(57)【要約】  【課題】  マイクロレンズとその周辺部分に形成される遮光膜とを正確に位置合わせできる、マイクロレンズアレイの作製方法を得る。  【解決手段】  透明基板10上にマイクロレンズ12ａが複数アレイ状に形成され、各マイクロレンズ12ａの周囲部分に遮光膜11が形成されてなるマイクロレンズアレイ20を作製する方法において、透明基板10上に複数の開口11ａを有する遮光膜11を形成し、この遮光膜11の上から透明基板10上に、該透明基板10よりもガラス転移点の低い透明材料の層12を形成し、この透明材料層12の上にネガ型感光性樹脂層13を形成する。次いで透明基板越しに開口11ａを通して感光性樹脂層13に光照射し、それを現像処理して開口11ａに対応した感光性樹脂層13のパターンを形成し、該パターンをエッチングマスクとして透明材料層12をエッチングする。そしてこのエッチングで残った透明材料層12をリフローさせてマイクロレンズ12ａを形成する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板上に所定サイズのマイクロレンズが複数アレイ状に形成されるとともに、各マイクロレンズの周囲部分に遮光膜が形成されてなる遮光膜付きマイクロレンズアレイを作製する方法において、
透明基板上に、アレイ状に形成された複数の開口を有する遮光膜パターンを形成し、
この遮光膜の上から前記透明基板の上に、該透明基板よりもガラス転移点の低い透明材料の層を形成し、
この透明材料層の上にネガ型の感光性樹脂層を形成し、
この感光性樹脂層が感光する光を、透明基板越しに前記遮光膜パターンの開口を通して該感光性樹脂層に照射し、
この感光性樹脂層を現像処理して、前記遮光膜パターンの開口に対応した感光性樹脂層のパターンを形成し、
この感光性樹脂層のパターンをエッチングマスクとして前記透明材料層の露出している部分をエッチング除去した後に該感光性樹脂層のパターンを除去して、前記透明材料層のパターンを形成し、
次いで前記透明材料層を、そのガラス転移点以上でかつ前記透明基板のガラス転移点未満の温度に加熱してリフローさせることにより、マイクロレンズを形成することを特徴とするマイクロレンズアレイの作製方法。
【請求項２】
前記透明材料の層を形成する前に、前記透明基板上の少なくともマイクロレンズが形成される領域に、該透明材料の透明基板への拡散を抑制する拡散防止層を形成しておくことを特徴とする請求項１記載のマイクロレンズアレイの作製方法。
【請求項３】
前記感光性樹脂層に前記光を照射する露光期間中の少なくとも一時期、前記透明基板の向きを、この光の進行方向に対して基板法線が傾いた状態に設定し、この状態で該透明基板を所定の１つの基板法線の周りに回転させることを特徴とする請求項１または２記載のマイクロレンズアレイの作製方法。
【請求項４】
前記透明基板を回転させているとき、前記光の進行方向に対する基板法線の傾斜角を変化させることを特徴とする請求項３記載のマイクロレンズアレイの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロレンズが複数アレイ状に形成されてなるマイクロレンズアレイ、特に詳細には、マイクロレンズアレイの周囲部分に遮光膜を有するマイクロレンズアレイを作製する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、凸形状を有する直径数百μｍ以下程度のマイクロレンズが複数、透明基板上にアレイ状に形成されてなるマイクロレンズアレイが公知となっている。この種のマイクロレンズアレイは、液晶表示装置や固体撮像装置、光通信システム等を構成する光学部品として、近年幅広い分野で利用されてきている。このマイクロレンズアレイは、マイクロレンズのサイズが微小であることから、半導体微細加工技術を応用して作製されることが一般的となっている。
【０００３】
具体的にその作製方法としては、例えば上記特許文献１にも示されるように、透明基板上にフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成した後、レジストが軟化する温度以上に加熱することで表面張力により凸曲面形状を形成し、更にドライエッチングにより凸曲面形状を基板に転写することでマイクロレンズとする方法が知られている。
【０００４】
このマイクロレンズアレイにおいては、平坦な基板表面とレンズ曲面形成部分とが存在することから、平坦面を透過する透過光や、アレイ状にレンズを配置した場合に他のレンズから入って来る迷光など、光学性能を低下させる要因が存在する。
【０００５】
従来、このような迷光をカットするために、透明基板のマイクロレンズ形成部分以外の領域に、あるいはその領域にマイクロレンズの周縁近傍部分を加えた領域に遮光膜を設けることが考えられており、そのような遮光膜を持つマイクロレンズアレイの作製方法も種々提案されている。例えば特許文献２には、フォトリソグラフィにより遮光膜を形成した上に樹脂を加熱溶融してマイクロレンズを形成する方法が、また特許文献３には、マイクロレンズの表面にフォトリソグラフィにより遮光膜をパターニングする方法が、さらに特許文献４には、レンズ形成部以外をメッキすることで遮光膜を形成する方法が開示されている。
【０００６】
なお本明細書においては、上述のような２つの領域のいずれに遮光膜を形成する場合も、まとめて「マイクロレンズの周囲部分に遮光膜を形成する」と言うこととする。
【特許文献１】特開平６−１９４５０２号公報
【特許文献２】特開平７−１７４９０２号公報
【特許文献３】特開平８−３１３７０６号公報
【特許文献４】特開平１０−１６０９０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に示されている方法においては、形成されている遮光膜パターンに対して、マイクロレンズとなるパターンを、遮光膜の各開口の中心と各レンズの中心とが正確に一致する状態に位置合わせする必要がある。一方、特許文献３に示されている方法においては、形成されているマイクロレンズに遮光膜パターンを、これも遮光膜の各開口の中心と各レンズの中心とが正確に一致する状態に位置合わせする必要がある。そこでいずれの場合も、２枚のフォトマスクを用いて両者を正確に位置合わせする必要があるために、工程が多くて、マイクロレンズアレイ製造の歩留まりが低くなるという問題が認められる。
【０００８】
他方、特許文献４に示されるように、セルフアライメントによる遮光膜形成方法も提案されているが、そのような方法においては、レンズ下にＩＴＯ等の透明導電膜を形成する必要があり、光吸収が大きくなるという問題が生じる。また、メッキで遮光膜を作製するため、レンズとなる材料が、メッキ液により損傷しないような化学耐性の高い材質に限られるという不具合もある。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みて、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズと、その周辺部分に形成される遮光膜とを、遮光膜開口の中心とレンズ中心とが一致する状態に正確に位置合わせすることが可能で、またレンズ材料の選択の自由度も高い、マイクロレンズアレイの作製方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によるマイクロレンズアレイの作製方法は、マイクロレンズよりも先に透明基板に形成した遮光膜を、マイクロレンズ形成の際にエッチングマスクとして利用することにより、遮光膜の開口に対してマイクロレンズをセルフアレイメントで位置合わせできるようにしたものであり、具体的には、
透明基板上に所定サイズのマイクロレンズが複数アレイ状に形成されるとともに、各マイクロレンズの周囲部分に遮光膜が形成されてなる遮光膜付きマイクロレンズアレイを作製する方法において、
透明基板上に、アレイ状に形成された複数の開口を有する遮光膜パターンを形成し、
この遮光膜の上から前記透明基板の上に、該透明基板よりもガラス転移点の低い透明材料の層を形成し、
この透明材料層の上にネガ型の感光性樹脂層を形成し、
この感光性樹脂層が感光する光を、透明基板越しに前記遮光膜パターンの開口を通して該感光性樹脂層に照射し、
この感光性樹脂層を現像処理して、前記遮光膜パターンの開口に対応した感光性樹脂層のパターンを形成し、
この感光性樹脂層のパターンをエッチングマスクとして前記透明材料層の露出している部分をエッチング除去した後に該感光性樹脂層のパターンを除去して、前記透明材料層のパターンを形成し、
次いで前記透明材料層を、そのガラス転移点以上でかつ前記透明基板のガラス転移点未満の温度に加熱してリフローさせることにより、マイクロレンズを形成することを特徴とするものである。
【００１１】
なおこのマイクロレンズアレイの作製方法においては、前記透明材料の層を形成する前に、透明基板上の少なくともマイクロレンズが形成される領域に、該透明材料の透明基板への拡散を抑制する拡散防止層を形成しておくことが望ましい。
【００１２】
また、このマイクロレンズアレイの作製方法においては、前記感光性樹脂層に光を照射する露光期間中の少なくとも一時期、透明基板の向きを、この光の進行方向に対して基板法線が傾いた状態に設定し、この状態で該透明基板を所定の１つの基板法線の周りに回転させるようにしてもよい。そしてそのようにする場合は、透明基板を回転させているとき、前記光の進行方向に対する基板法線の傾斜角を変化させてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によるマイクロレンズアレイの作製方法においては、感光性樹脂層のパターンをエッチングマスクとして透明材料層の露出している部分をエッチング除去した後に、該感光性樹脂層のパターンを除去して透明材料層のパターンを形成し、次いでこの透明材料層をリフローさせてマイクロレンズを形成しているので、各マイクロレンズは、感光性樹脂層のパターンと整合して形成されるようになる。そしてこの感光性樹脂層のパターンは、遮光膜パターンの開口を通して照射された光で露光されたことにより、遮光膜パターンの開口と整合しているから、結局各マイクロレンズは、遮光膜パターンの各開口と自動的に整合するものとなる。
【００１４】
このようにして本発明のマイクロレンズアレイの作製方法によれば、遮光膜とマイクロレンズとを、遮光膜開口の中心とレンズ中心とが一致する状態にセルフアライメントで正確に位置合わせすることが可能となる。こうして、遮光膜とマイクロレンズをセルフアライメントで位置合わせして形成できれば、フォトマスクは１枚で済み、マイクロレンズアレイの低コスト化と歩留まり向上が実現される。
【００１５】
また、本発明のマイクロレンズアレイの作製方法においては、マイクロレンズの形成前に遮光膜をパターニングするようにしているので、酸やＣｌ系ガスを用いたパターニング工程にレンズ材料が曝されることがない。そこで、光耐久性に優れた一般的な無機ガラスは勿論のこと、比較的化学耐性の低い低融点ガラス等をレンズ材料つまり前記透明材料とすることも可能であって、レンズ材料の選択の自由度は非常に高いものとなる。
【００１６】
また、本発明のマイクロレンズアレイの作製方法において特に、前記透明材料の層を形成する前に、透明基板上の少なくともマイクロレンズが形成される領域に、該透明材料の透明基板への拡散を抑制する拡散防止層を形成しておけば、この透明材料の拡散が防止されて、光学性能の高いマイクロレンズアレイを作製可能となる。
【００１７】
なお、露光光の進行方向と基板法線が一致した状態に透明基板の向きを設定する場合、ネガ型の感光性樹脂層が露光される領域は、遮光膜の開口領域と基本的に一致する。それに対して、透明基板の向きを、露光光の進行方向に対して基板法線が傾いた状態に設定し、この状態で該透明基板を所定の１つの基板法線の周りに回転させる場合、ネガ型の感光性樹脂層が露光される領域は、遮光膜に近い部分ではその開口領域を基本的に一致するが、遮光膜から離れるに従って次第に大きくなる。したがってこの場合は、パターン化されてエッチングマスクとして機能するネガ型感光性樹脂層の大きさが、遮光膜開口よりも大きくなるので、レンズ材料として残される透明材料層のパターンも遮光膜開口より大きくなる。そこで、この残された透明材料層をリフローさせて形成されるマイクロレンズは、遮光膜開口よりも大きなものとなり、よって、レンズの周縁よりもレンズ中心側まで遮光膜が入り込んでいるマイクロレンズアレイを作製可能となる。
【００１８】
また、上述のように透明基板を回転させているとき、露光光の進行方向に対する基板法線の傾斜角を変化させると、ネガ型感光性樹脂層の感光域を正円形以外の楕円形等とすることができる。したがって、レンズ材料として残される透明材料層のパターンを正円形以外の楕円形等とすることができ、それにより、このパターン化された透明材料層をリフローさせて形成するマイクロレンズを非球面レンズとすることも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１実施形態の方法によってマイクロレンズアレイを作製する工程を概略的に示すものである。まず同図（１）に示すように、合成石英ガラス（一例としてHOYA株式会社製EQZ：ガラス転移点Ｔｇ＝約１５５０℃）からなる透明基板10上にＣｒからなる遮光膜11のパターンを形成する。なおこのパターン化された遮光膜11は、透明基板10上にＣｒをスパッタにより１００〜１５０ｎｍの膜厚に成膜し、その後通常のフォトリソグラフィにより、Ｃｒ膜に複数の円形の開口11ａを２次元アレイ状に形成してなるものであり、その平面形状を図２に示す。
【００２１】
次に図１（２）に示すように、遮光膜11の上から透明基板10の上にＢＰＳＧ（ホウ素燐ケイ酸ガラス）の膜12を成膜する。このときＢＰＳＧ膜12の膜厚は、作製するマイクロレンズの体積に合わせて調整する。なおＢＰＳＧのガラス転移点ＴｇはＢおよびＰの含有量に応じて変わるが、約６５０〜９００℃であって、透明基板10のそれよりも低い。
【００２２】
次に同図（３）に示すように、ＢＰＳＧ膜12の上に、化学増幅型ネガ型レジスト（日本ゼオン株式会社製：ＺＰＮ１１００）をスピンコートし、９０〜１００℃でソフトベークを行って、ネガ型感光性レジスト層13を形成する。その後アライナーを用いて、透明基板10の裏面側から平行光状態の紫外線14を、エネルギー密度２００〜５００ｍＪ／ｃｍ2で照射して露光を行う。こうすることによりネガ型感光性レジスト層13は、遮光膜11の円形開口11ａを通過した紫外線14が照射された部分のみが感光する。次いでこの感光性レジスト層13に対して、１００〜１１０℃の温度でＰＥＢ（Post Exposure Bake）を行う。
【００２３】
その後、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）を２．３８％程度含有するアルカリ現像液にて感光性レジスト層13を現像すると、同図（４）に示すように、紫外線14に感光した部分の感光性レジスト層13が円形に残り、その他の部分の感光性レジスト層13は除去されて、レジストパターンが形成される。なお紫外線露光に際しては、遮光膜11の開口11ａよりもレジストパターンが大きくなるように、感光性レジスト層13の標準的な露光量よりも大きな露光量で露光する。
【００２４】
次に同図（５）に示すように、プラズマ状態としたＣＦ4，ＣＨＦ3，Ｃ2Ｆ6，ＳＦ6等のフッ素系エッチングガス15を用いてＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）エッチングを行い、ＢＰＳＧ膜12をエッチングする。このとき、パターン化された感光性レジスト層13がエッチングマスクとして機能するので、ＢＰＳＧ膜12は、感光性レジスト層13と対応した円形部分が残るようにエッチングされる。またＣｒからなる遮光膜11は、フッ素系ガスに対するエッチングレートが小さいため、エッチングストップ膜として機能する。
【００２５】
その後、同図（６）に示すように、Ｎメチルピロリドンやアセトン等の溶剤により感光性レジスト層13を除去する。この感光性レジスト層13の除去は、ＢＰＳＧ膜12のドライエッチング後に連続して酸素プラズマによって行うこともできるが、その場合はＣｒからなる遮光膜11がエッチングされるため、エッチング量を見込んで遮光膜11を厚く形成しておく必要がある。
【００２６】
次に、加熱炉内において透明基板10を水平に保持し、窒素雰囲気中で、透明基板10のガラス転移点Ｔｇ＝約１５５０℃よりは低く、ＢＰＳＧ膜12のガラス転移点Ｔｇ＝約６５０〜９００℃よりは高い温度、例えば７００〜１０００℃に加熱して、円形にパターニングされているＢＰＳＧ膜12をリフローさせると、そこにレンズ曲面が形成される。その後徐冷し、適宜反射防止コートを行うと、ＢＰＳＧ膜12がリフローしてなるマイクロレンズ12ａが複数２次元アレイ状に形成され、そして各マイクロレンズ12ａの周囲部分に遮光膜11が配されてなる遮光膜付きマイクロレンズアレイ20が完成する。
【００２７】
なお本実施形態では、透明基板10として合成石英ガラス基板を、またレンズを形成する透明材料としてＢＰＳＧを用いているが、本発明はこの組み合わせに限定するものではなく、その他の公知の光学ガラスやＳＯＧ（Spin On Glass）等の中から、ガラス転移点Ｔｇの関係が既述の通りとなるものを２つ適宜選択して使用することも可能である。例えば、透明基板として石英ガラス基板を用いれば、マイクロレンズの熱膨張を、レンズ体となる透明材料そのものの熱膨張よりも少ない抑えることができ、それにより、位置精度を高く確保できるマイクロレンズアレイを作製可能となる。
【００２８】
また、本実施形態ではＢＰＳＧ膜12のエッチングにドライエッチングを用いているが、レンズを形成する透明材料のエッチングには、バッファードフッ酸などを用いたウエットエッチングを適用することも可能である。その場合には、透明材料の体積がレンズ体の体積と一致するよう、サイドエッチング量を見込んで透明材料の膜厚を調整する。
【００２９】
さらに、リフローさせる透明材料中の成分が透明基板に拡散する恐れがある場合は、透明基板上の少なくともマイクロレンズが形成される領域に、この拡散を抑制する、例えばＳｉＮx等からなる拡散防止層を形成しておくことが望ましい。そうする場合は、図３に示すように透明基板10の上に拡散防止層16を形成してからその上に遮光膜11を形成してもよいし、あるいは図４に示すように、透明基板10の上に遮光膜11を形成してからその上に拡散防止層16を形成してもよい。なおこの図３および図４において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は省略する（以下、同様）。
【００３０】
次に図５を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。この２の実施形態は、上述した第１の実施形態と比較すると、感光性レジスト層13に対する露光処理が異なるものであり、その他の処理は基本的に第１の実施形態と同様になされる。
【００３１】
すなわち、同図（１）に示す通り、遮光膜11、ＢＰＳＧ膜12および感光性レジスト層13が形成された透明基板10（図１の（３）までの処理がなされたもの）は、ＩＣＰエッチング装置内で、基板中心を通る１つの基板法線Ｌの周りに回転され、その状態で紫外線14によるネガ型感光性レジスト層13の露光がなされる。
【００３２】
そうすることにより感光性レジスト層13は、円錘形の一部を構成するテーパ状部分のみが感光することになる。つまり同図（２）に側面形状を示すと、破線で示すＶ字状部分の内側のみが感光する。この点を、図６を参照してより詳しく説明する。この図６は、回転している透明基板10の法線方向から該透明基板10越しに遮光膜開口11ａの近傍部分を見た状態を示している。この法線方向に対して紫外線14の進行方向が傾いていることにより、感光性レジスト層13における紫外線14の照射スポットは、図示の通り、遮光膜開口11ａとずれたものなる。そしてこのずれの方向は、透明基板10が１周回転する間に３６０°回転するので、感光性レジスト層13の感光域は、その外周縁を図中２点鎖線Ｅで示すように広がることになる。
【００３３】
この露光が終了した後、感光性レジスト層13を前述のように現像処理すると、該感光性レジスト層13は図５の（３）に示すように、感光した上記テーパ状部分のみが残った状態にパターン化される。そこで、次にこのパターン化された感光性レジスト層13をマスクとしてＢＰＳＧ膜12をエッチングすると、該ＢＰＳＧ膜12は同図（４）に示すように、中心が遮光膜開口11ａの中心と一致して、大きさはこの遮光膜開口11ａよりも大である正円形にエッチングされる。
【００３４】
そこで、次に同図（５）に示すようにＢＰＳＧ膜12をリフローさせてマイクロレンズ12ａを形成すると、このマイクロレンズ12ａの外径は、遮光膜開口11ａの直径よりも大きくなる。つまり本実施形態では、マイクロレンズ12ａの周縁よりもレンズ中心側まで遮光膜11が入り込んでいるマイクロレンズアレイ20′が作製される。
【００３５】
なお、上述のように透明基板10を回転させているとき、紫外線14の進行方向に対する基板法線Ｌの傾斜角θを連続的に変化させてもよい。そのようにすると、遮光膜開口11ａと、感光性レジスト層13における紫外線14の照射スポットと、感光性レジスト層13の感光域外周縁Ｅの関係は、図７に示すようなものとなる。つまりその場合は、感光性レジスト層13の感光域を略楕円形状として、ひいてはエッチングで残るＢＰＳＧ膜12を楕円形状とすることができるので、それをリフローさせて形成するマイクロレンズを非球面レンズとすることも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態の方法によってマイクロレンズアレイを作製する工程を示す概略図
【図２】上記工程において形成された遮光膜の形状を示す平面図
【図３】拡散防止層の一例を示す概略側面図
【図４】拡散防止層の別の例を示す概略側面図
【図５】本発明の第２の実施形態の方法によってマイクロレンズアレイを作製する工程を示す概略図
【図６】図５の方法におけるネガ型感光性樹脂層の感光域を説明する図
【図７】本発明による別の方法におけるネガ型感光性樹脂層の感光域を説明する図
【符号の説明】
【００３７】
10    透明基板
11    遮光膜
11ａ  遮光膜の開口
12    ＢＰＳＧ膜（透明材料の層）
12ａ  マイクロレンズ
13    ネガ型感光性レジスト層
14    紫外線
15    エッチングガス
16    拡散防止層
20、20′    マイクロレンズアレイ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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