(57)【要約】【課題】効率が改善された反射防止コーティングを有する回折光学素子を提供する。【解決手段】回折光学素子(300)は、表面レリーフパターン(104,106,108)が第１の側面に形成された基板(110)を備える。回折光学素子は、表面レリーフパターン上に形成された反射防止コーティング(302)を有し、これによって、基板上に形成された表面レリーフパターンとほぼ同じ寸法のコーティングされた表面レリーフパターンが形成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折光学素子（３００）において、
基板（１１０）であって、その第１の側に表面レリーフ・パターン（１０４、１０６、及び、１０８）が形成された基板（１１０）と、
前記表面レリーフ・パターン上に形成された反射防止コーティング（３０２）であって、これにより、前記基板上に形成された前記表面レリーフ・パターンとほぼ同じ寸法を有するコーティングされた表面レリーフ・パターンが形成されることからなる、反射防止コーティング
とを備える、回折光学素子（３００）。
【請求項２】
前記基板が半導体材料である、請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記回折光学素子が透過型回折格子である、請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記反射防止コーティングが、窒化珪素、二酸化チタン、及び、二酸化珪素から構成されるグループから選択される、請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記反射防止コーティングが方向性を有する堆積技法によって施される、請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記基板上に形成される前記表面レリーフ・パターンが第１の組をなす表面（１０４、１０８）と第２の組をなす表面（１０６）を有し、前記第１の組をなす表面の各表面は、、前記基板の長手方向の面とほぼ平行であり、前記第２の組をなす表面の各表面は、前記長手方向の面に対してほぼ垂直であり、前記第２の組をなす表面の各表面は、前記反射防止コーティングが実質的に施されていない表面部分を有し、前記第１の組をなす表面の各表面は、前記反射防止コーティングによって実質的に被覆されていることからなる、請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項７】
実質的に反射防止性の回折光学素子（３００）を形成する方法であって、
基板（１１０）を設けるステップと、
前記基板の第１の側に表面レリーフ・パターン（１０４、１０６、及び、１０８）を形成するステップと、
前記表面レリーフ・パターン上に反射防止コーティング（３０２）の方向性を有する堆積を施し、これにより、前記表面レリーフ・パターンの寸法がほぼ維持されるようにするステップ
とを含む、方法。
【請求項８】
前記反射防止コーティングが蒸着によって堆積させられる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記反射防止コーティングが電子ビーム蒸着によって堆積させられる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記反射防止コーティングがスパッタリングによって堆積させられる、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、光学素子に関するものであり、特に、反射防止コーティングを施された回折光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回折光学素子は、入射光波の振幅、位相、または、振幅と位相の両方に変化を生じさせることによって光を回折するタイプの光学素子である。回折格子及びホログラムを含む、さまざまなタイプの回折光学素子が存在する。回折光学素子は、光が回折光学素子を通過できるように設計された透過幾何学構造（例えば、透過型回折格子）、並びに、光を反射するように設計された反射幾何学構造（例えば、反射型回折格子）で用いることが可能である。
【０００３】
回折光学素子は、一般に、半導体処理技法で製造され、従って、シリコン（ケイ素）、または、化合物半導体（例えば、砒化ガリウム（またはガリウム砒素））のような材料で製造される。しかし、光学材料として、半導体は、空気に比べると屈折率が大きくなりがちであり、一般に、回折光学素子が照射されると、極めて強い反射信号（例えば、表面毎に約３０％）を生じる。反射によって失われる光量を減少させるため、回折素子の表面に反射防止（ＡＲ）コーティング膜を堆積させることが可能である。反射防止コーティング膜を堆積させる方法は、最終ウェーハ表面の形状寸法、及び、結果生じる回折光学素子の働きを変化させる可能性がある。従来のプラズマ支援堆積技法の場合、回折素子の表面構造と寸法が同等のコーティング厚を適用すると、素子の光学機能が損なわれる可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の１つの目的は、効率がより高い反射防止コーティングを施された回折光学素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の形態の１つによれば、第１の側に表面レリーフ・パターン（表面の起伏パターン）が形成された基板を含む回折光学素子が得られる。回折光学素子には、表面レリーフ・パターン上に形成され、これにより、基板上に形成された表面レリーフ・パターンとほぼ同じ形状及び寸法（または形状または寸法）を有する、コーティングされた表面レリーフ・パターンを形成することになる、反射防止コーティングが含まれる。
【実施例】
【０００６】
望ましい実施態様に関する下記の詳細な説明では、この説明の一部をなし、本発明を実施することが可能な特定の実施態様を例示した添付図面を参照する。もちろん、本発明の範囲を逸脱することなく、他の実施態様を利用することもできるし、構造上または論理上の変更を加えることも可能である。従って、以下の詳細な説明は、限定の意味にとるべきではなく、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって画定される。
【０００７】
図１は、反射防止（ＡＲ）コーティングを施していない、先行技術による回折光学素子１００の側面を例示した図である。回折光学素子１００には、複数のグルーブ（溝）１０２Ａ〜１０２Ｂ（グルーブ１０２と総称される）がエッチングされた、基板１１０が含まれている。説明を簡単にするため、図１には２つのグルーブ１０２だけしか示されていないが、実際の実施例では、一般に、もっと多くのグルーブ１０２が利用される。この例の場合、グルーブ１０２間の間隔は一定であり、このため、基板１１０の上面が表面レリーフ・パターンと称する周期的構造を有するようになっている。
【０００８】
基板１１０には、水平表面１０４と総称される、水平方向の隆起表面１０４Ａ、１０４Ｂ、及び、１０４Ｃが含まれている。グルーブ１０２Ａには、垂直側壁表面１０６Ａ及び１０６Ｂと、水平グルーブ表面１０８Ａが含まれている。グルーブ１０２Ｂには、垂直側壁表面１０６Ｃ及び１０６Ｄと、水平グルーブ表面１０８Ｂが含まれている。垂直側壁表面１０６Ａ〜１０６Ｄは、垂直表面１０６と総称され、水平表面１０８Ａ及び１０８Ｂは、水平表面１０８と総称される。各グルーブ１０２は、幅Ｗ１と深さＤ１を有している。幅Ｗ１は、表面レリーフ・パターンの側方寸法であり、深さＤ１は、表面レリーフ・パターンの垂直寸法である。Ｗ１及びＤ１の値は、特定の用途、及び、その用途に用いられる光の波長によって異なる。
【０００９】
基板１１０は、反射防止コーティングを施されていないので、基板１１０の上面に入射する光が、かなりの割合で基板１１０から反射される可能性がある。基板１１０によって反射される量を減少させるため、反射防止コーティングを加えることが可能である。図２は、反射防止コンフォーマル・コーティング２０２を施した先行技術による回折光学素子２００の側面を例示した図である。回折光学素子２００には、図１に示すのと同じように構成された、上述の基板１１０が含まれている。
【００１０】
ウェーハにコーティング層を付着させる従来の方法は、プラズマ支援蒸着（plasma-assisted deposition）を用いることである。プラズマ支援蒸着は、最終的にはウェーハ表面全体にコンフォーマル・コーティング膜を堆積させることになるが、これは、全露出面が均等にコーティングされることを意味する。図２に示すように、反射防止コンフォーマル・コーティング膜２０２によって、水平表面１０４及び１０８、並びに、垂直表面１０６が均等に被覆されることになる。基板１１０の全露出表面のコンフォーマル・コーティングの結果として、各グルーブ１０２の有効幅が狭くなり、各グルーブ間の隆起部の有効幅が広くなる。図２に示すように、グルーブ１０２の幅は、Ｗ１からＷ２に短縮される。例えば、幅Ｗ１が５２４ナノメートルで、コーティング厚が１７４ナノメートルの場合、幅Ｗ２は、約１７６ナノメートルになる。従って、この例の場合、グルーブ１０２における空隙の幅は、約６６パーセント狭くなる。
【００１１】
モデル化及び実験から、コンフォーマル・コーティング（例えば、コーティング２０２）は、回折光学素子（例えば、素子２００）からの反射を減少させるが、同時に、素子２００が透過時に光を集束させる能力を劣化させる可能性もあることがわかっている。
【００１２】
図３は、本発明の実施態様の１つに従って上部だけに反射防止コーティング３０２を施された回折光学素子３００の側面を例示した図である。回折光学素子３００には、図１に示すのと同じように構成された、上述の基板１１０が含まれている。図３に示すように、反射防止コーティング部分３０２Ａ、３０２Ｃ、及び、３０２Ｅは、それぞれ、水平表面１０４Ａ〜１０４Ｃ上に形成され、反射防止コーティング部分３０２Ｂ及び３０２Ｄは、それぞれ、水平表面１０８Ａ及び１０８Ｂ上に形成されている。反射防止コーティング部分３０２Ａ〜３０２Ｅは、「上部限定」反射防止コーティング３０２と総称される。コーティング３０２は、全露出表面に均等に施されるコンフォーマル・コーティングとは対照的に、上面または水平表面（例えば、表面１０４及び１０８）だけにコーティングが施されるので、「上部限定」コーティングと呼ばれる。実施態様の１つでは、各垂直表面１０６の一部は、上部限定反射防止コーティング膜３０２によって部分的に被覆される。図３に示すように、垂直表面１０６は、それぞれ、水平表面１０８からコーティング膜３０２の上部まで、コーティング膜３０２によって部分的に被覆されている。本発明の形態の１つでは、各垂直表面１０６の一部３０４には、事実上反射防止コーティングが施されない。
【００１３】
もう１つの実施態様の場合、反射防止コーティング３０２の厚さが、グルーブ１０２の深さＤ１を超える。この実施態様の場合、垂直表面１０６は、それぞれ、上部限定反射防止コーティング膜３０２によって完全に被覆されているが、表面レリーフ・パターンの構造は保持される。図３に示すように、コーティング３０２を施した後の、回折光学素子３００における各グルーブ１０２の幅Ｗ３は、コーティング３０２を施す前の、グルーブ１０２の幅Ｗ１と同じである。同様に、グルーブ１０２間における隆起部の幅が、コーティング３０２によって変化することはない。従って、本発明の形態の１つでは、上部限定コーティング３０２を加えても、表面レリーフ・パターンの形状及び寸法（または、形状または寸法）は変化しない。対照的に、図２に示すように、コンフォーマル・コーティング２０２の場合、回折光学素子２００の側方寸法は、コーティング２０２を加えることによって変化する。コンフォーマル・コーティング２０２の場合、グルーブ１０２は狭くなるが、グルーブ１０２間の隆起部は広くなり、従って、回折光学素子２００の上面は、よりフラットになる。コンフォーマル・コーティング２０２は、基板１１０に形成されたもとの表面レリーフ・パターンを不明瞭にする。
【００１４】
実施態様の１つでは、回折光学素子３００は、透過型回折格子であり、基板１１０は、シリコンまたは砒化ガリウムのような半導体材料から製作される。もう１つの実施態様の場合、基板１１０は、ガラス、プラスチック、または、エポキシのような光学材料から製作される。本発明の形態の１つでは、各グルーブ１０２の幅Ｗ１は、約０．２マイクロメートル〜１００マイクロメートルであり、各グルーブ１０２の深さＤ１は、約０．５マイクロメートルである。実施態様の１つでは、各グルーブ１０２間の隆起部の幅は、グルーブ１０２の幅Ｗ１とほぼ同じである。
【００１５】
実施態様の１つでは、上部限定コーティング膜３０２は、「四分の一波長層」である、すなわち、コーティング膜３０２の厚さは、（λ／４）／ＮＡＲであり、ここで、「λ」はこの用途に用いられる光の波長を表わし、「ＮＡＲ」は、コーティング膜３０２の屈折率を表わしている。本発明の形態の１つでは、コーティング膜３０２は、窒化珪素、二酸化チタン、または、二酸化珪素のような誘電体材料である。実施態様の１つでは、コーティング膜３０２の屈折率ＮＡＲは１．８７である。実施態様の１つでは、回折光学素子３００は、赤外光または近赤外光用に設計されている。本発明の形態の１つでは、回折光学素子３００は、波長が１３００ナノメートルの光に合わせて設計されており、もう１つの形態では、回折光学素子３００は、波長が１５５０ナノメートルの光に合わせて設計されている。従って、実施態様の１つでは、コーティング膜３０２の厚さは、１３００ナノメートルの波長の場合には約１７４ナノメートル（すなわち、（１３００／４）／１．８７）になり、１５５０ナノメートルの波長の場合には約２０７ナノメートル（すなわち、１５５０／４）／１．８７）になる。
【００１６】
実施態様の１つでは、上部限定反射防止コーティング膜３０２が、方向性を有する堆積（ディレクショナルデポジッション：directional deposition。例えば、単一方向にコーティングを行う）技法を用いてウェーハの高さに（またはウェーハレベルで）堆積させられる。実施態様の１つでは、電子ビーム蒸着のような蒸着を利用して、上部限定反射防止コーティング膜３０２の方向性を有する堆積が施される。本発明の他の実施態様では、スパッタリング技法を利用して、コーティング膜３０２の方向性を有する堆積が施される。例えば、離れたところからの、小さいイオン源（またはビーム源）による衝突を可能にするため、電子ビーム蒸着に用いられるのと同様の室（チャンバ）構造内において、極めて小さいマグネトロン・スパッタリング・ターゲットを利用して、コーティング膜３０２の方向性を有する堆積を施すことが可能である。あるいはまた、ターゲットと基板の間にコリメータを配置して、従来のスパッタリング・ターゲットを利用することも可能である。従来のスパッタリング・ターゲット及びコリメータを利用する技法の場合、スパッタリングは、マグネトロンを用いて実施することも、あるいは、それを用いずに実施することも可能であり、無線周波数（ＲＦ）で実施することも、あるいは、直流（ＤＣ）で実施することも可能であり、プロセスは、反応性とすることも、あるいは、非反応性とすることも可能である。
【００１７】
図４は、反射防止コーティングを施していない回折光学素子１００（図１）、反射防止コンフォーマル・コーティング２０２を施した回折光学素子２００（図２）、及び、本発明の実施態様の１つによる上部限定反射防止コーティング３０２を施した回折光学素子３００（図３）のシミュレートされた性能を例示するグラフ４００である。シミュレーションには、厚さ１７４ナノメートル、屈折率１．８７の窒化珪素による反射防止コーティングが使用された。シミュレーションに使用された基板１１０は、屈折率が３．４９６９のシリコン基板であり、グルーブ１０２の深さＤ１は２６２ナノメートルであった。シミュレーションには、１３１０ナノメートルの光波長が使用された。
【００１８】
グラフ４００の縦軸４０２は、０〜９０パーセントの範囲の効率を表わし、グラフ４００の横軸４０４は、０度〜約６５度の範囲の入射角を表わしている。０度の入射角は、回折光学素子の上面に対して垂直な光線を表わしている。
【００１９】
グラフ４００には、６つの曲線４０６〜４１６が含まれている。曲線４１０は、反射防止コーティングを施していない回折光学素子１００に関する「集束」シミュレーション結果を例示している。「集束」シミュレーション結果は、回折光学素子によって適正に散乱される（すなわち、回折光学素子を透過して、所望の方向に散乱される）、回折光学素子に対する入射光の割合を表わしている。曲線４１０から分るように、入射角が０度の場合、反射防止コーティングを施していない回折光学素子１００によって適正に集束させられるのは、回折光学素子１００に対する入射光の約５５パーセントである。曲線４１２は、反射防止コーティングを施していない回折光学素子１００に関する反射シミュレーション結果を例示している。曲線４１２から分るように、入射角が０度の場合、反射防止コーティングを施していない回折光学素子１００によって反射されるのは、回折光学素子１００に対する入射光の約３０パーセントである。集束パーセンテージ（すなわち、５５％）及び反射パーセンテージ（すなわち、３０％）が、１００パーセントまで増大することはない。回折光学素子１００に対する残りの入射光（すなわち、１５％）は、回折光学素子１００を透過するが、集束しない（すなわち、残りの入射光は、望ましくない方向に散乱する）。
【００２０】
曲線４０８は、反射防止コンフォーマル・コーティング２０２を施した回折光学素子２００に関する「集束」シミュレーション結果を例示している。曲線４０８から分るように、入射角が０度の場合、反射防止コンフォーマル・コーティング２０２を施した回折光学素子２００によって適正に集束させられるのは、回折光学素子２００に対する入射光の約７０パーセントである。曲線４１６は、反射防止コンフォーマル・コーティング２０２を施した回折光学素子２００に関する反射シミュレーション結果を例示している。曲線４１６から分るように、入射角が０度の場合、反射防止コンフォーマル・コーティング２０２を施した回折光学素子２００によって反射されるのは、回折光学素子２００に対する入射光のうちごくわずかなパーセンテージ（すなわち０に近い）である。
【００２１】
曲線４０６は、本発明の実施態様の１つによる上部限定反射防止コーティング３０２を施した回折光学素子３００に関する集束シミュレーション結果を例示している。曲線４０６から分るように、入射角が０度の場合、上部限定反射防止コーティング３０２を施した回折光学素子３００によって適正に集束させられるのは、回折光学素子３００に対する入射光の８０パーセントを超える。曲線４１４は、本発明の実施態様の１つによる上部限定反射防止コーティング３０２を施した回折光学素子３００に関する反射シミュレーション結果を例示している。曲線４１４から分るように、入射角が０度の場合、上部限定反射防止コーティング３０２を施した回折光学素子３００によって反射されるのは、回折光学素子３００に対する入射光のうちごくわずかなパーセンテージ（すなわち０に近い）である。
【００２２】
図４に示すシミュレーション結果は、コンフォーマル・コーティング２０２と上部限定コーティング３０２の幾何学的特性のいずれも、表面からの反射を減少させることを表わしている。しかし、上部限定コーティング３０２は、より優れた総合レンズ性能を示す。コンフォーマル・コーティング２０２の場合、回折光学素子２００の特徴が、光の集束効率に損失を生じるようになる。従って、光の大部分が回折光学素子２００を透過するが、所望の方向に散乱する光のパーセンテージが、回折光学素子３００に比べて少なくなる。
【００２３】
コンフォーマル・コーティング２０２を施された回折光学素子と上部限定コーティング３０２を施された回折光学素子とのレンズ性能の差について説明すると、コンフォーマル・コーティング２０２は、表面レリーフ構造（または、表面レリーフ特徴）の側面（例えば、垂直表面１０６）を均等に被覆して、これにより、特徴（構造上の特徴）間の空隙を充填するようになり、事実上、特徴の存在を減少させ、光に影響を及ぼす特徴の能力を低下させることになる。一方、本発明の形態の１つによる上部限定コーティング３０２には、表面レリーフ特徴に対する平滑化効果がなく、その上面に同じ表面レリーフ・パターンを忠実に再現することが可能である。図４において明らかなように、上部限定コーティング３０２からの反射は減少し、この場合、透過時にレンズ性能が損なわれずにすむ。所望の方向に曲げられる光の割合は、コンフォーマル・コーティング２０２を施した回折光学素子２００よりも、上部限定コーティング３０２を施した回折光学素子３００によるほうが多くなる。２つのコーティング２０２と３０２の幾何学的特性の違いは、埋め込まれて、「失われた」特徴によって説明できるので、上部限定コーティング３０２によって得られる改良は、側方寸法が小さくなる設計にとってより大きなものになる。
【００２４】
図４に例示されたシミュレーション結果は、実際のテスト結果によって確認された。テストでは、蒸発装置を用いて、回折光学素子上に上部限定反射防止コーティング膜を蒸着させ、プラズマ支援蒸着でコンフォーマル・コーティングを施された同様の回折光学素子との比較が行われた。２つの回折光学素子の測定結果の示すところによれば、上部限定コーティングを施した回折光学素子のほうが、コンフォーマル・コーティングを施した回折光学素子よりも有利であった。所望の方向に集束するエネルギは、コンフォーマル・コーティングを施した回折光学素子よりも上部限定コーティングを施した回折光学素子による場合のほうが多く、図４に示すシミュレーション結果と一致した。
【００２５】
本発明の実施態様の１つによれば、効率の良い反射防止コーティングを施された回折光学素子が得られる。本発明の形態の１つによれば、回折光学素子の光を曲げる能力を劣化させずに、表面反射を抑えるやり方で、回折光学素子上に反射防止コーティング膜を堆積させる方法が得られる。半導体材料は、固有の反射量が多く、そのままでは回折光学素子の効率を制限することになるので、実施態様の１つによる反射防止コーティングは、とりわけ、回折光学素子が半導体で製作されている場合に有用である。
【００２６】
図１〜３に示す表面レリーフ・パターンの実施態様は、基板の長手方向の平面に対し平行な水平面または側方面１０４及び１０８と、長手方向の平面に対して垂直な垂直面１０６を有する、方形波状タイプのパターンであるが、本発明のその他の実施態様には、他のタイプの表面レリーフ・パターンを利用するものもある。当業者には、さまざまなタイプの表面レリーフ・パターンが既知のところである。
【００２７】
回折光学素子(300)は、表面レリーフパターン(104,106,108)が第１の側面に形成された基板(110)を備える。回折光学素子は、表面レリーフパターン上に形成された反射防止コーティング(302)を有し、この反射防止コーティングによって、基板上に形成された表面レリーフパターンとほぼ同じ寸法のコーティングされた表面レリーフパターンが形成される。
【００２８】
望ましい実施態様を説明するため、本明細書では、特定の実施態様を図示し、説明してきたが、当業者であれば明らかなように、本発明の範囲を逸脱することなく、図示し、説明した特定の実施態様の代わりに、多種多様な代替実施例及び／または等価な実施例を用いることも可能である。機械、電気機械、電気、及び、コンピュータの技術者には容易に理解されるように、本発明は多種多様な実施態様で実施可能である。本出願は、本明細書において説明した望ましい実施態様に対するいかなる改変または変更をも包含することを意図したものである。従って、本発明は、特許請求の範囲及びその同等物による制限しか受けないことが明白に意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】反射防止コーティングが施されていない先行技術による回折光学素子の側面を例示した図である。
【図２】反射防止コンフォーマル・コーティングが施された先行技術による回折光学素子の側面を例示した図である。
【図３】本発明の実施態様の１つによる上部限定反射防止コーティングが施された回折光学素子の側面を例示した図である。
【図４】反射防止コーティングが施されていない回折光学素子、反射防止コンフォーマル・コーティングが施された回折光学素子、及び、本発明の実施態様の１つによる上部限定反射防止コーティングが施された回折光学素子のシミュレートされた性能を例示したグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１０４、１０６、１０８  表面レリーフ・パターン
１１０  基板
３００  回折光学素子
３０２  反射防止コーティング膜
【図１】
2005018061.tif 000003
【図２】
2005018061.tif 000004
【図３】
2005018061.tif 000005
【図４】
2005018061.tif 000006