JP2020086055A - 回折光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便に製作ができる位相変調型回折格子およびその製造方法を提供する。【解決手段】透過性基材の表面に、入射光に対して異なる位相変調を与える複数種類の領域を有する回折光学素子であって、前記領域は、入射光の波長よりも小さいサイズの凹凸部で形成された微細構造で形成されており、前記微細構造は、前記領域の種類ごとに、前記凹凸部の凸部と凹部の幅の比および前記凹部の深さが異なっている、ことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、回折光学素子およびその製造方法に関する。

レーザー光の分岐やレーザープロファイルの変形を目的に使用される位相変調型回折光学素子は、素子内の領域ごとに設定された位相変調を入射光に与えるように形状を形成する必要がある。このような位相変調型回折光学素子は、位相変調が大きい箇所では基材の掘り込み量を大きく、位相変調が小さい箇所では基材の掘り込み量を小さくするというように、場所ごとに掘り込み量が異なる形状であることが一般的である。

位相変調型回折光学素子の位相変調量を連続的に変化させるためには、素子の掘り込み量が連続的に変化する曲面を形成しなければならない。連続的な曲面を形成するのは困難なため、曲面を不連続な階段状の形状で近似して製作されることが多い。このような階段状の形状であれば、一般的な半導体製造プロセス技術であるリソグラフィ技術を用いて比較的容易に形成することが可能である。しかし、回折効率の向上を図るためには、斜面への近似精度を高めるために階段形状の段数を増やす必要がある。段数が増えるとプロセスの回数も増大し、製作が困難になる。

特許文献１は、入射光の波長以下の凹凸構造を形成し、その構造のピッチまたはフィルファクタ（凸部と凹部の幅の比）によって決まる実効的な屈折率を場所ごとに変化させることで、階段型の回折格子と同等の位相変調機能をもった光学素子を提案する。しかしこの方法だと、屈折率を変調するために極端に大きなフィルファクタの構造や、極端に小さなフィルファクタの構造を形成する必要があり、安定して製造するのが困難になるという課題がある。

また特許文献２においては、入射光の波長以下の周期で形成されるピラーまたはホール形状のファイルファクタを調整することで実効的な屈折率を変調し、これを一定の深さに加工することで位相変調機能を有する回折光学素子を形成している。しかしこの方法だと、実際に形成できる構造のフィルファクタには制限があるため、屈折率の変調量を大きくとることが難しい。屈折率の変調が小さい場合には、所望の位相変調量を達成するためには構造の深さを大きくしなければならず、構造を形成するのが困難になるという課題がある。

特開２０１２−１７３５５５号公報 特開２００１−３１８２１７号公報

上記の課題を考慮して、本発明は、簡便に製作可能な位相変調型の回折光学格子およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第一態様は、回折光学素子であって、
透過性基材の表面に、入射光に対して異なる位相変調を与える複数種類の領域を有する回折光学素子であって、
前記領域は、入射光の波長以下のサイズの凹凸部で形成された微細構造で形成されており、
前記微細構造は、前記領域の種類ごとに、前記凹凸部の凸部と凹部の幅の比および前記凹部の深さが異なっている、
ことを特徴とする。

本発明の第二態様は、回折光学素子の製造方法であって、
透過性基材の表面に周期の異なるレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをマスクにしたドライエッチングすることにより凹凸部で形成された微細構造を形成する工程と、
を含み、
前記微細構造を形成する工程では、前記レジストパターンの間隔に応じてエッチングレートを異ならせることによって、前記凹凸部における凸部と凹部の幅の比に応じた、凹部の深さを有する微細構造を形成する、
ことを特徴とする。

本発明によれば、回折光学素子を簡便に製作できる。

本実施形態および従来手法に係る回折光学素子の断面図。 フィルファクタと実効的屈折率、深さ、位相変調量の関係を示すグラフ。 第一の実施例における回折光学素子の工程図。 第一の実施例における回折光学素子の上面図。 第二の実施例における回折光学素子の上面図。 第二の実施例における回折光学素子の工程図。

本発明に係る回折光学素子は、入射光の波長以下の周期の構造を持ち、素子内それぞれの領域の位相変調量は、構造のフィルファクタと深さが異なることによって実現されるものである。以下、光学素子を実現する構造と、その形成方法について詳細を述べる。

（構造の決定）
図１Ａは本手法に係る位相変調型回折光学素子１（以下単に、回折光学素子１あるいは光学素子１とも称する）の断面構造を示し、図１Ｂは従来の階段型光学素子２の断面構造を示す。以下、従来の階段型光学素子と比較して、本手法に係る位相変調型回折光学素子を説明する。

まず、図１Ｂを参照して従来の階段型光学素子２について述べる。基材２００の屈折率をn、階段の1段あたりの深さをdとすると、階段1段目の位相変調量φ1は、
φ１＝（ｎ−１）×ｄ
であらわされる。同様に２段分の位相変調量φ２は、
φ２＝（ｎ−１）×２ｄ
となり、ｍ段分（ｍ＝１，２，３，…）の位相変調量φｍは、
φｍ＝（ｎ−１）×ｄ×ｍ
となる。

図１Ａを参照して本手法に係る光学素子１について述べる。光学素子１は、入射光の波長λよりも小さい周期を持つ構造体１０２が基材１００の表面に形成されている。構造体１０２は、波長λよりも小さいサイズの凹凸部で形成された微細構造であり、凸部１１０
と凹部１２０が繰り返された構造を有する。構造体１０２の凹凸部は、入射光の波長λ以下の一定の周期で形成される周期的構造であってもよいし、平均波長が波長λ以下となる不定期な周期で形成される非周期的構造であってもよい。

構造体１０２は、ピラー形状（柱形状）の凸部１１０が２次元的に繰り返された構造であってもよいし、ホール形状（縦穴形状）の凹部１２０が２次元的に繰り返された構造であってもよいし、これらの組み合わせであってもよい。また、構造体１０２は、凸条形状の凸部１１０が繰り返された構造であってもよい。以下では、構造体１０２が、ピラー形状の凸部１１０が２次元的に繰り返された構造であるとして説明する。

光学素子１は、入射光に対して与える位相変調量に応じて複数種類の領域を有する。そして、各領域における構造体１０２のフィルファクタおよび高さ（凸部１１０の高さ、凹部１２０の深さ）が、領域種類（位相変調量）ごとに異なっている。

構造体１０２の実効的屈折率ｎ′は、構造体１０２のピッチやフィルファクタによって変化し、１＜ｎ′＜ｎの値を取る。なお、フィルファクタは、構造体１０２における凹凸部の凸部１１０と凹部１２０の幅の比で定義されてもよいし、ピッチに対する凸部１１０または凹部１２０の幅の比で定義されてもよい。

構造体１０２の深さ（凹部１２０の深さ）をｄ′とすると位相変調量は（ｎ−ｎ′）×ｄ′となるので、
（ｎ−１）×ｄ×ｍ ＝ （ｎ−ｎ′）×ｄ′
を満たす構造にすれば、光学素子２のｍ段目の位相変調量と一致する。領域毎に、実効屈折率ｎ′と深さｄ′を上記の条件に従って決定すれば、階段形状の光学素子２と同様の機能を持つ光学素子１が得られる。

図２Ａは構造体１０２の材料が屈折率ｎ＝１．５の場合における、構造体１０２のフィルファクタと実効的屈折率の関係を示すグラフである。ピラー形状パターンの場合、実効的屈折率はフィルファクタが大きくなるにしたがって単調に増加し、フィルファクタが０の時には空気の屈折率１に、フィルファクタが１のときには材料の屈折率ｎ＝１．５に一致する。

図２Ｂは、光学素子１におけるフィルファクタと構造深さの関係を示す。後述するように、構造体１０２をドライエッチングで加工する際、フィルファクタに応じて構造深さが変わるようにエッチング条件を設定することで、図２Ｂのようにフィルファクタの増加にしたがって深さは単調に減少する。

フィルファクタに応じて、実効的屈折率ｎ′および深さｄが決まり、上記の式にしたがって位相変調量が決まる。図２Ｃは、位相変調量とフィルファクタの関係を示す。このように、領域ごとに構造体１０２のフィルファクタを変えてドライエッチングするだけで、所望の位相変調量を持つ位相変調型回折光学素子を作製することが可能である。

なお、ここでは構造体１０２は、ピラー形状の凸部１１０が繰り返し形成された構造を持つものとして説明したが、ホール形状の凹部が繰り返し形成された構造であってもよい。構造体１０２がホール形状の凹部によって形成される場合、フィルファクタと実効屈折率の関係は図２Ａと異なり、フィルファクタが小さいほど実効屈折率が小さくなるが、
上記と同様にして変調量に応じたフィルファクタを決定できる。なお、ホール形状の凹部を採用する場合のフィルファクタは、凹部のピッチに対する凹部の幅によって定義される。

また、構造体１０２は、ピラー形状の凸部とホール形状の凹部の両方を含んでもよい。たとえば、位相変調量に応じて、凸部と凹部のいずれかあるいは両方で構造体１０２を形成するようにしてもよい。

（製造方法）
図３Ａ，図３Ｂは本発明の実施形態の一例である位相変調型回折光学素子１の形成方法について示したものである。ここでは、４つの位相変調領域１０１を有する光学素子１を例に挙げているが、光学素子１が有する位相変調領域１０１の数は特に限定されない。

［基材］
基材１００は、対象とする波長の光（電磁波）に対して透過性を持つ透過性基材であれば、どのようなものでも使用可能である。例えば可視光用であれば、基材１００は、石英やガラス、透明性のある樹脂などから選択可能である。赤外線用であれば、基材１００は、Ｓｉ、ＧａＮ、ＧａＡＳなどから選択可能である。

また、ここでは基材１００を用いて構造体１０２を形成する例を説明しているが、これに限られず、基材１００上に成膜した透過性材料で構造体１０２を形成してもよい。

［レジストパターニング］
図３Ａに示すように、基材１００の表面にレジスト膜を塗布し、構造体１０２を形成する領域１０１にフォトリソグラフィや電子ビーム描画などの手法を用いてレジストパターン１０３を形成する。この際、レジストパターン１０３のフィルファクタは位相変調領域１０１ごとに異なる値をとり、図２Ｃにしたがって所望の位相変調量となるような値に設定される。

［ドライエッチング］
レジストパターン１０３をマスクにしたドライエッチングをすることにより、構造体１０２の凹凸部を形成する。ドライエッチングは一般的なエッチング装置が利用可能であり、リアクティブイオンエッチング装置やリアクティブイオンビームエッチング装置などが選択できる。

エッチングガスは基材１００がエッチングできるものを選択する。基材１００がガラスであればＣＦ4、ＣＨＦ３、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ８などのＣＦ系ガスが選択可能である。基
材１００が樹脂であれば、前記ＣＦ系ガスのほか、Ｏ２ガスなどが選択可能である。基材１００がＧａＡｓ、ＧａＮであれば、Ｃｌ２、ＢＣＬ３、ＳｉＣｌ４などの塩素系ガスが選択可能である。基材１００がＳｉであればＳＦ６、ＣＦ系のガスの他、塩素系のガスも選択可能である。なおこれらガスは単体で使用しても、数種類を混合してもよい。さらにエッチングガスにＡｒ、Ｏ２、Ｎ２を添加してもよい。

この際、フィルファクタによってエッチングされる深さが変化するマイクロローディング現象が顕著に発現するようなエッチング条件を設定することが望ましい。またエッチング時に構造体１０２の側壁がテーパー形状となる条件にし、フィルファクタが大きい構造から順次エッチングがストップするようにすることで深さを変化させることもできる。このようなエッチングを行えば、構造体１０２の深さ（凹部１２０の深さ、凸部１１０の高さ）をフィルファクタに応じた値にすることができる。

［表面処理］
更に位相変化量を大きくするために、形成した構造体１０２に対して酸化処理などの表面処理をおこなって、構造体１０２の表面を基材材料と異なる材料で構成されるようにしてもよい。例えば赤外光用に基材１００にＳｉを用いて構造体１０２を形成したのちに熱
酸化処理をおこなうことで、構造体１０２の表面をＳｉより屈折率の小さいＳｉＯ２に変えることができ、実効的屈折率をさらに小さくすることができる。

（有利な効果）
本実施形態によれば、構造体１０２のフィルファクタに応じて、構造体１０２の深さを決定できる。フィルファクタと深さの関係（図２Ｂ）およびフィルファクタと実効的屈折率の関係（図２Ａ）は予め把握可能であり、したがって、フィルファクタと位相変調量の関係（図２Ｃ）を予め求められる。領域種類ごとに設定される位相変調量に応じたフィルファクタの構造体１０２を単一のエッチングで生成するだけで、所望の位相変調量を有する回折光学素子１を製造することができる。

＜実施例１＞
波長５１４．５ｎｍのレーザーのプロファイルを変換するための位相変調型回折光学素子として、８インチ石英基板１００に対し構造体１０２を形成する例について説明する。

（構造）
図４はレーザープロファイル変換用の位相変調型回折光学素子１１の構成を示した上面模式図である。光学素子１１において、厚さ１．０ｍｍの石英基材１００に、それぞれ異なる位相変調量を持つ位相変調領域１０１がランダムに配置されている。本実施形態では、位相変調量がπ／８ずつ異なる８種類の位相変調領域を採用しているが、位相変調領域の種類数は特に限定されない。

それぞれの位相変調領域１０１は、ピッチ２００ｎｍの周期をもつ構造体１０２によって構成されている。構造体１０２はそれぞれ設定された位相変調量になるように、構造のフィルファクタと深さを決定する。具体的には、位相変調量から図２Ｃの関係にしたがってフィルファクタが決定され、フィルファクタから図２Ｂの関係にしたがって深さが決定される。

（パターン形成）
石英基材１００の上にレジスト膜を塗布し、構造体１０２を形成する領域１０１にレジストパターン１０３を形成する（図３Ａ）。レジストパターン１０３はピッチ２００ｎｍのピラー形状で、そのフィルファクタは位相変調領域１０１ごとに異なるようにパターニングをおこなう。レジストパターン１０３が形成された部分は凸部１１０となり、レジストパターンが形成されていない部分は凹部１２０となる。本実施例では、作成する構造体１０２のフィルファクタが大きいほど、レジストパターン１０３の幅は大きく間隔は小さい。

レジストパターン１０３に覆われていない箇所をドライエッチングし、石英基材１００にピラー構造体１０２を形成する（図３Ｂ）。ドライエッチングには平行平板型ＲＩＥエッチング装置を用いる。ＲＦパワー１００Ｗ、プロセス圧力１Ｐａ、ＣＨＦ３ガス４０ｓｃｃｍの条件でエッチングする。このときフィルファクタの大きい領域ではエッチング形状のアスペクト比が大きく、フィルファクタが小さくアスペクト比の小さい領域と比較しエッチングレートが遅くなるマイクロローディング現象が生じる。このためフィルタファクタの大小によって加工される深さが変化し、フィルファクタおよび深さの異なる構造体１０２を形成することができる。

本実施例で形成される構造体１０２は、凸部１１０の側壁が、基材１００の表面に対して略垂直である。また本実施例の構造体１０２の深さは、フィルファクタが小さいほど、すなわち凹凸部の凹部１２０の幅が大きいほど、単調に増加する。

上記工程により、レーザーのプロファイルを変換する石英製の位相変調型回折光学素子を作製することができる。

＜実施例２＞
波長１．５５μｍの赤外レーザー用の回折レンズとして、８インチＳｉ基板に対し構造を形成する例について説明する。

（構造）
図５は赤外レーザー用回折レンズの構成を示した上面模式図である。厚さ0.725ｍｍの
Ｓｉ基材１００に、それぞれ異なる位相変調量を持つ位相変調領域１０１が同心円状に配置されており、位相変調領域１０１は、ピッチ400nmの周期を持つ構造体１０２によって
構成されている。さらにこの構造体１０２は、実効的屈折率の変化量を大きくするために構造の表面が熱酸化Ｓｉによって覆われている。

（パターン形成）
Ｓｉ基材１００の上にレジスト膜を塗布し、構造体１０２を形成する領域１０１にレジストパターン１０３を形成する（図６Ａ）。レジストパターン１０３はピッチ４００ｎｍのピラー形状とホール形状の混載パターンで、そのフィルファクタは位相変調領域１０１ごとに異なるようにパターニングをおこなう。

レジストパターン１０３に覆われていない箇所をドライエッチングし、Ｓｉ基材１００に構造体１０２を形成する（図６Ｂ）。ドライエッチングには誘導結合型のプラズマ源を有するエッチング装置を使用する。プラズマソース側のＲＦパワー１５００Ｗ、基板へ印加するＲＦパワー５０Ｗ、プロセス圧力１３Ｐａ、ガスはＳＦ６／Ｃ４Ｆ８／Ｏ２の混合ガスを使用し、その流量は１００／１５／５ｓｃｃｍである。

本実施例では、基材がテーパー形状にエッチングされるエッチング条件を採用する。基材はテーパー形状にエッチングされるので、エッチングが進むにつれてフィルファクタの大きい領域から順次、開口の底部の幅がおおよそゼロとなりエッチングがストップする。一方、開口幅の大きい領域においては依然底部の幅が大きいのでさらにエッチングが進み、底部の幅がおおよそゼロになった時点でエッチングがストップする。このためフィルタファクタの大小によって加工される深さが変化し、フィルファクタおよび深さの異なる構造体１０２を形成することができる。

構造体１０２が形成されたＳｉ基材１００を熱酸化処理することで、構造体１０２の表面５０ｎｍを熱酸化シリコンからなる酸化領域１０４に変化させる（図６Ｃ）。フィルファクタの大きい領域は構造体１０２に占める熱酸化シリコンに変化する割合が小さいが、フィルファクタの小さい領域ではそのほとんどが熱酸化シリコンに変化する。その結果、フィルファクタの大きさによって熱酸化シリコンの割合が異なり、それに伴って実効的屈折率の変調量も変化する。

本実施例で形成される構造体１０２はテーパー形状である。すなわち、構造体１０２は、基材１００の表面に対して傾斜のある側壁を有する構造である。また本実施例の構造体１０２の深さは、フィルファクタが小さいほど、すなわち凹凸部の凹部１２０の幅が大きいほど、単調に増加する。

上記工程により、赤外レーザー用の回折レンズを作製することができる。

１，１１ 回折光学素子
１００ 基材
１０１ 位相変調領域
１０２ 構造体
１１０ 凸部
１２０ 凹部

Claims (8)

1. 透過性基材の表面に、入射光に対して異なる位相変調を与える複数種類の領域を有する回折光学素子であって、
   前記領域は、入射光の波長よりも小さいサイズの凹凸部で形成された微細構造で形成されており、
   前記微細構造は、前記領域の種類ごとに、前記凹凸部の凸部と凹部の幅の比および前記凹部の深さが異なっている、
   ことを特徴とする回折光学素子。
2. 前記凹部の深さは、前記凹部と凸部の幅の比に応じた値である、ことを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
3. 前記凹部の深さは、前記凹部の幅に応じて、単調に増加する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回折光学素子。
4. 前記微細構造が、前記入射光の波長以下の周期的な構造で形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回折光学素子。
5. 前記凹凸部は、前記透過性基材の表面に対して略垂直な側壁を持つことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回折光学素子。
6. 前記凹凸部は、前記透過性基材の表面に対して傾斜のある側壁を持つことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回折光学素子。
7. 前記微細構造の表面が前記透過性基材の材料と異なる材料で構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の回折光学素子。
8. 透過性基材の表面に周期の異なるレジストパターンを形成する工程と、
   前記レジストパターンをマスクにしたドライエッチングすることにより凹凸部で形成された微細構造を形成する工程と、
   を含み、
   前記微細構造を形成する工程では、前記レジストパターンの間隔に応じてエッチングレートを異ならせることによって、前記凹凸部における凸部と凹部の幅の比に応じた、凹部の深さを有する微細構造を形成する、
   ことを特徴とする回折光学素子の製造方法。

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