CN104335082B - 曲面衍射光栅的制造方法、曲面衍射光栅的模具以及使用该曲面衍射光栅的模具的曲面衍射光栅 - Google Patents

曲面衍射光栅的制造方法、曲面衍射光栅的模具以及使用该曲面衍射光栅的模具的曲面衍射光栅 Download PDF

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Abstract

本发明提供高精度地制成具有所希望的曲率的曲面衍射光栅。一种曲面衍射光栅的制造方法，具有：在平板状的硅基板(2)上形成衍射光栅图案(20)的步骤；在加热的状态下向形成有上述衍射光栅图案的硅基板(2)按压具有所希望的曲面形状的固定基板(3)而使上述硅基板曲面化，并且在具有上述曲面形状的固定基板(3)上固定具有上述衍射图案的硅基板(2)来制作曲面衍射光栅的模具(1)的步骤；以及使具有柔软性的部件与上述曲面衍射光栅的模具接触来在该部件上转印衍射光栅图案的步骤。

Description

曲面衍射光栅的制造方法、曲面衍射光栅的模具以及使用该 曲面衍射光栅的模具的曲面衍射光栅
技术领域
本发明涉及使光分光、聚光的曲面衍射光栅的制造方法、以及用于进行该制造的曲面衍射光栅的模具。
背景技术
分光光度计的曲面衍射光栅具有光的分光、聚光这两个性能，能够减少部件件数，而能够使装置的结构简单。以往，对于曲面衍射光栅而言，利用以刻线机等机械来在曲面基板刻印的方法制成衍射光栅的模具，通过将刻印的图案转印于树脂、金属等，来制造曲面衍射光栅。
作为曲面衍射光栅的制成方法，专利文献1中公开了如下方法，即，利用半导体的光刻技术、离子束蚀刻工艺，来制作凹面闪光型衍射光栅。
专利文献2中将如下部件设为模具，该部件通过在树脂、金属薄膜等柔软的材料上形成衍射光栅图案并将其贴附于弯曲成规定的曲率的基板而成。而且，使该模具与固化前的液状的曲面衍射光栅材料接触，而使之固化，从而制成曲面衍射光栅。
专利文献3中公开了如下技术，即，在具有柔软性的基板上层叠使用了反应固化型树脂的复制层(衍射光栅部分)，并利用反应固化型树脂的固化收缩来使平面衍射光栅曲面化。
专利文献4中公开了如下技术，即，将平面衍射光栅基板转印于挠性的材料上，并将其固定于曲面基板，从而形成曲面衍射光栅的模具。
专利文献5中公开了如下X射线反射镜作成方法，其具有如下工序：使硅基板的表面平滑化为能够用于X射线的反射的程度的平滑化工序；利用具有规定的曲面形状的母模具对上述硅基板施加压力以及热使之塑性变形，而使上述硅基板的表面成为规定的曲面形状的塑性变形工序。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第WO08/081555号
专利文献2：日本特开昭61-72202号公报
专利文献3：日本特开平8-29610号公报
专利文献4：日本特开平9-5509号公报
专利文献5：日本特开2010-25723号公报
发明内容
发明所要解决的课题
上述衍射光栅的制造方法中，专利文献1所公开的使用半导体工艺的曲面衍射光栅的制造方法难以正确地制成衍射光栅的图案。
专利文献2至专利文献4所记载的技术中，均在形成衍射光栅的图案的阶段中使用具有柔软性的部件，从而图案精度降低。
另外，专利文献5中记载了使硅基板塑性变形的方法，但却是涉及X射线反射镜的发明，若用于衍射光栅的制造，则在高温、氢气氛下，硅制衍射光栅的图案也平滑化。而且，硅制平面衍射光栅的曲面化需要使用塑性变形，在位错线的产生、或者曲面相对于固定基板的固定中，产生空隙等，而表面精度降低。
本发明的目的在于解决上述课题，且高精度地制成具有所希望的曲率的曲面衍射光栅。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题，例如采用技术方案的范围所记载的结构。
本申请包括多个解决上述课题的方案，举出其中一个例子，一种曲面衍射光栅的制造方法，其具有：在平板状的硅基板上形成衍射光栅图案的步骤；在加热的状态下向形成有上述衍射光栅图案的硅基板按压具有所希望的曲面形状的固定基板而使上述硅基板曲面化，并且在具有上述曲面形状的固定基板上固定具有上述衍射图案的硅基板来制作曲面衍射光栅的模具的步骤；以及使具有柔软性的部件与上述曲面衍射光栅的模具接触，来在该部件上转印衍射光栅图案的步骤。
另外，举出其它例子，一种曲面衍射光栅的制造方法，具有：在平板状的硅基板上成膜氧化硅或者氮化硅的步骤；在上述氧化硅或者氮化硅上形成衍射光栅图案的步骤；在加热的状态下向形成有上述衍射光栅图案的硅基板按压具有所希望的曲面形状的曲面基板而使上述硅基板曲面化的步骤；在具有曲面的固定基板上固定上述曲面化后的硅基板，来制作曲面衍射光栅的模具的步骤；以及使具有柔软性的部件与上述曲面衍射光栅的模具接触，来在该部件上转印衍射光栅图案的步骤。
并且，举出其它例子，一种曲面衍射光栅的模具，用于与具有柔软性的部件接触来制造曲面衍射光栅，使形成有衍射光栅图案的平板状的硅基板曲面化，并固定在具有所希望的曲面形状的固定基板上。
发明的效果如下。
根据本发明，通过使以半导体工艺在硅基板制成的平面衍射光栅沿曲面基板塑性变形，从而能够高精度地制成具有所希望的曲率的曲面衍射光栅。
附图说明
图1是表示球面衍射光栅的模具的简要情况的图。
图2是表示环形衍射光栅的模具的简要情况的图。
图3是表示本发明的实施例1的曲面衍射光栅的模具的制造方法的图。
图4是表示本发明的实施例2的曲面衍射光栅的模具的制造方法的图。
图5是表示本发明的实施例3的曲面衍射光栅的模具的制造方法的图。
图6是表示本发明的实施例4的曲面衍射光栅的模具的制造方法的图。
图7是表示使用本发明的曲面衍射光栅的模具来制造曲面衍射光栅的方法的图。
图8是表示使用曲面衍射光栅的分光光度计的一个例子的图。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。
首先，对曲面衍射光栅的具体的形状进行说明。
〔球面衍射光栅〕
球面衍射光栅是具有在轴向上有一样的曲率的球面的衍射光栅。如图1所示，曲面衍射光栅的模具1由形成有衍射光栅图案20的硅基板2和固定基板3构成。硅基板2和固定基板3通过直接接合、阳极接合、金属共晶接合、树脂接合等固定。通过将该曲面衍射光栅的模具1转印于树脂、金属薄膜，来制成曲面衍射光栅。
〔环形衍射光栅〕
环形衍射光栅是与球面衍射光栅不同地具有在轴向上曲率不同的环形面的衍射光栅。如图2所示，曲面衍射光栅的模具1由形成有衍射光栅图案20的硅基板2和固定基板3构成。由于使硅基板2模仿固定基板3塑性变形，所以能够安装于在轴向上曲率不同的环形面。硅基板2和固定基板3通过直接接合、阳极接合、金属共晶接合、树脂接合等固定。通过将该曲面衍射光栅的模具1转印于树脂、金属薄膜，来制成曲面衍射光栅。
接下来，对上述曲面衍射光栅的制法进行说明。以下的多个制法能够用于以上述球面衍射光栅、环形衍射光栅为代表的曲面衍射光栅的制造方法。
实施例1
使用图3对实施例1的制造曲面衍射光栅的模具1的方法进行说明。在平板状的块状的硅基板2上通过半导体工艺(光刻技术、蚀刻)形成衍射光栅图案20(图3中(a))。在衍射光栅图案的制成后，通过研磨，使硅基板2轻薄化至50μm(图3中(b))。此外，轻薄化的工序不是必须的，也可以在轻薄化后的硅基板2上形成衍射光栅图案20。在硅基板2的形成有衍射光栅图案20的一面的背侧设置形成为所希望的曲面形状的硅制的固定基板3、用于进行按压的重物4(图3中(c))。该状态下，使硅处于示出粘弹性区域的高温，并向平板状的硅基板2按压固定基板3，从而使硅基板2塑性变形(图3中(d))。此时，通过在硅基板2、固定基板3的接合面的表面预先形成羟基，能够在塑性变形的同时接合硅基板2和固定基板3。最后，除去从固定基板3突出的部分等硅基板2不需要的部分，从而得到曲面衍射光栅的模具1(图3中(e))。
本实施例的特征在于，成为模具的衍射光栅图案20是硅基板2之类的固体，在图案形成的中途不会形变的块上作成。由此，能够作成图案的形变较少的衍射光栅图案的模具，最终能够作成图案的形变较少的曲面衍射光栅。另外，硅基板2的塑性变形从曲面形状的硅制的固定基板3的中心部开始进行，同时接合也进行，从而能够抑制空隙的产生。并且，通过使用线膨胀系数与硅基板2的线膨胀系数相同的硅制的固定基板3，能够防止从高温开始冷却时的破损。
实施例2
使用图4对实施例2的制造曲面衍射光栅的模具1的方法进行说明。在平板状的硅基板2上，通过CVD(Chemical Vapor Depsition)法形成氧化硅膜21，并在该氧化硅膜21上，通过半导体工艺(光刻技术、蚀刻)形成衍射光栅图案20(图4中(a))。而且，通过研磨，使硅基板2轻薄化至50μm(图4中(b))。此外，轻薄化的工序不是必须的，也可以在轻薄化后的硅基板2上形成氧化硅膜21。接下来，在硅基板2的形成有衍射光栅图案20的一面的背侧设置形成为所希望的曲面形状的石英制的曲面基板6、用于进行按压的重物4(图4中(c))。该状态下，使硅处于示出粘弹性区域的高温以及氢气氛下，并向平板状的硅基板2按压曲面基板6，从而使硅基板2塑性变形(图4中(d))。而且，除去石英制的曲面基板6，并将耐热玻璃制的固定基板31设置于硅基板2的背面。接下来，使硅基板2为正极，使耐热玻璃制的固定基板31为负极，而进行阳极接合(图4中(e))。最后，除去从固定基板31突出的部分等硅基板2不需要的部分，从而得到曲面衍射光栅的模具1(图4中(f))。
根据本实施例，由于在氧化硅膜21上形成衍射光栅图案20，所以即使在氢气氛下衍射光栅图案20也不会平坦化。另外，由于氢透过氧化硅膜21，所以氧化硅膜21下的硅基板2表面平坦化，而能够防止位错线的产生。而且，通过使用该模具1而转印于金属膜、树脂，能够制成没有位错线的曲面衍射光栅。
实施例3
使用图5对实施例3的制造曲面衍射光栅的模具1的方法进行说明。在平板状的硅基板2上通过CVD(Chemical Vapor Depsition)法形成氮化硅膜22，并在该氮化硅膜22上，通过半导体工艺(光刻技术、蚀刻)形成衍射光栅图案20(图5中(a))。而且，通过研磨，使硅基板2轻薄化至50μm(图5中(b))。此外，轻薄化的工序不是必须的，也可以在轻薄化后的硅基板2上形成氮化硅膜22。接下来，在硅基板2的形成有衍射光栅图案20的一面的背侧设置形成为所希望的曲面形状的石英制的曲面基板6、用于进行按压的重物4(图5中(c))。该状态下，通过使硅处于示出粘弹性区域的高温以及氢气氛下，并向平板状的硅基板2按压曲面基板6，从而使硅基板2塑性变形(图5中(d))。而且，在除去石英制的曲面基板6之后，在硅基板2的形成有衍射光栅图案20的一面的背面，按照Cr、Ni、Au的顺序以溅射成膜作为反应层23(图5中(e))。另外，在耐热玻璃制的固定基板31上，按照Cr、Ni、Au的顺序以溅射形成来作为下部金属层32，并且在其上通过镀Au-Sn等成膜来作为粘合层33。(图5中(f))。接下来，使硅基板2与耐热玻璃制的固定基板31接触，加热至300℃，而使粘合层33与反应层23共晶接合(图5中(g))。最后，除去从固定基板31突出的部分等硅基板2不需要的部分，从而得到曲面衍射光栅的模具1(图5中(h))。
根据本实施例，与实施例2相同，由于在氮化硅膜22上形成衍射光栅图案20，所以即使在氢气氛下衍射光栅图案20也不会平坦化。另外，由于氢透过氮化硅膜22，所以氮化硅膜22下的硅基板表面平坦化，而能够抑制位错线的产生。而且，通过使用该模具而转印于金属膜、树脂，能够制成没有位错线的曲面衍射光栅。
实施例4
使用图6对实施例4的制造曲面衍射光栅的模具1的方法进行说明。在平板状的块状的硅基板2上通过CVD(Chemical Vapor Depsition)法形成氧化硅膜21，并在该氧化硅膜21上，通过半导体工艺(光刻技术、蚀刻)形成衍射光栅图案20(图6中(a))。而且，在衍射光栅图案制成后，通过研磨，使硅基板2轻薄化至50μm(图6中(b))。此外，轻薄化的工序不是必须的，也可以在轻薄化后的硅基板2上形成氧化硅膜21。在硅基板2的形成有衍射光栅图案20的一面的背侧设置形成为所希望的曲面形状的硅制的固定基板3、用于进行按压的重物4(图6中(c))。该状态下，使硅处于示出粘弹性区域的高温以及氢气氛下，并向平板状的硅基板2按压固定基板3，从而使硅基板2塑性变形(图6中(d))。此时，通过在硅基板2、固定基板3的接合面的表面预先形成羟基，能够在塑性变形的同时接合硅基板2和固定基板3。最后，除去从固定基板3突出的部分等硅基板2不需要的部分，从而得到曲面衍射光栅的模具1(图6中(e))。
本实施例的特征在于，成为模具的衍射光栅图案是硅基板2之类的固体，在图案形成的中途不会形变的块上作成。由此，能够作成图案的形变较少的衍射光栅图案的模具，最终能够作成图案的形变较少的曲面衍射光栅。另外，硅基板2的塑性变形从曲面形状的硅制的固定基板3的中心部开始进行，同时接合也进行，从而能够抑制空隙的产生。通过使用线膨胀系数与硅基板2的线膨胀系数相同的硅制的固定基板3，能够防止从高温开始冷却时的破损。
另外，与实施例2、3相同，由于在氧化硅膜21上形成衍射光栅图案20，所以即使在氢气氛下衍射光栅图案20也不会平坦化。另外，由于氢透过氧化硅膜21，所以氧化硅膜21下的硅基板表面平坦化，而能够防止位错线的产生。而且，通过使用该模具而转印于金属膜、树脂，能够制成没有位错线的曲面衍射光栅。
上述的各实施例所记载的曲面衍射光栅的制造方法具有以下的特征。
在通过高温、施加负载来使硅基板塑性变形的工序中，将具有规定的曲面形状的曲面基板利用为负载，使硅基板塑性变形，从而使硅基板曲面化为所希望的曲面形状。通过将曲面化后的硅基板固定于具有曲面的固定基板，能够制成曲面衍射光栅的模具。使该曲面衍射光栅的模具转印于金属膜、树脂，从而制成曲面衍射光栅。此外，在使用较厚的硅基板的情况下，也能够保持原样地省略固定于固定基板的工序。
在通过高温、施加负载来使硅基板塑性变形的工序中，若将具有规定的曲面形状的曲面基板利用为负载，使硅基板塑性变形，则位错线沿结晶方位(110)产生。若在硅基板中使用(100)结晶方位则位错线四次对称地产生，若在硅基板中使用(111)结晶方位则位错线六次对称地产生。
上述位错线影响衍射光栅图案，且使散射光增加。因此，通过在硅基板中使用(110)结晶方位，使位错线与衍射光栅图案平行地产生，能够减少散射光。另外，若在硅基板中使用多晶硅，使之轻薄化、塑性变形，则位错线随机产生，从而能够制成相对于散射而影响非常小的曲面衍射光栅的模具。
以使这些位错线的产生不影响衍射光栅图案的方式，在单结晶硅基板上成膜氧化硅膜、氮化硅膜等非晶的膜，而在氧化硅膜、氮化硅膜上预先形成衍射光栅图案，并通过在氢气氛下使硅基板塑性变形，来使氧化硅膜、氮化硅膜的衍射光栅图案不平滑化，而仅使氧化硅膜、氮化硅膜的下表面的硅表面平滑化，从而能够制成位错线缓和的曲面衍射光栅的模具。另外，在使硅基板塑性变形后，通过在氢气氛下进行热处理，也可以减少位错线。
在固定于固定基板的工序中，若预先使硅基板和具有曲面的固定基板的接触界面活性化，则能够进行直接接合，能够在使硅基板塑性变形的同时进行固定，而能够用相同工艺制成曲面衍射光栅的模具。由于在高温气氛下，同时进行塑性变形、直接接合，所以若硅基板和固定基板的线膨胀系数较大地不同，则因冷却工序的收缩差而破损，从而选定硅基板和固定基板的线膨胀系数大致相等的材料。在硅基板上形成有平面衍射光栅的情况下，作为具有曲面的固定基板的材料，可以使用相同的硅。另外，若同时进行塑性变形和直接接合，则塑性变形从硅基板的中心开始变形，从而接合区域也从中心朝向外周进行。因此，在硅基板与固定基板之间没有形成空隙，从而能够表面精度良好地制成曲面衍射光栅的模具。
在固定于固定基板的工序中，通过对塑性变形后的硅基板和固定基板进行阳极接合，能够制成在基板内形成粘合层的曲面衍射光栅的模具。上述直接接合、阳极接合对粘合层不产生影响，从而能够制成具有高精度的表面精度的曲面衍射光栅的模具。
在硅基板和曲面基板的接合界面，也可以导入焊锡、粘合剂等接合部件，但与直接接合、阳极接合比较，表面精度降低。
如以下实施例5中说明那样，将通过上述方法制成的曲面衍射光栅的模具转印于树脂、金属等，来制成曲面衍射光栅。
实施例5
使用图7，对通过使用实施例1～4记载的曲面衍射光栅的模具1来在具有柔软性的部件转印图案、从而制造曲面衍射光栅的方法进行说明。在曲面衍射光栅的模具1(图7中(a))表面，形成剥离层(未图示)、反射膜51(图7中(b))。在反射膜51上设置液状的固化树脂52、基板53(图7中(c))。在树脂固化后，通过从曲面衍射光栅的模具1取下树脂52、基板53，来制造曲面衍射光栅5(图7中(d))。此外，也可以使用具有柔软性的金属膜来代替树脂。另外，也可以在使用曲面衍射光栅的模具1而在树脂52转印衍射光栅图案20之后，在其表面成膜反射膜51。
实施例6
使用图8，对使用实施例5记载的曲面衍射光栅5的分光光度计的一个例子进行说明。来自光源71的光由射入狭缝72限制，并向能够以轴77为中心旋转的曲面衍射光栅5射入。射入到曲面衍射光栅5的光按照每个波长而向不同的角度衍射，特定波长的光通过射出狭缝73，由聚光透镜74聚光，而向试料75照射。通过试料75的光的吸收，来检测检测部76中的光强度的变化。通过使曲面衍射光栅5以轴77为中心旋转，来使通过射出狭缝73的光的波长变化，从而能够检测试料75的吸收光谱。因此，能够测定试料75的构造吸收特性以及浓度。
符号的说明
1—曲面衍射光栅的模具，2—硅基板，3—固定基板，4—重物，5—曲面衍射光栅，6—曲面基板，20—衍射光栅图案，21—氧化硅膜，22—氮化硅膜，23—接合层，31—耐热玻璃制固定基板，32—下部金属膜，33—粘合层，51—反射膜，52—树脂，53—基板，71—光源，72—射入狭缝，73—射出狭缝，74—聚光透镜，75—试料，76—检测部，77—轴。

Claims (15)

1.一种曲面衍射光栅的制造方法，其特征在于，具有：
在平板状的硅基板上形成衍射光栅图案的步骤；
在加热的状态下向形成有上述衍射光栅图案的硅基板按压具有所希望的曲面形状的固定基板而使上述硅基板曲面化，并且在具有上述曲面形状的固定基板上固定具有上述衍射图案的硅基板来制作曲面衍射光栅的模具的步骤；以及
使具有柔软性的部件与上述曲面衍射光栅的模具接触，来在该部件上转印衍射光栅图案的步骤。
2.根据权利要求1所述的曲面衍射光栅的制造方法，其特征在于，
具有上述曲面形状的固定基板的材料具有与形成有上述衍射光栅图案的硅基板相同的线膨胀系数。
3.根据权利要求2所述的曲面衍射光栅的制造方法，其特征在于，
具有上述曲面形状的固定基板的材料是硅。
4.根据权利要求3所述的曲面衍射光栅的制造方法，其特征在于，
在将上述硅基板固定于上述固定基板上时，在上述硅基板和上述固定基板的接合面的表面预先形成有羟基。
5.根据权利要求1所述的曲面衍射光栅的制造方法，其特征在于，
在上述硅基板上形成衍射光栅图案的步骤包括：在平板状的硅基板上成膜氧化硅或者氮化硅的步骤；和在上述氧化硅或者氮化硅上形成衍射光栅图案的步骤，
当在加热的状态下向上述硅基板按压上述固定基板而使上述硅基板曲面化时，在氢气氛下实施。
6.一种曲面衍射光栅的制造方法，其特征在于，具有：
在平板状的硅基板上成膜氧化硅或者氮化硅的步骤；
在上述氧化硅或者氮化硅上形成衍射光栅图案的步骤；
在加热的状态下向形成有上述衍射光栅图案的硅基板按压具有所希望的曲面形状的曲面基板而使上述硅基板曲面化的步骤；
在具有曲面的固定基板上固定上述曲面化后的硅基板，来制作曲面衍射光栅的模具的步骤；以及
使具有柔软性的部件与上述曲面衍射光栅的模具接触，来在该部件上转印衍射光栅图案的步骤。
7.根据权利要求6所述的曲面衍射光栅的制造方法，其特征在于，
当在加热的状态下向形成有上述衍射光栅图案的硅基板按压具有所希望的曲面形状的曲面基板时，在氢气氛下实施。
8.根据权利要求6所述的曲面衍射光栅的制造方法，其特征在于，
对形成上述衍射光栅图案且曲面化后的硅基板和上述固定基板进行阳极接合。
9.根据权利要求6所述的曲面衍射光栅的制造方法，其特征在于，
通过粘合层对形成上述衍射光栅图案且曲面化后的硅基板和上述固定基板进行接合。
10.根据权利要求6所述的曲面衍射光栅的制造方法，其特征在于，
上述固定基板是耐热玻璃制的。
11.一种曲面衍射光栅的模具，用于与具有柔软性的部件接触来制造曲面衍射光栅，其特征在于，
上述曲面衍射光栅的模具由形成有衍射光栅图案的硅基板和固定基板构成，
在加热的状态下向形成有上述衍射光栅图案的上述硅基板按压具有所希望的曲面形状的上述固定基板而使上述硅基板曲面化，并且在具有上述曲面形状的固定基板上固定具有上述衍射图案的硅基板。
12.根据权利要求11所述的曲面衍射光栅的模具，其特征在于，
在上述固定基板上直接接合上述硅基板。
13.根据权利要求11所述的曲面衍射光栅的模具，其特征在于，
通过阳极结合、金属共晶结合或者粘合层，将曲面化后的上述硅基板固定在具有上述所希望的曲面形状的固定基板上。
14.根据权利要求11～13任一项中所述的曲面衍射光栅的模具，其特征在于，
形成有上述衍射光栅图案的硅基板构成为，在硅基板上成膜氧化硅或者氮化硅，并在该膜上形成有衍射光栅图案。
15.一种曲面衍射光栅，其特征在于，
转印有权利要求11～14任一项中所述的曲面衍射光栅的模具。
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