JP2005091891A - 微小光学部品、微小光学部品の製造方法及び光学装置 - Google Patents

微小光学部品、微小光学部品の製造方法及び光学装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 基板上に同じ材質からなる微小光学素子とアライメントマークとが形成された微小光学部品において、アライメントマークの端を高精度に検出する。
【解決手段】 基板2と、基板2上に設けられた微小光学素子と、基板2上に微小光学素子と同じ材質で形成されて微小光学素子の位置決めに利用されるアライメントマーク4とを具備する微小光学部品において、アライメントマーク4の断面における角部の領域の幅寸法“R”を、
R≦1.22/ρ
ρ=D/(λL)
ただし、λ:実装工程に用いる装置の観察波長
D:観察系の瞳の大きさ
L:対物レンズと物体の距離
の条件を満たすように形成する。
【選択図】 図3


Description

本発明は、微小光学部品、微小光学部品の製造方法及び光学装置に関する。
微小光学素子としては、マイクロレンズが代表として挙げられ、その他にマイクロミラーやマイクロプリズムなどが挙げられる。マイクロレンズは、その口径を数百μm程度とする場合が一般的であるが、数μmや数mmといったものまで含まれる。
このような微小光学素子は一般的に非常に高い精度の実装が要求される。例えば、光ディスクのピックアップでは、半導体レーザーの光を回折限界まで絞るために、収差の少ない光学系を組む必要があり、その実装精度の要求は数μm以下と非常に高い。このような精度になると、微小光学素子と半導体レーザーなどが実装されているステムやサブマウントとの位置決めを行うアライメントマークが重要な役割を果たす。通常のパッシブアライメントであれば、そのアライメントマークの位置を顕微鏡で観察しながら、微小光学素子を微動させ位置決めを行う。このため、アライメントマークを如何に高精度に観察することができるかが、高精度実装の要の一つとなる。
本発明が適用される微小光学素子は、半導体プロセスによって作製されるものに限定される。つまり、レジスト塗布、フォトリソグラフィによるパターニング、および、エッチングによる転写の各工程を経て作製されるものに限定される。代表的な半導体プロセスの方法としては、リフロー法によるものと、グレースケールマスクによるものとがある(例えば、特許文献1参照)。
特開2000−131508公報
上述した特許文献1に開示されたリフロー法などで基板上に微小光学素子とアライメントマークとを形成する場合には、フォトリソグラフィ時にレジスト層を加熱溶解する工程を含むので、アライメントマークを形成するためのレジスト層も加熱溶解され、鋭利なエッジをもつ形状のアライメントマークを作ることが困難となっている。そのため、アライメントマークの位置を高精度に観察することができなくなり、高精度の実装ができない。
グレースケールマスクは、銀塩フィルムと同様に光によって感光する材料を用いて、その感光する度合いをコントロールすることで、その中間調を表現する。しかし、現状ではそのような表現にはある程度の制約があり、通常は離散的な階調で、階調数としては、数千程度となる。そのため、レンズやミラーなどのような光学的にも平滑な面を作製するために、有限な階調数で作成された凹凸面に対し平滑処理を施す必要がある。これは、例えば、レジストに対する熱処理など、様々な方法がとられる。これにより、この方法を施すことで、鋭利な部分も鈍化することになる。また、グレースケールマスク自体が鋭利な階調分布をもっていても、微小光学素子の高さが大きいものである場合には、鋭利な角を作ることができない。例えば、アライナーを用いた場合であれば、レジスト膜厚が数十μmと厚いため、マスク面とアライメントマークのエッジが作られるレジスト内部とでは数十μmの距離があり、その間にマスクの像はぼやける。そのため、マスクの鋭利な階調分布もレジストに照射されるときには緩やかな階調分布となる。また、ステッパーを用いた場合であっても、同様で、そのフォーカス位置がレジスト表面と内部とで数十μmの距離がある場合には、そのレジスト内部では像がぼやけることになる。これにより、アライメントマークなど鋭利なエッジをもつ形状のものを作ることが困難となっている。そのため、アライメントマーク位置の高精度の観察ができないため、高精度の実装ができない。
図19は、従来のリフロー法やグレースケールマスクを使用した半導体プロセスによって基板101上に光学素子であるマイクロレンズ102とアライメントマーク103とを形成した微小光学部品104である。アライメントマーク103は上面部が緩やかにカーブしており、上面部がこのようにカーブしたアライメントマーク103を顕微鏡で上面方向から観察した場合には、その端が判別しにくい。このため、この微小光学部品104をアライメントマーク103を使用して実装する場合に、その実装精度が低くなる。
本発明の目的は、基板上に同じ材質からなる微小光学素子とアライメントマークとが形成された微小光学部品において、アライメントマークの端を高精度に検出することである。
請求項1記載の発明の微小光学部品は、基板と、前記基板上に設けられた微小光学素子と、前記基板上に前記微小光学素子と同じ材質で形成されて前記微小光学素子の位置決めに利用されるアライメントマークと、を具備し、前記アライメントマークの断面における角部の領域の幅寸法“R”が以下の条件、
R≦1.22/ρ
ρ=D/(λL)
ただし、λ:実装工程に用いる装置の観察波長
D:観察系の瞳の大きさ
L:対物レンズと物体の距離
を満たしている。
通常、光学的にものを観察する場合には、用いられる光学結像系によって決められる解像限界が存在し、この解像限界以上に細かな形状を観察することは不可能である。本発明においても、実装に必要なアライメントマークを用いられる光学結像系の解像限界まで、細かく観察することが望まれる。アライメントマークの端の形状が、用いられる光学結像系の解像限界以下であれば、アライメントマークの端を解像限界まで正確に捉えることができる。
顕微鏡観察ではそのレンズの特性によって、その分解能が決められ、一般的には、レイリーの解像限界によっている。レイリーの解像限界は、光の回折現象による像の分解能を定式的に導いたものである。顕微鏡ではそれに用いるレンズの瞳によって、フランホーファー回折が現れる。円形の開口をモデルとしたその回折像は同心円状のエアリー環とよばれる。このエアリー環がもつ最内側の暗環は半径が1.22λL/Dとなる。無収差レンズの場合には、像の中心間隔がエアリー環の半径と等しくなったときに谷間の高さが中心強度の0.74倍になる。このときを解像の限界として定義した。これが、レイリーの解像限界であり、光学結像系での分解能を示している。
アライメントマークの角部の領域の幅寸法“R”をレイリーの解像限界と同等の線幅とすることで、光学観察での限界の線幅として観察できる。角部の領域の幅寸法“R”がレイリーの解像限界以下の場合にも、顕微鏡で観察される輝度微分値のピークは、レイリーの解像限界以下に細くなることはない。
したがって、R≦1.22/ρ(但し、ρ=D/(λL))とすることにより、アライメントマークを上方から顕微鏡観察したときの輝度微分値において、アライメントマークの端を示すピークがシャープに現れ、アライメントマークの端を高精度に検出することが可能になる。これにより、微小光学部品を実装するときに誤差の少ない高精度の実装が可能になる。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の微小光学部品において、前記アライメントマークの断面における側面領域の幅寸法“T”が以下の条件、1.22/ρ<Tを満たしている。
アライメントマークの側面領域に入射した光は斜め方向に反射され、顕微鏡のレンズには戻ってこないため、その領域での輝度は低くなる。そのため、その側面領域での輝度が低下し、アライメントマークの角部とのコントラストが大きく取れる。特に、輝度微分値では、角部のピークが高くなり、端の決定が容易になる。しかし、この側面領域の幅寸法“T”がレイリーの解像限界より小さい場合には、その側面領域での輝度低下が見られない。そのため、輝度微分値では角部のピークが小さくなる。このため、角部のピークを端の決定に用いることが困難になる。
したがって、1.22/ρ<Tとすることにより、アライメントマークを上方から顕微鏡観察したときの輝度微分値において、アライメントマークの端を示すピークがシャープに現れ、アライメントマークの端を高精度に検出することが可能になる。これにより、微小光学部品を実装するときに誤差の少ない高精度の実装が可能になる。
請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の微小光学部品において、前記アライメントマークの端面部に前記基板の表面と平行な平面部が形成され、前記平面部の幅寸法“S”が以下の条件、1.22/ρ<Sを満たしている。
アライメントマークの端面部が基板の表面に対して平行でなく傾いている場合、アライメントマークの端面部の輝度と基板の表面との輝度が異なり、基板の表面の輝度に合わせてオフセットをかけても、アライメントマークの端面部の輝度は基板の表面とは異なる輝度となる。このため、アライメントマークの角部の輝度微分値が急峻に立ち上がっていても、その両脇にある輝度が異なることで、その角部に当る部分での急峻さが鈍化することになる。例えば、アライメントマークの分面部での輝度が高いと、角部によって作られるピークと重なってしまう。これにより、シャープなピークが作られていても、そのピークは上面のピークと重なりブロードとなり、アライメントマークの端を高精度に決定することができない。
したがって、アライメントマークの端面部が基板の表面と平行にすることで、アライメントマークの端面部の輝度が一定となり、基板の表面の輝度でオフセットをかけることで、基板の表面とアライメントマークの端面部との輝度微分値を0とすることができる。これにより、アライメントマークを上方から顕微鏡観察したときの輝度微分値において、アライメントマークの端を示すピークがシャープに現れ、アライメントマークの端を高精度に検出することが可能になる。これにより、微小光学部品を実装するときに誤差の少ない高精度の実装が可能になる。
請求項4記載の発明は、請求項1ないし3のいずれか一記載の微小光学部品において、前記アライメントマークが直線状に形成されている。
アライメントマークが点である場合には、そこから読み取れるのは位置情報だけであるので、アライメントマークのX軸、Y軸を決定するためには4つ以上のアライメントマークが必要となる。
直線状のアライメントマークは、位置の情報と方向の情報とを同時に持つことができ、少ない数のアライメントマークで高精度の実装が可能になる。
請求項5記載の発明は、請求項4記載の微小光学部品において、直線状の前記アライメントマークが2つ設けられ、2つの前記アライメントマークは長手方向が平行となる向きに配置されている。
したがって、これらの2つのアライメントマークを検出することにより、アライメントマークの長手方向と直交する方向、及び、アライメントマークが設けられている面内での回転方向の位置を決定することができ、高精度の実装が可能になる。
請求項6記載の発明は、請求項4記載の微小光学部品において、直線状の前記アライメントマークが2つ設けられ、2つの前記アライメントマークは長手方向が直交する向きに配置されている。
したがって、これらの2つのアライメントマークを検出することにより、それぞれのアライメントマークの長手方向である直交する2方向の位置を決定することができ、高精度の実装が可能になる。
請求項7記載の発明は、請求項1ないし6のいずれか一記載の微小光学部品において、前記アライメントマークが凸形状である。
したがって、凸形状のアライメントマークを用いた場合において、請求項1ないし6のいずれか一記載の発明と同様の作用を奏する。
請求項8記載の発明は、請求項1ないし6のいずれか一記載の微小光学部品において、前記アライメントマークが凹形状である。
したがって、凹形状のアライメントマークを用いた場合において、請求項1ないし6のいずれか一記載の発明と同様の作用を奏する。さらに、微小光学部品を支持体に実装する場合に、微小光学部品の基板と支持体とを広い面で接触させることが可能となり、微小光学部品の支持体への実装を安定して行える。
請求項9記載の発明の微小光学部品の製造方法は、基板上にレジスト層を形成する工程と、前記レジスト層をフォトリソグラフィでアライメントマーク用のレジストパターンと微小光学素子用のレジストパターンとを形成する工程と、エッチングにより前記レジストパターンを前記基板に転写する工程と、を具備し、前記アライメントマーク用のレジストパターンの高さ寸法“Ha”と、前記微小光学素子用のレジストパターンの高さ寸法“Hb”と、エッチングの高さ寸法“He”とが、“Ha>He>Hb”に設定されている。
したがって、微小光学素子用のレジストパターンの高さ寸法“Hb”が、エッチングの高さ寸法“He”に対し、“He>Hb”であるので、微小光学素子用のレジストパターンの形状はエッチングにより基板に正確に転写される。また、アライメント用のレジストパターンの高さ寸法“Ha”が、エッチングの高さ寸法“He”に対し、“Ha>He”であるので、エッチング終了後も、レジスト層はアライメントマークの上面に残る。これにより、レジスト層が残っていた領域と残っていなかった領域との境界部分であるアライメントマークの角部では鋭利な形状が得られる。そして、アライメントマークを上方から顕微鏡観察したときの輝度微分値において、アライメントマークの端を示すピークがシャープに現れ、アライメントマークの端を高精度に検出することが可能になり、微小光学部品を実装するときに誤差の少ない高精度の実装が可能になる。
請求項10記載の発明の光学装置は、請求項1ないし8のいずれか一記載の微小光学部品と、前記微小光学部品が実装された支持体と、前記支持体に実装された光学素子と、前記光学素子に設けられた光学素子側アライメントマークと、を具備し、前記光学素子側アライメントマークと前記微小光学部品の前記アライメントマークとが一致している。
微小光学部品を利用する場合には、微小光学素子を光学的に機能させるための半導体レーザー、フォトダイオードなどの光学素子が必要である。この時、これらの微小光学部品と光学素子との相対位置を高精度に実装する必要がある。しかし、微小光学部品のアライメントマークの角部が緩やかな曲面では、その実装精度は低下する。
そこで、請求項1ないし8のいずれか一記載の微小光学部品を用いることにより、微小光学部品と光学素子との実装精度を高めることができる。
ここで、光学素子側アライメントマークと微小光学部品のアライメントマークとが一致するとは、これらのアライメントマークが直接接触している状態に限らない。例えば、微小光学部品の基板に対して垂直方向に投影された微小光学部品のアライメントマークの像が光学素子側アライメントマークに一致する場合も含まれる。この状態であれば、顕微鏡で観察し、フォーカス位置をずらすことで、光学素子側アライメントマークと微小光学部品のアライメントマークとが一致していることを確認できる。
請求項11記載の発明は、請求項10記載の光学装置において、前記光学素子は端面型の半導体レーザーであり、前記半導体レーザーのへき開面が前記光学素子側アライメントマークとされている。
微小光学部品のアライメントマークの角部が急峻であっても、それを実装する側の光学素子に加工された光学素子側アライメントマークの角部が緩やかな曲面では、その実装精度は低下する。
端面型の半導体レーザーはその端部をへき開によって加工され、そのへき開面の平面性は非常に高い。このへき開面を光学素子側アライメントマークとして用いることで、明瞭なエッジをもつ光学素子側アライメントマークを低コストで作ることができる。そして、この光学素子側アライメントマークと微小光学部品のアライメントマークとを一致させて微小光学部品と光学素子である半導体レーザーとを実装することにより、微小光学部品と光学素子である半導体レーザーとの高精度の実装が可能になる。
請求項12記載の発明は、請求項10ないし13のいずれか一記載の光学装置において、前記微小光学部品の前記アライメントマークと前記光学素子側アライメントマークとが接触している。
したがって、微小光学部品のアライメントマークと光学素子側アライメントマークとが接触することで、微小光学部品のアライメントマークと光学素子側アライメントマークとは距離が無くなり、顕微鏡観察する場合には、同じフォーカス位置となる。そして、フォーカスをずらすことなくそれぞれのアライメントマークが一致していることを確認でき、フォーカスを動かすときの誤差が生じなくなり、微小光学部品と光学素子との高精度の実装が可能になる。
請求項13記載の発明の光学装置は、請求項1ないし8のいずれか一記載の微小光学部品と、前記微小光学部品が実装された支持体と、前記支持体に実装された光学素子と、前記支持体に設けられた支持体側アライメントマークと、を具備し、前記支持体側アライメントマークと前記微小光学部品の前記アライメントマークとが一致している。
微小光学部品を利用する場合には、微小光学素子を光学的に機能させるための光ファイバーなどの光学素子が必要である。この時、これらの微小光学部品と光学素子との相対位置を高精度に実装する必要がある。しかし、微小光学部品のアライメントマークの角部が緩やかな曲面では、その実装精度は低下する。また、光学素子によっては、その表面にアライメントマークを形成することが困難な場合もある。
そこで、請求項1ないし8のいずれか一記載の微小光学部品を用いることにより、光学素子が実装される支持体と微小光学部品との実装精度を高めることができ、これにより、支持体に実装された光学素子と微小光学部品との実装精度が間接的に向上する。
ここで、支持体側アライメントマークと微小光学部品のアライメントマークとが一致するとは、これらのアライメントマークが直接接触している状態に限らない。例えば、微小光学部品の基板に対して垂直方向に投影された微小光学部品のアライメントマークの像が支持体側アライメントマークに一致する場合も含まれる。この状態であれば、顕微鏡で観察し、フォーカス位置をずらすことで、光学素子側アライメントマークと微小光学部品のアライメントマークとが一致していることを確認できる。
請求項14記載の発明は、請求項13記載の光学装置において、前記光学素子は光ファイバーであり、前記支持体側アライメントマークは前記光ファイバーを実装するために前記支持体に形成されたV溝のエッジである。
光学素子である光ファイバーの表面にはアライメントマークを形成することが困難である。
支持体に形成された光ファイバーを固定するためのV溝は、半導体プロセスの異方性エッチングを使用し、V溝を形成している。V溝は半導体プロセスを利用することで、高い精度で形成することができ、このV溝のエッジを支持体側アライメントマークとして用いることにより、支持体と微小光学部品との実装精度を高めることができ、これにより、V溝に実装された光ファイバーと微小光学部品との実装精度が間接的に向上する。
請求項15記載の発明は、請求項13又は14記載の光学装置において、前記微小光学部品の前記アライメントマークと前記支持体側アライメントマークとが接触している。
したがって、微小光学部品のアライメントマークと支持体側アライメントマークとが接触することで、微小光学部品のアライメントマークと支持体側アライメントマークとは距離が無くなり、顕微鏡観察する場合には、同じフォーカス位置となる。そして、フォーカスをずらすことなくそれぞれのアライメントマークが一致していることを確認でき、フォーカスを動かすときの誤差が生じなくなり、微小光学部品と支持体との高精度の実装が可能になる。
請求項1記載の発明によれば、アライメントマークの端を高精度に検出することができ、これにより、微小光学部品の実装を誤差の少ない高精度に行うことができる。
請求項2記載の発明によれば、アライメントマークの端を高精度に検出することができ、これにより、微小光学部品の実装を誤差の少ない高精度に行うことができる。
請求項3記載の発明によれば、アライメントマークの端を高精度に検出することができ、これにより、微小光学部品の実装を誤差の少ない高精度に行うことができる。
請求項4記載の発明によれば、少ない数のアライメントマークで高精度の実装を行うことができる。
請求項5記載の発明によれば、少ない数のアライメントマークで高精度の実装を行うことができる。
請求項6記載の発明によれば、少ない数のアライメントマークで高精度の実装を行うことができる。
請求項7記載の発明によれば、凸形状のアライメントマークを用いた場合において、請求項1ないし6のいずれか一記載の発明と同様の効果を奏することができる。
請求項8記載の発明によれば、凹形状のアライメントマークを用いた場合において、請求項1ないし6のいずれか一記載の発明と同様の効果を奏することができ、さらに、微小光学部品の支持体への実装を安定させることができる。
請求項9記載の発明によれば、アライメントマークの角部を鋭利な形状に形成することができる。
請求項10記載の発明によれば、微小光学部品と光学素子との実装精度を高めることができる。
請求項11記載の発明によれば、明瞭なエッジをもつ光学素子側アライメントマークを低コストで作ることができる。
請求項12記載の発明によれば、微小光学部品と光学素子とを高精度に実装することができる。
請求項13記載の発明によれば、光学素子が実装される支持体と微小光学部品との実装精度を高めることができ、これにより、支持体に実装された光学素子と微小光学部品との実装精度を間接的に向上させることができる。
請求項14記載の発明によれば、支持体と微小光学部品との実装精度を高めることができ、これにより、V溝に実装された光ファイバーと微小光学部品との実装精度を間接的に向上させることができる。
請求項15記載の発明によれば、微小光学部品と支持体とを高精度に実装することができる。
本発明の第1の実施の形態を図1ないし図5に基づいて説明する。図1は本実施の形態の微小光学部品を示す斜視図、図2はその縦断正面図である。微小光学部品1は、基板2と、基板2上に設けられた微小光学素子である凸形状のマイクロレンズ3と、基板2上に設けられた凸形状のアライメントマーク4とにより形成されている。
マイクロレンズ3は、口径が数百μm、高さが十数μmに形成されている。基板2は石英基板が用いられ、マイクロレンズ3とアライメントマーク4とが基板2と同じ材質で形成されている。このマイクロレンズ3は、半導体レーザー(図示せず)の近傍に設置され、半導体レーザーが発する光を整形することを目的としている。半導体レーザーはサブマウント(図示せず)に実装され、そのサブマウントを実装したステム(図示せず)に微小光学部品1が実装される。
微小光学部品1は半導体レーザーとの相対的位置を誤差の少ない形で実装することが望まれる。その実装精度は数μm程度という高い精度が要求され、それを満たすことによって、収差が少ない高品質の光を利用することができる。また、アライメントマーク4とマイクロレンズ3との相対位置は、マスク作製による電子ビーム描画の誤差であり、その誤差は数十nmと非常に小さく、実質無視することができる。
本実施の形態では、アライメントマーク4の形状を、角部の領域の幅寸法“R”、アライメントマーク4の端面部であって基板2の表面と平行な面である平面部の幅寸法“S”、側面領域の幅寸法“T”のそれぞれを、以下に示す値になるように設計した(図3参照)。なお、“T”は、側面部の寸法“t”と底面部角部の寸法“R′”との合計寸法である。
R<0.5μm
S=50μm
T=10μm
微小光学部品1を実装する際には、アライメントマーク4を顕微鏡観察し、半導体レーザーの外形と合わせる。半導体レーザーはジャンクションダウンに実装し、そのエピタキシャル面にアライメントマーク4を一致させる。また、半導体レーザーの発光点を先に点灯検査し、発光点と半導体レーザー側壁相対距離を確認した後に、それに合わせて、微小光学部品1を実装する。半導体レーザーの側壁面とエピタキシャル面とのなす角は、へき開による加工のため、その角度は結晶軸に合った鋭利な角を持っている。このため、その角における半導体レーザーの位置だしは、顕微鏡の分解能レベルで行える。また、上記条件で作成されたアライメントマーク4は、顕微鏡観察することでその端を高精度に読み取ことができる。その際に利用した顕微鏡は、口径10mmのレンズ、倍率が100倍、f=10mm程度のものを利用した。観察はランプ光を利用し、その中心波長は500nmである。これにより、レイリーの解像限界Liは0.61μm程度となり、Li>R、Li<S、Li<T、の条件を同時に満たすことになる。
これによって、アライメントマーク4を上方から顕微鏡で観察したときの輝度、輝度微分値は図4に示すようになる。この状態であれば、そのアライメントマーク4の端を検出する正確さは0.61μmレベルになり、実際の実装において問題がない。
<製造方法>
微小光学部品1はフォトリソグラフィプロセス、ドライエッチングプロセスなどの半導体プロセスによって作製される。以下にその製造方法を図5を参照して説明する。
(1)フォトリソプロセス
図5(a)に示すように、基板2の上にレジスト層5を形成する。このレジスト層5の形成は、基板2として用いる石英基板を洗浄し、その表面にスピンコーターを用いてレジストを塗布し、レジストを塗布した基板2をオーブンに入れて第1のベークを行い、レジスト層5を形成する。レジストの塗布に際してスピンコーターを用いることで、その膜厚を任意にかつ均一に形成することが可能となる。レジスト層5の膜厚はそのレンズ形状に合わせて設計する。
レジスト層5を形成した後、図5(b)に示すようにレジスト層5の上にグレースケールマスク6を配置し、レジスト層5を露光する。露光後にレジスト層5を現像液で現像し、図5(c)に示すように、マイクロレンズ用のレジストパターン7とアライメントマーク用のレジストパターン8とを形成し、その後に第2のベークを行う。
ここで、グレースケールマスク6の階調は千程度であり、これによってレジストパターン7,8の高さを設計することができる。ポジレジストの場合には、グレースケールマスク6の明るい部分のレジスト層5は露光現像によって削られ、レジスト層5の厚さが薄くなる。また同様にグレースケールマスク6の暗い部分は、露光現像してもレジスト層5は厚く残る。この原理を利用してレジスト層5から3次元形状のレジストパターン7,8を形作ることができる。例えば、ポジレジストを利用して、凸型レンズ形状を作る場合には、グレースケールマスク6の中心値を暗くし、周辺部分を明るくすることで、凸型のレジストパターン7を形成することができる。
第2のベークは、グレースケールマスク6によって生じるレジストパターン7,8の表面の荒れを低減するものである。グレースケールマスク6は階調数にして千近くあり、これによって、作られるレジストパターン7,8にも同様にその階調による凹凸が現れる。例えば、数十μmの高さのレジストパターン7,8を1000階調で表現した場合、1階調分には数十nmの凹凸が現れる。この凹凸を除去するために、レジストパターン7.8が融解する直前まで温度を上げる第2ベークを施す。これにより、レジストパターン7.8の表面は光学的な利用に耐えうる平坦性を確保できる。しかし、この工程によって、鋭利な部分は緩やかになる。そして、このレジストパターン8をエッチングしてそのまま基板2に転写することによりアライメントマーク4を形成した場合、アライメントマーク4のエッジが緩やかになり、数μmオーダーの位置決めに用いることは困難になる。
(2)エッチングプロセス
先に作成されたレジストパターン7,8の形状を石英の基板2に転写する工程がエッチングプロセスである。エッチングプロセスには、ウェットエッチングやドライエッチングなどがあるが、本実施の形態では、ドライエッチング方法を採用した。ドライエッチングはフッ素系などの反応性ガスをプラズマ化し、石英などを選択的にエッチングする手法である。エッチング高さはエッチング時間を制御することでコントロールすることができる。本実施の形態では、アライメントマーク用のレジストパターン8の高さ寸法“Ha”とマイクロレンズ用のレジストパターン7の高さ寸法“Hb”とに対し、エッチングの高さ寸法“He”が、Ha>He>Hbとなるように設定されている。
これにより、図5(d)に示すように、アライメントマーク4の上面にレジストパターン8の一部が残った状態でエッチングが終了する。エッチング終了後、残ったレジストパターン8を除去することにより、アライメントマーク4とマイクロレンズ3とを有する微小光学部品1が完成する(図5(e))。これにより、レジストパターン8の残りがあった領域となかった領域との境には明瞭な段差ができる。これがアライメントマーク4の断面に見られる角部の領域となる。このように作られた角部の領域は非常に狭く、数百nmとなる。これにより、R<Liを十分に満たすことになる。
本発明の第2の実施の形態を図6ないし図8に基づいて説明する。なお、第1の実施の形態で説明した部分と同じ部分は同じ符号で示し、説明も省略する(以下の実施の形態でも同じ)。図6は本実施の形態の微小光学部品を示す縦断正面図である。この微小光学部品11は、基板2と、基板2上に設けられた微小光学素子である凹形状のマイクロレンズ12と、基板2上に設けられた凹形状のアライメントマーク13とにより形成されている。
マイクロレンズ12は、口径が数百μm、高さが十数μmに形成されている。基板2は石英基板が用いられ、この基板2に対して凹形状の凹みを形成することによりマイクロレンズ12とアライメントマーク13とが形成されている。このマイクロレンズ12は半導体レーザー(図示せず)の近傍に設置され、半導体レーザーが発する光を整形することを目的としている。半導体レーザーはサブマウント(図示せず)に実装され、そのサブマウントを実装したステム(図示せず)に微小光学部品11が実装される。
微小光学部品11は半導体レーザーとの相対的位置を誤差の少ない形で実装することが望まれる。その実装精度は数μm程度という高い精度が要求され、それを満たすことによって、収差が少ない高品質の光を利用することができる。また、アライメントマーク13とマイクロレンズ12との相対位置は、マスク作製による電子ビーム描画の誤差であり、その誤差は数十nmと非常に小さく、実質無視することができる。
本実施の形態では、アライメントマーク13の形状を、角の領域の幅寸法“R”、アライメントマーク13の端面部であって基板2の表面と平行な面である平面部の幅寸法“S”、側面領域の幅寸法“T”のそれぞれを以下に示す値になるように設計した。
R<0.5μm
S=50μm
T=10μm
微小光学部品11を実装する際には、アライメントマーク13を顕微鏡観察し、半導体レーザーの外形と合わせる。半導体レーザーはジャンクションダウンに実装し、そのエピタキシャル面にアライメントマーク13を一致させる。また、半導体レーザーの発光点を先に点灯検査し、発光点と半導体レーザー側壁相対距離を確認した後に、それに合わせて、微小光学部品11を実装する。半導体レーザーの側壁面とエピタキシャル面とのなす角は、へき開による加工のため、その角度は結晶軸に合った鋭利な角を持っている。このため、その角における半導体レーザーの位置だしは、顕微鏡の分解能レベルで行える。また、上記条件で作成されたアライメントマーク13は、顕微鏡観察することでその端を高精度に読み取ことができる。その際に利用した顕微鏡は、口径10mmのレンズ、倍率が100倍、f=10mm程度のものを利用した。観察はランプ光を利用し、その中心波長は500nmである。これにより、レイリーの解像限界Liは0.61μm程度となり、Li>R、Li<S、Li<T、の条件を同時に満たすことになる。
<製造方法>
微小光学部品11はフォトリソグラフィプロセス、ドライエッチングプロセスなどの半導体プロセスによって作製される。以下にその製造方法を図7を参照して説明する。
(1)フォトリソプロセス
フォトリソグラフィに用いるマスクには、グレースケールマスク6を利用し、基板2として石英基板を用いる。石英基板を洗浄し、その表面にレジスト層5を形成する。このレジスト層5の形成に際しては、スピンコーターを用いてレジストを塗布し、レジストを塗布した石英基板をオーブンに入れて第1のベークを行い、レジスト層5を形成する(図7(a))。
次に、レジスト層5の上にグレースケールマスク6を配置し、露光する(図7(b))。露光後にレジスト層5を現像液で現像し、図7(c)に示すような凹形状のレジストパターン7a,8aを形成する。レジストパターン7aはマイクロレンズ12を形成するためのものであり、レジストパターン8aはアライメントマーク13を形成するためのものである。その後に、第2のベークを行う。この第2のベークは、グレースケールマスク6によって生じるレジストパターン7a,8aの表面の荒れを低減するものである。
(2)エッチングプロセス
本実施の形態では、アライメントマーク用のレジストパターン8aの高さ寸法“Ha”と、マイクロレンズ用のレジストパターン7aの高さ寸法“Hb”とに対し、エッチングの高さ寸法“He”が、Ha>He>Hbとなるように設定されている。このとき、高さの基準面は基板上方部に位置し、図7(c)に示すように定義される。ただし、レジスト層5での高さで定義しており、第1の実施の形態で示したエッチング後の高さとは数値的に異なる。どちらの定義でも、Ha>He>Hbの関係式は変わらない。
エッチング工程では、エッチング時間を制御することにより、アライメントマーク13の上面にレジスト層5が残った状態でエッチングを終了させる(図7(d))。エッチング終了後、残ったレジスト層5を除去することにより、マイクロレンズ12とアライメントマーク13とを有する微小光学部品11が完成する(図7(e))。これにより、レジスト層5の残りがあった領域となかった領域との境には明瞭な段差ができる。これがアライメントマーク13の断面に見られる角領域となる。このように作られた角領域は非常に狭く、数百nmとなる。これにより、R<Liを十分に満たすことになる。
さらに、アライメントマーク13を凹形状とすることにより、図8に示したように、この微小光学部品11を支持体14に実装する場合に、微小光学部品11の基板2と支持体14とを広い面で接触させることが可能となり、微小光学部品11と支持体14とが実装箇所で傾きを生じにくくなり、微小光学部品11の支持体14への実装を安定して行える。
本発明の第3の実施の形態を図9に基づいて説明する。本実施の形態の微小光学部品21は、第1の実施の形態又は第2の実施の形態で説明した製造方法を用い、基板2上に微小光学素子であるマイクロレンズ22と直線状の2つのアライメントマーク23とが形成されている。2つのアライメントマーク23は長手方向が平行となる向きに配置されている。
したがって、アライメントマーク23を直線状に形成することにより、そのアライメントマーク23は位置の情報と方向の情報とを同時にもつことができる。このため、これらの2つのアライメントマーク23を検出することにより、アライメントマーク23の長手方向と直交する方向、及び、アライメントマーク23が設けられている面内での回転方向の位置を決定することができ、微小光学部品21を高精度に実装することが可能になる。
本発明の第4の実施の形態を図10に基づいて説明する。本実施の形態の微小光学部品31は、第1の実施の形態又は第2の実施の形態で説明した製造方法を用い、基板2上に微小光学素子であるマイクロレンズ32と直線状の2つのアライメントマーク33とが形成されている。2つのアライメントマーク33は長手方向が直交する向きに配置されている。
したがって、アライメントマーク33を直線状に形成することにより、そのアライメントマーク33は位置の情報と方向の情報とを同時にもつことができる。このため、これらの2つのアライメントマーク33を検出することにより、それぞれのアライメントマーク33の長手方向である直交する2方向の位置を決定することができ、微小光学部品31を高精度に実装することが可能になる。
<比較例>
以下に、上述した第1の実施の形態のアライメントマーク4に対し、角の領域の幅寸法“R”、平面部の幅寸法“S”、側面領域の幅寸法“T”等を変えたアライメントマークを作成し、そのアライメントマークの端を高精度に検出できるか否かの実験を行った比較例について説明する。
<比較例1>
本比較例1では、アライメントマークの高さと、マイクロレンズの高さとをほぼ同程度にし、その両方の高さより多くエッチングを行った。そのため、アライメントマークの端面部は曲面となった(図11参照)。R、S、Tのそれぞれの値は以下のようになった。
R=10μm
S=10μm
T=10μm
<観測結果>
観測された輝度微分値は図11のようになる。角領域でのピークは、角領域の約半分程度の位置となる。実際には適当な閾値を決めて、端の位置だしを行うが、その誤差はピークの左半分の傾斜分になり、その大きさにして5μm程度の誤差となる。これにより、高精度の実装ができない。
<比較例2>
本比較例2では、図12に示すように、R、S、Tのそれぞれの値を以下のように設計した。
R=1μm
S=50μm
T=0.5μm
このように、Tが極端に小さくなる場合としては、アライメントマークの高さが非常に低い場合である。実際にマイクロレンズの高さが数μmの場合などは、そのアライメントマークの高さも同等なり、その側面領域の幅寸法Tは数百nmとなってしまう。
<観測結果>
得られる輝度微分値において、側面領域が観測されない。通常、側面部分は輝度が低下した暗い部分として観測されるが、本比較例2では側面領域がレイリーの解像限界より小さいので、観測されない。そのため輝度微分値は図12のようになる。輝度微分値が0を通る個所は存在するが、ピークと谷とが小さいため、ノイズにまぎれてしまう。このため、アライメントマークの端を精度良く決定することができない。
<比較例3>
本比較例3では、図13に示すように、R、S、Tのそれぞれの値を以下のように設計した。
R=1μm
S=50μm(ただし、平面部は基板の表面と平行ではない)
T=2μm
<観測結果>
観測される輝度微分値は図13に示すようになり、その角部のピークと谷が小さくなる。これは、上端の平面部において、その輝度が基板の輝度と異なるため、その微分値が0とならない。このため、ピークと谷とを検出しにくくなり、アライメントマークの端を決定できない。
<比較例4>
本比較例4では、図14に示すように、R、S、Tのそれぞれの値を以下のように設計した。
R=1μm
S=0.5μm
T=2μm
<観測結果>
図14に示すように輝度微分値において、角部によるピークはシャープであるが、両端のピークが重なり、結果として、その幅はブロードになる。そのため、アライメントマークの端を決定することが難しく、誤差を大きく含む。
本発明の第5の実施の形態を図15及び図16に基づいて説明する。本実施の形態は、微小光学部品41を備えた光学装置42である。光学装置42は、光学素子である半導体レーザー43、微小光学部品41、半導体レーザー43が実装されたサブマウント44、サブマウント44と微小光学部品41とが実装された支持体であるステム45等により構成されている。微小光学部品41は、基板2の一面に微小光学素子であるマイクロレンズ46と2つのアライメントマーク47とが形成され、さらに、基板2の他の一面に第2のマイクロレンズ48が形成されている。マイクロレンズ46と第2のマイクロレンズ48とは、光軸を一致させて形成され、これらのマイクロレンズ46,48によって、半導体レーザー43が発した拡散光が平行光へ変換される。
アライメントマーク47は、上述した各実施の形態で説明したように、エッジが明瞭に観察できる形状に形成されている。また、マイクロレンズ46とアライメントマーク47とは、基板2に凹形状の溝を形成し、その溝の中に凸形状に形成されている。これにより、マイクロレンズ46の頂点は基板2におけるサブマウント44に接する表面より低くなるように設計され、アライメントマーク47は、実装により光学素子側アライメントマーク50と接触するように設計されている。
基板2におけるサブマウント44に対向する面にはUV硬化樹脂の注入溝49が形成され、この注入溝49にUV硬化樹脂が注入され、微小光学部品41がサブマウント44に対して接着されている。
半導体レーザー43には、微小光学部品41を実装する場合にアライメントマーク47と位置合わせされる光学素子側アライメントマーク50が形成され、半導体レーザー43におけるへき開面が光学素子側アライメントマーク50とされている。また、アライメントマーク47と光学素子側アライメントマーク50とは実装により接触するように形成されている。
<製造方法>
石英の基板2の表面にグレースケールマスクを用いたフォトリソグラフィによりマイクロレンズ46,48とアライメントマーク47とを形成する。
半導体レーザー43は、へき開によって外形加工されたものを用いる。半導体レーザー43はジャンクションダウンとして、エピタキシャル面を下にしてサブマウント44に実装する。サブマウント44の側面と半導体レーザー43のへき開面とは、平行になるように実装する。この作業はダイボンダーを用い、顕微鏡で観察することで、高精度に実装することができる。顕微鏡ではサブマウント44の側面とへき開面とを同時に観察しながら行うことでこの精度を出すことができる。このように実装されたサブマウント44と半導体レーザー43のへき開面とは数百nmオーダーで一致する。
次にサブマウント44を90度回転させ、半導体レーザー43のへき開面が水平になるようにする。この面に微小光学部品41を載せる。この時、ダイボンダーの吸着コレットをマイクロメーターでX軸Y軸方向に移動することで、高精度の実装が可能となる。
<Y軸方向のアライメント>
半導体レーザー43はジャンクションダウンとして、上側を光学部材裏面とし、下側をエピタキシャル面とした。このエピタキシャル面と発光点との距離は精度数十nmオーダーで、設計製造されている。このため、微小光学部品41に形成されたアライメントマーク47をこのエピタキシャル面のへき開面(光学素子側アライメントマーク50)に当接させてアライメントすることで、1μm以下の精度を出すことが可能なる。
<X軸方向のアライメント>
発光点から半導体レーザー43の側面までの距離は、それぞれ半導体レーザー43の個体差によって異なる。これは半導体レーザー43の側面がへき開面であることによっており、その精度は数十μmオーダーとなり、これに合わせて実装することはできない。そこで、実装する前に、それぞれの半導体レーザー43の発光点からの半導体レーザー43の側面までの距離を測定しておく。エピタキシャル面を観察することで、発光させることなく、半導体レーザー43の発光点の位置を側面からの相対距離として測定することができる。この距離に対応して、アライメントマーク47を所望の距離にアライメントし実装する。以上の示す製造方法により、高い実装が可能になる。
本発明の第6の実施の形態を図17及び図18に基づいて説明する。本実施の形態は、微小光学部品41を備えた光学装置51である。光学装置51は、光学素子である光ファイバー52、微小光学部品41、微小光学部品41と光ファイバー52とが実装された支持体53等により構成されている。支持体53には光ファイバー52を実装するためのV溝54が形成されている。微小光学部品41には、第5の実施の形態で説明したように、マイクロレンズ46,48、アライメントマーク47が形成されている。
支持体53には、微小光学部品41を実装する場合にアライメントマーク47と位置合わせされる支持体側アライメントマーク55が形成され、V溝54のエッジが支持体側アライメントマーク55とされている。また、アライメントマーク47と支持体側アライメントマーク55とは実装により接触するように形成されている。
<製造方法>
支持体53には、Siなどの結晶が利用され、半導体プロセスの異方性エッチングを使用し、V溝54を形成している。V溝54は半導体プロセスを利用することで、高い精度で形成することができ、このV溝54には光ファイバー52が高精度に実装される。支持体53の側面は、支持体53を構成している結晶の結晶方向に合わせられている。これはへき開の加工方向であり、簡便に製造することが可能である。
初めに、支持体53と微小光学部品41とを実装する。実装時において、アライメントマーク47と支持体側アライメントマーク55とを高精度に位置合わせする。この実装時には、支持体53と微小光学部品41の基板2とを当接させ、微小光学部品41を平行移動する。この時、ダイボンダーの吸着コレットをマイクロメーターでX軸Y軸方向に移動することで、高精度の実装が可能となる。実装の目標は、微小光学部品41に形成されているアライメントマーク47と支持体53に形成されている支持体側アライメントマーク(V溝54のエッジ)55とを一致させることである。
V溝54は、Siの半導体プロセスを利用することで、マスク製造精度での位置精度が保証されており、支持体側アライメントマーク55が高精度に形成されている。また、微小光学部品41に形成されているアライメントマーク47もその端部を誤差が少なく観察できるように形成されているので、これらのアライメントマーク47と支持体側アライメントマーク55を用いることにより支持体53と微小光学部品41とを高精度に実装することができ、支持体53に実装される光ファイバー52と微小光学部品41との実装精度が間接的に向上する。
本発明の第1の実施の形態の微小光学部品を示す斜視図である。 その縦断正面図である。 アライメントマークの形状を示す縦断正面図である。 アライメントマークの形状、顕微鏡観察で観察した輝度、輝度微分値を示す説明図である。 微小光学部品の製造工程を示す縦断正面図である。 本発明の第2の実施の形態の微小光学部品を示す縦断正面図である。 微小光学素子の製造工程を示す縦断正面図である。 微小光学素子の支持体への実装形態を示す縦断正面図である。 本発明の第3の実施の形態の微小光学部品を示す平面図である。 本発明の第4の実施の形態の微小光学部品を示す平面図である。 比較例1におけるアライメントマークの形状、顕微鏡観察で観察した輝度、輝度微分値を示す説明図である。 比較例2におけるアライメントマークの形状、顕微鏡観察で観察した輝度微分値を示す説明図である。 比較例3におけるアライメントマークの形状、顕微鏡観察で観察した輝度微分値を示す説明図である。 比較例4におけるアライメントマークの形状、顕微鏡観察で観察した輝度微分値を示す説明図である。 本発明の第5の実施の形態の光学装置を示す側面図である。 その正面図である。 本発明の第6の実施の形態の光学装置を示す側面図である。 その正面図である。 従来例の微小光学部品を示す縦断正面図である。
符号の説明
1 微小光学部品
2 基板
3 微小光学素子
4 アライメントマーク
11 微小光学部品
12 微小光学素子
13 アライメントマーク
21 微小光学部品
22 マイクロレンズ
23 アライメントマーク
31 微小光学部品
32 微小光学素子
33 アライメントマーク
41 微小光学部品
42 光学装置
43 光学素子、半導体レーザー
45 支持体
46 微小光学素子
47 アライメントマーク
50 光学素子側アライメントマーク
51 光学装置
52 光学素子、光ファイバー
53 支持体
55 支持体側アライメントマーク

Claims (15)

  1. 基板と、
    前記基板上に設けられた微小光学素子と、
    前記基板上に前記微小光学素子と同じ材質で形成されて前記微小光学素子の位置決めに利用されるアライメントマークと、を具備し、
    前記アライメントマークの断面における角部の領域の幅寸法“R”が以下の条件、
    R≦1.22/ρ
    ρ=D/(λL)
    ただし、λ:実装工程に用いる装置の観察波長
    D:観察系の瞳の大きさ
    L:対物レンズと物体の距離
    を満たしている微小光学部品。
  2. 前記アライメントマークの断面における側面領域の幅寸法“T”が以下の条件、
    1.22/ρ<T
    を満たしている請求項1記載の微小光学部品。
  3. 前記アライメントマークの端面部に前記基板の表面と平行な平面部が形成され、前記平面部の幅寸法“S”が以下の条件、
    1.22/ρ<S
    を満たしている請求項1又は2記載の微小光学部品。
  4. 前記アライメントマークが直線状に形成されている請求項1ないし3のいずれか一記載の微小光学部品。
  5. 直線状の前記アライメントマークが2つ設けられ、2つの前記アライメントマークは長手方向が平行となる向きに配置されている請求項4記載の微小光学部品。
  6. 直線状の前記アライメントマークが2つ設けられ、2つの前記アライメントマークは長手方向が直交する向きに配置されている請求項4記載の微小光学部品。
  7. 前記アライメントマークが凸形状である請求項1ないし6のいずれか一記載の微小光学部品。
  8. 前記アライメントマークが凹形状である請求項1ないし6のいずれか一記載の微小光学部品。
  9. 基板上にレジスト層を形成する工程と、
    前記レジスト層をフォトリソグラフィでアライメントマーク用のレジストパターンと微小光学素子用のレジストパターンとを形成する工程と、
    エッチングにより前記レジストパターンを前記基板に転写する工程と、を具備し、
    前記アライメントマーク用のレジストパターンの高さ寸法“Ha”と、前記微小光学素子用のレジストパターンの高さ寸法“Hb”と、エッチングの高さ寸法“He”とが、“Ha>He>Hb”に設定されている微小光学部品の製造方法。
  10. 請求項1ないし8のいずれか一記載の微小光学部品と、
    前記微小光学部品が実装された支持体と、
    前記支持体に実装された光学素子と、
    前記光学素子に設けられた光学素子側アライメントマークと、を具備し、
    前記光学素子側アライメントマークと前記微小光学部品の前記アライメントマークとが一致している光学装置。
  11. 前記光学素子は端面型の半導体レーザーであり、前記半導体レーザーのへき開面が前記光学素子側アライメントマークとされている請求項10記載の光学装置。
  12. 前記微小光学部品の前記アライメントマークと前記光学素子側アライメントマークとが接触している請求項10又は11のいずれか一記載の光学装置。
  13. 請求項1ないし8のいずれか一記載の微小光学部品と、
    前記微小光学部品が実装された支持体と、
    前記支持体に実装された光学素子と、
    前記支持体に設けられた支持体側アライメントマークと、を具備し、
    前記支持体側アライメントマークと前記微小光学部品の前記アライメントマークとが一致している光学装置。
  14. 前記光学素子は光ファイバーであり、前記支持体側アライメントマークは前記光ファイバーを実装するために前記支持体に形成されたV溝のエッジである請求項13記載の光学装置。
  15. 前記微小光学部品の前記アライメントマークと前記支持体側アライメントマークとが接触している請求項13又は14記載の光学装置。
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