WO2008099517A1

WO2008099517A1 - マイクロレンズ用金型、マイクロレンズおよびそれらの製法

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Publication number: WO2008099517A1
Application number: PCT/JP2007/059011
Authority: WO
Inventors: Kiichi Takamoto
Original assignee: National University Corporation Kagawa University
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-04-19
Publication date: 2008-08-21
Also published as: JP4915877B2; JPWO2008099517A1

Abstract

設計どおりの形状の金型が得られ、高性能な光学性能を発揮しうる屈折形のマイクロレンズ、マイクロレンズを製造する金型、それらの製法を提供する。均質性材料め基板1に初期形状としての窪み2を形成する初期形状工程と、窪み2をイオン加工により球面または円筒面の凹部3に形成するイオン加工工程とを順に実行する。イオン加工工程は、基板1に対し不活性なガスをイオン化ガスとして用い、加速したイオンを基板1に照射して行う除去加工である。均質性材料が、基板1がサファイヤであると、融点が高く、硬度が高いため現在利用されているあらゆるマイクロレンズを成形するための金型が得られ、また、サファイヤ結晶欠陥が少ないので、金型表面に欠陥のない金型が得られる。

Description

明細書マイクロレンズ用、マイクロレンズ'およびそれらの M¾ 擴分野

本発明は、マイクロレンズ用、マイクロレンズおよびそれらの難に関する。マイクロレンズは、大きさ（直衝カ％0101¾下の小さいレンズをいい、これらのマイクロレンズは個を整然と並べたマイクロレンズプレイの形で使用したり、マイクロレンズ単体で使用される言午文献 1 ) 。本発明は、このようなマイクロレンズ、またマイクロレンズを ®iするに必要な^ Mと、それらの難に関する。ズ単体の両方を含む意味であり、とくに必要がある場合のみマイク口レンズァレイまたはマイク口レンズ単体の用語を用レ rいる。背景漏

写 ¾m ¾ 顕«などに用いるレンズは、 ¾ ^ネオ料を研磨したり、 ¾をして成形加工したりしてされている。しかし、寸法の小さレマイクロレンズの纖には、これらの通常のレンズの Mii^法が翻できなレ

そこで、マイクロレンズには、つぎのような難が用いられる。なお、マイクロレンズは屈折型と回折型に二分されるので、それぞれ分けて説明する。

回折型マイクロレンズには、主として、回路などの M に用いられている技術を応用してされる。すなわち、その ®iはホトリソグラフィ、電リソグラフィなどを用レ τ行われるが、ホトリソグラフィでね合わせ精戯獵しい、電泉リソグラフィでは円などのな形状の露光が必要、また生産' I生が低い、という欠点が'ある。また、回折形マイクロレンズには、创燈が大きい、光の ¾¾率が低い、という欠点がある。

屈折型マイクロレンズには、イオン去、リフ口一法などが代表的な Si ^法として翻される。

編己ィオン法により屈折型マイク口レンズアレイをする場合、マイクロレンズに穴を設けた «膜をガラス基板に形成し、この状態で溶融塩に浸す。溶融塩としてタリウム硫酸塩を麵した齢、ガラス基板を動時間浸す。この纖では、時間がかかる〖お、りか、 ¾想的な屈折率分布を得ることは困難で、特に、マイクロレンズ周辺部の φ¾が大きくなるという欠点がある。

編己リフロー法は、図 3 0 (Α) に示すように、次の 4工程からなる（非特許文献 2の 1282HFig. 1参照) 。

(a) アルミニウム薄膜を石難板に形成し、アルミニウム薄膜に 1 5 m径の穴を形成する。 (b) 直径 3 0 の円形台座を嫌己穴の上に形成する。円形台座鎌に対して不溶解で、 180°C以上のに対して魏となるように処理される。（c) フォトレジストによる直径 2 5 urn, 高さ 1 2 mの円柱を円开始 JiJiに形る。（d) 140°Cで 1 5 分力瞧すると、球面状のマイクロレンズプレイカ ^itされる。

上記のリフロー法における球面形への変形は、表面張力によって表面エネルギーを最少化するを利用したものである。

しかし、このリフロー法では、表画力力乱の影響を受けやすいことから、正確な寸法が得られず、レンズの鮮性能にバラツキが生ずる。また、レンズアレイを難する場合には、表丽長カ ¾形中の球の形が崩ょいようにするため、互いに赚させてはならず、図 3 0 (Β) に示すように、難する球状レンズ間に非レンズ盼（つまりレンズなレ平坦な部分）が生ずる（# 許¾2の 1283MFig. 4参照 J 。このような非レンズ部分はレン Tレイとして ^¾するとき、非レンズ部分を麗する光はとなって、雑音の増大、 ^力率の低紘クロストークの発生などの欠点を生ずる。 «、レンズ |5 分をなくすることが困難なため、（アレイ領域の麵一アレイ領域内の非レンズ部分の面 W) Zアレイ領域の画責を "fill factor" と称し、マイクロレンズアレイ性鱺權の一つの j¾ にしているある。

以上のように、徹の S 法で製作される屈折形マイクロレンズは、せいゝほ〖求面とまでしか言えないものである。これでは光の ¾作用はある力普通の大きさのレンズのような餘状態ではなぐ光の禾 ij用効率の向上程度に利用できる程^!?ある。 i ば、高レ^^性能を満たす屈折型マイク口レンズは雜しないというのが状である。非特許文献 1 ォプトエレクトロニクス用語事典平成 8年 1 1月 2 5日第 1版発行 (株）オーム社編者田中俊"^ 2名 439〜440頁， 586頁

許： ¾ 2 アプライドォプテイクス 1 9 8 8年 4月 1日 Vol. 2 7 , No. 7 1281 〜1284頁「テクニクフォーモノリシックフアブリケーシヨンォブマイクロレンズアレイ」発明の開示

本発明は上言 B¥情に鑑み、設計どおりの繊の «が得られ高性能学性能を発揮しうる屈キ斤形のマイクロレンズ、マイクロレンズをする、それらの ®去を共することを目的とする。

第 1発明のマイクロレンズ用金型の製法は、均質性材料の基板に初期形状としての窪みを形成する初期 Mtt程と、 Ι ΙΕ^みをイオン加工によりマイク口レンズ ¾£开用凹咅に形 j ^るイオン加 IX程とを順に実行することを特徴とする。

第 2発明のマイクロレンズ用煙の難は、第 1発明にぉレ r、編己イオン加工工程が

、嫌 BS板に対し不活性なガスをイオン化ガスとして用い、力腿したイオンを嫌 3¾板に照射して行う! ¾¾加ェであることをとする。

第 3発明のマイクロレンズ用鍾の難は、第 1発明にぉレ ντ、鎌質性材料が、サフアイャであることをとする。

第 4発明のマイク口レンズの纖は、均質性材料の基板に初期繊としての窪みを形成する初期 mtr程と、編みをィオン加工によりマイクロレンズ用凹部に形成するィォン加程とを順に実行することを [とする。

第 5発明のマイクロレンズの製法は、編己イオン加工工程が、前言板に対し不活性なガスをィオン化ガスとして用い、加速したイオンを編 B¾板に照射して行う除去加工であることをとする。

第 6発明のマイクロレンズの製法は、第 4発明において、 ΙΒ±¾質性材料が、サフアイャであることを樹敫とする。

第 7発明のマイク口レンズ用は、基にマイク口レンズ成形用凹部を形成したことを樹毁とする。

第 8発明のマイク口レンズ用金型は、基¾ に »：個のマイク口レンズ成形用凹部を整歹 IJさせて开成したことをとする。第 9発明のマイクロレンズ用金型は、基板に »：個のマイク口レンズ成形用凹部を (J させて形成すると共に、各マイク口レンズ成形用凹部の周匪こ非レンズ部分が無くなるように各マイク口レンズ成形用凹部が互いにして形成されていることを樹敫とする。第 1 0発明のマイクロレンズ用煙は、第 7， 8, 9のい 1¾の発明におて、編己マイクロレンズ、成开用凹音 15が、、基板に窪みを形成した後、該窪みをイオン加工により球面状にまたは円筒面状に形成されたものであることを機敷とする。

第 1 1発明のマイクロレンズ用煙は、第 7， 8 , 9 , 1 0のレ^ l^の発明にぉレ T 、 ΙίίΙΕί与質 f生ネオ料 >がサフアイャであることを mとする。

第 1 2発明のマイクロレンズは、基板上にマイクロレンズ用凹部を形成したことを! ffli: とする。

第 1 3発明のマイクロレンズは、基板上に複数個のマイクロレンズ用凹部を Uさせて？成したことを糊敷とする。

第 1 4発明のマイク口レンズは、基板に «個のマイク口レンズ用凹部を敏 Uさせて形成すると共に、各マイク口レンズ成形用凹部の周隨こ非レンズ部分が無くなるように各マイク口レンズ成形用凹部が互いに漏して形成されていることを體とする。

第 1 5発明のマイク口レンズは、第 1 2 , 1 3， 1 4のレの発明にぉレ、て、嫌己マイクロレンズ'用凹部が'、基板に窪みを形成した後、みをイオン加工により球面状にまたは円筒面状に开成されたものであることをとする。

第 1 6発明のマイクロレンズは、第 1 2， 1 3， 1 4， 1 5のレ tl^の発明にぉレ VT 、 ΙίίΙΒ^質性材料が、サフアイャであることを置とする。

第 1 7発明のマイク口レンズは、請求項 7 , 8 , 9 , 1 0または 1 1記載のマイクロレンズを用いて製作されたものであることをとする。

第 1発明の ¾によれば、まず、初期犬工程により、基板の表面に窪みを形成し、つレ -、イオン加工によって窪みを断面視で湾曲面となるように除去していって、球面状または円筒面状のマイクロレンズ成形用凹部を形成することができる。そして、この製法はつぎの利点がある。

A) 真球度の高いマイク口レンズ成形用凹部を有する金型が得られる。

B) マイクロレンズ戯綑凹部の曲率半径はイオン加工量と共に拡大するので、隣接するマイクロレンズ成形用凹部の周縁が接するまでィオン加工を続けることにより金型面に不要な非レンズ部分を無くすることができる。

C) イオン加工による加工量の制御力 S高精度に行えるので、超微細なものから比較的大きいものまで、種々の寸法の金型が得られる。

D) 基板への加工装置（イオン加工）は、加工対象である基板寸法に応じて ii可肯 gであるので、大面積の基板を使って、大面積の金型が得られる。

第 2発明の觀去によれば、イオンがシャワー状となって照射し、主に物理的な作用により窪みも含め ¾S板ネオ料を随する。この加工工程にぉレ τは、イオン加: ci^ s基板へのイオン角に依存して変化し、特に、イオン A t角 Θが 0度（試料面に垂 ΐΐλΐί) からある角度 0_maxの範囲におレて、イオン A 面変化とともに一 ¾ ^^動する座標系におレ rイオン面の海泉方向の加: CISを求めた、この加工 —定になること力、窪みが剪求度の高レマイクロレンズ成形用凹部に形成される。また、イオン照寸による除去量口 Bt間と比例関係にあるので、加工の度合を時間で正確に制御することがき、マイク口レンズ単体用の^ も非レンズ部分を無くしたマイクロレンズァレィ用の鐘も任意に^ iすることカ^ ⁵きる。

第 3発明の製法によれば、材料がサフアイャであるので、酰ヵ搞ぐ硬戯搞いため現拥されているあらゆる材料ガラス、プラスチック）によってマイク口レンズを成形するための^ が得られまた、サフアイャ結晶欠陥が少ないので、煙表面に欠陥のなレ麵が得られる。

第 4発明の製去によれば、まず、初期开狱工程により、基板の表面に窪みを形成し、つで、イオン加工によって窪みを断面視で湾曲面となるように除去していって、球面状または円筒面状のマイクロレンズ用凹部を形成すること力 sできる。そして、この製法はつぎの禾 (J点がある。

A) 真球度の高いマイク口レンズ用凹部を有する屈折形のマイク口レンズが得られる B) マイクロレンズ用凹部の曲率半径はイオン加工量と共に拡大するので、隣接するマイクロレンズ用凹部の周縁が接するまでィオン加工を続けることにより、レンズ面に不要な非レンズ部分の無いマイクロレンズァレイを作成することが'できる。

C) イオン加工による加工量の制御力 s高精度に行えるので、超微細なものから比較的大きいものまで、種々の寸法のマイクロレンズが得られる。 D) 基板への加工装置（イオン加工） ) は、加工対象である基板寸法に応じて製造可能であるので、大面積の基板を使って、大面積のマイクロレンズアレイ力 S得られる第 5発明の f¾によれば、イオンがシャワー状となって照射し、主に物理的な作用により窪みも含め 7ts板材料をする。この加工工程におレは、イオン加: ci ^^基板へのイオン A 角に赫して変化し、特に、イオン A 角 Θが 0度（試料面に垂 ίΙΛΙί) からある角度 S_maxの範囲にぉレ vr、イオン λ¾·面化とともに一 ¾^ 動する座標系におレてィオン λ ^面の海泉方向の加: D ^を求めた^、この加: —定になること力、ら、達みが剪求度の高レマイクロレンズ用凹部に形成される。また、イオン照射による除去量 tt¾I #間と比例関係にあるので、加工の進 ®¾合を時間でに制御すること力き、マイクロレン：単体も^ Ξレンズ '音分を無くしたマイクロレン Tレイも ί壬意に製造すること力さる。

第 6発明によれば、材料がサフアイャであるので、 Βί^カ犒いため高温環境下でも義でき、 ί ^犒いため ί謝きにくいので^^下でも細でき、結晶欠陥が少ないので光学性能の優れたマイク口レンズ、が得られる。

第⁷発明の鍾によれば、マイクロレンズ成形用凹部をそのままとしたり、母型として用いることにより、マイクロレン：単体またはマイク口レンズ yレイの製^ きる第 8発明の纏によれば、複数個のマイクロレンズ成形用凹部が ¾^!Jしているので、金型あるいは母型として用いることにより、マイクロレン 7レイの^) きる。

第 9発明の^ によれば、光学的には不要で性能劣化の原因となる非レンズ部分が存在しないマイク口レンズ単体やマイクロレンズァレイを iiできる。

第 1 0発明は、第 1発明の難の利点を隊するので、得られた^ は、つぎの翻を ¾ る。

a) マイクロレンズ成形用凹部の真球度が高いので、完全に近い球面からなる屈折形のマイク口レンズを SSf生よく M ^できる。

b) マイクロレンズ成形用凹部の形状は球面も円筒面も可能なので、球面のみ、円筒面のみ、球面と円筒面の組合せなど種々の形状のマイクロレンズ単体やマイクロレンズアレイを Migできる。 c ) 不要な非レンズ部分の無い金型を用いて、迷光を生じ、クロストークやノイズの原因となる非レンズ部分が全くなレゝマイクロレンズァレイを M tできる。

d) 金型面に形成されるマイクロレンズ成形用凹部自体が、超微細なものから比較的大きいものまで可能であるので、種々の寸法のマイクロレンズ単体やマイクロレンズアレイの作製が能となる。

e ) 大面積の金型を用いることにより、大面積のマイクロレンズアレイの作製が可能である。

第 1 1発明によれば、融ヵ犒く搬力槁レサフアイャ製のを使うと現播拥されているあらゆる光学ネオ料- (^翻ラス、 ^プラスチック) によってマイクロレンズを成形すること力 ?き、また、サフアイャ製の輕は結晶欠陥が少ないので、表面に欠陥のなレマイク口レンズの ¾^河倉 gである。

第 1 2発明によれば、マイクロレンズ用凹部をそのままレンズとしたマイクロレンズ単体またはマイクロレンズァレイとなる。

第 1 3発明によれば、ネ纖個のマイクロレンズ用凹部が整列しているので、そのままマイク口レンズアレイとなる。

第 1 4発明によれば、光学的には不要で性能劣化の原因となる非レンズ部分が存在しないマイク口レンズ単体やマイクロレンズァレイとなる。

第 1 5発明は、第 1発明の纖の利点を賺するので、得られたマイクロレンズは、つぎの攝を "る。

a) 真球度の高い球面を有する屈折形のマイクロレンズとなる。

b) 球面のみ、円筒面のみ、球面と円筒面の組合せなど種々の形状のマイクロレンズ単体やマイクロレンズァレイとなる。

c ) 迷光を生じ、クロストークやノイズの原因となる非レンズ部分が全くないマイクロレンズアレイとなる。

d ) 超微細なものから比較的大きいものまで種々の寸法のマイクロレンズ単体やマイク口レンズアレイとなる。

e) 大面積のマイクロレンズアレイとなる。

第 1 6発明によれば、材料がサフアイャであるので、融がいため高温徵竟下でも使用でき、 ^；犒いため ί鮒きにくいので境下でも細でき、結晶欠陥が少ないので ^性能の優れたマイク口レンズが得られるという利点がある。

第 1 7発明により、本発明の麵を用レて製作されたマイクロレンズは、煙自# ^第 1発明の利点を驟しているので、マイク口レンズも、つぎの利点を "る。

a) 翻の真球度が高いので、完全に近い球面からなる光学性能の高いマイクロレンズが得られる。

b ) 麵の形状は球面、円筒面、それらの組合わせが可能なので、同様の種々の形 c ) 不要な非レンズ部分の無い金型を用いて、迷光を生じ、クロストークやノイズの原因となる非レンズ部分が全くないマイクロレンズァレイカ得られる。

d) 金型面に形成されるマイクロレンズ用凹部自体が、超微細なものから比較的大きいものまで可能であるので、種々の寸法のマイクロレンズ単体やマイクロレンズァレイカ s得られる。

e) 大面積の金型を用いることにより、大面積のマイクロレンズアレイが得られる f ) とくに、第 1 1発明のサフアイャ製金型を用いた場合は、現在利用されている全ての光学材料（光学ガラス、光学プラスチック）にマイクロレンズが転写できる。このような転写技術はこれまで存在していないので、産業上の利用性を大きく拡大するものである。麵の簡単な説明

第 1図は、本発明の娠を示すブロック図である。

第 2図は、本発明のこおける工程説明図である。

第 3図は、本発明におけるイオン加工の説明図である。

第 4図は、球面状凹部を形成するイオン加工の説明図である。

第 5図は、円筒状凹部を形 ^るイオン加工の説明図である。

第 6図は、シリコンにおけるィオン加: CISのィオン A 角 ί雄性の説明図である。第 7図は、 (Α) 図はイオン加工における加: ΠΒ#間と加工量の関係を示すグラフ、 (Β ) 図 «¾Πェ量と曲率雑の関係を示すグラフである。

第 8図は、シリコンにおけるィオン加: C Sのイオン AM依存性の説明図であり、図 4 におけるグラフ（B) , (C) を重ねたグラフである。

第 9図は、サフアイャにおけるィオン加 Ί31¾のィオン λ ί掠性の説明図である。第 1 0図は、実施例 1における初期犬を示すもので、 (Α) 図は麵赚を粗さ計で測定したグラフ、（Β) 図は 2 0倍で見た電¾|纖写真である。

第 1 1図は、実施例 1における 5時間加工後を示すもので、 (Α) 図〖滞面魔を粗さ計で測定したグラフ、（Β) 図は 2 0倍で見た電子顕拨纖額である。

第 1 2図は、実施例 1における 1 0時間加工後を示すもので、 (Α) 図は断面幵狱を粗さ計で測定したグラフ、（Β) 図は 2 0倍で見た電子顕棵繼写真である。

第図 3図は、実施例 1における 1 5時間加工後を示すもので、 (Α) 図は断赚狱を粗さ計で測定したグラフ、 (Β) 図は 2 0倍で見た電子顕棵纖写真である。

第 1 4図は、実施例 1における 2 0時間加工後を示すもので、 (Α) 図は断面开狱を粗さ計で測定したグラフ、（Β) 図は 2 0倍で見た電である。

第 1 5図は、例 1における 2 5時間加工後を示すもので、 (Α) 図は断面开娥を粗さ計で測定したグラフ、（Β) 図は 2 0倍で見た電棵纖写真である。

第 1 6図は、実施例 1における 1 5時間加工後の断面赚に円弧を重ねたグラフである第図 1 7図は、難例 1における 2 0時間加工後の断面开狱に円弧を重ねたグラフである。

第 1 8図は、実施例 1における 2 5時間加工後の断耐狱に円弧を重ねたグラフである ₀

第 1 9図は、実施例 3における初期开狱を示すもので、 (Α) 図は断耐狱を粗さ計で測定したグラフ、（Β) 図は電子である。

第 2 0図は、実施例 3における 2時間加工後を示すもので、 (Α) 図 tt f面开^ I犬を粗さ計で測定したグラフ、 (B) 図は電子顕纖写真である。

第 2 1図は、実施例 3における 4時間加工後を示すもので、 (A) 図〖面开狱を粗さ計で測定したグラフ、（B) 図は電子顕微鏡写真である。

第 2 2図は、実施例 3における 6時間加工後を示すもので、 (A) 図〖面开狱を粗さ計で測定したグラフ、（B) 図纖写真である。

第 2 3図は、実施例 3における 8時間加工後を示すもので、 (A) 図¾?面魔を粗さ計で測定したグラフ、 (B) 図は電子顕拨纖額である。

第 2 4図は、実施例 3における 1 0時間加工後を示すもので、 (A) 図は断面刺犬を粗さ計で測定したグラフ、（B) 図は電子顕微鏡写真である。

第 2 5図は、觀例 3における 1 2時間加工後を示すもので、 (A) 図は断面开狱を粗さ計で視 ij定したグラフ、（B) 図は電子顕微鏡写真である。

第 2 6図は、英ガラスにおけるイオン加: D のィオン λ!ί角依存性を示すダラフである。

第 2 7図は、実施例 7における初期开狱を示すもので、 (Α) 図は断面頻犬を粗さ計で測定したグラフ、 (Β) 図は電である。

第 2 8図は、実施例 7における 3 0時間加工後を示すもので、 (Α) 図は断面形状を粗さ計で測定したグラフ、（Β) 図は電¾拨纖^ ¾である。

第 2 9図は、実施例 7におけるイオン加工量と凹部の曲率半径の関係を示すグラフである。

第 3 0図は、の説明図である。発明を » るための «の形態

つぎに、本発明の難形態を説明するが、以下の説明は大きく分けて、《本発明の》、《本発明における難の詳 >、《理論的纖の説曰〉、《本発明の i¾fiia»となつている。

《本発明の麟〉

本発明にぉレてマイクロレンズ用麵もマイクロレンズも同じ難が用いられる。以下それらの驟去を、図 1に基づき説明する。

本発明の製法は、均質性材料の基板 1に初期开狱としての窪み 2を形成する初期开^ X 程 100と、編應み 2をイオン加工により球面状凹部または円筒状凹部に形 j¾Tるイオン加 IX程，とを順に新することを鍾とする。加 3終了後板 1は、鍵としても翻でき、そのままマイクロレンズとしても翻できる。

また、その鍵を直接、麵として用いたり母型として用いることによりマイクロレンズを^できる。としての m法は知の転写法などを用いること力きる。

なお、本明細書において、金型として細するものの凹部をマイクロレンズ成形用凹部 3といい、マイクロレンズとして使用するものの凹部をマイクロレンズ用凹部 3という。翻

本発明のには、基板 1として均質性のある材料が用いられる。等方性である必要はない。 ¾的な基板ネオ料としては、つぎのものを例示できる。

( 1 ) サファイア、シリコンゥ Λ、 ΤΚ晶などの結晶 '性の基板

2. サファイアに関するクレーム

サフアイァは、工学の分野では不純物を含まなレ 203の単結晶を指してレる。

人工的にされているものとして、不純物を含まなレゝサフアイァ以外に、チタン (Ti ) を不純物として含むサファイア（色は青い）と、クロム（Cr) を不純物として含むルビ —がある。どちらも単結晶であり、本発明の対象とする基板として利用できる。 ( 2 ) 石英ガラスなどのアモルファス材料からなる基板、

初期纖工程 100とイオン加 XX程 200を図 2および ¾ 3に基づき説明する。

(初期織工程）

初期 MtL程刚は、基板 1に窪み 2を形) ^る工程である。図 2 (A) 図および面 3 ( A) 図に示すように、窪み 2は、四角錐である必要はなく、半球^針状などの开狱であつて、底部があればよい。要するに貫通孔を除く非定形の凹所であればよい。本明細は、このような非定形の凹所を「窪み」という。初期織工程では、窪みを形成することがきれば、種々の加工法を用いることカ^きる。そして、後に詳述するように、窪み 2 の底が点状になってレ 1 求面状の凹部 3がき、窪み 2の底が H状になってレれば円筒状の凹部 3ができることになる。

(イオン加

図 2 (B) 図および 3 (B) 図はイオン加： Π 程を示している。このイオン加 XX程におレ^、窪み 2を形成した基板 1にイオンを照射するイオン加工をする。本発明によるイオン加工は、物理的な作用によって窪み 2を含む基板漏、ら原子、奸を鉄する物理加工を主とする。このため、ィォ ®としては、基板ネオ料に対して不活性なものを ¾ する。また、イオンはほぼ^亍な忧態にて、基板を照射するようにする。

イオン加工をしていくと、図 2 (B) における 1工程から 3工程への変化が示すように、初期开狱の窪み 2から球面あるいは円筒面の凹部 3へ成長していく。これらの球面あるレは円筒面を断面視すると、湾曲面であり、イオン加: 進むにつれて、難求度に近い曲面（凹部 3) となる。その理論的機謎するとおりである。

また、図 2から分るように、同じ基板 1に複数の窪み 2を形成しておくと、それぞれの窪み 2から球面あるいは円筒面の凹部 3が ¾5Ϊして成長していく。その過程では隣り合う球面あるいは円筒面の間に、非レンズ部分 4が ¾つているが、さらに、イオン加工していくと、図 2 (C) の 4工程に示すように、隣り合う窪み 2から成長した球面あるいは円筒面の凹部 3どうしが赚し、非レンズ部分が全くなくなつた態で、球面だけ、円筒面だけ、球面と円筒面だけ、カゝらなる凹部 3を得ること力 ?きる。これらの凹部 3は、マイク口レンズ成形用凹部 3となり、またマイクロレンズ用凹部 3となる。なお、本明細書におレて、両方の凹部を総称するときは、単に凹部 3という。

(球面の凹部 3と円筒面の凹部 3)

凹部 3を球面にするカゝ円筒面にするか刀期开娥によってされる。

図 4に示すように、初期獻の窪み 2カ聰部にぉレ、て 1点で接する平面 2 e力るとき（A図参照 J 、イオン加工によって形成される凹部 3は球面状となる（C図参照 J 。図 5に示すように、初期劑犬の窪み 2が )g ^こおい TB泉状に接する平面 2 1力るとき（A図参照）、イオン加工によって形成される凹部 3は円柱面（円筒面ともいう）となる（C図参膨。

なお、 ¾ ^分野では、その曲面濟求面の H一致する面をるレンズを球面レンズ、その曲面が円筒面の H一致する面を有するレンズを円筒面レンズというので、本明細もその用法を用いる。また、円筒面のことを円柱面ともいう。

翻としての利用とマイクロレンズとしての利用）

上記の製法により、基板 1に凹部 3が形成されると、その基板 1を^ として翻でき、また、基板 1自体をマイクロレンズ Lとしても利用できる。

そして、嫌己鐘 Mを使って^ Πの用法でマイク口レンズを謝^"ることがきる。 (鍾 Mの纖の利点 J

本発明におけるマイクロレンズ用の難の利点は、つぎのとおりである。

A) 真球度の高いマイク口レンズ成形用凹部 3を有する金型 Mが得られる。

B) マイクロレンズ成形用凹部 3の曲率半径はイオン加工量と共に拡大するので、隣接するマイク口レンズ成形用凹部 3の周縁が接するまでィオン加工を続けることにより金型面に不要な非レンズ部分を無くすることができる。 C) イオン加工による加工量の制御が高精度に行えるので、超微細なものから比較的大きいものまで、種々の寸法の金型 M力 S得られる。

D) 基板 1への加工装置（イオン加工）は、加工対象である基板寸法に応じて製造可能であるので、大面積の基板 1を使って、大面積の金型 Mが得られる。

(マイクロレンズのの利点 J

本発明におけるマイク口レンズしの製法の利点は、つぎのとおりである。

A) 真球度の高いマイクロレンズ用凹部 3を有する屈折形のマイク口レンズ Lが得られる。

B) マイクロレンズ用凹部 3の曲率半径はイオン加工量と共に拡大するので、隣接するマイクロレンズ用凹部 3の周縁が接するまでイオン加工を続けることにより、レンズ面に不要な非レンズ部分の無いマイク口レンズアレイ Lを作成することができる。

C) イオン加工による加工量の制御力缟精度に行えるので、超微細なものから比較的大きいものまで、種々の寸法のマイク口レンズ Lが得られる。

D) 基板への加工装置（イオン加工）は、加工対象である基板寸法に応じて可能であるので、大面積の基板を使って、大面積のマイクロレンズアレイ Lが得られる

■の利点

本発明の驟去で得られた鍾 Mの利点は、つぎのとおりである。

a) マイクロレンズ成形用凹部 3の真球度が高いので、完全に近い球面からなる屈折形のマイクロレンズ Lを丽性よく製造できる。

b) マイクロレンズ成形用凹部 3の形状は球面も円筒面も可能なので、球面のみ、円筒面のみ、球面と円筒面の組合せなど種々の形状のマイクロレンズ Lやマイクロレンズアレイ Lを製造できる。

c ) 不要な非レンズ部分の無い金型 Mを用いて、迷光を生じ、クロストークゃノィズの原因となる非レンズ部分が全くないマイク口レンズアレイ Lをできる。

d) 金型面に形成されるマイクロレンズ成形用凹部 3自体が、超微細なものから比較的大きいものまで可能であるので、種々の寸法のマイクロレンズ単体 Lやマイクロレンズァレイ Lの作製が可能となる。

e ) 大面積の金型 Mを用いることにより、大面積のマイクロレンズアレイ Lの作製力 S可能である。

(マイクロレンズの利

本発明の難で得られたマイク口レンズ Lの利点は、つぎのとおりである。

a) 真球度の高レ求面を有する屈折形のマイク口レンズ Lとなる。

b ) 球面のみ、円筒面のみ、球面と円筒面の組合せなど種々の形状のマイクロレンズ単体 Lやマイク口レンズアレイ Lとなる。

c ) 迷光を生じ、クロストークやノイズの原因となる非レンズ部分が全くないマイクロレンズアレイ Lとなる。

d) 超微細なものから比較的大きいものまで種々の寸法のマイク口レンズ単体ゃマイクロレンズアレイ Lとなる。

e ) 大面積のマイクロレンズァレイ Lとなる。

f ) 口径、焦点距離、形状、寸法などの光学特性、レンズ己置などに対する設計の

(本発明の乍されたマイク口レンズの利点

本発明で得られた^ Mを用レてマイクロレンズ Lを謝乍する^、直接、として禾 (J用したり、母型として利用できる。直接、金型として利用する！^、 ( i ) 光硬化、 ( i i) 樹脂への魔転写、ガラスへの、 (i i i)麵扁旨への开薩縛の転が使える。母型として利用するは、プラスチック ·フィルムに織を転写する熱プレス用^ §¾、溶融したプラスチック材料を高 ·高圧で充填し开狱を転写する射出成形用金型、蒙硬 M封脂を液状に近い状態で金型内に入れ、さらに加熱して樹脂を硬化させる薩 at脂成形用金型などに利用できる。そして、このように麵する自让記の利点をるので、つぎの利点をするマイク口レンズ L力 s得られる。

a) の真球度が高いので、完全に近い球面からなる光学性能の高いマイクロレンズ Lが得られる。

b ) 金型 Mの形状は球面、円筒面、それらの組合わせが可能なので、同様の種々の形状のマイク口レンズ単体 Lやマイク口レンズアレイ L力 S得られる。

c ) 不要な非レンズ部分の無い金型を用いて、迷光を生じ、クロストークやノイズの原因となる非レンズ部分が全くないマイク口レンズアレイ L力 S得られる。

d) 金型面に形成されるマイクロレンズ用凹部自体が、超微細なものから比較的大きいものまで可能であるので、種々の寸法のマイクロレンズ単体 Lやマイクロレンズァレイ Lが得られる。

e ) 大面積の金型 Mを用いることにより、大面積のマイクロレンズアレイ Lが得られる。

f ) 口径、焦点 {?巨離、形状、寸法などの光学特性、レンズ置などに対する設計の (基板材料に特有の利点）

基板 1がサフアイャであると、が〕高く、 ¾^高いため現^ ij用されているあらゆるマイクロレンズを成形するための麵が得られまた、サフアイャ結晶欠陥が少ないので、金型表面に欠陥のなレゝ鐘が得られる。サフアイャ製金型を用いた場合は、現在利用されている全ての光学ガラスにマイクロレンズが転写できる。このような転写技術はこれまで存在していないので、産業上の利用性を大きく拡大するものである。

石英ガラスの利点は、つぎのとおりである。

1 ) 形状を転写すめための樹脂として、光硬化樹脂がある。この樹脂は液状であるが、紫外線を照射すると、硬化する性質がある。しかも、形状転写精度に優れている。石英ガラスの金型にこの樹脂を流し込んで、その状態で紫外線を照射すると、樹脂が固まり、石英ガラス製金型の形状が写される。

2 ) 加工されたままの基板を凹レンズ作用のあるマイクロレンズ単体、マイクロレンズァレイとして利用できること。

3 ) 加工された基板の球面状凹部、円柱面状凹部を、石英ガラスの屈折率よりも高い屈折率の光学材料で埋めることにより、凸レンズ作用のあるマイクロレンズ単体、マイク口レンズアレイとして利用できる。

《本発明におけるの詳»>

(初期开程謂の詳細）

初期开娥加 ID堪板に窪みを形成できれば種々の加工法を利用できるのであるが、具体的には、つぎのとおりである。

サファイア基板に対しては下記 1のとおりであり、シリコン基板に対しては下記 2のとおりであり、 ¾ ^ガラス基板に対しては下記 3のとおりである。また、例示しないが、水晶にも、下記加工法のレ ν^ ^、あるいは例示の加工法を ffitにすることがき 1. サファイア基板に ·して

(1) レーザー加工

(2) イオン加工

· させたイオンビームによる加工

•マスクを介して、 ¥ί亍束のイオンを照真寸

(3) プラズマ加工

(4) 化学エッチング

2. シリコン基板に対して

異方性化学エッチンクでは、結晶面の P跪が不要である。

(1) レーザー加工

(2) イオン加工

• させたイオンビームによる加工

.マスクを介して、 ¥ίΐ束のイオンを照射

(3) プラズマ加工

(4) 化学エッチング

•等方性化学エッチング

•異方性エッチングの後に等方性エッチング

3. 石英ガラス基板に対して

(1) レーザー加工

(2) イオン加工

• させたイオンビームによる加工

•マスクを介して、 ¥ff束のイオンを照射

(3) プラズマ加工

(4) 化学エッチング

(イオン加 I程 200の詳細）

このイオン加 XX程 200は、先に形成された初期开娥である非定形の窪み 2を凹部 3 (球面状凹部や円筒面状凹に加工していく工程である。

本工程は、図 3 (A) に示すように、初期赚の窪み 2を形成した基板 1に、ほほな状態で Miするアルゴンイオンなどのイオンをシャワー状に照 j ることにより行う。イオン照射すると、図 3 (B) に示すように、基板 1の平面部分、すなわち表面と窪み 2内の線状底部は平面を保ちながら鉄加 ^、進行する。また、図 4および図 5に示すように、窪み 2内の頂点、よわち最深部の点 2 e 泉部分 2 1の両端の点 2 eからは、湾曲面が広がっていく。イオン入射角が 0である部分（表面や底の線状部分）のイオン加工體は同じであるので、初期开犬、すなわち窪み 2の深さを保ったままで、イオン照による鉄加工〖雄行する。窪み 2の頂点 2 eから形成されていく球面状凹部や円筒面状凹部カ號大していくと、それにつれて、窪み 2内の平面部分はなくなつていき、やがて、窪み 2が球面状凹部 3や円筒面状凹部 3に変化する。図 4 (C) および図 5 (C) は、そのようにして形成された球面の凹部 3と円筒面の凹部 3を示してレる。

(イオン加工の廳

上記のィオンカロェでは、加工文像と化学を起こさなレ不?舌 f生ガスをィォ匕ガスとして用レ基板表面にイオンを照射して 1^¾加ェする。これはイオン照射効果の中の一つを使つた物理白劬ロェである。

数十 eV以上の運動エネルギーを持って照されたイオンは、基板表面の原子に衝突し、運動エネルギーを表面原子に与える。このとき、表面原子が基ネ廳子との結合を断ち切るだけのエネルギーを衝导すると、基板表面から飛ばされていく。 1個の照寸イオンによつて表面からはじき出される原子の数をスパッ夕糧という。スパッ夕 J|遺はイオン角 Θ (基板表面の泉方向とイオン λ!ί方向の交わる角度をいう。 ) に依存して変化する。スパッ夕数量を Υ (Θ) とすると、多くの材料の Υ. (Θ) は図 6 (Α) に示すような曲線で表される。イオン AM角 Θを 0から大きくしていくと、照射イオンが Hi鎌突した表面原子だけでなく、その原子から周りの原子にも»エネルギーがつたわるようになり、 Y (Θ) は増大していく。 9 = 9 0。の^、照射イオンの方向》S板表面に TOとなり、イオンのエネルギーはほとんど表面原子につたわらない。このため、 θ = 9 0。では Υ ( Θ) = 0となる。このことからもわかるように、 Θカ汰きすぎてもイオンの » エネルギーを表面原子に儘する効率は低下する。このようなことから、 Υ (Θ) が駄となる Sの値がる。 Υ (Θ) は、材料、イオン種、イオンの運動エネルギーなどによって変化する。スパッ夕 Φ»Υ (Θ) を反映したものが、イオン加 l igVのイオン入射角 0へ雄性 V (Θ) であり、 0 = 0における値をそれぞれ Y ( 0) = 1、 V (0) = 1に讓匕して、 Υ (Θ) と V (θ) とを同一のスケールで表すと、両者は一致する。本発明では、 V (Θ) が Θに依存して変化していることを利用して、初期开纵ら球面状凹音や円筒面^!犬凹部を开成するものである。

(イオン加 ¾置について）

上記のイオン加工には、イオン化した不活性ガス (He, Ne, Ar, Kr， Xe) を加速して、謙斗面を照射する機能をもち、物理的な作用を主体として^ ¾加ェを行うことがきる装置でなけれ «¾らず、それには、

3種類がある。なお、本発明では、主として物理的な作用で基板を！ ^¾加ェできればよぐ N₂ 、 C0₂ 碳酸ガス）、空気などのガスによるイオンも、加速を大きく T lば、化学的作用よりも物理的作用による鉄加！^大きくなるため、これらのガスを用レ^:もよい。

1 イオンビーム (ィ才ンシャワー、イオンミリング）装置

ガス導入口を有し、そこから導入されたガスをイオン化する漏 gと、力腿を印加してイオンをカ瞇する機能をもち、ほほ^亍なイオンビーム（イオンシャワーともいう）を発生するイオン源、嫌斗を概寺する樹冓を有し、イオンビームを嫌斗に照する加: Π¾、イオン源、加: など真空にする真気系を主な構とした装置である。

2 反形エッチング装置

高周波、あるいは直流 HEを印 ttrtるための TO平板、この ¥ί亍平板の一方の «I»付近に纖した謙が、同じ真空容器内に設けられている。真空容器内に導入したガスを、高周波、あるいは直流を TO平板に印加してイオン化する。ガスがイオン化すると、自ィァスと呼ばれる電健が鎌 ^f l構のある ¾f亟位置付近に発生し、この電健によってイオンが加速さ ^面を照射する。これには、高周¾«を利用した装置（RFスパッタ装置、腸ま 13. 56MHzの高周波のこと）や直流を利用した装置（直流 (DC) スパッ夕装が ¾)る。

3 マイクロ波プラズマエッチング装置

マグネトロンから羅される 2. 45GHzのマイクロ ¾ ガスをイオン化する。高周波を謙斗ィ鹏具に印加して、隱に照射されるイオンの加速を繊卩する。

《理論的纏の説日〉

(球面や円筒面加: Do ?きる理由）

不活性ガスをィオン化し、加速したィオンを用レこ物理的な加工であるィオン加工におレ r、 ¾のごとくイオンを照射された試料のイオン加 iSJ vは、試料表面へのィオン λ!ί角に依存して変化する。図 6 (Β) に示すように、加: E3i度 Vは、 Θの関数となり、 V=V (Θ ) と表される。ここで、イオン加: は、謙斗表面の挪面からィオン進行方向に沿って測る。また、 θ = 0は、イオンの表面への垂直 λ#を示す。したがって、謙斗表面に平坦でなレ^]期獻を形成しておくと、イオン加: ^'進むにつれて

、 wm v ( に ί雄して変化する。この現象を利用して、球面状凹部や円筒面状凹音を开成する。

ここで、 V (Θ) 力 s

V (Θ) = (A+B/cos 0) V。（A, Β, V。：識 A+B= l ) と表される:^、初期幵狱とし Τΐί^表面に窪み 2を形成しておくと、その窪み 2は、ィオン加工の進行とともに、な球面や円筒面で構成された凹部 3へと変化していく。ィオン角 Θが O≤S≤0_maxの範囲にぉレ τ上式が戯することは、 V (Θ) に関する実 »縣吉果牺 6 (Β) 参照 J から示すことができる。ここで、 0_maxは、その実纖吉 ¾0ゝら求めること力 ?きる。

初期頻犬の最も深いところには、 A 角 9 = 0とみなすことがきる点がある。 H¾には、基板表面（基板 »画が 0 = 0になるように、イオン加: c¾置に基板をセットするので、初期开狱の最深部で θ = 0となる薩（図 4，図 5に ^2 e， 2 1で示す麵）と、基板表面とのイオン加: 度は同じになる。イオン加工は、初期織の深さを一定に保ちながら進行し、初期纖 H¾板表面と同一の方向に広がっていく。したがって、マイクロレンズの厚さは、初期开犬の深さ以上にはできない。初期开狱の最も深いところに、レつたん球面状凹部や円筒面状凹部が成されると、その後、イオン加工の進行にともなつて、球面状凹部や円筒面状凹部が爾口、を膨らますような形で広がっていく。

徵学白籠）

上記を数学的に説明すると、以下のとおりである。

[ 1 ] 物理的なイオン加工によって球面や円筒面が形成されることの理論的ネ應不活性ガスからなるイオンを基板に照射し，物理的に!^ ¾加ェする齢を考える。ィォンはビーム状で，オンは一定の方向に ^fiHこ進むものとする。基涵される搬 Vは，基板表面へのイオン角 Θに游して変化する. イオン照寸条件が一定とすると , イオン照射方向の加: D gは， ν = ν(θ) ₍₁₎ となる。図 3 (A) に示すように，基板表面に TOに xy平面，垂直に z軸をとる。ィォンはー z方向に進行する. 時間 tにおける基板表歸狱を，

^ = f(x,y,t) (2)

dz

と表す。基緩面の z^f¾の加！ «はであるので，式 α)，（¾より，座標系のを考慮して，

となる。 θ \% 基板表面 (χ, y) における泉と z軸とのなす角であり，

の関係 5tr与えられる。

ここで， V (Θ) 力 A+B=lの関係を； "る A， B, および V₀=V (0) を用いて，

と表されると^^る。式 (4)を式 (3)に¾Aし項し，

を得る。つぎに，式 (6)における Θが x, y， zで表す。このため， f (x， y, t) を， f(x,y,t)^g(x,y,t)-AV₀t (7)

I と f (_X, y, t) の差は一¾ あるので t ) を z方向に動した曲面を表してい

dg , 0 =₀

dt cosd (8) を得る。 z = g (x, y, t) 上の (x, y) における溜泉方向の加: Oi度を V_g と， V_gnは謝可学的な関係から，

となる。式 (9)に式 (8)を¾Aして， "_Sn =-B"o (10) の関係を得る。この式は， V_gnがー ¾ ?あることを示している。

つぎに， z=g (x， y, t) 力 s表す曲面の性質を求めるため， z=g (X, y, t) を

G(x,y,z) = t ( ) と変开する。 G (x, y, z)

(x, y, t) の开狱を表す。式 (11)の醒を t, x, yでそれぞれ β扮する。 ζは t， X, yの関数であるので，

(12) となる。 g=zであるので，式 (8)において gを zに置き換え，式 (8)を変形すると,

の関係が得られる。式 (13)に式 (4)を翻し，さらに，式 ¾を ¾Aして整理すると,

力 s得られる。式 (14)は，鮮においてアイコナール方程式と呼ばれている。鮮では，ァィコナ一ル施式は波面を表す。 G (X, y, z) 力輝面または円柱面または平面の:^ ， G (x， y， z) はそれぞれ式 (15), (16), (17)で表される。これらの式における各定数を適当に定めることによって，各式が式 (14)を満たすようにできる。

G(x,y,z) = k^z{x²+y²+z²) ( ：定数) (15)

G(x, ,z) = k²{x² +z²) or k²{^²+z²) ( ：定数) (|g) G(x, y,z) = a x + b y + c z (a,ろ, c:定数) (17) 以上のことは， V (Θ) カ试 (5) Ί¾される ±始，加工量がこ大きくなると，基板表面が球面，円柱面，平面を組 "βϋた刺犬になることを示している。

溪画觸

上謎論舰を実験的に忍した（図 6参照 J

[2] シリコンに対するィオン加: のィオン AM角 0 ©{游性の ί循忍

(球面や円筒面加:!^ きる理由）

性ガスをイオン化し、加速したイオンを用いた物理的な鉄加工であるイオン加工におレて、イオンを照射された謙斗のイオン加！ «Vは、鎌斗表面へのイオン λ¾·角 Θ に依存して変化する。加 IC¾Vは、 0の関数となり、 v=v (のと表される。ここで、イオン加！ «Vは、嫌斗表面の辨面からイオン進行方向に沿って測る。また、 θ = 0は、イオンの試料表面への垂直を示す。したがって、謙斗表面に平坦でなレ初期形状を开成しておくと、イオン加: ^tむにつれて、初期开娥が V (Θ) に依存して変化する。この現象を利用して、球面状凹部や円筒面状凹部を形成する。

ここで、 V (Θ)が

V (Θ) = (A+BZcos V (A, B, V ： ¾, A+B= l ) と表される齢、初期开娥として鎌斗表面に窪み 2を形成しておくと、その窪み 2は、ィオン加工の進行とともに、 ^：な球面状や円筒面状で構成された凹部へと変化していく。イオン角 Θ力 o≤e≤s_maxの麵におレて±¾が航することは、 V (Θ) に関する実験結果（図 6 (B) 参照 J 力示すことがきる。ここで、 Θ _xは、その実難求めること力さる。

初期刺犬の最も深いところには、 λΐ^角 0 = 0とみなすことがきる点がある。には、譜斗表面（ M?面）が = 0になるように、イオン加 3¾置に識斗をセットするので、初期开狱の最深部で 9 = 0となる箇所と、嫌斗表面とのイオン加: Π¾度は同じになる。イオン加工は、初期刺犬の深さを一定に保ちながら進行し、初期織は表面と同一の方向に広がっていく。したがって、マイクロレンズの厚さは、初期纖の深さ以上にはできない。初期开狱の最も深いところに、一旦、球面状凹部や円筒面状凹部が形成されると、その後、イオン加工の進行にともなって、球面状凹部や円筒面状凹部が、風船を膨らますような形で広がってレく。

間と加工量、加 jimおよび曲率雜の相関関係）

図 6はィオン加: HiJ のイオン A 角 i¾ 性を説明するためのダラフであり、この図 6 の（A) , (B) ， (C) を重ねたものが、図 8である。

讓には、表面が (湖)面で、表面を鏡丽蕭した (画)シリコンウェハ ( (100) Si) を用い、底面の一辺が 4 0 mの窪み 2を結晶異方性エッチングより初期汗多 I犬として形成した。イオン加: Π¾置には、カウフマン形イオン源を備えたイオンビーム装置を用いた。ィオン化ガスにはアルゴン（Ar) を用いた。 Arイオン照射条件は、力腿電圧； 2kV、イオン電流密度； 1 3mA/ cm²とし、このときイオン照 J ^内圧力は 5 X 1 0— ³ P aであった。

適当な大きさの S iウェハで（100) Siウェハの分をマスクしてイオン照射し、 ( 100) Siウェハ表面にイオン照真寸部と未照射部を形成した。イオン照間 2時間毎に^斗をイオン照真接から取り出し、イオン照射部と未照射部の體を表面粗さ計で測定して、イオン加工量 ctoェ深さ）を求めた。同時に、初期开加: at間とともに変化する » を、表面粗さ計により断面开犬の測定、顕纖による开纏から求めた。表面粗さ計の iHこは、曲率 #5 zmのものを用いた。

ィオン加工の特性を図 7に基づき説明する。 (A) 図〖¾tlinJ^間と加工量の関係を示す。加工量が加 IBt間に比例して増加しており、加: Cl^は 5 m/hである。 ί«Τるように、形成される球面状凹部や円筒面状凹部の曲率ロェ量によって織 Ρすること力きる。しかし、イオン加工の進行中にイオン加工量を IB!に測ることはに困難とされている。一方、加 B#間の測定は容易であり、正確な値を得ること力きる。 (A) 図に示 ~¾ロェ量と加 B#間の比例関係は、加 XB#間によつて加工量を雄に嫌!)できることを示している。

(B) 図は、初期开狱の开狱変化に関して加工量と曲率半径の関係を示す。窪み 2の底部からは球面状凹部が成されるので、球面状の部分における曲率半径を求めた。レったん球面状凹部が形成されると、 (B) 図からわかるように、その曲率は加ェ量に比例して増加している。このことは、曲率半径が加工量によって赚に制能なことを示している。

[ 3 ] サフアイャに文寸するィオン加！のィオン AM角 Θ \m ^o m 図 9に基づきサフアイャ中に対するイオン加: 1»のイオン AM角依存性を説明する。く 0001>サフアイァ形状 (A1203)基板のィオン加: C 度について、イオン A 角依存性 V

(Θ) を測定した。イオン加:!^置には、カウフマン形イオン源を備えたイオンシャワー装置を用いた。イオン化ガスにはアルゴン（Ar) を用いた。 Arイオン照真寸条件は、カ瞇電圧； 2kV、イオン電流密度； 13mA/cm²とし、このときイオン照 J接内圧力は 5 X 10_³P aであった。イオン照射部と未照射部を形成し、それらの部分の勝からイオン加: C«を求める。このため、適当な大きさのシリコンゥェ八を用いて、サファイア基板の^ ¾分をマスクし、イオンを照射し、イオン照射部と未照射部の隨を表面粗さ計で測定して、ィオン加工量 Ctoェ深さ）を求めた。加工量をイオン照猶間 fijり、加: D 度を求めた。イオン照射方向に対するサファイア基板表面の傾き角を変えながら、このような加:

の測定を繰り返し一つ ( i頃き角に対して、 3時間イオンを照射した. 角 0におレ r、加: CSSは約 1· 98 zm/hであった。

実騰吉果を図 9に示す。 θ = 0° , 10° ， 20° の 3点の 5^夕から、最小二乗法を用いて式 (5)の «を求めたところ、

Γ₀ = 1.98 /im/h A = -4.25, 5 = 5.25 Qg) となった。式 (9)の V_gnは直接測 ¾ きない。式 (9)を，式 (3), (7)を用いて変形して，

V_gn ={-V(0) + AV_o}cose

(19) を得る。上式に式 (18)の値を¾Aし、各に対する V (Θ) の実験値を¾Aする。実験値による Θと V_gnの関係を求めること力 ?きる。これらの関係を，式 (10)に式 (18)の値を代入して求めた V_gnとともに図 9に示す。また、式 (10)の BV₀に対る実験値は、式 (18) 力求められ図 9に示している。 V_gnの実験値は Θ = 0° から 0 = 35°付近までほぼ一定で、 BVQと一致している。

以上の結果は、イオン入射角 Θが 0° から 35° 付近までは，実験から測定した V (Θ) カ试 (5)の形で表現できることを示している。したがって、このイオン A 角の範囲において，〈0001〉サファイア开^ ¾板表面に球面，円柱面，平面からなる獻を物理的なィオンカロ工により形¾·すること力ぎる。

《本発明の蘭 ms»

上記^!!ベた式 (1 0) の Vgnを実動求めた！^、イオン A f角 0。力、らある角度 0 まで、 Vgnが一定の基涵あれば、初期赚を形成し、そこから球面状凹部、円柱面状凹部を成長させることがきる。

このことを理論と実嚇ゝら明らかにしたことに本発明の意動る。したがって、 Vgn 一定の材料を見つけることができれば、その材料からなる基ネ肚に球面状凹円柱面状凹部を形成できるので、以下の難例に示すものの材料につレ^ Cも、本発明の湖；源理が翻でき、本発明に含まれるものである。なお、初期職の形成法は、とくに制限されず、種々の方法を翻してょレ

以下、本発明の鎌例を説明する。

n ：サファイア基板を用い、初期形状をイオン加工で作ったもの

m例 2：サファイア基板を用い、初期形状をレーザー加工で作ったもの

¾ 列 3：シリコン基板を用い、初期开狱をイオン加工で作ったもの

雄例 4：シリコン基板を用い、初期开娥を化学エッチング加工で作ったもの

例 5：シリコン基板を用レ初期开狱を異方性エッチングの後に^ I生エッチングで作ったもの

雄例 6：シリコン基板を用レ初期开狱をレーザーカロェで作つたもの

m ：石英ガラス基板を用い、初期开犬をイオン加工で作ったもの

麵例 1

(初期織工程）

初期形状を形成するため、厚さ 0.05腿のステンレス製の薄板に、直径 6 0 の貫通孔を形成したステンシル ·マスク 5を擺した。このステンシル ·マスクをサファイア-基板 1 表面にした状態で、加速 ttffi； 2kV、ィォ流密度； 1 3mA/cm²で Arイオンを照寸し、貫通孔を扁するイオンにより初期开娥を形成した。イオン照間を 5時間とした。 5時間照謝麦には、ステンシル'マスク 5が台どなくなつている^ IIとなる。この結果、図 1 0 (B) の光学顕微鏡写真に示すような凹部をサファイア基板表面に形成できた。図 1 1 (A) は、粗さ彻 «にて、凹部の獻を測定し結果を示し、凹部の深さは 4. 7 であった。図 1 0、図 1 1において、基板表面付近にぉレて凹部が下部よりも広がっているのは、ステンシル'マスク 5とサファイア基板 1との間に隙間があり、サファイア表面とマスク画の間で照射ィオンが M "して、離を広げるためと考えられる。

(イオン加 XX程）

このようにして初期織を形成したサファイア基板 1に、加速 ¾E ; 2kV、イオン電流密度； 1 3mA/cm²で Arイオンを照した。イオン照崖間 5時間ごとにイオンシャワー装置から取り出し、サファイア基板表面の凹部を測定した。図 1 1〜図 1 5に、それぞれ、ィオン照»間 5時間、 1 0時間、 1 5時間、 2 0時間、 2 5時間における顕纖額- と粗さ測定機による断面形状測佶果を示す。また、図 1 6〜図 1 8に、断面形状に円弧をフイッテングさせた:^をしめす。図 1 1の初期开狱断面と比較すると、イオン間が長くなるにつれて、初期开求面状に変化していることがわかる。イオン照！^ U

5時間以上になると、明らかに球面が成長し、断面織にぉレてはそれに一致する円弧を描くこと力きる。球面状凹部の周辺部のリング状の部分は、イオン照射をさらに続けて行えば、！^ffi±なくなる。

以上のように、穴状の凹部を初期开狱としてサファイア基板に形成し、そのサファイア基板に物理的なィオン加工をおこなうことによって球面状凹部が形成できることがわかる。鍾例 2

(初期職工程）

サファイア基板へ微細な穴を加工する方法として、集光したレーザ一光を照射し、局所的に材料をする方法が周知の漏となっている。サファイアでは、光の腿率は波長に依存し、紫外線領域になると扁率が低下する。このため、サファイアの加工には、波長 193歷、 248 などのエキシマレ一ザ"^、藤 355腹の YAGレーザ ~¾ (これは YAG レーザー光の第 3高調用いられている。レーザ一光の滅状態、照射パワーなどの制御によって、微細穴の口深さを繊卩できる。このような觀シーザ一光では、断爾状 ^針状の穴を形成でさる。

また、化学エッチングにより初期开狱を形成することも可能である。この:^、 H2S04と H3P04の混合液、 320°Cでエッチングするとよい。

(イオン加 XX程）

を形成することがきた。

mM3 (イオン加工による初期开犬形 β¾ 謹織工程）

初期开犬を形成するために、厚さ 0. 05讓のステンレス製の辮反に、直径 6 0 ΛΙΙの貫通孔を形成したステンシル ·マスクをした。このステンシル ·マスクをシリコン基板表面こ識した状態で、加速 «ΒΕ ; 2kV、ィォ流密度； 1 3 mA/cm²で Arイオンを照射し、貫通孔を邏するイオンにより初期劇犬を形成した。イオン照講間を 5時間とした。 5時間照酣菱には、ステンシル'マスクが台どなくなつている状態となる。この結果、図 1 9 (Β) の)^顕孅に示すような凹部をシリコン基板表面に形成できた。図 1 9 (Α) は、粗さ測 »にて、凹部の开狱を測定し結果を示し、凹部の深さは 2 8 mであた。

(イオン加 II程）

このようにして初期开狱を形成したシリコン基板に、加速 ¾£ ; 2kV、イオン電流密度； 1 3 mA/_cm ²で Arイオンを照射した。イオン照鹏間 2時間ごとにイオンシャワー装置から取り出し、シリコン基板表面の凹部を測定した。図 2 0〜図 2 5に、それぞれ、ィオン照綱間 2時間、 4時間、 6時間、 8時間、 1 0時間、 1 2時間後における光学顕微鏡^ ¾と粗さ測 ¾による 1 M开狱測定結果を示す。イオン照 J ^間が 8〜： L 2時間と長くなると、麵纖は円弧でフイッテングできる。すなわち、初期赚〖お求面状凹部に変化している。イオン照！間が 1 0時間を過ぎると、隣り合う球面状凹部の嶽纖し、隣り合う球面状凹部の接触部〖お泉状になる。

靈例 4 (化学エッチングによる初期开狱形

(初期織工程）

シリコンに用いられる化学エッチングには、用いるエッチング液の誠によつて、他の方向と比較して S¾にエツくなる結晶方向力職する異方性エッチング、おおむね等方的に進行する等方性エッチング、転位などの結晶欠陥カ^ る箇所にエッチピッ卜を移^るエッチング力 sある。

異方性エッチング液には、 Ι . ΚΟΗζ激夜、 2. EDP (エチレンジァミン、ピロ力テコ一ル）水鹿夜、 3. TMAH (tetramethyl ammonium hydroxide) ?M« などがある。い ¾lのェツチング液においても、 Si0₂、あるい «SiaN₄をマスク材に用いることがきる。

等方性エッチング液には、ふつ酸（HF) 、 mm (HNo₃) 、 mm. (C¾COOH) の混合用いられる。マスク材には Si0₂、 Si₃N_4> Auなどが用いられる。これら 3液の混合比によって、エツ 9¾gの結晶方 f¾f衣存性が化し、エッチ面の粗さも変化する。さらに、な等方性を繊すること常に困難である。

等方性エッチングを用いる場合、シリコンウェハの結晶面はなんでもよい。シリコンゥェ八の表面だけ、あるいは全面にマスク材からなる薄膜を付着させる。

の大ささのピンホーリレをあける。ピンホールの开犬は、円形、形、形などの適当な形でょレこの後、シリコンゥ Λをエッチング液の中に入れ、エッチングする。なお、このようなエッチング工程は、 ^(本デバイスの工程の一つであり、周知のことである。エッチング力了すると、ピンホール ®ί立置に凹部が形成される。この凹部の職は、

Hl§に球面に «¾らない。

(イオン加 11

つぎに、シリコン基板上のマスク材を^ ¾する。このようにして、形成された凹部を初期开狱にもつウェハに、イオン照射して、初期开狱を球面状凹部に変化させる。イオン照射条件は、難例 3と同様でよい。

なお、マスク材からなる薄膜がシリコンウェハに残っていてもよいが、この、ィォン照射すると、ピンホールを垂したイオンにより、初期开狱の中心部が加工されて深くなっていく。この ^マスク材がされるまる。このように形成された凹部を初期織として、イオン照射により球面状凹部が成長していく。

本離法の翻としては、シリコンウェハの戴におレ^、結晶面に関係なぐどのような結晶面のウェハも利用できる、という点カ举げられる。

難例 5

(初期繊ェ禾 )

異方性エッチングの後に等方性エッチングを用いる;！^、 (100)面を表面にもつシリコンウェハを基板に用いる。まず、結晶面方向に異方性をもつ化学エッチングにより、四角錐状の凹部あるいは、 V溝状の凹部を形 β ^る。そ ( fあこのゥェ八に対して、等方性のエッチングを i 。このようにして形成した凹部を初期开狱とする。

(イオン加 XX禾 S)

初期獻を形成したウェハにイオン照射を施し、各初期麟ぉ球面状凹部、あるいは円筒面状凹部を成長させる。

«例 6 籠光したレーザー光による初期开狱形 fi¾ (初期織工

シリコンウェハへ微細な穴を加工する方法として、観したレーザ一光を照射し、局所的に材料を除去する方法が周知の樹となつている。シリコンは、波長 1. 2〜15 πιの光に対して顯 I生が! ¾い。したがって、波長 1. 2 以下の光をするレーザー光によって穴加工をおこなうことがきる。シリコン基板に、鍵したレーザー光で^ ¾Πェすることは周知の湖 ϊϊであり、断針状の穴を形成できる。

(イオン加 XX程）

このように、初期开狱としてレーザ一光で形成した穴を有する基板にイオン照射する。イオン加工量が増大するにつれて、初期幵«求面状凹部に変化していく。

雄例 7

1. ィオン加工量のィオン λ ^角翻生

ガラス基板にっレ rイオン加工量のイオン λ¾·角依存性を測定し結 ¾ ^ら、式

0)の Vgnを測定した結果を図 2 6に示す。イオンのカ瞇を 1. 5 kV, 2 kV, 2. 5 kVと変ィ匕させているカ、レ f lの齢も A t角 0°から 2 5° 、 3 0 ° 、 2 0 °程度までそれぞれのカ瞇におレ TVgnが一定になっている。 ¾わち、本発明の Ji^法により、ガラス基板に球面状凹部、円柱面状凹部が形成可能なことを示している。

(初期赚ェ禾 )

イオン照!^件は、イオン種； Ar (アルゴン) 、加速 ¾E ; 2kV、ィォ ^流密度； 1 3mA/cm2、であり、これま l½明してきた条件と同じである。マスクには、厚さ 0. 05腿のステンレス謝反である。

このようなマスクを英ガラス基ネ肚に密着させ、その上からイオンを照射した。このような状態で 5時間のイオン照射を行い、円柱面状凹音趼铖のための初期獻を形成し初期赚の断面およ面劇犬と写真を図 2 7に示す。

(イオン加 XX程）

イオン照射を 3 0時間以上おこなった齢のと写真を図 2 8に示す。

加 IH#間 3 4時間 (加工量 234/2111)後の加工量（イオン照射により^ ¾された深さ）と曲率半径の関係を図 2 9に示す。このように、加工量の増加とともに、曲率半径が B泉的に大きくなる。

これらの図から石英ガラスに対しても球面状や円柱状の凹部 3を形成できることが分る。難上の利用可能性

本発明は、マイクロレンズ用鍵、マイクロレンズおよびそれらの難として利用できる。

Claims

請求の範囲

1. 均質性材料の基板に初期織としての窪みを形成する初期开¾0：程と、

嫌應みをィオン加工によりマイクロレンズ成形用凹部に形るィオン加: π 程とを順に^することをとするマイク口レンズ用 ¾の ¾¾。

2. 嫌己イオン加 XX程が、編 B¾板に対し不活性なガスをイオン化ガスとして用い、加速したイオンを ttftas板に照射して行う ,πιπである

ことを ?教とする請求項 1記載のマイク口レンズ'用の ¾。

3. 嫌 Bi与質性ネオ料が、サフアイャである

ことをとする請求項 1記載のマイク口レンズ用^ の

4. 均質性材料の基板に初期开娥としての窪みを形成する初期獻ェ程と、

l^みをイオン加工によりマイクロレンズ用凹部に形成するイオン加 XI程とを順に実行する

ことをキ敷とするマイク口レンズの ¾。

5. 編己イオン加 XX程が、編板に対し不活性なガスをイオン化ガスとして用い、加速したイオンを嫌3¾板に照射して行う^ ¾加ェである

ことを ί毀とするマイク口レンズの。

6. 前与質性ネオ料が、サフアイャである

ことを mとする請求項 4記載のマイク口レンズの

7. 基板 1：にマイクロレンズ成形用凹部を形成した

ことをとするマイクロレン：用

8. 基¾±に複数個のマイク口レンズ成形用凹部を歡 IJさせて形成した

ことを ί敷とするマイク口レン：用皿

9. 基板にネ鐵個のマイクロレンズ成形用凹部を IJさせて形成すると共に、各マイクロレンズ成形用凹部の周匪こ非レンズ部分が無くなるように各マイク口レンズ成形用凹部が互レして形成されている

ことを iとするマイクロレンス) ϋ

1 0. ΐ ΐ己マイクロレンズ成开細凹部が、基板に窪みを形成した後、言纏みをイオン加工により球面状にまたは円筒面状に形成されたものであることをとする請求項 7， 8， 9のレに記載のマイクロレンズ用皿

11. 編 Βί与質性材料が、サフアイャである

ことを樹敫とする請求項 7, 8, 9, 10のレ ¾^に記載のマイクロレンズ用皿

12. 基にマイクロレンズ用凹部を形成した

ことを 1 [とするマイク口レンズ。

13. 基¾±にネ纖個のマイクロレンズ用凹部を敏 IJさせて形成した

ことを特徴とするマイク口レンズ。

14. 基板に徽個のマイクロレンズ用凹部を戀 Uさせて形成すると共に、各マイクロレンズ成形用凹部の周隨こ非レンズ部分が無くなるように各マイク口レンズ成形用凹部が互レに虫して形成されている

ことを特徴とするマイクロレンス、。

15. 101己マイクロレンズ用凹咅! ^が、基板に窪みを形成した後、みをイオン加工により球面状にまたは円筒面状に形成されたものである

ことをとする請求項 12, 13， 14のレ f l^に記載のマイク口レンズ。

16· 前言質性ネオ料が、、サフアイャである

ことを ®とする請求項 12， 13, 14, 15のレ T l^に記載のマイクロレンズ。 17. 請求項 7， 8, 9， 10または 11記載のマイクロレンズ用を用レ c製作されたものである

ことを樹敫とするマイク口レンズ。