JP5380904B2

JP5380904B2 - 光学素子、ニッポウディスク、コンフォーカル光学系、並びに３次元測定装置

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Publication number: JP5380904B2
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Inventors: 寛浜村; 潔門松
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Filing date: 2008-05-17
Publication date: 2014-01-08
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Description

本発明は、少なくとも一部が遮光性及び低反射特性を有する光学素子及びその製造方法、前記光学素子を用いたニッポウディスク、並びに、前記ニッポウディスクを用いたコンフォーカル光学系及び３次元測定装置に関するものである。

従来から、石英基板等の基板上のシリコン層の表面に、多数の微小突起を含む微細凹凸構造を形成してなる光学素子が、提供されている（下記特許文献１）。この光学素子では、基板の前記シリコン層とは反対側の面には膜等は形成されておらず、その面は外部に露出している。この光学素子では、前記微細凹凸構造の側から光が入射される。この光学素子によれば、前記微細凹凸構造によって、遮光されるとともに、反射率が低減されて反射ノイズが低減される。したがって、この光学素子は、例えば、反射ノイズの少ないマスク等として使用することができる。また、特許文献１には、このような光学素子の例としてニッポウディスクが挙げられ、さらに、このニッポウディスクを用いたコンフォーカル光学系及び３次元測定装置も開示されている。

さらに、特許文献１には、このような光学素子を製造する場合、シリコン層の表面に微細マスク物質を堆積させながら前記シリコン層の表面をドライエッチングすることで、前記シリコン層の表面に、ランダムに分布した多数の微小突起を含む微細凹凸構造を形成することが、開示されている。

さらにまた、特許文献１には、前述したような光学素子において、前記基板と前記シリコン層との間に平面状のクロム層を形成する例も開示されている。

また、下記特許文献２には、石英ガラス基板の表面に、ランダムに分布した多数の微小突起を含む微細凹凸構造を形成してなる光学素子が、開示されている。この微細凹凸構造は、石英ガラスからなり、透過型光学素子の反射防止層として機能する。
国際公開第２００６／０４６５０２号パンフレット特開２００５−９９７０７号公報

シリコン層の表面に微細凹凸構造を形成した光学素子の場合、シリコン層の透過率の上昇する約６２０ｎｍより長い波長の光では、シリコン層の光吸収特性が低下し、シリコン層に進入した入射光がシリコン層と石英ガラス基板（透明基板）との界面、あるいはシリコン層とクロム層（石英ガラス基板とシリコン層との間に成膜されたクロム層）との界面まで達し、これらの屈折率の異なる界面で反射され、再びシリコン層を通って光入射側へ出て行くため、反射率が上昇してしまい、反射ノイズ低減効果を必ずしも十分に得ることはできなかった。

また、石英ガラス基板上に微細凹凸構造を形成した光学素子は、反射防止効果を得ながら、光を透過させるものであるため、石英ガラスが透光性を有する波長域では遮光性を得ることはできない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、少なくとも一部において、遮光性を得ながら反射ノイズ低減効果を高めることができる光学素子及びその製造方法、前記光学素子を用いたニッポウディスク、並びに、前記ニッポウディスクを用いたコンフォーカル光学系及び３次元測定装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の第１の態様による光学素子は、多数の微小突起を含む第１の微細凹凸構造が一方の面に形成された基板と、前記第１の微細凹凸構造を覆う金属層と、前記金属層の前記基板とは反対側に形成された、多数の微小突起を含む第２の微細凹凸構造を持つ膜と、を備えたものである。

本発明の第２の態様による光学素子は、基板と、前記基板の一方の面側に形成された膜であって、多数の微小突起を含む第１の微細凹凸構造を持つ膜と、前記第１の微細凹凸構造を覆う金属層と、前記金属層の前記基板とは反対側に形成された膜であって、多数の微小突起を含む第２の微細凹凸構造を持つ膜と、を備えたものである。

本発明の第３の態様による光学素子の製造方法は、基板の一方の面に微細マスク物質を堆積させながら前記基板の前記一方の面をドライエッチングすることで、前記基板の前記一方の面に、多数の微小突起を含む第１の微細凹凸構造を形成する段階と、前記第１の微細凹凸構造を覆うように金属層を形成する段階と、前記金属層上に膜を形成する段階と、前記膜の表面に微細マスク物質を堆積させながら前記膜の表面をドライエッチングすることで、前記膜の表面に、多数の微小突起を含む第２の微細凹凸構造を形成する段階と、を備えたものである。

本発明の第４の態様による光学素子の製造方法は、基板の一方の面側に形成された第１の膜の表面に微細マスク物質を堆積させながら前記第１の膜の表面をドライエッチングすることで、前記第１の膜の表面に、多数の微小突起を含む第１の微細凹凸構造を形成する段階と、前記第１の微細凹凸構造を覆うように金属層を形成する段階と、前記金属層上に第２の膜を形成する段階と、前記第２の膜の表面に微細マスク物質を堆積させながら前記第２の膜の表面をドライエッチングすることで、前記第２の膜の表面に、多数の微小突起を含む第２の微細凹凸構造を形成する段階と、を備えたものである。

本発明の第５の態様によるニッポウディスクは、多数の微小突起を含む第１の微細凹凸構造が一方の面に形成された基板と、前記第１の微細凹凸構造を覆う金属層と、前記金属層の前記基板とは反対側に形成された膜であって、多数の微小突起を含む第２の微細凹凸構造を持つ膜と、を備え、前記金属層の一部及び前記第２の微細凹凸構造を持つ前記膜の一部に、開口部が形成されたものである。

本発明の第６の態様によるニッポウディスクは、基板と、前記基板の一方の面側に形成された膜であって、多数の微小突起を含む第１の微細凹凸構造を持つ膜と、前記第１の微細凹凸構造を覆う金属層と、前記金属層の前記基板とは反対側に形成された膜であって、多数の微小突起を含む第２の微細凹凸構造を持つ膜と、を備え、前記金属層の一部及び前記第２の微細凹凸構造を持つ前記膜の一部に、開口部が形成されたものである。

本発明の第７の態様によるコンフォーカル光学系は、前記第５又は第６の態様による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たものである。

本発明の第８の態様による３次元測定装置は、前記第５又は第６の態様による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、を備えたものである。

本発明によれば、少なくとも一部において、遮光性を得ながら反射ノイズ低減効果を高めることができる光学素子及びその製造方法、前記光学素子を用いたニッポウディスク、並びに、前記ニッポウディスクを用いたコンフォーカル光学系及び３次元測定装置を提供することができる。

以下、本発明による光学素子及びその製造方法、前記光学素子を用いたニッポウディスク、並びに、前記ニッポウディスクを用いたコンフォーカル光学系及び３次元測定装置について、図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］

図１は、本発明の第１の実施の形態による光学素子としてのニッポウディスク（Nipkow Disk）１０を示す概略平面図である。このニッポウディスク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、ピンホールに光学的に相当する同径の光学開口部１４（図２参照）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、光学開口部１４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。

図２は、図１に示すニッポウディスク１０を模式的に示す概略断面図である。ニッポウディスク１０は、多数の微小突起ＣＰ１を含む第１の微細凹凸構造ＭＲ１が一方の面に形成された基板１１と、第１の微細凹凸構造ＭＲ１を覆う金属層１２と、金属層１２の基板１１とは反対側に形成された膜１３であって、多数の微小突起ＣＰ２を含む第２の微細凹凸構造ＭＲ２を持つ膜１３と、を備えている。

本実施の形態では、基板１１として、例えば石英ガラスからなる透明基板が用いられている。基板１１は、石英ガラスに限るものではないが、ニッポウディスク１０の使用波長の光に対する透過性に優れ、低膨張のものであることが望ましい。

図２では、図面表記の便宜上、微小突起ＣＰ１，ＣＰ２は、規則正しく分布しているかのように記載しているが、実際には高さや間隔などの形状がランダムに分布されていても良い。

金属層１２の材料は、特に限定されるものではないが、基板１１との密着性や比較的長い波長域の光に対する光吸収特性等を考慮して選択することが好ましい。このような点を考慮すると、金属層１２の材料として、クロム又はチタンを用いることが好ましい。

本実施の形態における膜１３の材料としては、広い波長範囲で大きな吸光係数を有する材料を用いることが好ましく、具体的にはシリコン（Ｓｉ）等の半金属や、各種の樹脂を用いることができるが、表面に微細凹凸形状を形成しやすい点からはシリコンを用いることが好ましい。膜１３の材料として樹脂を用いる場合は、例えば塩化ビニル、ＡＢＳ、ポリカーボネートなど、公知の樹脂を適宜用いることができるが、特に芳香環や不飽和結合を含む樹脂は紫外領域において大きな吸光係数を有するため、膜１３の材料として好適である。また、より大きな吸光係数を得るためには、樹脂にカーボンブラック等の光吸収性物質を含有させても良く、また市販の染料や紫外線吸収剤などの、紫外から可視領域で光吸収を示す物質を添加しても良い。

本実施の形態では、第１の微小突起ＣＰ１は、基板１１の上面の全領域に渡って形成されている。一方、金属層１２及び膜１３は、光学開口部１４以外の全領域に渡って形成されており、光学開口部１４において開口部を有している。金属層１２及び膜１３は、全体として、遮光膜を構成している。

本実施の形態では、光学開口部１４は、平面視で円形状を有し、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１４の直径は、通常エアリディスク径に設定され、本実施の形態では約１０μｍ程度としている。なお、図示のような光学開口部１４は、図１に示す軌跡１０ａに沿って等間隔で配列されている。

第１の微小突起ＣＰ１の長さは、例えば０．３μｍ〜５μｍ程度とされる。金属層１２の厚さは、例えば０．０３μｍ〜０．３μｍ程度とされる。また、第２の微小突起ＣＰ２の長さは、例えば１μｍ〜５μｍ程度される。もっとも、これらの寸法に限定されるものではない。

次に、本実施の形態によるニッポウディスク１０の製造方法の一例について、図３乃至図６を参照して説明する。図３乃至図５は、各製造工程を模式的に示す概略断面図である。図６は、各微細凹凸構造ＭＲ１，ＭＲ２の形成工程で用いる平行平板ドライエッチング装置３０を模式的に示す概略構成図である。

まず、石英ガラス基板等の基板１１を用意する。次に、図６に示す平行平板ドライエッチング装置３０を用いて、基板１１の一方の面に微細マスク物質ＳＰを堆積させながら基板１１の前記一方の面をドライエッチングすることで、基板１１の一方の面に微細凹凸構造ＭＲを形成する（図３（ａ）〜（ｃ））。この点について、以下に説明する。

平行平板ドライエッチング装置３０は、図６に示すように、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ＭＲ１等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、ＡｒとＣＦ_４（４フッ化炭素）とを適当は配分比で混合したものが用いられる。

カソード電極３２上には例えば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、基板１１が配置される。トレイ４１は基板１１の支持台として機能するとともに、後述するように、微細マスク物質（エッチング速度の小さい微細マスク）ＳＰの材料としても機能する。この基板１１は、処理前においては単なる平板をなしている。トレイ４１に載置された基板１１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、基板１１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が基板１１の表面にランダムに付着する。しかしながら、Ａｒ及びＣＦ_４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石英ガラス（ＳｉＯ_２）のスパッタ速度の方が大きいので、基板１１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、基板１１の表面全体に渡ってランダムな突起ＣＰが形成される。

図３（ａ）〜（ｃ）は、図６の装置３０による第１の微細凹凸構造ＭＲ１の形成を概念的に示している。図３（ａ）は第１の微細凹凸構造ＭＲ１形成の初期段階を示し、図３（ｂ）は第１の微細凹凸構造ＭＲ１形成の中間段階を示し、図３（ｃ）は第１の微細凹凸構造ＭＲ１形成の最終段階を示している。

図３（ａ）に示す初期段階においては、基板１１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から基板１１へと飛来し、基板１１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３（ｂ）に示す中間段階においては、基板１１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ＣＰ１が無数に形成されていく。なお、基板１１に比べてエッチング速度は遅いが、基板１１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ＣＰ１の先端が徐々に露出することになる。しかし、突起ＣＰ１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ＣＰ１が全体的に徐々に成長していく。

図３（ｃ）に示す最終段階においては、突起ＣＰ１がナノメータ・オーダーのサイズに成長し、基板１１の上層は第１の微小突起ＣＰ１がランダムに密集して形成された状態となる。このように多数の第１の微小突起ＣＰ１が形成された上層部分が第１の微細凹凸構造ＭＲ１を構成する。

このようにして基板１１の一方の面に第１の微細凹凸構造ＭＲ１を形成した後、第１の微細凹凸構造ＭＲ１上に、蒸着等により金属層１２を形成する（図４（ａ））。

次いで、フォトリソエッチング法により、金属層１２に、光学開口部１４に対応する開口部１２ａを形成する（図４（ｂ））。

引き続いて、金属層１２及び第１の微細凹凸構造ＭＲ１の上に、シリコンからなる膜１３をプラズマＣＶＤあるいはスパッタで例えば１〜１０μｍ厚成膜する（図４（ｃ））。

その後、膜１３の上面（表面）に微細マスク物質ＳＰを堆積させながら、膜１３の上面をドライエッチングすることで、膜１３の上面に第２の微細凹凸構造ＭＲ２を形成する（図５（ａ））。具体的には、やはり図６に示す平行平板ドライエッチング装置３０を用いて、前述と同様のエッチングを行えばよい。ただし、反応ガスとしては、例えば、Ａｒ、ＳＦ_６及びＣ_２Ｃｌ_４からなるガスを用いる。

最後に、フォトリソエッチング法により、膜１３に、光学開口部１４に対応する開口部１３ａを形成する（図５（ｂ））。これにより、本実施の形態によるニッポウディスク１０が完成する。

ここで、本実施の形態によるニッポウディスク１０と比較される比較例によるニッポウディスク５０について、図７を参照して説明する。図７は、この比較例によるニッポウディスク５０を模式的に示す概略断面図であり、図２に対応している。この比較例によるニッポウディスク５０が本実施の形態によるニッポウディスク１０と異なる所は、基板１１の上面には第１の微細凹凸構造ＭＲ１が形成されずに基板１１の上面が平面とされている点と、これに伴って金属層１２が平面状に形成されている点のみである。この比較例によるニッポウディスク５０は、前述したニッポウディスク１０の製造方法において説明した工程のうち、第１の微細凹凸構造ＭＲ１の形成工程（図３（ａ）〜（ｃ）に示す工程）を行わないで図４（ａ）以降の工程を行うことで、製造することができる。

本実施の形態によるニッポウディスク１０も比較例によるニッポウディスク５０も、第２の微細凹凸構造ＭＲ２の側（図中上側）が光の入射側とされる。以下の説明では、膜１３がシリコンからなるものとして説明するが、膜１３がカーボンブラック含有の樹脂などの場合も同様である。

図２及び図７に示すように、本実施の形態によるニッポウディスク１０及び比較例によるニッポウディスク５０のいずれにおいても、光学開口部１４に入射する光Ｌ１は、光学開口部１４では膜１３及び金属層１２が形成されていないので、基板１１内に進入し、基板１１を透過して、基板１１から出射される。

また、ニッポウディスク１０，５０のいずれにおいても、光学開口部１４以外の領域に入射する光Ｌ２のうち比較的短い波長域の光は、第２の微細凹凸構造ＭＲ２による反射防止効果によって、入射側にほとんど戻ることなく膜１３に吸収される。

ニッポウディスク１０，５０のいずれにおいても、入射光Ｌ２のうちシリコン層の透過率の上昇する約６２０ｎｍより長い波長の光では、シリコン層の光吸収特性が低下し、光の一部が膜１３に吸収されずに金属層１２に到達する。このとき、比較例によるニッポウディスク５０では、金属層１２が平板状に形成されているので、金属層１２に到達した光は、膜１３と金属層１２との界面で反射され、再び膜１３を通って光入射側に出て行くため、反射率が上昇してしまい、反射ノイズ低減効果を必ずしも十分に得ることはできない。

これに対し、本実施の形態によるニッポウディスク１０では、金属層１２が、基板１１の面に形成された第１の微細凹凸構造ＭＲ１を覆うように形成されているので、金属層１２に到達した比較的長い波長の光は、金属層１２で一部が反射され残りの一部が金属層１２内に進入して吸収される。金属層１２内に進入せずに金属層１２で反射された一部の光は、隣接する微小突起ＣＰ１上の金属層に再び入射し、これらの動作が繰り返され、比較的長い波長の光が金属層１２により吸収されていく。このため、本実施の形態による光学素子１０では、入射光Ｌ２のうちの比較的長い波長の光についても、反射されて入射側に戻るようなことがほとんどなくなる。よって、本実施の形態によれば、光学開口部１４以外の領域において、遮光性を得ながら反射ノイズ低減効果を高めることができる。

このように、本実施の形態によるニッポウディスク１０では、基板１１の面に形成された第１の微細凹凸構造ＭＲ１を覆うように形成された金属層１２が、長波長光も効率的に吸収する微細光トラップとして機能するため、膜１３を透過する長波長光に対しても低反射化を実現することができるのである。

本発明の一実施例のサンプルとして、本実施の形態によるニッポウディスク１０に相当するサンプルを前述した製造方法で実際に作製した。ただし、この実施例のサンプルでは、図４（ｂ）のフォトリソエッチング工程及び図５（ｂ）のフォトリソエッチング工程を行わずに、光学開口部１４を形成しなかった。また、比較例によるニッポウディスク５０に相当するサンプルも前述した製造方法で実際に作製した。この比較例のサンプルにおいても、光学開口部１４を形成しなかった。

それらの実際の製造条件等は、次の通りとした。まず、本実施例のサンプルの製造条件等について説明する。本実施例のサンプルの場合、基板１１として一辺が３インチの正方形状で厚さが２．５ｍｍの石英ガラス基板を用いた。そして、図６に示す平行平板ドライエッチング装置３０を用いてこの石英ガラス基板の一方の面に第１の微細凹凸構造ＭＲ１を形成した。このとき、トレイ４１はアルミナ製とし、反応ガス源３９からＣＦ_４ガスを１０ｓｃｃｍの流量でＡｒガスを１０ｓｃｃｍの流量で真空チャンバ３４内へ導入し、真空チャンバ３４内の圧力は６Ｐａとし、カソード電極３２に０．１ｗ／ｃｍ^２の高周波ＲＦパワー密度を印加して、前述したドライエッチングを行った。そのエッチング時間は、２０分とした。これにより形成された第１の微細凹凸構造ＭＲ１の第１の微小突起ＣＰ１の長さは、電子顕微鏡写真によれば、およそ１μｍであった。そして、第１の微細凹凸構造ＭＲ１の上に金属層１２としてＣｒ膜を蒸着で厚さ０．２μｍ成膜した。さらに、ＲＦスパッタで、膜１３としてシリコン膜を厚さ２．５μｍ成膜した。その後、図６に示す平行平板ドライエッチング装置３０を用いて、そのシリコン膜（膜１３）の表面に第２の微細凹凸構造ＭＲ２を形成した。このとき、トレイ４１はアルミナ製とし、反応ガス源３９からＣ_２Ｃｌ_４ガスを２０ｓｃｃｍの流量でＯ_２ガスを１０ｓｃｃｍの流量でＳＦ_６ガスを１０ｓｃｃｍの流量で真空チャンバ３４内へ導入し、真空チャンバ３４内の圧力は６Ｐａとし、カソード電極３２に０．０７ｗ／ｃｍ^２の高周波ＲＦパワー密度を印加して、前述したドライエッチングを行った。そのエッチング時間は、３０分とした。これにより形成された第２の微細凹凸構造ＭＲ２の第２の微小突起ＣＰ２の長さは、電子顕微鏡写真によれば、およそ２μｍであった。これにより、本実施例のサンプルを完成させた。

比較例のサンプルの製造条件は、第１の微細凹凸構造ＭＲ１を形成しない点を除いて、実施例のサンプルの場合と同一とした。

このようにして作成した本実施例のサンプル及び比較例によるサンプルについて、反射スペクトルを測定した。その測定結果を図８に示す。

図８からわかるように、比較例のサンプルでは、約６８０μｍ以上の波長域において反射率が大きくなっているのに対し、実施例のサンプルでは、約６８０μｍ以上の波長域においてもほとんど０％となっており、長波長光に対しても低反射化が実現されている。

［第２の実施の形態］

図９は、本発明の第２の実施の形態によるニッポウディスク６０を示す概略断面図であり、図２に対応している。図９において、図２中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

本実施の形態によるニッポウディスク６０が前記第１の実施の形態によるニッポウディスク１０と異なる所は、基板１１の面には第１の微細凹凸構造ＭＲ１は形成されずに基板１１の面は平面になっている点と、基板１１上に形成されたシリコン膜等の膜６２の表面に、第１の微細凹凸構造ＭＲ１が形成されている点と、膜６２も、金属層１２及び膜１３と同様に、光学開口部１４において開口部を有している点のみである。

ここで、本実施の形態によるニッポウディスク６０の製造方法の一例について、図１０乃至図１２を参照して説明する。図１０乃至図１２は、各製造工程を模式的に示す概略断面図である。

まず、石英ガラス基板等の基板１１を用意し、基板１１上に、シリコンからなる膜６２をプラズマＣＶＤあるいはスパッタで例えば１〜１０μｍ厚成膜する（図１０（ａ））。

次に、膜６２の上面（表面）に微細マスク物質ＳＰを堆積させながら、膜６２の上面をドライエッチングすることで、膜６２の上面に第１の微細凹凸構造ＭＲ１を形成する（図１０（ｂ））。具体的には、図６に示す平行平板ドライエッチング装置３０を用いて、前述と同様のエッチングを行えばよい。ただし、反応ガスとしては、例えば、Ａｒ、ＳＦ_６及びＣ_２Ｃｌ_４からなるガスを用いる。

次いで、第１の微細凹凸構造ＭＲ１上に、蒸着等により金属層１２を形成する（図１１（ａ））。

次いで、フォトリソエッチング法により、金属層１２に、光学開口部１４に対応する開口部１２ａを形成する（図１１（ｂ））。

引き続いて、金属層１２及び第１の微細凹凸構造ＭＲ１の上に、シリコンからなる膜１３をプラズマＣＶＤあるいはスパッタで例えば１〜１０μｍ厚成膜する（図１１（ｃ））。

その後、膜１３の上面（表面）に微細マスク物質ＳＰを堆積させながら、膜１３の上面をドライエッチングすることで、膜１３の上面に第２の微細凹凸構造ＭＲ２を形成する（図１２（ａ））。具体的には、やはり図６に示す平行平板ドライエッチング装置３０を用いて、前述と同様のエッチングを行えばよい。ただし、反応ガスとしては、例えば、Ａｒ、ＳＦ_６及びＣ_２Ｃｌ_４からなるガスを用いる。

最後に、フォトリソエッチング法により、膜１３，６２に、光学開口部１４に対応する開口部１３ａ，６２ａをそれぞれ形成する（図１２（ｂ））。これにより、本実施の形態によるニッポウディスク６０が完成する。

本実施の形態によるニッポウディスク６０によっても、前記第１の実施の形態によるニッポウディスク１０と同様の利点が得られる。

［第３の実施の形態］

図１３は、本発明の第３の実施の形態による３次元測定装置２００を示す概略構成図である。この３次元測定装置において、前記第１又は第２の実施の形態によるニッポウディスク１０又は６０が搭載されている。

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（６０）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２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（６０）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（６０）は、第１の実施の形態や第２の実施の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（６０）は、ディスク法線方向と光軸ＯＡ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回りに一定速度で回転する。この際、ニッポウディスク１０（６０）に形成されたピンホール１０ｂ（図２の光学開口部１４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。

撮像装置２７０は、ニッポウディスク１０（６０）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（６０）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（６０）等による測定対象ＭＯの走査像を低速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１３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（６０）に照射される。この光は、ニッポウディスク１０（６０）のピンホール１０ｂ（図２に示す光学開口部１４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（６０）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（６０）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（６０）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、積載によって、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て、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（６０）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。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。

例えば、本発明による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光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、本発明による光学素子を、不要光等を吸収する光吸収部材として用いる場合には、光学開口部１４を形成する必要はないし、基板１１は必ずしも透明でなくてもよい。

本発明の第１の実施の形態によるニッポウディスクを示す概略平面図である。図１に示すニッポウディスクを模式的に示す概略断面図である。図１に示すニッポウディスクの製造方法を示す工程図である。図３に引き続く工程を示す工程図である。図４に引き続く工程を示す工程図である。図１に示すニッポウディスクの製造方法で用いられる平行平板ドライエッチング装置を模式的に示す概略構成図である。比較例によるニッポウディスクを模式的に示す概略断面図である。本発明の実施例のサンプルと比較例によるサンプルの反射スペクトルを示す図である。本発明の第２の実施の形態によるニッポウディスクを示す概略断面図である。図９に示すニッポウディスクの製造方法を示す工程図である。図１０に引き続く工程を示す工程図である。図１１に引き続く工程を示す工程図である。本発明の第３の実施の形態による３次元測定装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１０，６０ニッポウディスク（光学素子）
１１基板
１２金属層
１３膜
ＣＰ１，ＣＰ２微小突起
ＭＲ１第１の微細凹凸構造
ＭＲ２第２の微細凹凸構造

Claims

ランダムに分布した多数の微小突起を含む第１の微細凹凸構造が一方の面に形成された基板と、
前記第１の微細凹凸構造を覆う金属層と、
前記金属層の前記基板とは反対側に形成された、ランダムに分布した多数の微小突起を含む第２の微細凹凸構造を持つ膜と、
入射光が通過する光学開口部と、
を備えた光学素子であって、
前記基板が使用波長において透明な基板であり、
前記入射光は、前記光学開口部を通過した後に前記基板を透過して、当該光学素子の外部へ出射される、
ことを特徴とする光学素子。
基板と、
前記基板の一方の面側に形成された膜であって、ランダムに分布した多数の微小突起を含む第１の微細凹凸構造を持つ膜と、
前記第１の微細凹凸構造を覆う金属層と、
前記金属層の前記基板とは反対側に形成された膜であって、ランダムに分布した多数の微小突起を含む第２の微細凹凸構造を持つ膜と、
入射光が通過する光学開口部と、
を備えた光学素子であって、
前記基板が使用波長において透明な基板であり、
前記入射光は、前記光学開口部を通過した後に前記基板を透過して、当該光学素子の外部へ出射される、
ことを特徴とする光学素子。
前記第１の微細凹凸構造の前記多数の微小突起の分布パターンと前記第２の微細凹凸構造の前記多数の微小突起の分布パターンとは、互いに無関係に独立したことを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子。
前記第２の微細凹凸構造を持つ膜が、シリコン又は樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学素子。
前記基板が石英ガラスからなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光学素子。
前記金属層がクロム又はチタンからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光学素子。
前記金属層の一部及び前記第２の微細凹凸構造を持つ前記膜の一部に、前記光学開口部に対応する開口部が形成されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光学素子。
ランダムに分布した多数の微小突起を含む第１の微細凹凸構造が一方の面に形成された基板と、
前記第１の微細凹凸構造を覆う金属層と、
前記金属層の前記基板とは反対側に形成された膜であって、ランダムに分布した多数の微小突起を含む第２の微細凹凸構造を持つ膜と、
を備え、
前記金属層の一部及び前記第２の微細凹凸構造を持つ前記膜の一部に、開口部が形成されたことを特徴とするニッポウディスク。
基板と、
前記基板の一方の面側に形成された膜であって、ランダムに分布した多数の微小突起を含む第１の微細凹凸構造を持つ膜と、
前記第１の微細凹凸構造を覆う金属層と、
前記金属層の前記基板とは反対側に形成された膜であって、ランダムに分布した多数の微小突起を含む第２の微細凹凸構造を持つ膜と、
を備え、
前記金属層の一部及び前記第２の微細凹凸構造を持つ前記膜の一部に、開口部が形成されたことを特徴とするニッポウディスク。
前記第１の微細凹凸構造の前記多数の微小突起の分布パターンと前記第２の微細凹凸構造の前記多数の微小突起の分布パターンとは、互いに無関係に独立したことを特徴とする請求項８又は９記載のニッポウディスク。
請求項８乃至１０のいずれか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たことを特徴とするコンフォーカル光学系。
請求項８乃至１０のいずれか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、
を備えたことを特徴とする３次元測定装置。