JP4873015B2 - Manufacturing method of blazed diffraction grating - Google Patents

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Description

本発明は、分光器、光スペクトルアナライザ、WDMモニタ、分波器、放射光分光、極端紫外線(VUV)分光等に使用される波長分離・選択素子である回折格子の製造方法に関し、更に詳しくは、ホログラフィック露光法を使用して作製するブレーズ型回折格子(ブレーズド・ホログラフィック・グレーティング)の製造方法に関する。   The present invention relates to a method of manufacturing a diffraction grating which is a wavelength separation / selection element used in a spectroscope, an optical spectrum analyzer, a WDM monitor, a demultiplexer, synchrotron radiation spectroscopy, extreme ultraviolet (VUV) spectroscopy, and the like. The present invention relates to a method for manufacturing a blazed diffraction grating (blazed holographic grating) manufactured using a holographic exposure method.

回折格子は分光器や分波器等に使用される、波長の分離・選択素子である。回折格子には格子溝断面形状により各種のものが知られているが、その1つに溝の断面形状が鋸歯状であるブレーズ型回折格子(ブレーズド・ホログラフィック・グレーティングとも呼ばれる)がある。従来の一般的な平面ブレーズ型回折格子の基本的な製造方法を、図3により説明する(例えば特許文献1など参照)。   The diffraction grating is a wavelength separation / selection element used in a spectroscope, a demultiplexer, or the like. Various types of diffraction gratings are known depending on the cross-sectional shape of the grating groove, and one of them is a blazed diffraction grating (also called a blazed holographic grating) in which the cross-sectional shape of the groove is serrated. A basic manufacturing method of a conventional general plane blazed diffraction grating will be described with reference to FIG. 3 (see, for example, Patent Document 1).

まず、図3(a)に示すように、石英、ガラスなどの平板状の基板1の表面にホトレジストを塗布してホトレジスト層2を形成する。このホトレジスト層2に二光束干渉による干渉縞を露光・現像し、図3(b)に示すように断面形状が正弦半波状(又は正弦全波状でもよい)のレジストパターン3を形成する(ホログラフィック露光法)。それから、このレジストパターン3をマスクとして、基板1に所望のブレーズ角が形成されるように斜め上方向からレジストパターン3が消失するまでイオンビームによるエッチングを行い、基板1上に断面鋸歯状の格子溝4を形成する(図3(c)〜(e))。その後、表面の反射率を高めるべく、図3(f)に示すように、アルミニウムや金等の反射材料を格子溝4の表面にコーティングすることで反射被膜5を形成し、或る特定の波長に回折光のエネルギーが集中するブレーズ型回折格子が出来上がる。   First, as shown in FIG. 3A, a photoresist layer 2 is formed by applying a photoresist to the surface of a flat substrate 1 such as quartz or glass. The photoresist layer 2 is exposed and developed with interference fringes due to two-beam interference to form a resist pattern 3 having a sine half wave shape (or a sine full wave shape) as shown in FIG. 3B (holographic). Exposure method). Then, using this resist pattern 3 as a mask, etching with an ion beam is performed from an obliquely upward direction so that a desired blaze angle is formed on the substrate 1 until the resist pattern 3 disappears. The groove 4 is formed (FIGS. 3C to 3E). Thereafter, in order to increase the reflectivity of the surface, as shown in FIG. 3 (f), a reflective film 5 is formed by coating the surface of the grating groove 4 with a reflective material such as aluminum or gold, and a certain wavelength. A blazed diffraction grating in which the energy of the diffracted light is concentrated is completed.

通常、上述のようにホトレジストをマスクとして基板1をエッチングする場合、基板1がホトレジストよりも大きな速度で削られるようにする。特に、鋸歯状に基板1を削る(つまりレジストパターン3の直下の基板1を楔状に削る)ためには、基板1に対するエッチング速度がレジストパターン3に対するエッチング速度よりも速いような、即ち、選択比(=基板の材料(例えばガラス)に対するエッチング速度/ホトレジストに対するエッチング速度)が1よりも大きなエッチングガスを用いてイオンビームエッチングを行う。また、こうしたエッチングガス条件の下で、図3(c)に示すように、ブレーズ方向と同方向で基板1に対し斜めに(基本的にはブレーズ角θ0と同じ角度だけ傾斜した斜め方向から)イオンビームを入射させるようにしている。   Normally, when the substrate 1 is etched using the photoresist as a mask as described above, the substrate 1 is scraped at a speed higher than that of the photoresist. In particular, in order to cut the substrate 1 in a sawtooth shape (that is, to cut the substrate 1 immediately below the resist pattern 3 in a wedge shape), the etching rate with respect to the substrate 1 is faster than the etching rate with respect to the resist pattern 3, that is, the selectivity. Ion beam etching is performed using an etching gas having an etching rate greater than 1 (= etching rate for substrate material (eg, glass) / etching rate for photoresist). Further, under such an etching gas condition, as shown in FIG. 3C, it is oblique to the substrate 1 in the same direction as the blaze direction (basically from an oblique direction inclined by the same angle as the blaze angle θ0). An ion beam is incident.

なお、ブレーズ方向と格子溝4の断面形状との関係は図3(f)に示すようになり、ブレーズ方向と同方向であるとは、図中の角度範囲α内の斜め上方から基板1に対して向かうことを意味する。   The relationship between the blaze direction and the cross-sectional shape of the grating grooves 4 is as shown in FIG. 3 (f). The same direction as the blaze direction means that the substrate 1 is obliquely upward within the angle range α in the figure. It means to go against.

上記従来の方法によれば、効率よく基板1をエッチングして比較的短時間で断面鋸歯状の格子溝を形成できるという利点がある。しかしながら、選択比が高いエッチングガスを使用した場合、比較的大きなブレーズ角の格子溝は形成し易いものの、数°以下の小さなブレーズ角の格子溝を作製するのは困難である。そのため、ブレーズ角を小さくするためには選択比の小さなエッチングガスを用いる必要があるが、そうするとブレーズ面4aを挟んでブレーズ角と反対側のエッジの角度(図3(e)中の角度β)が大きくなり易く、回折効率が低下する傾向にある。特に、近年、分光器などで短波長の光を取り扱うためにブレーズ波長の短波長化が必要とされ、2°程度又はそれ以下のきわめて小さなブレーズ角の回折格子が求められるようになってきているが、従来の製造方法では、小さなブレーズ角で且つ回折効率の高いブレーズ型回折格子を得ることは困難であった。   According to the above conventional method, there is an advantage that the substrate 1 can be efficiently etched to form a sawtooth-shaped lattice groove in a relatively short time. However, when an etching gas having a high selectivity is used, a lattice groove having a relatively large blaze angle can be easily formed, but it is difficult to produce a lattice groove having a small blaze angle of several degrees or less. Therefore, in order to reduce the blaze angle, it is necessary to use an etching gas having a small selection ratio. Then, the angle of the edge opposite to the blaze angle across the blaze surface 4a (angle β in FIG. 3E). Tends to increase, and the diffraction efficiency tends to decrease. In particular, in recent years, it has been necessary to shorten the blaze wavelength in order to handle short-wavelength light with a spectroscope or the like, and a diffraction grating having an extremely small blaze angle of about 2 ° or less has been demanded. However, with the conventional manufacturing method, it has been difficult to obtain a blazed diffraction grating having a small blaze angle and high diffraction efficiency.

また、凹面回折格子では凹面鏡などの結像素子を用いずに分光光学系を構成できることから、ブレーズ型回折格子では平面型だけではなく凹面型のものも広く利用されている。近年、凹面ブレーズ型回折格子を用いた多波長を同時測光可能なポリクロメータ型分光器は、ホトダイオードアレイ検出器の改良によりコンパクトになってきており、その短焦点分光器に用いられる凹面ブレーズ型回折格子では表面の凹面の曲率半径を小さくする必要があるが、この曲率半径が小さくなるほど、格子溝を形成するためのイオンビームの入射角(基板に対する法線と成す角)を小さくせざるを得ない。そのため、平面ブレーズ型回折格子にも増して、ブレーズ角の小さな格子溝を形成するのは困難である。   Further, since the spectroscopic optical system can be configured without using an imaging element such as a concave mirror with a concave diffraction grating, not only a flat type but also a concave type is widely used as a blazed diffraction grating. In recent years, polychromator spectrometers that can measure multiple wavelengths simultaneously using a concave blazed diffraction grating have become more compact due to improvements in photodiode array detectors. In the grating, it is necessary to reduce the radius of curvature of the concave surface, but the smaller the radius of curvature, the smaller the incident angle of the ion beam for forming the grating groove (the angle formed with the normal to the substrate). Absent. Therefore, it is difficult to form a grating groove with a small blaze angle, as compared with a plane blazed diffraction grating.

特開2005−157118号公報JP-A-2005-157118

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その第1の目的は、小さなブレーズ角で且つ高い回折効率を達成することができる平面ブレーズ型回折格子の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and a first object of the invention is to provide a method for manufacturing a plane blazed diffraction grating capable of achieving a high diffraction efficiency with a small blaze angle. It is in.

また本発明の第2の目的は、従来は特に製造が困難であった小さなブレーズ角の凹面ブレーズ型回折格子を容易に作製するための製造方法を提供することにある。   The second object of the present invention is to provide a manufacturing method for easily manufacturing a concave blazed diffraction grating having a small blaze angle, which has been particularly difficult to manufacture.

上記第1の目的を達成するために成された第1発明に係るブレーズ型回折格子の製造方法は、
a)基板上に設けたホトレジスト層にホログラフィック露光法により正弦全波又は正弦半波状のレジストパターンを形成するレジストパターン作製工程と、
b)前記レジストパターンが形成された基板に対し、選択比が1未満であるエッチングガスを使用し、ブレーズ方向とは反対方向の斜めからイオンビームを照射することで、前記レジストパターン及び基板表面をエッチングするイオンビームエッチング工程と、
を実行することにより、断面鋸歯状の格子溝パターンを基板に刻線することを特徴としている。
The method for manufacturing a blazed diffraction grating according to the first aspect of the present invention made to achieve the first object,
a) a resist pattern production step of forming a sine full wave or sine half wave resist pattern by a holographic exposure method on a photoresist layer provided on a substrate;
b) Using an etching gas having a selection ratio of less than 1 with respect to the substrate on which the resist pattern is formed and irradiating an ion beam obliquely in a direction opposite to the blaze direction, the resist pattern and the substrate surface are An ion beam etching process for etching;
By executing the above, a lattice groove pattern having a sawtooth cross section is engraved on the substrate.

この第1発明に係るブレーズ型回折格子の製造方法は、特に基板が平面である平面ブレーズ型回折格子に小さなブレーズ角の格子溝パターンを形成するのに有用である。   The method for manufacturing a blazed diffraction grating according to the first invention is particularly useful for forming a grating groove pattern having a small blazed angle on a flat blazed diffraction grating having a flat substrate.

第1発明(以下の第2発明でも同様)において、エッチングガスの選択比は、基板に対するエッチング速度/ホトレジスト層(レジストパターン)に対するエッチング速度で定義される。例えばエッチングガスとしてフッ素系ガスに酸素を混合した混合ガスを使用する場合、酸素の混合比を適宜に選ぶことで選択比を制御することが可能である。   In the first invention (the same applies to the second invention below), the etching gas selection ratio is defined by the etching rate for the substrate / the etching rate for the photoresist layer (resist pattern). For example, when a mixed gas in which oxygen is mixed with a fluorine-based gas is used as an etching gas, the selection ratio can be controlled by appropriately selecting the mixing ratio of oxygen.

また、上記「ブレーズ方向とは反対方向の斜めから」イオンビームが照射される状態とは、基板上において、イオンビームの向かう方向を示す矢印に平行な線とブレーズ方向を示す矢印に平行な線との成す角度で且つブレーズ方向の向きの側の角度が鋭角である状態をいう。したがって、「ブレーズ方向とは反対方向の斜めから」イオンビームを照射する状態と「ブレーズ方向と同方向の斜めから」イオンビームを照射する状態とは、基板に対する法線を挟んで互いに鏡面対称となる角度範囲から基板に対しイオンビームが照射されることになる。   In addition, the state where the ion beam is irradiated “from an oblique direction opposite to the blaze direction” refers to a line parallel to the arrow indicating the direction of the ion beam and a line parallel to the arrow indicating the blaze direction on the substrate. And the angle on the side in the direction of the blaze direction is an acute angle. Therefore, the state of irradiating the ion beam “from an oblique direction opposite to the blaze direction” and the state of irradiating the ion beam “from an oblique direction in the same direction as the blaze direction” are mirror-symmetric with respect to the normal to the substrate. The ion beam is irradiated onto the substrate from a certain angle range.

レジストパターンが形成されたガラス等の基板に対し、選択比が1未満であるエッチングガスを用いてイオンビームエッチングを行うと、レジストパターンに対して基板のエッチング速度が遅くなる。即ち、レジストパターンは相対的に短時間で消失するのに対し基板は削れにくくなる。したがって、レジストパターンの正弦全波又は正弦半波が転写されて出来る溝は浅くなり、例えば数°以下の小さなブレーズ角を形成し易くなり、転写前のレジスト表面に微小な突起(粗さ)があったとしても基板への転写後には小さくなるので迷光も減少する。また、ブレーズ方向とは反対方向の斜めからイオンビームを照射するため、イオンビームの入射角をレジストパターンの正弦全波又は正弦半波の片側の面にイオンビームが当たらない角度に調整することで、ブレーズ面を挟んでブレーズ角と反対のエッジの角度を従来よりも小さくすることができる。そのため、回折効率を高めることができる。   When ion beam etching is performed on a substrate such as glass on which a resist pattern is formed using an etching gas having a selection ratio of less than 1, the etching rate of the substrate is reduced with respect to the resist pattern. That is, the resist pattern disappears in a relatively short time, but the substrate is less likely to be scraped. Therefore, the groove formed by transferring the sine full wave or sine half wave of the resist pattern becomes shallow, and it becomes easy to form a small blaze angle of, for example, several degrees or less, and minute protrusions (roughness) are formed on the resist surface before transfer. Even if there is, stray light is reduced because it becomes smaller after transfer to the substrate. In addition, since the ion beam is irradiated obliquely in the direction opposite to the blaze direction, the incident angle of the ion beam is adjusted to an angle at which the ion beam does not hit one surface of the sine full wave or sine half wave of the resist pattern. The angle of the edge opposite to the blaze angle across the blaze surface can be made smaller than before. Therefore, the diffraction efficiency can be increased.

上記第2の目的を達成するために成された第2発明に係るブレーズ型回折格子の製造方法は、
a)凹面状の基板上に設けたホトレジスト層にホログラフィック露光法により正弦全波又は正弦半波状のレジストパターンを形成するレジストパターン作製工程と、
b)前記レジストパターンが形成された基板に対し、選択比が1以上であるエッチングガスを使用し、ブレーズ方向の向きの後方側の半面について、ブレーズ方向と同方向の斜めからイオンビームを照射することで前記レジストパターン及び基板表面をエッチングする第1イオンビームエッチング工程と、
c)前記レジストパターンが形成された基板に対し、選択比が1未満であるエッチングガスを使用し、ブレーズ方向の向きの前方側の半面について、ブレーズ方向とは反対方向の斜めからイオンビームを照射することで前記レジストパターン及び基板表面をエッチングする第2イオンビームエッチング工程と、
を実行することにより、断面鋸歯状の格子溝パターンを凹面基板に刻線することを特徴としている。
The method for manufacturing a blazed diffraction grating according to the second invention made to achieve the second object,
a) a resist pattern preparation step of forming a sine full wave or sine half wave resist pattern by a holographic exposure method on a photoresist layer provided on a concave substrate;
b) An etching gas having a selectivity of 1 or more is used for the substrate on which the resist pattern is formed, and an ion beam is irradiated from an oblique direction in the same direction as the blaze direction on the rear half surface in the direction of the blaze direction. A first ion beam etching step for etching the resist pattern and the substrate surface,
c) Using an etching gas having a selection ratio of less than 1 on the substrate on which the resist pattern is formed, irradiate the ion beam from an oblique direction opposite to the blaze direction on the front half surface in the direction of the blaze direction. A second ion beam etching step for etching the resist pattern and the substrate surface,
By executing the above, a lattice groove pattern having a sawtooth cross section is engraved on the concave substrate.

なお、第2発明に係るブレーズ型回折格子の製造方法においては、第1及び第2イオンビームエッチング工程の「第1」、「第2」は時間的な順序を規定するものではなく、いずれの工程を先に実行しても構わない。   In the method for manufacturing a blazed diffraction grating according to the second aspect of the present invention, “first” and “second” in the first and second ion beam etching steps do not define a temporal order. The process may be executed first.

また第2発明に係るブレーズ型回折格子の製造方法において、第1及び第2イオンビームエッチング工程に際しては、エッチングの対象である基板の半面ではない他の半面をマスキングした状態でイオンビームを照射するとよい。   In the blazed diffraction grating manufacturing method according to the second aspect of the invention, in the first and second ion beam etching steps, the ion beam is irradiated in a state where the other half surface of the substrate to be etched is masked on the other half surface. Good.

第2発明に係るブレーズ型回折格子の製造方法では、凹面状の基板をブレーズ方向の前方と後方との半面ずつの2つの領域に分け、それぞれの領域の湾曲形状に合わせてそれぞれ異なる方向からイオンビームを照射することで、ホトレジストと基板とをエッチングする。即ち、ブレーズ方向の向きの後方の半面ではブレーズ方向と同方向の斜めからイオンビームを照射したときに、外周にいくほど基板に対するイオンビームの入射角が大きくなるので、選択比の大きなエッチングガスを用いてもブレーズ角を小さくすることができる。一方、ブレーズ方向の向きの前方の半面ではブレーズ方向と同方向の斜めからイオンビームを照射すると、基板に対するイオンビームの入射角が小さくなってブレーズ角を小さくすることが難しいため、第1発明に係る製造方法と同じ手法を用いることでブレーズ角を小さくする。   In the blazed diffraction grating manufacturing method according to the second aspect of the invention, the concave substrate is divided into two regions, one front surface and one rear surface in the blaze direction, and ions are formed from different directions according to the curved shape of each region. The photoresist and the substrate are etched by irradiating the beam. That is, when the ion beam is irradiated from an oblique direction in the same direction as the blaze direction on the rear half surface in the blaze direction, the incident angle of the ion beam with respect to the substrate increases toward the outer periphery. Even if it is used, the blaze angle can be reduced. On the other hand, when the ion beam is irradiated on the front half surface in the direction of the blaze direction obliquely in the same direction as the blaze direction, it is difficult to reduce the blaze angle because the incident angle of the ion beam with respect to the substrate is small. The blaze angle is reduced by using the same method as the manufacturing method.

第1発明に係るブレーズ型回折格子の製造方法によれば、小さなブレーズ角で且つ回折効率も良好な平面ブレーズ型回折格子を容易に得ることができる。また、選択比が1未満の、つまりは基板のエッチング速度が遅いイオンビームエッチングを行うので、レジストパターンの転写による格子面の粗さを軽減することができ、より滑らかなブレーズ面を持つ回折格子を得ることができる。これにより、迷光を一層減らして光量の損失の小さな分光器を構成することができる。   According to the method for manufacturing a blazed diffraction grating according to the first aspect of the present invention, a planar blazed diffraction grating having a small blaze angle and good diffraction efficiency can be easily obtained. Also, since ion beam etching is performed with a selection ratio of less than 1, that is, with a slow etching rate of the substrate, the roughness of the grating surface due to the transfer of the resist pattern can be reduced, and the diffraction grating having a smoother blazed surface Can be obtained. As a result, it is possible to further reduce stray light and configure a spectroscope with a small loss of light.

また第2発明に係るブレーズ型回折格子の製造方法によれば、凹面の全体に亘って小さなブレーズ角を持つ格子溝を容易に形成することができる。これにより、特に短焦点分光器に用いられる曲率半径の小さな回折格子についてもブレーズ波長の短波長化を図ることができ、コンパクトな分光器で短波長領域の分光を実現することができる。また、分割数を増やして各領域に最適なイオン入射方向と最適な選択比を持つエッチングガスを使用することにより、全体に亘ってより小さなブレーズ角を持つ格子溝を形成することができる。   Further, according to the blazed diffraction grating manufacturing method of the second invention, a grating groove having a small blaze angle can be easily formed over the entire concave surface. Thereby, it is possible to shorten the blaze wavelength even for a diffraction grating having a small curvature radius used in a short focus spectroscope, and it is possible to realize a short wavelength region spectrum with a compact spectroscope. Further, by using an etching gas having an optimum ion incidence direction and an optimum selection ratio in each region by increasing the number of divisions, a lattice groove having a smaller blaze angle can be formed over the entire area.

第1発明の一実施形態である平面ブレーズ型回折格子の製造方法の手順を説明するための概略断面図。The schematic sectional drawing for demonstrating the procedure of the manufacturing method of the plane blazed diffraction grating which is one Embodiment of 1st invention. 第2発明の一実施形態である凹面ブレーズ型回折格子の製造方法の手順を説明するための概略断面図。The schematic sectional drawing for demonstrating the procedure of the manufacturing method of the concave blazed diffraction grating which is one Embodiment of 2nd invention. 従来の一般的な平面ブレーズ型回折格子の製造方法の手順を説明するための概略断面図。The schematic sectional drawing for demonstrating the procedure of the manufacturing method of the conventional general plane blaze | braze type | mold diffraction grating.

符号の説明Explanation of symbols

1…基板(平面基板)
11…基板(凹面基板)
2、12…ホトレジスト層
3、13…レジストパターン
4、14…格子溝
4a…ブレーズ面
5、15…反射被膜
16、17…マスキング材
1 ... Substrate (planar substrate)
11 ... Substrate (concave substrate)
2, 12 ... Photoresist layer 3, 13 ... Resist pattern 4, 14 ... Lattice groove 4a ... Blaze surface 5, 15 ... Reflective coating 16, 17 ... Masking material

第1発明の一実施形態である平面ブレーズ型回折格子を製造するための手順を図1を参照して説明する。   A procedure for manufacturing a plane blazed diffraction grating according to an embodiment of the first invention will be described with reference to FIG.

(1)ホトレジスト層の形成工程
光学ガラス等から成る平板状の基板1の表面を光学研磨し、超音波洗浄によりその表面を清浄化する。その後、ホトレジストを例えばスピンコート法などによりほぼ一様な厚さに塗布し、コンベクションオーブンで焼成する。それにより、ホトレジスト層2を基板1の表面に形成する(図1(a))。
(1) Photoresist layer forming step The surface of the flat substrate 1 made of optical glass or the like is optically polished, and the surface is cleaned by ultrasonic cleaning. Thereafter, a photoresist is applied to a substantially uniform thickness by, for example, spin coating, and baked in a convection oven. Thereby, a photoresist layer 2 is formed on the surface of the substrate 1 (FIG. 1A).

(2)レジストパターンの作製工程
ホトレジスト層2が基板1表面に形成されたワークを、ホログラフィック露光装置にセットし、ホトレジスト層2に二光束干渉による所定密度の干渉縞の潜像を露光する。そして、露光されたワークのホトレジスト層2を専用現像液で現像し、純水リンスを行うことで、回折格子パターンが形成されたレジストパターン3を作製する。一般に二光束干渉の干渉縞の強度分布は正弦波状となるため、作製されたレジストパターン3の断面形状も正弦全波状又は正弦半波状となる(図1(b))。なお、レジストパターン3の溝深さは露光時間と現像時間とを制御することで決めることができる。
(2) Step of producing resist pattern A workpiece on which the photoresist layer 2 is formed on the surface of the substrate 1 is set in a holographic exposure apparatus, and a latent image of interference fringes having a predetermined density due to two-beam interference is exposed on the photoresist layer 2. Then, the photoresist layer 2 of the exposed workpiece is developed with a dedicated developer and rinsed with pure water to produce a resist pattern 3 on which a diffraction grating pattern is formed. In general, since the intensity distribution of the interference fringes of two-beam interference is sinusoidal, the cross-sectional shape of the manufactured resist pattern 3 is also sinusoidal full wave or sinusoidal half wave (FIG. 1B). The groove depth of the resist pattern 3 can be determined by controlling the exposure time and the development time.

(3)イオンビームエッチング工程
レジストパターン3が形成された基板1に対し、ブレーズ方向(図1では右から左へ向かう矢印の方向)とは反対の方向の斜め上から(基板1の法線Pからの角度θ1の入射角で)イオンビームを照射することにより、レジストパターン3及び基板1に対する反応性イオンビームエッチングを行う。このとき、エッチングガスとしては選択比が1未満であるものを用いる。したがって、レジストパターン3は相対的に速く削られ、基板1は相対的に遅く削られる。
(3) Ion Beam Etching Step With respect to the substrate 1 on which the resist pattern 3 is formed, from obliquely above in the direction opposite to the blaze direction (the direction of the arrow from right to left in FIG. 1) (the normal line P of the substrate 1) Reactive ion beam etching is performed on the resist pattern 3 and the substrate 1 by irradiating with an ion beam (with an incident angle of θ1 from At this time, an etching gas having a selection ratio of less than 1 is used. Therefore, the resist pattern 3 is shaved relatively quickly, and the substrate 1 is shaved relatively slowly.

このとき断面が正弦全波状のレジストパターン3は、図1(c)に示すように、イオンビームが当たっている斜面から削られる。この斜面の角度γはイオンビームの入射角θ1とほぼ等しい。レジストパターン3の底の部分はホトレジスト厚が薄いため、まずこの部分からホトレジストが消失し基板1表面が露出する。そして、基板1に直接、イオンビームが当たり始めるが、選択比が小さいために基板1の削れる速度は遅い。一方、レジストパターン2の削れる速度はより速いため、ホトレジストが消失する部分はブレーズ方向と反対方向に次々に広がり、基板1の表面にイオンビームが当たるようになる(図1(d))。   At this time, as shown in FIG. 1C, the resist pattern 3 having a sine full wave cross section is scraped from the slope on which the ion beam hits. The angle γ of this slope is substantially equal to the incident angle θ1 of the ion beam. Since the photoresist thickness is thin at the bottom portion of the resist pattern 3, the photoresist disappears from this portion first, and the surface of the substrate 1 is exposed. Then, the ion beam starts to directly hit the substrate 1, but since the selection ratio is small, the cutting speed of the substrate 1 is slow. On the other hand, since the resist pattern 2 can be scraped faster, the portions where the photoresist disappears spread one after another in the direction opposite to the blaze direction, and the surface of the substrate 1 hits the ion beam (FIG. 1D).

基板1の削れる速度が遅いため、露出した面(つまりブレーズ面4a)の傾きは小さくなり、エッチングが進行するに伴いさらに傾きは小さくなる。一方、ブレーズ面4aと反対の面4bはイオンビームの傾きとほぼ同じ傾きで削れる。そうして、ホトレジストが完全に消失したときがエッチングの終点となり、このときには正弦全波状のレジストパターン3が小さなブレーズ角θ0を持った断面鋸波状の格子溝4のパターンに転写されることになる(図1(e))。   Since the cutting speed of the substrate 1 is slow, the inclination of the exposed surface (that is, the blazed surface 4a) is reduced, and the inclination is further reduced as the etching proceeds. On the other hand, the surface 4b opposite to the blaze surface 4a is shaved with substantially the same inclination as that of the ion beam. Thus, when the photoresist completely disappears, the etching end point is reached. At this time, the resist pattern 3 having a sine full wave shape is transferred to the lattice groove 4 pattern having a sawtooth cross section having a small blaze angle θ0. (FIG. 1 (e)).

(4)反射被膜の形成工程
上記エッチングの終了後、格子溝4が刻線された基板1を洗浄し、真空蒸着法により格子溝4の表面に反射被膜5を形成する(図1(f))。反射被膜5の材料は使用波長範囲に応じて適宜のものを用いればよく、例えばアルミニウム、金、白金、或いはX線多層膜などを利用することができる。なお、反射被膜5をコーティングすることなく使用することも可能である。
(4) Reflective film forming step After the etching is completed, the substrate 1 on which the lattice grooves 4 are engraved is washed, and a reflective film 5 is formed on the surface of the lattice grooves 4 by vacuum deposition (FIG. 1F). ). An appropriate material may be used for the reflective coating 5 according to the wavelength range used, and for example, aluminum, gold, platinum, or an X-ray multilayer film can be used. It is also possible to use the reflective coating 5 without coating.

以上のようにして、小さなブレーズ角を持ち、且つブレーズ面を挟んでブレーズ角と反対のエッジの角度が小さな、つまりは高い回折効率を実現可能な平面ブレーズ型回折格子を得ることができる。   As described above, it is possible to obtain a planar blazed diffraction grating having a small blaze angle and a small edge angle opposite to the blaze angle across the blaze surface, that is, a high diffraction efficiency.

次に、第2発明の一実施形態である凹面ブレーズ型回折格子を製造するための手順を図2を参照して説明する。   Next, a procedure for manufacturing a concave blazed diffraction grating according to an embodiment of the second invention will be described with reference to FIG.

(1)ホトレジスト層の形成工程
光学ガラス等から成る凹面の基板11の表面を光学研磨し、超音波洗浄によりその表面を清浄化する。その後、ホトレジストをほぼ一様な厚さに塗布し、コンベクションオーブンで焼成する。それにより、ホトレジスト層を基板11の表面に形成する。
(1) Photoresist layer forming step The surface of the concave substrate 11 made of optical glass or the like is optically polished, and the surface is cleaned by ultrasonic cleaning. Thereafter, a photoresist is applied to a substantially uniform thickness and baked in a convection oven. Thereby, a photoresist layer is formed on the surface of the substrate 11.

(2)レジストパターンの作製工程
上記平面ブレーズ型回折格子と同様に、ホログラフィック露光法により基板11の表面上に断面が正弦全波状又は正弦半波状であるレジストパターン13を形成する(図2(a))。
(2) Resist Pattern Preparation Step Similar to the above-described plane blazed diffraction grating, a resist pattern 13 having a sine full wave or sine half wave cross section is formed on the surface of the substrate 11 by a holographic exposure method (FIG. 2 ( a)).

(3)第1イオンビームエッチング工程
レジストパターン3が形成された基板11に対し、まずブレーズ方向の前方の半面(図2では左半面)にイオンビームが当たらないようにマスキング材16を用いてマスキングを施した上で、ブレーズ方向と同方向の斜め上から(基板11の法線Pから角度θ2の入射角で)イオンビームを照射することにより、レジストパターン13及び基板11に対する反応性イオンビームエッチングを行う(図2(b)、(c))。このとき、エッチングガスとしては選択比が1以上であるものを用い、好ましくは2以上であるものを用いるとよい。
(3) First ion beam etching step First, masking is performed using a masking material 16 on the substrate 11 on which the resist pattern 3 is formed so that the ion beam does not strike the front half surface in the blaze direction (the left half surface in FIG. 2). , And reactive ion beam etching of the resist pattern 13 and the substrate 11 by irradiating an ion beam obliquely from above in the same direction as the blaze direction (at an incident angle of an angle θ2 from the normal line P of the substrate 11). (FIGS. 2B and 2C). At this time, an etching gas having a selectivity of 1 or more is used, and preferably an etching gas having 2 or more is used.

基板11の表面は円弧状凹面であるため、外周にいくほど(図2では右方にいくほど)実質的な入射角は大きくなり、ブレーズ角を小さくすることができる。また、選択比が大きいので、ホトレジストが消失して基板11が露出した部分では、基板11が楔状に深く削れ易くなる。そうして、ホトレジストが完全に消失して半面に格子溝14が形成されたならば、このエッチングを終了する(図2(d))。   Since the surface of the substrate 11 is an arc-shaped concave surface, the substantial incident angle increases as it goes to the outer periphery (as it goes to the right in FIG. 2), and the blaze angle can be reduced. In addition, since the selection ratio is large, the substrate 11 is likely to be deeply cut like a wedge in the portion where the photoresist disappears and the substrate 11 is exposed. Then, when the photoresist is completely disappeared and the lattice grooves 14 are formed on the half surface, this etching is finished (FIG. 2D).

(4)第2イオンビームエッチング工程
上記基板11に対し、今度は、先に格子溝14が形成された、ブレーズ方向の後方の半面(図2では右半面)にイオンビームが当たらないようにマスキング材17を用いてマスキングを施した上で、上記第1発明におけるエッチングの手法、即ち、ブレーズ方向とは反対方向の斜め上からイオンビームを照射することにより、ブレーズ方向の前方の半面に残るレジストパターン13と基板11に対する反応性イオンビームエッチングを行う(図2(e)、(f))。このとき、エッチングガスとしては選択比が1未満のものを用いる。この場合、選択比が小さいので基板11は相対的に削れにくく、上述したようにブレーズ角を小さくすることができる。そうして、ホトレジストが完全に消失して残りの半面に格子溝14が形成されたならば、このエッチングを終了する(図2(g))。
(4) Second Ion Beam Etching Step This time, the substrate 11 is masked so that the ion beam does not strike the rear half surface in the blaze direction (the right half surface in FIG. 2) in which the lattice grooves 14 are first formed. After the masking is performed using the material 17, the etching method in the first invention, that is, the resist remaining on the half surface in front of the blaze direction by irradiating the ion beam from the oblique direction opposite to the blaze direction. Reactive ion beam etching is performed on the pattern 13 and the substrate 11 (FIGS. 2E and 2F). At this time, an etching gas having a selectivity of less than 1 is used. In this case, since the selection ratio is small, the substrate 11 is relatively hard to be shaved, and the blaze angle can be reduced as described above. Then, when the photoresist completely disappears and the lattice grooves 14 are formed on the remaining half surface, this etching is finished (FIG. 2 (g)).

以上のような2段階の条件の相違するイオンビームエッチングで凹面状の基板11表面に半面ずつ格子溝14を形成することにより、全体的に小さなブレーズ角を持った断面鋸波状の格子溝4のパターンを作製することができる。   By forming the grating grooves 14 on the surface of the concave substrate 11 by half by ion beam etching having different two-stage conditions as described above, the grating grooves 4 having a sawtooth cross section having a small blaze angle as a whole are formed. A pattern can be produced.

(5)反射被膜の形成工程
上記平面ブレーズ型回折格子と同様に、真空蒸着法により格子溝14の形成された基板11の表面に反射被膜15を形成する(図2(h))。
(5) Step of forming a reflective film A reflective film 15 is formed on the surface of the substrate 11 on which the grating grooves 14 are formed by a vacuum vapor deposition method in the same manner as the above-mentioned plane blazed diffraction grating (FIG. 2 (h)).

以上のようにして、基板11の全体で小さなブレーズ角を持つ凹面ブレーズ型回折格子を得ることができる。なお、この場合、平面ブレーズ型回折格子とは異なり、ブレーズ角は一定ではなく、その位置により相違する。   As described above, a concave blazed diffraction grating having a small blaze angle in the entire substrate 11 can be obtained. In this case, unlike the flat blazed diffraction grating, the blaze angle is not constant and differs depending on its position.

第1発明の一実施形態による平面ブレーズ型回折格子の製造の具体例を説明する。   A specific example of manufacturing a planar blazed diffraction grating according to an embodiment of the first invention will be described.

この実施例では、基板1として、約60mm×60mm×10mmのサイズのBK7光学ガラスから成る平面基板を用いた。なお、基板1は、BK7以外でもよく、例えばBSC2、パイレックス(PYREX:コーニング社の登録商標)ガラス、ソーダガラス、石英ガラス、ゼロデュア(SCHOTT社製、ZERODUR:カールツアイス社の登録商標)、クリストロン(HOYA株式会社の登録商標)等の低熱膨張結晶ガラスが有用である。基板1の表面は光学研磨され、この表面にスピナーを用いてホトレジスト層2を形成した。ホトレジストとしては、シプレイ社製のMP1805を使用し、3000rpmの速度で40秒間、スピンコートを行った後に、コンベクションオーブンで90℃、30秒間、ベーキングし、厚さが約0.3μmのホトレジスト層2を形成した。ホトレジストはホログラフィック露光が可能なものであればよく、シプレイ社製のMP1800シリーズのほか、東京応化社製のOFPR5000などを使用してもよい。   In this example, a flat substrate made of BK7 optical glass having a size of about 60 mm × 60 mm × 10 mm was used as the substrate 1. The substrate 1 may be other than BK7. For example, BSC2, Pyrex (PYREX: registered trademark of Corning), soda glass, quartz glass, Zerodur (manufactured by SCHOTT, ZERODU: registered trademark of Carl Zeiss), Christon Low thermal expansion crystal glass such as (registered trademark of HOYA Corporation) is useful. The surface of the substrate 1 was optically polished, and a photoresist layer 2 was formed on the surface using a spinner. As a photoresist, MP1805 manufactured by Shipley Co., Ltd. was used, spin coating was performed at a speed of 3000 rpm for 40 seconds, followed by baking in a convection oven at 90 ° C. for 30 seconds, and a photoresist layer 2 having a thickness of about 0.3 μm. Formed. The photoresist is not limited as long as it can be holographically exposed. In addition to the MP1800 series manufactured by Shipley, OFPR5000 manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd. may be used.

その後、レーザ光の二光束干渉露光を行った後に現像をすることで、正弦波状の回折格子パターンを基板1上に形成した。露光に使用したレーザはHe−Cdレーザ(波長:441.6nm)であるが、ホトレジストに感度のある波長(約350〜450nm)であれば、Ar+イオンレーザなどを用いることもできる。また、現像にはシプレイ社製のMP303Aの現像液を用いた。これにより、基板1上に形成されたレジストパターン3の格子溝は本数600本/mmで溝深さが0.2μmmの正弦波状である。二光束干渉の干渉縞の強度分布は正弦波であるため、ホトレジストの格子溝パターンも正弦波状となる。   Thereafter, development was performed after two-beam interference exposure of laser light, whereby a sinusoidal diffraction grating pattern was formed on the substrate 1. The laser used for the exposure is a He—Cd laser (wavelength: 441.6 nm), but an Ar + ion laser or the like can be used as long as the wavelength is sensitive to photoresist (about 350 to 450 nm). Further, a developing solution of MP303A manufactured by Shipley Co., Ltd. was used for development. As a result, the lattice grooves of the resist pattern 3 formed on the substrate 1 are sinusoidal with 600 / mm and a groove depth of 0.2 μm. Since the intensity distribution of the interference fringes of the two-beam interference is a sine wave, the grating groove pattern of the photoresist is also a sine wave.

上記のように作製したワークをイオンビームエッチング装置の真空チャンバ内に装着し、真空チャンバ内部を減圧して反応性ビームエッチングを実行した。具体的には、レジストパターン3に対し、基板1に対する法線から入射角θ1=76°でブレーズ方向と反対方向の斜め上からイオンビームを照射した。このとき、エッチングガスとして、CFとOガスとを混合比O/(CF+O)=30[%]で混合したガスを用いた。このときの選択比は0.7であり、1以下である。なお、エッチング時のガス圧は2×10−2Paとした。The workpiece produced as described above was mounted in a vacuum chamber of an ion beam etching apparatus, and reactive beam etching was performed by reducing the pressure inside the vacuum chamber. Specifically, the resist pattern 3 was irradiated with an ion beam obliquely from above in the direction opposite to the blaze direction at an incident angle θ1 = 76 ° from the normal to the substrate 1. At this time, a gas obtained by mixing CF 4 and O 2 gas at a mixing ratio O 2 / (CF 4 + O 2 ) = 30 [%] was used as an etching gas. The selection ratio at this time is 0.7, which is 1 or less. The gas pressure during etching was 2 × 10 −2 Pa.

上記条件の下でのイオンビームエッチングを、レジストパターン3が完全に基板1の格子溝4のパターンに転写刻線されるまで実行した。それに要するエッチング時間は約10分であった。こうした処理の結果、ブレーズ角θ0が2°である、小さなブレーズ角を持つ平面ブレーズ型回折格子を得ることができた。   Ion beam etching under the above conditions was performed until the resist pattern 3 was completely transferred and engraved into the pattern of the lattice grooves 4 of the substrate 1. The etching time required for this was about 10 minutes. As a result of such treatment, a plane blazed diffraction grating having a small blaze angle with a blaze angle θ0 of 2 ° could be obtained.

第2発明の一実施形態による凹面ブレーズ型回折格子の製造の具体例を説明する。   A specific example of manufacturing a concave blazed diffraction grating according to an embodiment of the second invention will be described.

この実施例では、基板11として、約30mm×30mm×10mm、曲率半径80mmのBK7光学ガラスから成る凹面基板を用いた。なお、基板11として他のものを用いることができることは実施例1と同じである。この基板11の表面を光学研磨した後、この表面にスピナーを用いてホトレジスト層を形成した。ホトレジスト層の材料や形成条件は実施例1と同じである。またその後、ホログラフィック露光及び現像により、正弦波状のレジストパターン13を基板11上に形成したが、その条件も実施例1と同じである。これにより、基板11上に形成されたレジストパターン13の格子溝は本数600本/mmで溝深さが0.2μmmの正弦波状である。   In this example, a concave substrate made of BK7 optical glass having a radius of about 30 mm × 30 mm × 10 mm and a curvature radius of 80 mm was used as the substrate 11. In addition, the same thing as Example 1 can use another thing as the board | substrate 11. FIG. After optically polishing the surface of the substrate 11, a photoresist layer was formed on the surface using a spinner. The material and formation conditions of the photoresist layer are the same as in Example 1. Thereafter, a sinusoidal resist pattern 13 was formed on the substrate 11 by holographic exposure and development, and the conditions were the same as in Example 1. Thereby, the lattice grooves of the resist pattern 13 formed on the substrate 11 are sinusoidal with 600 / mm and a groove depth of 0.2 μm.

上記のように作製したワークをイオンビームエッチング装置の真空チャンバ内に装着し、真空チャンバ内部を減圧して反応性ビームエッチングを実行した。具体的には、まず、ブレーズ方向の向きの前方の半面の表面に、同じ曲率を持つ凸形状の半円のガラスをマスキング材16として、レジストパターン13に傷を付けないように注意深く載せ、これをマスクとして他の半面、つまりブレーズ方向の向きの後方の半面をエッチングする。このとき、格子溝パターンに対し、基板11に対する法線から入射角θ2=78°でブレーズ方向と同方向の斜め上からイオンビームを照射した。このとき、エッチングガスとして選択比が2以上となるように、CFとArガスとを混合比Ar/(CF+Ar)=40[%]で混合したガスを用いた。このときの選択比は2.1である。なお、エッチング時のガス圧は2×10−2Paであった。The workpiece produced as described above was mounted in a vacuum chamber of an ion beam etching apparatus, and reactive beam etching was performed by reducing the pressure inside the vacuum chamber. Specifically, first, on the front half surface in the direction of the blaze direction, a convex semicircular glass having the same curvature is used as a masking material 16 so that the resist pattern 13 is not scratched. As a mask, the other half surface, that is, the rear half surface in the direction of the blaze direction is etched. At this time, the lattice groove pattern was irradiated with an ion beam from obliquely above in the same direction as the blaze direction at an incident angle θ2 = 78 ° from the normal to the substrate 11. At this time, a gas in which CF 4 and Ar gas were mixed at a mixing ratio Ar / (CF 4 + Ar) = 40 [%] was used so that the selection ratio was 2 or more as an etching gas. The selection ratio at this time is 2.1. The gas pressure during etching was 2 × 10 −2 Pa.

上記条件の下でのイオンビームエッチングを、レジストパターン13が完全に基板11の格子溝14のパターンに転写刻線されるまで実行した。それに要するエッチング時間は約13分であった。   Ion beam etching under the above conditions was performed until the resist pattern 13 was completely transferred and engraved into the pattern of the lattice grooves 14 of the substrate 11. The etching time required for this was about 13 minutes.

次に、先にエッチングした半面をマスキング材17としての耐熱性テープで被覆し、残りの半面(ブレーズ方向の向きの前方の半面)を露出させて、入射角θ3=71°でブレーズ方向と同方向の斜め上からイオンビームを照射した。このとき、エッチングガスとして選択比が1以下となるように、CFとOガスとを混合比O/(CF+O)=30[%]で混合したガスを用いた。このときの選択比は0.7である。なお、エッチング時のガス圧は2×10−2Paであった。Next, the previously etched half surface is covered with a heat-resistant tape as the masking material 17, and the remaining half surface (the front half surface in the direction of the blaze direction) is exposed, and the incident angle θ3 = 71 ° is the same as the blaze direction. The ion beam was irradiated obliquely from above. At this time, a gas in which CF 4 and O 2 gas were mixed at a mixing ratio O 2 / (CF 4 + O 2 ) = 30 [%] was used so that the selection ratio was 1 or less as an etching gas. The selection ratio at this time is 0.7. The gas pressure during etching was 2 × 10 −2 Pa.

上記条件の下での残りの半面のイオンビームエッチングを、レジストパターン13が完全に基板11の格子溝14のパターンに転写刻線されるまで実行した。エッチング時間は約7分であった。こうして出来上がった凹面ブレーズ型回折格子のブレーズ角θ0は一様ではないが、平均して3°であった。従来の方法では、この程度の曲率半径の小さな基板11に3°もの小さなブレーズ角の格子溝を形成するのは困難であったが、第2発明に係る製造方法によれば比較的容易に製造することができる。   Ion beam etching of the remaining half surface under the above conditions was performed until the resist pattern 13 was completely transferred and engraved into the pattern of the lattice grooves 14 of the substrate 11. The etching time was about 7 minutes. The blaze angle θ0 of the concave blazed diffraction grating thus completed was not uniform, but averaged 3 °. In the conventional method, it was difficult to form a lattice groove having a blaze angle as small as 3 ° on the substrate 11 having such a small radius of curvature. However, according to the manufacturing method according to the second invention, it is relatively easy to manufacture. can do.

Claims (2)

断面鋸歯状の格子溝パターンを凹面状の基板に刻線することによってブレーズ型回折格子を製造する方法であって、
a)凹面状の基板上に設けたホトレジスト層にホログラフィック露光法により正弦全波又は正弦半波状のレジストパターンを形成するレジストパターン作製工程と、
b)前記レジストパターンが形成された基板に対し、該基板に対するエッチング速度/前記ホトレジスト層に対するエッチング速度が1以上であるエッチングガスを使用し、形成しようとする格子溝の延伸方向と直交する方向であって、前記鋸歯の短い方の斜面を前側に、長い方の斜面を後側に向けたときの前側から後側に向かう方向であるブレーズ方向の向きの後方側の半面について、前記ブレーズ方向と同方向の斜めからイオンビームを照射することで前記レジストパターン及び基板表面をエッチングする第1イオンビームエッチング工程と、
c)前記レジストパターンが形成された基板に対し、該基板に対するエッチング速度/前記ホトレジスト層に対するエッチング速度が1未満であるエッチングガスを使用し、前記ブレーズ方向の向きの前方側の半面について、前記ブレーズ方向とは反対方向の斜めからイオンビームを照射することで前記レジストパターン及び基板表面をエッチングする第2イオンビームエッチング工程と、
有することを特徴とするブレーズ型回折格子の製造方法。
A method of manufacturing a blazed diffraction grating by engraving a concave groove-shaped substrate with a sawtooth cross-sectional grating groove pattern,
a) a resist pattern preparation step of forming a sine full wave or sine half wave resist pattern by a holographic exposure method on a photoresist layer provided on a concave substrate;
b) For the substrate on which the resist pattern is formed, an etching gas having an etching rate for the substrate / etching rate for the photoresist layer of 1 or more is used, and in a direction orthogonal to the extending direction of the lattice grooves to be formed. there, the slope of the shorter of the saw teeth on the front side, the half front side from the blaze direction is the direction toward the rear direction of the rear side when facing the longer slope of the rear side, and the blaze direction A first ion beam etching step of etching the resist pattern and the substrate surface by irradiating an ion beam obliquely in the same direction;
c) with respect to the substrate on which the resist pattern has been formed, the etching rate to the etching rate / the photoresist layer using an etching gas is less than 1 for the substrate, the front side of half of the blaze orientation, the blaze A second ion beam etching step of etching the resist pattern and the substrate surface by irradiating an ion beam from an oblique direction opposite to the direction;
Method for producing a blazed diffraction grating, characterized in that it comprises a.
第1及び第2イオンビームエッチング工程に際して、エッチングの対象である基板の半面ではない他の半面をマスキングした状態でイオンビームを照射することを特徴とする請求項に記載のブレーズ型回折格子の製造方法。In the first and second ion beam etching step, the blazed diffraction grating according to claim 1, characterized in that an ion beam is irradiated while masking the other half is not a half of the substrate is etched object Production method.
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