JPS6252502A - マイクロレンズの製造方法 - Google Patents

マイクロレンズの製造方法

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JPS6252502A
JPS6252502A JP61194131A JP19413186A JPS6252502A JP S6252502 A JPS6252502 A JP S6252502A JP 61194131 A JP61194131 A JP 61194131A JP 19413186 A JP19413186 A JP 19413186A JP S6252502 A JPS6252502 A JP S6252502A
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microlens
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    • G03F7/0005Production of optical devices or components in so far as characterised by the lithographic processes or materials used therefor
    • G03F7/001Phase modulating patterns, e.g. refractive index patterns
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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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。

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 devic
e )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−83
068) 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。
免艶立丘旦 一体化された光学系(rntegratedoptic
s )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 opt
ics )を必要とし、ソリッドステート光検出器は普
通収束光学系(collection 0ptics 
)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J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
に使用されているしSt(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も遅く
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
ズ配列体は精密に機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48
巻、第1号、1981年1月、第49〜5o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(steppedtntJcx zone 
plateIenS)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
」オプティカル・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M準及
び方法が提案されてきた。ジー・ビー・シャドルス 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
造上のエラーの彰費]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・オプ・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献は
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!FJ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
ナショナル・エレクトロン・デバイス・ミーティング、
1983、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vJ造技術によって広域C
OD (チヤ−ジ・カップルド・デバイス)増センサー
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沈着し
、(21ストリツプ状のパターンを形成するように第二
の樹脂層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【ノる熱特性以外に
は何者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。
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、シャ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
圧力があらゆる重力による作用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
よって定まるような本質的に一定の半径の彎曲プロフィ
ルをとるようになされるのである。
プラナ−または平面とされたオプト−エレクトロニック
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。台座はフォ
トレジスタ樹脂をフォトリソグラフィックによりパター
ン形成することで形成され、これらの台座は従って熱安
定性を高めるために処理される。然る後フォトレジスタ
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ォトリソグラフィックに
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譲渡されたアール・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因
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/820f36)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14a〜14iの各々に結像し、フォトエミッター1
3a〜13jの唯一のものが選択的に付勢された時にデ
ータマクス15の伝達プロフィルがフォトディテクター
148〜14i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、m m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、(11)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14a〜141により並行にそれぞれ読みださ
れ、これにょリハイ「1」及びロウ「0」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。コリターデイングレンズ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ティチクター配列体1
4a〜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、それぞれフォトディテクター配列
体14a〜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
ム即ら金属であり、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、一方反対のビットのロジックレベルrOJ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バックされ、
16メガビツトまでのメモリー容積を形成され、或いは
1 inx 1inx 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〜12i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128〜12iが
データマスク15並びにフォトディテクター148〜1
41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〜12
iをデータマスク15/フオトデイテクター148〜1
4i組立体上に完全に一体に被覆するように一体化した
!FJ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
オトデイテクター148〜14i組立体のようなオプト
エレクトロニックディバス、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使用に対して
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2d図を参照すれば、本発明により、マイ
クロレンズ12a〜121のための基体(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〜121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。アルミニウムフィルム21のような薄い光
学的に不透明な金属が然る復真空蒸着によるごとくして
被120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、正確な寸法の間口22a〜221(数個しか見れ
ない)が予め定めた位置にて貫通される。これらの間口
22a〜221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〜14i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。
引続き、大体30ミクロンの直径を有するシャープな縁
の形成された円筒形台座238〜23i(第2b図参照
)がそれぞ開口ストツブ22a〜22i上に芯出しされ
る。この為に、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(n
onvo l ac )光学樹脂ベースのポジ“テイブ
フオトレジスト21が開口の形成された金属の上から被
覆されるのであり、gIJ型的には4000 rpmで
約30秒間の回転被覆によって被覆される。この樹脂層
は次に台座23a〜231を形成するめたにフォトリソ
グラフイク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2
3a〜23iが180℃を超える温度に対しても一熱的
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、19
82年6月、第1379〜81頁参照。有利なこととし
て、台座23a〜231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っ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、例えばシブレイ(Shi
pley ) T F −20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
ースのポジティブフォトレジストが回転被覆により、好
ましくは200 Oramで40秒間の回転被覆によっ
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°C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
。被覆処理の完了後、第二のフォトレジスト層はフォト
リソグラフイクにてパターン形成され、残りの総てが円
筒体24a〜241とされ、これらはそれぞれ台座23
8〜23i上に芯出しされるとともに、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、円筒体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防止するために
、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、円筒体24a〜24iの形状は総てが同じ聞の
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
吊は、それぞれレンズ12a〜12iの直径を定め、従
っ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(即ち円筒
体24a〜241)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15分間加熱され、こ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
のシャ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〜231の上部に沈着される樹脂
の猷は大体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最をよ
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
料の吊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「シャ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〜231の
高さがその縁の最大曲率半径よりも大ぎいならば確保さ
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の下面からシャー
プな縁が落ち込むのが望ましいが、必要とされる縁のシ
ャープさは正確に定義するのが困難である。従って、前
述の説明は有効な概要である。何故ならばこれは要求事
項における節約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のシャープ
な縁は溶融フォ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
長いストリッ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、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及びρはそれぞれ溶融フォトレジ
スタの表面張力及び密度であり、rは台座23a〜23
iの半径であり、そしてq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tJ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。
【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〜14i   フォトディテクタ
ー15       データマスク 20       ポリイミド層 21.23     アルミニウムフィルム21a〜2
1i、23a、〜23i   台座22       
フォトレジスト 24a〜241  レンズマス

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 シャープな縁の落ち込みによつて境界が定められた外側
    周囲を有している予め定めた面積及び形状の上面を有す
    る台座を形成し、 前記上面の上に溶融したレンズ形成材料の予め定めた平
    衡量を横方向に自由に流動させ、前記レンズ形成材料が
    横断方向に流動する間に前記上面を湿潤するようそのレ
    ンズ形成材料を選定し、そのレンズ形成材料の流動を前
    記縁によつて前記上面の周囲に横方向に制限するよう前
    記平衡量を選定し、これにより前記溶融レンズ形成材料
    を前記上面の形状と実質的に一致させ、且つまたその量
    により定められるような実質的に一定の半円形プロフィ
    ルを形成するようになし、 前記レンズ形成材料を凝固させて前記形状及びプロフィ
    ル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。
JP61194131A 1985-08-30 1986-08-21 マイクロレンズの製造方法 Expired - Fee Related JPH0750201B2 (ja)

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