(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学結晶板に形成したイオン交換領域を透過する光経路と、前記光学結晶板の非イオン交換領域を透過する光経路との間で、異常光光線成分もしくは常光光線成分の一方が、位相変化を発生する偏光性回折格子の作成方法において、
前記光学結晶板の表面に、所望の回折格子のパターンを得るため施したマスクレジスト上から、高いイオンエネルギーから低いイオンエネルギーへと複数のイオンエネルギーを順次打ち込んでイオン注入し、そして前記イオン交換領域が所定の深さになるようその表面をエッチングした後、前記マスクレジストを除去することにより、
イオン交換領域を透過する光学的経路長と、非イオン交換領域を透過する光学的経路長との差が、常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍となる、もしくは、常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍となるようにしたことを特徴とする偏光性回折格子の作成方法。
【請求項２】
イオン注入した後に、イオン交換領域をエッチングする代わりに、前記イオン交換領域上に、光学的経路長を調整するための膜を形成してから、マスクレジストを除去するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の偏光性回折格子の作成方法。
【請求項３】
イオン注入およびそれ以降の工程で、光学結晶板の温度を１５０℃以下に制御することを特徴とした請求項1、２に記載の偏光性回折格子の作成方法。
【請求項４】
マスクレジストを除去した後、光学結晶板の表面に保護膜または反射防止膜を形成することを特徴とする請求項１〜３記載の偏光性回折格子の作成方法。
【請求項５】
光学結晶板として、ニオブ酸リチウム結晶板を用いることを特徴とする請求項１〜４記載の偏光性回折格子の作成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ等を利用した各種光学装置に使用され、偏光方向によって回折効率が異なるイオン交換領域を光学結晶上に形成した偏光性回折格子の作成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５（ａ）、（ｂ）は代表的光学結晶であるニオブ酸リチウムを用い、常光光線成分において、πの位相変化が発生する偏光性回折格子の断面を示している。
【０００３】
図５（ａ）はその作成過程を示しており、ニオブ酸リチウム結晶板１に、周期を有するマスクレジスト５を形成する。そしてこのニオブ酸リチウム結晶板１を安息香酸溶液９に浸し、図（ｂ）に示す所定の深さＬ1まで、所定の濃度のイオン交換領域６（リチウムイオンと水素イオンを置換した領域）を形成する。
【０００４】
これにより、常光光線成分に対するニオブ酸リチウム結晶板１の屈折率Ｎoは、イオン交換部分で△Ｎo、また異常光光線成分に対するニオブ酸リチウム結晶板１の屈折率Ｎｅもイオン交換部分で△Ｎe変化する。
【０００５】
つぎにエッチングを行いイオン交換領域６に所定深さＬ2の溝を形成し、マスクレジスト５を除去すると、図５（ｂ）の偏光性回折格子が形成される。この際イオン交換領域６を透過した光学的経路１４と、他を透過する光学的経路１５との光学的経路長差が、常光光線成分の位相差φｏでπ、異常光光線成分の位相差φｅで０となるように、イオン交換領域の深さＬ1とエッチング深さＬ2を（数１）及び（数２）の条件を満たすように設定する。
【０００６】
【数１】
0004172057.tif 000002
【０００７】
【数２】
0004172057.tif 000003
【０００８】
ここで、１０は入射光、１１は０次回折光、１２は１次回折光、１３は−１次回折光を示す。図５（ｂ）の構造の回折格子に入射光１０が入射すると異常光光線成分に関しては、光学的経路１４と光学的経路１５で位相変化は発生せず、回折格子としては働かない。従って、入射光は０次光１１としてニオブ酸リチウム結晶板１を直進通過する。一方入射光のうち常光光線成分は、光学的経路１４と光学的経路１５でπの位相変化が発生するため、常光光線成分は光学的回折格子に入射した事になり、１次回折光１２、及び−1次回折光１３となってニオブ酸リチウム結晶板１から出射する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような偏光性回折格子を用いた各種光学装置においては、装置自体そして構成部品を小型化するために、より大きな回折角を有する偏光性回折格子を実現することが求められている。例えば分割された受光素子上に、偏光性回折格子を用いて、光を各々に分割し導く場合に、より大きな回折角を実現することにより、偏光性回折格子と受光素子間の距離を小さくすることが出来る。これにより、光学装置全体を小さくする、あるいは、偏光性回折格子と受光素子を一体で形成することが出来る等のメリットが生じる。
【００１０】
この回折角度を大きくすることは、偏光性回折格子のピッチを小さくすることで達成される。しかし従来の偏光性回折格子の作成方法では、所望の形状を得るためにマスクレジストを形成した後、安息香酸等を用いた侵漬処理によりイオン交換を行っており、侵漬処理は等方的な浸透となるため、図５（ａ）に示すようにマスクレジスト５の裏側にも浸透してイオン交換が発生する。
【００１１】
このためイオン交換領域６と非イオン交換領域の境界が不鮮明となる。偏光性回折格子に所望される形状寸法が、不鮮明となる境界領域に比して十分に大きい場合には問題とならない。しかし偏光性回折格子に所望される形状寸法が不鮮明となる、境界領域幅と同程度となるピッチの小さな場合では、光学的性能の低下が大きくなり、実用的なピッチの小さい偏光性回折格子を作成することは難しかった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の偏光性回折格子の作成方法では、イオン交換領域を形成する手法として、ニオブ酸リチウム結晶板にファインピッチの周期を有するマスクレジストを形成し、深さ、濃度が均一なイオン交換を行うためにイオン注入法を用いる。
【００１３】
ただし、イオン注入の深さ方向に対する濃度分布は、図２に示すように最大値を持ち、濃度最大となる深さはイオン注入時のイオンエネルギーに依存する。従って、所望する深さまで均一なイオン濃度分布を形成するために、注入するイオンのエネルギーを段階的に変化させ、積分した濃度が均一となるようにイオン交換領域を形成する。
【００１４】
また、この後の工程でイオン交換領域上を所定の深さだけエッチングするか、イオン交換領域上に光学的経路長を調整するための膜を形成する。この際、イオン交換領域を透過する光学的経路長と非イオン交換領域を透過する光学的経路長の差が、常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍となる、あるいは、常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍となるように、イオン交換層、及びエッチングの深さ、あるいは膜の材質、厚さを決定する。
【００１５】
これらにより、イオン交換層の均一性を良好かつ、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界を明確とすることが出来、ピッチの小さな高機能な偏光性回折素子を形成することが可能である。
【００１６】
更に、回折格子の上に保護膜または、反射防止膜を形成する事により、偏光性回折格子を実現することも可能である。この場合もイオン交換領域を透過する光学的経路長と非イオン交換領域を透過する光学的経路長の差が、常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍となる、あるいは、常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍となるように、イオン交換領域深さ、エッチング深さ、膜厚を決定する必要がある。
【００１７】
また、上記イオン注入、エッチング、成膜工程において、イオン交換領域が拡散しにくい温度に、光学結晶板を制御することにより、さらにイオン交換領域と非イオン交換領域の境界を明確とすることが出来、ピッチの小さな高機能な偏光性回折素子を形成することが可能である。
【００１８】
【発明の実施形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、光学結晶板に形成したイオン交換領域を透過する光経路と、前記光学結晶板の非イオン交換領域を透過する光経路との間で、異常光光線成分もしくは常光光線成分の一方が、位相変化を発生する偏光性回折格子の作成方法において、前記光学結晶板の表面に、所望の回折格子のパターンを得るため施したマスクレジスト上から、高いイオンエネルギーから低いイオンエネルギーへと複数のイオンエネルギーを順次打ち込んでイオン注入し、そして前記イオン交換領域が所定の深さになるようその表面をエッチングした後、前記マスクレジストを除去することにより、イオン交換領域を透過する光学的経路長と、非イオン交換領域を透過する光学的経路長との差が、常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍となる、もしくは、常光光線成分では、用いる単色光の波長の整数倍、かつ、異常光光線成分では、用いる単色光の半波長の奇数倍となるようにしたことを特徴とするものである。
【００１９】
これにより、イオン交換層の均一性を良好とし、かつイオン交換領域と非イオン交換領域の境界を明確とすることで、ファインピッチで、高機能な偏光性回折格子を形成することが可能となる。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、イオン注入した後に、イオン交換領域をエッチングする代わりに、前記イオン交換領域上に、光学的経路長を調整するための膜を形成してから、マスクレジストを除去するようにしたことを特徴とするものである。請求項１と同様に、イオン交換層の均一性を良好とし、かつイオン交換領域と非イオン交換領域の境界を明確とすることで、ファインピッチで、高機能な偏光性回折格子を形成することが可能となる。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、請求項１、２において、イオン注入およびそれ以降の工程で、光学結晶板の温度を１５０℃以下に制御することを特徴とするものであり、イオン交換領域の拡散を押え、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界を、請求項1、２より明確とすることで、よりファインピッチで、高機能な偏光性回折格子を形成することが可能となる偏光性回折格子作成方法である。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３に記載の作成方法において、偏光性回折格子の表面に、保護膜または反射防止膜を形成することを特徴とするものであり、これにより偏光性回折格子を保護したり、光学特性を向上させたりすることができる。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、光学結晶板としてニオブ酸リチウム結晶板を用いることを特徴とするものである。ニオブ酸リチウム結晶板は、光学結晶の安定性、光学特性、特に非線形光学特性が比較的大きい等の特性を持ち、汎用的な材質であるため、目的の光学特性を低価格で得ることが可能となる。
【００２４】
（実施の形態１）
本発明の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、本実施の形態では、従来例と同様に、光学結晶基板としてニオブ酸リチウムを用い常光光線成分にπの奇数倍の位相差を発生させる例で示す。
【００２５】
図１は本発明の一実施の形態において、偏光性回折格子の作成方法を段階的に示したものであって、１はニオブ酸リチウム結晶板、２はフォトレジスト膜、３はマスク、４はフォトレジストを露光するための光、５はマスクレジスト、６はイオン交換領域、そして７は光学的経路長の調整および回折格子を保護する膜である。
【００２６】
まず図１（ａ）において、偏光性回折光学素子を形成しようとするニオブ酸リチウム結晶板１に、フォトレジスト膜２を塗布する。次に図１（ｂ）フォトレジスト膜２を露光するための光４とマスク３を用いて、フォトレジスト膜２を所望の周期的パターンで露光する。
【００２７】
そして、図１（ｃ）において、フォトレジスト膜２を現像し、マスクレジスト５を形成する。図１（ｄ）において、イオン注入を行い、上記ニオブ酸リチウム結晶板１の表面に水素イオンを注入する。注入された水素イオンは、既存のリチウムイオンと交換され、リチウムは、ニオブ酸リチウム結晶板１の表面から拡散する。またマスクレジスト５は、イオン注入に対してマスク効果があり、イオン交換領域６が形成される。イオン注入に関しては、後で詳述する。
【００２８】
図１（ｅ）において、ニオブ酸リチウム結晶板１のイオン交換領域６の表面をエッチングし溝を形成する。マスクレジスト５は、エッチングに対してもマスク効果があるため、ニオブ酸リチウム結晶板１の表面に、エッチングにより凹の格子を形成する事ができる。
【００２９】
次にマスクレジスト５を除去することにより、図１（ｆ）の偏光性回折格子が形成される。ここでイオン交換領域の深さＬ3、及びエッチング深さＬ4は、イオン交換領域３を透過する光学的経路長と、非イオン交換領域を透過する光学的経路長との差から生じる位相差が、常光光線成分の位相差φｏでπの奇数倍、かつ、異常光光線成分の位相差φｅで２πの整数倍となるように決定し、各位相差は以下の（数３）及び（数４）で表される。
【００３０】
【数３】
0004172057.tif 000004
【００３１】
【数４】
0004172057.tif 000005
【００３２】
ここでは、イオン注入後、エッチングを行なったが、その逆でも偏光性回折格子を作成することが出来る。またイオン注入時及びそれ以後の工程において、ニオブ酸リチウム結晶板１の温度を所定の温度１５０℃以下に制御することで、水素イオンの拡散を抑制し、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界をより明確とすることができる。
【００３３】
さらに、図１（ｇ）に示すように、ニオブ酸リチウム結晶板１表面の凹凸格子を、反射防止膜、たとえばＭｇＦ２膜、もしくは保護膜たとえばＳｉＯ等の膜、もしくはこれらを併用した多層積層膜を成膜し平坦化することも可能である。
【００３４】
このとき、平坦化に用いる素材の屈折率を考慮して、平坦化後の光学特性が所望のものになるように、予めエッチング深さ、イオン交換領域の深さを調整する必要がある。
【００３５】
以下計算例として膜７を成膜した場合の条件を示す。この際イオン交換領域の深さＬ3、エッチング深さＬ4は、膜７の常光光線成分及び異常光光線成分に対する屈折率をそれぞれＮoc1、Ｎec1とすると、イオン交換領域３を透過する光学的経路長と、非イオン交換領域を透過する光学的経路長との差から生じる位相差が、常光光線成分の位相差φｏでπの奇数倍、かつ、異常光光線成分の位相差φeで２πの整数倍となるように決定し、各位相差は以下の（数５）及び（数６）で表される。
【００３６】
【数５】
0004172057.tif 000006
【００３７】
【数６】
0004172057.tif 000007
【００３８】
そして、最終的な表面平坦化として、成膜後に研磨する工程を加えても良い。またこの膜形成工程の際にも、上述の説明と同様に、ニオブ酸リチウム結晶板１の温度を所定の温度１５０℃以下に制御することで、水素イオンの拡散を抑制し、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界をより明確とすることができる。
【００３９】
イオン注入は、イオンの注入方向、注入深さ、注入量を、注入イオンの加速方向、加速量、および注入時のイオン電流値を用いて、精度よく任意に制御できるため、マスクレジスト５とあいまって、イオン交換領域６を精度よく形成することができる。
【００４０】
しかし、図２の模式図に示したように、単一のイオンエネルギーで打ち込まれたイオンの濃度は、イオン交換領域６における深さ方向に均一ではなく、最大イオン濃度となる注入深さを持つ。そして、この注入深さは、イオンの打ち込みエネルギーに依存している。従って、深さ方向に均一なイオン濃度を形成するために、イオンエネルギーを多段階で打ち込む。
【００４１】
本実施の形態では、三種類のイオンエネルギーで三段階にイオン注入を行った例を示す。図３は、イオン注入の深さ方向濃度分布を模式的に示す。まず、高いイオンエネルギー（ａ）から低いイオンエネルギー（ｃ）へと順次、段階的に打ち込んでゆく。各イオンエネルギーにおけるイオン濃度分布（ａ〜ｃ）は点線で、全体のイオン濃度分布は実線で示している。イオンの注入深さがイオンエネルギーに依存していることから、イオンエネルギーを段階的に変更し、各イオンエネルギーでの注入時間を制御することでイオン濃度分布を均一とすることが可能である。
【００４２】
（実施の形態２）
本発明の他の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、本実施の形態では、従来例と同様に、光学結晶基板としてニオブ酸リチウムを用い常光光線成分にπの奇数倍の位相差を発生させる例で示す。
【００４３】
図４は本発明の他の実施の形態において、偏光性回折格子の作成方法段階的に示したものであって、１はニオブ酸リチウム結晶板、２はフォトレジスト膜、３はマスク、４はフォトレジストを露光するための光、５はマスクレジスト、６はイオン交換領域、７、８は膜である。本実施の形態では、実施の形態１と同様に光学結晶としてニオブ酸リチウムを用い、常光光線成分にπの奇数倍の位相差を発生させる例で示す。
【００４４】
まず図４（ａ）において、偏光性回折光学素子を形成しようとするニオブ酸リチウム結晶板１に、フォトレジスト膜２を塗布する。次に図４（ｂ）フォトレジスト膜２を露光するための光４とマスク３を用いて、フォトレジスト膜２を所望の周期的パターンで露光する。
【００４５】
そして、図４（ｃ）において、フォトレジスト膜２を現像し、マスクレジスト５を形成する。図４（ｄ）において、イオン注入を行い、上記ニオブ酸リチウム結晶板１の表面に水素イオンを注入する、注入された水素イオンは、既存のリチウムイオンと交換され、リチウムは、ニオブ酸リチウム結晶板１の表面から拡散する。またマスクレジスト５は、イオン注入に対してマスク効果があり、イオン交換領域６が形成される。イオン注入に関しては、実施の形態１と同様に行なう。
【００４６】
次に図４（ｅ）において、ニオブ酸リチウム結晶板１のイオン交換領域６の上面に膜８を形成する。上記実施の形態１では、イオン交換領域を所定の深さだけエッチングしたが、その代わりにここでは、光学的経路長を調整するために膜８を形成する。この膜８は、空気より屈折率が高いものであれば特に材料は限定されない。
【００４７】
次にマスクレジスト５を除去することにより、図４（ｆ）の偏光性回折格子が形成される。ここでイオン交換領域の深さＬ５、及び膜８の厚さＬ６は、イオン交換領域６を透過する光学的経路長と、非イオン交換領域を透過する光学的経路長との差から生じる位相差が、常光光線成分の位相差φｏでπの奇数倍、かつ、異常光光線成分の位相差φｅで２πの整数倍となるように決定し、各位相差は以下の（数７）及び（数８）で表される。
【００４８】
【数７】
0004172057.tif 000008
【００４９】
【数８】
0004172057.tif 000009
【００５０】
更に、図４（ｇ）に示すように、ニオブ酸リチウム結晶板１表面を、反射防止膜、たとえばＭｇＦ２膜、もしくは保護膜たとえばＳｉＯ等の膜、もしくはこれらを併用した多層積層膜を成膜し平坦化することも可能である。このとき、平坦化に用いる素材の屈折率を考慮して、平坦化後の光学特性が所望のものになるように、予め膜厚、イオン交換領域の深さを調整する必要がある。
【００５１】
以下計算例として膜７を付けた場合の条件を示す。ここでイオン交換領域の深さＬ5、膜厚さＬ6は、膜７の常光光線成分及び異常光光線成分に対する屈折率をそれぞれＮoc2、Ｎec2とすると、イオン交換領域６を透過する光学的経路長と非イオン交換領域を透過する光学的経路長の差から生じる位相差が、常光光線成分の位相差φｏでπの奇数倍、かつ、異常光光線成分の位相差φeで２πの整数倍となるように決定し、各位相差は以下の（数９）及び（数１０）で表される。
【００５２】
【数９】
0004172057.tif 000010
【００５３】
【数１０】
0004172057.tif 000011
【００５４】
そして、最終的な表面平坦化として、成膜後に研磨する工程を加えても良い。またこの膜形成工程の際にも、前記と同様に、ニオブ酸リチウム結晶板１の温度を所定の温度１５０℃以下に制御することで、水素イオンの拡散を抑制し、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界をより明確とすることができる。
【００５５】
本発明の以上の実施形態では、結晶板としてニオブ酸リチウムを用いて示した。しかし他の好適な光学結晶に対しても、上記の作成方法が適用可能であることは言うまでもない。また、実施の形態１、２では常光光線成分の位相差がπの奇数倍となる例を示したが、常光光線成分と異常光光線成分のどちらかの位相差がπの奇数倍、かつ、他の光線成分の位相差が２πの整数倍となる条件を満しても同様の偏光性回折格子が得られる。
【００５６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、イオン交換領域と非イオン交換領域の境界領域を明確とし、イオン交換領域を精度よく、所定の形状に形成することができる。そのためファインピッチで、高機能な偏光性回折格子を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における偏光性回折格子の作成方法を示す断面図
【図２】従来のイオン注入を行った場合の深さ方向のイオン注入濃度の模式図
【図３】本発明の実施の形態において、イオン注入を行った場合の深さ方向のイオン注入濃度の模式図
【図４】本発明の他の実施の形態における偏光性回折格子の作成方法を示す断面図
【図５】従来の形態における偏光性回折格子の断面図
【符号の説明】
１  ニオブ酸リチウム結晶板
２  フォトレジスト膜
３  マスク
４  フォトレジストを露光するための光
５  マスクレジスト
６  イオン交換領域
７，８  膜
９  安息香酸溶液
１０  光の入射
１１  ０次回折光
１２  １次回折光
１３  −１次回折光
１４，１５  光学的経路
【図１】
0004172057.tif 000012
【図２】
0004172057.tif 000013
【図３】
0004172057.tif 000014
【図４】
0004172057.tif 000015
【図５】
0004172057.tif 000016