JP3907709B2 - 無機回折素子の製造方法 - Google Patents
無機回折素子の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3907709B2 JP3907709B2 JP13607794A JP13607794A JP3907709B2 JP 3907709 B2 JP3907709 B2 JP 3907709B2 JP 13607794 A JP13607794 A JP 13607794A JP 13607794 A JP13607794 A JP 13607794A JP 3907709 B2 JP3907709 B2 JP 3907709B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- substrate
- etching
- glass
- diffraction
- diffraction element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C15/00—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by etching
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C17/00—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by coating
- C03C17/22—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by coating with other inorganic material
- C03C17/23—Oxides
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1847—Manufacturing methods
- G02B5/1857—Manufacturing methods using exposure or etching means, e.g. holography, photolithography, exposure to electron or ion beams
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/124—Geodesic lenses or integrated gratings
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
- G02B6/136—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by etching
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
- Surface Treatment Of Glass (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、無機回折素子(inorganic diffractive element) の製造方法およびその使用に関するものである。詳しく述べると、本発明は、構造深さの小さい平坦なレリーフ構造でさえ精度よくかつ再現性よく製造できる無機回折素子の製造方法、および本発明にしたがって製造された回折素子の好ましい適用に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回折レリーフ構造を有する無機基板は、例えば、いわゆる回折光学素子(Diffractive Optical Elements)（ＤＯＥ）として用いられている。このＤＯＥは既知であり、例えば、ガボー，ジー(Gabor,G.)、ネイチャー(Nature) １６１，７７７（１９４８年）またはノップ，ケー(Knop,K.)、ディフラクティブ オプティック：ミクロストラクテュレン アルス オプティッシュ エレメンテ(Diffraktive Optik: Mikrostrukturen als optische Elemete) 、フィス．ブル．(Phys.Bl.) ４７（１９９１年）、Ｎｏ．１０に記載されている。ＤＯＥという表現は、表面にレリーフ構造(relief structure)を有し、表面におけるレリーフ構造の形状や配置によってビームの分配(beam partition)、ビームの集束(beam focussing)またはビームのプロフィール形成(beam profile formation)等の種々の光学的な機能をすることができるすべての光学素子を意味するものである。レリーフ構造を有するＤＯＥの基板は光学の形態を有するものであり、このため、目的とする適用に使用することができる。ＤＯＥの特殊な設計によって少なくとも１つの光学的な機能を容易に付加できる場合に、ハイブリッド光学(hybrid optics) という表現をこのような配置を表わすのに使用する。ハイブリッド光学(hybrid optics) は、例えば、チチー，アール(Czichy, R.)、ハイブリッド オプティックス フォー スペース アプリケーションズ(Hybrid Optics for Space Applications)、ユニバーシティ オブ ノイチャテル(University of Neuchatel)（１９９２年）に記載されている。
【０００３】
ＤＯＥは、反射システムおよび伝達システムの両方として設計される。また、ＤＯＥは、様々な材料、例えば、ガラス、金属または合成材料等から作製される。ＤＯＥの一般的な測定値は約１〜３０ｍｍのエッジ長である。しかしながら、分光写真器の光学スクリーン（約１５０×１５０ｍｍ２まで）、フレネルゾーンパネル(Fresnell zone panel)（例えば、プラスチック製の車窓使用用で、特に直径が３０cmまで）または贈物の包装紙用のバンドロール(band roll) としての金属化プラスチック等、実質的により大きな寸法を有するＤＯＥもある。用いられるレリーフ構造(relief structure)の構造幅(structural width)は、具体的には、屈折した輻射線の波長の寸法内である。
【０００４】
本発明は、主に、無機材料、特にガラス製のＤＯＥを対象とするものである。合成材料製のＤＯＥを比較すると、無機材料で作製されたＤＯＥの特徴は、高い均質性、良好な熱安定性および機械的安定性、さらには化学作用に対する良好な耐性および形状安定性である。これらは高出力密度を有するシステム、特にレーザーシステムにおいて好ましく使用される。このようなシステムは２０ワットまでのまたはそれ以上の出力密度を有する。したがって、使用形態によっては、ガラス基板は、有機材料製のより安価な構造体より好ましい場合がある。
【０００５】
ガラスからのＤＯＥの製造方法は、米国特許出願番号４，７６５，７１４号に記載されている。この方法は、特許請求の範囲第１項の前文部分(preamble)の基礎を成すものである。
【０００６】
既知の方法においては、ガラス製の基板はホトレジストで被覆される。このホトレジスト層は形成されるレリーフ構造に相当する所定の領域をマスクを介して照射され、それ自体既知の方法によって現像される。基板ガラスは、最終的には、ドライエッチング方法によってホトレジストで覆われていない基板表面領域が除去され、これによってレリーフ構造が形成される。最終的には、ホトレジストの非照射領域が除去される。最終製品は構造化された表面(structured surface)を有するガラス製のＤＯＥである。
ドライエッチング方法が金属または非金属基板表面において高密度の微細な幾何学模様を得るのに特に適していることは知られている。ウェットケミカルエッチング(wet chemical etching)方法と比べると、ドライエッチングは、非常に正確な異方性エッチング構造が得られるという長所を有する。アスペクト比（＝構造深さ(structure depth) ：構造クリアランス(structure clearance) ）が１：１０を超えると、ドライエッチングは特に重要である。材料のアブレーションは、基板表面に対して直交してのみ起こり、ウェットケミカル方法におけるような、等方的なものでない、すなわち、エッチングされたくぼみの側壁上には起こらない。
【０００７】
しかしながら、ドライエッチング方法による既知のＤＯＥの製造方法は、全基板表面に対して均一な構造深さを設定することが非常に困難であるという欠点を有する。ＤＯＥの構造深さの５％偏差がやっと許容できる値と考えられている。５％値より超えると、屈折率が顕著に、またしばしば許容できないくらいに減少してしまう。
【０００８】
一般的にエッチングの深さの設定には高価な調節操作が必要である。イオンビームの強さの高いおよび低い領域におけるエッチング速度の差を防止するために、イオンビームが約１００ｃｍ２の全輻射線直径表面において均質であることが、均質なエッチングの深さを得るための必要条件である。全基板表面におけるイオンビームの強さを均等に調節することは、実験を行う前に時間およひ費用のかけて行われるが、この際、イオンビームは全直径表面に沿って測定され、作業変数によって再調節される。さらに、それぞれ使用されるガラスに対するエッチング速度もまた、最終的なポイント制御がないために、イオン衝撃(ion bombardment) の期間における深さを最適に正確に調節できるように、実際にエッチングプロセスを行う前に予め実験で確実に測定していなければならない。
【０００９】
上記の既知の方法は、従来用いられている基板ガラスにおけるエッチング速度が非常に遅いため、構造物中で処理される光の波長（＝λ）の範囲内である、ＤＯＥに必要な構造深さを得るためのエッチング期間が非常に長く（５ｎｍ／分の通常のエッチング速度で約１．５〜１．６時間）なってしまうという欠点がさらにある。また、このエッチング期間は、所定のエッチングの深さに調節するために、かなり正確に観察されなければならない（最適な放射プロフィール(radiation profile) で１分未満）。放射強さ(radiation intensity) における１０％の偏差で４５ｎｍまでの構造深さの偏差が生じてしまう。
【００１０】
非常に平坦な構造物（構造深さが３０ｎｍ未満）を形成する際には、所定のエッチング期間中にエッチングの深さを確実にコントロールすることは不可能である。ガラス、特に工業銘柄のガラスまたはフロートガラス等の経済的な基板ガラスは、固体材料から実質的に逸脱するような組成を有する、数ｎｍの厚さ（表面の容積および組成によって変わる）までの表層を有する。ガラスの製造（個々のガラス成分の凝離または蒸発による）によって、洗浄（浸出または選択的融蝕による）によって、または例えば磨き仕上等の表面処理によってもたらされる上記表層では、エッチング速度に関する時間的および位置的効果を制御することができないため、特に上記したような非常に平坦な構造物では構造深さに大きな相対誤差が生じてしまう。
【００１１】
このような平坦なレリーフ構造は、例えば、光集積素子(integrated opticalelement)中で光を結合(coupling)および減結合(decoupling)するためのいわゆる格子カプラー(grating coupler) に、特に表面センサーに使用される。格子カプラー(grating coupler) という表現は、通常、被きょう導光波(guided lightwave)から自由に伝搬する(freely propagating)光波に変換するための装置（漏出性モード(leaky mode)）を表わすのに使用される。したがって、格子カプラーは、少なくとも１つの光学的な導波管および格子(grating) からなり、この導波管は基板上に配置され、格子(grating) は、表面センサーでは、導波管の境界面の片面上またはその近くに配置される。さらに、格子カプラーという表現は、導波管表面付近の化学的または物理的値の変化を結合状態の変化に変換する光学変換器を表わすためにセンサリックス(sensorics) において使用される。減結合光(decoupled light) の位置および／または位相および／または強さ（つまり、例えば、引用書中のケー チーフェンタラー(K. Tiefenthaler) およびダブル ルコスツ(W. Lukosz) ）のいずれかが記録された測定変数である、すなわち、結合および減結合角の変化指数に基づいて操作するセンサーをも格子カプラーと呼ぶ。
【００１２】
光学表面センサーにおける構造化された平面状の導波管の使用は、中でも、ケー チーフェンタラー(K. Tiefenthaler) およびダブル ルコスツ(W. Lukosz)：「インテグレーテッド オプティカル スィッチェス アンド ガス センサーズ(Integrated Optical Switches and Gas Sensors) 」、オプティックス レターズ(Optics Letters)、９巻、No. 4 、１９８４年、１３７〜３９に記載されている。平面状の導波管の前端を通じた導波管内での可干渉光の結合および／または減結合は既知である（すなわち、例えば、ダブル ルコスツ(W. Lukosz) ：ＷＯ ８９０７７５６号およびＥＰ ８８００１０８号）が、高い結合効率および／または最適な直進性の減結合ビーム(optimally directed decoupling beam)のいずれかを得るために、前端の高い光学品質が必要である。フローセル(flowcell) のシールによって電流モード(current mode(s)) が損なわれてはいけないため、フローセル(flow cell) の使用にもさらに問題がある。
【００１３】
したがって、格子構造は光の結合および減結合のいずれに対しても好ましく使用される。格子カプラーのデザインによっては、構造深さ、すなわち、格子の深さを２から３０ｎｍの間で選択する。したがって、ＥＰ ０ ４５５ ０６７号では、減結合したビームの位置および／または強さのバックグラウンドを無視した(background-free) 検出を容易にする実質的に二回折な格子(bi-diffractivegrating)が記載されている。バイナリー格子(binary grating)は微差時間の２つの格子のつみ重ね(superimposition) から構成される。このような格子は１０ｎｍ未満の格子の深さで製造されることが好ましい。
【００１４】
このような非常に平坦な格子構造では、３ｎｍ未満、好ましくは１ｎｍ未満の非常に狭い許容差でなければならない。このことは、数原子層という予め決められた構造深さの観察が必要とされることを意味している。
【００１５】
幾何学的な状態、特に格子の深さを一定に保つことは、特に以下の理由により格子カプラーにとって重要である：
１． 結合効率は格子の深さに二次的に依存する；
２． 格子の深さは感受領域における有効モードの屈折率に直接影響を及ぼす；
さらに、両作用は直接センサーの特性に影響を及ぼす。
【００１６】
従来技術によると、エッチング処理はこれらの格子を製造するのにも用いられる。表面における格子を無機材料から得ようとする際には、上記したような複雑かつ高価なドライエッチングプロセスを上記目的のために一般的に用いていた。
【００１７】
従来技術（エムティ ゲイル(M.T. Gale) ら、エスピーアイイー(SPIE) １２７２、（１９９０年）、ページ６０以降）によると、二回折格子構造(bi-diffractional grating structure)は、導波管表面等のガラス表面における２つの方形格子のつみ重ね(superimposition) として、例えば、ホトリソグラフィーによって得られる。上記目的のために、構造化される基板をホトラッカーで被覆する。次に、ホログラフィー照射(holographic irradiation) および現像による次の段階で、目的とする部分格子（ａ）を上記層中に含ませる。この格子をさらに、Ａｕを用いて傾斜角をもってシャドウをつけることによって、シャドウのついたレジスト構造を次のドライエッチング段階で構造化される基板に移す。さらに、調節される部分格子（ｂ）を全プロセスを繰り返すことによって再度調節する。
【００１８】
例えば、各部分格子が部分格子の深さを同一として製造されなければならない際の、平坦な二回折格子を製造するための収率は非常に低い。このため、既知のプロセスは３０ｎｍより大きい深さを有する格子に対してのみ経済的である。
【００１９】
数多くの光集積素子が１回のプロセスで製造できるため、大きな基板表面（３インチ超）を用いることは通常経済的に好ましい。しかしながら、上記した理由によって、ドライエッチングプロセスで格子の深さの高い側面の再現性(lateral reproducibility)を得ることは困難であり、コストがかかる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、簡単かつ経済的であり、より大きな表面に対して均一な構造深さを有する平坦な構造物を再現性良く生産するのに適している、無機回折素子の製造方法を提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、基板を、エッチングすべきでない領域を保護しかつエッチング剤(etching medium)に対して耐性を有するマスクで被覆し、該マスクを形成しようとするレリーフ構造(relief structure)に相応するものとし、続いて、目的とするレリーフ構造を、基板内のマスクによって被覆されない領域に形成し、さらに、必要であれば、マスクを除去するエッチングによる無機回折素子、特にガラス製の無機回折素子の製造方法において、マスクを塗布する前に、エッチング止め(etching stop)として用いられる境界領域を、基板内の特異なエッチング挙動を有する２つの異なる材料の間に形成することによって、基板表面からの所定の距離の所定のエッチング深さが目的とする構造深さ(structure depth) と一致するように調節することを特徴とする、エッチングによる無機回折素子の製造方法によって達成される。
【００２２】
本発明は、上記境界領域を他の無機材料の１層若しくは数層からなる被膜を塗布することによってマスクの塗布前に予め基板上に形成することによって、上記被膜の厚さがレリーフ構造の構造深さと一致するようにし、さらに、レリーフ構造を上記被膜中に挿入し、基板がエッチング止めとして作用するような材料を選択されることを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はまた、上記基板がエッチング止め被膜および境界領域を形成するように構造化される(structured)さらなる被膜を備えることによって構造化される被膜の厚さがレリーフ構造の構造深さと一致することを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はまた、上記被膜がＰＶＤ、ＣＶＤまたはゾル−ゲルプロセスによって塗布されることを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はまた、上記被膜がパルス化プラズマ(pulsed plasma) またはレーザーＣＶＤ(laser CVD) プロセスによって塗布されることを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はまた、上記レリーフ構造がドライエッチングまたはウェットケミカルエッチング(wet chemical etching)プロセスによって形成されることを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はまた、反応性イオンエッチングがドライエッチングプロセスとして使用されることを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はまた、エッチングが材料の境界領域に到達した際にエッチング速度の急落によって即座にエッチング中に止められることを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はさらに、上記エッチング速度が材料が他の材料に転移する間に少なくとも１０倍減少することを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はさらに、上記エッチング速度が少なくとも５０倍減少することを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はさらに、エッチングされる基板表面上にプラズマを発生させる間、ドライエッチングプロセスを用いる方法において、構造化される被膜から基板材料へのおよびエッチング止め層への転移の間にプラズマから発せられた輻射線の変化をエッチングプロセスを停止させるためのストップシグナルとして用いることを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はさらに、境界領域における材料の他の材料への転移期間中のプラズマカラー(plasma colour) の変化をエッチングプロセスを停止させるためのシグナルとして用いることを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。
【００２３】
本発明は、上記いずれかに記載の方法によって製造された回折素子の回折光学素子としての使用によっても達成される。本発明はまた、上記基板および被膜が光学ガラスから構成されることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、基板ガラスおよび被膜の屈折率（ｎｄ）が１．５から２．２の間であることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、上記被膜の屈折率が基板ガラスの屈折率におおよそ調節されることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、上記被膜がＳｉＯ２／ＴｉＯ２、ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２／ＺｒＯ２および／またはＳｉＯ２／ＳｎＯ２の混合層から構成されることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、上記基板ガラスが網状構造形成酸化物含量の多い屈折率の高いガラスであることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、上記基板ガラスが平行平面(plane parallel)であり、光学的表面特性を有することを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、いわゆるハイブリッド光学素子(hybrid optics) の製造用の基板が球面または非球面の凸状表面を有することを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、上記被膜が干渉層システム(interference layer system) から構成されることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はさらに、被膜の屈折率が層の組成および、必要であれば、層の厚さの変化によってそれ自体既知の方法で調節されることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。
【００２４】
本発明は、また、格子カプラー(grating coupler) を有する表面センサーの構成材料としての上記いずれかに記載の方法によって製造された回折素子の使用によっても達成される。本発明は、合成材料若しくは合成材料含量の高い材料で作製された基板の微細な構造化(fine structuration)を目的とする成形プロセス用の成形治具としての上記いずれかに記載の方法によって製造された回折素子の使用によっても達成される。本発明は、レリーフ構造の構造深さが３０ｎｍ未満であることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、上記構造深さが２０ｎｍ未満であることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、構造幅(structure width) が屈折する輻射線の波長の範囲内であることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、格子カプラーが二回折格子(bi-diffractive grating)によって形成されることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、構造化された層がＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２若しくはＳｉ３Ｎ４またはこれらの混合物から構成されることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、構造化された層が非晶質であることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はさらに、構造化された層が２．５ｎｍ未満のＲＭＳ、好ましくは１．５ｎｍ未満のＲＭＳの表面粗度を有することを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はさらに、構造化された層が６以上のモース硬度を有する表面を有することを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はさらに、上記基板がフロートガラスであることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。
【００２５】
【作用】
本発明は、基板を、エッチングすべきでない領域を保護しかつエッチング剤に対して耐性を有するマスクで被覆し、該マスクを形成しようとするレリーフ構造に相応するものとし、続いて、目的とするレリーフ構造を、基板内のマスクによって被覆されない領域に形成し、さらに、必要であれば、マスクを除去するエッチングによる無機回折素子、特にガラス製の無機回折素子の製造方法において、マスクを塗布する前に、エッチング止めとして用いられる境界領域を、基板内の特異なエッチング挙動を有する２つの異なる材料の間に形成することによって、基板表面からの所定の距離の所定のエッチング深さが目的とする構造深さと一致するように調節することを特徴とする、エッチングによる無機回折素子の製造方法を示すものである。
【００２６】
本発明による製造方法において、エッチング止めとして使用される、異なるエッチング挙動を示す２つの材料間の境界面は、これは予め所定のエッチングの深さを決められるように、基板にマスクを被覆する前に、目的とする構造深さと等しい基板表面からの一定の距離離れた位置で基板中に形成される。これらの２つの材料としては、例えば、境界面に到達した際にエッチング速度が急に減少するようなものが選ばれる。このため、エッチングの深さの位置的な偏差は容易にバランスが取れる：エッチング速度の急激な減少によって、材料の融蝕は基板材料が境界面まで融蝕されている基板領域では効果的に起こらず、エッチングプロセスは境界領域に達していない領域において継続する。本発明によると、所定のエッチングの深さになる精度は、より大きな領域および再現性を含めて、エッチングプロセスのプロセスのパラメーターに、または平坦なレリーフ構造を得る場合では特に重要である、基板表面の材料の化学組成の変動に依存せず、異なるエッチング挙動を示す２つの材料間の上記した境界面が基板表面から一定の距離で形成される精度に依存する。
【００２７】
このような境界面をエッチング止めとして用いるように選択するのは、この境界面に到達する際のエッチングプロセスには自動干渉(automatic intervention)はないが、シグナルを送り、これをエッチングプロセスのストップシグナルとして使用するためである。プラズマがエッチングされる表面上に形成される、ドライエッチングプロセスにおいては、例えば、材料ごとに特徴のある、いわゆるプラズマカラー(plasma colour) 等のプラズマによって送られる輻射線の変化をエッチングプロセスの終りのストップシグナルとして用いることが可能である。
【００２８】
基板中に材料転移を生じさせるようためには様々な方法がある。例えば、所定の深さの表面付近の領域の基板から基板材料の所定の構成材料を浸出することができる。しかしながら、このプロセスは、より大きな表面に対して均質な「浸出深さ(leaching depth)」を得ることが難しいため、あまり好ましくない。
【００２９】
基礎となる基板（以降、単に「基板」と称する）上に異なる材料による１層若しくは数層から構成される被膜を塗布することによって基板の「中」に境界面を作製することが好ましい。これらの材料はエッチング挙動によって選択される。例えば、被膜から基板への転移がエッチング止めとして作用するように基板および被膜材料を選ぶことが可能である。
【００３０】
エッチングがエッチング速度の変化によって止められる際には、被膜材料のエッチング速度は実質的に基板材料のものより早くなければならない。この場合、ストラクチュレーション(structuration) は被膜中に導入され、この被膜が基板までエッチングされる領域中で除去される；すなわち、本発明による方法におけるレリーフ構造の構造深さは、基板に塗布される被膜の厚さと一致する。エッチング速度が基板にまで転移すると実質的に減少する結果、目的とする構造を得るのに必要な時間は、被膜のエッチング速度がより速くなるため上記したような精度は必要ではない。このことによって、プロセスが実質的に簡略化できる。
【００３１】
従来技術とは対称的に、イオンビームの強さおよび反応性エッチングにおける反応性物質の分布の異質性は構造深さの均一性に実質的に影響を及ぼさない。照射の強いおよび反応性物質の濃度の高い領域では、照射の強さおよび反応性物質の濃度がより低い領域に比べて被膜の完全なエッチングがより早く終了する。しかしながら、基板まで転移する間の後者のエッチングは非常に遅いために、目的とする配置が高い精度で観察されるという問題を起こさずに、より遅くエッチングが行われる領域が完全に基板までエッチングされるまで、エッチングが続けられる。このようにして、高品質の回折構造物が、照射特性が非均質性であるまたは反応性物質が分布している際でも得られる。
【００３２】
使用する材料のエッチング挙動の相違が大きいほど、本発明による方法の長所がより顕著になることは明らかである。
【００３３】
エッチング作用に対して不活性であり、到達するとエッチングプロセスを停止させる層をさらに被膜と基板との間に適用することも可能である。また、基板に対するエッチング作用に対してより高い感受性を有する材料、例えば、特殊な光学的および化学的性質を有する材料を用いることも可能である。構造化される基板を、基板および被膜の両方がガラスまたは結晶化ガラス製である、回折光学素子(Diffractive Optical Elements)として用いる際には、エッチング止めとして作用する中間層は可能な限り薄くかつ非孔質でなければならない。中間層が既知のＤＯＥ中で厚くなるほど、屈折率を被膜および基板ガラスの屈折率にまでうまく調節しなければならない。中間層が十分薄ければ、好ましくはλ／４（λは処理される光の波長）より薄ければ、Ａｌ２Ｏ３等の、エッチングに対して高い耐性を有し、屈折率のために特に適さないような層を用いてよい。
【００３４】
したがって、被膜材料から基板または中間層への転移期間中のエッチング速度の多少顕著な急激な変化によって、エッチングを簡単にかつ確実にコントロールできる。均等な所定のエッチングの深さが材料の除去に必要な最短のエッチング時間を超える如何にかかわらず設定できるように、被膜材料を除去した後のエッチング速度は０にまで落ちることが特に好ましい。
【００３５】
被膜材料によってさらに最適な高いエッチング速度をも得られる際には、プロセスを速やかに行うことができる。実質的なエッチング速度差は１０倍以上、好ましくは５０倍以上である。
【００３６】
上記では、基礎となる基板上の被膜の塗布の結果得られるエッチングのコントロールに関して記載したが、「浸出」基板("leached" substrate) に対しても同様に適用できる。
【００３７】
被膜はＰＶＤ、ＣＶＤまたはゾル−ゲル方法によって塗布されることが好ましい。これらの塗布方法は確立されており、また、プロセスのパラメーターに依存して、固体材料より多孔性である特異な形態を有する誘電体を提供する。このプロセスは、孔径が使用する光の波長より小さくなるような様式においても簡単に行えるため、被膜の多孔度は光学的に特に重要ではない。また、被膜を塗布する前に表面欠陥を一定基準とするように基板を研磨してもよい。
【００３８】
パルス化プラズマやレーザーＣＶＤプロセスは、低い基板温度でかつ現場で(in situ) 層の厚さをコントロールすることなくＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＴａの平滑で密な硬質の酸化および窒化物の層を再現性よく塗布することが可能であり、特に好ましい。上記方法によって製造された層は０．８ｎｍ ＲＭＳ未満の表面粗さを有する。（構造化される）基板と導波管との間の境界領域の粗さでの被きょう導光波の散乱を最小限にするために、表面センサー等の光集積素子として使用するためには、低表面粗度の層を用いる必要がある。したがって、層は、好ましくは２．５ｎｍ未満のＲＭＳ、最も好ましくは１．５ｎｍ未満のＲＭＳの表面粗さを有する。特に、層は非晶質であることが好ましい。
【００３９】
さらに、構造化される層は、格子機能(grating function)が過度に弱められるため、表面センサーに使用する際には、導波層(wave-conducting layer) であってはならず、また、屈折率が低くなければならない。エッチング止め層もまた、厚さが消失範囲(evanescent field)の射出値(exit level)に匹敵する（３０〜１００ｎｍ）際には、屈折率が低くなければならない。
【００４０】
上記被膜の製造方法はそれ自体既知であり、特許公報や他の文献に記載されている。また、パルス化プラズマＣＶＤ(pulsed plasma CVD) プロセスを使用することによって、直径が１２０ｍｍの表面上に３．５ｎｍの層厚を有するエッチング選択層(etching-selective layer) を均一に１０％未満の再現性で再現性よく製造できるので、パルス化プラズマＣＶＤ(pulsed plasma CVD) プロセスが好ましい。このような方法によって製造された層によって、層中に、例えば表面センサーに必要であるレリーフ構造等の、平滑なバイナリーレリーフ構造(binary relief structure) が形成できる。
【００４１】
ドライエッチングおよび／またはウェットエッチングプロセスは、使用目的によっては、本発明による方法によって製造された製品のエッチングプロセスとして好ましい。
【００４２】
構造化された基板が「既知の」ＤＯＥとして使用される場合には、ドライエッチングプロセスのみが好ましい。得られる構造幅は通常小さすぎる（アスペクト比が１：１０以上）ため、側部を規定する壁面の領域における構造を破壊してしまうゆえに、ウェットケミカルプロセスは使用できない。
【００４３】
反応性エッチングガスに対して耐性の低い材料からなる被膜を用いる際には、いわゆる反応性ドライエッチングプロセスを用いることによって、レリーフ構造の形成が促進される。反応性イオンエッチングでは、物理的および化学的エッチング作用によって被膜が除去される。エッチングによって除去される材料によっては、弗素および／または塩素を含むガス（例えば、ＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６、Ｃｌ２、ＣＨＣｌＦ２等）をエッチングガスとして用いる。
【００４４】
反応性イオンエッチングは、例えば、エム ハイスマイアー(M. Heissmeier)、ビー マンツケ(B. Manzke) 、リトグラフィック プロセシング ユージングリアクティブ イオン エッチング(Lithographic Processing Using Reactive Ion Etching)、ユニバーシティ オブ アーランゲン(University of Erlangen)（１９９０年）に記載されている。化学的作用に対する耐性がある基板や中間層は、エッチング止めがさらに改良できるので好ましく使用される。ゾル−ゲル方法によって得られるＳｉＯ２層の、反応性ガスとしてＣＨ３Ｆを用いた反応性イオンエッチングによって、過度の物理的な除去による純粋なイオンエッチングに比べると３倍、エッチング速度が向上する（イオンエッチング ５ｎｍ／分；反応性イオンエッチング １５ｎｍ／分）。さらに、好ましいエッチングプロセスがエス ウォルフ(S. Wolf) 、アールエヌ トイバー(R.N. Tauber) 、「シリコン プロセシング フォー ザ ブイエルエスアイ エラ(Silicon Processing for the VLSI Era) 」、ラティス プレス、カルフォルニア(Lattice Press,California) に記載されている。
【００４５】
光学表面センサーや一緒に製造されるエンボススタンプ(embossing stamp) の格子カプラーに必要なレリーフ構造等の、比較的大きな構造幅（＞３００ｎｍ）を有する平坦なレリーフ構造（＜３０ｎｍ）の場合には、構造深さに対して幅が大きいため、等方性エッチング挙動によっても損傷作用がないため、ウェットケミカルプロセスもまた用いられる。
【００４６】
以下、ＤＯＥとしての構造化基板の好ましい使用をさらに詳しく説明する。
【００４７】
当業者は、本発明によるプロセスが行われる際に用いられるＤＯＥに適当なガラスを容易に同定できる。例えば、多孔性ガラスまたは種々の形態を有するガラス（一部が結晶化した領域を有するもの等）が固体ガラスに比べてイオンエッチングプロセスにおけるエッチング速度がより大きいまたは実質的により大きいことは既知である。多孔性の層若しくは種々の形態を有する多孔性の層を固体ガラス基板に塗布することによって、同一組成であっても、簡単な方法によって様々なエッチング速度が得られる。上記より、反応性ドライエッチングプロセスが好ましい。
【００４８】
光学ガラスは光学特性に関して高い均質性を有するため、被膜やＤＯＥ用の基板に光学ガラスを用いることが好ましい。構造深さがより小さくても十分であるため、高い屈折率、好ましくは１．５以上の屈折率を有する光学ガラスが特に好ましい。また、光学ガラスはエッチング時間に関してもポジティブな効果を有する。ｄ＝λ／（２×Δｎ）の関係が屈折率の差Δｎ（層と周囲の媒質との間の；空気：ｎ＝１）および必要な構造深さｄを律する。
【００４９】
被膜の屈折率は、境界層の被膜／基板や被膜／中間層の反射の損失を防ぐために、基板ガラスの屈折率に適合させることが好ましい。高い屈折率を有する光学ガラス、特にＰｂＯやＬａ２Ｏ３等の、網状構造形成酸化物の含量の高いガラスが基板材料として好ましく使用される。反応性エッチングガスに対する耐性により、このようなガラスは反応性イオンエッチングプロセスに好ましく使用できる。
【００５０】
ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ２またはＳｎＯ２等の単一層、および特に、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２、ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２／ＺｒＯ２および／またはＳｉＯ２／ＳｎＯ２からなる混合層が被膜として好ましい。これらの高−及び低−屈折材料の混合層は、それ自体既知の様式で上記塗布プロセスによって製造できる。被膜の屈折率は、高−及び低−屈折酸化物の含量によって基板材料の屈折率に容易に合わせられる。さらに、単一層では反応性ガスのエッチング効果を特に被覆材料に対して良好に調節できるので、反応性ガスを調節する際には、特に単一層では、これらの材料によって、反応性イオンエッチングの間に高いエッチング速度が得られる。
【００５１】
容易にエッチング可能なガラスからなる基板を用いる際には、本発明による基板と被膜との間にエッチング止めとしてのエッチング速度の小さいガラスの中間層を挿入することが好ましい。本発明においては、基板が、上記条件である限り、基板上に様々なガラスのタイプの積層からなっていてもよい。
【００５２】
本発明による方法は、特にハイブリッド光学素子(hybrid optics) の製造用の球状のまたは非球状の凸状の基板等の、どんな形態の基板にも容易に適用できる。干渉及び屈折光学素子を組み合わせた形態の、多干渉層システム(multiple interference layer system)もまた被膜として用いられる。本発明による方法によって、平坦な格子構造を有するＤＯＥ等の、ＤＯＥの見積もり(calculation) 及び構築が非常に柔軟に設計できる。
【００５３】
本発明による方法によって製造された基板を表面センサー用の格子カプラーとして好ましく使用しようとする際には、ガラス製の基板が好ましく用いられ、この際、経済的に利点のある工業用ガラスは石英ガラスと同様に使用できる。基板を表面センサーとして使用しようとする際には、チップへの分離が必要である際には薄いガラスが特に好ましく使用される。ドイチェ スペチアルグラス アクチエンゲゼルシャフト(Deutsche Spezialglas AG) 製のＡＦ４５ガラスは低アルカリガラスの一例である。しかしながら、フロートガラスが経済的観点から特に好ましく使用できる。
【００５４】
構造化される被膜は、エッチング剤が好ましい組成を有する際には、エッチング速度がガラス基板または他の材料で作製されたエッチング止め層の速度より実質的に早いため、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｓｉ３Ｎ４またはこれらの酸化物の混合物から構成される。
【００５５】
プラズマカラー(plasma colour) の変化をエッチング止めシグナルとして用いようとする際には、エッチング止め層はエッチングされる層とは異なる化学元素を含んでおり、これによってスペクトルの異なる発光線(emission line) が得られる。好ましいエッチング条件の選択は当業者には既知である。
【００５６】
本発明による方法によって製造された構造化ガラス基板は、合成材料を構造化するための成形治具としても好ましく使用できる。このような場合には、特に平坦な格子構造を合成基板に非常に正確に容易に作製することができ、さらに、これを用いて、ＤＥ ４２ ２８ ８５３ Ｃ２に記載されているように、無機被膜を有する合成材料基板の基礎上に格子カプラーを有する表面センサーを作製することができる。
【００５７】
本発明による構造化基板をガラス製の原型としてまたは直接プレスダイ(pressdie) として等の成形治具として使用する際には、以下の条件が必要である：
（１） 成形治具の表面は、治具の有効寿命を最大にするためにモース硬度が６以上でなければならない。
【００５８】
（２） 表面センサーに使用される境界面および被覆された基板表面は可能な限り平滑でなければならないので、成形治具の表面についても相当する必要条件が課される。合成材料表面中にも存在する粗さがプレスされてしまうであろうゆえである。
【００５９】
好ましい材料や治具の測定値の選択は、上記条件が満たされれば、特に制限されない。
【００６０】
以下、図を参照しながら本発明をさらに具体的に説明する。
【００６１】
図２は、本発明によるＤＯＥの製造方法の一実施態様を示す概略図である。図２では、ガラス基板はゾル−ゲル被膜で被覆されている。ゾル−ゲル被膜の厚さは所定の構造深さと一致する。被膜および基板は、好ましくは相互に調節される屈折率ｎｃｏａｔおよびｎｓｕｂｓｔｒをそれぞれ有する。さらに、基板をマスク製造用のホトレジストで被覆する。シプレイ エーゼット １３５０(Shipley AZ 1350)やヘキスト エーゼット １４７０(Hoechst AZ 1470) 等の、すべての既知のレジスト材料を原則として使用できる。
【００６２】
レジストにレーザーまたは電子ビームを直接照射する。計算された構造見積もりからの計算データをまずレーザースキャナー(laser scanner) に移す。異なるＤＯＥタイプを製造しなければいけない際には、この照射プロセスが好ましく使用される。連続して製造する際には、ホトマスクを通した照射が好ましい。
【００６３】
それ自体既知の方法で行ったホトレジストの現像およびエッチングを行った後、反応性イオンエッチングによる実際の構造化プロセスを開始する。レジストはエッチング剤に対して非常に不活性である。基板表面または中間層まで層のエッチングを行う。この際、基板または中間層はエッチング止めとして作用する。これによって、最小限のエッチング時間でかつ所定のエッチングの深さで容易にプロセスを制御できる。ヘキスト エーゼット ２００(Hoechst AZ 200)等の、適当な溶媒を用いてレジストを除去した後、ＤＯＥを仕上げる。レジストがＤＯＥの後の使用を邪魔しなければ、レジストは除去する必要はない。
【００６４】
【実施例】
以下、実施態様を参照しながら本発明をさらに具体的に説明する。
【００６５】
実施例１：ＤＯＥの作製
２段階回折位相プロフィール(two-stage diffractive phase profile) の形態を有するビームセパレーターを製造する。λ＝５５５ｎｍの波長を使用する際には、層の厚さはｄ＝λ／（２・Δｎ）でなければならない。Δｎは、ガラス材料と周囲の媒質（周囲空気）との屈折率の差である。層の厚さを可能な限る小さく保つために、ガラス成分であるＢ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＺｒＯ２及びＹ２Ｏ３からなり、ｎ＝１．７８である非常に耐熱性であるガラスが使用される。このようなガラスは、ショット エルエーエフエヌ ２１(SCHOTT LAFN 21)の商標名で市販されている。上記の必要条件を使用するによって、ｄ＝３５６ｎｍの目的とする層の厚さが得られる。
【００６６】
被膜はＳｉＯ２／ＴｉＯ２のゾル−ゲル溶液を用いることによって得られる。上記溶液は、それ自体既知であるが、チタンのエチルエステルと珪素のエタノール溶液から構成され、ＴｉＯ２及びＳｉＯ２の重量比は５１：４９である。上記溶液の主成分はエタノールである。気候部屋(climatised room) （Ｔ＝２６℃、相対湿度＝４１％）中で被膜を形成する。１０×１０ｃｍ２の大きさの板状の基板材料を被覆した。本発明による方法によってほとんどの基板材料表面が被覆できるので、容易に被覆プロセス段階を追加できる。このようなプロセスには様々な長所がある。プレートを被覆溶液中に浸漬し、ゆっくり溶液から取り出す。この引上げ速度によって層の厚さが決定する。適当な引上げ速度は組成、熟成及び溶液の粘度によって変化し、幾つかの予備実験によって容易に測定できる。被覆後、基板を１５０℃の温度の空気が循環するキルン内に３分間置き、被膜表面を乾燥する。被膜を４００℃で１０分間焼く。このようなプロセスによって、層の厚さを±２ｎｍで正確に設定することができ、屈折率は±０．００５で正確に設定することができる。層の厚さや層の屈折率は、水平に（すなわち、等しく）被覆されたフロートガラスのディスクの透過率を測定することによって調節される。ゾル−ゲル層を焼いた後、ホトレジスト（シプレイ エーゼット １３５０(Shipley AZ 1350) ）による被覆をスピンコーティング(spin coating)によって行う。このレジストをレーザーコーティングシステム(laser coating system)で照射する。次に、照射されなかった領域をウェットケミカルエッチングによって除去する。反応性イオンエッチングによる被膜の構成化をさらに行うために、基板を水冷したサンプルホルダー上に載せ、エッチングプロセス中の熱歪を抑制する。２５容量部のＣＨＦ３および４容量部のＣ２Ｆ６の混合物をエッチングガスとして用いる。エッチングチャンバー内の操作圧は３０ｍＴｏｒｒであり、イオン源の平均ワット密度(power density) は約０．５Ｗ／ｃｍ２である。反応性イオンエッチングによって、構造物の異方性エッチングが容易になる。層を基板や中間層までエッチングによって除去すると、ガラス基板や中間層におけるエッチング速度はそれぞれほとんどゼロまで減少する。したがって、時間は構造化に関しては決定的な要因とはならない。最小のエッチング時間（＞２４分）が認められたのみである。この最小のエッチング時間は繰り返し実験によって測定された。さらに、目的とするイオンビームプロフィール(ion beam profile)も決定的な要因ではない。エッチングおよび必要であればホトレジストを除去した後、このようにして得られたエッチングされたプレートは、必要であれば、例えば、のこ引きにしたり(sawing)またはスリットにしたり(slitting)、切断する(breaking)ことによって、小さなＤＯＥに細分される。
【００６７】
実施例２：表面センサー用の格子カプラーの作製
ａ）マイクロ波プラズマインパルスＣＶＤシステム(microwave plasma impulseCVD system) を用いて、１０ｎｍの厚さのＴｉＯ２のエッチング止め層を１５０℃の基板温度で石英ガラス基板上にＴｉＣｌ４／Ｏ２プラズマから堆積させ、この上に５ｎｍの厚さのＳｉＯ２層（「構造化される層」）を酸素中で１％ ＨＭＤＳＯの濃度でＨＭＤＳＯ／Ｏ２プラズマから堆積させた。ＳｉＯ２層は、干渉測定器で(interferometrically) 表面粗さが０．７ｎｍ（ＲＭＳ）であり、モース硬度が６であった。
【００６８】
次に、このようにして被覆された基板を市販のホトラッカーエーゼット １３５０(AZ 1350) で１００ｎｍ未満の層の厚さで被覆し、ホログラフィーによる二重露光(holographic double exposure) を行い、さらに現像することによって二層の格子構造(two superimposed grating structure)を得た。さらに、この格子をＣＦ４／Ｏ２／Ａｒプラズマを用いたドライエッチング処理によってＳｉＯ２層までエッチングした。ＳｉＯ２層のエッチング能(etchability) はＴｉＯ２層のより２５倍以上大きかった。このようにして得られた格子の構造深さは５ｎｍ±０．７ｎｍであり、すなわち、誤差が基板の表面粗さの範囲内である。
【００６９】
ｂ）エッチング段階が１％ ＨＦを含むエッチング溶液におけるウェットエッチングプロセスである以外、ａ）と同様にして行った。エッチング時間は１０秒であった。エッチング速度の差は１００倍以上であった。アスペクト比が５：３５０〜４００であるため、格子の深さが５±０．７ｎｍであるほとんど方形のバイナリー格子が得られた。
【００７０】
このようなｂ）の方法は、コストの高いドライエッチングプロセスの代わりに経済的なウェットケミカルプロセス段階を用いるものであるため、特に好ましい方法である。
【００７１】
ｃ）マイクロ波プラズマインパルスＣＶＤシステムを用いて、１５ｎｍの厚さのＡｌ２Ｏ３層を、２００℃の基板温度で石英ガラス基板上にＡｌＣｌ３／Ｏ２プラズマから堆積させた。ＡｌＣｌ３濃度は３％であった。この層はＸ−線−非晶質(X-ray-amorphous) であり、干渉測定器で(interferometrically) 表面粗さが０．８ｎｍ（ＲＭＳ）であり、モース硬度が６であった。
【００７２】
１５ｎｍの深さのバイナリー格子が、Ａｌ２Ｏ３層においてＣＦ４プラズマによるドライエッチングプロセスを用いた実施例２ａ）によるマイクロリソグラフィー法(microlithographic method)によって得られた。プラズマカラーの変化を、Ａｌ２Ｏ３からＳｉＯ２基板まで転移する間にダイオードアレイスペクトロメーター(diode array spectrometer)を用いることによってエッチング止めシグナルとして用いた。
【００７３】
これより、エッチング止めシグナルとしてプラズマカラーの変化を用いることによって、ドライエッチングプロセスにおいてエッチングが停止できることが分かった。
【００７４】
ｄ）ＳｉＯ２タイプ層を、硼珪酸ガラス（ドイチェ スペチアルグラス アクチエンゲゼルシャフト(Deutsche Spezialglas AG) 製のＡＦ４５）上に５％ ＨＭＤＳＯ含量を有するＨＭＤＳＯ／Ｏ２プラズマから堆積させた以外、実施例２ｂ）と同様にして行った。
【００７５】
この際、当業者は、基板に関してＳｉＯ２タイプ層に必要なエッチング能(etchability) が１０倍以上になるように調節できるように、希釈した弗化水素酸およびウェットケミカルエッチングプロセスに適した弗化物塩や無機酸等の既知の添加剤を用いたエッチング配合(etching formulae)を決定できる。
【００７６】
このようにして、基板より実質的に大きいエッチング速度を有する層を用いることによって、エッチングが選択できる。
【００７７】
ｅ）実施例２ａ）によって構造化された基板を、実施例２ａ）に詳細に記載されているマイクロ波プラズマインパルスＣＶＤシステムによって、１４０ｎｍの厚さのＴｉＯ２のモノモードの(monomode)導波管で被覆した。ＨｅＮｅレーザーを用いて、ＴＥモードを８°から２２°の角度で導波管中に結合した(couple)。格子に関するモードの伝搬長さ(propagation length)は４ｍｍであった。
【００７８】
ｆ）実施例２ａ）にしたがって構造化された基板を、さらに、プレス型挿入物として熱圧プレス機に挿入した。この格子構造を１６０℃の温度で３０バールの型押圧(impression pressure) でホットプレスすることによってポリカーボネート箔中に移動させた。このようにしてコピーされた格子の測定された絶対屈折率はガラス原型の絶対屈折率の９５％以上であった。
【００７９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は、基板を、エッチングすべきでない領域を保護しかつエッチング剤に対して耐性を有するマスクで被覆し、該マスクを形成しようとするレリーフ構造に相応するものとし、続いて、目的とするレリーフ構造を、基板内のマスクによって被覆されない領域に形成し、さらに、必要であれば、マスクを除去するエッチングによる無機回折素子、特にガラス製の無機回折素子の製造方法において、マスクを塗布する前に、エッチング止めとして用いられる境界領域を、基板内の特異なエッチング挙動を有する２つの異なる材料の間に形成することによって、基板表面からの所定の距離の所定のエッチング深さが目的とする構造深さと一致するように調節することを特徴とする、エッチングによる無機回折素子の製造方法を示すものである。
【００８０】
したがって、本発明による方法によって、特に、以下の（１）〜（５）の長所を有する、平坦な、レリーフ構造が得られるものである：
（１） バイナリー構造物が得られる。これによって完全な構造物が１回のプロセスで製造できる。
【００８１】
（２） 構造物は±１０〜１５％の許容差で２〜３０ｎｍの深さに再現性良く 調節できる。
【００８２】
（３） 例えば光集積素子用の結合素子(coupling element)として使用するのに適した、最小の統計的表面粗さのみを有する構造物が製造できる。
【００８３】
（４） 例えば構造化された合成材料基板を製造するための成形治具として使用するのに適した、硬質な表面を有する基板が構造化できる。
【００８４】
（５） 構造化された基板をセンサー素子の構成部品として使用する際に、経済的な基板として使用できる。プロセス自体も経済的なので、センサー素子の価格を実質的に下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、回折光学素子の適用例を示す図である。
【図２】 図２は、本発明によるＤＯＥの製造方法の一実施態様を示す概略図である
【産業上の利用分野】
本発明は、無機回折素子(inorganic diffractive element) の製造方法およびその使用に関するものである。詳しく述べると、本発明は、構造深さの小さい平坦なレリーフ構造でさえ精度よくかつ再現性よく製造できる無機回折素子の製造方法、および本発明にしたがって製造された回折素子の好ましい適用に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回折レリーフ構造を有する無機基板は、例えば、いわゆる回折光学素子(Diffractive Optical Elements)（ＤＯＥ）として用いられている。このＤＯＥは既知であり、例えば、ガボー，ジー(Gabor,G.)、ネイチャー(Nature) １６１，７７７（１９４８年）またはノップ，ケー(Knop,K.)、ディフラクティブ オプティック：ミクロストラクテュレン アルス オプティッシュ エレメンテ(Diffraktive Optik: Mikrostrukturen als optische Elemete) 、フィス．ブル．(Phys.Bl.) ４７（１９９１年）、Ｎｏ．１０に記載されている。ＤＯＥという表現は、表面にレリーフ構造(relief structure)を有し、表面におけるレリーフ構造の形状や配置によってビームの分配(beam partition)、ビームの集束(beam focussing)またはビームのプロフィール形成(beam profile formation)等の種々の光学的な機能をすることができるすべての光学素子を意味するものである。レリーフ構造を有するＤＯＥの基板は光学の形態を有するものであり、このため、目的とする適用に使用することができる。ＤＯＥの特殊な設計によって少なくとも１つの光学的な機能を容易に付加できる場合に、ハイブリッド光学(hybrid optics) という表現をこのような配置を表わすのに使用する。ハイブリッド光学(hybrid optics) は、例えば、チチー，アール(Czichy, R.)、ハイブリッド オプティックス フォー スペース アプリケーションズ(Hybrid Optics for Space Applications)、ユニバーシティ オブ ノイチャテル(University of Neuchatel)（１９９２年）に記載されている。
【０００３】
ＤＯＥは、反射システムおよび伝達システムの両方として設計される。また、ＤＯＥは、様々な材料、例えば、ガラス、金属または合成材料等から作製される。ＤＯＥの一般的な測定値は約１〜３０ｍｍのエッジ長である。しかしながら、分光写真器の光学スクリーン（約１５０×１５０ｍｍ２まで）、フレネルゾーンパネル(Fresnell zone panel)（例えば、プラスチック製の車窓使用用で、特に直径が３０cmまで）または贈物の包装紙用のバンドロール(band roll) としての金属化プラスチック等、実質的により大きな寸法を有するＤＯＥもある。用いられるレリーフ構造(relief structure)の構造幅(structural width)は、具体的には、屈折した輻射線の波長の寸法内である。
【０００４】
本発明は、主に、無機材料、特にガラス製のＤＯＥを対象とするものである。合成材料製のＤＯＥを比較すると、無機材料で作製されたＤＯＥの特徴は、高い均質性、良好な熱安定性および機械的安定性、さらには化学作用に対する良好な耐性および形状安定性である。これらは高出力密度を有するシステム、特にレーザーシステムにおいて好ましく使用される。このようなシステムは２０ワットまでのまたはそれ以上の出力密度を有する。したがって、使用形態によっては、ガラス基板は、有機材料製のより安価な構造体より好ましい場合がある。
【０００５】
ガラスからのＤＯＥの製造方法は、米国特許出願番号４，７６５，７１４号に記載されている。この方法は、特許請求の範囲第１項の前文部分(preamble)の基礎を成すものである。
【０００６】
既知の方法においては、ガラス製の基板はホトレジストで被覆される。このホトレジスト層は形成されるレリーフ構造に相当する所定の領域をマスクを介して照射され、それ自体既知の方法によって現像される。基板ガラスは、最終的には、ドライエッチング方法によってホトレジストで覆われていない基板表面領域が除去され、これによってレリーフ構造が形成される。最終的には、ホトレジストの非照射領域が除去される。最終製品は構造化された表面(structured surface)を有するガラス製のＤＯＥである。
ドライエッチング方法が金属または非金属基板表面において高密度の微細な幾何学模様を得るのに特に適していることは知られている。ウェットケミカルエッチング(wet chemical etching)方法と比べると、ドライエッチングは、非常に正確な異方性エッチング構造が得られるという長所を有する。アスペクト比（＝構造深さ(structure depth) ：構造クリアランス(structure clearance) ）が１：１０を超えると、ドライエッチングは特に重要である。材料のアブレーションは、基板表面に対して直交してのみ起こり、ウェットケミカル方法におけるような、等方的なものでない、すなわち、エッチングされたくぼみの側壁上には起こらない。
【０００７】
しかしながら、ドライエッチング方法による既知のＤＯＥの製造方法は、全基板表面に対して均一な構造深さを設定することが非常に困難であるという欠点を有する。ＤＯＥの構造深さの５％偏差がやっと許容できる値と考えられている。５％値より超えると、屈折率が顕著に、またしばしば許容できないくらいに減少してしまう。
【０００８】
一般的にエッチングの深さの設定には高価な調節操作が必要である。イオンビームの強さの高いおよび低い領域におけるエッチング速度の差を防止するために、イオンビームが約１００ｃｍ２の全輻射線直径表面において均質であることが、均質なエッチングの深さを得るための必要条件である。全基板表面におけるイオンビームの強さを均等に調節することは、実験を行う前に時間およひ費用のかけて行われるが、この際、イオンビームは全直径表面に沿って測定され、作業変数によって再調節される。さらに、それぞれ使用されるガラスに対するエッチング速度もまた、最終的なポイント制御がないために、イオン衝撃(ion bombardment) の期間における深さを最適に正確に調節できるように、実際にエッチングプロセスを行う前に予め実験で確実に測定していなければならない。
【０００９】
上記の既知の方法は、従来用いられている基板ガラスにおけるエッチング速度が非常に遅いため、構造物中で処理される光の波長（＝λ）の範囲内である、ＤＯＥに必要な構造深さを得るためのエッチング期間が非常に長く（５ｎｍ／分の通常のエッチング速度で約１．５〜１．６時間）なってしまうという欠点がさらにある。また、このエッチング期間は、所定のエッチングの深さに調節するために、かなり正確に観察されなければならない（最適な放射プロフィール(radiation profile) で１分未満）。放射強さ(radiation intensity) における１０％の偏差で４５ｎｍまでの構造深さの偏差が生じてしまう。
【００１０】
非常に平坦な構造物（構造深さが３０ｎｍ未満）を形成する際には、所定のエッチング期間中にエッチングの深さを確実にコントロールすることは不可能である。ガラス、特に工業銘柄のガラスまたはフロートガラス等の経済的な基板ガラスは、固体材料から実質的に逸脱するような組成を有する、数ｎｍの厚さ（表面の容積および組成によって変わる）までの表層を有する。ガラスの製造（個々のガラス成分の凝離または蒸発による）によって、洗浄（浸出または選択的融蝕による）によって、または例えば磨き仕上等の表面処理によってもたらされる上記表層では、エッチング速度に関する時間的および位置的効果を制御することができないため、特に上記したような非常に平坦な構造物では構造深さに大きな相対誤差が生じてしまう。
【００１１】
このような平坦なレリーフ構造は、例えば、光集積素子(integrated opticalelement)中で光を結合(coupling)および減結合(decoupling)するためのいわゆる格子カプラー(grating coupler) に、特に表面センサーに使用される。格子カプラー(grating coupler) という表現は、通常、被きょう導光波(guided lightwave)から自由に伝搬する(freely propagating)光波に変換するための装置（漏出性モード(leaky mode)）を表わすのに使用される。したがって、格子カプラーは、少なくとも１つの光学的な導波管および格子(grating) からなり、この導波管は基板上に配置され、格子(grating) は、表面センサーでは、導波管の境界面の片面上またはその近くに配置される。さらに、格子カプラーという表現は、導波管表面付近の化学的または物理的値の変化を結合状態の変化に変換する光学変換器を表わすためにセンサリックス(sensorics) において使用される。減結合光(decoupled light) の位置および／または位相および／または強さ（つまり、例えば、引用書中のケー チーフェンタラー(K. Tiefenthaler) およびダブル ルコスツ(W. Lukosz) ）のいずれかが記録された測定変数である、すなわち、結合および減結合角の変化指数に基づいて操作するセンサーをも格子カプラーと呼ぶ。
【００１２】
光学表面センサーにおける構造化された平面状の導波管の使用は、中でも、ケー チーフェンタラー(K. Tiefenthaler) およびダブル ルコスツ(W. Lukosz)：「インテグレーテッド オプティカル スィッチェス アンド ガス センサーズ(Integrated Optical Switches and Gas Sensors) 」、オプティックス レターズ(Optics Letters)、９巻、No. 4 、１９８４年、１３７〜３９に記載されている。平面状の導波管の前端を通じた導波管内での可干渉光の結合および／または減結合は既知である（すなわち、例えば、ダブル ルコスツ(W. Lukosz) ：ＷＯ ８９０７７５６号およびＥＰ ８８００１０８号）が、高い結合効率および／または最適な直進性の減結合ビーム(optimally directed decoupling beam)のいずれかを得るために、前端の高い光学品質が必要である。フローセル(flowcell) のシールによって電流モード(current mode(s)) が損なわれてはいけないため、フローセル(flow cell) の使用にもさらに問題がある。
【００１３】
したがって、格子構造は光の結合および減結合のいずれに対しても好ましく使用される。格子カプラーのデザインによっては、構造深さ、すなわち、格子の深さを２から３０ｎｍの間で選択する。したがって、ＥＰ ０ ４５５ ０６７号では、減結合したビームの位置および／または強さのバックグラウンドを無視した(background-free) 検出を容易にする実質的に二回折な格子(bi-diffractivegrating)が記載されている。バイナリー格子(binary grating)は微差時間の２つの格子のつみ重ね(superimposition) から構成される。このような格子は１０ｎｍ未満の格子の深さで製造されることが好ましい。
【００１４】
このような非常に平坦な格子構造では、３ｎｍ未満、好ましくは１ｎｍ未満の非常に狭い許容差でなければならない。このことは、数原子層という予め決められた構造深さの観察が必要とされることを意味している。
【００１５】
幾何学的な状態、特に格子の深さを一定に保つことは、特に以下の理由により格子カプラーにとって重要である：
１． 結合効率は格子の深さに二次的に依存する；
２． 格子の深さは感受領域における有効モードの屈折率に直接影響を及ぼす；
さらに、両作用は直接センサーの特性に影響を及ぼす。
【００１６】
従来技術によると、エッチング処理はこれらの格子を製造するのにも用いられる。表面における格子を無機材料から得ようとする際には、上記したような複雑かつ高価なドライエッチングプロセスを上記目的のために一般的に用いていた。
【００１７】
従来技術（エムティ ゲイル(M.T. Gale) ら、エスピーアイイー(SPIE) １２７２、（１９９０年）、ページ６０以降）によると、二回折格子構造(bi-diffractional grating structure)は、導波管表面等のガラス表面における２つの方形格子のつみ重ね(superimposition) として、例えば、ホトリソグラフィーによって得られる。上記目的のために、構造化される基板をホトラッカーで被覆する。次に、ホログラフィー照射(holographic irradiation) および現像による次の段階で、目的とする部分格子（ａ）を上記層中に含ませる。この格子をさらに、Ａｕを用いて傾斜角をもってシャドウをつけることによって、シャドウのついたレジスト構造を次のドライエッチング段階で構造化される基板に移す。さらに、調節される部分格子（ｂ）を全プロセスを繰り返すことによって再度調節する。
【００１８】
例えば、各部分格子が部分格子の深さを同一として製造されなければならない際の、平坦な二回折格子を製造するための収率は非常に低い。このため、既知のプロセスは３０ｎｍより大きい深さを有する格子に対してのみ経済的である。
【００１９】
数多くの光集積素子が１回のプロセスで製造できるため、大きな基板表面（３インチ超）を用いることは通常経済的に好ましい。しかしながら、上記した理由によって、ドライエッチングプロセスで格子の深さの高い側面の再現性(lateral reproducibility)を得ることは困難であり、コストがかかる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、簡単かつ経済的であり、より大きな表面に対して均一な構造深さを有する平坦な構造物を再現性良く生産するのに適している、無機回折素子の製造方法を提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、基板を、エッチングすべきでない領域を保護しかつエッチング剤(etching medium)に対して耐性を有するマスクで被覆し、該マスクを形成しようとするレリーフ構造(relief structure)に相応するものとし、続いて、目的とするレリーフ構造を、基板内のマスクによって被覆されない領域に形成し、さらに、必要であれば、マスクを除去するエッチングによる無機回折素子、特にガラス製の無機回折素子の製造方法において、マスクを塗布する前に、エッチング止め(etching stop)として用いられる境界領域を、基板内の特異なエッチング挙動を有する２つの異なる材料の間に形成することによって、基板表面からの所定の距離の所定のエッチング深さが目的とする構造深さ(structure depth) と一致するように調節することを特徴とする、エッチングによる無機回折素子の製造方法によって達成される。
【００２２】
本発明は、上記境界領域を他の無機材料の１層若しくは数層からなる被膜を塗布することによってマスクの塗布前に予め基板上に形成することによって、上記被膜の厚さがレリーフ構造の構造深さと一致するようにし、さらに、レリーフ構造を上記被膜中に挿入し、基板がエッチング止めとして作用するような材料を選択されることを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はまた、上記基板がエッチング止め被膜および境界領域を形成するように構造化される(structured)さらなる被膜を備えることによって構造化される被膜の厚さがレリーフ構造の構造深さと一致することを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はまた、上記被膜がＰＶＤ、ＣＶＤまたはゾル−ゲルプロセスによって塗布されることを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はまた、上記被膜がパルス化プラズマ(pulsed plasma) またはレーザーＣＶＤ(laser CVD) プロセスによって塗布されることを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はまた、上記レリーフ構造がドライエッチングまたはウェットケミカルエッチング(wet chemical etching)プロセスによって形成されることを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はまた、反応性イオンエッチングがドライエッチングプロセスとして使用されることを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はまた、エッチングが材料の境界領域に到達した際にエッチング速度の急落によって即座にエッチング中に止められることを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はさらに、上記エッチング速度が材料が他の材料に転移する間に少なくとも１０倍減少することを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はさらに、上記エッチング速度が少なくとも５０倍減少することを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はさらに、エッチングされる基板表面上にプラズマを発生させる間、ドライエッチングプロセスを用いる方法において、構造化される被膜から基板材料へのおよびエッチング止め層への転移の間にプラズマから発せられた輻射線の変化をエッチングプロセスを停止させるためのストップシグナルとして用いることを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。本発明はさらに、境界領域における材料の他の材料への転移期間中のプラズマカラー(plasma colour) の変化をエッチングプロセスを停止させるためのシグナルとして用いることを特徴とする、無機回折素子の製造方法を示すものである。
【００２３】
本発明は、上記いずれかに記載の方法によって製造された回折素子の回折光学素子としての使用によっても達成される。本発明はまた、上記基板および被膜が光学ガラスから構成されることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、基板ガラスおよび被膜の屈折率（ｎｄ）が１．５から２．２の間であることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、上記被膜の屈折率が基板ガラスの屈折率におおよそ調節されることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、上記被膜がＳｉＯ２／ＴｉＯ２、ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２／ＺｒＯ２および／またはＳｉＯ２／ＳｎＯ２の混合層から構成されることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、上記基板ガラスが網状構造形成酸化物含量の多い屈折率の高いガラスであることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、上記基板ガラスが平行平面(plane parallel)であり、光学的表面特性を有することを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、いわゆるハイブリッド光学素子(hybrid optics) の製造用の基板が球面または非球面の凸状表面を有することを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、上記被膜が干渉層システム(interference layer system) から構成されることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はさらに、被膜の屈折率が層の組成および、必要であれば、層の厚さの変化によってそれ自体既知の方法で調節されることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。
【００２４】
本発明は、また、格子カプラー(grating coupler) を有する表面センサーの構成材料としての上記いずれかに記載の方法によって製造された回折素子の使用によっても達成される。本発明は、合成材料若しくは合成材料含量の高い材料で作製された基板の微細な構造化(fine structuration)を目的とする成形プロセス用の成形治具としての上記いずれかに記載の方法によって製造された回折素子の使用によっても達成される。本発明は、レリーフ構造の構造深さが３０ｎｍ未満であることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、上記構造深さが２０ｎｍ未満であることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、構造幅(structure width) が屈折する輻射線の波長の範囲内であることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、格子カプラーが二回折格子(bi-diffractive grating)によって形成されることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、構造化された層がＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２若しくはＳｉ３Ｎ４またはこれらの混合物から構成されることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はまた、構造化された層が非晶質であることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はさらに、構造化された層が２．５ｎｍ未満のＲＭＳ、好ましくは１．５ｎｍ未満のＲＭＳの表面粗度を有することを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はさらに、構造化された層が６以上のモース硬度を有する表面を有することを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。本発明はさらに、上記基板がフロートガラスであることを特徴とする、回折素子の使用を示すものである。
【００２５】
【作用】
本発明は、基板を、エッチングすべきでない領域を保護しかつエッチング剤に対して耐性を有するマスクで被覆し、該マスクを形成しようとするレリーフ構造に相応するものとし、続いて、目的とするレリーフ構造を、基板内のマスクによって被覆されない領域に形成し、さらに、必要であれば、マスクを除去するエッチングによる無機回折素子、特にガラス製の無機回折素子の製造方法において、マスクを塗布する前に、エッチング止めとして用いられる境界領域を、基板内の特異なエッチング挙動を有する２つの異なる材料の間に形成することによって、基板表面からの所定の距離の所定のエッチング深さが目的とする構造深さと一致するように調節することを特徴とする、エッチングによる無機回折素子の製造方法を示すものである。
【００２６】
本発明による製造方法において、エッチング止めとして使用される、異なるエッチング挙動を示す２つの材料間の境界面は、これは予め所定のエッチングの深さを決められるように、基板にマスクを被覆する前に、目的とする構造深さと等しい基板表面からの一定の距離離れた位置で基板中に形成される。これらの２つの材料としては、例えば、境界面に到達した際にエッチング速度が急に減少するようなものが選ばれる。このため、エッチングの深さの位置的な偏差は容易にバランスが取れる：エッチング速度の急激な減少によって、材料の融蝕は基板材料が境界面まで融蝕されている基板領域では効果的に起こらず、エッチングプロセスは境界領域に達していない領域において継続する。本発明によると、所定のエッチングの深さになる精度は、より大きな領域および再現性を含めて、エッチングプロセスのプロセスのパラメーターに、または平坦なレリーフ構造を得る場合では特に重要である、基板表面の材料の化学組成の変動に依存せず、異なるエッチング挙動を示す２つの材料間の上記した境界面が基板表面から一定の距離で形成される精度に依存する。
【００２７】
このような境界面をエッチング止めとして用いるように選択するのは、この境界面に到達する際のエッチングプロセスには自動干渉(automatic intervention)はないが、シグナルを送り、これをエッチングプロセスのストップシグナルとして使用するためである。プラズマがエッチングされる表面上に形成される、ドライエッチングプロセスにおいては、例えば、材料ごとに特徴のある、いわゆるプラズマカラー(plasma colour) 等のプラズマによって送られる輻射線の変化をエッチングプロセスの終りのストップシグナルとして用いることが可能である。
【００２８】
基板中に材料転移を生じさせるようためには様々な方法がある。例えば、所定の深さの表面付近の領域の基板から基板材料の所定の構成材料を浸出することができる。しかしながら、このプロセスは、より大きな表面に対して均質な「浸出深さ(leaching depth)」を得ることが難しいため、あまり好ましくない。
【００２９】
基礎となる基板（以降、単に「基板」と称する）上に異なる材料による１層若しくは数層から構成される被膜を塗布することによって基板の「中」に境界面を作製することが好ましい。これらの材料はエッチング挙動によって選択される。例えば、被膜から基板への転移がエッチング止めとして作用するように基板および被膜材料を選ぶことが可能である。
【００３０】
エッチングがエッチング速度の変化によって止められる際には、被膜材料のエッチング速度は実質的に基板材料のものより早くなければならない。この場合、ストラクチュレーション(structuration) は被膜中に導入され、この被膜が基板までエッチングされる領域中で除去される；すなわち、本発明による方法におけるレリーフ構造の構造深さは、基板に塗布される被膜の厚さと一致する。エッチング速度が基板にまで転移すると実質的に減少する結果、目的とする構造を得るのに必要な時間は、被膜のエッチング速度がより速くなるため上記したような精度は必要ではない。このことによって、プロセスが実質的に簡略化できる。
【００３１】
従来技術とは対称的に、イオンビームの強さおよび反応性エッチングにおける反応性物質の分布の異質性は構造深さの均一性に実質的に影響を及ぼさない。照射の強いおよび反応性物質の濃度の高い領域では、照射の強さおよび反応性物質の濃度がより低い領域に比べて被膜の完全なエッチングがより早く終了する。しかしながら、基板まで転移する間の後者のエッチングは非常に遅いために、目的とする配置が高い精度で観察されるという問題を起こさずに、より遅くエッチングが行われる領域が完全に基板までエッチングされるまで、エッチングが続けられる。このようにして、高品質の回折構造物が、照射特性が非均質性であるまたは反応性物質が分布している際でも得られる。
【００３２】
使用する材料のエッチング挙動の相違が大きいほど、本発明による方法の長所がより顕著になることは明らかである。
【００３３】
エッチング作用に対して不活性であり、到達するとエッチングプロセスを停止させる層をさらに被膜と基板との間に適用することも可能である。また、基板に対するエッチング作用に対してより高い感受性を有する材料、例えば、特殊な光学的および化学的性質を有する材料を用いることも可能である。構造化される基板を、基板および被膜の両方がガラスまたは結晶化ガラス製である、回折光学素子(Diffractive Optical Elements)として用いる際には、エッチング止めとして作用する中間層は可能な限り薄くかつ非孔質でなければならない。中間層が既知のＤＯＥ中で厚くなるほど、屈折率を被膜および基板ガラスの屈折率にまでうまく調節しなければならない。中間層が十分薄ければ、好ましくはλ／４（λは処理される光の波長）より薄ければ、Ａｌ２Ｏ３等の、エッチングに対して高い耐性を有し、屈折率のために特に適さないような層を用いてよい。
【００３４】
したがって、被膜材料から基板または中間層への転移期間中のエッチング速度の多少顕著な急激な変化によって、エッチングを簡単にかつ確実にコントロールできる。均等な所定のエッチングの深さが材料の除去に必要な最短のエッチング時間を超える如何にかかわらず設定できるように、被膜材料を除去した後のエッチング速度は０にまで落ちることが特に好ましい。
【００３５】
被膜材料によってさらに最適な高いエッチング速度をも得られる際には、プロセスを速やかに行うことができる。実質的なエッチング速度差は１０倍以上、好ましくは５０倍以上である。
【００３６】
上記では、基礎となる基板上の被膜の塗布の結果得られるエッチングのコントロールに関して記載したが、「浸出」基板("leached" substrate) に対しても同様に適用できる。
【００３７】
被膜はＰＶＤ、ＣＶＤまたはゾル−ゲル方法によって塗布されることが好ましい。これらの塗布方法は確立されており、また、プロセスのパラメーターに依存して、固体材料より多孔性である特異な形態を有する誘電体を提供する。このプロセスは、孔径が使用する光の波長より小さくなるような様式においても簡単に行えるため、被膜の多孔度は光学的に特に重要ではない。また、被膜を塗布する前に表面欠陥を一定基準とするように基板を研磨してもよい。
【００３８】
パルス化プラズマやレーザーＣＶＤプロセスは、低い基板温度でかつ現場で(in situ) 層の厚さをコントロールすることなくＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＴａの平滑で密な硬質の酸化および窒化物の層を再現性よく塗布することが可能であり、特に好ましい。上記方法によって製造された層は０．８ｎｍ ＲＭＳ未満の表面粗さを有する。（構造化される）基板と導波管との間の境界領域の粗さでの被きょう導光波の散乱を最小限にするために、表面センサー等の光集積素子として使用するためには、低表面粗度の層を用いる必要がある。したがって、層は、好ましくは２．５ｎｍ未満のＲＭＳ、最も好ましくは１．５ｎｍ未満のＲＭＳの表面粗さを有する。特に、層は非晶質であることが好ましい。
【００３９】
さらに、構造化される層は、格子機能(grating function)が過度に弱められるため、表面センサーに使用する際には、導波層(wave-conducting layer) であってはならず、また、屈折率が低くなければならない。エッチング止め層もまた、厚さが消失範囲(evanescent field)の射出値(exit level)に匹敵する（３０〜１００ｎｍ）際には、屈折率が低くなければならない。
【００４０】
上記被膜の製造方法はそれ自体既知であり、特許公報や他の文献に記載されている。また、パルス化プラズマＣＶＤ(pulsed plasma CVD) プロセスを使用することによって、直径が１２０ｍｍの表面上に３．５ｎｍの層厚を有するエッチング選択層(etching-selective layer) を均一に１０％未満の再現性で再現性よく製造できるので、パルス化プラズマＣＶＤ(pulsed plasma CVD) プロセスが好ましい。このような方法によって製造された層によって、層中に、例えば表面センサーに必要であるレリーフ構造等の、平滑なバイナリーレリーフ構造(binary relief structure) が形成できる。
【００４１】
ドライエッチングおよび／またはウェットエッチングプロセスは、使用目的によっては、本発明による方法によって製造された製品のエッチングプロセスとして好ましい。
【００４２】
構造化された基板が「既知の」ＤＯＥとして使用される場合には、ドライエッチングプロセスのみが好ましい。得られる構造幅は通常小さすぎる（アスペクト比が１：１０以上）ため、側部を規定する壁面の領域における構造を破壊してしまうゆえに、ウェットケミカルプロセスは使用できない。
【００４３】
反応性エッチングガスに対して耐性の低い材料からなる被膜を用いる際には、いわゆる反応性ドライエッチングプロセスを用いることによって、レリーフ構造の形成が促進される。反応性イオンエッチングでは、物理的および化学的エッチング作用によって被膜が除去される。エッチングによって除去される材料によっては、弗素および／または塩素を含むガス（例えば、ＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６、Ｃｌ２、ＣＨＣｌＦ２等）をエッチングガスとして用いる。
【００４４】
反応性イオンエッチングは、例えば、エム ハイスマイアー(M. Heissmeier)、ビー マンツケ(B. Manzke) 、リトグラフィック プロセシング ユージングリアクティブ イオン エッチング(Lithographic Processing Using Reactive Ion Etching)、ユニバーシティ オブ アーランゲン(University of Erlangen)（１９９０年）に記載されている。化学的作用に対する耐性がある基板や中間層は、エッチング止めがさらに改良できるので好ましく使用される。ゾル−ゲル方法によって得られるＳｉＯ２層の、反応性ガスとしてＣＨ３Ｆを用いた反応性イオンエッチングによって、過度の物理的な除去による純粋なイオンエッチングに比べると３倍、エッチング速度が向上する（イオンエッチング ５ｎｍ／分；反応性イオンエッチング １５ｎｍ／分）。さらに、好ましいエッチングプロセスがエス ウォルフ(S. Wolf) 、アールエヌ トイバー(R.N. Tauber) 、「シリコン プロセシング フォー ザ ブイエルエスアイ エラ(Silicon Processing for the VLSI Era) 」、ラティス プレス、カルフォルニア(Lattice Press,California) に記載されている。
【００４５】
光学表面センサーや一緒に製造されるエンボススタンプ(embossing stamp) の格子カプラーに必要なレリーフ構造等の、比較的大きな構造幅（＞３００ｎｍ）を有する平坦なレリーフ構造（＜３０ｎｍ）の場合には、構造深さに対して幅が大きいため、等方性エッチング挙動によっても損傷作用がないため、ウェットケミカルプロセスもまた用いられる。
【００４６】
以下、ＤＯＥとしての構造化基板の好ましい使用をさらに詳しく説明する。
【００４７】
当業者は、本発明によるプロセスが行われる際に用いられるＤＯＥに適当なガラスを容易に同定できる。例えば、多孔性ガラスまたは種々の形態を有するガラス（一部が結晶化した領域を有するもの等）が固体ガラスに比べてイオンエッチングプロセスにおけるエッチング速度がより大きいまたは実質的により大きいことは既知である。多孔性の層若しくは種々の形態を有する多孔性の層を固体ガラス基板に塗布することによって、同一組成であっても、簡単な方法によって様々なエッチング速度が得られる。上記より、反応性ドライエッチングプロセスが好ましい。
【００４８】
光学ガラスは光学特性に関して高い均質性を有するため、被膜やＤＯＥ用の基板に光学ガラスを用いることが好ましい。構造深さがより小さくても十分であるため、高い屈折率、好ましくは１．５以上の屈折率を有する光学ガラスが特に好ましい。また、光学ガラスはエッチング時間に関してもポジティブな効果を有する。ｄ＝λ／（２×Δｎ）の関係が屈折率の差Δｎ（層と周囲の媒質との間の；空気：ｎ＝１）および必要な構造深さｄを律する。
【００４９】
被膜の屈折率は、境界層の被膜／基板や被膜／中間層の反射の損失を防ぐために、基板ガラスの屈折率に適合させることが好ましい。高い屈折率を有する光学ガラス、特にＰｂＯやＬａ２Ｏ３等の、網状構造形成酸化物の含量の高いガラスが基板材料として好ましく使用される。反応性エッチングガスに対する耐性により、このようなガラスは反応性イオンエッチングプロセスに好ましく使用できる。
【００５０】
ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ２またはＳｎＯ２等の単一層、および特に、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２、ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２／ＺｒＯ２および／またはＳｉＯ２／ＳｎＯ２からなる混合層が被膜として好ましい。これらの高−及び低−屈折材料の混合層は、それ自体既知の様式で上記塗布プロセスによって製造できる。被膜の屈折率は、高−及び低−屈折酸化物の含量によって基板材料の屈折率に容易に合わせられる。さらに、単一層では反応性ガスのエッチング効果を特に被覆材料に対して良好に調節できるので、反応性ガスを調節する際には、特に単一層では、これらの材料によって、反応性イオンエッチングの間に高いエッチング速度が得られる。
【００５１】
容易にエッチング可能なガラスからなる基板を用いる際には、本発明による基板と被膜との間にエッチング止めとしてのエッチング速度の小さいガラスの中間層を挿入することが好ましい。本発明においては、基板が、上記条件である限り、基板上に様々なガラスのタイプの積層からなっていてもよい。
【００５２】
本発明による方法は、特にハイブリッド光学素子(hybrid optics) の製造用の球状のまたは非球状の凸状の基板等の、どんな形態の基板にも容易に適用できる。干渉及び屈折光学素子を組み合わせた形態の、多干渉層システム(multiple interference layer system)もまた被膜として用いられる。本発明による方法によって、平坦な格子構造を有するＤＯＥ等の、ＤＯＥの見積もり(calculation) 及び構築が非常に柔軟に設計できる。
【００５３】
本発明による方法によって製造された基板を表面センサー用の格子カプラーとして好ましく使用しようとする際には、ガラス製の基板が好ましく用いられ、この際、経済的に利点のある工業用ガラスは石英ガラスと同様に使用できる。基板を表面センサーとして使用しようとする際には、チップへの分離が必要である際には薄いガラスが特に好ましく使用される。ドイチェ スペチアルグラス アクチエンゲゼルシャフト(Deutsche Spezialglas AG) 製のＡＦ４５ガラスは低アルカリガラスの一例である。しかしながら、フロートガラスが経済的観点から特に好ましく使用できる。
【００５４】
構造化される被膜は、エッチング剤が好ましい組成を有する際には、エッチング速度がガラス基板または他の材料で作製されたエッチング止め層の速度より実質的に早いため、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｓｉ３Ｎ４またはこれらの酸化物の混合物から構成される。
【００５５】
プラズマカラー(plasma colour) の変化をエッチング止めシグナルとして用いようとする際には、エッチング止め層はエッチングされる層とは異なる化学元素を含んでおり、これによってスペクトルの異なる発光線(emission line) が得られる。好ましいエッチング条件の選択は当業者には既知である。
【００５６】
本発明による方法によって製造された構造化ガラス基板は、合成材料を構造化するための成形治具としても好ましく使用できる。このような場合には、特に平坦な格子構造を合成基板に非常に正確に容易に作製することができ、さらに、これを用いて、ＤＥ ４２ ２８ ８５３ Ｃ２に記載されているように、無機被膜を有する合成材料基板の基礎上に格子カプラーを有する表面センサーを作製することができる。
【００５７】
本発明による構造化基板をガラス製の原型としてまたは直接プレスダイ(pressdie) として等の成形治具として使用する際には、以下の条件が必要である：
（１） 成形治具の表面は、治具の有効寿命を最大にするためにモース硬度が６以上でなければならない。
【００５８】
（２） 表面センサーに使用される境界面および被覆された基板表面は可能な限り平滑でなければならないので、成形治具の表面についても相当する必要条件が課される。合成材料表面中にも存在する粗さがプレスされてしまうであろうゆえである。
【００５９】
好ましい材料や治具の測定値の選択は、上記条件が満たされれば、特に制限されない。
【００６０】
以下、図を参照しながら本発明をさらに具体的に説明する。
【００６１】
図２は、本発明によるＤＯＥの製造方法の一実施態様を示す概略図である。図２では、ガラス基板はゾル−ゲル被膜で被覆されている。ゾル−ゲル被膜の厚さは所定の構造深さと一致する。被膜および基板は、好ましくは相互に調節される屈折率ｎｃｏａｔおよびｎｓｕｂｓｔｒをそれぞれ有する。さらに、基板をマスク製造用のホトレジストで被覆する。シプレイ エーゼット １３５０(Shipley AZ 1350)やヘキスト エーゼット １４７０(Hoechst AZ 1470) 等の、すべての既知のレジスト材料を原則として使用できる。
【００６２】
レジストにレーザーまたは電子ビームを直接照射する。計算された構造見積もりからの計算データをまずレーザースキャナー(laser scanner) に移す。異なるＤＯＥタイプを製造しなければいけない際には、この照射プロセスが好ましく使用される。連続して製造する際には、ホトマスクを通した照射が好ましい。
【００６３】
それ自体既知の方法で行ったホトレジストの現像およびエッチングを行った後、反応性イオンエッチングによる実際の構造化プロセスを開始する。レジストはエッチング剤に対して非常に不活性である。基板表面または中間層まで層のエッチングを行う。この際、基板または中間層はエッチング止めとして作用する。これによって、最小限のエッチング時間でかつ所定のエッチングの深さで容易にプロセスを制御できる。ヘキスト エーゼット ２００(Hoechst AZ 200)等の、適当な溶媒を用いてレジストを除去した後、ＤＯＥを仕上げる。レジストがＤＯＥの後の使用を邪魔しなければ、レジストは除去する必要はない。
【００６４】
【実施例】
以下、実施態様を参照しながら本発明をさらに具体的に説明する。
【００６５】
実施例１：ＤＯＥの作製
２段階回折位相プロフィール(two-stage diffractive phase profile) の形態を有するビームセパレーターを製造する。λ＝５５５ｎｍの波長を使用する際には、層の厚さはｄ＝λ／（２・Δｎ）でなければならない。Δｎは、ガラス材料と周囲の媒質（周囲空気）との屈折率の差である。層の厚さを可能な限る小さく保つために、ガラス成分であるＢ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＺｒＯ２及びＹ２Ｏ３からなり、ｎ＝１．７８である非常に耐熱性であるガラスが使用される。このようなガラスは、ショット エルエーエフエヌ ２１(SCHOTT LAFN 21)の商標名で市販されている。上記の必要条件を使用するによって、ｄ＝３５６ｎｍの目的とする層の厚さが得られる。
【００６６】
被膜はＳｉＯ２／ＴｉＯ２のゾル−ゲル溶液を用いることによって得られる。上記溶液は、それ自体既知であるが、チタンのエチルエステルと珪素のエタノール溶液から構成され、ＴｉＯ２及びＳｉＯ２の重量比は５１：４９である。上記溶液の主成分はエタノールである。気候部屋(climatised room) （Ｔ＝２６℃、相対湿度＝４１％）中で被膜を形成する。１０×１０ｃｍ２の大きさの板状の基板材料を被覆した。本発明による方法によってほとんどの基板材料表面が被覆できるので、容易に被覆プロセス段階を追加できる。このようなプロセスには様々な長所がある。プレートを被覆溶液中に浸漬し、ゆっくり溶液から取り出す。この引上げ速度によって層の厚さが決定する。適当な引上げ速度は組成、熟成及び溶液の粘度によって変化し、幾つかの予備実験によって容易に測定できる。被覆後、基板を１５０℃の温度の空気が循環するキルン内に３分間置き、被膜表面を乾燥する。被膜を４００℃で１０分間焼く。このようなプロセスによって、層の厚さを±２ｎｍで正確に設定することができ、屈折率は±０．００５で正確に設定することができる。層の厚さや層の屈折率は、水平に（すなわち、等しく）被覆されたフロートガラスのディスクの透過率を測定することによって調節される。ゾル−ゲル層を焼いた後、ホトレジスト（シプレイ エーゼット １３５０(Shipley AZ 1350) ）による被覆をスピンコーティング(spin coating)によって行う。このレジストをレーザーコーティングシステム(laser coating system)で照射する。次に、照射されなかった領域をウェットケミカルエッチングによって除去する。反応性イオンエッチングによる被膜の構成化をさらに行うために、基板を水冷したサンプルホルダー上に載せ、エッチングプロセス中の熱歪を抑制する。２５容量部のＣＨＦ３および４容量部のＣ２Ｆ６の混合物をエッチングガスとして用いる。エッチングチャンバー内の操作圧は３０ｍＴｏｒｒであり、イオン源の平均ワット密度(power density) は約０．５Ｗ／ｃｍ２である。反応性イオンエッチングによって、構造物の異方性エッチングが容易になる。層を基板や中間層までエッチングによって除去すると、ガラス基板や中間層におけるエッチング速度はそれぞれほとんどゼロまで減少する。したがって、時間は構造化に関しては決定的な要因とはならない。最小のエッチング時間（＞２４分）が認められたのみである。この最小のエッチング時間は繰り返し実験によって測定された。さらに、目的とするイオンビームプロフィール(ion beam profile)も決定的な要因ではない。エッチングおよび必要であればホトレジストを除去した後、このようにして得られたエッチングされたプレートは、必要であれば、例えば、のこ引きにしたり(sawing)またはスリットにしたり(slitting)、切断する(breaking)ことによって、小さなＤＯＥに細分される。
【００６７】
実施例２：表面センサー用の格子カプラーの作製
ａ）マイクロ波プラズマインパルスＣＶＤシステム(microwave plasma impulseCVD system) を用いて、１０ｎｍの厚さのＴｉＯ２のエッチング止め層を１５０℃の基板温度で石英ガラス基板上にＴｉＣｌ４／Ｏ２プラズマから堆積させ、この上に５ｎｍの厚さのＳｉＯ２層（「構造化される層」）を酸素中で１％ ＨＭＤＳＯの濃度でＨＭＤＳＯ／Ｏ２プラズマから堆積させた。ＳｉＯ２層は、干渉測定器で(interferometrically) 表面粗さが０．７ｎｍ（ＲＭＳ）であり、モース硬度が６であった。
【００６８】
次に、このようにして被覆された基板を市販のホトラッカーエーゼット １３５０(AZ 1350) で１００ｎｍ未満の層の厚さで被覆し、ホログラフィーによる二重露光(holographic double exposure) を行い、さらに現像することによって二層の格子構造(two superimposed grating structure)を得た。さらに、この格子をＣＦ４／Ｏ２／Ａｒプラズマを用いたドライエッチング処理によってＳｉＯ２層までエッチングした。ＳｉＯ２層のエッチング能(etchability) はＴｉＯ２層のより２５倍以上大きかった。このようにして得られた格子の構造深さは５ｎｍ±０．７ｎｍであり、すなわち、誤差が基板の表面粗さの範囲内である。
【００６９】
ｂ）エッチング段階が１％ ＨＦを含むエッチング溶液におけるウェットエッチングプロセスである以外、ａ）と同様にして行った。エッチング時間は１０秒であった。エッチング速度の差は１００倍以上であった。アスペクト比が５：３５０〜４００であるため、格子の深さが５±０．７ｎｍであるほとんど方形のバイナリー格子が得られた。
【００７０】
このようなｂ）の方法は、コストの高いドライエッチングプロセスの代わりに経済的なウェットケミカルプロセス段階を用いるものであるため、特に好ましい方法である。
【００７１】
ｃ）マイクロ波プラズマインパルスＣＶＤシステムを用いて、１５ｎｍの厚さのＡｌ２Ｏ３層を、２００℃の基板温度で石英ガラス基板上にＡｌＣｌ３／Ｏ２プラズマから堆積させた。ＡｌＣｌ３濃度は３％であった。この層はＸ−線−非晶質(X-ray-amorphous) であり、干渉測定器で(interferometrically) 表面粗さが０．８ｎｍ（ＲＭＳ）であり、モース硬度が６であった。
【００７２】
１５ｎｍの深さのバイナリー格子が、Ａｌ２Ｏ３層においてＣＦ４プラズマによるドライエッチングプロセスを用いた実施例２ａ）によるマイクロリソグラフィー法(microlithographic method)によって得られた。プラズマカラーの変化を、Ａｌ２Ｏ３からＳｉＯ２基板まで転移する間にダイオードアレイスペクトロメーター(diode array spectrometer)を用いることによってエッチング止めシグナルとして用いた。
【００７３】
これより、エッチング止めシグナルとしてプラズマカラーの変化を用いることによって、ドライエッチングプロセスにおいてエッチングが停止できることが分かった。
【００７４】
ｄ）ＳｉＯ２タイプ層を、硼珪酸ガラス（ドイチェ スペチアルグラス アクチエンゲゼルシャフト(Deutsche Spezialglas AG) 製のＡＦ４５）上に５％ ＨＭＤＳＯ含量を有するＨＭＤＳＯ／Ｏ２プラズマから堆積させた以外、実施例２ｂ）と同様にして行った。
【００７５】
この際、当業者は、基板に関してＳｉＯ２タイプ層に必要なエッチング能(etchability) が１０倍以上になるように調節できるように、希釈した弗化水素酸およびウェットケミカルエッチングプロセスに適した弗化物塩や無機酸等の既知の添加剤を用いたエッチング配合(etching formulae)を決定できる。
【００７６】
このようにして、基板より実質的に大きいエッチング速度を有する層を用いることによって、エッチングが選択できる。
【００７７】
ｅ）実施例２ａ）によって構造化された基板を、実施例２ａ）に詳細に記載されているマイクロ波プラズマインパルスＣＶＤシステムによって、１４０ｎｍの厚さのＴｉＯ２のモノモードの(monomode)導波管で被覆した。ＨｅＮｅレーザーを用いて、ＴＥモードを８°から２２°の角度で導波管中に結合した(couple)。格子に関するモードの伝搬長さ(propagation length)は４ｍｍであった。
【００７８】
ｆ）実施例２ａ）にしたがって構造化された基板を、さらに、プレス型挿入物として熱圧プレス機に挿入した。この格子構造を１６０℃の温度で３０バールの型押圧(impression pressure) でホットプレスすることによってポリカーボネート箔中に移動させた。このようにしてコピーされた格子の測定された絶対屈折率はガラス原型の絶対屈折率の９５％以上であった。
【００７９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は、基板を、エッチングすべきでない領域を保護しかつエッチング剤に対して耐性を有するマスクで被覆し、該マスクを形成しようとするレリーフ構造に相応するものとし、続いて、目的とするレリーフ構造を、基板内のマスクによって被覆されない領域に形成し、さらに、必要であれば、マスクを除去するエッチングによる無機回折素子、特にガラス製の無機回折素子の製造方法において、マスクを塗布する前に、エッチング止めとして用いられる境界領域を、基板内の特異なエッチング挙動を有する２つの異なる材料の間に形成することによって、基板表面からの所定の距離の所定のエッチング深さが目的とする構造深さと一致するように調節することを特徴とする、エッチングによる無機回折素子の製造方法を示すものである。
【００８０】
したがって、本発明による方法によって、特に、以下の（１）〜（５）の長所を有する、平坦な、レリーフ構造が得られるものである：
（１） バイナリー構造物が得られる。これによって完全な構造物が１回のプロセスで製造できる。
【００８１】
（２） 構造物は±１０〜１５％の許容差で２〜３０ｎｍの深さに再現性良く 調節できる。
【００８２】
（３） 例えば光集積素子用の結合素子(coupling element)として使用するのに適した、最小の統計的表面粗さのみを有する構造物が製造できる。
【００８３】
（４） 例えば構造化された合成材料基板を製造するための成形治具として使用するのに適した、硬質な表面を有する基板が構造化できる。
【００８４】
（５） 構造化された基板をセンサー素子の構成部品として使用する際に、経済的な基板として使用できる。プロセス自体も経済的なので、センサー素子の価格を実質的に下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、回折光学素子の適用例を示す図である。
【図２】 図２は、本発明によるＤＯＥの製造方法の一実施態様を示す概略図である
Claims (19)
- ガラス基板を用意する工程と；
表面付近の領域の基板を浸出して、基板中で材料転移を生じさせ、浸出層を形成し、この際、境界領域が基板と浸出層との間にエッチング止めとして形成される工程と；
エッチングすべきでない領域を保護し、エッチング剤に対して耐性を有しかつ形成しようとするレリーフ構造に相応するマスクで、前記浸出層を被覆する工程と；
目的とするレリーフ構造を、エッチング法を用いてマスクによって被覆されない浸出層領域に形成する工程と
を有し、
前記浸出層は、基板表面からの所定の距離での所定のエッチング深さが目的とするレリーフ構造の構造深さと一致するように、基板とは異なる材料及びエッチング挙動を有し、
前記浸出層は、浸出しない基板材料との境界領域がエッチング止めとして作用するように、基板よりエッチング速度の高い材料から構成され、
前記浸出層の深さは、レリーフ構造の構造深さと一致する、
ことを特徴とする、エッチングによるガラス製の無機回折素子の製造方法。 - 該レリーフ構造がドライエッチングまたはウェットケミカルエッチングプロセスによって形成されることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載の方法。
- 反応性イオンエッチングがドライエッチングプロセスとして使用されることを特徴とする、特許請求の範囲第２項に記載の方法。
- エッチングが材料の境界領域に到達した際にエッチング速度の急落によって即座にエッチング中に止められることを特徴とする、特許請求の範囲第１項から第３項のいずれかに記載の方法。
- 該エッチング速度が材料が他の材料に転移する間に少なくとも１０倍減少することを特徴とする、特許請求の範囲第４項に記載の方法。
- 該エッチング速度が少なくとも５０倍減少することを特徴とする、特許請求の範囲第５項に記載の方法。
- 光学回折素子として使用される特許請求の範囲第１項から第６項のいずれかに記載の方法によって製造された回折素子。
- 該基板が光学ガラスから構成されることを特徴とする、特許請求の範囲第７項に記載の回折素子。
- 基板ガラスの屈折率（ｎｄ）が１．５から２．２の間であることを特徴とする、特許請求の範囲第８項に記載の回折素子。
- 該基板ガラスが網状構造形成酸化物含量の多い屈折率の高いガラスであることを特徴とする、特許請求の範囲第７項から第９項のいずれかに記載の回折素子。
- 該基板ガラスが平行平面であり、光学的表面特性を有することを特徴とする、特許請求の範囲第７項から第１０項のいずれかに記載の回折素子。
- いわゆるハイブリッド光学素子の製造用の基板が球面または非球面の凸状表面を有することを特徴とする、特許請求の範囲第７項から第１１項のいずれかに記載の回折素子。
- 格子カプラーを有する表面センサーの構成材料として使用される特許請求の範囲第１項から第６項のいずれかに記載の方法によって製造された回折素子。
- 合成材料若しくは合成材料含量の高い材料で作製された基板の微細な構造化を目的とする成形プロセス用の成形治具として使用される特許請求の範囲第１項から第６項のいずれかに記載の方法によって製造された回折素子。
- レリーフ構造の構造深さが３０ｎｍ未満であることを特徴とする、特許請求の範囲第１３項または第１４項に記載の回折素子。
- 該構造深さが２０ｎｍ未満であることを特徴とする、特許請求の範囲第１５項に記載の回折素子。
- 構造幅が屈折する輻射線の波長の範囲内であることを特徴とする、特許請求の範囲第１３項から第１６項のいずれかに記載の回折素子。
- 格子カプラーが二回折格子によって形成されることを特徴とする、特許請求の範囲第１３項から第１７項のいずれかに記載の回折素子。
- 該基板がフロートガラスであることを特徴とする、特許請求の範囲第１３項から第１８項のいずれかに記載の回折素子。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4320122 | 1993-06-18 | ||
| DE4320122.9 | 1993-11-15 | ||
| DE4338969A DE4338969C2 (de) | 1993-06-18 | 1993-11-15 | Verfahren zur Herstellung anorganischer diffraktiver Elemente und Verwendung derselben |
| DE4338969.4 | 1993-11-15 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2006324547A Division JP2007079608A (ja) | 1993-06-18 | 2006-11-30 | 無機回折素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07168023A JPH07168023A (ja) | 1995-07-04 |
| JP3907709B2 true JP3907709B2 (ja) | 2007-04-18 |
Family
ID=25926868
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13607794A Expired - Fee Related JP3907709B2 (ja) | 1993-06-18 | 1994-06-17 | 無機回折素子の製造方法 |
| JP2006324547A Pending JP2007079608A (ja) | 1993-06-18 | 2006-11-30 | 無機回折素子の製造方法 |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2006324547A Pending JP2007079608A (ja) | 1993-06-18 | 2006-11-30 | 無機回折素子の製造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0629592B1 (ja) |
| JP (2) | JP3907709B2 (ja) |
| DE (2) | DE4338969C2 (ja) |
Families Citing this family (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6291797B1 (en) | 1996-08-13 | 2001-09-18 | Nippon Sheet Glass Co., Ltd. | Laser machining method for glass substrate, diffraction type optical device fabricated by the machining method, and method of manufacturing optical device |
| US6670105B2 (en) * | 1998-09-18 | 2003-12-30 | Canon Kabushiki Kaisha | Method of manufacturing diffractive optical element |
| FR2792628B1 (fr) * | 1999-04-22 | 2001-06-15 | Saint Gobain Vitrage | Substrat texture susceptible de constituer un vitrage, procede pour son obtention |
| GB2360971A (en) * | 2000-04-03 | 2001-10-10 | Suisse Electronique Microtech | Technique for microstructuring replication moulds |
| FR2811316B1 (fr) | 2000-07-06 | 2003-01-10 | Saint Gobain | Substrat texture transparent et procedes pour l'obtenir |
| JP3501127B2 (ja) * | 2001-01-29 | 2004-03-02 | 住友電気工業株式会社 | 回折型光学部品 |
| US8741550B2 (en) | 2004-06-09 | 2014-06-03 | Schott Ag | Building up diffractive optics by structured glass coating |
| JP4576961B2 (ja) * | 2004-09-28 | 2010-11-10 | 株式会社島津製作所 | レプリカ回折格子の製造方法 |
| DE102004049233A1 (de) * | 2004-10-09 | 2006-04-20 | Schott Ag | Verfahren zur Mikrostrukturierung von Substraten aus Flachglas |
| DE102005003594B4 (de) | 2004-12-31 | 2016-02-18 | Schott Ag | Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils, verfahrensgemäß hergestelltes Bauteil sowie derartige Bauteile umfassende Einrichtung |
| FR2928147B1 (fr) * | 2008-02-29 | 2011-04-01 | Saint Gobain | Substrat texture muni d'un empilement a proprietes thermiques |
| ES2368043B1 (es) * | 2008-04-29 | 2012-10-15 | Consejo Superior De Investigaciones Científicas | Acoplador de red de difracción y sistema y procedimiento para la caracterización de un especimen mediante su acoplamiento lumínico a éste. |
| JP5962317B2 (ja) * | 2012-08-07 | 2016-08-03 | 株式会社島津製作所 | 回折格子及び光パルス圧縮器 |
| DE102014219663A1 (de) * | 2014-09-29 | 2016-03-31 | Ihp Gmbh - Innovations For High Performance Microelectronics / Leibniz-Institut Für Innovative Mikroelektronik | Photonisch integrierter Chip, optisches Bauelement mit photonisch integriertem Chip und Verfahren zu deren Herstellung |
| DE102015101332A1 (de) * | 2015-01-29 | 2016-08-04 | Schott Ag | Glaskeramik mit besonders ausgestalteter Oberfläche sowie Verfahren zu deren Herstellung |
| US11231544B2 (en) | 2015-11-06 | 2022-01-25 | Magic Leap, Inc. | Metasurfaces for redirecting light and methods for fabricating |
| KR101749598B1 (ko) | 2016-04-19 | 2017-06-22 | (주)유티아이 | 노출패턴이 구현된 카메라 윈도우의 제조방법 및 그에 의해 제조된 노출패턴이 구현된 카메라 윈도우 |
| JP6961619B2 (ja) * | 2016-05-06 | 2021-11-05 | マジック リープ, インコーポレイテッドMagic Leap, Inc. | 光を再指向させるための非対称格子を有するメタ表面および製造方法 |
| TWI649285B (zh) * | 2016-06-07 | 2019-02-01 | 全鴻精研股份有限公司 | 水平式玻璃蝕刻的方法 |
| KR20230117764A (ko) | 2017-01-05 | 2023-08-09 | 매직 립, 인코포레이티드 | 플라즈마 에칭에 의한 고굴절률 유리들의 패터닝 |
| KR102663100B1 (ko) | 2017-01-27 | 2024-05-03 | 매직 립, 인코포레이티드 | 메타표면들을 위한 반사 방지 코팅들 |
| US10466394B2 (en) | 2017-01-27 | 2019-11-05 | Magic Leap, Inc. | Diffraction gratings formed by metasurfaces having differently oriented nanobeams |
| WO2023081063A1 (en) * | 2021-11-08 | 2023-05-11 | Corning Incorporated | Patterned low melting glass (lmg) photonic film surfaces by wet-etch photolithography |
| CN116002689B (zh) * | 2022-12-15 | 2023-08-04 | 浙江大学 | 一种硅基光学puf、其制备方法和用途 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4343890A (en) * | 1978-07-24 | 1982-08-10 | Rca Corporation | Method for making planar optical waveguide comprising thin metal oxide film incorporating a relief phase grating |
| US4765714A (en) * | 1984-04-03 | 1988-08-23 | Horner Joseph L | Binary phase-only optical correlation system |
| JPH02188729A (ja) * | 1989-01-17 | 1990-07-24 | Sharp Corp | 光学素子の回析格子製造方法 |
| JPH03132602A (ja) * | 1989-10-18 | 1991-06-06 | Konica Corp | 色分解用回折格子 |
| JPH03187941A (ja) * | 1989-12-14 | 1991-08-15 | Ppg Ind Inc | 熱ガラスシート切断方法 |
| NL9001744A (nl) * | 1990-08-01 | 1992-03-02 | Hendrika Grada Kooij | Werkwijze voor het op een glasruit aanbrengen van een patroon, alsmede de daarmee verkregen glasruit. |
| GB9106905D0 (en) * | 1991-04-02 | 1991-05-22 | Pilkington Glass Ltd | Vehicle window |
| JPH0543276A (ja) * | 1991-08-17 | 1993-02-23 | Toshihiro Kumazawa | 可視光線反射膜付きガラス材料 |
-
1993
- 1993-11-15 DE DE4338969A patent/DE4338969C2/de not_active Expired - Fee Related
-
1994
- 1994-03-21 EP EP94104387A patent/EP0629592B1/de not_active Expired - Lifetime
- 1994-03-21 DE DE59404999T patent/DE59404999D1/de not_active Expired - Fee Related
- 1994-06-17 JP JP13607794A patent/JP3907709B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2006
- 2006-11-30 JP JP2006324547A patent/JP2007079608A/ja active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0629592B1 (de) | 1998-01-14 |
| DE4338969A1 (de) | 1994-12-22 |
| DE4338969C2 (de) | 1996-09-19 |
| EP0629592A1 (de) | 1994-12-21 |
| DE59404999D1 (de) | 1998-02-19 |
| JP2007079608A (ja) | 2007-03-29 |
| JPH07168023A (ja) | 1995-07-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3907709B2 (ja) | 無機回折素子の製造方法 | |
| Bushunov et al. | Review of surface modification technologies for mid‐infrared antireflection microstructures fabrication | |
| US6291797B1 (en) | Laser machining method for glass substrate, diffraction type optical device fabricated by the machining method, and method of manufacturing optical device | |
| US5910256A (en) | Method for manufacturing a diffraction type optical element | |
| TW200530571A (en) | Photonic crystal sensors | |
| US20070076297A1 (en) | Transmission type optical element | |
| Pelli et al. | Direct laser writing of ridge optical waveguides in silica-titania glass sol-gel films | |
| Kunz et al. | Grating couplers in tapered waveguides for integrated optical sensing | |
| US6368775B1 (en) | 3-D photo-patterning of refractive index structures in photosensitive thin film materials | |
| JPH1059746A (ja) | 光学素子の製造方法 | |
| Saleem et al. | Effect of substrate overetching and heat treatment of titanium oxide waveguide gratings and thin films on their optical properties | |
| Pietralunga et al. | High-contrast waveguides in sputtered pure TeO 2 glass thin films | |
| 西井準治 et al. | Two Dimensional Antireflection Microstructure on Silica Glass. | |
| JPH0643311A (ja) | 回折光学素子及びその製造方法 | |
| JPH0815510A (ja) | バイナリーオプティクス及びその製造方法 | |
| US20030038033A1 (en) | Process for fabricating high aspect ratio embossing tool and microstructures | |
| JPH0812302B2 (ja) | チタン酸化物薄膜の製造方法 | |
| JP3265691B2 (ja) | ホトマスクの製造方法 | |
| JP2006278274A (ja) | 複合酸化物薄膜及びその製造方法及び光学素子 | |
| Neiss et al. | Multi-level relief structures in sol–gel and photoresist fabricated by laser ablation and analyzed with coherence probe microscopy | |
| Britten | Diffraction gratings for high-intensity laser applications | |
| Ehret et al. | Broadband Optical Antireflection of Plastic Optics by Molded Stochastic Sub‐wavelength Structures | |
| Carney | Design and Fabrication of Germanium-Based Guided-Mode Resonance Infrared Reflectors and Gold-Based Nanocavity Plasmonic Arrays | |
| Nikolajeff et al. | Diamond optics: fabrication and applications | |
| Pavelyev et al. | Realization and investigaton of diffractive microrelief on the end face of silver-halide waveguide |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20031125 |
|
| A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20040217 |
|
| A602 | Written permission of extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602 Effective date: 20040220 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040524 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20050405 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050801 |
|
| A911 | Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20050819 |
|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20050831 |
|
| RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20050913 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20050920 |
|
| A912 | Removal of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912 Effective date: 20051209 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20061130 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070117 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |