次世代観測装置用の新しい回折格子 IX
海老塚 昇1, 岡本 隆之2, 山形 豊1, 佐々木 実3,
西牧 真木夫4, 山本 和也4, 岡田 真4,仲内 悠祐5,
佐伯 和人6, 田中 壱7, 服部 尭7, 尾崎 忍夫81 理化学研究所 光量子工学研究センター,
3 豊田工業大学 工学部,
5大阪大学 理学研究科,

2 元理化学研究所研究員,

4 ナルックス (株) 技術開発部,

6 宇宙航空研究開発機構

7 国立天文台 ハワイ観測所,

第11回 可視赤外線観測装置技術WS2022

宇宙科学研究所,
8 国立天文台 TMT推進室

京大理 セミナーハウス

2022年12月21, 22, 23日

各種回折格子の開発

Volume phase
Quasi-Bragg QB immersion
格子パラメ
タ(格子周期、格子溝幅、溝の深さ)
holographic(QB) grating grating(VPH)グリズム
SEM
察
0.718μm

0.712μm

2.67μm

期
Volume 格子binarySpace(VB) gratingLine
深Nalux Confidential[μm]

1.43μm

1.43μm0.712μm

Trapezoid grating

0.718μm
2.67μm

近-中間赤外線Geグリズム

Λ=5μm,
θ0=45°

Reflector facet transmission (RFT) grating

ALIS用VB gratingの開発
月極域探査計画（LUPEX)
月の水資源が将来の持続的な宇宙探査活動に利用可能か判断するための探査© JAXAJAXAと、インド宇宙研究機関（ISRO）との©大阪大学 佐伯さんのスライド
国際協働ミッション

Advanced Lunar Imaging Spectrometer (ALIS)
ALIS-L
ALIS-M
I視野: 2000×10 mm @ 5 m
全視野: 上下走査ALIS-C

ALIS-M

ALIS-C

分光形式: 透過型回折格子
波長帯域: 750– 1650 nm

ローバの形はALISチームの想像です。

©大阪大学 佐伯さんのスライドシリコンを鋳型としたテンパックス
ガラスのVB gratingの製作方法
反応性イオン
レジスト ビーム
単結晶
シリコン
サイクルエッチング（ボッシュプロセス）

シリコンの酸化酸化層の除去
真空テンパックス ガラス

シリコン除去（ウエットエッチング）

研削・研磨

真空ガラスプレス(~ 1100℃)

真空中で陽極接合

テンパックスガラスのTrapezoid grating
シリコンの酸化0.20μm
7.46μm6.70μm

シリコン酸化部分
3.25μm
6.04μm

1.57μm6.50μm
研磨位置

8.14μm
© NALUX Co., Ltd.

ガラスの着色

実際の研磨位置

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鋳込む温度を1100℃から1,000℃に下げるためにホットプレスの実験を実施。

XeF2エ

グ後の外観

技術総合センター ホットプレス装置 ウエハーの割れテスト結果

金属技研 ホットプレス装置評価結果
プレス圧力は金属技研様の処理条件と同等とした。
(外観)
グラファイトブロック
・ 金属技研様の条件
プレス力：0.1t
サンプル面積：868mm2
プレス圧力：1.12MPa

グラファイトブロック
テンパックスガラス
スペーサー A側

スペーサー

Si
グラファイトブロック

A側

A側

加圧テスト後

SiB側
B側
B側

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SiA側Nalux Confidential

金属技研の処理後(ワーク周辺部を丸く切り出した状態)
加圧テスト前グラファイトシート
テンパックスガラス
Si・ 宮城県産業技術総合センターの条件
プレス力：1.7t
グラファイトシート
サンプル面積：14834mm2 (スペーサー含む)プレス圧力：1.12MPa
グラファイトブロック

無加熱の状態でA側圧力をかけてもウエハーがグラファイト割れないことを確認した。
グラファイトシート
Siシート
グラファイトシート
B側

技術総合センター ホットプレス装置 ウエハーの割れテスト結果

金属技研 ホットプレス装置評価結果
プレス圧力は金属技研様の処理条件と同等とした。
(SEM観察)A側 グラファイトシートと・ 金属技研様の条件
プレス力：0.1t
約100μm
サンプル面積：868mm2
プレス圧力：1.12MPa

グラファイトブロック
テンパックスガラス

スペーサー

テンパックス
ガラススペーサー

・ 宮城県産業技術総合センターの条件
525μm
Si
プレス力：1.7t
Si サンプル面積：14834mm2 (スペーサー含む)
プレス圧力：1.12MPaSi
グラファイトブロック

パターン部の断面SEM像

B側側断面全体を観察

加圧テスト後斜め上方から観察A側・1000℃×10分の加熱処理でガラスが完全に埋め込まれていることを確認。

Si
B側 表面・ガラスが薄くなり激しい凹凸ができたので、スペーサーの追加やガラス固着対策等が必要。

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B側
ウエハー全体の断面SEM像

Nalux Confidential

加圧テスト前

Si

テンパックスガラス

無加熱の状態で圧力をかけてもウエハーが割れないことを確認した。

グラファイトシートとテンパックスガラス
Si
ウエハー斜め上方からのSEM像

術総合センター ホットプレス装置 ウエハーの割れテスト結果

金属技研 ホットプレス対策案

プレス圧力は金属技研様の処理条件と同等とした。
・ 金属技研様の条件
プレス力：0.1t
サンプル面積：868mm2
プレス圧力：1.12MPa

グラファイトブロック
スペーサー

・ 宮城県産業技術総合センターの条件
グラファイトブロック

プレス力：1.7t
サンプル面積：14834mm2 (スペーサー含む)
プレス圧力：1.12MPa

Siグラファイトブロック

炭化タングステン+離型膜 CrAlN

ストッパー

加圧テスト前

炭化タングステン+離型膜 CrAlN

加圧テスト後Si

ストッパー

炭化タングステン+離型膜 CrAlN

925μm程度

炭化タングステン+離型膜 CrAlN 無加熱の状態でグラファイトブロック

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Nalux Confidential

テンパックスガラス

1025μmスペーサー

テンパックス
ガラス

圧力をかけてもウエハーが割れないことを確認した。

Volume binary (VB) and trapezoid
gratings for TMT WFOSWFOS: Wide Field Optical Spectrograph
Telescope
Field of view
Wavelength range
Resolving power
Collimator f. lengthCamera lens f. length
Pupil in spectrographDetector format: TMT (Thirty Meter Telescope): 8.3×3 arcmin2 (1,086 × 392 mm2)
: 310 - 600 nm (Blue), 550 - 1000 nm (red): R~1,000, ~5,000, ~8,000 （0.75” Slit）: 4,500 mm: 600 mm
: 300 mm
: 12K × 16K

Gratings of WFOS
Item
[g/mm]
B1210
B2479
B2700
B3600
R680
R1392
R1520
R2052

Λ
Peak Wave
[μm]
[nm]
0.83
393
0.40
409
0.37
494
0.28
374
1.47736
0.72
722
0.66
883
0.49657

AOI*15.9˚
32.3˚44.0˚44.3˚
16.6˚
32.0˚
44.3˚
44.4˚

Clear Aperture[mm2]
310x320310x370
310x430310x430310x320310x370
310x430310x430* Angle of incidenceVB Grating of High Dispersion
880nm, s-pol.

p-pol.

940nm

1,000nm

1,060nm

1,120nm

λ0=682nm, Substrate: SiO2,
Λ=0.487μm (2,052g/mm),
L&S=2:1, t=1.348μm
Aspect ratio=1:8.3
RCWA by Dr. Okamoto

VB Grating of High R2052

AOI=41.9°

AOI=44.4°λ0=682nm, Substrate: SiO2,
Λ=0.487μm (2,052g/mm),
L&S=2:1, t=1.348μm
Aspect ratio=1:8.3
AOI=46.9°
RCWA by Dr. Okamoto

Plymouth Grating

Nanorulerの概念図

透過型回折格子
Nanorulerによって回折格子のパターンを描画
https://www.plymouthgrating.com

球面結像透過型回折格子

高分散VB grating (R=5,000)

1.38
1.02 1.110.68

1.02 1.12

80s-pol.
Average60

p-pol.

40

Λ=0.503μm,
AOI=39.4˚,
t=1.11μm

200500550600650700
Wavelength [μμ m]

VPH

800

s-pol.
p-pol.

60
4005000.70

100

Λ=0.495μm,
AOI=41.9˚,
t=1.12μm

20750

1.39
1.0 1.060.70

550

600
650
700
Wavelength [μμ m]

AverageVPHs-pol.

80
Efficiency [%]80

Efficiency [%]100

Efficiency [%]1001.50

VPH

60p-pol.

40

Λ=0.487μm,
AOI=44.4˚,t=1.06μm

20
750

800

0500

Average

550600650700
Wavelength [μμ m]

750800RCWA by Dr. Okamoto

高分散R2052 VB grating (R=5,000)
Efficiency [%]80

10041.9˚, t=1.1239.4˚, t=1.1144.4˚, t=1.06

60

46.9˚, t=1.0249.4˚, t=1.03

40p-pol.
Average80
Efficiency [%]100VPHs-pol.

60
VPH

4020200500

0500

550600650700Wavelength [μμ m]

750

800

λ0=682nm, Material: SiO2,
Λ=0.503μm (1,988g/mm), AOI=39.4˚Λ=0.495μm (2,020g/mm), AOI=41.9˚
Λ=0.487μm (2,052g/mm), AOI=44.4˚Λ=0.481μm (2,081g/mm), AOI=46.9˚
Λ=0.474μm (2,109g/mm), AOI=49.4˚
L&S=55:45,Aspect ratio=1:4.9, 4.9, 4.8, 4.8, 5.1

AOI=39.4˚
550

600
650700
Wavelength [μμ m]

750

800

λ0=682nm, Material: SiO2
Λ=0.503μm (1,989g/mm)
AOI=39.4˚, L&S=68:32
t=1.39μm, Aspect ratio=1:8.6
q=sin-1(0.682/0.4873-sin44.4) =44.4
0.4873*cos 44.4=0.348
RCWA by Dr. Okamoto

高分散VB grating (R=4,140~5,000)
100

100
39.4˚(R=4,140)60

41.9˚(R=4,260)

44.4˚(R=4,370)
49.4˚(R=5,000)

4080
Efficiency [%]Efficiency [%]

80

VPH

0500

0500

750

800

p-pol.

4020600
650
700
Wavelength [μμ m]

VPH

60

20550

Averages-pol.

λ0=682nm, Material: SiO2,
Λ=0.540μm (1,851g/mm), AOI=39.4˚, R=4,140
Λ=0.526μm (1,901g/mm), AOI=41.9˚, R=4,260
Λ=0.513μm (1,949g/mm), AOI=44.4˚, R=4,370
Λ=0.474μm (2,109g/mm), AOI=49.4˚, R=5,000
L&S=55:45,Aspect ratio=1:5.1, 4.8, 4.8, 5.1

AOI=39.4˚
550

600
650
700
Wavelength [μμ m]

750

800

Λ=0.540μm (1,851g/mm),
R=4,140
L&S=69:31,t=1.47μm,
Aspect ratio=1:8.8

RCWA by Dr. Okamoto

シリコンを鋳型にしたTrapezoid gratingのレプリカ加工
フォト
レジスト

反応性イオンビーム

単結晶
シリコン
シリコンの酸化サイクルエッチング（ボッシュプロセス）

酸化層の除去
ガラス基板
レプリカ樹脂完成

レプリカ加工シリコンの鋳型

K band用Trapezoid gratingの開発
100

100100%RCWA(AOI=25.8°)
Measured(AOI=25.0°)

60

Polymer substrate+NOA61
VPH (AOI=25.8°)

40

200

RCWA

80
Efficiency [%]Efficiency [%]

80

100%

60

Measured(AOI=27.8°)

40

VPH (AOI=27.8°)
Polymer substrate+NOA61

20

AOI=25.0˚(25.8˚)
1,800

2,000

2,200
2,400
Wavelength [nm]

2,600

0

AOI=27.8˚
1,800

2,000

2,200
2,400
Wavelength [nm]改善
日本特殊樹脂光学

レプリカ

3/10, 2022

シリコン鋳型 5/17, 2022

2,600

まとめVolume phase
holographic(VPH) grating
LightSmyth社の透過型回折格子
Volume binary(VB) grating

Trapezoid grating

最適回
折次数Eff. [%](l-l [µm])1次感光性樹脂のVPHグリズムを8.2mすばる
望遠鏡のFOCASやMOIRCS用等を開発。
~90 →~100
帯域幅が狭く、マルチスリットモードの場(0.32~2.4)
合に視野中心から離れたスリット位置の効率低下が問題。

1次~ 98(0.4~2.4)

MOIRCS高分散グリズムを開発 (J, H band
VPHグリズムの後継)。

~ 95(0.2~1000)

ALIS用、MOIRCS K band VPHグリズムの後継用に石英VB gratingを開発。
TMTのWFOS用にL:S=55:45のVB gratingの効率計算。

~ 98(0.2~1000)

月極域探査用にテンパックス ガラスのVB/Trapezoid gratingを開発中。
TMTのWFOS用にシリコンを鋳型にしたTrapezoid gratingを開発中。

1次 ~

1次 ~

開発状況