表面平坦化方法
【課題】光学素子の表面粗さを更に低減可能となり、光学素子の表面形状に依存することなくその表面を平坦化させるのに好適な表面平坦化方法を提供する。
【解決手段】光学素子構造体３表面に形成された凸部５１を平坦化する表面平坦化方法において、塩素系ガスが導入されてなるチャンバ１１内に上記光学素子構造体３を配置し、上記塩素系ガスのガス分子の吸収端波長よりも長波長からなる光を上記光学素子構造体３に照射することによって、当該光学素子構造体３表面の凸部５１の局所領域に近接場光を発生させ、上記凸部５１の局所領域に発生した近接場光に基づき、上記塩素系ガスを解離させて活性種を生成させ、当該生成された活性種と上記凸部とを化学反応させて反応生成物を生成させることによって、上記凸部５１をエッチングすること。
【解決手段】光学素子構造体３表面に形成された凸部５１を平坦化する表面平坦化方法において、塩素系ガスが導入されてなるチャンバ１１内に上記光学素子構造体３を配置し、上記塩素系ガスのガス分子の吸収端波長よりも長波長からなる光を上記光学素子構造体３に照射することによって、当該光学素子構造体３表面の凸部５１の局所領域に近接場光を発生させ、上記凸部５１の局所領域に発生した近接場光に基づき、上記塩素系ガスを解離させて活性種を生成させ、当該生成された活性種と上記凸部とを化学反応させて反応生成物を生成させることによって、上記凸部５１をエッチングすること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子の表面を平坦化するのに好適な表面平坦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平坦化方法としては、例えば、特許文献１に示されるような研磨方法が提案されている。この研磨方法においては、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させ、保持させたレンズを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、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っている。この場合において、通常、レンズと固定砥粒工具との間には、適宜研磨液がノズル等を介して導入されることになる。
【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、近年においては、核融合用レーザー等の超高出力レーザーの需要が増大している。このような超高出力レーザー装置内においても、レンズ、反射鏡等の光学素子が使用されている。これら超高出力レーザー装置内において使用される光学素子は、その表面や内部を通過するレーザー光の強力な電界によって、光学素子を構成する物質が破壊され易い。特に、このような超高出力レーザー光によってレーザー損傷が一反発生してしまうと、この損傷箇所から更にレーザー損傷が拡大することになる。このため、今後その需要の増大が望まれる超高出力レーザー装置を実用可能なものとするためには、優れたレーザー耐性を備えた光学素子が要求される。そして、このような光学素子のレーザー耐性は、光学素子の表面粗さが影響していると考えられている。
【０００４】
ここで、上述の特許文献１に示すような、現在提案されている光学素子の表面平坦化方法は、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坦化しているため、固定砥粒工具表面や研磨液の物理的な寸法より小さな凹凸までの研磨を施すことができなかった。また、上述のような研磨液を導入することによって行なわれる研磨では、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っていた。また、物理的な研磨を用いて平坦化を行う場合、研磨の対象となる材料や板厚に応じて最適な研磨条件に条件だしをする必要があるが、現実的には凹凸が最小となる条件を探すことが不可能であり、加工の条件出しが非常に困難であった。
【０００５】
このため、従来において提案されている物理的な研磨による表面平坦化方法によっては、優れたレーザー耐性を有する光学素子が得られにくくなっているため、物理的な研磨以外に方法によって光学素子の表面に平坦化を施すことを可能とする平坦化方法の提案が望まれていた。
【０００６】
特に、現在において提案されている表面平坦化方法では、光学素子の形状によっては、光学素子の表面に対して研磨を施すこと自体が困難な場合が多くあり、光学素子の表面形状にとらわれることなく、その表面を平坦化可能とする技術が望まれていた。
【０００７】
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、従来から提案されている光学素子の表面平坦化方法と比較して表面粗さを更に低減可能となり、光学素子の表面形状に依存することなくその表面を平坦化させるのに好適に用いられる表面平坦化方法を提供することを目的とする。また、本発明が目的とするところは、レーザー耐性に優れた光学素子を作製可能な光学素子の作製方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上述した課題を解決するために、塩素系ガスが導入されてなるチャンバ内に上記光学素子を配置し、上記塩素系ガスのガス分子の吸収端波長よりも長波長からなる光を上記凸部に照射することによって、当該凸部の局所領域に近接場光を発生させ、上記凸部の局所領域に発生した近接場光に基づき、非共鳴過程を経て上記塩素系ガスを解離させて活性種を生成させ、当該生成された活性種と上記凸部とを化学反応させて反応生成物を生成させることによって、上記凸部をエッチングすることを特徴とする表面平坦化方法を発明した。
【０００９】
即ち、本願請求項１に係る発明は、光学素子構造体表面に形成された凸部を平坦化する表面平坦化方法において、塩素系ガスが導入されてなるチャンバ内に上記光学素子構造体を配置し、上記塩素系ガスのガス分子の吸収端波長よりも長波長からなる光を上記光学素子構造体に照射することによって、当該光学素子構造体表面の凸部の局所領域に近接場光を発生させ、上記凸部の局所領域に発生した近接場光に基づき、上記塩素系ガスを解離させて活性種を生成させ、当該生成された活性種と上記凸部とを化学反応させて反応生成物を生成させることによって、上記凸部をエッチングすることを特徴とする。
【００１０】
本願請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、上記チャンバ内の塩素系ガスのガス分子の分圧を１×１０−５Ｐａ以上とすることを特徴とする。
【００１１】
本願請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明において、上記照射される光のエネルギー密度が１μＪ／ｃｍ２以上であることを特徴とする。
【００１２】
本願請求項４に係る発明は、光学素子構造体表面に形成された凸部を平坦化する工程を有する光学素子の作製方法において、塩素系ガスが導入されてなるチャンバ内に上記光学素子構造体を配置し、上記塩素系ガスのガス分子の吸収端波長よりも長波長からなる光を上記光学素子構造体に照射することによって、当該光学素子構造体表面の凸部の局所領域に近接場光を発生させ、上記凸部の局所領域に発生した近接場光に基づき、非共鳴過程を経て上記塩素系ガスを解離させて活性種を生成させ、当該生成された活性種と上記凸部とを化学反応させて反応生成物を生成させることによって、上記凸部を除去することを特徴とする光学素子の作製方法である。
【００１３】
本願請求項５に係る発明は、請求項４に係る発明において、上記チャンバ内の塩素系ガスのガス分子の分圧を１×１０−５Ｐａ以上とすることを特徴とする。
【００１４】
本願請求項６に係る発明は、請求項４又は５に係る発明において、上記照射される光のエネルギー密度が１μＪ／ｃｍ２以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本願請求項１に係る発明によれば、物理研磨によって取り除くことが困難であったサイズの凸部を、装置内にガスを導入し、光を照射すると言う簡単な工程によって平坦化することが可能となっている。特に、ガスの導入、光の照射のみによって、反応が自動的に進行するため、平坦化を施そうとする光学素子構造体の表面形状によって装置内の各種要素の特別の制御をする必要無く、その表面を平坦化することが可能となる。また、本願請求項１に係る発明によって、光学素子構造体の表面の表面粗さを光の照射範囲全体で均一にしつつ、更に表面粗さを低減させる平坦化を施すことが可能となる。
【００１６】
本願請求項４に係る発明によれば、物理研磨によって取り除くことが困難であったサイズの凸部を平坦化することが可能となっており、物理研磨することによって得られた光学素子と比較してその表面粗さが低減されていることから、従来から提案されている光学素子と比較して優れたレーザー耐性を有する光学素子を得ることが可能となっている。
【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】
まず、本発明を適用した表面平坦化方法の対象となる光学素子について説明する。
【００１９】
本発明の対象となる光学素子は、例えば、レンズ、ミラー、プリズム、基板、ビームスプリッタ、偏光素子として用いられるものである。
【００２０】
本発明における光学素子は、例えば、図１に模式的に示す形状のような、光学素子構造体３Ａ〜３Ｅによって具体化される。光学素子構造体３Ａは、図１（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。光学素子構造体３Ｂ、３Ｃは、図１（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、本発明の対象となる光学素子は、その表面が平坦な形状からなる光学素子構造体３Ａ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３Ｂ、Ｃ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、本発明の対象となる光学素子構造体は、その大きさに限定されるものではない。
【００２１】
光学素子構造体３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）、サファイア、ジンクセレン（ZnSe）のような光学結晶等によって具体化される。
【００２２】
これらの光学素子構造体３には、図２に模式的に示すような凸部５１がその表面に形成されている。この凸部５１は、物理研磨等を施した後に、光学素子構造体３表面に残存しているものであって、数ｎｍ〜数μｍの大きさから構成されている。
【００２３】
次に、本発明を適用した表面平坦化方法において用いられる表面平坦化装置１について説明する。
【００２４】
表面平坦化装置１は、図３に概略的に示すような構成からなる。この表面平坦化装置１は、チャンバ１１と、チャンバ１１内のステージ１３と、チャンバ１１内にガスを供給するためのガス供給部１７と、チャンバ１１内に光を照射するための光源１４とを備えている。また、この表面平坦化装置１は、光の形状や偏光方向を制御可能とする照明光学系１６と、光源１４から射出される光を照明光学系１６に反射する反射ミラー１５と、チャンバ１１内に光を導入するための開口窓１８と、チャンバ１１内のガス等を排気する排気口１９とを備えている。
【００２５】
チャンバ１１内には、ガス供給部１７から塩素系ガスと不活性ガスとを混合してなる混合ガスが、所定の圧力となるように随時供給されている。この塩素系ガスは、凸部５１を有する光学素子構造体３を平坦化するためにチャンバ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ガスによって具体化される。なお、塩素系ガスを適用した理由は、塩素系ガスのガス分子の長波側の吸収端波長が可視広域の帯域にあり、後述するように光源からこの吸収端波長より長波長からなる光を照射する際に、光源１４として安価な可視光域のランプや白色光源を用いることができるためである。
【００２６】
ステージ１３は、光学素子構造体３を載置するための図示しない載置部や、光学素子構造体３を加熱するための図示しない加熱機構が設けられており、これによって、光学素子構造体３上で塩素系ガスをエッチングさせる場合において、エッチング反応速度をコントロールできる。なお、ステージ１３は、光学素子構造体３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。
【００２７】
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、塩素系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１は、例えば、レーザーダイオード等によって具体化される。
【００２８】
照明光学系１６は、図示しない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、光学素子構造体３の表面の凸部５１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。
【００２９】
次に、本発明を適用した平坦化方法における各種条件について説明する。
【００３０】
まず、上述した表面平坦化装置１の光源１４から出射される光の波長について説明する。
【００３１】
図４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以上の光子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活性種が生成される。
【００３２】
本発明においては、上述のようなガス分子に対して共鳴光を照射して、ガス分子を励起準位にまで直接的に励起させてから解離させる共鳴過程ではなく、ガス分子の吸収端波長よりも長波長である光（以下、この光を非共鳴光という。）を、近接場光として当該ガス分子に対して照射した場合に発生する非共鳴過程を利用して、基板表面の平坦化を行なう。
【００３３】
伝搬光である非共鳴光を照射した場合、通常、ガス分子は励起準位へ励起されないが、近接場光である非共鳴光を照射した場合、このガス分子は、非共鳴過程を経て活性種等へと解離可能となる。この非共鳴過程とは、図５に示すような、過程T１、過程T２、過程T３に分類される。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（以下、S１モードという）を照射した場合に、ガス分子が解離エネルギー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（以下、S２モードという）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励起され（多段階遷移）、Ea未満Eb以上の分子振動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。
【００３４】
このように、近接場光である非共鳴光を照射した場合に、非共鳴過程が発生するのは、近接場光をガス分子に対して照射した場合に、ガス分子を分子振動準位にまで直接的に励起可能となることによる。
【００３５】
即ち、伝搬光を使った通常の光解離では、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が、原子核間距離を変化させることができない。これに対して、近接場光を使った光解離では、近接場光の電場強度が分子サイズの空間内において変位が激しく、不均一な分布となっている。このため、近接場光を使った場合は、ガス分子の電子のみならず、原子核も反応し、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ことが可能となる（非断熱化学反応）。
【００３６】
なお、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。本発明における局所領域とは、このような非常に強い電場成分が見られる物体表面の局所的な領域のことをいうものとし、例えば、図２における光学素子構造体３表面の微小な凸部５１先端のエッジ部分のことをいう。
【００３７】
また、本発明において、光源１４から光学素子構造体３に照射される光の波長は、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。
【００３８】
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、光学素子構造体３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、平坦化の完了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、光学素子構造体３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十分量行き届き、短時間で平坦化工程を完了することが可能となる。なお、塩素系ガスのガス分子の分圧の測定は、図示しないマスフィルタのような分圧計を利用して行うことになるが、特にその測定装置を限定するものではない。
【００３９】
また、本発明においては、光学素子構造体３に対して照射される光のエネルギー密度を少なくとも１μＪ／ｃｍ２以上とすること望ましい。これは、エネルギー密度が１μ未満であると、近接場光によるエッチング反応が進行しにくくなり、十分に光学素子構造体３表面の平坦化を進行させにくくなるためである。なお、照射される光のエネルギー密度は、あまりに低すぎるとエッチングレートが低くなり、平坦化の完了までに多大な時間を要することになるため、１００Ｊ／ｃｍ２とすることが一層望ましい。
【００４０】
なお、チャンバ１１内に導入されるガス分子の圧力や、照射する光のエネルギー密度を増加させるにつれて、光の照射時間を低減可能となり、光学素子構造体の平坦化に要する作業時間を低減させることが可能となる。
【００４１】
次に本発明を適用した表面平坦化方法を含む光学素子の作製方法の工程について説明する。
【００４２】
まずは、表面平坦化を施そうとする光学素子構造体３を準備する。この場合、プレスモールド成形、射出圧縮成形等の種々の成形法によって得られた光学素子構造体３に対して、いわゆる荒ずり工程、砂かけ工程、研磨工程を施し、その後に本発明の表面平坦化方法を施すようにしてもよい。また、この他にも、新規に作製された光学素子構造体３ではなく、既存の光学素子構造体３に対して平坦化を施すようにしてもよい。
【００４３】
次に、図３に示すように、チャンバ１１内のステージ１３上に光学素子構造体３を配置する。この場合において、チャンバ１１内にガス供給部１７から予め塩素系ガスが導入されていてもよいし、光学素子構造体３の配置後に塩素系ガスを導入してもよい。
【００４４】
次に、図６（ａ）に示すように、光源１４から、反射ミラー１５等を介して光学素子構造体３に対して光を照射する。これによって、凸部５１の局所領域において、近接場光が発生する。この場合、照射する光が非共鳴光であるため、塩素系ガスは、近接場光の発生しない光学素子構造体３表面の平坦な箇所では反応せず、また、凸部５１先端の近接場領域に対して比較的弱い近接場領域が発生する各凸部５１間の凹部においても、反応が進行しにくく、近接場光の発生している凸部５１の局所領域においてのみ反応が進行することになる。
【００４５】
この場合、図７に示すように、塩素系ガスＧ１０は、上述したような非共鳴過程を経て解離されて、活性種Ｇ１１を生成し、この活性種Ｇ１１と凸部５１の原子、分子２１ａとが化学反応し、これによって、揮発性を有する反応生成物Ｇ１２が生成される。この反応生成物Ｇ１２は、排気口１９に接続された、図示しない真空ポンプによってチャンバ１１外に排出される。
【００４６】
反応の進行に伴って凸部５１は、その寸法が徐々に微細化される。これによって、図６（ｂ）に示すように、光学素子構造体３は、平坦化を施す前より、表面粗さが低減されることになる。このエッチング反応は、凸部５１が、その周囲の光学素子構造体３表面の他の原子層と略同一レベルになった時点、即ち、凸部５１がほぼ完全に除去された時点で、近接場光の発生する領域も消滅し、これによって、自己組織的に平坦化工程が終了することになる。しかし、照射している光の出力密度によっては、反応が完了するまでに多大な時間を要する場合もあるので、この場合は、所望の表面粗さが得られた時点で、適宜表面平坦化の工程を終了することになる。
【００４７】
このように、本発明を適用した表面平坦化方法によれば、物理研磨によって取り除くことが困難であったサイズの凸部を、装置内にガスを導入し、光を照射するという簡単な工程によって平坦化することが可能となっている。特に、ガスの導入、光の照射のみによって、反応が自動的に進行するため、平坦化を施そうとする光学素子構造体の表面形状によって装置内の各種要素の特別の制御をする必要なく、その表面を平坦化することが可能となる。このため、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、光学素子構造体３Ｂや３Ｃ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という簡単な工程によって、特別の制御することなく平坦化が可能となる。
【００４８】
なお、この表面平坦化装置１は、例えば、光CVD（Chemical Vapor Deposition）装置、スパッタリング装置、光励起エッチング装置、反応性イオンエッチング装置、誘導結合プラズマエッチング装置等に用いられているガス供給部１７や、光源１４、チャンバ１１等をそのまま利用することによって具体化されていてもよい。この場合、光CVD装置の光源の波長のみを変化させるのみによって本発明を適用した表面平坦化方法を実現可能となる。なお、光源の波長を変化させる場合、光源から白色光を射出させ、開口窓１８等においてカラーフィルターを通過させるようにして、単色光を照射するようにしてもよい。
【００４９】
また、凸部５１は、その大きさが１mm以上である等、あまりに大きすぎる場合は、反応に要する時間が膨大になる。このため、この場合は、予め物理研磨を施しておき、ある程度光学素子構造体３表面を研磨しておき、こ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。
【実施例１】
【００５０】
予め酸化セリウム等を含有する研磨剤によって物理研磨が施された合成石英からなる光学素子構造体３Ａをチャンバ１１内のステージ１３上に配置し、光学素子構造体３Ａに対して、光源１４から波長５３２ｎｍの光を出力密度２０ｍＷ／ｃｍ２となるように照射した。ガス供給部１７からチャンバ１１内に塩素ガスを供給し、チャンバ１１内の塩素ガスのガス分子の分圧が１００Ｐａとなるようにした。所定の時間に亘って光を照射した後、光学素子構造体３Ａに対して周波数４０ｋＨｚ、洗浄時間５ｍｉｎで超音波洗浄を施した後、光学素子構造体３Ａ表面の形状を原子間力顕微鏡により数点に亘って観察した。得られた光学素子構造体３Ａの表面形状について、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に基づき評価し、これを表面粗さＲａとした。
【００５１】
図８〜図１０は、それぞれ光の照射時間を６０ｍｉｎ、９０ｍｉｎ、１２０ｍｉｎと変化させた場合に得られた、各測定領域ごとの表面粗さを示している。四角形記号で示される値が平坦化を施す前の表面粗さ、円形記号で示される値が平坦化を施した後の表面粗さを示している。
【００５２】
光の照射時間を６０ｍｉｎとした場合、平坦化を施す前の表面粗さの各測定領域での平均値は２．３９１Åで、平坦化を施した後の表面粗さの各測定領域での平均値は２．２２９Åであり、０．２４６Åの表面粗さの低減が確認された。
【００５３】
光の照射時間を９０ｍｉｎとした場合、平坦化を施す前の表面粗さの各測定領域での平均値は３．１３１Åで、平坦化を施した後の表面粗さの各測定領域での平均値は２．３９１Åであり、０．７４０Åの表面粗さの低減が確認された。
【００５４】
光の照射時間を１２０ｍｉｎとした場合、平坦化を施す前の表面粗さの各測定領域での平均値は２．７１９Åで、平坦化を施した後の表面粗さの各測定領域での平均値は２．３７４Åであり、０．３４５Åの表面粗さの低減が確認された。
【００５５】
特に、何れの場合においても、平坦化を施す前には、測定領域によっては表面粗さのばらつきがみられていたが、平坦化を施した後には、このばらつきが解消されることとなった。即ち、本発明を適用することにより、光学素子構造体３の表面の表面粗さを光の照射範囲全体で均一にしつつ、更に表面粗さを低減させる平坦化を施すことが可能となることが確認された。
【００５６】
なお、図８〜図１０に示される実験条件のうち、チャンバ内の塩素ガスのガス分子の分圧のみを２Ｐａに変化させ、光の照射時間を６０分として試験を行ったところ、１×１０−１Å程度の表面粗さの低減は確認されなかったが、光の照射時間を更に長くすれば原理的には１×１０−１Å程度の表面粗さを低減可能になるものと考えられる。
【００５７】
図１１は、波長、出力密度、ガス圧力、雰囲気ガスの種類を上記と同様の条件としたうえで、光の照射時間を変化させてエネルギー密度を変化させ、異なるエネルギー密度ごとに得られた表面粗さ低減量の値を示している。なお、ここでいう表面粗さ低減量とは、本発明を適用した表面平坦化方法を施す前の光学素子構造体の表面粗さの値から、表面平坦化方法を施した後の光学素子構造体の表面粗さの値を減じたものをいう。
【００５８】
図１１に示されるように、エネルギー密度の増加に伴い、表面粗さがより低減されており、更にエネルギー密度が１００Ｊ／ｃｍ２以上の場合には、確実に光学素子構造体の表面粗さが低減されていることが確認される。エネルギー密度の増大に伴い、表面粗さがより低減される傾向にあることから、例えばエネルギー密度７００Ｊ／ｃｍ２となるように光源から光を照射した場合、表面粗さ低減量が２Å前後になるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の適用の対象となる光学素子について説明するための図であり、（ａ）は光学素子構造体３Ａの平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は光学素子構造体３Ｂの平面図、（ｄ）はそのＢ−Ｂ線断面図、（ｅ）は光学素子構造体３Ｃの平面図、（ｆ）はそのＣ−Ｃ線断面図である。
【図２】光学素子構造体の表面の形状について説明するための図である。
【図３】本発明を実現するために用いられる表面平坦化装置の構成を示す概略構成図である。
【図４】共鳴光及び非共鳴光について説明するための図である。
【図５】非共鳴過程について説明するための図である。
【図６】光学素子構造体の表面を平坦化する工程について説明するための図である。
【図７】凸部の局所領域で発生する反応について説明するための図である。
【図８】本発明を適用した表面平坦化方法によって、照射時間を６０ｍｉｎとして平坦化された光学素子構造体の表面粗さについて示す図である。
【図９】本発明を適用した表面平坦化方法によって、照射時間を９０ｍｉｎとして平坦化された光学素子構造体の表面粗さについて示す図である。
【図１０】本発明を適用した表面平坦化方法によって、照射時間を１２０ｍｉｎとして平坦化された光学素子構造体の表面粗さについて示す図である。
【図１１】エネルギー密度に対する表面粗さ低減量の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 表面平坦化装置
３ 光学素子構造体
１１ チャンバ
１３ ステージ
１４ 光源
１５ 反射ミラー
１６ 照明光学系
１７ ガス供給部
１８ 開口窓
１９ 排気口
５１ 凸部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子の表面を平坦化するのに好適な表面平坦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平坦化方法としては、例えば、特許文献１に示されるような研磨方法が提案されている。この研磨方法においては、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させ、保持させたレンズを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、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っている。この場合において、通常、レンズと固定砥粒工具との間には、適宜研磨液がノズル等を介して導入されることになる。
【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、近年においては、核融合用レーザー等の超高出力レーザーの需要が増大している。このような超高出力レーザー装置内においても、レンズ、反射鏡等の光学素子が使用されている。これら超高出力レーザー装置内において使用される光学素子は、その表面や内部を通過するレーザー光の強力な電界によって、光学素子を構成する物質が破壊され易い。特に、このような超高出力レーザー光によってレーザー損傷が一反発生してしまうと、この損傷箇所から更にレーザー損傷が拡大することになる。このため、今後その需要の増大が望まれる超高出力レーザー装置を実用可能なものとするためには、優れたレーザー耐性を備えた光学素子が要求される。そして、このような光学素子のレーザー耐性は、光学素子の表面粗さが影響していると考えられている。
【０００４】
ここで、上述の特許文献１に示すような、現在提案されている光学素子の表面平坦化方法は、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坦化しているため、固定砥粒工具表面や研磨液の物理的な寸法より小さな凹凸までの研磨を施すことができなかった。また、上述のような研磨液を導入することによって行なわれる研磨では、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っていた。また、物理的な研磨を用いて平坦化を行う場合、研磨の対象となる材料や板厚に応じて最適な研磨条件に条件だしをする必要があるが、現実的には凹凸が最小となる条件を探すことが不可能であり、加工の条件出しが非常に困難であった。
【０００５】
このため、従来において提案されている物理的な研磨による表面平坦化方法によっては、優れたレーザー耐性を有する光学素子が得られにくくなっているため、物理的な研磨以外に方法によって光学素子の表面に平坦化を施すことを可能とする平坦化方法の提案が望まれていた。
【０００６】
特に、現在において提案されている表面平坦化方法では、光学素子の形状によっては、光学素子の表面に対して研磨を施すこと自体が困難な場合が多くあり、光学素子の表面形状にとらわれることなく、その表面を平坦化可能とする技術が望まれていた。
【０００７】
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、従来から提案されている光学素子の表面平坦化方法と比較して表面粗さを更に低減可能となり、光学素子の表面形状に依存することなくその表面を平坦化させるのに好適に用いられる表面平坦化方法を提供することを目的とする。また、本発明が目的とするところは、レーザー耐性に優れた光学素子を作製可能な光学素子の作製方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上述した課題を解決するために、塩素系ガスが導入されてなるチャンバ内に上記光学素子を配置し、上記塩素系ガスのガス分子の吸収端波長よりも長波長からなる光を上記凸部に照射することによって、当該凸部の局所領域に近接場光を発生させ、上記凸部の局所領域に発生した近接場光に基づき、非共鳴過程を経て上記塩素系ガスを解離させて活性種を生成させ、当該生成された活性種と上記凸部とを化学反応させて反応生成物を生成させることによって、上記凸部をエッチングすることを特徴とする表面平坦化方法を発明した。
【０００９】
即ち、本願請求項１に係る発明は、光学素子構造体表面に形成された凸部を平坦化する表面平坦化方法において、塩素系ガスが導入されてなるチャンバ内に上記光学素子構造体を配置し、上記塩素系ガスのガス分子の吸収端波長よりも長波長からなる光を上記光学素子構造体に照射することによって、当該光学素子構造体表面の凸部の局所領域に近接場光を発生させ、上記凸部の局所領域に発生した近接場光に基づき、上記塩素系ガスを解離させて活性種を生成させ、当該生成された活性種と上記凸部とを化学反応させて反応生成物を生成させることによって、上記凸部をエッチングすることを特徴とする。
【００１０】
本願請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、上記チャンバ内の塩素系ガスのガス分子の分圧を１×１０−５Ｐａ以上とすることを特徴とする。
【００１１】
本願請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明において、上記照射される光のエネルギー密度が１μＪ／ｃｍ２以上であることを特徴とする。
【００１２】
本願請求項４に係る発明は、光学素子構造体表面に形成された凸部を平坦化する工程を有する光学素子の作製方法において、塩素系ガスが導入されてなるチャンバ内に上記光学素子構造体を配置し、上記塩素系ガスのガス分子の吸収端波長よりも長波長からなる光を上記光学素子構造体に照射することによって、当該光学素子構造体表面の凸部の局所領域に近接場光を発生させ、上記凸部の局所領域に発生した近接場光に基づき、非共鳴過程を経て上記塩素系ガスを解離させて活性種を生成させ、当該生成された活性種と上記凸部とを化学反応させて反応生成物を生成させることによって、上記凸部を除去することを特徴とする光学素子の作製方法である。
【００１３】
本願請求項５に係る発明は、請求項４に係る発明において、上記チャンバ内の塩素系ガスのガス分子の分圧を１×１０−５Ｐａ以上とすることを特徴とする。
【００１４】
本願請求項６に係る発明は、請求項４又は５に係る発明において、上記照射される光のエネルギー密度が１μＪ／ｃｍ２以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本願請求項１に係る発明によれば、物理研磨によって取り除くことが困難であったサイズの凸部を、装置内にガスを導入し、光を照射すると言う簡単な工程によって平坦化することが可能となっている。特に、ガスの導入、光の照射のみによって、反応が自動的に進行するため、平坦化を施そうとする光学素子構造体の表面形状によって装置内の各種要素の特別の制御をする必要無く、その表面を平坦化することが可能となる。また、本願請求項１に係る発明によって、光学素子構造体の表面の表面粗さを光の照射範囲全体で均一にしつつ、更に表面粗さを低減させる平坦化を施すことが可能となる。
【００１６】
本願請求項４に係る発明によれば、物理研磨によって取り除くことが困難であったサイズの凸部を平坦化することが可能となっており、物理研磨することによって得られた光学素子と比較してその表面粗さが低減されていることから、従来から提案されている光学素子と比較して優れたレーザー耐性を有する光学素子を得ることが可能となっている。
【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】
まず、本発明を適用した表面平坦化方法の対象となる光学素子について説明する。
【００１９】
本発明の対象となる光学素子は、例えば、レンズ、ミラー、プリズム、基板、ビームスプリッタ、偏光素子として用いられるものである。
【００２０】
本発明における光学素子は、例えば、図１に模式的に示す形状のような、光学素子構造体３Ａ〜３Ｅによって具体化される。光学素子構造体３Ａは、図１（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。光学素子構造体３Ｂ、３Ｃは、図１（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、本発明の対象となる光学素子は、その表面が平坦な形状からなる光学素子構造体３Ａ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３Ｂ、Ｃ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、本発明の対象となる光学素子構造体は、その大きさに限定されるものではない。
【００２１】
光学素子構造体３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）、サファイア、ジンクセレン（ZnSe）のような光学結晶等によって具体化される。
【００２２】
これらの光学素子構造体３には、図２に模式的に示すような凸部５１がその表面に形成されている。この凸部５１は、物理研磨等を施した後に、光学素子構造体３表面に残存しているものであって、数ｎｍ〜数μｍの大きさから構成されている。
【００２３】
次に、本発明を適用した表面平坦化方法において用いられる表面平坦化装置１について説明する。
【００２４】
表面平坦化装置１は、図３に概略的に示すような構成からなる。この表面平坦化装置１は、チャンバ１１と、チャンバ１１内のステージ１３と、チャンバ１１内にガスを供給するためのガス供給部１７と、チャンバ１１内に光を照射するための光源１４とを備えている。また、この表面平坦化装置１は、光の形状や偏光方向を制御可能とする照明光学系１６と、光源１４から射出される光を照明光学系１６に反射する反射ミラー１５と、チャンバ１１内に光を導入するための開口窓１８と、チャンバ１１内のガス等を排気する排気口１９とを備えている。
【００２５】
チャンバ１１内には、ガス供給部１７から塩素系ガスと不活性ガスとを混合してなる混合ガスが、所定の圧力となるように随時供給されている。この塩素系ガスは、凸部５１を有する光学素子構造体３を平坦化するためにチャンバ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ガスによって具体化される。なお、塩素系ガスを適用した理由は、塩素系ガスのガス分子の長波側の吸収端波長が可視広域の帯域にあり、後述するように光源からこの吸収端波長より長波長からなる光を照射する際に、光源１４として安価な可視光域のランプや白色光源を用いることができるためである。
【００２６】
ステージ１３は、光学素子構造体３を載置するための図示しない載置部や、光学素子構造体３を加熱するための図示しない加熱機構が設けられており、これによって、光学素子構造体３上で塩素系ガスをエッチングさせる場合において、エッチング反応速度をコントロールできる。なお、ステージ１３は、光学素子構造体３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。
【００２７】
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、塩素系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１は、例えば、レーザーダイオード等によって具体化される。
【００２８】
照明光学系１６は、図示しない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、光学素子構造体３の表面の凸部５１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。
【００２９】
次に、本発明を適用した平坦化方法における各種条件について説明する。
【００３０】
まず、上述した表面平坦化装置１の光源１４から出射される光の波長について説明する。
【００３１】
図４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以上の光子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活性種が生成される。
【００３２】
本発明においては、上述のようなガス分子に対して共鳴光を照射して、ガス分子を励起準位にまで直接的に励起させてから解離させる共鳴過程ではなく、ガス分子の吸収端波長よりも長波長である光（以下、この光を非共鳴光という。）を、近接場光として当該ガス分子に対して照射した場合に発生する非共鳴過程を利用して、基板表面の平坦化を行なう。
【００３３】
伝搬光である非共鳴光を照射した場合、通常、ガス分子は励起準位へ励起されないが、近接場光である非共鳴光を照射した場合、このガス分子は、非共鳴過程を経て活性種等へと解離可能となる。この非共鳴過程とは、図５に示すような、過程T１、過程T２、過程T３に分類される。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（以下、S１モードという）を照射した場合に、ガス分子が解離エネルギー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（以下、S２モードという）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励起され（多段階遷移）、Ea未満Eb以上の分子振動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。
【００３４】
このように、近接場光である非共鳴光を照射した場合に、非共鳴過程が発生するのは、近接場光をガス分子に対して照射した場合に、ガス分子を分子振動準位にまで直接的に励起可能となることによる。
【００３５】
即ち、伝搬光を使った通常の光解離では、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が、原子核間距離を変化させることができない。これに対して、近接場光を使った光解離では、近接場光の電場強度が分子サイズの空間内において変位が激しく、不均一な分布となっている。このため、近接場光を使った場合は、ガス分子の電子のみならず、原子核も反応し、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ことが可能となる（非断熱化学反応）。
【００３６】
なお、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。本発明における局所領域とは、このような非常に強い電場成分が見られる物体表面の局所的な領域のことをいうものとし、例えば、図２における光学素子構造体３表面の微小な凸部５１先端のエッジ部分のことをいう。
【００３７】
また、本発明において、光源１４から光学素子構造体３に照射される光の波長は、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。
【００３８】
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、光学素子構造体３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、平坦化の完了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、光学素子構造体３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十分量行き届き、短時間で平坦化工程を完了することが可能となる。なお、塩素系ガスのガス分子の分圧の測定は、図示しないマスフィルタのような分圧計を利用して行うことになるが、特にその測定装置を限定するものではない。
【００３９】
また、本発明においては、光学素子構造体３に対して照射される光のエネルギー密度を少なくとも１μＪ／ｃｍ２以上とすること望ましい。これは、エネルギー密度が１μ未満であると、近接場光によるエッチング反応が進行しにくくなり、十分に光学素子構造体３表面の平坦化を進行させにくくなるためである。なお、照射される光のエネルギー密度は、あまりに低すぎるとエッチングレートが低くなり、平坦化の完了までに多大な時間を要することになるため、１００Ｊ／ｃｍ２とすることが一層望ましい。
【００４０】
なお、チャンバ１１内に導入されるガス分子の圧力や、照射する光のエネルギー密度を増加させるにつれて、光の照射時間を低減可能となり、光学素子構造体の平坦化に要する作業時間を低減させることが可能となる。
【００４１】
次に本発明を適用した表面平坦化方法を含む光学素子の作製方法の工程について説明する。
【００４２】
まずは、表面平坦化を施そうとする光学素子構造体３を準備する。この場合、プレスモールド成形、射出圧縮成形等の種々の成形法によって得られた光学素子構造体３に対して、いわゆる荒ずり工程、砂かけ工程、研磨工程を施し、その後に本発明の表面平坦化方法を施すようにしてもよい。また、この他にも、新規に作製された光学素子構造体３ではなく、既存の光学素子構造体３に対して平坦化を施すようにしてもよい。
【００４３】
次に、図３に示すように、チャンバ１１内のステージ１３上に光学素子構造体３を配置する。この場合において、チャンバ１１内にガス供給部１７から予め塩素系ガスが導入されていてもよいし、光学素子構造体３の配置後に塩素系ガスを導入してもよい。
【００４４】
次に、図６（ａ）に示すように、光源１４から、反射ミラー１５等を介して光学素子構造体３に対して光を照射する。これによって、凸部５１の局所領域において、近接場光が発生する。この場合、照射する光が非共鳴光であるため、塩素系ガスは、近接場光の発生しない光学素子構造体３表面の平坦な箇所では反応せず、また、凸部５１先端の近接場領域に対して比較的弱い近接場領域が発生する各凸部５１間の凹部においても、反応が進行しにくく、近接場光の発生している凸部５１の局所領域においてのみ反応が進行することになる。
【００４５】
この場合、図７に示すように、塩素系ガスＧ１０は、上述したような非共鳴過程を経て解離されて、活性種Ｇ１１を生成し、この活性種Ｇ１１と凸部５１の原子、分子２１ａとが化学反応し、これによって、揮発性を有する反応生成物Ｇ１２が生成される。この反応生成物Ｇ１２は、排気口１９に接続された、図示しない真空ポンプによってチャンバ１１外に排出される。
【００４６】
反応の進行に伴って凸部５１は、その寸法が徐々に微細化される。これによって、図６（ｂ）に示すように、光学素子構造体３は、平坦化を施す前より、表面粗さが低減されることになる。このエッチング反応は、凸部５１が、その周囲の光学素子構造体３表面の他の原子層と略同一レベルになった時点、即ち、凸部５１がほぼ完全に除去された時点で、近接場光の発生する領域も消滅し、これによって、自己組織的に平坦化工程が終了することになる。しかし、照射している光の出力密度によっては、反応が完了するまでに多大な時間を要する場合もあるので、この場合は、所望の表面粗さが得られた時点で、適宜表面平坦化の工程を終了することになる。
【００４７】
このように、本発明を適用した表面平坦化方法によれば、物理研磨によって取り除くことが困難であったサイズの凸部を、装置内にガスを導入し、光を照射するという簡単な工程によって平坦化することが可能となっている。特に、ガスの導入、光の照射のみによって、反応が自動的に進行するため、平坦化を施そうとする光学素子構造体の表面形状によって装置内の各種要素の特別の制御をする必要なく、その表面を平坦化することが可能となる。このため、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、光学素子構造体３Ｂや３Ｃ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という簡単な工程によって、特別の制御することなく平坦化が可能となる。
【００４８】
なお、この表面平坦化装置１は、例えば、光CVD（Chemical Vapor Deposition）装置、スパッタリング装置、光励起エッチング装置、反応性イオンエッチング装置、誘導結合プラズマエッチング装置等に用いられているガス供給部１７や、光源１４、チャンバ１１等をそのまま利用することによって具体化されていてもよい。この場合、光CVD装置の光源の波長のみを変化させるのみによって本発明を適用した表面平坦化方法を実現可能となる。なお、光源の波長を変化させる場合、光源から白色光を射出させ、開口窓１８等においてカラーフィルターを通過させるようにして、単色光を照射するようにしてもよい。
【００４９】
また、凸部５１は、その大きさが１mm以上である等、あまりに大きすぎる場合は、反応に要する時間が膨大になる。このため、この場合は、予め物理研磨を施しておき、ある程度光学素子構造体３表面を研磨しておき、こ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。
【実施例１】
【００５０】
予め酸化セリウム等を含有する研磨剤によって物理研磨が施された合成石英からなる光学素子構造体３Ａをチャンバ１１内のステージ１３上に配置し、光学素子構造体３Ａに対して、光源１４から波長５３２ｎｍの光を出力密度２０ｍＷ／ｃｍ２となるように照射した。ガス供給部１７からチャンバ１１内に塩素ガスを供給し、チャンバ１１内の塩素ガスのガス分子の分圧が１００Ｐａとなるようにした。所定の時間に亘って光を照射した後、光学素子構造体３Ａに対して周波数４０ｋＨｚ、洗浄時間５ｍｉｎで超音波洗浄を施した後、光学素子構造体３Ａ表面の形状を原子間力顕微鏡により数点に亘って観察した。得られた光学素子構造体３Ａの表面形状について、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に基づき評価し、これを表面粗さＲａとした。
【００５１】
図８〜図１０は、それぞれ光の照射時間を６０ｍｉｎ、９０ｍｉｎ、１２０ｍｉｎと変化させた場合に得られた、各測定領域ごとの表面粗さを示している。四角形記号で示される値が平坦化を施す前の表面粗さ、円形記号で示される値が平坦化を施した後の表面粗さを示している。
【００５２】
光の照射時間を６０ｍｉｎとした場合、平坦化を施す前の表面粗さの各測定領域での平均値は２．３９１Åで、平坦化を施した後の表面粗さの各測定領域での平均値は２．２２９Åであり、０．２４６Åの表面粗さの低減が確認された。
【００５３】
光の照射時間を９０ｍｉｎとした場合、平坦化を施す前の表面粗さの各測定領域での平均値は３．１３１Åで、平坦化を施した後の表面粗さの各測定領域での平均値は２．３９１Åであり、０．７４０Åの表面粗さの低減が確認された。
【００５４】
光の照射時間を１２０ｍｉｎとした場合、平坦化を施す前の表面粗さの各測定領域での平均値は２．７１９Åで、平坦化を施した後の表面粗さの各測定領域での平均値は２．３７４Åであり、０．３４５Åの表面粗さの低減が確認された。
【００５５】
特に、何れの場合においても、平坦化を施す前には、測定領域によっては表面粗さのばらつきがみられていたが、平坦化を施した後には、このばらつきが解消されることとなった。即ち、本発明を適用することにより、光学素子構造体３の表面の表面粗さを光の照射範囲全体で均一にしつつ、更に表面粗さを低減させる平坦化を施すことが可能となることが確認された。
【００５６】
なお、図８〜図１０に示される実験条件のうち、チャンバ内の塩素ガスのガス分子の分圧のみを２Ｐａに変化させ、光の照射時間を６０分として試験を行ったところ、１×１０−１Å程度の表面粗さの低減は確認されなかったが、光の照射時間を更に長くすれば原理的には１×１０−１Å程度の表面粗さを低減可能になるものと考えられる。
【００５７】
図１１は、波長、出力密度、ガス圧力、雰囲気ガスの種類を上記と同様の条件としたうえで、光の照射時間を変化させてエネルギー密度を変化させ、異なるエネルギー密度ごとに得られた表面粗さ低減量の値を示している。なお、ここでいう表面粗さ低減量とは、本発明を適用した表面平坦化方法を施す前の光学素子構造体の表面粗さの値から、表面平坦化方法を施した後の光学素子構造体の表面粗さの値を減じたものをいう。
【００５８】
図１１に示されるように、エネルギー密度の増加に伴い、表面粗さがより低減されており、更にエネルギー密度が１００Ｊ／ｃｍ２以上の場合には、確実に光学素子構造体の表面粗さが低減されていることが確認される。エネルギー密度の増大に伴い、表面粗さがより低減される傾向にあることから、例えばエネルギー密度７００Ｊ／ｃｍ２となるように光源から光を照射した場合、表面粗さ低減量が２Å前後になるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の適用の対象となる光学素子について説明するための図であり、（ａ）は光学素子構造体３Ａの平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は光学素子構造体３Ｂの平面図、（ｄ）はそのＢ−Ｂ線断面図、（ｅ）は光学素子構造体３Ｃの平面図、（ｆ）はそのＣ−Ｃ線断面図である。
【図２】光学素子構造体の表面の形状について説明するための図である。
【図３】本発明を実現するために用いられる表面平坦化装置の構成を示す概略構成図である。
【図４】共鳴光及び非共鳴光について説明するための図である。
【図５】非共鳴過程について説明するための図である。
【図６】光学素子構造体の表面を平坦化する工程について説明するための図である。
【図７】凸部の局所領域で発生する反応について説明するための図である。
【図８】本発明を適用した表面平坦化方法によって、照射時間を６０ｍｉｎとして平坦化された光学素子構造体の表面粗さについて示す図である。
【図９】本発明を適用した表面平坦化方法によって、照射時間を９０ｍｉｎとして平坦化された光学素子構造体の表面粗さについて示す図である。
【図１０】本発明を適用した表面平坦化方法によって、照射時間を１２０ｍｉｎとして平坦化された光学素子構造体の表面粗さについて示す図である。
【図１１】エネルギー密度に対する表面粗さ低減量の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 表面平坦化装置
３ 光学素子構造体
１１ チャンバ
１３ ステージ
１４ 光源
１５ 反射ミラー
１６ 照明光学系
１７ ガス供給部
１８ 開口窓
１９ 排気口
５１ 凸部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子構造体表面に形成された凸部を平坦化する表面平坦化方法において、
塩素系ガスが導入されてなるチャンバ内に上記光学素子構造体を配置し、
上記塩素系ガスのガス分子の吸収端波長よりも長波長からなる光を上記光学素子構造体に照射することによって、当該光学素子構造体表面の凸部の局所領域に近接場光を発生させ、
上記凸部の局所領域に発生した近接場光に基づき、上記塩素系ガスを解離させて活性種を生成させ、
当該生成された活性種と上記凸部とを化学反応させて反応生成物を生成させることによって、上記凸部をエッチングすること
を特徴とする表面平坦化方法。
【請求項２】
上記チャンバ内の塩素系ガスのガス分子の分圧を１×１０−５Ｐａ以上とすること
を特徴とする請求項１記載の表面平坦化方法。
【請求項３】
上記照射される光のエネルギー密度が１μＪ／ｃｍ２以上であること
を特徴とする請求項１又は２記載の表面平坦化方法。
【請求項４】
光学素子構造体表面に形成された凸部を平坦化する工程を有する光学素子の作製方法において、
塩素系ガスが導入されてなるチャンバ内に上記光学素子構造体を配置し、
上記塩素系ガスのガス分子の吸収端波長よりも長波長からなる光を上記光学素子構造体に照射することによって、当該光学素子構造体表面の凸部の局所領域に近接場光を発生させ、
上記凸部の局所領域に発生した近接場光に基づき、上記塩素系ガスを解離させて活性種を生成させ、
当該生成された活性種と上記凸部とを化学反応させて反応生成物を生成させることによって、上記凸部を除去すること
を特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項５】
上記チャンバ内の塩素系ガスのガス分子の分圧を１×１０−５Ｐａ以上とすること
を特徴とする請求項４記載の光学素子の作製方法。
【請求項６】
上記照射される光のエネルギー密度が１μＪ／ｃｍ２以上であること
を特徴とする請求項４又は５記載の光学素子の作製方法。
【請求項１】
光学素子構造体表面に形成された凸部を平坦化する表面平坦化方法において、
塩素系ガスが導入されてなるチャンバ内に上記光学素子構造体を配置し、
上記塩素系ガスのガス分子の吸収端波長よりも長波長からなる光を上記光学素子構造体に照射することによって、当該光学素子構造体表面の凸部の局所領域に近接場光を発生させ、
上記凸部の局所領域に発生した近接場光に基づき、上記塩素系ガスを解離させて活性種を生成させ、
当該生成された活性種と上記凸部とを化学反応させて反応生成物を生成させることによって、上記凸部をエッチングすること
を特徴とする表面平坦化方法。
【請求項２】
上記チャンバ内の塩素系ガスのガス分子の分圧を１×１０−５Ｐａ以上とすること
を特徴とする請求項１記載の表面平坦化方法。
【請求項３】
上記照射される光のエネルギー密度が１μＪ／ｃｍ２以上であること
を特徴とする請求項１又は２記載の表面平坦化方法。
【請求項４】
光学素子構造体表面に形成された凸部を平坦化する工程を有する光学素子の作製方法において、
塩素系ガスが導入されてなるチャンバ内に上記光学素子構造体を配置し、
上記塩素系ガスのガス分子の吸収端波長よりも長波長からなる光を上記光学素子構造体に照射することによって、当該光学素子構造体表面の凸部の局所領域に近接場光を発生させ、
上記凸部の局所領域に発生した近接場光に基づき、上記塩素系ガスを解離させて活性種を生成させ、
当該生成された活性種と上記凸部とを化学反応させて反応生成物を生成させることによって、上記凸部を除去すること
を特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項５】
上記チャンバ内の塩素系ガスのガス分子の分圧を１×１０−５Ｐａ以上とすること
を特徴とする請求項４記載の光学素子の作製方法。
【請求項６】
上記照射される光のエネルギー密度が１μＪ／ｃｍ２以上であること
を特徴とする請求項４又は５記載の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９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−１６７０３０（Ｐ２００９−１６７０３０Ａ）
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４４７２（Ｐ２００８−４４７２）
【出願日】平成２０年１月１１日（２００８．１．１１）
【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７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月１１日（２００８．１．１１）
【出願人】（５９２２５３７３６）シグマ光機株式会社 (46)
【Ｆターム（参考）】
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