JP4747693B2 - 樹脂体を形成する方法、光導波路のための構造を形成する方法、および光学部品を形成する方法 - Google Patents
樹脂体を形成する方法、光導波路のための構造を形成する方法、および光学部品を形成する方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、樹脂体を形成する方法、光導波路のための構造を形成する方法、および光学レンズを有する光学部品を形成する方法に関する。
特許文献１には、所望の位置に孔を形成した構造体を製造する方法が記載されている。この製造方法は、複数の凸構造を有する押圧部材と基板とを用意する工程と、該基板の上に部材より強度の弱い材料を用いて層を形成する工程と、層に部材を押圧し層に部材の凸構造に対応した窪みを形成する工程と、層をエッチングし少なくとも基板表面の一部を露出させる工程と、基板を陽極酸化し基板に孔を形成する工程とを有する。
非特許文献１には、ナノ流路といった構造物が記載されており、このナノ流体構造物は、ＤＮＡやタンパク質といった生体分子の解析や取扱のために用いられる。非特許文献２には、半導体集積回路に適用されるナノインプリント技術が記載されている。非特許文献３には、半導体集積回路や冷陰極に適用されるナノインプリント技術が記載されている。非特許文献4には、ナノスケールのフォトディテクタ、シリコン量子ドット、量子線、リングトランジスタ等に適用されるナノインプリント技術が記載されている。
特開２００４−６６４４７号公報
Jian Wang et al., "Fabrication of 10 nm enclosed monofluidic channels,"APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol. 81, No. 1, pp.174-176
Stephen Y. Chou et el., "Imprint of sub-25 nm vias and trenched inpolymers," APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol. 67(21), pp.3114-3116
Akiyoshi BABA et al., "Easy Release of Mold In Imprint Lithography UsingIon-Beam-Irradiated Photoresist Surface," Jap J. Appl. Phys. Vol. 41(2002),pp.4190-4193
Stephen Y. Chou et el., "Nanoimprint Lithography," J. Vac. Sci. Technol. B14(6) Nov/Dec 1996, pp.4129-APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol. 67(21), pp.4129-4133
特許文献１に記載された方法では、複数の凸構造を有する押圧部材を、部材より強度の弱い材料からなる層に押圧した後に、押圧部材を層から離している。この結果、層に部材の凸構造に対応した窪みが形成される。しかしながら、この方法によると、凸構造に対応した窪みが層に形成されるけれども、押圧部材の凸構造と比較すると、形成された窪みを有する層にはパターンの欠陥が生じている。
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、光学式ナノインプリント法によりパターン形成されると共にパターン欠陥が少ない樹脂体を形成する方法を提供することを目的とし、また光学式ナノインプリント法によりパターン形成された樹脂体を用いて光導波路のための構造を形成する方法および、光学部品を形成する方法を提供することを目的とする。
本発明の一側面は、光導波路のための構造を形成する方法に係る。この方法は、（ａ）第１の屈折率を有する第１の領域上に、紫外線硬化剤を含む樹脂体を形成する工程と、（ｂ）前記樹脂体の材料の熱膨張率より小さい熱膨張率の材料から成り光導波路のためのパターンを有するモールドを、前記樹脂体に第１の温度において押しつける工程と、（ｃ）前記モールドを前記樹脂体に押しつけた状態で該樹脂体に紫外線を照射して、硬化した樹脂体を形成する工程と、（ｄ）前記モールドを前記樹脂体に押しつけた状態で前記第１の温度より低い第２の温度に前記モールドおよび前記樹脂体の温度を下げて前記樹脂体を収縮させる工程と、（ｅ）前記樹脂体の温度を下げた後に前記モールドを前記樹脂体から離して、パターン形成された樹脂体を形成する工程と、（ｆ）前記パターン形成された樹脂体を前記第２の温度より高い第３の温度に変更する工程と、（ｇ）前記パターン形成された樹脂体の温度を前記第３の温度に変更した後に、前記パターン形成された樹脂体から形成されたマスクを用いて前記第１の領域をエッチングして、パターン形成された第１の領域を形成する工程と、（ｈ）前記パターン形成された第１の領域上に、前記第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有しており前記パターンに対応して第２の領域を形成する工程とを備える。前記第１の温度は摂氏２５度〜摂氏１２０度であり、前記第３の温度は前記第１の温度より低く、前記第１の温度と前記第２の温度との温度差は３５０Ｋ〜５０Ｋである。
この方法によれば、モールドを樹脂体に押しつけた状態で第１の温度より低い第２の温度にモールドおよび硬化した樹脂体の温度を下げて樹脂体を収縮させた後に、モールドを樹脂体から離している。これ故に、パターン欠陥が少ない樹脂体が形成される。パターン形成された樹脂体から形成されたマスクを用いて第１の領域をエッチングするので、モールドの形状に正確に対応した形状が得られる。
本発明に係る方法は、（ｈ）第２の屈折率より小さい第３の屈折率を有する第３の領域を前記第１および第２の領域上に形成する工程をさらに備え、前記第１の領域は、光導波路のためのクラッドのための領域であり、前記第２の領域は、光導波路のためのコアのための領域であることが好ましい。
この方法によれば、モールドの形状に正確に対応した形状のクラッドを形成できる。
本発明に係る方法では、前記第１の領域は、前記第１の屈折率を有するシリコン酸化物から成り、前記第２の領域は、前記第２の屈折率を有するシリコン酸化物から成り、前記第３の領域は、前記第３の屈折率を有するシリコン酸化物から成ることが好ましい。
この方法によれば、モールドの形状に正確に対応しておりシリコン酸化物からなる光導波路を形成できる。
本発明の別の側面は、マイクロレンズ構造を有する光学部品を形成する方法に係る。この方法は、（ａ）紫外線硬化剤を含む樹脂体を被処理領域上に形成する工程と、（ｂ）第１の温度において、前記樹脂体の材料の熱膨張率より小さい熱膨張率の材料から成りマイクロレンズ構造のためのパターンを有するモールドを、前記樹脂体に押しつける工程と、（ｃ）前記モールドを前記樹脂体に押しつけた状態で該樹脂体に紫外線を照射して、硬化した樹脂体を形成する工程と、（ｄ）前記モールドを前記樹脂体に押しつけた状態で前記第１の温度より低い第２の温度に前記モールドおよび前記樹脂体の温度を下げて前記樹脂体を収縮させる工程と、（ｅ）前記樹脂体の温度を下げた後に前記モールドを前記樹脂体から離して、パターン形成された樹脂体を形成する工程と、（ｆ）前記パターン形成された樹脂体を前記第２の温度より高い第３の温度に変更する工程と、（ｇ）前記パターン形成された樹脂体の温度を前記第３の温度に変更した後に、パターン形成された樹脂体を形成した後に、前記パターンにより規定されるマイクロレンズ構造を前記被処理領域にイオンミリングにより形成する工程とを備える。前記第１の温度は摂氏２５度〜摂氏１２０度であり、前記第３の温度は前記第１の温度より低く、前記第１の温度と前記第２の温度との温度差は３５０Ｋ〜５０Ｋである。
この方法によれば、モールドを樹脂体に押しつけた状態で第１の温度より低い第２の温度にモールドおよび硬化した樹脂体の温度を下げて樹脂体を収縮させた後に、イオンミリング法により被処理領域にマイクロレンズ構造を形成する。これ故に、モールドの形状に正確に対応した形状が得られる。
本発明に係る方法は、（ｇ）マイクロレンズ構造を前記被処理領域に形成するに先立って、前記パターン形成された樹脂体をエッチングしてイオンミリングのための樹脂マスクを形成すると共に、前記被処理領域の表面を露出させる工程を更に備え、マイクロレンズ構造を前記被処理領域に形成する前記工程では、前記樹脂マスクおよび前記被処理領域をイオンミリング法により加工することが好ましい。
この方法によれば、マイクロレンズ構造に対応するパターンを有する樹脂マスクを樹脂体からエッチングにより形成できる。
本発明の更なる別の側面は、光学式ナノインプリント法によりパターン形成される樹脂体を形成する方法に係る。この方法は、（ａ）紫外線硬化剤を含む樹脂体を被処理物体上に形成する工程と、（ｂ）第１の温度において、前記樹脂体の材料の熱膨張率より小さい熱膨張率の材料から成りパターンを有するモールドを、前記樹脂体に押しつける工程と、（ｃ）前記モールドを前記樹脂体に押しつけた状態で該樹脂体に紫外線を照射して、硬化して樹脂体を形成する工程と、（ｄ）前記モールドを前記樹脂体に押しつけた状態で前記第１の温度より低い第２の温度に前記モールドおよび前記樹脂体の温度を下げて前記樹脂体を収縮させる工程と、（ｅ）前記樹脂体の温度を下げた後に前記モールドを前記樹脂体から離して、パターン形成された樹脂体を形成する工程と、（ｆ）前記パターン形成された樹脂体を前記第２の温度より高い第３の温度に変更する工程を備える。前記第１の温度は摂氏２５度〜摂氏１２０度であり、前記第３の温度は前記第１の温度より低く、前記第３の温度は実質的に室温に等しく、前記第１の温度と前記第２の温度との温度差は３５０Ｋ〜５０Ｋである。
この方法によれば、モールドを樹脂体に押しつけた状態で第１の温度より低い第２の温度にモールドおよび硬化した樹脂体の温度を下げて樹脂体を収縮させた後に、モールドを樹脂体から離している。これ故に、パターン欠陥が少ない樹脂体が形成される。
本発明に係る方法では、前記紫外線は前記モールドを通して照射されることが好ましい。この方法によれば、モールドに対面する樹脂体に紫外線が照射される。
本発明に係る方法では、（ｆ）前記パターン形成された樹脂体を形成した後に、前記第２の温度より高い第３の温度に、前記パターン形成された樹脂体の温度を変更する工程を更に備え、前記第３の温度は実質的に室温に等しいことが好ましい。
この方法によれば、第３の温度は実質的に室温に等しく、また第２の温度より高い。これ故に、第２の温度は室温より低く設定される。
本発明に係る方法では、前記モールドは石英製であることが好ましい。紫外線は石英を透過すると共に、石英は所望の機械的強度および機械的加工容易性を有する。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明の一側面によれば、光学式ナノインプリント法によりパターン形成された樹脂体を用いて光導波路のための構造を形成する方法が提供される。また、本発明の別の側面によれば、光学式ナノインプリント法によりパターン形成された樹脂体を用いて、マイクロレンズ構造を有する光学部品を形成する方法が提供される。また、本発明のさらなる別の側面によれば、光学式ナノインプリント法によりパターン形成されると共にパターン欠陥が少ない樹脂体を形成する方法が提供される。
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の樹脂体を形成する方法、光導波路のための構造を形成する方法、および光学部品を形成する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
（第１の実施の形態）
図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）および図１（Ｄ）を参照しながら、光学式ナノインプリント法によりパターン形成された樹脂体を形成する方法を説明する。図１（Ａ）に示されるように、樹脂体１１を被処理物体１３上に形成する。樹脂体１１は紫外線硬化剤１１ａを含む。被処理物体１３の少なくともその表層１３ａは、パターン形成された樹脂体の形状が転写されるべき材料からなる。また、被処理物体１３は、所望の機械的な強度を有することが好ましく、例えば自立可能である。紫外線硬化剤１１ａを含む樹脂体１１としては、例えば、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエステル系樹脂等を用いることができる。樹脂体１１の厚さＴは、モールド１５の主面１５ｂに設けられたパターン１５ａの深さＤより大きい。樹脂体１１の形成は、例えば、樹脂の塗布、樹脂膜の貼り付け等により行われることができるが、これらに限定されるものではない。
図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）および図１（Ｄ）を参照しながら、光学式ナノインプリント法によりパターン形成された樹脂体を形成する方法を説明する。図１（Ａ）に示されるように、樹脂体１１を被処理物体１３上に形成する。樹脂体１１は紫外線硬化剤１１ａを含む。被処理物体１３の少なくともその表層１３ａは、パターン形成された樹脂体の形状が転写されるべき材料からなる。また、被処理物体１３は、所望の機械的な強度を有することが好ましく、例えば自立可能である。紫外線硬化剤１１ａを含む樹脂体１１としては、例えば、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエステル系樹脂等を用いることができる。樹脂体１１の厚さＴは、モールド１５の主面１５ｂに設けられたパターン１５ａの深さＤより大きい。樹脂体１１の形成は、例えば、樹脂の塗布、樹脂膜の貼り付け等により行われることができるが、これらに限定されるものではない。
次いで、所定のパターン１５ａを有するモールド１５を準備する。モールド１５は、樹脂体１１の材料の熱膨張率より小さい熱膨張率の材料から成る。モールド１５は、例えば石英製である。紫外線は石英を透過すると共に、石英は所望の機械的強度および機械的加工容易性を有する。
樹脂体１７の温度は、第１の温度Ｔ１であり、好ましくは、モールド１５の温度も第１の温度Ｔ１にほぼ等しい温度である。第１の温度は、例えば摂氏２５度〜１２０度であることが好ましい。図１（Ｂ）に示されるように、このモールド１５を樹脂体１１に押しつける。この押しつけにより、樹脂体１１はモールド１５のパターン１５ａに応じて変形して、樹脂体１７が形成される。
図１（Ｂ）に示されるように、樹脂体１７には、紫外線１９が照射される。この照射は、モールド１５を樹脂体１７に押しつけた状態で行われる。この結果、樹脂体１７内の紫外線硬化剤１１ａが硬化して、パターン形成された樹脂体２１が形成される。
この方法では、紫外線１９はモールド１５を通して照射されることが好ましい。この方法によれば、モールド１５に対面する樹脂体１１に紫外線が照射される。ただし、基板１３が紫外線に対して透明な媒質の場合には、基板１３を通して紫外線が照射されるようにしてもよい。
図１（Ｃ）に示されるように、モールド１５を樹脂体２１に押しつけた状態で第１の温度Ｔ１より低い第２の温度Ｔ２、例えば温度５０Kにモールド１５および樹脂体２１の温度を下げる。この結果、温度の変化幅△Ｔ１（＝Ｔ１−Ｔ２：３５０Ｋ〜５０Ｋ）および熱膨張係数に応じて、樹脂体２１は収縮する。また、温度の変化幅（△Ｔ１）および熱膨張係数に応じて、モールド１５も収縮する。単位長さ当たりの樹脂体２１の収縮量は、例えば△Ｌ１であり、単位長さ当たりのモールド１５の収縮量は、例えば△Ｌ２である。モールド１５の材料の熱膨張率は、樹脂体２１の材料の熱膨張率より小さいので、樹脂体２１の収縮量△Ｌ１は、モールド１５の収縮量△Ｌ２より大きい。これ故に、図１（Ｃ）に示されるように、パターン形成された樹脂体２１とモールド１５との間に僅かな隙間Ｇが形成される。第２の温度Ｔ２は、例えば摂氏マイナス１００度〜プラス２５度であることが好ましい。
図１（Ｄ）に示されるように、樹脂体２１の温度を下げた後に、モールド１５を樹脂体２１から離して離型する。この結果、パターン形成された樹脂体２１が形成される。
この方法によれば、モールド１５を硬化した樹脂体１１から離すことなくモールド１５および硬化した樹脂体２１の温度を第２の温度Ｔ２に下げて樹脂体２１を変形させる。この後に、モールド１５を樹脂体２１から離しているので、パターン欠陥が少ない樹脂体２１が形成される。また、離型の際にモールドに加わる力が小さいので、モールドの摩耗も小さい。
図１（Ｄ）に示されるように、パターン形成された樹脂体２１を形成した後に、パターン形成された樹脂体２１の温度を第３の温度Ｔ３に変更する。第３の温度Ｔ３は、第２の温度Ｔ２より高い。この方法によれば、第３の温度Ｔ３は第２の温度Ｔ２より高いので、第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２との温度差を大きくできる。加えて、第３の温度Ｔ３は、第１の温度Ｔ１より低いことが好ましい。この方法によれば、第３の温度Ｔ３は第１の温度Ｔ１より低く第２の温度Ｔ２より高いので、第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２との温度差を大きくできる。第３の温度Ｔ３は、例えば摂氏プラス１０度〜プラス５０度であることが好ましい。第３の温度Ｔ３は実質的に室温に等しいことが好ましい。
モールドの材料として例えば合成石英を用いると、合成石英の熱膨張係数はおよそ５×１０−７／Ｋ程度であり、紫外線硬化樹脂として例えばアクリル系樹脂を用いると、アクリル系樹脂の熱膨張係数は約１０−５〜１０−６／Ｋであるので、石英製のモールド熱膨張係数よりも１〜２桁大きい。例えば、室温でモールドを樹脂に押し付け、紫外線照射した後、基板、樹脂体およびモールドの全部（或いは、基板付近のみ）を温度５０Ｋ程度まで冷却すると、石英製のモールドの収縮が２５ｐｐｍ程度であり、樹脂体は２５０ｐｐｍ程度収縮する。この差により、石英製マスクと樹脂体が離型されやすくなる。この温度において、物理的な力をマスクおよび樹脂体に加えてこれらを離型した後に樹脂体を室温に戻せば、樹脂体に転写されたパターンはモールド形状が再現される。この方法によれば、モールドの表面と樹脂体の表面の密着性によって、樹脂体の一部がモールドと固着してしまい、離型の際にパターン欠陥を生じることが防止される。
以上説明したように、この実施の形態によれば、光学式ナノインプリント法によりパターン形成されると共にパターン欠陥が少ない樹脂体を形成する方法が提供される。
（第２の実施の形態）
光導波路のための構造を形成する方法を説明する。図２（Ａ）に示されるように、紫外線硬化剤１１ａを含む樹脂体１１を基板３１の第１の領域３１ａ上に形成する。第１の領域３１ａは第１の屈折率を有する。例えば、第１の領域３１ａは、第１の屈折率を有するシリコン酸化物から成ることができる。樹脂体１１の形成は、第１の実施の形態の方法と同様に行われることができるが、これに限定されるものではない。
光導波路のための構造を形成する方法を説明する。図２（Ａ）に示されるように、紫外線硬化剤１１ａを含む樹脂体１１を基板３１の第１の領域３１ａ上に形成する。第１の領域３１ａは第１の屈折率を有する。例えば、第１の領域３１ａは、第１の屈折率を有するシリコン酸化物から成ることができる。樹脂体１１の形成は、第１の実施の形態の方法と同様に行われることができるが、これに限定されるものではない。
図２（Ａ）に示されるように、樹脂体１１の材料の熱膨張率より小さい熱膨張率の材料から成るモールド３３を準備する。モールド３３は、光導波路のためのパターン３３ａを有する。図２（Ｂ）に示されるように、モールド３３を樹脂体１１に第１の温度Ｔ１において押しつけて、モールド３３のパターン３３ａに合わせて変形された樹脂体３５を形成する。
図２（Ｃ）に示されるように、モールド３３を樹脂体３５に押しつけた状態で該樹脂体３５に紫外線３７を照射する。樹脂体３５内の紫外線硬化剤が紫外線３７に反応して樹脂の硬化が生じ、パターン形成された樹脂体３９が形成される。
図３（Ａ）に示されるように、モールド３３を樹脂体３９に押しつけた状態で第２の温度Ｔ２にモールド３３および樹脂体３９の温度を下げる。第２の温度Ｔ２は第１の温度Ｔ１より低いので、モールド３３および樹脂体３９はそれぞれ変形する。
図３（Ｂ）に示されるように、樹脂体の温度Ｔ２において、モールド３３を樹脂体３９から離して、パターン形成された樹脂体３９を得る。樹脂体３９は、モールド３３の突起３３ｂに押されて窪んだ第１の部分３９ａと、モールド３３の突起３３ｂの間の窪み３３ｃに対応しており突出した第２の部分３９ｂとを含む。第１の部分３９ａは、例えば溝形状であることができ、第２の部分３９ｂは例えばリッジ形状であることができる。
図３（Ｃ）に示されるように、パターン形成された樹脂体３９を形成した後に、この樹脂体３９の温度を第３の温度Ｔ３に変更する。既に説明したように、第３の温度Ｔ３は、好ましくは室温である。硬化した樹脂体３９のパターン寸法は、第３の温度Ｔ３において所望の値になる。
図４（Ａ）に示されるように、樹脂体３９をエッチングする。エッチャント４０として、例えば下記の条件
エッチングガス
O２：７ｓｃｃｍ
ＣＨＦ３：２０ｓｃｃｍ
ＲＦ出力：４５Ｗ
ＤＣバイアス：−２００Ｖ
圧力：２．７Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）
を用いることができる。異方性エッチングを用いれば、第１の部分３９ａの上部がエッチングされるけれどもモールド３３のパターンの寸法がエッチング後にも保たれる。必要な場合には、等方性エッチングを用いることもできる。図４（Ｂ）に示されるように、エッチングにより、第２の部分３９ｂを除去して第１の領域３１ａの表面３１ｂを部分的に露出させる。この結果、所望のパターンを有する樹脂マスク４１が樹脂体３９から形成される。樹脂マスク４１を第１の領域３１aをエッチングするために用いることができる。
エッチングガス
O２：７ｓｃｃｍ
ＣＨＦ３：２０ｓｃｃｍ
ＲＦ出力：４５Ｗ
ＤＣバイアス：−２００Ｖ
圧力：２．７Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）
を用いることができる。異方性エッチングを用いれば、第１の部分３９ａの上部がエッチングされるけれどもモールド３３のパターンの寸法がエッチング後にも保たれる。必要な場合には、等方性エッチングを用いることもできる。図４（Ｂ）に示されるように、エッチングにより、第２の部分３９ｂを除去して第１の領域３１ａの表面３１ｂを部分的に露出させる。この結果、所望のパターンを有する樹脂マスク４１が樹脂体３９から形成される。樹脂マスク４１を第１の領域３１aをエッチングするために用いることができる。
図４（Ｃ）に示されるように、パターン形成された樹脂体から形成されたマスク４１を用いて第１の領域３１ａをエッチングして、パターン形成された第１の領域３１ｃを形成する。第１の領域３１ａがシリコン酸化物からなるとき、エッチャント４３として、例えば下記の条件
エッチングガス
ＣＦ４：４０ｓｃｃｍ
Ｈ２：５ｓｃｃｍ
ＲＦ出力：６０Ｗ
ＤＣバイアス：−２００Ｖ
圧力：６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）
を用いることができる。エッチャント４３により、樹脂マスク４１に覆われていない第１の領域３１ａがエッチングされる。第１の領域３１ｃには樹脂マスク４１のパターンが転写される。第１の領域３１ｃは、樹脂マスク４１のパターンに対応した溝３１ｄが形成されている。
エッチングガス
ＣＦ４：４０ｓｃｃｍ
Ｈ２：５ｓｃｃｍ
ＲＦ出力：６０Ｗ
ＤＣバイアス：−２００Ｖ
圧力：６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）
を用いることができる。エッチャント４３により、樹脂マスク４１に覆われていない第１の領域３１ａがエッチングされる。第１の領域３１ｃには樹脂マスク４１のパターンが転写される。第１の領域３１ｃは、樹脂マスク４１のパターンに対応した溝３１ｄが形成されている。
図５（Ａ）に示されるように、第１の領域３１ｃの溝３１ｄの深さよりも十分に厚く膜を堆積して、第１の領域３１ｃの溝３１ｄを埋め込む第２の領域４５を形成する。この後に、第２の領域４５から余分な部分を除去し、第２の領域４７が形成される。この除去は、例えば、ポリッシング、エッチバック等により行われる。この結果、図５（Ｂ）に示されるように、第１の領域３１ｃ上に第２の領域４７が形成される。第２の領域４７は、第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有している。第２の領域４７は、第１の領域３１ｃの溝を埋め込むように形成されており、第２の領域４７は、例えば第２の屈折率を有するシリコン酸化物から成る。
この方法によれば、モールド３３を樹脂体１１に押しつけた状態で、第２の温度Ｔ２にモールド３３および樹脂体３９の温度を下げて樹脂体３９を収縮させた後に、モールド３３を樹脂体３９から離している。これ故に、樹脂体３９のパターン欠陥は少ない。また、この樹脂体３９から形成されたマスク４１を用いて第１の領域３１ａをエッチングするので、モールド３３の形状に正確に対応した形状が得られる。
図５（Ｃ）に示されるように、第３の領域４９を第１の領域３１ｃおよび第２の領域４７上に形成する。第３の領域４９は、第２の屈折率より小さい第３の屈折率を有する。第１の領域３１ｃおよび第３の領域４９は、光導波路のためのクラッドのための領域であることができ、第２の領域４７は、光導波路のためのコアのための領域であることができる。この方法によれば、モールド３３の形状に正確に対応した形状のクラッドを形成できる。第３の領域４９は、例えば第３の屈折率を有するシリコン酸化物から成る。例えばボロンまたはフッ素を添加することにより、シリコン酸化物の屈折率を変更することができる。この方法によれば、モールドの形状に正確に対応しておりシリコン酸化物からなる光導波路を形成できる。
以上説明したように、本実施の形態によれば、光学式ナノインプリント法によりパターン形成された樹脂体を用いて光導波路のための構造を形成する方法が提供される。
（第３の実施の形態）
マイクロレンズ構造を有する光学部品を形成する方法を説明する。第１の実施の形態と同様に、パターン形成された樹脂体５３を被処理物体５１上に形成する。被処理物体５１の少なくともその表層５１ａは、レンズのための材料からなる。図６（Ａ）に示されるように、樹脂体の温度を下げた後にモールドを樹脂体から離して、パターン形成された樹脂体から形成された樹脂マスク５３を形成する。本実施の形態において使用されるべきモールド（第１の実施の形態におけるモールド１５と同等）は、樹脂体の材料の熱膨張率より小さい熱膨張率の材料から成りレンズ構造のためのパターンを有する。レンズ構造を被処理領域に形成するに先立って、必要な場合には、図４（Ａ）に示されるように、パターン形成された樹脂体をエッチングして、イオンミリングのための樹脂マスクを形成することができる。この方法によれば、レンズ構造に対応するパターンを有する樹脂マスク５３を、モールドを用いてパターン形成された樹脂体からエッチングにより形成できる。引き続く説明は、樹脂マスク５３を用いてマイクロレンズ構造を有する光学部品を形成する方法を説明する。イオンミリングの条件として、例えば下記の条件
イオンビーム：Ａｒ＋
加速電圧１０ｋＶ
を用いることができる。樹脂体のミリングレートは被処理領域のミリングレートとほぼ同じである。
マイクロレンズ構造を有する光学部品を形成する方法を説明する。第１の実施の形態と同様に、パターン形成された樹脂体５３を被処理物体５１上に形成する。被処理物体５１の少なくともその表層５１ａは、レンズのための材料からなる。図６（Ａ）に示されるように、樹脂体の温度を下げた後にモールドを樹脂体から離して、パターン形成された樹脂体から形成された樹脂マスク５３を形成する。本実施の形態において使用されるべきモールド（第１の実施の形態におけるモールド１５と同等）は、樹脂体の材料の熱膨張率より小さい熱膨張率の材料から成りレンズ構造のためのパターンを有する。レンズ構造を被処理領域に形成するに先立って、必要な場合には、図４（Ａ）に示されるように、パターン形成された樹脂体をエッチングして、イオンミリングのための樹脂マスクを形成することができる。この方法によれば、レンズ構造に対応するパターンを有する樹脂マスク５３を、モールドを用いてパターン形成された樹脂体からエッチングにより形成できる。引き続く説明は、樹脂マスク５３を用いてマイクロレンズ構造を有する光学部品を形成する方法を説明する。イオンミリングの条件として、例えば下記の条件
イオンビーム：Ａｒ＋
加速電圧１０ｋＶ
を用いることができる。樹脂体のミリングレートは被処理領域のミリングレートとほぼ同じである。
図６（Ｂ）に示されるように、樹脂マスク５３を形成した後に、樹脂マスク５３のパターンにより規定されるレンズ構造がイオンミリング５５により被処理領域５１ａに形成される。樹脂マスク５３および第１の領域５１ａの両方が、イオンミリングにより徐々に除去されていく。樹脂マスク５３の全てが除去されるまで、イオンミリングを行う。図６（Ｃ）に示されるように、レンズ構造を有する被処理領域５１ｂが形成される。この結果、このレンズ構造は、モールドのパターンにより規定される。
この方法によれば、モールドを樹脂体に押しつけた状態で第１の温度より低い第２の温度にモールドおよび硬化した樹脂体の温度を下げて樹脂体を収縮させた後に、イオンミリング法により被処理領域にレンズ構造を形成する。これ故に、モールドの形状に正確に対応した形状が得られる。このような方法によれば、０．１μｍから５００μｍ程度の直径を有するマイクロレンズ構造を作製できる。
以上説明したように、本実施の形態によれば、マイクロレンズといった光学部品を形成する方法が提供される。
以上、いくつかの実施の形態を参照しながら、本発明を説明した。例えば、本発明に係る方法では、パターン形成された樹脂体を形成した後に、第２の温度より高い第３の温度に、パターン形成された樹脂体の温度を変更するようにしてもよい。この第３の温度は実質的に室温に等しいことが好ましい。この方法によれば、実質的に室温に等しい第３の温度は第２の温度より高いので、第１の温度と第２の温度との温度差を大きくできる。
また、例えば、本発明に係る方法では、パターン形成された樹脂体を形成した後に、第１の温度より低く第２の温度より高い第３の温度に、パターン形成された樹脂体の温度を変更するようにしてよい。この第３の温度は実質的に室温に等しいことが好ましい。この方法によれば、実質的に室温に等しい第３の温度は第１の温度より低く第２の温度より高いので、第１の温度と第２の温度との温度差を大きくできる。
さらに、第１の温度が第３の温度に実施的に等しいようにしてもよい。例えば、室温で押し付けた後に、樹脂を硬化させる。この硬化の後に、樹脂およびモールドを冷却する。冷却後にモールドを樹脂体から離す。この後に、樹脂体を室温に戻す。この方法によれば、室温におけるモールドパターンの寸法と樹脂体の寸法との差が小さくなる。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本実施の形態では、例えば、光導波路およびレンズといった光学部品の形成を説明したけれども、本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。本実施の形態では、光導波路およびレンズといった光学部品の形成を例示的に説明しており、ＤＮＡやタンパク質といった生体分子の解析や取扱のために用いられるナノ流路、ナノスケールの半導体集積回路のためのパターン、ナノスケールのフォトディテクタ、シリコン量子ドット、量子線、リングトランジスタ等に適用されることもできる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
１１…樹脂体、１１ａ…紫外線硬化剤、１３…被処理物体、１３ａ…被処理物体表層、Ｔ…樹脂体厚さ、１５…モールド、１５ｂ…モールド主面、１５ａ…モールドパターン、１７…パターン形成された樹脂体、２１…硬化した樹脂体、Ｔ１…第１の温度、Ｔ２…第２の温度、Ｔ３…第３の温度、△Ｔ１…温度の変化幅、△Ｌ１…樹脂体の収縮量、△Ｌ２…モールドの収縮量、３１…基板、３１ａ…第１の領域、３１ｃ…第１の領域、３１ｄ…溝、３３…モールド、３３ａ…モールドパターン、３３ｂ…モールドの突起、３３ｃ…モールドの窪み、３５…樹脂体、３７…紫外線、３９…樹脂体、３９ａ…第１の部分、３９ｂ…第２の部分、４１…樹脂マスク、４５…第２の領域、４７…第２の領域、４９…第３の領域、５１…被処理物体、５１ａ…被処理物体の表層、５３…樹脂マスク、５５…イオンミリング
Claims (8)
- 光導波路のための構造を形成する方法であって、
第１の屈折率を有する第１の領域上に、紫外線硬化剤を含む樹脂体を形成する工程と、
前記樹脂体の材料の熱膨張率より小さい熱膨張率の材料から成り光導波路のためのパターンを有するモールドを、前記樹脂体に第１の温度において押しつける工程と、
前記モールドを前記樹脂体に押しつけた状態で該樹脂体に紫外線を照射して硬化した樹脂体を形成する工程と、
前記モールドを前記樹脂体に押しつけた状態で前記第１の温度より低い第２の温度に前記モールドおよび前記樹脂体の温度を下げて前記樹脂体を収縮させる工程と、
前記樹脂体の温度を下げた後に前記モールドを前記樹脂体から離して、パターン形成された樹脂体を形成する工程と、
前記パターン形成された樹脂体を前記第２の温度より高い第３の温度に変更する工程と、
前記パターン形成された樹脂体の温度を前記第３の温度に変更した後に、前記パターン形成された樹脂体から形成されたマスクを用いて前記第１の領域をエッチングして、パターン形成された第１の領域を形成する工程と、
前記パターン形成された第１の領域上に、前記第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有しており前記パターンに対応して第２の領域を形成する工程と
を備え、
前記第１の温度は摂氏２５度〜摂氏１２０度であり、
前記第３の温度は前記第１の温度より低く、
前記第１の温度と前記第２の温度との温度差は３５０Ｋ〜５０Ｋである、ことを特徴とする方法。 - 第２の屈折率より小さい第３の屈折率を有する第３の領域を前記第１および第２の領域上に形成する工程をさらに備え、
前記第１の領域は、光導波路のためのクラッドのための領域であり、
前記第２の領域は、光導波路のためのコアのための領域である、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。 - 前記第１の領域は、前記第１の屈折率を有するシリコン酸化物から成り、
前記第２の領域は、前記第２の屈折率を有するシリコン酸化物から成り、
前記第３の領域は、前記第３の屈折率を有するシリコン酸化物から成る、ことを特徴とする請求項２に記載された方法。 - マイクロレンズ構造を有する光学部品を形成する方法であって、
紫外線硬化剤を含む樹脂体を被処理領域上に形成する工程と、
第１の温度において、前記樹脂体の材料の熱膨張率より小さい熱膨張率の材料から成りマイクロレンズ構造のためのパターンを有するモールドを、前記樹脂体に押しつける工程と、
前記モールドを前記樹脂体に押しつけた状態で該樹脂体に紫外線を照射して、硬化した樹脂体を形成する工程と、
前記モールドを前記樹脂体に押しつけた状態で前記第１の温度より低い第２の温度に前記モールドおよび前記樹脂体の温度を下げて前記樹脂体を収縮させる工程と、
前記樹脂体の温度を下げた後に前記モールドを前記樹脂体から離して、パターン形成された樹脂体を形成する工程と、
前記パターン形成された樹脂体を前記第２の温度より高い第３の温度に変更する工程と、
前記パターン形成された樹脂体の温度を前記第３の温度に変更した後に、前記パターンにより規定されるマイクロレンズ構造をイオンミリングにより前記被処理領域に形成する工程と
を備え、
前記第１の温度は摂氏２５度〜摂氏１２０度であり、
前記第３の温度は前記第１の温度より低く、
前記第１の温度と前記第２の温度との温度差は３５０Ｋ〜５０Ｋである、ことを特徴とする方法。 - マイクロレンズ構造を前記被処理領域に形成するに先立って、前記パターン形成された樹脂体をエッチングしてイオンミリングのための樹脂マスクを形成すると共に、前記被処理領域の表面の一部を露出させる工程を更に備え、
マイクロレンズ構造を前記被処理領域に形成する前記工程では、前記樹脂マスクおよび前記被処理領域をイオンミリングにより加工する、ことを特徴とする請求項４に記載された方法。 - 光学式ナノインプリント法によりパターン形成される樹脂体を形成する方法であって、
紫外線硬化剤を含む樹脂体を被処理物体上に形成する工程と、
第１の温度において、前記樹脂体の材料の熱膨張率より小さい熱膨張率の材料から成りパターンを有するモールドを、前記樹脂体に押しつける工程と、
前記モールドを前記樹脂体に押しつけた状態で該樹脂体に紫外線を照射して、硬化した樹脂体を形成する工程と、
前記モールドを前記樹脂体に押しつけた状態で前記第１の温度より低い第２の温度に前記モールドおよび前記樹脂体の温度を下げて前記樹脂体を収縮させる工程と、
前記樹脂体の温度を下げた後に前記モールドを前記樹脂体から離して、パターン形成された樹脂体を形成する工程と、
前記パターン形成された樹脂体を前記第２の温度より高い第３の温度に変更する工程と、
を備え、
前記第１の温度は摂氏２５度〜摂氏１２０度であり、
前記第３の温度は前記第１の温度より低く、
前記第３の温度は実質的に室温に等しく、
前記第１の温度と前記第２の温度との温度差は３５０Ｋ〜５０Ｋである、ことを特徴とする方法。 - 前記紫外線は前記モールドを通して照射される、ことを特徴とする請求項６に記載された方法。
- 前記モールドは石英製である、ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載された方法。
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