JP2006111491A - Method for manufacturing glass micro lens array and glass micro lens array - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はガラス製マイクロレンズアレイの製造方法、ガラス製マイクロレンズアレイに係り、特にガラス基材をガラス状カーボン製成形型を用いた高温プレス成形法によりプレスするガラス製マイクロレンズアレイの製造方法、ガラス製マイクロレンズアレイに関する。 The present invention relates to a glass microlens array manufacturing method, a glass microlens array, and in particular, a glass microlens array manufacturing method in which a glass substrate is pressed by a high temperature press molding method using a glassy carbon mold, The present invention relates to a glass microlens array.
プロジェクターなどの液晶パネルヘの集光には、マイクロレンズアレイが使用されている。現在用いられているマイクロレンズアレイには、樹脂製のものとガラスを用いたものがある。 A microlens array is used for condensing light onto a liquid crystal panel such as a projector. There are two types of microlens arrays currently used, one made of resin and one using glass.
樹脂は加工性が良く、安価ではあるが、耐久性、光透過性に問題があり、一方、ガラスは加工性が悪く、そのため高価であるが、耐久性、光透過性に優れている。 Resins have good processability and are inexpensive, but have problems with durability and light transmission, while glass has poor processability and is therefore expensive, but has excellent durability and light transmission.
特にシリカガラス製マイクロレンズアレイは、高温に強く、熱膨張係数が極端に小さいため、高精度を要するマイクロレンズアレイにとって非常に魅力的である。特にプロジェクター製造過程で1000℃以上の高温にさらされる工程を有する場合にはシリカガラスを用いることが必須となる。 In particular, a silica glass microlens array is very attractive for a microlens array that requires high accuracy because it is resistant to high temperatures and has an extremely small coefficient of thermal expansion. In particular, it is essential to use silica glass when the projector manufacturing process includes a process of being exposed to a high temperature of 1000 ° C. or higher.
一般にガラス製マイクロレンズアレイの製造には、半導体製造技術を用いたエッチングが標準的に用いられ、また、ガラスヘのプレス技術は周知である。さらにガラスの高温プレスで用いられる成形型の材質としてガラス状カーボンを用いることも知られている。 In general, for manufacturing a glass microlens array, etching using a semiconductor manufacturing technique is standardly used, and a pressing technique for glass is well known. Furthermore, it is also known to use glassy carbon as a material of a mold used in a high-temperature glass press.
特にシリカガラスのプレス加工に用いるガラス状カーボン製成形型の微細加工には、半導体加工技術であるドライエッチングを用いる方法(特許文献1)や、放電加工、機械加工を用いる方法が提案されている。 In particular, a method using dry etching, which is a semiconductor processing technique (Patent Document 1), and a method using electric discharge machining and machining have been proposed for microfabrication of a glassy carbon mold used for pressing silica glass. .
しかし、特許文献1に記載のガラス製マイクロレンズアレイ製造方法は、シリカガラスが化学的に安定なため、ウエットエッチングやドライエッチングでは長時間の処理が必要であり、さらに、金属マスクやレジスト材などの特殊なマスク材を必要とし、工程も複雑で、コストと環境負荷が非常に高い。
However, in the glass microlens array manufacturing method described in
また機械加工で直接加工する場合、ガラスが脆性材であるためチッピングを起こしやすく、切り込み量を稼げないため加工時間が非常に長くなり、現実的ではない。 Further, when machining directly by machining, since glass is a brittle material, chipping is likely to occur, and since the amount of cutting cannot be obtained, the machining time becomes very long, which is not realistic.
また、シリカガラスの高温プレスによる微細加工の場合、いかに成形型となるガラス状カーボンを加工するかが大きな課題であった。上記従来技術のうち、機械加工では精度と微細化が、放電加工の場合は精度、微細化並びにチッピングが問題となり、目的とするマイクロレンズアレイの作製が非常に困難であった。 Further, in the case of fine processing by high-temperature pressing of silica glass, how to process glassy carbon to be a molding die has been a big problem. Among the above prior arts, accuracy and miniaturization are problems in machining, and accuracy, miniaturization, and chipping are problems in electric discharge machining, and it is very difficult to manufacture a target microlens array.
これはガラス状カーボンが脆性材であるため、また非常に熱衝撃に弱いため、チッピングやワレ、カケが発生しやすいことに起因している。 This is because glassy carbon is a brittle material and is very vulnerable to thermal shock, so that chipping, cracking and chipping are likely to occur.
従って、ガラス状カーボンを効率良く高精度に加工を行う方法が求められていた。また、ドライエッチングはガラス状カーボンの微細加工には理想的な方法であるが、現実にはエッチングの際に表面が非常に荒れてしまうこと、エッチング深さにむらが生じやすいことなど問題が多く、その加工面をそのまま転写して用いることはできなかった。 Therefore, a method for efficiently processing glassy carbon with high accuracy has been demanded. In addition, dry etching is an ideal method for microfabrication of glassy carbon, but in reality, there are many problems such as extremely rough surfaces during etching and uneven etching depth. The processed surface could not be transferred and used as it was.
このエッチング時の表面荒れは、ガラス状カーボンが厳密には均質な材料でないことが原因であり、半導体に用いられる単結晶シリコンや非常に均質なCVD多結晶シリコンとは本質的に異なっているためである。 This rough surface during etching is due to the fact that glassy carbon is not strictly a homogeneous material and is essentially different from single crystal silicon or very homogeneous CVD polycrystalline silicon used in semiconductors. It is.
また、ガラス状カーボンは炭素の一形態であり、本質的には有機汚染の原因物質と同じ性質を持っている。従ってエッチングの際、表面の有機物の影響を大きく受ける。この点はアッシングで有機物を簡単に除去できるシリコンとは大きく異なる。
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、耐久性、透光性に優れたガラス製マイクロレンズアレイを安価に大量生産できるガラス製マイクロレンズアレイの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for producing a glass microlens array capable of mass-producing a glass microlens array excellent in durability and translucency at low cost. To do.
また、耐久性、透光性に優れた安価なガラス製マイクロレンズアレイを提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide an inexpensive glass microlens array having excellent durability and translucency.
本発明者らは、耐久性、透光性に優れたガラス製マイクロレンズアレイを成形できるようなガラス状カーボン製成形型を作製するため、ガラス状カーボンの様々な加工法を試行する中で、ドライエッチングを用いることで、比較的広範囲で均一にエッチング深さを制御できる方法を見出すと共に、成形型の穴の表面のエッチング面に被成形体が接触しないようにして、粗さの比較的大きなエッチング面に影響を受けずに滑らかなレンズ形状を得られる方法を見出し、本発明を完成させるに至った。 In order to produce a glassy carbon mold that can mold a glass microlens array excellent in durability and translucency, the present inventors tried various processing methods for glassy carbon. By using dry etching, a method that can control the etching depth uniformly over a relatively wide range is found, and the object to be molded does not come into contact with the etching surface of the hole of the mold so that the roughness is relatively large. A method for obtaining a smooth lens shape without being affected by the etched surface has been found, and the present invention has been completed.
すなわち、上記目的を達成するために、本発明に係るガラス製マイクロレンズの製造方法は、加熱されたガラス基材を用意し、このガラス基材をガラス状カーボン製成形型を用いた高温プレス成形法によりプレスし、その表面にマイクロレンズを配列して多数形成することを特徴とする。 That is, in order to achieve the above object, the method for producing a glass microlens according to the present invention provides a heated glass substrate, and the glass substrate is subjected to high-temperature press molding using a glassy carbon mold. A large number of microlenses are arranged on the surface and pressed by the method.
好適には、前記ガラス状カーボン製成形型は、ドライエッチングで加工されることを特徴とする。 Preferably, the glassy carbon mold is processed by dry etching.
また、好適には、前記ドライエッチングは、Al製パターンを用いて行われる。 Preferably, the dry etching is performed using an Al pattern.
また、好適には、Al製パターン形成後の表面の有機物汚染の除去は、有機溶剤を用いた洗浄により行われる。 Preferably, removal of organic contamination on the surface after forming the Al pattern is performed by washing with an organic solvent.
また、前記ドライエッチングは、酸化雰囲気燃焼法、誘導結合プラズマエッチング法、反応性イオンエッチング法、ケミカルドライエッチング法の何れかを用いる。 The dry etching uses any one of an oxidizing atmosphere combustion method, an inductively coupled plasma etching method, a reactive ion etching method, and a chemical dry etching method.
また、好適には、前記ドライエッチングは、雰囲気ガスが10〜100容積%の酸素ガスを含む。 Preferably, the dry etching includes an oxygen gas having an atmosphere gas of 10 to 100% by volume.
また、好適には、前記ガラス状カーボン中に含まれる気孔率は、0容積%である。 Preferably, the porosity contained in the glassy carbon is 0% by volume.
また、好適には、前記ガラス状カーボンは、ドライエッチングで形成された穴状形状の底部に、プレスで押し当てた被成形物が接触しないように穴状形状の深さ及びプレス圧力を制御する。 Preferably, the glassy carbon controls the depth of the hole shape and the press pressure so that the object pressed by the press does not contact the bottom of the hole shape formed by dry etching. .
また、好適には、前記ガラス製マイクロレンズアレイに用いられるガラスは、シリカガラスである。 Preferably, the glass used for the glass microlens array is silica glass.
また、好適には、前記ガラス状カーボン中に含まれるNa、K、Caの合計濃度は、1ppm以下である。 Preferably, the total concentration of Na, K, and Ca contained in the glassy carbon is 1 ppm or less.
また、好適には、前記シリカガラスは、表層50μmでのAlを除く金属汚染濃度の合計が10ppm以下である。 Preferably, the silica glass has a total metal contamination concentration excluding Al at a surface layer of 50 μm of 10 ppm or less.
また、本発明に係るガラス製マイクロレンズアレイは、ガラス状カーボン製成形型を用いた高温プレス成形法により成形されたことを特徴とする。 The glass microlens array according to the present invention is characterized by being molded by a high-temperature press molding method using a glassy carbon molding die.
本発明に係るガラス製マイクロレンズアレイの製造方法によれば、耐久性、透光性に優れたガラス製マイクロレンズアレイを安価に大量生産できるガラス製マイクロレンズアレイの製造方法を提供することができる。 According to the method for producing a glass microlens array according to the present invention, it is possible to provide a method for producing a glass microlens array capable of mass-producing a glass microlens array having excellent durability and translucency at low cost. .
また、本発明に係るガラス製マイクロレンズアレイによれば、安価で耐久性、透光性に優れたガラス製マイクロレンズアレイを提供することができる。 In addition, according to the glass microlens array of the present invention, it is possible to provide a glass microlens array that is inexpensive, excellent in durability and translucency.
以下、本発明に係るガラス製マイクロレンズアレイの製造方法の一実施形態について添付図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of a method for producing a glass microlens array according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
最初に、本発明に係るガラス製マイクロレンズアレイの製造(転写)に用いられる際に、マスターとなる成形型の作製方法を説明する。 First, a method for producing a mold that becomes a master when used in the production (transfer) of a glass microlens array according to the present invention will be described.
図1はマスターとなる成形型の作製フロー図である。 FIG. 1 is a flow chart for manufacturing a master mold.
図1に示すように、まず、基材となる平板状のガラス状カーボン材2の表面を鏡面加工し、酸洗浄、有機洗浄等で十分に洗浄を行う(S1)。
As shown in FIG. 1, first, the surface of a flat
ガラス状カーボン材は形状加工性や均一なエッチング性を考慮して気孔率が0%であることが好ましい。ガラス製マイクロレンズアレイの基材にシリカガラスを用いる場合には、プレス温度が1300℃以上の高温を必要とすることから、不純物による失透(シリカガラスの結晶化)の発生を抑える必要があり、そのためガラス状カーボンに含まれる不純物濃度は低く抑え、少なくともNa、K、Caの合計濃度が1ppm以下であることが好ましい。また、その他の不純物もシリカガラスとカーボンの反応を促進する効果があるので、洗浄を十分に行う必要があり、シリカガラスの表層50μmでのAlを除く金属汚染濃度の合計濃度が10ppm以下であること、かつガラス状カーボンの灰分が2ppm以下であることが好ましい。 The glassy carbon material preferably has a porosity of 0% in consideration of shape processability and uniform etching properties. When silica glass is used for the base material of the glass microlens array, it is necessary to suppress the occurrence of devitrification (crystallization of silica glass) due to impurities because the press temperature requires a high temperature of 1300 ° C. or higher. For this reason, the concentration of impurities contained in the glassy carbon is preferably kept low, and the total concentration of at least Na, K, and Ca is preferably 1 ppm or less. In addition, since other impurities also have an effect of promoting the reaction between silica glass and carbon, it is necessary to perform sufficient washing, and the total concentration of metal contamination concentration excluding Al at the surface layer of silica glass of 50 μm is 10 ppm or less. In addition, the ash content of the glassy carbon is preferably 2 ppm or less.
次に真空蒸着法でAl3を加工表面に蒸着する(S2)。 Next, Al3 is vapor-deposited on the processing surface by vacuum vapor deposition (S2).
マスク材としてのAlは基材への密着性が高く、加工性がよいため微細なパターン作製に適しており、かつ安価で経済的であることから好適であるが、マスク材はこれに限定されるものではない。 Al as a mask material is suitable because it has high adhesion to the base material and good workability and is suitable for fine pattern production, and is inexpensive and economical. However, the mask material is limited to this. It is not something.
さらにAl3表面上にフォトレジスト材4を塗布する(S3)。
Further, a
そしてマイクロレンズとなる部分のAlをエッチングできるようにマスク5と投影レンズ6を用いてレジストパターンを露光(S4)し、現像してマスクされていないフォトレジスト材4を溶かし(S5)、フォトレジスト材4でマスクされていないAl部分を酸でウエットエッチングする(S6)。
Then, the resist pattern is exposed (S4) using the
上記工程の詳細な条件は通常の半導体のIC製造工程でのAl配線パターン形成工程に準ずる。 The detailed conditions of the above process are in accordance with the Al wiring pattern forming process in the normal semiconductor IC manufacturing process.
フォトレジスト材4を剥離する(S7)。
The
有機物除去洗浄する(S8)。 The organic substance is removed and washed (S8).
表面に有機物汚染5が残存すると、後工程のドライエッチングの際にエッチングむらを生じ、エッチング深さに著しいバラツキを生じるため、洗浄用有機溶剤を用いて十分に洗浄し、その後十分に純水リンスする。洗浄液としてはアセトン、イソプロピルアルコールや市販の有機物除去用有機洗浄剤を用いることができるが、パーティクル除去効果も期待できる界面活性剤を含むものがより好適である。洗浄の際に超音波を併用すると効果的であるが、Alマスクの剥離につながるので出力等に注意が必要である。また、この時Alを侵すような酸・アルカリ洗浄は用いることはできないが、マスクにAlを用いない場合(例えばAu、Cr、Pt使用)は、この限りではない。
If the
本有機物除去洗浄工程は、ドライエッチングで加工する前処理として、成形型となるガラス状カーボン表面の有機物汚染を完全に除去することでエッチング深さの均一性を高め、これを成形型として高温下でのガラスのプレスを行う際、穴形状とプレス圧力を制御して被成形体が穴の表面のエッチング面に接触しないようにすることが可能になる。 This organic substance removal cleaning process is a pre-process that is processed by dry etching, and it completely removes organic contaminants on the glassy carbon surface that forms the mold, thereby improving the uniformity of the etching depth. When the glass is pressed, the shape of the hole and the pressing pressure can be controlled so that the object to be molded does not come into contact with the etched surface of the surface of the hole.
さらにドライエッチングによってAlでマスクされている部分以外のガラス状カーボンをエッチングして、穴6を形成する(S9)。 Further, the glassy carbon other than the portion masked with Al is etched by dry etching to form the hole 6 (S9).
このエッチングは等方性の強い方法が好ましく、好適なのは誘導結合プラズマエッチング(IPC)法、反応性イオンエッチング(RIE)法、ケミカルドライエッチング(CDE)法のいずれかである。ドライエッチングに用いる反応ガスはO2を10〜100容積%含むことが好ましい。ドライエッチングによりガラス状カーボンを効率良く高精度に加工できる。 This etching is preferably a highly isotropic method, and an inductively coupled plasma etching (IPC) method, a reactive ion etching (RIE) method, or a chemical dry etching (CDE) method is preferable. The reaction gas used for dry etching preferably contains 10 to 100% by volume of O 2 . Glassy carbon can be processed efficiently and with high accuracy by dry etching.
最後に残存したAlマスクを酸エッチングで除去し、十分に洗浄してガラス状カーボン製成形型1を得る(S10)。 Finally, the remaining Al mask is removed by acid etching and washed sufficiently to obtain a glassy carbon mold 1 (S10).
次に上記成形型を用いた本ガラス製マイクロレンズアレイの製造方法(転写成形)について説明する。 Next, a manufacturing method (transfer molding) of the glass microlens array using the above mold will be described.
図2は本発明に係るガラス製マイクロレンズアレイの製造フロー図である。 FIG. 2 is a manufacturing flowchart of the glass microlens array according to the present invention.
プレス21の下パンチ22にガラス状カーボン製成形型1を固定し、さらにその上へ被転写物であるシリカガラス基材例えば平板状の基板12を設置する(S11)。
The glassy carbon molding die 1 is fixed to the
しかる後、加熱装置23による加熱を開始し、所定温度に至ったのを確認した後、上パンチ24を降下させてシリカガラス基板12を成形型1に押し当て、穴6形状を転写成形して(S12)、多数のマイクロレンズ13が形成されたガラス製マイクロレンズアレイ11を得る(S13)。
Thereafter, heating by the
上記S12において、成形型形状(穴の深さ)に合わせてプレス条件を調節し、穴6の表面のエッチング面に被成形体が接触しないようにすることが最も重要であり、このようにするのが好ましい。これにより、エッチングで成形型の表面が非常に荒れ、エッチングむらが生じていても、ガラス製マイクロレンズアレイの加工面に影響を受けることがなく、安価で高性能なガラス製マイクロレンズアレイの製造が可能となる。
In S12, it is most important to adjust the pressing conditions according to the shape of the mold (hole depth) so that the object to be molded does not contact the etched surface of the surface of the
ガラス材として、シリカガラスは、高温に強く、熱膨張係数が極端に小さいため、高精度を要するガラス製マイクロレンズアレイにとって非常に有用である。 As a glass material, silica glass is very useful for a glass microlens array that requires high accuracy because it is resistant to high temperatures and has an extremely small coefficient of thermal expansion.
上記加熱装置23には金属や炭素の抵抗体による抵抗加熱装置、ランプ加熱装置、誘導加熱装置のいずれの装置を用いてもよいが、生産性の点からランプ加熱装置を用いるのが好ましい。
The
プレスの雰囲気は、不活性雰囲気、温度はガラスの粘度が9.5〜8.5ポイズとなる温度が必要であり、転写性と成形型との反応を考えると8.8〜9.2ポイズ程度が好ましい。 The press atmosphere must be an inert atmosphere, and the temperature should be such that the viscosity of the glass is 9.5 to 8.5 poise. Considering the reaction between the transferability and the mold, 8.8 to 9.2 poise. The degree is preferred.
上記本発明に係るガラス製マイクロレンズアレイの製造方法によれば、ガラス状カーボン材の加工にドライエッチングを用い、高精度、高密度の微細加工技術を利用して作製した成形型を用いることにより、耐久性、透光性に優れたガラス製マイクロレンズアレイを低コストかつ低環境負荷で製造することができる。 According to the method for manufacturing a glass microlens array according to the present invention, by using a dry die for processing a glassy carbon material, and using a mold manufactured using a high-precision, high-density microfabrication technique. Further, a glass microlens array excellent in durability and translucency can be manufactured at low cost and with low environmental load.
上記のような成形型を用いた本発明に係るガラス製マイクロレンズアレイの転写成形方法により製造されたガラス製マイクロレンズアレイ11は、図3および図4に示すように、正方形のシリカガラス基板12と、このシリカガラス基板12の表面12aに多数配列して設けられたマイクロレンズ13を有している。シリカガラス基板12の厚さは、例えば、数十μm〜数mm、マイクロレンズ3の高さは数μm〜数百μmである。
As shown in FIGS. 3 and 4, a
本発明に係るガラス製マイクロレンズアレイによれば、耐久性、透光性に優れ安価なガラス製マイクロレンズアレイが実現される。 According to the glass microlens array of the present invention, an inexpensive glass microlens array having excellent durability and translucency is realized.
試験1: ダイヤモンド砥粒を用いて片面を鏡面研磨加工したガラス状カーボンの表面に、マスクにはAlを用い、□7μm、深さ4μmの穴を12μmピッチで加工し、ガラス製マイクロレンズアレイの成形型とした。成形型作製時、ドライエッチング前洗浄には洗浄剤(花王株式会社製クリンスルーLC841)を用い、ドライエッチングにはICPエッチャーを用いた。エッチングガスは酸素100容量%を用いた。 Test 1: On the surface of glassy carbon that has been mirror-polished on one side using diamond abrasive grains, Al is used as a mask, □ 7 μm holes with a depth of 4 μm are processed at a pitch of 12 μm, and a glass microlens array A mold was formed. At the time of forming the mold, a cleaning agent (Clean Through LC841 manufactured by Kao Corporation) was used for cleaning before dry etching, and an ICP etcher was used for dry etching. The etching gas used was 100% oxygen by volume.
この成形型を1450℃の不活性雰囲気下で鏡面加工したシリカガラス板の表面に1kN/cm2の圧力で、穴の表面のエッチング面に被成形体が接触しないようにして押し当てた。 This mold was pressed against the surface of a silica glass plate mirror-finished in an inert atmosphere at 1450 ° C. with a pressure of 1 kN / cm 2 so that the molded body did not contact the etched surface of the hole surface.
その結果、高さ3.5μmの凸状レンズ形状を得た。 As a result, a convex lens shape having a height of 3.5 μm was obtained.
試験2: 穴の大きさが□9μmである以外は、試験1と同様である成形型を作製し、圧力を0.5kN/cm2とする以外は、試験1と同様にして、シリカガラス板の表面に穴の表面のエッチング面に被成形体が接触しないようにして押し当てた。
Test 2: A silica glass plate was prepared in the same manner as in
その結果、高さ3.5μmの凸状レンズ形状を得た。 As a result, a convex lens shape having a height of 3.5 μm was obtained.
1 ガラス状カーボン製成形型
11 ガラス製マイクロレンズアレイ
12 シリカガラス基板
13 マイクロレンズ
21 プレス
22 下パンチ
23 加熱装置
24 上パンチ
1
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WO2013027808A1 (en) | 2011-08-25 | 2013-02-28 | 旭硝子株式会社 | Optical element manufacturing method and manufacturing device |
JPWO2013103102A1 (en) * | 2012-01-05 | 2015-05-11 | 旭硝子株式会社 | Glass casing molding apparatus and molding method |
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