专利名称：衍射光学元件以及衍射光学元件的制造方法
技术领域：
本发明涉及衍射光学元件以及衍射光学元件的制造方法，特别涉及具有台阶形状的元件的衍射光学元件及其制造方法。
背景技术：
近年来，利用周期性微细形状来控制光的行进方向和相位的衍射光学元件的需求一直在增长。衍射光学元件的形状有多种，其中，理论上是剖面为锯齿形状的元件其衍射效率高，但是，实际近似该锯齿形状的台阶形状的元件要容易制作，并多被使用。一般地，作为制造具有台阶形状的衍射光学元件的方法，公知有如下的方法利用半导体的微细加工技术，使用m(m为自然数)片掩模图形反复进行曝光、显影、刻蚀的一系列工艺过程，制造2m级的衍射光学元件(例如，参照专利文献1、非专利文献1)。
在这样的制造方法中，公知有如下方法在制作图形的最小线宽比光刻的分辨力细的图形的情况下，如图11(a)所示，将8级台阶形状作成4级或者2级，扩大台阶的宽度(例如，参照非专利文献2)。此时，在以8级和4级的台阶形状来近似透镜曲面的情况下，在8级台阶形状和4级台阶形状的交界线处，光的相位产生偏移，结果透镜的光学特性恶化。为了防止这种光学特性的恶化，在非专利文献2中公开了如下方法调整台阶形状的台阶高差(高度)或者宽度(间隔)，进行相位校正。
图11(b)表示了调整台阶高差的相位校正。在图11(b)中，将4级台阶形状的高度向朝向下级的方向校正λ/16，将2级台阶形状的高度再校正λ/8。图11(c)表示了调整宽度的相位校正。在图11(c)中，将4级台阶形状向靠近8级台阶形状的方向校正λ/8，将2级台阶形状向靠近4级台阶形状的方向再校正λ/4(共计λ/8+λ/4)。
特开平11-14813号公报[非专利文献1]佐佐木浩纪，其他6人，“光源与硅微透镜的高精度安装技术”，电子安装学会杂志，2002年，Vol5，No.5，p.466-472[非专利文献2]Yuko Orihara，Werner Klaus，Makoto Fujino，andKashiko Kodate，“Optimization and application of hybrid-levelbinary zone plates”，Appl.Opt.40，5877-5885(2001)。
但是，图11(b)、(c)所示的相位校正中存在以下所示的问题。
(1)利用台阶高差进行的相位校正虽然在8级的台阶形状中，通常通过λ/8、λ/4、λ/2的深度的刻蚀来制作台阶形状，但是，在8级和4级的交界线处需要形成λ/16的台阶高差，需要追加刻蚀步骤。此外，为了该追加步骤，就需要追加1片或2片掩模图形。
(2)利用宽度进行的相位校正为了使8级和4级或者4级和8级的交界线缩短，如图11(c)所示，需要形成更细的线宽。通常，因为级数的转换部分在分辨极限部分进行，所以实质上不可能制作出线宽更细的部分。
发明内容
本发明是鉴于现有的衍射光学元件的制造方法所具有的上述问题点而进行的，本发明的目的在于提供一种可不追加刻蚀步骤、还不受光刻的分辨力的限制地来进行相位校正的、新的并且被改良了的衍射光学元件以及衍射光学元件的制造方法。
为了解决上述课题，按照本发明的第1观点，提供了一种衍射光学元件。本发明的衍射光学元件是在1个衬底上形成具有n级台阶形状的元件以及具有m级台阶形状的元件(n＞m)的衍射光学元件，其特征在于所述m级台阶形状的第1级形成在与所述n级台阶形状的第2级相同的级上。
按照这种结构，进行刻蚀的台阶高差可只作成1级的台阶高差来制作台阶形状，不需要进行掩模图形或者刻蚀的追加工艺，就可制作相位校正的多级型衍射光学元件。此外，因为横向的相位校正是扩大距离的方向，所以，即使线宽是光刻的极限区域，也可进行制作。
本发明的衍射光学元件中，所述m级台阶形状的所有级都形成在与所述n级台阶形状的某一级相同的级上。
此外，所述n级台阶形状和m级台阶形状的相位校正是(1/m-1/n)π，台阶高差方向的相位校正是Aπ(将朝向下级的方向作为正)，台阶高差方向和垂直方向的相位校正是Bπ(将所述m级台阶形状靠近所述n级台阶形状的方向作为正)，设成A＞1/m-1/n、A+B＝1/m-1/n。
一般地，n级台阶形状和m级台阶形状的相位差是(1/m-1/n)π。因此，将台阶高差方向的相位校正(将朝向下级的方向作为正)设为Aπ、将台阶高差方向和垂直方向的相位校正(将m级台阶形状靠近n级台阶形状的方向作为正)设为Bπ时，需要使A+B＝1/m-1/n。此时，A＞1/m-1/n，由此，B＜0。即，可将台阶高差方向和垂直方向的相位校正作成m级台阶形状远离n级台阶形状的方向。这样，因为台阶高差方向和垂直方向的相位校正是扩大台阶形状间的距离的方向，所以，即使线宽是光刻的极限区域也可容易地制作。
此外，所述n级台阶形状和m级台阶形状的结合部的宽度也可比所述n级台阶形状的第n级的宽度宽。
此外，具体地说，所述n可以是7，所述m可以是3。如7级和3级那样，即使是非常复杂的相位校正，也可通过调整台阶形状的上下左右，从而设计与制造工艺匹配的台阶形状，进行相位校正。进而，可制造具有7级台阶形状和3级台阶形状的透镜元件，这种透镜元件可进行衍射效率等光学特性的大幅改善。
为解决上述课题，按照本发明的第2观点，提供一种衍射光学元件的制造方法。本发明的衍射光学元件的制造方法中，多次重复由刻蚀对衬底进行表面加工的工艺，在1个衬底上形成具有8级台阶形状的元件、具有4级台阶形状的元件以及具有2级台阶形状的元件，从而制造衍射光学元件，其特征在于，包括第1步骤，以所述台阶形状的台阶高差即深度L，对成为所述8级台阶形状的第2、4、6、8级的区域、成为所述4级台阶形状的第1、2、3、4级的区域以及成为所述2级台阶形状的第1、2级的区域进行刻蚀；第2步骤，以所述台阶形状的台阶高差的2倍即深度2L，对成为所述8级台阶形状的第7、8级的区域、成为所述4级台阶形状的第4级的区域以及成为所述2级台阶形状的第2级的区域进行刻蚀；第3步骤，以所述深度2L对成为所述8级台阶形状的第5、6、7、8级的区域、成为所述4级台阶形状的第3、4级的区域以及成为所述2级台阶形状的第2级的区域进行刻蚀；以及第4步骤，以所述深度2L对成为所述8级台阶形状的第3、4、5、6、7、8级的区域、成为所述4级台阶形状的第2、3、4级的区域以及成为所述2级台阶形状的第1、2级的区域进行刻蚀。
按照这种制造方法，可将进行刻蚀的台阶高差只作成1级的台阶高差来制作台阶形状，不需要进行掩模图形或者刻蚀的追加工艺，就能制作相位校正的多级型衍射光学元件。此外，因为横向的相位校正是扩大距离的方向，所以，即使线宽是光刻的极限区域也可进行制作。
此外，本发明的另一衍射光学元件的制造方法中，多次重复由刻蚀对衬底进行表面加工的工艺，制造在1个衬底上形成具有7级台阶形状的元件以及具有3级台阶形状的元件的衍射光学元件，其特征在于，包含第1步骤，以所述台阶形状的台阶高差的2倍即深度2L，对成为所述7级台阶形状的第7级的区域以及成为所述3级台阶形状的第3级的区域进行刻蚀；第2步骤，以所述台阶形状的台阶高差即深度L，对成为所述7级台阶形状的第2、4、6级的区域以及成为所述3级台阶形状的第1级的区域进行刻蚀；第3步骤，以所述深度2L对成为所述7级台阶形状的第5、6、7级的区域以及成为所述3级台阶形状的第2、3级的区域进行刻蚀；以及第4步骤，以所述深度2L对成为所述7级台阶形状的第3、4、5、6、7级的区域以及成为所述3级台阶形状的第2、3级的区域进行刻蚀。
按照这种制造方法，可将进行刻蚀的台阶高差只作成1级的台阶高差来制作台阶形状，不需要进行掩模图形或者刻蚀的追加工艺，就可制作相位校正的多级型衍射光学元件。此外，因为横向的相位校正是扩大距离的方向，所以，即使线宽是光刻的极限区域也可进行制作。此外，如7级和3级那样，即使是非常复杂的相位校正，也可通过调整台阶形状的上下左右，从而设计与制造工艺匹配的台阶形状，进行相位校正。进而，可制造具有7级台阶形状和3级台阶形状的透镜元件，这种透镜元件可进行衍射效率等光学特性的大幅改善。
此外，本发明的另一衍射光学元件的制造方法中，多次重复由刻蚀对衬底进行表面加工的工艺，制造在1个衬底上形成具有6级台阶形状的元件以及具有3级台阶形状的元件的衍射光学元件，其特征在于，包含第1步骤，以所述台阶形状的台阶高差即深度L，对成为所述6级台阶形状的第2、4、6级的区域以及成为所述3级台阶形状的第1、2、3级的区域进行刻蚀；第2步骤，以所述台阶形状的台阶高差的2倍即深度2L，对成为所述6级台阶形状的第5、6级的区域以及成为所述3级台阶形状的第3级的区域进行刻蚀；以及第3步骤，以所述深度2L对成为所述6级台阶形状的第3、4、5、6级的区域以及成为所述3级台阶形状的第2、3级的区域进行刻蚀。
按照这种制造方法，可将进行刻蚀的台阶高差只作成1级的台阶高差来制作台阶形状，不需要进行掩模图形或者刻蚀的追加工艺，就可制作相位校正的多级型衍射光学元件。此外，因为横向的相位校正是扩大距离的方向，所以，即使线宽是光刻的极限区域也可进行制作。
本发明的衍射光学元件的制造方法中，可将所述刻蚀作成各向异性刻蚀。
此外，所述衬底可由硅、石英、GaAs、或者InP的任意一种构成。
如上所述，按照本发明，能够提供一种可不追加刻蚀步骤、还不受光刻的分辨力的限制地进行相位校正的衍射光学元件以及衍射光学元件的制造方法。
图1是第1实施方式的衍射光学元件的说明图，(a)表示相位校正前，(b)表示相位校正后。
图2是第2实施方式的衍射光学元件的说明图，(a)表示相位校正前，(b)表示相位校正后。
图3是第3实施方式的衍射光学元件的说明图，(a)表示相位校正前，(b)表示相位校正后。
图4是表示在第4实施方式的衍射光学元件的制造步骤中掩模图形与台阶形状的关系的说明图。
图5是表示第4实施方式的衍射光学元件的制造步骤的说明图。
图6是表示在第5实施方式的衍射光学元件的制造步骤中掩模图形与台阶形状的关系的说明图。
图7是表示第5实施方式的衍射光学元件的制造步骤的说明图。
图8是表示在第6实施方式的衍射光学元件的制造步骤中掩模图形与台阶形状的关系的说明图。
图9是表示第6实施方式的衍射光学元件的制造步骤的说明图。
图10是表示衍射光学元件的制造方法的应用例的说明图。
图11是表示现有的衍射光学元件的说明图。
符号说明100、200、300硅晶片100a 8级台阶形状100b 4级台阶形状100c 2级台阶形状200a 7级台阶形状200b 3级台阶形状300a 6级台阶形状300b 3级台阶形状M11～M14、M21～M24、M31～M33 掩模图形R11～R14、R21～R24、R31～R33 抗蚀剂图形具体实施方式
下面，参照附图的同时对本发明的衍射光学元件以及衍射光学元件的制造方法的优选实施方式进行详细说明。另外，在本说明书以及附图中，对实质上具有相同的功能结构的结构要素付以相同的符号，并省略重复说明。
(第1实施方式)图1中示出具有8级、4级、2级台阶形状的衍射光学元件的示意图。图1(a)是未进行相位校正的硅晶片10的形状，图1(b)是进行相位校正后的硅晶片100的形状。另外，在图1中，为了说明上的方便，8级、4级、2级台阶形状分别各示出了2个，但是，并不限于此，台阶形状的数量是任意的。此外，示出了在各台阶形状中台阶的宽度一定、台阶的台阶高差(高度)也一定的情况。
首先，参照图1(a)的同时对进行相位校正前的衍射光学元件的形状进行说明。
在图1(a)所示的硅晶片10上，4级台阶形状10b的第1级形成在与8级台阶形状10a的第1级相同的级上。进而，4级台阶形状10b的台阶高差形成为8级台阶形状10a的台阶高差的2倍。因此，4级台阶形状10b的所有台阶高差都形成在与8级台阶形状10a的某一台阶高差相同的级上。即，4级台阶形状10b的第2级与8级台阶形状10a的第3级、4级台阶形状10b的第3级与8级台阶形状10a的第5级、4级台阶形状10b的第4级与8级台阶形状10a的第7级分别形成在相同的级上。
同样，2级台阶形状10c的第1级形成在与4级台阶形状10b的第1级相同的级上。进而，2级台阶形状10c的台阶高差形成为4级台阶形状10b的台阶高差的2倍。因此，2级台阶形状10c的所有台阶高差都形成在与4级台阶形状10b的某一台阶高差相同的级上。即，2级台阶形状10c的第2级形成在与4级台阶形状10b的第3级相同的级上。
进而，在图1(a)所示的形状中，8级台阶形状10a和4级台阶形状10b的结合部的宽度形成为与8级台阶形状10a的第8级的宽度相同。此外，4级台阶形状10b和2级台阶形状10c的结合部的宽度形成为与4级台阶形状10b的第4级的宽度相同。
然后，对相位校正进行说明。
一般地，公知n级和m级(n＞m)的相位差是(1/m-1/n)π(例如，参照非专利文献2。)。此外，针对波长的大小是相位差的λ/2π倍，即，(1/m-1/n)λ/2。
8级和4级之间的相位差是(1/4-1/8)π＝π/8，针对波长的大小是λ/16。因此，在图1(a)中，为了进行相位校正而使4级台阶形状10b移动的移动量，向朝向下级的方向是λ/16，或者向靠近8级台阶形状的方向是λ/8。在图1(b)中，使4级台阶形状100b向朝向下级的方向移动λ/8(2λ/16)。即，多移动λ/16。因此，为了抵消多移动λ/16的部分，将4级台阶形状100b向远离8级台阶形状100a的方向移动λ/8。其结果是，8级和4级之间的相位差变为π/8，可进行适当的相位校正。
同样，在4级和2级的部分中，4级与2级之间的相位差是(1/2-1/4)π＝π/4，针对波长的大小是λ/8。因此，在图1(a)中，为了进行相位校正而使2级台阶形状10c移动的移动量，向朝向下级的方向是λ/8，或者向靠近4级台阶形状的方向是λ/4。在图1(b)所示的硅晶片100b上，使2级台阶形状100c向朝向下级的方向移动λ/4(＝2λ/8)。即，多移动λ/8。因此，为了抵消多移动λ/8的部分，将2级台阶形状100c向远离4级台阶形状100b的方向移动λ/4。即，在与图1(a)的比较中，将2级台阶形状100c向远离4级台阶形状100b的方向移动(λ/8+λ/4)。其结果是，4级和2级之间的相位差变为π/4，进行相位校正。
参照图1(b)的同时对如上所述进行了相位校正的衍射光学元件的形状进行说明。
在图1(b)所示的形状中，4级台阶形状100b的第1级形成在与8级台阶形状100a的第2级相同的级上。进而，因为4级台阶形状100b的台阶高差是8级台阶形状100a的台阶高差的2倍，所以，4级台阶形状100b的所有台阶高差都形成在与8级台阶高差100a的某一台阶高差相同的级上。即，4级台阶形状100b的第2级与8级台阶形状100a的第4级、4级台阶形状100b的第3级与8级台阶形状100a的第6级、4级台阶形状100b的第4级与8级台阶形状100a的第8级分别形成在相同的级上。
同样，2级台阶形状100c的第1级形成在与4级台阶形状100b的第2级相同的级上。进而，因为2级台阶形状100c的台阶高差是4级台阶形状100b的台阶高差的2倍，所以，2级台阶形状100c的所有台阶高差都形成在与4级台阶形状100b的某一台阶高差相同的级上。即，2级台阶形状100c的第2级形成在与4级台阶形状100b的第4级相同的级上。
进而，在图1(b)所示的形状中，8级台阶形状100a与4级台阶形状100b的结合部的宽度形成为比8级台阶形状100a的第8级的宽度宽λ/8。此外，4级台阶形状100b与2级台阶形状100c的结合部的宽度形成为比4级台阶形状100b的第4级的宽度宽(λ/8+λ/4)。
(第1实施方式的效果)通过作成以上说明的结构，可将进行刻蚀的台阶高差只作成1级的台阶高差来制作台阶形状，不需要进行掩模图形或者刻蚀的追加工艺，就可制作相位校正的多级型衍射光学元件。此外，因为横向的相位校正是扩大距离的方向，所以，即使线宽是光刻的极限区域也可进行制作。
(第2实施方式)图2中示出具有7级和3级台阶形状的衍射光学元件的示意图。图2(a)是未进行相位校正的硅晶片20的形状，图2(b)是进行相位校正后的硅晶片200的形状。另外，在图2中，为了说明上的方便，7级和3级台阶形状分别各示出了2个，但是，并不限于此，台阶形状的数量是任意的。
首先，参照图2(a)的同时对进行相位校正前的衍射光学元件的形状进行说明。
在图2(a)所示的硅晶片20中，3级台阶形状20b的第1级形成在与7级台阶形状20a的第1级相同的级上。进而，3级台阶形状20b的台阶高差形成为7级台阶形状20a的台阶高差的整数倍(图2的例中为2倍或者3倍)。因此，3级台阶形状20b的所有台阶高差都形成在与7级台阶形状20a的某一台阶高差相同的级上。即，3级台阶形状20b的第2级与7级台阶形状20a的第4级、3级台阶形状20b的第3级与7级台阶形状20a的第6级分别形成在相同的级上。
进而，在图2(a)所示的形状中，7级台阶形状20a和3级台阶形状20b的结合部的宽度，形成为与7级台阶形状20a的第7级的宽度相同。
然后，对相位校正进行说明。
7级和3级之间的相位差是(1/3-1/7)π＝4π/21，针对波长的大小是2λ/21。因此，在图2(a)中，为了进行相位校正而使3级台阶形状20b移动的移动量，向朝向下级的方向是2λ/21，或者向靠近7级台阶形状的方向是4λ/21。在图2(b)所示的硅晶片200中，使3级台阶形状200b向朝向下级的方向移动λ/7(＝3λ/21)。即，多移动λ/21。因此，为了抵消多移动λ/21的部分，将3级台阶形状200b向远离7级台阶形状200a的方向移动2λ/21。其结果是，7级和3级之间的相位差变为4π/21，可进行适当的相位校正。
参照图2(b)的同时对如上所述进行了相位校正的衍射光学元件的形状进行说明。
在图2(b)所示的形状中，3级台阶形状200b的第1级形成在与7级台阶形状200a的第2级相同的级上。进而，因为3级台阶形状200b的台阶高差是7级台阶形状200a的台阶高差的整数倍(在图2的例中是2倍或者3倍)，所以，3级台阶形状200b的所有台阶高差都形成在与7级台阶形状200a的某一台阶高差相同的级上。即，3级台阶形状200b的第2级与7级台阶形状200a的第5级、3级台阶形状200b的第3级与7级台阶形状200a的第7级分别形成在相同的级上。
进而，在图2(b)所示的形状中，7级台阶形状200a与3级台阶形状200b的结合部的宽度形成为比7级台阶形状200a的第7级的宽度宽2λ/21。
(第2实施方式的效果)通过作成以上说明的结构，可将进行刻蚀的台阶高差只作成1级的台阶高差来制作台阶形状，不需要进行掩模图形或者刻蚀的追加工艺，就可制作相位校正的多级型衍射光学元件。此外，因为横向的相位校正是扩大距离的方向，所以，即使线宽是光刻的极限区域也可进行制作。
此外，如7级和3级那样，即使是非常复杂的相位校正，也可通过调整台阶形状的上下左右，从而设计与制造工艺匹配的台阶形状，进行相位校正。
(第3实施方式)图3中示出具有6级和3级台阶形状的衍射光学元件的示意图。图3(a)是未进行相位校正的硅晶片30的形状，图3(b)是进行相位校正后的硅晶片300的形状。另外，在图3中，为了说明上的方便，6级和3级的台阶形状分别各示出了2个，但是，并不限于此，台阶形状的数量是任意的。
首先，参照图3(a)的同时对进行相位校正前的衍射光学元件的形状进行说明。
在图3(a)所示的硅晶片30中，3级台阶形状30b的第1级形成在与6级台阶形状30a的第1级相同的级上。进而，3级台阶形状30b的台阶高差形成为6级台阶形状30a的台阶高差的2倍。因此，3级台阶形状30b的所有台阶高差都形成在与6级台阶形状30a的某一台阶高差相同的级上。即，3级台阶形状30b的第2级与6级台阶形状30a的第3级、3级台阶形状30b的第3级与6级台阶形状30a的第5级分别形成在相同的级上。
进而，在图3(a)所示的形状中，6级台阶形状30a和3级台阶形状30b的结合部的宽度形成为与6级台阶形状30a的第6级的宽度相同。
然后，对相位校正进行说明。
6级和3级之间的相位差是(1/3-1/6)π＝7π/6，针对波长的大小是λ/12。因此，在图3(a)中，为了进行相位校正而使3级台阶形状30b移动的移动量，向朝向下级的方向是λ/12，或者向靠近6级台阶形状的方向是λ/6。在图3(b)所示的硅晶片300中，使3级台阶形状300b向朝向下级的方向移动λ/6(＝2λ/12)。即，多移动λ/12。因此，为了抵消多移动λ/12的部分，将3级台阶形状300b向远离6级台阶形状300a的方向移动λ/6。其结果是，6级和3级之间的相位差变为π/6，可进行适当的相位校正。
参照图3(b)的同时对如上所述进行了相位校正的衍射光学元件的形状进行说明。
在图3(b)所示的形状中，3级台阶形状300b的第1级形成在与6级台阶形状300a的第2级相同的级上。进而，因为3级台阶形状300b的台阶高差是6级台阶形状300a的台阶高差的2倍，所以，3级台阶形状300b的所有台阶高差都形成在与6级台阶高差300a的某一台阶高差相同的级上。即，3级台阶形状300b的第2级与6级台阶形状300a的第4级、3级台阶形状300b的第3级与6级台阶形状300a的第6级分别形成在相同的级上。
进而，在图3(b)所示的形状中，6级台阶形状300a与3级台阶形状300b的结合部的宽度形成为比6级台阶形状300a的第6级的宽度宽λ/6。
(第3实施方式的效果)如以上说明，根据本实施方式，可将进行刻蚀的台阶高差只作成1级的台阶高差来制作台阶形状，不需要进行掩模图形或者刻蚀的追加工艺，就可制作相位校正的多级型衍射光学元件。此外，因为横向的相位校正是扩大距离的方向，所以，即使线宽是光刻的极限区域也可进行制作。
在上述第1～第3实施方式中，对衍射光学元件的结构进行了说明。
下面，作为本发明的第4～第6实施方式，对上述衍射光学元件的制造方法进行说明。另外，第4～第6实施方式中，对在元件的制作中使用硅晶片(Si衬底)、光刻中使用i线步进器以及标准的正型抗蚀剂的方法进行说明。对刻蚀中使用反应性离子刻蚀装置(RIE装置)、使用SF6作为刻蚀气体进行各向异性刻蚀的方法进行说明。
(第4实施方式)对本发明的第4实施方式进行说明。本实施方式中，对上述第1实施方式中说明的形成有8级、4级以及2级台阶形状的衍射光学元件的制造方法进行说明。
图4是表示上述第1实施方式中说明的形成有8级、4级以及2级台阶形状的衍射光学元件(制造步骤的最终形状)与各制造步骤中使用的掩模图形的关系的说明图。本实施方式中，如图4所示，依次使用4片掩模图形M11、M12、M13、M14，对硅晶片100进行刻蚀处理。
掩模图形M11用于不刻蚀8级台阶形状的第1、3、5、7级而对其以外的级进行1级刻蚀。掩模图形M12用于不刻蚀8级台阶形状的第1～6级、4级台阶形状的第1～3级、2级台阶形状的第1级而对其以外的级进行2级刻蚀。掩模图形M13用于不刻蚀8级台阶形状的第1～4级、4级台阶形状的第1、2级、2级台阶形状的第1级而对其以外的级进行2级刻蚀。掩模图形M14用于不刻蚀8级台阶形状的第1、2级、4级台阶形状的第1级而对其以外的级进行2级刻蚀。
图5是表示本实施方式的衍射光学元件的制造方法的各步骤的说明图。
首先，在硅晶片100上涂敷抗蚀剂。而且，使用掩模图形M11进行曝光、显影，如图5(a)所示，在硅晶片100上形成抗蚀剂图形R11。而且，以深度L(1级的量)对未形成抗蚀剂图形R11的区域即8级形状的第2、4、6、8级、4级台阶形状的第1～4级、2级台阶形状的第1、2级进行刻蚀。
然后，除去抗蚀剂图形R11之后，在硅晶片100上涂敷抗蚀剂，使用掩模图形M12进行曝光、显影，如图5(b)所示，在硅晶片100上形成抗蚀剂图形R12。而且，以深度2L(2级的量)对未形成抗蚀剂图形R12的区域即8级形状的第7、8级、4级台阶形状的第4级、2级台阶形状的第2级进行刻蚀。
同样，如图5(c)所示，除去抗蚀剂图形R12之后，使用掩模图形M13在硅晶片100上形成抗蚀剂图形R13。而且，以深度2L(2级的量)对未形成抗蚀剂图形R13的区域即8级形状的第5～8级、4级台阶形状的第3、4级、2级台阶形状的第2级进行刻蚀。
同样，如图5(d)所示，除去抗蚀剂图形R13之后，使用掩模图形M14在硅晶片100上形成抗蚀剂图形R14。而且，以深度2L(2级的量)对未形成抗蚀剂图形R14的区域即8级形状的第5～8级、4级台阶形状的第2～4级、2级台阶形状的第1、2级进行刻蚀。
经过以上的步骤，可制造上述第1实施方式中说明的形成有8级、4级以及2级台阶形状的衍射光学元件。另外，对于台阶形状的各台阶高差的宽度、台阶形状间的间隔来说，可通过调整掩模图形M11～M14而任意地设定。在上述第1实施方式的形状中，因为只要向扩大台阶形状间的间隔的方向进行调整即可，所以，即使线宽是光刻的极限区域也可容易地制造。
(第5实施方式)对本发明的第5实施方式进行说明。本实施方式中，对上述第2实施方式中说明的形成有7级以及3级台阶形状的衍射光学元件的制造方法进行说明。
图6是表示上述第2实施方式中说明的形成有7级以及3级台阶形状的衍射光学元件(制造步骤的最终形状)与各制造步骤中使用的掩模图形的关系的说明图。本实施方式中，如图6所示，依次使用4片掩模图形M21、M22、M23、M24，对硅晶片200进行刻蚀处理。
掩模图形M21用于不刻蚀7级台阶形状的第1～6级、3级形状的第1、2级而对其以外的级进行2级刻蚀。掩模图形M22用于不刻蚀7级台阶形状的第1、3、5级、3级台阶形状的第2、3级而对其以外的级进行1级刻蚀。掩模图形M23用于不刻蚀7级台阶形状的第1～4级、3级台阶形状的第1级而对其以外的级进行2级刻蚀。掩模图形M24用于不刻蚀7级台阶形状的第1、2级、3级台阶形状的第1级而对其以外的级进行2级刻蚀。
图7是表示本实施方式的衍射光学元件的制造方法的各步骤的说明图。
首先，在硅晶片200上涂敷抗蚀剂。而且，使用掩模图形M21进行曝光、显影，如图7(a)所示，在硅晶片200上形成抗蚀剂图形R21。而且，以深度2L(2级的量)对未形成抗蚀剂图形R21的区域即7级形状的第7级和3级台阶形状的第3级进行刻蚀。
然后，除去抗蚀剂图形R21之后，在硅晶片200上涂敷抗蚀剂，使用掩模图形M22进行曝光、显影，如图7(b)所示，在硅晶片200上形成抗蚀剂图形R22。而且，以深度L(1级的量)对未形成抗蚀剂图形R22的区域即7级形状的第2、4、6级和3级台阶形状的第1级进行刻蚀。
同样，如图7(c)所示，除去抗蚀剂图形R22之后，使用掩模图形M23在硅晶片200上形成抗蚀剂图形R23。而且，以深度2L(2级的量)对未形成抗蚀剂图形R23的区域即7级形状的第5～7级和3级台阶形状的第2、3级进行刻蚀。
同样，如图7(d)所示，除去抗蚀剂图形R23之后，使用掩模图形M24在硅晶片200上形成抗蚀剂图形R24。而且，以深度2L(2级的量)对未形成抗蚀剂图形R24的区域即7级形状的第3～7级和3级台阶形状的第2、3级进行刻蚀。
经过以上的步骤，可制造上述第2实施方式中说明的形成有7级以及3级台阶形状的衍射光学元件。另外，对于台阶形状的各台阶高差的宽度或者台阶形状间的间隔来说，可通过调整掩模图形M21～M24而任意地设定。在上述第2实施方式的形状中，因为只要向扩大台阶形状间的间隔的方向进行调整即可，所以，即使线宽是光刻的极限区域也可容易地制造。
按照本实施方式，能够制造直径120μm、从中心开始在半径方向上到40μm为7级台阶形状、40～60μm为3级台阶形状的透镜元件。这种透镜元件是将从半导体激光器射出的光变为平行光的透镜。测定这种透镜的光学特性的结果是可得到87％的衍射效率。现有的透镜元件的衍射效率是84％，与此比较，发现有3％左右的改善。此外，因为未形成3级台阶形状的情况下的衍射效率为50％左右，所以，可大幅度地改善特性。
(第6实施方式)对本发明的第6实施方式进行说明。本实施方式中，对上述第3实施方式中说明的形成有6级以及3级台阶形状的衍射光学元件的制造方法进行说明。
图8是表示上述第3实施方式中说明的形成有6级以及3级台阶形状的衍射光学元件(制造步骤的最终形状)与各制造步骤中使用的掩模图形的关系的说明图。本实施方式中，如图8所示，依次使用3片掩模图形M31、M32、M33，对硅晶片300进行刻蚀处理。
掩模图形M31用于不刻蚀6级台阶形状的第1、3、5级而对其以外的级进行1级刻蚀。掩模图形M32用于不刻蚀6级台阶形状的第1～4级和3级台阶形状的第1、2级而对其以外的级进行2级刻蚀。掩模图形M33用于不刻蚀6级台阶形状的第1、2级和3级台阶形状的第1级而对其以外的级进行2级刻蚀。
图9是表示本实施方式的衍射光学元件的制造方法的各步骤的说明图。
首先，在硅晶片300上涂敷抗蚀剂。而且，使用掩模图形M31进行曝光、显影，如图9(a)所示，在硅晶片300上形成抗蚀剂图形R31。而且，以深度L(1级的量)对未形成抗蚀剂图形R31的区域即6级形状的第2、4、6级和3级台阶形状的第1～3级进行刻蚀。
然后，除去抗蚀剂图形R31之后，在硅晶片300上涂敷抗蚀剂，使用掩模图形M32进行曝光、显影，如图9(b)所示，在硅晶片300上形成抗蚀剂图形R32。而且，以深度2L(2级的量)对未形成抗蚀剂图形R32的区域即6级形状的第5、6级和3级台阶形状的第3级进行刻蚀。
同样，如图9(c)所示，除去抗蚀剂图形R32之后，使用掩模图形M33在硅晶片300上形成抗蚀剂图形R33。而且，以深度2L(2级的量)对未形成抗蚀剂图形R33的区域即6级形状的第3～6级和3级台阶形状的第2、3级进行刻蚀。
经过以上的步骤，可制造上述第3实施方式中说明的形成有6级以及3级台阶形状的衍射光学元件。另外，对于台阶形状的各台阶高差的宽度、台阶形状间的间隔来说，可通过调整掩模图形M31～M33而任意设定。在上述第3实施方式的形状中，因为只要向扩大台阶形状间的间隔的方向进行调整即可，所以，即使线宽是光刻的极限区域也可容易地制造。
以上，虽然参照附图的同时对本发明的衍射光学元件以及衍射光学元件的制造方法的优选实施方式进行了说明，但是，本发明并不限于这些例子。只要是本领域技术人员，就会明白在权利要求记载的技术思想的范畴内可想到各种变形例或者修正例，关于这些，当然也属于本发明的技术范围内。
例如，虽然在上述实施方式中使用硅晶片制造衍射光学元件，但是，本发明不限于此，使用玻璃、锗、InP等也可同样制造衍射光学元件。此外，对于硅晶片的刻蚀来说，不限于所述方法，还能采用可制作希望的台阶高差形状的任意方法。
此外，虽然上述实施方式中对将台阶形状的宽度作成一定的情况进行了说明，但是，可通过适当调整掩模图形来任意设定台阶形状的宽度。此外，对于台阶形状间的间隔来说，可任意设定。作为一例，图10是在上述第2、第5实施方式中说明了的具有7级和3级台阶形状的衍射光学元件。虽然该图10(a)～(d)的各步骤与第5实施方式中说明了的图7(a)～(d)相同，但是，如图10(d)所示，随着从台阶形状的第1级到第2、3级，台阶形状200a’、200b’的宽度形成得较窄。此外，可将台阶形状间的间隔形成得充分宽。
此外，虽然在上述实施方式中，使用掩模图形来形成了抗蚀剂图形，但是，本发明并不限定于此，也可以使用以电子束直接进行绘图形成抗蚀剂图形的方法。此外，所使用的抗蚀剂并不限定于正型，也可使用负型抗蚀剂。此种情况下，作为掩模的图形，与所述的各例中示出的掩模图形相对，是反转后的图形。此外，在光刻步骤中，不仅可使用i线步进器，也可使用X射线光刻等的别的光刻法。另外，可考虑所述菲涅耳透镜型的衍射光学元件作为例如光通信用的激光准直透镜或光电二极管用聚光透镜来加以应用。
本发明可在衍射光学元件以及衍射光学元件的制造方法中利用，特别是可在具有台阶形状的元件的衍射光学元件及其制造方法中加以利用。
权利要求
1.一种衍射光学元件，在1个衬底上形成具有n级台阶形状的元件以及具有m级台阶形状的元件，其中n＞m，该元件其特征在于，所述m级台阶形状的第1级形成在与所述n级台阶形状的第2级相同的级上。
2.一种衍射光学元件，其特征在于，所述m级台阶形状的所有级都形成在与所述n级台阶形状的某一级相同的级上。
3.如权利要求1或2中记载的衍射光学元件，其特征在于，所述n级台阶形状和所述m级台阶形状的相位校正是(1/m-1/n)π，台阶高差方向的相位校正是Aπ，其中将朝向下级的方向作为正，台阶高差方向和垂直方向的相位校正是Bπ，其中将所述m级台阶形状靠近所述n级台阶形状的方向作为正，A＞1/m-1/n，A+B＝1/m-1/n。
4.如权利要求3中记载的衍射光学元件，其特征在于，所述n级台阶形状和m级台阶形状的结合部的宽度比所述n级台阶形状的第n级的宽度宽。
5.如权利要求1～4任意一项中记载的衍射光学元件，其特征在于，所述n是7，所述m是3。
6.一种衍射光学元件的制造方法，多次重复通过刻蚀对衬底进行表面加工的工艺，在1个衬底上形成具有8级台阶形状的元件、具有4级台阶形状的元件以及具有2级台阶形状的元件，从而制造衍射光学元件，其特征在于，包括第1步骤，以所述台阶形状的台阶高差即深度L，对成为所述8级台阶形状的第2、4、6、8级的区域、成为所述4级台阶形状的第1、2、3、4级的区域以及成为所述2级台阶形状的第1、2级的区域进行刻蚀；第2步骤，以所述台阶形状的台阶高差的2倍即深度2L，对成为所述8级台阶形状的第7、8级的区域、成为所述4级台阶形状的第4级的区域以及成为所述2级台阶形状的第2级的区域进行刻蚀；第3步骤，以所述深度2L对成为所述8级台阶形状的第5、6、7、8级的区域、成为所述4级台阶形状的第3、4级的区域以及成为所述2级台阶形状的第2级的区域进行刻蚀；以及第4步骤，以所述深度2L对成为所述8级台阶形状的第3、4、5、6、7、8级的区域、成为所述4级台阶形状的第2、3、4级的区域以及成为所述2级台阶形状的第1、2级的区域进行刻蚀。
7.一种衍射光学元件的制造方法，多次重复通过刻蚀对衬底进行表面加工的工艺，制造在1个衬底上形成具有7级台阶形状的元件以及具有3级台阶形状的元件的衍射光学元件，其特征在于，包含第1步骤，以所述台阶形状的台阶高差的2倍即深度2L，对成为所述7级台阶形状的第7级的区域以及成为所述3级台阶形状的第3级的区域进行刻蚀；第2步骤，以所述台阶形状的台阶高差即深度L，对成为所述7级台阶形状的第2、4、6级的区域以及成为所述3级台阶形状的第1级的区域进行刻蚀；第3步骤，以所述深度2L对成为所述7级台阶形状的第5、6、7级的区域以及成为所述3级台阶形状的第2、3级的区域进行刻蚀；以及第4步骤，以所述深度2L对成为所述7级台阶形状的第3、4、5、6、7级的区域以及成为所述3级台阶形状的第2、3级的区域进行刻蚀。
8.一种衍射光学元件的制造方法，多次重复通过刻蚀对衬底进行表面加工的工艺，制造在1个衬底上形成具有6级台阶形状的元件以及具有3级台阶形状的元件的衍射光学元件，其特征在于，包括第1步骤，以所述台阶形状的台阶高差即深度L，对成为所述6级台阶形状的第2、4、6级的区域以及成为所述3级台阶形状的第1、2、3级的区域进行刻蚀；第2步骤，以所述台阶形状的台阶高差的2倍即深度2L，对成为所述6级台阶形状的第5、6级的区域以及成为所述3级台阶形状的第3级的区域进行刻蚀；以及第3步骤，以所述深度2L对成为所述6级台阶形状的第3、4、5、6级的区域以及成为所述3级台阶形状的第2、3级的区域进行刻蚀。
9.如权利要求6～8任意一项中记载的衍射光学元件的制造方法，其特征在于，所述刻蚀是各向异性刻蚀。
10.如权利要求6～9任意一项中记载的衍射光学元件的制造方法，其特征在于，所述衬底由硅、石英、GaAs、或者InP的任意一种构成。
全文摘要
本发明提供一种可不追加刻蚀步骤、还不受光刻的分辨力的限制地来进行相位校正的衍射光学元件的制造方法。其包含(a)第1步骤，以台阶形状的台阶高差的2倍即深度2L对成为7级台阶形状的第7级的区域和成为3级台阶形状的第3级的区域进行刻蚀；(b)第2步骤，以台阶形状的台阶高差即深度L对成为7级台阶形状的第2、4、6级的区域和成为3级台阶形状的第1级的区域进行刻蚀；(c)第3步骤，以深度2L对成为7级台阶形状的第5、6、7级的区域和成为3级台阶形状的第2、3级的区域进行刻蚀；(d)第4步骤，以深度2L对成为7级台阶形状的第3、4、5、6、7级的区域和成为3级台阶形状的第2、3级的区域进行刻蚀。
文档编号G02B5/18GK1877372SQ20061007463
公开日2006年12月13日 申请日期2006年4月21日 优先权日2005年6月8日
发明者前野仁典 申请人:冲电气工业株式会社