JP5487592B2 - レーザー加工方法 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザー加工方法に関する。
回折光学素子を利用したレーザー加工技術が注目されている。例えば、レーザー光を回折光学素子へ入射させることにより当該レーザー光を複数のビームに分岐し、これら複数のビームを対象体（被加工物）へ照射することにより、孔開けや切断等の種々の加工を実現することができる（例えば、特許文献１参照）。このようなレーザー加工に用いられる回折光学素子には、回折光学素子の表面における反射光を極力抑えたいという要望がある。なぜなら、反射光は迷光となり、対象体や光学系へ思いがけない損傷を与える場合があるからである。このような反射光を抑えるために、一般に、回折光学素子の表面には反射防止膜が設けられている。
上述したレーザー加工を行う際に、加工内容によっては大出力レーザーを用いて高エネルギーのレーザー光を回折光学素子へ入射させることが必要となる場合がある。例えば、多数の孔を同時に開ける場合、或いは多数の部位を同時に切断する場合などである。このような加工を行う場合、例えば、平均出力が１００Ｗを超える大出力パルスレーザーが用いられる。しかしながら、上述した反射防止膜のレーザーに対する耐久性は、現時点において概ね４０Ｗ／ｃｍ2程度であるため、大出力パルスレーザーを用いる加工には耐えられないという不都合がある。レーザー光の波長域によっては（例えば、紫外領域や赤外領域）、反射防止に使える適当な膜素材が存在しない場合もある。更には、回折光学素子の表面には概ね数μｍオーダの凹凸が形成されているため、このような凹凸面へ高いエネルギーのレーザー光が入射すると、凹凸の特定部位へ高い電場が集中し、反射防止膜を損傷する可能性もある。したがって、高エネルギーのレーザー光にも耐え得る高強度の反射防止手段を有する回折光学素子の実現が望まれている。
特開２００２−２６３８７６号公報
本発明に係る具体的態様は、高エネルギーのレーザー光にも耐え得る高強度の反射防止手段を有する回折光学素子とその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る回折光学素子は、基板と、前記基板の一面側に設けられ、複数の凸部と複数の凹部とを有し、断面が矩形である回折構造部と、前記複数の凸部の上面、前記複数の凹部の上面、前記基板の他面、の少なくとも何れかが、前記複数の凸部の各々よりも小さい複数の微小凸部を含むグリッド部を含み、前記グリッド部が誘電体材料からなる、回折光学素子である。
上記の回折光学素子においては、回折構造部の各凸部よりも小さいサイズに形成されたグリッド部の作用により反射光を抑制する効果が生まれ、かつ回折構造部の作用により透過回折光が適当な強度分布で広がりを有する。回折構造部の凹凸の並べ方あるいはその平面形状を適宜設定することにより、透過光による光パターンの使用目的や使用環境に応じて、光パターンの形状と強度を制御することができる。すなわち、反射防止機能と光パターン発生機能が複合しており、高エネルギーのレーザー光にも耐え得る高強度の反射防止手段を有する回折光学素子が実現される。
また本発明に係る回折光学素子は、基板と、前記基板の一面側に設けられ、周期的な曲面形状を有する複数の凸部と複数の凹部とを有する回折構造部と、前記複数の凸部の上面、前記複数の凹部の上面、前記基板の他面、の少なくとも何れかが、前記複数の凸部の各々よりも小さい複数の微小凸部を含むグリッド部を有する回折光学素子である。
上記の回折光学素子においても、先の構成と同様の作用効果を得ることができる。さらに、かかる構成では、回折構造部が周期的な曲面形状を有して形成されているので、断面矩形状の回折構造部のように入射光のエネルギーが高次の回折光として漏れ出てしまうのを防止することができ、光利用効率をより一層高めた回折光学素子となる。
上述した回折光学素子において、上記グリッド部の上記複数の微小凸部の各々は、例えば一方向に延在するように設けられる。すなわち、グリッド部は、一次元グリッド状（格子状）に形成することができる。
グリッド部を一次元グリッド状にする場合においては、回折構造部の上記複数の凸部の各々の延在方向と上記グリッド部の上記複数の微小凸部の各々の延在方向とを略平行にすることができる。また、上記回折構造部の上記複数の凸部の各々の延在方向と上記グリッド部の上記複数の微小凸部の各々の延在方向とを交差させてもよい。
各凹部及び凸部と各微小凸部を交差させた場合には、各凹部と各凸部との段差の近傍における微小凸部の形成がより容易となる。交差させる角度は任意であり、例えば、４５°及びこの倍数の９０°、１３５°などに設定することが可能である。
上述した回折光学素子において、上記グリッド部の上記複数の微小凸部の各々は、平面的に分布して配列するように設けられてもよい。すなわち、グリッド部は、二次元グリッド状（格子状）に形成することができる。この場合において、各微小凸部の相互間隔は必ずしも一定でなくともよい。
このような二次元グリッド状の微小凸部によれば、反射光を抑制する効果をより高めることが可能となる。
上述した回折光学素子は、上記グリッド部の深さが前記回折構造部の深さよりも浅いものである。この関係は、後述の第１実施形態において示される（２）式及び（３）式から明らかなものである。すなわち、所望の反射光低減効果を得るためのグリッド部の構造を規定する（２）式と、所望の回折特性を得るための回折構造部の構造を規定する（３）式とに基づいて設計される本発明に係る回折光学素子は、上記関係を満たすものとなる。
上述した回折光学素子において、上記回折構造部は、例えば上記入射光を複数のビームに分岐する機能を奏する。
回折構造部が複数のビームに分岐する機能を備える場合に、各分岐ビームに十分な強度を持たせるためには、回折光学素子へ高いエネルギーの光を入射する必要がある。本発明に係る回折光学素子は、グリッド部による反射光の抑制機能を併せ持つため、このような用途に特に適している。
本発明に係るレーザー加工方法は、回折光学素子にレーザー光を入射させて当該レーザー光を複数のビームに分岐し、当該複数のビームを対象体へ照射するレーザー加工方法であって、前記回折光学素子は、基板と、前記基板の一面側に設けられ、複数の凸部と複数の凹部とを有し、断面が矩形である回折構造部と、前記複数の凸部の上面、前記複数の凹部の上面、前記基板の他面、の少なくとも何れかが、前記複数の凸部の各々よりも小さい複数の微小凸部を含むグリッド部を含み、前記グリッド部が誘電体材料からなり、前記グリッド部の前記複数の微小凸部の各々が一方向に延在し、前記回折構造部の前記複数の凸部の各々の延在方向と前記グリッド部の前記複数の微小凸部の各々の延在方向とが略平行であり、前記グリッド部の深さｈと入射光の波長λとが以下の式（１）の関係にあり、前記回折構造部の前記凸部と前記凹部との段差の深さｇと入射光の波長λと前記基板の屈折率ｎとが以下の式（２）の関係にある、ものである。
ｈ＝０．２５λ／ｎｅｆｆ （１）
ｇ＝λ／２（ｎ−１） （２）
ただし、ｎｅｆｆは前記グリッド部における波長λに対する等価屈折率である。
上記のレーザー加工方法によれば、対象体の複数箇所へビームを照射して種々の加工を行う際に、入射させるレーザー光のエネルギーを十分に高めることが可能となる。グリッド部による反射防止機能により、光学系や対象体（被加工物）に対する損傷の原因である迷光を十分に抑えることができるからである。この結果、生産性と信頼性の高いレーザー加工を実現することが可能となる。また、このレーザー加工方法を応用することにより、コストパフォーマンスに優れたレーザー加工装置を実現することが可能となる。
次に、本発明の回折光学素子の製造方法は、基板と、前記基板の一面側に設けられ、複数の凸部と複数の凹部とを含む回折構造部と、前記複数の凸部の上面、前記複数の凹部の上面、前記基板の他面、の少なくとも何れかに誘電体材料を用いて形成され、前記複数の凸部の各々よりも小さい複数の微小凸部を含むグリッド部と、を有する回折光学素子の製造方法であって、前記基板上に前記複数の凸部を覆う感光膜を形成する工程と、屈折率が１より大きく前記感光膜の屈折率と同等かそれより低い値である液体が前記感光膜を覆うように配置する工程と、前記液体を挟んで、透明な平行平板を前記基板と対向配置する工程と、前記平行平板及び前記液体を介して前記感光膜を露光する工程と、前記液体及び前記平行平板を除去した後に前記感光膜を現像する工程と、前記感光膜のパターンをマスクとして前記基板をエッチングする工程と、を有する回折光学素子の製造方法である。
また本発明の回折光学素子の製造方法は、基板と、前記基板の一面側に設けられ、複数の凸部と複数の凹部とを含む回折構造部と、前記複数の凸部の上面、前記複数の凹部の上面、前記基板の他面、の少なくとも何れかに誘電体材料を用いて形成され、前記複数の凸部の各々よりも小さい複数の微小凸部を含むグリッド部と、を有する回折光学素子の製造方法であって、前記基板上に前記複数の凸部を覆う感光膜を形成する工程と、屈折率が１より大きく前記感光膜の屈折率と同等かそれより低い値である水溶性膜が前記感光膜を覆うように配置する工程と、前記水溶性膜を介して前記感光膜を露光する工程と、前記感光膜を現像する工程と、前記感光膜のパターンをマスクとして前記基板をエッチングする工程と、を有する回折光学素子の製造方法である。
上記２つの態様の本発明に係る製造方法においては、感光膜の上に、空気に比して高屈折率の液体或いはこれと同等な水溶性膜を配置し、この状態でレーザー干渉露光を行う。液体又は水溶性膜を配置することにより、感光膜に直接に干渉光を入射させる場合（すなわち空気と感光膜とが接した状態で露光する場合）に比較して、感光膜とこれに接した媒体（液体及び平行平板）との屈折率差が小さくなる。それにより、感光膜の表面の凹凸による干渉光の回折が抑制され、感光膜内における干渉光の強度分布が乱れることを回避できる。したがって、本発明に係る製造方法によれば、平坦性の低い面においても良好な露光を実現し、良質な回折光学素子を製造することが可能となる。
さらに、回折光学素子の製造方法の第１の態様では、一面側に反射防止膜が形成された上記平行平板を用いることが好ましい。これにより、平行平板の表面で生じる反射光が抑制され、露光むらをより一層低減することが可能となる。
上記の製造方法では、上記感光膜を現像する工程を上記水溶性膜を除去した後に行うこともできる。また、水溶性膜を排することなく、感光膜を現像することもできる。すなわち、感光膜の現像以前に水溶性膜を除去することは必須ではない。水溶性膜を設けたままで現像を行った場合には、感光膜にパターンが形成され、水溶性膜も同時に溶解させることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図においては、各構成要素を図面上で認識し得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法や比率を実際のものとは適宜に異ならせてある。
（第１の実施形態）
図１は、本発明を適用した一実施形態の回折光学素子の断面構造を示す模式図である。図１に示す本実施形態の回折光学素子（光学素子）１は、基板２と、回折構造部３と、グリッド部（非回折構造部）４と、を備える。
基板２は、入射光の波長に対して透明な基板である。基板２としては、例えばガラス基板（石英ガラス基板）などの無機材料からなる基板が用いられる。基板２の厚さは、例えば１．２ｍｍ程度である。この基板２の一面側に回折構造部３が設けられている。また、基板２の他面は図示のように平面である。
回折構造部３は、基板２の一面側に設けられている。この回折構造部３は、交互に配列された複数の凹部３ａ及び凸部３ｂを含む。なお、図中では便宜上、各１つずつの凹部３ａ及び凸部３ｂについて符号を付している。これらの凹部３ａ及び凸部３ｂからなる回折構造部３は図示のようにその断面形状が矩形である。なお、多少のテーパを有する形状であってもよい。本実施形態では、回折構造部３は、基板２の一面側を加工することによって形成されている。すなわち、基板２と回折構造部３とは一体に構成されている。
グリッド部４は、基板２の一面であって回折構造部３の上面に沿って設けられている。本実施形態のグリッド部４は、上記の基板２、回折構造部３と一体に形成されている。このグリッド部４は、上述した回折構造部３における複数の凸部３ｂの各々よりもサイズが小さい複数の微小凸部４ａを含む。各微小凸部４ａは、誘電体材料によって構成される。本実施形態では、各微小凸部４ａの構成材料は石英ガラスである。
図２は、グリッド部４の一部を拡大して示した模式的な斜視図である。グリッド部４の各微小凸部４ａは、例えば図２（Ａ）に示すように、一方向（図示のＹ方向）に延在するストライプ形状の構造体である。これらの微小凸部４ａは、例えばＸ方向に沿って周期的に配列されている。また、各微小凸部４ａは図２（Ａ）に示したような一次元グリッドに限定されず、例えば図２（Ｂ）に示すようにマトリクス状に配列されたもの（二次元グリッド）であってもよい。この場合における各微小凸部４ａの相互間隔は一定であってもよいし、一定でなくてもよい。なお、図２（Ｂ）では、微小凸部４ａの一例として円錐形状のものを示しているが、微小凸部４ａの形状はこれに限定されない。微小凸部４ａの形状は、半球状、角錐状、柱状などいずれの形状であってもよい。
図３は、回折構造部３の一部を拡大して示した模式的な斜視図である。図３（Ａ）に示すように、回折構造部３は、一方向（図示のＹ方向）に延在する複数の凹部３ａ及び凸部３ｂを有する。これらの凹部３ａ及び凸部３ｂは、図示のようにストライプ形状となっており、Ｘ方向に沿って周期的に配列されている。なお、各凹部３ａ及び凸部３ｂは図３（Ａ）に示したような一次元状の配列（一次元グリッド）に限定されず、例えば図３（Ｂ）に示すように各凹部３ａ及び凸部３ｂが二次元状の配列（二次元グリッド）であってもよい。
図４は、回折構造部３とグリッド部４を部分的に拡大して示す模式斜視図である。この図に基づき、グリッド部４の各微小凸部４ａが一次元グリッドである場合における回折構造部３とグリッド部４との配置関係の好適な態様について説明する。
回折構造部３とグリッド部４との相互の配置関係は、例えば図４（Ａ）に示すような態様とすることができる。具体的には、図４（Ａ）に示す例では、回折構造部３の各凹部３ａ及び各凸部３ｂはそれぞれ図示のＹ方向に沿って延在しており、かつこれらの凹部３ａ及び凸部３ｂはＸ方向に沿って交互に配置されている。同様に、グリッド部４の各微小凸部４ａはそれぞれ図示のＹ方向に沿って延在しており、かつこれらの微小凸部４ａはＸ方向に沿って交互に配置されている。すなわち、各凹部３ａ及び各凸部３ｂの延在方向と微小凸部４ａの延在方向とが平行である。
また、回折構造部３とグリッド部４との相互の配置関係は、図４（Ｂ）や図４（Ｃ）に示すように、各凹部３ａ及び各凸部３ｂの延在方向と各微小凸部４ａの延在方向とがある角度で交差するようになっていることも好ましい。具体的には、図４（Ｂ）に示す例では、回折構造部３の各凹部３ａ及び各凸部３ｂはそれぞれ図示のＹ方向に沿って延在しており、かつこれらの凹部３ａ及び凸部３ｂはＸ方向に沿って交互に配置されている。これに対して、グリッド部４の各微小凸部４ａはそれぞれ図示のＹ方向に対してほぼ４５°の角度で交差した方向に沿って延在しており、かつこれらの微小凸部４ａは当該交差方向と直交する方向に沿って交互に配置されている。
図４（Ｃ）に示す例では、回折構造部３の各凹部３ａ及び各凸部３ｂはそれぞれ図示のＹ方向に沿って延在しており、かつこれらの凹部３ａ及び凸部３ｂはＸ方向に沿って交互に配置されている。これに対して、グリッド部４の各微小凸部４ａはそれぞれ図示のＹ方向に対してほぼ９０°の角度で交差した方向（すなわちＸ方向）に沿って延在しており、かつこれらの微小凸部４ａは当該交差方向と直交する方向（すなわちＹ方向）に沿って交互に配置されている。
このように、各凹部３ａ及び凸部３ｂと各微小凸部４ａとの間を交差させることにより、各凹部３ａと各凸部３ｂとの段差の近傍における微小凸部４ａの形成がより容易となる。各凹部３ａ及び各凸部３ｂの延在方向と各微小凸部４ａの延在方向との交差角度は適宜設定すればよい。上記の一例とした交差角度である４５°及び９０°は、光学系一般においてよく用いられる角度であるために好ましい。
また、各凹部３ａ及び凸部３ｂと各微小凸部４ａとの間を交差させた構成とすることで、回折光学素子１の光利用効率を高めることができる。具体的には、各凹部３ａ及び凸部３ｂと各微小凸部４ａとを４５°で交差させた構成では、入射光がＴＭ偏光（微小凸部４ａの延在方向と直交する方向の電場を有する偏光）である場合に、実測値で７８．６％の効率が得られ、９０°で交差させた構成では、７８．５％の効率が得られる。これに対して、各凹部３ａ及び凸部３ｂと各微小凸部４ａとを平行とした構成の光利用効率は、実測値で７７．４％である。
このような効率の差異が生じるのは、各凹部３ａ及び凸部３ｂと各微小凸部４ａとを平行とした構成では、凹部３ａと凸部３ｂとの間の不連続な段差の近傍で、微小凸部４ａの形成不良が発生しやすくなるためであると考えられる。
図５は、回折構造部３及びグリッド部４の一部を拡大して示した模式断面図である。なお、説明の便宜上、ハッチングが省略されている。この図５に基づいて回折構造部３及びグリッド部４の構造を更に詳細に説明する。
図示のように、回折構造部３の各凸部３ｂの相互間隔（凹凸構造の周期）をδ（ｎｍ）、グリッド部４の各微小凸部４ａの相互間隔（グリッド周期）をｄ（ｎｍ）、入射光の波長をλ（ｎｍ）とする。
本実施形態の回折光学素子１においては、この入射光の波長λと回折構造及びグリッド構造との間には以下の（１）式の関係がある。
ｄ＜λ／ｎ かつ λ＜δ （１）
ただし、ｎは回折構造部３を構成する素材の屈折率である。この素材が石英ガラスの場合、可視光に対する屈折率ｎは１．４６前後である。
回折光学素子１が波長５３２ｎｍの光に対して用いられる場合を考えると、上記のδ、ｄはそれぞれ、例えばｄ＝２９３ｎｍ、δ＝５．０μｍと定めることができる。すなわち、グリッド周期ｄは、入射光の波長λを屈折率ｎで割った値より小さい値であればよい。また、凹凸構造の周期δは、入射光の波長λの数倍〜１０倍程度であればよい。これらの関係を満たすことにより、凸部３ｂよりもサイズの小さい微小凸部４ａを実現できる。
また、グリッド部４深さｈを、入射光の波長λとの関係で例えば以下の（２）式のように定めることができる。
ｈ＝０．２５λ／ｎeff （２）
ただし、ｎeffはグリッド部４における、波長λに対する等価屈折率である。
このような条件でグリッド部４を形成すれば、グリッド部４によって反射光をほぼゼロとすることができる。例えば、λ＝５３２ｎｍとすると、グリッド（微小凸部４ａ）の延在方向と平行な直線偏光に対してｎeff＝１．２５となり、ｈ＝１０８ｎｍとなる。なお、等価屈折率の算出方法については、後段の第２実施形態において詳細に説明している。
他方、回折構造部３の凹凸構造の深さｇ（凹部３ａと凸部３ｂとの段差）についての好適な条件は以下の（３）式によって定めることができる。
ｇ＝λ／２（ｎ−１） （３）
ただし、回折構造部３の素材の屈折率をｎとする。（３）式は、波長λに対する適正な深さが存在することを意味する。例えば、λ＝５３２ｎｍ、ｎ＝１．４６とすると、ｇ＝５７８ｎｍとなる。
［回折光学素子の製造方法］
本実施形態の回折光学素子１は以上のような構成を有しており、次にこの回折光学素子１の製造方法の一例について説明する。
図６は、回折光学素子１の製造方法の一例を示す模式工程図である。回折光学素子１の断面の一部が拡大して示されている。
まず、基板２の一面に凹部３ａ及び凸部３ｂからなる回折構造部３が形成される（図６（Ａ））。本工程は、例えば周知のフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて実現できる。具体的には、基板２の一面上に感光膜（レジスト膜等）を形成しておき、各凹部３ａ及び凸部３ｂに対応した露光パターンを有する露光マスクを用いてこの感光膜を露光し、現像する。
その後、この現像後の感光膜をエッチングマスクとして用いて、ドライエッチング又はウェットエッチングを行う。それにより、露光マスクのパターンが基板２の一面に所定の凹凸形状が形成される。ここで、基板２は、例えば上記のように石英ガラス基板であり、その板厚は例えば１．２ｍｍである。また、凹部３ａと凸部３ｂとの段差（すなわち回折構造部３の深さｇ）は、例えば上記のように５７８ｎｍである。この深さｇは、エッチング時間等によって制御する。
次に、基板２の一面上に、回折構造部３を覆う感光膜９が形成される（図６（Ａ））。感光膜９は、例えばネガ型又はポジ型のレジスト膜である。感光膜９は、例えばスピンコート法を用いて形成することができる。この感光膜９の膜厚は適宜設定すればよいが、少なくとも各凹部３ａ及び凸部３ｂに重畳する領域を全て覆い、かつ図示のように膜表面がほぼ平坦となるようにすることが望ましい。この場合、回折構造部３の上部（凸部３ｂに対応する領域）における感光膜９の膜厚と回折構造部３の下部（凹部３ａに対応する領域）における感光膜９の膜厚との差は、上記した回折構造部３の深さｇとほぼ等しい。
次に、基板２の一面上に形成された感光膜９に対して、レーザー干渉露光が行われる（図６（Ａ））。レーザー干渉露光に用いられる光源としては、例えば波長２６６ｎｍの連続発振ＤＵＶ（Deep Ultra Violet）レーザーが挙げられる。このレーザーから出力されるレーザー光を適宜２本のレーザー光Ｌ１、Ｌ２に分岐し、図示のように所定の角度θLで交叉させる。それにより、周期的な明暗からなる干渉縞を含む光（干渉光）が発生する。干渉縞のピッチ（明暗の周期）は上記の交叉角度θLによって決まる。例えば、交叉角度θLを２７度に設定することにより、干渉縞のピッチを２９３ｎｍとすることができる。このような干渉光を感光膜９に照射することにより、感光膜９には干渉縞のピッチに対応した潜像パターンが形成される。
次に、干渉光を用いて潜像パターンが形成された感光膜９が現像される（図６（Ｂ））。それにより、図示のように干渉縞のピッチに対応した周期を有する感光膜パターン９ａが形成される。例えば、干渉縞のピッチを２９３ｎｍとした場合には、この感光膜パターン９ａの周期も概ね２９３ｎｍとなる。
次に、感光膜パターン９ａをマスクとしてエッチング（例えば、ドライエッチング）が行われる（図６（Ｃ））。それにより、図示のように感光膜パターン９ａのパターンが基板２に転写される。その後、感光膜パターン９ａが除去される。それにより、図示のように基板２の一面上に、回折構造部３の各凹部３ａ及び凸部３ｂの表面に沿ってグリッド部４（すなわち、各微小凸部４ａ）が形成される。
なお、上記図６においては一次元グリッドのグリッド部４を含む回折光学素子を製造する方法について示したが、図６（Ａ）に示したレーザー干渉露光を行う際に、干渉光に対する基板２の一面の相対的位置を９０度違えて２度の露光を行うことにより、二次元グリッドのグリッド部４を含む回折光学素子を製造することができる。具体的には、干渉光と基板２の一面との相対的位置を変えて２度のレーザー干渉露光を行うにより、感光膜９に二次元格子状の潜像パターンを形成することができる。このような潜像パターンを用いてエッチングを行うことにより、二次元グリッドのグリッド部４を形成することができる。
次に、図７は、回折光学素子の他の構成態様を示す模式断面図である。図７に示す回折光学素子（光学素子）１０１は、基板１０２と、回折構造部１０３と、グリッド部（非回折構造部）１０４と、グリッド部（非回折構造部）１０５と、を備える。
上記した実施形態に係る回折光学素子１（図１等参照）との違いは、基板１０２の裏面（回折構造部１０３が設けられていない側の面）にもグリッド部１０５が設けられている点である。すなわち、図７に示す実施形態の回折光学素子１０１は、基板１０２の一面に複数の微小凸部１０４からなるグリッド部１０４が形成され、かつ基板１０２の他面に複数の微小凸部１０５からなるグリッド部１０５が形成されている。
このような構成によれば、基板１０２の一面、他面のいずれにおける反射光も抑制し、反射損失を低減することが可能となる。このような回折光学素子１０１の製造方法は、上記した実施形態（図６参照）と同様である。すなわち、レーザー干渉露光を用いた露光、現像、エッチングの各工程を基板１０２の一面、他面の両方において実施すればよい。
なお、基板の他面にのみグリッド部を設けてもよい。その場合には、上記した図７に示した回折光学素子１０１において、基板１０２の一面側のグリッド部１０４を省略すればよい。製造方法についても上記した実施形態（図６参照）と同様である。すなわち、レーザー干渉露光を用いた露光、現像、エッチングの各工程を基板１０２の他面において実施すればよい。
以上、詳細に説明したように、本実施形態の回折光学素子においては、グリッド部の作用により反射光を抑制する効果が生まれ、かつ回折構造部の作用により透過回折光が適当な強度分布で広がりを有する。回折構造部の凹凸の並べ方あるいはその平面形状を適宜設定することにより、透過光による光パターンの使用目的や使用環境に応じて、光パターンの形状と強度を制御することができる。すなわち、反射防止機能と光パターン発生機能が複合しており、高エネルギーのレーザー光にも耐え得る高強度の反射防止手段を有する回折光学素子が実現される。
上記構成を備えた本実施形態に係る回折光学素子１は、例えば入射するレーザービームを複数に分岐する用途や、エネルギー分布を変化させる等のビーム整形を行う用途に好適に用いることができる。また、サブ波長構造によって奏される反射防止機能により、入射光の反射損失を低減し、高い光利用効率を達成することが可能である。
このような回折光学素子は、特に、現時点において適当な反射防止膜の素材が存在しない、紫外線あるいは赤外線領域の光を利用する場合に適している。
上述した本実施形態に係る回折光学素子は種々の光学系に用いることが可能である。以下に、その一例として、回折光学素子を利用したレーザー加工方法とこれを実施するためのレーザー加工装置の構成例を説明する。
図８は、一実施形態のレーザー加工装置の構成を説明する模式斜視図である。図８に示す本実施形態のレーザー加工装置１０００は、光源１００１、レンズ１００２、回折光学素子１００３、ステージ１００４を含んで構成される。加工対象体としての基板（基材）１１００は、ステージ１００４上に配置される。基板１１００は、例えばシリコンウェハである。
光源１００１は、レーザー光を出力するものである。光源１００１としては、例えばＱスイッチパルスレーザーを用いることができる。光源１００１は、例えば、出力が５０〜１００Ｗ程度、パルス幅が５０ｎｍ程度、パルス繰り返し周期が１ｋＨｚ程度である。この光源１００１から出力されたレーザー光は、当該レーザー光の光軸上に配置されたレンズ１００２に入射し、当該レンズ１００２によって集光される。レンズ１００２によって集光されたレーザー光は、当該レーザー光の光軸上に配置された回折光学素子１００３に入射する。
回折光学素子１００３は、入射したレーザー光を複数のビームに分岐する分岐手段として機能する。光利用効率の良さや使いやすさの点からは、この回折光学素子１００３は回折ビームスプリッタであることが好ましいが、これに限定されない。図示のように、レーザー光を回折光学素子１００３を通すことにより複数の分岐ビームが発生する。発生した各ビームは、ステージ１００４上に固定された基板１１００に照射される。
なお、説明のために、図中では分岐ビームの入射角度を実際よりも大きく描いてある。実際には、各分岐ビームは、ほぼ垂直に近い角度で入射する。
ステージ（基板移動手段）１００４は、基板１１００を真空吸着等によって固定し、当該基板１１００の位置を二方向（図示のｘｙ方向）に自在に移動させる。また、ステージ１００４は、このｘｙ方向と直交するｚ方向についても、基板１１００の位置を自在に移動させる。
このような本実施形態のレーザー加工方法及びこれを適用したレーザー加工装置によれば、対象体の複数箇所へビームを照射して種々の加工を行う際に、入射させるレーザー光のエネルギーを十分に高めることが可能となる。グリッド部による反射防止機能により、光学系や対象体（被加工物）に対する損傷の原因である迷光を十分に抑えることができるからである。この結果、生産性と信頼性の高いレーザー加工を実現することが可能となる。また、このレーザー加工方法を応用することにより、コストパフォーマンスに優れたレーザー加工装置を実現することが可能となる。
なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。
例えば、上述した実施形態では、基板の一面側に対してエッチング等の加工を行うことによって回折構造部を形成していたが、他の製造方法を採用することも可能である。
具体的には、基板の一面上に、使用する光波長に対して透明なポリマー（高分子樹脂）膜を形成し、その後このポリマー膜に対してフォトマスク露光及びウェットエッチングを行うことによって、上記と同様な光学素子を形成することも可能である。この方法によって形成した光学素子の構造例を図９に示す。図９に示す光学素子２０１は、ガラス等の基板２０２の一面側に、ポリマー膜を用いて形成された回折構造部２０３及びグリッド部２０４が配置されている。回折構造部２０３は凹部２０３ａ及び凸部２０３ｂを含み、これらの凹部２０３ａ及び凸部２０３ｂの表面に沿って、複数の微小凸部２０４ａからなるグリッド部２０４が配置されている。
なお、図９に示した回折光学素子２０１においても、上記図７に示した実施形態と同様に基板の両面にグリッド部を設けてもよい。
また、上記以外にも、型成形が可能であり、使用する光波長に対して透明な高屈折率ガラス（ｎ＝２．０程度）を用いて、回折構造部を有する基板を一体成形してもよい。この場合、屈折率が高いことにより、回折構造部の深さｇをより小さくすることが可能となるので、グリッド部を形成する上で好ましい。
また、基板上に他の膜（例えば、ＳｉＯ2などの無機膜）を形成し、この膜を選択的にエッチングすることにより回折構造部を形成することもできる。この方法によって形成された光学素子の構造例を図１０に示す。図１０に示す光学素子３０１は、ガラス等の基板３０２の一面側に、ＳｉＯ2などの膜を用いて形成された回折構造部３０３が配置されている。回折構造部３０３は凹部３０３ａ及び凸部３０３ｂを含み、これらの凹部３０３ａ及び凸部３０３ｂの表面に沿って、複数の微小凸部３０４ａからなるグリッド部３０４が配置されている。
なお、図１０に示した回折光学素子３０１においても、上記図７に示した実施形態と同様に基板の両面にグリッド部を設けてもよい。
［製造方法の変形例］
次に、本発明に係る回折光学素子の製造方法の第１及び第２変形例について、図１１から図１３を参照しつつ説明する。
＜第１変形例＞
図１１及び図１２は、回折光学素子の製造方法の変形例を示す模式工程図である。これらの図には、回折光学素子１の断面の一部が拡大して示されている。
変形例に係る製造方法では、まず、基板２の一面に凹部３ａ及び凸部３ｂからなる回折構造部３が形成される（図１１（Ａ））。本工程は、図６（Ａ）に示した先の実施形態の工程と同様である。すなわち、基板２の一面上に感光膜（レジスト膜等；図示せず）を形成しておき、各凹部３ａ及び凸部３ｂに対応した露光パターンを有する露光マスクを用いてこの感光膜を露光し、現像する。その後、この現像後の感光膜をエッチングマスクとして用いて、ドライエッチング又はウェットエッチングを行う。これにより、露光マスクのパターンが基板２の一面に所定の凹凸形状が形成される。
基板２は、例えば上記のように石英ガラス基板であり、その板厚は例えば１．２ｍｍである。また、凹部３ａと凸部３ｂとの段差（すなわち回折構造部３の深さ）は、例えば上記のように５７８ｎｍである。この深さｇは、エッチング時間等によって制御する。
次に、基板２の一面上に、回折構造部３を覆う感光膜９が形成される（図１１（Ｂ））。感光膜９は、例えばネガ型又はポジ型のレジスト膜である。感光膜９は、例えばスピンコート法を用いて形成することができる。この感光膜９の膜厚は適宜設定すればよいが、少なくとも各凹部３ａ及び凸部３ｂを含む基板２の平面領域を全て覆い、かつ膜表面がほぼ平坦となるようにすることが望ましい。しかし、感光膜９の下側の凹部３ａ及び凸部３ｂの影響により、図示のように感光膜９の表面の平坦性が低い場合がある。
次に、感光膜９を覆う高屈折率の液体（液状の膜）１０を形成し、この液体１０を挟んで、透明な平行平板（基板）１１を基板２と対向配置する（図１１（Ｂ））。平行平板１１と基板２によって挟まれることにより、図示のように液体１０が感光膜９上に保持される。
平行平板１１の少なくとも液体１０と接する面は、高い平坦性（例えば、数ｎｍレベル）を有することが望ましい。平行平板１１は、例えば石英ガラス基板からなる。また、図示のように、平行平板１１は、後述する複数のレーザービームが入射する側の面上に反射防止膜１３を有することも好ましい。反射防止膜１３とは、例えば誘電体多層膜などである。
ここで、液体１０は、その屈折率が１より大きく（すなわち、空気の屈折率より大きく）、かつ感光膜９の屈折率と同等（同程度）かそれより低い値であるものが用いられる。液体１０としては、例えば、半導体装置の製造時における液浸リソグラフィで使われている高屈折率液体を用いることができる。この場合における液体１０の屈折率は、例えば１．５３程度の値である。また、感光膜９の屈折率は、例えば１．７０程度であり、平行平板１１の屈折率は、例えば１．５０程度である。液体１０の屈折率は、感光膜９の屈折率に近いほど望ましい。
なお、例示した各屈折率は後述するレーザーの波長（２６６ｎｍ）における値である。
次に、基板２の一面上に形成された感光膜９に対して、上述の液体１０及び平行平板１１を介してレーザー干渉露光が行われる（図１１（Ｃ））。レーザー干渉露光に用いられる光源としては、例えば波長２６６ｎｍの連続発振ＤＵＶ（Deep Ultra Violet）レーザーが挙げられる。このレーザーから出力されるレーザー光を適宜２本のレーザー光Ｌ１、Ｌ２に分岐し、図示のように所定の角度で交叉させる。それにより、周期的な明暗からなる干渉縞を含む光（干渉光）が発生する。干渉縞のピッチ（明暗の周期）は上記の交叉角度によって決まる。交叉角度を適宜設定することにより、干渉縞のピッチを２９３ｎｍとすることができる。このような干渉光を感光膜９に照射することにより、感光膜９には干渉縞のピッチに対応した潜像パターンが形成される。上述のように平行平板１１に反射防止膜１３が設けられている場合には、空気層と平行平板１１との界面で生じる反射光が抑制され、露光むらをより一層低減することが可能となる。
なお、微細構造体としての回折光学素子１に求められる精度等によっては、ある程度の露光むらが許容される場合も考えられる。また、平行平板１１、液体１０、感光膜９のそれぞれの屈折率のバランスによっては空気層と平行平板１１との界面における反射光が実用上問題ない程度に抑えられる場合も考えられる。このため、平行平板１１に反射防止膜１３を設けることは必須ではない。
次に、干渉光を用いて潜像パターンが形成された感光膜９が現像される（図１１（Ｄ））。これにより、図示のように干渉縞のピッチに対応した周期を有する感光膜パターン９ａが形成される。例えば、干渉縞のピッチを２９３ｎｍとした場合には、この感光膜パターン９ａの周期も概ね２９３ｎｍとなる。
次に、感光膜パターン９ａをマスクとしてエッチング（例えば、ドライエッチング）が行われる（図１２（Ａ））。これにより、図示のように感光膜パターン９ａのパターンが基板２に転写される。
その後、感光膜パターン９ａが除去される（図１２（Ｂ））。これにより、図示のように基板２の一面上に、回折構造部３の各凹部３ａ及び凸部３ｂの表面に沿ってグリッド部４（すなわち、各微小凸部４ａ）が形成される。
なお、図１１及び図１２においては一次元グリッドのグリッド部４を含む回折光学素子を製造する方法について示したが、先の実施形態の場合と同様に、二次元グリッドのグリッド部４を含む回折光学素子を製造することもできる。
すなわち、図１１（Ｃ）に示したレーザー干渉露光を行う際に、干渉光に対する基板２の一面の相対的位置を９０度違えて２度の露光を行う。具体的には、干渉光と基板２の一面との相対的位置を変えて２度のレーザー干渉露光を行うにより、感光膜９に二次元格子状の潜像パターンを形成することができる。このような潜像パターンを用いてエッチングを行うことにより、二次元グリッドのグリッド部４を形成することができる。
＜第２変形例＞
また、上述した第１変形例に係る製造方法では、平行平板１１を用いて高屈折率の液体１０を保持していたが、この液体１０に代えて高屈折率の水溶性膜を用いることもできる。これにより、平行平板１１の使用を省略することが可能となる。以下、製造方法の第２変形例として、水溶性膜を用いた製造方法を図１３を参照しつつ説明する。
図１３は、例に係る回折光学素子の製造方法を示す模式工程図である。以下では、図１１及び図１２に示した第１変形例に係る製造方法と異なる点のみを示し、共通する部分については図示を省略している。
まず、第１変形例に係る製造方法と同様に、基板２の一面に凹部３ａ及び凸部３ｂからなる回折構造部３が形成され（図１１（Ａ）参照）、回折構造部３を覆う感光膜９が形成される（図１１（Ｂ）参照）。
その後、感光膜９上に水溶性膜１２が形成される（図１３（Ａ））。水溶性膜１２の形成は、例えばスピンコート法によって行われる。水溶性膜１２の粘性等を適宜調整することにより、感光膜９の表面の段差を水溶性膜１２によって緩和することができる。このような水溶性膜としては、例えば東京応化工業株式会社のＴＳＰシリーズと称される、フォトレジストの表面に塗布するための反射防止膜を利用することができる。
水溶性膜１２を用いることで、第１変形例に係る平行平板１１を用いる必要がなくなる。水溶性膜１２としては、屈折率が１より大きく、かつ感光膜９の屈折率と同等かそれより低い値であるものが用いられる。例えば、水溶性膜１２の屈折率は１．４０〜１．５０程度である。水溶性膜１２の屈折率は、感光膜９の屈折率に近いほど望ましい。
次に、基板２の一面上に形成された感光膜９に対して、水溶性膜１２を介してレーザー干渉露光が行われる（図１３（Ｂ））。レーザー干渉露光の諸条件は、先の第１変形例と同様である。また、２度のレーザー干渉露光を行って二次元グリッドを形成してもよい。
次に、感光膜９が現像される（図１１（Ｄ）参照）。このとき、水溶性膜１２もその水溶性ゆえに容易に除去することができる。具体的には、感光膜９の現像に先立って水溶性膜１２を排しておいてもよいし、水溶性膜１２を排することなく、感光膜９を現像することもできる。すなわち、感光膜９の現像以前に水溶性膜１２を除去することは必須ではない。水溶性膜１２を設けたままで現像を行った場合には、感光膜９にパターンが形成され、水溶性膜１２も同時に溶解させることができる。
これにより得られた感光膜パターン９ａをマスクとしてエッチングが行われ（図１２（Ａ）参照）、感光膜パターン９ａのパターンが基板２に転写される。その後感光膜パターン９ａが除去される（図１２（Ｂ）参照）。それにより、基板２の一面上に、回折構造部３の各凹部３ａ及び凸部３ｂの表面に沿ってグリッド部４（すなわち、各微小凸部４ａ）が形成される。
以上詳細に説明したように、第１及び第２変形例に係る製造方法においては、感光膜上に、空気に比して高屈折率の液体或いはこれと同等な水溶性膜を配置し、この状態でレーザー干渉露光を行う。液体又は水溶性膜を配置することにより、感光膜に直接に干渉光を入射させる場合（すなわち空気と感光膜とが接した状態で露光する場合）に比較して、感光膜とこれに接した媒体（液体及び平行平板）との屈折率差が小さくなる。これにより、感光膜の表面の凹凸による干渉光の回折が抑制され、感光膜内における干渉光の強度分布が乱れるのを防止できる。
したがって、変形例に係る製造方法によれば、凹部３ａ及び凸部３ｂが形成されていることにより平坦性が低くなっている表面においても良好な露光を実現し、良質な回折光学素子を製造することが可能である。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態である回折光学素子について、図面を参照しつつ説明する。
図１４は、第２の実施形態に係る回折光学素子の断面構造を示す模式図である。図１４に示す本実施形態の回折光学素子４０１は、基板４０２と、回折構造部４０３と、グリッド部（非回折構造部）４０４と、を備えている。
基板４０２は、第１実施形態に係る基板２と同様に、入射光の波長に対して透明な基板である。基板４０２の一面側に回折構造部４０３が設けられている。基板４０２の他面（回折構造部４０３と反対側の面）は図示のように平面である。
回折構造部４０３は、基板４０２の一面に形成された複数の凹部４０３ａ及び凸部４０３ｂを含む。凹部４０３ａ及び凸部４０３ｂからなる回折構造部４０３は、図示のようにその断面形状が滑らかに連続する曲線からなる曲面形状である。本実施形態では、回折構造部４０３は、基板４０２の一面側を加工することによって形成されている。すなわち、基板４０２と回折構造部４０３とは一体に構成されている。
グリッド部４０３は、基板４０２の一面であって回折構造部４０３の上面に沿って設けられている。本実施形態のグリッド部４０４は、上記の基板４０２、回折構造部４０３と一体に形成されている。このグリッド部４０４は、上述した回折構造部４０３における複数の凸部４０３ｂの各々よりもサイズが小さい複数の微小凸部４０４ａを含む。各微小凸部４０４ａは、誘電体材料によって構成される。本実施形態では、各微小凸部４０４ａの構成材料は石英ガラスである。
グリッド部４０４の各微小凸部４０４ａは、例えば図２（Ａ）に示したグリッド部４のように、一方向（図示のＹ方向）に延在するストライプ形状の構造体（一次元グリッド）であってもよく、図２（Ｂ）に示したマトリクス状に配列されたもの（二次元グリッド）であってもよい。微小凸部４０４ａの相互間隔は一定であってもよいし、一定でなくてもよい。
図１５は、回折構造部４０３の一部を拡大して示した模式的な斜視図である。
図１５（Ａ）に示すように、回折構造部４０３は、一方向（図示のＹ方向）に延在する複数の凹部４０３ａ及び凸部４０３ｂを有する。凹部４０３ａ及び凸部４０３ｂは、図示のようにストライプ形状となっており、Ｘ方向に沿って周期的に配列されている。
なお、凹部４０３ａ及び凸部４０３ｂは、図１５（Ａ）に示す一次元状の配列（一次元グリッド）に限定されず、図１５（Ｂ）に示す二次元状の配列（二次元グリッド）であってもよい。
図１６は、回折構造部４０３とグリッド部４０４を部分的に拡大して示す模式斜視図である。
図１６の各図に示すように、本実施形態の回折光学素子４０１においても、回折構造部４０３とグリッド部４０４との相互の配置関係は、図１６（Ａ）〜図１６（Ｃ）に示す各態様を採用することができる。
図１６（Ａ）に示す例の回折構造部４０３では、それぞれ図示Ｙ方向に沿って延在する凹部４０３ａ及び凸部４０３ｂが、Ｘ方向に沿って配置されている。同様に、グリッド部４０４では、図示Ｙ方向に沿って延在する微小凸部４０４ａが、Ｘ方向に沿って配置されている。したがって、凹部４０３ａ及び凸部４０３ｂの延在方向と微小凸部４０４ａの延在方向とは平行である。
また、回折構造部４０３とグリッド部４０４との相互の配置関係は、図１６（Ｂ）や図１６（Ｃ）に示すように、凹部４０３ａ及び凸部４０３ｂの延在方向と微小凸部４０４ａの延在方向とが交差する配置であってもよい。
図１６（Ｂ）に示す例の回折構造部４０３では、それぞれ図示のＹ方向に沿って延在する凹部４０３ａ及び凸部４０３ｂがＸ方向に沿って配置されている。一方、グリッド部４０４では、図示Ｙ方向に対して４５°の角度で交差する方向に延在する微小凸部４ａが、この交差方向と直交する方向に沿って配置されている。
図１６（Ｃ）に示す例の回折構造部４０３では、図示Ｙ方向に延在する凹部４０３ａ及び凸部４０３ｂがＸ方向に沿って配置されている。一方、グリッド部４０４では、図示Ｙ方向に対してほぼ９０°の角度で交差する方向（すなわちＸ方向）に沿って延在する微小凸部４０４ａが、この交差方向と直交する方向（すなわちＹ方向）に沿って交互に配置されている。
図１６（Ｂ）、（Ｃ）に示す配置を採用することで、凹部４０３ａと凸部４０３ｂとの段差の近傍における微小凸部４０４ａの形成がより容易となり、またグリッド部４０４における所期の光学特性（防反射性）を得やすくなる。凹部４０３ａ及び凸部４０３ｂの延在方向と微小凸部４ａの延在方向との交差角度は適宜設定すればよい。上記の一例とした交差角度である４５°及び９０°は、光学系一般においてよく用いられる角度であるために好ましい。
次に、図１７に基づいて回折構造部４０３及びグリッド部４０４の構造をさらに詳細に説明する。
図１７は、回折構造部４０３及びグリッド部４０４の一部を拡大して示した模式断面図である。なお、説明の便宜上、ハッチングが省略されている。
図示のように、回折構造部４０３の凸部４０３ｂの相互間隔（凹凸構造の周期）をδ（ｎｍ）、グリッド部４０４の微小凸部４０４ａの相互間隔（グリッド周期）をｄ（ｎｍ）、入射光の波長をλ（ｎｍ）とする。
本実施形態の回折光学素子４０１においては、この入射光の波長λと回折構造及びグリッド構造との間には以下の（４）式の関係がある。
ｄ＜λ／ｎ かつ λ＜δ （４）
ただし、ｎは回折構造部４０３を構成する素材の屈折率である。この素材が石英ガラスの場合、可視光に対する屈折率ｎは１．４６前後である。また、入射光は回折光学素子４０１に対して垂直に入射するものとする。
すなわち、グリッド周期ｄは、入射光の波長λを屈折率ｎで割った値より小さい値であればよい。また、凹凸構造の周期δは、入射光の波長λより大きな値であればよい。これらの関係を満たすことにより、凸部４０３ｂよりもサイズの小さい微小凸部４０４ａを実現できる。
また、グリッド部４０４の深さｈを、入射光の波長λとの関係で例えば以下の（５）式のように定めることができる。
ｈ＝０．２５λ／ｎeff （５）
ただし、ｎeffは波長λに対するグリッド部４０４の等価屈折率であり、以下の（６）式、（７）式により定められる値である。
ｎ（ＴＥ）＝√［ｆ・ｅ１＋（１−ｆ）・ｅ２］ （６）
ｎ（ＴＭ）＝１／√［ｆ／ｅ１＋（１−ｆ）／ｅ２］ （７）
ただし、ｎ（ＴＥ）はＴＥ偏光（電場方向が微小凸部４０４ａの延在方向である偏光）に対する等価屈折率（＝ｎeff）、ｎ（ＴＭ）はＴＭ偏光に対する等価屈折率（＝ｎeff）である。また、ｆはグリッド部４０４の充填率であり、微小凸部４０４ａのピッチＰと幅ｗとを用いたｆ＝ｗ／Ｐなる式で表される（図１８（Ｃ）参照）。また、ｅ１はグリッド部４０４の誘電率、ｅ２はグリッド部４０４の周囲の媒体の誘電率である。
例えば、回折光学素子４０１を波長λ＝２６６ｎｍの紫外光に対して用いる場合を想定すると、（４）〜（７）式により定められるδ、ｄ、ｈはそれぞれ、例えば、δ＝３７６μｍ、ｄ＝１４０ｎｍ、ｈ＝５２ｎｍとなる(ＴＥ偏光)。このような条件でグリッド部４０４を形成すれば、グリッド部４０４によって反射光をほぼゼロとすることができる。
ここで、図１８（Ａ）は、入射光がＴＥ偏光である場合における回折光学素子４０１の反射率とグリッド部４０４の凹部深さ（微小凸部４０４ａの高さ）との関係の一例を示すグラフである。図１８（Ｂ）は、入射光がＴＭ偏光である場合の反射率と凹部深さとの関係の一例を示すグラフである。
図１８のグラフは、グリッド部４０４が図２（Ａ）に示した一次元グリッドであり、その断面形状が矩形である条件において、厳密な結合波解析により算出したものである。
図１８（Ｂ）からわかるように、ＴＭ偏光に対して、グリッド部４０４の凹部深さが５５ｎｍ付近において、反射率がほぼゼロとなる。すなわち、本実施形態の回折光学素子４０１では、１次元の矩形グリッドを採用し、入射光の偏光条件を特定することで、１００ｎｍ未満の浅い（高さの低い）グリッドにおいても無反射を達成することができる。
他方、回折構造部４０３の凹凸構造の深さｇ（凹部４０３ａと凸部４０３ｂとの段差）についての好適な条件は以下の（８）式によって定めることができる。
ｇ≧λ／（ｎ−１） （８）
ただし、ｎは回折構造部４０３の素材の屈折率である。（８）式は、波長λに対する適正な深さが存在することを意味する。例えば、λ＝２６６ｎｍ、ｎ＝１．５０とすると、ｇ≧５３２ｎｍとなる。
ここで、図１９は、回折構造部４０３の断面形状の一例を示す図である。図１９は、図１５（Ａ）に示したＸ方向における回折構造部４０３の断面形状に対応し、同図には回折構造部４０３の凹凸構造の一周期分が示されている。つまり、この例の回折構造部４０３は、図１５（Ａ）のＸ方向において図１９に示す曲線が周期的に連続する断面形状を有し、Ｙ方向にはこの周期的な断面形状が一様に連続する曲面形状を有する一次元グリッドである。
図示のように、本実施形態に係る回折構造部４０３は、連続的かつ滑らかな曲線からなる断面形状を有しており、その深さは６３６ｎｍである。図１９に示す断面構造の回折構造部４０３にレーザー光を入射させると、強度がほぼ等しい１３本のビーム（−６次光〜＋６次光）に分岐される。理論上の光利用効率は９７％である。
図１９に示した回折構造部４０３の断面形状は、この断面形状をｓｉｎ関数波形（あるいはｃｏｓ関数波形）で展開し、所要のスプリッタ性能が達成されるように各項の係数の組み合わせを反復的に最適化する手法により設計することができる（参考文献１参照）。
設計のパラメータは、波形の数、振幅、及び位相である。回折構造部４０３のビーム分岐数がＮ（奇数）である場合、設計で考慮すべき関数波形の数は少なくともＮＣ２となる。これらの波形は、Ｎ個の平面波（−（Ｎ−１）／２次から＋（Ｎ−１）／２次までの回折ビームに対応する。）を重ねて得られる干渉場の高調波成分である。干渉場は複素数で表現され、その位相成分が回折構造部４０３の断面形状となる。
上記設計パラメータの最適な組み合わせを探すために、本発明者は、シミュレーテッドアニーリング法を用いている（参考文献２参照）。この手法では、設計パラメータの組み合わせとアニーリングの条件が設計の行方を左右する。すなわち、同等のスプリッタ性能を得られる複数の断面形状が存在するため、その中から作製しやすい形状を選択することになる。形状を選択する際には、形状に「とび」（深さがほぼ不連続に変化する部位）がないこと、凹凸構造ができるたけ浅いこと等が指針となる。
なお、回折光強度の計算には、離散フーリエ変換を用いた。本例の場合、回折構造部４０３の凹凸構造が十分に薄い（浅い）という状況であるから、スカラー理論で回折効率を予測して問題なく、実際、スカラー予測とベクトル予測との差は小さいことが確認されている。
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「参考文献２」 M.N.Vesperinas, R.Navarro, and F.J.Fuentes: J.Opt.Soc.A.A5(1988)30.
［回折光学素子の製造方法］
本実施形態の回折光学素子４０１は以上のような構成を有しており、次にこの回折光学素子４０１の製造方法の一例について説明する。
図２０は、回折光学素子４０１の製造方法の一例を示す模式工程図である。同図には、回折光学素子４０１の断面の一部が拡大して示されている。
まず、基板４０２の一面に凹部４０３ａ及び凸部４０３ｂからなる回折構造部４０３が形成される（図２０（Ａ））。本工程は、例えばレーザー描画法により形成したマスクを用いたエッチング技術、あるいは精密切削加工技術により実現できる。
レーザー描画法を利用して回折構造部４０３を形成するには、まず、基板４０２上にポジ型レジスト膜を塗布し、このポジ型レジスト膜にＫｒレーザー（波長４１３ｎｍ）の集光ビームを照射し、設計した曲面形状を描画する。集光ビームの太さは０．５０μｍ、描画ピッチは０．１０μｍである。かかる構成のレーザー加工装置によれば、外部変調器を用いたビーム強度の高速変調により、２５６レベルの階調で描画することができる。そして、レジスト描画に続いてイオンエッチングを行い、レジストパターンを基板４０２に転写することで、基板４０２の一面に回折構造部４０３を形成することができる。
なお、上記の製造方法により回折構造部４０３を形成する場合には、残膜特性曲線のγ値が比較的低いレジストを用いることが好ましい。このようなレジストを用いることで、線形性が高い露光領域を広く確保することができ、十分な階調数を得ることが可能になる。
ここで、基板４０２は、例えば石英ガラス基板であり、その板厚は例えば１．２ｍｍである。また、凹部４０３ａと凸部４０３ｂとの段差（すなわち回折構造部４０３の深さｇ）は、例えば６３６ｎｍである。この深さｇは、レーザー描画法により形成するマスク形状やエッチング時間等によって制御することができる。
次に、基板４０２の一面上に、回折構造部４０３を覆う感光膜４０９が形成される（図２０（Ａ））。感光膜４０９は、例えばネガ型又はポジ型のレジスト膜である。感光膜４０９は、例えばスピンコート法を用いて形成することができる。この感光膜４０９の膜厚は適宜設定すればよいが、少なくとも各凹部４０３ａ及び凸部４０３ｂに重畳する領域を全て覆い、かつ図示のように膜表面がほぼ平坦となるようにすることが望ましい。この場合、回折構造部４０３の上部（凸部４０３ｂに対応する領域）における感光膜４０９の膜厚と回折構造部４０３の下部（凹部４０３ａに対応する領域）における感光膜４０９の膜厚との差は、上記した回折構造部４０３の深さｇとほぼ等しい。
次に、基板４０２の一面上に形成された感光膜４０９に対して、レーザー干渉露光が行われる（図２０（Ａ））。レーザー干渉露光に用いられる光源としては、例えば波長２６６ｎｍの連続発振ＤＵＶ（Deep Ultra Violet）レーザーが挙げられる。このレーザーから出力されるレーザー光を適宜２本のレーザー光Ｌ１、Ｌ２に分岐し、図示のように所定の角度θLで交叉させる。それにより、周期的な明暗からなる干渉縞を含む光（干渉光）が発生する。干渉縞のピッチ（明暗の周期）は上記の交叉角度θLによって決まる。例えば、交叉角度θLを７２度に設定することにより、干渉縞のピッチを１４０ｎｍとすることができる。このような干渉光を感光膜４０９に照射することにより、感光膜４０９には干渉縞のピッチに対応した潜像パターンが形成される。
次に、干渉光を用いて潜像パターンが形成された感光膜４０９が現像される（図２０（Ｂ））。それにより、図示のように干渉縞のピッチに対応した周期を有する感光膜パターン４０９ａが形成される。例えば、干渉縞のピッチを１４０ｎｍとした場合には、この感光膜パターン４０９ａの周期も概ね１４０ｎｍとなる。
次に、感光膜パターン４０９ａをマスクとしてエッチング（例えば、ドライエッチング）が行われる（図２０（Ｃ））。これにより、図示のように感光膜パターン４０９ａのパターンが基板４０２に転写される。その後、感光膜パターン４０９ａが除去される。その結果、図示のように基板４０２の一面上に、回折構造部４０３の各凹部４０３ａ及び凸部４０３ｂの表面に沿ってグリッド部４０４（すなわち、各微小凸部４０４ａ）が形成される。
なお、上記図２０においては一次元グリッドのグリッド部４０４を含む回折光学素子を製造する方法について示したが、図２０（Ａ）に示したレーザー干渉露光を行う際に、干渉光に対する基板４０２の一面の相対的位置を９０度違えて２度の露光を行うことにより、二次元グリッドのグリッド部４０４を含む回折光学素子を製造することができる。具体的には、干渉光と基板４０２の一面との相対的位置を変えて２度のレーザー干渉露光を行うにより、感光膜４０９に二次元格子状の潜像パターンを形成することができる。このような潜像パターンを用いてエッチングを行うことにより、二次元グリッドのグリッド部４０４を形成することができる。
さらに、第２実施形態に係る回折光学素子４０１の製造に、先の第１変形例及び第２変形例の製造方法を適用してもよいのはもちろんである。これにより、感光膜の表面の凹凸による干渉光の回折が抑制され、感光膜内における干渉光の強度分布が乱れるのを防止できる。したがって、変形例に係る製造方法を採用することで、凹部４０３ａ及び凸部４０３ｂが形成されていることにより平坦性が低くなっている表面においても良好な露光を実現し、良質な回折光学素子を製造することが可能である。
以上、詳細に説明したように、本実施形態の回折光学素子４０１は、グリッド部４０４の作用により反射光を抑制する効果を奏し、かつ、回折構造部４０３の作用により透過回折光が適当な強度分布で広がりを有する。そして、回折構造部４０３の凹凸の並べ方や平面形状を適宜設定することにより、透過回折光による光パターンの使用目的や使用環境に応じて、光パターンの形状と強度とを制御することができる。すなわち、回折光学素子４０１は、反射防止機能と光パターン発生機能が複合されたものであり、高エネルギーのレーザー光にも耐えうる反射防止手段を具備した回折光学素子となる。
また、本実施形態の回折光学素子４０１では、連続した滑らかな曲面形状の凹凸構造を有する回折構造部４０３を備えていることで、断面矩形状の回折構造部３を備えた第１実施形態に係る回折光学素子１に比して高い光利用効率を実現できる。具体的には、第１実施形態に係る回折光学素子１の光利用効率が７８％程度（理論値）であるのに対して、第２実施形態に係る回折光学素子４０１は、９７％程度（理論値）の光利用効率を達成することができる。
これは、第１実施形態に係る断面矩形状の回折構造部３では、凹部３ａと凸部３ｂとの境界に不連続な段差があり、この段差が高い空間周波数成分を持つために、高次の回折光が現れ、入射光のエネルギーが高次の回折光として漏れ出てしまうためである。これに対して第２実施形態の回折光学素子４０１では、回折構造部４０３が滑らかな曲面形状であるため、高次の回折光は十分に弱く、ほぼすべてのエネルギーを所望の回折光として射出させることができる。
また、第２実施形態の回折光学素子４０１では、グリッド部４０４における微小凸部４０４ａを低くすることができ、これにより高い製造性が得られるものとなっている。
より詳しくは、微小凸部４０４ａの高さが大きい場合には、図２０（Ｃ）に示した工程で基板４０２に深い溝を形成する必要があり、図２０（Ｂ）において厚い感光膜パターン４０９ａを形成しなければならない。そうすると、感光膜４０９を露光する際の露光ムラが生じやすくなり、また感光膜パターン４０９ａが厚さ方向に細長い形状となって傾きやすくなる。その結果、基板４０２上に形成される微小凸部４０４ａの高さが不均一になりやすくなる。
これに対して微小凸部４０４ａが高さ２００ｎｍ未満の低いものであれば、感光膜４０９を薄くして均一に露光することができ、また感光膜パターン４０９ａも基板４０２上に垂直に立った姿勢を保持できる形状となる。したがって、均一な高さの微小凸部４０４ａを高精度に形成することが可能である。
上述した第２実施形態に係る回折光学素子４０１についても、第１実施形態に係る回折光学素子１と同様に、は種々の光学系に用いることが可能である。例えば、第１実施形態において図８を参照して説明したレーザー加工方法とこれを実施するためのレーザー加工装置に好適に用いることができる。
そして、第２実施形態に係る回折光学素子４０１を用いることで、対象体の複数箇所へビームを照射して種々の加工を行う際に、入射させるレーザー光のエネルギーをさらに高めることが可能である。これにより、生産性と信頼性の高いレーザー加工を実現することが可能となる。また、このレーザー加工方法を応用することにより、コストパフォーマンスに優れたレーザー加工装置を実現することが可能となる。
さらに、本実施形態の回折光学素子４０１では、高次の回折光の強度が十分に弱いことから、高次の回折光によるワーク（被加工物）のキズも発生しないため、高次の回折光をワークから遮断するための遮光マスクが不要になるという利点もある。
次に、図２１は、第２実施形態の回折光学素子の他の構成態様を示す模式断面図である。図２１に示す回折光学素子（光学素子）５０１は、基板５０２と、回折構造部５０３と、グリッド部（非回折構造部）５０４と、グリッド部（非回折構造部）５０５と、を備える。
第２実施形態に係る回折光学素子４０１（図１４等参照）との違いは、基板５０２の裏面（回折構造部５０３が設けられていない側の面）にもグリッド部５０５が設けられている点である。すなわち、図２１に示す実施形態の回折光学素子５０１は、基板５０２の一面に複数の微小凸部５０４からなるグリッド部５０４が形成され、かつ基板５０２の他面に複数の微小凸部５０５からなるグリッド部５０５が形成されている。
このような構成によれば、基板５０２の一面、他面のいずれにおける反射光も抑制し、反射損失を低減することが可能となる。このような回折光学素子５０１の製造方法は、上記した実施形態（図２０参照）と同様である。すなわち、レーザー干渉露光を用いた露光、現像、エッチングの各工程を基板５０２の一面、他面の両方において実施すればよい。
なお、基板の他面にのみグリッド部を設けてもよい。その場合には、上記した図２１に示した回折光学素子５０１において、基板５０２の一面側のグリッド部５０４を省略すればよい。製造方法についても上記した実施形態（図２０参照）と同様である。すなわち、レーザー干渉露光を用いた露光、現像、エッチングの各工程を基板５０２の他面において実施すればよい。
さらに、第２実施形態においても、他の製造方法を採用することが可能である。
具体的には、基板の一面上に、使用する光波長に対して透明なポリマー（高分子樹脂）膜を形成し、その後このポリマー膜に対してフォトマスク露光及びウェットエッチングを行うことによって、上記と同様な光学素子を形成することも可能である。この方法によって形成した光学素子の構造例を図２２に示す。図２２に示す光学素子６０１では、ガラス等の基板６０２の一面側に、ポリマー膜を用いて形成された回折構造部６０３及びグリッド部６０４が配置されている。回折構造部６０３は凹部６０３ａ及び凸部６０３ｂを含み、これらの凹部６０３ａ及び凸部６０３ｂの表面に沿って、複数の微小凸部６０４ａからなるグリッド部６０４が配置されている。
なお、図２２に示した回折光学素子６０１においても、図２１に示した実施形態と同様に基板の両面にグリッド部を設けることができる。
また、上記以外にも、型成形が可能であり、使用する光波長に対して透明な高屈折率ガラス（ｎ＝２．０程度）を用いて、回折構造部を有する基板を一体成形してもよい。この場合、屈折率が高いことにより、回折構造部の深さｇをより小さくすることが可能となるので、グリッド部を形成する上で好ましい。
また、基板上に他の膜（例えば、ＳｉＯ2などの無機膜）を形成し、この膜を選択的にエッチングすることにより回折構造部を形成することもできる。この方法によって形成された光学素子の構造例を図２３に示す。図２３に示す光学素子７０１では、ガラス等の基板７０２の一面側に、ＳｉＯ2などの膜を用いて形成された回折構造部７０３が配置されている。回折構造部７０３は凹部７０３ａ及び凸部７０３ｂを含み、これらの凹部７０３ａ及び凸部７０３ｂの表面に沿って、複数の微小凸部７０４ａからなるグリッド部７０４が配置されている。
なお、図２３に示した回折光学素子７０１においても、図２１に示した実施形態と同様に基板の両面にグリッド部を設けることができる。
第１の実施形態の光学素子の断面構造を示す模式図である。 グリッド部の一部を拡大して示した模式的な斜視図である。 回折構造部の一部を拡大して示した模式的な斜視図である。 回折構造部とグリッド部を部分的に拡大して示す模式斜視図である。 回折構造部とグリッド部の一部を拡大して示した模式断面図である。 回折光学素子の製造方法を示す模式断面図である。 他の実施形態の回折光学素子の断面構造を示す模式図である。 回折光学素子を用いたレーザー加工装置の構成を示す模式斜視図である。 他の実施形態の回折光学素子の断面構造を示す模式図である。 他の実施形態の回折光学素子の断面構造を示す模式図である。 製造方法の第１変形例を示す模式断面図である。 製造方法の第１変形例を示す模式断面図である。 製造方法の第２変形例を示す模式断面図である。 第２の実施形態の光学素子の断面構造を示す模式図である。 回折構造部の一部を拡大して示した模式的な斜視図である。 回折構造部とグリッド部を部分的に拡大して示す模式斜視図である。 回折構造部とグリッド部の一部を拡大して示した模式断面図である。 反射率と凹部深さとの関係の一例を示すグラフである。 回折構造部の断面形状の一例を示す図である。 回折光学素子の製造方法の一例を示す模式工程図である。 他の実施形態の回折光学素子の断面構造を示す模式図である。 他の実施形態の回折光学素子の断面構造を示す模式図である。 他の実施形態の回折光学素子の断面構造を示す模式図である。
符号の説明
１，１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１：光学素子、２，１０２，２０２，３０２，４０２，５０２，６０２，７０２：基板、３，１０３，２０３，３０３，４０３，５０３，６０３，７０３：回折構造部、３ａ，１０３ａ，２０３ａ，３０３ａ，４０３ａ，５０３ａ，６０３ａ，７０３ａ：凹部、３ｂ，１０３ｂ，２０３ｂ，３０３ｂ，４０３ｂ，５０３ｂ，６０３ｂ，７０３ｂ：凸部、４，１０４，２０４，３０４，４０４，５０４，６０４，７０４：グリッド部、４ａ，１０４ａ，２０４ａ，３０４ａ，４０４ａ，５０４ａ，６０４ａ，７０４ａ：微小凸部、９，４０９：感光膜，１０：液体、１１：平行平板（基板）、１２：水溶性膜

Claims (1)

  1. 回折光学素子にレーザー光を入射させて当該レーザー光を複数のビームに分岐し、当該複数のビームを対象体へ照射するレーザー加工方法であって、
    前記回折光学素子は、
    基板と、前記基板の一面側に設けられ、複数の凸部と複数の凹部とを有し、断面が矩形である回折構造部と、前記複数の凸部の上面、前記複数の凹部の上面、前記基板の他面、の少なくとも何れかが、前記複数の凸部の各々よりも小さい複数の微小凸部を含むグリッド部を含み、
    前記グリッド部が誘電体材料からなり、
    前記グリッド部の前記複数の微小凸部の各々が一方向に延在し、
    前記回折構造部の前記複数の凸部の各々の延在方向と前記グリッド部の前記複数の微小凸部の各々の延在方向とが略平行であり、
    前記グリッド部の深さｈと入射光の波長λとが以下の式（１）の関係にあり、前記回折構造部の前記凸部と前記凹部との段差の深さｇと入射光の波長λと前記基板の屈折率ｎとが以下の式（２）の関係にある、
    レーザー加工方法。
    ｈ＝０．２５λ／ｎｅｆｆ （１）
    ｇ＝λ／２（ｎ−１） （２）
    ただし、ｎｅｆｆは前記グリッド部における波長λに対する等価屈折率である。
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