JP4797990B2 - 光学素子の製造方法、光学素子、ニッポウディスク、コンフォーカル光学系、及び３次元測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、反射ノイズの少ないマスク等として使用される光学素子やその製造方法、並びに、かかる光学素子の応用例であるニッポウディスクと、これを用いたコンフォーカル光学系及び３次元測定装置とに関する。

従来、コンフオーカル顕微鏡において、円板状の硝子基板の片面に形成された光遮光部材（例えば、クロム膜など）に螺旋放射状に多数のピンホールを形成したニッポウディスクを用いることが提案されている。すなわち、ニッポウディスクを回転させることで、被検物に対し照明光をスキャニングするようにしている。そして、ニッポウディスク表面で反射された光が検出器に入射するのを防ぐために、ニッポウディスクを光軸に対して傾けて配置する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

米国特許明細書第４，９２７，２５４号公報

近年、コンフォーカル顕微鏡において、広い視野を一度に、かつ高解像度でスキャニングできる照明光学系および測定光学系を有するものが求められている。このようなコンフォーカル顕微鏡では、対物レンズの開口数ＮＡを大きくし、ニッポウディスクのピンホール位置で、対物レンズのＮＡと同等或いはこれに近いＮＡとなるようにしている。このため、上記特許文献に開示されているように、ニッポウディスクを光軸に対して傾けて配置した場合、ニッポウディスクを透過した被検物からの光に、コマ収差や非点収差が発生し、得られる画像が劣化し、測定精度が低下するという問題がある。

本発明による光学素子の製造方法は、少なくとも最上層にＳｉ層を含む遮光層を、母材としての基板上に設け、遮光層に光学開口部を形成し、ドライエッチングによって最上層の表面に微細凹凸構造を形成することを特徴とする。
なお、Ｓｉ層は薄膜蒸着法により形成され、特に、プラズマＣＶＤにより形成するのが好ましい。
さらに、微細凹凸構造を形成する際、Ｓｉよりもエッチング速度の低い微細粒子を最上層の表面にマスク材として被着させ、最上層の表面に付着した微細粒子をマスクとしてドライエッチングを行う。
また、微細凹凸構造を形成する際、遮光層を設けた基板の周辺に、Ｓｉよりもエッチング速度の低いマスク材を配置し、マスク材に対してドライエッチングを行うことによりマスク材からなる微細粒子を最上層の表面に被着させるとともに、遮光層の最上層に対するドライエッチングを行うようにしても良い。
なお、マスク材はＡｌ_２Ｏ_３あるいはＳｉＯ_２、又はこれらの反応生成物を含むのが好ましく、また、マスク材が、基板を支持する支持台の少なくとも一部を構成するようにしても良い。
さらに、ドライエッチングのエッチングガスは、（ａ）テトラクロロメタン、テトラクロロエチレン、トリクロロエチレン、ペンタクロロエタン、三塩化ホウ素、及び塩素のうち少なくとも一種のガスを含むエッチングガスに、酸素やアルゴン等の補助ガスを必要に応じて添加したものや、（ｂ）テトラクロロメタン、テトラクロロエチレン、トリクロロエチレン、ペンタクロロエタン、三塩化ホウ素、及び塩素のうち少なくとも一種を含む塩素系ガスと、四フッ化メタン、三フッ化メタン、六フッ化エタン、八フッ化プロパン、及びフッ素等の少なくとも一種のフッ素系ガスとの混合エッチングガスに、酸素やアルゴン等の補助ガスを必要に応じて添加したものが好ましい。また、ドライエッチングには、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）、及びＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチングのうち少なくとも一種を用いるのが好ましい。
本発明による光学素子は、母材としての基板と、基板上に形成され、ドライエッチングにより形成された微細凹凸構造を有する遮光層とを備えることを特徴とする。
なお、遮光層は少なくともＳｉ層を最上層として備え、そのＳｉ層に微細凹凸構造を形成するのが好ましい。また、遮光層に、基板を露出させる光学開口部を設けるようにしても良い。
本発明によるニッポウディスクは、母材としての基板と、基板上に形成され、ドライエッチングにより形成された微細凹凸構造を有するＳｉ層を最上層に備えた遮光層と、遮光層に形成され、基板を露出させる複数の光学開口部とを有することを特徴とする。
本発明によるコンフォーカル光学系は、請求項１３に記載のニッポウディスクを、合焦位置を走査するための走査手段として備えることを特徴とする。
本発明による３次元測定装置は、請求項１３に記載のニッポウディスクと、測定対象を支持するステージと、ニッポウディスクとステージとの間に配置される対物光学系とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、基板上に形成された遮光層に、ドライエッチングにより形成された微細凹凸構造を形成したので、遮光効果の高い光学素子を得ることができる。また、遮光層に光学開口部を形成することにより得られるニッポウディスクでは、ニッポウディスクによる反射を極めて低くすることができる。さらに、このニッポウディスクを用いることにより、高精度なコンフォーカル光学系および３次元測定装置を提供することができる。

第１実施形態に係るニッポウディスクの構造を説明する平面図である。 図１のニッポウディスクの断面構造を説明する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図２のニッポウディスクの作製工程を説明する図である。 図３（ａ）に示す工程を行うための反射防止層製造装置の構造を説明する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図４に示す装置を用いた反射防止層の作製を説明する図である。 第２実施形態に係るニッポウディスクの断面構造を説明する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図６のニッポウディスクの作製工程を説明する図である。 図１等に示すニッポウディスクを搭載したコンフオーカル光学系及び３次元測定装置の概略構成図である。 微細凹凸構造ＭＲが形成されたＳｉ膜の反射率特性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態の光学素子であるニッポウディスクの平面図である。図からも明らかなように、ニッポウディスク（Nipkow Disk）１０は、全体として円板状の輪郭を有する遮蔽体である。このニッポウディスク１０は、例えば、コンフォーカル顕微鏡等に設けられる。微細であるため図示を省略しているが、このニッポウディスク１０には、同径のピンホールが複数の螺旋放射状の軌跡１０ａに沿って所定の間隔で多数形成されている。図示の例では、ピンホールを形成すべき軌跡１０ａが４本だけ設けられている場合を示しているが、軌跡１０ａの本数や傾き等の仕様を用途に応じて適宜変更できる。さらに、螺旋放射状の軌跡１０ａに代えて、適宜定められたパターンで２次元配列されたピンホール群を用いることもできる。

図２は、図１に示すニッポウディスク１０の側方断面を示す概念図である。ニッポウディスク１０は、透明で円板状のガラス基板１２と、このガラス基板１２上に形成された薄膜状の遮光層１４とを有している。ガラス基板１２は石英ガラスで形成されており、両表面１２ａ，１２ｂは研磨された光学面となっている。遮光層１４はＳｉ薄膜で形成されており、この遮光層１４を貫通するように、多数の光学開口部１４ａが適当な間隔で形成されている。なお、ガラス基板１２は、石英ガラスに限るものではないが、透過性に優れ、低膨張のものであることが望ましい。

光学開口部１４ａは、ピンホールと呼ばれる円形の孔であり、例えば、コンフォーカル顕微鏡の対物レンズを挟んで対象物（測定対象）上又は内部の観察点と共役な位置に配置される。光学開口部１４ａの直径は、通常エアリディスク径に設定され、本実施形態では約１０μｍ程度としているが、従来は例えば５０μｍ程度であった。なお、図示のような光学開口部１４ａは、図１に示す軌跡１０ａに沿って等間隔で配列されている。

遮光層１４の最上層表面には、Ｓｉ薄膜表面をランダムに加工することによって微細凹凸構造ＭＲが形成されている。この微細凹凸構造ＭＲは、遮光層１４の表面をＲＩＥ（reactive ion etching：反応性イオンエッチング）やＩＣＰ（誘導結合プラズマ：inductively coupled plasma）エッチング等を用いてドライエッチング処理することによって形成されたものであり、数ナノから数百ナノの可視光波長程度以下の横幅を有する多数の微小突起から成る。なお、遮光層１４自体の厚みは、３０００〜７０００Å程度としているが、入射光の輝度や波長等の仕様に応じて適宜変更することができる。

ニッポウディスク１０の光学開口部１４ａに入射した光線Ｌ１は、表面１２ａを介して透明なガラス基板１２中に入射し、対向する表面１２ｂを介してガラス基板１２外に出射する。一方、光学開口部１４ａの周囲の微細凹凸構造ＭＲに入射した光線Ｌ２については、詳しいメカニズムは必ずしも明確でないが、そのほとんどが微細凹凸構造ＭＲを通過して遮光層１４内で吸収されると考えられる。例えば、Ｓｉを誘電体と考えた場合には、微細凹凸構造ＭＲは巨視的な意味で反射防止層として機能すると考えることができ、また、Ｓｉを半金属と考えた場合には、微細凹凸構造ＭＲは吸収性の散乱層として機能すると考えることができる。

微細凹凸構造ＭＲが巨視的に反射防止層として機能する場合、入射した光線Ｌ２は、微細凹凸構造ＭＲを介して遮光層１４の内部に侵入し、遮光層１４内で吸収される。微細凹凸構造ＭＲの厚さや構造が光線Ｌ２の波長よりも小さな場合、微細凹凸構造ＭＲは、遮光層１４において空気の屈折率からＳｉの屈折率へと屈折率が連続的に変化する領域とみなすことができ、微細凹凸構造ＭＲとその下層との間の界面で反射や散乱が生じない。そのため、外部から遮光層１４に入射した光線Ｌ２は、微細凹凸構造ＭＲを経て遮光層１４内部にロスなく侵入すると考えられる。なお、遮光層１４を形成するＳｉ薄膜は、赤外光をある程度透過させるが可視域に吸収帯を有するので、可視光線を効率的に吸収する。

一方、微細凹凸構造ＭＲが吸収性の散乱層として機能する場合、入射した光線Ｌ２に対して微細凹凸構造ＭＲは非金属表面的な緩衝層として作用し、光線Ｌ２の内部侵入や散乱を許すと考えられる。この結果、金属光沢による正反射を回避することができ、現実の散乱光量も極めて少ないものとなっている。その結果、本実施の形態のニッポウディスク１０では、光学開口部１４ａの周辺等からの正反射に起因する戻り光を防止でき、意図しない迷光が発生するのを防止することができる。なお、微細凹凸構造ＭＲの表面に例えば自然酸化によってＳｉＯ_２層が形成されている場合も、上述した後者の場合と同様の現象が生じ、反射が減少するものと考えられる。

図９は、厚さ２．５μｍのＳｉ膜に微細凹凸構造ＭＲを形成した場合の反射率特性の実測値を示したものであり、横軸は波長である。１９０ｎｍ〜８００ｎｍの波長域について測定したが、波長６３０ｎｍ以下では反射率は０．２％以下となっている。なお、微細凹凸構造ＭＲに関する上述した考察から、Ｓｉに限らず、半金属のように可視域に比較的大きな吸収がある材料であれば、遮光層１４を構成する材料として用いることができる。

図３（ａ）〜（ｃ）は、図１，２に示すニッポウディスク１０の製造方法を説明する図である。

図３（ａ）に示すように、まず円板状の石英ガラスを研削・研磨して透明なガラス基板１２を準備し、このガラス基板１２の表面１２ａ上にＳｉ薄膜１４Ｐを一様に形成する。このＳｉ薄膜１４Ｐは、スパッタ成膜などのＰＶＤ（physical vapor deposition）やプラズマＣＶＤなどのＣＶＤ（chemical vapor deposition）、すなわち、薄膜蒸着（thin film deposition）法によって形成される。スパッタ成膜の場合には、真空装置内でＳｉウェハをスパッタすることによって、対向配置したガラス基板１２の表面１２ａ上にＳｉを堆積する。これにより、ガラス基板１２上に均一な厚さで不透明なＳｉ薄膜１４Ｐを形成することができる。ここで、Ｓｉ薄膜１４Ｐを構成するＳｉは、通常アモルファス状のものとなるが、アニール等によって結晶性を高めることもできる。また、プラズマＣＶＤによりＳｉ薄膜１４Ｐを形成した場合、形成されたアモルファスＳｉ膜は、応力（密着性、安定性）、膜厚均一性、遮光性において非常に優れている。

具体的な作製例では、直径１００ｍｍのガラス基板１２を準備し、このガラス基板１２上にスパッタリングにより５０００ÅのＳｉ膜１４Ｐを形成した。

次に、図３（ｂ）に示すように、ガラス基板１２上のＳｉ薄膜１４Ｐに所定の配列パターンで多数の光学開口部１４ａを形成する。光学開口部１４ａの形成に際しては、光学開口部１４ａを形成すべき位置に対応して開口を有するレジストパターンをＳｉ薄膜１４Ｐ上に形成する。その後、レジストパターンをマスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等の異方性を有するドライエッチングを施してＳｉ薄膜１４Ｐを貫通するような光学開口部１４ａを形成し、その後マスクであるレジストを除去することによってＳｉ薄膜１４Ｐを露出させる。

具体的な作製例では、まずＳｉ薄膜１４Ｐ上にレジストを塗布し、このレジストに対しφ７μｍの円パターンを有するフォトマスクを使用して密着露光・現像を行ってレジストパターンを形成した。続いて、レジストパターンを設けたガラス基板１２をＲＩＥのドライエッチング装置に入れ、ＣＨＦ_３とＳＦ_６とを成分として含む混合ガスによりレジスト開口部のＳｉ薄膜１４Ｐをドライエッチングし、ガラス基板１２を露出させて光学開口部１４ａを形成した。エッチング条件は、例えば真空度を１パスカル、ＲＩＥパワーを６００Ｗ、エッチング時間を１５分とした。その後、ＲＩＥドライエッチング装置中の残留ガスを排気し、酸素ガスを利用してＳｉ薄膜１４Ｐの表面に残ったレジストをエッチングで除去した。エッチング条件は、例えば真空度を２０パスカル、ＲＩＥパワーを６００Ｗ、エッチング時間を５分とした。

最後に、図３（ｃ）に示すように、Ｓｉ薄膜１４Ｐに後述するような特殊なドライエッチングを施して、Ｓｉ薄膜１４Ｐの表面に微細凹凸構造ＭＲを形成し、遮光層１４を完成する。

図４は、図２等に示すニッポウディスク１０を製造するための反射防止層製造装置の構造を説明する概念図である。反射防止層製造装置３０は、基本的にＲＩＥ装置と同様の構造を有し、アースに接続されたアノード電極３１と、反応ガスをプラズマ化するための高周波電力が印加されるカソード電極３２と、これらの電極３１，３２を収容する真空チャンバ３４とを備える。カソード電極３２は、反応ガスのプラズマ化や微細凹凸構造の形成に必要な所定の高周波電圧を発生する交流電圧源３６に接続されている。

一方、真空チャンバ３４は、アノード電極３１と同様接地電位に設定される。真空チャンバ３４は、真空ポンプ３８により適当な真空度に維持することができる。反応ガス源３９は真空チャンバ３４に反応ガスを供給するためのガス源であり、必要な流量の反応ガスを真空チャンバ３４中に導入することで真空チャンバ３４内の反応ガスの密度を所望の値に設定することができる。反応ガス源３９から供給される反応ガスとしては、例えば、テトラクロロメタン（ＣＣｌ_４）、テトラクロロエチレン、トリクロロエチレン、ペンタクロロエタン、三塩化ホウ素、塩素等の少なくとも１つを含むエッチガスに、酸素やＡｒ等の補助ガスを必要に応じて添加したものが用いられる。また、テトラクロロメタン、テトラクロロエチレン、トリクロロエチレン、ペンタクロロエタン、三塩化ホウ素、及び塩素のうち少なくとも一種を含む塩素系ガスと、四フッ化メタン、三フッ化メタン、六フッ化エタン、八フッ化プロパン、及びフッ素等の少なくとも一種のフッ素系ガスとの混合エッチングガスに、酸素やＡｒ等の補助ガスを必要に応じて添加したものが好ましい。

カソード電極３２上にはアルミナ製で円盤状のトレイ４１が載置されており、トレイ４１上にはニッポウディスク１０となるべき光学部材ＯＷが配置される。トレイ４１は光学部材ＯＷの支持台として機能するとともに、後述するように、エッチング速度の低いマスク材料としても機能する。この光学部材ＯＷは、処理前においては図３（ｂ）の状態に対応しており、ガラス基板１２上にＳｉ薄膜１４Ｐを形成した状態のものである。トレイ４１に載置された光学部材ＯＷのＳｉ薄膜１４Ｐの上面は、両電極３１，３２間でプラズマ化され加速されたイオンの入射によりエッチングされる。

通常のエッチングであれば、両電極３１，３２の上面に垂直な方向に所定の異方性で一様にエッチングされる。ところが、この場合、光学部材ＯＷが載置されているトレイ４１が反応ガスのイオンによってスパッタ・エッチされることにより、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）製のトレイ４１から出射した微細なスパッタ粒子ＳＰが光学部材ＯＷの表面にランダムに付着する。しかしながら、ＣＣｌ_４等のエッチガスからなる反応ガスの場合、アルミナのスパッタ速度よりもＳｉのスパッタ速度の方が大きいので、光学部材ＯＷ表面にランダムに付着したスパッタ粒子ＳＰがマスクとして機能する。その結果、スパッタ粒子ＳＰが付着した部分と付着していない部分とのエッチング速度の違いにより、光学部材ＯＷの表面全体に亘ってランダムな突起が形成される。

図４に示した装置では、トレイ４１がスパッタ部材であるアルミナで形成されているので、トレイ４１は、光学部材ＯＷを支持する支持台と、マスクとして機能するスパッタ粒子ＳＰを生成するためのスパッタ部材との両方に兼用することができる。その結果、光学素子製造用装置の構造を簡単にすることができ、装置コストの低減を図ることができる。

図５（ａ）〜（ｃ）は、図４の装置による微細凹凸構造ＭＲの形成を概念的に説明する図である。なお、図５（ａ）は微細凹凸構造ＭＲ形成の初期段階を示し、図５（ｂ）は微細凹凸構造ＭＲ形成の中間段階を示し、図５（ｃ）は微細凹凸構造ＭＲの最終段階を示す。

図５（ａ）に示す初期段階においては、光学部材ＯＷの表面とともにトレイ４１の表面もスパッタ・エッチされるので、アルミナの微細粒子である無数のスパッタ粒子ＳＰがトレイ４１からＳｉ製の光学部材ＯＷへと飛来し、光学部材ＯＷの表面にランダムに付着する。なお、図面ではスパッタ粒子ＳＰが一定周期で分布しているが、実際には規則性のないランダムな分布となる。

図５（ｂ）に示す中期段階においては、光学部材ＯＷの表面に付着したスパッタ粒子ＳＰがマスクとして機能するので、スパッタ粒子ＳＰが付着していない領域において反応ガスのイオンＧＩによる異方性エッチングが進行し、スパッタ粒子ＳＰの位置に対応してコーン状の突起ＣＰが無数に形成される。なお、光学部材ＯＷに比べてエッチング速度は遅いが、光学部材ＯＷの表面に付着したスパッタ粒子ＳＰもイオンＧＩによってエッチングされるので、突起ＣＰの先端が徐々に露出することになる。しかし、突起ＣＰの先端には別のスパッタ粒子ＳＰが再付着する傾向があり、結果的に、突起ＣＰが全体的に徐々に成長していく。

図５（ｃ）に示す最終段階においては、突起ＣＰがナノメータ・オーダのサイズに成長し、光学部材ＯＷの上層は突起ＣＰがランダムに密集して形成された状態となる。このように多数の突起ＣＰが形成された上層部分が微細凹凸構造ＭＲを構成し、この微細凹凸構造ＭＲは、巨視的な意味で上述したような反射防止層等として機能する。

図３（ｃ）に戻って、具体的な作製例では、反応性ガスとしてテトラクロロエチレンと三フッ化メタンと酸素との混合ガスを用いてＳｉ薄膜１４Ｐのドライエッチングを行い、その時のテトラクロロエチレンの流量を流量１０ｓｃｃｍ、三フッ化メタンの流量を５ｓｃｃｍ、酸素の流量を５ｓｃｃｍとし、真空チャンバ３４内の圧力を２パスカルに保持した。ＲＩＥパワーは８００Ｗ、エッチング時間は５分である。その結果、基板１２上に形成されたＳｉ薄膜１４Ｐは完全に黒色となり、その表面には、微細凹凸構造ＭＲとして微細な針状構造が形成されていることが顕微鏡観察により分かった。このようなニッポウディスク１０の反射率を計測したところ、可視域で反射率が０．１％以下、可視域の透過率が０．０１％以下であった。クロムや酸化クロムで形成された多層膜を遮光層とする従来型のニッポウディスクでは、反射率が１〜５％となるので、本実施例では１桁以上の反射率低下を実現することができた。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態のニッポウディスクについて説明する。本実施形態のニッポウディスクは、第１実施形態のニッポウディスクを変形したものであり、同一部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。また、特に説明しない部分については、第１実施形態と同一である。

図６は、第２実施形態のニッポウディスクを概念的に示す断面図である。このニッポウディスク１１０は、ガラス基板１２と、遮光層１１４とを有している。このうち、遮光層１１４は、クロム（Ｃｒ）又は酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）からなる下地層１１４ａと、Ｓｉ薄膜で形成された本体層１１４ｂとからなり、これらの層１１４ａ，１１４ｂを貫通するように、多数の光学開口部１４ａが適当な間隔で形成されている。

遮光層１１４の最上層である本体層１１４ｂの表面には、Ｓｉ層をランダムに表面加工することによって微細凹凸構造ＭＲが形成されている。微細凹凸構造ＭＲは、遮光層１１４上層の本体層１１４ｂの表面にＲＩＥ等のドライエッチングを施すことによって形成されたものであり、数ナノから数百ナノの幅を有する微小な突起を多数備えている。光学開口部１４ａの周囲の微細凹凸構造ＭＲに入射した光線については、そのほとんどが微細凹凸構造ＭＲを通過して本体層１１４ｂ内で吸収され、本体層１１４ｂを僅かに透過した光線も下地層１１４ａにおいてほぼ完全に吸収・反射される。

図７（ａ）〜（ｃ）は、図６に示すニッポウディスク１１０の製造方法を説明する図である。図７（ａ）に示すように、まずガラス基板１２を準備し、このガラス基板１２の表面１２ａ上にクロム又は酸化クロムを含有するクロム含有層１１４Ｃを一様に形成し、その上にＳｉ薄膜１１４Ｐを一様に形成する。これらのクロム含有層１１４ＣやＳｉ薄膜１１４Ｐは、例えばスパッタ成膜等によって形成される。

次に、図７（ｂ）に示すように、ガラス基板１２上のクロム含有層１１４Ｃ及びＳｉ薄膜１１４Ｐに所定の配列パターンで光学開口部１４ａを形成する。光学開口部１４ａの形成に際しては、光学開口部１４ａを形成すべき位置に対応して開口を有するレジストパターンをＳｉ薄膜１１４Ｐ上に形成する。その後、レジストパターンをマスクとしてＲＩＥ等の異方性を有するドライエッチングを施してＳｉ薄膜１１４Ｐを貫通する光学開口部１４ａを形成し、その底部にクロム含有層１１４Ｃを露出させる。次に、レジストやＳｉ薄膜１１４Ｐをマスクとしてウェットエッチングを行ってクロム含有層１１４Ｃを貫通させ、光学開口部１４ａを完成する。その後、Ｓｉ薄膜１１４Ｐ上のレジストマスクを除去する。

最後に、図７（ｃ）に示すように、Ｓｉ薄膜１１４Ｐの表面にドライエッチングを施して、Ｓｉ薄膜１１４Ｐ上に微細凹凸構造ＭＲを形成することにより遮光層１１４が完成する。

具体的な作製例では、直径１００ｍｍのガラス基板１２を準備し、このガラス基板１２上にスパッタリングにより厚さ１０００Åのクロム含有層（この場合、金属Ｃｒ層）１１４Ｃと、厚さ５０００ÅのＳｉ膜１１４Ｐとを形成した。その後のレジストパターン形成と、ＲＩＥドライエッチング装置によるＳｉ薄膜１１４Ｐへの開口形成とは、第１実施形態で説明した具体的作製例と同様のものとした。

次に、ウエットエッチングにより、クロム含有層１１４ＣであるＣｒ層のエッチングを行った。エッチング条件は、硝酸第二セリウムアンモンと過塩素酸と純水の混合液を用い、エッチング時間は１分であった。表面に残ったレジストの除去と、Ｓｉ薄膜１１４Ｐ表面への微細凹凸構造ＭＲの製作とは、第１実施形態で説明した具体的作製例と同様のものとした。この結果、基板１２上の遮光層１１４すなわちＳｉ薄膜１１４Ｐは完全に黒色となり、その表面には、微細凹凸構造ＭＲとして微細な針状構造が形成されていることが顕微鏡観察により分かった。このようなニッポウディスク１１０の反射率を計測したところ、可視域で反射率が０．１％以下、可視域の透過率が０．００１％以下であった。従来型のニッポウディスクに比較して、１桁以上の反射率低下を実現できた。

〔第３実施形態〕
図８は、第１及び第２実施形態に係るニッポウディスクを搭載した３次元測定装置の構造を説明する図である。

この３次元測定装置２００は、ステージＳＴに載置された測定対象ＭＯを照明するための落射照明用光源２５０と、落射照明用光源２５０からの照明光を測定対象ＭＯに集光しかつ測定対象ＭＯからの反射光を抽出するための落射コンフォーカル光学系２６０と、落射コンフォーカル光学系２６０で抽出された反射光を撮影する撮像装置２７０と、測定対象ＭＯの実体像をカメラ観察するための観察光学系２８０と、カメラ観察に際しての合焦調節用のレーザＡＦ系２９０とを備える。

落射照明用光源２５０は、水銀ランプを光源として内蔵しており、このランプ装置２５５からの照明光をファイバ２５１を介して偏光ビームスプリッタ２５２に導く。なお、ファイバ２５１と偏光ビームスプリッタ２５２との間には、照明光の偏光方向を特定方向に揃える偏光板２５４が配置されている。

落射コンフォーカル光学系２６０は、両側テレセントリック系の対物光学系である第１及び第２対物レンズ２６１，２６２と、定速で回転するニッポウディスク１０（１１０）とを備える。第１対物レンズ２６１は、測定対象ＭＯ側に配置されており、焦点ずらし機構２６４によって光軸ＯＡ方向に関して適当な位置に変位可能になっている。第１対物レンズ２６２は、第１対物レンズ２６１によってコリメートされた像光を、ニッポウディスク１０（１００）の遮光層に適当な拡大率で集光する。ニッポウディスク１０（１００）は、第１実施形態や第２実施形態の欄で説明したものであり、落射コンフォーカル光学系２６０中において走査手段として機能する。

ニッポウディスク１０（１００）は、ディスク法線方向と光軸ＯＡとが同一方向を向くように光軸ＯＡに垂直に配置されており、駆動装置２６５に駆動されて光軸ＯＡに平行な回転軸ＲＡのまわりに一定速度で回転する。この際、ニッポウディスク１０（１１０）に形成されたピンホール１０ｂ（図２の光学開口部１４ａに相当）と、測定対象ＭＯとが共役な位置に配置されている。そのため、測定対象ＭＯのＸＹ断面を多数の集光スポットが走査移動し、かかる集光スポットからの反射光がピンホール１０ｂを通過して撮像装置２７０側に導かれる。これにより、測定対象ＭＯのＸＹ断面像を得ることができる。

なお、本実施形態において、第１及び第２対物レンズ２６１，２６２は、両側テレセントリックとなっているが、片側テレセントリック光学系に置き換えることもでき、これらによる結像倍率も用途や目的に応じて任意に設定することができる。

撮像装置２７０は、ニッポウディスク１０に形成されたピンホール１０ｂの像を例えば等倍で投影するための投影系２７１と、投影系２７１の後段に配置されるハーフミラー２７２と、ハーフミラー２７２を経て直進する光路上に配置される高感度カメラ２７３と、ハーフミラー２７２で折り曲げられる光路上に配置される低感度カメラ２７４とを備える。このうち、投影系２７１は、一対のレンズ２７１ａ，２７１ｂからなる両側テレセントリック系であり、両レンズ２７１ａ，２７１ｂの間には、観察光から特定方向の偏光を取り出す偏光板２７６が配置されている。また、高感度カメラ２７３は、ニッポウディスク１０（１００）等による測定対象ＭＯの走査像を高感度で観察するためのものであり、低感度カメラ２７４は、ニッポウディスク１０（１００）等による測定対象ＭＯの走査像を低感度で観察するためのものである。

観察光学系２８０は、落射コンフォーカル光学系２６０の光軸ＯＡ上に進退可能に配置された進退ミラー２８１と、固定的に配置された光路折曲ミラー２８２と、変倍用のズーム光学系２８３と、明視野観察用の明視野カメラ２８４と、明視野観察用の同軸照明装置２８５と、明視野照明光を観察光路上に導くビームスプリッタ２８６とを備える。進退ミラー２８１を光軸ＯＡ上に配置した場合、明視野カメラ２８４によって観察しつつ、ズーム光学系２８３を調節して測定対象ＭＯの実体像を変倍することができる。

レーザＡＦ系２９０は、ハーフミラー２９１と、リレー系２９２と、スプリッタミラー２９３と、一対のレンズ２９４，２９５と、一対のセンサ２９６，２９７とを備える。一対のセンサ２９６，２９７の出力をモニタすることにより、測定対象ＭＯに対する合焦状態を検出することができ、焦点ずらし機構２６４によって第１対物レンズ２６１を適宜移動させて合焦状態を保持することができる。

図８の装置の動作について説明すると、落射照明用光源２５０から射出された光は、偏光ビームスプリッタ２５２によって反射され、ニッポウディスク１０（１１０）に照射される。この光は、ニッポウディスク１０（１１０）のピンホール１０ｂ（図２示す光学開口部１４ａに対応）を通過し、対物レンズ２６１，２６２によって測定対象ＭＯ上に集光される。測定対象ＭＯからの反射光は、再び対物レンズ２６１，２６２を介して、ニッポウディスク１０（１１０）のピンホール１０ｂを通過する。ここで、反射光が通過するピンホール１０ｂは、測定対象ＭＯ上に集光された照明光が通過した元のピンホール１０ｂと同じである。このように、ニッポウディスク１０（１１０）のピンホール１０ｂを通過した光は、偏光ビームスプリッタ２５２を透過し、投影系２７１を介してカメラ２７３，２７４の撮像面上に結像される。

この際、ニッポウディスク１０（１１０）は駆動装置２６５によって回転駆動されているので、測定対象ＭＯに導かれるスポット状の照明光は、測定対象ＭＯ上をＸＹ平面内でスキャニングされる。カメラ２７３，２７４では、積算によって、上述のスキャニング範囲内の測定対象ＭＯ全体について画像を得ることができる。このような画像の検出に際し、焦点ずらし機構２６４によって第１対物レンズ２６２を変位させるならば、測定対象ＭＯのセクショニングも可能になり、このようにして得た画像を解析するならば、測定対象ＭＯの３次元的特性分布や形状を決定することができる。

以上の３次元測定装置２００では、反射光の少ないニッポウディスク１０（１００）を用いているので、高感度カメラ２７３等で検出される観察光にノイズが載りにくい。よって、測定対象ＭＯについて高精度で断層画像等を測定することができる。さらに、焦点ずらし機構２６４によって第１対物レンズ２６１を徐々に移動させることにより、合焦位置が上下に徐々に変化するので、断層画像を取り出す深さ方向の位置を変化させた３次元像を簡易かつ高精度で得ることができる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。例えば本発明の光学素子がニッポウディスクである場合について説明したが、本発明の光学素子は、ニッポウディスクに限らず、透明基板上に所定パターンの遮光層若しくは遮蔽層を有する各種マスク、絞り等に適用することができる。

また、上記実施形態では、ＳｉＯ_２製のガラス基板１２上にＳｉ製の遮光層１４が形成される場合について説明したが、蛍石やフッ化物ガラス製の基板上にＳｉ薄膜を成膜し、そのＳｉ薄膜に光学開口を形成するとともに、Ｓｉ薄膜からなる遮光層表面に微細凹凸構造を形成することも可能である。この場合も、遮光層からの反射光を低減することができる。

また、上記実施形態では、遮光層１４の表面に微細凹凸構造ＭＲを形成するため、ガラス基板１２をアルミナ板であるトレイ４１上に載置して、トレイ４１のスパッタ粒子をマスクとして用いた。しかし、微細凹凸構造ＭＲを形成するためのマスク材料としては、Ｓｉよりもエッチング速度の遅い材料であればアルミナに限らず用いることができ、例えばＳｉＯ_２のスパッタ粒子あるいはその反応生成物をマスクとして用いても、Ｓｉ薄膜表面に微細凹凸構造ＭＲを形成することができる。さらにまた、コンフォーカル顕微鏡の構成も上述した実施形態に限定されない。

次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２００４年第３１２８０５号（２００４年１０月２７日出願）

Claims (16)

1. 少なくとも最上層にＳｉ層を含む遮光層を、母材としての基板上に設け、前記遮光層に光学開口部を形成し、ドライエッチングによって前記最上層の表面に微細凹凸構造を形成する光学素子の製造方法。
2. 請求項１に記載の光学素子の製造方法において、
   前記Ｓｉ層を薄膜蒸着法により形成することにより前記遮光層を基板上に設ける。
3. 請求項２に記載の光学素子の製造方法において、
   前記Ｓｉ層はプラズマＣＶＤで形成する。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法において、
   前記微細凹凸構造を形成する際、Ｓｉよりもエッチング速度の低い微細粒子を前記最上層の表面にマスク材として被着させ、前記最上層の表面に付着した前記微細粒子をマスクとして前記ドライエッチングを行う。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法において、
   前記微細凹凸構造を形成する際、前記遮光層を設けた前記基板の周辺に、Ｓｉよりもエッチング速度の低いマスク材を配置し、前記マスク材に対して前記ドライエッチングを行うことにより前記マスク材からなる微細粒子を前記最上層の表面に被着させるとともに、前記遮光層の前記最上層に対する前記ドライエッチングを行う。
6. 請求項５に記載の光学素子の製造方法において、
   前記マスク材は、前記基板を支持する支持台の少なくとも一部を構成する。
7. 請求項４〜６のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法において、
   前記マスク材は、Ａｌ２Ｏ３あるいはＳｉＯ２、又はこれらの反応生成物を含む。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法において、
   前記ドライエッチングのエッチングガスは、テトラクロロメタン、テトラクロロエチレン、トリクロロエチレン、ペンタクロロエタン、三塩化ホウ素、及び塩素のうち少なくとも一種のガスを含む。
9. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法において、
   前記ドライエッチングのエッチングガスは、テトラクロロメタン、テトラクロロエチレン、トリクロロエチレン、ペンタクロロエタン、三塩化ホウ素、及び塩素のうち少なくとも一種を含む塩素系ガスと、四フッ化メタン、三フッ化メタン、六フッ化エタン、八フッ化プロパン、及びフッ素のうち少なくとも一種のフッ素系ガスとの混合ガスに、酸素を混合したものである。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法において、
    前記ドライエッチングは、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）、及びＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチングのうち少なくとも一種を用いる。
11. 光学素子は、
    母材としての基板と、
    前記基板上に形成され、ドライエッチングにより形成された微細凹凸構造を有する遮光層とを備えることを特徴とする光学素子。
12. 請求項１１に記載の光学素子において、
    前記遮光層は少なくともＳｉ層を最上層として備え、そのＳｉ層に前記微細凹凸構造を形成したことを特徴とする光学素子。
13. 請求項１１または１２に記載の光学素子において、
    前記遮光層は、前記基板を露出させる光学開口部を有することを特徴とする光学素子。
14. ニッポウディスクは、
    母材としての基板と、
    前記基板上に形成され、ドライエッチングにより形成された微細凹凸構造を有するＳｉ層を最上層に備えた遮光層と、
    前記遮光層に形成され、前記基板を露出させる複数の光学開口部とを有することを特徴とするニッポウディスク。
15. コンフォーカル光学系は、
    請求項１４に記載のニッポウディスクを、合焦位置を走査するための走査手段として備えることを特徴とするコンフォーカル光学系。
16. ３次元測定装置は、
    請求項１４に記載のニッポウディスクと、
    測定対象を支持するステージと、
    前記ニッポウディスクと前記ステージとの間に配置される対物光学系とを備えることを特徴とする３次元測定装置。

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