JPH09230121A

JPH09230121A - 回折格子板の製造方法

Info

Publication number: JPH09230121A
Application number: JP6386996A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sato; 健志佐藤
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-02-27
Filing date: 1996-02-27
Publication date: 1997-09-05

Abstract

(57)【要約】【課題】ブレーズ化におけるパターンくずれを回避
し、格子ピッチの微細なパターンの形成可能なブレーズ
回折格子板の製造方法を提供する。【解決手段】マスク板11の第１のパターン11ａを用い
て露光エネルギーＥａを、基板12上に形成したレジスト
膜13上に与える。次いで第２のパターン11ｂを用いて露
光エネルギーＥｂを与え、同様にして第３のパターン11
ｃを用いて露光エネルギーＥｃ，第４ののパターン11ｄ
を用いて露光エネルギーＥｄを与え、基板12上に形成さ
れたレジスト膜13に深さ方向に多段階の反応領域を形成
する。次いで、レジスト膜13を現像することにより、ブ
レーズ化されたレジストパターン13ａを形成し、このレ
ジストパターン13ａを用いてエッチングを行い、このレ
ジストパターン13ａの形状を基板12に転写し、ブレーズ
回折格子板14を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光を回折させて
回折光を得る回折格子板において、回折格子板断面を鋸
歯状（以下ブレーズと称する）化することにより、特定
の波長を特定の次数に効率よく集中させて回折すること
ができるようにした回折格子板（ブレーズ回折格子板）
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、回折格子においては周期的にパ
ターンを配列することにより、周期パターンピッチ方向
に回折光を発生する。また、これらの回折光は高次にな
るに従って回折効率は低下するものの、ｎ次の項の回折
光は得られる。このｎ次の項の回折光に対し、実用的に
は０と±１次光が主に利用されるが、これらの回折光の
みを能率よく取り出すためには、回折格子のパターン形
状が鋸歯状になっているブレーズ格子が用いられる。ブ
レーズ格子においては、特定の回折次数のみ光が強く回
折される。このような０次光と＋１次光又は０次光と−
１次光の回折効率が高い形状に溝の形を決定することに
より、他の次数の回折光は無視できるレベルに低く押さ
えることができる。

【０００３】図７はエシュレット型回折格子101 の断面
形状の一例を示す図であるが、従来は、このような溝形
状の回折格子は、機械的な切削により格子型を製作して
おき、その格子型をもとに多数のレプリカを射出成形し
て作製していた。しかし、このような加工作製方法で
は、グレーチングピッチ102 の最小寸法は数十ミクロン
程度であり、機械的切削方法で製作した格子型では、格
子ピッチの微細化は限界にきている。

【０００４】このような機械的な切削で形成した格子型
による回折格子板の製作方法に対し、最近では半導体の
微細加工技術を用いることにより、機械加工では得られ
なかった微細なピッチの格子を製作することが可能とな
り、この方法を応用した微細ピッチのブレーズ格子板も
製作されている。図８は半導体微細加工技術を用いたブ
レーズ格子板の製造プロセスの一例を示す図であり、４
種類のマスクパターンを用いて露光、現像、エッチング
の各工程を４回実施し、５段のブレーズ化を行う場合の
例を示している。

【０００５】すなわち、まず図８の（Ａ）に示すよう
に、基板201 上に第１のレジストパターン202 を形成
し、次いで図８の（Ｂ）に示すように、前記レジストパ
ターン202 をマスクとしてエッチング処理を行って基板
201 上に１段の溝203aを形成する。次に、図８の（Ｃ）
に示すように、第１のレジストパターン202 を除去した
のち、第２のレジストパターン204 を形成し、次いで図
８の（Ｄ）に示すように、エッチング処理を行って２段
の溝203bを形成する。次に、図８の（Ｅ）に示すよう
に、第２のレジストパターン204 を除去したのち、第３
のレジストパターン205 を形成し、次いで図８の（Ｆ）
に示すように、エッチング処理を行って３段の溝203cを
形成する。次に、図８の（Ｇ）に示すように、第３のレ
ジストパターン205 を除去したのち、第４のレジストパ
ターン206 を形成し、次いで図８の（Ｈ）に示すよう
に、エッチング処理を行って４段の溝203dを形成する。
そして、第４のレジストパターン206 を除去することに
より、図８の（Ｉ）に示すように、５段のブレーズ化を
行ったブレーズ格子207 が得られる。

【０００６】このように、多段の溝形状を複数回に分け
て下地基板を掘り下げて形成することにより、多段のブ
レーズ化を行うことができる。このようにして多段溝が
形成された基板は、そのままブレーズ格子板として、あ
るいは射出成形用の型として用いられるが、現在の微細
加工技術を用いることにより、格子ピッチは数ミクロン
オーダーのものが製作可能である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のブレーズ格子板の製作方法では、フォトリソグラフ
ィプロセスとエッチングプロセスの繰り返しを行う必要
があり、工程が非常に長いものとなる。これはブレーズ
化の多段階数を増やすことにより、処理工程は３倍４倍
と増加し、実用的な方法とはならなかった。

【０００８】また従来のブレーズ格子板の製作方法で問
題となる点は、露光現像のパターンニング工程を繰り返
すときに発生する問題である。すなわち、この工程では
下地パターンに対し上層パターンをアライメントしなけ
ればならないが、このアライメント工程があるというこ
とは、常にアライメント誤差が発生し、特に格子ピッチ
が微細化した場合、上記アライメント誤差は格子ピッチ
に対し大きな値となり、ブレーズ化形状に大きな影響を
及ぼす。

【０００９】図９は、従来方法により微細ピッチのブレ
ーズ格子板を製作しようとした場合、アライメント誤差
がブレーズ形状に及ぼす影響を示した説明図で、露光装
置のアライメント精度、下地パターンの段差深さなどに
よっても異なるが、上層パターンのアライメント誤差は
現在の露光装置を用いても、0.2 μｍ程度は発生してし
まう。この0.2 μｍのズレはエッチング時に異常形状と
してエッチングされ、ブレーズ化の設計形状に対し大き
く異なった形として現れる。

【００１０】図９は、２層目のパターンニング及びエッ
チング時に上層パターンが左へズレた場合の一例を示し
たもので、図９の（Ａ）に示すように、基板301 上に第
１のレジストパターン302 を形成し、該レジストパター
ン302 をマスクとしてエッチング処理を行って１段の溝
303 を形成したのち、図９の（Ｂ）に示すように、第１
のレジストパターン302 を除去して第２のレジストパタ
ーン304 を形成し、再度エッチング処理を行って２段の
溝305 を形成するが、この際、第２のレジストパターン
304 が本来の位置より例えば左側へ0.2 μｍズレた場
合、異常エッチング領域305aが発生し、この場合２段目
の段差幅が大きい値となってしまう。また図９の（Ｃ）
に示すように、第３のレジストパターン306 のアライメ
ント露光エッチング工程では、３層目のレジストパター
ン306 が右へずれた場合の一例を示したもので、第３の
レジストパターン306 が右へ例えば0.2 μｍズレたため
に、３段の溝307 に異常エッチング領域307aが発生し、
本来のエッチング領域307bがエッチングされずに残って
しまう。このような場合、段差溝形状は大きくズレ、最
終的には目的としている回折効率の向上が得られなくな
ってしまう。

【００１１】以上のようなアライメント誤差は、ステッ
パー等のレーザー測長ステージを用いている装置を使用
すれば、その値は低く押さえられるものの、アライメン
ト検出精度、ステージ移動精度、マスク精度等を加える
と、最低0.2 μｍのズレは見込む必要がある。また、こ
れはアライメントが問題なく行われた場合についてであ
り、エッチング時の深さが浅いなどの要因が加われば、
アライメントを行うためのパターンの信号強度が十分に
得られず、アライメント自体が不可能でブレーズ化の露
光を行うことができないなどの可能性も十分含んでい
る。

【００１２】本発明は、従来のブレーズ格子板の製造方
法における上記問題点を解消するためになされたもの
で、ブレーズ化におけるパターンのくずれを回避でき、
格子ピッチの微細なパターンの形成の可能な回折格子板
の製造方法を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、請求項１記載の発明は、鋸歯状断面形状をもつ回折
格子板の製造方法において、基板表面上にレジスト膜を
塗布し該レジスト膜に鋸歯状格子パターンを形成する工
程と、該鋸歯状格子パターン化されたレジストパターン
の形状をエッチングにより基板に転写する工程とを備え
るものである。また請求項２記載の発明は、鋸歯状断面
形状をもつ回折格子板の製造方法において、基板表面上
にレジスト膜を塗布し該レジスト膜に鋸歯状格子パター
ンを形成する工程と、該鋸歯状格子パターン化されたレ
ジストパターンを用いて金型を作製し、該金型を用いた
射出成形により回折格子板を形成する工程とを備えるも
のである。

【００１４】このように鋸歯状格子パターン化されたレ
ジストパターンを形成し、エッチングにより基板に転写
するか、あるいは金型を作製することにより、従来のよ
うにアライメント、パターン形成、エッチングの各工程
を繰り返す必要がなく、従来は多段階行っていた工程を
１回で行うことができ、またアライメントを行いパター
ンの重ね合わせによってブレーズ化する必要がないの
で、アライメント誤差が入り込まずに、微細な格子パタ
ーンをもつ回折格子板を作製することができる。

【００１５】そして、鋸歯状格子パターン化されたレジ
ストパターンの形成は、露光装置の基板ステージを移動
させて複数の異なるマスクパターンで所望の露光エネル
ギーを与えてレジスト膜の分割露光を行って形成するも
のであるが、この分割露光は、基板上に形成された感光
性樹脂レジスト膜に対し、開口面積を変化させて光エネ
ルギーを与え、深さ方向のレジスト膜の反応程度を変化
させることによって、現像後にブレーズ化したレジスト
パターンを得るようにするものである。図１は、レジス
ト膜の現像後の残膜の厚さと与えられた露光量の関係を
表したものであり、露光エネルギーの増加に対し光照射
を受けたレジスト膜の光反応程度は、表面から基板の深
さ方向へと進んでゆく。これらの反応領域は比較的露光
エネルギーの低いレベルで行われるが、レジスト膜の残
膜の膜厚と露光エネルギーとの関係を正確にとらえてい
れば、再現性よくレジスト膜の残膜の厚さを制御するこ
とができる。

【００１６】またマスク板として、複数のマスクパター
ンを備えたマスク板を用いて何回も露光を繰り返すこと
により、レジスト膜の多段階ブレーズパターン化を得る
ことができ、下地基板に対するアライメントの誤差要因
も取り去ることはできる。これに対し、マスク板を複数
枚用いた場合には、マスク板間の製造誤差が入り込み、
その誤差値はマスク板毎のパターン位置精度のでき具合
に依存する。更に複数枚のマスク板を用いた場合、その
都度マスク板を露光装置にセットしなければならず、マ
スクセット時のマスクアライメント精度も入り込む。し
たがって、本発明においては、マスク原板一枚にブレー
ズ化を行うための露光開口面積の異なったパターンを複
数種類レイアトしておき、基板露光時にマスク板に照射
する露光光を選択的にあて、各パターンに必要な露光エ
ネルギーを任意に設定してレジスト膜の感光領域を変化
させる。この方法により、マスクセット時のマスクアラ
イメント誤差、基板アライメントによる誤差を回避する
ことができ、露光装置のステージ移動時の誤差だけで多
段階ブレーズパターン化したレジストパターンを得るこ
とができる。現在の露光装置の技術レベルでは、パター
ン多段階化の誤差は、0.1 μｍ程度に押さえることがで
きる。

【００１７】以上のように、１枚のマスク板に重ね露光
を行う全てのパターンをレイアウトしておき、基板を露
光装置ステージにのせたまま重ね露光を行うことによ
り、精度よく多段階的にレジストパターンを形成するこ
とができ、従来の方法で発生していたブレーズ化におけ
るパターンのくずれを回避でき、更に格子ピッチの微細
なパターンの形成も可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に、実施の形態について説明す
る。図１は、本発明に係る回折格子板の製造方法の実施
の形態を説明するための製造工程を示す図で、本実施の
形態ではポジタイプのレジストを使用して、ブレーズの
段階を５段としたものの製造方法を示している。まず最
初に、図２の（Ａ）に示すように、専用マスク板11の第
１のパターン11ａを用いて、露光エネルギーＥａを、基
板12の表面に形成したレジスト膜13上に与える。次に図
２の（Ｂ）に示すように、第２のパターン11ｂを用い露
光エネルギーＥｂを与え、次いで図２の（Ｃ）に示すよ
うに、同様にして第３のパターン11ｃの露光時には露光
エネルギーＥｃを与え、図２の（Ｄ）に示すように、第
４のパターン11ｄの露光時には露光エネルギーＥｄを与
える。このプロセスにより、基板12上に形成されたレジ
スト膜13は、深さ方向に多段階に反応割合を変化させて
おり、したがって、このレジスト膜13を現像することに
より、図２の（Ｅ）に示すように、ブレーズ化されたレ
ジストパターン13ａを形成することができる。

【００１９】ブレーズ化されたレジストパターン13ａは
エッチング時のマスクとして使用されるが、基板12のエ
ッチングを行う場合、エッチング時の基板とレジストの
選択比によって、通常は基板よりレジストのエッチング
速度が低下する。しかし、レジストもエッチングされる
ため、予め基板をブレーズ化できるように必要な深さに
レジストを残すことによって、レジストを単にマスク材
として使用するのではなく、レジストと基板をエッチン
グして、図２の（Ｆ）に示すように、基板をブレーズ化
しブレーズ回折格子板14を形成することができる。図２
の（Ｅ）は、このように基板をエッチングする場合に、
レジストと基板を同時にエッチングして、基板が必要な
形状にブレーズ化するようにレジストパターン13ａを残
した状態を示すもので、レジストパターン13ａの段差形
状は最終的に必要なブレーズ形状とは異なる。しかし、
基板12をエッチングするのではなく、レジストパターン
13ａ自体を用いて金型を作り、成形によってブレーズ格
子板を作る場合は、ブレーズ格子板の形状と同じ形でレ
ジストパターン13ａを残す必要があり、基板12をエッチ
ングする場合とはレジストパターン13ａの形状は異なっ
たものとなる。

【００２０】図３は、図２に示したプロセスにおいて露
光を終了した時点のレジスト膜の反応状態を示す図で、
第１のパターン11ａの露光領域は深さ方向ｄ₀からｄ₁
まで感光反応が終了しており、現像時には深さ（ｄ₀−
ｄ₁）の第１のパターン11ａの露光領域21が現像分解さ
れる。同様にして第２のパターン11ｂの露光領域22につ
いても深さ（ｄ₀−ｄ₂）において現像され、第３のパ
ターン11ｃの露光領域23，第４のパターン11ｄの露光領
域24についても深さ（ｄ₀−ｄ₃），ｄ₀の現像反応が
起こる。

【００２１】図４は、本発明のプロセスを実施するため
の露光システムの一例を示すもので、露光装置としてス
テップ＆リピート方式の縮小露光装置を用いた場合を示
す。マスク板31上にレイアウトされたパターンａ，ｂ，
ｃ，ｄについて、露光装置のマスク領域制限装置である
マスキングブレード32によって、まずパターンａのみを
露光光37により露光エネルギーＥａを用い投影レンズ33
を介して、基板34上のレジスト膜へ結像転写する。次
に、同様にマスキングブレード32を操作してパターンｂ
のみを、露光エネルギーＥｂによってレジスト膜上へ結
像転写する。このとき、基板34上ではパターンｂの転写
位置がパターンａの隣になってしまうため、パターンａ
上にパターンｂが重なり、レジストパターンが多段階に
得られるように、基板ステージ35をレーザー測長器36を
用いて位置を測定した上で移動する。以後同様にして、
マスキングブレード32と基板ステージ35を動かし、パタ
ーンｃ，パターンｄを基板34上へ重ねて露光転写する。

【００２２】以上の方法により、マスク板31上へレイア
ウトされたパターンａ，ｂ，ｃ，ｄは基板34上へ重なっ
た形で露光され、その位置精度は基板ステージ35の位置
精度とマスク板31上のパターンレイアウト精度のみに影
響される。

【００２３】図５及び図６は、本発明におけるブレーズ
化マスク板のマスクパターンの一例を示すもので、図５
は直線格子の場合のマスク板41を示し、４種のマスクパ
ターン42ａ，42ｂ，42ｃ，42ｄを重ね合わせることによ
り、５段階のブレーズ化を行うことができるものであ
る。このマスクパターンの分割の程度については、格子
のサイズ、ピッチによっても変わるが、マスク板上にレ
イアウトできる範囲で、また分割精度を考慮して決定さ
れる。図６は、同様にフレネルゾーンタイプの回折格子
を製作する場合のマスク板51の一例を示し、図５の場合
と同様に、露光領域が多段階となるように開口面積を変
化させてマスクパターン52ａ，52ｂ，52ｃ，52ｄを設計
しレイアウトする。上記方法によるマスクパターンのレ
イアウトでは、マスク板を作製するときのパターン位置
精度が含まれてしまうが、現在のＥＢ描画機精度は±0.
2 μｍ程度であり、更に露光方式を縮小投影方式を用
い、縮小率を１／５とすることにより、その精度は基板
上では±0.04μｍに低下させることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上実施の形態に基づいて説明したよう
に、本発明によれば、従来の繰り返しエッチングをする
方法に比べ、処理工程を大幅に低減することが可能とな
り、特にブレーズ化の段階数を多くした場合でも処理時
間がほとんど変化することなく、多段階のブレーズ化を
容易に実現することができる。また従来の方法では露光
時にアライメントを何度も繰り返す必要があり、アライ
メント時の位置ズレが多く入り込み、安定的に設計され
た形状に格子を形成することが困難であったが、本発明
によれば、一回の露光でステージを動かすだけでアライ
メントの誤差が入り込むことなく、ブレーズ化の段差形
状を安定的に精度よく得ることが可能となり、従来不可
能であった多段階化と狭ピッチのブレーズ化格子の製造
が可能となり、大きな回折角を持つブレーズ回折格子板
を容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】露光時における露光量とレジスト膜の残膜厚さ
（反応深さ）との関係を示す図である。

【図２】本発明に係る回折格子板の製造方法の実施の形
態を説明するための製造工程を示す図である。

【図３】図２に示した製造工程において、ブレーズ化さ
れたレジストパターンのレジスト膜の残膜厚さ方向の露
光エネルギー照射割合と感光程度を示す図である。

【図４】図２に示した製造工程において用いる露光シス
テムの構成例を示す図である。

【図５】図２に示した製造工程において用いるマスク板
の構成例を示す図である。

【図６】図２に示した製造工程において用いるマスク板
の他の構成例を示す図である。

【図７】従来のエシュレット型回折格子の構造を示す図
である。

【図８】従来のブレーズ化回折格子板の製造方法を説明
するための製造工程を示す図である。

【図９】図８に示した従来の製造方法において、アライ
メント誤差が発生した場合のブレーズ形状の異常発生の
態様を示す図である。

【符号の説明】

11 マスク板 12 基板 13 レジスト膜 13ａブレーズ化レジストパターン 14 ブレーズ化回折格子板 21，22，23，24 露光領域 31 マスク板 32 マスクブレード 33 投影レンズ 34 基板 35 基板ステージ 36 レーザ測長器 37 露光光 41 マスク板 42ａ，42ｂ，42ｃ，42ｄマスクパターン 51 マスク板 52ａ，52ｂ，52ｃ，52ｄマスクパターン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋸歯状断面形状をもつ回折格子板の製造
方法において、基板表面上にレジスト膜を塗布し該レジ
スト膜に鋸歯状格子パターンを形成する工程と、該鋸歯
状格子パターン化されたレジストパターンの形状をエッ
チングにより基板に転写する工程とを備えていることを
特徴とする回折格子板の製造方法。
【請求項２】鋸歯状断面形状をもつ回折格子板の製造
方法において、基板表面上にレジスト膜を塗布し該レジ
スト膜に鋸歯状格子パターンを形成する工程と、該鋸歯
状格子パターン化されたレジストパターンを用いて金型
を作製し、該金型を用いた射出成形により回折格子板を
形成する工程とを備えていることを特徴とする回折格子
板の製造方法。
【請求項３】前記レジスト膜に鋸歯状格子パターンを
形成する工程は、露光装置の基板ステージを移動させて
複数の異なるマスクパターンで所望の露光エネルギーを
与えることによりレジスト膜の分割露光を行い、レジス
ト膜の反応領域を３次元的に変化させる工程を含むこと
を特徴とする請求項１又は２記載の回折格子板の製造方
法。
【請求項４】前記複数の異なるマスクパターンは、一
枚のマスク板の中にレイアウトされていることを特徴と
する請求項３記載の回折格子板の製造方法。