JP4158066B2 - 光学素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体リソグラフィーなどに用いる光源の短波長化に伴って、光学用結晶（例えば、非線形光学素子、電気光学素子、音響光学素子等）が、紫外線波長領域等の短波長領域にて用いられるようになってきている。
【０００３】
このような光学用結晶（又は光学結晶）において、光学面に対して入射した光の表面散乱は、散乱をＳ、表面粗さの二乗平均をδ、光の波長をλとすると、
Ｓ＝（４πδ／λ）2 ・・・（１）
なる関係式で与えられる（ J.M.Bennet and L.Mattson, "Introduction to Surface Roughness and Scattering", pp.25参照）。すなわち、光の波長が短くなるにつれて、表面散乱に対する光学面の表面粗さの影響が大きくなる。
【０００４】
従って、短波長領域（例えば紫外線波長領域）で光学用結晶を使用するためには、可視赤外線領域等の比較的波長の長い領域で使用する光学素子に比べて、より小さな表面粗さを達成する必要がある。特に、非線形光学効果を利用してレーザの波長変換（例えば第２高調波や第３高調波の発生等）を行う際に、この散乱損失は大きな問題となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来、レーザ用光学結晶の光学鏡面研磨技術においては、ＣｅＯ2 やＳｉＯ2 等の微粉末を研磨材として水やアルカリ水溶液等の水溶液に分散せしめた懸濁液が、研磨工程における研磨用懸濁液として用いられてきた（ G.W.Fynn and W.J.Powell, "Cutting and Polishing Optical and Electronic Materials", pp.88 参照）。
【０００６】
しかしながらこの手法では、近年、例えば紫外線波長変換用に開発されたβ−ＢａＢ2 Ｏ4 結晶（ＢＢＯ結晶）のように、結晶自体が水溶性や潮解性を有する場合、水溶性溶媒の存在下では潮解を起こすので、その研磨加工は原理的に不可能であった（D.Eimerl et.al., J.Appl.Phys., 62(5), pp.1968, 1985 参照）。
【０００７】
このように耐水性の乏しい材料の研磨方法としては、例えば、アルミナ微粉末をエチレングリコールに分散した研磨用懸濁液を用いる手法（G.W.Fynn and W.J.Powell, "Cutting and Polishing Optical and Electronic Materials", pp.201 参照）や、ダイヤモンドをグリセリンに分散させた研磨用懸濁液を用いる手法などが知られている（特開平２−１３３３９９９号公報参照）。
【０００８】
しかしながら、これらの手法では、被研磨物質（光学用結晶）表面にマイクロスクラッチを生じることが多々ある。このマイクロスクラッチは、光学面における微細な欠陥（以下、光学欠陥と称することがある。）として、光学用結晶の入射光に対する破壊閾値を下げ、応用上、入射光の光密度を上げることができず、さらに、高光密度・高出力レーザへの応用の道を閉ざすものである。また、マイクロスクラッチは、鏡面研磨加工後の例えば蒸着やアニールなどの加熱を伴う工程において潜傷となり、素子の光学表面（光学面）に顕現して素子特性に悪影響を与えていた（足立、”光学素子加工技術 '８９”、１−２”光学材料と加工”、pp.63 参照）。
【０００９】
本発明は、上述した従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、たとえ潮解性結晶であっても良好な表面性が得られ、マイクロスクラッチ等の光学欠陥の発生を抑制する研磨方法によって光学素子を製造する方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、
耐水性に乏しい無機結晶からなる光学素子用素材を所定形状に切り出す工程と、
この切り出し工程で形成された光学面を、シリカパウダーと炭素数１０以上の飽和炭 化水素からなる液状潤滑剤とを含む懸濁液によって研磨する工程と
を有する、光学素子の製造方法（以下、本発明の製造方法と称する。）に係るものである。
【００１４】
本発明の製造方法によれば、光学素子用素材を所定形状に切り出した後、これによって形成された光学面を、研磨加工に適当な硬さや形状を有しているシリカパウダーと、耐水性に乏しい物質に対しても良好な潤滑作用を有する炭素数１０以上の飽和炭化水素からなる液状潤滑剤とを含む研磨用懸濁液によって研磨するので、前記無機結晶がたとえ潮解性を有する光学結晶であってもその表面性を損なわず、かつ、マイクロスクラッチ等の光学欠陥の発生を抑制し、表面性の良好な光学面を有する光学素子が得られる。特に、液状潤滑剤を構成する飽和炭化水素が１０以上の炭素数を有しているので、後述するように、水に溶け難くて安定かつ低毒性である等の必要な諸特性を満たすことができる。
【００１７】
なお、前記「無機結晶」とは、β−ＢａＢ2Ｏ4やＬｉＢ3Ｏ5等の光学結晶を含むものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法において、前記シリカパウダーは、特にＳｉＯ2の微粉末からなるものであり、その形状は球状であって、研磨用の微粉末（研磨材）としては比較的柔らかいモース硬度７を有するものである。また、その性状は非晶質と考えられる。このモース硬度によって、研磨作用が十分となり、またマイクロスクラッチ等の光学欠陥を発生させることがない。また、Degussa 社製、日本エアロジル社製のものが市販されており、一般的には、火炎加水分解法で、下記式の如き反応で製造される。
２Ｈ2＋Ｏ2＋ＳｉＣｌ4 → ＳｉＯ2＋４ＨＣｌ
【００２０】
また、前記光学結晶は、レーザ波長変換素子、電気光学効果素子、磁気光学効果素子、光弾性素子、複屈折性光学素子、音響光学素子からなる群より選ばれる１種の素子に用いる光学結晶であってよい。
【００２１】
こうした光学結晶としては、β−ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ3 Ｏ5 、ＫＨ2ＰＯ4、ＫＤ2ＰＯ4（リン酸二重水素カリウム）、α−ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ4Ｏ7、ＣｓＬｉＢ6Ｏ10、ＫＴｉＯＰＯ4、ＫＴｉＯＡｓＯ4、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＫＮｂＯ3、Ｂａ2ＮａＮｂ5Ｏ15、Ｋ3Ｌｉ2Ｎｂ5Ｏ15等、更に、紫外線レーザ用光学材料として有望なＣａＦ2、ＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＢａＦ2、ＮａＦ等のフッ化物やＮａＣｌ、ＭｇＯ等の光学用結晶（光学素子）が挙げられる。これらの光学用結晶は、その結晶中に光学的な欠陥が無いことと同時に、その光学面（光ビームの作用する面）が鏡面化された優れた表面性を有することが重要である。
【００２２】
この光学素子をレーザ光波長変換素子に応用した具体例を図４に示す。
【００２３】
例えば、β−ＢａＢ2 Ｏ4 からなる非線型光学結晶に、波長５３２ｎｍの光ビーム（レーザ光）４を入射すると、光入射面２から入射した光ビームは、この非線型光学結晶１中を伝搬し、その一部は非線型光学効果を受けて、波長２６６ｎｍの光ビームにウオークオフを発生しながら波長変換され、この波長変換された２６６ｎｍの光ビームとともに光出射面３から出射される。
【００２４】
すなわち、本発明をレーザ波長変換素子に用いる非線型光学結晶に適用する場合、光学面における表面散乱が抑制されるので、入射レーザ光、さらには出射レーザ光の強度が保持されて、高光密度・高出力のレーザ光が得られる。
【００２５】
ここで、本発明においては、非線型光学結晶１の全面を本発明に従って研磨加工してもよいが、少なくとも、光学面である光入射面２及び光出射面３のみを、本発明に従って研磨加工してもよい。
【００２６】
但し、本発明に適用される研磨方法及び研磨用懸濁液は、上述した光学用結晶の研磨工程に限定されるものではなく、例えば、レンズ等の材料であるガラスや、インゴットやウエハー等のシリコン、ＧａＡｓ等の化合物半導体等のアモルファス物質、単結晶物質、多結晶物質の研磨工程に使用することも可能であるが、こういった材料は一般に、潮解性や水溶性を有しておらず、常温での水分に対する反応性は乏しい。従って、本発明は、特に、材料の特性又は製造プロセスの性質上、極端に水分を避けなければならない状況において有効である。
【００２７】
本発明において、被研磨物質（被研磨加工物質）の種類や形状、サイズ等によっても異なるが、前記酸化ケイ素の微粉末（シリカパウダー）の平均粒径は０．１μｍ以下であることが望ましい。更に望ましくは、７ｎｍ（０．００７μｍ）以上、４０ｎｍ（０．０４μｍ）以下である。
【００２８】
前記酸化ケイ素の微粉末の平均粒径が０．１μｍを越えると、被研磨加工物質の被研磨面（光学面）の鏡面化が不十分になり、その表面がやや粗くなる傾向にある。
【００２９】
また、同様に、本発明においては、被研磨加工物質の種類や形状、サイズ等によっても異なるが、前記酸化ケイ素の微粉末を、前記飽和炭化水素系の液状潤滑剤に対して、１重量％以上、１０重量％以下分散せしめることが望ましい。更に望ましくは、３重量％以上、７重量％以下、特には、４重量％以上、５重量％以下である。このことは、酸化ケイ素微粉末の分散濃度による表面粗さ（ここでは、ＢＢＯ結晶に対する表面粗さ）の変化を示す図２のグラフから確認される。
【００３０】
前記酸化ケイ素微粉末の分散濃度が１重量％未満であると、鏡面研磨が十分に行われず、また、分散濃度が１０重量％を越えると、研磨用懸濁液がゲル化し噴霧に適さなくなる傾向にある。
【００３１】
また、本発明において、前記飽和炭化水素系の液状潤滑剤（以下、飽和炭化水素系潤滑剤と称することがある。）は、常温、常圧で液体であることが望ましく、例えば、Ｃ10Ｈ22（デカン）、Ｃ11Ｈ24（ウンデカン）、Ｃ12Ｈ26（ドデカン）、Ｃ13Ｈ28（トリデカン）、Ｃ14Ｈ30（テトラデカン）で表される鎖状飽和炭化水素、及び、Ｃ10Ｈ20、Ｃ11Ｈ22、Ｃ12Ｈ24で表され、シクロペンタン又はシクロヘキサンを一部に有する環状飽和炭化水素からなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物を含む潤滑剤が挙げられる。さらに具体的には、Engis 社（米国）製のＯＳオイル（商品名）、ケロシン（俗に言う灯油、例えば関東化学社製）などを挙げることができ、特に、石油精製過程で得られる分留物のうち留出温度が比較的高い飽和炭化水素化合物の混合物、或いは、その混合物を再度精製し、危険性や有害性を低減させたものが望ましい。
【００３２】
この飽和炭化水素系潤滑剤は、潮解性を持たず安定性の高い物質（例えば光学素子）はもちろんのこと、潮解性や水溶性を有する光学用結晶に対しても、その表面性を損なわずに良好な潤滑作用を発揮できると同時に、前記酸化ケイ素の微粉末を良好に分散せしめることができる。また、その沸点や引火点等が比較的高いことが望ましく、研磨工程時の熱等に十分に耐えうる特性を有し、さらに、安全性の高いものが望ましい。
【００３３】
特に、潮解性結晶を研磨する工程で、超微粉の研磨剤である前記シリカパウダーを分散させる溶媒には、
（１）水に溶け難い（水が溶け込み難い）
（２）使用する環境下で比較的安定で、引火等の危険が少ない
（３）人体に対して毒性が低い
（４）比較的安価で入手が容易である
（５）研磨剤の分散、噴霧、滴下が容易である
等の特性が要求される。
【００３４】
ここで、非水系の溶媒としては、飽和炭化水素や不飽和炭化水素、一部に酸素を含むアルコール類、エステル類、エーテル類、ケトン類、あるいは塩素を含む塩化炭化水素などが一般的である。しかしながら、このうちアルコール類は前記（１）の条件に不適であって、水に溶け易く、潮解性結晶研磨に用いる溶媒としては不向きである。また、エステル類、エーテル類、ケトン類、あるいは塩素を含む塩化炭化水素類は、一般に人体に対する有毒性が高く、前記（３）の条件に不適である。また、二重結合や三重結合を持つ不飽和炭化水素は、一般に反応性が高く不安定なものが多く、前記（２）及び（３）の条件に不適である。さらに、溶媒が水酸基を持つ場合や二重結合や三重結合を持つ場合は、シリカパウダーの表面のシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）と反応が起き、粘性が増すと考えられ、前記（５）の条件を満たすことが難しい。
【００３５】
これに対して、飽和炭化水素には大別して鎖状炭化水素と環状炭化水素とがあるが、どちらであっても、特に、比較的分子量の大きい（炭素が１０個程度以上）化合物は、前記（１）、（２）及び（３）に示した特性を満足する。さらに、前記（４）を考慮すると、具体的に前述した物質となり、これらは前記（５）の条件も満足するものである。
【００３６】
本発明において、前記研磨用懸濁液は、前記光学面に対する仕上げの鏡面研磨加工工程（仕上げ研磨工程）で用いることが望ましく、この鏡面研磨加工工程によって、表面粗さが小さく、表面散乱の抑制された表面性の良好な超鏡面化された光学面が得られる。従って、この光学面に対して、蒸着やアニール等の加熱を伴う処理を施しても、光学欠陥（潜傷やマイクロスクラッチ等）による悪影響を最小限にとどめることができる。
【００３７】
次に、図１を参照に、本発明に基づく鏡面研磨加工工程を説明する。
【００３８】
図１は、鏡面研磨加工工程に使用可能な研磨装置であり、この研磨装置において、研磨定盤〔粉末の金属（例えば錫）をレジンで結合した（多孔質の）研磨定盤、例えばＨＹ錫定盤（ＥＮＧＩＳ社製）〕１０は、ネジ等によって回転式研磨プレート１１に固定されており、この回転式研磨プレート１１及び研磨定盤１０は、電動式モーター等によって、例えば図中矢印Ａに示す如く、一定の方向に一定の回転数（例えば、１０〜３０ｒｐｍ、望ましくは２０ｒｐｍ程度）で回転するように構成されている。また、研磨定盤１０の上部には懸濁液噴霧ノズル１４が配されており、この懸濁液噴霧ノズル１４から懸濁液１８が空圧によって適当な周期（例えば、１２０〜１８０秒間に１〜２秒間程度）で研磨定盤１０上面に噴霧（吐出）されるように構成されている。
【００３９】
懸濁液１８は、本発明の特徴的構成に基づいて、シリカパウダー１７が飽和炭化水素系潤滑剤１６に分散された懸濁液（研磨用懸濁液）であり、懸濁液噴霧ノズル１４から吐出された懸濁液１８は、研磨定盤１０上に懸濁液層１５を形成する。ここで、懸濁液層１５中でシリカパウダー１７は均等に分散されており、研磨定盤１０の動作中、その表面に一部埋没して、光学結晶素子等の被研磨物質（又は被研磨材料）２０の光学面２１を鏡面研磨する半遊離砥粒（半固定砥粒）１９となる。
【００４０】
また、懸濁液層１５中の潤滑剤１６は、研磨定盤１０の表面にて、その表面張力によって一定の厚さの懸濁液層１５を形成し、研磨加工時には、研磨定盤１０と被研磨材料２０や固定ホルダー１２との摺動を潤滑ならしめると共に、研磨加工時の発熱を抑える作用を有している。
【００４１】
被研磨材料２０は、加熱等の作用下で容易に剥離することが可能な粘着性物質で固定ホルダー１２に固定されており、固定ホルダー１２は、固定ホルダー支持脚１３によって回転式研磨プレート１１及び研磨定盤１０の回転運動に対して独立している。その結果として、シリカパウダー１７やシリカパウダーの半遊離砥粒１９と、光学結晶素子等の被研磨材料２０との摺動運動が起こり、被研磨材料２０に対して研磨作用を生じる。
【００４２】
このように、本発明によれば、図１に示した研磨装置において、鏡面研磨加工に適当な硬さ及び形状を有するシリカパウダーと、耐水性に乏しい材料に対しても良好な潤滑作用を呈する飽和炭化水素系潤滑剤とからなる研磨用懸濁液を用いて光学結晶素子等を研磨するので、これがたとえ潮解性を有する結晶（例えば、β−ＢＢＯ結晶）であっても、その表面性を損なわず、かつ、光学欠陥を抑制して、良好な光学面を有する光学結晶素子が得られる。
【００４３】
なお、この鏡面研磨加工工程で用いられる定盤は特に限定されるものではなく、例えば錫定盤等を好適に使用でき、その際の加工圧力や定盤回転数等は適宜設定できる。
【００４４】
次に、本発明の作用を説明する。
【００４５】
前記シリカパウダーを研磨材とする研磨手法によって、良好な光学鏡面が作製できる理由としては、ダイヤモンドのモース硬度が１０であるのに対して、前記シリカパウダーのモース硬度は７であって比較的その硬度は小さく、特に脆弱な光学面を有する光学用結晶に対して適度な硬さを有する研磨材であると同時に、ダイヤモンドの形状が角張った形状を有しているのに対し、前記シリカパウダーは球状若しくはほぼ球状であって、光学面に対するマイクロスクラッチ等の光学欠陥の発生を抑制できる良好な形状性を有していることが考えられる。
【００４６】
また、前記飽和炭化水素系潤滑液は、その構造上、炭化水素を主体とし、構成する炭素骨格がすべて水素原子で飽和されているので、潮解性の光学用結晶に対しても反応性に乏しく、特に、その構造中に水酸基を含まないために、潮解性や水溶性をもつ光学用結晶に対しても水酸基による反応を生ぜずに潤滑作用を発揮し、水分に対して脆弱な結晶についても良好な研磨加工を行うことができるものと考えられる。
【００４７】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４８】
比較例１
被研磨材料として、潮解性のあるβ−ＢａＢ2 Ｏ4 単結晶（β−ＢＢＯ結晶）を用い、これをダイヤモンドカッターを用いて５×５×５ｍｍの大きさに切出した後、平均粒径９μｍ、２μｍ、１μｍの微細なダイヤモンドを含むダイヤモンドスラリーを用いて、段階的にその表面の研磨加工を行った。
【００４９】
次いで、平均粒径１／４μｍの油性ダイヤモンドスラリーを用い、図１に示した如きＨＹ錫定盤（ＥＮＧＩＳ社製）を使用して最終的な仕上げの鏡面研磨加工を行った。得られた光学結晶を比較試料Ａとする。
【００５０】
この比較試料Ａについて、Ｚｙｇｏ社製の表面粗さ測定機（商品名Ｍａｘｉｍ３Ｄ５７００）を用いて研磨面の表面粗さを測定したところ、表面粗さδ（表面粗さの二乗平均）は、０．７２ｎｍであった。この結果は、研磨時間及び加工圧力と定盤回転数等を最適化したものであり、この手法の限界値であった。
【００５１】
実施例１
比較例１と同様に、研磨材料として、潮解性のあるβ−ＢａＢ2 Ｏ4 単結晶（β−ＢＢＯ結晶）を用い、ダイヤモンドカッターを用いて５×５×５ｍｍの大きさに切出した後、平均粒径９μｍ、２μｍ、１μｍのダイヤモンドスラリーを用いて段階的にその表面の研磨加工を行った。
【００５２】
次いで、仕上げの鏡面加工工程において、研磨用懸濁液として、平均粒径０．０１μｍのシリカパウダーをトリデカンＣ 13 Ｈ 28 とテトラデカンＣ 14 Ｈ 30 を主成分とする飽和炭化水素系潤滑液（Engis 社製のＯＳオイルType III：以下、同様）に４重量％分散させた懸濁液を用い、他の条件を比較例１と同様にして、最終的な仕上げの研磨加工を行った。得られた光学結晶を試料１とする。
【００５３】
この試料１について、上述と同様の表面粗さの測定を行ったところ、表面粗さδは０．３５ｎｍであった。また、試料１の表面には、白濁やディグ（dig ）といった、懸濁液及び空気中の水分によるいかなる損傷も光学的顕微鏡によって観察されなかった。
【００５４】
次に、試料１と比較試料Ａの研磨面に、膜厚５ｎｍ程度のＰｔ／Ｐｄよりなる電導膜をスパッタリングによって成膜し、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：scanning tunnel microscope）でそれらの表面を測定したところ、比較試料Ａには、図３（Ｂ）に示すように、無数のマイクロスクラッチが観察されたが、試料１においては、図３（Ａ）に示すように、マイクロスクラッチは見い出されず、鏡面状の光学面が観察された。
【００５５】
さらに、波長５３２ｎｍの光ビームを共振する共振器空洞を作製し、この空洞内で試料１と比較試料Ａとにおける光学的損失を測定したところ、比較試料Ａにおける表面散乱損失がおよそ０．１８％であったのに対して、試料１の表面散乱損失は０．０５％であり、比較試料に比べて極めて小さかった。
【００５６】
以上のことから、本実施例に基づくシリカパウダーと飽和炭化水素系潤滑液とからなる懸濁液を研磨液として使用する研磨方法は、潮解性を持つ光学結晶に対して、水分等による損傷を与えることなく、良好な超光学鏡面を実現する方法であるといえる。
【００５７】
なお、本実施例で用いた飽和炭化水素系潤滑剤は、比重０．８、沸点３４０〜４００°Ｆ（約１７１〜２０４℃）、引火点１３０°Ｆ（約５４℃）を有する化合物であって、安定性が高く、かつ安全性に優れたものである。
【００５８】
実施例２
湿気に対して敏感なＬｉＢ3 Ｏ5 単結晶（ＬＢＯ結晶）を被研磨材料として用い、実施例１と同様に切断及びダイヤモンドスラリーを用いた前加工を行った後、実施例１と同様に、平均粒径０．０１μｍのシリカパウダーを飽和炭化水素系潤滑液に４重量％濃度分散させた懸濁液を研磨液として、仕上げの鏡面研磨加工を行った。
【００５９】
得られた光学面に対して、実施例１と同様の表面粗さ測定を行ったところ、表面粗さδは０．４ｎｍであった。このことから、シリカパウダーと飽和炭化水素系潤滑液とからなる懸濁液を用いた研磨方法は、湿気に対して敏感な光学結晶に対しても良好な超光学鏡面を実現する方法であることが容易に分かる。
【００６０】
また、飽和炭化水素系潤滑剤に対する前記シリカパウダーの分散濃度を種々変更（１．０重量％、１０重量％）し、前述と同様の表面粗さ測定を行ったところ、シリカパウダーの分散濃度による表面粗さδ（ここでは、ＢＢＯ結晶の表面粗さ）の変化は、図２に示すグラフのようになることが確認された。ここで、分散濃度が１重量％未満では、鏡面加工が困難であり、分散濃度が１０重量％を越えると懸濁液がゲル化し噴霧しにくくなった。このことから、被研磨材料の種類、サイズ等にもよるが、飽和炭化水素系潤滑剤に対するシリカパウダーの分散濃度は１重量％以上、１０重量％以下が望ましいことが分かった。さらに、表面粗さδを０．４５ｎｍ以下にまで鏡面化することを考慮すると３重量％以上、７重量％以下が望ましく、表面粗さδを０．４０ｎｍ以下まで超鏡面化することを考慮すると４重量％以上、５重量％以下が望ましいことが分かった。
【００６１】
参考例１
被研磨材料として、水溶性及び潮解性を有しないＫＴｉＯＰＯ4単結晶（ＫＴＰ結晶）を用いた以外は、実施例１と同様にして、平均粒径０．０１μｍのシリカパウダーを飽和炭化水素系潤滑剤に４重量％分散させた懸濁液を研磨液として、仕上げの鏡面研磨加工を行った。
【００６２】
得られた光学面に対して、実施例１と同様の表面粗さ測定を行ったところ、表面粗さδは０．３９ｎｍであった。このことから、水溶性及び潮解性を有しない光学結晶に対しても、良好な超光学鏡面を実現できることが分かった。
【００６３】
比較例２
被研磨材料として参考例１と同様のＫＴＰ結晶を用い、比較例１と同様の、平均粒径１／４μｍの油性ダイヤモンドスラリーを研磨液（研磨用懸濁液）として用いた以外は、上述した方法と同様にして仕上げの鏡面研磨加工を行った。
【００６４】
実施例１と同様の表面粗さ測定を行ったところ、表面粗さδは０．５０ｎｍと比較的大きく、鏡面研磨加工として不十分であることが分かった。
【００６５】
比較例３
被研磨材料として、比較例１及び実施例１と同様のβ−ＢＢＯ結晶を用い、平均粒径０．３μｍのアルミナをエタンジオール〔エチレングリコール：ＣＨ2 （ＯＨ）ＣＨ2 ＯＨ〕に分散せしめた研磨用懸濁液を用いた以外は、比較例１及び実施例１と同様にして仕上げの鏡面研磨加工を行った。
【００６６】
比較例１及び実施例１と同様の表面粗さ測定を行ったところ、推定表面粗さδは数μｍであり、鏡面研磨加工は不可能であった。
【００６７】
比較例４
被研磨材料として、比較例１及び実施例１と同様のβ−ＢＢＯ結晶を用い、平均粒径０．０５μｍのアルミナをＯＳオイル（商品名：Engis 社製）に分散せしめた研磨用懸濁液を用いた以外は、比較例１及び実施例１と同様にして、仕上げの鏡面研磨加工を行った。
【００６８】
比較例１及び実施例１と同様の表面粗さ測定を行ったところ、表面粗さδは約０．８ｎｍであり、十分な鏡面性を有しているとは言えず、また、多数のマイクロスクラッチが観察された。
【００６９】
比較例５
被研磨材料として、比較例１及び実施例１と同様のβ−ＢＢＯ結晶を用い、平均粒径０．１５μｍのアルミナをＯＳオイル（商品名：Engis 社製）に分散せしめた研磨用懸濁液を用いた以外は、比較例１及び実施例１と同様にして、仕上げの鏡面研磨加工を行った。
【００７０】
比較例１及び実施例１と同様の表面粗さ測定を行ったところ、表面粗さδは約１．２μｍと大きく、十分な鏡面性を有していると言えるものではなかった。また、多数のマイクロスクラッチが観察された。
【００７１】
以上、本発明を実施例について説明したが、本発明は、上述した実施例に限定されるものではない。
【００７２】
従って、被研磨材料（被研磨物質）は実施例に挙げたβ−ＢａＢ2 Ｏ4 、ＬｉＢ3 Ｏ5 やＫＴｉＯＰＯ4 に限定されるものではなく、特に光ビームの制御一般に用いられる光学用結晶、具体的には、上述したように、ＫＨ2 ＰＯ4 、ＫＤ2 ＰＯ4 、α−ＢａＢ2 Ｏ4 、ＬｉＢ4 Ｏ7 、ＣｓＬｉＢ6 Ｏ10、ＫＴｉＯＡｓＯ4 、ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ＫＮｂＯ3 、Ｂａ2 ＮａＮｂ5 Ｏ15、Ｋ3 Ｌｉ2 Ｎｂ5 Ｏ15等、更には紫外線レーザ用の光学材料等として有望な、ＣａＦ2 、ＭｇＦ2 、ＬｉＦ、ＢａＦ2 、ＮａＦ等のフッ化物や、ＮａＣｌ、ＭｇＯ等に対しても適用できる。更に、レンズや光ファイバー等を用いる光学材料に対しても有効である。
【００７３】
さらに、実施例１にて示したように、本実施例に基づいた研磨方法によれば、ダイヤモンドを研磨材とした手法に比べて表面粗さが１／２程度に改善される。すなわち、上記式（１）で示したように、表面散乱による光学損失は表面粗さと入射波長の比の二乗で与えられることから、本実施例によれば、可視赤外域で使用される光学結晶に対して効果があることは勿論、可視赤外波長域よりも波長の短い例えば紫外線波長域において使用される光学結晶に対しても、表面散乱損失を低減する効果が著しい。
【００７４】
また、本実施例では、シリカパウダーの平均粒径および潤滑液の濃度を明示したが、本実施例はそれらを限定するものではなく、研磨加工における被研磨加工物質の種類や形状、サイズ等によって種々変動させることが可能である。また、本実施例の研磨工程に用いた定盤についても同様に、上述した錫定盤に限定されない。
【００７５】
以上、説明したように、本実施例（特に実施例１）によれば、潮解性や水溶性といった水分に対して脆弱な光学用単結晶に対して、応用上十分な超光学鏡面を達成できる。また、実施例２に示したように湿気に対して敏感な結晶材料の研磨、さらに参考例１に示したように水溶性及び潮解性を有しておらず、耐水性を持つ結晶材料の研磨においても効果がある。さらに、光学用結晶の光学表面にマイクロスクラッチを生じないために、高い光密度における結晶の応用と、研磨加工後に加熱を伴うプロセスを行うことが可能になる。
【００７６】
また、加工後の表面粗さが小さいために、表面散乱が大きく影響を与える紫外線波長領域等の短波長領域への光学用結晶の応用が可能となる。例えば、波長５３２ｎｍの可視光を波長２６６ｎｍの紫外光へ、第２次高調波発生法（ＳＨＧ：second harmonic generation）によって波長変換を行う波長変換素子に用いるβ−ＢａＢ2 Ｏ4 単結晶に対する鏡面研磨加工に有効である。
【００７８】
【発明の作用効果】
本発明の製造方法によれば、光学素子用素材を所定形状に切り出した後、これによって形成された光学面を、特に仕上げの鏡面研磨加工に適当な硬さや形状を有しているシリカパウダーと、耐水性に乏しい物質に対しても良好な潤滑作用を有する飽和炭化水素系潤滑剤とからなる研磨用懸濁液によって光学研磨するので、光学素子がたとえ潮解性結晶であってもその表面性を損なわず、かつ、マイクロスクラッチ等の光学欠陥の発生を抑制し、表面性の良好な光学面を有する光学素子が得られる。特に、液状潤滑剤を構成する飽和炭化水素が１０以上の炭素数を有しているので、水に溶け難くて安定かつ低毒性である等の必要な諸特性を満たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく鏡面研磨加工工程に用いることが可能な研磨装置の概略模式図である。
【図２】ＳｉＯ2 微粉末の分散濃度によるＢＢＯ結晶の表面粗さの変化を示すグラフである。
【図３】本発明の研磨方法に従ってβ−ＢＢＯ結晶を研磨した際の表面状態を示すＳＴＭ写真（Ａ）、従来の研磨方法に従ってβ−ＢＢＯ結晶を研磨した際の表面状態を示すＳＴＭ写真（Ｂ）である。
【図４】非線型光学結晶を波長変換素子として使用した様子を示す概略模式図である。
【符号の説明】
１…非線型光学結晶、２…光入射面、３…光出射面、４…光ビーム、
１０…研磨定盤、１１…回転式研磨プレート、１２…固定ホルダー、
１３…固定ホルダー支持脚、１４…懸濁液噴霧ノズル、１５…懸濁液層、
１６…潤滑剤、１７…シリカパウダー、１８…懸濁液、１９…半遊離砥粒、
２０…被研磨材料、２１…光学面
【発明の属する技術分野】
本発明は光学素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体リソグラフィーなどに用いる光源の短波長化に伴って、光学用結晶（例えば、非線形光学素子、電気光学素子、音響光学素子等）が、紫外線波長領域等の短波長領域にて用いられるようになってきている。
【０００３】
このような光学用結晶（又は光学結晶）において、光学面に対して入射した光の表面散乱は、散乱をＳ、表面粗さの二乗平均をδ、光の波長をλとすると、
Ｓ＝（４πδ／λ）2 ・・・（１）
なる関係式で与えられる（ J.M.Bennet and L.Mattson, "Introduction to Surface Roughness and Scattering", pp.25参照）。すなわち、光の波長が短くなるにつれて、表面散乱に対する光学面の表面粗さの影響が大きくなる。
【０００４】
従って、短波長領域（例えば紫外線波長領域）で光学用結晶を使用するためには、可視赤外線領域等の比較的波長の長い領域で使用する光学素子に比べて、より小さな表面粗さを達成する必要がある。特に、非線形光学効果を利用してレーザの波長変換（例えば第２高調波や第３高調波の発生等）を行う際に、この散乱損失は大きな問題となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来、レーザ用光学結晶の光学鏡面研磨技術においては、ＣｅＯ2 やＳｉＯ2 等の微粉末を研磨材として水やアルカリ水溶液等の水溶液に分散せしめた懸濁液が、研磨工程における研磨用懸濁液として用いられてきた（ G.W.Fynn and W.J.Powell, "Cutting and Polishing Optical and Electronic Materials", pp.88 参照）。
【０００６】
しかしながらこの手法では、近年、例えば紫外線波長変換用に開発されたβ−ＢａＢ2 Ｏ4 結晶（ＢＢＯ結晶）のように、結晶自体が水溶性や潮解性を有する場合、水溶性溶媒の存在下では潮解を起こすので、その研磨加工は原理的に不可能であった（D.Eimerl et.al., J.Appl.Phys., 62(5), pp.1968, 1985 参照）。
【０００７】
このように耐水性の乏しい材料の研磨方法としては、例えば、アルミナ微粉末をエチレングリコールに分散した研磨用懸濁液を用いる手法（G.W.Fynn and W.J.Powell, "Cutting and Polishing Optical and Electronic Materials", pp.201 参照）や、ダイヤモンドをグリセリンに分散させた研磨用懸濁液を用いる手法などが知られている（特開平２−１３３３９９９号公報参照）。
【０００８】
しかしながら、これらの手法では、被研磨物質（光学用結晶）表面にマイクロスクラッチを生じることが多々ある。このマイクロスクラッチは、光学面における微細な欠陥（以下、光学欠陥と称することがある。）として、光学用結晶の入射光に対する破壊閾値を下げ、応用上、入射光の光密度を上げることができず、さらに、高光密度・高出力レーザへの応用の道を閉ざすものである。また、マイクロスクラッチは、鏡面研磨加工後の例えば蒸着やアニールなどの加熱を伴う工程において潜傷となり、素子の光学表面（光学面）に顕現して素子特性に悪影響を与えていた（足立、”光学素子加工技術 '８９”、１−２”光学材料と加工”、pp.63 参照）。
【０００９】
本発明は、上述した従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、たとえ潮解性結晶であっても良好な表面性が得られ、マイクロスクラッチ等の光学欠陥の発生を抑制する研磨方法によって光学素子を製造する方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、
耐水性に乏しい無機結晶からなる光学素子用素材を所定形状に切り出す工程と、
この切り出し工程で形成された光学面を、シリカパウダーと炭素数１０以上の飽和炭 化水素からなる液状潤滑剤とを含む懸濁液によって研磨する工程と
を有する、光学素子の製造方法（以下、本発明の製造方法と称する。）に係るものである。
【００１４】
本発明の製造方法によれば、光学素子用素材を所定形状に切り出した後、これによって形成された光学面を、研磨加工に適当な硬さや形状を有しているシリカパウダーと、耐水性に乏しい物質に対しても良好な潤滑作用を有する炭素数１０以上の飽和炭化水素からなる液状潤滑剤とを含む研磨用懸濁液によって研磨するので、前記無機結晶がたとえ潮解性を有する光学結晶であってもその表面性を損なわず、かつ、マイクロスクラッチ等の光学欠陥の発生を抑制し、表面性の良好な光学面を有する光学素子が得られる。特に、液状潤滑剤を構成する飽和炭化水素が１０以上の炭素数を有しているので、後述するように、水に溶け難くて安定かつ低毒性である等の必要な諸特性を満たすことができる。
【００１７】
なお、前記「無機結晶」とは、β−ＢａＢ2Ｏ4やＬｉＢ3Ｏ5等の光学結晶を含むものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法において、前記シリカパウダーは、特にＳｉＯ2の微粉末からなるものであり、その形状は球状であって、研磨用の微粉末（研磨材）としては比較的柔らかいモース硬度７を有するものである。また、その性状は非晶質と考えられる。このモース硬度によって、研磨作用が十分となり、またマイクロスクラッチ等の光学欠陥を発生させることがない。また、Degussa 社製、日本エアロジル社製のものが市販されており、一般的には、火炎加水分解法で、下記式の如き反応で製造される。
２Ｈ2＋Ｏ2＋ＳｉＣｌ4 → ＳｉＯ2＋４ＨＣｌ
【００２０】
また、前記光学結晶は、レーザ波長変換素子、電気光学効果素子、磁気光学効果素子、光弾性素子、複屈折性光学素子、音響光学素子からなる群より選ばれる１種の素子に用いる光学結晶であってよい。
【００２１】
こうした光学結晶としては、β−ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ3 Ｏ5 、ＫＨ2ＰＯ4、ＫＤ2ＰＯ4（リン酸二重水素カリウム）、α−ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ4Ｏ7、ＣｓＬｉＢ6Ｏ10、ＫＴｉＯＰＯ4、ＫＴｉＯＡｓＯ4、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＫＮｂＯ3、Ｂａ2ＮａＮｂ5Ｏ15、Ｋ3Ｌｉ2Ｎｂ5Ｏ15等、更に、紫外線レーザ用光学材料として有望なＣａＦ2、ＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＢａＦ2、ＮａＦ等のフッ化物やＮａＣｌ、ＭｇＯ等の光学用結晶（光学素子）が挙げられる。これらの光学用結晶は、その結晶中に光学的な欠陥が無いことと同時に、その光学面（光ビームの作用する面）が鏡面化された優れた表面性を有することが重要である。
【００２２】
この光学素子をレーザ光波長変換素子に応用した具体例を図４に示す。
【００２３】
例えば、β−ＢａＢ2 Ｏ4 からなる非線型光学結晶に、波長５３２ｎｍの光ビーム（レーザ光）４を入射すると、光入射面２から入射した光ビームは、この非線型光学結晶１中を伝搬し、その一部は非線型光学効果を受けて、波長２６６ｎｍの光ビームにウオークオフを発生しながら波長変換され、この波長変換された２６６ｎｍの光ビームとともに光出射面３から出射される。
【００２４】
すなわち、本発明をレーザ波長変換素子に用いる非線型光学結晶に適用する場合、光学面における表面散乱が抑制されるので、入射レーザ光、さらには出射レーザ光の強度が保持されて、高光密度・高出力のレーザ光が得られる。
【００２５】
ここで、本発明においては、非線型光学結晶１の全面を本発明に従って研磨加工してもよいが、少なくとも、光学面である光入射面２及び光出射面３のみを、本発明に従って研磨加工してもよい。
【００２６】
但し、本発明に適用される研磨方法及び研磨用懸濁液は、上述した光学用結晶の研磨工程に限定されるものではなく、例えば、レンズ等の材料であるガラスや、インゴットやウエハー等のシリコン、ＧａＡｓ等の化合物半導体等のアモルファス物質、単結晶物質、多結晶物質の研磨工程に使用することも可能であるが、こういった材料は一般に、潮解性や水溶性を有しておらず、常温での水分に対する反応性は乏しい。従って、本発明は、特に、材料の特性又は製造プロセスの性質上、極端に水分を避けなければならない状況において有効である。
【００２７】
本発明において、被研磨物質（被研磨加工物質）の種類や形状、サイズ等によっても異なるが、前記酸化ケイ素の微粉末（シリカパウダー）の平均粒径は０．１μｍ以下であることが望ましい。更に望ましくは、７ｎｍ（０．００７μｍ）以上、４０ｎｍ（０．０４μｍ）以下である。
【００２８】
前記酸化ケイ素の微粉末の平均粒径が０．１μｍを越えると、被研磨加工物質の被研磨面（光学面）の鏡面化が不十分になり、その表面がやや粗くなる傾向にある。
【００２９】
また、同様に、本発明においては、被研磨加工物質の種類や形状、サイズ等によっても異なるが、前記酸化ケイ素の微粉末を、前記飽和炭化水素系の液状潤滑剤に対して、１重量％以上、１０重量％以下分散せしめることが望ましい。更に望ましくは、３重量％以上、７重量％以下、特には、４重量％以上、５重量％以下である。このことは、酸化ケイ素微粉末の分散濃度による表面粗さ（ここでは、ＢＢＯ結晶に対する表面粗さ）の変化を示す図２のグラフから確認される。
【００３０】
前記酸化ケイ素微粉末の分散濃度が１重量％未満であると、鏡面研磨が十分に行われず、また、分散濃度が１０重量％を越えると、研磨用懸濁液がゲル化し噴霧に適さなくなる傾向にある。
【００３１】
また、本発明において、前記飽和炭化水素系の液状潤滑剤（以下、飽和炭化水素系潤滑剤と称することがある。）は、常温、常圧で液体であることが望ましく、例えば、Ｃ10Ｈ22（デカン）、Ｃ11Ｈ24（ウンデカン）、Ｃ12Ｈ26（ドデカン）、Ｃ13Ｈ28（トリデカン）、Ｃ14Ｈ30（テトラデカン）で表される鎖状飽和炭化水素、及び、Ｃ10Ｈ20、Ｃ11Ｈ22、Ｃ12Ｈ24で表され、シクロペンタン又はシクロヘキサンを一部に有する環状飽和炭化水素からなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物を含む潤滑剤が挙げられる。さらに具体的には、Engis 社（米国）製のＯＳオイル（商品名）、ケロシン（俗に言う灯油、例えば関東化学社製）などを挙げることができ、特に、石油精製過程で得られる分留物のうち留出温度が比較的高い飽和炭化水素化合物の混合物、或いは、その混合物を再度精製し、危険性や有害性を低減させたものが望ましい。
【００３２】
この飽和炭化水素系潤滑剤は、潮解性を持たず安定性の高い物質（例えば光学素子）はもちろんのこと、潮解性や水溶性を有する光学用結晶に対しても、その表面性を損なわずに良好な潤滑作用を発揮できると同時に、前記酸化ケイ素の微粉末を良好に分散せしめることができる。また、その沸点や引火点等が比較的高いことが望ましく、研磨工程時の熱等に十分に耐えうる特性を有し、さらに、安全性の高いものが望ましい。
【００３３】
特に、潮解性結晶を研磨する工程で、超微粉の研磨剤である前記シリカパウダーを分散させる溶媒には、
（１）水に溶け難い（水が溶け込み難い）
（２）使用する環境下で比較的安定で、引火等の危険が少ない
（３）人体に対して毒性が低い
（４）比較的安価で入手が容易である
（５）研磨剤の分散、噴霧、滴下が容易である
等の特性が要求される。
【００３４】
ここで、非水系の溶媒としては、飽和炭化水素や不飽和炭化水素、一部に酸素を含むアルコール類、エステル類、エーテル類、ケトン類、あるいは塩素を含む塩化炭化水素などが一般的である。しかしながら、このうちアルコール類は前記（１）の条件に不適であって、水に溶け易く、潮解性結晶研磨に用いる溶媒としては不向きである。また、エステル類、エーテル類、ケトン類、あるいは塩素を含む塩化炭化水素類は、一般に人体に対する有毒性が高く、前記（３）の条件に不適である。また、二重結合や三重結合を持つ不飽和炭化水素は、一般に反応性が高く不安定なものが多く、前記（２）及び（３）の条件に不適である。さらに、溶媒が水酸基を持つ場合や二重結合や三重結合を持つ場合は、シリカパウダーの表面のシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）と反応が起き、粘性が増すと考えられ、前記（５）の条件を満たすことが難しい。
【００３５】
これに対して、飽和炭化水素には大別して鎖状炭化水素と環状炭化水素とがあるが、どちらであっても、特に、比較的分子量の大きい（炭素が１０個程度以上）化合物は、前記（１）、（２）及び（３）に示した特性を満足する。さらに、前記（４）を考慮すると、具体的に前述した物質となり、これらは前記（５）の条件も満足するものである。
【００３６】
本発明において、前記研磨用懸濁液は、前記光学面に対する仕上げの鏡面研磨加工工程（仕上げ研磨工程）で用いることが望ましく、この鏡面研磨加工工程によって、表面粗さが小さく、表面散乱の抑制された表面性の良好な超鏡面化された光学面が得られる。従って、この光学面に対して、蒸着やアニール等の加熱を伴う処理を施しても、光学欠陥（潜傷やマイクロスクラッチ等）による悪影響を最小限にとどめることができる。
【００３７】
次に、図１を参照に、本発明に基づく鏡面研磨加工工程を説明する。
【００３８】
図１は、鏡面研磨加工工程に使用可能な研磨装置であり、この研磨装置において、研磨定盤〔粉末の金属（例えば錫）をレジンで結合した（多孔質の）研磨定盤、例えばＨＹ錫定盤（ＥＮＧＩＳ社製）〕１０は、ネジ等によって回転式研磨プレート１１に固定されており、この回転式研磨プレート１１及び研磨定盤１０は、電動式モーター等によって、例えば図中矢印Ａに示す如く、一定の方向に一定の回転数（例えば、１０〜３０ｒｐｍ、望ましくは２０ｒｐｍ程度）で回転するように構成されている。また、研磨定盤１０の上部には懸濁液噴霧ノズル１４が配されており、この懸濁液噴霧ノズル１４から懸濁液１８が空圧によって適当な周期（例えば、１２０〜１８０秒間に１〜２秒間程度）で研磨定盤１０上面に噴霧（吐出）されるように構成されている。
【００３９】
懸濁液１８は、本発明の特徴的構成に基づいて、シリカパウダー１７が飽和炭化水素系潤滑剤１６に分散された懸濁液（研磨用懸濁液）であり、懸濁液噴霧ノズル１４から吐出された懸濁液１８は、研磨定盤１０上に懸濁液層１５を形成する。ここで、懸濁液層１５中でシリカパウダー１７は均等に分散されており、研磨定盤１０の動作中、その表面に一部埋没して、光学結晶素子等の被研磨物質（又は被研磨材料）２０の光学面２１を鏡面研磨する半遊離砥粒（半固定砥粒）１９となる。
【００４０】
また、懸濁液層１５中の潤滑剤１６は、研磨定盤１０の表面にて、その表面張力によって一定の厚さの懸濁液層１５を形成し、研磨加工時には、研磨定盤１０と被研磨材料２０や固定ホルダー１２との摺動を潤滑ならしめると共に、研磨加工時の発熱を抑える作用を有している。
【００４１】
被研磨材料２０は、加熱等の作用下で容易に剥離することが可能な粘着性物質で固定ホルダー１２に固定されており、固定ホルダー１２は、固定ホルダー支持脚１３によって回転式研磨プレート１１及び研磨定盤１０の回転運動に対して独立している。その結果として、シリカパウダー１７やシリカパウダーの半遊離砥粒１９と、光学結晶素子等の被研磨材料２０との摺動運動が起こり、被研磨材料２０に対して研磨作用を生じる。
【００４２】
このように、本発明によれば、図１に示した研磨装置において、鏡面研磨加工に適当な硬さ及び形状を有するシリカパウダーと、耐水性に乏しい材料に対しても良好な潤滑作用を呈する飽和炭化水素系潤滑剤とからなる研磨用懸濁液を用いて光学結晶素子等を研磨するので、これがたとえ潮解性を有する結晶（例えば、β−ＢＢＯ結晶）であっても、その表面性を損なわず、かつ、光学欠陥を抑制して、良好な光学面を有する光学結晶素子が得られる。
【００４３】
なお、この鏡面研磨加工工程で用いられる定盤は特に限定されるものではなく、例えば錫定盤等を好適に使用でき、その際の加工圧力や定盤回転数等は適宜設定できる。
【００４４】
次に、本発明の作用を説明する。
【００４５】
前記シリカパウダーを研磨材とする研磨手法によって、良好な光学鏡面が作製できる理由としては、ダイヤモンドのモース硬度が１０であるのに対して、前記シリカパウダーのモース硬度は７であって比較的その硬度は小さく、特に脆弱な光学面を有する光学用結晶に対して適度な硬さを有する研磨材であると同時に、ダイヤモンドの形状が角張った形状を有しているのに対し、前記シリカパウダーは球状若しくはほぼ球状であって、光学面に対するマイクロスクラッチ等の光学欠陥の発生を抑制できる良好な形状性を有していることが考えられる。
【００４６】
また、前記飽和炭化水素系潤滑液は、その構造上、炭化水素を主体とし、構成する炭素骨格がすべて水素原子で飽和されているので、潮解性の光学用結晶に対しても反応性に乏しく、特に、その構造中に水酸基を含まないために、潮解性や水溶性をもつ光学用結晶に対しても水酸基による反応を生ぜずに潤滑作用を発揮し、水分に対して脆弱な結晶についても良好な研磨加工を行うことができるものと考えられる。
【００４７】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４８】
比較例１
被研磨材料として、潮解性のあるβ−ＢａＢ2 Ｏ4 単結晶（β−ＢＢＯ結晶）を用い、これをダイヤモンドカッターを用いて５×５×５ｍｍの大きさに切出した後、平均粒径９μｍ、２μｍ、１μｍの微細なダイヤモンドを含むダイヤモンドスラリーを用いて、段階的にその表面の研磨加工を行った。
【００４９】
次いで、平均粒径１／４μｍの油性ダイヤモンドスラリーを用い、図１に示した如きＨＹ錫定盤（ＥＮＧＩＳ社製）を使用して最終的な仕上げの鏡面研磨加工を行った。得られた光学結晶を比較試料Ａとする。
【００５０】
この比較試料Ａについて、Ｚｙｇｏ社製の表面粗さ測定機（商品名Ｍａｘｉｍ３Ｄ５７００）を用いて研磨面の表面粗さを測定したところ、表面粗さδ（表面粗さの二乗平均）は、０．７２ｎｍであった。この結果は、研磨時間及び加工圧力と定盤回転数等を最適化したものであり、この手法の限界値であった。
【００５１】
実施例１
比較例１と同様に、研磨材料として、潮解性のあるβ−ＢａＢ2 Ｏ4 単結晶（β−ＢＢＯ結晶）を用い、ダイヤモンドカッターを用いて５×５×５ｍｍの大きさに切出した後、平均粒径９μｍ、２μｍ、１μｍのダイヤモンドスラリーを用いて段階的にその表面の研磨加工を行った。
【００５２】
次いで、仕上げの鏡面加工工程において、研磨用懸濁液として、平均粒径０．０１μｍのシリカパウダーをトリデカンＣ 13 Ｈ 28 とテトラデカンＣ 14 Ｈ 30 を主成分とする飽和炭化水素系潤滑液（Engis 社製のＯＳオイルType III：以下、同様）に４重量％分散させた懸濁液を用い、他の条件を比較例１と同様にして、最終的な仕上げの研磨加工を行った。得られた光学結晶を試料１とする。
【００５３】
この試料１について、上述と同様の表面粗さの測定を行ったところ、表面粗さδは０．３５ｎｍであった。また、試料１の表面には、白濁やディグ（dig ）といった、懸濁液及び空気中の水分によるいかなる損傷も光学的顕微鏡によって観察されなかった。
【００５４】
次に、試料１と比較試料Ａの研磨面に、膜厚５ｎｍ程度のＰｔ／Ｐｄよりなる電導膜をスパッタリングによって成膜し、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：scanning tunnel microscope）でそれらの表面を測定したところ、比較試料Ａには、図３（Ｂ）に示すように、無数のマイクロスクラッチが観察されたが、試料１においては、図３（Ａ）に示すように、マイクロスクラッチは見い出されず、鏡面状の光学面が観察された。
【００５５】
さらに、波長５３２ｎｍの光ビームを共振する共振器空洞を作製し、この空洞内で試料１と比較試料Ａとにおける光学的損失を測定したところ、比較試料Ａにおける表面散乱損失がおよそ０．１８％であったのに対して、試料１の表面散乱損失は０．０５％であり、比較試料に比べて極めて小さかった。
【００５６】
以上のことから、本実施例に基づくシリカパウダーと飽和炭化水素系潤滑液とからなる懸濁液を研磨液として使用する研磨方法は、潮解性を持つ光学結晶に対して、水分等による損傷を与えることなく、良好な超光学鏡面を実現する方法であるといえる。
【００５７】
なお、本実施例で用いた飽和炭化水素系潤滑剤は、比重０．８、沸点３４０〜４００°Ｆ（約１７１〜２０４℃）、引火点１３０°Ｆ（約５４℃）を有する化合物であって、安定性が高く、かつ安全性に優れたものである。
【００５８】
実施例２
湿気に対して敏感なＬｉＢ3 Ｏ5 単結晶（ＬＢＯ結晶）を被研磨材料として用い、実施例１と同様に切断及びダイヤモンドスラリーを用いた前加工を行った後、実施例１と同様に、平均粒径０．０１μｍのシリカパウダーを飽和炭化水素系潤滑液に４重量％濃度分散させた懸濁液を研磨液として、仕上げの鏡面研磨加工を行った。
【００５９】
得られた光学面に対して、実施例１と同様の表面粗さ測定を行ったところ、表面粗さδは０．４ｎｍであった。このことから、シリカパウダーと飽和炭化水素系潤滑液とからなる懸濁液を用いた研磨方法は、湿気に対して敏感な光学結晶に対しても良好な超光学鏡面を実現する方法であることが容易に分かる。
【００６０】
また、飽和炭化水素系潤滑剤に対する前記シリカパウダーの分散濃度を種々変更（１．０重量％、１０重量％）し、前述と同様の表面粗さ測定を行ったところ、シリカパウダーの分散濃度による表面粗さδ（ここでは、ＢＢＯ結晶の表面粗さ）の変化は、図２に示すグラフのようになることが確認された。ここで、分散濃度が１重量％未満では、鏡面加工が困難であり、分散濃度が１０重量％を越えると懸濁液がゲル化し噴霧しにくくなった。このことから、被研磨材料の種類、サイズ等にもよるが、飽和炭化水素系潤滑剤に対するシリカパウダーの分散濃度は１重量％以上、１０重量％以下が望ましいことが分かった。さらに、表面粗さδを０．４５ｎｍ以下にまで鏡面化することを考慮すると３重量％以上、７重量％以下が望ましく、表面粗さδを０．４０ｎｍ以下まで超鏡面化することを考慮すると４重量％以上、５重量％以下が望ましいことが分かった。
【００６１】
参考例１
被研磨材料として、水溶性及び潮解性を有しないＫＴｉＯＰＯ4単結晶（ＫＴＰ結晶）を用いた以外は、実施例１と同様にして、平均粒径０．０１μｍのシリカパウダーを飽和炭化水素系潤滑剤に４重量％分散させた懸濁液を研磨液として、仕上げの鏡面研磨加工を行った。
【００６２】
得られた光学面に対して、実施例１と同様の表面粗さ測定を行ったところ、表面粗さδは０．３９ｎｍであった。このことから、水溶性及び潮解性を有しない光学結晶に対しても、良好な超光学鏡面を実現できることが分かった。
【００６３】
比較例２
被研磨材料として参考例１と同様のＫＴＰ結晶を用い、比較例１と同様の、平均粒径１／４μｍの油性ダイヤモンドスラリーを研磨液（研磨用懸濁液）として用いた以外は、上述した方法と同様にして仕上げの鏡面研磨加工を行った。
【００６４】
実施例１と同様の表面粗さ測定を行ったところ、表面粗さδは０．５０ｎｍと比較的大きく、鏡面研磨加工として不十分であることが分かった。
【００６５】
比較例３
被研磨材料として、比較例１及び実施例１と同様のβ−ＢＢＯ結晶を用い、平均粒径０．３μｍのアルミナをエタンジオール〔エチレングリコール：ＣＨ2 （ＯＨ）ＣＨ2 ＯＨ〕に分散せしめた研磨用懸濁液を用いた以外は、比較例１及び実施例１と同様にして仕上げの鏡面研磨加工を行った。
【００６６】
比較例１及び実施例１と同様の表面粗さ測定を行ったところ、推定表面粗さδは数μｍであり、鏡面研磨加工は不可能であった。
【００６７】
比較例４
被研磨材料として、比較例１及び実施例１と同様のβ−ＢＢＯ結晶を用い、平均粒径０．０５μｍのアルミナをＯＳオイル（商品名：Engis 社製）に分散せしめた研磨用懸濁液を用いた以外は、比較例１及び実施例１と同様にして、仕上げの鏡面研磨加工を行った。
【００６８】
比較例１及び実施例１と同様の表面粗さ測定を行ったところ、表面粗さδは約０．８ｎｍであり、十分な鏡面性を有しているとは言えず、また、多数のマイクロスクラッチが観察された。
【００６９】
比較例５
被研磨材料として、比較例１及び実施例１と同様のβ−ＢＢＯ結晶を用い、平均粒径０．１５μｍのアルミナをＯＳオイル（商品名：Engis 社製）に分散せしめた研磨用懸濁液を用いた以外は、比較例１及び実施例１と同様にして、仕上げの鏡面研磨加工を行った。
【００７０】
比較例１及び実施例１と同様の表面粗さ測定を行ったところ、表面粗さδは約１．２μｍと大きく、十分な鏡面性を有していると言えるものではなかった。また、多数のマイクロスクラッチが観察された。
【００７１】
以上、本発明を実施例について説明したが、本発明は、上述した実施例に限定されるものではない。
【００７２】
従って、被研磨材料（被研磨物質）は実施例に挙げたβ−ＢａＢ2 Ｏ4 、ＬｉＢ3 Ｏ5 やＫＴｉＯＰＯ4 に限定されるものではなく、特に光ビームの制御一般に用いられる光学用結晶、具体的には、上述したように、ＫＨ2 ＰＯ4 、ＫＤ2 ＰＯ4 、α−ＢａＢ2 Ｏ4 、ＬｉＢ4 Ｏ7 、ＣｓＬｉＢ6 Ｏ10、ＫＴｉＯＡｓＯ4 、ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ＫＮｂＯ3 、Ｂａ2 ＮａＮｂ5 Ｏ15、Ｋ3 Ｌｉ2 Ｎｂ5 Ｏ15等、更には紫外線レーザ用の光学材料等として有望な、ＣａＦ2 、ＭｇＦ2 、ＬｉＦ、ＢａＦ2 、ＮａＦ等のフッ化物や、ＮａＣｌ、ＭｇＯ等に対しても適用できる。更に、レンズや光ファイバー等を用いる光学材料に対しても有効である。
【００７３】
さらに、実施例１にて示したように、本実施例に基づいた研磨方法によれば、ダイヤモンドを研磨材とした手法に比べて表面粗さが１／２程度に改善される。すなわち、上記式（１）で示したように、表面散乱による光学損失は表面粗さと入射波長の比の二乗で与えられることから、本実施例によれば、可視赤外域で使用される光学結晶に対して効果があることは勿論、可視赤外波長域よりも波長の短い例えば紫外線波長域において使用される光学結晶に対しても、表面散乱損失を低減する効果が著しい。
【００７４】
また、本実施例では、シリカパウダーの平均粒径および潤滑液の濃度を明示したが、本実施例はそれらを限定するものではなく、研磨加工における被研磨加工物質の種類や形状、サイズ等によって種々変動させることが可能である。また、本実施例の研磨工程に用いた定盤についても同様に、上述した錫定盤に限定されない。
【００７５】
以上、説明したように、本実施例（特に実施例１）によれば、潮解性や水溶性といった水分に対して脆弱な光学用単結晶に対して、応用上十分な超光学鏡面を達成できる。また、実施例２に示したように湿気に対して敏感な結晶材料の研磨、さらに参考例１に示したように水溶性及び潮解性を有しておらず、耐水性を持つ結晶材料の研磨においても効果がある。さらに、光学用結晶の光学表面にマイクロスクラッチを生じないために、高い光密度における結晶の応用と、研磨加工後に加熱を伴うプロセスを行うことが可能になる。
【００７６】
また、加工後の表面粗さが小さいために、表面散乱が大きく影響を与える紫外線波長領域等の短波長領域への光学用結晶の応用が可能となる。例えば、波長５３２ｎｍの可視光を波長２６６ｎｍの紫外光へ、第２次高調波発生法（ＳＨＧ：second harmonic generation）によって波長変換を行う波長変換素子に用いるβ−ＢａＢ2 Ｏ4 単結晶に対する鏡面研磨加工に有効である。
【００７８】
【発明の作用効果】
本発明の製造方法によれば、光学素子用素材を所定形状に切り出した後、これによって形成された光学面を、特に仕上げの鏡面研磨加工に適当な硬さや形状を有しているシリカパウダーと、耐水性に乏しい物質に対しても良好な潤滑作用を有する飽和炭化水素系潤滑剤とからなる研磨用懸濁液によって光学研磨するので、光学素子がたとえ潮解性結晶であってもその表面性を損なわず、かつ、マイクロスクラッチ等の光学欠陥の発生を抑制し、表面性の良好な光学面を有する光学素子が得られる。特に、液状潤滑剤を構成する飽和炭化水素が１０以上の炭素数を有しているので、水に溶け難くて安定かつ低毒性である等の必要な諸特性を満たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく鏡面研磨加工工程に用いることが可能な研磨装置の概略模式図である。
【図２】ＳｉＯ2 微粉末の分散濃度によるＢＢＯ結晶の表面粗さの変化を示すグラフである。
【図３】本発明の研磨方法に従ってβ−ＢＢＯ結晶を研磨した際の表面状態を示すＳＴＭ写真（Ａ）、従来の研磨方法に従ってβ−ＢＢＯ結晶を研磨した際の表面状態を示すＳＴＭ写真（Ｂ）である。
【図４】非線型光学結晶を波長変換素子として使用した様子を示す概略模式図である。
【符号の説明】
１…非線型光学結晶、２…光入射面、３…光出射面、４…光ビーム、
１０…研磨定盤、１１…回転式研磨プレート、１２…固定ホルダー、
１３…固定ホルダー支持脚、１４…懸濁液噴霧ノズル、１５…懸濁液層、
１６…潤滑剤、１７…シリカパウダー、１８…懸濁液、１９…半遊離砥粒、
２０…被研磨材料、２１…光学面
Claims (7)
- 耐水性に乏しい無機結晶からなる光学素子用素材を所定形状に切り出す工程と、
この切り出し工程で形成された光学面を、シリカパウダーと炭素数１０以上の飽和炭 化水素からなる液状潤滑剤とを含む懸濁液によって研磨する工程と
を有する、光学素子の製造方法。 - 前記無機結晶を、レーザ波長変換素子、電気光学効果素子、磁気光学効果素子、光弾性素子、複屈折性光学素子、音響光学素子からなる群より選ばれる１種の素子に用いる光学用結晶とする、請求項１に記載した光学素子の製造方法。
- 前記無機結晶としてＢＢＯ結晶を用いる、請求項１に記載した光学素子の製造方法。
- 前記シリカパウダーの平均粒径を０．１μｍ以下とする、請求項１に記載した光学素子の製造方法。
- 前記シリカパウダーを前記液状潤滑剤に対して１重量％以上、１０重量％以下分散せしめる、請求項１に記載した光学素子の製造方法。
- 前記液状潤滑剤を、Ｃ10Ｈ22、Ｃ11Ｈ24、Ｃ12Ｈ26、Ｃ13Ｈ28 又はＣ14Ｈ30で表される鎖状飽和炭化水素と、Ｃ10Ｈ20、Ｃ11Ｈ22 又はＣ12Ｈ24で表され、シクロペンタン又はシクロヘキサンを一部に有する環状飽和炭化水素とからなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物を含む潤滑剤とする、請求項１に記載した光学素子の製造方法。
- 前記懸濁液を前記光学面に対する仕上げの鏡面研磨加工工程で用いる、請求項１に記載した光学素子の製造方法。
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