JP4304269B2 - Convex lens, convex lens array, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報通信デバイス、光情報家電デバイスなどに用いられる凸型マイクロレンズ、凸型マイクロレンズアレーおよびそれらの製造技術に関する。
【０００２】
本発明は、さらに、上記の凸型レンズ状構造体或いは凸型レンズアレー状構造体を型(モールド)として、凹型マイクロレンズ或いは凹型マイクロレンズアレーを製造する技術に関する。
【０００３】
【従来の技術】
光情報通信用、光情報家電用などのデバイスにはマイクロレンズが多用されている。その多くは、面発光レーザーアレイとファイバーとのインターコネクション、液晶プロジェクターの結像光学系、光メモリのピックアップ光学系などの分野において必要とされるマイクロレンズアレーである。
【０００４】
これらのマイクロレンズおよびそのアレーの主な作製方法としては、フォトレジストを熱処理することにより、その表面張力を利用して球面状に成形されたマスクを介してガラスをドライエッチングして、マイクロレンズを形成する方法が知られている（特許文献１、２、３、４、５、６、７）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平06-194502号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平06-250002号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開平07-104106号公報
【０００８】
【特許文献４】
特開平07-174903号公報
【０００９】
【特許文献５】
特開平07-198906号公報
【００１０】
【特許文献６】
特開平08-166502号公報
【００１１】
【特許文献７】
特願平10-282301号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来のドライエッチング法によるマイクロレンズ形成技術においては、ドライエッチングに際し、フォトレジストとガラスのエッチングレートの差(選択比)が小さいので、開口数の大きなレンズを形成することが困難である。また、開口数の小さいレンズの場合にも、レンズの損傷を防ぐために、穏和な条件下に長時間のエッチングを行う必要があった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、従来よりも短時間で、種々の開口数を選択することが出来る凸型レンズおよび凸型レンズアレーを形成しうる技術を提供することを主な目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の様な従来技術の現状を考慮しつつ研究を進めた結果、基板上に当該基板よりも軟化点の低いガラス(以下、「基板よりも軟化点の低いガラス」を単に「低軟化点ガラス」ということがある)を積層形成し、その表面上にマスクパターンを形成し、ドライエッチング法により露出部を削り、マスクを除去した後、熱処理により低軟化点ガラス層を粘性流動させてレンズ形状を作製し、得られた基板と凸レンズ形状部とからなる積層構造体をさらにドライエッチングに供して、積層構造体の表面から基板側に向けて凸レンズ形状部の厚さ以上を削る場合には、上記の目的を達成し得ることを見出した。
【００１５】
また、上記の手法により得られた凸型レンズ形状物あるいは凸型レンズアレー形状物が低軟化点ガラス、高分子材料などの成形用の型として有用であり、これを用いて低軟化点ガラス、高分子材料などの注型成形を行う場合には、高精度の凹型マイクロレンズ或いは凹型マイクロレンズアレーが得られることを見出した。
【００１６】
すなわち、本発明は、下記の凸型マイクロレンズとその製造方法を提供するものであり、さらにその様な凸型マイクロレンズを備えたアレーとその製造方法を提供する。
【００１７】
本発明は、さらにまた、下記の凸型レンズ形状物あるいは凸型レンズアレー形状物からなる凹型レンズ成型用型、この型を用いる凹型マイクロレンズ或いは凹型マイクロレンズアレーの製造方法、および高精度の凹型マイクロレンズ或いは凹型マイクロレンズアレーを提供する。
１．凸レンズの製造方法であって、
（1）基板上に低軟化点ガラス層を形成する工程
（2）低軟化点ガラス層表面に凸レンズ形成部を被覆するマスクパターンを形成する工程、
（3）低軟化点ガラス層の露出部分をドライエッチングする工程、
（4）マスクパターンを除去する工程、
（5）低軟化点ガラスのみを軟化させる温度で基板を加熱することにより、基板上に残した低軟化点ガラス層部分を凸レンズ形状に変形させる工程、および
（6）上記工程（5）で得られた基板と凸レンズ形状部とからなる積層構造体をさらにドライエッチングに供して、積層構造体の表面から基板側に向けて凸レンズ形状部の厚さ以上を削ることにより、当初の基板材料のみからなる凸レンズを形成させる工程
を備えた凸レンズの製造方法。
２．低軟化点ガラスが、SiO2を主成分とし、B2O3、P2O5、GeO2、Al2O3およびTiO2から選ばれた少なくとも１種からなる添加成分を併せて含有するガラスであり、低軟化点ガラスの軟化点が基板の軟化点よりも50℃以上低い上記項１に記載の凸レンズの製造方法。
３．低軟化点ガラスの組成(モル％)が、
50<SiO2<95
0.01<B2O3<15
0.01<P2O5<15
0.01<GeO2<30
0.01<Al2O3<10
0.01<TiO2<5
の範囲内にあり、B2O3、P2O5、GeO2、Al2O3およびTiO2の少なくとも１種からなる添加成分の全濃度が3〜50モル%の範囲内にある上記項１または２に記載の凸レンズの製造方法。
４．低軟化点ガラス層中の添加成分の含有量が、膜厚が増大するとともに軟化点が低下する様に組成調整されている上記項１〜３のいずれかに記載の凸レンズの製造方法。
５．基板が、シリカガラス、光学ガラスまたは透明結晶化ガラスからなる上記項１〜４のいずれかに記載の凸レンズの製造方法。
６．テトラエトキシシラン、テトラメトキシゲルマニウム、トリエトキシボロンおよびトリメトキシリンから選択された材料を原料として、プラズマCVD法により低軟化点ガラス層を形成する上記項１〜５のいずれかに記載の凸レンズの製造方法。
７．上記項１〜６に記載のいずれかの方法により製造された凸レンズ。
８．上記項１〜６に記載のいずれかの方法により製造された凸レンズ形状物からなる凹レンズ製造用の型。
９．上記項８に記載の型を用いる凹レンズの製造方法。
１０．上記項９に記載の方法により製造された凹レンズ。
１１．凸レンズアレーの製造方法であって、
（1）基板上に低軟化点ガラス層を形成する工程
（2）低軟化点ガラス層表面に凸レンズ形成部を被覆するマスクパターンを形成する工程、
（3）低軟化点ガラス層の露出部分をドライエッチングする工程、
（4）マスクパターンを除去する工程、
（5）低軟化点ガラスのみを軟化させる温度で基板を加熱することにより、基板上に残した低軟化点ガラス層部分を凸レンズ形状に変形させる工程、および
（6）上記工程（5）で得られた基板と凸レンズ形状部とからなる積層構造体をさらにドライエッチングに供して、積層構造体の表面から基板側に向けて凸レンズ形状部の厚さ以上を削ることにより、当初の基板材料のみからなる凸レンズを形成させる工程
を備えた凸レンズアレーの製造方法。
１２．低軟化点ガラスが、SiO2を主成分とし、B2O3、P2O5、GeO2、Al2O3およびTiO2から選ばれた少なくとも１種からなる添加成分を併せて含有するガラスであり、低軟化点ガラスの軟化点が基板の軟化点よりも50℃以上低い上記項１１に記載の凸レンズアレーの製造方法。
１３．低軟化点ガラスの組成(モル％)が、
50<SiO2<95
0.01<B2O3<15
0.01<P2O5<15
0.01<GeO2<30
0.01<Al2O3<10
0.01<TiO2<5
の範囲内にあり、B2O3、P2O5、GeO2、Al2O3およびTiO2の少なくとも１種からなる添加成分の全濃度が3〜50モル%の範囲内にある上記項１１または１２に記載の凸レンズアレーの製造方法。
１４．低軟化点ガラス層中の添加成分の含有量が、膜厚が増大するとともに軟化点が低下する様に組成調整されている上記項１１〜１３のいずれかに記載の凸レンズアレーの製造方法。
１５．基板が、シリカガラス、光学ガラスまたは透明結晶化ガラスからなる上記項１１〜１４のいずれかに記載の凸レンズアレーの製造方法。
１６．テトラエトキシシラン、テトラメトキシゲルマニウム、トリエトキシボロンおよびトリメトキシリンから選択された材料を原料として、プラズマCVD法により低軟化点ガラス層を形成する上記項１１〜１５のいずれかに記載の凸レンズアレーの製造方法。
１７．上記項１１〜１６に記載のいずれかの方法により製造された凸レンズアレー。
１８．上記項１１〜１６に記載のいずれかの方法により製造された凸レンズアレー形状体からなる凹レンズアレー製造用の型。
１９．上記項１８に記載の型を用いる凹レンズアレーの製造方法。
２０．上記１９に記載の方法により製造された凹レンズアレー。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
【００１９】
本発明においては、模式的な断面図として図１に示す様に、先ず、基板上に、基板よりも軟化点の低いガラス層(以下単に「低軟化点層」ということがある)を設ける。
【００２０】
基板としては、特に制限はなく、シリカガラス、光学ガラス、透明結晶化ガラス、シリコンなどの公知の材料からなる基板を使用することができる。基材材料としては、シリカガラス、シリコンなどがより好ましい。基板の軟化点は、低軟化点ガラス層の軟化点よりも、少なくとも50℃以上高いことが好ましい。低軟化点ガラス層の軟化点が低い場合には、透明結晶化ガラス、無アルカリガラスなどを使用することも出来る。
【００２１】
低軟化点ガラス層材料としては、SiO2を主成分とし、B2O3、P2O5、GeO2、Al2O3およびTiO2から選ばれた少なくとも１種からなる添加成分を併せて含有する透明なガラスが例示される。低軟化点層材料としては、その組成(モル％)が、50<SiO2<95、0.01<B2O3<15、0.01<P2O5<15、0.01<GeO2<30、0.01<Al2O3<10および0.01<TiO2<5の範囲内にあり、かつ添加成分の全濃度が3〜50モル%の範囲内にあるガラスがより好ましい。
【００２２】
低軟化点層の形成手段は、特に限定されず、プラズマCVD法、火炎堆積法(FHD)、スパッタ法、蒸着法などの公知の成膜手法を適宜選択して用いることができる。
【００２３】
例えば、プラズマＣＶＤ法による場合には、低軟化点層のガラス組成に応じて、代表的な原料として、Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４、Ｂ（ＯＣ２Ｈ５）３、Ｐ（ＯＣＨ３）３およびＧｅ（ＯＣＨ３）４をマスフローメーターで厳密に制御・混合して、酸素プラズマ中で分解させることによって、基板上に目的とする組成で所定の厚さ（通常０．１〜１００μｍ程度、より好ましくは１〜４０μｍ程度）の低軟化点層を成膜することができる。
【００２４】
なお、低軟化点層を形成するに際し、予めSiO2-B2O3-P2O5-GeO2系ガラスを成膜し、次いでスパッタリング法或いは蒸着法によって、ガラス膜上に所定量のAl2O3および/またはTiO2を堆積した後、ガラス膜を軟化点以上に加熱することにより、Al2O3および/またはTiO2をガラス膜中に熱拡散させても良い。
【００２５】
次いで、図1に示す様に、基板上に設けられた透明ガラス膜上に所定の形状および寸法のマスクパターンを形成する。マスクパターンの形状に対応して、任意のサイズの凸型レンズ形状(円形凸型レンズ形状、シリンドリカル凸型レンズ形状など)などがえられる。レンズ形状の形成手法としては、例えば、リソグラフィーとドライエッチングとを組み合わせて行うことが好ましい。すなわち、フォトレジスト、金属マスク(クロム、タングステンシリサイドなど)などを用いる公知の手法により、所望の直径の円パターン或いは所望の幅の線を形成した後、CHF3、CF4、C3F8、C4F8、Arなどのプラズマ中で、マスクされていない低軟化点ガラス部分を基板に至るまで完全に或いは一定の厚さ(例えば、100nm程度)を残して、ドライエッチング除去する。
【００２６】
次いで、フォトレジスト、金属マスクなどを完全に除去した後、残した低軟化点層が軟化する温度まで、基板を昇温すると、ドライエッチングにより形成された低軟化点ガラスの円または線が、低軟化点ガラスの表面張力によって、丸く変形して、所望の凸型レンズ形状(円形レンズ形状、シリンドリカル凸型レンズ形状など)が容易に形成される。
【００２７】
低融点ガラス部分が完全に除去されている場合には、軟化ガラス部分は、所定の直径或いは線幅から広がることなく、開口数の大きなレンズを形成することが出来る。一方、低融点ガラスのエッチング部を一定の厚さで残している場合には、円部または線部が、その直径或いは線幅を少しずつ大きくしながら軟化し、表面張力によってレンズ状に変形するので、開口数は低下するものの、基板上のレンズの相対面積は広くなる。
【００２８】
また、凸型形状或いはシリンドリカル凸型形状の厚さ方向に軟化点を制御できる様に、ガラス組成を調節しておくことにより、熱処理により得られる凸型形状の曲率乃至球面形状を制御することが可能である。
【００２９】
なお、本発明において、ドライエッチングによって形成する円状或いは線状部分を所定の周期的パターンにしておけば、凸型マイクロレンズアレーを作製することができる。
【００３０】
さらに、得られた基板上に形成された凸型マイクロレンズ状構造物を型(モールド)として使用し、常法に従って、溶融或いは軟化したガラス材料(但し、型よりも低軟化点材料)、高分子樹脂などを成形することにより、当該ガラス材料、高分子樹脂などからなる高精度の凹型マイクロレンズ或いは凹型マイクロレンズアレーを作製することができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、化学的耐久性、機械的強度、光学的特性などに優れたシリカガラス基板上に任意のサイズで円形或いはシリンドリカルな凸型形状を有する球面レンズおよびそのアレーを容易に形成することが出来る。
【００３２】
また、得られた凸型マイクロレンズ状体を型(モールド)として使用することにより、ガラス材料、高分子樹脂などの凹型マイクロレンズ或いは凹型マイクロレンズアレーを得ることが出来る。
【００３３】
【実施例】
以下に実施例および比較例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明確にする。
実施例１
Si(OC2H5)4を主原料とし、Ge(OCH3)4および B(OC2H5)3を添加成分源として用いるプラズマCVD法により、シリカガラス基板上に81％SiO2-9％GeO2-10％B2O3ガラス層(低軟化点層：組成はモル％を示す)を厚さ15μmに成膜した。次いで、低融点層上に約1μmの厚さのタングステンシリサイド(WSi)膜をスパッタ法で成膜し、さらにポジ型フォトレジストをスピンコートした。その後、レジストにマスク露光を行い、5.5秒間水銀ランプ光を照射して、直ちに現像することにより、直径140μmの円が250μmピッチで周期的に配列されたレジストパターンを得た。
【００３４】
パターニングが施された当該薄膜をICPエッチング装置に設置し、SF6ガスを用いてレジストに覆われていない領域のWSi膜を除去し、次いで酸素プラズマでレジストを除去した後、CHF3ガスプラズマにてWSi膜により覆われていない低軟化点層を基板が露出するまで一次エッチングした。
【００３５】
次いで、得られた直径140μm、高さ15μmの円柱状構造が基板上に周期的に配列されたガラス材料を、温度1000℃の酸素雰囲気中で加熱し、低軟化点層に粘性流動を起こさせた。１時間の熱処理後に当初の円柱状構造部分が、滑らかな表面を有する凸レンズ曲面になっているレンズアレーが得られた。
【００３６】
次いで、得られたレンズアレーの表面を清浄に維持したまま、再びCHF3ガスプラズマを使用するドライエッチング処理に供して、レンズアレー全面をレンズの厚さに相当する厚さだけ二次エッチングしたところ、シリカガラス基板表面に上記と同形状のレンズアレーが形成されていた。
【００３７】
得られたシリカガラス製レンズアレーを温度85℃、相対湿度95％の過酷な条件下に5日間放置したが、透過率などの光学的特性に変化は認められなかった。
【００３８】
下記の表１に本実施例および実施例２〜５で得られた凸型レンズアレーにおける基板材料、低軟化点層組成および厚さ、熱処理条件、レンズ形状などをまとめて示す。
実施例２
実施例１と同様にしてシリカガラス基板上に成膜した薄膜材料に、同様な一次エッチング手法で幅140μm、高さ15μmの矩形周期構造を形成し、酸素雰囲気中1000℃で1時間熱処理したところ、凸型シリンドリカルレンズアレーが得られた。
【００３９】
次いで、得られたレンズアレーの表面を清浄に維持したまま、再びCHF3ガスプラズマを使用する二次ドライエッチング処理に供して、レンズアレー全面をレンズの厚さに相当する厚さだけエッチングしたところ、シリカガラス基板表面に上記と同形状のレンズアレーが形成されていた。
【００４０】
得られたシリカガラス製レンズアレーを温度85℃、相対湿度95％の過酷な条件下に5日間放置したが、透過率などの光学的特性に変化は認められなかった。
実施例３〜５
実施例１と同様な手法により、シリカガラス基板上またはシリコン基板上に表１に示す組成の薄膜をそれぞれ形成し、実施例1の手法に準じて凸型レンズアレーを形成することができた。
【００４１】
【表１】
比較例１
実施例１の手法に準じて、一次エッチング処理までを行った。得られた低融点ガラス層とシリカガラス基板とからなるレンズアレーを温度85℃、相対湿度95％の過酷な条件下に5日間放置したところ、表面の化学的浸食に起因するものと思われる透過率の低下が早くも認められた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による凸型マイクロレンズアレーの作製過程を示す概念図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a convex microlens, a convex microlens array used in optical information communication devices, optical information home appliances, and the like, and manufacturing techniques thereof.
[0002]
The present invention further relates to a technique for manufacturing a concave microlens or a concave microlens array using the above convex lens-like structure or convex lens array-like structure as a mold.
[0003]
[Prior art]
Microlenses are frequently used in devices for optical information communication and optical information home appliances. Many of them are microlens arrays required in fields such as the interconnection between a surface emitting laser array and a fiber, an imaging optical system of a liquid crystal projector, and a pickup optical system of an optical memory.
[0004]
The main manufacturing method of these microlenses and their arrays is to heat-treat the photoresist and dry-etch the glass through a spherically shaped mask using its surface tension, to form microlenses. Methods of forming are known (Patent Documents 1, 2, 3, 4, 5, 6, and 7).
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 06-194502 [0006]
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 06-250002
[Patent Document 3]
JP 07-104106 A [0008]
[Patent Document 4]
Japanese Patent Laid-Open No. 07-174903 [0009]
[Patent Document 5]
JP 07-198906 A [0010]
[Patent Document 6]
Japanese Patent Laid-Open No. 08-166502
[Patent Document 7]
Japanese Patent Application No. 10-282301 [0012]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional microlens formation technique using the dry etching method, it is difficult to form a lens having a large numerical aperture because the difference (selection ratio) between the etching rate of the photoresist and the glass is small during dry etching. In the case of a lens having a small numerical aperture, it has been necessary to perform etching for a long time under mild conditions in order to prevent damage to the lens.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, a main object of the present invention is to provide a technology capable of forming a convex lens and a convex lens array capable of selecting various numerical apertures in a shorter time than conventional.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
As a result of conducting research while taking into account the current state of the prior art as described above, the present inventors have simply made a glass having a lower softening point than that of the substrate (hereinafter referred to as `` a glass having a lower softening point than the substrate '') on the substrate. (It is sometimes called `` low softening point glass ''), a mask pattern is formed on the surface, the exposed part is shaved by dry etching, the mask is removed, and the low softening point glass layer is made viscous by heat treatment The lens structure is made by flowing, and the laminated structure composed of the obtained substrate and the convex lens shape part is further subjected to dry etching, and the thickness of the convex lens shape part is more than the thickness from the surface of the laminated structure toward the substrate side. It has been found that the above object can be achieved when cutting.
[0015]
Further, the convex lens shape or convex lens array shape obtained by the above method is useful as a mold for molding a low softening point glass, a polymer material, etc., and using this, a low softening point glass, It has been found that a high-precision concave microlens or concave microlens array can be obtained when cast molding of a polymer material or the like is performed.
[0016]
That is, the present invention provides the following convex microlens and manufacturing method thereof, and further provides an array including such a convex microlens and manufacturing method thereof.
[0017]
The present invention further provides a concave lens molding mold comprising the following convex lens shaped article or convex lens array shaped article, a method for producing a concave microlens or a concave microlens array using this mold, and a highly accurate concave mold. A microlens or concave microlens array is provided.
1. A method of manufacturing a convex lens,
(1) A step of forming a low softening point glass layer on the substrate (2) A step of forming a mask pattern for covering the convex lens forming portion on the surface of the low softening point glass layer,
(3) a step of dry etching the exposed portion of the low softening point glass layer;
(4) a step of removing the mask pattern,
(5) A step of transforming the glass layer portion of the low softening point remaining on the substrate into a convex lens shape by heating the substrate at a temperature that softens only the low softening point glass, and (6) obtained in the step (5) above. The laminated structure composed of the substrate and the convex lens-shaped part is further subjected to dry etching, and the thickness of the convex lens-shaped part is cut away from the surface of the laminated structure toward the substrate side, so that only the original substrate material is used. The manufacturing method of a convex lens provided with the process of forming the convex lens which becomes.
2. A glass having a low softening point glass containing SiO 2 as a main component and additionally containing at least one additive component selected from B 2 O 3 , P 2 O 5 , GeO 2 , Al 2 O 3 and TiO 2. The method for producing a convex lens according to Item 1, wherein the softening point of the low softening point glass is 50 ° C. or more lower than the softening point of the substrate.
3. The composition (mol%) of the low softening point glass is
50 <SiO 2 <95
0.01 <B 2 O 3 <15
0.01 <P 2 O 5 <15
0.01 <GeO 2 <30
0.01 <Al 2 O 3 <10
0.01 <TiO 2 <5
The above item wherein the total concentration of the additive component consisting of at least one of B 2 O 3 , P 2 O 5 , GeO 2 , Al 2 O 3 and TiO 2 is in the range of 3 to 50 mol%. A method for producing a convex lens according to 1 or 2.
4). Item 4. The method for producing a convex lens according to any one of Items 1 to 3, wherein the composition of the additive component in the low softening point glass layer is adjusted so that the softening point decreases as the film thickness increases.
5. Item 5. The method for producing a convex lens according to any one of Items 1 to 4, wherein the substrate is made of silica glass, optical glass, or transparent crystallized glass.
6). The production of a convex lens according to any one of Items 1 to 5, wherein a low softening point glass layer is formed by a plasma CVD method using a material selected from tetraethoxysilane, tetramethoxygermanium, triethoxyboron, and trimethoxyline as a raw material. Method.
7). The convex lens manufactured by the method in any one of said claim | item 1 -6.
8). A mold for producing a concave lens, comprising a convex lens-shaped article produced by any one of the methods described in Items 1 to 6.
9. A method for producing a concave lens using the mold according to Item 8.
10. A concave lens manufactured by the method according to Item 9.
11. A method of manufacturing a convex lens array,
(1) A step of forming a low softening point glass layer on the substrate (2) A step of forming a mask pattern for covering the convex lens forming portion on the surface of the low softening point glass layer,
(3) a step of dry etching the exposed portion of the low softening point glass layer;
(4) a step of removing the mask pattern,
(5) A step of transforming the glass layer portion of the low softening point remaining on the substrate into a convex lens shape by heating the substrate at a temperature that softens only the low softening point glass, and (6) obtained in the step (5) above. The laminated structure composed of the substrate and the convex lens-shaped part is further subjected to dry etching, and the thickness of the convex lens-shaped part is cut away from the surface of the laminated structure toward the substrate side, so that only the original substrate material is used. The manufacturing method of the convex lens array provided with the process of forming the convex lens which becomes.
12 A glass having a low softening point glass containing SiO 2 as a main component and additionally containing at least one additive component selected from B 2 O 3 , P 2 O 5 , GeO 2 , Al 2 O 3 and TiO 2. The method for producing a convex lens array according to Item 11, wherein the softening point of the low softening point glass is lower by 50 ° C. or more than the softening point of the substrate.
13. The composition (mol%) of the low softening point glass is
50 <SiO 2 <95
0.01 <B 2 O 3 <15
0.01 <P 2 O 5 <15
0.01 <GeO 2 <30
0.01 <Al 2 O 3 <10
0.01 <TiO 2 <5
The above item wherein the total concentration of the additive component consisting of at least one of B 2 O 3 , P 2 O 5 , GeO 2 , Al 2 O 3 and TiO 2 is in the range of 3 to 50 mol%. A method for producing a convex lens array according to 11 or 12.
14 Item 14. The method for producing a convex lens array according to any one of Items 11 to 13, wherein the composition of the additive component in the low softening point glass layer is adjusted so that the film thickness increases and the softening point decreases.
15. Item 15. The method for producing a convex lens array according to any one of Items 11 to 14, wherein the substrate is made of silica glass, optical glass, or transparent crystallized glass.
16. The convex lens array according to any one of Items 11 to 15, wherein a low softening point glass layer is formed by a plasma CVD method using a material selected from tetraethoxysilane, tetramethoxygermanium, triethoxyboron, and trimethoxyline as a raw material. Production method.
17. The convex lens array manufactured by the method in any one of said claim | item 11 -16.
18. A mold for producing a concave lens array comprising a convex lens array-shaped body produced by any one of the above items 11 to 16.
19. A method for manufacturing a concave lens array using the mold according to Item 18.
20. 20. A concave lens array manufactured by the method as described in 19 above.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0019]
In the present invention, as shown in FIG. 1 as a schematic cross-sectional view, first, a glass layer having a softening point lower than that of the substrate (hereinafter sometimes simply referred to as “low softening point layer”) is provided on the substrate.
[0020]
There is no restriction | limiting in particular as a board | substrate, The board | substrate which consists of well-known materials, such as a silica glass, optical glass, transparent crystallized glass, a silicon | silicone, can be used. As the base material, silica glass, silicon and the like are more preferable. The softening point of the substrate is preferably at least 50 ° C. higher than the softening point of the low softening point glass layer. In the case where the softening point of the low softening point glass layer is low, transparent crystallized glass, alkali-free glass or the like can also be used.
[0021]
As the low softening point glass layer material, SiO 2 is the main component, and an additive component consisting of at least one selected from B 2 O 3 , P 2 O 5 , GeO 2 , Al 2 O 3 and TiO 2 is also used. The transparent glass to contain is illustrated. As a low softening point layer material, the composition (mol%) is 50 <SiO 2 <95, 0.01 <B 2 O 3 <15, 0.01 <P 2 O 5 <15, 0.01 <GeO 2 <30, 0.01 < More preferred are glasses in which Al 2 O 3 <10 and 0.01 <TiO 2 <5, and the total concentration of the additive components is in the range of 3 to 50 mol%.
[0022]
The means for forming the low softening point layer is not particularly limited, and a known film formation method such as a plasma CVD method, a flame deposition method (FHD), a sputtering method, or an evaporation method can be appropriately selected and used.
[0023]
For example, in the case of the plasma CVD method, as a typical raw material, Si (OC 2 H 5 ) 4 , B (OC 2 H 5 ) 3 , P (OCH 3 ) depending on the glass composition of the low softening point layer. 3 and Ge (OCH 3 ) 4 are strictly controlled and mixed with a mass flow meter, and decomposed in oxygen plasma, whereby a predetermined thickness (usually about 0.1 to 100 μm, More preferably, a low softening point layer of about 1 to 40 μm can be formed.
[0024]
In forming the low softening point layer, a SiO 2 —B 2 O 3 —P 2 O 5 —GeO 2 glass is formed in advance, and then a predetermined amount of Al is formed on the glass film by sputtering or vapor deposition. After depositing 2 O 3 and / or TiO 2 , Al 2 O 3 and / or TiO 2 may be thermally diffused into the glass film by heating the glass film to the softening point or higher.
[0025]
Next, as shown in FIG. 1, a mask pattern having a predetermined shape and size is formed on a transparent glass film provided on the substrate. Corresponding to the shape of the mask pattern, a convex lens shape of any size (a circular convex lens shape, a cylindrical convex lens shape, etc.) is obtained. As a method for forming the lens shape, for example, it is preferable to perform a combination of lithography and dry etching. That is, by forming a circular pattern with a desired diameter or a line with a desired width by a known method using a photoresist, a metal mask (chromium, tungsten silicide, etc.), CHF 3 , CF 4 , C 3 F 8 , In the plasma of C 4 F 8 , Ar, etc., dry etching removal is performed by leaving the non-masked low softening point glass portion completely or a certain thickness (for example, about 100 nm) until reaching the substrate.
[0026]
Next, after completely removing the photoresist, metal mask, etc., when the temperature of the substrate is raised to a temperature at which the remaining low softening point layer softens, the circle or line of the low softening point glass formed by dry etching becomes low. A desired convex lens shape (circular lens shape, cylindrical convex lens shape, etc.) is easily formed by being deformed into a round shape by the surface tension of the softening point glass.
[0027]
When the low-melting glass portion is completely removed, the softened glass portion can form a lens having a large numerical aperture without expanding from a predetermined diameter or line width. On the other hand, when the etched portion of the low melting point glass is left with a constant thickness, the circular portion or the line portion is softened while gradually increasing its diameter or line width, and is deformed into a lens shape by the surface tension. Therefore, although the numerical aperture is decreased, the relative area of the lens on the substrate is increased.
[0028]
Also, as can be controlled softening point in the thickness direction of the convex shape or a cylindrical convex shape, by previously adjusting the glass composition, it is possible to control the curvature or spherical convex shape obtained by the heat treatment Is possible .
[0029]
In the present invention, a convex microlens array can be produced by making circular or linear portions formed by dry etching into a predetermined periodic pattern.
[0030]
Furthermore, using the convex microlens-like structure formed on the obtained substrate as a mold (mold), in accordance with a conventional method, a molten or softened glass material (however, a softening point material lower than the mold), high By molding a molecular resin or the like, a highly accurate concave microlens or concave microlens array made of the glass material, polymer resin, or the like can be produced.
[0031]
【The invention's effect】
According to the present invention, a spherical lens having a circular or cylindrical convex shape with an arbitrary size and an array thereof are easily formed on a silica glass substrate excellent in chemical durability, mechanical strength, optical characteristics, and the like. I can do it.
[0032]
Further, by using the obtained convex microlens-like body as a mold, a concave microlens or concave microlens array such as a glass material or a polymer resin can be obtained.
[0033]
【Example】
Examples and Comparative Examples are shown below to further clarify the features of the present invention.
Example 1
By a plasma CVD method using Si (OC 2 H 5 ) 4 as a main raw material and Ge (OCH 3 ) 4 and B (OC 2 H 5 ) 3 as additive component sources, 81% SiO 2 -9 is formed on a silica glass substrate. A% GeO 2 -10% B 2 O 3 glass layer (low softening point layer: composition indicates mol%) was formed to a thickness of 15 μm. Next, a tungsten silicide (WSi) film having a thickness of about 1 μm was formed on the low melting point layer by sputtering, and a positive photoresist was spin-coated. Thereafter, the resist was subjected to mask exposure, irradiated with mercury lamp light for 5.5 seconds, and immediately developed to obtain a resist pattern in which circles having a diameter of 140 μm were periodically arranged at a pitch of 250 μm.
[0034]
The thin film subjected to patterning is installed in an ICP etching apparatus, and the WSi film in the region not covered with the resist is removed using SF 6 gas, and then the resist is removed with oxygen plasma, and then CHF 3 gas plasma is applied. The low softening point layer not covered with the WSi film was first etched until the substrate was exposed.
[0035]
Next, the obtained glass material in which a cylindrical structure having a diameter of 140 μm and a height of 15 μm is periodically arranged on a substrate is heated in an oxygen atmosphere at a temperature of 1000 ° C. to cause viscous flow in the low softening point layer. It was. A lens array was obtained in which the initial cylindrical structure portion was a convex lens curved surface having a smooth surface after heat treatment for 1 hour.
[0036]
Next, while keeping the surface of the obtained lens array clean, it was again subjected to a dry etching process using CHF 3 gas plasma, and the entire surface of the lens array was secondarily etched by a thickness corresponding to the thickness of the lens. A lens array having the same shape as described above was formed on the surface of the silica glass substrate.
[0037]
The obtained silica glass lens array was allowed to stand for 5 days under severe conditions of a temperature of 85 ° C. and a relative humidity of 95%, but no change was observed in optical characteristics such as transmittance.
[0038]
Table 1 below collectively shows the substrate material, the low softening point layer composition and thickness, the heat treatment conditions, the lens shape, etc., in the convex lens arrays obtained in this example and Examples 2-5.
Example 2
A rectangular periodic structure having a width of 140 μm and a height of 15 μm was formed on a thin film material formed on a silica glass substrate in the same manner as in Example 1 and heat-treated at 1000 ° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere. A convex cylindrical lens array was obtained.
[0039]
Next, with the surface of the obtained lens array kept clean, it was again subjected to a secondary dry etching process using CHF 3 gas plasma, and the entire surface of the lens array was etched by a thickness corresponding to the thickness of the lens. A lens array having the same shape as described above was formed on the surface of the silica glass substrate.
[0040]
The obtained silica glass lens array was allowed to stand for 5 days under severe conditions of a temperature of 85 ° C. and a relative humidity of 95%, but no change was observed in optical characteristics such as transmittance.
Examples 3-5
A thin film having the composition shown in Table 1 was formed on a silica glass substrate or a silicon substrate in the same manner as in Example 1, and a convex lens array could be formed according to the method in Example 1.
[0041]
[Table 1]
Comparative Example 1
According to the method of Example 1, the first etching process was performed. The lens array consisting of the low-melting-point glass layer and the silica glass substrate was allowed to stand for 5 days under harsh conditions at a temperature of 85 ° C and a relative humidity of 95%. The rate decline was already observed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a process of manufacturing a convex microlens array according to the present invention.
Claims (10)
（１）シリカガラス基板上に低軟化点ガラス層を形成する工程
（２）低軟化点ガラス層表面に凸レンズ形成部を被覆するマスクパターンを形成する工程、
（３）低軟化点ガラス層の露出部分をドライエッチングする工程、
（４）マスクパターンを除去する工程、
（５）低軟化点ガラスのみを軟化させる温度で基板を加熱することにより、基板上に残した低軟化点ガラス層部分を凸レンズ形状に変形させる工程、および
（６）上記工程（５）で得られた基板と凸レンズ形状部とからなる積層構造体をさらにドライエッチングに供して、積層構造体の表面から基板側に向けて凸レンズ形状部の厚さ以上を削ることにより、当初の基板材料のみからなる凸レンズを形成させる工程
を備えた凸レンズの製造方法。A method of manufacturing a convex lens,
(1) A step of forming a low softening point glass layer on a silica glass substrate (2) A step of forming a mask pattern for covering the convex lens forming portion on the surface of the low softening point glass layer,
(3) a step of dry etching the exposed portion of the low softening point glass layer;
(4) a step of removing the mask pattern;
(5) A step of transforming the glass layer portion of the low softening point remaining on the substrate into a convex lens shape by heating the substrate at a temperature that softens only the low softening point glass, and (6) obtained in the step (5). The laminated structure composed of the substrate and the convex lens-shaped part is further subjected to dry etching, and the thickness of the convex lens-shaped part is cut away from the surface of the laminated structure toward the substrate side, so that only the original substrate material is used. The manufacturing method of a convex lens provided with the process of forming the convex lens which becomes.
５０＜ＳｉＯ２＜９５
０．０１＜Ｂ２Ｏ３＜１５
０．０１＜Ｐ２Ｏ５＜１５
０．０１＜ＧｅＯ２＜３０
０．０１＜Ａｌ２Ｏ３＜１０
０．０１＜ＴｉＯ２＜５
の範囲内にあり、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、ＧｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＴｉＯ２の少なくとも１種からなる添加成分の全濃度が３〜５０モル％の範囲内にある請求項１または２に記載の凸レンズの製造方法。The composition (mol%) of the low softening point glass is
50 <SiO 2 <95
0.01 <B 2 O 3 <15
0.01 <P 2 O 5 <15
0.01 <GeO 2 <30
0.01 <Al 2 O 3 <10
0.01 <TiO 2 <5
And the total concentration of additive components comprising at least one of B 2 O 3 , P 2 O 5 , GeO 2 , Al 2 O 3 and TiO 2 is in the range of 3 to 50 mol%. A method for producing a convex lens according to 1 or 2.
（１）シリカガラス基板上に低軟化点ガラス層を形成する工程
（２）低軟化点ガラス層表面に凸レンズ形成部を被覆するマスクパターンを形成する工程、
（３）低軟化点ガラス層の露出部分をドライエッチングする工程、
（４）マスクパターンを除去する工程、
（５）低軟化点ガラスのみを軟化させる温度で基板を加熱することにより、基板上に残した低軟化点ガラス層部分を凸レンズ形状に変形させる工程、および
（６）上記工程（５）で得られた基板と凸レンズ形状部とからなる積層構造体をさらにドライエッチングに供して、積層構造体の表面から基板側に向けて凸レンズ形状部の厚さ以上を削ることにより、当初の基板材料のみからなる凸レンズを形成させる工程
を備えた凸レンズアレーの製造方法。A method of manufacturing a convex lens array,
(1) A step of forming a low softening point glass layer on a silica glass substrate (2) A step of forming a mask pattern for covering the convex lens forming portion on the surface of the low softening point glass layer,
(3) a step of dry etching the exposed portion of the low softening point glass layer;
(4) a step of removing the mask pattern;
(5) A step of transforming the glass layer portion of the low softening point remaining on the substrate into a convex lens shape by heating the substrate at a temperature that softens only the low softening point glass, and (6) obtained in the step (5). The laminated structure composed of the substrate and the convex lens-shaped part is further subjected to dry etching, and the thickness of the convex lens-shaped part is cut away from the surface of the laminated structure toward the substrate side, so that only the original substrate material is used. The manufacturing method of the convex lens array provided with the process of forming the convex lens which becomes.
５０＜ＳｉＯ２＜９５
０．０１＜Ｂ２Ｏ３＜１５
０．０１＜Ｐ２Ｏ５＜１５
０．０１＜ＧｅＯ２＜３０
０．０１＜Ａｌ２Ｏ３＜１０
０．０１＜ＴｉＯ２＜５
の範囲内にあり、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、ＧｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＴｉＯ２の少なくとも１種からなる添加成分の全濃度が３〜５０モル％の範囲内にある請求項６または７に記載の凸レンズアレーの製造方法。The composition (mol%) of the low softening point glass is
50 <SiO 2 <95
0.01 <B 2 O 3 <15
0.01 <P 2 O 5 <15
0.01 <GeO 2 <30
0.01 <Al 2 O 3 <10
0.01 <TiO 2 <5
In the range of, B 2 O 3, P 2 O 5, claims GeO 2, Al 2 O 3 and total concentration of the additive component is at least one of the TiO 2 is in the range of 3 to 50 mol% 8. A method for producing a convex lens array according to 6 or 7 .
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