JP4089925B2

JP4089925B2 - マイクロレンズの製造方法

Info

Publication number: JP4089925B2
Application number: JP32788597A
Authority: JP
Inventors: 博志久保田; 友信角野
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2017-11-28
Also published as: JPH11160502A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い効率で光を集光することができるマイロクレンズの製造方法の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、カラーの液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、カラーフィルタを使用して構成画素部を３原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）とし、液晶の電気的スィッチングにより３原色の各光の透過を制御してカラー表示を行うものであり、プラズマディスプレイ等に比べて消費電力が小さいという長所がある。このような液晶ディスプレイでは、表示を明るく鮮明なものとするために、背後に照明用光源を備えた、いわゆるバックライト方式が近年普及している。しかし、照明用光源を使用した場合、消費電力が増大し、上記の消費電力が小さいという液晶ディスプレイの長所が損なわれることになる。このため、照明用光源からの光を効率良く画素部に集光することにより、照明用光源に要する電力を低減することが要求され、その手段として、マイクロレンズを配列してなるマイクロレンズアレイを使用した液晶ディスプレイが提案されている（特開昭６０−１６５６２３号等）。
【０００３】
また、ＣＣＤ等を使用したカラーイメージセンサーでは、有効開口率を上げるために各受光セルに対応したマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイを受光面に配設したものが開発されている（特開昭６１−６７００３号）。さらに、近年、光通信等で使用が増大している光ファイバにおいても、光の結合を行う場合にマイクロレンズが組み合わされて使用されている（特開昭６１−１５３６０２号）。
【０００４】
上述のように、基板の一方の面に形成されたマイクロレンズは種々の用途で使用されており、その製造方法には、▲１▼ガラスに拡散されたイオン濃度の分布を利用して屈折率勾配型のレンズとする方法（Electronics Letters Vol.17,No.13.PP452(1981)) 、▲２▼金型によってプラスチックあるいはガラスの表面をレンズ状の凹凸に成形する方法、▲３▼熱可塑性樹脂を用いてレンズの平面形状にパターン化し、その後、熱可塑性樹脂の軟化点以上に加熱して流動させることによりパターンエッジにダレを生じさせて凸レンズを形成する方法（特開昭６０−３８９８９号等）、▲４▼感光性樹脂にプロキシミティ露光を施してパターンエッジにボケを生じさせ、このボケに応じて光反応生成物の量に分布をもたせて凸レンズ形状を得る方法（特開昭６１−１５３６０２号）、▲５▼感光性樹脂に強度分布をもたせた光を照射して露光し、光強度に応じた屈折率分布パターンを形成して微小レンズとする方法（特開昭６０−７２９２７号等）、▲６▼感光性ガラスに対する光照射によって生じる結晶化に伴った収縮を利用して凸レンズを形成する方法（Applied Optics Vol.24,No.16,P2520(1985)）、▲７▼感光性樹脂をアライナーを用いて所望のパターン状に露光すると、非露光部から露光部に未反応のモノマーが移動して露光部が盛り上がるという現象を利用した凸レンズ形成方法（応用物理学会光学懇話会微小光学研究グループ機関誌 Vol.5,No.2,P118(1987),同 Vol.6,No.2,P87(1988)）等がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のいずれのマイクロレンズの製造方法においても、所望の特性を備えたマイクロレンズをより簡単に且つ高いパターン精度で製造できることが要求されているが、この要求に十分に応えられるマイクロレンズの製造方法は未だ開発されていない。
【０００６】
これを解決するために、本出願人は、特願平８−３３８１４７号において、支持基板の一方の面に拡散防止層を形成し、該拡散防止層上に低融点ガラス層を形成した後、該低融点ガラス層を熱溶融し、ガラス化された低融点ガラス層上に感光性レジストを塗布し、その後、所定パターンの開口を有するマスクを介して前記感光性レジストを露光・現像してレジストパターンを形成し、該レジストパターンをマスクとして前記低融点ガラス層をエッチングして溝部を形成し、その後、前記低融点ガラス層を再度、熱溶融してマイクロレンズとする製造方法を提案している。
【０００７】
しかしながら、上記製造方法においては、図３（Ａ）に示す焼成前のマイクロレンズ９′の形状と、図３（Ｂ）に示す焼成後のマイクロレンズ９の形状とを比較すると、焼成後にはマイクロレンズ９の自重と表面張力の作用により基板１の横方向に広がってしまい、例えばｘ＝１００μｍ、ｙ＝３０μｍのパターンが、ｘ′＝１５０μｍ、ｙ′＝２０μｍとなってしまい、マイクロレンズのサイズのコントロールが困難であるという問題を有している。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するものであって、マイクロレンズのサイズのコントロールを行うことができるマイクロレンズの製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載のマイクロレンズの製造方法は、支持基板上に拡散防止層を形成し、該拡散防止層上に低融点ガラス層のレンズパターンを形成した後、前記低融点ガラス層全面に流動抑制層を塗布し、前記低融点ガラス層を熱溶融してマイクロレンズとすることを特徴とし、
また、請求項２記載の発明は、請求項１において、前記流動抑制層を形成した後、支持基板の上下を反転させて、熱溶融してマイクロレンズとすることを特徴とし、
請求項３記載の発明は、請求項１、２において、前記流動抑制層が樹脂からなることを特徴とし、請求項４記載の発明は、請求項１、２において、前記流動抑制層が蒸着膜からなることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明のマイクロレンズの製造方法の１実施形態を示す模式的断面図である。先ず、図Ａに示す工程において、支持基板１上に拡散防止層２を形成し、この拡散防止層２上に低融点ガラス層３を形成する。
【００１１】
支持基板１は、透明ガラス基板であり、石英ガラス、無鉛ガラス、鉛ガラス等の材料からなるものであり、その厚みは、マイクロレンズの用途等を考慮して適宜設定することができ、例えば、０．１〜３ｍｍ程度とする。
【００１２】
支持基板１上に形成される拡散防止層２は、後述する低融点ガラス層３の成分が支持基板１に拡散することを防止するためのもので、低融点ガラス層３と支持基板１との相溶性が小さく低融点ガラスとなじみにくい材料、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、ＳｎＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂等の金属酸化物、ＢＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＴｉＮ等の金属窒化物（反射型マイクロレンズの場合は、Ｗ、Ｍｏ等の高融点金属も使用可能）等の１種または２種以上を使用して、スパッタリング法、電子ビーム蒸発法、有機金属材料の塗布・焼成、気相成長法（ＣＶＤ法）等により形成することができる。この拡散防止層２は、単層構造および多層構造のいずれであってもよく、その厚みは１００〜３０００オングストローム程度が好ましい。厚みは１００オングストローム未満であると、拡散防止の作用が十分ではなく、マイクロレンズの表面状態が低下するので好ましくない。また、厚みが３０００オングストロームを超えると、透過型マイクロレンズの場合、光の透過率が低下し好ましくない。
【００１３】
マイクロレンズの材料である低融点ガラス層３は、ＰｂＯ−ＺｎＯ−Ｂ₂Ｏ₃系、ＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系等の低融点ガラス材料の１種または２種以上から、支持基板１よりも軟化点の低い材料を用いて、スピンコート法、ロールコート法、ブレードコート法、スクリーン印刷法等の公知の方法により形成する。厚みは２〜１００μｍ程度とする。
【００１４】
次に、支持基板１を低融点ガラス層３の軟化点よりも高く、かつ、支持基板１の軟化点よりも低い温度で加熱し、低融点ガラス層３を熱溶融した後、冷却してガラス化する。この熱溶融処理は、低融点ガラス層３のポーラスな膜をある程度緻密化させるためで、後述する感光性レジスト塗布工程において、レジストの塗布性を向上させると共に、塗布の均一化、使用量の低減を図るためであり、また、エッチング工程において、図Ｄに示す平坦部７の側面が不規則に浸食されてマイクロレンズのパターン精度が悪くなるのを防止すると共に、低融点ガラス層３中の樹脂成分が分解しエッチング残査が生じるのを防止するためである。
【００１５】
以上のように低融点ガラス層３を熱溶融しガラス化した後、低融点ガラス層３上に感光性レジスト塗膜４を形成する。感光性レジスト塗膜４は、ゴム系ポジレジスト、アクリル系ネガレジスト等の公知の感光性レジストを使用し、スピンコート法、ブレードコート法等成膜手段により形成することができ、厚みは０．５〜２μｍ程度とする。また、上記の感光性レジストからなるドライフィルムを使用して感光性レジスト塗膜４を形成することもできる。
【００１６】
次に、図Ｂに示す工程において、マスクを介して感光性レジスト塗膜４を露光し現像することにより、レジトスパターン５を形成する。このレジストパターン５は、マイクロレンズ群を構成する各マイクロレンズの配列の間隙部に相当するパターンで、すなわち格子状の開口部５ａが形成されている。
【００１７】
次いで、図Ｃに示す工程において、支持基板１をエッチング液に浸漬し、レジストパターン５をマスクとして低融点ガラス層３をエッチングして、低融点ガラス層３に溝部６を形成し、拡散防止層２を露出させる。この低融点ガラス層３のエッチングに使用するエッチング液としては、フッ化水素酸、フッ化水素酸と硫酸との混合液等を挙げることができる。その後、レジスト剥離液によりレジストパターン５を剥離すると、図Ｄに示すように、低融点ガラス層３は、形成しようとするマイクロレンズの配列パターンに対応して、周囲に溝部６が形成された平坦部７を残した状態となる。
【００１８】
次に、図Ｅに示す工程において、焼成後のレンズのサイズの変化を極力抑えるために、低融点ガラス層３の全面に流動抑制層８を形成する。流動抑制層８としては、光硬化型又は熱硬化型の樹脂であって、低融点ガラスの焼成温度で灰化する樹脂を数μｍの厚さで塗布して用いることができる。流動抑制層に用いられる樹脂の例としては、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、焼成型アクリル樹脂等がある。
【００１９】
また、流動抑制層８として、炭素、ＳｉＯ₂等の透明又は焼成により透明となる物質を数千オングストローム蒸着して用いることも可能である。
【００２０】
次に、支持基板１を低融点ガラス層３の軟化点よりも高く、かつ、支持基板１の軟化点よりも低い温度で焼成し、低融点ガラス層３が熱溶融によって流動するとき流動抑制層８がその広がりを抑制し、流動抑制層８として前記の樹脂を使用した場合には、図Ｆに示すように、流動抑制層８は灰化されてなくなり、また、蒸着膜を使用した場合には、低融点ガラス上に蒸着膜の被膜を有した状態で、レンズ形状となったマイクロレンズ９が形成され、このようなマイクロレンズ９が複数配列されたマイクロレンズアレイ１０が得られる。また、支持基板１の焼成による低融点ガラス層３全体の熱溶融では、支持基板１と低融点ガラス層３との間に拡散防止層２を配置しているので、低融点ガラスの軟化点より１００〜４００℃高く設定でき、具体的には、電気炉等の加熱手段を使用して熱溶融を行うことができる。
【００２１】
なお、形成するマイクロレンズ９の焦点距離は、低融点ガラス層３の厚み（２〜１００μｍ程度）、マイクロレンズ９のピッチ、溝部６の深さで設定することができ、低融点ガラス層３の厚みは２〜１００μｍ程度、溝部６の深さは１〜３０μｍ、幅は５〜１００μｍの範囲で設定し、その用途等に応じて焦点距離を１０〜３０００μｍの範囲で、各マイクロレンズ９の形成ピッチを１０〜５００μｍの範囲で適宜設定する。
【００２２】
図２は、本発明のマイクロレンズの製造方法の他の実施形態を示す模式的断面図である。上記実施形態においては、エッチング液を用いるようにしているが、本実施形態においては、低融点ガラス層３をドライエッチングして溝部６を形成する。このようなドライエッチングは、カソードカップル型反応性イオンエッチング、平行平板型イオンエッチング等を使用して行うことができる。溝部６の深さは１〜２０μｍ、幅は３〜６０μｍの範囲で設定することができる。本実施形態においては、レジストパターン５の開口部５ａの幅に対応して溝部６が形成されるため、マイクロレンズ９のパターン精度を更に向上させることができる。
【００２３】
更に、本実施形態において特徴的なことは、図Ｃに示すように、低融点ガラス層３の全面に流動抑制層８を形成した後、図Ｄに示すように、支持基板１の上下を反転させることである。これにより、マイクロレンズの自重による横方向への広がりが更に抑制され、マイクロレンズのサイズをより高精度にコントロールすることができる。本実施形態によれば、低融点ガラス層３が熱溶融したときマイクロレンズの自重と流動抑制層８により、低融点ガラスの横方向の移動を抑制するため、例えば、図３においてｘ′＝１１０μｍ、ｙ＝２７μｍ程度までサイズのコントロールを行うことができる。
【００２４】
【実施例】
（実施例１）
支持基板として、１０ｃｍ角の石英ガラス基板（厚み１．１ｍｍ、屈折率１．４６、軟化点１６００℃）を準備した。この石英ガラス基板上にスパッタリング法によりＩＴＯからなる拡散防止層（厚み１０００オングストローム）を形成し、さらに、この拡散防止層に下記組成の低融点ガラス（軟化点３５０℃）用いてスクリーン印刷方法により低融点ガラス層（厚み５μｍ）を形成した。次に、この石英ガラス基板を電気炉により４００℃に加熱し、低融点ガラス層をある程度熱溶融した後、冷却しガラス化した。
【００２５】
低融点ガラスの組成
・ＰｂＯ（酸化鉛） …６５重量部
・ＺｎＯ（亜鉛） …２０重量部
・Ｂ₂Ｏ₃（硼酸） …１２重量部
・その他（Ｎａ₂Ｏ、Ｌｉ₂Ｏ、ＢａＯ、ＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃）…３重量部
次に、上記のガラス化した低融点ガラス層上にスピンコート法により感光性レジスト（東京応化工業（株）製ＯＦＰＲ８００）を塗布し乾燥して感光性レジスト塗膜（厚み０．８μｍ）を形成した。次いで、所定パターンの開口を有するマスクを介して感光性レジスト塗膜を露光し現像してレジストパターンを形成した。このレジストパターンは、線幅５μｍ、形成ピッチ６０μｍの格子形状の開口部を有し、この開口部には低融点ガラス層が露出するものであった。次いで、石英ガラス基板の裏面に保護フィルムを貼り、石英ガラス基板を５０％フッ化水素酸溶液中に２分間浸漬しして、レジストパターンをマスクとし低融点ガラス層のエッチングを行い、引き上げ後、洗浄した。これにより、低融点ガラス層には、線幅１５μｍの溝部（この溝部では拡散防止層が露出している）が格子形状に形成されるとともに、この溝部により４５μｍ×４５μｍ角の平坦部が形成された。
【００２６】
その後、レジスト剥離液（東京応化工業（株）製剥離液１０）によりレジストパターンを剥離して水洗した。そして、この石英ガラス基板に流動抑制層としてエチルセルロースを２μｍの膜厚で塗布し、石英ガラス基板を電気炉により６００℃に加熱し、平坦部を熱溶融によって流動させることによって、平面視直径約５０μｍ、焦点距離６００μｍのマイクロレンズが複数配列されたマイクロレンズアレイが得られた。
【００２７】
（実施例２）
流動抑制層として、ＳｉＯ₂膜を５０００オングストロームの厚さで蒸着により形成し、石英ガラス基板の上下を反転させて電気炉により６００℃に加熱して、平坦部を熱溶融させた点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズアレイを形成した。平面視直径約４７μｍ、焦点距離５２０μｍのマイクロレンズが複数配列されたマイクロレンズアレイが得られた。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、低融点ガラス層が熱溶融したときマイクロレンズの自重と流動抑制層により、低融点ガラスの横方向の移動を抑制することにより、マイクロレンズのサイズのコントロールを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロレンズの製造方法の１実施形態を示す模式的断面図である。
【図２】本発明のマイクロレンズの製造方法の他の実施形態を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の課題及び効果を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１…支持基板
２…拡散防止層
３…低融点ガラス層
４…感光性レジスト塗膜
５…レジストパターン、５ａ…開口部
６…溝部
７…平坦部
８…流動抑制層
９…マイクロレンズ

Claims

支持基板上に拡散防止層を形成し、該拡散防止層上に低融点ガラス層のレンズパターンを形成した後、前記低融点ガラス層全面に流動抑制層を形成し、前記低融点ガラス層を熱溶融してマイクロレンズとすることを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
前記流動抑制層を形成した後、支持基板の上下を反転させて、熱溶融してマイクロレンズとすることを特徴とする請求項１記載のマイクロレンズの製造方法。
前記流動抑制層が樹脂からなることを特徴とする請求項１または２記載のマイクロレンズの製造方法。
前記流動抑制層が蒸着膜からなることを特徴とする請求項１または２記載のマイクロレンズの製造方法。