JP4487737B2 - 回折格子の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子ビームやイオンビーム等の荷電粒子ビームを用いた、直接描画による回折格子の形成方法によって作製される回折格子パターンに係り、さらに詳しくは、任意の空間周波数が精度良く実現された回折格子パターンに関するものである。また、それらの回折格子パターンを作製するための、描画装置のアドレスグリッドの配置間隔（ビーム照射位置制御分解能）によらず任意の空間周波数の回折格子を精度良く描画する方法に関するものである。

回折格子パターンを形成する方法としては、レーザー光の２光束干渉により微小な干渉縞（回折格子）を、その格子間隔、角度、及び光強度を変化させて、感光性フィルムに露光する方式が、例えば特許文献１により公知となっている。

一方、レーザーではなく電子ビーム露光装置を用い、かつコンピュータ制御により、感光性レジストが塗布された平面状の基板に、回折格子パターンを作製する方法が特許文献２や特許文献３に開示されている。
電子ビームなどの荷電粒子ビームを用いる方法によれば、回折格子を構成している格子線を１本ずつ直接描画するため、格子間隔を任意に変えたり、直線に限らず曲線や円弧状などの回折格子を形成できるなど、作製するパターンの自由度が飛躍的に向上する。

回折格子のパラメータとして、
（１）回折格子の空間周波数（格子線の格子間隔（ピッチ））
（２）回折格子の方向（格子線の方向）
（３）回折格子の描画領域
の３つがあり、
（１）に応じて、定点に対してその回折格子セルが光って見える色が変化し、
（２）に応じて、その回折格子セルが光って見える方向が変化し、
（３）に応じて、定点における光量が決定される。

荷電粒子ビームを用いる方法により回折格子を描画するには、感光性レジストが塗布された平面状の基板の任意の地点に精度良く荷電粒子ビームを照射する必要がある。一般に荷電粒子ビーム露光装置では、基板をＸ−Ｙステージ上に載置し、Ｘ及びＹそれぞれの方向に基板を移動することで、大面積の描画を可能としている。ステージを動かさずに荷電粒子ビームの偏向のみで描画できる単位領域（描画エリア）は通常１ｍｍ角以下である。この描画エリアは、荷電粒子ビームの偏向の精度に応じた細かさで碁盤の目状にアドレスグリッドが設定され、各々アドレスが付与されている。すなわち、描画エリアの任意の地点をｘｙ座標などで示したアドレスで指定することにより、荷電粒子ビームの照射位置が決定されるのである。回折格子を描画する方法としては、任意の２点（始点及び終点）のアドレスを指定して、荷電粒子ビームを走査させる方法や、始点から終点に向かって隣接するアドレスグリッドのアドレスを次々に指定して、荷電粒子ビームを走査させる方法などがある。直線状の回折格子を描画する場合には前者の方式が、曲線状などの複雑な形状の回折格子を描画する場合には後者の方式が適している。

例えば、空間周波数が１０００本／ｍｍの回折格子を描画するには、１ｍｍ角の面積の中に整然と１０００本の格子線が配置されるように、荷電粒子ビームを走査させるアドレスを適宜指定して格子線を形成していけばよい。

このような方法により作製される回折格子パターンは図１や図２に示したような断面が矩形状もしくは正弦波状のいわゆるバイナリー格子（２値回折格子）となる。

また、図３や図４に示したような断面が鋸歯状のブレーズド格子や、断面が階段状の格子等の、より複雑な形状の回折格子を直接描画により作製する方法が特許文献４により公知となっている。

図５はブレーズド格子の描画方法の一例を示したものである。図５（ａ）のようにブレーズド格子の格子線方向に荷電粒子ビームを走査し、その後、図５（ｂ）のように格子線方向と直交する方向に微小な間隔で荷電粒子ビームの照射位置を徐々に移動させ、図５（ａ）で示したような荷電粒子ビームの走査を繰り返し行うことで回折格子を形成する。ここで、図５（ｂ）で示した任意の間隔毎に荷電粒子ビーム照射を行う際に、荷電粒子ビームの照射エネルギー量を変えることでブレーズド格子の形状が得られる。荷電粒子ビームの照射エネルギー量を変化させる方法としては、走査回数を１回、２回、３回と単調増加させていく方法や、走査速度を変化させる方法等がある。このような方法により描画される回折格子は原理的には階段状格子となるが、走査線の間隔を十分に細かく設定することで、荷電粒子ビームがレジスト内で散乱し、周辺部を感光する近接効果が生じ、また、現像条件を最適化することによっても、滑らかな斜面を有し、高い回折効率が得られるブレーズド格子となる。

なお、図５において、ポジ型レジスト１２は荷電粒子ビームが照射されたことでブレーズド格子の形状が得られているように描かれているが、これは荷電粒子ビームによる描画方法を概念的に示したものであり、厳密には、荷電粒子ビームによる描画後に適切な現像工程を行うことでブレーズド格子の形状を得ることができる。

以下に特許文献を記す。
特開昭６０―１５６００４号公報 特開平２―７２３２０号公報 米国特許５，０５８，９９２号明細書 特開２０００−３９５０８号公報

荷電粒子ビームの直接描画により回折格子を形成するには、アドレスグリッド上の任意のアドレスを、荷電粒子ビームの照射位置として指定しなければならない。すなわち、格子線は常に複数のアドレスグリッドを結ぶように描画され、また、格子線とそれに隣接する他の格子線の間隔は必然的にアドレスグリッドの間隔の整数倍となる。

描画装置の高性能化に伴いアドレスグリッドの配置間隔はより細かくなってきてはいるが、それでも、空間周波数の高い回折格子、すなわち、格子間隔の細かい回折格子を描画するには不十分である。例えば、描画装置のアドレスグリッドが０．０５μｍ間隔で配置されている場合、空間周波数が２０００本／ｍｍ（格子間隔が０．５μｍ）の回折格子は１０個のアドレスグリッド毎に荷電粒子ビームの走査を行っていくことで正確に表現できるが、空間周波数が３２１０本／ｍｍ（格子間隔が約０．３１２μｍ）の回折格子の場合は、６個のアドレスグリッド毎に走査すると空間周波数が約３３３３本／ｍｍ（格子間隔が０．３μｍ）となり、７個のアドレスグリッド毎に走査すると空間周波数が約２８５７本／ｍｍ（格子間隔が０．３５μｍ）となってしまい、いずれも所望の回折格子とは大幅に空間周波数が異なってしまう。このような現象は、回折格子の空間周波数が高くなるに従い顕著になる。

本発明の目的は、所望の空間周波数を有する回折格子を提供することにあり、また、描画装置の性能に起因する誤差を軽減し、所望の空間周波数の回折格子を精度良く正確に描画できる形成方法を提供することにある。

請求項１記載の回折格子の作製方法は、感光材料上で荷電粒子ビームを走査して、格子線を直接描画し、単位長あたり所定の本数の格子線を形成する回折格子の作製方法において、単位長あたり所定の本数の格子線と一致するように、複数の格子線間隔をもって配置された格子線群を形成することを特徴としている。

請求項２記載の回折格子の作製方法は、請求項１記載の回折格子の作製方法において、複数の格子線間隔が、アドレスグリッド数のｎ倍（ｎは整数）で表される描画間隔で格子線を形成して配置された第一の格子線間隔と、アドレスグリッド数のｎ＋１倍で表される描画間隔で格子線を形成して配置された第二の格子線間隔と、からなることを特徴としている。

請求項３記載の回折格子の作製方法は、請求項１記載の回折格子の作製方法において、一の格子線を、複数回の荷電粒子ビームを走査して形成したことを特徴としている。

請求項４記載の回折格子の作製方法は、請求項３記載の回折格子の作製方法において、回折格子がプレーズド格子又は階段状格子であって、格子線の最浅部の描画間隔及び該格子線の最深部の描画間隔が、該格子線の他の走査位置の描画間隔と異なることを特徴としている。

本発明により実現される回折格子及び回折格子の作製方法には以下のような効果がある。
（１）格子間隔が小さくても、空間周波数の誤差の少ない高精度な回折格子パターンが得られる。すなわち、この回折格子を用いることで、例えば、回折光の射出光角度の精度が高い光学素子などの実現が可能である。
（２）描画時の格子線の描画位置を変化させるだけで高精度な回折格子を作成できるので、回折格子の作製時間や作製コスト等にはほとんど悪影響を与えない。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図６は回折格子を描画する際の、描画装置の描画エリア内での荷電粒子ビーム走査の様子を概念的に示したものである。描画エリア２０には碁盤の目状に多数のアドレスグリッド２１が配置され、アドレスグリッドを座標値として制御コンピュータなどにより指定することで、その地点への荷電粒子ビームの照射が行われる。回折格子を描画する際には、始点２２及び終点２３を指定して、その間を荷電粒子ビームを走査させることで、描画を行っていく。その際、描画位置だけでなく、荷電粒子ビームの走査速度や照射強度なども予め制御コンピュータなどにより指定する。格子線２４ははじめに描画される格子線であり、次いで２本目の格子線２５，３本目の格子２６が描画されている。同様の手順により多数の格子線が描画され、全体として回折格子パターンが形成される。ここで、アドレスグリッドの配置間隔が０．０５μｍであり、回折格子の空間周波数が２０００本／ｍｍ（格子間隔０．２５μｍ）であったとすると、図６のように格子線の間隔は常に１０アドレスグリッドとなる。なお、図６では描画エリア内のアドレスグリッドの数が数百個程度しか配置されていないが、実際には描画エリア内は数万個以上のアドレスグリッドが配置され、描画エリア内の任意の位置を指定できるようになっている。また、図６では「＋」印
でアドレスグリッドを表現したが、アドレスグリッドは感光性レジスト上の任意の点を指定するための概念的なものであり、実際にステージ上や感光性レジスト上に目印があるわけではない。

一方、同様の規則により、空間周波数が２１００本／ｍｍ（格子間隔約０．４７６μｍ）の回折格子を描画すると、望ましいアドレスグリッド数は０．４７６÷０．０５≒９．５２４となり、整数で取り扱われるアドレスグリッドの数としては９もしくは１０となる。しかし、アドレスグリッド数を９にすると、描画される回折格子の空間周波数は約２２２２本／ｍｍ（格子間隔０．４５μｍ）となってしまい、また、アドレスグリッド数を１０にすると、描画される回折格子の空間周波数は２０００本／ｍｍ（格子間隔０．５μｍ）となってしまい、所望の２１００本／ｍｍの空間周波数の回折格子を実現することができない。

さらに、より高い空間周波数の回折格子、例えば空間周波数が３２１０本／ｍｍ（格子間隔約０．３１２μｍ）の回折格子を同様の規則により描画すると、望ましいアドレスグリッド数は０．３１２÷０．０５≒６．２４となり、アドレスグリッドの数は６もしくは７となる。アドレスグリッド数が６の場合の回折格子の空間周波数は約３３３３本／ｍｍ（格子間隔０．３μｍ）であり、アドレスグリッド数が７の場合の回折格子の空間周波数は約２８５７本／ｍｍ（格子間隔０．３５μｍ）となる。このように、空間周波数が高くなるに従って、アドレスグリッドに起因する誤差の影響が大きくなり、所望する回折格子と実際に描画される回折格子の空間周波数の間にズレが生じてしまう。

そこで、上記のような誤差の生じやすい空間周波数の回折格子を精度良く描画するために、隣接する格子線間でのアドレスグリッドの数を変化させることで、単位面積当たりに描画される格子線の本数を、目的とする回折格子の空間周波数に合致もしくは近くなるようにするのである。つまり、格子線間のアドレスグリッドの数を常に一定にはせずに、任意に変化させるのである。

実際にアドレスグリッドの数を決定する方法の一例を以下に示す。空間周波数が３８００本／ｍｍ（格子間隔約０．２６３μｍ）の回折格子をアドレスグリッドの配置間隔が０．０５μｍの描画装置で描画すると、望ましいアドレスグリッド数は５．２６である。そこで、５．２６を順に加算していき、格子線の描画位置を決定していく。まず、最初の格子線と２番目に描画される格子線の間隔は５．２６の端数（小数点以下）を切り捨てて５とする。次いで、２番目と３番目の格子線の間隔は５．２６×２＝１０．５２となるので、同様に端数を切り捨てて１０とする。以降の格子線との間隔も同じ規則により５．２６×３＝１５．７９≒１５，次は５．２６×４＝２１．０５≒２１，５．２６×５＝２６．３２≒２６，・・・となる。こうすることで、それぞれ隣接する格子線同士のアドレスグリッド数はそれぞれ、５，５，５，６，５，５，５，６，・・・となり、このような規則で格子線を描画していくことで、所望の空間周波数を有する回折格子を高い精度で描画することが可能となる。

これを図示したものが図７である。格子線２４から順に格子線２５，格子線２６へと描画を行い回折格子パターンを作製している。各格子線のアドレスグリッドの数は図中に円で囲まれた数値によって示されている。アドレスグリッド数を一定とする従来の方式では空間周波数にズレが生じてしまうが、このように複数の間隔によって格子線を配置すると所望の空間周波数の回折格子を作製することができる。

本発明で提案する回折格子は、空間周波数の値を精度良く描画することを目的に作製されており、そのために単位長さ当たりに描画される回折格子の線数を適正値に近づけるために、格子間隔が場所により変化している。そのため、場所により格子間隔の差がアドレ
スグリッドの配置間隔以上あっても目的を達成することは可能である。例えば図７の実施例において、アドレスグリッドの数が、５及び６だけでなく、４や７といったような値をとっても、単位長さ当たりの格子線数が所望の空間周波数に合致していればよいのである。しかし、そのような回折格子からはノイズの多い回折光が射出されることになる。

ノイズが少なく、且つ、空間周波数の値の精度が良い回折格子を得るためには、格子間隔の差がアドレスグリッドの間隔に等しいことが最も望ましい。すなわち、格子間隔がアドレスグリッドの間隔のｎ倍及び、ｎ倍＋１の双方から成ることが望ましい。

一例として、１７００本／ｍｍ，２３００本／ｍｍ，３８００本／ｍｍの３種類の空間周波数の回折格子について、同様の規則により導出した各格子線の間のアドレスグリッド数のリストを図８に示す。ここでもアドレスグリッドの配置間隔は０．０５μｍとしている。図８から明らかなように、いずれのものもアドレスグリッド数は任意の整数ｎとｎ＋１のいずれかが現れるようになっているが、その出現頻度や順番はそれぞれ空間周波数の値に応じて異なっている。このように格子線毎のアドレスグリッド数を変化させることで目的とする空間周波数と同等、もしくは近い値の回折格子が描画できる。

また、端数を切り捨てるのではなく、端数を四捨五入して格子間隔を算出し、アドレスグリッドの数を決定するなど、別の規則を用いても構わない。

さらに、アドレスグリッドの配置に対して斜めに格子線を形成するような場合であっても、本特許の提案する方法により回折格子を作製することができる。図９のように、碁盤の目状に配置されたアドレスグリッドに対して斜めに格子線を形成する際に、隣接する格子線同士の距離を適宜変化させることで、空間周波数の値の精度が良い回折格子が得られる。

なお、バイナリー格子を作製する場合、図１や図２のようにライン部０５（格子線が形成された部分）とスペース部０６（格子線がない部分）の比率は概ね１：１にすると高い回折効率が得られ望ましい。図７で示したような格子線の部分（ライン部）を１本の荷電粒子ビーム走査のみで形成しようとすると、ライン部が細く加工されてしまい、ラインとスペースとの比率が１：１にならず望ましい格子パターンが得られない。そのため、図１０のように１本の格子線を形成するために近接する地点に連続して複数の荷電粒子ビームの走査を行い、１回の走査で得られる線幅よりも太いラインを形成することで、ライン部０５とスペース部０６の比率を１：１に近づける方法を用いることがある。

このような描画方法においても本特許が提案する方法を適用することができる。図１１は、１本の格子線に対して複数回荷電粒子ビームを走査する描画方法に本特許の方法を適用した実施例である。各格子線２４，２５，２６をそれぞれ３回の荷電粒子ビーム走査により形成している。これらの走査線の間隔（アドレスグリッド数）を一定とせずに図１１のように３，３，４，３，・・・などとすれば、空間周波数が精度良く実現された回折格子パターンを得ることができる。

また、ブレーズド格子や階段状格子の描画方法においても同様に本特許が提案する方法を適用することができる。これらの描画方法では、１つの格子の描画が終了し、次の格子の描画に切り替わる際に（例えばある格子の最深部のビーム走査から、隣接する格子の最浅部のビーム走査を行う際などに）、荷電粒子ビームの照射位置を変化させることで、空間周波数が精度良く実現された回折格子パターンを得ることができる。すなわち、図１２のようにブレーズド格子の描画において格子の最浅部の荷電粒子ビーム３０の走査位置と、最深部の荷電粒子ビーム３１の走査位置の間隔を他の荷電粒子ビームの走査位置の間隔と異なる値とするのである。

さらに、図１３のように、格子線が直線状でなく、荷電粒子ビームの走査方向が変化しており、近似的に曲線状格子や円弧状格子が形成されているような場合であっても、格子線の間隔を適宜調節することが可能であり、空間周波数の精度が高い回折格子パターンを実現することができる。

本発明が提案する方法により作製される回折格子は微視的に見れば、格子線間隔が一定でないパターンであるが、通常回折格子パターンは数ｍｍ角以上の面積があり、そこに照明光や１ｍｍ以上の径があるレーザービーム等を入射してディスプレイや光ピックアップ媒体等の光学素子として用いられ、そのような巨視的な観点では格子線間隔が一定でないことに起因するノイズはほとんど観察されず、実用上問題とはならない。

矩形状の断面をもつバイナリー格子の例。 正弦波状の断面をもつバイナリー格子の例。 鋸歯状の断面をもつブレーズド格子の例。 階段状の断面をもつ回折格子の例。 （ａ）は荷電粒子ビームを用いブレーズド格子を形成する際の格子線方向に対する加工の様子を示す概念図、（ｂ）は格子線と直交する方向に対する加工の様子を示す概念図。 荷電粒子ビーム描画装置を用いて回折格子を形成する際の荷電粒子ビーム走査の様子を示す概念図。 格子線の間隔を任意に変化させる、本特許による回折格子の作製方法の一例を示す説明図。 回折格子の空間周波数と、格子線間のアドレスグリッド数の関係を示す表。 格子線をアドレスグリッドに対して斜めに描画する場合の本特許による回折格子の作製方法の一例を示す説明図。 複数の荷電粒子ビーム走査により１本の格子線を形成する回折格子の作製方法を示す説明図。 １本の格子線に対して複数回荷電粒子ビームを走査する描画方法に本特許の方法を適用した実施例。 ブレーズド格子の描画に本特許の方法を適用した実施例。 曲線状格子の描画に本特許の方法を適用した実施例。

符号の説明

０１・・・断面が矩形状のバイナリー格子
０２・・・断面が正弦波状のバイナリー格子
０３・・・断面が鋸歯状のブレーズド格子
０４・・・階段状回折格子
０５・・・ライン部
０６・・・スペース部
１１・・・基板
１２・・・ポジ型レジスト
１３・・・荷電粒子ビーム
１４・・・荷電粒子ビームの走査方向
１５・・・荷電粒子ビームの描画方向
２０・・・描画エリア
２１・・・アドレスグリッド
２２・・・荷電粒子ビーム照射の始点
２３・・・荷電粒子ビーム照射の終点
２４，２５，２６…格子線
３０・・・ブレーズド格子の最浅部への荷電粒子ビーム
３１・・・ブレーズド格子の最深部への荷電粒子ビーム

Claims (4)

1. 感光材料上で荷電粒子ビームを走査して、格子線を直接描画し、単位長あたり所定の本数の格子線を形成する回折格子の作製方法において、
   前記単位長あたり所定の本数の格子線と一致するように、複数の格子線間隔をもって配置された格子線群を形成することを特徴とする回折格子の作製方法。
2. 前記複数の格子線間隔が、アドレスグリッド数のｎ倍（ｎは整数）で表される描画間隔で格子線を形成して配置された第一の格子線間隔と、アドレスグリッド数のｎ＋１倍で表される描画間隔で格子線を形成して配置された第二の格子線間隔と、からなることを特徴とする請求項１に記載の回折格子の作製方法。
3. 一の前記格子線を、複数回の荷電粒子ビームを走査して形成したことを特徴とする請求項１に記載の回折格子の作製方法。
4. 前記回折格子がプレーズド格子又は階段状格子であって、前記格子線の最浅部の描画間隔及び該格子線の最深部の描画間隔が、該格子線の他の走査位置の描画間隔と異なることを特徴とする請求項３に記載の回折格子の作製方法。

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