JP2004258423A

JP2004258423A - 三角溝及び光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP2004258423A
Application number: JP2003050197A
Authority: JP
Inventors: Seiji Umemoto; 清司梅本; Yuuki Nakano; 勇樹中野; Riyouji Kinoshita; 亮児木下; Ichiro Amino; 一郎網野; Toshihiko Ariyoshi; 俊彦有吉
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】形状精度に優れる三角溝、特に溝頂点部に形状異常が発生しにくい三角溝の製造方法の開発
【解決手段】光の照射形状を規制する光透過部を形成する投影マスクを介した光照射で高分子膜を部分的にエッチングして高分子膜に三角形の断面を具備する凹部を形成するにあたり光透過部が閉塞する前にエッチングを停止する製造方法、その製造方法による三角溝を形成する操作を繰り返して高分子膜の片面に複数の三角溝をブレーズド回折格子や光出射手段などの光学機能を示す状態に分布させる光学素子の製造方法、その光学素子の三角溝を分布させた面形状を写した金型を得てその面形状を高分子層に転写する光学素子の製造方法。
【効果】急斜面を伴う三角溝をマスク固定方式等で形成する場合にも溝頂点に異常エッチングによる異常形状が発生しにくい
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、溝頂点の形状異常を抑制できる三角溝の製造方法、及びその三角溝により横方向の入射光を効率よく縦方向に光路変換する光出射手段やブレーズド回折格子、導波路等の光学機能を示す光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
従来、エキシマレーザ等のレーザー光を用いたアブレーション加工により高分子膜の表面をエッチングして凹部を形成する方法が知られていた（特開平３−８９５１８）。斯かる方法は、バイトや砥石等による切削加工方式では形成が困難な、膜面内の任意な位置に微細凹部を形成しうる利点などを有する。しかしながら従来方法では、形成される凹部が形状精度に乏しい問題点があった。
【０００３】
【発明の技術的課題】
本発明は、形状精度に優れる三角溝、特に溝頂点部に形状異常が発生しにくい三角溝の製造方法の開発を目的とする。ちなみに三角溝の形成は、例えば２枚のマスクで光透過部となる開口を形成し、その開口を介し高分子膜の吸収波長に相当するレーザー光を照射して高分子膜をエッチングし、その際にマスクの移動で開口を閉塞することにより行うことができる。
【０００４】
前記の方法で例えば直角三角形の断面を有する凹部の形成を目的とする場合には、照射エネルギーの分布が直角三角形となるようにレーザー光を照射してエッチングする方式が採られ、例えばマスクの一方を固定して垂直面が形成されるようにし、他方のマスクの移動を介し開口を一定速度で閉塞して一定の傾斜角でエッチングする方法が採られる。
【０００５】
しかし垂直面の形成を予定したマスク固定側では急斜面となり、その急斜面とほぼ予定通りのマスク移動側の傾斜面との連結部分である溝頂点部が異常にエッチングされた凹部が形成されることとなる。その異常エッチングによる溝頂点部における形状の異常化は、マスク移動側の傾斜面における反射の異常点になるなど、三角溝の光学機能を大きく損なうものであり、回避される必要がある。
【０００６】
【課題の解決手段】
本発明は、光の照射形状を規制する光透過部を形成する投影マスクを介した光照射で高分子膜を部分的にエッチングして高分子膜に三角形の断面を具備する凹部を形成するにあたり、前記投影マスクによる光透過部を２枚以上の部分マスクで形成してそれら部分マスクの内の、当該形成目的の凹部における対向する一対の辺を形成する部分マスクを当該光透過部が凹部形成開始の開状態から閉塞する方向に移動させて、高分子膜に凹部における斜面を形成するものであり、かつその斜面形成の際に当該光透過部が閉塞する前にエッチングを停止することを特徴とする三角溝の製造方法を提供するものである。
【０００７】
また本発明は、前記の製造方法により、高分子膜平面に対し所定傾斜角の斜面を具備する三角溝を形成する操作を繰り返して、高分子膜の片面に複数の三角溝をブレーズド回折格子や光出射手段などの光学機能を示す状態に分布させることを特徴とする光学素子の製造方法を提供するものである。
【０００８】
さらに本発明は、前記の製造方法による光学素子の三角溝を分布させた面上に金属層を形成した後、その金属層と光学素子を分離して光学素子形成用金型を得る工程、その金型における三角溝分布を形成しうる凸部を有する面形状を高分子層に転写した後、その高分子層を固体の状態で金型より分離する工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法を提供するものである。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、急斜面を伴う三角溝をマスク固定方式等で形成する場合にも溝頂点に異常エッチングによる異常形状が発生しにくく、マスク移動による光透過部閉塞方式にて形状精度に優れる三角断面具備の凹部を形成することができる。またその三角溝からなる微細構造の凹部も位置精度よく分布させることができ、横方向の光を縦方向に効率よく光路変換する光出射手段やブレーズド回折格子などの、三角溝の分布構造に基づいて光学機能を示す光学素子を得ることができる。特に金型を介し所定形状を転写する方法では所定の光学機能を示す光学素子を効率よく得ることができる。
【００１０】
前記した光透過部閉塞前のエッチング停止方式で溝頂点部の形状異常化が回避される理由は不明である。すなわち斯かる方式では溝頂点部にエッチングの未了部分が発生することが予測され、エッチング停止が早すぎる場合にはその予測通りとなる。一方、溝頂点部で発生する異常エッチングの原因を、垂直面予定のマスク固定側で形成される急斜面にエッチング光が入射し、その光が反射して溝頂点部に集光し予定外の過度なエッチングが発生して深くエッチングされるためと考えると、その過度なエッチングは、急斜面の形成開始より始まって凹部形成の全過程におけるそれが累積することとなる。
【００１１】
しかし前記した過度なエッチングの累積結果は現れないから、前記の考えでは異常エッチングの発生を十分に説明できない。ただしエッチングが進行して急斜面の大きさが増大した三角溝の溝頂点の近傍を形成する段階で過度なエッチングが発生すると仮定した場合には、前記の考えで異常エッチングの発生を合理的に説明できる。従って上記のように本発明にて溝頂点部の形状異常化が回避される明確な理由は不明である。
【００１２】
なお光透過部の閉塞後にエッチングを停止する方式で異常エッチングの発生を防止する試みを、例えば光の照射エネルギー密度や照射パルス数ないし照射時間などの条件を変更して行ったが、解決は困難であった。一方、マスク固定側でエッチング面が垂直面とならずに急斜面となる理由は、その急斜面の角度が光の照射条件や高分子膜の種類にて決まることより、マスクのエッジ作用であると考えられる。
【００１３】
【発明の実施形態】
本発明による三角溝の製造方法は、光の照射形状を規制する光透過部を形成する投影マスクを介した光照射で高分子膜を部分的にエッチングして高分子膜に三角形の断面を具備する凹部を形成するものであり、その形成にあたり、前記投影マスクによる光透過部を２枚以上の部分マスクで形成してそれら部分マスクの内の、当該形成目的の凹部における対向する一対の辺を形成する部分マスクを当該光透過部が凹部形成開始の開状態から閉塞する方向に移動させて、高分子膜に凹部における斜面を形成し、かつその斜面形成の際に当該光透過部が閉塞する前にエッチングを停止するものである。
【００１４】
図１に前記方法の実施に用いうる装置を例示した。投影マスクは、光の照射形状を規制する光透過部を形成する部分マスク１、２からなる。図例では、光遮蔽材料からなる部分マスク１が開口を有し、不必要な透過光の遮蔽下に光透過用の開口を介して透過光による光照射形状の最大形を規制するようになっており、配置位置が固定されている。部分マスク２は、光遮蔽材料で形成されて移動可能となっており、その移動を介した透過光の遮蔽で部分マスク１の開口に供給される光を規制できるようになっている。
【００１５】
従って部分マスク１に対する部分マスク２の配置位置に基づいて光透過部の形状が規制され、高分子膜８に対する光の初期の照射形状が決定される。また部分マスク２が部分マスク１の開口上を一定速度又は任意速度で光透過部を閉塞する方向に移動することで高分子膜に対する光の照射形状が変化する。その変化は、高分子膜に対する光の照射幅が部分マスク２の移動速度に応じて狭くなるものである。またその狭くなる部分マスク２の移動方向に光照射量が増大して深くエッチングされ、傾斜面の形成、ひいては三角溝の形成が可能となる。
【００１６】
なお図１において３は、光３１の供給手段としてのレーザー発振器である。部分マスク２とレーザー発振器３の間には、図例の如く必要に応じて例えばビームホモジナイザやハエの目レンズなどからなる照射光たるビームの均一化手段４や、例えばアッテネータ等の光量調節手段５を配置することもできる。
【００１７】
一方、部分マスク１と高分子膜（ワーク）の間には、図例の如く必要に応じて例えば光透過部を透過した光の大きさを制御して、一般には縮小してワークに照射するための例えばレンズ等からなる、投影像を作り出す光学機器６を配置することもできる。
【００１８】
なお７は、高分子膜８を固定保持するワークステージである。部分マスクも必要に応じて図外のマスクステージに固定保持される。マスクステージ、ワークステージ、光学機器は、高分子膜に対して正確な光照射を行うことなどを目的に、部分マスクや高分子膜等の位置や角度などを制御できるように図外の駆動源を介しそれぞれ独立して、三次元直交座標に基づくＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向に移動でき、かつＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸において軸回転できるように形成することもできる。またワークステージは、あおり動作が可能なものであってもよく、また高分子膜を吸着機構等を介して容易に着脱できるようにしたものであっても良い。
【００１９】
前記によりレーザー発振器３からの出射光３１が、部分マスク１、２にて形成される光透過部を透過することで照射形状に規制され、その規制光３２の大きさがレンズ６を介し制御（縮小）３３されて高分子膜８に照射され、その高分子膜の形成材が照射光によりエッチングされて消失し、除去される。
【００２０】
前記の場合に図２に例示の如く、部分マスク２と部分マスク１が光透過部における閉塞用対向辺を一辺ずつ分担するように配置して凹部形成を開始する開状態Ｗ０の光透過部とし、その光透過部を介し配置位置を固定した高分子膜に光を照射しつつ、部分マスク２を矢印の如く光透過部が閉塞する方向の図上右側に移動させる。
【００２１】
前記の部分マスク２を介した光透過部における凹部形成開始の開状態から閉塞方向への移動操作により、部分マスク２の移動距離に応じて高分子膜の形成材を連続的に除去でき、その場合に光の照射時間が長い位置（光透過量の積分値が多い位置）ほど、従って光透過部の閉塞位置に近いほど深くエッチングされ高分子膜に凹部における斜面ａが形成される。また位置固定の部分マスク１の側では光の照射時間に応じて深くエッチングされ急斜面ｂが形成される。その結果、図２Ａに例示の如く目的とする三角形の断面を有する凹部の形態が高分子膜に形成される。
【００２２】
前記において部分マスク２を移動して斜面を形成するためのエッチング処理は、図２イに例示の如く光透過部が閉塞状態となる前（Ｗｓ）に停止される。これにより図２ロに例示の如く溝頂点部での過剰エッチングによる予定外の異常形状の発生が防止され、目的とした三角形の断面を有する凹部からなる三角溝が形成される。上記の例で形成される三角溝は、部分マスク１、２を介した光透過部の形状に基づいて高分子膜面における開口が方形（長方形）のものである。なお斯かる三角形や方形は、厳密なものでなく製造精度等に基づく変形が許容される。
【００２３】
従って上記した部分マスク１、２を介して形成した光透過部の如く、２枚以上の部分マスクを用いて光透過部を変形可能に形成し、その光透過部を介し高分子膜に照射する光線像を制御して、具体的には形成目的の凹部における対向する一対の辺を形成する部分マスクの一方又は両方を介した光透過部の開状態（凹部形成開始状態）から閉塞する方向への動作により、その部分マスクの移動方向における光透過量の積分値を連続的に変化させて、形成される凹部の深さ方向における単位面積当たりのエッチング量を連続的に変化させて凹部における斜面を形成しつつ、光透過部が閉塞する前にエッチングを停止することにより、高分子膜に目的とする三角形の断面を具備する凹部を形成することができる。
【００２４】
なお上記の例では各部分マスクを１枚のマスクにて形成したが、２枚以上のマスクの組合せにて目的とする形態を形成する部分マスクとすることもできる。また図例では部分マスク１、２が上下で重畳する配置関係として、光の照射形状を規制する光透過部を形成したが光透過部は、投影マスクを形成する２枚又は３枚以上の部分マスクの全体を介して光を四辺形等の所定の照射形状に成形規制する形態が形成されればよい。
【００２５】
従って例えば開口部を有しない短冊などからなる全遮蔽型の部分マスクの複数を用いて投影マスクとし、それらを中央に所定形状の開口部が形成されるように配置して光の照射形状を規制する光透過部を形成することもできる。また四辺形の光透過部とする場合には、コノ字形やＬ字形の全遮蔽型の部分マスクの２枚、又はコノ字形とＩ字形の全遮蔽型の部分マスクの２枚を用いて投影マスクとし、それらを中央に四辺形の開口部が形成されるように口ノ字状に配置して光透過部を形成することもできる。
【００２６】
前記の如く投影マスクは、光の照射形状を規制する光透過部を形成できる、適宜な形態を有する複数の部分マスクの組合せ体として形成することができる。その投影マスクを介して形成する光透過部の大きさについては、特に限定はない。光透過部による光透過像は、必要に応じレンズ等の光学機器を介しその大きさを制御して、一般には縮小して高分子膜に照射できることより、その過程でのサイズ制御も可能であり、従って光透過部の大きさは形成目的の凹部サイズなどに応じて適宜に決定することができる。
【００２７】
また光透過部の形状については一般には四辺形とされるが、他の多角形などとすることもでき任意である。光透過部を介して高分子膜上に形成する三角形の断面を有する凹部のサイズや斜面形態などについても任意である。形成する凹部における斜面の角度は、光透過部を閉塞する際の部分マスクの移動速度、照射光の強さや量などにて制御することができる。光の照射量を一定として単位時間当たりのエッチング量を一定とし、部分マスクを一定速度で移動させることにより、傾斜角が一定な斜面を形成することができる。
【００２８】
投影マスクを形成する部分マスクとしては、光遮蔽性材料からなる適宜なものを用いうる。ちなみにレーザー光用の部分マスクとしては、金属からなるもの、石英等からなるガラス板上に金属や誘電体等の適宜なレーザー光遮蔽性材料を蒸着し、必要に応じてその蒸着層をパターニングして光透過部を形成してなるガラスマスクなども用いうる。
【００２９】
前記のガラスマスクにおける蒸着材料としては、限定するものではないが、レーザー光に対する耐久性や解像力の点より、クロムやアルミニウム、モリブデンや誘電体多層膜などが好ましい。なお部分マスクは、上記したように２枚又は３枚以上のマスクで形成し、それらを所定の形態に組み合わせて光の照射に供することもできる。
【００３０】
エッチング処理は、光を連続照射する方式にて行うこともできるし、パルス方式の如く光を断続的に照射する方式にて行うこともでき、適宜な方式で行うことができる。前者の光連続照射方式で傾斜角が一定な斜面を形成するためには、同期方式等にて光照射の開始と同時に部分マスクを閉塞移動させることが必要である。
【００３１】
後者の光断続的照射方式では図２イに照射エネルギー分布密度を示した如く斜面は、階段状のものとして形成される。従って厳密な意味での傾斜角が一定な斜面の形成は困難であるが、ステップの高さ制御で実用的には傾斜角が一定な斜面に準じた機能を示す（階段状の）斜面を形成することができる。光断続的照射方式では部分マスクの閉塞移動も断続的に行えて、エッチング操作が容易な利点がある。
【００３２】
エッチング光には高分子膜を部分的に除去できる適宜なものを用いうる。一般にはレーザー光が用いられ、高次の変調光として照射することもできる。そのレーザー発振器には、例えばエキシマレーザーやＹＡＧレーザー、ＣＯ_２レーザーやフェムト秒レーザーなどの適宜なものを１種又は２種以上用いうる。就中、微細加工精度等の点より波長４００ｎｍ以下の紫外領域のレーザー光が好ましい。またエッチング処理は、アブレーション加工による方式が好ましい。
【００３３】
部分マスクによる光透過部の閉塞操作において、可及的に垂直面に近いエッチング面を形成する点よりは、そのエッチング面を形成するための部分マスクを移動させないで位置固定しておくことが有利である。従って形成目的の凹部における対向辺を形成する部分マスクの一方の辺を形成する部分マスクのみを閉塞移動させることが好ましい。
【００３４】
また部分マスクによる光透過部の閉塞操作において、その閉塞前におけるエッチング処理の停止は、上記したように形成目的の三角溝における溝頂点部での異常エッチングによるエッチング形状の異常化の防止を目的とする。そのエッチング停止時は、三角溝の光学機能の維持性の点より、図２イ、ロに例示した如く形成目的の凹部Ａの深さをＤとしたとき、凹部の対向辺を形成する部分マスク１、２の間隙Ｗｓに基づいて、Ｗｓ＝Ｄ／ｔａｎθ（ただしθ＝６５〜８５度）を満足する時が好ましい。そのθが８５度超では溝頂点部にエッチング形状の異常化が発生して三角溝の光学機能が大きく低下しやすい。またθが６５度未満では加工不足で溝頂点部の形成にまで加工が進行しにくく、溝頂点部が曲率半径の大きい形態となるか平坦化して台形溝の形状に近くなり、三角溝に属さないものとなりやすい。
【００３５】
当該θは、高分子膜の種類やエッチング条件にて変化するが、ポリイミドの場合の特に好ましい当該θは、７０〜８０度の範囲である。なお部分マスクによる光透過部が所定の閉塞前状態となった時におけるエッチング処理の停止は、高分子膜に対する光の照射を中止でき、例えば光源の電源を切断する方式や光源のシャッター方式による光の遮蔽など、適宜な方式で行うことができる。
【００３６】
また図２において溝深さＤの増大と共に急斜面ｂへの照射エネルギー量も増大して溝頂点部を形成する際の影響も大きくなることより、その影響を抑制する点よりエッチング操作による三角溝の形成において前記のＤは、１００μｍ以下、就中５０μｍ以下とすることが好ましく、またＷ０（加工幅）／Ｄを５０／１〜２／１とすることが好ましい。特に好ましい条件は、そのＷ０に基づいて１００μｍ以下、就中５０μｍ以下、特に３〜２０μｍである。Ｗ０が３μｍ未満では部分マスクによる回折の影響が大きくなり、急斜面ｂの角度が大きくなってＶ字状の溝形状となりやすく、形成する溝の形状を制御しにくくなる。
【００３７】
エッチング対象の高分子膜としては、照射光を吸収してエッチング処理できる適宜な材質からなるものを用いることができ、特に限定がない。一般には電気絶縁性を示してレーザー光でエッチングできる高分子フィルムが用いられる。就中、紫外域のレーザー光による加工性の点よりは、アクリル系やメタクリル系やウレタン系等の紫外線硬化樹脂などからなる紫外線吸収性のものが好ましい。また可視光域の透過率に優れるものが好ましい。なお通例では高分子膜の吸収波長域にない光にあっても、２光子吸収によるアブレーション加工なども可能であるので高分子膜の種類は幅広く選択することができる。
【００３８】
ちなみに前記高分子膜の例としては、ポリエステル系樹脂やセルロース系樹脂、ウレタン系樹脂やポリスチレン系樹脂、ポリエチレン系樹脂やポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂やアクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂やポリエーテル系樹脂、塩化ビニル系樹脂やポリエーテルスルホン系樹脂、ノルボルネン系樹脂やポリフェニレンスルフィド系樹脂などの熱可塑性樹脂からなる塗工膜やフィルムなどがあげられる。
【００３９】
また特開２００１−３４３５２９号公報（ＷＯ０１／３７００７）に記載のポリマー、例えば（Ａ）側鎖に置換又は／及び非置換のイミド基を有する熱可塑性樹脂と、（Ｂ）側鎖に置換又は／及び非置換のフェニル基並びにニトリル基を有する熱可塑性樹脂との前記Ａ、Ｂを含有する樹脂組成物、あるいはアクリル系やウレタン系、アクリルウレタン系やエポキシ系、シリコーン系等の熱や光、ないし紫外線や電子線等の放射線で重合処理しうる硬化型樹脂からなる塗工膜やフィルムなどよりなる高分子膜もあげられる。
【００４０】
なお前記Ａ、Ｂを含有する樹脂組成物の具体例としては、イソブテンとＮ−メチルマレイミドからなる交互共重合体とアクリロニトリル・スチレン共重合体とを含有するものなどがあげられる。フィルムは、樹脂組成物の押出成形などにて形成することができる。高分子膜は、１種のポリマー又は２種以上のポリマー混合物を用いて前記の如く塗工膜やフィルムなどとして形成することができる。
【００４１】
耐熱性や耐薬品性、レーザー加工性の点より好ましい高分子膜は、熱硬化性樹脂、特にポリイミド系樹脂からなる高分子フィルムである。高分子膜の厚さは、任意であるが加工時のハンドリング性や、形成される凹部におけるエッジ部分のシャープさ、加工表面のフラット性などの点より５００μｍ以下、就中５〜２００μｍ、特に１０〜１００μｍが好ましい。なお高分子膜は、必要に応じガラス基板上や金属板上に保持して、ワークステージ上に配置することもできる。
【００４２】
上記した三角溝の製造方法は、例えば高分子膜平面に対し所定傾斜角の斜面を具備する三角溝を形成する操作を繰り返して、高分子膜の片面に複数の三角溝を光学機能を示す状態に分布させてなる光学素子の製造に好ましく適用することができる。
【００４３】
前記の方法にて形成する光学素子については特に限定はない。ちなみにその例としては、三角溝の分布が光の通路としての光学機能を示す導波路や、三角溝の分布が回折格子としての光学機能を示すブレーズド回折格子、あるいは三角溝の分布が横方向の入射光を縦方向に光路変換する光出射手段としての光学機能を示す面発光化素子、その他、反射防止素子や異方性拡散シートなどがあげられる。
【００４４】
従って光学素子における斜面傾斜角等の三角溝の形態は、目的とする光学機能に応じて適宜に決定しうる。また複数の三角溝の分布形態も目的とする光学機能に応じて適宜に決定しうる。ちなみにその分布形態としては、三角溝が光通路となるように回路状に連続溝として形成された分布形態、連続した三角溝をストライプ状に配列させた分布形態、あるいは微小な三角溝を分散分布させた形態などがあげられる。
【００４５】
前記分布形態の三角溝の形成は、例えば図１の例ではワークステージ７を介して高分子膜８を移動させると共にレーザー照射３３を断続する方式などにて、上記の方法による所定形態の三角溝を形成するエッチング操作を高分子膜の所定位置に繰り返すことにより行うことができる。
【００４６】
光学素子は、前記の方法で一体ずつ製造することができる。量産性等の点より光学素子の好ましい製造方法は、上記の方法で得た光学素子を母型に用いて、光学素子形成用の金型を製造し、その金型を用いて光学素子を量産する方法である。すなわち上記のエッチング操作による製造方法で形成した光学素子における三角溝を分布させた面上に金属層を形成し、その金属層を光学素子と分離して光学素子形成用金型を得、その金型における三角溝分布を形成しうる凸部を有する面形状を高分子層に転写した後、その高分子層を固体の状態で金型より分離して光学素子を製造する方法である。
【００４７】
なお前記の三角溝分布形態を金型に転写して光学素子を製造する方法は、その母型が光学素子でない場合にも適用でき、その非光学素子に設けた所定の形態を金型に転写し、その金型に転写した面形態を光学素子形成用の透明基材に転写する方法にても光学素子を形成することができる。従ってその場合には上記した高分子膜として透明基材以外のものも用いうる。
【００４８】
前記した光学素子形成用金型の製造は、例えば電気鋳造法を適用して行うことができる。これにより高分子膜等に設けた三角溝分布を形成する凹部に高精度に対応した凸部を有する金型を形成することができる。電気鋳造法は、高分子膜等のエッチング加工を施した側より金属を充填して、高分子膜等の当該三角溝分布を有する面形状を写したレプリカを有する金属層からなる金型を形成する、従来に準じた方法を適用することができる。
【００４９】
前記の場合、高分子膜等はガラスや金属等からなる基板上に支持することができる。なお金属層からなる金型の形成に際しては絶縁性の高分子膜に導電膜が設けられるが、その導電膜の形成についても従来に準じた方法を適用することができる。
【００５０】
金型を形成する金属の種類については特に限定はなく、一般には例えば金や銀、銅や鉄、ニッケルやコバルト、あるいはそれらの合金類などが用いられ、窒化物やリン等を添加したものなどであってもよい。用いる金属種は、１種でもよし、２種以上であってもよく、また異種金属を積層してなる金型を形成することもできる。
【００５１】
金型として形成する金属層の厚さは、適宜に決定してよい。高分子膜等と分離する際の破損防止や、光学素子形成時のハンドリング性などの点より、凸部を有しない部分の厚さが０．０２〜３ｍｍ程度の金属層からなる金属箔ないし金属板による金型としたものが好ましい。
【００５２】
前記の金型を介した光学素子の形成は、例えば放射線硬化型樹脂を必要に応じ透明フィルムや透明板等に塗布して支持した状態で、金型の凸部を形成した面に密着させて、放射線硬化型樹脂層に金型の凸部形成側の表面形状を写し、それにより当該表面形状を写した成形層を形成し、それに放射線を照射して成形層を硬化させ、その成形硬化層を金型から分離することにより行うことができる。
【００５３】
光学素子の形成に際する、放射線硬化型樹脂の成形層に対する透明フィルム又は透明板からなる透明基材の密着配置には、前記した事前の塗工方式のほか、例えば金型上の成形層の上に透明基材を配置する事後方式などの、成形層上に透明基材を密着させた状態でその透明基材側より放射線を照射して成形層を硬化させうる適宜な方式を採ることができる。
【００５４】
前記の放射線硬化型樹脂には、例えば上記した紫外線硬化型樹脂などの紫外線の照射、就中、紫外線又は／及び電子線の照射にて硬化処理できる適宜な樹脂の１種又は２種以上を用いることができ、その種類について特に限定はない。就中、光透過率に優れる成形硬化層を形成できる放射線硬化型樹脂が好ましい。
【００５５】
また必要に応じ放射線硬化型樹脂の支持に用いて、光学素子を形成することのある透明フィルムや透明板は、必要に応じ照明装置等を介して入射させる光の波長域に応じそれに透明性を示す適宜な材料の１種又は２種以上を用いて形成しうる。ちなみに可視光域では、例えば上記の高分子膜で例示したものなどで代表される透明樹脂や、熱、紫外線、電子線等で重合処理しうる硬化型樹脂などがあげられる。
【００５６】
なお放射線硬化型樹脂の成形硬化層の形成に際し、支持用の透明基材を用いた場合、光学素子は、その透明基材と当該成形硬化層とが固着一体化したものとして得ることもできるし、透明基材とは分離された状態の当該成形硬化層からなるものとして得ることもできる。透明基材と当該成形硬化層の分離は、例えば透明基材を剥離剤で表面処理する方式などの適宜な方式にて達成することができる。
【００５７】
上記の金型を介した光学素子の形成方法としては、放射線硬化型樹脂に代えて熱硬化型樹脂を用いてそれを熱硬化処理する方法や、ホットプレス方式等にて熱可塑性樹脂に形状転写する方法もあげられる。また射出成形型内や注形型内に上記電気鋳造法等による金型を設置し、射出成形方式や注形方式にて光学素子を成形する方法などもあげられる。
【００５８】
従って金型を介した光学素子は、必要に応じ流動状態とした熱可塑性樹脂や硬化性樹脂等の適宜な材料を介して、金型における三角溝分布に対応した凸部を有する面の形態を転写してなる透明基材を形成しうる適宜な方法にて形成することができる。
【００５９】
前記において熱可塑性樹脂からなる透明基材では、その基材全体が熱可塑性樹脂からなっていてもよいし、硬化樹脂の如き熱可塑性樹脂でない材料からなる基材に被転写層として表面に熱可塑性樹脂層を設けたものであってもよい。熱可塑性樹脂からなる層を被転写層として三角溝分布形状を転写する場合、形状の転写精度の点より被転写層をそのガラス転移温度以上の加熱下に金型の所定面に密着させることが好ましい。
【００６０】
なお金型上ないし透明基材上に形成する放射線硬化型樹脂の塗布層や熱可塑性樹脂からなる被転写層の厚さは、高精度に形状転写する点より金型における凸部の高さの１．２〜２０倍、就中１．５〜１０倍、特に２〜５倍が好ましいが、これに限定されない。
【００６１】
上記した横方向の入射光を縦方向に光路変換する光出射手段としての光学機能を示す面発光化素子（光学素子）は、サイドライト型導光板の形成や、フィルム状の面発光化素子を液晶表示パネルの視認側（フロントライト）又は／及び背面側（バックライト）に配置して、パネルの側面や角部より入射させた光を効率よく視認方向に光路変換して薄型軽量で明るく、見易い表示の液晶表示装置の形成などに好ましく用いうる。
【００６２】
前記において導光板や液晶表示装置等の形成に好ましく用いうる面発光化素子は、図２ロに例示した如く高分子膜８が形成する平面に対する傾斜角θ１が３５〜４８度の光路変換斜面ａを具備し、高分子膜面での開口が矩形状の三角溝（凹部）Ａの複数を高分子膜の片面に、不連続に分布させてなる光出射手段を有するものである。
【００６３】
前記により、液晶セルの側面等に配置した光源による側面方向からの入射光ないしその伝送光を、光路変換斜面ａを介し面発光化素子の光出射手段を有しない裏面側に光路変換して、液晶セル等に対し法線方向の指向性に優れる光を、光源光の利用効率よく出射させることができる。
【００６４】
光路変換斜面の当該傾斜角が３５度未満では、液晶表示パネルより出射する表示光の角度が３０度を越えることとなり、視認に不利となる。一方、光路変換斜面の当該傾斜角が４８度を超えると、全反射されずに斜面から光洩れが生じやすくなり、光利用効率が低下する。
【００６５】
光路変換斜面を介し効率よく全反射させて、光出射手段を有しない側より、面発光化素子の法線方向に指向性よく出射させ、液晶セルを効率よく照明して明るくて見やすい液晶表示を達成する点より、光路変換斜面の好ましい当該傾斜角θ１は３８〜４５度、就中４０〜４３度である。
【００６６】
上記の方法による三角溝では、回折にかかわる有効面積を大きくできて回折効率を高くできるブレーズド回折格子の場合と同様に、光路変換斜面の有効面積が大きく、溝頂点部の形状異常による伝送光の散乱も発生しにくい。また溝頂点部の平坦化（台形化）も防止されて、その平坦化部分よる伝送光の散乱も抑制することができる。
【００６７】
光出射手段を形成する複数の三角溝は、その光路変換斜面に基づいて平行に分布していてもよいし、不規則に分布していてもよい。さらに仮想中心に対してピット状（同心円状）に配置された分布状態にあってもよい。
【００６８】
ちなみに前記したピット状配置の分布は、光を照射する際に、高分子膜の端面又はその外側に仮想中心を想定し、その仮想中心より派生する仮想の放射線に対して直交する方向に部分マスクの光透過部閉塞線が形成されるように三角溝を設けることにより形成することができる。なお二箇所以上の仮想中心を想定して、その各仮想中心に対してピット状に分布配置した複数の三角溝からなる光出射手段とすることもできる。
【００６９】
三角溝ないしその光路変換斜面のサイズが大きいと、観察者にその斜面の存在が認識されやすくなって表示品位を大きく低下させやすくなり、液晶セルに対する照明の均一性も低下しやすくなることなども考慮して、高分子膜面での開口が矩形状の三角溝において、その開口の長辺長が短辺長の３倍以上、就中５倍以上、特に８倍以上の三角溝であることが好ましい。
【００７０】
また光路変換斜面の長さを、三角溝の深さＤの５倍以上、就中８倍以上、特に１０倍以上の三角溝とすることが好ましい。さらに光路変換斜面の長さは、５００μｍ以下、就中２００μｍ以下、特に１０〜１５０μｍ、三角溝の深さＤ及び幅Ｗ０は２μｍ〜１００μｍ、就中５〜８０μｍ、特に１０〜５０μｍとすることが好ましい。なお前記の長さは、光路変換斜面の長辺長に基づく。
【００７１】
三角溝Ａの断面形状は、その傾斜角等がシートの全面で一定な形状であってもよいし、吸収ロスや先の光路変換による伝送光の減衰に対処して面発光化素子上での発光の均一化を図ることを目的に、光が入射する側の側面から遠離るほど三角溝を大きくしてもよい。また三角溝を一定ピッチで分散分布させた光出射手段とすることもできるし、光が入射する側の側面から遠離るほど徐々にピッチを狭くして、三角溝の分布密度を高くした光出射手段とすることもできる。
【００７２】
さらに三角溝の分布密度や配置位置等が不規則なランダムピッチによる光出射手段にて、面発光化素子上での発光の均一化を図ることもできる。ランダムピッチは、画素との干渉によるモアレの防止に特に有利である。よって光出射手段は、ピッチに加えて、形状等も異なる三角溝の組合せからなっていてもよい。
【００７３】
三角溝における光路変換斜面は、液晶セル等の側面方向より入射させる光の方向に対面していることが出射効率の向上の点より好ましい。従って線状光源を用いる場合の光路変換斜面は、一定の方向を向いていることが好ましい。また発光ダイオード等の点状光源を用いる場合の光路変換斜面は、その点状光源の発光中心の方向を向いていることが好ましい。
【００７４】
三角溝Ａにおける光路変換斜面ａの対向面ｂの傾斜角θ２は、６０〜９０度が一般的である。三角溝の分布面積は、フロントライトやバックライトの使用目的に応じて適宜に決定することができる。一般には三角溝の表面開口による光出射手段の占有面積に基づいて８０％以下、就中２〜５０％、特に４〜２０％とされる。
【００７５】
面発光化素子は、光出射手段を設けた透明フィルムや透明板（導光板）として形成でき、また単層物や同種又は異種の材料からなる積層体などとして形成することができる。面発光化素子の厚さは、適宜に決定できて特に限定はないが、一般には５μｍ〜５ｍｍ、就中１０μｍ〜３ｍｍ、特に２０μｍ〜２ｍｍとされる。
【００７６】
上記において斜面精度等に基づく光学機能の点より三角溝における好ましい斜面は、０．０１〜５μｍ／パルス、就中０．０２〜２μｍ／パルス、特に０．０５〜１μｍ／パルス、更には０．１〜０．５μｍ／パルスのエッチングレート（１ショット当たりのエッチング量）にて三角溝を形成したものである。
【００７７】
特に傾斜角θ１が３５〜４８度の光路変換斜面ａと傾斜角θ２が６０〜９０度の対向面ｂを具備する三角溝Ａを前記のエッチングレートにて形成する場合には１ショット（パルス）当たりのエネルギー密度を０．１〜５Ｊ／ｃｍ^２、就中０．２〜４Ｊ／ｃｍ^２、特に０．３〜３Ｊ／ｃｍ^２、更には０．４〜１．５Ｊ／ｃｍ^２に制御して三角溝を形成する方式が斜面精度等に基づく光学機能の点より好ましい。
【００７８】
さらに前記の場合、光路変換斜面を形成する側の部分マスクを対向面を形成する側の部分マスクの１．１〜１５０倍、就中１．５〜１００倍、特に２〜７０倍の一定速度で連続移動させて光透過部の閉塞操作を行いながらパルスを連続的に照射して連続的にエッチング処理する方式が三角溝における斜面精度の向上等の点より好ましい。この場合、対向面を形成する側の部分マスクを移動させないときにはその速度を１とする。
【００７９】
また前記の方式に加えて、光透過部を１回当たり０．１〜５０μｍ、就中０．５〜３０μｍ、特に１〜２０μｍ、更には２〜１０μｍの幅単位で段階的に閉塞しながら、その単位幅を閉塞する毎にパルスを照射してエッチング処理する方式も三角溝における斜面精度の向上等の点より好ましい。
【００８０】
前記の場合、光路変換斜面を形成する側の部分マスクと、対向面を形成する側の部分マスクとの単位幅の閉塞における移動比は、形成する斜面の傾斜角比に基づいて、すなわち斜面を水平面に投影した場合の長さ比に基づいて決定される。従って光透過部の閉塞操作において対向面を形成する側の部分マスクを移動させない場合（位置固定）、当該単位幅の閉塞は、光路変換斜面を形成する側の部分マスクの移動のみにて達成される。
【００８１】
【実施例】
参考例
図１に準じ、ＫｒＦエキシマレーザー発振器（波長２４８ｎｍ）、アッテネータ、ビームホモジナイザ、マスクステージ、投影レンズ、ワーク吸着装置、及びワークステージを前記の順序で備えるエッチング装置を準備した。次に金属箔に所定の開口を設けた部分マスク１をＵ軸に配し、その上に金属板よりなる部分マスク２をＶ軸として配置した。Ｕ軸を動かすことでマスク位置を変化させることができ、Ｖ軸を動かすことで光透過部の開口面積を制御することができる。またＵ軸はそれと直交するＷ軸に乗せられている。さらにワークステージは、Ｘ、Ｙ、Ｚ、θの各軸を備え、Ｚ軸は投影レンズのオートフォーカス機能を有する。ワークステージの最上部には吸着装置を備え、ワークを固定する。なお投影レンズは１／１５倍に設定した。
【００８２】
例１
マスクステージに幅１５０μｍ、長さ１．５ｍｍの開口からなる凹部形成開始状態の光透過部が形成されるように設定した部分マスク１，２を固定し、その光透過部の１／１５倍の投影像がワーク上に焦点を結ぶように投影レンズ位置を調節した後、平滑なガラス板上に固定した厚さ５０μｍのポリイミドフィルム（高分子膜）にビームをエネルギー密度０．７Ｊ／ｃｍ^２で照射し、その際に部分マスク２の移動で光透過部の幅を５μｍずつ狭めてビームを１ショット照射するステップアンドリピート方式において、光透過部の幅を１２０μｍ狭めてその間２４ショット照射することにより三角溝を形成した。その三角溝の断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で測定し（以下同じ）、深さＤを求めたところ７．７８μｍであった。よってレンズの倍率よりＷｓは２．０μｍであるのでθは７６度である。
【００８３】
例２
光透過部の幅を１１５μｍ狭めてその間２３ショット照射したほかは例１に準じて三角溝を形成した。その三角溝の深さＤは７．６２μｍであり、θは７３度であった（Ｗｓ：２．３３μｍ）。
【００８４】
例３
光透過部の幅を１１０μｍ狭めてその間２２ショット照射したほかは例１に準じて三角溝を形成した。その三角溝の深さＤは７．１８μｍであり、θは７０度であった（Ｗｓ：２．６７μｍ）。
【００８５】
例４
光透過部の幅を１０５μｍ狭めてその間２１ショット照射したほかは例１に準じて三角溝を形成した。その三角溝の深さＤは６．８８μｍであり、θは６６度であった（Ｗｓ：３μｍ）。
【００８６】
例５
光透過部の幅を１３５μｍ狭めてその間２７ショット照射したほかは例１に準じて三角溝を形成した。その三角溝の深さＤは７．６５μｍであり、θは８３度であった（Ｗｓ：１μｍ）。
【００８７】
例６
光透過部の幅を１５０μｍ（全幅）狭めてその間３０ショット照射したほかは例１に準じて三角溝を形成した。その三角溝の深さＤは８．２μｍであり、θは９０度であった（Ｗｓ：０μｍ）。
【００８８】
例７
部分マスク２の移動幅を２５０μｍとしてその間５０ショット照射したほかは例１に準じて三角溝を形成した。その三角溝の深さＤは８．３μｍであった（Ｗｓ：−１００μｍ）。
【００８９】
例８
光透過部の幅を７５μｍ狭めてその間１５ショット照射したほかは例１に準じて三角溝を形成した。その三角溝の深さＤは４．２５μｍであり、θは４０度であった（Ｗｓ：５μｍ）。
【００９０】
評価試験１
例１〜８による三角溝の断面形状の全体を図３に示した（ＳＥＭ）。また図４に例１〜７による三角溝における溝頂点部の断面形状に示した（ＳＥＭ）。なおフィルム面に対する緩斜面（光路変換斜面ａ）の傾斜角は４２〜４４度の範囲である。
【００９１】
図３、４より例１〜５では溝頂点部近傍の面形状がほぼ直線であり、エッチング角度に大きな異常は発生していないことが判る。一方、例６、７では溝頂点付近のエッチング角度が７０度を越え、エッチング深さが異常に大きくなっていることが判る。また例８のようにθが小さすぎると、溝頂点付近が形成不足となり、台形化や溝頂点付近の曲率半径が大きくなることが判る。
【００９２】
評価試験２
フィルム表面での開口に基づいて長さ約１００μｍ、幅約１０μｍの三角溝を、縦０．１ｍｍ×横０．２ｍｍの碁盤目の各交点に、その交点が開口の中心位置となるように、かつ光路変換斜面ａが同一方向を向くように５ｍｍ角の範囲内でエッチング加工して分散配置してなる光出射手段を単位として、前記した例１〜８の条件による各光出射手段を同一のフィルム面に８ｍｍ間隔で横一列に整列させて形成した。
【００９３】
ついで前記で得た例１〜８の条件による各光出射手段を横一列で有するフィルム（母型）の凹部付き面を導電化し、その上に電気鋳造法によりニッケル・リンを充填して厚さが約２００μｍの金属層を形成した後、フィルムを剥離して所定の光出射手段に対応する凸部形成面を有する金型を得た。
【００９４】
無延伸ＰＣ（ポリカーボネート）フィルムに設けた紫外線硬化性アクリル系樹脂からなる厚さ２５μｍの塗工層を前記の金型にゴムローラで密着させると共に、余分な樹脂と気泡を押し出しメタルハライドランプで紫外線照射して硬化させ、屈折率が１．５１０の透明フィルム（面発光化素子）を形成して金型から剥離し無延伸ＰＣフィルムと分離した後、その透明フィルムを屈折率が１．５１５のアクリル系粘着層を介して厚さ１ｍｍ、屈折率１．４９５のアクリル板に接着し、導光板を得た。
【００９５】
前記の導光体におけるアクリル板の鏡面研磨した側面に冷陰極管を配置してバックライトを作製した。各光出射手段における三角溝の光路変換斜面ａは、冷陰極管配置の側面と対面する状態にある。また前記の透明フィルムにおける各光出射手段を形成する三角溝の断面形状は、前記した例１〜８の各例にほぼ等しいものであった。なお透明フィルムの形成において紫外線硬化性アクリル系樹脂の塗工層の厚さを８μｍとした場合、気泡の発生が酷くて形状転写を行うことができなかった。
【００９６】
前記のバックライトについて冷陰極管を点灯させ、各光出射手段による発光状態を観察すると共に、ピーク輝度（トプコン社製、ＢＭ−５Ａ）を調べた。その結果を次表に示した。
【００９７】

【００９８】
発光状態については、例１〜５の輝度が表よりも明らかなように他の例よりも若干高く、ピーク輝度方向における発光の集中性（指向性）においても例１〜５が他の例よりも優れていた。例６、７ではピーク輝度方向と反対方向の出射光が相当あり、例８ではピーク輝度方向が導光板の法線に対して大きい角度で傾斜していた。以上より例１〜５で良好な発光特性を示す導光体が得られていることが判った。
【００９９】
なお本発明による方法では加工幅（Ｗ０）を１８０μｍとした場合にも例１〜５に準じて良好なエッチング形状の三角溝を形成することができた。以上より本発明にて、機械加工では困難な、面上の任意な位置に任意な長さの三角溝を良好な断面形状で形成でき、微細な三角溝をランダムに分散配置することも容易であることが判る。
【図面の簡単な説明】
【図１】製造方法の説明図
【図２】部分マスク（投影マスク）移動の説明図
【図３】（実施）例による三角溝断面の全体図
【図４】（実施）例による三角溝断面の溝頂点部の拡大図
【符号の説明】
１、２：部分マスク（投影マスク）
３：レーザー発振器
８：高分子膜
Ａ：三角溝（凹部）
ａ：光路変換斜面
ｂ：立面

Claims

光の照射形状を規制する光透過部を形成する投影マスクを介した光照射で高分子膜を部分的にエッチングして高分子膜に三角形の断面を具備する凹部を形成するにあたり、前記投影マスクによる光透過部を２枚以上の部分マスクで形成してそれら部分マスクの内の、当該形成目的の凹部における対向する一対の辺を形成する部分マスクを当該光透過部が凹部形成開始の開状態から閉塞する方向に移動させて、高分子膜に凹部における斜面を形成するものであり、かつその斜面形成の際に当該光透過部が閉塞する前にエッチングを停止することを特徴とする三角溝の製造方法。
請求項１において、形成目的の凹部の深さをＤとしたとき、エッチング停止時が対向辺を形成する部分マスクの間隙Ｗｓに基づいて、Ｗｓ＝Ｄ／ｔａｎθ（ただしθ＝６５〜８５度）を満足する時である三角溝の製造方法。
請求項１又は２において、対向辺を形成する部分マスクの一方の辺を形成する部分マスクのみを閉塞移動させる三角溝の製造方法。
請求項１〜３において、エッチングにレーザー光を使用する三角溝の製造方法。
請求項１〜４において、エッチングをアブレーション加工にて行う三角溝の製造方法。
請求項１〜５に記載の製造方法により、高分子膜平面に対し所定傾斜角の斜面を具備する三角溝を形成する操作を繰り返して、高分子膜の片面に複数の三角溝を光学機能を示す状態に分布させることを特徴とする光学素子の製造方法。
請求項６において、三角溝の光学機能を示す分布がブレーズド回折格子、又は高分子膜平面に対する傾斜角が３５〜４８度の光路変換斜面を具備して高分子膜面での開口が矩形状の三角溝の複数が不連続に分布してなる光出射手段である光学素子の製造方法。
請求項６又は７に記載の製造方法による光学素子の三角溝を分布させた面上に金属層を形成した後、その金属層と光学素子を分離して光学素子形成用金型を得る工程、その金型における三角溝分布を形成しうる凸部を有する面形状を高分子層に転写した後、その高分子層を固体の状態で金型より分離する工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
請求項８において、電気鋳造により金属層を形成する光学素子の製造方法。
請求項８又は９において、透明フィルム上に設けた放射線硬化型樹脂の塗工層を光学素子形成用金型の所定面に密着させて三角溝分布形状を転写した成形層を形成した後、その成形層に放射線を照射して硬化させる光学素子の製造方法。
請求項８又は９において、少なくとも表面層として熱可塑性樹脂からなる被転写層を有する高分子層をその被転写層を介し、かつ被転写層のガラス転移温度以上の加熱下に光学素子形成用金型の所定面に密着させて、被転写層に三角溝分布形状を転写する光学素子の製造方法。