JP3734174B2

JP3734174B2 - 光学デバイスおよびその製造方法

Info

Publication number: JP3734174B2
Application number: JP2003359268A
Authority: JP
Inventors: 和博梅木; 昌仙佐藤; 省一秋山
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2021-01-11
Also published as: JP2004110052A

Description

この発明は、光学デバイスおよびその製造方法に関する。

レンズ等の光学デバイスとして、従来の研磨法によるのでなく、種々の物理的・化学的な方法で製造されるものが提案され、実用化されつつある。例えば、透明なガラス基板上にフォトレジスト層を設け、これにフォトリソグラフィ法により円形状や楕円形状をパターニングし、パターニングされたフォトレジスト層をガラス転移点以上に加熱し、フォトレジスト層の熱流動と表面張力の作用で、凸曲面形状に形成し、この凸曲面形状を「屈折面」として利用するようにした光学デバイスが知られているし、上記凸曲面形状に形成されたフォトレジストと透明基板とに対してエッチングを行い、フォトレジストの表面形状としての凸曲面形状を透明基板に彫り写すことにより、透明基板自体の表面形状として屈折面を形成することも提案されている（特許文献１）。

上記のような屈折面は、透明基板の片面のみならず、両面に形成でき、透明基板の両面に形成される屈折面を組み合わせて１単位のレンズとすることにより、より広範なレンズ機能を実現することができる。

しかし、透明基板の両面に、互いに対応する屈折面を形成してレンズ機能を実現する場合、透明基板の一方の面に形成される屈折面と他方の面に形成される屈折面との位置的な対応関係、即ち、屈折面相互の「光軸合わせ」が精度良く行われないと、目的とする光学性能を持ったレンズを実現出来ない。

透明基板の両面に屈折面を形成する場合、各面に形成された屈折面相互の位置合わせを精度良く行うことは必ずしも容易でない。また、透明基板の片面に良好な屈折面を形成できても、他方の面に良好な屈折面を形成できなければ、光学デバイスとしては「欠陥品」となってしまう。このような理由で、両面に屈折面を持つ光学デバイスの製造の歩留まりの向上が困難であった。

このような問題を解決する方法の一つとして、透明基板を２つに分け、それぞれの透明基板の一方の面に屈折面を形成し、これら２つの透明基板を、互いの屈折面を位置合わせし、「接着」により一体化する方法が考えられる。

この方法によれば、良好な屈折面同志を組み合わせられるし、両面の屈折面相互の位置合わせも良好に実現できるが、接着部に介在される接着剤が、光学デバイスの光学性能に悪影響を与える虞れがあり、また光学デバイスの使用環境によっては、接着部の劣化により透明基板相互が剥離する等の問題がある。

特開平５−１７３００３号公報

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、製造の歩留まりが良く、対応する屈折面相互の位置合わせの精度が良く、耐環境性に優れた新規な光学デバイスの提供を目的とする（請求項２〜５）。
この発明の別の目的は、上記光学デバイスを製造する方法の提供にある（請求項１）。

この発明の「光学デバイス製造方法」は、「片面に所望の面形状を形成された第１の透明基板と、片面に所望の面形状を形成された第２の透明基板とを、平滑な他方の面同志で接合させ、一体化してなる光学デバイスを製造する方法」である。第１の透明基板に形成される「所望の面形状」と、第２の透明基板に形成される「所望の面形状」とは、互いに同じでも良いし、異なっても良い。

請求項１記載の光学デバイス製造方法は「第１および第２の透明基板として、ＳｉＯ₂を含む基板」を用い、これら第１および第２の透明基板を、その接合部に「単分子層」のＨ₂Ｏを介在させ、対応する面形状同志の位置合わせを行ったのち、オプチカルコンタクトと化学反応を利用した２００度Ｃ〜４００度Ｃでの「高温ボンディング」により接合することを特徴とする。

この発明の「光学デバイス」は、上記請求項１記載の光学デバイス製造方法により、製造される光学デバイスである。
この「光学デバイス」においては、第１および／または第２の透明基板に形成された面形状は、例えば前述した従来技術のように、「フォトレジストの表面形状」等、透明基板と別材料の表面形状として形成されてもよいが、「第１および／または第２の透明基板自体の表面形状として形成され」ていてもよい。

請求項１記載の光学デバイス製造方法により製造された光学デバイスは、第１および第２の透明基板に形成される所望の面形状を「凸もしくは凹の屈折面」とし、第１の透明基板の屈折面と第２の透明基板の屈折面の光軸を合わせた構成の「マイクロレンズ」として実現することもできるし、さらに、第１および第２の透明基板に形成される屈折面を複数且つアレイ配列とすることにより、「マイクロレンズアレイ」として実現することもできる。

また、この発明の光学デバイスを構成する上で、第１および／または第２の透明基板に形成する所望の面形状は、１次元または２次元のフレネルレンズ（請求項３）やグレーティング（請求項２）を実現するような形状でもよいし、マイクロプリズム（請求項４）等を実現するような形状でもよいし、光学的ローパスフィルターとして使用できる断面が台形状の形状（請求項５）でもよい。

上記のように、この発明の光学デバイス製造方法では、それぞれ、「片面に適正に所望の面形状を形成された透明基板」同志を位置合わせして接合させる。
請求項１記載の製造方法の発明に於ける、「高温ボンディング」は、オプチカルコンタクトと化学反応を利用した接合方法である。清浄なガラス表面は極めて活性であり、これら清浄な「鏡面状」のガラス表面同志を接触させると、室温で強く接着する。この現象をオプチカルコンタクトと呼んでいる。このオプチカルコンタクトは、熱処理によりその接着強度が増大する。この熱処理の効果は、以下の如き化学反応で説明される。

即ち、第１・第２の透明基板は、ガラス等、ＳｉＯ₂を含んだものであり、これらの互いに平滑な面を、「単分子層」のＨ₂Ｏを介在させて加熱すると、高温条件下では、基板表面の酸素結合層が軟化し、溶融状態となるため、単分子層の「Ｈ₂Ｏ」が「Ｈ」と「Ｏ−Ｈ」とに分極し、「Ｈ」が「−Ｓｉ−Ｏ−」と結合して「Ｓｉ−ＯＨ」が生成する。このとき、「−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−」からダングリングボンドが生じる。

次に、「Ｏ−Ｈ」が「Ｓｉ−Ｏ−Ｈ」と反応し、脱水反応で「−Ｓｉ−Ｏ」のダングリングボンドが生成する。そして、「−Ｓｉ−」と「−Ｓｉ−Ｏ」が結合して「Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ」の結合ができる。更に、「Ｓｉ−ＯＨ」と「ＨＯ−Ｓｉ」から、同様に脱水反応で「Ｈ₂Ｏ」が除去され、「Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ」の結合が出来る。このとき脱水反応で生じた「Ｈ_２Ｏ」は、界面を拡散により接合部から散逸する。このようにして、第１および第２の透明基板が接合される。

なお、請求項１記載の光学デバイス製造方法において、上記の「高温ボンディング」後に、適当な高温度下で、接合部に強い電界を作用させてもよい。このようにすると、Ｈ＋イオンの移動により、ボンディング強度を更に強くできる。

以上のように、この発明によれば新規な、光学デバイスおよびその製造方法を提供できる。請求項１記載の発明は、所望の面形状が良好に形成された第１，第２の透明基板を位置合わせして接合するので、製造の歩留まりが良く、製造コストの低減化が可能である。また、接合に接着剤を用いないため、位置合わせが容易で作業性が良い。

また請求項１記載の発明では、接合に高温ボンディングを利用するが、高温ボンディングは、手軽で量産性に富んでいる。

請求項２〜５記載の光学デバイスは、上記製造方法で製造されるため、安価に製造出来、接着剤による光学的な悪影響がなく、接合力が強いので耐環境性に優れている。

以下、具体的な実施の形態を説明する。
図１は、請求項１記載の光学デバイス製造方法の実施の１形態を説明するための図である。第１は、透明基板１００と第２の透明基板２００を、平滑な面同志を合わせて、位置合わせ（位置合わせ用のマーク１０１，２０１（所謂「トンボ」である）を用いて行う）を行った状態を示している。

第１，第２の透明基板１００，２００は、共にＳｉＯ₂を含むものであって、その片面には、凸面形状１０１Ａ，１０１Ｂ，．．，２０１Ａ，２０１Ｂ，．．による屈折面のアレイが、対応的に形成されており、平滑な面同志の接合部には、Ｈ₂Ｏの単分子層３００が介在させられる。
この状態で、透明基板１００，２００を２００〜４００度Ｃのオーブンに入れて、２０〜６０分加熱すると、「高温ボンディング」により、透明基板１００，２００が接合されて一体化する。

かくして、両面の対応する屈折面同志が凸レンズをなす、マイクロレンズアレイが得られる。このマイクロレンズアレイは、両面に形成されている屈折面同志が良く光軸合わせされ、尚且つ、接合性が強固で耐環境性が強く、接合部が光学的な悪影響を与えず、製造の歩留まりが良い。上記高温ボンディングのあとに、上記オーブン内で、接合部に電界を作用させることにより、接合をより強固にすることができる。

上に説明した「高温ボンディング」は、第１および第２の透明基板の接合のみならず、この発明により得られる光学デバイスを支持体や保持体に固定する方法としても使用できる。

例えば図２において、符号３０は、マイクロレンズアレイを保持する鏡筒を示しているが、この鏡筒３０を「ＳｉＯ₂を含む材質」で製造し、図１に即して説明した方法で製造された光学デバイスを「高温ボンディング」で、鏡筒に固定することも可能である。

上に説明した実施例では、第１および第２の透明基板は、それぞれ、片面に所望の凸面形状を屈折面として形成されていた。以下には、透明基板の表面に凸面形状を形成する具体的な方法を説明する。

図３に示す方法は以下の通りである。符号１５で示す基板は、ＳｉＯ₂を含む透明基板である。この基板１５の平滑な表面にフォトレジスト１６の層を形成する。この層を、形成しようとする屈折面のパターンに応じて、フォトリソグラフィ法によりパターニングした状態が、図３（ａ）に示す状態である。

この状態で、パターニングされたフォトレジスト１６の層をガラス転移点以上に加熱すると、フォトレジスト１６は、熱流動と表面張力の作用で表面が曲面化する（図３（ｂ））。フォトレジストが透明であるならば、この状態をもって「透明基板１５の片面に所望の面形状を形成された」状態とすることもできる。

さらに、図３（ｂ）の状態において、表面が曲面化したフォトレジスト１６と基板１５とに対してドライエッチングを行って、フォトレジスト１６の表面の凸面形状を、基板１５の表面形状として「彫り写す」ことにより、片面に所望の凸面形状を持った基板１５を得ることも出来る（図３（ｃ））。

図４に示す方法は以下の通りである。
符号１５で示す基板は、図３におけると同じく、ＳｉＯ₂を含む透明基板である。基板１５の平滑な表面に、レジスト等の熱可塑性材料の層１７を形成し、層１７の上に、中間層１８と、フォトレジスト１９の薄膜とを積層する。中間層１８は、ＣｕやＡｌ等の「金属材料」を真空蒸着等で２０００〜１００００Åの厚みに形成したもの、あるいはＳｉ等の「非金属材料」を真空蒸着やスパッタリング等で２０００〜５０００Åの厚みに形成したものである。

この状態において、最上層のフォトレジスト１９の薄膜を、形成しようとする屈折面のパターンに応じて、フォトリソグラフィ法によりパターニングする。図４（ａ）は、パターニング後の状態を示す。

続いて、パターニングされたフォトレジスト１９の薄膜をマスクとしてエッチングを行い、剥き出し状態の中間層１８を除去すると図４（ｂ）に示すように、パターニングされたフォトレジスト１９のパターンが中間層１８に写される。このとき行うエッチングは、中間層が金属材料によるものであるときウエットエッチング」であり、Ｓｉ等の「非金属材料」で中間層が形成されているときは、ウエットエッチングもしくはドライエッチングで行うことができる。

この状態でドライエッチングを行い、熱可塑性材料１７の層を厚み方向へ彫り込み（図４（ｃ））、続いて、中間層１８とフォトレジスト１９の薄層を除去した後、熱可塑性材料１７の層をガラス転移点以上に加熱すると、図４（ｄ）に示すように熱可塑性材料１７の表面が曲面化する。

さらに、表面が曲面化した熱可塑性材料１７と基板１５とに対して「異方性」のドライエッチングを行って、熱可塑性材料１７の表面の凸面形状を基板１５の表面形状として「彫り写す」ことにより、片面に所望の凸面形状を持った基板１５を得ることが出来る（図５（ｅ））。

図３、図４の方法において、フォトレジスト１６、熱可塑性材料１７の表面を曲面化を行うのに、上記の如き加熱による方法のほか、高圧力を等方的に作用させたり、高圧力を等方的に作用させつつ加熱したりする方法が可能である。
また、図３の方法でフォトレジスト１６の表面を曲面化する際や、図４の方法で熱可塑性材料１７の表面を曲面化する際、フォトレジストの層や、熱可塑性材料の層に「所定の光強度分布の光」を照射して、これら物質の流動性に内部的な分布を与えることにより、形成される曲面形状を制御して、所望の非球面形状を実現することもできる。

さらにまた、図３の方法では、基板１５とフォトレジスト１６の層との間、図４の方法では、基板１５と熱可塑性材料１７の層との間に、「基板とは異なる屈折率を持つ材料」を蒸着等で層状に形成してもよく、このようにすると、所望の面形状を、上記基板１５とは異なる屈折率を持つ材料を持つ層の表面形状として形成することもできる。

上には、透明基板に形成される「所望の面形状」が、凸の曲面である場合を説明したが、これに限らず、透明基板上には、所望の面形状として、凹の曲面が形成されてもよい。透明基板の片側に「凹の曲面」を形成する方法には種々の方法が考えられるが、図５に１例を示す。

透明基板１５上に、光硬化性の透明樹脂５０を塗布し、「所望の凹面形状に対応する凸面形状」を有する型６０（例えば、図４や図５に即して説明した方法で作成できる）により、透明樹脂５０に凹面形状を形成し、透明基板１５の側から紫外線等を照射して樹脂層５０を硬化させる。その後、型６０を除去すれば、透明基板１５の片側に、所望の凹面形状をもった状態を実現できる。さらに、この状態からドライエッチングを行って、透明樹脂５０の凹面形状を透明基板１５に彫り写しても良い。

また、図３（ａ）の状態または図４（ｃ）の状態からエッチングを行えば、透明基板１５の表面形状として、側面部の切り立った「断面矩形状の面形状」を形成できるので、これを利用して、透明基板の表面形状としてグレーテイングを形成することもできる。あるいは、図３の方法で、フォトレジスト１６の層をパターニングする際、透過光強度分布が直線的に変化するマスクを利用すると、側面部が斜面になった面形状を形成できるので、これを利用して、透明基板の表面にマイクロプリズムやフレネルレンズの形状を形成できるし、断面形状が台形状の形状（光学的ローパスフィルターとして使用できる）を形成することもできる。

なお、図１の実施の形態で、マイクロレンズアレイを製造する場合の実施例を説明したが、このようにして得られるマイクロレンズアレイを、凸レンズごとに分離して、マイクロレンズとすることもできるし、透明基板に最初から単一の面形状を形成して、マイクロレンズとすることもできる。

請求項１記載の発明の実施の１形態を説明するための図である。請求項１記載の発明における接合方法が、光学デバイスと支持部材との接合に使用できることを説明するための図である。透明基板の片面に所望の面形状を凸面として形成する方法の１例を説明するための図である。透明基板の片面に所望の面形状を凸面として形成する方法の別例を説明するための図である。透明基板の片面に所望の面形状を凹面として形成する方法の１例を説明するための図である。

符号の説明

１００第１の透明基板
２００第２の透明基板
１０１，２０１位置袷用のマーク
１０１Ａ，２０１Ａ所望の面形状

Claims

片面に所望の面形状を形成された第１の透明基板と、片面に所望の面形状を形成された第２の透明基板とを、平滑な他方の面同志で接合させ、一体化してなる光学デバイスを製造する方法であって、
第１および第２の透明基板として、ＳｉＯ₂を含む基板を用い、
これら第１および第２の透明基板を、その接合部に単分子層のＨ₂Ｏを介在させ、対応する面形状同志の位置合わせを行ったのち、オプチカルコンタクトと化学反応を利用した２００度Ｃ〜４００度Ｃでの高温ボンディングにより接合することを特徴とする、光学デバイス製造方法。
請求項１記載の光学デバイス製造方法により製造される光学デバイスであって、
第１および／または第２の透明基板の表面形状がグレーティングであることを特徴とする光学デバイス。
請求項１記載の光学デバイス製造方法により製造される光学デバイスであって、
透明基板の表面形状がフレネルレンズの形状であることを特徴とする光学デバイス。
請求項１記載の光学デバイス製造方法により製造される光学デバイスであって、
透明基板の表面形状がマイクロプリズムの形状であることを特徴とする光学デバイス。
請求項１記載の光学デバイス製造方法により製造される光学デバイスであって、
透明基板の表面形状が台形状の断面形状を持つ形状であることを特徴とする光学デバイス。