JP2006058720A - マイクロレンズおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 作製が容易で、作製精度および位置精度の高いマイクロレンズ、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 低階調のグレースケールマスク３を用いて感光性樹脂２を露光し、頂上部に平坦部をもつ感光性樹脂層２ａを形成する。その後、熱硬化樹脂５をスプレーコーティングし、加熱する。表面張力の効果により、頂上部において、熱硬化樹脂５は中央部が盛り上がって球面状に硬化し、球面状のマイクロレンズ１０が形成される。低階調のグレースケールマスクを用いてマイクロレンズ１０を形成できるので、マイクロレンズ作製コストを低減できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロレンズおよびその製造方法に関する。

マイクロレンズは、微小な略半円球状のレンズを配置したものであり、液晶表示装置、受光装置、光通信システムにおけるファイバ間接続等の様々な用途に使用されるようになってきている。マイクロレンズの製造方法については、グレースケールマスクを利用したフォトリソグラフィ技術を用いた製造方法、レジストパターニング後の熱リフロー技術を用いた製造方法、および、２Ｐ法を用いた製造方法などが知られている。

グレースケールマスクを利用したフォトリソグラフィ技術を用いた製造方法については、下記特許文献１に開示されている例がある。グレースケールマスクは、微小な領域ごとに、連続的、あるいは離散的に多値の透過率を持たせることが可能なマスクである。このグレースケールマスクを介して感光性材料を露光すると、微小な領域の露光量を変化させることができる。感光性材料の感光深さは露光量に従って変化するので、露光量の変調により感光性材料で任意の３次元形状を形成することができる。マイクロレンズは曲面で構成されるため、この透過率制御も多階調が必要となる。

一方、レジストパターニング後の熱リフロー技術を用いた製造方法については、下記特許文献２に開示されている例がある。透明基板上に塗布された感光性材料を、フォトリソグラフィにより円板形状にパターニングする。該円板形状の感光性材料を熱処理により球面形状に丸め、ドライエッチングによって基板に形状転写する。熱リフロー技術を用いた製造方法では、間隔を開けて円板形状の感光性材料のパターニングを行なわなければならないため、稠密なマイクロレンズアレイを形成することができず、フィルファクターを高くすることできない。この課題の対策として、熱リフロー後、ディップコートやスピンコートを行なって、フィルファクターを向上させる方法が提案されている。また２Ｐ法を用いた製造方法は、透明基板上に光硬化性樹脂を塗布し、レンズ金型を押付け、基板側から光照射して、光硬化性樹脂を光硬化させマイクロレンズを形成するものである。
特開２００２−２８７３２５号公報 特開２００２−１２２７０７号公報

グレースケールマスクを利用したフォトリソグラフィ技術を用いた製造方法では、曲面形成において、多くの階調を含むマスクが必要になる。しかし、グレースケールマスクのコストは極めて高く、さらに階調数が増すほどマスク作製コストがはね上がるため、より低階調のグレースケールマスクを利用したレンズ作製方法が望まれている。また、レジストパターニング後の熱リフロー技術を用いた製造方法は、フィルファクターの高いマイクロレンズアレイを作製することが難しく、また高温プロセスが必要なため、用いられるワークが限られてしまう。この２つの製造方法は、フォトリソグラフィ技術を応用したものであるため、あらかじめ基板上に刻まれたパターンに対し、位置決めをしてマイクロレンズを形成するということが可能である。しかし、２Ｐ法を用いた製造方法では、レンズ金型と基板との位置合わせが難しく、基板に位置決めしてマイクロレンズを作製するというような用途には適用しにくい。したがって、本発明は、上記背景技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、安価で形状精度、及び位置精度のよいマイクロレンズ、およびその製造方法を提供することにある。

この発明に基づいたマイクロレンズにおいては、略凸型状の透光性の感光性材料と、上記感光性材料の上に積層された透光性薄膜とにより構成された略凸型状のマイクロレンズであって、当該マイクロレンズの頂上部において、上記透光性薄膜の膜厚さが、上記頂上部を取囲む周囲の膜厚さもよりも厚くなっていることを特徴とする。

また、この発明に基づいたマイクロレンズの製造方法においては、略凸型状の透光性の感光性材料と、上記感光性材料の上に積層された透光性薄膜とにより構成された略凸型状のマイクロレンズの製造方法であって、感光性材料層を形成する工程と、上記感光性材料層を感光し凸型の３次元形状の露光領域を形成する工程と、上記感光性材料層の未硬化部分を除去する工程と、未硬化部分が除去された上記感光性材料層の上に、スプレーコーティングにより透光性薄膜を形成する工程とを有している。

本発明のマイクロレンズによれば、凸型の感光性材料層と、この感光性材料層の上に設けられた薄膜とにより構成され、薄膜がハードコーティング膜であれば、マイクロレンズの硬度、耐溶剤性が向上する。特に外部との接触機会が多いレンズ頂上部において、ハードコーティング膜が厚くなっているため、硬度向上の効果が高くなる。また、薄膜の材料として有機材料、あるいは無機有機ハイブリッド材料を用いるとスプレーコーティングにより容易に塗布できる。また、凸型の感光性材料層の頂上部に平坦部を形成すると、頂上部における薄膜の膜厚さを容易に厚くすることができる。特に、スプレーコーティングを行なったとき、表面張力の効果により、容易に球面形状を形成することが可能となる。

また、本発明のマイクロレンズの製造方法によれば、感光性材料層をフォトリソグラフィ技術で露光し、その上にスプレーコーティングで薄膜を積層することで形成される。フォトリソグラフィで形成するため、あらかじめパターニングされた基板へのマイクロレンズの位置決め形成が容易であり、またレンズ頂上部については薄膜のスプレーコーティングにより、容易に球面形状を得ることができる。また、フォトリソグラフィには低階調のグレースケールマスクや、通常のフォトマスクを用いるとよい。通常のフォトマスクを用いるときは、フォトマスクへの光の入射角度を変化させて露光することでマイクロレンズを形成することができる。

以下、この発明に基づいた一実施の形態におけるマイクロレンズおよびその製造方法について、図を参照しながら説明する。なお、以下に説明するマイクロレンズおよびその製造方法は一例であり、これらの内容に本発明が限定されるものではない。

図１を参照しながら、本実施の形態におけるマイクロレンズおよびその製造方法について説明する。まず、図１（Ａ）に示すように、基板１上に感光性樹脂層２を形成する。感光性樹脂層２には、ネガ特性（光照射の部分が残存）、ポジ特性（光未照射の部分が残存）どちらの材料も用いることができる。ここではネガ特性を示す感光性樹脂材料を用いた場合について説明するが、ポジ特性の感光性樹脂材料についても、同様の考え方を適用できる。

次に、図１（Ｂ）に示すように、感光性樹脂層２上にグレースケールマスク３を重ね置く。グレースケールマスク３の上方から露光光４を照射し、グレースケールマスク３を透過する光を用いて感光性樹脂層２の露光を行なう。グレースケールマスク３は、微小領域毎に光学濃度を変化させたマスクであり、このマスクによって露光光４は強度変調を受け、強度変調を受けた光によって感光性樹脂層２は露光される。その後、現像処理を行なうと、感光性樹脂層２の残存膜厚は図２（Ａ）に示す感度曲線に従うので、図１（Ｃ）に示すように、３次元形状の凸型の感光性樹脂層２ａが形成される。

図２（Ａ）に示す感度曲線は、露光量（露光光照度×照射時間）と残存膜厚の特性を表したものである。残存膜厚をＨ、露光量をＥ、臨界露光量（感光性樹脂が感光するしきい値）をＥ_thとすると、その関係は下記の式（１）で表される。Ａは感度曲線の傾きを表す定数である。また、所望の膜厚Ｈを得るための露光量Ｅは下記の式（２）で表される。

Ｈ＝Ａ×ｌｏｇ_ｅ（Ｅ／Ｅ_th）・・・式（１）
Ｅ＝Ｅ_th×ｅｘｐ（Ｈ／Ａ）・・・式（２）
所望の膜厚Ｈを得るための必要露光量Ｅのグラフを図２（Ｂ）に示す。図２（Ｂ）より、膜厚Ｈが薄いところでは必要露光量Ｅの変化は小さいが、膜厚Ｈが厚くなると、必要露光量Ｅの変化が大きくなることがわかる。マイクロレンズのような曲面を有する形状を形成する場合、露光量を連続的に変化させる必要がある。グレースケールマスクでは露光量の変化を離散的にしか与えることができないため、曲面に段差が形成されることがある。しかし、グレースケールマスクのパターンの最小単位領域をレジストの解像度の半値以下程度に設定することにより、滑らかな曲面が得られる。たとえば、レジストの解像度が２０μｍである場合、グレースケールマスクのパターンについては１０μｍ毎に光学濃度を変化させる。

図３（Ｂ）に示すような凸型の感光性樹脂層２ａを形成する場合、各位置の露光量分布は図３（Ａ）に示すように与える。図３（Ａ）から読み取れるように、感光性樹脂層２ａの中央部（頂上部）と周縁部とでは、必要露光量の増分値が異なる。そのためグレースケールマスクにおいて、感光性樹脂層２ａの中央部（頂上部）では光学濃度を細かく設定し、周縁部では光学濃度を荒く設定しなければならず、階調数が高く、かつ精度良く光学濃度を調整できるグレースケールマスクが必要となる。しかしながら、多階調のグレースケールマスクは作製コストが高いため、必要階調数の低減が望ましい。ここでは、図４（Ａ）に示すような露光量分布をもつ低階調のグレースケールマスクを用いて露光を行なう。このとき、現像後得られる形状は図４（Ｂ）に示すような断面形状のものである。感光性樹脂層２ａの中央部（頂上部）の光学濃度が適切に設定されていないため、頂上部に平坦部２ｔをもつ形状となるが、マスクパターンは簡単になるため、グレースケールマスクの作製コストを低減できる。

次に、図１（Ｄ）に示すように、コーティング剤５をスプレーコーティングする。コーティング剤５には熱硬化性や光硬化性のものを用い、スプレーコーティング後、熱硬化および光照射により硬化させる。ここで用いられるコーティング剤５としては、アクリル系モノマーやエポキシ系モノマーに光開始剤を混合したもの、シリコーン類、エポキシ−シリカハイブリッド材、あるいは有機材料内に無機微粒子を混合したものなどが挙げられる。有機材料や無機有機ハイブリッド材料は、基板１との密着性を高く保つことが容易であり、熱硬化や光硬化といった機能の付加も容易であるため、スプレーコーティング剤５としては有機材料および無機有機ハイブリッド材料を用いるとよい。スプレーコーティングのパラメータには、コーティング剤粘度、コーティング剤流量、スプレー圧力、スプレーノズル−ワーク間距離、ワーク温度等があり、これらを制御して所望の厚みのコーティングを行なう。

このとき、スプレーコーティングにおいて、コーティング剤流量を少なく調整し、マイクロレンズに付着した後のコーティング剤の流動性を抑制するためにワークを加熱することで、感光性樹脂層２ａの中央部（頂上部）に成膜されるコーティング剤の膜厚さを厚くコーティングすることができ、平坦部をもつマイクロレンズを球面形状に形成することができる。コーティング剤５の流動性は曲面部より平坦部の方が低いため、平坦部においてコーティング剤５の膜厚が大きくなり、コーティング剤５の表面張力の効果により、頂上部２ｔにおいて、コーティング剤５は中央部が盛り上がって球面状に硬化し、球面状のマイクロレンズ１０が形成される。またこのとき、レンズ間谷部へのコーティング剤５の溜まりも少なく抑制することができる。コーティング剤５として、エポキシ−シリカハイブリッドコーティング剤を用い、スプレー圧力５ｋｇ／ｃｍ^２、コーティング剤流量０．５ｃｃ／ｍｉｎ、スプレーノズル−ワーク間距離７０ｍｍ、ワーク温度５０℃の条件で塗布したところ、図５に示す断面形状のレンズが得られた。図５において、細線はコーティング前、太線がコーティング後の、コーティング剤５の外表面の断面形状である。

本発明に基づいた実施の形態におけるマイクロレンズの製造方法によれば、レンズの曲率が小さいタイプのレンズに適用するとよい。レンズ曲率が小さいと、レンズ中央部とレンズ周縁部において曲面の高低の増分値の差が大きくなるため、グレースケールマスクでのフォトリソグラフィがより難しくなる。レンズ幅Ｗ_Ｌとレンズ曲率半径Ｒ_Ｌの比Ｗ_Ｌ／Ｒ_Ｌが１／３以上の場合に本実施の形態におけるマイクロレンズの製造方法を適用すると効果的である。

また、本実施の形態におけるマイクロレンズの製造方法によれば、低階調のグレースケールマスクを用いて形成された凸型パターンの感光性樹脂層と、その上に施されたスプレーコーティング膜との組み合わせにより、安価に高精度にマイクロレンズを形成することができる。また、硬化後にハードコーティング材として機能するコーティング剤を用いると、感光性材料の耐溶剤性、硬度の向上を図ることができる。特に、外部と接触しやすいレンズの頂上部にハードコーティング剤が厚く形成されるので、硬度向上の効果が高い。フォトリソグラフィ技術を利用すると、稠密で位置精度および再現性よくマイクロレンズアレイを作製することができるが、低階調のグレースケールマスクでもマスクコストは高く、またマスク作製にも時間がかかる。通常のフォトマスクを用いて、マイクロレンズアレイを作製することができれば、レンズ作製コストを大幅に低減できる。

ここで、通常のフォトマスクを用いてマイクロレンズアレイを作製する露光方法について、図６を参照しながら説明する。ここではレンチキュラーレンズアレイの製造方法について説明する。図６（Ａ）は露光工程を説明するための断面図であり、図６（Ｂ）は感光性材料の各位置における露光量を示すグラフである。透明基板１に感光性材料層２を形成し、複数のスリットが形成されたフォトマスク６を配置する。フォトマスク６は透明基板１の感光性材料層２とは反対側に配置し、フォトマスク６、透明基板１を介して、感光性材料層２に露光光４を照射する。露光光４の入射角を変化させると、感光性材料層２の露光される領域の位置が変化する。この入射角を連続的にまたは段階的に変化させながら露光を行なう。

露光照射光として平行光を用い、等角速度で照明光の入射角を変化させると、照明光が照射された感光性材料層２上の各ポイントにおける露光量の分布は図６（Ｂ）に示したものになる。これに感光性材料層２の感度曲線を重ね合わせると、図６（Ａ）において破線で示す形状の感光性材料層２が得られる。この露光工程では、中心部で露光量が一定となる領域が生じるため、感光性材料層２の中心部で平坦面が形成される。たとえばフォトマスク６のスリット開口部の幅Ｗ_Ａが感光性材料層２の幅Ｗ_Ｌの４０％のとき、平坦部の幅Ｗ_Ｐはレンズ幅Ｗ_Ｌの２０％程度の値となる。このとき、照射光の入射角度θ１とθ２は、凸型の感光性材料層２が隙間なく形成されるよう設定すると稠密なマイクロレンズアレイを得ることを可能としている。

次に、照射光のスキャン方法について説明する。なお、本出願において、「スキャン」とは、露光用照射光が照射される領域を２次元的に走査すること、および照射光の入射角度を変化させることを含む。また、「スキャン」は、露光光４と光硬化性樹脂層２との位置関係および角度が相対的に変化すれば良いので、光硬化性樹脂２が塗布された基板１を動かしても良いし、露光光４の光源を動かしてもよい。円開口や矩形開口が形成されたフォトマスク６を用い、直交する２方向に「スキャン」を行なうと、２方向にレンズ効果をもったマイクロレンズも形成することができる。この方法はたとえば、開口部をもつ透過型液晶パネルにマイクロレンズを作製する方法として利用される。すなわち、画素開口部をマスク開口部として、透過型液晶パネルの光源側にマイクロレンズを作製し、光源からの液晶パネルへの光利用効率をあげることができる。形成された凸型レンズは光硬化性樹脂２の頂上部に平坦部をもつが、この後スプレーコーティングを行なうことにより球面形状に形成できる。

透過型液晶パネルにマイクロレンズを設けた場合、バックライト側に設けたプリズムシートの周期構造との間でモアレが発生することがあるが、これはマイクロレンズを球面にすることで抑制することが可能である。本実施の形態では、開口を利用した露光法とスプレーコーティングを組み合わせて球面形状のレンズを形成することにより、モアレ抑制に効果のある構造とすることができる。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるのではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

本発明におけるマイクロレンズおよびその製造方法は、液晶表示装置、受光装置、光通信システムにおけるファイバ間接続等に適用可能である。

（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明に基づいた実施の形態におけるマイクロレンズの製造方法を説明する第１〜第４工程断面図である。 （Ａ）は、横軸に「露光量」、縦軸に「残存膜厚」をとった場合の感光性材料の感度曲線を示す図であり、（Ｂ）は、横軸に「残存膜厚」、縦軸に「露光量」をとった場合の感光性材料の感度曲線を示す図である。 多階調のグレースケールマスクを用いた場合の感光性樹脂層の形状を示す図であり、（Ａ）は、「位置」と「必要露光量」との関係を示す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に対応した感光性樹脂層の形状を示す図である。 低階調のグレースケールマスクを用いた場合の感光性樹脂層の形状を示す図であり、（Ａ）は、「位置」と「必要露光量」との関係を示す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に対応した感光性樹脂層の形状を示す図である。 本発明に基づいた実施の形態におけるマイクロレンズの製造方法で作製したマイクロレンズ（コーティング剤の外表面）の断面形状を示す図である。 本発明に基づいた実施の形態におけるマイクロレンズを作製するためのフォトリソグラフィの異なる製造方法について説明する図であり、（Ａ）は露光工程を説明するための断面図、（Ｂ）は感光性材料の各位置における露光量を示す図である。

符号の説明

１ 基板、２ 感光性樹脂層、２ａ 感光性樹脂層（３次元形状の凸型）、２ｔ 平坦部、３ グレースケールマスク、５ コーティング剤、６ フォトマスク、１０ マイクロレンズ。

Claims (9)

1. 略凸型状の透光性の感光性材料と、前記感光性材料の上に積層された透光性薄膜とにより構成された略凸型状のマイクロレンズであって、
   当該マイクロレンズの頂上部において、前記透光性薄膜の膜厚さが、前記頂上部を取囲む周囲の膜厚さもよりも厚くなっていることを特徴とするマイクロレンズ。
2. 前記透光性薄膜が有機材料、あるいは無機有機ハイブリッド材料で構成されたことを特徴とする、請求項１記載のマイクロレンズ。
3. 前記感光性材料により形成された凸型部の頂上部が平坦部を有し、その上に透光性薄膜を積層することにより前記透光性薄膜の外表面が球面状に形成されたことを特徴とする、請求項１、２記載のマイクロレンズ。
4. 前記マイクロレンズの曲率半径が、レンズ幅の３倍以下であることを特徴とする、請求項１〜３記載のマイクロレンズ。
5. 略凸型状の透光性の感光性材料と、前記感光性材料の上に積層された透光性薄膜とにより構成された略凸型状のマイクロレンズの製造方法であって、
   感光性材料層を形成する工程と、
   前記感光性材料層を感光し凸型の３次元形状の露光領域を形成する工程と、
   前記感光性材料層の未硬化部分を除去する工程と、
   未硬化部分が除去された前記感光性材料層の上に、スプレーコーティングにより透光性薄膜を形成する工程と、
   を有することを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
6. 前記感光性材料層に対し、グレースケールマスクを透過した透過光を用いて感光工程を行なったことを特徴とする、請求項５記載のマイクロレンズの製造方法。
7. 前記感光性材料層に対し、複数の透明開口が設けられたマスクを用い、透明開口への入射角を変化させながら感光工程を行ったことを特徴とする、請求項５記載のマイクロレンズの製造方法。
8. 前記スプレーコーティングの工程において、加熱処理も同時に行うことを特徴とする、請求項５〜７のいずれかに記載のマイクロレンズの製造方法。
9. ３次元形状の前記感光性材料層にスプレーコーティングにより透光性薄膜を形成することにより、透光性薄膜の外表面を球面状に形成したことを特徴とする、請求項５〜８記載のマイクロレンズの製造方法。

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