JPH10221516A - レリーフ型光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特に、屈折／回折ハイブリッド構造のような
複合レリーフ構造を有する光学素子を、無機材料で容易
かつ高精度に製造できるレリーフ型光学素子の製造方法
を提供する。 【解決手段】 第１材料の平面基板１上に、それより軟
質な第２材料８で、回折用の第１レリーフ３を、屈折用
の第２レリーフ４の表面に重畳した複合レリーフ構造２
を形成する第１工程と、その複合レリーフ構造２を異方
性エッチングにより平面基板１に転写する第２工程とを
有し、第２工程での異方性エッチングは、基板垂直方向
にエッチングが進行する異方性エッチングとし、かつ、
第１工程の複合レリーフ構造２は、第１材料のエッチン
グレートｒ１、第２材料８のエッチングレートｒ２か
ら、ｒ＝ｒ１／ｒ２で定義されるエッチング選択比ｒに
対し、予め設計されたレリーフ形状５を、基板垂直方向
に１／ｒ倍した構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レリーフ型光学
素子、特に無機材料からなるレリーフ型光学素子の製造
方法の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、微細加工技術の進歩に伴って、レ
リーフ型の回折素子が実用的に使われるようになってき
ている。このような回折素子は、屈折素子と組み合わせ
ることにより大きな効果を持つことが多い。例えば、特
開昭６０−２４７６１１号公報には、屈折レンズと回折
レンズとを組み合わせた収差の無いレンズ系が開示され
ている。この先行例では、回折素子と屈折素子とを別々
に構成しているが、回折素子は実質的に厚さを持たない
という特性を考慮すれば、屈折素子と回折素子とは一体
に構成することが機能的には望ましい。また、このよう
に屈折素子と回折素子とを一体に構成した屈折／回折ハ
イブリッド構造を有する複合機能素子も、例えば、特開
昭６２−２２９２０３号公報に開示されている。

【０００３】一方、レリーフ構造を構成する材料には、
大別して、プラスチックのような有機材料と、ガラスを
はじめとする無機材料とがある。ここで、プラスチック
材料は、直接加工が比較的容易で、高精度な素子を実現
し易いが、耐環境性が十分でないために使用範囲が制限
されるという問題がある。これに対し、無機材料は、耐
環境性が優れているだけでなく、光学特性の幅も広いの
で、光学素子の材料としては極めて有効であるが、無機
材料は一般に硬質で加工が容易でないという問題があ
る。なお、プラスチック製の光学素子を大量生産する場
合にも、やはり無機材料からなる型が必要となる。

【０００４】ところで、屈折／回折ハイブリッド構造を
実現するには、屈折作用を有する基準面上に回折作用を
有する所定のレリーフパターンを形成すればよい。例え
ば、光技術コンタクトＶｏｌ．３３，ｐ６１４（１９９
５）には、ガラス成形用の金型の製法として、予め非球
面形状に粗加工した超硬合金母材に、耐熱性がよく、切
削が可能なＮｉ−Ｃｕ−Ｐ合金膜を形成し、この合金膜
にダイヤモンドバイトによってレリーフを形成する方法
が示されている。しかし、基準面を形成しながら、さら
にその表面に周期的なレリーフを形成するのは容易では
ないため、その製造には高度な切削加工技術が必要にな
るという問題がある。

【０００５】さらに、回折素子の重要な特性である回折
効率を高い精度で制御するためには、レリーフパターン
の断面形状を高精度で形成する必要がある。特に、回折
作用が比較的大きい素子を実現するためには、非常に微
細なレリーフを高精度で成形する必要があり、そのため
には極めて鋭利な切削工具を使用する必要がある。しか
し、ガラス成形に用いられている型材料には、極めて堅
牢なものが要求されるため、鋭利な切削工具の使用はそ
の耐久性の点から困難であり、これがため実現可能な回
折作用の大きさが制限されるという問題がある。

【０００６】また、無機材料にレリーフ格子を形成する
他の方法として、例えば、特開昭６０−１０３３１１号
公報には、電子ビーム（ＥＢ）のドーズ量を変調して感
光材料層にレリーフ格子を形成し、そのレリーフ格子の
断面形状を異方性エッチングによって下層の基板に転写
する方法が開示されている。しかし、このように、フォ
トリソグラフィの手法でレリーフパターンを形成する従
来の方法にあっては、屈折作用を有する基準面の形成に
関しては考慮されていないため、屈折／回折ハイブリッ
ド構造を実現できないという問題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上述した
従来の問題点に着目してなされたもので、特に、屈折／
回折ハイブリッド構造のような複合レリーフ構造を有す
る光学素子を、無機材料で容易かつ高精度に製造できる
レリーフ型光学素子の製造方法を提供することを目的と
するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に係るレリーフ型光学素子の製造方法にお
いては、第１の材料からなる平面基板上に、該第１の材
料より軟質な第２の材料からなり、複数の微細な凹凸を
有する第１のレリーフを、所定の厚さ分布を有し、前記
凹凸と比較して巨視的で連続な表面を有する第２のレリ
ーフの表面に重畳した複合レリーフ構造を形成する第１
の工程と、前記複合レリーフ構造を異方性エッチングに
よって前記平面基板に転写する第２の工程とを有し、前
記第２の工程における異方性エッチングは、前記平面基
板に垂直方向にエッチングが進行する異方性エッチング
とし、前記第１の工程で形成する複合レリーフ構造は、
前記第２の工程における前記第１の材料のエッチングレ
ートをｒ１、および前記第２の材料のエッチングレート
をｒ２とするとき、ｒ＝ｒ１／ｒ２で定義されるエッチ
ング選択比ｒに対して、最終的に形成する光学素子の予
め設計されたレリーフ形状を、前記平面基板の垂直方向
に１／ｒ倍した構造とすることを特徴とするものであ
る。

【０００９】かかる製造方法において、第２の材料は第
１の材料と比較して軟質で、加工が容易なので、第１の
レリーフと第２のレリーフとからなる複合レリーフ構造
を、比較的容易かつ高精度に形成することが可能とな
る。さらに、その複合レリーフ構造を異方性エッチング
で第１の材料からなる平面基板に転写するので、第１の
材料として直接加工が困難なもの、あるいは成形による
加工が困難なものを用いた場合でも、該第１の材料に高
精度な複合レリーフ構造を容易に形成することが可能と
なる。また、第１の工程で形成する複合レリーフ構造の
厚さを、第２の工程での転写におけるレリーフの厚さ変
化を補償するように設定しているので、最終的に形成す
るレリーフの厚さを所望の値にすることが可能となる。

【００１０】この発明の一実施形態においては、上記の
レリーフ型光学素子の製造方法において、第２の工程で
のエッチング選択比ｒを、ｒ＜１とする。

【００１１】このように、エッチング選択比ｒを、ｒ＜
１すれば、第２の工程での複合レリーフ構造の転写にお
いて、平面基板に垂直な方向の厚さが縮小され、それに
伴ってその方向の製作誤差も縮小されるので、より精度
の高い光学素子を製造することが可能となる。特に、繰
り返し構造を有する微視的なレリーフの場合には、その
溝深さ誤差が低減されるので、高い回折効率を有する回
折光学素子を製造することが可能となる。

【００１２】さらに、この発明の一実施形態において
は、上記のレリーフ型光学素子の製造方法において、第
２の工程でのエッチング選択比ｒを、ｒ＜０．５とす
る。

【００１３】縮小転写による基板に垂直な方向の製作誤
差の低減効果は、原理的には、第２の工程でのエッチン
グ選択比ｒを、前述したようにｒ＜１とすることにより
得られるが、本発明者による種々の実験によれば、ｒ＜
０．５のときに、実用的効果を具体的に確認することが
できた。例えば、第２の材料として、加工が極めて容易
な樹脂材料を用いる場合、第２の工程での異方性エッチ
ングによりパターンの表面が荒れる場合がある。このよ
うな表面荒れは、最終的に光学素子の表面荒れとして転
写され、光学性能を低下させる原因となる。本発明者に
よる種々の実験によれば、ｒ＜０．５とすることによ
り、転写された表面荒れは許容できる程度まで低減さ
れ、実用的に十分な透明度の転写パターン面を得ること
ができた。

【００１４】請求項２に係るレリーフ型光学素子の製造
方法においては、第１の材料からなる平面基板上に、該
第１の材料より軟質な第２の材料からなり、複数の微細
な凹凸を有するレリーフ構造を形成する第１の工程と、
前記レリーフ構造を異方性エッチングによって前記平面
基板に転写する第２の工程とを有し、前記第２の工程に
おける異方性エッチングは、前記第１の材料のエッチン
グレートをｒ１、および前記第２の材料のエッチングレ
ートをｒ２とするとき、ｒ＝ｒ１／ｒ２で定義されるエ
ッチング選択比ｒが、ｒ＜０．５を満足し、かつ、前記
第１の工程で形成するレリーフ構造は、前記第２の工程
におけるエッチング選択比ｒに対して、最終的に形成す
る光学素子の予め設計されたレリーフ形状を、前記異方
性エッチングが進行する方向に１／ｒ倍した構造とする
ことを特徴とするものである。

【００１５】かかる製造方法によれば、上述したところ
から明らかなように、第１の工程においてレリーフ構造
を、比較的容易かつ高精度に形成することが可能となる
と共に、そのレリーフ構造を第２の工程において、転写
におけるレリーフの厚さ変化を補償し、かつ転写される
表面荒れを許容できる程度まで低減できるので、精度の
高い光学素子を製造することが可能となる。

【００１６】この発明の一実施形態においては、上述し
た第２の工程でのエッチング選択比ｒを、０．２＜ｒと
する。

【００１７】上述したように、基板に垂直な方向の加工
精度を向上させるためには、エッチング選択比ｒを１よ
り十分小さくすることが望ましい。しかし、エッチング
選択比ｒを極端に小さくすると、レリーフを構成する複
数の微細な凹凸の深さが、凹凸のピッチに対して極端に
深くなることがある。この場合、第１の工程で生じた基
板垂直方向の誤差は確かに低減されるが、第２の工程の
転写においては基板に沿った方向のパターン精度が低下
することになる。また、例えば、レリーフを切削によっ
て形成する場合には、ピッチに対して溝が深くなるほど
切削工具の刃先角を小さくする必要があるため、工具の
耐久性の点で好ましくない。このように、エッチング選
択比ｒを極端に小さくすると、実質的に加工可能な最小
ピッチが制限され、その結果、実現可能な回折光学素子
の性能が制限される弊害がある。本発明者による種々の
実験検討によれば、上記のようにエッチング選択比ｒ
を、ｒ＞０．２とすれば、切削工具として実用的な刃先
角のものが適用でき、また、十分実用的な回折光学素子
を製造することが可能となる。

【００１８】さらに、この発明の一実施形態において
は、上記のように第２の工程で縮小転写を行う場合に
は、第１の工程でのレリーフ構造を、切削工具の刃の稜
線部を用いた面切削で形成する。

【００１９】面切削では、主切れ刃（刃の稜線）を当て
付けることにより、回折作用に寄与する微細なレリーフ
を形成することができるので、極めて面精度のよいパタ
ーンを形成することができる。この特長は、回折光学素
子の精度を向上させる上で極めて効果的である。その一
方で、面切削によってレリーフ構造を形成する場合に
は、微細なレリーフのピッチ変化に対応して主切れ刃と
基板とのなす角度が変化するため、刃先の座標に誤差が
生じ易いという問題がある。しかし、上記のように第２
の工程で、レリーフ構造を下層基板に縮小転写する場合
には、切削時に生じた誤差を低減することができるの
で、総合的には高性能の回折光学素子を製造することが
可能となる。

【００２０】請求項３に係るレリーフ型光学素子の製造
方法においては、第１の材料からなる平面基板の表面
に、複数の微細な凹凸を有する第１のレリーフを形成す
る第１の工程と、前記第１のレリーフ上に、前記第１の
材料とは異なる第２の材料からなり、所定の厚さ分布を
有し、前記第１のレリーフの凹凸と比較して巨視的な表
面を有する第２のレリーフを形成する第２の工程と、前
記第２のレリーフの断面形状を異方性エッチングにより
前記平面基板に転写して、該平面基板に、複数の微細な
凹凸を有する第３のレリーフと、該凹凸と比較して巨視
的な表面を有する第４のレリーフとが重畳された複合レ
リーフ構造を形成する第３の工程とを有し、前記第３の
工程における異方性エッチングは、前記平面基板に垂直
な方向にエッチングが進行する異方性エッチングとし、
前記第１の工程で形成する第１のレリーフの厚さｄ１、
および前記第２の工程で形成する第２のレリーフの厚さ
ｄ２は、前記第３の工程における前記第１の材料のエッ
チングレートをｒ１、および前記第２の材料のエッチン
グレートをｒ２とするとき、ｒ＝ｒ１／ｒ２で定義され
るエッチング選択比ｒと、最終的に形成する光学素子が
所望の光学特性を有するように予め設計された、前記第
３および第４のレリーフの前記平面基板の垂直方向にお
けるそれぞれの厚さの設計値Ｄ１およびＤ２に対して、
ｄ１＝Ｄ１／（１−ｒ）、およびｄ２＝Ｄ２／ｒをそれ
ぞれ満足することを特徴とするものである。

【００２１】かかる製造方法において、第１の工程で
は、平面基板に複数の微細な凹凸を有する第１のレリー
フを形成するので、汎用のパターン形成技術をそのまま
適用でき、さらに巨視的な表面を有する第２のレリーフ
とは独立に形成するので、この第２のレリーフも第２の
工程で精度よく形成することが可能となる。また、最終
的に形成する複合レリーフ構造は、このように高精度に
形成可能な第１，第２のレリーフどうしを第３の工程で
転写して重ね合わせることにより形成するので、高精度
の複合レリーフ構造を容易に製造することが可能とな
る。さらに、第３の工程での転写におけるレリーフの厚
さ変化を補償するように、第１の工程で形成する第１の
レリーフと、第２の工程で形成する第２のレリーフとの
厚さをそれぞれ設定しているので、最終的に形成する複
合レリーフ構造を有する光学素子の光学性能を最適に制
御することが可能となる。

【００２２】この発明の一実施形態においては、上記の
第３の工程におけるエッチング選択比ｒを、０．２＜｜
１−ｒ｜とする。

【００２３】このように、エッチング選択比ｒを、０．
２＜｜１−ｒ｜とすれば、第１の工程で形成する第１の
レリーフの溝深さが、そのピッチに対して極端に深くな
るのを抑えることが可能となり、転写での基板平行な方
向のパターン精度の低下を防止することが可能となる。
これに対し、エッチング選択比ｒが上記の条件を満たさ
ないと、第１の工程で形成する第１のレリーフの溝深さ
が、そのピッチに対して極端に深くなって、第１のレリ
ーフの形成が困難になるだけではなく、転写において基
板平行な方向のパターン精度が低下し易くなる。

【００２４】さらに、この発明の一実施形態において
は、上記の第３の工程におけるエッチング選択比ｒを、
｜１−ｒ｜＜１０とする。

【００２５】すなわち、｜１−ｒ｜＜１０を満たさなく
なると、第１の工程で形成する第１のレリーフの溝深さ
が極端に浅くなることがあり、溝深さを正確に制御する
ことが困難になることがあるが、上記の条件を満たせ
ば、このような問題も解消することが可能となる。

【００２６】さらに、この発明の一実施形態において
は、上記の第３の工程におけるエッチング選択比ｒを、
ｒ＜０．５とする。

【００２７】このようにすれば、上述したと同様に、第
３の工程での転写における表面荒れを許容できる程度ま
で低減することが可能となり、実用的に十分な透明度の
転写パターン面を得ることが可能となる。

【００２８】この発明に係るレリーフ型光学素子の製造
方法の変形例においては、第１の材料からなる平面基板
の表面に、複数の微細な凹凸を有する第１のレリーフを
形成する第１の工程と、前記第１の材料とは異なる第２
の材料からなる平坦化層を前記第１のレリーフ上に形成
する第２の工程と、少なくとも前記第１の材料とは異な
る第３の材料からなり、所定の厚さ分布を有し、前記第
１のレリーフの凹凸と比較して巨視的な表面を有する第
２のレリーフを、前記平坦化層上に形成する第３の工程
と、前記第２のレリーフの断面形状を異方性エッチング
により前記平面基板に転写して、該平面基板に、複数の
微細な凹凸を有する第３のレリーフと、該凹凸と比較し
て巨視的な表面を有する第４のレリーフとが重畳された
複合レリーフ構造を形成する第４の工程とを有し、前記
第４の工程における異方性エッチングは、前記平面基板
に垂直な方向にエッチングが進行する異方性エッチング
とし前記第１の工程で形成する第１のレリーフの厚さｄ
１、および前記第３の工程で形成する第２のレリーフの
厚さｄ２は、前記第４の工程における前記第１の材料の
エッチングレートをｒ１、前記第２の材料のエッチング
レートをｒ２、および前記第３の材料のエッチングレー
トをｒ３とするとき、ｒａ＝ｒ１／ｒ３およびｒｂ＝ｒ
１／ｒ２でそれぞれ定義されるエッチング選択比ｒａお
よびｒｂと、最終的に形成する光学素子が所望の光学特
性を有するように予め設計された、前記第３および第４
のレリーフの前記平面基板の垂直方向におけるそれぞれ
の厚さの設計値Ｄ１、およびＤ２に対して、ｄ１＝Ｄ１
／（１−ｒｂ）、およびｄ２＝Ｄ２／ｒａをそれぞれ満
足することを特徴とするものである。

【００２９】かかる製造方法によれば、第１のレリーフ
の表面に平坦化層を形成するので、第２のレリーフを高
精度に形成することが可能となる。また、第１、第２、
および第３の材料のエッチングレートに対して、第１の
工程で形成する第１のレリーフ、および第３の工程で形
成する第２のレリーフの厚さを最適に設定するので、最
終的に形成する複合レリーフ構造を有する光学素子の光
学性能を最適に制御することが可能となり、高精度な光
学素子を得ることができる。

【００３０】この発明の一実施形態では、上記の変形例
において、第４の工程におけるエッチング選択比ｒｂ
を、０．２＜｜１−ｒｂ｜とする。

【００３１】このように、エッチング選択比ｒを、０．
２＜｜１−ｒｂ｜とすれば、上述したと同様に、第１の
工程で形成する第１のレリーフの溝深さが、そのピッチ
に対して極端に深くなるのを抑えることが可能となり、
転写での基板平行な方向のパターン精度の低下を防止す
ることが可能となる。

【００３２】この発明の一実施形態においては、さら
に、上記のエッチング選択比ｒｂを、｜１−ｒｂ｜＜１
０とする。

【００３３】このようにすれば、上述したと同様に、第
１の工程で形成する第１のレリーフの溝深さが極端に浅
くなることがなくなり、溝深さを正確に制御することが
可能となる。

【００３４】さらに、この発明の一実施形態において
は、上記の製造方法において、第１のレリーフを構成す
る複数の微細な凹凸の平面基板に沿った方向の最小寸法
Ｐ１と、第２のレリーフの同方向の最小寸法Ｐ２とが、
Ｐ２＞０．１×Ｐ１、を満足するようにする。

【００３５】このようにすれば、巨視的なレリーフの表
面に重畳して形成できる微細な凹凸の数を、最終的に製
造する回折光学素子が十分な機能を有する数にすること
が可能となる。また、一般に凹凸の寸法が小さいほど加
工工具は高精細なものが必要になり、巨視的なレリーフ
の加工と微細な凹凸の加工の両立が困難になるが、上記
の条件を満たせば、加工の両立も比較的容易となる。

【００３６】なお、上述したこの発明の製造方法に従え
ば、レリーフ型光学素子に代えて、該レリーフ型光学素
子を製造するための金型を製造することもできる。

【００３７】

【発明の実施の形態】図１（ａ），（ｂ）および（ｃ）
は、この発明の第１実施形態の順次の工程を示す断面図
である。この実施形態は、屈折／回折ハイブリッドレン
ズを製造するもので、先ず、図１（ａ）に示すように、
光学ガラス（第１の材料）からなる平面基板１上に、パ
ターン形成が容易な樹脂材料（第２の材料）層８を形成
し、この樹脂材料層８をダイヤモンドバイト９を用いて
切削して、所定の形状を有する樹脂製の複合レリーフ構
造２を形成する。樹脂材料層８は、例えば、樹脂材料で
ある薄板を平面基板１上に接着して形成したり、あるい
は、該樹脂材料を適当な有機溶剤に溶かし、スピンコー
ト法で平面基板１上に塗布して形成する。

【００３８】また、複合レリーフ構造２は、軸対称な同
心円状のパターンで、微細な鋸歯波状断面を有し、平面
基板１に転写されることによって所定の回折作用を与え
るレリーフ３と、レリーフ３を形成する基準面となり、
かつレリーフ３との比較において巨視的で連続した表面
の略楕円状断面を有し、平面基板１に転写されることに
よって所定の屈折作用を与えるレリーフ４とを重畳して
構成する。このように、レリーフ３およびレリーフ４
を、軸対称な同心円状のパターンをもって構成すること
により、旋盤を用いて複合レリーフ構造２を容易かつ高
精度に形成することができる。なお、この実施形態で
は、例えば、レリーフ３を構成する同心円状パターンの
最小ピッチ、すなわちレリーフ３の最小寸法を０．０５
ｍｍとし、レリーフ４を構成するパターンの直径、すな
わちレリーフ４の最小寸法を１ｍｍとする。

【００３９】次に、図１（ｂ）に示すように、図１
（ａ）の工程で形成した複合レリーフ構造２を、ＲＩＥ
（反応性イオンエッチング）により平面基板１に転写し
て、図１（ｃ）に示すように、回折作用を与えるレリー
フ６と屈折作用を与えるレリーフ７とを有し、予め設計
されたレリーフ厚さＤの転写レリーフ構造５を平面基板
１に形成する。なお、図１（ｂ）に示す転写工程では、
光学ガラス製の平面基板１および樹脂製の複合レリーフ
構造２がともに基板垂直方向にエッチング（異方性エッ
チング）が進行するようにして、複合レリーフ構造２の
形状を一定の転写比率、すなわち平面基板１のエッチン
グレートをｒ１、樹脂材料層８のエッチングレートをｒ
２とするとき、ｒ＝ｒ１／ｒ２で定義されるＲＩＥのエ
ッチング選択比ｒで平面基板１に転写するようにする。

【００４０】ここで、ＲＩＥのエッチング選択比ｒは、
平面基板１を構成する光学ガラスとして合成石英を用
い、ＲＩＥの反応ガスとしてＣＦ₄ を用いる場合、概ね
ｒ＜１となるが、この実施形態においては、さらにＲＩ
Ｅのパラメータを最適に設定することによって、ｒ＝
０．２５とする。したがって、図１（ａ）に示す切削工
程で樹脂材料層８に形成する複合レリーフ構造２の厚さ
ｄは、ＲＩＥのエッチング選択比ｒと、図１（ｃ）に示
す予め設計されたレリーフ厚さＤとから、ｄ＝Ｄ／ｒに
設定する。

【００４１】この実施形態では、ｒ＝０．２５としたの
で、ｄ＝４Ｄとして、図１（ａ）に示す切削工程で、所
望の屈折／回折ハイブリッドレンズパターンを光軸方向
に４倍に拡大した軸対称な同心円状のパターンよりなる
複合レリーフ構造２を形成する。このように、エッチン
グ選択比ｒを、ｒ＜１を満足するように設定することに
より、図１（ａ）に示す切削工程における加工誤差を転
写工程において低減でき、高精度な屈折／回折ハイブリ
ッドレンズを実現することができる。

【００４２】なお、この実施形態のように、下層転写工
程が、エッチング選択比ｒ＜１の縮小転写工程であれ
ば、樹脂材料からなる複合レリーフ構造２を形成する第
１の工程は、図１（ａ）で示すように、ダイヤモンドバ
イト９の主切れ刃（刃の稜線）１０を用いた面切削であ
ることが好ましい。面切削は、回折に寄与する微細なレ
リーフ３の鋸刃波状断面形状を、主切れ刃１０を当て付
けて形成するので、極めて面精度の高いパターンを形成
することができる。

【００４３】この実施形態によれば、複合レリーフ構造
２を形成する加工層（樹脂材料層８）が、ガラス等の無
機材料と比較して一般に柔らかく、切削が極めて容易で
あるので、鋭利な切削工具を使用して、極めて高精度な
パターンを形成することができる。したがって、直接加
工が実質的に不可能な光学ガラスに、高精度な屈折／回
折ハイブリッドレンズのパターンを容易に形成すること
ができる。

【００４４】特に、切削加工層に柔らかい材料を適用す
ることは、切削工具の切り込み量を比較的深く設定する
ことができるので、屈折／回折ハイブリッドレンズのパ
ターンのように、基板に垂直な方向の加工量が比較的多
い構造を形成する場合には効果的である。また、レリー
フ３とレリーフ４とを一度に形成するので、それぞれの
対称軸が厳密に一致し、これにより、屈折作用と回折作
用との対称性を厳密に一致させることができ、高性能な
屈折／回折ハイブリッドレンズを製造することができ
る。

【００４５】なお、上述した実施形態では、第１の材料
として光学ガラスを用いたが、例えば、シリコンカーバ
イト（ＳｉＣ）や、タングステンカーバイト（ＷＣ）の
ようなガラス成形用の金型材料を用いれば、高精度なガ
ラス成型用金型を容易に製造することができる。また、
複合レリーフ構造２は、図２に示すように、金型１８を
用いて形成することもできる。ここで、複合レリーフ構
造２は、樹脂材料で構成されているので、これを成型す
るのに用いる金型１８には、それほどの堅牢性は必要な
い。したがって、金型１８は、比較的容易に高精度なも
のを製造できるので、これを用いて複合レリーフ構造２
を形成することにより、屈折／回折ハイブリッドレンズ
を比較的量産性良く製造することができる。

【００４６】また、異方性エッチングは、ＲＩＥ（反応
性イオンエッチング）に限らず、例えば、アルゴンイオ
ンミリングを異方性エッチングとして適用することもで
きるが、好ましくは、反応性ガスのプラズマを用いたド
チイエッチングがより効果的である。すなわち、ドライ
エッチングとすれば、例えば、反応ガスの組成を基板材
料に対して最適に設定することにより、エッチングレー
トを高めて転写時間を短縮したり、また、エッチング選
択比を変化させることが容易となる。

【００４７】図３（ａ）〜（ｄ）は、この発明の第２実
施形態の順次の工程を示す断面図である。この実施形態
は、屈折レンズの表面に微細なレリーフとして矩形断面
の１次元格子を重畳した、屈折／回折ハイブリッドレン
ズを製造するものである。このような光学素子は、例え
ば、集光機能と光分割機能とを持つ複合機能素子として
作用する。また、１次元格子のピッチを波長より小さく
すれば、反射防止構造を実現することもできる。

【００４８】先ず、図３（ａ）に示すように、シリコン
（第１の材料）基板１１の表面に、矩形断面を有する１
次元レリーフ格子１２を形成する。このようなレリーフ
格子１２は、通常のフォトグラフィーで容易に形成する
ことができる。次に、図３（ｂ）に示すように、レリー
フ格子１２が形成された領域を覆うように熱可塑性樹脂
（第２の材料）からなるレリーフ１３を形成する。この
実施形態では、レリーフ１３を構成する熱可塑性樹脂と
して感光性のある材料（例えば、フォトレジスト）を用
い、フォトリソグラフィーによりレリーフ格子１２を覆
うように形成する。

【００４９】その後、熱可塑性樹脂からなるレリーフ１
３に熱を加えて、図３（ｃ）に示すようにレンズ状断面
を有するレリーフ１４を形成する。次に、レリーフ１４
をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によってシリコン
基板１１に転写し、最終的に図３（ｄ）に示すような屈
折／回折ハイブリッドレンズを形成する。この転写工程
では、シリコン基板１１およびレリーフ１４を構成する
熱可塑性樹脂が、ともにシリコン基板１１に垂直な方向
にエッチング（異方性エッチング）されるので、レリー
フ格子１２の形状を維持したまま、レリーフ１４の形状
がシリコン基板１１に転写され、矩形断面を有するレリ
ーフ格子１５と、レンズ状断面を有するレリーフ１６と
が重畳された複合レリーフ構造１７が形成される。

【００５０】なお、この実施形態において、シリコン基
板１１のエッチングレートｒ１と、熱可塑性樹脂のエッ
チングレートｒ２とから、ｒ＝ｒ１／ｒ２で定義される
ＲＩＥのエッチング選択比ｒはｒ≠１であり、レリーフ
格子１２の溝深さｄ１、およびレリーフ１４の厚さｄ２
は、予め設計されたレリーフ格子１５の溝深さＤ１、お
よびレリーフ１６の厚さＤ２から、ｄ１＝Ｄ１／（１−
ｒ）、ｄ２＝Ｄ２／ｒを満たすように設定する。例え
ば、エッチング選択比ｒ＝０．４となるようにＲＩＥパ
ラメータを設定した場合には、ｄ１＝Ｄ１／０．６、ｄ
２＝Ｄ２／０．４を満たすようにｄ１およびｄ２を設定
する。これにより、最終的に形成する複合レリーフ構造
１７の厚さを設計値通りにすることができる。

【００５１】この実施形態によれば、レリーフ格子１２
は、平面基板（シリコン基板）１１上に、レンズ状断面
を有するレリーフ１４とは独立して形成するので、汎用
のパターン形成技術をそのまま適用できる。したがっ
て、レリーフ格子１２を高精度で、しかも容易に形成す
ることができる。また、レリーフ格子１２とは独立にレ
リーフ１４を形成するので、レリーフ１４も精度よく形
成することができる。さらに、最終的に形成する複合レ
リーフ構造１７は、これら高精度に形成されたレリーフ
どうしを転写工程を介して重ね合わせたものなので、高
精度の屈折／回折ハイブリッドレンズを容易に製造でき
る。例えば、この実施形態においては、レリーフ１４を
構成するパターンの直径、すなわちレリーフ１４の最小
寸法を２ｍｍ、レリーフ１２はピッチ、すなわちレリー
フ１２の最小寸法を０．０５ｍｍの１次元格子とするこ
とができる。

【００５２】なお、この実施形態では、レンズ状断面を
有するレリーフ１４を形成するために、熱可塑性樹脂の
軟化を利用したが、レリーフ１４の形成手段はこれに限
る必要はなく、例えば、金型を用いて樹脂成形すること
もできる。このような樹脂成形用の金型は、比較的容易
に、しかも高精度にできるので、これを用いることによ
り高精度の屈折／回折ハイブリッドレンズを比較的量産
性良く製造することができる。また、直接切削の場合
は、一つの基板上に複数の屈折／回折ハイブリッドレン
ズを形成するのは難しいが、型成形の方法を適用すれ
ば、比較的容易に屈折／回折ハイブリッドのアレーを形
成することができる。さらに、シリコン基板の代わりに
金型用の材料を用いれば、高精度な金型を容易に複製す
ることができる。

【００５３】また、この実施形態では、レリーフ１４を
連続なレンズ状断面を有するように構成したが、このレ
リーフ１４の断面を不連続に、例えば、図４に示すよう
にフレネルレンズ状に周期的に形成することもできる。
この場合、レリーフ１４の厚さは比較的薄くなるので、
転写工程にかかる時間が短縮され、製作が容易になると
共に、高精度な光学素子を製造することができる。

【００５４】図５は、この発明の第３実施形態の要部を
説明するための断面図である。この実施形態は、図３に
示した第２実施形態において、シリコン基板１１に形成
したレリーフ格子１２を覆うように平坦化層１９を形成
し、この平坦化層１９上にレリーフ１４を形成するよう
にしたもので、その他の製造工程は第２実施形態と同様
である。このように、平坦化層１９を形成して、この上
にレリーフ１４を形成するようにすれば、レリーフ１４
をより高精度に形成することができる。

【００５５】なお、この実施形態において、最終的に形
成する複合レリーフ構造１７の厚さを最適に制御するた
めには、シリコン基板１１のエッチングレートｒ１、熱
可塑性樹脂のエッチングレートｒ２、平坦化層１９のエ
ッチングレートｒ３から、ｒａ＝ｒ１／ｒ２、ｒｂ＝ｒ
１／ｒ３で定義されるエッチング選択比ｒａおよびｒｂ
に対して、図３（ａ）に示すレリーフ１２の厚さｄ１、
および図３（ｃ）に示すレリーフ１４の厚さｄ２が、ｄ
１＝Ｄ１／（１−ｒｂ）、ｄ２＝Ｄ２／ｒａとなるよう
にそれらを形成すればよい。

【００５６】付記項 １．請求項１記載のレリーフ型光学素子の製造方法にお
いて、前記第２の工程でのエッチング選択比ｒを、ｒ＜
１とすることを特徴とするレリーフ型光学素子の製造方
法。 ２．請求項１記載のレリーフ型光学素子の製造方法にお
いて、前記第２の工程でのエッチング選択比ｒを、ｒ＜
０．５とすることを特徴とするレリーフ型光学素子の製
造方法。 ３．請求項１，２、付記項１，２のいずれか一項記載の
レリーフ型光学素子の製造方法において、前記第２の工
程でのエッチング選択比ｒを、０．２＜ｒとすることを
特徴とするレリーフ型光学素子の製造方法。 ４．付記項１〜３、請求項２のいずれか一項記載のレリ
ーフ型光学素子の製造方法において、前記第１の工程で
のレリーフ構造を、切削工具の刃の稜線部を用いた面切
削で形成することを特徴とするレリーフ型光学素子の製
造方法。 ５．請求項３記載のレリーフ型光学素子の製造方法にお
いて、前記第３の工程におけるエッチング選択比ｒを、
０．２＜｜１−ｒ｜とすることを特徴とするレリーフ型
光学素子の製造方法。 ６．請求項３または付記項５記載のレリーフ型光学素子
の製造方法において、前記第３の工程におけるエッチン
グ選択比ｒを、｜１−ｒ｜＜１０とすることを特徴とす
るレリーフ型光学素子の製造方法。 ７．請求項３、付記項５，６のいずれか一項記載のレリ
ーフ型光学素子の製造方法において、前記第３の工程に
おけるエッチング選択比ｒを、ｒ＜０．５とすることを
特徴とするレリーフ型光学素子の製造方法。 ８．第１の材料からなる平面基板に、複数の微細な凹凸
を有する第１のレリーフを形成する第１の工程と、前記
第１の材料とは異なる第２の材料からなる平坦化層を前
記第１のレリーフ上に形成する第２の工程と、少なくと
も前記第１の材料とは異なる第３の材料からなり、所定
の厚さ分布を有し、前記第１のレリーフの凹凸と比較し
て巨視的な表面を有する第２のレリーフを、前記平坦化
層上に形成する第３の工程と、前記第２のレリーフの断
面形状を異方性エッチングにより前記平面基板に転写し
て、該平面基板に、複数の微細な凹凸を有する第３のレ
リーフと、該凹凸と比較して巨視的な表面を有する第４
のレリーフとが重畳された複合レリーフ構造を形成する
第４の工程とを有し、前記第４の工程における異方性エ
ッチングは、前記平面基板に垂直な方向にエッチングが
進行する異方性エッチングとし前記第１の工程で形成す
る第１のレリーフの厚さｄ１、および前記第３の工程で
形成する第２のレリーフの厚さｄ２は、前記第４の工程
における前記第１の材料のエッチングレートをｒ１、前
記第２の材料のエッチングレートをｒ２、および前記第
３の材料のエッチングレートをｒ３とするとき、ｒａ＝
ｒ１／ｒ３およびｒｂ＝ｒ１／ｒ２でそれぞれ定義され
るエッチング選択比ｒａおよびｒｂと、最終的に形成す
る光学素子が所望の光学特性を有するように予め設計さ
れた、前記第３および第４のレリーフの前記平面基板の
垂直方向におけるそれぞれの厚さの設計値Ｄ１、および
Ｄ２に対して、ｄ１＝Ｄ１／（１−ｒｂ）、およびｄ２
＝Ｄ２／ｒａをそれぞれ満足することを特徴とするレリ
ーフ型光学素子の製造方法。 ９．付記項８記載のレリーフ型光学素子の製造方法にお
いて、前記第４の工程におけるエッチング選択比ｒｂ
を、０．２＜｜１−ｒｂ｜とすることを特徴とするレリ
ーフ型光学素子の製造方法。 １０．付記項８または９記載のレリーフ型光学素子の製
造方法において、前記エッチング選択比ｒｂを、｜１−
ｒｂ｜＜１０とすることを特徴とするレリーフ型光学素
子の製造方法。 １１．請求項１〜３、付記項１〜１０のいずれか一項記
載のレリーフ型光学素子の製造方法において、前記第１
のレリーフを構成する複数の微細な凹凸の平面基板に沿
った方向の最小寸法Ｐ１と、前記第２のレリーフの同方
向の最小寸法Ｐ２とが、Ｐ２＞０．１×Ｐ１、を満足す
ることを特徴とするレリーフ型光学素子の製造方法。 １２．請求項１〜３、付記項１〜１１のいずれか一項記
載の製造方法において、レリーフ型光学素子に代えて、
該レリーフ型光学素子を製造するための金型を製造する
ことを特徴とするレリーフ型光学素子製造用金型の製造
方法。

【００５７】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、レリ
ーフ型光学素子、特に、屈折／回折ハイブリッド構造の
ような複合レリーフ構造を有する光学素子を、無機材料
で容易かつ高精度に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施形態の順次の工程を示す断
面図である。

【図２】第１実施形態の変形例を説明するための図であ
る。

【図３】この発明の第２実施形態の順次の工程を示す断
面図である。

【図４】第２実施形態の変形例を説明するための図であ
る。

【図５】この発明の第３実施形態の要部を説明するため
の断面図である。

【符号の説明】

１ 平面基板 ２ 複合レリーフ構造 ３，４ レリーフ ５ 転写レリーフ構造 ６，７ レリーフ ８ 樹脂材料層 ９ ダイヤモンドバイト １０ 主切れ刃（刃の稜線） １８ 金型 １１ シリコン基板 １２，１５ レリーフ格子 １３，１４，１６ レリーフ １７ 複合レリーフ構造 １９ 平坦化層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の材料からなる平面基板上に、該第
   １の材料より軟質な第２の材料からなり、複数の微細な
   凹凸を有する第１のレリーフを、所定の厚さ分布を有
   し、前記凹凸と比較して巨視的で連続な表面を有する第
   ２のレリーフの表面に重畳した複合レリーフ構造を形成
   する第１の工程と、 前記複合レリーフ構造を異方性エッチングによって前記
   平面基板に転写する第２の工程とを有し、 前記第２の工程における異方性エッチングは、前記平面
   基板に垂直方向にエッチングが進行する異方性エッチン
   グとし、 前記第１の工程で形成する複合レリーフ構造は、前記第
   ２の工程における前記第１の材料のエッチングレートを
   ｒ１、および前記第２の材料のエッチングレートをｒ２
   とするとき、ｒ＝ｒ１／ｒ２で定義されるエッチング選
   択比ｒに対して、最終的に形成する光学素子の予め設計
   されたレリーフ形状を、前記平面基板の垂直方向に１／
   ｒ倍した構造とすることを特徴とするレリーフ型光学素
   子の製造方法。
2. 【請求項２】 第１の材料からなる平面基板上に、該第
   １の材料より軟質な第２の材料からなり、複数の微細な
   凹凸を有するレリーフ構造を形成する第１の工程と、 前記レリーフ構造を異方性エッチングによって前記平面
   基板に転写する第２の工程とを有し、 前記第２の工程における異方性エッチングは、前記第１
   の材料のエッチングレートをｒ１、および前記第２の材
   料のエッチングレートをｒ２とするとき、ｒ＝ｒ１／ｒ
   ２で定義されるエッチング選択比ｒが、ｒ＜０．５を満
   足し、 かつ、前記第１の工程で形成するレリーフ構造は、前記
   第２の工程におけるエッチング選択比ｒに対して、最終
   的に形成する光学素子の予め設計されたレリーフ形状
   を、前記異方性エッチングが進行する方向に１／ｒ倍し
   た構造とすることを特徴とするレリーフ型光学素子の製
   造方法。
3. 【請求項３】 第１の材料からなる平面基板の表面に、
   複数の微細な凹凸を有する第１のレリーフを形成する第
   １の工程と、 前記第１のレリーフ上に、前記第１の材料とは異なる第
   ２の材料からなり、所定の厚さ分布を有し、前記第１の
   レリーフの凹凸と比較して巨視的な表面を有する第２の
   レリーフを形成する第２の工程と、 前記第２のレリーフの断面形状を異方性エッチングによ
   り前記平面基板に転写して、該平面基板に、複数の微細
   な凹凸を有する第３のレリーフと、該凹凸と比較して巨
   視的な表面を有する第４のレリーフとが重畳された複合
   レリーフ構造を形成する第３の工程とを有し、 前記第３の工程における異方性エッチングは、前記平面
   基板に垂直な方向にエッチングが進行する異方性エッチ
   ングとし、 前記第１の工程で形成する第１のレリーフの厚さｄ１、
   および前記第２の工程で形成する第２のレリーフの厚さ
   ｄ２は、前記第３の工程における前記第１の材料のエッ
   チングレートをｒ１、および前記第２の材料のエッチン
   グレートをｒ２とするとき、ｒ＝ｒ１／ｒ２で定義され
   るエッチング選択比ｒと、最終的に形成する光学素子が
   所望の光学特性を有するように予め設計された、前記第
   ３および第４のレリーフの前記平面基板の垂直方向にお
   けるそれぞれの厚さの設計値Ｄ１およびＤ２に対して、
   ｄ１＝Ｄ１／（１−ｒ）、およびｄ２＝Ｄ２／ｒをそれ
   ぞれ満足することを特徴とするレリーフ型光学素子の製
   造方法。