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

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（１ｍ^２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。

特許第４０２５７７９号公報 特許第５５４０３０５号公報

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。

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。

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。

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。

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中の部分Ｐにおける拡大断面図である。 ウォルター光学系の反射面形状を示す図である 微細穴光学素子における集光状態を示す図である。 微細穴光学素子の製造工程を示す図である。 図５に示す改質工程（Ａ）を実行するレーザ改質装置の構造を示す図である。 レーザ改質装置で実行される改質工程（Ａ）の手順例を示す図である。 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。 第２実施形態の微細穴光学素子における断面構造を模式的に示す図である。 第２実施形態における第１のアライメント工程を示す図である。 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３実施形態の微細穴光学素子における断面構造を模式的に示す図である。 第４実施形態の微細穴光学素子を示す図である

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（Ｆ_２）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。

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。

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。

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θ_１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θ_２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Ｒ_１ｉｎが１５ｍｍである最内周のスリット２３から、半径Ｒ_１ｏｕｔ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θ_１が０．１７５度で第２の角度θ_２が０．５２５度となっている。

第２のグループには、半径Ｒ_２ｉｎが１９．５６ｍｍである最内周のスリット２３から、半径Ｒ_２ｏｕｔ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θ_１が０．２２５度で第２の角度θ_２が０．６７５度となっている。

第３のグループには、半径Ｒ_３ｉｎが２４．４４ｍｍである最内周のスリット２３から、半径Ｒ_３ｏｕｔ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θ_１が０．２７５度で第２の角度θ_２が０．８２５度となっている。

第４のグループには、半径Ｒ_４ｉｎが２９．３６ｍｍである最内周のスリット２３から、半径Ｒ_４ｏｕｔ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θ_１が０．３２５度で第２の角度θ_２が０．９７５度となっている。

第５のグループには、半径Ｒ_５ｉｎが３４．２４ｍｍである最内周のスリット２３から、半径Ｒ_５ｏｕｔ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θ_１が０．３７５度で第２の角度θ_２が１．１２５度となっている。

第６のグループには、半径Ｒ_６ｉｎが３９．１２ｍｍである最内周のスリット２３から、半径Ｒ_６ｏｕｔ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θ_１が０．４２５度で第２の角度θ_２が１．２７５度となっている。

第７のグループには、半径Ｒ_７ｉｎが４４ｍｍである最内周のスリット２３から、半径Ｒ_７ｏｕｔ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θ_１が０．４７５度で第２の角度θ_２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。

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。

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。

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。

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

Claims (13)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。

Images