屈折特性および回折特性を備えた光学デバイス
【課題】高温の製造過程にも耐えうるレンズを製造でき、かつレンズの形状および高さを制御することのできる経済的な製造技術を提供する。
【解決手段】光学デバイスが、屈折および回折の両方が制御されるものであって、大きな曲面を有する第1のレリーフ構造が屈折特性を提供し、微細な段部を有する第2のレリーフ構造が回折特性を提供する。この光デバイスを、ある程度高い粘度、例えば2000センチポイズ以上のポリマー材料、例えばエポキシベースの材料を使用して、フォトリソグラフィにより光学デバイスを製造する。
【解決手段】光学デバイスが、屈折および回折の両方が制御されるものであって、大きな曲面を有する第1のレリーフ構造が屈折特性を提供し、微細な段部を有する第2のレリーフ構造が回折特性を提供する。この光デバイスを、ある程度高い粘度、例えば2000センチポイズ以上のポリマー材料、例えばエポキシベースの材料を使用して、フォトリソグラフィにより光学デバイスを製造する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光学デバイス、特にマイクロレンズアレイに関する。
【背景技術】
【0002】
合衆国法典第35編、第120条の下での利益の主張
本出願は、2002年5月2日付けで出願した米国特許本出願第10/137,630号の一部継続出願である。
【0003】
従来技術
マイクロレンズの製造は、テラビットの速度で動作可能なコンパクトなファイバ光通信デバイスを形成するために重要な技術である。このようなコンパクトなデバイスにおいては、入射光信号および出射光信号を整合させて集光するために使用されるレンズは、ますます小さくなっており、小型の検出器もしくは垂直面発光レーザ(VCSEL)のような光源に、ますますより隣接して配置させるようになっている。
【0004】
光通信業界では、様々なマイクロレンズ製造技術が使用されており、それは、例えば、ポリマープレス成形もしくは金型成形プロセスおよびポリマーリフロープロセスである。しかし、ポリマープレス成形もしくは金型成形プロセスおよびポリマーリフロープロセスで使用される典型的なポリマーは、低粘度のポリマーであり、250℃を超える温度では十分に機能しない。アッセンブリの製造温度が300℃を超える場合には、マイクロレンズアレイの光学的性質は、その製造温度の高さにより形状変形および材料の脱色が生じ、劣化しうる。さらに通常、低粘度のポリマーからは、用途によっては必要となりうる厚いレンズを製造することができない。さらに、典型的なフォトレジスト材料によって得られるレンズ形状は、液体フォトフォトレジストの表面張力によって制限される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
後続の製造工程での高温に対して耐性のあるレンズを製造し、かつレンズの形状および高さが制御可能である経済的な製造技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明による態様により、屈折特性および回折特性を提供する2つの独立のレリーフ構造を含む光学デバイスが得られる。第1の独立のレリーフ構造は、曲面を有し、屈折特性を提供する。そして、この第1の独立のレリーフ構造の上に設けられた第2の独立のレリーフ構造は、光透過性のポリマー材料の1つ以上の層を含み、回折特性を提供する。この第2の独立のレリーフ構造の1つ以上の層は、光学デバイスの屈折特性および回折特性を生じさせる不連続の回折フィーチャ(回折特性をもたらす構造もしくは造作)により形成される面カーブの包絡線を規定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
本発明を添付の図面を参照しながら以下に説明する。図面は、本発明の重要な実施態様を示し、参照により本願明細書に組み込まれている。
【0008】
本明細書で用いる「レジスト」という用語は、350nm以上の光学波長に対して透過性を有し、層の積層を可能にする十分な粘度を有するポリマーレジスト材料を指すものとする。例えば、ポリマーレジスト材料の粘度は、2,000〜100,000センチポイズ(2〜100Pa・s)、2,500〜100,000センチポイズ(2.5〜100Pa・s)、3,000〜100,000センチポイズ(3〜100Pa・s)、3,500〜100,000センチポイズ(3.5〜100Pa・s)、4,000から100,000センチポイズ(4〜100Pa・s)、4,500から100,000センチポイズ(4.5〜100Pa・s)、または5,000〜100,000(5〜100Pa・s)センチポイズであってよい。レジスト材料が高粘度(例えば2,000センチポイズ(2Pa・s)を超える粘度)であることによって、厚い(mmのオーダーまでの)膜の形成が可能となり、したがって、厚いレンズの形成が可能となる。さらに、レジスト材料が光透過性を有することによって、レジストをレンズ材料として使用し、このレジストによって形成された厚いフィルムを熱硬化して基板上に設けることが可能となる。
【0009】
一態様では、レジストは、エポキシベースのポリマーレジストである。エポキシベースのポリマーレジスト材料は、ポリマーを架橋させる前には低温で流動性があり、後続のプロセス後には250℃を超える温度で安定である(つまり、このレジストは、他の多くのポリマーのように後続のプロセス中にリフローすることはない)。エポキシベースのポリマーレジストの例としては、IBMにより開発され、MicroChem Corporationにより販売されているSU−8が挙げられる。SU−8は、紫外線(UV)に露光して熱硬化させると化学的に不活性となり固定される。
【0010】
図1に、本発明の態様によるマイクロ光学デバイスを製造する例示的なステップを示す。レジストの層を基板上に堆積させ(ステップ100)、フォトリソグラフィによってパターニングして、第1のレンズ層を規定する(ステップ110)。基板は、特定の波長範囲内の光(例えば、可視線、x線、赤外線)に対して透過性があり、非反射性材料、例えば適切な光学屈折率および厚みを有する誘電体材料の1つ以上の層を含む。別の態様で、反射を利用する光学機器で用いるためには、基板は透過性を有していなくともよく、反射材料、例えば適切な光学屈折率および厚みを有する金属材料および/または誘電体材料の1つ以上の層を含んでいてよい。
【0011】
マイクロ光学デバイスの所望のジオメトリもしくは幾何学構造を得るために、レジストの追加の層(ステップ120)を堆積させ(ステップ100)、フォトリソグラフィによってこれをパターニングし(ステップ110)、レンズ構造の完成品が形成される。レンズ構造上にレジストの最終平滑化層を堆積し(ステップ130)、パターニングし(ステップ140)、熱硬化させ(ステップ150)、マイクロ光学デバイスに平滑な面を提供する。例えば、基板は、90〜120℃の温度で、加熱プレート上にもしくはオーブン中に置かれる。得られたマイクロ光学デバイスは、例えば、次の種類の各マイクロレンズ、すなわち凹レンズ、凸レンズ、円形レンズ、楕円形レンズ、プリズム、フレネルレンズ、格子および回折光学機器の1つ以上を含むことができる。さらに、マイクロ光学デバイス製造技術によって、マイクロ光学デバイスをアッセンブリに簡単に組み込むことが可能となり、経済的にも有利にマイクロ光学デバイスを別のIC要素と共にパッケージングすることができる。
【0012】
一態様では、図2A〜2Gに示すように、マイクロ光学デバイス、例えばマイクロレンズのアレイを、一連のステップで製造する。各ステップでは、エポキシベースの、ネガ型感光性ポリマーレジスト210を基板200、例えば石英、ガラス、シリコン、セラミックス、プラスチック、可撓性の薄膜および別の種類の材料上に堆積させる。レジスト210を、任意の公知の堆積プロセス、例えばスピンコーティングによって堆積させる。スピンコーティングプロセスは、例えば次のように行う。(1)真空チャックに基板を配置し、(2)静止状態で基板上にレジストを供給し、(3)設定速度(例えば500〜5000rpm)にまで基板を回転させ、(4)その設定速度を所定時間維持し、(5)速度を落として基板の回転を止める。回転サイクル中、レジストが広がり、基板表面をコーティングする。所望のレジスト膜厚みを得るために、余分なレジストは、スピンオフされる(回転により振り落とされて除去される)。このような堆積プロセスによって、図2Aに示すような、基板200上に重なるレジスト210の層が得られる。
【0013】
レジスト210の層を基板200上に堆積させた後、図2Bに示すように、レンズのエッジをフォトリソグラフィにより規定する。例えば、標準的なフォトリソグラフィプロセスでは、レジスト210を、室温でフォトマスクを用いて紫外線(UV、例えば350〜400nm)に露光し、続いて、95〜120℃の典型的な温度で(使用材料によって別の温度も利用されるが)焼成する。UV線により、露光されたレジスト210の性質が変化し、レジスト210のタイプ(ネガ型またはポジ型)に基づき、現像溶液中で溶解しやすくなるかまたは溶解しにくくなる。図2Bに示すネガ型ポリマーレジスト210は、露光された領域が、架橋される(つまり硬化する)、すなわち現像溶液に対する耐性が得られるタイプのものである。レジスト210の露光されていない領域は、現像溶液中で溶解し、レジストの第1の層の1つ以上のスタック210aの所望のパターンが残る。例えば、いくつかの態様では、現像溶液は、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)であってよい。しかし、使用材料に応じて他の現像溶液も利用できることを理解されたい。
【0014】
図2Gでは、レジスト210の第2の層が、レジストの第1の層のパターン化されたスタック210a上に堆積されている(例えばスピンコーティングされている)。レジスト210の第2の層も、フォトリソグラフィによってパターン化し、レジストの第1の層の1つ以上のスタック210a上に重なるレジストの第2の層の1つ以上のスタック210bを規定する。図2Dに示すように、第2の層スタック210bの面積は、第1の層スタック210aより小さく、レジスト材料の「段付き」スタックが形成される。さらなるレジスト層(図示せず)を堆積させ、底部段210aの面積が最大であり上部段210bの面積が最小である階段状上昇パターンで規定することもできる。レンズの高さおよび曲率は、レジスト層の数および各レジスト層の外側エッジの直径によって決定される。
【0015】
図2Eに示すように、レジスト210の最終平滑化層を、上述のようにパターン化されたレジストのスタック210aおよび210b上にスピンコーティングする。レジスト210の最終層は、他のレジスト層より小さい(例えば2,000センチポイズ(2Pa・s)より小さい)様々な粘度を有することに留意されたい。レジスト210の最終層も、フォトマスクを用いてUV線に露光して、レジストの第1の層に対するレンズのエッジを規定し、現像し、その場合、図2Fに示すように、レジスト210cの最終パターン化層が、レジストの他のスタック210aおよび210b全てを覆うようにする。得られたレジスト層のスタック210a、210bおよび210cを熱硬化(つまりソフトベークもしくはプリベーク)させ、パターン化された最終層210cが、他のレジストスタック210aおよび210b上を滑らかに流動できるようにする。熱硬化プロセスにより生じた表面張力によって、レジストの最終パターン化層210cが引っ張られ、曲面を有するレンズ220の形状となる。レンズ220の形状および寸法を仕上げるために、レンズ220に、UVを用いて全面的な露光(つまり、マスクを用いない露光)を施し、ポリマー材料を架橋させてレンズ220を硬化させる。
【0016】
本発明の製造プロセスでは、ポリマーの幾何学構造(形状、寸法等)をリソグラフィによって規定する。例えば、この製造プロセスによって、様々なレンズのパラメータ、例えば、レンズの高さ、直径および形状を制御することが可能となる。さらに、図2Gに、上記製造プロセスで用いるレンズの可変のパラメータの例をいくつか示す。パラメータは、凹レンズ220aの曲率、凹レンズ220bの直径、凸レンズ220cの曲率、凸レンズ220dの直径およびレンズ220eの高さである。しかし、本発明の製造プロセスによって制御可能なレンズパラメータは、図2Gに示すものに制限されることはなく、レンズの任意の幾何学構造の要素であってよい。
【0017】
図3は、図2A〜2Gに示す態様によるマイクロ光学デバイスを製造するための例示的なステップを示すフローチャートである。エポキシベースのネガ型感光性ポリマーレジストの最初の層を、基板にスピンコーティングする(ステップ300)。所望であれば、基板およびその基板上に設けたレジストの層を熱硬化させることもでき(ステップ310、つまりソフトベーク)、フォトリソグラフィへの前段階とすることができる。始めのフォトリソグラフィステップ(ステップ320)では、始めのパターニングマスクであるフォトマスクを使用し、紫外線(UV、例えば350〜400nm)に露光させることによってレンズのエッジを規定し(ステップ330)、レジストを露光後ベークもしくはポストベークし(ステップ345)、レジストの露光されていない領域を現像溶液中で溶解除去する(ステップ350)と、レジスト材料の1つ以上のスタックが残される。レジストの追加的な層を適用し(所望の高さおよびレンズの曲率に依存する、ステップ360)、そのレジストの追加的な層のそれぞれを、上記のように規定されたレジストのスタック上にスピンコーティングし(ステップ300)、ソフトベークし(ステップ310)、直前に形成したレジストのスタックより小さな面積を有し、かつその直前に形成した1つ以上のレジストのスタック上に重ねられる1つ以上のスタックを規定できる、より小さなマスクパターンを有するフォトマスクを使用して、フォトリソグラフィによるパターニングを行う(ステップ335)。次に、レジストを焼成し(ステップ345)、現像溶液中で、レジストの露光されていない領域を溶解除去する(ステップ350)と、レジストの下側段部の面積が最大であり、レジストの上側段部の面積が最小である、レジストの「段付き」形状の階段状上昇パターンが残される。
【0018】
レジストの最終平滑化層(ステップ360)を、その前にパターン化されたレジストのスタック状にスピンコーティングし(ステップ300)、ソフトベークする(ステップ310)。最終層(ステップ325)も、レジストの最初の層に対してレンズのエッジを規定する際に使用した最初のフォトマスクを用いて、UV線に露光させ(ステップ340)、露光後ベークを行い(ステップ345)、現像し(ステップ350)、これにより、レジストの最終パターン化層が、レジストの他の全ての層を覆う。このようにして得られたレジスト層のスタック(ステップ360)を、熱硬化させ(ステップ370)、これにより、最終層が、その他の層上を滑らかに流動して、これらの層を覆いかつこれらの層間を満たす。溶融したレジストの最終層の表面張力により、最終層が引っ張られ、曲面を有するレンズ形状が得られる。
【0019】
レンズ形状および寸法を仕上げるために、UV線によりレンズを全面的に(つまり、マスクを用いないで)露光し、ポリマー材料を架橋させ、それにより、レンズを硬化させる(ステップ380)。必要であれば、最終熱処理を施し、レンズを硬化させて、後続のプロセスでさらに性能を向上させる(ステップ390)。
【0020】
図4A〜4Iに示す別の態様では、代替的な一連のパターン化ステップを用いてマイクロ光デバイスを製造することができる。エポキシベースのネガ型感光性ポリマーレジスト210aの第1の層を、基板200上に堆積させる。このレジストの第1の層210aを、フォトマスクを用いて紫外線(UV、例えば350〜400nm)で露光し、これにより、露光された領域215aは架橋(つまり、硬化)され、現像溶液中で耐性となる。図4Bでは、レジストの第2の層210bが、レジストの第1の層210a上に堆積されている(例えば、スピンコーティングされている)。レジストの第2の層210bも、その露光される領域215bを、レジストの第1の層210aの露光された領域215aよりも小さくできるフォトマスクを用いて、UV線で露光する。さらにレジストの後続の層(図示せず)を堆積させることもでき、下側の層210aの露光された面積215aが最大で、上側の層210bの露光された面積215bが最小である階段状上昇パターンになるよう露光する。レジスト210aおよび210bの層の露光されていない領域を、現像溶液中で同時に溶解し、これにより、図4Cに示すようなレジストの1つ以上のスタック210aおよび210bの所望のパターンが残される。
【0021】
図4Dに示すように、レジスト210の最終平滑化層を、その前にパターン化されたレジストのスタック210aおよび210b上にスピンコーティングする。レジスト210の最終層も、レジストの第1の層に対してレンズのエッジを規定する際に用いたフォトマスクを用いてUV線で露光し、図4Eに示すように、レジストの最終パターン化層210cが、他の全てのレジストのスタック210aおよび210bを覆うように現像する。このようにして得られたレジスト層210a、210bおよび210cのスタックを、熱硬化させ(つまり、ソフトベークし)、これにより、最終パターン化層210cが、他のレジストスタック210aおよび210b上を滑らかに流動して、これらのスタック210aおよび210bを覆い、これらのスタック210aおよび210bの間を充填する。熱硬化プロセスによって生じた表面張力により、レジストの最終パターン化層210cの形状が引っ張られ、図4Fに示すように、曲面を有するレンズ形状が得られる。レンズ220の形状および寸法を仕上げるために、UV線によりレンズ220を全面的に露光し(つまりマスクを用いない)、ポリマー材料を架橋させ、これにより、レンズ220を硬化させる。
【0022】
図5は、図4A〜4Fに示す態様によるマイクロ光学デバイスを製造する例示的なステップを示すフローチャートである。エポキシベースのネガ型感光性ポリマーレジストの最初の層を、基板上にスピンコーティングする(ステップ500)。所望であれば、基板およびその基板上に設けたレジストの層を熱硬化させ(ステップ520、つまりソフトベーク)、フォトリソグラフィの前段階とすることができる。最初のフォトリソグラフィステップ(ステップ520)では、レンズのエッジを、最初のマスクパターンを有するフォトマスクを利用して、紫外線(UV、例えば350〜400nm)にレジストを露光させ(ステップ530)、露光した領域のレジストを架橋(つまり、硬化)させることによって規定する。レジストの追加的な層を適用する場合(ステップ545、レンズの所望の高さおよび曲率による)には、その前に規定されたレジストのスタック上に、レジストの追加的な層のそれぞれをスピンコーティング(ステップ500)し、ソフトベークし(ステップ510)、直前に形成したレジストのスタックより小さな面積を有し、かつその直前に形成したレジストのスタック上に重ねられる1つ以上のレジストのスタックを規定できる、より小さなマスクパターンを有するフォトマスクを利用して、UV線で露光する(ステップ535)。レジストを焼成し(ステップ540)、露光されなかったレジストの領域を共に、現像溶液中で溶解除去する(ステップ550)と、レジストの下側の段の面積が最大で、レジストの上側の段の面積が最小である、レジストの「段付き」形状の階段上昇パターンが残される。
【0023】
レジストの最終平滑化層を、その前にパターニングされたレジストのスタック上にスピンコーティングし、ソフトベークする(ステップ560)。最終層も、レジストの第1の層に対してレンズのエッジを規定する際に用いられたフォトマスクを利用して、UV線に露光させ(ステップ570)、露光後ベークを行い(ステップ575)、現像し(ステップ580)、レジストの最終パターン化層がレジストの他の全ての層を覆うようにする。このようにして得られたレジスト層のスタックを熱硬化させ(ステップ590)、これにより、最終層が、他のレジスト層上を滑らかに流動して、これらの層を覆い、これらの層間を充填する。溶融されたレジストの最終層の表面張力により、最終レジスト層を引っ張られ、曲面を有するレンズ形状が得られる。レンズの形状および寸法を仕上げるために、UVを利用してレンズを全面的に(つまり、マスクを用いずに)露光し、ポリマー材料を架橋させ、これにより、レンズを硬化させる(ステップ595)。必要であれば、最終熱処理を施すことができ、これにより、レンズを硬化させ、後続のプロセス中での性能がさらに向上する(ステップ598)。
【0024】
さらに別の態様では、図6A〜6Iに示すように、マイクロ光学デバイス、例えばマイクロレンズのアレイを、一連のシェル形成方式ステップで製造する。図6Aから明らかであるように、エポキシベースのネガ型感光性レジストのコア層210を、基板200上にまず堆積させる。レジスト210のコア層を、上述のように、フォトリソグラフィによってパターニングする。得られたパターンは、図6Bに示すようなレジスト材料の1つ以上のコアスタック210aである。
【0025】
図6Cでは、レジスト210の第2の層が、レジストの第1の層で規定されたコアスタック210a上に堆積(例えばスピンコーティング)されている。レジスト210の第2の層を、パターニングなしで(UV露光なしで)、現像溶液中で溶解させる。ローディング効果によって、レジスト材料のスペーサが、図6Dに示すように、各コアスタック210aの底部で残される。しかし、所定の態様では、レジスト材料のスペーサ210dは必要ではなく、その場合、マイクロ光学デバイスを、レジストのコア層および以下に記載の任意の後続の層を使用して製造する。レジスト210の後続の層を、規定されたレジストのスタック210a(およびスペーサ210d)上に堆積(例えばスピンコーティング)させ、フォトリソグラフィによってパターニングして、レジストの1つ以上のスタック210a(およびスペーサ210d)上に重ねられるレジストの1つ以上のシェル210eを規定する。図6Fに示すように、レジスト材料の各シェル210eの面積は、スタック210aおよびスペーサ210dを合わせたものよりも大きい。レジストシェル210eのエッジが、レンズの直径を規定する。使用されるシェル210eの数は、レンズの所望の高さ、幅および曲率に依存する。
【0026】
図6Gに示すように、レジスト210の最終平滑化層を、その前にパターニングしたレジストのシェル210e上にスピンコーティングし、フォトリソグラフィによってパターニングして、図6Hに示すようなレジストの最終シェル210fを規定する。得られたレジストのシェル210eおよび210fを熱硬化(つまりソフトベーク)させ、これにより、レジストの最終シェル210fが、他のレジストシェル210e上を滑らかに流動可能となり、また、熱硬化プロセスによって生じた表面張力により、最終シェル210fの形状が引っ張られ、曲面を有するレンズ220を得ることができる。レンズ220の形状および寸法を仕上げるために、図6Iに示すように、レンズ220を全面的に(つまりマスクを使用せずに)UVに露光し、ポリマー材料を架橋させ、これによりレンズ220を硬化させる。一連のシェル210eおよび210fを規定することにより、得られたレンズ220は、滑らかに丸められた半球状の側壁を有するようになる。
【0027】
図7は、図6A〜6Iに示す態様によるマイクロ光学デバイスを製造するための例示的なステップを示すフローチャートである。エポキシベースのネガ型感光性ポリマーレジストのコア層を、基板上にスピンコーティングする(ステップ700)。所望であれば、基板およびこの基板上に設けたレジストの層を熱硬化することができ(ステップ710)、これによりフォトリソグラフィのための前段階が得られる。最初のフォトリソグラフィステップ(ステップ720)では、最初のマスクパターンを有するフォトマスクを用いて、レジストを紫外線(UV、例えば350〜400nm)に露光することによって、レジストのコア層をパターニングし(ステップ730)、露光後ベークを施し(ステップ740)、現像溶液中でレジストの露光されていない領域を溶解除去する(ステップ740)と、レジスト材料の1つ以上のコアスタックが残される。
【0028】
レンズの高さを大きくすることなしにレンズの幅を広げるために、レジスト材料の1つ以上のスペーサが所望される場合(ステップ750)には、レジストの1つ以上の追加的な層を、レジストの第1の層における規定されたコアスタック上にスピンコーティングすることができ(ステップ700)、ソフトベークし(ステップ710)、スペーサを規定し(ステップ725)、パターニングを行わず(UV露光を行わず)、現像溶液中で溶解させる(ステップ745)。その後、レジストの追加的な層を適用する場合(ステップ750、レンズの所望の高さおよび曲率による)には、レジストのそれぞれの追加的な層を、その前に規定したレジストのコアスタックおよびスペーサ上にスピンコーティングし(ステップ700)、ソフトベークし(ステップ710)、レジストのコアスタックおよびスペーサを合わせたものより大きな面積を有し、かつそのレジストの1つ以上のコアスタックおよびスペーサに重ねられるレジストの1つ以上のシェルを形成できる、より大きなマスクパターンを有するフォトマスクを利用して、フォトリソグラフィによりパターニングする(ステップ735)。レジストをベークし(ステップ740)、レジストの露光されていない領域を、現像溶液中で溶液除去する(ステップ740)と、下側のコアスタックの面積が最小であり、上側のシェルの面積が最大である「シェル」のスタックが残される。
【0029】
レジストの最終平滑化層(ステップ750)を、その前にパターニングされたレジストのシェル上にスピンコーティングし(ステップ700)、ソフトベークする(ステップ710)。最終層も、UV線に露光し(ステップ735)、露光後ベークを施し(ステップ740)、現像し(ステップ740)、これにより、レジストの最終パターン化層は、レジストの他の全ての層を覆っている。このようにして得られたレジストのシェルを熱硬化させる(ステップ760)と、これにより、最終層が他のレジスト層上を滑らかに流動できるようになり、また溶融したレジストの最終層の表面張力が、最終レジスト層を引っ張ることができ、曲面を有するレンズ形状が得られる。レンズの形状および寸法を仕上げるために、レンズを全面的に(つまり、マスクを用いずに)UVに露光させ、ポリマー材料を架橋して、これによりレンズを硬化させる(ステップ770)。必要であれば、最終熱処理を施し、これにより、レンズを硬化させて、後続のプロセスでの性能をさらに向上させる(ステップ780)。
【0030】
図1〜7に関連して説明した製造技術を用いて、独特の構造および特性を備えた様々な三次元光学デバイスを形成することができる。例えば、図8および9を参照すると、これらの図面には、本発明の態様によって製造できる、屈折特性および回折特性を有する例示的な光学デバイス800が示されている。図8は、この例示的な光学デバイス800の斜視図である。図9は、図8の光学デバイス800の断面図である。図8および9に示す光学デバイス800は、大きな曲面レリーフパターンと、微細な微視的回折パターンとの組合せであり、これにより、屈折特性および回折特性の両方を備えた高性能高機能光学デバイスが得られる。
【0031】
さらに詳細には、図8および9に示す光学デバイスは、基板830の上に設けられた独立の大きなスケールの曲面レリーフ構造840と、この独立の曲面レリーフ構造840上に設けられた独立の微細な回折レリーフ構造850とを含む。これらの独立のレリーフ構造840および850はそれぞれ、光透過性のポリマー材料、例えばエポキシベースのポリマー材料からなっている。独立の曲面レリーフ構造840は、前述したように形成することができ、集光および光の操作の大部分を行う屈折特性を提供する曲面を有する。独立の回折レリーフ構造850は、不連続な回折フィーチャ820からなる面カーブの包絡線810を含む。この不連続の回折フィーチャ820は、光学デバイス800に、回折特性、例えばビーム分割、格子分光もしくはコンピュータによるホログラフィをもたらす。
【0032】
回折面のみを使用した場合、回折特性が得らるが、これだけでは光学デバイスの効率および得られる性能は低い。したがって、独立の曲面レリーフ構造840により集光の大部分が行われるようにすることによって、回折フィーチャ820が効果的に実施され、またその特有の設計が可能そなる。さらに、本発明は、図8および9に示す光学デバイス800の独立の曲面レリーフ構造840もしくは独立の回折レリーフ構造850の特定の形状および設計に限定されることはなく、それに代わる屈折特性および回折特性を提供する、本発明の態様によって製造される任意の三次元光学デバイスを含む。さらに、光学デバイス800を、「マスタ成形法」を利用して大量生産により製造することができる。
【0033】
図9より明らかであるように、不連続の回折フィーチャ820は、鋭角で不連続なフィーチャを有する高周波数回折格子を形成する微細な回折段部の組を含む。この組は合わせられて全体で、面カーブの包絡線810全体を形成する。各組は、所望の回折特性を提供するよう、また各組の上層(最上段部)から光学デバイス800の面カーブの包絡線810が形成されるよう設計された多くの回折段部を含む。よって、回折段部の隣接する組におけるステップの数および各ステップの高さを制御することによって光学デバイス800の面カーブの包絡線810が得られる。
【0034】
例えば、一態様では、回折段部の組のそれぞれを、光透過性のポリマーレジスト材料の1つ以上の層をフォトリソグラフィで別々にパターニングすることによって製造する。例えば、各組の回折段部は、図2A〜2Dもしくは図4A〜4Cとの関連により上述したように製造することができる。しかし、鋭角な不連続の回折フィーチャ820を維持するために、独立の回折レリーフ構造をリフローさせない(つまり、熱硬化させる)。光学デバイス800を仕上げるために、光学デバイス800を全面的に(つまり、マスクを使用せずに)UVに露光し、ポリマー材料を架橋し、これにより光学デバイス800を硬化させる。
【0035】
例示的な態様では、光学デバイス800の回折レリーフ構造850により得られる、全体的な沈降部(深さ)は、0〜50μmである。さらに、回折フィーチャ820(回折段部)はそれぞれ、高さ0.1〜1.5μmの個別段部を有しており、光学デバイス800の全積層厚みは、0.25〜3.0μmである。さらに、各回折フィーチャ820の横方向寸法は、0.4〜10+μmである。
【0036】
当業者に理解されるように、本出願に記載の新規な概念は、本出願の広い範囲にわたり変更および変形することが可能である。本発明の範囲は、上で例示的に説明した任意の詳細な教示に限定されるべきではなく、特許請求の範囲によって規定されるべきである。
【0037】
以下に、本発明の好ましい態様を示す。
1.屈折特性および回折特性を備えた光学デバイスであって、
基板と、
前記基板上に設けられた、前記屈折特性を提供する曲面を有する第1の独立のレリーフ構造と、
前記第1の独立のレリーフパターン上に設けられ、第2の独立のレリーフ構造の面カーブの包絡線を規定する光透過性のポリマー材料の1つ以上の層とを備えており、
前記面カーブの包絡線が、前記回折特性を提供する不連続の回折フィーチャから形成されている、光学デバイス。
2.前記第1の独立のレリーフ構造が、
前記基板上に設けられ、フォトリソグラフィでパターニングされて前記曲面が規定されている、前記光透過性のポリマー材料の少なくとも1つの追加的な層を備えている、上項1に記載のデバイス。
3.前記不連続の回折フィーチャが、回折段部の組を有し、該組のそれぞれが、前記層を2つ以上積層したものから形成されており、前記面カーブの包絡線が、前記組のそれぞれにおいて前記1つ以上の層の最上層から形成されている、上項1に記載のデバイス。
4.前記組のそれぞれが、前記光透過性ポリマー材料の第1のスタックと、前記光透過性ポリマー材料の少なくとも1つの追加的なスタックとを含み、該少なくとも1つの追加的なスタックが、前記第1のスタックに関連する領域より小さな領域を有する、上項3に記載のデバイス。
5.前記回折段部のそれぞれの高さが、0.1〜1.5μmである、上項3に記載のデバイス。
6.前記不連続な回折フィーチャのそれぞれの横方向寸法が、0.4〜10μmである、上項1に記載のデバイス。
7.前記第1の独立のレリーフ構造の沈降深さが、0〜50μmである、上項1に記載のデバイス。
8.前記第1の独立のレリーフ構造の厚みが、0.25〜3.0μmである、上項1に記載のデバイス。
9.前記光透過性ポリマー材料が、エポキシベースのポリマー材料からなっている、請求項1に記載のデバイス。
10.前記光透過性ポリマー材料が、250℃を超える温度で安定である、上項1に記載のデバイス。
11.前記光透過性ポリマー材料が、350nm以上の光波長を透過させる、上項1に記載のデバイス。
12.前記基板が、波長の特定範囲内で光を透過させる、上項1に記載のデバイス。
13.前記1つ以上の層のそれぞれが、フォトリソグラフィにより別々にパターニングされている、上項1に記載のデバイス。
14.前記回折特性が、ビーム分割、格子分光およびホログラフィを含む、上項1に記載のデバイス。
15.前記光透過性ポリマー材料の粘度が、2,000センチポイズ以上である。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】本発明の実施態様によるマイクロ光学デバイスを製造の例示的なステップを示すフローチャートである。
【図2A】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図2B】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図2C】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図2D】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図2E】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図2F】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図2G】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図3】図2A〜2Gに示す態様によるマイクロ光学デバイスの製造の例示的なステップを示すフローチャートである。
【図4A】本発明の別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図4B】本発明の別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図4C】本発明の別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図4D】本発明の別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図4E】本発明の別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図4F】本発明の別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図5】図4A〜4Fに示す態様によるマイクロ光学デバイスの製造の例示的なステップを示すフローチャートである。
【図6A】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図6B】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図6C】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図6D】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図6E】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図6F】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図6G】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図6H】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図6I】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図7】図6A〜6Iに示す態様によるマイクロ光学デバイスの製造の例示的なステップを示すフローチャートである。
【図8】本発明の態様によって製造された、屈折特性および回折特性を有する例示的な光学デバイスの斜視図である。
【図9】図8の光学デバイスの断面図である。
【符号の説明】
【0039】
800 光学デバイス
810 面カーブの包絡線
820 回折フィーチャ
830 基板
840 第1のレリーフ構造
850 第2のレリーフ構造
【技術分野】
【0001】
本発明は、光学デバイス、特にマイクロレンズアレイに関する。
【背景技術】
【0002】
合衆国法典第35編、第120条の下での利益の主張
本出願は、2002年5月2日付けで出願した米国特許本出願第10/137,630号の一部継続出願である。
【0003】
従来技術
マイクロレンズの製造は、テラビットの速度で動作可能なコンパクトなファイバ光通信デバイスを形成するために重要な技術である。このようなコンパクトなデバイスにおいては、入射光信号および出射光信号を整合させて集光するために使用されるレンズは、ますます小さくなっており、小型の検出器もしくは垂直面発光レーザ(VCSEL)のような光源に、ますますより隣接して配置させるようになっている。
【0004】
光通信業界では、様々なマイクロレンズ製造技術が使用されており、それは、例えば、ポリマープレス成形もしくは金型成形プロセスおよびポリマーリフロープロセスである。しかし、ポリマープレス成形もしくは金型成形プロセスおよびポリマーリフロープロセスで使用される典型的なポリマーは、低粘度のポリマーであり、250℃を超える温度では十分に機能しない。アッセンブリの製造温度が300℃を超える場合には、マイクロレンズアレイの光学的性質は、その製造温度の高さにより形状変形および材料の脱色が生じ、劣化しうる。さらに通常、低粘度のポリマーからは、用途によっては必要となりうる厚いレンズを製造することができない。さらに、典型的なフォトレジスト材料によって得られるレンズ形状は、液体フォトフォトレジストの表面張力によって制限される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
後続の製造工程での高温に対して耐性のあるレンズを製造し、かつレンズの形状および高さが制御可能である経済的な製造技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明による態様により、屈折特性および回折特性を提供する2つの独立のレリーフ構造を含む光学デバイスが得られる。第1の独立のレリーフ構造は、曲面を有し、屈折特性を提供する。そして、この第1の独立のレリーフ構造の上に設けられた第2の独立のレリーフ構造は、光透過性のポリマー材料の1つ以上の層を含み、回折特性を提供する。この第2の独立のレリーフ構造の1つ以上の層は、光学デバイスの屈折特性および回折特性を生じさせる不連続の回折フィーチャ(回折特性をもたらす構造もしくは造作)により形成される面カーブの包絡線を規定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
本発明を添付の図面を参照しながら以下に説明する。図面は、本発明の重要な実施態様を示し、参照により本願明細書に組み込まれている。
【0008】
本明細書で用いる「レジスト」という用語は、350nm以上の光学波長に対して透過性を有し、層の積層を可能にする十分な粘度を有するポリマーレジスト材料を指すものとする。例えば、ポリマーレジスト材料の粘度は、2,000〜100,000センチポイズ(2〜100Pa・s)、2,500〜100,000センチポイズ(2.5〜100Pa・s)、3,000〜100,000センチポイズ(3〜100Pa・s)、3,500〜100,000センチポイズ(3.5〜100Pa・s)、4,000から100,000センチポイズ(4〜100Pa・s)、4,500から100,000センチポイズ(4.5〜100Pa・s)、または5,000〜100,000(5〜100Pa・s)センチポイズであってよい。レジスト材料が高粘度(例えば2,000センチポイズ(2Pa・s)を超える粘度)であることによって、厚い(mmのオーダーまでの)膜の形成が可能となり、したがって、厚いレンズの形成が可能となる。さらに、レジスト材料が光透過性を有することによって、レジストをレンズ材料として使用し、このレジストによって形成された厚いフィルムを熱硬化して基板上に設けることが可能となる。
【0009】
一態様では、レジストは、エポキシベースのポリマーレジストである。エポキシベースのポリマーレジスト材料は、ポリマーを架橋させる前には低温で流動性があり、後続のプロセス後には250℃を超える温度で安定である(つまり、このレジストは、他の多くのポリマーのように後続のプロセス中にリフローすることはない)。エポキシベースのポリマーレジストの例としては、IBMにより開発され、MicroChem Corporationにより販売されているSU−8が挙げられる。SU−8は、紫外線(UV)に露光して熱硬化させると化学的に不活性となり固定される。
【0010】
図1に、本発明の態様によるマイクロ光学デバイスを製造する例示的なステップを示す。レジストの層を基板上に堆積させ(ステップ100)、フォトリソグラフィによってパターニングして、第1のレンズ層を規定する(ステップ110)。基板は、特定の波長範囲内の光(例えば、可視線、x線、赤外線)に対して透過性があり、非反射性材料、例えば適切な光学屈折率および厚みを有する誘電体材料の1つ以上の層を含む。別の態様で、反射を利用する光学機器で用いるためには、基板は透過性を有していなくともよく、反射材料、例えば適切な光学屈折率および厚みを有する金属材料および/または誘電体材料の1つ以上の層を含んでいてよい。
【0011】
マイクロ光学デバイスの所望のジオメトリもしくは幾何学構造を得るために、レジストの追加の層(ステップ120)を堆積させ(ステップ100)、フォトリソグラフィによってこれをパターニングし(ステップ110)、レンズ構造の完成品が形成される。レンズ構造上にレジストの最終平滑化層を堆積し(ステップ130)、パターニングし(ステップ140)、熱硬化させ(ステップ150)、マイクロ光学デバイスに平滑な面を提供する。例えば、基板は、90〜120℃の温度で、加熱プレート上にもしくはオーブン中に置かれる。得られたマイクロ光学デバイスは、例えば、次の種類の各マイクロレンズ、すなわち凹レンズ、凸レンズ、円形レンズ、楕円形レンズ、プリズム、フレネルレンズ、格子および回折光学機器の1つ以上を含むことができる。さらに、マイクロ光学デバイス製造技術によって、マイクロ光学デバイスをアッセンブリに簡単に組み込むことが可能となり、経済的にも有利にマイクロ光学デバイスを別のIC要素と共にパッケージングすることができる。
【0012】
一態様では、図2A〜2Gに示すように、マイクロ光学デバイス、例えばマイクロレンズのアレイを、一連のステップで製造する。各ステップでは、エポキシベースの、ネガ型感光性ポリマーレジスト210を基板200、例えば石英、ガラス、シリコン、セラミックス、プラスチック、可撓性の薄膜および別の種類の材料上に堆積させる。レジスト210を、任意の公知の堆積プロセス、例えばスピンコーティングによって堆積させる。スピンコーティングプロセスは、例えば次のように行う。(1)真空チャックに基板を配置し、(2)静止状態で基板上にレジストを供給し、(3)設定速度(例えば500〜5000rpm)にまで基板を回転させ、(4)その設定速度を所定時間維持し、(5)速度を落として基板の回転を止める。回転サイクル中、レジストが広がり、基板表面をコーティングする。所望のレジスト膜厚みを得るために、余分なレジストは、スピンオフされる(回転により振り落とされて除去される)。このような堆積プロセスによって、図2Aに示すような、基板200上に重なるレジスト210の層が得られる。
【0013】
レジスト210の層を基板200上に堆積させた後、図2Bに示すように、レンズのエッジをフォトリソグラフィにより規定する。例えば、標準的なフォトリソグラフィプロセスでは、レジスト210を、室温でフォトマスクを用いて紫外線(UV、例えば350〜400nm)に露光し、続いて、95〜120℃の典型的な温度で(使用材料によって別の温度も利用されるが)焼成する。UV線により、露光されたレジスト210の性質が変化し、レジスト210のタイプ(ネガ型またはポジ型)に基づき、現像溶液中で溶解しやすくなるかまたは溶解しにくくなる。図2Bに示すネガ型ポリマーレジスト210は、露光された領域が、架橋される(つまり硬化する)、すなわち現像溶液に対する耐性が得られるタイプのものである。レジスト210の露光されていない領域は、現像溶液中で溶解し、レジストの第1の層の1つ以上のスタック210aの所望のパターンが残る。例えば、いくつかの態様では、現像溶液は、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)であってよい。しかし、使用材料に応じて他の現像溶液も利用できることを理解されたい。
【0014】
図2Gでは、レジスト210の第2の層が、レジストの第1の層のパターン化されたスタック210a上に堆積されている(例えばスピンコーティングされている)。レジスト210の第2の層も、フォトリソグラフィによってパターン化し、レジストの第1の層の1つ以上のスタック210a上に重なるレジストの第2の層の1つ以上のスタック210bを規定する。図2Dに示すように、第2の層スタック210bの面積は、第1の層スタック210aより小さく、レジスト材料の「段付き」スタックが形成される。さらなるレジスト層(図示せず)を堆積させ、底部段210aの面積が最大であり上部段210bの面積が最小である階段状上昇パターンで規定することもできる。レンズの高さおよび曲率は、レジスト層の数および各レジスト層の外側エッジの直径によって決定される。
【0015】
図2Eに示すように、レジスト210の最終平滑化層を、上述のようにパターン化されたレジストのスタック210aおよび210b上にスピンコーティングする。レジスト210の最終層は、他のレジスト層より小さい(例えば2,000センチポイズ(2Pa・s)より小さい)様々な粘度を有することに留意されたい。レジスト210の最終層も、フォトマスクを用いてUV線に露光して、レジストの第1の層に対するレンズのエッジを規定し、現像し、その場合、図2Fに示すように、レジスト210cの最終パターン化層が、レジストの他のスタック210aおよび210b全てを覆うようにする。得られたレジスト層のスタック210a、210bおよび210cを熱硬化(つまりソフトベークもしくはプリベーク)させ、パターン化された最終層210cが、他のレジストスタック210aおよび210b上を滑らかに流動できるようにする。熱硬化プロセスにより生じた表面張力によって、レジストの最終パターン化層210cが引っ張られ、曲面を有するレンズ220の形状となる。レンズ220の形状および寸法を仕上げるために、レンズ220に、UVを用いて全面的な露光(つまり、マスクを用いない露光)を施し、ポリマー材料を架橋させてレンズ220を硬化させる。
【0016】
本発明の製造プロセスでは、ポリマーの幾何学構造(形状、寸法等)をリソグラフィによって規定する。例えば、この製造プロセスによって、様々なレンズのパラメータ、例えば、レンズの高さ、直径および形状を制御することが可能となる。さらに、図2Gに、上記製造プロセスで用いるレンズの可変のパラメータの例をいくつか示す。パラメータは、凹レンズ220aの曲率、凹レンズ220bの直径、凸レンズ220cの曲率、凸レンズ220dの直径およびレンズ220eの高さである。しかし、本発明の製造プロセスによって制御可能なレンズパラメータは、図2Gに示すものに制限されることはなく、レンズの任意の幾何学構造の要素であってよい。
【0017】
図3は、図2A〜2Gに示す態様によるマイクロ光学デバイスを製造するための例示的なステップを示すフローチャートである。エポキシベースのネガ型感光性ポリマーレジストの最初の層を、基板にスピンコーティングする(ステップ300)。所望であれば、基板およびその基板上に設けたレジストの層を熱硬化させることもでき(ステップ310、つまりソフトベーク)、フォトリソグラフィへの前段階とすることができる。始めのフォトリソグラフィステップ(ステップ320)では、始めのパターニングマスクであるフォトマスクを使用し、紫外線(UV、例えば350〜400nm)に露光させることによってレンズのエッジを規定し(ステップ330)、レジストを露光後ベークもしくはポストベークし(ステップ345)、レジストの露光されていない領域を現像溶液中で溶解除去する(ステップ350)と、レジスト材料の1つ以上のスタックが残される。レジストの追加的な層を適用し(所望の高さおよびレンズの曲率に依存する、ステップ360)、そのレジストの追加的な層のそれぞれを、上記のように規定されたレジストのスタック上にスピンコーティングし(ステップ300)、ソフトベークし(ステップ310)、直前に形成したレジストのスタックより小さな面積を有し、かつその直前に形成した1つ以上のレジストのスタック上に重ねられる1つ以上のスタックを規定できる、より小さなマスクパターンを有するフォトマスクを使用して、フォトリソグラフィによるパターニングを行う(ステップ335)。次に、レジストを焼成し(ステップ345)、現像溶液中で、レジストの露光されていない領域を溶解除去する(ステップ350)と、レジストの下側段部の面積が最大であり、レジストの上側段部の面積が最小である、レジストの「段付き」形状の階段状上昇パターンが残される。
【0018】
レジストの最終平滑化層(ステップ360)を、その前にパターン化されたレジストのスタック状にスピンコーティングし(ステップ300)、ソフトベークする(ステップ310)。最終層(ステップ325)も、レジストの最初の層に対してレンズのエッジを規定する際に使用した最初のフォトマスクを用いて、UV線に露光させ(ステップ340)、露光後ベークを行い(ステップ345)、現像し(ステップ350)、これにより、レジストの最終パターン化層が、レジストの他の全ての層を覆う。このようにして得られたレジスト層のスタック(ステップ360)を、熱硬化させ(ステップ370)、これにより、最終層が、その他の層上を滑らかに流動して、これらの層を覆いかつこれらの層間を満たす。溶融したレジストの最終層の表面張力により、最終層が引っ張られ、曲面を有するレンズ形状が得られる。
【0019】
レンズ形状および寸法を仕上げるために、UV線によりレンズを全面的に(つまり、マスクを用いないで)露光し、ポリマー材料を架橋させ、それにより、レンズを硬化させる(ステップ380)。必要であれば、最終熱処理を施し、レンズを硬化させて、後続のプロセスでさらに性能を向上させる(ステップ390)。
【0020】
図4A〜4Iに示す別の態様では、代替的な一連のパターン化ステップを用いてマイクロ光デバイスを製造することができる。エポキシベースのネガ型感光性ポリマーレジスト210aの第1の層を、基板200上に堆積させる。このレジストの第1の層210aを、フォトマスクを用いて紫外線(UV、例えば350〜400nm)で露光し、これにより、露光された領域215aは架橋(つまり、硬化)され、現像溶液中で耐性となる。図4Bでは、レジストの第2の層210bが、レジストの第1の層210a上に堆積されている(例えば、スピンコーティングされている)。レジストの第2の層210bも、その露光される領域215bを、レジストの第1の層210aの露光された領域215aよりも小さくできるフォトマスクを用いて、UV線で露光する。さらにレジストの後続の層(図示せず)を堆積させることもでき、下側の層210aの露光された面積215aが最大で、上側の層210bの露光された面積215bが最小である階段状上昇パターンになるよう露光する。レジスト210aおよび210bの層の露光されていない領域を、現像溶液中で同時に溶解し、これにより、図4Cに示すようなレジストの1つ以上のスタック210aおよび210bの所望のパターンが残される。
【0021】
図4Dに示すように、レジスト210の最終平滑化層を、その前にパターン化されたレジストのスタック210aおよび210b上にスピンコーティングする。レジスト210の最終層も、レジストの第1の層に対してレンズのエッジを規定する際に用いたフォトマスクを用いてUV線で露光し、図4Eに示すように、レジストの最終パターン化層210cが、他の全てのレジストのスタック210aおよび210bを覆うように現像する。このようにして得られたレジスト層210a、210bおよび210cのスタックを、熱硬化させ(つまり、ソフトベークし)、これにより、最終パターン化層210cが、他のレジストスタック210aおよび210b上を滑らかに流動して、これらのスタック210aおよび210bを覆い、これらのスタック210aおよび210bの間を充填する。熱硬化プロセスによって生じた表面張力により、レジストの最終パターン化層210cの形状が引っ張られ、図4Fに示すように、曲面を有するレンズ形状が得られる。レンズ220の形状および寸法を仕上げるために、UV線によりレンズ220を全面的に露光し(つまりマスクを用いない)、ポリマー材料を架橋させ、これにより、レンズ220を硬化させる。
【0022】
図5は、図4A〜4Fに示す態様によるマイクロ光学デバイスを製造する例示的なステップを示すフローチャートである。エポキシベースのネガ型感光性ポリマーレジストの最初の層を、基板上にスピンコーティングする(ステップ500)。所望であれば、基板およびその基板上に設けたレジストの層を熱硬化させ(ステップ520、つまりソフトベーク)、フォトリソグラフィの前段階とすることができる。最初のフォトリソグラフィステップ(ステップ520)では、レンズのエッジを、最初のマスクパターンを有するフォトマスクを利用して、紫外線(UV、例えば350〜400nm)にレジストを露光させ(ステップ530)、露光した領域のレジストを架橋(つまり、硬化)させることによって規定する。レジストの追加的な層を適用する場合(ステップ545、レンズの所望の高さおよび曲率による)には、その前に規定されたレジストのスタック上に、レジストの追加的な層のそれぞれをスピンコーティング(ステップ500)し、ソフトベークし(ステップ510)、直前に形成したレジストのスタックより小さな面積を有し、かつその直前に形成したレジストのスタック上に重ねられる1つ以上のレジストのスタックを規定できる、より小さなマスクパターンを有するフォトマスクを利用して、UV線で露光する(ステップ535)。レジストを焼成し(ステップ540)、露光されなかったレジストの領域を共に、現像溶液中で溶解除去する(ステップ550)と、レジストの下側の段の面積が最大で、レジストの上側の段の面積が最小である、レジストの「段付き」形状の階段上昇パターンが残される。
【0023】
レジストの最終平滑化層を、その前にパターニングされたレジストのスタック上にスピンコーティングし、ソフトベークする(ステップ560)。最終層も、レジストの第1の層に対してレンズのエッジを規定する際に用いられたフォトマスクを利用して、UV線に露光させ(ステップ570)、露光後ベークを行い(ステップ575)、現像し(ステップ580)、レジストの最終パターン化層がレジストの他の全ての層を覆うようにする。このようにして得られたレジスト層のスタックを熱硬化させ(ステップ590)、これにより、最終層が、他のレジスト層上を滑らかに流動して、これらの層を覆い、これらの層間を充填する。溶融されたレジストの最終層の表面張力により、最終レジスト層を引っ張られ、曲面を有するレンズ形状が得られる。レンズの形状および寸法を仕上げるために、UVを利用してレンズを全面的に(つまり、マスクを用いずに)露光し、ポリマー材料を架橋させ、これにより、レンズを硬化させる(ステップ595)。必要であれば、最終熱処理を施すことができ、これにより、レンズを硬化させ、後続のプロセス中での性能がさらに向上する(ステップ598)。
【0024】
さらに別の態様では、図6A〜6Iに示すように、マイクロ光学デバイス、例えばマイクロレンズのアレイを、一連のシェル形成方式ステップで製造する。図6Aから明らかであるように、エポキシベースのネガ型感光性レジストのコア層210を、基板200上にまず堆積させる。レジスト210のコア層を、上述のように、フォトリソグラフィによってパターニングする。得られたパターンは、図6Bに示すようなレジスト材料の1つ以上のコアスタック210aである。
【0025】
図6Cでは、レジスト210の第2の層が、レジストの第1の層で規定されたコアスタック210a上に堆積(例えばスピンコーティング)されている。レジスト210の第2の層を、パターニングなしで(UV露光なしで)、現像溶液中で溶解させる。ローディング効果によって、レジスト材料のスペーサが、図6Dに示すように、各コアスタック210aの底部で残される。しかし、所定の態様では、レジスト材料のスペーサ210dは必要ではなく、その場合、マイクロ光学デバイスを、レジストのコア層および以下に記載の任意の後続の層を使用して製造する。レジスト210の後続の層を、規定されたレジストのスタック210a(およびスペーサ210d)上に堆積(例えばスピンコーティング)させ、フォトリソグラフィによってパターニングして、レジストの1つ以上のスタック210a(およびスペーサ210d)上に重ねられるレジストの1つ以上のシェル210eを規定する。図6Fに示すように、レジスト材料の各シェル210eの面積は、スタック210aおよびスペーサ210dを合わせたものよりも大きい。レジストシェル210eのエッジが、レンズの直径を規定する。使用されるシェル210eの数は、レンズの所望の高さ、幅および曲率に依存する。
【0026】
図6Gに示すように、レジスト210の最終平滑化層を、その前にパターニングしたレジストのシェル210e上にスピンコーティングし、フォトリソグラフィによってパターニングして、図6Hに示すようなレジストの最終シェル210fを規定する。得られたレジストのシェル210eおよび210fを熱硬化(つまりソフトベーク)させ、これにより、レジストの最終シェル210fが、他のレジストシェル210e上を滑らかに流動可能となり、また、熱硬化プロセスによって生じた表面張力により、最終シェル210fの形状が引っ張られ、曲面を有するレンズ220を得ることができる。レンズ220の形状および寸法を仕上げるために、図6Iに示すように、レンズ220を全面的に(つまりマスクを使用せずに)UVに露光し、ポリマー材料を架橋させ、これによりレンズ220を硬化させる。一連のシェル210eおよび210fを規定することにより、得られたレンズ220は、滑らかに丸められた半球状の側壁を有するようになる。
【0027】
図7は、図6A〜6Iに示す態様によるマイクロ光学デバイスを製造するための例示的なステップを示すフローチャートである。エポキシベースのネガ型感光性ポリマーレジストのコア層を、基板上にスピンコーティングする(ステップ700)。所望であれば、基板およびこの基板上に設けたレジストの層を熱硬化することができ(ステップ710)、これによりフォトリソグラフィのための前段階が得られる。最初のフォトリソグラフィステップ(ステップ720)では、最初のマスクパターンを有するフォトマスクを用いて、レジストを紫外線(UV、例えば350〜400nm)に露光することによって、レジストのコア層をパターニングし(ステップ730)、露光後ベークを施し(ステップ740)、現像溶液中でレジストの露光されていない領域を溶解除去する(ステップ740)と、レジスト材料の1つ以上のコアスタックが残される。
【0028】
レンズの高さを大きくすることなしにレンズの幅を広げるために、レジスト材料の1つ以上のスペーサが所望される場合(ステップ750)には、レジストの1つ以上の追加的な層を、レジストの第1の層における規定されたコアスタック上にスピンコーティングすることができ(ステップ700)、ソフトベークし(ステップ710)、スペーサを規定し(ステップ725)、パターニングを行わず(UV露光を行わず)、現像溶液中で溶解させる(ステップ745)。その後、レジストの追加的な層を適用する場合(ステップ750、レンズの所望の高さおよび曲率による)には、レジストのそれぞれの追加的な層を、その前に規定したレジストのコアスタックおよびスペーサ上にスピンコーティングし(ステップ700)、ソフトベークし(ステップ710)、レジストのコアスタックおよびスペーサを合わせたものより大きな面積を有し、かつそのレジストの1つ以上のコアスタックおよびスペーサに重ねられるレジストの1つ以上のシェルを形成できる、より大きなマスクパターンを有するフォトマスクを利用して、フォトリソグラフィによりパターニングする(ステップ735)。レジストをベークし(ステップ740)、レジストの露光されていない領域を、現像溶液中で溶液除去する(ステップ740)と、下側のコアスタックの面積が最小であり、上側のシェルの面積が最大である「シェル」のスタックが残される。
【0029】
レジストの最終平滑化層(ステップ750)を、その前にパターニングされたレジストのシェル上にスピンコーティングし(ステップ700)、ソフトベークする(ステップ710)。最終層も、UV線に露光し(ステップ735)、露光後ベークを施し(ステップ740)、現像し(ステップ740)、これにより、レジストの最終パターン化層は、レジストの他の全ての層を覆っている。このようにして得られたレジストのシェルを熱硬化させる(ステップ760)と、これにより、最終層が他のレジスト層上を滑らかに流動できるようになり、また溶融したレジストの最終層の表面張力が、最終レジスト層を引っ張ることができ、曲面を有するレンズ形状が得られる。レンズの形状および寸法を仕上げるために、レンズを全面的に(つまり、マスクを用いずに)UVに露光させ、ポリマー材料を架橋して、これによりレンズを硬化させる(ステップ770)。必要であれば、最終熱処理を施し、これにより、レンズを硬化させて、後続のプロセスでの性能をさらに向上させる(ステップ780)。
【0030】
図1〜7に関連して説明した製造技術を用いて、独特の構造および特性を備えた様々な三次元光学デバイスを形成することができる。例えば、図8および9を参照すると、これらの図面には、本発明の態様によって製造できる、屈折特性および回折特性を有する例示的な光学デバイス800が示されている。図8は、この例示的な光学デバイス800の斜視図である。図9は、図8の光学デバイス800の断面図である。図8および9に示す光学デバイス800は、大きな曲面レリーフパターンと、微細な微視的回折パターンとの組合せであり、これにより、屈折特性および回折特性の両方を備えた高性能高機能光学デバイスが得られる。
【0031】
さらに詳細には、図8および9に示す光学デバイスは、基板830の上に設けられた独立の大きなスケールの曲面レリーフ構造840と、この独立の曲面レリーフ構造840上に設けられた独立の微細な回折レリーフ構造850とを含む。これらの独立のレリーフ構造840および850はそれぞれ、光透過性のポリマー材料、例えばエポキシベースのポリマー材料からなっている。独立の曲面レリーフ構造840は、前述したように形成することができ、集光および光の操作の大部分を行う屈折特性を提供する曲面を有する。独立の回折レリーフ構造850は、不連続な回折フィーチャ820からなる面カーブの包絡線810を含む。この不連続の回折フィーチャ820は、光学デバイス800に、回折特性、例えばビーム分割、格子分光もしくはコンピュータによるホログラフィをもたらす。
【0032】
回折面のみを使用した場合、回折特性が得らるが、これだけでは光学デバイスの効率および得られる性能は低い。したがって、独立の曲面レリーフ構造840により集光の大部分が行われるようにすることによって、回折フィーチャ820が効果的に実施され、またその特有の設計が可能そなる。さらに、本発明は、図8および9に示す光学デバイス800の独立の曲面レリーフ構造840もしくは独立の回折レリーフ構造850の特定の形状および設計に限定されることはなく、それに代わる屈折特性および回折特性を提供する、本発明の態様によって製造される任意の三次元光学デバイスを含む。さらに、光学デバイス800を、「マスタ成形法」を利用して大量生産により製造することができる。
【0033】
図9より明らかであるように、不連続の回折フィーチャ820は、鋭角で不連続なフィーチャを有する高周波数回折格子を形成する微細な回折段部の組を含む。この組は合わせられて全体で、面カーブの包絡線810全体を形成する。各組は、所望の回折特性を提供するよう、また各組の上層(最上段部)から光学デバイス800の面カーブの包絡線810が形成されるよう設計された多くの回折段部を含む。よって、回折段部の隣接する組におけるステップの数および各ステップの高さを制御することによって光学デバイス800の面カーブの包絡線810が得られる。
【0034】
例えば、一態様では、回折段部の組のそれぞれを、光透過性のポリマーレジスト材料の1つ以上の層をフォトリソグラフィで別々にパターニングすることによって製造する。例えば、各組の回折段部は、図2A〜2Dもしくは図4A〜4Cとの関連により上述したように製造することができる。しかし、鋭角な不連続の回折フィーチャ820を維持するために、独立の回折レリーフ構造をリフローさせない(つまり、熱硬化させる)。光学デバイス800を仕上げるために、光学デバイス800を全面的に(つまり、マスクを使用せずに)UVに露光し、ポリマー材料を架橋し、これにより光学デバイス800を硬化させる。
【0035】
例示的な態様では、光学デバイス800の回折レリーフ構造850により得られる、全体的な沈降部(深さ)は、0〜50μmである。さらに、回折フィーチャ820(回折段部)はそれぞれ、高さ0.1〜1.5μmの個別段部を有しており、光学デバイス800の全積層厚みは、0.25〜3.0μmである。さらに、各回折フィーチャ820の横方向寸法は、0.4〜10+μmである。
【0036】
当業者に理解されるように、本出願に記載の新規な概念は、本出願の広い範囲にわたり変更および変形することが可能である。本発明の範囲は、上で例示的に説明した任意の詳細な教示に限定されるべきではなく、特許請求の範囲によって規定されるべきである。
【0037】
以下に、本発明の好ましい態様を示す。
1.屈折特性および回折特性を備えた光学デバイスであって、
基板と、
前記基板上に設けられた、前記屈折特性を提供する曲面を有する第1の独立のレリーフ構造と、
前記第1の独立のレリーフパターン上に設けられ、第2の独立のレリーフ構造の面カーブの包絡線を規定する光透過性のポリマー材料の1つ以上の層とを備えており、
前記面カーブの包絡線が、前記回折特性を提供する不連続の回折フィーチャから形成されている、光学デバイス。
2.前記第1の独立のレリーフ構造が、
前記基板上に設けられ、フォトリソグラフィでパターニングされて前記曲面が規定されている、前記光透過性のポリマー材料の少なくとも1つの追加的な層を備えている、上項1に記載のデバイス。
3.前記不連続の回折フィーチャが、回折段部の組を有し、該組のそれぞれが、前記層を2つ以上積層したものから形成されており、前記面カーブの包絡線が、前記組のそれぞれにおいて前記1つ以上の層の最上層から形成されている、上項1に記載のデバイス。
4.前記組のそれぞれが、前記光透過性ポリマー材料の第1のスタックと、前記光透過性ポリマー材料の少なくとも1つの追加的なスタックとを含み、該少なくとも1つの追加的なスタックが、前記第1のスタックに関連する領域より小さな領域を有する、上項3に記載のデバイス。
5.前記回折段部のそれぞれの高さが、0.1〜1.5μmである、上項3に記載のデバイス。
6.前記不連続な回折フィーチャのそれぞれの横方向寸法が、0.4〜10μmである、上項1に記載のデバイス。
7.前記第1の独立のレリーフ構造の沈降深さが、0〜50μmである、上項1に記載のデバイス。
8.前記第1の独立のレリーフ構造の厚みが、0.25〜3.0μmである、上項1に記載のデバイス。
9.前記光透過性ポリマー材料が、エポキシベースのポリマー材料からなっている、請求項1に記載のデバイス。
10.前記光透過性ポリマー材料が、250℃を超える温度で安定である、上項1に記載のデバイス。
11.前記光透過性ポリマー材料が、350nm以上の光波長を透過させる、上項1に記載のデバイス。
12.前記基板が、波長の特定範囲内で光を透過させる、上項1に記載のデバイス。
13.前記1つ以上の層のそれぞれが、フォトリソグラフィにより別々にパターニングされている、上項1に記載のデバイス。
14.前記回折特性が、ビーム分割、格子分光およびホログラフィを含む、上項1に記載のデバイス。
15.前記光透過性ポリマー材料の粘度が、2,000センチポイズ以上である。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】本発明の実施態様によるマイクロ光学デバイスを製造の例示的なステップを示すフローチャートである。
【図2A】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図2B】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図2C】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図2D】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図2E】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図2F】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図2G】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図3】図2A〜2Gに示す態様によるマイクロ光学デバイスの製造の例示的なステップを示すフローチャートである。
【図4A】本発明の別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図4B】本発明の別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図4C】本発明の別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図4D】本発明の別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図4E】本発明の別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図4F】本発明の別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図5】図4A〜4Fに示す態様によるマイクロ光学デバイスの製造の例示的なステップを示すフローチャートである。
【図6A】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図6B】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図6C】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図6D】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図6E】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図6F】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図6G】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図6H】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図6I】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図7】図6A〜6Iに示す態様によるマイクロ光学デバイスの製造の例示的なステップを示すフローチャートである。
【図8】本発明の態様によって製造された、屈折特性および回折特性を有する例示的な光学デバイスの斜視図である。
【図9】図8の光学デバイスの断面図である。
【符号の説明】
【0039】
800 光学デバイス
810 面カーブの包絡線
820 回折フィーチャ
830 基板
840 第1のレリーフ構造
850 第2のレリーフ構造
【特許請求の範囲】
【請求項1】
屈折特性および回折特性を備えた光学デバイス(800)であって、
基板(830)と、
前記基板(830)上に設けられた、前記屈折特性を提供する曲面を有する第1の独立のレリーフ構造(840)と、
前記第1の独立のレリーフ構造(850)上に設けられ、第2の独立のレリーフ構造(850)の面カーブの包絡線(810)を規定する光透過性のポリマー材料の1つ以上の層とを備えており、
前記面カーブの包絡線(810)が、前記回折特性を提供する不連続の回折フィーチャ(820)から形成されている、光学デバイス。
【請求項2】
前記第1の独立のレリーフ構造(840)が、
前記基板(830)上に設けられ、フォトリソグラフィでパターニングされて前記曲面が規定されている前記光透過性のポリマー材料の少なくとも1つの追加的な層を備えている、請求項1に記載のデバイス。
【請求項3】
前記不連続の回折フィーチャ(820)が、回折段部の組を有し、該組のそれぞれが、前記層を2つ以上積層したものから形成されており、前記面カーブの包絡線(810)が、前記組のそれぞれにおいて前記1つ以上の層の最上層から形成されている、請求項1に記載のデバイス。
【請求項4】
前記組のそれぞれが、前記光透過性ポリマー材料の第1のスタックと、前記光透過性ポリマー材料の少なくとも1つの追加的なスタックとを含み、該少なくとも1つの追加的なスタックが、前記第1のスタックに関連する領域より小さな領域を有する、請求項3に記載のデバイス。
【請求項5】
前記回折段部のそれぞれの高さが、0.1〜1.5μmである、請求項3に記載のデバイス。
【請求項6】
前記不連続な回折フィーチャ(820)のそれぞれの横方向寸法が、0.4〜10μmである、請求項1に記載のデバイス。
【請求項7】
前記第1の独立のレリーフ構造(840)の沈降深さが、0〜50μmである、請求項1に記載のデバイス。
【請求項8】
前記光透過性ポリマー材料が、エポキシベースのポリマー材料からなっている、請求項1に記載のデバイス。
【請求項9】
前記1つ以上の層のそれぞれが、フォトリソグラフィにより別々にパターニングされている、請求項1に記載のデバイス。
【請求項10】
前記回折特性が、ビーム分割、格子分光およびホログラフィを含む、請求項1に記載のデバイス。
【請求項1】
屈折特性および回折特性を備えた光学デバイス(800)であって、
基板(830)と、
前記基板(830)上に設けられた、前記屈折特性を提供する曲面を有する第1の独立のレリーフ構造(840)と、
前記第1の独立のレリーフ構造(850)上に設けられ、第2の独立のレリーフ構造(850)の面カーブの包絡線(810)を規定する光透過性のポリマー材料の1つ以上の層とを備えており、
前記面カーブの包絡線(810)が、前記回折特性を提供する不連続の回折フィーチャ(820)から形成されている、光学デバイス。
【請求項2】
前記第1の独立のレリーフ構造(840)が、
前記基板(830)上に設けられ、フォトリソグラフィでパターニングされて前記曲面が規定されている前記光透過性のポリマー材料の少なくとも1つの追加的な層を備えている、請求項1に記載のデバイス。
【請求項3】
前記不連続の回折フィーチャ(820)が、回折段部の組を有し、該組のそれぞれが、前記層を2つ以上積層したものから形成されており、前記面カーブの包絡線(810)が、前記組のそれぞれにおいて前記1つ以上の層の最上層から形成されている、請求項1に記載のデバイス。
【請求項4】
前記組のそれぞれが、前記光透過性ポリマー材料の第1のスタックと、前記光透過性ポリマー材料の少なくとも1つの追加的なスタックとを含み、該少なくとも1つの追加的なスタックが、前記第1のスタックに関連する領域より小さな領域を有する、請求項3に記載のデバイス。
【請求項5】
前記回折段部のそれぞれの高さが、0.1〜1.5μmである、請求項3に記載のデバイス。
【請求項6】
前記不連続な回折フィーチャ(820)のそれぞれの横方向寸法が、0.4〜10μmである、請求項1に記載のデバイス。
【請求項7】
前記第1の独立のレリーフ構造(840)の沈降深さが、0〜50μmである、請求項1に記載のデバイス。
【請求項8】
前記光透過性ポリマー材料が、エポキシベースのポリマー材料からなっている、請求項1に記載のデバイス。
【請求項9】
前記1つ以上の層のそれぞれが、フォトリソグラフィにより別々にパターニングされている、請求項1に記載のデバイス。
【請求項10】
前記回折特性が、ビーム分割、格子分光およびホログラフィを含む、請求項1に記載のデバイス。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図2G】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図4F】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【図6G】
【図6H】
【図6I】
【図7】
【図8】
【図9】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図2G】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図4F】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【図6G】
【図6H】
【図6I】
【図7】
【図8】
【図9】
【公開番号】特開2007−17980(P2007−17980A)
【公開日】平成19年1月25日(2007.1.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−186911(P2006−186911)
【出願日】平成18年7月6日(2006.7.6)
【出願人】(506076606)アバゴ・テクノロジーズ・ジェネラル・アイピー(シンガポール)プライベート・リミテッド (129)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成19年1月25日(2007.1.25)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年7月6日(2006.7.6)
【出願人】(506076606)アバゴ・テクノロジーズ・ジェネラル・アイピー(シンガポール)プライベート・リミテッド (129)
【Fターム(参考)】
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