(57)【要約】【課題】回折されないで透過する０次光成分を極力小さくして、転写した回折格子の回折光にノイズが発生しないようにする。【解決手段】透明基板の１面に格子状の断面略矩形の凹溝２６と凸条２７の繰り返しパタ−ンが設けられ、その繰り返しパタ−ンによる露光光２３の回折光相互の干渉縞により光導波路２２のような感光性材料中に回折格子を形成する位相マスク２１において、凹溝２６の溝深さｄ、凹溝２６と凸条２７の繰り返し周期Λ、凸条２７のデューティ比ｆが式（１）〜（４）の関係を満足する。【選択図】図１
2008268907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板の１面に格子状の断面略矩形の凹溝と凸条の繰り返しパターンが設けられ、その繰り返しパターンにより感光性材料中に回折格子を形成する位相マスクにおいて、凹溝と凸条の繰り返しパターンの断面形状寸法が、ｄ：凹溝の溝深さ、ｗ：凸条の幅、Λ：繰り返し周期、λ：露光波長、ｎ2 ：透明基板の屈折率、ｎ1 ：雰囲気の屈折率、ｄ0 ＝λ／｛２（ｎ2 −ｎ1 ）｝、ｆ＝ｗ／Λ、Λ’＝Λ／λとするとき、
露光光がＳ偏光であり、
0.6013／（ｎ2 −0.9013）＋0.3573＜Λ'                         ・・・（４）
かつ、
２πｄ／λ＞｛ｆｎ2 ＋（１−ｆ）ｎ1 ｝Λ'2                    ・・・（１）
かつ、
0.3568／｛（Λ' ＋10.41 ）（ｎ2 −1.068 ）｝＋0.9772≦ｄ／ｄ0 
≦0.09194 ／｛（Λ' −0.7153）（ｎ2 −1.045 ）｝＋1.172   ・・・（２）
かつ、
−0.1837／｛（Λ' −0.3755）（ｎ2 −0.9236）｝＋0.4494≦ｆ
≦−0.1002／｛（Λ' ＋0.04864 ）（ｎ2 −0.9982）｝＋0.4908  ・・・（３）
の関係を満足することを特徴とする回折格子作製用位相マスク。
【請求項２】
ｎ2 ＞１．８であることを特徴とする請求項１記載の回折格子作製用位相マスク。
【請求項３】
透明基板の１面に格子状の断面略矩形の凹溝と凸条の繰り返しパターンが設けられ、その繰り返しパターンにより感光性材料中に回折格子を形成する位相マスクにおいて、凹溝と凸条の繰り返しパターンの断面形状寸法が、ｄ：凹溝の溝深さ、ｗ：凸条の幅、Λ：繰り返し周期、λ：露光波長、ｎ2 ：透明基板の屈折率、ｎ1 ：雰囲気の屈折率、ｄ0 ＝λ／｛２（ｎ2 −ｎ1 ）｝、ｆ＝ｗ／Λ、Λ’＝Λ／λとするとき、
露光光がＰ偏光であり、
0.6480／（ｎ2 −0.9048）＋0.4635＜Λ'                         ・・・（７）
かつ、
２πｄ／λ＞｛ｆｎ2 ＋（１−ｆ）ｎ1 ｝Λ'2                    ・・・（１）
かつ、
0.8588／｛（Λ' ＋5.367 ）（ｎ2 −0.6575）｝＋1.029 ≦ｄ／ｄ0 
≦0.008409／｛（Λ' −0.8925）（ｎ2 −1.114 ）｝＋1.265   ・・・（５）
かつ、
−0.06819 ／｛（Λ' −0.8159）（ｎ2 −1.097 ）｝＋0.4745≦ｆ
≦−0.6729／｛（Λ' ＋5.405 ）（ｎ2 −0.8691）｝＋0.5795    ・・・（６）
の関係を満足することを特徴とする回折格子作製用位相マスク。
【請求項４】
ｎ2 ＞２．０であることを特徴とする請求項３記載の回折格子作製用位相マスク。
【請求項５】
透明基板の１面に格子状の断面略矩形の凹溝と凸条の繰り返しパターンが設けられ、その繰り返しパターンにより感光性材料中に回折格子を形成する位相マスクにおいて、凹溝と凸条の繰り返しパターンの断面形状寸法が、ｄ：凹溝の溝深さ、ｗ：凸条の幅、Λ：繰り返し周期、λ：露光波長、ｎ2 ：透明基板の屈折率、ｎ1 ：雰囲気の屈折率、ｄ0 ＝λ／｛２（ｎ2 −ｎ1 ）｝、ｆ＝ｗ／Λ、Λ’＝Λ／λとするとき、
露光光がランダム偏光であり、
0.6568／（ｎ2 −0.8763）＋0.4636＜Λ'                       ・・・（１０）
かつ、
２πｄ／λ＞｛ｆｎ2 ＋（１−ｆ）ｎ1 ｝Λ'2                    ・・・（１）
かつ、
0.07986 ／｛（Λ' ＋0.2861）（ｎ2 −1.055 ）｝＋1.018 ≦ｄ／ｄ0 
≦0.1272／｛（Λ' −0.4050）（ｎ2 −0.4460）｝＋1.145     ・・・（８）
かつ、
−0.09118 ／｛（Λ' −0.5900）（ｎ2 −0.8409）｝＋0.4344≦ｆ
≦−0.04597 ／｛（Λ' −0.5680）（ｎ2 −1.095 ）｝＋0.5232  ・・・（９）
の関係を満足することを特徴とする回折格子作製用位相マスク。
【請求項６】
ｎ2 ＞２．０であることを特徴とする請求項５記載の回折格子作製用位相マスク。
【請求項７】
透明基板の格子部が酸化金属からなることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の回折格子作製用位相マスク。
【請求項８】
透明基板の格子部がＴｉＯ2 又はＡｌ2 Ｏ3 からなることを特徴とする請求項７記載の回折格子作製用位相マスク。
【請求項９】
透明基板の格子部がＺｎＳ又はＳｉＮからなることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の回折格子作製用位相マスク。
【請求項１０】
請求項１から９の何れか１項記載の回折格子作製用位相マスクを用いて露光して作製されてなることを特徴とする光ファイバーグレーティング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子作製用位相マスクに関し、特に、フォトレジスト等の感光性材料の表面又は内部に微細な回折格子を作製するための位相マスクや、光通信等に用いられる光ファイバー内に紫外線レーザ光を用いて回折格子を作製するための位相マスクに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下は、光ファイバーの回折格子の作製を例にして述べる。
【０００３】
光ファイバーは地球規模の通信に大革新をもたらし、高品質、大容量の大洋横断電話通信を可能にしたが、従来より、この光ファイバーに沿ってコア内に周期的に屈折率分布を作り出し、光ファイバー内にブラック回折格子を作り、その回折格子の周期と長さ、屈折率変調の大きさによって回折格子の反射率の高低と波長特性の幅を決めることにより、その回折格子を光通信用の波長多重分割器、レーザやセンサーに使用される狭帯域の高反射ミラー、光ファイバーアンプにおける余分なレーザ波長を取り除く波長選択フィルター等として利用できることが知られている。
【０００４】
しかし、石英光ファイバーの減衰が最小となり、長距離通信システムに適している波長は１．５５μｍであることにより、この波長で光ファイバー回折格子を使用するためには、格子間隔を約５００ｎｍとする必要があり、このような細かい構造をコアの中に作ること自体が当初は難しいとされており、光ファイバーのコア内にブラック回折格子を作るのに、側面研磨、フォトレジストプロセス、ホログラフィー露光、反応性イオンビームエッチング等からなる何段階もの複雑な工程がとられていた。このため、作製時間が長く、歩留まりも低かった。
【０００５】
しかし、最近、紫外線を光ファイバーに照射し、直接コア内に屈折率の変化をもたらし回折格子を作る方法が知られるようになり、この紫外線を照射する方法は複雑なプロセスを必要としないため、周辺技術の進歩と共に次第に実施されるようになってきた。
【０００６】
この紫外光を用いる方法の場合、上記のように格子間隔が約５００ｎｍと細かいため、２本の光束を干渉させる干渉方法、（エキシマレーザからのシングルパルスを集光して回折格子面を１枚ずつ作る）１点毎の書き込みによる方法、グレーティングを持つ位相マスクを使って照射する方法等がとられている。
【０００７】
上記の２光束を干渉させる干渉方法には、横方向のビームの品質、すなわち空間コヒーレンスに問題があり、１点毎の書き込みによる方法には、サブミクロンの大きさの緻密なステップ制御が必要で、かつ光を小さく取り込み多くの面を書き込むことが要求され、作業性にも問題があった。
【０００８】
このため、上記問題に対応できる方法として、位相マスクを用いる照射方法が注目されるようになってきたが、この方法は図１（ａ）に示すように、石英基板の１面に凹溝を所定の繰り返し周期で所定の深さに設けた位相マスク２１を用いて、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長：２４８ｎｍ）２３をそのマスク２１に照射し、光ファイバー２２のコア２２Ａに直接屈折率の変化をもたらし、グレーティング（格子）を作製するものである。なお、図１（ａ）には、コア２２Ａにおける干渉縞パターン２４を分かりやすく拡大して示してある。図１（ｂ）、図１（ｃ）はそれぞれ位相マスク２１の断面図、それに対応する上面図の一部を示したものである。位相マスク２１は、その１面に繰り返し周期Λで深さｄの凹溝２６を設け、凹溝２６間に略同じ幅の凸条２７を設けてなるバイナリー位相型回折格子状の構造を有するものである。
【０００９】
位相マスク２１の凹溝２６の深さ（凸条２７と凹溝２６との高さの差）ｄは、露光光であるエキシマレーザ光（ビーム）２３の位相をπラジアンだけ変調するように選択されており、０次光（ビーム）２５Ａは位相マスク２１により５％以下に抑えられ、マスク２１から出る主な光（ビーム）は、回折光の３５％以上を含むプラス１次の回折光２５Ｂとマイナス１次の回折光２５Ｃに分割される。このため、このプラス１次の回折光２５Ｂとマイナス１次の回折光２５Ｃによる所定ピッチの干渉縞の照射を行い、このピッチでの屈折率変化を光ファイバー２２内にもたらすものである。
【特許文献１】特開２００５−１４１０７５号公報
【特許文献２】特開２００６−３７６２号公報
【非特許文献１】“ＳＰＩＥ”Ｖｏｌ．８８３（１９８８），ｐｐ．８〜１１
【非特許文献２】辻内順平著「ホログラフィー」（１９９７年１１月５日発行、（株）裳華房）、ｐ．５５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このような位相マスク２１の断面形状寸法は、凹溝２６の深さｄが上記のように波長λの露光光２３の位相をπラジアンだけずらせ、かつ、凸条２７の幅ｗと繰り返し周期Λの比ｗ／Λで定義される凸条２７のデューティ比ｆが０．５のときに、０次光成分２５Ａの回折効率が最小になるとされている（スカラー回折理論）。
【００１１】
ところが、繰り返し周期の微細化によりその周期が波長オーダーになると、０次光成分２５Ａが数％以上透過してしまい、そのため、０次光成分２５Ａが転写の際のノイズとなり、転写した光導波路回折格子の反射スペクトル中にノイズが発生してしまう問題があった。
【００１２】
このような観点から、特許文献１や特許文献２の出願がされているが、位相マスクの屈折率に対する検討は不充分である。
【００１３】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、回折されないで透過する０次光成分を極力小さくして、転写した光導波路回折格子の反射スペクトル中にノイズが発生しないようにした回折格子作製用位相マスクを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成する本発明の回折格子作製用位相マスクは、透明基板の１面に格子状の断面略矩形の凹溝と凸条の繰り返しパターンが設けられ、その繰り返しパターンにより感光性材料中に回折格子を形成する位相マスクにおいて、凹溝と凸条の繰り返しパターンの断面形状寸法が、ｄ：凹溝の溝深さ、ｗ：凸条の幅、Λ：繰り返し周期、λ：露光波長、ｎ2 ：透明基板の屈折率、ｎ1 ：雰囲気の屈折率、ｄ0 ＝λ／｛２（ｎ2 −ｎ1 ）｝、ｆ＝ｗ／Λ、Λ’＝Λ／λとするとき、
露光光がＳ偏光であり、
0.6013／（ｎ2 −0.9013）＋0.3573＜Λ'                         ・・・（４）
かつ、
２πｄ／λ＞｛ｆｎ2 ＋（１−ｆ）ｎ1 ｝Λ'2                    ・・・（１）
かつ、
0.3568／｛（Λ' ＋10.41 ）（ｎ2 −1.068 ）｝＋0.9772≦ｄ／ｄ0 
≦0.09194 ／｛（Λ' −0.7153）（ｎ2 −1.045 ）｝＋1.172   ・・・（２）
かつ、
−0.1837／｛（Λ' −0.3755）（ｎ2 −0.9236）｝＋0.4494≦ｆ
≦−0.1002／｛（Λ' ＋0.04864 ）（ｎ2 −0.9982）｝＋0.4908  ・・・（３）
の関係を満足することを特徴とするものである。
【００１５】
この場合に、露光するピッチを小さくするために位相マスクのピッチを１付近、具体的には例えば１．１以下にするためには、ｎ2 ＞１．８であることが望ましい。
【００１６】
本発明のもう１つの回折格子作製用位相マスクは、透明基板の１面に格子状の断面略矩形の凹溝と凸条の繰り返しパターンが設けられ、その繰り返しパターンにより感光性材料中に回折格子を形成する位相マスクにおいて、凹溝と凸条の繰り返しパターンの断面形状寸法が、ｄ：凹溝の溝深さ、ｗ：凸条の幅、Λ：繰り返し周期、λ：露光波長、ｎ2 ：透明基板の屈折率、ｎ1 ：雰囲気の屈折率、ｄ0 ＝λ／｛２（ｎ2 −ｎ1 ）｝、ｆ＝ｗ／Λ、Λ’＝Λ／λとするとき、
露光光がＰ偏光であり、
0.6480／（ｎ2 −0.9048）＋0.4635＜Λ'                         ・・・（７）
かつ、
２πｄ／λ＞｛ｆｎ2 ＋（１−ｆ）ｎ1 ｝Λ'2                    ・・・（１）
かつ、
0.8588／｛（Λ' ＋5.367 ）（ｎ2 −0.6575）｝＋1.029 ≦ｄ／ｄ0 
≦0.008409／｛（Λ' −0.8925）（ｎ2 −1.114 ）｝＋1.265   ・・・（５）
かつ、
−0.06819 ／｛（Λ' −0.8159）（ｎ2 −1.097 ）｝＋0.4745≦ｆ
≦−0.6729／｛（Λ' ＋5.405 ）（ｎ2 −0.8691）｝＋0.5795    ・・・（６）
の関係を満足することを特徴とするものである。
【００１７】
この場合に、露光するピッチを小さくするために位相マスクのピッチを１付近、具体的には例えば１．１以下にするためには、ｎ2 ＞２．０であることが望ましい。
【００１８】
本発明のさらにもう１つの回折格子作製用位相マスクは、透明基板の１面に格子状の断面略矩形の凹溝と凸条の繰り返しパターンが設けられ、その繰り返しパターンにより感光性材料中に回折格子を形成する位相マスクにおいて、凹溝と凸条の繰り返しパターンの断面形状寸法が、ｄ：凹溝の溝深さ、ｗ：凸条の幅、Λ：繰り返し周期、λ：露光波長、ｎ2 ：透明基板の屈折率、ｎ1 ：雰囲気の屈折率、ｄ0 ＝λ／｛２（ｎ2 −ｎ1 ）｝、ｆ＝ｗ／Λ、Λ’＝Λ／λとするとき、
露光光がランダム偏光であり、
0.6568／（ｎ2 −0.8763）＋0.4636＜Λ'                       ・・・（１０）
かつ、
２πｄ／λ＞｛ｆｎ2 ＋（１−ｆ）ｎ1 ｝Λ'2                    ・・・（１）
かつ、
0.07986 ／｛（Λ' ＋0.2861）（ｎ2 −1.055 ）｝＋1.018 ≦ｄ／ｄ0 
≦0.1272／｛（Λ' −0.4050）（ｎ2 −0.4460）｝＋1.145     ・・・（８）
かつ、
−0.09118 ／｛（Λ' −0.5900）（ｎ2 −0.8409）｝＋0.4344≦ｆ
≦−0.04597 ／｛（Λ' −0.5680）（ｎ2 −1.095 ）｝＋0.5232  ・・・（９）
の関係を満足することを特徴とするものである。
【００１９】
この場合に、露光するピッチを小さくするために位相マスクのピッチを１付近、具体的には例えば１．１以下にするためには、ｎ2 ＞２．０であることが望ましい。
【００２０】
以上において、透明基板の格子部が酸化金属からなることができる。例えばＴｉＯ2 又はＡｌ2 Ｏ3 からなることができる。
【００２１】
また、透明基板の格子部がＺｎＳ又はＳｉＮからなっていてもよい。
【００２２】
本発明は、以上の回折格子作製用位相マスクを用いて露光して作製されてなる光ファイバーグレーティングも含むものである。
【００２３】
以上に、光ファイバーに回折格子を作製する例について述べてきたが、光ファイバーに限らず一般的なフォトレジスト等の感光性材料の表面又は内部に微細な回折格子を作製する場合であってもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の回折格子作製用位相マスクによると、凹溝と凸条の繰り返しパターンの断面形状が略矩形状で、凹溝と凸条の繰り返しパターンの断面形状寸法が、透過０次光回折効率が最小になるように最適化されてなるので、この回折格子作製用位相マスクに紫外線露光光を照射してその±１次の回折光相互の干渉により光ファイバー等の感光性材料中に所定ピッチの干渉縞の露光を行い、その干渉縞のピッチの屈折率変化を感光性材料中に発生させて回折格子を作製することにより、回折光にノイズが発生しない高特性の回折格子を作製することができる。特に、位相マスクに高屈折材料を用いることで、雰囲気中の回折角若しくは雰囲気中に換算した回折角が大きく取れるので、レジストや光ファイバーグレーティングのような露光される側により細かい干渉縞を記録することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
上記したように、図１（ｂ）、図１（ｃ）に示したようなバイナリー位相型回折格子（位相マスク）２１の各回折次数の回折効率は、ベクトル回折理論（非特許文献１）により厳密に求めることができる。なお、回折効率は、位相マスク２１の回折格子直前の内部から回折格子を通って回折格子直後の外部に回折する際の回折効率であって、それ以前の基板外部から基板内部へ入射する際の反射や、基板が異なる屈折率の材料の積層体からなる場合の界面での反射等は考慮していない。
【００２６】
そこで、露光光２３を位相マスク２１に垂直に入射する場合に０次光回折光２５Ａが最小となる位相マスク２１の断面形状を、このベクトル回折理論により求めた。ここで、ｄ：凹溝２６の溝深さ、ｗ：凸条２７の幅、Λ：繰り返し周期、λ：露光波長、ｎ2 ：透明基板の屈折率、ｎ1 ：雰囲気の屈折率、ｄ0 ＝λ／｛２（ｎ2 −ｎ1 ）｝、ｆ＝ｗ／Λ、Λ’＝Λ／λとする。
【００２７】
バイナリー位相型回折格子には、Ｑ値が定まり、Ｑ＝２πλｄ／（ｎΛ2 ）で定義される（非特許文献２）。図１のような位相マスクの場合、平均屈折率ｎ＝ｆｎ2 ＋（１−ｆ）ｎ1 となり、Λ’＝Λ／λを代入すると、Ｑ＝（２πｄ／λ）／｛ｆｎ2 ＋（１−ｆ）ｎ1 ｝Λ'2と書ける。ここで、Ｑ≦１であると、その回折格子はスカラー回折理論で精度良い回折格子を得ることができるので、本発明ではスカラー回折理論で精度良く対応できないＱ＞１、すなわち、
２πｄ／λ＞｛ｆｎ2 ＋（１−ｆ）ｎ1 ｝Λ'2                    ・・・（１）
を満たすバイナリー位相型回折格子（位相マスク）２１を対象とする。
【００２８】
さて、図２の「元データ」として示したグラフは、露光光２３がＳ偏光の場合の０次光回折光２５Ａが最小となるｄ／ｄ0 をｎ2 とΛ’を変数としてとった図であり、また、「最小側包絡面」、「最大側包絡面」として示したグラフは、「元データ」の曲面をそれぞれｄ／ｄ0 の下側、上側から接して誤差が小さくなるように近似曲面を定めた図である。図２においては、縦軸にｄ／ｄ0 を、横軸の一方にｎ2 を、他方にΛ’をとって３次元的に図示してある。
【００２９】
この図２の場合の最小側包絡面と最大側包絡面の間に挟まれるｄ／ｄ0 の範囲は次の通りである。
【００３０】
0.3568／｛（Λ' ＋10.41 ）（ｎ2 −1.068 ）｝＋0.9772≦ｄ／ｄ0 
≦0.09194 ／｛（Λ' −0.7153）（ｎ2 −1.045 ）｝＋1.172   ・・・（２）
となる。
【００３１】
また、図３の「元データ」として示したグラフは、露光光２３がＳ偏光の場合の０次光回折光２５Ａが最小となるｆをｎ2 とΛ’を変数としてとった図であり、また、「最小側包絡面」、「最大側包絡面」として示したグラフは、「元データ」の曲面をそれぞれｆの下側、上側から接して誤差が小さくなるように近似曲面を定めた図である。図３においては、縦軸にｆを、横軸の一方にｎ2 を、他方にΛ’をとって３次元的に図示してある。
【００３２】
この図３の場合の最小側包絡面と最大側包絡面の間に挟まれるｆの範囲は次の通りである。
【００３３】
−0.1837／｛（Λ' −0.3755）（ｎ2 −0.9236）｝＋0.4494≦ｆ
≦−0.1002／｛（Λ' ＋0.04864 ）（ｎ2 −0.9982）｝＋0.4908  ・・・（３）
そして、露光光２３がＳ偏光の場合に、０次光２５Ａの強度をｄとｆをパラメータとしてｄ／ｄ0 ＝１、ｆ＝０．５付近で極小化したＴ0 が５％以下になるｎ2 とΛ’の範囲は、図４に示した曲線の上側になり、その範囲は次の通りである。
【００３４】
なお、厳密に言えば、図４の点×のΛ' は、縦軸のΛ' を・・・１．５、１．４、１．３、１．２、１．１と変化させたときのＴ0 ＜０．０５を与える最小のΛ' からその変化分０．１を引いた値を用いる。そのため、Λ' ＝１．１でもＴ0 ＜０．０５ならΛ' ＝１としている。
【００３５】
0.6013／（ｎ2 −0.9013）＋0.3573＜Λ'                         ・・・（４）
そして、このＴ0 ＝０．０５の曲線が横軸ｎ2 であるΛ' ＝１との交点のｎ2 座標はｎ2 ＝１．８となり、透明基板の屈折率ｎ2 が１．８より大きいｎ2 の範囲では、Λ' ≧１．１では確実に０次光２５Ａの回折効率Ｔ0 が５％以下となる。
【００３６】
次に、図５の「元データ」として示したグラフは、露光光２３がＰ偏光の場合の０次光回折光２５Ａが最小となるｄ／ｄ0 をｎ2 とΛ’を変数としてとった図であり、また、「最小側包絡面」、「最大側包絡面」として示したグラフは、「元データ」の曲面をそれぞれｄ／ｄ0 の下側、上側から接して誤差が小さくなるように近似曲面を定めた図である。図５においては、縦軸にｄ／ｄ0 を、横軸の一方にｎ2 を、他方にΛ’をとって３次元的に図示してある。
【００３７】
この図５の場合の最小側包絡面と最大側包絡面の間に挟まれるｄ／ｄ0 の範囲は次の通りである。
【００３８】
0.8588／｛（Λ' ＋5.367 ）（ｎ2 −0.6575）｝＋1.029 ≦ｄ／ｄ0 
≦0.008409／｛（Λ' −0.8925）（ｎ2 −1.114 ）｝＋1.265   ・・・（５）
となる。
【００３９】
また、図６の「元データ」として示したグラフは、露光光２３がＰ偏光の場合の０次光回折光２５Ａが最小となるｆをｎ2 とΛ’を変数としてとった図であり、また、「最小側包絡面」、「最大側包絡面」として示したグラフは、「元データ」の曲面をそれぞれｆの下側、上側から接して誤差が小さくなるように近似曲面を定めた図である。図６においては、縦軸にｆを、横軸の一方にｎ2 を、他方にΛ’をとって３次元的に図示してある。
【００４０】
この図６の場合の最小側包絡面と最大側包絡面の間に挟まれるｆの範囲は次の通りである。
【００４１】
−0.06819 ／｛（Λ' −0.8159）（ｎ2 −1.097 ）｝＋0.4745≦ｆ
≦−0.6729／｛（Λ' ＋5.405 ）（ｎ2 −0.8691）｝＋0.5795    ・・・（６）
そして、露光光２３がＰ偏光の場合に、０次光２５Ａの強度をｄとｆをパラメータとしてｄ／ｄ0 ＝１、ｆ＝０．５付近で極小化したＴ0 が５％以下になるｎ2 とΛ’の範囲は、図７に示した曲線の上側になり、その範囲は次の通りである。
【００４２】
なお、厳密に言えば、図７の点×のΛ' は、縦軸のΛ' を・・・１．５、１．４、１．３、１．２、１．１と変化させたときのＴ0 ＜０．０５を与える最小のΛ' からその変化分０．１を引いた値を用いる。そのため、Λ' ＝１．１でもＴ0 ＜０．０５ならΛ' ＝１としている。
【００４３】
0.6480／（ｎ2 −0.9048）＋0.4635＜Λ'                         ・・・（７）
そして、このＴ0 ＝０．０５の曲線が横軸ｎ2 であるΛ' ＝１との交点のｎ2 座標はｎ2 ＝２．０となり、透明基板の屈折率ｎ2 が２．０より大きいｎ2 の範囲では、Λ' ≧１．１では確実に０次光２５Ａの回折効率Ｔ0 が５％以下となる。
【００４４】
さらに、図８の「元データ」として示したグラフは、露光光２３がランダム偏光の場合の０次光回折光２５Ａが最小となるｄ／ｄ0 をｎ2 とΛ’を変数としてとった図であり、また、「最小側包絡面」、「最大側包絡面」として示したグラフは、「元データ」の曲面をそれぞれｄ／ｄ0 の下側、上側から接して誤差が小さくなるように近似曲面を定めた図である。図８においては、縦軸にｄ／ｄ0 を、横軸の一方にｎ2 を、他方にΛ’をとって３次元的に図示してある。
【００４５】
この図８の場合の最小側包絡面と最大側包絡面の間に挟まれるｄ／ｄ0 の範囲は次の通りである。
【００４６】
0.07986 ／｛（Λ' ＋0.2861）（ｎ2 −1.055 ）｝＋1.018 ≦ｄ／ｄ0 
≦0.1272／｛（Λ' −0.4050）（ｎ2 −0.4460）｝＋1.145     ・・・（８）
となる。
【００４７】
また、図９の「元データ」として示したグラフは、露光光２３がランダム偏光の場合の０次光回折光２５Ａが最小となるｆをｎ2 とΛ’を変数としてとった図であり、また、「最小側包絡面」、「最大側包絡面」として示したグラフは、「元データ」の曲面をそれぞれｆの下側、上側から接して誤差が小さくなるように近似曲面を定めた図である。図９においては、縦軸にｆを、横軸の一方にｎ2 を、他方にΛ’をとって３次元的に図示してある。
【００４８】
この図９の場合の最小側包絡面と最大側包絡面の間に挟まれるｆの範囲は次の通りである。
【００４９】
−0.09118 ／｛（Λ' −0.5900）（ｎ2 −0.8409）｝＋0.4344≦ｆ
≦−0.04597 ／｛（Λ' −0.5680）（ｎ2 −1.095 ）｝＋0.5232  ・・・（９）
そして、露光光２３がランダム偏光の場合に、０次光２５Ａの強度をｄとｆをパラメータとしてｄ／ｄ0 ＝１、ｆ＝０．５付近で極小化したＴ0 が５％以下になるｎ2 とΛ’の範囲は、図１０に示した曲線の上側になり、その範囲は次の通りである。
【００５０】
なお、厳密に言えば、図１０の点×のΛ' は、縦軸のΛ' を・・・１．５、１．４、１．３、１．２、１．１と変化させたときのＴ0 ＜０．０５を与える最小のΛ' からその変化分０．１を引いた値を用いる。そのため、Λ' ＝１．１でもＴ0 ＜０．０５ならΛ' ＝１としている。
【００５１】
0.6568／（ｎ2 −0.8763）＋0.4636＜Λ'                       ・・・（１０）
そして、このＴ0 ＝０．０５の曲線が横軸ｎ2 であるΛ' ＝１との交点のｎ2 座標はｎ2 ＝２．０となり、透明基板の屈折率ｎ2 が２．０より大きいｎ2 の範囲では、Λ' ≧１．１では確実に０次光２５Ａの回折効率Ｔ0 が５％以下となる。
【００５２】
なお、以上の式（２）、（３）、（５）、（６）、（８）、（９）の最小側包絡面と最大側包絡面について、ｄ／ｄ0 やｆはデータからΛ' が大きいときや、ｎ2 が大きいときにスカラー理論のｆ＝０．５あるいはｄ／ｄ0 ＝１に近づくことから、Λ' −ｄ／ｄ0 及びｎ2 −ｄ／ｄ0 面に平行な断面、あるいは、Λ' −ｆ及びｎ2 −ｆ面に平行な断面が双曲線である以下の関数形を用いた。ここで、ｆ0 は０．５付近、Ｄ0 は１付近（何れもスカラー理論に漸近するため）、Λ'0は１付近（回折１次光が生じなくなるため）、ｎ20は１付近（屈折率差がなくなり回折しなくなるため）で最適化した。
【００５３】
ｄ／ｄ0 ＝Ｃ／｛（Λ' −Λ'0）（ｎ2 −ｎ20）｝＋Ｄ0 
ｆ＝ｆ0 −Ｃ／｛（Λ' −Λ'0）（ｎ2 −ｎ20）｝
なお、以上の式（２）、（３）、（５）、（６）、（８）、（９）においては、「元データ」の曲面は多少のうねりがあるため、ｄ／ｄ0 及びｆの最大側及び最小側の包絡曲面で範囲を持たせて決定している。
【００５４】
なお、位相マスク２１の以上の屈折率ｎ2 の条件を満たす材料については、露光波長に対して吸収があまりないことが必要で、その屈折率は波長にもよるが、可視光に対しては〜２．６付近以上、紫外線に対しては〜６．３付近もある。そして、例えば酸化金属（ＴｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 等）やＺｎＳ、ＳｉＮ等が高い側になり、本発明による位相マスク２１の透明基板として使用できる。
【００５５】
ちなみに、屈折率は、例えばλ＝２００ｎｍ付近においてＴｉＯ2 は６．３６、ＺｎＳは５．６０、ＳｉＮは２．５３（ただし、消衰係数ｋ＝０．０９３）、Ａｌ2 Ｏ3 は１．８３、λ＝３２０ｎｍ付近においてＩＴＯは２．３２、λ＞７００ｎｍの赤外においてＳｉは約３．６等である。
【００５６】
以下に、本発明の回折格子作製用位相マスクの１実施例を示す。
【００５７】
波長２４８ｎｍのＳ偏光の光を位相マスク２１に照射し、レジストにラインアンドスペースのパターンを作製（パターニング）することを考える。
【００５８】
位相マスク２１は、図１に示すように、断面形状が矩形の周期（ピッチ）Λが一定の回折格子である。そのピッチは、５００ｎｍ、４００ｎｍ、３００ｎｍ、及び、２８０ｎｍである。なお、±１次回折光２５Ｂ、２５Ｃの干渉なので、レジストに作製されるピッチはその半分になる。
【００５９】
位相マスク２１の基板は、材料１（屈折率１．５０８：特定波長における合成石英の値を使用）の基板に回折格子を作製するものと、材料１の平板に材料２（屈折率１．８３４：特定波長におけるＡｌ2 Ｏ3 の値を使用）を積層し、その材料２に回折格子を作製したものとの比較を行った。
【００６０】
その結果、下表の寸法、回折効率を得た。
┌─────────────────────────────────────┐
│回折格子材料  位相マスクピッチ（ｎｍ）   500      400      300      280   │
│                              （Λ' ）   (2.02)   (1.61)   (1.21)   (1.13)│
├─────────────────────────────────────┤
│材料１        溝深さｄ（ｎｍ）            264      288      231       −  │
│                    ｄ／ｄ0              (1.08)   (1.18)   (0.95)     −  │
│              デューティ比（媒質部）      0.362    0.253    0.330     −  │
│              透過回折効率（％）  ０次光  0.00     1.05    13.4 *     −  │
│                                ±１次光 37.9     43.9     41.0       −  │
├─────────────────────────────────────┤
│材料２        溝深さｄ（ｎｍ）            170      161      169      158  │
│                    ｄ／ｄ0              (1.14)   (1.08)   (1.14)   (1.06)│
│              デューティ比（媒質部）      0.393    0.368    0.240    0.274│
│              透過回折効率（％）  ０次光  0.00     0.00     0.70     2.31 │
│                                ±１次光 30.1     35.9     36.3     31.4  │
└─────────────────────────────────────┘
＊：０次光の影響によるノイズで不良                                        。
【００６１】
実際の位相マスク２１の作製では、回折格子材料が材料１のものでは、ピッチが２８０ｎｍを除いた表の全ての条件を作製した。そして、それらを用いてレジストへのパターニングを試みた。回折格子材料が合成石英のもの（材料１）は、ピッチが４００ｎｍ以上ではパターニングできたが、３００ｎｍでは０次光の割合が多くてうまくできなかった。
【００６２】
これに対して、本発明に基づくＡｌ2 Ｏ3 のもの（材料２）では、ピッチが２８０ｎｍまで全てで所望のパターニングができた。
【００６３】
ところで、図１の一般的な場合は、位相マスク２１で回折された±１次回折光２５Ｂ、２５Ｃは一旦雰囲気（空気）を通って露光される材料（光ファイバー２２）に再入射させるが、回折角が大きくなると再入射の際にフレネル反射による反射光が増え、露光効率が落ちたりノイズが増えるので、図１１に示すように、位相マスク２１の回折格子と反対側の平坦部を光ファイバー２２に向け、位相マスク２１と光ファイバー２２の間に屈折率マッチング液２８を介在させる液浸配置とし、屈折率マッチング液２８を経て直接に光ファイバー２２に±１次回折光２５Ｂ、２５Ｃを入射させる配置とすることが望ましい。
【００６４】
なお、本発明による回折格子作製用位相マスクは、例えば特許文献１に開示された方法と同様の方法で作製することができる。
【００６５】
ところで、本発明の位相マスク２１は、図１２（ａ）に断面を示すように、単一の高屈折率ｎ2 の透明材料を用いたバイナリー位相型回折格子状の構造のものであってもよく、あるいは、図１２（ｂ）に断面を示すように、低屈折率ｎ3 の基板の一方の表面にそのような単一の高屈折率ｎ2 の透明材料を用いたバイナリー位相型回折格子状の構造を構成したものでもよく（上記材料２の実施例）、さらには、図１２（ｃ）に断面を示すように、低屈折率ｎ3 の基板の一方の表面に高屈折率ｎ2 の透明材料からなる凸条２７を設けた構成のものでもよい。ここで、図１２（ｃ）の場合には、一般的な回折効率は図１２（ａ）、（ｂ）の場合と異なるが、Ｔ0 を最小になるように最適化したｄ／ｄ0 、ｆの値は図１２（ａ）、（ｂ）の場合と略同じになるため、本発明の範囲に含まれる。ただし、その場合の屈折率ｎ2 は凸条２７の屈折率を意味する。この場合、位相マスク２１の構造全体の反射率、すなわち、露光光の基板への入射時の反射を含む各界面での全ての反射率を低減することができる。
【００６６】
以上、本発明の回折格子作製用位相マスクをその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】光ファイバー加工に用いられる本発明の位相マスクを説明するための図である。
【図２】露光光がＳ偏光の場合の０次光回折光が最小となるｄ／ｄ0 をｎ2 とΛ’を変数としてとった図である。
【図３】露光光がＳ偏光の場合の０次光回折光が最小となるｆをｎ2 とΛ’を変数としてとった図である。
【図４】露光光がＳ偏光の場合に０次光の回折効率が５％以下になるｎ2 とΛ’の範囲を示す図である。
【図５】露光光がＰ偏光の場合の図２と同様の図である。
【図６】露光光がＰ偏光の場合の図３と同様の図である。
【図７】露光光がＰ偏光の場合に図４と同様の図である。
【図８】露光光がランダム偏光の場合の図２と同様の図である。
【図９】露光光がランダム偏光の場合の図３と同様の図である。
【図１０】露光光がランダム偏光の場合に図４と同様の図である。
【図１１】位相マスクと光ファイバーの間に屈折率マッチング液を介在させる液浸配置を説明するための図である。
【図１２】本発明において利用可能な位相マスクの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
２１…位相マスク
２２…光ファイバー
２２Ａ…光ファイバーのコア
２３…露光光
２４…干渉縞パターン
２５Ａ…０次光回折光
２５Ｂ…プラス１次回折光
２５Ｃ…マイナス１次回折光
２６…凹溝
２７…凸条
２８…屈折率マッチング液
【図１】
2008268907.tif 000003
【図２】
2008268907.tif 000004
【図３】
2008268907.tif 000005
【図４】
2008268907.tif 000006
【図５】
2008268907.tif 000007
【図６】
2008268907.tif 000008
【図７】
2008268907.tif 000009
【図８】
2008268907.tif 000010
【図９】
2008268907.tif 000011
【図１０】
2008268907.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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