JPH0749405A - 位相シフト２進光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非偏光光に対する位相シフト手段を提供する
こと。 【構成】 ２進光学素子の２つのセクションは、互いに
直角方向に、すなわち垂直方向にオフセットされて、そ
のセクションを通して伝送される光ビームから位相のシ
フトを生じる。λ／２（ｎ−１）のオフセットがある
と、２進光学素子の２つのセクションを通して伝送され
るビーム間の位相にπのシフトを生じる。λ／４（ｎ−
１）のオフセットがあると、２進光学素子の２つのセク
ションを通して伝送されるビーム間の位相にπ／２のシ
フトを生じる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、入射光ビームの隣接す
る波面間の位相シフトを行う２進（ｂｉｎａｒｙ）光学
素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、位相シフト手段は、偏光光を必要
としてきた。偏光ビームは、位相シフト手段である平行
結晶板を通して直角方向に通過する。この光ビームは、
２つの直交する偏光構成成分に分割される。通常の構成
成分すなわち常光線は、偏向されることなく板を通過す
る。他の構成成分すなわち異常光線は、出射する常光線
に平行であるが、それから空間的に変位して板から出射
される。板の適切な厚さにおいて、この２つの光線間に
位相の相違がある。

【０００３】２つの偏光について板厚により生じた位相
差がπ／２であるならば、その板は、四分の一波長板と
呼ばれる。πの位相差を生じる板は、二分の一波長板と
呼ばれる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】光ビームを位相シフト
するこの従来の方法は、幾つかの制限事項がある。入射
光ビームを偏光する必要がある。入射光ビームは、互い
に位相がシフトされる２つの構成成分光線に分割され
る。この従来の手段は、入射光ビームの２つの隣接する
波面間に位相の相違を生じさせない。

【０００５】本発明の目的は、非偏光光に対する位相シ
フト手段を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】２進光学素子の少なくと
も２つのセクションは、互いに直角方向に、すなわち垂
直方向にオフセットされて、そのセクションを通して伝
送される光ビームから位相のシフトを生じる。λ／２
（ｎ−１）のオフセットがあると、２進光学素子の２つ
のセクションを通して伝送されるビーム間の位相にπの
シフトを生じる。λ／４（ｎ−１）のオフセットがある
と、２進光学素子の２つのセクションを通して伝送され
るビーム間の位相にπ／２のシフトを生じる。

【０００７】ここで図１を参照すると、２レベルすなわ
ち２進表面浮き出し（ｒｅｌｉｅｆ）パターン１４を有
する光学基板１２から成る位相シフト２進光学素子１０
が示される。光学基板１２の第１のセクションすなわち
基準セクション１６は、光学基板１２の隣接セクション
すなわち第２のセクション１８の光学基板の表面から距
離ｄ_offsetだけ直角方向にオフセットされる。この直角
方向すなわち垂直方向のオフセットは、２進光学素子１
０の構造的な点からみて、光学基板１２が、第２のセク
ション１６の下よりも第１のセクション１６の下が（距
離すなわち深さｄ_offsetだけ）厚いことを意味する。セ
クション１６の表面２０は、セクション１８の表面２２
から直角方向に距離ｄだけ離される。

【０００８】入射平行光ビーム２４は、光学基板１２を
通過する。基板の薄いセクション１８を通過する光の波
面２６は、表面２２を通り、図示例では空気である隣接
媒体中に入る。基板のセクション１６を通過する光の隣
接波面２８は、表面２０を通り隣接媒体中に入る前に、
基板の付加厚さｄ_offsetを通過しなければならない。

【０００９】光学基板１２は、空気の屈折率１よりも大
きい屈折率ｎを有する。光学基板すなわち光学基板のセ
クションを通り移動する光は、空気を通過する光よりも
遅い。

【００１０】薄いセクション１８の表面２２に存在する
光の波面が、厚いセクション１６の表面２０に存在する
光の隣接する波面より半波長前にあるならば、時間ｔ₁
は下記のようになる。 ｔ₁ ＝ｄ_offsetｎ／ｃ＝（ｄ_offset＋λ／２）／ｃ 式１ ここに、λは空気中の光ビームの波長であり、またｎは
光学基板の屈折率である。

【００１１】光の隣接する波面が、光学基板のセクショ
ン１６の厚さｄを通過する時間は、光の波面が、距離ｄ
に半波長を足した距離を通過する時間に等しい。

【００１２】したがって、 （ｎ−１）ｄ_offset＝λ／２ 式２ となる。ここにλは空気中の光ビームの波長であり、ま
たｎは光学基板の屈折率である。

【００１３】第２のセクションが第１のセクションすな
わち基準セクションからオフセットされる距離であるｄ
_offsetについて解くと、光学基板を通過する入射ビーム
の隣接する波面間の位相に半波長すなわちπの相違をも
たらす光学基板の付加厚さの距離は、下記のようにな
る。 ｄ_offset＝λ／２（ｎ−１） 式３ ここにλは空気中の光ビームの波長であり、またｎは光
学基板の屈折率である。

【００１４】光学基板を通過する入射ビームの隣接する
波面間の位相の相違が四分の一波長すなわちπ／２の場
合、２進光学素子の第２のセクションは、２進光学素子
の第１のセクションすなわち基準セクションから深さｄ
_offsetだけ直角方向に、空間的にオフセットされなけれ
ばならない。この場合は下記のようになる。 ｄ_offset＝λ／４（ｎ−１） 式４ ここにλは空気中の光ビームの波長であり、またｎは光
学基板の屈折率である。

【００１５】ｍを任意の整数或いは整数の分数としたと
き、光学基板を通過する入射ビームの隣接する波面間の
位相の相違ｍπについての一般的な規則は、２進光学素
子の第２のセクションと基準セクション間の必要な直角
方向の空間的なオフセットｄ_offsetであり、オフセット
ｄ_offsetは、下記のようになる。 ｄ_offset＝ｍ（λ／２（ｎ−１）） 式５ ここにｎは光学基板の屈折率であり、またλは空気中の
入射光ビームの波長である。

【００１６】光学振幅は、位相反転するときにゼロレベ
ルを通過しなければならないので、ガウスレーザビーム
中に置かれた位相シフト２進光学素子１０は、負と正の
ローブを有する複素振幅を生成するであろうし、また位
相シフト構造に対してビームサイズが適切なとき、ｓｉ
ｎ（ｘ）／ｘ関数を概算するのに使用できるであろう。
他の単純な位相関数も概算できる。

【００１７】位相シフト２進光学素子１０は、偏光ビー
ムを必要としないし、また単一ビームを分割しないが、
むしろ同一ビームの隣接する波面は、互いに位相がシフ
トされる。光線曲げすなわちレンズ効果は、位相シフト
２進光学素子１０に使用されない。

【００１８】２進光学素子の２レベルすなわち２進表面
浮き出し構造は、以下に説明するＶＬＳＩエッチングす
なわち被着技法により加工される。多レベルすなわち多
溝の表面浮き出し構造を加工するのに必要な不可欠の装
置として、例えば、光学基板１２上に連続的に置かれる
一連のマスクを生成する電子またはレーザビームパター
ン生成装置、基板１２上にフォトレジストを散布するス
ピン塗布装置、高精度でマスクを整合してフォトレジス
トを露光するマスク整合装置および紫外線露光システ
ム、および基板１２を所定の深さ、すなわち厚さｄまで
エッチングする反応性イオンエッチング装置がある。

【００１９】第１のマスクを使用する加工プロセスは、
図２に示される。２進表面浮き出し構造が上に加工され
る光学基板１２は、フォトレジスト３０の層でスピン塗
布される。

【００２０】式３または式４は、エッチングのレベルに
対して適切な深さｄを提供する。

【００２１】ついでパターン生成マスク３２は、基板１
２のフォトレジスト塗布面と密着して置かれ、標準の紫
外線フォトレジスト露光システム３４からの紫外線が照
射される。ついでフォトレジスト層３６は、現像され
て、光学基板１２上にフォトレジストのパターン化され
た層３６を生成する。このフォトレジストは、反応性イ
オンエッチングのエッチング停止層として作用する。

【００２２】反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）は、Ｒ
Ｆ電界がガスを励起してイオンを生成するプロセスであ
る。イオンは、基板の材料と反応し、制御された速度で
表面をエッチングする。反応性イオンエッチングプロセ
スは異方性であるので、個別の表面輪郭の垂直側壁が保
持される。ついで基板は、反応性イオンで式で表された
深さまでエッチングされ、残留フォトレジストがあれば
除去されて、光学基板１２に２レベルすなわち２進表面
浮き出しパターン１４を残す。光学基板１２における２
レベルすなわち２進表面浮き出しパターン１４は、位相
シフト２進光学素子１０を形成する。

【００２３】光学基板１２は、Ｇｅ、ＺｎＳｅ、Ｓｉ、
ＧａＡｓおよびＳｉＯ₂ などの材料からも形成できる。

【００２４】光学基板をエッチングする最も信頼できか
つ正確な方法は、反応性イオンエッチングを使用するこ
とである。反応性イオンエッチングのプロセスは、非常
に再現性のある速度で材料を異方性的にエッチングす
る。所要のエッチング深さは、非常に正確に得ることが
できる。このプロセスの異方性特性により、垂直エッチ
ングができるので、真の２進表面浮き出し輪郭が得られ
る。

【００２５】代わりに、光学ビームまたは電子ビームの
パターン生成装置は、フォトレジストの薄い層を露光で
きる。上述したように、基板上のフォトレジストは、電
子ビームパターン生成装置で露光できる。この電子ビー
ム直接書き込みプロセスにより、マスクおよびその対応
する整合および露光上の問題が無くなる。２進光学素子
は、エポキシモールド成形、ゾルゲルモールド成形、エ
ンボス加工、射出モールド成形およびホログラフィー複
製を使用しても複製ができる。

【００２６】図３に示されるように、２進光学素子３８
は、複数の多レベル表面浮き出し位相格子構造４０、４
２、４４および４６を有することができる。２進光学素
子３８からの平行ビーム（図示されない）の位相は、ビ
ームの全体の空間的輪郭に対してシフトできる。

【００２７】２進光学素子の第１と第２の位相シフトセ
クションは、単なる図示用の例である。それぞれ異なる
オフセットを有する複数のセクションは、２進光学素子
を通過する平行ビームの位相シフトの異なる部分へ加工
できる。２進光学素子の複数の位相シフトセクション
は、同心または対称であることを必要としない。２進光
学素子の複数の位相シフトセクションは、光ビームの全
体の空間的輪郭を通して入射光ビームの位相を変えるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に従って形成された位相シフト２進光
学素子の断面の概略説明図である。

【図２】 本発明に従って形成された図１の位相シフト
２進光学素子の加工断面の概略説明図である。

【図３】 本発明に従って形成された多相アポダイゼー
ションに対する２進回折光学素子の平面の概略説明図で
ある。

【符号の説明】

１０…位相シフト２進光学素子、１２…光学基板、１４
…２進表面浮き出しパターン、１６…基準セクション、
１８…隣接セクション、２０，２２…表面、２４…入射
平行光ビーム、２６，２８…波面、３０…フォトレジス
ト、３２…パターン生成マスク、３４…露光システム、
３６…フォトレジスト層、３８…２進光学素子、４０，
４２，４４，４６…多レベル表面浮き出し位相格子構造

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光学基板と、 前記基板上の少なくとも１つの２進表面浮き出しパター
   ンであって、第１のセクションおよび第２のセクション
   を有し、入射光ビームから前記２進表面浮き出しパター
   ンの前記第２のセクションを通して伝送される光ビーム
   が、前記入射光ビームから前記２進表面浮き出しパター
   ンの前記第１のセクションを通して伝送される光ビーム
   から位相がシフトされるように、前記第２のセクション
   は、前記第１のセクションから或る深さだけ直角方向
   に、空間的にオフセットされるようにした少なくとも１
   つの２進表面浮き出しパターンとから構成される入射光
   ビームの隣接する波面を位相シフトする２進光学素子。
2. 【請求項２】前記２進表面浮き出しパターンの前記第２
   のセクションと、前記２進表面浮き出しパターンの前記
   第１のセクションとの間のオフセット深さｄは、 ｄ＝ｍ（λ／４（ｎ−１）） であり、そこにおいてｍはπに換算しての位相シフトで
   あり、ｎは前記光学基板の屈折率であり、またλは空気
   中の前記入射光ビームの波長である請求項１の入射光ビ
   ームの隣接する波面を位相シフトする２進光学素子。