JPH0815510A - バイナリーオプティクス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 実用性の高い高精度のＢＯＥおよびこれを安
定して製造する方法を提供すること。 【構成】 光透過性の基板上に、波長λの光束に対する
屈折率ｎの透明層とエッチングストッパ層との順序で積
層された階層構造を有する回折パターンを断面階段状に
形成したバイナリーオプティクスおよび製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学機器の光路に配置
されることにより、その透過光量または回折光量を調節
するための回折光学素子であって、断面が階段状の回折
パターンが形成されてなる、回折格子やゾーンプレート
等のバイナリーオプティクス及びその製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、バイナリ−オプティクス（ＢＯ
Ｅ）には、光透過性基板をエッチングを用いたリソグラ
フィ工程によって、断面が階段状となる回折パターンが
形成されていた。即ち、このようなＢＯＥでは、回折パ
ターンの山谷が同一部材に凹凸を形成してなるものとな
る。従って、パターンの光学的距離の差は部材の厚み
（段差）で調節されている。

【０００３】このような従来のＢＯＥの製造工程の一例
を図５を用いて以下に説明する。図５において、まず、
光透過性基板１０１上にレジストを塗布してレジスト膜
５を形成する（ａ）。次いで、所望のパターンに応じた
レチクルパターン１０６をマスクとしてレジスト膜１０
５に対し紫外線７を照射露光する（ｂ）。レジスト膜に
おいて、紫外線７が照射露光された領域は変質し、現像
液に可溶となる。これによってレチクルパタ−ン１０６
がレジスト膜５に転写され、残存レジスト膜で構成され
るレジストパターン１０８が形成される（ｃ）。

【０００４】以上のように形成されたレジストパターン
１０８をマスクとし、反応性イオンエッチングまたはイ
オンビームエッチング１１０により、光透過性基板１０
１をエッチングし、レジストパターン１０８を取り除け
ば、段差パターンを備えたＢＯＥが形成できる（ｅ）。
さらに、ＢＯＥ表面に反射防止膜１１２を蒸着などの方
法によって形成すれば良い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ＢＯＥの性能は、製造
工程において、回折パターンの山谷がどれだけ高精度に
設計値を再現して形成されたか、即ち光透過性基板のエ
ッチング深さをどれだけ高精度に制御するかに掛かって
いる。しかしながら、上記の如き従来の技術において
は、光透過性基板のエッチング進行中、エッチングのマ
スクパターンであるレジストもイオン衝撃などのダメー
ジにより削られてしまうため、光学的にも機械的にも、
光透過性基板のエッチング深さをリアルタイムに制御す
ることができない。

【０００６】このため、予めエッチングテストを行な
い、実際の光透過性基板エッチングの際に、このテスト
で得た条件に基づいて、時間の制御でエッチングする方
法が用いられる。しかし、この方法では、基板材料のば
らつきやエッチングチャンバー内の雰囲気の変動でテス
ト条件の再現性が悪く、変動要因を管理し再現性を得よ
うとすると管理のコストが増大する欠点があった。

【０００７】更に、従来技術で溝が深い回折パターンを
得ようとすると、光透過性基板が一般的にエッチングの
遅いバルク状のガラスであることと、通常、レジストが
ガラスをエッチングするガスに対してエッチングされ易
い、即ちエッチングガスの光透過性基板とレジストに対
する選択比は悪くなることから、レジストを厚く形成し
ておかなければならなかった。

【０００８】しかし、このようにレジストマスクが厚く
なると、エッチング進行中に生じるエッチングガスと光
透過性基板との反応生成物が形成されつつある溝の外に
排気されにくくなり、光透過性基板のパターンごとの側
壁直角度を悪くし、設計値を高精度に再現することがで
きない。従って、このような状態で形成されたＢＯＥで
は、光学系において回折効率の悪化を招いてしまう。同
様な理由により、微細パターンを形成する場合も、レジ
ストが厚いことで、回折効率の良いものは得られなかっ
た。また、深さ（回折効率）の規格をはずれた不良品
は、研磨以外に再生がきかず、結果的にコスト高のもの
になってしまうという問題も生じる。

【０００９】本発明は、上記問題点を鑑み、実用性の高
い高精度のＢＯＥおよびこれを安定して製造する方法を
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本願請求項１に記載した発明に係るバイナリーオプ
ティクスでは、基板上に、断面が階段状の回折パターン
が形成されたバイナリーオプティクスにおいて、前記回
折パターンが、透明層とエッチングストッパ層との順序
で積層された階層構造を有しているものである。

【００１１】また、請求項２に記載の発明に係るバイナ
リーオプティクスの製造方法では、光透過性の基板上
に、波長λの光束に対する屈折率ｎの透明層とエッチン
グストッパ層との順序で積層された階層構造を有する回
折パターンが断面階段状に形成されたバイナリーオプテ
ィクスの製造法であって、前記基板上に第一のストッパ
層を形成し、その上層に第一の透明層を形成し、該第一
の透明層の予め定められた領域を厚み方向に前記第一の
ストッパ層が露出するまで除去するリソグラフィ工程ａ
と、前記第一の透明層の残存部分の上部のみに、該第一
の透明層との合計での厚みの光学的距離がλ／２（ｎ−
１）となるよう第二のストッパ層を形成する工程ｂと、
前記第一のストッパ層の露出部分と第二のストッパ層の
上部との全面に第二の透明層を形成し、第一のストッパ
層の露出部分と第二のストッパ層の上部の夫々の部分に
おいて、第二の透明層の予め定められた領域を厚み方向
に各々の下層にあるストッパ層が露出するまで除去する
リソグラフィ工程ｃと、を備えたものである。

【００１２】また、請求項３に記載の発明に係るバイナ
リーオプティクスの製造方法では、請求項２に記載のバ
イナリーオプティクスの製造方法において、前記第二の
透明層の残存部分の上部のみに、該第二の透明層との合
計での厚みの光学的距離がλ／４（ｎ−１）となるよう
第三のストッパ層を形成する工程ｄと、前記第一のスト
ッパ層と第二のストッパ層の露出部分、並びに第三のス
トッパ層の上部の全面に第三の透明層を形成し、第一の
ストッパ層と第二のストッパ層の露出部分、並びに第三
のストッパ層の上部の夫々の部分において、前記第三の
透明層の予め定められた領域を厚み方向に各々の下層に
あるストッパ層が露出するまで除去するリソグラフィ工
程ｅと、を更に備えたものである。

【００１３】

【作用】本発明は、上記のように構成されているため以
下の作用を奏する。まず、請求項１に記載した発明で
は、光透過性の基板上に、透明層とエッチングストッパ
層との順序で積層された階層構造を有する回折パターン
が断面階段状に形成されたバイナリーオプティクスであ
るため、回折パターンの凹凸構造において、最下段であ
る凹部の基板に対して凸部を基板とは異なる部材を適宜
選択して用いることができる。即ち、基板と材質の異な
る透明層に、マスクパターンとの選択比がよいエッチン
グガスを用いうるような材質を選択することができる。
これにより、ＢＯＥぼ回折パターンを形成するための透
明層のエッチングの際には、マスクとして厚いレジスト
パターンを用いる必要がなくなり、従来のようにエッチ
ングにより形成される溝にエッチングガスとの反応生成
物が残ることなく、パターンの側壁直角度も良好であ
る。

【００１４】また、基板と透明層の間には、エッチング
ストッパ層が設けられているので、透明層のエッチング
の際には、透明層をオーバーエッチングしてもこのエッ
チングストッパ層でエッチングの進行が止められ、光透
過性基板をエッチングすることなく、正確なエッチング
深さ（透明層の膜厚に相当する）が形成される。従っ
て、本発明によるＢＯＥは、設計値を高精度に再現した
パターンを持つものである。

【００１５】また、請求項２に記載したＢＯＥの製造方
法では、リソグラフィ工程ａにて、光透過性の基板上
に、第一のストッパ層、さらにその上層に第一の透明層
（波長λの光束に対する屈折率ｎ）を形成し、該第一の
透明層の予め定められた領域を厚み方向に第一のストッ
パ層が露出するまで除去し、工程ｂにて、前記第一の透
明層の残存部分の上部のみに、該第一の透明層との合計
での厚みの光学的距離がλ／２（ｎ−１）となるよう第
二のストッパ層を形成し、リソグラフィ工程ｃにて、前
記第一のストッパ層の露出部分と第二のストッパ層の上
部との全面に第二の透明層を形成し、第一のストッパ層
の露出部分と第二のストッパ層の上部の夫々の部分にお
いて、前記第二の透明層の予め定められた領域を厚み方
向に各々の下層にあるストッパ層が露出するまで除去す
るものであり、以上の工程によって。少なくとも、透明
層とエッチングストッパ層との順序で積層された階層構
造４段の回折パターンからなるＢＯＥを製造することが
できる。

【００１６】以上のような本発明のＢＯＥ製造工程の手
順を、図３をもって、２段数分の階層構造を形成する工
程を例に以下に説明する。まず、波長λの光束に対する
屈折率ｎの光透過性の基板１１上に、エッチングストッ
パ層１２、その上に透明層１３を形成する。透明層１３
を設計値のパターンに応じてエッチングするに先立っ
て、透明層１３に対するマスクを形成する必要があるの
で、透明層１３上に、マスクとなるべきＣｒなどの金属
層１４と、金属層１４に所定のパターンを転写してマス
クパターンを形成するためのレジスト層１５を積層する
（ａ）。

【００１７】次に、設計値の回折パターンに対応するレ
チクルパターン１６をマスクとしてレジスト層１５に露
光光１７を照射し（ｂ）、現像してレジストパターン１
８を形成する（ｃ）。さらに、このレジストパターン１
８をマスクとして金属層１４をエッチング（ｄ）してマ
スクパターンを転写した後レジストを取り除く（ｅ）。

【００１８】この金属パターンをマスクとし、透明層１
３に対して反応性イオンエッチング２０により、ストッ
パ層１２までエッチングを行う。ここで、エッチング深
さは透明層１３表面からストッパ層１２までの距離とな
るので、予め、ストッパ層１２上に透明層１３を形成す
る際に、透明層１３の膜厚を所望のパターン深さになる
よう設定しておけばよい。

【００１９】以上のように、本発明の工程ａによって、
透明層とエッチングストッパ層との順序で積層された階
層構造を有する回折パターンが断面２段の階段状に形成
されたバイナリーオプティクスが得られる。このよう
に、本発明の製造方法によれば、透明層のエッチングは
ストッパ層でその進行が止まるため、従来のように、予
めテストエッチングを行って、その条件結果に従ってエ
ッチングの時間的制御等を行う必要ばなくなり、基板材
料のばらつきや反応性イオンエッチングのチャンバー内
の雰囲気の変動があっても、ストッパ層が露出するよう
多少のオーバーエッチングを行うことで、所望のエッチ
ング深さを再現性良く形成できる。

【００２０】さらに、透明層をエッチングする際のマス
クにレジストパターンを用いる必要もなくなるので、透
明層用のエッチングガスに対して透明層との選択比が高
く、また反応生成物がない材質をマスク層として選択す
ることができる。これによって、マスク層自身は膜厚を
薄くでき、また従来のようなマスクパターンへのイオン
衝撃などのダメージによる削れや、反応生成物によるパ
ターン側壁直角度の不良も生じない。このように、本発
明の製造方法によれば、従来になく容易なエッチング工
程でありながら、安定で再現性の高いエッチングが可能
であり、高精度なＢＯＥを製造することができる。

【００２１】なお、以上の説明では、回折パターンの階
層構造の段数２段までを形成す工程を示したが、さらに
段数を高くするには、請求項２に記載した如く、工程ｂ
において、工程ａで形成された階層構造の最上層（透明
層）上に第二のエッチングストッパ層を形成したのち、
工程ｃにて、露出している第一のストッパ層および第二
のストッパ層上全面に第二の透明層を形成し、それぞれ
のストッパ層上の透明層に関して一部領域をエッチング
すれば、４段の階層構造を持つ回折パターンが形成でき
る。

【００２２】この時、第一の透明層と第二のストッパ層
との合計の厚さの光学的距離、即ち光路差が、λ／２
（ｎ−１）となるよう設定する。ここで、第一の透明層
および第二のストッパ層の各々の厚さ設定について以下
に述べる。まず、透明層の屈折率ｎ、ストッパ層の屈折
率ｎ_S 、第一の透明層の厚さをｄ₁ 、第二のストッパ層
の厚さをｄ_S1としたとき、第一の透明層と第二のストッ
パ層の合計の厚さＤ₁ ＝λ／２（ｎ−１）は以下の式で
表せる。 ｎＤ₁ ＝ｎｄ₁ ＋ｎ_S ｄ_S1 従って、 ｄ_S ＝ｎ（Ｄ₁ −ｄ₁ ）／ｎ_S …(1) 式 を、満たすように両層の厚さを設定すれば良い。

【００２３】周知の如く、ＢＯＥは階層構造の段数が多
くなるほど回折効率が高くなる。例えば図４に示すよう
な２段構造（ａ）であれば回折効率は４０％、４段構造
（ｂ）で８０％、８段構造（ｃ）で９５％、さらに１６
段では９９％の回折効率となる。従って、回折効率の点
からはＢＯＥには多段のものが望まれている。

【００２４】そこで、更に、本発明の製造方法におい
て、上記工程ａ、工程ｂ、工程ｃによってる形成された
４段の階層構造をさらに多段にするには、請求項３に記
載したごとく、工程ｄにて、第二の透明層の残存部分の
上部のみに、該第二の透明層との合計での厚みの光学的
距離がλ／４（ｎ−１）となるよう第三のストッパ層を
形成し、リソグラフィ工程ｅにて、第一のストッパ層と
第二のストッパ層の露出部分、並びに第三のストッパ層
の上部の全面に第三の透明層を形成し、第一のストッパ
層と第二のストッパ層の露出部分、並びに第三のストッ
パ層の上部の夫々の部分において、前記第三の透明層の
予め定められた領域を厚み方向に各々の下層にあるスト
ッパ層が露出するまで除去する。

【００２５】以上の工程によって、８段の階層構造を持
つＢＯＥが得られる。この時、各々第二の透明層の厚み
ｄ₂ と第三のストッパ層の厚みｄ_S2は、以下の式を満た
すように設定すれば良い。 ｄ_S2＝ｎ（Ｄ₂ −ｄ₂ ）／ｎ_S …(2) 式 （但し、Ｄ₂ ＝λ／４（ｎ−１）：第二の透明層と第三
のストッパ層との合計での厚み）

【００２６】このように、本発明によるＢＯＥの製造方
法は、基板上に、エッチングストッパ層と透明層とを積
層し、エッチングするという工程を繰返すことによっ
て、階層構造の段数を増やしていくことができる。

【００２７】なお、本発明の製造方法によって製造され
るＢＯＥの性能は、各階層構造を構成するエッチングス
トッパ層と透明層との膜厚に依存することになる。従っ
て、これらの膜厚は、光学計算によって、回折効率など
の条件を満足させるよう求め、光透過性基板上に正確に
この膜を形成することが重要である。そこで、これらス
トッパ層や透明層の膜形成は、例えば真空蒸着法などを
用いた場合、光電式膜厚計や水晶式膜厚計を利用して高
精度に膜厚コントロールしつつ、連続形成すれば、正確
な膜厚のエッチングストッパ層および透明層が形成でき
る。

【００２８】また、透明層、エッチングストッパ層とし
て用いる材質は、そのＢＯＥの目的とする光を透過する
ものであれば良いが、エッチングストッパ層には、透明
層に対して用いるエッチングガスに殆ど影響されないで
エッチングの進行を止められるものでなければならな
い。例えば、透明層には、ＳｉＯ₂ 膜、ＳｉＯ膜、Ｓｉ
₃ Ｎ₄ 膜などが使用可能であり、エッチングストッパ層
にはＡｌ₂ Ｏ₃ 膜やＺｒＯ₂ 膜、ＨｆＯ₂ 膜などが考え
られるが、これらの種類や組合せは適宜選択する。

【００２９】また、透明層をエッチングする際のマスク
として用いられ、回折パターンに相当するレチクル、及
びレジストパターンが転写されるマスク層用部材には、
透明層用のエッチングガスの影響を受けにくく、エッチ
ングガスとの反応生成物があまり生じないもの、即ち透
明層との選択比が高いものが良い。このようなマスク層
であれば、前述したように、従来に比べ膜厚を薄く設定
できる。またマスクパターン形成のために微細加工が容
易なものがさらに望ましい。具体的には、例えばＣｒや
Ｃｒ₂ Ｏ₃ が挙げられる。特にＣｒをマスクにした場
合、反応性ドライエッチング装置に基板を入れたまま、
Ｃｒエッチング・レジスト除去・ＳｉＯ₂（透明層）エ
ッチングが、条件を変えて連続的に行なえる。またＣｒ
はＳｉＯ₂膜の反応性イオンエッチング条件に対して選
択比が高いので薄くできる。

【００３０】なお、通常、製造されたＢＯＥの表面に
は、反射防止膜が形成される。これは、反射防止膜が設
けられていない素子の表面では、入射光のうち約４％の
光が反射されてしまい、この反射光はフレア、ゴースト
といった障害を起こしやすく、回折効率を低下さえるこ
とから、これらを防ぐためには反射防止膜を成膜するこ
とが望ましい。

【００３１】従来のＢＯＥでは、表面が同一部材からな
るため、用いる反射防止膜の特性の選択に問題はない
が、本発明によるＢＯＥでは、回折パターンの凹部で空
気と接するエッチングストッパー層と、凸部で空気と接
する透明層とで屈折率等光学的に異なる２つの表面を持
っているため、反射防止膜の特性が、一方には有効であ
るが他方については効果がないという状態も生じ得る。

【００３２】従って、このような本発明のＢＯＥ表面に
成膜する反射防止膜は、いずれの表面でも低反射が可能
な様に膜設計された反射防止膜を施すことが好ましい。
もちろん凹部表面と凸部表面とでそれぞれに対応した膜
を別個に形成してもよいが、両表面において反射防止効
果を有する同一の膜を全面に形成する方が工程として容
易である。

【００３３】

【実施例】以下、本発明を実施例をもって説明する。本
実施例は、波長λ＝６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザ
ーを光源とし、±１次回折光と透過０次光との理論上の
最大回折効率が９５％となるような、８段階層構造を持
つＢＯＥを製造するものであり、図１に、各製造工程に
おけるＢＯＥの一部の状態を断面図で示した。

【００３４】光透過性基板０には、外径６０ｍｍ、厚さ
１０ｍｍの光学研磨された高純度合成石英を用意し、こ
の基板０上に、屈折率ｎ_S ＝１．６７のＡｌ₂ Ｏ₃ 膜か
らなる第一のエッチングストッパ層Ａを、さらに屈折率
ｎ＝１．４６１のＳｉＯ₂ 膜からなる第一の透明層１を
それぞれイオンビームアシスト蒸着を施して形成した
（ａ）。さらに連続して第一の透明層１上に電子ビーム
蒸着法でＣｒ膜を５０ｎｍで作製した。

【００３５】各層の膜厚制御は、エッチングストッパ層
Ａと透明層１は光電式膜厚計と水晶式膜厚計の併用で、
屈折率の変動を抑えながら所定の±１％以内に膜厚が入
るように形成し、Ｃｒ膜は水晶式膜厚計で±３％以内に
膜厚が入る様に形成した。

【００３６】次に、上記第一のストッパ層Ａと第一の透
明層１上にＣｒ膜が形成された基板上に光学マスクを形
成する製造方法を説明する。まず、Ｃｒ膜上にＯＦＰＲ
−８８００（東京応化工業社製）のレジストをスピンコ
ーティングなどの塗布法で塗布し、加熱乾燥処理を施
し、厚さ０．５μｍ程度のレジスト層を形成する。続い
て、所望のＢＯＥの回折パターンに応じて８段階層構造
のうちの２段構造に対応するパターンの施されているレ
チクルを使用して、第一の透明層１上のレジストを露
光、現像することにより第一のレジストパターンを作製
する。

【００３７】第一のレジストパターンが形成された基板
を反応性イオンエッチング装置に入れて、該装置内のチ
ャンバー内を３×１０^-5Ｔｏｒｒまで排気し、Ｃｒをエ
ッチングするために、有機塩素ガスとＯ₂ が１：１の混
合ガスをチャンバー内に導入し、３×１０^-1Ｔｏｒｒと
する。この状態で、チャンバーの平行電極内に１３．５
６ＭＨｚの高周波を１００Ｗ印加し、５分間Ｃｒを第一
のレジストパターンに応じてエッチングする。

【００３８】Ｃｒエッチングの後レジスト除去のため、
チャンバー内を３×１０^-5Ｔｏｒｒまで排気し、Ｏ₂ の
みを導入し、２×１０^-1Ｔｏｒｒとし、５０Ｗで１０分
間、レジスト灰化除去を行なう。以上の操作によってＣ
ｒ膜にレジストパターンが転写されたことになる。

【００３９】続いて、このＣｒパターンをマスクとし、
空気面に接した第一の透明層１をエッチングするため、
再びチャンバー内を３×１０^-5Ｔｏｒｒまで排気し、Ｃ
ＨＦ₃ とＯ₂ が１０：１の混合ガスをチャンバー内に導
入し、３×１０^-2Ｔｏｒｒとする。この状態で、５０Ｗ
のＲＦ電力を印加し、９０分間第一の透明層１のＳｉＯ
₂ をエッチングする。

【００４０】エッチング終了後、チャンバー内を３×１
０^-3Ｔｏｒｒまで排気した後、チャンバー内に大気を導
入し、ＢＯＥ基板を取り出す。続いて、硝酸第二セリウ
ムアンモニウムと、過塩素酸の混合液でできているＣｒ
エッチング液でマスクであるＣｒを除去し、純水リンス
と乾燥工程を経て完成する。以上の工程により、一部第
一のエッチングストッパ層Ａが露出した状態で、第一の
透明層パターン１ａが形成された（ｂ）。

【００４１】このように、形成された第一の透明層パタ
ーン１ａの上部のみにＡｌ₂ Ｏ₃ 膜を蒸着し、第二のエ
ッチングストッパ層Ｂを形成した（ｃ）。これは、例え
ば露出した第一のストッパ層Ａ上にはレジストを塗布し
ておき、このレジストごとその上のＡｌ₂ Ｏ₃ を除去す
るなどの方法によって第一の透明層パターン１ａ上部の
みに第二のエッチングストッパ層Ｂを形成できる。この
時点で、２段階層構造のパターンが形成されている。こ
のとき、上段凸部を構成する第一の透明層パターン１ａ
の厚さｄ₁ および第二のストッパ層Ｂの厚さｄ_SBは、
(1) 式から以下の条件を満たすよう設定される。但し、
両層の合計厚さはＤ₁ ＝λ／２（ｎ−１）＝６３２．８
／２（１．４６１−１）ｎｍ ｄ_SC＝ｎ（Ｄ₁ −ｄ₁ ）／ｎ_S ＝５９７．１１−０．８
７ｄ₁ （ｎｍ）

【００４２】さらに、図１（ａ）に示した場合と同様の
手法により、露出している第一のストッパ層Ａと、第二
のストッパ層Ｂとの表面上に、第二の透明層２を形成し
（ｄ）、さらに連続して第二の透明層２上に電子ビーム
蒸着法でＣｒ膜を５０ｎｍで作製した。Ｃｒ膜上にＯＦ
ＰＲ−８８００レジストをスピンコーティング塗布し、
加熱乾燥処理を施し、厚さ０．５μｍ程度のレジスト層
を形成する。続いて、所望のＢＯＥの回折パターンに応
じて８段階層構造のうちの４段構造に対応するパターン
の施されているレチクルを使用して、第二の透明層２上
のレジストを露光、現像することにより第二のレジスト
パターンを作製する。

【００４３】この第二のレジストパターンをマスクとし
て、第二の透明層２上のＣｒ膜をエッチングすることに
よってパターンを転写した後、第二のレジストパターン
を取り除いた。次に、このＣｒパターンをマスクとし
て、第一の透明層１のエッチング工程と同様の条件で、
第二の透明層２の反応性イオンエッチングを行ない、第
二の透明層パターン２ａを形成した（ｅ）。

【００４４】次に、第二の透明層パターン２ａ上部のみ
に、Ａｌ₂ Ｏ₃ 膜を蒸着し、第三のエッチングストッパ
層Ｃを形成した（ｆ）。この時点で、４段階層構造のパ
ターンが形成されている。このとき、第二階層段および
最上部の第４階層段を構成する第二の透明層パターン２
ａの厚さｄ₂ および第三のストッパ層Ｃの厚さｄ_SCは、
(1) 式から以下の条件を満たすよう設定される。但し、
両層の合計厚さはＤ₂＝λ／４（ｎ−１）＝６３２．８
／４（１．４６１−１）ｎｍ ｄ_SC＝ｎ（Ｄ₂ −ｄ₂ ）／ｎ_S ＝２９６．６３−０．８
７ｄ₂ （ｎｍ）

【００４５】さらに、上記の４段階層構造を形成するま
でと同様の工程を繰返して８段階層構造のパターンを形
成した。即ち、露出している第一のストッパ層Ａ、第二
のストッパ層Ｂ、および第三のストッパ層Ｃの表面上全
面に第三の透過層３を形成し（ｇ）た。これら第三の透
過層３上にＣｒ膜、レジスト層を形成した後、８段階層
構造の回折パターンに対応するレチクルパターンを用い
て、パターンをレジスト、さらにＣｒ膜に順次転写し、
これによって形成されたＣｒパターンをマスクとして第
三の透明層３に反応性イオンエッチングを行ない、第三
の透明層パターン３ａを形成した（ｈ）。

【００４６】この第三の透明層パターン３ａを最上段と
してリソグラフィ工程を終了する場合、この第三の透明
層３の膜厚ｄ₃ はそれ以上ストッパ層を形成しないこと
から、ｄ₃ ＝Ｄ₃ ＝λ／８（ｎ−１）＝６３２．８／８
（１．４６１−１）＝１７１．５８ｎｍと設定する。

【００４７】以上の製造工程によって、図１（ｉ）に示
すような８段階層構造の回折パターンを持つＢＯＥが得
られた。なお、さらに多段のＢＯＥとする場合、同様
に、第４のストッパ層を形成したうえで第４の透明層を
形成し、これを反応性イオンエッチングによってパター
ニングすれば、１６段階層構造の回折パターンを持つＢ
ＯＥを製造することができる。この時、最上段の透明層
の厚さｄ₄ は、ｄ₄ ＝Ｄ₄ ＝λ／１６（ｎ−１）＝６３
２．８／１６（１．４６１−１）＝８５．２４ｎｍと設
定する。

【００４８】なお、ここで、上記実施例と同じ光透過性
基板である、外径６０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの光学研磨さ
れた高純度合成石英を１０枚用意し、この基板上に、エ
ッチングストッパ層としての屈折率ｎ_S ＝１．６７のＡ
ｌ₂ Ｏ₃ 膜を１８９．５ｎｍ、その上に透明層としての
屈折率ｎ＝１．４６１のＳｉＯ₂ 膜を６８６．３ｎｍの
膜厚でそれぞれイオンビームアシスト蒸着を施して形成
し、レジストパターン及びＣｒを用いた実施例との同様
の工程、同じ条件にて透明層に対する反応性イオンエッ
チングを行ない、各基板１０枚についてエッチング状況
を検討してみた。結果を以下に示す。

【００４９】まず、表１に、上記の実施例において行な
った反応性イオンエッチングと同じ条件での各物質層の
エッチングレートを示す。

【００５０】表１から明らかなように、エッチングマス
クとして用いるＣｒ及びエッチングストッパ層として用
いるＡｌ₂ Ｏ₃ は、透明層として用いるＳｉＯ₂ に対し
て１１０倍の選択比が得られている。つまり、ＳｉＯ₂
を保護するＣｒマスクは、９０分間でやっと９ｎｍエッ
チングされる程度であり、上記実施例で膜厚５０ｎｍと
したＣｒ膜は十分にマスクとしての役割を果たせるもの
であることがわかる。

【００５１】

【表１】

【００５２】また、光透過性基板としての石英ガラスを
保護し、深さ方向に対するストッパ層であるＡｌ₂ Ｏ₃
は、ＳｉＯ₂ のエッチングが完了する６２．５分後から
２７．５分間、エッチング雰囲気にさらされ、２．７５
ｎｍエッチングされる。つまり、このような反応性イオ
ンエッチングでは、透明層の理論深さ６８８．３ｎｍに
対して０．４％程度の誤差が生じるものあり、回折効率
や反射防止特性に与える影響はほとんど無いといえる。
以上の如きＢＯＥの製造方法は、ＳｉＯ₂（透明層）エ
ッチング時のオーバーエッチング時間を、更に少なくす
るか、ＳｉＯ₂ イオンビームアシスト蒸着の膜厚設定を
少なくすることにより、更に理論値に近づけることがで
きる製造方法である。

【００５３】また、基板１０枚についての結果は、透明
層の深さ理論値である６８８．３ｎｍに対して＋５％以
内に１０枚とも入っていることが実際に確認できた。こ
の結果により、イオンビームアシスト蒸着による膜厚コ
ントロールとＳｉＯ₂ エッチングが正しく行なわれてい
ることが立証できた。

【００５４】次に、本実施例にて製造したＢＯＥの表面
に製膜した反射防止膜について以下に示す。この反射防
止膜は、図２（ａ）に垂直断面で示したように、ＳｉＯ
₂ 、ＺｒＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ の３層構成をもつものであ
る。この反射防止膜は、図２（ｂ）に示すような分光反
射率特性を持つものである。この反射防止膜を、光透過
性基板＋Ａｌ₂ Ｏ₃ （ストッパ層）表面と、光透過性基
板＋Ａｌ₂ Ｏ₃ ＋ＳｉＯ₂ （透明層）表面に製膜したと
きの総合反射率特性を、それぞれ図２の（Ｃ）、（ｄ）
に示す。

【００５５】２段階層構造のＢＯＥにおいては、ストッ
パー層であるＡｌ₂ Ｏ₃ の膜厚はｎ_S ｄ_S ＝λ／２（λ
＝６３３ｎｍは設計中心波長）であり、また、透明層で
あるＳｉＯ₂ 層はｎｄ＝λ／２（ｎ−１）である。膜設
計上、これらの膜厚は、不在層とみなすことができる。
そのため、両表面に対しては、同一の反射防止膜（図２
（ａ））で対応することが可能となる。

【００５６】なお、本発明のＢＯＥの表面に形成する反
射防止膜は、図２（ａ）に示した３層構成の反射防止膜
に限定されるものではない。たとえば、通常Ｖコートと
呼ばれる２層構成の反射膜や、更に層数の多い反射防止
膜での対応が可能である。

【００５７】また、本発明のＢＯＥ製造方法において、
基板上にストッパ層および透明層、また反射防止膜を積
層形成する際には、上記本実施例のように、イオンビー
ムアシストなどの蒸着法による製膜が好ましい。反射防
止膜は、凹凸のある表面に製膜させるものであるので、
膜にある程度の付着力（密着力）や膜強度がなければ表
面から剥離して、問題となる。また、ストッパー層であ
るＡｌ₂ Ｏ₃ 膜や、透明層であるＳｉＯ₂ 層は、エッチ
ングや薬品に浸漬させるなどの加工プロセスを取るた
め、膜溶解のような問題が発生する可能性がある。しか
し、これらの膜形成にイオンビームアシスト蒸着を適用
すると、これにより形成された膜の付着力（密着力）
や、膜強度が向上し、また膜が緻密になるため、耐薬品
性に優れるなど有利な点が多い。このほか通常の真空蒸
着法、イオンビームスパッタ法、スパッタ法、イオンプ
レーティング法などが適用できる。

【００５８】なお、本実施例で使用した光透過性基板、
透明層、エッチングストッパ層、また反射防止膜は、用
いた光源の波長が、６３２．８ｎｍであることから選択
されたものであり、これらの各層（膜）に用いる材質や
特性は、使用する光の波長に応じてそれぞれ各層の作用
を発揮し得るものを適宜選択してやれば良い。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
正確に膜厚コントロールされたエッチングストッパ層と
透明層が形成でき、また透明層に対してエッチングガス
の選択比が高いものをエッチングマスクとして選択でき
るので、透明層のエッチング時に、正確な時間制御を必
要としないで安定で容易な製造工程にて、設計値が高精
度に再現された高品質のＢＯＥが高い生産効率で製造で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による８段階層構造を持つバ
イナリーオプティクス（ＢＯＥ）の製造方法を示す説明
図であり、（ａ）〜（ｉ）は各工程におけるＢＯＥの断
面図である。

【図２】本発明の一実施例にＢＯＥの表面に形成された
反射防止膜であり、（ａ）は断面構成図であり、（ｂ）
〜（ｄ）は（ａ）に示した反射防止膜の反射率特性を示
す線図である。

【図３】本発明のＢＯＥ製造方法を説明する工程図であ
り、（ａ）〜（ｈ）は各工程二置けるＢＯＥの断面構成
図である。

【図４】（ａ）〜（ｃ）まで各々異なる段数のＢＯＥを
示す模式図である。

【図５】従来技術によるＢＯＥの製造工程を示す説明図
である。

【符号の説明】

０，１１：光透過性基板 １，２，３、１３：透明層 Ａ，Ｂ，Ｃ，１２：エッチングストッパ層 １４：Ｃｒ膜 １５：レジスト膜 １６：レチクル １７：紫外線 １８：レジスト（マスク）パターン １９：Ｃｒマスクパターン ２０：反応性イオンエッチング、またはイオンビームエ
ッチング １１：回折パターン １２：反射防止膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光透過性の基板上に、断面が階段状の回
   折パターンが形成されたバイナリーオプティクスにおい
   て、 前記回折パターンが、透明層とエッチングストッパ層と
   の順序で積層された階層構造を有していることを特徴と
   するバイナリーオプティクス。
2. 【請求項２】 光透過性の基板上に、波長λの光束に対
   する屈折率ｎの透明層とエッチングストッパ層との順序
   で積層された階層構造を有する回折パターンが断面階段
   状に形成されたバイナリーオプティクスの製造方法であ
   って、 前記基板上に第一のストッパ層を形成し、その上層に第
   一の透明層を形成し、該第一の透明層の予め定められた
   領域を厚み方向に前記第一のストッパ層が露出するまで
   除去するリソグラフィ工程ａと、 前記第一の透明層の残存部分の上部のみに、該第一の透
   明層との合計での厚みの光学的距離がλ／２（ｎ−１）
   となるよう第二のストッパ層を形成する工程ｂと、 前記第一のストッパ層の露出部分と第二のストッパ層の
   上部との全面に第二の透明層を形成し、第一のストッパ
   層の露出部分と第二のストッパ層の上部の夫々の部分に
   おいて、前記第二の透明層の予め定められた領域を厚み
   方向に各々の下層にあるストッパ層が露出するまで除去
   するリソグラフィ工程ｃと、を備えたことを特徴とする
   バイナリーオプティクスの製造方法。
3. 【請求項３】 前記第二の透明層の残存部分の上部のみ
   に、該第二の透明層との合計での厚みの光学的距離がλ
   ／４（ｎ−１）となるよう第三のストッパ層を形成する
   工程ｄと、 前記第一のストッパ層と第二のストッパ層の露出部分、
   並びに第三のストッパ層の上部の全面に第三の透明層を
   形成し、第一のストッパ層と第二のストッパ層の露出部
   分、並びに第三のストッパ層の上部の夫々の部分におい
   て、前記第三の透明層の予め定められた領域を厚み方向
   に各々の下層にあるストッパ層が露出するまで除去する
   リソグラフィ工程ｅと、を更に備えたことを特徴とする
   請求項２に記載したバイナリーオプティクスの製造方
   法。