WO2016059928A1 - 曲面回折格子の型の製造方法、曲面回折格子の製造方法、曲面回折格子、および光学装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method of manufacturing a curved diffraction grating mold, a method of manufacturing a curved diffraction grating, a curved diffraction grating, and an optical device, and more particularly to a curved diffraction grating that splits and converges light and an optical device using the same.
- a curved diffraction grating which is an optical element mounted on an optical device such as a spectrophotometer, has both optical spectroscopy and convergence performance, and the number of components can be reduced. It is possible to simplify the configuration.
- curved diffraction gratings are manufactured by creating a diffraction grating mold by a method of imprinting on a curved substrate with a machine such as a ruling engine, and transferring the engraved pattern to resin, metal, etc. .
- Patent Document 1 discloses a method of forming a resist pattern of a diffraction grating on a concave substrate by a holographic exposure method, A method of manufacturing a concave blazed diffraction grating having a sawtooth diffraction grating pattern by irradiating from a point or one line and etching is disclosed.
- Patent Document 2 discloses a mold in which a diffraction grating pattern is formed on a flexible material such as a resin or a metal thin film, and is attached to a substrate curved to a predetermined curvature. To do. The mold is brought into contact with a liquid curved diffraction grating material before curing and cured to produce a curved diffraction grating.
- JP-A-8-29610 Patent Document 3
- a replica layer (diffraction grating portion) using a reactive curable resin is laminated on a flexible substrate, and the curing shrinkage of the reactive curable resin is used.
- the plane diffraction grating is curved.
- Patent Document 4 a planar diffraction grating substrate is transferred to a flexible material such as silicon resin, and fixed to a curved substrate to form a curved diffraction grating mold. Yes.
- Patent Document 5 an X-ray reflection produced by heating a silicon substrate at a high temperature in a hydrogen atmosphere to plastically deform the silicon substrate into a desired shape and laminating a large number thereof.
- An X-ray reflection device comprising a body is disclosed.
- the angle of the marking tool is constant.
- a shallow portion and a deep portion are formed in the shaped diffraction grating pattern.
- Patent Document 4 a flexible material such as a silicon-based resin is transferred, fixed to a curved substrate, a curved diffraction grating mold is formed, and the curved diffraction grating is transferred and manufactured.
- a flexible material is used, the pattern accuracy is lowered, the curved diffraction grating is transferred, and the pattern of the mold is deformed due to the tension of the mold at the time of peeling.
- Patent Document 5 describes a method of plastically deforming a silicon substrate. However, the pattern of a silicon diffraction grating is also smoothed at a high temperature in a hydrogen atmosphere.
- the curved diffraction grating of the present invention is obtained by transferring a curved diffraction grating mold obtained by deforming a planar diffraction grating substrate, on which a diffraction grating pattern is formed, into a curved surface, onto a metal or resin.
- the optical device includes a curved diffraction grating obtained by transferring a curved diffraction grating mold obtained by deforming a planar diffraction grating substrate, on which a diffraction grating pattern is formed, into a curved shape on a flat substrate, a metal or a resin, a light source, , A slit, a condensing element, and a detector.
- the diffraction grating pattern is formed on the flat substrate by mechanical marking and a semiconductor process, it is possible to manufacture the diffraction grating pattern having a sawtooth shape having a specific angle while suppressing variation in shape.
- a planar diffraction grating into a curved surface and mounting it on a curved fixed substrate, a curved diffraction grating having a diffraction grating pattern having a sawtooth shape with a specific angle can be produced on the entire surface of the curved substrate. .
- a curved diffraction grating having a diffraction grating pattern having a sawtooth shape at a specific angle By installing a curved diffraction grating having a diffraction grating pattern having a sawtooth shape at a specific angle in an optical device, diffraction efficiency can be improved, stray light (noise) can be reduced, and the optical element A low-cost optical device with a small number of parts can be manufactured.
- FIG. 1 is a schematic view of an optical device using a curved diffraction grating of the present invention.
- the perspective view which shows the type
- the perspective view which shows the type
- the optical device 1 is used for concentration measurement and substance identification by selectively absorbing light having a wavelength peculiar to chemical bonds of substances in chemical substances, biological substances, and the like.
- the optical device 1 includes a light source 11, slits 12 and 14, a diffraction grating 13, a condensing element 15, and a detector 17.
- the light emitted from the light source 11 is applied to the diffraction grating 13 through the slit 12 and is split by the diffraction grating 13.
- the split light enters the sample 16 via the slit 14 and the light condensing element 15, and the absorption (attenuation) of the wavelength is measured by the detector 17.
- the sample 16 is irradiated with light of a specific wavelength by rotating the diffraction grating 13.
- optical elements such as a mirror and a condensing element of the optical device 1 can be simplified, and the number of parts can be reduced.
- the curved diffraction grating includes a spherical diffraction grating and a toroidal diffraction grating. Specific shapes will be described with reference to FIGS. 2 and 3 are diagrams illustrating a spherical diffraction grating and a toroidal diffraction grating mold, and a concave diffraction grating that separates and collects light by transferring the mold to a metal or a resin. Is made.
- the toroidal diffraction grating is a diffraction grating having a toroidal surface having different curvatures in the x and y axial directions, unlike the spherical diffraction grating.
- the curved diffraction grating mold 2 includes a metal curved diffraction grating 26 on which a diffraction grating pattern 21 is formed, and a curved fixed substrate 23. Since the metal planar diffraction grating is deformed into a curved surface and mounted on the curved fixed substrate 23 to form the metal curved diffraction grating 26, mounting on a toroid surface having a different curvature in the axial direction is possible.
- the metal curved diffraction grating 26 and the curved fixed substrate 23 are fixed by metal eutectic bonding, resin bonding, or the like.
- a concave curved diffraction grating is produced by transferring the curved diffraction grating mold 2 to a resin or metal thin film.
- the following plurality of manufacturing methods can be used for the manufacturing method of the above-mentioned spherical diffraction grating and a curved diffraction grating represented by a toroidal diffraction grating.
- a method for manufacturing the curved diffraction grating mold 2 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
- a diffraction grating pattern 21 having a sawtooth shape is formed on a flat metal substrate by mechanical marking to form a metal flat diffraction grating substrate 20 ((a) in FIG. 4).
- a solder 22 as a bonding material is formed on the surface opposite to the surface on which the diffraction grating pattern 21 of the metal planar diffraction grating substrate 20 is formed by vapor deposition or printing ((b) in FIG. 4).
- a bonding material 24 to be eutectic with the solder 22 is formed by sputtering or vapor deposition on the surface of the curved fixed substrate 23 on which the metal diffraction grating substrate 20 is mounted ((c) in FIG. 4).
- the surface on which the diffraction grating pattern 21 of the metal planar diffraction grating substrate 20 is formed is placed on the concave substrate 25 side, and the surface on which the solder 22 is formed is placed on the curved fixed substrate 23 side ((d) in FIG. 4).
- a temperature equal to or higher than the eutectic point of the bonding material and a load are applied so that the surface on which the diffraction grating pattern 21 of the metal planar diffraction grating substrate 20 is formed follows the concave substrate 25. 22 and the bonding material 24 of the curved fixed substrate 24 are subjected to a eutectic reaction and mounted ((e) in FIG. 4). After cooling with the load applied and solidifying the solder 22 and the bonding material 24, the concave substrate 25 is removed, whereby the metal curved diffraction grating substrate 26 is bonded to the solder 22 and the bonding material 24. And mounted on the curved fixed substrate 23 ((f) in FIG. 4).
- the curved diffraction grating mold 2 is formed ((g) in FIG. 4).
- the surface on which the diffraction grating pattern 21 is formed becomes the surface accuracy of the concave substrate 25 by deforming the metal planar diffraction grating substrate 20 into a curved surface following the concave substrate 25.
- the solder 22 and the bonding material 24 are in a liquid phase state at a temperature equal to or higher than the eutectic point, the influence of variations in the thickness of the metal planar diffraction grating 20 and the surface accuracy of the curved fixed substrate 23 is absorbed. Can do.
- the diffraction grating is transferred to a metal flat substrate to produce a metal flat diffraction grating.
- sputtering, vapor deposition, and plating are used.
- a curved diffraction grating mold is produced.
- the curved diffraction grating mold is transferred to a metal film or resin to produce a curved diffraction grating.
- a sawtooth diffraction grating pattern with a specific angle on the entire surface of the flat substrate suppresses variation in shape. Can be formed.
- a sawtooth-shaped diffraction grating pattern having a specific angle is suppressed in variation in shape, Easy to form.
- a curved diffraction grating mold having a sawtooth diffraction grating pattern with a specific angle is formed on the entire curved surface. Can be produced.
- the metal flat diffraction grating When deforming a metal flat diffraction grating into a curved surface or mounting it on a curved fixed substrate, the metal flat diffraction grating is sandwiched between a concave substrate having high surface accuracy and a convex curved fixed substrate, and a load and temperature are applied. Then, a metal curved diffraction grating is manufactured.
- the thickness of the metal plane diffraction grating varies, and the bonding material that fixes the metal curved diffraction grating and the curved fixed substrate
- the surface accuracy of the curved diffraction grating can be improved without being affected by variations in thickness, surface accuracy of the curved fixed substrate, and the like.
- a curved diffraction grating mold can be produced without deformation or crushing.
- it is a metal material when deforming a metal plane diffraction grating into a curved surface or mounting it on a curved fixed substrate, it suppresses the generation of dislocation lines caused by plastic deformation of a crystalline material such as silicon or quartz into a curved surface. Is possible.
- the thermal deformation of the mold is small when transferring the pattern to the curved diffraction grating, the accuracy can be improved, and the mold can be peeled from the mold without deformation even when pulled. Lifespan is improved.
- a method of manufacturing the curved-surface diffraction grating mold 3 in the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
- a diffraction grating pattern 31 having a sawtooth shape is formed on the planar substrate by mechanical marking to form the planar diffraction grating substrate 30 ((a) in FIG. 5).
- a metal material is laminated by electrolytic plating ((b) in FIG. 5). The seed film is removed from the plane diffraction grating substrate 30 by etching, and the metal material is peeled off to form a metal plane diffraction grating 37 ((c) in FIG. 5).
- planar diffraction grating substrate 30 produced by mechanical stamping is repeatedly used by applying the metal planar diffraction grating 37 which is obtained by transferring and peeling the planar diffraction grating substrate 30 produced by mechanical stamping to a metal material.
- a plane-made diffraction grating 37 can be produced.
- a solder 32 which is a bonding material, is deposited on the surface opposite to the surface on which the diffraction grating pattern 31 of the metal planar diffraction grating substrate 37 is formed by vapor deposition or printing ((d) in FIG. 5).
- a bonding material 34 to be eutectic with the solder 32 is formed on the surface of the curved fixed substrate 33 on which the metal diffraction grating substrate 37 is mounted by sputtering or vapor deposition ((e) in FIG. 5).
- the surface on which the diffraction grating pattern 31 of the metal planar diffraction grating substrate 37 is formed is placed on the concave substrate 35 side, and the surface on which the solder 32 is formed is placed on the curved fixed substrate 33 side ((f) in FIG. 5).
- a temperature equal to or higher than the eutectic point of the bonding material and a load are applied so that the surface on which the diffraction grating pattern 31 of the metal planar diffraction grating substrate 37 is formed follows the concave substrate 35.
- 32 and the bonding material 34 of the curved fixed substrate 34 are subjected to a eutectic reaction to be mounted ((g) in FIG. 5).
- the concave substrate 35 is removed, whereby the metal curved diffraction grating substrate 36 is bonded to the solder 32 and the bonding material 34.
- mounted on the curved fixed substrate 33 ((h) in FIG. 5).
- the curved diffraction grating mold 3 is formed ((i) in FIG. 5).
- the surface on which the diffraction grating pattern 31 is formed has the surface accuracy of the concave substrate 35.
- the solder 32 and the bonding material 34 are in a liquid phase state at a temperature equal to or higher than the eutectic point, the influence of the thickness variation of the metal planar diffraction grating 37 and the surface accuracy of the curved fixed substrate 33 is absorbed. Can do.
- a method of manufacturing the curved-surface diffraction grating mold 4 in the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
- a sawtooth-shaped diffraction grating pattern 41 is formed on a flat metal substrate by a semiconductor process (photolithography, etching) to form a metal flat diffraction grating substrate 40 ((a) in FIG. 6).
- a semiconductor process photolithography, etching
- a solder 42 which is a bonding material, is deposited on the surface opposite to the surface on which the diffraction grating pattern 41 of the metal planar diffraction grating substrate 40 is formed by vapor deposition or printing ((b) in FIG. 6).
- a bonding material 44 to be eutectic with the solder 42 is formed by sputtering or vapor deposition on the surface of the curved fixed substrate 43 on which the metal diffraction grating substrate 40 is mounted ((c) in FIG. 6).
- the surface of the metal planar diffraction grating substrate 40 on which the diffraction grating pattern 41 is formed is installed on the concave substrate 45 side, and the surface on which the solder 42 is formed is installed on the curved fixed substrate 43 side ((d) in FIG. 6).
- a temperature equal to or higher than the eutectic point of the bonding material and a load are applied so that the surface on which the diffraction grating pattern 41 of the metal planar diffraction grating substrate 40 is formed follows the concave substrate 45. 42 and the bonding material 44 of the curved fixed substrate 43 are subjected to a eutectic reaction and mounted ((e) in FIG. 6).
- the concave substrate 45 is removed, so that the metal curved diffraction grating substrate 46 is bonded to the solder 42 and the bonding material 44. And mounted on the curved fixed substrate 43 ((f) in FIG. 6). By removing the outer peripheral portion of the metal curved diffraction grating substrate 46, the curved diffraction grating mold 4 is formed ((g) in FIG. 6). The surface on which the diffraction grating pattern 21 is formed becomes the surface accuracy of the concave substrate 45 by deforming the metal plane diffraction grating substrate 40 into a curved surface following the concave substrate 45.
- solder 42 and the bonding material 44 are in a liquid phase state at a temperature equal to or higher than the eutectic point, the influence of variations in the thickness of the metal planar diffraction grating 40 and the surface accuracy of the curved fixed substrate 43 is absorbed. Can do.
- a method of manufacturing the curved diffraction grating mold 5 in the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
- a diffraction grating pattern 58 having a sawtooth shape is formed on a planar substrate by photolithography using a resist (resin) to form a planar diffraction grating substrate 50 ((a) in FIG. 7).
- a metal material is laminated by electrolytic plating ((b) in FIG. 7).
- a metal planar diffraction grating 57 having a sawtooth diffraction grating pattern 51 is formed ((c) in FIG. 7).
- the production of the planar diffraction grating substrate 50 by photolithography can be produced in a short time compared to mechanical engraving, and the resist (resin (resin) can be removed when the metal planar diffraction grating 57 is peeled off from the planar diffraction grating 50. ) Can be easily peeled off.
- a solder 52 which is a bonding material, is deposited on the surface opposite to the surface on which the diffraction grating pattern 51 of the metal planar diffraction grating substrate 57 is formed by vapor deposition or printing ((d) in FIG. 7).
- a bonding material 54 eutectic with the solder 52 is formed on the surface of the curved fixed substrate 53 on which the metal diffraction grating substrate 50 is mounted by sputtering or vapor deposition ((e) in FIG. 7).
- the concave substrate 25 is removed, so that the metal curved diffraction grating substrate 56 is bonded to the solder 52 and the bonding material 54. And mounted on the curved fixed substrate 53 ((h) in FIG. 7). By removing the outer peripheral portion of the metal curved diffraction grating substrate 56, the curved diffraction grating mold 5 is formed ((i) in FIG. 7). The surface on which the diffraction grating pattern 51 is formed becomes the surface accuracy of the concave substrate 55 by deforming the metal planar diffraction grating substrate 57 into a curved surface following the concave substrate 55.
- solder 52 and the bonding material 54 are in a liquid phase state at the eutectic point, it is possible to absorb the influence of the thickness variation of the metal planar diffraction grating 57 and the surface accuracy of the curved fixed substrate 23.
- a method of manufacturing the curved diffraction grating 6 using the curved diffraction grating molds described in Examples 1 to 4 will be described using the curved diffraction grating mold 2 described in Example 1 as an example with reference to FIG.
- the curved diffraction grating 6 is also manufactured by the same manufacturing method for the curved diffraction grating molds 3, 4 and 5 described in Examples 2 to 4.
- Diffraction of the curved-surface diffraction grating mold 2 ((a) in FIG. 8) in which the metal curved-surface diffraction grating substrate 26 having the sawtooth-shaped diffraction grating pattern 21 is mounted on the curved fixed substrate 23 via the solder 22 and the bonding material 24.
- a release layer and a reflective film 61 are formed on the surface of the lattice pattern 21 ((b) in FIG. 8).
- a liquid cured resin 62 and a fixed substrate 63 are placed on the reflective film 61 ((c) in FIG. 8).
- the curved diffraction grating 6 is manufactured by removing the reflecting surface 61, the resin 62, and the fixed substrate 63 from the curved diffraction grating mold 2 ((d) in FIG. 8).
- a flexible metal film may be used instead of the resin.
- the reflection film 61 may be formed on the surface of the curved diffraction grating mold 2 after the diffraction grating pattern 21 is transferred to the resin 62 by a technique such as nanoimprinting.
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Abstract
曲面基板上に機械加工で鋸形状の回折格子パターンを作製するには、ツールの角度が一定であるため、曲面の中心部、外周部において、回折格子パターンの角度が異なる形状となる。また、半導体プロセスにより、曲面基板上へのフォトリソグラフィ、エッチングにより、鋸歯形状の回折格子パターンを作るには、フォトリソグラフィ時の焦点深度の調整、エッチング角度の調整が必要となり、高コストとなる。本発明の曲面回折格子の型の製造方法は、金属製平面回折格子基板２０上に、回折格子パターン２１を形成する工程と、金属製平面回折格子基板２０における回折格子パターン２１を形成した面とは反対側の面に半田２２を形成する工程と、半田２２と共晶させる接合材料２４を曲面基板２３上に成膜する工程と、金属製平面回折格子基板２０を、曲面固定基板２３および曲面固定基板２４で挟み込み、荷重を加える工程、を含む。
Description
本発明は、曲面回折格子の型の製造方法、曲面回折格子の製造方法、曲面回折格子、および光学装置に関し、特に光を分光、収束させる曲面回折格子および、それを用いた光学装置に関する。
本技術分野の背景技術として、分光光度計等の光学装置に搭載される光学素子である曲面回折格子は、光の分光、収束の両方の性能を有しており、部品点数を少なくでき、装置の構成を簡便にすることが可能である。
従来、曲面回折格子は、曲面基板にルーリングエンジン等の機械で刻印する方法で回折格子の型を作製し、刻印したパターンを樹脂、金属等に転写することで、曲面回折格子を製造していた。
曲面回折格子の作製方法として、特開２０１４－１３４５６８号公報（特許文献１）には、ホログラフィック露光法により、凹面基板上に回折格子のレジストパターンを形成して、反応性イオンビームを一の点、もしくは一の線から照射して、エッチングすることで鋸歯形状の回折格子パターンを有する凹面ブレーズ型回折格子を作製する方法が開示されている。
特開昭６１－７２２０２号公報（特許文献２）には、樹脂、金属薄膜等の柔軟な材料に回折格子パターンを形成し、それを所定の曲率に湾曲した基板に貼り付けたものを型とする。この型を硬化前の液状の曲面回折格子材料と接触させて、硬化させることで曲面回折格子を作製する。
特開平８－２９６１０号公報（特許文献３）では、柔軟性のある基板の上に反応硬化型樹脂を用いたレプリカ層（回折格子部分）を積層し、反応硬化型樹脂の硬化収縮を利用して平面回折格子を曲面化している。
特開平９－５５０９号公報（特許文献４）では、平面回折格子基板をシリコン樹脂のような可撓性材料に転写し、それを曲面基板に固定して、曲面回折格子の型を形成している。
特開２０１０－２５７２３号公報（特許文献５）では、シリコン基板を水素雰囲気下で高温加熱することで、シリコン基板を所望の形に塑性変形させ、それを多数積層することで作製したＸ線反射体を備えるＸ線反射装置が開示されている。
上記回折格子の製造方法において、曲面基板にルーリングエンジン等の機械で刻印する方法で回折格子の型を作製すると、刻印ツールの角度が一定であるため、曲面基板の中心部、端部において、鋸歯形状の回折格子パターンに浅い部分、深い部分が形成される。
特許文献１に開示されている半導体プロセスを用いた曲面回折格子の製造方法では、任意の曲面基板に対して、フォトリソグラフィによるレジストの回折格子パターンを正確に作製することが難しく、曲面上へのイオンエッチングでは、回折格子パターンの形状ばらつきが発生しやすい。特許文献２から４に記載されている曲面回折格子の型を作製する技術では、いずれも回折格子パターンを曲面上に形成する段階で柔軟性のある部材を用いているため、曲面回折格子への転写時にパターン精度が低下する。特に、特許文献４では、シリコン系樹脂のような可撓性材料に転写して、それを曲面基板に固定して、曲面回折格子の型を形成し、曲面回折格子に転写、作製しているが、可撓性材料を用いているため、パターン精度の低下、曲面回折格子の転写、剥離時の型の引張りによる型のパターン崩れがあり寿命が短い。また、特許文献５には、シリコン基板を塑性変形させる方法が記載されているが、高温、水素雰囲気下では、シリコン製の回折格子のパターンも平滑化してしまう。シリコン製平面回折格子を曲面化するには、弾性変形では、破損してしまうため、塑性変形を用いる必要があり、転位線の発生、また、曲面の固定基板への固定において、ボイド等が発生して、面精度が低下してしまう。
上記課題に鑑み、本発明は以下の特徴を有する。すなわち、本発明の曲面回折格子の型の製造方法は、平面基板上に、回折格子パターンを形成する工程と、
当該平面基板における回折格子パターンを形成した面とは反対側の面に第１の接合材料を形成する工程と、
前記第１の接合材料と共晶させる第２の接合材料を曲面基板上に成膜する工程と、
前記平面基板を、前記曲面基板および凹面基板で挟み込み、荷重を加える工程、を含む。
当該平面基板における回折格子パターンを形成した面とは反対側の面に第１の接合材料を形成する工程と、
前記第１の接合材料と共晶させる第２の接合材料を曲面基板上に成膜する工程と、
前記平面基板を、前記曲面基板および凹面基板で挟み込み、荷重を加える工程、を含む。
また、本発明の曲面回折格子は、平面基板上に、回折格子パターンを形成した平面回折格子基板を曲面状に変形させた曲面回折格子の型を金属または樹脂に転写したものである。
また、本発明の光学装置は、平面基板上に、回折格子パターンを形成した平面回折格子基板を曲面状に変形させた曲面回折格子の型を金属または樹脂に転写した曲面回折格子と、光源と、スリットと、集光素子と、検出器を備えている。
本発明によれば、平面基板上に機械刻印、半導体プロセスで回折格子パターンを作製するため、特定の角度の鋸歯形状を持った回折格子パターンの形状ばらつきを抑制して作製できる。この平面回折格子を曲面に変形させて、曲面固定基板に実装することで、曲面基板の全面において、特定の角度の鋸歯形状を持った回折格子パターンを備えた曲面回折格子を作製することができる。この特定の角度の鋸歯形状を持った回折格子パターンを備えた曲面回折格子を光学装置に搭載することで、回折効率を向上でき、かつ迷光（ノイズ）を低減することができ、かつ光学素子の部品点数が少なく、低コストの光学装置を作製することができる。
以下に、本発明に係る実施形態について図面を用いて説明する。
本発明の光学装置について、図１を用いて説明する。光学装置１は、化学物質、生体物質などにおいて、物質の化学結合に特有の波長の光を選択的に吸収して、濃度測定、物質同定に使用される。図１に示すように、光学装置１は、光源１１、スリット１２、１４、回折格子１３、集光素子１５、検出器１７を備えている。光源１１から照射された光は、スリット１２を介して、回折格子１３に照射されて、回折格子１３において分光される。分光された光は、スリット１４、集光素子１５を介して、試料１６に入射して、検出器１７で波長の吸収（減衰）を計測する。ここで、回折格子１３を回転させることで、特定の波長の光を試料１６に照射する。回折格子１３を曲面化することで、光学装置１のミラー、集光素子などの光学素子を簡略化することができ、部品点数を減らすことができる。
曲面回折格子には、球面回折格子、トロイド回折格子があり、具体的な形状について、図２、図３を用いて説明する。なお、図２、図３は、球面回折格子、およびトロイド回折格子の型について説明した図であり、この型を金属や樹脂に転写することで、光を分光、集光する凹面形状の回折格子を作製する。
本発明の球面回折格子の型について、図２を用いて説明する。球面回折格子は、一様の曲率を有する球面を有する回折格子である。曲面回折格子の型２は、回折格子パターン２１を形成した金属製曲面回折格子２６、曲面固定基板２３とから構成される。金属製曲面回折格子２６と曲面固定基板２３とは、金属共晶接合、樹脂接合等で固定される。この曲面回折格子の型２を樹脂、金属薄膜に転写することで、凹型の曲面回折格子を作製する。
トロイド回折格子は、球面回折格子と異なりｘ、ｙの軸方向で曲率の異なるトロイド面を有する回折格子である。図３に示すように、曲面回折格子の型２は、回折格子パターン２１を形成した金属製曲面回折格子２６、曲面固定基板２３とから構成される。金属製平面回折格子を曲面に変形させて、曲面固定基板２３上に実装して、金属製曲面回折格子２６とするため、軸方向で曲率の異なるトロイド面への実装が可能である。金属製曲面回折格子２６と曲面固定基板２３とは、金属共晶接合、樹脂接合等で固定される。この曲面回折格子の型２を樹脂、金属薄膜に転写することで、凹型の曲面回折格子を作製する。
次に上記曲面回折格子の製法について説明する。以下の複数の製法は、上記球面回折格子や、トロイド回折格子に代表される曲面回折格子の製造方法に用いることができる。
本発明の第１の実施形態における曲面回折格子の型２の製造方法について、図４を用いて説明する。平面の金属基板上に機械刻印により、鋸歯形状を持った回折格子パターン２１を形成して、金属製平面回折格子基板２０を形成する（図４中（ａ））。金属製平面回折格子基板２０の回折格子パターン２１を形成した面の反対面に接合材料である半田２２を蒸着、もしくは印刷により成膜する（図４中（ｂ））。半田２２と共晶させる接合材料２４を曲面固定基板２３の金属製回折格子基板２０を実装する面にスパッタ、もしくは蒸着で成膜する（図４中（ｃ））。金属製平面回折格子基板２０の回折格子パターン２１を形成した面を凹面基板２５側に、半田２２を形成した面を曲面固定基板２３側に設置する（図４中（ｄ））。真空雰囲気下で、接合材料の共晶点以上の温度、および荷重を印加して、金属製平面回折格子基板２０の回折格子パターン２１の形成面を凹面基板２５に倣わせると伴に、半田２２と曲面固定基板２４の接合材料２４とを共晶反応させて、実装する（図４中（ｅ））。荷重を印加した状態で冷却させて、半田２２と接合材料２４とを固相化させた後、凹面基板２５を除去することで、金属製曲面回折格子基板２６を半田２２と接合材料２４とを介して、曲面固定基板２３上に実装する（図４中（ｆ））。金属製曲面回折格子基板２６の外周部を除去することで、曲面回折格子の型２を形成する（図４中（ｇ））。金属製平面回折格子基板２０を凹面基板２５に倣わせて曲面に変形させることで、回折格子パターン２１を形成した面は、凹面基板２５の面精度となる。また、半田２２と接合材料２４とは共晶点以上の温度においては、液相状態であるため、金属製平面回折格子２０の厚さばらつき、曲面固定基板２３の面精度の影響を吸収することができる。
機械による刻印、もしくは半導体プロセス（フォトリソグラフィ、エッチング）により、回折格子パターンを金属の平面基板上に形成した金属製平面回折格子、または機械による刻印、もしくは半導体プロセスにより、回折格子パターンを形成した平面回折格子を金属の平面基板に転写して、金属製平面回折格子を作製する。金属の平面基板への平面回折格子の回折格子パターンの転写においては、スパッタリング、蒸着、めっきを用いる。これらの金属製平面回折格子を曲面に変形させて、曲面固定基板に実装することで、曲面回折格子の型を作製する。この曲面回折格子の型を、金属膜、樹脂に転写させて、曲面回折格子を作製する。
機械による刻印により平面基板上に回折格子パターンを作製すると、刻印ツールの角度が一定であるため、平面基板の全面において、特定の角度を持った鋸歯形状の回折格子パターンを、形状ばらつきを抑制して、形成することができる。また、半導体プロセスにより平面基板上に回折格子パターンを作製すると、曲面上へのフォトリソグラフィ、エッチングと比較して、特定の角度を持った鋸歯形状の回折格子パターンを、形状ばらつきを抑制して、形成しやすい。これらの方法で作製した平面回折格子基板を曲面に変形させて、曲面固定基板に実装するため、曲面全面において、特定の角度を持った鋸歯形状の回折格子パターンを持った曲面回折格子の型を作製することができる。
金属製平面回折格子の曲面への変形、曲面固定基板への実装においては、金属製平面回折格子を、高い面精度を有する凹面基板と凸面の曲面固定基板とで挟み込み、荷重、温度を印加して、金属製曲面回折格子を作製する。金属製平面回折格子の回折格子パターンを形成した面を凹面基板に倣わせることで、金属製平面回折格子の基板厚さばらつき、金属製曲面回折格子と曲面固定基板とを固定する接合材料の厚さばらつき、曲面固定基板の面精度等の影響なく、曲面回折格子の面精度を向上させることができる。金属製平面回折格子を凹面基板と凸面の曲面固定基板とで挟み込み、荷重を印加して、曲面に変形させたときに、回折格子パターンの変形、潰れ等が懸念されるが、凹面基板から回折格子パターンにかかる荷重は、回折格子パターンの稜線方向へと分散されるため、変形、潰れなく、曲面回折格子の型を作製できる。また、金属製平面回折格子の曲面への変形、曲面固定基板への実装においては、金属材料であるため、シリコン、石英等の結晶性材料の曲面への塑性変形で生じる転位線の発生を抑制することが可能である。また、金属材料を適用することで、曲面回折格子へのパターン転写時に型の熱変形が小さく、精度を向上できるとともに、剥離時の引張りに対しても変形なく、型から剥離できるため、型の寿命は向上する。
本発明の第２の実施形態における曲面回折格子の型３の製造方法について、図５を用いて説明する。平面基板上に機械刻印により、鋸歯形状を持った回折格子パターン３１を形成して、平面回折格子基板３０を形成する（図５中（ａ））。回折格子パターン３１を形成した面に、シード膜を形成した後、電解めっきにより、金属材料を積層する（図５中（ｂ））。平面回折格子基板３０からシード膜をエッチングで除去して、金属材料を剥離させて、金属製平面回折格子３７を形成する（図５中（ｃ））。ここで、機械刻印で作製した平面回折格子基板３０を金属材料に転写、剥離した金属製平面回折格子３７を適用することで、機械刻印で作製した平面回折格子基板３０を繰り返し使用して、金属製平面回折格子３７を作製することができる。金属製平面回折格子基板３７の回折格子パターン３１を形成した面の反対面に接合材料である半田３２を蒸着、もしくは印刷により成膜する（図５中（ｄ））。半田３２と共晶させる接合材料３４を曲面固定基板３３の金属製回折格子基板３７を実装する面にスパッタ、もしくは蒸着で成膜する（図５中（ｅ））。金属製平面回折格子基板３７の回折格子パターン３１を形成した面を凹面基板３５側に、半田３２を形成した面を曲面固定基板３３側に設置する（図５中（ｆ））。真空雰囲気下で、接合材料の共晶点以上の温度、および荷重を印加して、金属製平面回折格子基板３７の回折格子パターン３１の形成面を凹面基板３５に倣わせると伴に、半田３２と曲面固定基板３４の接合材料３４とを共晶反応させて、実装する（図５中（ｇ））。荷重を印加した状態で冷却させて、半田３２と接合材料３４とを固相化させた後、凹面基板３５を除去することで、金属製曲面回折格子基板３６を半田３２と接合材料３４とを介して、曲面固定基板３３上に実装する（図５中（ｈ））。金属製曲面回折格子基板３６の外周部を除去することで、曲面回折格子の型３を形成する（図５中（ｉ））。金属製平面回折格子基板３７を凹面基板３５に倣わせて曲面に変形させることで、回折格子パターン３１を形成した面は、凹面基板３５の面精度となる。また、半田３２と接合材料３４とは共晶点以上の温度においては、液相状態であるため、金属製平面回折格子３７の厚さばらつき、曲面固定基板３３の面精度の影響を吸収することができる。
本発明の第３の実施形態における曲面回折格子の型４の製造方法について、図６を用いて説明する。平面の金属基板上に半導体プロセス（フォトリソグラフィ、エッチング）により、鋸歯形状を持った回折格子パターン４１を形成して、金属製平面回折格子基板４０を形成する（図６中（ａ））。ここで、半導体プロセス（フォトリソグラフィ、エッチング）を適用することで、機械刻印による金属製平面回折格子４０の作製と比較して、短時間での作製が可能である。金属製平面回折格子基板４０の回折格子パターン４１を形成した面の反対面に接合材料である半田４２を蒸着、もしくは印刷により成膜する（図６中（ｂ））。半田４２と共晶させる接合材料４４を曲面固定基板４３の金属製回折格子基板４０を実装する面にスパッタ、もしくは蒸着で成膜する（図６中（ｃ））。金属製平面回折格子基板４０の回折格子パターン４１を形成した面を凹面基板４５側に、半田４２を形成した面を曲面固定基板４３側に設置する（図６中（ｄ））。真空雰囲気下で、接合材料の共晶点以上の温度、および荷重を印加して、金属製平面回折格子基板４０の回折格子パターン４１の形成面を凹面基板４５に倣わせると伴に、半田４２と曲面固定基板４３の接合材料４４とを共晶反応させて、実装する（図６中（ｅ））。荷重を印加した状態で冷却させて、半田４２と接合材料４４とを固相化させた後、凹面基板４５を除去することで、金属製曲面回折格子基板４６を半田４２と接合材料４４とを介して、曲面固定基板４３上に実装する（図６中（ｆ））。金属製曲面回折格子基板４６の外周部を除去することで、曲面回折格子の型４を形成する（図６中（ｇ））。金属製平面回折格子基板４０を凹面基板４５に倣わせて曲面に変形させることで、回折格子パターン２１を形成した面は、凹面基板４５の面精度となる。また、半田４２と接合材料４４とは共晶点以上の温度においては、液相状態であるため、金属製平面回折格子４０の厚さばらつき、曲面固定基板４３の面精度の影響を吸収することができる。
本発明の第４の実施形態における曲面回折格子の型５の製造方法について、図７を用いて説明する。平面基板上にフォトリソグラフィにより、レジスト（樹脂）で鋸歯形状を持った回折格子パターン５８を形成して、平面回折格子基板５０を形成する（図７中（ａ））。回折格子パターン５８を形成した面に、シード膜を形成した後、電解めっきにより、金属材料を積層する（図７中（ｂ））。平面回折格子基板５０から金属材料を剥離させることで、鋸歯形状の回折格子パターン５１を有する金属製平面回折格子５７を形成する（図７中（ｃ））。ここで、フォトリソグラフィでの平面回折格子基板５０の作製は、機械刻印と比較して、短時間で作製でき、かつ平面回折格子５０から金属製平面回折格子５７を剥離する際に、レジスト（樹脂）を溶解させることで、容易に剥離させることができる。金属製平面回折格子基板５７の回折格子パターン５１を形成した面の反対面に接合材料である半田５２を蒸着、もしくは印刷により成膜する（図７中（ｄ））。半田５２と共晶させる接合材料５４を曲面固定基板５３の金属製回折格子基板５０を実装する面にスパッタ、もしくは蒸着で成膜する（図７中（ｅ））。金属製平面回折格子基板５７の回折格子パターン５１を形成した面を凹面基板５５側に、半田５２を形成した面を曲面固定基板５３側に設置する（図７中（ｆ））。真空雰囲気下で、接合材料の共晶点以上の温度、および荷重を印加して、金属製平面回折格子基板５７の回折格子パターン５１の形成面を凹面基板５５に倣わせると伴に、半田５２と曲面固定基板５３の接合材料５４とを共晶反応させて、実装する（図７中（ｇ））。荷重を印加した状態で冷却させて、半田５２と接合材料５４とを固相化させた後、凹面基板２５を除去することで、金属製曲面回折格子基板５６を半田５２と接合材料５４とを介して、曲面固定基板５３上に実装する（図７中（ｈ））。金属製曲面回折格子基板５６の外周部を除去することで、曲面回折格子の型５を形成する（図７中（ｉ））。金属製平面回折格子基板５７を凹面基板５５に倣わせて曲面に変形させることで、回折格子パターン５１を形成した面は、凹面基板５５の面精度となる。また、半田５２と接合材料５４とは共晶点においては、液相状態であるため、金属製平面回折格子５７の厚さばらつき、曲面固定基板２３の面精度の影響を吸収することができる。
実施例１～４記載の曲面回折格子の型を用いて、曲面回折格子６を製造する方法について、実施例１記載の曲面回折格子の型２を例に、図８を用いて説明する。なお、実施例２～４記載の曲面回折格子の型３、４、５についても同様の製造方法で曲面回折格子６を作製する。
鋸歯形状の回折格子パターン２１を有する金属製曲面回折格子基板２６を曲面固定基板２３に半田２２、接合材料２４を介して、実装した曲面回折格子の型２（図８中（ａ））の回折格子パターン２１側の表面に、剥離層、反射膜６１を形成する（図８中（ｂ））。反射膜６１上に液状の硬化樹脂６２、固定基板６３を設置する（図８中（ｃ））。樹脂が硬化した後、曲面回折格子の型２から、反射面６１、樹脂６２、固定基板６３を外すことで、曲面回折格子６を製造する（図８中（ｄ））。なお、樹脂の代わりに柔軟性を有する金属膜を用いてもよい。また、曲面回折格子の型２を用いて、ナノインプリント等の技術により、樹脂６２に回折格子パターン２１を転写した後、その表面に反射膜６１を成膜しても良い。
この曲面回折格子６を、光学装置１に搭載することにより、光源１１から照射された光を、曲面回折格子６（１３）での分光性能（回折効率）を向上でき、かつ迷光（ノイズ）を低減できるため、波長成分が一定値に近い分光光を試料１６に照射できる光学装置１を実現できる。これにより、試料１６の吸収スペクトルを、厳密に測定することが可能となる。
１ 光学装置
１１ 光源
１２、１４ スリット
１３ 曲面回折格子
１５ 集光レンズ
１６ 試料
１７ 検出器
２、３、４、５ 曲面回折格子の型
２０、４０ 金属製平面回折格子基板
３０、５０ 平面回折格子基板
２１、３１、４１、５１ 回折格子パターン
２２、３２、４２、５２ 半田
２３、３３、４３、５３ 曲面固定基板
２４、３４、４４、５４ 接合材料
２５、３５、４５、５５ 凹面基板
２６、３６、４６、５６ 金属製曲面回折格子基板
３７、５７ 金属製平面回折格子基板
６ 曲面回折格子
６１ 反射膜
６２ 樹脂
６３ 固定基板
１１ 光源
１２、１４ スリット
１３ 曲面回折格子
１５ 集光レンズ
１６ 試料
１７ 検出器
２、３、４、５ 曲面回折格子の型
２０、４０ 金属製平面回折格子基板
３０、５０ 平面回折格子基板
２１、３１、４１、５１ 回折格子パターン
２２、３２、４２、５２ 半田
２３、３３、４３、５３ 曲面固定基板
２４、３４、４４、５４ 接合材料
２５、３５、４５、５５ 凹面基板
２６、３６、４６、５６ 金属製曲面回折格子基板
３７、５７ 金属製平面回折格子基板
６ 曲面回折格子
６１ 反射膜
６２ 樹脂
６３ 固定基板
Claims (15)
- 平面基板上に、回折格子パターンを形成する工程と、
当該平面基板における回折格子パターンを形成した面とは反対側の面に第１の接合材料を形成する工程と、
前記第１の接合材料と共晶させる第２の接合材料を曲面基板上に成膜する工程と、
前記平面基板を、前記曲面基板および凹面基板で挟み込み、荷重を加える工程、を含むことを特徴とする、曲面回折格子の型の製造方法。 - 請求項１において、
前記平面基板上に回折格子パターンを形成する工程を機械加工により行うことを特徴とする、曲面回折格子の型の製造方法。 - 請求項１において、
前記平面基板上に回折格子パターンを形成する工程をフォトリソグラフィおよびエッチングにより行うことを特徴とする、曲面回折格子の型の製造方法。 - 請求項１において、
前記回折格子パターンが鋸歯形状であることを特徴とする曲面回折格子の型の製造方法。 - 請求項１において、
前記平面基板は、金属であることを特徴とする、曲面回折格子の型の製造方法。 - 請求項１において、回折格子パターンが形成された平面基板は、
別の平面基板上に回折格子パターンを形成し、前記別の平面基板の回折格子パターンを形成した面に基板材料を積層し、前記基板材料を剥離して、前記基板材料に回折格子パターンを転写することにより製造することを特徴とする曲面回折格子の型の製造方法。 - 請求項６において、
別の平面基板上に回折格子パターンを形成する工程を機械加工により行うことを特徴とする、曲面回折格子の型の製造方法。 - 請求項６において、
別の平面基板上に回折格子パターンを形成する工程をフォトリソグラフィおよびエッチングにより行うことを特徴とする、曲面回折格子の型の製造方法。 - 請求項６において、
前記回折格子パターンが鋸歯形状であることを特徴とする曲面回折格子の型の製造方法。 - 請求項６において、
前記基板材料が金属であることを特徴とする曲面回折格子の型の製造方法。 - 請求項１～１０のいずれかの方法により製造した曲面回折格子の型を用いた曲面回折格子の製造方法であって、
曲面回折格子の型の回折格子パターン側の表面に、剥離層および反射膜を形成する工程と、
前記反射膜上に硬化樹脂を介して固定基板を設ける工程を含む曲面回折格子の製造方法。 - 請求項１～１０のいずれかの方法により製造した曲面回折格子の型を用いた曲面回折格子の製造方法であって、
曲面回折格子の型の回折格子パターン側の表面に、剥離層および反射膜を形成する工程と、
前記反射膜上に金属膜を介して固定基板を設ける工程を含む曲面回折格子の製造方法。 - 請求項１～１０のいずれかの方法により製造した曲面回折格子の型を用いた曲面回折格子の製造方法であって、
曲面回折格子の型を用いて、樹脂へ前記回折格子パターンを転写する工程と、
樹脂の表面に反射膜を成膜する工程を含むことを特徴とする曲面回折格子の製造方法。 - 平面基板上に、回折格子パターンを形成した平面回折格子基板を曲面状に変形させた曲面回折格子の型を金属または樹脂に転写したことを特徴とする曲面回折格子。
- 平面基板上に、回折格子パターンを形成した平面回折格子基板を曲面状に変形させた曲面回折格子の型を金属または樹脂に転写した曲面回折格子と、光源と、スリットと、集光素子と、検出器を備えたことを特徴とする光学装置。
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