JP5157195B2 - レーザー加工方法及びそれを用いたマイクロレンズアレイ型の作成方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー加工方法に関し、特にリアプロジェクションテレビ用スクリーンのマイクロレンズアレイ型に好適なレーザー加工方法である。

従来、リアプロジェクションテレビのスクリーンにおけるマイクロレンズアレイ型の作成方法には、次の作成方法が行われていた。すなわち、型となる基板上にレジストを塗布
し、レジスト膜のレンズ中心に対応する位置にレーザーなどを用い微小スポットの穴を開ける。その後、その穴を利用してエッチングを行い基板上にマイクロレンズのための半球状の凹部を形成することで、リアプロジェクションテレビのスクリーン用のマイクロレンズアレイ型を形成していた（例えば特許文献１参照）。
特開２００６−４７５６２号公報

近年、リアプロジェクション用のスクリーンが大型化するに伴い、スクリーンの四隅の輝度ムラが大きくなるという問題が生じてきた。これは、スクリーンを構成する全てのマイクロレンズの配列が同一であるために起こる。そのため、この輝度ムラを解消するためには、スクリーン位置に応じて個々のマイクロレンズの傾きを変える必要があるが、前記従来の技術でスクリーン用のマイクロレンズアレイ型を作成すると、マイクロレンズを構成するための凹部が、全ての領域で同じ形状になってしまうので、この輝度ムラの解決を行うことが出来なかった。

本発明は、前記課題を解決するもので、凹部の形状を自在に変化させて、大画面化しても輝度ムラの生じないスクリーンを作るための、レーザー加工方法及びマイクロレンズアレイ型を作成する加工方法の提供を目的とする。

従来の課題を解決する為に、本発明のレーザー加工方法及びそれを用いたマイクロレンズアレイ型の作成方法は、レーザービームを、所定の大きさの孔が複数形成された加工マスクを介してワーク表面に略垂直に照射して前記ワークに加工を行うレーザー加工方法において、前記ワークは、互いに垂直な関係にある第一の方向と第二の方向に自在に動くものとし、前記第一の方向の加工においては前記ワークの移動速度又は前記レーザー照射の周波数を変化させ、前記第二の方向の加工においては前記加工マスクの回動の角度を変化させて前記ワークへレーザーを照射することを特徴とする。

以上のように本発明のレーザー加工方法によれば、全ての領域において形状の異なる加工が可能である。リアプロジェクションテレビ用大画面スクリーンの四隅の輝度ムラを解消できるマイクロレンズアレイ型を容易に作成することができる。

以下に、本発明のレーザー加工方法及びそれを用いたマイクロレンズアレイ型の作成方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１に本発明のレーザー加工方法において用いるレーザー加工機の一例として、樹脂系材料の加工において好適なエキシマレーザー加工機の全体構成の一例を示す。図１のエキシマレーザー加工機は、レーザー発信器１、アッテネータやホモジェナイザー等から構成される照射光学系２、マスク３、マスク用ＸＹθステージ４、投射レンズ５、ワーク６、ワーク用ＸＹステージ７、マスク用ステージ制御部８、ワーク用ステージ制御部９、レーザー発信器制御部１０、コントローラ１１より構成される。

上記構成要素を持つレーザーエキシマ加工装置において、レーザー発信器１はコントローラ１１に制御されたレーザー発信器制御部１０より送られるパルス信号に基づき、所定周波数にて波長２４８ｎｍのレーザービーム１２を出射する。出射されたエキシマレーザービーム１２は、レーザービームを加工に適したエネルギー密度にコントロールするアッテネータや、レーザービームのエネルギー分布を均一化するホモジェナイザーや各種ミラ
ー等から構成される照射光学系２を通り、所定の形状とエネルギー密度に整えられたレーザービーム１３となる。

加工において最適化されたレーザービーム１３は、ガラス基板上に金属膜や誘電体多層膜にて所定の開口部が複数形成されたマスク３に照射される。マスク３は、位置を微調整できるようＸＹステージと、レーザービーム１３の光軸周りにマスク３を回動できるようθステージから構成さるマスク用ＸＹθステージ４に取り付けられ、ワーク用ＸＹステージ７との位置関係によりマスク用ステージ制御部８を通しコントローラ１１により回動させることができる。

レーザービーム１３は上記マスク３を通過し、マスク３の複数の開口部を通り、形状を整えられたレーザービーム１４の状態となる。レーザービーム１４は投射レンズ５により所定の縮小倍率Ｍに縮小され、ワーク６に照射され、ワーク６を加工する。ワーク６は互いに直行するＸＹ方向への移動が可能なワーク用ＸＹステージ７に真空吸着などの方法により取り付けられる。ワーク用ＸＹステージは、ワーク用ステージ制御部９を通しコントローラ１１により制御され、ワーク６の位置や送り速度を制御する。なお、ここで用いるワーク６として好適な例としては、ポリイミドやポリカーボネート等高分子系材料が挙げられる。

本発明において用いる事の出来るマスクの一例としてマスク３ａを図２に示す。マスク３ａは図中右から左に順次開口径が小さくなる円形形状のパターンＤ１〜Ｄ４を直線上に等ピッチＰにて配置したものである。なお、実際の加工において用いられるマスク上のパターン数は数百程度のパターンを用いる例が一般的であるが、ここでは説明の便宜上４つのパターンとする。

図２に示すマスク３ａを用いた加工例について＜基本加工事例＞に一般的な加工例を、＜加工事例１＞にワーク６の速度を変化させる加工例を、＜加工事例２＞においてマスク３を回動させる加工例を説明する。

＜基本加工事例＞
マスク３ａのパターンＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４の各中心を結ぶ中心線Ｌ１とワーク６の移動する第1の方向Ｌ２が一致するよう前記マスク用ＸＹθステージ４に取り付ける。

マスク３ａを用いた加工における第1の方向Ｌ２へのワーク送り速度をＦ、レーザー照射の周波数をｆ、縮小倍率をＭとし、式（１）の加工条件を満たすよう設定する。

Ｐ・Ｍ＝Ｆ／ｆ・・・・（１）
式（１）の左辺は、レーザービームを照射したときワーク６上に形成されるマスクパターンのピッチを表し、右辺はレーザー照射間におけるワーク６の第1の方向Ｌ２への移動距離を表す。すなわち式（１）はワーク６上のマスクパターンのピッチとレーザーの照射間の移動距離が等しい事を示し、マスクピッチとレーザー照射の同期が取れている状態を表している。

次に、図２に示すマスク３ａを用い、式（１）の加工条件による加工事例を図３（ａ）〜（ｄ）に示す。ここでは投射レンズを省略した形とし、すなわち縮小率Ｍが１の場合を示し、条件式（１）は左辺Ｐ・Ｍ＝Ｐとし、式（２）のように表すことが出来る。

Ｐ＝Ｆ／ｆ・・・・（２）
したがって、ここでは、マスクピッチＰとレーザー照射間におけるワーク６の第1の方向Ｌ２への移動距離が等しい例を示す。

図３（ａ）は、１発目のレーザー照射状態の加工断面図を示すものであり、ワーク６上に、マスク３ａ上に形成されたマスクパターンＤ１からＤ４による加工部Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ４１が夫々ピッチＰにて加工されたものである。（２）式より、第２発目のレーザー照射による加工は、ワーク６がマスクのパターンピッチＰ分だけ第1の方向Ｌ２に移動したときに行われる。その状態を図３（ｂ）に示す。図３（ａ）の状態からワーク６がマスクのパターンピッチＰ移動したとき、先に形成されたパターンＤ１１はマスクパターンＤ２の垂直下に一致する。そのタイミングにてレーザーが照射されＤ２２を形成する。以降同様にワーク６がピッチＰ分移動したタイミングでレーザーが照射され、順次図３（ｃ）、図３（ｄ）に示す様にＤ３３、Ｄ４４を形成し、各パターンの中心位置が同心円状にある加工形状を得ることが出来る。さらに継続しワークを送ることにより図４に示す様、連続した形状形成が可能である。図４（ａ）に加工物上部正面図を、図４（ｂ）に図４（ａ）中Ａ−Ａ断面図を示す。

＜加工事例１：ワーク送り速度変化＞
次に、式（２）の状態より、ワークの送り速度をΔＦ早くした場合について説明する。

ワークの送り速度をΔＦ早くすることにより、マスクピッチＰとレーザー照射間におけるワーク６の移動距離の関係式（２）は式（３）の状態となる。

Ｐ＜（Ｆ＋ΔＦ）／ｆ・・・・（３）
左辺のワーク６上のマスクパターンピッチより、右辺のレーザー照射間におけるワーク６の移動距離が大きくなる状態を表している。このときの加工事例を図５（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。

図５（ａ）は、１発目のレーザー照射状態加工断面図を示すものであり、ワーク６上にマスク３ａに形成されたマスクパターンＤ１からＤ４による加工部Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ４１が夫々ピッチＰにて加工される。（３）式より、第２発目のレーザー照射による加工は、ワーク６が（Ｆ+ΔＦ）／ｆ（マスクパターンピッチＰ以上）移動したときに行われる。その状態を図５（ｂ）に示す。図５（ａ）の状態からワーク６が、（Ｆ+ΔＦ）／ｆ移動したとき、先に形成されたパターンＤ１１はその中心位置がマスクパターンＤ２の中心位置の垂直下より左に移動した状態にある。そのタイミングにてレーザーが照射されＤ２２が形成される。以降同様にワーク６が（Ｆ+ΔＦ）／ｆ移動したタイミングでレーザーが照射され、順次図５（ｃ）、図５（ｄ）に示す様にＤ３３、Ｄ４４が形成され、各パターンの中心位置がワークの移動する第1の方向Ｌ２の逆方向に偏心した形状を得ることが出来る。さらに継続しワーク６を送ることにより図６に示す連続した形状成形も可能である。図６（ａ）に加工物上部正面図を、図６（ｂ）に図６（ａ）中Ａ−Ａ断面図を示す。

ここではワークの送り速度をΔＦ早くすることによりワーク上のマスクピッチよりレーザー照射間におけるワーク６の移動距離を大きくした状態について説明したが、反対にワークの送り速度をΔＦ遅く設定することによりワーク上のマスクピッチよりワークの移動距離を小さくすれば、図７に示す様に各パターンの中心位置がワークの移動する第1の方向（図中左側）に偏心した形状を得ることが出来る。（図７（ａ）に加工物上部正面図を、図７（ｂ）に図７（ａ）中Ａ−Ａ断面図を示す。

ワーク６のＬ２方向への移動時、ワーク用ＸＹステージ７をワーク用ステージ制御部９を通しコントローラ１１により制御することにより、ワーク送り速度を変化させながら加工を行う事を可能とし、各パターンの中心位置がワークの移動する第1の方向Ｌ２において偏心した形状を得ることが出来る。

＜加工事例２：マスク回動＞
＜基本加工事例＞において、マスクの各パターンの中心点を結ぶ直線Ｌ１と、ワーク６の移動する第1の方向Ｌ２を一致させる加工例を示した。ここでは、マスク３ａを回動させマスクの各パターンの中心点を結ぶ直線Ｌ１を、ワーク６の移動する第1の方向Ｌ２に対して角度を持たせ加工を行う例を示す。なお、マスク３ａの回動制御については、装置構成の説明にて示したマスク用ＸＹθステージ４をマスク用ステージ制御部８を通しコントローラ１１により制御する。

ここでは、図８に示すよう、マスクの各パターンの中心点を結ぶ直線Ｌ１がワーク６の移動する第1の方向Ｌ２に対し反時計回りに角度α回動した状態での加工事例を示す。マスク３ａのパターンピッチをＰ、マスク３ａのパターンの第1の方向Ｌ２におけるピッチをＰ´、ワーク送り速度をＦ、レーザーの周波数をｆ、縮小倍率をＭとすると、ピッチＰ´とレーザーの照射タイミングの同期が取れている状態は式（４）で表すことが出来る。

Ｐ´・Ｍ＝Ｆ／ｆ・・・・（４）
式（４）を満たす状態での加工事例を図９（ａ）〜（ｄ）に示す。ここでは投射レンズを省略した形とし、縮小率Ｍが１の場合を示し、左辺Ｐ´・Ｍ＝Ｐとし、式（４）は式（５）のように表すことが出来る。

Ｐ´＝Ｆ／ｆ・・・・（５）
図９（ａ）〜図９（ｄ）は加工時のワーク６をマスク３ａ側からみた図を示す。

図９（ａ）は、１発目のレーザー照射時の加工状態を示すものであり、ワーク６上にマスク３ａ上に形成されたマスクパターンＤ１からＤ４による加工部Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ４１がワーク送り方向Ｌ２においてピッチＰ´にて加工される。（５）式より、第２発目のレーザー照射による加工は、ワーク６がピッチＰ´分だけ移動したときに行われる。その状態を図９（ｂ）に示す。図９（ａ）の状態からワーク６がピッチＰ´移動したとき、先に形成されたパターンＤ１１は、マスクパターンＤ２垂直下において中心位置が水平方向に一致する。そのタイミングにてレーザーが照射され図９（ｂ）に示すよう、先に形成されているＤ１１に対し上下方向において中心位置がずれた状態にてＤ２２が形成される。以降同様にワーク６がピッチＰ´分移動したタイミングでレーザーが照射され、順次図９（ｃ）、図９（ｄ）に示す様にＤ３３、Ｄ４４が形成され、各パターンの中心位置が下方向に偏心した形状を得ることが出来る。さらに継続しワークを送ることにより図１０に示す連続した形状成形が可能である。図１０（ａ）に加工物上部正面図を、図１０（ｂ）に図１０（ａ）中Ａ−Ａ断面図を示す。

ここでは、マスク角度を反時計回りにα回動させた状態の例を示したが、反対方向、すなわち時計回りにα回転させた状態にて加工を行うことにより、図１０とは逆に、各パターンの中心位置が上方向に偏した図１１に示す形状を得ることが出来る。図１１（ａ）に加工物正面図、図１１（ｂ）に図１１（ａ）中Ａ−Ａ断面図を示す。

以上のように、マスクを偏心させて加工することにより、ワーク６の移動する第1の方向Ｌ２に対する垂直方向の形状を任意に変化させる事を可能とする。

＜加工事例１＞、＜加工事例２＞を組み合わせ、ワーク速度とマスク角度をともに制御することにより様々な形状を作製する事も可能である。

なお、ここでの説明においては、マスクパターンを４個とし、段差が発生している例で説明したが、実際は数十から数百のパターンを用い、レーザー1ショット当たりの加工レ
ートを適宜選択することにより、滑らかな側壁面形状を得ることも可能である。
（実施の形態２）
本実施の形態においても図2に示すマスク３ａを用いる。マスク３ａは図中右から左に順次開口径が小さくなる円形形状のパターンＤ１〜Ｄ４を直線上に等ピッチＰにて配置したものである。なお、通常実際の加工において用いられるマスク上のパターン数は数百程度のパターンを用いる例が一般的であるが、ここでは説明の便宜上４つのパターンとする。

図２に示すマスク３ａを用いた加工例について＜加工事例３＞においてレーザービームの照射タイミングを変化させることによる効果を説明する。

＜加工事例３＞
実施の形態１に示す＜基本加工事例＞記載の式（２）の状態より、レーザー照射の周波数をΔｆ低く設定した場合について説明する。

レーザー照射の周波数を低くすることにより、マスクピッチとレーザー照射間におけるワーク６の移動距離の関係式（２）は式（３）の状態となる。

Ｐ＜Ｆ／（ｆ−Δｆ）・・・・（６）
これは、左辺のワーク６上のマスクパターンピッチより、右辺のレーザー照射間におけるワーク６の移動距離が大きくなる状態を表している。すなわち＜加工事例１＞と同じことをあらわしており、結果として図5に示す加工例と同じ加工結果を得ることができ、図6の加工形状を得ることが可能となる。

ここではレーザー照射の周波数をΔｆ低くすることによりワーク上のマスクピッチよりレーザー照射間におけるワーク６の移動距離を大きくした状態について説明したが、反対にレーザー照射の周波数をΔｆ高く設定することによりワーク上のマスクピッチよりワークの移動距離を小さくすれば、図７に示す様に各パターンの中心位置がワークの移動する第1の方向（図中左側）に偏心した形状を得ることが出来る。（図７（ａ）に加工物上部正面図を、図７（ｂ）に図７（ａ）中Ａ−Ａ断面図を示す。

レーザー照射の周波数を変化させながら加工することにより、各パターンの中心位置がワークの移動する第1の方向において偏心した形状を得ることが出来る。

＜加工事例２＞、＜加工事例３＞を組み合わせ、ワーク速度とマスク角度をともに制御することにより様々な形状を作製する事も可能である。

なお、ここでの説明においては、マスクパターンを４個とし、段差が発生している例で説明したが、実際は数十から数百のパターンを用い、レーザー1ショット当たりの加工レートを適宜選択することにより、滑らかな側壁面形状を得ることも可能である。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態１と実施の形態２で説明した加工方法の好適な適用例として、マイクロレンズアレイ型の作成がある。これについて以下、詳細に説明する。

加工にいて用いるマスク３ｂを図１２に示す。マスク３ｂのパターンは円形形状のパターンはＤ１からＤｎまでがｎ個形成されたマスクとし、各パターンピッチＰは全て等しいものとする。（実施の形態１）における＜基本加工例＞の条件にて加工を行った場合の形状を図１３に示す。図１３（ａ）は上部正面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）中のＡ−Ａ断面を示す。図１３（ａ）中Ｓ１はマスク上のパターンＤ１により形成された上部
開口部を示し、ＳｎはＤｎにより形成された底部を示す。図１３（ｂ）に示す側壁面１６の状態は、マスクパターンを多数用いるため、段差が形成されず滑らかな状態を得ることができる。

次に加工開始状態を図１４に示す。マスク３ｂは傾いた状態に制御される。ワーク６は第一の方向Ｌ２に移動し、図中ＡからＢの方向に順次加工が行われる。Ｂまで加工を行った後、ワーク６は加工しない状態で再び元の位置に戻り所定の移動量だけ第二の方向Ｌ３に移動する。再びその位置からにワーク６は第一の方向Ｌ２に移動を開始するとともに加工を開始する。以上の動作を繰り返し、ワーク全面に加工を行う。

第一の方向Ｌ２の加工においては、ワークの移動速度又はレーザー照射の周波数を変化させ第一の方向Ｌ２における断面形状が変化するよう加工を行う。さらに第二の方向Ｌ３の加工においては、マスクを回動させ第二の方向Ｌ３において断面形状が変化するようマスク３の角度を制御する。これらの加工方法を組み合わせて用いることにより、図１５に示すような反射型マイクロレンズアレイ型を作成することができる。図１５はマイクロレンズアレイ型と各領域の拡大図である。各領域においてマイクロレンズ型の形状は異なるが、その構成は全て同じであり、代表的な形状としては領域Ｅの形状であり、その断面Ａ−Ａ図は図１３（ｂ）と同様の形状である。Ｓ１はマスクパターンＤ１により形成されたもので型における上部の開口部にあたり、転写成形されたレンズにおいては光の入光部となる、ＳｎはマスクパターンＤｎにより形成されたもので、型における底部であり、転写されたレンズにおいては光の出射部となる。側壁面１６は転写されたレンズにおいては、光を全反射するための反射面となり、その角度が反射角度に大きな影響を与える。本発明の方法を用いることにより、各領域において形状を制御したマイクロレンズアレイ型を作成することが可能である。

さらにこのようなマイクロレンズアレイ型を用いるに際し、最も好適な例としてはリアプロジェクションテレビ用スクリーンがあげられる。例えば、図１５のように形成された凹部形状部から転写される形状を、高屈折材料で形成されるレンズ部とする反射型マイクロレンズアレイを用いたスクリーンの型として用いることが出来、スクリーン上に形成される反射型マイクロレンズアレイの視野角特性を中央向きにふる形を得ることができ、従来のスクリーンに比較し、スクリーン四隅における輝度ムラを小さく押さえられるといった利点を有する。

本事例においては、反射型のマイクロレンズアレイ型およびそれを用いたリアプロジェクションテレビ用スクリーンの作成方法について述べたが、本特許は反射型に限定されるものでなく、凸型のマイクロレンズアレイを作製する事も可能である。

本発明にかかるレーザー加工方法及びそれを用いたマイクロレンズアレイ型の作成方法は、レーザーを用いて被加工物の凹部の形状を自由に作成できるので、リアプロジェクションテレビ用スクリーンのマイクロレンズアレイ型の作成に留まらず、複雑精密な金型加工全般に用いることができる。

本発明のレーザー加工方法において用いるレーザー加工機の一例を示す図 本発明のレーザー加工方法において用いるマスクの一例を示す図 ワーク上のマスクピッチとレーザー照射間の移動距離を合わせた加工時の断 面図 ワーク上のマスクピッチとレーザー照射間の移動距離を合わせた加工形状及 び断面図の一例を示す図 ワーク上のマスクピッチとレーザー照射間の移動距離をずらした加工時の断 面図の一例を示す図 ワーク上のマスクピッチとレーザー照射間の移動距離をずらした加工形状及 び断面図の一例を示す図 ワーク上のマスクピッチとレーザー照射間の移動距離をずらした加工形状及 び断面図の一例を示す図 本発明におけるマスク設置例を示す図 マスクを回動させた加工時の断面図 マスクを回動させた加工形状及び断面図一例を示す図 マスクを回動させた加工形状及び断面図一例を示す図 本発明のレーザー加工方法において用いるマスクの一例を示す図 ワーク上のマスクピッチとレーザー照射間の移動距離を合わせた加工形状 及 び断面図の一例を示す図 加工状態を示す図 反射型マイクロレンズアレイ型の図

１ レーザー発信器
２ 照射光学系
３ マスク
４ マスク用ＸＹθステージ
５ 投射レンズ
６ ワーク
７ ワーク用ＸＹステージ
８ マスク用ステージ制御部
９ ワーク用ステージ制御部
１０ レーザー発信器制御部
１１ コントローラ
１２、１３，１４ エキシマレーザービーム
１５ 側壁面
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄｎ−３、Ｄｎ−２、Ｄｎ−１、Ｄｎ マスクパターン
Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ４１、Ｄ２２、Ｄ３３、Ｄ４４ 加工パターン
Ｐ マスクピッチ
Ｐ´ 第一の方向におけるマスクピッチ
Ｌ１ マスクパターンの中心を結ぶ直線
Ｌ２ 第１の方向
Ｌ３ 第２の方向
α 第１の方向に対するマスクの傾き
Ｓ１ 形状パターンの上部開口部形状
Ｓｎ 形状パターンの底部形状
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ 領域

Claims (2)

1. レーザービームを、所定の大きさの孔が複数形成された加工マスクを介してワーク表面に略垂直に照射して前記ワークに加工を行うレーザー加工方法において、
   前記ワークは、互いに垂直な関係にある第一の方向と第二の方向に自在に動くものとし、
   前記第一の方向の加工においては前記ワークの移動速度又は前記レーザー照射の周波数を変化させ、
   前記第二の方向の加工においては前記加工マスクの回動の角度を変化させて前記ワークへレーザーを照射するレーザー加工方法。
2. 請求項１のレーザー加工方法を用いて、前記加工マスクを交換することなく、偏心量の異なるマイクロレンズが混在するマイクロレンズアレイ型の加工方法。
   
   

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