JP5261823B2 - 光学モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学モジュールおよびその製造方法に関する。

近年、モジュール内における信号伝送の高速化の要請に応じて、電気信号を光信号に変換する試みがなされ、電気と光とを相互変換するインターフェースＢＧＡの開発が進められている。インターフェースＢＧＡは、電気接続とともに光接続を行なうことができる。インターフェースＢＧＡの基本構造を図３２に例示する。図３２に示すように、インターフェースＢＧＡは、半導体デバイス８１と、パッケージ基板８２と、ハンダボール８３とを有している。パッケージ基板８２は、高速信号を送受信するために、送信用の面発光レーザ８４と受信用のフォトダイオード（図示していない。）とを底面側に有している。面発光レーザ８４およびフォトダイオードは樹脂層８６により封止されている。また、樹脂層８６上にマイクロレンズ８５が取り付けられている。

インターフェースＢＧＡをプリント配線基板上に実装した態様を図３３に示す。半導体デバイス８１とパッケージ基板８２とが、ハンダボール８３によりプリント配線基板９７に実装される。ハンダボール８３により実装が行なわれるので、パッケージ基板８２とプリント配線基板９７との間の距離Ｗはハンダボール８３の直径に等しく、通常４００μｍである。この距離Ｗにおいて光が散乱することで隣り合う光信号との間でクロストークが生じないようにするため、面発光レーザ８４から発せられた光がマイクロレンズ８５により平行光とされる。光信号がプリント配線基板９７側のマイクロレンズ９５にまで到達すると、光信号はマイクロレンズ９５により集光され、光導波路９８に導かれる（非特許文献１）。

マイクロレンズ９５により集光された光信号が光導波路９８に導かれるために、たとえば、光導波路９８内に、傾斜４５°のミラー９９が挿入され、光路が９０°変換される。また、別の方法としては、光導波路９８である光ファイバーのコアの端面が傾斜４５°でダイシングカットされ、カット面にＡｇ、Ａｌなどが蒸着される（非特許文献２および非特許文献３）。プリント配線基板９７の平面に沿って光導波路９８を伝送された光信号が９０°立ち上げられて半導体デバイス８１に伝送される場合においても同様である。

マイクロレンズの製造方法としては、たとえばレジスト・リフロー法がある。この方法においては、基板上に形成された樹脂層がフォトリソグラフィ法により円筒状にパターニングされた後に加熱によりリフローされることで、樹脂の表面張力によりマイクロレンズが作製される。
日経エレクトロニクス、２００１年１２月３日発行、１２４頁 木下 雅夫、外２名、「エピタキシャルリフトオフ（ＥＬＯ）技術による光素子の薄膜化」、ＭＥＳ２００３、第１３回マイクロエレクトロニクスシンポジウム、２００３年１０月、ｐ．３８０−３８３ 石塚 剛、外２名、「プリント板を用いた光モジュールの試作」、ＭＥＳ２００３、第１３回マイクロエレクトロニクスシンポジウム、２００３年１０月、ｐ．３８８−３９１

しかし、従来のインターフェースＢＧＡにおいては、傾斜４５°のミラーとマイクロレンズとが別工程により形成される。このため、実装に際して、光学素子と、ミラーと、光導波路と、マイクロレンズとの位置合わせが難しい。Ｘ方向およびＹ方向のみならず、Ｚ方向の位置合わせをμｍオーダーの精度で行なう必要があり、また全部の光学素子とマイクロレンズとについて位置合わせが必要となる。また樹脂の表面張力、粘度、および温度などの影響により、マイクロレンズの形状は一定ではないため、インターフェースＢＧＡの底面に複数形成されたすべてのマイクロレンズの焦点が完全に合うようにＺ方向の位置を合わせることは時間と手間とがかかる。

また、前述のとおりマイクロレンズの形状は一定ではないため、マイクロレンズの製造歩留りは低い。またインターフェースＢＧＡ上に直接作り込まれたマイクロレンズのリペアは不可能である。このため、インターフェースＢＧＡの底面に形成された複数のマイクロレンズのうち一部に不良があった場合でも、半導体デバイスを含めてインターフェースＢＧＡ全体を廃棄せざるを得ず、損失が大きくなる。さらにマイクロレンズの製造には複雑な工程を必要とする。また高精度ミラーを別工程で作成し、または光導波路に傾斜４５°のダイシング加工を施す工程は、複雑でコストが高い。

本発明の課題は、精度が高く、低コストの光学モジュール、およびその製造方法を提供することにある。

本発明の光学モジュールは、光学シートと、基板と、光学素子とを有している。光学シートは、シート部と、凸レンズ部と、反射部とを有している。シート部は第１および第２の主面を有している。凸レンズ部は、第１の主面上に設けられた、光を集光するためのものである。反射部は、第２の主面に沿った光を曲げて凸レンズ部に入射させることができるように第２の主面上に設けられている。基板は光学シートを支持している。光学素子は光学シートにより基板に光接続されている。基板は、反射部を収める凹部を有している。反射部は、シート部の第２の主面から部分的に突出するようにシート部と樹脂で一体成形されている。

上記の光学モジュールにおいて好ましくは、反射部は、第２の主面に沿った光の進行方向を９０°曲げることができるように形成されている。

上記の光学モジュールにおいて好ましくは、凸レンズ部は、半球状およびカマボコ状のいずれかの形状を有している。

上記の光学モジュールにおいて好ましくは、凸レンズ部は、エリアアレイおよびリニアアレイのいずれかの配置に従って配置されている。

上記の光学モジュールにおいて好ましくは、反射部は、金、銀およびアルミニウムよりなる群から選ばれた少なくとも１つの材質により被覆された部分を含む。

上記の光学モジュールにおいて好ましくは、光学シートは電子線が照射されたことにより架橋された部分を有する。

上記の光学モジュールにおいて好ましくは、凸レンズ部および反射部は金型を用いたモールド法により形成されている。

上記の光学モジュールにおいて好ましくは、金型は、リソグラフィ法により樹脂型を形成する工程と、メッキ法により樹脂型上に金属材料からなる層を形成する工程と、樹脂型を除去する工程とを含む方法により製造されている。

上記の光学モジュールにおいて好ましくは、金型は、モールド法により樹脂型を形成する工程と、メッキ法により樹脂型上に金属材料からなる層を形成する工程と、樹脂型を除去する工程とを含む方法により製造されている。

本発明の光学モジュールの製造方法は、第１および第２の主面を有するシート部と、第１の主面上に設けられた、光を集光するための凸レンズ部と、第２の主面に沿った光を曲げて凸レンズ部に入射させることができるように第２の主面上に設けられた反射部とを含む光学シートを準備する工程と、光学シートにより光学素子が基板に光接続されるように光学素子を基板に実装する工程とを有している。基板は、反射部を収める凹部を有している。反射部は、シート部の第２の主面から部分的に突出するようにシート部と樹脂で一体成形されている。

精度が高く、低コストの光学モジュール、およびその製造方法を提供することができる。

本発明の一実施の形態における三次元光学シートが光学素子と基板との間に配置された様子を示す概略的な部分断面図である。 本発明の一実施の形態における三次元光学シートの構成を概略的に示す部分断面斜視図である。 本発明の一実施の形態における三次元光学シートの構成と、三次元光学シートが機能する原理とを説明するための概略部分断面図である。 本発明の一実施の形態の第１の変形例における三次元光学シートの構成を概略的に示す部分断面斜視図である。 本発明の一実施の形態の第２の変形例における三次元光学シートの構成を概略的に示す部分断面斜視図である。 本発明の一実施の形態の第２の変形例における三次元光学シートの構成と、三次元光学シートが機能する原理とを説明するための概略部分断面図である。 本発明の一実施の形態の第３の変形例における三次元光学シートの構成を概略的に示す部分断面斜視図である。 本発明の一実施の形態における三次元光学シートの製造方法の第１工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態における三次元光学シートの製造方法の第２工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態における三次元光学シートの製造方法の第３工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第１工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第２工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第３工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第４工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第５工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態の第１の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第１工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態の第１の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第２工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態の第１の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第３工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態の第１の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第４工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態の第１の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第５工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態の第１の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第６工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態の第２の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第１工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態の第２の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第２工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態の第２の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第３工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態の第２の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第４工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態の第２の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第５工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態の第２の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第６工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態の第３の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第１工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態の第３の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第２工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態の第３の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第３工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態の第３の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法の第４工程を示す概略断面図である。 従来のインターフェースＢＧＡの基本構造を示す断面図である。 従来のインターフェースＢＧＡが基板上に実装された状態を示す断面図である。

符号の説明

１ａ〜１ｄ 三次元光学シート、２Ａ，２Ｌ 凸レンズ部、３ＤＬ，３ＳＡ，３ＳＬ 反射部、４ 光学素子、５ 基板、６ 光信号、１０ 樹脂製薄膜、５２ａ，５３ａ 金型、７７ 金属薄膜。

（三次元光学シート）
図１は、本発明の一実施の形態における三次元光学シートが光学素子と基板との間に配置された様子を示す概略的な部分断面図である。図２は、本発明の一実施の形態における三次元光学シートの構成を概略的に示す部分断面斜視図である。

図１および図２を参照して、本実施の形態の光学モジュールは、三次元光学シート１ａと、基板５と、光学素子４と、パッケージ基板７と、半導体デバイス８とを有している。三次元光学シート１ａは、基板５に支持されている。光学素子４は、三次元光学シート１ａにより基板５に光接続されている。

三次元光学シート１ａは、光学素子４と基板５との間に配置されることで光学素子４と基板５とを光接続するための光学シートであって、シート部９と、凸レンズ部２Ｌと、反射部３ＳＬとを有している。シート部９は第１の主面（図中上面）および第２の主面（図中下面）を有するシート状の部材である。凸レンズ部２Ｌは、第１の主面上に設けられた、光を集光するためのものである。反射部３ＳＬは、第２の主面に沿った光信号６を曲げて凸レンズ部２Ｌに入射させることができるように、第２の主面上に設けられている。三次元光学シート１ａは、電子線照射などにより架橋されることで、耐熱性が向上し、実装時のハンダフロー温度に対する耐久性を高めることもできる。

凸レンズ部２Ｌは、光を集光するために、カマボコ状の形状を有する曲面である凸レンズ面ＣＰを有している。凸レンズ部２Ｌは、このカマボコ形状が列状に並ぶように複数形成されている。すなわち、凸レンズ部２Ｌは、リニアアレイの配置に従って配置されている。このカマボコ状の形状が延びる方向に沿って、反射部３ＳＬも延びている。

反射部３ＳＬは、光を反射して曲げるために、反射面ＲＰを有している。反射面ＲＰは、反射部３ＳＬの光軸が、凸レンズ部２Ｌの光軸と一致するように設けられている。基板５平面に沿って、すなわちシート部９の第２の主面に沿って伝送される光信号６は、反射面ＲＰにより反射されることで、図中上方向に向かうように９０°曲げられて、光学素子４に伝送されることができる。また光学素子４から発した光信号は、９０°反射されることにより、基板５平面に沿って、すなわちシート部９の第２の主面に沿って伝送されることができる。

図３は、本発明の一実施の形態における三次元光学シートの構成と、三次元光学シートが機能する原理とを説明するための概略部分断面図である。図３を参照して、反射面ＲＰの光軸ＡＲｔ，ＡＲｐのうちの凸レンズ面ＣＰ側の光軸ＡＲｔと、凸レンズ面ＣＰの光軸ＡＣとが、直線ＡＬ上で一致している。なお本明細書では、光軸が一致するとは、光軸が２μｍ以下の誤差範囲内で一致していることをいう。凸レンズ面ＣＰの光軸ＡＣとは、凸レンズ面ＣＰの焦点ＦＣに位置する点光源からの光ＬＴ１が凸レンズ面ＣＰにより平行な光ＬＴ２とされた場合の光路の中心線である。反射面ＲＰの光軸ＡＲｔとは、この光ＬＴ２のうち反射して光ＬＴ３となることができる部分の光路の中心線である。

光学素子４と基板５との光接続は、凸レンズ部２Ｌと対応する反射部３ＳＬとにより行なわれる。凸レンズ部２Ｌと反射部３ＳＬとは、同一のシート部９上に形成されているため、マイクロレンズおよび傾斜ミラーなどを別々に形成する従来のインターフェースＢＧＡに比べて、位置合わせ精度および歩留まりが高い。また、実装が容易であり、コストを低減することができる。したがって、本実施の形態の三次元光学シート１ａにより光学素子４が基板５に光接続されるように光学素子４を基板５に実装する実装方法は、高精度、高歩留まり、および低コストで行なうことができる。また、本実施の形態の三次元光学シート１ａにより光学素子４が基板５に光接続された光学モジュール（図１）も、高精度、高歩留まり、および低コストで製造することができる。

図４は、本発明の一実施の形態の第１の変形例における三次元光学シートの構成を概略的に示す部分断面斜視図である。図４を参照して、本変形例の三次元光学シート１ｂの反射部３ＳＬは、反射面ＲＰの表面上に金属薄膜７７を有している。このように反射部３ＳＬの表面の少なくとも一部が金属薄膜７７により被覆されていることで光信号の反射効率を高めることができる。金属薄膜７７の材料は、反射効率を高めることで光学素子４への光量を高める点で、金、銀またはアルミニウムが好ましい。なお金属薄膜７７は、たとえばスパッタリング法により形成することができる。

図５は、本発明の一実施の形態の第２の変形例における三次元光学シートの構成を概略的に示す部分断面斜視図である。図６は、本発明の一実施の形態の第２の変形例における三次元光学シートの構成と、三次元光学シートが機能する原理とを説明するための概略部分断面図である。図５および図６を参照して、本変形例の三次元光学シート１ｃは、反射部３ＤＬを有している。反射部３ＤＬは、光軸ＡＲを対称軸とする反射面ＲＰｘ，ＲＰｙを有している。この光軸ＡＲと、光軸ＡＣとは、直線ＡＬ上で一致している。
光ＬＴ１のうちの光ＬＴ１ａは凸レンズ面ＣＰにより平行な光ＬＴ２ａとされた後、反射面ＲＰｘにより反射して光ＬＴ３ａとなることができる。光ＬＴ３ａは、反射面ＲＰｙを透過する際に屈折される。また光ＬＴ１のうちの光ＬＴ１ｂは凸レンズ面ＣＰにより平行な光ＬＴ２ｂとされた後、反射面ＲＰｙにより反射して光ＬＴ３ｂとなることができる。光ＬＴ３ｂは、反射面ＲＰｘを透過する際に屈折される。
すなわち反射部３ＤＬは、反射と屈折とにより、光を曲げることができるように構成されている。この構成により、三次元光学シート１ｃは、焦点ＦＣからの光を、シート部９の下面に沿った光ＬＴ３ａ、ＬＴ３ｂとすることができる。また逆に、シート部９の下面に沿った光ＬＴ３ａ、ＬＴ３ｂを、焦点ＦＣに集光される光ＬＴ１とすることができる。

図７は、本発明の一実施の形態の第３の変形例における三次元光学シートの構成を概略的に示す部分断面斜視図である。図７を参照して、本変形例の三次元光学シート１ｄは、凸レンズ部２Ａと、反射部３ＳＡとを有している。凸レンズ部２Ａは、光を集光するために、半球状の形状を有している。凸レンズ部２Ａは、この半球形状が２次元的に配列されるように複数形成されている。すなわち、凸レンズ部２Ａは、エリアアレイの配置に従って配置されている。シート部９の第１の主面（図中上面）上における凸レンズ部２Ａの位置に対応して、シート部９の第２の主面（図中下面）上に反射部３ＳＡが位置している。

なお凸レンズ部の形状がカマボコ状（図２）および半球状（図７）のいずれとされるかは、光学素子４の密度、要求される精度、製造時に使用する金型の作りやすさなどに応じて選択することができる。また、接続される光学素子４の配置や密度、必要な精度などに応じて、リニアアレイ（図２）およびエリアアレイ（図７）のいずかを選択することができる。

（三次元光学シートの製造方法）
本発明の三次元光学シートは、金型を用いたモールド法により形成することができる。レジスト・リフロー法においては、マイクロレンズの形状は、樹脂の表面張力、粘度および温度などの影響により、一定とならない。これに対して、本実施の形態の三次元光学シート１ａ〜１ｄは、金型を用いたモールド法により形成されるため、レンズの形状を高精度に再現できる。

三次元光学シートにおいて、光の立ち上がり角は反射面ＲＰ，ＲＰｘ，ＲＰｙの角度に依存し、凸レンズ面ＣＰの収束性はレンズの曲率半径、真円度、光路長に依存する。また、光の導波効率は、反射面ＲＰ，ＲＰｘ，ＲＰｙでの立ち上がり効率、光軸精度と表面粗さに依存する。本実施の形態の製造方法では、凸レンズ部２Ｌ，２Ａおよび反射部３ＳＬ，３ＤＬ，３ＳＡの形状を高精度に再現できるため、光の立ち上がり角、凸レンズの収束性、光の導波効率の微調整が容易である。一方、凸レンズ部２Ｌ，２Ａが複数形成された場合においても、各凸レンズ部２Ｌ，２Ａの焦点および屈折率の調整と、位置合わせとが容易となる。また、凸レンズ部２Ｌ，２Ａおよび反射部３ＳＬ，３ＤＬ，３ＳＡの形状精度が高いため、三次元光学シート１ａ〜１ｄは高い歩留まりで製造することができる。さらに、別工程でインターフェースＢＧＡ上に直接作りこまれるマイクロレンズおよび４５°ミラーに比べて、本実施の形態の三次元光学シート１ａ〜１ｄは、製造が容易で、量産化に適し、低コストである。

図８〜図１０は、本発明の一実施の形態における三次元光学シートの製造方法を工程順に示す概略断面図である。図８〜図１０を参照して、三次元光学シート１ｃ（図５）は金型５２ａ，５３ａを用いたモールド法により製造される。まず、図８に示すように、金型５２ａ，５３ａの間にセットされた樹脂製薄膜１０が加熱される。その後、加熱された樹脂製薄膜１０が金型５２ａ，５３ａの間で矢印の方向に加圧され、図９に示すようにモールドが行なわれる。放冷後、脱型が行なわれることにより、図１０に示すような三次元光学シート１ｃが得られる。

樹脂製薄膜１０の加熱は、たとえば、樹脂製薄膜１０を金型５２ａ，５３ａの間に挟んでから加熱する方式、または樹脂製薄膜１０のみを予め非接触の状態で加熱する方式などを任意に採用することができる。樹脂製薄膜１０の加熱は、金型５２ａ，５３ａの直下または内部に設置されたヒータ（図示していない。）により行なうことができる。

樹脂製薄膜１０の加熱は、樹脂の流動開始温度以上に加熱する態様が好ましい。樹脂製薄膜１０が流動開始温度以上に加熱されてから加圧加工されることにより、樹脂の流動現象を利用して高精度で超微細な形状を容易に形成することができ、かつコストを低減できる。使用される金型の精度が十分に高くされれば、本発明の製造方法により、直径５μｍ以上のレンズを容易に形成することができる。また、線幅５μｍ以上のカマボコ状のレンズを形成することも容易である。

なお本発明の三次元光学シートは、ナノインプリント法により製造することもできる。ナノインプリント法は、表面にナノレベルの微細な凹凸を有する金型にセットされた樹脂製薄膜がガラス転位温度以上に加熱された後、金型が樹脂製薄膜に押し付けられて一定時間保持され、樹脂製薄膜がガラス転位温度以下に冷却されてから金型が樹脂製薄膜から剥離される方法である。ナノインプリントにより、金型の表面の凹凸が樹脂製薄膜に転写されるため、サブミクロンオーダーの３次元微細形状を、シンプルな加工工程で容易に形成することができ、凸レンズ部および反射部の光軸精度および位置精度が飛躍的に向上する。また、この凸レンズ部および反射部の形成方法は、形状の再現性が高く、低コストで、量産化が容易である。

樹脂製薄膜としては、比較的狭い温度範囲で溶融し、かつ冷却すると急速に硬化する樹脂を用いることが、三次元光学シートの製造工程のスループットを高めるために好ましい。したがって、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリメタクリル酸メチル、ポリエーテルサルフォン、ポリサルフォン、ポリエーテルイミドなどが好適である。樹脂製薄膜の厚さは特に限定されるものではないが、厚さ２０μｍ以上が好ましく、厚さ１００μｍ以上がより好ましい。

樹脂製薄膜が金型の間にセットされるときは、まず、一方の金型に樹脂製薄膜が固定されてから、他方の金型がセットされる態様が好ましい。これにより、金型上での樹脂製薄膜の浮き上がり、気泡の混入などのトラブルを防止し、微細構造体の再現性を高めることができる。また、樹脂製薄膜をセットし、加熱し、加圧する一連の工程を、真空雰囲気下で実施することにより、樹脂製薄膜の浮き上がり、樹脂製薄膜への気泡の混入を防止することができる。

金型は、リソグラフィ法により樹脂型を形成する工程と、樹脂型に金属材料からなる層をメッキにより形成する工程と、樹脂型を除去する工程とを備える方法により製造することができる。この方法により製造される金型は、精密な微細構造体であるため、樹脂製薄膜に微細で、寸法精度の高い成形を施すことができ、成形体の表面粗さ（Ｒａ）を１０μｍ以下に抑えることが可能である。また、金型によりモールドするため、再現性のよい成形体を一体成形できる。

図１１〜図１５は、本発明の一実施の形態における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法を工程順に示す概略断面図である。まず、図１１に示すように、基板２１上にレジスト２２が形成される。基板２１としては、たとえば、銅、ニッケル、ステンレス鋼などからなる金属製基板が用いられる。また、チタン、クロムなどの金属材料をスパッタリングしたシリコン基板などを用いることもできる。レジスト２２の材料には、ポリメタクリル酸メチルなどのポリメタクリル酸エステルを主成分とする樹脂材料、またはＸ線もしくは紫外線（ＵＶ）に感受性を有する化学増幅型樹脂材料などが用いられる。レジスト２２の厚さは、形成されようとする金型に合わせて任意に設定することができ、たとえば、数１００μｍに設定することができる。

次に、レジスト２２上にマスク２３が配置され、マスク２３を介してＸ線２４またはＵＶなどが照射される。高いアスペクト比を有する金型が必要であるときは、ＵＶ（波長３６５ｎｍなど）より短波長であるＸ線（波長０．４ｎｍ）を使用する態様が好ましい。また、Ｘ線の中でも指向性が高い点で、シンクロトロン放射のＸ線（以下、「ＳＲ」という。）を使用するＬＩＧＡ（Lithographie Galvanoformung Abformung)法は、ディープなリソグラフィが可能であり、数１００μｍの高さの微細構造体をサブミクロンオーダーの高精度で大量に製造することができ、厚手の樹脂製薄膜用の金型を提供できる点で有利である。本実施の形態では、Ｘ線を照射する態様を例示する。

マスク２３は、金型のパターンに応じて形成されたＸ線吸収層２３ａと、透光性基材２３ｂとからなる。透光性基材２３ｂの材質としては、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ダイヤモンド、チタンなどを用いることができる。また、Ｘ線吸収層２３ａの材質としては、金、タングステン、タンタルなどの重金属あるいはその化合物などを用いることができる。基板２１上のレジスト２２がポジレジストである場合、Ｘ線２４の照射により、レジスト２２のうち、レジスト２２ａは露光され変質（分子鎖が切断）するが、レジスト２２ｂはＸ線吸収層２３ａにより露光されない。このため、現像により、Ｘ線２４により変質した部分のみが除去され、図１２に示すようなレジスト２２ｂからなる樹脂型が得られる。

次にメッキ法により、図１３に示すように、樹脂型に金属材料層２５が堆積される。金属材料層２５は、電鋳（電解メッキ）または無電解メッキにより形成することができる。電鋳は、金属イオン溶液を用いて導電性基板上に金属材料層を形成することをいう。導電性基板を給電部として電鋳を行なうことにより、樹脂型に金属材料層２５を堆積することができる。一方、無電解メッキは、ニッケルなどの金属イオン溶液が、還元剤として次亜リン酸ナトリウムなどが加えられて９０℃〜１００℃に加熱されることで行なわれ、電流が流されることなく樹脂型上に金属材料層２５を形成することができる。樹脂型の表面に予めＰｄなどの触媒を付与しておくと、メッキ効率を向上することができる。

樹脂型の高さを越えてメッキすることにより、金型の台座を形成することができる。金属材料としては、ニッケル、銅、鉄、ロジウムまたはそれらの合金などが用いられる。金型の耐摩耗性を高める点では、ニッケル、またはニッケルマンガンなどのニッケル合金が好ましい。メッキ後、図１４に示すように、酸もしくはアルカリによるウエットエッチング、または機械加工により、基板２１が除去される。続いて、ウエットエッチングまたはプラズマアッシングによりレジスト２２ｂが除去されて、１５に示すような金型が得られる。

次に上記の金型の製造方法（図１１〜図１５）の第１の変形例について説明する。図１６〜図２１は、本発明の一実施の形態の第１の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法を工程順に示す概略断面図である。

図１１〜図１５に示す製造方法においては、導電性基板２１が除去されて（図１４）金型が製造されるが、本変形例では基板を除去することなく金型を製造することができる。まず、図１６に示すように、基板３１ａ上にレジスト２２が形成される。次に、レジスト２２上にマスク３３が配置され、前述と同様にリソグラフィが行なわれる。露光後、現像によりレジスト２２ａが除去されると、図１７に示すようなレジスト２２ｂからなる樹脂型が得られる。

次に、図１８に示すように、レジスト２２ｂの頂上部に導電性基板３１ｂが形成された後、図１９に示すように、基板３１ａが除去される。その後、図２０に示すように、導電性基板３１ｂをメッキ電極として電鋳が行なわれ、樹脂型に金属材料層３５が堆積される。必要に応じて研磨または研削により樹脂型が所定の厚さに揃えられてから、ウエットエッチングまたはプラズマアッシングにより樹脂型が除去される。これにより、図２１に示すような金型が得られる。この金型は、導電性基板３１ｂを金型の台座として利用するため、台座を形成するために必要な電鋳時間を省略することができる。また、台座は、電鋳により形成されるものではないため、内部応力による金型の反りが少ない。

次に上記の金型の製造方法の第２の変形例について説明する。
金型は、モールド法により樹脂型を形成する工程と、基板上で樹脂型に金属材料からなる層をメッキにより形成する工程と、樹脂型を除去する工程とを備える方法により製造することができる。モールド法により樹脂型を形成する工程において使用される親金型は、前述のリソグラフィ法により製造できる。このため親金型は精密な微細構造体であり、親金型により製造される子金型も精密な微細構造体とすることができる。よって樹脂製薄膜に微細で寸法精度の高い成形を施すことができ、また成形体の表面粗さ（Ｒａ）を１０ｎｍ以下に抑えることができる。また金型によるモールド法が用いられることにより、再現性のよい成形体を一体成形できる。

図２２〜図２７は、本発明の一実施の形態の第２の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法を工程順に示す概略断面図である。まず、図２２に示すように、凸部を有する金型４４を用いて射出成形などのモールド法が行なわれ、図２３に示すような樹脂型４３が製造される。樹脂型の材質は、ポリメチルメタクリレート、ポリプロピレンまたはポリカーボネートなどである。次に、図２４に示すように、樹脂型４３の頂上部に導電性基板４１ｂが形成された後、図２５に示すように、樹脂型４３の一部が研磨または研削される。

その後、図２６に示すように、導電性基板４１ｂをメッキ電極として電鋳が行なわれ、樹脂型４３ａに金属材料層４５が堆積される。必要に応じて研磨または研削により樹脂型４３ａが所定の厚さに揃えられた後、ウエットエッチングまたはプラズマアッシングにより樹脂型４３ａが除去される。これにより、図２７に示すような金型が得られる。この金型は、導電性基板４１ｂを金型の台座として利用するため、台座を形成するために必要な電鋳時間を省略することができる。また、台座は電鋳により形成されるため、内部応力による金型の反りが少ない。

次に上記の金型の製造方法の第３の変形例について説明する。図２８〜図３１は、本発明の一実施の形態の第３の変形例における三次元光学シートの製造に使用される金型の製造方法を工程順に示す概略断面図である。まず、図２８に示すように、凸部を有する金型１４を用いてモールド法が行なわれ、図２９に示すような樹脂型１３が製造される。次に、図３０に示すように、樹脂型１３上に、無電解メッキにより金属材料層１５が形成される。その後、ウエットエッチングまたはプラズマアッシングにより樹脂型１３が除去される。これにより、図３１に示すような金型が得られる。

（実施例１）
本実施例では、図１１〜図１５に示す方法で金型が製造された。まず、基板２１として、スパッタ法によるＴｉ膜を表面上に有する、厚さ５ｍｍ、直径３インチのＳｉ基板が用意された。基板２１上に、厚さ１００μｍのアクリル樹脂からなるレジスト２２が形成された。次に、レジスト２２上にマスク２３が配置され、マスク２３を通してＸ線２４が照射された（図１１）。マスク２３は、透光性基材２３ｂが厚さ２μｍの窒化珪素、Ｘ線吸収層２３ａが厚さ３μｍの窒化タングステンからなるものが用いられた。また、Ｘ線２４としてＳＲが使用され、５０ｍｍ×５０ｍｍの範囲でリソグラフィが行なわれた。

次に、メチルイソブチルケトンによる現像処理と、イソプロパノールによるリンス処理と、純水による洗浄処理とが行なわれた。これにより、図１２に示すようなレジスト２２ｂを有する樹脂型が得られた。次に、電鋳が行なわれ、図１３に示すように、樹脂型にＮｉからなる金属材料層２５が堆積された。電鋳は、樹脂型がスルファミン酸ニッケルメッキ浴に浸漬された状態で行なわれ、樹脂型の頂上部を越えるように金属材料層２５が堆積された。

電鋳後、図１４に示すように、研磨により基板２１（図１３）が除去され、厚さ５００μｍのフラットな構造体を得た。続いて、酸素プラズマによりアッシングが行なわれることでレジスト２２ｂが除去された。これにより金属材料層２５からなる金型が得られた（図１５）。この金型は、凸レンズ部２Ａ（図７）の成形用の金型であり、具体的な断面形状は図８の金型５２ａ（凸レンズ部２Ｌ用の金型）と同様であるが、半径Ｄ₁が５０μｍの半球状の空孔部を有していた。次に、同様の方法により、反射部３ＤＬ（図５）の成形用の金型が製造された。この金型は、具体的な断面形状は図８の金型５３ａと同様であり、Ｔ₁が８０μｍで、Ｙ₁が５０μｍの角柱状の空孔部を有していた。

次に、上記の反射部３ＤＬ用の金型上に、ポリカーボネートフィルムからなる樹脂製薄膜１０が設置され（図８と同様）、その後、凸レンズ部２Ａ用の金型が樹脂製薄膜１０上にセットされ、ポリカーボネートのガラス転移温度（約１４５℃）以上である１６０℃に樹脂製薄膜１０が加熱された。樹脂製薄膜１０の加熱は、金型の直下に設置したヒータにより行なわれた。次に、樹脂製薄膜１０が金型の間で１０ＭＰａで加圧されてモールドされ（図９と同様）、冷却後、金型５２ａ，５３ａが取り除かれた。これにより、凸レンズ部２Ａと反射部３ＤＬとを有する三次元光学シートが得られた（図１０と同様）。

得られた三次元光学シートは、凸レンズ部２Ａの光軸と反射部３ＤＬの光軸とが一致し、凸レンズ部２Ａは、半径Ｄ₂が５０μｍの半球状であり、反射部３ＤＬは、Ｔ₂が８０μｍで、Ｙ₂が５０μｍの角柱状であった。加工精度は±１μｍであり、非常に精度の高い加工を実現できることがわかった。成形後の三次元光学シートが、図１に示す三次元光学シート１ａと同様に、光学素子４と基板５との間に配置された。シート部９の面方向に伝送する光信号が基板５から送られると、光信号６は、反射部３ＤＬにより曲げられ、凸レンズ部２Ａにより光学素子４に集光された。すなわち、光学素子４と基板５とを光接続することができた。

（実施例２）
本実施例では、図２２〜図２７に示す方法により金型が製造された。まず、図２２に示すように、凸部を有するＮｉ製の金型４４を用いて、ポリメチルメタクリレートによる射出成形が行なわれ、図２３に示すような樹脂型４３が製造された。次に、図２４に示すように、樹脂型４３の頂上部に、Ｎｉ製の導電性基板４１ｂが形成された後、図２５に示すように、樹脂型４３（図２４）の一部が研磨された。その後、図２６に示すように、導電性基板４１ｂをメッキ電極として電鋳が行なわれ、樹脂型４３ａにＮｉからなる金属材料層４５が堆積された。その後、ウエットエッチングにより樹脂型４３ａが除去され、図２７に示すような金型が得られた。

この金型は、凸レンズ部２Ｌ（図５）の成形用の金型であり、図８に示すように、金型５２ａは、半径Ｄ₁が５０μｍのカマボコ状の空孔部を有していた。次に、同様の方法により、反射部３ＤＬ（図５）の成形用の金型５３ａが製造された。製造された金型の具体的な形状を図８に示す。反射部３ＤＬの成形用の金型５３ａは、Ｔ₁が８０μｍで、Ｙ₁が５０μｍの角柱状の空孔部を有していた。

次に、図８に示すように、金型５３ａ上に、樹脂製薄膜１０として厚さ２００μｍのポリカーボネートフィルム（住友ベークライト製のＦＳ−１６５０）がセットされた。その後、金型５２ａが樹脂製薄膜１０上にセットされ、ポリカーボネートのガラス転移温度（約１４５℃）以上である１６０℃に樹脂製薄膜１０が加熱された。樹脂製薄膜１０の加熱は、金型５３ａの直下に設置されたヒータ（図示していない。）により行なわれた。次に、樹脂製薄膜１０が金型５２ａ，５３ａの間で１０ＭＰａで加圧され、モールドされ（図９）、冷却後、金型５２ａ，５３ａが取り除かれ、三次元光学シート１ｃが得られた（図１０）。

得られた三次元光学シート１ｃは、凸レンズ部２Ｌの光軸と反射部３ＤＬの光軸とが一致し、凸レンズ部２Ｌは、半径Ｄ₂が５０μｍのカマボコ状であり、反射部３ＤＬは、Ｔ₂が８０μｍで、Ｙ₂が５０μｍの角柱状であった。加工精度は±２μｍであり、非常に精度の高い加工を実現できることがわかった。成形後の三次元光学シート１ｃが、図１に示す三次元光学シート１ａと同様に、光学素子４と基板５との間に配置された。シート部９（図５）の面方向に伝送する光信号が基板５から送られると、光信号６は、反射部３ＤＬにより曲げられ、凸レンズ部２Ｌにより光学素子４に集光された。すなわち、光学素子４と基板５とを光接続することができた。

（実施例３）
本実施例では、図２８〜図３１に示す方法により金型が製造された。まず、図２８に示すように、凸部を有するＮｉ製の金型１４を用いて、ポリメチルメタクリレートによるインプリントが行なわれ、図２９に示すような樹脂型１３が製造された。次に、樹脂型１３の表面がＰｄにより触媒化された後、図３０に示すように、無電解メッキが行なわれ、樹脂型１３上にＮｉからなる金属材料層１５が堆積された。その後、ウエットエッチングにより樹脂型１３が除去され、図３１に示すような金型が得られた。

この金型は、凸レンズ部２Ａ（図７）の成形用の金型であり、具体的な断面形状は図８の金型５２ａ（凸レンズ部２Ｌ用の金型）と同様であるが、半径Ｄ₁が４５μｍの半球状の空孔部を有していた。次に、同様の方法により、反射部３ＤＬ（図５）の成形用の金型が製造された。この金型は、具体的な断面形状は図８の金型５３ａと同様であり、Ｔ₁が７０μｍで、Ｙ₁が４５μｍの角柱状の空孔部を有していた。

次に、上記の反射部３ＤＬ用の金型上に、ポリカーボネートフィルムからなる樹脂製薄膜１０が設置され（図８と同様）、その後、凸レンズ部２Ａ用の金型が樹脂製薄膜１０上にセットされ、ポリカーボネートのガラス転移温度（約１４５℃）より高い１６０℃に樹脂製薄膜１０が加熱された。次に、樹脂製薄膜１０が金型の間で１０ＭＰａで加圧されてモールドされ（図９と同様）、冷却後、金型が取り除かれ、三次元光学シートが得られた（図１０）。

得られた三次元光学シートは、凸レンズ部２Ａの光軸と反射部３ＤＬの光軸とが一致し、凸レンズ部２Ａは、半径Ｄ₂が４５μｍの半球状であり、反射部３ＤＬは、Ｔ₂が７０μｍで、Ｙ₂が４５μｍの角柱状であった。加工精度は±１μｍであり、非常に精度の高い加工を実現できることがわかった。成形後の三次元光学シートが、図１に示す三次元光学シート１ａと同様に、光学素子４と基板５との間に配置された。シート部９の面方向に伝送する光信号が基板５から送られると、光信号６は、反射部３ＤＬにより曲げられ、凸レンズ部２Ａにより光学素子４に集光された。すなわち、光学素子４と基板５とを光接続することができた。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

精度が高く、低コストの光学モジュール、およびその製造方法を提供することができる。

Claims (10)

1. 第１および第２の主面を有するシート部（９）と、前記第１の主面上に設けられた、光を集光するための凸レンズ部（２Ａ，２Ｌ）と、前記第２の主面に沿った光を曲げて前記凸レンズ部（２Ａ，２Ｌ）に入射させることができるように前記第２の主面上に設けられた反射部（３ＤＬ，３ＳＡ，３ＳＬ）とを含む光学シート（１ａ〜１ｄ）と、
   前記光学シート（１ａ〜１ｄ）を支持する基板（５）と、
   前記光学シート（１ａ〜１ｄ）により前記基板（５）に光接続された光学素子（４）とを備え、
   前記基板は、前記反射部を収める凹部を有し、前記反射部は、前記シート部の前記第２の主面から部分的に突出するように前記シート部と樹脂で一体成形された、光学モジュール。
2. 前記反射部（３ＤＬ，３ＳＡ，３ＳＬ）は、前記第２の主面に沿った光の進行方向を９０°曲げることができるように形成された、請求項１に記載の光学モジュール。
3. 前記凸レンズ部（２Ａ，２Ｌ）は、半球状およびカマボコ状のいずれかの形状を有する、請求項１に記載の光学モジュール。
4. 前記凸レンズ部（２Ａ，２Ｌ）は、エリアアレイおよびリニアアレイのいずれかの配置に従って配置されている、請求項１に記載の光学モジュール。
5. 前記反射部（３ＤＬ，３ＳＡ，３ＳＬ）は、金、銀およびアルミニウムよりなる群から選ばれた少なくとも１つの材質により被覆された部分を含む、請求項１に記載の光学モジュール。
6. 前記光学シートは、電子線が照射されたことにより架橋された部分を有する、請求項１に記載の光学モジュール。
7. 前記凸レンズ部（２Ａ，２Ｌ）および前記反射部（３ＤＬ，３ＳＡ，３ＳＬ）は金型（５２ａ，５３ａ）を用いたモールド法により形成された、請求項１に記載の光学モジュール。
8. 前記金型（５２ａ，５３ａ）は、
   リソグラフィ法により樹脂型を形成する工程と、
   メッキ法により前記樹脂型上に金属材料からなる層を形成する工程と、
   前記樹脂型を除去する工程とを含む方法により製造された、請求項７に記載の光学モジュール。
9. 前記金型（５２ａ，５３ａ）は、
   モールド法により樹脂型を形成する工程と、
   メッキ法により前記樹脂型上に金属材料からなる層を形成する工程と、
   前記樹脂型を除去する工程とを含む方法により製造された、請求項７に記載の光学モジュール。
10. 第１および第２の主面を有するシート部（９）と、前記第１の主面上に設けられた、光を集光するための凸レンズ部（２Ａ，２Ｌ）と、前記第２の主面に沿った光を曲げて前記凸レンズ部（２Ａ，２Ｌ）に入射させることができるように前記第２の主面上に設けられた反射部（３ＤＬ，３ＳＡ，３ＳＬ）とを含む光学シート（１ａ〜１ｄ）を準備する工程と、
    前記光学シート（１ａ〜１ｄ）により光学素子（４）が基板（５）に光接続されるように前記光学素子（４）を前記基板（５）に実装する工程とを備え、
    前記基板は、前記反射部を収める凹部を有し、前記反射部は、前記シート部の前記第２の主面から部分的に突出するように前記シート部と樹脂で一体成形された、光学モジュールの製造方法。

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