JP2007219303A

JP2007219303A - マイクロレンズ用型の製造方法

Info

Publication number: JP2007219303A
Application number: JP2006041346A
Authority: JP
Inventors: Irizou Nanba; 入三難波; Shigeo Nakamura; 滋男中村; Masatoshi Kanamaru; 昌敏金丸
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2007-08-30
Also published as: KR20070082853A; CN101025445A; US20070194472A1; KR100815221B1

Abstract

【課題】任意の非球面を有する表面が平滑なマイクロレンズであって、レンズ径が1mm以下で厚さが0.5mm以上といった寸法を有する非球面マイクロレンズを製造するための型の製造方法を提供する。
【解決手段】単結晶シリコン基板上に、２層のマスク層を形成し、第１のマスク層を用いて異方性エッチング及び等方性エッチングを行い所望のマイクロレンズ用型よりもやや径の小さい凹部を形成した後に、第２のマスク層を用いて等方性エッチングを行ってその凹部を拡大することにより、所望の寸法のマイクロレンズ用型を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロレンズを成型するための型を製造する方法に関し、特に、レンズ径1mm以下の微小な非球面マイクロレンズの成型に用いる型の製造方法に関するものである。

従来、マイクロレンズ用型の製造方法に係わる公知技術としては、例えば、ガラス平板表面にマスク層を形成し、作製するレンズ個数と同数の円形の微細な開口部を、作製するレンズ位置に対応して前記マスク層に設け、前記開口部を化学的にエッチングすることで略半球面状の凹部を形成した後、前記マスク層を全て取り除き、前記凹部の形成された平板表面に改めてマスク層を形成し、前記凹部に対応する位置に、前記凹部開口径よりも大きな円形の開口部を前記マスク層に設け、該開口部を通して平板表面を更にエッチングし、前記マスク層を取り除いた後、平板表面全体をエッチングして製造するという方法が知られている（特許文献１参照）。これにより、表面が平滑な複合球面を有するマイクロレンズ用型を高精度に製造できる。また、マスク層を形成する回数を増やせば、さらに多くの球面を有することが可能となる。

一方で、非球面マイクロレンズの製造方法に係わる公知技術としては、例えば、SiO₂基板上にNb₂O₅膜をスパッタ蒸着し、このNb₂O₅膜の上にフォトレジスで円筒状のパターンを形成し、ポストベークを行って前記円筒状のパターンを半球状に変化させた後、エッチングガスの混合比を調整しながらプラズマエッチングを行うことにより、Nb₂O₅膜にレンズ形状を転写するという方法が知られている（非特許文献１参照）。

特開平７−６３９０４号公報 OplusE Vol.24, No7 (2002年7月) P719〜P723

近年では光ディスクの高記録密度化、光ディスク装置の小型化が進む中で、レンズ径が微小でかつ厚みのある非球面のマイクロレンズの製造が期待されている。具体的には、レンズ径が1mm以下で厚さが0.5mm以上といった寸法を有する非球面マイクロレンズが実現されるのが望ましいとされている。

しかしながら、上記特許文献１に記載のマイクロレンズ用型の製造方法では、レンズ１個に対して１個の開口部を設け、そこから等方的にエッチングを行い半球面状の凹部を形成し、この半球面状の凹部をレンズ型とする製法であるため、球面収差を補正するのに優れている非球面レンズの型を製造することができない。また、非特許文献１に記載の非球面マイクロレンズの製造方法では、レンズ径300mmに対して厚さが50mm程度の薄いレンズしか製造できない。

一般的に、マイクロレンズは成型用の型を用いて製造されるものであるが、上記したようなマイクロレンズの寸法に対応する型を製造する技術は現在確立されていない。

そこで、本発明の目的は、任意の非球面を有する表面が平滑なマイクロレンズであって、レンズ径が1mm以下で厚さが0.3mm以上といった寸法を有する非球面マイクロレンズを製造するための型を製造する方法を提供しようとするものである。

上記解決課題に鑑みて鋭意研究の結果、本発明者は、単結晶シリコン基板上に、２層のマスク層を形成し、第１のマスク層を用いて異方性エッチング及び等方性エッチングを行い所望のマイクロレンズ用型よりもやや径の小さい凹部を形成した後に、第２のマスク層を用いて等方性エッチングを行ってその凹部を拡大することにより、所望の寸法のマイクロレンズ用型が得られることに想到した。

すなわち、本発明は、任意の非球面を有し、かつ、厚さがレンズ口径の半分より大きいマイクロレンズを製造するための型の製造方法であって、シリコン基板上に当該型の凹部よりも径の小さい円形領域を包囲する形状の一のマスク層を形成し、さらに、前記円形領域上に径の異なる複数の円形開口部を有する他のマスク層を形成し、前記複数の円形開口部を通じて、前記円形領域内のシリコン基板に対して異方性ドライエッチングを行うことにより、前記シリコン基板に各円形開口部の径に応じた深さの複数の穴を形成し、前記複数の円形開口部を通じて、前記円形領域内のシリコン基板に対して等方性エッチングを行うことにより、前記複数の穴の側壁を除去して穴同士を融合し、前記他のマスク層を除去した後に、前記一のマスク層の前記円形領域を通じて、前記穴同士が融合して形成された凹部に対して等方性エッチングを行うことにより、当該凹部を拡大させるとともに表面を平滑化した後、前記一のマスク層を除去することを含む方法を提供するものである。

本発明は、また、任意の非球面を有し、かつ、厚さがレンズ口径の半分より大きいマイクロレンズを製造するための型の製造方法であって、シリコン基板上に当該型の凹部よりも径の小さい円形領域を包囲する形状の一のマスク層を形成し、さらに、前記円形領域上に径の異なる複数の円形開口部を有する他のマスク層を形成し、前記複数の円形開口部を通じて、前記円形領域内のシリコン基板に対して異方性ドライエッチングを行うことにより、前記シリコン基板に各円形開口部の径に応じた深さの複数の穴を形成し、前記他のマスク層を除去した後に、前記一のマスク層の前記円形領域を通じて等方性エッチングを行うことにより、前記複数の穴の側壁を除去して穴同士を融合して凹部を形成し、前記凹部が形成された後、前記一のマスク層を除去することを含む方法を提供するものである。

本発明のマイクロレンズ用型の製造方法では、前記一のマスク層を除去した後に、前記マイクロレンズ用型の表面に、レンズ材に対して剥離性の良い膜を形成することを特徴とする。

本発明のマイクロレンズ用型の製造方法では、前記一のマスク層を除去した後に、前記マイクロレンズ用型の表面に、型材であるシリコンをエッチングするガス又は液体に腐食され難い膜を形成することを特徴とする。

さらに、本発明のマイクロレンズ用型の製造方法により製造されたマイクロレンズ用型を用いて、マイクロレンズを成型する方法であって、前記マイクロレンズ用型の任意の非球面を有する表面の形状をレンズ材に転写した後、前記マイクロレンズ用型の前記表面とは反対側の面に対してエッチングを行ってシリコン基板を除去し、さらに前記表面に形成された膜を除去することにより、マイクロレンズを成型する方法が提供される。

以上、説明したように、本発明のマイクロレンズ用型の製造方法によれば、従来実現不可能であった、任意の非球面を有する表面が平滑なマイクロレンズであって、レンズ径が1mm以下で厚さが0.3mm以上といった寸法を有する非球面マイクロレンズを製造することが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明のマイクロレンズ用型の製造方法を実施するための最良の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態として、マイクロレンズ用型の製造工程の流れを概略的に示す図である。

まず、図１（ａ）に示すように、単結晶シリコン基板１上に、第１のマスク層２及び第２のマスク層３からなる２層のエッチング用マスクを形成する。まず、単結晶シリコン基板１上に、アルミのスパッタ蒸着膜からなる第２のマスク層３を形成し、さらにシリコンの酸化膜からなる第１のマスク層２を形成する。ここで、第２のマスク層３は、シリコン基板１上の型を製造しようとしている領域よりも径の小さい円形領域を包囲するようにして形成する。第１のマスク層２は、この円形領域及び周囲に形成された第２のマスク層３の上に形成される。その後、前記円形領域の上に第１のマスク層２が形成された領域に、ホトリソグラフィーによりレンズ１個に対して径の異なる複数の円形開口部を有するレジストパターンを形成し、このレジストパターンを用いて第１のマスク層２のエッチングを行い、レンズ１個に対して径の異なる複数の円形開口部４を形成する。

次に、図１（ｂ）に示すように、単結晶シリコン基板１のマスク層が形成された面を加工面として、第１のマスク層２に形成された円形開口部４の開口パターンを用いて、異方性ドライエッチングでシリコン基板１に複数の穴５を形成する。このときマイクロローディング効果により、穴の深さは対応するマスク層の円形開口部の径が大きいほど深くなり、長時間エッチングするほど、円形開口部の径の大きさによる穴の深さの差は大きくなる。このため、第１のマスク層２に形成する円形開口部４は、レンズ中心部に対応する場所ほど径の大きな寸法を有するように設計している。このマイクロローディング効果は、マスク層の円形開口部４の径がある一定の大きさ以上になると発生しない。本実施形態では、円形開口部４の径は、5μmから40μmとしている。

本実施形態における異方性ドライエッチングの条件は、以下の通りである。
エッチングガス（SF6）流量：120sccm側壁保護膜形成ガス（C4F8）流量：80sccm、ベント開口率55%、主プラズマ電源：1000W、バイアス110W、チャンバ内圧力：1.7〜1.8Pa、エッチング時間と保護膜形成時間の比 7:3。
この異方性ドライエッチングを、レンズ中心部に対応する場所の最も深い穴とレンズ外縁部に対応する場所の最も浅い穴との深さの差が200μm以上になるまで行うのが望ましい。

本実施形態では、第１のマスク層にシリコンの酸化膜、第２のマスク層にアルミを用いているが、第１のマスク層にアルミ、第２のマスク層にシリコンの酸化膜もしくはシリコンの窒化膜を用いても同様の結果を得ることができる。

また、本実施形態では、第１のマスク層と第２のマスク層とを重ねて形成しているが、まず、アルミで第１のマスク層のみを形成し、異方性ドライエッチングと等方性ドライエッチングを行い、第１のマスク層を除去した後に、アルミで第２のマスク層を形成して当方製ドライエッチングを行うことによっても、同様の結果を得ることができる。また、このとき、第２のマスクを金で形成して等方性ウエットエッチングを行っても、同様の結果を得ることができる。

次に、図１（ｃ）に示すように、等方性エッチングを行い、前工程の異方性ドライエッチングでシリコン基板１に形成した深さの異なる複数の穴の側壁を除去して穴同士を融合する。本実施形態における、等方性ドライエッチングの条件は、以下の通りである。
エッチングガス（SF6）流量：100sccm、ベント開口率55%、主プラズマ電源：900W、バイアス20W、チャンバ内圧力：1.7〜1.8Pa。
本工程は、等方性ドライエッチングで行う他、弗酸、硝酸、酢酸の混合液等による単結晶シリコンの等方性ウエットエッチングで行うことも可能である。

次に、図１（ｄ）に示すように、第１のマスク層２を除去し、型表面を平滑化する為にスムージング処理を行う。このスムージング処理は、例えば、等方性ドライエッチングや等方性ウエットエッチングによって行うことができる。

次に、図１（ｅ）に示すように、等方性エッチングを行い、レンズの凹型６を形成する。このレンズの凹型６は、図１（ｄ）の工程で形成した凹部よりも径が大きくなっている。

次に、図１（ｆ）に示すように、第２のマスク層３を除去し、レンズの凹型６の表面にシリコンをエッチングするガス又は液体に腐食され難い保護膜７を形成する。保護膜７は、例えば、アルミや酸化シリコンなどで形成することができる。

次に、図１（ｇ）に示すように、レンズの凹型６の表面にレンズ材に対して剥離性の良い膜８を形成する。例えば、レンズ材がガラスである場合には、膜８をカーボンで形成すればよい。これにより、転写した後にマイクロレンズを剥がすことが容易なマイクロレンズ用型を得ることができる。

図２は、本発明の他の実施形態として、マイクロレンズ用型の製造工程の流れを概略的に示す図である。

まず、図１（ａ）に示すように、単結晶シリコン基板１上に、第１のマスク層２及び第２のマスク層３からなる２層のエッチング用マスクを形成する。具体的には、単結晶シリコン基板１上に、アルミの蒸着膜からなる第２のマスク層３を形成し、さらにシリコン酸化膜からなる第１のマスク層３を形成する。ここで、第２のマスク層３は、シリコン基板１上の型を製造しようとしている円形領域上に径の異なる複数の円形開口部を有するように形成する。第１のマスク層２には、この円形領域内の外周部に存在する複数の円形開口部を覆うように第２のマスク層３の上に形成される。

次に、図１（ｂ）に示すように、単結晶シリコン基板１のマスク層が形成された面を囲う面として、第２のマスク層３に形成された円形開口部のうち、第１のマスク層２に覆われていない複数の円形開口部４を通じて、異方性ドライエッチングで各円形開口部４の径に応じた深さの複数の穴５をシリコン基板１に形成する。本実施形態では、円形開口部４の径は5μmから40μmとしている。本実施形態における異方性ドライエッチングの条件は、上記した実施形態と同様である。

次に、図１（ｃ）に示すように、第１のマスク層２を除去し、第２のマスク層３の全円形開口部を開け、これらの円形開口部と先に形成した複数の穴５を通じて、異方性ドライエッチングにより、レンズ型中心部と外周部の穴深さの差が大きくなる。第１のマスク層２は、この円形領域内の外周部に存在する複数の円形開口部を覆うように第２のマスク層３の上に形成される。

次に、図１（ｄ）に示すように、等方性エッチングを行い、前記工程の異方性ドライエッチングでシリコン基板１に形成した深さの異なる複数の穴の側壁を除去して、穴同士を融合する。本実施形態における等方性ドライエッチングの条件は、上記した実施形態と同様である。

次に、図１（ｅ）に示すように、第１のマスク層２を除去し、型表面を平滑化するためにスムージング処理を行う。

次に、図１（ｆ）に示すように、レンズ凹型６の表面に型を硬化させる保護膜７を形成する。保護膜は、例えば、酸化シリコン等で形成する。

次に、図１（ｇ）に示すように、レンズ凹型６の表面にレンズ材に対して剥離性の良い膜８を形成する。例えば、レンズ材がガラスである場合には、膜８をカーボン径の材質で形成すればよい。

このようにして製造されたマイクロレンズ用型を用いて、次の手順でマイクロレンズを成型することができる。図３（ａ）に示すように、シリコン基板１に形成したマイクロレンズ用型にレンズ材１０を転写した後に、図３（ｂ）に示すようにシリコン基板１を型裏面からエッチングし、続いて図３（ｃ）に示すように保護膜７を除去することにより、マイクロレンズをマイクロレンズ用型から剥離することなくレンズ表面を露出させることができる。これにより、レンズ表面を傷つけることなくマイクロレンズの成型を行うことが可能となる。

また、このようにして製造されたマイクロレンズ用型を用いて、次の手順でマイクロレンズを成型することができる。図４に示すように、シリコン基板で形成した２枚の型でレンズ材１０を挟む。このとき、粗合わせ機構１１と精密位置合わせ機構１２とを使って、両面のレンズ中心軸が合うように、加熱しながらプレスする。精密位置合わせ機構１２は、レンズ型を形成する際に、シリコン基板にエッチングで形成することができる。

以上説明したように、本実施形態では、第１のマスク層２に形成する円形開口部４の径とそれらの配置、第２のマスク層３により包囲する円形領域の径、各エッチング工程の時間を適宜設計することにより、任意の非球面を有し、かつ、所望の厚さのマイクロレンズを成型するための型を形成することができる。具体的には、レンズ径が1mm以下で厚さが0.3mm以上といった寸法を有する非球面マイクロレンズを成型するための型を製造することができる。また、上記スムージング処理により表面が平滑なマイクロレンズ用型を得ることができる。

以上、本発明のマイクロレンズ用型の製造方法について、具体的な実施の形態を示して説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。当業者であれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、上記各実施形態又は他の実施形態にかかる発明の構成及び機能に様々な変更・改良を加えることが可能である。

本発明のマイクロレンズ用型の製造方法における製造工程の流れを概略的に示す図である。本発明の他の実施形態として、マイクロレンズ用型の製造工程の流れを概略的に示す図である。本発明のマイクロレンズ用型を用いてマイクロレンズを成型する工程を概略的に示す図である。本発明のマイクロレンズ用型を用いてマイクロレンズを成型する工程を概略的に示す図である。

符号の説明

１単結晶シリコン基板
２第１のマスク層
３第２のマスク層
４円形開口部
５穴
６レンズの凹型
７シリコンをエッチングするガス又は液体に腐食され難い保護膜
８レンズ材に対して剥離性の良い膜
１０レンズ材
１１粗合わせ機構
１２精密位置合わせ機構

Claims

任意の非球面を有し、かつ、厚さがレンズ口径の半分より大きいマイクロレンズを製造するための型の製造方法であって、
シリコン基板上に当該型の凹部よりも径の小さい円形領域を包囲する形状の一のマスク層を形成し、さらに、前記円形領域上に径の異なる複数の円形開口部を有する他のマスク層を形成し、
前記複数の円形開口部を通じて、前記円形領域内のシリコン基板に対して異方性ドライエッチングを行うことにより、前記シリコン基板に各円形開口部の径に応じた深さの複数の穴を形成し、
前記複数の円形開口部を通じて、前記円形領域内のシリコン基板に対して等方性エッチングを行うことにより、前記複数の穴の側壁を除去して穴同士を融合し、
前記他のマスク層を除去した後に、前記一のマスク層の前記円形領域を通じて、前記穴同士が融合して形成された凹部に対して等方性エッチングを行うことにより、当該凹部を拡大させるとともに表面を平滑化した後、前記一のマスク層を除去することを含む方法。
任意の非球面を有し、かつ、厚さがレンズ口径の半分より大きいマイクロレンズを製造するための型の製造方法であって、
シリコン基板上に当該型の凹部よりも径の小さい円形領域を包囲する形状の一のマスク層を形成し、さらに、前記円形領域上に径の異なる複数の円形開口部を有する他のマスク層を形成し、
前記複数の円形開口部を通じて、前記円形領域内のシリコン基板に対して異方性ドライエッチングを行うことにより、前記シリコン基板に各円形開口部の径に応じた深さの複数の穴を形成し、
前記他のマスク層を除去した後に、前記一のマスク層の前記円形領域を通じて等方性エッチングを行うことにより、前記複数の穴の側壁を除去して穴同士を融合して凹部を形成し、
前記凹部が形成された後、前記一のマスク層を除去することを含む方法。
任意の非球面を有し、かつ、厚さがレンズ口径の半分よりも大きいマイクロレンズを製造するための型の製造方法であって、
シリコン基板上に当該型の凹部に対応する円形領域上に径の異なる複数の円形開口部を有する一のマスク層を形成し、さらに、前記円形領域内の外周部に存在する複数の円形開口部を覆う他のマスク層を形成し、
前記複数の円形開口部のうち、前記他のマスク層に覆われていない複数の円形開口部を通じて、前記円形領域内のシリコン基板に対して異方性ドライエッチングを行うことにより、前記シリコン基板に各円形開口部の径に応じた深さの複数の穴を形成し、
前記他のマスク層を除去した後に、前記円形領域内の全ての円形開口部を通じて、さらに前記円形領域内のシリコン基板に対して異方性ドライエッチングを行うことにより、前記シリコン基板に深さの異なる複数の穴を形成し、
前記複数の円形開口部を通じて、前記円形領域内のシリコン基板に対して等方性エッチングを行うことにより、前記複数の穴の側壁を除去して穴同士を融合し、
前記一のマスク層を除去した後に、等方性エッチングにより前記融合した穴の表面を平滑化することを含む方法。
前記一のマスク層を除去した後に、前記マイクロレンズ用型の表面に、レンズ材に対して剥離性の良い膜を形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のマイクロレンズ用型の製造方法。
前記一のマスク層を除去した後に、前記マイクロレンズ用型の表面に、型材であるシリコンをエッチングするガス又は液体に腐食され難い膜を形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のマイクロレンズ用型の製造方法。
請求項４に記載のマイクロレンズ用型の製造方法により製造されたマイクロレンズ用型を用いて、マイクロレンズを成型する方法であって、
前記マイクロレンズ用型の任意の非球面を有する表面の形状をレンズ材に転写した後、前記マイクロレンズ用型の前記表面とは反対側の面に対してエッチングを行ってシリコン基板を除去し、さらに前記表面に形成された膜を除去することにより、マイクロレンズを成型する方法。