(57)【要約】【課題】光モジュールの簡易な製造方法。【解決手段】光モジュール１０の製造方法は、基板２０の第１の面２０ａに、溝部形成領域及び当該溝部形成領域内に設定されている光学素子形成領域を含むエッチング領域を設定する工程と、第１の面２０ａ上にレジストパターンを形成する工程と、レジストパターンをエッチングマスクとして用いて、傾斜端面２４及び当該傾斜端面と一体構成されている光学素子３０を一括形成する工程とを含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の第１の面に溝部形成領域及び当該溝部形成領域内に設定されている光学素子形成領域を含むエッチング領域を設定する工程と、
前記第１の面上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをエッチングマスクとして用いて、傾斜端面及び当該傾斜端面と一体構成されている光学素子を一括形成する工程と
を含むことを特徴とする光モジュールの製造方法。
【請求項２】
前記光学素子の形成工程は、直線状に延在している溝部の一端に、当該溝部の延在方向とは非垂直とされる傾斜端面及び当該傾斜端面と一体構成されている光学素子を具えている溝部を一括形成する工程であることを特徴とする請求項１に記載の光モジュールの製造方法。
【請求項３】
前記光学素子は、入力光の進行方向を偏光する光学素子として形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュールの製造方法。
【請求項４】
前記光学素子は、回折光学素子として形成されることを特徴とする請求項３に記載の光モジュールの製造方法。
【請求項５】
前記光学素子は、反射型の光学素子として形成されることを特徴とする請求項４に記載の光モジュールの製造方法。
【請求項６】
前記基板を、シリコン基板とすることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光モジュールの製造方法。
【請求項７】
傾斜端面が設けられている基板と、当該傾斜端面に、入射光を偏光する光学素子が前記傾斜端面と一体構成されて設けられていることを特徴とする光モジュール。
【請求項８】
前記光学素子は、回折光学素子であることを特徴とする請求項７に記載の光モジュール。
【請求項９】
前記光学素子は、反射型の光学素子であることを特徴とする請求項８に記載の光モジュール。
【請求項１０】
前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項７から９のいずれか一項に記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は微小光学素子を具えた光モジュールに関し、特にシリコン基板等の基板に作り込まれる光学素子を具えた光モジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回折現象を利用して入射光をコントロールする、特に曲面による格子断面形状を微小な複数の階段状の構造単位により近似した回折光学素子は、レンズ、分岐／合波、光強度分布変換、波長フィルター、各種回折バターンの形成等に利用されている。
【０００３】
このような回折光学素子としては多種多様な形状を有するものが知られている。この形状については、理論的な回折効率を考慮すると、断面としてみたときになめらかな曲面を含む鋸歯形状の構造単位を連続的に複数並べた形状とするのがよい。
【０００４】
いわゆるウェハプロセス、すなわちフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を適用して、シリコン基板に、断面が階段状の構造単位を複数配列して形成し、この構造単位を複数配列して、回折光学素子の光学的特性を近似的に再現するいわゆるシリコンマイクロレンズが知られている。
【０００５】
このようなシリコンマイクロレンズを用いた光モジュールとして、波長分波器から出力された平行光束を、透過型のシリコンマイクロレンズに入射して集光した後、かかるシリコンマイクロレンズから出射された出射光を、シリコン基板に設けられた斜面を反射面として、この出射光の進行方向を変換して、他の光デバイスに入力する構成が知られている（特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００６−１５４５３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような構成とすると、かかる平行光束を、シリコンマイクロレンズに正確に入射するために、平行光束の光軸方向及びシリコンマイクロレンズの配置を精度よく行う必要があった。
【０００７】
また、装置全体としてみると部品点数が多くなってしまうため、装置の製造工程が複雑になってしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。上記課題を解決するにあたり、この発明の光モジュールの製造方法によれば、下記のような工程を含んでいる。
【０００９】
すなわち、基板の第１の面に溝部形成領域及びこの溝部形成領域内に設定されている光学素子形成領域を含むエッチング領域を設定する。
【００１０】
第１の面上にレジストパターンを形成する。
【００１１】
レジストパターンをエッチングマスクとして用いて、傾斜端面及びこの傾斜端面と一体構成されている光学素子を一括形成する。
【００１２】
このとき、光学素子は、入力光の進行方向を偏光する光学素子として形成するのがよい。
【００１３】
また、光学素子は、いわゆる回折光学素子として形成するのがよい。
【００１４】
この場合には、光学素子は、反射型の光学素子として形成するのがよい。
【００１５】
また、この発明の光モジュールの製造方法を実施するにあたり、基板を、シリコン基板するのがよい。
【００１６】
また、この製造方法により製造される光モジュールは、下記のような構成を具えている。
【００１７】
すなわち、光モジュールは、傾斜端面が設けられている基板を含んでいる。
【００１８】
傾斜端面には、この傾斜端面と一体構成されて入射光を偏光する光学素子が設けられている。
【００１９】
この光学素子は、好ましくは回折光学素子である。
【００２０】
このとき、光学素子は、反射型の光学素子とするのがよい。
【００２１】
この基板は、シリコン基板とするのがよい。
【発明の効果】
【００２２】
この発明の製造方法によれば、新規な構成のフォトマスクを用いることにより、原則として１回の露光工程及び現像工程によって、精度よく形成される複雑な形状のレジストパターン、及びこのレジストパターンを用いて、レジストパターンの形状を転写する１回のエッチング工程のみで、入射光の進行方向を偏光する機能を有し、傾斜端面と、この傾斜端面と一体構成されている光学素子を製造することができる。すなわち、極めて簡易な工程で、斜面に設けられた光学素子を具えた光モジュールを製造することができる。また、改めて光学素子を位置合わせしつつ搭載する必要がないため、モジュール全体としての製造工程を極めて簡易にすることができる。
【００２３】
また、このような光モジュールとすれば、基板のエッチング工程により、斜面及び斜面に一体構成された光学素子を作り込むことができるため、部品数を削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、図面には、この発明が理解できる程度に各構成成分の形状、大きさ及び配置関係が概略的に示されているに過ぎず、これによりこの発明が特に限定されるものではない。また、以下の説明において、特定の材料、条件及び数値条件等を用いることがあるが、これらは好適例の１つに過ぎず、従って、この発明は何らこれらに限定されない。
【００２５】
なお、この発明の回折光学素子の製造方法における各製造工程は、フォトマスクを除き、原則として従来公知の材料及び製造装置を用いて実施することができる。従って、各製造工程における材料、条件等の詳細な説明は省略する場合もある。
１．フォトマスク
まず、この発明の光モジュールの製造方法に適用して好適なフォトマスクの構成例につき説明する。
【００２６】
図１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）を参照して、この発明の回折光学素子の製造方法に適用されるレジストパターン形成用のフォトマスクの構成について説明する。
【００２７】
図１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、フォトマスクの構成例を説明するための模式図である。図１（Ａ）は、フォトマスクの一部分を上方から見た模式的な平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った面で切った断面を示す図である。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った方向（Ｘ方向）の位置と、透過光の光強度の関係を説明するための図である。図１（Ｃ）において、横軸にＸ方向の位置を示し、縦軸に透過光の光強度を示している。
【００２８】
フォトマスク１１０は、石英ガラスなどの透明のマスク基板１２０上に、複数の、同一の大きさの正方形状のマスクセル１４０を有している。マスクセル１４０は、マスク基板１２０の一方の主表面に画成された複数の単位マスクセル領域に設定されている。
【００２９】
これら単位マスクセル領域は、互いに密接に隣接した状態で設けられている。例えば、単位マスクセル領域は、互いに直交するＸ方向（又は行方向とする。）及びＹ方向（又は列方向とする。）に引かれた直線である、複数の仮想格子状線１４６で、マスク基板１２０の一方の主表面に等間隔に仕切られて設定された領域とすることができる。従って、この場合には、これら単位マスクセル領域は、直交マトリクス（行列）配列として、配列されている。
【００３０】
マスクセル１４０には、光透過領域１４４と遮光領域１４２のいずれか一方又は双方が設定されている。
【００３１】
マスク基板１２０上の遮光領域１４２には、例えば、クロムを蒸着するなどして遮光膜１３０が設けられている。このマスクセル１４０がフォトマスク１１０を透過する光強度を制御する基本単位である。
【００３２】
同じ面積のマスクセル１４０の場合には、マスクセル１４０に対する光透過領域１４４の面積比により、マスクセル１４０を透過する光強度が与えられる。すなわち、マスクセル１４０中の、光透過領域１４４の面積が大きいほど、マスクセル１４０を透過する光強度が大きくなる（図１（Ｃ））。
【００３３】
ここで、複数のマスクセルのうち、列方向に連続して配列されたマスクセルが、遮光領域を有している場合には、これら遮光領域は列方向に順次に接続して連続的に設けられている。
【００３４】
また、複数のマスクセルのうち、行方向に連続して配列されたマスクセルが、光透過領域及び遮光領域を有している場合には、これら遮光領域は行方向に順次に不接続に設けられている。
【００３５】
なお、図１（Ａ）は、光透過領域１４４と遮光領域１４２の双方が設定されているマスクセル１４０が、Ｙ方向の仮想二分線１４８で二分され、仮想二分線１４８の一方の側（図中、仮想二分線の右側）に光透過領域１４４が設定されさらに、他方の側（図中、仮想二分線の左側）に遮光領域１４２が設定されている例を示している。
【００３６】
なお、各マスクセルについていえば、光透過領域１４４が仮想二分線１４８に対して同じ側に設定されているのがよい。以下に、その理由につき説明する。
【００３７】
レジストパターンの膜厚が変化しない領域では、同一の光強度のマスクセル１４０が連続して設定されることがある。
【００３８】
各マスクセル１４０について、仮想二分線１４８に対して、同じ側に光透過領域１４４が設定される構成にすると、Ｙ方向に連続して設けられる同一の光強度のマスクセル１４０については、遮光領域は一つの矩形として構成される。
【００３９】
マスクパターンを構成する矩形の数の増減に応じて、マスクパターンの生成に必要なデータ量も増減する。従って、各マスクセル１４０の遮光膜１３０を、一括して一つの矩形として形成すると、マスクパターンの生成に必要なデータ量を削減することができる。この結果、フォトマスクの製造にかかる時間を短縮するとともに、コストを削減することができる。
【００４０】
図１（Ａ）及び（Ｂ）では、全てのマスクセル１４０について光透過領域１４４と遮光領域１４２が設定されている例を示しているが、この例に限定されない。
【００４１】
すなわち、フォトマスク１１０は、光透過領域１４４だけが設定された、すなわち遮光領域がないマスクセル、あるいは、マスクセル１４０に遮光領域１４２だけが設定された、すなわち光透過領域がないマスクセルを有していてもよい。
【００４２】
マスクセル１４０の一辺の長さ（以下、マスクピッチと称することもある。）Ｐは、このフォトマスク１１０が用いられる露光装置の光学系の解像限界となる長さより小さく設定される場合もある。この場合には、フォトマスク１１０を用いてレジスト層に露光処理を行った場合には、フォトマスクのマスクパターンを解像できるだけのコントラストが得られない。
【００４３】
従ってこの場合には、フォトマスク１１０を用いてレジスト層を露光した後に現像すると、例えば基板に塗布されているレジスト層はこの基板から分離することなく、より滑らかに連続して膜厚が変化する曲面に近いレジストパターン形状を得ることができる。
【００４４】
露光装置として、例えば、波長λが３６５ｎｍであり、縮小投影倍率を５倍とするいわゆるｉ線ステッパを用いる場合には、露光光学系の解像性能は、投影レンズの開口数ＮＡ及びコヒーレンスファクタσに依存する。
【００４５】
表１は光学コントラストＭの、ピッチ（Ｐｉｔｃｈ）、開口数ＮＡ及びコヒーレンスファクタσに対する依存性を示している。ここで、光透過領域（スペース）４４の幅Ｄ、及び遮光領域（ライン）１４２の幅Ｗの比は、１：１としている。
【００４６】
ピッチはマスクピッチＰをレジスト層の上面に投影した長さに相当する。縮小投影倍率が５倍の場合には、このピッチは、マスクピッチＰの１／５になる。
【００４７】
光学コントラストＭは、Ｍ＝（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）で表される。フォトマスクを透過する光の光強度は正弦波的に変化し、その１周期内の光強度の最大値がＩｍａｘであり、最小値がＩｍｉｎである。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
一般に、露光光学系の解像力は、λ／ＮＡに比例する。よって、波長が短いほど、あるいは、開口数ＮＡが大きくなるほど、光学コントラストＭが０となるピッチ、すなわち、フォトマスクのマスクパターンを解像できるだけのコントラストが得られないピッチが小さくなる。
【００５０】
例えば開口数ＮＡが０．５であり、コヒーレンスファクタσが０．５の場合は、レジスト層上面におけるピッチが４８０ｎｍ（マスクピッチＰが２．４μｍ）以下になると、ウェハ上に投影される透過光の光強度の光学コントラストＭが０になる。
【００５１】
ただし、光学コントラストＭは０に限定されず、わずかに光学コントラストＭが発生したとしても、光学コントラストＭが与えるレジスト材料への影響が、許容できる範囲内であればよい。
【００５２】
例えば、開口数ＮＡが０．５であり、コヒーレンスファクタσが０．５である場合には、ピッチを５００ｎｍにすると、光学コントラストＭは０．０３となるが、この場合の光学コントラストＭがレジスト材料に与える影響は許容できる範囲内にある。
【００５３】
上述したように、マスクピッチＰの上限は、露光光学系により光学コントラストＭが０となる大きさに依存して決められる。
【００５４】
一方で、マスクピッチＰが短いほど、水平方向の分解能は高くなる。しかしながら、フォトマスクとして製造できる、光透過領域１４４の幅Ｄや、遮光領域１４２の幅Ｗを小さくすることは技術的に困難である。このため、光透過領域１４４の幅Ｄ、及び、遮光領域１４２の幅Ｗの最小値を固定して、マスクセル１４０の一辺の長さＰを小さくすると、光強度の可変幅が小さくなる。
【００５５】
例えば、レジストパターンレベルにおけるピッチが４８０ｎｍであるときに、使用できるマスク製造技術におけるレジストパターンレベルでの最小寸法が１５０ｎｍであるとする。
【００５６】
なお、以下の説明において、特に言及する場合を除いて、寸法としてレジストパターンにおける寸法に換算したものを用いている。フォトマスクにおける寸法は、レジストパターンレベルにおける寸法に縮小投影倍率、ここでは５倍を乗ずればよい。このとき、スペース幅、すなわち、レジストパターンレベルにおける寸法に換算した光透過領域の幅は、１５０ｎｍから３３０ｎｍに設定することができる。
【００５７】
一方で、ピッチが４００ｎｍであるときに、使用できるマスク製造技術での最小寸法が１５０ｎｍであるとする。このとき、設定できるスペース幅は、１５０ｎｍから２５０ｎｍの範囲になる。
【００５８】
スペース幅を１ｎｍ刻みで制御した場合の光の階調数は、ピッチが４８０ｎｍのとき１８１であり、ピッチが４００ｎｍのとき１０１になる。
【００５９】
ピッチが小さいと、光の階調数、すなわち、光強度の分解能が低下する。また、セル内における開口面積比は、ピッチが４８０ｎｍのとき３１％から６９％の範囲であり、ピッチが４００ｎｍのとき３８％から６３％の範囲である。つまり、ピッチが小さいと、光強度の可変幅が狭くなる。
【００６０】
高精度のマスク製造技術を用いれば、すなわち、マスク製造技術での最小寸法を小さくすれば、同等の階調数のまま、レジストパターンにおけるピッチを小さくすることができる。
【００６１】
例えば、ピッチを３００ｎｍとし、レジストパターンにおける最小寸法を７０ｎｍとすれば、設定できるスペース幅は７０ｎｍから２３０ｎｍの範囲となり、１ｎｍ刻みで制御した場合の階調数として１６１が得られる。
【００６２】
しかしながら、最小寸法を小さくすることは、マスクコストの増加を引き起こす。従って、レジストパターンにおけるピッチは対象パターン、露光光学系、マスク製造技術における最小寸法、マスクコストを考慮して最適な条件を選択する必要がある。対象とするレジストパターンの大きさが数＋μｍから数百μｍと十分大きい場合には、レジストパターンにおけるピッチは４００ｎｍから５００ｎｍの範囲とするのが好適である。
【００６３】
上述した、レジストパターン形成用のフォトマスクによれば、マスクセルごとに、透過する光強度を設定できる。従って、平坦面上に、例えば段差部を有するといった任意の形状のレジストパターン、中心からの距離が等しい場所のレジスト膜厚が等しくない任意の形状のレジストパターン等を形成する場合に、必要なフォトマスクを容易に得ることができる。
【００６４】
この発明の光モジュールの製造方法において、レジストパターンを形成するにあたり、適用して好適なフォトマスクのサイズを例示すると、ピッチは４００ｎｍであり、最小のスペース幅、すなわち光透過領域の幅は１２０ｎｍであり、かつ最大のスペース幅は２８０ｎｍである。
【００６５】
なお、この露光処理は従来公知のｉ線ステッパを用いて行うことができる。適用して好適なｉ線ステッパの例としては、株式会社ニコン製、ＮＳＲ−２２０５ｉ１１Ｄ（商品名）（以下、単にｉ線ステッパＡと称する。）が挙げられる。また、適用して好適なレジスト材料としては株式会社ＪＳＲ製、ＩＸ４１０（以下、単にレジスト材料Ａと称する。）が挙げられる。
【００６６】
図２に、このフォトマスク及び上述のレジスト材料Ａを用いて露光、現像を行った場合の１ピッチの光透過領域の幅と残存するレジストパターンの膜厚との関係をグラフとして示す。
【００６７】
光透過領域の幅が増大するほど残存するレジストパターンの膜厚は減少する。このように、光透過領域の幅と残存するレジストパターンの膜厚との関係からフォトマスク１１０のマスクセル１４０の配置を、所定のレジストパターン形状が得られるよう最適化することができることがわかる。
【００６８】
すなわち、このグラフに基づいて、所定の残存レジスト膜厚に対応する光透過領域の幅を選択したマスクセルを、得ようとするレジストパターンの各地点の膜厚に合わせて配置したフォトマスクを用いて露光工程を実施することにより、例えば回折光学素子の形状といった膜厚が非一様に連続的かつ立体的に変化するレジストパターンを１回の露光工程により得ることができる。
【００６９】
この発明の特に斜面に形成される光学素子の製造工程に適用して好適なフォトマスク１１０のマスクセル１４０の透過光の光強度は、規格化光強度とすることができる。すなわち、規格化光学強度とは、多数のマスクセルのうち、いずれかのマスクセルを透過した光の強度が最大であるとき、この最大光強度を１として決まる他のマスクセルを透過する光の強度の値である。従って、規格化光強度は１と０とをそれぞれ含むその間のいずれかの値をとる。各マスクセルには、エッチングによってどのような高さ変化を有する結果物を形成するのか、そのためにはどのようなレジストパターンを形成するのか考慮して、それぞれ設計上決められる規格化光強度が割り当てられる。
【００７０】
図３及び表２を参照して、レジストＡを用いた場合のマスクセルの光透過領域の幅Ｗ、遮光領域の幅Ｄ及び残存するレジストパターンの膜厚Ｒの関係につき説明する。この例で１７階調、すなわち１７階調それぞれに対応する露光及び現像工程後に残存するレジストパターンの膜厚につき説明する。
【００７１】
図３（Ａ）は、マスクセル１４０に設定されている光透過領域１４４と遮光領域１４２の構成例を説明する模式図であって、図３（Ｂ）は各階調に対応したレジスト膜厚を模式的に示す図である。
【００７２】
表２には、各階調に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄと基板上に残存する残存レジスト膜厚Ｒの関係を示してある。図２に示したグラフに基づき、横幅Ｄに対応する残存レジスト膜厚Ｒを示してある。なお、ピッチＰは、４００ｎｍである。
【００７３】
【表２】
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【００７４】
図３（Ｂ）及び表２に示すように、
第１７階調（Ｓｘ１７）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、２８０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは０．０７２μｍである。
【００７５】
第１６階調（Ｓｘ１６）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、２７０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは０．２１μｍである。
【００７６】
第１５階調（Ｓｘ１５）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、２６０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは０．３６μｍである。
【００７７】
第１４階調（Ｓｘ１４）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、２５０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは０．５２μｍである。
【００７８】
第１３階調（Ｓｘ１３）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、２４０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは０．６８μｍである。
【００７９】
第１２階調（Ｓｘ１２）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、２３０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは０．８４μｍである。
【００８０】
第１１階調（Ｓｘ１１）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、２２０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは１．０２μｍである。
【００８１】
第１０階調（Ｓｘ１０）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、２１０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは１．２μｍである。
【００８２】
第９階調（Ｓｘ９）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、２００ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは１．３９μｍである。
【００８３】
第８階調（Ｓｘ８）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、１９０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは１．５９μｍである。
【００８４】
第７階調（Ｓｘ７）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、１８０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは、１．８１μｍである。
【００８５】
第６階調（Ｓｘ６）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、１７０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは２．０３μｍである。
【００８６】
第５階調（Ｓｘ５）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、１６０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは２．２７μｍである。
【００８７】
第４階調（Ｓｘ４）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、１５０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは２．５２μｍである。
【００８８】
第３階調（Ｓｘ３）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、１４０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは２．７９μｍである。
【００８９】
第２階調（Ｓｘ２）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、１３０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは３．０８μｍである。
【００９０】
第１階調（Ｓｘ１）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、１２０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは３．４μｍである。
【００９１】
なお、この場合には、露光条件を、開口数ＮＡを０．５とし、コヒーレンスファクタσを０．５とし、かつ縮小投影倍率を５倍とするのがよい。
【００９２】
このようなマスクセルを、所期のレジスト形状の各部に対応する透過光量が得られるよう適切に配置したフォトマスクを使用して、透過光量、すなわち光透過領域１４４の横幅Ｄを任意の幅単位で変化させることにより得られる任意の階調数、例えば上述したような１７階調の膜厚により立体的に所望の形状に成形されたレジストパターンを１回のみの露光工程により得ることができる。なお、この階調数は例示に過ぎず、フォトマスクにかけるコスト、形成されるレンズ素子に求められる精度等を考慮して、任意の階調数とすることができる。
【００９３】
このとき、マスクセルの幅Ｐを、露光装置の光学系の解像限界より小さくすれば、より滑らかな曲面を近似することができる。
【００９４】
さらに、同一のフォトマスクを用いて、露光位置をシフトさせて複数回の露光処理を行う、従来公知のいわゆる多重露光を行えば、より精度よく所望の曲面を形成することができる。
【００９５】
２．光モジュール
図４、図５及び図６を参照して、この発明の光モジュールの構成例につき説明する。
【００９６】
図４（Ａ）は光モジュールを上面側からみた模式図である。図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示した直線Ｉ−Ｉ’に沿った切断端面を示す模式的な図である。図４（Ｃ）は図４（Ａ）に示した直線ＩＩ−ＩＩ’に沿った切断端面を示す模式的な図である。
【００９７】
図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す構成例では、光モジュール１０は、例えばシリコンウエハである基板２０に彫り込まれた溝部２２を有している。
【００９８】
基板２０は、平坦面である第１の面２０ａ、及びこの第１の面２０ａと対向する第２の面２０ｂを有している。
【００９９】
溝部２２は、直線状に延在している。図４（Ｂ）に示すように、溝部２２はこの例ではＶ字状の断面形状を有するいわゆるＶ溝とされている。
【０１００】
溝部２２は、一方の端部に傾斜端面２４を有している。この傾斜端面２４は、基板２０の厚み内に存在している。傾斜端面２４の平面的な形状は、この例では溝部２２の断面形状と同様の三角形状である。傾斜端面２４の上端部２４ａはこの三角形の一辺であって、第１の面２０ａ上に存在している。また、傾斜端面２４の下端部２４ｂは、溝部２２の最底辺に存在している。
【０１０１】
すなわち、傾斜端面２４は、この例では溝部２２の容積を減少させる方向に傾斜している。
【０１０２】
この傾斜端面２４には光学素子３０が一体構成されている（光学素子３０の詳細については後述する。）。
【０１０３】
この傾斜端面２４の反対側の端部には、平行光束を生成して、溝部２２の延在方向に出射することのできる、例えばレーザダイオード、波長分波器といった光学デバイス４０が設けられている。
【０１０４】
この例では、光学デバイス４０は、溝部２２に連続的に設けられているデバイス搭載溝２３に設けられている。
【０１０５】
ここで、図４を参照して、傾斜端面２４と一体的に構成されている光学素子３０について説明する。
【０１０６】
光学素子３０は、好ましくは例えば集光系又は結像系のレンズ素子とするのがよい。
【０１０７】
すなわち、この発明の光学素子３０は、（ｉ）入射光の光軸方向を変化させて出力する機能、（ｉｉ）入射光を偏光、例えば集光又は結像させる機能を併せ持っている。
【０１０８】
具体的には、光学素子３０は、好ましくは、例えば反射型の光学素子とするのがよい。
【０１０９】
図４（Ｃ）に示すように、反射型の場合には、光学素子３０は、光学デバイス４０から出射された平行光束Ｌ１を受光して、これを透過又は反射することにより集光又は結像させた出射光Ｌ２を出力する。そして、この出射光Ｌ２は、例えば受光デバイス５０により受光される。
【０１１０】
この光学素子３０は、好ましくは例えば、回折現象を利用して入射光をコントロールする、特に曲面による格子断面形状を微小な複数の階段状の構造単位により近似したいわゆる回折光学素子とするのがよい。回折光学素子とすれば、所望の光学特性を得つつ、溝部２２内の構造をよりコンパクトにまとめることができる。
【０１１１】
詳細は後述するが、この光学素子３０は、傾斜端面２４と同時に形成される。よって、基板２０をシリコン基板とし、光学素子３０をいわゆるシリコンマイクロレンズとするのがよい。
【０１１２】
ここで、図５及び図６を参照して、レンズ素子の構成例につき説明する。
【０１１３】
図５（Ａ）及び（Ｂ）は図４（Ｃ）に示したレンズ素子部分を拡大して示すレンズ素子の構成例である。
【０１１４】
図６は、図５で説明した形状のレンズ素子を形成するにあたり用いられるフォトマスクの光透過領域１４４の横幅Ｄとレンズ形状との関係を示すグラフである。
【０１１５】
なお、この例のレンズ素子３０は、反射型の集光レンズである。
【０１１６】
図５（Ａ）に示すように、レンズ素子３０は、傾斜端面２４から突出している全体として球欠状の形状、すなわち連続的かつ一体的な曲面として傾斜端面２４に構成されている。
【０１１７】
この例のレンズ素子３０の上側の端縁は、傾斜端面２４の上端部２４ａに一致している。すなわち、レンズ素子３０の上側の端縁は、傾斜端面２４の一辺である第１の面２０ａに接触している。また、レンズ素子３０の下側の端縁は、傾斜端面２４の下端部２４ｂ、すなわち溝部２２の底辺に接触している。
【０１１８】
このレンズ素子３０のサイズを例示したのが図５（Ｂ）である。図５（Ｂ）に示すように、このレンズ素子３０の最大高さ（垂直方向の高さ成分）は、溝部２２の底辺を基準にして、２００μｍ程度とされている。また、レンズ素子３０の最大幅（溝部２２の底辺に対して水平方向の幅成分）は１４０μｍ程度である。
【０１１９】
このような形状を有するレンズ素子３０を形成するのに用いられるフォトマスクの光透過領域の幅の分布を上述したレンズ素子３０の幅成分に対応させて示したのが図６である。
【０１２０】
図３及び表２を用いて既に説明したように、マスクセル１４０の光透過領域１４４の横幅Ｄを、２８０ｎｍから１２０ｎｍの範囲で、この例では１０ｎｍの幅単位で増減することにより得られる１７階調の光強度を持つマスクセルを、所望のレンズ形状が得られるように配置すればよい。
【０１２１】
なお、この例の１０ｎｍの幅単位での光透過領域１４４の横幅Ｄの変化は、単なる例示に過ぎず、フォトマスクのコスト、露光装置の光学系の解像限界といった条件が許容する範囲で、任意の幅単位、すなわち任意の階調数とすることができる。
【０１２２】
３．光モジュールの製造方法
以下、図を参照して、この発明の回折光学素子の製造方法につき説明する。ここでは、基板としてシリコン基板を用い、既に説明した構成を有する光モジュールの製造方法を例にとって説明する。
【０１２３】
この発明は、斜面とその斜面に一体に構成されている光学素子を同時に、かつ一回のエッチング工程で形成することをその本質としている。従って、この例では溝部内の傾斜面に、溝部と同時に傾斜面と一体構成されている光学素子を形成する例を説明するが、この発明は特にこのような例に限定されるものではない。
【０１２４】
この製造方法は、既に説明した構成を有するフォトマスクを用いる露光及び現像工程、並びにこの露光及び現像工程により形成されるレジストパターンをマスクとして用いる点に特徴を有している。
【０１２５】
このレジストパターンの形成工程以外の工程については、原則として、例えば従来の回折光学素子、特にシリコン基板を用いるシリコンマイクロレンズの形成工程と何ら変わるところがないため、従来と変わらない工程についての図示及び詳細な説明は省略する。
【０１２６】
図７（Ａ）は、製造工程を説明するための製造途中の構造体を上面側から見た平面図であり、及び図７（Ｂ)は、図７（Ａ）に示したＩ−Ｉ’線で切断した切り口を示す模式図である。
【０１２７】
図８（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、図８（Ｂ）に続く模式図である。
【０１２８】
まず、平行平板状の基板２０を準備する。基板２０は、平坦面である第１の面２０ａと、この第１の面２０ａと対向する第２の面２０ｂとを有している。この第１の面２０ａには、溝部形成領域２２Ｘ領域を設定しておく。溝部形成領域２２Ｘの形状は、形成される溝部２２の最大幅、延在長等を考慮して決定すればよい。この例では、既に説明したＶ字状の溝部２２の最大幅に等しい短軸を有する長方形の領域とされている。
【０１２９】
この溝部形成領域２２Ｘ内には、光学素子形成領域３０Ｘが設けられている。さらにこの例では、デバイス搭載溝形成領域２３Ｘが溝部形成領域２２Ｘに重なって設けられている。
【０１３０】
この発明に適用される基板２０は、シリコン基板に限定されず、好ましくはガラス基板、ゲルマニウム基板、ＩｎＰ基板といった種々のタイプの基板を用いることもできる。
【０１３１】
次に、基板２０の第１の面２０ａ１上に、この例ではポジ型のレジスト材料、例えば上述したレジスト材料Ａを塗布する。レジスト層６０Ｘの膜厚は、形成される光学素子３０の形状、すなわち平面的なサイズ（径）及び高さ、階調数等を考慮した膜厚とすればよい。
【０１３２】
この例ではマスクセル１４０の光透過領域１４４の幅の変化単位を１０ｎｍとし、１６階調の高さとして、径が２５０μｍ程度の光学素子を形成するものとする。この場合には、レジスト層６０Ｘの膜厚は、３．５μｍ程度とするのがよい。
【０１３３】
このレジスト材料の塗布は、従来公知のスピンコータを用いる回転塗布の手法によって行えばよい。
【０１３４】
次に、レジスト材料が塗布された基板２０に対してプリベーク処理を行う。このプリベーク処理は、選択されたレジスト材料に応じた条件で行うのがよい。プリベーク処理は、レジスト材料Ａを用いる場合には好ましくは例えば雰囲気温度９０℃で６０秒間行えばよい。
【０１３５】
次いで、フォトリソグラフィ工程の露光処理を行う。
【０１３６】
露光処理には上述した構成を有するフォトマスクを使用する。すなわち、この発明の製造方法によれば、このフォトマスクを用いる露光工程によりレジストパターン６０を形成することを特徴としている。
【０１３７】
この露光工程において、マスクセル１４０の透過光の光強度は、上述したように規格化光強度とする。
【０１３８】
マスクセル１４０の透過光の光強度を一般化すると、設定されたマスクセル１４０の光透過領域１４４の幅の変化単位ごとに０（第１光強度）≦第２光強度＜・・・＜第Ｘ光強度≦１（Ｘは、階調数に等しい正の整数である。）の範囲で変化させればよいことになる。すなわち、この例では１６階調であるので、第１光強度から第１６光強度まで１６段階で変化させることになる。
【０１３９】
この露光工程において、より高い精度で曲面を近似する必要がある場合には、同一のマスクセル１４０を用いて、マスクセル１４０とレジスト層６０Ｘとの相対位置をずらしながら複数回の露光処理を行う、いわゆる多重露光として露光工程を行うのがよい。
【０１４０】
露光処理を例えば上述したｉ線ステッパＡを用いて行う場合には、好ましくは例えば２８０ミリ秒間の露光処理を行う。
【０１４１】
その後、露光後ベーク処理が行われる。上述の態様では、好ましくは例えば雰囲気温度１１０℃で１００秒間の露光後ベーク処理を行えばよい。
【０１４２】
このフォトマスクの採用により、既に説明したような特に複数段の段差、あるいはこれら複数段の段差により近似される曲面といった複雑な形状であっても、所定の地点において除去されるレジスト層６０に深さに対応する光強度を精密に制御することができるため、原則として１回のみの露光工程により極めて精度のよいレジストパターン形状を形成することができる。
【０１４３】
次に、現像液を用いて現像処理を行う。この現像液は選択されたレジスト材料に任意好適な現像液を用いればよい。レジスト材料Ａを用いた場合には、好ましくは例えばアルカリ性現像液である東京応化工業株式会社製ＮＭＤ−３（商品名）を用いて９０秒間の現像処理を行えばよい。
【０１４４】
次いで、現像後ベーク処理を選択された材料に任意好適な条件で現像後ベーク処理を行う。レジスト材料Ａを用いた場合には、好ましくは例えば雰囲気温度１２０℃で１００秒間の現像後ベーク処理を行うことにより、図８（Ｂ）に示すような構成を有するレジストパターン６０を得る。
【０１４５】
レジストパターン６０は、形成しようとする構造を厚み方向に縮小又は拡大した形状を有するパターンとして形成される。具体的には、上側から見たレジストパターン６０の平面的なサイズは、所期の構成と同一サイズとして形成する。また、レジストパターン６０の立体的形状、すなわち、基板２０の厚み方向のレジストパターンのサイズについては、必ずしも所期の構成と同一サイズとしなくともよい。基板２０の厚み方向に対応するレジストパターンのサイズは、すなわちエッチング除去される深さは、レジストパターンと基板とのエッチングレートにより調節することができるため、選択されたエッチングレートに見合った適切なサイズとして、レジストパターン６０の立体的な形状を形成すればよい。
【０１４６】
既に説明したフォトマスクを用いて基板２０に塗布されたレジスト層６０Ｘに対し、フォトリソグラフィ工程を行うことにより、異なった複数通りの深さ（階調数）のパターン面を有するレジストパターン６０が形成される。
【０１４７】
図８（Ｂ）に示すように、レジストパターン６０は、平面形状は形成される溝部２２の平面形状とほぼ同一とすればよい。
【０１４８】
厚み方向の形状は、上述したように、基板とレジストパターンとのエッチングレートに準じた縮尺で拡大又は縮小すればよい。例えば、エッチングレートが基板：レジストパターン＝２：１である場合には、形成しようとする溝部光学素子３０を厚み方向にのみ、すなわち基板２０の第１の面２０ａに対して垂直方向に、１／２倍に縮小した形状とすればよい。また、エッチングレートが基板：レジストパターン＝１：１である場合には、形成しようとする光学素子３０、傾斜端面２４の形状と等しい形状とすればよい。
【０１４９】
具体的には、選択されたレジスト材料に応じた露光及び現像工程により、上述したような適当な縮尺のレジスト溝部６２、レジスト傾斜面６４及びレジスト光学素子７０が形成される。
【０１５０】
このレジストパターン６０をエッチングマスクとして用いて、常法に従いパターニングする。
【０１５１】
このパターニング工程において、レジストパターン６０は、それ自体削られながらシリコン基板２０にその形状を転写する。
【０１５２】
このパターニング工程は、基板面に垂直な方向からの異方性エッチングによりレジストパターン６０をエッチング除去しつつ行われる。エッチングの進行により、レジストパターン６０の輪郭形状が平行移動して、レジストパターン６０の高さの低い部分が消滅して順次に露出する基板２０の露出する順に削られて、露出したタイミングが早い部分ほど深くエッチングされてパターニング形成されていく。
【０１５３】
このエッチングは、レジストパターン６０がエッチングにより消滅すると同時に、あるいは、溝部２３及び傾斜面２４と一体構成された光学素子３０が完成した時点で停止される。
【０１５４】
このパターニング工程は、好ましくは例えばＲＦ（高周波）電源を具える従来公知のエッチング装置を用いて行うことができる。このとき、エッチャントとしては、好ましくはＳＦ6ガス及びＯ2ガスの混合ガスを用いるのがよい。
【０１５５】
次に、必要ならば、任意の形状として切り出すためのさらなるホトリソグラフィ工程及びエッチング工程、すなわちパターニング工程を行えばよい。
【０１５６】
さらに、基板２０に光学デバイス４０、受光素子５０といった部品を従来公知の工程に従って搭載することで光モジュールとして完成する。
【０１５７】
この発明の光モジュールの製造方法によれば、既に説明した構成を有するフォトマスクを用いることにより、１回又は多重の露光工程、現像工程による階段状形状といった複雑な形状のレジストパターンの形成工程、及びこのレジストパターンを用いる１回のエッチング工程による基板のパターニングのみで、例えば、溝部、溝部を画成する傾斜面、及び傾斜面に一体的に設けられる光学素子といった構造を形成することができる。すなわち、極めて簡易な工程で光モジュールを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５８】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、フォトマスクの構成例を説明するための模式図である。
【図２】１ピッチの光透過領域の幅と残存するレジストパターンの膜厚との関係を示すグラフである。
【図３】（Ａ）は、マスクセル１４０に設定されている光透過領域１４４と遮光領域１４２の構成例を説明する模式図であって、（Ｂ）は各階調（段）に対応したレジスト膜厚を模式的に示す図である。
【図４】（Ａ）は光モジュールを上面側からみた模式図である。（Ｂ）は（Ａ）に示した直線Ｉ−Ｉ’に沿った切断端面を示す模式的な図である。（Ｃ）は（Ａ）に示した直線ＩＩ−ＩＩ’に沿った切断端面を示す模式的な図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は図４（Ｃ）に示したレンズ素子部分を拡大して示すレンズ素子の構成例である。
【図６】フォトマスクの光透過領域の横幅とレンズ形状との関係を示すグラフである。
【図７】（Ａ）は製造工程を説明するための製造途中の構造体を上面側から見た平面図であり、（Ｂ)は（Ａ）に示したＩ−Ｉ’線で切断した切り口を示す模式図である。
【図８】（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、図７（Ｂ）に続く模式図である。
【符号の説明】
【０１５９】
１０：光モジュール
２０：基板（シリコン基板）
２０ａ：第１の面
２０ｂ：第２の面
２２：溝部
２２Ｘ：溝部形成領域
２３：デバイス搭載溝
２３Ｘ：デバイス搭載溝形成領域
２４：傾斜端面
２４ａ：上端部
２４ｂ：下端部
３０：光学素子
３０Ｘ：光学素子形成領域
４０：光学デバイス
５０：受光素子
６０：レジストパターン
６０Ｘ：レジスト層
６２：レジスト溝部
６４：レジスト傾斜面
７０：レジスト光学素子
１１０：フォトマスク
１１２：マスク基準点
１２０：マスク基板
１３０：遮光膜
１４０：マスクセル
１４２、１５２：遮光領域
１４４、１５４：光透過領域
１４６：仮想格子状線
１４８：仮想二分線
１６０：下地層
１７０：レジスト層
１７２：レジスト基準点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008089924.tif 000009
【図６】
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【図７】
2008089924.tif 000011
【図８】
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