JPH02502677A - 低効率回折格子の製造方法およびそれによって得られた生成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 低効率回折格子の製造方法およびそれによって得られた生成物 発明の背景 本発明は回折格子、特に低効率回折格子の製造方法およびそれによって得られた 生成物に関する。

回折格子は、波頭の均一性のようなビームの純度を分析し、ビームの方向を決定 する電磁放射線のビームをサンプルするために利用される。分析からの情報はビ ームがさらに良好に導かれることを可能にし、或は例えばそのコヒーレンス、位 相および均−性等のビームの波頭の性質が改善されることを可能にする。

典型的なビームサンプル装置に使用される回折格子のタイプは、反射面上に１つ 以上の誘電体反射強化材料の層を具備する基体上に反射面を含む。第１図に示さ れるような通常の回折格子は絶縁材料を付着された反射面に溝を存する。溝また は格子の深さは回折の効率に影響を与える。一般的に深さが増すと、それだけ回 折効率が増加し、数パーセント、例えば１％乃至５％のサンプル効率の動作範囲 内の回折効率が８０％まで大きくなる。

レーザビームサンプル用のこのような低い回折効率の格子は溝を金属反射鏡にエ ツチングすることによって形成される。

低パワーレーザに関して、溝は例えば３００Å以上の比較的深いものであること ができる。新しく開発されるレーザはパワーが増加しており、レーザパワーが高 まりさらに強くなっているので、採取されるサンプルは分析装置への弊害を避け るために合計ビーム強度の小部分でなければならない。このような小部分が採取 されたとき、格子の要求される回折効率は０．０００２より小さくなる。したが って、このように非常に低い回折効率を達成するために回折溝の深さは前に形成 されたものよりも浅い、すなわち１５０人より浅い深さでなければならない。

浅い格子が使用される際に、２つの要因、すなわち格子が１００Å以下の深さに 到達したときの溝の深さの制御および格子に対する誘電体被覆の影響が考慮され なければならない。

後者に関して、格子に対する誘電体被覆の適用はときどき予測または制御するこ とが困難なサンプリング効率になり、結果的に絶縁層の間で回折されたビームの 導波のような変則的な効果に格子がさらされる。これは、従来の方法において格 子が反射表面の中に位置され、誘電体被覆またはフィルムがその上にコンフォー マルコートとして設けられるために生じる。このような被覆は誘電体被覆の厚さ に比例して格子の深さを減少し、格子の形状差を少なくするものであり、誘電体 層が厚さを増したときに２つの事柄は共により大きい問題となる。その結果、サ ンプル用の格子は徐々に不完全に限定される。すなわちそのコーナーは丸くなり 、その深さがさらに浅くなる。格子が１００Å以下の深さに到達したときの溝の 深さの制御に関して、格子の溝の深さは高レベルのレーザエネルギを調節するた めに寸法的に減少されるので、誘電体被覆の有害な効果が大きくなる。さらに誘 電体被覆における全ての層が格子によって変調され、格子と被覆間の複雑な相互 作用を生じる。

さらに、回折格子を製造するための通常の処理ステップは別の問題を引起こす。

この製造技術は、（１）真空フィルム付着室において基体上に反射鏡面を位置し 、（２）室から反射鏡面を有する基体を取出し、（３）金属反射鏡をフォトレジ ストで被覆し、（４）ホログラフ格子パターンでフォトレジストを露出し、（５ ）パターンをフォトレジストに現像し、（６）フォトレジストパターンを通じて 金属に格子をイオンエツチングし、（７）溶媒リンスによりフォトレジストパタ ーンを除去し、金属に格子パターンを残し、（８）このように処理された格子パ ターンを有する基体上に１つ以上の誘電体反射強化材料の層を位置するステップ を含む。この処理はフィルム剥離およびその他の事故のような類似した汚染およ びまたは欠陥を増加する。

発明の要約 本発明は、通常使用される処理ステップの回数を減少し、同時に格子の形状およ び深さに対する悪影響を防ぐものである。さらに本発明は格子の回折効率が正確 に制御されることを可能にする。

一般的に、誘電体反射強化材料は溝のない反射面上に設けられ、溝は例えばホロ グラフ格子等の回折格子を形成するために誘電体材料自体の中に形成される。誘 電体材料が複数の異なる材料の層で構成されるならば、溝は最上部の誘電体材料 層中にだけ形成される。さらに回折効率は、溝の深さは−定にされるが誘電体層 の厚さは減少させることができる最上部の層の厚さの減少によって正確に制御さ れる。

いくつかの利点が本発明から得られる。溝の深さは正確に形成されることができ る。格子の回折効率は最適値に正確に適合されることができる。

本発明の別の目的および利点は以下の実施例の詳細な説明および添付図面から明 らかになり、さらに十分に理解される第１図は従来技術にしたがって形成された 格子の断面図である。

第２図は本発明の技術にしたがって形成された格子の断面図である。

第３図は、第１図の従来技術の構造用の誘電体被覆を具備した、および具備しな いベース金属中の格子に対する回折効率対溝の深さを示したグラフである。

第４図は、３．３９マイクロメータの波長で得られた全反射面上の硫化亜鉛に対 して実線で理論上の回折効率を、および破線で測定された回折効率を示したグラ フである。

第５図は反射面上の複数の誘電体材料の層を示す本発明の第２の実施例の断面図 である。

実施例 第１図は既存の従来技術にしたがって形成された格子１ｏの断面図を示す。格子 １０は金属反射面１４を上に有する基体１２を含む。金属面１４は例えばイオン ビームエツチングによって形成された複数の溝１６をエツチングされている。そ れから誘電体反射強化材料１８はコンフォーマル方式で溝を付けられた金属面１ ４上に被覆され、それ故誘電体材料の溝２０として金属面の溝１６を複製する。

この複製のために、溝２０はいくぶん丸みのあるコーナーを有するように示され ている。それは被覆が金属面の溝１６の形状を正確に再生しないためである。

したがって、誘電体材料１８は金属反射面１４と同様に上部歯形面２２および共 通の歯形面２４を具備している。面２２は上部２２ａおよび下部２２ｂを有する 。下部２２ｂは溝２０の底面を成す。

同様に面２４は上部２４ａおよび下部２４ｂを有し、下部２４ｂは金属面の溝１ ６の底面との接触を定めている。したがって、誘電体材料１８の厚さは、部分２ ２ａと２４ａとの間の距離により厚さａ′として、また部分２２ｂと２４ｂとの 間の距離によって厚さａ′として識別されてもよい。厚さａ′とａ′の関連性は 、以降において第１図の従来技術の構造が第２図の本発明の構造と比較されると きに明らかになるであろう。

第２図を参照すると、本発明の技術にしたがって形成された格子３０は金属反射 面３４を有する基体３２を含む。第１図に示された通常の格子ＩＯとは異なり、 本発明の金属反射面３４は平坦で溝または格子によって中断されない面３６を有 する。光学的に透明な誘電体反射強化材料３８は金属面３４上に付着される。

溝４０は誘電体材料３８中に形成される。したがって誘電体材料３８は上部４２ ａおよび下部４２ｂによって限定された上面４２を有し、下部は溝４０のベース を限定する。誘電体材料３８はまた金属反射面３４の面３６との接触の結果とし て平坦で中断されない面４４を有する。その結果、誘電体反射強化材料３８は上 面の上部４２ａと面４４間の大きい厚さｂ′および上面の下部４２ｂと面４４間 の小さい厚さｂ′の２つの厚さを有する。したがって第２図に示された格子の厚 さｂ′とｂ′に差があり、一方第１図に示された従来技術の構造の厚さａ′とａ ′は本質的に同じ厚さであり、これが本発明と従来技術との間の重要な顕著な相 違となる。

以下の本発明のホログラフ格子の製造方法の説明からこの差が明らかになるであ ろう。

第２図に示された格子を形成するための好ましい技術は以下のステップを使用す る。基体３２のような基体は、通常の構造および動作を有する真空フィルム付着 室内に位置される。

この室は第１図に示された格子１０のような格子を形成するために使用されるタ イプと同じでよい。それから反射層３４のような金属反射層が通常の技術を使用 して基体上に形成される。

しかしながら、従来技術の格子を製造するために使用される方法と異なり、反射 金属面３４を具備する基体３２は、材料４２のような所望の誘電体反射強化フィ ルムまたは第５図に示されているような複数のフィルムが通常の処理によってレ ーザビームの波長に必要な反射率に対応する厚さに供給されるように同じ室中に 同じ圧力のままにされる。

その後、溝４０のような格子は反射面自体ではなく誘電体フィルムにエツチング される。最初に、フォトレジストはこの時点で平坦で限定されていない面４２上 に設けられる。ホログラフパターンは通常のフォトレジストおよびレーザホログ ラフ技術によってレジスト中に表される。このホログラフパターンは標準のホロ グラフ技術によって現像され、誘電体フィルム上にフォトレジスト格子マスクを 残す。それからイオンビームが標準のイオンビーム技術により格子を誘電体フィ ルムにエツチングする。化学エツチングが使用されることができるが、イオンビ ームエツチングはもつと正確な溝および格子形成を行うために好ましい。このよ うに設けられた典型的な格子は±１４人の許容公差範囲を有する１５０人よりも 少ない深さを有する。これは±２０％の回折効率の均一性をもたらす。

フォトレジストパターンは誘電体フィルム４２から除去される。

本発明の技術によってのみ得られることができる付加的な特徴としては、エツチ ングおよびフォトレジスト除去後に格子の回折効率が正確に調節されることがで きることである。

回折効率は、特に誘電体フィルム４２の厚さおよびフィルムにエツチングされた 格子の深さという２つの要因に依存する。

第１の要因であるフィルム厚が最初の回折効率をもたらし、これは格子の多溝の 深さに依存する。第２の要因は第１の要因によって生じた最初の回折効率がフィ ルム全体の厚さを調節するこ也によって正確に設定されることを可能にする。こ の点で、第１図に示されるような格子を形成する従来技術の処理と、第２図に示 されるような本発明により得ることができる格子との間の差は明らかになる。第 １図の従来技術の格子において、フィルム１８の材料は除去されるとき、厚さａ ′およびａ′は等価な量で減少するため等しいままであり、可変的でない比率を 成す。したがって、第２図の格子の回折効率は厚さの比率を注意して変えること によって正確ゝに調節されることができる。この変化は、例えばフォトレジスト を除去した後イオンエツチング室中に格子を戻し、それからその厚さを減少する ために均一に上部の層をエツチングすることによって達成される。

知られているように、格子の回折効率は異なる厚さによって反射されたエネルギ 間の相対的な位相に依存し、これは均一の厚さでは不可能である。これはまた格 子が例えば７×１０−１乃至７　Ｘ　１０−６の６桁の大きさにわたって示すこ とができる回折効率の非常に大きなダイナミック範囲を有することを可能にする 。

使用される材料の例には面３４としてアルミニウム、銀および金の反射面が含ま れる。誘電体材料３８は二酸化シリコン、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、フッ化トリ ウムおよび酸化アルミニウム（Ａ１２０３）を含んでもよい。

従来技術の格子と本発明の格子との比較は第３図と第４図に示されたグラフ間の 比較によって示される。第３図は第１図に示されたような回折格子から得られた 結果に基づいており、一方第４図のグラフは第２図の格子の試験から得られる。

さらに、第３図は全反射面と硫化亜鉛誘電体材料被覆を有する全反射面との間の 溝の深さの関数として予測される格子効率の比較を示す。このデータから回折効 率における同じ±２０％の変動に対して溝の深さは、本発明の±５０人内に制御 されればよいことが分かる。従来技術によると、溝の深さは格子に対して±ＩＯ 人内に制御されなければならない。

さらに、付加的なパラメータである被覆層の厚さは第４図に示された回折効率を 制御するために利用されることができる。この付加的な制御は光学被覆層がさら に厚く付着され、溝の深さが非常に高い回折効率となる最適目的点により要求さ れるよりも深くエツチングされることを可能にする。したがって、回折効率は格 子が上部フィルムにエツチングされた後誘電体被覆厚をトリムエツチングするこ とによって所望の値に良好に調節されることができる。回折効率に対するこの付 加的な制御は誘電体被覆厚の絶対厚および格子の溝の深さに対する許容度を緩和 する。

この処理はまた第５図に示されるような多層誘電体被覆にも適用されることがで きる。ここにおいて、格子５０は金属反射層５４を具備する基体５２を含む。上 面５４は複数の誘電体反射強化層５８．５ｇ、　６０．６２および６４である。

溝６８は最上部の誘電体層６４にだけエツチングされる。溝が下部フィルムに延 在した場合、有害であることが分かっている。このために誘電体層６４は、溝の 深さのエツチングおよび層６４の厚さの調節を可能にするようにその他の層より も厚く形成されている。

フィルムに溝を形成することによって、溝の深さを変えずに最終生成物に要求さ れる多数のフィルム層が使用されることができる。従来技術と比較すると、溝の 深さは誘電体材料の厚さが増加すると変化する。はとんどの反射面は上部層にあ るため、溝の深さが減少された場合には所望の反射面を得ることはさらに難しく 、これは回折効率に悪影響を与え、層がさらに厚くなったり或はその数が増加し たときにさらに有害なものとなる。

第４図に示されているように、比較のための予測と測定のデータは３，３９マイ クロメータの波長で採取されている。表示フォーマットは一１オーダーの回折効 率対溝の深さである。

理論曲線は実線であり、対応した硫化亜鉛被覆の厚さにより示されている。実験 点は三角形として示され、破線で結ばれている。実験データは、イオントリムエ ツチングが実行された前後のサンプルについて採取された。これは、第４図のグ ラフに示された例において厚さで２００人の差である“トリムエツチングの前“ および“トリムエツチングの後”と示された２曲線間の垂直距離で示される。ト リムエツチングは均一的に被覆材料を除去し、被覆層の厚さを減少するが、同じ 溝の深さを維持する。このように、実験データは理論から予測された本発明の有 用な利点の１つを確認した。すなわち、効率が溝の深さおよび被覆の厚さに依存 するため、格子が被覆層の厚さをトリムエツチングすることによって被覆中に設 けられた後、正確に調節されることができる。

本発明は特定の実施例に関して記載されているが、本発明の技術的範囲を逸脱す ることなく種々の変化および修正が行われてもよいことが認識されるべきである 。

Ｆ　ｉ　ｇ、　４゜ −１〆−グ）日滑妨浄 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条７第１項）平成元年８月２２２ 特許庁長官　　吉　１）文　毅　　殿 １、国際出願番号 ＰＣＴ／ＧＢ８８１０４１４８ ２、発明の名称 低効率回折格子の製造方法およびそれによって得られた生成物３、特許出願人 住所　アメリカ合衆国　カリフォルニア州９００４５−００６６０サンゼルス、 ヒユーズ・テラス７２００名称　ヒユーズ・エアクラフト・カンパニー代表者　 　カランベラス・ニー・ダブユ国籍　アメリカ合衆国 ４、代理人 （ほか３名） ６、添付書類の目録 請求の範囲 （１）材料を溝のあるおよび溝のない部分に形成して回折路］　　　子を限定す るために材料中に溝を有する反射面上の誘電体反射強化材料を有する反射鏡と共 に使用するために回折格子の回折効率を制御する方法において、 溝のあるおよび溝のない部分の厚さをそれぞれ調節するステップを含む方法。

（２）反射面を有する基体を具備した反射鏡に回折格子を形成する方法において 、 露出された上面を有する材料を与えるために反射面上に誘電体反射強化および、 または保護材料を設け、格子を形成するために誘電体材料の露出された上面に溝 を形成するステップを含む方法。

（３）誘電体材料を複数の層として形成するステップを含み、前記溝形成ステッ プは最上部の層においてのみ行われる請求項２記載の方法。

（４）反射面を有する基体を具備した反射鏡に回折格子を形成する方法において 、 反射面上に誘電体反射強化および、または保護材料を設け、格子を形成するため に誘電体材料に溝のあるおよび溝のない部分を形成し、 格子の回折効率を制御するために誘電体材料の溝のある部分と溝のない部分との 間の厚さの比率を調節するステップを含む方法。

（５）溝を付けられた誘電体材料は溝における下面部分および下面部分の上方の 上面部分によって限定された全体的に方形の歯形構造を有し、前記調節ステップ は、格子の最初の回折効率をもたらす前記形成ステップの間に面部分の間の溝の 深さを制御し、 最適値に回折効率を適合させるために上部および下部の両方の面部分から誘電体 材料の露出された部分を除去するステップを含む請求項４記載の方法。

（６）反射鏡に回折格子を形成する方法において、真空フィルム付着室に基体を 位置し、大気圧より下の適切な圧力になるまで室を排気し、 真空フィルム付着技術によって基体上に反射金属面を設け、同一の室中でおよび 同じ圧力で所望の反射率および動作波長に対応した厚さに反射金属面上に少なく とも１つの誘電体反射強化フィルムを設け、 誘電体フィルムの最上面にフォトレジストを設け、レーザホログラフ技術によっ てフォトレジスト中にホログラフパターンを形成し、 ホログラフパターンによって定められたように誘電体フィルムに格子を限定する 溝をイオンビームエツチングし、フォトレジストを除去し、 溝を限定する誘電体反射強化フィルムの相対的な厚さをその残りのフィルムに関 して調節するために誘電体反射強化フィルムをイオンビームエツチングするステ ップを含む方法。

（７）前記溝エツチングステップは±２０％の回折効率における均一性を得るた めに１５０±１４人より小さい格子を限定するように制御される請求項６記載の 方法。

（８）誘電体材料を複数の層に形成するステップを含み、前記溝のエツチングス テップは最上部の層においてのみ行われる請求項７記載の方法。

（９）回折格子を有する反射鏡において、反斜面を有する基体と、 露出された面を有する反斜面上の誘電体反射強化材料と、格子を形成する誘電体 材料の露出された面の中の溝とを含む反射鏡。

（ｌＯ）誘電体材料は複数の層を含み、前記溝は上部の層だけに形成される請求 項９記載の方法。

（１１）回折格子を有する反射鏡において、反斜面を有する基体と、 反射面上の誘電体反射強化材料の複数の層と、格子を形成する誘電体材料であり 、格子の回折効率を制御するために溝のない部分の厚さに関して調節される厚さ を有する溝のある部分と溝のない部分とを含む反射鏡。

（１２）誘電体材料の層の各々は酸化アルミニウムまたは硫化亜鉛から成る請求 項１Ｏ記載の方法。

国際調査報告 １ｍｓ＜＊嶺１１１−・・＾帥−電一”ＮｅＰＣ丁／ＵＳ８Ｂ１０４１４８国際 調査報告

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）回折格子を限定する材料中に溝を有する反射面上に誘電体反射強化材料を 有する反射鏡と共に使用するために回折格子の回折効率を制御する方法において 、誘電体材料中の溝の深さをその厚さに関して調節するステップを含む方法。
2. （２）反射面を有する基体を具備した反射鏡に回折格子を製造する方法において 、 反射面上に誘電体反射強化およびまたは保護材料を設け、格子を形成するために 誘電体材料中に溝を形成するステップを含む方法。
3. （３）誘電体材料を複数の層に形成するステップを含み、前記溝形成ステップは 最上部の層においてのみ行われる請求項２記載の方法。
4. （４）格子の回折効率を制御するために誘電体材料の厚さに関して溝の深さを調 節するステップを含む請求項２記載の方法。
5. （５）溝を付けられた誘電体材料は溝における下面部分および下面部分の上方の 上面部分によって限定された全体的に方形の歯形面構造を有し、前記調節ステッ プは、格子の最初の回折効率をもたらす前記形成ステップの間に面部分の間の溝 の深さを制御し、 最適値に回折効率を適合させるために上部および下部の両方の面部分から誘電体 材料の露出された部分を除去するステップを含む請求項４記載の方法。
6. （６）反射鏡に回折格子を形成する方法において、真空フィルム付着室に基体を 位置し、大気圧より下の適切な圧力になるまで室を排気し、 真空フィルム付着技術によって基体上に反射金属面を設け、同一の室中でおよび 同じ圧力で所望の反射率および動作波長に対応した厚さに反射金属面上に少なく とも１つの誘電体反射強化フィルムを設け、 誘電体フィルムの最上面にフォトレジストを設け、レーザホログラフ技術によっ てフォトレジスト中にホログラフパターンを形成し、 ホログラフパターンによって定められた誘電体フィルムに格子を限定する溝をイ オンビームエッチングし、フォトレジストを除去し、 誘電体反射強化フィルムの厚さに関してその溝の深さを調節するために誘電体反 射強化フィルムをイオンビームエッチングするステップを含む方法。
7. （７）前記溝エッチングステップは±２０％の回折効率における均一性を得るた めに１５０±１４Åより小さい格子を限定するように制御される請求項６記載の 方法。
8. （８）誘電体材料を複数の層に形成するステップを含み、前記溝をエッチングす るステップは上部の層においてのみ行われる請求項７記載の方法。
9. （９）回折格子を有する反射鏡において、反斜面を有する基体と、 反斜面上の誘電体反射強化材料と、格子を形成する誘電体材料中の溝とを含む反 射鏡。
10. （１０）誘電体材料は複数の層を含み、前記溝は上部の層だけに形成される請求 項９記載の方法。
11. （１１）溝の深さは格子の回折効率を制御するために誘電体材料の厚さに関して 調節される請求項１０記載の方法。
12. （１２）誘電体材料の層の各々は酸化アルミニウムまたは硫化亜鉛から成る請求 項１０記載の方法。