JPH1130711A

JPH1130711A - 回折光学素子及びその製造方法及び光学機器

Info

Publication number: JPH1130711A
Application number: JP20236897A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Nakabayashi; 正明中林
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-07-11
Filing date: 1997-07-11
Publication date: 1999-02-02

Abstract

(57)【要約】【課題】異方性ドライエッチングにより多層構造を有
する高精度の回折光学素子を低コストで量産する。【解決手段】２層構造の回折光学素子では、光学的特
性から材料を選択し、第１層と第２層の回折格子それぞ
れの格子構造が所望の形状を得られるよう設計した型を
用いて、加工したい材料の所定の位置に有機性被膜材料
を成形し、異方性ドライエッチングを施して所望の形状
に作成して第１層の回折格子１１とし、分散の大きいＴ
ｉＯ₂ などを蒸着又はスパッタ技術で成膜し、そのＴｉ
Ｏ₂ 膜上に有機性被膜材料を型で成形し、異方性ドライ
エッチングでＴｉＯ₂ を所望の形状に加工して第２層の
回折格子１２とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、使用波長領域の光
束が特定次数に集中する格子構造を有する回折光学素子
及びその製造方法及び光学機器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、光学系の色収差は、分散の異なる
硝材から成る光学素子を組み合わせることによって補正
されており、屈折型光学系ではなく回折型光学系を用い
ることが、ＳＰＩＥＶｏｌ．１３５４（Internationa
l Lens Design Conference１９９０）の第２４〜３７巻
に開示されている。

【０００３】分光特性を有する光学系に回折面を付加す
る場合には、使用する波長領域における回折効率を高く
保つことが重要である。しかし、設計次数以外の次数の
光は、次数が離れるに伴い回折角が大きくなり、焦点距
離の差が増大するためにデフォーカスとして現われ、特
に高輝度の光源が存在する場合には光源回りにサイドロ
ーブが見られることがある。

【０００４】このために、２層構造の回折光学素子を使
用することによって、色収差補正の効果がある光学系に
おいては、使用波長の領域内で設計次数近傍の回折効率
を大幅に低減することができ、画質及び情報にかなりの
品質向上が期待できる。

【０００５】このような２層又はそれ以上の多層構造を
有する回折光学素子を製造するためには、微細加工技術
の代表的なものとして従来から半導体製造工程であるフ
ォトリソグラフィ技術が知られている。これは、フォト
レジストと呼ばれる感光性の樹脂を保護膜として、微細
なパターニングを行ってエッチング加工し、現像された
フォトレジストのパターンを基板に転写する技術であ
る。

【０００６】図１５は従来のフォトリソグラフィ技術に
より、８段構造の階段状格子を製造する手順を示し、工
程(a) においては基板１にスピンナによりフォトレジス
ト２を塗布してパターン露光を行い、工程(b) で現像、
リンス、ポストベークを行い、工程(c) で基板１をエッ
チングしその後に洗浄、剥離する。続いて、工程(d)で
スピンナにより基板１にフォトレジスト２を塗布しパタ
ーン露光を行い、工程(e) 、(f) で現像、リンス、ポス
トベークを行い、以後工程(g) 〜(i) を繰り返して、
(j) に示すような８段構造の回折光学素子が形成され
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来例においては、所望の光学的性能を有する２層構造の
回折光学素子を作成するための、フォトリソグラフィ技
術による半導体製造工程は相当に複雑であり、この工程
を多数回繰り返すことによって大幅に製造コストが掛か
り、通常のカメラ等の機器用の素子として普及させるた
めには困難さが伴う。

【０００８】また、通常の平面構造を転写する露光方式
のリソグラフィ工程では、１回の工程で所望の回折光学
素子の形成条件である立体形状の高さを所望の分布で制
御できないという問題があり、更に異なる高さ（厚み）
を設定する場合には、所望の格子構造を完成するために
フォトリソグラフィの工程を複数回繰り返す必要があ
る。また、このような回折光学素子では２層目として上
側に形成する回折格子についても、１層目の下側の回折
格子の高さ（厚み）が均一でないために、多数回の工程
を実行しなければならないという問題がある。

【０００９】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
異方性ドライエッチングにより高精度の光学性能を有す
る多層構造の回折光学素子を提供することにある。

【００１０】本発明の他の目的は、工程を短縮して低コ
ストで量産可能な回折光学素子の製造方法を提供するこ
とにある。

【００１１】本発明の発明の目的は、前述の回折光学素
子を使用し光学性能が良好な光学機器を提供することに
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る回折光学素子は、複数層構造の回折格子
を加工するに適した形状の型を用いて材料上に有機性被
膜材料から成る所望の立体形状を成形し、異方性ドライ
エッチングにより前記材料に前記有機性被膜材料の立体
形状を転写する工程を、成膜過程を挟んで複数回行うこ
とによって形成することを特徴とする。

【００１３】本発明に係る回折光学素子の製造方法は、
複数層構造の回折格子を加工するに適した形状の型を用
いて材料上に有機性被膜材料から成る所望の立体形状を
成形し、異方性ドライエッチングにより前記材料に前記
有機性被膜材料の立体形状を転写する工程を、成膜過程
を挟んで複数回行うことを特徴とする。

【００１４】本発明に係る光学機器は、複数層構造の回
折格子加工するに適した形状の型を用いて材料上に有機
性被膜材料から成る所望の立体形状を成形し、異方性ド
ライエッチングにより前記材料に前記有機性被膜材料の
立体形状を転写する工程を成膜過程を挟んで複数回行う
ことによって形成した回折光学素子を搭載したことを特
徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明を図１〜図１４に図示の実
施例に基づいて詳細に説明する。複数層構造の回折光学
素子は、光学的設計上の最適条件から層数を決定し、材
料の環境耐久性から最外層の有機性被膜材料を決定す
る。なお、有機性被膜材料には、例えば半導体製造用の
ネガ型レジスト、光硬化型樹脂、光硬化型接着剤などが
ある。

【００１６】例えば２層構造の回折光学素子では、第１
層と第２層の回折格子はＴｉＯ₂ 、ＺｎＳ、ＣｅＯ₂ 、
Ｔａ₂ Ｏ₅ 、ＨｆＯ₂ などの材料を使用し、その屈折率
や分散等の光学的特性から材料を選択し、スパッタ及び
蒸着などの方法で成膜する。その製造方法としては、そ
れぞれの格子構造が所望の形状を得られるように設計し
た型を使い、加工すべき材料の所定の位置に有機性被膜
材料を成形し、異方性ドライエッチングを施して所望の
形状を材料に作成し、分散の大きいＴｉＯ₂ などを蒸着
又はスパッタ技術で成膜し、ＴｉＯ₂ 膜上に有機性被膜
材料を型で成形し、異方性ドライエッチングでＴｉＯ₂
を所望の形状に加工するという一連の工程を行う。

【００１７】図１は８段構造の階段形状の回折光学素子
の断面図を示し、石英ガラスなどの透明材料から成る第
１層の回折格子１１と、ＴｉＯ₂ などの高分散材料から
成る第２層の回折格子１２から構成されている。即ち、
透明材料の石英ガラスを第１層としてスパッタリングに
より成膜し、ＴｉＯ₂ を第２層として図１に示すような
形状に形成されており、この複数層構造の製造方法はこ
の形状に限らず、他の形状についても応用可能である。

【００１８】図２において、第１層の回折格子１１に加
工する石英ガラスの基板１３の表面に、シランカップリ
ング剤をスピンナで塗布した後に乾燥させる。このカッ
プリングは離型の際に石英ガラスの基板１３と有機性被
膜材料１４の密着性を良くし、かつ石英ガラスの型との
剥離性を向上して、成形した被膜材料１４を基板１３に
定着させる役割を有する。

【００１９】石英ガラスの第１層の回折格子１１を形成
するために、基板１３上に予めエッチングレートが分か
っている有機性被膜材料１４を、石英ガラスと被膜材料
１４とのエッチングレートを考慮して、エッチング後の
所望の形状を基板１３が有するように設計した石英ガラ
ス製の第１型１５で成形した後に、紫外線を照射して硬
化させる。なお、この第１型１５はフォトリソグラフィ
工程により製造され、例えば転写する型の形状が階段状
格子の場合は、複数回フォトリソグラフィ工程を繰り返
すことにより形成することができる。

【００２０】図３に示すように第１型１５を離型した後
に、図４に示すように異方性ドライエッチングにより有
機性被膜材料１４と石英ガラスの基板１３をイオンエッ
チングして、被膜材料１４の厚みを所望のエッチングレ
ートで転写する。このときの被膜材料１４の厚み設定
は、被膜材料１４と回折格子１１の石英ガラス材料との
エッチング速度によって決定される。

【００２１】なお、エッチングは異方性の高いドライエ
ッチングを採用し、ＣＦ₄ とＣＨＦ₃ の混合ガスにより
ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法で実施する。このと
き、有機性被膜材料１４のエッチングレートを緩和させ
るためにＣＨＦ₃ を混合し、エッチングレートは例えば
ＴｉＯ₂ に対して１〜１０段階の範囲で調整することが
可能である。また、ＲＩＥ法の他にＥＣＲ法、ＲｉＢＥ
法などがあり、型の深さ量については被膜材料１４と石
英ガラスとのエッチングレートを考慮して設計する。

【００２２】次に、図５に示すような格子形状を有する
石英ガラスの回折格子１１上に、図６に示すように例え
ばスパッタリングにより分散の大きいＴｉＯ₂ 薄膜１６
を形成する。このときの成膜は、基板１３面にできるだ
け垂直に蒸着粒子が入射するように、蒸着距離を大きく
とることが望ましい。特に、格子構造のアスペクト比
（縦／横比）が大きいものについては、壁面への成膜時
に深刻な形状乱れを生ずるために、クラスタイオンビー
ム法等の指向性の高い蒸着法が好適である。

【００２３】なお、クラスタイオンビーム法とは、加熱
るつぼの噴射ノズルから噴射したクラスタイオンビーム
が一部イオン化され、このイオンが加速電圧によって基
板１３へ射突して膜を生成する方法であり、膜成長の指
向性が比較的高い。

【００２４】次に、例えば成膜されたＴｉＯ₂ 薄膜１６
の上にチタネート系カップリング剤を塗布処理する。こ
れは、ＴｉＯ₂ 薄膜１６上に有機性被膜材料１４を成形
した後の離型の際に、被膜材料１４がＴｉＯ₂ 薄膜１６
側に密着して残留することを目的とするものである。

【００２５】図７において有機性被膜材料１４をＴｉＯ
₂ 薄膜１６と被膜材料１４のエッチングレートを考慮し
てエッチングした後に、ＴｉＯ₂ 薄膜１６が所望の形状
を有するように設計した石英ガラス製の第２型１７で、
ＴｉＯ₂ 薄膜１６上に紫外線を照射し成形する。

【００２６】このとき、石英ガラスの回折格子１１は段
差２４０ｎｍとし、ＴｉＯ₂ の回折格子１２は厚みでは
石英ガラスの回折格子１１と左右が逆の格子となり、厚
みの段差は４７ｎｍの８段形状となっている。これは、
ＴｉＯ₂ の屈折率が波長５３０ｎｍ、４００ｎｍ、６５
０ｎｍにおいて、それぞれ２．３３５、２．５８１、
２．２８２であることから、各波長で回折効率が最適と
なるように格子形状を定めている。

【００２７】また、第２型１７を石英ガラスの格子構造
に嵌合するようにしなければならないために、有機性被
膜材料１４の厚みが格子高さより小さいと、アライメン
トの正確さと嵌合寸法の設定が難しく、第２型１７及び
第１層の回折格子１１を破損する可能性がある。従っ
て、被膜材料１４とＴｉＯ₂ 薄膜１６とのエッチングレ
ートの差が十分できるように、ＣＨＦ₃ を反応ガスに混
入して調整して図８のように成形する。

【００２８】第１層の回折格子１１と第２層用の型１７
の嵌合は、有機性被膜材料１４を格子間に閉じ込めるよ
うにするために、被膜材料１４の逃げ道が小さくなり非
常に難しい。また、アライメントの精度によっては、互
いに接触することによって型が破損をする虞れがあるの
で、成形方法を最適化するように設定する必要がある。

【００２９】また、実際に型により樹脂を成形する際に
は、粘性を有する樹脂を型内に閉じ込めることになるた
めに、通常では型と格子材料の間隔を無限に小さくする
ことはできない。原理的には、エッチングの速度差によ
って形状を転写する場合には、全体のエッチング時間が
長くなるだけであるが、エッチングによる有機性被膜材
料１４の形状乱れを考慮すると、型と格子材料の間を極
力薄くすることが望ましい。

【００３０】第２型１７から離型した後に、図９におい
て異方性ドライエッチングで有機性被膜材料１４とＴｉ
Ｏ₂ 薄膜１６をエッチングすることにより、図１０に示
すように有機性被膜材料１４の厚みがエッチングレート
で転写される。

【００３１】また、石英ガラスを第１層、真空蒸着で成
膜したＣｅＯ₂ を第２層として８段構造の階段形状回折
光学素子を形成する場合には、石英ガラスの回折格子１
１は段差が２２８ｎｍで、ＣｅＯ₂ は石英ガラスの格子
と左右が逆の格子となり、厚み差は４４ｎｍとなる。こ
こで、石英ガラス及びＣｅＯ₂ の屈折率が波長５３０ｎ
ｍ、４００ｎｍ、６５０ｎｍにおいて、それぞれ１．４
６１、１．４７０、１．１４５７及び２．２６８、２．
５３６、２．２３９であることから、各波長での回折効
率を最適となるように格子形状を決めている。製造方法
はＴｉＯ₂ の場合と略同様であり、ＣｅＯ₂ はＴｉＯ₂
よりも膜の硬度においては劣るが、安価なのでコスト的
な優位性がある。

【００３２】また、型で成形する有機性被膜材料１４と
してウレタン変性ポリアクリレート材料ではなく、エポ
キシ樹脂又はネガタイプの半導体用レジストなどを使用
することもできる。被膜材料１４の種類により、エッチ
ングガスとしてＣＦ₄ にＣＨＦ₃ 以外に、Ｈ₂ ＯやＣ₂
Ｈ₄ などを混合することによりエッチング量を調節す
る。

【００３３】また、フォトリソグラフィ工程により作成
した石英型の他に、ブランク材上のＫＮメッキ層を切削
加工して作成した型を使い、ブレーズ型の２層回折光学
素子を作成することもできる。このときの製造方法は石
英ガラスのエッチング型を使用した場合と同様である
が、金属型を使うために、有機性被膜材料１４を硬化さ
せる紫外線などの照射は第１層の回折格子１１側から行
うようにする。

【００３４】また、第１層の回折格子１１が平面以外の
複雑な形状を有する下地の場合には、マスクアライナな
どでアライメントを行って、第２層の有機性被膜材料１
４を成形する必要がある。このとき、被膜材料１４の膜
厚を均一にすることが望ましく、除去できない膜厚むら
に対しては、被膜材料１４と回折格子１１に加工する材
料のエッチングレートを大きくすることにより、膜厚む
らの影響を縮小して転写するようにする。

【００３５】図１１は第２層加工時の有機性被膜材料１
４の平面化を示し、被膜材料１４の上側表面を立体形状
ではなく平面状に形成する場合も、エッチングレートを
調整することにより達成することができる。この場合
は、既に加工された第１層の回折格子１１の構造とエッ
チングレートを用いて、第２層の回折格子１２を加工す
ることができるので、第２層用の成形型と成形時のアラ
イメントなどの工程を廃止することができ、平面状の板
で被膜材料１４の上面を平面に成形するだけでよい。

【００３６】このように、第２層の回折格子１２を等し
い段差の階段形状に成膜する場合は、その形状を埋める
有機性被膜材料１４の厚みも同様に均一段差形状を有す
るので、各段差において被膜材料１４がエッチングによ
り消滅する時間が同じだけ差が生じ、そのときの差は第
２層がエッチングされる量として現れる。このような条
件を満たすための第２層の成膜膜厚及びエッチング条件
を設定することによって、第２層の被膜材料１４の上側
を平面で成形することができ、型のアライメントなど品
質上に大きな影響を及ほず工程を廃止することができ
る。

【００３７】例えば、混合のエッチングガスを使用し
て、エッチングレートが次の条件を満たすように設定す
る。被膜材料の最大厚みＤ／被膜材料のエッチングレート＝
第２層の成膜厚みｄ／第２層材料のエッチングレート

【００３８】ここで、例えば石英ガラスとＴｉＯ₂ の場
合は、被膜材料のエッチングレート／第２層材料のエッ
チングレートは約２μｍ／３５０ｎｍ＝５．７となり、
このエッチングレートは混合ガスの調整することによっ
て実施可能である。なお、この手法は階段構造とブレー
ズ型の回折格子双方において応用が可能である。

【００３９】図１２は２層回折光学素子の平面図を示
し、１つの格子ピッチの境界のみを実線で表しており、
１つの格子ピッチ内の階段構造の境界線は省略してあ
る。

【００４０】上述の方法により製造された２層回折光学
素子は、使用波長全域において設計次数の回折光の回折
効率を高くすることができるので、良好な光学性能を発
揮することができる。なお、鋸歯状断面を８レベルの階
段構造で近似したものを示しているが、８レベル以外の
近似、例えば４レベルや１６レベルでも製造可能であ
る。

【００４１】図１３は２層回折光学素子を搭載したカメ
ラの正面図、図１４は側面図を示している。カメラ本体
２０、撮影光学系２１及びファインダ光学系２２を有
し、２層回折光学素子は撮影光学系２１又はファインダ
光学系２２中の任意の位置に設けることができる。この
ようにして、２層回折光学素子をカメラ等の光学機器の
光学系に用いることにより、光学機器の光学性能を向上
させることができる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る回折光
学素子は、使用波長領域の光束が特定次数に集中する高
精度の多層の回折格子とすることができる。

【００４３】本発明に係る回折光学素子の製造方法は、
低コストかつ高量産性を確得し大幅に工程を短縮するこ
とができる。

【００４４】また、本発明に係る光学機器は、高精度の
多層回折光学素子を使用することにより光学性能を向上
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】回折光学素子の側面図である。

【図２】有機性被膜材料の成形の側面図である。

【図３】有機性被膜材料の成形離型後の側面図である。

【図４】ＲＩＥによる転写過程の側面図である。

【図５】ＲＩＥによる転写終了状態の側面図である。

【図６】ＴｉＯ₂ 薄膜の成膜の側面図である。

【図７】有機性被膜材料の成形の側面図である。

【図８】離型後の側面図である。

【図９】ＲＩＥによる転写過程の側面図である。

【図１０】ＲＩＥによる転写完了後の側面図である。

【図１１】第２層加工での有機性被膜材料の平面化の側
面図である。

【図１２】回折光学素子の平面図である。

【図１３】回折光学素子を配置したカメラの正面図であ
る。

【図１４】側面図である。

【図１５】従来例の８段バイナリ格子形状の製造工程の
説明図である。

【符号の説明】

１１第１層の回折格子１２第２層の回折格子１３石英ガラス基板１４有機性被膜材料１５、１７成形型１６ＴｉＯ₂ 薄膜２０カメラ本体２１撮影光学系２２ファインダ光学系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数層構造の回折格子を加工するに適し
た形状を有する型を用いて材料上に有機性被膜材料から
成る所望の立体形状を成形し、異方性ドライエッチング
により前記材料に前記有機性被膜材料の立体形状を転写
する工程を、成膜過程を挟んで複数回行うことによって
形成することを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】異なる材料の２層構造の回折格子から成
る請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項３】ブレ−ズ型又は階段形状の格子形状を有
する請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項４】第２層の回折格子は膜厚が均一な有機性
被膜材料とし、第１の回折格子の上側表面にのみ成膜す
る請求項１に記載の回折素子。
【請求項５】前記回折格子の材料としてＴｉＯ₂ 、Ｚ
ｎＳ、ＣｅＯ₂ 、Ｔａ₂ Ｏ₅ 、ＨｆＯ₂ の何れか１つを
使用する請求項２に記載の回折光学素子。
【請求項６】複数層構造の回折格子を加工するに適し
た形状の型を用いて材料上に有機性被膜材料から成る所
望の立体形状を成形し、異方性ドライエッチングにより
前記材料に前記有機性被膜材料の立体形状を転写する工
程を、成膜過程を挟んで複数回行うことを特徴とする回
折光学素子の製造方法。
【請求項７】第２層の回折格子は薄膜成膜加工により
形成する請求項６に記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項８】蒸着方法として、指向性蒸着法であるク
ラスタイオンビーム蒸着を使用する請求項６に記載の回
折光学素子の製造方法。
【請求項９】平面以外の複雑な形状を有する下地の上
に前記有機性被膜材料を成形して、前記下地の形状を加
工する請求項６に記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項１０】前記第２層の回折格子を加工する際に
前記有機性被膜材料を成形するための型は、第１層の回
折格子を加工する際の前記有機性被膜材料を成形する型
に対して格子を逆向きとし、前記第１層の回折格子と前
記第２層の型が互いに嵌合しないようにする請求項７に
記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項１１】前記有機性被膜材料と前記第２層の回
折格子に加工するＴｉＯ₂ 材料のエッチングレートは、
ＣＦ₄ とＣＨＦ₃ の混合反応ガスの混合比を調整するこ
とによって決める請求項１０に記載の回折光学素子の製
造方法。
【請求項１２】前記エッチングレートの調節によって
前記有機性被膜材料の上側表面を立体形状ではなく平面
形状に成形する請求項１１に記載の回折光学素子の製造
方法。
【請求項１３】複数層構造の回折格子を加工するに適
した形状の型を用いて材料上に有機性被膜材料から成る
所望の立体形状を成形し、異方性ドライエッチングによ
り前記材料に前記有機性被膜材料の立体形状を転写する
工程を成膜過程を挟んで複数回行うことによって形成し
た回折光学素子を搭載したことを特徴とする光学機器。