JP3666918B2 - 光学デバイス・光学デバイス製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、光学デバイス・光学デバイス製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
新規な光学デバイス製造方法として「光学材料の表面上に形成された概ね平滑な上端面を有するフォトレジスト膜に、フォトリソグラフィ法によってパターンを形成して円柱状または楕円柱状のフォトレジスト膜を形成し、このフォトレジスト膜を熱処理して、このフォトレジスト膜の概ね平坦な上端面を凸弧面に変形させ、光学材料の表面および変形したフォトレジスト膜をエッチングして、フォトレジスト膜の前記凸弧面に類似した少なくとも１つの凸弧面を光学材料の表面に形成する」方法が、提案されている（特開平５−１７３００３号公報 請求項１６）。
【０００３】
近来、マイクロレンズ等の光学デバイスにも、高い光学性能を得るために非球面形状の使用が意図されつつあるが、上記公報開示の方法は、設計通りの非球面を形成することは極めて難しい。
【０００４】
即ち、上記エッチングを実行するドライエッチングプロセスにおいて、圧力が高い場合やエッチング時間が長い場合には、ドライエッチングプロセス中に等方性のエッチング（光学材料の表面に平行なエッチングベクトル成分を持つエッチング）が行われてしまい、フォトレジストの凸弧面形状が正確に彫り写されず、特に、凸弧面の裾野周辺部が所望の形状と異なる凹形状になる。
【０００５】
このように光学材料表面に形成される凸弧面の裾野周辺部の形状が不正確となる等、形状制御性に欠け、高い光学性能を有する非球面の形成は極めて難しいのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、裾野周辺部と中心側領域とで曲率の異なる凸の非球面形状を容易に形成できる新規な光学デバイス製造方法の提供を目的とする（請求項１〜５）。
【０００７】
この発明の別の目的は、周辺部と中心側領域とで曲率の異なる凹の非球面形状を容易に形成できる新規な光学デバイス製造方法の提供にある（請求項７）。
【０００８】
この発明の他の目的は、周辺部と中心側領域とで曲率の異なる凸もしくは凹の非球面形状を有する新規な光学デバイスの提供にある（請求項６，８）。
【０００９】
また、上記光学デバイス製造方法の実施に適した光学デバイス用材料を提案する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記「光学デバイス用材料」は、光透過性のデバイス材料の１以上の平坦な表面に、遮光性の中間層と、熱可塑性の感光性材料の薄層とを、上記表面側から上記順序に積層して構成される。
【００１１】
「デバイス材料」とは、最終的に光学デバイスを構成することになる材料であり、光透過性の固体で、ドライエッチングが可能なものであれば特に制限なく使用できる。前記特開平５−１７３００３号公報開示の光学材料、即ち、Ｎｄ：ＹＡＧやＮｄ：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂等を初めとする各種のレーザ材料、ＢＫ７や石英ガラス等の各種ガラス材料は勿論、各種の結晶材料を用いることも可能である。
【００１２】
またデバイス材料の形状も「平行平板」状の他、断面楔形状のものや、プリズム形状のもの等が可能である。
【００１３】
「中間層」は、ドライエッチングで除去される金属材料もしくは非金属材料または有機化合物材料による「遮光性の薄膜」で、デバイス材料の１以上の平坦な表面に形成される。中間層の材料は、光学デバイス製造方法におけるエッチング工程において、デバイス材料と同じエッチング速度でエッチングされるものが用いられる。
【００１４】
中間層を非金属材料で形成する場合は、ＳｉやＳｉＣ等の真空蒸着やスパッタリングにより、厚さ：５００〜１００００Åに形成し、遮光するのがするのがよい。有機化合物材料で形成する場合には、遮光性材料（例えば、黒色材料）であれば良い。薄膜形成方法は、蒸着法やスプレ−法等、均一な薄膜の形成できる方法であれば特に制限無く利用できる。
【００１５】
「感光性材料」は、熱可塑性即ち、加熱処理による熱変形を冷却後に維持する性質を持ち、且つ、フォトリソグラフィ法によりパターニングのできるものであればよく、公知の各種フォトレジストをポジ・ネガに拘らず利用できる。
【００１６】
感光性材料が「薄層」であるとは、これにフォトリソグラフィによるパターニングを行った場合に、厚さ方向の断面形状における「縁の部分」が「ダレた」状態とならず、きちんとした方形状の断面形状をもったパターンを形成できる厚さであり、このような条件を満たす厚さの範囲内で、形成目的である非球面形状の裾野周辺部の形状に応じて厚さが決定される。
【００１７】
請求項１記載の「光学デバイス製造方法」は、上記の光学デバイス用材料を用い、「凸の非球面形状」を有する光学デバイスを製造する方法であって、第１パターニング工程と、第１熱変形工程と、第１エッチング工程と、感光性材料層形成工程と、第２パターニング工程と、第２熱変形工程と、第２エッチング工程とを有する。
【００１８】
「第１パターニング工程」は、光学デバイス用材料の最上層である感光性材料の薄層に、露光により光学デバイスの端面形状をパターニングする工程である。このパターニングは、公知のフォトリソグラフィ法で行うことができる。光学デバイスの端面形状の露光は、マスクを用いた均一露光で行っても良いし、レーザ描画等の方法で行っても良い。
【００１９】
上記「光学デバイスの端面形状」は、最終的に形成される「凸の非球面形状」を、それが形成されたデバイス材料表面に直交する方向から見た状態において、上記非球面形状の外輪郭を与える形状である。
【００２０】
「第１熱変形工程」は、パタ−ニングされた感光性材料を加熱し、熱変形（表面張力の作用および熱流動の作用）により１以上の、所望の凸曲面形状を創成する工程である。即ち、上記第１パターニング工程により得られた「光学デバイスの端面形状」を有する感光性材料の薄層の表面が熱変形により「凸曲面形状」となるのである。
第１熱変形工程により創成される凸曲面形状の数と配列は、第１パターニング工程でパターニングされるパターンにより定まる。
【００２１】
「第１エッチング工程」は、第１熱変形工程後、エッチングにより上記凸曲面形状の「周辺裾野部の形状」をデバイス材料に彫り写すとともに、上記周辺裾野部の内側において「中間層が残る」ように異方性のドライエッチングを行う工程である。
【００２２】
「感光性材料層形成工程」は、第１エッチング工程後、デバイス材料と残留した中間層との上に、熱可塑性で「ポジの感光性材料層」を形成する工程である。この工程で形成される感光性材料は「ポジ」即ち、現像の際に、露光された部分が除去されるような材料であり、ポジである限りにおいて、光学デバイス用材料で中間層の上に形成されている感光性材料と同じものを用いることができる。
【００２３】
「第２パターニング工程」は、第１エッチング工程の結果「残留した中間層」をマスクとして、デバイス材料側から露光を行い、中間層で遮光されたポジの感光性材料層による３次元パターンを得る工程である。
【００２４】
このように、第２パターニング工程においては、ポジの感光性材料層の露光がデバイス材料側から行われるので、デバイス材料には「光透過性」が要求されるのである。
【００２５】
「上記３次元のパターン」は、残留した中間層の形状を底面形状として厚み方向にこの底面形状と合同的な形状を有する「柱形状」のパターンである。
【００２６】
「第２熱変形工程」は、第２パターニング工程後、ポジの感光性材料層による３次元パターンを加熱し、熱変形により、１以上の、第２の所望の凸曲面形状を創成する工程である。
【００２７】
第２の凸曲面形状の数と配列は、第１パターニング工程でパターニングされるパターンのものと合致する。
【００２８】
「第２エッチング工程」は、第２熱変形工程後、１以上の第２の凸曲面形状と前記周辺裾野部の形状とを、異方性のドライエッチングによりデバイス材料に彫り写して、デバイス材料に１以上の凸の非球面形状を形成する工程である。
【００２９】
上記「第１エッチング工程」は、第１熱変形工程後の第１感光性材料の裾野周辺部の形状をデバイス材料に彫り写すことが目的であり、第１エッチング工程が終了した時点で、光学デバイス材料の感光性材料が中間層上に残っていても構わない。
【００３０】
感光性材料層形成工程により形成されるポジの感光性材料層の「膜厚」も、第２パターニング工程により、厚さ方向の断面形状における「縁の部分」が「ダレた」状態とならず、きちんとした方形状の断面形状をもったパターンを形成できる厚さであり、このような条件を満たす厚さの範囲内で、形成目的である非球面形状の中心側部分の形状に応じて決定される。
【００３１】
上記請求項１記載の光学デバイス製造方法において、第１および／または第２ドライエッチングは、ＥＣＲ，ＲＩＥ等の「プラズマエッチング」であることが好ましい（請求項２）。
【００３２】
また、請求項１または２記載の光学デバイス製造方法における、第１および／または第２エッチング工程において、選択比は「時間的に一定」とすることもできるが、「選択比を時間的に変化」させてもよい（請求項３）。
【００３３】
さらに、請求項１または２または３記載の光学デバイス製造方法で製造された光学デバイスの「少なくとも非球面形状部に反射膜を形成」してもよく（請求項４）、非球面形状を形成された領域の一部（非球面以外の部分）に、遮光膜を形成してもよい（請求項５）。
【００３４】
請求項６記載の「光学デバイス」は、上記請求項１〜５記載の光学デバイス製造方法の何れかにより製造される光学デバイスである。
【００３５】
この「光学デバイス」は、特開平５−１７３００３号公報開示のような、レーザ共振器やモノリシックレーザシステム、非線形光学デバイス、マイクロレンズ、リングレーザや、あるいはマイクロレンズアレイ、マイクロレンズ付きプリズム、マイクロレンズアレイ付きプリズム、マイクロ凸面鏡、マイクロ凸面鏡アレイ等として実施できる。
【００３６】
例えば、上記請求項１〜５記載の製造方法は、レーザ共振器や、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイ、マイクロレンズ付きプリズムやマイクロレンズアレイ付きプリズムの製造に適している。また、請求項７記載の製造方法は、マイクロ凸面鏡やマイクロ凸面鏡アレイの製造に適している。
【００３７】
勿論、上記マイクロレンズアレイ、マイクロ凸面鏡アレイ、マイクロレンズアレイ付きプリズムにおけるアレイは１次元配列でも２次元配列でも良い。
【００３８】
さらに、上記請求項１〜３記載の光学デバイス製造方法で製造された光学デバイスを「型」として用いることにより、所望の凹の非球面形状を持つ光学デバイスを「型成形」で製造することができる（請求項７）。
【００３９】
成型される側の材料は、プラスチックやガラスが適しているが、必ずしも光透過性を必要としない。透明な材料に形成型する場合は、凹の非球面形状を持ったマイクロレンズやマイクロレンズアレイを作製でき、この場合も、光学作用に不要な部分には遮光膜を形成できる。あるいは、凹の非球面形状部分に反射膜を形成してマイクロ凹面鏡とすることもでき、この場合の成型される材料には光透過性が要求されない。
【００４０】
請求項８記載の「光学デバイス」は、請求項７記載の光学デバイス製造方法で製造される光学デバイスである。
【００４１】
請求項１記載の発明において「第１および第２エッチング工程」は、いずれも、面に直交する方向へエッチングが進行する「異方性」のエッチングで行われるが、この異方性は実質的に異方性であればよく、エッチング速度ベクトルの面に平行な成分の大きさが、面に直交する成分の大きさに比して無視できるほどに小さければ良い。
【００４２】
【作用】
図１（ａ）において、符号１００は「デバイス材料」を示す。デバイス材料１００の平坦な表面に、所望の厚さに中間層１０１が遮光性の薄膜層として形成され、その上に熱可塑性の感光性材料の薄層１０２が積層されている。
この構成は「光学デバイス用材料」の基本的な構成である。
【００４３】
図１（ａ）に示す光学デバイス用材料の、感光性材料の薄層１０２に対してマスク１０３を用いる露光により「光学デバイスの端面形状」をパターニングする「第１パターニング工程」を行った状態を図１（ｂ）に示す。
【００４４】
第１パターニング工程の露光は、上記の如くマスク１０３を用いて光を均一照射して行ってもよいし、レーザ描画によりパターンを描き込んで行っても良い。
【００４５】
露光により、光照射されなかった部分（感光性材料がネガ型の場合）もしくは光照射された部分（感光性材料がポジ型の場合）を（現像とリンスで）除去すると、図１（ｂ）に示すようにパターニングがなされる。
【００４６】
上記「光学デバイスの端面形状」は、図１（ｂ）において、パターニングされた感光性材料の薄層１０４の形状を、図１（ｂ）の上方から見た形状を言い、例えば、円形状や楕円形状、正方形形状や長方形形状、あるいは５角形や６角形等の多角形形状であり得る。
【００４７】
感光性材料の薄層１０２を露光する光は、薄層１０２を、その厚み方向へ均一に透過する。このため、第１パターニング工程後の形状は、例えばマスクを用いる露光の場合に、薄層１０２の厚み方向にわたって「正確にマスクのパターンと一致」したものになる。
【００４８】
第１パターニング工程が終了したら、パターニングされた薄層１０４を加熱し、材料の熱可塑性を利用して熱変形する「第１熱変形工程」を行う。この工程により、感光性材料の薄層１０４は熱可塑性により熱変形し、その表面形状が凸曲面化して凸曲面形状１０５が創成される。
【００４９】
続いて、「第１ドライエッチング工程」を行う。即ち、ドライエッチングによって、感光性材料による凸曲面形状１０５を、中間層１０１とデバイス材料１００に彫り写す。
【００５０】
即ち、凸曲面形状１０５の「周辺裾野部」の形状をデバイス材料１００に彫り写すとともに、周辺裾野部の内側において中間層が残るように異方性のドライエッチングを行う。即ち、図１（ｄ）において、符号１０７は、デバイス材料１００に彫り写された「凸曲面形状１０５の裾野周辺部」を示し、符号１０６は裾野周辺部の内側に残された「中間層」を示す。
【００５１】
上記第１熱変形工程により感光性材料に形成された凸曲面形状１０５の「裾野周辺部」の形状は、目的とする非球面形状の裾野部分にあたり、予め光学設計された形状である。感光性材料の薄層１０２の厚さの設定、第１パタ−ニング工程後の第１熱変形工程は上記光学設計値に基づいた条件に従って行なわれる。
【００５２】
上記第１エッチング工程においては、裾野周辺部の形状を正確に「中間層と光学デバイス用材料」に彫り写す必要があるため、中間層は、デバイス材料とエッチング速度が等しくなるように材料を選択されるのである。
【００５３】
図１（ｄ）では、熱変形した感光性材料の凸曲面形状が全て「中間層とデバイス材料と」に彫り写されたように記載されているが、実際には、目的とする「裾野周辺部」の形状がデバイス材料１００に転写されていれば良く、第１エッチング工程後に、感光性材料による凸曲面形状１０５の頂上部近傍の部分が中間層上に残っていても良い。このような場合には、感光性材料層形成工程に先立ち、第１エッチング工程の一部として「導入するガス種類を変更し、中間層上に残った感光性材料のみをエッチング」する。
【００５４】
続いて「感光性材料層形成工程」を行う。即ち、第１エッチング工程後にデバイス材料１００と残留した中間層１０６との上に、熱可塑性でポジの感光性材料による感光性材料層１０６を、塗布等の方法により形成する。感光性材料層１０６は薄層１０２を構成する感光性材料と同じ材料でも良いし、異なっていても良い。
【００５５】
ここで例示している感光性材料は紫外線に感度を持つポジ型のフォトレジストである。従って、デバイス材料１００は「紫外光」を透過させるものであれば良く、可視光に対して透明である必要は必ずしも無い。
【００５６】
次に、「第２パターニング工程」を行う。即ち、図１（ｅ）に示す如く、デバイス材料１００の裏面側から紫外光Ｕ．Ｖを照射し、感光性材料層１０９をデバイス材料１００の側から露光する。
【００５７】
この露光の際、感光性材料層１０９は、第１エッチング工程により残留された中間層１０６の形状に対応する部分だけが遮光される。
【００５８】
露光後、現像とリンスとに依り、感光性材料層１０９の露光された部分を除去すると、残留中間層１０６の形状に対応した感光性材料層１０９による「３次元のパターン」が、残留した中間層１０６の形状を底面形状として厚み方向にこの底面形状と合同的な形状を有する「柱形状」のパターンとして形成される。
【００５９】
この状態を図１（ｆ）に示す。符号１１０は、３次元パターンをなす柱形状の部分である。
【００６０】
続いて、「第２熱変形工程」を行い、熱可塑性材料である感光性材料の３次元パターン１１０を加熱し、熱変形（熱流動と表面張力の作用により生じる）により１以上の、所望の第２の凸曲面形状を創成する。
【００６１】
この状態を図１（ｇ）に示す。符号１１１で示す第２の凸曲面形状は、目的とする非球面形状の頂上部分（中心側部分）の形状にあたり、予め光学設計された形状である。従って、感光性材料層１０９の層の厚さの設定および第２熱変形工程は上記光学設計値に基づいた条件に従って行なわれる。
【００６２】
この後、「第２ドライエッチング工程」では、第２の凸曲面形状１１１の形状が感光性材料の厚み方向へ完全にエッチングされるまでドライエッチングが実行される。すると図１（ｈ）に示すように（ｇ）に示された形状に正確に従う「デバイス材料１００の３次元パターン」が得られる（選択比が１である場合）。
【００６３】
図１（ｈ）において、符号１１２で示す部分は凸曲面形状１１１と同形状であり、符号１１３で示す部分は、先に、第１熱変形工程で形成された凸曲面形状の裾野周辺部の形状と同型である。
【００６４】
３次元パターン１１０を「異方性のドライエッチング」により得ているため、感光性材料１０９のパターン１１０の縁の部分に「ダレ」が生じることがない。
【００６５】
中間層１０１をＳｉ，ＳｉＣ，Ｓｉ₃Ｎ₄等の遮光性薄膜として形成すると、エッチング工程をドライエッチングで行うことができるから、エッチング条件の選択によりすれば、「光学デバイス用材料」、「中間層」、「第２感光性材料層」のエッチング速度が互いに等しい条件でエッチング出来る。
【００６６】
また感光性材料１０９の層とデバイス材料１００と中間層１０１とでエッチング速度が１と異なれば、デバイス材料１００に彫り写された、凸曲面形状は感光性材料１０９の層に創成された凸曲面形状１１１を、その高さ方向に「一律に拡大もしくは縮小した形状」となるが、いずれにしても創成された第２の凸曲面形状１１１と対応した形状となる。
【００６７】
図１では、デバイス材料１００に凸の非球面形状を、一度の複数個形成する場合が描かれているが、形成する凸の非球面形状は、勿論１つでもよい。
【００６８】
上述したように、第１パターニング工程の際に露光される「光学デバイスの端面形状」は、円形状や楕円形状のほか、正方形形状や長方形形状、あるいは多角形形状であることもあり、熱変形工程後に、熱可塑性材料層に創成される「凸曲面形状」は、単純に「凸弧面」と呼べないようなものもあるので、この明細書に於いては、熱変形工程で創成される面形状を、一般的に「凸曲面形状」と呼ぶのである。
【００６９】
【実施例】
以下、実施例を説明する。
【００７０】
図２（ａ）は「光学デバイス用材料」の１例を示している。この例の形態は、光学デバイス用材料として最も基本的なものである。
【００７１】
デバイス材料３０１は「平行平板」であり、その一方の平坦な表面に、中間層３０２と、所定の厚さ（前述したように、最終的にデバイス材料に形成する凸の非球面形状の裾野周辺部に応じて設定される）の熱可塑性の感光性材料の薄層３０３を上記表面側から上記順序に積層して「光学デバイス用材料」が構成されている。
【００７２】
このような光学デバイス用材料に対して図１に即して説明した、請求項１記載の光学デバイス製造方法を実行すれば、基本的に図２（ｂ）に示す如く、一方の面に所望の凸の非球面形状３０４を有する光学デバイス、あるいは（ｃ）に示すように、一方の面に、複数の所望の凸の非球面形状３０４Ａ，３０４Ｂ，３０４Ｃ，３０４Ｄ，．．．を有する光学デバイスを得ることができる。
【００７３】
図２（ｂ）に示す光学デバイスは「マイクロレンズ」として、また（ｃ）に示す光学デバイスは「マイクロレンズアレイ」として使用することができる。
【００７４】
図２（ｂ）に示す光学デバイスはまた、デバイス材料３０１として「レーザ媒質」を用い、凸の非球面形状３０４Ａの形成された面と、これに対応する面（図で下側の平坦な面）に反射面を形成することにより、特開平５−１７３００３号公報のような「レーザ共振器」として使用できる。
【００７５】
図２（ｂ）に示す光学デバイスの、非球面形状３０４Ａの形成された領域の一部には、（ｄ）に示すように、凸曲面形状３０４Ａを除くように遮光膜３０５を形成することができる（請求項４）。勿論、遮光膜は、図２（ｃ）のように、複数の非球面形状が形成されるばあいには、非球面形状３０４Ａ，３０４Ｂ，．．等を除くように形成することができる。
【００７６】
このように遮光膜を形成すると、光学デバイスをマイクロレンズとして使用する場合、光を有効にレンズ面部分（凸の非球面形状部分）にのみ入射させることができ、マイクロレンズの結像作用に迷光となる成分を有効に除去することができる。「遮光膜」は、例えば、金属膜を蒸着して形成してもよいし、各種の遮光性材料を「印刷や吹き付け等」で膜状に形成して遮光膜としてもよい。
【００７７】
また、凸の非球面形状の形成された領域に、図２（ｅ）に示すように、反射膜３０６を形成することができる（請求項５）。図２（ｃ）の場合にも、「凸曲面形状の形成された面全体」に反射膜を形成することができることは言うまでもない。
【００７８】
このような場合、反射膜３０６をマイクロ凸面鏡として使用できるし、光をデバイス材料３０１の平坦な面（凸曲面形状の形成されていない側の面）から入射させることにより、上記反射膜３０６をマイクロ凹面鏡あるいはマイクロ凹面鏡アレイとして使用することができる。
【００７９】
図２（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示す如き光学デバイスは、単独でマイクロレンズやマイクロレンズアレイとして用いることができるが、これらを組み合わせて用いることもできる。
【００８０】
例えば、図２（ｆ）に示す例は（ｂ）のタイプの光学デバイスと別のタイプの光学デバイス３０７とを対向させ、それぞれの凸曲面形状の「光軸が合致する」ように組み合わせた例である。このように、２以上の光学デバイスを組み合わせることで、より広範な光学特性を実現できる。
【００８１】
勿論、図２（ｃ）に示すタイプの光学デバイスを（ｆ）の場合のように組み合わせることも可能である。
【００８２】
以下、請求項１記載の製造方法に関する具体的な例を説明する。
【００８３】
具体例１
図３に示すような「マイクロレンズアレイ」を作製した。
【００８４】
このマイクロレンズアレイは、「デバイス材料」としての短冊型に細長い平行平板状の石英ガラス１１の片面に、凸の非球面形状による４個の屈折面Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を、石英ガラス１１の長手方向へ等間隔で配列形成したものである。
【００８５】
長さ：１０ｍｍ、幅：５ｍｍ、厚さ：０．５ｍｍ、屈折率：１．４５２９０（波長８３０μｍの光に対するもの）の石英ガラス１１をデバイス材料とした。
【００８６】
上記マイクロレンズの光学構成は図４に示す如くである。
屈折面Ｌ１〜Ｌ４は同一形状で、レンズ径入射側（Ｒ１面）：０．０９０ｍｍφ、レンズ径出射側（Ｒ２面）：０．１０６ｍｍφ、曲率半径（Ｒ１面）：−０．０４８ｍｍ（光軸近傍の曲率半径）、曲率半径（Ｒ２面）：∞であり、凸レンズとしての設計上の焦点距離は０．１０６ｍｍである。
【００８７】
第２面（平面）からの像距離は２．００７６ｍｍ、第１面（非球面）からの物体距離は０．０９９６ｍｍ、像側ＮＡは０．０２６４，物体側ＮＡは０．３５６である。
【００８８】
レジスト等の感光性材料は熱可塑性を有する。この感光性材料の層に「光学デバイスの端面形状」に応じて形成された３次元のパターンを熱処理して得られる凸曲面形状の曲率半径は感光性材料の層の厚さに「反比例的」であり、端面形状の径に「比例的」である。
【００８９】
端面形状における「径」を定めると、感光性材料の層の熱処理により形成すべき凸曲面形状の曲率半径を所望の値にするための、感熱性材料の層厚が定まる。このようにして定められた層厚で、凸曲面形状を熱処理により形成する際、熱処理の条件、即ち、熱処理温度や熱処理時間等を調整することにより上記曲率半径の大きさを微調整できる。
【００９０】
屈折面Ｌ１〜Ｌ４は、上記端面形状を円形状とし、直径を０．０９ｍｍ、配列ピッチを０．１０ｍｍとした。そこで、石英ガラス１１の一方の平坦な面に、中間層として「Ｓｉ層」を厚さ：１１００Åに蒸着形成した。さらに、この中間層上に感光性材料の薄層を形成した。
【００９１】
即ち、具体的には、屈折面である非球面形状の裾野周辺部の曲率半径として所望の値を実現するように、感光性材料として「東京応化工業株式会社製のポジ型フォトレジスト（商品名：ＯＦＰＲ８００）」をスピンコートした後、プリベークして厚さ：７．２μｍの薄層として形成した。
【００９２】
「直径：０．０９ｍｍの黒円を０．１０ｍｍピッチで配列させたマスク」を用いて露光を行い（図１（ａ）参照）、光照射された部分を除去することにより、感光性材料の薄層をパターニングする「第１パターニング工程」を行い、これを「第１熱変形工程」としてのポストベ−クで熱変形させて高さ１０．１μｍの球形状を製作した（図１（ｃ）参照）。この時の曲率は、Ｒ＝１０５．３μｍである。第１熱変形工程は、加熱温度：１６０度Ｃ、加熱時間：３０分である。
【００９３】
この状態から「第１ドライエッチング工程」を行った。即ち、ＥＣＲプラズマエッチング装置に上記石英ガラス１１をセットし、「選択比：１．０」の条件でドライエッチングし、Ｓｉ中間層と基板材料に、上記感光性材料の薄層の熱変形による凸曲面形状の裾野周辺部形状を彫り写した。
【００９４】
即ち、酸素：０．５ｓｃｃｍ，ＣＨＦ₃：５．０ｓｃｃｍ，Ａｒ：０．５ｓｃｃｍ，ＣＣｌ₄：１．２ｓｃｃｍを導入し、反応室内圧力：２×１０~⁴Ｔｏｒｒ、マイクロ波実効電力：６００Ｗ、ＲＦ実効電力：５００Ｗで４０分間のエッチングを行った。上記条件では、石英材料、Ｓｉ、感光性材料共に同じ速度でエッチングされる。
【００９５】
このとき、彫り写した形状は「熱変形した球形状の裾野周辺部で高さ４μｍに相当する部分」である。従って、４μｍ以上の高さの部分は感光性材料の薄層として当初の球形状を有したままである。
【００９６】
次いで、エッチング条件を変更し、凸曲面形状である球形状の頂上近傍の部分、即ち「高さ：４．１μｍ以上の部分に残る感光性材料」だけをエッチングで除去した。この時残った中間層の直径は、０．０７０６ｍｍであった（図１（ｄ）参照）。
【００９７】
次ぎに、中間層が残されている石英ガラス上に、前記と同じ感光性材料を前記と同様の工程で塗布しプリベ−クして、残留中間層から高さ：１１．８μｍの厚さに塗布した（感光性材料層形成工程；図１（ｅ）参照）。
【００９８】
続いて、石英ガラスの裏面から石英ガラスを介して露光を行ない、中間層であるＳｉ層をマスクとして感光性材料層をパタ−ニングした。現像，リンスの後、これを第２熱変形工程であるポストベ−クで熱変形させて中間層上の感光性材料を高さ：１６．５μｍの球形状（第２の凸曲面形状）に変形させた。この時の曲率半径は４６．０μｍである。
【００９９】
この状態は、石英ガラス表面に曲率：Ｒ＝１０５．３μｍ、高さ：４μｍ、上底長さ：７０．６μｍのお椀を伏せた形状が裾野周辺部の形状として形成され、その上にＳｉによる中間層を挟んで、曲率：Ｒ＝４６．０μｍで高さ１６．５μｍの感光性材料による球形状が乗った形状である（図１（ｇ）参照）。
【０１００】
この状態から「第２ドライエッチング工程」を行った。即ち、ＥＣＲプラズマエッチング装置に石英ガラスをセットし、選択比：０．８〜１．０の条件で（感光性材料のエッチング速度が大きな条件で、高さ方向に均一に潰し込んだ形状になるように）時間経過とともにエッチング条件を変化させて、酸素：１．０〜０．５ｓｃｃｍ，ＣＨＦ₃：５．０ｓｃｃｍ，Ａｒ：０．５ｓｃｃｍ，ＣＣｌ₄：１．２ｓｃｃｍを導入し、反応室内圧力：２×１０~⁴Ｔｏｒｒ、マイクロ波実効電力：６００Ｗ、ＲＦ実効電力：５００Ｗで１３５分間のドライエッチングを行った。
【０１０１】
その後、上記感光性材料による球形状を完全に彫り写した後、更に１０分間エッチングを行なった。
【０１０２】
感光性材料に対するエッチング速度と、石英ガラスに対するエッチング速度とは互いに殆ど等しい。上記方法で形成した光学素子は等方性エッチングの影響が少なかったため、裾野周辺部の形状が凹形状とならずに下記の非球面形状を創成することが出来た（図１（ｈ）参照）。
【０１０３】
即ち、上記第１面の非球面形状は、周知の非球面式：
Ｚ＝（１／Ｒ）ｈ²／｛１＋√［１−（Ｋ＋１）（１／Ｒ）²ｈ²］｝
＋Ａ・ｈ⁴＋Ｂ・ｈ⁶＋Ｃ・ｈ⁸
Ｒ：光軸上の曲率半径
ｈ：光軸からの距離
Ｋ：円錐定数
Ａ，Ｂ，Ｃ：高次の非球面定数
Ｚ：レンズ頂点からの距離
において、
Ｒ＝−０．０４８ｍｍ
Ｋ＝−０．２２９５４×１０¹
Ａ，Ｂ，Ｃ＝０
の形状をもった凸の非球面形状が４個、石英ガラス１１の表面形状として彫り写されて形成された。このようにして４個の非球面マイクロレンズのアレイを形成できた。これらレンズの焦点距離は、計算値どおり０．１０６ｍｍで、実質的に設計値通りであった。波面収差は０．０００６ｍｍであった。
【０１０４】
具体例２
上記具体例１と同様、図４に示すようなマイクロレンズアレイを作製した。
【０１０５】
このマイクロレンズアレイは、デバイス材料としてＳＦ６０の短冊型に細長い平行平板を用い、その片面に凸の非球面形状による４個の屈折面Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を、ＳＦ６０の平行平板の長手方向へ、等間隔で配列形成したものである。
【０１０６】
長さ：１０ｍｍ、幅：５ｍｍ、厚さ：０．５ｍｍ、屈折率：１．７８２７８（波長８３０μｍの光に対するもの）のＳＦ６０をデバイス材料とした。
【０１０７】
上記レンズの光学構成は、図５に示す様な構成である。
【０１０８】
屈折面Ｌ１〜Ｌ４は同一形状で、レンズ径入射側（Ｒ１面）：０．０８６ｍｍφ，レンズ径出射側（Ｒ２面）：φ０．１００ｍｍφ、曲率半径（Ｒ１面）：−０．０８３ｍｍ、曲率半径（Ｒ２面）：∞であり、凸レンズとしての設計上の焦点距離は０．１０６ｍｍである。第２面（平面）からの像距離は、１．８９３９ｍｍ，第１面（非球面）からの物体距離は、０．０９９５ｍｍである。像側ＮＡは０．０２６４，物体側ＮＡは０．３６５である。
【０１０９】
屈折面Ｌ１〜Ｌ４は端面形状を円形状とし、直径を０．０８６ｍｍ、配列ピッチを０．１０ｍｍとした。そこで、ＳＦ６０の表面上に中間層として「Ｓｉ層」を、厚さ：１１００Åに蒸着形成した。さらに、その上に感光性材料の薄層を、屈折面の曲率半径として所望の値を実現するように「東京応化工業株式会社製のポジ型フォトレジスト（商品名：ＯＦＰＲ８００）」をスピンコートした後、プリベークして厚さ：７．０μｍの薄層として形成した。
【０１１０】
直径：０．０８６ｍｍの黒円を０．１０ｍｍピッチで配列させたマスクを用いて露光を行い、光照射された部分を除去することにより、感光性材料の薄膜をパターニングする「第１パターニング工程」を行い、これを「第１熱変形工程」であるポストベ−クで熱変形させて高さ９．８μｍの球形状（凸曲面形状）を製作した。この時の曲率は、Ｒ＝９９．２４μｍである。熱変形工程は、加熱温度：１６０度Ｃ、加熱時間：３０分である。
【０１１１】
この状態から「第１ドライエッチング工程」を以下のように行った。即ち、ＥＣＲプラズマエッチング装置にＳＦ６０の平行平板をセットし、選択比：１．０の条件でドライエッチングし、Ｓｉ中間層と基板材料に上記球形状の裾野周辺部の形状を彫り写した。
【０１１２】
即ち、酸素：０．５ｓｃｃｍ，ＣＨＦ₃：５．０ｓｃｃｍ，Ａｒ：０．５ｓｃｃｍ，ＣＣｌ₄：１．２ｓｃｃｍを導入し、反応室内圧力：２×１０~⁴Ｔｏｒｒ、マイクロ波実効電力：６００Ｗ、ＲＦ実効電力：５００Ｗで１２０分間のエッチングを行った。上記条件では、ＳＦ６０、Ｓｉ、感光性材料共に同じ速度でエッチングされる。
【０１１３】
このとき彫り写された形状は、熱変形した球形状の裾野周辺部の部分で、高さ４μｍに相当する部分であり、４μｍ以上の高さの部分は感光性材料の薄層として球形状を有したままである。そこで、エッチング条件を変更し、中間層より上にある感光性材料だけをエッチングで除去した。残った中間層の直径は０．０６６８ｍｍであった。
【０１１４】
次ぎに、前記と同じ感光性材料を前記と同様の工程で塗布しプリベ−クして中間層から高さ：６．５μｍの厚さに塗布した（感光性材料層形成工程）。
【０１１５】
続いて、平行平板の裏面側から露光を行ない、中間層であるＳｉ層をマスクとして感光性材料をパタ−ニングした（第２パターニング工程）。露光後、現像とリンスを行った後、「第２熱変形工程」としてポストベ−クを行い、感光性材料を熱変形させて中間層上の感光性材料により高さ：９．１μｍの球形状を創成した。この時の曲率は、Ｒ＝６５．８μｍである。
【０１１６】
この状態は、ＳＦ６０の平行平板の表面に曲率：Ｒ＝９９．２μｍで高さ４μｍで上底長さが６６．８μｍのお椀を伏せた形状が形成され、その上にＳｉ層による中間層を挟んで、曲率：Ｒ＝６５．８μｍで高さ９．１μｍの感光性材料による球形状が乗った形状である。
【０１１７】
この状態から「第２ドライエッチング工程」を行った。
ＥＣＲプラズマエッチング装置にＳＦ６０平行平板をセットし、選択比：０．８〜１．０の条件で（感光性材料のエッチング速度が大きな条件で、高さ方向に均一に潰し込んだ形状になるように）時間経過とともにエッチング条件を変化させて、酸素：１．０〜０．５ｓｃｃｍ，ＣＨＦ₃：５．０ｓｃｃｍ，Ａｒ：０．５ｓｃｃｍ，ＣＣｌ₄：１．２ｓｃｃｍを導入し、反応室内圧力：２×１０~⁴Ｔｏｒｒ、マイクロ波実効電力：６００Ｗ、ＲＦ実効電力：５００Ｗで１９５分間のエッチングを行った。
【０１１８】
その後、感光性材料層の形状を完全に彫り写した後、更に２０分間エッチングを行なった。
【０１１９】
なお、感光性材料に対するエッチング速度と、デバイス材料であるＳＦ６０に対するエッチング速度とは互いに殆ど等しい。上記方法で形成した光学素子は、等方性エッチングの影響を少なくしたため、裾野形状が凹形状とならずに下記の非球面形状を創成することが出来た。
【０１２０】
つまり、上記第１面の非球面形状は、前述の非球面式において、
Ｒ＝−０．０８６ｍｍ
Ｋ＝−０．３５５２３×１０¹
Ａ，Ｂ，Ｃ＝０
の形状をもった凸非球面形状が４個、ＳＦ６０の平行平板の表面形状として彫り写されて形成された。このようにして、４個の非球面マイクロレンズのアレイを形成できた。これら非球面マイクロレンズの焦点距離は、計算値どおり０．１０６ｍｍで、実質的に設計値通りであった。
【０１２１】
具体例１，２の光学系は、図５に示すようにＬＤ１とマイクロレンズアレイ１１Ａを、コリメートレンズＣＬと集光レンズＯＬとともに組み合わせて配置することによって、高密度記録用光学系に用いられるマイクロレンズアレイである。
【０１２２】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば新規な光学デバイス・光学デバイス製造方法を提供できる。
【０１２３】
この明細書において提案する「光学デバイス用材料」は請求項１以下の製造方法の実施を容易且つ確実ならしめることができる。
【０１２４】
請求項１〜５記載の発明は、デバイス材料に凸の非球面形状を極めて精度良く形成することを可能とする。
【０１２５】
請求項４，５の発明は、反射膜や遮光膜を設けることにより、一段と光学性能の優れた光学デバイスの提供を可能とする。
【０１２６】
また、請求項７記載の方法では精度の良い凹の非球面形状を持つ光学デバイスを多量に製造することが可能である。
【０１２７】
請求項６，８記載の光学デバイスは、形成される凸あるいは凹の非球面形状の精度が良いため光学性能が良好である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 請求項１記載の光学デバイス製造方法を説明するための図である。
【図２】 光学デバイス用材料の１例（ａ）と、これから得られる種々の光学デバイス（ｂ）〜（ｆ）を説明するための図である。
【図３】 請求項１記載の発明で製造される光学デバイスの具体的１例であるマイクロレンズアレイを示す図である。
【図４】 図４の具体例におけるマイクロレンズの光学構成を説明するための図である。
【図５】 具体例のマイクロレンズアレイを用いる光学デバイスの１例を示す図である。
【符号の説明】
１００ デバイス材料
１０１ 中間層
１０２ 熱可塑性の感光性材料の薄層
１０４ 第１パターニング工程後の感光性材料の薄層
１０５ 第１熱変形工程後の感光性材料の凸曲面形状
１０６ 第１エッチング工程後に残留した中間層
１０９ 感光性材料層形成工程により形成される層をなす感光性材料
１１０ 第２パターニング工程後の感光性材料による３次元パターン
１１１ 第２熱変形工程後の感光性材料

Claims (8)

1. 光透過性のデバイス材料の平坦な表面に、遮光性の中間層と、熱可塑性の感光性材料の薄層とを、上記表面側から順序に積層して構成される光学デバイス用材料の、上記感光性材料の薄層に、露光により光学デバイスの端面形状をパターニングする第１パターニング工程と、
   第１パターニング工程によりパタ−ニングされた感光性材料を加熱し、熱変形により１以上の、所望の凸曲面形状を創成する第１熱変形工程と、
   第１熱変形工程後、エッチングにより、上記凸曲面形状の周辺裾野部の形状をデバイス材料に彫り写すとともに、上記周辺裾野部の内側において上記中間層が残るように異方性のドライエッチングを行う第１エッチング工程と、
   第１エッチング工程後、デバイス材料と残留した中間層との上に、熱可塑性でポジの感光性材料層を形成する感光性材料層形成工程と、
   上記残留した中間層をマスクとして、デバイス材料側から露光を行い、中間層で遮光された上記ポジの感光性材料層による３次元パターンを得る第２パタ−ニング工程と、
   第２パターニング工程後、上記ポジの感光性材料層による３次元パターンを加熱し、熱変形により、１以上の、第２の所望の凸曲面形状を創成する第２熱変形工程と、
   第２熱変形工程後、上記１以上の第２の凸曲面形状と上記周辺裾野部の形状とを、異方性のドライエッチングにより上記デバイス材料に彫り写して、デバイス材料に１以上の凸の非球面形状を形成する第２エッチング工程とを有する光学デバイス製造方法。
2. 請求項１記載の光学デバイス製造方法において、
   第１および／または第２エッチング工程が、ＥＣＲ，ＲＩＥ等のプラズマエッチングであることを特徴とする光学デバイス製造方法。
3. 請求項１または２記載の光学デバイス製造方法において、
   第１および／または第２エッチング工程において、選択比を時間的に変化させることを特徴とする光学デバイス製造方法。
4. 請求項１または２または３記載の光学デバイス製造方法で製造された光学デバイスの少なくとも非球面形状部に、反射膜を形成することを特徴とする光学デバイス製造方法。
5. 請求項１または２または３記載の光学デバイス製造方法で製造された光学デバイスの、非球面形状を形成された領域の一部に、遮光膜を形成することを特徴とする光学デバイス製造方法。
6. 請求項１または２または３または４または５記載の光学デバイス製造方法で製造される光学デバイス。
7. 請求項１または２または３記載の光学デバイス製造方法で製造された光学デバイスを型として用い、所望の凹の非球面形状を１以上有する光学デバイスを型成形で製造することを特徴とする光学デバイス製造方法。
8. 請求項７記載の光学デバイス製造方法で製造される光学デバイス。

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