JP4051436B2 - Concave lens, concave lens array and manufacturing method thereof - Google Patents

Concave lens, concave lens array and manufacturing method thereof Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報通信デバイス、光情報家電デバイスなどに用いられる凹型マイクロレンズ、凹型マイクロレンズアレーおよびそれらの製造技術に関する。
【０００２】
本発明は、さらに、上記の凹型レンズ状構造体或いは凹型レンズアレー状構造体を型(モールド)として、凸型マイクロレンズ或いは凸型マイクロレンズアレーを製造する技術に関する。
【０００３】
【従来の技術】
光情報通信用、光情報家電用などのデバイスにはレンズが多用されている。その多くは、面発光レーザーアレイとファイバーとのインターコネクション、液晶プロジェクター、光メモリピックアップなどの分野において必要とされる凸型マイクロレンズアレーである。これらの凸型マイクロレンズおよびそのアレーの主な作製方法としては、下記の方法が知られている。
(1)ガラスを溶融塩中に保持してイオン交換を行うことによって形成される屈折率分布を利用する方法（特許文献１）、
(2)フォトレジストを熱処理することにより、その表面張力を利用して球面状に成形されたマスクを介してガラスをドライエッチングして、マイクロレンズを形成する方法（特許文献２）、
(3)石英基板上にシリコンの円盤をパターニングし、シリコンの融点まで加熱して表面張力によって球面を形成し、その後熱酸化によってシリカガラスマイクロレンズとする方法（特許文献３）、
(4)低軟化点ガラスのパターンを耐熱性の高い基板の上に形成し、熱処理によって表面張力を利用して球面状マイクロレンズに成形する方法（特許文献４、特許文献５）。
【０００４】
一方、凹型マイクロレンズの作製方法としては、ピンホールを周期的に有するマスクを表面に形成したガラス材料をフッ酸などのエッチング液に浸漬し、ピンホールを介してガラス材料を内部方向に削る方法が知られている（特許文献６、特許文献７）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平11-248905号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平08-166502号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開平06-160607号公報
【０００８】
【特許文献４】
特開平10-123305号公報
【０００９】
【特許文献５】
特開2001-242303号公報
【００１０】
【特許文献６】
特開平05-303009号公報
【００１１】
【特許文献７】
特開2001-056402号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来のマイクロレンズ形成技術は、
(1)レンズ内の屈折率分布を利用する手法、
(2)ドライエッチングによって球面状のマスク形状をそのままガラスに転写する手法、
(3)高温に熱することによってレンズ材料を溶かし、その表面張力のみによって球面形状を形成する手法、および
(4)マスクを介して、湿式エッチングによってガラス表面を等方的に削る手法
に大別される。
【００１３】
これらの手法中で、凹型マイクロレンズの作製に適用できる方法は、湿式エッチング法のみである。しかしながら、小さなピンホールを介してレンズ材料の湿式エッチングを行うためには、長時間を要するのみならず、その凹型形状の制御も困難である。
【００１４】
従って、本発明は、湿式エッチングによることなく、高度に形状制御された凹型マイクロレンズおよび凹型マイクロレンズアレーならびにそれらの製造方法を提供することを主な目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の様な従来技術の現状を考慮しつつ研究を進めた結果、基板上に当該基板よりも軟化点の低いガラス層(低軟化点ガラス層)と低軟化点ガラス層よりも軟化点の高いガラス層(高軟化点ガラス層)とを積層し、次いで高軟化点ガラス層表面上に凹型レンズを形成すべき部分を露出させる様にマスクパターンを形成した後、ドライエッチング法により凹型レンズを形成すべき部分を削り、マスクを除去し、さらに熱処理により低軟化点ガラス層を粘性流動させる場合には、上記の目的を達成し得ることを見出した。
【００１６】
また、上記の手法により得られた凹型レンズ状構造体あるいは凹型レンズアレー構造体が高分子材料成形用の型として有用であり、これを用いて溶融高分子材料の注型成形を行う場合には、高分子材料からなる高精度の凸型マイクロレンズ或いは凸型マイクロレンズアレーが得られることを見出した。
【００１７】
すなわち、本発明は、下記の凹型マイクロレンズとその製造方法を提供するものであり、さらにその様な凹型マイクロレンズを備えたアレーとその製造方法を提供する。
【００１８】
本発明は、さらにまた、下記の凹型レンズ状構造体あるいは凹型レンズアレー構造体からなる高分子材料成型用型、この型を用いる高分子材料製の凸型マイクロレンズ或いは凸型マイクロレンズアレーの製造方法、および高精度の凸型マイクロレンズ或いは凸型マイクロレンズアレーを提供する。
１．凹レンズの製造方法であって、
（1）基板上に低軟化点ガラス層および高軟化点ガラス層を形成する工程
（2）高軟化点ガラス層表面に凹レンズ形成部を露出させたマスクパターンを形成する工程、
（3）凹レンズ形成部に相当する低軟化点ガラス層を所定厚さで残存させる様に、高軟化点ガラス層と低軟化点ガラス層をドライエッチングする工程、
（4）マスクパターンを除去する工程、
（5）低軟化点ガラスのみを軟化させる温度で基板を加熱することにより、低軟化点ガラス層内に凹部を形成する工程
を備えた凹レンズの製造方法。
２．低軟化点ガラスが、SiO2を主成分とし、B2O3、P2O5およびGeO2から選ばれた少なくとも１種からなる添加成分を併せて含有するガラスであり、高軟化点ガラスが、SiO2ガラスであるか或いはSiO2を主成分とし、低軟化点ガラスよりも軟化点が50℃以上高いガラスである上記項１に記載の凹レンズの製造方法。
３．低軟化点ガラスの組成(モル％)が、
50<SiO2<95
0.01<B2O3<15
0.01<P2O5<15
0.01<GeO2<30
の範囲内にあり、B2O3、P2O5およびGeO2の少なくとも１種からなる添加成分の全濃度が3〜50モル%の範囲内にある上記項１または２に記載の凹レンズの製造方法。
４．基板が、シリカガラス、光学ガラス、透明結晶化ガラスまたはシリコンからなる上記項１〜３のいずれかに記載の凹レンズの製造方法。
５．基板表面材料よりも軟化点が50℃以上低い低軟化点ガラス層部分を形成した後、膜厚が増大するとともに軟化点が上昇する様に組成調整した低軟化点ガラス層を成長させる上記項１〜４のいずれかに記載の凹レンズの製造方法。
６．ドライエッチングによるエッチング深さを、基板上に厚さ100nm以上の低軟化点ガラス層が残る様に調整する上記項１〜５のいずれかに記載の凹レンズの製造方法。
７．テトラエトキシシラン、テトラメトキシゲルマニウム、トリエトキシボロンおよびトリメトキシリンから選択された材料を原料として、プラズマCVD法により低軟化点ガラス層および高軟化点ガラス層を形成する上記項１〜６のいずれかに記載の凹レンズの製造方法。
８．上記項１〜７に記載のいずれかの方法により製造された凹レンズ。
９．上記項１〜７に記載のいずれかの方法により製造された凹レンズ状構造体からなる高分子樹脂製凸レンズ製造用の型。
１０．上記項９に記載の型を用いる高分子樹脂製凸レンズの製造方法。
１１．上記項１０に記載の方法により製造された高分子樹脂製凸レンズ。
１２．凹レンズアレーの製造方法であって、
（1）基板上に低軟化点ガラス層および高軟化点ガラス層を形成する工程
（2）高軟化点ガラス層表面に凹レンズアレー形成部を露出させたマスクパターンを形成する工程、
（3）凹レンズ形成部に相当する低軟化点ガラス層を所定厚さで残存させる様に、高軟化点ガラス層と低軟化点ガラス層をドライエッチングする工程、
（4）マスクパターンを除去する工程、
（5）低軟化点ガラスのみを軟化させる温度で基板を加熱することにより、凹部を形成する工程
を備えた凹レンズアレーの製造方法。
１３．低軟化点ガラスが、SiO2を主成分とし、B2O3、P2O5およびGeO2から選ばれた少なくとも１種からなる添加成分を併せて含有するガラスであり、高軟化点ガラスが、SiO2ガラスであるか或いはSiO2を主成分とし、低軟化点ガラスよりも軟化点が50℃以上高いガラスである上記項１２に記載の凹レンズアレーの製造方法。
１４．低軟化点ガラスの組成(モル％)が、
50<SiO2<95
0.01<B2O3<15
0.01<P2O5<15
0.01<GeO2<30
の範囲内にあり、B2O3、P2O5およびGeO2の少なくとも１種からなる添加成分の全濃度が3〜50モル%の範囲内にある上記項１２または１３に記載の凹レンズアレーの製造方法。
１５．基板が、シリカガラス、光学ガラス、透明結晶化ガラスまたはシリコンからなる上記項１２〜１４のいずれかに記載の凹レンズアレーの製造方法。
１６．基板表面材料よりも軟化点が50℃以上高い低軟化点ガラス層部分を形成した後、膜厚が増大するとともに軟化点が上昇する様に組成調整した低軟化点ガラス層を成長させる上記項１２〜１５のいずれかに記載の凹レンズの製造方法。
１７．ドライエッチングによるエッチング深さを、基板上に厚さ100nm以上の低軟化点ガラス層が残る様に制御する上記項１２〜１６のいずれかに記載の凹レンズアレーの製造方法。
１８．テトラエトキシシラン、テトラメトキシゲルマニウム、トリエトキシボロンおよびトリメトキシリンから選択された材料を原料として、プラズマCVD法により低軟化点ガラス層および高軟化点ガラス層を形成する上記項１２〜１７のいずれかに記載の凹レンズの製造方法。
１９．上記項１２〜１８に記載のいずれかの方法により製造された凹レンズアレー。
２０．上記項１２〜１９に記載のいずれかの方法により製造された凹レンズアレー状構造体からなる高分子樹脂製凸レンズアレー製造用の型。
２１．上記項２０に記載の型を用いる高分子樹脂製凸レンズアレーの製造方法。
２２．上記項２０に記載の方法により製造された高分子樹脂製凸レンズアレー。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
【００２０】
本発明においては、模式的な断面図として図１に示す様に、先ず、基板上に、基板よりも軟化点の低いガラス層(以下単に「低軟化点層」ということがある)と低軟化点ガラス層よりも軟化点の高いガラス層(以下単に「高軟化点層」ということがある)とを設ける。
【００２１】
基板としては、特に制限はなく、シリカガラス、光学ガラス、透明結晶化ガラス、シリコンなどの公知の材料からなる基板を使用することができる。基材材料としては、シリカガラスおよびシリコンがより好ましい。基板の軟化点は、低軟化点ガラス層の軟化点よりも、少なくとも50℃以上高いことが好ましい。低軟化点ガラス層の軟化点が低い場合には、透明結晶化ガラス、無アルカリガラスなどを使用することも出来る。
【００２２】
低軟化点ガラス層材料としては、SiO2を主成分とし、B2O3、P2O5およびGeO2から選ばれた少なくとも１種からなる添加成分を併せて含有する透明なガラスが例示される。低軟化点層材料としては、その組成(モル％)が、50<SiO2<95、0.01<B2O3<15、0.01<P2O5<15および0.01<GeO2<30の範囲内にあり、かつB2O3、P2O5およびGeO2の少なくとも１種からなる添加成分の全濃度が3〜50モル%の範囲内にあるガラスがより好ましい。
【００２３】
低軟化点層の形成手段は、特に限定されず、プラズマCVD法、火炎堆積法(FHD)、スパッタ法、蒸着法などの公知の成膜手法を適宜選択して用いることができる。
【００２４】
例えば、プラズマCVD法による場合には、低軟化点層のガラス組成に応じて、代表的な原料として、Si(OC2H5)4、B(OC2H5)3、P(OCH3)3およびGe(OCH3)4をマスフローメーターで厳密に制御・混合して、酸素プラズマ中で分解させることによって、基板上に目的とする組成で所定の厚さ(通常0.1〜100μm程度、より好ましくは1〜40μm程度)の低軟化点層を成膜することができる。この原料の分解による低軟化点層の形成過程において、SiO2源と添加成分源のとの混合比を連続的或いは適宜段階的に変化させることにより、基板側から高軟化点層に向けて、軟化点が傾斜的に変化する(徐々に高くなる)低軟化点層を形成させることができる。
【００２５】
低軟化点層上に形成される高軟化点層材料としては、低軟化点層のガラス材料よりも軟化点が50℃以上(より好ましくは50〜100℃程度)高い透明なSiO2系ガラスであれば、特に制限されない。より具体的には、SiO2単独からなるガラス、SiO2を主成分とし、GeO2、B2O3、P2O3などの1種または2種以上を3〜50重量％程度含有するガラスなどが挙げられる。高軟化点層ガラスと低軟化点層ガラスとの軟化点の差が小さすぎる場合には、後述の低軟化点層の加熱による粘性流動の際に、高軟化点層表面に凹凸を生じる(波打ってしまう)危険性がある。高軟化点層の厚さは、低軟化点層の厚さなどとも関連するが、通常0.1〜100μm程度であり、より好ましくは1〜40μm程度である。
【００２６】
高軟化点層の形成も、公知のガラス成膜原料を適宜選択し、かつ上述の低軟化点ガラス層の形成手法に準じて、行うことが出来る。
【００２７】
次いで、図1に示す様に、基板上に設けられた透明ガラス膜を所望サイズの円筒状(円形凹レンズを形成する場合)、溝状(シリンドリカルな凹レンズを形成する場合)などに微細加工する。その手法としては、特に限定されないが、例えば、リソグラフィーとドライエッチングとを組み合わせて行うことが好ましい。すなわち、フォトレジスト、金属マスクなどを用いる公知の手法により、所望の直径の円パターン或いは所望の幅の線を形成した後、CHF3、CF4、C3F8、C4F8、Arなどのプラズマ中でガラス部分をエッチングする。この際、低軟化点層を所定の厚さ(例えば、100nm程度)残存させる様にドライエッチングを行う。
【００２８】
次いで、基板からフォトレジスト、金属マスクなどを完全に除去した後、低軟化点層が軟化する温度まで、基板を昇温すると、ドライエッチングにより形成された円筒状或いは溝状の底部が、低軟化点ガラスの表面張力によって、丸く変形して、凹型形状が容易に形成される。その際、円筒形状或いは溝形状の厚さ方向に軟化点を制御できる様に、ガラス組成を調節しておく(添加成分の含有量を基板側から高軟化点層部に向けて、次第に増大させるか或いは次第に減少させる)ことにより、熱処理により得られる凹型形状の曲率を調整することが可能である。
【００２９】
なお、本発明において、ドライエッチングによって形成する円筒状或いは溝状部分を所定の周期的パターンにしておけば、凹型マイクロレンズアレーを作製することができる。
【００３０】
さらに、得られた凹型マイクロレンズ状構造体を型(モールド)として使用し、常法に従って、溶融或いは軟化した高分子樹脂を型内に注型あるいは充填した後、得られた成形体を取り出すことにより、当該高分子樹脂からなる高精度の凸型マイクロレンズ或いは凸型マイクロレンズアレーを作製することができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、基板上のガラス層内に任意のサイズで円形或いはシリンドリカルな凹型曲面形状を形成できるので、開口数、収差などを制御した凹型レンズを単一で或いはアレー状に形成することが出来る。
【００３２】
また、得られた凹型マイクロレンズ状構造体を型(モールド)として使用することにより、高分子樹脂製の凸型マイクロレンズ或いは凸型マイクロレンズアレーを得ることが出来る。
【００３３】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明にする。
実施例１
Si(OC2H5)4を主原料とし、Ge(OCH3)4および B(OC2H5)3を添加成分源として用いるプラズマCVD法により、シリカガラス基板上に81％SiO2-9％B2O3-10％GeO2ガラス層(低軟化点層：組成はモル％を示す)を厚さ15μmに成膜した。次いで、Si(OC2H5)4を原料としてプラズマCVD法により、低軟化点ガラス層上に100％SiO2層(高軟化点層)を厚さ3μmに成膜した。
【００３４】
得られた薄膜(低軟化点層+高軟化点層)に約1μmの厚さのタングステンシリサイド(WSi)膜をスパッタ法で成膜し、さらにポジ型フォトレジストをスピンコートした。その後、直径140μmの穴が250μmピッチで周期的に空いたマスクパターンを介して、当該レジストに5.5秒間水銀ランプ光を照射し、直ちに現像することにより、140μmの穴が周期的に空いたレジストパターンを得た。
【００３５】
パターニングが施された当該薄膜をICPエッチング装置に設置し、SF6ガスを用いてレジストに覆われていない領域のWSi膜を除去し、次いで酸素プラズマでレジストを除去した後、CHF3ガスプラズマにて高軟化点層および低軟化点層をエッチングした。ただし、低軟化点層が12μmエッチングされた時点でエッチングを取りやめ、表面層に残ったWSi膜をSF6ガスプラズマで除去した。
【００３６】
次いで、得られた直径140μm、深さ15μmの円筒状構造が基板上に周期的に配列されたガラス材料を、温度1000℃の酸素雰囲気中で加熱し、低軟化点層に粘性流動を起こさせた。１時間の熱処理後に当初の円筒状溝の底面が滑らかな曲面になっていることが確認された。また、得られた製品を光学顕微鏡で確認したところ、凹型円形レンズアレーとして機能していた。
【００３７】
下記の表１に本実施例および実施例２〜５で得られた凹型レンズ或いは凹型レンズアレーにおける基板材料、低軟化点層および高軟化点層の組成および厚さ、熱処理条件、レンズ形状などをまとめて示す。
実施例２
実施例１と同様にしてシリカガラス基板上に成膜した薄膜材料に、同様なエッチング手法で幅140μm、深さ15μmの溝を形成し、酸素雰囲気中1000℃で1時間熱処理したところ、凹型シリンドリカルレンズアレーが得られた。
実施例３〜５
実施例１と同様な手法により、シリコン基板上またはシリカガラス基板上に表１に示す組成の薄膜をそれぞれ形成し、実施例1の手法に準じて凹型レンズアレーまたは凹型レンズを形成することができた。
【００３８】

Figure 0004051436
【００３９】
比較例１
実施例１の手法に準じて、シリカガラス基板表面に45％SiO2-15％B2O3-40％GeO2ガラス層を低軟化層として成膜した。しかしながら、B2O3とGeO2との合計量が55モル％にも達したため、得られた薄膜の表面は光学的均質性を失い、その後のドライエッチングなどの加工もできず、レンズ機能は確認できなかった。
比較例２
石英基板上に10mol%GeO2-90mol%SiO2ガラス(15μm)とSiO2ガラス（3μm）とを成膜し、実施例１と同様なパターンをエッチング形成し、1300℃で熱処理した。しかしながら、GeO2-SiO2層での粘性流動による曲面は形成されず、基板に熱歪みが発生した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による凹型マイクロレンズアレーの作製過程を示す概念図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a concave microlens, a concave microlens array used for an optical information communication device, an optical information home appliance, and the like, and a manufacturing technique thereof.
[0002]
The present invention further relates to a technique for manufacturing a convex microlens or a convex microlens array using the concave lens-shaped structure or the concave lens array-shaped structure as a mold.
[0003]
[Prior art]
Lenses are frequently used for devices such as optical information communication and optical information home appliances. Most of them are convex microlens arrays required in the fields of surface emitting laser arrays and fibers, liquid crystal projectors, optical memory pickups and the like. The following methods are known as main production methods of these convex microlenses and their arrays.
(1) A method using a refractive index distribution formed by holding a glass in a molten salt and performing ion exchange (Patent Document 1),
(2) A method of forming a microlens by dry etching glass through a mask formed into a spherical shape by using the surface tension by heat-treating the photoresist (Patent Document 2),
(3) A method of patterning a silicon disk on a quartz substrate, heating to the melting point of silicon to form a spherical surface by surface tension, and then forming a silica glass microlens by thermal oxidation (Patent Document 3),
(4) A method of forming a low softening point glass pattern on a substrate having high heat resistance and forming it into a spherical microlens by utilizing surface tension by heat treatment (Patent Documents 4 and 5).
[0004]
On the other hand, as a method for manufacturing a concave microlens, a method in which a glass material on which a mask having periodic pinholes is formed is immersed in an etching solution such as hydrofluoric acid, and the glass material is cut inward through the pinholes. Are known (Patent Document 6, Patent Document 7).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-11-248905 [0006]
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 08-166502 [0007]
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 06-160607
[Patent Document 4]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-123305 [0009]
[Patent Document 5]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-242303
[Patent Document 6]
Japanese Patent Laid-Open No. 05-303009 [0011]
[Patent Document 7]
JP 2001-056402 A [0012]
[Problems to be solved by the invention]
Thus, the conventional microlens formation technology is
(1) A method using the refractive index distribution in the lens,
(2) A method of transferring a spherical mask shape to glass as it is by dry etching,
(3) A method of melting the lens material by heating to a high temperature and forming a spherical shape only by its surface tension, and
(4) The method is roughly classified into a method of isotropically shaving the glass surface by wet etching through a mask.
[0013]
Among these methods, the wet etching method is the only method applicable to the production of the concave microlens. However, in order to wet-etch the lens material through a small pinhole, it takes a long time and it is difficult to control its concave shape.
[0014]
Accordingly, it is a main object of the present invention to provide a concave microlens and a concave microlens array that are highly shape-controlled without using wet etching, and a manufacturing method thereof.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
As a result of conducting research while considering the current state of the prior art as described above, the inventor has a glass layer having a lower softening point than the substrate (a low softening point glass layer) and a low softening point glass layer on the substrate. After laminating a glass layer with a high softening point (high softening point glass layer), and then forming a mask pattern on the surface of the high softening point glass layer so as to expose the portion where the concave lens should be formed, dry etching method Thus, it has been found that the above object can be achieved when the portion where the concave lens is to be formed is scraped, the mask is removed, and the low softening point glass layer is viscously flowed by heat treatment.
[0016]
In addition, the concave lens structure or the concave lens array structure obtained by the above method is useful as a mold for polymer material molding, and when this is used to perform cast molding of a molten polymer material The inventors have found that a high-precision convex microlens or convex microlens array made of a polymer material can be obtained.
[0017]
That is, the present invention provides the following concave microlens and a manufacturing method thereof, and further provides an array including such a concave microlens and a manufacturing method thereof.
[0018]
The present invention further provides a mold for molding a polymer material comprising the following concave lens structure or concave lens array structure, and production of a convex microlens or convex microlens array made of a polymer material using the mold. Methods and high precision convex microlenses or convex microlens arrays are provided.
1. A method of manufacturing a concave lens,
(1) A step of forming a low softening point glass layer and a high softening point glass layer on the substrate (2) A step of forming a mask pattern in which the concave lens forming portion is exposed on the surface of the high softening point glass layer,
(3) a step of dry etching the high softening point glass layer and the low softening point glass layer so that the low softening point glass layer corresponding to the concave lens forming portion remains at a predetermined thickness;
(4) a step of removing the mask pattern,
(5) A method for manufacturing a concave lens comprising a step of forming a recess in a low softening point glass layer by heating the substrate at a temperature that softens only the low softening point glass.
2. The low softening point glass is a glass containing SiO 2 as a main component and additionally containing at least one additive component selected from B 2 O 3 , P 2 O 5 and GeO 2. , as a main component or SiO 2 is SiO 2 glass, concave method for producing according to 1 softening point than the low-softening point glass has a high glass above 50 ° C..
3. The composition (mol%) of the low softening point glass is
50 <SiO 2 <95
0.01 <B 2 O 3 <15
0.01 <P 2 O 5 <15
0.01 <GeO 2 <30
The concave lens according to Item 1 or 2, wherein the total concentration of the additive component consisting of at least one of B 2 O 3 , P 2 O 5 and GeO 2 is in the range of 3 to 50 mol%. Production method.
4). Item 4. The method for producing a concave lens according to any one of Items 1 to 3, wherein the substrate is made of silica glass, optical glass, transparent crystallized glass, or silicon.
5. Item 1 above, in which a low softening point glass layer portion whose softening point is lower by 50 ° C. or more than the substrate surface material is formed, and then a low softening point glass layer whose composition is adjusted so that the film thickness increases and the softening point rises is grown. The manufacturing method of the concave lens in any one of -4.
6). Item 6. The method for producing a concave lens according to any one of Items 1 to 5, wherein the etching depth by dry etching is adjusted so that a low softening point glass layer having a thickness of 100 nm or more remains on the substrate.
7). Any of the above items 1 to 6, wherein a low softening point glass layer and a high softening point glass layer are formed by a plasma CVD method using a material selected from tetraethoxysilane, tetramethoxygermanium, triethoxyboron and trimethoxyline as a raw material. The manufacturing method of the concave lens of description.
8). The concave lens manufactured by the method in any one of said item | term 1-7.
9. A mold for producing a convex lens made of a polymer resin, comprising a concave lens-like structure produced by any one of the above items 1 to 7.
10. A method for producing a convex lens made of a polymer resin using the mold according to Item 9.
11. A convex lens made of a polymer resin produced by the method according to Item 10 above.
12 A method of manufacturing a concave lens array,
(1) A step of forming a low softening point glass layer and a high softening point glass layer on the substrate (2) A step of forming a mask pattern in which the concave lens array forming portion is exposed on the surface of the high softening point glass layer,
(3) a step of dry etching the high softening point glass layer and the low softening point glass layer so that the low softening point glass layer corresponding to the concave lens forming portion remains at a predetermined thickness;
(4) a step of removing the mask pattern,
(5) A method for manufacturing a concave lens array comprising a step of forming a concave portion by heating the substrate at a temperature that softens only the low softening point glass.
13. The low softening point glass is a glass containing SiO 2 as a main component and additionally containing at least one additive component selected from B 2 O 3 , P 2 O 5 and GeO 2. Item 13. The method for producing a concave lens array according to Item 12, wherein the lens is SiO 2 glass or glass mainly composed of SiO 2 and having a softening point higher by 50 ° C. or more than glass having a low softening point.
14 The composition (mol%) of the low softening point glass is
50 <SiO 2 <95
0.01 <B 2 O 3 <15
0.01 <P 2 O 5 <15
0.01 <GeO 2 <30
The concave lens array according to item 12 or 13, wherein the total concentration of the additive component consisting of at least one of B 2 O 3 , P 2 O 5 and GeO 2 is in the range of 3 to 50 mol%. Manufacturing method.
15. Item 15. The method for producing a concave lens array according to any one of Items 12 to 14, wherein the substrate is made of silica glass, optical glass, transparent crystallized glass, or silicon.
16. Item 12 above is to grow a low softening point glass layer whose composition is adjusted so that the softening point increases as the film thickness increases after forming a low softening point glass layer portion whose softening point is 50 ° C. higher than the substrate surface material. The manufacturing method of the concave lens in any one of -15.
17. Item 17. The method for producing a concave lens array according to any one of Items 12 to 16, wherein the etching depth by dry etching is controlled so that a low softening point glass layer having a thickness of 100 nm or more remains on the substrate.
18. Any of the above items 12 to 17, wherein a low softening point glass layer and a high softening point glass layer are formed by a plasma CVD method using a material selected from tetraethoxysilane, tetramethoxygermanium, triethoxyboron and trimethoxyline as a raw material. The manufacturing method of the concave lens of description.
19. A concave lens array produced by any one of the above items 12 to 18.
20. A mold for producing a convex lens array made of a polymer resin, comprising a concave lens array-like structure produced by any one of the methods described in Items 12 to 19.
21. A method for producing a convex lens array made of a polymer resin using the mold according to Item 20.
22. A convex lens array made of a polymer resin produced by the method according to Item 20.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0020]
In the present invention, as shown in FIG. 1 as a schematic cross-sectional view, first, on a substrate, a glass layer having a softening point lower than that of the substrate (hereinafter sometimes simply referred to as “low softening point layer”) and low softening. A glass layer having a higher softening point than the point glass layer (hereinafter sometimes simply referred to as “high softening point layer”) is provided.
[0021]
There is no restriction | limiting in particular as a board | substrate, The board | substrate which consists of well-known materials, such as a silica glass, optical glass, transparent crystallized glass, a silicon | silicone, can be used. As the base material, silica glass and silicon are more preferable. The softening point of the substrate is preferably at least 50 ° C. higher than the softening point of the low softening point glass layer. In the case where the softening point of the low softening point glass layer is low, transparent crystallized glass, alkali-free glass or the like can also be used.
[0022]
Examples of the low softening point glass layer material include transparent glass containing SiO 2 as a main component and containing at least one additive component selected from B 2 O 3 , P 2 O 5 and GeO 2. The As a low softening point layer material, the composition (mol%) is within the range of 50 <SiO 2 <95, 0.01 <B 2 O 3 <15, 0.01 <P 2 O 5 <15 and 0.01 <GeO 2 <30. And glass having a total concentration of at least one additive component of B 2 O 3 , P 2 O 5 and GeO 2 in the range of 3 to 50 mol% is more preferable.
[0023]
The means for forming the low softening point layer is not particularly limited, and a known film formation method such as a plasma CVD method, a flame deposition method (FHD), a sputtering method, or an evaporation method can be appropriately selected and used.
[0024]
For example, in the case of the plasma CVD method, Si (OC 2 H 5 ) 4 , B (OC 2 H 5 ) 3 , P (OCH 3 ) as representative raw materials depending on the glass composition of the low softening point layer. 3 and Ge (OCH 3 ) 4 are strictly controlled and mixed with a mass flow meter and decomposed in oxygen plasma, so that they have a desired thickness on the substrate (usually about 0.1 to 100 μm, more preferably 1 to 40 μm) can be formed. In the formation process of the low softening point layer by decomposition of this raw material, by changing the mixing ratio of the SiO 2 source and the additive component source continuously or stepwise, from the substrate side toward the high softening point layer, It is possible to form a low softening point layer in which the softening point changes in an inclined manner (becomes higher gradually).
[0025]
The high softening point layer material formed on the low softening point layer is a transparent SiO 2 glass having a softening point of 50 ° C. or higher (more preferably about 50 to 100 ° C.) higher than the glass material of the low softening point layer. If there is, there is no particular limitation. More specifically, glass composed of SiO 2 alone, glass containing SiO 2 as a main component, and containing about 3 to 50% by weight of one or more of GeO 2 , B 2 O 3 , P 2 O 3 and the like. Etc. When the difference in softening point between the high softening point layer glass and the low softening point layer glass is too small, irregularities are generated on the surface of the high softening point layer during viscous flow due to heating of the low softening point layer described later (waves There is a danger). The thickness of the high softening point layer is related to the thickness of the low softening point layer and the like, but is usually about 0.1 to 100 μm, more preferably about 1 to 40 μm.
[0026]
The formation of the high softening point layer can also be performed according to the above-described method for forming the low softening point glass layer by appropriately selecting a known glass film forming raw material.
[0027]
Next, as shown in FIG. 1, the transparent glass film provided on the substrate is finely processed into a desired cylindrical shape (when a circular concave lens is formed), a groove shape (when a cylindrical concave lens is formed), or the like. The method is not particularly limited, but it is preferable to perform, for example, a combination of lithography and dry etching. That is, after forming a circular pattern of a desired diameter or a line of a desired width by a known method using a photoresist, a metal mask, etc., CHF 3 , CF 4 , C 3 F 8 , C 4 F 8 , Ar, etc. The glass part is etched in the plasma. At this time, dry etching is performed so that the low softening point layer remains at a predetermined thickness (for example, about 100 nm).
[0028]
Next, after completely removing the photoresist, metal mask, etc. from the substrate, when the substrate is heated to a temperature at which the low softening point layer is softened, the cylindrical or groove-shaped bottom formed by dry etching is softened. Due to the surface tension of the point glass, it is deformed to form a concave shape easily. At that time, the glass composition is adjusted so that the softening point can be controlled in the thickness direction of the cylindrical shape or the groove shape (the content of the additive component is gradually increased from the substrate side toward the high softening point layer portion). (Or gradually decrease it), it is possible to adjust the curvature of the concave shape obtained by the heat treatment.
[0029]
In the present invention, a concave microlens array can be produced by forming a cylindrical or groove-like portion formed by dry etching into a predetermined periodic pattern.
[0030]
Further, the obtained concave microlens-like structure is used as a mold (mold), and after casting or filling a molten or softened polymer resin into the mold according to a conventional method, the obtained molded body is taken out. Thus, a highly accurate convex microlens or convex microlens array made of the polymer resin can be produced.
[0031]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to form a circular or cylindrical concave curved surface with an arbitrary size in the glass layer on the substrate, so that a concave lens with controlled numerical aperture, aberration, etc. can be formed singly or in an array. I can do it.
[0032]
Further, by using the obtained concave microlens-like structure as a mold, a convex microlens or a convex microlens array made of a polymer resin can be obtained.
[0033]
【Example】
Examples are given below to clarify the features of the present invention.
Example 1
By a plasma CVD method using Si (OC 2 H 5 ) 4 as a main raw material and Ge (OCH 3 ) 4 and B (OC 2 H 5 ) 3 as additive component sources, 81% SiO 2 -9 is formed on a silica glass substrate. A% B 2 O 3 -10% GeO 2 glass layer (low softening point layer: composition indicates mol%) was formed to a thickness of 15 μm. Next, a 100% SiO 2 layer (high softening point layer) was formed to a thickness of 3 μm on the low softening point glass layer by plasma CVD using Si (OC 2 H 5 ) 4 as a raw material.
[0034]
A tungsten silicide (WSi) film having a thickness of about 1 μm was formed by sputtering on the obtained thin film (low softening point layer + high softening point layer), and a positive photoresist was spin-coated. Then, a resist pattern in which 140 μm holes are periodically opened by irradiating the resist with a mercury lamp light for 5.5 seconds through a mask pattern in which holes with a diameter of 140 μm are periodically opened at a pitch of 250 μm and developing immediately. Got.
[0035]
The thin film subjected to patterning is installed in an ICP etching apparatus, and the WSi film in the region not covered with the resist is removed using SF 6 gas, and then the resist is removed with oxygen plasma, and then CHF 3 gas plasma is applied. The high softening point layer and the low softening point layer were etched. However, the etching was stopped when the low softening point layer was etched by 12 μm, and the WSi film remaining on the surface layer was removed with SF 6 gas plasma.
[0036]
Next, the obtained glass material in which cylindrical structures having a diameter of 140 μm and a depth of 15 μm are periodically arranged on the substrate is heated in an oxygen atmosphere at a temperature of 1000 ° C. to cause viscous flow in the low softening point layer. It was. It was confirmed that the bottom surface of the original cylindrical groove had a smooth curved surface after the heat treatment for 1 hour. Moreover, when the obtained product was confirmed with an optical microscope, it functioned as a concave circular lens array.
[0037]
Table 1 below shows the substrate materials, the composition and thickness of the low softening point layer and the high softening point layer, the heat treatment conditions, the lens shape, etc. in the concave lens or concave lens array obtained in this example and Examples 2-5. Shown together.
Example 2
A groove having a width of 140 μm and a depth of 15 μm was formed on a thin film material formed on a silica glass substrate in the same manner as in Example 1 and heat-treated at 1000 ° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere. A lens array was obtained.
Examples 3-5
A thin film having the composition shown in Table 1 can be formed on a silicon substrate or a silica glass substrate by the same method as in Example 1, and a concave lens array or a concave lens can be formed in accordance with the method of Example 1. It was.
[0038]
Figure 0004051436
[0039]
Comparative Example 1
According to the method of Example 1, a 45% SiO 2 -15% B 2 O 3 -40% GeO 2 glass layer was formed as a low softening layer on the surface of the silica glass substrate. However, since the total amount of B 2 O 3 and GeO 2 reached 55 mol%, the surface of the obtained thin film lost optical homogeneity, and subsequent processing such as dry etching was not possible, and the lens function was I could not confirm.
Comparative Example 2
A 10 mol% GeO 2 -90 mol% SiO 2 glass (15 μm) and SiO 2 glass (3 μm) film was formed on a quartz substrate, and the same pattern as in Example 1 was formed by etching and heat-treated at 1300 ° C. However, a curved surface due to viscous flow in the GeO 2 —SiO 2 layer was not formed, and thermal distortion occurred in the substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a process of manufacturing a concave microlens array according to the present invention.

Claims (22)

凹レンズの製造方法であって、
（1）基板上に低軟化点ガラス層および高軟化点ガラス層を形成する工程
（2）高軟化点ガラス層表面に凹レンズ形成部を露出させたマスクパターンを形成する工程、
（3）凹レンズ形成部に相当する低軟化点ガラス層を所定厚さで残存させる様に、高軟化点ガラス層と低軟化点ガラス層をドライエッチングする工程、
（4）マスクパターンを除去する工程、
（5）低軟化点ガラスのみを軟化させる温度で基板を加熱することにより、低軟化点ガラス層内に凹部を形成する工程
を備えた凹レンズの製造方法。A method of manufacturing a concave lens,
(1) A step of forming a low softening point glass layer and a high softening point glass layer on a substrate (2) A step of forming a mask pattern in which the concave lens forming portion is exposed on the surface of the high softening point glass layer,
(3) a step of dry etching the high softening point glass layer and the low softening point glass layer so that the low softening point glass layer corresponding to the concave lens forming portion remains at a predetermined thickness;
(4) a step of removing the mask pattern,
(5) A method for manufacturing a concave lens, comprising a step of forming a recess in the low softening point glass layer by heating the substrate at a temperature that softens only the low softening point glass. 低軟化点ガラスが、SiO2を主成分とし、B2O3、P2O5およびGeO2から選ばれた少なくとも１種からなる添加成分を併せて含有するガラスであり、高軟化点ガラスが、SiO2ガラスであるか或いはSiO2を主成分とし、低軟化点ガラスよりも軟化点が50℃以上高いガラスである請求項１に記載の凹レンズの製造方法。The low softening point glass is a glass containing SiO 2 as a main component and additionally containing at least one additive component selected from B 2 O 3 , P 2 O 5 and GeO 2. 2. The method for producing a concave lens according to claim 1, wherein the glass is SiO 2 glass or a glass containing SiO 2 as a main component and having a softening point higher by 50 ° C. or more than a low softening point glass. 低軟化点ガラスの組成(モル％)が、
50<SiO2<95
0.01<B2O3<15
0.01<P2O5<15
0.01<GeO2<30
の範囲内にあり、B2O3、P2O5およびGeO2の少なくとも１種からなる添加成分の全濃度が3〜50モル%の範囲内にある請求項１または２に記載の凹レンズの製造方法。The composition (mol%) of the low softening point glass is
50 <SiO 2 <95
0.01 <B 2 O 3 <15
0.01 <P 2 O 5 <15
0.01 <GeO 2 <30
The concave lens according to claim 1 or 2, wherein the total concentration of the additive component consisting of at least one of B 2 O 3 , P 2 O 5 and GeO 2 is in the range of 3 to 50 mol%. Production method. 基板が、シリカガラス、光学ガラス、透明結晶化ガラスまたはシリコンからなる請求項１〜３のいずれかに記載の凹レンズの製造方法。The method for producing a concave lens according to any one of claims 1 to 3, wherein the substrate is made of silica glass, optical glass, transparent crystallized glass, or silicon. 基板表面材料よりも軟化点が50℃以上低い低軟化点ガラス層部分を形成した後、膜厚が増大するとともに軟化点が上昇する様に組成調整した低軟化点ガラス層を成長させる請求項１〜４のいずれかに記載の凹レンズの製造方法。2. A low softening point glass layer having a composition adjusted so that the softening point increases as the film thickness increases after forming a low softening point glass layer portion whose softening point is lower by 50 ° C. or more than the substrate surface material. The manufacturing method of the concave lens in any one of -4. ドライエッチングによるエッチング深さを、基板上に厚さ100nm以上の低軟化点ガラス層が残る様に調整する請求項１〜５のいずれかに記載の凹レンズの製造方法。The method for producing a concave lens according to any one of claims 1 to 5, wherein an etching depth by dry etching is adjusted so that a low softening point glass layer having a thickness of 100 nm or more remains on the substrate. テトラエトキシシラン、テトラメトキシゲルマニウム、トリエトキシボロンおよびトリメトキシリンから選択された材料を原料として、プラズマCVD法により低軟化点ガラス層および高軟化点ガラス層を形成する請求項１〜６のいずれかに記載の凹レンズの製造方法。The low softening point glass layer and the high softening point glass layer are formed by a plasma CVD method using a material selected from tetraethoxysilane, tetramethoxygermanium, triethoxyboron and trimethoxyline as a raw material. The manufacturing method of the concave lens of description. 請求項１〜７に記載のいずれかの方法により製造された凹レンズ。A concave lens manufactured by the method according to claim 1. 請求項１〜７に記載のいずれかの方法により製造された凹レンズ状構造体からなる高分子樹脂製凸レンズ製造用の型。A mold for producing a convex lens made of a polymer resin, comprising a concave lens-like structure produced by the method according to claim 1. 請求項９に記載の型を用いる高分子樹脂製凸レンズの製造方法。A method for producing a polymer resin convex lens using the mold according to claim 9. 請求項１０に記載の方法により製造された高分子樹脂製凸レンズ。A convex lens made of a polymer resin produced by the method according to claim 10. 凹レンズアレーの製造方法であって、
（1）基板上に低軟化点ガラス層および高軟化点ガラス層を形成する工程
（2）高軟化点ガラス層表面に凹レンズアレー形成部を露出させたマスクパターンを形成する工程、
（3）凹レンズ形成部に相当する低軟化点ガラス層を所定厚さで残存させる様に、高軟化点ガラス層と低軟化点ガラス層をドライエッチングする工程、
（4）マスクパターンを除去する工程、
（5）低軟化点ガラスのみを軟化させる温度で基板を加熱することにより、凹部を形成する工程
を備えた凹レンズアレーの製造方法。A method of manufacturing a concave lens array,
(1) A step of forming a low softening point glass layer and a high softening point glass layer on the substrate (2) A step of forming a mask pattern in which the concave lens array forming portion is exposed on the surface of the high softening point glass layer,
(3) a step of dry etching the high softening point glass layer and the low softening point glass layer so that the low softening point glass layer corresponding to the concave lens forming portion remains at a predetermined thickness;
(4) a step of removing the mask pattern,
(5) A method of manufacturing a concave lens array comprising a step of forming a concave portion by heating the substrate at a temperature that softens only the low softening point glass. 低軟化点ガラスが、SiO2を主成分とし、B2O3、P2O5およびGeO2から選ばれた少なくとも１種からなる添加成分を併せて含有するガラスであり、高軟化点ガラスが、SiO2ガラスであるか或いはSiO2を主成分とし、低軟化点ガラスよりも軟化点が50℃以上高いガラスである請求項１２に記載の凹レンズアレーの製造方法。The low softening point glass is a glass containing SiO 2 as a main component and additionally containing at least one additive component selected from B 2 O 3 , P 2 O 5 and GeO 2. The method for producing a concave lens array according to claim 12, wherein the glass is SiO 2 glass or glass mainly composed of SiO 2 and having a softening point higher by 50 ° C or more than glass having a low softening point. 低軟化点ガラスの組成(モル％)が、
50<SiO2<95
0.01<B2O3<15
0.01<P2O5<15
0.01<GeO2<30
の範囲内にあり、B2O3、P2O5およびGeO2の少なくとも１種からなる添加成分の全濃度が3〜50モル%の範囲内にある請求項１２または１３に記載の凹レンズアレーの製造方法。The composition (mol%) of the low softening point glass is
50 <SiO 2 <95
0.01 <B 2 O 3 <15
0.01 <P 2 O 5 <15
0.01 <GeO 2 <30
The concave lens array according to claim 12 or 13, wherein the total concentration of the additive component consisting of at least one of B 2 O 3 , P 2 O 5 and GeO 2 is in the range of 3 to 50 mol%. Manufacturing method. 基板が、シリカガラス、光学ガラス、透明結晶化ガラスまたはシリコンからなる請求項１２〜１４のいずれかに記載の凹レンズアレーの製造方法。The method for producing a concave lens array according to any one of claims 12 to 14, wherein the substrate is made of silica glass, optical glass, transparent crystallized glass, or silicon. 基板表面材料よりも軟化点が50℃以上高い低軟化点ガラス層部分を形成した後、膜厚が増大するとともに軟化点が上昇する様に組成調整した低軟化点ガラス層を成長させる請求項１２〜１５のいずれかに記載の凹レンズの製造方法。13. A low softening point glass layer having a composition adjusted so that the softening point increases as the film thickness increases after forming a low softening point glass layer portion whose softening point is 50 ° C. or more higher than that of the substrate surface material. The manufacturing method of the concave lens in any one of -15. ドライエッチングによるエッチング深さを、基板上に厚さ100nm以上の低軟化点ガラス層が残る様に制御する請求項１２〜１６のいずれかに記載の凹レンズアレーの製造方法。The method for producing a concave lens array according to any one of claims 12 to 16, wherein an etching depth by dry etching is controlled so that a low softening point glass layer having a thickness of 100 nm or more remains on the substrate. テトラエトキシシラン、テトラメトキシゲルマニウム、トリエトキシボロンおよびトリメトキシリンから選択された材料を原料として、プラズマCVD法により低軟化点ガラス層および高軟化点ガラス層を形成する請求項１２〜１７のいずれかに記載の凹レンズの製造方法。The low softening point glass layer and the high softening point glass layer are formed by a plasma CVD method using a material selected from tetraethoxysilane, tetramethoxygermanium, triethoxyboron and trimethoxyline as a raw material. The manufacturing method of the concave lens of description. 請求項１２〜１８に記載のいずれかの方法により製造された凹レンズアレー。A concave lens array manufactured by the method according to claim 12. 請求項１２〜１９に記載のいずれかの方法により製造された凹レンズアレー状構造体からなる高分子樹脂製凸レンズアレー製造用の型。A mold for producing a convex lens array made of a polymer resin, comprising a concave lens array-like structure produced by the method according to any one of claims 12 to 19. 請求項２０に記載の型を用いる高分子樹脂製凸レンズアレーの製造方法。A method for producing a polymer resin convex lens array using the mold according to claim 20. 請求項２０に記載の方法により製造された高分子樹脂製凸レンズアレー。A convex lens array made of a polymer resin produced by the method according to claim 20.
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