JP3696800B2 - マイクロレンズおよびその形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信機器に適用するのに好適なマイクロレンズおよびその形成方法に関し、特に、多数のＣＧＨ素子のような微小な回折型光学素子を形成するのに好適なマイクロレンズの形成方法および該方法によって形成されるマイクロレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
１９９９年４月に発行されたプロシーディング エスピーアイイー（Proc.SPIE）第３６３１巻、第２３４−２４３頁には、光ファイバに結合される多数のマイクロレンズを形成する方法が開示されている。この従来技術によれば、前記光ファイバの外径に等しい外径を有する多数の円柱状の光学部材を束ねて、それらの端面に所定のエッチングマスクを用いるエッチング処理を施すことにより、多数の光学部材の各端面に一括的に所定のレンズ面を形成することができる。
【０００３】
光ファイバの外径に等しい外径を有する前記光学部材から成るマイクロレンズによれば、前記光ファイバを受け入れるＶ溝が形成された基板上で、前記Ｖ溝に受け入れられた前記光ファイバの端面に前記レンズ面を対向させるように、前記マイクロレンズを前記Ｖ溝に配置することにより、前記光ファイバと前記レンズとを両者の光軸を相互に高精度で一致させて配置することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記したような従来の方法によれば、多数の光学部材の端面に一括的にレンズ面を形成するために、これら多数の光学部材を確実に拘束する必要があり、高精度で多数の光学部材の端面に正確にレンズ面を形成することは容易ではない。
従って、本発明の目的は、多数のマイクロレンズを比較的容易にかつ効率的に形成し得るマイクロレンズの形成方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、光ファイバと正確な光軸合わせが容易であり新規なマイクロレンズを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以上の点を解決するために、次の構成を採用する。
〈構成〉
本発明に係るマイクロレンズの形成方法は、基本的には、光学基板の一方の面に複数のレンズ面をそれぞれが間隔をおくように形成するレンズ面形成工程と、前記各レンズ面を含むそれぞれのレンズ領域をエッチングマスクで部分的に覆うマスク工程と、前記光学基板に所定の厚さ寸法を残した状態で前記マスクから露出した領域の所定の深さ分を除去すべく前記光学基板の前記一方の面の前記マスクから露出した領域にエッチング処理を施すエッチング工程と、前記光学基板の前記残存した厚さ寸法分を除去すべく前記光学基板の前記一方の面に形成された前記各レンズ面を保持基板で支持した状態で前記光学基板に他方の面から研磨を施す研磨工程と、前記各レンズ領域により規定される各マイクロレンズを前記保持基板から解放する分離工程とを含む。
【０００６】
本発明に係る前記方法によれば、従来のように多数の束ねられた光学部材の端面にレンズ面を形成することに代えて、単一の前記光学基板上に多数のレンズ面が形成され、このレンズ面の形成後、半導体製造工程で用いられるフォトリソおよびエッチング技術を用いてそれぞれが前記レンズ面を含む複数のマイクロレンズを前記光学基板上に一体的かつ一括的に形成し、さらに前記半導体製造工程で用いられる研磨技術を用いて前記各マイクロレンズを分離することができることから、従来のような多数の光学部材を束ねる工程が不要になり、これにより、多数の正確なマイクロレンズを比較的容易にかつ効率的に形成することが可能となる。
【０００７】
前記各レンズ面は、ワックス材料を介して前記保持基板に支持することができ、また、ワックス材料に代えて、ＵＶ硬化樹脂材料を用いることができる。
【０００８】
前記エッチング工程は、前記エッチングマスク下でのエッチングガスを用いたエッチング処理と、該エッチング処理により新たに露出する前記光学基板における前記エッチングマスク下の周壁面を覆う保護膜の形成との反復で行うことができ、これにより、各マイクロレンズに所望の板厚寸法を与えることができる。エッチング処理には、異方性エッチングガスを用いることができる。
このエッチング工程での前記したエッチング処理および保護膜形成との反復により、周面には、前記両端面間を通る軸線方向に沿った断面で見て、凹状曲面が連続して反復する形状を呈するマイクロレンズが形成される。
【０００９】
前記光学基板は、シリコン結晶基板のような結晶基板を用いることができる。また、二酸化シリコン層および該二酸化シリコン層を間に挟む両シリコン結晶層を備えるＳＯＩ基板を光学基板として用いることができ、この場合、その一方の前記シリコン結晶層で前記各マイクロレンズを形成することができる。
前記レンズ面に回折型光学素子を形成することができる。
【００１０】
前記したレンズ面が形成された光学基板への前記したエッチング処理後の前記光学基板を原盤として、複製のための型を形成し、この型を用いて前記レンズ面に対応するレンズ面が形成された複製基板を形成し、該複製基板上の各マイクロレンズをそれぞれに分離することにより、複数のマイクロレンズを一括的に形成することができる。
【００１１】
マイクロレンズに、光ファイバを収容するための溝が形成された基板上で前記溝に収容される前記光ファイバの外径に等しい外径を与えることができ、これにより、前記マイクロレンズの光軸を前記溝に沿わせるように該溝に配置することにより、前記溝に収容された前記光ファイバに前記マイクロレンズを適正に光結合させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態について詳細に説明する。
〈具体例１〉
図１は、本発明に係るマイクロレンズの形成方法の具体例１を示すが、これに沿って本発明の製造工程を説明するに先立ち、図２に沿って、本発明に係るマイクロレンズおよびその使用態様の一例を説明する。
【００１３】
本発明が対象とするマイクロレンズ１０は、例えば光通信のための光学素子として用いられ、図２に示されている例では、例えば支持基板として用いられる半導体基板１１上で、光ファイバ１２から放射される光信号を所定の箇所に集光させ、あるいは図示しない例えば半導体レーザのような光源から放射される光信号を光ファイバ１２に案内すべく該光ファイバの端面に集光させるべく、光ファイバ１２と組み合わせて使用されている。
【００１４】
半導体基板１１には、例えばシリコン半導体基板が用いられ、該基板には、光ファイバ１２を位置決めるためのＶ字溝１３がエッチングにより形成されており、図示の例では、光ファイバ１２から放射される光を所定箇所に集光させるための光学特性を有する円柱状のマイクロレンズ１０がそのレンズ面１０ａを光ファイバ１２の端面に対向させるように、Ｖ字溝１３上でこれに沿って配置されている。
【００１５】
光ファイバ１２は、例えば１．３μｍあるいは１．５μｍの波長を有する光信号を案内するための１２５μｍの外径を有するシングルモード光ファイバであり、マイクロレンズ１０は、前記光ファイバ１２に光学的に結合されるように、光軸を一致させてＶ字溝１３上に配置される。
【００１６】
マイクロレンズ１０は、例えば前記光ファイバ１２の外径に一致する１２５μｍの外径および２００μｍの高さを有する円柱状の光学部材からなる。
マイクロレンズ１０は、前記したような１．３μｍあるいは１．５μｍの波長の光を取り扱う場合、石英板あるいはシリコン結晶板のような光学部材で構成することができ、該光学部材の一端に所望の光学特性を得るためのレンズ面１２ａが形成されている。
【００１７】
マイクロレンズ１０の外径を前記光ファイバ１２の外径に一致させることにより、マイクロレンズ１０の軸線をＶ字溝１３に沿わせるように該Ｖ字溝上にマイクロレンズ１０を配置することにより、極めて容易に該レンズと光ファイバ１２との光軸合わせを高精度で行うことができる。
【００１８】
多数のマイクロレンズ１０を一括的に形成する方法を図１に沿って説明する。
前記したマイクロレンズ１０のための光学基板には、例えば６００μｍの厚さ寸法を有するシリコン結晶板（例えば、シリコンウェハ等）１４が用いられる。このシリコン結晶板１４の表面１４ａには、図１（ａ）に示されているように、マイクロレンズ１０のための所望の光学特性を示す多数のレンズ面１０ａが相互に間隔をおいて形成される。
【００１９】
例えば約１２５μｍの直径を有する微小な多数のレンズ面１０ａの形成では、後述するように、例えば半導体製造技術で用いられるフォトリソ・エッチング技術を用いることができ、シリコン結晶板１４の表面１４ａにエッチング処理を施すことにより、所望の光学特性を示す多数のレンズ面１０ａを一括的かつ高精度で形成することができる。
【００２０】
図１（ａ）に仮想線で示されているように、シリコン結晶板１４の表面１４ａを覆うフォトレジスト層１５を形成した後、前記レンズ面１０ａに対応したフォトマスク（図示せず）を用いてフォトレジスト層１５を選択的に露光する。この選択露光後の現像により、図１（ｂ）に示されているように、各レンズ面１０ａを覆うフォトレジストから成るマスクパターン１５ａが形成される。
【００２１】
マスクパターン１５ａの形成後、マスクパターン１５ａをエッチングマスクとする選択エッチング処理により、シリコン結晶板１４の前記表面１４ａにおける各マスクパターン１５ａから露出する部分が所定の深さ寸法Ｄまでエッチング処理を受ける。このエッチング処理後、図１（ｃ）に示されているように、前記エッチングマスクすなわちマスクパターン１５ａが除去される。
【００２２】
マスクパターン１５ａの除去により露出する各レンズ面１０ａおよび該レンズ面間の凹所を埋め込むべく、図１（ｄ）に示されているように、シリコン結晶板１４の表面１４ａには、ワックス材料１６が塗布され、さらに保持基板１７をワックス材料１６に押し付けることにより、図１（ｅ）に示されているように、前記ワックス材料１６を介して、レンズ面１０ａを含む各レンズ領域すなわちレンズ部分（１０）が保持基板１７で支持される。
前記ワックス材料１６として、光学レンズの研磨時にレンズ材料を保持するのに一般的に使用されている研磨用ワックスを用いることができる。また、保持基板１７として、半導体基板あるいはガラス板のような保持板を適宜使用することができる。
【００２３】
前記ワックス材料１６を介して保持基板１７で各レンズ部分（１０）を支持した状態で、シリコン結晶板１４がその裏面１４ｂから化学機械研磨のような研磨工程を受ける。この研磨工程は、図１（ｆ）に示されているように、シリコン結晶板１４の前記レンズ部分（１０）を除く部分が除去され、これにより平坦な研磨面上で、各レンズ部分（１０）間の前記ワックス材料１６が露出するまで行われ、このワックス材料１６の露出により各レンズ部分（１０）が分離されると、研磨工程が終了する。
【００２４】
前記研磨工程が終了すると、各レンズ部分（１０）を保持基板１７に支持するワックス材料１６を、例えばイソプロピルアルコールのような有機溶媒を用いて溶解させ、これにより各レンズ部分（１０）が保持基板１７から解放されることにより、それぞれがレンズ面１０ａを有する多数の前記マイクロレンズ１０が一括的に形成される。
【００２５】
前記したマイクロレンズ１０の製造方法によれば、半導体製造技術を利用したフォトリソ・エッチング技術を用いて多数の微小なマイクロレンズ１０を高精度で一括的に形成することができる。
【００２６】
図３は、回折現象を利用した回折型光学素子のレンズ面の形成方法を前記したレンズ面１０ａの形成方法に適用した一例を示す。
回折型光学素子では、従来よく知られているように、所望の光学特性を示す光学素子の光路差関数から所望の光学特性を得るに必要なフォトマスクのパターンをコンピュータを用いて求め、そのマスクパターンを用いた光学基板へのエッチング処理により、所望の光学特性を示す回折型光学素子を得ることができる。
【００２７】
図３に示す例では、２枚のマスクパターンの組み合わせによって得られる４位相のレンズ面の形成方法を示す。
図３（ａ）に示されているように、光学基板たるシリコン結晶板１４上に、コンピュータで求められた第１のフォトマスクのパターンに対応したエッチングマスクパターン１８が形成される。なお、この図３（ａ）及び図３（ｂ）〜（ｇ）で示されるシリコン結晶板１４は、図１に示されるシリコン結晶板１４におけるレンズ面１０ａが形成される面側を部分的に示したものである。
このエッチングマスクパターン１８は、例えば東京応化工業製レジストＴＳＭＲを用い、このレジスト材料を例えば１．８μｍの厚さ寸法でシリコン結晶板１４上にほぼ均一に塗布した後、コンピュータで求められた第１のフォトマスクパターンを用いた前記フォトレジスト材料への選択露光および現像処理により、形成することができる。
【００２８】
第１のエッチングマスクパターン１８をエッチングマスクとし、例えばＳＦ6のようなエッチングガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）処理により、シリコン結晶板１４の表面１４ａが選択的にエッチング処理を受ける。このエッチング処理により、図３（ｂ）に示されているように、シリコン結晶板１４の第１のエッチングマスクパターン１８から露出する領域が、例えば０．５μｍの深さ分、除去される。
【００２９】
第１のエッチングマスクパターン１８を用いた前記した第１のエッチング処理後、図３（ｃ）に示されているように、第１のエッチングマスクパターン１８が除去され、これにより、シリコン結晶板１４上には、２つの表面高さレベルを有する２位相のレンズ面が形成される。
その後、図３（ｄ）に示されているように、前記レンズ面を埋め込むべく前記したと同様なレジスト材料層１９が形成され、該レジスト材料層がコンピュータによって求められた第２のフォトマスクパターン（図示せず）を用いて、前記したと同様な選択露光を受けた後、現像処理を受ける。この現像処理により、図３（ｅ）に示されているように、前記レンズ面の２つの前記表面高さレベル部分のそれぞれを部分的に露出させる第２のエッチングマスクパターン１９ａが形成される。
【００３０】
このエッチングマスクパターン１９ａを用いた前記したと同様な選択エッチング処理により、前記表面１４ａの前記マスクパターン１９ａから露出する部分が、例えば０．２５μｍ分、除去される。この第２の選択エッチング処理後、図３（ｇ）に示されているように、第２のエッチングマスクパターン１９ａが除去され、これにより、シリコン結晶板１４の表面１４ａには、４つの表面高さレベルを有する４位相のレンズ面１０ａが形成される。図３には、図面の簡素化のために、１つの円形レンズ面１０ａの中心線Ｌから見てその一半が省略して示されている。
【００３１】
このようにして多数のレンズ面１０ａが形成されたシリコン結晶板１４は、図１に沿って、各レンズ面１０ａを含むそれぞれのマイクロレンズ１０の分離のための前記した各処理を受ける。
【００３２】
〈具体例２〉
図１に沿って説明したところでは、図１（ｃ）に示されているように、マスクパターン１５ａを用いた単一のエッチング処理により、所望の深さ寸法Ｄのエッチングが可能の例を示したが、前記した深さ寸法Ｄが例えば２００μｍのような比較的深い寸法を必要とするとき、図４および図５に示されているように、前記したエッチング処理を反復することが望ましい。
【００３３】
すなわち、図４（ａ）に示されているように、シリコン結晶板１４の表面１４ａに図３に沿って説明したような方法により多数のレンズ面１０ａが形成される。各レンズ面の直径は、例えば前記したと同様に約１２５μｍである。
【００３４】
レンズ面１０ａの形成後、図４（ｂ）に示されているように、レンズ面１０ａを覆うべく該レンズ面よりも僅かに大きな形状を有するマスクパターン１５ａが形成される。
このマスクパターン１５ａは、二酸化シリコンで形成することができる。この二酸化シリコンから成るマスクパターン１５ａは、シリコン結晶板１４の表面１４ａ上に、図示しないが、例えばＣＶＤ法により二酸化シリコンを１μｍの厚さ寸法に堆積させた後、この二酸化シリコン層上に塗布される前記したと同様なフォトレジスト材料の露光および現像により、エッチングマスクを形成し、このエッチングマスクを用いて前記二酸化シリコン層に選択的なエッチング処理を施すことにより、形成することができる。
前記二酸化シリコン層のエッチング処理には、例えば、ＣＦ4とＯ2とから成る異方性エッチングガスを用いることができる。
【００３５】
マスクパターン１５ａの形成後、該パターンをエッチングマスクとして、図４（ｃ）に示されているように、シリコン結晶板１４の表面１４ａが例えば１μｍの深さでエッチングを受ける。このエッチングには、例えばＳＦ6のような、シリコンに対し異方エッチング特性を示すエッチングガスが用いられる。
【００３６】
このエッチングガスを用いたエッチング処理により、レンズ面１０ａの直径よりも僅かに大きな直径を有する各マスクパターン１５ａ下には、図４（ｃ）に示すとおり、レンズ面１０ａを含む約１μｍの高さ寸法ｄ１を有する円柱部１０−１が形成される。各円柱部１０−１の周面は、該円柱部の中心軸線に沿った断面で見て、弧状の凹状曲面で規定される。
前記円柱部１０−１の高さ寸法ｄ１が前記したとおり約１μｍであるとき、円柱部１０−１の立ち上がり部における前記凹状曲面の接線と、シリコン結晶板１４の平坦面１４ａとの角度θは、９０°に近い８７．５°となる。円柱部１０−１の最大径は、それらの両端で１２４．９μｍであった。
【００３７】
第１の円柱部１０−１の形成後、図４（ｄ）に示されているように、マスクパターン１５ａ、該パターン下の円柱部１０−１およびシリコン結晶板１４の表面を全体的に覆う例えばＣ4Ｆ8（オクタフルオロシクロブタン）の重合体からなる保護膜２０が形成される。この保護膜２０は、前記Ｃ4Ｆ8ガスのプラズマ反応により生成することができる。
【００３８】
前記保護膜２０により円柱部１０−１の周壁面を覆った状態で、シリコン結晶板１４の表面が、再び前記したＳＦ6のような異方性エッチングガスを用いて所定時間のエッチング処理を受ける。
このエッチング処理では、円柱部１０−１の前記周壁面が保護膜２０により保護されていることから、保護膜２０下での前記エッチング処理により、図５（ａ）に示されているように、円柱部１０−１に連続してその下方に、これと同様な凹状曲面で規定される凹状周面を有する円柱部１０−２が形成される。
【００３９】
さらに、前記エッチング処理により露出したシリコン結晶板１４の表面および円柱部１０−２の凹状周面を覆うべく、図５（ｂ）に示されているように、前記したと同様な保護膜２０が成長される。
【００４０】
円柱部１０−２の周面を覆う新たな保護膜２０の形成後、シリコン結晶板１４の前記表面は、三度、前記したＳＦ6のような異方性エッチングガスを用いた所定時間のエッチング処理を受ける。
【００４１】
新たに露出する前記円柱部の周面を覆う保護膜２０の形成および該保護膜下でのエッチング処理によるさらに新たな円柱部の形成の工程を繰り返した後、図５（ｃ）に示されているように、保護膜２０が除去される。
その結果、各マスクパターン１５ａ下には、相互に直列的に形成される多数の円柱部１０−１〜ｎからなるレンズ部分（１０）であって所望の厚さ寸法Ｄを有しかつ端面にレンズ面１０ａが形成された前記レンズ部分（１０）が形成される。
【００４２】
各レンズ部分（１０）は、マスクパターン１５ａの除去後、図１（ｄ）〜図１（ｆ）に沿って説明したと同様な工程を経て、それぞれのマイクロレンズ１０に分離されるが、前記したように露出する前記円柱部の周面を覆う保護膜２０の形成および該保護膜下でのエッチング処理による新たな円柱部の形成の工程の繰り返しによる反復操作で形成したマイクロレンズ１０の周面は、図５（ｃ）に示されているように、凹状曲面が連続して反復する外形形状を呈する。
【００４３】
前記したところでは、シリコン結晶板１４に形成されたレンズ部分（１０）を分離することにより、前記レンズ部分（１０）で直接的にマイクロレンズ１０を形成した例を説明したが、これに代えて、多数の前記レンズ部分（１０）が形成されたシリコン結晶板１４を原盤として、複製を作成し、この複製の前記したと同様なレンズ部分（１０）を分離することにより、マイクロレンズ１０を形成することができる。
【００４４】
この複製の形成のために、前記レンズ部分（１０）が形成されたシリコン結晶板１４を原盤として、例えば合成樹脂材料により型を起こし、この型を用いて前記原盤のレプリカを作成し、図１（ｄ）〜図１（ｆ）に沿って説明したと同様な保持基板１７を用いた研磨作業を前記レプリカに施すことにより、該レプリカの前記レンズ部分（１０）を相互に分離することにより、該レンズ部分から前記したと同様な多数のマイクロレンズ１０を形成することができる。
【００４５】
〈具体例３〉
図６および図７は、ＳＯＩ基板を用いてマイクロレンズ１０を形成する方法を示す。
ＳＯＩ基板３４は、従来よく知られているように、シリコン基板層３４ａ、二酸化シリコン層３４ｂおよびシリコン表層３４ｃからなり、本発明では、例えば５０〜１００μｍの厚さ寸法を有する前記表層３４ｃでマイクロレンズ１０が形成される。
【００４６】
図６（ａ）に示されているように、シリコン表層３４ｃには、前記したと同様な多数のレンズ面１０ａが相互に間隔をおいて形成される。
図示しないが、前記したと同様な各レンズ面１０を覆うマスクパターン（１５ａ）をエッチングマスクとして、シリコン表層３４ｃの前記エッチングマスクから露出した領域がエッチング処理を受ける。このシリコン層の選択エッチング処理に関して、二酸化シリコン層３４ｂはエッチングストッパとして機能することから、図６（ｂ）に示されているように、二酸化シリコン層３４ｂが露出したときに、この二酸化シリコン層３４ｂが大きくエッチングを受けることはない。
【００４７】
従って、二酸化シリコン層３４ｂが露出した時点で前記エッチング処理が停止され、前記マスクパターン（１５ａ）を除去することにより、図６（ｂ）に示すように、比較的容易に、二酸化シリコン層３４ｂ上に所定の各前記レンズ部分（１０）を残すことができる。
【００４８】
二酸化シリコン層３４ｂ上の各レンズ部分（１０）は、図６（ｃ）に示されているように、前記したと同様なワックス材料１６が塗布され、図６（ｄ）に示されているように、前記ワックス材料１６を介して各レンズ部分（１０）が保持基板１７に支持される。
【００４９】
各レンズ部分（１０）を保持基板１７に保持した状態で、例えばフッ酸中にＳＯＩ基板３４の残存部分が浸されると、二酸化シリコン層３４ｂが除去されることから、図６（ｅ）に示すとおり、保持基板１７には、前記ワックス材料１６を介して保持された各レンズ部分（１０）のみが残存する。
【００５０】
従って、具体例１におけると同様に、前記ワックス材料１６を前記したと同様な溶媒で溶解させることにより、各レンズ部分（１０）を保持基板１７から解放することができ、これにより多数のマイクロレンズ１０が一括的に形成される。
【００５１】
前記したように、マイクロレンズ１０の形成にＳＯＩ基板を使用することにより、エッチング液を用いてＳＯＩ基板３４のシリコン基板層３４ａで形成された各レンズ部分（１０）と、該レンズ部分に二酸化シリコン層３４ｂを介して結合されたシリコン基板層３４ａとを分離させることができることから、各レンズ部分（１０）を分離するためのシリコン結晶板１４への研磨工程を不要とすることができる。
また、分離されたシリコン基板層３４ａは、研磨を受けることがないことから、ＳＯＩ基板のシリコン基板層３４ａとして、再利用が可能となる。
【００５２】
図７に示すように、マイクロレンズ１０の両面に、必要に応じて反射防止膜を形成することができる。
図７（ａ）に示すとおり、前記ワックス材料１６を介して前記各レンズ部分（１０）が保持基板１７に保持された状態で、前記レンズ部分（１０）のレンズ面１０ａと反対側に位置する端面１０ｂに、例えば真空蒸着器を用いて反射防止膜となるＴiＯ2膜を形成することができる。このＴiＯ2膜の形成は、前記した蒸着法に代えてスパッタ法によっても形成することができる。
【００５３】
その後、図７（ｂ）に示されているように、前記各レンズ部分（１０）の反射防止膜が形成された端面を覆うようにＵＶ硬化樹脂材料２１が塗布される。その後、図７（ｃ）に示されているように、このＵＶ硬化樹脂材料２１の層を保持基板１７との間で挟み込むように、ＵＶ硬化樹脂材料２１に当接する石英基板からなる第２の保持基板２２が配置され、この保持基板を通して紫外線がＵＶ硬化樹脂材料２１に照射される。
【００５４】
紫外光の照射によりＵＶ硬化樹脂材料２１が硬化すると、この硬化したＵＶ硬化樹脂材料２１すなわち硬化部２１′が形成され、該硬化部を介して、前記各レンズ部分（１０）は第２の保持基板２２に支持される。
【００５５】
前記各レンズ部分（１０）が第２の保持基板２２に支持された状態で前記ワックス材料１６が除去されると、前記したとおり、前記ワックス材料１６の除去と共に、第１の保持基板１７が前記各レンズ部分（１０）から取り除かれ、これにより、前記各レンズ部分（１０）は、図７（ｄ）に示されているように、それらのレンズ面１０ａを露出させるように前記硬化部２１′を介して第２の保持基板２２上に保持される。
【００５６】
露出するレンズ面１０ａには、該レンズ面の反対側の端面１０ｂへの前記した反射防止膜の形成と同様な処理により、これと同様な反射防止膜が形成される。この前記レンズ部分（１０）の両面への反射防止膜の形成後、溶媒を用いて硬化部２１′を除去することにより、前記レンズ部分（１０）を第２の保持基板２２から解放することができ、これにより、両面に反射防止膜が形成されたマイクロレンズ１０を一括的に形成することができる。
【００５７】
前記したところでは、一方の面にレンズ面が形成された回折現象を利用した回折型光学素子からなるマイクロレンズの例について説明したが、必要に応じて両面にレンズ面を形成することができる。また、本発明は、回折型光学素子に限らず屈折型光学素子から成るマイクロレンズに適用することができ、また各レンズ面およびマイクロレンズの外形に所望の形状を与えることができる。
【００５８】
さらに、各マイクロレンズに、必要に応じてその取扱を容易とするためのレンズ面以外の操作部を一体的に形成することができる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、前記したように、多数の束ねられた光学部材の端面にレンズ面を形成することに代えて、単一の前記光学基板上に多数のレンズ面を形成した後、半導体製造工程で用いられるフォトリソおよびエッチング技術を用いてそれぞれが前記レンズ面を含む複数のマイクロレンズを前記光学基板上に一体的かつ一括的に形成し、さらに前記半導体製造工程で用いられる研磨技術を用いて前記各マイクロレンズを分離することができることから、従来のような多数の光学部材を束ねる工程が不要になり、これにより、多数の正確なマイクロレンズを比較的容易にかつ効率的に形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマイクロレンズの形成方法の具体例１を示す工程図である。
【図２】本発明に係るマイクロレンズの使用例を示す斜視図である。
【図３】本発明に係るマイクロレンズのレンズ面の形成方法の一例を示す工程図である。
【図４】本発明に係るマイクロレンズの形成方法の具体例２を示す工程図（その１）である。
【図５】本発明に係るマイクロレンズの形成方法の具体例２を示す工程図（その２）である。
【図６】本発明に係るマイクロレンズの形成方法の具体例３を示す工程図である。
【図７】本発明に係るマイクロレンズの反射防止膜の形成工程を示す工程図である。
【符号の説明】
１０ マイクロレンズ
１０ａ レンズ面
１２ 光ファイバ
１４、３４ 光学基板
１５ａ マスクパターン
１７ 保持基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信機器に適用するのに好適なマイクロレンズおよびその形成方法に関し、特に、多数のＣＧＨ素子のような微小な回折型光学素子を形成するのに好適なマイクロレンズの形成方法および該方法によって形成されるマイクロレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
１９９９年４月に発行されたプロシーディング エスピーアイイー（Proc.SPIE）第３６３１巻、第２３４−２４３頁には、光ファイバに結合される多数のマイクロレンズを形成する方法が開示されている。この従来技術によれば、前記光ファイバの外径に等しい外径を有する多数の円柱状の光学部材を束ねて、それらの端面に所定のエッチングマスクを用いるエッチング処理を施すことにより、多数の光学部材の各端面に一括的に所定のレンズ面を形成することができる。
【０００３】
光ファイバの外径に等しい外径を有する前記光学部材から成るマイクロレンズによれば、前記光ファイバを受け入れるＶ溝が形成された基板上で、前記Ｖ溝に受け入れられた前記光ファイバの端面に前記レンズ面を対向させるように、前記マイクロレンズを前記Ｖ溝に配置することにより、前記光ファイバと前記レンズとを両者の光軸を相互に高精度で一致させて配置することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記したような従来の方法によれば、多数の光学部材の端面に一括的にレンズ面を形成するために、これら多数の光学部材を確実に拘束する必要があり、高精度で多数の光学部材の端面に正確にレンズ面を形成することは容易ではない。
従って、本発明の目的は、多数のマイクロレンズを比較的容易にかつ効率的に形成し得るマイクロレンズの形成方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、光ファイバと正確な光軸合わせが容易であり新規なマイクロレンズを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以上の点を解決するために、次の構成を採用する。
〈構成〉
本発明に係るマイクロレンズの形成方法は、基本的には、光学基板の一方の面に複数のレンズ面をそれぞれが間隔をおくように形成するレンズ面形成工程と、前記各レンズ面を含むそれぞれのレンズ領域をエッチングマスクで部分的に覆うマスク工程と、前記光学基板に所定の厚さ寸法を残した状態で前記マスクから露出した領域の所定の深さ分を除去すべく前記光学基板の前記一方の面の前記マスクから露出した領域にエッチング処理を施すエッチング工程と、前記光学基板の前記残存した厚さ寸法分を除去すべく前記光学基板の前記一方の面に形成された前記各レンズ面を保持基板で支持した状態で前記光学基板に他方の面から研磨を施す研磨工程と、前記各レンズ領域により規定される各マイクロレンズを前記保持基板から解放する分離工程とを含む。
【０００６】
本発明に係る前記方法によれば、従来のように多数の束ねられた光学部材の端面にレンズ面を形成することに代えて、単一の前記光学基板上に多数のレンズ面が形成され、このレンズ面の形成後、半導体製造工程で用いられるフォトリソおよびエッチング技術を用いてそれぞれが前記レンズ面を含む複数のマイクロレンズを前記光学基板上に一体的かつ一括的に形成し、さらに前記半導体製造工程で用いられる研磨技術を用いて前記各マイクロレンズを分離することができることから、従来のような多数の光学部材を束ねる工程が不要になり、これにより、多数の正確なマイクロレンズを比較的容易にかつ効率的に形成することが可能となる。
【０００７】
前記各レンズ面は、ワックス材料を介して前記保持基板に支持することができ、また、ワックス材料に代えて、ＵＶ硬化樹脂材料を用いることができる。
【０００８】
前記エッチング工程は、前記エッチングマスク下でのエッチングガスを用いたエッチング処理と、該エッチング処理により新たに露出する前記光学基板における前記エッチングマスク下の周壁面を覆う保護膜の形成との反復で行うことができ、これにより、各マイクロレンズに所望の板厚寸法を与えることができる。エッチング処理には、異方性エッチングガスを用いることができる。
このエッチング工程での前記したエッチング処理および保護膜形成との反復により、周面には、前記両端面間を通る軸線方向に沿った断面で見て、凹状曲面が連続して反復する形状を呈するマイクロレンズが形成される。
【０００９】
前記光学基板は、シリコン結晶基板のような結晶基板を用いることができる。また、二酸化シリコン層および該二酸化シリコン層を間に挟む両シリコン結晶層を備えるＳＯＩ基板を光学基板として用いることができ、この場合、その一方の前記シリコン結晶層で前記各マイクロレンズを形成することができる。
前記レンズ面に回折型光学素子を形成することができる。
【００１０】
前記したレンズ面が形成された光学基板への前記したエッチング処理後の前記光学基板を原盤として、複製のための型を形成し、この型を用いて前記レンズ面に対応するレンズ面が形成された複製基板を形成し、該複製基板上の各マイクロレンズをそれぞれに分離することにより、複数のマイクロレンズを一括的に形成することができる。
【００１１】
マイクロレンズに、光ファイバを収容するための溝が形成された基板上で前記溝に収容される前記光ファイバの外径に等しい外径を与えることができ、これにより、前記マイクロレンズの光軸を前記溝に沿わせるように該溝に配置することにより、前記溝に収容された前記光ファイバに前記マイクロレンズを適正に光結合させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態について詳細に説明する。
〈具体例１〉
図１は、本発明に係るマイクロレンズの形成方法の具体例１を示すが、これに沿って本発明の製造工程を説明するに先立ち、図２に沿って、本発明に係るマイクロレンズおよびその使用態様の一例を説明する。
【００１３】
本発明が対象とするマイクロレンズ１０は、例えば光通信のための光学素子として用いられ、図２に示されている例では、例えば支持基板として用いられる半導体基板１１上で、光ファイバ１２から放射される光信号を所定の箇所に集光させ、あるいは図示しない例えば半導体レーザのような光源から放射される光信号を光ファイバ１２に案内すべく該光ファイバの端面に集光させるべく、光ファイバ１２と組み合わせて使用されている。
【００１４】
半導体基板１１には、例えばシリコン半導体基板が用いられ、該基板には、光ファイバ１２を位置決めるためのＶ字溝１３がエッチングにより形成されており、図示の例では、光ファイバ１２から放射される光を所定箇所に集光させるための光学特性を有する円柱状のマイクロレンズ１０がそのレンズ面１０ａを光ファイバ１２の端面に対向させるように、Ｖ字溝１３上でこれに沿って配置されている。
【００１５】
光ファイバ１２は、例えば１．３μｍあるいは１．５μｍの波長を有する光信号を案内するための１２５μｍの外径を有するシングルモード光ファイバであり、マイクロレンズ１０は、前記光ファイバ１２に光学的に結合されるように、光軸を一致させてＶ字溝１３上に配置される。
【００１６】
マイクロレンズ１０は、例えば前記光ファイバ１２の外径に一致する１２５μｍの外径および２００μｍの高さを有する円柱状の光学部材からなる。
マイクロレンズ１０は、前記したような１．３μｍあるいは１．５μｍの波長の光を取り扱う場合、石英板あるいはシリコン結晶板のような光学部材で構成することができ、該光学部材の一端に所望の光学特性を得るためのレンズ面１２ａが形成されている。
【００１７】
マイクロレンズ１０の外径を前記光ファイバ１２の外径に一致させることにより、マイクロレンズ１０の軸線をＶ字溝１３に沿わせるように該Ｖ字溝上にマイクロレンズ１０を配置することにより、極めて容易に該レンズと光ファイバ１２との光軸合わせを高精度で行うことができる。
【００１８】
多数のマイクロレンズ１０を一括的に形成する方法を図１に沿って説明する。
前記したマイクロレンズ１０のための光学基板には、例えば６００μｍの厚さ寸法を有するシリコン結晶板（例えば、シリコンウェハ等）１４が用いられる。このシリコン結晶板１４の表面１４ａには、図１（ａ）に示されているように、マイクロレンズ１０のための所望の光学特性を示す多数のレンズ面１０ａが相互に間隔をおいて形成される。
【００１９】
例えば約１２５μｍの直径を有する微小な多数のレンズ面１０ａの形成では、後述するように、例えば半導体製造技術で用いられるフォトリソ・エッチング技術を用いることができ、シリコン結晶板１４の表面１４ａにエッチング処理を施すことにより、所望の光学特性を示す多数のレンズ面１０ａを一括的かつ高精度で形成することができる。
【００２０】
図１（ａ）に仮想線で示されているように、シリコン結晶板１４の表面１４ａを覆うフォトレジスト層１５を形成した後、前記レンズ面１０ａに対応したフォトマスク（図示せず）を用いてフォトレジスト層１５を選択的に露光する。この選択露光後の現像により、図１（ｂ）に示されているように、各レンズ面１０ａを覆うフォトレジストから成るマスクパターン１５ａが形成される。
【００２１】
マスクパターン１５ａの形成後、マスクパターン１５ａをエッチングマスクとする選択エッチング処理により、シリコン結晶板１４の前記表面１４ａにおける各マスクパターン１５ａから露出する部分が所定の深さ寸法Ｄまでエッチング処理を受ける。このエッチング処理後、図１（ｃ）に示されているように、前記エッチングマスクすなわちマスクパターン１５ａが除去される。
【００２２】
マスクパターン１５ａの除去により露出する各レンズ面１０ａおよび該レンズ面間の凹所を埋め込むべく、図１（ｄ）に示されているように、シリコン結晶板１４の表面１４ａには、ワックス材料１６が塗布され、さらに保持基板１７をワックス材料１６に押し付けることにより、図１（ｅ）に示されているように、前記ワックス材料１６を介して、レンズ面１０ａを含む各レンズ領域すなわちレンズ部分（１０）が保持基板１７で支持される。
前記ワックス材料１６として、光学レンズの研磨時にレンズ材料を保持するのに一般的に使用されている研磨用ワックスを用いることができる。また、保持基板１７として、半導体基板あるいはガラス板のような保持板を適宜使用することができる。
【００２３】
前記ワックス材料１６を介して保持基板１７で各レンズ部分（１０）を支持した状態で、シリコン結晶板１４がその裏面１４ｂから化学機械研磨のような研磨工程を受ける。この研磨工程は、図１（ｆ）に示されているように、シリコン結晶板１４の前記レンズ部分（１０）を除く部分が除去され、これにより平坦な研磨面上で、各レンズ部分（１０）間の前記ワックス材料１６が露出するまで行われ、このワックス材料１６の露出により各レンズ部分（１０）が分離されると、研磨工程が終了する。
【００２４】
前記研磨工程が終了すると、各レンズ部分（１０）を保持基板１７に支持するワックス材料１６を、例えばイソプロピルアルコールのような有機溶媒を用いて溶解させ、これにより各レンズ部分（１０）が保持基板１７から解放されることにより、それぞれがレンズ面１０ａを有する多数の前記マイクロレンズ１０が一括的に形成される。
【００２５】
前記したマイクロレンズ１０の製造方法によれば、半導体製造技術を利用したフォトリソ・エッチング技術を用いて多数の微小なマイクロレンズ１０を高精度で一括的に形成することができる。
【００２６】
図３は、回折現象を利用した回折型光学素子のレンズ面の形成方法を前記したレンズ面１０ａの形成方法に適用した一例を示す。
回折型光学素子では、従来よく知られているように、所望の光学特性を示す光学素子の光路差関数から所望の光学特性を得るに必要なフォトマスクのパターンをコンピュータを用いて求め、そのマスクパターンを用いた光学基板へのエッチング処理により、所望の光学特性を示す回折型光学素子を得ることができる。
【００２７】
図３に示す例では、２枚のマスクパターンの組み合わせによって得られる４位相のレンズ面の形成方法を示す。
図３（ａ）に示されているように、光学基板たるシリコン結晶板１４上に、コンピュータで求められた第１のフォトマスクのパターンに対応したエッチングマスクパターン１８が形成される。なお、この図３（ａ）及び図３（ｂ）〜（ｇ）で示されるシリコン結晶板１４は、図１に示されるシリコン結晶板１４におけるレンズ面１０ａが形成される面側を部分的に示したものである。
このエッチングマスクパターン１８は、例えば東京応化工業製レジストＴＳＭＲを用い、このレジスト材料を例えば１．８μｍの厚さ寸法でシリコン結晶板１４上にほぼ均一に塗布した後、コンピュータで求められた第１のフォトマスクパターンを用いた前記フォトレジスト材料への選択露光および現像処理により、形成することができる。
【００２８】
第１のエッチングマスクパターン１８をエッチングマスクとし、例えばＳＦ6のようなエッチングガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）処理により、シリコン結晶板１４の表面１４ａが選択的にエッチング処理を受ける。このエッチング処理により、図３（ｂ）に示されているように、シリコン結晶板１４の第１のエッチングマスクパターン１８から露出する領域が、例えば０．５μｍの深さ分、除去される。
【００２９】
第１のエッチングマスクパターン１８を用いた前記した第１のエッチング処理後、図３（ｃ）に示されているように、第１のエッチングマスクパターン１８が除去され、これにより、シリコン結晶板１４上には、２つの表面高さレベルを有する２位相のレンズ面が形成される。
その後、図３（ｄ）に示されているように、前記レンズ面を埋め込むべく前記したと同様なレジスト材料層１９が形成され、該レジスト材料層がコンピュータによって求められた第２のフォトマスクパターン（図示せず）を用いて、前記したと同様な選択露光を受けた後、現像処理を受ける。この現像処理により、図３（ｅ）に示されているように、前記レンズ面の２つの前記表面高さレベル部分のそれぞれを部分的に露出させる第２のエッチングマスクパターン１９ａが形成される。
【００３０】
このエッチングマスクパターン１９ａを用いた前記したと同様な選択エッチング処理により、前記表面１４ａの前記マスクパターン１９ａから露出する部分が、例えば０．２５μｍ分、除去される。この第２の選択エッチング処理後、図３（ｇ）に示されているように、第２のエッチングマスクパターン１９ａが除去され、これにより、シリコン結晶板１４の表面１４ａには、４つの表面高さレベルを有する４位相のレンズ面１０ａが形成される。図３には、図面の簡素化のために、１つの円形レンズ面１０ａの中心線Ｌから見てその一半が省略して示されている。
【００３１】
このようにして多数のレンズ面１０ａが形成されたシリコン結晶板１４は、図１に沿って、各レンズ面１０ａを含むそれぞれのマイクロレンズ１０の分離のための前記した各処理を受ける。
【００３２】
〈具体例２〉
図１に沿って説明したところでは、図１（ｃ）に示されているように、マスクパターン１５ａを用いた単一のエッチング処理により、所望の深さ寸法Ｄのエッチングが可能の例を示したが、前記した深さ寸法Ｄが例えば２００μｍのような比較的深い寸法を必要とするとき、図４および図５に示されているように、前記したエッチング処理を反復することが望ましい。
【００３３】
すなわち、図４（ａ）に示されているように、シリコン結晶板１４の表面１４ａに図３に沿って説明したような方法により多数のレンズ面１０ａが形成される。各レンズ面の直径は、例えば前記したと同様に約１２５μｍである。
【００３４】
レンズ面１０ａの形成後、図４（ｂ）に示されているように、レンズ面１０ａを覆うべく該レンズ面よりも僅かに大きな形状を有するマスクパターン１５ａが形成される。
このマスクパターン１５ａは、二酸化シリコンで形成することができる。この二酸化シリコンから成るマスクパターン１５ａは、シリコン結晶板１４の表面１４ａ上に、図示しないが、例えばＣＶＤ法により二酸化シリコンを１μｍの厚さ寸法に堆積させた後、この二酸化シリコン層上に塗布される前記したと同様なフォトレジスト材料の露光および現像により、エッチングマスクを形成し、このエッチングマスクを用いて前記二酸化シリコン層に選択的なエッチング処理を施すことにより、形成することができる。
前記二酸化シリコン層のエッチング処理には、例えば、ＣＦ4とＯ2とから成る異方性エッチングガスを用いることができる。
【００３５】
マスクパターン１５ａの形成後、該パターンをエッチングマスクとして、図４（ｃ）に示されているように、シリコン結晶板１４の表面１４ａが例えば１μｍの深さでエッチングを受ける。このエッチングには、例えばＳＦ6のような、シリコンに対し異方エッチング特性を示すエッチングガスが用いられる。
【００３６】
このエッチングガスを用いたエッチング処理により、レンズ面１０ａの直径よりも僅かに大きな直径を有する各マスクパターン１５ａ下には、図４（ｃ）に示すとおり、レンズ面１０ａを含む約１μｍの高さ寸法ｄ１を有する円柱部１０−１が形成される。各円柱部１０−１の周面は、該円柱部の中心軸線に沿った断面で見て、弧状の凹状曲面で規定される。
前記円柱部１０−１の高さ寸法ｄ１が前記したとおり約１μｍであるとき、円柱部１０−１の立ち上がり部における前記凹状曲面の接線と、シリコン結晶板１４の平坦面１４ａとの角度θは、９０°に近い８７．５°となる。円柱部１０−１の最大径は、それらの両端で１２４．９μｍであった。
【００３７】
第１の円柱部１０−１の形成後、図４（ｄ）に示されているように、マスクパターン１５ａ、該パターン下の円柱部１０−１およびシリコン結晶板１４の表面を全体的に覆う例えばＣ4Ｆ8（オクタフルオロシクロブタン）の重合体からなる保護膜２０が形成される。この保護膜２０は、前記Ｃ4Ｆ8ガスのプラズマ反応により生成することができる。
【００３８】
前記保護膜２０により円柱部１０−１の周壁面を覆った状態で、シリコン結晶板１４の表面が、再び前記したＳＦ6のような異方性エッチングガスを用いて所定時間のエッチング処理を受ける。
このエッチング処理では、円柱部１０−１の前記周壁面が保護膜２０により保護されていることから、保護膜２０下での前記エッチング処理により、図５（ａ）に示されているように、円柱部１０−１に連続してその下方に、これと同様な凹状曲面で規定される凹状周面を有する円柱部１０−２が形成される。
【００３９】
さらに、前記エッチング処理により露出したシリコン結晶板１４の表面および円柱部１０−２の凹状周面を覆うべく、図５（ｂ）に示されているように、前記したと同様な保護膜２０が成長される。
【００４０】
円柱部１０−２の周面を覆う新たな保護膜２０の形成後、シリコン結晶板１４の前記表面は、三度、前記したＳＦ6のような異方性エッチングガスを用いた所定時間のエッチング処理を受ける。
【００４１】
新たに露出する前記円柱部の周面を覆う保護膜２０の形成および該保護膜下でのエッチング処理によるさらに新たな円柱部の形成の工程を繰り返した後、図５（ｃ）に示されているように、保護膜２０が除去される。
その結果、各マスクパターン１５ａ下には、相互に直列的に形成される多数の円柱部１０−１〜ｎからなるレンズ部分（１０）であって所望の厚さ寸法Ｄを有しかつ端面にレンズ面１０ａが形成された前記レンズ部分（１０）が形成される。
【００４２】
各レンズ部分（１０）は、マスクパターン１５ａの除去後、図１（ｄ）〜図１（ｆ）に沿って説明したと同様な工程を経て、それぞれのマイクロレンズ１０に分離されるが、前記したように露出する前記円柱部の周面を覆う保護膜２０の形成および該保護膜下でのエッチング処理による新たな円柱部の形成の工程の繰り返しによる反復操作で形成したマイクロレンズ１０の周面は、図５（ｃ）に示されているように、凹状曲面が連続して反復する外形形状を呈する。
【００４３】
前記したところでは、シリコン結晶板１４に形成されたレンズ部分（１０）を分離することにより、前記レンズ部分（１０）で直接的にマイクロレンズ１０を形成した例を説明したが、これに代えて、多数の前記レンズ部分（１０）が形成されたシリコン結晶板１４を原盤として、複製を作成し、この複製の前記したと同様なレンズ部分（１０）を分離することにより、マイクロレンズ１０を形成することができる。
【００４４】
この複製の形成のために、前記レンズ部分（１０）が形成されたシリコン結晶板１４を原盤として、例えば合成樹脂材料により型を起こし、この型を用いて前記原盤のレプリカを作成し、図１（ｄ）〜図１（ｆ）に沿って説明したと同様な保持基板１７を用いた研磨作業を前記レプリカに施すことにより、該レプリカの前記レンズ部分（１０）を相互に分離することにより、該レンズ部分から前記したと同様な多数のマイクロレンズ１０を形成することができる。
【００４５】
〈具体例３〉
図６および図７は、ＳＯＩ基板を用いてマイクロレンズ１０を形成する方法を示す。
ＳＯＩ基板３４は、従来よく知られているように、シリコン基板層３４ａ、二酸化シリコン層３４ｂおよびシリコン表層３４ｃからなり、本発明では、例えば５０〜１００μｍの厚さ寸法を有する前記表層３４ｃでマイクロレンズ１０が形成される。
【００４６】
図６（ａ）に示されているように、シリコン表層３４ｃには、前記したと同様な多数のレンズ面１０ａが相互に間隔をおいて形成される。
図示しないが、前記したと同様な各レンズ面１０を覆うマスクパターン（１５ａ）をエッチングマスクとして、シリコン表層３４ｃの前記エッチングマスクから露出した領域がエッチング処理を受ける。このシリコン層の選択エッチング処理に関して、二酸化シリコン層３４ｂはエッチングストッパとして機能することから、図６（ｂ）に示されているように、二酸化シリコン層３４ｂが露出したときに、この二酸化シリコン層３４ｂが大きくエッチングを受けることはない。
【００４７】
従って、二酸化シリコン層３４ｂが露出した時点で前記エッチング処理が停止され、前記マスクパターン（１５ａ）を除去することにより、図６（ｂ）に示すように、比較的容易に、二酸化シリコン層３４ｂ上に所定の各前記レンズ部分（１０）を残すことができる。
【００４８】
二酸化シリコン層３４ｂ上の各レンズ部分（１０）は、図６（ｃ）に示されているように、前記したと同様なワックス材料１６が塗布され、図６（ｄ）に示されているように、前記ワックス材料１６を介して各レンズ部分（１０）が保持基板１７に支持される。
【００４９】
各レンズ部分（１０）を保持基板１７に保持した状態で、例えばフッ酸中にＳＯＩ基板３４の残存部分が浸されると、二酸化シリコン層３４ｂが除去されることから、図６（ｅ）に示すとおり、保持基板１７には、前記ワックス材料１６を介して保持された各レンズ部分（１０）のみが残存する。
【００５０】
従って、具体例１におけると同様に、前記ワックス材料１６を前記したと同様な溶媒で溶解させることにより、各レンズ部分（１０）を保持基板１７から解放することができ、これにより多数のマイクロレンズ１０が一括的に形成される。
【００５１】
前記したように、マイクロレンズ１０の形成にＳＯＩ基板を使用することにより、エッチング液を用いてＳＯＩ基板３４のシリコン基板層３４ａで形成された各レンズ部分（１０）と、該レンズ部分に二酸化シリコン層３４ｂを介して結合されたシリコン基板層３４ａとを分離させることができることから、各レンズ部分（１０）を分離するためのシリコン結晶板１４への研磨工程を不要とすることができる。
また、分離されたシリコン基板層３４ａは、研磨を受けることがないことから、ＳＯＩ基板のシリコン基板層３４ａとして、再利用が可能となる。
【００５２】
図７に示すように、マイクロレンズ１０の両面に、必要に応じて反射防止膜を形成することができる。
図７（ａ）に示すとおり、前記ワックス材料１６を介して前記各レンズ部分（１０）が保持基板１７に保持された状態で、前記レンズ部分（１０）のレンズ面１０ａと反対側に位置する端面１０ｂに、例えば真空蒸着器を用いて反射防止膜となるＴiＯ2膜を形成することができる。このＴiＯ2膜の形成は、前記した蒸着法に代えてスパッタ法によっても形成することができる。
【００５３】
その後、図７（ｂ）に示されているように、前記各レンズ部分（１０）の反射防止膜が形成された端面を覆うようにＵＶ硬化樹脂材料２１が塗布される。その後、図７（ｃ）に示されているように、このＵＶ硬化樹脂材料２１の層を保持基板１７との間で挟み込むように、ＵＶ硬化樹脂材料２１に当接する石英基板からなる第２の保持基板２２が配置され、この保持基板を通して紫外線がＵＶ硬化樹脂材料２１に照射される。
【００５４】
紫外光の照射によりＵＶ硬化樹脂材料２１が硬化すると、この硬化したＵＶ硬化樹脂材料２１すなわち硬化部２１′が形成され、該硬化部を介して、前記各レンズ部分（１０）は第２の保持基板２２に支持される。
【００５５】
前記各レンズ部分（１０）が第２の保持基板２２に支持された状態で前記ワックス材料１６が除去されると、前記したとおり、前記ワックス材料１６の除去と共に、第１の保持基板１７が前記各レンズ部分（１０）から取り除かれ、これにより、前記各レンズ部分（１０）は、図７（ｄ）に示されているように、それらのレンズ面１０ａを露出させるように前記硬化部２１′を介して第２の保持基板２２上に保持される。
【００５６】
露出するレンズ面１０ａには、該レンズ面の反対側の端面１０ｂへの前記した反射防止膜の形成と同様な処理により、これと同様な反射防止膜が形成される。この前記レンズ部分（１０）の両面への反射防止膜の形成後、溶媒を用いて硬化部２１′を除去することにより、前記レンズ部分（１０）を第２の保持基板２２から解放することができ、これにより、両面に反射防止膜が形成されたマイクロレンズ１０を一括的に形成することができる。
【００５７】
前記したところでは、一方の面にレンズ面が形成された回折現象を利用した回折型光学素子からなるマイクロレンズの例について説明したが、必要に応じて両面にレンズ面を形成することができる。また、本発明は、回折型光学素子に限らず屈折型光学素子から成るマイクロレンズに適用することができ、また各レンズ面およびマイクロレンズの外形に所望の形状を与えることができる。
【００５８】
さらに、各マイクロレンズに、必要に応じてその取扱を容易とするためのレンズ面以外の操作部を一体的に形成することができる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、前記したように、多数の束ねられた光学部材の端面にレンズ面を形成することに代えて、単一の前記光学基板上に多数のレンズ面を形成した後、半導体製造工程で用いられるフォトリソおよびエッチング技術を用いてそれぞれが前記レンズ面を含む複数のマイクロレンズを前記光学基板上に一体的かつ一括的に形成し、さらに前記半導体製造工程で用いられる研磨技術を用いて前記各マイクロレンズを分離することができることから、従来のような多数の光学部材を束ねる工程が不要になり、これにより、多数の正確なマイクロレンズを比較的容易にかつ効率的に形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマイクロレンズの形成方法の具体例１を示す工程図である。
【図２】本発明に係るマイクロレンズの使用例を示す斜視図である。
【図３】本発明に係るマイクロレンズのレンズ面の形成方法の一例を示す工程図である。
【図４】本発明に係るマイクロレンズの形成方法の具体例２を示す工程図（その１）である。
【図５】本発明に係るマイクロレンズの形成方法の具体例２を示す工程図（その２）である。
【図６】本発明に係るマイクロレンズの形成方法の具体例３を示す工程図である。
【図７】本発明に係るマイクロレンズの反射防止膜の形成工程を示す工程図である。
【符号の説明】
１０ マイクロレンズ
１０ａ レンズ面
１２ 光ファイバ
１４、３４ 光学基板
１５ａ マスクパターン
１７ 保持基板
Claims (12)
- 光学基板の一方の面に複数のレンズ面をそれぞれが間隔をおくように形成するレンズ面形成工程と、前記各レンズ面を含むそれぞれのレンズ領域をエッチングマスクで部分的に覆うマスク工程と、前記光学基板に所定の厚さ寸法を残した状態で前記マスクから露出した領域の所定の深さ分を除去すべく前記光学基板の前記一方の面の前記マスクから露出した領域にエッチング処理を施すエッチング工程と、前記光学基板の前記残存した厚さ寸法分を除去すべく前記光学基板の前記一方の面に形成された前記各レンズ面を保持基板で支持した状態で前記光学基板に他方の面から研磨を施す研磨工程と、前記各レンズ領域により規定される各マイクロレンズを前記保持基板から解放する分離工程とを含むマイクロレンズの形成方法。
- 前記各レンズ面はワックス材料を介して前記保持基板に支持される請求項１記載の形成方法。
- 前記各レンズ面はＵＶ硬化樹脂材料を介して前記保持基板に支持される請求項１記載の形成方法。
- 前記エッチング工程は、前記エッチングマスク下でのエッチングガスを用いたエッチング処理と、該エッチング処理により新たに露出する前記光学基板における前記エッチングマスク下の周壁面を覆う保護膜の形成との反復操作を含む請求項１記載の形成方法。
- 前記エッチング処理は、異方エッチング特性を示すエッチングガスを用いて行われる請求項１記載の形成方法。
- 前記光学基板は、結晶基板からなる請求項１記載の形成方法。
- 前記結晶基板は、シリコン結晶基板である請求項６記載の形成方法。
- 前記光学基板は、二酸化シリコン層および該二酸化シリコン層を間に挟む両シリコン結晶層を備えるＳＯＩ基板であり、一方の前記シリコン結晶層で前記各マイクロレンズが形成される請求項１記載の形成方法。
- 前記マイクロレンズは回折型光学素子である請求項１記載の形成方法。
- 光学基板の一方の面に複数のレンズ面をそれぞれが間隔をおくように形成するレンズ面形成工程と、前記各レンズ面を含むそれぞれのレンズ領域をエッチングマスクで部分的に覆うマスク工程と、前記基板に所定の厚さ寸法を残した状態で前記マスクから露出した領域の所定の深さ分を除去すべく前記基板の前記一方の面の前記マスクから露出した領域にエッチング処理を施すエッチング工程と、エッチング処理が施された前記基板を原盤として、複製のための型を形成する型形成工程と、該型を用いて一方の面に前記レンズ面に対応するレンズ面が形成された複製基板を形成すること、該複製基板に形成された前記レンズ面を含む各マイクロレンズに分離すべく前記レンズ面を保持基板で支持した状態で前記複製基板にその他方の面から研磨を施す研磨工程と、前記各レンズ領域により規定される各マイクロレンズを前記保持基板から解放する分離工程とを含むマイクロレンズの形成方法。
- 請求項１〜１０のいずれかに記載の方法により形成され、前記レンズ面が形成される一方の端面と、該端面に平行な関係に位置する他方の端面とを備える全体に円柱状のマイクロレンズであって、光ファイバを収容するための溝が形成された基板上で前記溝に収容される前記光ファイバの外径に等しい外径を有し前記溝に収容された前記光ファイバの端面に一方の前記端面を対向させて配置されるマイクロレンズ。
- 周面に沿う環状の凹面が軸線方向に沿って連続的に形成されている請求項１１に記載のマイクロレンズ。
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