【発明の名称】回折素子の作製方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】透明基板上に形成された有機薄膜の表面または有機系材料からなる基板の表面に、感光性有機材料または無機材料からなる選択マスクを作製し、選択的にエッチングすることにより有機格子を形成することを特徴とする回折素子の作製方法。
【請求項２】透明基板上に形成された有機薄膜が複屈折性有機薄膜であるか、または、有機系材料からなる基板が有機系複屈折材料である請求項１に記載の回折素子の作製方法。
【請求項３】選択マスクの作製時と、有機薄膜のエッチング時とで異なる反応ガスを用いる請求項１または２に記載の回折素子の作製方法。
【請求項４】有機薄膜の加工層と基板との加工速度の差を利用して、エッチング部分の有機薄膜を完全に除去する請求項１、２または３に記載の回折素子の作製方法。
【請求項５】有機格子の凹部を、複屈折性有機薄膜または有機系複屈折性材料の常光屈折率または異常光屈折率とほぼ等しい屈折率を有する等方性媒体で充填する請求項２、３または４に記載の回折素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、ビデオディスクなどに用いられる光ディスクや光磁気ディスクなどの光記録媒体に対して光学的情報を書き込んだり、光学的情報を読み取るための光ヘッド装置に使われる回折素子の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスクおよび光磁気ディスクなどの光記録媒体に光学的情報を書き込んだり、光記録媒体から光学的情報を読み取ったりするのに光ヘッド装置が用いられる。光ヘッド装置は、ディスク状の光記録媒体の記録面から反射された信号光を光検出部へ導光（ビームスプリット）するための光学部品（回折素子）を備えているが、この光学部品としては、従来、回折格子またはホログラム素子を用いたものと、プリズム式ビームスプリッタを用いたものとが知られていた。
【０００３】
光ヘッド装置用の従来の回折格子またはホログラム素子は、ガラスやプラスチックの基板上に、矩形の断面を有するレリーフ状の格子ストライプをドライエッチング法または射出成形法によって形成したものであり、格子ストライプで光を回折しビームスプリット機能を付与するようにしていた。
【０００４】
これらの回折格子またはホログラム素子のうち、ドライエッチング法を用いるものの例を図４に示す。ここで、図４は、ドライエッチング法を用いた回折格子またはホログラム素子の作製過程を示す側方断面図である。
【０００５】
図４（ａ）に示すような、下面側に低反射コート１を施されたガラス基板２そのものの上面、または、ガラス基板２上に蒸着法やスパッタ法などの真空プロセスを用いて成膜されたＳｉＯ２などの無機薄膜３の上面に、図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィにより、フォトレジストからなる格子形状の有機選択マスク４を作製し、この状態で図４（ｃ）に示すように、ドライエッチングを行って無機薄膜３の部分に無機薄膜３の格子である無機格子５を形成し、さらに、無機格子５の上に残存している有機選択マスク４を除去してから、４（ｄ）に示すように、低反射コート６を施すことにより回折素子を作成し、偏光無依存型の回折素子として使用する。
【０００６】
こうした回折素子における光の利用効率を、光利用効率が１０％程度の等方性回折素子よりも上げようとする場合には、偏光を利用することが考えられる。
偏光を利用した光利用効率の高いホログラム（回折素子）を備えた光ヘッド装置が特開平９−１８０２３６に提案されている。この提案の偏光性回折素子は図５のようにして作製される。ここで、図５は、上記偏光性回折素子の作製過程を示す側方断面図である。
【０００７】
まず、図５（ａ）に示すように、下面側に低反射コート１を施されたガラス基板２上に、後述する液晶７などの複屈折性材料の常光屈折率または異常光屈折率とほぼ等しい屈折率を有する等方性無機薄膜８を成膜し、つぎに、図５（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィにより、等方性無機薄膜８の上に、フォトレジストからなる格子形状の有機選択マスク４を作製し、この状態で、図５（ｃ）に示すように、ドライエッチングを行って無機格子９を形成し、さらに、無機格子９の上に残存した有機選択マスク４を除去してから、図５（ｄ）に示すように、配向膜１０を塗布焼成して配向処理を施した後、同様の配向処理を実施した配向膜１１を有する対向基板１２を向かい合わせるとともに、シール材１３を介在させて熱圧着し、内部に液晶７などの複屈折性材料を充填し封止することにより回折素子を作成する。
【０００８】
図５の回折素子の場合、回折効率を最適化するためには、前述した図４の偏光無依存型の回折素子の無機格子５よりも無機格子９の格子が深くなるように作製する必要がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記図４、図５のいずれの場合にも、エッチング深さのばらつきを制御し生産性を上げるために、基板２上に有機選択マスク４や無機薄膜３、８などの加工層（被エッチング層）を成膜して、加工層と基板２とのエッチング速度の差を利用する方式が多く用いられているが、加工層としての無機薄膜３、８は成膜に時間がかかりかつ無機薄膜３、８は硬いことから、特に無機格子９を深くするために無機薄膜８などの加工層を厚くするという場合には、無機薄膜８などの加工層を形成するための真空プロセスが長くなり、また、無機格子９の凹部を深くするためのエッチングにも時間がかかって、生産性に問題があった。
【００１０】
また、上記いずれの方式においても、通常の反応性イオンエッチング装置を用いた場合は、フォトレジストからなる有機選択マスク４と加工層である無機薄膜３、８とのエッチング速度に大きな差が付けにくいことから、加工層の目標加工深さと同じかまたは２倍程度の膜厚の厚いフォトレジストからなる有機選択マスク４が必要となり、フォトレジストからなる有機選択マスク４の膜厚を厚くした場合には、特にアスペクト比の高い格子形状（狭ピッチで深い格子形状）を加工することに問題がある。
【００１１】
したがって、たとえば、１．５μｍ程度の深い格子を有する回折素子を作製する場合に、生産性をさらに向上させようとすると、加工層の成膜およびドライエッチングのために真空装置で長時間要していたプロセスを、いかに短縮、簡略化させるかが重要となる。
【００１２】
また、上記図５の偏光性回折素子の場合に、通常の液晶７は、格子ストライプにおける凹凸部の延長方向、すなわち、格子ストライプ方向に沿って配向するため、格子ストライプ方向と直交する偏光に対しては液晶７の常光屈折率が対応し、格子ストライプ方向と平行な偏光に対しては液晶７の異常光屈折率が対応することになる。したがって、上記光ヘッド装置では、入射光の偏光方向に対して格子ストライプ方向は平行または垂直のいずれかで、かつ、回折素子内でほぼ一様な方向しかとれないという制約があった。また、格子ストライプが部分的に曲率を持つ場合には、曲率の大小によって回折効率が異なるという問題もあった。
【００１３】
本発明は、上述の各問題を解決し、生産性を向上しうるようにした回折素子の作製方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、透明基板上に形成された有機薄膜の表面または有機系材料からなる基板の表面に、感光性有機材料または無機材料からなる選択マスクを作製し、選択的にエッチングすることにより有機格子を形成することを特徴とする回折素子の作製方法を提供する。
【００１５】
また、透明基板上に形成された有機薄膜が複屈折性有機薄膜であるか、または、有機系材料からなる基板が有機系複屈折材料である上記の回折素子の作製方法を提供する。
また、選択マスクの作製時と、有機薄膜のエッチング時とで異なる反応ガスを用いる上記の回折素子の作製方法を提供する。
また、有機薄膜の加工層と基板との加工速度の差を利用して、エッチング部分の有機薄膜を完全に除去する上記の回折素子の作製方法を提供する。
さらに、有機格子の凹部を、複屈折性有機薄膜または有機系複屈折性材料の常光屈折率または異常光屈折率のいずれかとほぼ等しい屈折率を有する等方性媒体で充填する上記の回折素子の作製方法を提供する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明においては、透明基板上に均一な有機薄膜を形成するか、または、有機系材料からなる基板を用いる。
この際、有機薄膜が等方性の有機系材料である場合には、透明基板に等方性の有機系材料を直接塗布することによって形成できる。有機薄膜が複屈折性有機薄膜である場合には、複屈折の方向を揃えるために配向能力のある膜（配向膜）を成膜するなどの前処理を施すことが望ましい。複屈折性有機薄膜は光硬化性を有する高分子液晶などで構成する。
【００１７】
これらの有機薄膜は、真空を用いるプロセスを使用することなく容易に形成でき、特に厚さ数μｍの厚い膜を形成する場合に、成膜時間を大幅に短縮できる。また、有機薄膜は、加工も容易であるため、加工時間を短縮できる。したがって、深い格子を形成する場合の生産性を上げうる。
【００１８】
この有機薄膜に対して、感光性有機材料であるフォトレジストからなる有機選択マスクを形成する。
この場合に、フォトリソグラフィによって、有機薄膜の上にフォトレジストからなる格子形状の有機選択マスクを直接形成できる。しかし、被エッチング材料である有機薄膜とフォトレジストからなる有機選択マスクとはいずれも有機系材料であるため、反応性イオンエッチングを行ったときの両者のエッチング速度に大きな差を持たせることが困難であることから、低アスペクト比の格子形状（広ピッチで浅い格子形状）を得る場合にこの方法を使うようにするのがよい。
【００１９】
これに対し、高アスペクト比の格子形状を得る必要がある場合には、反応性イオンエッチングを行ったときのエッチング速度に大きな差を持たせうる無機材料からなる無機選択マスクを使用する方法が適している。
【００２０】
具体的には、成膜した有機薄膜の上に、さらに、ＳｉＯ２などの無機材料を５０ｎｍ程度成膜する。成膜方法は低温で緻密なものが形成できるような方法が適しており、室温下でのスパッタ法などを利用するのが好ましい。そして、成膜したＳｉＯ２上に通常のフォトリソグラフィにより格子形状のフォトレジストからなる有機選択マスクを形成する。この際、加工層が薄いＳｉＯ２の無機薄膜であるため、フォトレジストからなる有機選択マスクを１μｍ以下の薄いものとすることができ、フォトレジストからなる有機選択マスクが薄くなることによって狭ピッチの格子形状を形成することが容易となる。
【００２１】
このフォトレジストをマスクとし、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、ＣＨＦ３などのフッ化炭素系のガスを反応ガスとして、ＳｉＯ２などの無機薄膜のエッチングを行い、有機薄膜加工用のＳｉＯ２からなる無機選択マスクを作製する。
そして、ＳｉＯ２からなる無機選択マスクと有機薄膜に対しては、特にＯ２系のガスを用いてアッシング処理（灰化処理）を行ったときに、加工速度に大きな差が得られる。
【００２２】
このため、フッ化炭素系の反応ガスを用いてＳｉＯ２の無機選択マスクを形成した後に、継続して反応ガスを、フッ化炭素系の反応ガスとは別の、Ｏ２単体またはＯ２を含む混合ガス（Ｏ２の混合量を５０％以上とするのが好ましい）に変更し、有機薄膜の加工へ移行する。このプロセスでは、ＳｉＯ２などの無機系薄膜を加工する４倍以上の速度で有機薄膜に格子を加工できるため、プロセス時間を短縮して加工性を上げうる。
【００２３】
また、フォトレジスト／無機薄膜のエッチング速度と比較して、ＳｉＯ２の無機選択マスク／有機薄膜のエッチング速度の比が大きいため、選択マスクのサイドエッチングを抑制し、急峻な格子形状を得ることができる。さらに、有機薄膜のエッチング速度が基板のエッチング速度の３０倍以上となるような有機薄膜を選定し、オーバーエッチングを掛けることにより、有機薄膜のエッチング速度と基板のエッチング速度の差を利用して、エッチングの深さのばらつきを制御できる。また、ＳｉＯ２無機選択マスクの作製に用いたフォトレジストは、有機薄膜の加工時にそのほとんどが同時に除去されるため、フォトレジストを剥離する工程を省略することもできる。
【００２４】
また、有機系複屈折性膜を用いた偏光性の回折素子を作製する場合には、本発明の作製方法によって、光硬化性を有する高分子液晶膜で有機格子を形成し、高分子液晶による有機格子に等方性媒体を充填すればよい。この場合、入射光の偏光方向はこの高分子液晶の配向方向にのみ依存するが、格子ストライプの方向は高分子液晶膜に対して任意の方向を選べるという利点があり、また、素子内に複数の方向を有する格子ストライプを形成することもできる。
【００２５】
上記の方法で作製した有機格子を有する回折素子は、従来の無機格子を有する回折素子に比べて低コストで簡便に作製でき、特に、複屈折性有機薄膜を用いて偏光性の回折素子を作製する場合には、格子ストライプパターンのデザインに対する自由度も高いというメリットがある。
【００２６】
本発明の回折素子の作製方法は、反対側の面に別の加工を施してもよく、たとえば、反対側の面に別の回折素子を形成した場合には、３ビーム法によるトラッキングエラーの検出ができる好ましいものとなる。また、位相差板や波長選択フィルタなどの回折素子以外の機能を有する薄膜を反対側の面に加工して複層一体化することにより、小型軽量の回折素子を作製できる。
【００２７】
本発明により作製される素子が搭載される光ヘッド装置が用いられる光記録媒体は、光により情報を記録したり読み取ったりすることができる媒体である。その例としてはＣＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなどの光ディスク、および光磁気ディスク、相変化型光ディスクなどが挙げられる。
【００２８】
【実施例】
［実施例１］
実施例１を図１を参照しつつ説明する。ここで、図１は、等方性の有機格子を有する回折素子の作製過程を示す側方断面図である。図１（ａ）に示すように、光記録媒体側の面（図中下側の面）に低反射コート１４を施された直径３インチ、厚さ０．５ｍｍのガラス基板１５を用意し、ガラス基板１５の光源側の面（図中上側の面）に、光重合開始剤としてベンゾインイソプロピルエーテルを１重量％混合したフェノキシエチルアクリレートをスピンコート法により塗布し、フェノキシエチルアクリレートに光量３０００ｍＪの紫外光を照射して厚さ０．２５μｍのアクリルポリマー系の有機薄膜１６を形成し、さらに、１４０℃にて３０分間のアニール（焼鈍処理）を実施した。
【００２９】
その後、図１（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィにより、ピッチが２０μｍの格子を有する感光性有機材料のフォトレジストからなる有機選択マスク１７を形成した。
そして、図１（ｃ）に示すように、流量８０ＳＣＣＭのＯ２ガスと、流量２０ＳＣＣＭのＡｒガスとの混合ガス（反応ガス）を用いて、圧力０．２Ｔｏｒｒ、出力３００Ｗの条件下で１０分間のエッチング（アッシング）を行い、アクリルポリマーの深さが０．２５μｍ、ピッチが２０μｍのアクリル系有機格子１８を作製した。
【００３０】
つぎに、図１（ｄ）に示すように、残存したフォトレジストからなる有機選択マスク１７を除去した後、スパッタ法によりＳｉＯ２の保護膜１９を約２０ｎｍ成膜し、その上に低反射コート２０を施した。最後に、切断して、外径４ｍｍ×４ｍｍ、厚さ約０．５ｍｍの回折素子を作製した。
【００３１】
以上によって作製された回折素子の特性を調べたところ、光源としての半導体レーザからの波長６５０ｎｍの光に対して６６％の透過率が得られることが確認された。また、位相差板を用いた場合に、＋１次回折光の回折効率は１２％、−１次回折光の回折効率は１１％、合計２３％であることが確認された。
そして、透過光の波面収差は、回折素子の光の入出射面の中心部（直径２ｍｍの円形の範囲）で、０．０２５λｒｍｓ（自乗平均）以下であった。
【００３２】
［実施例２］
実施例２を図２を参照しつつ説明する。ここで、図２は、複屈折性の有機格子を有する回折素子の作製過程を示す側方断面図である。図２（ａ）に示すように、光記録媒体側の面（図中下側の面）に低反射コート１４を施された直径３インチ、厚さ０．４ｍｍのガラス基板１５を用意し、ガラス基板１５の光源側の面（図中上側の面）に、ポリイミド配向膜２１を形成し、ポリイミド配向膜２１にラビングによる水平配向処理を実施した。
【００３３】
つぎに、ポリイミド配向膜２１の上に、光硬化性を有する液状の液晶材料（液晶性モノマー）を滴下し、離型化処理を施された図示しない水平配向対向ガラス基板を用いて、液状の液晶材料をほぼ水平配向状態にした後に、液状の液晶材料に光量６００ｍＪの紫外光を照射して重合を行い、その後、上記の図示しない水平配向対向ガラス基板を離型除去して、厚さ３．５μｍの水平配向した高分子液晶の有機薄膜２２を形成した。
【００３４】
なお、光硬化性を有する液状の液晶材料としては、４’−｛ω−（アクリロイルオキシ）アルキルオキシ｝シアノビフェニルと、ｐ−［４−｛ω−（アクリロイルオキシ）アルキルオキシ｝］安息香酸ｐ’−ｎ−アルキルオキシフェニルエステルとを主成分とするものを使用した。さらに、高分子液晶の有機薄膜２２に光量３０００ｍＪの紫外光を照射し、追加重合を行った後、１４０℃にて３０分間のアニールを実施して高分子液晶の有機薄膜２２を完全に固化した。
【００３５】
この、高分子液晶の有機薄膜２２上に、スパッタ法によりＳｉＯ２の無機薄膜２３を約５０ｎｍ成膜した。
つぎに、図２（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィにより、格子のストライプ方向がポリイミド配向膜２１のラビング方向に対して＋４５゜の角度をなすピッチ６μｍの格子を有するフォトレジストからなる有機選択マスク１７を形成した。
【００３６】
そして、まず、フォトレジストからなる有機選択マスク１７を利用し、流量１００ＳＣＣＭのＣＦ４ ガスを用いて、圧力０．２Ｔｏｒｒ、出力３００Ｗの条件で５分間の反応性イオンエッチングを実施し、ＳｉＯ２の無機薄膜２３にレジストマスクパターンを転写し、ＳｉＯ２ の無機選択マスク２４を作成した。
【００３７】
つぎに、図２（ｃ）に示すように、作製したＳｉＯ２の無機選択マスク２４を利用し、流量１００ＳＣＣＭのＯ２ガスを用いて、圧力０．２Ｔｏｒｒ、出力３００Ｗの条件下でエッチングを行った。
【００３８】
このときのエッチングの時間は、面内の平均エッチング速度が毎分２００ｎｍであることから、高分子液晶の有機薄膜２２の厚さ３．５μｍに対し１５％のオーバーエッチングが掛かるように、２０分間程実施した。これによって、ガラス基板１５のエッチング速度と、高分子液晶の有機薄膜２２やＳｉＯ２の無機選択マスク２４のエッチング速度との差により、第一のエッチング（反応性イオンエッチング）で残存したフォトレジストからなる有機選択マスク１７が除去されると同時に、ピッチが６μｍで、深さが３．５μｍと揃った高分子液晶の有機格子２５が作製された。
【００３９】
その後、図２（ｄ）に示すように、今回、高分子液晶の有機薄膜２２に用いた高分子液晶（常光屈折率ｎｏ ＝１．５、異常光屈折率ｎｅ ＝１．６）の、常光屈折率ｎｏと等しい屈折率（ｎ＝１．５）を有する紫外線硬化型の接着剤を等方性充填材２６として、図の上面側に低反射コート２０を施された厚さ０．３ｍｍのカバーガラス２７に塗布した後、気泡の混入を避けるため、真空中で張り合わせ、光量５０００ｍＪの紫外光照射により等方性充填材２６を硬化重合させた。最後に切断して、外径４ｍｍ×４ｍｍ、厚さ約０．５ｍｍの回折素子を作製した。
【００４０】
以上によって作製された回折素子の特性を調べたところ、高分子液晶の配向方向と垂直な方向の偏光に対しては、光源としての半導体レーザからの波長６５０ｎｍの光に対して９１％の透過率が得られることが確認された。
【００４１】
また、位相差板を用いた場合に、光記録媒体としての光ディスクからの反射光に相当する高分子液晶の配向方向と平行な方向の偏光に対しては、＋１次回折光の回折効率が３７％、−１次回折光の回折効率が３５％で、合計７２％であることが確認された。したがって、往復効率は、０．９１×０．７２＝６６％となり、実用上充分に高い透過率が得られた。
そして、透過光の波面収差は、回折素子の光の入出射面の中心部（直径２ｍｍの円形の範囲）で、０．０２５λｒｍｓ（自乗平均）以下であった。
【００４２】
［実施例３］
実施例３を図３を参照しつつ説明する。ここで、図３は、有機系材料からなる基板を用いた回折素子の作製過程を示す側方断面図である。図３（ａ）に示すように、延伸により複屈折性を持たせた外形５０ｍｍ角、厚さ０．２ｍｍのポリカーボネートの基板２８の光記録媒体側の面（図中下側の面）に低反射コート１４を施し、ポリカーボネートの基板２８の光源側の面（図中上側の面）にスパッタ法によりＳｉＯ２の無機薄膜２９を約５０ｎｍ成膜した。
【００４３】
つぎに、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィにより格子のストライプ方向がポリカーボネートの基板２８における屈折率楕円体の長軸方向に対して４５゜の角度をなすピッチ６μｍの格子を有するフォトレジストからなる有機選択マスク３０を形成した。
そして、まず、図３（ｃ）に示すように、フォトレジストからなる有機選択マスク３０を利用し、流量１００ＳＣＣＭのＣＦ４ガスなどのフッ化炭素系の反応ガスを用いて、圧力０．２Ｔｏｒｒ、出力３００Ｗの条件下で５分間の反応性イオンエッチングを実施し、ＳｉＯ２の無機薄膜２９にレジストマスクパターンを転写し、ＳｉＯ２の無機選択マスク３１を作成した。
【００４４】
つぎに、図３（ｄ）に示すように、作製したＳｉＯ２の無機選択マスク３１を利用し、流量１００ＳＣＣＭのＯ２ガスを用いて、圧力０．２Ｔｏｒｒ、出力３００Ｗの条件下で４０分間エッチングを行い、第一のエッチング（反応性イオンエッチング）で残存したフォトレジストからなる有機選択マスク３０を除去すると同時に、ポリカーボネートの基板２８に深さ７．０μｍ、ピッチ６μｍの複屈折性有機格子３２を作製した。
【００４５】
その後、図３（ｅ）に示すように、今回、基板２８のために用いたポリカーボネート樹脂（常光屈折率ｎｏ＝１．５２、異常光屈折率ｎｅ＝１．５７）に対して、常光屈折率ｎｏ と等しい屈折率（ｎ＝１．５２）を有する紫外線硬化型の接着剤を等方性充填材３３として、図の上面側に低反射コート２０を施された厚さ０．３ｍｍのカバーガラス２７に塗布した後、光量５０００ｍＪの紫外光照射により硬化重合させた。最後に切断して、外径４ｍｍ×４ｍｍ、厚さ約０．５ｍｍの回折素子を作製した。
【００４６】
以上によって作製された回折素子の特性を調べたところ、ポリカーボネートの屈折率楕円体長軸方向と垂直な方向の偏光に対しては、半導体レーザからの波長６５０ｎｍの光に対して９０％の透過率が得られることが確認された。
【００４７】
また、位相差板を用いた場合の光記録媒体としての光ディスクからの反射光に相当する屈折率楕円体長軸方向と平行な方向の偏光に対しては、＋１次回折光の回折効率が３５％、−１次回折光の回折効率が３３％で、合計で６８％であることが確認された。したがって、往復効率は、０．９０×０．６８＝６１％となり、実用上充分に高い効率が得られた。
そして、透過光の波面収差は、回折素子の光の入出射面の中心部（直径２ｍｍの円形の範囲）で、０．０２５λｒｍｓ（自乗平均）以下であった。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、生産性が高く、高い光利用効率を有し、格子ストライプと入射偏光方向との角度に制約のない回折素子を提供できるという優れた効果を奏しうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】等方性の有機格子を有する回折素子の作製過程を示す側方断面図。
【図２】複屈折性の有機格子を有する回折素子の作製過程を示す側方断面図。
【図３】有機系材料からなる基板を用いた回折素子の作製過程を示す側方断面図。
【図４】ドライエッチング法を用いた回折格子またはホログラム素子の作製過程を示す側方断面図。
【図５】偏光性回折素子の作製過程を示す側方断面図。
【符号の説明】
１５：ガラス基板（透明基板）
１６、２２：有機薄膜
１７、３０：有機選択マスク
１８：アクリル系有機格子
２３、２９：無機薄膜
２４、３１：無機選択マスク
２５：有機格子
２６、３３：等方性充填材
２８：基板
３２：複屈折性有機格子[Title of invention] Diffraction element manufacturing method [Claims]
[Claim 1] A method for manufacturing a diffraction element, characterized by forming a selective mask made of a photosensitive organic material or an inorganic material on the surface of an organic thin film formed on a transparent substrate or on the surface of a substrate made of an organic material, and then forming an organic grating by selective etching.
2. The method for producing a diffraction element according to claim 1, wherein the organic thin film formed on the transparent substrate is a birefringent organic thin film, or the substrate made of an organic material is made of an organic birefringent material.
3. The method for producing a diffraction element according to claim 1, wherein different reaction gases are used when producing the selective mask and when etching the organic thin film.
4. The method for producing a diffraction element according to claim 1, 2 or 3, wherein the organic thin film in the etched portion is completely removed by utilizing the difference in processing speed between the processing layer of the organic thin film and the substrate.
[Claim 5] A method for manufacturing a diffraction element described in claim 2, 3 or 4, in which the recesses of the organic lattice are filled with an isotropic medium having a refractive index approximately equal to the ordinary refractive index or extraordinary refractive index of the birefringent organic thin film or organic birefringent material.
Detailed Description of the Invention
[0001]
[Technical Field to which the Invention Belongs]
The present invention relates to a method for manufacturing a diffraction element used in an optical head device for writing optical information to or reading optical information from optical recording media such as optical disks and magneto-optical disks used for CDs, CD-ROMs, video disks, etc.
[0002]
2. Description of the Related Art
Optical head devices are used to write optical information to optical recording media such as optical disks and magneto-optical disks, and to read optical information from optical recording media. Optical head devices are equipped with optical components (diffraction elements) that guide (beam split) signal light reflected from the recording surface of a disk-shaped optical recording medium to a photodetector. Conventionally, known optical components include those that use diffraction gratings or hologram elements, and those that use prism-type beam splitters.
[0003]
Conventional diffraction grating or hologram elements for optical head devices are formed by dry etching or injection molding a relief-like grating stripe with a rectangular cross section on a glass or plastic substrate, and the grating stripe diffracts light to provide a beam splitting function.
[0004]
Among these diffraction gratings or hologram elements, an example of one that uses dry etching is shown in Fig. 4. Here, Fig. 4 is a side cross-sectional view showing the process of manufacturing a diffraction grating or hologram element using dry etching.
[0005]
As shown in FIG. 4( a), a lattice-shaped organic selective mask 4 made of photoresist is formed by photolithography on the upper surface of a glass substrate 2 itself having a low-reflection coating 1 applied to the underside thereof, or on the upper surface of an inorganic thin film 3 such as SiO 2 formed on the glass substrate 2 using a vacuum process such as vapor deposition or sputtering, as shown in FIG. 4( b). In this state, dry etching is performed to form an inorganic lattice 5, which is the lattice of the inorganic thin film 3, in the inorganic thin film 3 portion, as shown in FIG. 4( c). Further, the organic selective mask 4 remaining on the inorganic lattice 5 is removed, and then a low-reflection coating 6 is applied as shown in 4( d). This produces a diffraction element, which is used as a polarization-independent diffraction element.
[0006]
In order to increase the light utilization efficiency of such a diffraction element to a level higher than that of an isotropic diffraction element, which has a light utilization efficiency of about 10%, it is conceivable to use polarized light.
An optical head device equipped with a hologram (diffraction element) that utilizes polarized light and has high light utilization efficiency has been proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-180236. The proposed polarizing diffraction element is fabricated as shown in Figure 5. Here, Figure 5 is a side cross-sectional view showing the fabrication process of the polarizing diffraction element.
[0007]
First, as shown in FIG. 5( a), an isotropic inorganic thin film 8 having a refractive index approximately equal to the ordinary or extraordinary refractive index of a birefringent material such as liquid crystal 7 (described later) is formed on a glass substrate 2 having a low-reflection coating 1 on its underside. Next, as shown in FIG. 5( b), a grating-shaped organic selective mask 4 made of photoresist is formed on the isotropic inorganic thin film 8 by photolithography. In this state, as shown in FIG. 5( c), dry etching is performed to form an inorganic grating 9. Then, as shown in FIG. 5( d), an alignment film 10 is applied and baked to perform an alignment treatment. Then, as shown in FIG. 5( d), an opposing substrate 12 having an alignment film 11 that has been similarly oriented is placed opposite the opposing substrate 12, and the substrates are thermocompressed with a sealant 13 interposed therebetween. A birefringent material such as liquid crystal 7 is filled inside and sealed, thereby completing the diffraction element.
[0008]
In the case of the diffraction element of FIG. 5, in order to optimize the diffraction efficiency, it is necessary to fabricate the inorganic grating 9 so that the grating is deeper than the inorganic grating 5 of the polarization-independent diffraction element of FIG. 4 described above.
[0009]
[Problem to be solved by the invention]
In both of the cases shown in Figures 4 and 5, in order to control variations in etching depth and increase productivity, a method is often used in which a processing layer (layer to be etched) such as an organic selective mask 4 or inorganic thin films 3 and 8 is formed on the substrate 2, and the difference in etching rate between the processing layer and the substrate 2 is utilized. However, since the inorganic thin films 3 and 8 as processing layers take time to form and are hard, particularly when thickening a processing layer such as the inorganic thin film 8 to deepen the inorganic lattice 9, the vacuum process for forming the processing layer such as the inorganic thin film 8 becomes long, and the etching to deepen the recesses of the inorganic lattice 9 also takes time, resulting in problems with productivity.
[0010]
Furthermore, in either of the above methods, when a conventional reactive ion etching apparatus is used, it is difficult to achieve a large difference in etching rate between the organic selective mask 4 made of photoresist and the inorganic thin films 3 and 8 that are the processing layers. Therefore, a thick organic selective mask 4 made of photoresist with a film thickness equal to or about twice the target processing depth of the processing layer is required. If the film thickness of the organic selective mask 4 made of photoresist is made thick, problems arise, particularly when processing a grating shape with a high aspect ratio (a deep grating shape with a narrow pitch).
[0011]
Therefore, for example, when manufacturing a diffraction element having a deep grating of about 1.5 μm, if one wishes to further improve productivity, it becomes important to shorten and simplify the process that currently requires a long time in a vacuum device for forming the processing layer and dry etching.
[0012]
5, the ordinary liquid crystal 7 is oriented along the extension direction of the concave and convex portions of the grating stripes, i.e., along the grating stripe direction, so that the ordinary refractive index of the liquid crystal 7 corresponds to polarized light perpendicular to the grating stripe direction, and the extraordinary refractive index of the liquid crystal 7 corresponds to polarized light parallel to the grating stripe direction. Therefore, in the optical head device, the grating stripe direction must be either parallel or perpendicular to the polarization direction of the incident light, and must be approximately uniform within the diffraction element. Furthermore, if the grating stripes have partial curvature, there is also the problem that the diffraction efficiency varies depending on the magnitude of the curvature.
[0013]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a diffraction element that solves the above-mentioned problems and enables productivity to be improved.
[0014]
[Means for solving the problem]
The present invention provides a method for producing a diffraction element, characterized in that a selective mask made of a photosensitive organic material or an inorganic material is formed on the surface of an organic thin film formed on a transparent substrate or on the surface of a substrate made of an organic material, and an organic grating is formed by selective etching.
[0015]
The present invention also provides a method for producing the above diffraction element, wherein the organic thin film formed on the transparent substrate is a birefringent organic thin film, or the substrate made of an organic material is made of an organic birefringent material.
The present invention also provides a method for producing the above diffraction element, in which different reaction gases are used when producing the selective mask and when etching the organic thin film.
The present invention also provides a method for producing the above diffraction element, in which the difference in processing speed between the processing layer of the organic thin film and the substrate is utilized to completely remove the organic thin film in the etched portion.
Furthermore, the present invention provides a method for producing the above-mentioned diffraction element, in which the recesses of the organic lattice are filled with an isotropic medium having a refractive index approximately equal to either the ordinary or extraordinary refractive index of the birefringent organic thin film or organic birefringent material.
[0016]
[Embodiments of the Invention]
In the present invention, a uniform organic thin film is formed on a transparent substrate, or a substrate made of an organic material is used.
In this case, if the organic thin film is an isotropic organic material, it can be formed by directly applying the isotropic organic material to a transparent substrate. If the organic thin film is a birefringent organic thin film, it is desirable to perform pretreatment such as forming an alignment film to align the direction of birefringence. The birefringent organic thin film is made of a photocurable polymer liquid crystal or the like.
[0017]
These organic thin films can be easily formed without using a vacuum process, and the film formation time can be significantly reduced, especially when forming thick films with a thickness of several micrometers. Furthermore, organic thin films are easy to process, so the processing time can be reduced. Therefore, productivity can be improved when forming deep gratings.
[0018]
An organic selective mask made of photoresist, which is a photosensitive organic material, is formed on this organic thin film.
In this case, a lattice-shaped organic selective mask made of photoresist can be formed directly on the organic thin film by photolithography. However, since both the organic thin film (the material to be etched) and the organic selective mask made of photoresist are organic materials, it is difficult to achieve a large difference in etching rate between them when reactive ion etching is performed. Therefore, this method is recommended for obtaining a lattice shape with a low aspect ratio (a shallow lattice shape with a wide pitch).
[0019]
On the other hand, when it is necessary to obtain a grating shape with a high aspect ratio, a method using an inorganic selective mask made of an inorganic material that can produce a large difference in the etching rate when reactive ion etching is performed is suitable.
[0020]
Specifically, a film of an inorganic material such as SiO2 is further deposited on the deposited organic thin film to a thickness of approximately 50 nm. A method capable of forming a dense film at low temperatures is suitable for this deposition method, and it is preferable to use a sputtering method at room temperature. Then, an organic selective mask made of a lattice-shaped photoresist is formed on the deposited SiO2 using conventional photolithography. Since the processing layer is a thin inorganic thin film of SiO2 , the organic selective mask made of photoresist can be made as thin as 1 μm or less. This thin organic selective mask made of photoresist makes it easy to form a narrow-pitch lattice pattern.
[0021]
Using this photoresist as a mask, an inorganic thin film such as SiO2 is etched using a fluorocarbon gas such as CF4 , C2F6 , C3F8 , or CHF3 as a reactive gas, to produce an inorganic selective mask made of SiO2 for processing organic thin films.
A large difference in processing speed can be obtained between an inorganic selective mask made of SiO 2 and an organic thin film, particularly when an ashing process (ashing process) is performed using an O 2 gas.
[0022]
For this reason, after forming an inorganic selective mask of SiO2 using a fluorocarbon-based reactive gas, the reactive gas is subsequently changed to a gas other than the fluorocarbon-based reactive gas, such as O2 alone or a mixed gas containing O2 (preferably with 50% or more O2 ), and processing of the organic thin film is started. In this process, a lattice can be processed into the organic thin film at a speed four times faster than that of processing an inorganic thin film such as SiO2 , thereby shortening the process time and improving processability.
[0023]
Furthermore, since the etching rate ratio of the SiO2 inorganic selective mask/organic thin film is higher than that of the photoresist/inorganic thin film, side etching of the selective mask can be suppressed, and a steep lattice shape can be obtained. Furthermore, by selecting an organic thin film whose etching rate is 30 times or more faster than that of the substrate and applying overetching, the difference between the etching rate of the organic thin film and the etching rate of the substrate can be utilized to control the variation in etching depth. Furthermore, since most of the photoresist used to prepare the SiO2 inorganic selective mask is simultaneously removed during processing of the organic thin film, the step of stripping the photoresist can be omitted.
[0024]
Furthermore, when a polarizing diffraction element using an organic birefringent film is fabricated, the method of the present invention can be used to form an organic grating using a photocurable polymer liquid crystal film and then fill the organic grating with an isotropic medium. In this case, the polarization direction of the incident light depends only on the orientation direction of the polymer liquid crystal, but the direction of the grating stripes can be selected arbitrarily relative to the polymer liquid crystal film. Furthermore, grating stripes with multiple directions can be formed within the element.
[0025]
Diffraction elements having an organic grating prepared by the above method can be produced more easily and at lower cost than diffraction elements having conventional inorganic gratings, and have the advantage of providing a high degree of freedom in the design of the grating stripe pattern, particularly when a polarizing diffraction element is produced using a birefringent organic thin film.
[0026]
In the method for fabricating a diffraction element of the present invention, another processing may be performed on the opposite surface. For example, if another diffraction element is formed on the opposite surface, it is preferable that tracking errors can be detected by the three-beam method. Furthermore, by processing a thin film having a function other than that of a diffraction element, such as a retardation plate or a wavelength selection filter, on the opposite surface to form a multi-layer integrated structure, a small and lightweight diffraction element can be fabricated .
[0027]
The optical recording medium for use with an optical head device incorporating an element manufactured according to the present invention is a medium on which information can be recorded and read by light, such as optical disks such as CDs, CD-ROMs, and DVDs, as well as magneto-optical disks and phase-change optical disks.
[0028]
[Example]
[Example 1]
Example 1 will be described with reference to FIG. 1. Here, FIG. 1 is a side cross-sectional view showing the fabrication process of a diffraction element having an isotropic organic lattice. As shown in FIG. 1( a), a glass substrate 15 having a diameter of 3 inches and a thickness of 0.5 mm was prepared. The surface facing the optical recording medium (the lower surface in the figure) was coated with a low-reflection coating 14. Phenoxyethyl acrylate containing 1% by weight of benzoin isopropyl ether as a photopolymerization initiator was applied by spin coating to the surface facing the light source (the upper surface in the figure). The phenoxyethyl acrylate was irradiated with ultraviolet light at a dose of 3000 mJ to form an acrylic polymer-based organic thin film 16 having a thickness of 0.25 μm. The substrate was then annealed at 140° C. for 30 minutes.
[0029]
Thereafter, as shown in FIG. 1B, an organic selective mask 17 made of a photoresist made of a photosensitive organic material and having a grid with a pitch of 20 μm was formed by photolithography.
Then, as shown in FIG. 1(c), etching (ashing) was performed for 10 minutes using a mixed gas (reactive gas) of O gas at a flow rate of 80 SCCM and Ar gas at a flow rate of 20 SCCM under conditions of a pressure of 0.2 Torr and an output of 300 W, thereby producing an acrylic polymer organic lattice 18 with a depth of 0.25 μm and a pitch of 20 μm.
[0030]
Next, as shown in Fig. 1(d), the remaining organic selective mask 17 made of photoresist was removed, and then a SiO2 protective film 19 was formed to a thickness of about 20 nm by sputtering, and a low-reflection coating 20 was applied thereon. Finally, the substrate was cut to produce a diffraction element having an outer diameter of 4 mm x 4 mm and a thickness of about 0.5 mm.
[0031]
When the characteristics of the diffraction element fabricated as described above were examined, it was confirmed that a transmittance of 66% was obtained for light of 650 nm wavelength from a semiconductor laser as a light source. Furthermore, when a phase difference plate was used, the diffraction efficiency of +1st order diffracted light was confirmed to be 12%, and that of -1st order diffracted light was confirmed to be 11%, for a total of 23%.
The wavefront aberration of the transmitted light was 0.025λ rms (root mean square) or less at the center (circular area with a diameter of 2 mm) of the light incident and exit surfaces of the diffraction element.
[0032]
[Example 2]
Example 2 will be described with reference to Figure 2. Here, Figure 2 is a side cross-sectional view showing the process of manufacturing a diffraction element having a birefringent organic grating. As shown in Figure 2(a), a glass substrate 15 having a diameter of 3 inches and a thickness of 0.4 mm was prepared, with a low-reflection coating 14 applied to the surface facing the optical recording medium (the lower surface in the figure). A polyimide alignment film 21 was formed on the surface facing the light source of the glass substrate 15 (the upper surface in the figure), and a horizontal alignment treatment was performed on the polyimide alignment film 21 by rubbing.
[0033]
Next, a photocurable liquid crystal material (liquid crystal monomer) was dropped onto the polyimide alignment film 21, and the liquid liquid crystal material was brought into a nearly horizontally aligned state using a horizontally aligned opposing glass substrate (not shown) that had been subjected to a release treatment.The liquid liquid crystal material was then irradiated with ultraviolet light with a light intensity of 600 mJ to polymerize it, and then the horizontally aligned opposing glass substrate (not shown) was released and removed to form a 3.5 μm thick organic thin film 22 of horizontally aligned polymer liquid crystal.
[0034]
The photocurable liquid crystal material used was a material containing 4'-{ω-(acryloyloxy)alkyloxy}cyanobiphenyl and p-[4-{ω-(acryloyloxy)alkyloxy}]benzoic acid p'-n-alkyloxyphenyl ester as its main components. The polymer liquid crystal organic thin film 22 was then irradiated with ultraviolet light at a dose of 3000 mJ to effect additional polymerization, followed by annealing at 140°C for 30 minutes to completely solidify the polymer liquid crystal organic thin film 22.
[0035]
On this organic thin film 22 of polymer liquid crystal, an inorganic thin film 23 of SiO 2 was formed to a thickness of about 50 nm by sputtering.
Next, as shown in FIG. 2(b), an organic selective mask 17 was formed by photolithography, consisting of a photoresist having a grating with a pitch of 6 μm, in which the direction of the grating stripes was at an angle of +45° with respect to the rubbing direction of the polyimide alignment film 21.
[0036]
First, using an organic selective mask 17 made of photoresist, reactive ion etching was performed for 5 minutes using CF4 gas at a flow rate of 100 SCCM under conditions of a pressure of 0.2 Torr and an output of 300 W, to transfer the resist mask pattern to the inorganic thin film 23 of SiO2 , thereby creating an inorganic selective mask 24 of SiO2 .
[0037]
Next, as shown in FIG. 2(c), etching was performed using the prepared SiO 2 inorganic selective mask 24 and O 2 gas at a flow rate of 100 SCCM under conditions of a pressure of 0.2 Torr and an output of 300 W.
[0038]
Since the average in-plane etching rate was 200 nm per minute, the etching time was about 20 minutes, resulting in 15% over-etching of the 3.5 μm thick polymer liquid crystal organic thin film 22. As a result, due to the difference in the etching rate between the glass substrate 15 and the polymer liquid crystal organic thin film 22 and the SiO2 inorganic selective mask 24, the organic selective mask 17 made of photoresist remaining from the first etching (reactive ion etching) was removed, and at the same time, a polymer liquid crystal organic lattice 25 with a uniform pitch of 6 μm and a depth of 3.5 μm was produced.
[0039]
2(d), a UV-curable adhesive having a refractive index ( n =1.5) equal to the ordinary refractive index n of the polymer liquid crystal (ordinary refractive index n = 1.5, extraordinary refractive index n = 1.6) used in the polymer liquid crystal organic thin film 22 was applied as an isotropic filler 26 to a 0.3 mm thick cover glass 27 having a low-reflection coating 20 on the upper surface side in the figure. After that , to avoid the inclusion of air bubbles, the two were bonded together in a vacuum, and the isotropic filler 26 was cured and polymerized by irradiating it with UV light with a light intensity of 5000 mJ. Finally, the diffraction element was cut to produce a diffraction element having an outer diameter of 4 mm x 4 mm and a thickness of approximately 0.5 mm.
[0040]
When the characteristics of the diffraction element fabricated in the above manner were examined, it was confirmed that a transmittance of 91% was obtained for light polarized in a direction perpendicular to the orientation direction of the polymer liquid crystal, with a wavelength of 650 nm from a semiconductor laser as a light source.
[0041]
Furthermore, when a retardation plate was used, it was confirmed that for polarized light parallel to the orientation direction of the polymer liquid crystal, which corresponds to light reflected from an optical disk as an optical recording medium, the diffraction efficiency of +1st-order diffracted light was 37% and that of -1st-order diffracted light was 35%, totaling 72%. Therefore, the round-trip efficiency was 0.91 x 0.72 = 66%, and a transmittance sufficiently high for practical use was obtained.
The wavefront aberration of the transmitted light was 0.025λ rms (root mean square) or less at the center (circular area with a diameter of 2 mm) of the light incident and exit surfaces of the diffraction element.
[0042]
[Example 3]
Example 3 will be described with reference to Figure 3. Figure 3 is a side cross-sectional view showing the process of fabricating a diffraction element using a substrate made of an organic material. As shown in Figure 3(a), a low-reflection coating 14 was applied to the surface of a polycarbonate substrate 28 (50 mm square, 0.2 mm thick) facing the optical recording medium, which had been given birefringence by stretching. An inorganic thin film 29 of SiO2 was formed to a thickness of approximately 50 nm by sputtering on the surface of the polycarbonate substrate 28 facing the light source, which was the upper surface.
[0043]
Next, as shown in FIG. 3(b), an organic selective mask 30 was formed by photolithography using a photoresist having a grating with a pitch of 6 μm, in which the direction of the grating stripes was at an angle of 45° with respect to the major axis direction of the refractive index ellipsoid on the polycarbonate substrate 28.
Then, as shown in FIG. 3( c), using an organic selective mask 30 made of photoresist, reactive ion etching was performed for 5 minutes using a fluorocarbon reactive gas such as CF gas at a flow rate of 100 SCCM under conditions of a pressure of 0.2 Torr and an output of 300 W, thereby transferring the resist mask pattern to the inorganic thin film 29 of SiO2 , thereby creating an inorganic selective mask 31 of SiO2 .
[0044]
Next, as shown in FIG. 3(d), using the prepared SiO2 inorganic selective mask 31, etching was performed for 40 minutes using O2 gas at a flow rate of 100 SCCM under conditions of a pressure of 0.2 Torr and an output of 300 W. This removed the organic selective mask 30 made of photoresist remaining from the first etching (reactive ion etching), and simultaneously produced a birefringent organic grating 32 with a depth of 7.0 μm and a pitch of 6 μm on the polycarbonate substrate 28.
[0045]
3(e), a UV-curable adhesive having a refractive index ( n =1.52) equal to the ordinary refractive index n of the polycarbonate resin used for substrate 28 (ordinary refractive index n = 1.52, extraordinary refractive index n = 1.57) was applied as isotropic filler 33 to 0.3 mm-thick cover glass 27, the upper surface of which was coated with low-reflection coating 20, and then cured and polymerized by irradiation with UV light at a dose of 5000 mJ. Finally, the substrate was cut to produce a diffraction element having an outer diameter of 4 mm x 4 mm and a thickness of approximately 0.5 mm.
[0046]
When the characteristics of the diffraction element fabricated in the above manner were investigated, it was confirmed that a transmittance of 90% was obtained for light with a wavelength of 650 nm from a semiconductor laser for polarized light in a direction perpendicular to the major axis direction of the refractive index ellipsoid of the polycarbonate.
[0047]
Furthermore, for light polarized in a direction parallel to the major axis of the refractive index ellipsoid, which corresponds to light reflected from an optical disk as an optical recording medium when a retardation plate is used, the diffraction efficiency of +1st-order diffracted light was 35%, and that of -1st-order diffracted light was 33%, totaling 68%. Therefore, the round-trip efficiency was 0.90 x 0.68 = 61%, which is sufficiently high for practical use.
The wavefront aberration of the transmitted light was 0.025λ rms (root mean square) or less at the center (circular area with a diameter of 2 mm) of the light incident and exit surfaces of the diffraction element.
[0048]
[Effects of the Invention]
As described above, the present invention has the excellent effect of providing a diffraction element that is highly productive, has high light utilization efficiency, and is not restricted by the angle between the grating stripes and the incident polarization direction.
[Brief explanation of the drawings]
1A to 1C are side cross-sectional views showing the process of fabricating a diffraction element having an isotropic organic grating.
2A to 2C are cross-sectional side views showing the manufacturing process of a diffraction element having a birefringent organic grating.
3A to 3C are side cross-sectional views showing the manufacturing process of a diffraction element using a substrate made of an organic material.
4A to 4C are side cross-sectional views showing a process for fabricating a diffraction grating or hologram element using a dry etching method.
5A to 5C are side cross-sectional views showing the manufacturing process of a polarizing diffraction element.
[Explanation of symbols]
15: Glass substrate (transparent substrate)
16, 22: Organic thin film 17, 30: Organic selective mask 18: Acrylic organic lattice 23, 29: Inorganic thin film 24, 31: Inorganic selective mask 25: Organic lattice 26, 33: Isotropic filler 28: Substrate 32: Birefringent organic lattice