JP7266275B2 - 石英製の格子構造体および回折格子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、石英製の格子構造体および回折格子ならびにこれらの製造方法に関する。

近年、分光計測の分野において、広い波長範囲を同時に計測するためにエシェル分光法が広く利用されるようになった。エシェル分光法では、高次回折光を利用する高分散回折格子とプリズムや低分散の回折格子等の垂直分散素子等とを組み合わせて、２次元撮像装置にスペクトルを折り込んでいる。

また、天文学観測においては、望遠鏡の大型化に伴って分光観測装置も巨大化するため、光学系の小型化が可能となる角度分散が大きな透過型回折格子の開発が求められている。特に入射角（入射光と回折格子法線のなす角）と回折角（回折光と回折格子法線のなす角）が４５°の回折格子は、光軸が直角に折れ曲がるため、分光器等の光学系の配置が簡素になり、装置の小型化や光学調整の簡便さに貢献できる。角度分散：dβ/dλは、Nが格子の本数、mが回折次数、βが回折角、λが波長である場合に、
dβ/dλ＝Nm/cosβ
であり、Nとmの積が大きく、βが90°に近いほど大きな値になる。従来の鋸歯形状（階段形状）を有する表面刻線型の透過型回折格子は、回折角が大きくなると回折効率が低下してしまうために、回折角が20°以下で使用されることが多い。

このような状況の下、たとえば、現在建設中の３０m望遠鏡（TMT）の第一期観測装置であるWFOS（Wide-Field Optical Spectrometer）では、紫外線から近赤外線の波長（３０
０～１０００ｎｍ）に対して、大きな回折角（たとえば３６°～５３°）で、高次回折光を精度良く測定可能な透過型回折格子の開発が求められている。

前述の従来の表面刻線型の透過型回折格子は、回折角が大きくなる（角度分散が大きくなる）のにしたがって、格子を満たす媒質の屈折率を大きくしなければならない。例えば、入射角と回折角が45°の場合に格子を満たす媒質の屈折率が2.3以下の場合に回折光が
格子の外に現れなくなる。しかし、可視光において屈折率が２．３以上の透明な媒質はＺｎＳｅやＺｎＳ、ＴｉＯ_２、ダイアモンド等に限られる。さらに、波長４００ｎｍ以下では、屈折率が２．３以上の透明な媒質はダイアモンド以外に存在しない。

この問題を解決する手段として、図９に示すような厚い矩形回折格子（Volume Binary grating。以下、ＶＢ回折格子と称する）が提案されている。

ＶＢ回折格子は、Ｓ偏光とＰ偏光の特性を一致させて自然光偏光や円偏光に対して高い回折効率を達成することができる。たとえば、畝の屈折率が１．５５、溝の屈折率が１．０、入射角と回折角が４５°の場合は、畝の幅（Ｌ）に対する溝の幅（Ｓ）の比（デューティ比）を４：１、溝の幅（Ｓ）に対する深さ（ｔ）の比（アスペクト比）が１：２０程度となる。一方、高次回折光では、畝の屈折率が１．５５、溝の屈折率が１．０、入射角と回折角が４５°、デューティ比（Ｌ：Ｓ）が１９：１、アスペクト比（Ｓ：ｔ）が１：４０程度の場合に６次以上において高い回折効率を達成することができる。

石英の異方性エッチングやフォトレジストの紫外線露光等によって、溝のアスペクト比が１：１０を超えるような格子構造体を製造する製造することは極めて困難である。可視光の１次回折光用として、石英のＶＢ回折格子の試作が非特許文献１に報告されている。非特許文献１に記載のＶＢ回折格子は、格子周期Λ～０．４４μｍ、Ｌ：Ｓ＝０．２２μ
ｍ：０．２２μｍ、溝のアスペクト比が１：１０（溝の深さｔ＝２．２μｍ）である。しかしながら、この形状ではＳ偏光とＰ偏光の回折効率を一致させることができない。

また、非特許文献２では、溝のアスペクト比が１：１５（Ｌ＝０．２２μｍ：ｔ＝３．３μｍ）の溝の加工が試みられているが、理想的な形状が得られていない。

このように、アスペクト比の高い石英製の格子構造体を製造することが望まれている。

なお、石英製の格子構造体は回折格子以外にも、流路モジュール・加速度センサ・圧力センサ・ジャイロスコープのようなＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）にも好適に利用できる。石英は可視光を透過しかつ耐熱性を有するためである。

M. C. Gupta, S. T. Peng, "Diffraction characteristics of surface-relief gratings," Appl. Opt. 32, 2911-2917 (1993) T. Clausnitzer, E.B. Kley, H.J. Fuchs, A. Tuennermann, "Highly efficient polarization-independent transmission gratings for pulse stretching and compression." Proc. SPIE 5252, 174-182 (2004) N. Ebizuka, et. al., "Novel gratings for next-generation instruments of astronomical observations," Proc. SPIE 10233, 0M1-0M8, 2017.

このような問題を考慮して、本発明は、石英製の格子構造体を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様は、
石英製の格子構造体の製造方法であって、
ＳＯＱ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｑｕａｒｔｚ）基板を用意する工程と、
前記ＳＯＱ基板のシリコン側表面にレジストパターンを描画する工程と、
前記レジストパターンをマスクとしてエッチングにより前記シリコン側表面に、前記ＳＯＱ基板の石英層に接するシリコン製の接合層が残るように溝を掘ることにより、シリコン製の畝部を作製する工程と、
前記シリコン製の畝部および前記接合層を含む前記ＳＯＱ基板のシリコンの全体を酸化させることにより石英製の畝部を得る工程と、
を含む、方法である。

このように加工性のよいシリコンに対してエッチングにより溝を形成し、その後に酸化させることで、石英製の格子構造体が容易に製造できる。この製造方法であれば、高アスペクト比の格子構造体が製造できる。

また、本態様に係る製造方法において、前記シリコンの一部を酸化させる工程と、酸化シリコン層を除去する工程と、が前記溝を掘る工程の後に行われてもよい。これら２つの工程は、１回のみ行われてもよいし、複数回行われてもよい。

シリコンの一部の酸化と酸化シリコン層の除去により、格子構造体の畝部（以下、畝部）の幅を薄くすることができ、したがってレジストパターンの限界よりも細い幅の畝部を製造できる。また、エッチングの際に生じるスキャロップと呼ばれる表面粗さを除去して、表面をなめらかにできる。

本態様に係る製造方法において、前記レジストパターンは、所定の幅の細線が複数並んだパターンであり、それぞれの細線には所定の間隔でギャップが設けられていてもよい。

このようなレジストパターンを用いることで、生成される畝部も所定の間隔でギャップが設けられる。酸化の際に畝部が破断したり波打ったり倒れてしまうおそれがあるが、畝部にギャップを設けることで応力集中を避けられるので、このような事態を防止できる。

本態様に係る製造方法において、前記レジストパターンは、隣り合う細線の間に連結部を有していてもよい。

このようなレジストパターンを用いることで、隣接する２つの畝部の間を連結する補強部が作られる。したがって、酸化の際に畝部が倒れたりする事態を防止できる。

本発明の第２の態様は、回折格子の製造方法であり、
上述の各工程と、
前記格子構造体の溝部分に、石英よりも高屈折率の樹脂を充填する工程と、
を含むことを特徴とする。

本発明は、上述の石英製の格子構造体を有するマイクロ流路モジュール、圧力センサ、加速度センサ、ジャイロスコープなどとしても捉えることもできる。また、本発明は、上述の高アスペクト比の格子構造体を有する空中映像結像光学素子として捉えることもできる。

本発明によれば、石英製の格子構造体を容易に製造することができ、特にアスペクト比の高い石英製の格子構造体も製造可能である。

図１は、実施形態に係る透過型回折格子の構造を説明する図である。 図２は、実施形態に係る透過型回折格子内の製造工程を示す流れ図である。 図３は、実施形態に係る透過型回折格子の製造方法を説明する図である。 図４は、第１実施形態におけるレジストパターンを示す図である。 図５は、第１実施形態における格子構造体を示す図である。 図６は、第１実施形態に係る透過型回折格子の回折効率の数値解析結果を示す図である。 図７は、第２実施形態におけるレジストパターンを示す図である。 図８は、第２実施形態における格子構造体を示す図である。 図９は、従来技術に係るＶＢ回折格子を説明する図である。

＜第１実施形態＞
近年、分光計測の分野において、広い波長範囲を同時に計測するためにエシェル分光法が広く利用されるようになった。エシェル分光法では、高次回折光を利用する高分散回折格子とプリズムや低分散の回折格子等の垂直分散素子等とを組み合わせて、２次元撮像装置にスペクトルを折り込んでいる。

本実施形態は、エシェル分光法に用いる高分散回折格子１０（以下、単に回折格子１０ともいう）である。図１に回折格子１０の構造を示す。

回折格子１０は、石英（ＳｉＯ_２）製の格子構造体１１と、格子構造体１１の溝部に充填された高屈折率の樹脂１３（充填部）と、樹脂１３の上に設けられたガラス基板１４とを含む。格子構造体１１は、基部の一方の面の上に複数の畝部１２が互いに平行に並んで設けられた構造体を有する。畝部１２は、直立した矩形形状を有する。畝部１２は、フィンや櫛歯とも称される。

本実施形態において、波長１．６５μｍの３次回折光の入射角と回折角が２８°である場合に、畝部１２の幅Ｌが０．５μｍ、隣接する畝部１２の間の間隔Ｓが４．６μｍであり、繰り返し周期Λが５．１μｍである。また、畝部１２の高さ（溝の深さ）ｔは１６μｍであり、アスペクト比Ｌ：ｔは１：３２である。本実施形態では、畝部１２の幅Ｌや間隔Ｓは一定であるが、位置に応じて幅Ｌや間隔Ｓが異なっていても構わない。

次に、本実施形態に係る回折格子１０の製造方法について説明する。図２は、本実施形態に係る回折格子１０の製造工程を示す流れ図である。図３は、各工程を説明する図である。

工程Ｓ１０において、石英層３１とシリコン層３２が接合されたＳＯＱ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｑｕａｒｔｚ）基板を用意する（図３Ａ）。ＳＯＱ基板の石英層は格子構造体１１の基部となり、シリコン層３２は格子構造体１１の畝部１２となる。シリコン層３２の厚さは、目的とする回折格子１０の溝の深さ（畝部１２の高さ）ｔに応じて決定すればよい。本実施形態では、例えば、厚さ１７μｍのシリコン層３２が接合されたＳＯＱ基板を用いる

工程Ｓ２０において、ＳＯＱ基板のシリコン層３２の表面にフォトリソグラフによってレジストパターン３３を描画する（図３Ｂ）。レジストパターン３３は、図４に示すように、幅２．０μｍの細線が、３．１μｍ間隔で複数並べられたストライプパターンとする。

工程Ｓ３０において、上記レジストパターンをマスクとしてサイクルエッチング（ボッシュプロセス）によって、高さ１５．８６μｍの溝を掘る（図３Ｃ）。ボッシュプロセスは、主に六フッ化硫黄（SF₆）ガスを用いた等方性エッチングとテフロン系ガス（C₄F₈な
ど）による側壁保護とを繰り返し行う深掘り反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）である。この際、シリコン層３２を全てエッチングせず石英層３１と接合する接合層３２ａを残しておく。本実施形態では、接合層３２ａの厚さは１．１４μｍである。本実施形態では、格子の側壁は基板に対して垂直とし、幅を一定とするが、サイクルエッチングの条件を変えてテーパー形状の格子を形成してもよい。

工程Ｓ４０においてシリコンを酸化させ（図３Ｄ）、工程Ｓ５０において酸化シリコン層３４を除去する（図３Ｅ）。工程Ｓ４０とＳ５０は、畝部１２の幅が所望の値となるまで、複数回繰り返し行われる。本実施形態では、工程Ｓ４０とＳ５０を２回行うことで、畝部１２の幅Ｌを２．０μｍから０．２２μｍとする。畝部１２の間隔Ｓは４．８８μｍである。酸化および酸化層の除去により、サイクルエッチングで生じる側壁の波打ち（スキャロップ）を除去し表面をなめらかにできる。また、接合層３２ａも薄くなるが完全には除去しないことが望まれる。

工程Ｓ６０において、シリコン全体を例えば１１００℃程度まで加熱して酸化させる（図３Ｆ）。ここまでの工程により、石英製の格子構造体１１が得られる。工程Ｓ６０の処理で得られる格子構造体１１は、図５に示すとおり、複数の畝部１２が並んだ構造である。なお、図５は構造を説明する概念図であり縮尺は正確ではない。酸化によりシリコン層が厚くなるため、得られる格子構造体１１の畝部１２の幅Ｌは０．５μｍ、間隔Ｓは４．６μｍ、高さｔは１６μｍとすることができる。

工程Ｓ７０において、格子構造体１１の溝部分に高屈折率の樹脂１３を充填し（図３Ｇ）、さらに工程Ｓ８０において樹脂１３の上にガラス基板１４（ＺｎＳｅ，ｎ＝２．４５＠１．６５μｍ）を接着する（図３Ｈ）。工程Ｓ７０では、入射光が格子側壁において臨界角となる屈折率を有する樹脂１３を使用する。

図1において樹脂１３の屈折率ｎ_２を求める。ガラス基板１４と樹脂１３との界面にお
ける樹脂１３内部の屈折角をθ_１とすると、
ｓｉｎθ_０＝ｎ_２×ｓｉｎθ_１
である。格子側壁における臨界角の式は、
ｎ_１×ｓｉｎ９０°＝ｎ_２×ｃｏｓθ_１
である。以上より、
（ｓｉｎθ_０）／ｎ_１＝ｔａｎθ_１
となり、θ_０とｎ_１が既知であり、θ_１が求まるので樹脂１３の屈折率ｎ_２が求まる。

石英の屈折率はｎ_１＝１．４４＠１．６５μｍなので、θ_０＝２８°の場合、上述の式よりｎ_２≧１．５１６となる。また、θ_０＝４５°の場合、上述の式よりｎ_２≧１．６０である。

図６は、本実施形態に係る回折格子１０の回折効率を示す図である。図中の実線はＳ偏光の回折効率を示し、点線はＰ偏光の回折効率を示す。図から分かるように、回折格子１０は、２次～６次において約６０％以上の高い回折効率を達成することができる。

また、上記の説明では真空中あるいは空気中での利用（屈折率＝１）を想定しているが、必ずしもその必要はない。回折格子が真空または空気以外と接していても構わない。その場合も上記と同様の手法によって形状の設計が可能である。

本実施形態にかかる透過型回折格子は、エシェル分光計測のための分散光学素子以外としても利用できる。回折格子１０は、結像機能を持つため、画像を空中に投影するための空中映像結像光学素子としても利用できる。

本実施経形態にかかる透過型回折格子は、さらに格子周期を数１０μｍ～１００ｍｍ程度とすれば、回折格子としてではなく、外光を天井や部屋の奥に導いて照明として利用する機能性の省エネ窓等の応用も可能である。

（第２実施形態）
第１実施形態の回折格子は、連続する畝部１２が複数並んだ構造を有している。回折格子の面積を大きくするためには、畝部１２の長さ（図１において紙面に直交する方向の長さ）を長くする必要がある。そうすると、シリコン酸化のために１１００℃程度まで加熱する際に、畝部１２が破断したり波打ったりするおそれがある。そこで、本実施形態では、第１実施形態と異なる構造の畝構造体を作成する。

図７は、本実施形態のレジストパターン描画工程Ｓ２０におけるレジストパターン３３を示す。第１実施形態では図４に示すように、ストライプ状のパターンが用いられるが、本実施形態では、図７に示すように、ストライプの途中にギャップ７１が含むパターンが用いられる。図７では１つのストライプに対してギャップ７１は１つのみ設けられてストライプが２つのストライプセグメントに分割されているが、１つのストライプに対してギャップ７１が２つ以上であってもよい。ギャップ７１の間隔は、製造する回折格子の性能に影響を与えないような幅とすればよく、本実施形態では例えばギャップ７１の間隔は３μｍである。また、隣接する２つのストライプセグメントの間に連結部７２が設けられる。図７では、隣接するストライプセグメント間に１つの連結部７２が設けられているが、２つ以上設けられてもよい。

本実施形態において、工程Ｓ６０の処理で得られる格子構造体１１を図８に示す。上述したようなレジストパターンを用いることにより、本実施形態に係る格子構造体１１のそれぞれの畝部１２にはギャップ８１が設けられて分割される。また、隣接する畝部１２セグメントの間に、連結部７２に対応した補強部８２が設けられる。このようにギャップ８１や補強部８２が設けられることで、酸化加熱時の破断や波打ちや倒壊を防止できる。すなわち、本実施形態によれば面積の大きな回折格子を製造することができる。

（第３実施形態）
上記第１，第２実施形態は、格子構造体を回折格子として用いているが、上記で説明した格子構造体は回折格子以外の用途にも用いることができる。

格子構造体１１は、例えば、マイクロ流路モジュール（マイクロ流体デバイス）における流路や反応容器を規定するために用いることができる。例えば、ＤＮＡを蛍光顕微鏡で観察する際に格子構造体１１を有するマイクロ流路モジュールを用いると、石英は蛍光を発生しないことから背景光を抑制することができる。あるいは、格子構造体１１は、加速度センサ・圧力センサ・ジャイロスコープなどのような、その他のＭＥＭＳデバイスにも利用できる。他にも、格子構造体の表面を薄い金属膜等で覆って表面プラズモン共鳴を引き起こすことで光を増幅する光増幅器として用いることもできる。さらに、格子構造体１１を、シリコン、金属、非線形光学結晶等と組み合わせることにより、全光コンピュータの論理ゲート、配線、フィルタなどに応用できることが見込まれる。

従来、対象とする波長の光に対して透明な格子構造体が必要な場合に、樹脂を用いることがあったが、耐熱性が低いという問題があった。本実施形態の石英製の格子構造体は、光（可視光）に対して透明であり、かつ、熱にも強いので、様々な用途のＭＥＭＳデバイスに好適に利用できる。

１０：回折格子 １１：格子構造体 １２：格子構造体の畝部
１３：樹脂（充填部） １４：ガラス基板
３１：石英層 ３２：シリコン層 ３３：レジストパターン ３４：酸化シリコン層

Claims (6)

1. 石英製の格子構造体の製造方法であって、
   ＳＯＱ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｑｕａｒｔｚ）基板を用意する工程と、
   前記ＳＯＱ基板のシリコン側表面にレジストパターンを描画する工程と、
   前記レジストパターンをマスクとしてエッチングにより前記シリコン側表面に、前記ＳＯＱ基板の石英層に接するシリコン製の接合層が残るように溝を掘ることにより、シリコン製の畝部を作製する工程と、
   前記シリコン製の畝部および前記接合層を含む前記ＳＯＱ基板のシリコンの全体を酸化させることにより石英製の畝部を得る工程と、
   を含む、方法。
2. 前記シリコンの一部を酸化させる工程と、酸化シリコン層を除去する工程と、が前記畝部を作成する工程の後に行われる、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記シリコンの一部を酸化させる前記工程と、酸化シリコン層を除去する前記工程とは、複数回行われる、
   請求項２に記載の方法。
4. 前記レジストパターンは、所定の幅の細線が複数並んだパターンであり、それぞれの細線には所定の間隔でギャップが設けられている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記レジストパターンは、隣り合う細線の間に連結部を有する、
   請求項４に記載の方法。
6. 請求項１から５のいずれか１項の石英製の格子構造体の製造方法の各工程と、
   前記格子構造体の溝部分に、石英よりも高屈折率の樹脂を充填する工程と、
   を含む、回折格子の製造方法。

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