JP2574494B2 - 低効率回折格子の製造方法およびそれによって得られた生成物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は回折格子、特に低効率回折格子の製造方法お
よびそれによって得られた生成物に関する。

回折格子は、波頭の均一性のようなビームの純度を分
析し、ビームの方向を決定する電磁放射線のビームをサ
ンプルするために利用される。分析からの情報はビーム
がさらに良好に導かれることを可能にし、或は例えばそ
のコヒーレンス、位相および均一性等のビームの波頭の
性質が改善されることを可能にする。

典型的なビームサンプル装置に使用される回折格子の
タイプは、反射面上に１つ以上の誘電体反射強化材料の
層を具備する基体上に反射面を含む。第１図に示される
ような通常の回折格子は絶縁材料を付着された反射面に
溝を有する。溝または格子の深さは回折の効率に影響を
与える。一般的に深さが増すと、それだけ回折効率が増
加し、数パーセント、例えば１％乃至５％のサンプル効
率の動作範囲内の回折効率が80％まで大きくなる。

レーザビームサンプル用のこのような低い回折効率の
格子は溝を金属反射鏡にエッチングすることによって形
成される。低パワーレーザに関して、溝は例えば300Å
以上の比較的深いものであることができる。新しく開発
されるレーザはパワーが増加しており、レーザパワーが
高まりさらに強くなっているので、採取されるサンプル
は分析装置への弊害を避けるために合計ビーム強度の小
部分でなければならない。このような小部分が採取され
たとき、格子の要求される回折効率は0.0002より小さく
なる。したがって、このように非常に低い回折効率を達
成するために回折溝の深さは前に形成されたものよりも
浅い、すなわち150Åより浅い深さでなければならな
い。

浅い格子が使用される際に、２つの要因、すなわち格
子が100Å以下の深さに到達したときの溝の深さの制御
および格子に対する誘電体被覆の影響が考慮されなけれ
ばならない。後者に関して、格子に対する誘電体被覆の
適用はときどき予測または制御することが困難なサンプ
リング効率になり、結果的に絶縁層の間で回折されたビ
ームの導波のような変則的な効果に格子がさらされる。
これは、従来の方法において格子が反射表面の中に位置
され、誘電体被覆またはフィルムがその上にコンフォー
マルコートとして設けられるために生じる。このような
被覆は誘電体被覆の厚さに比例して格子の深さを減少
し、格子の形状差を少なくするものであり、誘電体層が
厚さを増したときに２つの事柄は共により大きい問題と
なる。その結果、サンプル用の格子は徐々に不完全に限
定される。すなわちそのコーナーは丸くなり、その深さ
がさらに浅くなる。格子が100Å以下の深さに到達した
ときの溝の深さの制御に関して、格子の溝の深さは高レ
ベルのレーザエネルギを調節するために寸法的に減少さ
れるので、誘電体被覆の有害な効果が大きくなる。さら
に誘電体被覆における全ての層が格子によって変調さ
れ、格子と被覆間の複雑な相互作用を生じる。

さらに、回折格子を製造するための通常の処理ステッ
プは別の問題を引起こす。この製造技術は、（１）真空
フィルム付着室において基体上に反射鏡面を位置し、
（２）室から反射鏡面を有する基体を取出し、（３）金
属反射鏡をフォトレジストで被覆し、（４）ホログラフ
格子パターンでフォトレジストを露出し、（５）パター
ンをフォトレジストに現像し、（６）フォトレジストパ
ターンを通じて金属に格子をイオンエッチングし、
（７）溶媒リンスによりフォトレジストパターンを除去
し、金属に格子パターンを残し、（８）このように処理
された格子パターンを有する基体上に１つ以上の誘電体
反射強化材料の層を位置するステップを含む。この処理
はフィルム剥離およびその他の事故のような類似した汚
染およびまたは欠陥を増加する。

発明の要約 本発明は、通常使用される処理ステップの回数を減少
し、同時に格子の形状および深さに対する悪影響を防ぐ
ものである。さらに本発明は格子の回折効率が正確に制
御されることを可能にする。

一般的に、誘電体反射強化材料は溝のない反射面上に
設けられ、溝は例えばホログラフ格子等の回折格子を形
成するために誘電体材料自体の中に形成される。誘電体
材料が複数の異なる材料の層で構成されるならば、溝は
最上部の誘電体材料層中にだけ形成される。さらに回折
効率は、溝の深さは一定にされるが誘電体層の厚さは減
少させることができる最上部の層の厚さの減少によって
正確に制御される。

いくつかの利点が本発明から得られる。溝の深さは正
確に形成されることができる。格子の回折効率が最適値
に正確に適合されることができる。

本発明の別の目的および利点は以下の実施例の詳細な
説明および添付図面から明らかになり、さらに十分に理
解されるであろう。

図面の簡単な説明 第１図は従来技術にしたがって形成された格子の断面
図である。

第２図は本発明の技術にしたがって形成された格子の
断面図である。

第３図は、第１図の従来技術の構造用の誘電体被覆を
具備した、および具備しないベース金属中の格子に対す
る回折効率対溝の深さを示したグラフである。

第４図は、3.39マイクロメータの波長で得られた金反
射面上の硫化亜鉛に対して実線で理論上の回折効率を、
および破線で測定された回折効率を示したグラフであ
る。

第５図は反射面上の複数の誘電体材料の層を示す本発
明の第２の実施例の断面図である。

実施例 第１図は既存の従来技術にしたがって形成された格子
10の断面図を示す。格子10は金属反射面14を上に有する
基体12を含む。金属面14は例えばイオンビームエッチン
グによって形成された複数の溝16をエッチングされてい
る。それから誘電体反射強化材料18はコンフォーマル方
式で溝を付けられた金属面14上に被覆され、それ故誘電
体材料の溝20として金属面の溝16を複製する。この複製
のために、溝20はいくぶん丸みのあるコーナーを有する
ように示されている。それは被覆が金属面の溝16の形状
を正確に再生しないためである。

したがって、誘電体材料18は金属反射面14と同様に上
部歯形面22および共通の歯形面24を具備している。面22
は上部22aおよび下部22bを有する。下部22bは溝20の底
面を成す。同様に面24は上部24aおよび下部24bを有し、
下部24bは金属面の溝16の底面との接触を定めている。
したがって、誘電体材料18の厚さは、部分22aと24aとの
間の距離により厚さａ′として、また部分22bと24bとの
間の距離によって厚さａ″として識別されてもよい。厚
さａ′とａ″の関連性は、以降において第１図の従来技
術の構造が第２図の本発明の構造と比較されるときに明
らかになるであろう。

第２図を参照すると、本発明の技術にしたがって形成
された格子30は金属反射面34を有する基体32を含む。第
１図に示された通常の格子10とは異なり、本発明の金属
反射面34は平坦で溝または格子によって中断されない面
36を有する。光学的に透明な誘電体反射強化材料38は金
属面34上に付着される。溝40は誘電体材料38中に形成さ
れる。したがって誘電体材料38は上部42aおよび下部42b
によって限定された上面42を有し、下部は溝40のベース
を限定する。誘電体材料38はまた金属反射面34の面36と
の接触の結果として平坦で中断されない面44を有する。
その結果、誘電体反射強化材料38は上面の上部42aと面4
4間の大きい厚さｂ′および上面の下部42bと面44間の小
さい厚さｂ′の２つの厚さを有する。したがって第２図
に示された格子の厚さｂ′とｂ″に差があり、一方第１
図に示された従来技術の構造の厚さａ′とａ″は本質的
に同じ厚さであり、これが本発明と従来技術との間の重
要な顕著な相違となる。

以下の本発明のホログラフ格子の製造方法の説明から
この差が明らかになるであろう。

第２図に示された格子を形成するための好ましい技術
は以下のステップを使用する。基体32のような基体は、
通常の構造および動作を有する真空フィルム付着室内に
位置される。この室は第１図に示された格子10のような
格子を形成するために使用されるタイプと同じでよい。
それから反射層34のような金属反射層が通常の技術を使
用して基体上に形成される。

しかしながら、従来技術の格子を製造するために使用
される方法と異なり、金属反射面34を具備する基体32
は、材料42のような所望の誘電体反射強化フィルムまた
は第５図に示されているような複数のフィルムが通常の
処理によってレーザビームの波長に必要な反射率に対応
する厚さに供給されるように同じ室中に同じ圧力のまま
にされる。

その後、溝40のような格子は金属面自体ではなく誘電
体フィルムにエッチングされる。最初に、フォトレジス
トはこの時点で平坦で限定されていない面42上に設けら
れる。ホログラフパターンは通常のフォトレジストおよ
びレーザホログラフ技術によってレジスト中に表され
る。このホログラフパターンは標準のホログラフ技術に
よって現像され、誘電体フィルム上にフォトレジスト格
子マスクを残す。それからイオンビームが標準のイオン
ビーム技術により格子を誘電体フィルムにエッチングす
る。化学エッチングが使用されることができるが、イオ
ンビームエッチングはもっと正確な溝および格子形成を
行うために好ましい。このように設けられた典型的な格
子は±14Åの許容公差範囲を有する150Åよりも少ない
深さを有する。これは±20％の回折効率の均一性をもた
らす。フォトレジストパターンは誘電体フィルム42から
除去される。

本発明の技術によってのみ得られることができる付加
的な特徴としては、エッチングおよびフォトレジスト除
去後に格子の回折効率が正確に調節されることができる
ことである。回折効率は、特に誘電体フィルム42の厚さ
およびフィルムにエッチングされた格子の深さという２
つの要因に依存する。第１の要因であるフィルム厚が最
初の回折効率をもたらし、これは格子の各溝の深さに依
存する。第２の要因は第１の要因によって生じた最初の
回折効率がフィルム全体の厚さを調節することによって
正確に設定されることを可能にする。この点で、第１図
に示されるような格子を形成する従来技術の処理と、第
２図に示されるような本発明により得ることができる格
子との間の差は明らかになる。第１図の従来技術の格子
において、フィルム18の材料は除去されるとき、厚さ
ａ′およびａ″は等価な量で減少するため等しいままで
あり、可変的でない比率を成す。したがって、第２図の
格子の回折効率は厚さの比率を注意して変えることによ
って正確に調節されることができる。この変化は、例え
ばフォトレジストを除去した後イオンエッチング室中に
格子を戻し、それからその厚さを減少するために均一に
上部の層をエッチングすることによって達成される。

知られているように、格子の回折効率が異なる厚さに
よって反射されたエネルギ間の相対的な位相に依存し、
これは均一の厚さでは不可能である。これはまた格子が
例えば７×10^-1乃至７×10^-6の６桁の大きさにわたって
示すことができる回折効率の非常に大きなダイナミック
範囲を有することを可能にする。

使用される材料の例には面34としてアルミニウム、銀
および金の反射面が含まれる。誘電体材料38は二酸化シ
リコン、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、フッ化トリウムおよ
び酸化アルミニウム（Al₂O₃）を含んでもよい。

従来技術の格子と本発明の格子との比較は第３図と第
４図に示されたグラフ間の比較によって示される。第３
図は第１図に示されたような回折格子から得られた結果
に基づいており、一方第４図のグラフは第２図の格子の
試験から得られる。さらに、第３図は金反射面と硫化亜
鉛誘電体材料被覆を有する金反射面との間の溝の深さの
関数として予測される格子効率の比較を示す。このデー
タから回折効率における同じ±20％の変動に対して溝の
深さは、本発明の±50Å内に制御されればよいことが分
かる。従来技術によると、溝の深さは格子に対して±10
Å内に制御されなければならない。

さらに、付加的なパラメータである被覆層の厚さは第
４図に示された回折効率を制御するために利用されるこ
とができる。この付加的な制御は光学被覆層がさらに厚
く付着され、溝の深さが非常に高い回折効率となる最適
目的点により要求されるよりも深くエッチングされるこ
とを可能にする。したがって、回折効率は格子が上部フ
ィルムにエッチングされた後誘電体被覆厚をトリムエッ
チングすることによって所望の値に良好に調節されるこ
とができる。回折効率に対するこの付加的な制御は誘電
体被覆厚の絶対厚および格子の溝の深さに対する許容度
を緩和する。

この処理はまた第５図に示されるような多層誘電体被
覆にも適用されることができる。ここにおいて、格子50
は金属反射層54を具備する基体52を含む。上面54は複数
の誘電体反射強化層56,58,60,62および64である。溝66
は最上部の誘電体層64にだけエッチングされる。溝が下
部フィルムに延在した場合、有害であることが分かって
いる。このために誘電体層64は、溝の深さのエッチング
および層64の厚さの調節を可能にするようにその他の層
よりも厚く形成されている。

フィルムに溝を形成することによって、溝の深さを変
えずに最終生成物に要求される多数のフィルム層が使用
されることができる。従来技術と比較すると、溝の深さ
は誘電体材料の厚さが増加すると変化する。ほとんどの
反射面は上部層にあるため、溝の深さが減少された場合
には所望の反射面を得ることはさらに難しく、これは回
折効率に悪影響を与え、層がさらに厚くなったり或はそ
の数が増加したときにさらに有害なものとなっている。

第４図に示されているように、比較のための予測と測
定のデータは3.39マイクロメータの波長で採取されてい
る。表示フォーマットは−１オーダーの回折効率対溝の
深さである。理論曲線は実線であり、対応した硫化亜鉛
被覆の厚さにより示されている。実験点は三角形として
示され、破線で結ばれている。実験データは、イオント
リムエッチングが実行された前後のサンプルについて採
取された。これは、第４図のグラフに示された例におい
て厚さで200Åの差である“トリムエッチングの前”お
よび“トリムエッチングの後”と示された２曲線間の垂
直距離で示される。トリムエッチングは均一的に被覆材
料を除去し、被覆層の厚さを減少するが、同じ溝の深さ
を維持する。このように、実験データは理論から予測さ
れた本発明の有用な利点の１つを確認した。すなわち、
効率が溝の深さおよび被覆の厚さに依存するため、格子
が被覆層の厚さをトリムエッチングすることによって被
覆中に設けられた後、正確に調節されることができる。

本発明は特定の実施例に関して記載されているが、本
発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変化および
修正が行われてもよいことが認識されるべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウイズリントン，ロジャー・ジェイ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90064 ロサンゼルス，ミッドベイル 2311 (72)発明者 ウェルマン，クラーク・テイ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90249 ガーデナ，ウエスト・ワンハン ドレットフイフテイセカンド・ストリー ト 1908 (56)参考文献 特開 昭48−27741（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−16060（ＪＰ，Ａ)

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】反射面上にある誘電体反射強化材料に溝を
   形成することにより溝のある部分と溝のない部分とより
   なる誘電体反射強化材料で回折格子を形成した反射鏡と
   共に使用するために、回折格子の回折効率を制御する方
   法において、 誘電体材料の溝のない部分の厚さを均一に減少させるこ
   とにより、誘電体材料の溝のあるおよび溝のない部分の
   厚さをそれぞれ調整するステップを含む方法。
2. 【請求項２】誘電体材料を複数の層として形成するステ
   ップを含み、前記調整ステップは最上部の層においての
   み行われる請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】反射面を有する基体を具備した反射鏡に回
   折格子を形成する方法において、 反射面上に誘電体反射強化および、または保護材料を設
   け、格子を形成するために誘電体材料に溝のあるおよび
   溝のない部分を形成し、 格子の回折効率を制御するために、誘電体材料の溝のな
   い部分の厚さを均一に減少させることにより、誘電体材
   料の溝のある部分と溝のない部分との間の厚さの比率を
   調整するステップを含む方法。
4. 【請求項４】溝を付けられた誘電体材料は、溝における
   下面部分と下面部分の上方の上面部分とによって限定さ
   れた全体的に方形の歯形構造を有し、前記調整ステップ
   は、 格子の最初の回折効率をもたらすために、前記形成ステ
   ップの間に面部分の間の溝の深さを制御し、 最適値に回折効率を適合させるために、誘電体材料の上
   面部分の露出された部分を除去するステップを含む請求
   項３記載の方法。
5. 【請求項５】反射鏡に回折格子を形成する方法におい
   て、 真空フィルム付着室に基体を位置し、大気圧より下の適
   切な圧力になるまで室を排気し、 真空フィルム付着技術によって基体上に反射金属面を設
   け、同一の室中でおよび同じ圧力で所望の反射率および
   動作波長に対応した厚さに反射金属面上少なくとも１つ
   の誘電体反射強化フィルムを設け、 誘電体フィルムの最上面にフォトレジストを設け、 レーザホログラフ技術によってフォトレジスト中にホロ
   グラフパターンを形成し、 ホリグラフパターンによって定められたように誘電体フ
   ィルムに格子を限定する溝をイオンビームエッチング
   し、 フォトレジストを除去し、 溝を限定しない誘電体反射強化フィルタの部分の厚さを
   均一に減少させることにより、溝を限定する誘電体反射
   強化フィルムの相対的な厚さをその残りのフィルムに関
   して調整するために、誘電体反射強化フィルムをイオン
   ビームエッチングするステップを含む方法。
6. 【請求項６】前記溝エッチングステップは±20％の回折
   効率における均一性を得るために150±14オングストロ
   ームより小さい格子を限定するように制御される請求項
   ５記載の方法。
7. 【請求項７】回折格子を有する反射鏡において、 反射面を有する基体と、 反射面上の誘電体反射強化材料と、 格子を形成する誘電体材料であり、格子の回折効率を制
   御するために、溝のない部分の厚みを均一に減少させる
   ことにより、溝のない部分の厚さに関して調整される厚
   さを有する溝のある部分と溝のない部分とを含む反射
   鏡。
8. 【請求項８】誘電体材料は複数の層を含み、前記溝は上
   部の層だけに形成される請求項７記載の反射鏡。
9. 【請求項９】誘電体材料の層の各々は酸化アルミニウム
   または硫化亜鉛からなる請求項８記載の反射鏡。