(57)【要約】【課題】型本体に形状的な不備があっても、所望の形状の成形面が容易に且つ短期間内に得られるようにする。また同じ型本体であっても、その溝形状に修正を施すことで所望の光学性能をもつ回折光学素子が容易に得られるようにする。【解決手段】表面に多数の溝が等間隔で形成されている型本体３０と、該型本体の成形面に材料粒子を入射させて付着堆積させた溝整形層３２を具備している転写型３６である。溝整形層自体が離型膜材料からなる構成でもよいし、あるいは溝整形層の上に離型膜３４を成膜した構成でもよい。これによって、成形面の溝長手方向に垂直な断面での輪郭形状と型本体の断面形状とを非相似形の関係にする。この転写型を用いて回折光学素子などの転写成形品４０を製作する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に多数の溝が等間隔で形成されている型本体と、該型本体の成形面に材料粒子を入射させて付着堆積させた溝整形層を具備し、該溝整形層自体が離型膜材料からなり、成形面の溝長手方向に垂直な断面での輪郭形状と型本体の断面形状とが非相似形の関係にあることを特徴とする回折格子成形用転写型。
【請求項２】
表面に多数の溝が等間隔で形成されている型本体と、該型本体の成形面に材料粒子を入射させて付着堆積させた溝整形層と、その上に成膜した離型膜を具備し、成形面の溝長手方向に垂直な断面での輪郭形状と型本体の断面形状とが非相似形の関係にあることを特徴とする回折格子成形用転写型。
【請求項３】
型本体の成形面に斜め方向から材料粒子を入射させて付着堆積させた溝整形層を有する請求項１又は２記載の回折格子成形用転写型。
【請求項４】
表面に多数の溝が等間隔で形成されている型本体に対して該型本体の成形面に方向性エッチングによる追加工面が形成され、その上に離型膜が成膜されて、成形面の溝長手方向に垂直な断面での輪郭形状が元々の型本体の断面形状に対して非相似形の関係に修正されていることを特徴とする回折格子成形用転写型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折光学素子を転写成形により製造するための転写型に関し、更に詳しく述べると、付着堆積させた溝整形層によって、あるいは方向性エッチングによって成形品（回折光学素子やレプリカ成形型）の格子形状などを微調整できるようにした回折格子成形用転写型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回折光学素子は、周知のように、光の回折を利用した光学部品であり、典型的な例では、表面に等間隔で多数の平行な溝を形成することで回折格子を構成している。このような回折光学素子は、例えば波長多重光通信において、波長多重光から任意の波長の光を取り出す分波器などとして用いられる。回折光学素子の製法は様々であるが、その一つに転写成形法がある。これは、転写型（元型）の周期的な溝構造を転写することで回折光学素子を製造する方法である。あるいは、転写型（元型）を転写してレプリカ成形型を作製し、そのレプリカ成形型を用いて周期的な溝構造を再度転写することで回折光学素子を製造することもある。
【０００３】
転写型の周期的な溝構造は、例えばルーリングエンジンにより切削加工する方法、基板に塗布した光硬化樹脂を干渉露光し、その後、パターン付き樹脂ごと基板をドライエッチングする方法、ガラス基板のドライエッチングあるいはシリコン基板のウエットエッチングなど任意の方法で形成する。溝の形成密度は、例えば１ｍｍ当たり数百〜千数百本程度である。但し、型抜きするという製法上の物理的な制約から溝形状には一定の制限がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような転写成形法は量産性に優れている利点がある。その反面、転写成形後に転写型に形状的な不備が見つかった場合には、転写型を新規に作製し直す必要があり、転写型製作に長期間を要するという問題があった。その理由は、微細な形状の変更を伴うため、切削などの追加工で溝形状を修正することは極めて困難だからである。
【０００５】
また、既存の転写型を用いて作製した回折光学素子に対して、所望の光学特性が僅かに異なる回折光学素子を作製する場合でも、必要な光学特性毎に新規に転写型を作製する必要があった。これも、既存の転写型をベースとして、それに追加工する技術が無かったからである。
【０００６】
本発明の目的は、型本体に形状的な不備があっても、その溝形状に適当な修正を施すことで所望の形状の成形面が容易に且つ短期間内に得られるような回折格子成形用転写型を提供することである。本発明の他の目的は、同じ型本体であっても、その溝形状に適当な修正を施すことで所望の光学性能をもつ成形品が容易に得られるような回折格子成形用転写型を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面に多数の溝が等間隔で形成されている型本体と、該型本体の成形面に材料粒子を入射させて付着堆積させた溝整形層を具備し、該溝整形層自体が離型膜材料からなり、成形面の溝長手方向に垂直な断面での輪郭形状と型本体の断面形状とが非相似形の関係にあることを特徴とする回折格子成形用転写型である。
【０００８】
また本発明は、表面に多数の溝が等間隔で形成されている型本体と、該型本体の成形面に材料粒子を入射させて付着堆積させた溝整形層と、その上に成膜した離型膜を具備し、成形面の溝長手方向に垂直な断面での輪郭形状と型本体の断面形状とが非相似形の関係にあることを特徴とする回折格子成形用転写型である。
【０００９】
更に本発明は、表面に多数の溝が等間隔で形成されている型本体に対して該型本体の成形面に方向性エッチングによる追加工面が形成され、その上に離型膜が成膜されて、成形面の溝長手方向に垂直な断面での輪郭形状が元々の型本体の断面形状に対して非相似形の関係に修正されていることを特徴とする回折格子成形用転写型である。
【００１０】
このように溝整形層を付着堆積させることによって、あるいは方向性エッチングによる追加工によって、溝を深くしたり、あるいは溝形状を制御することが可能となる。従って、型本体に形状的な不備が見つかった場合でも比較的容易に修正できるし、成形品の光学性能の微調整なども可能となる。また、光学的な形状を変更したり、所望の光学特性に調整できるため、既存の型本体を利用して、所望の光学特性をもつ回折光学素子を作製することが可能となる。本発明では、溝整形層は、型本体の成形面に斜め方向から材料粒子を入射させて付着堆積させるのが好ましい。その場合、片側のみから材料入射させてもよいが、両側から材料粒子を入射させてると、片側からの場合よりもより一層溝を深くするような形状制御が行える。追加工の場合には、斜めからイオンビーム照射を行って方向性エッチングを行うのが好ましい。
【００１１】
なお上記の構成において、別途離型膜を形成する構成では、離型膜は、通常、その膜厚を薄く均一に成膜するが、不均一に成膜してもよい。なお、膜厚が不均一とは、成形面の溝長手方向に垂直な断面での輪郭形状において、凸部の頂部付近が厚くなっている場合や、溝の片方の側面が厚くなっている場合などを意味している。離型膜材料としては、ＡｕやＰｔなどの貴金属が好適である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の回折格子成形用転写型は、典型的にはゾルゲル材料を用いて回折光学素子を転写成形するために用いられる。図４により簡単に説明する。Ａに示すように、まず、成形面（素板対向面）に等間隔で多数の平行な溝を形成した転写型１０（元型）を用意する。本発明では転写型１０は、表面に多数の溝が等間隔で形成されている型本体１２の成形面に、斜め方向から材料粒子を入射させて付着堆積させた溝整形層１４を有し、その上に離型膜１６を設けた構造である。型本体１２は、例えばガラス基板のドライエッチング、シリコン基板のウエットエッチング、エポキシなどの樹脂基板の成形など、任意の素材、任意の方法で製作したものでよい。型本体１２の溝形状は任意であり、サイン波状でもよいし、溝頂部が平坦な形状、三角形状などでもよい。
【００１３】
例えば図５のＡに示すように、型本体１２の成形面１８に対して、蒸着源からある成膜傾斜角αで粒子を斜め蒸着させる。型本体を、スパッタターゲットに対して傾斜させて成膜してもよい。成膜は、成形面１８に対して両側から行ってもよいし、片側のみから行ってもよい。但し、深い溝に対して成膜時の傾斜が大きい状態で厚膜を形成すると、溝の側面から埋まってしまう。転写型としては型抜き可能な形状である必要があり、そこで溝形状と成膜角度の関係は、溝側壁の傾斜が底面に対して９０度以下にならないようにする。図５のＢに示すように、溝の谷幅をｗとし、成形面に対して成膜方向の傾斜角をα度とし、膜厚をｙとすると、ｗ＞ｙ・ｓｉｎ　αとなるようにする。このようにな関係を満たすように、型本体の溝形状、膜厚、成膜方向を決めて、溝整形層を付着堆積させる。なお、型抜きの制限から、溝の深さは６００ｎｍ以下、より好ましくは４００ｎｍ程度以下とする。溝の形成密度は、必要な光学的な特性上、１ｍｍ当たり数百〜千数百本程度（例えば９００本／ｍｍ）である。
【００１４】
他方、ガラス基板２０の表面に一定厚みでゾルゲルガラス材料２２を塗布した素板２４を用意する。そして、ゾルゲルガラス材料（ゲル膜）２２に対して、真空に保たれているプレス成形機中で転写型１０を一定時間押圧させながら加熱しゲル膜を硬化させる。その後、プレス成形機内を大気圧に戻し、ゾルゲルガラス材料２２から転写型１０を離間させる（図４のＢ参照）。これによって、転写型１０の溝形状がゾルゲルガラス材料２２に転写される。その後、熱処理して縮重合させることで、ガラス基板２０と一体になったゾルゲルガラス組成物２６となる。このようにして、所望の回折格子を有する回折光学素子が得られる。
【００１５】
図１は本発明の一例を示す説明図であり、Ａは本発明に係る回折格子成形用転写型、Ｂはそれにより転写成形された回折光学素子の示す部分拡大図である。Ａに示すように型本体３０は、その溝形状（溝の長手方向に垂直な断面形状）が、凸部は平坦形状をなし、凹部はサイン波状をなしている。型本体３０の成形面全体に材料粒子を入射させて溝整形層３２を付着堆積させ、その上に離型膜３４を設けて転写型３６とする。溝整形層３２は左右対称な形状をなしている。Ｂは、その転写型３６によって溝形状が転写された成形品（回折光学素子など）４０であり、格子面での溝形状は、転写型とは逆に、凸部はサイン波状で、凹部（底部）は平坦形状となる。なおＢにおいて、点線は、溝整形層を付着堆積させる前の型本体を使用した場合の転写成形形状を示している。
【００１６】
図２は本発明に係る回折格子成形用転写型の他の例を示す拡大説明図である。Ａに示す例は、型本体５０の溝形状（溝の長手方向に垂直な断面形状）が、凸部は平坦形状をなし、凹部はサイン波状をなし、その成形面に片側から材料粒子を入射させて溝整形層５２を付着堆積させた構成である。従って、溝整形層５２は左右非対称な形状をなしている。Ｂに示す例は、型本体５０の溝形状（溝の長手方向に垂直な断面形状）はＡと同様、凸部は平坦形状をなし、凹部はサイン波状をなしている。Ｂでは、その成形面に片側から材料粒子を入射させて第１の溝整形層５２を付着堆積させ、更に反対側から材料粒子を入射させて第２の溝整形層５４を付着堆積させている。この構成では両方の溝整形層５２，５４によって左右対称な形状となる。これらの溝整形層５２，５４が離型膜材料からなる場合には、特に最上部に別途離型膜を設ける必要はない。
【００１７】
図３のＡ〜Ｄは、本発明に係る回折格子成形用転写型の他の例を示す拡大説明図である。Ａは、型本体６０の溝形状がサイン波状をなし、その成形面に斜め方向に両側から材料粒子を入射させて溝整形層６２を付着堆積させた例である。従って溝の断面は左右対称形状である。Ｂは、型本体６０の溝形状がサイン波状をなし、その成形面に斜め方向に片側から材料粒子を入射させて溝整形層６４を付着堆積させた例である。この場合には、溝の断面は左右で非対称形状となる。Ｃは、型本体７０の溝形状が三角波状をなし、その成形面に斜め方向に両側から材料粒子を入射させて溝整形層７２を付着堆積させた例である。Ｄは、型本体７０の溝形状が三角波状をなし、その成形面に斜め方向に片側から材料粒子を入射させて溝整形層７４を付着堆積させた例である。溝整形層自体を離型膜材料で構成してもよいし、溝整形層の上に離型膜を成膜してもよい。これらＡ〜Ｄのいずれの例も、成形面の溝長手方向に垂直な断面での輪郭形状を変化させることができるため、容易に必要な溝形状が得られ、その転写型を用いることで転写成形する回折光学素子に必要な光学性能を付与することができる。
【００１８】
図６は本発明に係る回折格子成形用転写型の他の製造方法の例を示している。表面に多数の溝が等間隔で形成されている型本体８０に対して、該型本体の成形面に斜めからイオンビーム照射を行って方向性エッチングによる追加工面８２を形成する。ここではイオンビームエッチング装置にＡｒガスを導入し、Ａｒイオンビームを型本体８０に対して斜め方向（成形面に垂直な方向からの角度α）から照射している。これによって、型本体８０の一部（最大厚ａ）が除去される。その後、この上に離型膜を成膜して回折格子成形用転写型とする。このようにして得られる回折格子成形用転写型の成形面の溝長手方向に垂直な断面での輪郭形状は、元々の型本体の断面形状に対して非相似形の所望の形状に修正されることになる。図６に示す例では、追加工により転写型の谷が平坦に修正されることにより、成形品の山は平坦に変更される。
【００１９】
型本体の材質については特に制限はなく、誘電体、金属、半導体などいずれでもよい。また、成形面の断面形状はサイン波形状でも非対称形状でも構わない。なお、矩形などのように溝の側面が成形面に対して垂直の形状あるいは９０度以上の形状は転写成形が困難もしくは不可能なため、９０度未満のサイン波を含む形状や三角波形状などが好ましい。
【００２０】
表面に多数の溝が等間隔で形成されている型本体は、成形面の凸部が非連続に形成されていても、連続に形成されていても構わない。なお、転写成形法は安価で量産向きであることから、凸部が独立している形状よりも連続している形状がより好ましい。成形面上に形成される溝整形層は、成形面の全面を覆う必要はなく、成形面の一部に溝整形層が形成されていない状態でもよい。被膜による整形状態をより強調したい場合には、このような状態の方が好ましい。
【００２１】
なお本発明の転写型によって転写成形される成形品は、回折光学素子（通常の回折格子単体のみならず、回折格子を組み込んで構成した光学部品も含む）あるいは回折光学素子を転写成形するためのレプリカ転写型である。
【００２２】
【実施例】
（比較例）
エポキシ樹脂製の転写型本体の成形面上にＡｌ／Ｃｒ／Ａｕ（１００ｎｍ／１０ｎｍ／１０ｎｍ）を成膜した。メチルトリエトキシシラン及び酸水溶液を主成分とするゾル液をガラス基板に塗布し、得られたゲル膜が軟らかい状態のときに、真空中で前記転写型を押し当てた。そして約６０℃で保持し、ゲル膜を硬化させた後、プレス成形機内部を大気圧に戻し、転写型をゲル膜から離型し、熱処理した。このように作製した回折光学素子に、反射膜としてＡｕを均一な膜厚に垂直方向から成膜し、光学特性を評価した。
【００２３】
（実施例）
上記の転写型を型本体とし、スパッタ法によって溝整形層を成膜して転写型とした。ここで溝整形層の材料としてＡｕを用いており、そのため離型膜を兼ねている。スパッタ法による成膜は、材料粒子が凸部の先端近傍に付着堆積し易いために、図３のＡに示すように溝が深くなるような断面形状が得られる。凸部の頂部での溝整形層の厚みは７０ｎｍである。この転写型を用いて上記比較例と同様にゲル膜に転写成形して作製した回折光学素子に、反射膜としてＡｕを均一な膜厚に垂直方向から成膜し、光学特性を評価した。光学特性の評価結果を表１に示す。なおＰＤＬとは偏光依存性損失のことであり、偏光別の回折効率の値の差のことである。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
この結果から、比較例と本発明とで回折効率の偏光特性が変化していることが分かる。これは、型本体に溝整形層を付着堆積させることで溝形状が変化し、それに伴って転写成形品である回折光学素子の格子形状が変化し、回折効率の偏光特性が制御されているためである。
【００２６】
回折光学素子として、ＴＭ偏光の効率のみを重視した用途では従来の転写型を用いることが有効であるが、特に光通信分野においては低ＰＤＬ特性が求められることも多い。ＰＤＬが大きい場合には、入射光の偏光制御などが必要となり、部品点数の増加などの不利益が生じる場合が多いからである。このような場合には、本発明の転写型を用いて転写成形した回折光学素子は、極めて有利である。
【００２７】
以上の説明から分かるように、型本体が１種類であっても、溝整形層を制御することによって複数種類の用途に対応することが可能となる。特定の溝形状を得るためには、成膜方法の選定（蒸着法、スパッタ法）、成膜条件の選定（背ガス圧、温度、投入エネルギー、成膜方向、膜材料など）、転写型本体の表面形状の選定、材質選定が挙げられる。
【００２８】
上記の実施例では、溝整形層が離型膜を兼ねているが、溝整形層としてＣｒ，Ｔｉなどの金属やＴａ２　Ｏ３　などの酸化物を用い、その上にＡｕやＰｔ等の貴金属を離型膜として成膜する構成でもよい。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は上記のように、型本体の成形面に、材料粒子を入射させることで溝整形層を付着堆積させた、あるいは方向性エッチングによる追加工面が形成された回折格子成形用の転写型であるから、型本体に形状的な不備があっても、その溝形状に適当な修正を施すことで所望の形状の成形面が容易に且つ短期間内に得られる。また、同じ型本体であっても、その溝形状に適当な修正を施すことで所望の光学性能をもつ複数種類の回折光学素子が容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る成形用転写型とそれによる成形品の例を示す説明図。
【図２】本発明に係る成形用転写型の例を示す拡大説明図。
【図３】本発明に係る成形用転写型の他の例を示す拡大説明図。
【図４】転写成型法の一例を示す説明図。
【図５】斜め蒸着の説明図。
【図６】方向性エッチングの説明図。
【符号の説明】
３０　型本体
３２　溝整形層
３４　離型膜
３６　転写型
４０　転写成形品
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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