JP2007233283A - 反射型回折格子 - Google Patents

Abstract

【課題】基板内部に侵入した光に起因する迷光を低減することのできる反射型回折格子を提供する。
【解決手段】母型となる回折格子２０の格子面に蒸着によりアルミニウム薄膜３３を形成し、レプリカ基板３１の表面に該回折格子２０の格子溝パターンをアルミニウム薄膜３３と共に反転転写することで作製されるレプリカ回折格子３０において、該レプリカ基板３１の少なくとも裏面（格子溝パターンが転写される面とは逆側の面）３１ｂを粗面とする。これにより、レプリカ回折格子の格子面の一部にアルミニウム薄膜３３で被覆されていない領域があった場合でも、該領域から基板３１の内部に侵入し前記裏面３１ｂに入射する光の反射率を低下させ、迷光を低減することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、反射型回折格子に関する。

分光器等に使用される反射型回折格子は、格子面で反射した光の回折を利用して波長分散を行う光学素子である。このような反射型回折格子は、一般的に、表面に多数の溝を形成したガラス等の透光性基板の表面にアルミニウムなどの金属を蒸着することで製造される。

しかし、このような反射型回折格子は、前記溝の形状によっては格子面上に金属薄膜が蒸着されない部分が生じる場合がある。例えば、ルールド型（機械刻線型）の回折格子では、断面鋸歯状の溝の頂角がほぼ直角であるため、蒸着により溝の全面を金属薄膜で均一に被覆することができる。一方、同じく断面鋸歯状の溝を有するブレーズドホログラフィック型の回折格子の場合、ホログラフィック露光を利用してフォトレジストの正弦半波状の溝を形成した後、イオンビームエッチング加工により基板上に鋸歯状の溝を形成する過程で、該溝の頂角が鋭角となる場合がある。この場合、その後の蒸着工程において、溝の一部が陰となり、金属薄膜で被覆されない領域が生じることがある。

また、従来より、大量生産による低コスト化を図り、且つ性能のばらつきを小さくするために、上記のような手順で製造された回折格子を母型とし、これを元にした樹脂成形品であるレプリカ回折格子が製造されている（例えば、特許文献１を参照）。該レプリカ回折格子の製造においては、まず、母型となる回折格子上に金属薄膜層を形成し、別途用意した基板と該回折格子とをエポキシ樹脂等の接着剤を介して貼り合わせた後、剥離することにより、該基板上に母型の格子溝パターンが反転接着されたネガ型を作製する。次に、このネガ型を母型として同様の手順によりガラス等の所望の基板（これをレプリカ基板と呼ぶ）上に該ネガ型の格子溝パターンを転写することでレプリカ回折格子を作製する。このとき、レプリカ基板としては、一般的にフロートガラスが用いられており、ネガ型とレプリカ基板とを接着剤で貼り合わせる際に接着面に入った泡を視認しやすくするため、レプリカ基板の裏面（格子溝パターンが転写されない側の面）はフロートガラスの光沢面がそのまま用いられている。

特開2005-157118号公報

上記のように、反射型回折格子の格子面に金属薄膜４２で被覆されていない領域４３が存在する場合、該格子面に光を照射した際に、入射光の一部が当該領域４３から基板４１の内部に侵入する（図４）。このようにして基板４１内に侵入した光（図中の「透過光」）は、該基板４１の裏面４１ａで反射され、再び金属薄膜４２のない領域から回折格子の表面へと出射し迷光の原因となる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、基板内部に侵入した光に起因する迷光を低減することのできる反射型回折格子を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る反射型回折格子は、透光性基板の一方の面に金属薄膜で被覆された格子溝パターンを有する反射型回折格子において、該基板の他方の面を粗面としたことを特徴としている。

なお、本発明の反射型回折格子は、更に、前記透光性基板の周面も粗面とすることが望ましい。

上記構成を有する本発明の回折格子によれば、基板の裏面（すなわち、格子溝パターンが形成されない側の面）が粗面（いわゆるスリ面）化されていることから、上記金属膜で被覆されていない領域から基板内部に侵入して当該裏面に入射する光の反射率を抑えると共に、全体に散乱させ、迷光を低減することができる。また、上記金属被膜を透過して基板内部に僅かに侵入する光に対しても、このような光が基板の裏面で反射するのを防止し、迷光の発生を抑えることができる。

また更に、前記基板の周面を粗面化した場合、基板内部に侵入し周面で反射する光に起因した迷光を防ぐこともでき、より高い迷光低減効果を達成することができる。

従って、本発明によれば、溝形状が鋭敏なことから発生する迷光を低減することができるため、ルールド型よりも溝の周期性が高いホログラフィック型回折格子の特徴を損なうことのない高効率且つ低迷光な回折格子を提供することができる。このため、本発明の回折格子は、特に、ラマン分光などの微弱な光を取り扱うアプリケーションに好適に用いることができる。また、回折格子の裏面を従来の光沢面から粗面にすることで容易に実現できるため、低廉なコストで優れた性能の回折格子を提供することが可能となる。

以下、実施例を用いて本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本実施例に係るレプリカ回折格子の母型となるマスター回折格子の作製工程を示し、図２は、該マスター回折格子からネガ回折格子を作製する工程を、図３は、該ネガ回折格子からレプリカ回折格子を作製する工程を示す。

＜マスター回折格子の作製工程＞
まず、ＢＫ７光学ガラスから成る基板１１（約６０ｍｍ×６０ｍｍ×１１．３ｍｍ）を光学研磨した後、超音波洗浄によって表面を清浄する。なお、基板１１は光学研磨が可能であってフォトレジストを塗布することが可能であればその種類を問わないが、上記ＢＫ７以外に、例えば、パイレックス（登録商標）ガラス、石英ガラス等を用いることができる。次に、基板１１の表面にフォトレジスト層１２を形成する（図１（ａ））。フォトレジストは、ホログラフィック露光が可能なものであればいかなるものであってもよく、例えばＭＰ１８００シリーズ（シプレイ社製）や、ＯＦＰＲ５０００（東京応化社製）等を利用することができる。本実施例ではＭＰ１８０５を３０００ｒｐｍで４０秒間スピンコートした後、コンベクション・オーブンで９０℃、３０分間ベーキングし、厚さ０．３μｍのフォトレジスト層１２とする。

上記基板１１をホログラフィック露光装置（例えば、特開平06-034807を参照）にセットし、Ｈｅ−Ｃｄレーザ（λ＝４４１．６ｎｍ）の２光束干渉によるホログラフィック露光によって、フォトレジスト層１２に１２００本／ｍｍの密度の干渉縞を露光する。その後、専用現像液ＭＰ３０３Ａ（シプレイ社製）で現像した後、純水リンスを順次行うことにより、回折格子パターンが形成されたレジストパターン１２を作製できる。このとき、２光束干渉の干渉縞の強度分布は正弦波状であるため、露光時間と現像時間を適切に制御することにより基板１１の表面に正弦半波状のフォトレジスト１２の回折格子パターンを作製することができる（図１（ｂ））。本実施例では、該正弦半波状回折格子パターンの溝深さを０．１μｍとする。

次に、上記基板１１に対し、レジストパターン形成面の斜め上方且つレジストパターン１２の格子溝の配列方向に対し垂直な方向からイオンビームを照射することで、反応性イオンビームエッチングを行う。このとき、エッチングガスとして、ＣＦ_４及びＡｒの混合ガスを使用し、その混合比をＡｒ／（ＣＦ_４＋Ａｒ）＝６０％、ガス圧を２×１０^−２Ｐａとする。ＢＫ７ガラス基板１１に断面鋸歯状の回折格子パターンが徐々に形成されていき、レジスト１２が消滅して、レジスト回折格子溝パターン１２が完全にガラス基板１１に転写刻線されるまで、約２０分間エッチングを行う（図１（ｃ））。これによりブレーズ角（格子溝の傾き角）が７．６°のガラス回折格子パターンを作製し、エッチング終了後、格子溝が刻線された基板１１を洗浄して、真空蒸着法により格子溝の表面に膜厚約０．２μｍのアルミニウム薄膜１３を形成する（図１（ｄ））。以上のような各工程により、マスター回折格子１０が完成する。

＜ネガ回折格子の作製工程＞
以上の工程により完成したマスター回折格子１０にシリコングリース等の離型剤を蒸着して離型剤層１４を形成し（図２（ａ））、その後に、真空蒸着によってアルミニウム薄膜２３を形成する（図２（ｂ））。このアルミニウム薄膜２３は後にネガ回折格子の格子面を被覆するものであり、ここでは膜厚を約０．２μｍとする。次いで、ネガ用基板２１となるフロートガラス板（約６０ｍｍ×６０ｍｍ×１１．３ｍｍ）を洗浄し、接着剤（熱硬化型エポキシ樹脂）２２を略均一厚に塗布する（図２（ｃ））。そして、この接着剤２２を介してネガ用基板２１と先の図２（ｂ）の状態にあるマスター回折格子１０とを貼り合わせ、適度な圧力で押しつける。それによって、接着剤２２はアルミニウム薄膜２３の断面鋸歯形状の溝を埋めるように広がる（図２（ｄ））。

これを、７０℃で２４時間保持することにより接着剤２２を硬化させた後、離型剤層１４を境にしてネガ用基板２１をマスター回折格子１０から引き剥がす。すると、断面鋸歯形状に成形されたアルミニウム薄膜２３が、接着剤２２を介してネガ用基板２１に接着した状態で剥離する（図２（ｅ））。これによって、マスター回折格子１０の格子溝を反転転写した格子溝を備えた、ネガ回折格子２０が得られる。

＜レプリカ回折格子の作製工程＞
まず、レプリカ回折格子の基板(レプリカ基板）３１となるフロートガラス板（約６０ｍｍ×６０ｍｍ×１１．３ｍｍ）を用意し（図３（ｃ））、メッシュサイズが＃６００〜＃１０００の砥粒を使用した砂かけ加工により該基板の表面（格子溝パターンが転写される側の面）３１ａ及び側面（周面）３１ｃの全体を粗面とする（図３（ｄ））。このとき、これらの面の中心線平均粗さが４μｍ〜２０μｍとなるようにすることが望ましい。なお、レプリカ基板を粗面化処理する方法は、このような砂かけ加工に限定されるものではなく、例えば、ブラスト加工や薬液処理などいかなる手法を用いてもよい。

次に、上述のネガ回折格子２０を母型としてレプリカ回折格子３０を作製する。その手順は上述したネガ回折格子２０の作製時と同様であり、ネガ回折格子２０の格子溝表面に離型剤層２４とアルミニウム薄膜３３とを形成し（図３（ａ）、（ｂ））、接着剤３２を挟んで上記図３（ｄ）の状態のレプリカ基板３１を貼り付ける（図３（ｅ）、（ｆ））。そして、接着剤３２が硬化した後にメッシュサイズが＃６００〜＃１０００の砥粒を使用した砂かけ加工により裏面３１ｂの全体を粗面とする（図３（ｇ））。このとき、裏面３１ｂの中心線平均粗さが４μｍ〜２０μｍとなるようにすることが望ましい。その後、離型剤層２４を境にネガ回折格子２０からレプリカ基板３１を引き剥がす。それによって、ネガ回折格子２０の格子溝パターンが接着剤３２に反転転写され、その表面をアルミニウム薄膜３３が被覆し、図３（ｈ）に示すようなレプリカ回折格子３０ができあがる。これにより、理想的には、このレプリカ回折格子３０の回折格子溝の形状はマスター回折格子１０のそれと同一になる。

本実施例のレプリカ回折格子の効果を確認するため、上記実施例の工程に従ってレプリカ回折格子を作製すると共に、比較例として、表面側（格子溝パターンが形成される側）のみを粗面化し、その他の面は光沢面のままとしたレプリカ基板を使用し、それ以外の点では上記実施例と同様にして作製したレプリカ回折格子を用意し、これらのレプリカ回折格子に対して波長１．５μｍの光を入射角−７０°で照射した。その結果、本実施例のレプリカ回折格子では、比較例のレプリカ回折格子に比べて大幅な迷光の低減が確認された。

以上、実施例を用いて本発明に係る反射型回折格子を実施するための最良の形態について説明したが、上記実施例に記載の数値や材料などは単に一例であって、本発明はこれに限定されるものではない。また、それ以外の点についても、本発明の趣旨の範囲で適宜に変更や修正を行えることは明らかである。

例えば、上記レプリカ基板は必ずしも全面（表面、裏面及び側面）を粗面とする必要はなく、少なくとも裏面が粗面であればよい。

また、本発明は、上記実施例のようにマスター回折格子から格子溝パターンを転写することによって作製されるレプリカ型の回折格子に限らず、ホログラフィック露光及びイオンビームエッチング等の手法により基板上に格子溝を直接形成することによって作製される、いわゆるオリジナル型の回折格子にも同様に適用することができる。この場合、予め基板の少なくとも裏面側を粗面化処理しておき、上記マスター回折格子の作製工程と同様の手順によって格子溝及び金属薄膜層の形成を行う。

更に、本発明の反射型回折格子は、図１〜３に示すような平面状の格子面を有するいわゆる平面回折格子のほか、曲面状の格子面を有するいわゆる凹面回折格子にも同様に適用することができる。

本発明の一実施例に係るレプリカ回折格子の作製における、マスター回折格子の作製工程を説明する概略図。 同実施例のレプリカ回折格子の作製工程において、上記マスター回折格子からネガ回折格子を作製する工程を説明する概略図。 同実施例のレプリカ回折格子の作製工程において、上記ネガ回折格子からレプリカ回折格子を作製する工程を説明する概略図。 従来の反射型回折格子の問題点を説明する図。

符号の説明

１０…マスター回折格子
１１…基板
１２…フォトレジスト
１３…アルミニウム薄膜
１４…離型剤層
２０…ネガ回折格子
２１…ネガ用基板
２２…接着剤
２３…アルミニウム薄膜
２４…離型剤層
３０…レプリカ回折格子
３１…レプリカ基板
３２…接着剤
３３…アルミニウム薄膜

Claims (5)

1. 透光性基板の一方の面に金属薄膜で被覆された格子溝パターンを有する反射型回折格子において、該基板の他方の面を粗面としたことを特徴とする反射型回折格子。
2. 上記反射型回折格子が、母型となる回折格子の格子溝パターンを透光性レプリカ基板の一方の面に転写して成るレプリカ回折格子であって、前記レプリカ基板の他方の面を粗面としたことを特徴とする請求項１に記載の反射型光学素子。
3. 更に、上記基板又はレプリカ基板の周面を粗面としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の反射型回折格子。
4. 上記粗面の中心線平均粗さが４μｍ〜２０μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の反射型回折格子。
5. 母型となる回折格子の格子溝パターンを透光性レプリカ基板の一方の面に転写することによりレプリカ回折格子を製造する方法において、
   a) 母型となる回折格子の格子面に離型剤層を介して金属薄膜層を形成する工程と、
   b) 前記レプリカ基板の少なくとも前記格子溝パターンが転写されない側の面を粗面化する工程と、
   c) 前記金属薄膜層と前記レプリカ基板とを接着剤を介して密着させた後に前記離型剤層を境に両者を剥離させる工程と、
   を有することを特徴とするレプリカ回折格子の製造方法。
   

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