JPH08184707A

JPH08184707A - 回折格子の製造法

Info

Publication number: JPH08184707A
Application number: JP6327956A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kobayashi; 正樹小林; Hiroyuki Asakura; 宏之朝倉; Masanori Iida; 正憲飯田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 1996-07-16

Abstract

(57)【要約】【目的】各種光学機器や部品に使用される回折格子に
おいて、再現性が良く、格子の断面形状の制御が可能で
かつ環境温度の変化に対する特性変動を微小に抑制でき
る回折格子の製造法を提供する。【構成】基板１とターゲット３の間に基板１に対して
距離を離して平行に置かれた１本以上のスリットパター
ンを有するマスク２を利用したレーザアブレーションに
おいて、基板１表面に回折格子の構成凸状部を作製する
形成工程（Ａ）と、基板１もしくはマスク２をスリット
に対して平行に移動させる移動工程（Ｂ）を繰り返すこ
とにより凸状部を連続的に構成し、さらに反応炉内にガ
スを導入することによって任意の格子断面形状を実現
し、ターゲット３として膨張係数の小さい材料を選択し
温度特性を改善する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回折格子の製造法に関
するものであり、特にマスクを利用した薄膜形成法によ
る製造法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光学技術は需要の高まりとともに
さらなる高度化が期待されている。その中で、回折格子
は優れた波長選択性から、合分波器、光チューナーなど
の光通信部品や半導体レーザなどで重要な構成部品とな
っている。

【０００３】以下に、従来の回折格子の製造法について
説明する。回折格子の製造については、機械加工、マス
クエッチング、イオンビーム描画法、干渉露光法などが
代表的手法である。機械加工については、ベースとなる
基板表面に回折格子の溝部分を切削し、これを所望する
範囲にわたって施し、連続的な格子形状を実現するもの
である。一方、マスクエッチングはフォトマスクによっ
て基板表面において空間選択的なエッチングを施し、溝
切りを行なうものである。イオンビーム描画法は、エネ
ルギーを制御したイオンビームを基板上に走査させ、格
子形状化するものである。干渉露光法は、基板上に感光
性のフォトレジストを塗布し、二光束干渉露光によりフ
ォトレジスト表面に回折格子を作製する。

【０００４】一方、レーザアブレーションは、レンズな
どで集光したレーザ光を薄膜材料となる固体ターゲット
表面に高エネルギー密度で照射し、ターゲット表面から
蒸発した材料の原子・分子を対向する基板上に堆積する
薄膜形成法である。この方法では、他の薄膜堆積法のよ
うな基板の加熱を行なわなくても、形成膜の緻密さ、密
着性、組成などの特性を劣化させることなく膜形成する
ことができるため、内部応力に起因する形成膜の歪みを
抑制することができる。これまでには、金属マスクを基
板に密着させたパターン化形成が試みられているが、回
折格子の製造法としては利用されていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の構成の機械加工では微小な回折格子の凹凸形状を
精度良くかつ再現性良く作製することは困難であった。
一方、エッチングによる方法では、矩形状、鋸波状もし
くはこれらに類似する形状など、作製できる格子の断面
形状に制限があり、回折効率を決定する回折格子の断面
の凹凸形状を任意に制御することが困難であった。従っ
て、高効率かつ偏光依存性の少ない回折格子を製造でき
ないという問題点を有していた。回折効率は、回折格子
の断面形状に依存するため、高い回折効率を得るために
は形状制御が不可欠である。また、干渉露光による方法
では、格子を構成する材料が比較的膨張係数の大きい高
分子性のフォトレジストであったため、環境温度の変化
に対して格子定数、形状の変化を引き起こし、最初に設
定した特性が保証されないという問題を有していた。つ
まり、従来のいずれの方法でも凹凸形状を精度良く再現
性良く、かつ断面形状の制御が可能で、環境温度の変化
に対して特性変動の少ないという条件を満たす回折格子
の製造法に適さなかった。本発明は上記従来の問題点を
解決するもので、マスクを使用したレーザアブレーショ
ンによる回折格子の製造法を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の回折格子の製造法は、基板とターゲット間に
スリットパターンを有するマスクを配置しパターン化を
行うものであり、レーザ光によってターゲット材料をア
ブレーションし、さらに反応炉内にガスを導入すること
で形状を制御する前記の方法を行ない、ターゲット材料
を適切に選択するよう構成したものである。

【０００７】

【作用】この構成によって、マスクを使用したレーザア
ブレーションを行なうと、ターゲットから飛翔した材料
原子分子をマスクのパターンにより選択的に遮断しスリ
ット部分のみ材料を通過させるため、マスクパターンに
対応して基板上にパターン化された形成膜を得ることが
できる。ゆえに、このパターン化した形成膜を回折格子
を構成する凸状部として形成したのち、基板もしくはマ
スクを平行移動させ上記方法と同様にパターン化形成膜
を作製するというサイクルを繰り返すことによって、基
板上に個々が同じ形状を有する凸形状が連続した構成が
得られ、回折格子を製造することが可能になる。さら
に、反応炉内にガスを導入した場合、ターゲットから飛
翔した材料が基板に到達する前にガス分子との衝突でラ
ンダムに進行方向を屈折されて分散するため、マスクを
通過して基板状に形成された膜は中心部にピークを持っ
た厚さ分布の形状が得られる。このとき、導入したガス
の背圧、スリットの幅、マスクと基板との距離によっ
て、形成される膜の厚さ分布が制御できるため、所望す
る形状の回折格子の作製を実現することができる。ま
た、レーザアブレーションのターゲットとして石英系材
料などの低い膨張係数を有する材料を利用すれば、その
まま回折格子を構成する材料とすることができる。

【０００８】

【実施例】

（実施例１）以下本発明の一実施例について、図面を参
照しながら説明する。

【０００９】図１は本発明の実施例１を示す構成図であ
る。図１において、１は基板、２はパターンを有するマ
スク、３はターゲット、４はパターン化形成膜、５はレ
ーザ光である。基板１は形成膜の材料となるターゲット
３と対向して平行に設置し、マスク２はターゲット３と
基板１の間に基板１から距離を置いて平行に設置する。

【００１０】基板１もしくはマスク２は相対的な位置を
変化させることのできる一次方向の移動機構を有する。
レーザアブレーションを行なう際には、法線方向より傾
いた方向からターゲットにアブレーション効果を誘起さ
せるような光源、例えば連続発振の炭酸ガスレーザなど
のレーザ光が照射される。そして、ターゲット表面から
材料の原子分子が飛び出して対向した基板方向へ飛翔
し、マスクを通過した原子分子が基板上に膜形成する。

【００１１】図２は、実施例１の回折格子の作製を工程
順に示したものである。（Ａ）図２において、１はＢＫ７の基板、２は１本のス
リットをパターンとして有するアルミニウム製のマスク
である。アブレーションによってターゲットから飛翔し
たガラス系材料の原子分子は、基板の手前にあるマスク
２によって選択的に遮断されスリット部分のみ通過する
ことができるため、基板上にはマスクパターンに対応し
たパターン化形成膜４が得られる。このパターン化形成
膜４が回折格子を構成する凸状部となる。

【００１２】（Ｂ）こののち、基板１もしくはマスク２
を所望する回折格子の格子定数だけの長さを平行移動さ
せる。

【００１３】（Ｃ）（Ａ）と同様にパターン化した膜形
成を行なう。（Ｄ）以下、（Ａ）と（Ｂ）の操作を繰り返して、基板
上に連続したパターン化形成膜４が得られるようにす
る。

【００１４】以上のようにパターン化した形成膜を得る
形成工程（Ａ）と、マスクもしくは基板を平行移動させ
る移動工程（Ｂ）の操作を繰り返すことによって、個々
が同形状で平行に連続して並列化された凸形状群が得ら
れ、回折格子を作製することができる。

【００１５】ここで、基板とターゲットの間の距離が、
材料分子の平均自由行程以下になるような条件を満たす
ような反応炉内の背圧である場合、基板上の形成膜のパ
ターンはほぼマスクのパターンを忠実に転写し、図２の
４に示すような断面が矩形状の分布を有する形成膜とな
る。

【００１６】（実施例２）以下本発明の第２の実施例に
ついて図面を参照しながら説明する。図３は本発明の第
２の実施例を示す構成及び工程図である。

【００１７】（Ａ）図３において、１はＢＫ７の基板、
２は距離をおいて平行に置かれたマスクで、以上は図２
の構成と同様なものである。図２の構成と異なるのはマ
スク２が、一定間隔で平行に設定したスリット列をパタ
ーンとして有する点である。このようなマスクを使用し
て形成した膜は、マスクのパターンと同様に一定間隔で
平行な複数の凸状部から構成される形成膜列４となる。

【００１８】（Ｂ）こののち、実施例１と同様に基板１
もしくはマスク２を所望する長さだけ平行移動させる。

【００１９】（Ｃ）（Ａ）と同様にパターン化した膜形
成を行なう。（Ｄ）以下、（Ａ）と（Ｂ）の操作を隣接したスリット
のパターン転写した形成膜が連続になるまで繰り返し
て、基板上に連続したパターン化形成膜列４が得られる
ようにする。

【００２０】以上のように、前記実施例１と同様に形成
工程（Ａ）と移動工程（Ｂ）の操作を繰り返すことによ
って回折格子を作製することができる。

【００２１】この方法では、基板上の広範囲に回折格子
を作製したい場合もしくは所望する格子の本数が多い場
合でも、設定する平行スリットの数を増やすことで上記
繰り返しの回数を大幅に低減することができ、（スリッ
ト列の間隔周期）／（格子定数）回で済むことが可能と
なる。

【００２２】また、スリット列の間隔周期を所望する格
子定数の整数倍になるように設定すれば、隣接するスリ
ットが形成する膜どうしの切り替わり部分で間隔周期が
保存され、基板全体で構成凸状部の連続性が良いものに
なる。

【００２３】（実施例３）以下本発明の第３の実施例に
ついて図面を参照しながら説明する。図４は本発明の第
３の実施例を示す構成及び工程図である。

【００２４】（Ａ）図４において、１はＢＫ７の基板、
２は距離をおいて平行に置かれたマスクで、以上は図２
の構成と同様なものである。図２の構成と異なるのはマ
スク２が、格子定数と同じ間隔周期で設定したスリット
列をパターンとして有する点である。このようなマスク
を使用して形成した膜は、マスクのパターンと同様に格
子定数と同じ間隔周期で平行な複数の凸状部から構成さ
れる形成膜列４となる。

【００２５】（Ｂ）こののち、基板１もしくはマスク２
をスリットに対して垂直に、スリット数と間隔周期の乗
数分の長さを移動させる。

【００２６】（Ｃ）（Ａ）と同様にパターン化した膜形
成を行なう。（Ｄ）以下、（Ａ）と（Ｂ）の操作を繰り返して、基板
上に連続したパターン化形成膜４が得られるようにす
る。

【００２７】以上のように、前記実施例１と同様に形成
工程（Ａ）と移動工程（Ｂ）の操作を繰り返すことによ
って回折格子を作製することができる。

【００２８】この方法では、１回の形成工程（Ａ）で所
望する間隔周期の凸状部を複数個作製することが可能で
ある。このため、広範囲に回折格子を作製したい場合あ
るいは所望する格子の本数が多い場合でも、設定するス
リット列の数を増やすことで、上記繰り返しの回数を大
幅に低減することができ、実施例１に比較して１／（ス
リット列の数）に低減することができる。

【００２９】（実施例４）以下本発明の第４の実施例に
ついて図面を参照しながら説明する。図５は本発明の第
４の実施例を示す構成図である。

【００３０】図５において、１はＢＫ７の基板、２は距
離をおいて平行に置かれたマスクで、以上は図２の構成
と同様なものである。図２の構成と異なるのはマスク２
のパターンが、格子定数と同じ間隔周期で設定したスリ
ット列が所望する数だけ設定されている点である。この
ようなマスクを使用して形成した膜は、１回の形成工程
のみで４に示すような回折格子の作製を実現することが
でき、移動工程を省略することができる。この方法によ
れば、移動工程で使用されるべきマスクもしくは基板を
移動させる機構が不要になる、工程を簡素にすることが
できる、工程時間を大幅に低減することができるという
利点がある。

【００３１】（実施例５）以下本発明の第５の実施例に
ついて図面を参照しながら説明する。図６は本発明の第
５の実施例を示す構成図である。

【００３２】（Ａ）図６において、１はＢＫ７の基板、
２は距離をおいて平行に置かれたマスクで、以上は図２
の構成と同様なものである。図２の構成と異なるのは、
反応炉内にターゲット材料に対して非反応性のガスを導
入している点である。ここで、基板とターゲットの間の
距離が、材料分子の平均自由行程よりも十分に大きくな
る条件を満たすような反応炉内の背圧である場合、ター
ゲットから飛翔した材料の原子分子は直接基板まで到達
することができず、導入したガスとの衝突で進行方向が
屈折され分散される。そして、基板１から距離を離して
平行に設置したマスク２を通過させると、基板上には断
面形状が中心部にピークを持った厚さ分布の形状が得ら
れる。

【００３３】（Ｂ）こののち、実施例１から４のいずれ
かに記載の回折格子の製造法を利用して、所望する回折
格子を作製する。

【００３４】このときの基板上の断面形状は、導入した
ガスの圧力、マスク上のスリット幅、マスクと基板との
距離によって変化する。

【００３５】基板とターゲットの間の距離が材料分子の
平均自由工程よりも十分大きくなる条件を満たすような
反応炉内のガス圧である場合、材料分子と導入ガス分子
との衝突は発生せず、図７（Ａ）のようにスリット幅と
ほぼ同じ幅で矩形状の分布となる。しかし、高いガス圧
であると、ターゲットから基板に到達するまでの衝突の
確率が高くなり回数が増えるため、飛翔する原子分子の
分散の分布が広範囲となる。このため、スリットを通過
して形成された膜の断面形状は図７（Ｂ）のようにスリ
ット幅以上の広範囲に分布し中心に小さい膜厚ピークを
有するものとなる。さらにガス圧が高くなるほど、図７
（Ｃ）のように分布が広範囲に、中心膜厚が小さくな
る。

【００３６】一方、スリット幅については図８に示す通
り、形成膜の幅を支配的に決定している。また、マスク
と基板との距離については、図９に示すような傾向であ
り、マスクを通過した材料原子分子の分散は、距離が長
くなるほど広範囲な形成膜を作製する。

【００３７】また、マスクと基板との距離については、
図９（Ａ）から（Ｃ）に示すような傾向となる。マスク
のスリットで選択遮断された材料は分散する方向へ進行
しているため、距離が長くなるほど広範囲の分布を有す
る薄膜を形成する。

【００３８】以上より、導入したガスの背圧、スリット
の幅、マスクと基板との距離を調節することにより、形
成される膜の膜厚、幅、厚さ分布などの形状が制御でき
るため、任意の断面形状を実現することができる。この
ため、形状、回折効率、偏光依存性等が所望する回折格
子の特性を満足する回折格子の製造法を実現することが
できる。

【００３９】（実施例６）以下本発明の第６の実施例に
ついて図面を参照しながら説明する。図１０は本発明の
第６の実施例を示す構成図である。

【００４０】（Ａ）図１０において、１はＢＫ７の基
板、２は距離をおいて置かれたマスクである。図２の構
成と異なるのはマスク２が基板に対して、スリットの長
手方向に傾けて設置する点である。図中の矢印がスリッ
トの長手方向である。この構成で、実施例１から４のい
ずれかに記載の回折格子の製造法を利用して、所望する
回折格子を作製する。このような基板−ターゲット間の
距離が空間的に変化した構成で、実施例５のように反応
炉内にガスを導入した場合、作製した形成膜４は空間的
に連続に断面形状が変化したものとなる。

【００４１】図１０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、図中のＡ・
Ｂ・Ｃの３つの地点の断面形状を示したものである。マ
スクを傾けたことによって基板−マスク間の距離が１次
的に変化しているため、前記実施例５に説明したとおり
形成膜の分布が変わる。このため、同一基板上で連続に
断面形状が変化する回折格子となる。このようにして製
造した回折格子は、同一基板上の光の入射地点で回折特
性を選択することが可能な特性を実現することができ
る。

【００４２】（実施例７）以下本発明の第７の実施例を
説明する。

【００４３】本実施例では、ターゲットとして、石英系
材料を使用している点である。そして、実施例１から６
のいずれかに記載の回折格子の製造法を利用して、所望
する回折格子を作製する。このような構成で作製した形
成膜は、ターゲットの材料性質をそのまま継承したもの
となる。

【００４４】干渉露光法などで作製した回折格子では、
フォトレジストで構成されているため環境温度の変動に
対して膨張が避けられず、回折格子の特性保証が困難で
ある。しかし、実施例７の場合、基板上に形成される回
折格子の構成凸部は、線膨張係数が１×１０^-6／℃以下
の極めて熱膨張の少ない石英系材料で作製できる。この
ため、環境温度の変動に対して回折格子の特性の変化を
微小に抑制することができる。

【００４５】また、本実施例７と前記実施例４及び５の
方法を組み合わせて、１回の形成工程で所望する回折格
子のパターンが実現できるマスク、ターゲットに石英系
材料を使用し、反応炉内にガスを導入して形成膜の断面
形状の制御を行なえば、簡易な工程で、形成した形状の
再現性がよく、環境温度の変化に対して特性変化を微小
に抑制した任意の形状を実現できる優れた回折格子の製
造法が可能になる。

【００４６】なお、実施例６および７において反応炉内
にはターゲット材料にたいして非反応性のガスを導入し
たが、活性なガスを用いてターゲット材料とガスを合成
させて基板上にパターン化薄膜を形成しても良い。この
場合でも、同様な形成効果が得られる。

【００４７】なお、実施例５および６において形成した
個々の構成凸状部４は隣接したものどうしが重複しない
ようになっていたが、一部が重複する構成になってもよ
い。

【００４８】なお実施例１から６において、ターゲット
の材料としてはガラス材料を用いていたが、アブレーシ
ョン効果がありマスクによる選択形成性を有する材料、
金属、化合物、誘電体材料などであってもよい。

【００４９】また実施例１から７において、レーザ光源
は連続発振の炭酸ガスレーザを用いていたが、アブレー
ション効果を励起させる光源、パルスレーザもしくは他
の発振波長のレーザなどであってもよい。

【００５０】なお実施例１から７において、基板にはＢ
Ｋ７を用いていたが、他のガラス材料、金属、化合物、
誘電体材料であってもよい。望ましくは、熱膨張係数の
小さい石英系材料が良い。

【００５１】なお実施例１から７において、マスクには
アルミニウム製のものを用いたが、ステンレス、銅、チ
タン、タンタル、タングステンなどであってもよい。さ
らに、マスクに所望するパターンを形成する方法として
は、レーザ直描、イオンビーム直描、エッチング、プレ
スなどであってもよい。

【００５２】なお実施例１から７においてはレーザアブ
レーションによる膜形成を行なったが、マスクを利用し
た他の薄膜形成法、スパッタリング、ＭＢＥなどであっ
てもよい。

【００５３】

【発明の効果】以上のように本発明は、基板とターゲッ
トの間に基板に対して距離を離して置かれたスリットパ
ターンを有するマスクを利用したレーザアブレーション
において形成工程と移動工程を繰り返すことにより、凸
状部を連続的に構成する回折格子の製造法を実現し、さ
らに反応炉内にガスを導入してターゲットからの飛翔物
質を分散させることにより、任意の格子断面形状を得る
ことを可能にし、ターゲットの材料として石英系材料を
用いることにより環境温度の変動に対して回折格子の特
性変化を微小に抑制でき、以上これらの方法を組み合わ
せることによって回折効率が高くかつ偏光依存性が小さ
く温度に対する特性依存性の小さい優れた回折格子の製
造法を実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における回折格子の製造法を示
す概略構成図

【図２】（Ａ）〜（Ｄ）は本実施例１の回折格子の製造
工程図

【図３】（Ａ）〜（Ｄ）は本実施例２の回折格子の製造
工程図

【図４】（Ａ）〜（Ｄ）は本実施例３の回折格子の製造
工程図

【図５】本実施例４の回折格子の製造法を示す構成図

【図６】（Ａ）、（Ｂ）は本実施例５の回折格子の製造
法を示す構成図

【図７】本実施例５のガス圧依存性を示す特性図

【図８】本実施例５のスリット幅依存性を示す特性図

【図９】本実施例５の基板−マスク間距離依存性を示す
特性図

【図１０】本実施例６の回折格子の製造法を示す構成図

【符号の説明】１基板２マスク３ターゲット４形成膜５レーザ光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板とターゲットの間に、スリットパター
ンを有するマスクを基板に対して距離を離して設置した
構成において、材料を前記マスクで選択遮断してパター
ン化形成を行なう薄膜形成法によって、前記基板表面に
回折格子の凸状部を作製する形成工程と、前記基板もし
くは前記マスクを平行移動させる移動工程を有し、前記
形成工程と前記移動工程を繰り返すことにより前記凸状
部を連続的に構成することを特徴とした回折格子の製造
法。
【請求項２】薄膜形成法として、レーザアブレーション
法を利用する請求項１に記載の回折格子の製造法。
【請求項３】一定間隔で平行に設定したスリット列をパ
ターンとして有するマスクを使用する請求項１に記載の
回折格子の製造法。
【請求項４】格子定数と同じ間隔周期で設定したスリッ
ト列をパターンとして有するマスクを使用する請求項１
に記載の回折格子の製造法。
【請求項５】反応炉内にガスを導入することを特徴とす
る請求項１から４のいずれかに記載の回折格子の製造
法。
【請求項６】マスクを基板に対して、スリットの長手方
向に傾けて設置することを特徴とする請求項５に記載の
回折格子の製造法。
【請求項７】ターゲットの材料として、石英系材料を用
いることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載
の回折格子の製造法。