JP2000158532A - 微細パターンの転写方法および光学部品の製造方法 - Google Patents
微細パターンの転写方法および光学部品の製造方法Info
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Abstract
学部品をドライエッチングを用いて製造するとコストが
高くなる。また、プレス成型法では、熱膨張係数の差に
起因する応力によるパターンの精度の低下が問題とな
る。 【解決手段】 光学部品の表面に微細パターンを転写す
る転写面に形成する凹凸パターン12を、転写面の中心
から見て放射状に広がるように形成する。あるいは、複
数の型を用いて微細パターンを転写して、応力を低減さ
せる。
Description
加工を施す方法に関し、また表面に微細加工を施した光
学部品、例えば光導波路、回折格子、偏光子などの製造
方法に関するものである。
センサなどの光学機器関連市場の進展に伴い、光学部品
には性能とコストとの両立が求められている。特に、そ
れ自身は動作しない受動光部品に対しては、低価格化の
要望が高いまっている。
微細で正確なパターンを必要とする。このようなパター
ンの形成には、一般には半導体プロセスに多用されてい
るドライエッチングが用いられる。以下、ドライエッチ
ングによる微細加工の一例として光通信用のシングルモ
ード光導波路の製造プロセスについて図を参照しながら
説明する。
導波路の平面図(図8(a))、および断面図(図8
(b):図8(a)のA−A断面図)である。コア81
はクラッド82よりも屈折率が高いので、特定の条件を
満たす光はコアパターン内に閉じこめられて伝達され
る。コアを図8(a)のようにパターン化することによ
り光回路を構成できる。波長1.3〜1.55μm帯に
おいては、コアは、一般には一辺が8μm程度の正方形
の断面を有する。
製造方法を示した工程図である(参考文献としては、例
えば、河内、オプトロニクス No.8,85,1988)。図示し
た工程においては、まず、下部クラッド層を兼ねた石英
基板92に火炎堆積法によりコア膜91が形成される
(図9(a))。なお、石英基板以外の材料の基板を用
いる場合には、先に下部クラッド層を火炎堆積法にて形
成しておく。次に、フォトリソグラフィおよびドライエ
ッチングを用いることにより、コア膜を所定のパターン
にパターニングする(図9(b))。さらに上部クラッ
ド層93を火炎堆積法により形成する(図9(c))。
このような方法により、低損失な光導波路が作製されて
きた。
脂が検討されている。現状では、樹脂材料は、透過性能
および信頼性において石英よりも劣る。しかし、樹脂材
料は成形が容易であり、また波長650〜850nm付
近においては透過性能も優れている。樹脂材料は、コア
寸法が数十μmオーダーのマルチモード光導波路を中心
に有望な光導波路材料である。具体的な樹脂材料として
は、透明性に優れたポリメチルメタクリレート(PMM
A)などが知られている。最近ではPMMAをベースと
して、重水素化やフッ素化を行うことにより、1.3〜
1.55μmの波長域で低吸収化を図ることも検討され
ている。
ピンコートでコア層およびクラッド層を形成し、コア層
のパターニングはドライエッチングを用いる方法が一般
的である。樹脂材料は、石英系材料と比較して膜堆積の
時間が短く、またアニール温度も200〜300℃程度
で低いために生産性がよい。
いては、材料に拘わらず、コアのパターニングにはドラ
イエッチングが用いられている。
の設備が必要なプロセスである。従って、コストを考慮
すれば、半導体デバイスはともかく、受動光部品の製造
には向いているとは言い難い。このような事情から、光
学部品の製造については、様々な方法が提案されてい
る。特にプレス成形、射出成形などの成形工法は有望視
されている。
素材を対象にしたものであるが、特開平8−32042
0号公報に記載の方法がある。この方法は、光導波路の
製造法であって、図10に示すように、所定のコアパタ
ーン102を形成した型101を下部クラッドを兼ねた
母材103に高温下で押しつけることにより、コアパタ
ーンとなる溝部を一括して形成する方法である。この方
法は、従来用いていたフォトリソグラフィおよびドライ
エッチング工程を省略し、効率良く光導波路を形成する
ことができる。
ーン転写して回折格子を製造する方法も提案されている
(特開平10−96808号公報)。
0号公報に記載されたようなプレス成形を利用した微細
パターンの転写方法は、概略、以下のとおりである。ま
ず、基材(被加工物)を加熱して軟化させた状態で型に
接触させ、この状態を保持したまま冷却し、基材の形状
が固まった状態で型と分離する。この場合、図11に示
したように、型111に形成した凸部113は、必要と
する導波路のパターンに対応して設けられ、この凸部1
13が樹脂板112に押しつけられて、樹脂板112に
反転パターンが形成される。
高いパターン精度が得られない場合があった。このパタ
ーン精度の低下は、熱膨張係数の差に起因すると考えら
れる。すなわち、加熱により軟化した基材を型と接触さ
せて冷却すると、基材と型との熱膨張係数の差に起因し
て熱応力が発生する。その結果、基材に転写されるパタ
ーンの精度が低下し、場合によっては型が破損する。こ
のような問題は、樹脂材料を用いた場合に特に顕著とな
る。樹脂材料は、型の材料として用いられる石英などの
材料と比べると、1〜2桁程度も熱膨張係数が大きいか
らである。
と、例えば図11に示したようなパターンを石英などの
型材料を用いて樹脂板に転写すると、樹脂板の中央付近
においては、型の転写面のパターンのとおりの形状を有
するパターンが形成される。しかし、樹脂板の周辺部分
では、中央から離れるに従って、溝の幅が広がり、溝形
状も乱れてしまう。この現象は、樹脂板が型よりも大き
く収縮するため、樹脂板がその中央部に向かって収縮し
た結果であると考えられる。
と比較して、低温で成形でき、製造コスト上も有利であ
るにも拘わらず、プレス成形によりパターンを転写しよ
うとすると、微細なパターンを正確に転写できないとい
う問題があった。
く、効率良く、精度の高い微細パターンを転写する方法
を提供することを目的とする。また、この転写方法を利
用した光導波路などの光学部品の製造方法を提供するこ
とを目的とする。
に、本発明の第1の微細パターンの転写方法は、転写面
を備え、前記転写面の中心軸について略対称となるよう
に前記転写面に形成された凹凸パターンを含む型を準備
し、加熱により軟化した基材に前記転写面を押しつける
ことにより、前記基材の表面に前記凹凸パターンの反転
パターンを転写することを特徴とする。
が、前記転写面の少なくとも2つの中心軸について略対
称であることが好ましい。
第2の微細パターンの転写方法は、転写面を備え、前記
転写面の中心から見て放射状に形成された凹凸パターン
を含む型を準備し、加熱により軟化した基材に前記転写
面を押しつけることにより、前記基材の表面に前記凹凸
パターンの反転パターンを転写することを特徴とする。
第3の微細パターンの転写方法は、転写面を備え、前記
転写面の中心軸を含む第1の線状パターンと前記転写面
の中心から遠ざかるように前記第1の線状パターンから
分岐する第2の線状パターンとからなる凹凸パターンを
含む型を準備し、加熱により軟化した基材に前記転写面
を押しつけることにより、前記基材の表面に前記凹凸パ
ターンの反転パターンを転写することを特徴とする。
第4の微細パターンの転写方法は、転写面を備え、前記
転写面に形成された凹凸パターンを備えた複数の型を準
備し、加熱により軟化した基材に前記複数の型の前記転
写面を押しつけることにより、前記基材の表面に前記凹
凸パターンの反転パターンを転写することを特徴とす
る。
との熱膨張係数の差に起因する応力がパターンの精度に
与える影響を緩和することができる。上記第1〜第3の
方法では、転写面に形成されるパターンの形状により応
力の影響が緩和され、上記第4の方法では、複数の型を
用いることにより応力の影響が緩和されている。本発明
は、上記第1〜第3の方法に使用する型を少なくとも2
つ準備し、加熱により軟化した基材に前記複数の型の前
記転写面を押しつけることにより、前記基材の表面に前
記凹凸パターンの反転パターンを転写する微細パターン
の転写方法も包含する。
場合には、型の転写面の短手方向の長さが5mm以下で
あることが好ましい。この場合、凹凸パターンが転写面
の長手方向に沿って前記転写面を横断することがさらに
好ましい。
係数の差が50×10-7/℃以上ある場合に特に好適で
ある。
ンの幅が100μm以下であることが好ましい。
が光学的に透明な熱可塑性樹脂であることが好ましい。
熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン系、ポリメチル
メタクリレート系、ポリカーボネート系、ノルボルネン
系およびアクリル系から選ばれるいずれかの樹脂が好ま
しい。
載の微細パターンの転写方法により、光を制御するパタ
ーンを形成することを特徴とする。本発明の光学部品と
しては、例えば光導波路、回折格子、偏光子、レンズが
挙げられる。光学部品が光導波路である場合は、本発明
の微細パターンの転写方法により、コアに対応するパタ
ーンが形成される。
明の好ましい形態について説明する。 (第1の実施の形態)図1は、本発明の方法に用いられ
る型の転写面11に形成された凸パターン12の一例で
ある。この型は、石英により構成されており、大きさは
20mm×20mmである。転写面11に形成された凸
パターン12は、転写面の中心軸を含み、互いに直交す
るように形成された2本のパターンと、この2本のパタ
ーンから分岐する計8本のパターンとから構成されてい
る。分岐しているパターンは、いずれも、中心軸を含む
パターンからY字状に分岐しており、型の中心から見る
と放射状に広がっている。また、この凸パターン12
は、転写面11について、4本の線対称軸を有してい
る。
基材に押しつけて基材とともに冷却しても、パターンが
押しつけられて形成される基材の溝の断面方向に発生す
る応力は極めて限定されたものとなる。従って、型と基
材との熱膨張係数の差が大きい場合であっても正確な微
細パタ−ンを基材上に転写することができる。図1に示
したパターンを用いて基材に微細パターンを転写すれ
ば、上下方向、左右方向にそれぞれ光導波路を提供する
ことができる。
ンの転写方法の具体例を説明する。型は、石英をドライ
エッチングすることにより作製した。図2により、型の
作製方法を示す。まず、石英基板21上に蒸着によりC
r膜22を形成した(図2(a))。次にCr膜22上
にフォトレジスト23をスピンコーティングにより塗布
し、90℃で30分間ベーキングを行った(図2
(b))。フォトレジスト23には、東京応化工業製の
TSMR8900を用いた。このフォトレジスト23を
所定のパターンを有するフォトマスクを用いて露光し、
現像した(図2(c))。ベーキングを経て、Crエッ
チャントに5〜10分程度浸し、フォトレジストに保護
されている部分を残してCr膜を除去した。その結果、
石英基板上にパターン化されたCr膜24が形成された
構成となった(図2(d))。
として機能する。さらに石英基板を反応性イオンエッチ
ングにより微細加工した。エッチャントにはCHF3ガ
スを用いた。約3時間のエッチングにより、深さ8μm
にまで加工することができた。加工後、基板を取り出
し、Crエッチャントに浸してCrパターンを除去し
た。洗浄乾燥して石英型25が完成した(図2
(e))。
ンの転写方法について説明する。
34との間に、石英型31と被加工物である樹脂板32
とを、石英型31の転写面が樹脂板32に接するように
重ねて配置した。このとき、石英型31と樹脂板32と
の中心を合致させた。この状態で、ヒータ(図示せず)
に通電し、樹脂板32を180℃に加熱して軟化させ、
石英型31と樹脂板32とを成形機の上下型プレート3
3,34により挟み込んで押圧した。石英型31の凸パ
ターンが樹脂板32に食い込んだ状態で、約80℃にま
で冷却し、樹脂板32を取り出した。なお、樹脂板32
には、日本ゼオン社のゼオネックス(ポリオレフィン系
樹脂)を用いた。
学顕微鏡および電子顕微鏡を用いて観察したところ、約
20mmφの樹脂板全面にわたって、石英型の凸パター
ンが正確に転写された微細パターンの溝が転写されてい
ることが確認できた。
材料よりも屈折率が0.3%程度高いエポキシ樹脂を埋
め込み、さらにその上部から平板状の上記ゼオネックス
からなる樹脂板を貼り合わせた。このようにして、図4
に示した光導波路を作製した。この光導波路は、エポキ
シ樹脂をコア42として、ゼオネックス樹脂板をクラッ
ド41、43として備えている。この光導波路は、十分
な実用性を備えていた。
導波路に対応するパターンとし、上記と同様にしてパタ
ーンを転写した樹脂板を、パターンごとに分割されるよ
うに切断してもよい。このように、複数の光導波路を含
む樹脂板を作製し、この樹脂板を切断すれば、さらに効
率良く、光導波路を製造することができる。
それぞれ5×10-7/℃、600×10-7/℃である。
しかし、このように熱膨張係数が2桁以上異なる場合で
あっても、上記図1のような型を用いれば、広い面積に
わたって正確な微細パターンを転写することができる。
は、8μmとした。
示したパターンに限定されず、例えば、図5に示したよ
うなパターン52としてもよい。この凸パターン52
は、転写面51の中心から放射状に伸長している。ま
た、転写面51について、4本の線対称軸を有してい
る。また、凸パターン52は、転写面の中心軸を含み、
転写面を横断する4本の線状パターンから構成されてい
る。
形成されるパターンは、好ましくは転写面の中央付近か
ら放射状に伸長する線状パターンにより構成される。ま
た、好ましくは、例えば少なくとも4本の線対称軸を有
する。また、好ましくは、中心軸を含む線状パターンか
ら、転写面の中心から見て放射状に分岐する分岐パター
ンを備えている。
膨張係数の相違に起因する応力の発生を緩和するような
パターンを形成することが好ましい。
る微細パターンの転写方法の別の形態を示す。この形態
では、複数の型を用いて、樹脂板61にパターンが転写
される。図6に示した例では、4つの型62、63、6
4、65が、樹脂板61とともに上型プレート66と下
型プレート67との間に配置されている。これらの型に
は、第1の実施の形態で説明したような方法によりパタ
ーンを形成することができる。
例を図7に示す。これらの凸パターン71、72、7
3、74は、いずれも、転写面の長手方向に転写面を縦
断する線状のパターンを備えている。また、これらのパ
ターンは、いずれも転写面の長手方向に沿った中心軸に
ついて線対称となっている。また転写面の短手方向の長
さは、5mm以下とされている。
1の実施の形態と同様にして、樹脂板61にパターンを
転写した。このとき、各型61、62、63、64の間
隔は、0.5mm以上とした。
学顕微鏡および電子顕微鏡を用いて観察したところ、約
20mmφの樹脂板全面にわたって、石英型の凸パター
ンが正確に転写された微細パターンの溝が転写されてい
ることが確認できた。
材料よりも屈折率が0.3%程度高いエポキシ樹脂を埋
め込み、さらにその上部から平板状の上記ゼオネックス
からなる樹脂板を貼り合わせた。その後、上記各型のパ
ターンに対応するように、樹脂板を切断した。このよう
にして、4つの光導波路を作製した。この光導波路は、
エポキシ樹脂をコアとして、ゼオネックス樹脂板をクラ
ッドとして備えており、十分な実用性を備えていた。
により、各型と基材との接触面積、特にパターンを横断
する方向の転写面の幅が制限されている。従って、型と
基材との熱膨張係数の差に起因する応力も限定されたも
のとなる。
を一度の成形で基材に転写することができるために、効
率良くパターンを転写することができる。
あれば特に限定されない。また、パターンも図7に示し
た形態に限定されない。
は、光導波路の製造について説明したが、本発明の方法
は、これに限ることなく、微細パターンを必要とする光
学部品、特に回折格子、偏光子、レンズの製造に適して
いる。
備えた型を用いたが、パターンは、凹パターンであって
も、あるいは凹凸をともに備えたパタ−ンであっても、
同様の効果を得ることができる。
型と基材との熱膨張係数の差が、50×10-7/℃以上
あり、パタ−ンの幅が100μm以下である場合に、本
発明の方法が特に効果的であった。
性および強度に問題のない材料であればよく、各種金属
材料、各種セラミック材料を用いることができる。超硬
合金やダイヤモンドを用いてもよい。
が、ポリオレフィン系樹脂など熱膨張係数が比較的大き
な熱可塑性樹脂に対して特に効果がある。ポリオレフィ
ン系樹脂以外の熱可塑性樹脂としては、ポリメチルメタ
クリレート系、ポリカーボネート系、アクリル系、ノル
ボルネン系等が挙げられる。さらに、型に保護コ−ティ
ングを施せば、ガラス材料に対しても微細パターンの転
写が可能である。
効率良く、精度の高い微細パターンを転写することがで
きる。また、効率良く、光導波路などの光学部品を製造
することもできる。特に、本発明は、熱膨張係数が大き
いことが光学部品の材料としては問題であった樹脂材料
に対しても、広い面積に微細で正確なパターン転写を可
能とするものである。このように、本発明によれば、光
導波路、回折格子をはじめとする各種光学部品を効率良
く製造することが可能となる。
示すための型の転写面の平面図である。
面図である。
図である。
の例を示す断面斜視図である。
示すための型の転写面の平面図である。
工程図である。
示すための型の転写面の平面図である。
面図(a)および断面図(b)である。
めの工程図である。
法を示すための断面図である。
いられる従来のパターンの一例である。
Claims (14)
- 【請求項1】 転写面を備え、前記転写面の中心軸につ
いて略対称となるように前記転写面に形成された凹凸パ
ターンを含む型を準備し、加熱により軟化した基材に前
記転写面を押しつけることにより、前記基材の表面に前
記凹凸パターンの反転パターンを転写することを特徴と
する微細パターンの転写方法。 - 【請求項2】 凹凸パターンが、前記転写面の少なくと
も2つの中心軸について略対称である請求項1に記載の
微細パターンの転写方法。 - 【請求項3】 転写面を備え、前記転写面の中心から見
て放射状に形成された凹凸パターンを含む型を準備し、
加熱により軟化した基材に前記転写面を押しつけること
により、前記基材の表面に前記凹凸パターンの反転パタ
ーンを転写することを特徴とする微細パターンの転写方
法。 - 【請求項4】 転写面を備え、前記転写面の中心軸を含
む第1の線状パターンと前記転写面の中心から遠ざかる
ように前記第1の線状パターンから分岐する第2の線状
パターンとからなる凹凸パターンを含む型を準備し、加
熱により軟化した基材に前記転写面を押しつけることに
より、前記基材の表面に前記凹凸パターンの反転パター
ンを転写することを特徴とする微細パターンの転写方
法。 - 【請求項5】 請求項1〜4のいずれかに記載の転写方
法に使用する型を少なくとも2つ準備し、加熱により軟
化した基材に前記少なくとも2つの型の前記転写面を押
しつけることにより、前記基材の表面に前記凹凸パター
ンの反転パターンを転写することを特徴とする微細パタ
ーンの転写方法。 - 【請求項6】 転写面を備え、前記転写面に形成された
凹凸パターンを備えた少なくとも2つの型を準備し、加
熱により軟化した基材に前記少なくとも2つの型の前記
転写面を押しつけることにより、前記基材の表面に前記
凹凸パターンの反転パターンを転写することを特徴とす
る微細パターンの転写方法。 - 【請求項7】 型の転写面の短手方向の長さが5mm以
下である請求項5または6に記載の微細パターンの転写
方法。 - 【請求項8】 凹凸パターンが転写面の長手方向に沿っ
て前記転写面を横断する請求項7に記載の微細パターン
の転写方法。 - 【請求項9】 型と基材との熱膨張係数の差が50×1
0-7/℃以上ある請求項1〜8のいずれかに記載の微細
パターンの転写方法。 - 【請求項10】 凹凸パターンの幅が100μm以下で
ある請求項1〜9のいずれかに記載の微細パターンの転
写方法。 - 【請求項11】 基材が光学的に透明な熱可塑性樹脂で
ある請求項1〜10のいずれかに記載の微細パターンの
転写方法。 - 【請求項12】 熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系、
ポリメチルメタクリレート系、ポリカーボネート系、ノ
ルボルネン系およびアクリル系から選ばれるいずれかの
樹脂である請求項11に記載の微細パターンの転写方
法。 - 【請求項13】 請求項1〜12のいずれかに記載の微
細パターンの転写方法により、光を制御するパターンを
形成することを特徴とする光学部品の製造方法。 - 【請求項14】 請求項1〜12のいずれかに記載の微
細パターンの転写方法により、コアに対応するパターン
を形成することを特徴とする光導波路の製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33463598A JP3302649B2 (ja) | 1998-11-25 | 1998-11-25 | 光導波路の製造方法 |
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JP3302649B2 JP3302649B2 (ja) | 2002-07-15 |
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ID=18279590
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006051796A (ja) * | 2004-03-29 | 2006-02-23 | Konica Minolta Holdings Inc | 成形方法、冷却装置、光学素子及び成形装置 |
WO2007037085A1 (ja) | 2005-09-27 | 2007-04-05 | Scivax Corporation | 熱インプリント用樹脂 |
JP2009523635A (ja) * | 2006-01-24 | 2009-06-25 | マイクロラボ ピーティーワイ エルティーディー | スタンピング方法及び装置 |
-
1998
- 1998-11-25 JP JP33463598A patent/JP3302649B2/ja not_active Expired - Fee Related
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WO2007037085A1 (ja) | 2005-09-27 | 2007-04-05 | Scivax Corporation | 熱インプリント用樹脂 |
US8324332B2 (en) | 2005-09-27 | 2012-12-04 | Scivax Corporation | Resin for thermal imprint |
JP2009523635A (ja) * | 2006-01-24 | 2009-06-25 | マイクロラボ ピーティーワイ エルティーディー | スタンピング方法及び装置 |
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