JP4664277B2 - 高精密度のミラーおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はミラー、特に高精密度のミラーの構造および製造方法に関する。

高精密度のミラーが必要とされる種々の光学システムが存在する。その例には紫外線リソグラフ集光ミラー、反射レーザスキャナミラー、大気外反射光学系、可視放射で低い散乱が必要とされるシステム、および種々のその他の応用が含まれている。

精密な金属ミラーを製造する１つの既存の技術はアルミニウム６０６１−Ｔ６として技術で普通に知られているアルミニウム合金の基板を採用し、基板の表面の単一点ダイアモンド旋盤加工（ＤＰＴ）を実行することであり、これはその後反射表面として機能する。この合金は軽量で、容易にＤＰＴにより機械加工され、良好な長期間安定性を有する。しかしながら、残念ながら、このアルミニウム合金は亜鉛、クロム、鉄のような合金元素を含んでおり、これはＤＰＴ後に、欠陥またはアーチファクトを残し、これはＤＰＴにより実現可能な表面仕上げを約８０オングストロームのＲＭＳまで実効的に制限する。この品質の表面仕上げは、関係する反射される放射が３ミクロンよりも長い波長のような比較的長波長を有する多数の応用で適度に低い散乱を行う。しかしながら、可視放射の波長のような短い波長では、８０オングストロームのＲＭＳの表面仕上げは多数の応用では非常に高い散乱レベルを発生する。

この問題を解決しようと試みた１つの従来技術は、アルミニウム６０６１−Ｔ６基板上のＤＰＴ表面に無電解ニッケルを鍍金し、このニッケル層にＤＰＴを受けさせ、その後表面仕上げを改良するためにニッケル層を事後研磨する方法を採用している。この代わりの方法には幾つかの欠点がある。

特に、全てのこのようなミラーでは、アルミニウム合金基板の熱膨張係数（ＣＴＥ）と、鍍金されるニッケル層のＣＴＥとの間に固有の不一致が存在する。結果として、ニッケル層の厚さのために、基板とニッケル層の間にバイメタル効果が存在し、それはミラーの動作温度範囲においてミラー表面の湾曲を生じさせる。このような湾曲はミラー表面の光学特性を変更するので、高い精密度のミラー表面の文脈で不所望である。通常の温度変化にわたってこのようなバイメタル屈曲を許容可能なレベルに維持するために、鍍金されたニッケルは約０．０００５インチから約０．００１インチの厚さを有する薄くて均一な層でなければならない。この薄く均一な層を実現するため、アルミニウムのＤＰＴ動作に加えて、前述のＤＰＴ動作が必要とされた。この第２のＤＰＴ動作の必要性はコストとサイクル時間を製造プロセスに付加した。

代わりの技術は、熱膨張の不整合を避けるためにニッケル鍍金の代わりに電着された高純度のアルミニウム鍍金を使用する。このプロセスは堅いアルミニウム酸化物（サファイヤ）の外部層を電着アルミニウム層上に生成し、この酸化物層は切断中にダイヤモンドツールに損傷を与える。さらにこの高純度のアルミニウムは非常に軟らかく、切断中にダイヤモンドツール上に堆積しやすく、ＤＰＴ動作を困難にする。また軟性のアルミニウム表面は容易に傷つきやすく、清掃が困難である。この方法を使用して、ＤＰＴ表面仕上げは約４０オングストロームＲＭＳ程度まで改良されるが、ＤＰＴからの溝は依然として存在し、可視波長で不所望な散乱を生成する。

６０６１−Ｔ６アルミニウムミラーにおいて表面仕上げを改良するための１つの最後の方法はアルミニウムの研磨である。幾つかの技術は１０オングストロームＲＭＳの表面仕上げを示しているが、アルミニウムが軟らかいためにこれは困難である。しかしながら、双方向の反射分布関数（ＢＲＤＦ）散乱試験は、表面の山対谷の変化が不純物の結果として非常に高いので、研磨された６０６１−Ｔ６アルミニウム層上の結果的な非球面の表面が６０オングストロームのＲＭＳ表面仕上げのように効率的に動作することを示している。明らかに、６０オングストロームのＲＳＭ表面仕上げに匹敵する動作は特に難点の付加および関係するコストに関して、８０オングストロームのＲＭＳ表面仕上げよりもそれほど優れていない。

前述の説明から、少なくとも幾つかの前述の欠点を回避する高い精密度のミラーとその製造方法が必要とされていることが認識できる。本発明の１形態はミラーを含んだ装置を含み、そのミラーは表面を有する基板と、基板の表面上に設けられ、基板と反対側の表面に研磨仕上げされた表面を有する薄膜の仕上げ層とを有している。

本発明の別の形態はミラーの製造方法に関し、その方法は、表面を有する基板を設け、薄膜技術を使用して基板の表面上に薄膜仕上げ層を形成し、その仕上げ層は基板と反対側の表面を有し、仕上げ層の表面を研磨するステップを含んでいる。

本発明は添付図面を伴った以下の詳細な説明からさらに良好に理解されるであろう。
図１は本発明の特徴を実施した高精密度ミラー10の部分的断面図である。このミラー10は破線の矢印11により示されているように放射光を反射できる高精密度の表面９を有している。図１のミラー10は可視放射光で使用されるように設計されているが、代わりに他のタイプの放射線で使用されることができる。表面９の湾曲が図１で明白ではないように図１で見られるミラー10の部分は十分に小さいが、表面９は非球面表面である。本発明は表面９のような非球面のミラー表面の文脈で有効な特徴を有するが、本発明は非球面表面に限定されない。

ミラー10は基板12を有し、それは説明した実施形態ではアルミニウム６０６１−Ｔ６のような多数の供給業者から容易に市場で入手可能なアルミニウム合金である。しかしながら、基板12は代わりに任意の他の適当な材料から作られることができる。６０６１−Ｔ６合金は亜鉛、クロム、鉄の合金元素を有する主体がアルミニウムであり、マグネシウムおよびシリコンのような元素を含んでいてもよい。

基板12はその上に表面13を有する。表面13は工業的に単一点ダイアモンド旋盤加工（ＤＰＴ）と通常呼ばれている機械加工技術を使用して形成される精密な表面である。この精密な機械加工技術の使用にかかわらず、亜鉛、クロム、鉄等の基板12中の合金元素は仕上げされた表面に欠陥またはアーチファクトを残し、これはその平滑度を約８０オングストロームのＲＭＳに限定する。

表面13のＤＰＴの完了後、仕上げ層16は技術で知られているタイプの薄膜蒸着技術を使用して表面13上に付着される。図１の実施形態では、仕上げ層16はニッケル−クロム層であり、約５，０００オングストロームの厚さを有する。しかしながら、層16は代わりに任意の他の適切な材料から作られることができ、幾つかの他の適切な厚さを有することができる。例えば後に詳細に説明するように、層16は代わりにアモルファスシリコンから作られることができる。

仕上げ層16は基板12から反対側の表面上に表面17を有している。仕上げ層16は薄膜層であるので、表面17は最初はやや粗く、したがってその上部表面は基板12上のＤＰＴ表面13の外形にある程度まで適合し、これは前述したように幾つかの欠陥またはアーチファクトを有している。それ故、表面17の山対谷変化を除去するために、表面17は研磨される。

開示された実施形態では、表面17の研磨は示されていない研磨化合物および示されていない研磨エレメントまたはパッドを使用して行われる。研磨化合物は商標名Ｋ−ＳＰＲＡＹ ＤＩＡＭＯＮＤ ＡＢＲＡＳＩＶＥ、タイプＳＪＫ−５、サイズ０．０−０．２ミクロン、公式規格Ｋ−２８５−Ｔでフロリダ州Ｄｅｅｒｆｉｅｌｄ ＢｅａｃｈのＧＥ Ｍｉｃｒｏｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ社から市場で入手可能な材料である。しかしながら任意の他の適切な材料が代りに研磨化合物として使用されることができる。研磨エレメントはマサチュセッツ州ＷｅｓｔｂｏｒｏｕｇｈのＳｔｏｃｋｗｅｌｌ Ｏｆｆｉｃｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ社から商標名ＴＡＣＩＮ ＳＴＩＫ ＲＥＵＳＡＢＬＥ ＡＤＨＥＳＩＶＥで市販されている部品である。しかしながら、任意の他の適切なエレメントが代りに研磨エレメントとして使用されることができる。開示された実施形態では、表面17の研磨は仕上げ層16の材料の約５００オングストロームを除去する。研磨後、結果的な表面17は約２２から２５オングストロームのＲＭＳの表面仕上げを有する。

薄い反射層21はその後、技術で知られているタイプの薄膜蒸着技術を使用して仕上げ層16の表面17上に形成される。開示された実施形態では、反射層21は約２，０００から５，０００オングストロームの厚さを有するが、これは代わりに任意の他の適切な厚さを有することができる。さらに、反射層21は銀であるが、代わりに金またはアルミニウムのような任意の他の適切な反射材料であってもよい。反射層21の外部表面は反射表面９として機能する。反射層21はその下に位置する仕上げ層16の表面17上に設けられる薄膜層であるので、反射層21上の表面９は表面17の表面仕上げに匹敵する表面仕上げを有し、換言すると、約２２から２５オングストロームのＲＭＳの表面仕上げを有する。

図面では示されていない薄い被覆は反射層を保護するため、および／または選択された波長バンド内の反射を増加するために反射層21上に施されることができる。例えばミラー10が可視波長バンドおよび近赤外線波長バンドの放射で使用されることを目的とするならば、約１，５００オングストロームの厚さを有する二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の被覆がよく知られた技術を使用して反射層21上に施される。しかしながら、特定のミラーの使用目的に基づいて、シリコン酸化物（ＳｉＯ）、タンタル酸化物（Ｔａ_２Ｏ_５）、チタニウム酸化物（ＴｉＯ_２）、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ_２）を含むがそれらに限定されない種々の他の既知の材料が代りに被覆に使用されることができる。

図２は図１と類似しているが、図１のミラー10の別の実施形態であるミラー40を示している部分的断面図である。ミラー40がニッケル−クロムではなくアモルファスシリコンから作られた仕上げ層46を有する点を除いて、図２のミラー40は実質的に図１のミラー10と同一である。代わりに、層46はシリコンの代わりにゲルマニウムから作られることもできる。シリコン層46は約５，０００オングストロームの厚さを有するが、代わりに任意の他の適当な厚さを有することができる。ニッケル−クロムではなくアモルファスシリコンが薄膜蒸着技術を使用して基板の表面13に施される点を除いて、ミラー40の製造手順は実質的にミラー10の製造について前述した手順と同一である。

図２のアモルファスシリコンの仕上げ層46は図１のニッケル−クロムの仕上げ層16よりもやや堅い。したがって、図２の仕上げ層46上の表面47は図１の仕上げ層16の表面17と同一方法で研磨されるが、表面47はより高い平滑度を示す。特に、表面47は約１０乃至１５オングストロームのＲＭＳの表面仕上げを有する。

図３は図１に類似しているが、図１のミラー10のさらに別の実施形態であるミラー70を示している部分的断面図である。アモルファスシリコンの薄膜中間層76が基板12と仕上げ層16との間にある点を除いて、図３のミラー70は実質的に図１のミラー10と同一である。特に、基板12の表面13は図１に関して前述したようにＤＰＴ動作によって仕上げられている。その後，アモルファスシリコンの層76が技術で知られているタイプの薄膜蒸着技術を使用して基板12の表面13に付着される。層76は約６，０００オングストロームの厚さを有するが、代わりに幾つかの他の適切な厚さを有することができる。仕上げ層16はその後、図１に関して前述した方法で、技術で知られているタイプの薄膜蒸着技術を使用して層76の表面77に付着される。

アモルファスシリコン層76はニッケル−クロム層16よりも硬い。ニッケル−クロム層16は薄膜層であるので、これはシリコン層76の硬さから恩恵を得る。特に，薄膜のニッケル−クロム層16の表面17が図１に関して前述した方法と同一方法で研磨されるとき、仕上げ層16の下のシリコン中間層76の存在により表面17は図１のミラー10よりも図３のミラー70において高い平滑度を有する。特に図３の表面17は約１０から１５オングストロームのＲＭＳの表面仕上げを有する。

図４は図１乃至３の各ミラー10、40、70の製造に使用されることができるプロセスを示すフローチャートである。プロセスはブロック101で開始し、ここで基板12が製造される。前述したように、各説明した実施形態の基板12はよく知られたアルミニウム６０６１−Ｔ６材料から作られるが，代わりに幾つかの他の適切な材料から作られることができる。ブロック102で、基板12上の表面13は既知のＤＰＴ技術を使用して表面仕上げされ、したがって表面13に約８０オングストロームＲＭＳの表面仕上げを与える。

ブロック103は、このブロックが図３のミラー70の製造中に実行されるが図１および２のミラー10と40の製造中には実行されないことを示すために図４では破線で示されている。ブロック103で、アモルファスシリコンの中間層76が薄膜蒸着技術を使用して、基板12の表面13上に形成される。

ブロック106で、仕上げ層が薄膜蒸着技術を使用して形成される。図１および３のミラー10と70では，仕上げ層はニッケル−クロム層16であり、一方、図２のミラー40では、仕上げ層はアモルファスシリコン層46である。ブロック107で、仕上げ層の表面17または47は前述の方法で研磨される。これは図１の実施形態の表面17では約２０乃至２５オングストロームのＲＭＳの表面仕上げ、図２の実施形態の表面47では約１０乃至１５オングストロームのＲＭＳの表面仕上げ、または図３の実施形態の表面17では約１０乃至１５オングストロームのＲＭＳの表面仕上げを与える。

ブロック108では、薄膜反射層21は薄膜蒸着技術を使用して仕上げ層の表面上に形成される。前述したように、各説明した実施形態の反射層21は銀から作られるが、代わりに金またはアルミニウムのような任意の他の適切な反射材料であってもよい。

本発明は多くの技術的利点を与える。１つのこのような利点は、ミラーの特定の構造に応じて、例えば約１０乃至２５オングストロームのＲＭＳの範囲で、高い平滑度の反射表面を有するミラーの提供を含んでいる。この平滑の程度は特にミラーが可視放射光のような約３ミクロンよりも小さい比較的短波長の放射で使用されるときに有効である。さらに別の利点はこのようなミラーはただ１つのダイヤモンドポイント旋盤加工動作だけにより製造されることができることであり、これはその製造に係わる時間およびコストを減少する。ミラーはしたがって既存のミラーよりも製造が容易で廉価であり、より精密である。

別の利点は、ダイヤモンドポイント旋盤加工ではなく研磨動作を使用して仕上げ層の表面を仕上げることにより，仕上げ層を十分に薄い薄膜層にすることが可能であり、それによって仕上げ層および基板は温度変化に応答してミラーの屈曲を生じさせるバイメタル効果を示さないことである。さらに別の利点は、単一のダイヤモンドポイント旋盤加工動作および種々の薄膜層の形成が既知の装置および技術を使用して実行されることができ、それによって高価で他に意義なく使用されるカスタム製造装置の開発および／または購入の必要性をなくすことである。

選択された実施形態を詳細に説明したが、種々の置換および変形が特許請求の範囲に規定されているような、本発明の技術的範囲を逸脱することなく可能であることが理解されるであろう。

本発明の特徴を実施したミラーの部分的断面図。 図１に類似しているが、図１のミラーの別の実施形態であるミラーを示している部分的断面図。 図１に類似しているが、図１のミラーのさらに別の実施形態であるミラーを示している部分的断面図。 図１乃至３のミラーの製造に使用されることができるプロセスを示すフローチャート。

Claims (4)

1. ミラーを具備する装置において、ミラーは、
   表面を有する基板と、
   前記基板の前記表面上に設けられた薄膜の仕上げ層と、
   この薄膜の仕上げ層の基板と反対側の表面上に設けられた銀、金、またはアルミニウムにより構成された反射層とを具備し、
   前記基板の表面上に設けられた仕上げ層はアモルファスシリコンから構成され、
   前記薄膜の仕上げ層の基板と反対側の表面は研磨仕上げされている装置。
2. 前記仕上げ層は、前記基板と前記仕上げ層の熱膨張係数の差により前記ミラーが温度変化による屈曲を実質上生じないような薄い厚さに形成されている請求項１記載の装置。
3. 前記仕上げ層は０．００２５４ｍｍ（０．０００１インチ）よりも小さい厚さを有している請求項１記載の装置。
4. ミラーを具備する装置において、ミラーは、
   表面を有する基板と、
   前記基板の前記表面上に設けられたアモルファスシリコンから構成されている薄膜の中間層と、
   前記アモルファスシリコンから構成されている薄膜の中間層の基板と反対側の表面上に設けられたニッケル−クロム層から構成されている薄膜の仕上げ層と、
   前記薄膜の仕上げ層の前記中間層と反対側の表面上に設けられた銀、金、またはアルミニウムにより構成された反射層とを具備し、
   前記薄膜の仕上げ層の前記中間層と反対側の表面は研磨仕上げされている装置。

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