JP5360399B2

JP5360399B2 - 回折格子作製用位相マスク

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Publication number: JP5360399B2
Application number: JP2009183484A
Authority: JP
Inventors: 英明森田
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2009-08-06
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2029-08-06
Also published as: JP2011039094A

Description

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開２００９−１０３７８６号公報

"ＳＰＩＥ"Ｖｏｌ．８８３（１９８８），ｐｐ．８〜１１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

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）。

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。

さらに、特にピッチが露光波長に近付いたり、位相マスク材料に高い屈折率を使用したりすると、透過０次光２５Ａを０％にできなかったり、透過±１次光２５Ｂ、２５Ｃが低減する問題がある。すなわち、ピッチが露光波長に近付くと、段々透過０次光２５Ａを０％にできなくなったり、透過±１次光２５Ｂ、２５Ｃが低減するため、特許文献１では位相マスク材料に高い屈折率を使用して改善しているが、反面、反射光の効率が増えて透過±１次光２５Ｂ、２５Ｃが低減したり、さらに小さいピッチでは再び透過０次光が０％にできなくなる問題がある。

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次光成分を極力少なくし、透過±１次光の回折効率を極力多くして、転写した光ファイバー等の光導波路の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。

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る透過±１次光の干渉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：周囲（雰囲気又は液体）の屈折率、ｄ₀＝λ／｛２（ｎ₂−ｎ₁）｝、ｆ＝ｗ／Λ、Λ’＝Λ／λとするとき、ｎ₁Λ' 、ｎ₂／ｎ₁、ｄ／ｄ₀、ｆが次の条件式（１）〜（３）、（５）、（６）を同時に満たすことを特徴とするものである。

1.0＜ｎ₁Λ' ＜2.2 の範囲の区間１：1.0 ＜ｎ₁Λ' ≦1.5 では、
-23.150 （ｎ₁Λ' ）⁵＋ 83.283 （ｎ₁Λ' ）⁴−65.102（ｎ₁Λ' ）³
−78.080（ｎ₁Λ' ）²＋131.966 ｎ₁Λ' −46.905
≦ｎ₂／ｎ₁≦118.085 （ｎ₁Λ' ）⁵−510.61（ｎ₁Λ' ）⁴
＋638.55（ｎ₁Λ' ）³＋78.771（ｎ₁Λ' ）²−642.31ｎ₁Λ' ＋321.06
・・・（１）
1.0＜ｎ₁Λ' ＜2.2 の範囲の区間２：1.5 ＜ｎ₁Λ' ≦1.9 では、
13.239（ｎ₁Λ' ）³−64.220（ｎ₁Λ' ）²＋103.117 ｎ₁Λ' −53.40
≦ｎ₂／ｎ₁≦61.5374 （ｎ₁Λ' ）⁶−385.3323（ｎ₁Λ' ）⁵
＋328.953 （ｎ₁Λ' ）⁴＋2844.835（ｎ₁Λ' ）³−8978.233（ｎ₁Λ' ）²
＋10245.56ｎ₁Λ' −4207.135 ・・・（２）
1.0＜ｎ₁Λ' ＜2.2 の範囲の区間３：1.9 ＜ｎ₁Λ' ＜2.2 では、
10.443（ｎ₁Λ' ）²−42.926ｎ₁Λ' ＋45.36
≦ｎ₂／ｎ₁≦-8.393（ｎ₁Λ' ）²＋32.374ｎ₁Λ' −29.674 ・・・（３）
かつ、
1.0＜ｎ₁Λ' ＜2.2 の範囲で、
2.8090＋0.7790／｛（ｎ₁Λ' ＋4.7488）（ｎ₂／ｎ₁−1.1687）｝
≦ｄ／ｄ₀≦
3.6885＋0.1488／｛（ｎ₁Λ' ＋2.6126）（ｎ₂／ｎ₁−1.1233）｝・・・（５）
かつ、
1.0＜ｎ₁Λ' ＜2.2 の範囲で、
0.7123−3.8871／｛（ｎ₁Λ' ＋1.7055）（ｎ₂／ｎ₁＋0.7117）｝
≦ｆ≦0.7740−1.7142／｛（ｎ₁Λ' ＋1.7095）（ｎ₂／ｎ₁−0.3275）｝
・・・（６）。

この場合に、 1.0＜ｎ₁Λ' ＜2.2 の範囲で、
ｎ₂／ｎ₁ ＝-1.5543 （ｎ₁Λ' ）⁵＋8.1107（ｎ₁Λ' ）⁴
−13.048（ｎ₁Λ' ）³＋3.248 （ｎ₁Λ' ）²＋7.476 ｎ₁Λ'
−2.141 ・・・（４）
を満たすことが望ましい。

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、位相差が３πラジアン近傍で透過０次光回折効率が最小になり、透過０次光に対する透過±１次光のコントラストが最大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。

また、露光光の位相差がπラジアン近傍で透過０次光が０％にできない屈折率と繰り返
し周期の領域で、透過０次光を低減することができ、透過±１次光の回折効率、及び、透過０次光に対する透過±１次光のコントラストを改善することができる。これにより、露光時間を短くできて、省エネルギーや振動等の影響の抑制等が可能になる。

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。本発明の回折格子作製用位相マスクを用いて回折格子を作製する場合の基本配置を示す断面図である。本発明による最適化範囲を横軸にｎ₁Λ' 、縦軸にｎ₂／ｎ₁としてグラフにプロットした図である。本発明による最適化範囲となるｄ／ｄ₀をｎ₂／ｎ₁とｎ₁Λ’を変数としてとった図である。本発明による最適化範囲となるｆをｎ₂／ｎ₁とｎ₁Λ’を変数としてとった図である。

本発明は、回折格子作製用位相マスクの凹溝の深さが露光光の位相を３πラジアン近傍にずらすようにすることにより、その位相をπラジアン近傍にずらす場合より、透過±１次光の回折効率あるいは透過０次光に対するコントラストを高くすることができることを発見して完成されたものである。

図２は、本発明の回折格子作製用位相マスクを用いて回折格子を作製する場合の基本配置を示す断面図である。本発明の回折格子作製用位相マスク２１は、干渉縞パターン２４（図１）を露光する光ファイバー等の感光性材料２２に対して、相互に平行で断面略矩形の凹溝２６と凸条２７の繰り返しパターン面２８を向けて配置されるものであり、干渉縞パターン２４が露光される光ファイバー等の感光性材料２２と位相マスク２１の繰り返しパターン面２８の間に位相マスク２１の透明基板の屈折率と異なる気体又は液体２９で充填し、この状態で位相マスク２１の繰り返しパターン面２８とは反対側の面からＫｒＦエキシマレーザ光等の露光光２３を照射し、凹溝２６と凸条２７の繰り返しパターン面２８を回折されないで透過する０次光２５Ａを５％（繰り返しパターン面２８での０次光の回折効率Ｔ₀。位相マスク２１の透明基板の繰り返しパターン面２８とは反対の面での減衰、透明基板内での減衰は含まない。）以下に抑え、繰り返しパターン面２８でプラス１次の回折光２５Ｂとマイナス１次の回折光２５Ｃに分割し、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感光性材料２２に行い、その中に回折格子を露光して屈折率変化等により回折格子を作製するのに用いるものである。

このような相互に平行で断面略矩形の凹溝２６と凸条２７の繰り返しパターン面２８を持つバイナリー位相型回折格子には、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：周囲（気体又は液体）の屈折率、ｆ＝ｗ／Λ、Λ’＝Λ／λ、ｄ₀＝λ／｛２（ｎ₂−ｎ₁）｝として、Ｑ値が定まり、Ｑ＝２πλｄ／（ｎΛ²）で定義される（非特許文献２）。図２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。

スカラー理論で適用困難なＱ＞１を対象として、ｄ／ｄ₀＝３，５，７，・・・（３以上の奇数）の近傍とすると、透過±１次光２５Ｂ、２５Ｃの回折効率Ｔ₁を比較的多くすることができることが分かった。その物理的意味としては、回折格子の深溝化によって反射防止効果が生じ、反射光だった分をＴ₁に振分けられるためと考えられる。また、ｄ／ｄ₀＝１付近で透過０次光２５Ａの効率Ｔ₀を０％にできない（ｎ₂／ｎ₁，ｎ₁Λ' ）領域で、ｄ／ｄ₀を３近傍より大きくすることで、ｄ／ｄ₀が１近傍の場合より透過０次光２５Ａを低減し得る。このようなことから、コントラストＴ₀／Ｔ₁及びＴ₁を改善することができる。ただし、実際には、ｄ／ｄ₀＝５，７，・・・（５以上の奇数）においては、このような解の存在が波打っていてあったりなかったりすることから、ｄ／ｄ₀＝３付近で検討する。

上記したように、図２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。

そこで、まず、ベクトル回折理論を用いて、ｄ／ｄ₀が３近傍と１近傍で、ｎ₁Λ' とｎ₂／ｎ₁の組に対して、ｄ／ｄ₀とｆをパラメータとして、Ｔ₀を極小化し、その極小化したときのＴ₀（％）、Ｔ₀／Ｔ₁、Ｔ₁（％）を求めた。その結果をそれぞれ次の表１と表２に示す。ｄ／ｄ₀が３近傍の場合には、Ｔ₀を極小化したときのｄ／ｄ₀とｆの値も表示した。

ただし、Ｔ₀、Ｔ₁の値は、計算誤差のため、また作製誤差で０．１％程度の誤差が生じるため、０．０１（％）の桁で四捨五入している。

表１と表２を比較すると、ｄ／ｄ₀が３近傍の場合が１近傍の場合に比べてＴ₀が小さく、Ｔ₁が大きい場合がある。

そこで、
[1] ｄ／ｄ₀＝１付近の対応する（ｎ₁Λ' ，ｎ₂／ｎ₁）に比べて、ｄ／ｄ₀＝３付近のコントラストが同等以上（Ｔ₀／Ｔ₁が同等以下）、
[2] Ｔ₀≦５％（表１、表２共にＴ₀が白黒反転した値以外）、
[3] Ｔ₀＝０％である場合には、ｄ／ｄ₀＝１付近の各ｎ₁Λ' でＴ₀＝０％であるときの最大のＴ₁（表２のＴ₁が白黒反転した値）に対して、ｄ／ｄ₀＝３付近のＴ₁がこれと同等以上、
[4] 各ｎ₁Λ' でｎ₂／ｎ₁の小さい側から連続した１つの領域、
の条件を満たす範囲は、表１の二重枠で囲った範囲となる（Ｔ₀≠０％である場合には、[1] かつ[2] で、Ｔ₀＝０％である場合には、[1] かつ[2] かつ[3] で、何れも[4] を満たす範囲）。

表１の二重枠で囲った範囲を横軸にｎ₁Λ' 、縦軸にｎ₂／ｎ₁としてグラフにプロットすると図３のようになる。それぞれのｎ₁Λ' のときのｎ₂／ｎ₁の最大値と最小値を示してあり、その最大値と最小値の間では、ｄ／ｄ₀が３付近の方が１付近に比べて、Ｔ₀≠０％のときはＴ₀／Ｔ₁が小さくコントラストが大きく、Ｔ₀＝０％のときはＴ₁が大きい。また、その最大値と最小値の間でＴ₀／Ｔ₁が最小（Ｔ₀＝０％のときはＴ₁が最大）になる点も示してある。

図３の最大値、最小値となる点をそれぞれ結ぶ曲線を多項式で近似すると次のようになる。ただし、横軸ｎ₁Λ' を1.0 ＜ｎ₁Λ' ≦1.5 （区間１）、1.5 ＜ｎ₁Λ' ≦1.9 （区間２）、1.9 ＜ｎ₁Λ' ＜2.2 （区間３）と区切って曲線近似している。

区間１：1.0 ＜ｎ₁Λ' ≦1.5 では、
最小値：ｎ₂／ｎ₁＝-23.150 （ｎ₁Λ' ）⁵＋ 83.283 （ｎ₁Λ' ）⁴
−65.102（ｎ₁Λ' ）³−78.080（ｎ₁Λ' ）²＋131.966 ｎ₁Λ' −46.905
最大値：ｎ₂／ｎ₁＝118.085 （ｎ₁Λ' ）⁵−510.61（ｎ₁Λ' ）⁴
＋638.55（ｎ₁Λ' ）³＋78.771（ｎ₁Λ' ）²−642.31ｎ₁Λ' ＋321.06
すなわち、
区間１：1.0 ＜ｎ₁Λ' ≦1.5 では、
-23.150 （ｎ₁Λ' ）⁵＋ 83.283 （ｎ₁Λ' ）⁴−65.102（ｎ₁Λ' ）³
−78.080（ｎ₁Λ' ）²＋131.966 ｎ₁Λ' −46.905
≦ｎ₂／ｎ₁≦118.085 （ｎ₁Λ' ）⁵−510.61（ｎ₁Λ' ）⁴
＋638.55（ｎ₁Λ' ）³＋78.771（ｎ₁Λ' ）²−642.31ｎ₁Λ' ＋321.06
・・・（１）
区間２：1.5 ＜ｎ₁Λ' ≦1.9 では、
最小値：ｎ₂／ｎ₁＝13.239（ｎ₁Λ' ）³−64.220（ｎ₁Λ' ）²
＋103.117 ｎ₁Λ' −53.40
最大値：ｎ₂／ｎ₁＝61.5374 （ｎ₁Λ' ）⁶−385.3323（ｎ₁Λ' ）⁵
＋328.9526（ｎ₁Λ' ）⁴＋2844.835（ｎ₁Λ' ）³
−8978.233（ｎ₁Λ' ）²＋10245.557 ｎ₁Λ' −4207.134
すなわち、
区間２：1.5 ＜ｎ₁Λ' ≦1.9 では、
13.239（ｎ₁Λ' ）³−64.220（ｎ₁Λ' ）²＋103.117 ｎ₁Λ' −53.40
≦ｎ₂／ｎ₁≦61.5374 （ｎ₁Λ' ）⁶−385.3323（ｎ₁Λ' ）⁵
＋328.953 （ｎ₁Λ' ）⁴＋2844.835（ｎ₁Λ' ）³−8978.233（ｎ₁Λ' ）²
＋10245.56ｎ₁Λ' −4207.135 ・・・（２）
区間３：1.9 ＜ｎ₁Λ' ＜2.2 では、
最小値：ｎ₂／ｎ₁＝10.443（ｎ₁Λ' ）²−42.926ｎ₁Λ' ＋45.359
最大値：ｎ₂／ｎ₁＝-8.3928 （ｎ₁Λ' ）²＋32.374ｎ₁Λ' −29.672
すなわち、
区間３：1.9 ＜ｎ₁Λ' ＜2.2 では、
10.443（ｎ₁Λ' ）²−42.926ｎ₁Λ' ＋45.36
≦ｎ₂／ｎ₁≦-8.393（ｎ₁Λ' ）²＋32.374ｎ₁Λ' −29.674 ・・・（３）
となる。

また、Ｔ₀／Ｔ₁が最小になる点を結ぶ曲線を多項式で近似すると次のようになる。この場合は（横軸ｎ₁Λ' は 1.0＜ｎ₁Λ' ＜2.2 の範囲）、
ｎ₂／ｎ₁ ＝-1.5543 （ｎ₁Λ' ）⁵＋8.1107（ｎ₁Λ' ）⁴
−13.048（ｎ₁Λ' ）³＋3.248 （ｎ₁Λ' ）²＋7.476 ｎ₁Λ'
−2.141 ・・・（４）
となる。

ところで、（ｎ₁Λ' ，ｎ₂／ｎ₁）が表１の二重枠で囲った範囲（Ｔ₀≠０％である場合には、[1] かつ[2] で、Ｔ₀＝０％である場合には、[1] かつ[2] かつ[3] で、何れも[4] を満たす範囲）にある場合、すなわち、条件式（１）〜（３）を満たす場合に、ｄ／ｄ₀とｆが如何なる範囲を満たせばよいかを示したのがそれぞれ図４、図５である。

図４の「元データ」として示したグラフは、表１の二重枠で囲った範囲にある場合に、
ｄ／ｄ₀をｎ₂／ｎ₁とｎ₁Λ’を変数としてとった図であり、また、「最大側包絡面」、「最小側包絡面」として示したグラフは、「元データ」の曲面をそれぞれｄ／ｄ₀の上側、下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４においては、縦軸にｄ／ｄ₀を、横軸の一方にｎ₂／ｎ₁を、他方にｎ₁Λ’をとって３次元的に図示してある。

この図４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。

2.8090＋0.7790／｛（ｎ₁Λ' ＋4.7488）（ｎ₂／ｎ₁−1.1687）｝
≦ｄ／ｄ₀≦
3.6885＋0.1488／｛（ｎ₁Λ' ＋2.6126）（ｎ₂／ｎ₁−1.1233）｝・・・（５）
となる。

また、図５の「元データ」として示したグラフは、表１の二重枠で囲った範囲にある場合に、ｆをｎ₂／ｎ₁とｎ₁Λ’を変数としてとった図であり、また、「最大側包絡面」、「最小側包絡面」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５においては、縦軸にｆを、横軸の一方にｎ₂／ｎ₁を、他方にｎ₁Λ’をとって３次元的に図示してある。

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ｆの範囲は次の通りである。

0.7123−3.8871／｛（ｎ₁Λ' ＋1.7055）（ｎ₂／ｎ₁＋0.7117）｝
≦ｆ≦0.7740−1.7142／｛（ｎ₁Λ' ＋1.7095）（ｎ₂／ｎ₁−0.3275）｝
・・・（６）
以上から明らかなように、条件式（１）〜（３）、（５）、（６）を同時に満たす場合に、位相マスク２１の凹溝２６の深さｄが露光光の位相をπラジアン近傍にずらすようにするより３π近傍にずらすようにする方が、Ｔ₀／Ｔ₁が小さく０次光２５Ａに対する透過±１次光２５Ｂ、２５Ｃのコントラストを大きくすることができる（Ｔ₀≠０％のとき）か、透過±１次光２５Ｂ、２５Ｃの回折効率Ｔ₁を大きくすることができる（Ｔ₀＝０％のとき）。

次に、本発明に基づく回折格子作製用位相マスクのいくつかの実施例を示す。次の表３に示す実施例１−１、２−１、３−１、４−１、５−１、６−１は本発明に基づく実施例であり、実施例１−２、２−２、３−２、４−２、５−２、６−２は比較例である。それらの実施例、比較例の使用する偏光と、パラメータｎ₁、ｎ₂、Λ、ｆ、ｄ／λ、ｄ／ｄ₀、Ｔ₀、Ｔ₁、Ｔ_RT、Ｑを示す。ただし、Ｔ_RTは反射回折成分の総和である。ここで、Ｔ₀、Ｔ₁、Ｔ_RTの単位は％である。
〔表３〕
実施例偏光ｎ₁ ｎ₂ Λ ｆｄ／λ ｄ／ｄ₀ Ｔ₀ Ｔ₁ Ｔ_RT Ｑ
１−１Ｓ 1.00 1.834 1.1 0.354 1.756 2.928 2.2 34.6 28.7 7.04
１−２Ｓ 1.00 1.834 1.1 0.291 0.618 1.031 3.1 29.4 38.2 2.58

２−１Ｓ 1.00 2.00 1.1 0.345 1.487 2.975 0.0 37.5 25.1 5.74
２−２Ｓ 1.00 2.00 1.1 0.281 0.543 1.085 0.3 29.9 39.8 2.20

３−１Ｓ 1.00 2.00 1.4 0.389 1.640 3.279 0.0 38.7 22.5 3.78
３−２Ｓ 1.00 2.00 1.4 0.390 0.551 1.102 0.0 37.4 25.2 1.27

４−１Ｐ 1.00 1.80 1.2 0.409 2.311 3.698 3.9 45.7 4.7 7.60
４−２Ｐ 1.00 1.80 1.2 0.403 0.777 1.243 4.3 43.8 8.0 2.56

５−１Ｓ 1.50 2.80 0.7 0.331 1.125 2.925 0.3 38.1 23.5 7.47
５−２Ｓ 1.50 2.80 0.7 0.315 0.386 1.002 3.2 25.0 46.8 2.59

６−１Ｐ 1.50 2.70 0.8 0.409 1.541 3.698 3.9 45.7 4.7 7.60
６−２Ｐ 1.50 2.70 0.8 0.403 0.518 1.243 4.3 43.8 8.0 2.56
。

実施例１−１、２−１、３−１、４−１、５−１、６−１は本発明に基づいてｄ／ｄ₀が３近傍で最適化した場合であり、比較例１−２、２−２、３−２、４−２、５−２、６−２はｄ／ｄ₀が１近傍で最適化した場合であり、何れの場合も、本発明の実施例が比較例に比べてＴ₀がより小さく、Ｔ₁がより大きくなっていることが分かる。

なお、本発明による回折格子作製用位相マスク２１を用いて干渉縞パターン２４を光ファイバー等の感光性材料２２に露光する場合、相互に干渉する透過±１次光２５Ｂ、２５Ｃの電場の向きを考慮すると、Ｐ偏光を用いるよりＳ偏光を用いる方が露光効率が良くなる。

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。

また、露光光の位相差がπラジアン近傍で透過０次光が０％にできない屈折率と繰り返し周期の領域で、透過０次光を低減することができ、透過±１次光の回折効率、及び、透過０次光に対する透過±１次光のコントラストを改善することができる。これにより、露光時間を短くできて、省エネルギーや振動等の影響の抑制等が可能になる。

２１…位相マスク（回折格子作製用位相マスク）
２２…光ファイバー（感光性材料）
２２Ａ…光ファイバーコア
２３…露光光
２４…干渉縞パターン
２５Ａ…０次光
２５Ｂ…プラス１次の回折光
２５Ｃ…マイナス１次の回折光
２６…凹溝
２７…凸条
２８…繰り返しパターン面
２９…気体又は液体

Claims

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る透過±１次光の干渉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：周囲（雰囲気又は液体）の屈折率、ｄ₀＝λ／｛２（ｎ₂−ｎ₁）｝、ｆ＝ｗ／Λ、Λ’＝Λ／λとするとき、ｎ₁Λ' 、ｎ₂／ｎ₁、ｄ／ｄ₀、ｆが次の条件式（１）、（５）、（６）を同時に満たすか、（２）、（５）、（６）を同時に満たすか、あるいは、（３）、（５）、（６）を同時に満たすことを特徴とする回折格子作製用位相マスク。
1.0＜ｎ₁Λ' ＜2.2 の範囲の区間１：1.0 ＜ｎ₁Λ' ≦1.5 で、
-23.150 （ｎ₁Λ' ）⁵＋ 83.283 （ｎ₁Λ' ）⁴−65.102（ｎ₁Λ' ）³
−78.080（ｎ₁Λ' ）²＋131.966 ｎ₁Λ' −46.905
≦ｎ₂／ｎ₁≦118.085 （ｎ₁Λ' ）⁵−510.61（ｎ₁Λ' ）⁴
＋638.55（ｎ₁Λ' ）³＋78.771（ｎ₁Λ' ）²−642.31ｎ₁Λ' ＋321.06
・・・（１）
1.0＜ｎ₁Λ' ＜2.2 の範囲の区間２：1.5 ＜ｎ₁Λ' ≦1.9 で、
13.239（ｎ₁Λ' ）³−64.220（ｎ₁Λ' ）²＋103.117 ｎ₁Λ' −53.40
≦ｎ₂／ｎ₁≦61.5374 （ｎ₁Λ' ）⁶−385.3323（ｎ₁Λ' ）⁵
＋328.953 （ｎ₁Λ' ）⁴＋2844.835（ｎ₁Λ' ）³−8978.233（ｎ₁Λ' ）²
＋10245.56ｎ₁Λ' −4207.135 ・・・（２）
1.0＜ｎ₁Λ' ＜2.2 の範囲の区間３：1.9 ＜ｎ₁Λ' ＜2.2 で、
10.443（ｎ₁Λ' ）²−42.926ｎ₁Λ' ＋45.36
≦ｎ₂／ｎ₁≦-8.393（ｎ₁Λ' ）²＋32.374ｎ₁Λ' −29.674 ・・・（３）
1.0＜ｎ₁Λ' ＜2.2 の範囲で、
2.8090＋0.7790／｛（ｎ₁Λ' ＋4.7488）（ｎ₂／ｎ₁−1.1687）｝
≦ｄ／ｄ₀≦
3.6885＋0.1488／｛（ｎ₁Λ' ＋2.6126）（ｎ₂／ｎ₁−1.1233）｝・・・（５）
1.0＜ｎ₁Λ' ＜2.2 の範囲で、
0.7123−3.8871／｛（ｎ₁Λ' ＋1.7055）（ｎ₂／ｎ₁＋0.7117）｝
≦ｆ≦0.7740−1.7142／｛（ｎ₁Λ' ＋1.7095）（ｎ₂／ｎ₁−0.3275）｝
・・・（６）
請求項１において、
1.0＜ｎ₁Λ' ＜2.2 の範囲で、
ｎ₂／ｎ₁ ＝-1.5543 （ｎ₁Λ' ）⁵＋8.1107（ｎ₁Λ' ）⁴
−13.048（ｎ₁Λ' ）³＋3.248 （ｎ₁Λ' ）²＋7.476 ｎ₁Λ'
−2.141 ・・・（４）
を満たすことを特徴とする回折格子作製用位相マスク。