(57)【要約】  複数枚のレンズやＤＯＥを用いた場合、精度の高いアライメントを実現することが難しかった。本発明は、内面に微小構造を有する微小構造体およびその製造方法で、第一の層の表面に第一のパターンを成形する工程と、成形された前記第一の層の表面の上に犠牲層を前記第一の層の表面の一部を露出して形成する工程と、前記犠牲層の表面に第二のパターンを成形する工程と、前記犠牲層および前記第一の層の表面の一部の上に第二の層を形成する工程と、前記犠牲層を構成する部材を除去する工程とからなり、前記第一の層に前記第一のパターンを成形する工程と、前記犠牲層に前記第二のパターンを成形する工程とにおいて、それぞれ同一のアライメントマークを基準にしてパターンを成形する。これにより、精度の高いアライメントを実現することができる。
2007043383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内面の対向する面に微小構造を有する微小構造体の製造方法であって、
第一の層の表面に第一のパターンを成形する工程と、
成形された前記第一の層の表面の上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層の表面に第二のパターンを成形する工程と、
前記犠牲層および前記第一の層の表面の一部の上に第二の層を形成する工程と、
前記犠牲層を構成する部材を除去する工程とからなり、
前記第一の層に前記第一のパターンを成形する工程と、前記犠牲層に前記第二のパターンを成形する工程とにおいて、それぞれ同一のアライメントマークを基準にしてパターンを成形することを特徴とする微小構造体の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の微小構造体の製造方法において、
前記第一の層は、基材の上に形成されており、前記基材に前記アライメントマークが形成されていることを特徴とする微小構造体の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の微小構造体の製造方法において、
前記第二の層の上に第二の基材を設けることを特徴とする微小構造体の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の微小構造体の製造方法において、
前記第二の層を構成する材料は前記第一の層を構成する材料と一体化が可能な材料であることを特徴とする微小構造体の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の微小構造体の製造方法において、
前記犠牲層を覆うように前記第二の層を形成する工程と、
前記第一の層または前記第二の層の一部を除去して、前記犠牲層の一部を露出させる工程と、
を有することを特徴とする微小構造体の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の微小構造体の製造方法において、
前記露出部分から前記犠牲層を構成する部材を除去後、前記犠牲層の露出部分に蓋を設ける工程を有することを特徴とする微小構造体の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の微小構造体の製造方法において、
前記第一の層と前記犠牲層との間に薄膜を形成する工程を有することを特徴とする微小構造体の製造方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の微小構造体の製造方法において、
前記犠牲層をフォトレジストで構成し、フォトリソグラフィー工程により前記第二のパターンを形成することを特徴とする微小構造体の製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の微小構造体の製造方法において、
前記犠牲層を構成する部材を除去した後の中空部分に空気以外の媒体を充填する工程を有することを特徴とする微小構造体の製造方法。
【請求項１０】
第一のパターンと凹形状または凸形状のアライメントマークが形成された第一の部材と、
第二のパターンと前記第一の部材に形成されたアライメントマークと嵌合可能な形状のアライメントマークとを有する第二の部材とを備え、
前記第一の部材と前記第二の部材との互いの前記アライメントマーク同士を嵌合させて形成する微小構造体の製造方法であって、
前記第一の部材を形成する型の少なくともアライメントマークを形成する型形状を原版から偶数回数の転写で形成する工程と、
前記第二の部材を形成する型の少なくともアライメントマークを形成する型形状を前記原版から奇数回数の転写で形成する工程と、
を有することを特徴とする微小構造体の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の微小構造体の製造方法において、
前記第一の部材は前記第二の部材のいずれか一方の前記アライメントマークは凹形状を有し、前記凹形状の開口部面積よりも前記凹形状の底部面積が小さくなるように凹部の側面に傾斜を設けることを特徴とする微小構造体の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の微小構造体の製造方法において、
一方の前記アライメントマークと他方の前記アライメントマークは一対の凸形状と凹形状とを有し、
前記凸形状のアライメントマークの高さが前記凹形状アライメントマークの深さよりも短くなるように形成することを特徴とする微小構造体の製造方法。
【請求項１３】
請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の微小構造体の製造方法において、
前記第一の部材および前記第二の部材の前記犠牲層側のパターン面に薄膜を形成する工程を有することを特徴とする微小構造体の製造方法。
【請求項１４】
請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の微小構造体の製造方法において、
前記第一の部材および前記第二の部材を形成する基材の両方若しくはいずれか一方が曲面形状を有する部材であることを特徴とする微小構造体の製造方法。
【請求項１５】
請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載の微小構造体の製造方法において、
前記第一の部材と前記第二の部材とを前記アライメントマークに合わせて嵌合する際に中空部分に空気以外の媒体を充填する工程を有することを特徴とする微小構造体の製造方法。
【請求項１６】
使用波長の光を透過する光学材料からなる構造体で包囲された中空部分が内部に形成されている微小光学素子において、
前記構造体の前記中空部分側の面の形状は、前記使用波長の光に対して所望の光学特性を発生させることができる立体形状であり、かつ前記中空部分と前記微小光学素子の外界空間とをつなぐための開口部を前記構造体に設けたことを特徴とする微小光学素子。
【請求項１７】
前記開口部を覆う封止部材を備えたことを特徴とする請求項１６に記載の微小光学素子。
【請求項１８】
前記光学面形状は、前記使用波長の光に対して所定の回折現象を発生させるレリーフパターンであることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の微小光学素子。
【請求項１９】
前記光学材料は、樹脂材料であることを特徴とする請求項１６に記載の微小光学素子。
【請求項２０】
さらに、前記構造体の外界空間に面した領域にガラスまたはシリコンからなる基板を備えたことを特徴とする請求項１９に記載の微小光学素子。
【請求項２１】
使用波長の光を透過する光学材料からなり、一方の面に前記使用波長の光に対して所望の光学特性を発生させることができる立体形状を有し、前記一方の面側の前記立体形状が形成された領域の外側に第一のアライメントマークを有した第一の光学基板と、
前記使用波長の光を透過する光学材料からなり、一方の面に前記使用波長に対して所望の光学特性を発生させることができる立体形状を有し、前記一方の面側の前記立体形状が形成された領域の外側に第二のアライメントマークを有した第二の光学基板を備え、
前記第一のアライメントマークと前記第二のアライメントマークが対向した状態で前記第一の光学基板と前記第二の光学甚板が接合された光学素子において、
前記第一のアライメントマークと前記第二のアライメントマークは凹形状又は凸形状からなり、かつ嵌め合い可能な形状であることを特徴とする光学素子。
【請求項２２】
前記第一のアライメントマーク又は前記第二のアライメントマークの断面形状のうち、前記凸形状を有したアライメントマークの断面形状は、先端に向かって幅が狭くなる形状であることを特徴とする請求項１９に記載の光学素子。
【請求項２３】
前記第一のアライメントマーク又は前記第二のアライメントマークの断面形状のうち、前記凸形状を有したアライメントマークの断面形状は、先端部が曲率を有する形状又は多角形状であることを特徴とする請求項２０に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体プロセスを用いて製造する微小構造体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体プロセスを用いて半導体素子の上に樹脂構造体を設けた半導体デバイスが増えている。その一つとして、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子の上にレンズを一体化して形成するＭＬＡ（マイクロレンズアレイ）やＤＯＥ（回折光学素子）などが知られている。
特に、集光率の向上や色差補正など複雑な処理のために複数枚のＭＬＡやＤＯＥを用いる場合が多い。ところが、複数枚のＭＬＡやＤＯＥを用いる場合、製造時のアライメントの精度や調整が重要になってくる。【０００３】
特許文献１「回折光学素子及びそれを用いた光学系」では、基板上に２層又はそれ以上に積層した構造の回折光学素子を用いて、回折効率の波長依存性を向上する方法が記載されている。また同文献では、各格子部の格子エッジ位置に面取りを施すことで、各回折格子の格子エッジは鈍角にでき、切削加工時等の格子形状の加工性やエッジ部の成型時の形状転写性を改善する技術が紹介されている。
【特許文献１】特開平１１−２２３７１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＭＬＡやＤＯＥを複数枚組み合わせた場合、光学素子間のアライメントの精度が悪いと色ズレや乱反射など光学機器にとって好ましくない影響を与える。特に、シングルモード光ファイバなど径が１０ミクロン以下の光ファイバを結合する結合器内の光学素子の場合、光学素子間に１ミクロン程度の軸ズレがあっても大きな影響を及ぼしてしまう。
また、特許文献１記載のように２層以上のＤＯＥを積層した構造のものでも格子エッジの位置がずれると回折効率が低下してしまうという問題が生じる。【０００５】
本発明の目的は、複数枚のＭＬＡやＤＯＥを用いた構成でも高精度のアライメントが実現できる微小構造体およ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】
【０００６】
本発明の微小構造体の製造方法は、内面の対向する面に微小構造を有する微小構造体の製造方法であって、第一の層の表面に第一のパターンを成形する工程と、成形された前記第一の層の表面の上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層の表面に第二のパターンを成形する工程と、前記犠牲層および前記第一の層の表面の一部の上に第二の層を形成する工程と、前記犠牲層を構成する部材を除去する工程とからなり、前記第一の層に前記第一のパターンを成形する工程と、前記犠牲層に前記第二のパターンを成形する工程とにおいて、それぞれ同一のアライメントマークを基準にしてパターンを成形することを特徴とする。【０００７】
また、前記犠牲層を覆うように前記第二の層を形成する工程と、前記第一の層または前記第二の層の一部を除去して、前記犠牲層の一部を露出させる工程とを有することを特徴とする。
さらに、前記露出部分から前記犠牲層を構成する部材を除去後、前記犠牲層の露出部分に蓋を設ける工程を有することを特徴とする。【０００８】
或いは、前記犠牲層を構成する部材を除去した後の中空部分に空気以外の媒体を充填する工程を有することを特徴とする。
別の手段として、本発明の微小構造体の製造方法は、第一のパターンと凹形状または凸形状のアライメントマークが形成された第一の部材と、第二のパターンと前記第一の部材に形成されたアライメントマークと嵌合可能な形状のアライメントマークとを有する第二の部材とを備え、前記第一の部材と前記第二の部材との互いの前記アライメントマーク同士を嵌合させて形成する微小構造体の製造方法であって、前記第一の部材を形成する型の少なくともアライメントマークを形成する型形状を原版から偶数回数の転写で形成する工程と、前記第二の部材を形成する型の少なくともアライメントマークを形成する型形状を前記原版から奇数回数の転写で形成する工程とを有することを特徴とする。【０００９】
また、前記第一の部材は前記第二の部材のいずれか一方の前記アライメントマークは凹形状を有し、前記凹形状の開口部面積よりも前記凹形状の底部面積が小さくなるように凹部の側面に傾斜を設けることを特徴とする。
特に、一方の前記アライメントマークと他方の前記アライメントマークは一対の凸形状と凹形状とを有し、前記凸形状のアライメントマークの高さが前記凹形状アライメントマークの深さよりも短くなるように形成することを特徴とする。【００１０】
或いは、前記第一の部材と前記第二の部材とを前記アライメントマークに合わせて嵌合する際に中空部分に空気以外の媒体を充填する工程を有することを特徴とする。
また、本発明の微小光学素子は、使用波長の光を透過する光学材料からなる構造体で包囲された中空部分が内部に形成されている微小光学素子において、前記構造体の前記中空部分側の面の形状は、前記使用波長の光に対して所望の光学特性を発生させることができる立体形状であり、かつ前記中空部分と前記微小光学素子の外界空間とをつなぐための開口部を前記構造体に設けたことを特徴とする。【００１１】
特に、前記開口部を覆う封止部材を備えたことを特徴とする。
さらに、前記光学面形状は、前記使用波長の光に対して所定の回折現象を発生させるレリーフパターンであることを特徴とする。
特に、前記光学材料は、樹脂材料であることを特徴とする。
さらに、前記構造体の外界空間に面した領域にガラスまたはシリコンからなる基板を備えたことを特徴とする。【００１２】
また、本発明の光学素子は、使用波長の光を透過する光学材料からなり、一方の面に前記使用波長の光に対して所望の光学特性を発生させることができる立体形状を有し、前記一方の面側の前記立体形状が形成された領域の外側に第一のアライメントマークを有した第一の光学基板と、前記使用波長の光を透過する光学材料からなり、一方の面に前記使用波長に対して所望の光学特性を発生させることができる立体形状を有し、前記一方の面側の前記立体形状が形成された領域の外側に第二のアライメントマークを有した第二の光学基板を備え、前記第一のアライメントマークと前記第二のアライメントマークが対向した状態で前記第一の光学基板と前記第二の光学甚板が接合された光学素子において、前記第一のアライメントマークと前記第二のアライメントマークは凹形状又は凸形状からなり、かつ嵌め合い可能な形状であることを特徴とする。【００１３】
特に、前記第一のアライメントマーク又は前記第二のアライメントマークの断面形状のうち、前記凸形状を有したアライメントマークの断面形状は、先端に向かって幅が狭くなる形状であることを特徴とする。
或いは、前記第一のアライメントマーク又は前記第二のアライメントマークの断面形状のうち、前記凸形状を有したアライメントマークの断面形状は、先端部が曲率を有する形状又は多角形状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る微小構造体およびその製造方法は、複数枚のＭＬＡやＤＯＥを用いた構成でも精度の高いアライメントを実現することができる。しかも、型による成型によって大量に安価に精度の高い微小構造体を提供することができ、センサなど様々な分野への応用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態の全体概要を示す説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の製造手順を示す説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の微小構造体を示す説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の製造手順を示す説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の製造手順を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態のサブマスタの作製方法を示す説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の微小構造体の製造イメージを示す説明図である。
【図８】アライメントマークの一例を示す説明図である。
【図９】アライメントマークの一例を示す説明図である。
【図１０】微小構造体の応用例を示す説明図である。
【図１１】アライメントマークの一例を示す説明図である。
【図１２】アライメントマークの一例を示す説明図である。
【図１３】微小構造体のＭＬＡを示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１の実施形態）
本発明の微小構造体およびその製造方法に関する第１の実施形態を図１、図２および図３を用いて説明する。図１はシリコンウェハ上に複数の微小構造体を形成する様子を示した図である。尚、本実施形態で製造される微小構造体は光学素子として用いられ、特に半導体素子上に形成される微小な光学素子に適している。【００１７】
図１において、１０１はシリコンウェハ、１０２は１つの微小構造体を形成するブロック、１０３はアライメントマーク、１０４はシリコンウェハ１０１の上に形成された第一の層、１４４はパターン形成部分をそれぞれ示している。
図１の（ａ）はシリコンウェハ１０１を上面から見た図、図１（ｂ）は図１（ａ）を断面位置Ａで切断したときの断面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）の点線円Ｂで示した部分を中心に拡大した図である。シリコンウェハ１０１上には樹脂などによって第一の層１０４が形成され、アライメントマーク１０３および各ブロック１０２のそれぞれに所望のパターンが形成される。所望の形成パターンとしては、例えばＤＯＥやＭＬＡなどが考えられる。また、アライメントマークは、一般的なステッパー露光による半導体の製造方法と同じように、各ブロック１０２の周囲に設けられ、露光の際の基準位置として利用される。【００１８】
尚、図１ではアライメントマーク１０３はブロック１０２の各列毎，各行毎にそれぞれの両側に設けてあるが、別の位置や個数でも構わない。また、同図では、符号１０３は１つのアライメントマークしか示していないが、同形状に描かれた他のものも同様のアライメントマークを示している。符号１０２についても同様で、ブロック１０２は複数個あるブロックの１つを示しており、１つのブロックで１つの微小構造体が形成されるので、１つのシリコンウェハ１０１で複数個の微小構造体が一度に形成される。【００１９】
本実施例による微小構造体の製造方法は、シリコンウェハや石英ウェハなどの基材の上に複数の微小構造体を形成するもので、基材の上に複数の層をパターンニングしながら形成し、最後に基材上に形成された複数の微小構造体を切り出して単体の微小構造体が完成する。また、本実施形態での各層の形成方法やパターンニング方法は、通常の半導体素子形成技術と同様に、酸化法、フォトレジスト塗布やフォトリソグラフィ、エッチング、ナノインプリント或いは蒸着、スパッタ法、ＣＶＤ法などによるパターン方式や成膜などを行うものとする。また、フォトリソグラフィ工程は、有機材料膜（フォトレジスト：感光性樹脂）にパターンを焼き込む（パターンニング）工程で、フォトレジスト層を成膜し、紫外線で露光してパターンを焼き付け、現像することで、任意のパターンを形成することができる。尚、フォトレジストはネガ型でもポジ型でも、どちらでも良い。【００２０】
また、第１の実施形態の図に示してあるパターンの断面は単純な矩形状になっているが、例えばグレイスケールマスク法などを使用すれば、傾斜形状もパターンニングすることができ、ＭＬＡやＤＯＥなどを形成することが可能となる。
次に、図１の点線円Ｂで示した部分を抜き出して、微小構造体の製造手順について図２を用いて詳しく説明する。図２において、１０５は犠牲層、１０６は第二の層、２０１は個片化するための切断後の微小構造体をそれぞれ示し、図１と同符号のものは同じものなので説明を省略する。先ず、図２（ａ）の工程では、シリコンウェハ１０１の上に樹脂による第一の層を形成し、その上にフォトレジストを塗布してアライメントマーク１０３に合わせてステッパー露光を行う。ステッパー露光で所望のパターンを焼き付け現像した後、エッチングなどによって図２（ａ）のようなパターン１４４を第一の層１０４に形成する。【００２１】
図２（ｂ）は、パターンニングされた第一の層１０４の上にフォトレジストなどによる犠牲層１０５を塗布した状態を示している。犠牲層１０５も第一の層１０４と同じように、アライメントマーク１０３に合わせてステッパー露光を行って所望のパターンを焼き付ける。さらに、完全に除去すべき犠牲層１０５の一部を選択的に追加露光する。これを現像すると、図２（ｃ）に示すようなパターン１４５が犠牲層１０５の上に形成され、個々の微小構造体部分にパターンニングされた犠牲層１０５が残ることになる。尚、追加露光ではなくグレイスケールマスク法を使用すれば、パターン部１４５の露光と犠牲層１０５を完全に除去する部分の露光とを一括して行うことも可能である。【００２２】
次に、図２（ｄ）に示すように、パターンニングされた個々のブロック１０２内に残された犠牲層１０５が完全に覆われるように樹脂を第二の層１０６として塗布する。この際、第一の層１０４が露出した部分にも第二の層１０６が接着するように樹脂を塗布する。図２（ｄ）において、点線矢印Ｃ，Ｄ，ＥおよびＦは切断線で、一体化されたシリコンウェハ１０１，第一の層１０４，犠牲層１０５および第二の層１０６を切断する切断位置を示している。切断し個片化された後の様子を示したのが図２（ｅ）で、犠牲層１０５が点線円Ｊの部分で一部露出した状態になった微小構造体２０１が切り出される。尚、図２に示したそれぞれの図は、図１（ａ）の断面位置Ａでの断面図なので、犠牲層１０５は図２の切断線ＤおよびＦの側で露出しているだけである。つまり、図１（ａ）の１つの微小構造体形成ブロック１０２の方形状の４辺の内の１辺で犠牲層１０５が露出し、その他の部分は第二の層若しくは第一の層或いは基材１０１で覆われた状態になっている。この状態を図３（ａ）に示す。【００２３】
図３は、切り出された微小構造体２０１を図示している。微小構造体２０１の一部に露出している犠牲層１０５をアセトンなどのレジスト用溶剤を用いて犠牲層１０５を構成しているレジストを除去すると、図３（ｂ）に示すような中空状の微小構造体が完成する。図３（ｂ）は図３（ａ）の断面位置Ｎでの断面図で、露出した中空部分３０４は図３（ａ）の露出した犠牲層１０５に相当する部分である。【００２４】
ところで、上記の製造方法による微小構造体は光学素子として用いられ、シリコンウェハ１０１の代わりに石英などのガラス基板などの使用波長に対して透明な基板を用い、さらに第一の層１０４や第二の層１０６に用いられている樹脂を使用波長に対して透明な樹脂を用いる。さらに、第一の層１０４や第二の層１０６の中空部分に面した光学面の形状が使用波長に対して、例えば必要な回折現象を得るための所望の光学特性を生じさせるレリーフパターン（ＤＯＥパターンやレンズパターンなど）が形成されていれば、光学材料からなる構造体で包囲された中空部分が内部に形成されている構造の微小構造体（微小光学素子）となる。この微小構造体をこのままで利用すると、中空部分は外気に通じているので、微小構造体を通過する光の特性の変化などを検出できるようにすれば、中空部分に空気以外のガスなどが流れ込んだ事を検出するガスセンサなどに応用することができる。もちろん、図３（ａ）の開口部を片側だけでなく両端に設けることによって、ガスなどの入口と出口とを作ることができる。【００２５】
或いは、図３（ｃ）に示すように、露出した部分に樹脂などによる蓋３０１を接着することによって、中空部分を密閉することができ、外気から遮断することが可能となる。さらに、図３（ｄ）に示すように、蓋３０１によって密閉する工程を空気以外の気体を満たした気密室にすることによって、中空部分に空気以外の気体を充填することが可能となる。例えば、Ａｒ（アルゴン）、Ｋｒ（クリプトン）など不活性ガスや窒素ガスなどを充填させて光吸収センサとして利用することが可能となる。気体だけではなく、液晶などの液体も充填することが可能で、屈折率を変えたり、フィルタ機能を持たせたりすることができる。【００２６】
本実施形態では、第二の層は犠牲層を覆い隠すように形成したが、最初から犠牲層の一部が残るような形で形成してもよい。犠牲層の一部が残っている場合、その露出部分から犠牲層を除去することができるので、シリコンウェハ基材の上に複数の微小構造体が形成されている状態で、犠牲層を一括して除去することも可能となり、切断後に単体の微小構造体の犠牲層を一つずつ除去する手間を省くことができる。【００２７】
また、図２で説明した各層を積層していく工程において、例えば、第一の層をパターンニング後の表面に、蒸着法やスパッタ法などの工程によって、ＳiＯ2，ＴiＯ2，ＺnＯ2など屈折率の異なる薄膜を１／４波長厚に積層すれば、表面反射率を低く抑えるＡＲコート（反射防止膜）を行うことができ、反射の少ないＤＯＥやＭＬＡを実現することができる。【００２８】
このように、本発明の第１の実施形態では、アライメントマーク１０３は第一の層１０３上に形成したが、基材であるシリコンウェハ１０１の上に形成しておいても構わない。いずれであっても、第一の層１０４にパターンニングする時と、犠牲層１０５にパターンニングする時と、同じアライメントマークに合わせてパターンニングするので、パターン間の位置ズレが少なく、高精度の微小構造体を形成することができる。【００２９】
さらに、第一の層１０４と第二の層１０６とを構成する樹脂部材については明記しなかったが、同一の樹脂か或いは一体化可能な樹脂を組み合わせることによって、第二の層１０６を積層する際に第一の層１０４と一体化されるので、犠牲層１０５を除去した後で、第一の層１０４と第二の層１０６を接着する必要がなく、効率よく中空部分を有する微小構造体を製造することができる。特に、一体化すれば、外気に触れにくく、微小構造体の内部の精密な突起などを保護することができるので、レンズや表示パネルの反射防止用途などに使用されるモスアイ（Ｍoth eye）のような脆い形状を形成するのに有利である。
（第２の実施形態）
次に、微小構造体およびその製造方法に関する第２の実施形態について説明する。本発明の第２の実施形態に係る微小構造体は、凹形状のアライメントマークを有する第一の部材と凹形状と対になる凸形状のアライメントマークを有する第二の部材とを嵌合させた構造になっている。尚、本実施形態で製造される微小構造体は光学素子として用いられ、特に半導体素子上に形成される微小な光学素子に適している。【００３０】
第２の実施形態の製造方法の概要は、先ず第一の部材あるいは第二の部材のいずれか一方の原版を精密機械加工などによって作製し、原版（マスタ）からナノインプリントなどの工法で第一の反転原版を作製する。次に第一の反転原版の上に中空部分に相当する犠牲層を積層してから、例えばＤＯＥパターンなどの所望の形状にパターンニングし、これを基に樹脂成形して第二の反転原版を作製する。次に第一および第二の反転原版からそれぞれに対応した副原版（サブマスタ）を作製する。つまり、第一の反転原版から第一のサブマスタを、第二の反転原版から第二のサブマスタをそれぞれ作製し、量産製造においては、これらのサブマスタから第一の部材および第二の部材を大量に樹脂成形し、両者を嵌合して微小構造体を製造する。【００３１】
ここで、原版は、ガラス、石英，ニッケル，真鍮など精度よく加工できるものであれば何でも構わないが、使用する材質によって、機械加工やエッチングなど適切な加工方法を選択してパターン形成する必要がある。
さて、第２の実施形態の製造方法について、図４，５，６および７を用いて詳しく説明する。図４は第一の反転原版を作製する手順と、第一の反転原版を用いて第二の反転原版を作製するための型を作製する手順とを示したもので、４０１はマスタ、４０２はマスタ上の凸形状のアライメントマーク、４０３はシリコンやガラスなどの基材、４０４は樹脂、４０５はマスタの凸形状のアライメントマークが樹脂４０４に転写された凹形状のアライメントマーク、４０６はフォトレジストによる犠牲層、５０５は第一の反転原版、４０７は基材４０３と樹脂４０４およびフォトリソグラフィ工程によってパターン成形された犠牲層とから成る第二の反転原版用の型をそれぞれ示している。図４（ａ）で石英などを精密加工したマスタ４０１を基材４０３に乗せた樹脂４０４の上にプレスすると、図４（ｂ）のようにマスタ４０１の形状に合わせて樹脂４０４が成形され、その状態で樹脂４０４が冷却あるいは紫外線硬化型樹脂であれば紫外線を照射することによって硬化し、マスタ４０１を外すと図４（ｃ）に示すようにマスタ４０１の反転型である第一の反転原版が完成する。このような樹脂による転写は、工程中に空気が挟み込まれる場合があるが、その場合には本工程を真空中で行うことによって解決することが可能である。【００３２】
次に第二の反転原版を作成するために、図４（ｄ）に示すように、一旦、第一の反転原版の上にフォトレジストによる犠牲層４０６を塗布し、フォトリソグラフィ工程によって犠牲層４０４上にパターンニングし、不要部分を除去すると、図４（ｅ）に示すような第二の反転原版を作製するための型ができる。点線円Ｇは凹形状のアライメントマーク４０５の底部を抜き出したもので、第二の反転原版用の型４０７のアライメントマーク４０５に相当する部分の形状は、第一の反転原版５０５のアライメントマーク４０５と同じ略円形状を有する。尚、Ｖ字型の凹形状のアライメントマーク４０５の底部には犠牲層４０６の一部が残るように意図的にフォトリソグラフィ工程で現像処理を行っている。また、凹形状のアライメントマーク４０５の形状は断面が傾斜状となる円錐形，四角錐形，Ｖ溝形などが考えられるが、アライメントマークの形状については後で詳しく説明する。【００３３】
次に、図５は第一の反転原版５０５を利用して作成された第二の反転原版用の型４０７で第二の反転原版を製造する工程を説明した図である。図５において、５０１は離型剤、５０２は基材、５０３は樹脂、５０４は第二の反転原版、５０６は第二の反転原版５０４のアライメントマークをそれぞれ示している。図５（ａ）において、基材５０２の上の樹脂５０３に第二の反転原版用の型４０７をプレスすると、図５（ｂ）のように第二の反転原版用の型４０７の形状に合わせて離型剤５０１を介して樹脂５０３が成形され、樹脂４０４が冷却あるいは紫外線硬化型樹脂であれば紫外線を照射することによって硬化する。離型剤５０１によって外れ易くなった第二の反転原版用の型４０７を外すと図５（ｃ）に示すように第二の反転原版用の型４０７の反転型である第二の反転原版５０４が完成する。この第二の反転原版５０４のアライメントマーク５０６の形状は、第一の反転原版５０５のアライメントマーク４０２の略反転形状を有している。【００３４】
また、第二の反転原版用の型４０７は離型剤５０１および犠牲層４０６を薬品などで除去し、図５（ｄ）に示すように、第一の反転原版５０５の状態に戻す。このようにして、アライメントマークに相当する部分の形状が互いに略反転形状である第一の反転原版５０５および第二の反転原版５０４が完成する。尚、上記の説明では、離型剤５０１を用いると述べたが、具体的にはフッ素系の離型剤を塗布したり、外れ易いように表面処理を施して離型性を良くすれば作業が行い易いだけでなく、形成された複雑なパターン形状が離型時に壊れてしまう心配がなくなる。【００３５】
次に、第一の反転原版５０５と第二の反転原版５０４を用いて、第一のサブマスタおよび第二のサブマスタを作製する工程について図６を用いて説明する。図６において、６０１は第二のサブマスタ用の基材、６０２は樹脂、６０３は第二のサブマスタ、６０４は第一のサブマスタ用の基材、６０５は樹脂、６０６は第一のサブマスタをそれぞれ示している。図６（ａ）において、基材６０１の上に塗布された樹脂６０２の上に第二の反転原版５０４をプレスすると、図４（ａ）などと同様に樹脂６０２が形状に合わせて成形され、樹脂が固化した後で第二の反転原版５０４を外すと、図６（ｂ）に示すように第二のサブマスタ６０３が完成する。同様に、図６（ｃ）のように、基材６０４の上に塗布された樹脂６０５の上に第一の反転原版５０５をプレスすると、先述の場合と同様に樹脂６０５が形状に合わせて成形され、樹脂が固化した後で第一の反転原版５０５を外すと、図６（ｄ）に示すように第一のサブマスタ６０６が完成する。ここでは説明の都合上、図５（ｄ）において、第二の反転原版５０４を作成したのち、第一のサブマスタを作るために、第二の反転原版用の型４０７の離型剤５０１と犠牲層４０６とを除去して第一の反転原版５０５の状態に戻した。しかし、実際には先に第一の反転原版５０５から前述のように第一のサブマスタ６０６を完成させてから第二の反転原版用の型４０７への加工をする。この順序で行えば、除去工程は不要となる。さらに、反転原版用の型４０７の加工方法として復帰不可能な手段が使えるようになる。例えば、犠牲層４０６としてレジストを用いた方法ではなく、金属部材を電着した上で切削加工を行うこともできる。【００３６】
このようにして作製されたサブマスタを基に微小構造体の量産製造を行うイメージを示したのが図７で、図７（ａ）第二のサブマスタ６０３から微小構造体の第二の部材を、図７（ｂ）第一のサブマスタ６０６から微小構造体の第一の部材を製造するイメージを示している。図７において、７０１は微小構造体の第二の部材を構成する基材、７０２は樹脂、７０３，７０４および７０５は大量に成形されたいくつかの第二の部材、７０６は微小構造体の第一の部材を構成する基材、７０７は樹脂、７０８，７０９および７１０は大量に成形されたいくつかの第一の部材をそれぞれ示している。【００３７】
ここで、第一のサブマスタ６０６の第一の部材のアライメントマークを形成する型形状と第二のサブマスタ６０３の第二の部材のアライメントマークを形成する型形状は図４で説明した同一のマスタ４０１から作製したものであり、第一のサブマスタ６０６の当該形状は偶数回（２回）の転写回数で、また第二のサブマスタ６０３の当該形状は奇数回（３回）の転写回数で作製したものであるから、これらのサブマスタによって量産製造された第一の部材７０８，７０９および７１０と第二の部材７０３，７０４および７０５とは、それぞれの凹凸のアライメントマーク部分で精度よく嵌合させることができる。【００３８】
ところで、上記の製造方法による微小構造体は光学素子として用いられ、第一の部材７０８を構成する材料および第二の部材７０３を構成する材料が使用波長に対して透明な材料であり、それぞれの部材に形成されたパターンが使用波長に対して、例えば必要な回折現象を得るための所望の光学特性を生じさせるレリーフパターン（ＤＯＥパターンやレンズパターンなど）が形成される。さらに、第一の部材７０８と第二の部材７０３のアライメントマーク部分で嵌め合わせた構造のものが、本実施形態に係る中空構造を有する微小構造体（微小光学素子）となる。この微小光学素子は、第１の実施形態で説明した微小光学素子と同じ用途で使用できる。微小構造体をこのような構成にすることで、両者の部材の正確な位置合わせが容易にできる。さらに、アライメントマークである凹部とアライメントマークである凸部を嵌め合わせた構造を有しているので、本実施形態における光学素子の機械的強度を増すことができる。【００３９】
また、成形後の第一の部材や第二の部材の表面に蒸着法やスパッタ法などの工程によって、ＳiＯ2，ＴiＯ2，ＺnＯ2など屈折率の異なる薄膜を１／４波長厚に積層することにより、表面反射率を低く抑えることが可能となるＡＲコートを行うことができ、第１の実施形態と同様に、ＤＯＥやＭＬＡなどの場合は、反射を抑えた製品を提供することができる。【００４０】
次に、アライメントマークの形状例について図８を用いて説明する。図８は第一の部材７０８と第二の部材７０３とを嵌合させた微小構造体のアライメントマーク形状の例を示しており、８０１は接着剤、８０２はＤＯＥなどのパターン成形部分、８０３，８０４はＶ溝構造のアライメントマーク、８０５はアライメントマーク８０３の中心線をそれぞれ示している。また、図８（ａ）は図８（ｂ）の断面位置Ｈで切断したときの断面図で、図８（ｂ）は微小構造体を上面から透過するように見た図であるが、接着剤８０１などは省略してある。凹形状のアライメントマークを有する第一の部材７０８のＶ溝構造のアライメントマーク８０３は開口部から底部の中心線８０５に向かって傾斜しているので、凸形状のアライメントマークを有する第二の部材７０３を嵌合させる時に凸形状のアライメントマークは中心線８０５に向かって落とし込まれ、中心線８０５からのズレが少なくなる。【００４１】
尚、Ｖ溝構造のアライメントマーク８０３，８０４の長さは、短くても長くても同様の効果が得られる。或いは、Ｖ字形ではなくＵ字形などでも良く、溝の開口部分から中心線８０５で示した底の部分に向かって傾斜している形状のものであれば同様の効果が得られる。
次に、その他のアライメントマーク形状の例を図９を用いて説明する。図９において、アライメントマーク形状以外の部分は図８と同じで、１５６，１５７および１５８は円錐形のアライメントマーク、点線円１５９は円錐形のアライメントマーク形状を立体的に見た斜視図、点線円１６０は凹形状のアライメントマーク１５９と対になる凸形状のアライメントマークの斜視図、１６１は円錐形のアライメントマーク１５６の中心位置をそれぞれ示している。また、図９（ａ）は図９（ｂ）の断面位置Ｋで切断したときの断面図で、図９（ｂ）は微小構造体を上面から透過するように見た図である。【００４２】
図９の第一の部材７０８に形成された凹形状の円錐形のアライメントマーク１５６，１５７および１５８は三つ設けられているので、前後左右の位置が確定する。特に、凹形状の円錐形のアライメントマークは点線円１５９に示すように開口部から底部にかけて傾斜しているので、点線円１６０に示すような凸形状のアライメントマークは中心位置１６１に向けて落とし込まれるので、精度よく位置が確定する。しかも、凸形状のアライメントマークは点線円１６０に示すように先端の尖った部分が丸くなっているので、凹形状のアライメントマークの底部に達することはなく、成型時の微妙な精度の違いによる浮き上がりを防止することができる。尚、このような丸みを帯びた凸形状のアライメントマークは、図４のＧで説明したような工程によって加工することができる。この場合も、図８で説明したのと同様に、アライメントマーク形状はＵ字型でも構わない。ポイントは、アライメントマークの凹部の開口部に比べて凹部の奥に向かって垂直角以内の角度で傾斜していることで、底に向かって細くなっていることである。【００４３】
次に、本発明の製造方法によるその他の微小構造体の例について、図１０，１１，１２および１３を用いて説明する。
第２の実施形態では、基材は平板形状として説明したが、図１０に示すような曲面形状の基材であっても本実施形態で説明した工程と同様の工程で微小構造体を形成することができる。図１０（ａ）は曲面形状の基材を有するＤＯＥの微小構造体の断面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＤＯＥ形状も曲面になった微小構造体の断面図、図１０（ｃ）は図１０（ａ）の中空部分に屈折率の異なる樹脂を挿入したＤＯＥの微小構造体の断面図である。【００４４】
図１０（ａ）において、２５１は第二の基材、２５２は第二の層、２５３は第二の基材２５１と第二の層２５２とからなる曲面形状の基材を有する第一の部材、２５４は第一の基材、２５５は第一の層、２５６は第一の基材２５４と第一の層２５５とからなる曲面形状の基材を有する第二の部材、２５７はエポキシ系などの接着剤、２５８は中空部分をそれぞれ示している。中空部分２５８は空気で満たされており、通常の二枚組のＤＯＥレンズとして作用するが、第一の基材２５４および第二の基材２５１はそれぞれ使用波長に対して透明材料からなり、かつレンズ状の曲面形状をしているのでレンズとして作用し、使用波長に対して透明な樹脂材料からなる第一の層２５５および第二の層２５２によって形成されるＤＯＥレンズの特に周辺部の集光を補完する。このため、ＤＯＥレンズの周辺部の狭いピッチを広くすることができるので、鋭角状のエッジ部分の製造時の欠け防止や精度管理が容易になる。【００４５】
図１０（ｂ）において、２５９は曲面形状の基材を有する第一の部材、２６０は曲面形状の基材を有する第二の部材、２６１は曲面形状のＤＯＥを有する第二の層、２６２は曲面形状のＤＯＥを有する第一の層をそれぞれ示している。パターンニングの際にグレイスケールマスク法などを用いることによって曲面形状の第一の層２６２や第二の層２６１を形成することができ、図１０（ａ）よりも複雑な特性のＤＯＥレンズを実現することができる。また、露光によるパターンニング以外で、金属をバイトなどで切削する方法も可能である。特に、図１０（ｂ）のようなパターンはＤＯＥレンズの輪帯ピッチが数十ミクロン程度であれば切削加工の方が有利である。【００４６】
図１０（ｃ）において、２６４は図１０（ａ）の第一の層２５５や第二の層２５２とは屈折率の異なる高屈折率の樹脂である。適当な屈折率を有する樹脂を充填することによって、回折作用についてコントロールが可能となるので、ＤＯＥの特性を改善することが可能になる。或いは、樹脂２６４を特定の波長を吸収する樹脂材料とすることによって、フィルタの機能を有するＤＯＥレンズを実現することもできる。また、樹脂２６４を液体とすることで、新たな特性や機能の実現も可能となる。【００４７】
次に図１１を用いて、アライメントマーク形状の一例を説明する。図１１は図１０（ａ）の曲面形状の基材を有するＤＯＥの微小構造体で、図１１（ｂ）は微小構造体を上面から透過して見た図で、切断位置Ｌで切断したときの断面図が図１１（ａ）である。図１１において、３５９はＶ溝が空洞部分２５８の周囲を取り囲むようにリング状に配置されたアライメントマーク、３６０はアライメントマーク３５９のＶ溝の中心位置、３６１は図１１（ａ）の断面図のＶ溝の中心位置と図１１（ｂ）のＶ溝の中心位置との対応を示すための点線である。【００４８】
図１１に示した微小構造体は、円形で中心部分が盛り上がった第一の基材２５４と第二の基材２５１とに挟まれるようにＤＯＥパターンが形成された第一の層２５５と第二の層２５２とがそれぞれの凹凸のアライメントマーク３５９で嵌合されて接着剤２５７によって密着固定されている。第二の層２５２には逆Ｖ字形の凸形状のアライメントマークがあり、第一の層２５５にはＶ字型の凹形状のアライメントマークがある。これらのアライメントマークはリング状になっているので、嵌合する際に前後左右にずれることなく、逆Ｖ字形の凸形状のアライメントマークはＶ字型の凹形状のアライメントマークの中心位置３６０に落とし込まれる。【００４９】
次に図１２を用いて、その他のアライメントマーク形状について説明する。図１２は図１０（ａ）の中空部分に屈折率の異なる液体を充填したＤＯＥの微小構造体で、図１２（ｂ）は微小構造体を上面から透過して見た図で、切断位置Ｍで切断したときの断面図が図１２（ａ）である。図１２において、４５８は中空部分に充填された液体、４５９は四角錐形のアライメントマーク、点線円４６０はアライメントマーク４５９を立体的に拡大した図、４６１はアライメントマーク４５９の中心位置、点線円４６２は凹形状のアライメントマーク４５９と嵌合する凸形状のアライメントマークを立体的に拡大した図、点線円４６３は凸形状のアライメントマーク４６２とは異なる凸形状のアライメントマークの例をそれぞれ示している。【００５０】
図１２に示した微小構造体は、円形で中心部分が盛り上がった第一の基材２５４と第二の基材２５１とに挟まれるようにＤＯＥパターンが形成された第一の層２５５と第二の層２５２とが、中空部分に液体４５８を充填しながらそれぞれの凹凸のアライメントマーク３５９で嵌合されて接着剤２５７によって密着固定されている。第二の層２５２の３ヶ所に点線円４６２で示したような円錐形で凸形状のアライメントマークがあり、第一の層２５５の３ヶ所に点線円４６０で示したような円錐形で凹形状のアライメントマークがある。これらのアライメントマークは開口部から中心位置４６１に向かって傾斜状になっているので、点線円４６２に示した凸形状のアライメントマークと点線円４６０に示した凹形状のアライメントマークとは嵌合する際に前後左右にずれることなく、中心位置４６１に向かって落とし込まれる。尚、凸形状のアライメントマークは点線円４６２に示したような先端部が丸みを帯びているので、点線円４６０に示した凹形状のアライメントマークの高さよりも点線円４６２で示した凹形状のアライメントマークの深さの方が浅いので、嵌合時に底に着くことはなく、成型時の微妙な精度の違いによって浮いてしまうことを防止することができる。同様に、点線円４６３で示した先端を面取りした凸形状のアライメントマークであっても、高さが低くなるので、同様の効果が得られる。凹部の深さよりも凸部の高さが低いことが重要である。【００５１】
第１の実施形態および第２の実施形態のアプリケーションは、ＤＯＥだけではなくＭＬＡなどでも有効である。例えば、光ファイバ結合器において、特に複数の光ファイバをレンズ結合する場合に光軸の調整など組み立て精度が重要となるが、本発明の微小構造体の製造方法を用いてマイクロレンズアレイを対向させて構築すれば、光軸のずれが少ない精度の高い光ファイバ結合器を実現でき、直径が数ｕｍから数十ｕｍのシングルモード光ファイバにも対応することができる。次にこのようなＭＬＡへの応用例を図１３を用いて説明する。【００５２】
図１３において、５５１は第二の基材、５５２は第二の層、５５３は第二の基材５５１と第二の層５５２とからなる曲面形状の基材を有する第一の部材、５５４は第一の基材、５５５は第一の層、５５６は第一の基材５５４と第一の層５５５とからなる曲面形状の基材を有する第二の部材、５５７はエポキシ系などの接着剤、５５８は中空部分、５５９は第二の層５５２に形成されたＭＬＡレンズのパターン、５６０は第一の層５５５に形成されたＭＬＡレンズのパターン、５６１は第一の層５５５に形成された凹形状のアライメントマーク、５６２は第二の層５５２に形成された凸形状のアライメントマークをそれぞれ示している。【００５３】
図１３に示した微小構造体は、中空部分５５８が空気で満たされており、通常の二枚組のＭＬＡレンズとして作用し、ＭＬＡレンズのパターン５５９および５６０は第２の実施形態の図４，５および６を用いて説明したＤＯＥレンズと同様の方法で製造できる。つまり、図４において、先ずＭＬＡレンズのマスタ４０１を作製し、そのマスタを基に第一の反転原版５０５を作製し、犠牲層４０６をパターンニングする際に、グレイスケールマスク法などでＭＬＡレンズパターン５５９に相当するパターンを犠牲層４０６に形成して図５（ｃ）のように第二の反転原版５０４を作製すれば、同様の工程を経て、ＭＬＡレンズパターンを有する第一の部材５５６と第二の部材５５３を量産製造することができる。しかも、凸形状のアライメントマーク５６２と凹形状のアライメントマーク５６１は、同じ原版から作製したサブマスタを基に成型されているので、嵌合時にズレることなく確実に合わせることができる。尚、図１３で説明した凸形状のアライメントマーク５６２と凹形状のアライメントマーク５６１とは図９で説明した円錐形のアライメントマークを同じ形状である。【００５４】
図１３のＭＬＡレンズの例は光ファイバ結合器を想定したものであるので個々のマイクロレンズは互いに対向位置に配置したが、対向するレンズを千鳥状に精度良く配置することでロスの少ない光スプリッタなども実現することができる。また、図１０（ｃ）で説明したものと同様に、ＭＬＡレンズ間の空間に屈折率の異なる樹脂を入れることによって複雑な屈折率の制御が可能になる。或いは、特定の波長の光を吸収する樹脂を入れることによってフィルタ機能を持たせることもできる。【００５５】
このように、本発明の第２の実施形態においては、凹形状のアライメントマークを有する第一の部材と凸形状のアライメントマークを有する第二の部材とは、同一の原版から作成したものであるから、凹凸のアライメントマーク部は精度良く嵌合することができる。つまり、嵌合の精度が原版の機械的な精度に依存することはない。また、凸部の高さは凹部の深さよりも小さいので、第一の部材と第二の部材のお互いに嵌合させる部分の平坦部は隙間なく確実に合わせることができる。しかも、凹部は開口部の面積に対して底部の中心に向かって傾斜があるので、嵌合時の位置ずれを起すことなく中心点を基準に嵌合することができる。【００５６】
さらに  凸形状のアライメントマークの断面形状は、先端に向かって幅が狭くなる形状になっているので容易に嵌合することができる。特に、凸形状のアライメントマークの先端部を、曲率を持たせた曲面や多角形にすることで、容易かつ位置ずれなく嵌合することができる。
また、第一の部材と第二の部材とをアライメントマークに合わせて嵌合する行程を空気以外の気体で満たした気密室で行うことによって、中空部分に空気以外の気体を充填することが可能となる。また、第１の実施形態と同様に、気体だけではなく、同様に液晶などの液体も充填することが可能である。さらに、中空部分が外気に通じるように微小構造体の一部に穴を開けておくなどの処置をしておけば、ガスセンサなどに応用することも可能になる。
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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