JP2019109116A - スケールおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 経時劣化が抑制されかつ環境温度変化の影響を受けにくいスケールおよびその製造方法を提供する。【解決手段】 スケールは、熱膨張係数が１×１０−７／Ｋ以下の低膨張ガラスで構成された基板と、前記基板の第１面上に所定の間隔で配置され、熱膨張係数が１×１０−７／Ｋを上回る光透過性無機材料で構成された複数の格子が配置された目盛格子と、を備えることを特徴とする。【選択図】 図１
Description
本件は、スケールおよびその製造方法に関する。
高精度な回折格子を作製する方法として、ナノインプリントを用いる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１の技術では、格子部に樹脂を用いることになる。この場合、十分な耐環境性、経時的な安定性などが得られず、経時劣化するおそれがある。そこで、合成石英などの基板を直接加工することで回折格子を形成する手法が考えられる。しかしながら、合成石英の熱膨張係数は、０．５×１０−６／Ｋ程度と比較的高い数値となっている。したがって、回折格子を高精度スケールとして用いる場合には、環境温度変化の影響が大きくなる。そこで、ゼロ膨張ガラスと称される低膨張ガラスを基板に用いることが考えられる。しかしながら、ゼロ膨張ガラスは、直接加工することが困難である。
１つの側面では、本発明は、経時劣化が抑制されかつ環境温度変化の影響を受けにくいスケールおよびその製造方法を提供することを目的とする。
１つの態様では、本発明に係るスケールは、熱膨張係数が１×１０−７／Ｋ以下の低膨張ガラスで構成された基板と、前記基板の第１面上に所定の間隔で配置され、熱膨張係数が１×１０−７／Ｋを上回る光透過性無機材料で構成された複数の格子が配置された目盛格子と、を備えることを特徴とする。
上記スケールにおいて、前記光透過性無機材料の屈折率は、前記低膨張ガラスの屈折率以下としてもよい。
上記スケールにおいて、前記光透過性無機材料は、ＳｉＯ２またはＭｇＦ２としてもよい。
上記スケールにおいて、前記目盛格子は、前記基板の前記第１面上において、前記光透過性無機材料で構成された層状部上に、前記複数の格子を備える構成を有していてもよい。
上記スケールにおいて、前記層状部は、０．５μｍ〜２．５μｍの厚みを有していてもよい。
上記スケールにおいて、前記基板の前記第１面と対向する第２面に、前記層状部が前記基板に対して有する応力を緩和する応力緩和層を備えていてもよい。
本発明に係るスケールの製造方法は、熱膨張係数が１×１０−７／Ｋ以下の低膨張ガラスで構成された基板上に、熱膨張係数が１×１０−７／Ｋを上回る光透過性無機材料の被エッチング層を形成する工程と、前記被エッチング層に対してエッチングを行うことで、前記基板上に所定の間隔で複数の格子を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
上記スケールの製造方法において、前記被エッチング層に対してエッチングを行う際に、前記格子以外の箇所の前記基板を露出させてもよい。
上記スケールの製造方法において、前記被エッチング層に対してエッチングを行う際に、前記格子以外の箇所の前記基板が露出する前に前記エッチングを終了してもよい。
上記スケールの製造方法において、前記基板上に前記被エッチング層を形成する際に、物理気相蒸着法、化学気相蒸着法およびウェットコーティングのいずれかを用いてもよい。
経時劣化が抑制されかつ環境温度変化の影響を受けにくいスケールおよびその製造方法を提供することができる。
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１（ａ）は、第１実施形態に係るスケール１００の平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）で例示するように、スケール１００は、基板１０の第１面上に、所定の間隔で複数の格子が配置された目盛格子２０を備えた構造を有している。この構成により、スケール１００は、所定の光透過特性、所定の光反射特性などの光特性を実現する。
図１（ａ）は、第１実施形態に係るスケール１００の平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）で例示するように、スケール１００は、基板１０の第１面上に、所定の間隔で複数の格子が配置された目盛格子２０を備えた構造を有している。この構成により、スケール１００は、所定の光透過特性、所定の光反射特性などの光特性を実現する。
基板１０は、ゼロ膨張ガラスによって構成されている。ゼロ膨張ガラスは、熱膨張係数が１×１０−７／Ｋ以下の低膨張ガラスである。ゼロ膨張ガラスは、例えば、非晶質ガラス中に結晶化ガラスを分散させることによって低膨張が実現されている。ゼロ膨張ガラスとして、クリアセラム（登録商標）、ゼロデュア（登録商標）などを用いることができる。
目盛格子２０は、熱膨張係数が１×１０−７／Ｋを上回る光透過性無機材料であれば、特に限定されるものではない。熱膨張係数が１×１０−７／Ｋを上回る光透過性無機材料として、例えば、ガラス、ＳｉＯ２（二酸化ケイ素）、ＴｉＯ２（酸化チタン）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）等の透明な酸化物、フッ化物等を用いることができる。
本実施形態によれば、基板１０がゼロ膨張ガラスによって構成されていることから、スケール１００の熱膨張係数が低くなる。それにより、スケール１００は、環境温度変化の影響を受けにくくなる。目盛格子２０は、光透過性無機材料によって構成されている。この場合、樹脂を目盛格子に用いる場合と比較して、十分な耐環境性、経時的な安定性などが得られ、経時劣化が抑制される。以上のことから、本実施形態によれば、経時劣化が抑制され、環境温度変化の影響を受けにくいスケール１００を提供することができる。
なお、目盛格子２０の屈折率をｎｆとし、基板１０の屈折率をｎｓとした場合に、ｎｆ≦ｎｓの関係を満たすことが好ましい。この関係を満たすことで、回折格子の格子高さ変動の影響を低くすることができるため、格子形成の歩留りやスループットを向上できる。
なお、スケール１００を反射型回折格子として用いる場合には、図２で例示するように、基板１０の第１面上の露出部分および目盛格子２０を反射膜３０が覆っていてもよい。反射膜３０は、例えば、全ての目盛格子２０を覆うように形成されている。反射膜３０として、例えば、Ｃｒ（クロム），ＴｉＳｉ２（チタンシリサイド），Ｔｉ（チタン），Ａｕ（金），Ａｌ（アルミニウム）などの金属材料を用いることができる。
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、スケール１００の製造方法を例示する図である。まず、図３（ａ）で例示するように、基板１０の第１面上に、被エッチング層５０を形成する。被エッチング層５０は、目盛格子２０を形成するための層であるため、目盛格子２０と同じ材料からなる。被エッチング層５０は、例えば、真空蒸着、スパッタリングなどの物理気相蒸着法によって形成することができ、化学気相蒸着法によって形成することもでき、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）などのウェットコーティングなどによって形成することもできる。
次に、図３（ｂ）で例示するように、被エッチング層５０上に、所定間隔でレジストパターン６０を形成する。レジストパターン６０は、目盛格子２０のパターンを有している。レジストパターン６０は、所定のマスクを用いてレジスト層をエッチングすることによって形成することができる。次に、図３（ｃ）で例示するように、レジストパターン６０をマスクとして用いて、被エッチング層５０に対してエッチングを行う（エッチング工程）。この場合、基板１０の第１面において目盛格子２０以外の箇所を露出させることができる。それにより、目盛格子２０を形成することができる。次に、図３（ｄ）で例示するように、レジストパターン６０を除去する。以上の工程によって、スケール１００が完成する。
本実施形態に係る製造方法によれば、化学的安定性の差に起因して、基板１０のエッチングレートが被エッチング層５０のエッチングレートよりも低くなる。それにより、被エッチング層５０に対してエッチングを行うことによって、基板１０上に目盛格子２０を形成することができる。また、基板１０がゼロ膨張ガラスによって構成されており、目盛格子２０がゼロ膨張ガラス以外の光透過性無機材料によって構成されていることから、経時劣化が抑制され、環境温度変化の影響を受けにくいスケール１００を製造することができる。
（第２実施形態）
図４（ａ）は、第２実施形態に係るスケール１００ａの平面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）で例示するように、スケール１００ａが第１実施形態に係るスケール１００と異なる点は、目盛格子２０の代わりに目盛格子２０ａが設けられている点である。目盛格子２０ａが目盛格子２０と異なる点は、目盛格子２０ａの各格子が底部でつながっている点である。すなわち、目盛格子２０ａは、基板１０の第１面上において、層状部２１上に複数の格子２２が設けられた構造を有する。層状部２１は、例えば、基板１０の第１面の全面を覆っている。層状部２１および格子２２は、同一材料によって構成されている。層状部２１および格子２２を構成する材料は、第１実施形態に係る目盛格子２０と同様である。
図４（ａ）は、第２実施形態に係るスケール１００ａの平面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）で例示するように、スケール１００ａが第１実施形態に係るスケール１００と異なる点は、目盛格子２０の代わりに目盛格子２０ａが設けられている点である。目盛格子２０ａが目盛格子２０と異なる点は、目盛格子２０ａの各格子が底部でつながっている点である。すなわち、目盛格子２０ａは、基板１０の第１面上において、層状部２１上に複数の格子２２が設けられた構造を有する。層状部２１は、例えば、基板１０の第１面の全面を覆っている。層状部２１および格子２２は、同一材料によって構成されている。層状部２１および格子２２を構成する材料は、第１実施形態に係る目盛格子２０と同様である。
本実施形態によれば、基板１０がゼロ膨張ガラスによって構成されていることから、スケール１００ａの熱膨張係数が低くなる。それにより、スケール１００ａは、環境温度変化の影響を受けにくくなる。目盛格子２０ａは、光透過性無機材料によって構成されている。この場合、樹脂を目盛格子に用いる場合と比較して、十分な耐環境性、経時的な安定性などが得られ、経時劣化が抑制される。以上のことから、本実施形態によれば、経時劣化が抑制され、環境温度変化の影響を受けにくいスケール１００ａを提供することができる。さらに、各格子２２が層状部２１によって接続されていることから、層状部２１が形成されていない場合と比較して、スケール１００ａに入射する光に対する屈折率の変化を抑制することができる。それにより、干渉効果によって反射光を強めあうことができる。その結果、回折効率を高くすることができる。
なお、層状部２１および格子２２の屈折率をｎｆとし、基板１０の屈折率をｎｓとした場合に、ｎｆ≦ｎｓの関係を満たすことが好ましい。この関係を満たすことで、回折格子の格子高さ変動の影響を低くすることができるため、格子形成の歩留りやスループットを向上できる。
図５は、層状部２１の厚みと回折効率との関係を示すシミュレーション結果を例示する図である。シミュレーションにおいて、屈折率ｎｆを１．４５６（ＳｉＯ２の屈折率）とし、屈折率ｎｓを１．５４６（クリアセラム（登録商標）の屈折率）とした。図５において、「０μｍ」は、層状部２１を設けていない場合を示す。「０．５μｍ」、「１．０μｍ」、「２．０μｍ」は、層状部２１の厚みが「０．５μｍ」、「１．０μｍ」、「２．０μｍ」であることを示す。また、横軸は、格子２２の高さの規格値である。図５で例示するように、層状部２１を設けない場合（０μｍ）と比較して、層状部２１を設ける場合に回折効率が高くなっていることがわかる。なお、図５の結果から、層状部２１の厚みを０．５μｍ以上とすることが好ましい。例えば、層状部２１の厚みを０．５μｍ以上２．５μｍ以下としてもよく、０．５μｍ以上２．０μｍ以下としてもよい。
なお、目盛格子２０ａが層状部２１を備えることから、基板１０の第１面側に応力が生じるおそれがある。そこで、図６で例示するように、応力を緩和するための応力緩和層４０が設けられていてもよい。例えば、応力緩和層４０は、基板１０の第２面（第１面と対向する面）上に設けられている。また、応力緩和層４０は、目盛格子２０ａが基板１０に対して圧縮応力を生じる場合には圧縮応力を生じる材料によって構成されており、目盛格子２０ａが基板１０に対して引張応力を生じる場合には引張応力を生じる材料によって構成されている。例えば、応力緩和層４０は、スケール１００ａを透過型回折格子として用いる場合には酸化物などの光透過性材料によって構成されており、スケール１００ａを反射型回折格子として用いる場合には特に限定されるものではない。
なお、スケール１００ａを反射型回折格子として用いる場合には、図７（ａ）で例示するように、基板１０の一面上の露出部分および目盛格子２０ａを、第１実施形態で説明した反射膜３０が覆っていてもよい。
または、図７（ｂ）で例示するように、目盛格子２０ａが反射膜３０によって覆われており、基板１０の第２面に応力緩和層４０が設けられていてもよい。この場合においては、応力緩和層４０は、目盛格子２０ａおよび反射膜３０が全体として基板１０に対して圧縮応力を生じる場合には圧縮応力を生じる材料によって構成されており、目盛格子２０ａおよび反射膜３０が全体として基板１０に対して引張応力を生じる場合には引張応力を生じる材料によって構成されている。
図８（ａ）および図８（ｂ）は、スケール１００ａの製造方法を例示する図である。図３（ａ）および図３（ｂ）で説明したように、基板１０の一面上に被エッチング層５０を形成し、被エッチング層５０上に所定間隔でレジストパターン６０を形成する。次に、図８（ａ）で例示するように、レジストパターン６０をマスクとして用いて、被エッチング層５０に対してエッチングを行う（エッチング工程）。この場合、基板１０の第１面が露出しない範囲でエッチングを終了する。すなわち、基板１０の第１面において、格子以外の箇所が露出する前にエッチングを終了する。それにより、格子２２を形成することができるとともに、層状部２１を形成することができる。すなわち、目盛格子２０ａを形成することができる。次に、図８（ｂ）で例示するように、レジストパターン６０を除去する。以上の工程によって、スケール１００ａが完成する。
本実施形態に係る製造方法によれば、層状部２１を残しつつ格子２２を形成することができる。それにより、基板１０上に目盛格子２０ａを形成することができる。また、基板１０がゼロ膨張ガラスによって構成されており、目盛格子２０ａがゼロ膨張ガラス以外の光透過性無機材料によって構成されていることから、経時劣化が抑制され、環境温度変化の影響を受けにくいスケール１００ａを製造することができる。また、各格子２２が層状部２１によって接続されていることから、スケール１００ａに入射する光に対する屈折率の変化を抑制することができる。それにより、回折効率を高くすることができる。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 基板
２０，２０ａ 目盛格子
２１ 層状部
２２ 格子
３０ 反射膜
４０ 応力緩和層
５０ 被エッチング層
６０ レジストパターン
１００ スケール
２０，２０ａ 目盛格子
２１ 層状部
２２ 格子
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４０ 応力緩和層
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６０ レジストパターン
１００ スケール
Claims (10)
- 熱膨張係数が１×１０−７／Ｋ以下の低膨張ガラスで構成された基板と、
前記基板の第１面上に所定の間隔で配置され、熱膨張係数が１×１０−７／Ｋを上回る光透過性無機材料で構成された複数の格子が配置された目盛格子と、を備えることを特徴とするスケール。 - 前記光透過性無機材料の屈折率は、前記低膨張ガラスの屈折率以下であることを特徴とする請求項１記載のスケール。
- 前記光透過性無機材料は、ＳｉＯ２またはＭｇＦ２であることを特徴とする請求項１または２に記載のスケール。
- 前記目盛格子は、前記基板の前記第１面上において、前記光透過性無機材料で構成された層状部上に、前記複数の格子を備える構成を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスケール。
- 前記層状部は、０．５μｍ〜２．５μｍの厚みを有することを特徴とする請求項４記載のスケール。
- 前記基板の前記第１面と対向する第２面に、前記層状部が前記基板に対して有する応力を緩和する応力緩和層を備えることを特徴とする請求項４または５に記載のスケール。
- 熱膨張係数が１×１０−７／Ｋ以下の低膨張ガラスで構成された基板上に、熱膨張係数が１×１０−７／Ｋを上回る光透過性無機材料の被エッチング層を形成する工程と、
前記被エッチング層に対してエッチングを行うことで、前記基板上に所定の間隔で複数の格子を形成する工程と、を含むことを特徴とするスケールの製造方法。 - 前記被エッチング層に対してエッチングを行う際に、前記格子以外の箇所の前記基板を露出させることを特徴とする請求項７記載のスケールの製造方法。
- 前記被エッチング層に対してエッチングを行う際に、前記格子以外の箇所の前記基板が露出する前に前記エッチングを終了することを特徴とする請求項７記載のスケールの製造方法。
- 前記基板上に前記被エッチング層を形成する際に、物理気相蒸着法、化学気相蒸着法およびウェットコーティングのいずれかを用いることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載のスケールの製造方法。
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