JPH0829601A

JPH0829601A - マイクロ凹面配列をもつ光学デバイスおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH0829601A
Application number: JP16809294A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Umeki; 和博梅木; Masanori Satou; 昌仙佐藤; Masaaki Sato; 正明佐藤
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 1994-07-20
Filing date: 1994-07-20
Publication date: 1996-02-02

Abstract

(57)【要約】【目的】微小な凹面を配列形成した、マイクロ凹面配列
をもつ新規な光学デバイスを提供する。【構成】デバイス材料１の平滑な表面上にフォトレジス
ト２の層を形成してなる光学デバイス材料の、フォトレ
ジスト２の層にフォトリソグラフィを行って、フォトレ
ジスト２の表面に、微小な凹面形状を所望の配列に形成
し、次いで、フォトレジスト２とデバイス材料１とに対
し、等方性および／または異方性のエッチングを行うこ
とにより、デバイス材料の表面形状として、微小凹面の
配列を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マイクロ凹面配列を
もつ光学デバイスおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロレンズを典型例とするマイクロ
光学系における屈折面や反射面を創成する方法として、
エッチングを利用する方法が知られている（例えば、特
開平５−１７３００３号公報）。

【０００３】エッチングを利用する微小曲面の創成は、
比較的最近の技術であり、広い可能性を秘めており、活
発な技術開発が期待されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、エッチン
グを利用して、微小凹面の配列を形成した、マイクロ凹
面配列をもつ新規な「光学デバイス」の提供を目的とす
る（請求項５〜８）。

【０００５】この発明の別の目的は、上記光学デバイス
を製造するための、新規な「光学デバイス製造方法」の
提供にある（請求項１〜４）。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明の「マイクロ凹
面配列をもつ光学デバイスの製造方法」は、「デバイス
材料」の平滑な表面上にフォトレジストの層を形成して
なる「光学デバイス材料」を用いる。

【０００７】デバイス材料は、最終的に形成される光学
デバイスの実態部分となるものであり、平滑な表面を有
し、その平滑な表面にフォトレジストの層を形成したも
のが光学デバイス材料である。

【０００８】光学デバイス材料のフォトレジストの層
は、「フォトリソグラフィ」により、その表面に、微小
な「凹面形状」を所望の配列に形成される。

【０００９】次いで、フォトレジストとデバイス材料と
に対し、等方性および／または異方性のエッチングが実
行され、デバイス材料の表面形状として「微小凹面の配
列」が形成される（請求項１）。

【００１０】形成される「微小凹面」の形状は、１次元
的な凹面である「凹シリンダ面」や、凹球面や凹楕円面
に代表される２次元的な凹面が可能である。

【００１１】微小凹面の「配列」は、上記凹シリンダ面
の場合は、その１次元的なアレイ配列、あるいは上記１
次元のアレイ配列を２配列以上、互いに位相をずらして
千鳥状に配列したもの等が可能であるし、微小凹面が２
次元的な凹面である場合には、マトリックス的なアレイ
配列や「ハニカム状の稠密配列」等が可能である。

【００１２】上記「凹シリンダ面や凹球面、凹楕円面」
は、その横断面形状が完全な円弧をなす凹のシリンダ
面、凹の球面、凹の楕円面に限らず、その類似形状、例
えば、横断面形状が楕円弧形状に近いものや、底部が平
面に近いようなものをも含む。

【００１３】エッチングは、等方性エッチング、異方性
エッチング、あるいはこれら両者の混在したエッチング
で行われるが、請求項１記載の発明において、エッチン
グを「ドライエッチング」とし、エッチング中の反応室
内圧力と導入ガス種類および基板温度（デバイス材料の
温度）を、段階的および／または連続的に変化させるこ
とができる（請求項２）。

【００１４】上記請求項１または２記載の発明におい
て、デバイス材料として「透明な光学材料」を用いるこ
とができ（請求項３）、この場合、デバイス材料に形成
された微小凹面は屈折面として利用できる。

【００１５】このとき得られる光学デバイスは、例えば
「マイクロ凹レンズアレイ」や「マイクロ凹シリンダレ
ンズアレイ」として使用できる（請求項５，７）。

【００１６】また、請求項１または２記載の発明におい
て、デバイス材料に形成された微小凹面の配列に、「反
射膜」を形成することができる（請求項４）。この場
合、デバイス材料に形成された微小凹面は反射膜を形成
されることにより凹反射面として利用でき、得られる光
学デバイスは「マイクロ凹面鏡アレイ」や「マイクロ凹
シリンダ面鏡アレイ」として使用できる（請求項６，
８）。

【００１７】

【作用】図１（ａ）は、デバイス材料１の平滑な表面に
フォトレジスト２の層を形成してなる「光学デバイス材
料」を示している。

【００１８】図１（ｂ）は、光学デバイス材料のフォト
レジスト２の層に「フォトリソグラフィ」を行って、フ
ォトレジスト２の表面に「微小な凹面形状の配列」を形
成した状態を示している。

【００１９】この例において、フォトレジスト２の表面
に形成された「微小な表面形状の配列」は、「フォトレ
ジスト２の層厚を、所定の一方向（図の左右方向）にの
み、所望の微小周期で波形に変化させた状態」として特
定できる。即ち、層厚の変化は図の左右方向のみで、図
面に直交する方向には、図１（ｂ）に形状が一様に続い
ている。

【００２０】図では、層厚の最小値が０となるようにし
ているが、必ずしも、このようにしなければならない訳
ではなく、最小層厚が有限の厚さを持っていても良い。

【００２１】図１（ｂ）の状態から、等方性のエッチン
グを実行すると、エッチングによる侵刻が、フォトレジ
スト２の層の波形の各方向へ等方的に進行するので、し
ばらくすると、図１（ｃ）のような状態になる。この状
態では、デバイス材料１にもエッチングが進行してい
る。

【００２２】エッチングがさらに進行し、フォトレジス
ト２が完全に侵刻され尽くすと、図１（ｄ）に示すよう
に、デバイス材料１の表面形状として、先にフォトレジ
スト２の層に形成した層厚の波形（微小な凹面形状の配
列）と同ピッチの凹シリンダ面のアレイ（微小凹面の配
列）が形成される。

【００２３】所望により、図１（ｃ）の状態で等方性の
エッチングを停止し、フォトレジスト２を除去し、隣接
する凹シリンダ面間に、デバイス材料の平滑な表面が残
るようにしても良い。

【００２４】あるいは図１（ｂ）の状態の前後から、エ
ッチングの「選択比」を変え、例えば、フォトレジスト
２に対するエッチング速度よりも、デバイス材料１に対
するエッチング速度が大きくなるようにすると、デバイ
ス材料に形成される凹シリンダ面の曲率を強めることが
できる。

【００２５】また段階的および／または連続的に選択比
を変化させれば、形成される凹シリンダ面の横断面形状
を、周知の非球面の式で表現されるような種々の形状に
することができる。

【００２６】選択比を変えるにはエッチング条件を変え
れば良く、最も簡単には、請求項２の発明のように、
「エッチングをドライエッチングとし、エッチング中の
反応室内圧力と、導入ガスの種類および基板温度を、断
続的および／または連続的に変化させ」てエッチング特
性を変化させることにより実現できる。

【００２７】上の説明では、フォトリソグラフィにより
フォトレジストの表面に、「フォトレジストの層厚が１
方向に波形に変化する形状」を、「微小な凹面形状の所
望の配列」として形成する場合を示したが、勿論、フォ
トレジストの表面には、凹球面等の「２次元の凹面形
状」をマトリックス状あるいはハニカム状に形成しても
良いことは前述の通りであり、このような場合には、デ
バイス材料の表面に、上記マトリックス状あるいはハニ
カム状に配列した微小凹面を得ることができる。

【００２８】また、上の説明では、フォトレジスト２と
デバイス材料１に対するエッチング速度が等しいという
条件下で、等方性のエッチングを行う場合を説明した
が、デバイス材料の材質によっては、先ず、異方性のエ
ッチングを行い、レジスト層形状が完全に基板に転写さ
れたのちに、等方性のエッチングを行うことにより、デ
バイス材料に「所望の微小凹面の配列」を創成すること
もできる。

【００２９】勿論、「微小な凹面形状の配列」を形成さ
れたフォトレジストとデバイス材料とに対し、完全に異
方性のエッチング、即ち、侵刻がデバイス材料の平滑な
表面に垂直な方向へと進行するエッチングを行えば、上
記凹面形状を深さ方向に、比例的に拡大または縮小した
微小凹面の配列を形成することができる。

【００３０】「等方性のエッチング」では、デバイス材
料の平滑な表面に対し、垂直な方向と平行な方向とで、
エッチング速度が完全に等しくなる。

【００３１】「異方性のエッチングと等方性のエッチン
グとが混在したエッチング」では、デバイス材料の平滑
な表面に垂直な方向にも上記表面に平行な方向にも、エ
ッチングによる侵刻が進行する。

【００３２】このとき、上記表面に垂直な方向のエッチ
ング速度が大きいほど、異方性のエッチングが支配的に
なり、上記表面に平行な方向と垂直な方向のエッチング
速度の差が小さくなるほど、即ち、これらのエッチング
速度の比が１に近づくほど、等方性のエッチングの傾向
が強くなる。

【００３３】このような「異方性と等方性のエッチング
が混在したエッチング」を行うと、フォトレジスト表面
の凹面形状が上記の如き「波形」の場合、斜面の角度に
よって、等方性のエッチングのエッチング速度が異なる
ことが分かっている。即ち、フォトレジスト表面の凹面
形状の配列が、三角関数のような周期関数の形状では、
斜面の各部でエッチング速度が異なることになる。

【００３４】このようなエッチングの性質を利用して、
非球面等の所望の凹面形状を創成することが可能とな
る。

【００３５】等方性と異方性のエッチングとが混在する
場合、その混在の割合は、被エッチング材料であるデバ
イス材料の組成、エッチング時の圧力、導入ガスの種類
や混合比により変化する。

【００３６】図４は、デバイス材料として「ＳＦ−６
０」を用いたとき、導入ガスの導入条件をパラメータと
し、反応室内圧力を変化させたときの、デバイス材料の
平滑な表面に平行な方向のエッチング速度と、上記表面
に垂直な方向のエッチング速度の比（平行方向速度／垂
直方向速度）の変化を表している。

【００３７】図５は、デバイス材料として「合成石英」
を用いたとき、導入ガスの導入条件をパラメータとし、
反応室内圧力を変化させたときの、デバイス材料の平滑
な表面に平行な方向のエッチング速度と、上記表面に垂
直な方向のエッチング速度の比（平行方向速度／垂直方
向速度）の変化を表している。

【００３８】これらの図４，５から明らかなように、デ
バイス材料の組成がＳＦ−６０であるか合成石英である
かにより、また、導入ガスの組合せや反応室内の圧力に
よりデバイス材料表面に平行な方向と垂直な方向のエッ
チング速度が異なってくる。

【００３９】また、これら各方向のエッチング速度は、
デバイス材料の温度（基板温度）によっても変化する。
因に、上記２例では、基板温度は、ＳＦ−６０が−１５
度Ｃ〜−５度Ｃ、合成石英が−２５度Ｃ〜−１５度Ｃで
ある。

【００４０】なお、図４，５における導入ガスの導入量
は「ｓｃｃｍ単位」で表わされている。

【００４１】

【実施例】以下、具体的な実施例を説明する。

【００４２】図２（ａ）において、符号３は、請求項７
記載の発明による光学デバイスである「マイクロ凹シリ
ンダレンズアレイ」を示している。

【００４３】図１において、デバイス材料１として、ガ
ラス等の透明な光学材料による平行平板を用い、請求項
３記載の製造方法を実施すれば、このような、マイクロ
凹シリンダレンズアレイ３を実現できる。

【００４４】図２（ｂ）において、符号４は、請求項８
記載の発明による光学デバイスである「マイクロ凹シリ
ンダ面鏡アレイ」を示している。

【００４５】図１に即して説明した方法で、平行平板状
のデバイス材料の表面形状として形成されたマイクロ凹
シリンダ面アレイに、反射膜４１を形成することにより
（請求項４）、このような、マイクロ凹シリンダ面鏡ア
レイ４を実現できる。

【００４６】デバイス材料表面のフォトレジストの表面
形状として、例えば微小な凹球面のアレイ配列を形成す
れば、マイクロ凹レンズアレイやマイクロ凹面鏡アレイ
を形成できることは言うまでもない。

【００４７】最後に、図２（ａ）に示す如き、マイクロ
凹シリンダレンズアレイの製造の１例を説明する。

【００４８】図３（ａ）に示すような、白黒のストライ
プ連続パターン１０を作製した。このパターンの白い部
分の幅と黒い部分の幅は共に０．４ｍｍである。即ち、
０．８ｍｍピッチのストライプ連続パターンである。

【００４９】このストライプ連続パターン１０を、図３
（ｂ）に示すように、結像レンズ１２により倍率１／１
０に縮小して結像させた。パターン縮小像の結像面にＣ
ＣＤ１４を、その受光素子配列方向がストライプ連続パ
ターン１０におけるパターン配列方向（図３（ａ）の左
右方向）と平行になるように配備し、ＣＣＤ１４をパタ
ーン縮小像のピント位置からずらすように変位させた。

【００５０】ＣＣＤ１４の出力をモニターすると、ＣＣ
Ｄ１４の受光面が上記ピント位置にあるときは、上記パ
ターン１０に対応する「矩形波」状の出力が得られた。

【００５１】ＣＣＤ１０を上記ピント位置から離すに従
い、ＣＣＤ１０の出力は「矩形波」状から次第に崩れ、
「サイン関数」に近い形状となった。そこで、ＣＣＤ１
０の出力が「サイン関数形状に最も良く似た状態」とな
る位置を探り、この位置に、デバイス材料の表面にフォ
トレジストの層を形成した「光学デバイス材料」のフォ
トレジスト表面を配した。

【００５２】「デバイス材料」としては、厚さ：１ｍｍ
の、透明なＳＦ−６０による平行平板を用い、その表面
にポジ型のフォトレジスト（東京応化工業製のＯＦＰＲ
８００）を、スピンコーティングし、プリベイクして厚
さ：２０μｍの層を形成し、光学デバイス材料とした。

【００５３】光学デバイス材料のフォトレジストの層
に、上述の如く結像レンズ１２により縮小したパターン
の「ピントをぼかした像」を照射してフォトレジストの
層を露光し、感光したフォトレジストを現像により除去
したところ、一方向にサイン関数的に層厚の変化したフ
ォトレジストを得ることができた（図１（ｂ）参照）。

【００５４】これを、ＥＣＲエッチング装置にセット
し、導入ガスとしてＣＨＦ₃，Ａｒ，Ｏ₂を導入し、１．
３〜１．４×１０~³Ｔｏｒｒの圧力で、等方性のエッチ
ングを行った。

【００５５】この条件下では、（デバイス材料表面に平
行な方向のエッチング速度）／（デバイス材料表面に垂
直な方向のエッチング速度）は０．８８であり、「等方
性のエッチングの傾向」が非常に強い。この条件下でエ
ッチングを３５０分行った。

【００５６】その結果、ピッチ：略０．８ｍｍ、幅：略
０．６ｍｍ（レジスト残り部分が０．２ｍｍあったの
で、この部分は、Ｏ₂プラズマ条件下でエッチングして
除去した）、曲率半径：１．４ｍｍ、形状誤差：２．８
μｍの凹円弧を、横断面形状とする「マイクロ凹シリン
ダ面アレイ」を形成できた。

【００５７】各マイクロ凹シリンダ面は、屈折面として
使用でき、他方の面を平面として用いる場合、焦点距離
は−１．８２３ｍｍ（デバイス材料：ＳＦ−６０の、波
長１．３μｍの光に対する屈折率：１．７６８１７）で
ある。

【００５８】

【発明の効果】以上に説明したように、この発明によれ
ばマイクロ凹面配列を持つ光学デバイスおよびその製造
方法を提供できる（請求項１〜８）。

【００５９】この発明の製造方法（請求項１〜４）は、
上記の如き構成となっているから、マイクロ凹面配列を
もつ光学デバイスを容易且つ確実に形成できる。

【００６０】また、この発明の光学デバイス（請求項５
〜８）は、マイクロ凹レンズアレイやマイクロ凹面鏡ア
レイ（請求項５，７）、マイクロ凹面鏡アレイやマイク
ロ凹シリンダ面鏡アレイ（請求項６，８）として使用で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のマイクロ凹面配列をもつ光学デバイ
スの製造方法を説明するための図である。

【図２】請求項７記載の発明の１実施例であるマイクロ
凹シリンダレンズアレイ（ａ）と、請求項８記載の発明
の１実施例であるマイクロ凹シリンダ面鏡アレイ（ｂ）
を示す図である。

【図３】フォトレジストの層にフォトリソグラフィを行
う際の露光の１例を説明するための図である。

【図４】デバイス材料としてＳＦ−６０を用いたとき、
導入ガスの導入条件をパラメータとし、反応室内圧力を
変化させたときのデバイス材料の平滑な表面に平行な方
向と上記表面に垂直な方向におけるエッチング速度の比
の変化を表す図である。

【図５】デバイス材料として合成石英を用いたとき、導
入ガスの導入条件をパラメータとし、反応室内圧力を変
化させたときのデバイス材料の平滑な表面に平行な方向
と上記表面に垂直な方向におけるエッチング速度の比の
変化を表す図である。

【符号の説明】

１デバイス材料２フォトレジスト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】デバイス材料の平滑な表面上にフォトレジ
ストの層を形成してなる光学デバイス材料の、上記フォ
トレジストの層にフォトリソグラフィを行って、上記フ
ォトレジストの表面に、微小な凹面形状を所望の配列に
形成し、次いで、上記フォトレジストとデバイス材料とに対し、
等方性および／または異方性のエッチングを行うことに
より、デバイス材料の表面形状として、微小凹面の配列
を形成することを特徴とする、マイクロ凹面配列をもつ
光学デバイスの製造方法。
【請求項２】請求項１記載の光学デバイスの製造方法に
おいて、エッチングをドライエッチングとし、エッチング中の反
応室内圧力と導入ガスの種類および基板温度を、段階的
および／または連続的に変化させることを特徴とする、
マイクロ凹面配列をもつ光学デバイスの製造方法。
【請求項３】請求項１または２記載の光学デバイスの製
造方法において、デバイス材料として透明な光学材料を用いることを特徴
とする、マイクロ凹面配列をもつ光学デバイスの製造方
法。
【請求項４】請求項１または２記載の光学デバイスの製
造方法において、デバイス材料に形成された、微小凹面の配列に、反射膜
を形成することを特徴とする、マイクロ凹面配列をもつ
光学デバイスの製造方法。
【請求項５】請求項３記載の製造方法により、マイクロ
凹レンズアレイとして製造される、マイクロ凹面配列を
もつ光学デバイス。
【請求項６】請求項４記載の製造方法により、マイクロ
凹面鏡アレイとして製造される、マイクロ凹面配列をも
つ光学デバイス。
【請求項７】請求項５記載の光学デバイスにおいて、マイクロ凹レンズアレイが、マイクロ凹シリンダレンズ
アレイであることを特徴とする、マイクロ凹面配列をも
つ光学デバイス。
【請求項８】請求項５記載の光学デバイスにおいて、マイクロ凹面鏡アレイが、マイクロ凹シリンダ面鏡アレ
イであることを特徴とする、マイクロ凹面配列をもつ光
学デバイス。