JPH0750201B2 - マイクロレンズの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明はマイクロレンズの製造に係わり、特に光電子工
学的装置（optoelectronic device）等の完全に一体化
された構成要素としてマイクロレンズを一体的に製造す
る方法に関する。更に詳しくは、本発明は現在の半導体
製造技術をマイクロレンズ及びマイクロレンズの配列体
の製造に応用し、これによつて一体的光学的装置の製造
を容易になすことである。更に詳細に言えば、本発明は
マイクロレンズ配列体に対する所望の像及び／又は物体
平面の整合を達成・維持する時間及び費用を最少限にな
すような自己整合マイクロレンズ配列体の製造に関す
る。

本発明のマイクロレンズ製造方法は本願出願人に譲渡さ
れた「ペデスタル型マイクロレンズ製造方法（Ｄ−8306
8）」と題する米国出願に記載されている方法の変形形
態である。従つて、この方法の区別される特徴を明らか
にするように同じ例示的な周辺状態を背景にしてこれを
参照して説明される。

発明の背景 集積光学系（integrated optics）は急激に成長してい
る光電子工学の分野で極めて重要である。ソリツドステ
ートダイオードレーザーは屡ビーム成形光学系（beam s
haping optics）を必要とし、ソリツドステート光検出
器は普通収束光学系（collection optics）を使用して
いる。これら及びその他の光電子工学的装置は小さく焦
点距離の短いレンズ（ここでは「マイクロレンズ」と称
する）に対する要求を作り出し、従つて実質的な努力及
び費用がマイクロレンズ及びマイクロレンズ配列体の開
発の為にささげられて来た。しかし不幸にもこのような
レンズを製造する方法の技術は、現在光電子工学的装置
の製造に使用されているLSI（大規模集積回路）及びVLS
I半導体製造技術の開発よりも遅くなつたのである。

一般的な条件として、マイクロレンズ及マイクロレンズ
配列体は精密に機械加工されたダイの輪郭を模写するこ
とによつて製造された成形部品である。例えばアイ・エ
ヌ・オゼロヴその他の「球形素子を有するレンズ配列体
を製造するダイの輪郭の附形」ソビエト・ジヤーナル・
オブ・オプテカル・テクノロジー（米国）、第48巻、第
１号、1981年１月、第49〜50頁参照。しかしながら、半
導体製造技術は段階的屈折率領域プレートレンズ（step
pedindex zone plate lens）のレプリカ型製造の為のモ
ールド型の製造の為に提案されて来たのである。エル・
ドーリアその他の「薄いフイルムレンズの写真平版によ
る製造」オプテイクス・コミユニケーシヨン、第５巻、
第４号、1972年６月、第232〜５頁参照。

模写する方法は高い品質で均一なマイクロレンズ及マイ
クロレンズ配列体を安価に製造するのに適した方法であ
るが、モールド型から取り外された後にレンズを取付け
且つ光学的整合を取らねばならず、このために細心の注
意を払つてレンズが適正に整合され且つ確りと固定され
たこと或いは光電子装置に使用された場合に所定位置に
保持されていることを保証しなければならない。それで
さえ必要とされる光学的な整合は長い期間にわたつてこ
れを維持するのが困難である。何故ならば大幅な温度の
変動のような環境上の要因に起因するからであり、これ
はレンズ及びレンズを取付けている光電子装置の熱膨張
に相異を生じるからである。

分布屈折率型マイクロレンズの平面配列が製造されてき
たこともまた報告されていた。オイカワ・エムその他の
「イオン交換技術により準備された分布屈折率型プラナ
ーマイクロレンズの配列体」、ジヤパニーズ・ジヤーナ
ル・オブ・アプライド・フイズイツクス、第20巻、第４
号、1981年４月第296〜８頁参照。更に、マイクロレン
ズ及びマイクロレンズ配列体を評価する基準及び方法が
提案されてきた。ジー・ピー・シヤドルス キーその他
の「視野の有効深度におけるレンズ配列体の製造上のエ
ラーの影響」第41巻、第11号、1974年11月、第507〜９
頁及びジー・エト・グルクホスキーその他の「微細構造
レンズ配列体の一体化された品質の評価」、ソビエト・
ジヤーナル・オブテイカル・テクノロジー、第40巻、第
７号、1973年７月、第413〜５頁参照。しかしながらこ
れらの外国文献は一般にマイクロレンンズ及びマイクロ
レンズ配列体の独立した（即ち一体化ではない）製造及
びテストの技術に関するものであり、従来のマイクロレ
ンズが使用された場合に遭遇する結合及び整合の問題を
実質的に軽減するためのものではない。

一体化されたマイクロレンズの構造及び製造方法はワイ
・イシハラその他の「一体化された樹脂レンズ配列体に
よる高光感度IL−CCD像センサー」、インターナシヨル
・エレクトロン・デバイス・ミーテイング、1983、第49
7〜500頁により記載されている。彼等は大体標準的な半
導体の製造技術によって広域CCD（チヤージ・カツプル
ド・デバイス）像センサー配列体のためのストリツプレ
ンズを製造するための方法の開発において報告された。
簡単に述べれば、その方法に関する彼等の記述によれ
ば、（１）焼鈍し熱硬化したスムースなベース樹脂層の
上に第二の樹脂の層を付着形成し、（２）フォトリソグ
ラフィにより第二の樹脂層に対してストリップ状のパタ
ーン形成を行い、そして（３）第二の樹脂層を加熱して
これが流動するようになし、これによりそのストリツプ
状パターンが一連の半円柱状のロール即ち凸レンズをな
すように形状変化させたのである。このようにして、こ
のストリツプレンズはCCD配列体と一体化され、これに
より従来のマイクロレンズにおける結合及び整合の問題
を回避されたのである。

しかしながら、マイクロレンズ及マイクロレンズ配列体
をかなり正確な光学的仕様にまで製造するための再現性
のある結果を得るために十分とされるこのような一体化
レレンズの製造方法の制御に関しては、全く別の問題が
ある。特に、前述の方法における基本的な欠点の１つ
は、第二の層によるレンズを形成する樹脂の流動が、十
分に定められた幾何学形状を有するマイクロレンズを形
成するために、即ち間隔を置いて分布された個々にアド
レス可能なマイクロレンズの幾何学的に均一で高密度の
配列体を形成するためには適正に制御されていないこと
である。この代わりに、この方法の技術からは、レンズ
を形成する樹脂の熱流動が装置系における熱特性以外に
は何者によよつても実質的に結合されず、レンズは互い
に流れ込んで混ざり合い、これにより例え不可能ではな
いとしてもかなりの精度にて光学的な境界特性を予測す
るのは極めて困難となるように思われる。或る種のマイ
クロレンズの製造では正確な工程制御は不要であつて
も、マイクロレンズ及びマイクロレンズ配列体の光学的
な仕様は通常は、各マイクロレンズの光学的特性が自主
的に決定されることを確実にするために適正な工程制御
を必要とするように厳密である。

発明の概要 本発明によれば、マイクロレンズ及びマイクロレンズ配
列体は、シヤープな縁を有する台座を準備することで製
造されるのであり、これはその上面に対する溶融レンズ
形成材料の流動を制限するためのものである。レンズ形
成材料は台座を湿潤し、液体状態の間にそれを横断する
ように流動するが、台座の縁がこの流動の横方向の制限
を行う。更に、流動が制限される各台座の上面の面積部
分は小さくされ、表面張力に起因する溶融レンズ形成材
料の内部圧力が重力に起因するどんな力よりも格段に大
きくなるようにされ、それにより何れの与えられた台座
上に制限されたレンズ形成材料もその量及び台座の表面
形状によつて定まるような本質的に一定の半径の彎曲プ
ロフイルをとるようになされるのである。

プラナーまたは平面とされたオプト−エレクトロニツク
デバイスは１つもしくはそれ以上の一体化されて形成さ
れたマイクロレンズを有することができる。台座はフオ
トレジスト樹脂をフオトリソグラフイによりパターン形
成することで形成され、これらの台座はその後熱安定性
を高めるために処理される。然る後フオトレジスタ樹脂
の第二の層が台座上に被覆され、これを台座の上面の内
方部分に制限するようにフオトリソグラフイによりパタ
ーン形成され、またこの第二の樹脂層が次に溶融点にま
で加熱され、これにより流動を開始し、冷却されて再凝
固されたときに正確な形状のマイクロレンズを形成する
ようになされるのである。

図示実施例の詳細な説明 本発明は以下に１つの図示実施例に関して詳細に説明さ
れるが、この実施例に限定する意図は全くないことが理
解されねばならない。逆に、特許請求の範囲の欄に記載
した本発明の精神及び範囲に含まれる総ての変形形態、
変化形態並びに等価形態を包含することを意図するので
ある。

図面を参照し、特にここでは第１図を参照すれば、オプ
ト−エレクトロニツクデバイスの例を与えるためのソリ
ツドステートオプテイカルメモリー11が示されており、
本発明の一体化されたマイクロレンズの製造方法はこれ
において特に重要となる。このメモリー11はこれと関連
し共通の譲受人に譲渡されたアール・エー・スプラーグ
その他の1984年12月４日付け出願された米国特許願第67
8145号「高密度ブロツクの方向付けされたソリツドステ
ートオプテイカルメモリー」（D/82066）にかなり詳細
に記載されているので、簡単な説明で十分であろう。

マルチビツトデータの「ブロツク」が指令に応じてメモ
リー11から選択的に復元される。このために、メモリー
11はマイクロレンズ12a〜12iの配列体を含み、データマ
スク15を通してフオトデイテクター14a〜14iの配列体上
に並行に発光体13a〜13jの配列体を結像するようになつ
ており、データマスクはデータ依存の伝達プロフイルを
有している。発光体13a〜13jの総てはフオトデイクター
14a〜14iの各々に結像し、発光体13a〜13jの唯一のもの
が選択的に作動された時にデータマスク15の伝達プロフ
イルがフオトデイテクター14a〜14iの何れか１つの与え
られたものが照射されもしくは照射されないように決定
するようになされている。

メモリー11の正しい光学的な整合は、（ｉ）選択された
データブロツクの総てのビツトが選択的に作動された発
光体13a〜13jの１つによつて並列に光学的にアドレスさ
れること、（ii）光学的にアドレスされたデータブロツ
クのビツトがこれによりフオトデイテクター14a〜14iに
より並列にそれぞれ読みだされ、これによりハイ「１」
及びロウ「０」のロジツクレベルのデジタル電気信号の
空間的なシーケンスに変換されること、を確実となす。
コリメートレンズ16は発光体13a〜13jにより放射された
光を平行光となすために有利に含まれており、これによ
りマイクロレンズ12a〜12iの総ての開口を通して受け止
められた光は実質的に同じ特定の角度となる。従つて、
発光体配列体13a〜13jからのマイクロレンズで形成され
た像はフオドテイテクター配列体14a〜14iの実質的に均
一な幅方向及び深度の倍率を有するだけではなく、それ
ぞれフオトデイテクター配列体14a〜14i上に本質的に中
心合わせされた適正な光学的な整合を得るのである。

データマスク15は典型的には光学的に不透明なフイルム
即ち金属であり、これはデータがそれに位置されている
間に小孔即ち開口の空間的な分布パターンを有するよう
に適当にプログラムされる（図示されていない装置によ
る）のであつて、これらの開口は正確に予め定めた位置
に形成されるのである。このようにして、ロジツクレベ
ルのビツト例えば「１」がこれらの開口により与えら
れ、一方反対のビツトのロジツクレベル「０」は不透明
として残された部分により与えられるのである。データ
マスク15はその平板状ないしプレーナ基板を形成するた
めに中間層（図示せず）を必要とされるが、フオトデイ
テクター14a〜14i上に被覆されることができる。

データマスク15上にはビツトが密集してパツクされ、16
メガビツトまでのメモリー容量を形成され、或いは2.5c
m×2.5cm×2.5cm（１インチ×１インチ×１インチ）を
僅かに超える外形寸法を有するメモリー11として形成さ
れる。従つて、マイクロレンズ12a〜12iは本質的に同一
の焦点距離を有し、ほぼ回折制限された結像性能を与
え、そしてデータマスク15からの反射光の重大な横方向
の散乱を生じないことが重要である。このような要求事
項は、及びマイクロレンズ12a〜12iがデータマスク15並
びにフオトデイテクター14a〜14iとそれぞれ注意深く光
学的に整合されねばならないという付随の要求事項は、
マイクロレンズ12a〜12iをデータマスク15/フオトデイ
テクター14a〜14i組立体上に完全に一体に被覆するよう
に一体化した製造方法によつて非常に簡単に満足できる
のである。

本発明によれば、メモリー11のデータマスク15/フオト
デイテクター14a〜1i組立体のようなオプトエレクトロ
ニツクデイバス、或いはクオーツウエハーのようなその
他の適当な基板上に厳密な光学的仕様でマイクロレンズ
及びマイクロレンズ配列体12a〜12iのようなマイクロレ
ンズ配列体をモノリシックに製造するための方法が提供
される。既存の半導体製造技術はレンズ製造工程の遂行
において使用され、これにより１つもしくはそれ以上の
マイクロレンズが形成されている間にオプトーエレクト
ロニツクデバイスを損傷するリスクは本質的に低減され
るのである。

第2a図〜第2d図を参照すれば、本発明により、マイクロ
レンズ12a〜12iのための基板（たとえばデータマスク15
/フオトデイテクター14a〜14i組立体）は先ず予め定め
た厚さのポリイミド層20（部分的に示す）により、或い
はほぼ同じ屈折率及び厚さの同様な光学的透明材料によ
り被覆され、これによりマイクロレンズ12a〜12iの焦点
面とそれらの基体との間に望ましい空間関係を確立され
る。例えば、被覆20の厚さは基体に対するマイクロレン
ズ12a〜12iの焦点面がデータマスク15の面（第１図）と
一致するように選定される。アルミニウムフイルム21の
ような薄い光学的に不透明な金属が然る後真空蒸着によ
るごとくして被覆20の上に付着形式され、この金属21は
次に第2a図に示すようにフオトリソグラフイによりパタ
ーン形成されて正確な寸法の開口21a〜21i（数個しか見
れない）が予め定めた位置にて貫通形成される。これら
の開口21a〜21iはそれぞれマイクロレンズ12a〜12iの絞
りを形成する。このようにして例えばれこれらはフオト
デイテクター14a〜144i上に中心合わせされ（第１
図）、大体15ミクロンの直径の円形輪郭を形成する。

引続き、大体30ミクロンの直径を有するシヤープな縁の
形成された円筒形台座23a〜23i（第2b図参照）がそれぞ
れ開口絞り21a〜21i上に中心合わせされる。この為に、
シプレイ（Shiply）1400−27フオトレジスト（商品名）
のようなノンボラク（nonvolac）光学樹脂ベースのポジ
テイプフオトレジストが金属の上から被覆されるのであ
り、典型的には4000rpmで約30秒間のスピンコーティン
グによつて被覆される。この樹脂層は次に台座23a〜23i
を形成するためにフオトリソグラフイにてパターン形成
され、然る後固く焼かれ且つまた深いU.V.硬化が行われ
て、これにより台座23a〜23iが180℃を超える温度に対
しても熱的に安定（即ち変形しない）ように保証され
る。アール・アレンその他の「ポジテイブフオトレジス
トのパターンの深いU.V.硬化」、ジヤーナル・オブ・エ
レクトロケミカル・ソサエテイ、第129巻、1982年６
月、第1379〜81頁参照。有利なこととして、台座23a〜2
3iの高さは通常は１ミクロン程度であるが、以下に述べ
る理由によつてその上縁の彎曲最大半径よりも大きいの
である。

次に、第2c図に示すように、例えシプレイ（Shiply）TF
−20フオトレジスト（商品名）のようなノンボラク（no
nvolac）光学樹脂ベースのポジテイブフオトレジストが
スピンコーティングにより、好ましくは2000rpmで40秒
間のスピンコーティングによつて付着形成され、大雑把
に15ミクロンの厚さの被覆が形成される。望ましいレン
ズ材料の比較的厚い層であるから、この被覆は２段階で
付着形成されるのが好ましく、最初のレンズ材料の被覆
は第二の被覆の形成前に約10分間にわたり約90℃で軟化
され、またこれは次に約30秒間にわたつて軟化されるよ
うになされるのが好ましい。被覆処理の完了後、第二の
フオトレジスト層はフオトリソグラフイにてパターン形
成され、残りの総てが円柱体24a〜24iとされ、これらは
それぞれ台座23a〜23i上に中心合わせされるとともに、
また約25ミクロンの直径を有するようにされる。しかし
ながら、円柱体24a〜24iの幾何学的位置は特に重要では
なく、第二の樹脂層が台座23a〜23iの縁を超えて溢れる
ような望ましくない流動路の形成を止するために、それ
らの周囲及び台座23a〜23iの縁の間に適当な公差を与え
られるようにされることが理解されよう。同様に、円柱
体24a〜24iの形状は総てが同じ量も材料からなることを
確実となすための通常のメカニズムであるだけのことを
理解すべきである。以下に述べるように、台座23a〜23i
上に位置する第二の樹脂層の量は、それぞれレンズ12a
〜12iの口径を定め、従つて等しい量の材料はレンズ12a
〜12iを本質的に同じものとなすのである。

更に詳しくは、マイクロレンズ12a〜12iを形成するため
に、パターン形成された第二の樹脂層（即ち円柱体24a
〜24i）は紫外線放射による照射を受け、これによりそ
の溶融温度を低下させるのであり、また次に約140℃で1
5分間加熱され、それにより溶融を開始させるのであ
る。第2d図に示すように溶融樹脂は台座23a〜23iの硬化
された樹脂を湿潤し、これにより横方向に横断するよう
に広がるが、台座23a〜23iのシヤープな縁がこの流動を
制限し、これにより溶融樹脂がこれを超えて広がるのを
防止する。典型的には、何れか１つの台座23a〜23iの上
部に沈着される樹脂の量は大体２πr³/3を超えないよう
に制限され、ここでｒは台座23a〜23iの半径とされる
が、これは半球形マイクロレンズ12a〜12iを形成する適
当な量である。少ない量の材料は部分的に半球形の形状
のマイクロレンズを形成するのに使用され、「平衡量」
としてマイクロレンズ当りに与えられるレンズ材料の量
をより一般的に決めるのに有用である。このことは台座
縁により完全に制限されている際の平衡状態に達するの
に材料の量が十分少ないことを意味する。ジエー・エフ
・オリバーその他の「シヤープエツジよる液体の拡散抵
抗」、第59巻、第３号、1977年５月、第568〜81頁参
照。溶融樹脂の有効な制限は台座23a〜23iの高さがその
縁の最大曲率半径よりも大きいならば確保される。何故
ならば、この関係は溶融樹脂が台座23a〜23iの上面に対
して示す総てのあり得る接触角度を満たすからである。
台座23a〜23iの上面からシヤープな縁が落ち込むのが望
ましいが、必要とされる縁のシヤープさは正確に定義す
るのが困難である。従つて、前述の説明は有効な概要で
ある。何故ならこれは要求事項の定義となるからであ
る。

溶融状態において第二の樹脂層の固有の表面張力はマイ
クロレンズ12a〜12iに実質的に一定した半径を与えるよ
うになすのであり、これらが冷却されて再凝固する間に
マイクロレンズ12a〜12iに重力による重大な変形は全く
生じない。台座23a〜23iのシヤープな縁は溶融フオトレ
ジストの流動を制限し、これによりレンズ12a〜12iが互
いに混じり合うのを防止する。このようにして、半球形
でないマイクロレンズ（図示せず）は台座23a〜23iの形
状を変更することで本発明の技術により製造できるので
ある。例えば、（１）細長いストリツプ状の台座は円筒
形レンズの製造のために形成され、また（２）楕円形の
台座は楕円形レンズの製造のために形成される。更に、
光学的に不透明な材料例えばアルミニウムがレンズの開
口を取り囲むが覆わないドーナツ即ちリング形状の台座
を形成するのに使用できる。重力はもしこれが大きいな
らばマイクロレンズ12a〜12iを変形する傾向を見せるが
が、溶融フオトレジストの内部圧力が重力による圧力よ
りも格段に大きければ重大なる重力変形は生じない。換
言すれば、2t/r＞＞ｇρｒならば重力は無視できるので
あり、ここでｔ及びρはそれぞれ溶融フオトレジスタの
表面張力及び密度であり、ｒは台座23a〜23iの半径であ
り、そしてｇは溶融状態にあるマイクロレンズ12a〜12i
に作用する重力である。

前述に鑑み、本発明は完全に制御されたマイクロレンズ
の製造方法を提供するのであり、この方法はマイクロレ
ンズ及びマイクロレンズ配列体をオプト−エレクトロニ
ツクデバイスまたはその他の基体上に一体化して製造す
るのに使用されるものであることが今理解されるであろ
う。更に、本発明によるマイクロレンズ製造方法は既存
の半導体製造技術を使用して遂行できるものであること
が明らかとなろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により製造される一体化されたマイクロ
レンズ配列体を有するブロツク方向付けされたソリツド
ステートオプテイカルメモリーの概略立面図。 第2A図から第2D図は本発明のマイクロレンズ製造方法の
段階的な説明図。 第３図は本発明により製造されたマイクロレンズ配列体
の破断せる平面図。 11……オプテイカルメモリー 12a〜12i……マイクロレンズ配列体 13a〜13j……フオトエミツター 14a〜14i……フオトデイテクター 15……データマスク 20……ポリイミド層 21,23……アルミニウムフイルム 21a〜21i……開口、23a〜23i……台座 22……フオトレジスト 24a〜24i……レンズマス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジー．エイ．ネビル コネル アメリカ合衆国カリフオルニア州クパーテ イノ，アンソン ストリート 10386 (56)参考文献 特開 昭58−185445（ＪＰ，Ａ) Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃ ｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｍｅｔｔｉｎ ｇ 1983，ＰＰ．497〜500

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マイクロレンズの製造方法であって、 シャープな縁の落ち込みによって規定された外周を備え
   た所定の面積及び形状の上面を有する台座を形成し、 前記上面上で流動される際該上面を濡らすような溶融レ
   ンズ形成材料を、該流動が前記縁によって前記上面に周
   囲から閉じ込められるような所定の平衡量だけ、該上面
   上で横方向に自由に流動させて、前記溶融レンズ形成材
   料を、上からみて前記上面の形状と実質的に一致する形
   状で横からみて前記量により決定される実質上一定の半
   径のほぼアーチ状にし、 該レンズ形成材料を固化させて前記形状及びプロフィー
   ルのマイクロレンズを形成する ことからなるマイクロレンズの製造方法。