JP5035962B2 - 回折光学素子成形金型の加工法 - Google Patents

Description

本発明は、回折光学素子成形金型に回折光学素子の回折パターンを加工する加工法に関するものであり、位置合わせ用マークと加工された回折パターンとの相対位置関係の精度を高くすることができ、かつ加工の手間を低減することができるものである。

回折光学素子に位置を検出するマークを加工する方法として、特開２０００−５６１１４号公報に記載されているものがある。
上記従来技術は、回折パターンおよび位置検出用のマークを共にリソグラフィでを用いて加工する場合は、位置合わせ用マークと回折パターンとを同一の工程で加工することができるため、精度の良い位置合わせ用マークを作製できるが、回折パターンを切削加工で形成する場合、位置合わせ用マークをリソグラフィで作製したのでは回折パターンと異なる加工工程で形成されるため、位置合わせ用マークと回折パターンとの相対位置関係の精度を高くすることができないという問題がある。

図１は、光軸２の方向から見た場合に回折面に形成されている回折パターンｐが円形である回折光学素子を示しており、この回折光学素子の光軸２を含み光軸と平行な断面での断面形状は図３の（ａ）に示す階段形状のものである。
回折パターンｐを光軸２から見た形状としては、図２のように、同心円状のもの（図２の（ａ））、楕円形状のもの（図２の（ｂ））、長方形状のもの（図２の（ｃ））がある。また、それぞれの断面形状として、図３の（ａ）のように階段形状のものや、図３の（ｂ）の様にレリーフ形状のものがある。

図３のような断面形状が直線で構成された回折パターンｐを加工する方法として、切削工具と回折光学素子成形金型とを相対的に移動させて切削する加工方法がある。図４は図２の（ｃ）に示す回折パターン（光軸から見た形状が長方形となる回折パターン）を回折光学素子成形金型１１に切削加工する様子を示している。すなわち、切削工具１２を回折光学素子成形金型１１に対してＹ軸方向に相対移動させて回折パターンｐを切削加工している。
図５は光軸方向から見て、図２の（ａ）の同心円形状、および（ｂ）の楕円形状の回折パターンを切削加工する様子を示しているものである。同図において、加工機のＣ軸によって回折光学素子成形金型１１を回転させて切削工具１２で切削加工を行う。回折パターンが円形状の場合は、回折パターンｐの１つの輪帯を加工する間は切削工具１２のＸ座標位置は一定のままであるが、楕円形状を加工する場合は１つの輪帯を加工する際、楕円の形状に応じて切削工具１２のＸ座標位置を変えながら切削加工を行うことになる。

さらに、回折パターンｐの平面形状（光軸方向から見た形状）が楕円形状で、かつ断面形状が図３の（ｂ）の様にレリーフ形状である場合は、その傾斜角に応じてＢ軸の座標位置を変えながら切削加工することになる。
回折光学素子成形金型１１を用いて成形した回折光学素子の回折パターンｐが所望の形状になっているかを評価するために、回折光学素子の回折パターンｐのピッチ精度の測定が行われる。

上記の回折パターンｐのピッチ精度の測定は、回折パターンｐの断面形状を共焦点顕微鏡や、触針式形状測定器などの、断面形状を測定できる装置を用いて行われる。
回折パターンｐの断面形状を測定する場合、図６の（ａ）の様に、回折パターンｐの光軸を含む断面（Ａ−Ａ’断面）の形状を測定すれば正確にピッチを測定できるが、図６の（ｂ）の様に、光軸を通らない断面（Ｂ−Ｂ’断面）で計測した場合は、正確にピッチを測定することができない。

また、回折パターンｐの断面形状の測定を行う際に、正確な断面形状の測定を行える位置に測定器を位置合わせする方法として、測定の位置合わせ用マークを回折パターンｐ、もしくは回折パターンｐに隣接する領域に形成する方法がある。

上記従来技術の場合は、リソグラフィによって位置合わせ用マークを形成している。回折パターンｐをリソグラフィで加工する場合は、これと同じ加工法で位置合わせ用マークを形成できるので、位置合わせ用マークを正確な位置に作成することができる。しかし、回折パターンｐを切削加工で形成する場合、回折パターンの加工と、位置合わせ用マークの加工が違う加工工程でなされるため、位置合わせ用マークと回折パターンとの相対位置関係の精度が劣化することや、加工時間が長くなるという問題がある。
特開２０００−５６１１４号公報

この発明は、回折光学素子成形金型に回折パターンを形成する加工方法において、位置合わせ用マークと回折パターンとの相対位置関係の精度が高く、これらの加工手間を低減できる加工方法を工夫することをその課題とするものである。

上記課題を解決するための手段は、光軸を含みかつ光軸に平行な断面の断面形状が複数の直線形状からなる回折パターンであって、光軸方向から見た平面形状が円形、楕円形、又は長方形となる回折パターンを、旋削もしくは引き切り方式によって切削する回折光学素子成形金型の加工法を前提として、次のとおりのものである。
回折光学素子の回折面に回折パターンを転写して形成する成形金型に回折パターンを切削加工するのと同じ方法で、特定の位置において、回折面を加工する際の相対移動を行うと同時に、切削面の法線方向の成分からなる相対移動を行って切削を行うことにより、位置合わせ用マークを回折光学素子の光学面もしくは、回折光学素子の光学面の有効領域の外側周辺に形成し、該位置合わせ用マークは、円形又は楕円形の回折パターンの場合には、光軸から回折面を通る線分の一部に一致するように、また長方形の回折パターンの場合には、光軸から回折面を通り、該回折面の回折パターンと直交する線分の一部に一致するように、光軸に対して対称に複数設けられたこと。

そして、上記解決手段における回折光学素子成形金型の加工法においては、形成されたマークが回折パターンを計測する際の位置合わせ用マークとして使用される。
この解決手段による場合、回折光学素子の回折面（回折パターンが形成されている面）を転写成形する上記成形金型の転写面（上記回折パターンを備えた転写面）を切削加工する工具で、回折面を切削加工するのと同じ工程で位置合わせ用マークを形成できるので、当該位置合わせ用マークと回折パターンとの位置ずれを極めて小さくし、かつ容易に位置合わせ用パターンを形成することができる。
さらに、上記の位置合わせ用マークを複数形成することにより、これらの位置合わせ用マークを用いて測定器の測定方向と測定する断面との傾きを調整することができる。

（請求項３乃至６の発明）
また、解決手段における位置合わせ用マークの形状としては、鋭利な頂上をもつ山形状、頂上に平坦部を有する山形状、鋭利な谷をもつ溝形状、平坦部を有する溝形状などがあるので、測定する測定器の特性や、加工機の特性に応じて、これらを適宜選択することができる。

（削 除）

（請求項７の発明）
さらに、上記の光軸方向から見た形状が円形状となる回折パターンを切削加工する際、光軸を中心として９０度間隔で位置合わせ用マークを４個切削加工することにより、直交する２方向の断面形状を正確に測定できるようになる。

（請求項８の発明）
さらに、上記解決手段の回折光学素子成形金型の回折パターン加工法において、光軸方向から見た回折パターンの形状が楕円形状である場合、当該楕円形状の長軸、短軸方向に各２箇所ずつ位置合わせ用マークを形成することにより、長軸方向と短軸方向の断面形状を正確に測定できる。

（請求項９の発明）
さらに、本発明による回折光学素子成形金型の加工法により、回折パターンと位置合わせ用マークとの位置精度の高い上記成形金型が得られる。

（請求項１０の発明）
さらに、本発明による回折光学素子成形用金型で回折光学素子を成形することにより、精度の高い回折光学素子が製作される。

この発明の効果は、各請求項の発明毎に整理すると、次のとおりである。
１．請求項１、２の発明
請求項１、２の発明は、回折光学素子成形金型に回折パターンを切削加工する工具で、回折パターンを切削加工するのと同じ工程で位置合わせ用マークを形成するため、回折パターンと位置合わせ用マーク間の位置ずれが極めて小さく、かつ容易に位置合わせ用マークを形成することができる。
そして、位置合わせ用マークは回折光学素子の有効領域、もしくは有効領域に近い領域に形成するため、位置合わせ用マークと、測定対象である回折パターンとの距離を最小限にでき、誤差の少ない位置検出を行うことができる。
また、位置合わせ用マークが複数個あることから、位置合わせ用マークの相対位置関係を利用することにより測定を行いたい断面の方向と測定器の測定方向との傾き角度を計算できるため、測定器の走査方向と測定する断面との傾きを調整することが出来るようになる。

２．請求項３〜６の発明
請求項３〜６の発明は、上記位置合わせ用マークが鋭利な頂上をもつ山形状のもの、頂上に平坦部を有する山形状のもの、鋭利な谷をもつ溝形状、平坦部を有する溝形状のものであり、測定する測定器の特性や、加工機の特性に応じて最適なものが選択することが可能である。したがって、回折光学素子の回折パターンについてより正確な測定を行うことができる。

（削 除）

３．請求項７の発明
請求項７の発明は、回折パターンの光軸を中心として９０度間隔で位置合わせ用マークを４個加工し、これを用いることにより、円形状の回折格子の直交する２方向の断面形状を正確に測定することができる。

４．請求項８の発明
請求項８の発明によれば、請求項１の回折光学素子成形金型の加工法において、光軸方向から見た形状が楕円形となる回折パターンの場合、その楕円形の長軸、短軸方向に各２箇所ずつ位置合わせ用マークを成形することにより、回折パターンの長軸方向と短軸方向の断面形状を正確に測定できるようになる。

５．請求項９の発明
請求項９の発明によって作成された回折光学素子成形金型は、回折パターンと位置合わせ用マークとの位置精度が高い。

６．請求項１０の発明
本発明で加工された回折光学素子成形金型を用いれば、回折パターンと位置合わせ用マークとの位置精度が高い回折光学素子を成形することができる。

次いで、図７乃至図１６を参照しつつ実施例を説明する。
回折パターンを切削加工する加工機（図７）において、１１は回折光学素子成形金型、１２は切削工具、１３はＣ軸回転軸、１４はＸ軸ステージ、１５はＹ軸ステージ、１６はＺ軸ステージ、１７はＣ軸ステージ、１８はＢ軸ステージ、１９は加工機本体であり、この加工機はＸＹＺの直線３軸とＢＣの回転２軸の５軸構成である。

直線３軸の位置決め分解能は１ｎｍ、ＢＣ２軸の角度分解能は１０万分の１度である。回折光学素子成形金型１１は、切削加工が可能な金型金属材（例えば、ステンレス鋼の表面にＮｉ−Ｐメッキをしたもの）である。
回折光学素子成形金型１１はＣ軸ステージ１７に被加工面（金型の転写面）を上方に向けてクランプされている。回折パターンｐと位置合わせ用マーク３とを切削加工する切削工具１２の刃先は、単結晶ダイヤバイトで構成されている。

切削工具１２の刃先先端をＸＺ平面内で所定位置で位置決めし、Ｚ軸スライド及びＹ軸スライドが下降し、上記各軸方向の制御がなされて、図４および図５に示すような回折パターンｐが上記金型１１の上面（転写面）に切削加工され、この回折パターンｐの切削加工がなされた後に、位置合わせ用マーク３の切削加工がなされる。

図８に位置合わせ用マーク３を切削加工している様子を示している。
位置合わせ用マーク３の切削加工は図８の（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）に示す順で行われる。すなわち、図８の（ａ）は、位置合わせ用マーク３を形成するために回折光学素子成形金型１１の上面（転写面）を切削する状態であり、回折光学素子成形金型１１を切削工具１２に対してＹ方向に相対移動させてその表面を切削している。また、同図の（ｂ）で切削工具１２を回折光学素子成形金型１１に対してＹ方向に相対移動させると共にＺ軸方向にも相対移動させる。このＹＺ２軸方向への相対移動によって、位置合わせ用マーク３の左上がりの斜面（図における右側斜面）の加工が行われる。

位置合わせ用マーク３の片側の斜面の加工が完了した後、同図の（ｃ）に示すように切削工具１２を同図の（ｂ）とはＺ軸方向で反対の向きに移動させる。この場合もＹＺ２軸方向に同時に相対移動するので、右上がりの斜面（図における左側斜面）が加工される。このようにして必要な２つの斜面の加工が完了した後は、通常の回折面（回折パターンｐがある面）の加工と同じ形態の加工がなされる（図８の（ｄ））。
図９の（ａ）は、回折光学素子成形金型１１に切削工具によって、加工された位置合わせ用マーク３をＺ軸の正方向から見たものであり、また、同図９の（ｂ）は位置合わせ用マーク３をＸ軸の正方向から見たものである。

図１０に位置合わせ用マーク３の形状の種々の例を示している。図１０の（ａ）の位置合わせ用マーク３ａは鋭利な頂上をもつ山形状であり、（ｂ）の位置合わせ用マーク３ｂは頂上が平坦な台形状であり、（ｃ）の位置合わせ用マーク３ｃは鋭利な谷をもつ溝形状であり、（ｄ）の位置合わせ用マーク３ｄは谷に平坦部を有する溝形状のものである。これらはいずれも断面がＶ形状であるから、切削工具１２、回折光学素子成形金型１１をＹＺ方向に制御することで成形することができる。そして、測定器の種類に応じて、これらの位置合わせ用マークの中から精度よく測定するのに最も適したものを選択することができる。

例えば、測定器の種類が共焦点顕微鏡の場合はいずれのパターンを用いても良いが、測定器の種類が触針式形状測定器の場合、（ａ）や（ｃ）の形状の場合、金型もしくは成形品のいずれかは先端の尖った谷形状となってしまうため、針が谷部に入っていかず、正確な測定を行うことが出来ない。そのため、測定器が触針式形状測定器の場合（ｂ）もしくは（ｄ）の形状であることが好ましい。

図１１に、加工されたａタイプ（図１０の（ａ）のタイプ）の位置合わせ用マーク３の断面形状を共焦点顕微鏡で測定した例を示しており、また、図１２に、回折パターン計測用の測定器を示している。
図１２において、１は測定対象の回折光学素子もしくは回折光学素子成形用金型であり、１２２は共焦点顕微鏡であり、１２４はＸ軸移動ステージであり、１２５はＹ軸移動ステージであり、１２６はＺ軸移動ステージであり、１２７はＣ軸方向回転テーブルであり、１２８は測定器本体である。
なお、図１２の測定器では測定対象１の断面形状の測定に共焦点顕微鏡１２２を用いている。しかし、共焦点顕微鏡１２２に代えて触針式の測定器を用いることもできる。

回折光学素子もしくは回折光学素子成形用金型である測定対象１を測定器に取り付けた後、共焦点顕微鏡１２２で上記測定対象１上を走査することによって測定対象１の断面形状の測定を行うが、この測定を行う際には測定したい位置の断面上を正確に共焦点顕微鏡１２２で走査するように、位置合わせ用マーク３を用いて測定対象１の位置合わせ誤差を測定し、測定された誤差をもとに、測定器の移動ステージ（Ｘ軸移動ステージ１２４、Ｙ軸移動ステージ１２５、Ｚ軸移動ステージ１２６）および回転ステージ（Ｃ軸方向回転テーブル１２７）を用いて測定対象１の位置合わせを行った後、断面測定を行う。

図１３に位置合わせ用マーク３を用いて測定対象１の位置合わせを行っている様子を示している。同図１３の（ａ）は測定器上に測定対象１を載置した状態である。この状態で、Ｙ軸方向に図１２の共焦点顕微鏡１２２で走査して位置合わせ用マーク３の２箇所の計測を行う。この計測によって、測定器のＸ軸と位置合わせ用マーク３との間の傾き角θを測定し、測定された値をもとに、測定器のＣ軸方向回転テーブルを用いて傾きを調整し、Ｘ軸と位置合わせ用マーク３とを平行にする（同図１３の（ｂ））。そして、位置合わせ用マーク３の測定を左右２個所について行い、その際、Ｘ軸方向の位置も測定するため、上記角度θだけ回転させた後の回折光学素子１の中心位置のＸ，Ｙ座標値を算出することができる。求めた座標値をもとに、共焦点顕微鏡の走査位置８を測定したい断面と一致するように設定して測定を行うことにより、正確な測定を行うことができる（同図１３の（ｃ））。

図１４に他の例を示しており、この例は、光軸方向から見た回折パターンｐの形状が円形状である回折光学素子１に、当該光学素子の光軸を中心として９０度間隔で４個の位置合わせ用マーク３を形成したものである。
この例における位置合わせは、それぞれの位置合わせ用マークに関して、図１３に示す処理を行い、それぞれの位置合わせ用マークでの断面形状の計測を行う。

図１５に示すものは、光軸方向から見た回折パターンｐの形状が楕円形の回折光学素子１に、楕円形状の回折パターンｐの長軸、短軸方向に各２箇所ずつ、合計４箇所の位置合わせ用マーク３を形成した例である。
この例の場合、前記図１３に示した工程を、長軸、短軸の位置合わせ用マークについて行い、断面形状の計測を行う。

図１６に示すものは、光軸方向から見た回折パターンｐの形状が長方形の回折光学素子１に、位置合わせ用マーク３を２箇所形成した例である。
パターンが長方形の場合も、位置合わせ用マークを用いて、図１３と同様に共焦点顕微鏡の走査位置を測定したい断面と一致するように設定して測定を行う。

は、光軸２の方向から見た回折面の回折パターンが円形で、光軸２を含み、光軸と平行な断面での回折パターンの断面が図３の（ａ）に示す階段形状であるものの斜視図である。 は、光軸２から見た回折素子の形状の例を示す平面図であり、図（ａ）は同心円状のもの、図（ｂ）は楕円状のもの、図（ｃ）は長方形状のものの平面図である。 は、回折素子の断面形状の例を示す断面図であり、図（ａ）は階段状のもの、図（ｂ）はレリーフ形状の断面図である。 は、図２の（ｃ）のように光軸から見た回折パターンの形状が長方形である回折光学素子成形金型の転写面に切削加工する様子を示す斜視図である。 は、光軸方向から見た形状が図２の（ａ）の同心円形、および（ｂ）の楕円形である回折パターンを切削加工する様子を示した斜視図である。 は、断面形状を測定する場合の回折パターンの走査線の断面形状と回折パターンのピッチの測定精度との関係を説明するための参考図であり、（ａ）は、Ａ−Ａ’断面における回折パターンの断面形状を示す説明図、（ｂ）はＢ−Ｂ’断面における回折パターンの断面形状を示す説明図である。 は、回折光学素子成形金型を切削加工する加工機の斜視図である。 は、位置合わせ用マーク３を切削加工している様子を模式的に示す説明図であり、図８の（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、回折光学素子成形金型の転写面を切削加工して位置合わせ用マーク３を形成する手順をそれぞれ示すものである。 の（ａ）は、切削加工で成形された位置合わせ用マーク３をＺ軸の正方向から見た平面図であり、（ｂ）は位置合わせ用マーク３をＸ軸の正方向から見た正面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、位置合わせ用マークの種々の例の断面図である。 は、成形加工されたａタイプ（図１０（ａ）に示すタイプ）の位置合わせ用マーク３の断面形状を共焦点顕微鏡で測定した例を示す説明図である。 は、回折パターン計測用の測定器の斜視図である。 は、位置合わせ用マークを用いて回折光学素子の位置合わせを行う説明図であり、同図の（ａ），（ｂ），（ｃ）は作業手順を示す上記回折光学素子の平面図である。 は、光軸方向から見た回折パターンの形状が円形状である回折光学素子に光軸を中心として９０度間隔で４個の位置合わせ用マーク３を形成した例の平面図である。 は、光軸方向から見た回折パターンの形状が楕円形の回折光学素子に長軸、短軸方向の各２箇所、合計４箇所に位置合わせ用マークを形成した例の平面図である。 は、光軸方向から見た回折パターンの形状が長方形の回折光学素子に、位置合わせ用マークを２箇所形成した例の平面図である。

１：回折光学素子
２：光軸
３：位置合わせ用マーク
３ａ：鋭利な頂上をもつ山形状の位置合わせ用マーク
３ｂ：頂上が平坦な台形状の位置合わせ用マーク
３ｃ：鋭利な谷をもつ溝形状の位置合わせ用マーク
３ｄ：谷に平坦部を有する溝形状のも位置合わせ用マーク
１１：回折光学素子成形金型
１２：切削工具
１３：Ｃ軸回転軸
１４：Ｘ軸ステージ
１５：Ｙ軸ステージ
１６：Ｚ軸ステージ
１７：Ｃ軸ステージ
１８：Ｂ軸ステージ
１９：加工機本体
１２２：共焦点顕微鏡
１２４：Ｘ軸移動ステージ
１２５：Ｙ軸移動ステージ
１２６：Ｚ軸移動ステージ
１２７：Ｃ軸方向回転テーブル
１２８：測定器本体
ｐ：回折パターン

Claims (10)

1. 光軸を含みかつ光軸に平行な断面における断面形状が複数の直線形状からなる回折パターンを備えた回折光学素子の成形金型の加工法であって、光軸方向から見た形状が、円形又は楕円形となる回折パターンを切削して成形する回折光学素子成形金型加工法において、
   上記回折パターンを切削加工する工具を用いて、切削工具と被加工物を相対移動させながら、特定の位置において、回折面を加工する際の相対移動を行うと同時に、切削面の法線方向の成分からなる相対移動を行って切削を行うことにより、位置合わせ用マークを、回折光学素子の光学面もしくは、回折光学素子の光学面の有効領域の外側周辺に形成し、
   該位置合わせ用マークは、光軸から回折面を通る線分の一部に一致するように、光軸に対して対称に複数設けられたことを特徴とする回折光学素子成形金型の加工法。
2. 光軸を含みかつ光軸に平行な断面における断面形状が複数の直線形状からなる回折パターンを備えた回折光学素子の成形金型の加工法であって、光軸方向から見た形状が、長方形となる回折パターンを切削して成形する回折光学素子成形金型加工法において、
   上記回折パターンを切削加工する工具を用いて、切削工具と被加工物を相対移動させながら、特定の位置において、回折面を加工する際の相対移動を行うと同時に、切削面の法線方向の成分からなる相対移動を行って切削を行うことにより、位置合わせ用マークを、回折光学素子の光学面もしくは、回折光学素子の光学面の有効領域の外側周辺に形成し、
   該位置合わせ用マークは、光軸から回折面を通り、該回折面の回折パターンと直交する線分の一部に一致するように、光軸に対して対称に複数設けられたことを特徴とする回折光学素子成形金型の加工法。
3. 請求項１又は請求項２の回折光学素子成形金型の加工法において、作成する上記位置合わせ用マークの断面形状が鋭利な頂上をもつ山形状であることを特徴とする回折光学素子成形金型の加工法。
4. 請求項１又は請求項２の回折光学素子成形金型の加工法において、作成する上記位置合わせ用マークの断面形状が頂上に平坦部を有する山形状であることを特徴とする回折光学素子成形金型の加工法。
5. 請求項１又は請求項２の回折光学素子成形金型の加工法において、作成する上記位置合わせ用マークの断面形状が鋭利な谷をもつ溝形状であることを特徴とする回折光学素子成形金型の加工法。
6. 請求項１又は請求項２の回折光学素子成形金型の加工法において、作成する上記位置合わせ用マークの断面形状が谷に平坦部を有する溝形状であることを特徴とする回折光学素子成形金型の加工法。
7. 請求項１の回折光学素子成形金型の加工法において、光軸方向から見た形状が円形状となる回折パターンを加工する際、当該素子の光軸を中心として９０度間隔で上記位置合わせ用マークを４個加工することを特徴とする回折光学素子成形金型の加工法。
8. 請求項１の回折光学素子成形金型の加工法において、光軸方向から見た形状が楕円形状となる上記回折パターンを加工する際、当該回折パターンの長軸、短軸方向に各２箇所ずつ上記位置合わせ用マークを加工することを特徴とする回折光学素子成形金型の加工法。
9. 請求項１又は請求項２の回折光学素子成形金型の加工法で作製された成形金型。
10. 請求項９の成形金型で成形された回折光学素子。

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