特許 7491747 凹面回折格子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-20

(45)【発行日】2024-05-28

(54)【発明の名称】凹面回折格子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/18 20060101AFI20240521BHJP

   B29C 59/02 20060101ALI20240521BHJP

【ＦＩ】

G02B5/18

B29C59/02 B

B29C59/02 Z

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020103791

(22)【出願日】2020-06-16

(65)【公開番号】P2021196536

(43)【公開日】2021-12-27

【審査請求日】2023-02-02

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】青野 宇紀

(72)【発明者】

【氏名】江畠 佳定

(72)【発明者】

【氏名】八重樫 健太

(72)【発明者】

【氏名】松井 繁

【審査官】植野 孝郎

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／０４４６５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／１３０８３５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１６／０５９９２８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１４／１４８１１８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／０２１９８９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ５／１８

Ｇ０２Ｂ ５／３２

Ｂ２９Ｃ５９／０２

Ｇ０１Ｊ ３／１８－ ３／２４

Ｂ２９Ｄ１１／００－１１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

格子溝と、凹面回折格子の型となる領域外に形成された伸長部、薄膜部又は低摩擦部と、を有する平面回折格子を用意することと、
前記平面回折格子を凸面基板に実装して、前記凹面回折格子の型を取得することと、
前記型の前記格子溝を凹面基板に転写することと、を含む凹面回折格子の製造方法。

【請求項2】

前記平面回折格子を前記凸面基板に実装する際、前記平面回折格子の端部かつ前記伸長部の領域外が固定された状態で、前記平面回折格子に前記凸面基板が押圧され、前記伸長部が伸長することを特徴とする請求項１に記載の凹面回折格子の製造方法。

【請求項3】

前記薄膜部は、前記平面回折格子の端部に形成され、
前記平面回折格子を前記凸面基板に実装する際、前記薄膜部の少なくとも一部が固定された状態で、前記平面回折格子に前記凸面基板が押圧されることを特徴とする請求項１に記載の凹面回折格子の製造方法。

【請求項4】

前記低摩擦部の摩擦係数は、前記平面回折格子の摩擦係数よりも小さく、
前記低摩擦部は、前記平面回折格子の端部に形成され、
前記平面回折格子を前記凸面基板に実装する際、前記低摩擦部の少なくとも一部が固定された状態で、前記平面回折格子に前記凸面基板が押圧されることを特徴とする請求項１に記載の凹面回折格子の製造方法。

【請求項5】

前記平面回折格子が金属材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の凹面回折格子の製造方法。

【請求項6】

前記伸長部が蛇腹形状であることを特徴とする請求項１に記載の凹面回折格子の製造方法。

【請求項7】

前記凹面回折格子の型を取得することは、
前記平面回折格子を前記凸面基板に実装後、前記平面回折格子から、前記凹面回折格子の型となる領域以外の領域を除去することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の凹面回折格子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、凹面回折格子の製造方法及び光学装置に関する。

【背景技術】

【0002】

分光光度計の光学素子である凹面回折格子は、光の分光及び収束の両方の性能を有しているため、部品点数を少なくでき、装置の構成を簡便にすることが可能である。

【0003】

従来、凸面基板にルーリングエンジン等の機械で格子溝を刻印する方法によって回折格子の型を作製し、刻印した格子溝を樹脂又は金属等に転写することで、凹面回折格子を製造していた。

【0004】

凹面回折格子の作製方法として、特許文献１には、「格子状のフォトレジストパターンが形成された表面が凹面である基板にイオンビームを照射することにより、該凹面に断面鋸歯状の格子溝パターンを形成する凹面ブレーズ型回折格子の製造方法において、一の点状又は線状の基点から放射状にイオンビームを放射し、前記イオンビームの放射範囲内に収まるように、且つ、前記凹面内の任意の点における法線ベクトルと該点から前記基点に向かう方向ベクトルの為す角が鋭角になるように、前記基板を配置することを特徴とする凹面ブレーズ型回折格子の製造方法」が記載されている（同文献の請求項１参照）。

【0005】

特許文献２には、「柔軟性を有する基板に平面型回折格子のレプリカ層を積層し、該レプリカ層の硬化収縮によってこれを前記基板とともに湾曲させる工程を有し、前記基板と前記レプリカ層のそれぞれの材質と寸法を、前記レプリカ層が前記基板とともに湾曲するときに所定の湾曲形状に湾曲するように組み合わせることを特徴とする曲面回折格子の製造方法」が記載されている（同文献の請求項４参照）。

【0006】

特許文献３には、「半導体プロセスで作製したシリコン製の平面回折格子を非晶質材料に転写して、非晶質材料基板を曲面化させて、曲面固定基板に実装することで、転位線の発生を抑制した結晶性材料を有する曲面回折格子を得る」ことが記載されている（同文献の要約参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０１４－１３４５６８号公報

【文献】特開平８－２９６１０号公報

【文献】特開２０１４－１８２３０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記のように、曲面基板にルーリングエンジン等の機械で刻印する方法で回折格子の型を作製する場合、刻印ツールの角度が一定であるため、曲面基板の中心部、端部において、鋸歯形状の回折格子パターンに浅い部分と深い部分が形成され、ブレーズ角が一定にならない課題がある。

【0009】

特許文献１に開示されている半導体プロセスを用いた凹面回折格子の製造方法では、任意の曲面基板に対して、フォトリソグラフィによるレジストの格子溝を正確に作製することが難しく、曲面上へのイオンエッチングでは、格子溝の形状ばらつきが発生しやすい。

【0010】

特許文献２に記載されている曲面回折格子の型を作製する技術では、格子溝を曲面上に形成する段階で柔軟性のある部材を用いているため、凹面回折格子への転写時にパターン精度が低下する。特に、シリコーン系樹脂のような可撓性材料に格子溝を転写し、それを曲面基板に固定して凹面回折格子の型を形成し、凹面回折格子に転写することで作製しているが、凹面回折格子の転写及び剥離時の型の引張りによる可撓性材料の型のパターン崩れがあり、寿命が短い。

【0011】

特許文献３においては、大面積もしくは曲率の小さい凹面回折格子の型の作製において、シワの発生による回折格子の形成箇所への影響や、回折格子の破損の課題がある。

【0012】

そこで、本開示は、均一な回折格子パターンを有する凹面回折格子を高精度に製造する技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記課題を解決するために、本開示の凹面回折格子の製造方法は、格子溝と、凹面回折格子の型となる領域外に形成された伸長部、薄膜部又は低摩擦部と、を有する平面回折格子を用意することと、前記平面回折格子を凸面基板に実装して、前記凹面回折格子の型を取得することと、前記型の前記格子溝を凹面基板に転写することと、を含むことを特徴とする。

【0014】

本開示に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、本開示の態様は、要素及び多様な要素の組み合わせ及び以降の詳細な記述と添付される特許請求の範囲の様態により達成され実現される。
本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味に於いても限定するものではない。

【発明の効果】

【0015】

本開示によれば、均一な回折格子パターンを有する凹面回折格子を高精度に製造することができる。
上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１の実施形態に係る光学装置を示す概略図である。

【図2】凹面回折格子の概略斜視図である。

【図3】第１の実施形態に係る金属平面回折格子を示す概略断面図である。

【図4】第１の実施形態に係る凹面回折格子の型の製造方法を示す概略断面図である。

【図5】凹面回折格子の製造方法を示す概略断面図である。

【図6】第２の実施形態に係る金属平面回折格子を示す概略断面図である。

【図7】第２の実施形態に係る金属平面回折格子の製造方法を示す概略断面図である。

【図8】第２の実施形態に係る凹面回折格子の型の製造方法を示す概略断面図である。

【図9】第３の実施形態に係る金属平面回折格子を示す概略断面図である。

【図10】第３の実施形態に係る凹面回折格子の型の製造方法を示す概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

［第１の実施形態］
＜光学装置の構成例＞
図１は、第１の実施形態に係る光学装置１を示す概略図である。光学装置１は、例えば分光光度計であり、化学物質又は生体物質などの物質の化学結合に特有の波長の光を選択的に吸収して、濃度測定又は物質同定に使用することができる。図１に示すように、光学装置１は、凹面回折格子２、白色光源１１、集光レンズ１２ａ及び１２ｂ、試料室１３、スリット１４、並びに複数の検出器１５を備える。

【0018】

白色光源１１からの光は集光レンズ１２ａにより集光され、試料室１３内に配置された計測対象に照射される。試料室１３から透過してくる光は集光レンズ１２ｂによりスリット１４の開口部上に集光される。スリット１４を通過した光は凹面回折格子２によって波長分散され、スペクトルを形成する。複数の検出器１５は直線上に配置されており、凹面回折格子２によって形成されたスペクトルを検出する。

【0019】

図２は、凹面回折格子２の概略斜視図である。図２に示すように、凹面回折格子２は、凹面基板２３に、格子溝２１を有する反射膜２２を設置した構造を有する。反射膜２２の材質としては、例えば、反射率の高い金属材料、特にアルミニウム又は金を用いることができる。凹面回折格子２の製造方法は後述する。

【0020】

＜金属平面回折格子の構成例＞
図３は、凹面回折格子２の型の製造に用いる金属平面回折格子３を示す概略断面図である。図３に示すように、金属平面回折格子３は、格子溝３１及び伸長部３２を有する。格子溝３１は、金属平面回折格子３の一方の面の中央部に形成されており、所定の角度（ブレーズ角）の鋸歯形状を有する回折格子パターンである。格子溝３１は、例えば平面回折格子を転写することにより製造することができる。また、格子溝３１は、フォトリソグラフィ、若しくは、フォトリソグラフィ及びエッチング、若しくは機械加工などにより、平面基板上に回折格子パターンを形成することによって製造することもできる。

【0021】

伸長部３２は、格子溝３１の領域外（凹面回折格子２の型となる領域外）において蛇腹状に形成されており、金属平面回折格子３の面に沿った方向に伸長可能である。伸長部３２は、例えば、金属平面回折格子３の両面側からプレスすることにより形成することができる。

【0022】

本実施形態においては、金属平面回折格子３の材質を金属としたが、耐熱性及び延性を有する材質であれば、金属に限定されない。

【0023】

＜凹面回折格子の型の製造方法＞
図４（ａ）～（ｄ）は、凹面回折格子２の型４の製造方法を示す概略断面図である。本方法を概説すると、凸面基板４１上に金属平面回折格子３を変形させて接着することで、凹面回折格子２の型４を作製する。

【0024】

まず、図４（ａ）に示すように、金属平面回折格子３の格子溝３１が形成された面と反対側の面に接着剤４２を塗布し、金属平面回折格子３を凸面基板４１と凹面基板４３との間に設置する。ここで、金属平面回折格子３の端部を治具４４で固定する。

【0025】

次に、図４（ｂ）に示すように、凸面基板４１に荷重を印加し、金属平面回折格子３を変形させて、金属平面回折格子３を凸面基板４１に実装する。このとき、伸長部３２が伸長することで、金属平面回折格子３の外周部のシワの発生を抑制できるとともに、金属平面回折格子３の変形量を大きくできる。また、金属平面回折格子３の格子溝３１の形成面を凹面基板４３に沿わせるため、金属平面回折格子３の膜厚ばらつき、接着剤４２の膜厚ばらつきの影響なく、凹面基板４３の面精度で、凹面回折格子２の型４を作製することができる。

【0026】

次に、図４（ｃ）に示すように、金属平面回折格子３を凹面基板４３及び治具４４から外す。

【0027】

最後に、図４（ｄ）に示すように、金属平面回折格子３の外周部（型４とならない領域）を除去することで、凹面回折格子２の型４を形成する。

【0028】

＜凹面回折格子の製造方法＞
図５（ａ）～（ｄ）は、凹面回折格子２の製造方法を示す概略断面図である。

【0029】

まず、図５（ａ）に示すように、凹面回折格子２の型４を上述のようにして製造したものを用意する。

【0030】

次に、図５（ｂ）に示すように、不図示の剥離層を型４の凸面に形成した後、剥離層上に反射膜２２を形成する。

【0031】

次に、図５（ｃ）に示すように、反射膜２２上に接着剤２４を塗布し、凹面基板２３を設置する。

【0032】

接着剤２４が硬化した後、図５（ｄ）に示すように、型４を外すことで、凹面回折格子２を取得する。

【0033】

なお、凹面回折格子２の型４を用いて、ナノインプリント等の技術により、樹脂に格子溝を転写した後、その表面に反射膜２２を成膜することによって凹面回折格子２を製造することもできる。

【0034】

＜まとめ＞
以上のように、第１の実施形態に係る凹面回折格子２の製造方法は、格子溝３１と、凹面回折格子２の型４となる領域外に形成された伸長部３２と、を有する金属平面回折格子３（平面回折格子）を用意することと、金属平面回折格子３を凸面基板４１に実装して、凹面回折格子２の型４を取得することと、型４を凹面基板２３に転写することと、を含む。これにより、金属平面回折格子３を凸面基板４１に実装する際に伸長部３２が伸びるため、金属平面回折格子３へのシワの発生を抑制しつつ、金属平面回折格子３の変形量を大きくできる。したがって、大きな面積の凹面回折格子や曲率の小さい凹面回折格子を作製することができる。

【0035】

また、金属平面回折格子３の格子溝３１が特定の角度の鋸歯形状を有しており、この平面回折格子を凸面基板４１に実装するので、凸面基板４１の全面において、格子溝３１の形状ばらつきを抑制した型４を作製することができる。この型４を用いることにより、特定の角度（ブレーズ角）の鋸歯形状を有する回折格子パターンを備えた凹面回折格子を作製することができる。この凹面回折格子を光学装置に搭載することで、回折効率を向上でき、かつ迷光（ノイズ）を低減することができる。

【0036】

上述のように、本実施形態の方法で製造された凹面回折格子２は、ブレーズ角が均一である。また、金属平面回折格子３を凸面基板４１（曲面）に沿わせて型４が形成されるため、その型４を転写した凹面回折格子２は、ブレーズ面がわずかに（例えば１％程度）曲面となる。これに対し、特許文献１の方法で製造された凹面回折格子は、ブレーズ面は平坦である。特許文献２の方法で製造された凹面回折格子は、レプリカ層を形成する際に変形が生じる虞があり、格子溝の均一性に劣ると考えられる。特許文献３においては、凹面回折格子の型の作製において、シワの発生による回折格子の形成箇所への影響があるため、本実施形態に係る凹面回折格子の製造方法と比較すると、大きな面積の凹面回折格子や曲率の小さい凹面回折格子を作製することが難しい。

【0037】

［第２の実施形態］
第１の実施形態においては、金属平面回折格子に伸長部を設けることによって変形量を大きくし、凸面基板への実装時におけるシワの発生を抑制する手法について説明した。第２の実施形態においては、格子溝の形成箇所の剛性を高くすることにより、発生したシワの影響を低減する手法を提案する。なお、第１の実施形態と同様の構成には同様の符号を付し、その説明を省略する。

【0038】

＜金属平面回折格子の構成例＞
図６は、第２の実施形態に係る金属平面回折格子５を示す概略断面図である。図６に示すように、金属平面回折格子５は、格子溝５１及び薄膜部５２を有する。薄膜部５２は、金属平面回折格子５の端部（外周部）、かつ格子溝５１の領域外（凹面回折格子２の型となる領域外）に形成されている。

【0039】

図７（ａ）～（ｅ）は、金属平面回折格子５の製造方法を示す概略断面図である。まず、図７（ａ）に示すように、例えばフォトリソグラフィ、若しくは、フォトリソグラフィ及びエッチング、若しくは機械加工などにより、平面基板１００の表面に回折格子パターン１０１を形成する。

【0040】

次に、図７（ｂ）に示すように、平面基板１００上に電解めっき５０を施す。

【0041】

次に、図７（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィにより電解めっき５０上面の外周部にマスク１０２を成膜する。

【0042】

次に、図７（ｄ）に示すように、電解めっき５０が露出した箇所にさらに電解めっき５０を施す。

【0043】

最後に、図７（ｅ）に示すように、平面基板１００及びマスク１０２を除去する。

【0044】

＜凹面回折格子の型の製造方法＞
図８（ａ）～（ｄ）は、凹面回折格子２の型６の製造方法を示す概略断面図である。

【0045】

まず、図８（ａ）に示すように、金属平面回折格子５の格子溝５１が形成された面と反対側の面に接着シート６２を貼り付け、金属平面回折格子５を凸面基板６１と凹面基板６３との間に設置する。ここで、金属平面回折格子５の端部を治具６４で固定する。

【0046】

次に、図８（ｂ）に示すように、凸面基板６１に荷重を印加し、金属平面回折格子５を変形させて、金属平面回折格子５を凸面基板６１に実装する。このとき、薄膜部５２にシワは発生するが、格子溝５１の形成部（型６となる領域）の剛性が高いので、シワは格子溝５１の形成箇所に影響しない。また、金属平面回折格子５の格子溝５１の形成面を凹面基板６３に沿わせるため、金属平面回折格子５の膜厚ばらつき、接着シート６２の膜厚ばらつきの影響なく、凹面基板６３の面精度で、凹面回折格子２の型６を作製することができる。

【0047】

次に、図８（ｃ）に示すように、金属平面回折格子５を凹面基板６３及び治具６４から外す。

【0048】

最後に、図８（ｄ）に示すように、金属平面回折格子５の外周部を除去することで、凹面回折格子２の型６を形成する。

【0049】

＜凹面回折格子の製造方法＞
凹面回折格子２の製造方法については、上記のようにして得られた型６を用いること以外は第１の実施形態と同様である。

【0050】

＜まとめ＞
以上のように、第２の実施形態に係る凹面回折格子２の製造方法は、格子溝５１と、凹面回折格子２の型６となる領域外に形成された薄膜部５２と、を有する金属平面回折格子５（平面回折格子）を用意することと、金属平面回折格子５を凸面基板６１に実装して、凹面回折格子２の型６を取得することと、を含む。これにより、金属平面回折格子５を凸面基板６１に実装する際に薄膜部５２にシワが発生したとしても、格子溝５１の領域の剛性が高いため、格子溝５１に影響しない。したがって、大面積の凹面回折格子や曲率の小さい凹面回折格子を作製することができる。また、格子溝５１に対するシワの影響を低減できるため、回折格子パターンの形状ばらつきを抑制することができる。

【0051】

［第３の実施形態］
第３の実施形態においては、金属平面回折格子を凸面基板へ実装する際のシワの発生を抑制する他の構成を提案する。

【0052】

＜金属平面回折格子の構成例＞
図９は、第３の実施形態に係る金属平面回折格子７を示す概略断面図である。図９に示すように、金属平面回折格子７は、格子溝７１、及び、金属平面回折格子７よりも滑り摩擦力の小さい材料７２を有する。

【0053】

材料７２は、金属平面回折格子７の格子溝７１が形成された面と反対側の面の端部（外周部）、かつ格子溝７１の領域外（凹面回折格子２の型に使用されない領域）に設けられている。材料７２は、例えば接着シートにより金属平面回折格子７に接着することができる。材料７２は、例えば、ＰＥＴ樹脂、ＰＴＦＥ樹脂など、接着剤の軟化温度で軟化しない樹脂材料を用いることができる。もちろん、金属平面回折格子７よりも滑り摩擦力が小さく、耐熱性のある材質であれば、材料７２は樹脂材料に限定されない。

【0054】

＜凹面回折格子の型の製造方法＞
図１０（ａ）～（ｄ）は、凹面回折格子２の型８の製造方法を示す概略断面図である。

【0055】

まず、図１０（ａ）に示すように、金属平面回折格子７の格子溝７１が形成された面と反対側の面に接着剤８２を塗布し、金属平面回折格子７を凸面基板８１と凹面基板８３との間に設置する。ここで、金属平面回折格子７の端部を治具８４で固定する。

【0056】

次に、図１０（ｂ）に示すように、凸面基板８１に荷重を印加し、金属平面回折格子７を変形させて、金属平面回折格子７を凸面基板８１に実装する。このとき、滑り摩擦力の小さい材料７２が、固定している治具８４を滑ることで、金属平面回折格子７のシワの発生を抑制することができる。また、金属平面回折格子７の格子溝７１の形成面を凹面基板８３に沿わせるため、金属平面回折格子７の膜厚ばらつき、接着剤８２の膜厚ばらつきの影響なく、凹面基板８３の面精度で、凹面回折格子の型８を作製することができる。

【0057】

次に、図１０（ｃ）に示すように、金属平面回折格子７を凹面基板８３及び治具８４から外す。

【0058】

最後に、図１０（ｄ）に示すように、金属平面回折格子７の外周部を除去することで、凹面回折格子２の型８を形成する。

【0059】

＜凹面回折格子の製造方法＞
凹面回折格子２の製造方法については、上記のようにして得られた型８を用いること以外は第１の実施形態と同様である。

【0060】

＜まとめ＞
以上のように、第３の実施形態に係る凹面回折格子２の製造方法は、格子溝７１と、凹面回折格子２の型８となる領域外に形成された、滑り摩擦力の小さい材料７２（低摩擦部）と、を有する金属平面回折格子７（平面回折格子）を用意することと、金属平面回折格子７を凸面基板８１に実装して、凹面回折格子２の型８を取得することと、を含む。これにより、金属平面回折格子７を凸面基板８１に実装する際に、固定している治具８４を材料７２が滑るので、シワの発生を抑制することができる。したがって、大面積の凹面回折格子や曲率の小さい凹面回折格子を作製することができる。また、金属平面回折格子７へのシワの発生を抑制でき、格子溝５１は特定の角度の鋸歯形状を有しているので、回折格子パターンの形状ばらつきを抑制することができる。

【0061】

［変形例］
本開示は、上述した実施形態に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば、上述した実施形態は、本開示を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備える必要はない。また、ある実施形態の一部を他の実施形態の構成に置き換えることができる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の実施形態の構成の一部を追加、削除又は置換することもできる。

【符号の説明】

【0062】

１ 光学装置
２ 凹面回折格子
３、５、７ 金属平面回折格子
４、６、８ 型
１１ 白色光源
１２ａ、１２ｂ 集光レンズ
１３ 試料室
１４ スリット
１５ 検出器
２１ 格子溝
２２ 反射膜
２３ 凹面基板
２４ 接着剤
３１、５１、７１ 格子溝
３２ 伸長部
４１、６１、８１ 凸面基板
４２、８２ 接着剤
６２ 接着シート
４３、６３、８３ 凹面基板
４４、６４、８４ 治具
５２ 薄膜部
７２ 滑り摩擦係数の小さい材料

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】