(57)【要約】  少なくともシリカ、酸化リチウム、酸化アルミニウム、及び酸化セリウムを含む感光性ガラス基板を用意するステップと、前記感光性ガラス基板上に１又は２以上のマイクロレンズを形成することを含む、設計レイアウトをマスキングするステップと、前記感光性ガラス基板の少なくとも１つの部分を活性化エネルギー源に曝露するステップと、前記感光性ガラス基板を、そのガラス転移温度よりも高い、少なくとも１０分の加熱相に曝露するステップと、前記感光性ガラス基板を冷却して、曝露されたガラスの少なくとも一部を結晶質材料に変換することにより、ガラス−結晶質基板を形成するステップと、ガラス−結晶質基板を、エッチング剤溶液でエッチングして、１又は２以上のマイクロレンズを形成するステップとによって、製作する方法及び作製されたデバイス。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともシリカ、酸化リチウム、酸化アルミニウム、及び酸化セリウムを含む感光性ガラス基板を用意するステップと、
光学密度が様々なハーフトーンデザインをマスキングして、ガラスに光学素子を描画するステップと、
前記感光性ガラス基板を活性化エネルギー源に曝露するステップと、
前記感光性ガラス基板を、そのガラス転移温度よりも高い、少なくとも１０分の加熱相に曝露するステップと、
前記感光性ガラス基板を冷却して、前記曝露されたガラスの少なくとも一部を結晶質材料に変換することにより、ガラス−結晶質基板を形成するステップと、
前記ガラス−結晶質基板を、エッチング剤溶液でエッチングして、１又は２以上のマイクロレンズデバイスを形成するステップと
を含む、光学系を製作する方法。
【請求項２】
光学素子が円形であり、周辺の高い光学密度及び中心の低い光学密度がマイクロレンズを生成する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
マスクが、勾配パターンを形成することにより、光学素子の屈折度を与える、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
光学素子が、回折光学マイクロレンズが生成されるように同心円を持つ高い光学密度のパターンである、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
マスクが、前記マスク内に同心円状の円の勾配パターンを形成することにより、屈折度が５％の光学素子を提供する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにより形成されたマイクロレンズデバイス。
【請求項７】
少なくともシリカ、酸化リチウム、酸化アルミニウム、及び酸化セリウムを含む感光性ガラス基板を用意するステップと、
透明素子からなるデジタルマスクを非透明素子でマスキングして、ガラスに回折光学素子を画定するステップと、
前記感光性ガラス基板の少なくとも１つの部分を活性化エネルギー源に曝露するステップと、
前記感光性ガラス基板を、そのガラス転移温度よりも高い、少なくとも１０分の加熱相に曝露するステップと、
前記感光性ガラス基板を冷却して、前記曝露されたガラスの少なくとも一部を結晶質材料に変換することにより、ガラス−結晶質基板を形成するステップと、
前記ガラス−結晶質基板を、エッチング剤溶液でエッチングして、１又は２以上のマイクロレンズデバイスを形成するステップと
を含む、光学素子を製作する方法。
【請求項８】
光学素子が円形であり、周辺の高い光学密度及び中心の低い光学密度がマイクロレンズを生成する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
マスクが、勾配パターンを形成することにより、光学素子の屈折度を与える、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
光学素子が、回折光学マイクロレンズが生成されるように同心円を持つ、高い光学密度のパターンである、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
マスクが、前記マスク内に同心円状の円の勾配パターンを形成することにより、屈折度が５％の光学素子を提供する、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
請求項７〜１１のいずれかによって形成された光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス構造を製作する方法に関し、詳細には、一般に焦点を合わせ、視準を合わせ、撮像するために、ガラスセラミック基板にマイクロレンズ及びマイクロレンズアレイを製作する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
感光性ガラス構造は、集積撮像素子をその他の要素システム又はサブシステム、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイと併せたものなどが、いくつかのマイクロマシニング及び微細加工プロセス用に提示されてきた。伝統的なガラスのシリコン微細加工は、費用がかかり且つ低収量であり、それに対して射出成型又はエンボス加工プロセスは、不整合な光学形状及びマイクロレンズを生産する。シリコン微細加工プロセスは、高コストの設備；フォトリソグラフィ、及び反応性イオンエッチングツールを利用し、これらは一般に、それぞれ１００万ドルを超える費用がかかり、何百万から何十億ドル以上も要する超清浄高生産シリコン製作施設を必要とする。射出成型及びエンボス加工は、それほどコストがかからないマイクロレンズ生産方法であるが、移送中に欠陥を発生させ又は確率論的硬化プロセスによる相違をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、費用効果のあるガラスセラミックマイクロレンズ及び／又はマイクロレンズアレイデバイスを生成することを提供する。ガラスセラミック基板には、３次元マイクロレンズ又はマイクロレンズアレイデバイスが形成されるよう、垂直並びに水平面の両方を別々に又は同時に加工することによって、そのような構造を形成するという実証された能力がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、感光性ガラス基板を用意し、さらに１又は２以上の金属でコーティングすることによって、１又は２以上の光学マイクロレンズを持つ基板を製作する方法を含む。
【０００５】
少なくともシリカ、酸化リチウム、酸化アルミニウム、及び酸化セリウムを含む感光性ガラスセラミック複合体基板を用意し、感光性ガラス基板上に１又は２以上のマイクロレンズを含む設計レイアウトをマスキングし、感光性ガラス基板の少なくとも１つの部分を活性化エネルギー源に曝露し、感光性ガラス基板を、そのガラス転移温度よりも高い温度で少なくとも１０分の加熱相に曝露し、感光性ガラス基板を冷却することによって少なくともこの曝露されたガラスの一部を結晶質材料に変換してガラス−結晶質基板を形成し、且つガラス−結晶質基板をエッチング剤溶液でエッチングすることにより１又は２以上の角度が付いたチャネルを形成し、次いでチャネルがコーティングされることによって、製作する方法及び作製されたデバイス。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本発明の他の利益及び利点は、添付図面を参照しつつ、例として与えられた様々な実施形態の以下の記述から、より明らかにされよう。
【図１】本発明のガラスセラミック組成物を作製するプロセスの画像である。
【図２】マイクロレンズ又はマイクロレンズアレイの画像である。
【図３Ａ−３Ｂ】本発明の、角度が付いたエッチングされたフィーチャの画像であり、その角度は、０〜４５度の任意の角度とすることができる。
【図４Ａ−４Ｄ】空間的に分解された光学素子の画像、及び付随するグラフである。
【図５】光が通過し且つ異なる角度で反射し得るように反射コーティングを持つ、角度が付いたチャネルを含む本発明の一実施形態の画像である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の様々な実施形態の作製及び使用について、以下で詳細に論じるが、本発明は、広く様々な特定の文脈において具体化することができる多くの適用可能な発明概念を提供することを、理解すべきである。本明細書で論じられる特定の実施形態は、本発明を作製し使用する特定の方式の単なる例示であり、本発明の範囲を制限するものではない。
【０００８】
本発明の理解を容易にするために、いくつかの用語を以下に定義する。本明細書で定義される用語には、本発明に関連ある分野の当業者によって一般に理解されるような意味がある。「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」などの用語は、単一の実体のみを指すものではなく、特定の例を例示するために使用することができる一般的クラスを含む。本明細書の技術用語は、本発明の特定の実施形態を記述するのに使用するが、それらの用法は、請求項に概略的に記載されていること以外、本発明の範囲を定めるものではない。
【０００９】
これらの要求に対処するために、本発明者らは、半導体、ＲＦエレクトロニクス、マイクロ波エレクトロニクス、及び光学撮像用の新規なパッケージ及び基板材料として、ガラスセラミック（APEX（登録商標）ガラスセラミック）を開発した。APEX（登録商標）ガラスセラミックは、単純な３ステッププロセスで、第１世代半導体設備を使用して加工され、最終的な材料は、ガラス、セラミックに作ることができ、又はガラスとセラミックの両方の領域を含有することができる。APEX（登録商標）ガラスセラミックは：容易に製作された高密度バイアス、実証されたマイクロ流体容量、マイクロレンズ又はマイクロレンズアレイ、剛性の高いパッケージに向けた高ヤング率、ハロゲンを含まない製造、及び経済的な製造を含めた、現行の材料に勝るいくつかの利益を保有する。フォトエッチング可能なガラスには、広く様々なマイクロシステム構成要素を製作するために、いくつかの利点がある。マイクロ構造は、従来の半導体加工設備を使用して、これらのガラスで比較的安価に生産されてきた。一般に、ガラスには高温安定性があり、良好な機械的及び電気的性質があり、プラスチック及び多くの金属よりも良好な耐薬品性がある。本発明者らの知識によれば、唯一の市販のフォトエッチング可能なガラスは、Schott社製であり且つInvenios社によってのみ米国に輸入されるFOTURAN（登録商標）である。FOTURAN（登録商標）は、微量の銀イオンを含有するリチウム−アルミニウム−シリケートガラスを含む。酸化セリウムの吸収帯域内のＵＶ光に露光されると、酸化セリウムは増感剤として働き、光子を吸収し、電子を失って、隣接する酸化銀を還元することにより銀原子が形成され、例えば、
Ｃｅ３＋＋Ａｇ＋＝Ｃｅ４＋＋Ａｇ０
である。
【００１０】
銀原子は、ベーキングプロセス中に銀ナノクラスターに合体し、周囲のガラスを結晶化するために核生成部位を誘発させる。マスクを通してＵＶ光に露光された場合、後続の熱処理中に、露光されたガラス領域のみが結晶化することになる。
【００１１】
この熱処理は、ガラス変換温度（例えば、FOTURAN（登録商標）の場合、空気中で４６５℃よりも高い）近くの温度で行わなければならない。結晶質相は、露光されていないガラス状の非晶質領域よりも、フッ化水素酸（ＨＦ）などのエッチング剤に対して可溶性である。詳細には、FOTURAN（登録商標）の結晶質領域は、１０％ＨＦ中で、非晶質領域よりも２０倍速くエッチングされ、露光された領域が除去されたときに、壁面勾配の比が約２０：１であるマイクロ構造が可能になる。T. R. Dietrich et al, "Fabrication technologies for microsystems utilizing photoetchable glass," Microelectronic Engineering 30, 497 (1996)を参照されたい。
【００１２】
好ましくは、成形されたガラス構造は、マイクロ光学レンズ、マイクロ光学素子の少なくとも１つを含有する。マイクロ光学レンズは、３つの手段の１つで形成される。第１に、マイクロ光学レンズは、フレネルレンズが形成されるように一連の同心円を作製することによって、製作することができる。同心円の、エッチングされた領域とエッチングされていない領域との間の屈折率の不一致は、回折光学素子又はフレネルレンズを生成する。第２に、フレネルレンズは、APEX（登録商標）ガラスの供給中に堆積された材料の一連のリングを使用することによって、生成することができる。フレネルの同心円が、屈折率の差又は厚さの差を有する限り、フレネルは、光学的機能を入射電磁放射線に適用することになる。第３の手法は、曲線パターンをエッチングすることであり、又は曲線パターンのステップ近似である。曲線パターンの曲線又はステップ近似は、曲率の勾配によってレンズの屈折率が与えられ且つ特定の光学的機能が構造の形状全体によって与えられる、レンズを生成する。
【００１３】
FOTURAN（登録商標）は、Invenios社（FOTURAN（登録商標）に関する唯一の供給源である米国供給業者）により供給された情報に記載されており、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）７５〜８５重量％、酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）７〜１１重量％、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）３〜６重量％、酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）１〜２重量％、三酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ３）又は酸化ヒ素（Ａｓ２Ｏ３）０．２〜０．５重量％、酸化銀（Ａｇ２Ｏ）０．０５〜０．１５重量％、及び酸化セリウム（ＣｅＯ２）０．０１〜０．０４重量％から構成される。本明細書で使用される「APEX（登録商標）ガラスセラミック」、「APEXガラス」、又は単に「APEX」という用語は、本発明のガラスセラミック組成物の一実施形態を示すのに使用される。
【００１４】
本発明は、レンズに使用される、成形されたAPEXガラス構造であって、層通過又は層内設計を含むAPEXガラス構造によって、撮像の適用例で使用するための、感光性／光パターニング性のA APEXガラスを用いた光学マイクロ構造を製作するための、単一の材料手法を提供する。
【００１５】
一般に、ガラスセラミック材料は、マイクロ構造の形成において限られた成功しか収められず、性能、均一性、その他による使用可能性、及び入手可能性の課題に悩まされてきた。過去のガラスセラミック材料は、約１５：１のエッチングアスペクト比をもたらし、それに対してAPEXガラスは、５０：１よりも大きい平均エッチングアスペクト比を有する。このため使用者は、より小さくより深いフィーチャを生成することが可能になる。さらに、本発明者らの製造プロセスは、９０％超の製品収量を可能にする（旧来のガラスの収量は、５０％に近い。）。最後に、旧来のガラスセラミックでは、ガラスの約３０％しかセラミック状態に転換されず、それに対してAPEX（登録商標）ガラスセラミックでは、この転換率が７０％に近い。
【００１６】
APEX組成物は、その高い性能に関して３つの主なメカニズムを提供する：（１）より多量の銀が、より小さいセラミック結晶の形成をもたらし、そのため粒界ではより速くエッチングされ、（２）シリカ含量（ＨＦ酸によってエッチングされる主な構成成分）の減少が、露出していない材料の望ましくないエッチングを減少させ、且つ（３）アルカリ金属及び酸化ホウ素の、より高い全重量パーセントは、製造中に、さらになお均質なガラスを生産する。
【００１７】
本発明は、角度が付いた構造、鏡を形成するのに使用するためのガラスセラミック構造と、電磁波透過及びフィルタリングの適用で使用されるガラスセラミック材料とを製作するための方法を含む。本発明は、ガラス−セラミック基板の多数の平面に生成された、角度が付いた構造を含み、そのようなプロセスは、（ａ）曝露が、基板又はエネルギー源のいずれかの向きを変えることによって様々な角度で生ずるように、励起エネルギーに曝露するステップ、（ｂ）ベークステップ、及び（ｃ）エッチングステップを用いる。角度のサイズは、鋭角又は鈍角にすることもできる。湾曲した構造及びデジタル構造は、ほとんどのガラス、セラミック、又はシリコン基板で生成することが実現不可能ではないとしても、難しい。本発明は、ガラス−セラミック基板に関し、垂直並びに水平面の両方で、そのような構造を生成する可能性をもたらした。本発明は、撮像で使用するための、ガラスセラミックマイクロレンズ構造を製作するための方法を含む。レンズ構造は、屈折率が修正されるように様々な金属若しくは酸化物、薄膜、若しくはその他の材料で（例えば、鏡）、又はレンズが生成されるように透明材料で、コーティングすることができる。光学系において、物質（光学媒体）の屈折率（又は屈折率）は、光又は任意のその他の放射線がどのようにその媒体中を伝搬するのかを示す数値である。
【００１８】
本発明は、誘電率及び透過率が同時に負の値を有する場合に引き起こすことができる、負の屈折率の構造の開発を可能にする。得られる負の屈折は、レンズ及びその他の新規な光学構造を生成する可能性をもたらす。
【００１９】
ガラスのセラミック化は、ガラス基板全体を、約２０Ｊ／ｃｍ２の３１０ｎｍの光で露光することによって実現される。ガラス空間をセラミック内に生成しようとする場合、使用者は、ガラスがガラスのままに保たれる場所以外の材料全てを露光する。一実施形態では、本発明は、直径が異なる様々な同心円を含有する、石英／クロムマスクを提供する。
【００２０】
本発明は、電磁波透過及び反射の適用で使用されるガラスセラミック材料に、撮像構造、鏡、及びマイクロレンズ、マイクロレンズアレイを形成するのに使用するためのガラスセラミック構造を製作するための方法を含む。ガラスセラミック基板は：シリカ６０〜７６重量％；Ｋ２Ｏが少なくとも３重量％であり、Ｋ２Ｏ及びＮａ２Ｏの組合せが６重量％〜１６重量％；Ａｇ２Ｏ及びＡｕ２Ｏからなる群から選択される少なくとも１種の酸化物０．００３〜１重量％；Ｃｕ２Ｏ０．００３〜２重量％；Ｂ２Ｏ３０．７５重量％〜７重量％及びＡｌ２Ｏ３６〜７重量％であり；Ｂ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３の組み合わせで１３重量％以下；Ｌｉ２Ｏ８〜１５重量％；及びＣｅＯ２０．００１〜０．１重量％を含むがこれらに限定されない、広範な数の組成変形を有する感光性ガラス基板であってもよい。この、及びその他の様々な組成物を、一般に、APEXガラスと呼ぶ。
【００２１】
露光された部分は、ガラス変換温度付近の温度にガラス基板を加熱することによって、結晶質材料に変換されてもよい。ガラス基板を、フッ化水素酸などのエッチング剤でエッチングする場合、露光された部分と露光されていない部分との異方性エッチング比は、ガラスが広域スペクトルの中波紫外線（約３０８〜３１２ｎｍ）投光ランプに露光されたときに少なくとも３０：１であり、アスペクト比が少なくとも３０：１である成形ガラス構造が得られ、且つレンズ形状のガラス構造が得られる。露光用のマスクは、マイクロレンズ用に湾曲した構造が形成されるように露光するために、連続グレースケールを提供するハーフトーンマスクのものとすることができる。フラッド露光で使用されるデジタルマスクは、回折光学素子又はフレネルレンズを生産するのに使用することができる。次いで露光されたガラスを、典型的には２ステッププロセスでベークする。１０分〜２時間にわたり４２０℃〜５２０℃で加熱される温度範囲は、銀イオンを合体させて銀ナノ粒子にし、１０分〜２時間にわたり５２０℃〜６２０℃で加熱される温度範囲は、酸化リチウムを銀ナノ粒子の周りに形成させる。次いでガラス板をエッチングする。ガラス基板は、典型的には５％〜１０体積％のＨＦ溶液のエッチング剤でエッチングし、露光された部分と露光されていない部分とのエッチング比は、広域スペクトルの中波紫外線投光照明に露光した場合に少なくとも３０：１であり、レーザに露光した場合に３０：１よりも大きく、異方性エッチング比が少なくとも３０：１である成形ガラス構造が提供される。
【００２２】
図１は、本発明のガラスセラミック組成物を作製するプロセスの画像である。図２は、マイクロレンズ又はマイクロレンズアレイの画像である。図３Ａ及び３Ｂは、本発明の角度が付いたエッチングされたフィーチャの画像であり、この角度は０〜４５℃の任意の角度にすることができる。図４Ａ〜４Ｄは、空間的に分解された光学素子の画像と、それに付随するグラフである。図５は、光が通過して異なる角度で反射し得るように反射コーティングを備えた、角度が付いたチャネルを含む、本発明の一実施形態の画像である。種々の角度及び長さを持つ様々なアークを含有する石英／クロムマスクの画像は示されていない。隣接するガラスの代替経路に光が反射されるように、銅がメッキされたバイアに対して角度を付けることによる光の反射の画像は示されていない。
【００２３】
本発明及びその利点について詳細に記述してきたが、添付される特許請求の範囲により定義される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更、置換、及び代替を本明細書で行うことができることを理解すべきである。さらに、本出願の範囲は、明細書に記述されるプロセス、機械、製造、物体の組成物、手段、方法、及びステップの特定の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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５】
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【国際調査報告】
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