JPH03217803A - 微小光学素子形成方法及び形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 二産業上の利用分野〕 本発明；ま、レーザ・アブレーンヨン法による空間選択
薄膜形成を用いてなる微小光学素子形成方法とその装置
に関するものである。

３従来の技術〕 従来の微小光学素子形成方法吉しては、材料ガスを所定
の圧力に保ったＣＶＤセルの内部に基板を配置し、こ゛
の基板表面に対してレーザ光を照射し、レーザ照射によ
る熱エネルギーにより、材料ガスの分解反応を起こし、
基板の照射領域において薄膜を局所的に形成することが
できる手段が用いられている。

また、材料ガスとして、Ｓｉ　Ｈ４等シラン系ガスとＮ
ｏ等笑気系ガス及びＮ２の混合系を用いると、Ｓ＋　Ｏ
Ｎ，Ｓｔ　０２等誘電体薄膜を得ることがてきる。

薄膜の成長速度は照射される基板の表面温度により異な
り、レーザ光の照射によって膜厚の分布が形成される。

そして、この膜の中心部が球面に適合することから、マ
イクロレンズの作製に利用できることや、膜をＢＨＦ　
（バッファード・フッ酸）でウエット・エノチングする
と、球面に適合する領域が拡がり、レンズの有効径を広
くとれることを本発明者等は確認している。

更に、同様のガス系を用いて、レーザの照射位置をライ
ン状に移動させて膜成長を行い、薄膜導波路の作製も検
討している。

本発明者等は、レーザＣＶＤ法による誘電体薄膜形成に
関して種々の検討を重ね、この技術によりマイクロレン
ズ，先導波路等の微小光学素子の開発を図っている。

特に、レーザビームは指向性に優れ、レンズ等によって
容易に集光でき、また、エネルギー密度も他のエネルギ
ー源に比べて著しく高い。

このため、レーザ″をエネルギー源として用いるレーサ
ＣＶＤ法により、空間選択性の高い薄膜成長をマスクレ
スで行うことができる。

このような方法でマイクロレンズを作製する場合、Ｃ　
Ｖ　Ｄセル内には材料ガスが所定の圧力の下に供給され
ると共ｊこ、Ｃ〜７Ｄセル内に設置した基板に対して、
垂直にレーザを集光照射している。

このレーザの照射により、基板の温度が上昇すると、Ｑ
エネルギーによって基板表面付近の材料ガスが分解、反
応し、基板表面に膜が成長する。ＴＥＭｏｏモードのレ
ーザビームはガウンアン状の強度分布を有しており、こ
のため、照射される基板表面には、照射ビームの中心を
ピークとする対称な温度分布が形成される。

一方、膜の成長速度は供給エネルギーにより、換言すれ
ば、基板表面の温度により異なるため、前述の強度分布
を有するレーザ照射時に、レーザの出力やガス条件を最
適化することによって、曲率分布をもつ膜を空間選択性
よく成長できることを見出した。

そして、このような曲率分布を有する膜の形状が球面と
して適合しうる部分を有することを確認し、この部分が
集光作用を持つことから、誘電体薄膜のマイクロレンズ
としての利用可能性が着目されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

レーザＣＶＤ法によって、所望の光学性能を有するマイ
クロレンズを安定して作製する際に、次のような技術課
題が存在する。

すなわち、レーザＣＶＤ法による場合、膜の形状・膜質
はレーザのエネルギー密度，発振モード，出力安定性，
材料ガスの混合比，全圧等の要因によって変化する。

一般に光学素子において、屈折率は１０−３オーダの精
度を求められるので、前記の諸要因に求められる制御・
安定性は著しく高い。しかも、前記の諸要因は互いに絡
み合っており、各々の要因を独立のパラメータとして扱
うことは困難である。

また、レーザＣＶＤ法により作製されるマイクロレンズ
は、ｒ方向に屈折率分布を有している。

従って、設計，作製の両面で、分布の最適化を図ること
が必要である。

更に、レンズ形状について、ＴＥＭｏｏモートのビーム
集光照射時に得られる膜の球面適合部は、全膜厚の１５
％程度に留まる。この膜の球面適合領域を拡大するため
には、例えば、ノ・ノファードフン酸を用いたエッチン
グによる形状補正が二次加工として必要となる。

本発明は、膜の形状・膜質の制御性を有する新規な空間
選択薄膜形成による微小光学素子形成方法及び形成装置
を提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、前記目的を達成するために、微小光学素子形
成方法として、レーザ光を真空セル内に配置したターゲ
ットに照射することにより、前記ターゲ７｝を構成する
分子・原子を蒸発させ、この分子・原子をマスクを介し
て蒸着基板表面に堆積させるレーザ・アブレーションに
よって薄膜を形成し、前言己レーサ光を集光する光学系
を介して照射されるターゲット表面に点源スポットを形
成し、ターゲットの点源スポノトと蒸着基板との間に所
定の大きさの開口を有するマスクを移動可能に配置した
ことを特徴とするものである。

また、特許請求の範囲第１項記載の微小光学素子形成方
法において、ターゲット面に入射するレーザ光の入射角
度を４５度に設定し、ターゲ７｝と蒸着基板とを平行に
配置し、クーゲ／トの照射中心位置を通るターゲソト面
の法線に対してマスク開口の中心を合致するように、タ
ーゲットと蒸着基板との間にマスクを配置させたことを
特徴とするものである。

更に、本発明は、微小光学素子形成装置として、レーザ
光源、前記レーヂ光源よりの射出ビームを集光する集光
光学系、前記集光光学系による集光ビームを導くことの
できる導光窓部と内部の残留ガスを排気する排気系と内
部の圧力調整を行いうるリークバルブとターゲットを支
持しうるターゲット支持回転移動機構と蒸着基板を支持
しうる蒸着基板支持機構とを備えた真空セルよりなり、
前記ターゲ７｝支持回転移動機構は集光ビームの夕−ゲ
ソト照射面への入射角が４５度をなすように配置され、
前記蒸着基板支持機構は蒸着基板をターゲット照射面に
対して平行になるように配置され、且つ蒸着基板とター
ゲットとの間隔を調整できる蒸着基板位置調整機構を備
え、蒸着基板とターゲットとの間に配置されるマスクの
開口中心がターゲット面の入射中心を通るターゲット面
法線上に配置される構成であることを特徴とするもので
ある。

〔作　用〕

本発明の構成により、レーザ光の照射でターゲットを構
成する分子・原子（以下粒子という）はターゲット面の
点源スポットから円錐状に拡がり蒸着基板に向かう。こ
の場合、ターゲット表面の点源スポットと蒸着基板との
間に配置した所定の大きさの開口を有するマスクの位置
を制御することにより、蒸着基板上の堆債膜の形状を制
御することができ、更に、クーゲ７１−と蒸着基板との
配置関係により、対称性の良い堆積薄膜を形成すること
ができると共に、堆積速度を向上することができ、マイ
クロレンズとして好適である。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図には、本発明の微小光学素子形成方法を実施しう
る構成が示されている。

ＣＯ２レーザ，エキンマレーザ等のレーザ光源１からの
レーザービームが、Ｚｎ　Ｓｅ　レンズ等からなる集光
素子２を介して真空セル３内に配置されたターゲット５
に向かって集光照射される。

真空セル３内には、ロータリーポンプ，デイフユージョ
ンポンプ等からなる排気系９が接続されると共に、リー
クバルブ１０が接続されており、真空セル３内の圧力を
微調整することができる。

真空セル３内の圧力は、真空計１１によりモニタされ、
真空セル３内にレーザビームを導くための導光窓部４が
形成されている。

真空セル３内に配置されるターゲット５は、レーザ光源
１からのレーザビームがターゲット５に対して４５度の
入射角度で入射するように、夕一ゲ，ト支持回転移動機
構６に支持され、前記ターゲ７｝支持回転移動機構６の
回転により、レーザビームとターゲント５の照射面との
成す角が４５度を保ちながら、新しいターゲット表面が
レーザビームの照射位置に移動することができる。

前記ターゲット５のレーザ照射面に対して、所定の間隔
を置いて平行に、蒸着基板７が蒸着基板支持機構１２に
配置されており、且つ、ターゲット５のレーザ照射面と
蒸着基板７の蒸着面との間に、マスク８が配置されてい
る。前記マスク８の開口の大きさは蒸着基板７における
蒸着領域に応じて決められる。また、ターゲット５と蒸
着基板７との間の間隔も調整可能である。

上記のような本発明の構成において、レーザ光源１より
発振されたレーザビームは、集光素子２により導光窓部
４を介して、真空セル３内のタ−ゲット５を４５度の入
射角度で照射する。

レーザビームの照射により、ターゲット５の構成分子・
原子はアブレイトされ、真空セル３内の真空雰囲気中に
飛散する。レーザビームの照射により、ターゲット５の
表面が次第に削られて飛散方向を変化するが、ターゲッ
ト支持回転移動機構６の回転によって、常に新しいター
ゲット５の表面がレーザビームにより照射されるので、
ターゲット５の構成分子・原子の飛散方向は一定に保た
れる。

ターゲット５の表面からの構成分子・原子の飛散方向の
分布は、コサイン則に従うことから、ターゲット５に対
して４５度の入射角度でレーザビームを照射することに
より、ターゲット５表面の垂直方向への構成分子・原子
の飛散量が最大となる（第４図参照）。

従って、マスク８の位置は、ターゲット５の対する照射
位置Ａを通り、ターゲット５の表面に対する法線上に設
置する。この配置により、ターゲット５に対して平行に
位置する蒸着基板７の蒸着面への構成分子・原子の堆積
効果が最大となる。

また、マスク８の開口の大きさに対して、夕一ゲット５
の照射位置Ａである構成分子・原子の発生源の大きさを
充分小さくし、局所化させることにより、蒸着基仮７に
おける堆積の大きさ、形状の制御をマスク８により行う
ことができる。更に、蒸着基板７とターゲット５との間
の間隔を調整することによっても、蒸着基板７における
堆積の大きさ、形状の制御を行うことができる。

ターゲソト５から飛散する構成分子・原子は、蒸着基板
７に到達する過程において、真空セル３内の残留ガスと
衝突し、この場合の衝突の確率は残留ガスが少ない程低
い。よって、衝突の確率は、真空セル３内の圧力をリー
クバルブ１０の制御により調整することにより、変更す
ることができる。

飛敗する構成分子・原子と真空セル３内の残留ガスとの
衝突の確率を制御することによって、蒸着基板７上に到
達できる構成分子・原子の粒子数が変化し、蒸着基板７
上の堆積物の形状．大きさが変化する。

実験によれば、真空セル３の真空度が高いときは、真空
セル３内の残留ガスは少なく、第３図に示すような平坦
な形状の膜が堆積され、逆に、真空セル３の真空度が低
いときは、構成分子・原子と真空セル内の残留ガスとの
衝突回数が増加し、第２図に示すような鐘状の形状の膜
が堆積される。

膜の堆債過程において、真空セル３の内部圧を適宜変化
させることにより、膜の形状は堆積方向に随時制御され
ることができる。

以上の各方法により、所望の膜形状を得ることができる
。

第１図に示した本発明の微小光学素子形成装置ヲ用イて
、マイクロレンズを試作する場合にツイて説明する。

ターゲット５として、厚さ１ｍｍの石英ターゲットを用
い、該石英ターゲットをメタノール超音波洗浄後、Ｎ２
乾燥させ、ターゲット支持回転移動機構６に設置した。

レーザ光源１として、ＣＯ２　レーザを用い、ＣＯ。レ
ーザの射出ビームはＺｎ　Ｓｅ　レンズ（ｆ＝２［）０
＋＋＋ｍ）を通し、Ｚｎ　Ｓｅ導光窓部４を介して前記
石英ターゲット５に集光照射される。Ｚｎ　Ｓｅレンズ
２とＺｎ　Ｓｅ導光窓部４との間隔は、２ｎ　Ｓｅ　レ
ンズ２のデフォーカス機構を用いて、１０Ｑ’＋ｎｍの
間隔を置くように調整される。

ターゲット支持回転移動機構６は、ビーム入射方向に対
して石英ターゲット５が４５度で対向するように配置さ
れると共に、回転機能を備え、常に新しい石英ターゲッ
ト５の表面にビームを入射させることができる。

蒸着基阪７としては、厚さ３８０μ山の石英板を用い、
前記石英ターゲット５と平行に１０ｍｍの間隔を設けて
配・置され、石英ターゲット５と石英蒸着基板７との間
に、厚さ２５μｍ，關口２６０μ和Φの銅ハタから成る
マスク８を配置した。この場合、マスクは、石英蒸着基
板７から５００μｍの位置に配置される。

真空セル３には、排気系としてロータリーポンプ９．圧
力調整用リークバルブｌＯを備え、真空計１１を具備し
ている。

この状態において、真空セル３内の圧力をロータリーポ
ンプ９により、６　Ｘ　１　０−３Ｔｏｒｒまて排気し
、圧力調整用リークハルブ１０により、３×１　０−２
Ｔｏｒｒの圧力に保った。

以上の条件を設定して、レーザビームのパワー１　５　
ｗで１０分の間、石英ターゲット５を照射した。

この場合、石英蒸着基板７の表面には、第２図に示す、
膜厚分布を有するレンズ状の堆積物が得られた。第２図
における点線は曲率半径３．　６　ｍ＋ｎをもった球面
であり、全膜厚の３５％がレンズとして適合している。

得られたマイクロレンズの形状は、厚さ７．９μｍ，半
値全幅３５０μｍであった。

石英ターゲット５と石英蒸着基板７との間隔を接近させ
ると、堆積速度が速くなり、曲率のきついレンズ状の堆
積物が得られる。

そして、ターゲットは、回転機能を備えたターゲット支
持回転移動機構に支持されているため、常に新しいター
ゲット面がレーザ照射されることにより、ターゲット面
のアブレーションによる該面の荒れに起因する粒子の飛
牧分布状熊の変動を防止することができ、膜の堆積状態
が安定している。

本発明によるマイクロレンズは、曲率分布の制御を容易
になし得ることができる。また、ターゲットの飛敗する
粒子によって堆債して形成される蒸着基板上の膜は、タ
ーゲント材料の屈折率と同一であり、よって、ターゲッ
ト材料の選択によりマイクロレンズの屈折率を決定する
ことができ、ＣＶＤプロセスにおける材料ガスの混合比
１　レーザエネルギーの制御等による場合に１ヒベて、
安定した屈折率を得ることができる。

また、第１図に示した本発明の微小光学素子形成装置を
用いて、先導波路を試作する場合について説明する。

この場合、ターゲット材料として、サファイアを用い、
マスクは、幅２５０μｍのスリット状マスクを使用し、
該マスクを前記と同様の３８０μｍの石英蒸着基板７に
略密着するように配置した。

石英ターゲット５と石英蒸着基板７との間の間隔は、前
証の場合と同様、１０ｍｍに設定すると共に、真空セル
３内の圧力は、４　Ｘ　１　０−’Ｔｏｒｒに保　っ　
ブこ。

このような条件のもとで、レーザビームのバワ−１５ｗ
で１０分の間、石英ターゲット５を照射したことにより
、第３図に示す形状の先導波略が得られた。この先導波
路の形状は、幅２６０μｍ，高さ８．９Ｘ１０−２μｍ
であった。

この場合、石英蒸着基板マとサファイアから成るターゲ
ット５との線膨張率の差によって、特に厚膜化した際、
クラックが発生することもあり得る。

しかし、蒸着基板として、石英（石英の線膨張率は５．
　５　ｘ　１　０−’／ｔ）の代わりに、パイレックス
（パイレックスの線膨張率は３．２５Ｘ１０−６／℃）
を選定することにより、ターゲットの材料であるサファ
イア（サファイアの線膨張率は７，７×１　０−６／℃
）に対する線膨張率の差を少なくすることができるので
、前記のようなクラックの発生を回避することができる
。

この場合、蒸着基板部分と先導波路部分との屈折率の差
も、パイレックスの屈折率が１．４７４であり、サファ
イアの屈折率が１．７６９であるために充分である。尚
、石英の屈折率は１．　４　５　８である。前記の各屈
折率は波長５８９．３ｎｍに対する屈折率を示す。

本発明による先導波路は、レーザＣ　Ｖ　Ｄ法により製
作した光導波路に比べて、屈折率の安定性により優れて
いる。

また、レーザＣＶＤ法では、基板へのレーザ照射位置を
ライン状に移動させ、導波路状に膜を堆積させるため、
レーザの出力変動によって、各々のレーザ照射′領域で
の膜質が不均一になってしまい、レーザ照射位置の移動
速度が遅く、作製に長時間を必要としたが、本発明の場
合、スリットを形成したマスク形状を用いることにより
、均一な膜をスリットの長さ方向に渡って同時に堆積す
ることができ、作製効率を上げることができる。

蒸着基板として、石英，パイレックスについて述べたが
、石英，パイレックスと同様の性質を有する材料を用い
ることは当然である。

〔効　果〕

本発明の構成により、ターゲット上にレーザビームが集
中照射され、点源からなる粒子発生源からの粒子はマス
クの位置を変更することで、マスクの開口を経て円錐状
のエリアに飛散して蒸着基板上に堆積する膜の形状を制
御することができ、また、真空セル内の真空度を変化さ
せることにより、残留ガス濃度を制御し、蒸着基板上に
堆積する膜の形状を制御することができ、さらに、夕一
ゲットと蒸着基板との関係により、粒子発生源からの粒
子の密度分布をコサイン則によって飛散させ、マスク形
状に対して対称性の良い膜形状を得ると共に、堆積速度
を向上させることができ、前記対称性は堆積される薄膜
をレンズとして使用する際に好適なものである。

そして、本発明の装置により、マイクロレンズや先導波
路を効率良く製作することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示す概略断面図、第２図は本発
明の構成により作製されたマイクロレンズの断面図、 第３図は本発門の構成により作製された光導波路の断面
図、 第４図はレーサビームにより照射されるターゲ７｝とタ
ーゲットからの飛散粒子の関係を示す説明図である。 １・・・レーザ光源、２・・・集光素子、３・・・真空
セノベ４・・導光窓部、５−ターゲット、６・・・ター
ゲット支持回転移動機構、７・・・蒸着基板、訃・・マ
スク、９・・・ロータリーポンプ、１０・・・圧力調整
用リークハルブ、１１・・・真空計、１２・・・蒸着基
板支持機構。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光を真空セル内に配置したターゲットに照
   射することにより、前記ターゲットを構成する分子・原
   子を蒸発させ、この分子・原子をマスクを介して蒸着基
   板表面に堆積させるレーザ・アブレーションによって薄
   膜を形成し、前記レーザ光を集光する光学系を介して照
   射されるターゲット表面に点源スポットを形成し、ター
   ゲットの点源スポットと蒸着基板との間に所定の大きさ
   の開口を有するマスクを移動可能に配置したことを特徴
   とする微小光学素子形成方法。
2. （２）ターゲット面に入射するレーザ光の入射角度を４
   ５度に設定し、ターゲットと蒸着基板とを平行に配置し
   、ターゲットの照射中心位置を通るターゲット面の法線
   に対してマスク開口の中心を合致するように、ターゲッ
   トと蒸着基板との間にマスクを配置させたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の微小光学素子形成方法
   。
3. （３）レーザ光源、前記レーザ光源よりの射出ビームを
   集光する集光光学系、前記集光光学系による集光ビーム
   を導くことのできる導光窓部と内部の残留ガスを排気す
   る排気系と内部の圧力調整を行いうるリークバルブとタ
   ーゲットを支持しうるターゲット支持回転移動機構と蒸
   着基板を支持しうる蒸着基板支持機構とを備えた真空セ
   ルよりなり、前記ターゲット支持回転移動機構は集光ビ
   ームのターゲット照射面への入射角が４５度をなすよう
   に配置され、前記蒸着基板支持機構は蒸着基板をターゲ
   ット照射面に対して平行になるように配置され、且つ蒸
   着基板とターゲットとの間隔を調整できる蒸着基板位置
   調整機構を備え、蒸着基板とターゲットとの間に配置さ
   れるマスクの開口中心がターゲット面の入射中心を通る
   ターゲット面法線上に配置される構成であることを特徴
   とする微小光学素子形成装置。