JP2002122707A - 非球面マイクロ構造体、及びその作製方法 - Google Patents

非球面マイクロ構造体、及びその作製方法

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隆志 牛島
Takayuki Yagi
隆行 八木
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Abstract

(57)【要約】 【課題】容易に非球面形状マイクロ構造体を作製、制御
できるマイクロ構造体アレイ、及びその作製方法であ
る。 【解決手段】非球面マイクロ構造体は、基板１上に微小
サイズの凸形状物２を形成し、基板１及び凸形状物２上
に非球面形成層３を形成して非球面形成層３の表面張力
を用いて非球面形状を形成することで作製される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光エレクトロニク
ス分野等で使用される非球面マイクロレンズアレイ、そ
れを作製するための金型（本明細書では、特に区別する
場合を除いて、金型と言う場合は金型及び金型マスター
を含めた意味で使用する）などの非球面マイクロ構造
体、その作製方法等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、マイクロサイ
ズの微小な略半球状のレンズを複数配置したものであ
り、液晶表示装置、受光装置、光通信システムにおける
ファイバー間接続等の様々な用途に使用されるようにな
ってきた。
【０００３】一方、発光素子間隔を狭くできアレイ化が
容易な面発光レーザー等の開発が進み、レンズアレイの
間隔を狭くでき開口数（ＮＡ）の大きなマイクロレンズ
の要求が高まっている。
【０００４】受光素子においても同様に、半導体プロセ
ス技術の発達に伴い、素子間隔が狭まり、ＣＣＤ等に見
られるように、ますます受光素子の小型化がなされてい
る。この結果、ここでも、レンズ間隔の狭い、開口数の
大きなマイクロレンズアレイが必要となっている。
【０００５】さらに、今後期待される光情報処理分野で
ある光並列処理・演算、光インターコネクション等にお
いても、同様の要望がある。
【０００６】また、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）
等のディスプレイ装置の研究開発もさかんに行われ、高
精細且つ高輝度の液晶ディスプレイの開発も盛んに行わ
れている。この様なディスプレイにおいては、輝度、鮮
明度向上の役割を果たす低コストで大面積のマイクロレ
ンズアレイへの要求がある。
【０００７】一般的に、レンズは、球面形状のまま開口
数を大きくしようとすると、これに応じて球面収差が大
きくなる。よって、球面収差の補正の為に形状を非球面
化する必要がある。同様にマイクロレンズの場合も、小
型化が進む受光素子等に対応して、形状を非球面化させ
て集光率を向上させる必要がある。
【０００８】これらの理由で、非球面マイクロレンズア
レイ金型などの作製方法、及びこれを用いて作製される
非球面マイクロレンズアレイ金型などが必要とされてい
る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従来の非球面マイクロ
レンズアレイの製法としては、平板表面に形成したマス
ク層に、作製する各レンズの位置とその回りの位置に設
けた１個以上の開口部を設け、これらの開口部を通して
平板表面を部分的に化学エッチングを施すことにより母
型を作製し、該母型から非球面マイクロレンズアレイ成
形のための金型を得る方法（特開平５−１５０１０３号
公報）がある。しかし、化学反応を利用した等方性エッ
チングを用いる場合、該エッチング基板内の結晶構造が
わずかでも変化すると、所望の形状にエッチングできな
くなる場合がある。
【００１０】また、こうしたエッチング法では、所望の
形状が得られた時点で直ちに水洗しないと、エッチング
が継続してしまう。よって、微小且つ／又は高精度に非
球面マイクロレンズアレイ形状を作製しようとする場
合、所望の形状が得られた時点から水洗に至るまでの時
間に進行するエッチングを考慮せねばならない。
【００１１】他の方法としては、レンズ型要素の所望曲
率半径を求め、これよりなるポンチで試験的にレンズ型
要素を格子状配列で隣接して形成し、周囲をレンズ型要
素で囲まれた任意のレンズ型要素の半径方向の測定ライ
ンでの面高さ誤差を測定し、この誤差を補正量に置き換
えてポンチの曲率半径を数値制御（ＮＣ）研磨機などで
形状補正し、この補正したポンチを使用して非球面を含
む所望形状のマイクロレンズ型を正確に得る（特開平６
−１５４９３４号公報）方法がある。
【００１２】しかし、この方法では、例えば大面積に多
数の凹型を形成しようとする場合、非常に多くの時間を
必要とし、更に、ポンチの耐久性によっては、面内に一
様な形状の凹型を作製することが困難となる場合があ
る。
【００１３】また、他の方法としては、基板上に感光性
樹脂を塗布し、フォトリソグラフィー法によりレンズの
個数・間隔に従って樹脂を円板形状のアレイパターンに
パターニングし、該円板形状の樹脂を熱処理により球面
形状に丸め、該球面形状の樹脂をマスクとしてドライエ
ッチングを行い、マスクの形状に近い形状を基板上に転
写して得られる母型より作られる金型を用いるというも
のがある。この場合、基板のエッチング速度がマスクの
エッチング速度よりも大きくなるように設定された条件
下でドライエッチングを行うことで、非球面マイクロレ
ンズアレイを提供することができる（特開平７−１０４
１０６号公報）。
【００１４】この方法では、円板形状の樹脂マスクに従
いドライエッチングがなされる為、エッチング後の母型
には平面部分が存在し、フィルファクターの高い非球面
マイクロレンズアレイを作製することが困難である。
【００１５】本発明は、上記従来技術の有する問題点に
鑑み成されたものであり、その目的は、（１）曲率が大
きくでき、（２）容易に非球面形状を作製、制御でき、
（３）フィルファクターが高くでき、（４）大面積なア
レイ化が可能な、非球面マイクロレンズアレイなどの作
製が可能な非球面マイクロレンズアレイ金型などの非球
面マイクロ構造体、その作製方法等を提供することにあ
る。
【００１６】
【課題を解決するための手段と作用】上記目的を達成す
る本発明の非球面マイクロレンズアレイ金型などの非球
面マイクロ構造体の作製方法は、（１）基板上に微小サ
イズの凸形状物を形成する工程、（２）基板及び凸形状
物上に非球面形成層を形成し、非球面形成層の表面張力
を用いて非球面形状を形成する工程を有することを特徴
とする。基板上に凸形状物を電気メッキなどで形成し
て、その上に形成する非球面形成層の表面張力を用いて
非球面形状を形成するので、マイクロ構造体の曲率が大
きくでき、容易に非球面形状を作製、制御できる。更
に、その上に層を形成することでフィルファクターが高
くでき、大面積なアレイ化も可能である。
【００１７】上記基本的な構成に基づいて、以下の如き
態様も可能である。前記工程（１）は、（ａ）導電性部
分を有する基板を用意する工程、（ｂ）導電性部分上に
絶縁性マスク層を形成する工程、（ｃ）絶縁性マスク層
に開口部を形成する工程、（ｄ）導電性部分上に電気メ
ッキ法ないし電着を用いて、開口部及び絶縁性マスク層
上に電気メッキ層ないし電着層を形成する工程を含み得
る。この凸形状物形成法により、マイクロ構造体の曲率
が確実に大きくでき、容易に大面積なアレイ化も可能に
なる
【００１８】前記工程（２）の非球面形成層は前記工程
（ｂ）で形成されたマスク層を除去してから形成しても
よいし、支障がなければ除去しないで形成してもよい。
【００１９】前記工程（１）は、（ａ）基板上にリフロ
ー層を所望のパターンで形成する工程、（ｂ）該リフロ
ー層のリフロー処理で凸形状物を形成する工程を含んで
もよい。
【００２０】前記工程（１）において形成される凸形状
物の数は、１つでもよいし、複数であってもよい。工程
（ｃ）において形成される開口部は、円形形状ないしス
リット形状を有したり、形状が全て同一に形成された
り、規則的に配列されたりする。これらは用途に応じて
適当に決めればよい。
【００２１】前記工程（ｄ）において開口部より形成さ
れる電気メッキ層ないし電着層やリフロー法により形成
されるリフロー層は、典型的には、略半球ないし半円筒
形状である。
【００２２】前記工程（２）において形成される非球面
形成層は、スピンコート法、ディップコート法、塑性材
料を用いるCVD法などにより作製される。これも用途に
応じて適当に決めればよい。塑性材料を用いるCVD法に
より作製される非球面形成層は、熱塑性変形されて非球
面形状化される。
【００２３】前記工程（２）の後に、（３）非球面形成
層上にフライアイ形成層を形成することで、各凸形状物
をフライアイ化させる工程を更に有してもよい。これに
より、非球面フライアイ形状のフィルファクターが約１
００％である様にできる。
【００２４】前記工程（３）において形成されるフライ
アイ形成層は、電気メッキ法、無電解メッキ法、CVD法
などにより作製される。
【００２５】マイクロ構造体は、マイクロレンズアレイ
用金型などのマイクロ構造体アレイ用金型であったり、
材料によっては、マイクロレンズアレイであったりす
る。
【００２６】上記目的を達成する本発明の非球面マイク
ロレンズアレイ金型などの非球面マイクロ構造体は、微
小サイズの凸形状物と、該凸形状物上に形成された非球
面形成層より構成されることを特徴とする。この構成に
ついても、上記の如き態様が可能である。
【００２７】本発明の非球面マイクロレンズアレイ金型
などの作製方法では、典型的には、導電性部を有する基
板上に設けた絶縁性マスク層に、微小ないし微細な開口
部を１つ以上形成し、電気メッキ法などにより電気メッ
キ層ないし電着層（以下、電気メッキ層で代表する）を
形成し、更に、電気メッキ層上に有機膜、無機膜、金属
膜、金属化合物膜の何れかの材料よりなる非球面形成層
を形成し、その層の表面張力を用いて非球面形状を形成
し、場合によっては、更にフライアイ形成層を形成す
る。
【００２８】ここで、非球面形状の作製原理を説明す
る。液体にはすべて、その表面積をできるだけ小さくし
ようとする傾向がある。これは、液体分子間の分子間力
のため、表面の分子を液体内部に引き込もうとする結果
として現れる現象で、これを利用して非球面形状を作製
することができる。図１に示すように、基板１及び凸形
状物２上に、液体（若しくは固体に流動性を与えたも
の）の層（非球面形成層３）を形成すると、その層はで
きるだけ表面積を小さくしようとして、凸形状物２の裾
野の部分に新たな形状を形成する。これが、非球面形状
となる。この場合、アレイ配列したものについても、同
様の効果が得られる。
【００２９】凸形状物は電気メッキなどで形成できる。
図９で説明する。基板49上の導電層50上に形成されたマ
スク層51の開口部より電気メッキを行う際、開口部寸法
が十分に小さいと、電気メッキ層52は図９に示すように
電気メッキ液53中で等方的に成長するため、略半球形状
となる。これにより、曲率が大きい電気メッキ層52を開
口部及び絶縁性マスク層51上に形成できる。
【００３０】これに所望の表面張力を有する材料を非球
面形成層3として成膜することで、また更に、必要に応
じて、表面張力が形状に作用するような処理を加えるこ
とで、非球面形状を作製し、その形態を制御することが
できる。
【００３１】この場合、例えば、スピンコート法を用い
るとき、コート溶液の粘度、スピンコートの条件、時間
等で非球面形成層の膜厚を制御することができ、これら
により非球面形状を作製、制御できる。また、ディップ
コート法を用いる場合、溶液の粘度等により非球面形成
層の膜厚を制御することができ、これにより非球面形状
を作製、制御できる。
【００３２】これら前述の種々のコート法により得られ
る非球面形成層が熱、光或いは電子線等により硬化がな
される場合、硬化させるまでの放置時間等によっても、
更に非球面形状を制御できる。
【００３３】上記非球面形成層の材料としては、所望の
表面張力を有し、且つ硬化する材料で、必要なら更にフ
ライアイ形成層の形成に支障がないものであれば、有機
膜、無機膜、金属膜、金属化合物膜の何れの材料を用い
ることも可能である。
【００３４】更に、可塑性材料を用いるCVD法を用いる
場合、CVD法による非球面形成層が非球面形状となるよ
うに、表面張力が表面形状に作用するような処理を加え
ることで、非球面形状を作製できる。この場合、処理条
件、時間等で非球面形状を制御できる。また、上記以外
にも、フライアイ形成層の形成に支障の無い材料を所望
の表面張力でコートする手法があれば、これに限らず、
例えば、スプレーコート法を用いることもできる。この
場合、スプレー量、スプレー液の粘度等により、非球面
形状を作製、制御できる。
【００３５】これら非球面形状が得られた基板は、この
ままで、若しくは表面にCr等の化学的安定性、機械的強
度に優れた材料を被覆させることで、非球面マイクロレ
ンズアレイの金型などとして用いることができる。
【００３６】基板上に形成された非球面形状に対して、
対角方向に互いに隣接する凸形状物の側面同士を接合さ
せる様なフライアイ形成層を形成させることにより、各
凸形状物がフライアイ化され、フィルファクターが約１
００％の非球面マイクロレンズアレイ金型等をも作製す
ることができる。この場合、等方的に成長させられる手
法に用いられる材料で、且つ型として利用可能な材料な
らば、有機膜、無機膜、金属膜、金属化合物膜の何れの
材料を用いることも可能である。
【００３７】この場合も、形成された非球面マイクロレ
ンズアレイの金型の表面にCr等の耐食性、耐磨耗性に優
れた材料を被覆させることで、化学的安定性、機械的強
度を向上させられる。
【００３８】本発明では、上記非球面状構造体の形態を
利用して非球面マイクロレンズアレイ金型などを作製す
るものであり、この金型を用いてモールディングにより
作製される非球面マイクロレンズアレイ等の形態は、上
記非半球状構造体の形状と等しくなる。
【００３９】上記非球面マイクロレンズアレイ金型等
は、スピンコート法、ディップコート法、CVD法、電気
メッキ法、無電解メッキ法等の手法を用いて基板上に直
接作製でき、アレイ群が増えた場合でも容易に大判化が
可能である。更に、各工程において、凸形状のサイズ、
非球面形状等を容易に且つ高精度に制御できる為、この
金型より作製される非球面マイクロレンズアレイ等は、
容易且つ高精度にレンズ形状等を制御できる。
【００４０】これらの場合、開口部からの電気メッキ層
等の成長は図９に示すような略半球形状となるため、こ
れより得られる非球面マイクロレンズアレイの開口数は
非常に大きくできる。
【００４１】
【発明の実施の形態】本発明の非球面マイクロレンズア
レイ金型等の作製方法を、図２，３，４，５，７，８を
用いて以下に説明する。この場合、これらの図は、二次
元に配列された各素子の隣接する対角方向の断面図を示
している。
【００４２】図２，３，４，５，７を用いてワークの構
成、及びマイクロレンズアレイ金型等の作製工程を示
す。
【００４３】先ず、図２に示すように基板４上に導電層
５を形成する。この為に、基板４上に導電性薄膜をスパ
ッタリング法、抵抗加熱法、電子ビーム蒸着法、CVD
法、無電解メッキ法等の薄膜形成方法の何れかの方法を
用いて形成する。
【００４４】次に、微小な開口部を形成できる半導体フ
ォトリソグラフィーとエッチングの各プロセスを用い
て、開口部７を有する絶縁性マスク層６を形成する。こ
の場合、絶縁性マスク層６は、電気メッキに対して絶縁
性を有することが必要であり、導電層５とメッキ液との
絶縁を保つ。従って、マスク層６は絶縁性をする材料で
あればよく、有機絶縁体、無機絶縁体の何れの材料も用
いられる。但し、絶縁性マスク層６はメッキ液に耐性の
ある材料より選択される。ここで、開口部７は１つ、若
しくは１次元又は２次元のアレイ配列の何れでも得られ
る。
【００４５】上記工程により、図２（a）（又は図３
（a），図４（a），図５（a））に示すようなワークが
得られる。この場合、開口部形状を円形にする。これに
より、開口部7の形状に対応して半球形状の電気メッキ
層８が得られる。この場合、絶縁性マスク層６としてフ
ォトレジストを用いれば、エッチングのプロセスを省略
できる。
【００４６】次に、図９に示す原理を用いる電気メッキ
にて、開口部7を通じてメッキ層8を形成する。その後、
メッキ層を更に成長させ、マスク層6上にもメッキ層を
成長させられ、図２（b）に示すような略半球形状の電
気メッキ層８を得ることができる（（図３（b），図４
（b），図５（b）も同様））。ここで、メッキ層の析出
量はメッキ条件により高精度に制御できる。
【００４７】次に、スピンコート法を用いて、先に電気
メッキにて形成した半球状の電気メッキ層８及び絶縁性
マスク層６の上に硬化性有機溶液をコートすることで、
非球面形成層９を得る。硬化性有機溶液に所望の表面張
力を有する材料を用いることで、図２（c）に示すよう
な非球面形状を作製できる。ここで、メッキ層のサイズ
と硬化性有機溶液の物性、スピンコート条件、硬化条件
等の相互関係により非球面形状を制御できる。この際、
適度な表面張力を有し且つ硬化する材料であれば、有機
系の溶液に限らず、金属イオンを含むゾル−ゲル溶液等
の無機系溶液でも構わない。
【００４８】別の非球面形状の形成方法としては、ディ
ップコート法を用いて、先に電気メッキにて形成した半
球状の電気メッキ層１５及び絶縁性マスク層１３の上に
硬化性有機溶液をコートすることで非球面形成層１６を
得る。この場合、硬化性有機溶液に所望の表面張力を有
する材料を用いることで、図３（c）に示すような非球
面形状を作製できる。ここで、メッキ層１５のサイズと
硬化性有機溶液の物性、ディップコート条件、硬化条件
等の相互関係により非球面形状を制御できる。適度な表
面張力を有する材料であれば、有機系の溶液に限らず、
金属イオンを含むゾル−ゲル溶液等の無機系溶液でも構
わない。
【００４９】更に、別の非球面形状の形成方法として
は、CVD法を用いて、先に電気メッキにて形成した半球
状の電気メッキ層２２及び絶縁性マスク層２０上に可塑
性材料をコートすることで非球面形成層２３を得る。こ
の場合、CVDの条件が、絶縁性マスク層２０にダメージ
を与える場合、絶縁性マスク層を剥離する必要がある
（図４（c））。但し、絶縁性マスク層２０がCVDの条件
に耐え得る材料よりなる場合は、必ずしも剥離する必要
は無い（（図４（c），（ｄ）はその場合を示す）。前
記CVD法により析出した材料に例えば熱を加えて塑性変
形させると、表面張力の作用により非球面形状が得られ
る。この際、メッキ層のサイズとCVDに用いる材料の物
性、非球面処理に用いる条件等により非球面形状を制御
できる。
【００５０】上記種々の作製方法で得られた非球面形成
層よりなる非球面形状を有する基板は、そのまま非球面
マイクロレンズアレイ金型などとして用いることがで
き、これらに電鋳を行って得られる電鋳品より得られる
非球面マイクロレンズアレイは、この非球面マイクロレ
ンズアレイ金型と同じ形状になる。
【００５１】図８にフライアイ化工程の模式図を示す。
ここで、基板４３、導電層４４、略半球形状の電気メッ
キ層４５、非球面形成層４６の形成は後述の実施例で説
明する通りである。上記種々の作製方法により得られた
非球面形状を有する基板（図８（a））は、フィルファ
クターを向上させる為、フライアイ形成層４７、４８に
より更に個々の凸形状物の側部同士を接触（図８
（ｃ））させ、フライアイ化させられる。これにより得
られるマイクロレンズアレイの光利用効率は更に向上さ
せられる。ここで、フライアイ形成層４８の形成方法と
して、電気メッキ、無電解メッキ、CVD等の手法を用い
られる。
【００５２】以上において、非球面化に用いた材料の種
類により、これらフライアイ形成層の形成手法を使い分
ければよい。
【００５３】例えば、図２（d），図５（e）のように電
気メッキ法を用いる場合、非球面形成層９、３０が導電
性を有する材料であれば、そのまま電気メッキを行い得
る。導電性を示さない材料であれば、表面にスパッタリ
ング法、抵抗加熱法、電子ビーム蒸着法、CVD法、無電
解メッキ法等を用いて導電層を形成することで電気メッ
キを行うことができる。電気メッキで各凸形状物を等方
的に成長させて、各凸形状物を、非球面形状を有するま
まフライアイ化させられる。
【００５４】また、図３（d）のように無電解メッキ法
を用いる場合、非球面形成層１６がそのまま無電解メッ
キが可能な材料ならば、そのまま無電解メッキに用いら
れ、そのままでは適さない場合は、活性化溶液にて、基
板表面に活性化処理を行うか、無電解メッキに適した材
料を、基板表面にスパッタリング法、抵抗加熱法、電子
ビーム蒸着法、CVD法等により析出させればよい。無電
解メッキで各凸形状物を等方的に成長させることによ
り、各凸形状物を非球面形状を有するままフライアイ化
させられる。
【００５５】また、図４（e）のようにCVD法を用いる場
合、非球面形成層２３がCVD条件に耐え得る材料ならば
そのまま用いられる。CVD法で各凸形状物を等方的に成
長させることにより、各凸形状物を非球面形状を有する
ままフライアイ化させられる。
【００５６】上記種々の作製方法で得られた非球面形状
を有する基板はフライアイ化しており、そのままフィル
ファクターが約１００％の非球面マイクロレンズアレイ
金型などとして用いることができ、これらに電鋳を行っ
て得られる電鋳品より得られる非球面マイクロレンズア
レイは非球面マイクロレンズアレイ金型と同じ形状にな
る。
【００５７】電気メッキについて更に説明する。メッキ
液中で微小な開口部にメッキを行うと、図９に示すよう
に、メッキ液５３中の金属イオンが開口部に集中し、メ
ッキ層の析出は等方的なものとなり、半球状構造体５２
が形成される。開口部の寸法が陽極板に比べて小さく、
また金属イオンがメッキ液中に一様に溶解しているた
め、メッキ層の成長は等方的となる。作製する各非球面
マイクロレンズのサイズはこのプロセスが適応できるな
らば、いかなるサイズでも構わない。
【００５８】開口部の大きさは、所望の非球面マイクロ
レンズの径よりも小さくする必要がある。開口部の寸法
が所望の半球状構造体の直径よりも小さい程、半球状構
造体の形状は真半球に近づく。この為、開口径の大きさ
としては、作製するマイクロレンズのサイズにあわせて
適当なサイズを選ぶ必要がある。
【００５９】電気メッキの場合、半球状構造体はメッキ
液中の金属イオンが電気化学反応により析出することに
より形成される。電気メッキでは、メッキ時間、メッキ
液の温度、電流値等を制御してメッキ層の析出量を容易
に制御できる。
【００６０】主なメッキの金属としては、単金属ではN
i，Au，Pt，Cr，Cu，Ag，Zn等があり、合金ではCu−Z
n，Sn−Co，Ni−Fe，Zn−Ni等があるが、他の材料も電
気メッキ可能な材料であれば用いられる。特に、Ni、C
r、Cu等は光沢メッキが容易にできる点で、非球面マイ
クロレンズアレイ金型のメッキ材料として好ましい。
【００６１】上記のサイズなどについては電着について
も同様である。電着液には、電着性有機化合物（アニオ
ン型電着のアクリル系樹脂、カチオン型電着のエポキシ
系樹脂等）の電着液がある。
【００６２】無電解メッキを行う場合、メッキ時間、メ
ッキ液の温度を制御することでメッキ層の析出量を容易
に制御することが可能である。無電解メッキの種類では
Ni，Au，Cu，Co等があり、合金ではCo−Fe，Co−W，Ni
−Co，Ni−Fe，Ni−W 等がある。還元剤としては、次亜
リン酸ナトリウム、次亜リン酸カリウム、水素化ホウ素
ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、ヒドラジン、ホル
マリン、酒石酸等がある。なお、ここで還元剤として次
亜リン酸ナトリウム、次亜リン酸カリウムを用いると、
形成される無電解メッキ層はリンを含有するようにな
り、これにより耐蝕性、耐摩耗性が向上する。
【００６３】CVDを行う場合、析出条件、時間等を制御
することで、CVD層の析出量を容易に制御することがで
きる。CVDの手法としては、熱CVD、プラズマCVD、光CV
D、MO（有機金属化合物）CVD、メタルCVD等があり、必
要に応じて何れかの手法を用いられる。析出物の種類と
しては、Cu，Be，Al，Ti，Zｒ，Sn，Ta，Co，Cr，Fe，S
i，Ni，Pt，Pdなどの単金属が得られる。更にこれらの
うち、幾つかは合金、炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ
化物、酸化物として得ることができる。
【００６４】本発明において、開口部の形状を細長く形
成し、これを、１次元若しくは２次元に配列させたもの
を、上記非球面マイクロレンズアレイ金型の作製方法に
用いることにより、非球面マイクロレンチキュラレンズ
アレイ金型を作製することができる。また、開口部が1
つだけの場合は、非球面マイクロレンズ金型を作製でき
る。
【００６５】次に、非球面マイクロレンズ金型、非球面
マイクロレンズの別の作製方法を、図６を用いて以下に
説明する。
【００６６】先ず、図６（a）に示すように基板３２上
にリフロー層３３を形成する。形成方法は、微小な開口
部を形成することが可能な、半導体フォトリソグラフィ
ーとエッチングの各プロセスを用いる。この場合、リフ
ロー層３３の材料としては、基板３２の軟化点よりも低
い温度で可塑性を有する材料を選択する。この条件を満
たしていれば、フォトレジスト、ガラス、金属等を用い
ることができる。この場合、フォトレジストを用いれ
ば、エッチングのプロセスを省略できる。
【００６７】リフロー層３３の形状としては、円柱、多
角形を有する柱状物の何れの形状も選ぶことができ、更
にライン形状にパターニングすることも可能である。こ
の場合、リフロー層３３は１つ、若しくは１次元又は２
次元のアレイ配列の何れでも得られる。
【００６８】リフロー層３３が熱変形を起こす温度まで
基板３２を昇温することで、リフロー層は熱変形を起こ
す。このとき、リフロー層３３の表面張力により球面化
し、リフロー層３４となる（図６（ｂ））。これに、上
記スピンコート法、ディップコート法、CVD法の何れか
の方法を用いて非球面化処理を施すことで、図６（c）
に示すような非球面形状を得ることができる。
【００６９】上記種々の作製方法で得られた非球面形成
層３５よりなる非球面形状を有する基板は、そのまま非
球面マイクロレンズ金型として用いることができ、これ
らに電鋳を行って得られる電鋳品より得られる非球面マ
イクロレンズは、この非球面マイクロレンズ金型と同じ
形状になる。これらの場合、形成された非球面マイクロ
レンズの金型の表面にCr等の耐食性、耐磨耗性に優れた
材料を被覆させることで、化学的安定性、機械的強度を
向上させられる。
【００７０】上記種々の作製方法で得られた非球面形成
層３５よりなる非球面形状を有する基板において、基板
３２、リフロー層３４、非球面形成層３５が透光性の材
料であれば、そのまま非球面マイクロレンズとして用い
られる。
【００７１】上記非球面形成層３５よりなる非球面形状
を有する基板において、基板３２、リフロー層３４、非
球面形成層３５に対して、異方性エッチングが可能な場
合、図６（d）に示すように、母材３６にそのまま非球
面形状を転写させることができる。この場合、母材が透
光性材料であれば、そのまま非球面マイクロレンズとし
て用いられる。また、母材、リフロー層、非球面形成層
のエッチングレートが異なる場合、そのレートの違いを
利用して、形状制御を行うことも可能である。
【００７２】上記非球面マイクロレンズアレイ金型より
非球面マイクロレンズアレイを作製する工程の概略を以
下に説明する。
【００７３】まず、非球面マイクロレンズアレイ金型を
そのまま金型として用いる場合の一例を説明する。この
非球面マイクロレンズアレイ金型は凸型となっている。
この金型上に、紫外線硬化型の樹脂を塗布し、次いでガ
ラスを該樹脂の上に載せてガラス側から紫外線を照射し
て樹脂を硬化する。硬化後に、ガラスと樹脂を金型から
剥離することで、ガラス上にメッキ層の形状を反転した
樹脂からなる凹型の非球面マイクロレンズアレイが形成
される。
【００７４】この凹型のマイクロレンズアレイ上に前記
樹脂より高屈折率の樹脂を塗布し、該樹脂を硬化し、平
坦化することにより、非球面マイクロレンズアレイが作
製できる。この様な方法を用いれば、アルカリガラスが
必須とはならず、イオン交換法と比べて、レンズ材、支
持基板の材料に対する制限が少なくなる。
【００７５】紫外線硬化型の樹脂を用いた非球面マイク
ロレンズアレイの作製例を示したが、従来の熱可塑性の
樹脂を用いて金型を加熱しスタンプする、あるいは金型
上に熱硬化樹脂を塗布し加熱して樹脂を硬化する、ある
いは電子線硬化樹脂に電子線照射し硬化することで凹型
非球面マイクロレンズアレイを作製してもよい。更に、
得られた凹型の非球面マイクロレンズアレイに金属膜を
成膜して、凸型の非球面マイクロレンズアレイを得る為
の型として用いることもできる。
【００７６】次に、前述した工程で得られた電気メッキ
層、無電解メッキ層、或いはCVD層を形成した基板を非
球面マイクロレンズアレイ金型マスターとして用い、非
球面マイクロレンズアレイを作製する場合の一例を説明
する。該金型マスターに、反転金型用電極を形成し、該
金型用電極上に電気メッキを行い、金型として利用可能
な厚みまでメッキ層を成長させる。これを剥離すること
で得られる電鋳品は、凹型の非球面マイクロレンズアレ
イ金型として用いられる。この凹型の非球面マイクロレ
ンズアレイ金型を用いた非球面マイクロレンズアレイの
作製工程の一例を以下に説明する。
【００７７】紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、電子線硬化
樹脂等を塗布し、夫々の樹脂に紫外線、熱、電子線等を
当てて硬化し、金型と該樹脂等を剥離することで、非球
面マイクロレンズアレイを作製できる。熱可塑性樹脂を
用いて金型を加熱しスタンプする方式で凸型のマイクロ
レンズアレイを作製することも可能である。また、リフ
ロー法を用いてガラスに直接転写することで、ガラス基
板上に直接非球面マイクロレンズアレイを作製すること
も可能である。これらの場合、金型形状がアレイ配列さ
れていない場合でも同様のプロセスを用いられる。
【００７８】以下に実施例を図面に沿って説明する。
【００７９】（実施例１）図２の作製工程図を用いて、
本実施例の非球面マイクロレンズアレイ金型の作製例を
説明する。
【００８０】酸化ガスを用いて熱酸化し、両面に１μｍ
厚の二酸化シリコン膜が形成された縦１．５インチ×横
１インチのシリコンウエハを基板４として用いる。この
ウエハに薄膜形成法の１つであるスパッタリング法で、
Ptを２００ｎｍ成膜して導電層５を形成する。次に、フ
ォトリソグラフィープロセスによりフォトレジストを塗
布、露光、現像し、図２（a）に示す開口部７を有する
絶縁性マスク層６を形成する。ここでは開口部７は円形
をしており、その直径は５μｍである。開口部７は７０
０×７００のマトリックスで２５μｍ間隔で配置されて
いる。
【００８１】このウエハをワークとして用い、電極層５
を陰極とし、硫酸ニッケルと塩化ニッケルとホウ酸及び
光沢剤からなるＮｉメッキ浴を用いて、浴温５０℃、初
期陰極電流密度４０Ａ／ｄｍ２でＮｉ電気メッキを５分
間おこなう。こうして、開口部７内に電気メッキ層８を
析出させ、アレイ中心に位置する半球構造体の直径が約
２０μｍとなるまで電気メッキ層８を析出させる。電気
メッキ層８はマスク層６上にも広がり、図２（ｂ）に示
すような略半球形状の電気メッキ層８が形成される。
【００８２】次に、電気メッキ後の基板に、フォトリソ
グラフィープロセスに用いたフォトレジスト（粘度約２
０ｃP）を３０００rpmで３０秒間スピンコートし、電気
メッキ層８、及び絶縁性マスク層６上にスピンコート層
９を形成する。このとき、フォトレジスト９は表面張力
により、図２（c）に示すような非球面形状を形成す
る。スピンコート後の試料は直ちに１２０℃で１０分間
熱硬化させ、フォトレジストよりなるスピンコート層９
を形成する。
【００８３】続いて、スピンコート層９上に、薄膜形成
法の１つであるスパッタリング法によりPtを２００ｎｍ
成膜して、電気メッキ層１０を形成する為の導電層を形
成する。
【００８４】このウエハをワークとして用い、該導電層
を陰極とし、硫酸ニッケルと塩化ニッケルとホウ酸及び
光沢剤からなるＮｉメッキ浴を用いて、浴温５０℃、初
期陰極電流密度４０Ａ／ｄｍ２でＮｉ電気メッキを４０
分間おこなう。こうしてフライアイ化させることで、図
２（d）に示すような非球面マイクロレンズアレイ金型
が得られた。
【００８５】（実施例２）図３の作製工程図を用いて、
実施例２の非球面マイクロレンズアレイ金型の作製例を
説明する。基板１１、導電層１２、開口部１４を有する
絶縁性マスク層１３の形成については、実施例１で説明
した通りである。図３（ｂ）に示すような略半球形状の
電気メッキ層１５の形成も実施例１で説明した通りであ
る。
【００８６】次に、電気メッキ後の基板を、フォトリソ
グラフィープロセスに用いたフォトレジスト（粘度約１
ｃP）中にディップコートし、電気メッキ層１５及び絶
縁性マスク層１３上にディップコート層１６を形成す
る。このとき、フォトレジストは、表面張力により、図
３（c）に示すような非球面形状を形成する。ディップ
コート後の試料は直ちに１２０℃で１０分間熱硬化させ
て、フォトレジストよりなるディップコート層１６を硬
化させる。
【００８７】続いて、ディップコート層１６上に、薄膜
形成法の１つであるスパッタリング法によりFeを２００
ｎｍ成膜することで、無電解メッキ層１７を形成する為
の活性層を形成する。
【００８８】その後、次亜リン酸塩の還元剤を含む無電
解Ｎｉメッキ液（Ｓ−７８０、日本カニゼン株式会社
製）を用いて、浴温９０℃で無電解Ｎｉメッキを約４０
分間行なう。こうしてフライアイ化させて、図３（d）
に示すような非球面マイクロレンズアレイ金型を得るこ
とができた。
【００８９】（実施例３）図４の作製工程図を用いて、
実施例３の非球面マイクロレンズアレイ金型の作製例を
説明する。基板１８、導電層１９、開口部２１を有する
絶縁性マスク層２０の形成については、実施例１で説明
した通りである。図４（ｂ）に示すような略半球形状の
電気メッキ層２２の形成も実施例１で説明した通りであ
る。
【００９０】次に、アセトン、DMF（ジメチルホルムア
ミド）及びアッシングにて、図４（ｃ）に示す様に絶縁
性マスク層２０を除去する。マスク層２０は、支障がな
ければ除去しなくてもよい。図４（d）、図４（ｅ）で
はマスク層２０を除去していない様子を示す。
【００９１】この基板に、プラズマCVD法を用いてリン
酸ガラスよりなるCVD層を約1.5μm析出させる。これに
８００℃、５分間の熱処理を加えることで、図４（d）
に示すようなCVD層２３よりなる非球面形状を形成す
る。
【００９２】更に、CVD層２３上に、プラズマCVD法を用
いてリン酸ガラスよりなるCVD層２４を約１０μm析出さ
せる。こうしてフライアイ化させて、図４（e）に示す
ような非球面形状マイクロレンズアレイ金型を得ること
ができた。
【００９３】非球面形状化とフライアイ化を同じ層で行
うこともできる。図７（ｃ）に示すように、CVD層４１
を厚めに析出させ、これに熱処理を加えてフライアイ化
させた非球面CVD層４２とすることもできる。ここで
も、基板３７、導電層３８、開口部を有する絶縁性マス
ク層３９の形成については、実施例１で説明した通りで
ある。図７（ａ）に示すような略半球形状の電気メッキ
層４０の形成も実施例１で説明した通りである。
【００９４】（実施例４）図５の作製工程図を用いて、
実施例４の非球面マイクロレンズアレイ金型の作製例を
説明する。基板２５、導電層２６、開口部２８を有する
絶縁性マスク層２７の形成については、実施例１で説明
した通りである。図５（ｂ）に示すような略半球形状の
電気メッキ層２９の形成も実施例１で説明した通りであ
る。
【００９５】次に、アセトン、DMF（ジメチルホルムア
ミド）及びアッシングにて、絶縁性マスク層２７を除去
する。
【００９６】この基板に、プラズマCVD法を用いてリン
酸ガラスよりなるCVD層を約1.5μm析出させる。これに
８００℃、５分間熱処理を加えて、図５（d）に示すよ
うなCVD層３０よりなる非球面形状を形成する。
【００９７】続いて、CVD層３０上に、薄膜形成法の１
つであるスパッタリング法によりPtを２００ｎｍ成膜す
ることで、電気メッキ層３１を形成する為の導電層を形
成する。
【００９８】このウエハをワークとして用い、該導電層
を陰極とし、硫酸ニッケルと塩化ニッケルとホウ酸及び
光沢剤からなるＮｉメッキ浴を用いて、浴温５０℃、初
期陰極電流密度４０Ａ／ｄｍ２でＮｉ電気メッキを４０
分間おこない、フライアイ化させる。こうして図５
（e）に示すような非球面マイクロレンズアレイ金型を
得ることができた。
【００９９】（実施例５）図６の作製工程図を用いて、
実施例５の非球面マイクロレンズ金型、非球面マイクロ
レンズの作製例を説明する。
【０１００】縦１．５インチ×横１インチのシリコンウ
エハを基板３２として、この上に、フッ素を有する官能
基を持つシランカップリング剤で表面処理して撥水面を
形成する。次に、フォトリソグラフィープロセスにより
フォトレジストを８μｍの厚さで塗布、露光、現像し、
図６（a）に示すような円柱形状のフォトレジストより
成るリフロー層３３を形成する。円柱の直径は１６μｍ
とした。
【０１０１】次に、この基板を１５０℃で１５分間ベー
キングすることによりフォトレジストよりなるリフロー
層３３をリフローし、略半球形状のリフロー層３４と成
す。このとき、リフロー層３４と基板３２との接触角は
約８０°であった。
【０１０２】次に、この基板に、フォトレジスト（粘度
約２０ｃP）を３０００rpmで３０秒間スピンコートし、
リフロー層３４及び基板３２上にスピンコート層よりな
る非球面形成層３５を形成する。このとき、フォトレジ
ストは、表面張力により、図６（c）に示すような非球
面形状を形成する。スピンコート後の試料は直ちに１２
０℃で１０分間熱硬化させる。
【０１０３】非球面形成層３５上に、薄膜形成法の１つ
であるスパッタリング法によりCrを２００ｎｍ成膜する
ことで、非球面マイクロレンズ金型を得ることができ
た。Crを成膜しないものについては、そのまま非球面マ
イクロレンズとして使用し得る。
【０１０４】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明の非球面
マイクロレンズアレイ金型等の非球面マイクロ構造体及
びその作製方法では、例えば、電極上に設けた絶縁性マ
スク層に形成した微小な開口部から電気メッキ層を成長
させ、電気メッキ層を得ることで、若しくはリフロー法
を用いることで、略半球形状等の凸形状物を形成し、こ
こに表面張力を用いて非球面形成層をすることができ
る。これにより、この後の工程から得られる非球面マイ
クロレンズアレイ金型等の非球面マイクロ構造体は曲率
が大きいものを作製することができる。
【０１０５】この場合、非球面形状は、略半球形状等を
形成する電気メッキ層若しくはリフロー層のサイズ、非
球面形成層の作製及び処理条件、フライアイ工程の条件
等により容易に作製、制御できる。また、各凸形状物を
フライアイ化させることで、フィルファクターが約１０
０％となり、光利用効率に優れた非球面マイクロレンズ
アレイ用の金型等を作製することができる。
【０１０６】また、全てのプロセスを１つの基板上で行
うことができ、プロセスに用いる手法が大判化へ容易に
対応できるため、大判化にしても、同様に非球面マイク
ロレンズアレイ金型等の非球面マイクロ構造体の作製方
法を実現できる。
【０１０７】この非球面マイクロレンズアレイ金型より
作製される非球面マイクロレンズアレイは、非球面マイ
クロレンズアレイ金型と同一形状のものを得ることがで
き、１つの金型より、少なくとも１０００枚以上の非球
面マイクロレンズアレイの作製が可能であるため、再現
性良く大量生産が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の非球面形状のマイクロ構造体の作製原
理を説明する図である。
【図２】本発明の実施例１に用いた金型用電極基板の構
成とマイクロレンズアレイ金型の作製方法を示す図であ
る。
【図３】本発明の実施例２に用いた金型用電極基板の構
成とマイクロレンズアレイ金型の作製方法を示す図であ
る。
【図４】本発明の実施例３に用いた金型用電極基板の構
成とマイクロレンズアレイ金型の作製方法を示す図であ
る。
【図５】本発明の実施例４に用いた金型用電極基板の構
成とマイクロレンズアレイ金型の作製方法を示す図であ
る。
【図６】本発明の実施例５に用いた金型用電極基板の構
成とマイクロレンズアレイ金型の作製方法を示す図であ
る。
【図７】本発明の実施例３の変形例に用いた金型用電極
基板の構成とマイクロレンズアレイ金型の作製方法を示
す図である。
【図８】本発明におけるフライアイ化の原理を示す図で
ある。
【図９】本発明の電気メッキによる半球状構造体の作製
原理を説明する図である。
【符号の説明】
１，４，１１，１８，２５，３２，３６，３７，４３，
４９ 基板 ２ 凸形状物 ３，３５，４６ 非球面形成層 ５，１２，１９，２６，３８，４４，５０ 導電層 ６，１３，２０，２７，３９，５１ 絶縁性マスク層 ７，１４，２１，２８ 開口部 ８，１０，１５，２２，２９，３１，４０，４５ 電気
メッキ層 ９ スピンコート層 １６ ディップコート層 １７ 無電解メッキ層 ２３，２４，３０，４１，４２ CVD層 ３３，３４ リフロー層 ４７，４８ フライアイ形成層 ５２ 半球状構造体 ５３ 金属イオンを含む電気メッキ液

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】非球面マイクロ構造体の作製方法であっ
    て、 （１）基板上に微小サイズの凸形状物を形成する工程、 （２）基板及び凸形状物上に非球面形成層を形成し、非
    球面形成層の表面張力を用いて非球面形状を形成する工
    程、 を有することを特徴とする非球面マイクロ構造体の作製
    方法。
  2. 【請求項２】前記工程（１）が、 （ａ）導電性部分を有する基板を用意する工程、 （ｂ）導電性部分上に絶縁性マスク層を形成する工程、 （ｃ）絶縁性マスク層に開口部を形成する工程、 （ｄ）導電性部分上に電気メッキ法ないし電着を用い
    て、開口部及び絶縁性マスク層上に電気メッキ層ないし
    電着層を形成する工程、 を含むことを特徴とする請求項１に記載の非球面マイク
    ロ構造体の作製方法。
  3. 【請求項３】前記工程（２）の非球面形成層は前記工程
    （ｂ）で形成された絶縁性マスク層を除去してから形成
    されることを特徴とする請求項２に記載の非球面マイク
    ロ構造体の作製方法。
  4. 【請求項４】前記工程（１）が、 （ａ）基板上にリフロー層を所望のパターンで形成する
    工程、 （ｂ）該リフロー層のリフロー処理で凸形状物を形成す
    る工程、 を含むことを特徴とする請求項１に記載の非球面マイク
    ロ構造体の作製方法。
  5. 【請求項５】前記工程（１）において形成される凸形状
    物の数が、１つ以上であることを特徴とする請求項１乃
    至４の何れかに記載の非球面マイクロ構造体の作製方
    法。
  6. 【請求項６】工程（ｃ）において形成される開口部が、
    円形形状ないしスリット形状を有することを特徴とする
    請求項２、３または５に記載の非球面マイクロ構造体の
    作製方法。
  7. 【請求項７】前記工程（ｃ）において、開口部の形状が
    全て同一に形成されることを特徴とする請求項５または
    ６に記載の非球面マイクロ構造体の作製方法。
  8. 【請求項８】前記工程（ｃ）において、開口部が規則的
    に配列されることを特徴とする請求項５、６または７に
    記載の非球面マイクロ構造体の作製方法。
  9. 【請求項９】工程（ｄ）において開口部より形成される
    電気メッキ層ないし電着層が、略半球ないし半円筒形状
    であることを特徴とする請求項２、３、及び５乃至８の
    何れかに記載の非球面マイクロ構造体の作製方法。
  10. 【請求項１０】工程（ｂ）においてリフロー法により形
    成されるリフロー層が、略半球ないし半円筒形状である
    ことを特徴とする請求項４に記載の非球面マイクロ構造
    体の作製方法。
  11. 【請求項１１】前記工程（２）において形成される非球
    面形成層が、スピンコート法により作製されることを特
    徴とする請求項１乃至１０の何れかに記載の非球面マイ
    クロ構造体の作製方法。
  12. 【請求項１２】前記工程（２）において形成される非球
    面形成層が、ディップコート法により作製されることを
    特徴とする請求項１乃至１０の何れかに記載の非球面マ
    イクロ構造体の作製方法。
  13. 【請求項１３】前記工程（２）において形成される非球
    面形成層が、塑性材料を用いるCVD法により作製される
    ことを特徴とする請求項１乃至１０の何れかに記載の非
    球面マイクロ構造体の作製方法。
  14. 【請求項１４】前記工程（２）において形成される非球
    面形成層が、塑性材料を用いるCVD法により作製され、
    熱塑性変形されることを特徴とする請求項１３に記載の
    非球面マイクロ構造体の作製方法。
  15. 【請求項１５】前記工程（２）の後に、 （３）非球面形成層上にフライアイ形成層を形成するこ
    とで、各凸形状物をフライアイ化させる工程、 を更に有することを特徴とする請求項１乃至１４の何れ
    かに記載の非球面マイクロ構造体の作製方法。
  16. 【請求項１６】前記工程（３）において、非球面フライ
    アイ形状のフィルファクターが約１００％であることを
    特徴とする請求項１５に記載の非球面マイクロ構造体の
    作製方法。
  17. 【請求項１７】前記工程（３）において形成されるフラ
    イアイ形成層が、電気メッキ法により作製されることを
    特徴とする請求項１５または１６に記載の非球面マイク
    ロ構造体の作製方法。
  18. 【請求項１８】前記工程（３）において形成されるフラ
    イアイ形成層が、無電解メッキ法により作製されること
    を特徴とする請求項１５または１６に記載の非球面マイ
    クロ構造体の作製方法。
  19. 【請求項１９】工程（９）において形成されるフライア
    イ形成層が、CVD法により作製されることを特徴とする
    請求項１５または１６に記載の非球面マイクロ構造体の
    作製方法。
  20. 【請求項２０】マイクロ構造体はマイクロ構造体アレイ
    用金型であることを特徴とする請求項１乃至１９の何れ
    かに記載の非球面マイクロ構造体の作製方法。
  21. 【請求項２１】マイクロ構造体はマイクロレンズアレイ
    用金型であることを特徴とする請求項２０に記載の非球
    面マイクロ構造体の作製方法。
  22. 【請求項２２】マイクロ構造体はマイクロレンズアレイ
    であることを特徴とする請求項１乃至１９の何れかに記
    載の非球面マイクロ構造体の作製方法。
  23. 【請求項２３】微小サイズの凸形状物と、該凸形状物上
    に形成された非球面形成層より構成されることを特徴と
    する非球面マイクロ構造体。
  24. 【請求項２４】前記凸形状物は複数配列され、前記非球
    面形成層上にフライアイ化させるフライアイ形成層が形
    成されていることを特徴とする請求項２３に記載の非球
    面マイクロ構造体。
  25. 【請求項２５】非球面フライアイ形状のフィルファクタ
    ーが約１００％であることを特徴とする請求項２４に記
    載の非球面マイクロ構造体。
  26. 【請求項２６】マイクロ構造体アレイ用金型であること
    を特徴とする請求項２３乃至２５の何れかに記載の非球
    面マイクロ構造体。
  27. 【請求項２７】マイクロレンズアレイ用金型であること
    を特徴とする請求項２６に記載の非球面マイクロ構造
    体。
  28. 【請求項２８】マイクロレンズアレイであることを特徴
    とする請求項２３乃至２５の何れかに記載の非球面マイ
    クロ構造体。
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