JPH0749403A - マイクロ光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、製造が容易で精密なマイクロ光学
素子の製造方法を得ることを目的とする。 【構成】 マスク材料の層12で基体の表面を被覆し、基
体の選択された部分を露出するためにマスク材料12を通
る１以上の開口14を形成し、基体の選択された部分がエ
ッチングされるように等方性エッチングに基体の選択さ
れた部分を露出してエッチングを行い（図１Ｃ）、基体
材料からマスク材料を除去し（図１Ｄ）、等方性エッチ
ングプロセスに基体を露出するステップを含んでいるこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般にマイクロ光学素子
の製造、特に選択的エッチングステップおよび一般化さ
れたエッチングステップの両者を含むこのような方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ここで使用されるように、用語“マイク
ロ光学素子”とは、標準的な製造技術ではかなり製造し
難い光学素子を意味する。特に、用語“マイクロ光学素
子”は標準的な光学研削および研磨技術によって製造す
ることが非常に困難な光学素子を意味すると考えられ
る。多数の分野の試みにおいて、マイクロ光学素子に対
する必要性が増加している。例えば、光学系の一般的な
分野において、マイクロ光学素子が光学材料および光・
電子材料の両者における多数の改良に遅れをとらないよ
うにすることが必要とされている。マイクロ光学素子分
野において、特に高い分解能のマイクロ光学素子が新し
い材料および回路の適用を支持する必要性が高まってい
る。例えば、光ファイバの広範囲の使用は高品質のマイ
クロ光学素子に対する要求を高めている。さらに、光検
出器アレイの開発に対して多大な努力が払われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】マイクロ光学素子の端
部利用者およびこのような製造業者の両者が直面する問
題の１つは、製造の一貫性およびかなりきびしい仕様に
対して装置を製造する能力である。

【０００４】一般に、このような技術は切断するか、そ
うでなければ所望される特定の素子を顕微鏡的に形成す
るためのレーザの使用を含む。しかしながら、このよう
な技術は時間集中的であり、製造されている部分の限定
された領域に対してのみ適用可能である。マイクロ光学
素子を製造する別の方法は、レーザ補助化学エッチング
（ＬＡＣＥ）プロセスまたはその他のこのような手段の
いずれかによって形成されたマスターを使用する複製の
使用による。例えば非光学適用におけるマスター複製の
使用に関する問題は、マスターが基体と接触するように
ならなければならず、これは多数の例においてエラーの
導入および種々の素子の曲率半径への制限による効果の
低下を許す。さらに、大領域をカバーする非常に多数の
マイクロ光学レンズの製造は実現され難く、現在非常に
時間を費やしている。

【０００５】さらに、光学素子以外の多数の分野の試み
において、マイクロ素子の必要性が高まってきている。
例えば、計測器の分野において、気体クロマトグラフ計
測器に対して適用可能であり、また医療分野において有
効であるマイクロ管が必要とされている。

【０００６】上記の説明から、上記に示された欠点を克
服し、種々の分野にわたる適用を有しているマイクロ光
学素子の製造方法が必要され、また望まれていることが
明らかである。

【０００７】したがって、本発明の目的は上記に述べら
れた通常の技術の問題が実質的に取り除かれるようなマ
イクロ光学素子の製造方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的は、選択的なエ
ッチングステップおよび一般化されたエッチングステッ
プの両者を含むマイクロ光学素子の製造方法によって少
なくとも部分的に達成される。

【０００９】本発明のマイクロ素子の製造方法は、マス
ク材料の層で基体の表面を被覆し、基体の選択された部
分を露出するために前記マスク材料を通る１以上の開口
を形成し、基体の部分がエッチングされるように等方性
エッチングに前記基体の選択された部分を露出し、基体
材料からマスク材料を除去し、一般化された等方性エッ
チングプロセスに基体を露出するステップを含んでい
る。

【００１０】本発明の方法のその他の目的および利点は
以下の本発明の詳細な説明、添付された特許請求の範囲
および図面から当業者に明らかになるであろう。

【００１１】

【実施例】ほとんどの製造分野でよく知られているよう
に安価の製造技術の１つは表面上のレリーフで形成され
た所望の形態を有するマスターを可鍛性材料にプレスす
ることにより形態を複製することである。この製造技術
の特定の１例は蓄音機レコードの製造である。このタイ
プの製造技術はマイクロレンズまたは他のマイクロ素子
の製造用に効率的には開発されていない。マイクロレン
ズアレイ用のマスターのこのような製造はここでは本発
明の方法を使用する例示的なモデルとして説明されてい
る。

【００１２】図１Ａで示されているようにマイクロレン
ズレットアレイの複製用のマスターとして最終的に使用
される基体10にはマスク材料の層12とそれにオバーレイ
する光感知性材料の層11が設けられている。

【００１３】好ましい実施例では層11は通常のフォトレ
ジストであってもよい。示されているように複数の開口
13はマスク層12の部分15を露出するため層11で形成され
る。典型的に開口13は既知の正確性が高いフォトリソグ
ラフ技術の使用により形成される。

【００１４】マスク材料の層11を通じる開口13が“ピン
ホール”と呼ばれるが“ホール”以外の形態のレンズレ
ットも製造されることが理解できよう。即ち正確性の高
いフォトリソグラフの処理を使用するため開口13の断面
は円形である必要はなく、方形、六角形等でもよい。マ
スク材料の基体10と層12の材料はマスク材料の層12への
基体10の材料の相対的なエッチング速度が大きく、例え
ば約100 を越えるように選択されることが好ましい。材
料のこのような選択は効率的な選択的エッチングを確実
にする。

【００１５】この特定の実施例では選択された特定のエ
ッチング液構成によって基体10の材料はシリコン、マス
ク材料の層12は例えば二酸化シリコン等である。この特
定の実施例では図１Ｂで示されているように複数の開口
14即ちピンホールは基体10の部分16を露出するためマス
ク材料の層12で構成される。典型的にこのようなピンホ
ール14は直径が数マイクロメートル程度である。ピンホ
ール14はイオン研磨または簡単な化学エッチングング処
理の使用により開口されることができる。

【００１６】開口14またはピンホ−ルが基体10の部分16
の露出のため形成された後、光感知性材料の層11は除去
され、基体10全体は等方性エッチングを受け、このエッ
チングング期間中基体10の選択的エッチングが露出部分
16で生じる。エッチング段階期間中、各ピンホール14が
エッチング液に露出される時間の長さに応じて基体10で
溝18が形成される。図１Ｃで示されているように処理が
等方性エッチングである場合、溝18はエッチングの総合
的な深さに等しい曲率半径を有する半球である。半球の
溝18は本来の露出部分16と同一の位置を中心とする。

【００１７】好ましい１実施例ではマスクまたは選択的
なエッチング段階はプラズマエッチングシステムの使用
により実行される。交互に通常の湿式化学エッチング方
法が使用される。しかしながらプラズマエッチングング
システムの利点は通常の湿式化学エッチング液を使用す
るよりも速いことである。

【００１８】図１Ｄで示されているようにマスク材料の
層12の残留した材料は通常のフォトリソグラフ技術に応
じて除去される。

【００１９】マスク材料の層12の材料が除去された後、
基体10全体はプラズマエッチングまたは化学エッチング
のいずれか一方の一般化された等方性エッチングに露出
される。図１Ｅで示されているようにこのエッチング期
間中、各レンズレットの曲率半径はエッチングの深さで
増加することが発見されている。それにもかかわらず一
般化された等方性エッチング期間中、曲率半径は前の露
出部分16を中心とされる。総括的にマスクされないエッ
チングは、この特定の実施例ではそれぞれのレンズレッ
トが互いに阻止するまで、即ち各レンズレットの曲率半
径が２つの水平または垂直に近接する露出部分16との間
の距離の約半分に等しくなるまで継続することを許容さ
れる。この方法において、完全なフィル要素を有するレ
ンズレットアレイ20が与えられる。

【００２０】アレイ20に衝突する全ての光はレンズレッ
トの１つにより受光され従って光効率に損失がないので
完全なフィル要素レンズレットアレイ20を設けることは
有効である。この特定の実施例ではシリコン基体10の結
果的な構造は例えばプラスティックのような他の材料で
後続のマイクロレンズレットアレイ20を製造するために
使用されることのできるマスターである。

【００２１】前述したようにレンズレットアレイ20のレ
ンズレットは球形のレンズレットである。しかしながら
本発明の方法はそのように限定されない。図２で示され
ているようにマスク材料の層12とマスク材料の層12の除
去の後に行われる一般化されたエッチング段階による第
１、第２の両者のエッチング段階期間中、異方性エッチ
ングを使用して非球形のレンズレット24のアレイ22が構
成されることができる。交互に第１のエッチング段階は
異方性で第２のエッチング段階は等方性であってもよ
く、その逆も成立つ。

【００２２】前述したように異方性レンズレットの形成
は異方性エッチング段階の使用により達成されることが
できる。このような異方性エッチングは局部的なプラズ
マエッチング段階の使用においてプラズマエッチング状
態即ち反応ガスの変更、ｄ．ｃ．バイアスの変化、プラ
ズマ背景圧力の変化等により通常確実にされる。湿式化
学エッチングの例では通常の異方性エッチング技術が知
られている。典型的にエッチング液は１以上の基体10の
結晶格子面の方向に沿って異なったエッチング速度を有
するように選択される。

【００２３】前述の説明の結果として非常に効率的に他
のレンズレットアレイを複製することに使用可能なマス
ターレンズレットアレイが得られるが付加的な処理段階
を使用する代用も得られる。

【００２４】図３で示されているようにレンズレットア
レイ構造のレンズレットアレイ20が前述の方法に応じて
製造される。しかしながらこの場合、アレイ20の基体10
が燃焼シリカのような光透過材料である。アレイ20には
光透過材料または媒体の層26が設けられている。光透過
材料の層26の材料は基体10の屈折率と異なっている屈折
率を有することが好ましい。特定の１実施例では層26は
ＢＢまたは他の光素子と共に共通して使用される通常の
光エポキシであってもよい。以後、能動的なレンズレッ
トアレイの構造が形成されるならばそれを完成するため
に光透過カバーガラス28が付加される。知られているよ
うにカバーガラスは光学的エポキシの平面を設けるため
に使用される一片のガラス、プラスティック、または他
の光学的に透明な材料である。

【００２５】特定の１実施例ではレンズレットアレイ20
はレーザダイオードのアレイの出力を照準するように製
造される。このような実施例ではダイオードは例えば10
×10アレイの200 マイクロメートル中心で隔てられてい
る。レンズレットアレイ20の形態は10×10アレイの200
マイクロメートル中心で個々のレンズレットでも作られ
ている。典型的なレーザダイオードビームはｆ／５コー
ンを発散しており、それ故ｆ／５レンズレットはダイオ
ードアレイを照準する必要がある。さらにこのようなシ
ステムでは焦点長は典型的に１ミリメートルである。

【００２６】それ故、基体10の材料は約1.4 の屈折率
（ｎ）の燃焼シリカで選択され、光透過材料の層26の屈
折率は一致したクラウンガラスの典型的な光エポキシの
約1.7の屈折率（ｎ´）を有し、Ｒ＝ｆ（ｎ´−ｎ）／
ｎ´の式に基づき、この式でＲはレンズの曲率半径であ
りｆは焦点長で、各レンズレットの曲率半径は約176.5
マイクロメートルである。このような応用では開口14は
直径約５マイクロメートルで形成される。開口14を通過
する等方性エッチングは半球溝18が半径約50マイクロメ
ートルに生成されるまで継続される。マスク材料の層12
は除去されレンズレットが約176.5 マイクロメートルの
曲率半径に到達するまで表面10全体は一般化されたエッ
チングを受ける。ｎ´媒体の層26が供給され、カバーガ
ラス28が付加される。カバーガラス28の屈折率の影響は
通常レンズレットアレイ20のレンズレットの曲率半径の
決定において無視できる程度である。

【００２７】ほとんどの形態は図４、５、６で示されて
いる楕円形または円筒形レンズのように製造されること
が理解できよう。図４を参照すると前述の素子は同一の
数字で識別され、本来のマスク開口14は１つの方向に延
在し、結果として後続のエッチングすなわち選択的およ
び一般化の両エッチング期間中に図５の30で示されてい
る楕円形の断面のレンズレットが形成される。このよう
に形成された楕円形レンズレット30は他方よりも大きい
一方方向の曲率半径を有し、大きい半径は本来の半径と
開口の延在部と等しい長さを加えたものに等しい。小さ
い半径はレンズレットアレイ20のレンズレットに類似す
る。しかしながらこの方法で形成されたレンズレットは
僅かに平坦の下部32を有することが定められており、こ
れは完全な球形または半球の表面ではないがこのように
形成された楕円の通常の応用に関して結果的な平坦は微
小である。

【００２８】図６で示されているように複数の円筒形レ
ンズレット34は本発明の原理により透明な基体材料36で
も製造されることができる。しかしながら、円筒形レン
ズレット34のアレイ38はもちろん完全なフィル要素を提
供するために処理されることはもちろん可能であること
理解されるであろう。このような円筒形レンズレット34
のアレイ38は、例えばレーザビーム結合装置に供給され
るような多数の応用を有し、ここで半導体レーザは各レ
ンズレット34と関連され、アレイ38はビーム断面を横切
る統合した照射を有する単一の出力レーザビームを提供
するように動作する。

【００２９】本発明は方法の１以上の特定の実施例に関
して説明されたが本発明は添付の請求項と合理的な解釈
のみに限定を受けるように他の方法段階および他の変形
が本発明の技術的範囲を逸脱することなく製造されるこ
とが理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理による方法を使用した複数のマイ
クロ光素子の同時的な製造における応用の段階を示した
表示。

【図２】本発明の原理による非球面レンズレットの製造
の断面表示。

【図３】本発明の原理により製造されたレンズレットア
レイを使用したレンズレットアレイ構造の断面図。

【図４】本発明の原理を使用した方法により有効なマス
ク開口の平面図。

【図５】図４で示されたマスク開口から得られるレンズ
レットの断面図。

【図６】本発明の原理により製造される円筒形レンズレ
ットの行の斜視図。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マスク材料の層で基体の表面を被覆し、 前記基体の選択された部分を露出するために前記マスク
   材料を通る１以上の開口を形成し、 前記基体の選択された部分がエッチングされるように等
   方性エッチングに前記基体の選択された部分を露出し、 前記基体材料から前記マスク材料を除去し、 一般化された等方性エッチングプロセスに前記基体を露
   出するステップを含んでいるマイクロ素子の製造方法。
2. 【請求項２】 前記一般化されたエッチングステップ
   は、各開口の半径が隣接したエッチングされた開口を遮
   蔽するまで連続する請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 さらに、約 100のエッチング比率を有す
   る基体材料およびマスク材料を提供するステップを含ん
   でいる請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】 前記形成ステップは円形開口を形成する
   請求項１記載の方法。
5. 【請求項５】 前記形成ステップは楕円形開口を形成す
   る請求項１記載の方法。
6. 【請求項６】 前記露出ステップは等方性プラズマ反応
   エッチングに前記選択された部分を露出する請求項１記
   載の方法。
7. 【請求項７】 前記形成ステップは、前記基体の選択さ
   れた開口のアレイが露出されるようにマスク材料の前記
   層を通る開口のアレイを形成する請求項１記載の方法。
8. 【請求項８】 前記開口は平行なラインであり、前記マ
   イクロ素子は円筒形レンズレットである請求項１記載の
   方法。
9. 【請求項９】 材料をマスクする層で透明な基体の表面
   を被覆し、 前記基体の選択された部分を露出するために前記マスク
   材料を通る１以上の開口を形成し、 前記基体の前記部分がエッチングされるように異方性エ
   ッチングに前記基体の前記選択された部分を露出し、 前記基体材料から前記マスク材料を除去し、 一般化された等方性エッチングプロセスに前記基体を露
   出し、 前記透明な基体の前記表面に透明な媒体を適用し、 前記媒体上にカバースリップを設け、それによってマイ
   クロ光学装置が提供されるステップを含んでいるマイク
   ロ素子の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記方法はさらに前記透明な基体の屈
    折率とは異なる屈折率を有する媒体を選択する請求項９
    記載の方法。
11. 【請求項１１】 前記適用ステップは透明な基体の前記
    表面に透明なエポキシを適用する請求項１０記載の方
    法。