JP4281512B2

JP4281512B2 - 光学素子の製造方法

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Publication number: JP4281512B2
Application number: JP2003371457A
Authority: JP
Inventors: 壽男生形
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: JP2005134690A

Description

本発明は、使用する光に対して透明な基板の両面に、使用する光に対して透明な樹脂により樹脂層を形成し、樹脂層の形状により光学的特性を持たせるようにした光学素子の製造方法に関するものである。

最近、半導体製造装置の分野で開発された微細加工（マイクロマシニング）の技術を応用して、微細なマイクロレンズアレイや、回折格子、フレネルレンズ等の回折光学素子を形成する方法が開発されている。その第１の方法は、特開平９−００８２６６号公報（特許文献１）に記載されるように、通常のフォトマスクを用い、マスクにマイクロレンズに対応するパターンを形成し、光学基材表面に形成された樹脂を感光させて現像することにより、樹脂の立体矩形パターンを製作した後、この樹脂の立体矩形パターンを熱フローによりレンズ（曲面）形状に変形させてマイクロレンズを形成するものである。さらに、必要に応じ、このレンズ形状となった樹脂をレジストとして光学基材と共にエッチングすることにより、レンズ形状のレジスト（樹脂）のパターンを光学基材に転写し、光学基材からなるマイクロレンズを形成する場合もある。

しかしながら、この方法は、光学素子の製造に手間がかかり、高コストになるという問題点がある。これとは別の方法として、平板上の基板の片面、又は両面に樹脂層を形成し、樹脂層表面形状を特殊なものとすることによりレンズや回折光学素子としての作用を持たせる方法も開発されている。この方法は、樹脂層の表面形状を型により成形することができるので、大量生産に向いており、安いコストで光学素子を製造できるというメリットがある。

このようにして製造されたマイクロレンズアレイの例を図３に示す。図３において（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。石英やガラスからなる基板２１の両面には、透明な樹脂からなる樹脂層２２、２３が形成されている。樹脂層２２、２３には、それぞれ凸部２２ａ、２３ａが形成されており、凸レンズの効果を有するようになっている。凸部２２ａ、２３ａの光軸２４は一致しており、凸部２２ａ、２３ａが合わさって１つの凸レンズの役割を果たすようになっている。

このようなマイクロレンズアレイの製造方法の例を図４に示す。まず、基板３１の、第１の型３２と対面する部分（図の下面）にシランカップリング処理を行い、紫外線硬化型樹脂との接着性を向上させておく、一方、第１の型３２の凸部３３には、必要に応じて離型処理を行い、紫外線硬化型樹脂との剥離性が良くなるようにしておく。なお、第１の型３２は、石英、ガラス等の透明な材料から形成されていてもよく、金属等の不透明な材料で形成されていてもよい。

そして、（ａ）に示すように、基板３１の下面と第１の型３２の凸部３３の上面との間に、形成される樹脂層の厚みに対応するだけの間隔を開けて保持し、その間隔中に、ディスペンサーを使用して紫外線硬化型樹脂を注入する。その後、基板３１を介して紫外線硬化型樹脂に紫外線を照射することにより、紫外線硬化型樹脂を硬化させ、硬化後、紫外線硬化型樹脂を第１の型３２から剥離する。なお、第１の型３２の凸部３３にはアライメントマークの型３４と、凸レンズの型となる凹部３５が形成されている。よって、これらの型の形状が上記工程により樹脂層に転写される。アライメントマークの型３４は、機械加工又はエッチングにより加工されたシャープなマークであり、マークの十文字の中心が基準位置を示すようにされている。

（ｂ）に、紫外線硬化型樹脂を第１の型３２から剥離した状態で、基板３１の上下を反転させ、その状態で第２の型３９に対面させた状態を示す。（ｂ）に示すように、基板３１の上面側には、（ａ）に示した工程により形成された紫外線硬化型樹脂からなる第１の成形面３６が存在する。そして、第１の成形面３６には、アライメントマーク３７と凸部３８が転写により成形されている。

第２の型３９は、第１の型３２と同じような構造をしており、樹脂層が形成される部分に対応する凸部４０が設けられており、その中に、凸レンズの型となる凹部４１が複数設けられている。そして、凸部４０には、基板３１のアライメントマーク３７に対応する位置に、アライメントマーク４２が４箇所設けられている。アライメントマーク４２は、機械加工又はエッチングにより加工されたシャープなマークであり、十文字の中心が基準位置を示すようにされている。なお、第２の型３９は、石英、ガラス等の透明な材料から形成されていてもよく、金属等の不透明な材料で形成されていてもよい。

まず、基板３１の、第２の型３９と対面する部分（図の下面）にシランカップリング処理を行い、紫外線硬化型樹脂との接着性を向上させておく、一方、第２の型３９の凸部４０には、必要に応じて剥離剤処理を行い、紫外線硬化型樹脂との剥離性が良くなるようにしておく。そして、（ｂ）に示すように、基板３１の下面と第２の型３９の凸部４０の上面との間に、形成される樹脂層の厚みに対応するだけの間隔を開けて保持し、その間隔中に、ディスペンサーを使用して紫外線硬化型樹脂を注入する。その前に、基板３１のアライメントマーク３７と第２の型３９のアライメントマーク４２との位置合わせを行うことにより、基板３１と第２の型３９との位置合わせを行う。基板３１が透明であるので、基板３１側から光学顕微鏡で観察する等の手段により、この位置合わせは簡単に行うことができる。

なお、この位置合わせは、紫外線硬化型樹脂の注入前、注入中、注入後のいずれのタイミングで行ってもよい。その後、基板３１を介して紫外線硬化型樹脂に紫外線を照射することにより、紫外線硬化型樹脂を硬化させ、硬化後、紫外線硬化型樹脂を第２の型３９から剥離する。これにより、基板３１の両面に凸レンズアレイが形成された形状の樹脂層を有する光学素子が完成する。

しかしながら、上述の従来の光学素子の製造方法には以下のような問題点がある。第１の問題点は、基板３１のアライメントマーク３７は、第１の型３２に形成されたアライメントマークの型３４を、樹脂に転写して形成されるので、アライメントマークの型３４をシャープな形状にしても、転写されたアライメントマーク３７はエッジ形状がなまった形状となり、光学顕微鏡等で観察したときにその位置が正確に確認できないことである。このため、基板３１に形成された凸部３８の中心（光軸）と、凹部４１の中心とがずれ、凸レンズとしての性能が悪化する恐れがある。

第２に、光学顕微鏡等により位置合わせを行うとき、基板３１のアライメントマーク３７と第２の型３９のアライメントマーク４２との間に樹脂が介在する場合があり、その樹脂により、フォーカスボケが発生し、やはり、正確に位置合わせができにくくなるという問題点がある。

第３に、基板３１のアライメントマーク３７は樹脂成形面に形成されるので、光学要素を形成可能な領域がその分狭くなって、樹脂成形面を有効利用できないことである。第４に、図４（ａ）の工程においては、基板３１と第１の型３２の位置合わせを行っていないので、基板３１のアライメントマーク３７の形成位置が製造するたびにばらつき、そのため、光学顕微鏡等で位置合わせを行う際に、アライメントマーク３７の位置を探すのに手間がかかるという問題点がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、基板の表裏面に樹脂層が形成された方式の光学素子を製造する際に、基板と型との位置合わせが容易であり、かつ、樹脂層が形成される領域を有効利用することが可能な光学素子の製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、透明体からなる基板の両面に樹脂層が形成され、当該樹脂層が光学素子としての機能を有するように成形された光学素子の製造方法であって、前記基板を固定して保持する機能を有し、前記基板が固定される部分以外の部分にアライメントマークが形成された保持部材によって、前記基板を保持し、その状態で、樹脂層を形成する部分以外の場所にアライメントマークが形成された第１の型に、前記保持部材に保持された前記基板の第１の面を、所定の空間を介して対面させ、前記保持部材のアライメントマークと第１の型のアライメントマークを一致させることによりアライメントを行い、それに先立ち、又はその後、あるいはそれと同時に、前記基板と第１の型の間の空間に樹脂を注入して、アライメントおよび前記樹脂の注入の後に前記樹脂を硬化させ、その後、前記第１の型から前記樹脂を剥離し、続いて、樹脂層を形成する部分以外の場所にアライメントマークが形成された第２の型に、前記保持部材に保持された前記基板の第２の面を、所定の空間を介して対面させ、前記保持部材のアライメントマークと第２の型のアライメントマークを一致させることによりアライメントを行い、それに先立ち、又はその後、あるいはそれと同時に、前記基板と第２の型の間の空間に樹脂を注入して、アライメントおよび前記樹脂の注入の後に前記樹脂を硬化させ、その後、前記第２の型から前記樹脂を剥離する工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法（請求項１）である。

本手段においては、第１の型、及び第２の型において、アライメントマークが、樹脂層が形成されない部分に形成されている。そして、基板が固定される部分以外の部分にアライメントマークが形成された保持部材によって、前記基板を保持し、第１の型、及び第２の型のアライメントマークと、保持部材のアライメントマークとを合わせることによってアライメントを行っている。

よって、従来の技術のように、樹脂層（成形面）に転写されたアライメントマークを使用して位置合わせを行う場合と異なり、アライメントマークの形状が正確なものとなるので、アライメントを正確に行うことができる。又、アライメントを行うとき、アライメントマーク同士の間に樹脂が入り込まないようにすることができるので、樹脂の影響によりフォーカスボケが発生することを防止することが可能となり、アライメントを正確に行うことができる。さらに、アライメントマークは、樹脂成形される部分とは別の部分に形成することができるので、成形領域に無駄が生じることがない。加えて、第１の型、及び第２の型及び保持部材に形成されたアライメントマークの位置は常に固定されているので、アライメントマークを探すのが容易である。

前記課題を解決するための第２の手段は、透明体からなる基板の両面に樹脂層が形成され、当該樹脂層が光学素子としての機能を有するように成形された光学素子の製造方法であって、前記基板を固定して保持する機能を有し、アライメントマークが形成された保持部材によって、前記基板を保持し、その状態で、樹脂層を形成する部分以外の場所にアライメントマークが形成された第１の型に、前記保持部材に保持された前記基板の第１の面を、所定の空間を介して対面させ、かつ、樹脂層を形成する部分以外の場所にアライメントマークが形成された第２の型に、前記保持部材に保持された前記基板の第２の面を、所定の空間を介して対面させ、前記保持部材のアライメントマーク、第１の型のアライメントマーク、第２の型のアライメントマークを一致させることによりアライメントを行い、それに先立ち、又はその後、あるいはそれと同時に、前記基板と第１の型の間の空間、及び前記基板と第２の型の間の空間に樹脂を注入して、アライメントおよび前記樹脂の注入の後に前記樹脂を硬化させ、その後、第１の型及び第２の型から樹脂を剥離する工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法（請求項２）である。

本手段は、基板の表裏面に形成される樹脂層を一度に形成してしまうところが、前記第１の手段と異なるが、アライメントマークの形成、使用方法については、基本的に前記第１の手段と異なるものではないので、前記第１の手段と同様の作用効果が得られる。

以上説明したように、本発明によれば、基板の表裏面に樹脂層が形成された方式の光学素子を製造する際に、基板と型との位置合わせが容易であり、かつ、樹脂層が形成される領域を有効利用することが可能な光学素子の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態である光学素子の製造方法の概要を説明するための図である。（ａ）は基板１と基板ホルダー２を示す斜視図である。基板１は、石英やガラス等の透明材料からなり、通常は平板状の形状を有している。図では薄い直方体形状である。

基板ホルダー２は、金属材料からなり、その中央部に穴部３を有している。図において穴部３の底部には、穴部３の上部より大きさの小さな底面部３ａが形成されており、基板１を穴部３中に入れた場合、基板１の下面が底面部３ａによって保持されるようになっている。穴部３の上部は、基板１とは所定の嵌め合い精度を持った寸法に加工されている。

基板ホルダー２には、押さえ部材４が４箇所設けられており、後に示すように、基板１が穴部３内に収納された状態で、基板１を押さえて固定するようになっている。又、基板ホルダー２には、アライメントマーク５が２箇所に設けられている。アライメントマーク５は、機械加工又はエッチングにより加工されたシャープなマークであり、十文字の中心が基準位置を示すようにされている。

（ｂ）は、基板ホルダー２に基板１を組み込んで、第１の型６に対面させた状態を示す斜視図である。第１の型６の中央部には、樹脂層が形成される部分に対応する凸部７が設けられており、その中に、凸レンズの型となる凹部９が複数設けられている。そして、凸部７から外れた部分であって、基板ホルダー２のアライメントマーク５に対応する位置に、アライメントマーク８が２箇所設けられている。アライメントマーク８は、機械加工又はエッチングにより加工されたシャープなマークであり、十文字の中心が基準位置を示すようにされている。なお、第１の型６は、石英、ガラス等の透明な材料から形成されていてもよく、金属等の不透明な材料で形成されていてもよい。基板ホルダー２の穴部３に基板１を嵌め込んでから、押さえ部材４を回転させ、図に示すような位置として、その弾性力で基板１の位置がずれないように固定する。より正確に固定することが必要な場合には、一時的に接着剤や蜜ローなどのロー付けにより固定し、光学素子の完成後に接着剤やローを溶かして剥がすようにしてもよい。

まず、基板１の、第１の型６と対面する部分（図の下面）にシランカップリング処理を行い、紫外線硬化型樹脂との接着性を良くしておく、一方、第１の型６の凸部７には、必要に応じて離型処理を行い、紫外線硬化型樹脂との剥離性が良くなるようにしておく。そして、（ｂ）に示すように、基板１の下面と第１の型６の凸部７の上面との間に、形成される樹脂層の厚みに対応するだけの間隔を開けて保持し、その間隔中に、ディスペンサーを使用して紫外線硬化型樹脂を注入する。その前に、基板ホルダー２のアライメントマーク５と第１の型６のアライメントマーク８との位置合わせを行うことにより、基板１と第１の型６との位置合わせを行う。基板ホルダー２のアライメントマーク部分が透明であるので、基板ホルダー２側から光学顕微鏡で観察する等の手段により、この位置合わせは簡単に行うことができる。

なお、この位置合わせは、紫外線硬化型樹脂の注入前、注入中、注入後のいずれのタイミングで行ってもよい。その後、基板１を介して紫外線硬化型樹脂に紫外線を照射することにより、紫外線硬化型樹脂を硬化させ、硬化後、紫外線硬化型樹脂を第１の型６から剥離する。

（ｃ）に、紫外線硬化型樹脂を第１の型６から剥離した状態で、基板ホルダー２と基板１の上下を反転させ、その状態で第２の型１１に対面させた状態を示す。（ｃ）に示すように、基板１の上面側には、紫外線硬化型樹脂からなる第１の成形面１０が形成されている。第２の型１１は、第１の型６と同じような構造をしており、樹脂層が形成される部分に対応する凸部１２が設けられており、その中に、凸レンズの型となる凹部１３が複数設けられている。そして、凸部１２から外れた部分であって、基板ホルダー２のアライメントマーク５に対応する位置に、アライメントマーク１４が２箇所設けられている。アライメントマーク１４は、機械加工又はエッチングにより加工されたシャープなマークであり、十文字の中心が基準位置を示すようにされている。なお、第２の型１１は、石英、ガラス等の透明な材料から形成されていてもよく、金属等の不透明な材料で形成されていてもよい。

まず、基板１の、第２の型１１と対面する部分（図の下面）にシランカップリング処理を行い、紫外線硬化型樹脂との接着性を向上させておく、一方、第２の型１１の凸部１２には、必要に応じて離型処理を行い、紫外線硬化型樹脂との剥離性が良くなるようにしておく。そして、（ｃ）に示すように、基板１の下面と第２の型１１の凸部１２の上面との間に、形成される樹脂層の厚みに対応するだけの間隔を開けて保持し、その間隔中に、ディスペンサーを使用して紫外線硬化型樹脂を注入する。その前に、基板ホルダー２のアライメントマーク５と第２の型１１のアライメントマーク１４との位置合わせを行うことにより、基板１と第２の型１１との位置合わせを行う。基板ホルダー２のアライメントマーク部分が透明であるので、基板ホルダー２側から光学顕微鏡で観察する等の手段により、この位置合わせは簡単に行うことができる。

なお、この位置合わせは、紫外線硬化型樹脂の注入前、注入中、注入後のいずれのタイミングで行ってもよい。その後、基板１を介して紫外線硬化型樹脂に紫外線を照射することにより、紫外線硬化型樹脂を硬化させ、硬化後、紫外線硬化型樹脂を第２の型１１から剥離する。これにより、基板１の両面に凸レンズアレイが形成された形状の樹脂層を有する光学素子が完成する。

以上説明したように、この実施の形態においては、基板ホルダー２に形成されたアライメントマーク５、第１の型６に形成されたアライメントマーク８、第２の型に形成されたアライメントマーク１４のいずれもが、機械加工又はエッチングにより形成されているためシャープであり、その中心位置を精度良く観測することができる。又、いすれのアライメントマークも、樹脂層が形成される部分から離れた位置に設けられているので、樹脂層が形成される部分にアライメントマークを設ける必要が無く、その部分を光学素子の形成に用いることができる。

さらに、光学的にアライメントマークの位置合わせを行う場合に、アライメントマーク間に樹脂が入り込まないので、樹脂により像がぼけることを防止することができる。又、各アライメントマークは、ぞれぞれ、基板ホルダー２、第１の型６、第２の型１１の決まった位置に設けられているので、位置合わせの際に、顕微鏡下でアライメントマークを探すときに、簡単に、視野内に入れることができる。

図２は、本発明の第２の実施の形態である光学素子の製造方法の概要を説明するための図である。図２において、図１に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略する。図２における基板１、基板ホルダー２、第１の型６、第２の型１１は、図１における実施の形態で説明したものと同じである。但し、図２に示す第２の実施の形態においては、第１の型６と第２の型１１のいずれかは透明でなくてはならず、この例においては、第１の型６が透明であるものとして説明する。

まず、基板ホルダー２に基板１をはめ込み、第１の実施の形態と同じようにして押さえ部材４で押さえつけて固定する。そして、基板１の上下面には、シランカップリング処理を行い、紫外線硬化型樹脂との接着性を向上させておく。一方、第１の型６の凸部７と、第２の型１１の凸部１２には、必要に応じて離型処理を行い、紫外線硬化型樹脂との剥離性が良くなるようにしておく。

そして、図２に示すように、基板１の上面と第１の型６の凸部７の下面との間に、形成される樹脂層の厚みに対応するだけの間隔を開けて保持すると共に、基板１の下面と第２の型１１の凸部１２の上面との間に、形成される樹脂層の厚みに対応するだけの間隔を開けて保持する。そして、基板１の上面と第１の型６の凸部７の下面との間、及び基板１の下面と第２の型１１の凸部１２の上面との間にディスペンサーを使用して紫外線硬化型樹脂を注入する。その前に、基板ホルダー２のアライメントマーク５と、第１の型６のアライメントマーク８と第２の型１１のアライメントマーク１４との位置合わせを行うことにより、基板１と、第１の型６、第２の型１１との位置合わせを行う。第１の型６、基板ホルダー２が透明であるので、第１の型６側から光学顕微鏡で観察する等の手段により、この位置合わせは簡単に行うことができる。

なお、この位置合わせは、紫外線硬化型樹脂の注入前、注入中、注入後のいずれのタイミングで行ってもよい。その後、第１の型６を介して紫外線硬化型樹脂に紫外線を照射することにより、紫外線硬化型樹脂を硬化させ、硬化後、紫外線硬化型樹脂を、第１の型６及び第２の型１１から剥離する。これにより、基板１の両面に凸レンズアレイが形成された形状の樹脂層を有する光学素子が完成する。

すなわち、第２の実施の形態においては、基板１の両面に樹脂層を一度に形成している点が第１の実施の形態と異なっている。このため、アライメントマークを使用して、基板１、第１の型６、第２の型１１の位置合わせを一度に行っているが、このような基板ホルダー２、第１の型６、第２の型１１を使用することの作用効果は、第１の実施の形態と同じである。

本発明の第１の実施の形態である光学素子の製造方法の概要を説明するための図である。発明の第２の実施の形態である光学素子の製造方法の概要を説明するための図である。基板の両面に樹脂層が形成された光学素子（マイクロレンズアレイ）の例を示す図である。図３に示すような光学素子を製造する従来の方法の１例を示す図である。

符号の説明

１…基板、２…基板ホルダー、３…穴部、３ａ…底面部、４…押さえ部材、５…アライメントマーク、６…第１の型、７…凸部、８…アライメントマーク、９…凹部、１０…第１の成形面、１１…第２の型、１２…凸部、１３…凹部、１４…アライメントマーク

Claims

透明体からなる基板の両面に樹脂層が形成され、当該樹脂層が光学素子としての機能を有するように成形された光学素子の製造方法であって、前記基板を固定して保持する機能を有し、前記基板が固定される部分以外の部分にアライメントマークが形成された保持部材によって、前記基板を保持し、その状態で、樹脂層を形成する部分以外の場所にアライメントマークが形成された第１の型に、前記保持部材に保持された前記基板の第１の面を、所定の空間を介して対面させ、前記保持部材のアライメントマークと第１の型のアライメントマークを一致させることによりアライメントを行い、それに先立ち、又はその後、あるいはそれと同時に、前記基板と第１の型の間の空間に樹脂を注入して、アライメントおよび前記樹脂の注入の後に前記樹脂を硬化させ、その後、前記第１の型から前記樹脂を剥離し、続いて、樹脂層を形成する部分以外の場所にアライメントマークが形成された第２の型に、前記保持部材に保持された前記基板の第２の面を、所定の空間を介して対面させ、前記保持部材のアライメントマークと第２の型のアライメントマークを一致させることによりアライメントを行い、それに先立ち、又はその後、あるいはそれと同時に、前記基板と第２の型の間の空間に樹脂を注入して、アライメントおよび前記樹脂の注入の後に前記樹脂を硬化させ、その後、前記第２の型から前記樹脂を剥離する工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
透明体からなる基板の両面に樹脂層が形成され、当該樹脂層が光学素子としての機能を有するように成形された光学素子の製造方法であって、前記基板を固定して保持する機能を有し、前記基板が固定される部分以外の部分にアライメントマークが形成された保持部材によって、前記基板を保持し、その状態で、樹脂層を形成する部分以外の場所にアライメントマークが形成された第１の型の第１の面に、前記保持部材に保持された前記基板の第１の面を、所定の空間を介して対面させ、かつ、樹脂層を形成する部分以外の場所にアライメントマークが形成された第２の型に、前記保持部材に保持された前記基板の第２の面を、所定の空間を介して対面させ、前記保持部材のアライメントマーク、第１の型のアライメントマーク、第２の型のアライメントマークを一致させることによりアライメントを行い、それに先立ち、又はその後、あるいはそれと同時に、前記基板と第１の型の間の空間、及び前記基板と第２の型の間の空間に樹脂を注入して、アライメントおよび前記樹脂の注入の後に前記樹脂を硬化させ、その後、第１の型及び第２の型から樹脂を剥離する工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法。