JP2011170224A - 光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】切断による樹脂の剥離や歪みを発生させずに、光学素子を作製することが可能な光学素子の製造方法を提供する。
【解決手段】基材１と金型５０との間に光硬化性の樹脂６０を設けて、基材１と金型５０とによって樹脂６０を挟むことで、金型５０の転写構造５１を樹脂６０に転写する。転写構造５１の形状が転写された樹脂６０に対して光を部分的に照射することで、樹脂６０を部分的に硬化させる。光が照射されていない箇所で基材１を切断することで、複数の光学素子を作製する。
【選択図】図３

Description

この発明は、光学素子の製造方法に関する。

光学素子を用いた装置は小型化が要求されている。光学素子を用いた装置の小型化に伴い、光学素子も小型化が必要となる。例えば磁気記録媒体においては、記録密度をさらに高めるために光アシスト磁気記録方式が開発されている。光アシスト磁気記録方式の磁気ヘッドのサイズは、例えば長さが０．８５ｍｍ、幅が０．７ｍｍ、厚さが０．２３ｍｍである。このように磁気ヘッド自体が小さいため、磁気ヘッドに用いられる光学素子も１ｍｍ未満のサイズが要求される。

特許文献１及び特許文献２には、微細構造を有する回折素子が搭載された磁気ヘッドが開示されている。微細構造を有する光学素子の製造方法の一例として、ナノインプリント法がある（特許文献３）。例えばサブミクロン単位の周期構造を有する回折素子やマイクロレンズアレイが、微細構造を有する光学素子に該当する。

微小な回折素子を製造する場合、回折格子の形状をナノインプリント法によって透明基材に転写する。例えば透明基材に樹脂を塗布し、回折格子の形状をナノインプリント法によって樹脂に転写する。回折格子の形状が転写された透明基材を複数の箇所で切断することで、複数の微小な回折素子（光学素子）を作製する。

特開２００７−９５１６７号公報 特開２００７−１２２８４７号公報 特開２００６−２４５０７２号公報

透明基材を複数の光学素子に切断した場合に、カッターやダイサーなどの刃とナノインプリント用の樹脂との摩擦により、回折格子を形成する樹脂に剥離や歪みが生じる場合がある。光学素子は非常に小さいため、剥離や歪みの影響が光学素子の有効光学面（例えば回折格子）にも及ぶことがある。この場合、光学素子としての特性が劣化してしまう。

剥離や歪みの影響が有効光学面に及ばない場合でも、光学素子の切断面にバリが発生する場合がある。光学素子を含む磁気ヘッドをハードディスク装置に搭載した場合、ハードディスク装置の使用中にバリが取れることがある。光学素子から離れたバリは装置内部で飛散し、磁気ヘッドやディスクとクラッシュして、その結果、ディスクなどが破損するおそれがある。

この発明は上記の問題点を解決するものであり、切断による樹脂の剥離や歪みを発生させずに、光学素子を作製することが可能な光学素子の製造方法を提供することを目的とする。

この発明の第１の態様は、光学素子の形状を備えた金型と基材との間に光硬化性樹脂を設ける第１のステップと、前記金型と前記基材とによって前記光硬化性樹脂を挟むことで、前記光学素子の形状を前記光硬化性樹脂に転写する第２のステップと、前記光学素子の形状が転写された前記光硬化性樹脂に対して光を部分的に照射することで、前記光硬化性樹脂を部分的に硬化させる第３のステップと、前記金型から前記基材を離して、前記部分的に硬化した前記光硬化性樹脂を前記基材に形成し、前記光が照射されていない箇所で前記基材を切断することで、前記光学素子の形状を有する複数の素子を作製する第４のステップと、を含む光学素子の製造方法である。
前記第３のステップでは、部分的にマスキングをして前記光硬化性樹脂に光を照射することで、前記光硬化性樹脂を部分的に硬化させてもよい。
前記第３のステップでは、個々の前記素子の有効光学面よりも広い複数の領域に光を照射することで、前記光硬化性樹脂を部分的に硬化させてもよい。
前記第３のステップでは、個々の前記素子の有効光学面よりも広いスポットの光を、前記光硬化性樹脂の複数の場所に照射することで、前記光硬化性樹脂を部分的に硬化させてもよい。
前記金型から前記基材を離した後、前記基材を洗浄することで前記光が照射されていない箇所の前記光硬化性樹脂を除去し、その後、前記基材を切断することで、複数の前記素子を作製してもよい。
前記洗浄の後に前記光硬化性樹脂に対して光を照射してもよい。

この発明によると、光硬化性樹脂に対して光が照射されていない箇所で基材を切断することで、切断によって樹脂の剥離や歪みを発生させずに、光学素子を作製することが可能となる。

この発明の実施形態に係る基材の斜視図である。 この発明の実施形態に係る金型の斜視図である。 この発明の実施形態に係る光学素子の製造方法を説明するための図であり、基材及び金型の断面図である。 光を照射する位置を説明するための図であり、金型の裏面を示す図である。 基材の転写面から基材を見た図であり、樹脂を部分的に硬化させた後の状態を示す図である。 基材の転写面から基材を見た図であり、未硬化の樹脂を除去した後の状態を示す図である。 基材の転写面から基材を見た図であり、切断箇所を示す図である。 この発明の実施形態に係る光学素子の製造方法によって作製された光学素子の斜視図である。 マスクの平面図である。 基材、金型、及びマスクの断面図である。 変形例１に係る光学素子の斜視図である。 変形例２に係る光学素子の斜視図である。

（基材１）
図１を参照して、この発明の実施形態に係る基材について説明する。一例として基材１は、断面の形状が三角形の棒状のプリズムである。基材１の材料はガラスである。面２と面４（転写面）とが直交し、面３は傾斜面である。この実施形態では、基材１を切断することで、複数の光学素子を作製する。光学素子は、例えば回折格子が形成されたプリズム、回折素子、又はレンズなどが該当する。一例として、回折格子が形成されたプリズムを作製する場合について説明する。例えば面２は、光源から光学素子に光が入射する入射面に相当する。入射面となる面２には、光源への反射戻り光を低減するための反射防止膜を予め成膜しておいてもよい。面４（転写面）には、回折格子が形成される。

（回折格子を転写するための金型５０）
図２を参照して、この発明の実施形態に係る金型について説明する。金型５０は、ガラス製の透明な基材である。金型５０の一方の面には、ブレーズ形状の回折格子を転写するための転写構造５１が形成されている。転写構造５１は、一方の方向に沿った複数の溝を有する。溝の断面の形状は鋸歯状である。また、転写構造５１の近傍に、所定の距離をおいて２つのピン５２が設けられている。ピン５２は、プリズムである基材１を金型５０に設置したときに、基材１の位置を決めるために用いられる。転写構造５１は、金型５０の一方の全面に形成されていてもよいし、一部の領域に形成されていてもよい。

異方性エッチングによってガラス板の表面に転写構造５１を形成することで、金型５０を作製する。また、ニッケル（Ｎｉ）などの金属の金型を用いて、金型５０を作製してもよい。金属の金型には、基材１に形成される回折格子と同じ形状の構造が形成されている。この金属の金型に透明樹脂を塗布し、光硬化や熱硬化によって透明樹脂に回折格子の形状を転写する。回折格子の形状が転写された透明樹脂を、金型５０として用いてもよい。また、射出成型によって透明な金型５０を作製してもよい。

（光学素子の製造方法）
図３から図８を参照して、この発明の実施形態に係る光学素子の製造方法について説明する。この実施形態では、基材１と金型５０との間に光硬化性樹脂を設けて、基材１と金型５０とによって光硬化性樹脂を挟むことで、金型５０の転写構造５１を光硬化性樹脂に転写する。転写構造５１の形状が転写された光硬化性樹脂に対して光を部分的に照射することで、光硬化性樹脂を部分的に硬化させる。光が照射されていない箇所で基材１を切断することで、複数の光学素子を作製する。以下、製造方法の各工程について説明する。

（樹脂６０の塗布）
図３（ａ）に示すように、金型５０において転写構造５１が形成されている面に光硬化性の樹脂６０を塗布し、図３（ｂ）に示すように、転写構造５１に樹脂６０を設ける。光硬化性の樹脂としては、例えばＰＡＫ−０２（東洋合成工業株式会社製、ｎｄ＝１．５１）を用いる。この実施形態においては、光硬化性の樹脂の材料は限定されない。

（転写構造５１の転写）
次に図３（ｃ）に示すように、プリズムである基材１を金型５０に押し付ける。具体的には、基材１の面２を、金型５０に設置されている２つのピン５２に押し当てながら、基材１の面４（転写面）を、樹脂６０が塗布された転写構造５１に押し付ける。このように基材１と金型５０とによって樹脂６０を挟むことで、金型５０の転写構造５１を樹脂６０に転写する。

なお、基材１の面４に樹脂６０を塗布し、金型５０の転写構造５１を樹脂６０に押し付けることで、転写構造５１を樹脂６０に転写してもよい。

（硬化処理）
図３（ｃ）に示すように、基材１を金型５０に押し当てた状態で、金型５０の裏面５３から所定のスポット径を有する光７０（例えば紫外線）を照射することで、照射された領域の樹脂６０を硬化させる。裏面５３は、転写構造５１が形成されている面に対向する面である。金型５０はガラス製の透明基材であるため、裏面５３から入射した光７０は金型５０を透過して樹脂６０に照射される。平行光を照射してもよいし、面４（転写面）上で所定のスポット径となる集束光を照射してもよい。例えばスポット照射することで、樹脂６０を部分的に硬化させる。具体的には、光学素子の有効光学面よりも広いスポットを有する光７０を複数の場所に照射することで、樹脂６０を部分的に硬化させる。換言すると、光学素子の有効光学面よりも広い複数の領域に光７０を照射することで、樹脂６０を部分的に硬化させる。

図４を参照して、光７０を照射する位置について説明する。図４は、金型５０の裏面５３から金型５０を見た図であり、スポット照射を行っている過程を示す図である。所定のスポット径を有する光７０を、金型５０（基材１）の長手方向（Ｘ方向）に所定の間隔をおいて繰り返し照射する。光７０のスポットの形状は円形であってもよく、矩形であってもよい。図４に示す例では、紙面の左側からＸ方向に向けて光７０を順番に照射し、４か所の領域における樹脂６０を硬化させ、５つ目の領域に光７０を照射している。例えばステッパーで光源を所定間隔ずつ移動させて、各位置で光源から光７０を照射することでスポット照射を行う。または、基材１と金型５０とを移動ステージに載せて、移動ステージを所定間隔で順次移動させてスポット照射を行ってもよい。

所定数の領域に光７０を照射して樹脂６０を部分的に硬化させた後、基材１を金型５０から取り外す。図５に、金型５０から取り出した後の基材１を示す。図５は、面４（転写面）から基材１を見た図であり、樹脂６０を部分的に硬化させた後の状態を示す図である。光７０が照射された樹脂は硬化し、転写構造５１が転写された回折格子５が形成される。複数の場所に光７０が照射されているため、面４（転写面）上に複数の回折格子５が形成される。光７０が照射されていない樹脂６０は、未硬化のまま面４上に残る。このようにして、各光学素子の有効光学面（回折格子５）が硬化された基材１が得られる。

（洗浄工程）
基材１を金型５０から取り外した後、基材１を洗浄することで、未硬化の樹脂６０を除去する。すなわち、基材１を洗浄することで、光７０が照射されていない場所の樹脂６０を除去する。図６に、未硬化の樹脂６０を除去した後の基材１を示す。図６は、面４（転写面）から基材１を見た図である。例えば未硬化の樹脂６０をアルコール洗浄によって除去することで、硬化された樹脂により形成された複数の回折格子５が、面４上に残る。

基材１を洗浄した後に、未硬化の樹脂６０が基材１に残存している場合には、光を樹脂６０に照射することで、残存している未硬化の樹脂６０を硬化させてもよい。洗浄によって取り除くことができなかった未硬化の樹脂６０を硬化させることで、未硬化の樹脂６０が剥がれてゴミとなることを防止することができる。

（切断工程）
洗浄の後、図７に示すように、各回折格子５の間の切断面Ａに沿って基材１を切断することで、複数の光学素子を作製する。例えばカッターやダイサーを用いて基材１を切断する。基材１を切断する前に、回折格子５が形成された面４に、金などの反射膜を成膜してもよい。面４に反射膜を成膜した後、基材１を切断することで複数の光学素子を作製する。

（光学素子１０）
図８に、切断された光学素子を示す。光学素子１０は、切断面Ａに沿って基材１を切断することで得られる。面４には回折格子５が形成されている。面２が入射面に相当し、面４が反射面に相当する。外部から面２に入射した光は、光学素子１０の内部を進行して面３に到達し、面３で反射されて面４に到達する。光は、回折格子５が形成された面４で反射されて、光学素子１０の外部に出射する。

以上のように、この実施形態に係る光学素子の製造方法によると、切断面Ａを含む切断領域には樹脂が存在しないため、ダイサーで基材１を切断しても、その切断によって樹脂の剥離や歪みが発生しない。そのため、樹脂の剥離や歪みの影響を有効光学面（回折格子５）に与えることなく、複数の光学素子１０を作製することが可能となる。すなわち、有効光学面を含む領域に光７０を照射して樹脂６０を部分的に硬化させ、未硬化の樹脂６０を除去することで、切断面Ａを含む切断領域から樹脂６０を除去することが可能となる。樹脂６０が除去された領域内の切断面Ａで基材１を切断することで、樹脂の剥離や歪みの影響を有効光学面（回折格子５）に与えずに光学素子１０を作製することが可能となる。換言すると、切断面Ａを含む切断領域の樹脂６０に光７０を照射しないことで、切断領域の樹脂６０を未硬化の状態に維持しておく。そのことにより、切断領域の樹脂６０を洗浄によって除去することができるため、切断面Ａで基材１を切断することで、樹脂の剥離や歪みの影響を有効光学面に与えることなく、複数の光学素子１０を作製することが可能となる。

なお、基材１を金型５０に押し当てることで、基材１から樹脂６０がはみ出ることがある。この実施形態では、有効光学面を含む領域に光７０が照射され、樹脂６０がはみ出た箇所には光７０は照射されないため、はみ出た樹脂６０は硬化されない。そのため、はみ出た樹脂６０は洗浄によって除去されて、バリとして光学素子１０に残らない。

また、基材１を切断する前に洗浄によって未硬化の樹脂６０を除去することで、カッターやダイサーへの樹脂の付着を防止することができる。そのことにより、カッターやダイサーの清掃の頻度を減らし、カッターやダイサーの寿命を延ばすことができる。

（マスク）
樹脂６０を硬化させる工程では、マスクを用いて樹脂６０を部分的に硬化させてもよい。図９及び図１０を参照して、マスクを用いた方法について説明する。図９は、マスクの平面図である。図１０は、基材、金型、及びマスクの断面図である。マスク８０には、光学素子の有効光学面よりも広い開口部８１が、マスク８０の長手方向（Ｘ方向）に所定の間隔をおいて形成されている。

上述した図３（ａ）、（ｂ）に示すように、金型５０において転写構造５１が形成されている面に樹脂６０を塗布し、基材１の面４（転写面）を、樹脂６０が塗布された転写構造５１に押し付ける。そして図１０に示すように、金型５０の裏面５３にマスク８０を設置する。有効光学面となる箇所に光７０が照射されるように、金型５０に対するマスク８０の位置を合わせる。マスク８０を介して裏面５３側から樹脂６０に光７０を照射する。マスク８０によって樹脂６０は部分的にマスキングされているため、裏面５３の全面に光７０を照射する。開口部８１を通過した光７０は樹脂６０に照射され、光７０が照射された樹脂６０が硬化する。なお、金型５０の裏面５３においてマスク８０を所定の位置に予め接合させておき、マスク８０と金型５０とが一体化された金型を用いてもよい。

樹脂６０を部分的に硬化させた後、基材１を金型５０から取り出し、基材１を洗浄することで未硬化の樹脂６０を除去する。そして図７に示すように、切断面Ａに沿って基材１を切断することで、複数の光学素子１０を作製する。

以上のようにマスク８０を用いて樹脂６０を部分的に硬化させた場合も、切断面Ａを含む切断領域には樹脂が存在しないため、樹脂の剥離や歪みの影響を有効光学面（回折格子５）に与えることなく、複数の光学素子１０を作製することが可能となる。

また、マスク８０を用いることで、複数の光学素子を一度に硬化させることができる。そのことにより、製造の工数を減らすことができる。

一方、マスクを用いずにスポット照射によって各光学素子を硬化させる場合、マスクが不要であるため、マスクの位置合わせが不要となり、また、製造装置のコストが減少する。

（変形例１）
図１１を参照して、変形例１に係る光学素子について説明する。上述した実施形態に係る製造方法では、ナノインプリント法により回折格子を基材１に形成する。この発明は回折格子に限定されず、レンズを形成してもよい。図１１に示す基材２０は、断面の形状が三角形の棒状のプリズムである。基材２０の材料はガラスである。基材２０の斜面２１に、ナノインプリント法によって複数のレンズ面２２を形成する。

具体的には、レンズ面２２の形状を転写するための転写構造が形成された金型と、基材２０の斜面２１との間に光硬化性樹脂を設け、金型と基材２０とによって光硬化性樹脂を挟むことで、複数のレンズ面２２の形状を光硬化性樹脂に転写する。レンズ面２２の形状が転写された光硬化性樹脂に対して光を部分的に照射することで、光硬化性樹脂を部分的に硬化させる。この場合、レンズ面２２の形状が転写された箇所を含む領域に光を照射することで、レンズ面２２の形状が転写された箇所の樹脂を硬化させる。例えば、有効光学面（レンズ面２２）よりも広い複数の領域に光を照射することで、光硬化性樹脂を部分的に硬化させる。基材２０を金型から取り外し、基材２０を洗浄することで、未硬化の樹脂を除去する。すなわち、基材２０の切断領域に残った未硬化の樹脂を洗浄により除去する。図１１は、洗浄後の基材２０を示す。硬化された樹脂により形成された複数のレンズ面２２が、基材２０の斜面２１に残る。

各レンズ面２２の間の切断面Ａに沿って基材２０を切断することで、複数の光学素子を作製する。これにより、レンズ面２２を有するプリズムが形成される。切断面Ａを含む切断領域には樹脂が存在しないため、ダイシングによって樹脂の剥離や歪みが発生しない。そのことにより、樹脂の剥離や歪みの影響を有効光学面（レンズ面２２）に与えずに、光学素子を作製することが可能となる。

（変形例２）
図１２を参照して、変形例２に係る光学素子について説明する。上述した実施形態及び変形例１では、基材としてプリズムを用いているが、ガラスや樹脂の平板を基材として用いてもよい。図１２に示す基材３０は、ウェハ状のガラス板である。基材３０の表面３１に、ナノインプリント法によって複数のレンズ面３２を形成する。

具体的には、レンズ面３２の形状を転写するための転写構造が形成された金型と、基材３０の表面３１との間に光硬化性樹脂を設け、金型と基材３０とによって光硬化性樹脂を挟むことで、複数のレンズ面３２の形状を光硬化性樹脂に転写する。レンズ面３２の形状が転写された光硬化性樹脂に対して光を部分的に照射することで、光硬化性樹脂を部分的に硬化させる。この場合、レンズ面３２の形状が転写された箇所を含む領域に光を照射することで、レンズ面３２の形状が転写された箇所の樹脂を硬化させる。例えば、有効光学面（レンズ面３２）よりも広い複数の領域に光を照射することで、光硬化性樹脂を部分的に硬化させる。基材３０を金型から取り外し、基材３０を洗浄することで、未硬化の樹脂を除去する。すなわち、基材３０の切断領域に残った未硬化の樹脂を洗浄により除去する。図１２は、洗浄後の基材３０を示す。硬化された樹脂により形成された複数のレンズ面３２が、基材３０の表面３１に残る。

各レンズ面３２の間の切断面Ｂに沿って基材３０を切断することで、複数の光学素子を作製する。これにより、レンズ面３２を有する光学素子が形成される。切断面Ｂを含む切断領域には樹脂が存在しないため、ダイシングによって樹脂の剥離や歪みが発生しない。そのことにより、樹脂の剥離や歪みの影響を有効光学面（レンズ面３２）に与えずに、光学素子を作製することが可能となる。

１、２０、３０ 基材
２、３、４ 面
５ 回折格子
１０ 光学素子
２１ 斜面
３１ 表面
５０ 金型
５１ 転写構造
５２ ピン
５３ 裏面
６０ 樹脂
７０ 光
８０ マスク
８１ 開口部

Claims (6)

1. 光学素子の形状を備えた金型と基材との間に光硬化性樹脂を設ける第１のステップと、
   前記金型と前記基材とによって前記光硬化性樹脂を挟むことで、前記光学素子の形状を前記光硬化性樹脂に転写する第２のステップと、
   前記光学素子の形状が転写された前記光硬化性樹脂に対して光を部分的に照射することで、前記光硬化性樹脂を部分的に硬化させる第３のステップと、
   前記金型から前記基材を離して、前記部分的に硬化した前記光硬化性樹脂を前記基材に形成し、前記光が照射されていない箇所で前記基材を切断することで、前記光学素子の形状を有する複数の素子を作製する第４のステップと、
   を含む光学素子の製造方法。
2. 前記第３のステップでは、部分的にマスキングをして前記光硬化性樹脂に光を照射することで、前記光硬化性樹脂を部分的に硬化させる請求項１に記載の光学素子の製造方法。
3. 前記第３のステップでは、個々の前記素子の有効光学面よりも広い複数の領域に光を照射することで、前記光硬化性樹脂を部分的に硬化させる請求項１に記載の光学素子の製造方法。
4. 前記第３のステップでは、個々の前記素子の有効光学面よりも広いスポットの光を、前記光硬化性樹脂の複数の場所に照射することで、前記光硬化性樹脂を部分的に硬化させる請求項１に記載の光学素子の製造方法。
5. 前記金型から前記基材を離した後、前記基材を洗浄することで前記光が照射されていない箇所の前記光硬化性樹脂を除去し、その後、前記基材を切断することで、複数の前記素子を作製する請求項１から請求項４のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
6. 前記洗浄の後に前記光硬化性樹脂に対して光を照射する請求項５に記載の光学素子の製造方法。

Images