JP6049320B2

JP6049320B2 - 回折格子および回折格子の製造方法

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Publication number: JP6049320B2
Application number: JP2012138392A
Authority: JP
Inventors: 隆助川; 成杉山
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-06-20
Also published as: EP2677351A1; JP2014002295A; US20130342908A1; EP2677351B1; US9372289B2

Description

本発明は、分光器などの光学装置に用いられる回折格子の製造方法に関する。

位相型回折格子は、格子溝形状を鋸歯型（ブレーズ型）、正弦波型、矩形波状等にすることにより、格子の１周期内で入射光に位相差を与え、回折光強度特性を用途に合わせて選択できるようにした回折格子である。ブレーズ型回折格子は三角断面の格子溝をもった位相型回折格子で、砥石を用いた研削加工やダイヤモンドバイトを用いたシェービング加工により所定断面形状の格子溝による刻線を順次形成して製作されている。

結晶材料からなるブレーズ型回折格子は高次の回折光を使用するように設計された回折格子であり、良好な光学特性を得るためには格子溝を形成する機械加工を延性モードで行う必要がある。なお、延性モードと脆性モードとの境界には臨界切り取り厚さが存在する。臨界切り取り厚さは結晶の滑り面の結晶方位と加工面との関係、結晶軸と切削方向との関係、結晶軸と切削力方向（工具すくい角と切削方向に依存する）との関係に依存することが知られている。例えば、特許文献１には、ＳｉやＧｅからなる結晶材料において溝加工面（格子溝を形成すべき面）を（１１１）面、切削方向を（１１１）面内とし、単結晶ダイヤモンドバイトを使用して超精密切削加工で格子溝を形成することが記載されている。

特開２００３−０７５６２２号公報

しかし、結晶材料の溝加工面（回折格子平面）の結晶方位（結晶の面方位）や臨界切り取り厚さをパラメータとしても安定した延性モードは得られない。ブレーズ型回折格子はそれが透過型またはイマージョン型（裏面反射型）として使用される場合、格子溝を構成する長辺および短辺の少なくとも一方の影響を受ける。ただし、光の入射方向は格子の断面形状の短辺に垂直になるように入射する使い方が一般的であり、反射型回折格子と同様に短辺の表面粗さ（面精度）が重要となる。

また、ＧａＰ（リン化ガリウム）またはＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）の結晶材料は光学材料として使用されているが、それらの結晶材料からブレーズ型回折格子の格子溝を形成する機械加工は従来提案されていなかった。

そこで、本発明は、ＧａＰまたはＧａＡｓの結晶材料からなるブレーズ型回折格子の格子溝を精度良く機械加工する回折格子の製造方法を提供することを例示的な目的とする。

本発明の１つの側面としての回折格子の製造方法は、ブレーズ型回折格子の製造方法であって、ＧａＰまたはＧａＡｓの結晶材料からなる被加工物に機械加工によって複数の格子溝を形成することにより回折格子を形成するステップを有し、前記格子溝は２つの面を有し、該２つの面の少なくとも一方の面が前記結晶材料の結晶方位である（１１０）面となるように前記複数の格子溝を形成することを特徴とする。

また、本発明の別の側面としての回折格子の製造方法は、ブレーズ型回折格子の製造方法であって、ＧａＰまたはＧａＡｓの結晶材料からなる被加工物に機械加工によって複数の格子溝を形成することにより回折格子を形成するステップを有し、前記格子溝は２つの面を有し、前記回折格子の各格子は三角形の断面形状を有し、前記２つの面の一方が前記三角形の断面形状の短辺を有する面となり且つ前記結晶材料の結晶方位である（１１０）面となるように前記複数の格子溝を形成することを特徴とする。

本発明によれば、ＧａＰまたはＧａＡｓの結晶材料からなるブレーズ型回折格子の格子溝を精度良く機械加工する回折格子の製造方法を提供することができる。

本実施形態のブレーズ型回折格子の概略断面図である。本実施形態の加工機の概略斜視図である。図１に示すブレーズ型回折格子を製造する製造方法を説明するための概略断面図である。図１に示すブレーズ型回折格子を製造する製造方法を説明するためのフローチャートである。図４の各ステップにおける被加工物の断面図である。

図１は、入射光を回折させるブレーズ型回折格子（エシェル型回折格子）１０の概略断面図である。ブレーズ型回折格子は、格子溝が鋸歯（ブレーズ型）である回折格子であり、特定の次数と波長に対して高い回折効率を有する。本実施形態のブレーズ型回折格子１０は、図１に示すように、イマージョン型回折格子（透過型、裏面反射型回折格子）であるが、ブレーズ型回折格子１０は表面で反射する反射型回折格子として構成されてもよい。

ブレーズ型回折格子１０の各格子は、ブレーズ方向ＢＤとこれに垂直な格子法線（ＧｒａｔｉｎｇＮｏｒｍａｌ）ＧＮを含む断面において、短辺１１と長辺１２で構成される非対称の三角形形状を有している。図１の紙面に垂直な方向に短辺１１と長辺１２はそれぞれ延びている。

短辺１１と長辺１２がなす角度θは頂角１３と呼ばれ、本実施形態ではθ＝９０°である。頂角１３は後述するバイトの先端部の開き角θ１とほぼ等しい。本実施形態のブレーズ型回折格子１０においては、各格子を構成する面のうち、短辺１１を有する面１６が入射光を最も多く受光するブレーズ面として機能し、長辺１２を有する面１５がブレーズ面に隣接するカウンタ面として機能する。しかし、反射型のブレーズ型回折格子においては面１５がブレーズ面となり、面１６がカウンタ面となる場合もある。また、ブレーズ方向ＢＤとこれに垂直な格子法線（ＧｒａｔｉｎｇＮｏｒｍａｌ）ＧＮを含む断面において各格子が三角形形状の断面を有しない場合にも本発明は適用可能である。

ブレーズ型回折格子１０は、図１に示すように、入射光をできるだけ多く分割するために短辺側に光の入射方向Ｌが正対するような配置で使用され易く、回折効率は短辺１１の面精度（表面粗さ）に依存する。そこで、短辺１１を含む面１６を高精度に加工することが求められる。

図２は、本実施形態の加工機２０の概略斜視図であり、直交する３軸方向にＸＹＺを設定している。加工機２０は、ＧａＰ結晶材料またはＧａＡｓ結晶材料からなる被加工物（ワーク）Ｗに複数の格子溝１７を形成してブレーズ型回折格子１０を製造する製造装置である。ＧａＰ結晶材料は、０．５〜１６μｍの可視光から遠赤外光までの光を透過する。ＧａＡｓ結晶材料は、１〜１８μｍまでの光を透過し、赤外光を透過させるため、赤外光用の光学素子として好適である。ＧａＰ、ＧａＡｓは、化学周期律上で１３族のＧａと、１５族のＰ、Ａｓとの化合物であり、結晶構造もＺｉｎｃｂｌｅｎｄｅ（Ｂ３）と呼ばれる同じ構造を持っているため、本実施形態ではどちらの材料でも適用できる。なお、多結晶の材料は結晶方位が完全に均一でないため結晶軸に依存する加工特性が安定的に得られにくいため、良好な光学面を得ることが難しい。そのため、ＧａＰまたはＧａＡｓの結晶材料として、単結晶である結晶材料を用いる方が好ましい。

加工機２０は、数十ｎｍオーダーで切込みの数値制御（ＮＣ制御）が可能な超精密切削加工機である。加工機２０は、先端が鋭利で高精度な加工転写性が得られるダイヤモンドバイト２２を工具として利用し、切削刃を移動させて表面を切削するシェーパー（鉋削り）方式によって格子溝１７を形成する。

加工機２０は、外部振動に強い高剛性の筺体２１内に、Ｘ方向に移動可能なＸステージ２５とＹ方向に移動可能なＹステージ２６からなるＸＹステージに被加工物Ｗを搭載している。ダイヤモンドバイト２２は、Ｚ方向に移動可能なＺステージ２７に搭載されている。なお、本実施形態では、ダイヤモンドバイト２２は回転しないが、ダイヤモンドバイト２２が回転する加工機を使用してもよい。

図３は、加工機２０、被加工物Ｗ、ダイヤモンドバイト２２の概略断面図であり、Ｍはダイヤモンドバイト２２が被加工物Ｗに相対的に移動されるバイト送り方向Ｔと平行なブレーズ方向に平行なバイト送り平面を示している。

ダイヤモンドバイト２２は、図３に示すように、格子溝１７として機能する多角形溝断面形状を転写する少なくとも２つの稜線切れ刃２３、２４を有する。稜線切れ刃２３、２４の先端がなす角度θ１は格子溝１７の開き角θとほぼ等しく、本実施形態では９０°である。稜線切れ刃２３、２４の先端部の丸みは極力少なく、稜線の直線精度は先端部で非常に高いため、ブレーズ型回折格子１０の格子溝の壁面精度を高精度に維持することができる。

ダイヤモンドバイト２２と被加工物Ｗが対抗する位置でＺ方向への切込み量が、例えば、０．２μｍとなるようにダイヤモンドバイト２２を被加工物側に下ろした状態でＸまたはＹ方向に直線または曲線状的にＸＹステージを移動する。ダイヤモンドバイト２２と被加工物Ｗとの相対移動により切削速度を得て稜線切れ刃２３、２４で被加工物Ｗを切削加工する。

もちろん、機械加工において移動対象はバイト側でも被加工物側でもよい。また、バイトへの過負荷を避けるためにＺ方向への必要な切込み量を分割して分割された切り込み量だけを形成する工程を複数回繰り返してもよい。加工の際にはオイルミストをバイトすくい面の裏側から噴射させ加工熱を除去しながら切り屑を潤滑に流す。

以下、加工機２０を使用した回折格子の製造方法について説明する。図４は、加工機２０を使用した回折格子の製造方法（機械加工）を説明するためのフローチャートであり、Ｓは「ステップ」の略である。また、図５は、図４の各ステップにおける被加工物Ｗの概略断面図である。

まず、図５（ａ）に示すように、ＧａＰまたはＧａＡｓの結晶材料からなる被加工物（ワーク）Ｗを円筒形状、立方体形状、または直方体形状などの適当な形状で取得する。例えば、立方体形状の被加工物Ｗを結晶成長装置などを利用して取得する（Ｓ１１０）。本実施形態では、上面（上側端面）と左側端面の両方が結晶方位（１１０）面となる直方体形状の被加工物Ｗを取得する。

次に、Ｓ１１０の被加工物Ｗを、図５（ｂ）の点線Ｄで示すように、切削する（Ｓ１２０）。本実施形態では、この点線Ｄの上面に対する傾斜角度は例示的に２０°とする。本実施形態は、Ｓ１２０で使用する切削加工機は加工機２０ではなく、より精度の低い加工機を使用する。

次に、図５（ｃ）に示すように、Ｓ１２０の被加工物Ｗの切削面Ｃを研磨装置Ｐによって研磨する（Ｓ１３０）。この場合、被加工物ＷはＳ１４０で使用する治具３０を使用して研磨装置に設置してもよい。

次に、図５（ｄ）に示すように、研磨された被加工物Ｗを治具３０を介して加工機２０の上述したＸＹステージに設置する（Ｓ１４０）。治具３０は傾斜角度が２０°であるので、被加工面がＹステージ２６の表面と平行になる。

加工機２０のバイト送り平面Ｍに対し、２０度に傾斜するように被加工物Ｗを治具３０に載せて傾けて加工機２０に搭載し、バイト２２が溝を加工するバイト送り平面Ｍの結晶方位が（Ｔａｎθ_Ａ，１，０）になるように配置する（θ_Ａ＝２０°）。このように、本実施形態は、工具であるダイヤモンドバイト２２を回折格子溝面の分散直交方向（溝方向）と並進させてその形状を転写させるシェーパー方式を用いている。

次に、被加工物Ｗの切削面Ｃに格子溝を形成する機械加工を行い（Ｓ１５０）、図３に示す状態を得る。Ｓ１５０は被加工面である切削面Ｃに複数の格子溝を形成するステップである。本実施形態では、ＧａＰまたはＧａＡｓの結晶を用いてブレーズ型回折格子を製作する際に、短辺１１を含む面が（１１０）面になるように結晶方位を選択し、臨界切り取り厚さ以下で加工している。これにより、短辺１１を含む面が（１１０）面以外の面の場合と比較して、脆性破壊を最小限に留めた非常に良好な加工により高品位な回折素子を得ることができた。頂角１３が９０度の場合には短辺１１を含む面と長辺１２を含む面の両面を（１１０）面で構成することができた。格子溝を形成する面の表面粗さを小さく抑えることにより、回折素子の回折効率向上、迷光の減少など点で有利な回折素子を得ることができる。

図３では、一例として、２０度の傾斜面を有する短辺１１と長辺１２が９０度のブレーズ型回折格子１０の短辺１１を有する面１６と長辺１２を有する面１５が（１１０）面になるように加工している。仕上げ時の切り込み厚さを０．２μｍ以下にすることにより表面粗さ１０ｎｍ以下の良好な光学面が得られた。

一方、このように結晶方位を選択せずに、例えば、短辺１１を有する面１６を（１１１）面とした場合、仕上げ時の切り込み厚さを０．２μｍ以下としても表面粗さが１００ｎｍを上回り、面精度が低下した。なお、従来は、Ｓ１３０の切削面の結晶方位を（１１１）面などに設定していた。

なお、不純物により完全な結晶を得ることは難しいが、本実施形態の結晶方位は結晶支配性を意味しており、評価結晶方位すべてが完全に方位が揃った状態に限定されるものではない。

ブレーズ型回折格子１０を反射型回折格子として使用する場合、光の入射方向は図１のブレーズ方向に垂直な格子法線から所定角度傾いた方向から格子に入射するために、短辺１１と長辺１２の影響を受ける。このため、この場合には、短辺１１と長辺１２の少なくとも一方が（１１０）面になるように機械加工することが好ましい。もちろん、頂角１３が９０°であれば短辺１１と長辺１２の両方を（１１０）面に設定することができる。また、本実施形態では、機械加工にダイヤモンドバイト２２を使用しているが砥石を使用した切削加工であっても（１１０）面の加工は他の結晶方位面の加工よりも表面粗さを低く抑えることができる。このような回折格子を分光器やレーザー装置などの光学装置に組み込むことによって、より高い精度の光学装置を製造することができる。

以上、本実施形態について説明したが、本発明は本実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Ｗ被加工物
１０ブレーズ型回折格子
１１短辺
２２ダイヤモンドバイト
１６短辺を有する面
１７格子溝

Claims

ブレーズ型回折格子の製造方法であって、
ＧａＰまたはＧａＡｓの結晶材料からなる被加工物に機械加工によって複数の格子溝を形成することにより回折格子を形成するステップを有し、
前記格子溝は２つの面を有し、該２つの面の少なくとも一方の面が前記結晶材料の結晶方位である（１１０）面となるように前記複数の格子溝を形成することを特徴とする製造方法。
前記回折格子の各格子は三角形の断面形状を有し、
前記格子溝の前記２つの面は、一方が前記三角形の断面形状の短辺を有する面であり、他方が前記三角形の断面形状の長辺を有する面であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
前記三角形の断面形状の前記短辺と前記長辺がなす角度は、９０度であることを特徴とする請求項２に記載の製造方法。
ダイヤモンドバイトを用いたシェーパー方式によって前記格子溝を加工することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の製造方法。
前記ブレーズ型回折格子はイマージョン型回折格子であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の製造方法。
前記被加工物は直方体形状を有し、前記被加工物の上面および側面が前記結晶材料の（１１０）面であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の製造方法。
前記２つの面が前記結晶材料の結晶方位である（１１０）面であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の製造方法。
前記２つの面のうち前記結晶材料の結晶方位である（１１０）面である面の表面粗さは１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のブレーズ型回折格子の製造方法。
ブレーズ型回折格子の製造方法であって、
ＧａＰまたはＧａＡｓの結晶材料からなる被加工物に機械加工によって複数の格子溝を形成することにより回折格子を形成するステップを有し、
前記格子溝は２つの面を有し、前記回折格子の各格子は三角形の断面形状を有し、
前記２つの面の一方が前記三角形の断面形状の短辺を有する面となり且つ前記結晶材料の結晶方位である（１１０）面となるように前記複数の格子溝を形成することを特徴とする製造方法。
前記２つの面の他方が前記三角形の断面形状の長辺を有する面となり且つ前記結晶材料の結晶方位である（１１０）面となるように前記複数の格子溝を形成することを特徴とする請求項２または９に記載の製造方法。
前記２つの面の一方の表面粗さは１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項８または９に記載の製造方法。
ＧａＰまたはＧａＡｓの結晶材料からなるブレーズ型回折格子であって、
複数の格子溝のそれぞれは２つの面を有し、該２つの面の少なくとも一方の面が前記結晶材料の結晶方位である（１１０）面であることを特徴とするブレーズ型回折格子。
前記２つの面の一方がブレーズ面、他方がカウンタ面であり、前記ブレーズ面が前記結晶材料の結晶方位である（１１０）面であることを特徴とする請求項１２に記載のブレーズ型回折格子。
前記２つの面が前記結晶材料の結晶方位である（１１０）面であることを特徴とする請求項１２に記載のブレーズ型回折格子。
前記２つの面のうち前記結晶材料の結晶方位である（１１０）面である面の表面粗さは１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１２乃至１４の何れか１項に記載のブレーズ型回折格子。