JPH07140306A - マイクロレンズの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多孔質体を経由して高精度で品質の安定した
所望形状のマイクロレンズを容易に作製する。 【構成】 基板１上に、シリコンアルコキシドなどから
作製したゾルを配置してゲル化させ、ゲル層２を得る。
このゲル層２上にレーザを集光させて集光部分を加熱
し、局所的に緻密化させる。このとき、レーザを照射し
た部分は緻密化して緻密化部分３となるが、照射してい
ない非緻密化部分４は多孔質のまま残っている。その
後、このゲル層２を、金属成分を含有する溶液または塩
酸、硝酸、硫酸、酢酸その他の有機酸などの酸を含有す
る溶液もしくは水に接触させる。これらの溶液は非緻密
化部分４に浸透する。その後に、多孔質部分の溶液を乾
燥し、さらに加熱して全体を緻密化することにより、マ
イクロレンズを得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複写機、液晶プロジェ
クタ、通信機器、固体撮像素子その他の装置に用いられ
る微小光学系のレンズの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕ
ｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）等を用いた固体撮像素子にお
いては、半導体主面に光電変換部および信号読み出し部
を備えているために、実際に光電変換に寄与する領域
は、２０〜５０％程度に制限されている。この欠点を解
決するための手段として、集光のためのマイクロレンズ
を画素毎に設け、入射光を光電変換部に集光する方法が
種々提案されている。マイクロレンズとしては、レンズ
部分が凸形状あるいは凹形状を有しレンズ内部の屈折率
は均一であるタイプ、またマイクロレンズの部分により
屈折率が変化しているタイプが知られている。

【０００３】従来、形状によりレンズ作用をもたせたマ
イクロレンズの製造方法としては、特開平２−１６４７
３１号公報に、ゾル液滴の表面張力により凸レンズ形状
に保ってゲル化させ、ガラス化させるという方法が開示
されている。また、基板上に所定のパターンを作製し、
そのパターンの空隙部にゲル状材料を盛り上がらせて固
化した後、前記パターンを除去する方法が、特開平４−
１８６３０１に開示されている。一方、屈折率分布を有
するマイクロレンズを製造する方法としては、イオン交
換法を利用した方法が知られている。この方法では、ガ
ラス基板上にマイクロレンズパターンを形成したマスク
を設け、そのガラス基板を溶融塩中に入れることによ
り、マスクに被覆されずに露出しているガラス基板の表
面から基板内部へ金属イオンを拡散させ、分布を付与し
た後、酸処理による溶解あるいは研磨等によりマスクを
除去してマイクロレンズをガラス基板内に形成する。ま
た、レンズパターンを有する母型に接触させながらゲル
化させ、得られたウェットゲルを乾燥させてドライゲル
とした後に、マスキングし、ガラス体の一部の屈折率を
変える工程を経ることによりマイクロレンズを得る方法
が、特開平２−８８４３３に開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ゾルゲル法により作製
したゾルの表面張力により凸レンズ形状を形成する場
合、凸レンズの形状はゾルの表面張力およびパターン材
料の性質に大きく依存する。しかし、ゾルゲル法による
ゾルの作製に際しては、シリコンアルコキシドやアルコ
ールなど表面張力の低い溶媒を多く用いるために、ゾル
自体の表面張力も低くなりやすい。表面張力の低いゾル
の液滴の形状は平たいものにしかならず、レンズの形状
の自由度は小さくなってしまう。また、十分な反応時間
の後にゾルはゲル化するが、ゲル化の際の粘度増加の速
度は非常に速いために、丁度よい粘度を長時間にわたっ
て保持するのは難しい。ゾル粘度を一定保持することが
困難な場合には、マイクロレンズの品質は不安定なもの
となる。

【０００５】また、屈折率に分布を有するマイクロレン
ズをイオン交換法により製造する場合には、高温の熱処
理や溶融炉等の高価な設備が必要となる。また、長時間
の高温処理が必要となるために、作製条件の制御によっ
ても高コストとなる。さらに、高温の処理が必要なため
にＣＣＤチップ上に積層しながらマイクロレンズを形成
することは困難であり、予め作製しておいたマイクロレ
ンズをＣＣＤ等の撮像素子に貼り付けるという手順をと
るが、これは精度上難しい。また、イオン交換法によれ
ば、交換可能なイオンが一価イオンに限られるために得
られるレンズの特性も限定されてしまうという欠点があ
った。

【０００６】これに対し、特開平４−１８６３０１号公
報、特開平２−８８４３３号公報等に開示されている方
法によれば、これらイオン交換法における問題点を解決
するものであるが、これらの方法では、いずれも屈折率
を変える工程の前にゲルの一部を被覆するようなマスク
を形成し、屈折率を変える工程の後、そのマスクを除去
する方法をとっている。

【０００７】しかし、これらの方法で使われているゲル
は多孔質体であり、このような多孔質物質にマスキング
することは容易ではない。多孔質物質では、細孔内にマ
スク材料が落ち込んで、落ち込んだ部分に穴があき、マ
スキングを完全に行うことができないためにマスク部分
からも屈折率分布変化が付与されてしまうという問題点
があった。また、一度形成したマスクは、屈折率を変化
させる工程の後に取り除かれなければならないが、マス
クを取り除く方法としては、前述のように酸処理により
溶解したり、あるいは研磨等によりマスクを除去する方
法が知られている。しかし、多孔質体に酸処理を施す場
合、マスク部分のみならず、多孔質体自体の骨格も酸に
より破壊されてしまうことがあった。また、酸処理のよ
うな溶液処理は多孔質体内に一旦形成した屈折率の分布
を付与するための金属種を再度溶解して不安定な状態に
し、結果として屈折率分布形状を乱すことがあった。一
方、研磨等によりマスクを除去する方法においても、研
磨材や研磨かすが多孔質体細孔中につまったり、研磨液
が細孔内にしみ込むことにより多孔質体内の金属種の分
布を乱すことがあった。ここに、低温で分解しやすい高
分子樹脂のマスクを施し、用済み後、加熱燃焼によりマ
スクを除去する方法もあるが、これによれば樹脂の熱分
解の際に発生する炭素成分が細孔中に入り、十分に燃焼
する前に多孔質体の無孔化が進んだことによるレンズの
透過率の低下等の問題がある。

【０００８】本発明は、かかる従来の問題点、すなわち
形状によりレンズ作用を有するマイクロレンズをゲルに
より作製する際のレンズ形状の品質安定化や、屈折率分
布によりレンズ作用を有するマイクロレンズを作製する
際の屈折率変化を付与する工程の前後におけるマスクの
形成、離脱に伴う種々の問題点に鑑みてなされたもの
で、多孔質体を経由して高精度で品質の安定した所望形
状のマイクロレンズを容易に作製する方法を提供するこ
とを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、マイクロレンズを製造するにあたり、ゾ
ルゲル法により作製したゲル層の一部を局所的に緻密化
させ、該局所的に緻密化した部分を含む面を、金属成分
を含有する溶液または酸溶液もしくは水と接触させた
後、乾燥し、加熱して緻密化することとした。ここに、
前記ゲル層の面上に、緻密化部分に囲われた非緻密化部
分を形成するとよい。

【００１０】

【作用】本発明の作用を図１に基づき説明する。図１
（ａ）に示すように、基板１上に、シリコンアルコキシ
ドなどから作製したゾルを配置してゲル化させ、ゲル層
２を得る。ゾルはキャスト、スピンコート、ディップコ
ート等の方法で配置することができ、場合によっては積
層を複数回繰り返して任意の厚さにすることも有効であ
る。ゲル化は、単に静置することによってもなされる
し、場合によっては温度を上げてゲル化したり、超音波
をあてることによりゲル化させてもよい。次に、図１
（ｂ）に示すように、このゲル層２上にレーザを集光さ
せて集光部分を加熱し、局所的に緻密化させる。このと
き、レーザを照射した部分は緻密化して緻密化部分３と
なるが、照射していない非緻密化部分４は多孔質のまま
残っている。

【００１１】その後、このゲル層２を、金属成分を含有
する溶液または塩酸、硝酸、硫酸、酢酸その他の有機酸
などの酸を含有する溶液もしくは水に接触させる。これ
らの溶液は非緻密化部分４に浸透し、溶液によって以下
のような作用をする。金属成分を含有する溶液に接触さ
せた場合には、細孔中に金属成分が導入され、その金属
成分に起因する性質が付与される（図１（ｃ））。ま
た、酸溶液または水に接触させた場合には、多孔質部分
の骨格を形成しているＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合や、Ｓｉ−Ｏ
−Ｍ結合（ＭはＳｉ以外の金属元素）は切断され、これ
により遊離したＳｉやＭは外部へ溶出する（図１
（ｄ））。ここで、局所的な緻密化は加熱の温度（出
力）、時間等により制御することが可能であり、完全に
無孔化させガラス化するまで緻密化させて、この後の工
程に使用することができるし、完全に無孔化させる前に
緻密化処理を中断し多少の細孔が残っているが細孔体積
をかなり小さくした状態でこの後の工程に使用すること
も可能である。すなわち、緻密化はガラス化すること
と、ガラス化まではいかないが多孔質体の細孔が小さく
なり多孔質体全体として体積変化が生じることの双方を
意味するものである。

【００１２】その後に、多孔質部分の溶液を乾燥し、さ
らに加熱して全体を緻密化することにより、マイクロレ
ンズを得る。これらの溶液は非緻密化部分４に比較的浸
透し易く、そのために以下のような作用をする。すなわ
ち、金属成分を含有する溶液に接触させた場合には、金
属成分が導入されるので原子数が多くなり、緻密化後、
多孔質であった部分が膨らんだようになる（図１
（ｅ））。また、酸溶液または水に接触させた場合に
は、金属成分が溶出されるので原子数が少なくなり、緻
密化後、多孔質であった部分が若干へこんだようになる
（図１（ｆ））。さらに、拡散可能な金属成分を含んで
いるゲルを部分的に緻密化したものを、金属成分を含有
する溶液と接触させた場合には、金属成分が相互に交換
するように拡散するので、この場合形状の変化は少な
い。

【００１３】以下に、形状によりレンズ作用を有するマ
イクロレンズを作製する場合と屈折率分布によりレンズ
作用を有するマイクロレンズを作製する場合とに分け
て、より詳細な説明をする。まず、屈折率がマイクロレ
ンズのどの部分においても均質であるようなレンズを得
る場合について、本発明の方法により形状を変化させる
方法について説明する。均質なレンズを作製する場合に
は、はじめに配置するゾルの金属成分の組成と、後に接
触させる溶液に含まれる金属成分の組成とが一致してい
ることが重要である。例えば、はじめに配置するゾルが
シリコンアルコキシドからなるときに、後に接触させる
溶液としてＳｉのみが含まれた溶液、例えば微小のシリ
カ粉末のコロイド溶液やシリコンアルコキシドをアルコ
ール等で希釈した溶液などを用いると、多孔質部分には
Ｓｉが充填されるので緻密化した後にＳｉの多く充填さ
れた多孔質であった部分は凸状に膨らむ。このようにし
て付与される凸形状は、レーザの集光面積や、照射時
間、強度などを制御することによって多孔質部分と緻密
化部分の体積を制御し、ドープするＳｉの量を変化させ
ることにより、種々に変化させることが可能となる。

【００１４】次に、屈折率がマイクロレンズの各部分に
おいて不均質であるようなレンズを作製する場合につい
て説明する。屈折率分布を付与する場合には、はじめに
配置するゾルに含まれる金属成分の組成と、後に接触さ
せる溶液に含まれる金属成分の組成とが異なることが必
要である。はじめに配置するゾルに比較的低屈折率とな
る金属成分を含有させ、後に接触させる溶液に比較的高
屈折率となる金属成分を含有させておけば、部分的な緻
密化の後の溶液との接触により高屈折率成分が多孔質に
しみ込んでいき、多孔質体と溶液の界面で最も屈折率が
高く、奥にいくに従って屈折率が低くなるような分布が
付与される（図２参照）。一方、逆にはじめに配置する
ゾルに比較的高屈折率となる金属成分を含有させ、後に
接触させる溶液に比較的低屈折率となる金属成分を含有
させておけば、多孔質体と溶液の界面で最も屈折率が低
く、奥にいくに従って屈折率が高くなるような分布が付
与される（図３参照）。また、はじめに配置するゾルに
比較的高屈折率となる金属成分を金属アルコキシドとし
て含有させておき、酸を含む溶液と接触させることによ
って金属成分を溶出することによっても、多孔質体と溶
液との界面で最も屈折率が低く、奥にいくに従って屈折
率が高くなるような分布が付与される（図４参照）。付
与される屈折率分布は、分布付与時間や、溶液中の金属
塩濃度、緻密化部分の形状により任意に変化させること
ができる。

【００１５】緻密化部分の形状により屈折率分布の様子
を制御した例を図５に示す。図５（ａ）はゲル層２の深
さ方向全域を緻密化し、ゲル表面に多孔質部分が大きく
開口されているように緻密化させた例であり、この場合
には深さ方向に屈折率分布が付与される。一方、図５
（ｂ）は、ゲル層２の表面部分のみを緻密化させ、ゲル
表面に多孔質部分が小さく開口されているように緻密化
させた例である。この場合、開口部分を中心とした半球
状に分布が付与される。また、線状に開口部分を残すよ
うに表面部分を緻密化させれば、開口部分を軸としたシ
リンドリカルな分布を付与することができる。

【００１６】緻密化の方法としては、多孔質の特定部分
のみを加熱し、緻密化させることのできるものであれ
ば、熱フローや熱スタンパ等どのような手段を用いても
よいが、レーザ光は材料表面層のきわめて薄い部分で吸
収され、加熱冷却速度が速く、非接触であり、パワー出
力を制御することにより熱影響を受けて緻密化する層の
厚さの制御が可能となるので、本発明に好適である。レ
−ザの種類としてはＹＡＧレ−ザ、ＣＯ₂ レ−ザなどが
特に適している。

【００１７】溶液と接触させる局所的に緻密化した面の
緻密化部分の配置方法によって、マイクロレンズの特徴
は種々に変化する。前記ゲル層２の面上に緻密化部分３
に囲われた非緻密化部分４を形成したときに特に本発明
は有効である。図６（ａ）および（ｂ）は、それぞれ緻
密化部分３に囲われた非緻密化部分４を形成した例であ
る。また、図６（ｃ）は非緻密化部分４が緻密化部分３
に囲われていない例である。

【００１８】レーザのパワー出力と集光面積を同時に制
御することにより、緻密化部分３の太さを周期的に変化
させることができ、例えば、直角方向２方向にサンプル
を走査することによって、図７に示すように、緻密化部
分３に囲われた略円形の非緻密化部分４を形成すること
ができる。このような略円状の非緻密化部分４を形成す
ることは、屈折率分布を付与したレンズの形状を考慮し
たときに大変有効である。

【００１９】以上に示した本発明の製造方法を用いるこ
とにより、レンズ形状およびレンズ内の屈折率分布を精
度よく制御し、品質の安定したマイクロレンズを提供す
ることが可能となる。また、マスクパターンを用いなく
とも精度のよいマイクロレンズをより容易に作製するこ
とが可能となる。

【００２０】

【実施例１】平滑に研磨した直径５０ｍｍの円形ガラス
基板上に、シリコンテトラエトキシド５０ｇ、エタノー
ル７５ｇ、シリコンテトラエトキシドの８倍のモル数の
水および塩酸を混合して作製したゾルを、厚さ０．５ｍ
ｍとなるように配置し、室温に保ってゲル化させ、膜状
のゲルを作製した。このゲルを６０℃中に放置してゲル
中の有機溶媒を乾燥し、徐々に２００℃まで加熱し骨格
を強化することにより、厚さ０．１ｍｍの厚膜ドライゲ
ルを得た。その後、３０μｍに集光させたＹＡＧレーザ
を用いて、レーザスポットがマトリックス状に並ぶよう
に厚膜ドライゲルの表面から膜厚の約３分の１の深さま
で緻密化した。次に、前記ガラス基板のゲル膜面の上
に、シリコンテトラエトキシドを３倍のエタノール溶液
でうすめた溶液を、噴霧器によりゲル膜面に向けて噴霧
した。多孔質部分に十分に浸透させた後、ゲル膜表面に
強くエアを噴射してゲル膜表面の余分な溶液を吹き飛ば
した。その後、６０℃で乾燥させ、６００℃まで焼結す
ることにより、レーザ照射部分が凹状に窪んだ形状を有
するマイクロレンズアレイを得た。

【００２１】

【実施例２】平滑に研磨した直径５０ｍｍの円形ガラス
基板上に、シリコンテトラエトキシド５０ｇ、エタノー
ル７５ｇ、シリコンテトラエトキシドの８倍のモル数の
水および塩酸を混合して作製したゾルを、厚さ０．５ｍ
ｍとなるように配置し、室温に保ってゲル化させ、膜状
のゲルを作製した。このゲルを６０℃中に放置してゲル
中の有機溶媒を乾燥し、厚さ０．１ｍｍの厚膜ドライゲ
ルを得た。その後、３０μｍに集光させたＹＡＧレーザ
を用いて、基板を２方向に走査することにより、図８に
示すように、マトリックス状に厚膜ドライゲルの表面か
ら膜厚の約３分の１の深さまで緻密化した。次に、前記
ガラス基板のゲル膜面を下向きにして、酢酸バリウム
０．０５ｍｏｌ／ｌのメタノール溶液を噴霧器によりゲ
ル膜面に向けて噴霧した。噴霧して、約１分間経過した
後、ゲル膜を乾燥させ、６７０℃まで焼結させた。これ
により、断面方向に図９に示すような屈折率分布をもっ
たマイクロレンズアレイを得た。

【００２２】

【実施例３】平滑に研磨した直径５０ｍｍの円形ガラス
基板上に、シリコンテトラエトキシド５０ｇ、エタノー
ル７５ｇ、シリコンテトラエトキシドの８倍のモル数の
水および塩酸を混合してゲルマニウムテトラエトキシド
１５ｇを加え、混合することにより作製したゾルの積層
を、スピンコート法を複数回施すことにより、厚さ０．
１ｍｍとなるまで繰り返し、膜状のゲルを作製した。こ
のゲルを６０℃中に放置してゲル中の有機溶媒を乾燥
し、厚さ０．０５ｍｍの膜状ドライゲルを得た。その
後、２０μｍに集光させたＹＡＧレーザを用いて、マト
リックス状にスポット照射し、厚膜ドライゲルの表面か
ら膜厚の約２分の１の深さまで緻密化した。次に、前記
ガラス基板のゲル膜面を下向きにして、蒸留水を噴霧器
によりゲル膜面に向け噴霧した。噴霧して、約１分間経
過した後、エタノールを噴霧器によりゲル膜面に向け噴
霧することにより、膜上の水を洗い流し、その後ゲル膜
を乾燥させ、５００℃まで加熱することにより全体を緻
密化させた。以上のようにして作製した素子は、ゲルマ
ニウムが多孔質であった開口部分から溶出しており、図
１０に示すような屈折率分布を深さ方向の断面に有する
マイクロレンズであった。

【００２３】

【実施例４】平滑に研磨した直径５０ｍｍの円形ガラス
基板上に、シリコンテトラエトキシド５０ｇ、エタノー
ル７５ｇ、シリコンテトラエトキシドの８倍のモル数の
水および塩酸を混合して作製したゾルを、厚さ０．１ｍ
ｍとなるように配置し、室温に保ってゲル化させ、膜状
のゲルを作製した。このゲルを６０℃中に放置してゲル
中の有機溶媒を乾燥し、厚さ０．０７ｍｍの厚膜ドライ
ゲルを得た。その後、８μｍに集光させたＣＯ₂ レーザ
を用いて、基板を３方向に走査することにより、図１１
に示すように、緻密化させた。緻密化は厚膜ドライゲル
の表面から膜厚の４分の１の深さまで行った。次に、前
記ガラス基板のゲル膜面を下向きにして、チタンイソプ
ロポキシド１５ｇを体積にして２倍のイソプロパノール
および４倍のエタノールで希釈した溶液を、噴霧器によ
りゲル膜面に向けて噴霧した。噴霧して、約１分間経過
した後、エタノールを噴霧器によりゲル膜表面に向けて
噴霧することにより、膜上の水を洗い流し、その後ゲル
膜を乾燥させ、５５０℃まで加熱することにより全体を
緻密化させた。このようにして作製したマイクロレンズ
は、非緻密化部分４の中心を光軸として使用可能なもの
であった。

【００２４】なお、以上の実施例では、緻密化を行う前
のゲル層の表面は平坦なものを用いているが、表面の形
状は平坦でなくともよく、種々の形状のゲルについて緻
密化および分布付与を行うことにより効果が得られる。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、本発明のマイクロレンズ
の製造方法によれば、レンズ形状およびレンズ内の屈折
率分布を精度よく制御し、品質の安定したマイクロレン
ズを提供することが可能となるうえに、マスクパターン
を用いる必要がないので、工程を簡略化することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマイクロレンズの製造方法を示す工程
図である。

【図２】本発明により製造されたマイクロレンズの断面
形状および深さ方向の屈折率分布を示す図である。

【図３】本発明により製造されたマイクロレンズの断面
形状および深さ方向の屈折率分布を示す図である。

【図４】本発明により製造されたマイクロレンズの断面
形状および深さ方向の屈折率分布を示す図である。

【図５】緻密化部分の違いによる屈折率分布の相違を示
す図である。

【図６】緻密化部分と非緻密化部分の２次元配置例を示
す斜視図である。

【図７】略円形の非緻密化部分を形成した例を示す平面
図である。

【図８】本発明の実施例２における緻密化部分の配置状
態を示す平面図である。

【図９】同実施例２で製造したマイクロレンズアレイの
深さ方向の屈折率分布を示す図である。

【図１０】本発明の実施例３で製造したマイクロレンズ
アレイの深さ方向の屈折率分布を示す図である。

【図１１】本発明の実施例４における緻密化部分の配置
状態を示す平面図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ ゲル層 ３ 緻密化部分 ４ 非緻密化部分

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ゾルゲル法により作製したゲル層の一部
   を局所的に緻密化させ、該局所的に緻密化した部分を含
   む面を、金属成分を含有する溶液または酸溶液もしくは
   水と接触させた後、乾燥し、加熱して緻密化することを
   特徴とするマイクロレンズの製造方法。
2. 【請求項２】 前記ゲル層の面上に、緻密化部分に囲わ
   れた非緻密化部分を形成することを特徴とする請求項１
   記載のマイクロレンズの製造方法。