JP5487592B2 - レーザー加工方法 - Google Patents
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Description
h=0.25λ/neff (1)
g=λ/2(n−1) (2)
ただし、neffは前記グリッド部における波長λに対する等価屈折率である。
図1は、本発明を適用した一実施形態の回折光学素子の断面構造を示す模式図である。図1に示す本実施形態の回折光学素子(光学素子)1は、基板2と、回折構造部3と、グリッド部(非回折構造部)4と、を備える。
このような効率の差異が生じるのは、各凹部3a及び凸部3bと各微小凸部4aとを平行とした構成では、凹部3aと凸部3bとの間の不連続な段差の近傍で、微小凸部4aの形成不良が発生しやすくなるためであると考えられる。
図示のように、回折構造部3の各凸部3bの相互間隔(凹凸構造の周期)をδ(nm)、グリッド部4の各微小凸部4aの相互間隔(グリッド周期)をd(nm)、入射光の波長をλ(nm)とする。
d<λ/n かつ λ<δ (1)
ただし、nは回折構造部3を構成する素材の屈折率である。この素材が石英ガラスの場合、可視光に対する屈折率nは1.46前後である。
h=0.25λ/neff (2)
ただし、neffはグリッド部4における、波長λに対する等価屈折率である。
このような条件でグリッド部4を形成すれば、グリッド部4によって反射光をほぼゼロとすることができる。例えば、λ=532nmとすると、グリッド(微小凸部4a)の延在方向と平行な直線偏光に対してneff=1.25となり、h=108nmとなる。なお、等価屈折率の算出方法については、後段の第2実施形態において詳細に説明している。
g=λ/2(n−1) (3)
ただし、回折構造部3の素材の屈折率をnとする。(3)式は、波長λに対する適正な深さが存在することを意味する。例えば、λ=532nm、n=1.46とすると、g=578nmとなる。
本実施形態の回折光学素子1は以上のような構成を有しており、次にこの回折光学素子1の製造方法の一例について説明する。
図6は、回折光学素子1の製造方法の一例を示す模式工程図である。回折光学素子1の断面の一部が拡大して示されている。
このような回折光学素子は、特に、現時点において適当な反射防止膜の素材が存在しない、紫外線あるいは赤外線領域の光を利用する場合に適している。
なお、説明のために、図中では分岐ビームの入射角度を実際よりも大きく描いてある。実際には、各分岐ビームは、ほぼ垂直に近い角度で入射する。
具体的には、基板の一面上に、使用する光波長に対して透明なポリマー(高分子樹脂)膜を形成し、その後このポリマー膜に対してフォトマスク露光及びウェットエッチングを行うことによって、上記と同様な光学素子を形成することも可能である。この方法によって形成した光学素子の構造例を図9に示す。図9に示す光学素子201は、ガラス等の基板202の一面側に、ポリマー膜を用いて形成された回折構造部203及びグリッド部204が配置されている。回折構造部203は凹部203a及び凸部203bを含み、これらの凹部203a及び凸部203bの表面に沿って、複数の微小凸部204aからなるグリッド部204が配置されている。
なお、図9に示した回折光学素子201においても、上記図7に示した実施形態と同様に基板の両面にグリッド部を設けてもよい。
また、基板上に他の膜(例えば、SiO2などの無機膜)を形成し、この膜を選択的にエッチングすることにより回折構造部を形成することもできる。この方法によって形成された光学素子の構造例を図10に示す。図10に示す光学素子301は、ガラス等の基板302の一面側に、SiO2などの膜を用いて形成された回折構造部303が配置されている。回折構造部303は凹部303a及び凸部303bを含み、これらの凹部303a及び凸部303bの表面に沿って、複数の微小凸部304aからなるグリッド部304が配置されている。
なお、図10に示した回折光学素子301においても、上記図7に示した実施形態と同様に基板の両面にグリッド部を設けてもよい。
次に、本発明に係る回折光学素子の製造方法の第1及び第2変形例について、図11から図13を参照しつつ説明する。
図11及び図12は、回折光学素子の製造方法の変形例を示す模式工程図である。これらの図には、回折光学素子1の断面の一部が拡大して示されている。
基板2は、例えば上記のように石英ガラス基板であり、その板厚は例えば1.2mmである。また、凹部3aと凸部3bとの段差(すなわち回折構造部3の深さ)は、例えば上記のように578nmである。この深さgは、エッチング時間等によって制御する。
平行平板11の少なくとも液体10と接する面は、高い平坦性(例えば、数nmレベル)を有することが望ましい。平行平板11は、例えば石英ガラス基板からなる。また、図示のように、平行平板11は、後述する複数のレーザービームが入射する側の面上に反射防止膜13を有することも好ましい。反射防止膜13とは、例えば誘電体多層膜などである。
なお、例示した各屈折率は後述するレーザーの波長(266nm)における値である。
その後、感光膜パターン9aが除去される(図12(B))。これにより、図示のように基板2の一面上に、回折構造部3の各凹部3a及び凸部3bの表面に沿ってグリッド部4(すなわち、各微小凸部4a)が形成される。
すなわち、図11(C)に示したレーザー干渉露光を行う際に、干渉光に対する基板2の一面の相対的位置を90度違えて2度の露光を行う。具体的には、干渉光と基板2の一面との相対的位置を変えて2度のレーザー干渉露光を行うにより、感光膜9に二次元格子状の潜像パターンを形成することができる。このような潜像パターンを用いてエッチングを行うことにより、二次元グリッドのグリッド部4を形成することができる。
また、上述した第1変形例に係る製造方法では、平行平板11を用いて高屈折率の液体10を保持していたが、この液体10に代えて高屈折率の水溶性膜を用いることもできる。これにより、平行平板11の使用を省略することが可能となる。以下、製造方法の第2変形例として、水溶性膜を用いた製造方法を図13を参照しつつ説明する。
これにより得られた感光膜パターン9aをマスクとしてエッチングが行われ(図12(A)参照)、感光膜パターン9aのパターンが基板2に転写される。その後感光膜パターン9aが除去される(図12(B)参照)。それにより、基板2の一面上に、回折構造部3の各凹部3a及び凸部3bの表面に沿ってグリッド部4(すなわち、各微小凸部4a)が形成される。
したがって、変形例に係る製造方法によれば、凹部3a及び凸部3bが形成されていることにより平坦性が低くなっている表面においても良好な露光を実現し、良質な回折光学素子を製造することが可能である。
次に、本発明の第2の実施形態である回折光学素子について、図面を参照しつつ説明する。
図14は、第2の実施形態に係る回折光学素子の断面構造を示す模式図である。図14に示す本実施形態の回折光学素子401は、基板402と、回折構造部403と、グリッド部(非回折構造部)404と、を備えている。
図15(A)に示すように、回折構造部403は、一方向(図示のY方向)に延在する複数の凹部403a及び凸部403bを有する。凹部403a及び凸部403bは、図示のようにストライプ形状となっており、X方向に沿って周期的に配列されている。
なお、凹部403a及び凸部403bは、図15(A)に示す一次元状の配列(一次元グリッド)に限定されず、図15(B)に示す二次元状の配列(二次元グリッド)であってもよい。
図16の各図に示すように、本実施形態の回折光学素子401においても、回折構造部403とグリッド部404との相互の配置関係は、図16(A)〜図16(C)に示す各態様を採用することができる。
図16(B)に示す例の回折構造部403では、それぞれ図示のY方向に沿って延在する凹部403a及び凸部403bがX方向に沿って配置されている。一方、グリッド部404では、図示Y方向に対して45°の角度で交差する方向に延在する微小凸部4aが、この交差方向と直交する方向に沿って配置されている。
図17は、回折構造部403及びグリッド部404の一部を拡大して示した模式断面図である。なお、説明の便宜上、ハッチングが省略されている。
図示のように、回折構造部403の凸部403bの相互間隔(凹凸構造の周期)をδ(nm)、グリッド部404の微小凸部404aの相互間隔(グリッド周期)をd(nm)、入射光の波長をλ(nm)とする。
d<λ/n かつ λ<δ (4)
ただし、nは回折構造部403を構成する素材の屈折率である。この素材が石英ガラスの場合、可視光に対する屈折率nは1.46前後である。また、入射光は回折光学素子401に対して垂直に入射するものとする。
すなわち、グリッド周期dは、入射光の波長λを屈折率nで割った値より小さい値であればよい。また、凹凸構造の周期δは、入射光の波長λより大きな値であればよい。これらの関係を満たすことにより、凸部403bよりもサイズの小さい微小凸部404aを実現できる。
h=0.25λ/neff (5)
ただし、neffは波長λに対するグリッド部404の等価屈折率であり、以下の(6)式、(7)式により定められる値である。
n(TM)=1/√[f/e1+(1−f)/e2] (7)
ただし、n(TE)はTE偏光(電場方向が微小凸部404aの延在方向である偏光)に対する等価屈折率(=neff)、n(TM)はTM偏光に対する等価屈折率(=neff)である。また、fはグリッド部404の充填率であり、微小凸部404aのピッチPと幅wとを用いたf=w/Pなる式で表される(図18(C)参照)。また、e1はグリッド部404の誘電率、e2はグリッド部404の周囲の媒体の誘電率である。
図18のグラフは、グリッド部404が図2(A)に示した一次元グリッドであり、その断面形状が矩形である条件において、厳密な結合波解析により算出したものである。
g≧λ/(n−1) (8)
ただし、nは回折構造部403の素材の屈折率である。(8)式は、波長λに対する適正な深さが存在することを意味する。例えば、λ=266nm、n=1.50とすると、g≧532nmとなる。
「参考文献2」 M.N.Vesperinas, R.Navarro, and F.J.Fuentes: J.Opt.Soc.A.A5(1988)30.
本実施形態の回折光学素子401は以上のような構成を有しており、次にこの回折光学素子401の製造方法の一例について説明する。
図20は、回折光学素子401の製造方法の一例を示す模式工程図である。同図には、回折光学素子401の断面の一部が拡大して示されている。
より詳しくは、微小凸部404aの高さが大きい場合には、図20(C)に示した工程で基板402に深い溝を形成する必要があり、図20(B)において厚い感光膜パターン409aを形成しなければならない。そうすると、感光膜409を露光する際の露光ムラが生じやすくなり、また感光膜パターン409aが厚さ方向に細長い形状となって傾きやすくなる。その結果、基板402上に形成される微小凸部404aの高さが不均一になりやすくなる。
さらに、本実施形態の回折光学素子401では、高次の回折光の強度が十分に弱いことから、高次の回折光によるワーク(被加工物)のキズも発生しないため、高次の回折光をワークから遮断するための遮光マスクが不要になるという利点もある。
具体的には、基板の一面上に、使用する光波長に対して透明なポリマー(高分子樹脂)膜を形成し、その後このポリマー膜に対してフォトマスク露光及びウェットエッチングを行うことによって、上記と同様な光学素子を形成することも可能である。この方法によって形成した光学素子の構造例を図22に示す。図22に示す光学素子601では、ガラス等の基板602の一面側に、ポリマー膜を用いて形成された回折構造部603及びグリッド部604が配置されている。回折構造部603は凹部603a及び凸部603bを含み、これらの凹部603a及び凸部603bの表面に沿って、複数の微小凸部604aからなるグリッド部604が配置されている。
なお、図22に示した回折光学素子601においても、図21に示した実施形態と同様に基板の両面にグリッド部を設けることができる。
また、基板上に他の膜(例えば、SiO2などの無機膜)を形成し、この膜を選択的にエッチングすることにより回折構造部を形成することもできる。この方法によって形成された光学素子の構造例を図23に示す。図23に示す光学素子701では、ガラス等の基板702の一面側に、SiO2などの膜を用いて形成された回折構造部703が配置されている。回折構造部703は凹部703a及び凸部703bを含み、これらの凹部703a及び凸部703bの表面に沿って、複数の微小凸部704aからなるグリッド部704が配置されている。
なお、図23に示した回折光学素子701においても、図21に示した実施形態と同様に基板の両面にグリッド部を設けることができる。
Claims (1)
- 回折光学素子にレーザー光を入射させて当該レーザー光を複数のビームに分岐し、当該複数のビームを対象体へ照射するレーザー加工方法であって、
前記回折光学素子は、
基板と、前記基板の一面側に設けられ、複数の凸部と複数の凹部とを有し、断面が矩形である回折構造部と、前記複数の凸部の上面、前記複数の凹部の上面、前記基板の他面、の少なくとも何れかが、前記複数の凸部の各々よりも小さい複数の微小凸部を含むグリッド部を含み、
前記グリッド部が誘電体材料からなり、
前記グリッド部の前記複数の微小凸部の各々が一方向に延在し、
前記回折構造部の前記複数の凸部の各々の延在方向と前記グリッド部の前記複数の微小凸部の各々の延在方向とが略平行であり、
前記グリッド部の深さhと入射光の波長λとが以下の式(1)の関係にあり、前記回折構造部の前記凸部と前記凹部との段差の深さgと入射光の波長λと前記基板の屈折率nとが以下の式(2)の関係にある、
レーザー加工方法。
h=0.25λ/neff (1)
g=λ/2(n−1) (2)
ただし、neffは前記グリッド部における波長λに対する等価屈折率である。
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