JP2005111839A - 表面創成方法、光学素子および型 - Google Patents

Abstract

【課題】 これまで形成することが困難であった波長の非常に短いものに使用する光学素子の表面粗さ０．２ｎｍＲＭＳを実現する。
【解決手段】 所望の表面粗さを形成した表面創成用薄板あるいは表面創成用型と、被加工物を溶融するレーザを用いて、様々な形状で、各種材質の被加工物の表面を従来より小さな表面粗さでの平滑化を実現できる。特に、表面粗さ０．２ｎｍＲＭＳ以下の光学素子基材が可能となり、高精度な光学系を実現することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、各種加工素材に平滑面を形成する表面創成方法、光学素子及び光学素子の型に関し、表面粗さの小さな表面が要求されるＥＵＶ（軟Ｘ線）用光学素子などの超平滑面形成に関する。また、研磨剤による表面ダメージのない平滑な表面創生方法に関する。さらに平滑面の必要な型または加工物表面の平滑面形成に関し、高い表面平坦化を提供することが可能な表面創成方法、光学素子および型に関するものである。

レンズやミラーなどの光学素子の表面を平滑、すなわち表面粗さを小さくする方法としては、研磨法の技術が多く用いられている。この技術は、研磨皿を素子基板と相対運動させ、酸化クロム、シリカ、ダイアモンド微紛などの研磨剤を水に分散した研磨液を介在させて研磨を行い、素子の表面を所定の平面や曲面を鏡面に仕上げていく。

また、光学素子の作製方法としてモールドを用いる方法がある。特に最近の光学素子の場合には、エンボシング技術と呼ばれる方法が利用される事が多い。この技術は、加熱して柔らかくなった素子材料にモールドを押し付けて加工形成するものである。この場合、素子表面の粗さは、モールドの表面粗さにより決定される。従って、モールドの表面を所望の粗さに仕上げておく必要がある。

さらに、金属表面を平滑化する方法には、電解複合研磨法と呼ばれる技術がある。この技術は、電解による金属溶出作用と研磨剤による機械的擦過作用を複合した技術である。図４は、この技術の加工原理を模式的に示す図である。電解現象によって被加工物（陽極）２０１の表面に不働態化皮膜２０３が生じ、この皮膜２０３の凸部を砥粒擦過により除去し、この部分に選択的に電解溶出作用を集中させることにより、金属表面を平坦化するものである。

以上、各種表面平坦化方法があるが、実際は、加工すべき対象の硬さや、要求される面精度、加工形状などの条件によって多岐にわたる技術から適宜最適なものが選択される。

一方、ナノインプリント技術と呼ばれる半導体表面への微細なパターン形成方法がある（例えば非特許文献１参照。）。この技術は、あらかじめパターンを形成したＳｉＯ２製のモールドを、シリコン基板に押し付けながらＸｅＣｌエキサイマレーザ（波長３０８ｎｍ）のパルス光を極短時間モールド上より照射することにより、シリコン基板表面近傍を溶融し、モールドのパターンがシリコン基板表面に加工形成される技術である。図５（ａ）〜（ｅ）は、この技術を用いた微細パターン形成の工程を示す模式図である。以下の工程によりパターンが、形成される。

工程１（図５（ａ））パターンを形成したＳｉＯ２モールド１０１を用意し、シリコン基板１０２の所定の位置へ置き、所定の圧力にてシリコン基板１０２に押し付ける。

工程２（図５（ｂ））ＸｅＣｌエキサイマレーザのパルス光ＷをＳｉＯ２モールド１０１上より照射する。

工程３（図５（ｃ））シリコン基板表面１０３がレーザ光のエネルギーを吸収して溶融し、モールド１０１が溶融したシリコンに食い込む。

工程２（図５（ｄ））シリコン基板表面が再び固化する。

工程２（図５（ｅ））シリコン基板１０２とＳｉＯ２モールド１０１を分離する。

以上のような工程によりシリコン基板表面に微細パターンが形成される。
Ｓ．Ｙ．Ｃｈｏｕ、ｅｔ．ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ４１７，Ｐ．８３５〜８３７，２０ Ｊｕｎｅ ２００２

Ｘ線やＥＵＶなどの波長の非常に短いものに使用する光学素子では、表面粗さ０．３ｎｍＲＭＳ以下の超平滑な表面が望まれている。例えば、特開平８−３２３６０４では、ＳｉＣ膜表面の表面粗さを０．３ｎｍＲＭＳ程度にする研磨方法が開示されている。このような研磨方法では、非常に長い時間がかかる。また、研磨剤、研磨液、加圧、加工機の動作条件など各種条件設定が困難である。

上述の素子ほどではないが、最近のモールドを用いた光学素子などにおいては、使用する光の短波長化や損失の低減を目的に、より高精度な表面平滑性が要求されているが、形状も複雑なものが多く、平滑なモールド表面を容易に形成することは困難である。例えば、光技術コンタクト、４０（１０）、２００２、Ｐ６〜４６には、各種ガラスモールド法について記載されているが、そこでは研削により作製される金型の表面粗さは、１５〜２０ｎｍＲＭＳである。

さらに、感光ドラム、磁気ディスク、真空装置などの金属表面の平坦化へのさらなる要望があるが、その要求を満たすには現状の研磨、研削技術では困難である。前述した、電解複合研磨法においても達成している表面粗さは、３０ｎｍＲＭａｘ程度である。

また、半導体関連、真空関連や光学関連分野などでは、研磨法による表面ダメージや研磨剤の除去も問題となっている。

本発明は上述の問題点に着目してなされたものであって、これまで形成することが困難であった波長の非常に短いものに使用する光学素子の表面粗さ０．２ｎｍＲＭＳを実現することができ、また、より平滑な表面を持ちかつ複雑な形状のモールドを形成することが可能で、また、各種装置に用いる部品において、より平坦な表面を実現し、さらに、研磨法における表面ダメージや研磨剤汚染のない表面を実現することができる表面創成方法、光学素子および型の提供を目的としている。

上記のような課題に対し、本発明の表面創成方法は、所定の形状を研削や研磨などであらかじめ形成した被加工物と、被加工物の該表面形状と相対する型とを用い、該被加工物と該型の間に所望の表面平滑性を持つ薄板を装置した後、該型を押し付けながら該型の上方から光を照射し、被加工物の表面近傍を溶融させることにより該薄板の表面状態を被加工物の表面に転写することを特徴とする。

また、本発明の表面創成方法は、相対する形状の型を用いる表面創成方法であって、被加工物と、相対する形状の型とを用い、該型を被加工物に押し付けながら該型の周囲から光を照射し、被加工物の表面近傍を溶融させることにより該型の表面平滑性を被加工物の表面に転写することを特徴とする。

すなわち、本発明の表面創成方法は、これまで直接加工することでしか不可能であった表面平滑化を、所望の平滑面を形成した薄板または表面創成用型を用い、該薄板または表面創成用型を透過し、かつ被加工物に吸収する光を用い、所定の強度および時間、該光を該薄板の上方または該表面創生用型の周囲より照射し、被加工物表面近傍を溶融させ、被加工物表面に該薄板または表面創成型の表面状態を転写するものである。

また、本表面創成方法では、被加工物表面は該薄板または表面創成型の被加工物に押し付ける面より粗く加工されていることを特徴とし、該薄板または型を繰り返し用いることが出来ることから、被加工物を直接加工する場合より容易にかつ安価に平滑面が形成できる。さらに、研磨剤を用いないので被加工物表面へのダメージや研磨剤による汚染のない表面加工が可能となる。

また、該薄板または表面創成用型に石英やガラス材料を用いることで、従来の研削、研磨技術で所定の形状に該薄板または表面創成用型を形成した後、ＲＩＥエッチングやフッ酸による概略等方性エッチング技術を用いて、表面粗さをさらに小さくした平滑面を持つ薄板や表面創成型が形成できる。このようにして形成した薄板または表面創成用型を、被加工物に押し付け、所定の光を照射することで、被加工物表面を該薄板または表面創成用型の表面粗さと同等の表面粗さに加工できる。ここで、達成される表面粗さは、初めの研削、研磨にて形成された表面粗さに依存するが、前記エッチングにより初期の値の１／２程度の値が得られる。さらに、ドライエッチングは、ＲＩＥに限らず用いることが出来るが、概略等方性の条件で用いることが望ましい。また、エッチングガスには、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ４Ｆ８などのＦ系ガスを用いることが出来る。またフッ酸の場合には、５％以下の濃度にて用いることが望ましい。

また、特に表面粗さの小さな表面を創成する場合には、石英製の平板の薄板を所定の表面粗さ、例えば、研磨法にて表面粗さを０．２ｎｍＲＭＳに注意深く形成した後、平板の被加工物の表面創成の場合は、そのまま該薄板を用い、曲面に用いる場合には、該薄板を１００μｍ以下の厚さに研磨した後、被加工物の曲面と相対する形状の型の間に該薄板を装置し、該型を該曲面に押し付け、所定の光を照射することで、被加工物の表面を該薄板の表面粗さ０．２ｎｍＲＭＳ以下の表面に創成することが出来る。ここで、Ｘ線やＥＵＶなどの波長の非常に短いものに使用する光学素子が被加工物の場合は、シリコンやチッ化珪素などが望ましい。ここで、表面創成用の薄板の厚さは、曲面の曲率にもよるが、押し付ける力で割れない範囲で、出来るだけ薄いほうが望ましい。

また、本発明において用いる表面創成用の薄板および型ならびに被加工物表面と相対する型、被加工物ならびに表面溶融のための光との関係は、該薄板または型ならびに相対する型は該光が透過し、被加工物は該光を吸収し、被加工物の溶融温度が該薄板または型の溶融温度より低いことが必要である。例えば薄板は石英（軟化温度：約１７００℃）、被加工物はシリコン（融点：約１４２０℃）、光はＸｅＣｌパルスレーザである。一般に、表面創成用の薄板または型は石英が望ましい。また、相対する型は、石英はもちろん、使用する光を透過し、適当な硬度を持つものであれば溶融温度をそれほど気にすることなく用いることが出来る。また、被加工物表面で吸収され被加工物表面を溶融するための光は、ＫｒＦなどのエキサイマレーザ、ＣＯ２などのガスレーザ、ＹＡＧなどの固体レーザなどを上述の組み合わせにおいて適宜選択し、用いることが出来る。被加工物は、金型に用いられる超硬合金など各種金属や金属酸化物、ＳｉＣやカーボンなどセラミックス、各種樹脂など広範囲な材料が加工対象となり、加工できる。

本発明によれば、これら該薄板または型ならびに相対する型、光、被加工物を所望の精度が得られるように、適宜組み合わせることにより、従来技術では達成困難な精度の平滑化表面を様々な材料、形状へ提供することが出来る。

本発明によれば、所望の表面粗さを形成した薄板あるいは表面創成用型と、被加工物を溶融するレーザを用いて、様々な形状で、各種材質の被加工物の表面を従来より小さな表面粗さでの平滑化を実現出来る。また、短時間で均一性よく、コストも低く出来る。特に、表面粗さ０．２ｎｍＲＭＳ以下の光学素子基材が可能となり、高精度な光学系を実現することが出来る。

以下に本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて図面を参照しながら説明する。

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明によるＥＵＶ用のシリンドリカル形状光学素子基材の表面を平滑にする工程を示す。

始めに表面創成用薄板１０を用意する、例えばφ１５０ｍｍ、厚さ０．９５ｍｍの石英基板の片面１１を研磨し、表面粗さ０．２ｎｍＲＭＳに加工する。その後、該基板１０のもう一方の面を研磨し、基板１０の厚さを５０μｍにした後、１００ｍｍＸ５ｍｍに切断する（図１（ａ））。このように薄板化することで、ある程度の曲率まで該薄板１０が追随することが可能となる。

次に、被加工物１２を用意する。例えばφ２００ｍｍ、厚さ０．８７５μｍのシリコン基板に所定のシリンドリカル形状を研削により、表面粗さ１．０ｎｍＲＭＳに形成したものを被加工物１２とする。ここで、シリンドリカル形状の曲率は約６００μｍ、ピッチ２５０μｍ、また素子形成範囲は１００ｍｍである（図１（ｂ））。

また、前記シリンドリカル形状一つ分で、前記薄板１０を重ねて、前記シリンドリカル形状に相対する形状の型１３を石英にて形成する（図１（ｃ））。

続いて、シリンドリカル面を上にした被加工物１２、所定の表面粗さを形成した面１１を下にした表面創成用薄板１０、相対する形状の型１３の順に重ね、被加工物１２と型１３を所定の力で押し付けながら、型１３の上方よりＸｅＣｌパルスレーザ１４を１．２ｍＪ／ｃｍ２、５０ｎｓで照射し、被加工物１２の表面を溶融する（図１（ｄ））。

およそ３０ｓｅｃ後、被加工物１２から薄板１０と型１３を取り除くと、被加工物１２のシリンドリカル面１５は、薄板１０に形成された所定の表面粗さの面１１にならい、表面粗さ０．２ｎｍＲＭＳに形成される（図１（ｅ））。

この図１（ｄ）、図１（ｅ）をシリンドリカル面１５の数だけ繰り返すことにより、所定のＥＵＶ用のシリンドリカル形状光学素子基材が完成する。この超平滑なシリンドリカル面を形成した光学素子基材の表面に所定の反射層を形成し、これまで達成できなかった高性能な光学素子が実現できた。

第２の実施例を図２により説明する。本実施例ではマイクロフレネルレンズ用の金型の表面平滑化の工程を示す。

初めに、研削技術を用いて微粒子超硬合金で所定のマイクロフレネルレンズ形状の金型２０を作製する（図２（ａ））。ここで、フレネルレンズ形状は、ｇ（ｙ）を約５０ｍｍの近似曲率半径の非球面で、有効径：約φ４ｍｍ、段差５μｍとした。このようにして作製した金型２０の表面粗さは、約２０ｎｍＲＭＳであった。

次に、金型２０と同様の研削技術を用いて金型２０と相対する形状、すなわち所定のマイクロフレネルレンズ形状を厚さ１ｍｍの平板の石英基板に形成した後、ＲＩＥにてレンズ面を５ｍｉｎエッチングして表面創成用型２１を作製する（図２（ｂ））。ここで、エッチング条件は、ガス：ＣＦ４／Ｈ２＝２１ｓｃｃｍ／４ｓｃｃｍ、９０Ｗ、５Ｐａで、エッチングレートは、約１７ｎｍ／ｍｉｎである。このようにして作製した表面創成用型２１の表面粗さは約１０ｎｍＲＭＳで、エッチング前に比べほぼ半分となっていた。

続いて、金型２０と表面創成用型２１を合わせ、所定の力で押し付けながら、表面創成用型２１の上方よりＫｒＦエキサイマレーザ２２を所定時間照射し、金型２０の表面を溶融する（図２（ｃ））。ここで、レーザ２２は一定の方向だけでなく、フレネルレンズ形状の垂直面にも照射するように斜めに傾けて照射することが望ましい。

およそ、３０ｓｅｃ後、表面創成型２１を金型２０から取り除くと、金型２０の表面２３は、表面創成型２１の表面にならい、表面粗さ約１０ｎｍＲＭＳに形成される（図２（ｄ））。

このようにして作製された金型を用いて作製したマイクロフレネルレンズは、これまで実現できなかった小さな表面粗さを持つことで、光学性能の良好な素子となる。

第３の実施例を図３により説明する。本実施例では、高純度や高真空の必要な装置に用いる配管の内面の平滑化の工程を示す。

初めに、内面３１が電解複合研磨法などで表面粗さを１００ｎｍＲＭＳ程度に加工されたＳＵＳ製φ１／４インチの配管３０を用意する。

次に、表面を所定の表面粗さ、例えば２０ｎｍＲＭＳに加工した、配管３０内に入る石英製の円筒形ロッド３２の一つの端面に頂角４５°の円錐３３を形成する（図３（ａ））。

以上用意した配管３０とロッド３２を用いて、次のように内面３１の平滑化を行う。

ロッド３２を配管３０内に挿入し、同時に配管３０の円錐３３部分に外側より適当な圧力を加える加圧機構３５を同時に所定の速度で移動させる。さらに、この移動と同時に、ロッド３２と円錐３３を形成していないもう一方のロッド３２の端面３４より、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ３６を所定の強度、時間で照射する（図３（ｂ）：図は透視図としている）。

このとき、ロッド３２に入射したレーザ３６は、円錐３３の表面にて９０°向きを変え、配管３０の内面３１に照射され、内面３１の表面が溶融し、内面３１はロッド３２の表面の粗さに形成される。ここで、ロッド３２と加圧機構３５の移動速度およびレーザ３６の強度は、適宜調節する。このようにして内面３１を平滑化された配管３０を得ることが出来た。

本発明の表面創成方法の一実施の形態を示す工程図 本発明の表面創成方法の一実施の形態を示す工程図 本発明の表面創成方法の一実施の形態を示す工程図 従来の表面平滑化方法を示す工程図 従来の表面パターン形成方法を示す工程図

符号の説明

１０ 表面創成用薄板（基板）
１１ 片面（薄板１０に形成された所定の表面粗さの面）
１２ 被加工物
１３ 平滑化する面に相対する形状の型
１４ ＸｅＣｌパルスレーザ
１５ 表面創成された面（シリンドリカル面）
２０ 被加工物（金型）
２１ 表面創成用型
２２ ＫｒＦエキサイマレーザ
２３ 表面創成された面（金型２０の表面）
３０ 配管
３１ 被加工物（配管３０の内面）
３２ 表面創成用の円筒形ロッド
３３ 円錐
３５ 加圧機構
３６ Ｎｄ：ＹＡＧレーザ

Claims (12)

1. 相対する形状の型を用いる表面創成方法であって、所定の形状を研磨などであらかじめ形成した被加工物と、被加工物の該表面形状と相対する型とを用い、該被加工物と該型の間に所望の表面状態を持つ薄板を挟んで押し付けながら該型の上方から光を照射し、被加工物の表面近傍を溶融させることにより該薄板の表面状態を被加工物の表面に転写することを特徴とする表面創成方法。
2. 相対する形状の型を用いる表面創成方法であって、被加工物と、相対する形状の表面創成用型とを用い、該型を被加工物に押し付けながら該型の周囲から光を照射し、被加工物の表面近傍を溶融させることにより該型の表面状態を被加工物の表面に転写することを特徴とする表面創成方法。
3. 請求項１又は２に記載の表面創成方法において、前記薄板または前記相対する形状の表面創成用型の表面は平滑面であり、該平滑面の表面粗さは、被加工物の平滑面を形成しようとする面の表面粗さよりも小さいことを特徴とする表面創成方法。
4. 請求項１又は２に記載の表面創成方法において、前記薄板または前記相対する形状の表面創成用型は、研削または研磨法にて形成した後、ＲＩＥエッチングまたはフッ酸による概略等方性のエッチングにより、該薄板または表面創成用型の表面の表面粗さを小さくしたことを特徴とする表面創成方法。
5. 請求項１に記載の表面創成方法において、前記薄板の表面粗さは、０．２ｎｍＲＭＳ以下であることを特徴とする表面創成方法。
6. 請求項１に記載の表面創成方法において、前記薄板の厚さは１００μｍ以下であることを特徴とする表面創成方法。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の表面創成方法において、被加工物の表面を溶融させるための前記光は、薄板および型を透過し、かつ被加工物が吸収する波長であることを特徴とする表面創成方法。
8. 薄板および型は、石英またはガラス材料であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の表面創成方法。
9. 被加工物は、シリコンであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の表面創成方法。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の表面創成方法により作製したことを特徴とする光学素子。
11. 前記光学素子は、マイクロレンズ、マイクロレンズアレー、回折素子、ミラーなどであることを特徴とする請求項１０記載の光学素子。
12. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の表面創成方法により作製したことを特徴とする型。

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