JP2005088154A - 光学部品用型の製造方法及び光学部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
優れたパターン精度を有する光学部品を得る。
【解決手段】
本発明の光学部品の製造方法は、シリコン基板を使用した光学部品用型の形成工程と、シリコン型を使用した光学部品の形成工程を含んでいる。シリコン型の形成工程は以下の基本的処理を行う。シリコン基板上にレジスト層を形成する（Ｓ１０１）。形成されたレジスト層に対して、所定のマスクパターンを使用して露光処理を行う（Ｓ１０２）。露光処理されたレジスト層の現像処理を行い、レジストパターンを形成する（Ｓ１０３）。レジストパターンが形成されたシリコン基板のエッチング処理を行い、シリコンウェアの露出部をエッチングする（Ｓ１０４）。エッチング処理の終了後に、シリコン基板上のレジストパターンをアッシングによって除去する（Ｓ１０５）。
【選択図】 図１

Description

本発明は光学部品用型の製造方法及び光学部品の製造方法に関する。

光通信技術や画像表示技術など、光を利用する光技術の進歩に従い、様々な電子機器において光学部品が使用されている。例えば、マルチメディア時代を迎え、光通信システムやコンピュータにおける情報処理の大容量化および高速化の要求から、光の伝送媒体として光導波路が注目されている。このような光導波路としては石英系導波路が代表的であり、一般に以下の工程により製造されている。シリコン基板上に、火炎堆積法（ＦＨＤ）やＣＶＤ法等の手法によりガラス膜よりなる下部クラッド層を形成する。下部クラッド層上に、これと屈折率の異なる無機質の薄膜を形成し、この薄膜を反応性イオン・エッチング法（ＲＩＥ）によりパターニングすることによりコア部分を形成する。更に、火炎堆積法によって上部クラッド層を形成する。しかしながら、このような石英系導波路の製造方法では、特殊な製造装置が必要であるとともに、製造時間が長くかかるなどの問題が見られる。
液晶ディスプレイのバックライト等に用いられる導光板もまた、光学部品として挙げることができる。導光板は、一般的には板の端面より光を入れて、表面全体に光を出す板をいう。導光板の典型的な製造方法は、レーザー法や機械切削法で製造された型に用いてインジェクション成型される他、印刷法などによっても製造される。しかし、高アスペクト比の凹凸パターンを高精度に形成することは困難である。

光学部品の他の例として、例えば、液晶プロジェクタにおいて使用されるマイクロレンズ・アレイが知られている。マイクロレンズ・アレイは、ミクロン単位のレンズが数多く集積されたものであり、代表的なものとして、液晶プロジェクタにおけるライト・バルブにおいて使用されている。マイクロレンズ・アレイは、ライト・バルブのひとつひとつの画素に対応した小さなレンズを備え、ライト・バルブのひとつひとつの画素にプロジェクタ・ランプからの光を絞り込む働きを有している。

マイクロレンズ・アレイの典型的な製造方法として、電鋳金型を利用した２Ｐ（Photo-Polymer）複製法が知られている。２Ｐ法は、ＵＶ硬化樹脂を使用して、金型形状を基板に転写複製する製法である。まず、パターン面を有する電鋳金型と基板ガラスの間に、ＵＶ硬化性樹脂を塗布し、押圧した状態でＵＶ硬化する。電鋳金型を離型すると、基板ガラス上の硬化樹脂に電鋳金型のパターンが転写される。その転写パターン上に屈折率が異なるＵＶ硬化樹脂を塗布し、カバー・ガラスをその上にのせて硬化処理を行い、封止することでガラス間にレンズ構造形成することができる。２Ｐ法において、典型的には、電鋳金型はマスタにＮｉ金属を堆積させることによって形成されるため、電鋳金型の精度はマスタの精度に依存する。しかし、例えば、エッチングなどによって金属を切削することでマスタを形成する場合、高アスペクト比の凹凸パターンを高精度に形成することは困難である。

また、ビデオ・プロジェクタの構成部品として使用されるフレネルレンズを、紫外線硬化性樹脂を使用して製造する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。所定の凹凸パターンを有するフレネルレンズ面を有するフレネル金型に、透明度の良好な透明樹脂板がセットされ、金型のフレネルレンズ面と透明樹脂板との間に紫外線硬化性樹脂が注入される。紫外線を照射して紫外線硬化性樹脂を硬化させることによって、金型にセットされた透明樹脂板と紫外線硬化性樹脂が重合接着され、フレネルレンズが形成される。透明樹脂板と紫外線硬化性樹脂でフレネルレンズを形成することによって、紫外線硬化性樹脂のみで形成する場合に比べ、フレネルレンズの透明性を向上し、紫外線硬化性樹脂の使用量を低減することができる。しかし、上記製造方法によって製造されるフレネルレンズの精度は、金型のフレネルレンズ面の精度に依存する。従って、微細で高精度なフレネルレンズを形成するためには、金型の凹凸パターンを高精度に形成することが必要とされる。

特開昭６１−１７７２１５号公報

本発明は以上のような事情を背景としてなされたものであって、本発明は、優れたパターン精度を有する光学部品を得ることができる光学部品用型の製造方法及びそれを用いた光学部品の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、光学部品を製造するための光学部品用型の製造方法であって、シリコン基板上にレジスト層を形成するステップと、前記レジスト層をパターニング処理し、レジストパターンを形成するステップと、前記レジストパターンに従って、前記シリコン基板をエッチング処理するステップと、前記エッチング処理されたシリコン基板から、前記レジストパターンを剥離するステップと、を有する。これによって、優れたパターン精度を有する光学部品形成可能な光学部品型を得ることができる。

前記エッチング処理するステップは、反応性イオン・エッチングによって前記シリコン基板をエッチングすることが好ましい。あるいは、前記エッチング処理するステップは、液相異方性エッチングによって前記シリコン基板をエッチングすることが好ましい。これによって、高アスペクト比の凹凸パターンを高精度に形成することができる。

本発明の第２の態様は、光学部品の製造方法であって、エッチング処理によって形成された凹凸パターンを有するシリコン型を準備するステップと、前記凹凸パターン上に硬化性樹脂層を形成するステップと、前記硬化性樹脂層を硬化処理し、硬化樹脂層を形成するステップと、前記硬化樹脂層を前記シリコン型から離型するステップと、前記硬化樹脂層の凹凸パターン上に、前記硬化樹脂層と屈折率の異なる第２の硬化樹脂層を形成するステップと、を有する。これによって、優れたパターン精度を有する光学部品を得ることができる。好ましくは、シリコン型に離型剤を付着させるステップをさらに有する。あるいは、前記硬化性樹脂の粘度が５０〜１００００ｍＰａ・ｓであることが好ましい。

本発明によれば、優れたパターン精度を有する光学部品を得ることができ、特に高アスペクト比の凹凸パターンを有する光学部品を高精度で得ることができる。

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。

本実施の形態に説明される光学部品の製造方法は、シリコン基板を使用した光学部品用型の形成工程と、シリコン型を使用した光学部品の形成工程を含んでいる。図１を参照して、型の形成工程は以下の基本的処理を行う。まず、シリコン基板上にレジスト層を形成する（Ｓ１０１）。形成されたレジスト層に対して、所定のマスクパターンを使用して露光処理を行う（Ｓ１０２）。露光処理されたレジスト層の現像処理を行い、レジストパターンを形成する（Ｓ１０３）。レジストパターンが形成されたシリコン基板のエッチング処理を行い、シリコン基板の露出部をエッチングする（Ｓ１０４）。エッチング処理の終了後に、シリコンウェア上のレジストパターンをアッシングによって除去する（Ｓ１０５）。以上の処理によって、凹凸パターンを有するシリコン型が形成される。

図２は、本実施の形態における光学部品用型の形成工程を示している。本実施の形態を実現するために使用される製造装置は広く知られたものであり、ここでは説明を省略する。図２（ａ）に示すように、シリコン基板１上にレジスト層２を形成する。レジスト材料としては、ネガ型もしくはポジ型から適切なものが選択される。本形態においては、ネガ型を例として説明される。シリコン基板１上にレジスト層２を形成する好ましい方法の一つは、スピンコート方式である。スピンコート方式は、回転している基板上にレジストを塗布する方法であり、レジスト層の高い平面度が得られる。尚、スピンコート方式の他、設計によっては、ディッピング方式、ロール方式、ドライフィルム・レジストの貼り合わせ等を使用してレジスト層２を形成することが可能である。

シリコン基板１上にレジスト層２を形成した後、図２（ｂ）に示すように、所望のマスクパターンを有するマスク３を用いて、ＵＶ露光装置からのＵＶ光によりレジスト層２に対して露光処理を行う。典型的なマスク３は、遮光膜としてクロム・パターンを備えている。ＵＶ露光装置は、例えば、波長４３６ｎｍもしくは３６５ｎｍの高圧水銀ランプを利用することができる。露光時間、露光パワーなどの露光パラメータは、レジストの厚さ、材料に応じて適切なものが選択される。尚、必要に応じて、露光装置はエキシマ・レーザを利用することも可能である。また、露光処理の前もしくは後に、必要に応じてレジスト層のベーク処理が行われる。

次に、図２（ｃ）に示すように、シリコン基板１上の露光処理されたレジスト層２の現像処理を行う。これにより、ＵＶ光によって露光されなかったレジスト層がアルカリ現像液に溶けて除去されることによって、レジストパターン４が形成される。レジストパターン４の凹部底面においては、下層のシリコン基板１が露出される。尚、アルカリ現像液の濃度、現像時間などの現像パラメータは、設計に応じて適切な値が選択される。

次に、図２（ｄ）に示すように、シリコン基板１のエッチング処理を行い、シリコン基板１表面に凹凸パターンを形成する。例えば、幅２μｍ、深さ８μｍの凹部と幅８μｍ、高さ８μｍの凸部を備える凹凸パターンを形成することができる。エッチング処理のために、液相中でシリコン基板１をエッチングするウェットエッチング、もしくは、気層中でシリコン基板１をエッチングするドライエッチングを使用することができる。好ましいエッチング方法の一つは、反応性イオン・エッチングである。反応性イオン・エッチングは反応性ガス・プラズマを使用したドライエッチング方式であり、シリコン基板１は中性活性種と反応性ガス・イオンの相乗効果によってエッチングされる。エッチング・ガスとしては、塩素系ガスなどを使用することができる。反応性イオン・エッチングを使用することによって、シリコン基板１のより異方性のあるエッチングが可能となり、シリコン基板１の凹部側面を、深さ方向においてより平滑に形成することができる。好ましくは、平面粗さは０．１μｍ以下あるように凹凸パターンがエッチング処理される。

シリコン基板１のエッチング処理が終了すると、アッシング処理によってシリコン基板１上のレジストパターン４が剥離される。以上の工程によって、シリコンからなる光学部品用型５を形成することができる。シリコン基板１を液相異方性エッチングによってエッチングし、シリコン基板１表面に凹凸パターンを形成することによって、高アスペクト比の凹凸パターン形状を有する光学部品用型５を、高精度に形成することができる。

次に、図３を参照して、シリコン型を使用した光学部品の形成のための基本工程について説明する。まず、シリコン型の凹凸パターン面に、光あるいは熱などのエネルギーを加えられることによって硬化する硬化性樹脂層を形成する（Ｓ３０１）。硬化性樹脂層は凹凸パターン面に凹部を埋めるように形成される。硬化性樹脂層上に光学部品の基材となる基板を配置する（Ｓ３０２）。光照射あるいは加熱処理などによって、硬化性樹脂層を硬化させる（Ｓ３０３）。基材及び硬化された樹脂層をシリコン型から離型する（Ｓ３０４）。凹凸パターンを備える硬化された樹脂層上に、屈折率の異なる第２の硬化性樹脂層を形成する（Ｓ３０５）。紫外線や電子線などによる放射線照射あるいは加熱処理などによって、第２の硬化性樹脂層を硬化させる（Ｓ３０６）。以上の処理によって、屈折率の異なる部分を備える光学部品を高精度に形成することができる。

図４を参照して、本発明の適用された光学部品の形成工程の一例について説明する。図４（ａ）を参照して、図１及び図２を参照して説明されたシリコン型５を用意する。シリコン型５の凹凸パターン面上に、図４（ｂ）に示すように、硬化性樹脂層６を形成する。好ましい硬化性樹脂の一は、ＵＶ光の照射により硬化するＵＶ硬化性樹脂である。ＵＶ硬化性樹脂層６は、好ましくは、スピンコート方式を使用ことによって形成することができる。この他の形成方法として、ディッピング方式やロール方式などを利用することも可能である。尚、ＵＶ硬化樹脂に代えて、他の放射線としてのＸ線や電子線、あるいは熱によって硬化する硬化性樹脂を使用することが可能である。硬化性樹脂としては、アクリル系樹脂、アクリル酸エステル系樹脂、エポキシ性樹脂、あるいはシリコン系樹脂などを使用することができる。これらの硬化性樹脂は、シリコン型が高アスペクト比の凹凸パターンを有する場合には、樹脂を充填しやすくするため、低粘度の樹脂を用いることが好ましい。具体的には、硬化性樹脂の粘度は、５０〜１００００Ｐａ・ｓであることが好ましい。

ＵＶ硬化性樹脂層６をシリコン型５の凹凸パターン面上に形成した後、ＵＶ硬化性樹脂層内の気泡を取り除くため、脱泡処理を行うことが好ましい。典型的には、ＵＶ硬化性樹脂層６が付着されたシリコン型５を真空チャンバ内に配置することによって、ＵＶ硬化性樹脂層６の脱泡処理を行うことができる。ＵＶ硬化性樹脂層６内の気泡を取り除くことによって、均一で表面の平坦性に優れた硬化樹脂層を形成することができる。

次に、図４（ｃ）に示すように、硬化性樹脂層６の露出面上に光学部品の基材となる基板７を設置する。ＵＶ硬化性樹脂などを使用する場合、ＵＶ光に対して透明な材料によって形成された基板を使用する。基板７の材料としては、例えば、ガラス、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、あるいはＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）などを使用することができる。熱硬化性樹脂など、硬化処理に光照射を必要としない場合は、熱によって変形しない不透明なシリコン基板などを使用することができる。硬化前の硬化性樹脂層６上に基板７を配置することによって、樹脂層内に気泡が発生しうる。そのため、好ましくは、基板７設置後に、硬化性樹脂層６の脱泡処理を行うことが好ましい。例えば、硬化性樹脂層６上に基板７を設置した状態において、シリコン型５を所定の低い回転速度で回転することによって、不要な樹脂を取り除くことができるとともに、硬化性樹脂層６内の気泡を取り除くことができる。

シリコン型５、硬化性樹脂層６及び基板７が積層された状態において、図４（ｄ）に示すように、硬化性樹脂６の硬化処理を行い、硬化樹脂層８を形成する。ＵＶ硬化性樹脂を使用する場合、ＵＶ光を透明基板７側から照射することによって、硬化性樹脂６を硬化させることができる。ＵＶ露光光源としては、例えば、波長４３６ｎｍもしくは３６５ｎｍの光を発する高圧水銀ランプを利用することができる。露光時間、露光パワーなどの露光パラメータは、樹脂層６の厚さ、材料に応じて適切なものが選択される。熱硬化性樹脂を使用する場合、ホットプレートやオーブンなどにより加熱処理を行うことができる。この他、硬化性樹脂の種類に応じて必要なエネルギーが与えられる。

硬化性樹脂層６の硬化処理が終了すると、図４（ｅ）に示すように、基板７及び硬化樹脂８からなる中間品がシリコン型５から離型される。好ましくは、中間品は力学的にシリコン型５から離型される。シリコン型５からの硬化樹脂８の離型性を向上するため、シリコン型５にシリコン系離型剤などの離型剤を付着することが好ましい。尚、シリコン型５を繰り返し使用することを前提としない場合、フッ酸やシュウ酸などによってシリコン型５を溶かすことによって、シリコン型５から離型することも可能である。

図４（ｆ）に示すように、凹凸パターンが形成された硬化樹脂８表面上に、下層の硬化樹脂層８と屈折率の異なる第２の硬化性樹脂層９を形成する。第２の硬化性樹脂層９は、下層の硬化性樹脂層６と同様に、ＵＶ光の照射により硬化するＵＶ硬化性樹脂を使用することが好ましい。第２の硬化性樹脂層９は、スピンコート方式など、下層の硬化性樹脂層６と同様の方法によって形成することができる。また、硬化性樹脂としては、下層の硬化性樹脂層６と同様に、アクリル系樹脂、アクリル酸エステル系樹脂、エポキシ性樹脂、あるいはシリコン系樹脂などを使用することができる。

第２の硬化性樹脂層９を形成した後、図４（ｇ）に示すように、第２の硬化性樹脂層９の硬化処理を行い、第２の硬化樹脂層１０を形成する。硬化処理は、下層の硬化性樹脂層６と同様の方法を適用することが可能である。好ましくは、硬化後に表面研磨を行うことによって、第２の硬化樹脂層１０表面を平坦化する。あるいは、例えば、第２の硬化性樹脂層９の硬化処理において、第２の硬化性樹脂層９表面に剥離性の透明フィルムを載せた状態で、所定の低い回転速度で部品を回転させる。その後にＵＶ照射などの硬化処理を行い、第２の硬化性樹脂９の硬化後に透明フィルムを剥離する。これによって、第２の硬化樹脂層９表面を平坦化することができる。

図４の例において、例えば、下層の硬化樹脂層８として屈折率の小さい樹脂を使用することでクラッドを形成し、上層の硬化樹脂層１０として屈折率の大きい樹脂を使用することによってコアを形成することができる。これによって、導波路を含む光学部品を形成することができる。尚、図４において、コア１０の上面とクラッド８の凸部の上面がほぼ一致するが、例えば、コア１０の上面をクラッド８の凸部の上面よりも上になるようにコア１０を形成し、コア１０内部にクラッド８の凸部が含まれるように光学部品を形成することができる。尚、本例において光学部品の一部として形成された硬化樹脂層８を、光学部品形成のための型として使用することが可能である。これによって、シリコン型５と同一パターンの硬化樹脂層を光学部品において形成することができる。

本発明は、高屈折率のコアと低屈折率のクラッドを備え、コア内を光が伝播する光導波路や導光板、レンズ樹脂層としての低屈折率層と封止樹脂層としての高屈折率層を備えるマイクロレンズ・アレイなど、屈折率の異なる部分を有する様々な光学部品の製造に適用することが可能である。図５は、本発明の光学部品の製造方法により製造可能な光学部品の例を示している。図５（ａ）は、表示装置などにおいて利用可能な導光板部品２０、図５（ｂ）は、液晶表示装置などに使用可能なマイクロレンズ・アレイ３０の概略構成を示している。

図５（ａ）において、２１はガラスなどで形成される基材、２２は低屈折率材料から構成される下層クラッド、２３は高屈折率材料から構成されるコア、２４は、例えば下層クラッド２２と同一材料で形成される上層クラッドである。上層クラッドは、省略することもできる。導光板部品２０の端部に、発光素子、あるいは受光素子を配置することによって、コア２３内を伝播する光による光通信などを行うことができる。上記光学部品の形成工程に従って、導光板部品２０を形成することができる。例えば、基材２１と下層クラッド２２からなる中間品をシリコン型の凹凸パターン上で形成する。下層クラッド２２の凹凸パターン面上にコア２３を形成し、最後に上層クラッド２４を形成する。必要に応じて形成された光学部品に切断等の加工処理を施すことによって、導光板部品２０を形成することができる。

図５（ｂ）は、液晶表示装置などに使用可能なマイクロレンズ・アレイ３０の概略構成を示している。マイクロレンズ・アレイ３０は、ミクロンオーダの光学レンズを集積したものであり、液晶表示装置の輝度向上、画質改善のために利用される。特に、マイクロレンズ・アレイ３０は、液晶プロジェクタにおいて使用されるライト・バルブに適用される。個々の画素に対応して形成されたレンズによって光が画素開口部に集光され、ライト・バルブの実質的な開口率を向上する。マイクロレンズ・アレイ３０は、ベース・ガラス３１とカバー・ガラス３４の間に、低屈折率材料から構成されるレンズ樹脂３２と高屈折率材料から構成される封止樹脂３３を供えている。この２つの樹脂の屈折率差を利用することによってレンズ効果を発揮する。

液晶セルにマイクロレンズ・アレイ３０を組み込むことによって、画素開口部にプロジェクタ・ランプからの入射光が集光され、ブラック・マトリックスによって遮られていた入射光を効率的に利用することができる。上記光学部品の形成工程に従って、マイクロレンズ・アレイ３０を形成することができる。例えば、ベース・ガラス３１とレンズ樹脂３２からなる中間品をシリコン型の凹凸パターン上で形成する。次に、レンズ樹脂３２の凹凸パターン面上に封止樹脂３３の材料層を形成する。カバー・ガラス３４を封止樹脂３３の材料層上に配置した状態で、ＵＶ硬化などによって封止樹脂３３の硬化処理を行う。これによって、マイクロレンズ・アレイ３０を形成することができる。

本実施形態におけるシリコン型の形成方法を示すフローチャートである。 本実施形態におけるシリコン型の形成工程を示す図である。 本実施形態における光学部品の形成方法を示すフローチャートである。 本実施形態における光学部品の形成工程を示す図である。 本実施形態に係る光学部品の製造方法によって製造可能な光学部品の例を示す模式図である。

符号の説明

１ シリコン基板、２ レジスト層、３ マスク、４ レジストパターン、
５ シリコン型、６ 硬化性樹脂層、７ 基板、８ 硬化樹脂、
９ 第２の硬化性樹脂層、１０ 第２の硬化樹脂層、２０ 導光板部品、２１ 基材、
２２ 下層クラッド、２３ コア、２４ 上層クラッド、
３０ マイクロレンズ・アレイ、３１ ベース・ガラス、
３４ カバー・ガラス、３２ レンズ樹脂、３３ 封止樹脂

Claims (6)

1. 光学部品を製造するための光学部品用型の製造方法であって、
   シリコン基板上にレジスト層を形成するステップと、
   前記レジスト層をパターニング処理し、レジストパターンを形成するステップと、
   前記レジストパターンに従って、前記シリコン基板をエッチング処理するステップと、
   前記エッチング処理されたシリコン基板から、前記レジストパターンを除去するステップと、
   を有する、光学部品用型の製造方法。
2. 前記エッチング処理するステップは、反応性イオン・エッチングによって前記シリコン基板をエッチングする、請求項１に記載の光学部品用型の製造方法。
3. 前記エッチング処理するステップは、液相異方性エッチングによって前記シリコン基板をエッチングする、請求項１に記載の光学部品用型の製造方法。
4. 光学部品の製造方法であって、
   請求項１〜３のいずれか一に記載の方法により製造された光学部品用型を準備するステップと、
   前記凹凸パターン上に硬化性樹脂層を形成するステップと、
   前記硬化性樹脂層を硬化処理し、硬化樹脂層を形成するステップと、
   前記硬化樹脂層を前記シリコン型から離型するステップと、
   前記硬化樹脂層の凹凸パターン上に、前記硬化樹脂層と屈折率の異なる第２の硬化樹脂層を形成するステップと、
   を有する、光学部品の製造方法。
5. 前記シリコン型に離型剤を付着させるステップを有する、請求項４に記載の光学部品の製造方法。
6. 前記硬化性樹脂の粘度が、５０〜１００００ｍＰａ・ｓである、請求項４又は５に記載の光学部品の製造方法。

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