JP3971740B2

JP3971740B2 - 平板レンズの製造方法

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Publication number: JP3971740B2
Application number: JP2003384506A
Authority: JP
Inventors: 明馥李; 鎭昇孫; 恩亨趙; 寧弼朴
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2003-11-14
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2023-11-14
Also published as: CN1294439C; KR20040042381A; US20060076697A1; US6994808B2; US20040095656A1; JP2004163960A; KR100486727B1; CN1501112A

Description

本発明は、平板レンズの製造方法に係り、詳細にはＣＤやＤＶＤのような光ディスクドライブ（ＯＤＤ）に情報を記録、または再生するのに使われる、光ピックアップの核心部品として色収差の補正が可能で、製作が容易な平板レンズの製造方法に関する。

対物レンズとは、光源の半導体レーザから射出されたレーザビームを集光して、ディスクの記録面に焦点を結ばせることによって情報を記録するか、またはディスクから反射された光を再び集光して光検出器に向かわせることによって、記録された情報を再生させる役割を果たすものである。

このような光学的情報保存媒体に関連した対物レンズの伝統的な製作方法としては、ガラスやプラスチックのような材料を機械的に切削及び研磨することによって、所望の形態の対物レンズを製作する方法がある。また、他の従来の製作方法として、対物レンズの量産のために、機械加工で製作された金型を利用して、溶融または反溶融状態のガラスまたはプラスチックからレンズを製作する、射出成形やプレスモールディングを適用する方法がある。

射出成形によって対物レンズを製作するために、一般的には、図１に示すように、加工目的物であるレンズ１の上下に位置する上部金型２ａ、及び下部金型２ｂ及びその間のリング３が必要である。また、この上下金型２ａ，２ｂを支持するスリーブ４が要求される。前記のような金型２ａ，２ｂは、一般的にダイヤモンドカッティングチップを備えた超精密旋盤によって製作される。

このような旋盤による金型加工の限界は、レンズの非球面または球面に対応する曲面加工で現れる。すなわち、レンズの球面または非球面の曲面を製作するためには、それと対になる凹の曲面を金型で加工しなければならない。しかし、このような機械的な金型加工方法では、曲面の直径が約１ｍｍ以下になれば、カッティングツールのサイズ、及びその先端部に設けられたダイヤモンドチップの先端部の曲率の限界上、金型に対する凹の曲面を加工するのは困難である。

最近の光ディスクの携帯型化、超小型化、高密度化の趨勢によって、これに使われる光ピックアップも必然的に小型化が必要となる。光ピックアップの小型化のためには、これを構成するＬＤ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）、コリメータ、ミラー、対物レンズ及びＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｅｔｅｃｔｏｒ）のような光学部品のサイズも小さくしなければならない。

このような光学部品は、小型化するるほど製作及び組立工程が難しくなる。特に、前述したように、金型製作上の難しさによって、１ｍｍ以下の直径を有する超小型レンズの製作は非常に難しい。このような金型の機械的加工の限界によって、例えば、現在射出成形によって製作された０.８５ＮＡ（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ）のレンズは、直径４ｍｍ程度が最小レンズとして知られている。もし製作されたとしても、そのサイズが非常に小さいため、取扱いが難しく、したがって光ピックアップに組立てるのが困難であるという問題がある。

また、一般的な対物レンズは、両面が球面または非球面の形態として他の隣接部分に比べてディスク方向に突出されているため、ディスクとの衝突時にその表面が摩耗または破損される恐れもある。

前記問題点を改善するために、既存の半導体製造工程を応用して、平面上の基板に対物レンズをアレイ状に製作する技術が提案されている。これによれば、組立が容易で量産に有利であり、これにより光ピックアップの製造コストを下げることができる。

図２Ａないし図２Ｄは、アキラ・コウチヤマによって提案されたマイクロレンズアレイの製造工程図である（非特許文献１を参照）。

アキラ・コウチヤマが提案した方法を簡略に説明すれば、次の通りである。まず、図２Ａに示されたようにガラス基板５上でフォトレジスト６をコーティングした後、図２Ｂに示されたようにパターニングする。パターニングされたフォトレジスト６’を所定の温度、例えば約１５０℃の温度に加熱して、前記フォトレジスト６’をリフローさせる。このようなリフローによれば、図２Ｃに示されたようにフォトレジスト６”がドーム状に形成される。図２Ｃに示されたようにプラズマエッチングチャンバ内で反応性イオンを供給し、フォトレジスト６と基板５とをエッチングして、図２Ｄに示されたようなマイクロレンズアレイをガラス基板５上に形成する。前記過程でパターニングされたフォトレジスト６’は、加熱によってリフローされ、フォトレジスト６’はリフロー過程で表面張力によって半球状を有する。このように半球型に形成されるフォトレジスト６”をマスクに適用して適切な条件でプラズマによってドライエッチングすれば、フォトレジスト６の半球状がそのままエッチングされた基板５に転写されて、球面の屈折曲面を有するマイクロレンズアレイが得られる。

このようなプラズマエッチングによるマイクロレンズアレイの製作方法は、十分な厚さの対物レンズを得るために、フォトレジストを十分に厚く均一に塗布することが困難で、製作できるレンズの高さ（ｓａｇ）が制限される。また、これは、リフリーされつつフォトレジストが球面状を有し、そしてフォトレジスト状がそのままガラスに転写される特性から、球面型レンズ以外の非球面型レンズを得難い。また、この方法は、レンズを加工するためにドライエッチング法を応用するため、長いエッチング時間が要求される。

マサヒロ・ヤマダが提案したマイクロレンズ製作方法（非特許文献２を参照）は、光制御のためのレンズ形成領域が凹になった基板を、金型によって射出成形した後、前記凹の部分に高屈折物質を充填し、これを研磨することによって平坦な面を有する平板型レンズを製造する方法である。

マサヒロ・ヤマダの方法は、凹の部分を有する基板を成形するために金型を要求する。レンズの凸面に対応する凹面が、切削によって形成される一般的な他の金型加工とは異なって、前記基板の凹面に対応する凸面を有するプラグ、またはインサート状の金型が切削加工される。このようなプラグ型金型によって射出成形された基板で凹面を含む表面全体にスパッタリング法によって高屈折物質が所定厚さに堆積され、堆積された高屈折物質を研磨して前記凹面にだけ高屈折物質を実質的なレンズとして残留させる。

このような製造方法は、単一の超小型レンズの製作には適しているが、一時にアレイ状のレンズを形成するのには不適切である。特に、スパッタリングのような薄膜堆積法が適用されるため、レンズ形成に必要な厚さの堆積層を得るために、非常に長時間の堆積が要求され、かつ堆積された高屈折物質を研磨するのに非常に長時間が要求される。
ＡｋｉｒａＫｏｕｃｈｉｙａｍａｅｔａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｐａｒｔ１，Ｖｏ．４０，Ｎｏ．３Ｂ，２００１，ｐｐ．１７９２．ＭａｓａｈｉｒｏＹａｍａｄａｅｔａｌ．，ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔｏｆＩＳＯＭ／ＯＤＳ２００２，ｐｐ．３９８．

本発明が解決しようとする課題は、製作及び組立が容易で、かつ、光学的性能にも優れた平板レンズの製造方法を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明に係る平板レンズの製造方法は、レンズ収容溝が設けられた基板と、前記レンズ収容溝に第１面が接触され、その反対の第２面には回折格子による回折面が形成されたレンズ要素とを備える平板レンズの製造方法において、ａ）前記基板に所定深さのレンズ収容溝を形成する段階と、ｂ）前記レンズ収容溝に対応する部分に前記基板にレンズ要素の回折面に対して対面が設けられた金型を前記基板と結合する段階と、ｃ）前記レンズ収容溝に液相の高屈折物質の前駆体を含むレンズ形成物質を充填する段階と、ｄ）前記レンズ収容溝内のレンズ形成物質を固化させる段階と、ｅ）前記金型を前記基板から分離させる段階とを含む（請求項１）。

ここで、前記レンズ形成物質は、紫外線によって結晶核を形成し、熱によって固化される物質であることを特徴とする（請求項２）。

また、前記レンズ形成物質は、（Ｓｉ,Ｔｉ）Ｏ₂の前駆体を含むアルコキシド溶液であることを特徴とする（請求項３）。

前記ａ）段階において、前記レンズ収容溝が球面または非球面の表面を有するように形成することを特徴とする（請求項４）。

また、前記ａ）段階のレンズ収容溝の形成段階は、前記基板に前記レンズ収容溝に対応するウィンドーを有するマスクを形成する段階と、等方性ドライまたはウェットエッチングによって前記ウィンドーを通じて露出された前記基板部分をエッチングして前記ウィンドーの下部に球面型レンズ収容溝を形成する段階と、前記マスクを除去する段階とを含む（請求項５）。

また、前記ａ）段階のレンズ収容溝の形成段階は、前記基板の上面にフォトレジストを所定厚さに形成する段階と、前記フォトレジストに前記レンズ収容溝の形状に対応する溝を形成する段階と、前記フォトレジストから前記基板までエッチングして前記フォトレジストの溝を前記基板に転写して前記基板にレンズ収容溝を形成する段階とを含む（請求項６）。

ここで、前記フォトレジストの溝を形成する段階において、前記フォトレジストを露光するためにグレースケールマスクを適用した露光、レーザビームまたは電子ビームを利用した直接露光のうち、何れか一つを適用する（請求項７）。

本発明による平板レンズの製造方法は、次のような長所を有する。
（ｉ）レンズ収容溝の形成時に金型によるエンボッシングを使用せずに、微細加工が可能な半導体工程でのウェット／ドライエッチングを適用するので、ウェーハレベルで超小型マイクロレンズをアレイ状態に製作できる。（ｉｉ）高屈折率物質の塗布をスパッタリングのような薄膜プロセスでなく、ＵＶキュアリング方法を使用するので、工程時間を短縮できる。ＵＶキュアリングによる方法は、高屈折率物質の形成後に表面研磨が不要なので、工程時間をさらに減少でき、量産性に優れる。

以下、添付された図面を参照しつつ、本発明に係る対物レンズ及びその製造方法の望ましい実施例を詳細に説明する。

図３に示すように、本発明に係る対物レンズ１０の望ましい実施例は、基板１２の上面の中央に形成された凹の非球面または球面状の表面を有するレンズ収容溝１２ａ内に、レンズ要素１１が設けられている構造を有する。前記レンズ要素１１は、前記レンズ収容溝１２ａの底面に対応する第１面及びこれと反対の第２面を有する。第１面は、前記収容溝１０ａの底形状に対応する球面または非球面の曲面を有する屈折面１１ｂであり、第２面は回折格子パターンを有する回折面１１ａを含む。

図３に示された対物レンズ１０は、一般的な対物レンズのように屈折面が突出されている形態ではない平板型として基板１２に形成されたレンズ収容溝１２ａに、レンズ要素１１が充填された形態を有する。このような構造の対物レンズで、例えば、光源からレーザビームが基板１２の底面から入射されれば、レンズ要素１１の底面の屈折面１１ｂから光が屈折されて一次集束された後、回折面１１ａに進行し、回折面１１ａから光が２次集光されることによって、回折限界に近い小さなサイズのビームスポットを形成できる。ここで、回折面１１ａは、一般的なフレネルレンズのような形状を有し、光集束だけでなく、レンズの収差、特に色収差を補償するように設計される。

次に、本発明に係る平板型対物レンズの製造方法を以下で詳細に説明する。以下の説明では単一レンズの形成について主に説明・図示するが、本発明は、一つの基板に対して多数のレンズが設けられるアレイの製造にも適用できる。

図４は、本発明に係る対物レンズの製造工程を概括的に示す図である。

まず、図４Ａに示すように、透明なガラス基板１２を備える。また、図４Ｂに示すように、前記ガラス基板１２にレンズ収容溝１２ａを形成する。ここでレンズ収容溝１２ａの形成は、マスクを利用したウェットまたはドライエッチングが利用されるフォトリソグラフィを適用する。

次に、図４Ｃに示すように、前記レンズ収容溝１２ａ内に高屈折のレンズ物質を充填してレンズ要素１１を形成する。ここで、望ましくは、スピンコーティング及び乾燥を反復的に行って、所望の厚さのコーティング膜を得られる公知のゾル−ゲル法によって、高屈折物質を、前記レンズ収容溝を含む基板表面全体に塗布した後、これを研磨することによって、前記レンズ収容溝１２ａ内にレンズ要素１１を形成する。

そして、図４Ｄに示すように、前記収容溝１２ａ内のレンズ要素１１の表面に、回折格子パターンを形成して、所望の本発明に係る対物レンズを得る。

以下では、前記図４で説明した対物レンズ形成工程について、さらに詳細な過程を説明する。図５と図６は、図４で説明した製造方法で、基板１２に対するレンズ収容溝１２ａの形成方法に関する実施例の工程図である。

図５Ａに示すように、備えられた基板１２の表面にフォトレジスト１３を全面コーティングした後、光通過を許すウィンドー１４ａを有するマスク１４を利用して、フォトレジスト１３を露光する。本実施例では、ポジティブフォトレジストを適用し、したがって、露光される部分はエッチングされる部分であり、この部分は前記したレンズ収容溝１２ａに対応する。

次に、図５Ｂに示すように、現像によって前記フォトレジスト１３の露光部分を除去する。

さらに、図５Ｃに示すように、前記フォトレジスト１３に覆われない基板１２の露出部分を、ドライまたはウェットエッチング法によって等方性エッチングする。このような等方性エッチングによれば、球面型の底部を有するレンズ収容溝１２ａが形成される。

そして、図５Ｄに示すように、前記フォトレジスト１３をストリッピングした後、前記した図４Ｃの工程に進む。

図６Ａに示すように、備えられた基板１２の表面にフォトレジスト１３を全面コーティングした後、光通過量が部分的に異なるように調節されたウィンドー１５ａを有するグレースケールマスク１５を利用して、フォトレジスト１３を露光する。本実施例では、ポジティブフォトレジストを適用し、したがって、露光される部分はエッチングされる部分であり、この部分は前記したレンズ収容溝１２ａに対応する。ここでグレースケールマスク１５は、ウィンドー１５ａを通過する光の強度が局部的に異なるように調節されるので、これを通過した光によるフォトレジスト１３の露光量が異なる。したがって、前記グレースケールマスク１５のウィンドー１５ａは、球面レンズまたは非球面レンズの曲面形状に対応するように形成されなければならない。

次に、図６Ｂに示すように、前記フォトレジスト１３の露光部分を現像して、球面または非球面溝１３ａを形成する。

そして、図６Ｃに示すように、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）のようなドライエッチングによって、前記フォトレジスト１３から基板１２までエッチングして、フォトレジスト１３の球面または非球面溝１３ａを前記基板１２に転写して、図６Ｄに示すように、基板１２にレンズ収容溝１２ａを形成する。このような過程が完了した後、前記した図４Ｃの工程に進む。

ここで、前記高屈折率物質として、屈折率が２.０以上に高くて青色波長（例：４０５ｎｍ）の光に対する透過率が高い物質、例えばＴｉＯ₂，ＺｒＯ₂，ＨｆＯ₂，ＳｒＴｉＯ₃，ＢａＴｉＯ₃，ＰＺＴ，ＰＬＺＴなどの物質のうち、ゾル−ゲル法で塗布できる物質を選択する。

このゾル−ゲル法によれば、一般的な物理的な堆積方法、例えば、スパッタリング法に比べて、速い時間に比較的均質で厚い膜を形成できる。このようにレンズ収容溝に充填された高屈折率物質によるレンズ要素の表面は平坦ではないので、その表面を機械的な方法で研磨する。その後に、高屈折率物質の表面に回折レンズを形成する。前記レンズ要素の回折面の加工方法は、通常的な回折光学素子（ＤＯＥ：ＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔｓ）製作方法と同様に、（ｉ）２進光学を使用したフォトリソグラフィ、（ｉｉ）グレースケールフォトリソグラフィ、または（ｉｉｉ）電子ビームやレーザビームを利用した直接描画法を適用できる。

図７は、本発明に係る平板対物レンズの製造方法の他の実施例を示す工程図である。

図７Ａに示すように、基板１２を備えた後、前記したような方法のうち選択された何れか一つの方法によって、図７Ｂに示すように基板１２にレンズ収容溝１２ａを形成する。

そして、図７Ｃに示すように、回折光学レンズ、すなわち前記した回折面１１ａに対して対面をなす部分１６ａを有するカバー金型１６を備え、これを基板１２に整列させて組立てる。この時、前記カバー金型１６は、前記回折面１１ａと同じパターンを有する回折レンズ、または回折レンズアレイが形成されている原板を製作し、この原板に、例えばＮｉメッキを行って回折レンズの回折面１１ａに対面をなす部分１６ａを有するカバー金型１６を複製できる。

さらに、図７Ｄに示すように、前記レンズ収容溝１２ａ内にレンズ形成物質、例えば（Ｓｉ,Ｔｉ）Ｏ₂の前駆体を含んでいるアルコキシド溶液を注入する。ここで、（Ｓｉ,Ｔｉ）Ｏ₂以外に他の高屈折率物質の前駆体を含むいかなる溶液でも用いることができる。このようにレンズ形成物質を注入した後、基板１２の底面から紫外線（ＵＶ）を照射して、レンズ形成物質中に結晶核を形成させて半固化された状態を作り、これにより所定の温度に加熱して、前記レンズ形成物質を完全に固化させる。

そして、図７Ｅに示すように、前記レンズ形成物質が完全に固化され、レンズ要素１１に形成された後、前記カバー金型１６を除去して、所望のマイクロレンズまたはマイクロレンズアレイを製作する。

この実施例の方法では、図４Ａないし図４Ｄと共に説明した実施例のように、レンズ物質溶液をスピン塗布し、基板を加熱する過程を数回反復する必要がなく、表面研磨も不要である。特に、カバー金型だけ製作しておけば、ＵＶキュアリング方法でレンズ要素を短時間に製作できるので、量産性面で非常に有利である。また、この過程は、回折面を得るために適用される２進光学を使用したフォトリソグラフィ、グレースケールフォトリソグラフィ、または電子ビームやレーザビームを利用した直接描画法を適用せずに、前記のようなカバー金型の適用によって非常に容易に形成される利点がある。

以上、幾つかの模範的な実施例が添付された図面と共に説明してきたが、当業者は多様な他の修正が可能であり、このような実施例は、単に広い発明を制限しない例示であり、本発明は、図示されて説明された特定な構造及び配置によって制限されないことを理解しなければならない。

本発明による対物レンズは、携帯が可能な超小型ドライブであって、例えば直径３０ｍｍ以下の光ディスクを装着でき、青色（４００〜４１０ｎｍ）波長の半導体レーザを記録及び再生用光源として適用する装置に使用できる。このような本発明の対物レンズは、０.８５の開口数を有し、携帯用ＭＤ、デジタルカムコーダ、デジタルカメラ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤにおいて、データ、音声、映像などを記録または再生するのに使用できる。しかし、本発明の対物レンズは、前記青色波長、ＮＡ０.８５、容量１ＧＢ、直径３０ｍｍ以下の光ディスクを限定するものではなく、全ての種類及びサイズの光ディスクドライブのピックアップに適用できる。

対物レンズの従来の製造方法の一例を説明する図面である。ＡないしＤは、対物レンズアレイの従来製造方法の一例を示す工程図である。本発明による平板型対物レンズの概略的な断面図である。ＡないしＤは、本発明による対物レンズの製造方法の一実施例を示す工程図である。ＡないしＤは、本発明の対物レンズの製造方法において、基板に形成されるレンズ収容溝を形成する方法の一実施例を示す工程図である。ＡないしＤは、本発明の対物レンズの製造方法において、基板に形成されレンズ収容溝の形成する方法の他の実施例を示す工程図である。ＡないしＥは、本発明に係る対物レンズの製造方法の他の実施例を示す工程図である。

符号の説明

１０対物レンズ
１１レンズ要素
１１ａ回折面
１１ｂ屈折面
１２基板
１２ａレンズ収容溝

Claims

レンズ収容溝が設けられた基板と、前記レンズ収容溝に第１面が接触され、その反対の第２面には回折格子による回折面が形成されたレンズ要素とを備える平板レンズの製造方法において、
ａ）前記基板に所定深さのレンズ収容溝を形成する段階と、
ｂ）前記レンズ収容溝に対応する部分に前記基板にレンズ要素の回折面に対して対面が設けられた金型を前記基板と結合する段階と、
ｃ）前記レンズ収容溝に液相の高屈折物質の前駆体を含むレンズ形成物質を充填する段階と、
ｄ）前記レンズ収容溝内のレンズ形成物質を固化させる段階と、
ｅ）前記金型を前記基板から分離させる段階と、
を含む平板レンズの製造方法。
前記レンズ形成物質は、紫外線によって結晶核を形成し、熱によって固化される物質であることを特徴とする請求項１に記載の平板レンズの製造方法。
前記レンズ形成物質は、（Ｓｉ,Ｔｉ）Ｏ₂の前駆体を含むアルコキシド溶液であることを特徴とする請求項１に記載の平板レンズの製造方法。
前記ａ）段階において、前記レンズ収容溝が球面または非球面の表面を有するように形成することを特徴とする請求項１に記載の平板レンズの製造方法。
前記ａ）段階のレンズ収容溝の形成段階は、
前記基板に前記レンズ収容溝に対応するウィンドーを有するマスクを形成する段階と、
等方性ドライまたはウェットエッチングによって前記ウィンドーを通じて露出された前記基板部分をエッチングして前記ウィンドーの下部に球面型レンズ収容溝を形成する段階と、
前記マスクを除去する段階と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の平板レンズの製造方法。
前記ａ）段階のレンズ収容溝の形成段階は、
前記基板の上面にフォトレジストを所定厚さに形成する段階と、
前記フォトレジストに前記レンズ収容溝の形状に対応する溝を形成する段階と、
前記フォトレジストから前記基板までエッチングして前記フォトレジストの溝を前記基板に転写して前記基板にレンズ収容溝を形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の平板レンズの製造方法。
前記フォトレジストの溝を形成する段階において、前記フォトレジストを露光するためにグレースケールマスクを適用した露光、レーザビームまたは電子ビームを利用した直接露光のうち何れか一つを適用することを特徴とする請求項６に記載の平板レンズの製造方法。