JPS6252501A - Manufacture of microlens - Google Patents

Manufacture of microlens

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Publication number
JPS6252501A
JPS6252501A JP19413086A JP19413086A JPS6252501A JP S6252501 A JPS6252501 A JP S6252501A JP 19413086 A JP19413086 A JP 19413086A JP 19413086 A JP19413086 A JP 19413086A JP S6252501 A JPS6252501 A JP S6252501A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
lens material
microlens
microlenses
lens
manufacturing
Prior art date
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Pending
Application number
JP19413086A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
ゾラン デイー.ポポビツク
ロバート エイ.スプラギュー
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xerox Corp
Original Assignee
Xerox Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xerox Corp filed Critical Xerox Corp
Publication of JPS6252501A publication Critical patent/JPS6252501A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

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、特にオブトー
エ°レクトロニツクデバイス (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、これによって一体内光
学的装置の装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確立して保持
することに関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−8
3068)Jと題する米国出願(出願日       
、願番       )に記載されている方法の変形形
態である。従って、この方法はそ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。 &■立亘旦 一体化された光学系(integrated opti
cs )は急激に成長している光電子工学の分野で極め
て用型である。ソリッドステートダイオードレーザ−は
履ビーム形成光学系(beam shaping op
tics )を必要とし、ソリッドステート光検出器は
普通収。 栄光学系(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い焦点距離
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、従っ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(大規模一体化)及びVLSI
(甚だ大規模一体化)半導体製造技術の開発よりら遅く
なったのである。 一般的な条件として、マイクロレンズ及びマイクロレン
ズ配列体は精密には械加工されたダイの輪郭を模写する
ことによっ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内形」ソビエト・ジャーナ
ル・オブ・オプティカル・テクノロジー(米国)、第4
8巻、第1号、1981年1月、第49〜50頁参照。 実際のところ、半導体製造技術は段階的屈折率領域プレ
ートレンズ(steppedindex zone p
latc’1ens)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・ビーリ
アその他の「薄いフィルムレンズの写真平版による製造
」オブテイクス・コミュニケーション、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びマ
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
は且つ光学的整合を取らねばならず、このために細心の
注意を払っ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って
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
−マイクロレンズの配列体」、ジャパニーズ・ジャーナ
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・ビー・シャトルスキ
ーその他の「視野の有効深度にお
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION This invention relates to the manufacture of microlenses, and more particularly to a method for integrally manufacturing microlenses as fully integrated components such as optoelectronic devices. More particularly, the present invention applies current semiconductor manufacturing techniques to the fabrication of microlenses and microlens arrays, thereby facilitating the fabrication of integrated optical devices. More particularly, the present invention provides a method for manufacturing self-aligning microlens arrays that minimizes the time and expense associated with establishing and maintaining desired image and/or object plane alignment to the microlens array. Regarding. The microlens manufacturing method of the present invention was assigned to the applicant [Pedestal type microlens manufacturing method ('D-8
3068) U.S. application entitled J (filing date
This is a modification of the method described in , Application No. ). Accordingly, the method will be described in the context of and with reference to the same exemplary surroundings so as to clarify its distinguishing features. & ■ Integrated optical system
cs ) is extremely useful in the rapidly growing field of optoelectronics. Solid-state diode lasers use beam shaping optics.
tics), and solid-state photodetectors are commonly available. I use collection optics. These and other optoelectronic devices are small, short focal length lenses (referred to herein as "microlenses").
Substantial effort and expense has therefore been devoted to the development of microlenses and microlens arrays. Unfortunately, however, the technology for manufacturing such lenses is limited to LSI (Large Scale Integration) and VLSI, which are currently used in the manufacture of optoelectronic devices.
(Extremely large-scale integration) The development of semiconductor manufacturing technology was delayed. As a general rule, microlenses and microlens arrays are molded parts manufactured by replicating the contours of precisely machined dies. For example, I. N. Ozerov et al., “Internal shape of the contour of a die for manufacturing a lens array with spherical elements,” Soviet Journal of Optical Technology (USA), Vol.
See Vol. 8, No. 1, January 1981, pp. 49-50. In fact, semiconductor manufacturing technology is based on stepped index zone plate lenses.
It has been proposed for the production of molds for the production of replicas of latc'1ens). See El Bilia et al., "Photolithographic Production of Thin Film Lenses," Obtakes Communication, Vol. 5, No. 4, June 1972, pp. 232-5. Although the copying method is suitable for manufacturing high-quality, uniform microlenses and microlens arrays at low cost, the lenses must be attached and optically aligned after being removed from the mold. For this reason, great care must be taken to ensure that the lens is properly aligned and securely fixed or held in place when used in an optoelectronic device. Even then, the required optical alignment is difficult to maintain over long periods of time. This is because environmental factors such as large temperature fluctuations result in differences in the thermal expansion of the lens and the optoelectronic device to which it is attached. It was also reported that planar arrays of graded index microlenses have been fabricated. M. Oikawa et al., “Array of distributed index planar microlenses prepared by ion exchange technology,” Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 20, No. 4, April 1981, no. See pages 296-8. Additionally, criteria and methods for evaluating microlenses and microlens arrays have been proposed. G.B. Shuttlesky et al.'s ``effective depth of field''

【プるレンズ配列体の
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・ジャーナル・オブ・オプティカ
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猷
は一般にマイクロレ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I L−CCD像センサー]、インターナ
ショナル・エレクトロン・デバイス・ミーティング、1
983、第497〜500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COD
 (チャージ・カップルド・デバイス)像センサー配列
体のためのストリッ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)ホベれば、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沈着し、
(2)ストリップ状のパターンを形成するように第二の
樹11ifllをフォトリソグラフィカルにパターン形
成し、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ップ状のパター
ンが一連の半円筒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。従って、このストリップレンズ
はCOD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、マイクロレンズ及び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疾の
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、この方法の記述か、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放散/却
特性以外には何物によっ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結合特性
を予測するのは極めて困難となるように思われる。 成る種のマイクロレンズの製造では正確な工程制御は不
要であっても、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。 免豆旦皇】 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、被覆されたオプト−エレクトロニックデバイス
のような基体の上に作られるのであり、開口の形成され
た比較的冷えた金属層のような湿潤性のない封じ込め体
によって周囲を結合された制限せる面積部分である定め
られた領域内に溶融されたレンズ材料を自由に流動させ
ることでこのような基体の上に形成されるのである。こ
の湿潤性のない封じ込め体はレンズ材料が開口縁を超え
て広がるのを防止する。更に、溶融されたレンズ材料に
作用する表面張力による内部圧力が重力による圧力より
も格段に大ぎくなるように、各開口の面積は小さくされ
るのであり、これにより制限されたレンズ材料がその体
積及びif1口形状により定められるように本質的に接
触半径の半円形状をなすようにされる。有利なこととし
て、標準的な表面被覆及びフォトリソグラフィックによ
るパターン形成技術がレンズ材料の沈着を含めてマイク
ロレンズ及びマイクロレンズ配列体の製造のための基体
の準備のために使用できるのである。 レンズ材料の優先的な輻射加熱が封じ込め体の層を実質
的に低温に維持しつつレンズ材料の溶融を可能とする。 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−エレクトロニックデバイスの例を与えるためのソリ
ッドステートオプティカルメモリー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1!渡されたアール・ニー・スブ
ラーグその他の1984年12月4日付は出願された米
国特許願第678145号[高密度ブロックの方向付け
されたソリッドステートオプティカルメモリーJ  (
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。 マルチビットデータの「ブロック」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〜121の配列体を含み
、データマスク15を通してフォトディテクター148
〜14iの配列体上に並行にフォトエミッター13a〜
13jの配列体を結像するようになっており、データマ
スクはデータ依存の伝達プロフィルを有している。フォ
トエミッター13a〜13jの総てはフォトディテクタ
ー148〜14iの各々に結像し、フォトエミッター1
3a〜13jの1つ及び1つのみが選択的に付勢された
時にデータマスク15の伝達プロフィルがフォトディテ
クター148〜141の何れか1つの与えられたものか
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、(if選択され
たデータブロックの総てのビットが選択的に付勢された
フォトエミッター13a〜13jの1つによって並行に
光学的にアドレスされること、fiil光学的にアドレ
スされたデータブロックのビットがこれに°よりフォト
ディテクター148〜141により並行にそれぞれ読み
だされ、これによりハイ「1」及びロウ「O」、のロジ
ッ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。コリメーティングレン
ズ16はフォトエミッター13a〜13jにより放射さ
れた光を並行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〜121の総ての開口を通し
て受は止められた光は実質的に同じ特定の角度となる。 従って、フォトエミッター配列体138〜13jからの
マイクロレンズで形成された像はフォトディテクター配
列体148〜14i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、それぞれフォトアイチクタ
ー配列体148〜14i上に本質的に芯出しされた適正
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ィル
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)のであって、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、ロジックレ
ベルのビット例えば「1」がこれらの開口により与えら
れ、一方反対のヒツトのロジックレベル「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はそのプラナ−基体を形成するために中間層
(図示せず)を必要とされるが、フォトディテクター1
48〜14i上に被覆されることができる。 データマスク15上にはビットが密集してパックされ、
16メガビツトまでのメモリー容量を形成され、或いは
1 inX 1 inx 1 in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。 従って、マイクロレンズ12a〜121は本質的に同一
の焦点距離を有し、は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
のスカツタリング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′並びにフォトディテクター148〜
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〜1
2iをデータマスク15/フオトデイテクター148〜
14i組立体上に完全に一体に被覆するように一体化し
た製造方法によっ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
ォトディテクター14a〜14i組立体のようなオプト
エレクトロニックデバイス、或いはクォーツウェハーの
ようなその他の適当な基体に関する厳密な仕様に対して
マイクロレンズ及びマイクロレンズ配列体12a〜12
iのようなマイクロレンズ配列体を一体化製造するため
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−エレクトロニッ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2b図を参照すれば、本発明により、マイ
クロレンズ12a〜12iのための基体(例えばデータ
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120 (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〜121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。アルミニウムフィルム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の上に沈着され、この金属21は次に第2a図
に示すようにフォトリソグラフィカルにパターン形成さ
れて、正確な寸法の開口21a〜211(数個しか見れ
ない)が予め定めた位置にて貫通される。これらの開口
21a〜21iはそれぞれマイクロレンズ12a〜12
iのストップを形成する。このようにして例えばこれら
はフォトディテクター14a〜141上に芯出しされ(
第1図)、大体15ミクロンの直径の円形輪郭を形成す
る。 次の工程の遂行のために、第2b図に示すように、シブ
レイ(Shipley) 1400−27フオトレジス
ト(商品名)のようなノンボラク(nonVo 18C
)光学樹脂ベースのポジティブフォトレジスト22が開
口の形成された金属のEから被覆されるのであり、典型
的には4000 rpmで約30秒間の回転被覆によっ
て大体1ミクロンの被覆厚さが形成される。樹脂被覆2
2を望ましくない熱変形から保iするために、この時点
にて固く焼かれ且つまた深いU、 V、硬化が行われる
。アール・アレンその他の「ポジティブフォトレジスト
のパターンの深いU、V、硬化」、ジャーナル・オブ・
ザ・エレクトロケミカル・ソサエティ、第129巻、1
982年6月、第1379〜81頁参照。然る後、他の
真空蒸着アルミニウムフィルム或いは同様な金属のよう
な高反射率の被覆が被覆22の上から沈着され、そして
フォトリソグラフィカルにパターン形成されてそれぞれ
開口21a〜21iと一致させて正確な寸法の開口23
a〜23iが形成される。半球形レンズ12a〜121
の製造に伴って例えば寸法を与えれば、開口23a〜2
3iは大体30ミクロンの直径を有すること、即ち換言
すればレンズ開口21a〜21iの直径の大体2倍の直
径を有することが注目される。 次に、ノンボラク(nonvo l ac )光学樹脂
ベースのポジティブフォトレジスト(例えばシブレイ(
Shipley)T F −20フオトレジストく商品
名))の他の被覆のような比較的厚いポリマーレンズ材
料の被覆が開口の形成された金属23の上に例えば20
0 Orpmで40秒間の回転被覆による如くして沈着
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段階で沈着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
って軟化されるようになされるのが好ましい。レンズ材
料被覆に引続き第2C図に示すようにフォトリソグラフ
ィカルにパターン形成されるのであり、残る総てが円筒
形のマス24a〜24(とされ、これらはそれぞれ多少
とも開口23a〜2311に芯出しされるのであり、ま
た約25ミクロンの直径を有するようにされる。明白と
なるように、レンズ材料マス24a〜24iの芯出しは
特に重要ではなく、レンズ材料の湿潤しない拡がりによ
る流動路の形成を防止するために、それらの周囲及び開
口23a〜231の縁の間に適当な公差を与えられるよ
うにされる。同様に、マス24a〜241の円筒形状は
総てが同じ量の材料からなることを確実となすための適
当な幾何学的形状とされるだけであることが理解されよ
う。以下に述べるように、開口23a〜23i内に位置
するレンズ材料の昂は、それぞれレンズ128〜12i
の直径を定め、従って等しい儂の材料はレンズ12a〜
12iを本質的に同じものとなすのである。 さてマイクロレンズ12a〜12iを形成するために、
レンズ材料のマス24a〜24iは第2d図に符@25
で示すように溶融状態となすのに適当な強さの紫外線(
1,R,)に露出される。 炭酸ガスレーザー或いはシリコンカーバイドの発生源が
この照射の供給源として使用される。溶融したレンズ材
料24a〜241は樹脂液?I22を湿潤し、開口23
a〜23iを横方向に自由に流動する。金属23もまた
紫外線照射に露出されるが、反射率のために経験的に僅
かにしか加熱されないことが見出されており、一方の金
属23と他方の溶融されたレンズ材料24a〜24iと
の間にかなりの温度差が生じる。この結果として、金属
23は溶融したレンズ材料248〜24iの封じ込め体
となる。何故ならば、その縁は比較内冷たく(即ち湿潤
性に劣るもしくは湿潤しない)これが開口23a〜23
iを境界してそれ以上のレンズ材料の流動を防止するか
らである。更に開口23a〜23:の境界を超えたレン
ズ材料のあらゆる望ましくない流動を防止するために、
金属23の湿潤性を、例えばエツチングを施したり界面
活性剤を被覆して低減でき、金1ii23と溶融レンズ
材料24a〜241との間の界面エネルギーギヤ゛ツブ
を増大するようにできる。 典型的には、何れか1つのマイクロレンズ12a〜12
iに形成するために与えられるレンズ材料の体積は大体
2πr3/3を超えないように制限され、ここでrは開
口23a〜231の半径とされるが、これは半球形マイ
クロレンズ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、開口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酸が十分少ないこと
を意味する。 溶融レンズ材料24a〜24iの固有の表面張力はマイ
クロレンズ12a〜121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〜121の重力による重大
な変形は全く生じない。既に説明したように、開口23
a〜231の湿潤しない境界即ち縁はレンズ材料24a
〜24jの流動を制限し、これによりレンズ12a〜1
21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)は開口23
a〜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)細長いストリップ
状の開口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。重力はもしこれが大きいならばマイクロレンズ
128〜121を変形する傾向を見せるが、溶融フォト
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およびρはそれぞれ溶融レンズ材料24a〜24i
の表面張力及び密度であり、rは開口23a〜23iの
半径であり、そしてqは溶融レンズ材料に作用する重力
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
ッ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。
[Effects of Manufacturing Errors in Pull Lens Arrays] Volume 41, No. 11, 1974
“Evaluation of the integrated quality of microstructured lens arrays” by G. Et. Glukhosky et al., November 2013, pp. 507-9, Soviet Journal of Optical Technology, Vol. 40, No. 7. , July 1973, pp. 413-5. However, these foreign publications generally relate to independent (i.e., non-integrated) manufacturing and testing techniques for microlenses and microlens arrays, and the coupling and alignment encountered when conventional microlenses are used. It is not intended to substantively alleviate the problem. The structure and manufacturing method of the integrated microlens are described in Wai Ishihara et al. [High light sensitivity IL-CCD image sensor with integrated resin lens array], International Electron Device Meeting, 1.
983, pp. 497-500. They can achieve wide-area COD using roughly standard semiconductor manufacturing technology.
(Charge-Coupled Device) Reported in the development of a method for manufacturing strip lenses for image sensor arrays. According to their description of the method, (1) depositing a second layer of resin on top of the annealed, thermoset, smooth base resin layer;
(2) photolithographically patterning the second resin layer 11ifll to form a strip-like pattern; and (3) heating the second resin layer so that it flows, thereby forming the strip-like pattern. The pattern was changed in shape to form a series of semi-cylindrical rolls, or convex lenses. Therefore, this strip lens was integrated with the COD array, thereby avoiding the coupling and alignment problems of conventional microlenses. However, there is no control over the manufacturing process of such integrated lenses that is sufficient to produce reproducible results for manufacturing microlenses and microlens arrays to fairly precise optical specifications. There is another problem. In particular, one of the fundamental drawbacks in the aforementioned method is that the flow of the lens-forming resin by the second layer is sufficient to form microlenses with a defined geometry, i.e. the spacing The formation of geometrically uniform, dense arrays of individually addressable microlenses distributed over a large area has not been properly controlled. Instead, this method description suggests that the thermal flow of the resin forming the lenses is not substantially coupled by anything other than heat dissipation/dissipation properties in the equipment system, and that the lenses flow into each other and mix. This appears to make it extremely difficult, if not impossible, to predict optical coupling properties with reasonable accuracy. Although precise process control is not required in the manufacture of various types of microlenses, the optical specifications of microlenses and microlens arrays are usually based on the fact that the optical properties of each microlens are independently determined. The process is so rigorous that it requires proper process controls to ensure that. According to the present invention, microlenses and microlens arrays are fabricated on a substrate, such as a coated opto-electronic device, using a relatively cool metal layer in which an aperture is formed. Formed on such a substrate by free flowing molten lens material within a defined area, which is a confining area bounded by a non-wettable encapsulant such as be. This non-wettable containment prevents the lens material from spreading beyond the aperture edges. Furthermore, the area of each aperture is made small so that the internal pressure due to surface tension acting on the molten lens material is much greater than the pressure due to gravity, which allows the limited lens material to expand its volume. and if1, it is made to essentially form a semicircular shape with a contact radius as determined by the mouth shape. Advantageously, standard surface coating and photolithographic patterning techniques can be used to prepare the substrate for the manufacture of microlenses and microlens arrays, including the deposition of lens materials. Preferential radiant heating of the lens material allows for melting of the lens material while maintaining the encapsulant layer at a substantially lower temperature. DETAILED DESCRIPTION OF THE ILLUSTRATED EMBODIMENTS The present invention will hereinafter be described in detail with respect to one illustrated embodiment, but it must be understood that there is no intention to limit it to this embodiment. On the contrary, the intention is to cover all modifications, variations, and equivalents included within the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. Referring to the drawings, and with particular reference now to FIG. 1, a solid state optical memory 11 is shown to provide an example of an opto-electronic device, and a method of manufacturing an integrated microlens of the present invention is illustrated. This is particularly important in this regard. This memory 11 is related to this and to the common assignee 1! No. 678,145 [Dense Block Oriented Solid State Optical Memory J (Dense Block Oriented Solid State Optical Memory J (
D/82066) is described in considerable detail,
A simple explanation will suffice. "Blocks" of multi-bit data are selectively restored from memory 11 in response to instructions. For this purpose, the memory 11 includes an array of microlenses 12a to 121, and a photodetector 148 is inserted through the data mask 15.
~Photo emitter 13a~ in parallel on the array of 14i~
13j array, and the data mask has a data-dependent transfer profile. All of the photoemitters 13a to 13j form an image on each of the photodetectors 148 to 14i, and the photoemitter 1
The transmission profile of data mask 15 determines whether a given one of photodetectors 148-141 is illuminated or not illuminated when one and only one of photodetectors 3a-13j are selectively energized. It is done like this. Correct optical alignment of the memory 11 is such that (if all bits of the selected data block are optically addressed in parallel by one of the selectively activated photoemitters 13a-13j, fiil The bits of the optically addressed data block are then read out in parallel by photodetectors 148-141, respectively, thereby spatially detecting the high "1" and low "O" logic level digital electrical signals. A collimating lens 16 is advantageously included to collimate the light emitted by the photoemitters 13a-13j, thereby ensuring that the light emitted by the photoemitters 13a-13j is converted into a uniform sequence. The light received through all the apertures will be at substantially the same specific angle. Therefore, the images formed by the microlenses from photoemitter arrays 138-13j will be at substantially the same angle as those of photodetector arrays 148-14i. The data mask 15 not only has uniform width and depth magnification, but also essentially centered proper optical alignment on the photoeye arrays 148-14i, respectively. is an optically opaque film or metal that is suitably programmed to have a spatial distribution pattern of pores or apertures while data is placed thereon (using equipment not shown). ), and these apertures are formed at precisely predetermined locations.In this way, a logic level bit, e.g., ``1'', is provided by these apertures, while the opposite human logic The level "0" is provided by the portion left as opaque.The data mask 15 requires an intermediate layer (not shown) to form its planar substrate, but the photodetector 1
48-14i can be coated. Bits are densely packed on the data mask 15,
The memory 11 can be configured with a memory capacity of up to 16 megabits, or can be configured as a memory 11 with external dimensions of slightly more than 1 in. Accordingly, the microlenses 12a-121 have essentially the same focal length, providing virtually diffraction-limited imaging performance, and without significant lateral scattering of reflected light from the data mask 15. is important. Such requirements are such that the microlenses 12a to 12i are compatible with the data mask 15' and the photodetectors 148 to
The attendant requirement that microlenses 12a to 14i must be carefully optically aligned with each other is
2i to Data Mask 15/Photo Detector 148~
This is very easily achieved by an integrated manufacturing method that provides a complete integral coating on the 14i assembly. According to the present invention, microlenses and microlenses can be fabricated to exact specifications for optoelectronic devices such as data mask 15/photodetector 14a-14i assemblies of memory 11, or other suitable substrates such as quartz wafers. Array bodies 12a to 12
A method for integrally manufacturing a microlens array such as i is provided. Existing semiconductor manufacturing techniques are used in performing the lens manufacturing process, so that the risk of damaging the opto-electronic device while one or more microlenses are being formed is substantially reduced. Referring to FIGS. 2a-2b, in accordance with the present invention, the substrate for the microlenses 12a-12i (e.g., the data mask 15/photodetector 14a-14i assembly) is first made of polyimide 120 of a predetermined thickness. (partially shown) or by a similar optically transparent material of approximately the same refractive index and thickness, thereby establishing the desired spatial relationship between the focal planes of the microlenses 12a-12i and their substrate. be done. For example, the thickness of the coating 20 is selected such that the focal plane of the microlenses 12a-121 relative to the substrate coincides with the plane of the data mask 15 (FIG. 1). A thin optically opaque metal, such as an aluminum film 21, is then deposited over the coating 20, such as by vacuum evaporation, and this metal 21 is then photolithographically patterned as shown in Figure 2a. Then, apertures 21a to 211 (only a few are visible) with accurate dimensions are penetrated at predetermined positions. These openings 21a to 21i are microlenses 12a to 12, respectively.
Form a stop for i. In this way, for example, these are centered on the photodetectors 14a to 141 (
1), forming a circular profile approximately 15 microns in diameter. To perform the next step, a non-volatile (nonVo 18C) such as Shipley 1400-27 Photoresist is used as shown in Figure 2b.
) An optical resin-based positive photoresist 22 is coated from the apertured metal E, typically by spin coating at 4000 rpm for about 30 seconds to a coating thickness of approximately 1 micron. . Resin coating 2
In order to protect the material from undesirable thermal distortion, it is baked hard at this point and also deep U, V hardening is performed. Earl Allen et al., “Deep U, V, Curing of Patterns in Positive Photoresists,” Journal of
The Electrochemical Society, Volume 129, 1
See June 982, pp. 1379-81. Thereafter, a highly reflective coating, such as another vacuum-deposited aluminum film or similar metal, is deposited over coating 22 and photolithographically patterned to match each opening 21a-21i to form a precise pattern. Dimension opening 23
a to 23i are formed. Hemispherical lenses 12a to 121
For example, if the dimensions are given along with the manufacturing of the openings 23a to 2
It is noted that 3i has a diameter of approximately 30 microns, or in other words approximately twice the diameter of the lens apertures 21a-21i. Next, a positive photoresist based on a nonvolac optical resin (for example, Sibley (
A relatively thick coating of polymeric lens material, such as another coating of TF-20 photoresist (Shipley), is applied over the apertured metal 23, e.g.
The coating was deposited by spin coating for 40 seconds at 0 Orpm to form a coating approximately 15 microns thick. Because of the relatively thick layer of lens material desired, this coating is preferably deposited in two steps, with the first coating of lens material being softened at about 90° C. for about 10 minutes before forming the second coating. , which is then preferably allowed to soften for about 30 seconds. Following the coating of the lens material, it is photolithographically patterned as shown in FIG. As will be apparent, the centering of the lens material masses 24a-24i is not particularly important, as is the formation of flow paths by non-wetting expansion of the lens material. Suitable tolerances are provided between their circumferences and the edges of the openings 23a-231 to prevent this. Similarly, the cylindrical shape of the masses 24a-241 ensures that they are all made of the same amount of material. It will be appreciated that the lens material located within the apertures 23a-23i, as described below, may be of any suitable geometry to ensure that the lenses 128-12i, respectively.
, and therefore the equivalent material is the lens 12a~
12i are essentially the same. Now, in order to form the microlenses 12a to 12i,
The lens material cells 24a to 24i are marked @25 in Fig. 2d.
Ultraviolet rays of appropriate intensity (
1, R,). A carbon dioxide laser or a silicon carbide source is used as the source of this radiation. Is the melted lens material 24a-241 a resin liquid? Wet I22 and open the opening 23.
a to 23i to freely flow laterally. The metal 23 is also exposed to ultraviolet radiation, but has been empirically found to heat only slightly due to its reflectance, and the relationship between the metal 23 on the one hand and the molten lens material 24a-24i on the other hand is There is a considerable temperature difference between them. As a result, metal 23 becomes a containment body for molten lens material 248-24i. This is because the edges are relatively cold (i.e., have poor wettability or do not wet), which is why the openings 23a-23
This is because the lens material is prevented from flowing beyond the boundary i. Furthermore, in order to prevent any undesired flow of lens material beyond the boundaries of the apertures 23a-23:
The wettability of the metal 23 can be reduced, for example by etching or coating with a surfactant, to increase the interfacial energy gear between the gold 1ii 23 and the molten lens material 24a-241. Typically, any one of the microlenses 12a to 12
The volume of lens material provided to form a hemispherical microlens is limited to approximately no more than 2πr3/3, where r is the radius of the apertures 23a-231, which is suitable for forming hemispherical microlenses. It is a large amount. A small amount of material is used to form a partially hemispherical shaped microlens, and is useful in more generally determining the amount of lens material provided per microlens as a "balance amount". This means that the material is sufficiently low in acid to reach an equilibrium state when completely confined by the open edges. The inherent surface tension of the molten lens material 24a-24i is such that it imparts a substantially constant radius to the microlenses 12a-121, and the gravitational pull of the microlenses 12a-121 while they cool and resolidify. No significant deformations occur. As already explained, the opening 23
The non-wetting boundaries or edges of a to 231 are lens material 24a
~24j, thereby limiting the flow of lenses 12a~1
21 from mixing with each other. In this way, a non-hemispherical microlens (not shown) is inserted into the aperture 23.
By changing the shapes of a to 23i, they can be manufactured using the technology of the present invention. For example, (1) an elongated strip-like aperture is formed for the manufacture of cylindrical lenses, and (2) an elliptical pedestal is formed for the manufacture of elliptical lenses. Gravity tends to deform the microlenses 128-121 if it is large, but if the internal pressure of the molten photoresist is significantly greater than the pressure due to gravity, no significant gravitational deformation occurs. In other words, 2t
If /r>>gρr, gravity can be ignored, where t and ρ are the molten lens materials 24a to 24i, respectively.
where r is the radius of the apertures 23a-23i, and q is the gravitational force acting on the molten lens material. In view of the foregoing, the present invention provides a fully controlled method for fabricating microlenses, which integrates and fabricates microlenses and microlens arrays onto opto-electronic devices or other substrates. It will now be understood that this is what is used for. Furthermore, it will be apparent that the method of manufacturing microlenses according to the present invention can be accomplished using existing semiconductor manufacturing techniques.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

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ック方向付けされたソリッド
ステートオプティカルメモリーの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       オプティカルメモリー12a〜12
i  マイクロレンズ配列体13a〜13j  フォト
エミッター 14a〜141 フォトディテクター 15      データマスク 16      コリメーティングレンズ20    
  ポリイミド層 21.23    アルミニウムフィルム21a〜21
 i、23a〜231 開口22      フォトレ
ジスト 24a〜241 レンズマス
FIG. 1 is a step-by-step illustration of a method for manufacturing block-oriented solid-state optical memory cells with integrated microlens arrays manufactured in accordance with the present invention. FIG. 3 is a cutaway plan view of a microlens array manufactured according to the present invention. 11 Optical memory 12a-12
i Microlens array 13a to 13j Photo emitters 14a to 141 Photodetector 15 Data mask 16 Collimating lens 20
Polyimide layer 21.23 Aluminum film 21a-21
i, 23a-231 opening 22 photoresist 24a-241 lens mass

Claims (1)

【特許請求の範囲】 基体上にマイクロレンズを製造する方法に於て、レンズ
材料を選び、 前記基体に、前記レンズ材料によつて容易に湿潤化され
る材料の層を被覆することにより湿潤性のある表面を形
成し、 前記湿潤性のある表面上に、前記レンズ材料によつては
湿潤化され難い封じ込め体を沈着させ、前記封じ込め体
を通して少なくとも1つの予め定められた形状の開口を
形成して前記湿潤性のある表面の予め選択された面積部
分を露出させ、前記開口によつて露出された前記面積部
分を横切つて前記湿潤性のある表面上を横方向に、予め
定められた平衡容積の溶融されたレンズ材料を自由に流
し、その際に前記容積を、そのレンズ材料の流れが前記
封じ込め体によつて前記面積部分の円周方向に横方向に
拘束されるように選び、これによつて前記溶融されたレ
ンズ材料が実質的に前記開口の形状に合致しその容積に
よつて決定される実質的に一定の半径の半円弧状の輪郭
を占めるようになし、 前記レンズ形成材料を硬化させて前記形状及び輪郭を有
するマイクロレンズを形成する、 工程を含んでいることを特徴とするマイクロレンズの製
造方法。
[Claims] A method of manufacturing a microlens on a substrate, comprising: selecting a lens material; and coating the substrate with a layer of a material that is easily wetted by the lens material, thereby making the lens material wettable. forming a surface, depositing on the wettable surface an encapsulant that is not easily wettable by the lens material, and forming at least one predetermined shaped aperture through the encapsulant. to expose a preselected area of the wettable surface, and to create a predetermined equilibrium laterally on the wettable surface across the area exposed by the aperture. allowing a volume of molten lens material to flow freely, said volume being selected such that the flow of said lens material is restrained laterally circumferentially of said area by said containment; so that the molten lens material substantially conforms to the shape of the aperture and occupies a semicircular arc-shaped profile of a substantially constant radius determined by the volume thereof, and the lens-forming material A method for manufacturing a microlens, comprising the step of: curing the microlens to form a microlens having the shape and outline described above.
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WO2006070791A1 (en) * 2004-12-28 2006-07-06 Grapac Japan Co., Inc. Method for pattern formation and apparatus for pattern formation

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