JP4125889B2

JP4125889B2 - 光学素子、成形型及びそれらの製造方法

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Publication number: JP4125889B2
Application number: JP2001363197A
Authority: JP
Inventors: 博章山本; 雅宏堀; 浩一郎中村; 健一仲間; 勝秀新毛
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2001-11-28
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2021-11-28
Also published as: JP2002234741A; US6852420B2; EP1216970A2; CA2364482A1; EP1216970A3; US20020109069A1; CN1358617A; KR20020044065A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の表面上に所定の微細な凹凸形状を有する物品、特に微小光学素子および情報記録媒体基板、並びに成形によりそれらを製造するための成形型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
型の押圧による成形技術は、ＣＤ−ＲＯＭ、その他の情報記録媒体、平板マイクロレンズ（多数の微小レンズを基板上に一次元あるいは二次元配列したレンズ列等）、フレネルレンズ、回折格子素子、光導波路素子などの光学部品を大量に製造するのに広く用いられている。成形材料としては樹脂が一般的であるが、耐熱性、耐候性等に厳しい制限が要求される用途に対しては、いわゆるゾルゲル法によるガラス材料が用いられる。このゾルゲル法は、所定の基板上に一定厚みで塗布したゾルゲル材料に対して、所定の表面形状を有する成形型を一定時間押圧させながら加熱し、次いでゾルゲル材料から成形型を離型させてから再度ゾルゲル材料を焼結することにより所望の表面形状および膜厚を有する成形体を得るものである。
【０００３】
ところで、前述のようにゾルゲル法においては、成形型の形状を成形体へ精度良く転写するために押圧と同時に加熱することが必要である。
【０００４】
一方、成形型の材料の例としてはシリコンが挙げられる。型形状の作製には、単結晶シリコンウェハの表面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングし、ウエットエッチングを行ってＶ溝を作製する方法がある。結晶に対するエッチング速度の異方性を利用しているため、再現性よく形状制御ができる利点がある。
【０００５】
しかし、通常使用されるシリコンウェハの厚さは０．５〜１ｍｍ程度と薄い。このため、成形体に対して押圧する際、成形体が硬化する前の時点では、成形型に荷重が不均一にかかる場合があるため、薄いシリコンウェハは割れて破損する場合がある。シリコンウェハはより厚いものを使用することもできるが、結晶の性質からウェハ厚を増しても割れに対する強度はそれほど向上せず、一方で材料コストが上昇してしまう。そこで型形状を形成した薄いシリコンウェハの裏面に一定の強度をもった基材、例えばガラス板などを接着剤によって貼り合わせた成形型が使用されている。これにより、精度の良い型形状と押圧に対する強度を兼ね備えた成形型が実用化されている。また、シリコン単結晶の表面に回折格子形状の加工を行い、それを回折格子として使用することが知られている（特開平１０−２６７０７号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ゾルゲル材料を成形体として用いる場合には、上記のように成形型が加熱に晒される。したがってシリコンウェハとガラス基板の接着に使用する接着剤や粘着テープ等は、押圧時の温度に耐えうる耐熱性をもつ必要がある。この加熱温度は１５０℃以上になる場合があるが、生産に使用できる一般の接着剤や粘着テープではこのような高温で使用できるものはほとんどなく、また使用できても経時的に接着力が低下してしまうなど信頼性に問題があった。
【０００７】
発明者らが経験した具体例を以下に述べる。
回折格子形状を表面に形成した厚さ１ｍｍのシリコン板（２５×２５ｍｍ）を、信越シリコーン製耐熱接着剤ＳＥ５０８０を用いて同一形状で厚さ７ｍｍのコーニング製ホウケイ酸ガラス＃７７４０に接着した成形型を作製した。この成形型を用いてゾルゲル溶液を２００℃、３０分間押圧した（詳細な条件については後述する）。この後、離型しようとしたが、シリコン板とガラスが剥がれ、２００℃の温度で耐熱接着剤の強度が維持できなかった。その後、シリコン板と成形体の間に治具を挿入し離型したが、作業は困難で、双方に傷が付いた。
【０００８】
また、同様のシリコン板とコーニング製＃７７４０ガラスを３Ｍ社製両面テープ＃４３９０（厚み０．１３mm）を用いて接着した。この成形型を用いて上記同様にゾルゲル溶液を押圧し成形し離型した。接着前に測定したシリコン板表面の回折格子形状のＰＶ値は０．１７μｍであったが、成形体のＰＶ値は１．７６μｍを示し、成型時の両面テープの変形により、シリコン板が変形したことを示した。
【０００９】
実際にシリコン単結晶で作製された回折格子を使用する装置に装備する際には、コストなどの点から、通常、微細形状を加工するシリコン板は薄いものを用いるが、この場合、基板に反りおよび変形などを起こさせずに回折格子を固定するのが困難である。厚いシリコン板を用いるとコスト高となるのは前述の通りである。
【００１０】
本発明の目的は、このような課題を解決し、ゾルゲル材料の成形に使用できる成形型およびその製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、光学素子およびその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の成形型は、所定表面形状を有する導電性薄板と絶縁性補強材とを陽極接合法により接着したことを特徴としている。特に、この導電性薄板はシリコン単結晶であることが望ましく、また絶縁性補強材は酸化物ガラスであることが望ましい。
【００１２】
本発明の成形型の製造方法は、導電性薄板表面に所定の形状を加工するステップと、前記導電性薄板裏面を平滑仕上げするステップと、前記導電性薄板裏面と絶縁性補強材表面を接触させて加熱し、同時に導電性薄板を陽極として絶縁性基材との間に直流電圧を印加するステップとからなる。導電性薄板がシリコン単結晶である場合には、異方性エッチングによって所定の表面形状を形成できる。絶縁性補強材としては酸化物ガラスが望ましい。
【００１３】
また、本発明の光学素子は、所定表面形状を有する導電性薄板と絶縁性補強材とを陽極接合法により接着したことを特徴としている。特に、この導電性薄板はシリコン単結晶であることが望ましく、また絶縁性補強材は酸化物ガラスであることが望ましい。
【００１４】
本発明の光学素子の製造方法は、導電性薄板表面に所定の形状を加工するステップと、前記導電性薄板裏面を平滑仕上げするステップと、前記導電性薄板裏面と絶縁性補強材表面を接触させて加熱し、同時に導電性薄板を陽極として絶縁性基材との間に直流電圧を印加するステップとからなる。導電性薄板がシリコン単結晶である場合には、異方性エッチングによって所定の表面形状を形成できる。絶縁性補強材としては酸化物ガラスが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の成形型は、型として使用される所定形状を有する部分が導電性材料からなり、それが一定程度の強度をもった絶縁性補強材と接着されている。この導電性材料としてはシリコンが代表的であるが、例えばニッケル、銅、アルミニウムなどの金属材料であってもよい。シリコン単結晶を用いた場合には、単結晶の異方性を利用したエッチングにより溝加工することができる。結晶方位によって決定される断面がＶ字状の溝が再現性よく作製できるのが特徴である。また、ニッケル、銅、アルミニウム等の金属は機械的な微細加工が容易で、所定の型形状を作製するのに適している。
【００１６】
光学部品の製造に用いる成形型は、一般にその表面に凸部または凹部が設けられている。凸部としては、例えば球状、円錐状、角錐状等を例示できる。このような凸部は離型膜の全域あるいは部分的に必要数設けられる。一方、凹部としてスリットを設ける場合、スリットは直線状あるいは曲線状に設けられ、複数設ける場合には同心円状、格子状などとする場合がある。これらの所定形状により、例えば、表面凹凸型の回折格子、Ｖ溝形状、マイクロレンズアレイ、フレネルレンズなどの光学部品の形状が成形され、その周期はサブミクロンから数百ミクロンのオーダで作製される。
【００１７】
所定表面形状を有する光学部品を作製する工程において、成形体材料を支持体と成形型との間に密着させて膜状に配置し、ついで加圧、加熱して成形型の表面形状を反転させる。このとき、成形体材料によっては、加圧する圧力が高圧になり、加熱する温度が高温になる場合があり、このような場合、上記導電性成形型は単独ではその圧力に耐えられない場合がある。このような成形型の補強方法としては裏面に補強材を貼り付ける方法がある。
【００１８】
本発明では、上述の方法により得られた所定形状を有する金属などの導電性材料を陽極接合によりガラスなどの補強材と接着する。陽極接合による接着は、接着剤を必要としないため耐熱性が大幅に改善され長期的に安定して使用できる成形型が提供できる。
【００１９】
また、成形型としてでなく、シリコン単結晶で作製されたものを回折格子として使用する場合、上述の方法の通り陽極接合を用いて絶縁性補強材で補強した回折格子を用いることで、表面の平坦性を維持した状態で装置に固定することができる。表面の平坦性は、回折格子を使用する装置の目的に依存するが、例えば、波面収差のＰＶ値で表すと２．０μｍ以下、好ましくは１．０μｍ以下、さらに好ましくは０．４μｍ以下がよい。
【００２０】
金属と酸化物ガラスを接着する陽極接合の原理を簡単に説明する。
金属と酸化物ガラスを接触させ、金属に正、ガラスに負の直流電圧を印加する。高温では一般にガラス中に空間電荷が形成され、静電引力によって金属とガラスが密着する。さらに酸化物ガラス中の酸素イオンが界面に移動し、金属イオンとの間で共有結合を生じる。この結合が強固な接合力を生じる。このような原理による接合であるので、金属に限らず導電性を有し酸素と共有結合を形成する材料であれば使用できる。ただし電界によってガラス中へ侵入しやすい元素からなる材料は望ましくない。
【００２１】
本発明においては、型形状を導電性材料に形成するので、補強材は酸化物ガラスとする。しかし電界印加によって表面に酸素イオンの空間電荷を生じる材料であればこれに限られない。ただし補強材は室温から加熱されるため導電性材料と熱膨張係数が近い材料が望ましい。
【００２２】
例えば導電性材料がシリコンである場合には、シリコンと熱膨張係数がほぼ同じで、アルカリ金属を含むコーニング製ホウケイ酸ガラス＃７７４０が上記の条件に適合する。この＃７７４０ガラスの主な組成は、重量％で、ＳｉＯ₂が８０％、Ｂ₂Ｏ₃が１２％、Ａｌ₂Ｏ₃が２％、ＣａＯが０．３％、Ｎａ₂Ｏが４％、Ｋ₂Ｏが０．２％である。このコーニング製＃７７４０ガラス中では、アルカリ金属としてＮａなどが含まれているので、３００から４００℃の温度になるとアルカリイオンが移動できるようになる。シリコン側に正、ガラス側に負の直流電圧数百Ｖを印加すると、このアルカリイオンが電界によって移動し、シリコンとの界面近傍に負電荷の空間電荷層ができる。これによって静電引力が生じ、ガラスとシリコンが引き寄せられる。最終的にはシリコンウェハ裏面とガラス基板表面が密着し空間電荷層中の酸素イオンが強電界で一部界面付近に移動し、シリコンと共有結合を生じる。また、コーニング製＃７７４０ガラスは熱膨張係数が３２．５×１０^-7／℃とシリコンの熱膨張係数（２４×１０^-7／℃）とほぼ同じであるので、熱膨張によるシリコン基板の割れなどを防止できる。
【００２３】
なお、陽極接合と所定表面形状加工を行う順序は、導電性基板に所定表面形状を加工した後に絶縁性補強材と陽極接合してもよいし、導電性基板と絶縁性補強材とを陽極接合してから導電性基板の表面に所定形状の加工を行っても良い。
【００２４】
以下により具体的に本発明の成形型の製造方法について説明する。
厚さ約１ｍｍで両面を鏡面仕上げしたシリコンウェハを１０００℃の酸素雰囲気に入れてシリコン酸化膜を形成し、一方の面のシリコン酸化膜の表面にフォトレジストを塗布し、ストライプ状のフォトマスクを用いてパターニングを施した。ストライプ状に現像されたフォトレジストをマスクとして、アンモニウム含有ＨＦ水溶液でシリコン酸化膜にパターンを形成し、このシリコン酸化膜パターンをマスクにして、ＫＯＨの水−イソプロパノール溶液でシリコンウェハ表面をエッチングした。その後、シリコン酸化膜を除去した。この工程により、シリコンウェハの表面に約１０００個の直線状のＶ字状溝を形成した。溝の寸法は、溝幅２５μｍ、溝深さ１５μｍ、隣接する溝の間隔（溝の中央で測定）約２５μｍとした。この三角形状断面をもった回折格子状表面形状を加工した部分は２３×２３ｍｍの正方形状とし、ウェハは２５×２５ｍｍに切断した。すなわち、陽極接合の際、電極との接触を良好にするため、正方形状シリコン板の周囲幅２ｍｍは平滑な表面のまま残す。この回折格子状表面形状をもつシリコン板の０次光の波面収差はＰＶ値で０．１７μｍであった。
【００２５】
つぎにこのシリコン板を２５×２５×７ｍｍのコーニング製＃７７４０ガラスと陽極接合する。図１に示すように真空槽１０内に加熱ヒータ２０を備えた電極板３０を設置する。電極板３０中央には２３．５ｍｍ角の窪み４０を設けておく。溝加工した表面を電極板側にしてシリコン板５０を置くが、その際、加工部分５２を保護するため、加工部分を電極板３０の窪み４０部分に位置合わせする。位置合わせのため、電極板には二段の窪み４２を設けるのが望ましい。シリコン板裏面上にガラス基板６０（コーニング製＃７７４０ガラス）を重ねる。このガラス基板６０の表面にプローブ電極７０を接触させる。
【００２６】
真空槽１０を密閉して真空引きした後、加熱ヒータ２０により電極板３０を温度４００℃に加熱する。真空槽外の高電圧直流電源８０により真空槽内の電極間に直流電圧６００Ｖを印加する。以上により、シリコン板表面に回折格子形状を有する２５×２５×８ｍｍの成形型を得た。この成形型の波面収差はＰＶ値で０．１７μｍと陽極接合前と変化はなかった。
【００２７】
つぎに成形型表面に離型膜を成膜する。上記の成形型を真空蒸着装置の中に入れて、回折格子表面に下地層として膜厚８０ｎｍのチタン（Ｔｉ）を成膜し、次いで、保護層として膜厚１７０ｎｍの白金（Ｐｔ）を成膜した。さらにこれを真空スパッタ装置に入れて、このＰｔ層の上に離型膜として膜厚５３ｎｍの金（Ａｕ）をスパッタ法により成膜した。
【００２８】
以上により、図２に示すようなシリコン板５０表面に回折格子形状９０を有する成形型１００を得た。回折格子表面には離型膜９２が設けられ、裏面はガラス基板６０との陽極接合面５４であり、成形型として充分な強度に補強されている。つぎにこの成形型を用いてゾルゲル法による成形実験を行った。
【００２９】
成形体原料としてフェニルトリエトキシシラン０．１９モルとジメチルジエトキシシラン０．０４モルおよび、（3,3,3トリフルオロプロピル）トリメトキシシラン０．０４モルをビーカーに入れ撹拌した。この液にエタノール０．２５モルを加え撹拌し、水１．７５モル（３１．５ｇ）にギ酸を０．１重量％になるように溶解した水溶液を、さらにこれに加え、２時間撹拌した。撹拌初期には液は２層に分離したが、２時間撹拌すると透明均質な溶液となった。この溶液をオーブン内にて８０℃で１２時間、加熱したところ、エタノール、ギ酸水溶液、および重縮合反応で生じた水などが揮発した。その結果、当初約１０３．３ｇの重量および約１００ｃｍ³の体積を有していた溶液はその重量および体積は約３０％に減少して重量約２７ｇ、体積約３０ｃｍ³になっていた。こうして得られた液をゾルゲル溶液とする。
【００３０】
上記ゾルゲル溶液を、上記成形型の表面に塗布して、約６０μｍの厚みの層を形成し、１４０℃で７分間加熱した。この熱処理によって成形型の上に塑性変形可能なゲル膜（粘度：１０⁴〜１０⁸ポイズ）が形成できた。その後、上記塗布面（ゲル膜）に、厚み３．０ｍｍで２．５ｃｍ角の石英ガラス基材を乗せて圧力２ｋｇ／ｃｍ²で押圧しながら２００℃で３０分間加熱して石英ガラス基材と接合させた。そして塗布膜が完全にゲル化した後、自然空冷させた。成形型のコーニング製＃７７４０ガラス部分と、石英ガラス基材とを固定しながら引き離して離型した。その結果、成形型の形状を転写した膜（平均膜厚３０μｍ）が石英ガラス基材表面に付着した回折格子成形体を得た。この回折格子成形体の回折効率を測定するために、その表面に反射率６０％（波長1550nm）の金(Au)反射コートをスパッタ法により成膜した。
【００３１】
得られた回折格子成形体について、回折効率の測定および顕微鏡観察をおこなった。回折効率の測定は、波長可変レーザー光源より得た１５５０ｎｍのレーザー光を回折格子に入射させ、その回折光強度を光検出器により測定すると共に、回折格子への入射光量を同じ光検出器により測定し、両者を比較することで回折効率を評価した。
【００３２】
その結果、波長１５５０ｎｍにおいて成形型の２６次回折光の回折効率が６０％であるのに対して、得られた回折格子の２６次回折光の効率は６０％であり、再現良く転写されていることが判った。
【００３３】
一方、型の深さは上記のように１５μｍ、ピッチは２５μｍであるのに対して、回折格子成形体は、顕微鏡観察の結果、深さは１４．７〜１５．３μｍ、ピッチは２４．２〜２５．１μｍであり、精度良く転写されていることが判った。
またこの回折格子成形体の波面収差はＰＶ値で０．１７μｍを示し、成形型とほぼ同じ値を示した。
【００３４】
以上は成形型についての説明であったが、次に、成形型そのものを回折格子として用いた場合を説明する。前述の通り作製した図２に示すシリコン板５０の表面に回折格子形状９０を有する成形型を回折格子として用いるため、回折格子形状を有する面の反対側をガラス基板に接着剤を用いて接着した。このとき、回折格子の接着前後の０次光の波面収差のＰＶ値は、接着前で０．１６μｍ、接着後で０．１７μｍとほとんど変化がなかった。しかし、ガラス基板で補強しなかったシリコン板回折格子では接着前の０．１６μｍが１．６２μｍに増加し、平坦性が維持できなかった。
【００３５】
以上の実験結果から、本発明の成形型は、高温に加熱し加圧する必要のある成形材料を用いる場合に有効であり、特にゾルゲル材料に対して好適であることが明らかになった。また、本発明の光学素子は、回折格子などの所定表面形状を有する光学部品として好適であることが明らかになった。
【００３６】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、離型作業も容易に所定形状を有する成形型を得られるので、従来の所定表面形状を有する物品、成形型に比較して製造工程の高速化、不良発生率の低下および寸法精度の向上を達成できる。また、補強材により強度を増加された光学素子が形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の陽極接合装置の概略図である。
【図２】本発明の成形型の断面模式図である。
【符号の説明】
１０真空槽
２０加熱ヒータ
３０電極板
４０、４２窪み
５０シリコン板
５２加工部分
５４陽極接合面
６０ガラス基板
７０プローブ電極
８０高圧直流電源
９０回折格子
９２離型膜
１００成形型

Claims

所定表面形状を有するシリコン単結晶からなる導電性薄板と酸化物ガラスからなる絶縁性補強材とが陽極接合法により接着されてなるゾルゲル材料の成形型であって、ゾルゲル材料を支持体と前記成形型の間に密着させて膜状に配置し、ついで加圧、加熱するガラス材料の成形時において、破損や変形を生じないように構成されていることを特徴とするゾルゲル材料の成形型。
シリコン単結晶からなる導電性薄板表面に所定の形状を加工するステップと、前記導電性薄板裏面を平滑仕上げするステップと、前記導電性薄板裏面と酸化物ガラスからなる絶縁性補強材表面を接触させて加熱し、同時に前記導電性薄板を陽極として前記絶縁性補強材との間に直流電圧を印加するステップとからなるゾルゲル材料の成形型の製造方法であって、ゾルゲル材料を支持体と前記成形型の間に密着させて膜状に配置し、ついで加圧、加熱するガラス材料の成形時において、破損や変形を生じないように構成されているゾルゲル材料の成形型の製造方法。
前記導電性薄板表面に所定の形状を加工するステップが異方性エッチングであることを特徴とする請求項２に記載のゾルゲル材料の成形型の製造方法。
表面に回折格子形状を有するシリコン単結晶からなる導電性薄板と酸化物ガラスからなる絶縁性補強材とからなり、前記導電性薄板と前記絶縁性補強材とが陽極接合法により接着されてなり、回折格子が形成されているシリコン単結晶の表面の平坦性がＰＶ値で２．０μｍ以下になるように回折格子を使用する装置に固定可能に構成されていることを特徴とする回折格子。
シリコン単結晶からなる導電性薄板表面に回折格子形状を加工するステップと、前記導電性薄板裏面を平滑仕上げするステップと、前記導電性薄板裏面と酸化物ガラスからなる絶縁性補強材表面を接触させて加熱し、同時に前記導電性薄板を陽極として前記絶縁性補強材との間に直流電圧を印加するステップとからなる、請求項４に記載の回折格子の製造方法。