JP6968579B2 - 光学要素を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、第１の光学コーティングを有する第１の側面と、第１の側面に非平面平行であり、且つ第２の光学コーティングを有する少なくとも１つの第２の側面とを有する本体を備える光学要素を製造する方法に関する。本発明は、この方法により製造される光学要素にも関する。

本体に光学コーティングを有する光学要素の場合、光学コーティングが圧縮又は引張応力を生じさせるおそれがあることが知られている。光学コーティングが厚いほど、特に光学コーティングの層の数が多いほど、生じる応力は大きくなる。これらの応力は本体の変形に繋がり、本体の変形は、例えば、波面の変形として現れ得る。

例えば、ファブリペロー干渉計等の立方体状構造の光学要素の場合、例えば、Ｍａｒｉｅ−Ｍａｕｄｅ ｄｅ Ｄｅｎｕｓ−Ｂａｉｌｌａｒｇｅｏｎ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，ｖｏｌｕｍｅ ５３，Ｎｏ．１２，ｐａｇｅｓ ２６１６ｆｆによる論文から、光学コーティングにより及ぼされる応力が可能な限り小さくなる程度まで光学コーティング自体を最適化すること、又は最も単純な場合ではコーティング面と逆の面に同一のコーティングを塗布し、それにより応力が互いに相殺することが知られている。著者が適するコーティングを見つけようとする方法の中でも特に、有限要素法の計算方法が用いられる。

（特許文献１）から、基板の第１の面に機能コーティングを有するＵＶ又はＥＵＶリソグラフィの光学要素の場合も同様に、第１の面と共通する縁部を有する第２の面において、機能コーティングの厚さと応力との積を第２の面のコーティングの厚さ及び応力の積で割った商が０．８〜５．０の範囲にあるように選択された厚さ及び応力のコーティングを提供することが分かっている。特に、第１の縁部と共通の縁部を共有する全ての面は、応力補償のためにコーティングされる。

独国特許出願公開第１０ ２０１１ ０７９ ９３３Ａ１号明細書

本発明の目的は、光学コーティングにより生じる本体の変形が低減される光学要素を製造する方法を提案することである。

この目的は、第１の光学コーティングを有する第１の側面と、第１の側面に非平面平行であり、且つ第２の光学コーティングを有する少なくとも１つの第２の側面とを有する本体を備える光学要素を製造する方法により達成され、本方法は、
− 第１の側面の第１の光学コーティングにより光学要素に誘導される応力を特定するステップと、
− 光学要素に誘導される結果的な全体応力が可能な限り小さいように抗応力を特定するステップと、
− 特定された抗応力及びこの第２の光学コーティングの光学パラメータを考慮に入れて、第２の光学コーティングを決定するステップと、
− 第１の側面に第１の光学コーティングを塗布するステップと、
− 少なくとも１つの第２の側面に第２の光学コーティングを塗布するステップと
を含む。

例えば、本体がプリズム若しくは実質的にくさび形プレートとして形成される光学要素、又は少なくとも１つの縁部角度が９０°に等しくない光学要素の場合であり得るように、互いに平面平行ではない少なくとも２つの側面を有する光学要素の場合、例えば、同一のコーティングを逆の側面に塗布するか、又は十分な応力補償が達成される限り、任意のコーティングを有する隣接側面を提供するという従来技術から既知の手法を容易に使用することができないという問題がある。この問題は、光学要素の側面のうちの１つ又は複数が湾曲している場合に悪化する。

第１の側面の第１の光学コーティングにより誘導される応力及び抗応力が、機械的応力、特に圧縮及び／又は引張応力であることが指摘されるべきである。

より複雑なジオメトリを有するそのような光学要素の製造であっても、その製造の複雑性は、適する光学コーティングを選択する問題が、連続して解かれる幾つかの下位問題に分割される場合、可能な限り小さい変形でより扱いやすくなることが分かっている。本明細書で提示される手順によれば、光学コーティングを有する第１の１つの側面は、あたかも主側面又は主コーティングであるかのように選択される。例えば、厚さ及び個々の層の数が多いことにより、光学コーティングが最大の応力を誘導すると推定される側面が、好ましくは、これのために選択される。この第１の光学コーティングに基づいて、いずれの応力が実際に発生すると予期されるかがより正確に確認される。これを確認することができる方法の１つは、光学要素の対応するプロトタイプで計算又は測定をシミュレートすることによるものである。これらの結果に基づいて、相殺のためにいずれの抗応力が必要であるか、及び第１の光学コーティングにより生じ得る応力を計算することができる。そうして確認された抗応力は、光学パラメータと共に、最初に第１の光学コーティングが、及び次に第２の光学コーティングが各側面に塗布される前に、第２の光学コーティングを選択するための境界条件としての役割を果たす。抗応力を計算する際に既に、第１の側面及び第２の側面が互いに隣接する縁部領域及び角度を考慮に入れることが有利であり得る。第２の光学コーティングの材料の選択が光学パラメータの理由で制限される場合、考慮に加わる材料の機械的特性は、好ましくは、第２の光学コーティングを決定する際に考慮される。全体的に、第２のコーティングを決定する際、例えば、最小機械的安定性等の非光学パラメータを考慮に入れることが有利であり得る。

好ましくは、抗応力を特定する際、各コーティングを有する第１の側面及び／又は第２の側面のＲＭＳ値が最大で主波長の１０％に制限されるか、又はそのストレール比若しくはそれらのストレール比が少なくとも０．８であることが考慮される。一方又は両方のパラメータを考慮することにより、対応する側面での本体の変形を十分に小さくするという目的を多くの光学用途で達成することができる。ＲＭＳ値とは、理想的な表面プロファイルからの実際の表面プロファイルの平均二乗誤差である。光学要素の動作中に生じる波長範囲の平均波長は、主波長として選択することができる。波長範囲内に特定の強度分布があることが分かっている場合、算術平均値の代わりに、例えば、対応する加重算術平均値をベースとして使用し得る。ストレール比は、対応する理想的な光学要素のエアリーディスクの強度に関連して、光学要素のエアリーディスクの強度を設定することにより確認される。理論上可能な最良の品質は、この場合には１に設定される。

有利には、抗応力及び／又は光学要素の第１の側面の第１の光学コーティングにより誘導される応力を特定し、且つ／又は第２の光学コーティングを決定するために有限要素法の計算方法が使用される。有限要素法とは、方法の間、多数回にわたって試行及びテストされ、より複雑な物品であっても、その機械的特性を確認するための方法である。

好ましくは、第１の光学コーティングを第１の側面に塗布し、且つ第２の光学コーティングを少なくとも１つの第２の側面に塗布した後、光学要素で実際に誘導される全体応力は、実験的に確認され、所望の全体応力と比較され、且つずれが過度である場合、第１の光学コーティング、及び／又は第２の光学コーティング、及び／又は光学要素の更なる側面は局所的に加工される。このようにして、例えば、製造許容差等の第１の光学コーティング及び／又は第２の光学コーティングによりもたらされる抗応力の計算で恐らく考慮に入れられていなかった変形の影響を補正することができる。局所的な再加工では、有利には、光学コーティングの場合において、材料の厚さの可能な変化により、光学コーティングの光学特性の望ましくない変化を生じさせないことが保証される。特に好ましくは、局所的加工は、磁気粘性研磨又はイオンビーム研磨により実行される。これらの方法を用いて、マイクロメートル範囲の小さい面積であっても、特に正確且つ良好に制御して、材料を局所的にコーティング面から除去することができる。

好ましい実施形態では、光学要素の本体も変更される。特に、２つの側面が互いと隣接し得る間の角度が小さく、それに対応して本体材料の量が少ないことにより、第１の光学コーティングにより生じる応力を第２の光学コーティングにより補償することが難しいことがある縁部領域において、一方又は両方の側面の変形を低減して、そこに追加の本体材料を提供することが有用であり得る。

光学コーティングは、気相から蒸着させる全ての従来の慣例の物理的方法及び／又は化学的方法により本体に塗布し得る。光学コーティングの個々の層の厚さの良好な再現性を目的として、好ましくは、光学コーティングはスパッタリング法により塗布される。気相からの物理的堆積のイオン又はプラズマアシスト法も良好に適する。イオン又はプラズマアシストスパッタリング法が特に依拠され得る。

目的は、本明細書に提案される方法により製造された光学要素によっても達成される。

好ましい実施形態では、少なくとも１つの第２の側面は、第１の側面に隣接する。

特に好ましい実施形態では、光学要素の本体又は本体のサブユニットは、プリズム又はくさび形プレートとして形成される。プリズムは、これに関連して、幾何学プリズムを意味するものとして理解されたい。くさび形プレートの場合、テーパ形縁部領域に対応するくさびの部分は欠損し得る。

光学要素は、好ましくは、抗反射コーティング、反射コーティング、又はフィルタ層として形成される第１の光学コーティング又は第２の光学コーティングを有する。フィルタ層は、特に、蛍光フィルタ、偏光フィルタ、ノッチフィルタ、バンドパスフィルタ、ショートパスフィルタ、又はロングパスフィルタであり得る。

光学要素は、好ましくは、赤外線及び／又は可視波長範囲で使用されるように設計される。これらの波長範囲の光学コーティングは、例えば、紫外線又は極紫外線波長範囲よりも大幅に厚くなり得、その結果、光学要素の本体又は光学的に使用される側面にはるかに大きい応力及び変形を生じさせる。したがって、提案される方法による製造は特に有利である。

光学要素は全て、構成に応じて、特に偏光器、光学プリズム、ビームスプリッタ、ビーム結合器、又はミラーとして使用し得る。

本発明について、例示的な好ましい実施形態を参照してより詳細に説明する。

第１のビームスプリッタを側面図で概略的に示す。 第２のビームスプリッタを側面図で概略的に示す。 第２のビームスプリッタを平面図で概略的に示す。 第１の光学コーティングを有する第２のビームスプリッタの菱形プリズムの第１の側面の変形を示す。 隣接する第２の側面に第２の光学コーティングを更に有する第２のビームスプリッタの菱形プリズムの第１の側面の変形を示す。 提案される製造方法の実施形態のシーケンスを示す。

図１では、第１のビームスプリッタ１０１が側面図で概略的に表される。第１のビームスプリッタは第１のプリズム２０５及び第２のプリズム１０３で構成され、これらのプリズムは、ベース領域として正三角形を有する。第２のプリズム１０３は光学コーティングを有さない。第１のプリズム１０５は、側面１１３に、ビームスプリッタ層として機能し、入射ビーム１０７下で、プリズム１０３を部分ビーム１１１として透過するように、可視波長範囲の光を透過し、赤外線波長範囲の光を部分ビーム１０９として分解し、プリズム１０５から出るように、赤外線波長範囲の光を反射する光学コーティングを有する。更に、側面１１３を隣接する側面１１５及び１１５’は、ビーム１０７が側面１１５を通して入り、部分ビーム１０９が側面１１５’を通って出る際の強度損失が可能な限り低くなるように、抗反射コーティングとして機能する光学コーティングを有する。

ビームスプリッタ層は、慣例の抗反射層よりも何倍も厚く、したがって、抗反射層よりもビームスプリッタ層により第１のプリズム１０５に及ぼされる応力が大きくなると予期することができるため、まず、ビームスプリッタ層が第１のプリズム１０５に対して及ぼす応力を確認し、ストレール比０．７９が側面１１３及び側面１１５、１１５’の両方で維持されるようにこれを補償するために、この抗応力が必要とされる。したがって、側面１１３が第１の側面として扱われた。そうして確認された抗応力及び可視〜赤外線波長範囲での低反射のために維持されるべき光学制限値を考慮に入れて、側面１１５、１１５’の抗反射層の層設計を確認した。したがって、側面１１５、１１５’は、２つの第２の側面として扱われた。ここに提示される例では、従来の抗反射コーティングを追加の光学的に中性の二酸化ケイ素層と組み合わせることが可能であった。最初に定義されたビームスプリッタ層を第１のプリズム１０５の側面１１３に塗布し、続けて、二酸化ケイ素層で補足した抗反射コーティングを隣接する側面１１５、１１５’に塗布した。

図２では、第１のプリズム２０５及び第２のプリズム２０３を有する第２のビームスプリッタ２０１が、側面図で概略的に表される。図１に表されるビームスプリッタとの違いとして、ビームスプリッタ２０１の場合では、ビームを分割することに光学的に関連する第１のプリズムは、菱形プリズム２０５として形成される。これは、ビームスプリッタ層を有する側面２１３に隣接する側面２１５、２１６が、側面２１３と異なる角度をなすという影響を有する。側面２１５は、側面２１３と９０°未満の角度αをなし、一方、側面２１６は、側面２１３と９０°を超える角度βをなす。

ここで記載されるビームスプリッタ２０１では、側面２１６を通して入射した光線２０７はまず、側面２１２で反射されて、入射光線２０７’を形成し、入射光線２０７’は、側面２１３に配置されるビームスプリッタ層により側面２１３において分割されて、可視波長範囲の波長を有する透過部分ビーム２１１及び赤外線波長範囲の波長を有する反射部分ビーム２０９になり、反射部分ビーム２０９は側面２１５を通って出て行き、したがって、側面２１５は抗反射層を有することが意図される。

図２に表される例では、ビームスプリッタ層は、交互に配置された酸化ニオブの層と酸化アルミニウムの層とからなり、個々の層厚は１０ｎｍ〜２００ｎｍで変化し、合計で全体層厚が約１１，０００ｎｍになる。このビームスプリッタ層は、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍでは、入射角４５°±３°で９９％を超える透過率を有し、波長８００ｎｍ〜９００ｎｍでは、同様に入射角４５°±３°で９８％を超える反射率を有する。側面２１５に適する従来の抗反射層は、まさに１０００ｎｍ未満の全体層厚を有するため、ビームスプリッタ層は、第１の光学コーティングとしてのベースとして解釈され、側面２１３は、第１の側面としてのベースとして解釈され、ビームスプリッタ層により生じる応力は、ＦＥＭ（有限要素法）という計算方法を用いて計算された。この応力は、約２５００ＧＰａの圧縮応力であり、石英ガラスの基板の場合、側面２１３のエリアにわたりかなり不均等に分布する。側面２１３は、寸法約１．６ｃｍ×約２．４ｃｍを有する。結果として誘導される側面２１３の変形は、図４ａでは、輪郭腺描写として、正確には側面２１３上の入射ビームにより照明されるエリア４０１の輪郭腺描写として表されている。示された輪郭腺は、高さ差３０ｎｍに対応する楕円形輪郭腺を除き、各事例で高さ差４０ｎｍに対応する。この場合、領域４０５に示される２つのＬ字形輪郭腺は０ｎｍ線である。側面２１３が側面２１５と共通の縁部を有し、特に基板材料が殆ど存在しない領域４０３では、表面プロファイルは、理想的な表面から最大で４００ｎｍずれる。

側面２１５をコーティングする際、側面２１３のＲＭＳ値が最大で中心波長６５０ｎｍの９％であるという条件で、この応力分布に適する抗応力を特定した。よりよい応力補償を達成するために、側面２１６での光学的に中性の材料、ここでは二酸化ケイ素を有するコーティングをＦＥＭ計算に更に含めた。したがって、側面２１３は第１の側面として扱われ、側面２１５、２１６は異なる第２の側面として扱われた。

結果は、側面２１５の抗反射層の層設計に含められた。個々の層厚が１０ｎｍ〜１５０ｎｍで変化し、合計で全体層厚が約７μｍになる、交互に配置された二酸化ニオブの層及び二酸化ケイ素の層が選択された。更に、側面２１６上の厚さ数百ｎｍの二酸化ケイ素の補償層を決定し、側面２１３の縁部での最大から逆の縁部での最小までの厚さプロファイルが選択された。変形では、一定の厚さ又は光学コーティングのうちの１つが厚さプロファイルを有する状態で機能することも可能である。

しかし、側面２１５、２１６に垂直であり、菱形プリズム２０５の概略平面図である図３に表される側面２１７、２１７’が製造関連の理由でコーティングできないことにも留意した。それにもかかわらず、要求されるＲＭＳ値を維持することが可能なように、基板は、材料２１９の供給が側面２１７、２１７’の２つの縁部においてそれぞれ提供されるように、側面２１３において変更された。この方策により、図４ａの照明エリア４０１の領域４０５におけるサドル形変形に好ましい影響を及ぼすことが可能になった。

マグネトロンスパッタリングにより、変更されたプリズム基板の側面２１３にビームスプリッタ層を塗布し、続けて、同様にマグネトロンスパッタリングにより抗反射層を側面２１５に塗布し、補償層を側面２１６に塗布した後、ビームスポット４０１の領域における側面２１５の変形を干渉法で測定した。その結果を図４ｂに表す。図４ａと同様に、輪郭腺はそれぞれ高さ差４０ｎｍに対応する。領域４０３のビームスポット４０１の最も外側の周縁領域のみが、１００ｎｍを超える高さ差に達した。ビームスポット４０１のエリアにわたるＲＭＳ値は、中心波長の約８．５％である。

ここで提案される、第１の光学コーティングを有する第１の側面と、第２の光学コーティングを有する少なくとも１つの隣接する第２の側面とを有する本体を備える光学要素を製造するための方法の例示的な実施形態について、図５に基づいて説明する。

第１の方法ステップ５０１「ＦＥＭにより基本応力を特定」において、第１の側面の第１の光学コーティングにより生じる基本応力がＦＥＭにより計算される。代替的に、計画された光学要素及び第１の側面の第１の光学コーティングのみの本体を備えるテスト要素を製造し、実験的に、第１の光学コーティングにより及ぼされる応力により誘導される第１の側面の変形を特定することが可能である。更に、ステップ５０３「第２の表面を決定」において、第１の光学コーティングにより生じる応力を少なくとも部分的に補償する第２の光学コーティングをいずれの第２の側面に提供するかを確立する。製造関連の理由により、第２の側面の数が制限される場合、好ましくは、第１の側面と９０°未満の角度をなす、第１の側面に隣接する１つ又は複数の側面が選択される。

確認された基本応力を使用し、第２の側面の位置を考慮に入れて、本例では、光学コーティングが提供される全ての側面に対して、及び光学的に使用される更なる側面に対しても、中心波長の１０％未満のＲＭＳ値を維持することができる抗応力がＦＥＭにより計算される（ステップ５０５「ＲＭＳ＜０．１^＊λ_ｃを有する抗応力をＦＥＭにより特定」）。

これらの情報に基づいて、維持すべき光学パラメータを考慮に入れて、第２の光学コーティングの設計が選択され（ステップ５０７「抗応力及び光学パラメータを考慮に入れて、第２のコーティングを決定」）、最初に第１の光学コーティング、及び次に第２の光学コーティングが、好ましくはスパッタリング法により光学要素の各側面に塗布される（ステップ５０９「第１のコーティングを塗布」、ステップ５１１「第２のコーティングを塗布」）。

本体をコーティングした後、ステップ５１３「波面を測定」において、光学要素に誘導される実際の全体応力が、本例では、光学的に使用される側面を透過するか、又は反射される光線の波面が測定されるという点で実験的に確認される。これから、各表面にわたり実際に存在する全体応力が推定され、所望の全体応力と比較される。ずれが過度である場合、光学コーティング、又は恐らく光学的に使用されるがコーティングされない側面の表面は、必要な場合、特に磁気粘性研磨又はイオンビーム研磨により局所的に再加工される（ステップ５１５「行われ得る局所的再加工」）。これら２つのステップは、特に、例えば、曲面プロファイル等のより複雑なジオメトリの光学要素を製造する場合に有用である。シミュレーションにおいて、光学コーティングに基づいて特定の応力プロファイルを生成し得る相互作用の全てを、又は十分な精度で常に考慮に入れることができるわけではなく、したがって、高精度光学要素の場合、再テスト及び修正がよりよい結果に繋がり得る。

本発明は、第１の側面及び少なくとも１つの第２の側面が互いに隣接する光学要素に基づいて説明したが、例が、第１の側面及び少なくとも１つの第２の側面が互いに平面平行しない任意の光学要素に容易に移行し得ることが指摘されるべきである。更に、例は、任意の所望の用途、例えば、偏光器、蛍光フィルタ、ビーム結合器等に容易に移行することができる。第２のコーティングの数が制限されている場合、光学要素の特定の形態に応じて、１つ又は複数はいかなる光学機能も有さなくてよい。

１０１ ビームスプリッタ
１０３ 第２のプリズム
１０５ 第１のプリズム
１０７ 入射ビーム
１０９ 反射部分ビーム
１１１ 透過部分ビーム
１１３ 側面
１１５、１１５’ 側面
２０１ ビームスプリッタ
２０３ 第２のプリズム
２０５ 菱形プリズム
２０７、２０７’ 入射ビーム
２０９ 反射部分ビーム
２１１ 透過部分ビーム
２１２ 側面
２１３ 側面
２１５ 側面
２１６ 側面
２１７、２１７’ 側面
２１９ 供給
４０１ ビームスポット
４０３ 領域
４０５ 領域
５０１〜５１５ 方法ステップ
α、β 角度

Claims (12)

1. 第１の光学コーティングを有する第１の側面と、前記第１の側面に非平面平行であり、且つ第２の光学コーティングを有する少なくとも１つの第２の側面とを有する本体を備える光学要素を製造する方法であって、
   − 前記第１の側面の前記第１の光学コーティングにより前記光学要素に誘導される応力を特定するステップと、
   − 前記光学要素に誘導される結果的な全体応力が可能な限り小さいように抗応力を特定するステップと、
   − 前記特定された抗応力及び前記第２の光学コーティングの光学パラメータを考慮に入れて、前記第２の光学コーティングを決定するステップと、
   − 前記第１の側面に前記第１の光学コーティングを塗布するステップと、
   − 前記少なくとも１つの第２の側面に前記第２の光学コーティングを塗布するステップと
   を含む、方法。
2. 前記第２の光学コーティングは、前記第１の光学コーティングを有する前記第１の側面及び／又は前記第２の光学コーティングを有する前記第２の側面のＲＭＳ値が最大で主波長の１０％に制限され、及び／又はそのストレール比若しくはそれらのストレール比が少なくとも０．８である条件下で決定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記抗応力及び／又は前記第１の側面の前記第１の光学コーティングにより前記光学要素に誘導される前記応力を特定し、且つ／又は前記第２の光学コーティングを決定するために有限要素法の計算方法が使用されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第１の光学コーティングを前記第１の側面に塗布し、且つ前記第２の光学コーティングを前記少なくとも１つの第２の側面に塗布した後、前記光学要素に実際に誘導される前記全体応力は、実験的に確認され、所望の全体応力と比較され、且つずれが過度である場合、前記第１の光学コーティング、及び／又は前記第２の光学コーティング、及び／又は前記光学要素の更なる側面は局所的に加工され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方法。
5. 前記局所的な加工は、磁気粘性研磨又はイオンビーム研磨により実行されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記光学要素の前記本体は変更されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記光学コーティングは、気相からのイオン若しくはプラズマアシスト物理蒸着により、又はスパッタリングにより塗布されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 光学要素であって、
   第１の光学コーティングを有する第１の側面と、
   前記第１の側面に非平面平行であり、且つ第２の光学コーティングを有する少なくとも１つの第２の側面と、
   を有する本体を備え、
   前記第２の側面は、前記第１の側面の前記第１の光学コーティングにより前記光学要素に誘導される結果的な全体応力が可能な限り小さくなるような抗応力及び前記第２の光学コーティングの光学パラメータを考慮に入れて決定された前記第２の光学コーティングを有する、
   光学要素。
9. 前記少なくとも１つの第２の側面は、前記第１の側面に隣接することを特徴とする、請求項８に記載の光学要素。
10. 請求項８又は９に記載の光学要素において、その本体又は前記本体のサブユニットは、プリズム（１０５、２０５）又はくさび形プレートとして形成されることを特徴とする、光学要素。
11. 抗反射コーティング、反射コーティング、又はフィルタ層として形成される第１の光学コーティング又は第２の光学コーティングを有することを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の光学要素。
12. 赤外線及び／又は可視波長範囲で使用されるように設計されることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の光学要素。

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