(57)【要約】【課題】回折効率が高く、かつ製造が容易な回折格子を提供する。【解決手段】この回折格子は、断面が非対称な三角形状の格子を有する反射型の回折格子であり、非対称な三角形状の断面構造上に形成され、材質が金属であり、光を反射させる第１層と、三角形状の長辺側の面上において、第１層の上に形成され、材質が誘電体である第２層とを有し、第２層の誘電体の屈折率をｎとすると、第２層の厚さが１５．３８×（ｎ―１）−０．６５（ｎｍ）以下である。【選択図】図４
2015169862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が非対称な三角形状の格子を有する反射型の回折格子であって、
前記非対称な三角形状の断面構造上に形成され、材質が金属であり、光を反射させる第１層と、
前記三角形状の長辺側の面上において、前記第１層の上に形成され、材質が誘電体である第２層と、を有し、
前記第２層の誘電体の屈折率をｎとすると、前記第２層の厚さが１５．３８×（ｎ―１）−０．６５（ｎｍ）以下であることを特徴とする回折格子。
【請求項２】
前記第２層が、少なくとも、第１の誘電体を材質とする層と、前記第１の誘電体とは異なる第２の誘電体を材質とする層とを含む複数の層で形成される場合、
前記屈折率ｎは、複数の前記誘電体のうちの最も屈折率が高い誘電体の屈折率であり、
前記第２層の厚さは、前記複数の層の合計厚さである、
ことを特徴とする請求項１に記載の回折格子。
【請求項３】
前記第２層は、ＭｇＦ２の単層、または、ＭｇＦ２、ＬａＦ３もしくはＡｌＦ３を含む複数の層であることを特徴とする請求項１または２に記載の回折格子。
【請求項４】
前記光の波長は、１９３ｎｍから３００ｎｍまでの範囲にあることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の回折格子。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回折格子を有することを特徴とするレーザ装置。
【請求項６】
断面が非対称な三角形状の格子を有する反射型の回折格子の製造方法であって、
前記三角形状の長辺側の面上において、光を反射させる第１層の上に形成される誘電体の第２層の厚さａ（ｎｍ）が、該第２層の誘電体の屈折率をｎとしたとき、下記の条件式を満たすように、下記の条件式を用いて第２層の厚さを設計するステップと、
【数１】
2015169862.tif 000005
前記非対称な三角形状の断面構造上に前記第１層を形成するステップと、
前記三角形状の長辺側の面上において、前記第１層の上に、該設計された厚さの前記第２層を形成するステップと、
を有することを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子、それを用いたレーザ装置、および回折格子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば遠紫外線波長の分光に用いられる反射型回折格子として、ＡｒＦまたはＫｒＦエキシマレーザ装置に用いられる回折格子がある。このような回折格子は、狭帯域化素子として用いられると同時に、放電チャンバー内の出力鏡と合わせて共振器の一端としての役割も果たす。ここで、入射する光を可能な限り無駄なく利用し、レーザ装置の動作を望ましいものとするためには、反射の際に所定次数で戻ってくる光量の割合、すなわち回折効率が高いことが重要である。そして、反射型回折格子は、一般に非対称三角形状の格子に、金属からなる反射層と、反射層の上に形成され、反射層を酸化などの影響から保護する誘電体層とを有するが、誘電体層は、回折効率に大きく関わる。特許文献１は、Ａｌ２Ｏ３を含む誘電体層を有し、酸化防止効果を従来よりも向上させるとともに、誘電体層の厚さを特定することで回折効率を向上させる回折格子を開示している。また、特許文献２は、主に光が入射する側のブレーズ面に隣接し、光が入射しないまたは入射量が少ないカウンタ面の上に、誘電体層を形成しないまたはブレーズ面より薄い誘電体層を形成することで回折効率を向上させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４５４９０１９号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／００２７７７６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
誘電体層を形成して回折効率を向上させるに際し重要となるのは、カウンタ面上の誘電体層の条件である。この条件によっては、カウンタ面で光の吸収が発生し、回折効率が反射層が最外面であるときよりも大幅に低下する場合がある。しかしながら、特許文献１では、カウンタ面での光の吸収について言及されていない。一方、特許文献２では、カウンタ面での光の吸収について、上記のような限定条件で言及されている。しかしながら、実際には、ブレーズ面よりも薄い誘電体層をカウンタ面に形成した場合でも、反射層が最外面であるときよりも回折効率が大幅に低下する場合がある。例えば、反射層としてのアルミニウム成膜時には回折効率が６２．６％であったのにも関わらず、その上に誘電体層としてＭｇＦ２単層成膜を行ったときには、４３．２％にまで落ちる。なお、このときのブレーズ面の厚さは約５６ｎｍで、回折効率を考えた場合にはほぼ最適であり、カウンタ面の厚さは３３ｎｍである。すなわち、特許文献２に示す条件を満たしたとしても、回折格子がすべて高効率となるわけではない。一方、カウンタ面上に誘電体層を形成しないという条件については、成膜プロセスにおいて誘電体層の入射角度など成膜条件を極めて厳密に制御する必要があるため、製造技術の面で非常に難しく、実現に困難を伴う。
【０００５】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、例えば、回折効率が高く、かつ製造が容易な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、断面が非対称な三角形状の格子を有する反射型の回折格子であって、非対称な三角形状の断面構造上に形成され、材質が金属であり、光を反射させる第１層と、三角形状の長辺側の面上において、第１層の上に形成され、材質が誘電体である第２層と、を有し、第２層の誘電体の屈折率をｎとすると、第２層の厚さが１５．３８×（ｎ―１）−０．６５（ｎｍ）以下であ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、回折効率が高く、かつ製造が容易な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構成および形状を示す図である。
【図２】第１実施形態における効率計算の結果を示すグラフである。
【図３】図２の表記を変更したグラフである。
【図４】カウンタ面上の誘電体層の屈折率に対する厚さを示すグラフである。
【図５】第２実施形態における効率計算の結果を示すグラフである。
【図６】第３実施形態における効率計算の結果を示すグラフである。
【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。本実施形態に係る回折格子は、反射層を有し、非対称三角形状が連続して配置される断面構造の反射型回折格子である。本回折格子は、例えばＡｒＦエキシマレーザ装置用（ＡｒＦエキシマレーザ光生成時の分光用）として用いられるものであり、狭帯域化と同時に、放電チャンバー内の出力鏡と合わせて共振器の一端としての役割も果たす。
【００１１】
図１は、回折格子１の構成および形状を示す概略断面図である。回折格子１は、樹脂層２と、金属層（第１層）３と、誘電体層（第２層）４とを有する。樹脂層２は、回折格子製造用の金型で成形された回折格子１の本体であり、その材質は、アクリルやエポキシ等の樹脂である。金属層３は、樹脂層２上（非対称な三角形状の断面構造上）に、アルミニウム等の金属で構成される反射層（反射膜）である。誘電体層４は、金属層３上に、金属層３を酸化等から保護するための誘電体で構成される保護層（保護膜）である。誘電体の材質としては、ＭｇＦ２、ＬａＦ３またはＡｌＦ３などが好適であり、誘電体層４は、具体的にはそれらの単層または複数層からなる構造を取る。なお、図１（ａ）は、誘電体層４が単層である場合を示し、図１（ｂ）は、誘電体層４が複数層の例として６層構造を取る場合を示している。また、金属層３の表面のなす非対称三角形状において、表面の短辺側に該当し、光線５が入射する面をブレーズ面６とし、格子平面７とのなす角度をブレーズ角θとし、表面の長辺側に該当する面をカウンタ面９とする。また、頂点の角度を頂角φとし、格子形状の繰り返し長さ（格子間隔）をｄとする。光線５を効率良く利用するためには、反射の際に所定次数で戻ってくる光量の割合、すなわち回折効率が高いことが重要であり、回折効率は、三角形状の内角であるブレーズ角θと頂角φとに大きく依存する。エキシマレーザ用素子においては、一般的に、頂角φは、９０度近傍が選択され、ブレーズ角θは、入射光と正対するよう８０度近傍が選択される。
【００１２】
次に、回折格子１の回折効率が高くなる誘電体層４の厚さ条件（以下「高効率厚さ条件」という。）について説明する。一般に高効率な回折格子の実現において、誘電体層４がどのような条件で形成（付加）されているのかは、非常に重要である。これは、上記のとおり、カウンタ面９上（面上）に存在する誘電体層４で発生する光吸収により、回折効率の大幅な低下が生じ得るためである。そして、たとえ従来技術にあるとおり、カウンタ面９上の誘電体層４の厚さがブレーズ面６上の誘電体層４の厚さよりも薄くても、回折効率の低下が生じ得ることも述べた。一方、カウンタ面９上に誘電体層４を付加しないという条件についても、上記のとおり、成膜プロセスにおける成膜条件の厳密制御の要求から製造技術の面で非常に難しく、実現に困難を伴う。
【００１３】
このようなことを踏まえ、本実施形態では、高効率厚さ条件を以下のように設定する。高効率厚さ条件は、電磁場解析法の一種である厳密結合波理論（ＲＣＷＡ法）を用いて情報処理装置（コンピューター）により実行される回折効率（以下、単に「効率」という。）計算で求められる。はじめに、効率計算に際して予め設定する値について説明する。まず、回折格子１は、ＡｒＦエキシマレーザ装置において、入射光と同方向に出射光が反射される、いわゆるリトロー配置の条件で使用される。そして、光線５が回折格子１に入射する角度（格子平面７の法線に対する角度）である入射角（光線入射角α）と出射角とは等しく、７９．６０度とする。アルゴン−フッ素により励起、放出され、回折格子１に照射される光の波長λは、１９３．００ｎｍとする。格子間隔ｄは、１０．７０８１μｍ（１ｍｍ当たり格子溝が９３．３６３６本）とし、次数ｍは、１０９次とし、頂角φは、８５．５０度とする。金属層３の材質は、アルミニウムとし、その膜厚は、２２０ｎｍであるものとする。アルミニウムの屈折率は、０．１４＋２．３５ｉであるものとする。さらに、誘電体層４は、材質がＭｇＦ２の単一膜とし、以下の計算では、ＭｇＦ２の屈折率は、１．４５であるものとする。情報処理装置は、これらの設定値のもと、誘電体層４であるブレーズ面６上のＭｇＦ２層およびカウンタ面９上のＭｇＦ２層の各厚さ（膜厚）をパラメータとして効率計算を実行する。
【００１４】
図２は、本実施形態における効率計算の結果を示すグラフである。図２において、横軸は、カウンタ面９上のＭｇＦ２層の厚さであり、縦軸は、ブレーズ面６上のＭｇＦ２層の厚さを示している。なお、本計算では、カウンタ面９上のＭｇＦ２層の厚さを０ｎｍから７０ｎｍまでの範囲に、一方、ブレーズ面６上のＭｇＦ２層の厚さを０ｎｍから６０ｎｍまでの範囲に設定している。また、横軸と縦軸とからなる平面（紙面）に直交する軸方向が効率であり、色の濃淡で表している。なお、この軸上の効率は、ブレーズ面６およびカウンタ面９上の双方にＭｇＦ２層が存在しない、すなわち金属層３が最外層である場合の効率を１として、それに対する比率として表している。図２からわかるとおり、カウンタ面９における誘電体層４の厚さにより、顕著な効率低下が生じる部分が存在する。
【００１５】
図３は、図２に示すグラフについて、効率を横軸とし、効率最適となるブレーズ面６の厚さが５６．７ｎｍのときのデータを示すよう表記を変更したグラフである。カウンタ面９上のＭｇＦ２層の厚さが約２０ｎｍまでは、誘電体層４が存在しても、金属層３が最外層である場合に比べて、効率は９９．３％から１００．１％までとほぼ変わらず維持される。しかしながら、その厚さがさらに大きくなり、約２５ｎｍ以上の厚さになると、効率は急激に低下し始める。そして、厚さが約３５ｎｍで効率が最小となり、それより厚くなると、効率は急激に上昇する。そして、厚さが約５０ｎｍ以上となると、効率の向上が飽和し、効率はほぼ一定となる。このときの効率は、金属層３が最外層の場合に比べて、９５．１％から９７．０％までとなる。
【００１６】
上記のような効率の変化から、高効率であるための誘電体層４の厚さ条件としては、まず、カウンタ面９上の誘電体層４（ここではＭｇＦ２層）の厚さが、ある厚さよりも薄い（ある値よりも小さい）ことである。また、カウンタ面９上の誘電体層４の厚さがその厚さよりも厚くなると大幅に効率が減少するが、さらに厚くなれば、効率は上昇し、やがて飽和する。例えば、金属層３の形成時（アルミニウム成膜時）には効率が６１．９％であった回折格子に対して、ブレーズ面６上のＭｇＦ２層の厚さが５６ｎｍと、一方、カウンタ面９上のＭｇＦ２層の厚さが２０ｎｍとなるように、ＭｇＦ２成膜した場合を考える。この場合、結果的に、ＭｇＦ２成膜後の効率は、６１．７％と、金属層３が最外層であるときとほぼ変わらない値となる。すなわち、カウンタ面９上の誘電体層４の厚さを適切な厚さにすることで、金属層３が最外層である場合と、ほぼ変わらない効率とし得る。
【００１７】
また、高効率を達成するカウンタ面９上の誘電体層４の厚さを規定するにあたり、高効率を定義する必要がある。本実施形態では、「高効率」を、カウンタ面９上の誘電体層４の厚さがそれ以上の厚さである場合の効率よりも必ず高くなるときの効率と定義する。具体的には、金属層３が最外層であるときの効率に対して９７．０％以上の効率が高効率であり、それに対応して、カウンタ面９上の誘電体層４の厚さが０．１ｎｍ以上で２５．８ｎｍ以下となることが、高効率厚さ条件となる。なお、高効率化のためには、この高効率厚さ条件を満たすことが重要であり、カウンタ面９上の誘電体層４の厚さがブレーズ面６上の誘電体層４の厚さよりも薄い必要はない。また、製造面で大きな困難を伴うカウンタ面９にのみ誘電体層４を形成させない（すなわち誘電体層４の厚さがゼロ）という構成にする必要もない。
【００１８】
ここで、上記の高効率厚さ条件は、金属層３の金属面の材質や格子形状（三角形状）などの違いではほぼ変化せず、それらに対する依存性は少ないものと考えられる。これに対して、唯一カウンタ面９の誘電体層４を構成する材質（誘電体）の屈折率にのみに大きく依存する。以下、この誘電体の屈折率ｎを変化させ、高効率厚さ条件を満たすカウンタ面９上の誘電体層４の厚さの最大値ａを計算した。
【００１９】
図４は、カウンタ面９上の誘電体層４を構成する誘電体の屈折率に対する厚さを示すグラフである。この結果は、指数関数を用いて近似することができ、その近似式は、式（１）で表される。
【００２０】
【数１】
2015169862.tif 000003
【００２１】
すなわち、上記誘電体の屈折率ｎに対して、最大値ａが、下記の条件式としての式（２）に表される範囲にあれば、回折格子１は、高効率を実現し得る。
【００２２】
【数２】
2015169862.tif 000004
【００２３】
このように、カウンタ面９上の誘電体層４の厚さが上記のような高効率条件（１５．３８×（ｎ―１）−０．６５（ｎｍ）以下）を満たすよう設計し（設計ステップ）、以下、樹脂層２上に金属層３、かつ金属層３上に誘電体層４を形成すればよい（形成ステップ）。これにより、回折格子１は、比較的容易な製造方法で、高効率を得ることができる。
【００２４】
以上のように、本実施形態によれば、回折効率が高く、かつ製造が容易な回折格子、およびその回折格子の製造方法を提供することができる。また、本実施形態に係る回折格子１を用いたレーザ装置によれば、入射する光を可能な限り無駄なく利用し、レーザを効率良く生成することができる。
【００２５】
（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。第１実施形態では、誘電体層４の構成をＭｇＦ２単層である場合の回折格子を例示した。これに対して、本実施形態では、複数の誘電体により複数層の誘電体層４が構成される場合として、ＭｇＦ２層の上にさらにＬａＦ３層を構成する場合を例示する。なお、本実施形態の回折格子の各構成要素および部分には、第１実施形態に係る回折格子１の各構成要素および部分と同一の符号を付す。
【００２６】
ここで、本実施形態における効率計算に際して予め設定する値として、ＬａＦ３層の屈折率を１．６１とし、ブレーズ面６上のＭｇＦ２層の厚さを２５ｎｍとし、ブレーズ面６上のＬａＦ３層の厚さを３０ｎｍとする。なお、その他の計算条件は、第１実施形態と同一である。その上で、カウンタ面９上のＭｇＦ２層の厚さとカウンタ面９上のＬａＦ３層の厚さとをパラメータとして変化させ、第１実施形態で定義されたものと同様に高効率厚さ条件を導出する。
【００２７】
図５は、本実施形態における効率計算の結果を示すグラフである。まず、一方の材質の誘電体層４が存在しない、すなわち一方の材質の誘電体層４の厚さがゼロである場合の高効率厚さ条件は、他方の存在する誘電体層４について式（２）を適用したものとなる。具体的には、カウンタ面９上に誘電体層４として、ＭｇＦ２層のみ存在する場合には、０＜ａ≦２５．８を、一方、ＬａＦ３層のみ存在する場合には、０＜ａ≦２１．２をそれぞれ満たすことが高効率厚さ条件となる。一方、カウンタ面９上に誘電体層４として両材質の層が存在する場合には、高効率厚さ条件は、カウンタ面９上にＭｇＦ２層のみ存在するときの厚さ２５．８ｎｍと、ＬａＦ３層のみ存在するときの厚さ２１．２ｎｍとの間で線形に変化する。すなわち、両方の材質の層の合計厚さが、屈折率の大きい材質（本実施形態ではＬａＦ３）のみが存在する場合の高効率厚さの最大値（本実施形態では２１．２ｎｍ）よりも小さければ、高効率厚さ条件を満たす。このように、本実施形態では、複数層からなる誘電体層４に関する高効率厚さ条件としては、その複数層の合計厚さが構成誘電体のうち最大である方の屈折率をｎとして、式（２）を満たすことで実現され得る。
【００２８】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る回折格子について説明する。第１実施形態では、ＡｒＦエキシマレーザ装置への適用を想定し、光の波長λを１９３．００ｎｍとした場合の回折格子を例示した。これに対して、本実施形態では、ＫｒＦエキシマレーザ装置への適用を想定し、光の波長λを２４８．３０ｎｍとした場合の回折格子を例示する。このような想定のもと、第１実施形態と同様に効率計算を実行して得られる高確率厚さ条件は、以下のとおりとなる。
【００２９】
図６は、本実施形態における効率計算の結果を示すグラフであり、第１実施形態における効率計算の結果である図２に対応している。図６からわかるとおり、図２で見られる効率低下条件が、カウンタ面９上の誘電体層４の厚さが大きくなる方向にシフトする。すなわち、例えば、１９３ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲の波長λについて考えた場合、高効率厚さ条件が、１９３．００ｎｍで定めた条件よりも狭い範囲に限定されることはない。そして、ここで考慮した最短波長である１９３．００ｎｍで定義された式（２）を満たせば、それ以上の波長λにおいても、上記各実施形態と同様に、高効率な回折格子を実現し得る。
【００３０】
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】
【００３１】
１    回折格子
３    反射層
４    誘電体層
【図１】
2015169862.tif 000006
【図３】
2015169862.tif 000007
【図４】
2015169862.tif 000008
【図５】
2015169862.tif 000009
【図２】
2015169862.tif 000010
【図６】
2015169862.tif 000011