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
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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
【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。
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。
(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/mm2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。
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/mm2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/mm2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ηext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。
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
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)
- (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。 - 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。
- 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。 - 前記(ロ)段階は、前記積層体を紫外線に3乃至5mW/mm2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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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