって金マスク３が形成される。この金マスク３においては、たとえば幅０．５μｍの金ストライプが０．５μｍの間隔を隔てて繰り返し配列される。すなわち、この金マスク３は、ライン・アンド・スペースのパターンを有している。その後、金マスク３の開口部を介して、たとえば８００ｋｅＶの加速電圧の下でＨｅイオンビーム４がたとえば５×１０¹⁷／ｃｍ²のドース量でＤＬＣ膜２内に注入される。

その結果、ＤＬＣ膜２のうちでＨｅイオン４が注入されなかった領域２ｂは１．５５の屈折率のままに維持されるが、Ｈｅイオン４が注入された領域２ａの屈折率はたとえば２．０５に高められ得る。すなわち、その屈折率変化Δｎは０．６程度もの非常に大きな値になり得る。このようなＤＬＣ膜における屈折率変化は石英系ガラスやフォトポリマにおいて得られる屈折率変化に比べてはるかに大きいものであり、十分に回折効率の大きな回折格子層の形成が可能となる。

図５において、最終的に金マスク３がエッチングによって除去され、屈折率変調型回折光学素子が得られる。

しかしながら、上述のようなイオン照射によって屈折率変調型回折光学素子を作製する方法では、そのように高い加速電圧でイオン照射する装置が高価である。そして、そのようなイオン照射装置を良好な状態に維持管理するためにも費用がかかる。また、イオン照射の代わりにＳＲ光照射を利用する場合でも、シンクロトロンという大掛かりで高価な装置を要する。さらに、金マスクもコスト高の要因となるし、そのマスクのリフトオ法による形成やエッチングによる除去の手間も煩雑である。

このような観点から、本発明らは、ＵＶ（紫外）光を位相格子マスクを介してＤＬＣ膜に照射することによって屈折率変調型回折光学素子を作製する方法を特許文献２の国際公開第２００５／０８８３６４号パンフレットにおいて開示している。

図６は、特許文献２に開示された屈折率変調型回折光学素子の作製方法を図解する模式的な断面図である。この作製方法においては、たとえば厚さ１００μｍのスペーサ５を介して、シリカガラス製のレリーフ型位相格子マスク（回折格子）３ａがＤＬＣ膜２に対して近接配置される。この状態で、たとえばＫｒＦレーザ光（波長２４８ｎｍ）４ａをたとえば１６ｍＷ／ｍｍ²のエネルギ密度で１時間照射することによって、回折光学素子を作製することができる。このとき、位相格子マスク３ａからの＋１次回折光と−１次回折光との干渉光に露光される領域２ａの屈折率が高められる。他方、その干渉光よって露光されない領域２ｂの屈折率は、成膜されたままの状態に維持される。

この場合、＋１次回折光と−１次回折光との干渉光は、レリーフ型位相格子マスク３ａの凹凸周期の１／２の周期で現れる。したがって、ＤＬＣ膜中の所望の高屈折率領域２ａの周期に比べて２倍の凹凸周期で形成されたレリーフ型位相格子マスク３ａを用いることができる。

なお、図６における屈折率変調型回折光学素子の作製方法では高屈折率領域２ａと低屈折率領域２ｂとの間の境界領域が膜厚方向に平行な場合が例示されているが、望まれる場合には、その境界領域を膜厚方向に対して傾斜させてもよいことは言うまでもない。そのためには、紫外光４ａをＤＬＣ膜面に対して斜め方向に入射させて、０次回折光と＋１次回折光または−１次回折光との干渉光による露光を利用すればよい。ただし、０次回折光と＋１次回折光または−１次回折光との干渉光は、位相格子マスク３ａの凹凸周期と同じ周期で現れる。したがって、ＤＬＣ膜中の所望の高屈折率領域２ａの周期に比べて同じ周期の凹凸で形成された位相格子マスク３ａを用いなければならない。
特開２００４−１６３８９２号公報 国際公開第２００５／０８８３６４号パンフレット

図６に示されているように、位相格子マスク３ａを介してＤＬＣ膜２にＵＶビーム照射することによって簡便かつ低コストで屈折率変調型回折光学素子を作製し得ることが本発明者らの検討によって分かったが、設計通りの望ましい回折特性を有する屈折率変調型回折光学素子を作製することが容易でないことが判明した。

そこで、本発明は、設計において期待される改善された特性を有する屈折率変調型回折光学素子を簡便かつ低コストで作製する方法を提供することを目的としている。

本発明の一つの態様によれば、１ｍｒａｄ以上の発散角を有するＵＶレーザ光を位相格子マスクを介してＤＬＣ膜に照射することによって屈折率変調型回折光学素子を作製する方法において、空気雰囲気中でＵＶレーザ光を５ｍＷ／ｍｍ²以下のパワー密度で照射することを特徴としている。

本発明の他の態様によれば、１ｍｒａｄ以上の発散角を有するＵＶレーザ光を位相格子マスクを介してＤＬＣ膜に照射することによって屈折率変調型回折光学素子を作製する方法において、希ガスまたは窒素ガスの雰囲気中でＵＶレーザ光を照射することを特徴としている。

以上のような本発明の態様において、位相格子マスクとＤＬＣ膜との間に１００μｍ以下の厚さのスペーサを介在させた状態でＵＶレーザ光を照射することが好ましい。

本発明のさらに他の態様によれば、１ｍｒａｄ以上の発散角を有するＵＶレーザ光を位相格子マスクを介してＤＬＣ膜に照射することによって屈折率変調型回折光学素子を作製する方法において、空気雰囲気中で位相格子マスクが前記ＤＬＣ膜に接した状態で配置され、ＵＶレーザ光を３０ｍＷ／ｍｍ²以下のパワー密度で照射することを特徴としている。

本発明のさらに他の態様によれば、１ｍｒａｄ以上の発散角を有するＵＶレーザ光を位相格子マスクを介してＤＬＣ膜に照射することによって屈折率変調型回折光学素子を作製する方法において、希ガスまたは窒素ガスの雰囲気中で位相格子マスクがＤＬＣ膜に接した状態で配置され、ＵＶレーザ光を照射することを特徴としている。

以上のような態様の本発明において、ＵＶレーザ光を位相格子マスクを介してＤＬＣ膜に照射することによってＤＬＣ膜中に形成される屈折率分布における高屈折率領域と低屈折率領域との屈折率差が０．１以上に高められ得る。

以上のような本発明によれば、特性の改善された屈折率変調型回折光学素子を簡便かつ低コストで作製することができる。

まず、本発明者らは、図６の作製方法において、何故に設計通りの望ましい回折特性を有する屈折率変調型回折光学素子を作製することが容易でないのかについて、その原因を解明すべく詳細に検討した。

その結果、ＵＶレーザビームの発散角とそのレーザビームの照射によるＤＬＣ膜におけるアブレーションが重大な影響を及ぼしていることが判明した。

前述のように、ＵＶレーザビームとしてＫｒＦレーザビーム（波長２４８ｎｍ）がしばしば利用される。ここで、一般に市販されているＫｒＦレーザ装置におけるビームは、１ｍｒａｄ以上の発散角を有している。

この場合、図６におけるような作製方法において、位相格子マスク３ａとＤＬＣ膜２との距離が大きければ、位相格子マスクによる干渉パターンにおける強度変化割合がビームの発散角に起因して低下し、ＤＬＣ膜２中において十分な屈折率変化が得られなくなる。

より具体的には、位相格子マスク３ａとＤＬＣ膜２との距離が２００μｍ以上であれば、位相格子マスクによる干渉パターンにおける強度変化割合がビームの発散角に起因して顕著に低下し、ＤＬＣ膜２中において十分な屈折率変化が得られず、実用的な屈折率変調型回折光学素子が得られなくなる。したがって、位相格子マスク３ａとＤＬＣ膜２との距離は、少なくとも１５０μｍ以下であることが望まれる。

他方、一般に位相格子マスクは空気との界面を前提として設計される。すなわち、一般には、位相格子マスク３ａとＤＬＣ膜２との間に空気層が介在させられるのが前提である。

これらの事情と、位相格子マスク３ａおよびＤＬＣ膜２との相互の取り扱いの簡便のために、１００μｍ程度の厚さのスペーサ５が好ましく利用され得る。このことは、位相格子マスク３ａおよびＤＬＣ膜２との間に１００μｍ程度の厚さの空気層が存在することを意味する。なお、位相格子マスク３ａにおけるレリーフの溝の深さは、僅かに０．１μｍ程度である。

このような状態において、特許文献２に開示されているようにたとえば１６ｍＷ／ｍｍ²のエネルギ密度でＵＶレーザビームを１時間照射することによって回折光学素子を作製した場合、ＤＬＣ膜２の表面にレーザビームによるアブレーションが生じていることが本発明者らによって新たに見出された。

すなわち、このようなアブレーションにおいて、たとえば厚さ２μｍのＤＬＣ膜が１μｍ程度以上の厚さ減少を生じ得る。また、そのような厚さ減少に伴って、ＤＬＣ膜の表面に明らかな凹凸が生じ得る。このようなＤＬＣ膜の厚さ減少と表面凹凸の生成は、得られる屈折率変調型回折光学素子の回折特性が設計目標値から大きくずれることを意味する。

本発明は、以上のような本発明者らによる新たな知見に基づいてなされたものである。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１による屈折率変調型回折光学素子の作製方法を図解する模式的な断面図である。本実施形態１においては、厚さ１００μｍのスペーサ５を介して、シリカガラス製のレリーフ型位相格子マスク（回折格子）３ａがＤＬＣ膜２に対して近接配置される。この状態で、ＫｒＦレーザ光（波長２４８ｎｍ）４ｂを５ｍＷ／ｍｍ²以下のエネルギ密度で照射することによって、０．１５以上の屈折率差Δｎを含む屈折率変調型回折光学素子を作製することができる。このとき、位相格子マスク３ａからの＋１次回折光と−１次回折光との干渉光に露光される領域２ａの屈折率が高められる。他方、その干渉光よって露光されない領域２ｂの屈折率は、成膜されたままの状態に維持される。

すなわち、本実施形態１による図１の屈折率変調型回折光学素子の作製方法は先行技術による図６における作製方法に類似しているが、本実施形態１の場合においてはＵＶレーザビームの照射エネルギ密度が１６ｍＷ／ｃｍ²から５ｍＷ／ｍｍ²以下へ顕著に低減させられている。

このことによって、図６の場合にはたとえば厚さ２μｍのＤＬＣ膜が１μｍ程度以上の厚さ減少を生じ得るが、本実施形態１の場合には厚さ減少が０．５μｍ以下に低減させられ得る。また、図６の場合に比べて、本実施形態１の場合には表面凹凸の生成も軽減され、それらの凹凸の高低差も０．２μｍ以下に低減される。このことは、図６の場合に比べて、本実施形態１の場合にはより設計値に近い回折特性を有する屈折率変調型回折光学素子を作製し得ることを意味する。

（実施形態２）
本発明の実施形態２による屈折率変調型回折光学素子の作製方法においては、図１における空気雰囲気が希ガスであるＡｒガスで置き換えられる。この状態で、たとえばＫｒＦレーザ光（波長２４８ｎｍ）４ｂを１２０ｍＷ／ｍｍ²以下で好ましくは３０ｍＷ／ｍｍ^２以下のエネルギ密度で照射することによって、０．１以上の屈折率差Δｎを含む屈折率変調型回折光学素子を作製することができる。

すなわち、本実施形態２の場合には、酸素を含む空気雰囲気を希ガスで置き換えることによって、アブレーションを抑制しつつＵＶレーザビーム照射のエネルギ密度を少なくとも３０ｍＷ／ｍｍ²程度まで高めることができる。そして、空気雰囲気の場合に比べて、より短いレーザビーム照射時間で０．１以上の屈折率差Δｎを含む屈折率変調型回折光学素子を作製することができる。

また、図６の場合にはたとえば厚さ２μｍのＤＬＣ膜が１μｍ程度以上の厚さ減少を生じ得るが、本実施形態２の場合には厚さ減少が殆ど生ぜず、表面凹凸の生成も軽減されて、それらの凹凸の高低差も０．１μｍ以下に低減され得る。このことは、図６の場合に比べて、本実施形態２の場合においても、より設計値に近い回折特性を有する屈折率変調型回折光学素子を作製し得ることを意味する。

なお、本実施形態２においては希ガスとしてＡｒガスを用いる場合が説明されたが、ヘリウムのような希ガスでもよく、窒素のような不活性ガスでも同様の効果が得られる。

（実施形態３）
図２は、本発明の実施形態３による屈折率変調型回折光学素子の作製方法を図解する模式的な断面図である。本実施形態３においては、図１におけるようなスペーサ５が用いられず、シリカガラス製のレリーフ型位相格子マスク（回折格子）３ａがＤＬＣ膜２に接して配置される。すなわち、位相格子マスク３ａとＤＬＣ膜２との間で空気層が排除され、位相格子マスク３ａにおける深さ０．１μｍのレリーフ溝内に僅かな空気が残存するだけである。この状態で、ＫｒＦレーザ光（波長２４８ｎｍ）４ｃを３０ｍＷ／ｍｍ²以下のエネルギ密度で照射することによって、実施形態１の場合に比べて、短い照射時間で０．１５以上の屈折率差Δｎを含む屈折率変調型回折光学素子を作製することができる。

また、図６の場合にはたとえば厚さ２μｍのＤＬＣ膜が１μｍ程度以上の厚さ減少を生じ得るが、本実施形態３の場合には厚さ減少が０．１μｍ以下に低減させられ得る。また、図６の場合に比べて、本実施形態３の場合には表面凹凸の生成も軽減され、それらの凹凸の高低差も０．０８μｍ以下に低減され得る。このことは、図６の場合に比べて、本実施形態３の場合にも、より設計値に近い回折特性を有する屈折率変調型回折光学素子を作製し得ることを意味する。

（実施形態４）
本発明の実施形態４による屈折率変調型回折光学素子の作製方法においては、図２における空気雰囲気が希ガスであるＡｒガスで置き換えられる。この状態で、たとえばＫｒＦレーザ光（波長２４８ｎｍ）４ｂを１２０ｍＷ／ｍｍ²以下で好ましくは３０ｍＷ／ｍｍ^２以下のエネルギ密度で照射することによって、０．１以上の屈折率差Δｎを含む屈折率変調型回折光学素子を作製することができる。

すなわち、実施形態３における酸素を含む空気雰囲気を希ガスで置き換えた本実施形態４の場合においては、アブレーションを抑制しつつＵＶレーザビーム照射のエネルギ密度を最大では１２０ｍＷ／ｍｍ²程度まで高めることができる。そして、空気雰囲気の場合に比べて、より短いレーザビーム照射時間で０．１以上の屈折率差Δｎを含む屈折率変調型回折光学素子を作製することができる。

また、図６の場合にはたとえば厚さ２μｍのＤＬＣ膜が１μｍ程度以上の厚さ減少を生じ得るが、本実施形態４の場合にも厚さ減少が殆ど生ぜず、表面凹凸の生成も軽減されて、それらの凹凸の高低差も０．１μｍ以下に低減され得る。このことは、図６の場合に比べて、本実施形態４の場合においても、より設計値に近い回折特性を有する屈折率変調型回折光学素子を作製し得ることを意味する。

なお、本実施形態４においては希ガスとしてＡｒガスを用いる場合が説明されたが、ヘリウムのような希ガスでもよく、窒素のような不活性ガスでも同様の効果が得られる。

なお、図６に関して説明したように、屈折率変調型回折光学素子の作製において高屈折率領域２ａと低屈折率領域２ｂとの間の境界領域が膜厚方向に対して傾斜させてもよいことは言うまでもない。そのためには、ＵＶレーザビームを位相格子マスクの表面に対して斜め方向に入射させて、たとえば０次回折光と＋１次回折光または−１次回折光との干渉光による露光を利用すればよい。このように位相格子マスクに対してレーザビームを斜めに入射させる場合、位相格子マスクの下面において全反射が生じることがある。しかし、実施形態３および４の場合のように位相格子マスクの下面がＤＬＣ膜と接している場合には、位相格子マスクの下面が空気層と接している場合に比べて全反射が起こり難くなるので、レーザビームの斜め入射の場合にもそのビームをより有効に利用することができる。

以上のように、本発明によれば、特性の改善された屈折率変調型回折光学素子を簡便かつ低コストで作製することができる。

本発明の一実施形態による屈折率変調型回折光学素子の作製方法を図解する模式的断面図である。 本発明の他の実施形態による屈折率変調型回折光学素子の作製方法を図解する模式的断面図である。 先行技術による屈折率変調型回折光学素子の作製方法の一例を図解する模式的断面図である。 図３に続く工程を示す模式的断面図である。 図４に続く工程を示す模式的断面図である。 先行技術による屈折率変調型回折光学素子の作製方法の他の例を図解する模式的断面図である。

符号の説明

１ シリカガラス基板、２ ＤＬＣ膜、３ 金マスク、３ａ 位相格子マスク、４ Ｈｅイオンビーム、４ａ、４ｂ、４ｃ ＵＶ光、５ スペーサ。

Claims (6)

1. １ｍｒａｄ以上の発散角を有するＵＶレーザ光を位相格子マスクを介してＤＬＣ膜に照射することによって屈折率変調型回折光学素子を作製する方法において、
   空気雰囲気中で前記ＵＶレーザ光を５ｍＷ／ｍｍ²以下のパワー密度で照射することを特徴とする屈折率変調型回折光学素子の作製方法。
2. １ｍｒａｄ以上の発散角を有するＵＶレーザ光を位相格子マスクを介してＤＬＣ膜に照射することによって屈折率変調型回折光学素子を作製する方法において、
   希ガスまたは窒素ガスの雰囲気中で前記ＵＶレーザ光を照射することを特徴とする屈折率変調型回折光学素子の作製方法。
3. 前記位相格子マスクと前記ＤＬＣ膜との間に１００μｍ以下の厚さのスペーサを介在させた状態で前記ＵＶレーザ光を照射することを特徴とする請求項１または２に記載の屈折率変調型回折光学素子の作製方法。
4. １ｍｒａｄ以上の発散角を有するＵＶレーザ光を位相格子マスクを介してＤＬＣ膜に照射することによって屈折率変調型回折光学素子を作製する方法において、
   空気雰囲気中で前記位相格子マスクが前記ＤＬＣ膜に接した状態で配置され、
   前記ＵＶレーザ光を３０ｍＷ／ｍｍ²以下のパワー密度で照射することを特徴とする屈折率変調型回折光学素子の作製方法。
5. １ｍｒａｄ以上の発散角を有するＵＶレーザ光を位相格子マスクを介してＤＬＣ膜に照射することによって屈折率変調型回折光学素子を作製する方法において、
   希ガスまたは窒素ガスの雰囲気中で前記位相格子マスクが前記ＤＬＣ膜に接した状態で配置され、前記ＵＶレーザ光を照射することを特徴とする屈折率変調型回折光学素子の作製方法。
6. 前記ＵＶレーザ光を前記位相格子マスクを介して前記ＤＬＣ膜に照射することによって前記ＤＬＣ膜中に形成される屈折率分布における高屈折率領域と低屈折率領域との屈折率差が０．１以上に高められることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の屈折率変調型回折光学素子の作製方法。

Images