(57)【要約】【課題】高温の製造過程にも耐えうるレンズを製造でき、かつレンズの形状および高さを制御することのできる経済的な製造技術を提供する。【解決手段】光学デバイスが、屈折および回折の両方が制御されるものであって、大きな曲面を有する第１のレリーフ構造が屈折特性を提供し、微細な段部を有する第２のレリーフ構造が回折特性を提供する。この光デバイスを、ある程度高い粘度、例えば２０００センチポイズ以上のポリマー材料、例えばエポキシベースの材料を使用して、フォトリソグラフィにより光学デバイスを製造する。【選択図】図８
2007017980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折特性および回折特性を備えた光学デバイス（８００）であって、
基板（８３０）と、
前記基板（８３０）上に設けられた、前記屈折特性を提供する曲面を有する第１の独立のレリーフ構造（８４０）と、
前記第１の独立のレリーフ構造（８５０）上に設けられ、第２の独立のレリーフ構造（８５０）の面カーブの包絡線（８１０）を規定する光透過性のポリマー材料の１つ以上の層とを備えており、
前記面カーブの包絡線（８１０）が、前記回折特性を提供する不連続の回折フィーチャ（８２０）から形成されている、光学デバイス。
【請求項２】
前記第１の独立のレリーフ構造（８４０）が、
前記基板（８３０）上に設けられ、フォトリソグラフィでパターニングされて前記曲面が規定されている前記光透過性のポリマー材料の少なくとも１つの追加的な層を備えている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記不連続の回折フィーチャ（８２０）が、回折段部の組を有し、該組のそれぞれが、前記層を２つ以上積層したものから形成されており、前記面カーブの包絡線（８１０）が、前記組のそれぞれにおいて前記１つ以上の層の最上層から形成されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記組のそれぞれが、前記光透過性ポリマー材料の第１のスタックと、前記光透過性ポリマー材料の少なくとも１つの追加的なスタックとを含み、該少なくとも１つの追加的なスタックが、前記第１のスタックに関連する領域より小さな領域を有する、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記回折段部のそれぞれの高さが、０．１〜１．５μｍである、請求項３に記載のデバイス。
【請求項６】
前記不連続な回折フィーチャ（８２０）のそれぞれの横方向寸法が、０．４〜１０μｍである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第１の独立のレリーフ構造（８４０）の沈降深さが、０〜５０μｍである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記光透過性ポリマー材料が、エポキシベースのポリマー材料からなっている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記１つ以上の層のそれぞれが、フォトリソグラフィにより別々にパターニングされている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記回折特性が、ビーム分割、格子分光およびホログラフィを含む、請求項１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学デバイス、特にマイクロレンズアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
合衆国法典第３５編、第１２０条の下での利益の主張
本出願は、２００２年５月２日付けで出願した米国特許本出願第１０／１３７，６３０号の一部継続出願である。
【０００３】
従来技術
マイクロレンズの製造は、テラビットの速度で動作可能なコンパクトなファイバ光通信デバイスを形成するために重要な技術である。このようなコンパクトなデバイスにおいては、入射光信号および出射光信号を整合させて集光するために使用されるレンズは、ますます小さくなっており、小型の検出器もしくは垂直面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のような光源に、ますますより隣接して配置させるようになっている。
【０００４】
光通信業界では、様々なマイクロレンズ製造技術が使用されており、それは、例えば、ポリマープレス成形もしくは金型成形プロセスおよびポリマーリフロープロセスである。しかし、ポリマープレス成形もしくは金型成形プロセスおよびポリマーリフロープロセスで使用される典型的なポリマーは、低粘度のポリマーであり、２５０℃を超える温度では十分に機能しない。アッセンブリの製造温度が３００℃を超える場合には、マイクロレンズアレイの光学的性質は、その製造温度の高さにより形状変形および材料の脱色が生じ、劣化しうる。さらに通常、低粘度のポリマーからは、用途によっては必要となりうる厚いレンズを製造することができない。さらに、典型的なフォトレジスト材料によって得られるレンズ形状は、液体フォトフォトレジストの表面張力によって制限される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
後続の製造工程での高温に対して耐性のあるレンズを製造し、かつレンズの形状および高さが制御可能である経済的な製造技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による態様により、屈折特性および回折特性を提供する２つの独立のレリーフ構造を含む光学デバイスが得られる。第１の独立のレリーフ構造は、曲面を有し、屈折特性を提供する。そして、この第１の独立のレリーフ構造の上に設けられた第２の独立のレリーフ構造は、光透過性のポリマー材料の１つ以上の層を含み、回折特性を提供する。この第２の独立のレリーフ構造の１つ以上の層は、光学デバイスの屈折特性および回折特性を生じさせる不連続の回折フィーチャ（回折特性をもたらす構造もしくは造作）により形成される面カーブの包絡線を規定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明を添付の図面を参照しながら以下に説明する。図面は、本発明の重要な実施態様を示し、参照により本願明細書に組み込まれている。
【０００８】
本明細書で用いる「レジスト」という用語は、３５０ｎｍ以上の光学波長に対して透過性を有し、層の積層を可能にする十分な粘度を有するポリマーレジスト材料を指すものとする。例えば、ポリマーレジスト材料の粘度は、２，０００〜１００，０００センチポイズ（２〜１００Ｐａ・ｓ）、２，５００〜１００，０００センチポイズ（２．５〜１００Ｐａ・ｓ）、３，０００〜１００，０００センチポイズ（３〜１００Ｐａ・ｓ）、３，５００〜１００，０００センチポイズ（３．５〜１００Ｐａ・ｓ）、４，０００から１００，０００センチポイズ（４〜１００Ｐａ・ｓ）、４，５００から１００，０００センチポイズ（４．５〜１００Ｐａ・ｓ）、または５，０００〜１００，０００（５〜１００Ｐａ・ｓ）センチポイズであってよい。レジスト材料が高粘度（例えば２，０００センチポイズ（２Ｐａ・ｓ）を超える粘度）であることによって、厚い（ｍｍのオーダーまでの）膜の形成が可能となり、したがって、厚いレンズの形成が可能となる。さらに、レジスト材料が光透過性を有することによって、レジストをレンズ材料として使用し、このレジストによって形成された厚いフィルムを熱硬化して基板上に設けることが可能となる。
【０００９】
一態様では、レジストは、エポキシベースのポリマーレジストである。エポキシベースのポリマーレジスト材料は、ポリマーを架橋させる前には低温で流動性があり、後続のプロセス後には２５０℃を超える温度で安定である（つまり、このレジストは、他の多くのポリマーのように後続のプロセス中にリフローすることはない）。エポキシベースのポリマーレジストの例としては、IBMにより開発され、MicroChem Corporationにより販売されているＳＵ−８が挙げられる。ＳＵ−８は、紫外線（ＵＶ）に露光して熱硬化させると化学的に不活性となり固定される。
【００１０】
図１に、本発明の態様によるマイクロ光学デバイスを製造する例示的なステップを示す。レジストの層を基板上に堆積させ（ステップ１００）、フォトリソグラフィによってパターニングして、第１のレンズ層を規定する（ステップ１１０）。基板は、特定の波長範囲内の光（例えば、可視線、ｘ線、赤外線）に対して透過性があり、非反射性材料、例えば適切な光学屈折率および厚みを有する誘電体材料の１つ以上の層を含む。別の態様で、反射を利用する光学機器で用いるためには、基板は透過性を有していなくともよく、反射材料、例えば適切な光学屈折率および厚みを有する金属材料および／または誘電体材料の１つ以上の層を含んでいてよい。
【００１１】
マイクロ光学デバイスの所望のジオメトリもしくは幾何学構造を得るために、レジストの追加の層（ステップ１２０）を堆積させ（ステップ１００）、フォトリソグラフィによってこれをパターニングし（ステップ１１０）、レンズ構造の完成品が形成される。レンズ構造上にレジストの最終平滑化層を堆積し（ステップ１３０）、パターニングし（ステップ１４０）、熱硬化させ（ステップ１５０）、マイクロ光学デバイスに平滑な面を提供する。例えば、基板は、９０〜１２０℃の温度で、加熱プレート上にもしくはオーブン中に置かれる。得られたマイクロ光学デバイスは、例えば、次の種類の各マイクロレンズ、すなわち凹レンズ、凸レンズ、円形レンズ、楕円形レンズ、プリズム、フレネルレンズ、格子および回折光学機器の１つ以上を含むことができる。さらに、マイクロ光学デバイス製造技術によって、マイクロ光学デバイスをアッセンブリに簡単に組み込むことが可能となり、経済的にも有利にマイクロ光学デバイスを別のＩＣ要素と共にパッケージングすることができる。
【００１２】
一態様では、図２Ａ〜２Ｇに示すように、マイクロ光学デバイス、例えばマイクロレンズのアレイを、一連のステップで製造する。各ステップでは、エポキシベースの、ネガ型感光性ポリマーレジスト２１０を基板２００、例えば石英、ガラス、シリコン、セラミックス、プラスチック、可撓性の薄膜および別の種類の材料上に堆積させる。レジスト２１０を、任意の公知の堆積プロセス、例えばスピンコーティングによって堆積させる。スピンコーティングプロセスは、例えば次のように行う。（１）真空チャックに基板を配置し、（２）静止状態で基板上にレジストを供給し、（３）設定速度（例えば５００〜５０００ｒｐｍ）にまで基板を回転させ、（４）その設定速度を所定時間維持し、（５）速度を落として基板の回転を止める。回転サイクル中、レジストが広がり、基板表面をコーティングする。所望のレジスト膜厚みを得るために、余分なレジストは、スピンオフされる（回転により振り落とされて除去される）。このような堆積プロセスによって、図２Ａに示すような、基板２００上に重なるレジスト２１０の層が得られる。
【００１３】
レジスト２１０の層を基板２００上に堆積させた後、図２Ｂに示すように、レンズのエッジをフォトリソグラフィにより規定する。例えば、標準的なフォトリソグラフィプロセスでは、レジスト２１０を、室温でフォトマスクを用いて紫外線（ＵＶ、例えば３５０〜４００ｎｍ）に露光し、続いて、９５〜１２０℃の典型的な温度で（使用材料によって別の温度も利用されるが）焼成する。ＵＶ線により、露光されたレジスト２１０の性質が変化し、レジスト２１０のタイプ（ネガ型またはポジ型）に基づき、現像溶液中で溶解しやすくなるかまたは溶解しにくくなる。図２Ｂに示すネガ型ポリマーレジスト２１０は、露光された領域が、架橋される（つまり硬化する）、すなわち現像溶液に対する耐性が得られるタイプのものである。レジスト２１０の露光されていない領域は、現像溶液中で溶解し、レジストの第１の層の１つ以上のスタック２１０ａの所望のパターンが残る。例えば、いくつかの態様では、現像溶液は、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）であってよい。しかし、使用材料に応じて他の現像溶液も利用できることを理解されたい。
【００１４】
図２Ｇでは、レジスト２１０の第２の層が、レジストの第１の層のパターン化されたスタック２１０ａ上に堆積されている（例えばスピンコーティングされている）。レジスト２１０の第２の層も、フォトリソグラフィによってパターン化し、レジストの第１の層の１つ以上のスタック２１０ａ上に重なるレジストの第２の層の１つ以上のスタック２１０ｂを規定する。図２Ｄに示すように、第２の層スタック２１０ｂの面積は、第１の層スタック２１０ａより小さく、レジスト材料の「段付き」スタックが形成される。さらなるレジスト層（図示せず）を堆積させ、底部段２１０ａの面積が最大であり上部段２１０ｂの面積が最小である階段状上昇パターンで規定することもできる。レンズの高さおよび曲率は、レジスト層の数および各レジスト層の外側エッジの直径によって決定される。
【００１５】
図２Ｅに示すように、レジスト２１０の最終平滑化層を、上述のようにパターン化されたレジストのスタック２１０ａおよび２１０ｂ上にスピンコーティングする。レジスト２１０の最終層は、他のレジスト層より小さい（例えば２，０００センチポイズ（２Ｐａ・ｓ）より小さい）様々な粘度を有することに留意されたい。レジスト２１０の最終層も、フォトマスクを用いてＵＶ線に露光して、レジストの第１の層に対するレンズのエッジを規定し、現像し、その場合、図２Ｆに示すように、レジスト２１０ｃの最終パターン化層が、レジストの他のスタック２１０ａおよび２１０ｂ全てを覆うようにする。得られたレジスト層のスタック２１０ａ、２１０ｂおよび２１０ｃを熱硬化（つまりソフトベークもしくはプリベーク）させ、パターン化された最終層２１０ｃが、他のレジストスタック２１０ａおよび２１０ｂ上を滑らかに流動できるようにする。熱硬化プロセスにより生じた表面張力によって、レジストの最終パターン化層２１０ｃが引っ張られ、曲面を有するレンズ２２０の形状となる。レンズ２２０の形状および寸法を仕上げるために、レンズ２２０に、ＵＶを用いて全面的な露光（つまり、マスクを用いない露光）を施し、ポリマー材料を架橋させてレンズ２２０を硬化させる。
【００１６】
本発明の製造プロセスでは、ポリマーの幾何学構造（形状、寸法等）をリソグラフィによって規定する。例えば、この製造プロセスによって、様々なレンズのパラメータ、例えば、レンズの高さ、直径および形状を制御することが可能となる。さらに、図２Ｇに、上記製造プロセスで用いるレンズの可変のパラメータの例をいくつか示す。パラメータは、凹レンズ２２０ａの曲率、凹レンズ２２０ｂの直径、凸レンズ２２０ｃの曲率、凸レンズ２２０ｄの直径およびレンズ２２０ｅの高さである。しかし、本発明の製造プロセスによって制御可能なレンズパラメータは、図２Ｇに示すものに制限されることはなく、レンズの任意の幾何学構造の要素であってよい。
【００１７】
図３は、図２Ａ〜２Ｇに示す態様によるマイクロ光学デバイスを製造するための例示的なステップを示すフローチャートである。エポキシベースのネガ型感光性ポリマーレジストの最初の層を、基板にスピンコーティングする（ステップ３００）。所望であれば、基板およびその基板上に設けたレジストの層を熱硬化させることもでき（ステップ３１０、つまりソフトベーク）、フォトリソグラフィへの前段階とすることができる。始めのフォトリソグラフィステップ（ステップ３２０）では、始めのパターニングマスクであるフォトマスクを使用し、紫外線（ＵＶ、例えば３５０〜４００ｎｍ）に露光させることによってレンズのエッジを規定し（ステップ３３０）、レジストを露光後ベークもしくはポストベークし（ステップ３４５）、レジストの露光されていない領域を現像溶液中で溶解除去する（ステップ３５０）と、レジスト材料の１つ以上のスタックが残される。レジストの追加的な層を適用し（所望の高さおよびレンズの曲率に依存する、ステップ３６０）、そのレジストの追加的な層のそれぞれを、上記のように規定されたレジストのスタック上にスピンコーティングし（ステップ３００）、ソフトベークし（ステップ３１０）、直前に形成したレジストのスタックより小さな面積を有し、かつその直前に形成した１つ以上のレジストのスタック上に重ねられる１つ以上のスタックを規定できる、より小さなマスクパターンを有するフォトマスクを使用して、フォトリソグラフィによるパターニングを行う（ステップ３３５）。次に、レジストを焼成し（ステップ３４５）、現像溶液中で、レジストの露光されていない領域を溶解除去する（ステップ３５０）と、レジストの下側段部の面積が最大であり、レジストの上側段部の面積が最小である、レジストの「段付き」形状の階段状上昇パターンが残される。
【００１８】
レジストの最終平滑化層（ステップ３６０）を、その前にパターン化されたレジストのスタック状にスピンコーティングし（ステップ３００）、ソフトベークする（ステップ３１０）。最終層（ステップ３２５）も、レジストの最初の層に対してレンズのエッジを規定する際に使用した最初のフォトマスクを用いて、ＵＶ線に露光させ（ステップ３４０）、露光後ベークを行い（ステップ３４５）、現像し（ステップ３５０）、これにより、レジストの最終パターン化層が、レジストの他の全ての層を覆う。このようにして得られたレジスト層のスタック（ステップ３６０）を、熱硬化させ（ステップ３７０）、これにより、最終層が、その他の層上を滑らかに流動して、これらの層を覆いかつこれらの層間を満たす。溶融したレジストの最終層の表面張力により、最終層が引っ張られ、曲面を有するレンズ形状が得られる。
【００１９】
レンズ形状および寸法を仕上げるために、ＵＶ線によりレンズを全面的に（つまり、マスクを用いないで）露光し、ポリマー材料を架橋させ、それにより、レンズを硬化させる（ステップ３８０）。必要であれば、最終熱処理を施し、レンズを硬化させて、後続のプロセスでさらに性能を向上させる（ステップ３９０）。
【００２０】
図４Ａ〜４Ｉに示す別の態様では、代替的な一連のパターン化ステップを用いてマイクロ光デバイスを製造することができる。エポキシベースのネガ型感光性ポリマーレジスト２１０ａの第１の層を、基板２００上に堆積させる。このレジストの第１の層２１０ａを、フォトマスクを用いて紫外線（ＵＶ、例えば３５０〜４００ｎｍ）で露光し、これにより、露光された領域２１５ａは架橋（つまり、硬化）され、現像溶液中で耐性となる。図４Ｂでは、レジストの第２の層２１０ｂが、レジストの第１の層２１０ａ上に堆積されている（例えば、スピンコーティングされている）。レジストの第２の層２１０ｂも、その露光される領域２１５ｂを、レジストの第１の層２１０ａの露光された領域２１５ａよりも小さくできるフォトマスクを用いて、ＵＶ線で露光する。さらにレジストの後続の層（図示せず）を堆積させることもでき、下側の層２１０ａの露光された面積２１５ａが最大で、上側の層２１０ｂの露光された面積２１５ｂが最小である階段状上昇パターンになるよう露光する。レジスト２１０ａおよび２１０ｂの層の露光されていない領域を、現像溶液中で同時に溶解し、これにより、図４Ｃに示すようなレジストの１つ以上のスタック２１０ａおよび２１０ｂの所望のパターンが残される。
【００２１】
図４Ｄに示すように、レジスト２１０の最終平滑化層を、その前にパターン化されたレジストのスタック２１０ａおよび２１０ｂ上にスピンコーティングする。レジスト２１０の最終層も、レジストの第１の層に対してレンズのエッジを規定する際に用いたフォトマスクを用いてＵＶ線で露光し、図４Ｅに示すように、レジストの最終パターン化層２１０ｃが、他の全てのレジストのスタック２１０ａおよび２１０ｂを覆うように現像する。このようにして得られたレジスト層２１０ａ、２１０ｂおよび２１０ｃのスタックを、熱硬化させ（つまり、ソフトベークし）、これにより、最終パターン化層２１０ｃが、他のレジストスタック２１０ａおよび２１０ｂ上を滑らかに流動して、これらのスタック２１０ａおよび２１０ｂを覆い、これらのスタック２１０ａおよび２１０ｂの間を充填する。熱硬化プロセスによって生じた表面張力により、レジストの最終パターン化層２１０ｃの形状が引っ張られ、図４Ｆに示すように、曲面を有するレンズ形状が得られる。レンズ２２０の形状および寸法を仕上げるために、ＵＶ線によりレンズ２２０を全面的に露光し（つまりマスクを用いない）、ポリマー材料を架橋させ、これにより、レンズ２２０を硬化させる。
【００２２】
図５は、図４Ａ〜４Ｆに示す態様によるマイクロ光学デバイスを製造する例示的なステップを示すフローチャートである。エポキシベースのネガ型感光性ポリマーレジストの最初の層を、基板上にスピンコーティングする（ステップ５００）。所望であれば、基板およびその基板上に設けたレジストの層を熱硬化させ（ステップ５２０、つまりソフトベーク）、フォトリソグラフィの前段階とすることができる。最初のフォトリソグラフィステップ（ステップ５２０）では、レンズのエッジを、最初のマスクパターンを有するフォトマスクを利用して、紫外線（ＵＶ、例えば３５０〜４００ｎｍ）にレジストを露光させ（ステップ５３０）、露光した領域のレジストを架橋（つまり、硬化）させることによって規定する。レジストの追加的な層を適用する場合（ステップ５４５、レンズの所望の高さおよび曲率による）には、その前に規定されたレジストのスタック上に、レジストの追加的な層のそれぞれをスピンコーティング（ステップ５００）し、ソフトベークし（ステップ５１０）、直前に形成したレジストのスタックより小さな面積を有し、かつその直前に形成したレジストのスタック上に重ねられる１つ以上のレジストのスタックを規定できる、より小さなマスクパターンを有するフォトマスクを利用して、ＵＶ線で露光する（ステップ５３５）。レジストを焼成し（ステップ５４０）、露光されなかったレジストの領域を共に、現像溶液中で溶解除去する（ステップ５５０）と、レジストの下側の段の面積が最大で、レジストの上側の段の面積が最小である、レジストの「段付き」形状の階段上昇パターンが残される。
【００２３】
レジストの最終平滑化層を、その前にパターニングされたレジストのスタック上にスピンコーティングし、ソフトベークする（ステップ５６０）。最終層も、レジストの第１の層に対してレンズのエッジを規定する際に用いられたフォトマスクを利用して、ＵＶ線に露光させ（ステップ５７０）、露光後ベークを行い（ステップ５７５）、現像し（ステップ５８０）、レジストの最終パターン化層がレジストの他の全ての層を覆うようにする。このようにして得られたレジスト層のスタックを熱硬化させ（ステップ５９０）、これにより、最終層が、他のレジスト層上を滑らかに流動して、これらの層を覆い、これらの層間を充填する。溶融されたレジストの最終層の表面張力により、最終レジスト層を引っ張られ、曲面を有するレンズ形状が得られる。レンズの形状および寸法を仕上げるために、ＵＶを利用してレンズを全面的に（つまり、マスクを用いずに）露光し、ポリマー材料を架橋させ、これにより、レンズを硬化させる（ステップ５９５）。必要であれば、最終熱処理を施すことができ、これにより、レンズを硬化させ、後続のプロセス中での性能がさらに向上する（ステップ５９８）。
【００２４】
さらに別の態様では、図６Ａ〜６Ｉに示すように、マイクロ光学デバイス、例えばマイクロレンズのアレイを、一連のシェル形成方式ステップで製造する。図６Ａから明らかであるように、エポキシベースのネガ型感光性レジストのコア層２１０を、基板２００上にまず堆積させる。レジスト２１０のコア層を、上述のように、フォトリソグラフィによってパターニングする。得られたパターンは、図６Ｂに示すようなレジスト材料の１つ以上のコアスタック２１０ａである。
【００２５】
図６Ｃでは、レジスト２１０の第２の層が、レジストの第１の層で規定されたコアスタック２１０ａ上に堆積（例えばスピンコーティング）されている。レジスト２１０の第２の層を、パターニングなしで（ＵＶ露光なしで）、現像溶液中で溶解させる。ローディング効果によって、レジスト材料のスペーサが、図６Ｄに示すように、各コアスタック２１０ａの底部で残される。しかし、所定の態様では、レジスト材料のスペーサ２１０ｄは必要ではなく、その場合、マイクロ光学デバイスを、レジストのコア層および以下に記載の任意の後続の層を使用して製造する。レジスト２１０の後続の層を、規定されたレジストのスタック２１０ａ（およびスペーサ２１０ｄ）上に堆積（例えばスピンコーティング）させ、フォトリソグラフィによってパターニングして、レジストの１つ以上のスタック２１０ａ（およびスペーサ２１０ｄ）上に重ねられるレジストの１つ以上のシェル２１０ｅを規定する。図６Ｆに示すように、レジスト材料の各シェル２１０ｅの面積は、スタック２１０ａおよびスペーサ２１０ｄを合わせたものよりも大きい。レジストシェル２１０ｅのエッジが、レンズの直径を規定する。使用されるシェル２１０ｅの数は、レンズの所望の高さ、幅および曲率に依存する。
【００２６】
図６Ｇに示すように、レジスト２１０の最終平滑化層を、その前にパターニングしたレジストのシェル２１０ｅ上にスピンコーティングし、フォトリソグラフィによってパターニングして、図６Ｈに示すようなレジストの最終シェル２１０ｆを規定する。得られたレジストのシェル２１０ｅおよび２１０ｆを熱硬化（つまりソフトベーク）させ、これにより、レジストの最終シェル２１０ｆが、他のレジストシェル２１０ｅ上を滑らかに流動可能となり、また、熱硬化プロセスによって生じた表面張力により、最終シェル２１０ｆの形状が引っ張られ、曲面を有するレンズ２２０を得ることができる。レンズ２２０の形状および寸法を仕上げるために、図６Ｉに示すように、レンズ２２０を全面的に（つまりマスクを使用せずに）ＵＶに露光し、ポリマー材料を架橋させ、これによりレンズ２２０を硬化させる。一連のシェル２１０ｅおよび２１０ｆを規定することにより、得られたレンズ２２０は、滑らかに丸められた半球状の側壁を有するようになる。
【００２７】
図７は、図６Ａ〜６Ｉに示す態様によるマイクロ光学デバイスを製造するための例示的なステップを示すフローチャートである。エポキシベースのネガ型感光性ポリマーレジストのコア層を、基板上にスピンコーティングする（ステップ７００）。所望であれば、基板およびこの基板上に設けたレジストの層を熱硬化することができ（ステップ７１０）、これによりフォトリソグラフィのための前段階が得られる。最初のフォトリソグラフィステップ（ステップ７２０）では、最初のマスクパターンを有するフォトマスクを用いて、レジストを紫外線（ＵＶ、例えば３５０〜４００ｎｍ）に露光することによって、レジストのコア層をパターニングし（ステップ７３０）、露光後ベークを施し（ステップ７４０）、現像溶液中でレジストの露光されていない領域を溶解除去する（ステップ７４０）と、レジスト材料の１つ以上のコアスタックが残される。
【００２８】
レンズの高さを大きくすることなしにレンズの幅を広げるために、レジスト材料の１つ以上のスペーサが所望される場合（ステップ７５０）には、レジストの１つ以上の追加的な層を、レジストの第１の層における規定されたコアスタック上にスピンコーティングすることができ（ステップ７００）、ソフトベークし（ステップ７１０）、スペーサを規定し（ステップ７２５）、パターニングを行わず（ＵＶ露光を行わず）、現像溶液中で溶解させる（ステップ７４５）。その後、レジストの追加的な層を適用する場合（ステップ７５０、レンズの所望の高さおよび曲率による）には、レジストのそれぞれの追加的な層を、その前に規定したレジストのコアスタックおよびスペーサ上にスピンコーティングし（ステップ７００）、ソフトベークし（ステップ７１０）、レジストのコアスタックおよびスペーサを合わせたものより大きな面積を有し、かつそのレジストの１つ以上のコアスタックおよびスペーサに重ねられるレジストの１つ以上のシェルを形成できる、より大きなマスクパターンを有するフォトマスクを利用して、フォトリソグラフィによりパターニングする（ステップ７３５）。レジストをベークし（ステップ７４０）、レジストの露光されていない領域を、現像溶液中で溶液除去する（ステップ７４０）と、下側のコアスタックの面積が最小であり、上側のシェルの面積が最大である「シェル」のスタックが残される。
【００２９】
レジストの最終平滑化層（ステップ７５０）を、その前にパターニングされたレジストのシェル上にスピンコーティングし（ステップ７００）、ソフトベークする（ステップ７１０）。最終層も、ＵＶ線に露光し（ステップ７３５）、露光後ベークを施し（ステップ７４０）、現像し（ステップ７４０）、これにより、レジストの最終パターン化層は、レジストの他の全ての層を覆っている。このようにして得られたレジストのシェルを熱硬化させる（ステップ７６０）と、これにより、最終層が他のレジスト層上を滑らかに流動できるようになり、また溶融したレジストの最終層の表面張力が、最終レジスト層を引っ張ることができ、曲面を有するレンズ形状が得られる。レンズの形状および寸法を仕上げるために、レンズを全面的に（つまり、マスクを用いずに）ＵＶに露光させ、ポリマー材料を架橋して、これによりレンズを硬化させる（ステップ７７０）。必要であれば、最終熱処理を施し、これにより、レンズを硬化させて、後続のプロセスでの性能をさらに向上させる（ステップ７８０）。
【００３０】
図１〜７に関連して説明した製造技術を用いて、独特の構造および特性を備えた様々な三次元光学デバイスを形成することができる。例えば、図８および９を参照すると、これらの図面には、本発明の態様によって製造できる、屈折特性および回折特性を有する例示的な光学デバイス８００が示されている。図８は、この例示的な光学デバイス８００の斜視図である。図９は、図８の光学デバイス８００の断面図である。図８および９に示す光学デバイス８００は、大きな曲面レリーフパターンと、微細な微視的回折パターンとの組合せであり、これにより、屈折特性および回折特性の両方を備えた高性能高機能光学デバイスが得られる。
【００３１】
さらに詳細には、図８および９に示す光学デバイスは、基板８３０の上に設けられた独立の大きなスケールの曲面レリーフ構造８４０と、この独立の曲面レリーフ構造８４０上に設けられた独立の微細な回折レリーフ構造８５０とを含む。これらの独立のレリーフ構造８４０および８５０はそれぞれ、光透過性のポリマー材料、例えばエポキシベースのポリマー材料からなっている。独立の曲面レリーフ構造８４０は、前述したように形成することができ、集光および光の操作の大部分を行う屈折特性を提供する曲面を有する。独立の回折レリーフ構造８５０は、不連続な回折フィーチャ８２０からなる面カーブの包絡線８１０を含む。この不連続の回折フィーチャ８２０は、光学デバイス８００に、回折特性、例えばビーム分割、格子分光もしくはコンピュータによるホログラフィをもたらす。
【００３２】
回折面のみを使用した場合、回折特性が得らるが、これだけでは光学デバイスの効率および得られる性能は低い。したがって、独立の曲面レリーフ構造８４０により集光の大部分が行われるようにすることによって、回折フィーチャ８２０が効果的に実施され、またその特有の設計が可能そなる。さらに、本発明は、図８および９に示す光学デバイス８００の独立の曲面レリーフ構造８４０もしくは独立の回折レリーフ構造８５０の特定の形状および設計に限定されることはなく、それに代わる屈折特性および回折特性を提供する、本発明の態様によって製造される任意の三次元光学デバイスを含む。さらに、光学デバイス８００を、「マスタ成形法」を利用して大量生産により製造することができる。
【００３３】
図９より明らかであるように、不連続の回折フィーチャ８２０は、鋭角で不連続なフィーチャを有する高周波数回折格子を形成する微細な回折段部の組を含む。この組は合わせられて全体で、面カーブの包絡線８１０全体を形成する。各組は、所望の回折特性を提供するよう、また各組の上層（最上段部）から光学デバイス８００の面カーブの包絡線８１０が形成されるよう設計された多くの回折段部を含む。よって、回折段部の隣接する組におけるステップの数および各ステップの高さを制御することによって光学デバイス８００の面カーブの包絡線８１０が得られる。
【００３４】
例えば、一態様では、回折段部の組のそれぞれを、光透過性のポリマーレジスト材料の１つ以上の層をフォトリソグラフィで別々にパターニングすることによって製造する。例えば、各組の回折段部は、図２Ａ〜２Ｄもしくは図４Ａ〜４Ｃとの関連により上述したように製造することができる。しかし、鋭角な不連続の回折フィーチャ８２０を維持するために、独立の回折レリーフ構造をリフローさせない（つまり、熱硬化させる）。光学デバイス８００を仕上げるために、光学デバイス８００を全面的に（つまり、マスクを使用せずに）ＵＶに露光し、ポリマー材料を架橋し、これにより光学デバイス８００を硬化させる。
【００３５】
例示的な態様では、光学デバイス８００の回折レリーフ構造８５０により得られる、全体的な沈降部（深さ）は、０〜５０μｍである。さらに、回折フィーチャ８２０（回折段部）はそれぞれ、高さ０．１〜１．５μｍの個別段部を有しており、光学デバイス８００の全積層厚みは、０．２５〜３．０μｍである。さらに、各回折フィーチャ８２０の横方向寸法は、０．４〜１０＋μｍである。
【００３６】
当業者に理解されるように、本出願に記載の新規な概念は、本出願の広い範囲にわたり変更および変形することが可能である。本発明の範囲は、上で例示的に説明した任意の詳細な教示に限定されるべきではなく、特許請求の範囲によって規定されるべきである。
【００３７】
以下に、本発明の好ましい態様を示す。
１．屈折特性および回折特性を備えた光学デバイスであって、
基板と、
前記基板上に設けられた、前記屈折特性を提供する曲面を有する第１の独立のレリーフ構造と、
前記第１の独立のレリーフパターン上に設けられ、第２の独立のレリーフ構造の面カーブの包絡線を規定する光透過性のポリマー材料の１つ以上の層とを備えており、
前記面カーブの包絡線が、前記回折特性を提供する不連続の回折フィーチャから形成されている、光学デバイス。
２．前記第１の独立のレリーフ構造が、
前記基板上に設けられ、フォトリソグラフィでパターニングされて前記曲面が規定されている、前記光透過性のポリマー材料の少なくとも１つの追加的な層を備えている、上項１に記載のデバイス。
３．前記不連続の回折フィーチャが、回折段部の組を有し、該組のそれぞれが、前記層を２つ以上積層したものから形成されており、前記面カーブの包絡線が、前記組のそれぞれにおいて前記１つ以上の層の最上層から形成されている、上項１に記載のデバイス。
４．前記組のそれぞれが、前記光透過性ポリマー材料の第１のスタックと、前記光透過性ポリマー材料の少なくとも１つの追加的なスタックとを含み、該少なくとも１つの追加的なスタックが、前記第１のスタックに関連する領域より小さな領域を有する、上項３に記載のデバイス。
５．前記回折段部のそれぞれの高さが、０．１〜１．５μｍである、上項３に記載のデバイス。
６．前記不連続な回折フィーチャのそれぞれの横方向寸法が、０．４〜１０μｍである、上項１に記載のデバイス。
７．前記第１の独立のレリーフ構造の沈降深さが、０〜５０μｍである、上項１に記載のデバイス。
８．前記第１の独立のレリーフ構造の厚みが、０．２５〜３．０μｍである、上項１に記載のデバイス。
９．前記光透過性ポリマー材料が、エポキシベースのポリマー材料からなっている、請求項１に記載のデバイス。
１０．前記光透過性ポリマー材料が、２５０℃を超える温度で安定である、上項１に記載のデバイス。
１１．前記光透過性ポリマー材料が、３５０ｎｍ以上の光波長を透過させる、上項１に記載のデバイス。
１２．前記基板が、波長の特定範囲内で光を透過させる、上項１に記載のデバイス。
１３．前記１つ以上の層のそれぞれが、フォトリソグラフィにより別々にパターニングされている、上項１に記載のデバイス。
１４．前記回折特性が、ビーム分割、格子分光およびホログラフィを含む、上項１に記載のデバイス。
１５．前記光透過性ポリマー材料の粘度が、２，０００センチポイズ以上である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施態様によるマイクロ光学デバイスを製造の例示的なステップを示すフローチャートである。
【図２Ａ】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図２Ｂ】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図２Ｃ】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図２Ｄ】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図２Ｅ】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図２Ｆ】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図２Ｇ】本発明の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図３】図２Ａ〜２Ｇに示す態様によるマイクロ光学デバイスの製造の例示的なステップを示すフローチャートである。
【図４Ａ】本発明の別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図４Ｂ】本発明の別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図４Ｃ】本発明の別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図４Ｄ】本発明の別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図４Ｅ】本発明の別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図４Ｆ】本発明の別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図５】図４Ａ〜４Ｆに示す態様によるマイクロ光学デバイスの製造の例示的なステップを示すフローチャートである。
【図６Ａ】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図６Ｂ】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図６Ｃ】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図６Ｄ】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図６Ｅ】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図６Ｆ】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図６Ｇ】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図６Ｈ】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図６Ｉ】本発明のさらに別の態様によるマイクロ光学デバイスの製造工程を示す断面図である。
【図７】図６Ａ〜６Ｉに示す態様によるマイクロ光学デバイスの製造の例示的なステップを示すフローチャートである。
【図８】本発明の態様によって製造された、屈折特性および回折特性を有する例示的な光学デバイスの斜視図である。
【図９】図８の光学デバイスの断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
８００  光学デバイス
８１０  面カーブの包絡線
８２０  回折フィーチャ
８３０  基板
８４０  第１のレリーフ構造
８５０  第２のレリーフ構造
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2007017980.tif 000005
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2007017980.tif 000007
【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
2007017980.tif 000009
【図２Ｇ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図６Ｈ】
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【図６Ｉ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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