JP2006044974A - マイクロレンズ用凹部付き基板の製造方法および透過型スクリーン - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は、ウェットエッチングの際にエッチングマスク膜が除去されたり破れたりするのを防止して、十分に等方性エッチングを進行させることのできる、マイクロレンズ用凹部付き基板の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明は、基板（１０）表面にエッチングマスク膜（１２、１４）を形成する工程と、各凹部が形成される領域にレーザを照射して、該領域に貫通孔（１６）を形成するとともに、エッチングマスク膜（１２、１４）全体を加熱により変質させる工程と、貫通孔（１６）によって露出された基板（１０）の表面にエッチング液を接触させることによって、基板表面に凹部（２０）を形成する工程と、を含むことを特徴とするマイクロレンズ用凹部付き基板（Ｓ）の製造方法を提供する。
【選択図】 図１
【解決手段】 本発明は、基板（１０）表面にエッチングマスク膜（１２、１４）を形成する工程と、各凹部が形成される領域にレーザを照射して、該領域に貫通孔（１６）を形成するとともに、エッチングマスク膜（１２、１４）全体を加熱により変質させる工程と、貫通孔（１６）によって露出された基板（１０）の表面にエッチング液を接触させることによって、基板表面に凹部（２０）を形成する工程と、を含むことを特徴とするマイクロレンズ用凹部付き基板（Ｓ）の製造方法を提供する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、リアプロジェクションテレビ等に用いられるマイクロレンズアレイ製造用の鋳型の成形方法等に関する。
従来、リアプロジェクションテレビ等に用いられる凸型のマイクロレンズアレイの製造方法として、マイクロレンズの鋳型となる凹部を備えるガラス基板を製造し、これに樹脂を充填して硬化させ、鋳型を取り外す方法が知られている。
このガラス基板の複数の凹部は、例えば、ガラス基板表面にエッチングマスク膜を成膜し、これに複数のピンホールを形成した後、ガラス基板をエッチング液に接触させて等方的にエッチングを進行させることによって形成することができる（例えば、特許文献１を参照）。
エッチングマスク膜にピンホールを形成する方法としては、ピンホールの形状に対応した開口を有するレジスト層を形成してからドライエッチングを行う方法や、ピンホールを形成する位置にレーザを照射してエッチングマスク膜を除去する方法などが用いられている。
また、ウェットエッチングによって凹部を形成する場合、ガラス表面にエッチングマスク膜として酸化クロム膜とクロム膜を順に積層しておくことで、凹部のＳＤ比（凹部の半径と深さの比）を１に近づけることができ、かかる凹部を有する基板を鋳型にすれば、視野角の広い高性能なマイクロレンズを形成することができる。
特開２０００−２５８６０９号公報
しかしながら、ウェットエッチングを行う際、エッチング液によるエッチングマスク膜の侵食や、エッチング液の流れ等の影響を受けるため、凹部が完成する前にエッチングマスク膜が除去されてしまうことがある。さらに、酸化クロム膜とクロム膜を積層する場合、酸化クロム膜が有する圧縮応力と、クロム膜が有する引っ張り応力により、ウェットエッチング時にエッチングマスク膜が破れやすくなる傾向がある。
凹部の形成が終わる前にエッチングマスク膜が除去されてしまうと、貫通孔を中心とした等方的なエッチングがそれ以上進まなくなり、隣接する凹部の間に平坦な部分が生じてしまう。その結果、この基板を鋳型として得られるマイクロレンズアレイにおいても、各凸型レンズの間に平坦な部分が形成され、光学特性が低下するという問題があった。
そこで、本発明は、ウェットエッチングの際にエッチングマスク膜が除去されたり破れたりするのを防止して、十分に等方性エッチングを進行させることのできる、マイクロレンズ用凹部付き基板の製造方法を提供することを目的とする。この方法によって製造されたマイクロレンズ用凹部付き基板は、略半球状の複数の凹部を有し、隣接する凹部の間には鋭いツノが形成され、これを鋳型とすれば光学特性に優れたマイクロレンズアレイを得ることができる。
上記課題を解決するために、本発明にかかるマイクロレンズ用凹部付き基板の製造方法は、基板表面にエッチングマスク膜を形成する工程と、エッチングマスク膜の各凹部が形成される領域にレーザを照射して、該領域に貫通孔を形成するとともに、エッチングマスク膜全体をレーザ加工時の加工熱により変質させる工程と、貫通孔によって露出された基板の表面にエッチング液を接触させることによって、基板表面に凹部を形成する工程と、を含む。
レーザを照射すると、エッチングマスク膜のうち沸点に達した部分には貫通孔が形成されるが、貫通孔周囲のエッチングマスク膜もレーザの熱により変質されその強度もしくは、基板への密着力が増す。これにより、エッチング液に浸漬させても、エッチングマスク膜が侵食や基板からの剥がれを防ぐことができるので、貫通孔を中心とした等方性エッチングが十分に進行し、隣接する凹部の間にも平坦な部分が残らず、いわゆる「ツノ」がきれいに形成される。ここでエッチングマスク膜の変質とは主に酸化を意味するが、これに限定されるものではなく、エッチングマスク膜の強度を増加させるものであれば、どんな種類の変質であってもよい。
レーザを照射する工程では、エッチングマスク膜表面がレーザの照射スポットで隙間なく覆われることが好ましい。これにより、エッチングマスク膜全体が改質され、ウェットエッチング工程でエッチングマスク膜が除去されたり破れたりするのを効果的に防ぐことができる。
また、レーザを照射する工程では、各照射スポットにおいて強度がベッセル関数状の分布を有するレーザを用いることが好ましい。かかる分布とするためには、アキシコン素子を用いればよい。これにより、エッチングマスク膜の広い範囲を加熱により効率よく改質することができるようになる。
さらに、レーザを照射する工程では、エッチングマスク膜全体が加熱により変質されるように、各凹部が形成される領域に複数ショットずつ、繰り返しレーザを照射することが好ましい。繰り返し照射することによって、エッチングマスク膜に熱を行き渡らせることが可能となる。
また、本発明に係る方法では、エッチングマスク膜を２層形成し、基板側のエッチングマスク膜を酸化クロム膜として、基板から遠いほうのエッチングマスク膜をクロム膜とすることが好ましい。クロム膜は酸化クロム膜よりもレーザの吸収率が高いため、これを表面に形成しておくことによりレーザ加工の効率を高めることができる。そして、レーザ照射によりクロム膜が酸化クロム膜に変質されて強度が増し、続くウェットエッチング工程でもエッチングマスク膜が途中で破れることなく、凹部を十分に形成させることができる。
酸化クロム膜とクロム膜を積層する場合は、酸化クロム膜の膜厚を、クロム膜の膜厚の１／４〜１／２とすることが好ましく、１／３がもっとも好ましい。酸化クロム膜は圧縮応力を、クロム膜は引っ張り応力を、それぞれ有していることが知られており、膜厚を調整することによってこれらを打ち消すことができ、固有の応力によって膜が破れるのを防ぐことが可能となる。
本発明はまた、上述の製造方法で製造されたマイクロレンズ用凹部付き基板を鋳型とし、これに樹脂を充填することによって形成されたマイクロレンズアレイを含む透過型スクリーンを提供する。かかる透過型スクリーンは、安価に製造される、視野角の広いマイクロレンズアレイを備えた高性能なものであり、プロジェクタに好適に用いられる。
さらに、本発明は、上述の製造方法で製造されたマイクロレンズ用凹部付き基板を鋳型とし、これに樹脂を充填することによって形成されたマイクロレンズアレイを備える表示装置をも提供する。かかる表示装置も、安価に製造される、視野角の広いマイクロレンズアレイを備えた高性能なものである。
本発明に係るマイクロレンズ用凹部付き基板の製造方法では、レーザ照射による加熱でエッチングマスク膜を変質させることによって強度や基板との密着度を増加させ、ウェットエッチング工程で、エッチングマスク膜が除去されたり変質されたりするのを防ぐ。これにより、貫通孔を中心とした等方的なエッチングを十分に進行させることができ、各凹部間のツノをきれいに鋭く形成することができる。本発明による方法で製造されるマイクロレンズ用凹部付き基板を鋳型として得られるマイクロレンズアレイは、光学特性に優れ、透過型スクリーンや各種表示装置等に好適に用いられる。
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。
（従来技術）
まず、図４および図５を用いて従来技術を説明する。図４（Ａ）に示すように、従来法においても凹部のＳＤ比を１に近づけるため、まず、ガラス基板４０の上に、エッチングマスク膜として酸化クロム膜５２とクロム膜５４を形成する。続いて、図４（Ｂ）に示すように、凹部を形成する場所にレーザ照射または、凹部に対応するパターンのレジスト層を形成してエッチング（例えばＣＦガス等によるドライエッチング）を行い、貫通孔を形成する。
まず、図４および図５を用いて従来技術を説明する。図４（Ａ）に示すように、従来法においても凹部のＳＤ比を１に近づけるため、まず、ガラス基板４０の上に、エッチングマスク膜として酸化クロム膜５２とクロム膜５４を形成する。続いて、図４（Ｂ）に示すように、凹部を形成する場所にレーザ照射または、凹部に対応するパターンのレジスト層を形成してエッチング（例えばＣＦガス等によるドライエッチング）を行い、貫通孔を形成する。
エッチングによって貫通孔を形成する場合は、エッチングマスク膜は変質されない。また、図４（Ｂ）に示すように、レーザで形成する場合も、貫通孔の加工ピッチが広い場合は、エッチングマスク膜全体を変質さすることはできない（図５参照）。この結果、貫通孔の近傍のみ酸化クロム膜がクロム膜に改質される。改質された領域５８を同図に示す。
図４（Ｃ）にウェットエッチング工程を示す。エッチング液と接触させることにより、基板５０には凹部６０が形成される。一方で、エッチングマスク膜も熱により変質されていない領域は、エッチング液に対する耐性が低く、侵食を受ける。またこの部分はクロム膜が酸化クロム膜に改質されないまま酸化クロム膜に積層されているので、両者の応力によって膜が破れたり、基板からの剥離が起こり易くなっている。従って、等方性エッチングが十分に進行する前にエッチングマスク膜が基板表面から除去されてしまい、隣接する凹部６０の間に平坦な部分６２が残ってしまう。
このような基板を鋳型としてマイクロレンズアレイを作製すると、隣接するマイクロレンズの間にも平坦な部分が生じ、光学特性に劣るものとなる。
（第一の実施形態）
次に、上述の従来技術と比較して、本発明の第一の実施形態に係るマイクロレンズ用凹部付き基板の製造方法を説明する。
次に、上述の従来技術と比較して、本発明の第一の実施形態に係るマイクロレンズ用凹部付き基板の製造方法を説明する。
図１は、本実施形態の製造方法の工程を説明する説明図である。まず、図１（Ａ）に示すように、ガラス基板１０上に、エッチングマスク膜として酸化クロム膜１２およびクロム膜１４を形成する。酸化クロム膜１２およびクロム膜１４は、スパッタ法または蒸着により形成することができる。酸化クロム膜１２はクロム膜１４の膜厚の１／３とすることが好ましく、例えば酸化クロム膜の膜厚を１００Å、クロム膜の膜厚を３００Åとすることができる。
なお、エッチングマスク膜は、基板１０の裏面（凹部を形成しない面）にも形成してもよく、これにより基板をエッチング液に浸漬させた場合に基板１０が裏面からエッチングされるのを防ぐことができる。
続いて、図１（Ｂ）に示すように、レーザを照射して酸化クロム膜１２およびクロム膜１０に貫通孔１６を形成する。利用可能なレーザとしてはＣＯ2レーザ、エキシマレーザ等のガスレーザ、ＹＡＧレーザ等の固体レーザ等が挙げられる。
図２にレーザを照射する様子を示す。貫通孔１６は実線で表され、レーザの照射スポット２４は破線で表されている。このように、クロム膜１４表面の任意の一点が、必ずいずれかの照射スポット２４に含まれるようにレーザを照射することによって、クロム膜は効率よく酸化され、酸化クロム膜となる。
また、レーザ焦点部のビームモードをベッセル関数状の分布にすることが可能な、アキシコン素子を用いることにより、エッチングマスク膜の広い範囲に熱を与えることができて好ましい。さらに、各貫通孔にレーザを照射する際は、貫通孔の周囲に熱が伝わりやすいよう、繰り返しレーザを照射することも好ましい。図１（Ｂ）に、酸化クロム膜に改質されたクロム膜の領域１８を示す。
図１（Ｃ）は、ウェットエッチング工程を示す。ウェットエッチングは等方的に進行し、略半球状の凹部２０がガラス基板１０に形成される。エッチング液は、ＮＨ4ＨＦ2などフッ酸系エッチング液等を適宜選択して用いることができるが、硫酸等の酸を添加することが好ましい。酸の添加により、エッチング中に発生するガラスの生成物を溶かすことができ、エッチングレートを安定させることができる。
レーザを照射され酸化クロム膜に改質された領域１８は、エッチングによる侵食を受けにくい。また、２層のエッチングマスク膜が両方とも酸化クロム膜になることによって、両者が逆向きの応力を有する状態が解消されるので、膜が破れにくくなる。この結果、エッチング液に浸漬しても、等方性エッチングが十分に進行するまでの間、エッチングマスク膜が基板上に残され、略半球状の凹部が形成される。
こうして、図１（Ｄ）に示すように、隣接する凹部２０の間に、先端の尖ったツノ２２が良好に形成される。凹部が形成された後、例えばアルカリ水溶液等によるウェットエッチングなどによって、エッチングマスク膜を除去することができ、マイクロレンズ用凹部付き基板Ｓを完成することができる。裏面にもエッチングマスク膜を形成した場合は、このとき同時に除去することが可能である。
こうして形成されたマイクロレンズ用凹部付き基板Ｓを鋳型とし、これに樹脂を充填して硬化させ、その後基板Ｓを取り外すことによって、凸型のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイを得ることができる。樹脂の材料としては、例えば、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等が挙げられる。
以上説明した本実施形態によれば、エッチングマスク膜全体にレーザを照射することによって、貫通孔周囲のエッチングマスク膜も熱により変質し、エッチング液に対する耐性が増す。また、２層のエッチングマスク膜が両方とも酸化クロム膜になるので、両者の逆向きの膜応力によって膜が破れやすくなることもない。従って、ウェットエッチングで凹部を形成する間もエッチングマスク膜が基板１０表面に残され、等方性エッチングを十分に進行させることができる。この方法によって得られたマイクロレンズ用凹部付き基板には、隣接する凹部の間にツノが良好に形成され、これを鋳型にすれば光学特性に優れたマイクロレンズアレイを得ることができる。
（表示装置）
本発明に係る製造方法により製造されたマイクレンズアレイは、従来法により製造されたマイクロレンズアレイが用いられているあらゆる用途に用いることができ、例えば、拡散板、ブラックマトリクススクリーン、透過型スクリーンとして好適に利用し得る。また、本発明のマイクロレンズアレイは透過型スクリーンを用いたプロジェクタ等の表示装置にも好適に使用することが可能である。このような表示装置としては、具体的には背面透過型画像表示装置（リアプロジェクションテレビ）などが挙げられる。
本発明に係る製造方法により製造されたマイクレンズアレイは、従来法により製造されたマイクロレンズアレイが用いられているあらゆる用途に用いることができ、例えば、拡散板、ブラックマトリクススクリーン、透過型スクリーンとして好適に利用し得る。また、本発明のマイクロレンズアレイは透過型スクリーンを用いたプロジェクタ等の表示装置にも好適に使用することが可能である。このような表示装置としては、具体的には背面透過型画像表示装置（リアプロジェクションテレビ）などが挙げられる。
図３は、本発明に係る製造方法により製造されたマイクロレンズアレイを備えた背面透過型画像表示装置５００の概略図である。同図に示すように、上記表示装置５００には、筐体（キャビネット）５０２内に映像投射装置（投射型ブラウン管）５０４が備えられている。筐体５０２の後方の開口部はミラーカバーで覆われ、このミラーカバー内には反射鏡５０６が設置されている。筐体５０２前面には長方形状の開口部が形成されており、マイクロレンズアレイ１００が入射光側にレンズが形成された面１４０が向くように備えられている。
なお、本発明に係るマイクロレンズ用凹部付き基板Ｓは、樹脂を充填して硬化させ、樹脂と一体化された形で、マイクロレンズ基板として用いることもできる。このようなマイクロレンズ基板は、例えば液晶プロジェクタ用対向基板として用いることができる。
まず、ガラス基板上にエッチングマスク膜として酸化クロム膜を１００Åの厚さに形成し、その上にクロム膜を３００Åの厚さで積層した。
次に、酸化クロム膜およびクロム膜にレーザを照射して貫通孔を形成し、基板表面を露出させた。レーザ照射には、波長２４８ｎｍ、パワー密度１．０Ｊ／ｃｍ2とのエキシマレーザを用い、直径２．０μｍの貫通孔を形成した。
この際、貫通孔のピッチを７２μｍ×５４μｍとし、ある貫通孔を形成した時のエッチングマスク膜の改質領域が、隣接する貫通孔を形成する時の改質領域と重なるようにレーザ加工条件を調整し、エッチングマスク膜全体にレーザが照射され、熱により膜が変質されるようにした。
続いて、エッチング液としてＮＨ4ＨＦ2を４％、Ｈ2ＳＯ4を４％含む水溶液を調製し、エッチングマスク膜の形成されたガラス基板を浸漬させた。硫酸を添加することにより、エッチング中に発生するガラスの生成物を溶かすことができ、エッチングレートを安定させることができる。
この場合、等方性エッチングが十分に進行し、略半球状の凹部が形成され、隣接する凹部の間に鋭角なツノが形成されるまで、エッチングマスク膜は破れることなく基板状に残された。
一方、比較例として、貫通孔のピッチを１４４μｍ×１０８μｍとして同様の方法で凹部を形成した。この場合は、凹部が十分に形成される前にエッチングマスク膜が破れ、隣接する凹部の間に平坦な部分が生じた。
この結果から、膜全体がレーザ照射の熱によって変質された場合は、エッチングマスク膜が破れることなく、好適に凹部が形成され、貫通孔近傍しか変質されない場合は、エッチングマスク膜が途中で破れやすいことが確認された。
１０、５０…ガラス基板、１２、５２…酸化クロム膜、１４、５４…クロム膜、１６、５６…貫通孔、１８、５８…熱により変質されたエッチングマスク膜、２０、６０…凹部、２２…ツノ、Ｓ、Ｓ'…マイクロアレイ用凹部付き基板、５００…リアプロジェクションテレビ
Claims (9)
- 表面に複数の凹部が設けられ、該凹部に樹脂を供給することによりマイクロレンズが形成されるマイクロレンズ用凹部付き基板の製造方法であって、
前記エッチングマスク膜を形成する工程と、
前記エッチングマスク膜の前記各凹部が形成される領域にレーザを照射して、該領域に貫通孔を形成するとともに、前記エッチングマスク膜全体を加熱により変質させる工程と、
前記貫通孔によって露出された前記基板の表面にエッチング液を接触させることによって、前記基板表面に凹部を形成する工程と、を含む方法。 - 前記レーザを照射する工程で、前記エッチングマスク膜表面を隙間なく覆うようにレーザを照射する、請求項１に記載の製造方法。
- 前記レーザを照射する工程で、各照射スポットにおいて強度がベッセル関数状の分布を有するレーザを用いることを特徴する、請求項１または２に記載の方法。
- 前記レーザを照射する工程で、前記エッチングマスク膜全体が加熱により変質されるように、各凹部が形成される領域に複数ショットのレーザを照射する、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記エッチングマスク膜が２層形成され、基板側から順に酸化クロム膜とクロム膜である、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記酸化クロム膜の膜厚をクロム膜の膜厚の１／４〜１／２とする、請求項５に記載の方法。
- 請求項１から６のいずれか１項に記載の製造方法で製造された前記マイクロレンズ用凹部付き基板を鋳型とし、これに樹脂を充填して硬化させ、該樹脂から前記マイクロレンズ用凹部付き基板を取り外すことによって形成されたマイクロレンズアレイを備える透過型スクリーン。
- 請求項７に記載の透過型スクリーンを備えるプロジェクタ。
- 請求項１から６のいずれか１項に記載の製造方法で製造された前記マイクロレンズ用凹部付き基板を鋳型とし、これに樹脂を充填して硬化させ、該樹脂から前記マイクロレンズ用凹部付き基板を取り外すことによって形成されたマイクロレンズアレイを備える表示装置。
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