JP2017004004A - 透過型回折素子 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで容易に製造でき、入射する光の波長帯全域にわたって、高い回折効率と低い偏光依存性とを有する透過型回折素子を提供する。
【解決手段】透明基板と、前記透明基板の一方の面に周期的に形成された凸部と、を有する前記透明基板に入射した光を回折する透過型回折素子であって、前記凸部は、前記透明基板側より、第１の層、第２の層、第３の層、第４の層を積層することにより形成されているものであって、前記第１の層と前記第３の層は、高屈折率材料により形成されており、前記第２の層と前記第４の層は、前記高屈折率材料よりも屈折率の低い低屈折率材料により形成されていることを特徴とする透過型回折素子を提供することにより上記課題を解決する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、入射光を透過し回折する透過型回折素子に関する。

波長可変レーザー、波長選択スイッチ、光スペクトルアナライザといった装置またはモジュールは、複数の波長を含む光を分離（分光）し、波長毎に含まれる光の強度、位相等の情報を取得している。この際、光を分離する方法として、プリズムあるいは回折素子を使用でき、特に、回折素子は格子周期を小さくすることで、単位波長刻みあたりの回折角度差を大きくでき、光の波長分解能を増すことが容易なため多用されている。

ところで、回折素子を使う場合、回折光が±１次、±２次・・・と、複数の回折光が発生してしまい、光の利用効率が低いという欠点を補うため、回折素子の格子周期を、入射する光の波長程度あるいはそれ以下の大きさとし、入射光を回折素子の法線方向から斜めに入射することで、回折光として１次（あるいは−１次）回折光のみを発生させて光の利用効率を上げている。

また、光通信あるいは光計測では、一般に光の偏光状態は一定でないため、回折効率に偏光依存性が無い回折素子が求められている。特に、反射型回折素子では偏光依存性を抑えることが困難であり、回折素子の前方には、偏光依存性を補償する偏光解消素子等の素子が配置されている。一方、透過型回折素子では、偏光依存性を抑えた構造のものが実用化されている。

国際公開第２００４／０７４８８８号パンフレット 特開２００８−１０２４８８号公報

しかしながら、年々、光通信の情報量が増大しており、これに伴い、波長可変レーザー、波長選択スイッチに用いられる回折素子として、入射する光の波長帯全域にわたって、より高い波長分解能、より高い回折効率、より低い偏光依存性を有する透過型回折素子が求められている。

より高い波長分解能を得るために、回折素子の格子の周期を小さくすることが有効であるが、格子の周期が入射する光の波長の半分以下になると、原理的に回折しなくなってしまう。そこで、複数の回折素子を使う、または、１つの回折素子に２回以上光を通すなどして波長分解能を高める方法がとられている。この場合、回折素子による光の利用効率は、回折効率のべき乗になるので、より高い回折効率が要求される。例えば、回折素子による光の利用効率は、回折素子を１回通るときの回折効率が９８％であれば、２回通るとき約９６％、４回通るとき約９２％となるのに対し、回折素子を１回通るときの回折効率が９６％であれば、２回通るとき約９２％、４回通るとき約８５％となり、その差は大きい。

より高い回折効率を得る方法として、特許文献１または特許文献２においては、回折素子の格子凸部の構造、断面形状を調整する方法が開示されている。特許文献１及び特許文献２においては、格子凸部が３層構造であって、高い回折効率を得る例が示されているが、高い回折効率を得るためには、断面形状を樽型等の形状にする必要があり、このような樽型等の断面形状の格子凸部を形成することは困難である。また、比較的容易に製造できるものとして、断面形状が台形状のものが示されている。しかしながら、開示されている台形状の断面形状の格子凸部を有するものは、所望の回折効率を得るための波長の範囲が狭く、製造マージンも狭いものと推察され、使用する波長帯全域にわたって、高い歩留りで、高い回折効率を得ることができないという問題を有している。

また、断面形状が台形状であるものにおいて、波長依存性が良く、高い回折効率を得る方法としては、格子凸部が３層構造により形成されており、３層構造における各層の屈折率と基板の屈折率との間に特定の関係を持たせたものが開示されている。例えば、基板に隣接する層から順に屈折率をｎ１、ｎ２、ｎ３として、基板の屈折率をｎｓとしたとき、ｎｓ＜ｎ１＜ｎ２、ｎ３＜ｎ１であるものが示されている。この場合、格子凸部を形成している３層がすべて異なる材料により形成されているため、３種類の異なる材料を用いる必要があり、更には、大型の成膜装置が必要となり、製造工程が複雑となるといった問題を有している。

また、光通信において品質良く信号処理するためには、高い回折効率を得るばかりでなく、入射光とほぼ同じ方向に戻る反射１次回折光の低減も課題である。例えば、光ファイバー端から出射した光を回折素子に入射する光学系であれば、反射１次回折光が光ファイバー端で反射して再度、回折素子に入射して共振器として作用すると、信号強度が安定しなくなってしまう。例えば、透過１次回折光の回折効率が９６％であれば、残りの４％が透過０次回折光（直進透過光）、反射０次回折光（正反射光）、反射１次回折光（入射光の方向に戻る回折光）に振り分けられる。すなわち、反射１次回折光を低減させるためにも、透過１次回折光の回折効率を上げることが有効であることを意味している。

本発明は、上述のような課題を鑑みてなされたものであり、低コストで容易に製造でき、入射する光の波長帯全域にわたって、高い回折効率と低い偏光依存性とを有する透過型回折素子の提供を目的とする。

本発明は、透明基板と、前記透明基板の一方の面に周期的に形成された凸部と、を有する前記透明基板に入射した光を回折する透過型回折素子であって、前記凸部は、前記透明基板側より、第１の層、第２の層、第３の層、第４の層を積層することにより形成されているものであって、前記第１の層と前記第３の層は、高屈折率材料により形成されており、前記第２の層と前記第４の層は、前記高屈折率材料よりも屈折率の低い低屈折率材料により形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記高屈折率材料は、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５及びＴａ_２Ｏ_５のうちから選ばれる１又は２以上の材料であって、前記低屈折率材料は、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮのいずれかであることを特徴とする。

また、本発明は、前記高屈折率材料は、前記入射する光の波長における屈折率が１．９〜２．３の範囲内の材料であって、前記低屈折率材料は、前記入射する光の波長における屈折率が１．４〜１．６の範囲内の材料であることを特徴とする。

また、本発明は、前記高屈折率材料における屈折率と、前記低屈折率材料における屈折率との差が、０．５以上であることを特徴とする。

また、本発明は、前記低屈折率材料は、前記入射する光の波長における屈折率が１．５以下であることを特徴とする。

また、本発明は、前記第１の層、前記第２の層、前記第３の層、前記第４の層のうち、前記第３の層における膜厚が最も厚いものであることを特徴とする。

また、本発明は、前記第１の層の膜厚と前記第３の層の膜厚の和が、前記第２の層の膜厚と前記第４の層の膜厚の和よりも大きいことを特徴とする。

また、本発明は、前記透明基板の他方の面には、反射防止膜が形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記反射防止膜は、前記第１の層及び前記第３の層を形成している高屈折率材料により形成される層と、前記第２の層及び前記第４の層を形成している低屈折率材料により形成される層とを交互に積層することにより形成されているものであることを特徴とする。

本発明により、低コストで容易に製造でき、入射する光の波長帯全域にわたって、高い回折効率と低い偏光依存性とを有する透過型回折素子を提供できる。

第１の実施の形態における透過型回折素子の構造の一例を示す断面模式図 第１の実施の形態における透過型回折素子の凸部を示す断面模式図 透過型回折素子への入射光及び出射回折光に関する説明図 第２の実施の形態における透過型回折素子の構造の一例を示す断面模式図 第２の実施の形態における透過型回折素子の凸部を示す断面模式図 実施例１における透過型回折素子の回折効率を示す特性図 実施例１における透過型回折素子のオーバーエッチング量に関する特性図 実施例２における透過型回折素子の回折効率を示す特性図 実施例２における透過型回折素子のオーバーエッチング量に関する特性図 比較例１における透過型回折素子の構造の一例を示す断面模式図 比較例１における透過型回折素子の凸部を示す断面模式図 比較例１における透過型回折素子の回折効率を示す特性図

発明を実施するための形態について、以下に説明する。なお、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

〔第１の実施の形態〕
（透過型回折素子の構造）
本実施の形態における透過型回折素子について説明する。図１は、本実施の形態における透過型回折素子１０の断面図であり、透明基板１１の一方の面に、周期的、即ち、周期Ｐの周期で凸部１２を形成することにより、凹凸状の回折格子が形成されている。本実施の形態においては、図２に示されるように、凸部１２は低屈折率材料と高屈折率材料の２種類の材料を用いて４層構造が形成されている。具体的には、透明基板１１の一方の面より、厚さｄ_１の高屈折材料により形成された第１の層２１、厚さｄ_２の低屈折材料により形成された第２の層２２、厚さｄ_３の高屈折材料により形成された第３の層２３、厚さｄ_４の低屈折率材料により形成された第４の層２４を積層して形成することにより凸部１２が形成されている。この凸部１２の形状は、下辺の長さがＸｂ、上辺の長さがＸｔ、高さがＤ、側辺の傾き（テーパー角）が鉛直から角度φ傾いている台形となっている。尚、透明基板１１の他方の面には、反射防止膜１３が形成されている。また、格子凹部に相当する凸部１２の間の領域には、空気等の周辺媒質が存在しているものとする。

図３に示されるように、本実施の形態における透過型回折素子１０に、回折格子が形成されている面より、透明基板１１の一方の面の法線に対し入射角度θ傾いた角度で、波長λの光を入射させる。これにより、回折格子において光が回折され複数の回折光が発生し、発生した各々の回折光は反射防止膜１３が成膜されている基板１１の他方の面より出射する。この際、ｍを整数としたとき、ｍ次の回折光は、透明基板１１の一方の面の法線に対して出射回折角度θ_ｍの方向に出射する。この場合、入射角度θと出射回折角度θ_ｍは数１に示される式（式１）の関係を有している。尚、出射回折角度θ_２は、２次の回折光の出射回折角度を示す。

本実施の形態における透過型回折素子１０によって、光を効率よく利用するためには、２次以上の回折光を発生させることなく、１次回折光のみを発生させる必要がある。即ち、２次以上の回折光を発生させない条件（２λ／Ｐ−ｓｉｎθ）＞１を満たすように、使用する光の波長λに対し、格子周期Ｐ、入射角度θを設定する。

数１に示される式（式１）を１次回折光の出射回折角度θ_１について解くと、数２に示される式（式２）のように変形できる。

数２に示される式（式２）では、入射する光の波長λによって１次回折光の出射回折角度θ₁が異なることを意味しており、出射回折角θ_１の波長による違いの差、すなわち分解能波長は、数２に示される式をλで微分した数３に示される式（式３）であらわされる。尚、数３に示される式に基づくならば、格子周期Ｐが小さいほど波長分解能が大きくなることがわかる。

（透過型回折素子の製造方法）
次に、本実施の形態における透過型回折素子１０の作製方法について説明する。最初に、石英ガラスあるいは低膨張石英ガラス等の透明基板１１の表面に、第１の層２１、第２の層２２、第３の層２３、第４の層２４を順次真空蒸着やスパッタリングにより成膜する。具体的には、第１の層２１は、厚さｄ_１の高屈折率材料により形成されており、第２の層２２は、厚さｄ_２の低屈折率材料により形成されており、第３の層２３は、厚さｄ_３の高屈折率材料により形成されており、第４の層２４は、厚さｄ_４の低屈折率材料により形成されている。これにより、基板１１の表面に高屈折率材料層と低屈折率材料層とが交互に積層されている多層膜を形成する。尚、高屈折率材料としては、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５等の誘電体を使用でき、低屈折率材料としては、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ等の誘電体を使用できる。具体的には、高屈折率材料は、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５及びＴａ_２Ｏ_５のうちから選ばれる１又は２以上の材料であってもよく、低屈折率材料は、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮのいずれかであってもよい。

本実施の形態では、高屈折率材料より１種類、低屈折率材料より１種類の計２種類を選択することにより、蒸着源あるいはスパッタターゲットの数を最小にでき、簡易な製造設備を用いて製造できる。また、成膜の際の条件等も低減できるため、製造工程が複雑となることはなく、安定した成膜を行うことができる。具体的には、本実施の形態においては、スパッタ装置を用いて、第１の層２１、第２の層２２、第３の層２３、第４の層２４を成膜する場合、スパッタ装置に搭載できるターゲットの種類が２つである装置を使用可能である。従って、従来のように３種類以上の異なる材料により、３層の膜を形成する場合と比較して、簡易な製造設備により透過型回折素子を製造することが可能となり、また、製造工程も複雑にはならないため、低コストで透過型回折素子を製造できる。

尚、本実施の形態においては、高屈折率材料とは使用する光の波長に対して、屈折率が１．９〜２．３の範囲内における材料が好ましく、低屈折率材料とは使用する光の波長に対して、屈折率が１．４〜１．６の範囲内における材料が好ましい。また、本実施の形態においては、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差は、０．５以上であることが好ましい。更には、低屈折率材料における屈折率は、空気等との屈折率差の関係上１．５以下であることが好ましい。また、良好な特性を得るためには、第３の層２３における膜厚が、第１の層２１、第２の層２２、第４の層２４のいずれの膜厚よりも厚く形成されていることが好ましく。更には、高屈折率層である第１の層２１の膜厚と第３の層２３の膜厚の和が、低屈折率層である第２の層２２の膜厚と第４の層２４の膜厚の和よりも厚く形成されていることが好ましい。以上の知見は、発明者が鋭意検討を行った結果得られたものである。

次に、透明基板１１の一方の面上に成膜された４層の多層膜により凸部１２を形成する。具体的には、第４の層２４の表面に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、凸部１２が形成される領域に、不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンが形成されていない領域における第４の層２４、第３の層２３、第２の層２２、第１の層２１をドライエッチングにより除去することにより、凸部１２を形成し、周期的な凹凸による回折格子を形成する。このとき凸部１２は４層構造となり、空間となる凹部に相当する凸部１２間の領域には周辺媒質（空気）が存在している。

尚、ドライエッチングにおいては、所望のエッチングストップ位置よりも手前でエッチングが終了している状態（アンダーエッチング状態）や、所望のエッチングストップ位置よりも深くエッチングがされている状態（オーバーエッチング状態）となる場合がある。具体的には、アンダーエッチング状態では、第１の層２１が薄く残り、オーバーエッチング状態では、基板１１の一部までエッチングされてしまう。これらの場合には、形成される透過型回折素子の特性に少なからず影響を及ぼすため、アンダーエッチング及びオーバーエッチングの許容値については、製造マージン等の観点から重要となる。

凸部１２の形状パラメータである４層の多層膜の各層の厚さ、即ち、第１の層２１の厚さｄ_１、第２の層２２の厚さｄ_２、第３の層２３の厚さｄ_３、第４の層２４の厚さｄ_４、テーパー角φ、下辺の長さＸｂ、上辺の長さＸｔは、透過型回折素子１０に入射する光の波長λ、入射角度θ、格子周期Ｐに対し、偏光に依存せず回折効率が高くなるように最適設計がなされている。設計上の回折効率としては、製造上のばらつきによる低下を考慮して、入射する光の波長域におけるＳ偏光、Ｐ偏光に対し、ともに９８％以上であることが好ましい。

凸部１２の形状として前述した形状を実現するために、フォトリソグラフィの工程において使用されるフォトマスクの開口、露光・現像条件等の諸条件、ドライエッチングの工程において使用されるエッチャントガス、装置依存の諸条件は適宜調整されているものとする。

また、基板１１において、凸部１２が形成されている面とは反対側の他方の面には、反射防止膜１３が成膜されている。反射防止膜１３を形成する工程は、凸部１２となる４層の多層膜を成膜する前であってもよく、後であってもよく、更には、凸部１２を形成した後に成膜してもよい。

反射防止膜1３は、凸部１２によって回折される光が、波長によって出射方向が異なること、即ち、回折光が反射防止膜１３に入射する角度が、波長によって異なることを考慮して、各々の波長に対して、Ｓ偏光及びＰ偏光成分の反射率が略０％になるように最適設計されたものが成膜されている。透明基板１１が平行平板である場合、反射防止膜１３の成膜面と回折格子が形成されている面との間において生じる多重反射による干渉により、回折効率の波長変動（リップル）を引き起こしてしまうため、反射防止膜１３の反射率として０．５％以下であることが好ましく、０．２％以下であれば、より好ましい。

反射防止膜１３の成膜方法としては、真空蒸着、スパッタリング等の成膜方法が挙げられる。また、反射防止膜１３を形成する材料としては、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５などの誘電体を使用できる。具体的には、例えば、これらの誘電体のうち高屈折率材料と低屈折率材料とを各々選択し、高屈折率材料と低屈折率材料とを交互に積層することにより形成できる。また、透過型回折素子１０を光通信に用いる場合は、使用される光の波長帯で透明でかつ高屈折率の材料であるＳｉを使用することもできる。特に、凸部１２の材料の組み合わせと同じ材料の組み合わせにより、反射防止膜１３を形成することにより、製造工程等が簡略化されるため、低コストで製造できるため好ましい。

〔第２の実施の形態〕
（透過型回折素子の構造）
次に、第２の実施の形態における透過型回折素子について説明する。図４は、本実施の形態における透過型回折素子５０の断面図であり、透明基板５１の一方の面に反射防止膜５３が形成されており、一方の面とは反対側の他方の面に反り調整膜５４が形成されている。本実施の形態においては、このような反り調整膜５４を形成することによって、反射防止膜５３によって生じる透明基板５１の反りを相殺することができる。反り調整膜５４を形成する材料としては、透明基板５１との屈折率差が±０．１以内となる材料を選択した場合には、光学的な特性が殆ど損なわれないため好ましい。また、透明基板５１として石英ガラスあるいは低膨張石英ガラスを用いる場合には、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮといった誘電体材料を使用することができる。また、反り調整膜５４の厚さは、反射防止膜５３の厚さの０．５〜１．５倍であって、透過型回折素子における反り量に基づき適宜調整して定めることができる。反り調整膜５４の厚さが反射防止膜５３の厚さの０．５倍未満、あるいは１．５倍を超えると、反りを相殺することが難しい。本実施の形態においては、反射防止膜５３が引張り応力の生じる膜である場合は、反り調整膜５４も引張り応力の生じる膜を成膜する。反射防止膜５３が圧縮応力の生じる膜である場合は、反り調整膜５４も圧縮応力の生じる膜を成膜する。

反り調整膜５４の上には、周期的、即ち、周期Ｐの周期で凸部５２を形成することにより、凹凸状の回折格子が形成されている。本実施の形態においては、図５に示されるように、凸部５２は、低屈折率材料と高屈折率材料の２種類の材料を交互に積層することにより形成された４層構造により形成されている。具体的には、透明基板５１の他方の面に形成された反り調整膜５４の上に、厚さｄ_１の高屈折材料により形成された第１の層６１、厚さｄ_２の低屈折材料により形成された第２の層６２、厚さｄ_３の高屈折材料により形成された第３の層６３、厚さｄ_４の低屈折率材料により形成された第４の層６４を順に積層することにより凸部５２を形成することができる。よって、本実施の形態における透過型回折素子５０は、透明基板５１と凸部５２との間に反り調整膜５４が形成されている構造のものである。なお、図５における凸部５２の構造、形状、材料、製造方法については、第１の実施形態と同様である。

（実施例１）
最初に、第１の実施の形態に係る実施例１における透過型回折素子について説明する。本実施例における透過型回折素子１０は、図１に示される断面構造のものであり、反射防止膜１３が成膜された透明基板１１上に、周期が１０４０ｎｍである凸部１２を形成することにより回折格子が形成されている。尚、本実施例における透過型回折素子１０には、波長１５２５ｎｍ〜１５７５ｎｍの光が、凸部１２が形成されている面の法線に対し、４８°の角度から入射させるものである。

本実施例における凸部１２は、第１の層２１、第２の層２２、第３の層２３、第４の層２４からなる４層構造により形成されている。具体的には、本実施例における凸部１２は、図２の模式図に示すように透明基板１１側から、第１の層２１として高屈折率材料層であるＴａ_２Ｏ_５層（屈折率２．１１）を４０ｎｍ、第２の層２２として低屈折率材料層であるＳｉＯ_２層（屈折率１．４６）を１４０ｎｍ、第３の層２３として高屈折率材料層であるＴａ_２Ｏ_５層（屈折率２．１１）を１１４０ｎｍ、第４の層２４として低屈折率材料層であるＳｉＯ_２層（屈折率１．４６）を３１０ｎｍ積層することにより形成されている。このように形成された凸部１２の断面形状は台形状である。表１は、本実施例における凸部１２の形状パラメータを示す。即ち、本実施例は、第１の層２１、第２の層２２、第３の層２３、第４の層２４の膜厚の和である凸部１２の高さＤは１６３０ｎｍであり、テーパー角の角度φは３°であり、下辺の長さＸｂは６８８．６ｎｍであり、上辺の長さＸｔは５１７．８ｎｍである。

本実施例における透過型回折素子１０は、本実施に形態において説明した製造方法により作製できる。透明基板１１として厚さが０．６ｍｍの石英ガラス（屈折率１．４４）を用い、透明基板１１の一方の面の表面に、第１の層２１となる厚さｄ_１が４０ｎｍのＴａ_２Ｏ_５層、第２の層２２となる厚さｄ_２が１４０ｎｍのＳｉＯ_２層、第３の層２３となる厚さｄ_３が１１４０ｎｍのＴａ_２Ｏ_５層、第４の層２４となる厚さｄ_４が３１０ｎｍＳｉＯ_２層の順に、スパッタリング装置を用いて成膜する。

次に、第４の層２４の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、周期が１０４０ｎｍの格子状の不図示のレジストパターンを形成する。この後、ドライエッチングにより、レジストパターンの形成されていない領域の第４の層２４、第３の層２３、第２の層２２、第１の層２１を除去し、凸部１２を形成する。この後、有機溶剤等により不図示のレジストパターンは除去される。

次に、透明基板１１において、凸部１２が形成されている面とは反対側の他方の面に、反射防止膜１３を成膜する。反射防止膜１３は、凸部１２を形成している材料と同じ材料であるＴａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２とを用い、スパッタリングにより交互に積層することにより形成する。

反射防止膜１３は、波長１５２５ｎｍの光が、凸部１２により形成される回折格子において回折し、透明基板１１から反射防止膜１３面から出射する角度（反射防止膜１３が形成されている面の法線に対する角度）が４６．３°、同様に波長１５４５ｎｍの光が出射する角度が４７．９°、同様に波長１５７５ｎｍの光が出射する角度が５０．５°であること、即ち、波長毎に透明基板１１を出射する角度が異なることを考慮して、各々の波長に対し、Ｓ偏光及びＰ偏光成分の反射率がともに０．２％以下になるように設計されている。

図６は、本実施例における透過型回折素子１０の透過１次回折光の回折効率を示すグラフである。図６におけるグラフの横軸は入射する光の波長であって、使用する１５２５ｎｍ〜１５７５ｎｍの範囲の波長帯において、実線で示されるＳ偏光及び破線で示されるＰ偏光の回折効率がともに９９％以上であり、偏光依存性としてＳ偏光、Ｐ偏光間の回折効率差も０．５％以下で良好な特性を示している。また、１５００ｎｍ〜１５９０ｎｍに波長範囲を拡大しても、Ｓ偏光及びＰ偏光の回折効率が９８％以上あるため、形成される凸部１２は設計値からのずれに対しても強く、製造マージンが広いと考えられる。

また、反射１次回折光の回折効率は、使用する１５２５ｎｍ〜１５７５ｎｍの範囲の波長帯において、Ｓ偏光、Ｐ偏光ともに０．４％以下であって、入射光よりも２桁小さい。

ここで、透過型回折素子１０に斜め方向から入射する場合、その入射する光の光路と、透過型回折素子１０の凸部１２が形成されている面に対する法線とを含む平面を入射面として定義したとき、入射面に対して垂直方向に振動する偏光成分をＳ偏光、入射面において振動する偏光成分をＰ偏光として定義する。

次に、ドライエッチングを行った後において、格子凹部の底に４層の多層膜のうち第１の層２１が薄く残っている状態（アンダーエッチング状態）と、４層の多層膜だけでなく透明基板１１の一部までもエッチングしてしまう状態（オーバーエッチング状態）において、本実施例における透過型回折素子１０の回折効率に及ぼす影響について説明する。

図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、オーバーエッチング状態、アンダーエッチング状態における回折効率への影響を示すグラフであって、横軸がオーバーエッチング量、縦軸が回折効率である。尚、横軸のオーバーエッチング量は、正の値はオーバーエッチング状態を意味し、負の値はアンダーエッチング状態を意味している。尚、図７（ａ）は波長１５２５ｎｍの光に対する結果、図７（ｂ）は波長１５４５ｎｍの光に対する結果、図７（ｃ）は波長１５７５ｎｍの光に対する結果を示すグラフである。

図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示されるグラフに基づくならば、１００ｎｍ以内のオーバーエッチングを許容し、４０ｎｍ以内のアンダーエッチングを許容すれば、Ｓ偏光及びＰ偏光の回折効率はともに９８％以上を維持できる。更に、維持すべき回折効率を下げるならば、オーバーエッチングおよびアンダーエッチングで許容できる範囲の幅を広げることができる。従って、用途によって許容値を適宜設定すればよい。尚、本実施例においては、９８％以上の回折効率を維持するように、オーバーエッチング及びアンダーエッチングの許容値を設定している。

以上、本実施例における透過型回折素子１０は、高い回折効率、低い偏光依存性を有するものであって、回折格子を形成している凸部１２が２種類の材料を交互に積層した４層構造により形成されているため、簡易な製造工程等により製造できる。

（実施例２）
次に、第１の本実施の形態に係る実施例２における透過型回折素子について説明する。本実施例における透過型回折素子１０は、図１に示される断面構造のものであり、反射防止膜１３が成膜された透明基板１１上に、周期が１０７０ｎｍである凸部１２を形成することにより回折格子が形成されている。尚、本実施例における透過型回折素子１０は、波長１５７０ｎｍ〜１６１０ｎｍの光が、凸部１２が形成されている面の法線に対し、４８°の角度から入射するものである。

本実施例における凸部１２は、第１の層２１、第２の層２２、第３の層２３、第４の層２４からなる４層構造により形成されている。具体的には、本実施例における凸部１２は、図２の模式図に示すように透明基板１１側から、第１の層２１として高屈折率材料層であるＴａ_２Ｏ_５層（屈折率２．１１）を６０ｎｍ、第２の層２２として低屈折率材料層であるＳｉＯ_２層（屈折率１．４６）を１２０ｎｍ、第３の層２３として高屈折率材料層であるＴａ_２Ｏ_５層（屈折率２．１１）を１１６０ｎｍ、第４の層２４として低屈折率材料層であるＳｉＯ_２層（屈折率１．４６）を３４０ｎｍ積層することにより形成されている。このように形成された凸部１２の断面形状は台形状である。表２は、本実施例における凸部１２の形状パラメータを示す。即ち、本実施例は、第１の層２１、第２の層２２、第３の層２３、第４の層２４の膜厚の和である凸部１２の高さＤは、１６８０ｎｍであり、テーパー角の角度φは、３°であり、下辺の長さＸｂは７３０ｎｍであり、上辺の長さＸｔは５５４ｎｍである。

本実施例の透過型回折素子１０は、本実施の形態において説明した製造方法により作製できる。透明基板１１としては、厚さが２．０ｍｍの石英ガラス（屈折率１．４４）を用い、透明基板１１の一方の面の表面に、第１の層２１となる厚さｄ_１が６０ｎｍのＴａ_２Ｏ_５層、第２の層２２となる厚さｄ_２が１２０ｎｍのＳｉＯ_２層、第３の層２３となる厚さｄ_３が１１６０ｎｍのＴａ_２Ｏ_５層、第４の層２４となる厚さｄ_４が３４０ｎｍのＳｉＯ_２層の順に、スパッタリング装置を用いて成膜する。次に、第４の層２４の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、周期が１０７０ｎｍの格子状の不図示のレジストパターンを形成する。この後、ドライエッチングにより、レジストパターンの形成されていない領域の第４の層２４、第３の層２３、第２の層２２、第１の層２１を除去し、凸部１２を形成する。この後、有機溶剤等により不図示のレジストパターンは除去される。

次に、透明基板１１において、凸部１２が形成されている面とは反対側の他方の面に、反射防止膜１３を成膜する。反射防止膜１３は、凸部１２を形成している材料と同じ材料であるＴａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２とを用い、スパッタリングにより交互に積層形成することにより形成する。

反射防止膜１３は、波長１５７０ｎｍの光が、凸部１２により形成される回折格子において回折し、透明基板１１から反射防止膜１３面から出射する角度（反射防止膜１３が形成されている面の法線に対する角度）が４６．４°、同様に波長１５９０ｎｍの光が出射する角度が４８．０°、同様に波長１６１０ｎｍの光が出射する角度が４９．６°であること、即ち、波長毎に透明基板１１を出射する角度が異なることを考慮して、各々の波長に対し、Ｓ偏光及びＰ偏光成分の反射率がともに０．２％以下になるように設計されている。

図８は、本実施例における透過型回折素子１０の透過１次回折光の回折効率を示すグラフである。図８におけるグラフの横軸は入射する光の波長であって、使用する１５７０ｎｍ〜１６１０ｍの範囲の波長帯において、実線で示されるＳ偏光及び破線で示されるＰ偏光の回折効率がともに９８．５％以上であり、偏光依存性としてＳ偏光、Ｐ偏光間の回折効率差も０．５％以下で良好な特性を示している。また、波長範囲を１５４５ｎｍ〜１６３５ｎｍに拡大しても、Ｓ偏光及びＰ偏光の回折効率が９８％以上あるので、形成される凸部１２は設計値からのずれに対しても強く、製造マージンが広いと考えられる。

また、反射１次回折光の回折効率は、使用する１５７０ｎｍ〜１６１０ｎｍの範囲の波長帯において、Ｓ偏光は０．２％以下、Ｐ偏光は０．６％以下であって、入射光よりも２桁小さい。

次に、ドライエッチングを行った後において、格子凹部の底に４層の多層膜のうち第１の層２１が薄く残っている状態（アンダーエッチング状態）と、４層の多層膜だけでなく透明基板１１の一部までもエッチングしてしまう場合（オーバーエッチング状態）において、本実施例における透過型回折素子１０の回折効率に及ぼす影響について説明する。

図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、オーバーエッチング状態、アンダーエッチング状態における回折効率への影響を示すグラフであって、横軸がオーバーエッチング量、縦軸が回折効率である。尚、横軸のオーバーエッチング量は、正の値はアンダーエッチング状態を意味し、負の値はアンダーエッチング状態を意味している。尚、図９（ａ）は波長１５７０ｎｍの光に対する結果、図９（ｂ）は波長１５９０ｎｍの光に対する結果、図９（ｃ）は波長１６１０ｎｍの光に対する結果を示すグラフである。

図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示されるグラフに基づくならば、１６０ｎｍ以内のオーバーエッチングを許容し、３０ｎｍ以内のアンダーエッチングを許容すれば、Ｓ偏光及びＰ偏光の回折効率はともに９８％以上を維持できる。更に、維持すべき回折効率を下げるならば、オーバーエッチング及びアンダーエッチングで許容できる範囲の幅を広げることができる。したがって、用途によって許容値を適宜設定すればよい。尚、本実施例においては、９８％以上の回折効率を維持するように、オーバーエッチングおよびアンダーエッチングの許容値が設定されている。

以上、本実施例における透過型回折素子１０は、高い回折効率、低い偏光依存性を有するものであって、回折格子を形成している凸部１２が２種類の材料を交互に積層した４層構造により形成されているため、簡易な製造工程等により製造できる。

（実施例３）
次に、第２の実施の形態に係る実施例３における透過型回折素子について説明する。本実施例における透過型回折素子５０は、図４に示される断面構造のものであり、透明基板５１の一方の面に反射防止膜５３が成膜され、一方の面とは反対側の他方の面に反り調整膜５４が成膜されている。また、反り調整膜５４の上には、周期が１０４０ｎｍとなる凸部５２を形成することにより回折格子が形成されている。尚、本実施例における透過型回折素子５０は、波長１５２５ｎｍ〜１５７５ｎｍの光を凸部５２が形成されている面の法線に対し、４８°の角度より入射させて使用するものである。

本実施例における凸部５２は、第１の層６１、第２の層６２、第３の層６３、第４の層６４からなる４層構造により形成されている。具体的には、本実施例における凸部５２は、反り調整膜５４の上に、図５の模式図に示すように透明基板５１側から、第１の層６１として高屈折率材料層であるＴａ_２Ｏ_５層（屈折率２．１１）を４０ｎｍ、第２の層６２として低屈折率材料層であるＳｉＯ_２層（屈折率１．４６）を１４０ｎｍ、第３の層６３として高屈折率材料層であるＴａ_２Ｏ_５層（屈折率２．１１）を１１４０ｎｍ、第４の層６４として低屈折率材料層であるＳｉＯ_２層（屈折率１．４６）を３１０ｎｍ積層することにより形成されている。このように形成された凸部５２の断面形状は台形状である。表３は、本実施例における凸部５２の形状パラメータを示す。表３に示されるように、本実施例における透過型回折素子は、第１の層６１、第２の層６２、第３の層６３、第４の層６４の膜厚の和である凸部５２の高さＤは１６３０ｎｍであり、テーパー角の角度φは３°であり、下辺の長さＸｂは６８８．６ｎｍであり、上辺の長さＸｔは５１７．８ｎｍである。

本実施例における透過型回折素子５０は、本実施の形態において説明した製造方法により作製することができる。透明基板５１として厚さが０．６ｍｍの石英ガラス（屈折率１．４４）を用い、透明基板５１の一方の面の表面に、ＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５からなる反射防止膜５３を、スパッタリング装置を用いて成膜する。

反射防止膜５３は、波長毎に透明基板５１を出射する角度が異なることを考慮して、各々の波長に対し、Ｓ偏光及びＰ偏光成分の反射率がともに０．２％以下になるように形成されている。即ち、波長１５２５ｎｍの光が、凸部５２により形成される回折格子において回折し、透明基板５１における反射防止膜５３が形成されている面から出射する角度（反射防止膜５３が形成されている面の法線に対する角度）が４６．３°、同様に波長１５４５ｎｍの光が出射する角度が４７．９°、同様に波長１５７５ｎｍの光が出射する角度が５０．５°であることを考慮して、各々の波長に対し、Ｓ偏光及びＰ偏光成分の反射率がともに０．２％以下になるように形成されている。

次に、透明基板５１の他方の面に、ＳｉＯ_２からなる反り調整膜５４を厚みが、反射防止膜５３の０．６倍の厚さになるようにスパッタリング装置を用いて成膜する。この後、反り調整膜５４の上に、第１の層６１となる厚さｄ_１が４０ｎｍのＴａ_２Ｏ_５層、第２の層６２となる厚さｄ_２が１４０ｎｍのＳｉＯ_２層、第３の層６３となる厚さｄ_３が１１４０ｎｍのＴａ_２Ｏ_５層、第４の層６４となる厚さｄ_４が３１０ｎｍＳｉＯ_２層を順に、スパッタリング装置を用いて成膜する。

次に、第４の層６４の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、周期が１０４０ｎｍの格子状の不図示のレジストパターンを形成する。この後、ドライエッチングにより、レジストパターンの形成されていない領域の第４の層６４、第３の層６３、第２の層６２、第１の層６１を除去し、凸部５２を形成する。この後、有機溶剤等により不図示のレジストパターンは除去される。

こうして作製した透過型回折素子５０は、曲率半径が３０ｍをこえるような、反りの小さな透過型回折素子となる。なお、反り調整膜５４の厚さを適宜調整することにより、より大きな曲率半径となる反りの小さな透過型回折素子を得ることも可能である。

このように作製された本実施例における透過型回折素子５０の透過１次回折光の回折効率は、図６に示される特性と同様となる。即ち、反射防止膜５３及び反り調整膜５４を形成しても透過１次回折光の回折効率には殆ど変化がない。具体的には、図６に示されるように、使用する１５２５ｎｍ〜１５７５ｎｍの範囲の波長帯において、実線で示されるＳ偏光及び破線で示されるＰ偏光の回折効率がともに９９％以上であり、偏光依存性としてＳ偏光、Ｐ偏光間の回折効率差も０．５％以下で良好な特性を示している。また、１５００ｎｍ〜１５９０ｎｍに波長範囲を拡大しても、Ｓ偏光及びＰ偏光の回折効率が９８％以上あるため、形成される凸部５２は設計値からのずれに対しても強く、製造マージンが広いと考えられる。

また、反射１次回折光の回折効率は、使用する１５２５ｎｍ〜１５７５ｎｍの範囲の波長帯において、Ｓ偏光、Ｐ偏光ともに０．４％以下であって、入射光よりも２桁小さい。ここで、透過型回折素子５０に斜め方向から入射する場合、その入射する光の光路と、透過型回折素子５０の凸部５２が形成されている面に対する法線とを含む平面を入射面として定義したとき、入射面に対して垂直方向に振動する偏光成分をＳ偏光、入射面において振動する偏光成分をＰ偏光として定義する。

以上、本実施例における透過型回折素子５０は、基板の反りが小さく、高い回折効率、低い偏光依存性を有するものであって、回折格子を形成している凸部５２が２種類の材料を交互に積層した４層構造により形成されているため、簡易な製造工程等により製造できる。

（比較例１）
次に、比較例１における透過型回折素子について説明する。本比較例における透過型回折素子９１０は、図１０に示される断面構造のものであり、反射防止膜９１３が成膜された透明基板９１１上に、周期が１０４０ｎｍである凸部９１２を形成することにより回折格子が形成されているものである。尚、本比較例における透過型回折素子９１０は、波長１５２５ｎｍ〜１５７５ｎｍの光が、凸部９１２が形成されている面の法線に対し、４８°の角度から入射させるものである。

なお、透明基板９１１の厚みは０．６ｍｍであって、反射防止膜９１３による基板の反りは、曲率半径にして約６ｍであった。

本比較例における凸部９１２は、第１の層９２１、第２の層９２２、第３の層９２３からなる３層構造により形成されている。具体的には、本比較例における凸部９１２は、図１１の模式図に示されるように、透明基板９１１側から、第１の層９１１として中間屈折率材料層であるＳｉＯＮ層（屈折率１．７、厚さｄｘ_１が２９０ｎｍ）、第２の層９１２として高屈折率材料層であるＴａ_２Ｏ_５層（屈折率２．１１、厚さｄｘ_２が１１３０ｎｍ）、第３の層９１３として低屈折率材料層であるＳｉＯ_２層（屈折率１．４６、厚さｄｘ_３が２５０ｎｍ）を積層することにより形成されている。このように形成された凸部９１２の断面形状は台形状であり、表４は、本比較例における凸部９１２の形状パラメータを示す。即ち、本比較例は、第１の層２１、第２の層２２、第３の層２３、第４の層２４の膜厚の和である凸部１２の高さＤは、１６７０ｎｍであり、テーパー角の角度φは、３°であり、下辺の長さＸｂは７１１．５ｎｍであり、上辺の長さＸｔは５３６．５ｎｍである。

本比較例における透過型回折素子９１０は、凸部９１２が３種類の材料により形成された３層構造、即ち、第１の層９２１、第２の層９２２、第３の層９２３により形成されていることを除き、本実施の形態の形態と同様の工程で作製できる。しかしながら、凸部９１２が３種類の材料により形成されているため、ターゲットが３つ以上取り付けられる大型のスパッタリング装置を用いて成膜するか、又は、スパッタリングターゲットの交換等の工程を要するため、高コスト化してしまう。

図１２は、本比較例における透過型回折素子９１０の透過１次回折光の回折効率を示すグラフである。図１２におけるグラフの横軸は入射する光の波長であって、使用する１５２５ｎｍ〜１５７５ｎｍの範囲の波長帯において、実線で示されるＳ偏光及び破線で示されるＰ偏光における回折効率の双方、または、一方が９８％を下回り、また偏光依存性としてＳ偏光、Ｐ偏光間の回折効率差も０．５％以上になる場合もあり良好な特性は得られていない。また、波長範囲を１５００ｎｍ〜１５９０ｎｍに拡大すると、Ｓ偏光及びＰ偏光における回折効率が更に低下し、波長依存性が悪くなる。従って、形成される凸部９１２は設計値からのずれに対して影響を受けるため、製造マージンは狭いものと考えられる。

また、反射１次回折光の回折効率は、使用する１５２５ｎｍ〜１５７５ｎｍの範囲の波長帯において、Ｓ偏光は０．４％以下、Ｐ偏光は１．５％以下であって、前述の本発明の実施例１、２よりも大きい。

１０ 透過型回折素子
１１ 透明基板
１２ 凸部
１３ 反射防止膜
２１ 第１の層
２２ 第２の層
２３ 第３の層
２４ 第４の層

Claims (13)

1. 透明基板と、
   前記透明基板の一方の面に周期的に形成された凸部と、
   を有する前記透明基板に入射した光を回折する透過型回折素子であって、
   前記透明基板の他方の面には、反射防止膜を有し、
   前記凸部と前記透明基板の間には、前記透明基板の屈折率に対し屈折率差が±０．１以内である材料により、前記反射防止膜の厚さの０．５〜１．５倍の厚さの反り調整膜が備わることを特徴とする透過型回折素子。
2. 前記透明基板は石英ガラスまたは低膨張石英ガラスであり、
   前記反り調整膜は、ＳｉＯ_２またはＳｉＯＮである、請求項１に記載の透過型回折素子。
3. 前記反り調整膜は、前記反射防止膜が圧縮応力を生じる膜である場合、引張り応力を生じる膜であり、前記反射防止膜が引張り応力を生じる膜である場合、圧縮応力を生じる膜である、請求項１または２に記載の透過型回折素子。
4. 曲率半径３０ｍを超える反りを有する、請求項１から３のいずれかに記載の透過型回折素子。
5. 前記凸部は、前記透明基板側より、第１の層、第２の層、第３の層、第４の層を有し、
   前記第１の層と前記第３の層は、高屈折率材料であり、
   前記第２の層と前記第４の層は、前記高屈折率材料よりも屈折率の低い低屈折率材料であり、
   前記第１の層、前記第２の層、前記第３の層および前記第４の層のうち、前記第３の層の膜厚が最も厚い、請求項１から４のいずれかに記載の透過型回折素子。
6. 前記高屈折率材料は、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５及びＴａ_２Ｏ_５のうちから選ばれる１又は２以上の材料であって、
   前記低屈折率材料は、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮのいずれかである請求項５に記載の透過型回折素子。
7. 前記高屈折率材料は、前記入射する光の波長における屈折率が１．９〜２．３の範囲内の材料であって、
   前記低屈折率材料は、前記入射する光の波長における屈折率が１．４〜１．６の範囲内の材料である請求項５または６に記載の透過型回折素子。
8. 前記高屈折率材料における屈折率と、前記低屈折率材料における屈折率との差が、０．５以上である請求項５から７のいずれかに記載の透過型回折素子。
9. 前記低屈折率材料は、前記入射する光の波長における屈折率が１．５以下である請求項５から８のいずれかに記載の透過型回折素子。
10. 前記第１の層の膜厚と前記第３の層の膜厚の和が、前記第２の層の膜厚と前記第４の層の膜厚の和よりも大きい請求項５から９のいずれかに記載の透過型回折素子。
11. λを入射光の波長、Ｐを複数の凸部の格子周期、θを入射光の入射角とし、（２λ/Ｐ-ｓｉｎθ）＞１を満足するときの、１５００〜１５９０ｎｍ、または、１５４５〜１６１０ｎｍの波長範囲でのｐ偏光およびｓ偏光の透過の１次回折効率が９８％以上である請求項５から１０のいずれかに記載の透過型回折素子。
12. λを入射光の波長、Ｐを複数の凸部の格子周期、θを入射光の入射角とし、（２λ/Ｐ-ｓｉｎθ）＞１を満足するときの、１５２５〜１５７５ｎｍ、または、１５７０〜１６１０ｎｍの波長範囲でのｐ偏光およびｓ偏光の透過の１次回折効率が９９％以上である請求項５から１０のいずれかに記載の透過型回折素子。
13. 前記反射防止膜は、前記第１の層及び前記第３の層を形成している高屈折率材料により形成される層と、前記第２の層及び前記第４の層を形成している低屈折率材料により形成される層とを交互に積層することにより形成されているものである請求項５から１２のいずれかに記載の透過型回折素子。

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