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JP4293664B2 - Method for forming microlens array and microlens array - Google Patents
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JP4293664B2 - Method for forming microlens array and microlens array - Google Patents

Method for forming microlens array and microlens array Download PDF

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JP4293664B2 JP04035799A JP4035799A JP4293664B2 JP 4293664 B2 JP4293664 B2 JP 4293664B2 JP 04035799 A JP04035799 A JP 04035799A JP 4035799 A JP4035799 A JP 4035799A JP 4293664 B2 JP4293664 B2 JP 4293664B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロレンズアレイの形成方法およびマイクロレンズアレイに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
マイクロレンズアレイは数百μm以下の微小なレンズが一次元もしくは二次元にアレイ状に配列したものであり、光エレクトロニクス分野において広く知られている。例えば、液晶素子の各画素に対応したマイクロレンズアレイを用いると、ブラックマトリックスによって遮光される光を各画素に集光することができ、光利用効率を向上させることができる。(NIKKEI MICRODEVICES,(12)129,(1991),青木 正、National Technical Report,36,(3) Jun.116(1990))。また、アレイ状に配列された光ファイバーと受光素子の結合部にマイクロレンズアレイを使用すると光受光効率を向上させることができる。
【0003】
このようなマイクロレンズアレイは、基板上に微小な凸形状のレンズを形成するもの、イオンを含む基板を別のイオン源と接触させてイオン交換により生じた屈折率の分布によりレンズの効果を生じさせる屈折率分布型のマイクロレンズアレイ、基板に微小な凹型形状を形成し、この凹型形状内に基板より屈折率の高い充填物質を充填して凸レンズを形成する構造等が提案されている。
【0004】
基板に微小な凹型形状を形成して凹型に基板より屈折率の高い充填物質を充填して凸レンズを形成する構造は、得られるマイクロレンズアレイの表面自体は平坦に形成できるので、反射防止膜、干渉フィルター、ピンホール等の光学素子との複合化や液晶素子との張合わせ等が容易であり、製造上で極めて有利であるという利点有している。
【0005】
基板に微小な凹型形状を形成してこの凹部に高屈折率物質を充填して凸レンズを形成するマイクロレンズアレイの形成方法としては、ウエットエッチングによる方法が知られている。この方法はガラス等の基板に微小開口部を有するエッチングマスクを形成し、ふっ酸等のエッチング液中に浸漬し、微小開口部からエッチング液によって等方性ウエットエッチングを行い、ガラス等の基板に半球状凹型形状を形成し、次いでエッチングマスクを除去して、凹型形成部に基板より屈折率の高い充填物質を充填する方法である。なお、この充填物質としては、ポリカーボネートやアクリルスチレン共重合樹脂等の有機物が一般的に知られている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ウエットエッチングによるマイクロレンズアレイの形成方法では、等方性エッチングのため形成できるマイクロレンズの形状は、微小開口部の大きさで決定され、任意な形状のマイクロレンズアレイの形成は極めて困難である。また、用いる基板もエッチング液によりエッチングできる必要があり、基板を構成する材料も石英ガラス等の限られたものしか使用できない。
【0007】
本発明は、上述したマイクロレンズアレイ形成方法およびマイクロレンズアレイの問題点に鑑みてなされたものであり、任意な形状を有するマイクロレンズアレイが形成でき、かつ用いる基板の材料も任意な材料が選択できるマイクロレンズアレイの形成方法および光学特性に優れたマイクロレンズアレイを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために第1の発明は、
透明な基板に複数の微小な凹状部を形成する凹状部形成工程と、
該凹状部形成工程によって形成された凹状部に前記基板の屈折率よりも高い屈折率を有する充填物質を充填してレンズ部を形成するレンズ部形成工程とを有し、
前記凹状部形成工程は、複数の微小な転写用凹状形状を有する転写層を前記基板上に形成する転写層形成工程と、該転写層の形状を基板に転写して基板に複数の微小な凹状部を形成する転写工程とを有することを特徴とするマイクロレンズアレイの形成方法である。
【0009】
第2の発明は、
第1の発明にかかるマイクロレンズアレイの形成方法において、
前記転写層形成工程は、前記転写層を構成する転写物質層を前記基板上に形成し、該転写物質層上にマイクロレンズアレイの配列に応じた微小開口部を形成したレジストマスクを形成し、該レジストマスクを介してエッチングを行うことにより、前記転写物質層に複数の微小な転写用凹状形状を形成して転写層を得る工程を含むことを特徴とするマイクロレンズアレイの形成方法である。
【0010】
第3の発明は、
第1の発明にかかるマイクロレンズアレイの形成方法において、
前記転写層形成工程は、マイクロレンズアレイの配列に対応して壁状物を前記基板上に形成し、前記壁状物の間に液状物を供給して転写用凹状形状を有する転写層を形成する工程を含むことを特徴とするマイクロレンズアレイの形成方法である。
【0011】
第4の発明は、
第1の発明にかかるマイクロレンズアレイの形成方法において、
前記転写層形成工程は、前記基板上に感光性樹脂層を形成し、該感光性樹脂層に、マイクロレンズアレイ形状に対応したパターンが形成されたフォトマスクを用い、該フォトマスクと前記感光性樹脂層との間隔を20μm以上離して露光、現像することにより、複数の微小な転写用凹状形状を有する転写層を形成する工程を含むことを特徴とするマイクロレンズアレイの形成方法である。
【0012】
第5の発明は、
第1の発明にかかるマイクロレンズアレイの形成方法において、
前記転写層形成工程は、前記基板上に感光性樹脂層を形成し、該感光性樹脂層に、マイクロレンズアレイ形状に対応したパターンが形成された階調マスクを用いて露光、現像することにより、複数の微小な転写用凹状形状を有する転写層を形成する工程を含むことを特徴とするマイクロレンズアレイの形成方法である。
【0013】
第6の発明は、
第5の発明にかかるマイクロレンズアレイの形成方法において、
前記階調マスクが微小なドットで形成されてなることを特徴とするマイクロレンズアレイの形成方法である。
【0014】
第7の発明は、
第1乃至第6のいずれかの発明にかかるマイクロレンズアレイの形成方法において、
前記転写層の形状を基板に転写する転写工程が、ドライエッチングにより行われることを特徴とするマイクロレンズアレイの形成方法である。
【0015】
第8の発明は、
第7の発明にかかるマイクロレンズアレイの形成方法において、
前記転写工程におけるドライエッチングの速度が前記基板のドライエッチング速度と前記転写層のドライエッチング速度とで異なることを特徴とするマイクロレンズアレイの形成方法である。
【0016】
第9の発明は、
第1乃至第8のいずれかの発明にかかるマイクロレンズアレイの形成方法において、
前記基板が、複数の微小な凹状部を形成する凹状部形成基板と、該凹状部形成基板を支持する支持基板とを有することを特徴とする請求項1及至特許請求項8記載のマイクロレンズアレイの形成方法である。
【0017】
第10の発明は、
第1乃至第10のいずれかの発明にかかるマイクロレンズアレイの形成方法で形成されたマイクロレンズアレイである。
【0018】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施の形態にかかるマイクロレンズアレイの形成方法の説明図である。この実施の形態にかかるマイクロレンズアレイの形成方法は、(1)基板上に、該基板に転写する複数の微小な凹状部の形状を有する転写層を形成する転写層形成工程(図1(A)参照)と、(2)この転写層の形状を基板に転写して基板に複数の微小な凹状部を形成する転写工程(図1(B)参照)と、(3)この転写工程によって形成された凹状部に基板の屈折率よりも高い屈折率を有する充填物質を充填してレンズ部を形成するレンズ部形成工程(図1(C),(D)参照)とを有する。以下、図1を参照にしながら実施の形態にかかるマイクロレンズアレイの形成方法を説明する。
【0019】
(1)転写層形成工程
この工程は、基板10上に、該基板10に転写する複数の微小な凹状の球面あるいは非球面形状を有する転写用凹状形状30を有する転写層20を形成する転写層形成工程である。
【0020】
ここで、基板10はマイクロレンズアレイに用いる波長に対し透明であることが必要であり、Al2 3 基板やMgO基板等の金属酸化物からなる基板、SiCやSiN,MgF等のセラミック基板、シリコン基板やGaAs基板、石英ガラスやアルミナシリケートガラス等の各種ガラス基板、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリカーボネートやポリウレタンやエポキシ樹脂等のプラスチック基板、あるいはこれらの複合基板等が適宜選択される。
【0021】
転写層20は、基板10上に転写物質層21(図2参照)を形成し、この転写物質層21に、転写用凹状形状30を形成したものである。転写物質層21は、転写用凹状形状30を形成できるポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、ポリウレタン、エポキシ樹脂、ポリイミド、ポリイミド前駆体、ポリピニルアルコールやヒドロキシエチルセルロース等の水溶性高分子等の有機高分子、あるいはこれらの複合材料が適宜選択される。また、Al2 3 やMgO等の金属酸化物、SiCやSiN等のセラミック、シリコン、石英ガラスやアルミナシリケートガラス等の各種ガラス等を用いることも可能である。
【0022】
転写物質層21は、基板10上の全面に形成してもよく、また、マイクロレンズアレイを形成する部位に部分的に形成してもよい。転写物質層21の形成方法は、スクリーン印刷、スピンコート、真空蒸着、スパッタ、CVD等公知の方法が用いられる。また、形成する転写物質層21の厚みは、所望するマイクロレンズアレイの形状により適宜決定されるが、0.05μmから100μm程度が好ましい。
【0023】
転写用凹状形状30の形成方法は、機械加工により形成する方法、凸型を有するプレス型を用いて転写層上に加圧あるいは加熱と加圧により形成する方法、光硬化性樹脂を基板上に載置し凸型を有するプレス型用いて加圧と光照射により光硬化性樹脂を硬化させて形成する方法、凸型を有する射出成形型を用い射出成形により形成する方法、あるいは、微小開口部を有するレジストマスクを用いてエッチングによって形成する方法等が用いられる。特に、微小開口部を有するレジストマスクを用いてエッチングにより形成する方法は、他の方法に比較して高精細な球面状の転写用凹状形状を効率よく形成できる優れた方法である。
【0024】
図2は微小開口部を有するレジストマスクを用いてエッチングによって転写用凹状形状30を形成する方法の説明図である。この方法は、まず、基板10上に転写物質層21を形成する。次に、この転写物質層21上にマイクロレンズアレイの配列に応じた微小開口部3を設けたレジストマスク2を形成する(図2(A)参照)。次に、このレジストマスク2をマスクにしてウエットエッチング又はドライエッチングを行い、転写用凹状形状30を形成する(図2(B)参照)。次いで、レジストマスク2を除去して基板10上に転写層20が形成されたものを得る(図2(C)参照)。
【0025】
ここで、レジストマスク2は、微小開口部3を介して微小な転写用球面凹型形状を転写層に形成する工程で侵されない材料を適宜選定され、Au、Cr、W、Ta等の金属または、ITOやMgOやAl2 3 等の金属酸化物、エポキシ樹脂やノボラック樹脂等の有機化合物等が用いられる。微小開口部3の形状は所望するマイクロレンズアレイの配置に対応して形成され、その開口部の大きさは、所望するマイクロレンズの径と同じ大きさか、または小さい形状であることが必要である。
【0026】
微小開口部3の形成方法は、レジストマスク2を形成可能なインクを用い、スクリーン印刷や凹版印刷等の印刷により微小開口部3以外の部位にレジストマスク2を形成する方法、基板10上全面にレジストマスク2を形成する材料を形成し、フォトリソグラフィーの工程を用い微小開口部3を形成する方法、微小開口部3を形成する部位をあらかじめマスキングした後全面にレジストマスク3を形成する材料を形成し、マスキングした部位を除去し微小開口部3を形成する方法等が用いられる。
【0027】
微小開口部3を介して行うウエットエッチングは、転写物質層21はエッチングするがレジストマスク2はエッチングしないエッチング溶液に浸漬し、微小開口部3から転写物質層21の一部を等方的にエッチングすることによって行う。
【0028】
この場合のエッチング溶液としては、フッ酸水溶液、硫酸水溶液、硝酸水溶液、塩酸水溶液またはこれらの酸水溶液の混合溶液からなる水溶液、炭酸ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、ヒドラジンやアミン化合物のアルカリ性溶液、アセトンや酢酸ブチル等の有機溶剤等から選定される。
【0029】
微小開口部3を介して行うドライエッチングは、転写物質層21をエッチングし、レジストマスク2をエッチングしないエッチングガスを含有する気層中で処理し、微小開口部3から転写層21の一部が等方エッチングされる工程を行う。このときの気層中のエッチングガスとしては、CF4 ,CHF3 ,SF6 ,NF3 ,Cl2 等の成分を含むプラズマ反応性ガスが好適である。
【0030】
レジストマスク2を除去する方法は、レジストマスク2を構成する材料により適宜選択され、酸水溶液、アルカリ溶液や有機溶剤によるレジストマスク2の溶解除去やドライエッチングによるレジストマスク2の除去等が用いられる。また、レジストマスク2は必ずしも除去する必要はなく、マイクロレンズアレイの光路に影響しない場合は除去工程は不要である。
【0031】
図3は転写用凹状形状を有する転写層20を形成する他の方法の説明図である。図3に示される方法は、基板10上に、マイクロレンズアレイの配列に対応して壁状物5を形成し(図3(A)参照)、少なくともこれら壁状物5の間に液状物51を供給し、この液状物を乾燥することにより転写用凹状形状30を有する転写層20を形成するものである。
【0032】
図3(A)において、壁状物5はマイクロレンズアレイの配列に対応して形成され、その形状は4角形、6角形、8角形等の多角形や円形で基板10上に形成配置される。
【0033】
壁状物5は、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、ポリウレタン、エポキシ樹脂、ポリイミド、ポリイミド前駆体、ポリピニルアルコールやヒドロキシエチルセルロース等の水溶性高分子等の有機高分子、あるいはこれらの複合材料が適宜選択される。また、Al2 3 やMgO等の金属酸化物、SiCやSiN等のセラミック、シリコン、石英ガラスやアルミナシリケートガラス等の各種ガラス等を用いることも可能である。
【0034】
壁状物5の形成方法は、壁状物5を形成可能なインクを用い、スクリーン印刷や凹版印刷等の印刷により形成する方法、基板10上全面に壁状物5を形成する材料を形成し、フォトリソグラフィーの工程を用い壁状物5を形成する方法、壁状物5を形成する部位をあらかじめマスキングした後全面に壁状物5を形成する材料を形成しマスキングした部位を除去し壁状物5を形成する方法等が用いられる。
【0035】
液状物5は、揮発性溶液に不揮発性物質が溶解されてなるものであり、ゾルゲル溶液や有機高分子を溶剤に溶解した溶液が有効である。
【0036】
また、壁状物5内に液状物51を供給する方法としては、基板10上面に液状物を塗布する方法を用いることができる。基板10上面に液状物を塗布する方法としては、スクリーン印刷、カーテンコート,ディッピング法、スピンコート等の方法が好ましい。液状物を塗布・乾燥することにより、液状物の表面張力により壁状物5の壁面に球面状あるいは非球面状の凹状形状が形成される。なお、その場合、壁状物5の上にも多少の液状物51が残ってもよい。
【0037】
マイクロレンズアレイの配列に対応した壁状物5を基板10上に形成後、該壁状物全面に液状物51を塗布後乾燥することにより微小な転写用凹状形状を形成する方法をとることにより、凸型を有するプレス型等を用いずに転写用凹状形状30を形成できるため、高精細な転写用凹状形状が効率よく形成できる。
【0038】
図4は転写用凹状形状を有する転写層20を形成するさらに他の方法の説明図である。図4に示される方法は、転写物質層としての感光性樹脂層7が形成された基板10上にマイクロレンズアレイの配列及び形状に対応した微細パターンが形成されたフォトマスク83を、基板10の表面から20μm以上の間隔をおいて載置し、露光した後、現像することにより、転写用凹状形状30を有する転写層20を得るものである。
【0039】
感光性樹脂7はプリント基板や半導体製造工程等で使用されている公知の感光性樹脂が使用でき、基板10に形成する方法もスクリーン印刷、カーテンコート,ディッピング法、スピンコート等公知の方法が用いられる。フォトマスク83は、ガラスやプラスチック等の透明支持体に光を透過する部分と遮光する部分を形成したものであり、感光性樹脂層7として光分解性感光性樹脂を用いた場合は、転写用凹状形状30を形成する部分に光が透過するフォトマスクを用い、光重合性感光性樹脂を用いた場合は、転写用凹状形状30を形成する部分に光が透過しないフォトマスクを用いる必要がある。
【0040】
ここで、感光性樹脂層7とフォトマスク83の間隔を20μm以上開けることにより、透過光が回折し、マイクロレンズを形成する中心部分と周辺部分に光量の差が生じる。上述の様に感光性樹脂層を形成し20μm以上の間隔を開けて露光した感光性樹脂層7を現像液で現像することにより、転写用凹状形状30が得られる。
【0041】
ここで、感光性樹脂層7とフォトマスク83の間隔は20μm以上開ける必要があるが、広く開け過ぎると回折光量が多くなり、転写用凹状形状30の形状が形成できなくなる。この間隔は用いる露光装置に依存するが、200μm以下にすることが好ましい。この方法によれば、凸型を有するプレス型等を用いずに転写用凹状形状30を形成できるため、高精細な転写用凹状形状を効率よく形成できる。
【0042】
図5は転写用凹状形状を有する転写層20を形成するさらに他の方法の説明図である。図5に示される方法は、転写物質層としての感光性樹脂層7が形成された基板10上にマイクロレンズアレイの配列及び形状に対応した微細パターンが形成された階調マスク84を、基板10の表面に載置し(図5(A)参照)、露光した後、現像することにより、転写用凹状形状30を有する転写層20を得る(図5(B)参照)ものである。
【0043】
感光性樹脂7は、プリント基板や半導体製造工程等で使用されている公知の感光性樹脂が使用でき、基板10に形成する方法もスクリーン印刷、カーテンコート,ディッピング法、スピンコート等公知の方法が用いられる。
【0044】
階調マスク84は、ガラスやプラスチック等の透明支持体に光を透過する部分と遮光する部分を形成したものであり、図5(C)に示す様にマイクロレンズアレイの各マイクロレンズに対応する部分が光透過量が段階的に変化する構成である。ここで、光透過率を段階的に変化させる階調マスクは、遮光部を形成するCr等の材料の厚みを変化させ、透過量を段階的に変化させる構成、光透過量が異なる材料を順次形成する構成である。
【0045】
また、より好ましい階調マスクして、感光性樹脂7の解像度と同程度以下の微小なドットを用い、この微小なドットを形成する密度を順次変化させ、光透過量を段階的に変化させる構成が有効である。
【0046】
また、階調マスク84は、感光性樹脂層7として光分解性感光性樹脂を用いた場合は、転写用球面凹型形状34を形成する部分に段階的に光が透過するフォトマスクを用い、光重合性感光性樹脂を用いた場合は、転写用凹状形状30を形成する部分に段階的に光が透過しない階調マスクを用いる必要がある。
【0047】
上述の様に、感光性樹脂層7を形成し、階調マスク84を用いて露光した感光性樹脂層7を現像液で現像することにより、転写用凹状形状30が得られる。
【0048】
この場合、階調マスク84を用いることにより、光透過量が段階的に変化し、感光性樹脂層7の現像量が段階的に変化し、転写用凹状形状30が得られる。さらに、階調マスク84の光透過量の変化を制御することにより、転写用凹状形状30の形状を球面とすることも非球面とすることも可能である。
【0049】
上述の階調マスクを用いる方法は、凸型を有するプレス型等を用いずに転写用凹状形状30を高精度でかつ効率よく形成できるという利点を有するほかに、転写用凹状形状として、球面形状のほかに非球面状のものも容易かつ効率よく形成することを可能にするという優れた利点を有する。
【0050】
(2)転写工程
この工程は、上述の転写層形成工程で形成された転写層20の形状を基板10に転写して基板に複数の微小な凹状部31(図1(B)参照)を形成する工程である。ここで、転写用凹状形状30を基板10に転写する方法としては、エッチング法、サンドブラスト法、もしくは、イオンミリング等による方法が可能である。
【0051】
この転写工程に用いる方法としては、特に、ドライエッチング法を用いれば、精度よく、且つ効率的に複数の微小な凹状部31を基板10に形成できる。ドライエッチングの中でも、CF4 ,CHF3 ,SF6 ,NF3 ,Cl2 等の反応性ガスを用いるリアクティブイオンエッチングが好適である。この場合、転写用凹状形状30のドライエッチング速度と基板10のドライエッチング速度が異なる条件でエッチングすると、転写用凹状形状30の形状を増幅した微小な凹状部31を形成することができ、マイクロレンズアレイの光学特性を制御することが可能である。
【0052】
この点をさらに具体的にいえば、転写用凹状形状30のドライエッチング速度より基板10のドライエッチング速度が2倍早い場合、基板10に形成される微小な凹状部31の深さは、転写用凹状形状30の深さの2倍になる。また、転写用凹形状30のドライエッチング速度に対して基板10のドライエッチング速度が0.5倍である場合、基板10に形成される微小な凹状部31の深さは、転写用凹状形状30の深さの0.5倍になる。
【0053】
また、転写用凹状形状30のドライエッチング速度と基板10のドライエッチング速度の比をドライエッチング工程で変化させると、非球面な曲率を有する微小な凹状部31が得られ、非球面なマイクロレンズアレイが形成でき、マイクロレンズアレイの光学特性を制御することが可能である。
【0054】
ここで、転写用凹状形状30のドライエッチング速度と基板10のドライエッチング速度は、用いる基板10の材質と、転写層20の材質の組み合わせにより変化させることができる。また、ドライエッチングの方法、使用するガス種等のドライエッチングの条件により変化させることができる。
【0055】
(3)レンズ部形成工程
この工程は、上記凹状部形成工程によって形成された複数の微小な凹状部31に基板10の屈折率よりも高い屈折率を有する充填物質を充填してそれぞれレンズ部32を形成し、マイクロレンズアレイを形成する工程である。
【0056】
基板10より屈折率の高い充填物質は、マイクロレンズアレイに用いる波長に対し、散乱が少なく、透明であることが必要であり、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリカーボネートやポリウレタンやエポキシ樹脂等のプラスチック、あるいはこれらの複合物質等が適宜選択される。特に、分子鎖中にSを含んでいる有機物は屈折率が高く有効である。
【0057】
基板10より屈折率の高い充填物質を凹状部31に充填する方法は、用いる充填物質の特性により適宜選択され、液状物質を塗布して硬化する方法、溶融して接着させる方法、モノマーを供給し、熱又は光で重合させる方法等が用いられる。なお、レンズ部32を形成した後には、形成した面を研磨して平坦にすることも好ましい。
【0058】
また、充填物質を凹状部31に充填する態様としては、図1(C)に示した様に、基板10の凹状部31内にのみ充填物質を充填する態様のほかに、図1(D)に示した様に、凹状部31内に充填物質を充填すると同時に、基板10の表面上にも充填物質を塗布し、充填物質による平坦部33を形成するようにしてもよい。
【0059】
なお、図6に示したように、基板10の裏面に、該基板10の機械的強度を補強するために支持基板11を取り付けることも好ましい。これによれば、基板10の材質として機械的強度による制約を受ける事なく、凹状部31の形成の容易性のみを考慮に入れて選択することができるから、より適切な材料を選ぶことが可能となる。この場合、基板10及び支持基板11は、用いる光に透明である必要があり、基板10は凹状部31を形成し易い樹脂等の有機高分子材料が好ましく、支持基板11は機械的強度が強いセラミックスやガラスが好適である。
【0060】
上述のマイクロレンズアレイの形成方法で形成されたマイクロレンズアレイは、高精度であり、光学特性に優れ、かつ、平板なマイクロレンズアレイが形成でき、他の光学素子との集積化が容易である。本発明のマイクロレンズアレイの形成方法およびマイクロレンズアレイは、液晶素子上に形成されるマイクロレンズアレイや光ファイバーと受光素子の結合部使用されるマイクロレンズアレイ以外にもレーザーディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク等の光ピックアップ用集光レンズ、一次元イメージセンサーやLEDプリンターの結合素子等の光エレクトロニクス分野においても利用できる。
【0061】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
(実施例1)
図7は本発明の実施例1にかかるマイクロレンズアレイの形成方法の説明図である。以下、図7を参照にしながら実施例1を説明する。
【0062】
厚み1.1mmの無アルカリガラス(NA40:HOYA株式会社製)からなる基板10上に転写層20としてポリイミド前駆体(商品名:セミコファイン811株式会社東レ製)を塗布し、その上にレジストマスク2を構成するフォトレジスト(商品名:AZ1350;クラリアントジャパン製)を塗布し、微小開口部形成用フォトマスクを用い露光し、アルカリ現像液で現像することにより、微小開口部3を形成するとともに、この微小開口部3を通じて前記ポリイミド前駆体の転写層20の一部を前記アルカリ現像液で溶解することにより、転写用凹状形状30を転写層20に形成した(図7(A)参照)。
【0063】
この場合、微小開口部3の配置は、80μmピッチで40mm角内に格子状に配置されており、形成された転写用凹状形状30の深さは1μmであった。次に、酢酸ブチルを用いレジストマスク3を溶解除去させ、深さ1μmの微小な転写用凹状形状30が形成された転写層20を有する基板10を得た(図7(B)参照)。
【0064】
次に、転写層20の転写用凹状形状30を形成した面側から、平均粒子径20μmのSiC研磨剤を用いてサンドブラスト装置で全面を研削を行ない、転写用凹状形状30を保存しながら研削を続け、これを転写層20がなくなるまで行なうことにより、転写層20の転写用凹状形状30を基板10に転写し、基板10に、深さ1.5μmの微小な凹状部31を多数形成した(図7(C)参照)。
【0065】
次に、基板10の凹状部31が形成された面に対し、基板10より屈折率の高い物質からなる充填物質であるポリサルホン(例えば、アモコパフォーマンスプロダクツ社の商品名UDEL P−1700等)を塗布し、200℃で加熱熔着させ、冷却後形成面を研磨し、図7(D)に示されるマイクロレンズアレイを得た。
【0066】
上述のマイクロレンズアレイは焦点距離のばらつきが±18%で極めて良好なマイクロレンズアレイであった。
【0067】
(実施例2)
図8は本発明の実施例2にかかるマイクロレンズアレイの形成方法の説明図である。以下、図8を参照にしながら実施例2を説明する。
【0068】
厚み0.7mmの石英ガラスからなる基板10上にフォトレジスト(商品名:AZ1350;クラリアントジャパン製))を0.8μmの厚みでスピンコートにより塗布して感光性樹脂層7を形成し、この感光性樹脂層7にマイクロレンズアレイの配列部分が光透過するフォトマスク83を用いて露光した(図8(A)参照)。
【0069】
次に、この感光性樹脂層7をアルカリ現像液で現像後、200℃1時間加熱することによって、幅1μm、半径24μm、高さ0.7μmの円形の壁状物5を得た(図8(B)参照)。次に、ポリピニルアルコール5wt%を含む水溶液を壁状物7を形成した基板上10にディップコートし、60℃で2時間乾燥し、図8(C)に示される転写用凹状形状30を基板10上に形成した。
【0070】
次に、基板10を平行平板型プラズマエッチング装置を用い、CHF3 プラズマガス中40分間エッチングを行い、転写用凹状形状30の形状を基板10に転写し微小な多数の凹状部31を形成した(図8(D)参照)。この場合、基板10のエッチングレートは、転写用凹状形状30のエッチングレートの2.5倍であり、微小な凹状部31の深さは1,4μmであった。
【0071】
次に、微小な凹状部31を形成した面に対し、基板より屈折率の高い充填物質である熱硬化性クレゾヘルノボラック型エポキシ樹脂を塗布し、マイクロレンズアレイを得た(図8(E)参照)。このマイクロレンズアレイは焦点距離のばらつきが±8%で極めて良好であった。
【0072】
(実施例3)
図9は本発明の実施例3にかかるマイクロレンズアレイの形成方法の説明図である。以下、図9を参照にしながら実施例3を説明する。
【0073】
厚み0.7mmの石英ガラスからなる基板10上に感光性樹脂(商品名:AZ1350;クラリアントジャパン製))を1.2μmの厚みでスピンコートにより塗布し、マイクロレンズアレイの配列部分が光透過するフォトマスクを用い、フォトマスクと感光性樹脂層との間隔を22μm 離し、露光後、アルカリ現像液で現像し、幅2μm、半径12μmの転写用凹状形状30を得た(図9(A)参照)。
【0074】
次に、基板10を平行平板型プラズマエッチング装置を用い、CF4 プラズマガス中40分間エッチングを行い、転写用凹状形状30の形状を基板10に転写し、微小な凹状部31を形成した(図9(B)参照)。基板10のエッチングレートは、転写用凹状形状30のエッチングレートの0.8倍であり、微小な球面凹状部31の深さは0.96μmであった。
【0075】
微小な凹状部31を形成した面に対し、基板10より屈折率の高い充填物質であるSiをスパッタ法により形成し、形成面を研磨し平滑にし、マイクロレンズアレイを得た(図9(C)参照)。このマイクロレンズアレイは焦点距離のばらつきは±7%で極めて良好なマイクロレンズアレイが形成できた。
【0076】
(実施例4)
図10は本発明の実施例4にかかるマイクロレンズアレイの形成方法の説明図である。以下、図10を参照にしながら実施例4を説明する。
【0077】
Si支持基板11上に100μmフッ素樹脂からなる基板10を形成し、その上に感光性樹脂(商品名:CD−500;アサヒ化学研究所製)を2.4μmの厚みでスクリーン印刷により塗布し、感光性樹脂層7を形成し、マイクロレンズアレイの配列部分の光透過率が段階的に変化する階調マスク84を用いて露光した(図10(A)参照)。
【0078】
次に、この基板を、35℃に加温した1%炭酸ナトリュウム水溶液からなる現像液で現像後し、半径63μm、深さ1.8μmの転写用凹状形状30を形成した(図10(B)参照)。なお、階調マスク84は、図10(E)に示した様に、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズ配列部分に対し、マイクロレンズ中央10μm の円部分の光透過率は0%、その外側5μmの円部分は光透過率は5%、その外側5μm の円部分は光透過率は10%、その外側5μmの円部分は光透過率は20%、その外側5μmの円部分は光透過率は30%、その外側5μm の円部分は光透過率は50%、その外側2μmの円部分は光透過率は100%である階調を有する階調マスクである。この階調84マスクは2μmのドットの配置密度で透過光量を制御してある。
【0079】
次に、基板10を平行平板型プラズマエッチング装置を用い、CH4 とCF4 混合ガスのプラズマ中40分間エッチングを行い、転写用凹状形状30の形状を基板10に転写し、微小な凹状部31を形成した(図10(C)参照)。基板10のエッチングレートは、転写用凹状形状30のエッチングレートの3.8倍であり、微小な凹状部31の深さは6.8μmであった。
【0080】
次に、微小な凹状部31を形成した面に対し、基板10より屈折率の高い高屈折充填物質である2,5−ジメチルメルカプト−1,4−ジチアン1Mとビドロキシエチルメタクリレート2M、光開始剤(チバガイギ株式会社製の商品名イルガキュア184等)3wt%からなる光硬化樹脂をスピンコートで塗布し、ガラス板からなる対向基板12と張合わせて、高圧水灯を用い1J/cm2の紫外線を照射し、マイクロレンズアレイを得た(図10(D)参照)。このマイクロレンズアレイは焦点距離のばらつきが±7%で極めて良好なものであった。
【0081】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、透明な基板に複数の微小な凹状部を形成する凹状部形成工程と、該凹状部形成工程によって形成された凹状部に前記基板の屈折率よりも高い屈折率を有する充填物質を充填してレンズ部を形成するレンズ部形成工程とを有し、前記凹状部形成工程は、前記基板に転写する複数の微小な転写用凹状形状を有する転写層を前記基板上に形成する転写層形成工程と、この転写層の形状を基板に転写して基板に複数の微小な凹状部を形成する転写工程とを有することを特徴とするもので、これにより、光学特性に優れ、かつ任意の光学特性を有するマイクロレンズアレイを効率よく形成することを可能にしている。
【0082】
この場合、転写層形成工程として、転写物質層上にマイクロレンズアレイの配列に応じた微小開口部を形成したレジストマスクを形成し、該微小開口部を介して転写層物質層上に転写用凹状形状を形成する方法を採用することにより効率よく転写用凹状形状を形成することを可能にしている。
【0083】
また、転写層形成工程として、マイクロレンズアレイの配列に対応した壁状物を基板上に形成後、壁状物全面に液状物を塗布後乾燥して微小な転写用凹状形状を形成する方法を採用することにより効率よく転写用凹状形状を形成することを可能にしている。
【0084】
さらに、転写層形成工程として、基板上に感光性樹脂層を形成し、マイクロレンズアレイの配列に対応したフォトマスクと該感光性樹脂層との間隔を20μm以上離して露光、現像して微小な転写用凹状形状を形成する方法を採用することにより効率よく転写用凹状形状を形成することを可能にしている。
【0085】
また、上述の転写用凹状形状を基板に転写する転写工程を、ドライエッチングにより行ない、さらに、転写層のドライエッチング速度と基板のドライエッチング速度とを異ならしめることにより、転写用凹状形状の形状を増幅した微小な凹状部を基板に形成したり、あるいは、非球面な凹状部を形成することができ、マイクロレンズアレイの光学特性を精密に制御することが可能な極めて優れたマイクロレンズアレイの形成方法を得ることを可能にしている。
【0086】
さらに、前記基板を、微小な凹状部を形成する基板とこれを機械的に支持する支持基板とで構成することにより、微小な凹状部を形成できる基板の材質の選択度を飛躍的に広げることを可能にし、これにより、より高性能なマイクロレンズアレイを得ることを可能にしている。
【0087】
また、上述のマイクロレンズアレイの形成方法によって形成されたマイクロレンズアレイは光学特性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかるマイクロレンズアレイの形成方法の実施の形態の説明図である。
【図2】転写層形成工程の説明図である。
【図3】転写層形成工程の説明図である。
【図4】転写層形成工程の説明図である。
【図5】転写層形成工程の説明図である。
【図6】基板を支持基板で補強した例を示す図である。
【図7】実施例1の説明図である。
【図8】実施例2の説明図である。
【図9】実施例3の説明図である。
【図10】実施例4の説明図である。
【符号の説明】
10…基板、20…転写層、30…転写用凹状形状、31…微小な凹状部、32…レンズ部、83…フォトマスク、84…階調マスク。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a microlens array and a microlens array.
[0002]
[Prior art]
The microlens array is a microlens having a size of several hundred μm or less arranged in a one-dimensional or two-dimensional array, and is widely known in the field of optoelectronics. For example, when a microlens array corresponding to each pixel of the liquid crystal element is used, light shielded by the black matrix can be condensed on each pixel, and light use efficiency can be improved. (NIKKEI MICRODEVICES, (12) 129, (1991), Tadashi Aoki, National Technical Report, 36, (3) Jun. 116 (1990)). In addition, if a microlens array is used at the coupling portion between the optical fibers and the light receiving elements arranged in an array, the light receiving efficiency can be improved.
[0003]
Such a microlens array is one in which a minute convex lens is formed on a substrate, and a lens effect is generated by a refractive index distribution generated by ion exchange by bringing a substrate containing ions into contact with another ion source. There are proposed a refractive index distribution type microlens array, a structure in which a minute concave shape is formed on a substrate, and a convex lens is formed by filling a filling material having a refractive index higher than that of the substrate in the concave shape.
[0004]
A structure in which a concave lens is formed and a convex lens is formed by filling a concave mold with a filling material having a refractive index higher than that of the substrate, so that the surface of the resulting microlens array itself can be formed flat. Compounding with an optical element such as an interference filter and a pinhole, and bonding with a liquid crystal element are easy, and there is an advantage that it is extremely advantageous in manufacturing.
[0005]
As a method of forming a microlens array in which a minute concave shape is formed on a substrate and a concave lens is filled with a high refractive index material to form a convex lens, a method by wet etching is known. In this method, an etching mask having a minute opening is formed on a substrate such as glass, immersed in an etching solution such as hydrofluoric acid, and isotropic wet etching is performed with the etching solution from the minute opening to form a substrate such as glass. In this method, a hemispherical concave shape is formed, then the etching mask is removed, and the concave forming portion is filled with a filling material having a refractive index higher than that of the substrate. In addition, as this filling substance, organic substances such as polycarbonate and acrylic styrene copolymer resin are generally known.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method of forming a microlens array by wet etching, the shape of the microlens that can be formed for isotropic etching is determined by the size of the minute opening, and it is extremely difficult to form a microlens array of any shape. is there. Further, the substrate to be used must be able to be etched with an etching solution, and only a limited material such as quartz glass can be used as the material constituting the substrate.
[0007]
The present invention has been made in view of the problems of the microlens array forming method and the microlens array described above, and a microlens array having an arbitrary shape can be formed, and an arbitrary material is selected as the substrate material to be used. An object of the present invention is to provide a microlens array forming method and a microlens array excellent in optical characteristics.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the first invention
A recessed portion forming step of forming a plurality of minute recessed portions on a transparent substrate;
A lens portion forming step of forming a lens portion by filling the concave portion formed by the concave portion forming step with a filling material having a refractive index higher than the refractive index of the substrate;
The concave portion forming step includes a transfer layer forming step for forming a transfer layer having a plurality of minute transfer concave shapes on the substrate, and a plurality of minute concave shapes on the substrate by transferring the shape of the transfer layer to the substrate. And a transfer process for forming the portion.
[0009]
The second invention is
In the method for forming a microlens array according to the first invention,
In the transfer layer forming step, a transfer material layer constituting the transfer layer is formed on the substrate, and a resist mask is formed on the transfer material layer in which minute openings corresponding to the arrangement of the microlens array are formed, A method of forming a microlens array, comprising a step of forming a plurality of minute transfer concave shapes on the transfer material layer by etching through the resist mask to obtain a transfer layer.
[0010]
The third invention is
In the method for forming a microlens array according to the first invention,
In the transfer layer forming step, a wall-like object is formed on the substrate corresponding to the arrangement of the microlens array, and a liquid material is supplied between the wall-like objects to form a transfer layer having a concave shape for transfer. A method for forming a microlens array.
[0011]
The fourth invention is:
In the method for forming a microlens array according to the first invention,
The transfer layer forming step uses a photomask in which a photosensitive resin layer is formed on the substrate, a pattern corresponding to a microlens array shape is formed on the photosensitive resin layer, and the photomask and the photosensitive layer are formed. A method for forming a microlens array comprising a step of forming a plurality of transfer layers having a concave shape for transfer by exposing and developing at a distance of 20 μm or more from a resin layer.
[0012]
The fifth invention is:
In the method for forming a microlens array according to the first invention,
In the transfer layer forming step, a photosensitive resin layer is formed on the substrate, and the photosensitive resin layer is exposed and developed using a gradation mask in which a pattern corresponding to a microlens array shape is formed. A method for forming a microlens array, comprising the step of forming a transfer layer having a plurality of minute transfer concave shapes.
[0013]
The sixth invention is:
In the method for forming a microlens array according to the fifth invention,
A method of forming a microlens array, wherein the gradation mask is formed of minute dots.
[0014]
The seventh invention
In the method of forming a microlens array according to any one of the first to sixth inventions,
A method for forming a microlens array, wherein a transfer step of transferring the shape of the transfer layer to a substrate is performed by dry etching.
[0015]
The eighth invention
In the method for forming a microlens array according to the seventh invention,
In the method for forming a microlens array, the dry etching rate in the transfer step is different between the dry etching rate of the substrate and the dry etching rate of the transfer layer.
[0016]
The ninth invention
In the method of forming a microlens array according to any one of the first to eighth inventions,
9. The microlens array according to claim 1, wherein the substrate includes a concave portion forming substrate that forms a plurality of minute concave portions, and a support substrate that supports the concave portion forming substrate. It is the formation method.
[0017]
The tenth invention is
A microlens array formed by the microlens array forming method according to any one of the first to tenth aspects of the invention.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is an explanatory diagram of a method for forming a microlens array according to an embodiment of the present invention. The microlens array forming method according to this embodiment includes (1) a transfer layer forming step of forming a transfer layer having a plurality of minute concave portions transferred onto the substrate (FIG. 1A). )), (2) a transfer step (see FIG. 1B) for transferring the shape of the transfer layer to the substrate to form a plurality of minute concave portions on the substrate, and (3) formed by this transfer step. A lens portion forming step (see FIGS. 1C and 1D) for forming the lens portion by filling the concave portion with a filling material having a refractive index higher than that of the substrate. A method for forming a microlens array according to the embodiment will be described below with reference to FIG.
[0019]
(1) Transfer layer forming process
This step is a transfer layer forming step in which a transfer layer 20 having a plurality of concave concave spherical or aspherical shapes 30 to be transferred to the substrate 10 is formed on the substrate 10.
[0020]
Here, the substrate 10 must be transparent to the wavelength used for the microlens array, and Al 2 0 Three Substrates made of metal oxides such as substrates and MgO substrates, ceramic substrates such as SiC, SiN and MgF, silicon substrates and GaAs substrates, various glass substrates such as quartz glass and alumina silicate glass, polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate and polyurethane Or a plastic substrate such as epoxy resin, or a composite substrate thereof is appropriately selected.
[0021]
The transfer layer 20 is formed by forming a transfer material layer 21 (see FIG. 2) on the substrate 10 and forming a transfer concave shape 30 on the transfer material layer 21. The transfer material layer 21 is formed of an organic polymer such as polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate, polyurethane, epoxy resin, polyimide, polyimide precursor, water-soluble polymer such as polypinyl alcohol or hydroxyethyl cellulose that can form the concave shape 30 for transfer. A molecule or a composite material thereof is appropriately selected. Al 2 0 Three It is also possible to use metal oxides such as MgO, ceramics such as SiC and SiN, various glasses such as silicon, quartz glass, and alumina silicate glass.
[0022]
The transfer material layer 21 may be formed on the entire surface of the substrate 10 or may be partially formed at a site where the microlens array is formed. As a method for forming the transfer material layer 21, a known method such as screen printing, spin coating, vacuum deposition, sputtering, or CVD is used. The thickness of the transfer material layer 21 to be formed is appropriately determined depending on the desired shape of the microlens array, but is preferably about 0.05 μm to 100 μm.
[0023]
The method of forming the concave shape 30 for transfer is a method of forming by machining, a method of forming by pressing or heating and pressing on the transfer layer using a press mold having a convex mold, and a photocurable resin on the substrate. A method of forming a photocurable resin by curing using press and light irradiation using a press mold having a convex mold, a method of forming by injection molding using an injection mold having a convex mold, or a minute opening For example, a method of forming by etching using a resist mask having the above is used. In particular, a method of forming by etching using a resist mask having a minute opening is an excellent method capable of efficiently forming a high-definition spherical concave shape for transfer as compared with other methods.
[0024]
FIG. 2 is an explanatory diagram of a method for forming the concave shape 30 for transfer by etching using a resist mask having a minute opening. In this method, first, the transfer material layer 21 is formed on the substrate 10. Next, a resist mask 2 provided with minute openings 3 corresponding to the arrangement of the microlens array is formed on the transfer material layer 21 (see FIG. 2A). Next, wet etching or dry etching is performed using the resist mask 2 as a mask to form a concave shape 30 for transfer (see FIG. 2B). Next, the resist mask 2 is removed to obtain a substrate in which a transfer layer 20 is formed on the substrate 10 (see FIG. 2C).
[0025]
Here, the resist mask 2 is appropriately selected from materials that are not affected by the step of forming a spherical concave shape for transfer on the transfer layer through the minute opening 3, and a metal such as Au, Cr, W, Ta, or the like, ITO, MgO, Al 2 O Three Metal oxides such as, organic compounds such as epoxy resins and novolak resins are used. The shape of the minute opening 3 is formed corresponding to the arrangement of the desired microlens array, and the size of the opening needs to be the same as or smaller than the diameter of the desired microlens. .
[0026]
The method of forming the microscopic aperture 3 is a method of forming the resist mask 2 in a portion other than the microscopic aperture 3 by printing such as screen printing or intaglio printing using an ink capable of forming the resist mask 2. A method for forming a resist mask 2 and forming a micro-opening 3 by using a photolithography process, a portion for forming the micro-opening 3 is masked in advance, and a material for forming the resist mask 3 is formed on the entire surface. Then, a method of removing the masked portion and forming the minute opening 3 is used.
[0027]
In the wet etching performed through the minute opening 3, the transfer material layer 21 is etched but the resist mask 2 is not etched. The wet etching is performed by isotropically etching a part of the transfer material layer 21 from the minute opening 3. By doing.
[0028]
Etching solutions in this case include hydrofluoric acid aqueous solution, sulfuric acid aqueous solution, nitric acid aqueous solution, hydrochloric acid aqueous solution or an aqueous solution composed of a mixed solution of these acids, sodium carbonate aqueous solution, potassium hydroxide aqueous solution, sodium hydroxide aqueous solution, hydrazine and amine compounds. Selected from organic solutions such as acetone and butyl acetate.
[0029]
In the dry etching performed through the minute openings 3, the transfer material layer 21 is etched and the resist mask 2 is processed in an air layer containing an etching gas that does not etch, and a part of the transfer layer 21 is removed from the minute openings 3. A process of isotropic etching is performed. The etching gas in the gas layer at this time is CF Four , CHF Three , SF 6 , NF Three , Cl 2 A plasma reactive gas containing components such as these is preferred.
[0030]
The method of removing the resist mask 2 is appropriately selected depending on the material constituting the resist mask 2, and dissolution removal of the resist mask 2 with an acid aqueous solution, an alkali solution or an organic solvent, removal of the resist mask 2 by dry etching, or the like is used. Further, the resist mask 2 does not necessarily need to be removed, and the removal process is not necessary when the optical path of the microlens array is not affected.
[0031]
FIG. 3 is an explanatory diagram of another method for forming the transfer layer 20 having a concave shape for transfer. In the method shown in FIG. 3, wall-like objects 5 are formed on the substrate 10 corresponding to the arrangement of the microlens arrays (see FIG. 3A), and at least a liquid material 51 is provided between these wall-like objects 5. The transfer layer 20 having the transfer concave shape 30 is formed by drying the liquid material.
[0032]
3A, the wall-like object 5 is formed corresponding to the arrangement of the microlens array, and the shape thereof is formed and arranged on the substrate 10 in a polygonal shape such as a quadrangular shape, a hexagonal shape or an octagonal shape or a circular shape. .
[0033]
The wall 5 is made of polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate, polyurethane, epoxy resin, polyimide, polyimide precursor, organic polymer such as water-soluble polymer such as polypinyl alcohol or hydroxyethyl cellulose, or a composite material thereof. It is selected appropriately. Al 2 0 Three It is also possible to use metal oxides such as MgO, ceramics such as SiC and SiN, various glasses such as silicon, quartz glass, and alumina silicate glass.
[0034]
The method for forming the wall-like object 5 is a method of forming the wall-like object 5 by printing such as screen printing or intaglio printing using an ink capable of forming the wall-like object 5, and forming a material for forming the wall-like object 5 on the entire surface of the substrate 10. , A method of forming the wall-like object 5 using a photolithography process, a portion for forming the wall-like object 5 is masked in advance, a material for forming the wall-like object 5 is formed on the entire surface, and the masked portion is removed to form a wall shape. A method for forming the object 5 is used.
[0035]
The liquid material 5 is obtained by dissolving a non-volatile substance in a volatile solution, and a sol-gel solution or a solution obtained by dissolving an organic polymer in a solvent is effective.
[0036]
Further, as a method of supplying the liquid material 51 into the wall-shaped object 5, a method of applying a liquid material to the upper surface of the substrate 10 can be used. As a method for applying the liquid material on the upper surface of the substrate 10, methods such as screen printing, curtain coating, dipping, and spin coating are preferable. By applying and drying the liquid material, a spherical or aspherical concave shape is formed on the wall surface of the wall-like material 5 due to the surface tension of the liquid material. In this case, some liquid material 51 may remain on the wall-shaped material 5.
[0037]
By forming a wall-like object 5 corresponding to the arrangement of the microlens array on the substrate 10, applying a liquid material 51 to the entire wall-like object and drying it, thereby forming a minute concave shape for transfer. Since the concave shape for transfer 30 can be formed without using a press die having a convex shape or the like, a high-definition concave shape for transfer can be efficiently formed.
[0038]
FIG. 4 is an explanatory view of still another method for forming the transfer layer 20 having a concave shape for transfer. In the method shown in FIG. 4, a photomask 83 in which a fine pattern corresponding to the arrangement and shape of the microlens array is formed on the substrate 10 on which the photosensitive resin layer 7 as a transfer material layer is formed is formed on the substrate 10. The transfer layer 20 having the concave shape 30 for transfer is obtained by placing the substrate at a distance of 20 μm or more from the surface, exposing the surface, and developing the surface.
[0039]
As the photosensitive resin 7, a known photosensitive resin used in a printed circuit board, a semiconductor manufacturing process, or the like can be used, and a known method such as screen printing, curtain coating, dipping, or spin coating is used as a method for forming the photosensitive resin 7. It is done. The photomask 83 is formed by forming a light transmitting portion and a light blocking portion on a transparent support such as glass or plastic. When a photodegradable photosensitive resin is used as the photosensitive resin layer 7, the photomask 83 is used for transfer. When a photomask that transmits light is used for the portion where the concave shape 30 is formed and a photopolymerizable photosensitive resin is used, it is necessary to use a photomask that does not transmit light for the portion where the concave shape 30 for transfer is formed. .
[0040]
Here, when the interval between the photosensitive resin layer 7 and the photomask 83 is set to 20 μm or more, the transmitted light is diffracted, and a difference in light amount occurs between the central portion and the peripheral portion where the microlens is formed. By forming the photosensitive resin layer as described above and developing the exposed photosensitive resin layer 7 with an interval of 20 μm or more with a developer, a transfer concave shape 30 is obtained.
[0041]
Here, the distance between the photosensitive resin layer 7 and the photomask 83 needs to be 20 μm or more. However, if the distance is too wide, the amount of diffracted light increases, and the shape of the concave shape 30 for transfer cannot be formed. This interval depends on the exposure apparatus used, but is preferably 200 μm or less. According to this method, since the concave shape for transfer 30 can be formed without using a press die having a convex shape, a high-definition concave shape for transfer can be efficiently formed.
[0042]
FIG. 5 is an explanatory view of still another method for forming the transfer layer 20 having a concave shape for transfer. In the method shown in FIG. 5, a gradation mask 84 in which a fine pattern corresponding to the arrangement and shape of the microlens array is formed on the substrate 10 on which the photosensitive resin layer 7 as a transfer material layer is formed. The transfer layer 20 having the concave shape 30 for transfer is obtained (see FIG. 5B) by developing after exposure to light (see FIG. 5A), developing after exposure.
[0043]
As the photosensitive resin 7, a known photosensitive resin used in a printed circuit board, a semiconductor manufacturing process, or the like can be used. As a method for forming the photosensitive resin 7 on the substrate 10, known methods such as screen printing, curtain coating, dipping, and spin coating can be used. Used.
[0044]
The gradation mask 84 is formed by forming a light transmitting portion and a light blocking portion on a transparent support such as glass or plastic, and corresponds to each microlens of the microlens array as shown in FIG. The portion has a configuration in which the light transmission amount changes stepwise. Here, the gradation mask that changes the light transmittance stepwise changes the thickness of the material such as Cr that forms the light-shielding portion and changes the amount of transmission stepwise, and the materials that have different light transmission amounts sequentially. It is the structure to form.
[0045]
Further, as a more preferable gradation mask, fine dots having a resolution equal to or less than the resolution of the photosensitive resin 7 are used, and the density for forming the fine dots is sequentially changed to change the light transmission amount step by step. Is effective.
[0046]
Further, when a photodegradable photosensitive resin is used as the photosensitive resin layer 7, the gradation mask 84 uses a photomask through which light is transmitted stepwise in a portion where the transfer spherical concave shape 34 is formed. When a polymerizable photosensitive resin is used, it is necessary to use a gradation mask that does not transmit light stepwise to a portion where the concave shape for transfer 30 is formed.
[0047]
As described above, the photosensitive resin layer 7 is formed, and the photosensitive resin layer 7 exposed using the gradation mask 84 is developed with a developer, whereby the transfer concave shape 30 is obtained.
[0048]
In this case, by using the gradation mask 84, the light transmission amount changes stepwise, the development amount of the photosensitive resin layer 7 changes stepwise, and the transfer concave shape 30 is obtained. Further, by controlling the change in the light transmission amount of the gradation mask 84, the shape of the concave shape for transfer 30 can be spherical or aspherical.
[0049]
The above-described method using the gradation mask has an advantage that the concave shape 30 for transfer can be formed with high accuracy and efficiency without using a press die having a convex shape, and a spherical shape as the concave shape for transfer. In addition to the above, an aspherical shape can be easily and efficiently formed.
[0050]
(2) Transfer process
In this step, the shape of the transfer layer 20 formed in the transfer layer forming step is transferred to the substrate 10 to form a plurality of minute concave portions 31 (see FIG. 1B) on the substrate. Here, as a method for transferring the concave shape 30 for transfer to the substrate 10, an etching method, a sand blast method, a method by ion milling, or the like is possible.
[0051]
As a method used for this transfer process, in particular, if a dry etching method is used, a plurality of minute concave portions 31 can be formed on the substrate 10 with high accuracy and efficiency. Among dry etching, CF Four , CHF Three , SF 6 , NF Three , Cl 2 Reactive ion etching using a reactive gas such as is preferable. In this case, when etching is performed under the condition that the dry etching rate of the transfer concave shape 30 and the dry etching rate of the substrate 10 are different, a minute concave portion 31 obtained by amplifying the shape of the transfer concave shape 30 can be formed. It is possible to control the optical properties of the array.
[0052]
More specifically, when the dry etching rate of the substrate 10 is twice as fast as the dry etching rate of the transfer concave shape 30, the depth of the minute concave portion 31 formed on the substrate 10 is It becomes twice the depth of the concave shape 30. Further, when the dry etching rate of the substrate 10 is 0.5 times the dry etching rate of the transfer concave shape 30, the depth of the minute concave portion 31 formed on the substrate 10 is the transfer concave shape 30. 0.5 times the depth of.
[0053]
Further, when the ratio of the dry etching rate of the transfer concave shape 30 to the dry etching rate of the substrate 10 is changed in the dry etching process, a minute concave portion 31 having an aspherical curvature is obtained, and an aspherical microlens array is obtained. It is possible to control the optical characteristics of the microlens array.
[0054]
Here, the dry etching rate of the transfer concave shape 30 and the dry etching rate of the substrate 10 can be changed by a combination of the material of the substrate 10 to be used and the material of the transfer layer 20. Moreover, it can be changed according to dry etching conditions such as a dry etching method and a gas type to be used.
[0055]
(3) Lens part formation process
In this step, a plurality of minute concave portions 31 formed by the concave portion forming step are filled with a filling material having a refractive index higher than the refractive index of the substrate 10 to form the lens portions 32, respectively. Is a step of forming.
[0056]
The filling material having a refractive index higher than that of the substrate 10 needs to be transparent with less scattering with respect to the wavelength used for the microlens array, and may be a plastic such as polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate, polyurethane, epoxy resin, or the like. These composite materials are appropriately selected. In particular, organic substances containing S in the molecular chain are effective because of their high refractive index.
[0057]
The method of filling the concave portion 31 with a filling material having a refractive index higher than that of the substrate 10 is selected as appropriate depending on the characteristics of the filling material used, a method of applying and curing a liquid material, a method of melting and bonding, and supplying a monomer. A method of polymerizing with heat or light is used. In addition, after forming the lens part 32, it is also preferable to grind and flatten the formed surface.
[0058]
Further, as a mode of filling the concave portion 31 with the filling material, as shown in FIG. 1C, in addition to the mode of filling the filling material only into the concave portion 31 of the substrate 10, FIG. As shown in FIG. 5, the filling material may be filled into the concave portion 31, and at the same time, the filling material may be applied to the surface of the substrate 10 to form the flat portion 33 made of the filling material.
[0059]
In addition, as shown in FIG. 6, it is also preferable to attach the support substrate 11 to the back surface of the substrate 10 in order to reinforce the mechanical strength of the substrate 10. According to this, since the material of the substrate 10 can be selected considering only the ease of forming the concave portion 31 without being restricted by the mechanical strength, a more appropriate material can be selected. It becomes. In this case, the substrate 10 and the support substrate 11 need to be transparent to the light used, and the substrate 10 is preferably an organic polymer material such as a resin that can easily form the concave portion 31, and the support substrate 11 has high mechanical strength. Ceramics and glass are preferred.
[0060]
The microlens array formed by the above-described microlens array formation method has high accuracy, excellent optical characteristics, can form a flat microlens array, and can be easily integrated with other optical elements. . The method for forming a microlens array and the microlens array of the present invention are not limited to a microlens array formed on a liquid crystal element or a microlens array used in a coupling portion of an optical fiber and a light receiving element. It can also be used in the field of optoelectronics such as a condensing lens for optical pickup such as a disk, a one-dimensional image sensor, and a coupling element of an LED printer.
[0061]
Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
Example 1
FIG. 7 is an explanatory diagram of a method for forming a microlens array according to the first embodiment of the present invention. Hereinafter, Example 1 will be described with reference to FIG.
[0062]
A polyimide precursor (trade name: Semicofine 811 manufactured by Toray Industries, Inc.) is applied as a transfer layer 20 on a substrate 10 made of alkali-free glass (NA40: manufactured by HOYA Corporation) having a thickness of 1.1 mm, and a resist mask is formed thereon. 2 is applied with a photoresist (trade name: AZ1350; manufactured by Clariant Japan), exposed using a photomask for forming a microscopic aperture, and developed with an alkali developer to form the microscopic aperture 3, A part of the polyimide precursor transfer layer 20 was dissolved with the alkaline developer through the minute openings 3 to form a transfer concave shape 30 in the transfer layer 20 (see FIG. 7A).
[0063]
In this case, the micro openings 3 are arranged in a lattice shape within a 40 mm square at a pitch of 80 μm, and the depth of the formed concave shape 30 for transfer is 1 μm. Next, the resist mask 3 was dissolved and removed using butyl acetate to obtain a substrate 10 having a transfer layer 20 in which a minute transfer concave shape 30 having a depth of 1 μm was formed (see FIG. 7B).
[0064]
Next, the entire surface of the transfer layer 20 from which the concave shape for transfer 30 is formed is ground with a sand blasting apparatus using a SiC abrasive having an average particle diameter of 20 μm, and grinding is performed while preserving the concave shape for transfer 30. Subsequently, this is performed until the transfer layer 20 disappears, whereby the transfer concave shape 30 of the transfer layer 20 is transferred to the substrate 10, and a large number of minute concave portions 31 having a depth of 1.5 μm are formed on the substrate 10 ( (See FIG. 7C).
[0065]
Next, a polysulfone which is a filling material made of a material having a higher refractive index than that of the substrate 10 (for example, UDEL P-1700, trade name of Amoco Performance Products) is applied to the surface of the substrate 10 where the concave portion 31 is formed. Then, it was heat-welded at 200 ° C., and after cooling, the formed surface was polished to obtain a microlens array shown in FIG.
[0066]
The microlens array described above was a very good microlens array with a focal length variation of ± 18%.
[0067]
(Example 2)
FIG. 8 is an explanatory diagram of a method of forming a microlens array according to the second embodiment of the present invention. The second embodiment will be described below with reference to FIG.
[0068]
Photoresist (trade name: AZ1350; manufactured by Clariant Japan) is applied on a substrate 10 made of quartz glass having a thickness of 0.7 mm by spin coating to a thickness of 0.8 μm to form a photosensitive resin layer 7. The photosensitive resin layer 7 was exposed using a photomask 83 through which the array portion of the microlens array transmits light (see FIG. 8A).
[0069]
Next, the photosensitive resin layer 7 was developed with an alkali developer and heated at 200 ° C. for 1 hour to obtain a circular wall 5 having a width of 1 μm, a radius of 24 μm, and a height of 0.7 μm (FIG. 8). (See (B)). Next, an aqueous solution containing 5% by weight of polypinyl alcohol is dip coated on the substrate 10 on which the wall-like object 7 is formed, and dried at 60 ° C. for 2 hours, so that the concave shape 30 for transfer shown in FIG. It was formed on the substrate 10.
[0070]
Next, the substrate 10 is subjected to CHF using a parallel plate type plasma etching apparatus. Three Etching was performed in plasma gas for 40 minutes, and the shape of the concave shape for transfer 30 was transferred to the substrate 10 to form a large number of minute concave portions 31 (see FIG. 8D). In this case, the etching rate of the substrate 10 was 2.5 times the etching rate of the concave shape 30 for transfer, and the depth of the minute concave portion 31 was 1, 4 μm.
[0071]
Next, a thermosetting Crezohernovolak epoxy resin, which is a filling material having a refractive index higher than that of the substrate, was applied to the surface on which the minute concave portion 31 was formed, thereby obtaining a microlens array (FIG. 8E )reference). This microlens array was very good with a variation in focal length of ± 8%.
[0072]
(Example 3)
FIG. 9 is an explanatory diagram of a method for forming a microlens array according to Example 3 of the present invention. Hereinafter, Example 3 will be described with reference to FIG.
[0073]
A photosensitive resin (trade name: AZ1350; manufactured by Clariant Japan) is applied to a substrate 10 made of quartz glass having a thickness of 0.7 mm by spin coating to a thickness of 1.2 μm, and the array portion of the microlens array transmits light. Using a photomask, the distance between the photomask and the photosensitive resin layer was 22 μm apart, and after exposure, development was performed with an alkaline developer to obtain a concave shape 30 for transfer having a width of 2 μm and a radius of 12 μm (see FIG. 9A). ).
[0074]
Next, the substrate 10 is subjected to CF using a parallel plate type plasma etching apparatus. Four Etching was performed in plasma gas for 40 minutes to transfer the shape of the concave shape 30 for transfer to the substrate 10 to form a minute concave portion 31 (see FIG. 9B). The etching rate of the substrate 10 was 0.8 times the etching rate of the transfer concave shape 30, and the depth of the minute spherical concave portion 31 was 0.96 μm.
[0075]
Si, which is a filling material having a refractive index higher than that of the substrate 10, is formed on the surface on which the minute concave portion 31 is formed by sputtering, and the formed surface is polished and smoothed to obtain a microlens array (FIG. 9C )reference). This microlens array has a very good microlens array with a variation in focal length of ± 7%.
[0076]
(Example 4)
FIG. 10 is an explanatory diagram of a method for forming a microlens array according to Example 4 of the present invention. Hereinafter, Example 4 will be described with reference to FIG.
[0077]
A substrate 10 made of 100 μm fluororesin is formed on a Si support substrate 11, and a photosensitive resin (trade name: CD-500; manufactured by Asahi Chemical Research Laboratories) is applied on the substrate by screen printing to a thickness of 2.4 μm, The photosensitive resin layer 7 was formed and exposed using a gradation mask 84 in which the light transmittance of the arrangement portion of the microlens array changed in a stepwise manner (see FIG. 10A).
[0078]
Next, this substrate was developed with a developer composed of a 1% aqueous sodium carbonate solution heated to 35 ° C. to form a transfer concave shape 30 having a radius of 63 μm and a depth of 1.8 μm (FIG. 10B). reference). As shown in FIG. 10 (E), the gradation mask 84 has a light transmittance of 0% and a 5 μm outside of the circular portion at the center of the microlens 10 μm with respect to each microlens array portion of the microlens array. The circular portion has a light transmittance of 5%, the outer 5 μm circle portion has a light transmittance of 10%, the outer 5 μm circle portion has a light transmittance of 20%, and the outer 5 μm circle portion has a light transmittance of 30%. %, The outer 5 μm circle part has a light transmittance of 50%, and the outer 2 μm circle part has a gradation mask having a light transmittance of 100%. The gradation 84 mask controls the amount of transmitted light with a dot arrangement density of 2 μm.
[0079]
Next, the substrate 10 is subjected to CH 2 using a parallel plate type plasma etching apparatus. Four And CF Four Etching was performed in plasma of mixed gas for 40 minutes, and the shape of the concave shape 30 for transfer was transferred to the substrate 10 to form a minute concave portion 31 (see FIG. 10C). The etching rate of the substrate 10 was 3.8 times the etching rate of the concave shape 30 for transfer, and the depth of the minute concave portion 31 was 6.8 μm.
[0080]
Next, 2,5-dimethylmercapto-1,4-dithiane 1M and bidroxyethyl methacrylate 2M, which are high refractive fillers having a higher refractive index than that of the substrate 10, are applied to the surface on which the minute concave portion 31 is formed. A photo-curing resin consisting of 3 wt% of an agent (trade name Irgacure 184, etc., manufactured by Ciba-Gaigi Co., Ltd.) is applied by spin coating, and is bonded to the counter substrate 12 made of a glass plate. Irradiation gave a microlens array (see FIG. 10D). This microlens array was extremely good with a variation in focal length of ± 7%.
[0081]
【The invention's effect】
As described above in detail, the present invention has a concave portion forming step of forming a plurality of minute concave portions on a transparent substrate, and the concave portion formed by the concave portion forming step has a higher refractive index than the substrate. A lens portion forming step of forming a lens portion by filling a filling material having a refractive index, wherein the concave portion forming step includes transferring a plurality of transfer layers having a minute transfer concave shape to be transferred to the substrate. A transfer layer forming step for forming on the substrate; and a transfer step for transferring the shape of the transfer layer to the substrate to form a plurality of minute concave portions on the substrate. This makes it possible to efficiently form a microlens array having excellent characteristics and arbitrary optical characteristics.
[0082]
In this case, as the transfer layer forming step, a resist mask is formed on the transfer material layer with micro openings corresponding to the arrangement of the microlens array, and the transfer concave shape is formed on the transfer layer material layer through the micro openings. By adopting the method of forming the shape, it is possible to efficiently form the concave shape for transfer.
[0083]
Also, as a transfer layer forming step, after forming a wall-like object corresponding to the arrangement of the microlens array on the substrate, a liquid material is applied to the entire wall-like object and dried to form a minute transfer concave shape. By adopting it, it is possible to efficiently form a concave shape for transfer.
[0084]
Further, as a transfer layer forming step, a photosensitive resin layer is formed on the substrate, and a photomask corresponding to the arrangement of the microlens array and the photosensitive resin layer are exposed and developed at a distance of 20 μm or more to develop a minute size. By adopting the method of forming the concave shape for transfer, it is possible to efficiently form the concave shape for transfer.
[0085]
In addition, the transfer step of transferring the above-described concave shape for transfer to the substrate is performed by dry etching, and the shape of the concave shape for transfer is changed by making the dry etching rate of the transfer layer different from the dry etching rate of the substrate. An extremely fine microlens array can be formed on the substrate, or an aspherical concave can be formed on the substrate, and the optical characteristics of the microlens array can be precisely controlled. Making it possible to get a way.
[0086]
Furthermore, by configuring the substrate with a substrate that forms a minute concave portion and a support substrate that mechanically supports the substrate, the selectivity of the material of the substrate that can form the minute concave portion is greatly expanded. This makes it possible to obtain a higher-performance microlens array.
[0087]
Further, the microlens array formed by the above-described microlens array forming method has excellent optical characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of an embodiment of a method for forming a microlens array according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a transfer layer forming step.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a transfer layer forming step.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a transfer layer forming step.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a transfer layer forming step.
FIG. 6 is a diagram showing an example in which a substrate is reinforced with a support substrate.
7 is an explanatory diagram of Example 1. FIG.
8 is an explanatory diagram of Embodiment 2. FIG.
9 is an explanatory diagram of Example 3. FIG.
10 is an explanatory diagram of Example 4. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Board | substrate, 20 ... Transfer layer, 30 ... Concave shape for transfer, 31 ... Fine concave part, 32 ... Lens part, 83 ... Photomask, 84 ... Gradation mask.

Claims (5)

透明な基板に複数の微小な凹状部を形成する凹状部形成工程と、該凹状部形成工程によって形成された凹状部に前記基板の屈折率よりも高い屈折率を有する充填物質を充填してレンズ部を形成するレンズ部形成工程とを有し、
前記凹状部形成工程は、複数の微小な転写用凹状形状を有する転写層を前記基板上に形成する転写層形成工程と、該転写層の形状を基板に転写して基板に複数の微小な凹状部を形成する転写工程とを有し、
前記転写層形成工程が、マイクロレンズアレイの配列に対応して壁状物を前記基板上に形成し、前記壁状物の間に液状物を供給して転写用凹状形状を有する転写層を形成する工程を含むことを特徴とするマイクロレンズアレイの形成方法。
A concave portion forming step for forming a plurality of minute concave portions on a transparent substrate, and a concave portion formed by the concave portion forming step is filled with a filling material having a refractive index higher than the refractive index of the substrate. A lens part forming step for forming a part,
The concave portion forming step includes a transfer layer forming step for forming a transfer layer having a plurality of minute transfer concave shapes on the substrate, and a plurality of minute concave shapes on the substrate by transferring the shape of the transfer layer to the substrate. A transfer step for forming a portion ,
The transfer layer forming step forms a wall-like object on the substrate corresponding to the arrangement of the microlens array, and supplies a liquid material between the wall-like objects to form a transfer layer having a concave shape for transfer. A method for forming a microlens array comprising the step of:
請求項に記載のマイクロレンズアレイの形成方法において、前記転写層の形状を基板に転写する転写工程が、ドライエッチングにより行われることを特徴とするマイクロレンズアレイの形成方法。2. The method for forming a microlens array according to claim 1 , wherein the transfer step of transferring the shape of the transfer layer to the substrate is performed by dry etching. 請求項に記載のマイクロレンズアレイの形成方法において、前記転写工程におけるドライエッチングの速度が前記基板のドライエッチング速度と前記転写層のドライエッチング速度とで異なることを特徴とするマイクロレンズアレイの形成方法。 3. The method for forming a microlens array according to claim 2 , wherein the dry etching rate in the transfer step is different between the dry etching rate of the substrate and the dry etching rate of the transfer layer. Method. 請求項1ないしのいずれかに記載のマイクロレンズアレイの形成方法において、前記基板が、複数の微小な凹状部を形成する凹状部形成基板と、該凹状部形成基板を支持する支持基板とを有することを特徴とするマイクロレンズアレイの形成方法In the method for forming a microlens array according to any one of claims 1 to 3, wherein the substrate comprises a concave portion substrate for forming a plurality of minute concave portions, and a support substrate for supporting the concave portion-forming substrate A method of forming a microlens array, comprising: 請求項1ないしのいずれかに記載のマイクロレンズアレイの形成方法で形成されたマイクロレンズアレイ。A microlens array formed by forming a microlens array according to any one of claims 1 to 4.
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