JP5048930B2 - 回折光学素子，および，回折光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は，回折光学素子，および，回折光学素子の製造方法にかかり，特に，階段形状の素子を有する回折光学素子およびその製造方法に関する。

近年，周期的な微細形状により光の進行方向と位相を制御する回折光学素子の需要が高まっている。回折光学素子の形状は複数種類あり，そのうち，断面が鋸歯形状のものが理論上の回折効率は高いが，実際には，この鋸歯形状を近似した階段形状のものが製作容易であり，多用されている。一般に，階段形状を有する回折光学素子を製造する方法としては，半導体の微細加工技術を利用してｍ（ｍは自然数）枚のマスクパターンを用いて露光，現像，エッチングの一連のプロセスを繰り返すことにより２^ｍ段の回折光学素子を製造する方法が知られている（例えば，特許文献１，非特許文献１参照。）。

このような製造方法において，パターンの最小線幅がフォトリソグラフィの解像能力よりも細いパターンを作製する場合，図１１（ａ）に示したように，８段の階段形状を４段あるいは２段とし，階段の幅を広げる方法が知られている（例えば，非特許文献２参照）。このとき，８段と４段の階段形状でレンズ曲面を近似した場合，８段の階段形状と４段の階段形状との境目では光の位相にずれを生じ，結果としてレンズの光学特性が劣化する。このような光学特性の劣化を防止するために非特許文献２では，階段形状の段差（高さ）や幅（間隔）を調整して位相補正を行う方法が開示されている。

図１１（ｂ）は段差を調整する位相補正を示している。図１１（ｂ）では，４段の階段形状の高さを下段に向かう方向にλ／１６補正し，２段の階段形状の高さをさらにλ／８補正している。図１１（ｃ）は幅を調整する位相補正を示している。図１１（ｃ）では，４段の階段形状を８段の階段形状に近づく方向にλ／８補正し，２段の階段形状を４段の階段形状に近づく方向にさらにλ／４（合計でλ／８＋λ／４）補正している。

特開平１１−１４８１３号公報 佐々木浩紀，他６名，「光源とシリコンマイクロレンズの高精度実装技術」，エレクトロニクス実装学会誌，２００２年，Ｖｏｌ５，Ｎｏ．５，ｐ．４６６−４７２ Yuko Orihara, Werner Klaus, Makoto Fujino, and Kashiko Kodate, "Optimizationand application of hybrid-level binary zone plates", Appl. Opt. 40,5877-5885(2001).

しかしながら，図１１（ｂ），（ｃ）に示す位相補正には以下に示す問題点があった。
（１） 段差による位相補性
８段の階段形状では，通常λ／８，λ／４，λ／２の深さのエッチングにより階段形状を作製するが，８段と４段の境目ではλ／１６の段差を形成する必要があり，エッチング工程を追加する必要がある。また，その追加工程のためにマスクパターンを１枚または２枚追加する必要がある。
（２） 幅による位相補正
８段と４段あるいは４段と８段の境目を詰めるため，図１１（ｃ）に示したように，さらに細い線幅を形成する必要がある。通常，段数の切り替え部分は解像限界部分で行うため，線幅がさらに細い部分を作製することは実質的に不可能である。

本発明は，従来の回折光学素子の製造方法が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり，本発明の目的は，エッチング工程を追加することなく，また，フォトリソグラフィの解像能力による制限を受けることなく位相補正を行うことの可能な，新規かつ改良された回折光学素子，および，回折光学素子の製造方法を提供することである。

上記課題を解決するため，本発明の第１の観点によれば，回折光学素子が提供される。本発明の回折光学素子は，最上段を１段目とし、基板面をｎ段目とするｎ段の階段形状を有する素子、および最上段を１段目とし、基板面をｍ段目とするｍ段の階段形状を有する素子（ｎ＞ｍ）が１つの基板上に形成された回折光学素子であって、前記基板面からの高さについて、前記ｍ段の階段形状の１段目が、前記ｎ段の階段形状の２段目と同じ高さに形成され、前記ｎ段の階段形状とｍ段の階段形状との結合部の幅が、前記ｎ段の階段形状の１段目の幅よりも広く、前記ｎ段の階段形状と前記ｍ段の階段形状と位相補正が（１／ｍ−１／ｎ）πであり、段差方向の位相補正がＡπ（下段に向かう方向を正とする）であり、段差方向と垂直方向の位相補正がＢπ（前記ｍ段の階段形状が前記ｎ段の階段形状に近づく方向を正とする）であり、Ａ＞１／ｍ−１／ｎであり、Ａ＋Ｂ＝１／ｍ−１／ｎであることを特徴とする。

かかる構成によれば，エッチングする段差は１段の段差を作るだけで階段形状を作製することが可能であり，マスクパターンやエッチングの追加プロセスを行う必要無しに位相補正の多段型回折光学素子の作製が可能である。また，横方向の位相補正が距離を広げる方向であるため，線幅がフォトリソグラフィの限界領域であっても作製することが可能である。

本発明の回折光学素子において，前記ｍ段の階段形状のすべての段を，前記ｎ段の階段形状のいずれかの段と同じ段に形成することも可能である。

また，前記ｎ段の階段形状とｍ段の階段形状との位相補正が（１／ｍ−１／ｎ）πであり，段差方向の位相補正がＡπ（下段に向かう方向を正とする）であり，段差方向と垂直方向の位相補正がＢπ（前記ｍ段の階段形状が前記ｎ段の階段形状に近づく方向を正とする）であり，Ａ＞１／ｍ−１／ｎであり，Ａ＋Ｂ＝１／ｍ−１／ｎとすることも可能である。

一般に，ｎ段の階段形状とｍ段の階段形状との位相差は（１／ｍ−１／ｎ）πである。従って，段差方向の位相補正（下段に向かう方向を正とする）をＡπとし，段差方向と垂直方向の位相補正（ｍ段の階段形状がｎ段の階段形状に近づく方向を正とする）をＢπとしたとき，Ａ＋Ｂ＝１／ｍ−１／ｎとする必要がある。このとき，Ａ＞１／ｍ−１／ｎとすることにより，Ｂ＜０とすることができる。すなわち，段差方向と垂直方向の位相補正を，ｍ段の階段形状がｎ段の階段形状から遠ざかる方向とすることができる。このようにして，段差方向と垂直方向の位相補正が，階段形状間の距離を広げる方向であるため，線幅がフォトリソグラフィの限界領域であっても容易に作製することが可能である。

また，前記ｎ段の階段形状とｍ段の階段形状との結合部の幅を，前記ｎ段の階段形状のｎ段目の幅よりも広くすることも可能である。

また，具体的には，前記ｎは７であり，前記ｍは３とすることができる。７段と３段のように，非常に複雑な位相補正であっても，階段形状の上下左右を調整することで製造プロセスにあった階段形状を設計し，位相補正を行うことが可能である。さらに，７段の階段形状と３段の階段形状を有するレンズ素子を製造することが可能であり，かかるレンズ素子は，回折効率等の光学特性の大幅な改善を行うことが可能である。

上記課題を解決するため，本発明の第２の観点によれば，回折光学素子の製造方法が提供される。本発明の回折光学素子の製造方法は，エッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して、最上段を１段目とし、基板面を８段目とする８段の階段形状を有する素子、最上段を１段目とし、基板面を４段目とする４段の階段形状を有する素子、および最上段を１段目とし、基板面を２段目とする２段の階段形状を有する素子を１つの基板上に形成して回折光学素子を製造する製造方法であって、前記８段の階段形状の２、４、６、８段目となる領域、前記４段の階段形状の１、２、３、４段目となる領域、および前記２段の階段形状の１、２段目となる領域を、前記階段形状の段差である深さＬでエッチングする第１工程と、前記８段の階段形状の７、８段目となる領域、前記４段の階段形状の４段目となる領域、および前記２段の階段形状の２段目となる領域を、前記階段形状の段差の２倍である深さ２Ｌでエッチングする第２工程と、前記８段の階段形状の５、６、７、８段目となる領域、前記４段の階段形状の３、４段目となる領域、および前記２段の階段形状の２段目となる領域を、前記深さ２Ｌでエッチングする第３工程と、前記８段の階段形状の３、４、５、６、７、８段目となる領域、前記４段の階段形状の２、３、４段目となる領域、および前記２段の階段形状の１、２段目となる領域を、前記深さ２Ｌでエッチングする第４工程と、を含み、前記８段の階段形状と４段の階段形状との結合部の幅が、前記８段の階段形状の１段目の幅よりも広く、前記４段の階段形状と２段の階段形状との結合部の幅が、前記４段の階段形状の１段目の幅よりも広く、前記ｎ段の階段形状と前記ｍ段の階段形状と位相補正が（１／ｍ−１／ｎ）πであり、段差方向の位相補正がＡπ（下段に向かう方向を正とする）であり、段差方向と垂直方向の位相補正がＢπ（前記ｍ段の階段形状が前記ｎ段の階段形状に近づく方向を正とする）であり、Ａ＞１／ｍ−１／ｎであり、Ａ＋Ｂ＝１／ｍ−１／ｎであることを特徴とする。

かかる製造方法によれば，エッチングする段差は１段の段差を作るだけで階段形状を作製することが可能であり，マスクパターンやエッチングの追加プロセスを行う必要無しに位相補正の多段型回折光学素子の作製が可能である。また，横方向の位相補正が距離を広げる方向であるため，線幅がフォトリソグラフィの限界領域であっても作製することが可能である。

また，本発明の他の回折光学素子の製造方法は，エッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して、最上段を１段目とし、基板面を７段目とする７段の階段形状を有する素子、および最上段を１段目とし、基板面を３段目とする３段の階段形状を有する素子が１つの基板上に形成された回折光学素子を製造する製造方法であって、前記７段の階段形状の７段目となる領域および前記３段の階段形状の３段目となる領域を、前記階段形状の段差の２倍である深さ２Ｌでエッチングする第１工程と、前記７段の階段形状の２、４、６段目となる領域および前記３段の階段形状の１段目となる領域を、前記階段形状の段差である深さＬでエッチングする第２工程と、前記７段の階段形状の５、６、７段目となる領域および前記３段の階段形状の２、３段目となる領域を、前記深さ２Ｌでエッチングする第３工程と、前記７段の階段形状の３、４、５、６、７段目となる領域および前記３段の階段形状の２、３段目となる領域を、前記深さ２Ｌでエッチングする第４工程と、を含み、前記７段の階段形状と３段の階段形状との結合部の幅が、前記７段の階段形状の１段目の幅よりも広く、前記ｎ段の階段形状と前記ｍ段の階段形状と位相補正が（１／ｍ−１／ｎ）πであり、段差方向の位相補正がＡπ（下段に向かう方向を正とする）であり、段差方向と垂直方向の位相補正がＢπ（前記ｍ段の階段形状が前記ｎ段の階段形状に近づく方向を正とする）であり、Ａ＞１／ｍ−１／ｎであり、Ａ＋Ｂ＝１／ｍ−１／ｎであることを特徴とする。

かかる製造方法によれば，エッチングする段差は１段の段差を作るだけで階段形状を作製することが可能であり，マスクパターンやエッチングの追加プロセスを行う必要無しに位相補正の多段型回折光学素子の作製が可能である。また，横方向の位相補正が距離を広げる方向であるため，線幅がフォトリソグラフィの限界領域であっても作製することが可能である。また，７段と３段のように，非常に複雑な位相補正であっても，階段形状の上下左右を調整することで製造プロセスにあった階段形状を設計し，位相補正を行うことが可能である。さらに，７段の階段形状と３段の階段形状を有するレンズ素子を製造することが可能であり，かかるレンズ素子は，回折効率等の光学特性の大幅な改善を行うことが可能である。

また，本発明の他の回折光学素子の製造方法は，エッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して、最上段を１段目とし、基板面を６段目とする６段の階段形状を有する素子、および最上段を１段目とし、基板面を３段目とする３段の階段形状を有する素子が１つの基板上に形成された回折光学素子を製造する製造方法であって、前記６段の階段形状の２、４、６段目となる領域および前記３段の階段形状の１、２、３段目となる領域を、前記階段形状の段差である深さＬでエッチングする第１工程と、前記６段の階段形状の５、６段目となる領域および前記３段の階段形状の３段目となる領域を、前記階段形状の段差の２倍である深さ２Ｌでエッチングする第２工程と、前記６段の階段形状の３、４、５、６段目となる領域および前記３段の階段形状の２、３段目となる領域を、前記深さ２Ｌでエッチングする第３工程と、を含み、前記６段の階段形状と３段の階段形状との結合部の幅が、前記６段の階段形状の１段目の幅よりも広く、前記ｎ段の階段形状と前記ｍ段の階段形状と位相補正が（１／ｍ−１／ｎ）πであり、段差方向の位相補正がＡπ（下段に向かう方向を正とする）であり、段差方向と垂直方向の位相補正がＢπ（前記ｍ段の階段形状が前記ｎ段の階段形状に近づく方向を正とする）であり、Ａ＞１／ｍ−１／ｎであり、Ａ＋Ｂ＝１／ｍ−１／ｎであることを特徴とする。

かかる製造方法によれば，エッチングする段差は１段の段差を作るだけで階段形状を作製することが可能であり，マスクパターンやエッチングの追加プロセスを行う必要無しに位相補正の多段型回折光学素子の作製が可能である。また，横方向の位相補正が距離を広げる方向であるため，線幅がフォトリソグラフィの限界領域であっても作製することが可能である。

本発明の回折光学素子の製造方法において，前記エッチングを異方性エッチングとすることができる。

また，前記基板は，シリコン，石英，ＧａＡｓ，またはＩｎＰのいずれかからなるものとすることができる。

以上のように，本発明によれば，エッチング工程を追加することなく，また，フォトリソグラフィの解像能力による制限を受けることなく位相補正を行うことの可能な回折光学素子，および，回折光学素子の製造方法を提供することが可能である。

以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかる回折光学素子，および，回折光学素子の製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１に８段，４段，２段の階段形状を有する回折光学素子の模式図を示す。図１（ａ）は位相補正を行わないシリコンウエハ１０の形状であり，図１（ｂ）は位相補正を行ったシリコンウエハ１００の形状である。なお図１では，説明の便宜上，８段，４段，２段の階段形状をそれぞれ２つずつ示しているが，階段形状の数はこれに限定されず任意である。また，各階段形状において，階段の幅は一定であり，階段の段差（高さ）も一定とした場合を示している。

まず位相補正を行う前の回折光学素子の形状について，図１（ａ）を参照しながら説明する。

図１（ａ）に示したシリコンウエハ１０では，４段の階段形状１０ｂの１段目が８段の階段形状１０ａの１段目と同じ段に形成されている。さらに，４段の階段形状１０ｂの段差は，８段の階段形状１０ａの段差の２倍に形成されている。このため，４段の階段形状１０ｂのすべての段差が８段の階段形状１０ａのいずれかの段差と同じ段に形成されている。すなわち，４段の階段形状１０ｂの２段目は８段の階段形状１０ａの３段目と，４段の階段形状１０ｂの３段目は８段の階段形状１０ａの５段目と，４段の階段形状１０ｂの４段目は８段の階段形状１０ａの７段目と，それぞれ同じ段に形成されている。

同様に，２段の階段形状１０ｃの１段目が４段の階段形状１０ｂの１段目と同じ段に形成されている。さらに，２段の階段形状１０ｃの段差は，４段の階段形状１０ｂの段差の２倍に形成されている。このため，２段の階段形状１０ｃのすべての段差が４段の階段形状１０ｂのいずれかの段差と同じ段に形成されている。すなわち，２段の階段形状１０ｃの２段目は４段の階段形状１０ｂの３段目と同じ段に形成されている。

さらに，図１（ａ）に示した形状では，８段の階段形状１０ａと４段の階段形状１０ｂとの結合部の幅が，８段の階段形状１０ａの８段目の幅と同じに形成されている。また，４段の階段形状１０ｂと２段の階段形状１０ｃとの結合部の幅が，４段の階段形状１０ｂの４段目の幅と同じに形成されている。

次いで，位相補正について説明する。

一般に，ｎ段とｍ段（ｎ＞ｍ）の位相差は（１／ｍ−１／ｎ）πであることが知られている（例えば，非特許文献２参照。）。また，波長に対する大きさは，位相差のλ／２π倍，すなわち，（１／ｍ−１／ｎ）λ／２である。

８段と４段の間の位相差は（１／４−１／８）π＝π／８であり，波長に対する大きさはλ／１６である。したがって，図１（ａ）において，４段の階段形状１０ｂを位相補正を行うために移動させる移動量は，下段に向かう方向にλ／１６または８段の階段形状に近づく方向にλ／８である。図１（ｂ）では，４段の階段形状１００ｂを下段に向かう方向にλ／８（２λ／１６）移動している。つまり，λ／１６多く移動している。そこで，λ／１６多く移動した分を相殺するために，４段の階段形状１００ｂを８段の階段形状１００ａから遠ざける方向にλ／８移動する。その結果，８段と４段の間の位相差はπ／８となり，適切な位相補正を行うことが可能である。

同様に，４段と２段の部分では，４段と２段の間の位相差は（１／２−１／４）π＝π／４であり，波長に対する大きさはλ／８である。したがって，図１（ａ）において，２段の階段形状１０ｃを位相補正を行うために移動させる移動量は，下段に向かう方向にλ／８または４段の階段形状に近づく方向にλ／４である。図１（ｂ）に示したシリコンウエハ１００では，２段の階段形状１００ｃを下段に向かう方向にλ／４（＝２λ／８）移動している。つまり，λ／８多く移動している。そこで，λ／８多く移動した分を相殺するために，２段の階段形状１００ｃを４段の階段形状１００ｂから遠ざける方向にλ／４移動する。すなわち，図１（ａ）との比較では，２段の階段形状１００ｃを４段の階段形状１００ｂから遠ざける方向に（λ／８＋λ／４）移動する。その結果，４段と２段の間の位相差はπ／４となり，位相補正が行われている。

以上のように位相補正を行った回折光学素子の形状について，図１（ｂ）を参照しながら説明する。

図１（ｂ）に示した形状では，４段の階段形状１００ｂの１段目が８段の階段形状１００ａの２段目と同じ段に形成されている。さらに，４段の階段形状１００ｂの段差は，８段の階段形状１００ａの段差の２倍であることから，４段の階段形状１００ｂのすべての段差が８段の階段形状１００ａのいずれかの段差と同じ段に形成されている。すなわち，４段の階段形状１００ｂの２段目は８段の階段形状１００ａの４段目と，４段の階段形状１００ｂの３段目は８段の階段形状１００ａの６段目と，４段の階段形状１００ｂの４段目は８段の階段形状１００ａの８段目と，それぞれ同じ段に形成されている。

同様に，２段の階段形状１００ｃの１段目が４段の階段形状１００ｂの２段目と同じ段に形成されている。さらに，２段の階段形状１００ｃの段差は，４段の階段形状１００ｂの段差の２倍であることから，２段の階段形状１００ｃのすべての段差が４段の階段形状１００ｂのいずれかの段差と同じ段に形成されている。すなわち，２段の階段形状１００ｃの２段目は４段の階段形状１００ｂの４段目と同じ段に形成されている。

さらに，図１（ｂ）に示した形状では，８段の階段形状１００ａと４段の階段形状１００ｂとの結合部の幅が，８段の階段形状１００ａの８段目の幅よりも，λ／８だけ広く形成されている。また，４段の階段形状１００ｂと２段の階段形状１００ｃとの結合部の幅が，４段の階段形状１００ｂの４段目の幅よりも（λ／８＋λ／４）だけ広く形成されている。

（第１の実施形態の効果）
以上説明した構造とすることで，エッチングする段差は１段の段差を作るだけで階段形状を作製することが可能であり，マスクパターンやエッチングの追加プロセスを行う必要無しに位相補正の多段型回折光学素子の作製が可能である。また，横方向の位相補正が距離を広げる方向であるため，線幅がフォトリソグラフィの限界領域であっても作製することが可能である。

（第２の実施形態）
図２に７段と３段の階段形状を有する回折光学素子の模式図を示す。図２（ａ）は位相補正を行わないシリコンウエハ２０の形状であり，図２（ｂ）は位相補正を行ったシリコンウエハ２００の形状である。なお図２では，説明の便宜上，７段と３段の階段形状をそれぞれ２つずつ示しているが，階段形状の数はこれに限定されず任意である。

まず位相補正を行う前の回折光学素子の形状について，図２（ａ）を参照しながら説明する。

図２（ａ）に示したシリコンウエハ２０では，３段の階段形状２０ｂの１段目が７段の階段形状２０ａの１段目と同じ段に形成されている。さらに，３段の階段形状２０ｂの段差は，７段の階段形状２０ａの段差の整数倍（図２の例では，２倍または３倍）に形成されている。このため，３段の階段形状２０ｂのすべての段差が７段の階段形状２０ａのいずれかの段差と同じ段に形成されている。すなわち，３段の階段形状２０ｂの２段目は７段の階段形状２０ａの４段目と，３段の階段形状２０ｂの３段目は７段の階段形状２０ａの６段目と，それぞれ同じ段に形成されている。

さらに，図２（ａ）に示した形状では，７段の階段形状２０ａと３段の階段形状２０ｂとの結合部の幅が，７段の階段形状２０ａの７段目の幅と同じに形成されている。

次いで，位相補正について説明する。

７段と３段の間の位相差は（１／３−１／７）π＝４π／２１であり，波長に対する大きさは２λ／２１である。したがって，図２（ａ）において，３段の階段形状２０ｂを位相補正を行うために移動させる移動量は，下段に向かう方向に２λ／２１または７段の階段形状に近づく方向に４λ／２１である。図２（ｂ）に示したシリコンウエハ２００では，３段の階段形状２００ｂを下段に向かう方向にλ／７（＝３λ／２１）移動している。つまり，λ／２１多く移動している。そこで，λ／２１多く移動した分を相殺するために，３段の階段形状２００ｂを７段の階段形状２００ａから遠ざける方向に２λ／２１移動する。その結果，７段と３段の間の位相差は４π／２１となり，適切な位相補正を行うことが可能である。

以上のように位相補正を行った回折光学素子の形状について，図２（ｂ）を参照しながら説明する。

図２（ｂ）に示した形状では，３段の階段形状２００ｂの１段目が７段の階段形状２００ａの２段目と同じ段に形成されている。さらに，３段の階段形状２００ｂの段差は，７段の階段形状２００ａの段差の整数倍（図２の例では，２倍または３倍）であることから，３段の階段形状２００ｂのすべての段差が７段の階段形状２００ａのいずれかの段差と同じ段に形成されている。すなわち，３段の階段形状２００ｂの２段目は７段の階段形状２００ａの５段目と，３段の階段形状２００ｂの３段目は７段の階段形状２００ａの７段目と，それぞれ同じ段に形成されている。

さらに，図２（ｂ）に示した形状では，７段の階段形状２００ａと３段の階段形状２００ｂとの結合部の幅が，７段の階段形状２００ａの７段目の幅よりも，２λ／２１だけ広く形成されている。

（第２の実施形態の効果）
以上説明した構造とすることで，エッチングする段差は１段の段差を作るだけで階段形状を作製することが可能であり，マスクパターンやエッチングの追加プロセスを行う必要無しに位相補正の多段型回折光学素子の作製が可能である。また，横方向の位相補正が距離を広げる方向であるため，線幅がフォトリソグラフィの限界領域であっても作製することが可能である。

また，７段と３段のように，非常に複雑な位相補正であっても，階段形状の上下左右を調整することで製造プロセスにあった階段形状を設計し，位相補正を行うことが可能である。

（第３の実施形態）
図３に６段と３段の階段形状を有する回折光学素子の模式図を示す。図３（ａ）は位相補正を行わないシリコンウエハ３０の形状であり，図３（ｂ）は位相補正を行ったシリコンウエハ３００の形状である。なお図３では，説明の便宜上，６段と３段の階段形状をそれぞれ２つずつ示しているが，階段形状の数はこれに限定されず任意である。

まず位相補正を行う前の回折光学素子の形状について，図３（ａ）を参照しながら説明する。

図３（ａ）に示したシリコンウエハ３０では，３段の階段形状３０ｂの１段目が６段の階段形状３０ａの１段目と同じ段に形成されている。さらに，３段の階段形状３０ｂの段差は，６段の階段形状３０ａの段差の２倍に形成されている。このため，３段の階段形状３０ｂのすべての段差が６段の階段形状３０ａのいずれかの段差と同じ段に形成されている。すなわち，３段の階段形状３０ｂの２段目は６段の階段形状３０ａの３段目と，３段の階段形状３０ｂの３段目は６段の階段形状３０ａの５段目と，それぞれ同じ段に形成されている。

さらに，図３（ａ）に示した形状では，６段の階段形状３０ａと３段の階段形状３０ｂとの結合部の幅が，６段の階段形状３０ａの６段目の幅と同じに形成されている。

次いで，位相補正について説明する。

６段と３段の間の位相差は（１／３−１／６）π＝π／６であり，波長に対する大きさはλ／１２である。したがって，図３（ａ）において，３段の階段形状３０ｂを位相補正を行うために移動させる移動量は，下段に向かう方向にλ／１２または６段の階段形状に近づく方向にλ／６である。図３（ｂ）に示したシリコンウエハ３００では，３段の階段形状３００ｂを下段に向かう方向にλ／６（＝２λ／１２）移動している。つまり，λ／１２多く移動している。そこで，λ／１２多く移動した分を相殺するために，３段の階段形状３００ｂを６段の階段形状３００ａから遠ざける方向にλ／６移動する。その結果，６段と３段の間の位相差はπ／６となり，適切な位相補正を行うことが可能である。

以上のように位相補正を行った回折光学素子の形状について，図３（ｂ）を参照しながら説明する。

図３（ｂ）に示した形状では，３段の階段形状３００ｂの１段目が６段の階段形状３００ａの２段目と同じ段に形成されている。さらに，３段の階段形状３００ｂの段差は，６段の階段形状３００ａの段差の２倍であることから，３段の階段形状３００ｂのすべての段差が６段の階段形状３００ａのいずれかの段差と同じ段に形成されている。すなわち，３段の階段形状３００ｂの２段目は６段の階段形状３００ａの４段目と，３段の階段形状３００ｂの３段目は６段の階段形状３００ａの６段目と，それぞれ同じ段に形成されている。

さらに，図３（ｂ）に示した形状では，６段の階段形状３００ａと３段の階段形状３００ｂとの結合部の幅が，６段の階段形状３００ａの６段目の幅よりも，λ／６だけ広く形成されている。

（第３の実施形態の効果）
以上説明したように，本実施形態によれば，エッチングする段差は１段の段差を作るだけで階段形状を作製することが可能であり，マスクパターンやエッチングの追加プロセスを行う必要無しに位相補正の多段型回折光学素子の作製が可能である。また，横方向の位相補正が距離を広げる方向であるため，線幅がフォトリソグラフィの限界領域であっても作製することが可能である。

上記第１〜第３の実施形態では，回折光学素子の構造について説明した。
以下に，本発明の第４〜第６の実施形態として，上記の回折光学素子の製造方法について説明する。なお，第４〜第６の実施形態では，素子の作製にはシリコンウエハ（Ｓｉ基板）を使用し，フォトリソグラフィにはｉ線ステッパ及び標準的なポジ型レジストを使用するものとして説明する。エッチングには反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ装置）を用い，エッチングガスとしてＳＦ_６を使用した異方性エッチングを行うものとして説明する。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態では，上記第１の実施形態で説明した８段，４段，および２段の階段形状が形成された回折光学素子の製造方法について説明する。

図４は，上記第１の実施形態で説明した８段，４段，および２段の階段形状が形成された回折光学素子（製造工程の最終形状）と，各製造工程で使用されるマスクパターンとの関係を示す説明図である。本実施形態では，図４に示したように，４枚のマスクパターンＭ１１，Ｍ１２，Ｍ１３，Ｍ１４を順に用いて，シリコンウエハ１００に対してエッチング処理を行う。

マスクパターンＭ１１は，８段の階段形状の１，３，５，７段目をエッチングせず，それ以外を１段エッチングするために用いられる。マスクパターンＭ１２は，８段の階段形状の１〜６段目と，４段の階段形状の１〜３段目と，２段形状の１段目をエッチングせず，それ以外を２段エッチングするために用いられる。マスクパターンＭ１３は，８段の階段形状の１〜４段目と，４段の階段形状の１，２段目と，２段形状の１段目をエッチングせず，それ以外を２段エッチングするために用いられる。マスクパターンＭ１４は，８段の階段形状の１，２段目と，４段の階段形状の１段目をエッチングせず，それ以外を２段エッチングするために用いられる。

図５は，本実施形態にかかる回折光学素子の製造方法の各工程を示す説明図である。

まずシリコンウエハ１００上にレジストを塗布する。そして，マスクパターンＭ１１を用いて露光，現像を行い，図５（ａ）に示したように，シリコンウエハ１００上にレジストパターンＲ１１を形成する。そして，レジストパターンＲ１１が形成されない領域である８段形状の２，４，６，８段目と，４段の階段形状の１〜４段目と，２段の階段形状の１，２段目を，深さＬ（１段分）でエッチングする。

次いで，レジストパターンＲ１１を除去した後，シリコンウエハ１００上にレジストを塗布し，マスクパターンＭ１２を用いて露光，現像を行い，図５（ｂ）に示したように，シリコンウエハ１００上にレジストパターンＲ１２を形成する。そして，レジストパターンＲ１２が形成されない領域である８段形状の７，８段目と，４段の階段形状の４段目と，２段の階段形状の２段目を，深さ２Ｌ（２段分）でエッチングする。

同様に，レジストパターンＲ１２を除去した後，マスクパターンＭ１３を用いて，図５（ｃ）に示したように，シリコンウエハ１００上にレジストパターンＲ１３を形成する。そして，レジストパターンＲ１３が形成されない領域である８段形状の５〜８段目と，４段の階段形状の３，４段目と，２段の階段形状の２段目を，深さ２Ｌ（２段分）でエッチングする。

同様に，レジストパターンＲ１３を除去した後，マスクパターンＭ１４を用いて，図５（ｄ）に示したように，シリコンウエハ１００上にレジストパターンＲ１４を形成する。そして，レジストパターンＲ１４が形成されない領域である８段形状の５〜８段目と，４段の階段形状の２〜４段目と，２段の階段形状の１，２段目を，深さ２Ｌ（２段分）でエッチングする。

以上の工程を経て，上記第１の実施形態で説明した８段，４段，および２段の階段形状が形成された回折光学素子が製造される。なお，階段形状の各段差の幅や，階段形状間の間隔については，マスクパターンＭ１１〜Ｍ１４を調整することにより，任意に設定することが可能である。上記第１の実施形態の形状では，階段形状間の間隔を広げる方向に調整すればよいため，線幅がフォトリソグラフィの限界領域であっても容易に製造することが可能である。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態について説明する。本実施形態では，上記第２の実施形態で説明した７段および３段の階段形状が形成された回折光学素子の製造方法について説明する。

図６は，上記第２の実施形態で説明した７段および３段の階段形状が形成された回折光学素子（製造工程の最終形状）と，各製造工程で使用されるマスクパターンとの関係を示す説明図である。本実施形態では，図６に示したように，４枚のマスクパターンＭ２１，Ｍ２２，Ｍ２３，Ｍ２４を順に用いて，シリコンウエハ２００に対してエッチング処理を行う。

マスクパターンＭ２１は，７段の階段形状の１〜６段目と，３段形状の１，２段目をエッチングせず，それ以外を２段エッチングするために用いられる。マスクパターンＭ２２は，７段の階段形状の１，３，５段目と，３段の階段形状の２，３段目をエッチングせず，それ以外を１段エッチングするために用いられる。マスクパターンＭ２３は，７段の階段形状の１〜４段目と，３段の階段形状の１段目をエッチングせず，それ以外を２段エッチングするために用いられる。マスクパターンＭ２４は，７段の階段形状の１，２段目と，３段の階段形状の１段目をエッチングせず，それ以外を２段エッチングするために用いられる。

図７は，本実施形態にかかる回折光学素子の製造方法の各工程を示す説明図である。

まずシリコンウエハ２００上にレジストを塗布する。そして，マスクパターンＭ２１を用いて露光，現像を行い，図７（ａ）に示したように，シリコンウエハ２００上にレジストパターンＲ２１を形成する。そして，レジストパターンＲ２１が形成されない領域である７段形状の７段目と，３段の階段形状の３段目を，深さ２Ｌ（２段分）でエッチングする。

次いで，レジストパターンＲ２１を除去した後，シリコンウエハ２００上にレジストを塗布し，マスクパターンＭ２２を用いて露光，現像を行い，図７（ｂ）に示したように，シリコンウエハ２００上にレジストパターンＲ２２を形成する。そして，レジストパターンＲ２２が形成されない領域である７段形状の２，４，６段目と，３段の階段形状の１段目を，深さＬ（１段分）でエッチングする。

同様に，レジストパターンＲ２２を除去した後，マスクパターンＭ２３を用いて，図７（ｃ）に示したように，シリコンウエハ２００上にレジストパターンＲ２３を形成する。そして，レジストパターンＲ２３が形成されない領域である７段形状の５〜７段目と，３段の階段形状の２，３段目を，深さ２Ｌ（２段分）でエッチングする。

同様に，レジストパターンＲ２３を除去した後，マスクパターンＭ２４を用いて，図７（ｄ）に示したように，シリコンウエハ２００上にレジストパターンＲ２４を形成する。そして，レジストパターンＲ２４が形成されない領域である７段形状の３〜７段目と，３段の階段形状の２，３段目を，深さ２Ｌ（２段分）でエッチングする。

以上の工程を経て，上記第２の実施形態で説明した７段および３段の階段形状が形成された回折光学素子が製造される。なお，階段形状の各段差の幅や，階段形状間の間隔については，マスクパターンＭ２１〜Ｍ２４を調整することにより，任意に設定することが可能である。上記第２の実施形態の形状では，階段形状間の間隔を広げる方向に調整すればよいため，線幅がフォトリソグラフィの限界領域であっても容易に製造することが可能である。

本実施形態によれば，直径１２０μｍで，中心から半径方向に４０μｍまでが７段の階段形状，４０〜６０μｍまでが３段の階段形状のレンズ素子を製造することが可能である。かかるレンズ素子は，半導体レーザから出射された光を平行光にするレンズである。かかるレンズの光学特性を測定したところ，８７％の回折効率が得られた。従来のレンズ素子の回折効率は８４％であり，これとの比較で３％程度の改善が見られた。また，３段の階段形状を形成しない場合の回折効率は約５０％程度であることから，大幅な特性の改善を行うことが可能である。

（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態について説明する。本実施形態では，上記第３の実施形態で説明した６段および３段の階段形状が形成された回折光学素子の製造方法について説明する。

図８は，上記第３の実施形態で説明した６段および３段の階段形状が形成された回折光学素子（製造工程の最終形状）と，各製造工程で使用されるマスクパターンとの関係を示す説明図である。本実施形態では，図８に示したように，３枚のマスクパターンＭ３１，Ｍ３２，Ｍ３３を順に用いて，シリコンウエハ３００に対してエッチング処理を行う。

マスクパターンＭ３１は，６段の階段形状の１，３，５段目をエッチングせず，それ以外を１段エッチングするために用いられる。マスクパターンＭ３２は，６段の階段形状の１〜４段目と，３段の階段形状の１，２段目をエッチングせず，それ以外を２段エッチングするために用いられる。マスクパターンＭ３３は，６段の階段形状の１，２段目と，３段の階段形状の１段目をエッチングせず，それ以外を２段エッチングするために用いられる。

図９は，本実施形態にかかる回折光学素子の製造方法の各工程を示す説明図である。

まずシリコンウエハ３００上にレジストを塗布する。そして，マスクパターンＭ３１を用いて露光，現像を行い，図９（ａ）に示したように，シリコンウエハ３００上にレジストパターンＲ３１を形成する。そして，レジストパターンＲ３１が形成されない領域である６段形状の２，４，６段目と，３段の階段形状の１〜３段目を，深さＬ（１段分）でエッチングする。

次いで，レジストパターンＲ３１を除去した後，シリコンウエハ３００上にレジストを塗布し，マスクパターンＭ３２を用いて露光，現像を行い，図９（ｂ）に示したように，シリコンウエハ３００上にレジストパターンＲ３２を形成する。そして，レジストパターンＲ３２が形成されない領域である６段形状の５，６段目と，３段の階段形状の３段目を，深さ２Ｌ（２段分）でエッチングする。

同様に，レジストパターンＲ３２を除去した後，マスクパターンＭ３３を用いて，図９（ｃ）に示したように，シリコンウエハ３００上にレジストパターンＲ３３を形成する。そして，レジストパターンＲ３３が形成されない領域である６段形状の３〜６段目と，３段の階段形状の２，３段目を，深さ２Ｌ（２段分）でエッチングする。

以上の工程を経て，上記第３の実施形態で説明した６段および３段の階段形状が形成された回折光学素子が製造される。なお，階段形状の各段差の幅や，階段形状間の間隔については，マスクパターンＭ３１〜Ｍ３３を調整することにより，任意に設定することが可能である。上記第３の実施形態の形状では，階段形状間の間隔を広げる方向に調整すればよいため，線幅がフォトリソグラフィの限界領域であっても容易に製造することが可能である。

以上，添付図面を参照しながら本発明にかかる回折光学素子，および，回折光学素子の製造方法の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば，上記実施形態ではシリコンウエハを用いて回折光学素子を製造したが，本発明はこれに限定されず，ガラス，ゲルマニウム，ＩｎＰなどを用いても同様に回折光学素子を製造することが可能である。また，シリコンウエハのエッチングについても上記方法に限定されず，所望の段差形状を作製可能な任意の方法を採用することが可能である。

また，上記実施形態では，階段形状の幅を一定とした場合について説明したが，マスクパターンを適宜調整することにより，階段形状の幅を任意に設定することが可能である。また，階段形状間の間隔についても任意に設定可能である。一例として図１０は，上記第２，第５の実施形態で説明した７段と３段の階段形状を有する回折光学素子である。この図１０（ａ）〜（ｄ）の各工程は，第５の実施形態で説明した図７（ａ）〜（ｄ）と同様であるが，図１０（ｄ）に示したように，階段形状の１段目から２段目，３段目と進むにつれ，階段形状２００ａ’，２００ｂ’の幅を狭く形成している。また，階段形状間の間隔も十分広く形成することが可能である。

また，上記実施の形態では，マスクのパターンを用いてレジストパターンを形成したが，本発明はこれに限定されるのものではなく，電子ビームで直接描画してレジストパターンを形成する方法を用いてもよい。また，使用するレジストはポジ型に限定されるものではなく，ネガ型レジストを用いることも可能である。この場合，マスクのパターンとしては，前述の各例で示したマスクのパターンに対し，反転したものとなる。また，フォトリソグラフィ工程では，ｉ線ステッパだけでなく，Ｘ線リソグラフィー等の別のリソグラフィー方法を用いてもよい。なお，上記フレネルレンズ型の回折光学素子は，例えば，光通信用のレーザコリメータレンズや，フォトダイオード用集光レンズとして応用することが考えられる。

本発明は，回折光学素子，および，回折光学素子の製造方法に利用可能であり，特に，階段形状の素子を有する回折光学素子およびその製造方法に利用可能である。

第１の実施形態にかかる回折光学素子の説明図であり，（ａ）は位相補正前，（ｂ）は位相補正後のものを示している。 第２の実施形態にかかる回折光学素子の説明図であり，（ａ）は位相補正前，（ｂ）は位相補正後のものを示している。 第３の実施形態にかかる回折光学素子の説明図であり，（ａ）は位相補正前，（ｂ）は位相補正後のものを示している。 第４の実施形態にかかる回折光学素子の製造工程において，マスクパターンと階段形状との関係を示す説明図である。 第４の実施形態にかかる回折光学素子の製造工程を示す説明図である。 第５の実施形態にかかる回折光学素子の製造工程において，マスクパターンと階段形状との関係を示す説明図である。 第５の実施形態にかかる回折光学素子の製造工程を示す説明図である。 第６の実施形態にかかる回折光学素子の製造工程において，マスクパターンと階段形状との関係を示す説明図である。 第６の実施形態にかかる回折光学素子の製造工程を示す説明図である。 回折光学素子の製造方法の応用例を示す説明図である。 従来の回折光学素子を示す説明図である。

符号の説明

１００，２００，３００ シリコンウエハ
１００ａ ８段の階段形状
１００ｂ ４段の階段形状
１００ｃ ２段の階段形状
２００ａ ７段の階段形状
２００ｂ ３段の階段形状
３００ａ ６段の階段形状
３００ｂ ３段の階段形状
Ｍ１１〜Ｍ１４，Ｍ２１〜Ｍ２４，Ｍ３１〜Ｍ３３ マスクパターン
Ｒ１１〜Ｒ１４，Ｒ２１〜Ｒ２４，Ｒ３１〜Ｒ３３ レジストパターン

Claims (8)

1. 最上段を１段目とし、基板面をｎ段目とするｎ段の階段形状を有する素子、および最上段を１段目とし、基板面をｍ段目とするｍ段の階段形状を有する素子（ｎ＞ｍ）が１つの基板上に形成された回折光学素子であって、
   前記基板面からの高さについて、前記ｍ段の階段形状の１段目が、前記ｎ段の階段形状の２段目と同じ高さに形成され、
   前記ｎ段の階段形状とｍ段の階段形状との結合部の幅が、前記ｎ段の階段形状の１段目の幅よりも広く、
   前記ｎ段の階段形状と前記ｍ段の階段形状と位相補正が（１／ｍ−１／ｎ）πであり、
   段差方向の位相補正がＡπ（下段に向かう方向を正とする）であり、段差方向と垂直方向の位相補正がＢπ（前記ｍ段の階段形状が前記ｎ段の階段形状に近づく方向を正とする）であり、
   Ａ＞１／ｍ−１／ｎであり、Ａ＋Ｂ＝１／ｍ−１／ｎである
   ことを特徴とする、回折光学素子。
2. 前記基板面からの高さについて、前記ｍ段の階段形状のすべての段が、前記ｎ段の階段形状のいずれかの段と同じ高さに形成された
   ことを特徴とする、請求項１記載の回折光学素子。
3. 前記ｎは７であり、前記ｍは３である
   ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の回折光学素子。
4. エッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して、最上段を１段目とし、基板面を８段目とする８段の階段形状を有する素子、最上段を１段目とし、基板面を４段目とする４段の階段形状を有する素子、および最上段を１段目とし、基板面を２段目とする２段の階段形状を有する素子を１つの基板上に形成して回折光学素子を製造する製造方法であって、
   前記８段の階段形状の２、４、６、８段目となる領域、前記４段の階段形状の１、２、３、４段目となる領域、および前記２段の階段形状の１、２段目となる領域を、前記階段形状の段差である深さＬでエッチングする第１工程と、
   前記８段の階段形状の７、８段目となる領域、前記４段の階段形状の４段目となる領域、および前記２段の階段形状の２段目となる領域を、前記階段形状の段差の２倍である深さ２Ｌでエッチングする第２工程と、
   前記８段の階段形状の５、６、７、８段目となる領域、前記４段の階段形状の３、４段目となる領域、および前記２段の階段形状の２段目となる領域を、前記深さ２Ｌでエッチングする第３工程と、
   前記８段の階段形状の３、４、５、６、７、８段目となる領域、前記４段の階段形状の２、３、４段目となる領域、および前記２段の階段形状の１、２段目となる領域を、前記深さ２Ｌでエッチングする第４工程と、
   を含み、
   前記８段の階段形状と４段の階段形状との結合部の幅が、前記８段の階段形状の１段目の幅よりも広く、
   前記４段の階段形状と２段の階段形状との結合部の幅が、前記４段の階段形状の１段目の幅よりも広く、
   前記ｎ段の階段形状と前記ｍ段の階段形状と位相補正が（１／ｍ−１／ｎ）πであり、
   段差方向の位相補正がＡπ（下段に向かう方向を正とする）であり、段差方向と垂直方向の位相補正がＢπ（前記ｍ段の階段形状が前記ｎ段の階段形状に近づく方向を正とする）であり、
   Ａ＞１／ｍ−１／ｎであり、Ａ＋Ｂ＝１／ｍ−１／ｎである
   ことを特徴とする、回折光学素子の製造方法。
5. エッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して、最上段を１段目とし、基板面を７段目とする７段の階段形状を有する素子、および最上段を１段目とし、基板面を３段目とする３段の階段形状を有する素子が１つの基板上に形成された回折光学素子を製造する製造方法であって、
   前記７段の階段形状の７段目となる領域および前記３段の階段形状の３段目となる領域を、前記階段形状の段差の２倍である深さ２Ｌでエッチングする第１工程と、
   前記７段の階段形状の２、４、６段目となる領域および前記３段の階段形状の１段目となる領域を、前記階段形状の段差である深さＬでエッチングする第２工程と、
   前記７段の階段形状の５、６、７段目となる領域および前記３段の階段形状の２、３段目となる領域を、前記深さ２Ｌでエッチングする第３工程と、
   前記７段の階段形状の３、４、５、６、７段目となる領域および前記３段の階段形状の２、３段目となる領域を、前記深さ２Ｌでエッチングする第４工程と、
   を含み、
   前記７段の階段形状と３段の階段形状との結合部の幅が、前記７段の階段形状の１段目の幅よりも広く、
   前記ｎ段の階段形状と前記ｍ段の階段形状と位相補正が（１／ｍ−１／ｎ）πであり、
   段差方向の位相補正がＡπ（下段に向かう方向を正とする）であり、段差方向と垂直方向の位相補正がＢπ（前記ｍ段の階段形状が前記ｎ段の階段形状に近づく方向を正とする）であり、
   Ａ＞１／ｍ−１／ｎであり、Ａ＋Ｂ＝１／ｍ−１／ｎである
   ことを特徴とする、回折光学素子の製造方法。
6. エッチングにより基板を表面加工するプロセスを複数回繰り返して、最上段を１段目とし、基板面を６段目とする６段の階段形状を有する素子、および最上段を１段目とし、基板面を３段目とする３段の階段形状を有する素子が１つの基板上に形成された回折光学素子を製造する製造方法であって、
   前記６段の階段形状の２、４、６段目となる領域および前記３段の階段形状の１、２、３段目となる領域を、前記階段形状の段差である深さＬでエッチングする第１工程と、
   前記６段の階段形状の５、６段目となる領域および前記３段の階段形状の３段目となる領域を、前記階段形状の段差の２倍である深さ２Ｌでエッチングする第２工程と、
   前記６段の階段形状の３、４、５、６段目となる領域および前記３段の階段形状の２、３段目となる領域を、前記深さ２Ｌでエッチングする第３工程と、
   を含み、
   前記６段の階段形状と３段の階段形状との結合部の幅が、前記６段の階段形状の１段目の幅よりも広く、
   前記ｎ段の階段形状と前記ｍ段の階段形状と位相補正が（１／ｍ−１／ｎ）πであり、
   段差方向の位相補正がＡπ（下段に向かう方向を正とする）であり、段差方向と垂直方向の位相補正がＢπ（前記ｍ段の階段形状が前記ｎ段の階段形状に近づく方向を正とする）であり、
   Ａ＞１／ｍ−１／ｎであり、Ａ＋Ｂ＝１／ｍ−１／ｎである
   ことを特徴とする、回折光学素子の製造方法。
7. 前記エッチングは異方性エッチングである
   ことを特徴とする、請求項５又は６に記載の回折光学素子の製造方法。
8. 前記基板は、シリコン、石英、ＧａＡｓ、またはＩｎＰのいずれかからなるものである
   ことを特徴とする、請求項５〜７のいずれか１項に記載の回折光学素子の製造方法。
   

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