JP2007328017A - 回折格子用基板及び回折格子基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い精度で回折格子パターンを形成することができる回折格子用基板及び回折格子基板の製造方法を提供する。
【解決手段】回折格子用基板１０の上面１０ｂに感光剤層１５を塗布する塗布工程と、一部分の感光剤層１５を、上方からレーザ光５１で露光する露光工程と、一部分又は一部分以外の感光剤層１５を除去する除去工程とを含む回折格子基板１の製造方法に用いられる回折格子用基板１０であって、回折格子用基板１０の上面１０ｂから入射するレーザ光５１が、回折格子用基板１０の下面１０ａで少なくとも２回連続して反射することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、分光器や分波器に使用される波長分離／選択素子である回折格子基板の製造方法に用いられる回折格子用基板に関し、特にホログラフィック露光法で用いられる回折格子用基板に関する。

回折格子基板は、分光器や分波器等に使用される波長分離／選択素子である。これらの回折格子基板は、回折格子パターンを形成する際に、高い精度を要求されることが多い。

その製造方法を大別すると、ルーリングエンジン等により機械的に回折格子溝を刻線する機械的方法と、回折格子用基板に塗付した感光剤層に２光束干渉による干渉像を露光・現像し、断面形状が正弦波状の回折格子パターンを作製するホログラフィック露光法とが知られている。

ホログラフィック露光法では、まず、コヒーレント光を同位相で強度が１対１となる２つの光束に分配して、回折格子用基板Ｓの上面に塗布された感光剤層Ｓａに誘導する。図６は、ホログラフィック露光装置の概略構成を示す図である。ホログラフィック露光装置１００は、コヒーレント光を発生する光源１０１と、光束を広げるとともに反射する拡大機構１０２と、コヒーレント光を２つの光束に分配して誘導するビームスプリッタ１０３と、ビームスプリッタ１０３を透過したコヒーレント光を反射する第一反射材１０４と、ビームスプリッタ１０３に反射したコヒーレント光を反射する第二反射材１０５と、特定パターンの光の強弱を発生する第一スペシャルフィルタ１０６と、特定パターンの光の強弱を発生する第二スペシャルフィルタ１０７とを備える。つまり、第一スペシャルフィルタ１０６を通過した光と第二スペシャルフィルタ１０７を通過した光とを再び重ねて合成することにより、干渉像を形成することができる。よって、感光剤層Ｓａが形成された回折格子用基板Ｓをホログラフィック露光装置１００にセットして、感光剤層Ｓａで２つの光を合成すると、感光剤層Ｓａに干渉像が記録される。

次に、ホログラフィック露光装置１００から回折格子用基板Ｓを取り出して、干渉像が記録された感光剤層Ｓａを現像することにより、干渉像に応じて回折格子用基板Ｓの上面が露出する部分と感光剤層Ｓａが残る部分とに分ける。さらに、上方からイオンビームでエッチングすることにより、露出する部分の回折格子用基板Ｓの上面を削る。このとき、感光剤層Ｓａが残る部分の回折格子用基板Ｓの上面は削れないことになる。最後に、感光剤層Ｓａを除去することにより、干渉像に応じた凹凸を有する回折格子基板を得ることができる。

図７は、ホログラフィック露光装置１００により、従来の回折格子用基板の上面に塗布された感光剤層を、上方からレーザ光で露光する様子を示す図である。
回折格子用基板５０の上面５０ｂ上の感光剤層５５に対して、レーザ光５１が照射されている。ところで、感光剤層５５を透過して回折格子用基板５０の上面５０ｂに入射したレーザ光５１、つまり屈折光５１は、回折格子用基板５０中を伝播することになる。これにより、屈折光５１は、回折格子用基板５０の下面５０ａから出射する出射光５２と、回折格子用基板５０の下面５０ａで反射する反射光５３とに分かれる。

よって、感光剤層５５における一部分５５ａがレーザ光５１で本来露光されるべき領域であるが、反射光５３によって感光剤層５５が下方からも露光されてしまう。つまり、回折格子パターンの形成が正常に行われなかった。

そこで、回折格子用基板６０の下面６０ａを粗面化したものがある（例えば、特許文献１参照）。
図８は、ホログラフィック露光装置１００により、回折格子用基板６０の上面６０ｂに塗布された感光剤層６５を、上方からレーザ光５１で露光する様子を示す図である。これにより、回折格子用基板６０の下面６０ａは粗面化されていることによって、屈折光５１は、回折格子用基板６０の下面６０ａから出射する出射光６２と、回折格子用基板６０の下面６０ａで乱反射する乱反射光６４とに分かれる。

また、回折格子用基板７０の下面に黒色層７７を作製したものがある。
図９は、ホログラフィック露光装置１００により、回折格子用基板７０の上面７０ｂに塗布された感光剤層７５を、上方からレーザ光５１で露光する様子を示す図である。これにより、回折格子用基板７０の下面７０ａに黒色層７７を作製していることによって、屈折光５１は、黒色層７７に吸収されるとともに、回折格子用基板７０の下面７０ａで反射する反射光７３になる。
特開２００２−１４１２８３号公報

しかしながら、回折格子用基板６０又は回折格子用基板７０を用いた場合、一部の屈折光は、乱反射光６４となったり、黒色層７７に吸収されたりするが、回折格子用基板６０又は回折格子用基板７０の下面での屈折光５１の反射率はそれほど変化しないため、反射光によって感光剤層における本来露光されるべきではない領域が下方からも露光されてしまっていた。つまり、回折格子用基板６０又は回折格子用基板７０を用いた場合でも、回折格子パターンの形成が正常に行われなかった。

そこで、本発明は、高い精度で回折格子パターンを形成することができる回折格子用基板及び回折格子基板の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本件発明者らは、回折格子用基板と空気との界面での屈折光の反射率について検討を行った。屈折光が、光学ガラス製の回折格子用基板に当たることにより、回折格子用基板から空気中に出射される出射光と、回折格子用基板で反射する反射光とに分かれる。このとき、屈折光の反射率は、約２％にも達していた。そこで、屈折光が、回折格子用基板の下面に２回当たれば、反射光の上面への反射率は、約０．０４％になる。よって、屈折光が、回折格子用基板の下面で少なくとも２回以上連続して反射すれば、屈折光の上面への反射率は、図１に示すようにほとんど０％とみなすことができることを見出した。

すなわち、本発明の回折格子用基板は、回折格子用基板の上面に感光剤層を塗布する塗布工程と、一部分の感光剤層を、上方からレーザ光で露光する露光工程と、一部分又は一部分以外の感光剤層を除去する除去工程とを含む回折格子基板の製造方法に用いられる回折格子用基板であって、前記回折格子用基板の上面から入射するレーザ光が、前記回折格子用基板の下面で少なくとも２回連続して反射するようにしている。

本発明の回折格子用基板によれば、回折格子用基板の上面から入射するレーザ光が、回折格子用基板の下面で少なくとも２回連続して反射するため、回折格子用基板の下面から回折格子用基板の上面へ反射する反射光の強度を低減できる。これにより、露光工程において、感光剤層における本来露光されるべきではない領域まで露光されてしまう事態を回避できる。よって、回折格子パターンの形成の精度を向上させることができる。

（他の課題を解決するための手段および効果）
また、上記の発明において、前記回折格子用基板の下面は、下方になるほど細くなる針状構造物の集合体であるようにしてもよい。

さらに、上記課題を解決するために、本件発明者らは、針状構造物の形状について検討を行った。ここで、図２に示すように、レーザ光の回折格子用基板の上面での屈折角をθ°とし、かつ、針状構造物の先端半角を、α°とした。
屈折光が、針状構造物の側面に当たることにより、針状構造物の側面から出射される出射光と、針状構造物の側面で反射する反射光とに分かれる。このとき、反射光が鉛直下方向となす角は、θ＋２α°となる。この角θ＋２α°が９０°より小さい場合には、反射光は必ず針状構造物の対向側面に当たることになる。

すなわち、上記の発明において、前記レーザ光の回折格子用基板の上面での屈折角をθ°とし、かつ、前記針状構造物の先端半角を、α°としたときに、下記式（１）の関係を満たすようにしてもよい。
θ＋２α≦９０・・・・（１）

また、上記の発明において、前記レーザ光は、一つのコヒーレント光を分配された二つのコヒーレント光であり、前記一部分の感光剤層は、二つのコヒーレント光が干渉することにより露光されるようにしてもよい。

そして、本発明の回折格子基板の製造方法によれば、回折格子用基板の上面に感光剤層を塗布する塗布工程と、一部分の感光剤層を、上方からレーザ光で露光する露光工程と、一部分又は一部分以外の感光剤層を除去する除去工程とを含む回折格子基板の製造方法であって、前記露光工程の前に、前記回折格子用基板の上面から入射するレーザ光が、前記回折格子用基板の下面で少なくとも２回連続して反射するように、前記回折格子用基板の下面を作製する作製工程を含むようにしている。

さらに、上記の発明において、さらに、前記除去工程の後に、上方からイオンビームでエッチングするエッチング工程と、残りの感光剤層を除去する全除去工程とを含むようにしてもよい。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。

図３は、本発明の一実施形態である回折格子用基板を示す断面図である。回折格子用基板１０は、光学ガラス製の基板であり、光学研磨が可能でレジストが塗付できるものであれば、その種類は問わないが、熱変化による膨張率が低いものである。
上記光学ガラスとしては、例えば、BK7、BSC2、パイレックス（登録商標）ガラス、ソーダガラス、石英ガラス、ゼロデュア（SCHOTT社製）、クリストロン（HOYA株式会社製）等の低膨張結晶ガラス等が挙げられる。

また、回折格子用基板１０の上面１０ｂは、平面であるとともに、回折格子用基板１０の下面１０ａは、下方になるほど細くなる針状構造物の集合体である。
上記回折格子用基板の最大厚さは、例えば、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、上記針状構造物の深さは、例えば、５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。

なお、回折格子用基板１０の上面１０ｂから入射するレーザ光５１の回折格子用基板１０の上面１０ｂでの屈折角をθ°とし、かつ、針状構造物１０ａの先端半角を、α°としたときに、下記式（１）の関係を満たすようにしている。
θ＋２α≦９０・・・・（１）

ここで、回折格子用基板１０の屈折率を、ｎとし、レーザ光５１の回折格子用基板１０の上面１０ｂへの入射角をθ０とする。なお、空気の屈折率を１とする。つまり、下記式（２）の関係が成立する。
ｎｓｉｎθ＝ｓｉｎθ０・・・・（２）

上記式（２）を変形すると、下記式（３）のようになる。
θ０＝ａｒｃｓｉｎ（ｎｓｉｎθ）・・・・（３）
さらに、上記式（３）に、上記式（１）を代入すると、下記式（４）の関係のようになる。
θ０≦ａｒｃｓｉｎ（ｎｃｏｓ２α）・・・・（４）
したがって、先端半角α°の針状構造物１０ａを有する回折格子用基板１０を使用する場合には、回折格子用基板１０の上面１０ｂへ入射するレーザ光１０ｂの入射角θ０を、上記式（４）の関係を満たすように設定すればよいことになる。

また、屈折光が、針状構造物の側面にｍ回当たれば、反射光が鉛直下方向となす角は、θ＋２ｍα°となる。この角θ＋２ｍα°が１８０−α°より小さい場合には、反射光は必ず針状構造物の側面に当たることになる。よって、屈折光が針状構造物の側面で少なくとも２回以上連続して反射するために、ｍ＝２とした下記式（５）の関係を満たすようにすることが好ましい。
θ＋４α≦１８０−α・・・・（５）
さらに、上記式（３）に、上記式（５）を代入すると、下記式（６）の関係のようになる。
θ０≦ａｒｃｓｉｎ（ｎｓｉｎ５α）・・・（６）

図４及び図５は、図３に示す回折格子用基板１０を用いた回折格子基板１の製造方法の各工程を示す断面図である。
すなわち、回折格子基板１の製造方法は、回折格子用基板１０の上面１０ｂに感光剤層１５を塗布する塗布工程と、一部分の感光剤層１５を、上方からレーザ光５１で露光する露光工程と、一部分以外の感光剤層１５を除去する除去工程と、上方からイオンビームでエッチングするエッチング工程と、残りの感光剤層１５を除去する全除去工程とを含む。

（Ａ−１）塗布工程（図４（ａ）参照）
ＢＫガラス７ガラス製の回折格子用基板１０（６０ｍｍ×６０ｍｍ×１１．３ｍｍ、α＝１０°、ｎ＝１．５）の上面１０ｂに、例えば、ＭＰ１４００（シフレイ製）を２５００ｒｐｍで６０秒スピンコートした後、コンベクション・オーブンで９０℃、３０分間ベーキングすることにより、厚さ３００ｎｍの感光剤層１５を形成する。
上記感光剤層としては、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、MP1400の他にも、例えば、OFPR5000（東京応化社製）等が使用できる。

（Ａ−２）露光工程（図４（ｂ）参照）
まず、感光剤層１５が形成された回折格子用基板１０を、ホログラフィック露光装置１００にセットする。次に、例えば、入射角１５°の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、感光剤層１５に干渉像を露光する。このとき、回折格子用基板１０によれば、上記式（１）の関係を満たすので、回折格子用基板１０の上面１０ｂから入射するレーザ光５１が、回折格子用基板１０の下面１０ａで少なくとも２回連続して反射するため、回折格子用基板１０の下面１０ａから回折格子用基板１０の上面１０ｂへ反射する反射光の強度を低減できる。これにより、感光剤層１５における本来露光されるべきではない領域まで露光されてしまう事態を回避できる。なお、２光束干渉による干渉像の強度分布は正弦波であるため、形成される回折格子パターンも正弦波状の断面形状となる。

（Ａ−３）除去工程（図５（ｃ）参照）
専用現像液で現像を行い、その後、純水でリンスを行うことにより、感光剤層１５の回折格子パターンを作製する。つまり、回折格子用基板１０の上面１０ｂが露出する部分と感光剤層１５が残る部分とに分ける。

（Ａ−４）エッチング工程（図５（ｄ）参照）
上方から反応性イオンビームでエッチングする。例えば、Ｏ_２とＣＦ_４との混合ガスを混合比Ｏ_２：ＣＦ_４＝６０／４０、ガス圧１．５×１０^−４Ｔｏｒｒとし、回折格子用基板１０の上面１０ｂの法線方向から３０°斜め上方から約１５〜６０分間照射する。これにより、露出する部分の回折格子用基板１０の上面１０ｂを削る。このとき、感光剤層１５が残る部分の回折格子用基板１０の上面１０ｂは削れないことになる。
上記反応性イオンビームは、Ｏ_２とＣＦ_４との混合ガスに限定されず、例えば、ＣＨＦ_３、ＣＢＲＦ_３等のフッ素系ガスとＯ_２との混合ガスでもよい。

（Ａ−５）全除去工程（図５（ｅ）参照）
回折格子用基板１０の上面１０ｂに残っていた感光剤層１５をＯ_２プラズマアッシャーで除去することにより、干渉像に応じた凹凸を有する回折格子基板１を得る。

本発明は、ホログラフィック露光法による回折格子基板の製造方法に利用することができる。

屈折光の上面への反射率と反射回数との関係を示すグラフである。 本発明に係る針状構造物の形状を示す図である。 本発明の一実施形態である回折格子用基板を示す断面図である。 回折格子用基板を用いた回折格子基板の製造方法の各工程を示す断面図である。 回折格子用基板を用いた回折格子基板の製造方法の各工程を示す断面図である。 ホログラフィック露光装置の概略構成を示す図である。 ホログラフィック露光装置により、従来の回折格子用基板の上面に塗布された感光剤層を、上方からレーザ光で露光する様子を示す図である。 ホログラフィック露光装置により、回折格子用基板の上面に塗布された感光剤層を、上方からレーザ光で露光する様子を示す図である。 ホログラフィック露光装置により、回折格子用基板の上面に塗布された感光剤層を、上方からレーザ光で露光する様子を示す図である。

符号の説明

１ 回折格子基板
１０、５０、６０、７０ 回折格子用基板
１５、５５、６５、７５ 感光剤層
５１ レーザ光

Claims (6)

1. 回折格子用基板の上面に感光剤層を塗布する塗布工程と、
   一部分の感光剤層を、上方からレーザ光で露光する露光工程と、
   一部分又は一部分以外の感光剤層を除去する除去工程とを含む回折格子基板の製造方法に用いられる回折格子用基板であって、
   前記回折格子用基板の上面から入射するレーザ光が、前記回折格子用基板の下面で少なくとも２回連続して反射することを特徴とする回折格子用基板。
2. 前記回折格子用基板の下面は、下方になるほど細くなる針状構造物の集合体であることを特徴とする請求項１に記載の回折格子用基板。
3. 前記レーザ光の回折格子用基板の上面での屈折角をθ°とし、かつ、
   前記針状構造物の先端半角を、α°としたときに、
   下記式（１）の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の回折格子用基板。
   θ＋２α≦９０・・・・（１）
4. 前記レーザ光は、一つのコヒーレント光を分配された二つのコヒーレント光であり、
   前記一部分の感光剤層は、二つのコヒーレント光が干渉することにより露光されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回折格子用基板。
5. 回折格子用基板の上面に感光剤層を塗布する塗布工程と、
   一部分の感光剤層を、上方からレーザ光で露光する露光工程と、
   一部分又は一部分以外の感光剤層を除去する除去工程とを含む回折格子基板の製造方法であって、
   前記露光工程の前に、前記回折格子用基板の上面から入射するレーザ光が、前記回折格子用基板の下面で少なくとも２回連続して反射するように、前記回折格子用基板の下面を作製する作製工程を含むことを特徴とする回折格子基板の製造方法。
6. さらに、前記除去工程の後に、上方からイオンビームでエッチングするエッチング工程と、
   残りの感光剤層を除去する全除去工程とを含むことを特徴とする請求項５に記載の回折格子基板の製造方法。