JP5303889B2

JP5303889B2 - レプリカ回折格子

Info

Publication number: JP5303889B2
Application number: JP2007260112A
Authority: JP
Inventors: 哲也長野; 浩行笹井; 善央米澤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2007-10-03
Filing date: 2007-10-03
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2027-10-03
Also published as: JP2009092687A

Description

本発明は、紫外、可視、近赤外分光、光通信機器分光等に使用されるレプリカ回折格子に関する。

従来より、回折格子を量産する際に、マスター回折格子からレプリカ回折格子を製作する手法が広く採用されている。特許文献１などの記載に基づき、その手法を概略的に説明する。

まず、ガラス基板の一面にアルミニウムなどの金属を蒸着して金属層を形成し、該金属層に格子溝を形成することによりマスター回折格子を製作する。このマスター回折格子を母型として、その格子面に薄い油膜からなる離型剤層を形成し、その上に金属薄膜を形成する。続いて、この金属薄膜上に接着剤を介してガラス基板を接着し、接着剤が硬化した後、ガラス基板を母型より剥離させる。これにより、格子溝が形成された金属薄膜が裏返し状態でガラス基板側に移り、レプリカ回折格子が完成する。
このレプリカ回折格子をマスター回折格子(ネガマスター回折格子）として上記した作業を繰り返すことにより、元のマスター回折格子と同じ形状の格子溝が転写された金属薄膜を有するレプリカ回折格子が得られる。

前記金属薄膜はアルミニウム等の金属を真空蒸着することにより形成される。金属薄膜の膜厚が大きいと蒸着工数が増加する、面粗さが大きくなり反射率が低下する等の理由から、従来は、例えば可視光の場合の金属薄膜の厚さを、透過による反射率ロスの無い最小限の厚さである０．２μｍ程度に設定していた。

ところで、レプリカ回折格子３０の格子溝の形状によっては金属薄膜３１の膜厚が不均一になる場合がある。この結果、金属薄膜の膜厚が小さい場合には、図３に示すように金属薄膜３１が薄くなる領域３２や金属薄膜３１で覆われない領域３３が生じる。例えば、格子溝の角度（ブレーズ角）が大きい(ネガ)マスター回折格子や高アスペクト比の(ネガ)マスター回折格子を母型とするレプリカ回折格子の場合にこのような現象が生じやすい。

このように金属薄膜が薄い領域３２や金属薄膜で覆われない領域３３が存在すると、上記レプリカ回折格子３０を分光器の回折格子等として用いた場合に次のような問題が生じる。つまり、レプリカ回折格子３０の格子面に光を照射した際に入射光の一部が当該領域３２，３３から当該回折格子３０の内部に侵入し、回折効率の低下や迷光の増加を招く。また、レプリカ回折格子３０の内部に侵入した入射光によって、金属薄膜３１の下部に位置する接着剤としての樹脂層３４が劣化する原因となる。さらに、回折格子３０の使用環境によっては、金属薄膜３１が薄い領域３２等から湿気や腐食性ガス等がレプリカ回折格子３０の内部に入り込み、樹脂層３４を膨潤させる等のダメージを与える場合がある。
特開平７−２６１０１０号公報

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内部に光が侵入することによる迷光の発生を低減し、耐環境特性を改善することができるレプリカ回折格子を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係るレプリカ回折格子は、マスター回折格子の格子溝の表面に金属膜を形成し、該金属膜とレプリカ基板とを接着剤を介して密着させた後に該レプリカ基板をマスター回折格子から剥離させ、前記金属膜を前記レプリカ基板に反転接着させることで格子面が形成されてなるレプリカ回折格子において、前記金属膜の厚みを前記格子溝の深さよりも大きくし、
前記レプリカ基板に反転接着された前記金属膜の表面を当該金属膜よりも薄い補助膜で被覆したことを特徴とする。

前記レプリカ回折格子においては、レプリカ基板に反転接着された金属膜の表面を当該金属膜よりも薄い補助膜で被覆すると、前記金属膜の反射率の低下を補ったり表面を保護したりすることができる。

本発明に係るレプリカ回折格子では、格子溝の深さよりも金属膜の厚みを大きくしたことにより、格子溝の形状に関係なく該格子溝の表面全体を充分な厚さの金属膜で覆うことができる。このため、入射光が格子溝の表面を透過してしまうことを確実に防止できる。また、レプリカ基板と金属膜との間に接着剤層を封じ込めることができるため、湿気や腐食性ガスが基板内部に入り込んで接着剤層に悪影響を及ぼすことを極力抑えることができる。

以下、本発明に係るレプリカ回折格子の一実施例について図１及び図２を用いて説明する。図１は本実施例のレプリカ回折格子１０の製造手順を示す概略断面図である。

まず、本実施例のレプリカ回折格子１０のマスター回折格子１２となるネガマスター回折格子の製造手順について説明する。なお、ネガマスター回折格子の製造手順は従来とほぼ同じである。
石英ガラス等である平面ガラス基板にフォトレジスト層をコーティングし、ホログラフィック露光法などにより格子溝に相当するフォトレジストパターンを形成する。次に、そのレジストパターンをマスクとしてイオンビームエッチング等により溝断面形状が所定のブレーズ角度の鋸歯形状となるように格子溝を形成する。これにより、ネガマスター回折格子１２の母型としてのマスター回折格子が完成する。
前記マスター回折格子は、例えばサイズが６０ｍｍ×６０ｍｍ×１０ｍｍ、溝本数が１２００本／ｍｍであり、ブレーズ波長が５００ｎｍ（ブレーズ角度が１７．５度、溝深さが２４０ｎｍ）の断面鋸歯形状の格子溝を有している。

上記マスター回折格子を母型として、その格子面に薄い油膜からなる離型剤層を形成し、その上に金属薄膜を形成する。この金属薄膜上に接着剤を介してレプリカ基板を接着し、接着剤が硬化した後、レプリカ基板を剥離させることによりマスター回折格子の格子溝が反転転写された格子溝を有するネガマスター回折格子を得る。

次に、レプリカ回折格子１０の製造手順について説明する。レプリカ回折格子１０は上述のネガマスター回折格子を基にして製造されるため、以下の説明ではネガマスター回折格子をマスター回折格子１２とする。
まず、マスター回折格子１２の格子面に、離型剤として油拡散ポンプ油等による厚さ１ｎｍの油膜１３を形成し、その上に真空蒸着によって膜厚が０．５μｍ程度のアルミニウム膜１４を形成する（図１(a)の状態）。このアルミニウム膜１４が本発明の金属膜に相当する。

続いて、マスター回折格子１２と同サイズのフロートガラス基板１５を用意し、一方の面（格子面となる側の面）を洗浄した後に接着剤（熱硬化性エポキシ樹脂）１６を厚みがほぼ均一となるように塗布する。そして、この接着剤１６を介してフロートガラス基板１５と前記マスター回折格子１２とを貼り合わせ、適度な圧力で押しつける。これにより、接着剤１６はアルミニウム膜１４の断面鋸歯形状の溝を埋めるように広がる（図１(b)の状態）。なお、マスター回折格子１２及びフロートガラス基板１５の周囲にはみ出した接着剤１６はアルコールで拭き取る。

この後、接着剤１６を介して接続されたマスター回折格子１２とフロートガラス基板１５を高温槽に収容し、例えば８０℃、２４時間の条件で加熱し、接着剤１６の硬化を促進させる。そして、接着剤１６が充分に硬化した後、離型剤である油膜１３を境にしてフロートガラス基板１５をマスター回折格子１２から引き剥がす。これにより、表面が断面鋸歯形状に成形されたアルミニウム膜１４が接着剤１６を介してフロートガラス基板１５に接着した状態で剥離される（図１(c)の状態）。そして、フロートガラス基板１５をマスター回折格子１２から剥離した後、例えばフッ素系洗浄剤であるHCFC-225で洗浄することにより、その表面に残っている離型剤を除去する。これにより、マスター回折格子１２の格子溝を反転転写した格子溝、つまり、上述の母型としてのマスター回折格子の格子溝を転写した格子溝を有するレプリカ回折格子１０が得られる。この後、アルミニウム膜１４の表面に膜厚が約０．２μｍのアルミニウム製の補助膜２２を形成することにより、レプリカ回折格子１０が完成する（図１(d)の状態）。

本実施例のレプリカ回折格子の効果を確認するため、上述の製造工程に従って膜厚が０．５μｍのアルミニウム膜１４を有するレプリカ回折格子を作製すると共に、比較例として膜厚が０．２μｍのアルミニウム薄膜を有するレプリカ回折格子を作製した。実施例のレプリカ回折格子と比較例のレプリカ回折格子とは、格子面に形成された金属膜の膜厚が異なるだけで、それ以外の点は同様にして作製されている。これらのレプリカ回折格子に対して波長４７０ｎｍのレーザー光を入射角−２０°で入射させ、０次光と１次光間の角度の中間位置で光ノイズ(迷光)レベルを測定した結果を図２に示す。図２に示すように、本実施例のレプリカ回折格子は、比較例のレプリカ回折格子よりも２割ほど迷光が低減した。
また、測定データは図示しないが、波長４００ｎｍの単色光を本実施例のレプリカ回折格子に入射させた場合も同様に、従来例よりも迷光レベルが低減することが確認された。

このように本実施例のレプリカ回折格子１０は、格子溝の全ての領域においてその表面が充分な厚さのアルミニウム膜１４で覆われる。従って、入射光がアルミニウム膜１４を透過して迷光が生じたり、接着剤１６にダメージを与えたりすることを極力防止できる。また、耐環境特性の向上を図ることができる。

さらに、本実施例ではアルミニウム膜１４の表面を膜厚が約０．２μｍの補助膜２２で覆った。これにより、例えば離型剤の影響等によるアルミニウム膜１４の反射率の低下を補うことができる。

なお、上記した実施例に記載した数値や材料等は単に一例であって、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を範囲で適宜に変更や修正を加えることができる。
例えば、本発明のレプリカ回折格子は、図１に示すような平面状の格子面を有するいわゆる平面回折格子の他、曲面状の格子面を有するいわゆる凹面回折格子にも適用できる。

上記実施例では、格子溝の深さが２４０ｎｍであるレプリカ回折格子の格子面に対して０．５μｍのアルミニウム膜(金属膜)を形成したが、格子溝の深さに対する金属膜の膜厚の大きさの比率は、分光波長帯域、回折格子のアスペクト比等、様々な条件によって適宜変更することができる。
補助膜はアルミニウムの他、金やフッ化マグネシウム（MgF₂）、二酸化珪素(SiO₂)から構成することができる。また、補助膜は金属膜の反射率の低下を補う目的の他、金属膜の表面を保護する目的として用いてもよい。更に、補助膜は省略しても良い。

また、発明者の実験によれば、金属膜の膜厚を０．５μｍ程度にすれば、紫外・可視・近赤外分光、光通信機器分光等に用いられるレプリカ回折格子の全般において、金属膜の膜厚が小さい領域や金属膜で覆われない領域が生じて入射光が透過する等の課題を解決することができることが確認された。
本発明のレプリカ回折格子は、平面上の格子面を有するいわゆる平面回折格子の他、曲面状の格子面を有するいわゆる凹面回折格子にも同様に適用することができる。

本発明の一実施例を示すレプリカ回折格子の製作工程を示す概略断面図。本実施例及び従来のレプリカ回折格子を用いた場合の迷光レベルを比較して示す図。従来のレプリカ回折格子の問題点を説明するための図

符号の説明

１０・・・レプリカ回折格子
１２・・・マスター回折格子
１３・・・油膜（剥離剤）
１４・・・アルミニウム膜（金属膜）
１５・・・フロートガラス基板(レプリカ基板）
１６・・・接着剤
２２・・・補助金属膜

Claims

アスペクト比が０．２８８以上のマスター回折格子を母型とし、前記マスター回折格子の格子溝の表面に金属膜を形成し、該金属膜とレプリカ基板とを接着剤を介して密着させた後に該レプリカ基板をマスター回折格子から剥離させ、前記金属膜を前記レプリカ基板に反転接着させることで格子面が形成されてなるレプリカ回折格子において、
前記金属膜の厚みを前記格子溝の深さよりも大きくし、
前記レプリカ基板に反転接着された前記金属膜の表面を当該金属膜よりも薄い補助膜で被覆したことを特徴とするレプリカ回折格子。