(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
製造すべき光学部品に対応する形状の開口を有するパターンを基体上に形成し、上記パターンをマスクとして上記基体上にゾル−ゲル反応を利用した液相ＣＶＤ法により二酸化シリコンを選択的に形成した後、上記二酸化シリコンを固化させることにより芯部を形成する工程と、
上記芯部を覆うように窒化シリコンからなる外周部を形成する工程と
を有することを特徴とする光学部品の製造方法。
【請求項２】
プラズマＣＶＤ法により上記窒化シリコンを形成するようにしたことを特徴とする請求項１記載の光学部品の製造方法。
【請求項３】
上記光学部品はマイクロレンズであることを特徴とする請求項１記載の光学部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光学部品およびその製造方法に関し、特に、微小な光学部品、例えばマイクロレンズの製造に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
集光や光による信号のやりとりを行う光集積回路（ＯＩＣ）などにおいて、マイクロレンズは重要な光学部品である。従来、このマイクロレンズのうち例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）に用いられているものは、有機樹脂製のレジストを原料に用い、このレジストを基体上に塗布した後、そのエッチバックやフローを行うことにより製造されていた（例えば、特開平５−４８０５７号公報および特開平６−１４０６１１号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような有機樹脂製のレジストにより製造されたマイクロレンズは、その製造後のプロセス温度を、少なくとも２００℃以下にする必要があった。このため、マイクロレンズ製造後のプロセスの自由度は制限されたものにならざるを得なかった。また、マイクロレンズの材料に有機樹脂製のレジストを用いていることから、エッチング耐性が低いという問題があった。さらに、マイクロレンズの製造工程は複雑であるので、これを簡略化することが望まれていた。
【０００４】
したがって、この発明の目的は、十分な耐熱性およびエッチング耐性を有するマイクロレンズなどの微小な光学部品を簡単な製造工程で製造することができる光学部品の製造方法およびそのような製造方法により製造される十分な耐熱性およびエッチング耐性を有するマイクロレンズなどの微小な光学部品を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明による光学部品の製造方法は、
製造すべき光学部品に対応する形状の開口を有するパターンを基体上に形成し、上記パターンをマスクとして上記基体上にゾル−ゲル反応を利用した液相ＣＶＤ法により二酸化シリコンを選択的に形成した後、上記二酸化シリコンを固化させることにより芯部を形成する工程と、
上記芯部を覆うように窒化シリコンからなる外周部を形成する工程と
を有することを特徴とする。
【０００６】
この発明の第１の発明において、透明な無機材料は、典型的には、二酸化シリコンまたは窒化シリコンである。
【０００７】
この発明の第２の発明による光学部品は、
ゾル−ゲル反応を利用した液相ＣＶＤ法により形成され、その後に固化された第１の透明な無機材料からなる芯部と、
芯部を覆うように設けられた、第１の透明な無機材料の屈折率よりも屈折率が高い第２の透明な無機材料からなる外周部とからなり、
少なくとも一方向の寸法が１０μｍ以下であることを特徴とする。
【０００８】
この発明の第２の発明の一実施形態において、第１の透明な無機材料は二酸化シリコンであり、第２の透明な無機材料は窒化シリコンである。
【０００９】
この発明において、光学部品の少なくとも一方向の寸法は、光学部品の用途に応じて、５μｍ以下であることも、３μｍ以下であることもあり、さらには１μｍ以下であることもある。
【００１０】
この発明の第３の発明による光学部品の製造方法は、
ゾル−ゲル反応を利用した液相ＣＶＤ法により基体上に透明な無機材料を選択的に形成した後、透明な無機材料を固化させるようにしたことを特徴とする。
【００１２】
ここで、このパターンの材料としては、光学部品の製造後にこのパターンだけを選択的に除去することができるものが用いられ、具体的には、例えば、ネガ型レジスト、窒化シリコン、多結晶シリコンなどが用いられる。このうちネガ型レジストは、その形成および除去を簡単に行うことができるので、製造プロセスの簡略化を図る上で有利である。また、例えば、光学部品の材料として二酸化シリコンを用いる場合、このパターンの材料として窒化シリコンまたは多結晶シリコンを用いると、それぞれの材料のエッチング特性の差により、パターンだけを容易に選択的に除去することができる。
【００１４】
この発明の第３の発明において、透明な無機材料は、典型的には、二酸化シリコンまたは窒化シリコンである。
【００１８】
この発明の一実施形態においては、ゾル−ゲル反応を利用した液相ＣＶＤ法により二酸化シリコンを形成し、プラズマＣＶＤ法により窒化シリコンを形成する。
【００１９】
この発明の第４の発明の一実施形態においては、第１の透明な無機材料は二酸化シリコンであり、第２の透明な無機材料は窒化シリコンである。
【００２０】
この発明において、光学部品は、典型的には、マイクロレンズである。このマイクロレンズには、円形レンズのほか、ロッドレンズなどが含まれる。
【００２１】
この発明によれば、光学部品の材料である透明な無機材料として二酸化シリコンや窒化シリコンなどの耐熱性絶縁体を用いることにより、材料だけで考えると光学部品製造後のプロセス温度は１０００℃程度まで許容することができる。また、エッチング耐性も、有機樹脂製のレジストと比較すると、はるかに優れている。
【００２２】
さらに、第１の透明な無機材料からなる芯部を覆うように第１の透明な無機材料の屈折率よりも屈折率が高い第２の透明な無機材料からなる外周部を形成して光学部品を二重構造とすることにより、集光力を高めることができる。
【００２３】
また、流動性を有する透明な無機材料を基体上に選択的に形成するだけで、その無機材料自身が有する表面張力により、光学部品に必要な球面や円筒面が自然に（自発的に）形成されるため、これらの球面や円筒面を形成するための工程が不要となり、その分だけ製造工程が簡略化される。また、光学部品に対応する形状の開口を有するパターンをリソグラフィー技術を利用して形成し、これをマスクとして用いて基体上に無機材料を選択的に形成することにより、リソグラフィーの解像度によって決まる限界寸法程度まで光学部品の寸法を縮小することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図１は、この発明の第１の実施形態によるマイクロレンズの製造方法を示す断面図である。
【００２６】
この第１の実施形態によるマイクロレンズの製造方法においては、図１Ａに示すように、まず、シリコン（Ｓｉ）基板１上に、マイクロレンズの型となる中空の半球またはドーム形状の開口２ａが二次元アレイ状に複数配置されたレジストパターン２をフォトリソグラフィー法により形成する。このレジストパターン２の平面形状を図２に示す。この場合、このレジストパターン２は、ネガ型レジストにより形成される。このレジストパターン２は、具体的には、Ｓｉ基板１上にネガ型レジストを塗布し、このネガ型レジストを、製造すべきマイクロレンズの反転パターン形状に露光した後、このネガ型レジストの現像を行って未露光の部分を除去することにより形成することができる。ここで、ネガ型レジストは、露光された部分だけが縮合し、この部分が現像後に残され、このとき現像による除去部の側面は逆テーパー状の湾曲面となることにより、上述のように中空の半球またはドーム形状の開口２ａが形成される。
【００２７】
次に、真空乾燥やプラズマ照射を行うことにより、レジストパターン２を硬化させる。
【００２８】
次に、図１Ｂに示すように、ゾル−ゲル反応を利用した液相ＣＶＤ法により二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜３の成長を行う。このＳｉＯ2 膜３は、成長温度を例えば０℃程度に設定して成長を行うことにより、高い流動性を示すものが得られ、その表面張力により、レジストパターン２の開口２ａの内部においてＳｉ基板１上に半球またはドーム形状に成長する。なお、図示は省略するが、このＳｉＯ2 膜３は、レジストパターン２上にも薄く成長する。
【００２９】
次に、酸素プラズマを用いたアッシング処理によりレジストパターン２を除去する。このとき、レジストパターン２上に薄く成長したＳｉＯ2 膜（図示せず）は、リフトオフにより除去される。次に、低温で熱処理を行うことにより、ＳｉＯ2 膜３中に含まれるＯＨ基を除去し、このＳｉＯ2 膜３を固化させる。この熱処理は、具体的には、例えば４００℃で１５分程度行う。これによって、図１Ｃに示すように、ＳｉＯ2 からなるマイクロレンズ４が二次元アレイ状に形成される。このときの平面形状を図３に示す。
【００３０】
以上のように、この第１の実施形態によれば、耐熱性絶縁体であるＳｉＯ2 をマイクロレンズ４の材料として用いているので、マイクロレンズ４の製造後のプロセス温度は１０００℃程度まで許容することができ、有機樹脂製のレジストなどと比較してはるかに高い耐熱性を得ることができる。また、優れたエッチング耐性を得ることもできる。このため、マイクロレンズ４の製造後のプロセスの自由度が高い。さらに、レジストパターン２をマスクとして液相ＣＶＤ法によりＳｉＯ2 膜３の成長を行うだけでマイクロレンズ４に必要な球面が自発的に形成されるので、この球面を形成するための工程が不要であり、このため製造工程の簡略化を図ることができる。また、レジストパターン２の開口２ａの直径はフォトリソグラフィーの解像度によって決まる限界寸法程度まで縮小することができるので、直径が１μｍ以下の極めて微小なマイクロレンズ４を製造することもできる。
【００３１】
この第１の実施形態によるマイクロレンズの製造方法は、例えば、ＣＣＤにおける各画素の受光セル上に設けられるマイクロレンズ（オンチップマイクロレンズ）の製造に用いて好適なものである。
【００３２】
図４は、この発明の第２の実施形態によるマイクロレンズの製造方法を示す断面図である。
【００３３】
この第２の実施形態によるマイクロレンズの製造方法においては、図４Ａに示すように、まず、Ｓｉ基板１上に、第１の実施形態と同様にして、マイクロレンズの型となるレジストパターン２を形成する。ただし、この場合、このレジストパターン２は、製造すべきマイクロレンズの高さに比べて十分に薄く形成する。この後、真空乾燥やプラズマ照射を行うことにより、このレジストパターン２を硬化させる。
【００３４】
次に、図４Ｂに示すように、第１の実施形態と同様にして、液相ＣＶＤ法によりＳｉＯ2 膜３の成長を行う。第１の実施形態におけると同様に、このＳｉＯ2 膜３は、成長温度を例えば０℃程度に設定して成長を行うことにより、高い流動性を示すものが得られ、その表面張力により、レジストパターン２の開口２ａの内部におけるＳｉ基板１上に自発的に半球またはドーム形状に成長する。
【００３５】
次に、第１の実施形態と同様にして、酸素プラズマを用いたアッシング処理により、レジストパターン２を、その上に成長した薄いＳｉＯ2 膜（図示せず）とともに除去する。次に、低温で熱処理を行うことにより、ＳｉＯ2 膜３中に含まれるＯＨ基を除去し、このＳｉＯ2 膜３を固化させる。この熱処理は、具体的には、例えば４００℃で１５分程度行う。これによって、図４Ｃに示すように、ＳｉＯ2 からなるマイクロレンズ４が二次元アレイ状に形成される。
【００３６】
この第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００３７】
図５は、この発明の第３の実施形態によるマイクロロッドレンズの製造方法を示す断面図である。
【００３８】
この第３の実施形態によるマイクロロッドレンズの製造方法においては、図５Ａに示すように、まず、Ｓｉ基板１上に、マイクロロッドレンズの型となる半円またはドーム状の断面形状を有するストライプ状の開口２ｂが互いに平行に配置されたレジストパターン２をフォトリソグラフィー法により形成する。このレジストパターン２の平面形状を図６に示す。このレジストパターン２は、第１の実施形態と同様な方法で形成する。
【００３９】
次に、真空乾燥やプラズマ照射を行うことにより、レジストパターン２を硬化させる。
【００４０】
次に、図５Ｂに示すように、第１の実施形態と同様にして、液相ＣＶＤ法によりＳｉＯ2 膜３の成長を行う。第１の実施形態におけると同様に、このＳｉＯ2 膜３は、成長温度を例えば０℃程度に設定して成長を行うことにより、高い流動性を示すものが得られ、その表面張力により、レジストパターン２の開口２ｂの内部においてＳｉ基板１上に自発的に半球またはドーム状の断面形状を有するロッド状に成長する。
【００４１】
次に、第１の実施形態と同様にして、酸素プラズマを用いたアッシング処理によりレジストパターン２を除去する。このとき、レジストパターン２上に薄く成長したＳｉＯ2 膜（図示せず）は、リフトオフにより除去される。次に、低温で熱処理を行うことにより、ＳｉＯ2 膜３中に含まれるＯＨ基を除去し、このＳｉＯ2 膜３を固化させる。この熱処理は、具体的には、例えば４００℃で１５分程度行う。これによって、図５Ｃに示すように、ＳｉＯ2 からなるマイクロロッドレンズ５が形成される。このときの平面形状を図７に示す。
【００４２】
以上のように、この第３の実施形態によれば、ＳｉＯ2 からなるマイクロロッドレンズ５を製造することができ、しかも第１の実施形態と同様な種々の利点を得ることができる。
【００４３】
図８は、この発明の第４の実施形態によるマイクロロッドレンズの製造方法を示す断面図である。
【００４４】
この第４の実施形態によるマイクロロッドレンズの製造方法においては、図８Ａに示すように、まず、Ｓｉ基板１上に、第３の実施形態と同様にして、マイクロロッドレンズの型となる半円またはドーム状の断面形状を有するストライプ状の開口２ｂが互いに平行に配置されたレジストパターン２をフォトリソグラフィー法により形成する。このレジストパターン２の平面形状は図６に示すものと同様である。
【００４５】
次に、真空乾燥やプラズマ照射を行うことにより、レジストパターン２を硬化させる。
【００４６】
次に、レジストパターン２をマスクとしてＳｉ基板１を等方性エッチングによりエッチングして半球またはドーム状の断面形状を有するストライプ状の穴１ａを形成する。
【００４７】
次に、図５Ｂに示すように、第１の実施形態と同様にして、液相ＣＶＤ法によりＳｉＯ2 膜３の成長を行う。第１の実施形態におけると同様に、このＳｉＯ2 膜３は、成長温度を例えば０℃程度に設定して成長を行うことにより、高い流動性を示すものが得られ、その表面張力により、レジストパターン２の開口２ａの内部においてＳｉ基板１上に自発的に半球またはドーム状の断面形状を有するロッド状に成長する。
【００４８】
次に、第１の実施形態と同様にして、酸素プラズマを用いたアッシング処理によりレジストパターン２を除去する。このとき、レジストパターン２上に薄く成長したＳｉＯ2 膜（図示せず）は、リフトオフにより除去される。次に、低温で熱処理を行うことにより、ＳｉＯ2 膜３中に含まれるＯＨ基を除去し、このＳｉＯ2 膜３を固化させる。この熱処理は、具体的には、例えば４００℃で１５分程度行う。これによって、図８Ｃに示すように、ＳｉＯ2 からなるマイクロロッドレンズ５が形成される。
【００４９】
この第４の実施形態によれば、円形断面のマイクロロッドレンズ５を製造することができるほか、第３の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００５０】
図９は、この発明の第５の実施形態によるマイクロレンズの製造方法を示す断面図である。この第５の実施形態によるマイクロレンズは、芯部と外周部とからなる二重構造を有するものである。
【００５１】
この第５の実施形態によるマイクロレンズの製造方法においては、図９Ａに示すように、まず、Ｓｉ基板１上に、第１の実施形態と同様にして、マイクロレンズの型となる中空の半球またはドーム形状の開口２ａが二次元アレイ状に複数配置されたレジストパターン２をフォトリソグラフィー法により形成する。このレジストパターン２の平面形状は、図２に示すものと同様である。
【００５２】
次に、真空乾燥やプラズマ照射を行うことにより、レジストパターン２を硬化させる。
【００５３】
次に、図９Ｂに示すように、第１の実施形態と同様にして、液相ＣＶＤ法によりＳｉＯ2 膜３の成長を行う。第１の実施形態におけると同様に、このＳｉＯ2 膜３は、成長温度を例えば０℃程度に設定して成長を行うことにより、高い流動性を示すものが得られ、その表面張力により、レジストパターン２の開口２ａの内部においてＳｉ基板１上に半球またはドーム形状に成長する。
【００５４】
次に、第１の実施形態と同様にして、酸素プラズマを用いたアッシング処理によりレジストパターン２を除去する。このとき、レジストパターン２上に薄く成長したＳｉＯ2 膜（図示せず）は、リフトオフにより除去される。次に、低温で熱処理を行うことにより、ＳｉＯ2 膜３中に含まれるＯＨ基を除去し、このＳｉＯ2 膜３を固化させる。この熱処理は、具体的には、例えば４００℃で１５分程度行う。これによって、図９Ｃに示すように、マイクロレンズ形状の固化したＳｉＯ2 膜３が二次元アレイ状に形成される。このときの平面形状は、図３に示すものと同様である。
【００５５】
次に、図９Ｄに示すように、例えばプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン（ＳｉＮx ）膜６の成長を行う。このとき、このＳｉＮx 膜６は、ＳｉＯ2 膜３上にこれを覆うように均一な厚さで成長する。
【００５６】
これによって、ＳｉＯ2 膜３からなる芯部と、この芯部を覆うように設けられたこのＳｉＯ2 膜３よりも屈折率が高いＳｉＮx 膜６からなる外周部とからなる二重構造のマイクロレンズ４が製造される。
【００５７】
以上のように、この第５の実施形態によれば、ともに耐熱性絶縁体であるＳｉＯ2 およびＳｉＮx をマイクロレンズ４の材料として用いていることにより、第１の実施形態と同様な種々の利点を得ることができるほか、マイクロレンズ４の外周部が芯部のＳｉＯ2 膜３よりも屈折率が高いＳｉＮx 膜６からなるので、高い集光力を得ることができる。また、このマイクロレンズ４は、ＳｉＯ2 膜３およびＳｉＮx 膜６が薄くても集光力があるため、構造の平坦化の点でも有利である。
【００５８】
図１０は、この発明の第６の実施形態によるマイクロロッドレンズの製造方法を示す断面図である。この第６の実施形態によるマイクロロッドレンズは、芯部と外周部とからなる二重構造を有するものである。
【００５９】
この第６の実施形態によるマイクロロッドレンズの製造方法においては、図１０Ａに示すように、まず、Ｓｉ基板１上に、第１の実施形態と同様にして、マイクロロッドレンズの型となる半円またはドーム状の断面形状を有する開口２ｂが互いに平行に配置されたレジストパターン２をフォトリソグラフィー法により形成する。このレジストパターン２の平面形状は、図６に示すと同様である。
【００６０】
次に、真空乾燥やプラズマ照射を行うことにより、レジストパターン２を硬化させる。
【００６１】
次に、図１０Ｂに示すように、第１の実施形態と同様にして液相ＣＶＤ法によりＳｉＯ2 膜３の成長を行う。第１の実施形態におけると同様に、このＳｉＯ2 膜３は、成長温度を例えば０℃程度に設定して成長を行うことにより、高い流動性を示すものが得られ、その表面張力により、レジストパターン２の開口２ｂの内部においてＳｉ基板１上に半円またはドーム状の断面形状のロッド状に成長する。
【００６２】
次に、第１の実施形態と同様にして、酸素プラズマを用いたアッシング処理によりレジストパターン２を除去する。このとき、レジストパターン２上に薄く成長したＳｉＯ2 膜（図示せず）は、リフトオフにより除去される。次に、低温で熱処理を行うことにより、ＳｉＯ2 膜３中に含まれるＯＨ基を除去し、このＳｉＯ2 膜３を固化させる。この熱処理は、具体的には、例えば４００℃で１５分程度行う。これによって、図１０Ｃに示すように、マイクロロッドレンズ形状の固化したＳｉＯ2 膜３が互いに平行に形成される。このときの平面形状は、図７に示すと同様である。
【００６３】
次に、図１０Ｄに示すように、第５の実施形態と同様にして、例えばプラズマＣＶＤ法によりＳｉＮx 膜６の成長を行う。このとき、このＳｉＮx 膜６は、ＳｉＯ2 膜３上にこれを覆うように均一な厚さで成長する。
【００６４】
これによって、ＳｉＯ2 膜３からなる芯部と、この芯部を覆うように設けられたこのＳｉＯ2 膜３よりも屈折率が高いＳｉＮx 膜６からなる外周部とからなる二重構造のマイクロロッドレンズ５が製造される。
【００６５】
以上のように、この第６の実施形態によれば、ともに耐熱性絶縁体であるＳｉＯ2 およびＳｉＮx をマイクロロッドレンズ５の材料として用いていることにより、第１の実施形態と同様な種々の利点を得ることができるほか、マイクロロッドレンズ５の外周部が芯部のＳｉＯ2 膜３よりも屈折率が高いＳｉＮx 膜６からなるので、高い集光力を得ることができる。また、このマイクロロッドレンズ５は、ＳｉＯ2 膜３およびＳｉＮx 膜６が薄くても集光力があるため、構造の平坦化の点でも有利である。
【００６６】
以上、この発明の実施形態につき具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものでなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００６７】
例えば、上述の第１〜第６の実施形態においては、酸素プラズマを用いたアッシング処理によりレジストパターン２を除去しているが、このレジストパターン２の除去は、例えばアセトンを用いた超音波洗浄により行ってもよい。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、光学部品の材料として透明な無機材料を用いていることにより、十分な耐熱性およびエッチング耐性を有するマイクロレンズなどの微小な光学部品を簡単な製造工程で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態によるマイクロレンズの製造方法を説明するための断面図である。
【図２】この発明の第１の実施形態によるマイクロレンズの製造方法において用いるレジストパターンの平面形状を示す平面図である。
【図３】この発明の第１の実施形態によるマイクロレンズの製造方法により製造されたマイクロレンズの平面形状を示す平面図である。
【図４】この発明の第２の実施形態によるマイクロレンズの製造方法を説明するための断面図である。
【図５】この発明の第３の実施形態によるマイクロロッドレンズの製造方法を説明するための断面図である。
【図６】この発明の第３の実施形態によるマイクロロッドレンズの製造方法において用いるレジストパターンの平面形状を示す平面図である。
【図７】この発明の第３の実施形態によるマイクロロッドレンズの製造方法により製造されたマイクロロッドレンズの平面形状を示す平面図である。
【図８】この発明の第４の実施形態によるマイクロロッドレンズの製造方法を説明するための断面図である。
【図９】この発明の第５の実施形態によるマイクロレンズの製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】この発明の第６の実施形態によるマイクロロッドレンズの製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１  Ｓｉ基板
２  レジストパターン
２ａ、２ｂ  開口
３  ＳｉＯ2 膜
４  マイクロレンズ
５  マイクロロッドレンズ
６  ＳｉＮx 膜
【図１】
0003813215.tif 000002
【図２】
0003813215.tif 000003
【図３】
0003813215.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003813215.tif 000006
【図６】
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【図７】
0003813215.tif 000008
【図８】
0003813215.tif 000009
【図９】
0003813215.tif 000010
【図１０】
0003813215.tif 000011