JP4576961B2 - レプリカ回折格子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、分光光度計等の各種光学機器に使用されるレプリカ回折格子に関する。

従来より、回折格子を量産する際に、マスター回折格子からレプリカ回折格子を製作する手法が広く採用されている。特許文献１などの記載に基づき、その手法を概略的に説明する。

まず、ガラス基板の一面にアルミニウムなどの金属の薄膜を蒸着し、該薄膜に格子溝を形成することによりマスター回折格子を製作する。このマスター回折格子を母型として、その格子面に離型剤として薄く油膜を形成し、その上に真空蒸着により金属薄膜を形成する。その後、この金属薄膜上に接着剤を介してレプリカ基板を接着し、接着剤が硬化したならばレプリカ基板を母型より剥離させる。これにより、格子溝が形成された金属薄膜が裏返し状態でレプリカ基板側に移り、レプリカ回折格子が完成する。

こうした回折格子は主として分光器に利用されるが、回折格子の格子面の面粗さは迷光の原因となる。そのため、この面粗さはできるだけ小さいことが望ましい。従来、レプリカ基板としてはガラス（ソーダガラス）、石英ガラスなどが使用されており、接着剤の付着性を良好にする目的で接着面積を広げるために、接着剤の塗布面が微小凹凸状のスリ面となったものが利用されている。しかしながら、こうしたレプリカ基板に接着剤を介して金属薄膜を貼り付けた場合、接着剤は熱硬化等の硬化に伴って収縮するため、スリ面の面粗さの影響がレプリカ表面、つまりレプリカ回折格子の格子面にも現れてしまう。

分光器において回折格子の格子面の面粗さが大きいと入射光に対する散乱が増え、正規の回折光と同じ方向に散乱光が反射して迷光となる。例えば分光器のスペクトルモードで試料を分析する場合、回折格子で波長分離させた単色光を試料に入射してその吸収度合を計測するが、入射光にその単色光以外の波長の光、つまり迷光が混じるとそれがノイズとなり、分析感度や分析精度を低下させる大きな要因となる。こうした迷光は、取り扱う光の波長が比較的長い場合、具体的には赤外光や可視光であるときにはあまり問題とならないが、特に、取り扱う波長を短波長化する場合、例えば軟Ｘ線等の分光を行う際には大きな問題となる。

特開平７−２６１０１０号公報

本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、格子面の面粗さを抑えて迷光の発生を軽減することができるレプリカ回折格子を提供することにある。

上記課題を解決するために成された第１発明は、マスター回折格子の格子面に金属薄膜を形成し、該金属薄膜とレプリカ基板とを接着剤を介して密着させた後に該レプリカ基板をマスター回折格子から剥離させ、前記金属薄膜を前記レプリカ基板に反転接着させることで格子面を形成するレプリカ回折格子の製造方法において、
前記レプリカ基板の前記接着剤を介して前記金属薄膜と接着される面を面粗さが１ｎｍＲｍｓ以下の光沢面となるよう予め研磨すると共に、前記接着剤にカップリング剤を混入することを特徴としている。

また、上記課題を解決するために成された第２発明は、マスター回折格子の格子面に金属薄膜を形成し、該金属薄膜とレプリカ基板とを接着剤を介して密着させた後に該レプリカ基板をマスター回折格子から剥離させ、前記金属薄膜を前記レプリカ基板に反転接着させることで格子面を形成するレプリカ回折格子の製造方法において、
前記レプリカ基板の前記接着剤を介して前記金属薄膜と接着される面を面粗さが１ｎｍＲｍｓ以下の光沢面となるよう予め研磨すると共に、該接着面にカップリング剤を塗布することを特徴としている。

なお、本発明に係るレプリカ回折格子の製造方法は、平面回折格子、凹面回折格子のいずれに適用してもよい。

第１発明に係るレプリカ回折格子の製造方法では、レプリカ基板にあって接着剤を介して金属薄膜が反転接着される面、つまり格子溝の下地となる面が光沢面であって面粗さが小さいので、接着剤が硬化した後でも接着剤の硬化収縮の影響を抑制することができ、格子面の面粗さを小さくすることができる。また、接着剤には例えば有機成分と無機成分との結合性を向上させるシランカップリング剤を代表とするカップリング剤が混合されているので、レプリカ基板にあって上記反転接着面がスリ面でなく光沢面であっても高い接着性を確保することができ、金属薄膜をレプリカ基板にしっかりと貼着して高い信頼性を確保することができる。

また第２発明に係るレプリカ回折格子の製造方法では、予め接着剤にカップリング剤を混合するのではなく、光沢面となっているレプリカ基板の接着面にカップリング剤を塗布した上に接着剤を塗布又は盛り、金属薄膜を形成したマスター回折格子を密着させる。これによっても、カップリング剤が接着性を高めるので、金属薄膜をレプリカ基板にしっかりと貼着させることができる。

ここで、レプリカ基板の光沢面の面粗さは小さいほどよいのは当然であるが、本発明では面粗さを１ｎｍＲｍｓ以下とする。従来の一般的なレプリカ基板の金属薄膜の反転接着面のスリ面の面粗さは約５０ｎｍＲｍｓであるから、これを１ｎｍＲｍｓ以下まで小さくすることで、従来のレプリカ回折格子で発生する迷光よりも格段にそのレベルを低く抑えることができる。

即ち、本発明に係るレプリカ回折格子の製造方法によれば、マスター回折格子と同程度の面粗さを実現することができ、分光器に使用した際に不所望の散乱による迷光を大幅に低減することができる。これによって、分析精度や分析感度を向上させることができ、特に軟Ｘ線などの短波長領域における分析精度の大幅な向上に寄与する。

以下、本発明に係るレプリカ回折格子の一実施例について、その製造方法を図１により説明する。図１は本実施例のレプリカ回折格子の製造手順を示す概略断面図である。

まず、サイズが３０ｍｍ×３３ｍｍ×６．８ｍｍであるガラス基板（フロートガラス）１１にフォトレジストとしてＯＦＰＲ５０００（東京応化工業（株）製）を０．４μｍ厚さでコーティングし、そこにホログラフィック露光法（レーザ波長：４４１．６ｎｍ）により格子溝（密度：１６００本／ｍｍ）のレジストパターンを形成する。次に、そのレジストパターンをマスクとしてイオンビームエッチングにより、溝断面形状がブレーズ角４°の鋸歯形状である格子溝を形成し、その上に膜厚０．２μｍのアルミニウム、金、白金などの金属薄膜１２を真空蒸着により形成する。このようにして、その表面が金属薄膜１２で被覆された格子溝を有するマスター回折格子１０が完成する（図１（ａ）の状態）。

次に、上記のマスター回折格子１０の格子面に、シリコングリース等による厚さ約１ｎｍの薄い離型剤膜１３を形成し（図１（ｂ）の状態）、その後に、真空蒸着によって膜厚０．２μｍのアルミニウム薄膜２３を形成する（図１（ｃ）の状態）。このアルミニウム薄膜２３は後でレプリカ回折格子の格子面を被覆するものである。

次いで、接着面２１ａを研磨することで光沢面としたレプリカ基板（フロートガラス、サイズ：３０ｍｍ×３３ｍｍ×６．８ｍｍ）２１を用意し（図１（ｄ）の状態）、その表面をフッ素系溶剤ＡＫ−２５５（旭硝子（株）製）等で洗浄した後に、シランカップリング剤を混入させた接着剤（熱硬化型エポキシ樹脂）２２を塗布する（図１（ｅ）の状態）。そして、この接着剤２２を介してレプリカ基板２１と先の図１（ｃ）の状態にあるマスター回折格子１０とを張り合わせ、適度な圧力で押しつける。それによって、接着剤２２はアルミニウム薄膜２３の断面鋸歯形状の溝を埋めるように広がる（図１（ｆ）の状態）。このときの接着剤２２の膜厚は約１０μｍである。

なお、レプリカ基板２１は、温度上昇に伴う溝間隔の変化を抑制するために低膨張性の材料を用いることが好ましく、これに該当するものとして、例えば石英ガラス、ゼロデュア（SCHOTT社製、Zerodur：カールツアイス社の登録商標）などの低膨張性結晶ガラスなどが挙げられる。但し、温度上昇の小さな環境下で回折格子を使用する場合には、ＢＫ７（合成石英の一種）、パイレックス（PYREX：コーニング社の登録商標）ガラス、ソーダガラス等のより安価な材料を使用することができる。

さらに、これをベーク炉に収容し、６０℃、約２４時間の条件で熱を加えて接着剤２２の硬化を促進させる。接着剤２２が充分に硬化したならば、離型剤膜１３を境にしてレプリカ基板２１をマスター回折格子１０から引き剥がす。すると、断面鋸歯形状に成形されたアルミニウム薄膜２３が、接着剤２２を介してレプリカ基板２１に固着した状態で剥離する（図１（ｇ）の状態）。その剥離後、レプリカ回折格子２０の格子面表面に残っている離型剤膜１３を上記のようなフッ素系溶剤等で洗浄して除去する。このようにして、マスター回折格子１０の格子溝を反転転写した格子溝が形成された、レプリカ回折格子２０が得られる。

シランカップリング剤としては例えばＫＢＭ−４０３（信越化学工業（株）製）等が有用である。シランカップリング剤は、１つの分子中に、アミノ基、ビニル基、エポキシ基などの有機質材料と化学結合する反応基と、ガラス、金属、珪石などの無機質材料と化学結合する反応基との両方を備えており、通常では結合しにくい有機質材料と無機質材料とのバインダーとして作用する。そのため、このシランカップリング剤をエポキシ樹脂接着剤に混合することで、ガラスであるレプリカ基板２１とアルミニウム薄膜２３との両方に対して接着性を高めることができる。特に、レプリカ基板２１の接着面２１ａは光沢面であって接着剤が付着しにくくなっているが、シランカップリング剤の作用によって十分な接着性を確保することができる。

上記手順で以て実際に作製したマスター回折格子及びレプリカ回折格子の格子面の面粗さを迷光によって評価した。図１（ａ）の状態のマスター回折格子１０について、波長２２０ｎｍでの迷光値を分光器で測定した結果、０．００３％であった。これに対し、完成したレプリカ回折格子２０について、波長２２０ｎｍでの迷光値を分光器で測定した結果、０．００３％であり、マスター回折格子と同等の結果であることを確認した。ちなみに、従来の方法、つまりレプリカ基板の接着面がスリ面であって、接着剤にカップリング剤を混合しない場合のレプリカ回折格子の迷光値は０．００６％であった。即ち、本実施例のレプリカ回折格子では従来のレプリカ回折格子と比較して迷光値が約半分に抑制されていることが確認できた。

上記説明では、レプリカ基板２１とアルミニウム薄膜２３との接着性を高めるために接着剤自体にシランカップリング剤を混合していたが、ここで主に問題となるのは、光沢面であるレプリカ基板２１の接着面２１ａへの接着剤の付着のしにくさである。したがって、接着剤にシランカップリング剤を混合するのではなく、光沢面としたレプリカ基板２１の接着面２１ａを洗浄した後にまずシランカップリング剤を薄く塗布し、その上に熱硬化型エポキシ樹脂である接着剤２２を塗布するようにしてもよい。即ち、レプリカ基板２１の接着面２１ａと接着剤２２との間にシランカップリング剤の薄い層が挟まれるようにした後に接着剤２２を加熱硬化させれば、シランカップリング剤の作用によって十分な接着性を確保することができる。

なお、上記実施例は本発明を平面回折格子に適用した例であるであるが、格子面が曲面である凹面回折格子にも適当できることは明らかである。また、それ以外の点についても、本発明の趣旨の範囲で適宜に変更や修正を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

本発明の一実施例であるレプリカ回折格子の製作工程を示す概略断面図。

符号の説明

１０…マスター回折格子
１１…ガラス基板
１２…金属薄膜
１３…離型剤膜
２０…レプリカ回折格子
２１…レプリカ基板
２１ａ…接着面
２２…接着剤
２３…アルミニウム薄膜

Claims (2)

1. マスター回折格子の格子面に金属薄膜を形成し、該金属薄膜とレプリカ基板とを接着剤を介して密着させた後に該レプリカ基板をマスター回折格子から剥離させ、前記金属薄膜を前記レプリカ基板に反転接着させることで格子面を形成するレプリカ回折格子の製造方法において、
   前記レプリカ基板の前記接着剤を介して前記金属薄膜と接着される面を面粗さが１ｎｍＲｍｓ以下の光沢面となるよう予め研磨すると共に、前記接着剤にカップリング剤を混入することを特徴とするレプリカ回折格子の製造方法。
2. マスター回折格子の格子面に金属薄膜を形成し、該金属薄膜とレプリカ基板とを接着剤を介して密着させた後に該レプリカ基板をマスター回折格子から剥離させ、前記金属薄膜を前記レプリカ基板に反転接着させることで格子面を形成するレプリカ回折格子の製造方法において、
   前記レプリカ基板の前記接着剤を介して前記金属薄膜と接着される面を面粗さが１ｎｍＲｍｓ以下の光沢面となるよう予め研磨すると共に、該接着面にカップリング剤を塗布することを特徴とするレプリカ回折格子の製造方法。

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