JP2006178312A - 表面反射型位相格子 - Google Patents
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Abstract
【目的】金属格子の表面を透明誘電体膜で成膜することで、金属格子の安定性を向上させる。
【構成】断面形状が矩形状のレリーフ型回折格子を有する表面反射型位相格子２１は、基板２２に第１の金属膜２３が成膜され、その上層に第１の金属膜２３と異なる材質から成る第２の金属膜２４による厚さｄの断面矩形状の金属格子２５が形成されている。なお、この金属格子２５の厚さｄは一次回折が最大となるように設定され、更に金属格子２５の表面及びその間に露出した第１の金属膜２３上に、ＳｉＯ2から成る透明誘電体膜２６が成膜されている。
【選択図】 図１
【構成】断面形状が矩形状のレリーフ型回折格子を有する表面反射型位相格子２１は、基板２２に第１の金属膜２３が成膜され、その上層に第１の金属膜２３と異なる材質から成る第２の金属膜２４による厚さｄの断面矩形状の金属格子２５が形成されている。なお、この金属格子２５の厚さｄは一次回折が最大となるように設定され、更に金属格子２５の表面及びその間に露出した第１の金属膜２３上に、ＳｉＯ2から成る透明誘電体膜２６が成膜されている。
【選択図】 図１
Description
本発明は、基板上にレリーフ型回折格子を形成した表面反射型位相格子に関するものである。
従来から、例えば特許文献１に開示されているような表面反射型位相格子及びそれを用いた変位測定装置が知られている。この位相回折格子はガラス基板上に周期的な溝を形成することによりレリーフ型の回折格子とし、この周期的な溝の表面にＡｕ、Ａｌ等の反射膜を蒸着することにより光学式スケールを構成している。
図７はこの光学式スケール１の断面図を示し、基板２上にレリーフ型回折格子３を形成し、その上層に反射膜４が蒸着されている。
基板２上に形成したレリーフ型回折格子３に光束を投射して、回折反射光同士を干渉させて干渉縞を形成し、この干渉縞を光電変換することにより光学式スケール１の変位を測定する。このようなレリーフ型回折格子３は、溝の高さを適宜定めることにより零次反射回折光である正反射光の強度を弱め、測定に用いる高次反射回折光の強度を強めることができるので極めて有効である。
しかしながら、回折格子３の溝の表面に反射膜４が蒸着されているので、反射膜４の膜厚の変動によって、溝の形状や深さが変化して回折光の光量が変動し、高精度な測定ができないという問題点がある。
また図８に示すように、特許文献２に開示されている光学式スケール１１を用いた変位測定装置も知られている。この光学式スケール１１は透明基板１２の裏面上にレリーフ型回折格子１３を形成し、回折格子１３上に反射膜１４が成膜されている。透明基板１２の表面１５側から光束を照射することにより、生じた回折光を用いて干渉縞を形成し、この干渉縞を光電変換することにより光学式スケール１１の変位を測定する。
この光学スケール１１は回折格子１３が形成されている面とは反対の表面１５側から光束を照射し、反射光の回折光を発生させるため、反射膜１４の膜厚の変動による回折光量の変動が生じない極めて高精度な光学式スケールが得られる。
しかしながら、この図８に示す裏面反射型回折格子の場合には、透明基板１２を光が透過するため、透明基板１２の表面１５での反射の影響を受けることにより光量が変動する。更に、透明基板１２の剛性を向上させるために透明基板１２の板厚を厚くすると、透明基板１２内を透過する光路が長くなって光量が減少する。
逆に、透過光の影響を抑えるために、透明基板１２の板厚を薄くした場合には、透明基板１２の剛性が低下し、透明基板１２に反りや撓みが生じ、高精度に変位を測定することができなくなる虞れがある。
本発明の目的は、上述の問題点を解決し、製造が容易でかつ化学的に安定な表面反射型位相格子を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明に係る表面反射型位相格子の技術的特徴は、基板上に第１の金属膜を形成し、該第１の金属膜上に一次回折が最も大きくなる膜厚を持ち周期構造を有する第２の金属膜による凹凸状の位相格子パターンを形成したことにある。
本発明の表面反射型位相格子は、２種類の金属膜のエッチャントが異なるため、格子形状に加工する表面側の第２の金属膜が抜けても下層の第１の金属膜はエッチングされることはないため、表面側の金属膜が入射光の１回折が最大になる膜厚で成膜することにより、エッチングで深さを正確に制御する必要がなくなる。
また、第１の金属膜と第２の金属膜で光が反射し回折するため、光は基板を通過せず、基板での反射や吸収による損失がなくなり、より強度の大きい回折光を得ることができ、基板に反射防止膜を成膜する必要がなくなる。
更に、金属格子の上部を誘電体膜で成膜すると金属膜を化学的に安定させ、金属膜の劣化や腐食を抑え、格子の物理的強度を向上させることが可能となり、耐久性を向上させることができる。
位相格子パターンの上部を透明誘電体により成膜することで、反射や吸収による損失はあるが、基板の厚さと比較すると十分に薄いため、従来例で説明した裏面反射格子型回折格子ほどの損失はない。
本発明を図１〜図６に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は実施例１における断面形状が矩形状のレリーフ型回折格子を有する表面反射型位相格子２１の断面図を示し、基板２２上に第１の金属膜２３が成膜され、その上層に第１の金属膜２３と異なる材質から成る第２の金属膜２４による、厚さｄの断面矩形状の金属格子２５が形成されている。
なお、第１、第２の金属膜はＡｌ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ原子のうち、少なくとも１つを含む積層膜から成り、金属格子２５の厚さｄは一次回折が最大となるように設定されている。
ここで、ｎは基板の屈折率、λは使用する光源の波長とすると、一次回折が最大になる回折格子の厚さｄはｄ＝ｎλ／４で与えられる。
更に、金属格子２５の表面及びその間に露出した第１の金属膜２３上に、ＣＶＤ法により例えばＳｉＯ2から成る透明誘電体膜２６が成膜されている。
このように、第１、第２の金属膜２３、２４上にＳｉＯ2から成る透明誘電体膜２６を成膜したことにより、第１、第２の金属膜２３、２４が大気中に晒されることがなくなって膜質が安定し、回折光の光量が減少したり、変動したりすることがない。
従って、表面反射型位相格子２１を光学スケールとして使用する場合に、回折光を干渉させ、その干渉光の明暗変化を検出して、被検物体の変位量を測定すると、受光素子から安定した出力信号が得られ、高精度な測定が可能になる。
また、本実施例における透明誘電体膜２６はＳｉＯ2膜としたが、ＳｉＯ2膜以外にも、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3の何れか１つ以上を含むものとすることができる。
図２はこの表面反射型位相格子２１の製造プロセスのフローチャート図を示し、先ずステップＳ１において、基板２２上に第１の金属膜２３を成膜した後に、ステップＳ２において、第１の金属膜２３上に第１の金属膜２３と異なるエッチャントの第２の金属膜２４を一次回折が最大となる膜厚ｄで成膜する。
続いて、ステップＳ３において、表面側の第２の金属膜２４をエッチングし、断面矩形状の金属格子２５を形成した後に、ステップＳ４において、金属格子２５上に例えばＣＶＤ法を用いて透明誘電体膜２６を成膜する。
図３は同様に正弦波状の金属格子２５を形成した変形例の表面反射型位相格子２１’を示し、図４も同様に三角波状の金属格子２５を形成した変形例の表面反射型位相格子２１”を示している。何れの表面反射型位相格子２１、２１’、２１”も２層の第１、第２の金属膜２３、２４から成り、上層の第２の金属膜２４がレリーフ型回折格子、厚さｄの金属格子２５が形成され、更にその上層に透明誘電体膜２６が成膜されている。
表面反射型位相格子２１’、２１”においても、上述の表面反射型位相格子２１と同様の効果が得られる。
実施例１のように、第２の金属膜２４上に、ＳｉＯ2膜から成る透明誘電体膜２６を成膜した後に、更に図５に示すように透明誘電体膜２６上にＭｇＦ2膜２７が成膜されている。このＭｇＦ2膜２７の膜厚は透過率が最大になるように設計されている。
この表面反射型位相格子２１の場合には、ＭｇＦ2膜２７とＳｉＯ2から成る透明誘電体膜２６を光が通過することによって反射防止効果が生じ、光の損失を抑制することができる。従って、回折光を干渉させ、その干渉光の明暗変化を検出して、被検物体の変位量を測定する際に、受光素子から安定した出力信号が得られ、更に高精度な測定が可能になる。
また、図６は実施例３における表面反射型位相格子３１の断面図を示し、実施例１と同一の部材には同一の符号を付している。本実施例３においては、金属格子２５間及び金属格子２５の表面にＳｉＯ2から成る透明誘電体膜３２が埋め込まれている。更に、埋め込まれた透明誘電体膜３２の表面をＣＭＰ等で平滑仕上げすることにより、金属格子２５が大気に曝されることがなくなり、金属格子２５の強度が向上する。
この場合においても、回折光を干渉させ、その干渉光の明暗変化を検出して、被検物体の変位量を測定する際に、受光素子から安定した出力信号が得られ、高精度な測定が可能になる。
本実施例３においても、平滑化した透明誘電体膜３２上に、実施例２と同様に透過率が最大になる膜厚のＭｇＦ2膜を成膜することができる。これにより、ＭｇＦ2膜、透明誘電体膜３２から成るＳｉＯ2を光が透過することによって反射防止効果が生じ、光の損失を抑えることができる。
２１、２１’、２１”、３１ 表面反射型位相格子
２２ 基板
２３、２４ 金属膜
２５ 金属格子
２６、３２ 透明誘電体膜
２７ ＭｇＦ2膜
２２ 基板
２３、２４ 金属膜
２５ 金属格子
２６、３２ 透明誘電体膜
２７ ＭｇＦ2膜
Claims (9)
- 基板上に第１の金属膜を形成し、該第１の金属膜上に一次回折が最も大きくなる膜厚を持ち周期構造を有する第２の金属膜による凹凸状の位相格子パターンを形成したことを特徴とする表面反射型位相格子。
- 前記金属膜はＡｌ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ原子のうち少なくとも１つを含む積層膜から成ることを特徴とする請求項１に記載の表面反射型位相格子。
- 前記位相格子パターン上に透明誘電体膜を成膜したことを特徴とする請求項１に記載の表面反射型位相格子。
- 前記第１の金属膜と第２の金属膜はエッチャントが異なる金属とした請求項１に記載の表面反射型位相格子。
- 前記透明誘電体膜は前記位相格子パターンの凹凸部を埋設し、その表面を平滑にしたことを特徴とする請求項３又は４に記載の表面反射型位相格子。
- 前記透明誘電体膜上にＭｇＦ2膜を積層したことを特徴とする請求項３〜５の何れか１つの請求項に記載の表面反射型位相格子。
- 前記透明誘電体膜はＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項３〜６の何れか１つの請求項に記載の表面反射型位相格子。
- 請求項１〜７の何れか１つの請求項の表面反射型位相格子を用い、前記位相格子パターンに光束を照射し回折光を生成する光学式スケール。
- 請求項８に記載の光学式スケールを用いた変位測定装置。
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