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JPH0246402A - Grating and its production - Google Patents

Grating and its production

Info

Publication number
JPH0246402A
JPH0246402A JP19658988A JP19658988A JPH0246402A JP H0246402 A JPH0246402 A JP H0246402A JP 19658988 A JP19658988 A JP 19658988A JP 19658988 A JP19658988 A JP 19658988A JP H0246402 A JPH0246402 A JP H0246402A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
grating
laminate
substrate
uneven shape
substances
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP19658988A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shinji Uchida
真司 内田
Takaaki Tomita
孝明 富田
Yoshinao Taketomi
義尚 武富
Seiji Nishiwaki
青児 西脇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP19658988A priority Critical patent/JPH0246402A/en
Publication of JPH0246402A publication Critical patent/JPH0246402A/en
Pending legal-status Critical Current

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Landscapes

  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

PURPOSE:To produce easily a grating having high precision and extremely fine periodical pitch by forming a laminated body consisting of at least two kind of material having different refractive index to each other on a base plate. CONSTITUTION:A space 21 is isolated from outside by a bell jar 22 and held under high vacuum with a vacuum pump 23. A base-plate holding stand 24 is attached to the bell jar 22 and a base plate 25 is disposed to the holding stand 24. TiO2 as a vapor-depositing material 28 is contained in a crucible 27, which is vaporized by heating with an electron beam gun 26, scattered in the space 21, and vapor-deposited to the surface of the base plate 25. The thickness of the vapor-deposited film is sensed by a film-thickness sensor 29, and film formation is completed when the thickness reaches a specified value. Then, the vapor-depositing material 28 in the crucible is exchanged with SiO2, which is vaporized again by heating and allowed to deposit as a thin layer to the surface of the base plate 25. By repeating said processes many times, a laminated body having laminated layers in a specified pitch of the film thickness is obtd. Thus, a laminated body 12 consisting of TiO2 having 2.22 refractive index (n) and SiO2 having 1.46 refractive index (n) on a base plate 11 comprising an optical glass is formed with 150nm film thickness.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、薄膜光ヘッドに必須不可欠なキーデバイスと
されているグレーティングカプラー もしくはマイクロ
フレネルレンズ、光合波器・光分波器用のグレーティン
グに関するものである。
[Detailed Description of the Invention] Industrial Application Field The present invention relates to a grating coupler or micro Fresnel lens, which is considered an essential key device in a thin film optical head, and a grating for an optical multiplexer/optical demultiplexer. .

従来の技術 従来より、一般にグレーティングは、切削加工法、電子
ビーム描画法、三光束干渉法を用いて作製されてきた。
BACKGROUND OF THE INVENTION Conventionally, gratings have generally been manufactured using a cutting method, an electron beam lithography method, or a three-beam interferometry method.

どの手法も一長一短があるが、例えば、切削加工法は、
グレーティングピッチをある程度任意に設定できるとい
う反面、光の波長オーダーの高精度微細加工が困難であ
るという欠点があるし、電子ビーム描画法は、パターン
ニングを自在に設定できる反面大面積にわたるパターン
ニングは困難であった。
Each method has its advantages and disadvantages, but for example, the cutting method
Although the grating pitch can be set arbitrarily to some extent, it has the disadvantage that high-precision microfabrication on the order of the wavelength of light is difficult.Although electron beam lithography allows patterning to be set freely, it is difficult to pattern over a large area. It was difficult.

ここではその代表として三光束干渉法について簡単に説
明する。
Here, we will briefly explain three-beam interferometry as a typical example.

三光束干渉法とは、互いにコヒーレントな二つの光波を
干渉させたときに生ずる干渉縞を利用したものである。
Three-beam interferometry utilizes interference fringes produced when two mutually coherent light waves are made to interfere.

例えば、第8図aに示すように、基板81上にフォトレ
ジスト82を塗布したのち、基板81に対してθ5、θ
2の角度で、波長λのレーザ光83を平面波として入射
させる。
For example, as shown in FIG. 8a, after coating a photoresist 82 on a substrate 81, θ5, θ
A laser beam 83 having a wavelength λ is made incident as a plane wave at an angle of 2.

するとこの面上に周期 A=λ/(Sinθ、 +Slnθ2)     (1
)で干渉縞が生じる。
Then, on this surface, the period A=λ/(Sinθ, +Slnθ2) (1
), interference fringes occur.

三光束干渉法は、このような光学的な方法によって得ら
れる干渉縞の光強度パターンを利用したものであり、こ
れによりある周期構造を有したグレーティングが作製で
きるわけである。
The three-beam interferometry utilizes the light intensity pattern of interference fringes obtained by such an optical method, and thereby can produce a grating with a certain periodic structure.

従って、所望の周期への露光パターンを得るには、波長
と入射角を適当に選べばよく、レジストを用いた場合は
現像後に第8図すのようなグレーティングパターンが得
られる(例えば、  光集積回路 西原浩 オーム社)
Therefore, in order to obtain an exposure pattern with a desired period, it is only necessary to appropriately select the wavelength and incident angle, and if a resist is used, a grating pattern as shown in Figure 8 can be obtained after development (for example, the grating pattern shown in Figure 8). Circuit Hiroshi Nishihara Ohmsha)
.

発明が解決しようとする課題 しかしながらこのような三光束干渉法は、基本的に光の
干渉を利用した微細パターン形成方法であるため、パタ
ーンニングできる最小周期というのは、第1式に示すよ
うに、原理的に使用するレーザ光の波長によって決って
しまう。
Problems to be Solved by the Invention However, since the three-beam interferometry method is basically a fine pattern forming method that utilizes light interference, the minimum patterning period is as shown in equation 1. , which is determined in principle by the wavelength of the laser beam used.

第1式より、最小の周期が得られるのは、θ1=θ2=
90° の時で、周期は A=λ/2 で与えられる。これは、二つの光が相対する位置から逆
向きに干渉する場合である。
From the first equation, the minimum period can be obtained as θ1=θ2=
At 90°, the period is given by A=λ/2. This is a case where two lights interfere in opposite directions from opposing positions.

このように、三光束干渉法では、原理的に使用する波長
の約半分のパターンしか作製することができず、現状で
はせいぜいサブミクロンオーダーのパターンしか得るこ
とができなかった。
In this way, three-beam interferometry can, in principle, only produce patterns of approximately half the wavelength used, and at present, patterns of submicron order can only be obtained at most.

また、そのようなサブミクロンオーダーのパターンを得
ようと思えば、入射角を90゛に近づけねばならず、光
の利用効率が悪くなるとともに、光学系の配置が困難と
なり、良好な微細ピッチを有するグレーティングを実現
することは非常に困難であった。
In addition, if you want to obtain such a submicron-order pattern, the angle of incidence must approach 90°, which reduces the efficiency of light use and makes it difficult to arrange the optical system, making it difficult to obtain a good fine pitch. It was extremely difficult to realize a grating with

しかし、グレーティングカプラー等に′代表される光集
積回路の技術的要請は、より微細化、高精度化の方向に
進んでおり、従来の技術ではこのような技術的要請に答
えることができなかった。
However, the technical demands of optical integrated circuits, such as grating couplers, are moving toward smaller dimensions and higher precision, and conventional technology has not been able to meet these technical demands. .

また、直線状の比較的簡単な周期的なパターンは、平面
波を用いて比較的容易に作製できるが、円形状パターン
のような、ある曲率を有した曲線状のパターンは、円柱
面レンズ等の空間変調素子を新たに導入する必要がある
In addition, relatively simple periodic patterns in the form of straight lines can be produced relatively easily using plane waves, but curved patterns with a certain curvature, such as circular patterns, can be produced using cylindrical lenses, etc. It is necessary to newly introduce a spatial modulation element.

これは、ある所望のパターンを得る毎に、光学系の配置
変化を必要とすることを意味しており、種々のパターン
を作製する上で非常に非効率な方法であった。
This means that it is necessary to change the arrangement of the optical system each time a certain desired pattern is obtained, which is a very inefficient method for producing various patterns.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、従来のグ
レーティングよりも、微細な周期を有し、なおかつ高精
度グレーティングを、また非常に自由度に富んだその製
造方法を提供することを目的としている。
The present invention has been made in view of the above, and aims to provide a highly accurate grating that has a finer period than conventional gratings, and a method for manufacturing the same that is highly flexible. It is said that

課題を解決するための手段 上記課題を解決するため本発明は、第一に、基板上に、
屈折率が相異なる少なくとも2種類の物質を順次積層し
、積層部の端面を成形加工を施して、端面を滑らかにし
、第二の手段としては、基板上に、少なくとも2種類の
物質を順次積層し、積層部の端面を選択性除去加工を施
して、端面を凹凸形状とし、第三の手段としては、薄膜
形成装置内に、円柱もしくは中空円柱状部材を設定し、
この部材を回転機構を用いて回転させながら、外周面に
、少なくとも2種類の物質を順次積層することにより円
環状積層体を得た後、円環状積層体の端面を成形加工を
施して端面を滑らかにするものである。
Means for Solving the Problems In order to solve the above-mentioned problems, the present invention first provides, on a substrate,
At least two types of substances having different refractive indexes are sequentially laminated, and the end faces of the laminated portion are formed to make the end faces smooth.As a second means, at least two types of substances are sequentially laminated on a substrate. Then, the end face of the laminated portion is subjected to selective removal processing to make the end face an uneven shape, and as a third means, a cylinder or a hollow cylindrical member is set in the thin film forming apparatus,
While rotating this member using a rotation mechanism, at least two types of substances are sequentially laminated on the outer circumferential surface to obtain an annular laminate, and then the end faces of the annular laminate are molded to form the end faces. It smooths things out.

また、だ第四の手段としては、薄膜形成装置内に、円柱
もしくは中空円柱状部材を設定し、この部材を回転機構
を用いて回転させながら、外周面に、少なくとも2種類
の物質を順次積層することにより円環状積層体を得た後
、円環状積層体の端面を選択性除去加工を施して凹凸形
状とするものである。
In addition, as a fourth means, a cylinder or a hollow cylinder member is set in the thin film forming apparatus, and at least two types of substances are sequentially laminated on the outer peripheral surface while rotating this member using a rotation mechanism. After obtaining an annular laminate by doing this, selective removal processing is performed on the end face of the annular laminate to form an uneven shape.

また、第五の手段としては、基板上に、少なくとも2種
類の物質を、薄膜形成装置を用いて順次積層し、積層部
の端面を選択性除去加工を施して、凹凸形状とし、この
グレーティングをスタンパとして用いるか、もしくは、
グレーティングをマスタとして作製されたスタンパを用
いて、凹凸形状本発明の第1実施例に於けるグレーティ
ングを第1図に示す。
In addition, as a fifth means, at least two types of substances are sequentially laminated on a substrate using a thin film forming apparatus, and the end faces of the laminated portion are selectively removed to form an uneven shape, and this grating is formed. Use it as a stamper or
FIG. 1 shows a grating in a first embodiment of the present invention having an uneven shape using a stamper manufactured using the grating as a master.

基板11上にTiO2、SiO2からなる積層体12が
形成された構造となっている。
The structure is such that a laminate 12 made of TiO2 and SiO2 is formed on a substrate 11.

ここで基板11は、光学ガラスの一種であるBK7(商
標)であり、TiO2の屈折率はn=2.22、SiO
2の屈折率はn=1.46であり、膜厚は両者とも15
0nmである。
Here, the substrate 11 is BK7 (trademark), which is a type of optical glass, the refractive index of TiO2 is n=2.22, and the SiO2
The refractive index of 2 is n=1.46, and the film thickness of both is 15
It is 0 nm.

本発明は、このような積層体の端面Aを用いるもので、
一般に屈折率変調形グレーティングと呼ばれているもの
である。すなわち、屈折率変化が1.46から2.22
であり、なおかつその微細周期パターンの間隔が150
nmである屈折率変調型グレーティングを示している。
The present invention uses the end surface A of such a laminate,
This is generally called a refractive index modulation type grating. That is, the refractive index change is from 1.46 to 2.22.
, and the interval of the fine periodic pattern is 150
A refractive index modulated grating with a wavelength of 100 nm is shown.

次に、本発明の第1実施例に於けるグレーティングの製
造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing a grating in the first embodiment of the present invention will be described.

製造方法は、主に、少なくとも2種類からなる積層体の
製造工程と、積層体の端面を加工する工程に大別できる
The manufacturing method can be roughly divided into a process for manufacturing a laminate made of at least two types, and a process for processing end faces of the laminate.

まず、積層体の製造方法について述べる。First, a method for manufacturing the laminate will be described.

第2図に積層体の製造装置の模式図を示す。FIG. 2 shows a schematic diagram of a laminate manufacturing apparatus.

これは、一般に電子ビーム真空蒸着装置と呼ばれる薄膜
形成装置である。
This is a thin film forming apparatus generally called an electron beam vacuum evaporation apparatus.

ここで、空間21は、ベルジャ22によって外部から隔
離されており、真空ポンプ23によって高真空に保たれ
ている。
Here, the space 21 is isolated from the outside by a bell jar 22 and maintained at a high vacuum by a vacuum pump 23.

また、ベルジャ22には基板保持台24が取り付けられ
ており、更にこれには基板25が設置されている。ここ
で、基板25は光学ガラスの一種であるBK7(商標)
を用いる。
Further, a substrate holding stand 24 is attached to the bell jar 22, and a substrate 25 is further installed on this. Here, the substrate 25 is made of BK7 (trademark), which is a type of optical glass.
Use.

ルツボ27内には蒸着材料28であるTiO2を設定し
、電子ビーム銃26によって加熱して蒸発させる。蒸発
した蒸発分子は、空間21内を舟遊して基板25の表面
に付着する。
TiO2, which is a vapor deposition material 28, is set in the crucible 27, and is heated and evaporated by the electron beam gun 26. The evaporated molecules float within the space 21 and adhere to the surface of the substrate 25.

膜厚は、膜厚センサ29によって検知し、所定の膜厚を
形成した段階で製膜を終了する。
The film thickness is detected by a film thickness sensor 29, and the film formation is terminated when a predetermined film thickness is formed.

これにより、ある屈折率とある膜厚を有した薄膜層が作
製することができる。
Thereby, a thin film layer having a certain refractive index and a certain thickness can be produced.

次に、ルツボ27内の蒸着材料28をSiO2に交換し
再度加熱することにより蒸発させ、基板25の表面に薄
膜層を更に積層する。
Next, the evaporation material 28 in the crucible 27 is replaced with SiO2 and heated again to evaporate it, and a thin film layer is further laminated on the surface of the substrate 25.

このような工程を多数回繰り返すことにより、ある膜厚
間隔で積層した積層体を作製することができ、これで積
層体の製造工程を完了する。
By repeating such a process many times, it is possible to produce a laminate in which layers are stacked at a certain thickness interval, and this completes the laminate manufacturing process.

第2図では、水晶に付着した膜の質量変化を計測して膜
厚を制御する水晶振動子膜厚センサの概略図を示したが
、基本的に膜厚を管理できるものであれば何でも構わな
い。
Figure 2 shows a schematic diagram of a quartz crystal oscillator film thickness sensor that controls the film thickness by measuring changes in the mass of the film attached to the crystal, but basically any sensor that can control the film thickness may be used. do not have.

例えば、光学薄膜の膜厚管理によく使用されるような、
あるモニタ試料に製膜された薄膜の反射光量を検知して
膜厚をコントロールする反射光量膜厚モニターとか、蒸
着物質の吸収特性を利用して蒸発量を管理することによ
り膜厚をコントロールする原子吸光式膜厚モニター等が
あげらる。
For example, such as is often used for controlling the thickness of optical thin films.
There are reflected light and film thickness monitors that control the film thickness by detecting the amount of reflected light from a thin film deposited on a certain monitor sample, and atomic monitors that control the film thickness by controlling the amount of evaporation using the absorption characteristics of the deposited substance. Examples include absorption type film thickness monitors.

誘電体のような、可視域で透明な物質に関しては反射光
量膜厚モニターが有用であるし、金属もしくは半導体の
ような不透明であるものには、水晶振動子膜厚センサも
しくは原子吸光式膜厚モニタが有用である。
For materials that are transparent in the visible range, such as dielectrics, a reflected light amount film thickness monitor is useful; for materials that are opaque, such as metals or semiconductors, a crystal oscillator film thickness sensor or an atomic absorption film thickness sensor is useful. A monitor is useful.

前述の製造工程によって作製した積層体の拡大模式図を
第3図に示す。
FIG. 3 shows an enlarged schematic diagram of the laminate produced by the above manufacturing process.

基板上にTiO2、SiO2からなる積層体が形成され
ている。
A laminate made of TiO2 and SiO2 is formed on the substrate.

しかし、積層方向と平行な端面Aは、ダしており良好な
光学面とは言えない。
However, the end surface A parallel to the lamination direction is curved and cannot be said to be a good optical surface.

これは、製膜時に蒸発物質が基板側面に回り込んだ結果
、形成されたもので積層体形成の原理」二防ぐことは困
難である。
This is formed as a result of evaporated substances wrapping around the side surfaces of the substrate during film formation, and it is difficult to prevent this from occurring due to the principle of forming a laminate.

そこで、第3図に示す積層体の端面Aを光学研磨により
平坦にするか、もしくは、b−b−面によって切断加工
を行なうことにより、第1図に示したようなグレーティ
ングを容易に得ることができるわけである。
Therefore, it is possible to easily obtain a grating as shown in FIG. 1 by flattening the end surface A of the laminate shown in FIG. 3 by optical polishing or by cutting it along the b-b plane. It is possible to do this.

本実施例のグレーティングは、種々の利点を有しており
、以下に説明する。
The grating of this embodiment has various advantages, which will be explained below.

第一に、高精度なグレーティングを実現できるという点
である。
First, it is possible to realize highly accurate gratings.

一般に薄膜作製装置による薄膜層の厚みは、原理上、数
nmの膜厚コントロールが可能である。
In general, the thickness of a thin film layer produced by a thin film manufacturing apparatus can be controlled within several nanometers in principle.

従って、第1実施例に示したような150nmの周期間
隔を有するグレーティングの製造誤差は、約1%程度と
なり、従来と比べても極めて高精度な周期間隔を有する
グレーティングを作製できる。
Therefore, the manufacturing error of the grating having a periodic interval of 150 nm as shown in the first embodiment is about 1%, and it is possible to manufacture a grating having a periodic interval of extremely high accuracy compared to the conventional method.

また第2の利点として、周期間隔を自由自在に設定でき
るという点である。
A second advantage is that the cycle interval can be set freely.

薄膜形成時の膜厚を、製膜時間等を調整してコントロー
ルすることにより、周期間隔を任意にしかも容易に設定
できるわけである。
By controlling the film thickness during thin film formation by adjusting the film forming time, etc., the periodic interval can be arbitrarily and easily set.

このことは、従来の2光束干渉法による方法であると、
大がかりな光学系を再設計する必要があるし、またその
自由度も、原理上ある程度限定されていたために非常に
困難なことであった。
This means that in the conventional two-beam interferometry method,
This was extremely difficult because it required a large-scale redesign of the optical system, and its degree of freedom was limited to some extent in principle.

しかし、本発明の方法では容易に実現できるため、極め
て有用な利点であると言える。
However, since the method of the present invention can be easily realized, it can be said to be an extremely useful advantage.

また第3の利点として、屈折率変化を非常に大きくでき
ることがあげられる。
A third advantage is that the change in refractive index can be made very large.

周期的な屈折率変化に関して言えば、カルコゲナイド非
晶質薄膜を、光もしくは電子ビームにより直接加工を行
うことによっても実現できるが、屈折率変化をたかだか
約Δn=0.14程度にしか実現することができず、決
して十分な方法とはいえない。
As for periodic refractive index changes, it can be achieved by directly processing a chalcogenide amorphous thin film with light or electron beams, but it is only possible to achieve a refractive index change of about Δn=0.14 at most. This is by no means an adequate method.

しかし、本発明の方法によれば、積層する物質をニーズ
に応じて選んでやることにより、極めて容易に大きな屈
折率変化を得ることができるわけである。
However, according to the method of the present invention, by selecting the materials to be laminated according to needs, it is possible to obtain a large refractive index change extremely easily.

従って本発明は、微細周期パターンを自在にしかも高精
度に実現できるだけでなく、屈折率変化も大きくできる
ため、実用的にも極めて有用であるといえる。
Therefore, it can be said that the present invention is extremely useful from a practical standpoint, since not only can a fine periodic pattern be freely realized with high precision, but also the refractive index can be changed greatly.

もちろん、このことは、第1実施例で説明した誘電体だ
けに当てはまるものではなく、金属、半導体等の物質に
於ても有用なものである。
Of course, this does not apply only to the dielectric described in the first embodiment, but is also useful for materials such as metals and semiconductors.

次に、本発明の第2実施例として、円環状グレーティン
グについて述べる。
Next, a circular grating will be described as a second embodiment of the present invention.

第1実施例では、基板形状が平面のものを用いたが、あ
る曲面形状のものを利用することもできる。
In the first embodiment, a flat substrate was used, but a curved substrate may also be used.

例えば、円柱状基板を用いることにより、第4図aに示
すような円環状のグレーティングも作製することができ
る。
For example, by using a cylindrical substrate, an annular grating as shown in FIG. 4a can also be produced.

円環状グレーティングは、その中心部に設けた円柱状基
板41と、その外周部に積層した積層体42を有するも
のであり、積層体42の円環状端面をグレーティングと
して使用するものである。
The annular grating has a cylindrical substrate 41 provided at its center and a laminate 42 stacked on its outer periphery, and the annular end face of the laminate 42 is used as the grating.

円環状グレーティングは、平板状に作製したグレーティ
ングよりも、積層体の膜応力を緩和できる形状であり、
より多層の積層体を作製する上で非常に有用である。
An annular grating has a shape that can alleviate the film stress of the stacked body more than a grating made in a flat plate shape.
This is very useful for producing multilayer laminates.

まず、円環状グレーティングの作製方法について説明す
る。
First, a method for manufacturing an annular grating will be described.

基板としては、第5図に示すような円柱状基板51を用
いる。基板材料としては、光学ガラス、金属、各種結晶
、もしくは熱膨張係数が極めて小さいゼロデユア−(商
標)等があげられる。
As the substrate, a cylindrical substrate 51 as shown in FIG. 5 is used. Examples of the substrate material include optical glass, metal, various crystals, and Zerodure (trademark) having an extremely small coefficient of thermal expansion.

ここでは、その−例として、光学ガラスの一種であるB
K7(商標)を用いる。
Here, as an example, B
Use K7 (trademark).

また、積層体作製装置として、第6図に示すような基板
回転機構62を有した薄膜形成装置を用いる。
Further, as a laminate manufacturing apparatus, a thin film forming apparatus having a substrate rotation mechanism 62 as shown in FIG. 6 is used.

円柱状基板61は、基板回転機構62にセットし、矢印
に示すような方向に回転させる。
The cylindrical substrate 61 is set in a substrate rotation mechanism 62 and rotated in the direction shown by the arrow.

この時、円柱状基板61の外周面の法線方向は、蒸発源
に向かうようセットする。このようにして、蒸着物質を
蒸発させると、基板表面に均一な円環状薄膜層を作製す
ることができる。これを何回か繰り返すことにより所望
の微細周期構造を有した円環状のパターンを作製できる
At this time, the normal direction of the outer peripheral surface of the cylindrical substrate 61 is set to face the evaporation source. By evaporating the deposition material in this manner, a uniform annular thin film layer can be produced on the substrate surface. By repeating this several times, a circular pattern having a desired fine periodic structure can be produced.

しかし、実際にこのような方法で作製した円環状積層体
は、第1実施例でも説明したようにダした形状となって
いるので、端面に光学研磨を施す必要がある。端面を光
学研磨した状態を第4図すに示す。
However, since the annular laminate actually produced by such a method has a rounded shape as explained in the first embodiment, it is necessary to optically polish the end face. Figure 4 shows the state in which the end face has been optically polished.

本発明の円環状グレーティングは、この端面を利用する
もので、非常に微細な屈折率の周期パターンを実現する
ことができる。
The annular grating of the present invention utilizes this end face, and can realize a very fine periodic pattern of refractive index.

また、この時円柱状基板61を長手方向に切断した後、
端面を光学研磨すると、第4図aに示したような円環状
グレーティングが作製できる。
At this time, after cutting the cylindrical substrate 61 in the longitudinal direction,
By optically polishing the end face, an annular grating as shown in FIG. 4a can be produced.

これにより、複数個の円環状グレーティングを作製でき
るため、量産性を考えても非常に有用な方法である。
This makes it possible to fabricate a plurality of annular gratings, making it an extremely useful method in terms of mass production.

このような方法は、第1実施例においても有用である。Such a method is also useful in the first embodiment.

また、本発明の円環状グレーティングは、円環状グレー
ティングカップラー マイクロフレネルレンズに特に有
用である。
Further, the annular grating of the present invention is particularly useful for an annular grating coupler micro Fresnel lens.

従来の方法によるグレーティングでは、その微細周期間
隔に限界があるため、より十分な回折角、NAを得るこ
とは、非常に困難なことであった。
With gratings made by conventional methods, there is a limit to the fine periodic spacing, so it has been extremely difficult to obtain a more sufficient diffraction angle and NA.

しかし、本発明の製造方法を用いれば、更に高精度で微
細なグレーティングを作製できるため、より、高性能な
グレーティングカップラー マイクロフレネルレンズを
実現でき、これらを用いた光学機器の性能を向上する上
でも極めて有用である。
However, by using the manufacturing method of the present invention, it is possible to produce even finer gratings with even higher precision, making it possible to realize even higher performance grating couplers and micro Fresnel lenses, which can also be used to improve the performance of optical equipment using them. Extremely useful.

このことは、屈折率変調形グレーティングにのみ当ては
まるものではなく、凹凸形状を有するグレーティングに
も当てはまることである。
This applies not only to refractive index modulation type gratings but also to gratings having an uneven shape.

本発明の第3実施例として、レリーフ形グレーティング
について説明する。
As a third embodiment of the present invention, a relief type grating will be described.

レリーフ形グレーティングの製造方法は、基本的に第1
実施例と同様で、主に積層体を製造する工程と、積層体
の端面を加工する工程とに大別できる。
The manufacturing method for relief type gratings is basically
Similar to the embodiment, the process can be roughly divided into the process of manufacturing the laminate and the process of processing the end faces of the laminate.

しかし、端面加工工程において、凹凸形状に加工する点
で、第1実施例の屈折率変調型グレーティングと異なる
However, it differs from the refractive index modulation type grating of the first embodiment in that it is processed into an uneven shape in the end face processing step.

レリーフ形グレーティングとは、微細な凹凸形状を利用
したグレーティングを言うが、積層する物質の光学的な
特性が異なれば、屈折率変調型グレーティングとレリー
フ形グレーティングの混在したグレーティングと言うこ
とができる。
A relief type grating refers to a grating that utilizes a fine uneven shape, but if the optical properties of the laminated materials differ, it can be said to be a grating that is a mixture of a refractive index modulation type grating and a relief type grating.

従って、光学特性の異なる物質により積層してやれば、
容易に両者の混在したグレーティングを実現でき、高性
能なグレーティングを作製する上で非常に有用であると
言える。
Therefore, if materials with different optical properties are laminated,
It is possible to easily create a grating that includes both, and it can be said to be extremely useful in producing high-performance gratings.

まず、積層体の製造方法について簡単に説明する。First, a method for manufacturing a laminate will be briefly described.

積層体の材料としては、Ta(タンタル)、Nbにオブ
)、Ti(チタン)等の比較的硬い物質と、A1(アル
ミ)等の比較的柔らかい物質の組合せであれば基本的に
問題はない。すなわち積層する物質量に、被削性もしく
は硬度等の差があれば利用できる。
There is basically no problem as long as the material for the laminate is a combination of a relatively hard substance such as Ta (tantalum), Nb and titanium, and a relatively soft substance such as A1 (aluminum). . That is, it can be used if there is a difference in machinability, hardness, etc. in the amount of laminated materials.

ここでは、その−例として、Ti (チタン)とAI(
アルミ)を選ぶことにする。
Here, as an example, Ti (titanium) and AI (
I decided to choose aluminum.

まず、第1実施例で述べたグレーティング作製装置を用
いて、TiとAIの積層体を作製する。
First, a laminate of Ti and AI is manufactured using the grating manufacturing apparatus described in the first embodiment.

これも、第1実施例で示したように、薄膜形成時の回り
込みによって、端面形状がダしている。
Also, as shown in the first embodiment, the shape of the end face is distorted due to wraparound during formation of the thin film.

そこで、端面を研磨した状態を第7図の模式図に示す。Therefore, the state in which the end face has been polished is shown in a schematic diagram in FIG.

端面形状が、積層体の膜厚に準じて、凹凸形状が実現さ
れている。
The end face shape has an uneven shape according to the film thickness of the laminate.

これは、研磨時において、TiとA1の硬度もしくは被
削性の違いから、それぞれの研磨量に差が生じたためで
ある。研磨条件を変更することにより、この時に生じる
段差を調整することができる。
This is because, during polishing, there was a difference in the amount of polishing between Ti and A1 due to the difference in hardness or machinability. By changing the polishing conditions, the difference in level that occurs at this time can be adjusted.

光学研磨方法としては、例えば、メカノケミカル反応を
利用した法が有用である。
As an optical polishing method, for example, a method using a mechanochemical reaction is useful.

以上、機械的な精密研磨を用いて、凹凸形状を得る方法
について述べてきたが、半導体の微細加工によく用いら
れるエツチング方法も非常に有用な方法である。
So far, we have described a method for obtaining a concavo-convex shape using precision mechanical polishing, but an etching method often used for microfabrication of semiconductors is also a very useful method.

次に、機械研磨に変わって、エツチングを利用した凹凸
形状加工法について説明する。
Next, a method for processing the uneven shape using etching instead of mechanical polishing will be explained.

エツチングとしては、ドライエツチングとウェットエツ
チングに大別できる。
Etching can be broadly classified into dry etching and wet etching.

ドライエツチングとしては、例えばプラズマエツチング
、スパッタエツチング、反応性イオンエツチング、イオ
ンビームエツチング等があげられる。
Examples of dry etching include plasma etching, sputter etching, reactive ion etching, and ion beam etching.

従って、積層体の材料選定に当たっては、ドライエツチ
ングに対するエツチングレートの異なる物質を用いれば
、容易に凹凸形状を作製することができる。
Therefore, when selecting materials for the laminate, if materials with different etching rates for dry etching are used, an uneven shape can be easily produced.

また、ウェットエツチングとしては、その使用するエツ
チング液として考えられるものに、銅に対しては塩化第
二鉄水溶液、S 102、S 13N4に対しては40
%弗化アンモニウム水溶水溶液酸弗酸0: 1のバッフ
ァエツチング液(Si不溶)等があげられる。
In addition, for wet etching, the etching solutions used include ferric chloride aqueous solution for copper, and 40 for S102 and S13N4.
Examples include a buffered etching solution (Si-insoluble) containing 0:1 ammonium fluoride solution, acid-hydrofluoric acid solution, and the like.

例えば、TiとA1の積層体に対して適当なエッチング
液としては、5〜10%の水酸化ナトリウム水溶液があ
り、これを用いて選択的にAtを除去することができる
し、またSiとSiO2の積層体には前述のバッファエ
ツチング液を利用してSiO2を選択的に除去できる。
For example, a 5-10% aqueous sodium hydroxide solution is a suitable etching solution for a Ti and A1 stack, and At can be selectively removed using this solution. SiO2 can be selectively removed from the laminate using the buffer etching solution described above.

すなわち、使用する薄膜材料に応じたエツチング液を用
いれば、容易に凹凸形状を実現できるわけで、選択性を
示すものであれば何でも利用することができる。
That is, by using an etching solution suitable for the thin film material used, a concavo-convex shape can be easily realized, and any etching solution that exhibits selectivity can be used.

この際、エツチング効率並びに凹凸の溝深さを更に深く
するには、積層体をエツチング水溶液中に設定した後、
積層体を回転もしくは振動させることにより実現できる
。これは、製造性を考えても非常に有用である。
At this time, in order to further increase the etching efficiency and the groove depth of the unevenness, after setting the laminate in the etching aqueous solution,
This can be achieved by rotating or vibrating the laminate. This is very useful in terms of manufacturability.

以上述べたエツチング方法のうち、どのエツチング方法
を用いるかは、薄膜材料、もしくは所望の凹凸形状によ
って決定すれば良い。
Which etching method to use among the above-mentioned etching methods may be determined depending on the thin film material or the desired uneven shape.

また、所望の微細周期パターンの間隔もしくはパターン
数によっては、積層体に剥離、クラックが生じることが
ある。このような場合には、膜応力を考えて材料を選択
してやるか、もしくは他の薄膜作製方法を選ぶことによ
り対処できる。
Further, depending on the desired spacing between fine periodic patterns or the number of patterns, peeling or cracking may occur in the laminate. Such a case can be dealt with by selecting a material with film stress in mind, or by choosing another thin film manufacturing method.

ここまでは、真空蒸着法を用いて薄膜を形成してきたが
、スパッタリング法、イオンブレーティング法、 CV
D法、 MBE法、 ICB法、 IAD法、レーザフ
ラッシュ法を利用しても実現できる。
Up to this point, thin films have been formed using vacuum evaporation, but sputtering, ion blating, CV
This can also be achieved using the D method, MBE method, ICB method, IAD method, or laser flash method.

一般に、製膜方法が変われば形成される薄膜の膜応力が
変化することが知られている。例えば、真空蒸着法によ
るものでは、引張り応力であったものが、スパッタリン
グ法では、圧縮応力にすることができるというものであ
る。
It is generally known that the film stress of the formed thin film changes if the film forming method changes. For example, what is a tensile stress when using a vacuum evaporation method can be made into a compressive stress when using a sputtering method.

また、同じ製膜方法であったとしても、製膜レート、基
板温度等の製膜条件によっても著しく変化させることが
できる。
Further, even if the film forming method is the same, it can be significantly changed depending on the film forming conditions such as the film forming rate and substrate temperature.

従って、これらを考慮して薄膜作製を行えば非常に良好
な微細周期パターンを得ることができる。
Therefore, if a thin film is prepared with these considerations in mind, a very good fine periodic pattern can be obtained.

また、以上、要約すると、基本的に積層体を構成する物
質量にエツチングレートの相違があれさえすれば容易に
凹凸形状を実現できる。従って、誘電体と金属もしくは
半導体、どの様な組合せでもレリーフ形グレーティング
を実現することができる。
Further, to summarize the above, basically, as long as there is a difference in the etching rate in the amount of material constituting the laminate, an uneven shape can be easily realized. Therefore, relief gratings can be realized using any combination of dielectrics and metals or semiconductors.

次に、このようなレリーフ形グレーティングを利用して
、新たにレリーフ形グレーティングを作製する本発明の
第4実施例について簡単に述べる。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be briefly described in which a new relief grating is manufactured using such a relief grating.

第3実施例で述べたようなレリーフ形グレーティングは
、基本的にそのまま使用することができるわけであるが
、これを簡単に複製することができる。
Although the relief type grating described in the third embodiment can basically be used as is, it can be easily reproduced.

すなわち、第3実施例で作製されたレリーフ形グレーテ
ィングを、マスタとしてスタンパを作製するか、あるい
はレリーフ形グレーティングをそのままスタンパとして
用いて、他の部材に転写して多数個作製するものである
That is, a stamper is produced using the relief grating produced in the third embodiment as a master, or a large number of stampers are produced by using the relief grating as it is as a stamper and transferring it to another member.

この製造方法にによって作製されたレリーフ形グレーテ
ィングは、ある部材上に凹凸形状のみが転写されたもの
であるから、基本的に光学定数が均一である。
The relief grating produced by this manufacturing method has only the uneven shape transferred onto a certain member, and therefore has basically uniform optical constants.

従って、第3実施例の一例で示したような、屈折率変調
形とレリーフ形グレーティングの混在したグレーティン
グを、屈折率が一定で幾何学的形状だけが異なった、レ
リーフ形グレーティングに置き換えることができるわけ
である。
Therefore, a grating in which a refractive index modulation type and a relief type grating are mixed, as shown in the example of the third embodiment, can be replaced with a relief type grating that has a constant refractive index and differs only in geometric shape. That's why.

このことは、グレーティングを設計する際に、設計の自
由度を増やすと言う意味で非常に有用である。
This is very useful in the sense of increasing the degree of freedom in designing the grating.

また、−旦、スタンパとなるグレーティングを作製さえ
すれば、本発明の非常に高精度な微細周期パターンを有
したグレーティングを、容易に多数個複製できるため、
量産性が非常に高く、実用的にも非常に有用であると言
える。
Furthermore, once a grating to be used as a stamper is manufactured, it is possible to easily reproduce a large number of gratings having very high precision fine periodic patterns according to the present invention.
It can be said that it has very high mass productivity and is very useful in practical terms.

なお、本発明は微小な屈折率もしくは凹凸形状を利用し
たグレーティングに限らず、一般に微細な周期構造を利
用するデバイスとして適用できるものである。
Note that the present invention is applicable not only to gratings that utilize a minute refractive index or uneven shape, but also to devices that generally utilize a minute periodic structure.

発明の効果 以上のように本発明のグレーティングは、少なくとも2
種類の物質を薄膜形成装置を用いて積層した積層体の端
面を利用したものである。
As described above, the grating of the present invention has at least 2
This method utilizes the end face of a laminate made by laminating different types of materials using a thin film forming device.

そのため、極めて高精度で、なおかつ、超微細周期間隔
を有するグーレーティングを容易に作製できるという効
果を有する。
Therefore, it is possible to easily produce a grating with extremely high precision and ultra-fine periodic intervals.

また、積層する物質を自由に選定できるため、屈折率変
化を大きく、また、自在に制御することができる効果を
有する。
Furthermore, since the materials to be laminated can be freely selected, the change in refractive index can be increased and can be freely controlled.

また、薄膜作成装置を用いてグレーティングを作成する
という原理上、屈折率もしくは凹凸形状の微細間隔を自
在にコントロールできるという効果があり、実際のグレ
ーティング設計において、極めて有用であり、実用的に
も非常に価値が高いといえる。
In addition, due to the principle of creating gratings using thin film manufacturing equipment, it is possible to freely control the refractive index or the fine spacing of the uneven shape, which is extremely useful in actual grating design, and is also very practical. It can be said that it is of high value.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の第1実施例に於けるグレーティングの
概要を示す模式図、第2図はグレーティングの積層体の
作製装置の概要図、第3図はグレーティング作製装置に
よって作製された積層体の模式図、第4図は本発明の第
2実施例における円環状グレーティングの概要図、第5
図は円環状グレーティングに使用した円柱状基板の一例
を示す概要図、第6図は円環状グレーティングの製造方
法を示す概要図、第7図は本発明の凹凸形状を有したグ
レーティングの形状を示す模式図、第8図は従来より用
いられている三光束干渉法によるグレーティングの作製
方法を示す概略図である。 11、25、71、81・・・基板、 12、42、7
211・壷積層体、 21・・・空間、22.69・・
拳ベルジャ、23.65・・・真空ポンプ、24・・・
基板保持台、26.66・・・電子ビーム銃、27.6
7・・・ルツボ、28.68・・拳蒸着材料、29.7
0・e・膜厚センサ、41、E31・・−円柱状基板、
62・・・基板回転機+L63・・・ベルト、64・・
拳モータ、82・・・レジスト、83・・・光ビーム。 代理人の氏名 弁理士 粟野重孝 はか1名第 図 (α)
FIG. 1 is a schematic diagram showing the outline of a grating in the first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram of a grating laminate manufacturing apparatus, and FIG. 3 is a laminate manufactured by the grating manufacturing apparatus. FIG. 4 is a schematic diagram of the annular grating in the second embodiment of the present invention, and FIG.
The figure is a schematic diagram showing an example of a cylindrical substrate used for an annular grating, FIG. 6 is a schematic diagram showing a method for manufacturing an annular grating, and FIG. 7 is a diagram showing the shape of a grating having an uneven shape according to the present invention. The schematic diagram, FIG. 8, is a schematic diagram showing a method of manufacturing a grating by the conventional three-beam interferometry. 11, 25, 71, 81...Substrate, 12, 42, 7
211. Urn laminate, 21... Space, 22.69...
Fist bell jar, 23.65...Vacuum pump, 24...
Substrate holding stand, 26.66... Electron beam gun, 27.6
7... Crucible, 28.68... Fist vapor deposition material, 29.7
0・e・Film thickness sensor, 41, E31...-Cylindrical substrate,
62...Substrate rotating machine +L63...Belt, 64...
Fist motor, 82...Resist, 83...Light beam. Name of agent: Patent attorney Shigetaka Awano Figure 1 (α)

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)基板上に、屈折率が相異なる少なくとも2種類の
物質からなる積層体が形成されたことを特徴とするグレ
ーティング。
(1) A grating characterized in that a laminate made of at least two types of substances having different refractive indexes is formed on a substrate.
(2)円柱もしくは中空円柱状部材の外周面に、屈折率
が相異なる少なくとも2種類の物質からなる円環状積層
体が形成されたことを特徴とするグレーティング。
(2) A grating characterized in that an annular laminate made of at least two types of substances having different refractive indexes is formed on the outer peripheral surface of a cylinder or a hollow cylinder member.
(3)基板上に、屈折率が相異なる少なくとも2種類の
物質からなる積層体が形成され、前記積層体の端面が凹
凸形状であることを特徴とするグレーテイング。
(3) A grating characterized in that a laminate made of at least two types of substances having different refractive indexes is formed on a substrate, and the end face of the laminate has an uneven shape.
(4)円柱もしくは中空円柱状部材の外周面に、少なく
とも2種類の物質からなる円環状積層体が形成され、前
記積層体の端面が凹凸形状であることを特徴とするグレ
ーティング。
(4) A grating characterized in that an annular laminate made of at least two types of substances is formed on the outer peripheral surface of a cylinder or a hollow cylindrical member, and the end face of the laminate has an uneven shape.
(5)基板上に、屈折率が相異なる少なくとも2種類の
物質を順次積層し、前記積層部の端面に成形加工を施す
ことにより、前記端面を滑らかにすることを特徴とする
グレーティングの製造方法。
(5) A method for manufacturing a grating, characterized in that at least two types of substances with different refractive indexes are sequentially laminated on a substrate, and the end faces of the laminated portion are formed to make the end faces smooth. .
(6)基板上に、少なくとも2種類の物質を順次積層し
、前記積層部の端面を選択性除去加工を施すことにより
凹凸形状にしたことを特徴とするグレーティングの製造
方法。
(6) A method for manufacturing a grating, characterized in that at least two types of substances are sequentially laminated on a substrate, and the end face of the laminated portion is made into an uneven shape by performing selective removal processing.
(7)薄膜形成装置内に、円柱もしくは中空円柱状部材
を設定し、前記円柱もしくは中空円柱状部材を回転機構
を用いて回転させながら、外周面に、少なくとも2種類
の物質を順次積層することにより円環状積層体を得た後
、前記円環状積層体の端面を成形加工を施して前記端面
を滑らかにすることを特徴とするグレーティングの製造
方法。
(7) A cylinder or hollow cylinder member is set in a thin film forming apparatus, and at least two types of substances are sequentially laminated on the outer peripheral surface while rotating the cylinder or hollow cylinder member using a rotation mechanism. 1. A method for manufacturing a grating, comprising: obtaining an annular laminate, and then subjecting an end face of the annular laminate to a shaping process to make the end face smooth.
(8)薄膜形成装置内に、円柱もしくは中空円柱状部材
を設定し、前記円柱もしくは中空円柱状部材を回転機構
を用いて回転させながら、外周面に少なくとも2種類の
物質を順次積層することにより円環状積層体を得た後、
前記円環状積層体の端面を選択性除去加工を施して前記
端面を凹凸形状にすることを特徴とするグレーティング
の製造方法。
(8) A cylinder or hollow cylinder member is set in a thin film forming apparatus, and at least two types of substances are sequentially laminated on the outer peripheral surface while rotating the cylinder or hollow cylinder member using a rotation mechanism. After obtaining the annular laminate,
A method for manufacturing a grating, comprising performing selective removal processing on the end face of the annular laminate to make the end face an uneven shape.
(9)凹凸形状を有するグレーティングをスタンパとし
て用いるか、もしくは、前記グレーティングをマスタと
して作製されたスタンパを用いて、凹凸形状を他の部材
に転写することにより凹凸形状を得ることを特徴とする
グレーティングの製造方法。
(9) A grating characterized in that the uneven shape is obtained by using a grating having an uneven shape as a stamper, or by transferring the uneven shape to another member using a stamper manufactured using the grating as a master. manufacturing method.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006267100A (en) * 2005-03-22 2006-10-05 General Electric Co <Ge> Fiber optic sensing device and method of making and operating the same
JP2015135514A (en) * 2009-12-15 2015-07-27 トヨタ モーター エンジニアリング アンド マニュファクチャリング ノース アメリカ,インコーポレイティド Grating structure for dividing light

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