(57)【要約】【課題】より精密で低い費用で光学効果を有する構造物を備えた光学素子の作製を可能にするマスターを作製する方法、マスター及び光学素子を作製する方法を提供することである。【解決手段】マスター（１）に形成された構造物を光学基板上に成形し又は熱間型押しすることにより光学効果を有する構造物を備えた光学素子を、作製するための該マスター（１）を作製するための方法であって、前記方法が以下の工程：すなわち、基板（２）を用意する工程と；該基板（２）の表面をコーティングして該基板（２）に被膜（３）を形成する工程と；該被膜（３）を構築化して該被膜（３）内に構造物を形成する工程とを含む方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学効果を有する構造物を備えた光学素子を、マスター（１）に形成された構造物を光学基板上に成形し又は熱間型押しすることにより作製するための、該マスター（１）を作製するための方法であって、前記方法が以下の工程：すなわち、
基板（２）を用意する工程と；
該基板（２）の表面をコーティングして該基板（２）に被膜（３）を形成する工程と；
該被膜（３）を構築化して該被膜（３）内に構造物を形成する工程とを含む方法。
【請求項２】
前記被膜（３）を構築化する工程がイオンビームエッチング（ＩＢＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）及び化学的利用イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）の１つからなる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基板（２）の表面をコーティング工程が、マスク層（１１；１１，１２）を形成する工程と、該マスク層（１１；１１，１２）にパターンを形成する工程をさらに含む請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記マスク層を形成する工程が、フォトレジスト層（１１）を前記被膜（３）に施す工程を含む請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記パターンを前記マスク層（１１；１１，１２）に形成する工程が、以下の工程：すなわち、
前記フォトレジスト層（１１）に接触しているか、その近傍に配置されているマスク層（１２）を用意する工程と；
該マスク層を介して前記フォトレジスト層（１１）を露光して該フォトレジスト層（１１）内に構造物を形成する工程を含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記被膜（３）を構築化する工程が、該被膜（３）又はマスク層（１１；１１，１２）を直接加工する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記直接加工する工程が、構造物を該被膜（３）に又はマスク層（１１；１１，１２）にイオンビーム又は電子ビームで描き込む工程を含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記マスク層がフォトレジスト層（１１）からなる請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記直接加工する工程が、前記被膜（３）内に又はマスク層（１１；１１，１２）に構造物を形成するレーザー除去工程を含む請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記基板（２）の表面をコーティングする工程が、光学基板の材料とのマスター（１）の濡れ性を低下させる材料でコーティングする工程を含む請求項１ないし請求項９に記載のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記被膜（３）の材料の熱膨張係数を該基板（２）の材料の熱膨張係数に合致させる請求項１ないし請求項１０に記載のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記被膜（３）を構築化する工程が該被膜（３）内に窪みを形成する工程を含み、前記窪みが該被膜（３）の下面まで達しない請求項１ないし請求項１１に記載のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記被膜（３）を構築化する工程が該被膜（３）の少なくとも一部（４ｂ）に構造物を形成する工程を含み、前記構造物（１０）が、熱間成形又は熱間型押しによる成形後、回折光学構造物を形成させる請求項１ないし請求項１２に記載のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記基板の表面をコーティングする工程が、
ｄ≧λ／Δｎ
この式でλは回折光学構造物により屈折する光の波長に相当し、Δｎは光学基板の材料の屈折率と空気の屈折率との差に相当する、により規定される厚みｄを備えた被膜（３）を形成する工程を含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記被膜（３）内の構造物（１０）がｍ加工工程で形成され、該構造物が段付き状に形成され２ｍの多くの異なった高さ部位を含む請求項１３又は１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記被膜(３)内の構造物（１０）がコンピュータ生成ホログラムである請求項１３又は１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記被膜（３）を構築化する工程が、少なくとも一部に構造物（１０）を形成する工程を含み、前記構造物は熱間成形又は熱間型押しによる成形後、光学基板の表面に屈折光学構造物を形成させる請求項１ないし請求項１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
マスター（１）に形成された構造物を成形又は熱間型押しによって光学基板の表面に光学効果を有する構造物を作製するためのマスターであって、前記マスターが、上に被膜（３）を形成した基板（２）からなり、前記構造物（１０）が該光学基板の表面に成形されあるいは熱間型押しされるマスターに形成される該マスターにおいて、前記構造物（１０）が前記被膜（３）内に形成されることを特徴とするマスター。
【請求項１９】
前記マスターが請求項１ないし請求項１７に記載の方法によって作製される請求項１８に記載のマスター。
【請求項２０】
前記基板が少なくとも一部段付き状に形成され、あるいは少なくとも部分的に窪み及び／又は隆起を有する請求項１８又は１９に記載のマスター。
【請求項２１】
光学効果を有する構造物を含む構造素子を作製する方法であって、前記方法が以下の工程：すなわち、
基板（２）と該基板（２）に施された被膜（３）からならなり、構造物（１０）が該被膜（３）内に形成されるマスター（１）を用意する工程と；
光学基板の表面に該構造物（１０）を成形あるいは熱間型押しして該基板に光学効果を有する構造物を形成する工程を含む方法。
【請求項２２】
前記マスター（１）を用意する工程が、請求項１ないし請求項１８に記載のいずれか１項に記載の加工工程を含む請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記構造物を成形しあるいは熱間型押しする工程が前記光学基板の表面を熱間成形又は熱間型押しする工程を含む請求項２１又は２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記構造物（１０）を成形しあるいは熱間型押しする工程が、プラスチック又はポリマー層を型押しし、前記プラスチック又はポリマー層を硬化させて光学効果を有する構造物が形成される層を形成する工程を含む請求項２１又は２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記プラスチック層が合成樹脂層として設けられる請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記合成樹脂層を硬化する工程が、合成樹脂層をＵＶ照射する工程を含む請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記構造物を成形しあるいは熱間型押しする工程が以下の工程：すなわち、
請求項１９ないし請求項２１のいずれか１項に記載のマスターによって形成された少なくとも１つの壁部（２５）を備えたキャビティ（２７）を用意する工程と；
溶融ガラス、溶融ガラスセラミック先駆ガラス、プラスチック及びポリマーのうちの１つを前記キャビティ（２７）内に射出成形、圧縮成形、ブロー成形あるいは圧縮成形とブロー成形する工程とを含む請求項２１又は２２に記載の方法。
【請求項２８】
上に光学効果を有する構造物（４２，４３）が少なくとも部分的に形成される少なくとも１つの面を備えた光学素子において、前記光学効果を有する構造物が請求項２２ないし請求項２７のいずれか１項に記載の方法によって製造されることを特徴とする光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概略的には、マスター又は工具に形成された構造物を光学基板の表面上に成形又は熱間型押しすることよって光学的効果を持たせる構造物を備えた光学素子の作製に関する。本発明は特に、そのようなマスター又は工具を作製する方法、マスター又は工具、及び回折及び／又は屈折構造物を備えたそのような光学素子を作製する方法に関する。本発明の他の観点は表面に製造された光学的効果を有する構造物を備えた光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記タイプの光学素子は、例えばガラス、ガラスセラミック又はプラスチックの透明材料から通常作られる。光学収差を低減あるいは補償するために、光学効果を有する構造物が高精度で製造されることが必要とされる。機械的加工工程を用いた作製方法が、この目的のため、例えばレンズの研削、研磨あるいは光学基板に複数の溝を形成することによる格子特に強光沢格子の作製が公知である。
当技術水準により公知の他の適切な方法では、光学効果を有する構造物が、光学基板の表面上へ、マスター又は工具に作られた構造物を成形し又は熱間型押しすることにより製造される。この場合、マスター上に製造された構造物は光学効果を有する製造予定の構造物のネガに対応している。熱間成形又は熱間型押し法は光学構造物の表面上のマスターに製造された構造物を成形又は熱間型押しするために使用される。これらの方法では、光学基板が、その表面を変形できる温度まで加熱され、光学基板とマスターが、光学基板の表面上のマスターに製造された構造物を成形又は熱間型押しするのに十分な圧力で互いに押し付け合う。別の公知方法では、光学基板の材料が、マスターを適切に配置した金型に注入又は射出される。後者の方法はプラスチック材料からなる光学素子の大量生産に特に適している。
【０００３】
上記全ての方法での１つの共通する態様は、マスターと光学基板を互いに分離する（成形品を取り出す）必要があることである。これは構造物の達成可能なアスペクト比、すなわち深さ対幅の比を現実的に、すなわち約１：１の値に制限する。成形又は熱間型押しプロセスは光学基板の材料の溶融温度近くで又はそれより高い温度で常に行われるため、光学基板の材料が成形品取り出しプロセス時に、すなわち、マスターを光学基板から分離する時にマスターに付着する傾向があることが避けられないからである。これにより成形又は熱間型押しプロセスの精度が低下し、マスターの使用寿命とその精度を悪化する。この点で、上記成形技術の利点は、大量の光学素子を高価な後続の加工工程を必要とすることなく同じマスターにより一定の精度で製造できれば、費用効果がよいだけであることを考慮に入れることが必要である。この理由は特に精密なマスターと熱間成形工具又は熱間型押し工具を作製するための比較的高いコストで分かる。
【０００４】
光学基板にマスターの材料が直接付着しないようにマスターの表面に保護被膜を設けることが公知である。そのような保護被膜は厳密な要件を満たすことが必要である。この保護被膜は特にマスターの基板に、光学基板の材料との保護被膜の濡れ性は低いままに密着して接続される必要がある。これは保護被膜の材料の選択及びマスター基板をコーティングするコーティング技術をかなり制限する。さらに、高均質で輪郭にぴったりの被膜がマスターの構築面に、マスターの表面のコーティング構造物を基板に精密に成形又は熱型押しできるように選択されたコーティング技術で塗布する必要がある。これはさらに、保護被膜の材料と使用すべきコーティング技術の選択を制限する。
この構造を半導体コンポーネントの製造から公知の技術、特にフォトリソグラフィー技術で、マスター基板の表面に非常に精密に製造することができる。しかし、保護被膜は構造物のある歪、特に縁部の丸みや表面粗さをもたらす。これらの影響は特に、非常に微細な構造物及び／又は高アスペクト比の構造物を成形する際に考慮する必要がある。
従って、熱間成形や熱間型押し法で使用するために精密で耐久性があるマスター又は工具を開発することが望ましい。マスターは特に光学素子の大量生産に使用されるため、高価な作製方法による光学素子の大量生産でもかなりの経済的利点が達成される。
【０００５】
室温で変形可能なゲル層に導波管を型押しする方法が、W. Lukosz et al.による「硬質無機導波材で一体光学コンポーネントを製造する型押し技術」光学報告、１９８３年１０月、８巻、No.１０、５３７〜５３９頁に開示されている。この薄膜は浸漬延伸法で有機金属化合物から製造される。型押し後、この薄膜は数百度の温度で硬化され、無機酸化物材料に変えられる。型押し時に、有機ゾル−ゲルを設けた基板がマスター格子に押し付けられる。マスター格子はアルミニウム層でコーティングされている。
ＵＳ６，５９１，６３６Ｂ１は、工具と、ガラスを形成する方法を開示している。酸化及び腐蝕プロセスが、ガラス成形時、特にかなりのアルカリ成分及び／又はアルカリ鉄成分を備えたガラス化合物の成形で観察される。これにより特に望ましくない曇ったガラス面となる。異なった耐酸化性及び耐蝕性化合物が成形工具をコーティングするために提案されており、前記化合物は電気めっきあるいは物理的蒸着（ＰＶＤ）あるいは化学的気相成長（ＣＶＤ）によって塗布される。
【０００６】
ＪＰ２００３−３４２０２５Ａは、微細構築された光学素子、例えばマイクロレンズアレー、格子、フレネルゾーン付きレンズ等を作製するためのマスターを開示している。該構造物の精度は１ミクロン未満である。この構造物は初めに、シンクロトロン放射によりダミー上にフォトリソグラフィー技術により製造される。ニッケルベース合金がこのように構築されたダミー上に電気めっきにより施される。ダミーを被膜から取り除いた後、光学素子を作製するマスターが得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、より精密で低い費用で光学効果を有する構造物を備えた光学素子の作製を可能にするマスターを作製する方法、マスター及び光学素子を作製する方法を提供することである。この方法はまたより精密で低い費用で実現される利用可能な光学素子を作製することを目的とする。
本発明によれば、これらの目的及び別の目的は、請求項１に係るマスターを作製する方法で、請求項１８に係る光学素子を作製するマスターで、請求項２１に係る光学素子を作製する方法で、及び請求項２７に係る光学素子で達成される。他の有利な実施形態はそれぞれの従属請求項の対象を構成する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明はマスターに形成された構造物を光学基板の表面上に成形又は熱間型押しすることによって光学効果を有する構造物で光学素子を作製するためのマスターを作製する方法であって、該方法が以下の工程、すなわち、基板を用意する工程と、該基板に被膜を製造するために基板表面をコーティングする工程と、光学基板の表面に成形されあるいは熱間型押しされる構造物を形成するために被膜を構築化する工程を含む方法を開示している。
本発明によれば、成形されあるいは熱間型押しされる構造物が被膜内にあるいは被膜の表面にそれぞれ直接製造されるため、それらの輪郭や精度は既に構築されたマスターに保護被膜を塗布する従来の場合のように別のコーティングプロセスによりこれ以上損なわれることはない。従って、本発明は、光学効果を有する構造物のより急峻でより精密な縁部急勾配と粗さを低減した微細な構築化を達成することが可能である。
【０００９】
この発明の他の利点は、様々な異なったコーティング技術及び／又はコーティング材料が使用できる点にあり、すなわちコーティングプロセス時の条件を本発明に係る方法でかなり単純化される点にある（すでに製造した構造物を均一にコーティングすることは最早必要がない）。
光学コンポーネントの品質は、本発明が表面粗さが殆ど無い非常に均一で均質な被膜を実現できることによりさらに改善することができる。
この発明によれば、特に基板に塗布される被膜の殆ど任意の材料を、特に光学基板の材料と低い濡れ性を有利に備えた材料を、選択することができる。微細構造物の被膜用の前記のような材料は、多くが当技術水準から公知の方法では、全く使用できないというわけではないが非常な困難を伴う。
【００１０】
イオンビームエッチング（ＩＢＥ）法、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＥ）法又は化学利用イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）法が、これらの方法によって被膜内に構造物を非常に精密で均質に製造可能になるため、被膜を構成するのに特に適していることが明らかになった。
この発明の他の態様は光学素子を製造するマスター、光学素子を作製する方法及び装置、及び光学効果を有する構造物、特に回折及び／又は屈折構造物を少なくとも部分的に製造する少なくとも１つの面を備えた光学素子に関する。
他の特徴、利点及び達成すべき目的を説明する添付図面を参照してこの発明を以下具体的に説明する。
同一又は同じ機能の要素又は要素グループは全ての図で同じ参照符号で示す。
【発明を実施するために最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明による光学素子を作製するマスターの概略断面図を示す。このマスターは、光学効果を有して光学基板の表面に形成される構造物のネガとして好適に機能する。図１によれば、全体的に符号１で示されているマスターが基板２を備え、その表面に被膜３が形成されている。基板は熱間成形と熱間型押し法で使用される圧力と温度に耐えるのに十分な寸法安定度を有している。基板２は好ましくは鋼、炭化タングステン（ＷＣ）又はモリブデン（Ｍｏ）からなっている。図１によれば、被膜３は、光学効果を有し、光学基板（図示せず）に成形される、あるいは型押しされる構造物のネガとして機能する複数の構造物１０を設けた状態で構築されている。図１によれば、構造物１０が被膜３内に製造されている。構造物１０は特に、基板２から遠い被膜３の面に製造されている。この発明によれば、被膜３は以下さらに詳細に説明されるように被膜材料の直接沈積により基板２の上面に塗布され、該基板２にその全面に亘り密着状態で結合されている。
【００１２】
図１によれば、構造物１０は被膜３面の一連の実質的に矩形の隆起と窪みから構成されている。しかし、本発明は被膜内の実質的に矩形の構造物に限定されない。逆に、本発明に係る構造物１０は、光学効果を有し光学基板に製造される構造物で達成される必要のある光学効果に依存する他のどのような輪郭をも採ることができる。この構造物のそれぞれの輪郭は以下さらに詳細に説明するように被膜３を構築化するために使用される方法にも依存する。
図１によれば、被膜３の面の窪みは基板２の表面まで完全に達していない。逆に、ある最小厚みを有する被膜の材料層が窪みの底部に残っている。図１による実施形態では、光学基板の材料が構造物１０の成形又は型押し時に基板２の材料に常に確実に接触しない。この理由はすなわち、最小厚みを有する被膜３の材料層が、光学基板とマスター１の基板２との間に常に介在するからである。
【００１３】
この発明によれば、被膜３の材料は、光学基板の材料と最低の濡れ性を有するものが選択され、その材料に、光学効果を有する構造物が成形され型押しされる。これは材料選択が原則的に光学基板の材料に依存していることを意味している。ガラス基板又はガラスセラミック基板を熱間成形又は熱間型押しする場合、貴金属又は貴金属合金の被膜を利用することが特に有利であることが分かった。その理由は、すなわち被膜３がこの場合光学基板の材料と低い濡れ性であるように有利に実現できるからである。例えば、被膜３は白金（Ｐｔ）及びロジウム（Ｒｈ）の合金からなってもよい。
【００１４】
ガラス又はガラスセラミックの酸化及び／腐蝕を防止する被膜３用の材料を利用することも有利であることが分かった。この種の材料はＵＳ６，５９１，６３６Ｂ１に開示されている。この発明に係る被膜３を製造するために特に使用できる具体的な材料は以下の通りである。
Ｃｒ                  ＭＣｒＡｌＹ                ＳｉＣ／ＭＯ
Ｃｒ２Ｏ３              Ｄｕｒａ−ニッケル３０１    ＺｒＯ２
Ｃｒ２Ｏ３Ｓｉ          ステライト６                ＣｏＣｒＡｌＹ
ＣｒＮ／ＣｒＣ        ＭｇＯ                      Ｐｔ／Ｒｈ
ＴｉＣ                Ｎｉ／Ｎ                    Ｉｒ
ＴｉＣＮ              Ａｌ２Ｏ３                    ＥｒＯ
ＴｉＡｌＮ            Ｎｂ／ＮｂＣ                ＴｉＢ２
ＴｉＣ／Ａｌ２Ｏ３        Ｂ４Ｃ／Ｗ                  ＮｉＷＢ
ＴｉＮ                Ｂ４Ｃ／ＭＯ                ＭｇＡｌＹ
ＴｉＣＮ／ＴｉＣ／ＴｉＣＮ／ＴｉＮ      ＳｉＣ／Ｗ
【００１５】
この発明によれば、被膜３の最小厚みｄは原則的には、わずかの制約しかない。品質と材料節約の理由から、構造物１０の窪みが基板２の表面に完全に達しないように原則的にできるだけ小さい厚みｄを好適に維持するようにする必要がある。被覆最小厚みｄは、光学基板に成形され又は熱間型押しされる構造物の輪郭により一般に規定される。回折構造物、例えば回折格子、強光沢回折格子、ホログラフ回折格子、フレネルレンズ、フレネルゾーン付きレンズ等を構造物１０によって成形又は熱間型押しする必要があれば、最小厚みｄの被膜３は、λが回折光学効果を有する構造物により回折させるべき光の波長に相当し、Δｎが光学効果を有する構造物を製造すべき光学物質の材料の屈折率と空気の屈折率との差に相当場合に、ｄ≧λ／Δｎが当てはまるように、好適に選択される。例えば、１０．６μｍの波長のＣＯ２レーザーのレーザー光を回折するための回折構造物を作製し、光学物質が約ｎ＝３．４の屈折率を備えたＳｉからなる場合、上記方式による被膜３の最小厚みｄが約４μｍになる。可視及び近赤外線範囲で光を回折するための被膜３の対応最小厚みｄは１〜２μｍである。
【００１６】
被膜３の構造物１０が屈折光学素子、例えばマイクロレンズ、マイクロレンズアレー、マイクロプリズム、顕微鏡のミラー等を製造するために使用される場合、被膜３の最小厚みｄは光学基板の面上のこれらの屈折構造物の最小高さで規定される。しかし、この発明は実際上は、この点で何ら制約を受けない。その理由は略任意の層厚さの複数層を、適切な被膜技術により基板２に容易に塗布できるためである。
図１によれば、基板２の上面は平面である。被膜３の上面の粗さは被膜３の材料と選択された被覆方法により規定されるが、基板２の上面の粗さにより影響を受けることもある。例えば、基板２の上面が比較的粗いと、被膜３の上面も比較的粗く、その場合少なくとも厚みｄが相対的に小さい。選択プロセスパラメータにより、基板２の表面を微細に研磨又はラップ仕上げしてもよい。
図１によれば、基板２の上面は平面形状にされ、すなわち窪み、隆起、又は段差がない。しかし、この発明は原則的に隆起及び／又は窪みをその表面に備えた基板に、例えば、図２ａや図２ｂに具体的に示されたような窪み、隆起、及び／又は段差が設けられた基板にも適している。
【００１７】
この発明に係るマスターの他の実施形態を、図２ａ、図２ｂを参照して以下説明する。図２ａによれば、マスター１の基板２は第１平面部４ａと第２平面部４ｂとからなり、段差がこれらの平面部間に形成されている。所定厚みの被膜３がこの段差付き基板２に塗布されている。従って、この基板２の段差は被膜３内に段差状移行領域６を自動的に作り出している。
その後、互いに等距離に離間した幾つかの球形窪みを第１平面部４ａ上方に、また互いに等距離に離間した一連の鋸歯状突起を第２平面部４ｂ上方に形成するために被膜３が構造化される。図７に具体的に示したような光学素子が、被膜３を有する構造物を成形又は熱間型押しすることで作製することができる。図７によれば、光学素子４０は屈折光学素子及び回折光学素子、すなわち左側の球形マイクロレンズ４３と右側の強光沢回折格子４２のアレーから構成されており、段差が回折領域４２と屈折領域４３との間に配置されている。
【００１８】
図２ｂは凹所又はキャビティ５が基板２に形成されている他の実施形態を示す。成形又は熱間型押し後、これは凸面、例えば光学レンズの凸面になる。一定の厚みの被膜３が基板２の表面に形成されている。この基板２は比較的大きく作製されているが、複数の微細構造物が拡大部分に示されているように被膜３の表面上に形成されている。この拡大部分によれば、鋸歯形状１０が被膜３の表面上に形成されている。複数の鋸歯状窪みや隆起が形成されている凸面を備えた光学素子が図２ｂに示されたマスター１の構造物を成形することで作製することができる。
図２ｃによれば、原則的に被膜３内に製造されたそれぞれの鋸歯状フランクは連続して、すなわち端から端まで部分的に延在することができる。しかし、これは以下更に詳細に説明されるように被膜３内に部分的に連続する構造物１５をそれぞれ製造するために適切な方法を利用する必要がある。
【００１９】
原則的に微細構造物は逐次実施される幾つかの加工工程で形成することもできる。２ｍの垂直の段を有する微細構造がｍの加工工程で製造可能であることは、原則的に当技術水準から公知である。図２ｄによれば、図２ｃに示した鋸歯形状は結果的に微細構造１６の段差数を選択することで連続フランクと近づけることができる。基板２の被膜３内にコンピュータ発生ホログラムを実現化するためこの発明によれば図２ｄに示されたような段付き構造物を使用することができる。
図１に示したマスターを作製する具体的な加工工程を、図３ａ〜３ｄを参照して以下説明する。図３ａは、マスターを作製する本発明に係る方法が、被膜３が設けられている基板２で開始されることを示している。この被膜は図３ａでは１種類の一定厚みで図示されているが、原則的には種々の厚さの一定厚み部分を備えていてもよい。基板２は殆ど表面粗さのない平面平行基板から好適になっている。製造予定の光学効果を有する構造物より大きい寸法で、基板２には原則的に図２ｂに示したような形状が設けられる。
【００２０】
基板２をコーティングするために使用される方法は、被膜３の組成に、及び被膜３の所定の特性、特にその表面粗さに左右される。適切な方法の例は、例えば、電気めっき、プラズマスプレーコーティング、スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、プラズマ利用スパッタリング、イオンビームスパッタリング（ＩＢＤ）、物理的蒸着（ＰＶＤ）、化学的気相成長（ＣＶＤ）、電子利用又はプラズマ利用物理的蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ；ＩＢ−ＰＶＤ）、及び電子ビーム利用又はイオンビーム利用蒸着（ＥＢＡＤ；ＩＢＡＤ）、ＰＩＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ及び分子線エピタキシー（ＭＢＥ）である。
発明者により実施された研究により、約１００ｎｍ  ｒｍｓ（二乗平均）の平均表面粗さが、約１０μｍのオーダーの光学波長（例えばＣＯ２レーザー）に十分であり、約５ｎｍ  ｒｍｓ未満の平均表面粗さが可視及び紫外線スペクトル範囲での用途に十分であり、約１ｎｍ  ｒｍｓ未満の平均表面粗さがフォトリソグラフィー露光装置（ウエハーステッパー）での利用に十分である。
【００２１】
マスク構造物は、図３ａに示されたようなコーティングされた基板に適用され、前記マスク構造物が被膜３内に構造物を形成する後続のエッチング工程時にマスクとして機能する。種々のエッチング技術が当技術水準から公知である。以下の具体的な加工工程の説明はイオンビームエッチング法（ＩＢＥ；「イオンビームミリング」法ともよく呼ばれる）に基づいている。しかし、以下の加工工程の説明は例示に過ぎず、この発明は他の全てのドライエッチング又はウェットエッチング法、特に反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）及び化学利用イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）も利用可能であることが明記される。
図３ｂによれば、被膜３にはフォトレジスト層１１がコーティングされ、この層は露光１３により該フォトレジスト層１１に所定のパターン、例えば周期的構造物、格子構造物又は他の光学構造物を形成するために使用される。該フォトレジスト層１１は従来通り構成され、作製されている。該フォトレジスト層１１は下に位置する被膜３にパターンを転写するのに足りる厚みで塗布される。
【００２２】
フォトレジスト層１１に適切なパターンを形成するために、図３ｂに示したようにマスク１２をフォトレジスト層１１に接触させあるいはフォトレジスト層１１上に直接配置する。その後、マスク１２を適切な波長の光１３、例えばＵＶ放射線で露光する。マスク１２の透過部から出た光１３により、フォトレジスト層１１の露光部が、その材料特性によって化学変化を起こす。
勿論、この発明による方法ではマスク１２を利用することが絶対的に避けられないことではない。例えば、構造物を光ビームで、好ましくはエキシマレーザーのような光ビームでフォトレジスト層１１に直接描く事ができる。本発明の他の実施形態によれば、ホログラフパターンをフォトレジスト層１１に直接描くことができ、その場合にはフォトレジスト層１１が２本のコヒーレント光ビーム、好ましくは、例えばＵＶエキシマレーザーのようなレーザー光ビームで処理される。
【００２３】
露光後、マスク１２を取り除き、フォトレジスト層１１を現像液で現像し、フォトレジスト層１１の未露光領域あるいは露光領域を、使用した種類のフォトレジストに基づいて洗浄する。フォトレジストを洗浄した後、所定のパターンが図３ｃに示したようにフォトレジスト層１１に残る。このパターンは顕微鏡下で前に光学的に検査可能であり、必要なら、フォトレジスト層１１の構造物が十分に製造されなかった場合、手直し又は完全に除去してもよい。この場合、図３ａ〜３ｃに示された加工工程は、所定のパターンがフォトレジスト層１１に形成されるまで再度実施される。
【００２４】
次に、フォトレジスト層１１のパターンをエッチング工程のマスクとして使用し、そのパターンを被膜３に転写する。このプロセス時に、フォトレジスト層１１によってコーティングされた被膜３の領域はエッチング媒体と反応せず、従って、エッチング除去されない。このエッチング工程が完了した後、フォトレジストの残存部を公知の溶剤を利用して除去する。
図３ｅに模式的に示されている本発明の他の実施形態によれば、このエッチング工程は、被膜３が二層、すなわち下部エッチング停止層７と、その上に位置し構造物１０が製造される層からなれば、良好にも制御することができる。エッチング停止層７は上に位置する被膜３の材料より、使用されるエッチング媒体により耐性があり、それにより、エッチング停止層７に達すると規定のやり方でエッチングプロセスが停止する。
【００２５】
勿論、エッチング工程は、例えば図２ｄに具体的に図示されたような段付き形状を製造するために、数回繰り返すこともできる。また、当然、図３ｃに係るフォトレジスト層１１に形成されたパターンも第１エッチング工程でフォトレジスト層１１と被膜３との間に配置された中間層、例えばＳｉ層あるいはＳｉＯ２層に転写することができる。この層にこのようにして製造された構造物を第２エッチング工程で下に位置する被膜３に移すことができる。
図４は、マスターを作製するための、本発明に係る方法の加工工程をまとめたものである。十分な表面粗さの十分な耐付着性被膜を製造できる限り、本発明により略任意のコーティング法を加工工程５１で基板をコーティングするために利用できることが再度明確に言える。図３ａ〜３ｅの説明では、エッチング法が被膜を構築化するために使用された。上記説明を検討すれば、これらの方法を使用して適切な形状、特に適切な端部峻度、端部丸み、精密な構造物及び微細な構造物の形状を製造する限り、この発明は原則として被膜を構築化する他の方法の利用も可能であると当業者なら容易に確認できる。先に説明したエッチング法に対する代わりの方法を以下にまとめる。
【００２６】
この発明によれば、原則的には被膜を直接加工することもできる。例えば、被膜の表面を、機械加工工具により実施される材料除去又は機械加工プロセスにかけることができる。例えば、光学回折格子の機械加工と同様の溝が被膜内に形成される。そのような機械加工法は、光学基板に屈折構造物を成形あるいは熱間型押しするために使用される被膜の構造物、例えば図２ｂに例示したように、凸面又は凹面を形成するために特に適している。
この発明によれば、被膜の直接加工を明確に目的とする代わりの方法はイオンビーム又は電子ビームによって構造物を被膜に直接描き込むことからなっている。公知のように、イオン又は電子ビームを被膜領域に強力に当てることにより各部分を除去することができる。全体の被膜面を、イオン又は電子ビームで被膜の表面を走査することで加工することができる。被膜内に製造される構造物の深さは、印加電圧、イオン又は電子ビームの強度、使用されるイオンの質量及びイオン又は電子ビームで被膜の表面に製造されるパターンの形状によって規定される。この発明によれば、電荷のアレスターが形成されるようにイオン又は電子ビームにより構造物が直接被膜内に製造されるならば、被膜が伝導材料からになるのが好ましい。
【００２７】
上記エッチング法に代わるものは、被膜のレーザー除去である。被膜内の構造物の深さが、あるパラメータ、例えばレーザー強度、レーザー出力、レーザーパルスの平均パルス期間及び照射期間を変えることによって適切に規定される。
図５は、本発明に係る光学素子を作製する装置の第１実施形態の概略断面図を示す。この装置２０は、光学基板２１が底部に収容される溝形状又はトラフ状のカウンター金型２２を有している。図５によれば、マスター１が基板２及び構築化被膜３から構成され、前記カウンター金型２２で保持された光学基板２１に押し付けられている。この構造物を成形しあるいは熱間型押しするため、少なくともマスター１を、光学基板２１の溶融温度以上の温度まで加熱して少なくともガラス基板２１の表面を変形可能にする。当業者には、光学基板２１を、溶融ガラス、ガラスセラミック又はプラスチックの形態で、すなわちそれぞれの溶融温度以上の温度で装置２０に導入することも可能であることが容易に分かる。マスター１の被膜３内の構造物がこの方式で、すなわち熱間成形又は熱間型押しによって光学基板２１の表面に移される。
【００２８】
上記説明から、本発明の１つの観点は光学効果を有する構造物を成形しあるいは熱間型押しするための適切に構築化されたマスター、すなわち工具に関することであると容易に確認できる。この発明によれば、図６を参照して例示により以下に説明するように構造物を転写する他の技術を利用することが可能である。光学素子を射出成形する装置を、図６を参照して説明する。装置２０には側壁、上部ダイ２６及び下部ダイで制約されるキャビティ２７がある。少なくとも下部ダイは、この発明によれば基板と、この基板に塗布され構造物１０を有する被膜３とから構成されるマスターの形態である。また、上部ダイは図２ｂに例示方式で図示されているこの発明に係るマスターの形態とすることができる。マスターの下に設けられた圧力ラム２５は、基板２の下側で凹部２９と係合する中央ピン２８を有してマスターとして機能する下部ダイを精密にガイドする。光学素子の材料、例えば、溶融ガラス、溶融ガラスセラミック先駆ガラス、溶融ガラスセラミック未加工ガラス、液体プラスチック又は液体高分子が注入口３０を介してキャビティに射出又は注入される。
【００２９】
本発明によれば、他の型押し法を原則的に利用することもできる。他の実施形態（図示せず）によれば、例えば適切な粘度のプラスチック層が基板担体に塗布され、光学効果を有する構造物が、本発明によるマスターを利用して、すなわち成形又は型押しによりこのプラスチック層に製造される。このように型押しされた構造物は、プラスチック層で熱硬化によりあるいはプラスチック層に例えばＵＶ放射線を当てることで硬化することができる。
上記説明から本発明による光学素子の材料が種々の材料等級から選択することができると容易に確認できる。考えられるガラスの種類は、低／Ｔｇガラス、ソーダ石灰ガラス、珪酸塩ガラス、硼酸塩ガラス、硼珪酸ガラス、燐酸塩ガラス、フッ化物ガラス、フッ化燐酸塩ガラス、ハロゲン化物ガラス、又は光学ガラスである。考えられる特に光学素子用プラスチック材料は、ＰＭＭＩ、ＣＯＣ（シクロオレフィンコポリマー、特にＴＯＰＡＳ：登録商標）、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー、特にゼオネックス：登録商標）、ＰＭＭＡ、ポリウレタン、ＰＣ、ＰＳ、ＳＡＮ、ＰＭＰ又はＰＥＴである。当然、この発明はプラスチック被膜を有するガラスからなる光学素子を利用することも可能にしている。プラスチック材料を使用すると、型押しを低温で行なうことができることが有利である。当然、本発明による光学素子は普通のガラスと低／Ｔｇガラスの組み合わせからなってもよい。この発明による転写法は光学効果を有する構造物を他の材料に、例えば半導体基板に製造するのにも当然適している。この場合、光学効果を有する構造物がプラスチックからなっている。
【００３０】
上記説明から本発明により任意の回折又は屈折構造物を備えた光学素子を作製することが可能となる。さらに、この発明は、回折素子及び屈折素子から構成されるコンパクトなハイブリッドマイクロレンズ系を作製することを可能にする。そのようなハイブリッドマイクロレンズ系の一例を図７に示す。さらに、同様に図６に係る装置で平凸レンズを作製することができる。そのような平凸光学素子の平面の回折構造物は、マスターの被膜内の構造物で構成され、全体的に色消し光学素子が達成され、すなわち光学素子材料の屈折率の波長依存性が、光学素子平面の回折構造物内の、対応して逆向きの波長依存性により相殺できるように形成される。
本発明による光学素子の他の好ましい用途は、特に、回折光学素子（ＤＯＥ）、コンピュータ生成ホログラム、大衆用途用、例えばディジタルカメラ又は携帯電話用光学レンズ、ＲＧＢレーザーディスプレー、回折レンズ系及び高エネルギーレーザー、ダイオードレーザー、ダイオード励起固体レーザー用マイクロレンズ系、回折格子、特に強光沢回折格子、及びフレネルゾーン付きレンズである。
【００３１】
実施形態１
２０００ｎｍの厚みのＡｌ２Ｏ３層を、Ａｌ２Ｏ３のイオンビーム蒸着（ＩＢＤ）によって鋼基板上に形成した。コーフマン（Ｋａｕｆｍａｎｎ）ソースをそのイオンビーム蒸着に使用した。該イオンビームに使用した加工ガスはアルゴン（Ａｒ）からなり、スパッタリング時間は１０６分であった。
基板に形成されたＡｌ２Ｏ３被膜をタイプＶａｃｕｔｅｃ５００の装置で反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって構築化した。ＣＦ４（４７ｓｃｃｍ）のガス流をエッチングガスとして使用し、加工圧は約１６０ミリトールであった。エッチングプロセス前にクロム層をエッチングマスクとして塗布した。
回折格子を成形又は熱間型押しするための溝状構造物を反応性イオンエッチングによって該Ａｌ２Ｏ３被膜に作製した。最大エッチング深さは４２０ｎｍであった。×４００の倍率での顕微鏡検査によりＣｒ層には目に見える材料除去が行われないことが分かった。従って、ＣＦ４による反応性イオンエッチング用の安定したマスク層としてＣｒを使用することができる。Ａｌ２Ｏ３被膜の構造物は非常に端部の峻度が高く、僅かな端部の丸みを示しただけであった。この構造物の光学基板、例えばガラス又はガラスセラミックへの転写が優れていた。
【００３２】
実施形態２
１００ｎｍの厚みのクロム層（Ｃｒ）を、ＤＣマグネトロンスパッタリングによって鋼基板上に形成した。３インチの径で９９．９９（４Ｎ）の純度のクロムをターゲットとして使用した。スパッタリングプロセス時に使用されたガスはアルゴン５．０からなり、コーティングプロセス時の圧力は約７．５×１０−４トールになった。コーティング時間は約２００秒になった。
次に、このＣｒ被膜に施されたフォトレジスト層をフォトリソグラフィープロセスにおいてスクリーンパターンで露光した。このように製造した基板上のＣｒ被膜を、清潔な室内状態の下でビーカーで湿式化学プロセスで手でエッチングした。Ｋ３Ｆｅ（ＣＮ）６とＮａＯＨのエッチング溶液を使用した。エッチングプロセス時の温度は５０℃であった。エッチングプロセス後、この被膜をＤＩ水で洗浄し、次に基板を、遠心力を４０００ｒｐｍの速度で４０秒間かけることによって乾燥した。
【００３３】
回折格子を成形又は熱間型押しするための溝状構造物を、湿式化学エッチングプロセスによりＣｒ被膜内に作った。最大エッチング深さは約９０ｎｍになった。×４００の倍率での顕微鏡検査によりＣｒ層には目に見える材料除去が行われないことが分かった。Ｃｒ被膜内の構造物は非常に端部の峻度が高く、僅かな端部の丸みを示しただけであった。この構造物の光学基板、例えばガラス又はガラスセラミックへの転写が優れていた。
【００３４】
実施形態３
２０００ｎｍの厚みのＺｒＯ２層を、ＺｒＯ２のイオンビーム蒸着（ＩＢＤ）によって鋼基板上に形成した。コーフマン（Ｋａｕｆｍａｎｎ）ソースをそのイオンビーム蒸着に使用した。該イオンビームに使用した加工ガスはアルゴン（Ａｒ）からなり、スパッタリング時間は約１３８分であった。
基板に作製したＺｒＯ２被膜にイオンビームエッチング（ＩＢＥ）により構造物を作製した。コーフマン（Ｋａｕｆｍａｎｎ）ソースをこの目的に使用し、イオンビーム用加工ガスは３．２×１０−４ミリバールの加工圧力を備えたＡｒであった。１００ｎｍの厚みのクロム層をマスク層として塗布し、続いて、Ａｚ５２１４Ｅフォトレジスト（厚み：１４００ｎｍ）を露光することで構築化した。
【００３５】
回折格子を成形又は熱間型押しするための溝状構造物を、反応性イオンエッチングによりＺｒＯ２被膜内に作った。最大エッチング深さは６００ｎｍになった。×４００の倍率での顕微鏡検査によりＺｒＯ２層には目に見える材料除去が行われないことが分かった。ＺｒＯ２被膜内の構造物は非常に端部の峻度が高く、僅かな端部の丸みを示しただけであった。この構造物の光学基板、例えばガラス又はガラスセラミックへの転写が優れていた。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る光学素子を作製するマスターの概略断面図を示す。
【図２（ａ）】本発明に係る光学素子を作製するマスターの他の実施形態の概略断面図を示す。
【図２（ｂ）】本発明に係る光学素子を作製するマスターの他の実施形態の概略断面図を示す。
【図２（ｃ）】連続形状の強光沢回折格子を作製するマスターの部分図を示す。
【図２（ｄ）】段付き形状の強光沢回折格子を作製するマスターの部分図を示す。
【図３（ａ）】図１に係るマスター作製する工程の概略断面図を示す。
【図３（ｂ）】図１に係るマスター作製する工程の概略断面図を示す。
【図３（ｃ）】図１に係るマスター作製する工程の概略断面図を示す。
【図３（ｄ）】図１に係るマスター作製する工程の概略断面図を示す。
【図３（ｅ）】エッチング停止層を備えた本発明に係るマスターの変形を示す。
【図４】本発明に係るマスターを作製する包括的な工程を示す。
【図５】本発明に係る光学素子を作製する装置の第１実施形態の概略断面図を示す。
【図６】本発明に係る光学素子を作製する装置の第２実施形態の概略断面図を示す。
【図７】図２（ａ）に係るマスターを使用して作製され、表面が回折構造物及び屈折構造物を含む本発明に係る光学素子を示す。
【符号の説明】
【００３７】
１  ・・・  圧力又は型押しラム／工具
２  ・・・基板
３  ・・・被膜
４ａ、４ｂ・・・平面部
５・・・凹部
６・・・移行部／分離領域／段
７・・・エッチング停止層
１０・・・微細構造物／突起
１１・・・フォトレジスト
１２・・・マスク
１３・・・露光
１５・・・傾斜部
１６・・・段付き部
２０・・・光学素子を作製する装置
２１・・・溶融ガラス／光学基板
２２・・・カウンター金型／溶融ガラス容器
２５・・・圧力ラム
２６・・・屈折形成ダイ
２７・・・内部容積
２８・・・ピン
２９・・・ピン容器
３０・・・注入口
４０・・・光学素子
４１・・・光学素子
４２・・・回折構造物／回折格子
４３・・・屈折構造物
５０〜５３・・・処理工程
【図１】
2005309441.tif 000003
【図２（ａ）】
2005309441.tif 000004
【図２（ｂ）】
2005309441.tif 000005
【図２（ｃ）】
2005309441.tif 000006
【図２（ｄ）】
2005309441.tif 000007
【図３（ａ）】
2005309441.tif 000008
【図３（ｂ）】
2005309441.tif 000009
【図３（ｃ）】
2005309441.tif 000010
【図３（ｄ）】
2005309441.tif 000011
【図３（ｅ）】
2005309441.tif 000012
【図４】
2005309441.tif 000013
【図５】
2005309441.tif 000014
【図６】
2005309441.tif 000015
【図７】
2005309441.tif 000016
【外国語明細書】
2005309441.tif 000017
2005309441.tif 000018
2005309441.tif 000019
2005309441.tif 000020
2005309441.tif 000021
2005309441.tif 000022
2005309441.tif 000023
2005309441.tif 000024
2005309441.tif 000025
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2005309441.tif 000027
2005309441.tif 000028
2005309441.tif 000029
2005309441.tif 000030
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2005309441.tif 000032
2005309441.tif 000033
2005309441.tif 000034
2005309441.tif 000035
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2005309441.tif 000037
2005309441.tif 000038
2005309441.tif 000039
2005309441.tif 000040
2005309441.tif 000041
2005309441.tif 000042
2005309441.tif 000043
2005309441.tif 000044
2005309441.tif 000045
2005309441.tif 000046
2005309441.tif 000047
2005309441.tif 000048
【図１】
2005309441.tif 000049
【図２（ａ）】
2005309441.tif 000050
【図２（ｂ）】
2005309441.tif 000051
【図２（ｃ）】
2005309441.tif 000052
【図２（ｄ）】
2005309441.tif 000053
【図３（ａ）】
2005309441.tif 000054
【図３（ｂ）】
2005309441.tif 000055
【図３（ｃ）】
2005309441.tif 000056
【図３（ｄ）】
2005309441.tif 000057
【図３（ｅ）】
2005309441.tif 000058
【図４】
2005309441.tif 000059
【図５】
2005309441.tif 000060
【図６】
2005309441.tif 000061
【図７】
2005309441.tif 000062