JP2007110122A - ハイサグレンズの製造方法及びこの方法により製造したハイサグレンズ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はハイサグ微小レンズの製造方法及びそれによって製造されたハイサグレンズに関する。
【解決手段】本発明は高粘性フォトレジストを複数回にわたってコーティングしベーキングした後、リフロー作業をすることにより高いサグを有する微小レンズ構造を得てこれから高いサグの微小レンズを製造出来る。
【選択図】図４

Description

本発明はハイサグ微小レンズに関することであって、さらに具体的には高粘性フォトレジストを複数回にわたってコーティングしてベーキングした後、リフロー作業をすることにより、高いサグを有する微小レンズ構造を得てこれから高いサグの微小レンズを製造することが出来るハイサグレンズの製造方法及びそれにより製造されたハイサグレンズに関する。

ＬＥＤは、速い応答速度、半永久的寿命、低電圧と低電流への駆動可能性などの長所により次世代光源として脚光を浴びている。このようなＬＥＤは、レンズまたはレンズアレイと共に（例えば、プロジェクターのような）照明装置にも使用されている。

図１は、このような照明装置の一例を示す。図１に図示された通り、ＬＥＤを採用した照明装置１は、レンズアレイ１８を有する光源１０、該光源１０から予め定められた間隔をおいて配置された一対のレンズシート２０，２２及び一対の凸レンズ２４，２６を含み、レンズ２６は入射された光を液晶パネル２８に案内する。

ここで、光源１０は、基板１２、該基板１２の複数の凹部（図示省略）に各々装着された複数のＬＥＤチップ１４、これらＬＥＤチップ１４を封止する透明封止体１６及び該透明封止体１６に結合されたレンズアレイ１８から成る。

このような構成により、ＬＥＤチップ１４から発生した光は、レンズアレイ１８、レンズシート２０，２２及び凸レンズ２４，２６を通じて液晶パネル２８に到達することとなる。

しかし、このように照明装置に使用されるＬＥＤは、様々な長所にも係わらず既存の光源を代替するには光効率、値段、輝度などの種々の問題点を有している。

このような問題点を解決するための法案として、プラスチック射出方式等で製作した屈折レンズを使用している。しかし、このような既存の方式は精密度、値段、量産性、多重チップへの拡張が難しいという限界を有している。集積されたマイクロレンズアレイ（ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙ）構造とＬＥＤパッケージを通じたウェーハ単位の工程で既存の問題点を解決できるだけでなく、光効率などのＬＥＤパッケージの光学的性能を向上させることが出来る。

多くの研究分野において、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いてウェーハ単位の工程が可能なマイクロレンズアレイを実現しようとする。しかし、既存のレンズ構造はレンズ高さ（ｓａｇ）が数十μｍに過ぎないという短所を有している。照明用のような高出力のＬＥＤでは数百μｍ水準のレンズ構造が必要である。

既存の様々なマイクロレンズ製作方式のうちグレースケール（ｇｒａｙ ｓｃａｌｅ）露光方式は、グレー水準の限界により数百μｍの高いサグへの適用が不可能である。電子ビーム露光、イオンビームライティング等の方法も試みられたが、これら方式もまた数百μｍサグのマイクロレンズ構造を得るには適合でない。乾式蝕刻と湿式蝕刻の方式を使用して製作する方式もあるが、サグ問題だけでなくレンズ表面の粗度側面でも適していない方式である。

図２は、従来技術によるハイサグレンズの製造方法の一例を示す。
しかし、図２に図示された製造方法によると、ハイサグレンズ５０を形成するためには、レプリカ法を数回繰り返して成形すべきである。このようにレプリカ法を２回以上繰り返して基板５２上にレンズ部５４を製作する場合、全体工程、例えばポリマードロップ、圧着、紫外線養生、脱型などのレプリカ工程の繰り返しによって作業時間が長く所要される。

さらに、このようなレプリカ法では、各々のレンズ層５６，５８，６０毎に適用されるＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）値が異なる追加的なモールド（図示省略）が必要である。

これとは別の方式では、ダイヤモンドターニングマシーン（ＤＴＭ）を用いてレンズモールドを製作し、これをアレイで拡張した後、レプリカ法やモールディング法などを適用してハイサグレンズアレイを製作することが出来る。

しかし、レーザービームによるモールドの加工時、製作可能なレンズのサグがスピンコーティング後形成されるフォトレジスト（ＰＲ）層の厚さに比例することにより、高いサグ、即ち数百μｍの高いサグを有するレンズを製作し難くなる。また、レーザービームによるモールド加工時、非球面形成が難しく製作可能な非球面には限界がある。

本発明は前述の従来技術の問題を解決するため案出されたことであって、本発明の目的は高粘性フォトレジストを複数回にわたってコーティングしてベーキングした後、リフロー作業をすることにより高いサグを有する微小レンズ構造を製造することにある。

本発明の他の目的は上記から得られた微小レンズ構造から、高いサグの微小レンズを製造することにより、該ハイサグ微小レンズが適用されるＬＥＤパッケージの光効率を改善することにある。

前述の本発明の目的を達成すべく、本発明は
（イ）高粘性のフォトレジストをシリコンウェーハ上にコーティングしベーキングすることを一定回数繰り返してフォトレジスト積層体を形成する段階と、
（ロ）上記フォトレジスト積層体を露光と現像を通じて予め定められた模様に転換させる段階と、
（ハ）上記形成された積層体を熱処理して高いサグ（ｈｉｇｈ ｓａｇ）を有する微小レンズ模様の構造を得る段階と、
（二）上記レンズ模様構造からその微小レンズ模様が陰刻されたモールドを得る段階と、
（ホ）上記モールドを用いて光学ポリマーで高いサグを有するレンズを形成する段階と、を含むハイサグレンズの製造方法を提供することを特徴とする。

本発明の方法において、上記（イ）段階は、コーティングとベーキングを３回繰り返すが、ベーキングは相互異なる条件で遂行出来る。この際、上記（イ）段階は、（ａ）フォトレジストを２００乃至５００ｒｐｍで３０秒乃至２分間コーティングしオーブンで４０乃至７０℃で２０乃至４０分間ベーキングする段階と、（ｂ）（ａ）段階から得られた構造上にフォトレジストを２００乃至５００ｒｐｍで３０秒乃至２分間再度コーティングしオーブンで６０乃至８０℃で３時間乃至５時間ベーキングする段階と、（ｃ）（ｂ）段階から得られた構造上にフォトレジストを２００乃至５００ｒｐｍで３０秒乃至２分間再度コーティングしオーブンで８０乃至１１０℃で４時間乃至６時間ベーキングする段階と、を含むことが出来る。

本発明の方法において、上記（ロ）段階は、上記積層体を紫外線に３乃至５ｍＷ／ｍｍ^２の強度で３乃至７時間露光させることが出来る。

本発明の方法において、上記（ロ）段階は、現像作業を通じて上記積層体を箱または円板模様の複数の構造に分離することとなる。

本発明の方法において、上記（ハ）段階は、１００乃至１５０℃の温度で１乃至５分間リフロー作業を遂行することが出来る。

本発明の方法において、上記（ハ）段階から得られた微小レンズ模様の構造は、３００μｍ以上のサグを有することとなり、上記（ホ）段階から得られたレンズは３００μｍ以上のサグを有することとなる。

本発明の方法において、上記光学ポリマーは、紫外線硬化性ポリマーであると好ましい。

また、本発明は前述の方法により製造されたハイサグレンズを提供することを特徴とする。

高粘性フォトレジストを複数回にわたってコーティングしてベーキングした後、リフロー作業をすることにより高いサグを有する微小レンズ構造を得ることができる。また、該微小レンズ構造から高いサグの微小レンズを製造することにより、該ハイサグ微小レンズが適用されるＬＥＤパッケージの光効率を改善することが出来る。

以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照にさらに詳細に説明する。
先ず、図３と図４を参照に、本発明によるハイサグレンズの製造方法を説明する。

シリコンウェーハ１０２を用意し、その上に高粘性のフォトレジスト１０４ａをコーティングし（Ｓ１０２）ベーキングして（Ｓ１０４）、予め定められた厚さ、好ましくは１４０乃至２５０μｍ厚さのフォトレジスト積層体１０４ｂを形成する。このようなコーティングＳ１０２とベーキングＳ１０４は、一定回数繰り返すが、好ましくは２回または３回繰り返し、コーティングは同一条件でベーキングは相互異なる条件で遂行する。

さらに具体的には、（ａ）フォトレジストを２００乃至５００ｒｐｍで３０秒乃至２分間コーティングし、オーブンで４０乃至７０℃で２０乃至４０分間ベーキングし、（ｂ）上記の（ａ）段階から得られた構造上にフォトレジストを２００乃至５００ｒｐｍで３０秒乃至２分間再度コーティングし、オーブンで６０乃至８０℃で３時間乃至５時間ベーキングし、（ｃ）上記の（ｂ）段階から得られた構造上にフォトレジストを２００乃至５００ｒｐｍで３０秒乃至２分間再度コーティングし、オーブンで８０乃至１１０℃で４時間乃至６時間ベーキングして、前述のフォトレジスト積層体１０４ｂを形成する。

次に、フォトレジスト積層体１０４ｂを露光Ｓ１０６と現像Ｓ１０８を通じて予め定められた模様の予備構造１０６に転換させる。ここで、露光Ｓ１０６は、フォトレジスト積層体１０４ｂを紫外線に３乃至５ｍＷ／ｍｍ^２の強度で３乃至７時間露出させる。また、現像Ｓ１０８は、例えばＴＯＫ社のＰ−７Ｇ現像液を使用して遂行できるが、好ましくは実温で略６乃至７時間現像させることにより、フォトレジスト積層体１０４ｂを箱または円板模様の予備構造１０６に転換させることとなる。一方、フォトレジスト積層体１０４ｂは、充分広い面積に形成された場合、露光Ｓ１０６と現像Ｓ１０８によって複数の予備構造１０６に転換される。

次に、予備構造１０６にリフローのような熱処理を遂行して高いサグ（ｈｉｇｈ ｓａｇ）を有する微小レンズ模様のレンズ構造１０８を得る（Ｓ１１０）。熱処理、即ちリフローは好ましくは１００乃至１５０℃の温度で１乃至５分間遂行される。この過程から得られた微小レンズ構造１０８は、好ましくは３００μｍ以上の高いサグを有することとなる。

微小レンズ構造１０８の高いサグは、図６のグラフを参照することが出来る。勿論、図６のグラフはハイサグレンズを説明するためであるが、レンズを得るための微小レンズ構造１０８にも同一に適用される。

次いで、スパッタリング、電子ビームなどの蒸着を通じてレンズ構造１０８表面にシード層を形成し、メッキを通じてその上にサーブマスター、即ちモールド１１０を形成する（Ｓ１１２）。ここで、シード層の上には約１ｍｍの厚さで金属、好ましくはＮｉをメッキしてモールド１１０を得る。

次に、該モールド１１０からレンズ構造１０８を除去しモールド１１０を引っくり返すと微小レンズ模様の陰刻、即ち凹部Ｒが図４の（ｆ）のように上を向いて露出される。

該凹部Ｒは、前述のレンズ構造１０８と同一の形状で、従って所望の高いサグ微小レンズとも同一の形状となる。

次に、光学ポリマーをモールド１１０に提供して硬化させ所望のレンズシート１２０を複製する（Ｓ１１４）。この際の光学ポリマーは、紫外線硬化性ポリマーが良く、硬化作業も紫外線照射で遂行される。このようにするのは、紫外線硬化性ポリマーが熱に対する耐久性に優れているからである。即ち、完成されたレンズは、ＬＥＤチップと共に使用する時、ＬＥＤチップから発生した熱に露出されるが、紫外線硬化性ポリマーで形成されるとＬＥＤチップから発生した熱に対して優れた特性を有することとなる。

一方、好ましい紫外線硬化性ポリマーの例にはＭｉｎｕｔａ ＴｅｃｈのＭＩＮ−ＨＲ−１光学用ポリマーがある。

このように得られたレンズシート１２０をモールド１１０から取り外すと、図４の（ｈ）のように、複数の微小レンズ１２４がシート１２０の基部１２２上面から突出したことを確認出来る。これら微小レンズ１２４は、図４の（ｄ）から得られたレンズ構造１０８と同一の形状で、同様に３００μｍ以上の高いサグを有することとなる。このようなレンズ１２４の高いサグは、図６のグラフを参照することが出来る。

このように得られたハイサグレンズ１２４は、ＬＥＤチップから発生した光を案内するよう図５のようにアレイ形態で使用されることが出来る。これに対して、各々のハイサグレンズ１２４は個別的にＬＥＤパッケージと共に使用されることが出来る。

前述のハイサグレンズの製造方法によって４つの類型のハイサグレンズを製造した。先ず、ＴＯＫ社のＨＭ−３０００フォトレジストを５００，４００，３５０及び２５０ｒｐｍで１分間Ｓｉウェーハにコーティングし、５０℃オーブンで３０分間ベーキングし、同様にコーティングして７０℃オーブンで３時間３０分間ベーキングし、同様にコーティングして９０℃オーブンで５時間ベーキングして、図４（ｂ）のようなフォトレジスト積層体を得た。この際、フォトレジスト積層体は１５０，１７０，２００及び２５０μｍの厚さで各々形成した。

次に、３．５ｍＷ／ｍｍ^２の強度を有する紫外線露光器を使用して５時間露光し、ＴＯＫ社のＰ−７Ｇ現像液を用いて実温で３時間、４時間、４時間１０分及び６時間現像して図４（ｃ）のような予備構造を得た。次に、ホットプレートで１２０℃で２分間リフローを遂行して、図４（ｄ）のようなレンズ構造を得た。得られたレンズ構造は、各々３００，３７５，４００及び５００μｍのサグを有している。

次いで、図３のＳ１１２とＳ１１４、即ち図４の（ｅ）乃至（ｈ）の過程を通じて上記のレンズ構造と同一形状のハイサグレンズ、即ち３００，３７５，４００及び５００μｍのサグを有する微小レンズを得た。

下記の表１ではこれらハイサグレンズを使用する時のＬＥＤパッケージの光効率をこれらレンズが無い場合と比較した。表１においてη_ｅｘｔは外部光効率を示す。

上記の通り、３００μｍ以上のハイサグレンズを使用すると、高い光効率が得られることが分かる。特に、３７５μｍ以上の高いサグでは９６％以上の非常に優れた光効率を得ることができ、実験誤差を考慮した時５００μｍ以上ではサグを増加させても光効率が比例して増加しないことが分かる。また、３７５乃至４００μｍサグ近くの光効率は、５００μｍサグの光効率と実質的な差がないため略３７５乃至４００μｍのサグで微小レンズを形成すれば良い。

上記では本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、該当技術分野において通常の知識を有している者であれば添付の特許請求範囲に記載された本発明の思想及び領域から外れない範囲内で本発明を多様に修正及び変更できることが分かる。

ＬＥＤとレンズアレイを用いた照明装置の一例を示す概念図である。 従来技術によるハイサグレンズの製造方法を説明する断面図である。 本発明によるハイサグレンズの製造方法を説明する順番図である。 本発明によるハイサグレンズの製造方法を説明する断面図である。 本発明によって製造したハイサグレンズアレイの一例を示す斜視図である。 本発明によって製造したハイサグレンズのサグを説明するグラフである。

符号の説明

１０２ ウェーハ
１０４ａ，１０４ｂ フォトレジスト積層体
１０６ 予備構造
１０８ 微小レンズ構造
１１０ モールド
１２０ 微小レンズシート
１２４ 微小レンズ

Claims (10)

1. （イ）高粘性のフォトレジストをシリコンウェーハ上にコーティングしベーキングすることを一定回数繰り返してフォトレジスト積層体を形成する段階と、
   （ロ）前記フォトレジスト積層体を露光と現像を通じて予め定められた模様に転換させる段階と、
   （ハ）前記形成された積層体を熱処理して高いサグ（ｈｉｇｈ ｓａｇ）を有する微小レンズ模様の構造を得る段階と、
   （二）前記レンズ模様構造からその微小レンズ模様が陰刻されたモールドを得る段階と、
   （ホ）前記モールドを用いて光学ポリマーで高いサグを有するレンズを形成する段階と、を含むことを特徴とするハイサグレンズの製造方法。
2. 前記（イ）段階は、コーティングとベーキングを３回繰り返すが、ベーキングは相互異なる条件で遂行することを特徴とする請求項１記載のハイサグレンズの製造方法。
3. 前記（イ）段階は、
   （ａ）フォトレジストを２００乃至５００ｒｐｍで３０秒乃至２分間コーティングしオーブンで４０乃至７０℃で２０乃至４０分間ベーキングする段階と、
   （ｂ）（ａ）段階から得られた構造上に、フォトレジストを２００乃至５００ｒｐｍで３０秒乃至２分間再度コーティングしオーブンで６０乃至８０℃で３時間乃至５時間ベーキングする段階と、
   （ｃ）（ｂ）段階から得られた構造上に、フォトレジストを２００乃至５００ｒｐｍで３０秒乃至２分間再度コーティングしオーブンで８０乃至１１０℃で４時間乃至６時間ベーキングする段階と、を含むことを特徴とする請求項２に記載のハイサグレンズの製造方法。
4. 前記（ロ）段階は、前記積層体を紫外線に３乃至５ｍＷ／ｍｍ^２の強度で３乃至７時間露光させることを特徴とする請求項１記載のハイサグレンズの製造方法。
5. 前記（ロ）段階は、現像作業を通じて前記積層体を箱または円板模様の複数の構造に分離することを特徴とする請求項１記載のハイサグレンズの製造方法。
6. 前記（ハ）段階は、１００乃至１５０℃の温度で１乃至５分間リフロー作業を遂行することを特徴とする請求項１記載のハイサグレンズの製造方法。
7. 前記（ハ）段階から得られた微小レンズ模様の構造は、３００μｍ以上のサグを有することを特徴とする請求項１記載のハイサグレンズの製造方法。
8. 前記（ホ）段階から得られたレンズは、３００μｍ以上のサグを有することを特徴とする請求項１記載のハイサグレンズの製造方法。
9. 前記光学ポリマーは、紫外線硬化性ポリマーであることを特徴とする請求項１記載のハイサグレンズの製造方法。
10. 請求項１乃至請求項９のうちいずれか一つに記載した方法により製造されたことを特徴とするハイサグレンズ。