JP2019132905A - Transmission type diffraction element, laser oscillator, and laser beam machine - Google Patents

Transmission type diffraction element, laser oscillator, and laser beam machine Download PDF

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慎司 荒木
Shinji Araki
慎司 荒木
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兼史 平野
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Abstract

To provide a transmission type diffraction element that reduces: in-plane variations of machined lattice shapes to have a high diffraction efficiency; and variations between lots to have high reproducibility with the high diffraction efficiency.SOLUTION: A transmission type diffraction element 100 is provided that includes: a substrate 40 having a front surface and a rear surface; an antireflection layer 20 that is formed on the surface of the substrate 40 and is made of a zirconium oxide; and a lattice part 10 that is formed on the antireflection layer 20 and has a periodic rugged pattern.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、透過型回折素子並びに透過型回折素子を用いたレーザ発振器及びレーザ加工に関する。   The present invention relates to a transmissive diffraction element, a laser oscillator using the transmissive diffraction element, and laser processing.

光ピックアップ装置、分光測定機、光伝送モジュール、及びレーザ発振器などの光学系において、回折素子が用いられている。エネルギー効率の観点から、利用する波長帯域における回折素子の回折効率は、高い方が望ましい。   A diffraction element is used in an optical system such as an optical pickup device, a spectroscopic measuring device, an optical transmission module, and a laser oscillator. From the viewpoint of energy efficiency, it is desirable that the diffraction efficiency of the diffraction element in the wavelength band to be used is higher.

透過型回折素子による入射光の反射を低減し、透過回折効率を向上させるために、基板材質とは異なる(より低い又は高い)屈折率を有する材質からなる反射防止層を、素子の表面又は多層膜内の一部に導入する解決策が知られている。特許文献1には、光学材料の中で比較的高い屈折率を有するジルコニウム酸化物を含む多層膜を有する回折格子が開示されている。特許文献2には、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が開示されている。   In order to reduce the reflection of incident light by the transmissive diffractive element and improve the transmissive diffraction efficiency, an antireflection layer made of a material having a refractive index different (lower or higher) from the substrate material is provided on the surface of the element or the multilayer. Solutions are known for introduction into a part of the membrane. Patent Document 1 discloses a diffraction grating having a multilayer film including a zirconium oxide having a relatively high refractive index among optical materials. Patent Document 2 discloses a transmissive diffraction element having high diffraction efficiency and low polarization dependence over the entire wavelength band of incident light.

特開2008−217954号公報JP 2008-217954 A 特開2017−4004号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2017-4004

しかし、回折素子の性能は、ドライエッチング等の手段により回折素子表面に形成された凹凸状の格子構造の材質、寸法、及び形状などによって変化する。特許文献1の回折格子には、格子構造の形成のためのドライエッチング等の手段によって生じる加工深さ及び溝底部形状の面内ばらつきによって回折効率が悪化するという問題、及びロット間ばらつきによって回折効率の再現性を得難いという問題がある。   However, the performance of the diffractive element varies depending on the material, size, shape, and the like of the uneven grating structure formed on the surface of the diffractive element by means such as dry etching. The diffraction grating of Patent Document 1 has a problem that the diffraction efficiency deteriorates due to in-plane variations in the processing depth and groove bottom shape caused by means such as dry etching for forming a grating structure, and the diffraction efficiency due to lot-to-lot variations. There is a problem that it is difficult to obtain reproducibility.

特許文献2の透過型回折格子では、多層格子構造を形成する際のドライエッチングによって、格子形状に面内ばらつき(例えば、アンダーエッチング及びオーバーエッチング)が生じ、回折効率が低下する問題がある。   In the transmission type diffraction grating of Patent Document 2, there is a problem in that in-plane variation (for example, under-etching and over-etching) occurs in the grating shape due to dry etching when forming a multilayer grating structure, and diffraction efficiency is lowered.

本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、加工による格子形状の面内ばらつきを低減させることにより高い回折効率を有するとともに、ロット間ばらつきを低減させることにより回折効率の高い再現性を有する透過型回折素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and has high diffraction efficiency by reducing in-plane variation of the lattice shape due to processing, and also improves diffraction efficiency by reducing variation between lots. An object of the present invention is to provide a transmissive diffraction element having high reproducibility.

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、表面と裏面を有する基板と、基板の表面上に形成された、ジルコニウム酸化物からなる反射防止層と、反射防止層の上に形成され、周期的な凹凸パターンを有する格子部と、を備える透過型回折素子を提供する。   In order to solve the above problems, one embodiment of the present invention is formed on a substrate having a front surface and a back surface, an antireflection layer made of zirconium oxide formed on the surface of the substrate, and the antireflection layer. And a diffractive element including a grating portion having a periodic uneven pattern.

本発明により、加工による格子形状の面内ばらつきを低減させることにより高い回折効率を有するとともに、ロット間ばらつきを低減させることにより回折効率の高い再現性を有する透過型回折素子を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a transmission type diffractive element having high diffraction efficiency by reducing in-plane variation of the grating shape due to processing and having high reproducibility with high diffraction efficiency by reducing lot-to-lot variation.

本発明の実施の形態1による透過型回折素子の概略的な断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a transmissive diffraction element according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態1による透過型回折素子の入射光と回折光の関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the relationship between the incident light and diffracted light of the transmissive | pervious diffraction element by Embodiment 1 of this invention. 透過型回折素子の比較例の概略的な断面図である。It is a schematic sectional drawing of the comparative example of a transmissive | pervious diffraction element. 本発明の実施の形態1による透過型回折素子及び比較例の−1次の透過回折光の回折効率を示すグラフである。It is a graph which shows the diffraction efficiency of the transmission type diffraction element by Embodiment 1 of this invention, and the -1st order transmission diffracted light of a comparative example. 対象波長帯域における、0次の反射回折光の回折効率と−1次の反射回折光の回折効率の合計値を示すグラフである。It is a graph which shows the total value of the diffraction efficiency of 0th-order reflective diffracted light, and the diffraction efficiency of -1st-order reflected diffracted light in a target wavelength band. オーバーエッチングが生じた場合の、本発明の実施の形態1による透過型回折素子を示す概略的な断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a transmission type diffraction element according to Embodiment 1 of the present invention when overetching occurs. オーバーエッチングが生じた場合の、透過型回折素子の比較例を示す概略的な断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the comparative example of a transmissive | pervious diffraction element when overetching arises. オーバーエッチング部の深さが変化した場合の透過型回折素子の−1次の透過光の回折効率の低下量を示すグラフである。It is a graph which shows the fall amount of the diffraction efficiency of the -1st order transmitted light of a transmission type diffraction element when the depth of an overetching part changes. 本発明の実施の形態1による透過型回折素子について、反射防止層のオーバーエッチング部の深さと、−1次の透過光の回折効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the depth of the overetching part of an antireflection layer, and the diffraction efficiency of -1st order transmitted light about the transmission type diffraction element by Embodiment 1 of this invention. 透過型回折素子の比較例について、基板のオーバーエッチング部の深さと、−1次の透過光の回折効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the depth of the overetching part of a board | substrate, and the diffraction efficiency of -1st order transmitted light about the comparative example of a transmissive | pervious diffraction element. 本発明の実施の形態1による透過型回折素子の他の具体例の概略的な断面図である。It is a schematic sectional drawing of the other specific example of the transmissive | pervious diffraction element by Embodiment 1 of this invention. 図11の断面図の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of sectional drawing of FIG. 本発明の実施の形態2による透過型回折素子の概略的な断面図である。It is a schematic sectional drawing of the transmissive | pervious diffraction element by Embodiment 2 of this invention. 図13の断面図の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of sectional drawing of FIG. 透過型回折素子の比較例の概略的な断面図である。It is a schematic sectional drawing of the comparative example of a transmissive | pervious diffraction element. 本発明の実施の形態2による透過型回折素子及び比較例の−1次の透過回折光の回折効率を示すグラフである。It is a graph which shows the diffraction efficiency of the transmission type diffraction element by Embodiment 2 of this invention, and the -1st order transmission diffracted light of a comparative example. 対象波長帯域における、0次の反射回折光の回折効率と−1次の反射回折光の回折効率の合計値を示すグラフである。It is a graph which shows the total value of the diffraction efficiency of 0th-order reflective diffracted light, and the diffraction efficiency of -1st-order reflected diffracted light in a target wavelength band. オーバーエッチングが生じた場合の、本発明の実施の形態2による透過型回折素子を示す概略的な断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the transmission type diffraction element by Embodiment 2 of this invention when overetching arises. オーバーエッチングが生じた場合の、透過型回折素子の比較例を示す概略的な断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the comparative example of a transmissive | pervious diffraction element when overetching arises. オーバーエッチング部の深さが変化した場合の透過型回折素子の−1次の透過光の回折効率の低下量を示すグラフである。It is a graph which shows the fall amount of the diffraction efficiency of the -1st order transmitted light of a transmission type diffraction element when the depth of an overetching part changes. 本発明の実施の形態2による透過型回折素子について、反射防止層のオーバーエッチング部の深さと、−1次の透過光の回折効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the depth of the overetching part of an antireflection layer, and the diffraction efficiency of -1st order transmitted light about the transmission type diffraction element by Embodiment 2 of this invention. 透過型回折素子の比較例について、基板のオーバーエッチング部の深さと、−1次の透過光の回折効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the depth of the overetching part of a board | substrate, and the diffraction efficiency of -1st order transmitted light about the comparative example of a transmissive | pervious diffraction element. 本発明の実施の形態3によるレーザ発振器の模式的な構成図である。It is a typical block diagram of the laser oscillator by Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4によるレーザ加工機の模式的な構成図である。It is a typical block diagram of the laser beam machine by Embodiment 4 of this invention.

実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1について、図面を参照して具体的に説明する。以下の説明では、本発明の理解を容易にするために、上、下などの特定の方向を表す用語を使用しているが、それらの用語により本発明の範囲が限定されると理解すべきでない。
Embodiment 1 FIG.
Embodiment 1 of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. In the following description, in order to facilitate understanding of the present invention, terms representing a specific direction such as up and down are used, but it should be understood that these terms limit the scope of the present invention. Not.

図1は、全体が100で表される、本発明の実施の形態1による透過型回折素子(以下、単に「回折素子」という。)の概略的な断面図である。回折素子100は、表面と裏面を有する基板40と、基板40の表面上に形成された反射防止層20と、反射防止層20の上に形成された格子部10とを備える。回折素子100は、基板40の裏面上に裏面反射防止層50を更に備えてもよい。反射防止層20と格子部10を併せて回折格子30と呼ぶ。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a transmissive diffractive element (hereinafter, simply referred to as “diffractive element”) according to Embodiment 1 of the present invention, the whole being represented by 100. The diffraction element 100 includes a substrate 40 having a front surface and a back surface, an antireflection layer 20 formed on the surface of the substrate 40, and a grating portion 10 formed on the antireflection layer 20. The diffraction element 100 may further include a back surface antireflection layer 50 on the back surface of the substrate 40. The antireflection layer 20 and the grating portion 10 are collectively referred to as a diffraction grating 30.

本明細書では、基板40の厚さ方向をZ方向とし、Z軸に垂直な面をXY平面とする。基板40の表面及び裏面は、XY平面に実質的に平行な面である。図1の紙面垂直方向をY方向とし、Y軸とZ軸に垂直な方向をX方向とする。   In this specification, the thickness direction of the substrate 40 is defined as the Z direction, and the plane perpendicular to the Z axis is defined as the XY plane. The front surface and the back surface of the substrate 40 are surfaces substantially parallel to the XY plane. A direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1 is a Y direction, and a direction perpendicular to the Y axis and the Z axis is an X direction.

基板40は、例えば、入射光の波長(例えば、可視光の波長から近赤外光の波長)に対して透明な透明基板である。例えば、基板40は、石英ガラス又は合成石英からなる。   The substrate 40 is, for example, a transparent substrate that is transparent with respect to the wavelength of incident light (for example, the wavelength of visible light to the wavelength of near infrared light). For example, the substrate 40 is made of quartz glass or synthetic quartz.

図示の例では、反射防止層20は、ジルコニウム酸化物からなる単層膜である。反射防止層20は、真空蒸着法又はスパッタ法などの薄膜形成方法によって、基板40の表面上に形成される。D20は、反射防止層20の厚さ(高さ)を表す。 In the illustrated example, the antireflection layer 20 is a single layer film made of zirconium oxide. The antireflection layer 20 is formed on the surface of the substrate 40 by a thin film forming method such as a vacuum evaporation method or a sputtering method. D 20 represents the thickness (height) of the antireflection layer 20.

断面図である図1では、格子部10は、反射防止層20上に、X方向に互いに間隔を空けて周期的に(周期Pで)並んだ多数の凸部(突起)11と、隣接する凸部11間の凹部(間隙部)12とからなる。格子部10は、Y方向に一様な形状を有するライン&スペース構造である。すなわち、回折素子100をY軸に垂直に切った断面の形状は、Y位置にかかわらず実質的に同一である。凸部11は、X軸方向の幅Wと、高さDとを有する。 In FIG. 1, which is a cross-sectional view, the lattice portion 10 is adjacent to a large number of convex portions (projections) 11 that are arranged periodically (with a period P) at intervals in the X direction on the antireflection layer 20. It consists of a recess (gap) 12 between the protrusions 11. The lattice unit 10 has a line and space structure having a uniform shape in the Y direction. That is, the cross-sectional shape of the diffraction element 100 cut perpendicularly to the Y-axis is substantially the same regardless of the Y position. Protrusion 11 has a width W in the X-axis direction and the height D G.

凸部11は、酸化シリコン、窒化シリコン、及び酸窒化シリコンの内から選ばれる1つ以上の材料からなる単層又は多層構造である。格子部10は、例えば、反射防止層20の上に、真空蒸着法又はスパッタ法などの薄膜形成方法によって、凸部11の材料を堆積させるステップと、ドライエッチング、ウェットエッチング、及びナノインプリントなどの公知の方法によって、堆積した材料を加工するステップと、を使用して形成される。   The convex portion 11 has a single-layer or multi-layer structure made of one or more materials selected from silicon oxide, silicon nitride, and silicon oxynitride. For example, the lattice portion 10 includes a step of depositing the material of the convex portion 11 on the antireflection layer 20 by a thin film forming method such as a vacuum evaporation method or a sputtering method, and known methods such as dry etching, wet etching, and nanoimprinting. And a step of processing the deposited material.

上記のようにシリコンを含む凸部11の材料は、典型的には、フルオロカーボンガス(例えばCF)を用いたドライエッチングによって加工される。ジルコニウム酸化物は、フルオロカーボンガスに対して高いエッチング耐性を有する。したがって、凸部11の材料のエッチング速度は、ジルコニウム酸化物からなる反射防止層20のエッチング速度と大きく異なる。この相対的なエッチング速度の比(加工対象(凸部11の材料)のエッチング速度/非加工対象(反射防止層20)のエッチング速度)を利用して、オーバーエッチングを抑制することができる。すなわち、ジルコニウム酸化物からなる反射防止層20は、エッチングストッパとして機能する。 As described above, the material of the convex portion 11 containing silicon is typically processed by dry etching using a fluorocarbon gas (for example, CF 4 ). Zirconium oxide has high etching resistance against fluorocarbon gas. Therefore, the etching rate of the material of the convex portion 11 is significantly different from the etching rate of the antireflection layer 20 made of zirconium oxide. Overetching can be suppressed by using the ratio of the relative etching rates (the etching rate of the processing target (material of the convex portion 11) / the etching rate of the non-processing target (antireflection layer 20)). That is, the antireflection layer 20 made of zirconium oxide functions as an etching stopper.

裏面反射防止層50は、例えば真空蒸着法又はスパッタ法などの薄膜形成方法によって、基板40の裏面上に形成される。裏面反射防止層50は、酸化シリコン、酸窒化シリコン及びフッ化マグネシウムなどの低屈折率材料と、窒化シリコン、酸化チタン及び五酸化タンタルなどの高屈折率材料と、を含む光学多層膜である。あるいは、裏面反射防止層50は、酸化シリコン、酸窒化シリコン及びフッ化マグネシウムの内から選ばれる1つ以上の材料からなる低屈折率材料と、窒化シリコン、酸化チタン及び五酸化タンタルの内から選ばれる1つ以上の材料からなる高屈折率材料と、からなる光学多層膜であってもよい。裏面反射防止層50は、光が基板40内から空気中へ出る場合、又は空気から基板40に入射する場合の光の反射損を抑制する。   The back surface antireflection layer 50 is formed on the back surface of the substrate 40 by a thin film forming method such as a vacuum evaporation method or a sputtering method. The back surface antireflection layer 50 is an optical multilayer film including a low refractive index material such as silicon oxide, silicon oxynitride, and magnesium fluoride, and a high refractive index material such as silicon nitride, titanium oxide, and tantalum pentoxide. Alternatively, the back surface antireflection layer 50 is selected from a low refractive index material made of one or more materials selected from silicon oxide, silicon oxynitride, and magnesium fluoride, and silicon nitride, titanium oxide, and tantalum pentoxide. And an optical multilayer film made of a high refractive index material made of one or more materials. The back surface antireflection layer 50 suppresses reflection loss of light when light exits from the substrate 40 into the air or enters the substrate 40 from the air.

図2は、回折素子100の入射光と回折光の関係を示す模式図である。まず、回折素子100に、光源(図示せず)からの入射光101が、入射角θで、入射される。入射光101は、回折素子100の格子部10によって回折され、0次(回折次数m=0)の反射回折光102と、−1次(m=−1)の反射回折光103とが発生する。一般的に、m次の反射回折光の反射回折角θRmは、次の式(1)を満たす。 FIG. 2 is a schematic diagram showing the relationship between incident light and diffracted light of the diffraction element 100. First, incident light 101 from a light source (not shown) is incident on the diffraction element 100 at an incident angle θ 0 . The incident light 101 is diffracted by the grating portion 10 of the diffractive element 100 to generate 0th-order (diffraction order m = 0) reflected diffracted light 102 and −1st-order (m = −1) reflected diffracted light 103. . In general, the reflection diffraction angle θ Rm of the m-th order reflected diffracted light satisfies the following formula (1).

Figure 2019132905
Figure 2019132905

ここで、Pは格子周期であり、mは回折次数である。   Here, P is the grating period and m is the diffraction order.

したがって、反射回折光102、103のそれぞれの回折角θR0、θR−1は、式(1)から導くことができる。 Accordingly, the diffraction angles θ R0 and θ R−1 of the reflected diffracted light beams 102 and 103 can be derived from the equation (1).

さらに、図2には、回折素子100を透過した0次(m=0)の透過回折光104と、−1次(m=−1)の透過回折光105とが図示されている。透過回折光104、105の回折角θT0、θT−1は、式(1)の反射回折角θRmを透過回折角θTmに置き換えることによって導くことができる。 Further, FIG. 2 shows 0th-order (m = 0) transmitted diffracted light 104 and -1st-order (m = −1) transmitted diffracted light 105 transmitted through the diffraction element 100. The diffraction angles θ T0 and θ T−1 of the transmitted diffracted light 104 and 105 can be derived by replacing the reflection diffraction angle θ Rm in the equation (1) with the transmission diffraction angle θ Tm .

入射角θの絶対値と0次の反射回折角θR0の絶対値が等しい配置(リトロー配置)では、他の配置より高い回折効率が得られることが知られている。リトロー配置では、次の式(2)が成り立つ。 It is known that a higher diffraction efficiency can be obtained in an arrangement (Littrow arrangement) in which the absolute value of the incident angle θ 0 is equal to the absolute value of the zero-order reflection diffraction angle θ R0 (Littrow arrangement). In the Littrow arrangement, the following equation (2) is established.

Figure 2019132905
Figure 2019132905

回折素子に対して光を入射した際、0次、±1次、±2次などの高次の回折光が生じ、これにより光の利用効率が低くなる。そこで、回折素子表面に鉛直な方向から角度を付けて光を入射するなどして、利用する回折光(本発明では、−1次の透過回折光)よりも高次の回折光を生じさせないようにすることが好ましい。   When light is incident on the diffractive element, higher-order diffracted light such as 0th order, ± 1st order, ± 2nd order, etc. is generated, thereby reducing the light utilization efficiency. In view of this, the incident light is incident on the surface of the diffractive element at an angle from the vertical direction so as not to generate higher-order diffracted light than the diffracted light used (in the present invention, -1st order transmitted diffracted light). It is preferable to make it.

次に、格子部10の直下に反射防止層20を設けることによって得られる効果について説明する。まず、回折効率の改善効果について説明する。   Next, the effect obtained by providing the antireflection layer 20 immediately below the lattice part 10 will be described. First, the effect of improving the diffraction efficiency will be described.

図3は、図1に対する比較例として、反射防止層20を備えない回折素子200を示している。図1の回折素子100と図3の回折素子200の回折効率を比較する。図4は、入射光の波長を横軸として、反射防止層20を備える回折素子100の−1次の透過回折光の回折効率(以下、「透過回折効率」という。)η1T−1(実線)と、反射防止層20を備えない回折素子200の−1次の透過回折効率η2T−1(破線)とを示すグラフである。図4の回折効率の値は、シミュレーションによって得られたものである。シミュレーションには、RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis、厳密結合波解析)法による電磁界シミュレータ「DiffractMOD」(synopsys社)を用いた。シミュレーションに用いられたパラメータを、次の表1に示す。 FIG. 3 shows a diffraction element 200 that does not include the antireflection layer 20 as a comparative example with respect to FIG. The diffraction efficiency of the diffraction element 100 of FIG. 1 and the diffraction element 200 of FIG. 3 will be compared. 4 shows the diffraction efficiency of -1st order transmitted diffracted light (hereinafter referred to as “transmitted diffraction efficiency”) η1 T-1 (solid line) with respect to the wavelength of incident light as the horizontal axis. ) And −1st-order transmission diffraction efficiency η2 T-1 (broken line) of the diffraction element 200 that does not include the antireflection layer 20. The value of the diffraction efficiency in FIG. 4 is obtained by simulation. For the simulation, an electromagnetic field simulator “DiffractMOD” (synopsys) based on the RCWA (Rigorous Coupled-Wave Analysis) method was used. The parameters used for the simulation are shown in Table 1 below.

Figure 2019132905
Figure 2019132905

ここで、波長λはシミュレーションの対象である入射光の波長帯域の中心波長である。Δλは、波長幅であり、シミュレーションは、入射光の波長をλ−Δλからλ+Δλまで変化させて行われた。これは、例えばレーザ共振器で使用される波長帯域である。入射方位φは、入射光101をXY平面に投射した射影とX軸とがなす角度である。偏向角ψは、入射光101の電界振動方向をXY平面に投射した射影と、X軸とがなす角度である。ψ=90°の場合、偏光が光の入射面と直交していることを意味する。占有率Fは、凸部11の周期P及び幅Wを用いて、W/Pで定義される。格子部10の加工を容易にするために、0.2≦F≦0.8であることが好ましい。   Here, the wavelength λ is the center wavelength of the wavelength band of incident light to be simulated. Δλ is a wavelength width, and the simulation was performed by changing the wavelength of incident light from λ−Δλ to λ + Δλ. This is a wavelength band used in a laser resonator, for example. The incident azimuth φ is an angle formed by the projection of the incident light 101 projected on the XY plane and the X axis. The deflection angle ψ is an angle formed by a projection obtained by projecting the electric field vibration direction of the incident light 101 on the XY plane and the X axis. When ψ = 90 °, it means that the polarized light is orthogonal to the light incident surface. The occupation rate F is defined by W / P using the period P and the width W of the convex portion 11. In order to facilitate the processing of the lattice portion 10, it is preferable that 0.2 ≦ F ≦ 0.8.

表1の凸部11の高さD、占有率F及び反射防止層20の厚さD20は、最適化されたものである。ここで、「最適化」とは、対象波長帯域(λ−Δλからλ+Δλ)において回折効率が最大となるようにパラメータ値を選択することを指す。 The height D G , the occupation ratio F, and the thickness D 20 of the antireflection layer 20 in Table 1 are optimized. Here, “optimization” refers to selecting parameter values so that the diffraction efficiency is maximized in the target wavelength band (λ−Δλ to λ + Δλ).

シミュレーションにおいて、反射防止層20の屈折率N20には、ジルコニウム酸化物の屈折率(N20=2.208)を用いた。 In the simulation, the refractive index of zirconium oxide (N 20 = 2.208) was used as the refractive index N 20 of the antireflection layer 20.

なお、回折効率を導出するこのシミュレーションでは、裏面反射防止層50を考慮していないことに留意が必要である。   It should be noted that the simulation for deriving the diffraction efficiency does not consider the back surface antireflection layer 50.

図4からわかるように、反射防止層20を導入することによって、対象波長帯域(0.94μm〜1.03μm)において、透過回折効率が向上することが確認できる。   As can be seen from FIG. 4, it is confirmed that the transmission diffraction efficiency is improved in the target wavelength band (0.94 μm to 1.03 μm) by introducing the antireflection layer 20.

図5は、対象波長帯域における、0次の反射回折光の回折効率(以下、「反射回折効率」という。)ηR0と−1次の反射回折効率ηR−1の合計値(以下、「合計反射回折効率」という。)ηを示すグラフである。図5では、横軸は入射光の波長を示す。実線は、反射防止層20を備える回折素子100の合計反射回折効率η1を示し、破線は、反射防止層20を備えない回折素子200の合計反射回折効率η2を示している。図5から、反射防止層20の導入により、対象波長帯において合計反射回折効率が低減することがわかる。 FIG. 5 shows the total value of the diffraction efficiency of 0th-order reflected diffracted light (hereinafter referred to as “reflected diffraction efficiency”) η R0 and −1st-order reflected diffraction efficiency η R-1 in the target wavelength band (hereinafter referred to as “ It is referred to as “total reflection diffraction efficiency.”) Η R is a graph. In FIG. 5, the horizontal axis represents the wavelength of incident light. The solid line indicates the total reflection diffraction efficiency η1 R of the diffraction element 100 including the antireflection layer 20, and the broken line indicates the total reflection diffraction efficiency η2 R of the diffraction element 200 not including the antireflection layer 20. FIG. 5 shows that the total reflection diffraction efficiency is reduced in the target wavelength band by introducing the antireflection layer 20.

回折素子100又は200による光吸収等の損失がない場合、次の式が(3)成り立つ。   When there is no loss such as light absorption by the diffraction element 100 or 200, the following expression (3) holds.

Figure 2019132905
Figure 2019132905

前述のように反射防止層20の導入により透過回折効率が向上するのは、図5の通り、合計反射回折効率ηが低減することに起因すると考えられる。 To improve the transmission diffraction efficiency by the introduction of the anti-reflection layer 20 as described above, as in FIG. 5, is considered a total reflection diffraction efficiency eta R is due to be reduced.

以上の説明では、基板40と凸部11の材料は、ともに二酸化シリコン(SiO)である。すなわち、基板40と凸部11の材料の屈折率N、Nを、SiOの屈折率である1.457に設定してシミュレーションを行った。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、凸部11の材料は、酸化シリコン、窒化シリコン、又は酸窒化シリコンであってもよい。なお、凸部11の材料が異なれば、最適な凸部11の高さD、及び反射防止膜の厚さD20も変動し得ることに留意が必要である。 In the above description, the material of the substrate 40 and the convex portion 11 is both silicon dioxide (SiO 2 ). That is, the simulation was performed by setting the refractive indexes N S and NG of the material of the substrate 40 and the convex portion 11 to 1.457 which is the refractive index of SiO 2 . However, the present invention is not limited to this, and the material of the convex portion 11 may be silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride. It should be noted that if the material of the convex portion 11 is different, the optimum height D G of the convex portion 11 and the thickness D 20 of the antireflection film may also vary.

次に、格子部10の直下に反射防止層20を設けることによって、エッチングなどの加工の影響により回折効率が悪化することを防止できる効果について説明する。   Next, the effect that the diffraction efficiency can be prevented from being deteriorated due to the influence of processing such as etching by providing the antireflection layer 20 immediately below the grating portion 10 will be described.

図6は、凸部11を形成するためのドライエッチング工程において、オーバーエッチングが生じた場合の回折素子100を示す概略的な断面図である。オーバーエッチングにより生じた反射防止層20内の溝を、オーバーエッチング部60と呼ぶ。図6では、D60は、オーバーエッチング部60の深さを表している。言い換えれば、D60は、オーバーエッチング部60の底面から反射防止層20の上面までのZ軸方向の距離である。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the diffraction element 100 when overetching occurs in the dry etching process for forming the protrusions 11. A groove in the antireflection layer 20 generated by overetching is referred to as an overetched portion 60. In FIG. 6, D 60 represents the depth of the overetched portion 60. In other words, D 60 is the distance in the Z-axis direction from the bottom surface of the overetched portion 60 to the top surface of the antireflection layer 20.

図7は、凸部11を形成するためのドライエッチング工程において、オーバーエッチングが生じた場合の回折素子200を示す概略的な断面図である。オーバーエッチングにより生じた基板40内の溝を、オーバーエッチング部70と呼ぶ。図7では、D70は、オーバーエッチング部70の深さを表している。オーバーエッチングが生じた回折素子100と回折素子200の回折効率を比較する。 FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the diffraction element 200 when overetching occurs in the dry etching process for forming the protrusions 11. A groove in the substrate 40 generated by overetching is referred to as an overetched portion 70. In FIG. 7, D 70 represents the depth of the overetched portion 70. The diffraction efficiencies of the diffraction element 100 and the diffraction element 200 in which over-etching has occurred are compared.

フルオロカーボンガスを用いた場合、ジルコニウム酸化物に対するエッチングの速度は、SiOに対するエッチングの速度の約1/5であることが知られている(例えば、H.-S. Kim et al., The Use of Inductively Coupled CF4/Ar Plasma to Improve the Etch Rate of ZrO2 Thin Films. TRANSACTIONS ON ELECTRICAL AND ELECTRONIC MATERIALS. 2013, 14(1), pp.12-15.参照)。したがって、回折素子100の反射防止層20に対するエッチングの速度が、回折素子200の基板40に対するエッチングの速度の約1/5であるものとして、シミュレーションを行った。 When fluorocarbon gas is used, the etching rate for zirconium oxide is known to be about 1/5 of the etching rate for SiO 2 (eg, H.-S. Kim et al., The Use of Inductively Coupled CF 4 / Ar Plasma to Improve the Etch Rate of ZrO2 Thin Films. TRANSACTIONS ON ELECTRICAL AND ELECTRONIC MATERIALS. 2013, 14 (1), pp.12-15 Therefore, the simulation was performed on the assumption that the etching speed of the diffraction element 100 with respect to the antireflection layer 20 was about 1/5 of the etching speed of the diffraction element 200 with respect to the substrate 40.

図8は、オーバーエッチング部60、70の深さD60、D70が変化した場合の回折素子100、200のそれぞれの−1次の透過回折効率ηT−1の低下量を示すグラフである。対象波長帯域は、例えばレーザ共振器に使用される波長帯域(0.95μm≦λ≦1.01μm)である。図8は、オーバーエッチング時間が0、T1及びT2であった場合に完成した回折素子100、200のそれぞれの−1次の透過回折効率ηT−1の低下量を示している。言い換えれば、横軸は、加工時間で規格化されたオーバーエッチング部60、70の深さである。 FIG. 8 is a graph showing the amount of decrease in the −1st order transmission diffraction efficiency η T-1 of each of the diffraction elements 100 and 200 when the depths D 60 and D 70 of the overetched portions 60 and 70 are changed. . The target wavelength band is, for example, a wavelength band (0.95 μm ≦ λ ≦ 1.01 μm) used for a laser resonator. FIG. 8 shows the amount of decrease in the −1st order transmission diffraction efficiency η T-1 of each of the completed diffraction elements 100 and 200 when the overetching time is 0, T1, and T2. In other words, the horizontal axis represents the depth of the over-etched portions 60 and 70 normalized by the processing time.

図8の横軸の0は、加工された回折素子100、200の反射防止層20又は基板40が、オーバーエッチング状態でもアンダーエッチング状態でもないことを意味する。言い換えれば、図8の横軸の0は、オーバーエッチング部60、70の深さD60、D70が0nmであることを意味する。 8 on the horizontal axis in FIG. 8 means that the antireflection layer 20 or the substrate 40 of the processed diffraction elements 100 and 200 is not in an over-etched state or an under-etched state. In other words, 0 on the horizontal axis in FIG. 8 means that the depths D 60 and D 70 of the over-etched portions 60 and 70 are 0 nm.

図8の横軸のT1は、適切なエッチングの完了後に、T1の時間だけオーバーエッチングが行われたことを意味する。この場合、D60=5nm、D70=25nmに設定してシミュレーションを行った。この値は、ジルコニウム酸化物に対するエッチングの速度が、前述のようにSiOに対するエッチングの速度の約1/5であることを考慮して決定された。 T1 on the horizontal axis in FIG. 8 means that overetching has been performed for the time T1 after completion of appropriate etching. In this case, the simulation was performed by setting D 60 = 5 nm and D 70 = 25 nm. This value was determined considering that the etching rate for zirconium oxide was about 1/5 of the etching rate for SiO 2 as described above.

図8の横軸のT2は、適切なエッチングの完了後に、T2の時間だけオーバーエッチングが行われたことを意味する。この場合、D60=10nm、D70=50nmに設定してシミュレーションを行った。 T2 on the horizontal axis in FIG. 8 means that overetching has been performed for the time T2 after completion of appropriate etching. In this case, the simulation was performed by setting D 60 = 10 nm and D 70 = 50 nm.

図8から、同じ時間だけオーバーエッチングされた場合、反射防止層20を備えない回折素子200に比べて、回折素子100の−1次の透過回折効率ηT−1の低下量が著しく小さいことがわかる。 From FIG. 8, when the overetching is performed for the same time, the decrease amount of the −1st-order transmission diffraction efficiency η T-1 of the diffraction element 100 is remarkably small as compared with the diffraction element 200 without the antireflection layer 20. Recognize.

次に、図9と図10を参照して、オーバーエッチングが生じた場合の回折素子100と回折素子200について、透過回折効率の減少効果及び透過回折効率の波長依存性を比較する。   Next, with reference to FIG. 9 and FIG. 10, the diffraction element 100 and the diffraction element 200 when over-etching occurs are compared in terms of the transmission diffraction efficiency reduction effect and the wavelength dependence of the transmission diffraction efficiency.

図9は、回折素子100について、反射防止層20のオーバーエッチング部60の深さD60と、−1次の透過回折効率ηT−1との関係を示すグラフである。図9の横軸は、図4と同範囲の入射光の波長である。図9の実線は、オーバーエッチング部60の深さD60=0nmの場合の(すなわち、オーバーエッチングが生じていない場合の)、破線は、D60=5nmの場合の、点線は、D60=10nmの場合の、透過回折効率を示している。 FIG. 9 is a graph showing the relationship between the depth D 60 of the overetched portion 60 of the antireflection layer 20 and the −1st-order transmission diffraction efficiency η T-1 for the diffraction element 100. The horizontal axis in FIG. 9 is the wavelength of incident light in the same range as in FIG. The solid line in FIG. 9, when the depth D 60 = 0 nm overetch portion 60 (i.e., when the over etching does not occur), the broken line, in the case of D 60 = 5 nm, the dotted line, D 60 = The transmission diffraction efficiency in the case of 10 nm is shown.

図10は、回折素子200について、基板40のオーバーエッチング部70の深さD70と、−1次の透過回折効率ηT−1との関係を示すグラフである。図10の実線は、オーバーエッチング部70の深さD70=0nmの場合の(すなわち、オーバーエッチングが生じていない場合の)、破線は、D70=25nmの場合の、点線は、D70=50nmの場合の、透過回折効率を示している。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between the depth D 70 of the overetching portion 70 of the substrate 40 and the −1st-order transmission diffraction efficiency η T-1 for the diffraction element 200. The solid line in FIG. 10, when the depth D 70 = 0 nm in the over-etching portion 70 (i.e., when the over etching does not occur), the broken line, in the case of D 70 = 25 nm, the dotted line, D 70 = The transmission diffraction efficiency in the case of 50 nm is shown.

図9からわかるように、反射防止層20を備える回折素子100については、オーバーエッチングが進んでも、対象波長帯域の広い範囲で、回折効率はわずかに減少するのみである。これに比べて、図10の反射防止層20を備えない回折素子200では、オーバーエッチングが進むと、特に対象波長帯域のうち比較的短波長の帯域において、回折効率が著しく減少する。これは、反射防止層20を備える回折素子100については、オーバーエッチング部60の深さD60が比較的小さく抑えられるため、回折に寄与する格子部10の形状の変化と、格子部10の面内ばらつきとが小さく抑えられるからであると考えられる。 As can be seen from FIG. 9, the diffraction efficiency of the diffraction element 100 having the antireflection layer 20 is only slightly reduced over a wide range of the target wavelength band even if overetching progresses. In contrast, in the diffraction element 200 that does not include the antireflection layer 20 of FIG. 10, when over-etching proceeds, the diffraction efficiency is significantly reduced, particularly in a relatively short wavelength band of the target wavelength band. This is for the diffraction element 100 with an anti-reflection layer 20, since the depth D 60 of the over-etching portion 60 is suppressed relatively small, and the change in shape of contributing grating portion 10 in diffraction surface of the grating portion 10 This is considered to be because the internal variation can be kept small.

一般的に、入射光が波長幅を有すること、及び回折素子の格子寸法などに製造過程においてばらつきが生じることから、回折素子は、広い波長帯域にわたって高い回折効率を有することが好ましい。この観点から、本発明の回折素子100は、オーバーエッチングが生じた場合でも、広い波長帯域にわたって高い回折効率が得られるため、有利である。   In general, since the incident light has a wavelength width and the diffraction dimensions of the diffraction element vary in the manufacturing process, the diffraction element preferably has high diffraction efficiency over a wide wavelength band. From this viewpoint, the diffraction element 100 of the present invention is advantageous because high diffraction efficiency can be obtained over a wide wavelength band even when overetching occurs.

ドライエッチングを用いて格子部10を形成する場合、サイクルタイムを短縮するためにはエッチング速度(加工速度)が高い方が望ましいが、それに伴いオーバーエッチングを抑制することが難しくなる。しかしながら、上述のように、格子部10の直下にジルコニウム酸化物からなる反射防止層20を設けることにより、エッチング速度を高めても、比較的容易にオーバーエッチングを抑制することができる。したがって、面内ばらつきの低減により、高い回折効率を確保することができる。さらに、ロット間ばらつきを低減させることにより回折効率の高い再現性を得ることができ、回折素子の製造について高い歩留まりを達成できる。   When the lattice portion 10 is formed using dry etching, it is desirable that the etching rate (processing rate) is high in order to shorten the cycle time, but it becomes difficult to suppress overetching accordingly. However, as described above, by providing the antireflection layer 20 made of zirconium oxide immediately below the lattice portion 10, overetching can be suppressed relatively easily even if the etching rate is increased. Therefore, high diffraction efficiency can be ensured by reducing in-plane variation. Furthermore, by reducing the variation between lots, reproducibility with high diffraction efficiency can be obtained, and a high yield can be achieved in the manufacture of diffraction elements.

以上のように、本発明の回折素子100では、反射防止層20を設け、入射光の反射を防止するとともにエッチングなどの加工による格子形状の面内ばらつきを低減させることにより、透過回折効率が向上する。さらに、ロット間ばらつきを低減させることにより回折効率の高い再現性を得ることができる。   As described above, in the diffraction element 100 of the present invention, the transmission diffraction efficiency is improved by providing the antireflection layer 20 to prevent reflection of incident light and reduce in-plane variation of the grating shape due to processing such as etching. To do. Furthermore, reproducibility with high diffraction efficiency can be obtained by reducing the variation between lots.

なお、以上では、凸部11の断面形状が実質的に長方形である具体例について説明したが、凸部11の形状はこれに限定されない。図11は、全体が150で表される、本発明の実施の形態1による透過型回折素子の他の具体例の概略的な断面図である。図12は、図11の回折素子150の部分拡大図であり、凸部11の断面の概略的な拡大図を示している。凸部11は、実質的に平坦な上面11aと、対向する側壁11bとを有する。図11及び図12では、図1と異なり、側壁11bは傾斜している。Z軸と側壁11bとがなす角度を傾斜角Sとする。すなわち、凸部11の断面形状は台形であり、この台形は、上面幅Wと底面幅Wとを有する。上面幅Wと傾斜角Sが決定されると、底面幅Wの値は一意に定まる。なお、傾斜角Sはドライエッチング条件によって変化し得る。 In addition, although the specific example whose cross-sectional shape of the convex part 11 is substantially rectangular was demonstrated above, the shape of the convex part 11 is not limited to this. FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of another specific example of the transmissive diffraction element according to the first embodiment of the present invention, the whole being represented by 150. FIG. 12 is a partially enlarged view of the diffraction element 150 of FIG. 11 and shows a schematic enlarged view of the cross section of the convex portion 11. The convex part 11 has the substantially flat upper surface 11a and the opposing side wall 11b. 11 and 12, unlike FIG. 1, the side wall 11b is inclined. An angle formed by the Z axis and the side wall 11b is defined as an inclination angle S. That is, the cross-sectional shape of the convex portion 11 is a trapezoid, and this trapezoid has a top surface width W T and a bottom surface width W B. When the upper surface width W T and the inclination angle S is determined, the value of the bottom surface width W B is uniquely determined. Note that the tilt angle S can vary depending on the dry etching conditions.

実施の形態2.
図13は、全体が300で表される、本発明の実施の形態2による透過型回折素子の概略的な断面図である。図13中、図1と同一の符合は、同一又は相当箇所を示す。また、以下の記載では、原則として、実施の形態1と異なる点を中心に説明し、その他の部分については重複説明を省略する。回折素子300は、実施の形態1の回折素子100と同様に、基板40と、基板40の表面上に形成された反射防止層20と、反射防止層20の上に形成された格子部10とを備える。回折素子300は、基板40の裏面上に裏面反射防止層50を更に備えてもよい。反射防止層20と格子部10を併せて回折格子30と呼ぶ。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a transmissive diffractive element according to Embodiment 2 of the present invention, the whole of which is represented by 300. In FIG. 13, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts. Further, in the following description, as a general rule, differences from the first embodiment will be mainly described, and redundant description will be omitted for other portions. Similar to the diffraction element 100 of the first embodiment, the diffraction element 300 includes the substrate 40, the antireflection layer 20 formed on the surface of the substrate 40, and the grating portion 10 formed on the antireflection layer 20. Is provided. The diffraction element 300 may further include a back surface antireflection layer 50 on the back surface of the substrate 40. The antireflection layer 20 and the grating portion 10 are collectively referred to as a diffraction grating 30.

実施の形態2では、凸部11は、例えば、反射防止層20の表面に接する第1層15と、第1層15の上に形成された第2層14と、第2層14の上に形成された第3層13とからなる。もっとも、凸部11は、3層構造に限定されず、2層構造又は4層以上の積層構造であってもよい。第1層15の材料は、例えばSiO(屈折率1.457)であり、第2層14の材料は、例えばSi(屈折率2.023)であり、第3層13の材料は、例えばSiOである。 In the second embodiment, the convex portion 11 is formed on the first layer 15 in contact with the surface of the antireflection layer 20, the second layer 14 formed on the first layer 15, and the second layer 14, for example. The third layer 13 is formed. However, the convex portion 11 is not limited to a three-layer structure, and may have a two-layer structure or a laminated structure of four or more layers. The material of the first layer 15 is, for example, SiO 2 (refractive index 1.457), the material of the second layer 14 is, for example, Si 3 N 4 (refractive index 2.023), and the material of the third layer 13 Is, for example, SiO 2 .

図14は、図13の回折素子300の部分拡大図であり、凸部11の断面の概略的な拡大図を示している。凸部11の断面形状は台形であり、この台形は、上面幅Wと底面幅Wとを有する。上面幅Wと傾斜角Sが決定されると、底面幅Wの値は一意に定まる。なお、傾斜角Sはドライエッチング条件によって変化し得る。 FIG. 14 is a partially enlarged view of the diffraction element 300 of FIG. 13, and shows a schematic enlarged view of the cross section of the convex portion 11. The cross-sectional shape of the convex portion 11 is a trapezoid, and this trapezoid has a top surface width W T and a bottom surface width W B. When the upper surface width W T and the inclination angle S is determined, the value of the bottom surface width W B is uniquely determined. Note that the tilt angle S can vary depending on the dry etching conditions.

図15は、図13と異なり、反射防止層20を備えない回折素子400を示している。図13の回折素子300と図15の回折素子400の回折効率を比較する。図16は、入射光の波長を横軸として、回折素子300の−1次の透過回折効率η1T−1(実線)と、回折素子400の−1次の透過回折効率η2T−1(破線)とを示すグラフである。図16の回折効率の値は、シミュレーションによって得られたものである。シミュレーションに用いられたパラメータを、次の表2に示す。 FIG. 15 shows a diffraction element 400 that does not include the antireflection layer 20, unlike FIG. 13. The diffraction efficiencies of the diffraction element 300 of FIG. 13 and the diffraction element 400 of FIG. 15 are compared. FIG. 16 shows the −1st-order transmission diffraction efficiency η1 T-1 (solid line) of the diffraction element 300 and the −1st-order transmission diffraction efficiency η2 T-1 (broken line) of the diffraction element 400 with the wavelength of incident light as the horizontal axis. ). The value of diffraction efficiency in FIG. 16 is obtained by simulation. The parameters used for the simulation are shown in Table 2 below.

Figure 2019132905
Figure 2019132905

なお、波長λと、波長幅Δλと、入射方位φと、偏向角ψと、回折次数mは、表1と同一の値に設定された。   The wavelength λ, the wavelength width Δλ, the incident azimuth φ, the deflection angle ψ, and the diffraction order m were set to the same values as in Table 1.

図17は、対象波長帯域における、0次の反射回折効率ηR0と−1次の反射回折効率ηR−1の合計値(合計反射回折効率)ηを示すグラフである。図17では、横軸は入射光の波長を示す。実線は、反射防止層20を備える回折素子300の合計反射回折効率η1を示し、破線は、反射防止層20を備えない回折素子400の合計反射回折効率η2を示している。図17から、反射防止層20の導入により、合計反射回折効率が低減することがわかる。前述のように反射防止層20の導入により透過回折効率が向上するのは、このことに起因すると考えられる。 FIG. 17 is a graph showing the total value (total reflection diffraction efficiency) η R of the 0th-order reflection diffraction efficiency η R0 and the −1st-order reflection diffraction efficiency η R-1 in the target wavelength band. In FIG. 17, the horizontal axis indicates the wavelength of incident light. The solid line indicates the total reflection diffraction efficiency η1 R of the diffraction element 300 including the antireflection layer 20, and the broken line indicates the total reflection diffraction efficiency η2 R of the diffraction element 400 not including the antireflection layer 20. FIG. 17 shows that the total reflection diffraction efficiency is reduced by the introduction of the antireflection layer 20. As described above, it is considered that the transmission diffraction efficiency is improved by the introduction of the antireflection layer 20 as described above.

図4と図16とを比較すると、本発明の実施の形態2では、凸部11をSiを含む3層構造としたことにより、実施の形態1に比べて、−1次の透過回折効率が向上していることがわかる。これは、SiOに比べて、Siが高い屈折率を有する材料であることに起因する。 When FIG. 4 is compared with FIG. 16, in the second embodiment of the present invention, the convex portion 11 has a three-layer structure including Si 3 N 4 , so that the first-order transmission is compared with that in the first embodiment. It can be seen that the diffraction efficiency is improved. This is because Si 3 N 4 is a material having a higher refractive index than SiO 2 .

図18は、凸部11を形成するためのドライエッチング工程において、オーバーエッチングが生じた場合の回折素子300を示す概略的な断面図である。図19は、凸部11を形成するためのドライエッチング工程において、オーバーエッチングが生じた場合の回折素子400を示す概略的な断面図である。   FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing the diffraction element 300 when overetching occurs in the dry etching process for forming the protrusions 11. FIG. 19 is a schematic cross-sectional view showing the diffraction element 400 when overetching occurs in the dry etching process for forming the protrusions 11.

図20は、オーバーエッチング部60、70の深さD60、D70が変化した場合の回折素子300、400のそれぞれの−1次の透過回折効率ηT−1の低下量を示すグラフである。対象波長帯域は、例えばレーザ共振器に使用される波長帯域(0.95μm≦λ≦1.01μm)である。図20は、オーバーエッチング時間が0、T1及びT2であった場合に完成した回折素子300、400のそれぞれの−1次の透過回折効率ηT−1の低下量を示している。言い換えれば、横軸は、加工時間で規格化されたオーバーエッチング部60、70の深さである。 FIG. 20 is a graph showing the amount of decrease in the −1st-order transmission diffraction efficiency η T-1 of each of the diffraction elements 300 and 400 when the depths D 60 and D 70 of the overetched portions 60 and 70 change. . The target wavelength band is, for example, a wavelength band (0.95 μm ≦ λ ≦ 1.01 μm) used for a laser resonator. FIG. 20 shows the amount of decrease in the −1st-order transmission diffraction efficiency η T-1 of each of the completed diffraction elements 300 and 400 when the overetching time is 0, T1, and T2. In other words, the horizontal axis represents the depth of the over-etched portions 60 and 70 normalized by the processing time.

図20の横軸の0は、加工された回折素子300、400の反射防止層20又は基板40が、オーバーエッチング状態でもアンダーエッチング状態でもないことを意味する。言い換えれば、図20の横軸の0は、オーバーエッチング部60、70の深さD60、D70が0nmであることを意味する。 20 on the horizontal axis in FIG. 20 means that the antireflection layer 20 or the substrate 40 of the processed diffraction elements 300 and 400 is not in an over-etched state or an under-etched state. In other words, 0 on the horizontal axis in FIG. 20 means that the depths D 60 and D 70 of the overetched portions 60 and 70 are 0 nm.

図20の横軸のT1は、適切なエッチングの完了後に、T1の時間だけオーバーエッチングが行われたことを意味する。この場合、D60=5nm、D70=25nmに設定してシミュレーションを行った。 T1 on the horizontal axis in FIG. 20 means that overetching has been performed for the time T1 after completion of appropriate etching. In this case, the simulation was performed by setting D 60 = 5 nm and D 70 = 25 nm.

図20の横軸のT2は、適切なエッチングの完了後に、T2の時間だけオーバーエッチングが行われたことを意味する。この場合、D60=10nm、D70=50nmに設定してシミュレーションを行った。 T2 on the horizontal axis in FIG. 20 means that overetching has been performed for the time T2 after completion of appropriate etching. In this case, the simulation was performed by setting D 60 = 10 nm and D 70 = 50 nm.

図20から、同じ時間だけオーバーエッチングされた場合、反射防止層20を備えない回折素子400の−1次の透過回折効率ηT−1の低下量が平均で0.022であったのに対して、回折素子300の−1次の透過回折効率ηT−1の低下量は、わずか0.001のみであることがわかる。 From FIG. 20, when the overetching is performed for the same time, the decrease amount of the −1st-order transmission diffraction efficiency η T-1 of the diffraction element 400 that does not include the antireflection layer 20 is 0.022 on the average. Thus, it can be seen that the decrease amount of the −1st order transmission diffraction efficiency η T-1 of the diffraction element 300 is only 0.001.

図21は、回折素子300について、反射防止層20のオーバーエッチング部60の深さD60と、−1次の透過回折効率ηT−1との関係を示すグラフである。図21の横軸は波長である。図21の実線は、オーバーエッチング部60の深さD60=0nmの場合(すなわち、オーバーエッチングが生じていない場合)、破線は、D60=5nmの場合、点線は、D60=10nmの場合の透過回折効率を示している。 FIG. 21 is a graph showing the relationship between the depth D 60 of the overetched portion 60 of the antireflection layer 20 and the −1st-order transmission diffraction efficiency η T-1 for the diffraction element 300. The horizontal axis of FIG. 21 is the wavelength. The solid line in FIG. 21, when the depth D 60 = 0 nm overetch portion 60 (i.e., if the overetching does not occur), the broken line in the case of D 60 = 5 nm, the dotted line, if the D 60 = 10 nm The transmission diffraction efficiency is shown.

図22は、回折素子400について、基板40のオーバーエッチング部70の深さD70と、−1次の透過回折効率ηT−1との関係を示すグラフである。図22の実線は、オーバーエッチング部70の深さD70=0nmの場合(すなわち、オーバーエッチングが生じていない場合)、破線は、D70=25nmの場合、点線は、D70=50nmの場合の透過回折効率を示している。 FIG. 22 is a graph showing the relationship between the depth D 70 of the overetching portion 70 of the substrate 40 and the −1st order transmission diffraction efficiency η T-1 for the diffraction element 400. The solid line in FIG. 22, when the depth D 70 = 0 nm in the over-etching portion 70 (i.e., if the overetching does not occur), the broken line, if the D 70 = 25 nm, the dotted line, if the D 70 = 50 nm The transmission diffraction efficiency is shown.

図21からわかるように、反射防止層20を備える回折素子300については、オーバーエッチング部60の深さD60が増加した場合、一部の波長帯域を除いて、回折効率はわずかに減少する。これに比べて、図22の反射防止層20を備えない回折素子200では、一部の波長帯域を除いて、透過回折効率が比較的大きく減少している。 As can be seen from Figure 21, the diffraction element 300 with an anti-reflection layer 20, when the depth D 60 of the over-etching portion 60 is increased, except for a part of the wavelength band, the diffraction efficiency decreases slightly. Compared with this, in the diffraction element 200 without the antireflection layer 20 of FIG. 22, the transmission diffraction efficiency is relatively greatly reduced except for a part of the wavelength band.

以上のように、本発明の回折素子300では、凸部11をSiを含む3層構造とすることにより、透過回折効率を向上させることができる。さらに、反射防止層20を設け、入射光の反射を防止するとともにエッチングなどの加工による格子形状の面内ばらつきを低減させることにより、回折効率が悪化することを防止できる。さらに、ロット間ばらつきを低減させることにより回折効率の高い再現性を得ることができる。 As described above, in the diffraction element 300 of the present invention, the transmission diffraction efficiency can be improved by making the convex portion 11 have a three-layer structure including Si 3 N 4 . Further, the antireflection layer 20 is provided to prevent the reflection of incident light and to reduce the in-plane variation of the lattice shape due to processing such as etching, thereby preventing the diffraction efficiency from deteriorating. Furthermore, reproducibility with high diffraction efficiency can be obtained by reducing the variation between lots.

実施の形態3.
図23は、全体が500で表される、本発明の実施の形態3によるレーザ発振器の模式的な構成図である。レーザ発振器500は、レーザ光を放射する複数のレーザ光源501、502及び503を備える。レーザ光源501、502及び503は、それぞれ、レーザ光511、512及び513を放射する。レーザ光511、512及び513の各波長は、異なる波長であってもよい。図23では3つのレーザ光源が示されているが、本発明のレーザ光源の数はこれに限定されない。レーザ光源501、502及び503は、例えば、レーザダイオード(LD)である。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 23 is a schematic configuration diagram of the laser oscillator according to the third embodiment of the present invention, the whole being represented by 500. The laser oscillator 500 includes a plurality of laser light sources 501, 502, and 503 that emit laser light. Laser light sources 501, 502, and 503 emit laser beams 511, 512, and 513, respectively. The wavelengths of the laser beams 511, 512, and 513 may be different wavelengths. Although three laser light sources are shown in FIG. 23, the number of laser light sources of the present invention is not limited to this. The laser light sources 501, 502, and 503 are laser diodes (LD), for example.

レーザ発振器500は、更に、レーザ光511、512及び513にそれぞれ対応し、これらのレーザ光の進行方向を変更することができるミラー521、522及び523を備える。ミラー521、522及び523によって進行方向を変更されたレーザ光511、512及び513は、一点に集束される。この集束点には、実施の形態1の回折素子100(又は図23には示されていない実施の形態2の回折素子300)が配置されている。回折素子100によって回折され合成されたレーザ光511、512及び513は、一本の合成レーザ光510となる。好ましくは、利用される回折光は、−1次の透過回折光である。   The laser oscillator 500 further includes mirrors 521, 522, and 523 that correspond to the laser beams 511, 512, and 513, respectively, and can change the traveling directions of these laser beams. The laser beams 511, 512, and 513 whose traveling directions have been changed by the mirrors 521, 522, and 523 are focused on one point. The diffractive element 100 of the first embodiment (or the diffractive element 300 of the second embodiment not shown in FIG. 23) is arranged at this focusing point. The laser beams 511, 512 and 513 diffracted and synthesized by the diffraction element 100 become a single synthesized laser beam 510. Preferably, the diffracted light utilized is −1st order transmitted diffracted light.

合成レーザ光510は、その後部分反射ミラー530に到来する。代わりに、合成レーザ光510は、図示しないミラーによって所望の方向へ導光された後に部分反射ミラー530に到来してもよい。   The combined laser beam 510 then arrives at the partial reflection mirror 530. Alternatively, the combined laser beam 510 may arrive at the partial reflection mirror 530 after being guided in a desired direction by a mirror (not shown).

部分反射ミラー530は、合成レーザ光510の一部を反射し(例えば、合成レーザ光510の一部のエネルギーに相当するレーザ光を反射し)、残りを透過させる機能を有する。部分反射ミラー530によって反射された合成レーザ光510の一部は、回折素子100に戻り、回折素子100によって、回折素子100に照射されたレーザ光の数に相当する数(図23では3つ)のレーザ光に分割される。分割されたレーザ光は、それぞれ、レーザ光源501、502及び503に帰還する。これにより、回折素子100と部分反射ミラー530が外部共振器として機能する。一方、部分反射ミラー530によって反射されず、これを透過した残りのレーザ光は、レーザ発振器500の出力光(例えば、図24のレーザ光601)として外部に取り出される。   The partial reflection mirror 530 has a function of reflecting a part of the combined laser beam 510 (for example, reflecting a laser beam corresponding to a part of the energy of the combined laser beam 510) and transmitting the rest. A part of the combined laser beam 510 reflected by the partial reflection mirror 530 returns to the diffraction element 100, and the number corresponding to the number of laser beams irradiated to the diffraction element 100 by the diffraction element 100 (three in FIG. 23). Are divided into laser beams. The divided laser beams are fed back to laser light sources 501, 502, and 503, respectively. Thereby, the diffraction element 100 and the partial reflection mirror 530 function as an external resonator. On the other hand, the remaining laser light that is not reflected by the partial reflection mirror 530 and passes through it is taken out as output light of the laser oscillator 500 (for example, laser light 601 in FIG. 24).

レーザ発振器500は、図示しないハウジングを更に備える。回折素子100、レーザ光源501、502及び503と、ミラー521、522及び523と、部分反射ミラー530は、このハウジング内に収納されている。   The laser oscillator 500 further includes a housing (not shown). The diffraction element 100, the laser light sources 501, 502 and 503, the mirrors 521, 522 and 523, and the partial reflection mirror 530 are accommodated in this housing.

回折素子100へのレーザ光511、512及び513のそれぞれの入射角は、それぞれの回折光が一本の合成レーザ光510となるように調整される。具体的には、回折角は、式(1)の通り波長と入射角によって決まることから、レーザ光511、512及び513の波長に応じて、ミラー521、522及び523によって入射角を調整する。   The incident angles of the laser beams 511, 512, and 513 to the diffraction element 100 are adjusted so that the respective diffracted beams become one synthetic laser beam 510. Specifically, since the diffraction angle is determined by the wavelength and the incident angle as shown in Expression (1), the incident angle is adjusted by the mirrors 521, 522, and 523 in accordance with the wavelengths of the laser beams 511, 512, and 513.

レーザ発振器500では、1%オーダーの回折効率の違いがシステム性能に影響する(光電変換効率に影響し、最大出力にも影響し得る)ため、特に高い回折効率が要求される。本発明の実施の形態3では、回折素子100により高い回折効率が実現されるので、レーザ発振器500について高いシステム性能を得ることができる。   In the laser oscillator 500, a difference in diffraction efficiency on the order of 1% affects the system performance (influences on the photoelectric conversion efficiency and can also affect the maximum output), and thus a particularly high diffraction efficiency is required. In the third embodiment of the present invention, high diffraction efficiency is realized by the diffraction element 100, so that high system performance can be obtained for the laser oscillator 500.

実施の形態4.
図24は、全体が600で表される、本発明の実施の形態4によるレーザ加工機の模式的な構成図である。レーザ加工機600は、レーザ光601を出射する実施の形態3のレーザ発振器500と、レーザ光601を所望のビーム径及びプロファイルに調整及び整形するビーム調整光学系611と、ビーム調整光学系611から出射されたレーザ光601の進行方向を変更することができるミラー612と、ミラー612から到来したレーザ光601を所望の位置(例えば被加工材622)に集束させるレンズ613と、被加工材622を載置するステージ台621とを備える。レーザ加工機600は、レーザ光601を伝送する光ファイバを更に備えてもよい。レーザ加工機600は、例えば板金加工に使用される。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 24 is a schematic configuration diagram of the laser beam machine according to the fourth embodiment of the present invention, which is generally represented by 600. The laser processing machine 600 includes a laser oscillator 500 according to the third embodiment that emits a laser beam 601, a beam adjustment optical system 611 that adjusts and shapes the laser beam 601 to a desired beam diameter and profile, and a beam adjustment optical system 611. A mirror 612 that can change the traveling direction of the emitted laser light 601, a lens 613 that focuses the laser light 601 coming from the mirror 612 to a desired position (for example, the workpiece 622), and a workpiece 622 And a stage base 621 to be placed. The laser processing machine 600 may further include an optical fiber that transmits the laser light 601. The laser processing machine 600 is used, for example, for sheet metal processing.

このように、高いシステム性能を有するレーザ発振器500を用いることにより、高出力のレーザ光を利用でき、かつ高速加工を行うことができるレーザ加工機600を得ることができる。   Thus, by using the laser oscillator 500 having high system performance, it is possible to obtain a laser processing machine 600 that can use high-power laser light and can perform high-speed processing.

10 格子部、11 凸部、12 凹部(間隙部)、13 第3層、14 第2層、15 第1層、20 反射防止層、30 回折格子、40 基板、50 裏面反射防止層、60,70 オーバーエッチング部、100,200,300,400 回折素子、500 レーザ発振器、501,502,503 レーザ光源、521,522,523 ミラー、530 部分反射ミラー、600 レーザ加工機、611 ビーム調整光学系、612 ミラー、613 レンズ、621 ステージ台、622 被加工材。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Grating part, 11 Convex part, 12 Concave part (gap part), 13 3rd layer, 14 2nd layer, 15 1st layer, 20 Antireflection layer, 30 Diffraction grating, 40 Substrate, 50 Back surface antireflection layer, 60, 70 Overetching part, 100, 200, 300, 400 Diffraction element, 500 Laser oscillator, 501, 502, 503 Laser light source, 521, 522, 523 Mirror, 530 Partial reflection mirror, 600 Laser processing machine, 611 Beam adjustment optical system, 612 mirror, 613 lens, 621 stage base, 622 Workpiece.

Claims (8)

表面と裏面を有する基板と、
前記基板の前記表面上に形成された、ジルコニウム酸化物からなる反射防止層と、
前記反射防止層の上に形成され、周期的な凹凸パターンを有する格子部と、
を備える透過型回折素子。
A substrate having a front surface and a back surface;
An antireflection layer made of zirconium oxide formed on the surface of the substrate;
A grating portion formed on the antireflection layer and having a periodic uneven pattern;
A transmissive diffraction element.
前記反射防止層は、単層である、請求項1に記載の透過型回折素子。   The transmissive diffraction element according to claim 1, wherein the antireflection layer is a single layer. 前記格子部は、酸化シリコン、窒化シリコン、及び酸窒化シリコンの内から選ばれる一つ以上の材料からなる単層構造又は多層構造を有する、請求項1又は2に記載の透過型回折素子。   The transmissive diffraction element according to claim 1, wherein the grating portion has a single-layer structure or a multi-layer structure made of one or more materials selected from silicon oxide, silicon nitride, and silicon oxynitride. 前記基板は、石英ガラス又は合成石英からなる、請求項1〜3のいずれかに記載の透過型回折素子。   The transmissive diffraction element according to claim 1, wherein the substrate is made of quartz glass or synthetic quartz. 前記基板の前記裏面上に、単層又は多層の光学材料膜からなる裏面反射防止層を更に備える、請求項1〜4のいずれかに記載の透過型回折素子。   The transmissive | pervious diffraction element in any one of Claims 1-4 further equipped with the back surface antireflection layer which consists of a single layer or a multilayer optical material film | membrane on the said back surface of the said board | substrate. 請求項1〜5のいずれかに記載の透過型回折素子と、
前記透過型回折素子に対してレーザ光を照射する1つ以上のレーザ光源と、
を備えるレーザ発振器。
The transmissive diffraction element according to any one of claims 1 to 5,
One or more laser light sources for irradiating the transmissive diffraction element with laser light;
A laser oscillator comprising:
請求項6に記載のレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から放射された回折光を被加工点に集光させる光学部品と、
を備えるレーザ加工機。
A laser oscillator according to claim 6;
An optical component for condensing the diffracted light emitted from the laser oscillator at a processing point;
A laser processing machine.
前記光学部品によって集光される前記回折光は、−1次の透過回折光である、請求項7に記載のレーザ加工機。   The laser processing machine according to claim 7, wherein the diffracted light collected by the optical component is −1st order transmitted diffracted light.
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