(57)【要約】【課題】実際の溝本数密度を増やすことなく分解能を向上させたブレーズド型回折格子およびその製造方法を提供する。【解決手段】各ブレーズ面に、回折格子の溝に平行な縞構造を形成する。このブレーズド型回折格子においては、本来のブレーズド型回折格子の溝による光の回折に加えて、各ブレーズ面上に形成された縞構造による光の回折が生じる。これらの回折光が重畳する結果、分解能を、単一種類の反射層の基板からなるブレーズド型回折格子の分解能より向上させることが可能となる。縞構造としては、反射率が異なる面が交互に（高反射率の面が２本以上となるように）形成されているもの、凹凸溝が（凸部が２本以上となるように）形成されているもの、等が挙げられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各ブレーズ面に、回折格子の溝に平行な縞構造が形成されているブレーズド型回折格子。
【請求項２】
前記縞構造が、反射率が異なる面が交互に形成されている縞構造であって、高反射率の面が２本以上となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のブレーズド型回折格子。
【請求項３】
前記縞構造が、凹凸溝が形成されている縞構造であって、凸部が２本以上となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のブレーズド型回折格子。
【請求項４】
a)基板上に反射率の異なる材料の層を積層する工程と、
b)前記基板の前記積層部中に、高反射率材料層が少なくとも２層現出するように断面鋸歯状の回折格子溝を形成する工程と
を含むことを特徴とするブレーズド型回折格子の製造方法。
【請求項５】
a)基板上に、エッチングレートの異なる材料の層を積層する工程と、
b)前記基板の前記積層部を、エッチングレートの低い層が少なくとも２層現出するように、エッチングにより、断面鋸歯状の回折格子溝を形成する工程と
を含むことを特徴とするブレーズド型回折格子の製造方法。
【請求項６】
前記工程b)が、
b-1)ホログラフィック露光法によってレジストパターンを形成する工程と、
b-2)レジストパターンが形成された前記基板をイオンビームによってエッチングする工程と
を含むことを特徴とする請求項３又は４に記載のブレーズド型回折格子の製造方法。
【請求項７】
c)２つの傾斜面のうち、他面より幅の広い傾斜面に凹凸の縞を形成するようにエッチングする工程をさらに含むことを特徴とする請求項５又は６に記載のブレーズド型回折格子の製造方法。
【請求項８】
d)前記凹凸の縞が形成された格子溝の表面を反射材料でコーティングする工程をさらに含むことを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載のブレーズド型回折格子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブレーズド型回折格子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
分光器や分波器等に使用される波長分離／選択素子である回折格子（グレーティング）は、溝の断面形状により各種のものが知られている。その１つに、溝の断面形が鋸歯状であるブレーズド型回折格子と呼ばれるものがある。
【０００３】
ブレーズド型回折格子に入射した光はブレーズ面と呼ばれる各傾斜面で反射されるが、隣接するブレーズ面で反射された２つの光はその光路長が異なるため、干渉が生じる。このような干渉により反射光はその出射角（回折角）に応じた角度で強度が変化し、回折を生じる。これを数式で表すと、ブレーズ角をθB、溝間隔をd［mm］、入射光Ｉ（波長λ）の入射角（回折格子の基板の法線ｎに対する角度）をα、回折角（回折格子の基板の法線ｎに対する角度）をβとすると、
d(sinα±sinβ)=mλ…（１）
θB=(α+β)/2…（２）
となる（図４参照）。ここで、mは回折次数（m＝0，±1，±2，±3，・・・）である。
【０００４】
このブレーズド型回折格子の基本的な製造方法として、従来一般的に、ホログラフィック露光法が用いられている（特許文献１）。即ち、まず、石英、ガラスなどの基板に塗布したフォトレジストの表面に、レーザー光を２分割した２つの光束を異なる方向から照射し、干渉縞を形成する。この干渉縞により、フォトレジスト表面が正弦波状に露光され、硬化する。その後、非硬化部を溶剤等で除去する（現像する）ことにより、断面形状が正弦波状又は正弦半波状のレジストパターンを形成する。その後、このレジストパターンをマスクとして基板に所望のブレーズ角が形成されるように斜め方向からフォトレジストが消失する時点までイオンビームによるエッチングを行い、基板上に断面鋸歯状の回折格子溝を形成する（イオンビームエッチング法）。そして、反射率を高めるために、アルミニウムや金等の反射材料を格子溝の表面にコーティングすることで、ブレーズド型回折格子が出来上がる。
【０００５】
２つの近接した波長λとλ+Δλの２本のスペクトル線があるとき、どの程度小さいΔλまで２本のスペクトルとして区別できるかという能力を表すものが分解能である。レーリーの基準（Rayleigh criterion）によれば、m次の回折光の分解能λ/Δλは、回折格子の幅をW［mm］とすると、
λ/Δλ=mNW=mW/d…（３）
で表される。ここで、Nは、回折格子の幅1mmあたりの溝の本数（溝本数密度）を意味する（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１５７１１８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】島津回折格子カタログC813−0000H, pp.4-8
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
式（３）より、分解能を高めるためには、溝本数密度Nを増やせば良いことがわかる。しかし、回折格子には以下に示すような制限があるため、溝本数密度Nには増やすことのできる限界が存在する。
【０００９】
前記のとおり、ホログラフィック露光法では、二光束干渉によって形成される干渉縞の周期が溝間隔（溝周期）dとなるので、干渉縞の周期を短くすることで溝本数密度Nを増やすことができる。ここで、干渉縞の周期dは、干渉する２光束の波長をΛ1、両者の間の角度をθ1としたとき、
d=Λ1/(2/sin(θ1/2))
となる。この式からわかるように、２光束の間の角度θ1を大きくすればするほど干渉縞の周期dを小さくすることができる。しかし、角θ1は180°を超えることはできない。
【００１０】
露光に用いるレーザー光の波長Λ1を短くすることで干渉縞の周期を小さくすることもできるが、作業性や露光光学系における透過硝材の制約条件などにより、露光に用いるレーザー光の波長Λ1を無制限に短くすることはできない。
【００１１】
以上のような制限を考慮すると、現在、ホログラフィック露光法等の従来の方法によって実際に作製することができる回折格子の溝本数密度は、最大で3000本/mm程度である。すなわち、実際に作製される溝本数密度を増やすことによって分解能を向上させるには限界がある。
【００１２】
本発明は、上記のような課題に鑑みて成されたものであり、その主な目的は、実際の溝本数密度を増やすことなく分解能を向上させたブレーズド型回折格子およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために成された本発明に係るブレーズド型回折格子は、各ブレーズ面に、該回折格子の溝に平行な縞構造が形成されていることを特徴とする。
この縞構造としては、反射率が異なる面が交互に（高反射率の面が２本以上となるように）形成されているもの、凹凸溝が（凸部が２本以上となるように）形成されているもの、等とすることができる。
【００１４】
また、このようなブレーズド型回折格子は、次のような方法で製造することができる。一つは、
a)基板上に反射率の異なる材料の層を積層する工程と、
b)前記基板の前記積層部中に、高反射率材料層が少なくとも２層現出するように断面鋸歯状の回折格子溝を形成する工程と
を含むことを特徴とする方法である。
【００１５】
また、別の方法として、
a)基板上に、エッチングレートの異なる材料の層を積層する工程と、
b)前記基板の前記積層部を、エッチングレートの低い層が少なくとも２層現出するように、イオンビームエッチングにより、断面鋸歯状の回折格子溝を形成する工程と
を含むことを特徴とする方法がある。
【００１６】
この方法では、ブレーズ面にエッチングレートの差による凹凸の縞が形成され、エッチングレートの低い層が凸部となる。
【００１７】
この方法は、さらに、
c)２つの傾斜面のうち、他面より幅の広い傾斜面に凹凸の縞を形成するようにエッチングする工程
を含んでもよい。
【００１８】
この方法は、さらに、
d)前記凹凸の縞が形成された格子溝の表面を反射材料でコーティングする工程
を含むことが好ましい。
【００１９】
なお、イオンビームエッチングだけでは十分な凹凸の差が得られない場合、その後にケミカル（ウェット）エッチングを行って、干渉の生じるような凹凸を現出させるようにしてもよい。
【００２０】
断面鋸歯状の回折格子溝は、従来の任意の方法を用いて形成することができる。例えば、特許文献１に記載のように、b-1)ホログラフィック露光法によってレジストパターンを形成する工程と、b-2)レジストパターンが形成された前記基板をイオンビームによってエッチングする工程とを含む断面鋸歯状の回折格子溝を形成する方法を用いることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係るブレーズド型回折格子によれば、ブレーズド型回折格子の溝による本来の光の回折に加えて、各ブレーズ面に、回折格子の溝に平行に形成された縞構造による光の回折が生じる。これらの回折光が重畳する結果、本発明に係るブレーズド型回折格子の分解能を、単一種類の反射膜の基板からなるブレーズド型回折格子の分解能より向上させることが可能となる。
【００２２】
本発明に係るブレーズド型回折格子は、従来のブレーズド型回折格子を製造する方法において、単に、断面鋸歯状の回折格子溝を形成する基板を、反射率の異なる材料の層を積層した基板又はエッチングレートの異なる材料の層を積層した基板とすることによって製造することができるので、容易に分解能を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るブレーズド型回折格子の製造方法の１実施形態による各工程における概略断面図。
【図２】本発明に係るブレーズド型回折格子の１実施形態の断面図及び光の回折を示す概略図。
【図３】図２のブレーズド型回折格子における縞構造による光の回折を説明するための拡大図。
【図４】ブレーズド型回折格子の原理を説明するための図。
【図５】本発明に係るブレーズド型回折格子の別の実施形態の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、図１を参照しながら、本発明に係るブレーズド型回折格子の製造手順を示す。
ステップＳ１：基板１０上に、波長λの光に対する反射率の異なる２種類の材料の薄層（低反射率層１０ａ及び高反射率層１０ｂ）を、所定の厚みで交互に積層させる。この際、高反射率層１０ｂは、少なくとも２層積層させておく（図１の（ａ）、（ｂ））。ここで、波長λは、ここで製造しようとする回折格子が使用する光の波長である。また、各薄層の厚みは、後述のイオンビームエッチングを行い、所定のブレーズ角及び所定の周期のブレーズ面を現出させた場合に、ブレーズ面に少なくとも２層の高反射率層１０ｂが現出するような厚みとしておく。
ステップＳ２：前記基板上にフォトレジスト層を形成する（図１の（ｃ））。
ステップＳ３：フォトレジスト層に二光束干渉によって干渉縞の潜像を露光する。露光された基板上のフォトレジスト層を溶剤で現像し、レジストパターンを作成する（図１の（ｄ））。
ステップＳ４：基板に所望のブレーズ角が形成されるように斜め方向からフォトレジスト層が消失するまでイオンビームによるエッチングを行い、基板上に断面鋸歯状の回折格子溝を形成する。この際、高反射率層１０ｂは、少なくとも２層現出させる（図１の（ｅ）、（ｆ））。  
【００２５】
断面鋸歯状の回折格子溝を形成する方法は、上記の方法（ステップＳ２〜Ｓ４）に限定されることはなく、ブレーズド型回折格子を製造する任意の従来の方法を用いることができる（特許文献１等）。  
【００２６】
本実施形態においては、波長λの光に対する反射率の異なる２種類の材料の薄層（低反射率層１０ａ及び高反射率層１０ｂ）を交互に積層させたが、積層材料は、反射率の異なる材料に限定されることはなく、基板上に断面鋸歯状の回折格子溝を形成した時、各ブレーズ面に、その回折格子の溝に平行な縞構造が作成されるようなものであればよい。
従って、例えば、積層材料は、エッチングレートの異なる材料であってもよい。図５に、エッチングレートの異なる２種類の材料を使用した場合の本発明に係るブレーズド型回折格子の断面図を示す。ブレーズ面にエッチングレートの差による凹凸の縞が形成され、エッチンググレートの低い層が凸部となる。なお、エッチングとしては、イオンビームによるエッチング（いわゆるドライエッチング）を用いてもよいし、溶剤等によるエッチング（いわゆるウェットエッチング）を用いてもよい。
【００２７】
低反射率層１０ａの材料としては、例えば、ＳｉＯ２等が挙げられ、高反射率層１０ｂの材料としては、例えば、アルミニウム等が挙げられるが、使用目的の分光波長の光に対して反射率が異なるものであれば、特に限定されない。
【００２８】
上記の方法によって製造された一実施形態のブレーズド型回折格子（溝周期d、ブレーズ角θB）を図２に示す。これは、低反射率層１０ａと高反射率層１０ｂを、同じ厚み（h/2）で交互に３回積層した基板を用い、低反射率層１０ａと高反射率層１０ｂが、それぞれ３層ずつ現出するようにエッチングしたブレーズド型回折格子である。このとき、高反射率層１０ｂの積層ピッチはhとなり、低反射率層１０ａと高反射率層１０ｂによって形成される縞構造の周期lは、ブレーズ面の斜面に沿う方向にh/sinθBである。
【００２９】
本実施形態においては積層された反射率の異なる層１０ａと１０ｂの層の厚みは等しいが、エッチングによって高反射率層１０ｂの面がブレーズ面に一定の周期で２本以上現出するように積層されていれば良く、積層された１０ａと１０ｂの層の厚みは互いに異なっていてもよい。上記のように、高反射率層１０ｂの積層ピッチ（低反射率層１０ａの厚みと高反射率層１０ｂの厚みの和）hを調節することによって、各ブレーズ面に、回折格子の溝に平行に形成される縞構造の周期l=h/sinθBを調節することができる。
【００３０】
本発明に係るブレーズド型回折格子によれば、ブレーズド型回折格子のブレーズ面による本来の光の回折に加えて、各ブレーズ面に形成された縞構造による光の回折が生じる。これらの回折光が重畳する結果、本発明に係るブレーズド型回折格子の分解能は、従来のブレーズド型回折格子の分解能よりも向上する。
【００３１】
図２を参照しながら具体的に説明する。
波長λの光が入射し（入射角α）、ブレーズ面上で反射する場合（出射角β）、ブレーズド型回折格子の原理に基づき、回折格子の基板底面に平行な方向にブレーズ周期dだけ離れた、高反射率層１０ｂ上の２点（例えば、点１及び点２）での反射光（Ｄ）は、以下の関係を満たすとき互いに強め合う結果、回折が生じる。
d(sinα±sinβ)=mλ
また、入射光Ｉ（入射角α）は、ブレーズ面の斜面に沿う方向に周期lだけ離れた、高反射率層１０ｂ上の２点（例えば、点１及び点３）で反射した光（Ｄ１及びＤ３、反射角β'）は、点１と点３の光路長Lが以下の関係を満たすときに互いに強め合う（回折する）。
L=l{sin(α−θB)±sin(β'+θB)}=m1λ…（４）
ここで、l=h/sinθB であり、hは高反射率層の積層ピッチである。
この関係式の詳細について、図３を参照して説明する。図３は、図２の回折格子における１つのブレーズ面を拡大した図であり、高反射率層により形成される縞構造による光の回折を説明するための図である。図面の簡略化のため、各反射率層（低反射率層１０ａと高反射率層１０ｂ）は省略した。
ブレーズ面同士による干渉と同様、１つのブレーズ面内においても、ブレーズ面の斜面に沿う方向にl=h/sinθBだけ離れた、高反射率層１０ｂ上の２点である点１及び点４で反射した光（Ｄ１及びＤ４、反射角β'）の光路長Lも上記の式（４）を満たすときに互いに強め合う。
すなわち、各ブレーズ面に、回折格子の溝に平行な反射率の異なる層が交互に現出し、かつ高反射率層が２本以上現出するように製造されたブレーズド型回折格子においては、通常の回折光（Ｄ）に加えて、ブレーズ面に現出する２本以上の縞構造による回折光（Ｄ１、Ｄ３、Ｄ４）が回折角β'の方向に現れることとなる。
【００３２】
以上のように、本発明に係るブレーズド型回折格子においては、本来の回折光に、ブレーズ面に現出する縞構造による回折光が重畳し、ブレーズ周期d当たりの回折光が増える。その結果、本発明に係るブレーズド型回折格子によれば、分解能を、単一種類の反射層の基板からなるブレーズド型回折格子の分解能より向上させることが可能となる。
【００３３】
ここで、hが、L=d/n(sinα±sinβ')=mλを満たす場合（式（１）参照）、式（３）より、分解能は、従来の回折格子のn倍程度となる。
【００３４】
図２に示す本願発明の１実施形態のブレーズド型回折格子では、各ブレーズ面に、高反射率層の面と低反射率層の面が、交互に、それぞれ３本ずつ、等しい厚み（h/2）で形成されている。高反射率層の積層ピッチはhであるので、このブレーズド型回折格子では、ブレーズ周期dの溝に加えて、各ブレーズ面に、回折格子の溝に平行な３層の縞構造が周期h/sinθBで現れる。そのため、ブレーズド型回折格子の本来の回折に加えて、各ブレーズ面上の縞構造に基づく回折が重畳する。その結果、本発明に係るブレーズド型回折格子の分解能は、従来のブレーズド型回折格子の分解能より向上する。
【００３５】
上記の実施形態においては、基板上に反射率の異なる２つの材料の層を積層し、その基板の積層部中に、高反射率層が少なくとも２層現出するように断面鋸歯状の回折格子溝を形成することによってブレーズ面に縞構造を形成させたブレーズド型回折格子を製造した。よって、このブレーズド型回折格子の各ブレーズ面の縞構造は、反射率が異なる面が交互に形成され、かつ高反射率の面が２本以上であるものとなる。
しかし、各ブレーズ面に、回折格子の溝に平行な縞構造を作製することができれば上記の実施形態に限定されない。例えば、別の実施形態においては、基板上に、エッチングレートの異なる材料の層を積層し、その基板の該積層部を、エッチングレートの低い層（すなわち、エッチング後に凸部となる層）が少なくとも２層現出するように、エッチングにより、断面鋸歯状の回折格子溝を形成してブレーズド型回折格子を製造しても良い。このブレーズド型回折格子の各ブレーズ面の縞構造は、凹凸溝が形成され、かつ凸部が２本以上であるものとなる（図５参照）。
【００３６】
この実施形態において、断面鋸歯状の回折格子溝を形成した場合にできる傾斜面のうち、より幅の広い傾斜面に凹凸溝を形成するようにドライエッチング又はウェットエッチングする工程をさらに含むことが好ましい。
さらに、凹凸溝が形成された格子溝の表面を反射材料でコーティングする工程を含むことが好ましい。
【００３７】
本発明に係るブレーズド型回折格子は、従来のブレーズド型回折格子を製造する方法において、断面鋸歯状の回折格子溝を形成する基板を、単に、反射率の異なる材料の層を積層した基板又はエッチングレートの異なる材料の層を積層した基板とすることによって製造することができるため、１mm当たりの溝本数によって制限されていたブレーズド型回折格子の分解能を容易に向上させるという優れた効果を奏することが可能となる。
【００３８】
ここで、被測定波長（所望の波長）をλ=632.8nmとし、入射角α=45°、回折角β=-15°のブレーズド型回折格子（ブレーズ角θB=30°）について、従来の単一の種類の基板から製造されたものと、本発明の図２のブレーズド型回折格子の溝本数密度と分解能について具体的に理論値を比較してみる。ここで、L=d/n(sinα±sinβ')=mλを満たすとする。
従来の単一の種類の基板から製造されたブレーズド型回折格子では、回折次数m=1を選ぶと、式（１）より溝周期d=1411.59nm（溝本数密度N=708.4本/mm）となる。このときの分解能は、式（３）より、W/dである。
一方、本発明の図２のブレーズド型回折格子では、成層する低反射率層１０ａと高反射率層１０ｂの厚みは等しく（h/2）、低反射率層１０ａと高反射率層１０ｂからなる縞構造は３回現れる。この縞構造による回折格子の分解能は、式（３）より、従来の単一の基板から製造されたブレーズド型回折格子の分解能（W/d）の３倍程度となる。このときの理論上の溝周期d'は、470.53nm(理論上の溝本数密度N'＝2125.2本/mm）となる。
以上のように、本発明によると、ホログラフィック露光法等によって製造された回折格子溝本数を実際に増やさずに回折光を増やすことができ、その結果、分解能を向上させることが可能となることが分かる。
【符号の説明】
【００３９】
１，２，３，４…ブレーズ面上の点
１０…基板
１０ａ…低反射率層
１０ｂ…高反射率層
Ｉ…入射光
Ｄ，Ｄ１，Ｄ３，Ｄ４…回折光
ｎ…グレーティング法線
α…入射角
β，β'…回折角
θB…ブレーズ角
【図１】
2016062015.tif 000003
【図２】
2016062015.tif 000004
【図３】
2016062015.tif 000005
【図４】
2016062015.tif 000006
【図５】
2016062015.tif 000007