JP5444023B2 - マイクロレンズアレイ素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、マイクロレンズアレイ素子およびその製造方法に関する。

プロジェクタの画像表示素子として用いられる液晶パネルは、液晶層を１対の基板により挟持した構造となっている。

１対の基板の一方には透明電極膜と遮光用のブラックマトリックスが形成され、他方には、画素ごとの電圧を印加されるＴＦＴ（THIN FILM TORANSISTOR）が形成され、挟持された液晶層に「画素単位で電界を印加できる」ようになっている。

透明電極膜が形成される側の基板には、透明電極およびブラックマトリックスの形成された面とは逆の面に、ブラックマトリックスの開口部の配列に対応するようにマイクロレンズアレイが形成されている。

照明光は、マイクロレンズアレイの個々のマイクロレンズにより集光され「対応するブラックマトリックス」の開口部へ集光する。

近来、投射画像の高精細化が求められ、それに従って、上記マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズが小径化し、アレイ配列のピッチも細かくすることが求められつつある。

マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズのレンズ径が小さくなり、マイクロレンズ配列密度が高くなれば、それに応じて「ブラックマトリックスにおける開口部」も小さくなり、開口部の配列密度も高くなる。

照明光を、各マイクロレンズにより、対応するブラックマトリクスの開口部へ、効率よく集光させるためには、個々のマイクロレンズの焦点距離を小さくする必要がある。
マイクロレンズアレイは、透明平行平板状の基板の片側の面に形成され、照明光はマイクロレンズアレイを透過し、上記基板を厚み方向に透過してブラックマトリックスの開口部へ集光するので、マイクロレンズアレイが形成された基板の厚さは、マイクロレンズの焦点距離に応じて薄くしなければならない。

このため、「基板そのものを薄くした状態」でマイクロレンズアレイを形成すると、マイクロレンズアレイを形成した基板の機械強度が弱くなり、マイクロレンズアレイ形成後の取り扱いが困難になる。
この傾向は、マイクロレンズのレンズ面の曲率が強くなるほど「マイクロレンズアレイの凹凸を差し引いた基板厚さ」が薄くなるため特に顕著になる。

そこで、基板の厚さをある適度大きくしておき、マイクロレンズアレイを形成したのちに、「マイクロレンズアレイを形成したのと逆側の面」を研磨して基板を薄くすることが行なわれているが、研磨の過程で、基板が薄くなる最終段階で基板に「クラック」や「割れ」が発生しやすく、このため、マイクロレンズアレイ部材の歩留まりを高くすることが困難であった。

なお、マイクロレンズアレイ素子に関しては特許文献１記載のものが知られている。

この発明は、上述した事情に鑑みて成されたものであって、マイクロレンズアレイ素子を歩留まりよく製造する方法の実現を課題とし、また、低コストで良好なマイクロレンズアレイ素子を実現することを課題とする。

この発明のマイクロレンズアレイ素子の製造方法は、マイクロレンズアレイ形成工程と、保護層形成工程と、接着工程と、研磨工程と、膜形成工程と、チップ化工程を有する。

「マイクロレンズアレイ形成工程」は、平行平板状のガラス基板の片面に、所定数のマイクロレンズアレイを配列形成する工程である。

「保護層形成工程」は、ガラス基板の「マイクロレンズアレイを形成された面」に、ガラス基板と異なる屈折率を持ち、ＳｉＯ_２を骨格とする重縮合材料により、厚さ：０．１μｍ〜２０μｍの保護層を形成する工程である。

この保護層形成工程は「マイクロレンズアレイを構成する個々のマイクロレンズと保護層とにより所定の焦点距離が実現される」ように行なわれる。

「接着工程」は、保護層の表面側に、平行平板状のベースガラスの平坦な面を接着剤により接着固定する工程である。

「研磨工程」は、接着工程後に、ガラス基板のマイクロレンズアレイの形成された面と逆側の面を研磨して、ガラス基板を「所定の厚さ」に形成する工程である。

「膜形成工程」は、ガラス基板の研磨された面に、透明電極膜とブラックマトリックスを形成する工程である。

「チップ化工程」は、膜形成工程後に、マイクロレンズアレイごとに分離してチップ化し、マイクロレンズアレイ素子を得る工程である。
平行平板状のガラス基板は、マイクロレンズアレイ形成工程が行われる際には、研磨工程による研磨量を含む厚さを有する。
そして、保護層形成工程の際の「保護層の引っ張り応力によるガラス基板の反り」を、ガラス基板の上記厚さ（研磨工程による研磨量を含む厚さ）により抑制する。

説明を補足すると、上の説明から理解されるように、マイクロレンズアレイ素子は１個１個が個別に製造されるわけではなく、１枚のガラス基板に対して所定数のマイクロレンズアレイが形成される。
マイクロレンズアレイを形成する所定数は、１個のマイクロレンズアレイのサイズと、ガラス基板のサイズとにより定まる。

ガラス基板は、例えば「直径：１００〜２００ｍｍ程度の円板状」であり、マイクロレンズアレイ素子の大きさが例えば、２０ｍｍ×３０ｍｍであるとすれば、１枚のガラス基板に２０〜４０個程度のマイクロレンズアレイが１度に形成されることになる。

ガラス基板は平行平板状であり、ガラス材料としては種々のものを利用できるが、例えば「石英材料、アルミナシリケイトガラス」等は好適なガラス材料の１つである。

このガラス基板は、その片面に上記「所定数のマイクロレンズアレイ」が形成され、反対側の面は研磨される。
研磨によりガラス基板は厚さを減じるので、マイクロレンズアレイを形成される段階では「十分な厚み」を有するようにする。「十分な厚み」については後述する。

マイクロレンズアレイ形成工程における「マイクロレンズアレイの形成」には、フォトリソグラフィとエッチングを組み合わせた方法、樹脂転写、エッチング、パターニング、ウエットエッチング等、公知の適宜の方法を用いることができる。

マイクロレンズアレイ形成工程で、ガラス基板の片面に所定個数のマイクロレンズアレイが形成されると、マイクロレンズアレイが形成された面に対して「ＳｉＯ_２を骨格とする重縮合材料」により、保護層が形成される。

「ＳｉＯ_２を骨格とする重縮合材料」は、ゾルゲル材料やＨＳＱ、ＳＯＧ（Spin On Glass)等である。

ゾルゲル材料は無機材料で、堅固な薄層を形成できるので耐環境性に優れている。即ち、薄層形成過程でゾルゲル材料のシロキサン結合を完全にすると「シリカガラスによる３次元骨格構造体」となる。この状態は「硬化した状態（硬化層）」であり、化学的に安定した極めて強固な構造である。
「ＳｉＯ_２を骨格とする重縮合材料」は、その組成により「屈折率の調整」が容易であり、所望の屈折力を持った保護層を容易に得ることができる。この保護層は「マイクロレンズアレイのレンズ面上」に形成されるので、マイクロレンズのレンズ面による屈折力は「ガラス基板材料および保護層材料」の屈折率と、レンズ面の曲率とにより定まることになる。このことを利用し、保護層材料の屈折率を調整して、マイクロレンズアレイを構成する個々のマイクロレンズとともに「所定の焦点距離」を実現する焦点距離調整が可能である。

しかしながら反面、ゾルゲル材料に代表される「ＳｉＯ_２を骨格とする重縮合材料」は薄層を成膜する過程で強い引っ張り応力を発生させやすい。これは成膜の際、シリカガラスによる３次元骨格構造体が形成される過程で脱水反応が生じ、薄層の収縮が生じるためである。

従って、ガラス基板の厚みに対して、形成される保護層の厚みが相対的に大きいと、引っ張り応力も大きくなり、マイクロレンズアレイを形成されたガラス基板に「反り」が生じてしまう。
即ち、形成される保護層の厚みは、マイクロレンズアレイの形成されたガラス基板に、「保護層の引っ張り応力による反り」が、設計許容範囲を超えて生じないような大きさでなければならない。

ガラス基板は「研磨工程」で研磨されて「厚みを減じられる」のであるから、保護層を形成するときには、上記反りを抑制できる十分な厚みを持たせることができる。これが前述の「十分な厚み」である。

一方、保護層が０．１μｍ以下であると、ガラス基板に形成されたマイクロレンズアレイの「レンズ面」を十分に覆うことができない恐れがあり、このような場合には、上述の焦点距離調整が困難になる。

このようにして、保護層形成工程により、マイクロレンズアレイ上に保護層が形成される。

形成された保護層の表面側に、平行平板状のベースガラスの平坦な面を接着剤により接着固定する。

保護層に「設計許容範囲を超える反り」がなく、保護層の表面は実質的に平坦であるので、ベースガラスとの接着は容易且つ確実である。ベースガラスは光学的な条件（透過率等）を満足すれば、適宜のガラス材料を用いることができる。ガラス基板の材料として上に例示した「アルミナシリケイトガラス」はベースガラスの材料として好適なものの一つである。

接着工程に用いる接着剤はシリコーン系のものを好適に用いることができるほか、光硬化性樹脂や熱硬化性樹脂を用いることができる。

接着工程が終了した段階で、ガラス基板、保護層、接着剤層、ベースガラスによる４層構造体が形成される。保護層は、極めて堅固であり化学的にも安定している。
ベースガラスは上記４層構造体に大きな「機械強度」を与える機能を持ち、この機能を発揮できるに足る厚みを持つ。
続く「研磨工程」で、ガラス基板の「マイクロレンズアレイの形成された面と逆側」の面を研磨し、ガラス基板を所定の厚さに形成する。研磨工程を行なう研磨方法は、従来から知られたガラス研磨方法の適宜のものを利用できる。

研磨工程が行われる際、ベースガラスからガラス基板にいたる４層構造体は、ベースガラスにより十分な機械強度を与えられているので、４層構造体の機械的な取り扱いが容易である。

また、ガラス基板のマイクロレンズアレイが形成された側の面には、極めて強固な保護層が形成されて、ガラス基板を補強しているので、研磨の際に、ガラス基板における「クラックや割れ」の発生が有効に防止される。

研磨工程で、ガラス基板が「所定の厚み」まで研磨されたら、この研磨面に透明電極膜とブラックマトリックスを形成する。これにより４層構造体は、透明電極膜・ブラックマトリックスを含めて６層構造体となる。

その後、チップ化工程により、上記６層構造体を、マイクロレンズアレイごとに分離してチップ化し、マイクロレンズアレイ素子を得る。マイクロレンズアレイごとに分離するには、上記６層構造体を「ダイシングソウ」等で切断し、不要な部分を切り離せば良い。

ベースガラスは、このチップ化工程の際に、ダイシングソウ等から加えられる機械力に対する機械強度を与え、また保護層は、チップ化工程の際に「ガラス基板におけるクラックや割れ」を有効に防止する。

このようにして、請求項２記載のマイクロレンズアレイ素子が得られる。

請求項２記載のマイクロレンズアレイ素子は、上記の如く、ベースガラス、接着剤層、保護層、単一のマイクロレンズアレイを形成されたガラス基板、透明電極膜・ブラックマトリックスによる６層構造体をなしている。

そして、保護層が０．１μｍ〜２０μｍ程度であり、マイクロレンズアレイにおける個々のマイクロレンズの焦点距離は、マイクロレンズのレンズ面の曲率半径と、「ガラス基板および保護層の屈折率」により定まる。

このように製造されたマイクロレンズアレイ素子は、ＴＦＴを形成されたＴＦＴ基板とともに液晶層を挟持し、液晶層を密封されて液晶パネルとなる。

以上に説明したように、この発明によれば、液晶パネルに用いられる新規なマイクロレンズアレイ素子およびその新規な製造方法を実現できる。

マイクロレンズアレイ素子の製造方法を説明するための図である。 マイクロレンズアレイ素子の製造方法を説明するための図である。 製造されたマイクロレンズアレイを示す図である。

以下、実施の形態を説明する。
図１は、マイクロレンズアレイ素子の製造方法を説明するための図である。

図１（ａ）は、ガラス基板ＧＳにマイクロレンズＭＬのアレイ配列によるマイクロレンズアレイＭＬＡを「マイクロレンズアレイ形成工程」により形成した状態を示している。

前述したように、各々のマイクロレンズアレイ素子は個別に製造されるわけではなく、１枚のガラス基板に対して所定数のマイクロレンズアレイが形成される。
図２（ａ）は、この状態を説明図的に示している。
ガラス基板ＧＳは、平行平板状の円板形状であって、直径：１００ｍｍであり、その片面に１１個のマイクロレンズアレイＭＬＡが形成されている。図１は、図２（ａ）において破線で囲んだ部分を示している。以下に説明する各工程は、従って、図２（ａ）に示すガラス基板ＧＳに対して行なわれることになる。

図１（ｂ）は、ガラス基板ＧＳの、マイクロレンズアレイＭＬＡの形成された面に「保護層形成工程」により保護層ＰＬを形成した状態を示している。

保護層の材料は前述の如く「ＳｉＯ_２を骨格とする重縮合材料」、例えばゾルゲル材料であり、ゾル状態で「マイクロレンズアレイＭＬＡの形成された面」に塗布される。塗布方法は例えば、スピンコートで行なうことができる。

塗布後にプリベークとポストベークの「加熱処理」を行う。プリベークを行なった状態では、塗布されたゾル状態の層が、ゲル状態に変化する。そしてポストベークを行なうと硬質の保護層が「シリカガラスによる３次元骨格構造体」として形成される。

保護層の材料は、ガラス基板ＧＳの屈折率と、マイクロレンズＭＬの曲率半径とに応じて、形成された保護層とマイクロレンズとにより所望の焦点距離が実現されるように、予め屈折率を調整される。

ガラス基板ＧＳの屈折率をＮＧ、保護層ＰＬの屈折率をＮＰとし、マイクロレンズＭＬの曲率半径をｒとすると、よく知られたように、光を保護層ＰＬ側から入射させたときの焦点距離：Ｆは、
Ｆ＝ＮＰ・ｒ／（ＮＧ−ＮＰ）
となる。

図１（ｂ）の如くに形成された保護層ＰＬの平坦な面の上に、図１（ｃ）に示す如く接着剤層ＢＬを形成し、接着剤層ＢＬによりベースガラスＢＧを接着する（「接着工程」）。図１（ｄ）はベースガラスＢＧを接着した状態である。

図１（ｅ）は、ガラス基板ＧＳの「マイクロレンズアレイＭＬＡ」が形成された面とは逆の面に対して「研磨工程」を行い、ガラス基板ＧＳの厚さを「所定の厚さ」まで薄くした状態を「図１（ｄ）の状態を上下反転させた状態」として示している。上記所定の厚さは、前述の焦点距離：Ｆと略等しくする。

研磨工程後に、ガラス基板ＧＳの「研磨された面」に、透明電極膜ＴＣＬとブラックマトリックスＢＭとを形成する。

図２（ｂ）は、このようにして複数のマイクロレンズアレイ素子ＭＥが形成された状態を示している。図２（ｂ）に示す鎖線に沿ってダイシングソウによりマイクロレンズアレイ素子ＭＥを切り離す（「チップ化工程」）と、図３に示す如きマイクロレンズアレイ素子ＭＥが得られる。

このとき、ベースガラスＢＳの側から実質的な平行光束として入射する照明光は、マイクロレンズの個々により集光され、ガラス基板ＧＳの厚みが、前記焦点距離：Ｆと略等しいので、ブラックマトリックスＢＭの開口部に集光する。

なお、保護層ＰＬの厚さ：Ｄは、図３に示す如く、マイクロレンズアレイＭＬＡのレンズ面と接着剤層ＢＬとの接着面との距離である。

ガラス基板としてアルミナシリケイトガラス（商品名：ネオセラム 日本電気硝子製）を素材とする厚さ：０．５ｍｍ、直径：１００ｍｍの円板を用いた。ガラス基板の屈折率：ＮＧは１．５４である。

このガラス基板の片面に、２０ｍｍ×３０ｍｍのサイズのマイクロレンズアレイを、図２（ａ）のように１１個形成した。
形成された個々のマイクロレンズアレイは、直径：１０μｍの凸球面を正方配列で密接して配置したものであり、フォトリソグラフィとエッチングとを用いる公知の方法で形成した。各マイクロレンズの凸球面の曲率半径：ｒは５．０μｍである。

後述の如く、保護層の屈折率がガラス基板の屈折率より低いので、マイクロレンズの形状は凸面形状となる。

マイクロレンズアレイの形成されたガラス基板面に、ゾルゲル材料をゾル状態で、３００ｒｐｍの回転速度でスピンコートし、９０度の温度下で１０分間プリベークし、その後、２００度の温度下で６０分間ポストベークした。

ゾルゲル材料の塗布量を３．０ｇとし、ポストベーク後、厚み：３μｍの保護層を得た。このとき、ガラス基板に「許容範囲を超える反り」は生じなかった。ゾルゲル材料は、保護層となった段階で屈折率：ＮＰが１．４１となるように、屈折率を調整した。

保護層の表面に、シリコーン系の接着剤：ＴＳＥ３３００（商品名：モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社製）を塗布し、ベースガラスの張り合わせを行なった。ベースガラスとしては、マイクロレンズアレイを形成するのに用いたガラス基板（アルミナシリケイトガラス）と同じものを用いた。

その後、研磨工程により、ガラス基板の面を研磨して所定の厚み：０．０１５ｍｍとし、研磨した面に、従来方式により透明電極膜とブラックマトリックスの形成を行ったのち、ダイシングソウにより個々のマイクロレンズアレイ素子を切り離して、マイクロレンズアレイ素子を得た。

Ｇｓ ガラス基板
ＭＬＡ マイクロレンズアレイ
ＰＬ 保護層
ＢＬ 接着剤層
ＢＧ ベースガラス
ＴＣＬ 透明電極層
ＢＭ ブラックマトリックス

特開２００７−２２０６７５号公報

Claims (2)

1. 平行平板状のガラス基板の片面に所望数のマイクロレンズアレイを所望のピッチで形成するマイクロレンズアレイ形成工程と、
   上記ガラス基板の上記マイクロレンズアレイを形成された面に、上記ガラス基板と異なる屈折率を持ち、ＳｉＯ_２を骨格とする重縮合材料の加熱処理により、厚さ：０．１μｍ〜２０μｍの保護層を形成して、上記マイクロレンズアレイを構成する個々のマイクロレンズとともに所定の焦点距離を実現する保護層形成工程と、
   上記保護層の表面側に、平行平板状のベースガラスの平坦な面を接着剤により接着固定する接着工程と、
   接着工程後に、上記ガラス基板のマイクロレンズアレイの形成された面と逆側の面を研磨して、上記ガラス基板を所定の厚さに形成する研磨工程と、
   上記ガラス基板の研磨された面に透明電極膜とブラックマトリックスを形成する膜形成工程と、
   膜形成工程後にマイクロレンズアレイごとに分離してチップ化し、マイクロレンズアレイ素子を得るチップ化工程と、
   を有し、
   上記平行平板状のガラス基板は、上記マイクロレンズアレイ形成工程が行われる際には、上記研磨工程による研磨量を含む厚さを有し、
   上記保護層形成工程の際の、上記保護層の引っ張り応力による上記ガラス基板の反りを上記ガラス基板の上記厚さにより抑制することを特徴とする、マイクロレンズアレイ素子の製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法で製造されるマイクロレンズアレイ素子。

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