光学素子の表面平滑化方法
【課題】光学素子の表面形状に依存することなく、しかも低コスト、小電力でしかも短時間で、光学素子表面に形成されたナノオーダの凹凸をエッチングして平滑化する。
【解決手段】光学素子２を原料ガス雰囲気中に複数段に亘り重ねて配置し、原料ガスを構成するガス分子の吸収端波長以上の光を光学素子２に照射することにより、これを光学素子２の上段から下段へ順次透過させ、各光学素子２表面に形成された凹凸における少なくとも先鋭化部分において発生させた近接場光に基づいて原料ガスを解離させてエッチングすることを特徴とする。
【解決手段】光学素子２を原料ガス雰囲気中に複数段に亘り重ねて配置し、原料ガスを構成するガス分子の吸収端波長以上の光を光学素子２に照射することにより、これを光学素子２の上段から下段へ順次透過させ、各光学素子２表面に形成された凹凸における少なくとも先鋭化部分において発生させた近接場光に基づいて原料ガスを解離させてエッチングすることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子の表面に形成されたナノオーダの凹凸をエッチングすることにより平滑化する際に好適な光学素子の表面平滑化方法並びにこれを用いた光学素子の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、合成石英、ＢＫ７（ホウケイ酸塩クラウンガラス）等を用いたレンズ、反射鏡、窓板、偏光素子等の光学素子の表面平滑化方法としては、例えば、特許文献１に示すような光学素子の研削・研磨加工方法が提案されている。この研削・研磨加工方法においては、固定砥粒工具とレンズホルダーとを少なくとも有する加工装置を用いており、このレンズホルダーに光学素子であるレンズを保持して固定砥粒工具の加工面に当接させたまま、固定砥粒工具を回転モーターによって所定の回転数をもって回転駆動させる。そして、レンズを固定砥粒工具の加工面上を円弧状に揺動させながら、レンズ表面の研磨を行う。かかる場合において、レンズと固定砥粒工具との間には、ダイヤモンド等を初めとした砥粒を含む研磨液が接触された状態にある。
【特許文献１】特開２００１−１９８７８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上述した特許文献１に示す光学素子の研削・研磨加工方法では、レンズ表面を固定砥粒工具や研磨液等を用いて物理的に研磨することによってその表面を平滑化しているため、固定砥粒の物理的な寸法より小さな凹凸まで研磨することができないという問題点があった。また、上述のような研磨液を用いた物理的な研磨では、研磨工程の進行に伴い、研磨液が凝集、固体化等されてしまい粗大粒子を形成し、これによって光学素子表面に引っ掻き疵（スクラッチ）を形成し、微細な凹凸が光学素子表面に残存してしまうという問題点があった。また、上述した特許文献１に示す光学素子の研削・研磨加工方法では、研磨の対象となる光学素子を構成する材質や厚みに応じて最適な研磨条件を調整する必要があるが、光の回折限界以下のナノオーダのレベルで表面凹凸が最小となる条件を見つけ出すことは現実的に困難であった。
【０００４】
また、従来提案されてきた、光学素子の表面平滑化方法では、光学素子の表面形状によっては研磨を施すこと自体が困難な場合もあった。このため、光学素子の表面形状に支配されることなく、その表面をナノオーダで平滑化可能なプロセスに対する要望が強かった。
【０００５】
さらに、従来における光学素子の研削・研磨加工方法は、物理的な研磨を行う上で長時間を要し、しかもシステム全体が大掛かりになることから製造コストが過大となる欠点もあった。また、研磨の対象となる光学素子の数が増加するにつれて、プロセスを実行する上で必要な電力が大きくなり、より環境に配慮した方法を提案する必要もあった。
【０００６】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されてものであり、その目的とするところは、光学素子の表面形状に依存することなく、しかも低コスト、小電力でしかも短時間で、光学素子表面に形成されたナノオーダの凹凸をエッチングすることにより平滑化することが可能な表面平滑化方法並びにこれを用いた光学素子の作製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載の光学素子の表面平滑化方法は、光学素子を原料ガス雰囲気中に複数段に亘り重ねて配置し、上記原料ガスを構成するガス分子の吸収端波長以上の光を上記光学素子に照射することにより、これを上記光学素子の上段から下段へ順次透過させ、各光学素子表面に形成された凹凸における少なくとも角部において発生させた近接場光に基づいて上記原料ガスを解離させてエッチングすることを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の光学素子の表面平滑化方法は、請求項１記載の発明において、さらに上記各光学素子裏面に形成された凹凸における少なくとも角部において発生させた近接場光に基づいて上記原料ガスを解離させてエッチングすることを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の光学素子の表面平滑化方法は、請求項１又は２記載の発明において、上記光学素子表面に対してＰ偏光の光をブリュースター角で入射させることを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の光学素子の表面平滑化方法は、請求項１〜３のうち何れか１項記載の発明において、塩素系ガスからなる原料ガス雰囲気中に光学素子を配置し、上記塩素系ガスを構成するガス分子の吸収端波長以上の、又はこれに加えて吸収端波長未満の帯域を含む光を照射することを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の光学素子の表面平滑化方法は、請求項１〜４のうち何れか１項記載の発明において、光の回折限界以下のピッチで上記凹凸が形成された光学素子を上記原料ガス雰囲気中に配置することを特徴とする。
【００１２】
請求項６記載の光学素子の表面平滑化方法は、請求項１〜５のうち何れか１項に記載の光学素子の表面平滑化方法の工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明を適用した光学素子の表面平滑化方法では、特に光学素子における先鋭化部分４３を初めとした局所的な部分において近接場光を発生させ、かかる近接場光による非断熱光化学反応に基づいて当該部分のみについて原料ガス分子を選択的に解離させ、生成したラジカルに基づいて先鋭化部分を初めとした角部を選択的にエッチングすることが可能となる。特に、この近接場光は、１ｎｍオーダの角部であっても選択的に発生させることができることから、表面平滑化処理そのものをナノオーダで実現することができる。このため、本発明では、従来の光学素子の研磨方法と比較して、ナノオーダの光の回折限界以下のピッチで凹凸を無くすことにより、光学素子の表面をより平滑化させることが可能となる。
【００１４】
また本発明は、光学素子の表面形状がいかなるものであっても、その微細な表面凹凸の局所領域に近接場光を発生させることができることから、光学素子の表面形状により処理の制約を受けることが無くなり、処理対象としての光学素子の表面形状の自由度に幅を持たせることで汎用性を向上させることができる。従って、従来において物理研磨を精度よく施すことが困難であった、光学素子のような、表面が湾曲した形状の凹曲面や凸曲面に対しても、塩素系ガス雰囲気中でこれら曲面等に光を照射するのみで、特別の制御することなく平滑化が可能となる。
【００１５】
さらに本発明では、光を照射するのみで処理を行うことが可能となることから、物理的な研磨を行う場合と比較して短時間で済み、しかも製造コストを低減させることが可能となる。特に本発明では、ステージ上に多くの光学素子を並べて同時に平滑化処理を行うことが可能となるため、処理効率を向上させることが可能となる。
【００１６】
また、本発明では、光学素子を複数段に亘り重ねて配置し、光を光学素子に照射することにより、これを光学素子の上段から下段へ順次透過させる。これにより何れの段に配置されている光学素子に対しても光源からの光が照射されることになることから、多数の光学素子を同時にエッチングすることが可能となり、ひいてはエッチング工程における歩留まりの向上並びに光学素子の作製時間の短縮化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明を適用した光学素子の表面平滑化方法を実現するための表面平滑化処理システム１である。
【００１９】
この表面平滑化処理システム１は、照射する光を利用して光学素子２の表面を平滑化するものであって、チャンバ１１内に、ステージ１３を配設して構成され、またこのチャンバ１１内の気体は、ポンプ１６を介して吸引可能とされ、更に圧力センサ１７によりチャンバ１１内の圧力を検出し、これに基づいてバタフライバルブ１８を自動的に開閉することにより内圧の自動制御を実現可能としている。また、このチャンバ１１に対して原料ガスを供給するための供給管２３が接続されて構成されている。また、このチャンバ１１における少なくとも一の面には、窓１５が形成され、チャンバ１１の外側に配設された光源１４から照射された光がこの窓１５を透過してチャンバ１１内へと入射されることになる。
【００２０】
ステージ１３は、光学素子２を載置するための図示しない載置部や、光学素子２を加熱するための図示しない加熱機構等が設けられていてもよく、これらを制御することにより、光学素子２を原料ガスに基づいて表面平滑化処理を施す際において反応速度をコントロールすることが可能となる。なお、ステージ１３は、光学素子２の位置を高精度に調整するための図示しない高精度ステージ機構等が設けられていてもよい。
【００２１】
また、このステージ１３上に載置される光学素子２は、複数段に亘り重ねて配置されている。但し、この光学素子２は、上下に重ねて配置する際において、上下間で間隙を設けて配置することが必要となる。これにより、各光学素子２の上面が原料ガス雰囲気に接触させることができる状態を作り出すことが可能となる。
【００２２】
この光学素子２は、ステージ１３上に組み立てられた段１９上に配置されることにより、上下方向に向けて互いに重なり合うように配置されていてもよい。但し、段１９上に載置される光学素子２の上面は段１９を構成する部材に対して非接触とされていることが必要となり、これにより、各光学素子２の上面が原料ガス雰囲気に接触させることができる状態を作り出すことが可能となる。ちなみに、段１９を利用して光学素子２を上下に重ねて配置する場合には、光源１４から照射される光を透過できる材料で構成されている必要がある。
【００２３】
チャンバ１１内に対して供給管２３を介して供給される原料ガスとしては、例えば塩素系ガスと不活性ガスとを混合してなる混合ガスである。この混合ガスは、所定の圧力となるように調整された上で随時供給される。塩素系ガスは、表面に凹凸を有する光学素子をナノオーダまで平滑化させるためにチャンバ１１内に導入されるものであり、例えば、Ｃｌ２（塩素）、ＢＣｌ３（三塩化ホウ素）、ＣＣｌ４（四塩化炭素）等によって具体化される。また、不活性ガスは、Ｎ２，Ｈｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ等の何れか一種または二種以上を混合してなる塩素系ガスによって具体化される。
【００２４】
光源１４は、図示しない駆動電源による制御に基づき、所定の波長を有する光を射出するものである。この光源１４からは、以下に詳細に説明するように、原料ガスのガス分子の吸収端波長よりも長波長からなる光が射出される。この光源１４は、例えば、レーザーダイオード等によって具体化される。また、この光源以外に図示しない光学系を備えていてもよく、偏光レンズや集束レンズ等を備えて具体化される。これによって、光学素子２表面の凹凸の位置、大きさ、範囲等に応じて、ビーム径やビーム形状を制御し、光を照射する範囲を絞ることができる。
【００２５】
図２は、この光源１４から光学素子２へ光を照射する照射光学系７の他の例を示している。レーザーダイオード等からなる光源１４から照射された光を反射ミラー７１により略９０°反射させ、更にこの反射された光を凹レンズ７２によりビーム径を拡径させて窓１５を通過させて光学素子２に照射するものである。かかる照明光学系７以外にもいかなる光学系を適用するようにしてもよいことは勿論である。
【００２６】
なお、図３に、本発明を適用した表面平滑化処理システム１による処理対象としての光学素子２の例を示す。光学素子２は、例えば、レンズ、ミラー、プリズム、基板、ビームスプリッター、偏光素子として用いられるものである。光学素子２ａは、図３(a)、(b)に示されるように、その表面３１、裏面３２ともに平坦な形状から構成される、いわゆる平行平面基板とよばれる光学素子である。光学素子２ｂ、２ｃは、図３(c)〜(f)に示すように、その表面に凹曲面３３や凸曲面３４を有するレンズであり、裏面３２は平坦な形状から構成される。このように、光学素子２は、その表面が平坦な形状からなる光学素子２ａや、その表面が所定の曲率をもって湾曲してなる光学素子構造体２ｂ、２ｃ等が含まれるものであるが、図示される形状に限定されるものではない。また、光学素子２は、その大きさに限定されるものではない。
【００２７】
光学素子２の材質は、例えば、ＢＫ７等のクラウンガラス、Ｆ２等のフリントガラスのような光学ガラスであったり、合成石英、フッ化カルシウム、フッ化リチウム、フッ化バリウム、岩塩（ＮａＣｌ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、サファイヤ、ジンクセレン（ＺｎＳｅ）等のような光学結晶等によって具体化される。
【００２８】
このような光学素子２は、表面平滑化処理システム１による処理前において、図４(a)に示すように、表面に微細な凹凸が形成されている。この凹凸のピッチは、数ｎｍのオーダから数μｍまでのオーダまで様々であるが、本発明では特に１ｎｍ程度のピッチで構成されている凹凸をエッチングする場合においても適用可能である。
【００２９】
以下この光学素子２の表面が内側に凹んでいる凹部４１と、外側に先鋭化された凸部４２で形成されているものとし、更に、この凸部４２の先端を先鋭化部分４３という。なお、表面粗さが極度に大きい場合等には、予め物理研磨を施しておき、その後の仕上げ加工として、本発明を適用するようにしてもよい。
【００３０】
次に、上述した構成からなる表面平滑化処理システム１により、実際に光学素子２の表面を平滑化させるプロセスについて説明をする。
【００３１】
先ず、表面処理を施すべき光学素子２をステージ１３上に載置する。そしてチャンバ１１内を密閉状態に保持し、所定圧力、所定温度に制御する。次に、供給管２３を介してチャンバ１１内に原料ガスを供給する。因みに以下では、原料ガスとして吸収端波長４００ｎｍの塩素系ガスを使用する場合を例にとる。その結果、この光学素子２は、原料ガスとしての塩素系ガス雰囲気中において配置されている状態を作り出すことが可能となる。
【００３２】
次に、光源１４からの光を光学素子２に入射させる。このときの光源１４から照射する光の波長は、５３２ｎｍである。ちなみに、この照射する光の波長は、１０〜２０ｎｍ程度の半値幅を持つ場合もある。但し、この照射する光の波長は、あくまで塩素系ガスの吸収端波長を基準とした場合の例であり、これに限定されるものではない。他の原料ガスを使用する場合にはその吸収端波長以上の光を適宜照射することになる。
【００３３】
図５は、チャンバ１１内に導入された塩素系ガスのガス分子の原子核間距離に対するポテンシャルエネルギーの関係について示している。通常、チャンバ１１内に導入された塩素系ガスのガス分子に対して、基底準位と励起準位とのエネルギー差Ｅａ以上の光エネルギーをもつ光、即ち、ガス分子の吸収端波長よりも短波長からなる光（以下、この光を共鳴光という。）を照射すると、このガス分子は、励起準位へ直接励起される。この励起準位は、解離エネルギーＥｂを超えているため、矢印で示される方向へガス分子を光解離させて塩素ラジカルが生成される。これは、伝搬光を使った通常の光解離のメカニズムに基づくものであるが、伝搬光の電場強度が分子サイズの空間内において均一な分布であるため、ガス分子を構成する原子核や電子のうち軽い電子のみが光に対して反応するものの、原子核間距離を変化させることができない。即ち、伝搬光による光解離過程は断熱近似となることから、基底状態から解離軌道へ遷移させるためには、励起準位軌道のポテンシャルエネルギーよりも高い光エネルギーを持つ光を照射する必要がある。ちなみに、塩素系ガスの吸収端波長以上の非共鳴光を伝搬光として照射した場合、ガス分子は励起準位へ励起されない。非共鳴光は、図６における光エネルギーＳ１、Ｓ２等のように励起準位軌道のポテンシャルエネルギーよりも低いため、伝搬光を単に照射させたのみでは、ガス分子を光解離させて活性種としてのラジカルを生成させることはできない。
【００３４】
これに対して本発明では、塩素系ガスの吸収端波長以上の光（以下、この光を非共鳴光という。）を利用するが、光学素子２の表面凹凸をエッチングする上で、非共鳴光としての伝搬光を直接的に利用するものではなく、この照射された伝搬光に基づいて光学素子２の局所領域に発生させた近接場光に基づいて、表面の凹凸をエッチングする。
【００３５】
ここでいう近接場光とは、約１μｍ以下の大きさからなる物体の表面に伝搬光を照射した場合に、その物体の表面にまとわりついて局在する非伝搬光のことをいう。この近接場光は、非常に強い電場成分を有しているが、物体の表面から遠ざかるにつれてその電場成分が急激に減少する性質をもっている。この非常に強い電場成分が見られる物体表面からの厚みは、その物体の寸法に依存しており、その物体の寸法と同程度の厚みからなる。
【００３６】
近接場光の電場強度は、局所領域においても急激に減少するという特質を有する。このため、この近接場光を塩素系ガスの分子と反応させた場合において、その電場は分子にとって不均一な空間分布となり、塩素系ガス分子中の原子核も、かかる近接場光の電場勾配により引力を受けることになる。即ち、近接場光をガス分子と反応させることにより、当該ガス分子を構成する比較的軽い電子のみならず、原子核をも近接場光に対して応答させることができる。その結果、近接場光により、原子核間距離を周期的に変化させることが可能となり、分子の振動準位への直接的な励起を生じさせる、いわゆる非断熱光化学反応を起こさせることが可能となる。
【００３７】
塩素系ガスの吸収端波長以上の非共鳴光を近接場光としてガス分子に反応させた場合には、かかる非断熱光化学反応により、ガス分子をラジカルへと解離させることが可能となる。この非断熱光化学反応は、図５に示すような過程Ｔ１〜Ｔ３に分類することができる。過程Ｔ１は、ガス分子が複数の分子振動準位を介して励起され（多段階遷移）、その結果、励起準位にまで励起された後に、活性種等に解離される過程のことをいう。また、過程Ｔ２は、ガス分子の解離エネルギーＥｂ以上の光エネルギーをもつ光を照射した場合に、ガス分子が解離エネルギーＥｂ以上のエネルギー準位の分子振動準位にまで励起され、その結果、活性種等に直接的に解離される過程のことをいう。また、過程Ｔ３は、ガス分子のＥｂ以下の光エネルギーを持つ光を照射した場合に、ガス分子が複数の分子軌道準位を介して多段階遷移し、Ｅａ未満Ｅｂ以上のエネルギー準位まで励起された後に、活性種等に解離される過程のことをいう。
【００３８】
このように、非共鳴光を近接場光としてガス分子と反応させた場合に、非断熱光化学反応における過程Ｔ１〜Ｔ３により、当該ガス分子を分子振動準位にまで直接的に遷移させることが可能となる。
【００３９】
ここで伝搬光を光学素子２に照射することにより、近接場光が発生する角部とは、図４(b)に示すように凸部４２の先端に相当する先鋭化部分４３である。この先鋭化部分４３において近接場光が選択的に発生すると、当該発生した近接場光により原料ガス分子５１が解離されてラジカル５２が生成される。このラジカル５２は、近接場光が発生した先鋭化部分４３近傍のみにおいて選択的に生成される。そして、この生成されたラジカル５２は、これに最も近接する先鋭化部分４３と選択的に反応することになる。その結果、図４(c)に示すように、先鋭化部分４３がラジカル５２の活性によりエッチングされることになる。そして先鋭化部分４３がエッチングされると、この凸部４２において更に先鋭化部分４３’が形成されるが、これに対しても近接場光が選択的に発生し、原料ガス分子５１を解離させてラジカル５２を先鋭化部分４３’近傍において選択的に形成されることができる。その結果、この先鋭化部分４３’は、ラジカル５２と反応することによりエッチングされることになる。
【００４０】
また、近接場光が発生する角部は、かかる先鋭化部分のみならず、凹部４１、凸部４２を構成するいかなる角部分をも含む。凹部４１もここでいう角部に含まれ、図４(b)に示すように近接場光が発生し、この発生した近接場光に基づいて発生させたラジカル５２により当該凹部４１が平滑化されることになる。
【００４１】
上述したように、光学素子２の局所領域における近接場光の発生と、原料ガス分子５１の解離によるラジカル活性、先鋭化部分４３の反応が繰り返し実行されることにより、最終的には図４(d)に示すように、角部をエッチングすることにより表面を平滑化させ、表面粗さを低減させることが可能となる。
【００４２】
また、光学素子２に照射された光は、図７に示すように光学素子２の上段から下段へ順次透過することになる。例えば最上段に位置する光学素子２ａは、照射された光が直接的に入射される。これに対して、光学素子２ｂは、光学素子２ａを透過した光が入射される。さらに、光学素子２ｃは、光学素子２ａ及び／又は光学素子２ｂを透過した光が入射される。
【００４３】
光学素子２ｂ、２ｃは、これらよりも上段に配置される光学素子２を透過してきた光に基づいて近接場光を発生させる。かかる場合において、図７の点線矢印に示すように、入射された光が光学素子２の表面において反射してしまうと、それが光損失になってしまう。この光損失が、各段における光学素子２について起これば、下段の光学素子２になるにつれて、かかる光損失の影響を受け、入射される光の強度はより低くなってしまう。
【００４４】
このような光学素子２の表面反射に基づくエネルギーのロスを防ぐために、図８に示すように、Ｐ偏光の光をブリュースター角θiで入射させるようにしてもよい。これにより、かかるＰ偏光の光は、光学素子の表面で反射することが無くなることから、表面反射に基づくエネルギーのロスを最小限に抑えることが可能となる。
【００４５】
本発明を適用した光学素子の表面平滑化方法では、特に光学素子２における先鋭化部分４３を初めとした局所的な部分において近接場光を発生させ、かかる近接場光による非断熱光化学反応に基づいて当該部分のみについて原料ガス分子５１を選択的に解離させ、生成したラジカル５２に基づいて角部を選択的にエッチングすることが可能となる。特に、この近接場光は、１ｎｍオーダの角部であっても選択的に発生させることができることから、表面平滑化処理そのものをナノオーダで実現することができる。このため、本発明では、従来の光学素子の研磨方法と比較して、ナノオーダの光の回折限界以下のピッチで凹凸を無くすことにより、光学素子２の表面をより平滑化させることが可能となる。
【００４６】
また本発明は、光学素子２の表面形状がいかなるものであっても、その微細な表面凹凸の局所領域に近接場光を発生させることができることから、光学素子２の表面形状により処理の制約を受けることが無くなり、処理対象としての光学素子２の表面形状の自由度に幅を持たせることで汎用性を向上させることができる。従って、従来において物理研磨を精度よく施すことが困難であった、光学素子２ｂ、２ｃのような、表面が湾曲した形状の凹曲面３３や凸曲面３４に対しても、塩素系ガス雰囲気中でこれら曲面等に光を照射するのみで、特別の制御することなく平滑化が可能となる。
【００４７】
さらに本発明では、光を照射するのみで処理を行うことが可能となることから、物理的な研磨を行う場合と比較して短時間で済み、しかも製造コストを低減させることが可能となる。特に本発明では、ステージ１３上に多くの光学素子２を並べて同時に平滑化処理を行うことが可能となるため、処理効率を向上させることが可能となる。
【００４８】
また、本発明では、光学素子２を複数段に亘り重ねて配置し、光を光学素子２に照射することにより、これを光学素子２の上段から下段へ順次透過させる。これにより何れの段に配置されている光学素子２に対しても光源１４からの光が照射されることになることから、多数の光学素子２を同時にエッチングすることが可能となり、ひいてはエッチング工程における歩留まりの向上並びに光学素子２の作製時間の短縮化を図ることが可能となる。
【００４９】
しかも光学素子表面に対してＰ偏光の光をブリュースター角度で照射することにより、入射された光が光学素子２の表面において反射してしまうのを防止することが可能となり、下段の光学素子２においても、かかる光損失の影響を受けることなく、エッチングにおける光効率を高く維持することが可能となる。
【００５０】
因みに、上述した実施の形態においては、原料ガスとして塩素系ガスを使用する場合を例にとり説明をしたが、塩素系ガス以外を使用する場合も同様の技術思想が適用される。即ち、使用する原料ガスを構成するガス分子の吸収端波長以上のみの光を照射することにより、上述したような近接場光を利用した非断熱光化学反応に基づいてガス分子を解離させることが可能となる。 なお本発明において、光源１４から出射する光の波長帯域としては１０μｍ以下とするのが好ましい。この光の波長が１０μｍ超であると、ガス分子の振動準位への直接的な励起が生じにくく、近接場光によるエッチングレートが低減するためである。
【００５１】
また、本発明において、チャンバ１１内に導入される塩素系ガスのガス分子の分圧は、少なくとも１×１０−５Ｐａ以上とするのが望ましい。チャンバ１１内の塩素系ガスのガス分子の分圧が１×１０−５Ｐａ未満であると、光学素子２表面の凸部５１近傍の空間内に、エッチング反応を起こすために必要となる塩素系ガスのガス分子が行き届かず、これによって、凸部５１に近接場光が発生したとしてもエッチング反応が進行しにくくなるためである。なお、チャンバ１１内に導入される塩素系ガスのガス分子の分圧は、あまりに低すぎるとエッチングレートが低くなり、プロセスが完了するまでに多大な時間を要することになるので、１００Ｐａ以上とするのが一層望ましい。これによって、光学素子２表面に形成された角部近傍の空間に、エッチング反応を起こすために必要となる塩素系ガスのガス分子を十分行き渡らせることが可能となり、平滑化処理プロセスを短時間で完了させることが可能となる。
【００５２】
また、本発明においては、光学素子２を多段に亘り重ねて配置する場合における光の減衰を考慮して、光学素子２に対して照射される光のエネルギー密度を適宜上昇させるようにしてもよい。
【００５３】
さらに本発明では、あくまで、各光学素子２表面に形成された凹凸における少なくとも角部において発生させた近接場光に基づいて原料ガスを解離させてエッチングする場合を例にとり説明をしたが、これに限定されるものではない。例えば、各光学素子２裏面に形成された凹凸における少なくとも角部において発生させた近接場光に基づいて原料ガスを解離させてエッチングするようにしてもよい。そのメカニズムは、上述と同様である。即ち、光学素子２の裏面においても原料ガスが回り込むことから、光学素子２の表面と同様の現象、効果が生じることになる。このため、本発明では、光学素子２の表面に加え裏面も同時にエッチングすることができる点において有用である。
【００５４】
また本発明は、原料ガスを構成するガス分子の吸収端波長以上の光を照射する場合に限定されるものではない。ガス分子の吸収端波長以上の帯域に加えて吸収端波長未満の帯域を含む光を照射するようにしてもよいことは勿論である。
【００５５】
因みに本発明は、上述したプロセスからなる光学素子の表面平滑化方法の工程を有すること光学素子の作製方法として具体化されていてもよい。
【００５６】
また、チャンバ１１内に対して供給管２３を介して供給される原料ガスは、塩素系ガスに限定されるものではなく、例えば、ＳｉＨ４（モノシラン）、Ｓｉ２Ｈ６（ジシラン）等のシラン系ガスや、Ｃｒ(η5-Ｃ５Ｈ５)２（クロモセン）、Ｃｒ（ＣＯ６）（ヘキサカルボニルクロム）等であってもよい。またこれ以外にも、例えば、ＳＦ６（六フッ化硫黄）、ＣＨＦ３（トリフルオロメタン）、ＣＦ４（四フッ化炭素）、Ｃ３Ｆ８（オクタフルオロプロパン）等のフッ素系ガス等であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明を適用した光学素子の表面平滑化方法を実現するための表面平滑化処理システムを示す図である。
【図２】本発明を適用した光学素子の表面平滑化方法を実現するための他の光学系の例を示す図である。
【図３】本発明を適用した表面平滑化処理システムによる処理対象としての光学素子の例を示す図である。
【図４】本発明を適用した光学素子の表面平滑化方法について説明するための図である。
【図５】チャンバ内に導入された塩素系ガスのガス分子の原子核間距離に対するポテンシャルエネルギーの関係図である。
【図６】共鳴光照射モードについて説明するための図である。
【図７】光学素子表面における光損失を低減させる方法について説明するための図である。
【図８】光学素子表面における光損失を低減させる方法について説明するための他の図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 表面平滑化処理システム
２ 光学素子
１１ チャンバ
１３ ステージ
１５ 窓
１６ ポンプ
１７ 圧力センサ
１８ バタフライバルブ
１９ 段
２３ 供給管
４１ 凹部
４２ 凸部
４３ 先鋭化部分
７１ 反射ミラー
７２ 凹レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子の表面に形成されたナノオーダの凹凸をエッチングすることにより平滑化する際に好適な光学素子の表面平滑化方法並びにこれを用いた光学素子の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、合成石英、ＢＫ７（ホウケイ酸塩クラウンガラス）等を用いたレンズ、反射鏡、窓板、偏光素子等の光学素子の表面平滑化方法としては、例えば、特許文献１に示すような光学素子の研削・研磨加工方法が提案されている。この研削・研磨加工方法においては、固定砥粒工具とレンズホルダーとを少なくとも有する加工装置を用いており、このレンズホルダーに光学素子であるレンズを保持して固定砥粒工具の加工面に当接させたまま、固定砥粒工具を回転モーターによって所定の回転数をもって回転駆動させる。そして、レンズを固定砥粒工具の加工面上を円弧状に揺動させながら、レンズ表面の研磨を行う。かかる場合において、レンズと固定砥粒工具との間には、ダイヤモンド等を初めとした砥粒を含む研磨液が接触された状態にある。
【特許文献１】特開２００１−１９８７８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上述した特許文献１に示す光学素子の研削・研磨加工方法では、レンズ表面を固定砥粒工具や研磨液等を用いて物理的に研磨することによってその表面を平滑化しているため、固定砥粒の物理的な寸法より小さな凹凸まで研磨することができないという問題点があった。また、上述のような研磨液を用いた物理的な研磨では、研磨工程の進行に伴い、研磨液が凝集、固体化等されてしまい粗大粒子を形成し、これによって光学素子表面に引っ掻き疵（スクラッチ）を形成し、微細な凹凸が光学素子表面に残存してしまうという問題点があった。また、上述した特許文献１に示す光学素子の研削・研磨加工方法では、研磨の対象となる光学素子を構成する材質や厚みに応じて最適な研磨条件を調整する必要があるが、光の回折限界以下のナノオーダのレベルで表面凹凸が最小となる条件を見つけ出すことは現実的に困難であった。
【０００４】
また、従来提案されてきた、光学素子の表面平滑化方法では、光学素子の表面形状によっては研磨を施すこと自体が困難な場合もあった。このため、光学素子の表面形状に支配されることなく、その表面をナノオーダで平滑化可能なプロセスに対する要望が強かった。
【０００５】
さらに、従来における光学素子の研削・研磨加工方法は、物理的な研磨を行う上で長時間を要し、しかもシステム全体が大掛かりになることから製造コストが過大となる欠点もあった。また、研磨の対象となる光学素子の数が増加するにつれて、プロセスを実行する上で必要な電力が大きくなり、より環境に配慮した方法を提案する必要もあった。
【０００６】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されてものであり、その目的とするところは、光学素子の表面形状に依存することなく、しかも低コスト、小電力でしかも短時間で、光学素子表面に形成されたナノオーダの凹凸をエッチングすることにより平滑化することが可能な表面平滑化方法並びにこれを用いた光学素子の作製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載の光学素子の表面平滑化方法は、光学素子を原料ガス雰囲気中に複数段に亘り重ねて配置し、上記原料ガスを構成するガス分子の吸収端波長以上の光を上記光学素子に照射することにより、これを上記光学素子の上段から下段へ順次透過させ、各光学素子表面に形成された凹凸における少なくとも角部において発生させた近接場光に基づいて上記原料ガスを解離させてエッチングすることを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の光学素子の表面平滑化方法は、請求項１記載の発明において、さらに上記各光学素子裏面に形成された凹凸における少なくとも角部において発生させた近接場光に基づいて上記原料ガスを解離させてエッチングすることを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の光学素子の表面平滑化方法は、請求項１又は２記載の発明において、上記光学素子表面に対してＰ偏光の光をブリュースター角で入射させることを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の光学素子の表面平滑化方法は、請求項１〜３のうち何れか１項記載の発明において、塩素系ガスからなる原料ガス雰囲気中に光学素子を配置し、上記塩素系ガスを構成するガス分子の吸収端波長以上の、又はこれに加えて吸収端波長未満の帯域を含む光を照射することを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の光学素子の表面平滑化方法は、請求項１〜４のうち何れか１項記載の発明において、光の回折限界以下のピッチで上記凹凸が形成された光学素子を上記原料ガス雰囲気中に配置することを特徴とする。
【００１２】
請求項６記載の光学素子の表面平滑化方法は、請求項１〜５のうち何れか１項に記載の光学素子の表面平滑化方法の工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明を適用した光学素子の表面平滑化方法では、特に光学素子における先鋭化部分４３を初めとした局所的な部分において近接場光を発生させ、かかる近接場光による非断熱光化学反応に基づいて当該部分のみについて原料ガス分子を選択的に解離させ、生成したラジカルに基づいて先鋭化部分を初めとした角部を選択的にエッチングすることが可能となる。特に、この近接場光は、１ｎｍオーダの角部であっても選択的に発生させることができることから、表面平滑化処理そのものをナノオーダで実現することができる。このため、本発明では、従来の光学素子の研磨方法と比較して、ナノオーダの光の回折限界以下のピッチで凹凸を無くすことにより、光学素子の表面をより平滑化させることが可能となる。
【００１４】
また本発明は、光学素子の表面形状がいかなるものであっても、その微細な表面凹凸の局所領域に近接場光を発生させることができることから、光学素子の表面形状により処理の制約を受けることが無くなり、処理対象としての光学素子の表面形状の自由度に幅を持たせることで汎用性を向上させることができる。従って、従来において物理研磨を精度よく施すことが困難であった、光学素子のような、表面が湾曲した形状の凹曲面や凸曲面に対しても、塩素系ガス雰囲気中でこれら曲面等に光を照射するのみで、特別の制御することなく平滑化が可能となる。
【００１５】
さらに本発明では、光を照射するのみで処理を行うことが可能となることから、物理的な研磨を行う場合と比較して短時間で済み、しかも製造コストを低減させることが可能となる。特に本発明では、ステージ上に多くの光学素子を並べて同時に平滑化処理を行うことが可能となるため、処理効率を向上させることが可能となる。
【００１６】
また、本発明では、光学素子を複数段に亘り重ねて配置し、光を光学素子に照射することにより、これを光学素子の上段から下段へ順次透過させる。これにより何れの段に配置されている光学素子に対しても光源からの光が照射されることになることから、多数の光学素子を同時にエッチングすることが可能となり、ひいてはエッチング工程における歩留まりの向上並びに光学素子の作製時間の短縮化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明を適用した光学素子の表面平滑化方法を実現するための表面平滑化処理システム１である。
【００１９】
この表面平滑化処理システム１は、照射する光を利用して光学素子２の表面を平滑化するものであって、チャンバ１１内に、ステージ１３を配設して構成され、またこのチャンバ１１内の気体は、ポンプ１６を介して吸引可能とされ、更に圧力センサ１７によりチャンバ１１内の圧力を検出し、これに基づいてバタフライバルブ１８を自動的に開閉することにより内圧の自動制御を実現可能としている。また、このチャンバ１１に対して原料ガスを供給するための供給管２３が接続されて構成されている。また、このチャンバ１１における少なくとも一の面には、窓１５が形成され、チャンバ１１の外側に配設された光源１４から照射された光がこの窓１５を透過してチャンバ１１内へと入射されることになる。
【００２０】
ステージ１３は、光学素子２を載置するための図示しない載置部や、光学素子２を加熱するための図示しない加熱機構等が設けられていてもよく、これらを制御することにより、光学素子２を原料ガスに基づいて表面平滑化処理を施す際において反応速度をコントロールすることが可能となる。なお、ステージ１３は、光学素子２の位置を高精度に調整するための図示しない高精度ステージ機構等が設けられていてもよい。
【００２１】
また、このステージ１３上に載置される光学素子２は、複数段に亘り重ねて配置されている。但し、この光学素子２は、上下に重ねて配置する際において、上下間で間隙を設けて配置することが必要となる。これにより、各光学素子２の上面が原料ガス雰囲気に接触させることができる状態を作り出すことが可能となる。
【００２２】
この光学素子２は、ステージ１３上に組み立てられた段１９上に配置されることにより、上下方向に向けて互いに重なり合うように配置されていてもよい。但し、段１９上に載置される光学素子２の上面は段１９を構成する部材に対して非接触とされていることが必要となり、これにより、各光学素子２の上面が原料ガス雰囲気に接触させることができる状態を作り出すことが可能となる。ちなみに、段１９を利用して光学素子２を上下に重ねて配置する場合には、光源１４から照射される光を透過できる材料で構成されている必要がある。
【００２３】
チャンバ１１内に対して供給管２３を介して供給される原料ガスとしては、例えば塩素系ガスと不活性ガスとを混合してなる混合ガスである。この混合ガスは、所定の圧力となるように調整された上で随時供給される。塩素系ガスは、表面に凹凸を有する光学素子をナノオーダまで平滑化させるためにチャンバ１１内に導入されるものであり、例えば、Ｃｌ２（塩素）、ＢＣｌ３（三塩化ホウ素）、ＣＣｌ４（四塩化炭素）等によって具体化される。また、不活性ガスは、Ｎ２，Ｈｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ等の何れか一種または二種以上を混合してなる塩素系ガスによって具体化される。
【００２４】
光源１４は、図示しない駆動電源による制御に基づき、所定の波長を有する光を射出するものである。この光源１４からは、以下に詳細に説明するように、原料ガスのガス分子の吸収端波長よりも長波長からなる光が射出される。この光源１４は、例えば、レーザーダイオード等によって具体化される。また、この光源以外に図示しない光学系を備えていてもよく、偏光レンズや集束レンズ等を備えて具体化される。これによって、光学素子２表面の凹凸の位置、大きさ、範囲等に応じて、ビーム径やビーム形状を制御し、光を照射する範囲を絞ることができる。
【００２５】
図２は、この光源１４から光学素子２へ光を照射する照射光学系７の他の例を示している。レーザーダイオード等からなる光源１４から照射された光を反射ミラー７１により略９０°反射させ、更にこの反射された光を凹レンズ７２によりビーム径を拡径させて窓１５を通過させて光学素子２に照射するものである。かかる照明光学系７以外にもいかなる光学系を適用するようにしてもよいことは勿論である。
【００２６】
なお、図３に、本発明を適用した表面平滑化処理システム１による処理対象としての光学素子２の例を示す。光学素子２は、例えば、レンズ、ミラー、プリズム、基板、ビームスプリッター、偏光素子として用いられるものである。光学素子２ａは、図３(a)、(b)に示されるように、その表面３１、裏面３２ともに平坦な形状から構成される、いわゆる平行平面基板とよばれる光学素子である。光学素子２ｂ、２ｃは、図３(c)〜(f)に示すように、その表面に凹曲面３３や凸曲面３４を有するレンズであり、裏面３２は平坦な形状から構成される。このように、光学素子２は、その表面が平坦な形状からなる光学素子２ａや、その表面が所定の曲率をもって湾曲してなる光学素子構造体２ｂ、２ｃ等が含まれるものであるが、図示される形状に限定されるものではない。また、光学素子２は、その大きさに限定されるものではない。
【００２７】
光学素子２の材質は、例えば、ＢＫ７等のクラウンガラス、Ｆ２等のフリントガラスのような光学ガラスであったり、合成石英、フッ化カルシウム、フッ化リチウム、フッ化バリウム、岩塩（ＮａＣｌ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、サファイヤ、ジンクセレン（ＺｎＳｅ）等のような光学結晶等によって具体化される。
【００２８】
このような光学素子２は、表面平滑化処理システム１による処理前において、図４(a)に示すように、表面に微細な凹凸が形成されている。この凹凸のピッチは、数ｎｍのオーダから数μｍまでのオーダまで様々であるが、本発明では特に１ｎｍ程度のピッチで構成されている凹凸をエッチングする場合においても適用可能である。
【００２９】
以下この光学素子２の表面が内側に凹んでいる凹部４１と、外側に先鋭化された凸部４２で形成されているものとし、更に、この凸部４２の先端を先鋭化部分４３という。なお、表面粗さが極度に大きい場合等には、予め物理研磨を施しておき、その後の仕上げ加工として、本発明を適用するようにしてもよい。
【００３０】
次に、上述した構成からなる表面平滑化処理システム１により、実際に光学素子２の表面を平滑化させるプロセスについて説明をする。
【００３１】
先ず、表面処理を施すべき光学素子２をステージ１３上に載置する。そしてチャンバ１１内を密閉状態に保持し、所定圧力、所定温度に制御する。次に、供給管２３を介してチャンバ１１内に原料ガスを供給する。因みに以下では、原料ガスとして吸収端波長４００ｎｍの塩素系ガスを使用する場合を例にとる。その結果、この光学素子２は、原料ガスとしての塩素系ガス雰囲気中において配置されている状態を作り出すことが可能となる。
【００３２】
次に、光源１４からの光を光学素子２に入射させる。このときの光源１４から照射する光の波長は、５３２ｎｍである。ちなみに、この照射する光の波長は、１０〜２０ｎｍ程度の半値幅を持つ場合もある。但し、この照射する光の波長は、あくまで塩素系ガスの吸収端波長を基準とした場合の例であり、これに限定されるものではない。他の原料ガスを使用する場合にはその吸収端波長以上の光を適宜照射することになる。
【００３３】
図５は、チャンバ１１内に導入された塩素系ガスのガス分子の原子核間距離に対するポテンシャルエネルギーの関係について示している。通常、チャンバ１１内に導入された塩素系ガスのガス分子に対して、基底準位と励起準位とのエネルギー差Ｅａ以上の光エネルギーをもつ光、即ち、ガス分子の吸収端波長よりも短波長からなる光（以下、この光を共鳴光という。）を照射すると、このガス分子は、励起準位へ直接励起される。この励起準位は、解離エネルギーＥｂを超えているため、矢印で示される方向へガス分子を光解離させて塩素ラジカルが生成される。これは、伝搬光を使った通常の光解離のメカニズムに基づくものであるが、伝搬光の電場強度が分子サイズの空間内において均一な分布であるため、ガス分子を構成する原子核や電子のうち軽い電子のみが光に対して反応するものの、原子核間距離を変化させることができない。即ち、伝搬光による光解離過程は断熱近似となることから、基底状態から解離軌道へ遷移させるためには、励起準位軌道のポテンシャルエネルギーよりも高い光エネルギーを持つ光を照射する必要がある。ちなみに、塩素系ガスの吸収端波長以上の非共鳴光を伝搬光として照射した場合、ガス分子は励起準位へ励起されない。非共鳴光は、図６における光エネルギーＳ１、Ｓ２等のように励起準位軌道のポテンシャルエネルギーよりも低いため、伝搬光を単に照射させたのみでは、ガス分子を光解離させて活性種としてのラジカルを生成させることはできない。
【００３４】
これに対して本発明では、塩素系ガスの吸収端波長以上の光（以下、この光を非共鳴光という。）を利用するが、光学素子２の表面凹凸をエッチングする上で、非共鳴光としての伝搬光を直接的に利用するものではなく、この照射された伝搬光に基づいて光学素子２の局所領域に発生させた近接場光に基づいて、表面の凹凸をエッチングする。
【００３５】
ここでいう近接場光とは、約１μｍ以下の大きさからなる物体の表面に伝搬光を照射した場合に、その物体の表面にまとわりついて局在する非伝搬光のことをいう。この近接場光は、非常に強い電場成分を有しているが、物体の表面から遠ざかるにつれてその電場成分が急激に減少する性質をもっている。この非常に強い電場成分が見られる物体表面からの厚みは、その物体の寸法に依存しており、その物体の寸法と同程度の厚みからなる。
【００３６】
近接場光の電場強度は、局所領域においても急激に減少するという特質を有する。このため、この近接場光を塩素系ガスの分子と反応させた場合において、その電場は分子にとって不均一な空間分布となり、塩素系ガス分子中の原子核も、かかる近接場光の電場勾配により引力を受けることになる。即ち、近接場光をガス分子と反応させることにより、当該ガス分子を構成する比較的軽い電子のみならず、原子核をも近接場光に対して応答させることができる。その結果、近接場光により、原子核間距離を周期的に変化させることが可能となり、分子の振動準位への直接的な励起を生じさせる、いわゆる非断熱光化学反応を起こさせることが可能となる。
【００３７】
塩素系ガスの吸収端波長以上の非共鳴光を近接場光としてガス分子に反応させた場合には、かかる非断熱光化学反応により、ガス分子をラジカルへと解離させることが可能となる。この非断熱光化学反応は、図５に示すような過程Ｔ１〜Ｔ３に分類することができる。過程Ｔ１は、ガス分子が複数の分子振動準位を介して励起され（多段階遷移）、その結果、励起準位にまで励起された後に、活性種等に解離される過程のことをいう。また、過程Ｔ２は、ガス分子の解離エネルギーＥｂ以上の光エネルギーをもつ光を照射した場合に、ガス分子が解離エネルギーＥｂ以上のエネルギー準位の分子振動準位にまで励起され、その結果、活性種等に直接的に解離される過程のことをいう。また、過程Ｔ３は、ガス分子のＥｂ以下の光エネルギーを持つ光を照射した場合に、ガス分子が複数の分子軌道準位を介して多段階遷移し、Ｅａ未満Ｅｂ以上のエネルギー準位まで励起された後に、活性種等に解離される過程のことをいう。
【００３８】
このように、非共鳴光を近接場光としてガス分子と反応させた場合に、非断熱光化学反応における過程Ｔ１〜Ｔ３により、当該ガス分子を分子振動準位にまで直接的に遷移させることが可能となる。
【００３９】
ここで伝搬光を光学素子２に照射することにより、近接場光が発生する角部とは、図４(b)に示すように凸部４２の先端に相当する先鋭化部分４３である。この先鋭化部分４３において近接場光が選択的に発生すると、当該発生した近接場光により原料ガス分子５１が解離されてラジカル５２が生成される。このラジカル５２は、近接場光が発生した先鋭化部分４３近傍のみにおいて選択的に生成される。そして、この生成されたラジカル５２は、これに最も近接する先鋭化部分４３と選択的に反応することになる。その結果、図４(c)に示すように、先鋭化部分４３がラジカル５２の活性によりエッチングされることになる。そして先鋭化部分４３がエッチングされると、この凸部４２において更に先鋭化部分４３’が形成されるが、これに対しても近接場光が選択的に発生し、原料ガス分子５１を解離させてラジカル５２を先鋭化部分４３’近傍において選択的に形成されることができる。その結果、この先鋭化部分４３’は、ラジカル５２と反応することによりエッチングされることになる。
【００４０】
また、近接場光が発生する角部は、かかる先鋭化部分のみならず、凹部４１、凸部４２を構成するいかなる角部分をも含む。凹部４１もここでいう角部に含まれ、図４(b)に示すように近接場光が発生し、この発生した近接場光に基づいて発生させたラジカル５２により当該凹部４１が平滑化されることになる。
【００４１】
上述したように、光学素子２の局所領域における近接場光の発生と、原料ガス分子５１の解離によるラジカル活性、先鋭化部分４３の反応が繰り返し実行されることにより、最終的には図４(d)に示すように、角部をエッチングすることにより表面を平滑化させ、表面粗さを低減させることが可能となる。
【００４２】
また、光学素子２に照射された光は、図７に示すように光学素子２の上段から下段へ順次透過することになる。例えば最上段に位置する光学素子２ａは、照射された光が直接的に入射される。これに対して、光学素子２ｂは、光学素子２ａを透過した光が入射される。さらに、光学素子２ｃは、光学素子２ａ及び／又は光学素子２ｂを透過した光が入射される。
【００４３】
光学素子２ｂ、２ｃは、これらよりも上段に配置される光学素子２を透過してきた光に基づいて近接場光を発生させる。かかる場合において、図７の点線矢印に示すように、入射された光が光学素子２の表面において反射してしまうと、それが光損失になってしまう。この光損失が、各段における光学素子２について起これば、下段の光学素子２になるにつれて、かかる光損失の影響を受け、入射される光の強度はより低くなってしまう。
【００４４】
このような光学素子２の表面反射に基づくエネルギーのロスを防ぐために、図８に示すように、Ｐ偏光の光をブリュースター角θiで入射させるようにしてもよい。これにより、かかるＰ偏光の光は、光学素子の表面で反射することが無くなることから、表面反射に基づくエネルギーのロスを最小限に抑えることが可能となる。
【００４５】
本発明を適用した光学素子の表面平滑化方法では、特に光学素子２における先鋭化部分４３を初めとした局所的な部分において近接場光を発生させ、かかる近接場光による非断熱光化学反応に基づいて当該部分のみについて原料ガス分子５１を選択的に解離させ、生成したラジカル５２に基づいて角部を選択的にエッチングすることが可能となる。特に、この近接場光は、１ｎｍオーダの角部であっても選択的に発生させることができることから、表面平滑化処理そのものをナノオーダで実現することができる。このため、本発明では、従来の光学素子の研磨方法と比較して、ナノオーダの光の回折限界以下のピッチで凹凸を無くすことにより、光学素子２の表面をより平滑化させることが可能となる。
【００４６】
また本発明は、光学素子２の表面形状がいかなるものであっても、その微細な表面凹凸の局所領域に近接場光を発生させることができることから、光学素子２の表面形状により処理の制約を受けることが無くなり、処理対象としての光学素子２の表面形状の自由度に幅を持たせることで汎用性を向上させることができる。従って、従来において物理研磨を精度よく施すことが困難であった、光学素子２ｂ、２ｃのような、表面が湾曲した形状の凹曲面３３や凸曲面３４に対しても、塩素系ガス雰囲気中でこれら曲面等に光を照射するのみで、特別の制御することなく平滑化が可能となる。
【００４７】
さらに本発明では、光を照射するのみで処理を行うことが可能となることから、物理的な研磨を行う場合と比較して短時間で済み、しかも製造コストを低減させることが可能となる。特に本発明では、ステージ１３上に多くの光学素子２を並べて同時に平滑化処理を行うことが可能となるため、処理効率を向上させることが可能となる。
【００４８】
また、本発明では、光学素子２を複数段に亘り重ねて配置し、光を光学素子２に照射することにより、これを光学素子２の上段から下段へ順次透過させる。これにより何れの段に配置されている光学素子２に対しても光源１４からの光が照射されることになることから、多数の光学素子２を同時にエッチングすることが可能となり、ひいてはエッチング工程における歩留まりの向上並びに光学素子２の作製時間の短縮化を図ることが可能となる。
【００４９】
しかも光学素子表面に対してＰ偏光の光をブリュースター角度で照射することにより、入射された光が光学素子２の表面において反射してしまうのを防止することが可能となり、下段の光学素子２においても、かかる光損失の影響を受けることなく、エッチングにおける光効率を高く維持することが可能となる。
【００５０】
因みに、上述した実施の形態においては、原料ガスとして塩素系ガスを使用する場合を例にとり説明をしたが、塩素系ガス以外を使用する場合も同様の技術思想が適用される。即ち、使用する原料ガスを構成するガス分子の吸収端波長以上のみの光を照射することにより、上述したような近接場光を利用した非断熱光化学反応に基づいてガス分子を解離させることが可能となる。 なお本発明において、光源１４から出射する光の波長帯域としては１０μｍ以下とするのが好ましい。この光の波長が１０μｍ超であると、ガス分子の振動準位への直接的な励起が生じにくく、近接場光によるエッチングレートが低減するためである。
【００５１】
また、本発明において、チャンバ１１内に導入される塩素系ガスのガス分子の分圧は、少なくとも１×１０−５Ｐａ以上とするのが望ましい。チャンバ１１内の塩素系ガスのガス分子の分圧が１×１０−５Ｐａ未満であると、光学素子２表面の凸部５１近傍の空間内に、エッチング反応を起こすために必要となる塩素系ガスのガス分子が行き届かず、これによって、凸部５１に近接場光が発生したとしてもエッチング反応が進行しにくくなるためである。なお、チャンバ１１内に導入される塩素系ガスのガス分子の分圧は、あまりに低すぎるとエッチングレートが低くなり、プロセスが完了するまでに多大な時間を要することになるので、１００Ｐａ以上とするのが一層望ましい。これによって、光学素子２表面に形成された角部近傍の空間に、エッチング反応を起こすために必要となる塩素系ガスのガス分子を十分行き渡らせることが可能となり、平滑化処理プロセスを短時間で完了させることが可能となる。
【００５２】
また、本発明においては、光学素子２を多段に亘り重ねて配置する場合における光の減衰を考慮して、光学素子２に対して照射される光のエネルギー密度を適宜上昇させるようにしてもよい。
【００５３】
さらに本発明では、あくまで、各光学素子２表面に形成された凹凸における少なくとも角部において発生させた近接場光に基づいて原料ガスを解離させてエッチングする場合を例にとり説明をしたが、これに限定されるものではない。例えば、各光学素子２裏面に形成された凹凸における少なくとも角部において発生させた近接場光に基づいて原料ガスを解離させてエッチングするようにしてもよい。そのメカニズムは、上述と同様である。即ち、光学素子２の裏面においても原料ガスが回り込むことから、光学素子２の表面と同様の現象、効果が生じることになる。このため、本発明では、光学素子２の表面に加え裏面も同時にエッチングすることができる点において有用である。
【００５４】
また本発明は、原料ガスを構成するガス分子の吸収端波長以上の光を照射する場合に限定されるものではない。ガス分子の吸収端波長以上の帯域に加えて吸収端波長未満の帯域を含む光を照射するようにしてもよいことは勿論である。
【００５５】
因みに本発明は、上述したプロセスからなる光学素子の表面平滑化方法の工程を有すること光学素子の作製方法として具体化されていてもよい。
【００５６】
また、チャンバ１１内に対して供給管２３を介して供給される原料ガスは、塩素系ガスに限定されるものではなく、例えば、ＳｉＨ４（モノシラン）、Ｓｉ２Ｈ６（ジシラン）等のシラン系ガスや、Ｃｒ(η5-Ｃ５Ｈ５)２（クロモセン）、Ｃｒ（ＣＯ６）（ヘキサカルボニルクロム）等であってもよい。またこれ以外にも、例えば、ＳＦ６（六フッ化硫黄）、ＣＨＦ３（トリフルオロメタン）、ＣＦ４（四フッ化炭素）、Ｃ３Ｆ８（オクタフルオロプロパン）等のフッ素系ガス等であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明を適用した光学素子の表面平滑化方法を実現するための表面平滑化処理システムを示す図である。
【図２】本発明を適用した光学素子の表面平滑化方法を実現するための他の光学系の例を示す図である。
【図３】本発明を適用した表面平滑化処理システムによる処理対象としての光学素子の例を示す図である。
【図４】本発明を適用した光学素子の表面平滑化方法について説明するための図である。
【図５】チャンバ内に導入された塩素系ガスのガス分子の原子核間距離に対するポテンシャルエネルギーの関係図である。
【図６】共鳴光照射モードについて説明するための図である。
【図７】光学素子表面における光損失を低減させる方法について説明するための図である。
【図８】光学素子表面における光損失を低減させる方法について説明するための他の図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 表面平滑化処理システム
２ 光学素子
１１ チャンバ
１３ ステージ
１５ 窓
１６ ポンプ
１７ 圧力センサ
１８ バタフライバルブ
１９ 段
２３ 供給管
４１ 凹部
４２ 凸部
４３ 先鋭化部分
７１ 反射ミラー
７２ 凹レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子を原料ガス雰囲気中に複数段に亘り互いに間隙を設けて配置し、
上記原料ガスを構成するガス分子の吸収端波長以上の光を上記光学素子に照射することにより、これを上記光学素子の上段から下段へ順次透過させ、
各光学素子表面に形成された凹凸における少なくとも角部において発生させた近接場光に基づいて上記原料ガスを解離させてエッチングすること
を特徴とする光学素子の表面平滑化方法。
【請求項２】
さらに上記各光学素子裏面に形成された凹凸における少なくとも角部において発生させた近接場光に基づいて上記原料ガスを解離させてエッチングすること
を特徴とする請求項１記載の光学素子の表面平滑化方法。
【請求項３】
上記光学素子表面に対してＰ偏光の光をブリュースター角で入射させること
を特徴とする請求項１又は２記載の光学素子の表面平滑化方法。
【請求項４】
塩素系ガスからなる原料ガス雰囲気中に光学素子を配置し、
上記塩素系ガスを構成するガス分子の吸収端波長以上の、又はこれに加えて吸収端波長未満の帯域を含む光を照射すること
を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の光学素子の表面平滑化方法。
【請求項５】
光の回折限界以下のピッチで上記凹凸が形成された光学素子を上記原料ガス雰囲気中に配置すること
を特徴とする請求項１〜４のうち何れか１項記載の光学素子の表面平滑化方法。
【請求項６】
請求項１〜５のうち何れか１項に記載の光学素子の表面平滑化方法の工程を有すること
を特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項１】
光学素子を原料ガス雰囲気中に複数段に亘り互いに間隙を設けて配置し、
上記原料ガスを構成するガス分子の吸収端波長以上の光を上記光学素子に照射することにより、これを上記光学素子の上段から下段へ順次透過させ、
各光学素子表面に形成された凹凸における少なくとも角部において発生させた近接場光に基づいて上記原料ガスを解離させてエッチングすること
を特徴とする光学素子の表面平滑化方法。
【請求項２】
さらに上記各光学素子裏面に形成された凹凸における少なくとも角部において発生させた近接場光に基づいて上記原料ガスを解離させてエッチングすること
を特徴とする請求項１記載の光学素子の表面平滑化方法。
【請求項３】
上記光学素子表面に対してＰ偏光の光をブリュースター角で入射させること
を特徴とする請求項１又は２記載の光学素子の表面平滑化方法。
【請求項４】
塩素系ガスからなる原料ガス雰囲気中に光学素子を配置し、
上記塩素系ガスを構成するガス分子の吸収端波長以上の、又はこれに加えて吸収端波長未満の帯域を含む光を照射すること
を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の光学素子の表面平滑化方法。
【請求項５】
光の回折限界以下のピッチで上記凹凸が形成された光学素子を上記原料ガス雰囲気中に配置すること
を特徴とする請求項１〜４のうち何れか１項記載の光学素子の表面平滑化方法。
【請求項６】
請求項１〜５のうち何れか１項に記載の光学素子の表面平滑化方法の工程を有すること
を特徴とする光学素子の作製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２８２２３２（Ｐ２００９−２８２２３２Ａ）
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３３２７９（Ｐ２００８−１３３２７９）
【出願日】平成２０年５月２１日（２００８．５．２１）
【出願人】（５９２２５３７３６）シグマ光機株式会社 (46)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２１日（２００８．５．２１）
【出願人】（５９２２５３７３６）シグマ光機株式会社 (46)
【Ｆターム（参考）】
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