JP2005181699A - 微細突起アレイの製造方法、微細突起アレイ、微細凹面アレイ及び微細凹面アレイの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 大面積もしくは長尺なマイクロレンズアレイを安価に作製するためのマスターと金型及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 表面に導電性を有する基板を用意する工程、該基板の表面に絶縁層を形成する工程、前記基板に複数の開口を形成する工程、該開口の形成された基板を等方成長性のある第一めっき液で第一めっき層を形成する工程、該第一めっき層形成基板を平滑効果のある第二めっき液で第一めっき層上に第二めっき層を形成する工程からなり、上記絶縁層がフォトレジストで、上記工程の開口形成工程において、光源から一点又は複数点に照射し光線を基板上で走査し、基板を移動させ所望領域を露光後現像処理することを特徴とする微細突起アレイ製造方法を主たる構成にする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、マイクロレンズアレイの製造方法に関し、特に、マイクロレンズアレイ及びそれを複製により作製するための金型及びそのマスターとその製造方法に関する。

近年の加工、実装技術の進歩により光を利用したデバイス、システムにおいて受発光素子のサイズ及びピッチの微細化が進んでいる。これに伴い発光素子からの光の利用効率及び受光素子への光の入射量の向上が要求されている。これら要求に対して発光素子後方及び受光素子前方へマイクロレンズを挿入することが提案、実施されている。また、これらデバイス、システムにおいて受発光素子数も増加する方向にありそれに対応するためにマイクロレンズアレイも大面積化を低コストで実現することが望まれている。
従来知られているマイクロレンズアレイの製造方法としてはレジスト溶融法、インクジェット法などがある。このうちレジスト溶融法は、レンズ材料となる基板表面にフォトレジストなどの樹脂をリソグラフィーなどにより円筒状に形成し、これを加熱溶融させその表面張力により球面化した後にドライエッチングにより球面形状をレンズ材料に転写する方法である（例えば、特許文献１参照）。
しかしながらドライエッチング装置は処理基板サイズに制約があり、大面積化するためには新たに設備を導入する必要がありその導入コストも非常に高価であり、結果として低コストでの大面積化実現は困難である。
又、インクジェット法は、インクジェットヘッドにより光学素子材料の微小液滴を基板上に吐出させた後硬化させることによりレンズアレイを製造する方法である（例えば、特許文献２参照）。
本方法によれば、吐出ヘッド及び基板の移動により大面積のレンズアレイを作製することが可能であるが、作製される個々のレンズ形状は基板の表面状態、光学素子材料の粘度、硬化方法等により影響を受けるために多数のレンズ形状を複数ロットにわたって安定して作製することが困難であるという問題点がある。また、レンズ１個もしくは数個作製する毎に吐出、硬化のプロセスを繰り返す必要があり大面積化すなわちアレイ内のレンズ数が多くなると生産性が悪くなるという問題点がある。
他の製造方法として予め他の方法で作製した金型を用い複製する方法がある。この方法によればアレイ内レンズ数によらず高い生産性でレンズアレイが得られることから低コストでのレンズアレイの提供が可能となる。ここで金型の製造方法においては金属基板の表面をマスク層で覆った後にその一部に開口を形成し露出させ、そこから等方的に湿式エッチングすることにより凹面を形成し金型とする方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
湿式の処理であることから比較的大掛かりな設備を必要とせずに大面積の金型を得ることができる。しかしながら、一般にエッチングの開始個所となる開口を形成する工程において、フォトマスクを利用した露光を行っており、そのときのマスクサイズにより金型面積が決定されてしまう。また、エッチングでは化学反応が生じており、エッチングされる基板の材料としての一様性が悪いとその部分での反応速度が変わってしまい得られる形状が異なってしまう。処理面積が大きくなると、材料の一様性を確保することが困難となり、場所による形状ばらつきが生じやすくなるという問題がある。

他の金型の製造方法として、導電性基板表面をマスク層で覆った後にその一部に開口を形成して露出させ、そこに電析により金属を析出させ凸形状アレイを形成し、更にこれをマスターとして電析により反転形状を作製して金型とする方法がある（例えば、特許文献４参照）。この方法によれば比較的大きな面積に対してもばらつきの小さな形状を作製することが可能である。同方法において処理面積を支配するのはエッチングのときと同様に露光工程であり、湿式エッチングで述べたのと同様な問題で面積の制約が決まってくる。
上記の露光工程およびその問題点に関する説明を行う。図１０に露光工程に用いるフォトマスク１００の一例を示す。図１１にも示すように、ガラスや石英などの透明基板１０１に金属膜などで遮光層１０２が形成されており、この金属膜の所望の部分に開口１０３が形成されてありその部分の光は透過するようになっている。
このフォトマスク１００をフォトレジスト１１１が塗布された基板１１０に重ねた後にフォトマスク背面より全面に均一な照度の光を照射する（図１１（ａ））。これにより基板表面に形成されたフォトレジストは感光し（図１１（ｂ））、フォトレジストがポジ型の場合その後の現像工程で除去されて基板表面が露出することになる。この工程によれば一度の工程で多数の開口が形成可能であり開口を形成する生産性は高い。
しかしながらフォトマスク一枚で形成可能な開口径及び配列は１種類に限られるためにマイクロレンズアレイの形状及び配列の異なる品種を作製するたびに異なったフォトマスクが必要となる。また、露光の際に照射する光に照度のばらつきがあると、現像後に形成される開口形状にばらつきが生じる。照射面積が大きくなるほど照度分布が生じやすくこれを均一化するためには大掛かりな光学系を用いる必要があり露光設備が高価になるという問題点も生じる。

特許文献３には、大面積のＭＬＡ原版を容易に作製するとともに、大量のＭＬＡを効率的に作製するために、金属板に塗布したフォトレジストをパターニングしてスプレーエッチングし、フォトレジストを剥離してマイクロレンズアレイ原版を作製し、さらに作製したマイクロレンズアレイ原版上にフォトポリマーを滴下して基板を積層し、紫外線照射または電子線照射によりフォトポリマーを硬化した後、マイクロレンズアレイ原版から剥離することによりマイクロレンズアレイを作製することが示されている。
又、特許文献４には、容易に非球面ないし非円筒面形状を作製でき、大面積なアレイ化が可能で、フィルファクターが高くできるマイクロレンズアレイ用金型等のマイクロ構造体、及びその作製方法を達成するために、マイクロレンズアレイ用金型等のマイクロ構造体の作製方法では、導電部を有する基板の導電部上に開口部を有する第１の絶縁性マスク層を形成し、開口部及び第１の絶縁性マスク層上に電気メッキ層ないし電着層を形成し、電気メッキ層ないし電着層を含む開口部を第２の絶縁性マスク層に形成し、開口部、電気メッキ層ないし電着層、第２の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。
特開平７−１７４９０３号公報 特開２０００−１０８２１６公報 特開平５−３０３００９号公報 特開２００３−１１２３２３公報

本発明は、上述した実情を考慮してなされたものであって、本発明においては大面積もしくは長尺なマイクロレンズアレイを安価に作製するためのマスター及び金型、とその製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、微細突起アレイの製造法において、少なくとも、表面に導電性を有する基板を用意する工程と、上記基板の表面に絶縁層を形成する工程と、上記絶縁層の形成された基板に複数の開口を形成する工程と、上記開口の形成された基板を等方成長性のある第一のめっき液に浸漬し前記開口より第一のめっき層を形成する工程と、前記第一のめっき層の形成された基板を表面平滑効果のある第二のめっき液に浸漬し第一のめっき層表面に第二のめっき層を形成する工程とからなり、上記絶縁層がフォトレジストであり、上記工程の開口を形成するための工程において、光源からの光を一点もしくは複数点に照射し露光する際に照射する光線を基板上で走査し、かつ基板を移動させ所望の領域を露光した後に現像処理を行う微細突起アレイの製造法を特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の方法において基板上の光の走査が一次元方向である微細突起アレイの製造方法を特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１記載の方法において基板上の光の走査が二次元方向である微細突起アレイの製造方法を特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法において光の走査手段がガルバノスキャナである微細突起アレイの製造方法を特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１記載の方法において基板の移動が二次元方向である微細突起アレイの製造方法を特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、請求項５記載の方法において基板の移動量が少なくとも一軸方向において１５０ｍｍ以上である微細突起アレイの製造方法を特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法により形成された微細突起アレイを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項１記載の方法においてフォトレジストの露光を可視光の多光子吸収により行う微細突起アレイの製造方法を特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、請求項８記載の方法により形成された微細突起アレイを特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項７、９記載の微細突起アレイにおいて少なくとも配列の最も長手方向が１５０ｍｍ以上ある微細突起アレイを特徴とする。
また、請求項１１に記載の発明は、請求項７、９、１０記載の微細突起アレイを型として成型された微細凹面アレイを特徴とする。
また、請求項１２に記載の発明は、請求項７、９、１０記載の微細突起アレイ表面に離型層を形成した後に第三のめっき層を形成し、前記離型層を界面として剥離する微細凹面アレイの製造方法を特徴とする。
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１２記載の製造方法より製造された微細凹面アレイを特徴とする。
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１３記載の微細凹面アレイを型として成型されたことを特徴とする微細突起アレイを特徴とする。

本発明によれば、開口形成工程に於ける露光に集光した光を用いており、その光走査および基板位置の移動により行うためフォトマスク作成の必要がなく、また、開口位置の変更が極めて容易であり、低コスト、短納期、多品種少量生産することが可能となる。
また、光の走査方向が一次元方向のみであり走査手段を一軸分のみ持てばよいために露光工程で用いる装置の低コスト化をはかることが可能となる。
さらに、光が二次元に走査可能であるために自由度の高い開口配列を高速に露光することができる。光走査方法において、ガルバノスキャナを用いていると高速に光を走査することができる。基板の移動を二次元方向に行う方法により、開口配列でも露光することができる。
また、基板移動量が１５０ｍｍ以上あると１５０ｍｍ以上の配列長の微細突起アレイの作製が可能となる。１５０ｍｍ以上のアレイ配列部を形成すると長尺、大面積に継ぎ目のない型になる。
更に、微細突起アレイを光走査および基板移動によりマスクレスで形成された開口に突起を形成できるため、安価に大きなアレイを得ることが可能になる。
露光を可視光の多光子吸収過程を利用して行うと、通常の光学ガラス材料の光学系が利用できるとともに、波長以下のサイズの露光領域すなわち開口径を形成することができるので、半球に近い形状の突起をより微細に形成することができる。
微細突起アレイは小さな開口から析出した突起よりなっているためにより半球面に近い形状となり光学的利用価値が高い。微細凹面アレイも安価でより半球形状に近い長尺、大面積な微細凹面アレイを得ることができる。
本発明の微細凹面アレイの製造方法により、大面積に微細な球面を備え、他方式では作製困難な長尺、大面積の成型型を作製することができ、また、微細突起アレイは大面積の光処理素子として利用可能である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。はじめに、図１に従い電析による微細突起アレイの作製方法の全体の流れを説明する。図１（ａ）において、表面が導電性の基板１を用意する。基板１としては金属基板や、ガラスなどの絶縁性材料の表面に導電層を形成したものを用いることができる。絶縁性材料表面への導電層の形成方法としてはスパッタリングや真空蒸着、ＣＶＤなどの乾式成膜法や無電解めっきのような湿式成膜法などを用いることができる。
図１（ｂ）に示すように、この基板表面に絶縁層２を形成する。絶縁層材料としてはフォトレジストを用い絶縁層の形成法としてはスピンコート、スプレーコートなどを用いることができる。特にスピンコートにより絶縁層を形成する際には基板表面に凹凸があると膜厚むらの原因となったり、凸部が被覆できないなどの問題点が生じるので図１（ａ）で用意する基板の表面は平滑であることが望ましい。
絶縁層２の構成材料としてのフォトレジストは、ネガ型（露光部不溶化）、ポジ型（露光部可溶化）のいずれを用いることもできるが、以降はポジ型レジストを使用した際について述べる。次にこの基板表面の絶縁層（フォトレジスト）に後述する方法により光を照射し露光後現像することで光の照射された部分のレジストが除去されるので、開口３が形成され開口３の部分は基板の表面が露出する。
図１（ｃ）に示すように、開口３が形成された基板を第一のめっき液に浸漬し陰極として通電することで開口部にめっき液中の金属が、次の図１（ｄ）で示すような第一のめっき層４ａとして球面状に析出する。
図１（ｄ）に示すように、この時の第一のめっき層４ａの析出形状はめっきの厚さにほぼ等しい曲率半径の球面が得られる。第一のめっき液の例としてはスルファミン酸ニッケル浴があり、さらにその中に第一種光沢剤に分類される物質を適量添加したものを用いることができる。第一のめっき液は均一析出性が高くまた、析出物の応力も低いことが望ましい。第一種光沢剤の添加は析出表面を平滑化するのみでなく析出物の応力を減少させる効果も有する。
また、一般に第二種光沢剤に分類される物質を添加することで表面をより平滑化できることが知られているが、これにより均一析出性が損なわれ、析出物が異形化してしまう。したがって第一のめっき液には第一種光沢剤のみを添加し第二種光沢剤は添加しないことが望ましい。続いて第一のめっき層が形成された基板を表面平滑効果のある第二のめっき液に浸漬し陰極として通電することで、第一のめっき層表面に第二のめっき層５ａを形成しこれにより表面が平滑化される。
図１（ｅ）に示すように、 第二のめっき液は表面平滑効果が必要であり、その例としてはニッケルめっき浴としてのワット浴中に第一種光沢剤及び第二種光沢剤を添加したものがある。ところで、第二のめっき液の平滑化効果は被析出物（基板）表面の凸部に対して凹部に対してより多くめっきが析出することにより全体の凹凸が平均化され平滑表面が得られる。この機構を第一のめっき層が形成された基板全体に適用してみると、図１（ｄ）の第一のめっき層４ａの頂点が凸部、各析出物の隙間にあたる部分が凹部になる。したがって第二のめっき層５ａを厚くしていくと、凹部に優先的に析出し、第一のめっき層で得られた曲率半径から離れた値となってしまう。したがって平滑化目的で第二のめっき層を形成するにあたっては必要最低限の厚さにすることが望ましい。

しかし、図２に示す実施例のように第二のめっき層５ｂを意図的に厚く形成することにより、第一のめっき層４ｂ頂点には薄く第二のめっき層５ｂが形成され、第一のめっき層４ｂの裾野部には厚く第二のめっき層５ｂが形成される。第二のめっき層５ｂが形成後の形状を評価すると頂点から裾野（周辺）へ行くほど曲率半径が大きい（曲率が小さい）形状が得られる。いわゆる光学的な非球面形状を作製することが可能である。
なお、図１の実施形態では図１（ｄ）のように開口３上に析出される第一のめっき層４ａ同士が連続した状態となるが、図２の実施形態では図２（ｄ）に示すように開口３を塞ぐように形成される各第一のめっき層４ｂ同士は連続せず、独立した状態となっている。
本発明による微細突起アレイの製造方法の特徴的な構成を要約すると次の通りである。即ち、少なくとも表面に導電性を有する基板１を用意する工程と、基板の表面に絶縁層２を形成する工程と、絶縁層２が形成された基板１に複数の開口３を形成する工程と、上記開口の形成された基板を等方成長性のある第一のめっき液に浸漬し開口３より第一のめっき層４を形成する工程と、第一のめっき層４の形成された基板１を表面平滑効果のある第二のめっき液に浸漬し第一のめっき層表面に第二のめっき層５を形成する工程とからなり、絶縁層２がフォトレジストであり、開口３を形成するための工程において、光源からの光を一点もしくは複数点に照射し露光する際に照射する光線を基板上で走査し、かつ基板を移動させて所望の領域を露光した後に現像処理を行うものである。
また、基板上への開口３の配列及びめっき層の厚さを種々変化させることにより、図５〜８の実施例に示すような各種形状のアレイを作製することが可能となる。具体的には開口配列ピッチｐ、第一のめっき層ｔ１と第二のめっき層の厚さｔ２との関係において正方形（矩形）配置で開口を形成し、ｐ＞（ｔ１＋ｔ２）であれば図５に示す形状が得られ、同開口配列でｐ＜√２＊（ｔ１＋ｔ２）であれば図６に示す形状が得られる。その中間においてはアレイの一部が接した形状が得られる。また、開口を稠密配列で形成しｐ＞√３＊（ｔ１＋ｔ２）であれば、図７に示すような形状が得られる。また、横方向の配列数と縦方向の配列数との関係は等しくある必要は無く例えば横方向に多数の配列で縦方向に３列であれば図８に示すような形状になる。このように最外周に位置する要素はその内周の要素と形状が異なる。

次に、露光方法についての説明を行う。図３は光の走査方向が一次元のみで基板の移動がそれに直交する一次元のみの構成とした場合の露光方法である。光走査ミラー１１の光軸に対して前方より図示しない変調手段により照射、非照射の切替が可能なレーザ光源からのレーザ光１２は光走査ミラー１１に入射する。光走査ミラーは図示しない制御系により光軸に垂直な一平面上について光を走査可能になっており、入射時の角度に応じてレンズ１３への入射位置を一軸方向（図中の左右方向）に変えることができる。
レンズに入射した光は、集光されながらレンズ入射位置に対応した基板１４上の位置を照射し、基板上のレジストを露光する。レンズにはｆθレンズを用いることでレンズへの入射位置にかかわらず基板へ照射される光の主光軸を基板面に対して垂直にすることができ、常に一定の露光サイズ、形状を得ることができる。このようにして基板上の左右方向一列分の露光を終えた後に基板を前後方向に移動させ、露光を行うことを繰り返すことにより、光走査ミラーとレンズとの組み合わせで得られる幅で基板の移動長さ分の領域の露光が可能となる。

また、図４は光走査ミラーを二個、光走査ミラー１５、光走査ミラー１６のように組み合わせ二次元の光走査を可能とし、基板も二次元方向に移動可能とした場合の例である。これによると光走査により一定の二次元領域を露光した後に基板を移動させることでより高速に、より広い領域への露光が可能となる。この方法によれば露光可能な基板の大きさは基板の移動量により決定される。基板の移動は比較的安価な一軸及び二軸のステージを用いて容易に広い領域を高精度に行うことができる。また、開口位置の制御も光走査ミラー及び基板の移動を制御するソフトウエアの変更のみで対応できるため、そのために新たに投資を行う必要はない。
レジストは通常紫外線波長域に感度を有しているために光源として紫外レーザを用いる。波長λの光が焦点距離ｆのレンズに径Ｄで入射したときに得られる焦点位置での集光径ｄは、

で示される。したがって波長λが小さいほど集光径が小さく微細な開口が形成できることを示している。しかしながら波長が短くなると使用可能なレンズ材料に制約が生じる。すなわち一般的な光学ガラス材料は紫外線の透過率が低く石英のような特殊な材料を用いる必要がある。

一方、レジストの感度波長以上の長い波長の光を用いても複数の光子を一度に作用させることができればレジストの露光を行うことができる。これはレジストの露光に必要なエネルギーをＥとしたときに通常波長λの光が必要となる。これは、

であらわすことができる。しかしながら例えば波長がλの二倍すなわち２λの光を用いても二個の光子が同時に作用することにより

の関係を満たし露光が可能となる。具体的にはいわゆるフェムト秒レーザを光源として用い、それを集光することにより集光された部分において光子の密度が非常に高くなる結果として生じさせることができる。これは光が集光された微小な領域でのみ起きるために露光される領域は非常に小さく、波長よりも小さな開口を形成することが可能となる。このように長い波長の光が利用可能であるために光学系においては通常の光学ガラス材料が利用可能となるために、高価な光学系を利用する必要が無くなる。開口径と得られる微細突起の形状とは以下の形状近似式から円錐定数ｋに関して図９に示すような結果が得られている。

これは微小突起を直径２０μｍの大きさまで形成したときの開口径と円錐定数ｋとの関係であるがいずれもｋは正の値をとりその値は開口径が小さいほど小さくなっていることを示す。
これは得られた形状の頂点をとおり基板に垂直な断面形状が横長の楕円形状であることを示しており、その程度が開口径が小さくなるほど円形（球面）に近くなっていることを示している。

本発明の微細突起アレイの作製方法の全体の流れを示す説明図である。 本発明の微細突起アレイの作製方法の他の全体の流れを示す説明図である。 本発明の光の走査方向と基板の移動が直行する場合の露光方法の説明図である。 本発明の光走査ミラーの二次元走査をした場合の露光方法の説明図である。 本発明の製造方法により作製可能なアレイの形状の例示説明図である。 本発明の製造方法により作製可能なアレイの他の形状の説明図である。 本発明の製造方法により作製可能なアレイの他の形状の説明図である。 本発明の製造方法により作製可能なアレイの他の形状の説明図である。 本発明の方法を使用した場合の開口径と円錐定数の関係説明図である。 従来のアレイ製造の露光工程に用いるフォトマスクの例の平面図である。 従来の上記露光工程でフォトレジストに開口形成する工程の説明図である。

符号の説明

１ 基板
２ 絶縁層
３ 開口
４ａ、４ｂ 第一のめっき層
５ａ、５ｂ 第二のめっき層
１１ 光走査ミラー
１２ レーザ光
１３ レンズ
１４ 基板
１５ 光走査ミラー１
１６ 光走査ミラー２

Claims (14)

1. 微細突起アレイの製造方法において、少なくとも表面に導電性を有する基板を用意する工程、上記基板の表面に絶縁層を形成する工程、上記絶縁層の形成された基板に複数の開口を形成する工程、上記開口の形成された基板を等方成長性のある第一のめっき液に浸漬し前記開口より第一のめっき層を形成する工程、前記第一のめっき層の形成された基板を表面平滑効果のある第二のめっき液に浸漬し第一のめっき層表面に第二のめっき層を形成する工程とからなり、上記絶縁層がフォトレジストであり、上記工程の開口を形成するための工程において、光源からの光を一点もしくは複数点に照射し露光する際に照射する光線を基板上で走査し、かつ基板を移動させて所望の領域を露光した後に現像処理を行うことを特徴とする微細突起アレイの製造方法。
2. 請求項１記載の方法において、基板上の光の走査方向が一次元方向であることを特徴とする微細突起アレイの製造方法。
3. 請求項１記載の方法において、基板上の光の走査方向が二次元方向であることを特徴とする微細突起アレイの製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法において、光の走査手段がガルバノスキャナであることを特徴とする微細突起アレイの製造方法。
5. 請求項１記載の方法において、基板の移動方向が二次元方向であることを特徴とする微細突起アレイの製造方法。
6. 請求項５記載の方法において基板の移動量が少なくとも一軸方向において１５０ｍｍ以上であることを特徴とする微細突起アレイの製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法により形成されたことを特徴とする微細突起アレイ。
8. 請求項１記載の方法において、フォトレジストの露光を可視光の多光子吸収により行うことを特徴とする微細突起アレイの製造方法。
9. 請求項８記載の方法により形成されたことを特徴とする微細突起アレイ。
10. 請求項７又は９記載の微細突起アレイにおいて少なくとも配列の最も長手方向寸法が１５０ｍｍ以上あることを特徴とする微細突起アレイ。
11. 請求項７、９、１０のいずれか１項に記載の微細突起アレイを型として成型されたことを特徴とする微細凹面アレイ。
12. 請求項７、９、１０のいずれか１項に記載の微細突起アレイ表面に離型層を形成した後に第三のめっき層を形成し、前記離型層を界面として剥離することを特徴とする微細凹面アレイの製造方法。
13. 請求項１２記載の製造方法により製造されたことを特徴とする微細凹面アレイ。
14. 請求項１３記載の微細凹面アレイを型として成型したことを特徴とする微細突起アレイ。

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