微小光学元件的制作方法

专利名称：微小光学元件的制作方法
技术领域：
本发明有关于使用半导体工艺制造的微小光学元件。
背景技术：
近年，使用半导体工艺将树脂构造体设于半导体元件上的半导体元件逐渐增加。 其中之一，即为使透镜一体形成于CXD或CMOS等摄影元件上的MLA(微型透镜数组)或 DOE (绕射光学元件)等。特别是，大多使用复数片MLA或DOE来进行提升聚光率或校正色差等复杂的处理。 然而，在使用复数片MLA或DOE时，制造时的对准精度或调整的重要性日益增加。专利文献1 “绕射光学元件及使用其的光学系统”中，记载了使用于基板上堆栈两 层或两层以上的构造的绕射光学元件，以提升绕射效率的波长依存性的方法。又，该文献中 所介绍的技术，是通过对各格子部的格子边缘位置施以去角，使各绕射格子部的格子边缘 成为钝角，以改善切削加工时等的格子形状的加工性或边缘部在成型时的形状转印性。专利文献1 日本特开平11-223717号公报

发明内容
在组合有复数片MLA或DOE的情况下，当光学元件间的对准精度差时，即会对光学 机器造成色偏移或散射等的不良影响。特别是结合单模态(singlemode)光纤等直径为10 微米以下的光纤的结合器内的光学元件，即使于光学元件间有1微米程度的轴偏移，也会 带来极大的影响。又，如专利文献1所记载，即使是堆栈两层以上的DOE的构造，当格子边缘的位置 偏移时，也会产生绕射效率降低的问题。本发明的目的，是提供即使使用复数片MLA或DOE的构成也能实现高精度对准的 微小构造体及其制造方法。本发明的微小构造体的制造方法，该微小构造体在内面所对向的面具有微小构 造，其特征在于，包含于第1层表面形成第1图案的步骤；于所形成的该第1层表面上形成 牺牲层的步骤；于该牺牲层表面形成第2图案的步骤；于该牺牲层及该第1层表面的一部 分上形成第2层的步骤；以及除去构成该牺牲层的构件的步骤；在于该第1层形成该第1图 案的步骤与于该牺牲层形成该第2图案的步骤中，分别以同一对准标记为基准形成图案。又，该方法具有形成该第2层以覆盖该牺牲层的步骤；以及除去该第1层或该第 2层的一部分以使该牺牲层的一部分露出的步骤。又，该方法具有从该露出部分除去构成该牺牲层的构件后，于该牺牲层的露出部 分设置盖件的步骤。或者，该方法具有将空气以外的媒质充填于除去构成该牺牲层的构件后的中空 部分。作为另一方法的本发明的微小构造体的制造方法，该微小构造体具备第1构件，其形成有第1图案与凹形状或凸形状的对准标记；以及第2构件，其具有第2图案与能与形 成于该第1构件的对准标记嵌合的形状的对准标记；使该第1构件与该第2构件彼此的该 对准标记互相嵌合而形成微小构造体，其特征在于，该方法具有将形成该第1构件的模具 的至少形成对准标记的模具形状从原版经偶数次转印而形成的步骤；以及将形成该第2构 件的模具的至少形成对准标记的模具形状从该原版经奇数次转印而形成的步骤。又，该第1构件与该第2构件中任一方的该对准标记具有凹形状，将凹部的侧面形 成为倾斜使该凹形状的底部面积小于该凹形状的开口部面积。特别是，一方的该对准标记与另一方的该对准标记具有一对凸形状与凹形状；该 凸形状的对准标记高度形成为较该凹形状的对准标记的深度短。或者，该方法具有在将该第1构件与该第2构件配合该对准标记予以嵌合时将空 气以外的媒质充填于中空部分的步骤。又，本发明的微小光学元件，于内部形成有被供使用波长的光透射的光学材料所 构成的构造体包围的中空部分，其特征在于该构造体的该中空部分侧的面的形状，能使该 使用波长的光产生所希望光学特性的立体形状，且将用以连接该中空部分与该微小光学元 件的外界空间的开口部设于该构造体。特别是，该微小光学元件具备覆盖该开口部的密封构件。再者，该光学面形状能使该使用波长的光产生既定绕射现象的浮凸图案。特别是，该光学材料是树脂材料。进一步地于面对该构造体外界空间的区域具备由玻璃或硅构成的基板。又，本发明的光学元件，其具备第1光学基板，由供使用波长的光透射的光学材 料构成，于一面具有能使该使用波长的光产生所希望光学特性的立体形状，于该一面侧的 形成有该立体形状的区域外侧具有第1对准标记；以及第2光学基板，由供该使用波长的光 透射的光学材料构成，于一面具有能使该使用波长的光产生所希望光学特性的立体形状， 于该一面侧的形成有该立体形状的区域外侧具有第2对准标记；在该第1对准标记与该第 2对准标记对向的状态下使该第1光学基板与该第2光学基板接合，其特征在于该第1对 准标记与该第2对准标记由凹形状或凸形状构成且能彼此嵌合的形状。特别是，该第1对准标记或该第2对准标记的截面形状中具有该凸形状的对准标 记的截面形状，其宽度随着往前端而越小的形状。或者，该第1对准标记或该第2对准标记的截面形状中具有该凸形状的对准标记 的截面形状，是前端部具有曲率的形状或多角形状。本发明的微小构造体及其制造方法，即使是使用复数片MLA或DOE的构成也能实 现高精度对准。而且，通过模具的成模即能大量且廉价地提供廉价且高精度的微小构造体， 并能应用于传感器等各种领域。


图1是显示本发明的第1实施方式的整体概要的说明图。图2是显示本发明的第1实施方式的制造顺序的说明图。图3是显示本发明的第1实施方式的微小构造体的说明图。图4是显示本发明的第2实施方式的制造顺序的说明图。
图5是显示本发明的第2实施方式的制造顺序的说明图。图6是显示本发明的第2实施方式的副原板制作方法的说明图。图7是显示本发明的第2实施方式的微小构造体的制造影像的说明图。图8是显示对准标记一例的说明图。图9是显示对准标记一例的说明图。图10是显示微小构造体的应用例的说明图。图11是显示对准标记一例的说明图。图12是显示对准标记一例的说明图。图13是显示微小构造体的MLA的说明图。
具体实施例方式(第1实施方式)使用图1、图2、以及图3说明与本发明的微小构造体及其制造方法相关的第1实 施方式。图1是显示于硅晶片上形成复数个微小构造体的样子。此外，本实施方式中所制 造的微小构造体是作为光学元件使用，特别是适于形成于半导体元件上的微小光学元件。图1中，101显示硅晶片，102显示形成一个微小构造体的块体，103显示对准标记， 104显示形成于硅晶片101上的第1层，144显示图案形成部分。图1 (a)是从上面观看硅晶片101的图，图1 (b)是显示以截面位置A切断图1 (a) 时的截面图，图1(c)是显示以图1(b)的虚线圆B所示部分为中心放大的图。于硅晶片101 上通过树脂等形成有第1层104，于对准标记103及各块体102分别形成有所希望图案。所 希望的形成图案，例如可考虑有DOE或MLA等。又，对准标记，与一般步进曝光的半导体制 造方法同样地，设于各块体102周围，作为曝光时的基准位置来利用。此外，图1中，对准标记103虽设于块体102各列、各行的两侧，但也可是不同位置 或数目。又，该图中，符号103虽仅显示一个对准标记，但描绘成相同形状的其它标记也显 示同样的对准标记。符号102也同样地，块体102显示复数个块体的其中一个，由于以一个 块体形成一个微小构造体，因此是以一个硅晶片101 —次形成复数个微小构造体。本实施方式的微小构造体的制造方法，于硅晶片或石英晶片等的基材上形成复数 个微小构造体，于基材上将复数层一边图案化、一边形成，最后切割出形成于基材上的复数 个微小构造体来完成单体的微小构造体。又，本实施方式中的各层形成方法或图案化方法， 与通常的半导体元件形成技术同样地，进行氧化法、光刻胶涂布或光刻、刻蚀、纳米印刷或 蒸镀、溅镀法、CVD法等的图案方式或成膜等。又，光刻工艺，可在将图案烧入(图案化)有 机材料膜(光刻胶感旋光性树脂)的步骤中形成光刻胶层，以紫外线曝光烧上图案再加以 显影，由此即能形成任意的图案。此外，光刻胶可为正型或负型。又，虽显示于第1实施方式的图的图案截面为单纯的矩形，但只要使用例如灰阶 光掩膜法等，即也可图案化成倾斜形状，而形成MLA或DOE等。其次，抽出图1的虚线圆B所示的部分，使用图2详细说明微小构造体的制造顺 序。图2中，105显示牺牲层，106显示第2层，201显示用以单片化的切断后的微小构造体， 与图1相同符号者由于是相同的部分，因此省略说明。首先，图2(a)的步骤中，于硅晶片101 上形成树脂的第1层，于其上涂布光刻胶并配合对准标记103进行步进曝光。在通过步进曝光来烧入所希望图案并显影后，通过刻蚀等将如图2(a)的图案144形成于第1层104。图2 (b)显示于经图案化的第1层104上涂布有光刻胶的牺牲层105的状态。牺 牲层105也与第1层104同样地，配合对准标记103进行步进曝光以烧入所希望图案。接 着，选择性地追加曝光待完全除去的牺牲层105的一部分。将此显影后，如图2(c)所示的 图案145即形成于牺牲层105上，于各微小构造体部分残留已图案化的牺牲层105。此外， 即使不使用追加曝光而使用灰阶光掩膜法，也可一次进行图案部145的曝光与完全除去牺 牲层105的部分的曝光。其次，如图2(d)所示，涂布树脂作为第2层106，以完全覆盖残留于经图案化的各 块体102内的牺牲层105。此时，涂布树脂以将第2层106也接着于第1层104所露出的部 分。图2(d)中，虚线箭头C，D，E及F是切断线，显示将一体化的硅晶片101、第1层104、牺 牲层105、以及第2层106切断的切断位置。经切断而单片化后的样子显示于图2 (e)，切割 出牺牲层105为虚线圆J的部分而为一部分露出状态的微小构造体201。此外，图2所示 的各图，由于是在图1 (a)的截面位置A的截面图，牺牲层105仅在图2的切断线D及F侧 露出。即，牺牲层105是在图1(a)的一个微小构造体形成块体102的方形四边内的一边露 出，其它部分则呈被第2层或第1层或基材101覆盖的状态。此状态显示于图3(a)。图3(a)是图示切割出的微小构造体201。对露出于微小构造体201 —部分的牺 牲层105，使用丙酮等的光刻胶用溶剂将构成牺牲层105的光刻胶除去后，即完成如图3(b) 所示的中空状微小构造体。图3(b)是图3(a)的截面位置N的截面图，露出的中空部分304 相当于图3(a)中露出的牺牲层105。此外，上述制造方法的微小构造体是作为光学元件使用，可代替硅晶片101使用 石英等的玻璃基板等的对使用波长为透明的基板，进而使用对使用波长为透明的树脂来作 为用于第1层104或第2层106的树脂。再者，面对第1层104或第2层106的中空部分 的光学面的形状，只要是形成有相对使用波长可得到例如必要绕射现象的所希望光学特性 的浮凸图案(DOE图案或透镜图案等)，即可成为以光学材料构成的构造体包围的中空部分 形成于内部的构造的微小构造体(微小光学元件)。若直接利用此微小构造体，由于中空部 分连通于外部气体，因此只要能检测出通过微小构造体的光的特性的变化，即能应用于可 检测出空气以外的气体等流入中空部分的状态的气体传感器等。当然，通过将图3(a)的开 口部不仅形成于单侧而形成于两端，即能制作气体等的入口与出口。或者，如图3(c)所示，通过将树脂制的盖件301接着于露出的部分，即能密闭中空 部分而与外部空气截断。进而，如图3(d)所示，通过使以盖件301密闭的步骤成为充满空气 以外的气体的气密室，即能于中空部分充填空气以外的气体。例如能充填Ar (氩)、Kr (氪) 等钝化气体或氮气等以作为光吸收传感器利用。不仅气体，亦能充填液晶等液体，或改变折 射率、使其具有过滤功能。本实施方式中，第2层虽形成为覆盖牺牲层，但也可将牺牲层形成为自最初开始 即有一部分残留。当残留牺牲层的一部分时，由于能自该露出部分除去牺牲层，因此也能在 硅晶片基材上形成有复数个微小构造体的状态下一次除去牺牲层，能省去在切断后逐一除 去单体的微小构造体的牺牲层的麻烦步骤。又，在图2所说明的堆积各层的步骤中，例如通过蒸镀法或溅镀法等步骤于将第1 层图案化后的表面，将Si02，Τ 02, Zn02等折射率不同的薄膜堆积成1/4波长厚，即可进行将表面反射率抑制得较低的AR涂布(反射防止膜)，以制造反射较少的DOE或MLA。如上述，本发明的第1实施方式中，对准标记103虽形成于第1层103上，但也可 先形成于基材的硅晶片101上。不论是形成于何处，在对第1层104或牺牲层105进行图 案化时由于均同样是配合对准标记来进行，因此图案间的位置偏移较少，能形成高精度的 微小构造体。再者，虽未明确说明构成第1层104与第2层106的树脂构件，但可通过组合同一 树脂或可一体化的树脂，来在堆积第2层106时与第1层104 —体化，因此在除去牺牲层 105后，不需接着第1层104与第2层106，即能以良好效率制造具有中空部分的微小构造 体。特别是，由于只要予以一体化，即不易与外部气体接触，能保护微小构造体内部的精密 突起等，因此有利于形成透镜或显示面板的反射防止用途等所使用的蛾眼(Moth eye)之类 的脆弱形状。(第2实施方式)其次，说明与微小构造体及其制造方法相关的第2实施方式。本发明的第2实施 方式的微小构造体，是使具有凹形状的对准标记的第1构件与具有和凹形状成对的凸形状 的对准标记的第2构件嵌合的构造。此外，本实施方式所制造的微小构造体是作为光学元 件使用，特别是适于形成于半导体元件上的微小光学元件。第2实施方式的制造方法的概要，首先是通过对第1构件或第2构件的任一方的 原版进行精密机械加工等来制作，通过纳米印刷等的方法自原版(Master)制作出第1反转 原版。其次将相当于中空部分的牺牲层堆积于第1反转原版上，图案化成例如DOE图案等 的所希望形状，根据此图案进行树脂成形以制作第2反转原版。其次，自第1及第2反转原 版制作分别与其对应的副原板(Sub master)。S卩，分别自第1反转原版制作第1副原板，自 第2反转原版制作第2副原板，在量产制造的情况下，是从这些副原版大量树脂形成为第1 构件及第2构件，并嵌合两者制造微小构造体。此处，原版虽可是如玻璃、石英、镍、黄铜等能以良好精度加工者，但视使用材质的 不同，需选择机械加工或刻蚀等适切的加工方法来形成图案。接着，使用图4，5，6及7详细说明第2实施方式的制造方法。图4显示制作第1反 转原版的步骤与使用第1反转原版制作用以制作第2反转原版的模具的步骤，其中，401是 原版，402是原版上的凸形状对准标记，403是硅晶片或玻璃等的基材，404是树脂，405是显 示原版的凸形状对准标记转印于树脂404的凹形状对准标记，406是光刻胶的牺牲层，505 是第1反转原版，407是第2反转原版(基材403、树脂404及通过光刻工艺形成为图案的牺 牲层所构成)用的模具。图4(a)中，将对石英等进行精密加工后的原版401按压于置于基 材403的树脂404上后，如图4(b)所示，配合原版401的形状形成树脂404，在该状态下树 脂404只要是冷却或紫外线硬化型树脂，即可通过照射紫外线进行硬化，卸除原版401后， 即如图4(c)所示完成原版401的反转型的第1反转原版。此种树脂的转印，虽有时会于步 骤中混入空气的情形，但在该情况下可通过在真空中进行本步骤来予以解决。 其次，为了作成第2反转原版，如图4 (d)所示，一旦于第1反转原版上涂布光刻 胶的牺牲层406，通过光刻步骤对牺牲层404上图案化并除去不需要部分后，即能制作如图 4(e)所示的第2反转原版的模具。虚线圆G是抽出凹形状的对准标记405底部，相当于第 2反转原版用的模具407的对准标记405的部分的形状，与第1反转原版505的对准标记405同样地具有大致圆形状。此外，有意地在光刻步骤中进行显影处理使牺牲层406的一部 分残留于V字型的凹形状对准标记405的底部。又，凹形状的对准标记405形状可想到有 截面为倾斜状的圆锥形、四角锥形、V槽形等，对准标记的形状在之后详细说明。其次，图5是说明以利用第1反转原版505作成的第2反转原版用的模具407制 造第2反转原版的步骤的图。图5中，501是脱膜剂，502是基材，503是树脂，504是第2反 转原版，506是第2反转原版504的对准标记。图5(a)中，将第2反转原版用的模具407按 压于基材502上的树脂503后，如图5(b)所示，配合第2反转原版用的模具407的形状通 过脱膜剂501形成树脂503，树脂404只要是冷却或紫外线硬化型树脂，即可通过照射紫外 线进行硬化。当卸除通过脱膜剂501而变得易于卸除的第2反转原版用的模具407后，即 如图5 (c)所示完成第2反转原版用的模具407的反转型的第2反转原版504。此第2反转 原版504的对准标记506的形状，是具有第1反转原版505的对准标记402的大致反转形 状。又，第2反转原版用的模具407是通过药品等除去脱膜剂501及牺牲层406，而如 图5(d)所示回归至第1反转原版505的状态。如此，即完成相当于对准标记的部分的形状 彼此为大致反转形状的第1反转原版505及第2反转原版504。此外，上述说明中虽叙述使 用脱膜剂501，但具体而言，不仅可涂布氟是脱膜剂或施以易于卸除的表面处理以使脱膜性 良好而较易进行作业，也可不必担心所形成的复杂图案形状在脱膜时损坏。其次，使用图6说明说明使用第1反转原版505与第2反转原版504制作第1副 原版及第2副原板的步骤。图6中，601是第2副原版用的基材，602是树脂，603是第2副 原版，604是第1副原版用的基材，605是树脂，606是第1副原版。图6 (a)中，将第2反转 原版504按压于涂布于基材601上的树脂602上后，与图4 (a)等同样地将树脂602配合形 状成形，在树脂固化后卸除第2反转原版504后，即如图6(b)所示完成第2副原版603。同 样地，如图6 (c)所示，将第1反转原版505按压于涂布于基材604上的树脂605上后，与前 述情形同样地将树脂605配合形状成形，在树脂固化后并卸除第1反转原版505后，S卩如图 6(d)所示完成第1副原版606。此处为了说明方便，图5(d)中，在作成第2反转原版504 后，为了制作第1副原版，是除去第2反转原版用的模具407的脱膜剂501与牺牲层406而 回复第1反转原版505的状态。然而，实际上是在之前自第1反转原版505如前所述完成 第1副原版606后对第2反转原版用的模具407进行加工。若依此顺序进行即不需除去步 骤。进而，反转原版用的模具407的加工方法可使用无法回复的方法。例如不仅能使用光 刻胶来作为牺牲层406的方法，也能在电镀金属构件后进行切削加工。于图7显示基于以上述方式制作的副图案进行微小构造体的量产制造的影像，图 7 (a)是显示自第2副原板603制造微小构造体的第2构件的影像，图7 (b)是显示自第1副 原板606制造微小构造体的第1构件的影像。图7中，701是构成微小构造体的第2构件的 基材，702是树脂，703，704及705是大量成形的数个第2构件，706是构成微小构造体的第 1构件的基材，707是树脂，708，709及710是大量成形的数个第1构件。此处，由于形成第1副原板606的第1构件的对准标记的模具形状、与形成第2副 原板603的第2构件的对准标记的模具形状，是以图4所说明的同一原版401制作，第1副 原板606的该形状是以偶数次(两次)的转印次数制作，而第2副原板603的该形状是以 奇数次(三次)的转印次数制作，因此通过这些副原版量产制造的第1构件708，709及710与第2构件703，704及705，可在其各自的凹凸对准标记部分以良好精度嵌合。此外，上述制造方法的微小构造体是作为光学元件使用，构成第1构件708的材料 及构成第2构件703的材料是相对使用波长为透明的材料，形成于各构件的图案，是形成为 相对使用波长可得到例如必要绕射现象的所希望光学特性的浮凸图案(DOE图案或透镜图 案等)。再者，第1构件708与第2构件703在对准标记部分彼此嵌合的构造，为本实施方 式的具有中空构造的微小构造体(微小光学元件)。此微小光学元件，能使用于与第1实施 方式所说明的微小光学元件相同的用途。通过将微小构造体作成上述构成，即能容易地进 行两者的构件的正确对位。进而，由于具有使对准标记的凹部与对准标记的凸部嵌合的构 造，因此能增加本实施方式的光学元件的机械强度。又，通过蒸镀法或溅镀法等步骤于成形后的第1构件或第2构件的表面将Si02， Τ 02, Zn02等折射率不同的薄膜堆积成1/4波长厚，即可进行将表面反射率抑制得较低的 AR涂布，与第1实施方式同样地，在为DOE或MLA等的情形下，能提供可抑制反射的制品。其次，使用图8说明对准标记的形状例。图8是显示使第1构件708与第2构件 703彼此嵌合的微小构造体的对准标记形状例，其中，801是接着剂，802是DOE等的图案成 形部分，803，804是V槽构造的对准标记，805是对准标记803的中心线。又，图8(a)是在 图8(b)的截面位置H切断时的截面图，图8(b)是从上面穿透微小构造体后所观看到的图， 其中接着剂801等省略。具有凹形状对准标记的第1构件708的V槽构造对准标记803， 由于是从开口部朝向底部的中心线805倾斜，因此在嵌合具有凸形状对准标记的第2构件 703时，凸形状的对准标记会朝向中心线805陷入，可减少与中心线805的偏移。此外，V槽构造的对准标记803，804的长度，不论短或长均能得到相同效果。或者， 也可非为V字形而为U字形，只要是自槽的开口部分朝向中心线805所示的底部分倾斜的 形状，均可得到相同的效果。其次，使用图9说明其它对准标记形状的例。图9中，对准标记形状以外的部分与 图8相同，156，157及158是圆锥形的对准标记，虚线圆159是观看圆锥形的立体对准标记 形状的立体图，虚线圆160是与凹形状对准标记159成对的凸形状对准标记的立体图，161 是圆锥形对准标记156的中心位置。又，图9 (a)是在图9(b)的截面位置K切断时的截面 图，图9(b)是从上面穿透微小构造体后所观看到的图，形成于图9的第1构件708的凹形状圆锥形对准标记156，157及158设有三个， 因此前后左右的位置可特定出。特别是，由于凹形状圆锥形对准标记是如虚线圆159所示， 自开口部向底部倾斜，因此如虚线圆160所示的凸形状对准标记是朝向中心位置161陷入， 而能精度良好地特定位置。而且，由于凸形状对准标记如虚线圆160所示前端尖起的部分 较圆，因此未达凹形状对准标记的底部，能防止成型时因微妙的精度差异所导致的隆起。此 外，此种带有圆球状的凸形状对准标记，也可通过如图4的G所说明的步骤来进行加工。此 时也与图8所说明者同样地，对准标记形状也可为U字型。其重点在于，相较对准标记的凹 部的开口部朝向凹部深处以垂直角以内的角度倾斜，而越朝向底部即越细。其次，使用图10，11，12及13说明本发明的制造方法的其它微小构造体例。第2实施方式中，虽说明基板为平板形状，但即使是图10所示的曲面形状基材亦 能以与本实施方式所说明的步骤同样的步骤形成微小构造体。图10(a)是具有曲面形状的 基材的DOE的微小构造体截面图，图10(b)是图10(a)的DOE形状也为曲面的微小构造体截面图，图10(c)是于图10(a)的中空部分插入折射率不同的树脂的DOE的微小构造体截面图。图10(a)中，251是第2基材，252是第2层，253是具有由第2基材251与第2层 252构成的曲面形状的基材的第1构件，2M是第1基材，255是第1层，256是具有由第1 基材2M与第1层255构成的曲面形状的基材的第2构件，257是环氧树脂系等的接着剂， 258是中空部分。中空部分258被空气充满，发挥通常的两片组的DOE透镜的作用，第1基 材2M及第2基材251分别由相对使用波长为透明的材料构成，且由于透镜状的曲面形状， 因此能发挥透镜作用，补足由相对使用波长为透明的树脂材料构成的第1层255及第2层 252所形成的DOE透镜中特别是周边部的聚光。因此，由于能使DOE透镜的周边部的狭窄间 距扩展，因此能容易地防止锐角状的边缘部分在制造时的缺损或进行精度管理。图10 (b)中，259具有曲面形状的基材的第1构件，260具有曲面形状的基材的第2 构件，261具有曲面形状的DOE的第2层，262具有曲面形状的DOE的第1层。在进行图案化 时，可通过灰阶光掩膜法等形成曲面形状的第1层262或第2层沈1，而能作出较图10(a) 更复杂的特性的DOE透镜。又，除了曝光的图案化以外，也能使用以车刀切削金属的分法。 特别是，如图10(b)的图案若是DOE透镜的环带间距为数十微米程度的话，使用切削加工的 方式较为有利。图10(c)中，264是折射率异于图10(a)的第1层255或第2层的高折射率树脂。 通过充填具有适当折射率的树脂，即能对绕射作用进行控制，因此能改善DOE的特性。或者 通过使树脂264为吸收特定波长的树脂材料，即也能作出具有过滤功能的DOE透镜。又，通 过使树脂264为液体，也能实现新的特性或功能。其次使用图11说明对准标记的形状例。图11是具有图10(a)的曲面形状的基材 的DOE的微小构造体，图11 (b)是从上面穿透微小构造体后所观看到的图，图11 (a)是在切 断位置L切断时的截面图。图11中，359是V槽环状配置成包围空洞部分258周围的对准 标记，360是对准标记359的V槽中心位置，361是图11(a)的截面图的V槽中心位置与图 11(b)的V槽中心位置的对应的虚线。图11所示的微小构造体，是将形成有DOE图案的第1层255与第2层252在各自 的凹凸图案359嵌合，并通过接着剂257密接固定以被圆形且中心部分隆起的第1基材2M 与第2基材251挟持。于第2层252具有倒V字型的凸形状对准标记，于第1层255具有 V字型的凹形状对准标记。由于这些对准标记为环状，因此在嵌合时不会往前后左右偏移， 具有倒V字型的凸形状对准标记会陷入于V字型的凹形状对准标记的中心位置360。其次使用图12说明其它对准标记形状。图12是将折射率不同的液体充填于图 10(a)的中空部分的DOE的微小构造体，图12(b)是从上面穿透微小构造体后所观看到的 图，图12(a)是在切断位置M切断时的截面图。图12中，458是充填于中空部分的液体，459 是四角圆锥形的对准标记，虚线460是将对准标记459立体放大的图，461是对准标记459 的中心位置，虚线圆462是立体放大与凹形状的对准标记459嵌合的凸形状的对准标记的 图，虚线圆463是与凸形状的对准标记462不同的凸形状对准标记的例。图12所示的微小构造体，是将形成有DOE图案的第1层255与第2层252，一边 于中空部分充填液体458、一边在各自的凹凸图案359嵌合，并通过接着剂257密接固定以 被圆形且中心部分隆起的第1基材2M与第2基材251挟持。于第2层252的三处具有虚线圆462所示的圆锥形且凸形状的对准标记，于第1层255的三处具有虚线圆460所示的 圆锥形且凹形状的对准标记。由于这些对准标记是从开口部朝向中心位置461成为倾斜 状，因此在嵌合虚线圆462所示的凸形状的对准标记与虚线圆460所示的凹形状的对准标 记时，不会往前后左右偏移，会朝向中心位置461陷入。此外，凸形状的对准标记系如虚线 圆462所示的前端部带有圆球状，因此虚线圆462所示的凸形状的对准标记深度较虚线圆 460所示的凹形状的对准标记高度浅，在嵌合时不会触及底部，而能防止在成型时因微妙的 精度差异导致的浮起。同样地，即使是将虚线圆463所示的前端予以去角的凸形状对准标 记，由于高度会变低因此也能得到同样效果。凸部的高度较凹部深度高这点是相当重要的。第1实施方式及第2实施方式的应用方式，不仅DOE在MLA等也为有效。例如光 纤结合器中，特别是以透镜结合复数个光纤的情形下，光轴的调整等组装精度虽为重要，但 只要使用本发明的微小构造体的制造方法使微型透镜数组对向来建构，即能实现光轴的偏 移小的高精度光纤结合器，也能对应直径从数Pm至数十μ m的单模态光纤。其次使用图 13说明上述对MLA的应用例。图13中，551为第2基材，552为第2层，553为具有第2基材551与第2层552所 构成的曲面形状基材的第1构件，5M为第1基材，555为第1层，556为具有第1基材5M 与第1层555所构成的曲面形状基材的第2构件，557为环氧树脂系等的接着剂，558为中 空部分，559为形成于第2层552的MLA透镜的图案，560为形成于第1层555的MLA透镜 的图案，561为形成于第1层555的凹形状对准透镜，562为形成于第2层552的凸形状对 准透镜。图13所示的微小构造体，其中空部分558系被空气充满，发挥通常的两片组的MLA 透镜的作用，MLA透镜的图案559及560是以与使用第2实施方式的图4，5及6说明的DOE 透镜相同的方法制造。即，图4中，首先制作MLA透镜的原版401，根据该原版制作第1反 转原版505，在对牺牲层406进行图案化时，只要以灰阶光掩膜法等将相当于MLA透镜图案 559的图案形成于牺牲层406并如图5(c)所示制作第2反转原版504，再经由同样的步骤， 即可量产制造具有MLA透镜图案的第1构件556与第2构件553。而且，凸形状对准标记 562与凹形状对准标记561，由于基于自相同原版制作的副原板所成型，因此在嵌合时能不 偏移地确实嵌合。此外，图13所说明的凸形状对准标记562与凹形状对准标记561，是与图 9所说明的圆锥形对准标记相同形状。图13的MLA透镜例由于是假想为光纤结合器，因此各微型透镜配置于彼此对向 的位置，但也可通过以良好精度将对向的透镜配置成格子状，即也能实现损耗少的分光器。 又，与图10(c)所说明者同样地，通过将折射率不同的树脂置入MLA透镜间的空间，即能控 制复杂的折射率。或者，通过置入用以吸收特定波长的光的树脂，即能使其具有过滤功能。如上所述，本发明的第2实施方式，具有凹形状对准标记的第1构件与具有凸形状 对准标记的第2构件，是由同一原版制作。凹凸的对准标记部可以良好精度嵌合。即，嵌合 的精度不会取决于原版的机械精度。又，由于凸部的凹度小于凹部的深度，因此第1构件与 第2构件彼此嵌合的部分的平坦部能毫无间隙地确实配合。而且，由于凹部是相对开口部 的面积而朝向底部中心倾斜，因此在嵌合时不会产生位置偏移，而能以中心点为基准进行 嵌合。再者，凸形状的对准标记的截面形状，由于是其宽度随着朝向前端即越小的形状，因此能容易地嵌合。特别是，将凸形状的对准标记的前端部制作成具有曲率的曲面或多角 形，由此能容易且无位置偏移地嵌合。 又，通过在充满空气以外的气体的气密室进行使第1构件与第2构件配合对准标 记来嵌合的步骤，即能于中空部分充填空气以外的气体。又，与第1实施方式同样地，不仅 气体，亦能同样地充填液晶等液体。再者，如先于微小构造体的一部分开孔而使中空部分连 通于外部气体，即亦能应用于气体传感器等。
权利要求
1.一种微小光学元件，于内部形成有供使用波长的光透射的光学材料所构成的构造体 包围的中空部分，其特征在于，所述构造体的所述中空部分侧的面的形状，能使所述使用波长的光产生所希望光学特 性的立体形状，且将用以连接所述中空部分与所述微小光学元件的外界空间的开口部设于 所述构造体。
2.根据权利要求1所述的微小光学元件，其特征在于，所述微小光学元件具备覆盖所 述开口部的密封构件。
3.根据权利要求1或2所述的微小光学元件，其特征在于，所述光学面形状能使所述使 用波长的光产生既定绕射现象的浮凸图案。
4.根据权利要求1所述的微小光学元件，其特征在于，所述光学材料是树脂材料。
5.根据权利要求4所述的微小光学元件，其特征在于，所述微小光学元件进一步于面 对所述构造体外界空间的区域具备由玻璃或硅构成的基板。
全文摘要
本发明提供一种微小光学元件，于内部形成有供使用波长的光透射的光学材料所构成的构造体包围的中空部分，构造体的中空部分侧的面的形状，能使使用波长的光产生所希望光学特性的立体形状，且将用以连接中空部分与微小光学元件的外界空间的开口部设于构造体。由此能实现高精度的对准。
文档编号B81C99/00GK102109626SQ20111005286
公开日2011年6月29日 申请日期2006年10月2日 优先权日2005年10月7日
发明者林政俊 申请人:株式会社尼康