JP5608444B2 - ガラス製マイクロレンズアレイの製造方法 - Google Patents

Description

本発明はガラス製マイクロレンズアレイの製造方法に係り、特にガラス基板にエッチングを施す前に、ガラス基板にレーザ光を吸収する膜を形成し、レーザ光を照射して局所的に応力を与えるガラス製マイクロレンズアレイの製造方法に関する。

プロジェクターなどの液晶パネルヘの集光には、マイクロレンズアレイが使用されている。現在用いられているマイクロレンズアレイには、樹脂製のものとガラスを用いたものがある。

樹脂は加工性が良く、安価であるが、耐久性、光透過性に問題があり、一方、ガラスは加工性が悪く、そのため高価であるが、耐久性、光透過性に優れている。

特にシリカガラス製マイクロレンズアレイは高温に強く、熱膨張係数が極端に小さいため、高精度を要するマイクロレンズアレイにとって非常に魅力的である。特にプロジェクター製造過程で１０００℃以上の高温に曝される工程を有する場合には、シリカガラス製マイクロレンズアレイが必須となる。このシリカガラス製マイクロレンズアレイの製造には、フォトリソグラフィー技術に代表される半導体製造技術を用いたエッチングが標準的に用いられている（特許文献１、２）。

しかし、従来のマイクロレンズアレイ製造技術は、ウエット・エッチングやドライ・エッチングの際に、金属マスクやレジスト材などに特殊なマスク材を必要とし、工程も複雑で、コストと環境負荷が非常に高い。また機械加工で直接加工する場合、ガラスが脆性材であるためチッピングを起こしやすく、切り込み量を稼げないため加工時間が非常に長くなり、現実的ではない。

これらの問題を解決するために、本発明者らはレーザ光によって局所的な応力を導入したガラス基板をエッチングすることでレンズ状に成形する方法を発明し、報告している（特許文献３）。

特開平７−１７４９０３号公報 特開２００４−１９８７３５号公報 特開２００８−２６４３７号公報

しかしながら、上記解決手段においても、レーザ光を照射した際の飛散物がガラス基板に付着し、エッチングの際に欠陥を形成する恐れがあった。また、基板が特にシリカガラスの場合、波長によってはレーザ光の吸収が弱く加工に十分な出力を得るのが難しい場合があった。

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、欠陥がなく耐久性、透光性に優れたガラス製マイクロレンズアレイを容易にかつ高精度に大量生産できるガラス製マイクロレンズアレイの製造方法を提供することを目的とする。

本発明のガラス基板の加工方法は、鏡面研磨されたガラス基板上にレーザ光を吸収する膜厚３０ｎｍ〜１０００ｎｍの金属アルミニウムの薄膜を形成し、前記薄膜に該薄膜側から波長３５５ｎｍのレーザ光を照射してガラス基板に局所的な応力を与え、その後前記薄膜を除去し、前記ガラス基板にドライ・エッチングあるいはウエット・エッチングを施して、前記局所的に応力が存在する部分を凹状に加工することを特徴する。

前記局所的な応力付与により、レーザ光を照射された膜の直下のガラス表面に小径凹部が形成されることが好ましい。

また、前記レーザ光の波長が３５５ｎｍであり、前記膜の当該レーザ光吸収率が５％以上でありかつこの厚さが３０ｎｍ〜１０００ｎｍであることがより好ましい。

本発明に係るガラス製マイクロレンズアレイの製造方法によれば、欠陥がなく耐久性、透光性に優れたガラス製マイクロレンズアレイを容易にかつ高精度に大量生産できるガラス製マイクロレンズアレイの製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るガラス製マイクロレンズアレイの製造方法の概念図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガラス製マイクロレンズアレイの製造方法の概念図である。

本発明のガラス製マイクロレンズアレイの製造方法は、鏡面研磨されたガラス基板にレーザ光を吸収する膜を形成し、前記膜にレーザ光を照射してガラス基板に局所的な応力を与え、その後前記膜を除去し、前記ガラス基板にドライ・エッチングあるいはウエット・エッチングを施して、局所的に応力が存在する部分を凹レンズ状にする。

はじめに、表面を鏡面研磨したシリカガラス基板１を用意する(図１（ａ）)。

ここで前記鏡面研磨とは、ガラス基板表面の表面粗さＲａ（ＪＩＳ
Ｂ０６０１ １９９４）をカットオフ値０．２５ｍｍで任意の１０箇所以上を測定した際に、いずれもＲａが２０ｎｍ以下となる研磨状態のことを意味し、予めガラス基板を鏡面研磨することによって、より高精度な凹レンズ状部を形成することができる。

次に、このガラス基板表面にレーザ光を吸収する膜を形成し(図１（ｂ）)、前記膜にレーザ光を照射してガラス基板に局所的な応力を与える(図１（ｃ）)。

このように、ガラス基板にレーザで局所的な応力を与える際に、あらかじめ被加工物であるガラス基板表面にレーザ光を吸収する膜を形成することで、微細加工を可能とする波長レーザ光でのガラス基板の容易かつ確実な加工を実現することができる。

なお、前記局所的な応力付与により、レーザ光を照射された膜の直下のガラス表面に小径凹部が形成されることが好ましい。これにより、凹レンズ状部の形状をより制御できる。すなわち、凹レンズ状部の形状を制御設計することが重要であり、この制御はレーザ光の出力及びパルス幅、かつ前記膜の厚さを調整することで実行できる。

さらに、前記レーザ光の波長は３５５ｎｍであり、前記膜の当該レーザ光吸収率を５％以上としかつこの厚さを３０ｎｍ〜１０００ｎｍとすることで、最適なガラス製マイクロレンズアレイの製造方法を提供することができる。

その後、前記レーザ光を吸収する膜を除去(図１（ｄ）)し、露出したガラス基板表面にドライ・エッチングあるいはウエット・エッチングを施すことで、局所的に応力が存在する部分を凹レンズ状にする(図１（ｅ）)。

このようにレーザ光照射後にその膜を剥離除去することで問題となるレーザ光照射時の飛散物を除去することができ、精度低下を防止することができる。

以下、本発明の実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により限定解釈されるものではない。

表面粗さＲａ（ＪＩＳ
Ｂ０６０１ １９９４）が、カットオフ値０．２５ｍｍで任意の１０箇所以上を測定した際に、いずれもＲａが２０ｎｍ以下となる様に表面を鏡面研磨したシリカガラス基板１を用意し（図１（ａ））、シリカガラス基板１の表面に金属アルミニウム膜２を真空蒸着装置で１００μｍ蒸着し、シリカガラス基板１の表面に金属アルミニウム膜２を形成する（図１（ｂ））。

その後、形成された金属アルミニウム膜２に波長３５５ｎｍのＹＡＧレーザ光を照射し、作ろうとする凹レンズの径よりも小さな径を持つ小径凹部１ａを形成する。このとき前記ＹＡＧレーザ光によってシリカガラス基板１は局所的に加熱され応力が小径凹部１ａの周辺に生じ、これと同時もしくはその直後、前記ＹＡＧレーザの照射を受けた金属アルミニウム膜２部分は飛散・消失する（図１（ｃ））。

次に、残った金属アルミニウム膜２を塩酸を用いて除去する。このとき、小径穴加工時に飛散した付着物が金属アルミニウム膜２と共に剥離し、除去される（図１（ｄ））。 局所的に応力発生域ｓが生じたシリカガラス基板１に等方的なドライ・エッチングあるいは等方的なウエット・エッチングを施し、応力発生域ｓを凹レンズ状（レンズ）部３に成形する（図１（ｅ））。このため、従来、金属膜を形成せずレーザ照射を行った場合には、ガラス基板の上面に直接付着物が残存し、結果、形成する凹レンズ状（レンズ）部３の形状制御が一部十分にできなかった（形状欠陥の存在）ところ、本発明によればこの問題が解消された。

上記シリカガラスは、他のガラスと比較して不純物や欠陥が少なく、本発明の如き、レーザ照射及びチッチングによる加工において、より高精度な加工を可能にするため、より好ましい。特には、合成シリカガラスの基板を使用するのが好ましい。

レーザ光を吸収する膜として金属アルミニウム膜について記載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、所定のレーザ光を吸収し、除去する際に基材を侵さない除去液が存在するものであればよい。例えば、光吸収用の顔料を混合した樹脂（例えばカーボンブラックを混合したフォトレジスト）、銅や鉄等の金属膜も使用可能である。

上記製造方法の局所的な応力付与により、レーザ光を照射された金属アルミニウム膜の直下のシリカガラス表面に小径凹部が形成されている。

シリカガラス基板表面に前記小径凹部１ａを設けることにより、より迅速にエッチングを行うことができる。

前記レーザ光は波長３５５ｎｍのＹＡＧレーザであり、前記膜の当該レーザ光吸収率が５％以上であり、かつこの厚さが３０ｎｍ〜１０００ｎｍであることが好ましい。前記膜の当該レーザ光吸収率が５％以上であることにより、ガラス基板に付与する局所的な応力が大きくなり、これにより、より容易に、安価に、迅速に、かつより確実性を高くガラス製マイクロレンズアレイを製造することが可能にできる。さらには、レーザ光吸収率が１５％以上であることがより好ましい。

以下、本発明の実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により限定解釈されるものではない。

（実験）
鏡面加工した□２０ｍｍの合成シリカガラス基板の表面に金属アルミニウム膜（膜厚：８４ｎｍ）を抵抗加熱式真空蒸着機にて蒸着し、８００×６００個の応力場を１４μｍピッチでレーザにて形成した。その際のレーザ条件は波長３５５ｎｍ、出力７１０ｍＷ、２４μJ/パルス（単パルス加工）、焦点距離１００ｍｍであった。その後、濃度５０％の塩酸にて残存する金属アルミニウム膜を除去し、超純水中にて超音波洗浄を行い、６０℃のクリーンオーブン内で乾燥した。この時合成シリカガラス基板の表面には、多数の小径凹部が確認された。その後、４９％フッ酸溶液に１８分ディップした結果、曲率半径１５．８μｍの凹レンズ状部が形成された合成シリカガラス凹型マイクロレンズアレイを得た。

１ ガラス基板
１ａ 小径凹部
２ レーザ光を吸収する膜
３ 凹レンズ状（レンズ）部
ｓ 応力発生域

Claims (4)

1. 鏡面研磨されたガラス基板上にレーザ光を吸収する膜厚３０ｎｍ〜１０００ｎｍの金属アルミニウムの薄膜を形成し、前記薄膜に該薄膜側から波長３５５ｎｍのレーザ光を照射してガラス基板に局所的な応力を与え、その後前記薄膜を除去し、前記ガラス基板にドライ・エッチングあるいはウエット・エッチングを施して、前記局所的に応力が存在する部分を凹状に加工することを特徴するガラス基板の加工方法。
2. 前記レーザ光を照射した後に前記薄膜を除去し、前記ガラス基板にドライ・エッチングまたはウエット・エッチングを施して、前記局所的に応力が存在する部分を凹レンズ状に加工することにより、ガラス製マイクロレンズアレイを製造することを特徴とする請求項１に記載のガラス基板の加工方法。
3. 前記局所的な応力付与により、レーザ光が照射された前記薄膜の直下のガラス表面に小径凹部が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のガラス基板の加工方法。
4. 前記レーザ光を照射した後に前記薄膜を除去し、前記ガラス基板にドライ・エッチングまたはウエット・エッチングを施して、前記局所的に応力が存在する部分に断面が凹レンズ状のガラス製マイクロレンズアレイを製造することを特徴とする請求項１または２に記載のガラス基板の加工方法。