(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
寸法が安定し、光学的に透明なガラス基板（４０）の表面に薄い接着膜（１５）を形成する工程と；
サブミクロン単位の形状を有する表面レリーフプロファイルを形成するためにエンボス加工することができる乾燥した光硬化可能膜（４２）を薄い接着膜（１５）の上に積層する工程と；
複製すべきマスタ回折光学ガラスの表面レリーフプロファイルの逆のプロファイルを含むスタンパ（４８）を光硬化可能膜（４２）に押し当てることにより、光硬化可能膜（４２）に表面レリーフプロファイルをエンボス加工する工程と；
スタンパ（４８）と光硬化可能膜（４２）との埋め込み接触を維持しつつ光硬化可能膜（４２）の硬化を行い、その結果、表面レリーフプロファイルを含む光硬化膜（４２）を得る工程と；
表面レリーフプロファイルを含む光硬化膜（４２）からスタンパ（４８）を引離す工程と；
表面レリーフプロファイルの全ての部分が膜（４２）を通して除去されながら移動し、その表面レリーフプロファイルの全ての部分における除去の速度は既知の速度でガラス基板（４０）に移動するように光硬化膜（４２）をエッチングすることにより、表面レリーフプロファイルの転写を行い、ガラス基板（４０）上の光硬化膜（４２）の全てが除去された後に除去を停止し、その結果、表面レリーフプロファイルを含むガラス基板を得る工程と
を有する回折光学ガラスレプリカを製造する方法。
【請求項２】
ガラス基板（４０）はＳｉＯ2，石英，Ｓｉ及びＧａＡｓから成る材料群から選択される材料から製造されている請求項１記載の方法。
【請求項３】
スタンパ（４８）を製造する工程は、
第２の乾燥した光硬化可能膜を第２の寸法が安定した基板の表面に塗布する工程と；
第２の光硬化可能膜の露出面を複製すべきマスタ回折光学ガラスの表面レリーフプロファイルによってエンボス加工する工程と；
マスタ回折光学ガラスの表面レリーフプロファイルと接触させつつ第２の光硬化可能膜の硬化を行う工程と；
第２の光硬化膜をマスタ回折光学ガラスの表面レリーフプロファイルから引き離し、その結果、逆の表面レリーフプロファイルを有する第２の光硬化膜が第２の寸法が安定した基板の上に形成されているスタンパ（４８）を得る工程とから成る請求項１記載の方法。
【請求項４】
マスタ回折光学ガラスの表面レリーフプロファイルから第２の光硬化膜を引離した後に、第２の光硬化膜の上に離型層が塗布される請求項３記載の方法。
【請求項５】
離型層はＡｌ及びＣｒから成る材料群のものである請求項４記載の方法。
【請求項６】
離型層は表面エネルギーの低い固体有機ポリマーである請求項４記載の方法。
【請求項７】
表面エネルギーの低い固体有機ポリマーはフルオロポリマーである請求項６記載の方法。
【請求項８】
光硬化可能膜（４２）の硬化を行う工程は、スタンパ（４８）と光硬化可能膜（４２）との埋め込み接触を維持しつつ、光学的に透明な基板（４０）及び光硬化可能膜（４２）に化学線放射（５１）を通過させる工程から成る請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、表面レリーフ構造及び表面レリーフプロファイルとして実現される回折光学素子の複製に関し、特に、関連技術における光学素子と比べて品質が良く、耐久性にすぐれた光学素子に関する。
他には、「プラスチック」基板や「ガラス」基板の上に忠実度が高く且つ高い画質を示す回折光学素子のレプリカを製造するために、乾式フォトポリマーエンボス加工（ＤＰＥ）方法を使用している。基板上に膜を形成し、その膜をスタンパによってエンボス加工して、元の回折素子のレプリカであるエンボス膜を製造する。エンボス膜はポリマー材料又はそれに類似するエンボス加工可能な材料から形成されているので、温度，湿度，紫外線光，エーロゾル，物理的処理，摩耗などの環境条件の影響を受けたときに、エンボス膜は十分な耐久性を示さない。基板上のエンボス膜は基板への接着力又はそのプロファイルの忠実度を失うこともあるだろう。
場合によっては表面レリーフホログラム，キノフォーム（ｋｉｎｏｆｏｒｍｓ），バイナリオプティクス又は位相格子とも呼ばれる回折光学素子は、ヘッドマウント表示装置，投影表示装置，フォトコピア，データ通信用光電子モジュール，光学記憶装置，電子イメージングセンサ及び電子イメージングシステム，レーザーシステム並びに視覚障害者のための眼科用製品などの多様な用途において、従来の光学素子に代わる素子として又はその能力を向上させるために使用されている。一般に、回折素子で実現される光学的機能は、結像又は非結像のいずれかに分類できる。結像機能の例はパワー集束，非球面収差補正，色収差補正，ゆがみ補正及び断熱化である。非結像機能の例はスペクトルフィルタ，集光マイクロレンズ，スポットアレイ発生器（Dammann格子），拡散スクリーン及び反射防止装置，位相遅延装置又は偏光装置に使用される零次格子構造装置である。結像素子又は非結像素子のいずれかとしての回折光学系に関連する数多くの用途については、湿度や温度の変化，紫外線放射又はエーロゾルにさらされるなどの一般に現れる環境条件の下で、光学的性能が劣化してはならない。さらに、結像機能を実現するために使用される場合、回折素子は、その回折面により変形される光波面で高い画質を維持しなければならない。
十分な大量生産能力を得るために回折光学系の複製が必要であることは、広く認識されている。基板上にフォトポリマーの膜を形成し、スタンパによってエンボス加工して、元の回折素子のレプリカであるエンボス膜を形成する。回折光学素子の複製のための関連技術の乾式フォトポリマーエンボス加工手順は、デラウェア州ウィルミントンのE.I.Du Pont de Nemours and Company(Du Pont)により示されている。そのような関連技術の用途で使用されるこの手順といくつかの物質は、本明細書に参考として取り入れられている１９９４年１月１８日発行、名称「Method for Replicating Holographic Optical Elements」のFelix P.Shvartsmanによる米国特許第５，２７９，６８９号（以下、Shvartsmanという）に開示されている。Shvartsmanは乾式フォトポリマーエンボス加工手順と、高い縦横比を有する回折素子を高い忠実度をもって複製することができるフォトポリマー材料（商品名ＳＵＲＰＨＥＸ）の双方を開示している。ＳＵＲＰＨＥＸは、高い光学仕上げ及び波面品質（約λ／１０）を維持しつつ、非常に高い縦横比を有する（２０：１の範囲）形状を非常に高い忠実度（収縮は０．１パーセント未満）で複製が可能である。さらに、Shvartsmanは、基板がポリカーボネート，ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）又はガラスのいずれかであれば良いと開示している。しかしながら、その後の研究により、開示されているフォトポリマー組成はプラスチック基板材料（ポリカーボネート及びＰＭＭＡ）にのみ接着し、ガラスには接着しないことがわかった。
J.A.Cox及びF.P.Shvartsmanの「Image Quality Assessment of Diffractive Optical Elemets Replicated in Surphex」Diffractive Optics第１１巻（１９９４年刊），OSA Technical Digest Series(Optical Society of America，ワシントンＤ．Ｃ．，１９９４年）の３４６〜３４９頁（以下、Cox及びShvartsmanという）は、Shvartsmanにより開示されている乾式フォトポリマーエンボス加工手段とＳＵＲＰＨＥＸフォトポリマーを使用すると、ＰＭＭＡ基板上で理想的な、回折を限定された結像を実行できることを実証するための実験データを提供している。Cox及びShvartsmanは、レプリカにおいて画質を低下させる収差が観測されたが、その原因はプラスチック基板自体の表面の凹凸であって、フォトポリマー膜又はエンボス加工手段の不備によるものではないことも実証している。
複製回折素子で高い忠実度と高い画質の双方を実現するためには、フォトポリマー膜は収縮と屈折率の均一性に関して特別の特性を有していなければならないことを注意すべきである。第１に、硬化後、エンボス膜に若干の収縮が起こる。収縮は回折素子を形成する表面プロファイルの寸法を予測不可能なほどに変化させ、レプリカの回折効率を劣化させて、光をより高次の回折へと偏向させてしまうという望ましくない結果をもたらす。収縮はエンボス加工されたフォトポリマー膜を支える基板のゆがみをももたらし、また、このゆがみは画質に非点収差や、コマ収差などの望ましくない光学的収差を発生させる。実験によれば、収縮が１パーセント未満である場合に許容しうる光学的性能が達成されることがわかっている。F.P.Shvartsmanの「Replication of Diffractive Optics」,Critical Reviewson Diffractive and Miniaturized Optics第ＣＲ４９巻（SPIE Press,ベリンガム，１９９４年刊）の１６５〜１８６ページ（以下、Shvartsmanの論文という）は、Shvartsmanに開示されているフォトポリマーであるＳＵＲＰＨＥＸの収縮は０．１パーセント未満であることを示している。第２に、高い画質を得るためには、硬化後のフォトポリマー膜は屈折率に適切な空間的均一性を示さなければならない。Cox及びShvartsmanが言及しているように、屈折率の変動は画質の重大な劣化を生じさせるおそれがある。許容しうる屈折率の変動について精密な限界を設定することは可能ではなかったが、Cox及びShvartsmanのデータは、Shvartsmanにより開示されるフォトポリマーは必要条件に適合するが、紫外線で硬化可能な光学エポキシなどの他の材料は必要条件に適合しないことを示している。
J.A.Coxが実施した実験の中で、ＰＭＭＡ基板（２枚ずつ）及び溶融石英基板（２枚ずつ）の上にＳＵＲＰＨＥＸで複製された回折光学素子について、ＭＩＬ−ＳＴＤ−８１０Ｂ，Ｍｅｔｈｏｄ５０７に従って、Shvartsmanにより開示されている乾式フォトポリマーエンボス加工手段とフォトポリマーの双方を使用して実行された湿度感受性及び温度感受性の試験に関連するHoneywell Data Book,「Diffractive Optics Ｎｏ．８」２２〜５０ページ，１９９４年１０月１８日〜１９９４年１１月１１日（以下、Coxという）の中に記録されている未公開の試験結果は、プラスチック（すなわち、ＰＭＭＡ）基板に関してShvartsmanの論文の中で報告されている結果と全く同じである。また、Coxは同じフォトポリマーがガラス（溶融石英）基板に接着しないことも実施している。最後に、CoxはCox及びShvartsmanにより記載されている回折光学素子のレプリカについて、光学系に関して規定された標準の湿度・温度環境試験（ＭＩＬ−ＳＴＤ  ８１０Ｂ，Ｍｅｔｈｏｄ５０７，Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ  Ｉ）を実施し、レプリカの物理的特性及び光学的特性の双方の劣化を観測した。観測された物理的特性の最も重大な劣化はフォトポリマー膜の表面の浸食と、表面プロファイル形状の寸法の変化であった。観測された光学的特性の最も重大な劣化は散乱の増加と、回折効率の低下であった。
従って、Shvartsmanにより開示される従来の技術は、プラスチック基板上に高い忠実度と高い画質をもって回折素子を複製する手段を提供しており、画質はプラスチック基板の表面の品質によって限定され、一般的な環境条件の下では、フォトポリマー膜は耐久性に欠ける。
その他の背景技術には、パターンを基板に転写するために、中間リソグラフィ転写マスクを使用してパターンを基板に複製する方法を開示する、１９８５年４月２３日発行のHarry W.Deckmanによる米国特許第４，５１２，８４８号がある。
発明の概要
本発明は、回折光学素子を複製する関連技術を拡張し且つ改善したものである。Shvartsmanにより開示されているフォトポリマー、及び他の類似のフォトポリマー材料をガラス，Ｓｉ，ＧａＡｓ又は同様の材料などの非プラスチック基板に接着させることを可能にする技法を説明する。本発明におけるレプリカは、基板上に形成されるポリマー材料の膜にではなく、ガラス又は同様の材料から成る基板自体に回折光学プロファイルを有する。元の表面レリーフプロファイルは、１パーセント以下の高い忠実度と、すぐれた画質とをもって、高速で安価である方法によりガラス基板に転写されるので、回折光学素子及びその他のマイクロ加工表面レリーフ構造を耐久性のある物質で再生される類似の寸法で、大量に低コストで生産することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、表面レリーフプロファイルを複製するための関連技術による方法を示す。
図２は、表面レリーフプロファイルを複製するための本発明の方法を示す。
実施形態の説明
回折光学素子の複製のための、Shvartsmanにより開示されているような関連技術による乾式フォトポリマーエンボス加工手段を図１に示す。まず、プラスチック又はガラスのブランク基板１０の上に、一時サポート膜１６を伴うエンボス加工可能な材料１４を熱及び／又は圧力によって形成、すなわち、積層する。次に、一時サポート膜、すなわち、カバーシートを取り除く。層１４の厚さは２ミクロンから５０ミクロンである。「プラスチック」基板１０は、適切な光学的基準に適合する様々なポリマー材料から調整されれば良い。「ガラス」基板１０はＳｉＯ2，溶融石英ガラス又はその他の溶融ガラス，Ｓｉ，ＧａＡｓ，あるいは他の同様の無機物質から調整されれば良い。層１４は光硬化可能な層であり、面積の狭い場所向きの光学セメント又は硬化可能エポキシであれば良い。ＳＵＲＰＨＥＸ−Ｐは、「プラスチック」基板１０の上に形成される層１４として使用できる材料で、Du Pontより入手可能であり、また、「ガラス」基板１０の場合には、同様にDu Pontより入手可能なＳＵＲＰＨＥＸ−Ｇを使用できる。
積層素子１４の上にスタンパ２０を置き、２．８から１１Ｍｐａ（４００〜１６００ｐｓｉ）の圧力２１を加えることにより、光硬化可能層１４の表面にスタンパ２０を押し込む。エンボス加工面２２からスタンパ２０を外す前に、放射源２３からの光学線放射に層１４をさらすと、その放射は基板１０を通過して層１４を露光し、硬化させる。そのような放射は波長が３２０から３９５ナノメートルの紫外線であれば良く、そのパワーは５００〜２５００ｍＪ／cm2である。放射に第１に要求される条件は、層１４の中で硬化を開始させ且つ層１４の光学的特性に悪影響を及ぼさない能力である。エンボス加工層１４を光硬化又は硬化させた後、層１４のエンボス加工面２２からスタンパ２０を離すと、複製光学素子１２が得られる。溝２４の縦横比は少なくとも３：１である。すなわち、各々の溝２４の高さは幅の少なくとも３倍の大きさである。１０：１以上の縦横比を実現できる。得られる光学素子１２に伴う重大な問題は環境耐久性の欠如である。素子１２は物理的摩耗や酷使の影響を非常に受けやすい。層１４の屈折率はわずかに変動しがちであり、層１４が厚く、基板１０を構成している場合には、これも問題である。また、層１４が基板１０を兼ねていないとすれば、基板１０上に層１４を積層することにより、層１４は基板１０の上でずれたり、基板１０からはがれたりしやすい。いずれにしても、層１４は特に時間の経過に伴って劣化しやすい。基板１０がガラスであったとしても、層１４は常にずれ、剥離，劣化を起こしやすく、その結果、層１４と基板１０の組合わせは耐久性に欠けることになる。
図２は、マスタ光学素子と比較して１パーセント未満の不忠実度という高い忠実度を有し、回折分解能によってのみ限定される高い画質を示し、一定の屈折率と、高いスループットとを有し、生産コストが低く且つ耐久性が非常にすぐれているガラス回折光学素子の全体を複製する改良された工程を示す。ただし、層４２のプロファイルがガラス基板４０に完全に移し替えられるので、層４２の材料の光学的品質は無関係である。サブミクロンの微細形状を有し、高い縦横比を有する表面レリーフプロファイルをガラス又はガラス状材料に複製することができる。
基板がポリカーボネート又はＰＭＭＡ以外の材料（たとえば、ガラスなど）である場合には、まず、この後に塗布されるフォトポリマー膜の接着を可能にするために、ＰＭＭＡの薄いプライマ層１５（「にかわ」又は接着膜）を塗布する。層４２で使用する転写材料の中には、接着膜１５を必要としないものもあるだろう。この実施形態は、半導体業界で使用されている周知の技法に従って塗布される厚さ約２５００オングストロームのＰＭＭＡ電子ビームフォトレジストの膜１５を含む。塗布後、ＰＭＭＡ膜をベーキングして、基板４０上の膜１５を硬化させる。
ブランクガラス基板４０の上に、一時サポート膜４４を有するエンボス加工可能材料４２を熱及び／又は圧力を使用して形成、すなわち、積層する。次に、一時サポート膜、すなわち、カバーシート４４を取り外す。すぐれた転写忠実度を達成するために、層４２の厚さは最小限に抑えられる。推奨される層４２の厚さは２ミクロン以下である。「ガラス」基板４０はＳｉＯ2又は他の種類のガラス，Ｓｉ，ＧａＡｓ又は他の同様の無機材料から調製されれば良い。層４２は光硬化可能であり、光学セメント，硬化可能エポキシ又は他の材料から形成されていれば良い。層４２の特定の材料はDu PontによるＳＵＲＰＨＥＸ−Ｐ基板であろう。ＳＵＲＰＨＥＸ膜又は基板での複製は、プロファイルを所望の基板材料に転写するために必要とされる中間キャリアとしてのみ扱われるので、「複製転写マイクロ加工」と呼ばれる。
エンボス加工用ダイ、すなわち、スタンパ４８を成形，切削又は機械加工するが、これは複製すべきマスタ回折光学素子のネガの、すなわち、逆の表面プロファイルである。ダイ、すなわち、スタンパ４８を積層素子４２の上に置き、１から
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程度の圧力４９を加えることにより、鍛造可能、光硬化可能又は硬化可能な層４２の表面４６へスタンパ４８を押し込む。ダイ、すなわち、スタンパ４８をエンボス加工表面４６から引き離す前に、たとえば、化学線放射５１にさらすことにより、層４２を硬化させる。この化学線放射５１は基板４０を通過して、層４２を露光し、硬化させる。そのような放射は波長が３２０から３９５ナノメートルの紫外線光であれば良く、そのパワーは５００〜２５００ｍＪ／cm2であれば良い。放射５１に第１に要求される条件は、層４２で硬化を開始させる能力である。エンボス加工層４２を光硬化又は硬化させた後、ダイ、すなわち、スタンパ４８を層４２のエンボス加工表面４６から外し、層４２に複製素子を得る。溝５０の縦横比は少なくとも１：８０である。すなわち、溝５０の高さは幅の少なくとも８０倍の大きさである。０．０１：１から１０：１以上の縦横比を実現し、利用できるであろう。
層４２に形成される溝５０の高忠実度の複製は、異方性エッチングを用いてガラス基板４０に転写されるドライエッチングである。異方性エッチングには、層４２から層４０へ高品質の転写を行えるイオンミリング，反応イオンエッチング（ＲＩＥ）又は化学補助イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）などがあり、ようするに除去溶液あるいは除去液の塗布である。その結果、表面４６及び溝５０の寸法の１パーセント以内の表面５２と溝５４を有する耐久性に富む「ガラス」レプリカが得られる。ＳＵＲＰＨＥＸは層４２の他の転写材料におけるエッチング速度をガラス基板４０のエッチング速度と同じにする必要はない。ただ、それら２つの速度がわかっており、安定し且つ再現可能であるだけで良い。マスタ素子の製造時に、エッチング速度の相違を補償することができる。
スタンパ（４８）は、寸法が安定した基板の表面に乾燥した光硬化可能膜を塗布することによって形成される。光硬化可能膜の露出面を複製すべきマスタ回折光学ガラスの表面レリーフプロファイルによりエンボス加工する。マスタ回折光学ガラスの表面レリーフプロファイルと接触させながら、光硬化可能膜を硬化させる。光硬化済み膜をマスタ回折光学ガラスの表面レリーフプロファイルから引離すと、逆の表面レリーフプロファイルを有する光硬化膜が寸法の安定した基板上に形成されたスタンパ（４８）が得られる。第２の光硬化膜をマスタ回折光学ガラスの表面レリーフプロファイルから引き離した後、第２の光硬化膜に離型層を塗布する。この離型層はＡｌ及びＣｒから成る材料群、もしくは表面エネルギーの低い、フルオロポリマーである固体有機ポリマーであれば良い。
【図１】
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【図２】
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