JP7499260B2

JP7499260B2 - 回折格子、回折格子の製造方法およびフォトマスク

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Publication number: JP7499260B2
Application number: JP2021541980A
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Inventors: 健太八重樫; 佳定江畠
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Filing date: 2020-02-21
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Description

本発明は、回折格子、回折格子の製造方法およびフォトマスクに関し、特に、鋸歯形状を有する回折格子および鋸歯形状を形成するために用いられるフォトマスクに好適に利用できる。

分光分析装置の分光器などにおいて、様々な波長が混ざった光（例えば白色光）を狭帯域の波長毎に分けるため、回折格子のような光学素子が使用されている。回折格子の表面は、反射膜が蒸着された光学材料表面であり、光学材料表面には、微細な溝が刻まれている。

回折格子の溝形状としては、正弦波または矩形など様々な形状が挙げられるが、鋸歯形状を有するブレーズド回折格子は、ブレーズ波長において高い回折効率を得ることが可能なため、上記ブレーズド回折格子は、分光光度計などの分光器に使用されている。上記ブレーズ波長とは、回折格子に入射光を入射させたときに回折効率が最大とになる波長である。溝の傾斜した長辺に対して入射光と回折光が正反射の関係にあるとき、上記ブレーズ波長と長辺の傾斜角αとの間には、下記の数式１の関係がある。

ここで、ｄは、回折格子の溝の周期であり、角度ρは、分光光度計において、入射光、回折格子中心および回折光がなす角の１／２である。

ところで、分光分析装置の分光器には、１０ｍｍ×１０ｍｍ～５０ｍｍ×５０ｍｍ程度の大きさの回折格子が一般的に用いられているが、大型の分析装置などでは、１００ｍｍ×１００ｍｍ以上の回折格子が用いられている。

従来、このような大面積の回折格子を製造する場合には、主にルーリングエンジンを用いた機械刻線方式、または、レーザを用いた二光束干渉によるホログラフィック露光方式が適用されてきた。例えば、特許文献１には、ホログラフィック露光によってフォトレジスト膜に周期パターンを形成し、そのフォトレジスト膜をマスクとして斜めイオンビームエッチングを行うことで、ブレーズド回折格子を製造する技術が開示されている。

特開平１１－３０５０２３号公報

大面積の回折格子を刻線する場合、ルーリングエンジンを用いた機械刻線方式では、工具を用いて１本ずつ刻線することで溝が形成される。このため、刻線距離が長くなり、製造時間が長いことが課題である。

また、回折格子の製造技術において、分光の際に発生する収差を低減する目的、および、分光作用と共に集光作用および結像作用を持たせる目的で、溝の周期を不等間隔にしたいという要求がある。ホログラフィック露光方式では、正弦波形状またはそれに近い形状である回折格子しか製造することができないので、高い回折効率が得られない。また、上述の特許文献１に開示されている技術を用いた場合でも、溝の周期が不等間隔な回折格子は製造することは困難である。

一方で、フォトリソグラフィ技術を用いて回折格子を製造する技術も開発されているが、これまで、鋸歯形状を大面積化すること、および、溝の周期を不等間隔にすることについて、十分な検討が成されていなかった。

本願の目的の一つは、鋸歯形状の大面積化を図り、溝の周期を不等間隔とした回折格子（光学素子）を提供することにあり、すなわち回折格子の性能を向上させることにある。また、他の目的は、回折格子を短時間で製造し、製造コストの上昇を抑制することにある。また、他の目的は、そのような回折格子を製造するためのフォトマスクを提供することにある。

その他の目的、課題および新規な特徴は、本願明細書の記述および添付図面から明らかになる。

一実施の形態によれば、回折格子の製造方法は、（ａ）第１基板と、前記第１基板上に形成され、且つ、複数の溝からなる表面形状を有するレジストパターンと、を備えた成型部材を用意する工程、（ｂ）前記複数の溝を覆うように、前記レジストパターンの表面に第１金属膜を形成する工程、を有する。また、回折格子の製造方法は、（ｃ）前記成型部材から前記第１金属膜を剥離することで、前記レジストパターンの表面形状と反転する表面形状を有する前記第１金属膜を用意する工程、（ｄ）その表面形状が凸面である第２基板を用意する工程、（ｅ）前記第２基板の表面上に、接着層を形成する工程、を有する。また、回折格子の製造方法は、（ｆ）前記（ａ）～（ｅ）工程後、前記第１金属膜の裏面が前記第２基板の表面に対向するように、前記第２基板の表面上に前記第１金属膜を設置する工程、（ｇ）前記（ｆ）工程後、前記第１金属膜の表面側から前記第１金属膜に荷重を加えることで、前記第２基板の表面形状に沿うように、前記第２基板の表面に、前記接着層を介して前記第１金属膜を貼り付ける工程、を有する。また、回折格子の製造方法は、（ｈ）その表面形状が凹面である第３基板を用意する工程、（ｉ）前記第３基板の表面上に、樹脂層を形成する工程、（ｊ）前記（ｇ）～（ｉ）工程後、前記第１金属膜の表面が前記樹脂層の表面に対向するように、前記樹脂層に前記第１金属膜を貼り付けることで、前記樹脂層の表面形状を前記第１金属膜の表面形状と反転させる工程、を有する。ここで、前記複数の溝は、複数の第１底部および複数の第１頂部を含み、前記複数の第１底部および前記複数の第１頂部は、平面視における第１方向において交互に繰り返され、且つ、それぞれ前記第１方向と直交する第２方向に延在し、前記第１方向において互いに隣接する前記第１底部の間隔は、段階的に変化している。

一実施の形態によれば、回折格子は、その表面形状が凹面である基板と、前記基板の表面上に形成された樹脂層と、前記樹脂層の表面形状に沿うように前記樹脂層の表面上に形成され、且つ、金属材料からなる反射膜と、を有する。ここで、前記樹脂層の表面形状は、複数の第１底部および複数の第１頂部を含む複数の溝からなり、前記複数の第１底部および前記複数の第１頂部は、平面視における第１方向において交互に繰り返され、且つ、それぞれ前記第１方向と直交する第２方向に延在している。また、前記第１方向において互いに隣接する前記第１底部の間隔は、連続的に変化し、前記第２方向に延在する前記複数の第１頂部の各々の途中には、局所的にパターン間のずれまたは寸法のずれが生じている境界領域が存在し、平面視における前記樹脂層の中心位置には、前記境界領域が存在していない。

一実施の形態によれば、フォトマスクは、第１開口部が形成された遮光膜を有する。ここで、前記第１開口部は、第１箇所、および、平面視における第１方向において前記第１箇所と連結して通じている第２箇所を含み、前記第１方向のうち前記第１箇所から前記第２箇所へ向かう方向において、前記第１箇所および前記第２箇所の各々の前記第１方向と直交する第２方向における長さは、段階的に長くなる。また、前記第１方向において、前記第２箇所の長さは、前記第１箇所の長さよりも長く、前記第２箇所の開口面積は、前記第１箇所の開口面積よりも大きい。

一実施の形態によれば、回折格子の性能を向上させることができる。また、回折格子の製造コストの上昇を抑制することができる。また、そのような回折格子を製造するためのフォトマスクを提供することができる。

実施の形態１における露光装置を示す模式図である。実施の形態１におけるフォトマスクの一部であるマスクパターンを示す平面図である。レジスト膜に対する露光量とレジストパターンの厚さとの関係を示すグラフである。実施の形態１における現像処理前のレジスト膜を示す断面図である。実施の形態１における現像処理後のレジストパターンを示す断面図である。実施の形態１における現像処理後のレジストパターンを示す断面図である。実施の形態１における成型部材および回折格子の製造工程を示すプロセスフローである。実施の形態１におけるフォトマスクを示す平面図である。実施の形態１における成型部材の製造工程を示す平面図である。図７に続く製造工程を示す平面図である。図８に続く製造工程を示す平面図である。実施の形態１における成型部材を示す断面図である。実施の形態１における成型部材を示す断面図である。実施の形態１における成型部材の寸法を示す断面図である。実施の形態１における回折格子の製造工程を示す断面図である。図１３に続く製造工程を示す断面図である。図１４に続く製造工程を示す断面図である。図１５に続く製造工程を示す断面図である。図１６に続く製造工程を示す断面図である。図１７に続く製造工程を示す断面図である。図１８に続く製造工程を示す断面図である。図１９に続く製造工程を示す断面図である。フォトマスクに設けられた開口部の長さと、フォトマスクの位置との関係を示すグラフである。実施の形態１における回折格子を搭載した分光分析装置を示す模式図である。実施の形態２におけるフォトマスクを示す平面図である。実施の形態２における成型部材の製造工程を示す平面図である。

以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

また、実施の形態で用いられる図面では、図面を見易くするために、断面図であってもハッチングが省略されている場合もあり、平面図であってもハッチングが付されている場合もある。

また、本願において説明されるＸ方向およびＹ方向は互いに直交し、Ｘ方向およびＹ方向からなる面は平面となる。また、Ｚ方向は、Ｘ方向およびＹ方向に直交し、上記平面に垂直な鉛直方向である。本願では、Ｚ方向をある構造体の厚さ方向または高さ方向として説明する場合もある。

（実施の形態１）
以下に、実施の形態１における回折格子およびその製造方法を説明するが、その前に、回折格子の製造に用いられる成型部材、および、成型部材の製造に用いられるフォトマスクについて説明を行う。

＜露光装置１の構造＞
以下に図１を用いて、実施の形態１における露光装置１を説明する。図１に示されるように、露光装置１は、光源２、ステージ４、および、光源２とステージ４との間に設けられた投影光学機構３を備える。露光処理時には、光源２と投影光学機構３との間にフォトマスク（レチクル）５が挿入され、ステージ４上に、例えばシリコンからなる基板（半導体基板）７と、基板７上に形成されたレジスト膜６ａとの積層体が搭載される。

光源２には、例えば、水銀ランプのｇ線若しくはｉ線、または、ＫｒＦ若しくはＡｒＦのようなのエキシマレーザが用いられる。基板７は、例えばシリコンからなり、基板７の口径は、例えば８インチ（φ２００ｍｍ）である。

露光装置１では、光源２からの光ＬＩ１がフォトマスク５へ照射され、フォトマスク５に設けられているマスクパターンを透過した光は、投影光学機構３を介してレジスト膜６ａに転写される露光処理が行われる。

露光方式としては、フォトマスク５、レジスト膜６ａおよび基板７を同期移動して走査するステップ・アンド・スキャン方式と、フォトマスク５、レジスト膜６ａおよび基板７を静止した状態で、フォトマスク５の一部であるマスクパターンを一括露光し、レジスト膜６ａおよび基板７を順次ステップ移動させるステップ・アンド・リピート方式が知られている。ここでは、ステップ・アンド・リピート方式を用いた場合で説明する。すなわち、ステージ４は、Ｙ方向またはＸ方向に移動可能であり、ステージ４を所定の場所に移動させ、露光処理を繰り返し行うことで、最大でレジスト膜６ａの表面全体に所定のパターンが転写される。

露光処理後には、レジスト膜６ａに対して現像処理が行われ、レジスト膜６ａの一部が加工されてレジストパターンが形成される。

＜マスクパターン５ｂの構造＞
図２は、実施の形態１におけるフォトマスク５の一部であるマスクパターン５ｂの平面図を示している。実施の形態１におけるフォトマスク５には、後述の図６に示されるように、複数のマスクパターン５ａ～５ｃが設けられているが、ここではマスクパターン５ｂを代表して説明を行う。

フォトマスク５（マスクパターン５ｂ）は、ガラスまたは合成石英などの透明性を備える透明基板と、透明基板上に形成された遮光膜ＬＢとからなる。遮光膜ＬＢは、例えば可視光のような一定の波長を有する光を遮光する機能を備え、例えばクロムからなる。

図２に示されるように、遮光膜ＬＢには、遮光膜ＬＢを貫通する複数の開口部ＯＰが形成されている。マスクパターン５ｂにおける開口部ＯＰは、Ｘ方向において互いに連結して通じている第１箇所ＯＰａ～第３箇所ＯＰｃを含む。Ｘ方向において、第１箇所ＯＰａと第２箇所ＯＰｂとは連結して通じており、第２箇所ＯＰｂと第３箇所ＯＰｃとは連結して通じている。

第１箇所ＯＰａ～第３箇所ＯＰｃの各々のＹ方向における長さは一定でなく、場所によって変化している。Ｘ方向のうち第１箇所ＯＰａから第２箇所ＯＰｂ（第３箇所ＯＰｃ）へ向かう方向において、第１箇所ＯＰａ～第３箇所ＯＰｃの各々のＹ方向における長さは、段階的に長くなっている。また、Ｘ方向において、第３箇所ＯＰｃの長さは、第２箇所ＯＰｂの長さよりも長く、第２箇所ＯＰｂの長さは、第１箇所ＯＰａの長さよりも長い。従って、第３箇所ＯＰｃの開口面積は、第２箇所ＯＰｂの開口面積よりも大きく、第２箇所ＯＰｂの開口面積は、第１箇所ＯＰａの開口面積よりも大きい。

言い換えれば、第１箇所ＯＰａは、各々の平面形状が四角形であり、且つ、互いに連結して通じている複数の窓ＷＩからなる。また、第１箇所ＯＰａから第２箇所ＯＰｂへ向かう方向において、窓ＷＩの開口面積は段階的に大きくなっている。なお、第２箇所ＯＰｂおよび第３箇所ＯＰｃについては、１つの窓ＷＩのＸ方向における長さが第１箇所ＯＰａより長い点を除き、窓ＷＩの開口面積は段階的に大きくなっている。

また、開口部ＯＰのＹ方向における長さのうち最も長い距離Ｌ１、および、互いに隣接する開口部ＯＰの間の距離Ｌ２は、ほぼ同じ長さである。実施の形態１では、距離Ｌ１および距離Ｌ２は、図１に示される露光装置１の解像限界以下となるように設定されている。このため、フォトマスク５を透過する光の光量は制限され、場所毎の開口率に比例して透過率が段階的に変化する。すなわち、レジスト膜６ａに対する露光量が場所毎に連続的に変化するので、現像処理後のレジストパターンの厚さが連続的に変化することになる。

＜成型部材８（レジストパターン６ｂ）の一部の構造およびその製造方法＞
図３は、レジスト膜６ａに対する露光量と、現像処理後のレジストパターン６ｂの厚さとの一般的な関係を示している。なお、グラフ中の破線は、基板７上にレジスト膜６ａを塗布した直後におけるレジスト膜６ａの厚さを示している。

フォトリソグラフィ技術に用いられるレジスト膜６ａは、光または電子線などによって溶解性が変化する組成物であり、光または電子線との反応方法から大きく分けてネガ型とポジ型とに分けられる。ネガ型のレジスト膜６ａは、露光されると現像液に対して溶解性が低下するので、現像処理後には、露光部分がレジストパターン６ｂとして残される。これに対して、ポジ型のレジスト膜６ａは、露光されると現像液に対して溶解性が増大するので、現像処理後には、露光部分が除去される。

従って、図３に示されるように、ネガ型のレジスト膜６ａ（実線）に対する露光量を大きくすると、レジストパターン６ｂの厚さが大きくなり、ポジ型のレジスト膜６ａ（一点鎖線）に対する露光量を大きくすると、レジストパターン６ｂの厚さが小さくなる。

以下に、図２で説明したフォトマスク５を介して、図３で説明したレジスト膜６ａに対して露光処理および現像処理を行った場合について説明する。

図４Ａは、基板７上に、図３に示されるネガ型またはポジ型のレジスト膜６ａを塗布した直後の状態を示している。図４Ｂは、現像処理後のレジストパターン６ｂの状態を示し、レジスト膜６ａがネガ型であった場合を示している。図４Ｃは、現像処理後のレジストパターン６ｂの状態を示し、レジスト膜６ａがポジ型であった場合を示している。

実施の形態１における成型部材８は、基板７と、現像処理後のレジストパターン６ｂとを備える。成型部材８は、後で詳細に説明するが、回折格子１５の主構造である樹脂層１３の表面形状を形成するための部材である。

レジストパターン６ｂの表面形状は、複数の溝ＧＲ１からなり、鋸歯形状となっている。複数の溝ＧＲ１は、複数の底部ＢＰ１および複数の頂部ＴＰ１を含む。複数の底部ＢＰ１および複数の頂部ＴＰ１は、Ｘ方向において交互に繰り返され、且つ、それぞれＹ方向に延在している。

また、フォトマスク５において、第１箇所ＯＰａ～第３箇所ＯＰｃの各々のＹ方向における長さが、段階的に長くなっているので、レジストパターン６ｂの厚さも均一ではなく、レジストパターン６ｂの表面形状は、距離が長く、斜度の小さい斜面と、距離が短く、斜度の大きい斜面とが交互に繰り返された形状となる。言い換えれば、Ｘ方向において互いに隣接する２つの底部ＢＰ１のうちの一方と、２つの底部ＢＰ１の間に位置する頂部ＴＰ１との間の距離は、２つの底部ＢＰ１のうちの他方と、上記頂部ＴＰ１との間の距離よりも長い。

また、溝ＧＲ１の周期は、場所毎に異なっており、段階的に大きくなっている。言い換えれば、Ｘ方向において互いに隣接する底部ＢＰ１の間隔は、段階的に変化し、段階的に広くなっている。

なお、露光時の倍率は、図１に示される投影光学機構３によって調整できる。例えば、露光時の倍率が等倍である場合、第１箇所ＯＰａ～第３箇所ＯＰｃの各々のＸ方向における長さが、溝ＧＲ１の周期と等しくなる。また、露光装置１が選択できる倍率であれば、露光時の倍率は等倍でなくともよく、例えば縮小露光法を用いて、マスクパターン５ｂを縮小して露光してもよい。その場合、所望の光学特性が得られるように、予め不等間隔となる溝ＧＲ１の周期を計算で求めておき、縮小する倍率をかけたものを第１箇所ＯＰａ～第３箇所ＯＰｃの各々のＸ方向における長さとして、フォトマスク５の設計に用いればよい。

図５は、実施の形態１における成型部材８および回折格子１５の全体的なプロセスフローを示している。以下に、図５に示されるステップＳ１～Ｓ１１を参照しながら、図６～２０を用いて、成型部材８および回折格子１５の製造方法を説明する。

＜成型部材８の製造方法＞
以下に図６～図１２を用いて、成型部材８およびその製造方法について説明する。なお、フォトマスク５のマスクパターン５ｂおよびレジストパターン６ｂの形状など、一部の構造およびその製造方法については上述のように説明を行っているので、ここでは重複する詳細な説明は省略する。

＜＜ステップＳ１＞＞
まず、図１に示される露光装置１を用意し、ステージ４上に基板７とレジスト膜６ａとの積層体を搭載する。なお、基板７上にレジスト膜６ａを塗布した後には、例えば５０～１００℃のプリベーク処理を行っておくことが好ましい。

図６は、光源２と投影光学機構３との間に挿入されるフォトマスク５を示す平面図である。フォトマスク５には、図２で説明したマスクパターン５ｂの他に、マスクパターン５ａおよびマスクパターン５ｃが設けられている。マスクパターン５ａおよびマスクパターン５ｃの各々の構成は、開口部ＯＰの形状が異なる点を除き、マスクパターン５ｂの構成と同じである。

マスクパターン５ａおよびマスクパターン５ｃの各々の開口部ＯＰも、マスクパターン５ｂの第１箇所ＯＰａ～第３箇所ＯＰｃと同様の目的で複数の箇所からなり、複数の窓から構成される。マスクパターン５ａの各箇所のＸ方向における長さは、第１箇所ＯＰａ～第３箇所ＯＰｃよりも短く、マスクパターン５ｃの各箇所のＸ方向における長さは、第１箇所ＯＰａ～第３箇所ＯＰｃよりも長い。

＜＜ステップＳ２＞＞
実施の形態１においては、３行×３列のような奇数行×奇数列の複数回の露光処理が行われる。

図７に示されるように、まず、マスクパターン５ａを用いて、レジスト膜６ａに対して露光処理を行う。１度の露光処理によって、レジスト膜６ａの一部の領域である露光領域８ａが露光される。次に、レジスト膜６ａ（ステージ４）をＹ方向へ移動させ、他の露光領域８ａを順次露光する。ここでは、合計３回の露光処理を行った場合を例示している。これらの複数の露光領域８ａは、互いに繋ぎ合わされるように、Ｙ方向において互いに隣接している。

このような複数回の露光処理によって、複数の露光領域８ａを繋ぎ合わせる場合、露光処理の回数は、３回以上の奇数回であることが好ましい。その理由は、境界領域ＢＲに関連するが、その説明は後で行う。

境界領域ＢＲは、複数の露光領域８ａの繋ぎ目に相当し、図面ではＸ方向に延在する実線で示されている。また、図面では理解を容易にするため、現像処理後に溝ＧＲ１の底部ＢＰ１となる箇所が、Ｙ方向に延在する実線で示されている。これらについては、後述の図８および図９においても同様である。

次に、図８に示されるように、マスクパターン５ｂを用いて、レジスト膜６ａに対して露光処理を行うことで、露光領域８ａとは別の露光領域８ｂが露光される。露光領域８ｂは、レジスト膜６ａの一部の領域であり、Ｘ方向において露光領域８ａに隣接する領域である。ここで、Ｘ方向において、マスクパターン５ａの開口部ＯＰとマスクパターン５ｂの開口部ＯＰとが連結して通じているように、マスクパターン５ａおよびマスクパターン５ｂの各々の位置が調整される。ここで、露光装置の合わせ精度等により、露光領域８ａと露光領域８ｂとの境界にも境界領域ＢＲが存在する。

次に、図９に示されるように、マスクパターン５ｃを用いて、レジスト膜６ａに対して露光処理を行うことで、露光領域８ａおよび露光領域８ｂとは別の露光領域８ｃが露光される。露光領域８ｃは、レジスト膜６ａの一部の領域であり、Ｘ方向において露光領域８ｂに隣接する領域である。ここで、Ｘ方向において、マスクパターン５ｂの開口部ＯＰとマスクパターン５ｃの開口部ＯＰとが連結して通じるように、マスクパターン５ｂおよびマスクパターン５ｃの各々の位置が調整される。同様に、露光装置の合わせ精度等により、露光領域８ｂとの露光領域８ｃとの境界にも境界領域ＢＲが存在する。

＜＜ステップＳ３＞＞
図７～図９の露光処理が終了した後、レジスト膜６ａに対して現像処理が行われる。これにより、図１０または図１１に示されるレジストパターン６ｂが形成される。その後、レジストパターン６ｂに対して、例えば１５０～２００℃のポストベークが施される。図１０または図１１に示されるレジストパターン６ｂは、それぞれレジスト膜６ａがネガ型またはポジ型であった場合のものである。

レジストパターン６ｂの表面形状は、複数の溝ＧＲ１からなり、鋸歯形状となっている。複数の溝ＧＲ１は、複数の底部ＢＰ１および複数の頂部ＴＰ１を含む。複数の底部ＢＰ１および複数の頂部ＴＰ１は、Ｘ方向において交互に繰り返され、且つ、それぞれＹ方向に延在している。レジストパターン６ｂの表面形状は、距離が長く、斜度の小さい斜面と、距離が短く、斜度の大きい斜面とが交互に繰り返された形状となる。言い換えれば、Ｘ方向において互いに隣接する２つの底部ＢＰ１のうちの一方と、２つの底部ＢＰ１の間に位置する頂部ＴＰ１との間の距離は、２つの底部ＢＰ１のうちの他方と、上記頂部ＴＰ１との間の距離よりも長い。また、溝ＧＲ１の周期は、場所毎に異なっており、段階的に大きくなっている。言い換えれば、Ｘ方向において互いに隣接する底部ＢＰ１の間隔は、段階的に変化し、段階的に広くなっている。

図１２は、実施の形態１における成型部材８の寸法の一例を示している。ここではレジスト膜６ａがネガ型であった場合を例示する。溝ＧＲ１の周期Ｗ１、すなわちＸ方向において互いに隣接する底部ＢＰ１の間隔は、例えば１．６０～１．７０μｍの範囲内である。レジストパターン６ｂの厚さＨ１、すなわち基板７の表面から頂部ＴＰ１までの高さは、例えば０．１０～０．２０μｍの範囲内である。溝ＧＲ１の距離が長い斜面の斜度（ブレーズ角度）θ１は、基板７の表面に水平な面を基準にした場合、５～７度である。なお、成型部材８の寸法は、必ずしもこれらの数値に限定されるものではない。

以上のように、溝ＧＲ１の周期Ｗ１が不等間隔な成型部材８が製造される。

また、実施の形態１のように、フォトマスク５に設けられた複数のマスクパターン５ａ～５ｃを用いて複数の露光領域８ａ～８ｃを繋ぎ合わせることで、例えばフォトマスク５に１つマスクパターンが設けられていた場合と比較して、表面積の大きな成型部材８を製造できる。すなわち、鋸歯形状の大面積化を図ることができる。

また、繋ぎ合わせの組み合わせは、実施の形態１のような３行×３列のように、奇数行×奇数列が好ましく、少なくとも３行のような奇数行であることが好ましい。例えば複数の露光領域８ａを繋ぎ合わせる場合、露光処理の回数は、３回以上の奇数回であることが好ましい。

上述のように、繋ぎ合わせた箇所を境界領域ＢＲとして説明したが、境界領域ＢＲは２つの露光領域の境界であるため、露光装置の合わせ精度により、境界でのパターン間のずれ、または、ピッチ寸法のずれが生じる可能性がある。すなわち、露光パターンの境界領域ＢＲにおいて、図１０に示される底部ＢＰ１および頂部ＴＰ１のＹ方向のパターンに、ずれが生じる可能性があり、Ｘ方向においてもピッチ寸法のずれが生じる可能性がある。

後述するように、回折格子１５の表面形状は、金属膜９の表面形状を反転させた形状であり、金属膜９の表面形状は、成型部材８の表面形状を反転させた形状である。そのため、成型部材８の表面形状にパターン間のずれ、または、寸法のずれが含まれると、回折格子１５の表面形状には、成型部材８に対応したパターン間のずれ、または、寸法のずれが含まれることになる。分光分析装置などで回折格子１５が使用される場合、回折格子１５の中央部が光を回折させる主領域となる。従って、回折格子１５の中心位置にパターン間のずれ、または、ピッチ寸法のずれが含まれていると、光学特性（光の回折効率など）が低下する恐れがある。

このため、成型部材８の中心位置には、露光領域の境界が含まれていないことが望ましい。実施の形態１では、例えば複数の露光領域８ａを繋ぎ合わせる場合、露光処理の回数を奇数回としているので、境界領域ＢＲは、成型部材８の中心付近には形成されないことになる。従って、回折格子１５の中心付近にパターン間のずれ、または、ピッチ寸法のずれが含まれなくなるので、回折格子１５の性能を向上させることができる。

なお、図６においてはマスクパターン５ａ～５ｃのＸ方向の長さが異なる例を示しているが、Ｘ方向の長さを同じにしても、Ｘ方向に奇数個露光することで回折格子の中心付近に境界領域がこないようにすることができる。

さらに変形例として、図６においてＹ方向における長さがそれぞれ異なるマスクパターン５ａ～５ｃをフォトマスク５に形成しておくこともできる。その場合、Ｙ方向の露光処理の回数が奇数回でない場合でも、境界領域ＢＲを成型部材８の中心位置からずらすことができる。マスクパターン５ａ～５ｃを、別々のフォトマスクに形成しておき、順次露光処理を行うこともできる。

また、Ｘ方向に延びる境界領域ＢＲにおいて、図１０および図１１に示すように、頂部ＴＰ１の高さよりも低い凹部ＣＣ１または底部ＢＰ１の高さよりも高い凸部ＣＶ１のようなレジスト膜厚または／および形状が異常な領域が存在する場合がある。。凹部ＣＣ１および凸部ＣＶ１は、Ｙ方向に延在する頂部ＴＰ１および底部ＢＰ１の途中に局所的に存在する箇所であり、上述のパターン間のずれ、または、ピッチ寸法のずれの痕跡となる箇所の一例である。

＜回折格子１５の製造方法＞
以下に図１３～図１７を用いて、回折格子１５およびその製造方法について説明する。なお、ここではレジスト膜６ａがネガ型であった場合を例示し、図１１に示される成型部材８を用いて説明する。

＜＜ステップＳ４＞＞
まず、図１３に示されるように、レジストパターン６ｂ（成型部材８）の表面上に、例えば電界メッキ法によって、例えばニッケルからなる金属膜９を形成する。金属膜９を構成する材料は、ニッケルに限定されず、電解メッキ法に一般的に用いられている金属材料であればよい。金属膜９は、レジストパターン６ｂの表面形状に沿って形成され、複数の頂部ＴＰ１および複数の底部ＢＰ１を含む複数の溝ＧＲ１を覆うように形成される。

＜＜ステップＳ５＞＞
次に、図１４に示されるように、成型部材８から金属膜９を剥離する。このようにして用意された金属膜９の表面形状は、レジストパターン６ｂの表面形状を反転させた鋸歯形状となっている。すなわち、金属膜９の表面形状は、複数の頂部ＴＰ２および複数の底部ＢＰ２を含む複数の溝ＧＲ２からなり、金属膜９の底部ＢＰ２は、レジストパターン６ｂの頂部ＴＰ１に対応し、金属膜９の頂部ＴＰ２は、レジストパターン６ｂの底部ＢＰ１に対応する。このため、溝ＧＲ２の周期および溝ＧＲ２を構成する斜面の斜度などの寸法は、図１２で説明した溝ＧＲ１に関する寸法と同様となる。

また、上述のように、境界領域ＢＲに起因して成型部材８に凹部ＣＣ１または凸部ＣＶ１が形成されている場合、金属膜９では、それらの反転形状として凸部ＣＶ２または凹部が形成される。しかしながら、金属膜９の中心位置に凸部ＣＶ２または凹部が含まれないので、回折格子１５の光学特性が低下する恐れを抑制できる。

＜＜ステップＳ６＞＞
次に、図１５に示されるように、例えば青板ガラスまたは白板ガラスからなり、且つ、その表面形状が凸面である凸面基板（基板）１０を用意する。次に、凸面基板１０の表面に、例えばエポキシ樹脂のような樹脂材料からなる接着層１１を形成する。なお、ステップＳ６は、上述のステップＳ１～Ｓ５の前に行われてもよいし、後に行われてもよい。

＜＜ステップＳ７＞＞
次に、図１６に示されるように、金属膜９の裏面が凸面基板１０の表面に対向するように、凸面基板１０の表面上に金属膜９を設置する。その後、Ｚ方向において、金属膜９の表面側から金属膜９に荷重を加えることで、凸面基板１０の表面形状に沿うように、凸面基板１０の表面に、接着層１１を介して金属膜９が貼り付けられる。荷重を加える手段としては、荷重分布が均一になるように、例えば空気圧または水圧などを用いた圧力印加方法が用いられる。

＜＜ステップＳ８＞＞
次に、図１７に示されるように、例えば青板ガラスまたは白板ガラスからなり、且つ、その表面形状が凹面である凹面基板（基板）１２を用意する。次に、凹面基板１２の表面に、例えばエポキシ樹脂のような樹脂材料からなる樹脂層１３を形成する。なお、ステップＳ８は、上述のステップＳ１～Ｓ７の前に行われてもよいし、後に行われてもよい。

＜＜ステップＳ９＞＞
次に、図１８に示されるように、凸面基板１０上に接着層１１を介して貼り付けられた金属膜９の表面と、凹面基板１２上に形成した樹脂層１３の表面とが対向するように、凸面基板１０と凹面基板１２とを設置し、樹脂層１３に金属膜９を貼り付ける。その後、樹脂層１３を硬化させる。

＜＜ステップＳ１０＞＞
次に、図１９に示されるように、凸面基板１０、接着層１１および金属膜９を剥離する。このようにして用意された樹脂層１３の表面形状は、金属膜９の表面形状を反転させた鋸歯形状となっている。すなわち、樹脂層１３の表面形状は、複数の頂部ＴＰ３および複数の底部ＢＰ３を含む複数の溝ＧＲ３からなり、樹脂層１３の底部ＢＰ３は、金属膜９の頂部ＴＰ２に対応し、樹脂層１３の頂部ＴＰ３は、金属膜９の底部ＢＰ２に対応する。このため、溝ＧＲ３の周期および溝ＧＲ３を構成する斜面の斜度などの寸法は、金属膜９の寸法と同様となる。

＜＜ステップＳ１１＞＞
次に、図２０に示されるように、樹脂層１３の表面形状に沿うように、樹脂層１３の表面に、例えば蒸着法によって、例えばアルミまたは金の薄膜からなる反射膜１４を形成する。反射膜１４を構成する金属材料は、アルミまたは金に限られず、高い反射率を有する材料であればよい。これにより、凹面基板１２、その表面形状が鋸歯形状である樹脂層１３、および、反射膜１４を含む回折格子１５が得られる。

以上のように、溝ＧＲ１の周期Ｗ１が不等間隔な成型部材８を用いて、溝ＧＲ３の周期が不等間隔である回折格子１５が製造される。また、フォトマスク５に設けられた複数のマスクパターン５ａ～５ｃを用いて、表面積の大きな成型部材８を製造し、その成型部材８を用いて、回折格子１５を製造しているため、鋸歯形状の大面積化を図ることができた。また、回折格子１５の製造には、機械刻線方式またはホログラフィック露光方式を用いず、成型部材８を用い、成型部材８の製造には、フォトリソグラフィ技術を用いているので、比較的短時間で回折格子１５を製造できる。また、製造コストの上昇も抑制できる。

以下は、回折格子１５の溝ＧＲ３の周期と、フォトマスク５の開口部ＯＰ（第１箇所ＯＰａ～第３箇所ＯＰｃ）の長さとの関係についての考察である。図２１に示されるグラフの実線は、実施の形態１におけるフォトマスク５の開口部ＯＰ（第１箇所ＯＰａ～第３箇所ＯＰｃ）の長さを示す。図２１の破線は、回折格子１５の溝ＧＲ３の周期ｆ（ｘ）を示し、周期ｆ（ｘ）は、下記の数式２で表される。

ここで σ_０は回折格子１５の中心付近での溝本数（本／ｍｍ）であり、Ｒは曲率半径である。ｂ２、ｂ３、ｂ４は、係数であり、使用される波長の範囲に応じて、回折光の結像位置における収差が最も小さくなるように決められる。

例えば、大きさが２０ｍｍ×２０ｍｍ、曲率半径Ｒ＝１００ｍｍ、溝本数が６００本／ｍｍの回折格子１５では、溝ＧＲ２の周期を１．６１７μｍ～１．７１４μｍの範囲内において、狭い間隔から広い間隔へと連続的に変化させる必要がある。

フォトマスク５の開口部ＯＰ（第１箇所ＯＰａ～第３箇所ＯＰｃ）のＸ方向における長さは、数式２で計算される回折格子１５の溝ＧＲ３の周期に対して、階段状に近似した図１８の破線で示される長さとする。

また、ここでは、露光装置１の倍率が等倍である場合について説明したが、縮小露光法を用いた場合でも、露光時の倍率に応じて開口部ＯＰのＸ方向における長さを設計することで、所望の溝ＧＲ３の周期とすることができる。

＜回折格子１５を使用した分光分析装置２０の構造＞
以下に図２２を用いて、実施の形態１における回折格子１５の使用例として、分光分析装置２０について説明する。

図２２に示されるように、分光分析装置２０は、白色光源２１、集光レンズ２２ａ、２２ｂ、容器２３、スリット２５および検出器（分光器）２６を備える。分析時には、分析対象である試料２４が容器２３の内部に搭載され、スリット２５の下方には実施の形態１における回折格子１５が設けられる。

白色光源２１からの光ＬＩ２は、集光レンズ２２ａによって集光され、容器２３の内部において試料２４に照射される。試料２４から透過した光は、集光レンズ２２ｂによってスリット２５の開口部内に集光される。スリット２５を通過した光は、回折格子１５によって、回折および波長分散され、スペクトルを形成する。回折格子１５は、多波長の結像位置を平面上にすることが可能である。検出器２６の入射面には、例えばフォトダイオードが平面上に設けられているので、上記スペクトルは、検出器２６において検出される。このように、溝ＧＲ２の周期が不等間隔である回折格子１５を用いることで、分光分析装置２０において高い分析性能を発揮することができる。

（実施の形態２）
以下に図５、図２３および図２４を用いて、実施の形態２における成型部材８を説明する。なお、以下の説明では、実施の形態１との相違点を主に説明する。図５に示されるように、実施の形態２では、ステップＳ１～Ｓ３の代わりに、ステップＳ２１～Ｓ２３が行われる。

＜＜ステップＳ２１＞＞
実施の形態２におけるステップＳ２１は、フォトマスク５０に設けられているマスクパターン５０ａ以外は、実施の形態１におけるステップＳ１とほぼ同様である。

実施の形態１では、フォトマスク５に複数のマスクパターン５ａ～５ｃが設けられていたが、図２３に示されるように、実施の形態２では、フォトマスク５０に１つのマスクパターン５０ａが設けられている。なお、フォトマスク５およびフォトマスク５０の各々の大きさは同じである。実施の形態２では、マスクパターン５０ａに形成されている開口部ＯＰは、Ｘ方向において、第１箇所ＯＰａ～第３箇所ＯＰｃの数以上の複数箇所から構成される。

＜＜ステップＳ２２＞＞
図２４に示されるように、まず、マスクパターン５０ａを用いて、レジスト膜６ａに対して露光処理を行う。１度の露光処理によって、レジスト膜６ａの一部の領域である露光領域８０ａが露光される。次に、レジスト膜６ａ（ステージ４）をＹ方向へ移動させ、他の露光領域８０ａを順次露光する。実施の形態１と同様に境界領域ＢＲを懸念して、このような複数回の露光処理の回数は、３回以上の奇数回であることが好ましい。

Ｘ方向において、実施の形態１では露光領域８ａ～８ｃに分けて露光処理を行っていたが、実施の形態２では、Ｘ方向における長さが長い露光領域８０ａを露光する。このため、実施の形態２では、実施の形態１と比較して、露光処理の回数が少ないので、製造工程の増加を抑制し、製造コストの増加を抑制することができる。

なお、実施の形態１では、Ｘ方向におけるフォトマスク５の長さ以上となる露光領域８ａ～８ｃを設けたので、成型部材８および回折格子１５の大面積化という観点では、実施の形態１の方が実施の形態２よりも優れている。しかし、比較的小面積の回折格子を製造する場合など、大面積化が求められていない場合には、製造コストの観点から、実施の形態２の方が実施の形態１よりも優れている。

＜＜ステップＳ２３＞＞
次に、実施の形態１のステップＳ３と同様に、レジスト膜６ａに対して現像処理が行われる。これにより、図１０または図１１に示されるレジストパターン６ｂが形成される。その後、レジストパターン６ｂに対して、例えば１５０～２００℃のポストベークが施される。

実施の形態１では、露光領域８ａ～８ｃでは、第１箇所ＯＰａ～第３箇所ＯＰｃが連通するようにマスクパターン５ａ～５ｃの位置が調整されるので、Ｘ方向における境界領域ＢＲに関する懸念は、Ｙ方向よりも非常に小さい。実施の形態２では、更に上記懸念も考慮する必要が無くなるので、回折格子１５の光学特性が低下する恐れを、更に抑制することができる。

なお、図２３の５０aに相当し、Ｙ方向の長さの異なるパターンを同一または複数のマスクに形成しておいて、別々に露光してもよい。この場合は、Ｙ方向における露光処理の回数が偶数回の場合でも、境界領域ＢＲが回折格子の中心付近にこないようにすることができる。

以降の製造工程は、実施の形態１のステップＳ４～Ｓ１１と同様であるので、それらの説明は省略する。

以上、本願発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１露光装置
２光源
３投影光学機構
４ステージ
５フォトマスク（レチクル）
５ａ～５ｃマスクパターン
６ａレジスト膜
６ｂレジストパターン
７基板（半導体基板）
８成型部材
８ａ～８ｃ露光領域
９金属膜
１０凸面基板（基板）
１１接着層
１２凹面基板(基板)
１３樹脂層
１４反射膜
１５回折格子（光学素子）
２０分光分析装置
２１白色光源
２２ａ、２２ｂ集光レンズ
２３容器
２４試料
２５スリット
２６検出器
５０フォトマスク（レチクル）
５０ａ～５０ｃマスクパターン
８０ａ露光領域
ＢＰ１～ＢＰ３底部
ＢＲ境界領域
ＣＣ１凹部
ＣＶ１、ＣＶ２凸部
ＧＲ１～ＧＲ３溝
ＬＢ遮光部
ＬＩ１、ＬＩ２光
ＯＰ開口部
ＯＰａ～ＯＰｃ第１箇所～第３箇所
Ｓ１～Ｓ１１、Ｓ２１～Ｓ２３ステップ
ＴＰ１～ＴＰ３頂部

Claims

（ａ）第１基板と、前記第１基板上に形成され、且つ、複数の溝からなる表面形状を有するレジストパターンと、を備えた成型部材を用意する工程、
（ｂ）前記複数の溝を覆うように、前記レジストパターンの表面に第１金属膜を形成する工程、
（ｃ）前記成型部材から前記第１金属膜を剥離することで、前記レジストパターンの表面形状と反転する表面形状を有する前記第１金属膜を用意する工程、
（ｄ）その表面形状が凸面である第２基板を用意する工程、
（ｅ）前記第２基板の表面上に、接着層を形成する工程、
（ｆ）前記（ａ）～（ｅ）工程後、前記第１金属膜の裏面が前記第２基板の表面に対向するように、前記第２基板の表面上に前記第１金属膜を設置する工程、
（ｇ）前記（ｆ）工程後、前記第１金属膜の表面側から前記第１金属膜に荷重を加えることで、前記第２基板の表面形状に沿うように、前記第２基板の表面に、前記接着層を介して前記第１金属膜を貼り付ける工程、
（ｈ）その表面形状が凹面である第３基板を用意する工程、
（ｉ）前記第３基板の表面上に、樹脂層を形成する工程、
（ｊ）前記（ｇ）～（ｉ）工程後、前記第１金属膜の表面が前記樹脂層の表面に対向するように、前記樹脂層に前記第１金属膜を貼り付けることで、前記樹脂層の表面形状を前記第１金属膜の表面形状と反転させる工程、
を有し、
前記複数の溝は、複数の第１底部および複数の第１頂部を含み、
前記複数の第１底部および前記複数の第１頂部は、平面視における第１方向において交互に繰り返され、且つ、それぞれ前記第１方向と直交する第２方向に延在し、
前記第１方向において互いに隣接する前記第１底部の間隔は、段階的に変化し、
前記（ａ）工程は、
（ａ１）光源、ステージ、および、前記光源と前記ステージとの間に設けられた投影光学機構を備える露光装置を用意する工程、
（ａ２）前記ステージ上に、前記第１基板と、前記第１基板上に形成されたレジスト膜との積層体を搭載する工程、
（ａ３）前記光源と前記投影光学機構との間に、少なくとも第１マスクパターンを有するフォトマスクを挿入する工程、
（ａ４）前記（ａ１）～（ａ３）工程後、前記光源からの光を前記フォトマスクへ照射し、前記第１マスクパターンを透過した光を、前記投影光学機構を介して前記レジスト膜に転写する第１露光処理を行う工程、
（ａ５）前記（ａ４）工程後、前記レジスト膜に対して現像処理を行うことで、前記レジストパターンを形成する工程、
を有し、
前記ステージを前記第２方向へ移動することで、前記（ａ４）工程は、３回以上の奇数回行われ、
前記レジスト膜のうち、３回以上の奇数回行われる前記第１露光処理によって露光される領域は、それぞれ前記第２方向において隣接し、
前記フォトマスクは、複数の第１開口部が形成された遮光膜を有し、
前記第１マスクパターンは、前記複数の第１開口部からなり、
前記複数の第１開口部の各々は、第１箇所、および、前記第１方向において前記第１箇所と連結して通じている第２箇所を含み、
前記第１方向のうち前記第１箇所から前記第２箇所へ向かう方向において、前記第１箇所および前記第２箇所の各々の前記第２方向における長さは、段階的に長くなり、
前記第１方向において、前記第２箇所の長さは、前記第１箇所の長さよりも長く、
前記第２箇所の開口面積は、前記第１箇所の開口面積よりも大きい、回折格子の製造方法。
請求項１に記載の回折格子の製造方法において、
前記第１方向において互いに隣接する前記第１底部の間隔は、段階的に広くなっている、回折格子の製造方法。
請求項２に記載の回折格子の製造方法において、
前記第１方向において互いに隣接する２つの前記第１底部のうちの一方と、前記２つの前記第１底部の間に位置する前記第１頂部との間の距離は、前記２つの前記第１底部のうちの他方と、前記２つの前記第１底部の間に位置する前記第１頂部との間の距離よりも長い、回折格子の製造方法。
請求項１に記載の回折格子の製造方法において、
前記フォトマスクは、前記遮光膜に形成された複数の第２開口部からなる第２マスクパターンを更に有し、
前記複数の第２開口部の各々は、第３箇所、および、前記第１方向において前記第３箇所と連結して通じている第４箇所を含み、
前記第１方向のうち前記第３箇所から前記第４箇所へ向かう方向において、前記第３箇所および前記第４箇所の各々の前記第２方向における長さは、段階的に長くなり、
前記第１方向において、前記第３箇所の長さは、前記第２箇所の長さよりも長く、且つ、前記第４箇所の長さよりも短く、
前記第３箇所の開口面積は、前記第２箇所の開口面積よりも大きく、且つ、前記第４箇所の開口面積よりも小さく、
前記（ａ４）工程は、前記第１露光処理の前または後に、前記光源からの光を前記フォトマスクへ照射し、前記第２マスクパターンを透過した光を、前記投影光学機構を介して、前記レジスト膜のうち前記第１露光処理が行われる領域とは別の領域に転写する第２露光処理を行う工程を更に有し、
前記（ａ４）工程では、前記第１方向において前記第２箇所および前記第３箇所が連結して通じるように、前記第１マスクパターンおよび前記第２マスクパターンの各々の位置が調整される、回折格子の製造方法。
請求項１に記載の回折格子の製造方法において、
前記第１箇所および前記第２箇所の各々の前記第２方向において段階的に長くなる長さのうち、最も長い距離は、前記露光装置の解像限界以下である、回折格子の製造方法。
請求項１に記載の回折格子の製造方法において、
（ｋ）前記（ｊ）工程後、前記樹脂層の表面に、金属材料からなる反射膜を形成する工程、
を更に有する、回折格子の製造方法。
第１開口部が形成された遮光膜を有し、
前記第１開口部は、第１箇所、および、平面視における第１方向において前記第１箇所と連結して通じている第２箇所を含み、
前記第１方向のうち前記第１箇所から前記第２箇所へ向かう方向において、前記第１箇所および前記第２箇所の各々の前記第１方向と直交する第２方向における長さは、段階的に長くなり、
前記第１方向において、前記第２箇所の長さは、前記第１箇所の長さよりも長く、
前記第２箇所の開口面積は、前記第１箇所の開口面積よりも大きい、フォトマスク。
請求項７に記載のフォトマスクにおいて、
前記第２方向において互いに隣接するように、前記遮光膜には、複数の前記第１開口部が形成されている、フォトマスク。
請求項８に記載のフォトマスクにおいて、
前記複数の第１開口部からなる第１マスクパターンと、前記遮光膜に形成された複数の第２開口部からなる第２マスクパターンと、を更に有し、
前記複数の第２開口部の各々は、第３箇所、および、前記第１方向において前記第３箇所と連結して通じている第４箇所を含み、
前記第１方向のうち前記第３箇所から前記第４箇所へ向かう方向において、前記第３箇所および前記第４箇所の各々の前記第２方向における長さは、段階的に長くなり、
前記第１方向において、前記第３箇所の長さは、前記第２箇所の長さよりも長く、且つ、前記第４箇所の長さよりも短く、
前記第３箇所の開口面積は、前記第２箇所の開口面積よりも大きく、且つ、前記第４箇所の開口面積よりも小さい、フォトマスク。
請求項７に記載のフォトマスクにおいて、
前記第１箇所は、各々の平面形状が四角形である複数の第１窓からなり、
前記第１箇所から前記第２箇所へ向かう方向において、その開口面積が段階的に大きくなるように、前記複数の第１窓は、互いに連結して通じている、フォトマスク。