JP2004333834A

JP2004333834A - マイクロレンズアレイの製造方法

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Publication number: JP2004333834A
Application number: JP2003129035A
Authority: JP
Inventors: Akiya Goto; 顕也後藤; Yamato Murakoshi; 大和村越
Original assignee: Tokai University
Current assignee: Tokai University
Priority date: 2003-05-07
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2023-05-07
Also published as: JP4224852B2

Abstract

【課題】二次元アレイ光ヘッドを製造する際、その工程の一部として、マイクロレンズが高密度で二次元に配列されたマイクロレンズアレイを製造する。
【解決手段】Ｓｉ基板１の表面に円柱状のフォトレジスト２ａが二次元に配列されたパターンを形成する。フォトレジスト２ａをリフローさせてその形状を凸レンズ状に変える。Ｓｉ基板１の表面側からイオンビームでエッチングを行い、フォトレジスト２ｂの形状をＳｉ基板１の表面に転写し、マイクロレンズ３が二次元に配列されたパターンを形成する。Ｓｉ基板１を酸化雰囲気中で加熱して、マイクロレンズ３の表面に熱酸化膜４を生成させ、次いでこの熱酸化膜４をウエットエッチングで除去する。このような熱酸化膜の形成及びウエットエッチングのステップを複数回繰り返すことによって、マイクロレンズ３の表面を平滑に仕上げることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスクへの記録及び光ディスクからの読み出しに使用されるマイクロレンズアレイの製造方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
画像を取り扱う情報の増加に伴い、近年、パーソナル・コンピュ−タではＤＶＤ−ＲＯＭドライブ兼用光ドライブを装備した製品が急速に増えて来ている。今後、容量６５０ＭＢのＣＤ−ＲＯＭだけではなく、片面で４．７ＧＢ、二層式で９．４ＧＢ、二層両面で１８ＧＢのＤＶＤ−ＲＯＭディスクが、次第に普及するであろう。また、２時間半の映画が片面に記録できる次世代ＤＶＤ、ＤＶＲディスクやＤＶＤ＋ＲＷディスクなどが、ＶＨＳ磁気テープに代わる家庭内画像情報記録・再生機として、この数年以内に急速に市場に出回るであろう。
【０００３】
これらの装置では、いずれも波長４０５ｎｍで発振する青紫色半導体レーザを光源に用いて、高開口数（ＮＡ＝０．８５）の対物レンズを、カバー厚が１００μｍのディスク表面から僅かに離して記録・再生している。
【０００４】
しかしながら、これまでに提案されている新鋭技術をもってしても、光ディスクの片面記録容量の限界は、ＤＶＤのディスクサイズで２３〜２５ＧＢであり、データ転送レートも精々４０〜５０Ｍｂｐｓと低いものである。ランド／グルーブ技術の駆使や片面２層構成の次世代ＤＶＤ技術でも、片面５０ＧＢがレンズを使用する光ディスクの記録密度の限界と思われる。
【０００５】
その理由は、これらは、いずれも回折限界を伴う古典的なレンズに依存する光記録であるからである。光波は回折するので、回折限界という制約のために、中心強度が１／ｅ^２に低下する周辺位置で測定した場合のビームサイズは、使用する波長サイズの半分程度までしかビーム・ウエストが小さくならないという現実がある。このような方法によるビーム・ウエスト形成方法をとっている限り、データ転送レートをハードディスクドライブ（ＨＤＤ）より速くすることはできない。なぜならば、この程度ではディスク・ヘッド・インターフェース（ＨＤＩ）における情報のビットピッチは、ハードディスクの方が依然として狭いからである。
【０００６】
これに付け加えて、プラスチックで作られている光ディスクの回転による遠心力に対する耐破壊限界が、ハードディスクのそれよりもかなり低いことと相まって、ディスク回転数を極端に高くすることができないという理由もある。即ち、光ディスクの最大の問題点はデータ転送レートが低過ぎることである。
【０００７】
以上のような従来のレンズの性質に起因する問題点を解決するため、ＶＣＳＥＬアレイ（ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒＡｒｒａｙ）ヘッドが開発されている。ＶＣＳＥＬアレイとは、微細な垂直共振器表面発光半導体レーザが高い密度で二次元に配列された平面アレイである。例えば、１ｍｍ角内に１万個（１００×１００）の半導体レーザを配列することができる。
【０００８】
図１４に示すように、このＶＣＳＥＬアレイをディスク面に対して平行に保持し、且つ、アレイの方向をディスク回転の接線方向に対して少し傾けることにより、多数の半導体レーザによる同時記録及び同時再生を行うことができる。従って、結果的に１０〜６０Ｇｂｐｓの超高速データ転送レートを容易に実現することができる。特に、ＶＣＳＥＬアレイは、二次元アレイが容易にできる上に、１００×１００のアレイサイズでも数ｍｍ角以内に収まる点が大きな特徴となっている。
【０００９】
ここで、このような面光源を一つの対物レンズを用いて微小スポット群に集光させようとすると、次のような問題が生ずる。前述したように、各スポットサイズは、使用するレンズの開口数（ＮＡ：ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ）に逆比例して、せいぜい波長の半分程度のスポットサイズしか得られない。そればかりでなく、面光源の全体サイズが２００μｍから１ｍｍと異常に大きいので、一つの対物レンズにより二次元アレイの中心部の像（即ち、中心部付近のＶＣＳＥＬによるスポットサイズ）が集光できても、像面湾曲収差のために周辺部の像（周辺部のＶＣＳＥＬ出力によるスポットサイズ）はかなりピンボケした像となり、各発光点像を解像できずにお互いに重なってしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のようなＶＣＳＥＬアレイを用いて光記録を行う際の問題点に鑑み成されたものである。本発明の目的は、ＶＣＳＥＬアレイと組み合わせて使用することができるマイクロレンズアレイ、即ち、ＶＣＳＥＬアレイを構成する各垂直共振器表面発光半導体レーザに一対一に対応するようにマイクロレンズが二次元に配列されたマイクロレンズアレイの製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロレンズアレイの製造方法は、
半導体基板の表面にフォトレジストをコーティングし、
円形が二次元に配列されたパターンのフォトマスクを用いてフォトレジストを露光し、次いで現像して、円柱状のフォトレジストが二次元に配列されたパターンを形成し、
このフォトレジストを加熱してリフローさせて、表面張力の作用でフォトレジストの形状を円柱状から凸レンズ状に変え、
このようにして凸レンズ状のフォトレジストによるパターンが形成された半導体基板の表面にイオンビームを照射してエッチングを行い、前記フォトレジストによるパターンを除去するとともにその三次元形状を半導体基板の表面に転写し、これによって、半導体基板の表面にマイクロレンズが二次元に配列されたパターンを形成し、
このようにしてマイクロレンズによるパターンが形成された半導体基板を酸化雰囲気中で加熱して、その表面に熱酸化膜を形成し、
形成された熱酸化膜をウエットエッチングで除去することにより、前記マイクロレンズの表面を平滑にすること、
を特徴とする。
【００１２】
好ましくは、前記熱酸化の形成及びウエットエッチングのステップを複数回繰り返すことにより、前記マイクロレンズの表面を平滑にする。
【００１３】
好ましくは、前記半導体基板は、Ｓｉ基板またはＧａＰ基板である。
【００１４】
好ましくは、前記フォトレジストの三次元形状を半導体基板の表面に転写する際のエッチングを、反応性イオンエッチングで行う。反応性イオンエッチングは、エッチングの異方性に優れ且つ高いエッチング速度を備えているので、フォトレジストの三次元形状を半導体基板の表面に転写する際に適している。
【００１５】
半導体基板の反応性イオンエッチングは、例えば、Ｃｌ_２ガスまたはＣＦ_４ガス用いて行うことができる。
【００１６】
また、半導体基板の反応性イオンエッチングを、ＡｒとＣｌ_２の混合ガスを用いて行うこともできる。その場合、ＡｒとＣｌ_２の混合比を操作することによりフォトレジストと半導体基板のエッチングの速度比を調整し、これによって、形成されるマイクロレンズの曲率を調整することができる。
【００１７】
好ましくは、前記熱酸化膜のウエットエッチングを、緩衝フッ酸溶液を用いて行う。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）〜（ｆ）を用いて、本発明に基づくマイクロレンズアレイの製造工程の一例について説明する。
【００１９】
先ず、図１（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１の上にフォトレジスト２（例えば、ポジ型レジスト：ＯＦＰＲ−８００（東京応化工業（株））を数μｍの厚さでコーティングする。コーティングの後、プリベークを行い、フォトレジスト２の揮発成分を発散させ、Ｓｉ基板１とフォトレジスト２の間の接着力を高める。
【００２０】
次に、円形が二次元に配列されたパターンのフォトマスクを用いてフォトレジスト２を露光し、次いで現像する。なお、このときのフォトマスクには、例えば、ＶＣＳＥＬアレイ（垂直共振器表面発光半導体レーザが二次元に配列されたアレイ）の各出力窓を作成する際に使用されるフォトマスク（例えば、直径１４μｍの円形を３５μｍピッチで配置した二次元アレイ）と同じものを使用する。現像の後、ポストベークを行い、フォトレジストの接着性及び耐エッチング性を向上させる。これによって、図１（ｂ）に示すように、円柱状のフォトレジスト２ａが二次元に配列されたパターンが形成される。
【００２１】
次に、２００℃の恒温ホットプレートを用いて、このフォトレジスト２ａを加熱してリフローさせる。これによって、図１（ｃ）に示すように、フォトレジストの形状が表面張力の作用で円柱状（２ａ）から凸レンズ状（２ｂ）に変わる。
【００２２】
図２及び図３に、リフロー前後のフォトレジストの形状のＳＥＭ写真を示す。
【００２３】
このようにして凸レンズ状のフォトレジスト２ｂによるパターンが形成されたＳｉ基板１を、反応性イオンエッチング装置の中に収容し、Ｃｌ_２ガスを用いて、図１（ｄ）に示すように、表面側からイオンビームを照射してエッチングを行う。これによって、フォトレジスト２ｂによるパターンを除去するとともに、このフォトレジスト２ｂの三次元形状をＳｉ基板１の表面に転写する。その結果、Ｓｉ基板１の表面にマイクロレンズ３が二次元に配列されたパターンが形成される。
【００２４】
Ｃｌ_２ガスを用いて反応性イオンエッチングを行った場合、フォトレジスト２ｂ（上記のＯＦＰＲ−８００）とＳｉ基板１のエッチング速度がほぼ同等であるので、フォトレジスト２ｂの三次元形状が、ほぼ同じ形状のままＳｉ基板１に転写される。なお、この反応性イオンエッチングの際、反応室内のエッチングガスの組成や圧力を変えることによって、フォトレジストと半導体基板のエッチング速度比を調整することもできる（これについては、後に説明する）。
【００２５】
図４に、反応性イオンエッチングにより形成されたマイクロレンズのＳＥＭ写真を示す。
【００２６】
図５に、反応性イオンエッチングにより形成されたマイクロレンズの形状をＡＦＭ（ａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて測定した結果を示す。なお、この図において、実線が測定値、点線が測定値に近似させた球面形状、一点鎖線が測定値と球面形状の差を表す。
【００２７】
Ｓｉ基板にＣｌ_２ガスを用いて反応性イオンエッチングを行った場合、得られるマイクロレンズ３は、表面が粗く、記録光源からの光（例えば、ＶＣＳＥＬから照射される波長８５０ｎｍの光）の散乱を許容範囲内に収めることができない。このため、下記の処理を施すことによって、マイクロレンズ３の表面を平滑に仕上げる。
【００２８】
反応性イオンエッチングの結果、表面にマイクロレンズ３のパタ−ンが形成されたＳｉ基板を加熱炉に収容し、真空引きを行い、加熱する。所定の温度（例えば、１０００℃）に到達した後、加熱炉内に酸素を循環させて、図１（ｅ）に示すように、Ｓｉ基板１の表面に熱酸化膜４を生成させる。次いで、図１（ｆ）に示すように、Ｓｉ基板１の表面に形成された熱酸化膜４をウエットエッチングで除去する。Ｓｉの熱酸化膜のウエットエッチングは、例えば、ＢＨＦ（緩衝フッ酸溶液）を用いて行う。
【００２９】
Ｓｉ基板１の表面に熱酸化膜４を形成し、次いで、この熱酸化膜４をウエットエッチングで除去すると、Ｓｉ基板１表面の凹凸のピークの尖端が酸化され易いため、ピークの尖端が丸められる。従って、熱酸化膜の形成及びウエットエッチングを行うことによって、マイクロレンズ３の表面を平滑にすることができる。
【００３０】
なお、実験の結果、Ｓｉ基板表面の熱酸化は、始めの数時間は横方向（基板表面に対して平行方向）にも進むが、一定以上酸化が進むと、ほとんど縦方向（基板表面に対して垂直方向）しか進まないことが判明した。従って、短時間（例えば、３時間程度）の熱酸化及びウエットエッチングを複数回（例えば、３回程度）繰り返すことが、マイクロレンズの表面を平滑にするために効果的であることが分かった。
【００３１】
図６に、Ｃｌ_２ガスを用いて反応性イオンエッチングを行った後のマイクロレンズの表面形状を示す。
【００３２】
図７に、熱酸化時間と表面粗さ（酸化膜除去後）の関係を示す。
【００３３】
図８に、熱酸化時間の合計値を一定（１０時間）にした場合の、熱酸化とウエットエッチングの繰り返し数と表面粗さ（酸化膜除去後）の関係を示す。なお、図中、第一のデータ（熱酸化回数＝１）は、１０時間連続して熱酸化を行った後にウエットエチングを行ったもの、第二のデータ（熱酸化回数＝２）は、５時間の熱酸化とウエットエチングを２回繰り返したもの、第三のデータ（熱酸化回数＝３）は、熱酸化（１回目は４時間、２回目と３回目は各３時間）とウエットエチングを３回繰り返したものである。
【００３４】
図９に、熱酸化とウエットエッチングを３回繰り返した時のマイクロレンズの表面形状を示す（４時間酸化→ウエットエッチング→３時間酸化→ウエットエッチング→３時間酸化→ウエットエッチング）。
【００３５】
図１０に、本発明の方法によって製造されるマイクロレンズアレイをＶＣＳＥＬアレイ及びプローブアレイに組み合わせた二次元アレイ光ヘッドの模式図を示す。
【００３６】
反応性イオンエッチングの際、反応室内のエッチングガスの組成や圧力の違いにより、フォトレジストと半導体基板のエッチング速度比を調整し、これによって、形成されるマイクロレンズの表面形状（曲率）を調整することができる。即ち、フォトレジストの形状が高さの低い（即ち、曲率半径が大きい）半球状であっても、半導体基板のエッチング速度が相対的に大きい場合には、半導体基板の表面では高さの高い（即ち、曲率半径が小さい）半球状のマイクロレンズとして転写される。注目すべきは、いずれの場合もフォトレジストの形状が球面である場合には、半導体基板の表面に転写されたマイクロレンズの形状も球面である点である。
【００３７】
図１１及び図１２に、エッチングガスとしてＡｒとＣｌ_２の混合ガスを使用し、Ｃｌ_２の濃度を変化させたときのフォトレジストと半導体基板（ＧａＰ：１１１面）のエッチング速度及び選択比を示す。エッチングガス中のＣｌ_２の濃度が高い場合には、ＧａＰへの反応性が高いため、フォトレジストに対する半導体基板の選択比を制御することが可能である。また、Ｃｌ_２にＡｒを加えると、エッチングされた面の粗さが減少して、典型的には、およそ３ｎｍ（ｒｍｓ）という測定結果が得られている。即ち、λ／２００程度の表面粗さを実現することができる（但し、λは、レンズの材料中での光の波長）。
【００３８】
半導体基板にＧａＰ（１１１面）、エッチングガスとしてＣｌ_２とＡｒの混合ガスを使用した場合、図１２に示したように、エッチング速度は、ＧａＰの方がフォトレジストよりも数倍速い。このため、半導体基板の表面にスピナーによってフォトレジストをコーティングし、これをリフローさせて半球状のフォトレジストを形成したとき、その形状を半導体基板の表面に転写することによって得られるマイクロレンズは、高さが数倍に拡大された半球面レンズとなる。
【００３９】
図１３に、フォトレジストの形状及びマイクロレンズの形状をＡＦＭ（ａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて測定した結果を示す。図１３に示すように、形成されたマイクロレンズの直径は、僅か１０μｍ程度である。直径がこのように小さくなると、球面収差によるビーム・ウエスト・サイズの拡大は、ほとんど無視することができる。何故ならば、球面と非球面との面形状の差異が数１０ｎｍ以下となり、表面粗さ（３ｎｍ）に近付いているからである。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の方法に基づき製造されるマイクロレンズアレイをＶＣＳＥＬアレイ及びプローブアレイと組み合せることによって、超並列の二次元アレイ光ヘッドを構成することができる。この二次元アレイ光ヘッドを使用することにより、連続的な記録再生スピードが１０〜６０Ｇｂｐｓにも達する新方式光ディスクが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づくマイクロレンズアレイの製造工程について説明する図、（ａ）〜（ｆ）は各工程を示す図。
【図２】現像後のフォトレジストの形状を示すＳＥＭ写真。
【図３】リフロー後のフォトレジストの形状を示すＳＥＭ写真。
【図４】反応性イオンエッチングによってフォトレジストの形状を転写した後のマイクロレンズの形状を示すＳＥＭ写真。
【図５】反応性イオンエッチングによってフォトレジストの形状を転写した後のマイクロレンズの形状をＡＦＭを用いて測定した結果を示す図。
【図６】反応性イオンエッチングを行った後のマイクロレンズの表面形状を示す図。
【図７】熱酸化時間と表面粗さ（酸化膜除去後）の関係を示す図。
【図８】熱酸化時間の合計値を一定にした時の、熱酸化とウエットエッチングの繰り返し数と表面粗さ（酸化膜除去後）の関係を示す図。
【図９】熱酸化とウエットエッチングを３回繰り返した時のマイクロレンズの表面形状を示す図。
【図１０】本発明の方法により製造されるマイクロレンズアレイをＶＣＳＥＬアレイ及びプローブアレイと組み合わせた二次元アレイ光ヘッドの断面の模式図。
【図１１】エッチレート対エッチングガス中のＣｌ_２濃度の関係を示す図。
【図１２】選択比対エッチングガス中のＣｌ_２濃度の関係を示す図。
【図１３】フォトレジストの形状及びマイクロレンズの形状をＡＦＭを用いて測定した結果を示す図。
【図１４】二次元アレイ光ヘッドを用いて光ディスク媒体に記録する方法について説明する図。
【符号の説明】
１…Ｓｉ基板（半導体基板）
２…フォトレジスト、
２ａ…円柱状のフォトレジスト、
２ｂ…凸レンズ状のフォトレジスト、
３…マイクロレンズ、
４…熱酸化膜。

Claims

半導体基板の表面にフォトレジストをコーティングし、
円形が二次元に配列されたパターンのフォトマスクを用いてフォトレジストを露光し、次いで現像して、円柱状のフォトレジストが二次元に配列されたパターンを形成し、
このフォトレジストを加熱してリフローさせて、表面張力の作用でフォトレジストの形状を円柱状から凸レンズ状に変え、
このようにして凸レンズ状のフォトレジストによるパターンが形成された半導体基板の表面にイオンビームを照射してエッチングを行い、前記フォトレジストによるパターンを除去するとともにその三次元形状を半導体基板の表面に転写し、これによって、半導体基板の表面にマイクロレンズが二次元に配列されたパターンを形成し、
このようにしてマイクロレンズによるパターンが形成された半導体基板を酸化雰囲気中で加熱して、その表面に熱酸化膜を形成し、
形成された熱酸化膜をウエットエッチングで除去することにより、前記マイクロレンズの表面を平滑にすること、
を特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法。
前記熱酸化の形成及びウエットエッチングのステップを複数回繰り返すことにより、前記マイクロレンズの表面を平滑にすることを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
前記半導体基板は、Ｓｉ基板またはＧａＰ基板であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
前記フォトレジストの三次元形状の半導体基板の表面への転写を、反応性イオンエッチングで行うことを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
前記反応性イオンエッチングをＣｌ_２ガスを用いて行うことを特徴とする請求項４に記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
前記反応性イオンエッチングをＣＦ_４ガスを用いて行うことを特徴とする請求項４に記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
前記反応性イオンエッチングをＡｒとＣｌ_２の混合ガスを用いて行い、その際にＡｒとＣｌ_２の混合比を操作することによりフォトレジストと半導体基板のエッチングの速度比を調整し、これによって、形成されるマイクロレンズの曲率を調整することを特徴とする請求項４に記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
前記熱酸化膜のウエットエッチングを、緩衝フッ酸溶液を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズアレイの製造方法。