JP2020092104A - 光学部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】形状の異なる複数の凹部が形成された光学部材を効率よく製造することのできる光学部材の製造方法を提供すること。【解決手段】第１工程ＳＴ１において基材１１上に第１マスク２６を形成した後、第２工程ＳＴ２において基材１１上に第２マスク２７を形成する。第３工程ＳＴ３では、第１マスク２６に第１開口部２６０を形成し、第２マスク２７に第２開口部２７０を形成する。第４工程ＳＴ４では、第１開口部２６０および第２開口部２７０を介して基材１１にウェットエッチングを行い、第１凹部１６および第２凹部１７を形成する。第４工程ＳＴ４における第１マスク２６に対するエッチングレートが第２マスク２７に対するエッチングレートと異なるため、第１凹部１６および第２凹部１７では側面の傾斜角度が異なる。【選択図】図４

Description

本発明は、光の拡散作用を備えた光学部材の製造方法に関するものである。

光の拡散作用を備えた光学部材は、マスクの開口部から基材にエッチングを行って拡散用の凹部を複数、形成する。この場合、複数の凹部において、側面の傾斜角度が一定となるため、光学部材からの出射角度と光強度との関係において、半値幅が狭いピークが出現してしまう。すなわち、光学部材からの出射光は、特定の角度を中心に強くなってしまう。

そこで、基材に対してエッチングを複数回行うことによって、複数の凹部において側面の傾斜角度等を相違させることが提案されている（特許文献１参照）。より具体的には、特許文献１に記載の技術では、１回目のエッチングによって深さの異なる複数の凹部をエッチングした後、２回目のエッチングによって複数の凹部の形状をレンズ形状とする。

特開２０１５−７０２３２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術のように、基材に対してエッチングを複数回行うことにより、形状の異なる複数の凹部を形成する方法では生産効率が低いという課題がある。

上記課題を解決するために、本発明の光学部材の製造方法では、基材上に第１マスクを形成する第１工程と、前記基材上の前記第１マスクが形成された領域と異なる領域に第２マスクを形成する第２工程と、前記第１マスクのうち、前記第２マスクが形成されていない領域に第１開口部を形成し、前記第２マスクのうち、前記第１マスクが形成されていない領域に第２開口部を形成する第３工程と、前記第１開口部および前記第２開口部を介して前記基材をエッチングする第４工程と、を備え、前記第４工程における前記第１マスクに対するエッチングレートが前記第２マスクに対するエッチングレートと異なることを特徴とする。

本発明が適用される光学部材の一態様の断面図。 本発明の参考例に係る光学部材の拡散特性を示す説明図。 図１に示す光学部材の拡散特性を示す説明図。 図１に示す光学部材の製造方法を示す工程断面図。 図１に示す光学部材を備えた投射型表示装置の説明図。

図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明で参照する図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならしめてある。

（光学部材１０の構成）
図１は、本発明が適用される光学部材１０の一態様の断面図である。図２は、本発明の参考例に係る光学部材の拡散特性を示す説明図である。図３は、図１に示す光学部材１０の拡散特性を示す説明図である。

図１に示す光学部材１０は、基材１１の一方面１１ｓに複数の第１凹部１６と複数の第２凹部１７とが形成されており、第１凹部１６および第２凹部１７はレンズとして機能する。複数の第１凹部１６および複数の第２凹部１７は、例えば、基材１１の一方面１１ｓの略全面に略等密度で分布するように形成されている。基材１１は、石英基板またはガラス基板等の透光性基板である。また、光学部材１０では、基材１１の一方面１１ｓに、基材１１と屈折率が異なる透光膜（図示せず）を形成した後、平坦化し、第１凹部１６および第２凹部１７に透光膜を充填した態様とすることもある。

本形態において、複数の第１凹部１６は各々、第１底部１６０と、第１底部１６０の端部１６１と第１開口縁１６２とを繋ぐ第１側面１６３とを備えている。複数の第２凹部１７は各々、第２底部１７０と、第２底部１７０の端部１７１と第２開口縁１７２とを繋ぐ第２側面１７３とを備えている。

図１には、本願発明の特徴が分かりやすいように、第１底部１６０、第２底部１７０、第１側面１６３および第２側面１７３を平面として示してある。但し、第１底部１６０および第２底部１７０は各々、平面として構成される場合がある他、凹曲面として構成される場合がある。また、第１底部１６０および第２底部１７０は、一点鎖線で示すように、略全体が凹曲面であるが、中央部分が平面となっている場合もある。第１側面１６３および第２側面１７３は各々、平面として構成される場合がある他、一点鎖線で示すように、凹曲面として構成される場合がある。

複数の第１凹部１６において、第１側面１６３が基材１１の一方面１１ｓと成す角度θ１（第１側面１６３の傾斜角度）は同一である。複数の第２凹部１７において、第２側面１７３が基材１１の一方面１１ｓと成す角度θ２（第２側面１７３の傾斜角度）は同一である。これに対して、角度θ１と角度θ２とは異なる。本形態において、角度θ１は、角度θ２より大きい。

かかる光学部材１０に対し、例えば、一方面１１ｓ側から平行光を入射させると、光は、複数の第１凹部１６および複数の第２凹部１７によって拡散されて他方面１１ｔ側から出射される。その際、第１凹部１６からは、角度θ１に対応する拡散特性の光が出射され、第２凹部１７からは、角度θ２に対応する拡散特性の光が出射される。

従って、凹部の側面が基材１１の一方面１１ｓと成す角度（側面の傾斜角度）が全ての凹部において同一であると、図２に模式的に示すように、光学部材からの出射角度と光強度との関係を示す拡散特性において、半値幅が狭いピークが出現してしまう。すなわち、光学部材からの出射光は、特定の角度を中心に強くなってしまう。

これに対して、本形態のように、凹部の側面が基材１１の一方面１１ｓと成す角度（側面の傾斜角度）が複数の凹部において異なっていると、各凹部から出射される光が合成される結果、図３に模式的に示すように、光学部材１０からの出射角度と光強度との関係を示す拡散特性において、半値幅が広いピークが出現することになる。すなわち、光学部材１０からの出射光は、広い角度範囲において強い光を出射することができる。

（光学部材の製造方法）
図４は、図１に示す光学部材１０の製造方法を示す工程断面図である。図１に示す光学部材１０の製造工程では、まず、図４に示す第１工程ＳＴ１において、基材１１上に第１マスク２６を形成する。次に、第２工程ＳＴ２において、基材１１上の第１マスク２６が形成された領域と異なる領域に第２マスク２７を形成する。例えば、第１工程ＳＴ１では、第１マスク２６を構成する膜を成膜した後、パターニングし、第１マスク２６を形成する。次に、第２工程ＳＴ２では、第２マスク２７を構成する膜を成膜した後、パターニングし、第２マスク２７を形成する。本形態において、第１マスク２６と第２マスク２７とは部分的に重なっている。

本形態では、後述する第４工程ＳＴ４でのエッチングの際の基材１１に対するエッチングレートは、第１マスク２６に対するエッチングレート、および第２マスク２７に対するエッチングレートと異なっている。例えば、第１マスク２６および第２マスク２７は、例えば、ボロン−リン含有シリケートガラス、酸窒化シリコン、３００℃以下の条件で成膜した酸化シリコン等からなり、エッチングレートが高い。従って、後述する第４工程ＳＴ４でのエッチングの際の基材１１に対するエッチングレートは、第１マスク２６に対するエッチングレート、および第２マスク２７に対するエッチングレートより低い。

次に、第３工程ＳＴ３では、第１マスク２６のうち、第２マスク２７が形成されていない領域に第１開口部２６０を形成し、第２マスク２７のうち、第１マスク２６が形成されていない領域に第２開口部２７０を形成する。本形態において、第３工程ＳＴ３では、ハードマスク形成工程ＳＴ３１において、第１マスク２６および第２マスク２７を覆うハードマスク３０を形成する。ハードマスク３０には、第１開口部２６０を形成すべき位置に第１貫通穴３６が形成され、第２開口部２７０を形成すべき位置に第２貫通穴３７が形成されている。従って、エッチング工程ＳＴ３２において、第１貫通穴３６および第２貫通穴３７から第１マスク２６および第２マスク２７に例えばドライエッチングを行い、第１開口部２６０および第２開口部２７０を形成する。

次に、第４工程ＳＴ４では、第１開口部２６０および第２開口部２７０を介して基材１１をエッチングする。その際、ふっ酸を含有するエッチング液を用いたウェットエッチングを利用して、等方性エッチングを行う。その結果、第１開口部２６０に対応する領域には、第１凹部１６が形成され、第２開口部２７０に対応する領域に第２凹部１７が形成される。

ここで、第４工程ＳＴ４における第１マスク２６に対するエッチングレートが第２マスク２７に対するエッチングレートと相違している。本形態では、第４工程ＳＴ４における第１マスク２６に対するエッチングレートが第２マスク２７に対するエッチングレートより低い。例えば、第１マスク２６および第２マスク２７を３００℃以下の条件で成膜した酸化シリコンによって構成する場合、第１マスク２６の形成する際の成膜温度を、第２マスク２７を形成する際の成膜温度より高くする。従って、第１マスク２６は、第２マスク２７よりエッチングレートが低くなる。また、第１マスク２６および第２マスク２７のうち、先に形成する第１マスク２６を高い温度で成膜するため、第２マスク２７は、高い温度に晒されない。従って、第２マスク２７が第１マスク２６よりエッチングレートが高い状態を維持することができる。

このような条件下で第４工程ＳＴ４を行うと、第１凹部１６において第１側面１６３が基材１１の一方面１１ｓと成す角度θ１は、第２凹部１７において、第２側面１７３が基材１１の一方面１１ｓと成す角度θ２より大きくなる。

すなわち、第４工程ＳＴ４においてエッチングを開始すると、基材１１の一方面１１ｓが第１開口部２６０および第２開口部２７０から深さ方向にエッチングされるとともに、第１マスク２６および第２マスク２７が横方向にエッチングされる結果、エッチング中、第１凹部１６および第２凹部１７の開口径が時間経過とともに拡大する。

ここで、第１開口部２６０から基材１１の一方面１１ｓが深さ方向にエッチングされる速度をｖ１とし、第２開口部２７０から基材１１の一方面１１ｓが深さ方向にエッチングされる速度をｖ２とし、第１マスク２６が横方向にエッチングされる速度をｈ１とし、第２マスク２７が横方向にエッチングされる速度をｈ２とすると、速度ｖ１、ｖ２、ｈ１、ｈ２は以下の関係にある。
ｖ１＝ｖ２
ｈ１＜ｈ２

また、第４工程ＳＴ４における基材１１に対するエッチング深さは、第１マスク２６の厚さ、および第２マスク２７の厚さより大きい。例えば、第１マスク２６の厚さ、および第２マスク２７の厚さは、５０ｎｍ程度であるのに対し、第４工程ＳＴ４における基材１１に対するエッチング深さは０．５〜１．５μｍ程度である。従って、第１マスク２６および第２マスク２７が厚さ方向にエッチングされるのに要する時間を無視することができる。また、第４工程ＳＴ４における基材１１に対するエッチングレートは、第１マスク２６に対するエッチングレート、および第２マスク２７に対するエッチングレートより低いため、第４工程ＳＴ４において、第１マスク２６および第２マスク２７が厚さ方向にエッチングされるのに要する時間を無視することができる。

それ故、第１凹部１６において第１側面１６３が基材１１の一方面１１ｓと成す度θ１、および第２凹部１７において第２側面１７３が基材１１の一方面１１ｓと成す角度θ２は、以下のように近似される。
θ１≒ｔａｎ（ｖ１／ｈ１）
θ２≒ｔａｎ（ｖ２／ｈ２）

よって、角度θ１は、第１開口部２６０および第２開口部２７０の開口径にかかわらず、角度θ２より大きくなる。

しかる後に、第１マスク２６、第２マスク２７およびハードマスク３０を除去すると、図１に示す光学部材１０が得られる。

このように、本形態では、第４工程ＳＴ４において、第１マスク２６の第１開口部２６０、および第２マスク２７の第２開口部２７０から同時に基材１１をエッチングして第１凹部１６および第２凹部１７を形成する際、第１マスク２６および第２マスク２７に対する横方向のエッチング速度の差を利用して、第１凹部１６と第２凹部１７とにおいて、側面と基材１１の一方面１１ｓとが成す角度を異ならせる。従って、基材１１に対する１回のエッチングによって側面と基材１１の一方面１１ｓとが成す角度が異なる凹部を形成できるので、光学部材１０を効率よく形成することができる。なお、本形態では２つのマスクを用いて説明したが、３つ以上のマスクを用いて３つ以上の異なる形状の凹部を形成することも可能である。

［投射型表示装置への搭載例］
図５は、図１に示す光学部材１０を備えた投射型表示装置１００の説明図である。図５に示すように、投射型表示装置１００は、レーザー光源１１１、１１２、１１３と、レンズ１２１、１２２、１２３と、光学部材１３１、１３２、１３３と、レンズ１４１、１４２、１４３と、透過型の電気光学装置１５１、１５２、１５３と、光路合成プリズム１０６と、投射光学系１０７とを有している。ここで、光学部材１３１、１３２、１３３は各々、本発明を適用した光学部材１０である。電気光学装置１５１、１５２、１５３は、例えば、透過型液晶装置等の透過型電気光学装置である。

レーザー光源１１１は、例えば、赤色の波長域におけるレーザー光Ｌ（Ｒ）を出射する。レーザー光源１１１より出射されたレーザー光Ｌ（Ｒ）は、レンズ１２１によってレーザー光の発散角度が調整された後、光学部材１３１によって拡散される。次に、レーザー光Ｌ（Ｒ）は、レンズ１４１によって発散角度が調整された後、電気光学装置１５１を介して光路合成プリズム１０６に入射する。電気光学装置１５１では、画素ごとにレーザー光Ｌ（Ｒ）の透過および非透過の制御が行われ、赤色に対応する像が形成される。

レーザー光源１１２は、例えば、緑色の波長域におけるレーザー光Ｌ（Ｇ）を出射する。レーザー光源１１２より出射されたレーザー光Ｌ（Ｇ）は、レンズ１２２によってレーザー光の発散角度が調整された後、光学部材１３２によって拡散される。次に、レーザー光Ｌ（Ｇ）は、レンズ１４２によって発散角度が調整された後、電気光学装置１５２を介して光路合成プリズム１０６に入射する。電気光学装置１５２では、画素ごとにレーザー光Ｌ（Ｇ）の透過および非透過の制御が行われ、緑色に対応する像が形成される。

レーザー光源１１３は、例えば、青色の波長域におけるレーザー光Ｌ（Ｂ）を出射する。レーザー光源１１３より出射されたレーザー光Ｌ（Ｂ）は、レンズ１２３によってレーザー光の発散角度が調整された後、光学部材１３３によって拡散される。次に、レーザー光Ｌ（Ｂ）は、レンズ１４３によって発散角度が調整された後、電気光学装置１５３を介して光路合成プリズム１０６に入射する。電気光学装置１５３では、画素ごとにレーザー光Ｌ（Ｂ）の透過および非透過の制御が行われ、青色に対応する像が形成される。

光路合成プリズム１０６では、電気光学装置１５１で変調されたレーザー光Ｌ（Ｒ）、電気光学装置１５２で変調されたレーザー光Ｌ（Ｇ）、および電気光学装置１５３で変調されたレーザー光（Ｂ）が入射し、合波された後、出射される。光路合成プリズム１０６より合成されたレーザー光Ｌ（Ｒ）、Ｌ（Ｇ）、Ｌ（Ｂ）の光束は、投射光学系１０７を介して、スクリーン１０８に投射される。

図５に示す態様では、光学部材１３１、１３２、１３３が赤、緑、青のレーザー光Ｌ（Ｒ）、Ｌ（Ｇ）、Ｌ（Ｂ）の全てに設けられているが、いずれか１つのレーザー光に対して設けられた態様であってもよい。また、図５に示す態様では、赤、緑、および青のレーザー光源１１１、１１２、１１３を設けてあるが、少なくとも１つのレーザー光源を備えていればよい。また、電気光学装置１５１、１５２、１５３として透過型電気光学装置を用いたが、デジタルミラーデバイス等の反射型電気光学装置を用いてもよく、この場合、反射型電気光学装置に対する入射光路と反射光路とを合成する光路合成素子を設ける。

なお、本発明を適用した光学部材１０は、投射型表示装置に限定されず、例えば、投射型のＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）や直視型のＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）、パーソナルコンピューター、デジタルスチルカメラ、液晶テレビ等に用いてもよい。

１０…光学部材、１１…基材、１１ｓ…一方面、１６…第１凹部、１７…第２凹部、２６…第１マスク、２７…第２マスク、３０…ハードマスク、３６…第１貫通穴、３７…第２貫通穴、１００…投射型表示装置、１６０…第１底部、１６２…第１開口縁、１６３…第１側面、１７０…第２底部、１７２…第２開口縁、１７３…第２側面、２６０…第１開口部、２７０…第２開口部、ＳＴ１…第１工程、ＳＴ２…第２工程、ＳＴ３…第３工程、ＳＴ４…第４工程、ＳＴ３１…ハードマスク形成工程、ＳＴ３２…エッチング工程。

Claims (7)

1. 基材上に第１マスクを形成する第１工程と、
   前記基材上の前記第１マスクが形成された領域と異なる領域に第２マスクを形成する第２工程と、
   前記第１マスクのうち、前記第２マスクが形成されていない領域に第１開口部を形成し、前記第２マスクのうち、前記第１マスクが形成されていない領域に第２開口部を形成する第３工程と、
   前記第１開口部および前記第２開口部を介して前記基材をエッチングする第４工程と、
   を備え、
   前記第４工程における前記第１マスクに対するエッチングレートが前記第２マスクに対するエッチングレートと異なることを特徴とする光学部材の製造方法。
2. 請求項１に記載の光学部材の製造方法において、
   前記第４工程における前記基材に対するエッチング深さは、前記第１マスクの厚さ、および前記第２マスクの厚さより大きいことを特徴とする光学部材の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の光学部材の製造方法において、
   前記第４工程における前記基材に対するエッチングレートが、前記第１マスクに対するエッチングレート、および前記第２マスクに対するエッチングレートと異なることを特徴とする光学部材の製造方法。
4. 請求項３に記載の光学部材の製造方法において、
   前記第４工程における前記基材に対するエッチングレートが、前記第１マスクに対するエッチングレート、および前記第２マスクに対するエッチングレートより低いことを特徴とする光学部材の製造方法。
5. 請求項１から４までの何れか一項の光学部材の製造方法において、
   前記第１マスクを形成する際の成膜温度が、前記第２マスクを形成する際の成膜温度より高く、
   前記第４工程における前記第１マスクに対するエッチングレートが、前記第２マスクに対するエッチングレートより低いことを特徴とする光学部材の製造方法。
6. 請求項１から５までの何れか一項に記載の光学部材の製造方法において、
   前記第４工程ではウェットエッチングを行うことを特徴とする光学部材の製造方法。
7. 請求項１から６までの何れか一項に記載の光学部材の製造方法において、
   前記基材は、透光性基板であることを特徴とする光学部材の製造方法。

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