(57)【要約】【課題】所望の微細光学像を容易に生成できる微細光学像生成素子及び微細光学像生成装置を提供する。【解決手段】微細光学像生成素子１００は、準結晶パターンを同一平面上で少なくとも二つ以上組み合わせた配置パターンに基づいて複数の開口部１４０が配置された微細構造部１２０を備える。微細構造部１２０は、レーザ光を遮断する遮光膜１３０と、遮光膜１３０に設けられ、レーザ光が通過可能な複数の開口部１４０と、を備える。準結晶パターンは、例えば、準結晶の格子構造の一つであるペンローズタイルの格子点からなるパターンである。【選択図】図１
2018097284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
準結晶パターンを同一平面上で少なくとも二つ以上組み合わせた配置パターンに基づいて複数の凹部、凸部、又は開口部が配置された微細構造部を備える微細光学像生成素子。
【請求項２】
前記微細構造部は、電磁波を遮断する膜と、当該膜に設けられ、電磁波が通過可能な複数の開口部と、を備える、
請求項１に記載の微細光学像生成素子。
【請求項３】
前記膜を支持しており、電磁波を透過可能な基板を備える、
請求項２に記載の微細光学像生成素子。
【請求項４】
前記微細構造部は、基板の表面に当該基板と一体に形成された複数の凹部又は凸部である、
請求項１に記載の微細光学像生成素子。
【請求項５】
前記微細構造部を支持しており、電磁波を透過可能な基板を備え、
前記微細構造部は、前記基板の表面に設けられ、電磁波を遮断する複数の凸部である、
請求項１に記載の微細光学像生成素子。
【請求項６】
前記準結晶パターンは、ペンローズタイルの格子点からなるパターンである、
請求項１から５のいずれか１項に記載の微細光学像生成素子。
【請求項７】
それぞれの前記準結晶パターンは、前記準結晶パターンの中心点の位置、前記準結晶パターンの中心点を通って前記準結晶パターンに垂直な軸周りの回転角、又は前記準結晶パターンの格子定数の少なくとも１つが異なっている、
請求項１から６のいずれか１項に記載の微細光学像生成素子。
【請求項８】
前記準結晶パターンは、前記準結晶パターンの元となる準結晶の格子構造の格子点に部分的に設けられている、
請求項１から７のいずれか１項に記載の微細光学像生成素子。
【請求項９】
前記準結晶パターンは、互いの中心点が一致するようにフレネルゾーンプレートが重ねられたとき、前記フレネルゾーンプレートの暗輪帯に重なる格子点を除去したパターンである、
請求項８に記載の微細光学像生成素子。
【請求項１０】
電磁波を照射する電磁波照射手段と、
前記電磁波照射手段からの電磁波を透過又は反射することにより微細光学像を生成する請求項１から９のいずれか１項に記載の微細光学像生成素子と、
を備える微細光学像生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細光学像生成素子及び微細光学像生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の微細回路を製造するための加工技術としてフォトリソグラフィが知られている。フォトリソグラフィは、フォトマスクに形成した回路パターンを、感光材料（フォトレジスト）を塗布した基板上に投影することにより、基板上に回路パターンを転写する技術である。例えば、特許文献１には、マスクに形成された回路パターンの像を基板上に投影する投影光学系を備える投影露光装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−５１１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の投影露光装置は、収差による像の歪みを低減するために、複数のレンズを組み合わせた投影光学系を用いている。このため、投影光学系の設計が煩雑であると共に、製造コストが大きいという問題があった。
【０００５】
また、特許文献１の投影露光装置においては、光の回折限界付近まで回路パターンを縮小投影した場合、フォトマスクの回路パターンと基板上に投影された回路パターン像との間にずれが生じる。このため、当該ずれを補正するようにフォトマスクを設計する必要がある。その結果、フォトマスクの設計が煩雑であるという問題がある。そして、これらの問題は、フォトリソグラフィを用いて半導体の微細回路を製造する場合のみならず、微細光学像の生成が要求される様々な技術分野に存在している。
【０００６】
本発明は、このような背景に基づいてなされたものであり、所望の微細光学像を容易に生成できる微細光学像生成素子及び微細光学像生成装置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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る微細光学像生成素子は、
準結晶パターンを同一平面上で少なくとも二つ以上組み合わせた配置パターンに基づいて複数の凹部、凸部、又は開口部が配置された微細構造部を備える。
【０００８】
前記微細構造部は、電磁波を遮断する膜と、当該膜に設けられ、電磁波が通過可能な複数の開口部と、を備えていてもよい。
【０００９】
前記膜を支持しており、電磁波を透過可能な基板を備えていてもよい。
【００１０】
前記微細構造部は、基板の表面に当該基板と一体に形成された複数の凹部又は凸部であってもよい。
【００１１】
前記微細構造部を支持しており、電磁波を透過可能な基板を備え、
前記微細構造部は、前記基板の表面に設けられ、電磁波を遮断する複数の凸部であってもよい。
【００１２】
前記準結晶パターンは、ペンローズタイルの格子点からなるパターンであってもよい。
【００１３】
それぞれの前記準結晶パターンは、前記準結晶パターンの中心点の位置、前記準結晶パターンの中心点を通って前記準結晶パターンに垂直な軸周りの回転角、又は前記準結晶パターンの格子定数の少なくとも１つが異なっていてもよい。
【００１４】
前記準結晶パターンは、前記準結晶パターンの元となる準結晶の格子構造の格子点に部分的に設けられていてもよい。
【００１５】
前記準結晶パターンは、互いの中心点が一致するようにフレネルゾーンプレートが重ねられたとき、前記フレネルゾーンプレートの暗輪帯に重なる格子点を除去したパターンであってもよい。
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明の第２の観点に係る微細光学像生成装置は、
電磁波を照射する電磁波照射手段と、
前記電磁波照射手段からの電磁波を透過又は反射することにより微細光学像を生成する前記微細光学像生成素子と、
を備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、準結晶パターンを同一平面上で少なくとも二つ以上組み合わせた配置パターンに基づいて複数の凹部、凸部、又は開口部が配置された微細構造部を備えている。このため、所望の微細光学像を容易に生成できる微細光学像生成素子及び微細光学像生成装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る微細光学像生成素子を示す平面図である。
【図２】図１の微細光学像生成素子を線Ａ−Ａで矢視した断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る微細光学像生成素子が光学像を生成する様子を示す図である。
【図４】（ａ）はペンローズタイルの一部、（ｂ）は２種類の菱形で構成される準結晶格子構造の一部、（ｃ）は六角形、八角形、及び十角形で構成される準結晶格子構造の一部を示す図である。
【図５】（ａ）はペンローズタイルに基づく準結晶パターン、（ｂ）は（ａ）の準結晶パターンを２つ重ね合わせた配置パターンを示す図である。
【図６】（ａ）は点Ａにスポット像を生成する準結晶レンズ、（ｂ）は点Ｂにスポット像を生成する準結晶レンズ、（ｃ）は（ａ）の準結晶レンズと（ｂ）の準結晶レンズとを組み合わせた微細光学像生成素子を示す図である。
【図７】（ａ）は直線の光学像、（ｂ）は（ａ）の光学像を生成するスポット像の配列、（ｃ）は曲線の光学像、（ｄ）は（ｃ）の光学像を生成するスポット像の配列を示す図である。
【図８】隣接する開口部の重なり合いを説明する図である。
【図９】（ａ）は焦点位置のレーザ光の位相を０にするフレネルゾーンプレート、（ｂ）は焦点位置のレーザ光の位相をπにするフレネルゾーンプレートを示す図である。
【図１０】格子定数とスポット距離との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施の形態１に係る微細光学像生成素子が異なるスポット距離で規定される位置にスポット像を生成する様子を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態１に係る配置パターン生成処理を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の実施の形態１に係る準結晶パターン配置処理を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の実施の形態１に係るコントラスト向上処理を示すフローチャートである。
【図１５】本発明の実施の形態１に係る微細光学像生成素子の製造方法を示す図であって、（ａ）は遮光膜を形成した様子、（ｂ）はレジストを塗布した様子、（ｃ）は開口部を形成した様子、（ｄ）はエッチングを施した様子、（ｅ）はレジストを除去した様子を示す図である。
【図１６】（ａ）は実施例１におけるスポット像、（ｂ）は実施例２におけるスポット像、（ｃ）は実施例３におけるスポット像、（ｄ）は実施例４におけるスポット像、（ｅ）は実施例５における微細光学像生成素子からＺ軸方向に１９２．３６μｍの位置のスポット像、（ｆ）は実施例５における微細光学像生成素子からＺ軸方向に１９２．７３μｍの位置のスポット像を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態２に係る微細光学像生成素子を図２と同様に線Ａ−Ａで矢視した断面図である。
【図１８】本発明の実施の形態３に係る微細光学像生成素子を図２と同様に線Ａ−Ａで矢視した断面図である。
【図１９】本発明の実施の形態４に係る微細光学像生成素子を図２と同様に線Ａ−Ａで矢視した断面図である。
【図２０】本発明の実施の形態５に係る微細光学像生成素子を図２と同様に線Ａ−Ａで矢視した断面図である。
【図２１】本発明の実施の形態６に係る微細光学像生成素子を図２と同様に線Ａ−Ａで矢視した断面図である。
【図２２】本発明の実施の形態６に係る微細光学像生成素子が光学像を生成する様子を示す図である。
【図２３】本発明の実施の形態７に係る微細光学像生成素子を図２と同様に線Ａ−Ａで矢視した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る微細光学像生成素子及び微細光学像生成装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面においては、同一または同等の部分に同一の符号を付す。また、各実施の形態においては、微細光学像生成素子の平面上に延びる方向をＸ軸、微細光学像生成素子の平面上にあってＸ軸に垂直な方向をＹ軸、微細光学像生成素子の平面に垂直な方向、すなわちＸ軸及びＹ軸に垂直な方向をＺ軸とする直交座標系を使用する。
【００２０】
微細光学像生成素子は、外部から照射された電磁波を透過又は反射することにより電磁波を集光して外部に微細光学像を生成する素子である。微細光学像生成素子に照射される電磁波は、マイクロ波、テラヘルツ波、赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線等である。以下、理解を容易にするために、微細光学像生成素子に可視光領域のレーザ光を照射する場合を例にして説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１〜１６を参照して、本発明の実施の形態１に係る微細光学像生成素子１００及び微細光学像生成装置１について説明する。
【００２２】
図１は、微細光学像生成素子１００の一例を示す図である。微細光学像生成素子１００は、全体として円盤形状であり、表面の遮光膜１３０には、図１の黒い点で示す複数の開口部１４０が形成されている。
【００２３】
図２は、図１に示す微細光学像生成素子１００の断面を示した概略図である。図２においては、理解を容易にするために、開口部１４０の数とスケールを簡略化して図示している。図２に示すように、微細光学像生成素子１００は、平板状の基板１１０と、基板１１０の表面に設けられた微細構造部１２０と、を備える。
【００２４】
基板１１０は、薄膜状の微細構造部１２０の形状を保持する部材である。基板１１０は、ガラス等のレーザ光を透過可能な材料から形成されている。基板１１０の厚さは、基板１１０の剛性、基板１１０を透過する際のレーザ光の損失等を考慮して、約０．５ｍｍ〜約１．０ｍｍであることが好ましい。
【００２５】
微細構造部１２０は、照射されたレーザ光を集光して微細光学像を生成するための微細な構造を有する部材である。微細構造部１２０は、レーザ光を遮る遮光膜１３０と、遮光膜１３０に設けられ、レーザ光が通過可能な複数の開口部１４０と、を備える。遮光膜１３０は、タングステンシリサイド等のレーザ光を透過しない金属材料から形成されている。遮光膜１３０の厚さは、遮光膜１３０の製造コスト、開口部１４０の加工容易性等を考慮して、約８０ｎｍ〜約２００ｎｍであることが好ましい。
【００２６】
複数の開口部１４０は、微細構造部１２０がＸＹ平面上に配置されているとき、Ｚ軸方向に貫通するように形成されている。複数の開口部１４０は、いずれも同一の半径Ｒ１を有する円形孔である。
【００２７】
図３は、微細光学像生成装置１の全体的な構成を示す図である。微細光学像生成装置１は、微細光学像生成素子１００と、微細光学像生成素子１００にレーザ光を照射する電磁波照射手段であるレーザ光源１０と、を備えている。図３に示すように、微細構造部１２０は、所定のパターンで形成された複数の開口部１４０におけるレーザ光の回折・干渉作用を利用して、レーザ光源１０から照射されてＺ軸方向に入射したレーザ光を集光し、外部に微細光学像を生成する。
【００２８】
次に、微細構造部１２０に複数の開口部１４０を配置するための配置パターンについて説明する。
【００２９】
配置パターンは、微細構造部１２０において複数の開口部１４０を配置する位置を示すパターンであって、準結晶パターンを少なくとも二つ以上組み合わせて構成されている。配置パターンは、複数の点（ドット）から構成されており、配置パターンを構成する点の位置は、遮光膜１３０における開口部１４０の位置に対応する。図１の微細光学像生成素子１００は、複数の開口部１４０を配置パターンに基づいて配置した一つの例である。
【００３０】
準結晶パターンは、準結晶の格子構造をその結晶構造の対称軸に平行でない二次元空間に射影したとき、当該格子構造の格子点すなわち当該格子構造を構成する菱形の頂点から構成されるパターンである。準結晶は、結晶のような並進対称性は持たないが、アモルファスとは異なり原子配列に高い秩序性を有しており、結晶及びアモルファスとは異なる特有の格子構造を備えている。例えば、準結晶の格子構造としては、図４（ａ）に示すペンローズタイル、図４（ｂ）に示す２種類の菱形で構成される格子構造、図４（ｃ）に示す六角形、八角形、及び十角形で構成される格子構造等が知られている。
【００３１】
以下、図４（ａ）〜（ｃ）に示す準結晶パターンを生成する具体的な方法について説明する。まず、５次元の超空間を２次元空間（物理空間）と３次元空間（直交補空間）に分解する。５次元空間内で、互いに直交する長さ１の基底ベクトルｅ１〜ｅ５は以下の式で表される。ただし、ｔは転置を表す。
【００３２】
【数１】
2018097284.tif 000003
【００３３】
次に、５次元空間で周期的な単純格子を考え、その格子点を２次元と３次元の空間に射影する。すなわち、５次元の基底ベクトルｅ１〜ｅ５を２次元の物理空間と３次元の直交補空間に射影する。このとき、２次元の物理空間に射影した基底ベクトルＬ１〜Ｌ５は以下の式で表される。
【００３４】
【数２】
2018097284.tif 000004
【００３５】
また、２次元の物理空間に射影した基底ベクトルＬ１〜Ｌ５及び３次元の直交補空間に射影した基底ベクトルＰ１〜Ｐ５は以下の式で表される。
【００３６】
【数３】
2018097284.tif 000005
【００３７】
５次元超格子の格子点ｐは以下の式で表される。
ｐ＝ｎ１ｅ１＋ｎ２ｅ２＋ｎ３ｅ３＋ｎ４ｅ４＋ｎ５ｅ５
ただし、ｎ１〜ｎ５は、例えば、−２３〜２３の範囲の整数とする。このとき、格子点ｐの数は全部で（２×２３＋１）５＝２２９，３４５，００７個である。ｎ１〜ｎ５の最大値が大きいほど準結晶の格子点の数も増え、パターン全体のサイズも大きくなる。
【００３８】
物理空間に射影された格子点ｒは、２次元の物理空間に射影した基底ベクトルＬ１〜Ｌ５を用いて以下の式で表される。
ｒ＝ｎ１Ｌ１＋ｎ２Ｌ２＋ｎ３Ｌ３＋ｎ４Ｌ４＋ｎ５Ｌ５
また、直交補空間に射影された格子点ｐ⊥は、３次元の直交補空間に射影した基底ベクトルＰ１〜Ｐ５を用いて以下の式で表される。
ｐ⊥＝ｎ１Ｐ１＋ｎ２Ｐ２＋ｎ３Ｐ３＋ｎ４Ｐ４＋ｎ５Ｐ５
【００３９】
ここまで各準結晶パターンを生成する手順は共通しているが、以下に示す手順は準結晶パターンごとに異なる。例えば、図４（ａ）に示すペンローズタイルを生成するには、ｐ⊥のｚ座標に応じてｐ⊥のｘ、ｙ座標が以下の条件を満たすものを選択する。
【００４０】
ｐ⊥のｚ座標が−２／√５のとき、ｐ⊥のｘ、ｙ座標がｘ＝０、ｙ＝０のものを選択する。
ｐ⊥のｚ座標が−１／√５のとき、ｐ⊥のｘ、ｙ座標がＰ１、Ｐ４、Ｐ２、Ｐ５、Ｐ３の作る正五角形の範囲に入っているものを選択する。
ｐ⊥のｚ座標が０のとき、ｐ⊥のｘ、ｙ座標がＰ１＋Ｐ４、Ｐ４＋Ｐ２、Ｐ２＋Ｐ５、Ｐ５＋Ｐ３、Ｐ３＋Ｐ１の作る正五角形の範囲に入っているものを選択する。
ｐ⊥のｚ座標が１／√５のとき、ｐ⊥のｘ、ｙ座標がＰ１＋Ｐ３＋Ｐ４、Ｐ４＋Ｐ２＋Ｐ１、Ｐ２＋Ｐ５＋Ｐ４、Ｐ５＋Ｐ３＋Ｐ２、Ｐ３＋Ｐ１＋Ｐ５の作る正五角形の範囲に入っているものを選択する。
ｐ⊥のｚ座標が２／√５のとき、ｐ⊥のｘ、ｙ座標がＰ１＋Ｐ４＋Ｐ３＋Ｐ２、Ｐ４＋Ｐ２＋Ｐ１＋Ｐ５、Ｐ２＋Ｐ５＋Ｐ４＋Ｐ３、Ｐ５＋Ｐ３＋Ｐ２＋Ｐ１、Ｐ３＋Ｐ１＋Ｐ５＋Ｐ４の作る正五角形の範囲に入っているものを選択する。
【００４１】
図４（ｂ）に示す２種類の菱形で構成される格子構造を生成するには、ｐ⊥のｚ座標に応じてｐ⊥のｘ、ｙ座標を以下のように設定する。
【００４２】
ｐ⊥のｚ座標が−２／√５のとき、ｐ⊥のｘ、ｙ座標がＰ１／２、Ｐ４／２、Ｐ２／２、Ｐ５／２、Ｐ３／２の作る正五角形の範囲に入っているものを選択する。
ｐ⊥のｚ座標が−１／√５のとき、ｐ⊥のｘ、ｙ座標がＰ１＋Ｐ４／２、Ｐ４＋Ｐ１／２、Ｐ４＋Ｐ２／２、Ｐ２＋Ｐ４／２、Ｐ２＋Ｐ５／２、Ｐ５＋Ｐ２／２、Ｐ５＋Ｐ３／２、Ｐ３＋Ｐ５／２、Ｐ３＋Ｐ１／２、Ｐ１＋Ｐ３／２の作る正十角形の範囲に入っているものを選択する。
ｐ⊥のｚ座標が０のとき、ｐ⊥のｘ、ｙ座標がＰ１＋Ｐ４＋Ｐ３／２、Ｐ４＋Ｐ１＋Ｐ２／２、Ｐ４＋Ｐ２＋Ｐ１／２、Ｐ２＋Ｐ４＋Ｐ５／２、Ｐ２＋Ｐ５＋Ｐ４／２、Ｐ５＋Ｐ２＋Ｐ３／２、Ｐ５＋Ｐ３＋Ｐ２／２、Ｐ３＋Ｐ５＋Ｐ１／２、Ｐ３＋Ｐ１＋Ｐ５／２、Ｐ１＋Ｐ３＋Ｐ４／２の作る正十角形の範囲に入っているものを選択する。
ｐ⊥のｚ座標が１／√５のとき、ｐ⊥のｘ、ｙ座標がＰ１＋Ｐ４＋Ｐ３＋Ｐ２／２、Ｐ４＋Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３／２、Ｐ４＋Ｐ２＋Ｐ１＋Ｐ５／２、Ｐ２＋Ｐ４＋Ｐ５＋Ｐ１／２、Ｐ２＋Ｐ５＋Ｐ４＋Ｐ３／２、Ｐ５＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４／２、Ｐ５＋Ｐ３＋Ｐ２＋Ｐ１／２、Ｐ３＋Ｐ５＋Ｐ１＋Ｐ２／２、Ｐ３＋Ｐ１＋Ｐ５＋Ｐ４／２、Ｐ１＋Ｐ３＋Ｐ４＋Ｐ５／２の作る正十角形の範囲に入っているものを選択する。
ｐ⊥のｚ座標が２／√５のとき、ｐ⊥のｘ、ｙ座標がＰ１＋Ｐ４＋Ｐ３＋Ｐ２＋Ｐ５／２、Ｐ４＋Ｐ２＋Ｐ１＋Ｐ５＋Ｐ３／２、Ｐ２＋Ｐ５＋Ｐ４＋Ｐ３＋Ｐ１／２、Ｐ５＋Ｐ３＋Ｐ２＋Ｐ１＋Ｐ４／２、Ｐ３＋Ｐ１＋Ｐ５＋Ｐ４＋Ｐ２／２の作る正五角形の範囲に入っているものを選択する。
【００４３】
図４（ｃ）に示す六角形、八角形、及び十角形で構成される格子構造を生成するには、ｐ⊥のｚ座標に応じてｐ⊥のｘ、ｙ座標を以下のように設定する。
【００４４】
ｐ⊥のｚ座標が−２／√５のとき、選択しない。
ｐ⊥のｚ座標が−１／√５のとき、選択しない。
ｐ⊥のｚ座標が０のとき、ｐ⊥のｘ、ｙ座標がＰ１＋Ｐ４、Ｐ４＋Ｐ２、Ｐ２＋Ｐ５、Ｐ５＋Ｐ３、Ｐ３＋Ｐ１が作る正五角形の範囲に入っているものを選択する。
ｐ⊥のｚ座標が１／√５のとき、ｐ⊥のｘ、ｙ座標がＰ１＋Ｐ４＋Ｐ３、Ｐ４＋Ｐ２＋Ｐ１、Ｐ２＋Ｐ５＋Ｐ４、Ｐ５＋Ｐ３＋Ｐ２、Ｐ３＋Ｐ１＋Ｐ５が作る正五角形の範囲に入っているものを選択する。
ｐ⊥のｚ座標が２／√５のとき、選択しない。
【００４５】
３次元直交補空間上で選択された格子点ｐ⊥に対応するｒの集合体が２次元物理空間における準結晶パターンを構成する。準結晶パターンは回転対称性を有しており、回転対称性の回転中心が準結晶パターンの中心点である。
【００４６】
準結晶の結晶構造に基づいて生成された準結晶パターンと、少なくとも２つ以上の準結晶パターンを組み合わせて生成された配置パターンの具体的な例を示す。図５（ａ）は、図４（ａ）のペンローズタイルに基づいて生成された準結晶パターンを示す。準結晶パターンは、規則的に配置された複数の格子点から構成される。準結晶パターン全体の半径Ｒ２は、中心点から最も遠いところにある格子点までの距離である。図５（ａ）の準結晶パターンを同一平面上に少しずらして２つ重ね合わせると、図５（ｂ）に示す２つの準結晶パターンからなる配置パターンを得ることができる。さらに、図５（ａ）の準結晶パターンを同一平面上で少しずつずらして重ね合わせていくことにより、図１に示すようなパターンで開口部１４０を配置する配置パターンが得られる。
【００４７】
次に、図６を参照して、微細光学像生成素子１００が所望の微細光学像を生成する原理について説明する。理解を容易にするために、２つの同一の準結晶パターンを図５（ｂ）に示すように同一平面上で重ね合わせることにより配置パターンを生成する場合を例にして説明する。
【００４８】
図６（ａ）は、１つの準結晶パターンで複数の開口部１４０Ａが配置されている準結晶レンズ１００Ａを示す。準結晶レンズ１００Ａは、１つの準結晶パターンで複数の開口部１４０Ａが配置されていることを除いて微細光学像生成素子１００と同一の構成を備える。準結晶レンズ１００Ａは、複数の開口部１４０Ａを通過したレーザ光が回折・干渉して１つの点Ａ（ｘＡ，ｙＡ）に集光することにより、点Ａに１つのスポット像を生成する。
【００４９】
準結晶レンズ１００Ａの生成するスポット像は、準結晶レンズ１００Ａの準結晶パターンの中心点から、準結晶レンズ１００Ａの平面に対して垂直方向に延びている延長線ＬＡ上に現れる。準結晶レンズ１００Ａは、従来のフォトリソグラフィとは異なり、フォトマスクの回路パターンを縮小するレンズ系が不要であるため、光の回折限界を超えたサイズへの集光を実現できる。また、表面に異物が存在していたとしても、スポット像の生成に影響をほとんど及ぼさない。
【００５０】
図６（ｂ）は、準結晶レンズ１００Ａと同一の１つの準結晶パターンで複数の開口部１４０Ｂが配置されている準結晶レンズ１００Ｂを示す。準結晶レンズ１００Ｂは、点Ａと同一のＸＹ平面上であって点Ａと異なる位置にある点Ｂ（ｘＢ，ｙＢ）に１つのスポット像を生成する。準結晶レンズ１００Ｂの生成するスポット像は、準結晶レンズ１００Ｂの準結晶パターンの中心点から、準結晶レンズ１００Ｂの平面に対して垂直方向に延びた延長線ＬＢ上に現れる。
【００５１】
図６（ｃ）は、準結晶レンズ１００Ａと準結晶レンズ１００Ｂを一体に構成した微細光学像生成素子１００を示す。微細光学像生成素子１００は、図６（ａ）の準結晶パターンで配置された複数の開口部１４０Ａと、図６（ｂ）の準結晶パターンで配置された複数の開口部１４０Ｂとを同一の遮光膜１３０に配置して構成されている。それぞれの開口部１４０Ａ、１４０Ｂが互いに重なり合わない限り、複数の開口部１４０Ａと複数の開口部１４０Ｂとは、互いに影響を及ぼすことなく同一のＸＹ平面上にある点Ａ、Ｂに２つのスポット像を生成する。
【００５２】
微細光学像生成素子１００は、この性質を利用して、複数の準結晶パターンを組み合わせた配置パターンに基づいて同一の遮光膜１３０に複数の開口部１４０を配置することにより、複数のスポット像を重ね合わせて所望の微細光学像を生成する。例えば、図７（ａ）に示す直線の光学像を生成する場合、図７（ｂ）に示すように複数のスポット像が直線上に並ぶように、複数の準結晶パターンを組み合わせて配置パターンを生成する。また、図７（ｃ）に示す曲線の光学像を生成する場合、図７（ｄ）に示すようにスポット像が曲線上に並ぶように、複数の準結晶パターンを組み合わせて配置パターンを生成する。
【００５３】
微細光学像を構成するスポット像の明るさは、準結晶パターンの大きさ、すなわち準結晶パターンの中心点からの半径Ｒ２に依存している。準結晶パターンの中心点からの半径Ｒ２を大きくすると生成されるスポット像が明るくなる。準結晶パターンの中心点からの半径Ｒ２は任意であるが、スポット像の明るさ、他の準結晶パターンと重複する可能性等を考慮して、約５００μｍ〜約１．０ｍｍ程度であることが好ましい。
【００５４】
スポット像の大きさは、開口部１４０の円形孔の径、照射する電磁波の波長に依存している。開口部１４０の円形孔の半径Ｒ１を大きくすると生成されるスポット像の径も大きくなる。また、照射する電磁波の波長を長くすると生成されるスポット像の径も大きくなる。開口部１４０の円形孔の半径Ｒ１は任意であるが、円形孔の半径Ｒ１は、円形孔の加工容易性、電磁波の回折・干渉特性等を考慮して、約０．１μｍ〜約１．０μｍであることが好ましい。
【００５５】
次に、準結晶パターン同士ができるだけ重複しないように配置する手法について説明する。
【００５６】
図８は、隣り合う２つの開口部１４０が遮光膜１３０上で重なり合った様子を示す図である。２つの開口部１４０が重なり合ってひとまとまりの開口部となった場合、準結晶パターンで配置された複数の開口部１４０はスポット像を正しく生成することができない。このため、複数の準結晶パターンを同一平面上に組み合わせるとき、隣り合う開口部１４０ができるだけ重なり合うことがないように、開口部１４０の配置パターンを決定する必要がある。
【００５７】
準結晶パターンがその中心点を通るＺ軸の周りに回転されたとしても、準結晶パターンで配置された複数の開口部１４０により生成されるスポット像には影響を及ぼさない。このため、複数の準結晶パターンを同一平面上で組み合わせて開口部１４０の配置パターンを生成するとき、隣接する開口部１４０ができるだけ重なり合わないように、追加する準結晶パターンを配置済みの準結晶パターンに対して中心点を通るＺ軸の周りに適宜の回転角で回転してから配置する。
【００５８】
次に、隣接するスポット像のコントラストを向上させる手法について説明する。
【００５９】
スポット像同士を隣接させて光学像を生成する場合、スポット像の間に明るい領域が生成され、スポット像のコントラストが低下することがある。スポット像のコントラストは、隣接するスポット像を生成するレーザ光が互いに干渉するため低下する。このため、スポット像のコントラストを向上させるには、隣接するスポット像を生成するレーザ光を互いに異なる位相とすればよい。
【００６０】
スポット像を生成するレーザ光の位相を変化させるには、フレネルゾーンプレートと準結晶パターンとを互いの中心点が一致するように重ね合わせ、フレネルゾーンプレートの暗輪帯に位置する準結晶パターンの格子点を削除すればよい。なお、フレネルゾーンプレートは、準結晶パターンの格子点の一部を削除するために使用されるものであって、実際に微細光学像を生成する際には使用されない。
【００６１】
図９（ａ）は、レーザ光の位相を０にするフレネルゾーンプレート、図９（ｂ）は、レーザ光の位相をπにするフレネルゾーンプレートである。フレネルゾーンプレートは、規則的に間隔の変化する同心円の輪帯を備えており、各輪帯からの光が同じ位相で一つの点に集まるように構成した光学素子である。図９（ａ）、（ｂ）のフレネルゾーンプレートにおいて白い部分はレーザ光を透過する透過部分であり、黒い部分はレーザ光を遮る遮光部分すなわち暗輪帯である。
【００６２】
以下、フレネルゾーンプレートを生成する具体的な手法を説明する。フレネルゾーンプレートは原点を中心とする複数の同心円の輪帯から構成されている。フレネルゾーンプレートを構成する１つの輪帯の内径及び外径をｒｍ（１）、ｒｍ（２）とすると、ｒｍ（１）＜ｒｍ（２）であり、ｒｍ（１）＜ｒｍ＋１（１）かつｒｍ（２）＜ｒｍ＋１（２）である。ただし、ｍは１からＭまでの整数であり、同心円が外側に配置されるにつれて大きくなる整数である。また、フィルタを重ね合わせる準結晶パターンにおける中心点から最も外側の格子点までの距離をｒｍａｘとしたとき、ｒＭ（２）＞ｒｍａｘとなるようにＭを定める。
【００６３】
フレネルゾーンプレートは、スポット像の位相がθ（単位はラジアン）になるように設計する。より具体的には、以下の式を満たす最小のＮ（正の整数）を探す。
【００６４】
【数４】
2018097284.tif 000006
ただし、ｐ０＝θ−π／２であり、ｆは準結晶素子からスポット像までの距離である。
【００６５】
Ｎが偶数の場合、以下の式を満たすように輪帯の同心円の半径を決定することによりフレネルゾーンプレートを生成する。
【００６６】
【数５】
2018097284.tif 000007
【００６７】
また、Ｎが奇数の場合、以下の式を満たすように輪帯の同心円の半径を決定することによりフレネルゾーンプレートを生成する。
【００６８】
【数６】
2018097284.tif 000008
【００６９】
次に、互いの中心点が一致するようにフレネルゾーンプレートと準結晶パターンとを重ね合わせる。そして、準結晶パターンの中心点から格子点までの距離をｒとしたとき、いずれかのｍに対してｒｍ（１）＜ｒ＜ｒｍ（２）の条件を満たす格子点を削除すればよい。
【００７０】
フレネルゾーンプレートを用いて準結晶パターンの格子点を部分的に削除した具体的な例について説明する。例えば、２つのスポット像を隣接して生成する場合、一方の準結晶パターンには図９（ａ）に示すスポット像の位相が０となるフレネルゾーンプレートを重ね合わせる。また、他方の準結晶パターンには、図９（ｂ）に示すスポット像の位相がπとなるフレネルゾーンプレートを重ね合わせる。次いで、フレネルゾーンプレートの暗輪帯と重なる領域、すなわちｒｍ（１）＜ｒ＜ｒｍ（２）の条件を満たしている格子点をすべて削除する。上記のとおり準結晶パターンの格子点を部分的に削除した場合、隣接するスポット像を生成するレーザ光が互いに逆位相となるため、スポット像のコントラストの向上を実現できる。
【００７１】
図１０は、格子定数αとスポット距離ｚとの関係を示すグラフである。格子定数αは、準結晶パターンの元となる準結晶の格子構造を構成している菱形の１辺の長さである。また、スポット距離ｚは、微細光学像生成素子１００に形成された準結晶パターンの中心点からスポット像が形成される位置までのＺ軸方向の距離である。図１０に示すように、スポット距離ｚは格子定数αを調整することにより調整できる。
【００７２】
図１０に示すグラフは、照射するレーザ光の波長が０．５３２μｍの場合に対応しているが、準結晶パターンの種類が同一であれば、レーザ光の波長が異なる場合でも利用することができる。レーザ光の波長を変更する場合は、変更した波長に合わせてグラフの縦軸及び横軸を適切にスケーリングすればよい。例えば、レーザ光の波長を２倍にする場合、グラフの縦軸及び横軸の数字をそれぞれ２倍にすればよい。
【００７３】
図１０のグラフに示す性質を利用して、スポット像を適宜組み合わせて所望の３次元光学像を生成する微細光学像生成素子１００を構成できる。図１１は、スポット距離ｚの異なる位置にそれぞれスポット像を生成する２つの準結晶レンズを組み合わせた微細光学像生成素子１００を示す。それぞれの準結晶パターンで配置された複数の開口部１４０は互いに独立してスポット像を生成するため、図１１に示す微細光学像生成素子１００は、スポット距離ｚの異なる位置にそれぞれスポット像を生成できる。より複雑な３次元光学像を生成する場合には、スポット距離ｚで規定されるＸＹ平面ごとに複数のスポット像を配置するように、格子定数αの異なる複数の準結晶パターンを組み合わせて配置パターンを生成すればよい。
【００７４】
次に、図１２を参照して、微細光学像生成素子１００における開口部１４０の配置パターンを生成する配置パターン生成処理について説明する。配置パターン生成処理はユーザがコンピュータを用いて実行する。
【００７５】
まず、格子定数αとスポット距離ｚとの関係を導出する（ステップＳ１０１）。より詳細に説明すると、ペンローズタイルの準結晶パターンにおいて格子定数αを少しずつ変更させ、格子定数αに対応するスポット距離ｚを算出することにより、図１０のグラフに示すように格子定数αとスポット距離ｚとの関係を導出する。
【００７６】
次に、光学像を生成する位置のスポット距離ｚを決定する（ステップＳ１０２）。例えば、微細光学像生成素子１００をフォトリソグラフィに適用する場合、スポット距離ｚは微細光学像生成素子１００からレジストを塗布した基板までの距離に相当する。
【００７７】
ステップＳ１０１で導出した関係に基づいて、スポット距離ｚに対応する格子定数αを決定する（ステップＳ１０３）。具体的には、図１０のグラフを参照して、縦軸のスポット距離ｚに対応する値を横軸から読み取ることにより格子定数αを決定する。
【００７８】
次に、生成するスポット像の大きさ、明るさを考慮して、開口部１４０の半径Ｒ１、準結晶パターンの半径Ｒ２を決定する（ステップＳ１０４）。
【００７９】
ステップＳ１０３で決定された格子定数α、ステップＳ１０４で決定された開口部１４０の半径Ｒ１、準結晶パターンの半径Ｒ２に基づいて準結晶パターンを生成する（ステップＳ１０５）。
【００８０】
次に、スポット距離ｚの位置に所望の光学像を生成するようにｎ個のスポット像の配列を決定する（ステップＳ１０６）。例えば、直線の像を生成する場合は、図７（ｂ）に示すように、距離ｄずつ間隔を空けて直線上に並ぶようにｎ個のスポット像を配列する。また、曲線の像も生成する場合は、図７（ｄ）に示すように、曲線状に並ぶようにｎ個のスポット像を配列する。
【００８１】
ステップＳ１０６で決定されたｎ個のスポット像の配列に基づいてｎ個の準結晶パターンの配置を決定するために準結晶パターン配置処理を実行する（ステップＳ１０７）。
【００８２】
ここで、図１３のフローチャートを参照して、ユーザがコンピュータを用いて実行する準結晶パターン配置処理について説明する。準結晶パターン配置処理は、複数の準結晶パターンを重ね合わせたとき、開口部１４０が互いに重複しないように配置するための処理である。
【００８３】
まず、平面上に１つの準結晶パターンを配置する（ステップＳ２０１）。例えば、準結晶パターンの中心点が平面上に設定した直交座標系の原点に位置するように準結晶パターンを配置する。
【００８４】
次に、ステップＳ２０１で配置した準結晶パターンと同一平面上に新たな準結晶パターンを追加する（ステップＳ２０２）。例えば、直線の光学像を生成する場合、ステップＳ２０１で配置した準結晶パターンの中心点を配置した原点から、図７（ｂ）に示すように距離ｄだけ離れた任意の位置に追加の準結晶パターンの中心点が位置するように、同一平面上に準結晶パターンを追加する。
【００８５】
次に、複数の準結晶パターンが組み合わされた配置パターンにおいて、隣接する格子点間の距離が閾値よりも小さいかどうかを判定する（ステップＳ２０３）。閾値は開口部の半径Ｒ１に依存しており、例えば、開口部の半径Ｒ１の２倍の長さに設定する。隣接する格子点間の距離が閾値よりも小さい場合（ステップＳ２０３：ＹＥＳ）、遮光膜１３０で隣接する開口部１４０が重なるおそれがあると判断して、既に配置済みの準結晶パターンとできるだけ重複しないようにステップＳ２０２で追加した準結晶パターンを回転する（ステップＳ２０４）。
【００８６】
より詳細に説明すると、回転角を少しずつ（例えば１°ずつ）変えながら、既に配置されている準結晶パターンの格子点と追加する準結晶パターンの格子点との重複数をカウントする。そして、格子点同士の重複数が最も少ない回転角を最適な回転角であるとして、当該最適な回転角で追加した準結晶パターンを回転させる。
【００８７】
隣接する格子点間の距離が閾値よりも小さい場合（ステップＳ２０３：ＮＯ）、又はステップＳ２０４の処理を実行した後、ステップＳ２０２で追加した準結晶パターンが最後の準結晶パターンかどうかを判定する（ステップＳ２０５）。ステップＳ２０２で配置された準結晶パターンが最後の準結晶パターンである場合（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）、処理をリターンする。
【００８８】
ステップＳ２０２で配置された準結晶パターンが最後の準結晶パターンでない場合（ステップＳ２０５：ＮＯ）、ステップＳ２０２に処理を戻す。そして、最後の準結晶パターンを配置するまでステップＳ２０２〜Ｓ２０５の処理を繰り返す。以上の処理により複数の準結晶パターンができるだけ重なり合うことなく同一平面上に配置される。
【００８９】
再び図１２のフローチャートを参照して、配置パターン生成処理の説明に戻る。ステップＳ１０７の準結晶パターン配置処理を実行した後、像のコントラストが目標とするコントラストよりも低いかどうかを判定する（ステップＳ１０８）。像のコントラストが目標とするコントラストよりも低い場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、コントラスト向上処理を実行する（ステップＳ１０９）。像のコントラストが目標とするコントラストよりも低くない場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）、次のステップＳ１１０へ進む。
【００９０】
ここで、図１４のフローチャートを参照して、ユーザがコンピュータを用いて実行するコントラスト向上処理（ステップＳ１０９）について説明する。コントラスト向上処理は、準結晶パターンで配置された複数の開口部１４０を通過するレーザ光の位相を変化させ、隣接する２つのスポット像Ａ、Ｂのコントラストを向上させる処理である。以下では、スポット像Ａを構成する準結晶パターンをα、スポット像Ｂを構成する準結晶パターンをβとする。
【００９１】
まず、準結晶パターンαにスポット像の位相を０にする第１のフレネルゾーンプレートを重ねる（ステップＳ３０１）。第１のフレネルゾーンプレートは、図９（ａ）に示すフレネルゾーンプレートであり、その中心点が準結晶パターンαの中心点と一致するように重ねる。
【００９２】
第１のフレネルゾーンプレートの暗輪帯と重複する準結晶パターンαの格子点を削除する（ステップＳ３０２）。準結晶パターンβを含むその他の準結晶パターンについては処理を行わない。第１のフレネルゾーンプレートの暗輪帯にある準結晶パターンの格子点を削除することにより、スポット像を生成するレーザ光の位相を０に変化させることができる。
【００９３】
準結晶パターンβにスポット像の位相をπにする第２のフレネルゾーンプレートを重ねる（ステップＳ３０３）。第２のフレネルゾーンプレートは、図９（ｂ）に示すフレネルゾーンプレートであり、その中心点が準結晶パターンβの中心点と一致するように重ねる。
【００９４】
第２のフレネルゾーンプレートの暗輪帯と重複する準結晶パターンβの格子点を削除する（ステップＳ３０４）。準結晶パターンαを含むその他の準結晶パターンについては処理を行わない。第２のフレネルゾーンプレートの暗輪帯にある準結晶パターンの格子点を削除することにより、スポット像を生成するレーザ光の位相をπに変化させることができる。ステップＳ３０４の処理を実行した後、処理をリターンする。コントラスト向上処理を実行することにより、隣接するスポット像を生成するレーザ光が互いに逆位相となるため、スポット像の高いコントラストを実現できる。
【００９５】
再び図１２のフローチャートを参照して、配置パターン生成処理の説明に戻る。ステップＳ１０９のコントラスト向上処理を実行した後、ステップＳ１０２で決定したスポット距離ｚとは異なる距離に像を追加するかどうかを判定する（ステップＳ１１０）。ステップＳ１０２で決定したスポット距離ｚとは異なる距離に像を追加する場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、ステップＳ１０２に処理を戻す。ステップＳ１０２〜Ｓ１１０の処理を繰り返すことにより、所望の３次元光学像を生成するための開口部１４０の配置パターンを生成できる。
【００９６】
ステップＳ１０２で決定したスポット距離ｚとは異なる距離に像を追加しない場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）、配置パターン生成処理を終了する。
【００９７】
次に、図１５を参照して、微細光学像生成素子１００の製造方法について説明する。
【００９８】
まず、図１５（ａ）に示すように、基板１１０の上にタングステンシリサイドの遮光膜１３０をスパッタ成膜法により形成する。遮光膜１３０は、光を遮光する材料であればタングステンシリサイド以外のいかなる材料を用いてもよい。
【００９９】
次に、図１５（ｂ）に示すように、基板１１０上に形成された遮光膜１３０の表面に電子線レジストＺＥＰ５２０Ａを成膜する。レジストの成膜にはスピンコートを用いる。例えば、レジストの厚さは約３７０ｎｍである。
【０１００】
次に、図１５（ｃ）に示すように、電子線描画装置を用いて図１２に示す配置パターン生成処理にて決定された配置パターンで複数の開口部１４０を遮光膜１３０に現像する。現像工程においては電子線描画装置以外にも、レーザ加工機、集束イオンビーム加工装置等を用いてもよい。
【０１０１】
次に、図１５（ｄ）に示すように、開口部１４０を現像された遮光膜１３０にプラズマ化したＳＦ６ガスを用いてドライエッチングを施す。
【０１０２】
最後に、図１５（ｅ）に示すように、電子ビームによって露光されたレジストを除去する。以上の工程により微細光学像生成素子１００の製造が終了する。
【０１０３】
次に、本発明の実施の形態１に係る微細光学像生成素子１００の特性を検証するために、以下の実施例１〜５に示すようにコンピュータを用いてシミュレーションを実施した。
【０１０４】
（実施例１）
実施例１においては、２つの異なる点Ａ、Ｂに同一の大きさ、明るさのスポット像を生成する微細光学像生成素子１００について検討した。微細光学像生成素子１００から各スポット像までのスポット距離ｚは１９２μｍ、点Ａの座標は（ｘ，ｙ）＝（０，０）、点Ｂの座標は（ｘ，ｙ）＝（１．１７μｍ，１．１７μｍ）である。また、レーザ光の波長は５３２ｎｍである。
【０１０５】
まず、スポット距離ｚが１９２μｍとなるようにペンローズタイルの準結晶パターンを生成した。このとき、準結晶パターンの格子定数αは１３．４５μｍ、準結晶パターン全体の半径Ｒ２は８００μｍである。
【０１０６】
次に、生成された準結晶パターンを用いて開口部１４０の配置パターンを生成した。まず、中心点が平面上の座標（ｘ，ｙ）＝（０，０）に位置するように点Ａのスポット像に対応する準結晶パターンを配置した。そして、中心点が平面上の座標（ｘ，ｙ）＝（１．１７μｍ，１．１７μｍ）に位置するように点Ｂのスポット像に対応する準結晶パターンを配置した。このとき、点Ｂのスポット像に対応する準結晶パターンの格子点が点Ａのスポット像に対応する準結晶パターンの格子点とできるだけ重なり合わないように配置した。
【０１０７】
次に、生成された配置パターンで同一の遮光膜１３０に複数の開口部１４０を形成することにより微細光学像生成素子１００を製造した。基板１１０の厚さは約０．７ｍｍ、遮光膜１３０の厚さは８０ｎｍ、開口部１４０の半径Ｒ１は０．５３２μｍである。
【０１０８】
図１６（ａ）は、実施例１の微細光学像生成素子１００にレーザ光を照射して生成されたスポット像を示す。スポット距離ｚが１９２μｍにある平面上に２つのスポット像が別々に出現することを確認できた。また、それぞれスポット像は、準結晶パターンの中心点からＺ軸方向に延びる延長線上に生成されることを確認できた。
【０１０９】
（実施例２）
実施例２においては、点Ｂのスポット像のサイズを点Ａのスポット像のサイズよりも大きくなるように生成する微細光学像生成素子１００について検討した。点Ｂのスポット像を生成する準結晶パターンで配置される開口部１４０の半径Ｒ１を０．７４５μｍに設定した以外は、実施例１と同一の条件である。
【０１１０】
図１６（ｂ）に示すように、実施例２の微細光学像生成素子１００にレーザ光を照射すると、右上にある点Ｂのスポット像が左下にある点Ａのスポット像よりも大きく生成された。開口部の半径Ｒ１を大きくすることによりスポット像の径を拡大できることを確認できた。
【０１１１】
（実施例３）
実施例３においては、点Ｂのスポット像を点Ａのスポット像よりも暗くなるように生成する微細光学像生成素子１００について検討した。点Ｂのスポット像を生成する準結晶パターン全体の半径Ｒ２を２６６μｍに設定した以外は、実施例１と同一の条件である。
【０１１２】
図１６（ｃ）に示すように、実施例３の微細光学像生成素子１００にレーザ光を照射すると、点Ｂのスポット像は点Ａのスポット像よりも暗く生成された。準結晶パターン全体の半径Ｒ２を小さくすることによりスポット像の径を暗くできることを確認できた。
【０１１３】
（実施例４）
実施例４においては、直線の光学像を生成する微細光学像生成素子１００について検討した。理解を容易にするために、４つのスポット像を一定間隔で並べて直線の像を生成する例を説明する。４つのスポット像を作るためには同一平面上に４つの準結晶パターンを重ね合わせる必要がある。それ以外は実施例１と同一の条件である。
【０１１４】
まず、目標とする直線の光学像を４つのスポット像の重ね合わせで表現する。点Ａ〜Ｄのスポット像を以下のとおり配置した。
点Ａのスポット像は（ｘ，ｙ）＝（０．０μｍ，０．００００μｍ）
点Ｂのスポット像は（ｘ，ｙ）＝（０．０μｍ，０．２９２６μｍ）
点Ｃのスポット像は（ｘ，ｙ）＝（０．０μｍ，０．５３２０μｍ）
点Ｄのスポット像は（ｘ，ｙ）＝（０．０μｍ，０．８２４６μｍ）
【０１１５】
次に、４つの準結晶パターンを点Ａ〜Ｄの位置に合わせて同一平面上に配置した。このとき、４つの準結晶パターンを組み合わせた配置パターンで遮光膜１３０に複数の開口部１４０を配置した場合に、隣接する開口部１４０ができるだけ重複しないように４つの準結晶パターンを組み合わせた。具体的には、以下に示すとおりである。
【０１１６】
点Ａのスポット像に対応する準結晶パターンは、中心点が（ｘ，ｙ）＝（０．０μｍ，０．００００μｍ）となるように配置された。
点Ｂのスポット像に対応する準結晶パターンは、中心点が（ｘ，ｙ）＝（０．０μｍ，０．２９２６μｍ）に配置された。また、点Ａのスポット像に対応する準結晶パターンに比べて中心点の軸周りに６８°回転された。
点Ｃのスポット像に対応する準結晶パターンは、中心点が（ｘ，ｙ）＝（０．０μｍ，０．５３２０μｍ）となるように配置された。
点Ｄのスポット像に対応するパターンは、中心点が（ｘ，ｙ）＝（０．０μｍ，０．８２４６μｍ）に配置された。また、点Ａのスポット像に対応する準結晶パターンに比べて中心点の軸周りに２９°回転された。
【０１１７】
図１６（ｄ）に示すように、実施例４の微細光学像生成素子１００にレーザ光を照射すると、４つのスポット像が重なり合って１つの直線の像を生成することが確認できた。準結晶パターンを重ね合わせたときに開口部１４０ができるだけ重なり合わないように配置しているため、それぞれのスポット像が歪むことなく重なり合い、全体として１つの直線の光学像を生成できた。
【０１１８】
（実施例５）
実施例５においては、２つのスポット像からなる３次元光学像を生成する微細光学像生成素子１００について検討した。点Ａのスポット像のスポット距離ｚは１９２．３６μｍ、点Ｂのスポット像のスポット距離ｚは１９２，７３μｍに設定した。それぞれのスポット距離ｚに対応する格子定数αはそれぞれ２１．２６３μｍ、２１．２６７μｍである。それ以外は実施例１と同一の条件である。
【０１１９】
図１６（ｅ）に示すように、実施例５の微細光学像生成素子１００にレーザ光を照射すると、スポット距離ｚが１９２．３６μｍのＸＹ平面においては点Ａのスポット像がくっきりと現れたのに対し、点Ｂのスポット像はピンボケしている。また、図１６（ｆ）に示すように、スポット距離ｚが１９２，７３μｍのＸＹ平面においては、点Ｂのスポット像がくっきり現れたのに対し、点Ａのスポット像はピンボケしている。このことから、準結晶パターンの格子定数αを調整することにより所望の３次元光学像を生成できることを確認できた。
【０１２０】
レーザ光の集光手段としてレンズを用いる場合、２枚のレンズを光軸方向にずらして配置したとしても、焦点距離が変化するだけで、２つのスポット像を生成できない。また、レーザ光の集光手段として図９に示すフレネルゾーンプレートを用いる場合、２枚のフレネルゾーンプレートを重ねて配置したとしても、フレネルゾーンプレートの透過部分が互いに重なり合うため、透過部分の重複数に応じて、レーザ光の透過率を倍増させる機構を素子表面に作製しなければならず、実現が困難である。一方、微細光学像生成素子１００においては、同一の遮光膜１３０に複数の準結晶パターンを組み合わせた配置パターンで複数の開口部１４０を形成することにより任意の光学像を生成できるため、光学系の省スペース化、製造コストの削減、設計の容易化を実現できる。
【０１２１】
以上説明したように、実施の形態１に係る微細光学像生成素子１００においては、複数の準結晶パターンを同一平面上に組み合わせた配置パターンで複数の開口部１４０が形成された微細構造部１２０を備えている。多数のレンズからなる光学系を用いることなく微細光学像を生成できるため、光学系の設計及び製造に伴うコストを抑制できる。
【０１２２】
実施の形態１に係る微細光学像生成素子１００においては、遮光膜１３０に複数の開口部１４０をできるだけ重複しないようなパターンで配置するだけで、所望の微細光学像を生成できる。このため、遮光膜１３０に複数の開口部１４０を設けるだけで所望の微細光学像を容易に生成できる。
【０１２３】
実施の形態１に係る微細光学像生成素子１００においては、遮光膜１３０に同一深さ、同一直径の開口部１４０を形成しているため、複雑なパターンの微細加工を施す必要がない。このため、微細光学像生成素子１００の製造が容易であり、歩留まり率も高い。
【０１２４】
実施の形態１に係る微細光学像生成素子１００においては、表面に異物や欠陥が存在したとしても、微細光学像への影響が小さい。このため、微細光学像生成素子１００の管理や取扱いが容易である。
【０１２５】
（実施の形態２）
図１７を参照して、本発明の実施の形態２に係る微細光学像生成素子２００について説明する。実施の形態１においては、基板１１０上に設けられ、複数の開口部１４０を備える遮光膜１３０を微細構造部１２０としていたが、微細構造部を基板に直接形成してもよい。実施の形態２に係る微細光学像生成素子２００の基本的な構成は、実施の形態１に係る微細光学像生成素子１００と同一であるため、以下、両者の異なる部分を中心に説明する。
【０１２６】
微細光学像生成素子２００は、レーザ光の位相差を利用して集光する位相型の微細光学像生成素子である。微細光学像生成素子２００は、レーザ光を透過可能な材料からなる基板２１０と、基板２１０に直接形成された微細構造部２２０と、を備えている。微細構造部２２０は、複数の準結晶パターンからなる配置パターンで配置された複数の凹部２３０を含んでいる。
【０１２７】
レーザ光は物質を透過する際に伝播速度が遅れるため位相が変化する。このため、基板２１０に形成された凹部２３０を通過するレーザ光の位相と、基板２１０のその他の部分を通過するレーザ光の位相との間にはずれが生じる。微細光学像生成素子２００は、互いに位相差があるレーザ光同士の干渉・回折現象を利用して、レーザ光を一つの点に収束させ、スポット像を生成する。
【０１２８】
以上説明したように、実施の形態２に係る微細光学像生成素子２００においては、基板２１０及び微細構造部２２０が一体に形成されている。このため、微細光学像生成素子２００を容易に製造でき、製造コストを抑制できる。また、外部からの衝撃等に強いため、取扱いや管理が容易である。
【０１２９】
（実施の形態３）
図１８を参照して、本発明の実施の形態３に係る微細光学像生成素子３００について説明する。実施の形態３に係る微細光学像生成素子３００のように、基板上に形成された複数の凸部を微細構造部としてもよい。実施の形態３に係る微細光学像生成素子３００の基本的な構成は、実施の形態１に係る微細光学像生成素子１００と同一であるため、以下、両者の異なる部分を中心に説明する。
【０１３０】
微細光学像生成素子３００は、レーザ光を透過可能な材料からなる基板３１０と、基板３１０の表面に形成された微細構造部３２０と、を備える。微細構造部３２０は、複数の準結晶パターンからなる配置パターンで配置された複数の凸部３３０から構成されている。凸部３３０は、円柱形に形成されており、タングステンシリサイド等の遮光性の金属材料から形成されている。
【０１３１】
微細光学像生成素子３００にレーザ光が入射すると、凸部３３０はレーザ光を反射するのに対し、凸部３３０が設けられていない部分はレーザ光を透過する。基板３１０を透過したレーザ光は互いに回折・干渉して、一つの点に集光し、スポット像を生成する。
【０１３２】
以上説明したように、実施の形態３に係る微細光学像生成素子３００においては、基板３１０に複数の凸部３３０を備えている。このため、凸部３３０を形成するための金属材料の使用量を抑制できるため、製造コストを抑制できる。
【０１３３】
（実施の形態４）
図１９を参照して、本発明の実施の形態４に係る微細光学像生成素子４００について説明する。実施の形態４に係る微細光学像生成素子４００のように、基板に直接形成された複数の凸部を微細構造部としてもよい。実施の形態４に係る微細光学像生成素子４００の基本的な構成は、実施の形態１に係る微細光学像生成素子１００と同一であるため、以下、両者の異なる部分を中心に説明する。
【０１３４】
微細光学像生成素子４００は、実施の形態２に係る微細光学像生成素子２００と同様に位相型の微細光学像生成素子である。微細光学像生成素子４００は、レーザ光を透過可能な材料からなる基板４１０と、基板４１０の表面に直接形成された微細構造部４２０と、を備える。微細構造部４２０は、複数の準結晶パターンからなる配置パターンで配置された複数の凸部４３０から構成されている。
【０１３５】
微細光学像生成素子４００にレーザ光を入射すると、凸部４３０を透過するレーザ光と、凸部４３０が設けられていない部分を透過するレーザ光とは、互いに位相が相違する。微細光学像生成素子４００に照射されたレーザ光は、レーザ光同士の位相差により回折・干渉して一つの点に集光され、スポット像を生成する。
【０１３６】
以上説明したように、実施の形態４に係る微細光学像生成素子４００においては、基板４１０及び微細構造部４２０が一体に形成されている。このため、微細光学像生成素子４００を容易に製造でき、製造コストを抑制できる。また、外部からの衝撃等に強いため、取扱いや管理が容易である。
【０１３７】
（実施の形態５）
図２０を参照して、本発明の実施の形態５に係る微細光学像生成素子５００について説明する。実施の形態５に係る微細光学像生成素子５００のように、微細構造部を一対の基板で挟み込むように構成してもよい。実施の形態５に係る微細光学像生成素子５００の基本的な構成は、実施の形態１に係る微細光学像生成素子１００と同一であるため、以下、両者の異なる部分を中心に説明する。
【０１３８】
微細光学像生成素子５００は、一対の基板５１０Ａ、５１０Ｂと、一対の基板５１０Ａ、５１０Ｂの間に挟み込まれている微細構造部５２０と、を備える。一対の基板５１０Ａ、５１０Ｂは、いずれもレーザ光を透過可能な材料から形成されている。微細構造部５２０は、光を遮る膜である遮光膜５３０と、遮光膜５３０に複数の準結晶パターンからなる配置パターンで配置された複数の開口部５４０と、を備える。
【０１３９】
外部から基板５１０Ａに入射されたレーザ光は、基板５１０Ａの内部を通過して微細構造部５２０に到達する。微細構造部５２０は、開口部５４０に入射したレーザ光を透過し、その他の部分に入射したレーザ光を反射する。複数の開口部５４０を通過したレーザ光は回折・干渉作用により集束しつつ基板５１０Ｂを通過して外部にスポット像を生成する。
【０１４０】
以上説明したように、実施の形態５に係る微細光学像生成素子５００においては、微細構造部５２０が一対の基板５１０Ａ、５１０Ｂにより挟み込まれている。このため、外部からの衝撃等に強く、取扱いや管理が容易である。
【０１４１】
（実施の形態６）
図２１、２２を参照して、本発明の実施の形態６に係る微細光学像生成素子６００について説明する。実施の形態１に係る微細光学像生成素子１００は、レーザ光を内部に透過させてレーザ光の入射側と反対側に光学像を生成する透過型の微細光学像生成素子であったが、レーザ光を表面で反射させてレーザ光の入射側に光学像を生成する反射型の微細光学像生成素子として構成してもよい。実施の形態６に係る微細光学像生成素子６００の基本的な構成は、実施の形態１に係る微細光学像生成素子１００と同一であるため、以下、両者の異なる部分を中心に説明する。
【０１４２】
図２１に示すように微細光学像生成素子６００は、遮光性の金属材料からなる基板６１０と、基板６１０に直接形成された微細構造部６２０と、を備える。微細構造部６２０は、複数の準結晶パターンからなる配置パターンで配置された複数の凹部６３０から構成される。基板６１０及び微細構造部６２０は、タングステンシリサイド等の金属材料により一体に形成されている。
【０１４３】
図２２に示すように、微細光学像生成素子６００は、入射したレーザ光が微細構造部６２０の表面で反射し、反射光が干渉し合うことで光学像を生成する。複数の凹部６３０が準結晶パターンで配置されている場合、凹部６３０に入射したレーザ光は凹部６３０の側面及び底面で反射し、反射光が互いに干渉することにより集光し、レーザ光の入射側にスポット像を生成する。
【０１４４】
以上説明したように、実施の形態６に係る微細光学像生成素子６００においては、基板６１０及び凹部６３０が一体に形成されている。このため、微細光学像生成素子６００を容易に製造でき、製造コストを抑制できる。また、外部からの衝撃等に強いため、取扱いや管理が容易である。
【０１４５】
（実施の形態７）
図２３を参照して、本発明の実施の形態７に係る微細光学像生成素子７００について説明する。実施の形態６においては、金属製の基板６１０に直接凹部６３０を形成していたが、金属製の基板に直接凸部を形成してもよい。実施の形態７に係る微細光学像生成素子７００の基本的な構成は、実施の形態１に係る微細光学像生成素子１００と同一であるため、以下、両者の異なる部分を中心に説明する。
【０１４６】
微細光学像生成素子７００は、金属製の基板７１０と、基板７１０に直接形成された微細構造部７２０と、を備える。微細構造部７２０は、複数の準結晶パターンからなる配置パターンで配置された複数の凸部７３０から構成される。基板７１０及び微細構造部７２０は、タングステンシリサイド等の金属材料により一体に形成されている。
【０１４７】
微細光学像生成素子７００にレーザ光を照射すると、照射したレーザ光が微細構造部７２０の表面で反射・干渉することにより光学像を生成する。より詳細に説明すると、凸部７３０に入射したレーザ光は凸部７３０の側面及び上面で反射し、場合によっては凸部７３０の側面で反射したレーザ光が凸部７３０以外の部分で反射したり、凸部７３０以外の部分で反射したレーザ光が凸部７３０の側面で反射したりする。複数の凸部７３０が準結晶パターンで配置されている場合、この反射光が互いに干渉することにより集光し、レーザ光の入射側にスポット像を生成する。
【０１４８】
以上説明したように、実施の形態７に係る微細光学像生成素子７００においては、基板７１０及び凸部７３０が一体に形成されている。このため、微細光学像生成素子７００を容易に製造できるため、製造コストを抑制できる。また、外部からの衝撃等に強いため、取扱いや管理が容易である。
【０１４９】
そして、本発明はこれに限られず、以下に述べる変形も可能である。
【０１５０】
（変形例）
上記実施の形態においては、微細光学像生成素子１００は円盤形状であったが、本発明はこれに限定されない。微細光学像生成素子１００は、微細構造部１２０が平面上に形成されていれば、いかなる形状であってもよく、例えば、正方形又は長方形の板状の基板１１０に微細構造部１２０を配置してもよい。
【０１５１】
上記実施の形態においては、開口部１４０は円形孔であったが、本発明はこれに限定されない。開口部１４０はいかなる形状であってもよく、例えば、正方形、三角形、楕円形等であってもよい。
【０１５２】
上記実施の形態においては、遮光膜１３０は光を透過しない金属材料から形成されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、遮光膜１３０は、光を透過しない半導体から形成されていてもよい。また、遮光膜１３０は必ずしも完全に光を遮断する必要はなく、例えば半透明な材料から形成されていてもよい。
【０１５３】
上記実施の形態においては、微細構造部１２０を基板１１０上に配置していたが、本発明はこれに限られない。基板１１０は本質的な要素ではなく、微細構造部１２０の形状を保持することができれば他のいかなる手段を採用してもよい。例えば、微細構造部１２０を光学装置に直接貼り付けてもよい。
【０１５４】
上記実施の形態においては、準結晶パターンを準結晶の格子構造の格子点から構成していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、準結晶パターンとして、準結晶の格子構造を構成する菱形の各辺の中点、又は菱形の中央に設けられた点等から構成してもよい。
【０１５５】
上記実施の形態においては、既に配置されている準結晶パターンの格子点と追加する準結晶パターンの格子点とが重複する数を最小とするように準結晶パターンの回転角を決定していたが、本発明はこれに限られない。例えば、すべての準結晶パターンに対して、回転角のすべての組み合わせに対する格子点の重複する数を計算し、その中から最小とする回転角の組み合わせを決定してもよい。この場合、パッキング問題のような図形を最適な条件で充填させる最適化手法を用いて、最適な回転角の組み合わせを決定できる。
【０１５６】
上記実施の形態においては、準結晶パターンの中心点にある格子点はそのままにしていたが、本発明はこれに限られない。スポット像を隣接して配置した場合、準結晶パターンの中心点に位置する格子点は、互いに重複する可能性が高い。重複した格子点はスポット像を歪ませるだけであるため、このような格子点は準結晶パターンの生成時に予め除去してもよい。
【０１５７】
上記実施の形態においては、ユーザがコンピュータを用いて配置パターン生成処理、準結晶パターン配置処理、コントラスト向上処理を実行していたが、本発明はこれに限られない。例えば、これらの処理は、専用のシステム又は小型汎用コンピュータの記憶手段に記憶されたプログラムを実行することにより実現してもよい。また、本発明は、プログラムとして実現されてもよく、そのプログラムが記録された記憶媒体として実現されてもよい。
【０１５８】
上記実施の形態においては、エッチング等を用いて微細光学像生成素子１００を製造していたが、本発明はこれに限られない。例えば、マイクロ波等の長波長の電磁波を使用する微細光学像生成素子１００を製造する場合は、開口部１４０の半径Ｒ１がｍｍ〜ｃｍオーダーになるため微細加工は不要である。この場合、ドリル等を用いて生成した配置パターンで金属板に開口部１４０を形成すればよい。
【０１５９】
上記実施の形態においては、微細光学像生成素子１００にレーザ光を照射した例を説明したが、本発明はこれに限られない。いかなる波長の電磁波を照射してもよく、例えば、Ｘ線を照射してもよい。Ｘ線を照射する場合、Ｘ線はガラスを透過しない性質を有しているため、実施の形態１〜４、６に係る微細光学像生成素子１００は、レーザ光を照射する場合とは異なり反射型の微細光学像生成素子として機能する。
【０１６０】
上記実施の形態においては、微細光学像生成素子１００をフォトリソグラフィでのマスクパターンに適用する場合について述べたが、本発明はこれに限られない。例えば、レーザ加工、光ディスク、インターコネクト、光マニピュレーション（光ピンセット）、蛍光分析でのパターン照射等に適用してもよい。
【０１６１】
例えば微細光学像生成素子１００をレーザ加工に適用した場合、生成する光学像に合わせて対象物を直接造形できるため、従来のレーザ加工とは異なりレーザをスキャンする必要がない。
【０１６２】
例えば微細光学像生成素子１００を光学ディスクドライブに適用した場合、従来の物よりも小型化できると共に、多値記録による大容量化、並列読み出しによる高速化を実現できる。
【０１６３】
例えば微細光学像生成素子１００を自由空間光インターコネクションに適用して、入力部と出力部の間に素子を設けた場合、コンピュータ内の複雑な配線を実現できる。また、光学レンズが不要であるため容易に光インターコネクションの集積化を実現できる。
【０１６４】
例えば微細光学像生成素子１００を光ピンセットに適用した場合、複数の微粒子の同時捕捉が実現できる。また、蛍光分析に適用した場合、生体試料の指定した領域に光を照射できる。電磁波としてＸ線、γ線等を用いることにより、微細光学像生成素子１００を放射線治療装置、画像診断装置等の医療機器にも適用できる。
【０１６５】
上記実施の形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな実施の形態が可能である。各実施の形態や変形例で記載した構成要素は自由に組み合わせることが可能である。また、特許請求の範囲に記載した発明と均等な発明も本発明に含まれる。
【符号の説明】
【０１６６】
１…微細光学像生成装置、１０…レーザ光源、１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００…微細光学像生成素子、１００Ａ，１００Ｂ…準結晶レンズ、１１０，２１０，３１０，４１０，５１０Ａ，５１０Ｂ，６１０，７１０…基板、１２０，２２０，３２０，４２０，５２０，６２０，７２０…微細構造部、１３０，５３０…遮光膜、１４０，１４０Ａ，１４０Ｂ，５４０…開口部、２３０，６３０…凹部、３３０，４３０，７３０…凸部、ｄ…距離、ｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４、ｅ５、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５…基底ベクトル、ＬＡ，ＬＢ…延長線、ｒ，ｐ…格子点、Ｒ１，Ｒ２…半径、ｚ…スポット距離、α…格子定数
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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