JPH06160610A - 不連続多位相フレネルレンズ製造方法 - Google Patents

不連続多位相フレネルレンズ製造方法

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JPH06160610A
JPH06160610A JP2403796A JP40379690A JPH06160610A JP H06160610 A JPH06160610 A JP H06160610A JP 2403796 A JP2403796 A JP 2403796A JP 40379690 A JP40379690 A JP 40379690A JP H06160610 A JPH06160610 A JP H06160610A
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JP
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layer
phase
lens
mask
etching
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JP2403796A
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Babur B Hadimioglu
ハドミオグル バーバー
Rene A Lujan
アコスタ リュイアン ルネ
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Xerox Corp
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    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
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    • G—PHYSICS
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的厳しい設計仕様に準拠して不連続多位
相フレネルレンズ形式の光学レンズおよび音響レンズを
経済的かつ確実に製造することである。 【構成】 本方法は、耐蝕性基板上に食刻可能物質の層
を堆積させるステップと、次に食刻可能物質の層を写真
平板法でパターニングして、不連続多位相フレネルレン
ズの半径方向位相プロフィルを形成するステップから成
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、不連続多位相(Multi-d
iscrete-phase)フレネルレンズ、より詳細には前記レン
ズを製作する改良された方法に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】不連続多位相フレネル
レンズは、光学的用途のために提案されたものである
（Swanson et al., ”Infrared Applications of Diffr
active Optical Elemen-ts," Holographic Optics:Desi
gn and Applications,SPIE Vol.883,1988,pp155-162 参
照）。しかし、比較的厳しい設計仕様に準拠した上記形
式の光学レンズや音響レンズを製造する経済的かつ信頼
性の高い方法が要請されている。
【０００３】
【課題を解決するための手段】以上およびその他の要請
に応じて、本発明は、標準的な大面積半導体集積回路製
造技術を用いて不連続多位相フレネルレンズを製造する
方法を提供する。不連続多位相フレネルレンズの位相プ
ロフィルは、本発明に従って、耐蝕性基板の上に成長さ
せた、もしくは堆積させた腐食可能物質の層を写真平板
法でパターニングすることによって形成される。
【０００４】本発明の他の特徴および利点は、添付図面
を参照して以下の詳細な説明を読まれれば明らかになる
であろう。
【０００５】
【実施例】図１を参照すると、不連続多位相フレネルレ
ンズ１２ａは、理論的に理想的な効率100 ％のフレネル
ゾーンプレートの連続位相プロフィルに近い量子化され
た位相プロフィルを有することがわかる。レンズ１２ａ
はたまたま平凸屈折レンズを模擬するように設計された
集音レンズであるが、本発明は各種の不連続多位相光学
フレネルレンズや音響フレネルレンズの製造に利用でき
ることは明らかであろう。また、レンズ１２ａの集束効
率および最狭部分（図示した最も外側の位相階段）の幅
は、相プロフィルを量子化する不連続位相レベルの数ｎ
によって決まることは理解されるであろう。詳しく述べ
ると、Swanson et al の論文に記載されているように、
２位相、４位相、８位相および１６位相の実施例は、そ
れぞれ、約41％、81％、95％および99％の効率で軸方向
入射放射を回析して、集束された＋１次回析にする。残
りの入射エネルギーは回析されて、より高次の＋回析お
よび−回析になるが、ほとんど零次回析にならない。
【０００６】４位相の実施例は、本発明に従って、現在
利用可能な半導体集積回路写真平板製造技術を用いて容
易に製作することができるので、図１に４つの不連続位
相レベルを有するレンズ１２ａを示す。詳しく述べる
と、図２に示すように、レンズ１２ａは、約8603 m/sec
の縦波音速を有するａ-Si 層２３をパターニングして作
られた集音レンズであり、167 MHz の公称周波数を有す
る軸方向入射平面波の音波放射を、1500 m/secの縦波音
速を有する中間液体層を通して、＋１次回析の場合、30
0 μm の焦点距離に集束する。また、レンズ１２ａは、
f/1 の f/numberを持つように設計される。これらの設
計パラメータに関して、レンズ１２ａの半径方向位相プ
ロフィル（ρk ，ｈk ）および各位相階段に関するおお
よその相対位相進みｗk は、表１の通りである（全ての
寸法の単位はミクロンである）。
【０００７】ここで、ｋk は無次元位相階段の見出し番
号、ρk はレンズ１２ａの開口中心からｋ番目の位相転
移までの半径方向距離、およびｈk は下の基板２２の表
面に対するレンズ１２ａのｋ番目の位相階段の高さであ
る。図２から判るように、レンズ１２ａの開口内には１
６のπ／２ラジアン位相転移があり、それらは空間的に
順序づけられ、４つの完全な２πラジアンの位相サイク
ルを形成している。放射波面の音速が、レンズ１２ａか
ら液体層（図示せず）の中に伝播するにつれて減少する
ので、これらの位相転移によって生じた＋１次回析の相
対位相変化は相対「位相進み」ｗk で表される。上記の
理由で、レンズ１２ａは、＋１次回析の場合の「位相遅
れ」が、その開口より半径方向に、ほぼ半径方向距離ρ
k の２乗の関数で減少し、レンズ１２ａが平凹屈折レン
ズを模擬するように設計される。
【０００８】本発明に従って、レンズ１２ａは、通常の
写真平板法を用いて、耐蝕性基板２２の実質上平坦な面
の上に成長させた、もしくは堆積させた食刻可能物質の
層２３をパターニングすることによって作られる。レン
ズ１２ａは後方より平面波放射で軸方向に照射されるの
で、基板２２と食刻可能層２３は、前記放射に対し十分
に透明な物質で作られる。たとえば、音響レンズの場合
には、基板２２は水晶またはガラスが適当であるが、食
刻可能層２３は一般にａ-Si で作られる。典型的な４位
相レンズ１２ａの最狭部分の幅は約５μｍであり（表１
の見出し番号１５参照）、明らかに、標準的な大面積マ
イクロエレクトロニック写真平板パターニング処理の分
解能の限界内にある。確かに、対応する８位相レンズの
最狭部分の幅は約2.5 μｍであるので、最近の写真平板
法の能力と矛盾しない。
【０００９】基板２２の上に堆積させて、レンズ１２ａ
の最も高い位相階段の高さに実質上等しい厚さ（すなわ
ち、２π(n-1)/n ラジアン）を有する実質上平坦なａ-S
i 層または類似の物質層２３にするとき、その食刻可能
層２３の厚さを十分な精度で制御することが可能であれ
ば、さらに予備エッチング処理する必要はない。しか
し、場合によっては、最初に基板２２上に食刻可能物質
層をかなり厚く成長させたあと、食刻可能層を研磨して
所望の厚さおよび平坦さにするほうが容易であるかも知
れない。
【００１０】図２を参照すると、食刻可能層２３を食刻
してレンズ１２ａの位相プロフィルを形成するのに、１
回以上の写真平板エッチング工程が用いられていること
が判るであろう。Ｎ個のバイナリー加重振幅マスクで、
ｎ個の不連続位相レベルを有するフレネルレンズ１２ａ
〜１２ｉの位相プロフィルを形成することができる。こ
こで、ｎ＝法(modulo)−２整数(integer) 、そして２Ｎ
＝ｎである。多マスクセットの個々のマスクは任意の所
望の順序で層２３に食刻することができるが、バイナリ
ー加重マスクセットのマスクを層２３に食刻する深さ
は、それぞれのバイナリーウェイトに応じて変わる。詳
しく述べると、バイナリー加重マスクセットのマスク
を、最も重く加重したマスクから最も軽く加重したマス
クの順序で連続的に番号を付けるため、カウント番号の
インデックス値ｉを使用すれば、マスク番号ｉの食刻の
深さは、ｄi ＝２(1-i) πラジアンで与えられる。ここ
で、ｉ＝１，２，．．．Ｎである。
【００１１】もちろん、複数のマスクを使用する場合に
は、必ず、マスク整合装置（図示せず）を使用して、連
続するマスクパターンを適切な精度で整合すべきであ
る。
【００１２】標準写真平板法を使用してレンズに所望の
位相プロフィルを付与するために、食刻可能層２３に通
常の紫外線感光フォトレジスト３１が被覆される。次に
フォトレジスト３１が第１マスク３２のバイナリー振幅
パターンに従って紫外線放射にさらされる。次に、ウェ
ットエッチウォシングなどによって、層２３から露光し
たフォトレジストが除去される。次に、異方性エッチン
グたとえば反応イオンエッチングを用いて、層２３の露
光領域から、マスク３２のバイナリーウェイトで決まる
深さまでの食刻可能物質が除去される。異方性エッチン
グは、実質上垂直な側壁をもつ位相階段を作り、隣り合
う位相階段間に急峻な位相転移を生じさせるので、好ま
しい。
【００１３】最初のマスク３２のパターンが層２３に食
刻されたあと、残っているフォトレジスト３１が除去さ
れる。続いて、上記のプロセスが必要な回数だけ繰り返
されて、任意の数の追加マスクパターンが層２３に次々
に食刻される。前に指摘したように、バイナリー加重振
幅マスクの多マスクセットの場合の食刻の深さは、マス
クごとに異なる。しかし、すべての食刻の累積深さは数
式１で与えられるので、耐蝕性基板２２が最後のエッチ
ングに対し有効なエッチングストップになる。
【００１４】
【発明の効果】単一レンズを製造する場合について説明
したが、レンズの精密な中心間距離が要求される諸用途
を含め、一次元および二次元レンズ配列を製造する場合
にも本発明を同様に使用できることが理解されるであろ
う。確かに、本発明に従って不連続多位相フレネルレン
ズを製造することができる精度は、写真平板法半導体集
積回路製造技術水準の現時点の精度のみによって制限さ
れる。したがって、その精度はおそらく写真平板法の精
度の今後の向上と共に向上するであろう。主として集音
レンズの製造に本発明を応用する場合について述べた
が、本発明は光学レンズや他の形式の音響レンズにも使
用できることは明らかであろう。
【００１５】
【表１】
【００１６】
【数１】
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的な不連続多位相フレネルレンズの半径方
向プロフィルの略図である。
【図２】本発明の不連続多位相フレネルレンズを製造す
る方法の工程図である。
【符号の説明】
１２ａ 不連続多位相フレネルレンズ ２２ 耐蝕性基板 ２３ 食刻可能層 ３１ 紫外線感光フォトレジスト ３２ マスク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ルネ アコスタ リュイアン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94086 サニーヴェイル ３ サウス バ ーナード 440

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所定の半径方向位相プロフィルを有する
    不連続多位相フレネルレンズを製造する方法であって、 耐蝕性基板の上に食刻可能物質の層を堆積する工程と、 前記レンズの半径方向位相プロフィルに従って、前記食
    刻可能物質の層を写真平板法でパターニングする工程、
    から成ることを特徴とする方法。
JP2403796A 1989-12-26 1990-12-19 不連続多位相フレネルレンズ製造方法 Pending JPH06160610A (ja)

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US45690889A 1989-12-26 1989-12-26
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