JP2009037257A - マイクロレンズアレイ基板、液晶表示素子、液晶表示装置、および液晶プロジェクタ - Google Patents

マイクロレンズアレイ基板、液晶表示素子、液晶表示装置、および液晶プロジェクタ

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Abstract

【課題】等方性エッチングを用いた微細加工の際にエッチングの制御性を向上し、大型基板においても均一な加工を実現する微細構造形成方法を提供する。
【解決手段】所定の開口部を有するマスクが表面に設けられた被エッチング体にエッチング液を用いて上記開口部から被エッチング体を蝕刻し、被エッチング体表面に凹部を形成する微細構造形成方法であって、被エッチング体に含まれる物質とエッチング液との反応により不溶物を生成させ、被エッチング体の露出面に蓄積する不溶物によりエッチングを停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、等方性エッチング法を用いた微細構造形成方法、マイクロレンズアレイ基板、マイクロレンズアレイ用母型、液晶表示素子、液晶表示装置、および液晶プロジェクタに関する。
近年の微細構造形成技術の進展に伴い、既存の素子に微細構造を導入し、高機能化・高性能化・高付加価値化する試みが多数用いられつつある。特に最近では、光の波長に近いスケールの加工までもが可能になりつつあるため、これらの試みは、光学素子や表示素子の分野において有望視されている。
一例では、液晶表示素子の分野において、ガラス基板に画素サイズ程度のマイクロレンズアレイを設ける技術が検討されている。これは、液晶表示素子の開口率が、表示画素を駆動するための配線や電極の存在により、必然的に制限されることに起因する。特に、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いたアクティブマトリクスタイプの液晶表示素子では、典型的な開口率は60%程度以下となる。そこで、光が入射する側の基板にマイクロレンズアレイを設け、開口部に入射光を集中させることで、実効開口率を向上させることにより、明るい表示や低消費電力化を実現する試みが行われている。このような試みは、明るさや消費電力に対する要求が大きな用途において、特に重要視されている。
例えば、液晶プロジェクタでは、明るい環境下においても鮮明な表示を実現するために、明るさの向上が非常に重要であり、ライトバルブとして用いられる液晶パネルへのマイクロレンズアレイの搭載が検討されている。このような用途においては、少なくとも画素数分以上の多数個のマイクロレンズを作製する必要がある。
マイクロレンズアレイの作製方法として、２Ｐ成型法を用いた方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この方法を工程別に説明した断面図を図１７に示す。この図を用いてマイクロレンズアレイの作製方法について説明する。はじめに、ガラス基板１００、成型面に多数の略半球面状の凹部が形成された母型１１４、離型剤１０７、および未硬化の樹脂１０８を用意し、図１７（Ａ）に示すように、母型１１４の成型面側に、離型剤１０７および未硬化の樹脂１０８を塗布する。次に、樹脂８の面とガラス基板１００の面とを合わせて、母型１１４をガラス基板１００側に押し付け、上記未硬化の樹脂１０８を母型１１４の成型面でプレス成型する（図１７（Ｂ））。その後、紫外線等で樹脂１０８を硬化させ、ガラス基板上に樹脂製のレンズ層を備えたマイクロレンズアレイ１１２を形成する（図１７（Ｃ））。
この２Ｐ成型法の他の例に、母型として加工性・平坦性に優れるシリコン基板を使用する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
マイクロレンズアレイの作製方法の他の例としては、加熱とドライエッチングを併用する転写法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。この方法を工程別に説明した断面図を図１８に示す。この図を用いてマイクロレンズアレイの作製方法について説明する。図１８（Ａ）に示すように、ガラス基板１００上に熱変形性の材料による熱変形性パターン１１５を形成した後に、加熱工程によるパターン変形を利用して略半球状の半球状パターン１１５ａを作製する（図１８（Ｂ））。次に、半球状パターン１１５ａをマスクとしてガラス基板１００をドライエッチング加工することにより、ガラス基板１００に略半球状の凸形状を転写し、マイクロレンズアレイ１２０を作製する（図１８（Ｃ））。
また、等方性エッチング法を用いたマイクロレンズアレイの形成方法が開示されている（例えば、特許文献４参照）。この方法を工程別に説明した断面図を図１９に示す。この図を用いてマイクロレンズアレイの形成方法について説明する。はじめに、石英ガラス基板１１７の表面にシリコンで作製されたエッチング用のマスク層１１６を形成する（図１９（Ａ））。次に、図１９（Ｂ）に示すように、ウェットエッチング液１０４による等方性エッチングを石英ガラス基板１１７に施す。この後、マスク層１１６を剥離して、マイクロレンズアレイ１２２を形成する（図１９（Ｃ））。
このように、液晶プロジェクタ用途のマイクロレンズアレイについては、多数の検討が行われている。
また、プロジェクタ用途以外にも、マイクロレンズアレイを半透過型の液晶表示素子に適用する試みが検討されている。反射板の微小開口部にバックライト光を集光するようなマイクロレンズアレイを設けることにより、透過表示時にバックライト光を有効に活用し、また消費電力を低減する方法が開示されている（例えば、特許文献５参照）。
微細構造形成技術を適用した他の例として、光導波路を挙げることができる。石英ガラス基板上に多数の導波路や3dB結合器を設けることにより、光スイッチやアレイ導波路格子合分波器が実現されている（例えば、非特許文献１参照）。これらの光スイッチや分波器は、波長多重通信方式における多重光の波長分離や光アドドロップなどに使用されるが、導波路の損失や波長分離の特性から小型化には限界がある。特に今後、多重波長数の増加が見込まれるため、結果として大面積化が避けられない傾向にある。
また、液晶表示素子の配線を基板中に埋め込むことにより、基板表面の凹凸を小さくして液晶の配向を均一にし、液晶表示素子の表示性能を向上させる試みが開示されている（例えば、特許文献６参照）。
また、微細構造形成技術により、基板に波長程度の周期構造を有する回折格子を形成する試みが行われている。特に、有機エレクトロルミネッセンス素子の基板に回折格子を形成し、発光層からの光取り出し効率を向上させる方法が開示されている（例えば、特許文献７参照）。
また、微細構造形成技術を利用した液晶表示素子の配向膜形成が開示されている（例えば、特許文献８参照）。現在、最も頻繁に用いられる液晶の配向方法は、ポリイミドなどの有機膜を綿などの布で擦るラビング法である。しかし、このラビング法では、有機膜に傷が付き易いために表示品質が低下する、綿布等から発生する塵で汚染される、信頼性が低い等の問題が発生している。そこで、無機膜等にサブミクロン程度の微細な溝構造を形成し、液晶を配向させる試みが行われている。
また、偏光依存光学素子を形成するための検討も行われている。光学素子に偏光依存機能を持たせるためには、偏光異方性を有する光学材料を利用する方法と、等方性材料に超微細構造を形成し構造性複屈折を利用する方法がある。特に後者は、適用する波長レベルの微細加工技術の進展に伴い、最近特に注目されつつある（例えば、非特許文献２参照）。
また、微細構造形成技術により、基板にマイクロメートルから数十マイクロメール程度の大きさを有する微小な構造を作製し、作製された微小構造をマイクロ化学分析システム（μＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ）やＬＯＣ（Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ）に使用するためのマイクロチップが検討されている。特に近年、ＤＮＡ分析、医療、環境分野へ盛んに適用されている（例えば、非特許文献３参照）。
このように、微細構造形成技術が適用できる範囲は非常に広く、様々な検討が行われている。
特開２００１−２０１６０９号公報 特開２００１−２４６５９９号公報 特開２００１−０７４９１３号公報 特開２００１−１４７３０５号公報 特開２０００−２９８２６７号公報 行松健一著「光スイッチングと光インターコネクション」共立出版株式会社、ｐ．１３７−１３９ 特開平６−８２８３２号公報 特開平１１−２８３７５１号公報 特開２０００−８１６２５号公報 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｖｏｌ．３９， Ｎｏ．２０， ２０００ （社）高分子学会編「ナノテクノロジーと高分子」、ｐ．１１７−１３１
しかしながら、微細な構造を形成するにあたっては、その形状均一性の向上が最大の課題となる。また、量産性、低コスト化、高歩留まり化を考慮した場合に、安価な材料を用いて大型基板に一括して作製し、完成後に小片化するような多面取りの手法が必須となる。ところが、大型基板を用いると、均一性の実現がより一層困難になる。
例えば、液晶プロジェクタにおけるマイクロレンズアレイでは、上述のように、２Ｐ成型法、ドライエッチング法を用いた転写法、等方性エッチング法が検討されており、これらの方法の問題点について以下に説明する。
大型基板への微細構造作製という点では、上記２Ｐ成型法は、微細構造を有する大型の母型を用意しなければならないこと、母型と基板との材質が異なると熱膨張係数差に起因する変形が生じるために厳密な温度管理が必要になること、型押しの際に高さ方向の精密制御が必要であること等の問題がある。これらの問題は、例えば、小型の母型を用意し、基板に対して順次多数回の型押しを行うような方法で解決することもできるが、横方向の位置制御を精密に行わなければならない等、新たな問題も発生する。
また、上記ドライエッチング法では、面内の均一性には優れるものの、大型基板を加工するためには、大型のドライエッチング装置や大型の真空槽を用意する必要がある。一般的に大型装置は高価なため、低コスト化には不利である。また、１回の処理で加工できる基板は原則として１枚に限られること、真空中での加工となるため真空操作に時間がかかり量産性が低下することなども問題となる。
これに対して、上記等方性エッチング法では、ウェットエッチングのための大型のエッチング槽を用意することで、大型基板への対応が比較的容易に可能となる。また、同時に複数枚の処理が可能なため、低コスト化の点でも有利である。しかし、石英ガラス基板やシリコン基板を用いた場合には、ウェットエッチングによるエッチング量の制御が難しいため、面内でムラを生じ易い、ロット間でばらつきが生じるなどの問題がある。また、エッチングの進行に従いエッチングマスクの支えがなくなった場合には、エッチング中にマスクの剥離が発生し、エッチングムラの原因となる。さらには、高価な石英ガラス基板やシリコン基板を使用するために、低コスト化が難しいという問題がある。
このような問題は、上記作製方法を採用する場合、液晶プロジェクタ用マイクロレンズアレイだけでなく、半透過型液晶表示素子用マイクロレンズアレイにおいても同様に発生する。
微細構造形成技術を使用する、光導波路、埋め込み配線、回折格子、微細溝を有する液晶配向膜、偏光依存光学素子、およびマイクロチップにおいても、上記と同種の問題が発生する。上述したように、等方性エッチングを用いた微細加工では、エッチングの制御が難しく、特に大型化した場合に面内の均一性を確保するのが難しい、コストが上昇するという問題がある。また、ドライエッチングを使用する場合では、大型の装置が必要である、１回の処理で加工できる基板は１枚である、真空操作が必要なため工程に時間がかかりコスト高になる、という問題点がある。
本発明は上記したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、等方性エッチングを用いた微細加工の際にエッチングの制御性を向上し、大型基板においても均一な加工を実現する微細構造形成方法と、本発明の微細構造形成方法により作製されたマイクロレンズアレイ基板と、このマイクロレンズアレイ基板を用いた液晶表示素子、液晶表示装置、および液晶プロジェクタとを提供することを目的とする。また、２Ｐ成型法において、基板と同種の材料を用いた大型の母型を、高い歩留まりで安価に作製し、かつ厳密な温度管理が不要な微細構造形成方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明の微細構造形成方法は、所定の開口部を有するマスクが表面に設けられた被エッチング体にエッチング液を用いて前記開口部から前記被エッチング体を蝕刻し、前記被エッチング体表面に凹部を形成する微細構造形成方法であって、
前記被エッチング体に含まれる物質と前記エッチング液との反応により不溶物を生成させ、
前記被エッチング体の露出面に蓄積する不溶物によりエッチングを停止させるものである。
この場合、被エッチング体に酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化カリウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化リチウム、酸化ナトリウム、酸化セシウム、酸化亜鉛、および酸化鉛のうち少なくとも一つが含まれることとしてもよい。
また、本発明の微細構造形成方法は、所定の開口部を有するマスクが表面に設けられた被エッチング体にエッチング液を用いて前記開口部から前記被エッチング体を蝕刻し、前記被エッチング体表面に凹部を形成する微細構造形成方法であって、
前記エッチング液に溶解しない物質を含む前記被エッチング体から前記物質を浸出させ、
前記被エッチング体の露出面に蓄積する物質によりエッチングを停止させるものである。
この場合、被エッチング体にフッ化カルシウム、フッ化ナトリウム、フッ化バリウム、フッ化アルミニウム、フッ化ストロンチウム、およびフッ化マグネシウムのうち少なくとも一つが含まれることとしてもよい。
また、この場合、エッチング液がフッ酸を含有するものであってもよい。
上記本発明の微細構造形成方法のいずれかにおいて、微細構造がマイクロレンズであってもよい。
この場合、マスクに設けられる開口部が円形であり、
前記開口部の直径と該開口部の直径に対応して形成される凹部の直径との関係を示す表を作成し、
前記表に従って所望の凹部直径に対応する前記開口部の直径をマスクに形成することとしてもよい。
また、上記本発明の微細構造形成方法のいずれかにおいて、微細構造が凹部が連続して形成されるマイクロレンズアレイで用いられることとしてもよい。
この場合、マスクに設けられる開口部が円形であり、
前記開口部の直径および間隔と、該開口部の直径および間隔に対応して形成される凹部の直径との関係を示す表を作成し、
前記表に従って所望の凹部直径に対応する前記開口部の直径および間隔をマスクに形成することとしてもよい。
また、この場合、開口部の直径が前記開口部の間隔の１／３以下であってもよく、開口部の直径が前記開口部の間隔の１／１０以上であってもよい。
また、この場合、マスクに設けられる開口部が四角形であり、
前記開口部の対向する二辺の幅および前記開口部の間隔と、前記開口部の幅および間隔に対応して形成される凹部の幅との関係を示す表を作成し、
前記表に従って所望の凹部幅に対応する前記開口部の幅および間隔をマスクに形成することとしてもよい。
さらに、この場合、開口部の対向する二辺の幅が前記開口部の間隔の１／３以下であってもよく、開口部の対向する二辺の幅が前記開口部の間隔の１／１０以上であってもよい。
上記本発明の微細構造形成方法のいずれかによる微細構造が凹部が連続して形成されるマイクロレンズアレイで用いられる場合において、被エッチング体がガラス基板であり、
マスクが前記ガラス基板表面上に順に形成された金属膜と有機膜とからなることとしてもよい。
この場合、金属膜の厚みが２０ｎｍから３００ｎｍであってもよく、有機膜の厚みが２００ｎｍから４０００ｎｍであってもよい。
また、上記本発明の微細構造形成方法のいずれかにおいて、被エッチング体の表面に位置合わせ手段を設け、前記位置合わせ手段をエッチング液から保護するための保護材を形成することとしてもよく、位置合わせ手段を、開口部を有するマスクと同一工程で作製してもよい。
また、上記本発明の微細構造形成方法のいずれかにおいて、微細構造が光導波路用パターンであってもよく、微細構造が埋め込み配線用パターンであってもよい。
この場合、マスクに設けられる開口部が四角形であり、
前記開口部の対向する二辺の幅と該開口部の幅に対応して形成される凹部の幅との関係を示す表を作成し、
前記表に従って所望の凹部幅に対応する前記開口部の幅をマスクに形成することとしてもよい。
また、上記本発明の微細構造形成方法のいずれかにおいて、微細構造が回折格子であってもよく、微細構造が液晶配向膜であってもよい。
また、上記本発明の微細構造形成方法において、微細構造が偏光光学素子であってもよい。
この場合、被エッチング体にアルミニウム、マグネシウム、カルシウム、カリウム、ストロンチウム、バリウム、リチウム、ナトリウム、セシウム、亜鉛、および鉛のうち少なくとも一つが含まれることとしてもよい。また、この場合、エッチング液がフッ酸を含有するものであってもよい。
また、上記本発明の微細構造形成方法のいずれかにおいて、微細構造がマイクロチップ用パターンであってもよい。
この場合、マスクに設けられる開口部が多角形であり、
前記開口部の最大幅と該開口部の最大幅に対応して形成される凹部の幅との関係を示す表を作成し、
前記表に従って所望の凹部幅に対応する前記開口部の最大幅をマスクに形成することとしてもよい。
また、この場合、マスクに設けられる開口部が四角形であり、
前記開口部の対向する二辺の幅および前記開口部の間隔と、前記開口部の幅および間隔に対応して形成される凹部の幅との関係を示す表を作成し、
前記表に従って所望の凹部幅に対応する前記開口部の幅および間隔をマスクに形成することとしてもよい。
また、本発明のマイクロレンズアレイ基板は、微細構造がマイクロレンズアレイで用いられる場合において、上記本発明の微細構造形成方法のいずれかにより形成された凹部を有するものである。
また、本発明のマイクロレンズアレイ用母型は、微細構造がマイクロレンズアレイで用いられる場合において、上記本発明の微細構造形成方法のいずれかにより形成された凹部を有するものである。
また、本発明のマイクロレンズアレイ基板は、上記本発明の微細構造形成方法により位置合わせ手段が設けられ、遮光手段を有するものである。
また、上記目的を達成するための本発明のマイクロレンズアレイ用母型は、凹部を有するマイクロレンズアレイ用母型であって、
酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化カリウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化リチウム、酸化ナトリウム、酸化セシウム、酸化亜鉛、および酸化鉛のうち少なくとも一つが含まれる構成である。この場合、レンズの周囲に柱状パターンを有することとしてもよい。
また、上記目的を達成するための本発明のマイクロレンズアレイ基板は、レンズとなる凹部を有するマイクロレンズアレイ基板であって、
酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化カリウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化リチウム、酸化ナトリウム、酸化セシウム、酸化亜鉛、および酸化鉛のうち少なくとも一つが含まれる構成である。この場合、レンズの周囲に柱状パターンを有することとしてもよい。
また、上記本発明のマイクロレンズアレイ基板において、マイクロレンズアレイ基板より高い屈折率の材料が凹部に埋め込まれたこととしてもよく、凹部形成面側に透明基板を有することとしてもよい。
また、上記本発明のマイクロレンズアレイ基板において、位置合わせ手段を有することとしてもよく、遮光手段を有することとしてもよい。
また、本発明の液晶表示素子は、上記本発明のマイクロレンズアレイ基板を用いるものである。
また、上記本発明の液晶表示素子において、マイクロレンズアレイ基板と、該マイクロレンズアレイ基板とで液晶を挟む基板が無アルカリガラスまたは石英基板であることとしてもよい。
さらに、本発明の液晶表示装置は上記本発明の液晶表示素子を用いるものであり、本発明の液晶プロジェクタは上記本発明の液晶表示素子を用いるものである。
（作用）
本発明では、被エッチング体に含まれる物質とエッチング液との反応により生成される不溶物が被エッチング体露出面に蓄積してエッチングを停止させるため、エッチングが停止した後に被エッチング体をエッチング液に浸していてもエッチングが進行しない。そのため、大面積の被エッチング体に複数の微細構造を形成する場合でも、上記不溶物の生成が被エッチング体露出面で均一なため、面内で均一なエッチング加工が可能になる。また、複数枚の被エッチング体を一度に加工する際にも、上記不溶物の生成が被エッチング体間で均一なため、被エッチング体間で均一な加工が可能になる。さらに、一枚の被エッチング体を複数回のエッチング処理で加工する場合にも、上記不溶物の生成がエッチング処理間で均一なため、エッチング処理間で均一な加工が可能となる。
また、本発明では、上記不溶物の替わりに、被エッチング体に含まれる、エッチング液に溶解しない物質が被エッチング体露出面に蓄積してエッチングを停止させるため、上記不溶物と同様な作用を生じさせる。
また、本発明では、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化カリウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化リチウム、酸化ナトリウム、酸化セシウム、酸化亜鉛、および酸化鉛のうち少なくとも一つを含む被エッチング体をフッ酸を含有するエッチング液でエッチングすると、フッ酸を含有するエッチング液に不溶なフッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化カリウム、フッ化ストロンチウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化セシウム、フッ化亜鉛、およびフッ化鉛のいずれかが上記不溶物として生成されるため、これらが上記不溶物と同様な作用を生じさせる。
また、フッ化カルシウム、フッ化ナトリウム、フッ化バリウム、フッ化アルミニウム、フッ化ストロンチウム、およびフッ化マグネシウムのうち少なくとも一つを含む被エッチング体をフッ酸を含有するエッチング液でエッチングすると、これらがフッ酸を含有するエッチング液に溶解しない物質であるため、これらが上記不溶物と同様な作用を生じさせる。
また、本発明では、微細構造がマイクロレンズであることから、上記不溶物によりエッチングが停止した後、それ以上被エッチング体をエッチング液に浸しても形成されたレンズの形状が変化しない。そのため、各エッチング処理におけるエッチング量のばらつきがなく、エッチング処理間におけるレンズの形状が均一なマイクロレンズの作製が可能となる。また、被エッチング体として大型基板に複数のレンズを形成する場合でも、上記不溶物の生成が基板露出面で均一なため、基板面内でレンズの形状が均一なマイクロレンズの作製が可能となる。
また、本発明では、円形の開口部の直径とその開口部の直径に対応して形成される凹部の直径との関係を示す表を用いることにより、所望の凹部直径に対応してマスクに設ける開口部の直径が求まり、所望の凹部を被エッチング体表面に形成できる。
また、本発明では、微細構造が凹部が連続して形成されるマイクロレンズアレイで用いられるものであることから、上記不溶物によりエッチングが停止した後、それ以上被エッチング体をエッチング液に浸しても形成されたレンズの形状が変化しない。そのため、各エッチング処理におけるエッチング量のばらつきがなく、エッチング処理間におけるレンズの形状が均一なマイクロレンズアレイの作製が可能となる。また、被エッチング体として大型基板にマイクロレンズアレイを形成する場合でも、上記不溶物の生成が基板露出面で均一なため、基板面内でレンズの形状が均一なマイクロレンズアレイの作製が可能となる。
さらに、エッチングの進行において生成された不溶物がマスクの支えの役割も果たすため、マスクの剥離を防止する。
また、本発明では、円形の開口部の直径および間隔と、その開口部の直径および間隔に対応して形成される凹部の直径との関係を示す表を用いることにより、所望の凹部直径に対応してマスクに設ける開口部の直径が求まり、所望の凹部形状のレンズを被エッチング体表面に連続して形成できる。
なお、開口部が四角形の場合、開口部の対向する二辺の幅および開口部の間隔と、その開口部の幅および間隔に対応して形成される凹部の幅との関係を示す表を用いることにより、上記円形の場合と同様に、所望の凹部形状のレンズを被エッチング体表面に連続して形成できる。
マスク開口部の直径については、開口部の直径が小さ過ぎると、エッチングの進行が十分に進まない状態でエッチングが停止してしまう。反対に、開口部の直径が大き過ぎると、エッチングが停止する前に隣接する開口部パターンとエッチング領域が重なってマスクが剥離してしまう。
また、本発明では、開口部の直径を開口部間隔の１／３以下にしているため、開口部が大き過ぎる場合に開口部のエッチング領域が隣同士で重なってマスクが剥離するのを防止する。
また、本発明では、開口部の直径を開口部間隔の１／１０以上としているため、開口部が小さ過ぎる場合にエッチングが十分に進まない状態でエッチングが停止してしまう現象を防止する。
なお、マスクの開口部が四角形の場合における開口部の対向する二辺の幅についても、開口部が円形の場合の直径と同様である。
マスクの材質については、エッチング液により変質が発生しにくいこと、被エッチング体となるガラス基板との密着性が高いことが好ましい。密着性が低い場合には、ガラス基板とマスクの界面からエッチングが進行し、エッチングムラの一因となるためである。
また、本発明では、ガラス基板と密着性のよい金属膜がガラス基板表面上に形成されているので、ガラス基板と金属膜との界面からのエッチングの進行を防止する。また、有機膜が金属膜表面上に形成されているので、金属膜形成後に表面が傷つけられた場合にガラス基板表面へのエッチング液の浸透を防止する。
また、本発明では、マスクとしての金属膜の厚みを２０ｎｍから３００ｎｍの値にして、金属膜の厚みが薄すぎる場合に発生するピンホールと、厚すぎる場合に発生するクラックとが生じない範囲にしているため、ピンホールおよびクラックからガラス基板へのエッチング液の浸透を防ぐ。
また、本発明では、有機膜の厚みを２００ｎｍから４０００ｎｍの範囲にしているため、金属膜形成後からレジスト塗布までの間に金属膜表面に微小な傷が生じた場合に傷からのエッチング液の浸透を阻止するのに十分な膜厚であり、ガラス基板へのエッチング液の浸透をより有効に防止する。
また、本発明では、被エッチング体に位置合わせ手段を形成し、位置合わせ手段を保護するための保護材を形成した後エッチングを行っているため、エッチング時の位置合わせ手段の形状変化や剥離を防止できる。したがって、エッチング後に位置合わせ手段を使用して、露光の際にマスクとより高精度に位置合わせでき、下地パターンとのずれがより小さいパターニングができ、さらに、他の基板との重ね合わせを高精度に行うことができる。
また、本発明では、位置合わせ手段と開口部を有するマスクを同一工程で作製することで、工程数を削減できる。
また、本発明では、微細構造が光導波路用パターンであることから、上記不溶物によりエッチングが停止した後、それ以上被エッチング体をエッチング液に浸しても形成されたパターンの形状が変化しない。そのため、各エッチング処理におけるエッチング量のばらつきがなく、エッチング処理間における凹部形状が均一な光導波路用パターンの形成が可能となる。また、被エッチング体が大面積基板の場合でも上記不溶物の生成が基板表面で均一なため、凹部形状が均一な光導波路用パターンの形成が可能となる。
また、本発明では、微細構造が埋め込み配線用パターンであることから、上記不溶物によりエッチングが停止した後、それ以上被エッチング体をエッチング液に浸しても形成されたパターンの形状が変化しない。そのため、各エッチング処理におけるエッチング量のばらつきがなく、エッチング処理間における凹部形状が均一な埋め込み配線用パターンの形成が可能となる。また、被エッチング体が大面積の基板の場合でも上記不溶物の生成が基板露出面で均一なため、基板面内の凹部形状が均一な埋め込み配線用パターンの形成が可能となる。
また、本発明では、四角形の開口部の対向する二辺の幅とその開口部の幅に対応して形成される凹部の幅との関係を示す表を用いることにより、所望の凹部幅に対応してマスクに設ける開口部の幅が求まり、所望の凹部形状を被エッチング体表面に形成できる。
また、本発明では、微細構造が回折格子であることから、上記不溶物によりエッチングが停止した後、それ以上被エッチング体をエッチング液に浸しても形成された回折格子の形状が変化しない。そのため、各エッチング処理におけるエッチング量のばらつきがなく、エッチング処理間におけるパターン形状が均一な回折格子の形成が可能となる。また、被エッチング体が大面積の基板の場合でも上記不溶物の生成が基板表面で均一なため、基板面内のパターン形状が均一な回折格子の形成が可能となる。
また、本発明では、微細構造が液晶配向膜であることから、上記不溶物によりエッチングが停止した後、それ以上被エッチング体をエッチング液に浸しても形成された液晶配向膜の形状が変化しない。そのため、各エッチング処理におけるエッチング量のばらつきがなく、エッチング処理間におけるパターン形状が均一な液晶配向膜の形成が可能となる。また、大面積の被エッチング体で液晶配向膜を形成する場合でも上記不溶物の生成が被エッチング体の露出面で均一なため、面内のパターン形状が均一な液晶配向膜の形成が可能となる。
また、本発明では、微細構造が偏光光学素子であることから、上記不溶物によりエッチングが停止した後、それ以上被エッチング体をエッチング液に浸しても形成された偏光光学素子の形状が変化しない。そのため、各エッチング処理におけるエッチング量のばらつきがなく、エッチング処理間におけるパターン形状が均一な偏光光学素子の形成が可能となる。また、大面積の被エッチング体で偏光光学素子を形成する場合でも上記不溶物の生成が被エッチング体の露出面で均一なため、面内のパターン形状が均一な偏光光学素子の形成が可能となる。
さらに、マスクに覆われていない部分のエッチングの進行を上記不溶物が阻害するため、マスク下の被エッチング体へのサイドエッチングを防止する。
また、本発明では、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、カリウム、ストロンチウム、バリウム、リチウム、ナトリウム、セシウム、亜鉛、および鉛のうち少なくとも一つを含む被エッチング体をフッ酸を含有するエッチング液でエッチングすると、フッ酸を含有するエッチング液に不溶なフッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化カリウム、フッ化ストロンチウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化セシウム、フッ化亜鉛、およびフッ化鉛のいずれかが上記不溶物として生成されるため、これらが上記不溶物と同様な作用を生じさせる。
また、本発明では、微細構造がマイクロチップ用パターンであることから、上記不溶物によりエッチングが停止した後、それ以上被エッチング体をエッチング液に浸しても形成されたマイクロチップ用パターンの形状が変化しない。そのため、各エッチング処理におけるエッチング量のばらつきがなく、エッチング処理間における凹部形状が均一なマイクロチップ用パターンの形成が可能となる。また、被エッチング体が大面積の基板の場合でも上記不溶物の生成が基板露出面で均一なため、基板面内の凹部形状が均一なマイクロチップ用パターンの形成が可能となる。
また、本発明では、多角形の開口部の最大幅と、その開口部の最大幅に対応して形成される凹部の幅との関係を示す表を用いることにより、所望の凹部幅に対応してマスクに設ける開口部の幅が求まり、所望の凹部形状を被エッチング体表面に形成できる。
また、本発明では、四角形の開口部の対向する二辺の幅および開口部の間隔と、その開口部の幅および間隔に対応して形成される凹部の幅との関係を示す表を用いることにより、所望の凹部幅に対応してマスクに設ける開口部の幅および間隔が求まり、所望の凹部形状を被エッチング体表面に連続して形成できる。
また、本発明のマイクロレンズアレイ基板は、レンズ形状が基板面内で均一であるため、基板面内のマイクロレンズの焦点について基板からの距離が均一になる。
また、本発明のマイクロレンズアレイ用母型は基板面内で凹部形状が均一なため、この母型を用いた成型により作製されるマイクロレンズアレイ基板は基板面内でレンズ形状が均一となる。
また、本発明のマイクロレンズアレイ基板は、位置合わせ手段を使用してより高精度にマスクと位置合わせした後に露光し、パターニングにより遮光手段が形成されるため、遮光手段の重ね合わせマージンをより小さくすることが可能となる。そのため、このマイクロレンズアレイ基板を用いて液晶表示素子を作製すれば、開口率をより高くでき、より明るい表示が実現できる。
また、本発明のマイクロレンズアレイ用母型は、レンズの周囲に柱状パターンを有する構成のため、柱状パターン上にエッチング用マスクが形成されている場合、エッチング液がエッチング用マスクを剥離するのを柱状パターンが防止し、基板面内でレンズ形状が均一になる。
また、本発明のマイクロレンズアレイ基板は、レンズの周囲に柱状パターンを有する構成のため、柱状パターン上にエッチング用マスクが形成されている場合、エッチング液がエッチング用マスクを剥離するのを柱状パターンが防止し、基板面内でレンズ形状が均一になる。
また、本発明のマイクロレンズアレイ基板は、マイクロレンズアレイ基板より高い屈折率の材料がレンズとして機能する凹部に埋め込まれているので、屈折率材料の屈折率を調整することで、マイクロレンズの焦点距離を調整できる。
また、本発明のマイクロレンズアレイ基板は、マイクロレンズアレイとして機能する凹部形成面側に透明基板を有することで、凹部に埋め込まれた屈折率材料の形状が維持され、凹部で屈折した光が透明基板を透過できる。また、透明基板の厚みを調整することで、マイクロレンズの焦点距離を調整できる。
また、本発明のマイクロレンズアレイ基板は、位置合わせ手段を有しているので、マイクロレンズアレイ基板上に形成するパターンについてより高精度の位置合わせが可能である。
また、本発明のマイクロレンズアレイ基板は、遮光手段を有しているので、マイクロレンズアレイ基板にＴＦＴ基板を重ね合わせると、ＴＦＴに当たる光を減少させることができる。
また、本発明の液晶表示素子は、基板面内でレンズ形状が均一なマイクロレンズアレイ基板を用いているため、素子面内の輝度が均一になる。
また、本発明の液晶表示素子は、マイクロレンズアレイ基板と、マイクロレンズアレイ基板とで液晶を挟む基板が無アルカリガラス基板または石英基板であるため、双方の熱膨張係数が等しく、液晶を挟む２つの基板の線熱膨張係数が大きく異なる場合に生じる基板剥離や位置目合わせずれが抑制され、信頼性がより向上する。
また、本発明の液晶表示装置は、基板面内でレンズ形状が均一なマイクロレンズアレイ基板を応用した液晶表示素子を備えているため、表示画面内の輝度が均一になる。
さらに、本発明の液晶プロジェクタは、基板面内でレンズ形状が均一なマイクロレンズアレイ基板を応用した液晶表示素子を備えているため、投影像全体の明るさが均一になる。
本発明の等方性エッチング法を用いた微細構造形成方法を用いて得られる微細構造について、大型の基板について複数枚のエッチング処理に本発明を使用した場合でも、基板面内のみならず基板間でも均一性の高い微細構造を作製することができる。また、比較的安価な液晶表示素子用ガラスを使用できるため、低コスト化が可能になる。
さらに、本発明を２Ｐ成型法における母型の作製に使用することで、大型の母型を高い歩留まりで安価に作製することが可能となるばかりでなく、母型と同種の基板を使用することで熱膨張係数の違いに起因する誤差を小さくすることができ、厳密な温度管理が不要になる。大型の母型が使用できるため、低コスト化が可能となる。
本発明は、被エッチング体に含まれる物質と反応して不溶物を生成させるエッチング液、または、被エッチング体に含まれる一部の物質を溶解しないエッチング液を用いることにより、上記不溶物を生成させ、または上記一部の物質を浸出させ、エッチングを停止させることを特徴とする。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態は、本発明を等方性エッチングによるマイクロレンズアレイの作製に適用する形態である。
図１は本発明の第１の実施形態を製造工程順に示した断面図である。
基板１として、酸化珪素が４９％、酸化アルミニウムが１０％、酸化ホウ素が１５％、酸化バリウムが２５％の組成比を有する、厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラス基板を用意する。この基板１を洗浄した後に、スパッタ法を用いて厚さ１００ｎｍのクロム層からなる金属膜２を基板１上に成膜する。次に、スピンコート法を用いて厚さ１０００ｎｍのレジスト３を金属膜２上に形成する。このレジスト３には、ポジ型レジストを使用した。上記レジスト３にステッパ露光機を用いて露光して現像することにより、直径３μｍの円形の開口部３ａを３０μｍピッチで複数個形成する。
次に、金属膜２を硝酸第２セリウムアンモニウムを主成分とする公知のクロムエッチング液を用いてエッチングし、レジスト３の開口部３ａの形状と同様の形状に金属膜２を加工して、エッチング用マスクを形成する（図１（Ａ））。ここで、エッチング用マスクとして、レジスト３を剥離せずに残しておく。レジスト３を残すことにより、金属膜形成後からレジスト塗布までの間に金属膜表面に微小な傷が生じた場合に、この傷からのエッチング液の浸透による基板１への影響を低減できるからである。
なお、基板１の裏面や端面を、保護テープ、エポキシ系樹脂材料などの保護材（不図示）、上記金属膜２やレジスト３で覆って保護すれば、エッチングによる基板１の厚みや大きさの変化を低減できる。
次に、エッチャント４となる１０％フッ酸水溶液に基板１を２０分間浸して、基板１のエッチングを行う。
図１（Ｂ）はエッチングの初期段階の状態を示した断面図である。
エッチングが始まると、上記開口部３ａより基板１の等方性エッチングが進行し、開口部３ａを中心とする概半球状の微小な窪みが生じる。エッチングにより、この微小な窪み中の基板表面にエッチャント４に対する不溶物５となるフッ化アルミニウムとフッ化バリウムが主に生成される。この不溶物５は、基板１に均一に含有される酸化アルミニウムおよび酸化バリウムと、エッチャント４に含まれるフッ酸との反応により生成されるものである。
上記不溶物５は、エッチングの進行とともに窪み中に蓄積され、窪み内の基板表面を覆うとともに、エッチャント４の循環を阻害する。このため、次第に基板１のエッチングの進行が阻害され、１５分程度でエッチングは停止し、それ以降はエッチングが進行しない状態になった。この状態を示した断面図が図１（Ｃ）である。
これ以降はエッチング時間によらず、窪みの形状は変化しない。本実施形態では、エッチングされた領域が隣接するレンズと重なり合う状態まで進行したところでエッチングが停止し、一つのレンズに注目するとレンズの周囲四箇所に柱状パターン１ａが形成された。
この後、アセトンを用いてレジスト３を剥離して、上記クロムエッチング液を用いて金属膜２を剥離すると、フッ化アルミニウムを主成分とする不溶物５は上記窪みから洗い流される。さらに、基板１の裏面および端面に上記保護材（不図示）を設けている場合にはこの保護材（不図示）の剥離を行って、直径約４０μｍの半球状のレンズが３０μｍピッチで複数形成されたマイクロレンズアレイ基板１２が得られる（図１（Ｄ））。
なお、本実施形態では、上述のように、基板１はエッチャント４と反応してエッチャント４に対する不溶物５を生成する物質となる酸化アルミニウムおよび酸化バリウムをそれぞれ均一に含有する被エッチング体であり、エッチャント４は基板１に含まれる酸化アルミニウムおよび酸化バリウムと反応してエッチャント４に対する不溶物５を生成するエッチング液である。このような基板１とエッチャント４との組み合わせとして、基板１としては、無アルカリガラス、低アルカリガラス、ホウ珪酸ガラス、鉛ガラス、β―石英型透明結晶化ガラスなどがあり、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化カリウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化リチウム、酸化ナトリウム、酸化セシウム、酸化亜鉛、および酸化鉛のうち少なくとも一つを含有するガラスを用いることができる。また、エッチャント４としては、フッ酸、フッ酸にフッ化アンモニウムを加えたバッファードフッ酸、フッ酸に硝酸などを加えたフッ硝酸エッチング液等のフッ酸系のエッチング液を用いることができる。
また、不溶物５として、上記フッ化アルミニウムおよびフッ化バリウムの他に、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化リチウム、酸化ナトリウム、酸化セシウム、酸化亜鉛、酸化鉛がそれぞれフッ酸と反応して、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化ストロンチウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化セシウム、フッ化亜鉛、フッ化鉛が生成される。
さらに、基板１とエッチャント４とは、エッチャント４が基板１に含まれる一部の物質を溶解しないような組み合わせであってもよい。このような組み合わせとして、基板１としてはオキシハライドガラスを用いることができ、エッチャント４としては上記フッ酸系エッチング液を用いることができる。フッ酸系エッチング液に溶解しない物質としては、フッ化カルシウム、フッ化ナトリウム、フッ化バリウム、フッ化アルミニウム、フッ化ストロンチウム、およびフッ化マグネシウムなどがある。このような、エッチャント４に溶解しない物質が基板１に少なくとも一つ含まれていることにより、基板１のエッチングが進むにつれて、エッチャント４に溶解しない物質が基板１の表面を覆い、上記不溶物５と同様な作用および効果を生じさせる。
本発明を実施する際、エッチング用マスクの開口部直径は、次のような理由で、重要な要素となる。開口部直径が小さすぎると、エッチングの進行が十分に進まない状態で、不溶物５の影響によりエッチャント４の循環が阻害されるために、エッチングが停止してしまう。開口部直径が大きすぎると、エッチャント４の循環が阻害されにくくなるため、エッチングが不溶物５により停止する前に隣接するマイクロレンズとエッチング領域が重なり、エッチング用マスクの剥離が発生してエッチングが停止しなくなる。また、開口部のピッチが小さすぎる場合にも、エッチングが停止する前に、隣接するマイクロレンズとエッチング領域が重なり、エッチング用マスクの剥離が発生することとなる。
上述のことから、エッチング用マスクの開口部直径および開口部ピッチの大きさを変えて数多くの実験を実施したので、その結果について説明する。
表１は、上記作製条件において、円形開口部の直径と開口部のピッチとを変えてエッチングを行った結果をまとめたものである。なお、表１に表わされる○印はエッチングの進行が所定の状態で停止したことを示す。また、×印はエッチングの進行が停止しなかったことを示し、※印はエッチングの進行が十分に進まない状態でエッチングが停止したことを示す。
Figure 2009037257
表１に示す結果から、開口部直径の大きさが開口部のピッチの１／１０以上１／３以下の範囲において、本発明の目的が達成されることが明らかである。
また、表１に示す○印で得られたマイクロレンズの直径は、隣接するレンズ同士が接する状態の大きさから、隣接するレンズのエッチング領域が重なるがエッチング用マスクの剥離が生じない状態までの大きさであり、表１に示した開口部ピッチの１．０〜１．４倍の大きさであった。この結果から、表１を用いることにより、作製するマイクロレンズの直径寸法から開口部のピッチと開口部の直径を決めることができる。例えば、レンズの直径が３０〜４０μｍのマイクロレンズアレイを作製するには、表１から、開口部のピッチを３０μｍにした場合、開口部の直径を３〜１０μｍにすればよいことがわかる。
また、開口部の形状が円形の替わりに正方形である場合についても、数多くの実験を実施したので、その結果について説明する。
表２は、正方形の一辺の長さである開口部辺長と開口部のピッチとを変えてエッチング後の状況をまとめたものである。なお、表２に示される各印の意味については上記表１と同様である。
Figure 2009037257
表２に示す結果から、開口部辺長が開口部のピッチの１／１０以上１／３以下の範囲において、本発明の目的が達成されることが明らかである。このように、本発明は開口部の形状には大きく依存しないことが判明した。そのため、上記エッチング用マスクの開口部３ａの形状は、本実施形態では円形としているが、方形、楕円形、その他の形状でもよい。
次に、エッチャント濃度に対する依存性について検討するためにフッ酸水溶液の濃度を変えてエッチングを行ったので、その結果について説明する。
表３は、開口部のピッチ３０μｍ、開口部直径３μｍのエッチング用マスクを設けた場合について、フッ酸水溶液の濃度を５％、１０％、２０％、３０％とした場合のエッチング時間をまとめたものである。なお、このエッチング時間は、エッチングの進行が不溶物５の影響により自動的に停止するまでの時間を意味する。
Figure 2009037257
表３に示す結果から、フッ酸濃度が高いほどエッチングの進行が停止するまでの時間が短くなっている。また、それぞれのエッチング条件により得られたレンズ形状について観察を行ったところ、どの条件でもほぼ同様の形状が得られていることが判明した。これは、本発明がエッチャント４の濃度には大きく依存しないことを示唆している。すなわち、エッチャント濃度が多少変化し、これによりエッチングが停止するまでの時間が変動しても、エッチングが不溶物５により自動的に停止するため、オーバーエッチングが発生することはない。また、予め所定のエッチング時間より長めの時間を設定しておくことで、エッチング不足を防止することも可能である。
なお、基板１に含有される、エッチャント４に溶解しない物質である不純物の濃度に関しては、エッチャント濃度が同じでも、不純物濃度が高い場合にはエッチングの進行の停止が早くなり、不純物濃度が低い場合には不溶物の生成が不十分となるためエッチングの進行の停止が遅くなる傾向がある。そのため、形成されるレンズの直径は、基板１の不純物濃度による影響を受けることとなる。このことから、基板１に含有される酸化アルミニウム等の不純物の濃度は基板内および基板間で一定である方がよい。
次に、エッチャント４の温度に対する依存性について検討するためにフッ酸水溶液の温度を変えてエッチングを行ったので、その結果について説明する。
表４は、エッチャント中のフッ酸濃度を１０％に固定し、エッチャント温度を変えてエッチング時間を調べた結果をまとめたものである。なお、このエッチング時間は、上記表３と同様にエッチングの進行が停止するまでの時間を意味する。
Figure 2009037257
表４に示す結果から、エッチャントの温度が高いほどエッチングの進行が停止するまでの時間が短くなっている。また、それぞれのエッチング条件により得られたレンズ形状について観察を行ったところ、どの条件でも同様の形状が得られていることが判明した。これは、本発明がエッチャントの温度にも大きく依存せず、厳密な温度管理が不要であることを意味する。また、濃度を変えた場合と同様に、厳密な時間管理が不要で、エッチング不足およびオーバーエッチングを防止することも可能である。
次に、エッチング用マスクについての検討結果を以下に説明する。
エッチング用マスクの材質については、エッチャント４により変質が発生しにくいこと、および基板１との密着性が高いことが好ましい。密着性が低い場合には、基板１とエッチング用マスクとの界面からエッチングが進行し、エッチングムラの一因となるためである。本実施形態のようなクロム層などの金属膜２は、フッ酸系エッチング液に対して変質しにくく、基板１との密着性がよい。
次に、エッチング用マスクの金属膜２に用いたクロム層の厚みについて検討した結果を以下に説明する。
表５はクロム層の厚みを１０ｎｍから５００ｎｍの間で変化させた場合のエッチング結果をまとめたものである。
Figure 2009037257
表５に示すように、クロム層の厚みが１０ｎｍ以下の場合と５００ｎｍ以上の場合にクロム層がマスクとして使用できない状態になり、その理由は以下の通りである。
クロム層の厚みが１０ｎｍ以下の場合にはクロム層にピンホールが発生し、エッチング用マスクとしての機能が十分に発揮できないため、エッチング用マスクの剥離が発生して、良好なエッチング状態を得ることができなかった。また、クロム層の厚みが５００ｎｍ以上の場合には多数のクラックが発生するとともに、エッチングの進行に伴ってクロム層の応力に起因すると考えられる剥離が発生して、良好なエッチング状態を得ることができなかった。このため、本発明におけるクロム層の厚みは２０ｎｍから３００ｎｍの範囲に設定されることが好ましい。また、クロムのかわりにシリコン、チタン、銀、白金、金などを使用することができるが、クロムの場合と同様な現象が発生するため、上記の厚みの範囲で使用することが好ましい。
次に、エッチング用マスクのレジスト３の厚みについて検討した結果を以下に説明する。
表６はレジスト３の厚みを１００ｎｍから６０００ｎｍの間で変化させた場合のエッチング結果をまとめたものである。
Figure 2009037257
表６に示すように、レジスト３の厚みが１００ｎｍ以下の場合と６０００ｎｍ以上の場合にレジスト３がマスクとして使用できない状態になり、その理由は以下の通りである。
レジスト３の厚みが１００ｎｍ以下の場合にはエッチングの進行とともにエッチング用マスクの剥離が発生して、良好なエッチング状態を得ることができなかった。また、レジスト３の厚みが６０００ｎｍ以上の場合にも、エッチングの進行とともにエッチング用マスクの剥離が発生して、良好なエッチング状態を得ることができなかった。このため、本発明におけるレジスト３の厚みは２００ｎｍから４０００ｎｍの範囲に設定されることが好ましい。
なお、本実施形態は、マイクロレンズアレイのみならず、単体のマイクロレンズの形成にも同様に適用することが可能である。
本実施形態では、上述したように、不溶物５が生成されることで基板１のエッチングが自動的に停止する効果により、エッチングが停止した後に基板１をエッチャント４に浸していてもエッチングが進行しない。そのため、エッチング停止後に基板１をエッチャント４から取り出す時間のマージンを大きく確保できる。
また、複数枚の基板１を一度に加工する際にも、上記不溶物５の生成が基板間で均一なため、基板間で均一な加工が可能になる。また、一枚の基板１を複数回のエッチング処理で加工する場合にも、上記不溶物５の生成がエッチング処理間で均一なため、エッチング処理間で均一な加工が可能となる。そのため、基板１が大型化しエッチャント濃度やエッチング時間に面内分布が発生しても、基板面内のみならず基板間で均一なレンズパターンを作製することができ、基板面内および基板間における凹部形状の均一性により歩留りが向上し、ウェットエッチングにより低コスト化が可能となる。
また、発生した不溶物５がエッチング用マスクの支えの役割を果たすため、金属膜２およびレジスト３から構成されるエッチング用マスクの剥離を防止することができ、より均一性の高い加工が可能になる。さらに、無アルカリガラス、低アルカリガラス、ホウ珪酸ガラス、鉛ガラスなどの液晶表示用ガラスは石英ガラス基板やシリコンウェハ基板と比較して安価であり、本実施形態では、これらの液晶表示素子用ガラスを使用することができるため、低コスト化も実現可能である。
なお、本実施形態によるマイクロレンズアレイ基板１２を液晶表示素子に応用する場合について説明する。
図２は液晶表示素子の外観を模式的に示す斜視図である。
図に示すように、液晶表示素子は、マイクロレンズアレイ基板１２上に設けられた調整用ガラス板５１と公知の方法により作製されたＴＦＴ基板５０との間に液晶層５２が挟まれる構成である。
上記構成の液晶表示素子では、図の下側から照射された光がマイクロレンズアレイ基板１２に設けられたマイクロレンズによりＴＦＴ基板５０の透過部で集光するように構成されているため、光を透過するように液晶分子が配列した部分の輝度が高くなる。また、本実施形態のマイクロレンズアレイ基板１２を用いることにより、表示面内の輝度が均一になる。
上記液晶表示素子の作製方法について説明する。
図３乃至図５は液晶表示素子の作製方法を製造工程順に示した断面図である。
図３（Ａ）に示すように、無アルカリガラスの基板２０１上に金属膜２０２およびレジスト２０３を順に形成し、公知のリソグラフィ工程およびエッチング工程によりレジスト２０３と金属膜２０２に開口部２０３ａを形成する。開口部２０３ａを形成する際、以下に説明する露光位置調整マーカ２０３ｂを形成する。なお、図１では、露光位置調整マーカ２０３ｂを図に示すことを省略した。
露光位置調整マーカ２０３ｂは基板２０１上の所定の場所に必要な数だけ設けられている。露光位置調整マーカ２０３ｂは、ステッパ露光機による、上記開口部２０３ａを形成するための第１の露光とそれ以降に行う露光の際、ステッパ露光機用マスクであるレチクルやＴＦＴ基板等との相対的な位置決めのために用いられる位置合わせ手段であり、一般的にその精度は１μｍ以下である。なお、工程数は増えるが露光位置調整マーカ２０３ｂを形成した後に、開口部２０３ａを形成してもよい。
続いて、図３（Ｂ）に示すように、基板２０１をエッチャントに浸す前に、露光位置調整マーカ２０３ｂをエッチャントから保護するための保護材２５３を形成する。この保護材２５３はエッチャントに対する耐性を有するものであればよく、保護材２５３として、特に保護テープやエポキシ系樹脂材料等を好適に用いることが可能である。
そして、図３（Ｃ）に示すように、基板２０１をエッチャントに浸して、基板２０１のエッチングを行う。このとき、保護材２５３が露光位置調整マーカ２０３ｂの形状変化や剥離を防止する。また、レンズとなる凹部の周囲に柱状パターン２０１ａを有するため、レジスト２０３と金属膜２０２の剥離を防止する。
その後、図３（Ｄ）に示すように、保護材２５３を剥離し、レジスト２０３と、露光位置調整マーカ２０３ｂ以外の金属膜２０２を剥離する。ここでは、保護材２５３を剥離したが、この後のステッパ露光機によるステッパ露光の際、問題とならなければ特に剥離する必要はない。
続いて、図３（Ｅ）に示すように、マイクロレンズアレイ基板２１２の凹部形成面に高屈折率接着剤２５４を塗布して透明な調整用ガラス板２５１を貼合する。このとき、マイクロレンズアレイのレンズの焦点距離を調整して、レンズとしての効果が最大となるように調整用ガラス板２５１の厚さを調整する。マイクロレンズアレイ基板２１２に調整用ガラス板２５１を貼り合わせた後に調整用ガラス２５１を薄くして厚さ調整してもよいが、予め厚さ調整した調整用ガラス板２５１をマイクロレンズアレイ基板２１２に貼合してもよい。貼合後に薄くする場合には、エッチング法や機械研磨法を好適に用いることが可能である。このように透明基板として調整用ガラス板２５１を凹部形成面側に貼合することで、凹部に埋め込まれた高屈折率接着剤２５４の形状を維持し、凹部で屈折した光が調整用ラス板２５１を透過可能となる。
その後、調整用ガラス板２５１上にクロムやアルミニウム等の薄膜を成膜し、その上にレジストを塗布する。そして、重ね合わせ位置調整マーカ２５５および画素遮光部２５６のパターンを形成するためのレチクルに備えたマーカと、露光位置調整マーカ２０３ｂを使用して、レチクルとマイクロレンズアレイ基板２１２を位置決めして、ステッパ露光および現像を行う。続いて、エッチングによりレジストマスクの形状に合わせたパターンを形成するパターニングにより、重ね合わせ位置調整マーカ２５５と画素遮光部２５６を形成する（図３（Ｆ））。
このように、ステッパ露光時のレチクルとマイクロレンズアレイ基板２１２の位置決めのために露光位置調整マーカ２０３ｂを使用している。そのため、重ね合わせ位置調整マーカ２５５と画素遮光部２５６をより正確に所望の位置に配置できる。この重ね合わせ位置調整マーカ２５５は、液晶表示素子を作製する際に使用するＴＦＴ基板と高精度に重ね合わせるために用いられる。ＴＦＴ基板との重ね合わせを高精度に行い得るため、画素遮光部２５６等の重ね合わせマージンをより小さくでき、開口率がより高くなり、より明るい表示が可能な液晶表示素子を作製可能となる。なお、画素遮光部２５６はＴＦＴ等に光が当たるのを防止するための遮光手段である。
その後、公知の方法により、調整用ガラス板２５１上に、図に示さない透明電極および配向膜等を形成する。
なお、上記高屈折率接着剤を用いて貼合する代わりに、形成された凹部に高屈折率材料を埋め込み、調整用ガラス板２５１とほぼ同一の屈折率の接着剤を用いてマイクロレンズアレイ基板２１２と調整用ガラス板２５１を接着してもよい。また、上記高屈折率接着剤および高屈折率材料の屈折率を調整することで、マイクロレンズアレイのレンズの焦点距離を調整することが可能である。
次に、ＴＦＴ基板とマイクロレンズアレイ基板を重ね合わせる方法について説明する。重ね合わせ方法は大きく分けて二つある。一つめの方法は、ＴＦＴ基板とマイクロレンズアレイ基板を重ね合わせた後に個片に切断する方法であり、二つめの方法は、ＴＦＴ基板とマイクロレンズアレイ基板を個片に切断してから重ね合わせる方法である。
はじめに、一つめの重ね合わせ方法について説明する。
図４は一つめの重ね合わせ方法を示す断面模式図である。
図３（Ｆ）に示したマイクロレンズアレイ基板２１２を用意する（図４（Ａ））。続いて、図４（Ｂ）に示すように、公知の方法により作製されたＴＦＴ基板２５０とマイクロレンズアレイ基板２１２を、重ね合わせ位置調整マーカ２５５とＴＦＴ基板側重ね合わせ位置調整マーカ２５７を使用して位置を合わせ、シール剤２５８で貼り合わせる。このとき、ＴＦＴ基板２５０とマイクロレンズアレイ基板２１２には、液晶を入れるための隙間を設けている。なお、露光位置調整マーカ２０３ｂを形成するときに、重ね合わせ位置調整マーカをマイクロレンズアレイ基板２１２の表面に形成し、この重ね合わせ位置調整マーカをＴＦＴ基板２５０との重ね合わせ時に使用してもよい。
続いて、図４（Ｃ）に示すように、切断箇所に高圧の水をかける切断方法で、貼り合わせたＴＦＴ基板２５０とマイクロレンズアレイ基板２１２を個片に分離し、貼り合わせた２枚の板の間に液晶を封入して液晶層２５２を形成して液晶表示素子２６０を得る。この切断方法によれば、マイクロレンズアレイ基板２１２と調整用ガラス板２５１が高屈折率接着剤２５４で貼合されているような構造でも、効率よく切断できる。なお、液晶層２５２を、ＴＦＴ基板２５０とマイクロレンズ基板２１２を貼り合わせる際に封入してもよい。
次に、二つめの重ね合わせ方法について説明する。
図５は二つめの重ね合わせ方法を示す断面模式図である。
図５（Ａ）に示すように、マイクロレンズアレイ基板２１２を個片に切断する。個片にしたマイクロレンズアレイ基板２１２ａにも、重ね合わせ位置調整マーカ２５５が形成されている。続いて、図５（Ｂ）に示すように、個片にしたＴＦＴ基板２５０ａと個片にしたマイクロレンズアレイ基板２１２ａを、重ね合わせ位置調整マーカ２５５とＴＦＴ基板側重ね合わせ位置調整マーカ２５７を使用して位置を合わせ、シール剤２５８で貼り合わせる。貼り合わせた２枚の板の間に液晶を封入して液晶層２５２を形成し、液晶表示素子２６０を得る。
なお、図４および図５では、マイクロレンズアレイ基板２１２の凹部形成面側に調整用ガラス基板２５１を貼り合わせ、調整用ガラス基板２５１とＴＦＴ基板２５０の間に液晶層２５２を形成したが、以下に説明するように、マイクロレンズアレイ基板２１２とＴＦＴ基板２５０の間に液晶層２５２を形成するようにしてもよい。
図６は液晶表示素子の別の構成例を示す断面図である。
図５に示した個片にしたマイクロレンズアレイ基板２１２ａの上下方向を逆にし、図６に示すように、個片にしたマイクロレンズアレイ基板２１２ａのレンズが図の上向きで凸形状になるようにしている。図６に示す構造を形成する場合には、レンズの効果が最大となるように個片にしたマイクロレンズアレイ基板２１２ａの厚さを調整している。マイクロレンズアレイ基板２１２の凹部形成面に調整用ガラス２５１を貼り合わせた後にマイクロレンズアレイ基板２１２の厚さを調整してもよいが、予めマイクロレンズアレイ基板２１２の厚さを調整してから調整用ガラス板２５１を貼合してもよい。貼合後に薄くする場合には、エッチング法や機械研磨法を好適に用いることが可能である。
液晶表示素子のＴＦＴ基板とマイクロレンズアレイ基板は、単位長さあたりの熱膨張係数である線熱膨張係数が比較的近いことが好ましい。これら２枚の基板に線熱膨張係数が大きく異なるものを使用すると、ヒートサイクルでの基板剥離等による信頼性低下と、熱膨張による位置目合わせずれが問題になる。ＴＦＴ基板には、無アルカリガラスまたは石英基板が多く使用される。このとき、ＴＦＴ基板の基板の種類に応じて、マイクロレンズアレイ基板に無アルカリガラスやβ―石英型透明結晶化ガラス等を使用することで、ＴＦＴ基板とマイクロレンズアレイ基板の線熱膨張係数が等しくなり、上記問題の発生が抑制され、信頼性がより向上する。
次に、作製された液晶表示素子を液晶プロジェクタの液晶ライトバルブとして応用する場合について説明する。
図７は液晶プロジェクタの一構成例を示す模式図である。
図に示すように、液晶プロジェクタは、光源１３０と、光源１３０からの光の偏光方向を揃えるとともに光強度を均一にする偏光変換インテグレータ１３２と、光源１３０からの白色光をダイクロイックミラー１３３、１３４により赤色、緑色および青色の３色の光束に分離する色分離光学系と、分離された光束の進行方向を変えるための全反射ミラー１３５〜１３７と、上記３色の光束が色別に照射される３枚の液晶表示素子１３８〜１４０と、これら３枚の液晶表示素子１３８〜１４０によって表示される画像を合成するためのクロスダイクロイックプリズム１４１からなる色合成光学系と、合成された表示画像をスクリーン上に拡大投射するための投射レンズ１４２とを備える構成である。
液晶表示素子１３８〜１４０は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を画素毎に配列して液晶を駆動させるアクティブマトリクス型である。また、各液晶表示素子１３８〜１４０のクロスダイクロイックプリズム１４１側の面に、偏光方向が偏光変換インテグレータ１３２の偏光方向と直交する偏光板（不図示）が設けられている。
次に、上記構成の液晶プロジェクタの動作について説明する。
液晶プロジェクタは、図に示すように、光源１３０から出射された光をリフレクタ１３１で集光した後、その光束からダイクロイックミラー１３３で赤色の光束を分離し、ダイクロイックミラー１３４で緑色の光束を分離して、赤色、緑色および青色の３色の光束に分離する。赤色の光束は、全反射ミラー１３５で反射した後、赤色用液晶表示素子１３８を照明する。また、緑色の光束は緑色用液晶表示素子１３９を照明し、青色の光束は全反射ミラー１３６、１３７で順次反射した後、青色用液晶表示素子１４０を照明する。赤色、緑色、および青色の液晶表示素子１３８〜１４０に表示される各画像は、クロスダイクロイックプリズム１４１によって合成された後、投射レンズ１４２によりスクリーン（不図示）に拡大投影される。
上記構成による液晶プロジェクタは、マイクロレンズが入射される光を画素の開口部に集光するため、輝度が向上してスクリーン上の投影像がより明るくなり、本発明のマイクロレンズアレイ基板１２を用いることにより、投影像の全体の明るさが均一になる。
次に、上記液晶表示素子を液晶表示装置に応用する場合について説明する。
図８は半透過型の液晶表示装置の外観を模式的に示す斜視図である。
図に示すように、液晶表示装置は、上記液晶表示素子１５１と、偏光板１５２、１５３と、光源となるバックライトユニット１５４と、画素毎に設けられたＴＦＴに信号を送るための信号供給回路１５５と、バックライトユニット１５４および信号供給回路１５５に電源を供給する電源供給部１５６とを備える構成である。
バックライトユニット１５４に赤色、緑色および青色からなる３原色のランプを設けて、この３原色ランプの点灯を高速で切り換える制御を行うことにより液晶表示装置の画面をカラー表示にできるが、バックライトユニット１５４に３原色ランプを設ける代わりに液晶表示素子１５１にカラーフィルターを設けてもよい。
上記構成による液晶表示装置は、マイクロレンズアレイがバックライトの光利用率を高めるため表示がより明るくなり、本発明のマイクロレンズアレイ基板１２を用いることにより、表示画面内における輝度が均一になる。
本実施形態による液晶表示素子を、例えば、特開２０００−２９８２６７号公報に示される半透過型の液晶表示装置に用いることができる。
なお、本実施形態により作製された液晶表示素子を、上記半透過型の液晶表示装置に限らず、半透過型より遮光率の大きい微透過型、および半透過型より遮光率の小さい微反射型の液晶表示装置にも適用できる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、上記第１の実施形態により作製されたマイクロレンズアレイ基板１２を、２Ｐ成型法によるマイクロレンズアレイ作製のための母型に用いたものである。
図９は本発明の第２実施形態を製造工程順に示した断面図である。
まず、図９（Ａ）に示すように、母型６の凹部形成面に離型剤７と、樹脂８として紫外線硬化樹脂とを順に塗布した後、樹脂８を塗布した面を下側に向ける。
次に、基板３０として無アルカリガラスを用いて基板３０の面と樹脂８の面とを合わせて、母型６を基板３０側に押し付ける（図９（Ｂ））。樹脂８に紫外線を照射して硬化させた後、母型６を剥離することで、凸型に成型された樹脂８を基板３０上に形成し、樹脂８と基板３０とからなるマイクロレンズアレイ３２が得られる（図９（Ｃ））。
なお、図９（Ｃ）に示した工程の後、樹脂８の上から全面に異方性エッチングを行い、樹脂８の凸型形状を基板３０に転写してもよい。
また、上記樹脂８は、光照射により硬化する光硬化樹脂、加熱により硬化する熱硬化樹脂、または２液性接着剤であっても好適である。上記母型６の材料としては、基板３０と同種のものか、基板３０と熱膨張係数の近いものを用いるとよい。
本実施形態では、上記第１の実施形態のマイクロレンズアレイ基板１２には大面積に均一な凹部形状が形成されているため、マイクロレンズアレイ基板１２を母型６に用いることで、大型の母型を高い歩留まりで安価に作製することが可能となる。
また、母型６と基板３０に同種の材料、または熱膨張係数の近い材料を用いることにより、母型６の材料として金属や石英ガラス基板など、基板３０と異なる材料を用いる場合と比較して、熱膨張係数の違いに起因する誤差を小さくでき、厳密な温度管理が不要となる。また、熱硬化樹脂を用いた際の、加熱工程で生じる誤差を小さくすることができる。
さらに、母型６および基板３０の材料として、安価な無アルカリガラスなどを用いることができるため、低コスト化が可能となる。また、大型の母型６を使用してマイクロレンズアレイ３２を成型できるため、小型の母型を用いて多数回、高精度で型押しする必要はなく、コスト面で有利となる。
なお、本実施形態により作製されたマイクロレンズアレイ３２を液晶プロジェクタのライトバルブ用マイクロレンズアレイとして使用する場合には、次のような工程を追加する。
まず、マイクロレンズアレイ３２の凸型成型面に樹脂８または基板３０に比べて低屈折率な接着剤を塗布してガラスを貼合する。次に、マイクロレンズアレイ３２の凸部に形成されたレンズの焦点が公知の方法で作製されたＴＦＴ基板の透過部に合うように、ガラスの厚みを調整した後、上記ＴＦＴ基板をマイクロレンズアレイ１２に貼り合わせて、ライトバルブ用マイクロレンズアレイを得る。
この後、ライトバルブ用マイクロレンズアレイに配線となる透明電極や位置合わせのためのマーカなどの形成を行い、公知のパネル作製工程を実施することで、液晶プロジェクタ用のマイクロレンズアレイ付ライトバルブを得る。
また、本実施形態により作製されたマイクロレンズアレイ３２を、マイクロレンズアレイ付液晶表示素子に応用するためには、次のような工程を実施すればよい。なお、マイクロレンズアレイ付液晶表示素子の応用例としては、半透過型、微透過型、または微反射型の液晶表示素子である。
まず、適当な厚みの基板を用いて公知の方法により作製した液晶表示素子の光入射側基板の表面に樹脂８を塗布して、この樹脂８に上記母型６を用いて型押しを行った後、樹脂８を硬化させてマイクロレンズアレイ３２を得る。次に、マイクロレンズアレイ３２のレンズを透過するバックライト光がＴＦＴ基板の画素電極の透過部に集光するように位置合わせを行って、光入射側基板をＴＦＴ基板に組み付けることで、マイクロレンズアレイ付液晶表示素子を得る。これにより、レンズパターンの均一なマイクロレンズアレイ付液晶表示素子をより低コストで作製できる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、本発明を等方性エッチング法による光導波路の作製に適用する形態である。
図１０は本発明の第３の実施形態を製造工程順に示した断面図である。
図１０（Ａ）に示すように、基板１として、第１の実施形態と同様に、酸化アルミニウム等を均一に含有する無アルカリガラスを用いて、この基板１上に金属膜２およびレジスト３からなるエッチング用マスクを形成する。
なお、光導波路のパターンに倣った四角形の開口部３ｂをエッチング用マスクに形成するが、開口部３ｂの対向する二辺の幅については、第１の実施形態で示した表１のような、上記開口部３ｂの幅と形成される光導波路の幅との関係を示す表を予め作成し、作成した表に基づいて形成される光導波路の幅から決定する。
次に、エッチャント４としてフッ酸系エッチング液を用いて基板１のエッチングを行う。図１０（Ｂ）はエッチングの初期段階の状態を示した断面図である。
エッチングが始まると、上記開口部３ｂから基板１の等方性エッチングが進行し、微小な溝部が形成される。この微小な溝部中の基板表面に、エッチングにより生じた、エッチャントに対する不溶物５であるフッ化アルミニウム等が蓄積し、基板１のエッチングの進行を阻害し、最終的にはエッチングが停止して光導波路パターンが形成される（図１０（Ｃ））。
金属膜２およびレジスト３とともに不溶物５を除去した後、基板１に比べて屈折率の高い高屈折率材料を、形成された溝部に埋め込み、光導波路１３を形成する（図１０（Ｄ））。
本実施形態では、基板１にエッチャント４に対する不溶物５を生成する物質として酸化アルミニウム等が含まれ、エッチングによりエッチャント４に対する不溶物５が生成されるため、ある程度エッチングが進行した状態でエッチングが自動的に停止し、エッチングストッパ層などを設けることなく、大面積の基板でも均一な光導波路のパターンを安価に作製することができる。また、各エッチング処理におけるエッチング量のばらつきがなく、エッチング処理間における凹部形状が均一な光導波路用パターンを形成できる。
また、第１の実施形態で述べたように、基板１がオキシハライドガラスであれば、フッ酸系エッチング液に溶解しない物質としてフッ化カルシウム等が含有されるため、フッ化カルシウム等が上記不溶物５と同様な作用および効果を生じさせる。
なお、金属膜２およびレジスト３とともに不溶物５を除去した後、作製された光導波路状の窪みパターンを母型にして、２Ｐ成型法を用いて別の基板上に高屈折率材料を成型した光導波路を形成することにより、ストリップ導波路やリブ導波路を得ることも可能である。この場合にも、大型の母型を高い歩留まりで安価に作製することが可能であること、熱膨張係数の違いに起因する誤差を小さくでき厳密な温度管理が不要となること、熱硬化樹脂を用いた際の加熱工程における誤差を小さくできること、母型の材料として安価な無アルカリガラスなどを用いることができるため低コスト化が可能であること、などの効果を得ることができる。
（第４の実施形態）
第４の実施形態は、本発明を等方性エッチング法による埋め込み配線の作製に適用する形態である。
図１１は本発明の第４の実施形態を製造工程順に示した断面図である。
図１１（Ａ）に示すように、基板１として、第１の実施形態と同様に、酸化アルミニウム等を均一に含有する無アルカリガラスを用いて、この基板１上に金属膜２およびレジスト３からなるエッチング用マスクを形成する。
なお、埋め込み配線のパターンに倣った四角形の開口部３ｃをエッチング用マスクに形成するが、開口部３ｃの対向する二辺の幅については、第１の実施形態で示した表１のような、上記開口部３ｃの幅と形成される埋め込み配線の幅との関係を示す表を予め作成し、作成した表に基づいて形成される埋め込み配線の幅から決定する。
次に、エッチャント４としてフッ酸系エッチング液を用いて基板１のエッチングを行う。図１１（Ｂ）はエッチングの初期段階の状態を示した断面図である。
エッチングが始まると、上記開口部３ｃより基板１の等方性エッチングが進行し、微小な溝部が形成される。この微小な溝部中の基板表面に、エッチングにより生じた、エッチャントに対する不溶物５であるフッ化アルミニウム等が蓄積し、基板１のエッチングの進行を阻害し、最終的にはエッチングが停止して配線パターンが形成される（図１１（Ｃ））。
金属膜２およびレジスト３とともに不溶物５を除去した後、スパッタ法などの公知の方法を用いて、配線用金属層９を成膜する（図１１（Ｄ））。次に、化学的または機械的な研磨法を用いて、形成された溝部中以外の配線用金属層９を除去して、埋め込み配線９ａを形成する（図１１（Ｅ））。
本実施形態では、基板１にエッチャント４に対する不溶物５を生成する物質として酸化アルミニウム等が含まれ、エッチングによりエッチャント４に対する不溶物５が生成されるため、ある程度エッチングが進行した状態でエッチングが自動的に停止し、大面積の基板でも均一な埋め込み配線用のパターンを安価に作製することができる。また、各エッチング処理におけるエッチング量のばらつきがなく、エッチング処理間における凹部形状が均一な埋め込み配線用パターンを形成できる。
また、第１の実施形態で述べたように、基板１がオキシハライドガラスであれば、フッ酸系エッチング液に溶解しない物質としてフッ化カルシウム等が含有されるため、フッ化カルシウム等が上記不溶物５と同様な作用および効果を生じさせる。
（第５の実施形態）
第５の実施形態は、本発明を等方性エッチング法による回折格子の作製に適用する形態である。
図１２は本発明の第５の実施形態を製造工程順に示した断面図である。
図１２（Ａ）に示すように、酸化アルミニウム等を均一に含有する無アルカリガラスの基板１上にスピンコートなどの公知の手法を用いて、レジスト３を塗布し、乾燥させる。なお、レジスト３としては、次工程の露光で使用する光の波長に対応し、かつ回折格子を形成できるだけの解像度を有するものを使用する。一例として、エキシマレーザ用フォトレジストを好適に使用することができる。
この後、エキシマレーザ光などを使用してレジスト３に干渉露光を行い、レジストの現像工程を経て、微細な開口部３ｄからなる回折格子パターンを有するエッチング用マスクを形成する（図１２（Ｂ））。
なお、回折格子のパターンに倣った四角形の開口部３ｄをエッチング用マスクに形成するが、開口部３ｄの対向する二辺の幅および開口部３ｄの間隔については、第１の実施形態で示した表１のような、上記開口部３ｄの幅および間隔と形成される回折格子の凹部の幅との関係を示す表を予め作成し、作成した表に基づいて形成される回折格子の凹部の幅から決定する。
次に、エッチャント４としてフッ酸系エッチング液を用いて基板１のエッチングを行う。図１２（Ｃ）はエッチングの初期段階の状態を示した断面図である。
エッチングが始まると、開口部３ｄ部分より基板１の等方性エッチングが進行し、微小な溝部が形成される。この微小な溝部中の基板１の表面に、エッチングにより生じた、エッチャント４に対する不溶物５であるフッ化アルミニウム等が蓄積し、基板１のエッチングの進行を阻害し、最終的にはエッチングが停止する。
この後、レジスト３の剥離を行って不溶物５を洗い流すと、図１２（Ｄ）に示すように、複数の溝部が設けられた回折格子３４が形成される。
本実施形態では、基板１にエッチャント４に対する不溶物５を生成する物質として酸化アルミニウム等が含まれ、エッチングによりエッチャント４に対する不溶物５が生成されるため、ある程度エッチングが進行した状態でエッチングが自動的に停止し、大面積の基板でも均一な回折格子のパターンを安価に作製することができる。また、各エッチング処理におけるエッチング量のばらつきがなく、エッチング処理間におけるパターン形状が均一な回折格子を形成できる。
なお、基板１は、第１の実施形態と同様に、上記無アルカリガラスの他に、低アルカリガラス、ホウ珪酸ガラス、鉛ガラスでもよい。基板１がオキシハライドガラスであれば、フッ酸系エッチング液に溶解しない物質としてフッ化カルシウム等が含有されるため、フッ化カルシウム等が上記不溶物５と同様な作用および効果を生じさせる。
また、このようにして作製された回折格子３４は、大面積・安価な光学素子として使用することもできるが、例えば、有機エレクトロルミネッセンス素子の基板として使用することで、光取り出し効率を向上することもできる。この場合には、安価な無アルカリガラス基板を使用して、安価な手法で大面積の回折格子３４を作製できる利点を最大限に活用することができる。
（第６の実施形態）
第６の実施形態は、本発明を等方性エッチング法による液晶配向膜の作製に適用する形態である。
図１３は本発明の第６の実施形態を製造工程順に示した断面図である。
図１３（Ａ）に示すように、基板１上に透明電極１０を形成し、透明電極１０の上に液晶分子の配列方向を決めるための配向膜１１を形成する。なお、この配向膜１１は、酸化アルミニウム等を均一に含有させた無機材料の膜である。
次に、図１３（Ｂ）に示すように、第５の実施形態と同様な方法を用いてエッチング用マスクを形成するが、四角形の開口部３ｅの長手方向を注入する液晶分子の配列方向にほぼ一致させておく。エッチング用マスクの材質としては、レジスト３などを好適に用いることができる。
なお、形成される液晶配向膜のパターンに倣った四角形の開口部３ｅをエッチング用マスクに形成するが、開口部３ｅの対向する二辺の幅および開口部３ｅの間隔については、第１の実施形態で示した表１のような、上記開口部３ｅの幅および間隔と形成される液晶配向膜の凹部の幅との関係を示す表を予め作成し、作成した表に基づいて形成される液晶配向膜の凹部の幅から決定する。
この後、エッチャント４としてフッ酸系エッチング液を用いて配向膜１１のエッチングを行う。図１３（Ｃ）はエッチングの初期段階の状態を示した断面図である。
エッチングが始まると、配向膜１１の等方性エッチングが進行し、微小な溝部が形成される。この微小な溝部中の配向膜表面に、エッチングにより生じた、エッチャント４に対する不溶物５であるフッ化アルミニウム等が蓄積し、配向膜１１のエッチングの進行を阻害し、最終的にはエッチングが停止する。
次に、レジスト３の剥離を行って不溶物５を洗い流すと、図１３（Ｄ）に示すように、溝部と直線状突部とが交互に複数設けられた液晶配向膜１１ａが形成される。
本実施形態では、配向膜１１にエッチャント４に対する不溶物５を生成する物質として酸化アルミニウム等が含まれ、エッチングによりエッチャント４に対する不溶物５が生成されるため、ある程度エッチングが進行した状態でエッチングが自動的に停止し、大面積の基板上に作製する場合でも均一な凹凸形状を有する液晶配向膜を安価に作製することができる。また、各エッチング処理におけるエッチング量のばらつきがなく、エッチング処理間におけるパターン形状が均一な液晶配向膜を形成できる。
また、上記不溶物５を生成させる酸化アルミニウム等を含有させる代わりに、配向膜１１にエッチャント４に溶解しない物質として、第１実施形態で述べたフッ化カルシウム等の物質から少なくとも一つ含有させるようにしてもよい。配向膜１１にエッチャント４に溶解しない物質を含有させることにより、この物質が上記不溶物５と同様の作用および効果を生じさせる。
さらに、上記液晶配向膜１１が形成された基板１を２枚用いて、そのうちの１枚にシール材を印刷した後２枚の基板１を貼り合せてパネル化し、パネル内に液晶を注入して液晶表示素子とした。これにより、信頼性、均一性の高い液晶配向膜を、大面積に渡って安価に作製することができる。
特に、上記配向膜１１として無機材料を用いることにより、液晶が注入される空間を仕切るための隔壁構造と組み合わせて用いた場合に、隔壁作製プロセスによる配向膜のダメージをなくすことができ、配向膜のダメージを受けやすいスメクティック液晶を使用した場合でも均一な配向を得ることができる。
（第７の実施形態）
第７の実施形態は、本発明をワイヤーグリッド型の偏光光学素子の作製に適用する形態である。
図１４は本発明の第７の実施形態を製造工程順に示した断面図である。
図１４（Ａ）に示すように、基板１上に金属膜２０を形成する。なお、金属膜２０の材質としては、例えば、ＴｉとＡｌの合金等が使用可能であり、公知のスパッタ法等を用いて成膜する。
次に、図１４（Ｂ）に示すように、第５の実施形態と同様な方法を用いて、エッチング用マスクをレジスト３で形成するが、四角形の開口部３ｆの長手方向は透過させる偏光方向と直交させておく。
なお、形成される偏光光学素子のパターンに倣った四角形の開口部３ｆをエッチング用マスクに形成するが、開口部３ｆの対向する二辺の幅および開口部３ｆの間隔については、第１の実施形態で示した表１のような、上記開口部３ｆの幅および間隔と形成される偏光光学素子の凹部の幅との関係を示す表を予め作成し、作成した表に基づいて形成される偏光光学素子の凹部の幅から決定する。
この後、フッ酸を含有させた金属膜エッチャント４０を用いて金属膜２０のエッチングを行う。図１４（Ｃ）はエッチングの初期段階の状態を示した断面図である。
エッチングが始まると、金属膜２０の等方性エッチングが進行し、微小な溝部が形成される。この微小な溝部中の金属膜表面に、エッチングにより生じたエッチャント４に対する不溶物５であるフッ化アルミニウムが蓄積し、金属膜２０のエッチングの進行を阻害し、最終的にはエッチングが停止する。
その後、レジスト３の剥離を行って不溶物５を洗い流すと、図１４（Ｄ）に示すように、溝部と金属線とが交互に複数設けられた、ワイヤーグリッド型の偏光光学素子２０ａを得る。
本実施形態では、金属膜２０にエッチャント４に対する不溶物５を生成する物質であるアルミニウムが含まれ、エッチングによりエッチャント４に対する不溶物５が生成されるため、ある程度エッチングが進行した状態でエッチングが自動的に停止し、大面積の基板上に作製する場合でも金属線パターンの均一なワイヤーグリッド型偏光光学素子を安価に作製することができる。また、各エッチング処理におけるエッチング量のばらつきがなく、エッチング処理間におけるパターン形状が均一な偏光光学素子を形成できる。
また、開口部３ｆからのエッチングが基板１に達したときにレジスト３下における金属膜２０のサイドエッチングが停止する条件を用いることで、レジスト３下における金属膜２０のオーバーエッチングを防止することができる。
なお、上記金属膜２０に、マグネシウム、カルシウム、カリウム、ストロンチウム、バリウム、リチウム、ナトリウム、セシウム、亜鉛、および鉛の物質のうち少なくとも一つを含有するようにしてもよい。これらの物質は、上記アルミニウムと同様に、フッ酸と反応して上記不溶物５を生成する。
（第８の実施形態）
第８の実施形態は、本発明を等方性エッチング法による、マイクロ化学分析システムやＬＯＣに使用されるマイクロチップのパターン作製に適用する形態である。
図１５は基板表面に作製された、マイクロチップの凹部パターンを示す上面図である。
図１５に示すように、マイクロチップの基板１の表面には、薬品が注入される試薬槽１５と、各種薬品を混合させて反応をさせる反応槽１６と、試薬槽１５から反応槽１６に薬品が移動するためのマイクロチップ用液出路１４とが設けられている。
上記マイクロチップ用液出路１４の作製方法について以下に説明する。
図１６は本発明の第８の実施形態を製造工程順に示した断面図である。なお、図１６に示す部分は、図１５に示した破線部分ＹＹ’の断面である。
図１６（Ａ）に示すように、基板１として、第１の実施形態と同様に、酸化アルミニウム等を均一に含有する無アルカリガラスを用いて、この基板１上に、マイクロチップ用液出路を形成するための、金属膜２およびレジスト３からなるエッチング用マスクを形成する。
なお、マイクロチップ用液出路１４のパターンに倣った四角形の開口部３ｇをエッチング用マスクに形成するが、開口部３ｇの対向する二辺の幅については、第１の実施形態で示した表１のような、上記開口部３ｇの幅と形成されるマイクロチップ用液出路１４の幅との関係を示す表を予め作成し、作成した表に基づいて形成されるマイクロチップ用液出路１４のパターンの幅から決定する。
次に、エッチャント４としてフッ酸系エッチング液を用いて基板１のエッチングを行う。図１６（Ｂ）はエッチングの初期段階の状態を示した断面図である。
エッチングが始まると、上記開口部３ｇより基板１の等方性エッチングが進行し、微小な溝部が形成される。この微小な溝部中の基板表面に、エッチングにより生じた、エッチャントに対する不溶物５であるフッ化アルミニウム等が蓄積し、基板１のエッチングの進行を阻害し、最終的にはエッチングが停止して液出路パターンが形成される（図１６（Ｃ））。
金属膜２およびレジスト３とともに不溶物５を除去した後、マイクロチップ用液出路１４を得る（図１６（Ｄ））。
なお、上述した作製方法により、試薬槽１５および反応槽１６についても、上記マイクロチップ用液出路１４と同様に、不溶物５が蓄積されることでパターンが形成される。
マイクロチップ用液出路１４のパターン間隔を狭くしてパターン集積度を大きくする場合には、開口部３ｇの対向する二辺の幅および開口部３ｇの間隔について、上記第１実施形態と同様に、開口部３ｇの対向する二辺の幅および開口部３ｇの間隔と、マイクロチップ用液出路１４の幅との関係を示す表を作成し、形成されるマイクロチップ用液出路１４の幅から決めればよい。
また、本実施形態では、マイクロチップ用パターンの作製方法として、上記マイクロチップ用液出路１４のパターンについて説明したが、試薬槽１５および反応槽１６のパターンについても、本実施形態を適用することができる。その際、マイクロチップ用パターンが四角形に限らず八角形なども含む多角形であれば、上記開口部３ｇの対向する二辺の幅を開口部３ｇの最大幅に替えて、開口部３ｇの最大幅と形成されるマイクロチップ用パターンの幅との関係を示す表を予め作成し、作成した表に基づいて形成されるマイクロチップ用パターンの幅から開口部３ｇの最大幅を決定すればよい。
本実施形態では、基板１にエッチャント４に対する不溶物５を生成する物質として酸化アルミニウム等が含まれ、エッチングによりエッチャント４に対する不溶物５が生成されるため、ある程度エッチングが進行した状態でエッチングが自動的に停止し、大面積の基板でも均一なマイクロチップ用パターンを安価に作製することができる。また、各エッチング処理におけるエッチング量のばらつきがなく、エッチング処理間における凹部形状が均一なマイクロチップ用パターンを形成できる。
また、第１の実施形態で述べたように、基板１がオキシハライドガラスであれば、フッ酸系エッチング液に溶解しない物質としてフッ化カルシウム等が含有されるため、フッ化カルシウム等が上記不溶物５と同様な作用および効果を生じさせる。
なお、本発明は、以上説明したような第１の実施形態から第８の実施形態における微細構造の形成用途に限定されるものではなく、大構造を形成する場合でも、エッチング量を制御し、形成されるパターン形状の均一性を向上する目的で使用することができる。大構造を形成する場合でも、エッチャントに対する不溶物が被エッチング体の表面に蓄積して、エッチングの進行を停止させることができるからである。
また、等方性エッチングだけでなく、エッチングにある程度の異方性がある場合でも、上述したように、エッチング液に不溶な物質を生成させることでエッチングを停止させ、形成されるパターン形状の均一性を向上する目的で使用することができる。
本発明の第１の実施形態を製造工程順に示した断面図である。 第１の実施形態により作製されたマイクロレンズアレイ基板１２を用いた液晶表示素子の外観を模式的に示す斜視図である。 第１の実施形態により作製されたマイクロレンズアレイ基板を用いた液晶表示素子の作製方法を製造工程順に示した断面図である。 第１の実施形態により作製されたマイクロレンズアレイ基板を用いた液晶表示素子の作製方法を製造工程順に示した断面図である。 第１の実施形態により作製されたマイクロレンズアレイ基板を用いた液晶表示素子の作製方法を製造工程順に示した断面図である。 第１の実施形態により作製されたマイクロレンズアレイ基板を用いた液晶表示素子について別の構成例を示す断面図である。 図２に示した液晶表示素子を用いた液晶プロジェクタの一構成例を示す模式図である。 図２に示した液晶表示素子を用いた半透過型の液晶表示装置の外観を模式的に示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態を製造工程順に示した断面図である。 本発明の第３の実施形態を製造工程順に示した断面図である。 本発明の第４の実施形態を製造工程順に示した断面図である。 本発明の第５の実施形態を製造工程順に示した断面図である。 本発明の第６の実施形態を製造工程順に示した断面図である。 本発明の第７の実施形態を製造工程順に示した断面図である。 本発明の第８の実施形態により作製されるマイクロチップの凹部パターンを示す上面図である。 本発明の第８の実施形態を製造工程順に示した断面図である。 従来の２Ｐ成型法を用いたマイクロレンズアレイの製造工程を説明するための断面図である。 従来の転写法を用いたマイクロレンズアレイの製造工程を説明するための断面図である。 従来の等方性エッチング法を用いたマイクロレンズアレイの製造工程を説明するための断面図である。
符号の説明
１、３０、２０１ 基板
１ａ、２０１ａ 柱状パターン
２、２０、２０２ 金属膜
３、２０３ レジスト
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、２０３ａ 開口部
４ エッチャント
５ 不溶物
６、１１４ 母型
７、１０７ 離型剤
８、１０８ 樹脂
９ 配線用金属層
９ａ 埋め込み配線
１０ 透明電極
１１ 配向膜
１１ａ 液晶配向膜
１２、２１２ マイクロレンズアレイ基板
１３ 光導波路
１４ マイクロチップ用液出路
１５ 試薬槽
１６ 反応槽
２０ａ 偏光光学素子
３２、１１２、１２０、１２２ マイクロレンズアレイ
３４ 回折格子
４０ 金属膜エッチャント
５０、２５０ａ ＴＦＴ基板
５１、２５１ 調整用ガラス板
５２、２５２ 液晶層
１００ ガラス基板
１０４ ウェットエッチング液
１１５ 熱変形性パターン
１１５ａ 半球状パターン
１１６ マスク層
１１７ 石英ガラス基板
１３０ 光源
１３１ リフレクタ
１３２ 偏光変換インテグレータ
１３３、１３４ ダイクロイックミラー
１３５、１３６、１３７ 全反射ミラー
１３８ 赤色用液晶表示素子
１３９ 緑色用液晶表示素子
１４０ 青色用液晶表示素子
１４１ クロスダイクロイックプリズム
１４２ 投射レンズ
１５１、２６０ 液晶表示素子
１５２、１５３ 偏光板
１５４ バックライトユニット
１５５ 信号供給回路
１５６ 電源供給部
２０３ｂ 露光位置調整マーカ
２１２ａ 個片にしたマイクロレンズアレイ基板
２５０ａ 個片にしたＴＦＴ基板
２５３ 保護材
２５４ 高屈折率接着剤
２５５ 重ね合わせ位置調整マーカ
２５６ 画素遮光部
２５７ ＴＦＴ基板側重ね合わせ位置調整マーカ
２５８ シール剤

Claims (10)

  1. エッチング液による基板のエッチング時に、前記基板表面に不溶物が析出する程度の濃度で前記エッチング液との反応により不溶物を生成する物質を含むガラスを基板とし、前記基板にはレンズとなる凹部を有することを特徴とするマイクロレンズアレイ基板。
  2. 請求項１記載のマイクロレンズアレイ基板において、
    前記エッチング液との反応により不純物を生成する前記物質として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化カリウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化リチウム、酸化ナトリウム、酸化セシウム、酸化亜鉛、および酸化鉛のうち少なくとも一つが含まれることを特徴とするマイクロレンズアレイ基板。
  3. 請求項１または２記載のマイクロレンズアレイ基板において、
    エッチング液との反応により不純物を生成する物質の濃度の和が３５％以上であることを特徴とするマイクロレンズアレイ基板。
  4. 請求項１から３のいずれか１項記載のマイクロレンズアレイ基板において、
    エッチング液として１０％フッ酸水溶液に前記基板を浸したとき、１５分以降は前記ガラスのエッチングは進行しないことを特徴とするマイクロレンズアレイ基板。
  5. 請求項１から４のいずれか１項記載のマイクロレンズアレイ基板において、
    レンズの周囲に柱状パターンを有することを特徴とするマイクロレンズアレイ基板。
  6. 請求項１から５のいずれか１項記載のマイクロレンズアレイ基板において、
    マイクロレンズアレイ基板、樹脂、基板の順で積層し、レンズとなる凹部は樹脂側であることを特徴とするマイクロレンズアレイ基板。
  7. 請求項１から６のいずれか１項記載のマイクロレンズアレイ基板において、
    凹部と位置が整合した膜パターンを有することを特徴とするマイクロレンズアレイ基板。
  8. 請求項１から７のいずれか１項記載のマイクロレンズアレイ基板を用いた液晶表示素子。
  9. 請求項８記載の液晶表示素子を用いた液晶表示装置。
  10. 請求項８記載の液晶表示素子を用いた液晶プロジェクタ。
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