JP6391762B2 - レンズウェーハを製造する方法および装置 - Google Patents

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本発明は、請求項1および請求項5に記載の、多数のマイクロレンズを有するレンズウェーハを製造し、特に型押し加工(インプリント)する方法および装置に関する。
マイクロレンズは第1に、光学式フォーカシング装置を必要とする装置、たとえば携帯電話のカメラに使用される。小型化を求める要求に基づき、機能的な領域はますます小型化されることが望まれる。マイクロレンズに求められる小型化が進めば進むほど、マイクロレンズの光学的に正確な製造はますます困難となる。なぜならば、それと同時に、理想的には大量生産で製造されるべきマイクロレンズのために法外なコスト要求が課せられるからである。
光学系は、静的および/または動的な凸レンズまたは凹レンズから成っていてよい。マイクロレンズは相応する支持基板の上またはその内部に個々に型押しされるか、またはモノリシックなウェーハの一部である。これらのモノリシックなウェーハはすなわち、支持体なしのレンズフィールドを成す。これに関連して、「支持体なし」とは、レンズが固有の支持体に成形される必要がないことを意味する。それどころか、レンズ材料は相応する面に沿って上側のスタンプおよび/または下側のスタンプによって変形加工されてレンズフィールドを形成する。このレンズフィールドは自己支持性を有している。小型化の進行は、支持体なしのこのようなレンズ範囲の使用により促進される。支持体なしのレンズフィールドは、一方では薄型レンズの光学的デザインにおけるより、大きな自在性を提供し、他方では製作時における高い精度を提供する。さらに、レンズフィールドは単個品として製造され、レンズと支持体とを互いに合体させ、その取り扱い、輸送および相互の結合が容易である。レンズウェーハを、相応する型押し型または型押しスタンプから分離することには、大きな技術的な問題を成している。
本発明の根底を成す課題は、特に全自動的のプロセスにおいて、レンズウェーハの剥離が改善されるような装置もしくは方法を提供することである。
この課題は、請求項1および請求項5の特徴部に記載の特徴によって解決される。本発明の有利な実施態様は、従属請求項に記載されている。明細書、請求の範囲および/または図面に記載された少なくとも2つの特徴から成る全ての組み合わせも本発明の枠内にある。記載された数値範囲では、挙げられた範囲内に存在する値も、限界値として開示されているとみなされ、かつ任意に組み合わされた形でも適用可能である。
本発明が基礎とする思想は、レンズウェーハを硬化させる前に、硬化させられたレンズウェーハを第1の型押しスタンプおよび/または第2の型押しスタンプから剥離するための少なくとも1つの離型エレメントを、第1の型押しスタンプと第2の型押しスタンプとの間に配置することである。本発明におけるこのような手段によって、第1の型押しスタンプと第2の型押しスタンプとの間に型押し材料を導入する際の時間および/または第1の型押しスタンプおよび第2の型押しスタンプを互いに位置合わせする際の時間および/または型押し材料を型押しする際もしくは型押しスタンプの互いに接近する方向での運動の際の時間が、少なくとも1つの離型エレメントの位置決め/配置のために利用される。これによって、本発明によれば、型押し材料を硬化させた直後にレンズウェーハの剥離を開始することが可能となる。したがって、本発明による装置および本発明による方法は、特にモノリシックなレンズウェーハのために適している。
換言すると、本発明は、本発明におけるレンズウェーハの一次成形の前に、工具、特に離型エレメントを、上側の型押しスタンプと下側の型押しスタンプとの間に組み込んで、特にモノリシックなレンズウェーハの一次成形時に、一次成形されたレンズウェーハと工具(離型エレメント)との間に形状結合式の結合が形成されるようにすることにある。形状結合式の結合とは、相互の部材の嵌め合い係合によって結合されることを意味している。形状結合式の結合によって、レンズウェーハを下側の型押しスタンプおよび/または上側の型押しスタンプから剥離することが可能となるので特に有利である。
したがって、本発明は特に、支持体なしのレンズウェーハにおける使用に適している。
本発明の重要な利点は、上側の型押しスタンプおよび/または下側の型押しスタンプからの特に、支持体なしのレンズウェーハの離型が、少なくとも十分に損傷なしに、かつ大量生産に適した生産手段のために自動化されて実施可能であることである。
本発明の有利な実施態様によれば、離型エレメントが、端面を備えた加圧区分を有しており、この加圧区分の外側輪郭は、加圧区分が、マイクロレンズの一次成形のための下側のレンズ型および/または上側のレンズ型の外側に位置する、特に下側のスタンプおよび/または上側のスタンプの周面に配置された、構造化されていない領域内に配置可能となるように成形されている。このようにして、剥離のための離型エレメントのために必要とされる加圧範囲は、レンズウェーハにおけるマイクロレンズの歩留まりが減少されないように配置され得る。
この場合、離型エレメントの端面が、少なくとも加圧区分において、レンズウェーハの型押し厚さよりも小さな、特に一様な厚さdを有していると特に有利である。レンズウェーハの型押し厚さは特に2000μmよりも小さく、有利には1500μmよりも小さく、さらに有利には1000μmよりも小さく、最も有利には500μmよりも小さい。この場合、厚さdは、型押し厚さの1/5よりも大きく、有利には1/3よりも大きく、さらに有利には1/2よりも大きく、最も有利にはレンズウェーハの3/4よりも大きい。
少なくとも1つの下側の離型エレメントが、下側のスタンプの円周区分に当て付けるために使用され、少なくとも1つの上側の離型エレメントが、特に間隔を置いて配置され、有利には対向して位置する円周区分に当て付けるために使用される場合、上側のスタンプと下側のスタンプとからレンズウェーハ剥離させるためには、それぞれ少なくとも1つの別個の離型エレメントが設けられ得るので、各離型エレメントは、理想的には各スタンプに対して位置決めされ得る。
本発明によれば、以下の方法ステップが、特に以下に挙げられる順序で行われる。
−特に前記装置の被着装置、特に精確に制御可能なディスペンサを用いて、型押し材料を下側のスタンプまたはウェーハ(レンズウェーハとマイクロレンズとのための支持ウェーハ)に被着させるステップと、
−少なくとも1つの離型エレメントを、下側のスタンプと、特にこの下側のスタンプに対して位置合わせされた上側のスタンプとの間に配置するステップと、
−型押し材料を、上側のスタンプによって(すなわち下側のスタンプと上側のスタンプとを互いに接近する方向に運動させることによって)型押しするステップと、
−型押し材料を硬化させるステップであって、離型エレメントの配置を硬化の前に行うステップ。
本発明によれば、離型エレメントの加圧区分が、上側のスタンプの構造化されていない領域に配置されると有利である。
本発明によればさらに、レンズウェーハが、硬化のあとに離型エレメントを用いて、下側のスタンプおよび/または上側のスタンプから剥離されることが有利である。
硬化は、熱的にかつ/または電磁放射によってかつ/または化学的に行われる。
熱的な硬化の場合、下側のスタンプおよび/または上側のスタンプが、相応に高い熱伝導率を有していると有利である。熱伝導率は、0,01W/(m・K)〜500W/(m・K)であり、有利には1W/(m・K)〜500W/(m・K)である、さらに有利には10W/(m・K)〜500W/(m・K)であり、最も有利には100W/(m・K)〜500W/(m・K)である。
電磁放射線による硬化の場合、上側のスタンプおよび/または下側のスタンプは、硬化を生ぜしめるあらゆる波長に対して透過性である。たいていの材料は有利には紫外線によって硬化させられるので、有利な透過性範囲は10nm〜400nmである。電磁放射線を用いる実施態様は、本発明による有利な実施態様を成す。
化学的な硬化の場合、上側のスタンプおよび/または下側のスタンプは、相応する化学物質が型押し材料へのアクセス路を備えるように構成されている。硬化は、多孔質のスタンプまたは特にスタンプ内に加工成形されたマイクロチャネルおよび/またはナノチャネルを通じて行われる。
離型エレメントは有利には、耐腐食性で安価で、かつ軽量の高強度の材料から成る。離型工具は、以下に挙げる材料のうちの少なくとも1種の材料から成り得っていてよい:
・金属
・セラミックス
・ガラス
・グラファイト
・ポリマ
・複合材料
さらに、本発明によれば、離型エレメントが、レンズ材料に対して小さな接着特性を有していると有利である。この場合、離型エレメントは、その材料固有の特性に基づいて、レンズ材料に対して小さな接着力を有するか、または相応して付着防止層でコーティングされる。特にコーティングのためには、とりわけ有機分子が適している。特に適しているのは、フッ素含有および/またはチオール含有の有機分子、たとえばPFPE(パーフルオロポリエーテル)のようなプラスチックが適している。また、離型工具を単層で析出させることのできる特別な付着防止層でコーティングすることも考えられる。
離型エレメントが良熱伝導性の材料から成る場合、本発明によれば、熱的な硬化のために離型エレメントを介して熱を導入することも考えられる。
1つの側当たりの離型エレメントの数は1つであり、有利には2つであり、さらに有利には3つであり、極めて有利には4つであり、最も有利には4つより多い。使用される離型エレメントが多くなればなるほど、加圧区分および/または個々の、隣接する離型エレメントの間の相互距離はますます小さくなる。このことは、離型時の曲げ強度に好都合に作用する。
本発明の特別の実施態様では、上側の離型エレメントと下側の離型エレメントとが、周面に沿って交互に配置されており、この場合、本発明によれば、少なくとも部分的なオーバーラップが設けられていてよい。
本発明による別の実施態様では、各離型エレメントが、それぞれ反対の側に、この離型エレメントと輪郭の一致した、特に整合して向かい合って相応する離型エレメントを有している。
本発明の1実施態様において、少なくとも部分的に、有利には大部分で重なり合って位置するか、もしくは対向して位置するように整合した離型エレメントが設けられている場合には、安定性と、安定した離型との改善のために、レンズウェーハの縁部における外側輪郭を改良することができる。したがって、本発明の有利な1実施態様では、上側のスタンプおよび/または下側のスタンプの改良が、離型工具を使用したいあらゆる個所に、離型凹部を設けることによって行われている。これによってレンズウェーハは、特にその平均的な厚さの減少なしに、離型工具を介して拡張され、型押し工程のあとで安定的に離型され得る。
さらに、レンズウェーハから個別化によって製造されている1つの(特に複数の)マイクロレンズは、独立した発明とみなすことができる。
本発明において説明した装置および/または本発明において説明した方法によって製造されているレンズウェーハも独立した発明とみなすことができる。
本発明の別の利点、特徴および細部は、以下に図面につき説明する有利な実施態様から明らかとなる。
図1bのA−A線に沿って断面した、本発明の第1実施形態における、本発明による離型エレメントを有する上側のスタンプの概略的な平面図である。 図1cのC−C線に沿って断面した、第1実施形態における、本発明による装置の概略的な断面図である。 図1bのB−B線に沿って断面した、下側のスタンプおよび本発明による離型エレメントの概略的な平面図である。 本発明の第1の方法ステップであり、下側の離型エレメントを配置するステップ。 第2の方法ステップであり、型押し材料を被着させるステップ。 第3の方法ステップであり、上側の離型エレメントを配置し、上側のスタンプを下側のスタンプに対して配置しかつ位置合わせするステップ。 第4の方法ステップであり、型押し材料を型押しするステップ。 第5の方法ステップであり、型押し材料を、特に上側のスタンプを通じて硬化させるステップ。 第6の方法ステップであり、上側のスタンプを、硬化させられたレンズウェーハから離型するステップ。 第7の方法ステップであり、下側の型押しスタンプを、硬化させられたレンズウェーハから離型するステップ。 本発明による、スタンプの第2実施形態における第7の方法ステップであり、下側の型押しスタンプを、硬化させられたレンズウェーハから離型するステップ。 2つの離型エレメントを有する、本発明の第2の実施形態の概略図である。 3つの離型エレメントを有する、本発明の第3の実施形態の概略図である。 4つの離型エレメントを有する、本発明の第4の実施形態の概略図である。
図面には、本発明の利点および特徴部について、これらをそれぞれ識別する、本発明の実施形態に係る参照符号が付してある。同一または同様の機能を有する部材もしくは特徴部には、同一の参照符号が付してある。
図1aないし図1cに示された本発明の実施形態には、装置の主要構成要素のみが示されており、その他の構成要素は図示されていない。なぜならば、これらの構成要素の構成は、当業者にとって自明であるか、または後述する機能の説明から一義的に明らかになるからである。
この装置は、下側の型押しエレメント11と、上側の型押しエレメント10と、特に各型押しエレメント10,11に対応する離型エレメント5,5’とを有している。下側の型押しエレメント11は、保持部1に下側のスタンプ2を受容するために使用され、上側の型押しエレメント10は、保持部3に上側のスタンプ4を受容するために使用される。下側の型押しエレメント11と上側の型押しエレメント10とは、相互に相対的に移動可能であり、上側の型押しエレメント10と下側の型押しエレメント11とをアライメントするための手段が設けられており、この手段は特に、制御装置(図示しない)によって制御される。保持部1および/または保持部3は、それぞれスタンプ2および/またはスタンプ4のためのいかなる任意の位置固定手段であってもよい。特別な場合には、保持部1および/または保持部3はいわゆる「バックプレーン」であり、スタンプ2および/またはスタンプ4は、保持部1および/または保持部3と解離不能に結合されている。
下側のスタンプ2は、上側のスタンプ4に面した側に、レンズウェーハ6の多数のマイクロレンズ15の機能面(光学系)を成形/型押しするための、多数の下側のレンズ型7を有している。上側のスタンプ4は、下側のスタンプ2に面した側に、多数のマイクロレンズ15の第2の機能面(光学系)を成形/型押しするための、上側のレンズ型8を有している。したがって、下側のスタンプ2および上側のスタンプ4は、対応する配置を備えた同数のレンズ型7,8を有している。
したがって、下側のスタンプ2と上側のスタンプ4とは、下側のレンズ型7および/または上側のレンズ型8の外部に、それぞれ構造化されていない領域13,14を有しており、この領域13,14はそれぞれ、実質的に互いに平行に延びる1つの平面を形成している。
特に、モジュール式に交換可能に構成されている離型エレメント5,5’は、下側のスタンプ2および上側のスタンプ4に対して可動でかつ位置合わせ可能である。離型エレメント5,5’は、保持区分5h,5h’と、この保持区分5h,5h’に一体成形された加圧区分12,12’とを有している。この加圧区分12,12’は、離型エレメント5,5’の端面5s,5s’に配置されている。保持区分5h,5h’は、位置決め装置(図示しない)、特にロボットアームによって、離型エレメント5,5’を保持しかつ運動させるために使用される。離型エレメント5,5’は、相応する駆動装置によって個別に制御されるか、または有利には単純な電気的および/または機械的な機械エレメントによって互いに連結されていてもよい。純粋たる電気的、機械的、ニューマチック的、またはハイドロリック的な駆動装置が考えられ、これらの装置は離型を実施するために、位置制御を実行し、かつ/または相応する力を付与する。すべての離型エレメントはセンサを備えることができ、センサは相応する駆動装置に、制御回路を介して接続されている。これにより、ハードウェアおよび/またはソフトウェア制御された離型が可能となる。
端面5s,5s’は特に、加圧区分12,12’がレンズウェーハ6の、構造化されていない領域を加圧するように成形されている。有利には、上側のスタンプ4に対応した離型エレメント5’が、特に、構造化されていない領域14において上側のスタンプ4の周面に接触している。特に、下側のスタンプ2に対応する別の離型エレメント5は、構造化されていない領域13において下側のスタンプ2の周面に接触している。
離型エレメント5,5’は、少なくとも加圧区分12,12’において、型押し厚さD(構造化されていない平坦な領域13,14の間の距離)よりも小さい厚さdを有している。
端面5s,5s’は、スタンプ2,4の所定の円周区分にわたって延在していると有利であり、スタンプ2,4の円周の1/4よりも小さな区分にわたって延びていると有利である。特に、端面5s,5s’はスタンプ2,4に対して同心に延びるように形成されている。
離型エレメント5,5’の本発明における機能は、型押し/硬化の前、その間、およびその後に、型押しされた少なくとも1つのモノリシックなレンズウェーハ6を位置固定し、安定化させかつ/または分離することにある。
図2aに示した第1のプロセスステップでは、下側のスタンプ2に対応する離型エレメント5の下側5uが、特に下側のスタンプ2の構造化されていない領域13の上にのみ配置され、特に接触している。
図2bに示した別のプロセスステップでは、硬化されていない型押し材料9が、下側のスタンプ2に被着される。被着はディスペンサシステム(図示しない)によって行われる。
図2cに示した第3のプロセスステップでは、上側のスタンプ4が位置決めされる。両スタンプ2,4の相互位置決めは、相応する位置合わせ技術、またはアライメントシステムによって、または純然たる機械式に行われ得る。型押し材料9を上側のスタンプ4によって型押しする前(すなわちスタンプ2,4による型押し材料9の接触の前)に、上側のスタンプ4に対応する離型エレメント5’の上側5o’が、構造化されていない領域14の下に配置され、特に接触している。
図2dに示した第4のプロセスステップでは、両スタンプ2,4が互いに相対的に近付けられ、これによって型押しが行われる(レンズウェーハ6の一次成形、特に硬化を含む)。
図2eに示した別のプロセスステップでは、モノリシックなレンズウェーハ6が、硬化プロセスによって硬化される。その際、硬化はあらゆる公知の方法によって行われ得る。たとえば化学的により、電磁放射により、または熱により硬化が行われ得る。図示した場合では、上側のスタンプ4を通じて電磁放射によって硬化が行われ、このことは有利な実施形態を成す。
図2fに示した別のプロセスステップでは、スタンプをモノリシックなレンズウェーハ6から離型するために、上側のスタンプ4が、モノリシックなレンズウェーハ6から離れる方向に運動させられる。その際、上側のスタンプ4に対応する離型エレメント5’によって、レンズウェーハ6を、加圧区分12’の範囲において上側のスタンプ4の運動に対して逆方向の力で加圧することにより、レンズウェーハ6が剥離時に破壊されることが阻止される。これによって剥離が支援される。
図2gに示した別のプロセスステップでは、同様にして下側のスタンプ2が、モノリシックなレンズウェーハ6から離型され、この場合、下側のスタンプ2では下側のスタンプ2に対応する離型エレメント5を用いて離型される。
レンズウェーハ6の厚さを最小限に抑えると同時に、離型エレメント5,5’の可能な限り良好なオーバーラップを得るために、図2hに示した有利な実施形態では、スタンプ2,4のうち少なくともいずれか一方が、離型エレメント5,5’の端面5s,5s’の形状に相当する離型凹部16を有している。有利には、上側のスタンプ4も下側のスタンプ2も、周面に分配された全ての離型エレメント5,5’のための離型凹部16を有している。このようにして、レンズウェーハ6の縁部における厚さは全周面にわたって分配され均一のままとなるので、レンズウェーハ6の損傷が回避され得る。
前述のプロセスの制御は、前記装置の、特にソフトウェア支援された制御装置によって行われる。
図3aないし図3cには、それぞれ2つ、3つまたは4つの互いに対称的にスタンプ2,4の周面に分配されて配置されている離型エレメント5,5’,5’’,5’’’および5IVを有する別の実施形態が示されている。有利には、スタンプ1つにつきそれぞれ少なくとも2つの離型工具が使用され、さらに有利には少なくとも3つ、極めて有利には少なくとも4つ、最も有利には4つより多い離型工具が使用される。
離型エレメント5,5’,5’’,5’’’,5IVは、上で説明した離型エレメント5,5’と同様に機能する。離型エレメント5ないし5IVは特に、それぞれ対応する保持部1,3、もしくはスタンプ2,4に対して相対的に位置固定可能である。
上側のスタンプ4に対応する離型エレメントが、下側のスタンプ2に対応する離型エレメントに対して相補的に、スタンプ2,4の周面に分配されて配置されると有利である。
本発明によれば離型時には、有利には離型エレメント5,5’,5’’,5’’’,5IVを、付加的な支持工具によって助成すること、および/または離型エレメント5,5’,5’’,5’’’,5IVをレンズウェーハ6の周面に分配して、レンズウェーハ6の構造化されていない領域においてクランプを用いて、下側のスタンプ2および/または上側のスタンプ4からのレンズウェーハ6の剥離を助成することが考えられる。
1 保持部
2 下側のスタンプ
3 保持部
4 上側のスタンプ
5,5’5’’,5’’’,5IV 離型エレメント
5u 下側
5s,5s’ 端面
5h,5h’ 保持区分
6 レンズウェーハ
7 下側のレンズ型
8 上側のレンズ型
9 型押し材料
10 上側の型押しエレメント
11 下側の型押しエレメント
12,12’ 加圧区分
13 構造化されていない領域
14 構造化されていない領域
15 マイクロレンズ
16 離型凹部
d 厚さ
D 型押し厚さ

Claims (7)

  1. 多数のマイクロレンズ(15)を有するレンズウェーハ(6)を製造する装置であって、
    −両スタンプ(2,4)の間に導入された流動性の型押し材料(9)からレンズウェーハ(6)を型押しするための上側のスタンプ(4)および下側のスタンプ(2)と、
    −型押しされたレンズウェーハ(6)を硬化させる硬化手段と、
    を備えた、レンズウェーハ(6)を製造する装置において、
    硬化されたレンズウェーハ(6)を剥離させるための少なくとも1つの離型エレメント(5,5’,5’’,5’’’,5IV)が、硬化の前に前記下側のスタンプ(2)と前記上側のスタンプ(4)との間に配置可能であり、
    少なくとも1つの前記離型エレメント(5,5’,5’’,5’’’,5 IV )は、前記下側のスタンプ(2)および/または前記上側のスタンプ(4)の表面に接触しており、
    少なくとも1つの前記離型エレメント(5,5’,5’’,5’’’,5 IV )は、側方に配置可能であり、
    前記離型エレメント(5,5’,5’’,5’’’,5 IV )は、前記レンズウェーハ(6)に対する接着を防止する付着防止層によりコーティングされていることを特徴とする、レンズウェーハ(6)を製造する装置。
  2. 前記離型エレメント(5,5’,5’’,5’’’,5IV)が、端面(5s,5s’)を備えた加圧区分(12,12’)を有し、該加圧区分(12,12’)の外側輪郭は、前記加圧区分(12,12’)が、前記マイクロレンズ(15)の成形のための下側のレンズ型(7)および/または上側のレンズ型(8)の外側に位置する構造化されていない領域に配置可能となるように成形されている、請求項1記載の装置。
  3. 前記離型エレメント(5,5’,5’’,5’’’,5IV)の前記端面(5s,5s’)が、少なくとも前記加圧区分(12,12’)において、2000μmよりも小さ一様な厚さ(d)を有する、請求項2記載の装置。
  4. 当該装置が、前記下側のスタンプ(2)の円周区分に当て付けるための少なくとも1つの前記下側の離型エレメント(5,5’,5’’,5’’’,5IV)と、前記上側のスタンプ(4)の円周区分に当て付けるための少なくとも1つの前記上側の離型エレメント(5,5’,5’’,5’’’,5IV)とを有する、請求項1から3までのいずれか1項記載の装置。
  5. 多数のマイクロレンズ(15)を有するレンズウェーハ(6)を製造する方法であって、以下のステップ
    −型押し材料(9)を下側のスタンプ(2)またはウェーハに被着させるステップと、
    −少なくとも1つの離型エレメント(5,5’,5’’,5’’’,5IV)を、前記下側のスタンプ(2)と、該下側のスタンプ(2)に対して位置合わせされた上側のスタンプ(4)との間に配置するステップと、
    −前記型押し材料(9)を前記上側のスタンプ(4)によって型押しするステップと、
    −前記型押し材料(9)を硬化させるステップと、
    を有する製造方法において、
    前記離型エレメントの配置を、硬化の前に行い、
    少なくとも1つの前記離型エレメント(5,5’,5’’,5’’’,5 IV )は、前記下側のスタンプ(2)および/または前記上側のスタンプ(4)の表面に接触させており、側方に配置し、
    前記離型エレメント(5,5’,5’’,5’’’,5 IV )を、前記レンズウェーハ(6)に対する接着を防止する付着防止層によりコーティングすることを特徴とする、レンズウェーハ(6)の製造方法。
  6. 前記離型エレメント(5,5’,5’’,5’’’,5IV)の加圧区分(12,12’)を、前記上側のスタンプ(4)の構造化されていない領域(14)に配置する、請求項5記載の方法。
  7. レンズウェーハ(6)を、硬化のあとに前記離型エレメント(5,5’,5’’,5’’’,5IV)を用いて、前記下側のスタンプ(2)および/または前記上側のスタンプ(4)から剥離させる、請求項5または請求項6記載の方法。
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