JP3957771B2 - Optical device manufacturing method - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
この発明は光学デバイスの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
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、フォトレジストの表面を凸球面形状に形成したのち、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、フォトレジスト表面による凸球面形状を、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「凸球面の屈折面」を形成することが提案されている(特開平5−173003号公報)。
このような方法で製造される光学デバイスは、例えば、マイクロレンズやマイクロレンズアレイとして使用できる。
【0003】
このような光学デバイスの製造方法では、フォトレジストに形成される凸球面形状が、フォトレジストの熱流動と表面張力によるので、形成される球面形状は良好であるが、球面の曲率半径の制御は必ずしも容易でない。このため、精度の良い光学デバイスを設計通りに得ようとすると、光学デバイス製造の歩留まりを向上させることが困難であった。この傾向は、特に、曲率半径の大きい凸球面を形成する場合に顕著である。
【0004】
また、フォトレジストに形成される凸面形状は、熱流動と表面張力によるから、球面形状以外の形状は形成が容易でない。このため非球面形状をもった光学デバイスの製造が難しい。
【0005】
【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、曲率半径等に対する精度の良い新規な光学デバイスを製造する方法の提供を目的とする。
【0006】
この発明の別の目的は、非球面形状を有する新規な光学デバイスを製造する方法の提供にある。
【0009】
上記光学デバイスを型として用いて型成形を行うと、所望の凹曲面形状をもつ光学デバイスを、効率よく製造できる。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、デバイス材料の平坦な表面に熱可塑性材料層を所定の厚さに形成し、この熱可塑性材料層を1以上のデバイスパターンに応じてレリーフ状にパターニングしたのち、パターニングされた熱可塑性材料層を熱処理し、熱可塑性材料の熱流動と表面張力により、熱可塑性材料の表面形状を、デバイスパターンごとに凸曲面形状としたのち、熱可塑性材料とデバイス材料とに対してECRエッチングを行い、上記熱可塑性材料の1以上の凸曲面形状をデバイス材料に彫り写すことにより、デバイス材料の表面に、所望の曲率の凸曲面を1以上有する光学デバイスを製造する方法であって、以下の点を特徴とする。
即ち、熱可塑性材料表面の凸曲面形状の曲率と、デバイス材料の表面に形成すべき凸曲面の曲率との大小関係に応じて、ECRエッチングの選択比を調整・設定するのである。
【0011】
この請求項1記載の光学デバイス製造方法においては、「熱可塑性材料表面の凸曲面形状の曲率を、デバイス表面に形成すべき凸曲面の曲率よりも大きく設定し、ECRエッチングの選択比を小さく調整・設定する」ことができる(請求項2)。
【0012】
請求項3の発明は、デバイス材料の平坦な表面に熱可塑性材料層を所定の厚さに形成し、この熱可塑性材料層を1以上のデバイスパターンに応じてレリーフ状にパターニングしたのち、パターニングされた熱可塑性材料層を熱処理し、熱可塑性材料の熱流動と表面張力により、熱可塑性材料の表面形状を、デバイスパターンごとに所定の曲率の凸曲面形状としたのち、熱可塑性材料とデバイス材料とに対し、ECRエッチングを行って、上記熱可塑性材料の1以上の凸曲面形状をデバイス材料に彫り写すことにより、デバイス材料の表面に、所望の凸の非球面を1以上有する光学デバイスを製造する方法であって、以下の点を特徴とする。
即ち、熱可塑性材料表面の凸曲面形状と、デバイス材料の表面に形成すべき凸の非球面との形状関係に応じて、ECRエッチングの選択比を、経時的に変化させるのである。
【0013】
「デバイスパターン」は、デバイス材料に形成される凸曲面(凸の非球面を含む)の一つに対応するパターンであり、デバイス材料に形成される凸曲面が2以上ある場合には、デバイスパターンの数も2以上になる。この場合、2以上のデバイスパターンは、同一形状でも互いに異なる形状でもよい。デバイスパターンは、円形状や楕円形状、あるいは矩形形状や多角形形状であり得る。
【0014】
「熱処理」は、熱可塑性材料を加熱し、熱可塑性材料の熱流動と表面張力の作用により、熱可塑性材料の表面を凸曲面形状に変形させる処理を言う。
「熱可塑性材料」は、上記熱処理が可能で、熱処理後にECRエッチングできるものであれば、特に制限なく使用することができ、例えば各種の「レジスト」を好適に使用出来る。請求項5記載の発明のように、熱可塑性材料としてフォトレジストを用いることも可能である。
【0015】
熱可塑性材料の好適な具体例としては、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリウレタンや、ポリグリシジルメタクリレート樹脂等のメタルリレート類を挙げることができる。
【0016】
「熱可塑性材料の表面形状をデバイス材料に彫り写す」とは、ECRエッチングにより、デバイス材料に、熱可塑性材料の表面形状である凸曲面形状と1:1に対応する凸曲面形状を形成することをいう。
【0017】
「選択比」とは、熱可塑性材料とデバイス材料とに対するECRエッチングにおいて、熱可塑性材料に対するエッチング速度を「α」、デバイス材料に対するエッチング速度を「β」とするとき、「β/α」で定義される無次元量である。
【0018】
この選択比の「調整・設定もしくは経時的な変化」は、導入ガスの種類、導入ガスの導入量、プラズマ発生のための高周波および/またはマイクロ波のパワー、デバイス材料の温度、圧力のうちの1以上の調整・設定もしくは経時的な変化により行うことが出来る(請求項4)。「経時的な変化」は、段階的変化および連続的変化を含む。
【0019】
上記請求項1〜4に記載の光学デバイス製造方法において「デバイス材料の平坦な表面に所定の厚さに形成された熱可塑性材料層を、1以上のデバイスパターンに応じてレリーフ状にパターニング」するのは、以下のように行われる。
即ち、「熱可塑性材料層上に中間層とフォトレジスト薄層とを積層し、フォトリソグラフィ法により、1以上のデバイスパターンに応じてフォトレジスト薄層をパターニングし、パターニングされたフォトレジスト層をマスクとして、中間層に対して第1のドライエッチングを行い、フォトレジストのパターンを中間層に写し、この中間層のパターンをマスクとして、熱可塑性材料層に対し第2のドライエッチングを行う。中間層のパターンをマスクとして行う第2のドライエッチングでは、中間層のマスク上のフォトレジスト薄層の除去も行われる。
続いて、中間層を除去するための第3のドライエッチングを行って中間層を除去し、デバイス材料の表面上にリリーフ状にパターニングされた熱可塑性材料のみを残す。
フォトリソグラフィ法によるパターニングの際の露光は、マスクを用いて光を均一照射してもよいし、「レーザ描画」によりパターンを描き込んでも良い。
【0020】
「中間層」は、銅やアルミニウムのような金属材料の真空蒸着またはスパッタリングにより形成してもよく、あるいはSi等の非金属材料の真空蒸着や反応性蒸着あるいはスパッタリングにより形成してもよい。金属材料による中間層の厚さは、2000〜10000Åが好適であり、非金属材料による中間層の厚さは、2000〜5000Åが好適である。
【0021】
また、中間層に対するエッチングは、金属材料による中間層の場合は「ウエットエッチング」、非金属材料による中間層の場合には「ドライエッチング」で行うことができる。
【0022】
上記請求項1または2または3または4記載の製造方法により「光学デバイス」が製造される。この光学デバイスの、1以上の凸曲面もしくは凸の非球面の形成された面に、反射膜を形成することが出来る。
【0023】
さらに、上記の方法により製造された光学デバイスを型として、光学デバイスを、型成形により製造することができ、この方法で製造される光学デバイスは1以上の所望の凹曲面を有する。
【0024】
【作用】
図1(a)において、符号1はデバイス材料、符号2はパターニングされた熱可塑性材料層を示している。「デバイスパターン」は、(a)における、熱可塑性材料層2の形状を図の上方からみたパターンであり、パターニングされた熱可塑性材料層2は、その層厚により、上記デバイスパターンの「レリーフ」をなしている。この状態を称して、熱可塑性材料層2が「デバイスパターンに応じてレリーフ状にパターニングされた」と言うのである。
【0025】
このように、熱可塑性材料層2を、レリーフ状にパターニングした状態において「熱処理」を行うと、図1(b)に示すように、熱可塑性材料が変形し、その表面形状2Aが「凸曲面」形状となる。
【0026】
デバイスパターンが円形であれば、表面形状2Aは「凸球面」である。デバイスパターンが楕円形であれば、表面形状2Aは、長軸方向に大きい曲率半径を有し、単軸方向に短い曲率半径を有する回転楕円面状の凸曲面になる。また、デバイスパターンが矩形状や多角形状の場合には、「デバイスパターンに対応した形状の凸曲面」になる。
【0027】
デバイスパターンが、「楕円形状や矩形形状、多角形形状」のように、非円形形状である場合には、熱処理後の熱可塑性材料表面の凸曲面形状の曲率半径は一義的に定まらないが、この場合、「凸曲面の曲率」としては、表面形状の頂部近傍における曲率のうちで、最大あるいは最小のものをいうものとする。
【0028】
続いて、熱処理後の熱可塑性材料とデバイス材料1とに対してECRエッチングを行い、熱可塑性材料を完全にエッチングしつくすと、図1(c)に示すように、熱可塑性材料の表面形状2Aが、デバイス材料1の表面形状1Aとして彫り写される。
【0029】
デバイス材料1に彫り写された表面形状1Aと、エッチング前の熱可塑性材料の表面形状2Aとは対応関係にあり、もし選択比が1であれば、表面形状1Aと2Aとは同一形状となるが、選択比が1と異なると、表面形状1Aは表面形状2Aと異なるものになる。
【0030】
デバイスパターンが円形状である場合を例に取って説明すると、この場合、表面形状2Aは「凸球面形状」であり、表面形状1Aも凸球面形状となる。選択比>1であると、デバイス材料1は熱可塑性材料よりも速くエッチングされるので、表面形状1Aにおける曲率は、表面形状2Aの曲率よりも大きくなり、選択比<1の場合には、図1(c)の例のように曲率の大小関係が逆になる。
【0031】
図2には、デバイスパターンに応じてパターニングされた熱可塑性材料層の厚さ:dと、その熱処理後に形成された凸曲面の曲率半径:Rとの関係を示している。デバイスパターンは円形状であり、凸曲面は凸球面である。図示のように、「熱処理後に形成される凸球面」の曲率半径:Rは、グラフ線2−1で示すように、熱処理前の熱可塑性材料層の厚さ:dに対して反比例的に小さくなる。図中のドットは、曲率半径:Rの測定値を表す。
【0032】
デバイスパターンの形状や大きさが変化すると、「グラフ線」の様子も変化するが、図2に示された定性的な性格、即ち、熱処理後に形成される凸曲面の曲率半径が、「熱処理前の熱可塑性材料層の厚さに対し反比例的に減少」する点は変わらない。
【0033】
図2に「ドット」で示す、曲率半径:Rの測定値は、グラフ線2−1と2−3の間に分布する。これから、以下のことが分かる。
即ち、グラフ線2−2と2−3との差:ΔRは、熱処理により形成された表面形状の「曲率半径のバラツキ」であるが、バラツキ:ΔRは、厚さ:dに依存し、「d」が小さくなるに従って増大する。
【0034】
曲率半径が上記の如く「バラ」つく原因は、熱可塑性材料層の厚さ:dに対する誤差や、熱処理条件(熱処理時間・熱処理温度・温度上昇速度・基板内温度分布等)の微妙な差に起因して必然的に発生し、これを除去することはできない。
【0035】
ECRエッチングにおける選択比を1とし、熱可塑性材料層の表面形状と同一の表面形状をデバイス材料に彫り写して、光学デバイスを作成する場合、デバイス材料に形成する凸曲面の「所望の曲率半径」が大きい(曲率が小さい)場合には、熱処理後の熱可塑性材料の表面形状の曲率半径:Rも大きくする必要があるが、このためにはデバイス材料の表面に形成する熱可塑性材料層の厚さ:dを小さくしなければならず、上記バラツキ:ΔRが極めて大きくなり、従って、所望の大きさの曲率を持った表面形状を得る確率は極めて低くなるため、上記所望の曲率半径の凸曲面を有する光学デバイスの歩留まりは極めて低くなってしまう。
【0036】
このような場合、デバイス材料に熱可塑性材料層を「厚め」に形成し、熱処理により曲率の大きい(曲率半径の小さい)凸曲面形状を形成すると、その場合の曲率半径のバラツキは小さい。そこで、このようにバラツキを小さくして形成した凸曲面形状に対してドライエッチングを行う際に、選択比を1より小さくすれば、先に説明したように、デバイス材料に彫り写された凸曲面の曲率半径は、熱可塑性材料表面の凸曲面形状の曲率半径よりも大きくなる。
【0037】
ドライエッチングにおける選択比は精密な制御が容易であるから、上記のような方法で、「曲率半径の大きな凸曲面」を精度よく、デバイス材料に形成できるのである(請求項2)。
【0038】
一般に、熱可塑性材料の表面形状として形成された凸曲面形状の曲率と、デバイス材料の表面に形成すべき凸曲面の曲率との大小関係に応じて、ECRエッチングの選択比を調整・設定すること(請求項1)により、所望の曲率半径の凸曲面を容易にデバイス表面形状として形成できる。
【0039】
また、ECRエッチングの途上で、選択比を経時的に変化させると、選択比の変化に応じて、熱可塑性材料とデバイス材料の「エッチング速度の割合」が変化するから、熱可塑性材料の表面に形成された凸曲面形状を「変形」させて、デバイス材料に彫り写すことができ、これを利用してデバイス材料の表面に凸の非球面を形成することができる。
【0040】
【実施例】
以下、具体的な参考例と実施例を説明する。
参考例1
デバイス材料として、屈折率(波長:1.3μmの光に対するもの):1.452の石英ガラスの平行平板(図3に符号10で示す)を用意し、その表面に、熱可塑性材料層20として、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:50μmに形成した(ポストベーク後は73μmに変化した)。
【0041】
直径:0.8mmの黒円を1.0mmピッチで配列させたマスク(図3(a)に示すように、透明ガラス30の片面に黒円31が金属薄膜で形成されている)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、1以上のデバイスパターン(黒円に対応する円形)に応じてレリーフ状にパターニングした。 図3(b)は、パターニング後の状態を示している(簡単のため、一つのデバイスパターンに対応する部分のみが示されている)。
【0042】
パターニングされた熱可塑性材料層を熱処理し、熱可塑性材料の熱流動と表面張力により、熱可塑性材料20の表面形状を、デバイスパターンごとに凸曲面形状としたところ、曲率半径が1.132mmの凸球面形状が得られた。
【0043】
続いて行うECRエッチングにおいて、選択比を0.5に設定したところ、石英ガラス表面に、直径:0.8mm、曲率半径:2.210mmの凸球面を1.0mmピッチで形成することができた。この凸球面は屈折面として、焦点距離:4.889mmを有する。
【0044】
また、上記と同様にして、上記熱可塑性材料における1以上の凸曲面形状を形成後、ECRエッチングの選択比を1.25としてドライエッチングを行ったところ、石英ガラス表面に、直径:0.8mm、曲率半径:0.885mm、焦点距離:1.958mmの凸球面を1.0mmピッチで形成することができた。
【0045】
このときのドライエッチングの条件は、以下の通りである。
選択比:1.25に対して、導入ガス:O2;1.8sccM,CHF3;25.0sccM,反応室内圧力:3〜4×10~4Torr、マイクロ波実行電力:620W、RF実行電力:480W、エッチング時間:450分。
選択比の調整・設定は導入ガスの導入量により行い、選択比:0.5に対しては、O2:4.2sccM,CHF3:21.0SccMである。
【0046】
実施例1
デバイス材料として、屈折率(波長:1.3μmの光に対するもの):1.452の石英ガラスの平行平板(図4に符号10で示す)を用意し、その表面に、熱可塑性材料層20として、ポリグリシジルメタクリレート樹脂を厚さ:50μmに塗布した。
【0047】
その上に中間層として、厚さ:2000ÅのSi層4を形成し、さらに上記フォトレジストをスピンコートし、プリベークして厚さ:0.1μmに形成した。
【0048】
直径:0.5mmの黒円を0.6mm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、1以上のデバイスパターンに応じてパターニングした。図4(a)はパターニング後の状態を示している(簡単のため、一つのデバイスパターンに対応する部分のみが示されている)。
【0049】
パターニング工程後の光学デバイス材料を、ECRプラズマエッチング装置にセットし、CCl4;11sccM,He;5sccMを導入し、反応室内圧力:3〜4×10-4Torr、マイクロ波実行電力:600W、RF実行電力:500Wの条件で、第1のドライエッチングを5分間行い、図4(b)の状態を得た。次いで、前述のレンズアレイの参考例と同じ条件で第2のドライエッチングを行い、中間層であるSi層4の上のフォトレジスト層5を除去すると共に、中間層であるSi層4をマスクとして熱可塑性材料層20をエッチングして図4(c)の状態を得た。その後、同一バッチで導入ガスを再度、CCl4とHeの混合ガスに変更して第3のドライエッチングを行い、中間層であるSi層4を除去した。
【0050】
このようにして、熱可塑性材料層20を、1以上のデバイスパターンに応じてレリーフ状にパターニングした。
パターニングされた熱可塑性材料層を熱処理し、熱可塑性材料の熱流動と表面張力により、熱可塑性材料20の表面形状を、デバイスパターンごとに凸曲面形状としたところ、曲率半径:465μmの凸球面形状が得られた。
【0051】
続いて行うECRエッチングにおいて、選択比を0.5に設定したところ、石英ガラス表面に、直径:0.5mm、曲率半径:874μmの凸球面を0.6mmピッチで形成することができた。
【0052】
また、上記と同様にして、上記熱可塑性材料における1以上の凸曲面形状を形成後、ECRエッチングの選択比を1.75としてドライエッチングを行ったところ、石英ガラス表面に、直径:0.5mm、曲率半径:309μmの凸球面を0.6mmピッチで形成することができた。
【0053】
このときのドライエッチングの条件は、以下の通りである。
選択比:1.75に対して導入ガス:O2;0.5sccM,CHF3;26.5sccM,反応室内圧力:3〜4×10~4Torr、マイクロ波実行電力:620W、RF実行電力:480W、エッチング時間:450分
選択比の調整・設定は導入ガスの導入量により行い、選択比:0.5に対しては、O2:4.2SccM,CHF3:21.0SccMである。
【0054】
上に説明した参考例・実施例は、ECRエッチングの選択比の調整・設定により、熱可塑性材料による凸曲面形状とは、曲率の異なる凸曲面形状をデバイス材料の表面に形成する例であった。
【0055】
上記参考例・実施例では、ECRエッチングの選択比は終始一定であるが、請求項3記載の発明のように、ECRエッチングの選択比を、経時的に変化させることもできる。このように、選択比を経時的に変化させることで、「凸の非球面」を容易にデバイス材料表面に形成できる。
【0056】
図5(a),(b)は、図1(a),(b)と同様の状態を示している。
【0057】
デバイス材料1上の熱可塑性材料層2をデバイスパターン(円形状を想定している)に応じてレリーフ状にパターニングし(図5(a))、熱処理により、デバイスパターンごとに凸曲面形状とする(図5(b))。
【0058】
図5(c)は、図5(b)の状態からECRエッチングを「選択比:1」で、途中まで行った状態を示している。図5(c)の状態において選択比の変更を行い、例えば、選択比を0.5に設定し、熱可塑性材料が完全にエッチングされるまでエッチングすると、熱可塑性材料のエッチング速度が、デバイス基板1に対するエッチング速度の2倍になるので、エッチング終了時点において、デバイス材料1に彫り写された凸曲面の形状は、図5(d)に示すように、当初の熱可塑性材料の凸球面形状2Aの頂部を若干扁平化した「凸の非球面」になる。
【0059】
選択比の経時的な変化を種々変更することにより、デバイス材料に彫り写される凸の非球面の形状をいろいろに変化させることができる。
【0060】
図5の例で、上記とは逆に、図5(b)の状態から、途中までは選択比:0.5でエッチングを行い(図5(e))、その後、選択比を1.0に設定して、熱可塑性樹脂が完全にエッチングされるまでエッチングを行うと、エッチング終了時点において、デバイス材料に彫り写された形状は、図5(f)に示すように、当初の熱可塑性材料の凸面形状2Aの裾野部分を扁平化し、頂部が裾野部分から突出した形状とすることができる。
【0061】
これらの例のように、ECRエッチングの途上で選択比を変更することにより、非球面量や変曲点の位置を変えることが出来る。
【0062】
ECRエッチングの選択比の経時的な変化は、導入ガスの種類、導入ガスの導入量、プラズマ発生のための高周波および/まはたマイクロ波のパワー、デバイス材料の温度、圧力のうちの1以上を経時的(連続的あるいは段階的)に変化させることにより実現できる。
【0063】
上に説明した例では、熱処理後に熱可塑性材料の表面形状として形成された凸曲面形状は、単純な1峰型の山形の形状であるが、熱可塑性材料に形成される凸曲面形状は、このような形状に限られない。
【0064】
例えば、図6において、デバイス材料1上に、デバイスパターンに応じてレリーフ状にパターニングされているのは、熱可塑性材料層としての「ポジ型」のフォトレジスト層20である。
パターニングされたフォトレジスト層20に、例えば、図6(a)に示す範囲で光として紫外線等を照射すると、光照射された部分ではフォトレジスト内部の高分子が切断されて流動性が大きくなる。このような状態で熱処理を実施すると、フォトレジスト20の部分部分で変形し易さが変化しているため、例えば、図6(b)に示すように「真中が窪んだ山形形状」の凸曲面形状を実現できる。
【0065】
この状態に対してECRエッチングを行うが、選択比が1である場合には、勿論、デバイス材料1に彫り込まれる凸曲面形状は、図6(c)の形状1−1の如く、フォトレジスト自体のと凸曲面形状と実質的に合同的であり、選択比が1より大ならば、彫り写される形状は図6(c)の形状1−2のようになり、逆の場合には、形状1−3のようになる。
【0066】
また、選択比を「経時的に変化させる」ことにより、当初のフォトレジスト20の表面形状(図6(b))を、例えば、図6(d)のように変形(凸曲面の高さが高くなり、頂部が扁平化されている)して、デバイス材料1に彫り写すこともできる。
【0067】
図7に、上記光学デバイス製造方法により製造される光学デバイスの例を示す。
図7(a)は、平行平板状のデバイス材料1に対して上記製造方法を実施し、一方の面に所望の凸曲面100Aを形成した光学デバイス、(b)は(a)に示す光学デバイスの、凸曲面100Aを除く部分に遮光膜10Aを形成してなる光学デバイスを示す。デバイス材料1が透明材料である場合、これら(a)(b)に示す光学デバイスは「マイクロレンズ」として使用することができる。
【0068】
図7(a)に示す光学デバイスはまた、デバイス材料1として「レーザ媒質」を用い、凸曲面100A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、図7に開示されたような「レーザ共振器」として使用できる。
【0069】
図7(c)に示す光学デバイスは、(b)に示す光学デバイスにおける、凸曲面100Aの形成された面と対向する面に、反射膜11を形成した光学デバイスの例である。凸曲面形状100Aの前方に「ハーフミラー」を配すれば、この光学デバイスを「インミラーマイクロレンズ」として使用できる。
【0070】
図7(b),(c)に示すように遮光膜10Aを形成すると、光学デバイスをレンズとして使用する場合、光を有効にレンズ面部分(凸曲面部分)にのみ入射させることができ、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、金属膜を蒸着形成して形成してもよいし、あるいは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もよい。
【0071】
図7(d)に示すように、凸曲面100Aの形成された領域に、反射膜11Aを形成することができる。このような場合、反射膜11Aを形成された凸曲面部分を凸面鏡として使用できることは明らかであるが、この場合、デバイス材料1は透明材料である必要はない。また、上記の如き反射膜11Aを設ける場合、デバイス材料1として透明材料を用いれば、光を平坦な面(凸曲面の形成されていない側の面)から入射させることにより、上記凸曲面100A部分の反射膜11Aを凹面鏡として使用することができる。
【0072】
図7(e)は、平行平板状の透明なデバイス材料1の、一方の面に所望の凸曲面100A、他方の面に所望の凸曲面100Bを有する光学デバイスを示す。このような光学デバイスは「両凸レンズ」として使用できる。なお、図7(e)に示す光学デバイスにおいて、凸曲面形状100Aおよび/または100Bを除く部分に、(b),(c)における遮光膜10Aと同様の遮光膜を設けることが出来る。図7(e)に示す光学デバイスは、デバイス材料として「レーザ媒質」を用い、凸曲面100A,100Bに反射面を形成することにより、特開平5−173003号公報の図6に開示されたような「レーザ共振器」として使用することが可能である。
【0073】
上記図7(a)〜(e)に示す例における凸曲面を、1次元あるいは2次元に配列することにより、レンズアレイや凸面鏡アレイ、凹面鏡アレイ等を実現できる。図7(a)〜(e)に示す実施例では、当初のデバイス材料は、平行平面板状であるが、これに限らず、種々の形状のデバイス材料を用いることが出来、例えば、デバイス材料として「プリズム形状のもの」を用いれば、図7(f)に示すように、透明なプリズム状のデバイス材料1Aの一つの面に凸曲面100Cを有する光学デバイスを実現できる。この光学デバイスは「インプリズムレンズ」として使用できる。
【0074】
図7(f)の例をさらに一般化し、凸曲面をデバイス材料1Aの2以上の面に形成することもできるし、あるいは、凸曲面をアレイ配列することもできる。
図7に示した各種の光学デバイスは、単独で用いることができるが、これらを適宜に組み合わせて用いることもできることは言うまでもない。また、凸曲面の大きさを小さくし、マイクロレンズやマイクロレンズアレイ、マイクロ凹面鏡やマイクロ凹面鏡アレイを実現できることは当然である。
【0075】
図7(a)に示すような光学デバイスは、これを「型」として、所望の凹曲面を有する光学デバイスを型成形により製造することができる。
即ち、図8に示すように、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1,2,6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。
【0076】
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。このようにして、1以上の所望の凹曲面を有する光学デバイスを実現できる。このような光学デバイスに対しても、遮光膜や反射膜を設けて良いことは言うまでもない。
【0077】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば新規な、光学デバイスの製造方法を提供できる。
【0078】
請求項1,2記載の発明は、上述の如き構成となっているので、デバイス材料に所望の曲率の凸曲面を歩留まり良く形成できる。また請求項3記載の発明に依れば、デバイス表面に所望の凸の非球面を容易に形成できる。
【0079】
請求項1〜4記載の発明では、熱可塑性材料層が厚い場合にも、デバイスパターンに応じてレリーフ状のパターンを正確に形成できる。
【0080】
また、所望の凹曲面を持った光学デバイスを、効率良く低コストで製造できる。
【0081】
上記方法により製造される光学デバイスは、曲率半径等に対する精度が良く、非球面形状の形成が容易で、製造の歩留まりが良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】 発明の基本原理を説明するための図である。
【図2】 デバイス材料上に形成される熱可塑性材料層の厚さ:dと、熱処理後の凸曲面
形状の曲率半径の関係を説明するためのグラフ図である。
【図3】 熱可塑性材料層をフォトレジストとしてパターニングを説明するための図である。
【図4】 請求項1記載の発明の特徴部分を説明するための図である。
【図5】 選択比を経時的に変化させることによる非球面形状の形成を説明するための図である。
【図6】 請求項1,3記載の発明の変形実施例を説明するための図である。
【図7】 光学デバイスの例を説明するための図である。
【図8】 光デバイスを型として用いて製造される凹曲面形状を持つ光デバイスを説明するための図である。
【符号の説明】
1 デバイス材料
2 熱可塑性材料層
2A 熱処理後の熱可塑性材料の表面の凸曲面形状
1A デバイス材料に彫り写された凸曲面
[0001]
[Industrial application fields]
This inventionOptical device manufacturing methodAbout.
[0002]
[Prior art]
Optical devices such as lenses that are manufactured by various physical and chemical methods instead of using conventional polishing methods have been proposed and put into practical use.
For example, a photoresist layer is provided on a transparent glass substrate, and a circular or elliptical shape is patterned by photolithography, and the patterned photoresist layer is heated to a temperature higher than the glass transition point. After the surface of the photoresist is formed into a convex spherical shape by the action of surface tension, the photoresist and the transparent substrate are etched, and the convex spherical shape due to the photoresist surface is engraved on the transparent substrate, It has been proposed to form a “convex spherical refracting surface” as the surface shape of the transparent substrate itself (Japanese Patent Laid-Open No. 5-173003).
The optical device manufactured by such a method can be used as, for example, a microlens or a microlens array.
[0003]
In such an optical device manufacturing method, since the convex spherical shape formed on the photoresist is due to the thermal flow and surface tension of the photoresist, the formed spherical shape is good, but the curvature radius of the spherical surface is controlled. Not always easy. For this reason, when trying to obtain a highly accurate optical device as designed, it has been difficult to improve the yield of optical device manufacturing. This tendency is particularly remarkable when a convex spherical surface having a large curvature radius is formed.
[0004]
Further, since the convex shape formed on the photoresist depends on thermal flow and surface tension, it is not easy to form shapes other than the spherical shape. For this reason, it is difficult to manufacture an optical device having an aspherical shape.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
  The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is a novel high-precision for the radius of curvature.Of an optical device manufacturing methodFor the purpose of provision.
[0006]
  Another object of the present invention is a novel optical device having an aspheric shapeHow to manufactureOn offeris there.
[0009]
  When molding is performed using the optical device as a mold, an optical device having a desired concave curved surface shape can be efficiently manufactured.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, a thermoplastic material layer is formed in a predetermined thickness on a flat surface of a device material, the thermoplastic material layer is patterned into a relief shape according to one or more device patterns, and then patterned. The formed thermoplastic material layer is heat-treated, and the surface shape of the thermoplastic material is changed to a convex curved surface shape for each device pattern by the heat flow and surface tension of the thermoplastic material. A method of manufacturing an optical device having one or more convex curved surfaces having a desired curvature on the surface of a device material by performing ECR etching and engraving one or more convex curved surfaces of the thermoplastic material on the device material. It is characterized by the following points.
That is, the selection ratio of ECR etching is adjusted and set according to the magnitude relationship between the curvature of the convex curved surface shape of the surface of the thermoplastic material and the curvature of the convex curved surface to be formed on the surface of the device material.
[0011]
In the optical device manufacturing method according to claim 1, “the curvature of the convex curved surface shape of the thermoplastic material surface is set larger than the curvature of the convex curved surface to be formed on the device surface, and the selection ratio of ECR etching is adjusted to be small. Can be set ”(Claim 2).
[0012]
According to a third aspect of the present invention, a thermoplastic material layer is formed in a predetermined thickness on a flat surface of a device material, and the thermoplastic material layer is patterned into a relief shape according to one or more device patterns, and then patterned. The thermoplastic material layer is heat-treated, and the surface shape of the thermoplastic material is changed to a convex curved shape with a predetermined curvature for each device pattern by the thermal flow and surface tension of the thermoplastic material. On the other hand, an optical device having one or more desired convex aspheric surfaces on the surface of the device material is manufactured by performing ECR etching to engrave one or more convex curved surfaces of the thermoplastic material on the device material. The method is characterized by the following points.
That is, the selection ratio of ECR etching is changed over time according to the shape relationship between the convex curved surface shape of the surface of the thermoplastic material and the convex aspheric surface to be formed on the surface of the device material.
[0013]
The “device pattern” is a pattern corresponding to one of the convex curved surfaces (including convex aspherical surfaces) formed in the device material. When there are two or more convex curved surfaces formed in the device material, the device pattern The number will be 2 or more. In this case, the two or more device patterns may have the same shape or different shapes. The device pattern can be circular, elliptical, rectangular or polygonal.
[0014]
“Heat treatment” refers to a process in which a thermoplastic material is heated and the surface of the thermoplastic material is deformed into a convex curve shape by the action of thermal flow and surface tension of the thermoplastic material.
The “thermoplastic material” can be used without particular limitation as long as it can perform the above heat treatment and can be subjected to ECR etching after the heat treatment. For example, various “resists” can be suitably used. As in the invention described in claim 5, it is also possible to use a photoresist as the thermoplastic material.
[0015]
Preferable specific examples of the thermoplastic material include metal relates such as polyvinyl chloride, polystyrene, polyurethane, and polyglycidyl methacrylate resin.
[0016]
“Engrave the surface shape of the thermoplastic material on the device material” means to form a convex curved surface shape corresponding to the surface shape of the thermoplastic material and a convex curved surface shape corresponding to 1: 1 on the device material by ECR etching. Say.
[0017]
“Selection ratio” is defined as “β / α” when the etching rate for a thermoplastic material is “α” and the etching rate for a device material is “β” in ECR etching for a thermoplastic material and a device material. Is a dimensionless quantity to be played.
[0018]
  This “adjustment / setting or change over time” of the selection ratio depends on the type of gas introduced, the amount of gas introduced, and the high frequency for plasma generation.And / orAdjustment or setting of one or more of microwave power, device material temperature, and pressure, or changes with time can be performed. “Change over time” includes step changes and continuous changes.
[0019]
  The optical device manufacturing method according to claim 1, wherein “a thermoplastic material layer formed in a predetermined thickness on a flat surface of a device material is patterned into a relief shape according to one or more device patterns”. This is done as follows.
  That is, “an intermediate layer and a thin photoresist layer are laminated on a thermoplastic material layer, and the thin photoresist layer is patterned according to one or more device patterns by photolithography, and the patterned photoresist layer is masked. As for the middle layerFirst dry etchingAnd copy the photoresist pattern to the intermediate layer, and use the intermediate layer pattern as a mask for the thermoplastic material layer.SecondDry etchingDo.Use the intermediate layer pattern as a maskSecondIn dry etching, the intermediate layerOn the maskThe thin photoresist layer is also removed.
  Subsequently, a third dry etching for removing the intermediate layer is performed to remove the intermediate layer, leaving only the thermoplastic material patterned in a relief shape on the surface of the device material.
  For patterning by photolithography, light may be uniformly irradiated using a mask, or a pattern may be drawn by “laser drawing”.
[0020]
The “intermediate layer” may be formed by vacuum deposition or sputtering of a metal material such as copper or aluminum, or may be formed by vacuum deposition, reactive deposition or sputtering of a non-metallic material such as Si. The thickness of the intermediate layer made of a metal material is preferably 2000 to 10,000 mm, and the thickness of the intermediate layer made of a non-metal material is preferably 2000 to 5000 mm.
[0021]
Etching of the intermediate layer can be performed by “wet etching” in the case of an intermediate layer made of a metal material, and “dry etching” in the case of an intermediate layer made of a non-metallic material.
[0022]
  An “optical device” is manufactured by the manufacturing method according to claim 1, 2, 3, or 4. Of this optical device,A reflective film can be formed on a surface on which one or more convex curved surfaces or convex aspheric surfaces are formed.
[0023]
  Furthermore, manufactured by the above methodUsing the optical device as a mold, the optical device can be manufactured by molding, and the optical device manufactured by this method has one or more desired concave curved surfaces.
[0024]
[Action]
In FIG. 1A, reference numeral 1 denotes a device material, and reference numeral 2 denotes a patterned thermoplastic material layer. The “device pattern” is a pattern in which the shape of the thermoplastic material layer 2 in (a) is viewed from the upper side of the figure. The patterned thermoplastic material layer 2 has a “relief” of the device pattern depending on the layer thickness. I am doing. By referring to this state, it is said that the thermoplastic material layer 2 is “patterned into a relief according to the device pattern”.
[0025]
As described above, when the “heat treatment” is performed in a state in which the thermoplastic material layer 2 is patterned in a relief shape, the thermoplastic material is deformed as shown in FIG. It becomes the shape.
[0026]
If the device pattern is circular, the surface shape 2A is a “convex spherical surface”. If the device pattern is elliptical, the surface shape 2A is a spheroidal convex curved surface having a large radius of curvature in the major axis direction and a short radius of curvature in the uniaxial direction. Further, when the device pattern is rectangular or polygonal, it becomes “a convex curved surface having a shape corresponding to the device pattern”.
[0027]
When the device pattern is a non-circular shape such as “oval shape, rectangular shape, polygonal shape”, the radius of curvature of the convex curved shape of the thermoplastic material surface after heat treatment is not uniquely determined. In this case, the “curvature of the convex curved surface” is the maximum or minimum of the curvatures near the top of the surface shape.
[0028]
Subsequently, when the ECR etching is performed on the thermoplastic material after heat treatment and the device material 1 to completely etch the thermoplastic material, as shown in FIG. 1C, the surface shape 2A of the thermoplastic material is obtained. Is engraved as the surface shape 1A of the device material 1.
[0029]
The surface shape 1A engraved on the device material 1 and the surface shape 2A of the thermoplastic material before etching are in a corresponding relationship. If the selection ratio is 1, the surface shapes 1A and 2A are the same shape. However, when the selection ratio is different from 1, the surface shape 1A is different from the surface shape 2A.
[0030]
The case where the device pattern is circular will be described as an example. In this case, the surface shape 2A is a “convex spherical shape”, and the surface shape 1A is also a convex spherical shape. Since the device material 1 is etched faster than the thermoplastic material when the selection ratio> 1, the curvature of the surface shape 1A is larger than the curvature of the surface shape 2A. As in the example of 1 (c), the magnitude relationship of the curvature is reversed.
[0031]
FIG. 2 shows the relationship between the thickness d of the thermoplastic material layer patterned in accordance with the device pattern and the curvature radius R of the convex curved surface formed after the heat treatment. The device pattern is circular, and the convex curved surface is a convex spherical surface. As shown in the figure, the radius of curvature “R” of the “convex spherical surface formed after heat treatment” is small in inverse proportion to the thickness d of the thermoplastic material layer before heat treatment, as indicated by the graph line 2-1. Become. The dots in the figure represent measured values of the radius of curvature: R.
[0032]
When the shape or size of the device pattern changes, the appearance of the “graph line” also changes. However, the qualitative characteristics shown in FIG. 2, that is, the radius of curvature of the convex curved surface formed after the heat treatment, The point of “decreasing in inverse proportion to the thickness of the thermoplastic material layer” remains unchanged.
[0033]
The measured value of the radius of curvature: R, indicated by “dots” in FIG. 2, is distributed between the graph lines 2-1 and 2-3. From this, the following can be understood.
That is, the difference between the graph lines 2-2 and 2-3: ΔR is “the variation in the radius of curvature” of the surface shape formed by the heat treatment, but the variation: ΔR depends on the thickness: d, and “ As “d” decreases, it increases.
[0034]
The reason why the radius of curvature varies as described above is due to errors in the thickness of the thermoplastic material layer: d and subtle differences in heat treatment conditions (heat treatment time, heat treatment temperature, temperature rise rate, substrate temperature distribution, etc.). This inevitably occurs and cannot be removed.
[0035]
When making an optical device by engraving the surface shape identical to the surface shape of the thermoplastic material layer on the device material with a selection ratio of 1 in ECR etching, the “desired radius of curvature” of the convex curve formed in the device material Is large (the curvature is small), it is necessary to increase the curvature radius R of the surface shape of the thermoplastic material after the heat treatment. For this purpose, the thickness of the thermoplastic material layer formed on the surface of the device material is required. The height: d must be reduced, and the variation: ΔR becomes extremely large. Therefore, the probability of obtaining a surface shape having a desired curvature is extremely low, so that the convex curve having the desired radius of curvature is obtained. The yield of the optical device having the above becomes extremely low.
[0036]
In such a case, when the thermoplastic material layer is formed “thick” on the device material and a convex curved surface shape having a large curvature (small curvature radius) is formed by heat treatment, the variation in the curvature radius in that case is small. Therefore, when dry etching is performed on the convex curved surface formed with such a small variation, if the selection ratio is made smaller than 1, the convex curved surface engraved on the device material as described above. The curvature radius of becomes larger than the curvature radius of the convex curved surface shape of the surface of the thermoplastic material.
[0037]
Since the selection ratio in dry etching can be easily controlled precisely, a “convex curved surface having a large radius of curvature” can be accurately formed on a device material by the method described above (claim 2).
[0038]
In general, the selection ratio of ECR etching is adjusted and set according to the magnitude relationship between the curvature of the convex curved surface formed as the surface shape of the thermoplastic material and the curvature of the convex curved surface to be formed on the surface of the device material. According to (Claim 1), a convex curved surface having a desired radius of curvature can be easily formed as a device surface shape.
[0039]
Also, if the selection ratio is changed over time during the ECR etching, the “etching rate ratio” between the thermoplastic material and the device material changes according to the change in the selection ratio. The formed convex curved surface shape can be “deformed” and engraved on the device material, and this can be used to form a convex aspheric surface on the surface of the device material.
[0040]
【Example】
  Specific reference examples and examples will be described below.
Reference example 1
  As a device material, a quartz glass parallel plate (indicated by reference numeral 10 in FIG. 3) of refractive index (wavelength: 1.3 μm for light): 1.452 is prepared, and a thermoplastic material layer 20 is formed on the surface thereof. A photoresist (trade name: OFPR800) was spin coated and then pre-baked to a thickness of 50 μm (changed to 73 μm after post-baking).
[0041]
Using a mask in which black circles having a diameter of 0.8 mm are arranged at a pitch of 1.0 mm (as shown in FIG. 3A, the black circle 31 is formed of a metal thin film on one side of the transparent glass 30). By performing exposure and removing a portion irradiated with light, patterning was performed in a relief shape according to one or more device patterns (circle corresponding to a black circle). FIG. 3B shows a state after patterning (for simplicity, only a portion corresponding to one device pattern is shown).
[0042]
When the patterned thermoplastic material layer is heat-treated and the surface shape of the thermoplastic material 20 is changed to a convex curved surface shape for each device pattern by the heat flow and surface tension of the thermoplastic material, the convexity having a curvature radius of 1.132 mm is obtained. A spherical shape was obtained.
[0043]
In the subsequent ECR etching, when the selection ratio was set to 0.5, convex spherical surfaces having a diameter of 0.8 mm and a curvature radius of 2.210 mm could be formed at a pitch of 1.0 mm on the quartz glass surface. . This convex spherical surface has a focal length of 4.889 mm as a refractive surface.
[0044]
Further, in the same manner as described above, after forming one or more convex curved surfaces in the thermoplastic material, dry etching was performed with an ECR etching selection ratio of 1.25, and the quartz glass surface had a diameter of 0.8 mm. A convex spherical surface having a radius of curvature of 0.885 mm and a focal length of 1.958 mm could be formed at a pitch of 1.0 mm.
[0045]
The dry etching conditions at this time are as follows.
Selective ratio: 1.25 versus introduced gas: O21.8 sccM, CHFThree25.0 sccM, reaction chamber pressure: 3 to 4 × 10FourTorr, microwave execution power: 620 W, RF execution power: 480 W, etching time: 450 minutes.
The selection ratio is adjusted and set according to the amount of introduced gas. For a selection ratio of 0.5, O2: 4.2 sccM, CHFThree: 21.0 SccM.
[0046]
  Example 1
  As a device material, a parallel plate (indicated by reference numeral 10 in FIG. 4) of quartz glass having a refractive index (wavelength: 1.3 μm): 1.452 is prepared, and a thermoplastic material layer 20 is formed on the surface thereof. Polyglycidyl methacrylate resin was applied to a thickness of 50 μm.
[0047]
An Si layer 4 having a thickness of 2000 mm was formed thereon as an intermediate layer, and the photoresist was further spin-coated and prebaked to a thickness of 0.1 μm.
[0048]
Patterning was performed according to one or more device patterns by performing exposure using a mask in which black circles having a diameter of 0.5 mm were arranged at a pitch of 0.6 mm and removing a portion irradiated with light. FIG. 4A shows a state after patterning (for simplicity, only a portion corresponding to one device pattern is shown).
[0049]
  The optical device material after the patterning process is set in an ECR plasma etching apparatus, and CClFour11 sccM, He; 5 sccM were introduced, and the pressure in the reaction chamber was 3 to 4 × 10-FourTorr, microwave execution power: 600W, RF execution power: 500W,First dry etchingFor 5 minutes4B was obtained. Next, the second dry etching is performed under the same conditions as the reference example of the lens array described above to remove the photoresist layer 5 on the Si layer 4 as an intermediate layer, and the Si layer 4 as an intermediate layer as a mask. The state of FIG. 4C was obtained by etching the thermoplastic material layer 20. afterwards,In the same batch, the introduced gas is again CCl.FourChange to a mixed gas of He and He3rd dryEtching was performed to remove the Si layer 4 as an intermediate layer.
[0050]
Thus, the thermoplastic material layer 20 was patterned into a relief shape according to one or more device patterns.
The patterned thermoplastic material layer is heat-treated, and the surface shape of the thermoplastic material 20 is changed to a convex curved surface shape for each device pattern by the thermal flow and surface tension of the thermoplastic material. A convex spherical shape with a curvature radius of 465 μm is obtained. was gotten.
[0051]
In the subsequent ECR etching, when the selection ratio was set to 0.5, convex spherical surfaces having a diameter of 0.5 mm and a curvature radius of 874 μm could be formed at a pitch of 0.6 mm on the quartz glass surface.
[0052]
Further, in the same manner as described above, after forming one or more convex curved shapes in the thermoplastic material, dry etching was performed with an ECR etching selectivity of 1.75. Convex spheres with a radius of curvature of 309 μm could be formed at a pitch of 0.6 mm.
[0053]
The dry etching conditions at this time are as follows.
Selection ratio: 1.75 vs. introduced gas: O20.5 sccM, CHFThree26.5 sccM, reaction chamber pressure: 3-4 × 10 ~FourTorr, microwave execution power: 620 W, RF execution power: 480 W, etching time: 450 minutes
The selection ratio is adjusted and set according to the amount of introduced gas. For a selection ratio of 0.5, O2: 4.2 SccM, CHFThree: 21.0 SccM.
[0054]
  Explained aboveReference examples and examplesIn addition, by adjusting / setting the selection ratio of ECR etching, the convex curved surface shape by the thermoplastic material is an example in which a convex curved surface shape having a different curvature is formed on the surface of the device material.
[0055]
  Reference examples and examplesThen, although the selection ratio of ECR etching is constant from beginning to end, the selection ratio of ECR etching can be changed with time as in the invention of claim 3. Thus, by changing the selection ratio over time, a “convex aspheric surface” can be easily formed on the surface of the device material.
[0056]
FIGS. 5A and 5B show the same state as FIGS. 1A and 1B.
[0057]
The thermoplastic material layer 2 on the device material 1 is patterned into a relief shape in accordance with the device pattern (assuming a circular shape) (FIG. 5A), and is heat-treated into a convex curve shape for each device pattern. (FIG. 5B).
[0058]
FIG. 5C shows a state in which ECR etching is performed halfway from the state of FIG. 5B with “selection ratio: 1”. When the selection ratio is changed in the state of FIG. 5 (c), for example, the selection ratio is set to 0.5 and etching is performed until the thermoplastic material is completely etched, the etching rate of the thermoplastic material becomes the device substrate. Therefore, the shape of the convex curved surface engraved on the device material 1 at the end of the etching is the convex spherical shape 2A of the original thermoplastic material as shown in FIG. 5 (d). It becomes a “convex aspherical surface” in which the top of is slightly flattened.
[0059]
By changing the change of the selection ratio with time, the shape of the convex aspheric surface engraved on the device material can be changed variously.
[0060]
In the example of FIG. 5, contrary to the above, etching is performed with a selection ratio of 0.5 from the state of FIG. 5B to the middle (FIG. 5E), and then the selection ratio is 1.0. When the etching is performed until the thermoplastic resin is completely etched, the shape engraved on the device material at the end of the etching is the original thermoplastic material as shown in FIG. The bottom portion of the convex shape 2A can be flattened so that the top portion protrudes from the bottom portion.
[0061]
As in these examples, the aspheric amount and the position of the inflection point can be changed by changing the selection ratio in the course of ECR etching.
[0062]
The change over time in the selection ratio of ECR etching is one or more of the type of introduced gas, the amount of introduced gas, the high frequency and / or microwave power for plasma generation, the temperature of the device material, and the pressure. Can be realized over time (continuous or stepwise).
[0063]
  The example described aboveThen, the convex curved surface shape formed as the surface shape of the thermoplastic material after the heat treatment is a simple single-peaked mountain shape, but the convex curved surface shape formed in the thermoplastic material is limited to such a shape. I can't.
[0064]
For example, in FIG. 6, what is patterned on the device material 1 in a relief shape according to the device pattern is a “positive type” photoresist layer 20 as a thermoplastic material layer.
For example, when the patterned photoresist layer 20 is irradiated with ultraviolet rays or the like as light within the range shown in FIG. 6A, the polymer in the photoresist is cut at the irradiated portion, and the fluidity increases. When the heat treatment is performed in such a state, since the ease of deformation is changed in the portion of the photoresist 20, for example, as shown in FIG. The shape can be realized.
[0065]
In this state, ECR etching is performed. When the selection ratio is 1, of course, the convex curved surface shape engraved in the device material 1 is the photoresist itself as in the shape 1-1 in FIG. If the selection ratio is greater than 1, the shape to be engraved is as shown in shape 1-2 of FIG. 6C, and in the opposite case, It looks like shape 1-3.
[0066]
Further, by changing the selection ratio with time, the initial surface shape (FIG. 6B) of the photoresist 20 is deformed as shown in FIG. Can be engraved on the device material 1.
[0067]
  In FIG. 7, it is manufactured by the optical device manufacturing method.Optical deviceAn example is shown.
  FIG. 7A shows an optical device in which the above manufacturing method is performed on the parallel plate-like device material 1 and a desired convex curved surface 100A is formed on one surface, and FIG. 7B shows the optical device shown in FIG. An optical device in which a light shielding film 10A is formed on a portion excluding the convex curved surface 100A is shown. When the device material 1 is a transparent material, the optical devices shown in (a) and (b) can be used as “microlenses”.
[0068]
The optical device shown in FIG. 7A also uses a “laser medium” as the device material 1 and reflects on the surface on which the convex curved surface 100A is formed and on the surface corresponding thereto (the flat surface on the lower side in the figure). By forming the surface, it can be used as a “laser resonator” as disclosed in FIG. 7 of JP-A-5-173003.
[0069]
The optical device shown in FIG. 7C is an example of the optical device in which the reflective film 11 is formed on the surface facing the surface on which the convex curved surface 100A is formed in the optical device shown in FIG. If a “half mirror” is disposed in front of the convex curved surface shape 100A, this optical device can be used as an “in-mirror microlens”.
[0070]
When the light shielding film 10A is formed as shown in FIGS. 7B and 7C, when the optical device is used as a lens, light can be effectively incident only on the lens surface portion (convex curved surface portion). The component that becomes stray light in the image forming action can be effectively removed. The “light-shielding film” may be formed, for example, by vapor deposition of a metal film, or various light-shielding materials may be formed into a film shape by printing or spraying.
[0071]
  As shown in FIG. 7D, the reflective film 11A can be formed in the region where the convex curved surface 100A is formed.it can.In such a case, it is clear that the convex curved surface portion on which the reflective film 11A is formed can be used as a convex mirror, but in this case, the device material 1 does not need to be a transparent material. When the reflective film 11A as described above is provided, if a transparent material is used as the device material 1, the convex curved surface 100A portion can be obtained by making light incident from a flat surface (surface on which the convex curved surface is not formed). The reflective film 11A can be used as a concave mirror.
[0072]
FIG.7 (e) shows the optical device which has the desired convex curved surface 100A on one surface, and the desired convex curved surface 100B on the other surface of the parallel plate-like transparent device material 1. FIG. Such an optical device can be used as a “biconvex lens”. In the optical device shown in FIG. 7E, a light-shielding film similar to the light-shielding film 10A in (b) and (c) can be provided in a portion other than the convex curved surface shapes 100A and / or 100B. The optical device shown in FIG. 7E is disclosed in FIG. 6 of JP-A-5-173003 by using “laser medium” as a device material and forming reflective surfaces on the convex curved surfaces 100A and 100B. It can be used as a “laser resonator”.
[0073]
By arranging the convex curved surfaces in the examples shown in FIGS. 7A to 7E one-dimensionally or two-dimensionally, a lens array, convex mirror array, concave mirror array, or the like can be realized. In the embodiments shown in FIGS. 7A to 7E, the initial device material is a plane-parallel plate shape. However, the present invention is not limited to this, and various shapes of device materials can be used. If a “prism-shaped one” is used, an optical device having a convex curved surface 100C on one surface of a transparent prism-shaped device material 1A can be realized as shown in FIG. This optical device can be used as an “in prism lens”.
[0074]
The example of FIG. 7F can be further generalized so that convex curved surfaces can be formed on two or more surfaces of the device material 1A, or convex curved surfaces can be arranged in an array.
The various optical devices shown in FIG. 7 can be used alone, but needless to say, these can be used in appropriate combination. In addition, it is natural that the size of the convex curved surface can be reduced to realize a micro lens, a micro lens array, a micro concave mirror, and a micro concave mirror array.
[0075]
  The optical device as shown in FIG. 7 (a) can be manufactured as a “mold”, and an optical device having a desired concave curved surface can be manufactured by molding.it can.
  That is, as shown in FIG. 8, a photocurable transparent resin 50 is applied onto the transparent substrate 15, and a mold 60 having a “convex shape corresponding to a desired concave shape” (for example, FIGS. Thus, a concave shape is formed on the transparent resin 50, and the resin layer 50 is cured by irradiating ultraviolet rays or the like from the transparent substrate 15 side.
[0076]
Thereafter, if the mold 60 is removed, a state having a desired concave shape on one side of the transparent substrate 15 can be realized. Furthermore, the concave shape of the transparent resin 50 may be engraved on the transparent substrate 15 by performing dry etching from this state. In this way, an optical device having one or more desired concave curved surfaces can be realized. Needless to say, a light-shielding film or a reflective film may be provided for such an optical device.
[0077]
【The invention's effect】
  As described above, according to the present invention,Optical device manufacturing methodCan provide.
[0078]
Since the invention described in claims 1 and 2 has the above-described configuration, a convex curved surface having a desired curvature can be formed on the device material with a high yield. According to the invention described in claim 3, a desired convex aspheric surface can be easily formed on the device surface.
[0079]
  Claims 1-4In this invention, even when the thermoplastic material layer is thick, a relief pattern can be accurately formed according to the device pattern.
[0080]
  Also,An optical device having a desired concave curved surface can be manufactured efficiently and at low cost.
[0081]
  The optical device manufactured by the above method isThe accuracy with respect to the radius of curvature and the like is good, the formation of an aspherical shape is easy, and the production yield is good.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]The basic principle of the inventionIt is a figure for demonstrating.
FIG. 2 shows a thickness of a thermoplastic material layer formed on a device material: d and a convex curved surface after heat treatment.
It is a graph for demonstrating the relationship of the curvature radius of a shape.
[Fig. 3]It is a figure for demonstrating patterning by making a thermoplastic material layer into a photoresist.
[Fig. 4]Claim 1It is a figure for demonstrating the characteristic part of invention of this invention.
[Figure 5]Formation of aspheric shape by changing selectivity over timeIt is a figure for demonstrating.
FIG. 6 is a view for explaining a modified embodiment of the first and third aspects of the present invention.
[Fig. 7]Examples of optical devicesIt is a figure for demonstrating.
FIG. 8 is a diagram for explaining an optical device having a concave curved surface shape manufactured using the optical device as a mold.
[Explanation of symbols]
  1 Device material
  2 Thermoplastic material layer
  2A Convex curve shape of the surface of the thermoplastic material after heat treatment
  1A Convex curved surface engraved on device material

Claims (4)

デバイス材料の平坦な表面に熱可塑性材料層を所定の厚さに形成し、この熱可塑性材料層を1以上のデバイスパターンに応じてレリーフ状にパターニングしたのち、パターニングされた熱可塑性材料層を熱処理し、熱可塑性材料の熱流動と表面張力により、熱可塑性材料の表面形状を、デバイスパターンごとに凸曲面形状としたのち、熱可塑性材料とデバイス材料とに対してECRエッチングを行って、上記熱可塑性材料における1以上の凸曲面形状を、デバイス材料に彫り写すことにより、デバイス材料の表面に、所望の曲率の凸曲面を1以上有する光学デバイスを製造する方法であって、
熱可塑性材料層上に中間層とフォトレジスト薄層とを積層し、フォトリソグラフィ法により、1以上のデバイスパターンに応じてフォトレジスト薄層をパターニングし、パターニングされたフォトレジスト層をマスクとして、上記中間層に対して第1のドライエッチングを行い、フォトレジストのパターンを中間層に写し、この中間層のパターンをマスクとして、熱可塑性材料層に対して第2のドライエッチングを行って、上記中間層のマスク上のフォトレジスト層を除去すると共に、上記熱可塑性材料層を、上記デバイスパターンに応じてレリーフ状にパターニングし、更に、上記中間層を除去するための第3のドライエッチングを行って上記中間層を除去し、
熱可塑性材料表面の上記凸曲面形状の曲率と、デバイス材料の表面に形成すべき凸曲面の曲率との大小関係に応じて、ECRエッチングの選択比を調整・設定することを特徴とする光学デバイス製造方法。
A thermoplastic material layer having a predetermined thickness is formed on a flat surface of the device material, and the thermoplastic material layer is patterned into a relief shape in accordance with one or more device patterns, and then the patterned thermoplastic material layer is heat-treated. Then, after making the surface shape of the thermoplastic material into a convex curve shape for each device pattern by the thermal flow and surface tension of the thermoplastic material, ECR etching is performed on the thermoplastic material and the device material, and the above heat A method of manufacturing an optical device having one or more convex curved surfaces having a desired curvature on a surface of a device material by engraving one or more convex curved surfaces in a plastic material on the device material,
The intermediate layer and the thin photoresist layer are laminated on the thermoplastic material layer, and the thin photoresist layer is patterned according to one or more device patterns by a photolithography method, and the patterned photoresist layer is used as a mask. First dry etching is performed on the intermediate layer, the photoresist pattern is copied onto the intermediate layer, and the second dry etching is performed on the thermoplastic material layer using the intermediate layer pattern as a mask. Removing the photoresist layer on the mask of the layer , patterning the thermoplastic material layer into a relief shape according to the device pattern, and further performing a third dry etching to remove the intermediate layer Removing the intermediate layer,
An optical device characterized in that an ECR etching selection ratio is adjusted and set according to the magnitude relationship between the curvature of the convex curved surface shape of the surface of the thermoplastic material and the curvature of the convex curved surface to be formed on the surface of the device material. Production method.
請求項1記載の光学デバイス製造方法において、
熱可塑性材料表面の凸曲面形状の曲率を、デバイス表面に形成すべき凸曲面の曲率よりも大きく設定し、ECRエッチングの選択比を小さく調整・設定することを特徴とする光学デバイス製造方法。
The optical device manufacturing method according to claim 1,
An optical device manufacturing method, wherein a curvature of a convex curved surface shape of a surface of a thermoplastic material is set larger than a curvature of a convex curved surface to be formed on a device surface, and a selection ratio of ECR etching is adjusted and set small.
デバイス材料の平坦な表面に熱可塑性材料層を所定の厚さに形成し、この熱可塑性材料層を1以上のデバイスパターンに応じてレリーフ状にパターニングしたのち、パターニングされた熱可塑性材料層を熱処理し、熱可塑性材料の熱流動と表面張力により、熱可塑性材料の表面形状を、デバイスパターンごとに凸曲面形状としたのち、熱可塑性材料とデバイス材料とに対し、ECRエッチングを行って、上記熱可塑性材料の1以上の凸曲面形状をデバイス材料に彫り写すことにより、デバイス材料の表面に、所望の凸の非球面を1以上有する光学デバイスを製造する方法であって、
熱可塑性材料層上に中間層とフォトレジスト薄層とを積層し、フォトリソグラフィ法により、1以上のデバイスパターンに応じてフォトレジスト薄層をパターニングし、パターニングされたフォトレジスト層をマスクとして、上記中間層に対して第1のドライエッチングを行い、フォトレジストのパターンを中間層に写し、この中間層のパターンをマスクとして、熱可塑性材料層に対して第2のドライエッチングを行って、上記中間層のマスク上のフォトレジスト層を除去すると共に、上記熱可塑性材料層を、上記デバイスパターンに応じてレリーフ状にパターニングし、更に、上記中間層を除去するための第3のドライエッチングを行って上記中間層を除去し、
上記熱可塑性材料表面の上記凸曲面形状と、デバイス材料の表面に形成すべき凸の非球面との形状関係に応じて、ECRエッチングの選択比を、経時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。
A thermoplastic material layer having a predetermined thickness is formed on a flat surface of the device material, and the thermoplastic material layer is patterned into a relief shape in accordance with one or more device patterns, and then the patterned thermoplastic material layer is heat-treated. Then, after making the surface shape of the thermoplastic material into a convex curve shape for each device pattern by the thermal flow and surface tension of the thermoplastic material, ECR etching is performed on the thermoplastic material and the device material, and the above heat A method of manufacturing an optical device having one or more desired convex aspheric surfaces on a surface of a device material by engraving one or more convex curved surfaces of a plastic material on the device material,
The intermediate layer and the thin photoresist layer are laminated on the thermoplastic material layer, and the thin photoresist layer is patterned according to one or more device patterns by a photolithography method, and the patterned photoresist layer is used as a mask. First dry etching is performed on the intermediate layer, the photoresist pattern is copied onto the intermediate layer, and the second dry etching is performed on the thermoplastic material layer using the intermediate layer pattern as a mask. Removing the photoresist layer on the mask of the layer , patterning the thermoplastic material layer into a relief shape according to the device pattern, and further performing a third dry etching to remove the intermediate layer Removing the intermediate layer,
According to the shape relationship between the convex curved surface shape of the thermoplastic material surface and the convex aspheric surface to be formed on the surface of the device material, the selection ratio of ECR etching is changed over time, Optical device manufacturing method.
請求項1または2または3記載の光学デバイスの製造方法において、
ECRエッチングの選択比の調整・設定もしくは経時的な変化を、導入ガスの種類、導入ガスの導入量、プラズマ発生のための高周波および/またはマイクロ波のパワー、デバイス材料の温度、圧力のうちの1以上の調整・設定もしくは経時的な変化により行うことを特徴とする、光学デバイス製造方法。
In the manufacturing method of the optical device of Claim 1 or 2 or 3,
Adjustment / setting of ECR etching selection ratio or change over time can be selected from the type of introduced gas, the amount of introduced gas, the high frequency and / or microwave power for plasma generation, the temperature of the device material, and the pressure. An optical device manufacturing method characterized by performing one or more adjustments / settings or changes over time.
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