(57)【要約】【課題】 光学素子が集積される基板の垂直方向及び水平方向への集光が可能なマイクロレンズ及びその製造方法とマイクロレンズが集積された光モジュール及びその製造方法を提供する。【解決手段】   基板５１上にマイクロレンズ構成物質の薄膜５２を形成する段階と、前記薄膜５２上にフォトレジストパターン５３を形成する段階と、前記フォトレジストパターン５３を用いたエッチング工程を通じて薄膜構造物５４を形成する段階と、前記薄膜構造物５４を熱処理してリフローによってマイクロレンズを形成する段階と、を含む。【選択図】  図５
2005025200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にマイクロレンズ構成物質の薄膜を形成する段階と、
前記薄膜上にフォトレジストパターンを形成する段階と、
前記フォトレジストパターンを用いたエッチング工程を通じて薄膜構造物を形成する段階と、
前記薄膜構造物を熱処理してリフロー(reflow)によってマイクロレンズを形成する段階と、
を含むことを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
【請求項２】
前記薄膜は、添加物(dopant)を含むSiO２薄膜である請求項１に記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項３】
前記添加物(dopant)は、GeO２、P２O５、B２O３、TiO２、Al２O３のうちいずれか一つ又はこれらの複数の組み合わせである請求項２に記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項４】
前記マイクロレンズの形状は、前記薄膜構造物と薄膜構造物との間の距離によって調節される請求項１に記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項５】
前記マイクロレンズの形状は、前記フォトレジストパターンの形状によって調節される請求項１に記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項６】
前記マイクロレンズ表面に無反射コーティング面を形成する段階をさらに含む請求項１に記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項７】
(a)基板上に下部クラッド層、コア層を形成する段階と、
(b)前記コア層、下部クラッド層を選択エッチングして前記基板上に平面光導波路パターンを形成する段階と、
(c)前記基板全面に上部クラッド層構成物質層を形成して平面光導波路を形成する段階と、
(d)前記平面光導波路の領域と予定されたレンズ形成領域以外の前記上部クラッド層構成物質層を選択的にとり除いて予定されたレンズ形成領域の前記基板上に薄膜構造物を形成する段階と、
(e)前記薄膜構造物を熱処理してリフローによってマイクロレンズを形成する段階と、
を含むことを特徴とするマイクロレンズが集積された光モジュールの製造方法。
【請求項８】
前記上部クラッド層は、添加物(dopant)を含むSiO２薄膜である請求項７に記載のマイクロレンズが集積された光モジュールの製造方法。
【請求項９】
前記添加物(dopant)は、GeO２、P２O５、B２O３、TiO２、Al２O３のうちいずれか一つ又はこれらの複数の組み合わせである請求項８に記載のマイクロレンズが集積された光モジュールの製造方法。
【請求項１０】
前記マイクロレンズの形状は、前記フォトレジストパターンの形状によって調節される請求項７に記載のマイクロレンズが集積された光モジュールの製造方法。
【請求項１１】
前記マイクロレンズ表面に無反射コーティング面を形成する段階をさらに含む請求項７に記載のマイクロレンズが集積された光モジュールの製造方法。
【請求項１２】
基板上に配列されたマイクロレンズ構成物質の薄膜と、
前記薄膜上に形成され、これを用いた前記薄膜のエッチングによって薄膜構造物が形成されるフォトレジストパターンと、
前記薄膜構造物のリフローによって前記基板上に形成されたレンズと、
を含むことを特徴とするマイクロレンズ。
【請求項１３】
基板上に整列された下部クラッド層及びコア層と、
前記コア層及び下部クラッド層の選択エッチングによって前記基板上に形成された平面光導波路パターンと、
前記基板全面に形成された上部クラッド層と、
前記平面光導波路の領域と予定されたレンズ形成領域以外の前記上部クラッド層構成物質層の選択的除去によって予定されたレンズ形成領域の前記基板上に形成された薄膜構造物と、
前記薄膜構造物のリフローによって前記基板上に形成されたレンズと、
を含むことを特徴とするマイクロレンズが集積された光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロレンズに関し、特に、マイクロレンズ及びその製造方法とマイクロレンズが集積された光モジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的にマイクロレンズは、光ファイバ、平面光導波路(Planar Light wave Circuit；ＰＬＣ)、レーザーダイオード(ＬＤ)及びフォトダイオード(ＰＤ)などの光素子ら間の接続を含んだその他の光通信及び光センサ、光電子製品で広く使用されている。
【０００３】
一方、光素子ら間の接続において高い光結合効率を得るためにさまざまな方法が試されてきた。
【０００４】
具体的には、数百マイクロメーター(μm)から数ミリメートル(mm)大きさの球形レンズ、GRIN(Graded Index)レンズ、１個または２個で構成された非球面レンズの組み合わせを用いて光素子を組立てる方式と結合しようとする光ファイバの端部分を半球面のレンズ形状で製作して受光効率を高める方法などが、一般的なフリー-スペース(free-space)光学方式として広く使用された。また、最近集積光学素子の発展によって、Si、InP、SiO２などの基板に垂直した方向への集光が可能な数百マイクロメーター以下の直径を有するマイクロレンズ及びレンズアレイを形成する方式も使用されている。
【０００５】
現在、２次元基板上で基板の垂直方向に集光が可能なマイクロレンズアレイは、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)イメージセンサ(Image Sensor)、ＦＰＡ(Focal Plane Array)などに広く使用されているし、特に、眼球の収差などを測定するためのハートマンシャークウェーブフロントセンサ(Hartmann-Shack Wavefront Sensor)などに応用されている。このようなマイクロレンズ及びレンズアレイを製造するための従来技術としては、フォトレジスト(ＰＲ)リフロー(reflow)方法が代表的である。
【０００６】
図１は従来のフォトレジストリフロー方法によるマイクロレンズ製造過程を示す図であり、図２はこれによって製造されたマイクロレンズアレイの拡大顕微鏡写真である。
【０００７】
先ず、図１の(a)でシリコーン、石英(quartz)、InP、GaPなどの基板１１に厚いフォトレジストパターン１２を形成した後、図１の(b)に示すように高温でリフロー(reflow)させて表面張力(surface tension)によってフォトレジストの形態を凸レンズ形状１３に変形させる。
【０００８】
図１の(c)で前記凸レンズ形状のフォトレジストパターン１３を用いたエッチング工程、例えば、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching；ＲＩＥ)によって前記凸レンズ形状のフォトレジストパターン１３のパターンを基板に転写(transfer)させて、図１の(d)に示すようなレンズ１４を形成する。
【０００９】
しかしながら、前記の従来方法は、フォトレジスト(ＰＲ)が温度と湿度に非常に敏感であるために再現性が低い短所を有しており、また、前記従来方法で製造することができるレンズの厚さにも限界がある。よって、前記従来技術によって製造されるマイクロレンズは、レーザーダイオードと光ファイバまたはレーザーダイオードと平面光導波路の光結合のように光学素子を集積する基板に対して水平方向への集光が必要な場合には適用することができない問題点がある。
【００１０】
このような問題点を解決するための従来の他の技術としては、図３に示すように、無反射コーティングされた数百マイクロメーターから数ミリメートル大きさの非球形または球形レンズ３１を、レーザーダイオード３２と光ファイバまたは平面光導波路３３との間に挿入して組立てる方法がある。
【００１１】
しかしながら、前記従来の技術で球形レンズを使用する場合、レーザーダイオードと球形レンズとの間の距離が最小でも数百マイクロメーター以上の値を有しており、これによりレーザーダイオードから発光された光が球形レンズを通過するときにレンズの中心部位を通過する光と外郭部位を通過する光は球面收差によってお互いに異なる地点で集まるようになるので、光結合効率が１０％程度と相当に低い。また、これより光結合効率が高い非球形レンズは、コストが非常に高くなるという短所を有している。
【００１２】
従来のさらに他の技術としては、図４に示すように、フリップチップボンディング(Flip-Chip Bonding)を用いて基板４１上に形成されたレーザーダイオード４２と光ファイバまたは平面光導波路４３を数十マイクロメーター以内で直接光結合する方法もある。
【００１３】
しかしながら、前記従来技術は、レーザーダイオードと光ファイバまたは平面光導波路のモード不一致(mode mismatching)によって結合損失(coupling loss)が発生し、またこのような結合損失はレーザーダイオードの接合精密度(bonding accuracy)に非常に敏感なので、接合工程での誤差が大きい損失を引き起こす短所がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記背景に鑑みて、本発明の目的は、光学素子が集積される基板の垂直方向及び水平方向への集光が可能なマイクロレンズ及びその製造方法とマイクロレンズが集積された光モジュール及びその製造方法を提供することにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、光ファイバ、または平面光導波路との整列及び製造が容易であり、再現性が高いマイクロレンズ及びその製造方法とマイクロレンズが集積された光モジュール及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
このような目的を達成するために、本発明のマイクロレンズの製造方法は、基板上にマイクロレンズ構成物質の薄膜を形成する段階と、前記薄膜上にフォトレジストパターンを形成する段階と、前記フォトレジストパターンを用いたエッチング工程を通じて薄膜構造物を形成する段階と、前記薄膜構造物を熱処理してリフロー(reflow)によってマイクロレンズを形成する段階と、を含むことを特徴とする。
【００１７】
望ましくは、前記マイクロレンズの形状は、前記薄膜構造物と薄膜構造物との間の距離によって調節されることを特徴とする。
【００１８】
望ましくは、前記マイクロレンズの形状は、前記フォトレジストパターンの形状によって調節されることを特徴とする。
【００１９】
また、前記他の目的を達成するために、本発明のマイクロレンズが集積された光モジュールの製造方法は、(a)基板上に下部クラッド層、コア層を形成する段階と、(b)前記コア層、下部クラッド層を選択エッチングして前記基板上に平面光導波路パターンを形成する段階と、(c)前記基板の全面に上部クラッド層構成物質層を形成して平面光導波路を形成する段階と、(d)前記平面光導波路領域と予定されたレンズ形成領域以外の前記上部クラッド層の構成物質層を選択的にとり除いて予定されたレンズ形成領域の前記基板上に薄膜構造物を形成する段階と、(e)前記薄膜構造物を熱処理してリフローによってマイクロレンズを形成する段階と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
【００２１】
第一に、既存の方法に比べて多様な大きさ及び形状等を有するマイクロレンズ及びレンズアレイの効果的な製造が可能であり、特に光学素子が集積される基板の垂直方向及び水平方向の集光が可能な３次元球形レンズの製造が可能となる。
【００２２】
第二に、レンズの製造工程は平面光導波路製造工程と集積化されて進行することができるので、工程の単純化及び集積化が可能であり、光ファイバまたは光導波路との整列が非常に容易な長所を有している。
【００２３】
第三に、エッチングされた薄膜構造物の高温熱処理工程での表面張力によるリフロー現象を利用するので、製造条件の変化によるレンズ形状の調節が容易であり、再現性が高くて追加的な装備と材料の使用が不必要なので、低コスト化が可能な長所を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の好適な実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明瞭にするために公知の機能又は構成に対する詳細な説明は省略する。なお、図面中、同一な構成要素及び部分には、可能な限り同一な符号及び番号を共通使用するものとする。
【００２５】
図５は本発明の望ましい実施例によるマイクロレンズ製造過程を示す断面図である。
【００２６】
先ず、図５の(a)で、シリコーン、石英(Quartz)などの基板５１上にGeO２、P２O５、B２O３などの添加物(dopant)が添加されたSiO２薄膜５２をＦＨＤ(Flame Hydrolysis Deposition)、またはＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)などを用いて形成する。
【００２７】
図５の(b)で、前記添加物(dopant)が添加されたSiO２薄膜５２上に一般的なフォトリソグラフィ(photolithography)工程を通じてフォトレジストパターン５３を形成する。このとき、フォトレジストパターン５３の形状は、製造しようとするレンズの形状、直径及び高さなどを考慮して多角形または円形で構成することができる。
【００２８】
図５の(c)で、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching)などのエッチング工程を通じて前記SiO２薄膜５２の所望の部分のみフォトレジストパターン５３に沿って多角柱、円柱などの３次元形状の薄膜構造物５４を形成する。前記薄膜構造物５４が導波路のように長い長方形の形状を有する場合、半円または円形の断面を有する円筒状レンズを製造することができるし、エッチングパターンが薄膜の厚さに比べて非常に大きい直径を有する円形である場合には、焦点距離が長い凸レンズの製造も可能である。本実施例は、フォトレジストパターンが正方形、すなわち薄膜構造物が正四角柱である場合の球形レンズ製造過程を示したものであり、工程の順序はレンズの大きさや形状等にかかわらず同一である。
【００２９】
図５の(d)で、前記薄膜構造物５４を攝氏数百度(℃)以上の高温で数時間の間加熱することにより、粘性流動(viscous flow)が形成されることができるようにする。このような熱処理過程で表面張力の影響で薄膜構造物は半径が最小化される、すなわち球形５５の形状に変形されて、レンズの形態を示すようになる。
【００３０】
前記本発明によるマイクロレンズの製造方法では、薄膜添加物(dopant)の種類及び含量、薄膜の熱処理温度、熱処理時間、薄膜構造物間の距離(図５の(c)に示された距離d)などによって半球型(hemispherical)、球形(spherical)などの多様な形状で製造が可能であり、フォトレジストパターン、すなわちエッチングパターンの模様によって多様な大きさや形状等のレンズを製造することができる。
【００３１】
図６は工程条件による多様な形態のレンズ製造結果を示したものであり、高さと幅がそれぞれ約６．５mmの長い長方形断面を有する薄膜構造物を１０５０℃の温度下で１２時間程度熱処理した結果を示している。図６の(a)、(b)、(c)は、それぞれ図５の(c)に示された薄膜構造物間の距離、すなわちdの値によるレンズ製造結果を示したものである。
【００３２】
図６の(a)に示すように、同一の条件で熱処理工程を進行する場合に薄膜構造物間の距離が小さい場合(例えばd=１．２mm)には、形成されたレンズの形態は半円形状の断面を有する。
【００３３】
図６の(b)はdが２．２mmである場合に製造されたレンズの断面を示し、距離dが増加するほど図６の(c)に示すように(d=６．２mm)レンズの断面形状は円形に近くなる。
【００３４】
薄膜構造物間の距離(d)以外にも、熱処理温度、時間、薄膜の添加物種類及び濃度(concentration)などによってレンズ形状の調節が可能であり、また本発明による製造方法では、基板単位の工程で進行されて一つの基板にいくつかのレンズを同時に製造することができるので、用途によって多数個のレンズアレイを同時に製造することができる。
【００３５】
図７及び図８は、単位基板７１、８１に多数のレンズアレイを製造した例及び実際の製造結果を示したものである。図７Ａ及び図７Ｂは半球型のレンズアレイ７２及びその結果を、図８Ａ及び図８Ｂは球形のレンズアレイ８２及びその結果をそれぞれ示す。図７Ｂ及び図８ＢはＦＨＤ(Flame Hydrolysis Deposition)方法によって形成されたドーピングSiO２薄膜(例えばGeO２、P２O５、B２O３などがドーピングされたSiO２薄膜)をエッチング工程を通じて円柱状に形成した後に、９００℃で１０時間の間熱処理して製造した半球型(hemispherical)及び球形(spherical)レンズアレイの写真を示したものである。図７Ｂ及び図８Ｂに示した二つの形態のレンズアレイは、単一基板上で同時に製造されたものであり、エッチングパターンの大きさを除いたすべての製造条件、例えば薄膜の厚さ、熱処理条件については同一である。
【００３６】
前記したように製造されたレンズアレイは、ハートマンシャークウェーブフロントセンサ(Hartmann-Shack Wavefront Sensor)、ＣＣＤイメージセンサなどに有用に使用されることができる。
【００３７】
図９は本発明により製造された球形レンズを用いたレーザーダイオードと平面光導波路(ＰＬＣ)の光結合方法を示したものである。
【００３８】
図９を参照すれば、フリップ-チップボンディング(Flip-Chip Bonding)を用いて基板９１上に搭載されたレーザーダイオード９２と平面光導波路９３との間に球形のマイクロレンズ９４が集積された形態であり、直接光結合する方法(図４)と比べると、レーザーダイオードのフリップ-チップボンディングの正確度が同一である場合にさらに高い光結合効率(coupling efficiency)を期待することができる。
【００３９】
図１０は、図９のように球形レンズと平面光導波路(ＰＬＣ)が集積された形態の光モジュールを製造するための工程を概略的に示す図である。
【００４０】
まず、図１０の(a)に示すように、一般的な平面光導波路(ＰＬＣ)の製造工程のように基板１０１上に下部クラッド層(under cladding)１０２及びコア層(core)１０３を形成する。
【００４１】
続いて、図１０の(b)に示すように、平面光導波路パターンを形成するためのエッチング工程を遂行して前記コア層１０３、下部クラッド層１０２を選択的に取り除く。このとき、本実施例では平面光導波路の形成領域以外の前記下部クラッド層１０２をすべて取り除いて基板１０１が露出するようにしたが、下部クラッド層１０２の厚さによって平面光導波路の形成領域以外の前記基板上にも前記下部クラッド層１０２が残留することもでき、必要な場合には露出した基板１０１自体がさらにエッチングされることもできる。また、前記基板１０１として石英基板を使用する場合には、基板自体が前記下部クラッド層１０２の役割を遂行するのでこの場合は必要な厚さ程度石英基板のエッチングが必要になる。
【００４２】
既存の平面光導波路(ＰＬＣ)の製造工程の場合に導波路パターン製作のためのエッチング工程でエッチング深さ、すなわちコア層の上部表面からエッチングが進行された部分までの深さは、コア層の高さと一致するか、それより少し大きい値を有する。すなわち、下部クラッド層はエッチングされないか、数mm以内の深さで少しエッチングが進行されることが一般的であるが、本発明による図１０の(b)段階ではマイクロレンズ１０６の組成を以後形成される上部クラッド層１０４のみで均一に形成するように十分な深さのエッチングが必要であり、このときエッチングの深さはコア層１０３の中心高さと以後形成されるマイクロレンズ１０６の中心が一致するように調節する。
【００４３】
続いて、図１０の(c)で、前記コア層１０３及び基板１０１上に上部クラッド層１０４を蒸着して平面光導波路の構造を形成する。
【００４４】
続いて、図１０の(d)で、前記平面光導波路の領域と予定されたレンズ形成の領域以外の前記上部クラッド層１０４を取り除いて、前記平面光導波路の前部に上部クラッド層の組成でなされた薄膜構造物１０５を形成する。
【００４５】
さらに、図１０の(e)で、前記薄膜構造物１０５を熱処理することでリフローによって球形のマイクロレンズ１０６が完成される。符号１１０は、平面光導波路を示す。図１１は、球形のマイクロレンズ１０６が完成された図１０の(e)の斜視図であり、１２０は発光素子または受光素子が搭載される領域を示す。
【００４６】
前記工程後に必要によって反射による損失を減少させるためにレンズに無反射コーティングをする工程が加えられることができるし、コーティング工程は基板単位または素子(chip)単位のプロセスすべてが可能である。
【００４７】
以上、本発明の詳細について具体的な実施形態に基づき説明してきたが、本発明の範囲を逸脱しない限り、各種の変形が可能なのは明らかである。従って、本発明の範囲は、上記実施形態に限るものでなく、特許請求の範囲のみならず、その範囲と均等なものにより定められるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来のフォトレジストリフロー方法によるマイクロレンズの製造過程を示す図である。
【図２】従来のフォトレジストリフロー方法によって製造されたマイクロレンズアレイの高倍率の顕微鏡写真である。
【図３】従来の球形レンズを用いたレーザーダイオードと平面光導波路の光結合方法を説明する図である。
【図４】従来のレーザーダイオードと平面光導波路との直接光結合方法を説明する図である。
【図５】本発明の望ましい実施例によるマイクロレンズの製造過程を示す図である。
【図６】薄膜構造物間の距離による多様な形態のレンズの製造結果を示す図である。
【図７Ａ】本発明によって単位基板に多数の半球型レンズアレイを製造した例を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ａの半球型レンズアレイを実際に製造した結果を示す写真である。
【図８Ａ】本発明によって単位基板に多数の球形レンズアレイを製造した例を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ａの球形レンズアレイを実際に製造した結果を示す写真である。
【図９】本発明によっての製造された球形マイクロレンズを用いたレーザーダイオードと平面光導波路(ＰＬＣ)との光結合方法を示す図である。
【図１０】本発明の望ましい実施例による、球形レンズと平面光導波路(ＰＬＣ)が集積された形態の光モジュールを製造するための工程過程を概略的に示す図である。
【図１１】図１０の(e)の斜視図である。
【符号の説明】
【００４９】
５１，９１，１０１  基板
５２  薄膜
５３  フォトレジストパターン
５４  薄膜構造物
５５，９４，１０６  マイクロレンズ
７１，８１  単位基板
７２，８２  レンズアレイ
９２  レーザーダイオード
９３  平面光導波路
１０２  下部クラッド層
１０３  コア層
１０４  上部クラッド層
１０５  薄膜構造物
【図１】
2005025200.tif 000003
【図３】
2005025200.tif 000004
【図４】
2005025200.tif 000005
【図５】
2005025200.tif 000006
【図７Ａ】
2005025200.tif 000007
【図８Ａ】
2005025200.tif 000008
【図９】
2005025200.tif 000009
【図１０】
2005025200.tif 000010
【図１１】
2005025200.tif 000011
【図２】
2005025200.tif 000012
【図６】
2005025200.tif 000013
【図７Ｂ】
2005025200.tif 000014
【図８Ｂ】
2005025200.tif 000015