JP7443781B2 - 透過型回折格子素子及び光を波長に応じた向きに進ませる方法 - Google Patents
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Description
上述した従来の一般的な回折格子は振幅型というべきものであるが、近年、位相型の回折格子が盛んに研究され、一部が実用化されている。位相型回折格子は、伝搬する光の位相を変化させる部位を周期的に配した構造とし、0次光を抑制して回折作用を得る素子である。周期構造としては、素子を構成する基板の表面に微細な凹凸形状を設けた構造のもの(レリーフ型)や、周期的に屈折率が異なる領域を基板内に形成した構造のもの(屈折率変調型)が知られている。
本願の発明は、このような課題を解決するために為されたものであり、高い形状精度を実現しつつも位相制御層を無機材料で形成した構造の信頼性の高い透過型の回折格子素子を提供することを目的としている。
格子層において、1個のグリッドの幅と1個のギャップの幅とから成る格子周期は、目的とする波長の回折光の次数が1次以下となる長さとなっている。
グリッドの基板とは反対側にはグリッドを保護する透光性の保護層が設けられており、ギャップには材料が充填されていない。
保護層は、グリッドの基板とは反対側において側方に膨らんで形成されており、隣り合う前記グリッドを覆う保護層は連続していて連続している部分の基板側に空洞がギャップとして形成されているか、又は隣り合う前記グリッドを覆う保護層は接近していてその接近距離よりも広い幅の空間が接近部分の基板側に前記ギャップとして形成されている。
保護層の一部は、グリッドの側面を覆っている。
また、グリッドの側面を覆っている保護層の一部は、ギャップに対して屈折率差を有しており、グリッドとともに格子層を形成している。
そして、グリッド及びグリッドの側面を覆っている保護層の一部で形成されたギャップである空洞は、基板から遠ざかる向きにおいて幅が一定であるか又は基板から遠ざかるに従って幅が広くなる漸増状態がグリッドの基板とは反対側の端部まで続いている。
また、上記課題を解決するため、透過型回折格子素子は、グリッドが、基板から遠ざかるに従って幅が狭くなる断面形状を有しており、グリッドの側面を覆っている保護層の一部は、基板から遠ざかるに従って幅が広くなる断面形状を有しているという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、透過型回折格子素子は、保護層のうち、少なくともグリッドの側面を覆っている一部がグリッドと同一の材料であるという構成を持ち得る。
また、グリッドを保護する保護層が設けられているので、欠けや倒壊といったグリッドの破損が防止される。このため、高い形状精度が安定して維持され、高い回折効率を安定して得ることができる。このため、高信頼性の回折格子素子となる。
また、保護層の一部がグリッドの側面を覆っていると、グリッドを保護する効果が高められるため、素子の信頼性がさらに高くなる。
また、グリッドの側面を覆っている保護層の一部がグリッドとともに格子層を形成していると、グリッドを補完する作用を保護層に持たせることができるので、この点で好適となる。
また、グリッドが基板から遠ざかるに従って幅が狭くなる断面形状を有しており、グリッドを覆っている保護層の一部が基板から遠ざかるに従って幅が広くなる断面形状を有していると、格子層における全体の形状精度が高くなる。このため、より高い回折効率が得られる回折格子素子となる。
上記課題を解決するため、透過型回折格子素子は、保護層のうち、少なくともグリッドを覆っている一部がグリッドと同じ材料であるので、波面の乱れが生じにくく、この点で高い回折効率が得られる素子となる。
図1及び図2は、実施形態の透過型回折格子素子の概略図であり、図1は断面概略図、図2は斜視概略図である。
実施形態の回折格子素子は、光の回折を利用して光を波長に応じた向きに進ませる透過型の回折格子素子である。この回折格子素子は、透明な基板1と、基板1上に形成された格子層2とを備えている。尚、「回折格子素子」という用語は、一般的に使われている「回折格子」という用語と同様の意味であるが、格子層という部分を備えているので、混乱を避けるために「回折格子素子」と言い換えている。
この回折格子素子は位相型の一種であり、格子層2は、基板1の面内の方向において周期的に位相を変化させて0次光を抑制しつつ回折作用を得るための層である。格子層2は、ギャップ20に対して屈折率差を持つグリッド21を周期的に配した微細構造とすることで形成されている。
尚、図2に示すように、基板1に対して平行な面内では、格子層2は、いわゆるラインアンドスペース(L&S,Line and Space)の構造となっている。グリッド21は、互いに平行に延びる線状であり、ギャップ20は等間隔となっている。
図3に示すように、回折格子素子に対して入射角度αで光L1が入射する。このとき、高い効率で出射回折光を得るためには、入射角度αに対して以下の式1を満たす必要がある。式1において、nは雰囲気の屈折率、pは格子周期、λは光の波長である。
尚、ギャップ20に対する屈折率差は、概ね0.3以上あると好ましく、ギャップ20が空気である場合、グリッド21の屈折率は1.3以上ということになる。
また、デューティ比dが0.7を超えると、より狭い溝(ギャップ20)を形成しなければならないことになり、加工が難しくなる。このため、必要な形状精度を確保するのが困難になる。この問題は、アスペクト比が高くなるとより顕著である。したがって、この意味でもデューティ比dは0.7以下とすることが好ましい。
好ましい寸法の一例を示すと、デューティ比0.6でアスペクト比3.60(グリッド高さ1800nm)とすることができる。
保護層3は、この実施形態では基板1やグリッド21と同じ材料となっており、酸化シリコンで形成されている。保護層3は、ギャップ20を塞いだ状態となっており、各グリッド21の上面を含む格子層2全体を覆っている。但し、保護層3は、ギャップ20内に充填された状態にはなっていない。即ち、空洞としてギャップ20が形成されており、この部分は、空気又は真空の屈折率となっている。このような保護層3は、各グリッド21が倒壊したり欠けたりするのを保護する作用を有している。
図9は、格子層の形状精度向上について示した断面概略図である。
実施形態の透過型回折格子素子は、位相型の透過型回折格子の中でもレリーフ型のものということができる。レリーフ型の回折格子は、周期的な凹凸形状により所望の回折作用を得るため、一般的に高アスペクト比となり易い。前述した実施形態における最適範囲は、この一例である。
この場合に問題なのは、シュリンクの量が当初の予定と異なった場合、グリッド21の形状の再現性が低下し、このため形状精度が低下してしまうことである。この問題は、高アスペクト比とすべくより深いエッチングを行った場合に特に顕著である。
このようにグリッド21の断面形状の再現性が低下すると、設計時に予定されていた回折作用が得られなくなり、回折効率が低下してしまうこともあり得る。
また、図10(B)に示すように、入り込み部31によってグリッド21のテーパーがより緩和され、ギャップ20の幅が均一になる補償のパターンがあり得る。この例は、断面方形がグリッド21の設計時の形状である場合の補償のパターンである。
また、図10(C)に示すように、入り込み部31によってグリッド21の側面が逆テーパー状に補償されるパターンがあり得る。このパターンは、逆テーパー状が設計時の形状である場合の補償パターンである。この例のメリットは、入り込み部31がグリッド21の上部を補強する形となり、保護の効果がより高くなる点である。
図11に結果を示すシミュレーション実験においては、図5~図8と同様、格子周期pは833nmとし、デューティ比dは0.6、グリッド高さhは1800nm(アスペクト比3.6)としてシミュレーションを行った。同様に、グリッドの材料は酸化シリコンである。
また、図11(3)は、入り込み部付きの保護層を形成して形状精度低下補償を行った場合の各回折効率を示している。この例では、図10(B)に示す理想的なパターンで補償が行われた場合を想定している。
一方、図11(3)に示すように、入り込み部付きの保護層で形状精度低下補償を行った場合、回折効率の低下は顕著に改善され、図11(1)に示す最適設計のグリッド21の場合と遜色ない回折効率が実現されている。
このシミュレーション実験では、図10(B)の補償パターンを前提としたが、図10(A)や図10(C)の補償パターンでも改善される点が確認されている。
図12(1)に示すように、基板1上にグリッド21の材料で格子層用膜4を作成する。作成方法は、スパッタリング、ALD(原子層堆積法)、ゾルゲル法、CVD、メッキ等、任意のものを採用し得る。また、別の基板1を貼り合わせ、研磨して所定の厚さとする方法でも良い。いずれにしても、格子層用膜4の厚さは、作成する透過型回折格子素子のグリッド21の高さに一致しているか、又はそれより少し厚い厚さである。
そして、図12(4)に示すように、格子層2の上に保護層3を形成することで実施形態の透過型回折格子素子が完成する。この際、入り込み部31を含んで保護層3が形成されるよう、適宜の形成方法を採用する。この一例を示したのが、図13である。
保護層3については、図14に示すように、各グリッド21の上部に堆積した膜(以下、上部堆積膜という。)がつながっておらず、分離した状態で形成されている構造とする場合もあり得る。この場合でも、各上部堆積膜の離間間隔Dが広くなければ、保護機能としては十分である。離間間隔Dは、格子周期pの10%以下とすることが好ましく、格子周期pの5%以下とすることがより好ましい。
尚、離間間隔Dがゼロの場合、完全に一つの層として保護層3が形成されている場合もあるが、上部堆積膜同士が接触していて界面が形成されている場合もあり得る。
但し、上述した酸化シリコンのような材料は、微細加工用の材料として半導体プロセス等で多用されており、種々の加工技術が開発されているので好適である。また特に、基板1とグリッド21の材料を同じ材料としておくと、界面での剥離破壊も生じにくいため、好適である。
また、保護層3についても、回折させる光の波長において透光性であれば酸化シリコン以外の材料を採用することができる。この際、グリッド21と同じ材料を使用すると、同様に界面での剥離破壊が生じにくいので好適である。
2 格子層
20 ギャップ
21 グリッド
3 保護層
31 入り込み部
4 格子層用膜
5 レジストパターン層
p 格子周期
d デューティ比
Claims (4)
- 光の回折を利用して光を波長に応じた向きに進ませる透過型回折格子素子であって、透明な基板と、前記基板上に形成された格子層とを備えており、
前記格子層は、ギャップに対して屈折率差を持つグリッドを周期的に配して光の位相を周期的に変化させる微細構造を有しており、
前記格子層において、1個の前記グリッドの幅と1個の前記ギャップの幅とから成る格子周期は、目的とする波長の回折光の次数が1次以下となる長さとなっており、
前記グリッドは無機材料で形成されており、
前記グリッドの前記基板とは反対側には前記グリッドを保護する透光性の保護層が設けられており、
前記ギャップには材料が充填されておらず、
前記保護層は、前記グリッドの前記基板とは反対側において側方に膨らんで形成されており、隣り合う前記グリッドを覆う前記保護層は連続していて連続している部分の前記基板側に空洞が前記ギャップとして形成されているか、又は隣り合う前記グリッドを覆う前記保護層は接近していてその接近距離よりも広い幅の空間が接近部分の前記基板側に前記ギャップとして形成されており、
前記保護層の一部は、前記グリッドの側面を覆っており、
前記グリッドの側面を覆っている保護層の前記一部は、前記ギャップに対して屈折率差を有しており、前記グリッドとともに前記格子層を形成しており、
前記グリッド及び前記グリッドの側面を覆っている保護層の前記一部で形成された前記ギャップである空洞は、前記基板から遠ざかる向きにおいて幅が一定であるか又は前記基板から遠ざかるに従って幅が広くなる漸増状態が前記グリッドの前記基板とは反対側の端部まで続いていることを特徴とする透過型回折格子素子。 - 前記グリッドは、前記基板から遠ざかるに従って幅が狭くなる断面形状を有しており、前記グリッドの側面を覆っている保護層の前記一部は、前記基板から遠ざかるに従って幅が広くなる断面形状を有していることを特徴とする請求項1記載の透過型回折格子素子。
- 前記保護層のうち、少なくとも前記グリッドの側面を覆っている前記一部は前記グリッドと同一の材料であることを特徴とする請求項1又は2記載の透過型回折格子素子。
- 請求項1乃至3いずれかに記載の透過型回折格子素子を使用して光を波長に応じた向きに進ませる方法であって、前記ギャップに材料を充填しない状態で光を前記透過型回折格子素子に入射させることを特徴とする、光を波長に応じた向きに進ませる方法。
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