(57)【要約】本発明の実施形態は、マイクロレンズのようなマイクロ光学要素を生成するための高精度のモールドの生成及び使用の方法及びプロセスを提供する。マスタモールドは少なくともグレースケール技術又は直接描画リソグラフィのうちの一方を使用し生成され、マスタモールドが生成されると、基板又はレジスト層上に高精度のマイクロ光学輪郭が設けられる。種々の材料から高精度のマイクロ光学要素を製作するのに使用される二次モールドの生成に、マスタモールドを使用してもよい。【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を設け、
前記基板にフォトレジストの層を堆積し、
前記フォトレジスト上の特定の位置で厚みを変化させる方法を使用してフォトレジストに所望のパターンを生成し、グレースケール輪郭化されたフォトレジストを製作し、
前記グレースケール輪郭化されたフォトレジストをハードコーティングで被覆して所望のグレースケール輪郭を有する表面を形成し、
前記ハードコーティング上にバッキングを設け、
前記基板と前記フォトレジストを前記ハードコーティングから除去して前記ハードコーティングからマスタモールドを形成し、
前記モールドマスタを使用したスタンピング又はモールディングにより少なくとも１つの光学要素を複製する
光学要素の製造方法。
【請求項２】
前記所望のパターンは、グレースケールリソグラフィと直接描画リソグラフィのうちの少なくとも１つを使用して生成される、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記グレースケールリソグラフィと共に高エネルギビーム感応処理を使用する、請求項２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記モールドマスタは前記マスタモールドから少なくとも１つの二次モールドを製作するために使用され、前記二次モールドは前記光学要素のスタンピング又はモールディングに使用される、請求項１に記載の製造方法。
【請求項５】
前記二次モールドは、スタンピング及びモールディングプロセスのうちの少なくとも１つを使用して少なくとも１つの光学要素を複製するために使用される、請求項１に記載の製造方法。
【請求項６】
前記コーティングはニッケルを含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項７】
前記コーティングと前記バッキングは同一の材料からなる、請求項１に記載の製造方法。
【請求項８】
前記ハードコーティングを、電気メッキ、スパッタリング、及び化学的気相成長法のうちのいずれか１つを用いて堆積する、請求項１に記載の製造方法。
【請求項９】
前記フォトレジストに生成されたパターンは、パターン形成されたモールドにより設けられる、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１０】
エッチング可能な基板を設け、
前記基板にフォトレジストの層を堆積し、
前記フォトレジスト上の特定の位置の厚みを変化させる方法を使用してフォトレジストに所望のパターンを生成して、グレースケール輪郭化されたフォトレジストを製作し、
前記基板をエッチングし、前記エッチングされた基板上に所望の光学要素の輪郭を製作してマスタモールドを生成し、
スタンピング及びモールディングのうちの少なくとも１つを使用して前記マスタモールドから少なくとも１つの光学要素を複製する
マスタ光学要素の製造方法。
【請求項１１】
前記基板は、グレースケールリソグラフィと直接描画ソグラフィのうちの少なくとも１つを使用してエッチングされる、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記グレースケールリソグラフィと共に高エネルギビーム感応処理を使用する、請求項１１に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記マスタモールドは前記マスタモールドから少なくとも１つの二次モールドを製作するために使用される、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記二次モールドは、スタンピング又はモールディングにより少なくとも１つの光学要素を複製するために使用される、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記コーティングはニッケルを含む、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１６】
前記エッチングされた基板を前記光学要素の外形に応じてハードコーティングで被覆する工程をさらに備える、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記フォトレジストに生成されたパターンは、パターンモールド形成されたモールドにより設けられる、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１８】
請求項１の製造方法に係るマイクロ光学要素。
【請求項１９】
請求項１０の製造方法に係るマイクロ光学要素。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は概してマスタの製作に関し、さらに詳しくは、グレースケールエッチングされた原型金型ないしはマスタモールド（master mold）からの大量複製に使用される、マイクロ光学要素ないしはマイクロレンズの製作方法に関する。
【関連技術の背景】
【０００２】
射出成形樹脂を製造するためのマスタモールドを製作するプロセスが種々存在する。例えばレーザ直接描画（laser-direct write）は、バイナリピットの生成に使用されるプロセスである。この方法は、コンパクトディスク工業においてフォトレジストに初期マスタを製作するために使用されている。しかしながら、この方法は応用が非常に特化しており、データ記憶工業以外では使用が限定される。
【０００３】
マスタモールドを製作する１つの方法のプロセスでは、ダイアモンド工具（diamond turning）ないしはダイアモンド高密度刻線機（diamond ruling machine）を必要とする。この方法では複雑なステージングシステムに搭載されたダイアモンド切削工具を使用する。性質が最適となるようにその結晶軸が向いている選択されたダイアモンドが、構造の形成に使用される。材料がステージングスシステムに配置され、ダイアモンドチップが材料を粉砕又は切除して所望のマスタモールド構造が残される。しかしながら、通常、ダイアモンド工具及び高密度刻線機には製作することが可能な構造の複雑度に限界がある。また、これらの装置における解像度及び忠実度は、マイクロレンズの製作における制限要因である。
【０００４】
マスタモールドを製作する他のプロセスとしては、バイナリリソグラフィがある。このプロセスでは、所望の表面トポロジーの階段状近似を製作するために標準的なバイナリリソグラフィとエッチングサイクルを使用し、表面構造の範囲を限定するための多数の追加の製作工程を有する。しかしながら、このプロセスでは高精度のマイクロレンズに要求される滑らかで深い構造を効果的に製作できないので、このプロセスはある種の構造の製造に関して問題がある。
【０００５】
高い解像度と忠実度を有する滑らかで深い構造を製作することが可能であり、マイクロレンズのようなマイクロデバイス用のマスタモールドを生成できる製法に対する要求がある。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の実施形態では、マイクロスケールのレベルで使用され、樹脂材料からマイクロレンズをモールドするための高品質で高精度のマスタモールドを製作するために、電気メッキのようなコーティングプロセスと共にグレースケール技術が使用される。
【０００７】
本発明の１つの実施形態によれば、基板上にレジストの層を設け、グレースケールリソグラフィや直接描画リソグラフィのプロセスを使用してレジストに所望のパターンを生成することにより、マスタモールドが生成される。パターン付けされたレジストにハードコーティング材料が設けられる。基板とレジストが除去され、高精度のマスタモールドが残る。次に、マスタモールドは次の金型ないしはモールドの成形に使用してもよく、高精度のマイクロレンズ又は他のグレースケール構造の生成に使用してもよい。
【０００８】
本発明の第２の実施形態によれば、基板上にレジストの層を設け、グレースケールリソグラフィや直接描画リソグラフィのプロセスを使用してレジストに所望のパターンを生成することで、マスタモールドが生成される。レジストのパターンに従って基板がエッチングされる。ハードコーティングが基板上に設けられ、高精度のマスタモールドが生成される。
【０００９】
明細書に組み込まれてその一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を図示し、記述と共に本発明の原理を説明する。
【詳細な説明】
【００１０】
本発明の原理に従い、ここで実施され広範に説明されるように、本発明の原理に合致するプロセスは、マイクロ光学要素や、グレースケール輪郭を有する他のリソグラフィ的に製作される構造の製作に使用することができる。このプロセスの１つの実施形態は、エッチング可能な基板を設け、この基板をエッチングしてエッチングされた基板上に所望のマイクロ光学要素の外形ないしは輪郭（contour）を製作し、この所望のマイクロ光学要素の輪郭をハードコーティングで被覆し、このハードコーティングからエッチングされた基板を除去してハードコーティングによりモールドマスタを形成し、このマスタモールドからマイクロ光学要素をスタンピング又はモールディングすることを含む。付加的には、このマスターマイクロ光学要素モールドは、二次金型ないしは二次モールド（secondary mold）をモールドするために使用してもよく、次いで、二次モールドは、オリジナルのマスタモールドを摩耗させることなく部品を大量製作するのに使用することができる。
【００１１】
本発明の原理に合致する他の実施形態に従い、ここで実施され広範に説明されるように、マスタモールドの製造のための代案のプロセスが提供される。このプロセスは、概ね、エッチング可能な基板を設け、この基板をエッチングしてエッチングされた基板上に所望のマイクロ光学要素の輪郭を製作し、この所望のマイクロ光学要素の輪郭をハードコーティングで被覆し、スタンピングとモールディングプロセスのうちの少なくとも１つを使用して少なくとも１つのマイクロ光学要素を再製作することを含む。付加的には、マスタモールドは、二次モールドを生成するために使用してもよく、次いで、二次モールドは。オリジナルのマスタモールドを摩耗させることなくマイクロ光学要素ないしはマイクロレンズを大量製作するのに使用することができる。
【００１２】
図１はマスタモールドの例示のイメージを示す。図１はウェハないしは基板１０、レジスト１２、及びコーティング１４を示す。図１に示す構造は、参照することで本説明に全体が組み込まれるガル（Gal）に付与された米国特許第５，４８２，８００号及び米国特許５，３１０，６２３号に記載のグレースケールリソグラフィプロセスを使用して生成することができる。このプロセスでは、複数の開口を有するバイナリマスクが生成され、与えられた位置での開口の面積は露光密度（exposure density）や制御レベル（control level）に関連している。高エネルギビーム感応（High Energy Beam Sensitive:ＨＥＢＳ）を使用するもののような、他のグレースケールプロセスも使用することができる。このようなＨＥＢＳプロセスでは、ＨＥＢＳガラスを比較的高エネルギの入射ビームで露光し、ＨＥＢＳガラス上に照射されたビームの強度と関連する選択的な黒化（darkening）を製作する。次に、露光されたＨＥＢＳガラスは、所望の輪郭のグレースケールエッチングを容易にするために感光材料を露光するマスタマスクとして使用してもよい。代案としては、感光材料を露光してグレースケール輪郭を製作するために、直接電子線描画技術（direct beam writing techniques）を使用してもよい。
【００１３】
グレースケールリソグラフィプロセスでは、基板上のフォトレジストにパターン形成するためにグレースケールマスクを使用し、その後に基板がエッチングされて湾曲形状が形成される。フォトマスク層を形成するためのフォトレジストのパターン形成は、単一のグレースケールマスクのみにより実行することができる。代案としては、２枚のグレースケールマスクを使用することで、厚さが変化するフォトレジストを生成するためにフォトレジストをパターン形成することができる。
【００１４】
種々の位置でフォトレスジストの厚さを異ならせることで、基板材料で再製作できるパターンを形成することができる。フォトレジストが露光されると、現像されたフォトレジストに所望のパターンの痕跡ないしはインプレッション（impression）が製作される。
【００１５】
グレースケールマスクを介して選択された波長の光をフォトレジスト材料に露光し、選択された時間の間に光が露光マスクの開口を透過することで、フォトレジストにイメージインプレッション（image impression）が製作される。通常、光は紫外線である。続いて、露光されたフォトレジストには、ＲＩＥ（Reaction Ion Etching, 反応イオンエッチング）やＤＲＩＥ（Deep Reaction Ion Etching ディープ反応イオンエッチング）のようなエッチング法を使用した、基板材料に所望の対象（object）を得るための処理がなされる。
【００１６】
直接描画グレースケールプロセス（direct writing gray scale process）を使用して図１に示す構造を作製できることは、当業者であれば認識できる。直接描画は、パターンを構成する要素がマスクによって同時に形成されるのではなく順次形成されるパターン転写のプロセスである。この技術は、電子に対して感応するレジストフィルムで被覆された表面を電子のビームで走査し、レジストフィルムに所望のパターンのエネルギを堆積させる。露光を変化させて非バイナリの表面トポロジーを製作するために、種々の方法でビームを変調することができる。このプロセスを使用する利点は、殆ど原子レベルの非常に高い解像度が可能であることと、この技術が種々の材料及び殆ど無制限の数のパターンに有効な柔軟性のある技術であることである。
【００１７】
この応用のプロセスでは概ねレジストを使用するが、パターンないしは輪郭を基板に直接エッチングしてもよいことは、当業者であれば認識できる。また、ポリイミドのような典型的なフォトレジストや電子ビームレジストではない材料に最初のマスタモールドを設けてもよいことも認識できる。
【００１８】
さらにまた、参照することで本発明に全体が組み込まれるハーチャンコ（Harchanko）他の米国特許出願１０／１１５，９９２号に記載されているようなフォトレジストにパターンを転写するための精密なモールドを使用するプロセスを、フォトレジスト層又は同様の材料にパターンを設けるために使用してもよい。
【００１９】
コーティング１４はいかなる好適な硬質の材料でもよく、例えば電気メッキ技術を使用して製作されたニッケルのメッキ層があり、この場合には露光されたレジスト１２を備えるウェハないしは基板１０が電気メッキ槽に配置され、レジストの表面にニッケルが成長する。他の好適な物質を使用できることは、当業者であれば認識できる。
【００２０】
当業者が想到するようなコーティング１４を製作するための他のプロセスを使用してもよいことは、当業者であれば認識できる。例えば、電気メッキの代わりに、スパッタリングを使用してもよく、この場合ターゲット材料にアルゴンイオンが衝突する。置換されたターゲット材料の分子がウェハ表面に堆積する。コーティング１４を製作するために使用できる他のプロセスとしては、化学的気相成長法を使用することができ、この場合には制御された化学反応により薄い表面膜が生成される。
【００２１】
図２（ａ）〜（ｄ）は、マスタモールドを作製するためのプロセスの実施形態を示す。図２（ａ）はその上にレジストないしは同様の材料１２を堆積した基板１０を示す。基板１０上にレジスト１２を堆積すると、レジスト１２内に所望のパターンを得るために、前述のグレースケールプロセスが使用される。図２（ｂ）は基板１０と所望のパターンを有するレジスト１２を示す。レジスト１２内に所望のパターンが得られれば、図１２（ｃ）に示すようにハードコーティング（hard coating）１４がレジスト１２上に成長される。ハードコーティング１４のレジスト１２と向き合う面が、マスタモールドのモールディング面である。再製作プロセスにおいてマスタモールドを補助的に支持するために、図２（ｄ）に示すように、バッキング（backing）１６をマスタモールドに設けてもよい。バッキング１６は当業者に知られているいかなる好適な材料で製作してもよい。
【００２２】
バッキング１６を配置すると、レジスト１２及び基板１０が除去されてハードコーティング１４とバッキング１６が残り、マスタモールドが生成される。図３は、レジスト１２と基板１０を除去したコーティング１４とバッキング１６を示す。次に、マスタモールドは精密な樹脂部品の大量再製作に使用される。マスタモールドは二次モールドの生成に使用してもよい。
【００２３】
図４は、本発明の実施形態に合致するモールディング技術を使用するマイクロ光学要素ないしはマイクロレンズを製造するためのプロセスに含まれる工程の例示的な流れ図を示す。図４に示すように、基板が設けられる（ステップ３０）。基板上にレジストが設けられ、マイクロ光学要素の輪郭を設けるためにレジストにパターンが生成される（ステップ３２）。この工程はグレースケールリソグラフィプロセスや直接描画リソグラフィプロセスを含む多数の異なるプロセスを使用して行うことができる。次に、輪郭がハードコーティング１４で被覆される（ステップ３４）。このコーティングは、ニッケル又は他のモールド材料を使用した電気メッキ技術により形成することができる。電気メッキ技術に代えてスパッタリング又は化学的気相成長法を使用することができることは、当業者であれば認識できる。また、この工程では、ハードコーティングを設けた後に、ハードコーティングにバッキングを加え、マスタモールドを支持してもよい。
【００２４】
表面を被覆した後、基板及びレジストが除去されたマスタモールドが形成される（ステップ３６）。この工程は当業者に知られている化学溶剤を使用する剥離プロセスによりなされる。次に、マスタは好適な材料で部品をスタンプ又はモールドするために使用される（ステップ３８）。光学要素に適した材料としては、例えば、モールディングやスタンピングが可能なように十分に軟化できる光学グレード樹脂（optical grade plastic）や他の材料がある。例えば、マスタモールドは射出成形装置で使用してもよく、この場合モールドはその中に樹脂射出される高圧チャンバの壁の１つとして使用される。代案としては、マスタモールドをエンボス機で使用してもよい。樹脂に代えてゾル−ゲルガラスを使用できることは、当業者であれば認識できる。
【００２５】
図５は本発明の原理に合致するマイクロ光学要素を製造するためのプロセスの他の実施形態の例示的な流れ図である。この実施形態では、基板はレジストの設計でエッチングされ、ハードコーティングは基板に設けられる。図５に示すように、エッチング可能な基板が設けられる（ステップ４０）。パターン形成されたたレジストが基板に設けられ、次にマイクロ光学要素の輪郭を設けるために基板がエッチングされる（ステップ４２）。この工程はグレースケールリソグラフィプロセスや直接描画リソグラフィを含む多数の異なるプロセスを使用して行うことができる。本発明の１つの実施形態では、エッチングされた基板をマスタモールドとして使用してもよい。本発明の他の実施形態では、基板に生成されたマイクロ光学輪郭をハードコーティングで被覆し、このハードコーティングがマスタモールドを形成してもよい（ステップ４４）。このコーティングは、ニッケル又は他のモールド材料を使用した電気メッキ技術により形成することができる。電気メッキ技術に代えてスパッタリング又は化学的気相成長法を使用することができることは、当業者であれば認識できる。このように作製されたマスタモールドは、前述のように樹脂又は他の好適な材料から部品をスタンプ又はモールドするために使用される（ステップ４６）。例えば、マスタモールドは射出成形装置で使用してもよく、この場合モールドはその中に樹脂射出される高圧チャンバの壁の１つとして使用される。代案としては、マスタモールドをエンボス機で使用してもよい。樹脂に代えてゾル−ゲルガラスを使用できることは、当業者であれば認識できる。
【００２６】
図６は、オリジナルのマスタモールドから製作した二次モールドないしは子モールド（daughter mold）の例示的なイメージを示す。いったんマスタモールド要素が製造されるとオリジナルのマスタモールドの摩耗を避けるために、オリジナルのマスタモールドから二次又は子のモールドを製作することができる。この製作は当業者に知られている好適な技術により行うことができる。例えば、二次モールドはスタンピングプロセスを使用して製作される。二次又は子のモールドは、前述のように射出成形装置又はエンボス機で使用される。
【００２７】
図７は、好適な材料から部品を生成するために使用される二次モールドの例示的なイメージを示す。例えば、二次モールドが射出成形装置で使用され、当業者に知られた技術を使用して二次モールドにモールディングを行えば、好適な光学樹脂から高精度のマイクロレンズのような部品を製作することができる。
【００２８】
本発明の変形及び適応は、ここで開示された本発明の詳細及び実施を考慮すれば当業者にとって明らかである。詳細及び例は例示としてのみ考慮されることを意図しており、本発明の真の範囲及び真意は請求項により示される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の原理に合致するマスタモールドの例示的なイメージを示す。
【図２（ａ）】本発明の原理と合致するマスタモールドの生成方法の例示的なイメージを示す。
【図２（ｂ）】本発明の原理と合致するマスタモールドの生成方法の例示的なイメージを示す。
【図２（ｃ）】本発明の原理と合致するマスタモールドの生成方法の例示的なイメージを示す。
【図２（ｄ）】本発明の原理と合致するマスタモールドの生成方法の例示的なイメージを示す。
【図３】本発明の原理に合致するマスタモールドの他の実施形態の例示的なイメージを示す。
【図４】本発明の原理に合致するマイクロ光学要素の製作方法の工程の流れ図を示す。
【図５】本発明の原理に合致するマイクロ光学要素の製作方法の他の実施形態の工程の流れ図を示す。
【図６】オリジナルマスタによる二次マスタの製造の例示的なイメージを示す。
【図７】モールディングを使用した二次マスタの樹脂部品の製造の例示的なイメージを示す。
【符号の説明】
【００３０】
１０  基板
１２  レジスト
１４  コーティング
１６  バッキング
【図４】
2005508269.tif 000002
【図５】
2005508269.tif 000003
【図６】
2005508269.tif 000004
【図７】
2005508269.tif 000005
【国際公開パンフレット】
2005508269.tif 000006
2005508269.tif 000007
2005508269.tif 000008
2005508269.tif 000009
2005508269.tif 000010
2005508269.tif 000011
2005508269.tif 000012
2005508269.tif 000013
2005508269.tif 000014
2005508269.tif 000015
2005508269.tif 000016
2005508269.tif 000017
2005508269.tif 000018
2005508269.tif 000019
2005508269.tif 000020
2005508269.tif 000021
2005508269.tif 000022
【国際調査報告】
2005508269.tif 000023
2005508269.tif 000024