JP2020160268A - Microlens array manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロレンズアレイの製造方法に関し、特に凹部の形状の制御を容易なマイクロレンズアレイの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a microlens array, and more particularly to a method for manufacturing a microlens array in which the shape of a recess can be easily controlled.
マイクロレンズアレイは、透明基板上に凹部または凸部が稠密に形成された基板である。マクロレンズアレイは、凹凸部に集光された光を拡散または集光させることが可能であり、通信、医療等の分野における光学部品に利用されている。マイクロレンズアレイに使用される透明基板は、樹脂基板またはガラス基板が一般的である。樹脂基板であれば、金型を使用してレンズ部となる凹凸部が形成される。 A microlens array is a substrate in which recesses or protrusions are densely formed on a transparent substrate. The macro lens array can diffuse or condense the light focused on the uneven portion, and is used for optical components in fields such as communication and medical treatment. The transparent substrate used for the microlens array is generally a resin substrate or a glass substrate. If it is a resin substrate, a mold is used to form an uneven portion to be a lens portion.
しかしながら、樹脂基板は凹凸の加工精度や光透過性において問題になることがあった。樹脂基板は耐熱温度が１００℃前後程度であり、高温処理が必要な場面では熱膨張を起こしてしまい、加工精度が低下してしまっていた。そこで、ガラス基板を利用したマイクロレンズアレイが採用されることが多くなった。 However, the resin substrate may have problems in processing accuracy of unevenness and light transmission. The heat-resistant temperature of the resin substrate is about 100 ° C., and when high-temperature treatment is required, thermal expansion occurs and the processing accuracy is lowered. Therefore, a microlens array using a glass substrate is often adopted.
ガラス基板は、樹脂基板と比較しても熱変形等も少なく、高い加工精度が要求される場面において採用された。しかし、ガラス基板に対する凹凸の加工は、樹脂基板ほど容易ではない。ガラス基板の加工の一例として従来技術の中には、ガラス基板を尖状物により加圧し、凹部を形成した後にエッチングで凹部を拡大することよりガラス基板上にマイクロレンズを形成する方法があった（例えば、特許文献１参照）。 The glass substrate has less thermal deformation than the resin substrate and has been adopted in situations where high processing accuracy is required. However, processing unevenness on a glass substrate is not as easy as on a resin substrate. As an example of processing a glass substrate, there has been a method in which a microlens is formed on a glass substrate by pressurizing the glass substrate with a sharp object, forming a recess, and then enlarging the recess by etching. (See, for example, Patent Document 1).
また、レーザ装置とエッチング処理を組み合わせることにより凹部を形成する方法も存在していた。この方法では、レーザを照射し、ガラス基板に局所的に応力を与えた後にエッチング処理が行われる（例えば、特許文献２参照）。レーザが照射された改質領域は、エッチング反応が進行しやすく、ガラス基板の主面にレンズ状の凹部が形成できるとされていた。 There has also been a method of forming recesses by combining a laser device and an etching process. In this method, the glass substrate is irradiated with a laser to locally stress the glass substrate, and then the etching process is performed (see, for example, Patent Document 2). It has been said that the etching reaction easily proceeds in the modified region irradiated with the laser, and a lens-shaped recess can be formed on the main surface of the glass substrate.
しかしながら、エッチング処理は等方性に進行するため、凹部の形状の制御がほとんど困難であった。ガラス基板への加圧やレーザの照射条件を変更することで、凹部の形状を調整することも可能であるが、凹部の形状はエッチング処理により決定される要素が多く、加圧圧力やレーザの調整による効果も限定的である。このため、所望の形状の凹部の加工が困難であった。 However, since the etching process proceeds isotropically, it is almost difficult to control the shape of the recess. It is possible to adjust the shape of the recess by pressurizing the glass substrate or changing the laser irradiation conditions, but the shape of the recess is often determined by etching, and the pressurizing pressure and laser The effect of the adjustment is also limited. For this reason, it has been difficult to process a recess having a desired shape.
また、エッチング処理での調整においても、わずかなエッチング時間の差異が凹部の形状に影響を及ぼす。特に、レーザで改質された領域は通常よりもエッチングされ易い状態であるため、レンズ部を設計通りに形成することが困難であるといった問題が発生することがあった。 Further, even in the adjustment in the etching process, a slight difference in etching time affects the shape of the recess. In particular, since the region modified by the laser is in a state where it is more easily etched than usual, there may be a problem that it is difficult to form the lens portion as designed.
本発明の目的は、レーザとエッチング処理を組み合わせることにより所望の形状の凹部を有するマイクロレンズアレイ製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a microlens array having recesses having a desired shape by combining a laser and an etching process.
本発明に係るマイクロレンズアレイ製造方法は、レーザステップおよびエッチングステップを含む。エッチングステップは、レンズ形状設計データに基づいてガラス基板にレーザビームを照射し、ガラス基板の主面に板厚方向に延びるクラックを複数形成する工程である。エッチングステップは、レーザビームが照射されたガラス基板に対してエッチング液を接触させることでクラック形成位置に凹状レンズ部を形成する工程である。さらに、エッチングステップにおいて使用するエッチング液は、ガラス基板のエッチング速度が３．００μｍ/分以下である。 The method for manufacturing a microlens array according to the present invention includes a laser step and an etching step. The etching step is a step of irradiating the glass substrate with a laser beam based on the lens shape design data to form a plurality of cracks extending in the plate thickness direction on the main surface of the glass substrate. The etching step is a step of forming a concave lens portion at a crack forming position by bringing an etching solution into contact with a glass substrate irradiated with a laser beam. Further, in the etching solution used in the etching step, the etching rate of the glass substrate is 3.00 μm / min or less.
ガラス基板にクラックを形成した領域において、エッチング速度が３．００μｍ/分以下の低レートのエッチング液を接触させることにより、異方性エッチングが進行し、レンズ部を作成することが可能になる。また、エッチング速度が遅いため、エッチング量の管理も従来よりも容易になり、より精密なレンズ形状を形成することが可能になる。 By bringing a low-rate etching solution having an etching rate of 3.00 μm / min or less into contact with the region where cracks are formed on the glass substrate, anisotropic etching proceeds and a lens portion can be formed. Further, since the etching rate is slow, the etching amount can be easily controlled as compared with the conventional case, and a more precise lens shape can be formed.
また、凹状レンズ部の幅が深さよりも大きいことが好ましい。低レートのエッチング液でエッチング処理を行うことにより、ガラス基板の板厚方向よりも幅方向に対してエッチング処理が進行し易くなり、凹状レンズの幅が深さよりも大きくなる。このような形状の凹状レンズ部は、所望のレンズ効果を発揮することが可能になる。 Further, it is preferable that the width of the concave lens portion is larger than the depth. By performing the etching process with a low-rate etching solution, the etching process is more likely to proceed in the width direction than in the plate thickness direction of the glass substrate, and the width of the concave lens becomes larger than the depth. The concave lens portion having such a shape can exert a desired lens effect.
この発明によれば、レーザとエッチング処理を組み合わせることにより所望の形状の凹部を有するマイクロレンズアレイを製造することが可能になる。 According to the present invention, it is possible to manufacture a microlens array having recesses having a desired shape by combining a laser and an etching process.
ここから、本発明に係るマイクロレンズアレイの製造方法の一実施形態を説明する。本発明に係るマイクロレンズアレイの製造方法は、レーザステップおよびエッチングステップを含んでおり、ガラス基板の主面上に凹状のレンズ部を稠密に形成するものである。 From here, an embodiment of the method for manufacturing a microlens array according to the present invention will be described. The method for manufacturing a microlens array according to the present invention includes a laser step and an etching step, and densely forms a concave lens portion on a main surface of a glass substrate.
レーザステップは、ガラス基板１０に対してレーザビームを照射するステップである。ガラス基板１０は、マイクロレンズアレイとなる基板であり、使用するガラス基板に特に制限はないが光学ガラス等の透明度の高いガラスを使用することが好ましい。レーザビームの照射に使用されるレーザ装置３０としては、CO２レーザを使用することが可能である。レーザ装置３０は、レンズ形状設計データに基づいて、ビーム径、出力、周波数等の加工条件を適宜調整される。また、レーザビームは、ピコ秒またはフェムト秒の短パルス幅にて照射されることが好ましい。
The laser step is a step of irradiating the
レーザステップにてガラス基板１０にレーザビームが照射されると、図１（A）および図１（B）に示すように、ガラス基板１０の一方の主面にマイクロクラック１２が形成される。マイクロクラック１２は、レーザ装置３０から照射されるレーザビームによりガラス基板１０がアブレーションされることで、主面から中心部に向かって略垂直に形成される微小な亀裂である。ガラス基板１０の主面におけるマイクロクラック１２の径は、ビーム径やエネルギ等によって決定されるが、５〜５０μm程度であり、板厚方向の中心部に向かって先細り形状となっている。
When the
マイクロクラック１２は、図１（B）に示すように、マトリクス状にガラス基板１０の主面に形成される。マイクロクラック１２の形成間隔は、１０〜３０μmの範囲で制御される。マイクロクラック１２の間隔が１０μmより小さくなると、隣接するマイクロクラックを形成する際にレーザビームの熱影響によりクラックの形状に不具合が生じるおそれがある。
As shown in FIG. 1B, the
エッチングステップは、レーザステップにてマイクロクラック１２が形成されたガラス基板１０にエッチング液を接触させて、マイクロクラック１２を形成した位置に凹状のレンズ部１４を形成する工程である。ガラス基板１０にエッチング液を接触させることによりマイクロクラック１２を中心として凹状レンズ部１４が形成される。
The etching step is a step of bringing the etching solution into contact with the
凹状レンズ部１４を形成するエッチング処理は、エッチング液を使用したウエットエッチングによって行われる。さらに、エッチング速度が３．００μｍ/分以下になるように調整してエッチングが行われる。また、エッチング速度としては、０．０１μｍ/分〜３．００μｍ/分の範囲で調整を行うことがより好ましい。
The etching process for forming the
ガラス基板のエッチング液は、少なくともフッ酸を含んでおり、塩酸または硫酸等の無機酸や界面活性剤を含んでいても良い。エッチング液のエッチング速度は、おおむねフッ酸の濃度と正比例の関係にあり、フッ酸の濃度が増加するほどエッチング速度も上昇する。このため、エッチング速度を３．００μｍ/分以下にするには、フッ酸の濃度を１５重量％以下にする必要がある。さらに、エッチング液のフッ酸の濃度は、１０重量％以下に調整することがより好ましい。 The etching solution for the glass substrate contains at least hydrofluoric acid, and may contain an inorganic acid such as hydrochloric acid or sulfuric acid or a surfactant. The etching rate of the etching solution is generally in direct proportion to the concentration of hydrofluoric acid, and the etching rate increases as the concentration of hydrofluoric acid increases. Therefore, in order to reduce the etching rate to 3.00 μm / min or less, the concentration of hydrofluoric acid needs to be 15% by weight or less. Further, it is more preferable to adjust the concentration of hydrofluoric acid in the etching solution to 10% by weight or less.
エッチング速度を３．００μｍ/分以下にすることにより異方性エッチングを行うことが可能になり、凹状レンズ部１４がレンズ効果を発揮する形状となる。異方性エッチングとは、深さ方向と幅方向のエッチング量が異なるエッチングであり、本実施形態では、深さ方向のエッチング量に対して幅方向のエッチング量が多くなる。通常のウエットエッチングは、幅方向と深さ方向のエッチング量の等しい等方性エッチングであるが、マイクロクラック１２が形成された領域に低レートのエッチング液を接触させることにより、異方性エッチング処理を行うことが可能になる。出願人の実験によると、エッチング速度が３．００μｍ/分を超えると、等方性エッチングが進行し、凹状レンズ部１４の形状制御が困難になる。
By setting the etching rate to 3.00 μm / min or less, anisotropic etching can be performed, and the
エッチング液をガラス基板１０に接触させると、ガラス基板１０の主面側においてエッチング反応が発生する。マイクロクラック１２に対して、エッチング液が浸透するので、マイクロクラック１２を中心に凹部が形成される。ところが、エッチング液は、マイクロクラック１２の内部に浸透しにくいため、板厚方向よりも幅方向にエッチングが進行する（図２（Ａ）参照）。
When the etching solution is brought into contact with the
さらに、エッチング処理が進行すると、図２（Ｂ）のように、マイクロクラック１２を中心として凹状レンズ部１４が拡大し、マイクロクラック１２が消失していく。最終的には、図２（Ｃ）のように、隣接する凹状レンズ部１４が連続して形成され、ガラス基板１０の主面のレンズ領域において平坦部がなくなるまでエッチングを行う。ガラス基板のエッチング量は、３０〜１５０μｍ程度であれば、ガラス基板１０上に稠密に凹状レンズ部１４を形成することが可能である。
Further, as the etching process progresses, as shown in FIG. 2B, the
ガラス基板１０のエッチングは、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すエッチング装置５０で行うことが可能である。エッチング装置５０は、搬送ローラ５２および複数のエッチングチャンバ５４を備えた枚葉式のエッチング装置である。搬送ローラ５２は、エッチング装置５０の長さ方向に沿って一定間隔で配置されており、ガラス基板１０を搬送方向に沿って搬送するように構成される。エッチングチャンバ５４は、ガラス基板１０の搬送方向に沿って複数設けられており、ガラス基板５０に対してエッチング液を噴射するように構成される。なお、エッチング装置５０は、ガラス基板１０の両主面にエッチング液を噴射しているが、少なくともマイクロクラック１２が形成された主面にエッチング液が接触するように噴射されれば良い。また、凹状レンズ部１４が形成されない主面には、保護マスク等を被覆しても良い。エッチング液は、ガラス基板１０の主面に均等に吹き付けられ、マイクロクラック１２が形成された領域に凹状レンズ部１４が形成される。なお、エッチングチャンバ５４の後段には、洗浄チャンバ５６が設けられており、エッチングチャンバ５４にて噴射されたエッチング液が洗い流される。
The etching of the
また、ガラス基板１０のエッチング装置としては図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すエッチング装置を使用することも可能である。図４（Ａ）に示すエッチング装置５０１は、エッチングチャンバ内に収容されたエッチング液に搬送ローラで保持されたガラス基板１０を接触させることでエッチング処理を行うように構成される。なお、エッチング液は、エッチングチャンバ内でオーバーフローしており、エッチングチャンバとその下部に配置されたタンク間を循環している。
Further, as the etching apparatus for the
また、他のエッチング装置の例としては、図４（Ｂ）に示す浸漬式のエッチング装置５０２を使用することも可能である。エッチング装置５０２は、エッチング液を収容するエッチングチャンバ内に複数のガラス基板１０を保持したキャリア６０を浸漬することで、ガラス基板１０をエッチングするように構成される。なお、エッチングチャンバ内のエッチング液は、撹拌装置等を用いて撹拌されることが好ましい。
Further, as an example of another etching apparatus, it is also possible to use the immersion
また、エッチング液のエッチング速度を低下させるために、エッチング抑制物をエッチング液に含ませても良い。エッチング抑制物は、ガラス基板のエッチング反応を抑制し、エッチング速度を低下させるための物質である。エッチング抑制物が含まれることにより、同じ濃度のフッ酸を含むエッチング液と比較し、エッチング速度が低下させることが可能になる。 Further, in order to reduce the etching rate of the etching solution, an etching inhibitor may be included in the etching solution. The etching suppressor is a substance for suppressing the etching reaction of the glass substrate and reducing the etching rate. The inclusion of the etching suppressor makes it possible to reduce the etching rate as compared with an etching solution containing hydrofluoric acid having the same concentration.
エッチング抑制物質の例として、水酸化アンモニウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリや、酸化チタン、塩化アルミニウム、ホウ酸、二酸化珪素等のフッ素錯化剤が挙げられる。エッチング抑制物質は、主としてフッ酸と強酸からなるエッチング液のエッチング速度（エッチングレート）を減じる作用を奏する。 Examples of the etching inhibitor include alkalis such as ammonium hydroxide, sodium hydroxide and potassium hydroxide, and fluorine complexing agents such as titanium oxide, aluminum chloride, boric acid and silicon dioxide. The etching inhibitor has an action of reducing the etching rate (etching rate) of the etching solution mainly composed of hydrofluoric acid and strong acid.
フッ酸の物質量に対して０．０５〜５．００モル当量程度のエッチング抑制物質を含有させることにより、フッ酸濃度やフッ素濃度を高くしてもエッチング速度を０．０１〜３．００μｍ／分程度に低く抑えることができる。このような状態を形成することによってウエットエッチングの等方性の影響を最小限に抑制した異方性エッチングが実現していると出願人は推測している。 By containing an etching inhibitor of about 0.05 to 5.00 molar equivalents with respect to the amount of substance of hydrofluoric acid, the etching rate can be increased to 0.01 to 3.00 μm / even if the hydrofluoric acid concentration and the fluorine concentration are increased. It can be kept as low as a minute. The applicant speculates that by forming such a state, anisotropic etching in which the influence of isotropic property of wet etching is minimized is realized.
フッ酸とエッチング抑制物質との化合物として、これまで好適に異方性エッチングが実現できたものの例として、フッ化チタン酸（Ｈ2ＴｉＦ6）、フッ化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）、テトラフルオロホウ酸（ＨＢＦ4）、ヘキサフルオロリン酸（ＨＰＦ6）、ヘキサフルオロケイ酸（Ｈ2ＳｉＦ6）、ヘキサフルオロアルミン酸（Ｈ3ＡｌＦ6）、ヘキサフルオロアンチモン酸（ＨＳｂＦ6）、六フッ化砒素酸（ＨＡｓＦ6）、六フッ化ジルコン酸（Ｈ2ＺｒＦ6）、テトラフルオロベリリウム酸（Ｈ2ＢｅＦ4）、ヘプタフルオロタンタル酸（Ｈ2ＴａＦ7）などやこれらの塩が挙げられる。 As a compound of hydrofluoric acid and an etching inhibitor, examples of those that have been suitable for anisotropic etching so far are titanium fluoride acid (H 2 TiF 6 ), ammonium fluoride (NH 4 F), and tetrafluorohobo. Acid (HBF 4 ), Hexafluorophosphoric acid (HPF 6 ), Hexafluorosilicic acid (H 2 SiF 6 ), Hexafluoroaluminic acid (H 3 AlF 6 ), Hexafluoroantimonic acid (HSbF 6 ), Arsenic hexafluoride Acids (HAsF 6 ), hexafluorosilconic acid (H 2 ZrF 6 ), tetrafluoroberylium acid (H 2 BeF 4 ), heptafluorotantalic acid (H 2 TaF 7 ) and salts thereof can be mentioned.
これらのエッチング抑制物質を含むエッチング液についても、上記実施形態と同様にエッチング装置５０等を用いてマイクロクラック１２が形成されたガラス基板１０に接触させることで、凹状レンズ部１４を形成することが可能になる。
The etching solution containing these etching-suppressing substances can also be brought into contact with the
上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The description of the embodiments described above should be considered exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the scope of claims, not by the above-described embodiment. Furthermore, the scope of the present invention is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the claims.
１０−ガラス基板
１２−マイクロクラック
１４−凹状レンズ部
５０−エッチング装置
10-Glass substrate 12-Microcracks 14-Concave lens part 50-Etching device
Claims (2)
前記レーザビームが照射されたガラス基板に対してエッチング液を接触させることで前記クラック形成位置に凹状レンズ部を形成するエッチングステップと、
を含むマイクロレンズアレイの製造方法であって、
前記エッチングステップにおいて使用するエッチング液のエッチング速度が３．００μｍ/分以下であることを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法。 A laser step of irradiating a glass substrate with a laser beam based on lens shape design data to form a plurality of cracks extending in the plate thickness direction on the main surface of the glass substrate.
An etching step of forming a concave lens portion at the crack forming position by bringing the etching solution into contact with the glass substrate irradiated with the laser beam.
A method for manufacturing a microlens array including
A method for manufacturing a microlens array, characterized in that the etching rate of the etching solution used in the etching step is 3.00 μm / min or less.
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| WO2023101837A1 (en) * | 2021-11-30 | 2023-06-08 | Corning Incorporated | Low warp chemically strengthened glass textured by modified laser and etching process |
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