JPH08295538A

JPH08295538A - 光学デバイス・光学デバイス製造方法

Info

Publication number: JPH08295538A
Application number: JP10199395A
Authority: JP
Inventors: Masanori Satou; 昌仙佐藤; Kazuhiro Umeki; 和博梅木; Masaaki Sato; 正明佐藤
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 1995-04-26
Filing date: 1995-04-26
Publication date: 1996-11-12
Anticipated expiration: 2021-01-05
Also published as: JP3731017B2

Abstract

(57)【要約】【目的】所望の光学系状を有する光学デバイスを、精度
良く、容易且つ効率的に製造できる新規な光学デバイス
製造方法を実現する。【構成】所望の光学形状に対応する形状１３を型表面に
１以上有する母型１２を用いて１以上の形状１３を転写
材１１の表面に転写して、１以上の転写形状を表面形状
として持つ転写材１１の層をデバイス材料１０の表面上
に形成する転写工程と、転写材１１およびデバイス材料
１０に対して異方性のドライエッチングを行い、１以上
の転写形状をデバイス材料１０に掘り写し、デバイス材
料に所望の光学形状を１以上形成するエッチング工程と
を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は光学デバイスおよびそ
の製造方法に関する。この発明はマイクロ光学デバイス
やその製造方法として好適に利用できる。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムや光エレクトロニクスの
分野では、光ファイバ−や発光素子からの光の平行光束
化や集光、ビ−ム整形や、ビームの発散角や収束角の角
度調整等、種々の光学作用を行う必要が有り、このよう
な光学作用を、マイクロレンズやマイクロレンズアレ
イ、マイクロプリズムやマイクロプリズムアレイ、マイ
クロフレネルレンズやマイクロ回折格子の微小な「光学
デバイス」を用いて行っている。

【０００３】これらマイクロレンズに代表される微小な
「光学デバイス」は、その微小性のため、通常の光学素
子のような研磨や機械加工では製作が困難である。

【０００４】近来、微小な光学デバイスの作製にエッチ
ングを利用する方法が次第に実用化されつつある。

【０００５】例えば、ガラス基板等の表面に、所定の表
面形状のレジスト材料を形成し、レジスト材料とガラス
基板とに対してエッチングを行い、レジスト材料の表面
形状をガラス基板に彫り写して屈折面形状とするような
方法である。

【０００６】所定の表面形状を持ったレジスト層を形成
する方法としては、例えば、ガラス基板等のデバイス材
料の表面にフォトレジスト層を形成し、フォトリソグラ
フィにより円柱状のフォトレジストを形成し、この円柱
状のフォトレジストを熱処理して表面張力の作用と熱流
動とにより表面を凸球面に熱変形させる方法（以下、熱
変形法という）や、電子ビームレジストやフォトレジス
トに電子描画やレーザー描画により表面形状を形成する
方法（以下描画法という）が知られている。

【０００７】熱変形法では、形成される表面形状を高精
度に制御するのが必ずしも容易でなく、光学デバイスに
高性能が要求される場合には歩留まりの良い生産が困難
である。この点、描画法ではレジスト材料の表面に所望
の形状を高精度に形成できるが、描画装置が非常に高価
であるし、描画工程に長時間を要するため、量産性の面
で問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上述した事
情に鑑みてなされたものであって、所望の光学系状を精
度良く形成された新規な光学デバイスの提供を目的とす
る（請求項８）。

【０００９】この発明の別の目的は、所望の光学系状を
有する光学デバイスを、精度良く、容易且つ効率的に製
造できる新規な光学デバイス製造方法を提供することに
ある（請求項１〜７）。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明の光学デバイス
製造方法は「所望の光学形状を１以上有する光学デバイ
スを製造する方法」であって、転写工程と、エッチング
工程とを有する（請求項１）。

【００１１】「転写工程」は、所望の光学形状に対応す
る形状を型表面に１以上有する母型を用いて上記１以上
の形状を転写材の表面に転写して、１以上の転写形状
（上記母型の形状を転写された形状）を表面形状として
持つ転写材の層をデバイス材料の表面上に形成する工程
である。

【００１２】「エッチング工程」は、転写工程後の「転
写材およびデバイス材料」に対して異方性のドライエッ
チングを行い、転写材における１以上の転写形状をデバ
イス材料に掘り写し、デバイス材料に所望の光学形状を
１以上形成する工程である。

【００１３】「転写形状を基板に掘り写す」とは「転写
材表面の転写形状と対応する形状をデバイス材料の表面
形状として形成する」ことを意味する。掘り写された形
状は、転写材表面の転写形状と同一でも良いし、形状が
異なっていても良い。

【００１４】上記「所望の光学形状」は、所望の光学作
用を実現するための面形状であり、例えば、凸や凹の球
面・楕円面・非球面（屈折面や反射面として用いる）、
微小なプリズム面形状・プリズム面アレイ形状、フレネ
ルレンズ形状やグレーテイング面形状等である。

【００１５】上記「母型」は、アルミニウムや銅やステ
ンレス等の各種金属、石英や合成石英等の各種ガラス、
またはセラミックス等を材料として形成出来る。母型の
表面に形成される１以上の形状は、光学デバイスに形成
するべき所望の１以上の光学形状に対応した光学形状を
有している。

【００１６】母型が表面に有する「形状」と光学デバイ
スに形成される「光学形状」とが対応するとは、「母型
から転写された転写材表面の転写形状と、デバイス材料
に最終的に形成される光学形状」とがエッチング工程の
初期形状と最終形状として対応することを意味し、前述
のように転写形状と光学形状は合同的に対応する場合
（両形状が実質的に同一である場合）もあるし、両形状
が互いに異なる場合もある。

【００１７】母型の表面に形成される１以上の形状の形
成方法としては、例えば、従来から知られた「機械加工
法」を初め、「熱変形エッチング法」、「多層熱変形エ
ッチング法」や「電子ビーム描画法」や「レーザー描画
法」を適宜利用出来る。これらの形成方法を光学形状に
応じて使いわけることにより種々の形状を精度良く形成
することが可能である。

【００１８】「デバイス材料」は、最終的に光学デバイ
スの本体となる材料である。

【００１９】「転写材」は、母型の表面に形成された１
以上の光学形状に従って変形し、母型の分離後、変形状
態を維持出来、異方性のエッチングが可能なものであれ
ば何でもよい。

【００２０】転写材に母型の形状を転写するには、予め
デバイス材料に転写材の層を形成したものに母型を押し
当てて形状転写を行っても良いし、母型の表面に転写材
を塗布してからデバイス材料の光学形状を形成したい面
を押し当てても良い。また、デバイス材料の表面もしく
は母型の表面の少なくとも一方の表面に、流動性の転写
材を適下し、これをデバイス材料と母型で挟んだ後に圧
力を加え、余剰な転写材と転写材に含まれた気泡とを押
し出しても良い。

【００２１】あるいは、請求項２記載の発明のように、
母型の１以上の形状が形成された型表面と、デバイス材
料の光学形状を形成したい面とを、近接対向させて固定
保持して両者間に転写材充填用空間を形成し、この転写
材充填用空間に流動性の転写材を注入充填して転写工程
を行ってもよい。

【００２２】なお、転写工程では、転写材への形状転写
後、母型と転写材の層とを剥離させるが、この剥離を容
易にするために、離型剤入りの転写剤を用いたり、母型
の表面に、金属化合物や有機フッ素化合物のように「表
面で分子間力の大きな物質からなる材料」を真空蒸着等
で形成したり、あるいはフッ素化合物ガスを導入した雰
囲気条件下で母型表面をプラズマ処理し、表面をフッ素
化して表面での接触角度の大きな状態に処理する等の表
面処理を行った母型を利用することが出来る。或いはま
た、上記剥離の際に、母型と転写材の層との間に「温度
差」与えることを利用して剥離を行っても良い。

【００２３】転写材として好適なものとして、紫外線硬
化型樹脂等の各種「光硬化性材料」を挙げることが出来
る（請求項３）。

【００２４】光硬化性材料は「光に反応する反応促進剤
を内部に有し、光が照射されるとラジカルを発生する物
質によって硬化反応が進行する構成物質からなる有機高
分子材料」であり、この中には、光を照射することによ
って硬化反応が進行するものも含まれる。

【００２５】光硬化性樹脂を転写材として用いる場合
は、転写工程において、転写材に光照射しつつ、母型か
ら１以上の形状の転写を行う「光照射工程」を有する。

【００２６】この場合、硬化用の光を転写材に照射する
ためには、母型およびデバイス材料のうちの、少なくと
も一方は、光硬化性樹脂を硬化せしめる光の波長に対し
て透明である必要があり、これらのうちの透明なものを
介して、硬化用の光を光硬化性樹脂に「硬化に必要な
量」だけ照射する。

【００２７】光照射工程においては、光源と母型もしく
はデバイス材料の間に、所望の開口部を有する遮光性材
料による遮光部材を介在させたまま光照射を行い、光硬
化性樹脂の硬化させるべき部分のみに選択的な光照射を
行うようにしても良い。

【００２８】また、光照射工程で光照射を行う側に、光
透過率を順次変化させた所謂グレーテイング状の遮光部
を配置し、光の透過量（即ち「積算照射量」）を場所的
に変えて収縮の大きな部分により多くの光が照射される
ようにすることにより、光硬化性材料が硬化する個所
が、光硬化性材料の厚い部分から順次薄い部分へと時間
的に変化するようにし、上記収縮の大きな部分から優先
的に硬化させるようにすることができる（請求項４）。

【００２９】転写材として好適なものとしては他に「熱
硬化性材料」や「熱可塑性材料」を挙げることが出来る
（請求項５）。

【００３０】熱硬化性材料は「硬化温度以上の温度で、
熱により高分子材料の橋かけ反応が進行し、加熱時の形
状がそのまま保存される有機高分子材料」である。

【００３１】熱硬化性材料を転写材として用いる場合
は、転写工程において、転写材を加熱しつつ母型の１以
上の光学形状の転写を行う。

【００３２】加熱前の熱硬化性樹脂は変形可能な状態に
あり、母型の形状に応じて変形させた後、もしくは変形
させつつ加熱により硬化させて変形状態を固定する。

【００３３】母型を分離した後、さらに樹脂を加熱して
完全硬化させてもよい。

【００３４】請求項２記載の発明のように、流動性の転
写材（上記光硬化性樹脂や熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂
等で有り得る）を注入充填して転写工程を行う場合に
は、流動性の転写材に圧力を加える「転写材加圧工程」
を転写工程中に有することができる（請求項６）。

【００３５】このとき転写材に加える圧力は、デバイス
材料の表面に形成しようとする光学形状の、大きさ・面
積・体積及び転写材が硬化するときに生ずる硬化収縮の
量に応じて調整され、硬化状態が所望の状態となるまで
加圧が続けられる。

【００３６】なお、異方性のドライエッチングとしては
ＥＣＲプラズマエッチング（導入ガスをイオン化し、生
じたイオンを電気的に加速し、基板に直交な方向もしく
は斜めな方向からエッチング面に衝突させることにより
エッチングを行う物理化学的なエッチング方式）等や、
ＲＩＥ（平行平板型リアクティブ・イオン・ドライ・エ
ッチング）が好適である。

【００３７】ドライエッチングに使用するガスは、使用
する基板材料に依存して適宜決定することができる。エ
ッチングの条件は、基板材料の表面に形成すべき微小光
学形状に依存する。ドライエッチングの場合、エッチン
グ中随時使用するガスの種類や使用量、流量、高周波出
力、閉じ込め磁場の強度、ガスイオンの加速電圧、エッ
チング時間等を連続的にまたは段階的に変えることによ
り変更することができる。

【００３８】転写材の表面に形成された同一の転写形状
から出発してもエッチング条件が異なれば、最終的にデ
バイス材料に形成される光学形状は異なったものになる
し、またエッチング条件の連続的あるいは断続的な変化
により転写形状を変形させた形状を光学形状として実現
することもできる。

【００３９】請求項１〜５記載の光学デバイスの製造法
で「デバイス材料」は、ドライエッチングが可能なもの
であれば特に制限なく使用することができ、石英や合成
石英、ＢＫ−７等の光学ガラス、あるいはＮｄ：ＹＡ
Ｇ，Ｎｄ：ＹＡＢ，Ｎｄ：ＹＶＯ₄，Ｎｄ：ＹＬｉＦ
₄等、公知の各種レ−ザ−材料、ＫＮｂＯ₃、ＫＴｉＯＰ
Ｏ_４等の非線形物質等、或いは各種結晶等の透明材料を
用いることが出来ることはいうまでもないが、デバイス
材料として「金属材料もしくはセラミックス材料」を用
いることもできる（請求項７）。

【００４０】請求項８記載の光学デバイスは、上記請求
項１〜７記載の何れかの方法により製造される光学デバ
イス自体である。

【００４１】この発明による光学デバイスは、マイクロ
レンズやマイクロレンズアレイ、マイクロプリズムやマ
イクロプリズムアレイ、フレネルレンズやグレーティン
グ等として実現できるが、これらは、ＣＣＤやＬＥＤあ
るいはＬＤ、さらには光ファイバ−コネクタ−の先端な
ど、光学機能素子の光入射側あるいは光射出側に配置し
ても良いし、オンチップレンズ・アレイ等として光学機
能素子と一体に形成することもできる。

【００４２】

【作用】上記の如く、この発明においては、デバイス材
料に形成するべき所望の光学形状に対応する転写形状
が、転写材の表面形状として「母型からの形状転写」に
より形成される。

【００４３】請求項４記載の発明では、収縮の大きな部
分から優先的に硬化させられる。

【００４４】請求項６記載の発明では、流動性の転写材
に対し、デバイス材料の表面に形成しようとする光学形
状の、大きさ・面積・体積及び転写材が硬化するときに
生ずる硬化収縮の量に応じて調整された圧力が、所望の
硬化状態となるまで印加される。

【００４５】

【実施例】以下、具体的な実施例を説明する。

【００４６】図１は請求項１，３，８記載の発明の１実
施例を説明するための図である。

【００４７】図１（ａ）において符号１０は「デバイス
材料」を示す。デバイス材料１０の平坦な表面には、所
望の厚さに転写材１１の層が形成されている。この例で
転写材１１は「光硬化性材料」である紫外線硬化型樹脂
であり（請求項３）、（ａ）においては「軟質状態」に
ある。符号１２は「母型」を示している。母型１２はこ
の例において前述の合成石英などの透明な材料で形成さ
れ、その表面にはデバイス材料１０に形成すべき凹曲面
形状（所望の光学形状）に対応する１以上の凸曲面形状
１３が形成されている。

【００４８】図１（ｂ）は、転写材１１の層の表面に母
型１２を押しつけた状態である。このとき転写材１１は
軟質状態であり、転写材１１の表面は、母型１２の表面
の１以上の凸曲面形状１３に従って変形する。この状態
で、母型１２を介して紫外線ＵＶを照射し、転写材１１
を硬化させる。

【００４９】転写材１１が硬化したら母型１２を分離す
る。このとき母型１２と転写材１１とに温度差を与える
「ヒ−トショック」を利用すると分離を容易に行うこと
ができる。あるいはまたデバイス材料１０を透明材料と
し、硬化のための紫外線照射をデバイス材料１０を介し
て行うようにする場合には、母型１２の表面に前述の金
属薄膜などの離型膜を形成したり離型処理を施したりす
ることができる。

【００５０】このようにして、図１（ｃ）に示すように
「１以上の転写形状（この例において凹曲面形状）を表
面形状として持つ転写材１１の層」をデバイス材料１０
の表面上に形成することができる。以上が「転写工程」
である。

【００５１】なお、転写材１１として「熱硬化性材料」
を用いる場合には、加熱によって硬化させることは言う
までもない。

【００５２】続いて「エッチング工程」を実行する。即
ち、図１（ｃ）の状態から異方性のドライエッチング
を、転写材１１とデバイス材料１０とに行い、転写材１
１の表面の１以上の凹曲面形状をデバイス材料１０に掘
り写す。かくして、図１（ｄ）に示すように、所望の凹
曲面形状を１以上有する光学デバイス１４（請求項７）
を得ることができる。

【００５３】上記エッチング工程の際、転写材１１に対
するエッチング速度とデバイス材料１０に対するエッチ
ング速度の比、即ち「選択比」を１とすれば、母型１２
の表面の凸曲面形状１３をそっくり凹凸反転した凹曲面
形状をデバイス材料１０に掘り写すことができる。

【００５４】また、選択比を１より小さく（大きく）す
ることにより、デバイス材料１０に形成される凹曲面形
状の曲率半径を大きく（小さく）することができ、また
エッチングの際に選択比を連続的および／または段階的
に変化させることにより、デバイス材料に掘り写される
凹曲面形状を「非球面化」することができる。

【００５５】図２を参照して、請求項２，３，８記載の
発明の１実施例を説明する。煩雑を避けるため、混同の
恐れがないと思われるものについては図２以下において
も図１におけると同一の符号を用いる。

【００５６】図２（ａ）において符号２０は「母型」を
示している。母型２０はこの例において無酸素銅材料の
表面にＮｉ鍍金した平板で形成され、その表面には、デ
バイス材料１０に形成すべき所望の光学形状に対応する
１以上の凹楔形状２１（図示の凹楔状は、図面に直交す
る方向へ均一である）が超精密加工形成されている。

【００５７】図２（ａ）は、母型２０の１以上の凹楔形
状２１が形成された型表面と、デバイス材料１０の凸楔
形状を形成したい表面とを近接対向させて固定保持した
状態を示す。

【００５８】母型２０の凹楔形状２１は、凹楔形状２１
とデバイス材料１０の表面との間に、転写材充填用空間
２２が形成されるように母型２０のデバイス材料１０へ
の当接面から１段奥まって形成されており、母型２０に
は、転写材充填用空間２２に「流動性の転写材」を注入
するための注入口（図示されず）が設けられている。

【００５９】必要に応じて、転写材充填用空間２２に転
写材を注入する際に同空間から押し出されるガスを抜く
ガス抜き口、あるいは、余剰な転写材を押し出す転写材
出口を母型２０に設けることもできる。あるいはまた、
母型の光学形状が形成された領域外の他の領域に、流動
性の転写材を注入滞留させる領域を設けることもでき
る。

【００６０】上記注入口や、ガス抜き口、転写材出口、
さらには転写材を注入滞留させる領域は、デバイス材料
の側に形成することも可能である。

【００６１】図２（ｂ）において、符号１１は上記転写
材充填用空間２２に注入充填された転写材を示す。この
例では、転写材１１は「光硬化性材料」である「紫外線
硬化樹脂」であり、紫外線照射前は「流動性」である。
転写材１１は上記空間２２に充填されると、その表面は
母型２０の表面の１以上の凹楔形状２１に従った形状に
なる。

【００６２】上記の如く、母型２０の型表面とデバイス
材料１０の光学形状を形成したい面とを近接対向させて
固定保持して両者間に転写材充填用空間を形成し、この
転写材充填用空間に流動性の転写材を注入充填して転写
工程を行うようにすると、以下のような効果がある。

【００６３】即ち、転写材１１の層の厚さが、転写材充
填用空間２２によって規制されるため、転写材１１の層
の厚さの繰り返し再現性が良い。また、転写材１１の注
入量が転写材充填用空間２２によって規制されるため、
デバイス材料１０の必要な表面部分のみに転写材の層を
形成でき、余剰な転写材を除去する工程が必要ない。

【００６４】さらには、転写材充填用空間に転写材注入
口から転写材を注入するので、転写材が一方向から流動
することになり、空気の取り込みによる泡の発生も少な
く、万が一発生しても転写材が押出してくれる。

【００６５】転写材１１が充填された状態で、図２
（ｂ）に示すように、紫外光に対して透明なデバイス材
料１０を介して紫外線ＵＶを照射して転写材１１を硬化
させる。

【００６６】転写材１１が硬化したら母型２０を分離す
る。このとき母型１２と転写材１１とに温度差を与える
「ヒ−トショック」を利用すると分離を容易に行うこと
ができる。あるいはまた母型２０の表面に、前述の金属
薄膜などの離型膜を形成したり離型処理を施したりする
ことができる。

【００６７】母型２０を分離すると、図２（ｃ）に示す
ように「１以上の転写形状（この例において凹曲面形
状）を表面形状として持つ転写材１１の層」をデバイス
材料１０の表面上に形成することができる。以上が「転
写工程」である。

【００６８】転写材が「熱硬化性材料」である場合に
は、加熱によって硬化させることは言うまでもない。

【００６９】転写工程後は、図２（ｃ）に示す状態か
ら、異方性のドライエッチングを転写材１１とデバイス
材料１０とに行い、転写材１１の表面の１以上の凸楔形
状をデバイス材料１０に掘り写す（エッチング工程）
と、図２（ｄ）に示すように、所望の凸の楔形状を１以
上有する光学デバイス２３を得ることができる。

【００７０】エッチング工程の際の選択比が１であれ
ば、光学デバイス２３に形成された所望の光学形状であ
る凸楔形状は、母型２０の表面の凹楔形状２１をそのま
ま凹凸反転した形状である。

【００７１】また、選択比を１より小さく（大きく）す
ることにより、母型２０の１以上の凹の楔形状２１の傾
き角：θ_０（図２（ａ））に対し、傾き角：θ₁を小さ
く（大きく）した凸楔形状を１以上有する光学デバイス
２４を得ることができる（図２ｅ）。

【００７２】あるいは、エッチングの際に、選択比を連
続的および／または段階的に変化させることにより、デ
バイス材料に掘り写される凸楔形状を「曲面化」させた
光学デバイス２５を得ることができる（図２（ｆ））。

【００７３】図２（ｆ）に示す例では、選択比はエッチ
ング工程の当初において小さく、時間の経過とともに次
第に増大している。

【００７４】図３は、請求項６記載の発明の１実施例を
説明するための図である。

【００７５】請求項６記載の発明は、転写工程において
流動性の転写材に、圧力を加えつつ母型の１以上の形状
の転写を行う「転写材加圧工程」を有する。

【００７６】図３において、符号２０Ａは「母型」を示
している。母型２０Ａは、この例において無酸素銅材料
の表面にＮｉ鍍金した、やや厚手の平板で形成され、そ
の表面には、デバイス材料１０に形成すべき所望の光学
形状に対応する１以上の凹楔形状２１Ａが超精密加工形
成されている。

【００７７】図３において、母型２０Ａとデバイス材料
１０とは、母型２０Ａの型表面とデバイス材料１０の凸
楔形状を形成したい表面とを近接対向させて固定保持さ
れ、両者の間に形成された転写材充填用空間に流動性の
転写材１１が注入充填されている。この例では、転写材
１１は光硬化性材料である「紫外線硬化型樹脂」であり
紫外線が照射される前は「流動性」を持ち「軟質状態」
である。

【００７８】母型２０Ａは、上記転写材充填用空間に転
写材を注入するための注入口が図示の如くに形成されて
おり、図示のように、紫外線ＵＶを照射して転写材１１
を硬化させるとき、注入口から圧力３０を加える。母型
２０Ａあるいはデバイス材料１０には、図２の実施例で
も説明したように、必要に応じ、ガス抜き口や転写材出
口を設けることもできるが、圧力３０を加える時点では
これらは閉じられる。

【００７９】転写材１１に圧力を加えたまま硬化させる
ことにはつぎのような効果がある。

【００８０】転写材１１に圧力を加えることにより、転
写材１１を、転写材充填用空間に隙間無く充填させるこ
とができ、転写材１１に母型２０Ａの形状を容易に転写
せしめることができる。また、転写材１１に紫外線ＵＶ
を照射して転写材１１を硬化させる際に、転写材１１の
体積収縮に起因して転写材１１表面の楔形状部分に発生
するヒケを抑止することができる。

【００８１】以下、具体的例を説明する。

【００８２】具体例１（請求項１記載の発明の具体例）図１に示したデバイス材料１０として、合成石英材料の
「平行平板」を使用した。形状転写するための転写材１
１の例として、エポキシ材料：９に対しアクリル材料：
１の割合で配合した「嫌気性の紫外線硬化材料」を使用
した。

【００８３】母型１２は、合成石英材料の表面に予め、
後述する所定の凸曲面形状を加工・形成したものを使用
した。この母型は、Ａｒ，ＣＦ₄を導入ガスとして用い
たプラズマ処理によって母型合成石英の表面層がフッ素
処理されている。

【００８４】母型の凸曲面形状を上に向けて設置し、母
型上の３箇所に厚さ：１５μｍのスペ−サ−を配置し、
母型上の面に上記の嫌気性の紫外線硬化性材料による転
写材を滴下塗布した後、デバイス材料である合成石英材
料の平行平板を転写材上に静かに乗せ、転写材とデバイ
ス材料の間および母型と転写材の間に含まれた気泡を泡
出しした。

【００８５】この例では、母型の上に転写材を滴下塗布
したが、デバイス材料に滴下塗布しても良い。

【００８６】ついで、デバイス材料の上方からデバイス
材料に均一に加重をかけて、母型／スペ−サ−／デバイ
ス材料の三者が互いに接触して３層構造を形成するまで
押しつける。この時余分な転写材は母型とデバイスの間
から流れでる。

【００８７】つぎに加重を取り除き、転写材の硬化に十
分な紫外線２５００ｍｊ/ｃｍ²を照射する。この照射は
デバイス材料側から行っても良いし、母型の側から行っ
ても良い。流れでた転写材はアセトンで除去する。この
具体例で用いた転写材は嫌気性であるため、流れでた材
料は硬化しない。

【００８８】転写材は、必要に応じて上記状態で１２０
℃の温度で３０分間ポストキュア−してもよい。このよ
うにして転写材を完全硬化させる。その後、母型をデバ
イス材料の上の転写材から剥離する。その際、母型の表
面処理の効果のため容易に剥離できることが判った。勿
論、剥離の容易性のためには表面処理の効果だけではな
く、母型の「表面粗さ」が小さいことも必要である。ま
た、剥離の前に、母型とデバイス材料を共に裏打ちし、
専用の治具に冷却もしくは加熱機構によってヒ−トショ
ックを与えると剥離作業が容易である。

【００８９】なお、転写材の材料樹脂の性質を調整し、
光硬化性の特性を強化すると、紫外線照射後に樹脂が収
縮して母型からの剥離性が増した。但し、この場合は転
写材が厚み方向に当初の１５μｍから１４μｍに収縮す
るため、転写された凹曲面形状は、母型の凸曲面形状よ
りも曲率の小さい形状となった。

【００９０】続いて、エッチング工程を行った。

【００９１】ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いて、
Ａｒ，ＣＨＦ₃，Ｏ₂ガスを導入して、３〜５×１０~⁴Ｔ
ｏｒｒの条件下（選択比：１）でエッチングし、転写材
表面の凹曲面形状をデバイス材料に彫り写した。

【００９２】この実施例における具体的デ−タは以下の
通りである。

【００９３】母型における凸曲面形状：マイクロ凸曲面近似球面の曲率半径：Ｒ＝２８４．０６１μｍ形状誤差：ＰＲｔ＝１．１４１μｍ転写材に転写された凹曲面形状：マイクロ凹曲面近似球面の曲率半径：Ｒ＝２８６．１４６μｍ形状誤差：ＰＲｔ＝１．４４４μｍエッチング工程後のデバイス材料に形成された凹曲面形
状：マイクロ凹曲面近似球面の曲率半径：Ｒ＝２８５．４６６μｍ形状誤差：ＰＲｔ＝１．２１３μｍ母型のマイクロ凸曲面とデバイス材料のマイクロ凹曲面
との差異近似球面の曲率半径の差：ΔＲ＝１．４０５μｍ形状誤差：ΔＰＲｔ＝０．０７２μｍこのようにして、形成された光学デバイスは、上記凹曲
面形状を負の屈折面とするマイクロ凹レンズとして使用
できる。

【００９４】具体例２（請求項２記載の発明の具体例）図２に示したデバイス材料１０として、合成石英材料の
「平行平板」を使用した。形状転写するための転写材２
３の例として、エポキシ材料：９に対しアクリル材料：
１の割合で配合した紫外線硬化材料を使用した。

【００９５】母型２０としては、無酸素銅材料の表面に
Ｎｉ鍍金した平板に、予め、後述する所定の凹楔形状２
１を超精密加工形成したものを使用した。

【００９６】母型の表面には、転写材を転写材充填用空
間に流れ込むための注入口の溝と、ガス抜き用のガス抜
き口の溝を凹楔形状に付随して形成した。その他の面は
平面となっている。また、この母型は、Ａｒ，ＣＦ₄を
導入ガスとして用いたプラズマ処理によって母型の表面
層がフッ素処理されている。

【００９７】上記母型の凹楔形状が形成されている面
と、デバイス材料の凸楔形状を形成したい面を近接対向
させて固定保持した。このとき、母型の凹楔形状を形成
した部分以外の面は平面であるためデバイス材料表面と
面接触している。

【００９８】上記転写材の注入口から転写材を注入し、
転写材充填用空間に転写材を充填した。この時、余剰な
転写材はガス抜き口から流れ出る。

【００９９】転写材が母型の間隙に充填され転写材に泡
が無いことを、デバイス材料側から目視で確認し、デバ
イス材料側から転写材の硬化に十分な紫外線２５００ｍ
ｊ／ｃｍ²を照射して転写材を硬化した。

【０１００】このとき、デバイス材料の、紫外線を照射
する側の面に「楔形状を形成したい範囲にあわせた開口
部を有する、紫外線遮光性材料による遮光部材」を取付
けており、転写材の注入口やガス抜き口に残っている転
写材は硬化しないように、その範囲の紫外線を遮光し
た。

【０１０１】転写材は、必要に応じ上記状態で１２０℃
の温度で３０分間ポストキュア−してもよい。このよう
にして樹脂を完全硬化させる。

【０１０２】その後、母型をデバイス材料の上の転写材
から剥離する。この際、母型の表面処理の効果のため容
易に剥離できることが判った。勿論、剥離の容易性のた
めには、表面処理の効果だけではなく、母型の「表面粗
さ」が小さいことも必要である。

【０１０３】続いて、エッチング工程を行った。

【０１０４】ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いて、
Ａｒ，ＣＨＦ₃，Ｏ₂ガスを導入して、３〜５×１０~⁴Ｔ
ｏｒｒの条件下（選択比：１）でエッチングし、転写材
表面の凸楔形状をデバイス材料に彫り写した。

【０１０５】この実施例における具体的デ−タは以下の
通りである。

【０１０６】母型における形状：配列ピッチ：３００μｍ楔形状の稜線高さ：１０９．２μｍ斜面部の傾き（θ）：２０° 平面部と楔形状の段差：１０μｍ転写材に転写された転写楔形状配列ピッチ：３００μｍ楔形状の稜線高さ：１００．４μｍ斜面部の傾き（θ）：１８．５° エッチング工程後のデバイス材料に形成された楔形状配列ピッチ：３００μｍ楔形状の稜線高さ：１０２．１μｍ斜面部の傾き（θ）：１８．８° このようにして形成された光学デバイスは、上記楔形状
をプリズム屈折面としたマイクロプリズムとして使用で
きる。

【０１０７】具体例３（請求項６記載の発明の具体例）図３に示したデバイス材料１０として、合成石英材料の
「平行平板」を使用した。形状転写するための転写材１
１の例として、エポキシ材料：９に対しアクリル材料：
１の割合で配合した紫外線硬化材料を使用した。

【０１０８】母型２０Ａとしては、無酸素銅材料の表面
にＮｉ鍍金した平板に、予め、後述の所定の凹楔形状２
１を超精密加工形成したものを使用した。

【０１０９】母型の表面には転写材が凹楔形状に流れ込
むための注入口の溝と、ガス抜き用のガス抜き口の溝を
凹楔形状に付随して形成した。その他の部分は平面とな
っている。母型は、Ａｒ，ＣＦ₄を導入ガスとして用い
たプラズマ処理によって母型の表面層がフッ素処理され
ている。

【０１１０】上記母型の凹楔形状が形成されている面
と、デバイス材料の凸楔形状を形成したい面を、近接対
向させて固定保持した。このとき、母型の凹楔形状部以
外の面は平面であるため、デバイス材料表面と面接触し
ている。

【０１１１】つぎに、転写材の注入口から、転写材を注
入し、楔形状を有する間隙に転写材を充填した。この
時、余剰な転写材はガス抜き口から出た。

【０１１２】つぎに、デバイス材料側から目視で、転写
材が母型の間隙に充填され泡が転写材にないことを確認
した後、ガス抜き口を閉じ、転写材注入口から転写材
に、３ｋｇ/ｃｍ²の圧力を加えた。

【０１１３】上記状態で転写材に上記圧力を加えつつ、
デバイス材料側から転写材の硬化に十分な紫外線２５０
０ｍｊ/ｃｍ²を照射し、転写材を硬化した。

【０１１４】具体例２と同様、デバイス材料の紫外線を
照射する側の面に、楔形状を形成したい範囲にあわせた
開口部を有する「紫外線遮光性材料による遮光部材」を
取付けており、転写材の注入口やガス抜き口に残ってい
る転写材は硬化しないよう、その範囲の紫外線を遮光し
た。

【０１１５】紫外線の照射工程を終了後、転写材に加え
られていた圧力を除去した。

【０１１６】転写材は必要に応じ、上記状態で１２０℃
の温度で３０分間ポストキュア−してもよい。このよう
にして樹脂を完全硬化させる。

【０１１７】その後、母型をデバイス材料の上の転写材
から剥離する。この際、母型の表面処理の効果のため容
易に剥離できることが判った。勿論、剥離の容易性のた
めには、表面処理の効果だけではなく、母型の「表面粗
さ」が小さいことも必要である。

【０１１８】母型を転写材から剥離した後に転写材の楔
形状を計測した結果、具体例２（転写材に圧力を加えず
に、転写材の硬化を実施した）の場合に比較して、母型
の楔形状をよく転写していることが確認された。

【０１１９】続いて、エッチング工程を行った。

【０１２０】ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いて、
Ａｒ，ＣＨＦ₃，Ｏ₂ガスを導入して、３〜５×１０~⁴Ｔ
ｏｒｒの条件下（選択比：１）でエッチングし、転写材
表面の凸楔形状をデバイス材料に彫り写した。

【０１２１】この実施例における具体的デ−タは以下の
通りである。

【０１２２】母型における形状：配列ピッチ：３００μｍ楔形状の稜線高さ：１０９．２μｍ斜面部の傾き（θ）：２０° 平面部と楔形状の段差：１０μｍ転写材に転写された転写楔形状配列ピッチ：３００μｍ楔形状の稜線高さ：１０６．２μｍ斜面部の傾き（θ）：１９．５° エッチング工程後のデバイス材料に形成された楔形状配列ピッチ：３００μｍ楔形状の稜線高さ：１０８μｍ斜面部の傾き（θ）：１９．８° このようにして形成された光学デバイスは、上記楔形状
をプリズム屈折面としたマイクロプリズムとして使用で
きる。

【０１２３】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば新規な
光学デバイスおよび光学デバイス製造法を提供できる。

【０１２４】請求項１〜７記載の発明によれば、所望の
光学形状に対応する形状を有する母型の使用により、型
の形状における曲率半径の大小や楔形状の高低等に拘ら
ず、常に正確な形状を再現性良く、転写材表面に転写形
状として転写でき、エッチング工程における出発形状が
常に精度の良い形状であるため所望の光学形状を有する
光学デバイスを精度良くまた効率的に製造できる。

【０１２５】特に請求項４記載の発明では、光硬化性材
料の厚い部分から薄い部分へと時間的にずれながら硬化
が進行するので、所謂「ヒケ」を少なくでき、極めて精
度の良い形状転写が可能である。

【０１２６】同様に、請求項６記載の発明では、流動性
の転写材に圧力を加えながら転写を行うので、例えば熱
硬化性材料を転写材として用いる場合に、加圧状態で硬
化を行うことにより、上記「ヒケ」の発生を有効に防止
して、良好な形状転写を実現できる。

【０１２７】請求項８記載の発明の光学デバイスは、上
記請求項１〜７記載の発明の実施により製造されるか
ら、量産性に優れ、光学形状の精度が優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の１実施例を説明するため
の図である。

【図２】請求項２記載の発明の１実施例を説明するため
の図である。

【図３】請求項５記載の発明の１実施例を説明するため
の図である。

【符号の説明】

１０デバイス材料１１転写材１２凸曲面形状を有する母型１３母型の表面に形成された凸曲面形状１４凹曲面形状を有する光学デバイス２０凹楔形状を有する母型２１母型のに形成された凹楔形状２２母型とデバイス材料の間に形成された転写材
充填用空間２３凸楔形状を有する光学デバイス２４凸楔形状を有する光学デバイス２５曲面部と楔形状を有する光学デバイス３０転写材に加える圧力

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所望の光学形状を１以上有する光学デバイ
スを製造する方法であって、所望の光学形状に対応する形状を型表面に１以上有する
母型を用いて上記１以上の形状を転写材の表面に転写し
て、１以上の転写形状を表面形状として持つ転写材の層
をデバイス材料の表面上に形成する転写工程と、上記転写材およびデバイス材料に対して異方性のドライ
エッチングを行い、上記１以上の転写形状をデバイス材
料に掘り写し、デバイス材料に上記所望の光学形状を１
以上形成するエッチング工程とを有することを特徴とす
る光学デバイス製造方法。
【請求項２】請求項１記載の光学デバイス製造方法にお
いて、母型の１以上の形状が形成された型表面と、デバイス材
料の光学形状を形成したい面とを、近接対向させて固定
保持して両者間に転写材充填用空間を形成し、この転写
材充填用空間に、流動性の転写材を注入充填して、転写
工程を行うことを特徴とする光学デバイス製造方法。
【請求項３】請求項１または２記載の光学デバイス製造
方法において、転写材が光硬化性材料であり、転写工程において、転写
材に光照射しつつ、母型の１以上の形状の転写を行う光
照射工程を有することを特徴とする光学デバイス製造方
法。
【請求項４】請求項３記載の光学デバイス製造方法にお
いて、光照射を行う側に、光透過率を順次変化させた遮光部を
配置し、収縮の大きな部分により多くの光が照射される
ようにし、上記収縮の大きな部分から優先的に硬化させ
ることを特徴とする光学デバイス製造方法。
【請求項５】請求項１または２記載の光学デバイス製造
方法において、転写材が熱硬化性材料もしくは熱可塑性材料であること
を特徴とする光学デバイス製造方法。
【請求項６】請求項２または３または４または５記載の
光学デバイス製造方法において、流動性の転写材料を光学デバイス製造用型に注入充填し
た後に、流動性の転写材料に圧力を加えつつ母型の１以
上の形状の転写を行う転写材加圧工程を、転写工程が有
することを特徴とする光学デバイス製造方法。
【請求項７】請求項１または２または３または４または
５または６記載の光学デバイス製造方法において、デバイス材料として、金属材料もしくはセラミック材料
が用いられていることを特徴とする光学デバイス製造方
法。
【請求項８】請求項１または２または３または４または
５または６または７記載の光学デバイス製造方法により
製造される光学デバイス。