JP5609449B2

JP5609449B2 - マイクロレンズアレイの製造方法

Info

Publication number: JP5609449B2
Application number: JP2010200851A
Authority: JP
Inventors: 滋年中村; 崇菊地; タプリヤローシャン
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2030-09-08
Also published as: JP2012058446A

Description

本発明は、マイクロレンズアレイの製造方法、レンズ付光学素子アレイ、露光装置に関する。

電子写真方式を採用したプリンタや複写機、ファクシミリ等の画像形成装置では、一様に帯電された感光体上に静電潜像を形成し、この静電潜像にトナーを付加して可視化し、記録紙上に転写して定着させる。静電潜像を形成するための記録手段として、最近では、発光素子としての発光ダイオード（ＬＥＤ）を１次元上、すなわち主走査方向に複数配置してなるＬＥＤプリントヘッドが採用される場合が多い。

ＬＥＤは基本的にランバーシアン分布で発光しており、光の取り出し効率は低い。そこで、光の取り出し効率を向上させるために、ＬＥＤ発光部の直上にマイクロレンズアレイを配置して指向性を狭めることが提案されている。

特許文献１には、ＬＥＤ発光部の直上にマイクロレンズアレイを配置したレンズ付発光素子アレイの製造方法が開示されている。ガラス基板上にＣｒ膜を成膜し、Ｃｒ膜に開口を形成しエッチングすることで凹部を形成する。凹部の部分のＣｒ膜を除去して成形型を作製し、光硬化性樹脂を塗布して樹脂上に発光素子アレイ基板を接触させ加圧して樹脂を展開する。そして、樹脂にガラス基板側から光を照射してＣｒ膜が除去された部分の樹脂を硬化させ、ガラス基板と発光素子アレイ基板とを剥離して、発光素子アレイ基板上にある未硬化の樹脂を洗浄除去してレンズ付発光素子アレイが作製される。

また、非特許文献１には、グレイスケール（多階調）マスクを用いてマイクロレンズアレイを作製する方法が開示されている。

特開２００５−３９１９５号公報

"Optical System Design", Robert E. Fischer, et al., McGraw Hill, p302

ところで、グレイスケールマスクを用いることで、従来の半導体プロセスと同一の装置を用いてマイクロレンズアレイを作製することができる一方、作製できるマイクロレンズアレイは単レンズであり、光取り出し効率のさらなる向上は困難である。

本発明は、両レンズ（両凸レンズ）の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。

請求項１記載の発明は、基板上に第１の感光性樹脂を形成する工程と、第１のグレイスケールマスクを用いて前記第１の感光性樹脂を露光する工程と、露光後の前記第１の感光性樹脂をエッチングして半球状の凹部を形成する工程と、前記第１の感光性樹脂上に、前記凹部を埋めるように第２の感光性樹脂を形成する工程と、第２のグレイスケールマスクを用いて前記第２の感光性樹脂を露光する工程と、露光後の前記第２の感光性樹脂をエッチングして前記凹部上に半球状の凸部を形成する工程とを備えることを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の製造方法において、前記第１のグレイスケールマスク及び前記第２のグレイスケールマスクは同一マスクであり、前記第１の感光性樹脂と前記第２の感光性樹脂の感光型は互いに異なることを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法である。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の製造方法において、前記第１の感光性樹脂と前記第２の感光性樹脂の感光型は同一であり、前記第１のグレイスケールと前記第２のグレイスケールの透過特性は互いに逆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である。

請求項１記載の発明によれば、半導体製造プロセスと同様の工程により両凸レンズのマイクロレンズアレイが製造される。

請求項２記載の発明によれば、位置合わせが容易化されるとともに製造コストが低減される。

請求項３記載の発明によれば、光学特性が容易に均一化される。

レンズ付光学素子アレイの平面図である。レンズ付光学素子アレイの側面図である。第１実施形態の製造方法を示す説明図である。第２実施形態の製造方法を示す説明図である。露光装置（プリントヘッド）の構成図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

＜基本原理＞
まず、本実施形態の基本原理について説明する。

既述したように、マイクロレンズアレイは、グレイスケールマスクを用いた半導体プロセスと同様のプロセスで作製することができる。すなわち、発光素子アレイが形成された基板上に感光性樹脂を塗布し、グレイスケールマスクを用いて露光する。その後、ウェットエッチングにより露光部分を除去し（ポジ型樹脂の場合）、発光素子アレイ上に半球状のマイクロレンズアレイが作製される。ところが、このような製造方法では、半球状の単レンズしか形成されない。

そこで、本実施形態では、以下の３つの主要工程を経てマイクロレンズアレイを製造する。

第１に、発光素子アレイ上に、第１の感光性樹脂を塗布し、第１のグレイスケールマスクを用いて第１の感光性樹脂を露光することで第１の感光性樹脂に半球状の凹部を形成する。

第２に、形成された半球状の凹部を埋めるように第２の感光性樹脂を塗布する。

第３に、第２のグレイスケールマスクを用いて第２の感光性樹脂を露光することで第２の感光性樹脂に半球状の凸部を形成する。

以上の３つの主要工程により、第２の感光性樹脂には、凹部を埋めるように形成された下に凸の半球部と、その上に形成された上に凸の半球部とが形成されることとなり、両半球部を合わせて両凸レンズのマイクロレンズアレイが形成される。

このように、本実施形態では、まず下に凸の半球上の単レンズを形成し、その上に、上に凸の半球上の単レンズを形成し、これらを合わせることで両凸レンズを形成するものである。

＜レンズ付光学素子アレイの構成＞
次に、本実施形態におけるレンズ付光学素子アレイの構成について説明する。

図１に、レンズ付光学素子アレイチップの平面図を示す。また、図２に、レンズ付光学素子アレイチップの側面図を示す。

ＧａＡｓ等の基板１０上に、一次元に複数の光学素子としての発光素子１２が配置され発光素子アレイを構成する。各発光素子１２は、例えば発光サイリスタであり、ＧａＡｓ等の基板１０上に、順次、Ｐ型の第１半導体層、Ｎ型の第２半導体層、Ｐ型の第３半導体層、Ｎ型の第４半導体層を形成して構成される。Ｐ型の第１の半導体層上にアノード電極が形成され、Ｐ型の第３の半導体層上にゲート電極が形成され、Ｎ型の第４の半導体層上にカソード電極が形成され、アノード・カソード電極間に順方向電圧を印加することで発光する。第４の半導体層上にカソード電極が形成され、このカソード電極の直下で発光した光はカソード電極により外部に射出せず、従って、図１に示されるように発光素子１２の発光領域は平面形状において略Ｕ字型となる。

発光素子アレイの上には、マイクロレンズアレイ１４が形成される。マイクロレンズアレイ１４は、各発光素子１２毎に、各発光素子１２の上に形成された両凸レンズのマイクロレンズ１５が発光素子１２と同様に一次元に配列して構成される。より詳しくは、マイクロレンズアレイ１４は、発光素子アレイ上に形成されたベース部２０上に形成される。
マイクロレンズアレイ１４を構成する個々のマイクロレンズ１５は、それぞれ下半分がベース部２０に埋設し、上半分が空気中に露出する。ベース部２０とマイクロレンズアレイ１４の材料は同一である。発光素子アレイチップの端部には、ボンディングパッド１６が形成される。

発光素子１２からの光は、マイクロレンズ１５で発散角が狭められ、ＳＬＡ（集束性ロッドレンズアレイ）で集束されて感光体ドラムに照射される。発光素子１２からの光は基本的にランバーシアン分布であり、マイクロレンズアレイ１４を有しない場合は拡散してＳＬＡに入射する光量が減ってしまう。マイクロレンズ１５を配置することで、感光体ドラムに照射される光量は増大し、特にマイクロレンズ１５として単レンズではなく図２に示すように両凸レンズとすることで、集光性能を高め、感光体ドラムに照射される光量を単レンズの場合に比べてより一層増大させる。

＜マイクロレンズアレイの製造方法＞
次に、図１、図２に示す両レンズのマイクロレンズアレイの製造方法について説明する。

＜第１実施形態＞
図３に、本実施形態の製造方法を模式的に示す。まず、図３（ａ）に示すように、基板１０上に複数の発光素子１２を１次元上に形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、発光素子１２上に感光性ポリイミド等の感光性樹脂２０をスピンコート等で塗布形成する。感光性樹脂２０は、ネガ型の感光性樹脂であり、図２におけるベース部２０として機能するため同一の符号を付している。

次に、図３（ｃ）に示すように、グレイスケールマスク２２を介して紫外線２４を照射し、感光性樹脂２０を露光する。グレイスケールマスク２２は、透過率の階調が階段状に変化する多階調マスクであり、所望のレジスト形状に対応させてそれぞれ光透過率が設定された複数の単位セルを備えている。単位セルの透過率は、例えば、単位セルに占める開口部の面積の割合である面積開口率によって決定する。また、各単位セルの厚さによって決定してもよい。例えば、発光素子１２の中心に対応するセルを中央セルとし、この中央セルにおいて最も透過率が低く、中央セルから外周セルに向かうにつれて透過率が徐々に増大していくようなマスクである（ポジ型マスク）。グレイスケールマスク２２は、所望の形状のマイクロレンズ１５をまず設計し、このマイクロレンズ１５の形状を２次元マスクの各セルの透過率にエンコーディングすることで作成される。

グレイスケールマスク２２を用いて感光性樹脂２０を露光した後、図３（ｄ）に示すように、ウェットエッチングして発光素子１２上に半球状の凹部２６を形成する。すなわち、グレイスケールマスク２２は、中央セルにおいて透過率が低いため、その部分の感光性樹脂２０は露光量が少なくエッチングにより除去される。一方、中央セルから周辺にいくほど透過率が高いため、その部分の露光量は多くエッチングにより除去されず残存する。結果として、発光素子１２の中心の真上部分において多く感光性樹脂２０が除去され、発光素子の周辺の真上部分において感光性樹脂２０が残存することとなり、半球状の凹部２６が形成されることになる。図において、発光素子１２が２個示されており、半球状の凹部２６もこれら２個の発光素子１２に対応して２個示されている。

次に、図３（ｅ）に示すように、凹部２６が形成された感光性樹脂２０上に、感光性ポリイミド等の感光性樹脂２８をスピンコート等で塗布形成する。感光性樹脂２８は、感光性樹脂２０と異なり、ポジ型の感光性樹脂である。

次に、図３（ｆ）に示すように、グレイスケールマスク２２を介して紫外線２４を照射し、感光性樹脂２８を露光する。グレイスケールマスク２２は、凹部２６を形成する際に図３（ｃ）で用いたグレイスケールマスク２２と同一である。すなわち、発光素子１２の中心に対応するセルを中央セルとし、この中央セルにおいて最も透過率が低く、中央セルから外周セルに向かうにつれて透過率が徐々に増大していくようなマスクである（ポジ型マスク）。

グレイスケールマスク２２を用いて感光性樹脂２８を露光した後、図３（ｇ）に示すように、ウェットエッチングして凹部２６上に半球状の凸部を形成し、マイクロレンズ１５を形成する。すなわち、グレイスケールマスク２２は、中央セルにおいて透過率が低いため、その部分の感光性樹脂２８は露光量が少なくエッチングにより除去されず残存する。一方、中央セルから周辺にいくほど透過率が高いため、その部分の露光量は多くエッチングにより除去される。結果として、凹部２６の中心、つまり発光素子１２の中心の真上部分において感光性樹脂２８が残存し、凹部２６の周辺、つまり発光素子１２の周辺の真上部分において感光性樹脂２８がエッチング除去されることとなり、半球状の凸部が形成され、凹部２６と凸部とを合わせて両凸レンズのマイクロレンズ１５が形成されることになる。

本実施形態では、第１の感光性樹脂としての感光性樹脂２０をネガ型、第２の感光性樹脂としての感光性樹脂２８をポジ型と感光型を変えることで、同一のグレイスケールマスク２２をそのまま用いて両凸レンズのマイクロレンズ１５が形成される。同一のグレイスケールマスク２２を用いることで、露光時の位置合わせが容易化されるとともに、製造コストが低減される。

本実施形態において、感光性樹脂２０と感光性樹脂２８は、凹部２６でのレンズ効果を高めるために、屈折率差はできるだけ大きいことが好ましいが、屈折率差が大きいとベース部２０とマイクロレンズ１５との界面における反射による光利用効率の低下が大きくなることから、本発明のレンズ付光学素子を用いるシステム全ての光利用効率を最適化する観点から、屈折率を調整することが好適である。

＜第２実施形態＞
図４に、本実施形態の製造方法を模式的に示す。まず、図４（ａ）に示すように、基板１０上に複数の発光素子１２を１次元上に形成する。

次に、図４（ｂ）に示すように、発光素子１２上に感光性ポリイミド等の感光性樹脂３０をスピンコート等で塗布形成する。感光性樹脂３０は、ポジ型の感光性樹脂であり、図２におけるベース部２０として機能するが第１実施形態との対比上、異なる符号を付している。

次に、図４（ｃ）に示すように、グレイスケールマスク３２を介して紫外線３４を照射し、感光性樹脂３０を露光する。グレイスケールマスク３２は、発光素子１２の中心に対応するセルを中央セルとし、この中央セルにおいて最も透過率が高く、中央セルから外周セルに向かうにつれて透過率が徐々に減少していくようなマスクである（ネガ型マスク）。

グレイスケールマスク３２を用いて感光性樹脂３０を露光した後、図４（ｄ）に示すように、ウェットエッチングして発光素子１２上に半球状の凹部３６を形成する。すなわち、グレイスケールマスク３２は、中央セルにおいて透過率が高いため、その部分の感光性樹脂３０は露光量が多くエッチングにより除去される。一方、中央セルから周辺にいくほど透過率が低いため、その部分の露光量は少なくエッチングにより除去されず残存する。結果として、発光素子１２の中心の真上部分において多く感光性樹脂３０が除去され、発光素子の周辺の真上部分において感光性樹脂３０が残存することとなり、半球状の凹部３６が形成されることになる。

次に、図４（ｅ）に示すように、凹部３６が形成された感光性樹脂３０上に、感光性ポリイミド等の感光性樹脂３８をスピンコート等で塗布形成する。感光性樹脂３８は、感光性樹脂３０と同様のポジ型の感光性樹脂である。

次に、図４（ｆ）に示すように、グレイスケールマスク２２を介して紫外線３４を照射し、感光性樹脂３８を露光する。グレイスケールマスク２２は、第１実施形態におけるグレイスケールマスク２２と同一のポジ型マスクである。すなわち、発光素子１２の中心に対応するセルを中央セルとし、この中央セルにおいて最も透過率が低く、中央セルから外周セルに向かうにつれて透過率が徐々に増大していくようなマスクである。

グレイスケールマスク２２を用いて感光性樹脂３８を露光した後、図４（ｇ）に示すように、ウェットエッチングして凹部３６上に半球状の凸部を形成し、マイクロレンズ１５を形成する。すなわち、グレイスケールマスク２２は、中央セルにおいて透過率が低いため、その部分の感光性樹脂３８は露光量が少なくエッチングにより除去されず残存する。一方、中央セルから周辺にいくほど透過率が高いため、その部分の露光量は多くエッチングにより除去される。結果として、凹部３６の中心、つまり発光素子１２の中心の真上部分において感光性樹脂３８が残存し、凹部３６の周辺、つまり発光素子１２の周辺の真上部分において感光性樹脂３８がエッチング除去されることとなり、半球状の凸部が形成され、凹部３６と凸部とを合わせて両凸レンズのマイクロレンズ１５が形成されることになる。

本実施形態では、第１の感光性樹脂としての感光性樹脂３０をポジ型、第２の感光性樹脂としての感光性樹脂３８もポジ型と感光型を同一とし、第１のマスクとしてネガ型のグレイスケールマスク３２を用い、第２のマスクとしてポジ型のグレイスケールマスク２２を用いて両凸レンズのマイクロレンズ１５が形成される。透過特性が互いに逆であるグレイスケールマスク２２，３２を用いることで、感光性樹脂３０と感光性樹脂３８をともにポジ型として樹脂材料を同一にでき、ベース部２０を合わせたマイクロレンズアレイ１４の光学的特性が均一化される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、第１実施形態において、感光性樹脂２０をネガ型、感光性樹脂２８をポジ型としたが、グレイスケールマスク２２をネガ型とし、感光性樹脂２０をポジ型、感光性樹脂２８をネガ型としてもよい。

また、第２実施形態において、感光性樹脂３０，３８をポジ型とし、グレイスケールマスク３２をネガ型、グレイスケールマスク２２をポジ型としたが、図４において、感光性樹脂３０，３８をともにネガ型とし、グレイスケールマスク３２をポジ型、グレイスケールマスク２２をネガ型としてもよい。

また、本実施形態では、レンズ付光学素子アレイとして特にレンズ付発光素子アレイについて説明したが、本実施形態の製造方法は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子アレイ上に形成されるべきマイクロレンズアレイの製造方法にも同様に適用し得る。

また、本実施形態では、図３、図４に示されるように発光素子１２上に感光性樹脂２０あるいは感光性樹脂３０を塗布形成しているが、発光素子１２上にＳＩＯ_２やＳｉＮ等の保護膜を形成し、この保護膜の上に感光性樹脂２０あるいは感光性樹脂３０を形成してもよい。

＜露光装置（プリントヘッド）の構成＞
各実施形態のレンズ付光学素子アレイとしてのレンズ付発光素子アレイは、画像形成装置のプリントヘッドの回路基板に組み込まれるが、以下、このプリントヘッドの回路基板について簡単に説明しておく。

図５に、画像形成装置のプリントヘッドに搭載される回路基板及び発光部の平面図を示す。発光部は、回路基板上に、レンズ付発光素子アレイチップＣ１〜Ｃ６０を主走査方向に二列に対向させて千鳥状に配置される。信号発生回路１００は、回路基板上の所定位置に設けられ、発光部に対して各種駆動信号を供給する。信号発生回路１００には、画像処理された画像データ及び各種制御信号が供給される。信号発生回路１００は、画像データ及び各種制御信号に基づいて、画像データの並び替え等を行い、各レンズ付発光素子アレイチップＣ１〜Ｃ６０に対して点灯信号を出力する。また、信号発生回路１００は、画像データに基づいて、各レンズ付発光素子アレイチップＣ１〜Ｃ６０において点灯させるべき発光素子を指定し、記憶するための記憶信号を出力する。さらに、信号発生回路１００は、各種制御信号に基づいて、各レンズ付発光素子アレイチップＣ１〜Ｃ６０に対して転送信号を出力する。レンズ付発光素子アレイチップＣ１は、複数の発光素子（発光サイリスタ）１２を組（ブロック）にし、組（ブロック）を単位として点灯／消灯を制御する。例えば、８個の発光素子１２で１つの組を構成する。レンズ付発光素子アレイチップＣ１は、一例として２個のＳＬＥＤ（自己走査型発光素子アレイ）を備える。これらのＳＬＥＤは、それぞれ１２８個の発光サイリスタを備える。ＳＬＥＤの発光サイリスタ上には、図２に示すようにベース部２０及び両レンズのマイクロレンズアレイ１４が形成される。発光サイリスタからの光は、既述したようにマイクロレンズアレイ１４を介してＳＬＡ（集束性ロッドレンズアレイ）で集束されて感光体ドラムに照射される。

１０基板、１２発光素子、１４マイクロレンズアレイ、１５マイクロレンズ、１６ボンディングパッド、２０ベース部、２２グレイスケールマスク（ポジ型）、３２グレイスケールマスク（ネガ型）。

Claims

基板上に第１の感光性樹脂を形成する工程と、
第１のグレイスケールマスクを用いて前記第１の感光性樹脂を露光する工程と、
露光後の前記第１の感光性樹脂をエッチングして半球状の凹部を形成する工程と、
前記第１の感光性樹脂上に、前記凹部を埋めるように第２の感光性樹脂を形成する工程と、
第２のグレイスケールマスクを用いて前記第２の感光性樹脂を露光する工程と、
露光後の前記第２の感光性樹脂をエッチングして前記凹部上に半球状の凸部を形成する工程と、
を備えることを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法。
請求項１記載の製造方法において、
前記第１のグレイスケールマスク及び前記第２のグレイスケールマスクは同一マスクであり、
前記第１の感光性樹脂と前記第２の感光性樹脂の感光型は互いに異なる
ことを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法。
請求項１記載の製造方法において、
前記第１の感光性樹脂と前記第２の感光性樹脂の感光型は同一であり、
前記第１のグレイスケールと前記第２のグレイスケールの透過特性は互いに逆である
ことを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法。