JP3726790B2 - マイクロレンズアレイの製法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光ファイバ間の光結合等に用いるに好適なマイクロレンズアレイの製法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバ結合系としては、図３７に示すように光ファイバＦ１からの射出光をマイクロレンズＬ１でコリメート（平行光化）すると共に、このコリメート光をマイクロレンズＬ２で集束して光ファイバＦ２に入射させるようにしたものが知られている。マイクロレンズＬ１，Ｌ２は、いずれもガラスモールド技術を用いて製作された単眼のマイクロレンズである。この種のマイクロレンズは、光アイソレータ等の光通信用モジュールにおいて光ファイバからの射出光をコリメートするレンズとしても用いられる。
【０００３】
従来のガラスモールドレンズでは、直径が１ｍｍ以上必要であり、これより小さくすると、ガラスモールド成形に用いる超鋼材製の金型の精度が不十分であるため、満足なレンズ特性が得られなかった。
【０００４】
光アレイデバイス同士の光結合に用いられるマイクロレンズアレイとしては、ガラス、プラスチック等の透明基板に多数のレンズを配列形成したものが知られている（例えば、特開平７−１０４１０６号公報参照）。この場合、レンズ１個の直径は、１ｍｍ以下と微小であり、しかも各レンズを精度よく配列することが要求されるため、金型を用いない方法でマイクロレンズアレイを製作する。金型を用いない方法としては、塩浴中で電界を印加しながらガラス表面に設けた開口部からイオンを拡散させる方法、感光性ガラスの熱処理において未感光部が結晶化して収縮する現象を利用して表面を膨らます方法などが知られている。これらの方法によると、焦点距離や開口数（ＮＡ）の設定が容易でないこと、製造時間が長く、生産性に劣ることなどの問題点がある。
【０００５】
マイクロレンズアレイの製法としては、レンズ材層の上にレンズアレイパターンに従って複数のレジスト層を形成した後、各レジスト層を加熱により溶融（リフロー）させて凸レンズ形状とし、酸素と堆積性ガスとの混合ガスをエッチングガスとするドライエッチング処理をレンズ材層及び各レジスト層に施して各レジスト層の凸レンズ形状をレンズ材層に転写する方法が知られている（例えば、特開２０００−３１４４２号公報参照）。この方法では、ドライエッチング処理の後処理として、マイクロレンズアレイ（凸レンズ形状が転写されたレンズ材層）の表面に酸素プラズマ処理を施して疎水性堆積膜を除去して該表面に親水性を付与するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したようにリフローしたレジスト層の凸レンズ形状をレンズ材層に転写するマイクロレンズアレイの製法によると、上記した金型を用いない方法に比べて焦点距離や開口数の設定が容易になると共に生産性が向上するものの、エッチング量の大きい（突出高さの大きい）レンズを形成するのが容易でないという問題点がある。すなわち、発明者の研究によれば、ＣＦ４等のフッ素系エッチングガスを用いてエッチングを行なうと、レンズ形成面にはフロン重合物に起因してピット（孔）が発生して光学特性を劣化させることが判明した。先に引用した特開２０００−３１４４２号公報には、このようなピット発生については何等述べられていない。
【０００７】
図３７に示したような光ファイバ結合系にあっては、結合損失を０．３ｄＢ以下（結合効率を９３．３％以上）とするのが望ましいといわれている。しかし、現状では、このように結合損失の少ないマイクロレンズアレイは実現されていない。
【０００８】
この発明の目的は、光ファイバ結合系において結合損失を低減できる（結合効率を向上できる）マイクロレンズアレイを簡単に製作する方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るマイクロレンズアレイの製法は、
透光性の基板の一方の主面にレンズアレイパターンに従って複数のレジスト層を形成する工程と、
各レジスト層にリフロー処理を施して各レジスト層を平凸レンズ形状とする工程と、
フッ素系エッチングガスを用いるドライエッチング処理を各レジスト層及び前記一方の主面に施して各レジスト層の平凸レンズ形状を前記の一方の主面に転写することにより前記一方の主面に前記複数のレジスト層にそれぞれ対応する複数の平凸レンズを形成する工程と
を含むマイクロレンズアレイの製法であって、
前記複数の平凸レンズを形成する工程では、前記ドライエッチング処理を複数ステップに分けて実行すると共に、該複数ステップのドライエッチング処理の間に前記一方の主面からフロン重合物を除去する処理を実行することを特徴とするものである。光ファイバ結合系用のマイクロレンズアレイは、透光板と、この透光板の一方の主面にエッチングによりレンズアレイパターンを転写して形成された複数の平凸レンズとを備え、各平凸レンズの直径を１ｍｍ以下に設定すると共に各平凸レンズの前記一方の主面からの突出高さを５０μｍ以上に設定した構成にするとよい。このようなマイクロレンズアレイによれば、各平凸レンズの直径を１ｍｍ以下にすると共に各平凸レンズの突出高さを５０μｍ以上としたので、光ファイバ間の光結合に使用したときに結合損失を０．３ｄＢ以下に低減できる。この点については、後で図３〜７を参照して詳述する。この発明のマイクロレンズアレイの製法によれば、上記のような光ファイバ結合系用のマイクロレンズアレイを簡単に製作することができる。
【００１２】
この発明のマイクロレンズアレイの製法によれば、複数ステップのドライエッチング処理の間にレンズ形成面からフロン重合物を除去するようにしたので、エッチング中にフロン重合物に起因してレンズ形成面にピットが発生するのを防止することができる。
【００１３】
この発明のマイクロレンズアレイの製法においては、各レジスト層を対応する平凸レンズの突出高さが５０μｍ以上となるような厚さで形成することができる。このようなレジスト層をマスクとしてレンズ形成のためのドライエッチングを行なうと、エッチング量が大きくなるが、ピット発生を防止できるため、歩留りよくマイクロレンズアレイを製作することができる。従って、この発明のマイクロレンズアレイの製法は、前述した光ファイバ結合系用のマイクロレンズアレイを製作するのに好適である。また、この発明のマイクロレンズアレイの製法において、フロン重合物は、酸素プラズマにより簡単に除去することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一実施形態に係るマイクロレンズアレイを示すもので、図２には、図１のＸ−Ｘ’線に沿う断面を示す。
【００１９】
例えば石英板からなる長方形状の透光板１０の一方の主面には、平凸レンズＬ１１〜Ｌ１４が透光板１０の長辺に平行に一列状に形成されると共に、平凸レンズＬ２１〜Ｌ２４がレンズＬ１１〜Ｌ１４の列に平行に一列状に形成されている。レンズＬ１１とＬ２１は、各々の中心が透光板１０の短辺に平行な一直線上に位置するように並べて配置されており、このことは、レンズＬ１２とＬ２２、レンズＬ１３とＬ２３、レンズＬ１４とＬ２４についても同様である。これらのレンズＬ１１〜Ｌ１４，Ｌ２１〜Ｌ２４は、図８〜１０等について後述するようにドライエッチング処理によりレンズアレイパターンを透光性基板の一方の主面に転写して形成されるものである。
【００２０】
一例として、Ｌ１１等の各レンズの直径Ｄは、１ｍｍ以下（好ましくは０．５ｍｍ〜１ｍｍ）であり、Ｌ１１，Ｌ１２等の隣り合うレンズ間のピッチ（中心間の間隔）Ｐは、Ｄ＝０．５ｍｍの場合には０．５ｍｍとすることができる。透光板１０の長さＡ及び幅Ｂは、それぞれ５ｍｍ及び３ｍｍとすることができる。Ｌ１１等の各レンズの透光板１０の一方の主面からの突出高さＳＡＧ（図２参照）は、５０μｍ以上とする。透光板１０の厚さは、０．１ｍｍ〜２ｍｍとすることができる。
【００２１】
図３は、図４の光学系において光ファイバ−レンズ間距離（Working Distance）ＷＤが曲率半径Ｒに依存する様子を示すものである。図４には、光ファイバＦからの射出光を平凸レンズＬでコリメートする光学系を示す。平凸レンズＬの厚さ（平坦面から頂部までの距離）Ｔは、１．２５ｍｍである。
【００２２】
図４に示すような平凸レンズＬについては、曲率半径Ｒにより焦点距離が決定される。距離ＷＤを小さくすると、平凸レンズＬの平坦面からの反射光が光ファイバＦに入射するので好ましくない。このような事態を回避するためには、距離ＷＤを０．３ｍｍ以上に設定すればよいと当業者の間でいわれている。図３は、曲率半径Ｒを０．５ｍｍから０．７５ｍｍまで変化させたときの距離ＷＤの計算結果を示している。図３によれば、距離ＷＤを０．３ｍｍ以上とするには、曲率半径Ｒを約０．５３ｍｍ以上とすればよいことがわかる。なお、図３のデータは、開口数ＮＡを０．２に設定したときのもので、発明者の実験によれば、図３の線Ｗに示すような曲率半径Ｒと距離ＷＤとの相関関係は、ＮＡを０．１５又は０．１８７５等に変化させても殆ど変化しないことがわかっている。
【００２３】
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、図６の光ファイバ結合系においてビーム有効径及び結合損失が開口数ＮＡ及び曲率半径Ｒに依存する様子を示すもので、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ曲率半径Ｒが０．５５、０．６、０．６５の場合に対応している。
【００２４】
図６は、この発明に係るマイクロレンズアレイを用いた光ファイバ結合系を示すものである。第１のマイクロレンズアレイＭＬ１は、図１，２に関して前述したと同様のもので、透光板１０に平凸レンズＬ１１〜Ｌ１４を形成した構成になっている。第２のマイクロレンズアレイＭＬ２は、第１のマイクロレンズアレイＭＬ１と同様に構成されたもので、透光板１２に平凸レンズＬ３１〜Ｌ３４を形成した構成になっている。
【００２５】
マイクロレンズアレイＭＬ１，ＭＬ２は、レンズＬ１１とＬ３１、レンズＬ１２とＬ３２，レンズＬ１３とＬ３３、レンズＬ１４とＬ３４がそれぞれ光軸を一致させるようにして対向配置される。透光板１０の平坦面側には、光ファイバＦ１１〜Ｆ１４がそれぞれレンズＬ１１〜Ｌ１４に光を射出するように配置され、透光板１２の平坦面の側には、光ファイバＦ２１〜Ｆ２４がそれぞれレンズＬ３１〜Ｌ３４から受光するように配置される。
【００２６】
光ファイバＦ１１−レンズＬ１１−レンズＬ３１−光ファイバＦ２１の光路において、光ファイバＦ１１からの射出光は、レンズＬ１１によりコリメートされ、このコリメート光は、レンズＬ３１により集束されて光ファイバＦ２１に入射する。このような光結合動作は、光ファイバＦ１２−レンズＬ１２−レンズ３２−光ファイバＦ２２の光路、光ファイバＦ１３−レンズＬ１３−レンズＬ３３−光ファイバＦ２３の光路、光ファイバＦ１４−レンズＬ１４−レンズＬ３４−光ファイバＦ２４の光路についても同様である。
【００２７】
図５は、図６の光ファイバ結合系において１つの光路（例えばＦ１１−Ｌ１１−Ｌ３１−Ｆ２１の光路）についてビーム有効径及び結合損失を計算した結果を示している。ここで、ビーム有効径（Entrance Pupil Diameter）は、線Ｅ１〜Ｅ３で示され、結合損失は、線Ｃ１〜Ｃ３で示される。この場合、各レンズの直径を０．５ｍｍとすると共にレンズ間ピッチを０．５ｍｍとしているので、レンズ面でのビーム有効径は、０．５ｍｍ以下でなければならない。そこで、ビーム有効径を示す線Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に関してそれぞれ０．５ｍｍの有効径の点を通る垂線ＮＵ１，ＮＵ２，ＮＵ３を（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）のグラフの横軸に下ろすと、開口数ＮＡの上限が求められる。
【００２８】
一方、結合損失は、当業者間で０．３ｄＢ以下がよいとされているので、結合損失を示す線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に関してそれぞれ０．３ｄＢの結合損失の点を通る垂線ＮＬ１，ＮＬ２，ＮＬ３を（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）のグラフの横軸に下ろすと、開口数ＮＡの下限が求められる。この結果、開口数ＮＡの許容範囲は、曲率半径Ｒが小さいほど広いことがわかる。また、曲率半径Ｒ＝０．５５ｍｍ、０．６ｍｍ又は０．６５ｍｍのいずれの場合にも、結合損失を０．３ｄＢ以下に低減できることがわかる。
【００２９】
図７は、図１，２に関して前述したような平凸レンズについてレンズ突出高さＳＡＧが曲率半径Ｒに依存する様子を示すものである。図７によれば、曲率半径Ｒを小さくするほど平凸レンズの突出高さＳＡＧが大きくなることがわかる。直径０．５ｍｍの平凸レンズにおいて、０．３ｄＢ以下の結合損失を達成するには、曲率半径Ｒを０．６５ｍｍ以下（好ましくは０．６５ｍｍ〜０．５５ｍｍ）にする必要があり、レンズ突出高さＳＡＧを５０μｍ以上（好ましくは５０μｍ〜６０μｍ）にする必要がある。この場合、曲率半径Ｒを０．７ｍｍとすると、開口数ＮＡは０．１５、レンズ突出高さＳＡＧは４６．２μｍ、結合損失は０．４４９ｄＢとなり、結合損失は、０．３ｄＢ以下とならない。
【００３０】
次に、図８〜１０を参照して上記のようなマイクロレンズアレイの製法の一例を説明する。
【００３１】
図８の工程では、厚さ１ｍｍ〜２ｍｍの石英基板２０の一方の面に所望の４個の平凸レンズに対応するポジレジストからなるレジスト層Ｓ１〜Ｓ４をホトリソグラフィ処理により形成する。平凸レンズとして直径が１ｍｍ以下で且つレンズ突出高さが５０μｍ以上のものを製作する場合、各レジスト層の直径は、１ｍｍ以下のレンズ直径が得られるように定めると共に、各レジスト層の厚さｔは、５０μｍ以上のレンズ突出高さが得られるように定める。この場合、通常より厚いポジレジスト層をレンズアレイパターンに従ってパターニングすることになる。
【００３２】
次に、図９の工程では、レジスト層Ｓ１〜Ｓ４に熱処理を施して各レジスト層をリフローさせることにより各レジスト層に平凸レンズ形状を付与する。
【００３３】
図１０の工程では、フッ素系エッチングガスを用いるドライエッチング処理によりレジスト層Ｓ１〜Ｓ４及び基板２０の一方の面をエッチングして各レジスト層の平凸レンズ形状を基板２０の一方の面に転写することにより基板２０の一方の面にレジスト層Ｓ１〜Ｓ４にそれぞれ対応する平凸レンズＬ１１〜Ｌ１４を形成する。この場合、フッ素系エッチングガスとしては、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６，Ｃ３Ｆ８等のガス又はこれらのガスのうち二種以上のものを混合したガスを使用することができ、使用するフッ素系エッチングガスには酸素（Ｏ２）、水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）又はアルゴン（Ａｒ）を添加してもよい。
【００３４】
ドライエッチング処理としてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）処理を行なう場合、エッチングガスとしてＣＦ４を用いると、ＣＦ４ガスはプラズマ化し、プラズマは、ＣＦ３ ＋、ＣＦ２ ＋、ＣＦ＋、Ｆ＋等のイオンを含む。これらのイオンのうちＣＦ３ ＋は、石英（ＳｉＯ２）と反応し、ＳｉＦ４を生成して気化するため、石英のエッチングが可能になる。しかし、その他の石英エッチングに寄与しないガスは、重合してフロン重合物（−ＣＦ２−）を生成するため、エッチング中に基板表面にフロン重合物が堆積することがある。上記した５０μｍ以上の突出高さを有する平凸レンズを製作する場合、レジスト厚さが大きく、エッチング時間が長いので、フロン重合物の堆積が起こり易く、堆積したフロン重合物に起因して基板表面にピットが発生する。なお、従来行なわれているような短時間の石英エッチングでは、フロン重合物に起因するピット発生は認められない。
【００３５】
次に、図１１〜１７を参照して上記のようなピット発生のメカニズムを説明する。図１１は、ドライエッチング中に石英基板２０の表面にフロン重合物２２が堆積した状態を示している。
【００３６】
図１１の状態からエッチングが更に進むと、図１２に示すようにフロン重合物２２がエッチングされるのに伴ってその回りのエッチングレートが速くなり、フロン重合物２２の周囲にピット２４が発生する。更にエッチングが進むと、図１３，１４に示すようにフロン重合物２２が更にエッチングされると共に、ピット２４が更に深くなる。
【００３７】
図１４の状態から更にエッチングが進むと、図１５に示すようにフロン重合物２２がエッチングにより消失し、ピット２４は、更に深くなり、その中央部にへそ状の山が出現する。そして、更にエッチングが進むと、図１６に示すようにピット２４内で山の斜面がエッチングされるため、山が低くなる。この後、更にエッチングが進むと、図１７に示すようにピット２４内の山がエッチングにより消失し、ピット２４が残ることになる。
【００３８】
上記のようなピットが発生したマイクロレンズアレイにあっては、次の（イ）〜（ニ）のような問題点がある。
【００３９】
（イ）使用状態においてピットにより光の散乱が起こるため、光学特性が低下する。
【００４０】
（ロ）レンズ面の清掃時等に汚れがピット内に入り込み、透明度を劣化させる。
【００４１】
（ハ）経時変化、環境ストレス等によりピットに起因して亀裂が生ずる。
【００４２】
（ニ）外観上ピットが黒点となって見えるため、商品価値を著しく損ねる。
【００４３】
図１８〜２５は、図８〜１０の製法の改良に係るマイクロレンズアレイの製法を示すものである。図１８〜２５の製法は、図８〜１０の製法において上記のようなピット発生を防止したものに相当する。図１８〜２５において、図８〜１０と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略し、簡単のため、レジスト層及びレンズはいずれも１個のみ示す。
【００４４】
図１８の工程では、図８に関して前述したと同様に石英基板２０の表面にレジスト層Ｓを形成する。そして、図１９の工程では、図９に関して前述したと同様のリフロー処理によりレジスト層Ｓを平凸レンズ形状とする。
【００４５】
次に、図２０の工程では、図１０に関して前述したと同様のドライエッチング処理によりレジスト層Ｓ及び基板２０の一方の面をエッチングする。基板２０の一方の面においては、エッチングの進行に伴ってレジスト層Ｓの下に位置する石英部２０Ｓが若干突出した形になると共にフロン重合物２２Ａが堆積する。フロン重合物２２Ａについて図１２に示したようにピットが発生する前にドライエッチング処理を中止し、図２１の工程に移る。
【００４６】
図２１の工程では、Ｏ２プラズマによりフロン重合物２２Ａを灰化して除去する。このような処理をＯ２アッシング処理と称する。図２２の工程では、前述したようなドライエッチング処理を再び実行する。エッチングの進行に伴って石英部２０Ｓは更に突出した形になると共に基板表面にはフロン重合物２２Ｂが堆積する。フロン重合物についてピットが発生する前にドライエッチング処理を中止し、図２３の工程に移る。
【００４７】
図２３の工程では、Ｏ２アッシング処理によりフロン重合物２２Ｂを除去する。そして、図２４の工程では、前述したようなドライエッチング処理を実行する。エッチングの進行に伴ってレジスト層Ｓが除去され、石英部２０Ｓが平凸レンズＬとなる。平凸レンズＬが得られた段階でドライエッチング処理を停止する。このときに基板表面に堆積しているフロン重合物２２Ｃは、図２５に示すようにＯ２アッシング処理又はフッ酸等の薬液処理により除去する。
【００４８】
図１８〜２５に関して上記した製法において、フロン重合物を除去するためのＯ２アッシング処理は、ドライエッチング処理を行なう装置とは別の装置で行なってもよく、あるいはドライエッチング処理を行なうのと同じ装置内でガスを交換して行なってもよい。また、ドライエッチング処理を行なうのと同じ装置内でＯ２アッシング処理を行なう場合、Ｏ２アッシングを行なう別のプロセスプログラムに切替えて処理してもよく、あるいは１つのプロセスプログラムに従って図２０〜２５に示したような一連のドライエッチング及びＯ２アッシングを連続的に処理してもよい。
【００４９】
図１８〜２５に関して上記した製法によれば、フロン重合物に基づくピット発生を防止することができるので、良好な光学特性を有する高品質のマイクロレンズアレイを歩留まりよく製作することができる。また、ドライエッチング及びＯ２アッシングは、いずれも複数回繰返すことができるので、５０μｍ以上のレンズ突出高さが要求されるようなエッチング量の多いマイクロレンズアレイであっても簡単に製作することができる。
【００５０】
図２６は、この発明と比較するための比較例に係るマイクロレンズアレイを示すものである。
【００５１】
石英基板３０の一方の主面には、エッチングによりレンズパターンを転写して平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４が一列状に並べて形成されている。基板３０の一方の主面には、図１に示したようにマトリクス状に多数の平凸レンズを形成してもよい。基板３０の厚さａは、１．２５ｍｍ、各平凸レンズの開口径（周縁部の直径）ｂは、０．４９ｍｍ、各平凸レンズの突出高さｃは、４０〜４５μｍ、隣り合う平凸レンズ間のピッチ（レンズ中心間の距離）ｄは、０．５ｍｍとすることができる。Ｌ４１等の各平凸レンズは、図３０に平面パターンを示すように円形状である。
【００５２】
平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４をそれぞれ覆うように透光被膜Ｌ５１〜Ｌ５４がスパッタ法等により形成されている。各透光被膜は、一列としてＳｉＯ２等の酸化シリコン膜からなるもので、対応する平凸レンズの中央部から周縁部に進むにつれて厚さが漸減するように形成されている。各平凸レンズの頂部における透光被膜の厚さｅは、３０〜４０μｍ、透光被膜を含めた平凸レンズの突出高さｆは、７０〜８０μｍとすることができる。
【００５３】
図２６に示したマイクロレンズアレイによれば、各平凸レンズを覆う透光被膜を該平凸レンズの中央部から周縁部に進むにつれて厚さが漸減するように形成したので、突出高さが７０μｍ以上の平凸レンズを実現することができ、光ファイバの光結合に使用するときに高い結合効率が得られる。なお、各透光被膜は、平凸レンズ上に均一な厚さで形成することもできるが、このようにしても、透光被膜にレンズ機能を持たせることができず、レンズ高さを高くしたことにはならない。
【００５４】
図２６に示したマイクロレンズアレイにあっては、透光被膜Ｌ５１〜Ｌ５４の屈折率を制御することにより開口数（ＮＡ）、焦点距離等の光学特性を調整することができる。例えばスパッタ法で形成されたＳｉＯ２膜からなる透光被膜の屈折率は、フッ素（Ｆ）を添加することにより低下し、ゲルマニウム（Ｇｅ）又はボロン（Ｂ）を添加することにより上昇する。スパッタ法で形成されたＳｉＯ２膜の屈折率は、ドーピング剤の種類や濃度により１．４〜１．４８の範囲内で適宜調整可能である。なお、透光被膜の材料としては、ＳｉＯ２の他にＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５等も使用可能であり、複数種類の材料を組合せて使用することもできる。
【００５５】
次に、図２７〜３６を参照して図２６のマイクロレンズアレイを製作する方法の一例を説明する。図２７〜３６において、図２６と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５６】
図２７の工程では、石英基板３０の一方の面に所望の４個の平凸レンズに対応するポジレジストからなるレジスト層Ｓ１１〜Ｓ１４をホトリソグラフィ処理により形成した後、レジスト層Ｓ１１〜Ｓ１４を熱処理を施して各レジスト層をリフローさせることにより各レジスト層に平凸レンズ形状を付与する。
【００５７】
図２８の工程では、図１０に関して前述したと同様にフッ素系エッチングガスを用いるドライエッチング処理によりレジスト層Ｓ１１〜Ｓ１４及び基板３０の一方の面をエッチングして各レジスト層の平凸レンズ形状を基板３０の一方の面に転写することにより基板３０の一方の面にレジスト層Ｓ１１〜Ｓ１４にそれぞれ対応する平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４を形成する。各平凸レンズの突出高さ（図２６のｃ）は、４０〜４５μｍ程度であり、図２７の工程で形成するレジスト層Ｓ１１〜Ｓ１４としては、かようなレンズ高さが得られるような厚さを有するものを用いればよい。
【００５８】
図２９の工程では、基板３０の一方の面に平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４をそれぞれ露呈する孔Ｒ１〜Ｒ４を有するリフトオフ用のレジスト層３２をホトリソグラフィ処理により形成する。レジスト層３２の厚さは、６０〜１００μｍとすることができる。このときの基板３０の上面を図３０に示す。図３０に示すようにＲ１等の各孔の直径は、Ｌ４１等の各平凸レンズの開口径より若干大きく設定されている。
【００５９】
図３１の工程では、基板３０の一方の面にレジスト層３２及び平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４を覆ってネガレジストからなるレジスト層３４を塗布する。このとき、レジスト層３４の塗布は、レジスト層３４において平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４に対応する個所が凹面状となるように行なう。
【００６０】
図３２の工程では、レジスト層３４に露光処理を施す。すなわち、露光マスクＭＳを介してレジスト層３４に露光用の光ＥＬを照射する。露光マスクＭＳには、平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４にそれぞれ対応する円形状の遮光部Ｍ１〜Ｍ４が設けられると共にこれらの遮光部Ｍ１〜Ｍ４を取囲むように透光部Ｎが設けられている。Ｍ１等の各遮光部の直径は、Ｌ４１等の各平凸レンズの開口径より２Ｋだけ小さく設定されている。Ｍ１等の各遮光部は、対応する平凸レンズと中心を合わせるように配置されている。レジスト層３４を構成するネガレジストは、空気より屈折率が大きいため、Ｍ１等の各遮光部の周縁部から対応する平凸レンズに向けて下方に直進した光ＥＬは、線ｎで示すようにネガレジストにより屈折されて該平凸レンズの周縁部に向かうようになる。
【００６１】
図３３の工程では、図３２の露光処理を受けたレジスト層３４に現像処理を施す。ネガレジストは、露光された部分が現像液に溶解されずに残存するので、レジスト層３４は、平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４にそれぞれ対応した開口部Ｑ１〜Ｑ４を有すると共にＱ１等の各開口部が対応する平凸レンズの頂部より上方の部分Ｐにて対応する平凸レンズの開口径より小さな直径を有するように残存する。すなわち、レジスト層３４は、Ｑ１等の開口部毎に奥にいくほど直径が大きくなる逆テーパー状の断面形状を有するように残存する。
【００６２】
図３４の工程では、レジスト層３２，３４の積層を選択マスクとしてＳｉＯ２をスパッタすることにより図３５に示すように平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４をそれぞれ覆うようにＳｉＯ２からなる透光被膜Ｌ５１〜Ｌ５４を形成する。このとき、レジスト層３４上には、ＳｉＯ２膜３６が堆積する。また、レジスト層３４がＱ１等の開口部毎に逆テーパー状の断面形状を有するため、Ｌ５１等の各透光被膜は、対応する平凸レンズの中央部から周縁部に進むにつれて厚さが漸減するように形成される。
【００６３】
図３６の工程では、基板３０の上面にリフトオフ処理を施すことによりレジスト層３２，３４及びＳｉＯ２膜３６を除去する。この結果、平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４上にはそれぞれ透光被膜Ｌ５１〜Ｌ５４が残存するので、図２６に示したようなマイクロレンズアレイを得ることができる。
【００６４】
図３４，３５に示したスパッタ工程においては、スパッタターゲットとしてＦ，Ｇｅ又はＢ等を含むＳｉＯ２材料を用いることによりスパッタＳｉＯ２膜（透光被膜）の屈折率を適宜調整することができる。また、レジスト層３４においてＱ１等の開口部の断面形状を制御することによりＬ５１等の透光被膜の膜厚分布を調整することができるので、透光被膜を含めた平凸レンズの形状を適宜制御する（例えば非球面状化する）ことができる。さらに、レジスト層３４においてＱ１等の各開口部の中心をＬ４１等の対応する平凸レンズの中心からずらすことにより透光被膜を含めた平凸レンズとして中心に関して左右非対称の断面を有するレンズを得ることができる。上記のような調整手段を用いることにより光ファイバとの結合効率、光ファイバ射出光の発散角等を調整することができ、光ファイバの光結合に好適なマイクロレンズアレイを実現することができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、フッ素系エッチングガスを用いるドライエッチング処理により透光性基板にレンズアレイパターンを転写して複数の平凸レンズを形成する際に、ドライエッチング処理を複数ステップに分けて実行すると共に、複数ステップのドライエッチング処理の間に基板のレンズ形成面からフロン重合物を除去するようにしたので、フロン重合物に起因するピット発生を防止することができ、光学特性が良好なマイクロレンズアレイを歩留りよく製作できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施形態に係るマイクロレンズアレイのレンズ形成面を示す平面図である。
【図２】 図１のＸ−Ｘ’線に沿う断面図である。
【図３】 図４の光学系において光ファイバ−レンズ間距離ＷＤが曲率半径Ｒに依存する様子を示すグラフである。
【図４】 光ファイバの射出光を平凸レンズでコリメートする光学系を示す光路図である。
【図５】 （Ａ）〜（Ｃ）は、図６の光ファイバ結合系においてビーム有効径及び結合損失が開口数ＮＡ及び曲率半径Ｒに依存する様子を示すグラフである。
【図６】 この発明に係るマイクロレンズアレイを用いた光ファイバ結合系を示す光路図である。
【図７】 平凸レンズに関してレンズ突出高さＳＡＧが曲率半径Ｒに依存する様子を示すグラフである。
【図８】 この発明に係るマイクロレンズアレイの製法の一例におけるレジスト層形成工程を示す断面図である。
【図９】 図８の工程に続くレジストリフロー工程を示す断面図である。
【図１０】 図９の工程に続くレンズ形成工程を示す断面図である。
【図１１】 石英基板のドライエッチング処理におけるフロン重合物の堆積状況を示す断面図である。
【図１２】 図１１の状態から更にエッチングが進み、ピットが発生した状態を示す断面図である。
【図１３】 図１２の状態から更にエッチングが進んだ状態を示す断面図である。
【図１４】 図１３の状態から更にエッチングが進んだ状態を示す断面図である。
【図１５】 図１４の状態から更にエッチングが進み、フロン重合物が消失した状態示す断面図である。
【図１６】 図１５の状態から更にエッチングが進んだ状態を示す断面図である。
【図１７】 図１６の状態から更にエッチングが進んだ状態を示す断面図である。
【図１８】 図８〜１０の製法の改良に係るマイクロレンズアレイの製法におけるレジスト層形成工程を示す断面図である。
【図１９】 図１８の工程に続くレジストリフロー工程を示す断面図である。
【図２０】 図１９の工程に続くドライエッチング工程を示す断面図である。
【図２１】 図２０の工程に続くフロン重合物除去工程を示す断面図である。
【図２２】 図２１の工程に続くドライエッチング工程を示す断面図である。
【図２３】 図２２の工程に続くフロン重合物除去工程を示す断面図である。
【図２４】 図２３の工程に続くドライエッチング工程を示す断面図である。
【図２５】 図２４の工程に続くフロン重合物除去工程を示す断面図である。
【図２６】 比較例に係るマイクロレンズアレイを示す断面図である。
【図２７】 図２６のマイクロレンズアレイを製作する方法におけるレジストリフロー工程を示す断面図である。
【図２８】 図２７の工程に続くレンズ形成工程を示す断面図である。
【図２９】 図２８の工程に続くレジスト層形成工程を示す断面図である。
【図３０】 図２９の基板の上面図である。
【図３１】 図２９の工程に続くレジスト層形成工程を示す断面図である。
【図３２】 図３１の工程に続くレジスト露光工程を示す断面図である。
【図３３】 図３２の工程に続くレジスト現像工程を示す断面図である。
【図３４】 図３３の工程に続くＳｉＯ２スパッタ工程を示す断面図である。
【図３５】 図３４の工程におけるＳｉＯ２膜の被着状況を示す断面図である。
【図３６】 図３５の基板の上面にリフトオフ処理を施した状態を示す断面図である。
【図３７】 従来の単眼マイクロレンズを用いた光ファイバ結合系を示す光路図である。
【符号の説明】
１０，１２：透光板、２０，３０：石英基板、２２，２２Ａ〜２２Ｃ：フロン重合物、２４：ピット、３２，３４：レジスト層、３６：ＳｉＯ２膜、Ｌ１１〜Ｌ１４，Ｌ２１〜Ｌ２４，Ｌ３１〜Ｌ３４，Ｌ４１〜Ｌ４４，Ｌ：平凸レンズ、Ｌ５１〜Ｌ５４：透光被膜、ＭＬ１，ＭＬ２：マイクロレンズアレイ、Ｆ，Ｆ１１〜Ｆ１４，Ｆ２１〜Ｆ２４：光ファイバ、Ｓ１〜Ｓ４，Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ：レジスト層。
【発明の属する技術分野】
この発明は、光ファイバ間の光結合等に用いるに好適なマイクロレンズアレイの製法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバ結合系としては、図３７に示すように光ファイバＦ１からの射出光をマイクロレンズＬ１でコリメート（平行光化）すると共に、このコリメート光をマイクロレンズＬ２で集束して光ファイバＦ２に入射させるようにしたものが知られている。マイクロレンズＬ１，Ｌ２は、いずれもガラスモールド技術を用いて製作された単眼のマイクロレンズである。この種のマイクロレンズは、光アイソレータ等の光通信用モジュールにおいて光ファイバからの射出光をコリメートするレンズとしても用いられる。
【０００３】
従来のガラスモールドレンズでは、直径が１ｍｍ以上必要であり、これより小さくすると、ガラスモールド成形に用いる超鋼材製の金型の精度が不十分であるため、満足なレンズ特性が得られなかった。
【０００４】
光アレイデバイス同士の光結合に用いられるマイクロレンズアレイとしては、ガラス、プラスチック等の透明基板に多数のレンズを配列形成したものが知られている（例えば、特開平７−１０４１０６号公報参照）。この場合、レンズ１個の直径は、１ｍｍ以下と微小であり、しかも各レンズを精度よく配列することが要求されるため、金型を用いない方法でマイクロレンズアレイを製作する。金型を用いない方法としては、塩浴中で電界を印加しながらガラス表面に設けた開口部からイオンを拡散させる方法、感光性ガラスの熱処理において未感光部が結晶化して収縮する現象を利用して表面を膨らます方法などが知られている。これらの方法によると、焦点距離や開口数（ＮＡ）の設定が容易でないこと、製造時間が長く、生産性に劣ることなどの問題点がある。
【０００５】
マイクロレンズアレイの製法としては、レンズ材層の上にレンズアレイパターンに従って複数のレジスト層を形成した後、各レジスト層を加熱により溶融（リフロー）させて凸レンズ形状とし、酸素と堆積性ガスとの混合ガスをエッチングガスとするドライエッチング処理をレンズ材層及び各レジスト層に施して各レジスト層の凸レンズ形状をレンズ材層に転写する方法が知られている（例えば、特開２０００−３１４４２号公報参照）。この方法では、ドライエッチング処理の後処理として、マイクロレンズアレイ（凸レンズ形状が転写されたレンズ材層）の表面に酸素プラズマ処理を施して疎水性堆積膜を除去して該表面に親水性を付与するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したようにリフローしたレジスト層の凸レンズ形状をレンズ材層に転写するマイクロレンズアレイの製法によると、上記した金型を用いない方法に比べて焦点距離や開口数の設定が容易になると共に生産性が向上するものの、エッチング量の大きい（突出高さの大きい）レンズを形成するのが容易でないという問題点がある。すなわち、発明者の研究によれば、ＣＦ４等のフッ素系エッチングガスを用いてエッチングを行なうと、レンズ形成面にはフロン重合物に起因してピット（孔）が発生して光学特性を劣化させることが判明した。先に引用した特開２０００−３１４４２号公報には、このようなピット発生については何等述べられていない。
【０００７】
図３７に示したような光ファイバ結合系にあっては、結合損失を０．３ｄＢ以下（結合効率を９３．３％以上）とするのが望ましいといわれている。しかし、現状では、このように結合損失の少ないマイクロレンズアレイは実現されていない。
【０００８】
この発明の目的は、光ファイバ結合系において結合損失を低減できる（結合効率を向上できる）マイクロレンズアレイを簡単に製作する方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るマイクロレンズアレイの製法は、
透光性の基板の一方の主面にレンズアレイパターンに従って複数のレジスト層を形成する工程と、
各レジスト層にリフロー処理を施して各レジスト層を平凸レンズ形状とする工程と、
フッ素系エッチングガスを用いるドライエッチング処理を各レジスト層及び前記一方の主面に施して各レジスト層の平凸レンズ形状を前記の一方の主面に転写することにより前記一方の主面に前記複数のレジスト層にそれぞれ対応する複数の平凸レンズを形成する工程と
を含むマイクロレンズアレイの製法であって、
前記複数の平凸レンズを形成する工程では、前記ドライエッチング処理を複数ステップに分けて実行すると共に、該複数ステップのドライエッチング処理の間に前記一方の主面からフロン重合物を除去する処理を実行することを特徴とするものである。光ファイバ結合系用のマイクロレンズアレイは、透光板と、この透光板の一方の主面にエッチングによりレンズアレイパターンを転写して形成された複数の平凸レンズとを備え、各平凸レンズの直径を１ｍｍ以下に設定すると共に各平凸レンズの前記一方の主面からの突出高さを５０μｍ以上に設定した構成にするとよい。このようなマイクロレンズアレイによれば、各平凸レンズの直径を１ｍｍ以下にすると共に各平凸レンズの突出高さを５０μｍ以上としたので、光ファイバ間の光結合に使用したときに結合損失を０．３ｄＢ以下に低減できる。この点については、後で図３〜７を参照して詳述する。この発明のマイクロレンズアレイの製法によれば、上記のような光ファイバ結合系用のマイクロレンズアレイを簡単に製作することができる。
【００１２】
この発明のマイクロレンズアレイの製法によれば、複数ステップのドライエッチング処理の間にレンズ形成面からフロン重合物を除去するようにしたので、エッチング中にフロン重合物に起因してレンズ形成面にピットが発生するのを防止することができる。
【００１３】
この発明のマイクロレンズアレイの製法においては、各レジスト層を対応する平凸レンズの突出高さが５０μｍ以上となるような厚さで形成することができる。このようなレジスト層をマスクとしてレンズ形成のためのドライエッチングを行なうと、エッチング量が大きくなるが、ピット発生を防止できるため、歩留りよくマイクロレンズアレイを製作することができる。従って、この発明のマイクロレンズアレイの製法は、前述した光ファイバ結合系用のマイクロレンズアレイを製作するのに好適である。また、この発明のマイクロレンズアレイの製法において、フロン重合物は、酸素プラズマにより簡単に除去することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一実施形態に係るマイクロレンズアレイを示すもので、図２には、図１のＸ−Ｘ’線に沿う断面を示す。
【００１９】
例えば石英板からなる長方形状の透光板１０の一方の主面には、平凸レンズＬ１１〜Ｌ１４が透光板１０の長辺に平行に一列状に形成されると共に、平凸レンズＬ２１〜Ｌ２４がレンズＬ１１〜Ｌ１４の列に平行に一列状に形成されている。レンズＬ１１とＬ２１は、各々の中心が透光板１０の短辺に平行な一直線上に位置するように並べて配置されており、このことは、レンズＬ１２とＬ２２、レンズＬ１３とＬ２３、レンズＬ１４とＬ２４についても同様である。これらのレンズＬ１１〜Ｌ１４，Ｌ２１〜Ｌ２４は、図８〜１０等について後述するようにドライエッチング処理によりレンズアレイパターンを透光性基板の一方の主面に転写して形成されるものである。
【００２０】
一例として、Ｌ１１等の各レンズの直径Ｄは、１ｍｍ以下（好ましくは０．５ｍｍ〜１ｍｍ）であり、Ｌ１１，Ｌ１２等の隣り合うレンズ間のピッチ（中心間の間隔）Ｐは、Ｄ＝０．５ｍｍの場合には０．５ｍｍとすることができる。透光板１０の長さＡ及び幅Ｂは、それぞれ５ｍｍ及び３ｍｍとすることができる。Ｌ１１等の各レンズの透光板１０の一方の主面からの突出高さＳＡＧ（図２参照）は、５０μｍ以上とする。透光板１０の厚さは、０．１ｍｍ〜２ｍｍとすることができる。
【００２１】
図３は、図４の光学系において光ファイバ−レンズ間距離（Working Distance）ＷＤが曲率半径Ｒに依存する様子を示すものである。図４には、光ファイバＦからの射出光を平凸レンズＬでコリメートする光学系を示す。平凸レンズＬの厚さ（平坦面から頂部までの距離）Ｔは、１．２５ｍｍである。
【００２２】
図４に示すような平凸レンズＬについては、曲率半径Ｒにより焦点距離が決定される。距離ＷＤを小さくすると、平凸レンズＬの平坦面からの反射光が光ファイバＦに入射するので好ましくない。このような事態を回避するためには、距離ＷＤを０．３ｍｍ以上に設定すればよいと当業者の間でいわれている。図３は、曲率半径Ｒを０．５ｍｍから０．７５ｍｍまで変化させたときの距離ＷＤの計算結果を示している。図３によれば、距離ＷＤを０．３ｍｍ以上とするには、曲率半径Ｒを約０．５３ｍｍ以上とすればよいことがわかる。なお、図３のデータは、開口数ＮＡを０．２に設定したときのもので、発明者の実験によれば、図３の線Ｗに示すような曲率半径Ｒと距離ＷＤとの相関関係は、ＮＡを０．１５又は０．１８７５等に変化させても殆ど変化しないことがわかっている。
【００２３】
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、図６の光ファイバ結合系においてビーム有効径及び結合損失が開口数ＮＡ及び曲率半径Ｒに依存する様子を示すもので、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ曲率半径Ｒが０．５５、０．６、０．６５の場合に対応している。
【００２４】
図６は、この発明に係るマイクロレンズアレイを用いた光ファイバ結合系を示すものである。第１のマイクロレンズアレイＭＬ１は、図１，２に関して前述したと同様のもので、透光板１０に平凸レンズＬ１１〜Ｌ１４を形成した構成になっている。第２のマイクロレンズアレイＭＬ２は、第１のマイクロレンズアレイＭＬ１と同様に構成されたもので、透光板１２に平凸レンズＬ３１〜Ｌ３４を形成した構成になっている。
【００２５】
マイクロレンズアレイＭＬ１，ＭＬ２は、レンズＬ１１とＬ３１、レンズＬ１２とＬ３２，レンズＬ１３とＬ３３、レンズＬ１４とＬ３４がそれぞれ光軸を一致させるようにして対向配置される。透光板１０の平坦面側には、光ファイバＦ１１〜Ｆ１４がそれぞれレンズＬ１１〜Ｌ１４に光を射出するように配置され、透光板１２の平坦面の側には、光ファイバＦ２１〜Ｆ２４がそれぞれレンズＬ３１〜Ｌ３４から受光するように配置される。
【００２６】
光ファイバＦ１１−レンズＬ１１−レンズＬ３１−光ファイバＦ２１の光路において、光ファイバＦ１１からの射出光は、レンズＬ１１によりコリメートされ、このコリメート光は、レンズＬ３１により集束されて光ファイバＦ２１に入射する。このような光結合動作は、光ファイバＦ１２−レンズＬ１２−レンズ３２−光ファイバＦ２２の光路、光ファイバＦ１３−レンズＬ１３−レンズＬ３３−光ファイバＦ２３の光路、光ファイバＦ１４−レンズＬ１４−レンズＬ３４−光ファイバＦ２４の光路についても同様である。
【００２７】
図５は、図６の光ファイバ結合系において１つの光路（例えばＦ１１−Ｌ１１−Ｌ３１−Ｆ２１の光路）についてビーム有効径及び結合損失を計算した結果を示している。ここで、ビーム有効径（Entrance Pupil Diameter）は、線Ｅ１〜Ｅ３で示され、結合損失は、線Ｃ１〜Ｃ３で示される。この場合、各レンズの直径を０．５ｍｍとすると共にレンズ間ピッチを０．５ｍｍとしているので、レンズ面でのビーム有効径は、０．５ｍｍ以下でなければならない。そこで、ビーム有効径を示す線Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に関してそれぞれ０．５ｍｍの有効径の点を通る垂線ＮＵ１，ＮＵ２，ＮＵ３を（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）のグラフの横軸に下ろすと、開口数ＮＡの上限が求められる。
【００２８】
一方、結合損失は、当業者間で０．３ｄＢ以下がよいとされているので、結合損失を示す線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に関してそれぞれ０．３ｄＢの結合損失の点を通る垂線ＮＬ１，ＮＬ２，ＮＬ３を（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）のグラフの横軸に下ろすと、開口数ＮＡの下限が求められる。この結果、開口数ＮＡの許容範囲は、曲率半径Ｒが小さいほど広いことがわかる。また、曲率半径Ｒ＝０．５５ｍｍ、０．６ｍｍ又は０．６５ｍｍのいずれの場合にも、結合損失を０．３ｄＢ以下に低減できることがわかる。
【００２９】
図７は、図１，２に関して前述したような平凸レンズについてレンズ突出高さＳＡＧが曲率半径Ｒに依存する様子を示すものである。図７によれば、曲率半径Ｒを小さくするほど平凸レンズの突出高さＳＡＧが大きくなることがわかる。直径０．５ｍｍの平凸レンズにおいて、０．３ｄＢ以下の結合損失を達成するには、曲率半径Ｒを０．６５ｍｍ以下（好ましくは０．６５ｍｍ〜０．５５ｍｍ）にする必要があり、レンズ突出高さＳＡＧを５０μｍ以上（好ましくは５０μｍ〜６０μｍ）にする必要がある。この場合、曲率半径Ｒを０．７ｍｍとすると、開口数ＮＡは０．１５、レンズ突出高さＳＡＧは４６．２μｍ、結合損失は０．４４９ｄＢとなり、結合損失は、０．３ｄＢ以下とならない。
【００３０】
次に、図８〜１０を参照して上記のようなマイクロレンズアレイの製法の一例を説明する。
【００３１】
図８の工程では、厚さ１ｍｍ〜２ｍｍの石英基板２０の一方の面に所望の４個の平凸レンズに対応するポジレジストからなるレジスト層Ｓ１〜Ｓ４をホトリソグラフィ処理により形成する。平凸レンズとして直径が１ｍｍ以下で且つレンズ突出高さが５０μｍ以上のものを製作する場合、各レジスト層の直径は、１ｍｍ以下のレンズ直径が得られるように定めると共に、各レジスト層の厚さｔは、５０μｍ以上のレンズ突出高さが得られるように定める。この場合、通常より厚いポジレジスト層をレンズアレイパターンに従ってパターニングすることになる。
【００３２】
次に、図９の工程では、レジスト層Ｓ１〜Ｓ４に熱処理を施して各レジスト層をリフローさせることにより各レジスト層に平凸レンズ形状を付与する。
【００３３】
図１０の工程では、フッ素系エッチングガスを用いるドライエッチング処理によりレジスト層Ｓ１〜Ｓ４及び基板２０の一方の面をエッチングして各レジスト層の平凸レンズ形状を基板２０の一方の面に転写することにより基板２０の一方の面にレジスト層Ｓ１〜Ｓ４にそれぞれ対応する平凸レンズＬ１１〜Ｌ１４を形成する。この場合、フッ素系エッチングガスとしては、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６，Ｃ３Ｆ８等のガス又はこれらのガスのうち二種以上のものを混合したガスを使用することができ、使用するフッ素系エッチングガスには酸素（Ｏ２）、水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）又はアルゴン（Ａｒ）を添加してもよい。
【００３４】
ドライエッチング処理としてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）処理を行なう場合、エッチングガスとしてＣＦ４を用いると、ＣＦ４ガスはプラズマ化し、プラズマは、ＣＦ３ ＋、ＣＦ２ ＋、ＣＦ＋、Ｆ＋等のイオンを含む。これらのイオンのうちＣＦ３ ＋は、石英（ＳｉＯ２）と反応し、ＳｉＦ４を生成して気化するため、石英のエッチングが可能になる。しかし、その他の石英エッチングに寄与しないガスは、重合してフロン重合物（−ＣＦ２−）を生成するため、エッチング中に基板表面にフロン重合物が堆積することがある。上記した５０μｍ以上の突出高さを有する平凸レンズを製作する場合、レジスト厚さが大きく、エッチング時間が長いので、フロン重合物の堆積が起こり易く、堆積したフロン重合物に起因して基板表面にピットが発生する。なお、従来行なわれているような短時間の石英エッチングでは、フロン重合物に起因するピット発生は認められない。
【００３５】
次に、図１１〜１７を参照して上記のようなピット発生のメカニズムを説明する。図１１は、ドライエッチング中に石英基板２０の表面にフロン重合物２２が堆積した状態を示している。
【００３６】
図１１の状態からエッチングが更に進むと、図１２に示すようにフロン重合物２２がエッチングされるのに伴ってその回りのエッチングレートが速くなり、フロン重合物２２の周囲にピット２４が発生する。更にエッチングが進むと、図１３，１４に示すようにフロン重合物２２が更にエッチングされると共に、ピット２４が更に深くなる。
【００３７】
図１４の状態から更にエッチングが進むと、図１５に示すようにフロン重合物２２がエッチングにより消失し、ピット２４は、更に深くなり、その中央部にへそ状の山が出現する。そして、更にエッチングが進むと、図１６に示すようにピット２４内で山の斜面がエッチングされるため、山が低くなる。この後、更にエッチングが進むと、図１７に示すようにピット２４内の山がエッチングにより消失し、ピット２４が残ることになる。
【００３８】
上記のようなピットが発生したマイクロレンズアレイにあっては、次の（イ）〜（ニ）のような問題点がある。
【００３９】
（イ）使用状態においてピットにより光の散乱が起こるため、光学特性が低下する。
【００４０】
（ロ）レンズ面の清掃時等に汚れがピット内に入り込み、透明度を劣化させる。
【００４１】
（ハ）経時変化、環境ストレス等によりピットに起因して亀裂が生ずる。
【００４２】
（ニ）外観上ピットが黒点となって見えるため、商品価値を著しく損ねる。
【００４３】
図１８〜２５は、図８〜１０の製法の改良に係るマイクロレンズアレイの製法を示すものである。図１８〜２５の製法は、図８〜１０の製法において上記のようなピット発生を防止したものに相当する。図１８〜２５において、図８〜１０と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略し、簡単のため、レジスト層及びレンズはいずれも１個のみ示す。
【００４４】
図１８の工程では、図８に関して前述したと同様に石英基板２０の表面にレジスト層Ｓを形成する。そして、図１９の工程では、図９に関して前述したと同様のリフロー処理によりレジスト層Ｓを平凸レンズ形状とする。
【００４５】
次に、図２０の工程では、図１０に関して前述したと同様のドライエッチング処理によりレジスト層Ｓ及び基板２０の一方の面をエッチングする。基板２０の一方の面においては、エッチングの進行に伴ってレジスト層Ｓの下に位置する石英部２０Ｓが若干突出した形になると共にフロン重合物２２Ａが堆積する。フロン重合物２２Ａについて図１２に示したようにピットが発生する前にドライエッチング処理を中止し、図２１の工程に移る。
【００４６】
図２１の工程では、Ｏ２プラズマによりフロン重合物２２Ａを灰化して除去する。このような処理をＯ２アッシング処理と称する。図２２の工程では、前述したようなドライエッチング処理を再び実行する。エッチングの進行に伴って石英部２０Ｓは更に突出した形になると共に基板表面にはフロン重合物２２Ｂが堆積する。フロン重合物についてピットが発生する前にドライエッチング処理を中止し、図２３の工程に移る。
【００４７】
図２３の工程では、Ｏ２アッシング処理によりフロン重合物２２Ｂを除去する。そして、図２４の工程では、前述したようなドライエッチング処理を実行する。エッチングの進行に伴ってレジスト層Ｓが除去され、石英部２０Ｓが平凸レンズＬとなる。平凸レンズＬが得られた段階でドライエッチング処理を停止する。このときに基板表面に堆積しているフロン重合物２２Ｃは、図２５に示すようにＯ２アッシング処理又はフッ酸等の薬液処理により除去する。
【００４８】
図１８〜２５に関して上記した製法において、フロン重合物を除去するためのＯ２アッシング処理は、ドライエッチング処理を行なう装置とは別の装置で行なってもよく、あるいはドライエッチング処理を行なうのと同じ装置内でガスを交換して行なってもよい。また、ドライエッチング処理を行なうのと同じ装置内でＯ２アッシング処理を行なう場合、Ｏ２アッシングを行なう別のプロセスプログラムに切替えて処理してもよく、あるいは１つのプロセスプログラムに従って図２０〜２５に示したような一連のドライエッチング及びＯ２アッシングを連続的に処理してもよい。
【００４９】
図１８〜２５に関して上記した製法によれば、フロン重合物に基づくピット発生を防止することができるので、良好な光学特性を有する高品質のマイクロレンズアレイを歩留まりよく製作することができる。また、ドライエッチング及びＯ２アッシングは、いずれも複数回繰返すことができるので、５０μｍ以上のレンズ突出高さが要求されるようなエッチング量の多いマイクロレンズアレイであっても簡単に製作することができる。
【００５０】
図２６は、この発明と比較するための比較例に係るマイクロレンズアレイを示すものである。
【００５１】
石英基板３０の一方の主面には、エッチングによりレンズパターンを転写して平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４が一列状に並べて形成されている。基板３０の一方の主面には、図１に示したようにマトリクス状に多数の平凸レンズを形成してもよい。基板３０の厚さａは、１．２５ｍｍ、各平凸レンズの開口径（周縁部の直径）ｂは、０．４９ｍｍ、各平凸レンズの突出高さｃは、４０〜４５μｍ、隣り合う平凸レンズ間のピッチ（レンズ中心間の距離）ｄは、０．５ｍｍとすることができる。Ｌ４１等の各平凸レンズは、図３０に平面パターンを示すように円形状である。
【００５２】
平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４をそれぞれ覆うように透光被膜Ｌ５１〜Ｌ５４がスパッタ法等により形成されている。各透光被膜は、一列としてＳｉＯ２等の酸化シリコン膜からなるもので、対応する平凸レンズの中央部から周縁部に進むにつれて厚さが漸減するように形成されている。各平凸レンズの頂部における透光被膜の厚さｅは、３０〜４０μｍ、透光被膜を含めた平凸レンズの突出高さｆは、７０〜８０μｍとすることができる。
【００５３】
図２６に示したマイクロレンズアレイによれば、各平凸レンズを覆う透光被膜を該平凸レンズの中央部から周縁部に進むにつれて厚さが漸減するように形成したので、突出高さが７０μｍ以上の平凸レンズを実現することができ、光ファイバの光結合に使用するときに高い結合効率が得られる。なお、各透光被膜は、平凸レンズ上に均一な厚さで形成することもできるが、このようにしても、透光被膜にレンズ機能を持たせることができず、レンズ高さを高くしたことにはならない。
【００５４】
図２６に示したマイクロレンズアレイにあっては、透光被膜Ｌ５１〜Ｌ５４の屈折率を制御することにより開口数（ＮＡ）、焦点距離等の光学特性を調整することができる。例えばスパッタ法で形成されたＳｉＯ２膜からなる透光被膜の屈折率は、フッ素（Ｆ）を添加することにより低下し、ゲルマニウム（Ｇｅ）又はボロン（Ｂ）を添加することにより上昇する。スパッタ法で形成されたＳｉＯ２膜の屈折率は、ドーピング剤の種類や濃度により１．４〜１．４８の範囲内で適宜調整可能である。なお、透光被膜の材料としては、ＳｉＯ２の他にＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５等も使用可能であり、複数種類の材料を組合せて使用することもできる。
【００５５】
次に、図２７〜３６を参照して図２６のマイクロレンズアレイを製作する方法の一例を説明する。図２７〜３６において、図２６と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５６】
図２７の工程では、石英基板３０の一方の面に所望の４個の平凸レンズに対応するポジレジストからなるレジスト層Ｓ１１〜Ｓ１４をホトリソグラフィ処理により形成した後、レジスト層Ｓ１１〜Ｓ１４を熱処理を施して各レジスト層をリフローさせることにより各レジスト層に平凸レンズ形状を付与する。
【００５７】
図２８の工程では、図１０に関して前述したと同様にフッ素系エッチングガスを用いるドライエッチング処理によりレジスト層Ｓ１１〜Ｓ１４及び基板３０の一方の面をエッチングして各レジスト層の平凸レンズ形状を基板３０の一方の面に転写することにより基板３０の一方の面にレジスト層Ｓ１１〜Ｓ１４にそれぞれ対応する平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４を形成する。各平凸レンズの突出高さ（図２６のｃ）は、４０〜４５μｍ程度であり、図２７の工程で形成するレジスト層Ｓ１１〜Ｓ１４としては、かようなレンズ高さが得られるような厚さを有するものを用いればよい。
【００５８】
図２９の工程では、基板３０の一方の面に平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４をそれぞれ露呈する孔Ｒ１〜Ｒ４を有するリフトオフ用のレジスト層３２をホトリソグラフィ処理により形成する。レジスト層３２の厚さは、６０〜１００μｍとすることができる。このときの基板３０の上面を図３０に示す。図３０に示すようにＲ１等の各孔の直径は、Ｌ４１等の各平凸レンズの開口径より若干大きく設定されている。
【００５９】
図３１の工程では、基板３０の一方の面にレジスト層３２及び平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４を覆ってネガレジストからなるレジスト層３４を塗布する。このとき、レジスト層３４の塗布は、レジスト層３４において平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４に対応する個所が凹面状となるように行なう。
【００６０】
図３２の工程では、レジスト層３４に露光処理を施す。すなわち、露光マスクＭＳを介してレジスト層３４に露光用の光ＥＬを照射する。露光マスクＭＳには、平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４にそれぞれ対応する円形状の遮光部Ｍ１〜Ｍ４が設けられると共にこれらの遮光部Ｍ１〜Ｍ４を取囲むように透光部Ｎが設けられている。Ｍ１等の各遮光部の直径は、Ｌ４１等の各平凸レンズの開口径より２Ｋだけ小さく設定されている。Ｍ１等の各遮光部は、対応する平凸レンズと中心を合わせるように配置されている。レジスト層３４を構成するネガレジストは、空気より屈折率が大きいため、Ｍ１等の各遮光部の周縁部から対応する平凸レンズに向けて下方に直進した光ＥＬは、線ｎで示すようにネガレジストにより屈折されて該平凸レンズの周縁部に向かうようになる。
【００６１】
図３３の工程では、図３２の露光処理を受けたレジスト層３４に現像処理を施す。ネガレジストは、露光された部分が現像液に溶解されずに残存するので、レジスト層３４は、平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４にそれぞれ対応した開口部Ｑ１〜Ｑ４を有すると共にＱ１等の各開口部が対応する平凸レンズの頂部より上方の部分Ｐにて対応する平凸レンズの開口径より小さな直径を有するように残存する。すなわち、レジスト層３４は、Ｑ１等の開口部毎に奥にいくほど直径が大きくなる逆テーパー状の断面形状を有するように残存する。
【００６２】
図３４の工程では、レジスト層３２，３４の積層を選択マスクとしてＳｉＯ２をスパッタすることにより図３５に示すように平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４をそれぞれ覆うようにＳｉＯ２からなる透光被膜Ｌ５１〜Ｌ５４を形成する。このとき、レジスト層３４上には、ＳｉＯ２膜３６が堆積する。また、レジスト層３４がＱ１等の開口部毎に逆テーパー状の断面形状を有するため、Ｌ５１等の各透光被膜は、対応する平凸レンズの中央部から周縁部に進むにつれて厚さが漸減するように形成される。
【００６３】
図３６の工程では、基板３０の上面にリフトオフ処理を施すことによりレジスト層３２，３４及びＳｉＯ２膜３６を除去する。この結果、平凸レンズＬ４１〜Ｌ４４上にはそれぞれ透光被膜Ｌ５１〜Ｌ５４が残存するので、図２６に示したようなマイクロレンズアレイを得ることができる。
【００６４】
図３４，３５に示したスパッタ工程においては、スパッタターゲットとしてＦ，Ｇｅ又はＢ等を含むＳｉＯ２材料を用いることによりスパッタＳｉＯ２膜（透光被膜）の屈折率を適宜調整することができる。また、レジスト層３４においてＱ１等の開口部の断面形状を制御することによりＬ５１等の透光被膜の膜厚分布を調整することができるので、透光被膜を含めた平凸レンズの形状を適宜制御する（例えば非球面状化する）ことができる。さらに、レジスト層３４においてＱ１等の各開口部の中心をＬ４１等の対応する平凸レンズの中心からずらすことにより透光被膜を含めた平凸レンズとして中心に関して左右非対称の断面を有するレンズを得ることができる。上記のような調整手段を用いることにより光ファイバとの結合効率、光ファイバ射出光の発散角等を調整することができ、光ファイバの光結合に好適なマイクロレンズアレイを実現することができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、フッ素系エッチングガスを用いるドライエッチング処理により透光性基板にレンズアレイパターンを転写して複数の平凸レンズを形成する際に、ドライエッチング処理を複数ステップに分けて実行すると共に、複数ステップのドライエッチング処理の間に基板のレンズ形成面からフロン重合物を除去するようにしたので、フロン重合物に起因するピット発生を防止することができ、光学特性が良好なマイクロレンズアレイを歩留りよく製作できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施形態に係るマイクロレンズアレイのレンズ形成面を示す平面図である。
【図２】 図１のＸ−Ｘ’線に沿う断面図である。
【図３】 図４の光学系において光ファイバ−レンズ間距離ＷＤが曲率半径Ｒに依存する様子を示すグラフである。
【図４】 光ファイバの射出光を平凸レンズでコリメートする光学系を示す光路図である。
【図５】 （Ａ）〜（Ｃ）は、図６の光ファイバ結合系においてビーム有効径及び結合損失が開口数ＮＡ及び曲率半径Ｒに依存する様子を示すグラフである。
【図６】 この発明に係るマイクロレンズアレイを用いた光ファイバ結合系を示す光路図である。
【図７】 平凸レンズに関してレンズ突出高さＳＡＧが曲率半径Ｒに依存する様子を示すグラフである。
【図８】 この発明に係るマイクロレンズアレイの製法の一例におけるレジスト層形成工程を示す断面図である。
【図９】 図８の工程に続くレジストリフロー工程を示す断面図である。
【図１０】 図９の工程に続くレンズ形成工程を示す断面図である。
【図１１】 石英基板のドライエッチング処理におけるフロン重合物の堆積状況を示す断面図である。
【図１２】 図１１の状態から更にエッチングが進み、ピットが発生した状態を示す断面図である。
【図１３】 図１２の状態から更にエッチングが進んだ状態を示す断面図である。
【図１４】 図１３の状態から更にエッチングが進んだ状態を示す断面図である。
【図１５】 図１４の状態から更にエッチングが進み、フロン重合物が消失した状態示す断面図である。
【図１６】 図１５の状態から更にエッチングが進んだ状態を示す断面図である。
【図１７】 図１６の状態から更にエッチングが進んだ状態を示す断面図である。
【図１８】 図８〜１０の製法の改良に係るマイクロレンズアレイの製法におけるレジスト層形成工程を示す断面図である。
【図１９】 図１８の工程に続くレジストリフロー工程を示す断面図である。
【図２０】 図１９の工程に続くドライエッチング工程を示す断面図である。
【図２１】 図２０の工程に続くフロン重合物除去工程を示す断面図である。
【図２２】 図２１の工程に続くドライエッチング工程を示す断面図である。
【図２３】 図２２の工程に続くフロン重合物除去工程を示す断面図である。
【図２４】 図２３の工程に続くドライエッチング工程を示す断面図である。
【図２５】 図２４の工程に続くフロン重合物除去工程を示す断面図である。
【図２６】 比較例に係るマイクロレンズアレイを示す断面図である。
【図２７】 図２６のマイクロレンズアレイを製作する方法におけるレジストリフロー工程を示す断面図である。
【図２８】 図２７の工程に続くレンズ形成工程を示す断面図である。
【図２９】 図２８の工程に続くレジスト層形成工程を示す断面図である。
【図３０】 図２９の基板の上面図である。
【図３１】 図２９の工程に続くレジスト層形成工程を示す断面図である。
【図３２】 図３１の工程に続くレジスト露光工程を示す断面図である。
【図３３】 図３２の工程に続くレジスト現像工程を示す断面図である。
【図３４】 図３３の工程に続くＳｉＯ２スパッタ工程を示す断面図である。
【図３５】 図３４の工程におけるＳｉＯ２膜の被着状況を示す断面図である。
【図３６】 図３５の基板の上面にリフトオフ処理を施した状態を示す断面図である。
【図３７】 従来の単眼マイクロレンズを用いた光ファイバ結合系を示す光路図である。
【符号の説明】
１０，１２：透光板、２０，３０：石英基板、２２，２２Ａ〜２２Ｃ：フロン重合物、２４：ピット、３２，３４：レジスト層、３６：ＳｉＯ２膜、Ｌ１１〜Ｌ１４，Ｌ２１〜Ｌ２４，Ｌ３１〜Ｌ３４，Ｌ４１〜Ｌ４４，Ｌ：平凸レンズ、Ｌ５１〜Ｌ５４：透光被膜、ＭＬ１，ＭＬ２：マイクロレンズアレイ、Ｆ，Ｆ１１〜Ｆ１４，Ｆ２１〜Ｆ２４：光ファイバ、Ｓ１〜Ｓ４，Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ：レジスト層。
Claims (3)
- 透光性の基板の一方の主面にレンズアレイパターンに従って複数のレジスト層を形成する工程と、
各レジスト層にリフロー処理を施して各レジスト層を平凸レンズ形状とする工程と、
フッ素系エッチングガスを用いるドライエッチング処理を各レジスト層及び前記一方の主面に施して各レジスト層の平凸レンズ形状を前記一方の主面に転写することにより前記一方の主面に前記複数のレジスト層にそれぞれ対応する複数の平凸レンズを形成する工程と
を含むマイクロレンズアレイの製法であって、
前記複数の平凸レンズを形成する工程では、前記ドライエッチング処理を複数ステップに分けて実行すると共に、該複数ステップのドライエッチング処理の間に前記一方の主面からフロン重合物を除去する処理を実行することを特徴とするマイクロレンズアレイの製法。 - 前記複数のレジスト層を形成する工程では、各レジスト層を対応する平凸レンズの前記一方の主面からの突出高さが５０μｍ以上となるような厚さで形成する請求項１記載のマイクロレンズアレイの製法。
- 前記フロン重合物を除去する処理では、酸素プラズマにより前記フロン重合物を除去する請求項１又は２記載のマイクロレンズアレイの製法。
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