JP2004017477A - 光学部品の製造方法、および光学部品用型の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学部品の小型化と光学材料の選択自由度の確保とを両立可能な光学部品の製造方法、および光学部品用型の製造方法を提供する。
【解決手段】型材をエッチングして作成された型を用いて、光学材料を整形する。
型材をエッチングすることで、小型の光学部品用の型を容易に作成することができる。
また、光学材料をこの型により整形して光学部品を製造することから、光学材料を直接エッチングする必要がない。このため、光学材料の選択の自由度が向上する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学部品の製造方法、および光学部品用型の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｋ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｋ）等の光記録媒体に記録された情報を光学的手段で読み出す光記録媒体再生装置が用いられている。光記録媒体再生装置から光記録媒体に光を照射して、反射された光の強度等を検知することで、光記録媒体からの情報の読み取りを行う。
光記録媒体再生装置の光学系にはレンズ等各種の光学部品が使用されている。例えば、光記録媒体に光を集光する光学ヘッドには集光のための対物レンズが用いられている。
これらの光学部品は金型を用いて製造されるのが通例である。例えば、プラスチックモールド、ガラスモールド等が利用される。この金型は、一般に型材をバイトで切削加工することで製作される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光学部品の小型化が進められている。例えば、浮上型の光学ヘッドでは、光記録媒体と光学ヘッド間の相対運動で生じる空気の流れを利用して浮上する。このため、対物レンズの最外径をできる限り小さくし、対物レンズを軽量化することが好ましい。また、光記録媒体読み出し用の半導体レーザでは、その間近に設置するための補正用光学素子として有効径が例えば０．５ｍｍ程度以下のものが必要とされる場合がある。
このような光学部品の小型化に際して、従来のようなバイトによる手法では、その加工精度の限界から、一定の限界がある。
一方、ウェットエッチング、ドライエッチング等の微細加工技術を用いた光学部品の作成方法が注目されてきている。この手法では光学材料をエッチングすることで、小型の光学部品の製造が可能である。しかしこの反面、エッチングの対象となる光学材料を変更した場合に、エッチングの条件（エッチング用のガス種、エッチング時間等）全体の見直しが必要となる。このため、光学部品の設計の自由度が大きいとは言い難い（光学材料の適宜の選択が困難）。
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、光学部品の小型化と光学材料の選択自由度の確保とを両立可能な光学部品の製造方法、および光学部品用型の製造方法を提供することを目的する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
Ａ．上記目的を達成するために本発明に係る光学部品の製造方法は、型材をエッチングして型を作成する型作成工程と、前記型作成工程で作成された前記型を用いて、光学材料を整形する整形工程と、を具備することを特徴とする。
型材をエッチングすることで、小型の光学部品用の型を容易に作成することができる。
また、光学材料をこの型により整形して光学部品を製造することから、光学材料を直接エッチングする必要がない。このため、光学材料の選択の自由度が向上する。
【０００５】
（１）ここで、前記整形工程において前記型を複数用いてもよい。例えば、レンズが両凸面の場合に、この２つの凸面それぞれに対応する形状を有する２つの型を用いて光学材料を整形することで、両凸面レンズを製造できる。
但し、エッチングで作成された型を１つのみ用いて光学部品を製造することも可能である。例えば、平凸レンズでは、その平面側の整形には単なる平面の型を用いれば足り、エッチングによる加工は必要がない。即ち、凸面側の型のみをエッチングで作成すればよい。
【０００６】
（２）前記整形工程が、前記光学材料を加熱する工程を含んでもよい。
光学材料が加熱によって軟化あるいは溶融する材料であれば、加熱して軟化させることで型に対応させて整形できる。
なお、光学材料の整形は、例えば２つの型の間に光学材料を設置し、この２つの型の間で光学材料を加圧することで行える。
【０００７】
Ｂ．本発明に係る光学部品用型の製造方法は、型材にレジストを被覆するレジスト被覆工程と、前記レジスト被覆工程で前記型材に被覆されたレジストを平面的分布がある露光量で露光する露光工程と、前記露光工程で露光された前記レジストをエッチングして、厚さに分布があるマスクを作成するマスク作成工程と、前記マスク作成工程で作成されたマスクを用いて前記型材をエッチングして、該型材に深さに分布がある凹部または凸部を形成する形状形成工程と、を具備することを特徴とする。
型材にレジストを被覆し、このレジストに平面的分布がある露光量で露光してパターニング（現像）することで、型材上に厚さに分布があるマスクを作成できる。このマスクを用いて型材をエッチングすることで、深さに分布がある凹部または凸部を型材上に形成することができる。この結果、この凹部または凸部を用いた光学材料の整形が可能となる。
型材をエッチングすることで、小型の光学部品用の型を容易に作成できる。光学部品の製造にこの型を用いることで、光学材料を直接エッチングする必要をなくして、光学材料の選択の自由度を向上できる。
【０００８】
（１）ここで、前記露光工程において、電磁波の透過量に平面的分布があるマスクを用いてもよい。
このマスクは、例えば、表面にＡｇアルカリハライドドープ層が形成されたいわゆるＨＥＢＳ（Ｈｉｇｈ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｂｅａｍ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）ガラスを用いて作製できる。通常のクラウンガラスをＡｇ＋イオン交換反応にさらすことにより、Ａｇアルカリハライドドープ層がガラス表面に均一に形成される。そして、このドープ層に平面的分布を持たせて電子線ビームを照射することで、透過される紫外線量に分布を持たせることができる。
【０００９】
（２）光学部品用型の製造方法が、前記レジスト被覆工程に先んじて、前記型材の面を平滑化する平滑化工程をさらに具備してもよい。
型材の面を平滑化することで、作成される型の精度を向上し、より小型の光学部品の作成が可能となる。
この平滑化は、型材を精密加工することで行っても良いが、基板に型材をコーティングすることでも行える。このコーティングには例えばＣＶＤを用いることができる。
【００１０】
（３）光学部品用型の製造方法が、凹部または凸部の形状形成工程の後に、前記凹部または凸部が形成された型材をダイシングするダイシング工程をさらに具備してもよい。
型材をエッチングした後にダイシングすることで、単一の型材から複数の型を製造することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
（金型の製造）
図１は、本発明の１実施形態に係る光学部品用型の製造方法の手順を表すフロー図である。また、図２は図１の手順における型の状態を表す側面図である。以下、図１，２に基づき説明する。
【００１２】
（１）金型ブランクの鏡面加工（ステップＳ１１および図２（Ａ））
金型ブランクは、型材からなり金型の基になる基体である。金型ブランクのエッチングに先立ってその表面を鏡面加工（平滑化）することで、精密な金型の製造を可能とする。
金型は、本発明における型に対応し、その構成材料（型材）は必ずしも金属には限定されない。後述するように、この金型は光学材料を加熱整形するためのものであるから、高耐熱性材料が使われるのが一般的である。この型は複数の材料から構成することも可能であるが、光学材料の加熱整形時に膨張係数の相違により型が歪む可能性があるため、単一の材料から構成する場合が多い。
【００１３】
ここでいう鏡面加工は、結果として表面の平滑な金型ブランクが得られれば良いのであるから、その手法は必ずしも限定されない。金型ブランクに切削等の精密加工を施しても良いし、何かの基板（必ずしも構成材料は型材に限定されない）上に平滑な型材の層を形成しても差し支えない。
図２（Ａ）では、この一例として基板ＢＰ上に表面が平滑な平滑層ＭＬが形成された状態を示している。具体的には、焼結して形成されたＳｉＣ基板上にＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）でＳｉＣの被膜を形成することで、表面が平滑なＳｉＣ材料を得ることができる。例えば、１０ｍｍ程度以下の厚さのＳｉＣ基板上に数百μｍ程度の厚さのＳｉＣ被膜を形成することができる。
【００１４】
（２）金型ブランクへのレジストのコーティング（ステップＳ１２および図２（Ｂ））
金型プランクの表面にこの金型プランクをエッチングするためのマスクとなるレジスト材料をコーティングする。レジストのコーティングは例えばスピンコートによって行える。
なお、図２（Ｂ）では、平滑層ＭＬ上にレジスト層ＰＲが形成された状態を表している。
【００１５】
（３）レジストの露光・現像（ステップＳ１３および図２（Ｃ））
レジスト層ＰＲを露光し、現像することで、レジストの層の厚さに分布を持たせることができる。この結果、レジストが金型プランクをエッチングする際のマスクとして利用できるようになる。
レジストの層の厚さに分布を持たせるために、レジスト上における光の露光量に分布を持たせる。この分布露光は、例えばグレースケール・マスクを用いることで行える。
【００１６】
グレースケールマスクは、レジストに照射される電磁波（例えば紫外線）の量を制御して、所定のレジストパターンを形成するためのものである。このようなグレースケールマスクは例えば次のように形成することができる。
グレースケールマスクは、表面にＡｇアルカリハライドドープ層が形成されたいわゆるＨＥＢＳ（Ｈｉｇｈ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｂｅａｍ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）ガラスを用いて作製できる。Ａｇアルカリハライドドープ層は、通常のクラウンガラスをＡｇ＋イオン交換反応にさらすことにより、ガラス表面に均一に形成できる。このドープ層に電子線ビームを照射することで、Ａｇ＋イオンがＡｇになる。このＡｇの部分では紫外線に対して吸収を示す。電子線ビームを照射してＡｇとされた部分に分布をもたせることで、ドープ層内において電磁波の吸収に分布を形成して、グレースケールマスク内を透過される電磁波を異ならせることができる。
【００１７】
具体的には、グレースケールマスクは、電磁波の透過量について、中間値を有する階調の分布をなすように形成されることで、電磁波の透過量分布が連続的に変化するようにされている。例えば、Ａｇ部分がドープ層にある分布をもつようにするためには、電子線照射量、電子線の加速電圧、ビーム電流、ビーム径が制御された電子線ビームを照射することにより可能とされる。
このようにグレースケールマスクは、各位置における紫外線の透過量（紫外線の吸収量）が連続的に調整されたものとして形成されている。これにより、所定のレジストパターンを形成することができる。
なお、電磁波の透過量分布は、原理的には連続的に与えられことは可能であるが、安定な露光と条件の維持や高い再現性の確保、あるいはコスト的な要素から、階段状に与えられることが一般的である。この時の１ステップの分解能は、上記の条件の他に、用いるグレースケールマスクの感度にも依存する。
【００１８】
（４）金型ブランクのエッチング（ステップＳ１４および図２（Ｄ））
レジスト層ＰＲをマスクとして、金型ブランクをエッチングすることで、金型ブランク上に深さに分布がある凹部ＣＰを形成できる。レジストの厚さの分布に対応して金型ブランクをエッチングすることができる。
このエッチングには、例えば反応ガスを用いてエッチングするドライエッチング（例えば、リアクティブイオンエッチング：ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ））あるいは溶液を用いてエッチングするウェットエッチングを用いることができる。
【００１９】
（５）金型ブランクのダイシング（ステップＳ１５および図２（Ｅ））
凹部ＣＰが形成された金型ブランクをダイシングして、金型Ｍを切り出す。このダイシングは、例えば肉薄の砥石を用いて行える。
以上のようにして金型Ｍが形成される。
【００２０】
（光学部品の作成）
図３は、作成された金型Ｍを用いて光学部品を製造する手順を表すフロー図である。また、図４は光学部品を製造する手順中における金型等の状態を表す断面図である。
（１）プリフォームの形成（ステップＳ２１）
光学部品の製造に際しては、光学材料からなるプリフォームＰＦを予め形成するのが一般的な手法である。プリフォームＰＦを整形することで、成形時の空気の混入の防止や形状の繰り返し再現性の確保などがよりしやすくなる。
プリフォームＰＦの形成は、例えばガラス等の光学材料を溶融することで行う。この溶融の際に、必要に応じて複数の材料を混合してもよい。複数の材料を混合することで、光学材料の特性（例えば、屈折率）を調整できる。
溶融された光学材料を製造する光学部品の大きさに対応する量に分けて冷却、硬化することで、プリフォームＰＦが形成される。
【００２１】
（２）プリフォームの型への組み込み（ステップＳ２２、図４（Ａ））
光学部品用の金型Ｍを用いる際には、光学部品の上側の上金型Ｍ１、下側の下金型Ｍ２、側面側の胴型Ｍ３が組み合わされる場合が多い。図４（Ａ）に示すように、上金型Ｍ１、下金型Ｍ２が上下に組み合わされ、その側面を胴型Ｍ３で保持している。ここで上金型Ｍ１、下金型Ｍ２の少なくともいずれかは、胴型Ｍ３内を上下にスライドすることができる。
【００２２】
この上金型Ｍ１、および下金型Ｍ２のいずれかが図１で示したようなエッチングにより形成される。なお、上金型Ｍ１と下金型Ｍ２の一方にエッチングを用いないで製造した金型を用いることも可能である。例えば平凸レンズの平面側の型は、平面な型であれば良いので、必ずしもエッチングを用いて製造する必要はない。
胴型Ｍ３はその内部空間が略円柱状、あるいは四角柱状であり、適切な精度は要するものの極端に小さく作製する必要はないため、機械加工等で作製できる。なお、図４（Ａ）には、上金型Ｍ１、および下金型Ｍ２の双方をエッチングで製造した場合を示している。
【００２３】
プリフォームの型への組み込みは、例えば上金型Ｍ１が胴型Ｍ３から引き抜いた状態で、下金型Ｍ２上にプリフォームＰＦを載置し、その後に上金型Ｍ１を胴型Ｍ３に挿入することで行える。
【００２４】
（３）プリフォームの加熱整形（ステップＳ２３，図４（Ｂ））
プリフォームＰＦを加熱することで軟化させ、整形を行う。この加熱整形によって、プリフォームＰＦが所望の光学部品の形状に整形される。
具体的には、プリフォームＰＦをヒータ、赤外線等の加熱手段で用いるガラス転移点以上の温度に加熱し、軟化させる。このようにプリフォームが軟化等した状態で上金型Ｍ１、下金型Ｍ２間の距離を接近させ、プリフォームを加圧する。その結果、プリフォームＰＦは上金型Ｍ１の下面、下金型Ｍ２の上面の形状に対応するように整形される。
以上のように、プリフォームＰＦが光学部品の形状に整形される。
【００２５】
（４）光学部品の取り出し（ステップＳ２４，図４（Ｃ））
整形されたプリフォームＰＦは冷却、硬化した後に、金型から外され取り出される。
この取り出しは、例えば上金型Ｍ１を胴型Ｍ３から引き抜くことで行える。整形され、取り出されたプリフォームＰＦは、光学部品（例えば、レンズＬｚ）となる。
【００２６】
（５）光学部品のアニーリング（ステップＳ２５）
型から取り出された光学部品には、整形時に起因する内部応力が残留している可能性がある。光学部品内の内部応力は光学部品の光学特性を劣化させる要因となるので、必要に応じて光学部品にアニーリングを行い残留する内部応力を開放する。具体的には、光学部品をその構成材料（光学材料）が軟化する温度より低い温度まで昇温し、その後徐々に冷却する
以上のようにして、光学部品が製造される。
【００２７】
以上に示した光学部品の製造方法は、次のような特徴を有する。
（１）型を用いて加熱整形することで光学部品を製造している。このため、光学部品を直接的にエッチングすることを要しない。
このため、従来の製造方法と同様に、光学材料の選択の自由度が高い（種々のガラス硝材、プラスチック材料等を選択できる）。
このため、光学材料を適宜に変更して多様な波長の光に対応することができる。例えば、波長特性を除いて光学特性が同一な光学部品は、同一の型を用いて光学材料のみを変更することで作成が可能である。
【００２８】
（２）型をエッチングで製造することで、型の精度を向上し、小型の光学部品の製造が可能になる。例えば、従来のモールドでは困難であった、０．５ｍｍ程度以下の有効径の光学部品を製造できる。
なお、光学部品は従来のモールドで製作可能なタイプの光学部品一般を製造可能である。例えば、レンズ等の収差を補正する収差補正素子、回折格子、ホログラム等種々の光学部品が製造可能であり、その小型化を可能とする。
【００２９】
（光学部品の具体例）
光学部品の具体例として浮上型光学ヘッドについて説明する。
図５は、浮上型光学ヘッド８０の構成例を表す模式図である。
浮上型光学ヘッド８０は光記録媒体１０に光を集光する集光光学系であり、光記録媒体再生装置（図示せず）側の光学系と平行光を通じて接続されている。
浮上型光学ヘッド８０は、エバネッセント光を利用して光記録媒体１０に対する信号の記録及び／又は再生を行うものであり、本図に示すように、スライダー部材８１と、２群レンズ８２，サスペンション８３とを備えている。
このうち、特に２群レンズ８２（後述する対物レンズ８５および固体イマージョンレンズ８６）を前述の製造方法で製造できる。
【００３０】
スライダー部材８１は、ハードディスク装置等で用いられるヘッドスライダーと同様に、サスペンション８３によって光記録媒体１０と相対向するように支持される。これにより、光記録媒体１０に対する信号の書き込みや読み出しの際、光記録媒体１０の回転等により光記録媒体１０との間に生じる空気流を受けて、光記録媒体１０上を適切な浮上量（距離ｄ）で浮上しながら走行することができる。例えば、近接場光を利用する場合は、数１０〜１００ｎｍ以下にする。
スライダー部材８１には、所定の箇所にその厚み方向に貫通する貫通孔８１ａが設けられている。この貫通孔８１ａには、２群レンズ８２が配置されている。
【００３１】
２群レンズ８２は、対物レンズ８５および固体イマージョンレンズ（ＳＩＬ：Ｓｏｌｉｄ　Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ　Ｌｅｎｓ）８６から構成され、１以上の開口数ＮＡを実現することができる。
対物レンズ８５は、片面が球面または非球面である第１の面８５ａと、他方の面が球面、非球面、または略平面とされた第２の面８５ｂとを有し、光源側のレンズである。
固体イマージョンレンズ８６は、対物レンズ８５に対向される面が球面または非球面の凸面とされた第３の面８６ａと、他方の面が略平面とされた第４の面８６ｂとを有し、光記録媒体１０に対向される側のレンズである。
【００３２】
固体イマージョンレンズ８６は、第４の面８６ｂと光記録媒体１０とを近接させることで、第４の面８６ｂからのエバネッセンス光が光記録媒体１０にカップリングする。固体イマージョンレンズ８６の第４の面８６ｂと光ディスクとの間の距離ｄを１００ｎｍ程度以下とすることで、１以上の開口数ＮＡを実現して光記録媒体１０の高分解能での記録、再生を可能とする。
【００３３】
サスペンション８３は、それ自体の弾性またはスライダー部材８１との間に弾性を有するサスペンションスプリングを設けることで、スライダー部材８１の浮上量を適宜に保つことができる。
【００３４】
（浮上型光学ヘッド８０の動作）
対物レンズ８５側から入射した入射光は対物レンズ８５，固体イマージョンレンズ８６、浮上型光学ヘッド８０と光記録媒体１０との間の空気層（距離ｄ）を介して、光記録媒体１０に入射する。光記録媒体１０から反射された光はこの逆の経路を通って対物レンズ８５から戻り光として出射する。
【００３５】
（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記実施形態には限られず拡張、変更できる。拡張、変更された実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）例えば、金型材料は適宜のＳｉＣ以外の適宜の材料で構成できる。エッチング性、耐高温性等を基準に材料を適宜に選択できる。なお、エッチング性は、エッチング用の反応ガス（ドライエッチングの場合）、溶液（ウェットエッチングの場合）との兼ね合わせて決まってくるので、材料の組み合わせおよびエッチング条件に応じて、多様な金型材料の選択が可能である。
【００３６】
（２）型の組み合わせは、上金型、下金型、胴型の組み合わせに限らず、多様な組み合わせを利用できる。製造したい光学部品の形状に対応してどのように型を配置するかは、適宜に設定することができる。
【００３７】
（３）光学部品としては、レンズ、収差補正素子、回折格子、ホログラム等型を用いて製造が可能な光学部品一般を製造できる。
また、この光学部品の用途も光記録媒体再生装置に限らず種々の用途に用いることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光学部品の小型化と光学材料の選択自由度の確保とを両立可能な光学部品の製造方法、および光学部品用型の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態に係る光学部品用型の製造方法の手順を表すフロー図である。
【図２】図１の手順における型の状態を表す側面図である。
【図３】作成された金型を用いて光学部品を製造する手順を表すフロー図である。
【図４】光学部品を製造する手順中における金型等の状態を表す断面図である。
【図５】光学部品の１例としての浮上型光学ヘッドを表す側面図である。
【符号の説明】
ＢＰ　　基板
ＭＬ　　平滑層
ＰＲ　　レジスト層
ＣＰ　　凹部
Ｍ　　　金型
Ｍ１　　上金型
Ｍ２　　下金型
Ｍ３　　胴型
ＰＦ　　プリフォーム
Ｌｚ　　レンズ

Claims (7)

1. 型材をエッチングして型を作成する型作成工程と、
   前記型作成工程で作成された前記型を用いて、光学材料を整形する整形工程と、
   を具備することを特徴とする光学部品の製造方法。
2. 前記整形工程において前記型を複数用いる
   ことを特徴とする請求項１記載の光学部品の製造方法。
3. 前記整形工程が、前記光学材料を加熱する工程を含む
   ことを特徴とする請求項１記載の光学部品の製造方法。
4. 型材にレジストを被覆するレジスト被覆工程と、
   前記レジスト被覆工程で前記型材に被覆されたレジストを平面的分布がある露光量で露光する露光工程と、
   前記露光工程で露光された前記レジストをエッチングして、厚さに分布があるマスクを作成するマスク作成工程と、
   前記マスク作成工程で作成されたマスクを用いて前記型材をエッチングして、該型材に深さに分布がある凹部または凸部を形成する形状形成工程と、
   を具備することを特徴とする光学部品用型の製造方法。
5. 前記露光工程において、電磁波の透過量に平面的分布があるマスクを用いる
   ことを特徴とする請求項４記載の光学部品用型の製造方法。
6. 前記レジスト被覆工程に先んじて、前記型材の面を平滑化する平滑化工程
   をさらに具備することを特徴とする請求項４記載の光学部品用型の製造方法。
7. 前記凹部または凸部の形状形成工程の後に、前記凹部または凸部が形成された型材をダイシングするダイシング工程
   をさらに具備することを特徴とする請求項４記載の光学部品用型の製造方法。

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