WO2020053950A1

WO2020053950A1 - ブレーズド回折格子

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Publication number: WO2020053950A1
Application number: PCT/JP2018/033584
Authority: WO
Inventors: 弘晃西原
Original assignee: 株式会社島津製作所
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2020-03-19
Also published as: JP7078914B2; JPWO2020053950A1

Abstract

ブレーズド回折格子（１）は、主表面（１０Ｓ）を有する基板（１０）と、格子溝（２０Ａ）を有する樹脂層（２０）と、ブレーズ面（３１）および段差面（３２）を有する金属膜（３０）とを備える。主表面（１０Ｓ）と直交する方向における金属膜（３０）の高さは、格子溝（２０Ａ）上において一定である。ブレーズ面（３１）は、ブレーズ方向とブレーズ面（３１）との間に鋭角のブレーズ角（θＢ）を形成する。段差面（３２）は、ブレーズ方向と段差面（３２）との間にブレーズ角（θＢ）よりも大きくかつ９０°以下の角度を有する段差角（θ）を形成する。主表面（１０Ｓ）と直交する方向における金属膜（３０）の高さをｔ（ｎｍ）とし、段差角をθ（°）とすると、ｔ≧２７０／ｃｏｓθの関係を満たす。

Description

ブレーズド回折格子

　この発明は、ブレーズド回折格子およびその製造方法に関する。

　たとえば、特開２００９－９２６８７号公報（以下、「特許文献１」という。）には、マスター回折格子を利用してレプリカ回折格子（ブレーズド回折格子）を製造する方法が記載されている。具体的に、この製造方法では、マスター回折格子の格子溝の表面に金属膜を形成し、その金属膜とレプリカ基板とを接着剤（熱硬化性エポキシ樹脂）を介して密着させた後、レプリカ基板をマスター回折格子から剥離させ、金属膜をレプリカ基板に反転接着させることにより、格子面が形成されてなるレプリカ回折格子が製造される。この製造方法で製造された回折格子の金属膜の高さは、格子溝の深さよりも大きい。

特開２００９－９２６８７号公報

　特許文献１に開示されるように、金属膜と基板との間に、熱硬化性エポキシ樹脂などの接着剤からなる樹脂層を備えたブレーズド回折格子が知られている。このようなブレーズド回折格子が、高温かつ高湿の環境下に置かれると、水分が金属膜を透過して樹脂層に至り、樹脂層が部分的に膨潤する場合がある。この場合、樹脂層を被覆している金属膜の表面に凹凸が生じてしまい、所望の回折性能が得られないおそれがある。

　本発明の目的は、高温かつ高湿の環境下における耐性に優れるブレーズド回折格子を提供することである。

　この発明に従ったブレーズド回折格子は、主表面を有する基板と、主表面上に設けられており、断面が鋸歯状に形成された格子溝を有する樹脂層と、格子溝の表面に沿うように設けられており、ブレーズ面と、格子溝のブレーズ方向の反対側の表面である段差面とを有する金属膜とを備える。主表面と直交する方向における金属膜の高さは、格子溝上において一定である。ブレーズ面は、ブレーズ方向とブレーズ面との間に鋭角のブレーズ角を形成する。段差面は、ブレーズ方向と段差面との間にブレーズ角よりも大きく、かつ、９０°以下の角度を有する段差角を形成する。主表面と直交する方向における金属膜の高さをｔ（ｎｍ）とし、段差角をθ（°）とすると、ｔ≧２７０／ｃｏｓθの関係を満たす。

　本ブレーズド回折格子では、段差角がブレーズ角よりも大きくかつ９０°以下であるため、格子溝のうち段差面と平行な面と段差面との間における金属膜の厚さ（段差面と直交する方向における金属膜の厚さ）は、格子溝のうちブレーズ面と平行な面とブレーズ面との間における金属膜の厚さ（ブレーズ面と直交する方向における金属膜の厚さ）よりも小さくなる。ただし、ｔ≧２７０／ｃｏｓθの関係を満たすことによって、その小さい方の厚さが２７０ｎｍ以上確保される。このため、このブレーズド回折格子が高温かつ高湿の環境下に置かれた場合であっても、水分の樹脂層への進入を抑制することができる。よって、本ブレーズド回折格子は、高温かつ高湿の環境下における耐性に優れる。

　なお、本発明における「前記主表面と直交する方向における前記金属膜の高さは、前記格子溝上において一定であり」という構成は、金属膜の高さが、金属膜の成膜方法に由来する程度において一定であることを意味しており、数値的に厳密な精度を求めた一定を意味するものではない。

　また好ましくは、ｔ≧６８２／ｃｏｓθの関係をさらに満たす。
　このようにすれば、高温かつ高湿の環境下における耐性がより高まる。

　また好ましくは、金属膜は、アルミニウムからなる。
　このようにすれば、有効に反射型のブレーズド回折格子が得られる。

　この発明に従ったブレーズド回折格子の製造方法は、反転格子溝を有するマスター回折格子を準備する工程を備える。反転格子溝は、ブレーズ面を形成するための第１傾斜部と、第２傾斜部とを有する。第１傾斜部と第２傾斜部とは、一方向に沿って交互に並ぶ断面鋸歯状となる形状を有する。第１傾斜部は、一方向と第１傾斜部との間にブレーズ角と等しい角度を有する第１傾斜角を形成する。第２傾斜部は、一方向と第２傾斜部との間に、第１傾斜角よりも大きく、かつ、９０°以下の角度を有する第２傾斜角を形成する。ブレーズド回折格子の製造方法は、さらに、反転格子溝の表面に沿い、かつ、一方向と直交する方向における高さが一定となるように、マスター回折格子上に製膜法によって金属膜を設ける工程と、金属膜上に接着性を有する樹脂を配置する工程と、樹脂上に基板を配置することにより、樹脂からなる樹脂層を介して、金属膜に基板を接着する工程と、マスター回折格子から、基板、樹脂層および金属膜を備えるブレーズド回折格子を取り外す工程とを備える。金属膜を設ける工程は、一方向と直交する方向における金属膜の高さをｔ（ｎｍ）とし、第２傾斜角をθ（°）とする場合に、ｔ≧２７０／ｃｏｓθの関係を満たすように、金属膜をマスター回折格子上に設ける工程を含む。

　この製造方法では、高温かつ高湿の環境下における耐性に優れるブレーズド回折格子を製造することができる。

　以上に説明したように、この発明によれば、高温かつ高湿の環境下における耐性に優れるブレーズド回折格子を提供することができる。

本発明の一実施形態のブレーズド回折格子の断面を概略的に示す図である。図１中の２点鎖線ＩＩで囲まれた範囲の拡大図である。ブレーズド回折格子の製造工程を概略的に示す断面図である。ブレーズド回折格子の製造工程を概略的に示す断面図である。ブレーズド回折格子の製造工程を概略的に示す断面図である。ブレーズド回折格子の製造工程を概略的に示す断面図である。実施例および比較例の構成と試験結果とを示す表である。実施例１のブレーズド回折格子の試験後の外観を示す写真である。図８に示すブレーズド回折格子の顕微鏡画像である。図８に示すブレーズド回折格子の表面状態を示す図である。実施例２のブレーズド回折格子の試験後の顕微鏡画像である。図１１に示すブレーズド回折格子の表面状態を示す図である。実施例２のブレーズド回折格子における試験時間と相対回折効率との関係を示すグラフである。比較例のブレーズド回折格子の試験後の外観を示す写真である。図１４に示すブレーズド回折格子の顕微鏡画像である。図１４に示すブレーズド回折格子の表面状態を示す図である。比較例のブレーズド回折格子における試験時間と相対回折効率との関係を示すグラフである。比較例のブレーズド回折格子における波長と回折効率との関係を示すグラフである。

　この発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

　図１は、本発明の一実施形態のブレーズド回折格子の断面を概略的に示す図である。図１に示されるように、ブレーズド回折格子１は、基板１０と、樹脂層２０と、金属膜３０とを有する。

　基板１０は、たとえばガラスからなる。基板１０は、平坦に形成された主表面１０Ｓを有する。

　樹脂層２０は、基板１０上に設けられている。樹脂層２０は、基板１０の主表面１０Ｓに積層されている。樹脂層２０は、エポキシ樹脂などの接着性を有する樹脂からなる。樹脂層２０は、断面（基板１０の主表面１０Ｓに直交する断面）が鋸歯状に形成された格子溝２０Ａを有する。格子溝２０Ａは、上記の断面と直交する方向（図１の紙面奥行き方向）に沿って直線状に延びる形状を有する。格子溝２０Ａは、当該格子溝２０Ａの延びる方向と直交しかつ基板１０の主表面１０Ｓと平行な方向の一方向き（図１の左向き）にブレーズ方向を規定している。格子溝２０Ａは、第１斜面２１と、第２斜面２２とを有する。樹脂層２０の高さは、数十μｍ程度に設定される。

　第１斜面２１は、平坦に形成されている。第１斜面２１は、格子溝２０Ａのブレーズ方向と当該第１斜面２１との間に、鋭角のブレーズ角θＢを形成している。

　第２斜面２２は、平坦に形成されている。第２斜面２２は、ブレーズ方向と当該第２斜面２２との間に、ブレーズ角θＢよりも大きくかつ９０°以下の角度を有する段差角θを形成している。上記の断面における第２斜面２２の長さは、同断面における第１斜面２１の長さよりも小さい。

　金属膜３０は、格子溝２０Ａの表面に沿うように設けられている。金属膜３０は、たとえばアルミニウムからなる。金属膜３０は、格子溝２０Ａの表面に、蒸着やスパッタリングなどの製膜法により形成される。金属膜３０は、ブレーズ面３１と、段差面３２とを有する。

　ブレーズ面３１は、第１斜面２１と平行に形成されている。すなわち、ブレーズ面３１は、ブレーズ方向と当該ブレーズ面３１との間に鋭角のブレーズ角θＢを形成している。

　段差面３２は、格子溝２０Ａのうちブレーズ方向と反対側（図１の右側）の表面である。段差面３２は、第２斜面２２と平行に形成されている。すなわち、段差面３２は、ブレーズ方向と当該段差面３２との間にブレーズ角θＢよりも大きくかつ９０°以下の角度を有する段差角θを形成している。上記の断面における段差面３２の長さは、同断面におけるブレーズ面３１の長さよりも小さい。

　図２は、図１中の２点鎖線ＩＩで囲まれた範囲の拡大図である。図２に示されるように、基板１０の主表面１０Ｓと直交する方向（図２の上下方向）における金属膜３０の高さｔは、格子溝２０Ａ上において一定である。なお、「一定」とは、金属膜３０の高さｔが、金属膜３０の成膜方法に由来する程度において一定であることを意味しており、数値的に厳密な精度を求めた一定を意味するものではない。

　図２に示されるように、ブレーズ面３１および段差面３２により形成される溝部の下端部３０ｂは、基板１０の主表面１０Ｓと直交する方向について、第１斜面２１および第２斜面２２により形成される格子溝２０Ａの上端部２０ｔよりも基板１０から遠い側に位置している。つまり、金属膜３０の高さｔは、格子溝２０Ａの深さｄよりも大きく設定されている。

　ここで、θＢ＜θ≦９０°であるため、第２斜面２２と段差面３２との間における、第２斜面２２と直交する方向における金属膜３０の厚さｘ２は、第１斜面２１とブレーズ面３１との間における、第１斜面２１と直交する方向における金属膜３０の厚さｘ１よりも小さくなる。このことは、溝本数（１ｍｍあたりに形成される溝の数）が大きくなるほど顕著になる。具体的に、溝本数が大きくなるほど、段差角θが大きくなるため、金属膜３０の高さｔとｃｏｓθとの積によって表される厚さｘ２は、溝本数が大きくなるにしたがって次第に小さくなる。

　このため、金属膜３０の高さｔを大きくしたとしても、金属膜３０の厚さｘ２が小さい場合、金属膜３０のうち第２斜面２２と段差面３２との間の部位を水分が透過する恐れがある。

　本実施形態では、高さｔは、以下の式（１）を満たすように設定される。
　ｔ≧２７０（ｎｍ）／ｃｏｓθ　・・・（１）
　段差角θが９０°以下であるため、金属膜３０の厚さｘ２は、２７０ｎｍ以上確保される。

　より好ましくは、高さｔは、以下の式（２）を満たすように設定される。
　ｔ≧６８２（ｎｍ）／ｃｏｓθ　・・・（２）
　さらに、高さｔは、以下の式（３）を満たすように設定される。

　ｔ≦２０００（ｎｍ）／ｃｏｓθ　・・・（３）
　次に、ブレーズド回折格子１の製造方法について、図３～図６を参照しながら説明する。図３～図６は、ブレーズド回折格子の製造工程を概略的に示す断面図である。

　この製造方法は、準備工程と、離型膜形成工程と、金属膜形成工程と、樹脂供給工程と、基板接着工程と、取り外し工程とを有する。図３は、離型膜形成工程後の状態を示している。図４は、金属膜形成工程後の状態を示している。図５は、基板接着工程後の状態を示している。図６は、取り外し工程を示している。

　準備工程では、マスター回折格子４０を準備する。マスター回折格子４０は、石英ガラスなどからなる。マスター回折格子４０は、断面が鋸歯状に形成された反転格子溝４０Ａを有する。反転格子溝４０Ａは、格子溝２０Ａを反転させた形状を有する。反転格子溝４０Ａは、金属膜３０のブレーズ面３１を形成するための第１傾斜部４１と、金属膜３０の段差面３２を形成するための第２傾斜部４２とを有する。第１傾斜部４１は、ブレーズ面３１と対応する形状を有する。第２傾斜部４２は、段差面３２に対応する形状を有する。第１傾斜部４１と第２傾斜部４２とは、一方向（ブレーズ方向と平行な方向）に沿って交互に並ぶ形状を有する。

　離型膜形成工程では、マスター回折格子４０の反転格子溝４０Ａ上に、油などの離型剤を供給することにより、離型膜５０を形成する。離型膜５０は、反転格子溝４０Ａの表面に沿う形状を有する。

　金属膜形成工程は、離型膜５０の表面（反転格子溝４０Ａの表面）に沿うように離型膜５０上に金属膜３０を設ける工程である。この金属膜形成工程では、離型膜５０上に、蒸着やスパッタリングなどの製膜法によって、金属膜３０を形成する。具体的に、金属膜形成工程では、金属膜３０の高さｔが一定となり、かつ、上記式（１）を満たすように、製膜法によって金属膜３０を離型膜５０上に設ける。このとき、金属膜３０の高さｔは、上記式（１）および上記式（３）を満たす値に設定されることが好ましく、上記式（２）および上記式（３）を満たす値に設定されることがより好ましい。

　樹脂供給工程では、金属膜３０上に、接着性を有する樹脂（たとえばエポキシ樹脂）を配置（供給）する。樹脂供給工程では、金属膜３０上に、ほぼ均一に樹脂を配置する。

　基板接着工程では、樹脂上に基板１０を配置（載置）することにより、金属膜３０と基板１０との間に樹脂からなる樹脂層２０を形成するとともに、その樹脂層２０を介して金属膜３０に基板１０を接着する。具体的に、基板接着工程では、樹脂供給工程で配置された樹脂が硬化する前に、その樹脂に基板１０の主表面１０Ｓが接するように樹脂上に基板１０を配置する。そして、その樹脂が硬化することによって樹脂層２０が形成され、その樹脂層２０を介して基板１０が金属膜３０に接着される。

　取り外し工程では、マスター回折格子４０から、基板１０と樹脂層２０と金属膜３０とを備えるブレーズド回折格子１を取り外す。

　以上の工程を経ることにより、図６に示されるように、第１傾斜部４１に対応する形状を有するブレーズ面３１と、第２傾斜部４２に対応する形状を有する段差面３２とを有する、ブレーズド回折格子１が製造される。

　このようにして製造されたブレーズド回折格子１では、金属膜３０の厚さｘ２は、厚さｘ１よりも小さくなるものの、その小さい方の厚さｘ２が２７０ｎｍ以上確保される。このため、このブレーズド回折格子１が高温かつ高湿の環境下に置かれた場合であっても、水分の樹脂層２０への進入を抑制することができる。よって、ブレーズド回折格子１は、高温かつ高湿の環境下における耐性に優れる。

　また、金属膜３０の高さｔが上記式（２）を満たすことにより、ブレーズド回折格子１の高温かつ高湿の環境下における耐性がより高まる。

　次に、実施例および比較例について説明する。いずれの実施例および比較例においても、ガラスからなる基板１０と、エポキシ樹脂からなる樹脂層２０と、アルミニウムからなる金属膜３０とを有するブレーズド回折格子１を用いた。図７は、実施例および比較例の構成と試験結果とを示す表である。実施例および比較例の構成は、図７に示されるとおりである。

　（実施例１）
　図７の実施例１に示されるブレーズド回折格子１を、温度６０℃、湿度８５％の環境（高温かつ高湿の環境）下に１０００時間置いた。図８は、実施例１のブレーズド回折格子の試験後の外観を示す写真である。図９は、図８に示すブレーズド回折格子の顕微鏡画像である。図１０は、図８に示すブレーズド回折格子の表面状態を示す図である。図１０において、縦軸は、ブレーズド回折格子１の表面の高さを示し、横軸は、基板１０の主表面１０Ｓと平行な方向についてのブレーズド回折格子１の表面の位置を示す。図８～図１０に示されるように、試験後、ブレーズド回折格子１の表面の劣化（凹凸の発生）は見られなかった。

　（実施例２）
　図７の実施例２に示されるブレーズド回折格子１を、温度６０℃、湿度８５％の環境（高温かつ高湿の環境）下に１０００時間置いた。図１１は、実施例２のブレーズド回折格子の試験後の顕微鏡画像である。図１２は、図１１に示すブレーズド回折格子の表面状態を示す図である。図１１および図１２に示されるように、試験後、ブレーズド回折格子１の表面の劣化（凹凸の発生）は見られなかった。

　図１３は、実施例２のブレーズド回折格子における試験時間と相対回折効率との関係を示すグラフである。なお、グラフの縦軸は、試験開始時（試験時間が０ｈのとき）の相対回折効率に対する相対回折効率の変化量を意味する。図１３には、実施例２の結果に加え、リファレンス（実施例２のブレーズド回折格子１を常温、常湿の環境下に置いた場合の結果）も示されている。図１３から、実施例２の相対回転効率の変化の挙動は、リファレンスの相対回転効率の変化の挙動とほぼ同じであることが分かった。すなわち、実施例２のブレーズド回折格子１を高温かつ高湿の環境下に置いたとしても、当該ブレーズド回折格子１を常温、常湿の環境下に置いた場合に比べて、表面の劣化がほぼ見られないという結果が得られた。なお、リファレンスにおいて、５００ｈにおける相対回折効率が０％よりも大きいのは、測定誤差と考えられる。

　（比較例）
　図７の比較例に示されるブレーズド回折格子を、温度６０℃、湿度８５％の環境（高温かつ高湿の環境）下に８６９時間置いた。図１４は、比較例のブレーズド回折格子の試験後の外観を示す写真である。図１５は、図１４に示すブレーズド回折格子の顕微鏡画像である。図１６は、図１４に示すブレーズド回折格子の表面状態を示す図である。図１４～図１６に示されるように、試験後、比較例のブレーズド回折格子１の表面に凹部Ｃの発生（表面の劣化）が確認された。

　図１７は、比較例のブレーズド回折格子における試験時間と相対回折効率との関係を示すグラフである。図１７から、リファレンス（比較例のブレーズド回折格子を常温、常湿の環境下に置いた場合の結果）の相対回転効率と比較例の相対回転効率との差は、時間の経過とともに次第に大きくなることが分かった。すなわち、比較例のブレーズド回折格子を高温かつ高湿の環境下に置いた場合、当該ブレーズド回折格子を常温、常湿の環境下に置いた場合に比べて、時間の経過とともに表面の劣化が進行するという結果が得られた。

　以上より、温度６０℃、湿度８５％、１０００時間の環境耐性を持つためには、金属膜３０の厚さｘ２が、実施例１と同等の２７０ｎｍ以上が必要であることが分かった。たとえば、溝本数が１８００（本／ｍｍ）の場合で厚さｘ２を２７０ｎｍ以上確保するには、金属膜３０の高さｔを４００ｎｍ以上にすればよい。

　ここで、樹脂層２０への水分の進入を抑制するために、金属膜３０の表面に、ＳｉＯ_２などの耐湿性を有する材料からなる被膜を設けることが考えられる。図１８は、比較例のブレーズド回折格子における波長と相対回折効率との関係を示すグラフである。このグラフには、表面が、アルミニウムからなる金属膜３０で構成される場合の結果と、表面が、アルミニウムからなる金属膜３０の表面に設けられたＳｉＯ_２からなる５０ｎｍの被膜で構成される場合の結果とが示されている。図１８に示されるように、比較例のブレーズド回折格子１では、アノマリーが５００ｎｍ付近に存在するため、アルミニウムからなる金属膜３０の表面に、耐湿性を有する材料からなる被膜が設けられると、著しく相対回折効率が低下することが確認された。このため、比較例のブレーズド回折格子１に耐湿性を有する材料からなる被膜を設けることは、回折効率を踏まえると、樹脂層２０への水分の進入を抑制するための手段として、好適なものとはいえない。換言すれば、実施例１および実施例２のように、金属膜３０の厚さｘ２を２７０ｎｍ以上確保することにより、樹脂層２０への水分の進入を抑制することと、回折効率の低下を回避することとの双方を達成することができる。

　なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく請求の範囲によって示され、さらに請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

　この発明は、ブレーズド回折格子に適用される。

　１　ブレーズド回折格子、１０　基板、１０Ｓ　主表面、２０　樹脂層、２０Ａ　格子溝、２１　第１斜面、２２　第２斜面、３０　金属膜、３１　ブレーズ面、３２　段差面、４０　マスター回折格子、４０Ａ　反転格子溝、４１　第１傾斜部、４２　第２傾斜部、θ　段差角、θＢ　ブレーズ角。

Claims

　主表面を有する基板と、
　前記主表面上に設けられており、断面が鋸歯状に形成された格子溝を有する樹脂層と、
　前記格子溝の表面に沿うように設けられており、ブレーズ面と、前記格子溝のブレーズ方向の反対側の表面である段差面とを有する金属膜とを備え、
　前記主表面と直交する方向における前記金属膜の高さは、前記格子溝上において一定であり、
　前記ブレーズ面は、前記ブレーズ方向と前記ブレーズ面との間に鋭角のブレーズ角を形成し、
　前記段差面は、前記ブレーズ方向と前記段差面との間に前記ブレーズ角よりも大きく、かつ、９０°以下の角度を有する段差角を形成し、
　前記主表面と直交する方向における前記金属膜の高さをｔ（ｎｍ）とし、前記段差角をθ（°）とすると、ｔ≧２７０／ｃｏｓθの関係を満たす、ブレーズド回折格子。
　ｔ≧６８２／ｃｏｓθの関係をさらに満たす、請求項１に記載のブレーズド回折格子。
　前記金属膜は、アルミニウムからなる、請求項１または２に記載のブレーズド回折格子。