(57)【要約】【課題】回折格子の凸部を構成する主構造体とは異なる副構造体が存在している場合でも、回折効率の低下を抑える、または回折効率を向上させる回折格子を提供する。【解決手段】回折格子１は、基板の少なくとも一方の表面に、断面が凸部２と凹部との繰り返し構造を有するバイナリ型、かつ透過型の回折格子である。凹部には、断面が三角形または台形に近似される副構造体３が存在し、凸部２の高さＨと、副構造体３の高さｈとは、凸部２の高さＨに対する副構造体３の高さｈの比が０．０５から０．４５までの範囲にあるように設定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の少なくとも一方の表面に、断面が凸部と凹部との繰り返し構造を有するバイナリ型、かつ透過型の回折格子であって、
前記凹部には、断面が三角形または台形に近似される副構造体が存在し、
前記凸部の高さと、前記副構造体の高さとは、前記凸部の高さに対する前記副構造体の高さの比が０．０５から０．４５までの範囲にあるように設定される、
ことを特徴とする回折格子。
【請求項２】
前記凸部の高さに対する前記副構造体の高さの比は、前記副構造体が存在しないと想定した場合の前記凸部の高さの値を用いたパラメーターの値における回折効率に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の回折格子。
【請求項３】
前記凸部の高さをＨ、前記副構造体の高さをｈ、前記副構造体が存在しないと想定した場合の前記凸部の高さをＨ１、および前記パラメーターをαとおくと、
前記パラメーターは、Ｈ＝Ｈ１＋α×ｈで表される式で関係付けられる、
ことを特徴とする請求項２に記載の回折格子。
【請求項４】
前記副構造体の形状が三角形で近似され、かつリトロー配置で使用される場合、
使用波長を１０３０ｎｍとし、格子間ピッチを８００ｎｍとし、前記凸部のデューティーを０．４２５とし、前記副構造体が存在しないと想定した場合の前記凸部の高さを１．５μｍとした場合、
前記パラメーターは、０．５２から０．８８までの範囲にある、
ことを特徴とする請求項３に記載の回折格子。
【請求項５】
前記凸部の高さと、前記副構造体の高さとは、前記パラメーターが０．７６であるときに、前記凸部の高さに対する前記副構造体の高さの比が０．２０から０．４５までの範囲にあるように設定されることを特徴とする請求項４に記載の回折格子。
【請求項６】
前記凸部の高さと、前記副構造体の高さとは、前記パラメーターが０．５２であるときに、前記凸部の高さに対する前記副構造体の高さの比が０．０５から０．１５までの範囲にあるように設定されることを特徴とする請求項４に記載の回折格子。
【請求項７】
前記凸部の高さと、前記副構造体の高さとは、前記パラメーターが０．６４であるときに、前記凸部の高さに対する前記副構造体の高さの比が０．３２となるように設定されることを特徴とする請求項４に記載の回折格子。
【請求項８】
前記凸部の高さと、前記副構造体の高さとは、前記パラメーターが０．８８であるときに、前記凸部の高さに対する前記副構造体の高さの比が０．２６となるように設定されることを特徴とする請求項４に記載の回折格子。
【請求項９】
前記副構造体の形状が台形で近似され、かつリトロー配置で使用される場合、
使用波長を８００ｎｍとし、格子間ピッチを８００ｎｍとし、前記凸部のデューティーを０．４９とし、前記副構造体が存在しないと想定した場合の前記凸部の高さを１．３８μｍとした場合、
前記凸部の高さと、前記副構造体の高さとは、前記パラメーターが０．９０であるときに、前記凸部の高さに対する前記副構造体の高さの比が０．２０から０．２５までの範囲にあるように設定される、
ことを特徴とする請求項３に記載の回折格子。
【請求項１０】
前記基板の表面のうち前記繰り返し構造を有しない側の表面に、反射防止膜または反射防止構造を有することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の回折格子。
【請求項１１】
回折格子を含む光学装置であって、
前記回折格子は、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の回折格子であることを特徴とする光学装置。
【請求項１２】
少なくとも１つの回折格子に前記回折格子を用い、前記回折格子とルーフミラーとにパルス光を伝搬させて、該パルス光のパルス幅を圧縮することを特徴とする請求項１１に記載の光学装置。
【請求項１３】
基板の表面に凸部と凹部の繰り返し構造を有する回折格子であって、
前記凹部には、断面が三角形または台形に近似される副構造体が存在し、
前記凸部の高さと、前記副構造体の高さとは、前記凸部の高さに対する前記副構造体の高さの比が０．０５から０．４５までの範囲にあるように設定される、
ことを特徴とする回折格子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子、およびそれを用いた光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、分光器やパルス圧縮装置など光学装置には、波長分散素子として回折格子が利用されている。特に、使用波長オーダーのピッチを有する、バイナリ型かつ透過型の回折格子は、高回折効率、高分散などの特徴を有する。このような断面が凸部と凹部との繰り返し構造を有する回折格子は、一般に以下のような手順で製造される。まず、格子形状を形成する透明な基板が準備され、この基板上にはレジスト（感光剤）が塗布される。次に、投影露光装置または２光束干渉装置などを利用して、レジスト上にはバイナリパターンが露光（転写）される。そして、最終的にエッチング装置を利用して、基板上には１次元溝が形成され、所望の格子形状を有する回折格子が完成する。しかしながら、エッチング処理において、形成されたバイナリ形状の凹部（特に底部）が平坦とならず、三角形または台形のような形状の部分が残存する場合がある。所望のバイナリパターンに形成された凸部を主構造体というならば、この残存した部分を副構造体ということもできる。そして、この副構造体について別の観点で考えると、主構造体と副構造体との間に小さな溝が形成されたと見ることもできる。この小さな溝は、一般にマイクロトレンチと呼ばれ、特に、格子間ピッチが波長オーダーとなり、格子の幅に対する格子深さのアスペクト比が大きくなると顕著に表れることが知られている。そこで、このマイクロトレンチの発生を抑制する方法として、特許文献１は、凸部がマスク材層とシリコン酸化膜との２つの部分からなり、下部のシリコン酸化膜に略垂直な角部を形成するエッチング方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２３４３２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に示すエッチング方法では、マイクロトレンチの発生を抑制することはできるが、凸部の側壁にダメージが発生する可能性がある。図６は、参考として、従来の回折格子１００の形状を示す断面図である。ここで、側壁ダメージとは、例えば、図６に示すように凸部１００ａの側壁に２段テーパーが引き起こされることである。このような側壁ダメージが発生すると、回折効率が低下する可能性があり望ましくない。
【０００５】
本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、例えば、回折格子の凸部を構成する主構造体とは異なる副構造体が存在している場合でも、回折効率の低下を抑える、または回折効率を向上させる回折格子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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、基板の少なくとも一方の表面に、断面が凸部と凹部との繰り返し構造を有するバイナリ型、かつ透過型の回折格子であって、凹部には、断面が三角形または台形に近似される副構造体が存在し、凸部の高さと、副構造体の高さとは、凸部の高さに対する副構造体の高さの比が０．０５から０．４５までの範囲にあるように設定される、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、例えば、回折格子の凸部を構成する主構造体とは異なる副構造体が存在している場合でも、回折効率の低下を抑える、または回折効率を向上させる回折格子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る回折格子の形状を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る回折格子の効果を説明するためのグラフである。
【図３】本発明の第２実施形態に係る回折格子の形状を示す図である。
【図４】第２実施形態に係る回折格子の効果を説明するためのグラフである。
【図５】本発明の一実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【図６】従来の回折格子の形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係る回折格子について説明する。特に、本実施形態に係る回折格子は、バイナリ型で、かつ透過型の回折格子であるものとする。図１は、本実施形態に係る回折格子１の形状の一部を示す断面図である。回折格子１は、その断面が、矩形状の複数の凸部（以下「主構造体」という）２と、隣り合う２つの主構造体２間の凹部で特にその底部に形成され、一例として三角形で近似される形状の複数の部位（以下「副構造体」という）３との繰り返し構造を有する。この回折格子１は、使用波長、基板の屈折率、格子間ピッチ、格子深さ、およびデューティーなどをパラメーターとして設計される。使用波長は、分光したい波長域に基づいて決定される。基板の屈折率は、使用波長域で透過率が高い媒質から選択される。基板とし得る媒質としては、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、またはＳｉなどが挙げられる。ここで、回折格子１のようなバイナリ型で透過型の回折格子は、入射角と回折角とが等しいリトロー配置と呼ばれる系で使用されるのが一般的である。このときの回折次数は、通常＋１次光または−１次光が選択される。そして、先に選択した波長、基板の屈折率、および回折次数から、次式の条件を満たす格子間ピッチＰと入射角とが選択される。
λ１／２ｓｉｎθｌｉｔ＜Ｐ＜λｈ／２ｓｉｎθｌｉｔ
ここで、θｌｉｔは、入射角または回折角、λ１は、波長域の下限、λｈは、波長域の上限である。なお、θｌｉｔは、２０°から６０°までの範囲で選ばれることが多いため、格子間ピッチＰは、波長オーダーとなる。次に、格子深さＨおよびデューティーσは、格子間ピッチＰが波長オーダーとなることから、回折効率の計算には、スカラー解析ではなく電磁場解析が使用される。ここで、デューティーσは、格子間ピッチＰに対する主構造体の幅の割合である。なお、電磁場解析の中でも、非線形効果を伴わない光学素子の場合は、ＲＣＷＡ（厳密結合波解析）を使用してもよい。
【００１１】
特に本実施形態では、主構造体２と副構造体３とは、以下のような寸法となるように設定（形成）される。まず、主構造体２では、格子間ピッチＰは、８００ｎｍであり、デューティーσは、０．４２５とする。これに対して、副構造体３では、高さｈで底辺ＬをＰ×（１−σ）とする三角形で近似される。ここで、高さｈ＝０μｍ、すなわち副構造体３が存在しないときの格子深さ（以下「基準格子深さ」という）Ｈ１＝１．５μｍは、波長λ＝１０３０ｎｍ、入射角４０°で使用する場合における好適な設計値である。なお、このときの回折効率（以下「基準回折効率」という）ｅ１は、計算値で９７．２％である。
【００１２】
次に、主構造体２の格子深さＨと、副構造体３の高さｈとの比に対して、パラメーターαを導入し、このパラメーターαごとの回折効率ｅを参照する。図２は、格子深さＨと高さｈとの比（ｈ／Ｈ）に対する回折効率ｅ（単位％）をパラメーターαごとに示すグラフである。ここで、パラメーターαは、格子深さＨが、高さｈと基準格子深さＨ１とに対して、Ｈ＝Ｈ１＋α×ｈで関係付けられるものとして定義される。図２より、比ｈ／Ｈに対する回折効率ｅは、パラメーターαに依存することがわかる。このとき、全体的には、比ｈ／Ｈが大きくなるにつれて、回折効率ｅが低下する傾向にある。しかしながら、局所的には、例えば、パラメーターαが０．７６のときには、比ｈ／Ｈが０．２０以上０．４５以下の範囲で、回折効率ｅが基準回折効率ｅ１よりも上昇する。また、パラメーターαが０．６４のときには、比ｈ／Ｈが０．３２にて回折効率ｅが基準回折効率ｅ１と同等であり、同様に、パラメーターαが０．８８のときには、比ｈ／Ｈが０．２６にて回折効率ｅが基準回折効率ｅ１と同等である。さらに、パラメーターαが０．５２のときには、比ｈ／Ｈが０．０５以上０．１５以下の範囲で、回折効率ｅが基準回折効率ｅ１よりも上昇する。すなわち、このような範囲または値にパラメーターαと比ｈ／Ｈとの値が入るように目標寸法を設定して回折格子１を形成すれば、副構造体３が存在したとしても、高い回折効率ｅが得られる（回折効率ｅの低下を抑えられる）。
【００１３】
次に、回折格子１を形成する手順について説明する。まず、回折格子１を形成する透明基板を準備する。この透明基板としては、例えば石英からなるウエハを採用し得る。そして、この透明基板上には、レジスト（感光剤）が塗布される（塗布工程）。このとき、レジストは、その膜厚が格子深さＨ×（マスクのエッチング速度／基板のエッチング速度）よりも厚くなるように塗布される。次に、例えばＫｒＦ露光装置（光学倍率１／４倍）を用いて、透明基板上には、格子形状となる８００ｎｍピッチのＬ／Ｓパターンが転写される（露光工程）。このパターン転写の際に使用されるフォトマスク（原版）は、設計ピッチ８００ｎｍの４倍にあたる３２００ｎｍピッチのＬ／Ｓパターンを有する。このとき、露光装置の露光量は、デューティーσ＝０．４２５となるようにレジストの特性を加味して調整される。なお、フォトマスクのピッチに製造公差でずれが生じている場合には、露光倍率を調整することで補正し得る。次に、エッチング装置を用いて、Ｌ／Ｓパターンが形成されている透明基板に対してドライエッチング処理が実施される（エッチング工程）。このとき、エッチング装置は、エッチングガスの種類、流量、およびエッチング時間を適宜調整する。エッチングガスとしては、ハロゲン系ガス、希ガス、または酸素などを選択し得る。流量およびエッチング時間は、印加電圧のバイアスパワーと電圧付加時間とを変更することで調整し得る。そして、アセトンなどの有機溶剤や純水などの液体を用いて、エッチング工程後の透明基板が洗浄される（洗浄工程）。ここまでの各工程により、格子間ピッチＰが８００ｎｍの格子形状が成形された回折格子１が形成される。なお、パラメーターαは、各種装置の環境により変化するため、最終的な回折格子１の形成工程の前に、予備加工を実施して求める必要がある。例えば、回折格子１を一旦形成した後、その形状を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、トライ・アンド・エラーで最終的な所望のパラメーターαを決定し得る。
【００１４】
また、回折格子１は、透明基板の片面（一方の表面）のみに格子形状を形成する場合には、他方の面に反射防止膜、または反射防止構造（ＳＷＳ）を形成してもよい。この場合には、回折格子１を形成する前の透明基板に、予め反射防止膜または反射防止構造を形成しておいてもよいし、または、上記のように回折格子１を形成した後（洗浄工程が終わった後）に形成してもよい。さらに、透明基板の両面に格子形状を形成する場合には、さらに透明基板の裏面側にも、塗布工程、露光工程、およびエッチング工程を順に実施して形成されることになる。
【００１５】
このように、回折格子１は、副構造体３が存在することを予め想定し、格子深さＨと副構造体３の高さｈとの比ｈ／Ｈが上記のような範囲または値になるように、格子深さＨと副構造体３の高さｈとを設定する。これにより、副構造体３が存在している場合でも、副構造体３が存在しない場合よりも、回折効率ｅの低下を抑える、または、さらに向上させることができる。特に本実施形態では、格子深さＨと副構造体３の高さｈとを予め適切なものに設定するものであるため、従来のような形成時に凸部（主構造体２）に側壁ダメージを生じさせることがない。
【００１６】
以上のように、本実施形態によれば、格子形状の凸部を構成する主構造体２とは異なる副構造体３が存在している場合でも、回折効率ｅの低下を抑える、または回折効率ｅを向上させる回折格子１を提供することができる。
【００１７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る回折格子について説明する。本実施形態に係る回折格子の特徴は、第１実施形態の回折格子１では副構造体３が三角形で近似される形状を想定したのに対して、副構造体が台形で近似される形状を有する点にある。図３は、図１に示す第１実施形態に係る回折格子１の形状に対応した、本実施形態に係る回折格子１０の形状の一部を示す断面図である。回折格子１０は、第１実施形態に係る回折格子１と同様に、バイナリ型で、かつ透過型の回折格子であり、図３に示すように、第１実施形態の副構造体３とは、副構造体１１の形状が上記のとおり台形で近似される点で異なる。以下、図３において、図１に示す回折格子１と同一形状の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００１８】
特に本実施形態では、主構造体２と副構造体１１とは、以下のような寸法となるように設定される。まず、主構造体２では、格子間ピッチＰは、８００ｎｍであり、デューティーσは、０．４９とする。これに対して、副構造体１１では、高さｈで、下底Ｌ２をＰ×（１−σ）とし、上底Ｌ１を下底Ｌ２の０．５倍とする台形で近似される。ここで、高さｈ＝０μｍ時の基準格子深さＨ２（第１実施形態の基準格子深さＨ１に対応）＝１．３８μｍは、波長λ＝８００ｎｍ、入射角３０°で使用する場合における好適な設計値である。なお、このときの基準回折効率ｅ２は、計算値で９８．１％である。
【００１９】
次に、主構造体２の格子深さＨと、副構造体１１の高さｈとの比に対して、第１実施形態と同様にパラメーターβ（第１実施形態のパラメーターαに対応）を導入し、このパラメーターβごとの回折効率ｅを参照する。図４は、第１実施形態に係る図２と同様に、比ｈ／Ｈに対する回折効率ｅをパラメーターβごとに示すグラフである。ここで、パラメーターβは、格子深さＨが、高さｈと基準格子深さＨ２とに対して、Ｈ＝Ｈ２＋β×ｈで関係付けられるものとして定義される。図４でも、比ｈ／Ｈに対する回折効率ｅは、パラメーターβに依存することがわかる。この場合も、全体的には、比ｈ／Ｈが大きくなるにつれて、回折効率ｅが低下する傾向にある。しかしながら、局所的には、例えば、パラメーターβが０．９０のときには、比ｈ／Ｈが０．２０以上０．２５以下の範囲で、回折効率ｅが基準回折効率ｅ２よりも上昇する。すなわち、このような範囲または値にパラメーターβと比ｈ／Ｈとの値が入るように目標寸法を設定して回折格子１０を形成すれば、形状が台形で近似されるような副構造体１１が存在したとしても、第１実施形態と同様に、高い回折効率ｅが得られる。
【００２０】
なお、上記各実施形態では、回折格子は、断面が凸部と凹部との繰り返し構造を有する透過型であるものとしている。しかしながら、本発明は、これに限定するものではなく、例えば、透過型の回折格子を作成した後に、凸部と凹部とに反射膜を形成して作成される反射型の回折格子にも適用可能である。
【００２１】
（光学装置）
次に、本発明の一実施形態に係る光学装置について説明する。上記実施形態にて説明した回折格子１（または回折格子１０）は、使用用途を限定することなく、種々の光学装置に採用可能である。以下、一例として、上記実施形態に係る回折格子１が光学装置としてのパルス圧縮装置に用いられる場合について説明する。図５は、波長分散素子として回折格子１を組み込んだパルス圧縮装置２０の構成を示す概略図である。パルス圧縮装置２０は、予め引き延ばされているパルス光２１を、２つの回折格子２２、２３とルーフミラー２４とに伝搬させて、パルス幅を圧縮したパルス光２５に変換する光学装置である。一般的にパルス圧縮装置に用いられる回折格子は、回折効率が高いことが望まれる。そこで、パルス圧縮装置２０は、２つの回折格子２２、２３として上記各実施形態に係る回折格子１を採用する。これにより、パルス圧縮装置２０は、例えば、圧縮効率の維持、または向上の点で有利となる。このように、本実施形態に係る光学装置は、例えば、光学性能の維持、または向上の点で有利となる。
【００２２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００２３】
１    回折格子
２    主構造体
３    副構造体
Ｈ    格子深さ
ｈ    副構造体の高さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2014092730.tif 000005
【図４】
2014092730.tif 000006
【図５】
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【図６】
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