JP2019139190A - 微細穴光学素子の製造方法、および微細穴光学素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】軽量かつ、大きな有効面積と高い集光性能とを有する微細穴光学素子を提供する。【解決手段】微細穴光学素子の製造方法は、単一に形成されあるいは複数部分が一体化されて形成された透明基板2の表面に沿って複数のスリット3が配備されているとともに、透明基板2の表面から裏面に至る途中で、表面に対する各スリット3の角度が第1の角度から第2の角度に変化する微細穴光学素子の製造方法であって、透明基板2に対して複数のスリット3を形成するスリット形成工程と、複数のスリット3それぞれの内壁に反射層4を形成する反射層形成工程と、を備える。【選択図】図5
Description
本発明は、微細穴光学素子の製造方法、および微細穴光学素子に関する。
X線は、可視光とは異なり、直入射光学系の利用が困難である。このため、金属のX 線に対する屈折率が1よりも小さいことを利用した金属面の全反射による斜入射光学系が用いられている。この場合の全反射の臨界角は1度程度と小さいため、反射面の有効面積を大きくとるために、直径の異なる金属製の円筒状の反射鏡を、同軸状に多数配置する方法が知られている。しかしながら、この方法ではX線反射装置全体の重量が増大するため(1m2あたり1トン以上の重量)、宇宙空間で利用する場合に、地上からの輸送に支障を来すという問題があった。
特許文献1には、軽量かつ比較的容易に製造できるX線光学系基材として、異方性エッチングによるシリコンウェハ壁面をX線反射鏡として利用するX線光学系基材が提案されている。これは、薄いウェハに微細な穴を開けるため、従来よりも一桁以上軽い鏡となるうえ、一度のエッチングにより鏡を大量に生産できるという利点もある。しかし、異方性エッチングで形成できる穴は、直線的なスリット状の穴に限られるため、X線光学系を作る際には、反射鏡としての理想曲面を直線で近似する必要があり、集光性能が制限される。また、理想曲面に近づけるため、X線光学系を小さくして理想曲面に沿って配置することになるので、多数のX線光学系が必要になり、製作に要する労力・コストが大きい。
特許文献2には、軽量性を保ちつつ、集光性能を向上させるため、新たなX線光学系基材として、シリコンドライエッチング若しくはX線LIGAで製作した微細曲面穴構造体の壁面をX線光学系として用いるX線光学系基材が提案されている。
しかし、特許文献2で提案されているX線光学系基材は、1枚1枚の基板に対し高温塑性変形若しくは弾性変形を施す必要があるので、反射面の有効面積増大のために高密度で微細曲面穴が形成されると変形時に壁面に歪みを生じる虞がある。このような歪みは集光性能の低下の原因となる。
すなわち、従来提案されているX線光学系基材は、軽量化は実現できるものの、反射面の有効面積と集光性能とがトレードオフの関係となっている。このため、大きな有効面積と高い集光性能とを両立可能な新たな技術が望まれている。
本発明は、軽量かつ、大きな有効面積と高い集光性能とを有する微細穴光学素子を提供することを目的とする。
本発明は、軽量かつ、大きな有効面積と高い集光性能とを有する微細穴光学素子を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る微細穴光学素子の製造方法の一態様は、単一に形成されあるいは複数部分が一体化されて形成された透明基板の表面に沿って延びた複数のスリットが配備されているとともに、当該透明基板の表面から裏面に至る途中で、当該表面に対する各スリットの角度が第1の角度から第2の角度に変化する微細穴光学素子の製造方法であって、上記透明基板に対して上記複数のスリットを形成するスリット形成工程と、上記複数のスリットそれぞれの内壁に反射層を形成する反射層形成工程と、を備える。
このような微細穴光学素子の製造方法によれば、透明基板に対する既知の加工方法により、高いアスペクト比のスリットを高い密度で高精度に形成することが出来る。この結果、軽量かつ、大きな有効面積と高い集光性能と有する微細穴光学素子が実現される。
上記微細穴光学素子の製造方法において、上記スリット形成工程が更に、上記スリットが形成される箇所について上記透明基板を改質する改質工程と、上記改質工程で改質された箇所を除去して上記スリットを形成する除去工程とを備えてもよい。改質工程と除去工程とを備えることにより、アスペクト比の高いスリットの形成が容易である。
また、上記改質工程は、上記透明基板中にビームを照射して多光子吸収を生じさせることで改質する工程であることが好適である。ビーム照射による多光子吸収は透明基板中での位置分解能が高いので精細なスリット形状が容易に実現される。
また、上記微細穴光学素子の製造方法において、上記透明基板は、その透明基板の表面に沿って並んだ上記複数部分に相当する複数の小基板が互いに接合されて形成されたものであり、上記複数の小基板の端面同士を接合する接合工程を前記スリット形成工程よりも後に備えてもよい。
また、上記微細穴光学素子の製造方法において、上記透明基板は、その透明基板の厚さ方向に重なった上記複数部分に相当する複数の薄基板が互いに接合されて形成されたものであり、上記複数の薄基板の表裏面同士を接合する接合工程を上記スリット形成工程よりも後に備えてもよい。
このように複数部分が表面に沿う方向や厚さ方向に接合されることにより、微細穴光学素子の大型化が容易に実現される。
このように複数部分が表面に沿う方向や厚さ方向に接合されることにより、微細穴光学素子の大型化が容易に実現される。
更に、上記接合工程が、紫外線の照射による接合面の改質で上記複数部分を接合させる工程であることが好適である。紫外線照射による接合では、接着剤などが不要となり、接合面同士が強固に密着する。
また、上記微細穴光学素子の製造方法において、上記反射層形成工程が、原子層堆積法によって上記反射層を形成する工程であることが好ましい。原子層堆積法ではアスペクト比の高いスリットに対しても均等な厚さに反射層が形成される。
上記課題を解決するために、本発明に係る微細穴光学素子の一態様は、単一に形成されあるいは複数部分が一体化されて形成された透明基板と、上記透明基板の表面に沿って各々が円弧状に延びて互いに同心に配備されているとともに、当該透明基板の表面から裏面に至る途中で、当該表面に対する角度が第1の角度から第2の角度に変化する複数のスリットと、上記スリットの内壁に設けられた反射層と、を備える。
このような微細穴光学素子によれば、透明基板に対する既知の加工方法により、高いアスペクト比のスリットを高い密度で高精度に形成することが出来る。この結果、軽量かつ、大きな有効面積と高い集光性能とを有する微細穴光学素子が実現される。
上記微細穴光学素子において、上記複数のスリットが1mm当たり10本以上の密度で形成されていることが望ましい。このような密度でスリットが形成されることにより、重量増加が回避されつつ有効面積の増加が実現される。
また、上記微細穴光学素子において、上記複数のスリットは、互いに同心に配備された内周側に位置するスリット程、上記透明基板の表面に対して垂直に近い角度になっていてもよい。このような微細穴光学素子によれば、反射層によって反射されたX線や真空紫外線が焦点を結ぶ。
また、上記微細穴光学素子において、上記透明基板は、その透明基板の表面に沿って並んだ上記複数部分に相当する複数の小基板が互いに接合されて形成されたものであってもよい。
また、上記微細穴光学素子において、上記透明基板は、その透明基板の厚さ方向に重なった上記複数部分に相当する複数の薄基板が互いに接合されて形成されたものであってもよい。
このように複数部分が表面に沿う方向や厚さ方向に接合されることにより、微細穴光学素子の大型化が容易に実現される。
このように複数部分が表面に沿う方向や厚さ方向に接合されることにより、微細穴光学素子の大型化が容易に実現される。
更に、このような複数部分が接合された透明基板は、接合面に形成された水素結合によって上記複数部分が接合されたものであることが好ましい。このような水素結合は、例えば紫外線の照射によって接合面に形成され、この水素結合によって接合面同士が接着剤不要で強固に密着される。
本発明によれば、軽量かつ、大きな有効面積と高い集光性能とを有する微細穴光学素子が実現される。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の微細穴光学素子の第1実施形態を概念的に示す図である。図1には、正面図(A)と側面図(B)が示されている。
図1は、本発明の微細穴光学素子の第1実施形態を概念的に示す図である。図1には、正面図(A)と側面図(B)が示されている。
微細穴光学素子1は、直径が例えば200mm以下で厚さが例えば0.5mm以上1mm以下の円盤状の外形を有した透明基板2に対して多数の円弧状のスリット3が同心円状に配備された構造となっている。透明基板2は例えばガラスや透明樹脂などからなり、特に溶融石英のガラスであると、後述する製造方法におけるスリット3の加工が容易となる。
図1ではスリット3の密度が実際よりも粗く描かれており、実際のスリット3は、スリット幅が例えば10μm以上に形成されるとともに、スリット3相互間に位置するガラスや樹脂の部分の幅が例えば20μm以上に形成されている。ここで、スリット3の密度は、スリットの幅方向で測るものとし、例えば複数のスリットが同心に配備されている場合は、同心配置の中心を通って各スリットを横切る直線上での1mm当たり例えば33本程度という高い密度になっている。微細穴光学素子1全体では例えば2000本というような多数のスリット3が形成されている。
図2は、図1中の部分Pにおける拡大断面図である。
図2は、図1中の部分Pにおける拡大断面図である。
微細穴光学素子1の各スリット3は、微細穴光学素子1の表側(図1の上方)から裏側(図1の下方)へと向かう途中で屈曲しており、微細穴光学素子1に対して表側からX線や真空紫外線などの光Lが入射する。各スリット3における光Lの進行方向の長さh1と、光Lがスリット3から出射する箇所におけるスリット幅h2との比h1/h2は例えば50以上100以下という大きな値となっている。
各スリット3の内壁には金属の反射層4が形成されている。反射層4は例えば酸化ハフニウム等の重金属からなる単層膜や多層膜である。
各スリット3の内壁には金属の反射層4が形成されている。反射層4は例えば酸化ハフニウム等の重金属からなる単層膜や多層膜である。
反射層4の材料の例としては、上記の酸化ハフニウムのほか、酸化物では、酸化タンタル、酸化チタニウム、酸化ランタン、酸化亜鉛等、窒化物では、窒化チタン、窒化タンタル、窒化ハフニウム等、金属では、ルビジウム、銅、タングステン、モリブデン、白金、イリジウム、金が挙げられる。単層膜の反射層4は、例えば数百〜数千Åの膜厚で形成される。
また、反射層4は、重金属から成る薄膜と軽金属から成る薄膜から構成される多層膜であってもよく、この場合の最外層は、重金属から成る薄膜で構成される。軽金属から成る薄膜としては例えば酸化アルミニウムが用いられるが、その他に酸化珪素が用いられてもよい。更に、反射層4は、白金/炭素、モリブデン/珪素、タングステン/珪素等と言ったペア材料の多層膜であってもよい。これらのペア材料による多層膜の場合、1ペアについて例えば数十Åの膜厚で数十〜数百層が積層されて形成される
微細穴光学素子1の表裏面に対するスリット3の角度は、光Lが入射する側のスリット部分3a(図1の上側部分)の方が、光Lが出射する側のスリット部分3b(図1の下側部分)よりも垂直に近くなっていて、光Lは各スリット3の反射層4で2回反射される。
微細穴光学素子1における反射層4の形状はいわゆるウォルター光学系となっており、光Lを焦点に集めることが出来る。
図3は、ウォルター光学系の反射面形状を示す図である。
微細穴光学素子1における反射層4の形状はいわゆるウォルター光学系となっており、光Lを焦点に集めることが出来る。
図3は、ウォルター光学系の反射面形状を示す図である。
ウォルター光学系は、2枚の非球面もしくはそれらの円錐近似面で光を反射させて集光結像させる光学系である。本実施形態の微細穴光学素子1ではウォルター光学系のうち1型と称される光学系が用いられており、放物面S1と双曲面S2が組み合わされている。反射層4で2回反射された光Lは焦点Fに集光されることになる。
図4は、微細穴光学素子1における集光状態を示す図である。
図4は、微細穴光学素子1における集光状態を示す図である。
微細穴光学素子1おける各スリット3(図1参照)の角度は、スリット3の同心円状の配置における中心である微細穴光学素子1の光軸L0に近い程、微細穴光学素子1の表裏面に対して垂直に近い角度となっている。このため、同心円状の配置における外側のスリット3の反射層4で反射された光L程、反射角度が大きく、内側のスリット3の反射層4で反射された光L程、反射角度が小さい。そして、微細穴光学素子1の各所で反射層4に反射された光Lは、いずれも焦点Fに集まって結像する。なお、例えばX線の場合には反射角度は1度程度であるので、微細穴光学素子1の焦点距離は例えば500mm以上1000mm以下といった値になる。
このような微細穴光学素子1は、上記で説明したように、スリット3が高い密度で形成されているため、光Lに対する反射面の有効面積が大きい。スリット3の密度が1mm当たり例えば10本以上であると十分に大きい有効面積が得られ、焦点位置での高照度化が達成される。また、スリット3の数で考えた場合には、例えば100本以上のスリット3が形成されると十分に大きい有効面積が得られる。
また、微細穴光学素子1のサイズは、上記で説明したように、直径が例えば200mm以下で光進行方向の厚さが例えば0.5mm以上1mm以下であるので、微細穴光学素子1は、反射面の有効面積が大きいのに較べ、重さは軽量となっている。このような微細穴光学素子1は、例えば宇宙空間でX線観測を行う観測機器や、地上で放射線観測を行う観測機器や、微量分析装置や、X線顕微鏡や、非破壊検査装置などにおけるX線反射用の素子として適している。また、微細穴光学素子1は真空紫外線用の反射ミラーとして利用されてもよい。
次に、このような微細穴光学素子1の製造方法について説明する。
図5は、微細穴光学素子1の製造工程を示す図である。
図5に示す製造工程は、改質工程(A)と、エッチング工程(B)と、研磨工程(C)と、反射層形成工程(D)とを備えている。
次に、このような微細穴光学素子1の製造方法について説明する。
図5は、微細穴光学素子1の製造工程を示す図である。
図5に示す製造工程は、改質工程(A)と、エッチング工程(B)と、研磨工程(C)と、反射層形成工程(D)とを備えている。
改質工程(A)では、透明基板2にパルスレーザ光PLが照射され、パルスレーザ光PLによって透明基板2が改質される。パルスレーザ光PLの照射エリアの形状・位置・角度はCADデータに基いて決定される。
本実施形態では、透明基板2の改質は、パルスレーザ光PLにおける多光子吸収によって実現される。透明基板2中で多光子吸収が起きると多光子吸収を起こした部分が特異的に改質される。透明基板2が例えばガラス基板である場合は、珪素(Si)原子と酸素(O)原子との結合による局所構造が多光子吸収によって分断されて構造変化等が生じ、化学的に反応しやすい状態となる。また、改質に必要なエネルギーは、アブレーションなどといった破壊的な作用を生じるレーザ加工に必要なエネルギーよりも少なくて済む。改質工程(A)については後で詳述する。
エッチング工程(B)では、透明基板2がエッチャント5に浸され、エッチング処理によって改質領域2aが選択的に除去される。透明基板2が例えばガラス基板である場合は、エッチャント5として弗酸(HF)溶液や水酸化カリウム溶液が用いられる。
本実施形態では、エッチング処理として、処理の手間が少ないウェットエッチングが採用されているが、エッチング処理としてはフッ素(F2)系ガスを用いたドライエッチングも採用可能である。また、本実施形態では、処理の安定化や迅速化のために、エッチャント5中の透明基板2に対して超音波Wを当てる超音波洗浄も併用される。エッチングの条件は、HF濃度が例えば2.5〜5%であり、透明基板2のサイズによって異なるがエッチング時間は例えば1時間〜数時間である。
エッチング工程(B)では、改質領域2a以外の部分についてもエッチャント5と透明基板2が反応するが、改質領域2aと、改質領域2a以外の領域2bとではエッチングレートが大きく異なる。このため、エッチング工程(B)の開始後速やかに改質領域2aは完全に除去されてスリット3が形成される。なお、ここに示す例では、透明基板2に貫通スリットが形成されるので改質領域2aは透明基板2を貫いて形成されるが、透明基板2に有底のスリット(非貫通穴)が形成される場合であれば、改質領域2aは透明基板2の表面に一端のみが達するように形成される。
研磨工程(C)では、各スリット3の側壁を平滑化するために、磁性流体と研磨材との混合液6が用いられる。磁性流体は、磁場が印加されることで粘性が変化する流体であり、既に光学部品の研磨などに実用化されている。具体的には、平均粒径が約0.01μmの磁性流体と、粒径が例えば1μmのダイヤモンドスラリーとの混合液6が各スリット3に流し込まれ、透明基板2と垂直に変動磁場が印加される。
混合液6は磁場の変動に合わせてスリット3内をランダムに移動する。透明基板2を中心軸の周りに回転させて、混合液6とスリット3の側壁との相対運動を促進することも可能である。混合液6が各スリット3の側壁面を研磨することにより、側壁面の粗さが平滑化され、例えば1〜2nmの面粗さが実現される。
反射層形成工程(D)では、透明基板2が金属蒸気と反応物質との混合気体7中に置かれ、原子層堆積(ALD)法によってスリット3の内壁に金属の反射層4が形成される。原子層堆積法では、スリット3の内壁全体に原子層が1層ずつ形成されるので、アスペクト比の高いスリット3であっても反射層4が均等に形成される。
上記改質工程(A)とエッチング工程(B)と研磨工程(C)とを併せたものが、本発明にいうスリット形成工程の一例に相当し、上記反射層形成工程(D)が、本発明にいう反射層形成工程の一例に相当する。また、上記改質工程(A)は、本発明にいう改質工程の一例に相当し、上記エッチング工程(B)は、本発明にいう除去工程の一例に相当する。
このような製造方法により、図1に示す微細穴光学素子1が実現される。
次に、上述した改質工程(A)について更に詳しく説明する。
図6は、図5に示す改質工程(A)を実行するレーザ改質装置10の構造を示す図である。
このような製造方法により、図1に示す微細穴光学素子1が実現される。
次に、上述した改質工程(A)について更に詳しく説明する。
図6は、図5に示す改質工程(A)を実行するレーザ改質装置10の構造を示す図である。
レーザ改質装置10は、パルスレーザ光を発するレーザ発振器101を備えている。レーザ発振器101としては、パルス幅が例えば200fs以上500fs以下で、パルスエネルギーが1μJ以下で、繰り返し周波数が5MHz以下のものが用いられる。このようなレーザ発振器101は、高ピークパワーを持った超短パルスのレーザ光を発するので、そのパルスレーザ光がガラスなどの透明基板2に集光されることで容易に多光子吸収等の非線形効果を生じる。
レーザ改質装置10は、パルスレーザ光を改質に適したエネルギーに減光するためのアテネータ103を備えている。また、加工物(ワーク)である透明基板2上で必要なスポットサイズが得られるように、ビーム拡大系104と絞り用レンズ(fθレンズ)106が備えられている。この結果、集光系のNA値は例えば0.26などといった大きな値となる。
レーザ改質装置10は、透明基板2上の指定された箇所に指定された角度の貫通穴、もしくは非貫通穴を形成させるため、透明基板2を立体的に移動させるXYZ軸ステージ108を備えるとともに、パルスレーザ光をスキャンする2軸のガルバノミラー105も備えている。これらXYZ軸ステージ108およびガルバノミラー105によってパルスレーザ光は透明基板2中の指定された箇所に集光されて集光スポットを形成する。
図7は、レーザ改質装置10で実行される改質工程(A)の手順例を示す図である。
図7は、レーザ改質装置10で実行される改質工程(A)の手順例を示す図である。
図7には、改質工程(A)で透明基板2中に改質領域2aが形成される手順の一例として、段階(A)から段階(E)までの手順が模式的に示されている。また、図7の右下には、段階(A)から段階(E)までの手順におけるCADデータに基づいたXYZ軸ステージ108の動きを表したベクトルが示されている。
段階(A)では、XYZ軸ステージ108が、CADデータに基づいたスタート箇所に位置決めされることで、透明基板2の表面直下にパルスレーザPLの焦点が結ばれ、改質領域2aの形成が開始される。
段階(B)では、XYZ軸ステージ108が図の上方へと移動することでパルスレーザPLの焦点が透明基板2の内部側へと移動し、その結果、改質領域2aが透明基板2の内部側に延びる。
段階(C)では、更にXYZ軸ステージ108が移動して改質領域2aが透明基板2の内部側へと更に延びる。ここで、図2に示すスリット3の各部分3a,3bの境界箇所に到達する。
段階(D)では、図7に右下にベクトルで示されているように、XYZ軸ステージ108の移動方向が変化する。この結果、改質領域2aの方向が曲がって更に延びていく。
段階(E)では、XYZ軸ステージ108がエンド箇所まで移動し、パルスレーザPLの焦点が透明基板2の裏面直上まで達する。これにより、透明基板2の表面から裏面に至る改質領域2aが形成される。
以上の手順で、図1に示すように円弧状に延びたスリット3のうち、透明基板2上の1箇所に相当する部分が改質される。従って、図7に示す手順が、透明基板2上で円弧状に連なった各箇所で繰り返されることで、図1に示すような円弧状の平面形状と図2に示すような断面形状とを有したスリット3に相当する改質領域2aが形成されることになる。
このように、本実施形態の微細穴光学素子1では、理想的な反射面形状を有するスリット3(および反射層4)が透明基板2に高精度に形成され、スリット3(および反射層4)の形成に際して透明基板2には応力などが加えられない。このため微細穴光学素子1は、大きな有効面積を有するとともに結像性能も高い。
次に、本発明の微細穴光学素子の第2実施形態について説明する。
図8は、本発明の微細穴光学素子の第2実施形態を示す図である。図8には、正面図(A)と側面図(B)が示されている。
次に、本発明の微細穴光学素子の第2実施形態について説明する。
図8は、本発明の微細穴光学素子の第2実施形態を示す図である。図8には、正面図(A)と側面図(B)が示されている。
第2実施形態の微細穴光学素子21は、1辺の長さが例えば100mmで厚さが例えば4.0mmの正方形状の外形を有した透明基板22に対して多数の円弧状のスリット23が同心円状に配備された構造となっている。透明基板22の材質は第1実施形態と同様に例えばガラスや透明樹脂などからなる。また、第2実施形態の微細穴光学素子21における透明基板22は、2枚のサブ基板22a,22bが厚さ方向に重なるように積層されて形成されている。各サブ基板22a,22bには、積層時に用いられるアライメントマーク24が形成されている。
第2実施形態での各スリット23は、スリット幅が例えば20μmに形成されるとともに、スリット23相互間に位置するガラスや樹脂の部分の幅も例えば20μmに形成されている。従って、スリット23の密度は1mm当たり25本という高い密度になっていて、スリット23のアスペクト比は約200という大きな値となっている。
第2実施形態でも、第1実施形態と同様に、各スリット23の内壁には反射層(図示省略)が形成されており、各反射層の形状(即ち各スリット23の内壁形状)は、図3で説明したウォルター光学系の1型となっている。
図9は、第2実施形態の微細穴光学素子21における断面構造を模式的に示す図である。
図9は、第2実施形態の微細穴光学素子21における断面構造を模式的に示す図である。
第2実施形態の微細穴光学素子21では、2枚のサブ基板22a,22bのうち、光が入射する側(図9の上側)に位置するサブ基板22aに、微細穴光学素子21の表面の垂線に対して第1の角度θ1を有するスリット部分23aが形成されている。また、2枚のサブ基板22a,22bのうち、光が出射する側(図9の下側)に位置するサブ基板22bには、微細穴光学素子21の表面の垂線に対して第2の角度θ2を有するスリット部分23bが形成されている。そして、2枚のサブ基板22a,22bが積層されることで各スリット部分23a,23bが繋がり、透明基板22中で角度が変化するスリット23となっている。
また、第2実施形態では、微細穴光学素子21の全体として例えば826本のスリット23が形成されており、それらのスリット23は7つのグループに分けられている。
第1のグループには、半径R1inが15mmである最内周のスリット23から、半径R1outが19.52mmである最外周のスリット23まで114本のスリット23が含まれており、この第1のグループに含まれる全てのスリット23は、第1の角度θ1が0.175度で第2の角度θ2が0.525度となっている。
第2のグループには、半径R2inが19.56mmである最内周のスリット23から、半径R2outが24.4mmである最外周のスリット23まで122本のスリット23が含まれており、この第2のグループに含まれる全てのスリット23は、第1の角度θ1が0.225度で第2の角度θ2が0.675度となっている。
第3のグループには、半径R3inが24.44mmである最内周のスリット23から、半径R3outが29.32mmである最外周のスリット23まで123本のスリット23が含まれており、この第3のグループに含まれる全てのスリット23は、第1の角度θ1が0.275度で第2の角度θ2が0.825度となっている。
第4のグループには、半径R4inが29.36mmである最内周のスリット23から、半径R4outが34.2mmである最外周のスリット23まで122本のスリット23が含まれており、この第4のグループに含まれる全てのスリット23は、第1の角度θ1が0.325度で第2の角度θ2が0.975度となっている。
第5のグループには、半径R5inが34.24mmである最内周のスリット23から、半径R5outが39.08mmである最外周のスリット23まで122本のスリット23が含まれており、この第5のグループに含まれる全てのスリット23は、第1の角度θ1が0.375度で第2の角度θ2が1.125度となっている。
第6のグループには、半径R6inが39.12mmである最内周のスリット23から、半径R6outが43.96mmである最外周のスリット23まで122本のスリット23が含まれており、この第6のグループに含まれる全てのスリット23は、第1の角度θ1が0.425度で第2の角度θ2が1.275度となっている。
第7のグループには、半径R7inが44mmである最内周のスリット23から、半径R7outが48mmである最外周のスリット23まで101本のスリット23が含まれており、この第7のグループに含まれる全てのスリット23は、第1の角度θ1が0.475度で第2の角度θ2が1.425度となっている。
このように第2実施形態では、スリット23の角度は、外周側へと向かうに連れて段階的に変化する。
このように第2実施形態では、スリット23の角度は、外周側へと向かうに連れて段階的に変化する。
このようにスリット23がクループ分けされた微細穴光学素子21によれば、第1実施形態の微細穴光学素子1よりは結像性能が劣るものの、充分な集光性能が得られる。
第2実施形態の微細穴光学素子21は、図5に示す第1実施形態の製造方法と同様の製造方法で製造される。第2実施形態の微細穴光学素子21に関しては、図5に示す各工程が、各サブ基板22a,22bについて個別に実行され、その後に、サブ基板22a,22b同士を位置合わせして接着させるアライメント工程が実行される。このアライメント工程は、第1のアライメント工程と第2のアライメント工程が含まれている。
図10は、第2実施形態における第1のアライメント工程を示す図である。
図10は、第2実施形態における第1のアライメント工程を示す図である。
第1のアライメント工程では、各サブ基板22a,22bに形成されているアライメントマーク24同士の位置が一致するように、サブ基板22a,22b同士が位置合わせされる。このようなアライメントにより、本来1つのスリット23として繋がるべきスリット部分23a,23b(図9参照)同士が連通し、別のスリット23同士は連通しない程度の、比較的粗い位置合わせが実現される。
図11は、第2実施形態における第2のアライメント工程を示す図である。
図11は、第2実施形態における第2のアライメント工程を示す図である。
第2のアライメント工程では、微細穴光学素子21で高い集光性能が得られるように、高精度な位置合わせが行われる。具体的には、He−NeレーザのビームLBがビームエキスパンダ110によって広げられてサブ基板22a,22bに並行照射される。
ビームLBはサブ基板22a,22bによって焦点位置に集光され、焦点位置に設けられたCCDカメラ120によって集光像が撮影される。撮影された集光像140はモニタ130上で確認される。
2枚のサブ基板22a,22bのうち一方にはプッシュプル機構150が付けられていて、プッシュプル機構150によってサブ基板22a,22b同士の位置が微調整され、集光像140の径が最小で輝度が最大となるように位置合わせされる。
このようなアライメントにより、微細穴光学素子21で高い集光性能が得られるような高精度な位置合わせが実現される。
このようなアライメントにより、微細穴光学素子21で高い集光性能が得られるような高精度な位置合わせが実現される。
このような位置合わせの後、サブ基板22a,22b同士が接合される。サブ基板22a,22b同士の接合方式は接着剤による接合方式であってもよいが、本実施形態では、真空紫外線照射による接合方式が用いられる。真空紫外線照射による接合方式では、サブ基板22a,22bに対して真空紫外線が照射されることで接合面が改質されて接合面相互間に水素結合が形成され、その水素結合によって接合面同士が接合される。このような真空紫外線照射による接合方式が用いられることにより、スリットや反射層が接着剤で汚染される虞が無いので好ましい。
次に、本発明の微細穴光学素子の第3実施形態について説明する。この第3実施形態の微細穴光学素子は、積層されているサブ基板の数が異なる点を除いて第2実施形態の微細穴光学素子と同様のものであるから重複説明は省略する。
図12は、第3実施形態の微細穴光学素子31における断面構造を模式的に示す図である。
図12は、第3実施形態の微細穴光学素子31における断面構造を模式的に示す図である。
第3実施形態の微細穴光学素子31では、8枚のサブ基板32a,32b,32c,32d,32e,32f,32g,32hが厚さ方向に重なるように積層された透明基板32が用いられる。このように多くのサブ基板32a,…,32hが用いられることにより、各サブ基板32a,…,32hに対してスリット33が形成される際のアスペクト比が小さくなり、スリット33形成がより容易となる。
次に、本発明の微細穴光学素子の第4実施形態について説明する。
図13は、第4実施形態の微細穴光学素子41を示す図である。
次に、本発明の微細穴光学素子の第4実施形態について説明する。
図13は、第4実施形態の微細穴光学素子41を示す図である。
第4実施形態の微細穴光学素子41は、1辺が例えば400mmで厚さが例えば2.0mmの正方形状の外形を有した透明基板42に対して多数の円弧状のスリット43が同心円状に配備された構造となっている。透明基板42の材質は第1実施形態と同様に例えばガラスや透明樹脂などからなる。また、第4実施形態の微細穴光学素子41における透明基板42は、4枚の小基板42a,42b,42c,42dがマトリクス状に接合されて形成されている。
第4実施形態の微細穴光学素子41は、第1実施形態の微細穴光学素子1や第2実施形態の微細穴光学素子21などに較べて大口径の素子であり、焦点位置での更なる高照度化が達成される。透明基板42の表面に沿って並んだ複数(例えば4枚)の小基板42a,42b,42c,42dが端面同士で接合されることにより、このような大口径の素子が容易に実現される。
なお、上記説明では、本発明にいうスリット形成工程の一例として、改質工程と除去工程とを備えるスリット形成工程が示されているが、本発明にいうスリット形成工程は、透明基板に対して改質工程を経ずにスリットを直接形成する他の手段による工程であってもよい。
1,21,31,41…微細穴光学素子、2,22,32,42…透明基板、
22a,22b,32a,…,32h…サブ基板3,23,33,43…スリット、
4…反射層、42a,42b,42c,42d…小基板
22a,22b,32a,…,32h…サブ基板3,23,33,43…スリット、
4…反射層、42a,42b,42c,42d…小基板
Claims (13)
- 単一に形成されあるいは複数部分が一体化されて形成された透明基板の表面に沿って複数のスリットが配備されているとともに、当該透明基板の表面から裏面に至る途中で、当該表面に対する各スリットの角度が第1の角度から第2の角度に変化する微細穴光学素子の製造方法であって、
前記透明基板に対して前記複数のスリットを形成するスリット形成工程と、
前記複数のスリットそれぞれの内壁に反射層を形成する反射層形成工程と、
を備えることを特徴とする微細穴光学素子の製造方法。 - 前記スリット形成工程が更に、
前記スリットが形成される箇所について前記透明基板を改質する改質工程と、
前記改質工程で改質された箇所を除去して前記スリットを形成する除去工程とを備えることを特徴とする請求項1に記載の微細穴光学素子の製造方法。 - 前記改質工程が、前記透明基板中にビームを照射して多光子吸収を生じさせることで改質する工程であることを特徴とする請求項2に記載の微細穴光学素子の製造方法。
- 前記透明基板は、該透明基板の表面に沿って並んだ前記複数部分に相当する複数の小基板が互いに接合されて形成されたものであり、
前記複数の小基板の端面同士を接合する接合工程を前記スリット形成工程よりも後に備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の微細穴光学素子の製造方法。 - 前記透明基板は、該透明基板の厚さ方向に重なった前記複数部分に相当する複数の薄基板が互いに接合されて形成されたものであり、
前記複数の薄基板の表裏面同士を接合する接合工程を前記スリット形成工程よりも後に備えることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の微細穴光学素子の製造方法。 - 前記接合工程が、紫外線の照射による接合面の改質で前記複数部分を接合させる工程であることを特徴とする請求項4または5に記載の微細穴光学素子の製造方法。
- 前記反射層形成工程が、原子層堆積法によって前記反射層を形成する工程であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の微細穴光学素子の製造方法。
- 単一に形成されあるいは複数部分が一体化されて形成された透明基板と、
前記透明基板の表面に沿って配備されているとともに、当該透明基板の表面から裏面に至る途中で、当該表面に対する角度が第1の角度から第2の角度に変化する複数のスリットと、
前記スリットの内壁に設けられた反射層と、
を備えたことを特徴とする微細穴光学素子。 - 前記複数のスリットが1mm当たり10本以上の密度で形成されていることを特徴とする請求項8に記載の微細穴光学素子。
- 前記複数のスリットは、互いに同心に配備された内周側に位置するスリットが、外周側に位置するスリットに比べ、前記透明基板の表面に対して垂直に近い角度になっていることを特徴とする請求項8または9に記載の微細穴光学素子。
- 前記透明基板は、該透明基板の表面に沿って並んだ前記複数部分に相当する複数の小基板が互いに接合されて形成されたものであることを特徴とする請求項8から10のいずれか1項に記載の微細穴光学素子。
- 前記透明基板は、該透明基板の厚さ方向に重なった前記複数部分に相当する複数の薄基板が互いに接合されて形成されたものであることを特徴とする請求項8から11のいずれか1項に記載の微細穴光学素子。
- 前記透明基板は、接合面に形成された水素結合によって前記複数部分が接合されたものであることを特徴とする請求項11または12に記載の微細穴光学素子。
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