JP5667077B2 - 向上した光抽出を有するライトガイド - Google Patents

Description

本発明は、ライトガイド、ライトガイドを組み込んだ装置、ライトガイド及びその他の構体を製作するツール、並びにライトガイド及びライトガイド製作用ツールを製作する工程に関する。

多くの電子デバイスが、ディスプレー及びその他構成要素の照明を提供するためにバックライトを使用している。バックライトは、一般に、光源からバックライトの長さに沿って伝送するライトガイドを使用する。バックライトは、観測される欠陥の少ない表示領域内にほぼ均一な輝度及び高い光抽出を提供することが望ましい。輝度の非均一性及びその他欠陥を和らげ又はマスキングするために、ディフューザーなどの光散乱素子を用いてもよい。しかしながら、そのような散乱素子は、通常、好ましい視軸から遠ざけるように光を方向付け、同じレベルの輝度を得るためにより高い出力を必要とする。

バッテリー駆動携帯機器の照明は機器のパワーバジェットの比較的大きな割合を消費するので、キーパッド及びディスプレーを照明する光の有効利用は、バッテリー駆動携帯機器において特に重要である。ライトガイドから光を抽出し、ライトガイドの輝度の均一性を高めるために光抽出器が使用されてきた。

照度を高め、観察可能な欠陥を低減し、及び／又は様々な機器の所要電力を削減することができるライトガイドが必要である。このようなライトガイドを製作する効率的なツールの需要もまた存在する。本発明は、これら及びその他の要求を満たし、先行技術に勝る他の利点を提供する。

本発明の一実施形態は、バックライトを製作するツールに関する。このツールは、複数の領域を含む。ツールの各領域は、プリズムの配列を含む。各プリズムは、ツールの前縁部に概ね対向する第１の基底縁部を有する。第１の領域内のプリズムの第１の基底縁部は、第２の領域内のプリズムの第１の基底縁部と並行ではない。

本発明の別の実施形態は、ライトガイドに関する。このライトガイドは離散的領域の配列を含む。各離散的領域は、複数の多面体光抽出器を含む。各領域内の光抽出器は全て、光入力箇所に最も近接した基底縁部を有する。各基底縁部は、光入力箇所に概ね対向する。

本発明の更に別の実施形態は、光源とライトガイドとを含むバックライトに関する。このライトガイドは、複数の領域を含む。ライトガイドの複数の領域の各々は、複数の光抽出プリズムを含む。各プリズムの光抽出プリズムは全て、光源に概ね対向する１つの縁部を有する。異なる領域内の光抽出プリズムは、異なる方向に配向されている。

本発明の更なる実施形態は、ＬＥＤ及び携帯電話のキーに対応したキーパッド用ライトガイドを含む、携帯電話用バックライトに関する。このライトガイドは、携帯電話の各キーがライトガイド上の光抽出要素の配列に対応するように構成されている。第１の配列の光抽出要素は各々、最大光抽出を生成するように、基底縁部がＬＥＤに対向するように前縁部が第１の角度に配向された方形の基部を有する。第２の配列の光抽出要素は各々、最大光抽出を生成するように、基底縁部がＬＥＤに対向するように前縁部が第２の角度に配向された方形の基部を有する。第１の角度及び第２の角度は異なる。

本発明の別の実施形態は、ライトガイドのツールを製造する方法に関する。この方法は、基板の第１の領域内に多数のピラミッド形構造をエッチングする工程を伴う。これら構造は、第１の領域内の各構造の基部がライトガイド用ツールの前縁部に対して第１の角度で配向されるようにエッチングされる。この方法は、基板の第２の領域内に多数のピラミッド形構造をエッチングする工程を更に伴う。これら構造は、第２の領域内の各構造の基部が、ライトガイド用ツールの前縁部に対して第１の領域の第１の角度とは異なる第２の角度で配向されるように、エッチングされる。

ライトガイドの上面図。 ライトガイドの部分の拡大図。 光抽出器の説明図。 ライトガイドの側面図。 一ライトガイド製作用ツールの上面図。 ライトガイドの製作に使用されるツールの様々なアセンブリの説明図。 ライトガイドの製作に使用されるツールの様々なアセンブリの説明図。 ライトガイドの製作に使用されるツールの様々なアセンブリの説明図。 ライトガイド製作用ツールの領域をエッチングするために使用されるマスクの説明図。 エッチング工程におけるライトガイド製作用ツールの説明図。 ライトガイド製作用ツールの断面図。

多数の図で使用される同一の参照番号は、同一又は類似の特性及び機能を有する同一又は類似の要素を指す。

本発明は種々の修正及び代替の形態に容易に応じるが、その細部は例として図面に示しており、詳しく説明することにする。ただし、本発明は記載される特定の実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。逆に、添付の請求の範囲に記載した発明の範囲を逸脱することなく、あらゆる変更、均等物、及び代替物が含まれることを意図している。

例示される実施形態の以下の説明では、本明細書の一部を構成し、本発明を実施され得る様々な実施形態を実例として示す添付の図面が参照される。他の実施形態が利用されてもよく、及び構造的又は機能的な変更が、本発明の範囲から逸脱することなくなされてもよいことが理解される。

図１は、それぞれの光入力箇所１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃにおいてライトガイド１０１に対して配置された複数の光源１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃを含む、ライトガイドアセンブリ１００の上面図である。エッジ照明用のライトガイドは、１つ以上の光源と共に、ライトガイドの１つ以上の端部又はコーナーに配置されてもよい。光源１０５は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、蛍光灯又はその他の種類のランプであってよい。光源１０５からの光出力は、ランバーティアン、又はその他の形状の光出力であってよい。光入力箇所の受端部に結合された光源からの光は、光が光源からライトガイドの遠端部に向かって伝播すると、全内部反射（ＴＩＲ）によってライトガイド内に閉じ込められる。好適な任意数の光源１０５及びそれに対応した光入力箇所１１０を使用してもよい。例えば、３つの光源１０５及び光入力箇所１１０を使う代わりに、ライトガイドを１つだけの光源１０５に結合してもよい。場合によっては、ライトガイドの１つの縁部に沿って１つ若しくは複数の光源が存在してもよく、ライトガイドの異なる縁部に沿って１つ若しくは複数の光源が存在してもよい。

ライトガイドは、多くの場合、液晶表示装置（ＬＣＤ）などのディスプレーを照明するバックライトに使用される。ディスプレー用途では、連続した表示面上にライトガイドからの均一な光出力を維持することが通常望ましい。携帯電話又はその他の携帯機器のキーパッドなどのキーパッドを照明するためにもライトガイドを使用することができる。キーパッド用途では、キーに対応した領域で光出力が主に発生するのが望ましく、その理由は、他のエリアからの光出力が無駄になるか、又はキーパッドへの照明があまり効果的でないからである。通常、キーパッドの照明が、キー毎に（別のキーより明白に明るいキーがない）及び各キー領域内で均一であるのが更に望ましい。ライトガイドは、様々な任意の好適な材料からなってもよい。このような材料の１つがポリマーブレンドである場合がある。

図１に示す実施形態のライトガイドは、離散的領域１５０、１５１、１５２、１５３及び１５４の配列を含む。ライトガイド領域１５０〜１５４は、規則正しく、又は不規則に間隔が開いていてもよい。これらの領域は、全て同一の大きさでもよく、又はライトガイド全域に亘って大きさが異なってもよい。ライトガイドの領域を、ライトガイドを使用するバックライトで照明された電子キーに対応して配置することが特に有益なことがあり、この場合、この領域をキー領域と呼んでもよい。

離散的領域１５０〜１５４の各々は、それぞれ複数の光抽出器１６０、１６１、１６２、１６３及び１６４を備える。光抽出構造体は、ライトガイドから光を抽出し、ライトガイドの表面全域の光出力の均一性を高めるように構成され得る。本実施形態の光抽出器１６０、１６１、１６２、１６３及び１６４は、多面体形状をしており、所与の領域に対応した配列に分類されている。本明細書に記載の光抽出器は、例えば、凸型及び凹型構造体の両方を含む様々な寸法、幾何学的形状、及び表面形状に形成され得る。各領域内の光抽出器のパターンは面密度に関して不均一であってもよく、面密度は単位面積内の抽出器の数又は単位面積内の抽出器の寸法によって決定できる。

光抽出器の好適な形状の１つは、ピラミッドである。このような抽出器を図２に図示する。ピラミッド形光抽出器は、様々な小平面２０１を有してもよい。本発明の特定の実施形態は、図２に示すような４つの小平面を備えたピラミッド形光抽出器を有するであろう。これら小平面の内の２つが小平面２０１ａ及び２０１ｂとして図示されている。者光抽出器は、高さ及び／又は傾斜角２１０などの少なくとも１つの形状因子の変分によって光抽出器の光抽出効率が制御されるように形成できる。抽出器の高さは、抽出器の基部２０４の中心２０２から抽出器上部の中心又は頂点２０５までの、抽出器の主軸線２０３に沿った高さである。傾斜角２１０は、主軸線２０３と基部２０４との間の角度である。異なる傾斜角によって、抽出器の特定の小平面２０１が異なる角度で基部２０４と接する結果となることが理解されるであろう。

図１において、各光抽出器が、光入力箇所１０５に最も近接した基底縁部１６５、１６６、１６７、１６８及び１６９を含む基部（この実施例では方形の基部）を有することが理解されるであろう。基底縁部１６５〜１６９は、光入力箇所１０５に概ね対向するように、意図的に配向されている。抽出器の基部の配向を選択的に傾けることにより、１５４のような領域が光をより多く抽出する光抽出器１６４を有し、より大きな光出力を得るので、ライトガイド全域に亘ってより大きな光均一性が得られる。

光源１０５ａ、１０５ｂ及び１０５ｃに対する光抽出器領域１５１、１５２及び１５３の位置が異なることを考慮すると、１つの領域内の抽出器は最も近い異なる光入力箇所に概ね対向することが理解されるであろう。例えば、第１の領域１５１内の抽出器１６１は、第１の光入力箇所１１０ａに概ね対向してもよい。第２の領域１５２内の抽出器１６２は、第２の光入力箇所１１０ｂに概ね対向してもよい。同様に、第３の領域１５３内の抽出器１６３は、第３の光入力箇所１１０ｃに概ね対向してもよい。したがって、第１の領域１５１の基底縁部１６６、第２の領域１５２の基底縁部１６７及び第３の領域１５３の基底縁部１６８全てが非並行であることが理解されるであろう。領域毎の光抽出機構の配向が、ライトガイド全域に亘ってより均一な抽出を可能にする。このことは、図１ａに図示した拡大図によってよりよく理解できる。光抽出器の効率は、対応する光入力箇所（例えば１１０ｃ）から抽出器（例えば１６３）まで延長した線１８０に対する所与の光抽出器の基底縁部１６８の角度（例えば１７０）によって制御される。望ましくは、基底縁部１６５〜１６９は、光入力箇所１１０及び光抽出器からの線に対して垂直に近くなる。この線に対する基底縁部の望ましい角度は、９０°±１０°、より好ましくは９０°±５°、より好ましくは９０°±３°であり、更により好ましくは９０°±１°である。

図１のアセンブリ１００はバックライト抽出器であってよく、より具体的には、携帯電話用のバックライト抽出器であってよい。

図３は、ライトガイド（例えば３８０、３８４、３８２）の領域及び光の活動を図示した、ライトガイド３０１の側面図である。このモデルでは、光はこのページに進入してライトガイド３０１に入る。各抽出器は、対応する光源に対向する基底縁部を有する。更に、抽出器は、抽出された光が視聴者３９３のような所望の場所まで伝搬するように設計されている。基底縁部及び小平面の角度によって光抽出器が正しく配向されている場合、領域３８０、３８４、及び３８２毎に異なる横方向の位置は、抽出された光に多大な不均一性をもたらさない。抽出器の表面は最適に配置されているので、抽出器３８１、３８５及び３８３と相互作用する光は、基底縁部が選択的に配置されていないと仮定した場合よりも高い輝度で抜け出る光として抽出されるはずである。領域内の光抽出器の最適な位置合わせの故に、各領域がより明るい。したがって、光３９０、３９１及び３９２が等しい輝度により近く視聴者３９３に達し、視聴者３９３にとって、均一な表示として映ることとなる。

図４は、ライトガイドを製作するツール４００の説明図である。ライトガイド用ツールは、例えばシリコンなどの任意の好適な材料から構成されてもよい。図１のライトガイドと同様に、このツールは複数の領域４３０、４３１、４３２、４３３、４３４から構成されている。ツールの各領域４３０〜４３４は、例えば４４０、４４１、４４２、４４３、４４４のプリズムの配列を含む。図４のツールは、多数のライトガイド及び／又はライトガイドのツールを製造するマスターとして使用できる。したがって、ツール４００のプリズム４４０がライトガイド内の抽出器の反転等価に対応することが理解されるであろう。ライトガイドの領域と同様に、複数のツールの領域４３０〜４３４の配向は、携帯電話などの電子装置上のキーに対応できる。次に、同様に、各プリズムは、ツールの前縁部４０９に最も近接し、又はこれに対向する、具体的には４１２ａ、４１２ｂ又は４１２ｃの点に対向する、基底縁部４６５〜４６９を有することとなる。ツールはライトガイドを製造するために使用されるので、最終的に正しく配向された光抽出器を製作するためには、プリズムは、図１で実施されたのと同様に、配向されていなければならない。したがって、第１の領域４３１内のプリズム４４１の第１の基底縁部４６６は、第２の領域４３２内のプリズム４４２の第１の基底縁部４６７とは非並行となる。更に、第３の領域４３３内のプリズム４４３の第１の基底縁部４６８は、第１の領域４３１内のプリズム４４１の第１の基底縁部４６６と非並行となり、第２の領域４３２内のプリズム４４２の第１の基底縁部４６７と非並行となる。この実施形態において、基底縁部４６５〜４６９は全て、中心点４１２ｂに対向するように配向されている。

ツール４００のプリズムは、向上した光出力を有するように配向された抽出器を備えたライトガイドを作るために使用されるので、これらもまた、ライトガイドの光入力箇所に概ね相当する、ツールの前縁部４０９上の点４１２ａ〜４１２ｃに対して配向される。したがって、１つの光源を有するライトガイドを製作するために使用されるツールにおいて、第１の領域４３１内のプリズム４４１の第１の基底縁部４６６は、領域４３１の中心からツール４１２ｂの前縁部上の第１の点４１２ｂまで延長している線にほぼ直交する。次に、第２の領域４３２内のプリズム４４２の第１の基底縁部４６７は、領域４３２の中心からツール４１２ｂの前縁部上の同じ第１の点まで延長している線にほぼ直交する。

仮定として（正確な角度で図示されていないものの）、複数の光源を有するライトガイドを製作するために使用されるツールについて、第１の領域４３１内のプリズム４４１の第１の基底縁部４６６は、領域４３１の中心からツール４１２ａの前縁部上の第１の点まで延長している線にほぼ直交する。しかし、第２の領域４３２内のプリズム４４２の第１の基底縁部４６７は、領域４３２の中心から、抽出器の基部４６６が概ね対向する第１の点とは異なる、（第２の光入力箇所に対応する）ツール４１２ｂの前縁部上の第２の点まで延長した線にほぼ直交する。同様に、第３の領域４３３内プリズム４４３の第１の基底縁部４６８は、領域４３３の中心からツール４１２ｃの前縁部上の第３の点まで延長している線にほぼ直交する。これら基底縁部は、向上した光抽出を有するライトガイドを形成するための最適な角度に傾けるべきである。ライトガイドの成形型４００のプリズム４４０は、例えば、凸型及び凹型構造体の両方を含む任意の様々な寸法、幾何学的形状及び表面形状であってよい。携帯電話のキーパッドなどの装置用には、凸型のそれよりも、より多くの光を抽出するより優れた能力、堅牢性及びより柔軟に対応可能な形状の故に、凹型構体が好ましい場合がある。各領域内のプリズムのパターンは面密度に関して不均一であってもよく、面密度は単位面積内のプリズムの数又は単位面積内のプリズムの寸法によって決定できる。最適な光抽出を有するライトガイドを製作するために、高さ及び／又は傾斜角（先述したとおり）などのプリズムの形状因子のその他の変分を選択してもよい。

ツールのプリズムは、様々な好適な形状であってよい。実際には、その形状は、製造しようとするライトガイド内の光抽出器のために選択された形状の反転に相当する。プリズムのうちの少なくとも１つは、切頭されていてもよい。プリズム抽出器の好適な形状の１つは、ピラミッドである。ピラミッド形プリズムは、様々な小平面を有してもよい。本発明の特定の実施形態は、４つの小平面を備えるツールのピラミッドを有する。ライトガイドを製作するツール４００がシリコンのようなある種の結晶性材料からなる、ある実施形態において、ピラミッドの小平面は、材料の結晶構造に対応した角度で形成され得る。例えば、図２に戻って、小平面２１０及び２１０ｂは所与の結晶平面に対応してもよい一方、基部２０４は異なる結晶平面にあってもよい。

図４の実施形態は、図５ｃに図示した実施形態に対応する。この実施形態は、複数のウェーハの使用を図示したものである。これらウェーハは、ウェーハを一緒にタイリングすることによって１つの共通の基板に接合してもよい。タイリングは、接着剤の使用を含む様々な方法で達成できる。例えば、領域４３３はスラブ４３８上に見出される。このウェーハは、単一光源の光導波管が製作されると仮定した場合、領域４３３の抽出器４４３は、領域４３３に対応したライトガイドの領域に進入するであろう光に直角に近い方向を向くように、対向する。スラブ４３９も抽出器の縁部が傾いて配向されてはいるものの、抽出器４４３よりも小さな角度の抽出器４４４を示している。同様の関係は、スラブ４３６及び４３５とそれらのそれぞれの抽出器４４１及び４４０にも当てはまる。領域４３２は光の主軸に対応するであろうものと同一軸上にあるので、スラブ４３７上の抽出器は角度の選択を必要としない。したがって、領域４３２を含む複数の領域は、性能を失わずに１つのスラブ上に位置することができる。このことは、図５ａ〜５ｃを見ることでよりよく理解できる。

図５ａ〜５ｃは、ライトガイドの製作に使用されるツールの様々なアセンブリを図示している。図５ａは、ツール５００ａが１つの共通のウェーハ又は基板５０６からなる第１の実施形態の図である。ウェーハは、例えばシリコンを含む様々な好適な材料から製造されてもよい。単純化されたエッチング工程に対する適合性を考慮すると、結晶構造が特に望ましい場合がある。領域５２０ａ、５２１ａ及び５２２ａは、その中に光抽出器のマスターが共通ウェーハから形成される領域である。図５ｂは、ツールが、例えば共通基板上に相互に接着された３つのウェーハスラブ５０７、５０８及び５０９から製造される実施形態を図示している。この実施形態では、第１の領域５２０ｂはスラブ５０７上に形成され、第２の領域５２１ｂはスラブ５０８上に形成され、第３の領域５２２ｂはスラブ５０９上に形成されていることを示している。ツール内に抽出器の型をエッチングする際に使用される、可能性のある結晶構造を考慮すると、図５ｂのための設定が望ましい場合がある。後述するように、シリコンなどの結晶構造は、構体の所与の「フラット」に従って容易にエッチングできる。フラットとは、本質的に、結晶構造に従って配置され角度を付けられた平面層である。フラットは、ツール内に形成された抽出器の基底縁部の方向を提供する。したがって、３つの異なる方向に向いた領域内に抽出器を形成することが望ましい場合がある。この選択的な傾けによって、ライトガイド全域に亘って均一性及び抽出が高まる。

図５ｃは、例えば５０８、５１０、５１１、５１２及び５１３のような複数のウェーハスラブから製造されるツールの別の実施例を提供している。領域５２１ｃ及びスラブ５０８内のその他の領域は全て、製作されるライトガイドの同軸上の部分となるものに当たるので、これらは複数のスラブを必要としないことが理解されるであろう。しかし、領域５２０ｃ及び５２２ｃは、抽出及び均一性を高めるために著しく傾けられたスラブ５１０及び５１１上に定置してもよい。更に、領域５１４及び５１５は、スラブの傾けが少なくて済み、領域が光抽出のためにより最適に調節できるスラブ５１２及び５１３上にそれぞれ定置してもよい。

結晶性材料を使用すると、エッチングされたウェーハは、おそらく反転ピラミッド構造を得るであろう。これは、特定のエッチング法がウェーハの結晶構造に対応してエッチングするからである。したがって、ピラミッドの小平面は、構造の結晶平面に対応する。例えば、シリコンを使用すると、反転した抽出器の型はピラミッド形となり、４つの小平面を有することになる。

ライトガイドを製作するツールは、様々な方法で製造できる。ライトガイドのツールを製造する上で特に有用な方法の１つは、ツールを製造する基板内に反転ピラミッド形構造をエッチングする工程を伴う。このエッチング工程は、多くの工程を経て実施できる。第１の工程は、基板の第１の領域内にピラミッド形構造をエッチングする工程を伴ってもよい。第２の工程は、基板の第２の領域内に多数のピラミッド形構造をエッチングする工程を伴ってもよい。第３の工程は、基板の第３の領域内に多数のピラミッド形構造をエッチングする工程を伴ってもよい。基板の複数の領域を１つの工程でエッチングしてもよい。

これら構造は、第１の領域内の構造の基部がライトガイドのツールの前縁部に対して第１の角度で配向され、第２の領域内の構造の基部がライトガイドのツールの前縁部に対して第１の角度とは異なる第２の角度で配向されるように、３つの領域でエッチングすべきである。第３の領域内の構造の基部は、ライトガイドのツールの前縁部に対して、第１及び第２の角度のどちらとも異なる第３の角度で配向すべきである。

ツールの基板は、様々な好適な材料で構成できる。特に好適な基板は、結晶構造を有する材料である場合がある。このような材料の１つがシリコンである。基板内のパターニングは、標準的なリソグラフィ又はその他の光学的リソグラフィ、二光子、ダイヤモンド切削、スキップ・バーン（skip burn）放電加工、ドライエッチング及びウェットエッチング（例えば異方性ウェットエッチング）を含む様々な好適な方法によって達成できる。ウェットエッチング処理の一例は、シリコンウェーハ上にエッチングマスク層（例えば窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などのメタロイド窒化物）を堆積し、続いてポリマーレジストを堆積する工程を伴ってもよい。次にレジスト層の上にフォトマスクを塗布してもよい。このようなフォトマスクの実施例の例を図６に示す。ここでは、フォトマスク６００が複数の領域に塗布されている。このフォトマスクは、レジスト上の特定の区域を選択的にマスキングする。次に、レジストは、商用レジスト現像剤によって現像され、レジスト内にパターンが得られる。マスキングされたスラブに反応性イオンビームの適用により、この時点でパターン化されているスラブのマスキングされていない区域では、フォトマスクのパターンに従って窒化ケイ素が侵食される。以前にマスキングされていた区域は、シリコン上に依然として窒化ケイ素の層を有する。

シリコンスラブの所望の区域が露出した後、スラブを異方性化学エッチング液に露出してもよい。図７は、潜在的なエッチング結果の一例を提供している。窒化ケイ素の残存物が依然としてシリコンの表面を保護しているので、以前マスキングされていた区域７７０はシリコン構体へのエッチングから保護される。区域７７１では、シリコンの結晶形状に従って、化学エッチング液がシリコン内に構造を形成する。図７は、この構造を反転ピラミッドとして示している。これらピラミッドを製作する方法は、図８を参照することによってよりよく理解できる。

図８は、ここでは結晶構造からなるライトガイドの製作に使用されるツールの部分の断面図である。前述のとおり、この特定の異方性エッチング処理において、構造の形成は材料の結晶構造の形状に対応する。図８では、要素８７５が結晶構造の（１００）平面として知られるものを表している。要素８７６は、結晶構造の平面（１１１）として知られるものを表している。使用される異方性化学エッチング液は、（１１１）平面よりも（１００）平面に対してより速いエッチング速度を有する。したがって、エッチング液によって、（１１１）平面８７６に沿って形成される小平面を有するピラミッドが得られる。この実施例の結晶構造では、（１１１）平面間の角度が７０．５２度となる。したがって、法線から平面８７５までの平面の角度８７７は３５．２６度に等しくなる。

露出領域の幅及び部分的にエッチングされたピラミッドの幅を測定することによって、完成したピラミッドのエッチングされた高さ８７９を計算することができる。これは、ピラミッドの幾何的関係による。ここでは、露出（又はピラミッドの基部）８９５の幅をＷと呼んでもよい。部分的にエッチングされた点８９６における幅をＷ’と呼んでもよい。エッチングすべき残りの高さ８７８をＨ’と呼んでもよい。この構造及び既知の角度により、下記の関係が成立する。

また、ピラミッドの頂点が形成される前にエッチングを停止することが特に望ましい場合もある。換言すれば、小平面構造が、ピラミッドの上部、見方によっては下部に平坦な面を更に有する、多数の切頭ピラミッドを有するツールを製作することが望ましい場合がある。ライトガイド内に切頭構体を提供することによって、ライトガイドの領域内のより望ましい光均一性及び出力が得られる場合がある。

異なる領域内のピラミッド形構造は、ライトガイドのツールの前縁部に対して異なる角度で配向されている。この特定の処理では、共にタイリングされた多数の別個の結晶性ウェーハから基板が構成される必要がある場合がある。タイリングの工程はエッチング工程を実施した後に実施してもよい。タイリングの工程は、例えば共通基板上にスラブを接着剤で共に接着する工程など、様々な手段によって達成できる。ツールの完成時に、材料の平面が露出して所望の方向を向くように結晶性材料を選択的に傾けるためには、複数のウェーハが使用されることが理解されるであろう。

エッチング工程に他の処理を使用する場合、所望の抽出器のツールの傾けを達成するために、共通ウェーハが適切である場合がある。したがって、共通ウェーハが使用される場合がある。このような処理は、フォトマスクを選択的に傾ける工程、及び濃度のより薄いエッチング液を使用して結晶性材料のほかの平面と相互作用させる工程を伴ってもよい。例えば１０重量％のＫＯＨエッチング液のような濃度のより薄いエッチング液を傾いたフォトマスクに使用することによって、フラットに対して傾いた多角形構造を得ることができる。このような構造は、上述したそれらとは異なる結晶性ウェーハの面に従って形成でき、尖った頂点の代わりに線を形成できる。正しい濃度の化学エッチング液の使用によって、多角形構造の基部の角度をウェーハの従来のフラットから１５°まで遠ざけることができる。

このような任意の処理の結果が、ライトガイドを製作するツールとなる。本明細書で説明したツールを、一般にマスターと呼んでもよい。金属又はポリマーのどちらかからなる多数の子ツールを製作することがおそらく望ましいであろう。これら複製された子成型は、費用が少なくて済み、所望の使用回数の後、廃棄することができる。子成型又はその後の世代の成型を製作するのに有用な特定のポリマーの１つは、シリコ−ンである。子成型を製作するのに有用な特定の金属の１つは、シリコーン製成型よりも堅牢なニッケルであるが、シリコーン製の複製よりも製作に時間がかかる。ニッケル製成型を形成するためには、ライトガイドのツールの上に金属のシード層を定置してもよい。次に、金属のシード層の上にニッケルを電鋳し、ニッケル成型を形成することができる。次に、例えば電解液中の離層を含む様々な手段によって、マスターから成型を分離することができる。次に、子成型の使用によって、ライトガイドを複製することができる。ライトガイドは、様々な好適な材料から製造されてもよい。特に好適な材料は、高い忠実度を達成するのに適切な粘度を有するある種のポリマーブレンドであり得る。ライトガイドの部品を紫外線によって硬化させた後、望ましい光学的清澄性及び機械的特性が必要である。

その他に使用される適切な金属シード層は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）及びその他から構成してもよい。

説明した処理によって製作されたツールはまた、その他の様々な用途の特定の役に立つ場合がある。このような用途の１つは、熱可塑性顕微針アレイを製作するためのツールの製作である。エッチング処理の精度水準は、サブミクロンレベルの構体の製作を可能とする。所望のシリコン製ツールを形成後、シリコン製のインサート成型によるプラスチック成形を確実にすることが可能である。ツールから金型を製作後、この金型は射出成形機と相互作用し、プラスチック部品が製作される。射出処理次第で、結果として得られるプラスチック部品は固体であるか又は中空であるか、どちらの場合もある。顕微針の基部は、２５〜２５０ミクロンの範囲であってよいが、好ましくは１５０ミクロン未満である。顕微針は、５０〜４００ミクロンの範囲の高さであってよいが、好ましくは２７５ミクロン未満の高さである。針間のピッチは、５０〜４００ミクロンの範囲であってよいが、好ましくは３００ミクロン未満である。

以下は、本発明によるライトガイドのツールの実施形態を製作する潜在的な一手順である。

処理に、直径４インチ（１０ｃｍ）のシリコン（１００）ウェーハを使用した。シリコンウェーハの両面を５００〜１０００℃の温度で低圧気相合成（ＬＰＣＶＤ）により５００〜２０００オングストロームの窒化ケイ素でコーティングした。

次に、標準リソグラフィ処理を使用して窒化ケイ素のウェーハをパターニングした。ネガ型レジスト（Ｆｕｔｕｒｒｅｘ ＮＲ７−１０００Ｐ）を３０００ｒｐｍの速度で１分間、ウェーハ上にスピンコートした。スピンに続き、ウェーハを電気コンロの上で８０℃で５分間プリベークした。次に、それを約２４０ｍＪ／ｃｍ^２の合計投与量のＵＶランプによって露光した。キーパッドのフレームの縁部がウェーハのフラットと並行になるように、第１のフォトマスクを定置した。次に、１３０℃で６分間、露光後ベークを実施した。最後に、レジストを市販のＲＤ６中で約３０秒間現像してＳｉ_３Ｎ_４／Ｓｉウェーハ上に穴の円形配列のパターンを形成した。

次に、ＣＦ_４／Ｏ_２反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用してＳｉ_３Ｎ_４の穴をエッチング除去した。その他の区域は依然としてフォトレジストによって保護されていた。エッチングは、反応性イオンエッチング装置（例えば英国Ｙａｔｔｏｎ市にあるＯｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社から入手可能なＭｏｄｅｌ ＰｌａｓｍａＬａｂ（商標） Ｓｙｓｔｅｍ１００）内で、表１に示す条件下で実施した。

次に、異方性ＫＯＨエッチング液を塗布した。活用した一般的な異方性エッチング液は、２５〜１００℃の間の温度で、好ましくは８０℃のＫＯＨ及び水の混合物（水中１０〜５０重量％で、好ましくは３５％のＫＯＨ）であった。比較的大きな区域に亘る均一なエッチング速度を改善するために、エッチング液を攪拌した。

格子構造に起因して、シリコンウェーハは異なる方向に異なる化学的特徴を有し、即ち（１００）、（１１０）及び（１１１）の方向に原子密度がだんだんと高くなる。配向依存性のエッチング液（例えば水中１０〜５０重量％のＫＯＨ）について、（１１１）方向のエッチング速度は（１００）及び（１１０）のそれよりもはるかに小さいので、配向依存性のエッチング液は（１００）方向のシリコンウェーハにＶ字形の溝部をもたらす。

次に、アセトンによってＦｕｔｕｒｒｅｘレジストを除去した。その後、活性のピラニアエッチング液（Ｈ_２ＳＯ_４中最大３０容量％のＨ_２Ｏ_２混合物）によってウェーハを洗浄してレジストの一切の残留物を一掃した。次に、ウェーハを加熱したＫＯＨ／Ｈ_２Ｏ槽（最高８０℃）に浸して所望の深さまでエッチングした。深さは、最速１．５５ミクロン／分のエッチング速度におけるエッチング時間によって制御した。

暫くして、アンダーカットと共に、このＫＯＨ／Ｈ_２Ｏエッチング液による（１１１）平面よりも速い（１００）平面のエッチング速度のために、シリコンの表面上に正方形の開口部が形成された。結晶性平面の形状に基づき、２つの（１１１）平面間にわたる角度は７０．５２°であった。

Claims (2)

1. ライトガイドを製作するツールであって、
   複数の領域と、
   各領域内に位置するプリズムの配列であって、複数のプリズムが各領域内で複数の行と複数の列とを有する二次元配列内に配置され、各プリズムが前記ツールの前縁部に対向する第１の基底縁部を有し、第１の領域内のプリズムの前記第１の基底縁部が第２の領域内のプリズムの前記第１の基底縁部と非並行である、プリズムの配列と、
   を含み、前記ツールがシリコンを備え、
   前記プリズムの少なくとも１つが、４つの小平面からなるピラミッドを備え、前記４つの小平面からなるピラミッドの小平面が、前記シリコンの結晶構造に対応する角度で形成される、ツール。
2. ライトガイドのツールを製造する方法であって、
   第１の結晶性ウェーハスラブ上の第１の領域内に多数のピラミッド形構造をエッチングする工程であって、前記構造が、前記第１の領域内の各構造の基部が前記ライトガイドのツールの前縁部に対して第１の角度で配向されるように配向された、エッチング工程と、
   第２の結晶性ウェーハスラブ上の第２の領域内に多数のピラミッド形構造をエッチングする工程であって、前記構造が、前記第２の領域内の各構造の基部が前記ライトガイドのツールの前縁部に対して前記第１の角度とは異なる第２の角度で配向されるように配向された、エッチング工程と、
   を含み、前記ピラミッド形構造の少なくとも１つが、４つの小平面からなるピラミッドを備え、前記４つの小平面からなるピラミッドの小平面が、前記各エッチング工程を介して、前記基板の結晶構造に対応する角度で形成され、複数のピラミッド形構造が各領域内で複数の行と複数の列とを有する二次元配列内に配置される、方法。

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