(57)【要約】【課題】鋸歯型パターンを安価かつ容易に製造するためのフォトマスク及びこのフォトマスクを用いた鋸歯型パターンの製造方法を提供する。【解決手段】フォトマスク２７には、格子方向３３が一定の向きに順に傾斜するように、小領域４１ａ〜４１ｈが隣接して設けられている。小領域４１ａ〜４１ｈは、格子方向３３に平行な方向に電場が振動する直線偏光を透過し、格子方向３３に垂直な方向に電場が振動する直線偏光を反射するフォトニック結晶３１からなる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子方向に平行な方向に電場が振動する直線偏光を透過し、前記格子方向に垂直な方向に電場が振動する直線偏光を反射する選択的偏光透過手段からなる小領域を、前記格子方向が一定の向きに順に傾斜するように複数隣接して備えることを特徴とするフォトマスク。
【請求項２】
所定数の前記小領域を一組とした大領域を、複数隣接して備えることを特徴とする請求項１に記載のフォトマスク。
【請求項３】
前記小領域は、前記大領域内で、前記格子方向が９０度変化するように配列されていることを特徴とする請求項２に記載のフォトマスク。
【請求項４】
前記選択的偏光透過手段は、屈折率の異なる誘電体が交互に複数積層された構造を有しているとともに、透過させる前記直線偏光の波長よりも短いピッチの凹凸構造を有していることを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載のフォトマスク。
【請求項５】
鋸歯型パターンをパターニングする基材にレジストを一様に塗布するレジスト塗布ステップと、
前記レジストに密着して請求項１ないし４いずれかに記載のフォトマスクを配置し、直線偏光により前記フォトマスクを介して前記レジストを感光させて現像することにより、前記レジストを鋸歯型にパターニングするレジストパターニングステップと、
パターニングされた前記レジストの上から前記基材をエッチングして、前記レジストのパターンに応じた鋸歯型の形状に前記基材の表面をパターニングするエッチングステップと、
を備えることを特徴とする鋸歯型パターン製造方法。
【請求項６】
前記レジストパターニングステップで前記レジストを感光させるために用いる直線偏光の電場が振動する方向は、複数隣接して設けられた前記小領域のうち、いずれかの前記小領域の前記格子方向に平行であることを特徴とする請求項５記載の鋸歯型パターン製造方法。
【請求項７】
請求項５または６に記載の鋸歯型パターン製造方法により成形面に鋸歯型パターンが形成されたことを特徴とする金型。
【請求項８】
請求項７に記載の金型で成形され、前記成形面の鋸歯型パターンの凹凸を反転した鋸歯型のレリーフを有することを特徴とする鋸歯型回折格子。
【請求項９】
請求項５または６に記載の鋸歯型パターン製造方法により鋸歯型のレリーフが形成されたことを特徴とする鋸歯型回折格子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子に設けられる凹凸形状のレリーフを製造する方法と、その際に用いるフォトマスクに関し、さらに詳しくは、鋸歯型のレリーフを製造する方法とフォトマスクに関する。
【背景技術】
【０００２】
入射した光を回折させる回折格子は、光ピックアップでレーザ光を分光するデバイスとして用いられるなど、様々な用途で広く用いられている。回折格子としては、直線状に矩形のレリーフを設けた回折格子や、屈折率を周期的に変調させた回折格子等が知られている。また、回折格子のレリーフやその原型は、電子線リソグラフィ、フォトリソグラフィ、機械的な削除加工等によって製造される。
【０００３】
上述のような回折格子に光を入射させると、０次回折光を中心として対称な方向にそれぞれ±１次の回折光が生じる。ところが、回折格子の用途によっては、−１次回折光等は利用せずに、＋１次回折光だけを利用する場合がある。こうした場合には、複数次の回折光のうち−１次回折光の回折効率はできるだけ小さくし、＋１次回折光の回折効率をできるだけ高めることが求められる。
【０００４】
このような要望を満たす回折格子として、鋸歯型回折格子が知られている。鋸歯型回折格子は、鋸歯のように断面が直角三角形状（いわゆるブレーズ形状）のレリーフが配列された回折格子であり、０次回折光を含めた他の回折光と比較して、＋１次回折光の回折効率を大きく向上させることが知られている。
【０００５】
このような、レリーフがブレーズ形状の鋸歯型回折格子を製造する方法としては、基板や金型を機械的に削除加工する方法や、パターニングされたレジストをマスクとして、イオンビームにより斜めエッチングする方法（特許文献１）等が知られている。
【０００６】
また、鋸歯型回折格子のレリーフは、断面が厳密なブレーズ形状であるときに、＋１次回折光の回折光率が１００％になるが、電子線リソグラフィやフォトリソグラフィによって、斜面を含むようなレリーフを製造することは難しい。このため、鋸歯型回折格子や鋸歯型回折格子の原型を、フォトリソグラフィ等によって製造する場合、レリーフの実際の形状は、階段状に順に高さが増す形状（いわゆる多段バイナリ形状）に製造される。また、多段バイナリ形状のレリーフは段数が多いほどブレーズ形状に近づくため、多段バイナリ形状のレリーフによる＋１次回折光の回折効率も、段数が多いほどブレーズ形状のレリーフによる回折効率に近づくことが知られている。
【０００７】
このように、レリーフが多段バイナリ形状の鋸歯型回折格子を製造する方法としては、複数枚のフォトマスクを用いて、段毎にパターニングする方法（非特許文献１）や、ドーズを変化させながら電子線リソグラフィを行う方法（特許文献２）、場所によって透過率が変調されたフォトマスク（以下、透過率変調型フォトマスクという）を用いる方法（特許文献３，４）等が知られている。
【０００８】
ところで、フォトマスクには、光の偏光状態を積極的に利用するようにしたフォトマスクが知られている。例えば、隣接する露光領域で位相を９０度シフトさせることで、露光パターンのコントラストを向上させた位相シフト型のフォトマスクが知られている。このような偏光を利用するフォトマスクでは、特定の偏光状態の光を利用して露光するので、光の利用効率が低下してしまう。このため、偏光を利用するフォトマスクで光の利用効率を向上させるために、複数種類の誘電体を２次元（３次元）の格子状に組み合わせたいわゆるフォトニック結晶を、隣接する領域で格子の方向が９０度異なるように用いることが提案されている（特許文献５）。
【特許文献１】特開昭６３−２７１２６５号公報
【特許文献２】特開２００５−２４９１９４３号公報
【特許文献３】特開平５−２２４３９８号公報
【特許文献４】特開２００３−２２８１６０号公報
【特許文献５】特開２００６−３０５６８号公報
【非特許文献１】オプトニクス社「光デバイス精密加工ハンドブック」ｐ３９１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
レリーフがブレーズ形状の鋸歯型回折格子は、前述のように、基板や金型を機械的に削除加工して製造することができるが、精密な削除加工の精度が要求されるために高価である。また、レジストパターンをマスクとした斜めエッチングでは、ブレーズ形状のレリーフの傾斜方向が一方向に限られてしまい、格子が直線的な鋸歯型回折格子しか製造することができない。
【００１０】
一方、鋸歯型回折格子のレリーフを多段バイナリ形状に製造するときに、複数枚のフォトマスクを用いて段毎にパターニングすると、＋１次回折光の回折効率を高めるほどにパターニングの工程が増えてしまうので、製造工程が煩雑になる。同時に、各パターニング工程で、精度良くフォトマスクを位置合わせしなければならないので非常に手間がかかる。
【００１１】
また、電子線リソグラフィによれば、一度のリソグラフィで多段バイナリ形状のレリーフを製造することができるが、電子線リソグラフィ自体が高価な手法であるため、これにより製造した鋸歯型回折格子もまた高価なものとなってしまう。
【００１２】
同様に、透過率変調型フォトマスクによれば、一度のリソグラフィで、多段バイナリ形状のレリーフを製造することができるが、透過率変調型のフォトマスクでは、１００μｍ程度よりも細かいピッチのレリーフを製造することは難しい。このため、透過率変調型フォトマスクによって製造した鋸歯型回折格子は、回折光の分離角が小さく、大きな分離角が要求される小型装置の光学系にこれを用いることは難しい。
【００１３】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、鋸歯型回折格子のレリーフパターンを、安価かつ容易に製造することができるフォトマスクと、これを用いた鋸歯型回折格子のレリーフパターンの製造方法を提供することを目的とする。また、回折光の分離角が大きく、小型装置の光学系に好適な鋸歯型回折格子のレリーフパターンをも、安価かつ容易に製造することができるフォトマスクと、これを用いた鋸歯型レリーフのパターンの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のフォトマスクは、格子方向に平行な方向に電場が振動する直線偏光を透過し、前記格子方向に垂直な方向に電場が振動する直線偏光を反射する選択的偏光透過手段からなる小領域を、前記格子方向が一定の向きに順に傾斜するように複数隣接して備えることを特徴とする。
【００１５】
また、所定数の前記小領域を一組とした大領域を、複数隣接して備えることを特徴とする。
【００１６】
また、前記小領域は、前記大領域内で、前記格子方向が９０度変化するように配列されていることを特徴とする。
【００１７】
また、前記選択的偏光透過手段は、屈折率の異なる誘電体が交互に複数積層された構造を有しているとともに、透過させる前記直線偏光の波長よりも短いピッチの凹凸構造を有していることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の鋸歯型パターン製造方法は、鋸歯型パターンをパターニングする基材にレジストを一様に塗布するレジスト塗布ステップと、前記レジストに密着して請求項１ないし４いずれかに記載のフォトマスクを配置し、直線偏光により前記フォトマスクを介して前記レジストを感光させて現像することにより、前記レジストを鋸歯型にパターニングするレジストパターニングステップと、パターニングされた前記レジストの上から前記基材をエッチングして、前記レジストのパターンに応じた鋸歯型の形状に前記基材の表面をパターニングするエッチングステップと、を備えることを特徴とする。
【００１９】
また、前記レジストパターニングステップで前記レジストを感光させるために用いる直線偏光の電場が振動する方向は、複数隣接して設けられた前記小領域のうち、いずれかの前記小領域の前記格子方向に平行であることを特徴とする。
【００２０】
本発明の金型は、上述の鋸歯型パターン製造方法により成形面に鋸歯型パターンが形成されたことを特徴とする。
【００２１】
本発明の鋸歯型回折格子は、上述の金型で成形され、前記成形面の鋸歯型パターンの凹凸を反転した鋸歯型のレリーフを有することを特徴とする。
【００２２】
また、上述の鋸歯型パターン製造方法により鋸歯型のレリーフが形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、鋸歯型パターンを安価かつ容易に製造することができる。
【００２４】
また、本発明によれば、分離角が大きく、小型装置の光学系に好適な鋸歯型回折格子のレリーフパターンをも、安価かつ容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１（Ａ）に示すように、鋸歯型回折格子１０は、波長４０５ｎｍの入射光１１を透過するときに回折する透過型の回折格子であり、屈折率ｎが１．５の透明な材料からなる。この鋸歯型回折格子１０には、波長４０５ｎｍの入射光１１が入射する側の表面にレリーフ１２が設けられている。レリーフ１２は、入射光１１を回折する凹凸構造であり、横方向（図１の断面に沿った方向）に同じ形状の凹凸が複数繰り返された構造になっているとともに、縦方向（断面に垂直な方向）には直線状の構造となっている。また、レリーフ１２の断面はいわゆる鋸歯型であり、各凹凸構造の断面は略直角三角形で、これらの斜面は一定の方向に向くように設けられている。
【００２６】
入射光１１は、鋸歯型回折格子１０によって、０次回折光１６、＋１次回折光１７、−１次回折光１８、さらに図示しない高次の回折光に回折される。このとき、前述のようにレリーフ１２が鋸歯状となっているので、＋１次回折光１７の回折効率は、他の回折光の回折効率よりも大きい。
【００２７】
また、図１（Ｂ）に示すように、レリーフ１２は、完全な直角三角形のブレーズ形状となっているわけではなく、８段の階段構造で近似的にブレーズ形状としたいわゆるバイナリ形状となっている。レリーフ１２の高さＨは０．７１μｍ、ピッチＰは８μｍとなっている。また、レリーフ１２の各段の幅ｗは均等であり、いずれも１μｍの幅となっている。
【００２８】
なお、多段バイナリ形状のレリーフは、各段の幅が等間隔に設けられているときに、＋１次回折光の回折光率が最大となる高さＨは、入射光１１の波長λ、段数ｍ、鋸歯型回折格子１０の屈折率ｎを用いて、Ｈ＝｛（ｍ−１）λ｝／｛ｍ（ｎ−１）｝で表される。また、レリーフの高さＨがこの関係式を満たす場合に、＋１次回折光の最大の回折効率は、ｓｉｎｃ２（π／ｍ）で表される。これらのことから、波長４０５ｎｍの入射光１１に対して＋１次回折光１７の回折効率が最大（９５％）となるように、前述のレリーフ１２の寸法が定められている。
【００２９】
鋸歯型回折格子１０は、図２（Ａ）に示すように、金型２１で成形して製造される。金型２１は、硬質の金属材料からなり、上型２２ａと下型２２ｂとから構成される。上型２２ａの成形面２３ａは平坦に構成され、下型２２ｂの成形面２３ｂにはレリーフ１２と勘合するレリーフパターン２６（鋸歯型パターン）が設けられている。また、図２（Ｂ）に示すように、レリーフパターン２６はレリーフ１２と勘合する鋸歯状の凹凸構造となっている。このため、レリーフパターン２６は、多段バイナリ形状の鋸歯型凹凸構造となっており、その深さＨは０．７１μｍ、ピッチＰは８μｍ、各段の幅ｗはいずれも１μｍとなっている。
【００３０】
レリーフパターン２６は、波長３６５ｎｍの直線偏光を用いて、フォトリソグラフィによって設けられる。このときに用いられるフォトマスク２７には、図３に示すように、レリーフパターン２６に対応するマスクパターン２８が設けられている。マスクパターン２８は、複数のストライプ状の大領域２９から構成され、これらの各大領域２９の幅は何れも等しく、レリーフパターン２６（及びレリーフ１２）のピッチＰに等しい。
【００３１】
また、マスクパターン２８は、複数の屈折率の異なる誘電体を積層したいわゆるフォトニック結晶３１（選択的偏光透過手段）からなる。マスクパターン２８を構成するフォトニック結晶３１は、図４に示すように、透明なガラス基板上に、高屈折率の誘電体層３２ａと低屈折率の誘電体層３２ｂが交互に複数積層された構造となっている。
【００３２】
誘電体層３２ａはイオンプレーティングによって成膜された五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）からなり、誘電体層３２ｂは酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。また、各誘電体層３２ａの厚さは７０ｎｍであり、各誘電体層３２ｂの厚さは９７ｎｍとなっている。また、フォトニック結晶３１では、誘電体層３２ａ，３２ｂがそれぞれ１０層ずつ、合計で２０層積層されており、フォトニック結晶３１の誘電堆積層構造全体の厚さは１６７０ｎｍとなっている。
【００３３】
さらに、フォトニック結晶３１は、一定の方向（ｘ方向）に一定のピッチＬｘで三角状の凹凸が繰り返された構造となっている。ピッチＬｘは１８０ｎｍであり、金型２１にレリーフパターン２６を設けるフォトリソグラフィで用いられる光の波長（３６５ｎｍ）よりも短く、概ね半分程度のピッチとなっている。一方、この凹凸構造は、ｘ方向に垂直な方向（ｙ方向）には直線状に一様に続いている。このため、フォトニック結晶３１は、ｙ方向に平行で、ｘ方向に三角状の凹凸が繰り返された格子となっている。以下では、凹凸構造に沿った稜線の方向（ｙ方向）を格子方向３３という。
【００３４】
フォトニック結晶３１は、上述のように構成されていることにより、格子方向３３に電場が振動する直線偏光３６（いわゆるＴＥ偏光）を略１００％反射する。一方、格子方向３３に垂直な方向（ｘ方向）に電場が振動する直線偏光３７（いわゆるＴＥ偏光）を略１００％透過する。また、フォトニック結晶３１に入射する偏光が、直線偏光でない場合や、電場の振動方向（以下、偏光方向という）が格子方向３３に垂直，平行でない場合には、フォトニック結晶３１は、格子方向３３に平行なＴＥ偏光成分を反射し、格子方向３３に垂直なＴＭ偏光成分を透過する。
【００３５】
なお、フォトニック結晶３１は、いわゆる自己クローニング法によって好適に作製される。このため、フォトニック結晶３１は、矩形状の凹凸構造がピッチＰで繰り返された基板上に、誘電体層３２ａ，３２ｂを積層することにより、上述のような三角状の凹凸構造が略自動的に形成される。
【００３６】
前述のようにマスクパターン２８はフォトニック結晶３１からなるが、マスクパターン２８の全体が一様な格子方向３３のフォトニック結晶３１から構成されているのではなく、マスクパターン２８内では、各大領域２９内で格子方向３３が順に変化するようにフォトニック結晶３１が配列されている。このため、図５に示すように、マスクパターン２８の各大領域２９は、８個の小領域４１ａ〜４１ｈから構成される。これらの小領域４１ａ〜４１ｈの幅ｗは、いずれも同じ幅に設けられており、レリーフパターン２６の各段の幅ｗと等しい。
【００３７】
小領域４１ａは、大領域２９内で一端（左端）に位置し、格子方向３３が大領域２９の長手方向に略垂直なフォトニック結晶３１からなる。この小領域４１ａは、レリーフパターン２６の鋸歯状凹凸構造の最も高い段４３ａに対応する。一方、小領域４１ｈは、大領域２９内の他端（右端）に位置し、格子方向３３が大領域２９の長手方向に略平行なフォトニック結晶３１からなる。この小領域４１ｈは、レリーフパターン２６の鋸歯状凹凸構造の最も低い段４３ｈに対応する。
【００３８】
小領域４１ｂ〜４１ｇは、小領域４１ａと小領域４１ｈの間に位置し、これらの小領域４１ｂ〜４１ｇの格子方向３３は、小領域４１ａから小領域４１ｈにかけて、小領域４１ｂから順に傾斜している。例えば小領域４１ｂは、小領域４１ａに隣接したエリアであり、小領域４１ｂを構成するフォトニック結晶３１は、格子方向３３が、小領域４１ａの格子方向３３よりも小領域４１ｈ側に下るように傾斜している。同様に、小領域４１ｃ〜４１ｇを構成するフォトニック結晶３１は、小領域４１ａ側から小領域４１ｈ側にかけて、格子方向３３が順に傾斜したものとなっている。また、小領域４１ｂ〜４１ｇは、レリーフパターン２６の各段４３ｂ〜４３ｇにそれぞれ対応する。なお、マスクパターン２８では、他の大領域２９についても同様に小領域４１ａ〜４１ｈで構成される。
【００３９】
大領域２９は上述のように格子方向３３が順に変化した小領域４１ａ〜４１ｈから構成されており、また、前述のようにフォトニック結晶３１を透過（反射）する偏光方向は格子方向３３に依存する。このため、フォトマスク２７に光を入射させると、各小領域４１ａ〜４１ｈで透過率が各々異なる。
【００４０】
各小領域４１ａ〜４１ｈを透過する光の偏光方向４２（以下、透過方向という）は、図６に示すように、各小領域４１ａ〜４１ｈの格子方向３３に対して垂直な方向になる。各小領域４１ａ〜４１ｈ内では、格子方向３３は直線状でそれぞれ一定の方向となっているので、各小領域４１ａ〜４１ｈの透過方向４２もまた各小領域４１ａ〜４１ｈ内で直線状でそれぞれ一定の方向となっている。小領域４１ａでは、透過方向４２が大領域２９の長手方向に略平行な方向となり、小領域４１ｈでは透過方向４２が大領域２９の長手方向に垂直な方向となる。また、小領域４１ｂ〜４１ｇについても同様に、透過方向４２は格子方向３３に垂直な方向となる。このため、大領域２９内では、透過方向４２が小領域４１ａから小領域４１ｈにかけて順に傾斜しており、大領域２９内での透過方向４２の変化は略９０度となっている。
【００４１】
このように、小領域４１ａ〜４１ｈ毎に透過方向４２が異なるので、フォトマスク２７に偏光を入射させると、各小領域４１ａ〜４１ｈで透過率が異なる。例えば、偏光方向が大領域２９の長手方向に垂直な方向となっている直線偏光をフォトマスク２７に入射させると、図７に示すように、各小領域４１ａ〜４１ｈで透過率が異なる。小領域４１ａでは、格子方向３３が入射する光の偏光方向に対して平行になっているので、透過方向４２は偏光方向に対して垂直となっている。このため、小領域４１ａの透過率は略０％となっている。また、小領域４１ｈでは、格子方向３３が偏光方向に対して垂直になっているので、透過方向４２は偏光方向に対して平行となっている。このため、小領域４１ｈの透過率は略１００％となっている。さらに、小領域４１ｂ〜４１ｇでは、格子方向３３が偏光方向に対して傾斜した方向になっているので、透過方向４２もまた偏光方向に対して傾斜した方向となっている。このため、小領域４１ｂ〜４１ｇの透過率は、格子方向３３の傾斜角度に応じた透過率となり、格子方向３３の傾斜角度が大きいほど透過率が大きくなる。
【００４２】
以下では、上述のように構成されるフォトマスク２７を用いて、金型２１にレリーフパターン２６を設ける手順を説明する。まず、図８（Ａ）に示すように、下型母材５１の平坦な表面５２にレジスト５３を塗布する（レジスト塗布ステップ）。このとき、レジスト５３の厚みは、所定の膜厚Ｔ１となるように、一様に塗布する。また、所定の膜厚Ｔ１は、露光量、下型母材５１とレジスト５３のエッチングレートの比率、レリーフパターン２６の深さＨ（レリーフ１２の高さＨ）等を考慮して定められる。
【００４３】
次に、図８（Ａ），（Ｂ）に示すように、レジスト５３の上にフォトマスク２７を密着して配置し、フォトマスク２７を通して露光し、現像する（レジストパターニングステップ）。このとき露光に用いる光５６（以下、リソグラフィ光という）は、波長３６５ｎｍの直線偏光であり、図示しない偏光フィルタ等を透過することにより、偏光方向が大領域２９の長手方向に対して垂直方向になるように調節される。
【００４４】
こうしてリソグラフィ光５６をフォトマスク２７に通してレジスト５３を露光すると、フォトマスク２７を透過するリソグラフィ光５６の光量は小領域４１ａ〜４１ｈ毎に異なる。このため、レジスト５３の実際の露光量は、小領域４１ａ〜４１ｈに対応する部分５７ａ〜５７ｈ毎に異なる。このため、露光されたレジスト５３を現像すると、図８（Ｂ）に示すように、部分５７ａ〜５７ｈ毎に、実際の露光量に応じた膜厚でレジスト５３が残存し、レリーフパターン２６やレリーフ１２と同様の鋸歯型凹凸状のレジストパターン５８が形成される。
【００４５】
小領域４１ａの透過方向４２とリソグラフィ光５６の偏光方向とが略平行となっているので、リソグラフィ光５６は小領域４１ａを殆ど透過しない。このため、小領域４１ａの直下に位置する部分５７ａは殆ど露光されず、塗布したレジスト５３の膜厚Ｔ１と略同じ高さＴ２のレジスト５３が残存する。一方、小領域４１ｈの透過方向４２とリソグラフィ光５６の偏光方向は略垂直となっているので、リソグラフィ光５６は小領域４１ｈを略全て透過する。このため、小領域４１ｈの直下に位置する部分５７ｈは、略全てが現像液に溶解し、現像後には下型母材５１の表面５２が露呈される。
【００４６】
また、小領域４１ｂ〜４１ｇの格子方向３３及び透過方向４２は、リソグラフィ光５６の偏光方向に対して傾斜しているので、リソグラフィ光５６は小領域４１ｂ〜４１ｇを一部透過する。このとき、小領域４１ｂ〜４１ｇを透過するリソグラフィ光５６の光量は、リソグラフィ光５６の偏光方向に対して小領域４１ｂ〜４１ｇの各々の格子方向３３が傾斜した角度に応じた光量となっている。このため、小領域４１ｂ〜４１ｇに対応した部分５７ｂ〜５７ｇは、小領域４１ｂ〜４１ｇを実際に透過したリソグラフィ光５６の光量に応じた深さまで、レジスト５３のフォトマスク２７側の一部が溶解し、下型２２ｂ側の一部が下型母材５１の表面５２に残存する。
【００４７】
このように、現像後のレジスト５３は、各小領域４１ａ〜４１ｈにおけるリソグラフィ光５６の透過率に応じて、残存する膜厚がそれぞれ異なる。このため、現像後のレジスト５３は、部分５７ａ〜５７ｈにかけて残存する膜厚が段階的に減少した多段バイナリ形状のパターンを形成する。また、マスクパターン２８は、小領域４１ａ〜４１ｈからなる大領域２９が複数配列されているため、現像後のレジスト５３も同様に、上述の多段バイナリ形状のパターンが複数配列された鋸歯型のレジストパターン５８となる。
【００４８】
なお、ここでパターニングされたレジストパターン５８は、レリーフパターン２６やレリーフ１２と同様に、鋸歯型のパターンとなっているが、その高さＴ２は下型母材５１に塗布したレジスト５３の膜厚Ｔ１と略等しくなっている。下型母材５１の塗布するレジスト５３の膜厚Ｔ１は、前述のように、下型母材５１とレジスト５３とのエッチングレート等に応じて定められたものであり、レジスト５３のエッチングレートが下型母材５１のエッチングレートよりも大きい場合には、このエッチングレートの比率に応じて、パターニングされたレジストパターン５８の高さＴ２がレリーフパターン２６の高さＨよりも大きくなるように、レジスト５３の膜厚Ｔ１が定められる。このため、レジストパターン５８は、鋸歯型のパターンとなっているが、レリーフパターン２６やレリーフ１２の形状とは一致しない。以下では、レジストパターン５８と下型母材５１のエッチングレートは、レジストパターン５８が高さＴ２の分だけエッチングされるのに要する時間と、下型母材５１が深さＨの分だけエッチングされるのに要する時間が等しいものとする。
【００４９】
こうしてレジストパターン５８が下型母材５１にパターニングされると、レジストパターン５８の上から下型母材５１がエッチングされ、レジストパターン５８の形状に応じた鋸歯型のパターンが下型母材５１の表面５２にパターニングされる（エッチングステップ）。
【００５０】
ここで行うエッチングは、いわゆるイオンミリングであり、レジストパターン５８の上から、アルゴンイオンを照射して、レジストパターン５８と下型母材５１とをともに削除加工する。このとき、レジストパターン５８に覆われた部分では、レジストパターン５８の厚みに応じて下型母材５１の削除加工が開始される時期にズレが生じ、レジストパターン５８の厚みが厚い部分ほど下型母材５１が削除加工され始まる時期が遅くなる。レジストパターン５８の最も低い部分５７ｈ（下型母材５１の表面５２が露呈された部分）が深さＨの分だけエッチングされる時間のエッチングを行うと、図８（Ｃ）に示すように、レジストパターン５８の部分５７ａの直下の下型母材５１の部分５９ａはエッチングされない。また、レジストパターン５８の各部分５７ｂ〜５７ｇに対応する下型母材５１の部分５９ｂ〜５９ｇでは、レジストパターン５８の各部分５７ｂ〜５７ｇの各々の厚さに応じて、レジストパターン５８の厚さが厚いほどにエッチングされる深さが減少する。これにより、下型母材５１の表面５２には、レジストパターン５８の形状に応じて、多段バイナリ形状の鋸歯型パターン（レリーフパターン２６）が下型母材５１に形成される。
【００５１】
こうしてレリーフパターン２６が形成された下型２２ｂは、前述（図２参照）のように、上型２２ａとともに鋸歯型回折格子１０の材料を成形し、鋸歯型回折格子１０の製造に利用される。
【００５２】
上述のように、フォトマスク２７は偏光の透過方向が順に変化した大領域２９を備えているので、フォトマスク２７に直線偏光のリソグラフィ光５６を入射させることにより、安価かつ容易に鋸歯型のレリーフパターンを形成することができる。
【００５３】
また、フォトマスク２７は、大領域２９内での偏光の透過方向４２を、フォトニック結晶３１の格子方向３３を順に変化させることによって実現しているから、ピッチＰが１００μｍオーダーよりも短いピッチの鋸歯型パターンを容易にパターニングすることができる。
【００５４】
なお、上述の実施形態で、レジストパターン５８の高さは、下型母材５１が深さＨだけエッチングされたときに、丁度良くエッチングされてなくなる高さＴ２としたが、このようなレジスト５３の膜厚や、露光，現像条件は、レジスト５３と下型母材５１のエッチングレートの比率、露光量、レジスト５３の種類、現像時間等から予め定めることができる。例えば、レジスト５３として、富士フイルムエレクトロニクスマテリアルズ株式会社製ＨＰＲ−２０４を用いる場合、下型母材５１に塗布するレジスト５３の膜厚（初期膜厚）を２．４μｍとし、波長３６５ｎｍのリソグラフィ光５６で２１ｍｊ／ｃｍ２の露光量で露光すると、現像時間と、未露光部分の残りの厚さ及び露光部分の残りの厚さとの関係は、図９に示すようになる。
【００５５】
一方、前述の関係式から、鋸歯型回折格子１０の材料の屈折率ｎが１．５の場合に、４０５ｎｍの光に対して８段の多段バイナリ形状の鋸歯型パターンで、略最大の回折効率を実現するためには、レリーフ１２の高さＨが７１０ｎｍ程度であれば良いことがわかる。これにより、下型母材５１にレジスト５３と下型母材５１のエッチングレートの比率が２：１となる材料を用いるものとすると、現像後のレジストパターン５８の高さＴ２は、露光部分と未露光部分との差が１．４μｍ必要であることがわかる。このため、下型母材５１に塗布するレジスト５３の膜厚Ｔ１を２．４μｍとし、波長３６５ｎｍのリソグラフィ光５６で２１ｍｊ／ｃｍ２の露光量で露光するときには、図９のグラフから、路光部分と未露光部分との差が１．４μｍとなるように、現像時間を４５秒とすれば良いことがわかる。
【００５６】
なお、上述の実施形態では、鋸歯型回折格子１０のレリーフ１２は、入射光１１が入射する側の表面に設けられているが、これに限らず、出射する側の表面にレリーフ１２が設けられていても良い。
【００５７】
なお、上述の実施形態では、レリーフ１２及びレリーフパターン２６が８段の多段バイナリ形状の鋸歯型パターンとなっている例を説明したが、これに限らず、レリーフ１２及びレリーフパターン２６は、所望の回折効率に応じて任意の段数として良い。
【００５８】
なお、上述の実施形態では、鋸歯型パターンとして、金型２１（下型２２ｂ）にレリーフパターン２６を設け、この金型２１を用いて鋸歯型回折格子１０を製造する例を説明したが、鋸歯型回折格子１０の材料を板状に形成し、ここにフォトマスク２７を用いてレリーフ１２を直接パターニングしても良い。
【００５９】
なお、上述の実施形態では、下型母材５１をエッチングするときに、イオンミリングによってエッチングするが、これに限らず、反応性イオンエッチングやウェットエッチングであっても良い。
【００６０】
なお、上述の実施形態では、フォトマスク２７の大領域２９は小領域４１ａ〜４１ｈで構成され、小領域４１ａ〜４１ｈは何れも同じ幅ｗとする例を説明したが、レジストパターン５８が多段バイナリ状の鋸歯型パターンとなれば良く、小領域４１ａ〜４１ｈ毎に幅ｗを変えても良い。
【００６１】
なお、上述の実施形態では、鋸歯型の凹凸構造が一方向に配列された鋸歯型回折格子１０を例に説明したが、これに限らず、他の形状の回折格子や、ホログラム格子、回折レンズ等にも本発明を好適に適用することができる。また、上述の実施形態では、平面上にレリーフ１２を設けた鋸歯型回折格子１０を例に説明したが、これに限らず、レンズ面等にレリーフ１２を設ける場合にも、本発明を好適に用いることができる。
【００６２】
例えば、レリーフを同心円状に設ける場合には、図１０（Ａ）に示すフォトマスク７１を用いる。フォトマスク７１は、複数の円環状の大領域７３が設けられたマスクパターン７２を備え、各大領域７３は、８段階に同心円状で同じ幅の小領域７４から構成される。これらの小領域７４は、上述の実施形態と同様に、各々に格子方向が異なるフォトニック結晶３１からなり、各小領域７４の格子方向は各小領域７４で一定方向となっている。さらに、各小領域７４の格子方向は、大領域７３内で円の中心から外側にかけて、順に格子方向が傾斜するように配列されている。
【００６３】
このように構成されるフォトマスク７１を用いて、下型母材５１に鋸歯型パターンをパターニングすると、図１０（Ｃ）に示すように、下型７６には同心円状に鋸歯型のレリーフパターン７７が形成される。このとき、レリーフパターン７７の鋸歯形状は、中心から外側に向けて斜面が下がる形状となっている。このため、下型７６を用いて鋸歯型回折格子７８を成形すると、図１０（Ｂ）に示すように、鋸歯型回折格子７８には鋸歯型のレリーフ７９が同心円状に設けられるとともに、各鋸歯の斜面は中心から外側に向けて上がる形状となる。
【００６４】
このように、フォトニック結晶３１の配列を変化させることで、鋸歯型回折格子１０の格子形状を所望の形状に設けることができる。また、このように、フォトニック結晶３１の配列を変えることで、鋸歯型パターンを、任意の位置で任意の向きに任意のピッチで設けることができる。
【００６５】
なお、上述の実施形態では、波長４０５ｎｍの光に対して機能する鋸歯型回折格子１０を例に説明したが、これに限らず、他の波長に対して機能する鋸歯型回折格子にも本発明を好適に適用することができる。このとき、より精度良くレリーフパターン２６を形成するためには、上述の実施形態のように、成形された鋸歯型回折格子に使用する波長よりも短い波長の光をリソグラフィ光５６とすることが好ましい。
【００６６】
なお、上述の実施形態では、フォトリソグラフィによってレリーフパターン２６を形成するときに、偏光方向が小領域４１ａの格子方向に一致した直線偏光のリソグラフィ光５６を用いるが、これに限らず、他の小領域の格子方向に一致した直線偏光をリソグラフィ光５６として用いても良い。また、小領域４１ａ〜４１ｈ毎の格子方向の相違によって透過率に差が生じれば良く、楕円偏光等をリソグラフィ光５６として用いても良い。
【００６７】
なお、上述の実施形態では、フォトマスク２７に用いるフォトニック結晶３１として、五酸化タンタルと酸化シリコンを交互に積層した物を例に説明したが、交互に積層する誘電体層の材料はこれらの組み合わせに限らない。屈折率の異なる誘電体を交互に積層し、上述のフォトニック結晶３１の構造となり、透過する偏光方向が格子方向にしたがって選択的になりさえすれば、各誘電体層の材料は任意に選択することができる。
【００６８】
なお、上述の実施形態では、下型２２ｂに鋸歯型のレリーフパターン２６をパターニングし、これを用いて鋸歯型回折格子１０（レリーフ１２）を製造する例を説明したが、これに限らず、上述の実施形態と同様にして、小領域４１や大領域２９の配置や配列を変えることで、所望の鋸歯型レリーフパターン及び鋸歯型レリーフを好適にパターニングすることができる。例えば、フォトマスク内の位置によってレリーフの向きやピッチ等が異なるようなより複雑な鋸歯型回折格子等の製造も、上述の実施形態と同様にして容易に製造することができる。
【００６９】
なお、上述の実施形態では、格子方向３３は、小領域４１ａ〜４１ｈ内で各々直線的になるように構成されているが、これに限らず、格子方向３３が小領域４１ａ〜４１ｈ内で曲線的に設けられていても良い。例えば、大領域２９内での格子方向３３の変化率に応じた曲率で、小領域４１ａ〜４１ｈ内においても順に格子方向３３が変化するようにしても良い。また、上述の実施形態のように大領域２９内を小領域４１ａ〜４１ｈに区分けすることなく、大領域２９を、上述の実施形態と同様の変化率で格子方向３３が曲線的に変化した１つのフォトニック結晶で構成しても良い。こうした、格子方向３３が曲線的に変化したフォトニック結晶は、上述の実施形態と同様、自己クローニング法で容易に製造される。自己クローニング法では、格子方向３３の元となる凹凸構造を有する基板に誘電体を積層することで、フォトニック結晶３１が形成されるので、例えば、小領域内で曲線的に変化する凹凸構造を有する基板上に誘電体を積層することで、格子方向が小領域４１ａ〜４１ｈ内で曲線的に変化するフォトニック結晶を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】レリーフが多段バイナリ形状の鋸歯型回折格子を示す断面図である。
【図２】鋸歯型回折格子を成形する金型を示す断面図である。
【図３】鋸歯型回折格子のレリーフパターンをパターニングするときに用いるフォトマスクを示す図である。
【図４】マスクパターンを構成するフォトニック結晶の構成を示す模式図である。
【図５】マスクパターンの詳細な構成を示す説明図である。
【図６】マスクパターンの格子方向と偏光の透過方向を示す説明図である。
【図７】各小領域の格子方向と透過率を示すグラフである。
【図８】レリーフパターンの製造方法を示す説明図である。
【図９】レジストの性質の一例を示すグラフである。
【図１０】同心円状のレリーフパターンを設けるときに用いるフォトマスクの例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０，７８  鋸歯型回折格子
１１  入射光
１２，７９  レリーフ
１６  ０次回折光
１７  ＋１次回折光
１８  −１次回折光
２１  金型
２２ａ  上型
２２ｂ，７６  下型
２６，７７  レリーフパターン（鋸歯型パターン）
２７，７１  フォトマスク
２８，７２  マスクパターン
２９，７３  大領域
３１  フォトニック結晶
３２ａ，３２ｂ  誘電体層
３３  格子方向
３６，３７  直線偏光
４１ａ〜４１ｈ，７４  小領域
４２  透過方向
５１  下型母材
５３  レジスト
５６  リソグラフィ光
５８  レジストパターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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