(57)【要約】【課題】突出高さが高い凸レンズを有するマイクロレンズアレイを精度良く製作する。【解決手段】第１の基板上にメッキ下地膜を介して複数のネガレジスト層を形成した後メッキ処理を行なうことにより複数のネガレジスト層に対応する凹部を有するＮｉ−Ｆｅ合金等からなる金属層１４を形成する。メッキ下地層及び複数のネガレジスト層を除去した後、金属層１４の背面を接着層１８により第２の基板１６に固定する。金属層１４の凹部に水溶性ポリマー層２０を介してＲ１１等のポジレジスト層を形成する。基板１６を裏返して各ポジレジスト層を石英基板２２の一方の主面に密着させる。水溶性ポリマー層２０を溶解して基板２２から金属層１４及び基板１６を分離する。各ポジレジスト層に加熱リフロー処理を施して凸レンズ形状を付与する。各ポジレジスト層の凸レンズ形状をエッチング処理により基板２２に転写して凸レンズを形成する。【選択図】        図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板の一方の主面にメッキ下地層を介して所望の凸レンズに対応するネガレジスト層をホトリソグラフィ処理により形成する工程と、
前記メッキ下地層の上に前記ネガレジスト層を覆うように金属層をメッキ処理により形成して前記金属層に前記ネガレジスト層に対応する凹部を付与する工程と、
前記メッキ下地層を除去して前記第１の基板から前記金属層を分離する工程と、
分離された前記金属層から前記ネガレジスト層を除去して前記凹部を露呈させる工程と、
前記金属層の前記凹部側とは反対側の面が第２の基板の一方の主面に対向するようにして前記金属層を該第２の基板に固定する工程と、
前記金属層の凹部に溶解性の犠牲膜を介してリフロー性の樹脂を充填して前記金属層の凹部に対応した形状を有する充填樹脂からなる樹脂層を形成する工程と、
レンズ材からなる第３の基板の一方の主面に前記樹脂層を密着させた状態で前記犠牲膜を溶解することにより前記金属層及び前記第２の基板を前記樹脂層から分離する工程と、
前記第３の基板の一方の主面において前記樹脂層に加熱リフロー処理を施して前記樹脂層に凸レンズ形状を付与する工程と、
前記樹脂層の凸レンズ形状をエッチング処理により前記第３の基板の一方の主面に転写して凸レンズを形成する工程と
を含むマイクロレンズアレイの製法。
【請求項２】
第１の基板の一方の主面に第１のメッキ下地層を介して所望の凸レンズに対応するネガレジスト層をホトリソグラフィ処理により形成する工程と、
前記第１のメッキ下地層の上に前記ネガレジスト層を覆うように金属層をメッキ処理により形成して前記金属層に前記ネガレジスト層に対応する凹部を付与する工程と、
前記第１のメッキ下地層を除去して前記第１の基板から前記金属層を分離する工程と、
分離された前記金属層から前記ネガレジスト層を除去して前記凹部を露呈させる工程と、
前記金属層の前記凹部側とは反対側の面が第２の基板の一方の主面に対向するようにして前記金属層を該第２の基板に固定する工程と、
前記金属層の凹部に溶解性の犠牲膜を介してリフロー性の樹脂を充填して前記金属層の凹部に対応した形状を有する充填樹脂からなる樹脂層を形成する工程と、
第３の基板の一方の主面に前記樹脂層を密着させた状態で前記犠牲膜を溶解することにより前記金属層及び前記第２の基板を前記樹脂層から分離する工程と、
前記第３の基板の一方の主面において前記樹脂層に加熱リフロー処理を施して前記樹脂層に凸レンズ形状を付与する工程と、
凸レンズ形状が付与された前記樹脂層を覆って前記第３の基板の一方の主面に第２のメッキ下地層を形成する工程と、
前記第２のメッキ下地層の上に金属をメッキすることにより前記樹脂層の凸レンズ形状に対応する球面状の凹部を有するメッキ金属製の成形型を形成する工程と、
前記第２のメッキ下地層を除去して前記成形型を前記第３の基板から分離する工程と、
分離された前記成形型を用いてレンズ材層の一方の主面に前記成形型の凹部に対応する凸レンズを形成する工程と
を含むマイクロレンズアレイの製法。
【請求項３】
前記ネガレジスト層を形成する工程では、前記ネガレジスト層を下部から上部に進むにつれてサイズが徐々に小さくなるように形成し、前記金属層に凹部を付与する工程では、該凹部を底部から開口端に進むにつれサイズが徐々に大きくなるように付与する請求項１又は２記載のマイクロレンズアレイの製法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、突出高さが高い凸レンズを有するマイクロレンズアレイを製作する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロレンズアレイの製法としては、石英基板の一方の主面に所望のレンズに対応するポジレジスト層をホトリソグラフィ処理により形成した後、ポジレジスト層を下向き（重力と同じ方向）にした状態でポジレジスト層に加熱リフロー処理を施してポジレジスト層に凸レンズ形状を付与し、さらにポジレジスト層の凸レンズ形状をドライエッチング処理により石英基板の一方の主面に転写して凸レンズを形成するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１７４９０３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術によると、ポジレジスト層の厚さを例えば１．５μｍとした場合、突出高さが２μｍ程度の凸レンズが得られている。凸レンズの突出高さを高くするには、ポジレジスト層の厚さを厚くすればよい。しかし、現在のポジレジストの性能では、パターニング可能な厚さ（解像限界の厚さ）が３０μｍ〜４０μｍ程度であり、これより突出高さが高い凸レンズは形成困難である。
【０００５】
一方、ネガレジストは、ポジレジストに比べて厚いパターンを形成可能である。これは、ポジレジストでは露光部が現像により溶解して未露光部が残るのに対し、ネガレジストでは未露光部が現像により溶解して露光部が残るというパターン形成原理の相違に基づくものである。現在では、５００μｍ程度の厚さを有するネガレジストパターンが形成されている。しかし、ネガレジストは、露光部が樹脂化するため、加熱リフロー処理により凸レンズ形状を付与することができない。
【０００６】
この発明の目的は、突出高さが高い凸レンズを有するマイクロレンズアレイを精度良く製作できる新規なマイクロレンズアレイの製法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る第１のマイクロレンズアレイの製法は、
第１の基板の一方の主面にメッキ下地層を介して所望の凸レンズに対応するネガレジスト層をホトリソグラフィ処理により形成する工程と、
前記メッキ下地層の上に前記ネガレジスト層を覆うように金属層をメッキ処理により形成して前記金属層に前記ネガレジスト層に対応する凹部を付与する工程と、
前記メッキ下地層を除去して前記第１の基板から前記金属層を分離する工程と、
分離された前記金属層から前記ネガレジスト層を除去して前記凹部を露呈させる工程と、
前記金属層の前記凹部側とは反対側の面が第２の基板の一方の主面に対向するようにして前記金属層を該第２の基板に固定する工程と、
前記金属層の凹部に溶解性の犠牲膜を介してリフロー性の樹脂を充填して前記金属層の凹部に対応した形状を有する充填樹脂からなる樹脂層を形成する工程と、
レンズ材からなる第３の基板の一方の主面に前記樹脂層を密着させた状態で前記犠牲膜を溶解することにより前記金属層及び前記第２の基板を前記樹脂層から分離する工程と、
前記第３の基板の一方の主面において前記樹脂層に加熱リフロー処理を施して前記樹脂層に凸レンズ形状を付与する工程と、
前記樹脂層の凸レンズ形状をエッチング処理により前記第３の基板の一方の主面に転写して凸レンズを形成する工程と
を含むものである。
【０００８】
第１のマイクロレンズアレイの製法によれば、所望の凸レンズに対応するネガレジスト層をマスクとするメッキ処理により金属層が形成され、この金属層にはネガレジスト層に対応する凹部が付与される。金属層からネガレジスト層を除去することにより凹部が露呈される。金属層の凹部に溶解性の犠牲膜を介してリフロー性の樹脂（例えばポジレジスト層）を充填することにより凹部に対応した形状を有する充填樹脂からなる樹脂層が形成され、この樹脂層を石英等のレンズ材基板に密着させた状態で犠牲膜を溶解することにより樹脂層から金属層が分離される。レンズ材基板において樹脂層に加熱リフロー処理を施すことにより樹脂層には凸レンズ形状が付与され、この凸レンズ形状をエッチング処理により基板表面に転写することにより凸レンズが形成される。ネガレジスト層は、５０μｍ以上の厚さで形成可能であり、突出高さが５０μｍ以上の凸レンズを精度良く製作可能である。
【０００９】
この発明に係る第２のマイクロレンズアレイの製法は、
第１の基板の一方の主面に第１のメッキ下地層を介して所望の凸レンズに対応するネガレジスト層をホトリソグラフィ処理により形成する工程と、
前記第１のメッキ下地層の上に前記ネガレジスト層を覆うように金属層をメッキ処理により形成して前記金属層に前記ネガレジスト層に対応する凹部を付与する工程と、
前記第１のメッキ下地層を除去して前記第１の基板から前記金属層を分離する工程と、
分離された前記金属層から前記ネガレジスト層を除去して前記凹部を露呈させる工程と、
前記金属層の前記凹部側とは反対側の面が第２の基板の一方の主面に対向するようにして前記金属層を該第２の基板に固定する工程と、
前記金属層の凹部に溶解性の犠牲膜を介してリフロー性の樹脂を充填して前記金属層の凹部に対応した形状を有する充填樹脂からなる樹脂層を形成する工程と、
第３の基板の一方の主面に前記樹脂層を密着させた状態で前記犠牲膜を溶解することにより前記金属層及び前記第２の基板を前記樹脂層から分離する工程と、
前記第３の基板の一方の主面において前記樹脂層に加熱リフロー処理を施して前記樹脂層に凸レンズ形状を付与する工程と、
凸レンズ形状が付与された前記樹脂層を覆って前記第３の基板の一方の主面に第２のメッキ下地層を形成する工程と、
前記第２のメッキ下地層の上に金属をメッキすることにより前記樹脂層の凸レンズ形状に対応する球面状の凹部を有するメッキ金属製の成形型を形成する工程と、
前記第２のメッキ下地層を除去して前記成形型を前記第３の基板から分離する工程と、
分離された前記成形型を用いてレンズ材層の一方の主面に前記成形型の凹部に対応する凸レンズを形成する工程と
を含むものである。
【００１０】
第２のマイクロレンズアレイの製法において、樹脂層に加熱リフロー処理を施す工程まではレンズ材基板の代りに他の基板を用いる点を除いて第１のマイクロレンズアレイの製法と同様である。加熱リフロー処理の後、凸レンズ形状が付与された樹脂層を用いるメッキ処理により凸レンズ形状に対応する球面状の凹部を有するメッキ金属製の成形型が形成され、この成形型を用いて球面状の凹部に対応する凸レンズが形成される。このような製法によれば、ネガレジスト層の厚さを５０μｍ以上に設定することにより突出高さが５０μｍ以上の凸レンズを精度良く量産することができる。
【００１１】
第１又は第２のマイクロレンズアレイの製法において、前記ネガレジスト層を形成する工程では、前記ネガレジスト層を下部から上部に進むにつれてサイズが徐々に小さくなるように形成し、前記金属層に凹部を付与する工程では、該凹部を底部から開口端に進むにつれてサイズが徐々に大きくなるように付与してもよい。このようにすると、金属層及び第２の基板を樹脂層から分離する工程において、分離作業が容易となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１〜１０は、この発明の一実施形態に係るマイクロレンズアレイの製法を示すものである。
【００１３】
図１の工程では、石英、シリコン又はガラス等からなる第１の基板１０の一方の主面にスパッタ法によりＣｒ層及びＣｕ層を順次形成してＣｕ／Ｃｒ積層（Ｃｒ層にＣｕ層を重ねた積層）１２を形成する。Ｃｕ／Ｃｒ積層１２は、メッキ下地層として用いられるもので、Ｃｒ層及びＣｕ層の厚さは、それぞれ２０ｎｍ及び１５０ｎｍとすることができる。Ｃｒ層は、Ｃｕ層の密着性を向上させるために用いられるものである。
【００１４】
図２の工程では、所望の６つの凸レンズにそれぞれ対応するネガレジスト層Ｒ１〜Ｒ６をＣｕ／Ｃｒ積層１２の上にホトリソグラフィ処理により形成する。Ｒ１等の各ネガレジスト層は、直径が０．５ｍｍ、厚さｔが７０μｍとなるように形成することができる。
【００１５】
図３の工程では、例えばＮｉ−Ｆｅ合金のメッキ処理によりＣｕ／Ｃｒ積層１２の上にレジスト層Ｒ１〜Ｒ６を覆うようにＮｉ−Ｆｅ合金からなる金属層１４を形成する。金属層１４の厚さＴは、２００μｍとすることができる。金属層１４には、レジスト層Ｒ１〜Ｒ６にそれぞれ対応する凹部Ｑ１〜Ｑ６が付与される。
【００１６】
図４の工程では、Ｃｕ／Ｃｒ積層１２のうち少なくともＣｕ層をエッチング処理により除去して金属層１４を基板１０から分離する。そして、金属層１４に付着しているレジスト層Ｒ１〜Ｒ６を薬液処理等により除去してレジスト層Ｒ１〜Ｒ６にそれぞれ対応する凹部Ｑ１〜Ｑ６を露呈させる。この後、金属層１４の凹部Ｑ１〜Ｑ６側の面とは反対側の面が石英等からなる第２の基板１６の一方の主面に対向するようにして金属層１４を接着層１８により基板１６に接着・固定する。
【００１７】
図５の工程では、金属層１４の凹部Ｑ１〜Ｑ６側の面に溶解性の犠牲膜としての水溶性ポリマー膜２０を塗布する。ポリマー膜２０は、Ｑ１等の各凹部において底面及び側壁面を覆うように形成される。
【００１８】
図６の工程では、リフロー性の樹脂としてのポジレジストをポリマー膜２０を介して金属層１４の凹部Ｑ１〜Ｑ６に充填して凹部Ｑ１〜Ｑ６にそれぞれ対応した形状を有するポジレジスト層Ｒ１１〜Ｒ１６を形成する。Ｒ１１等の各レジスト層は、その周囲の平面と共に平坦面をなすように形成される。
【００１９】
図７の工程では、図６に示す構造体を裏返してレンズ材基板としての石英基板２２の一方の主面にレジスト層Ｒ１１〜Ｒ１６を密着させる。
【００２０】
図８の工程では、図７に示したような密着状態において水中に浸漬してポリマー膜２０を溶解させることにより金属層１４及び基板１６をレジスト層Ｒ１１〜Ｒ１６から分離する。Ｒ１１等の各レジスト層は、石英基板２２の一方の主面に密着した状態で残される。
【００２１】
図９の工程では、基板２２の一方の主面においてレジスト層Ｒ１１〜Ｒ１６に加熱リフロー処理を施すことによりＲ１１等の各レジスト層に凸レンズ形状を付与する。Ｒ１１等の各レジスト層は、リフロー後においてリフロー前より高さが高くなり、図２の工程でレジスト厚さｔを７０μｍとした場合には約１００μｍの高さとなる。
【００２２】
図１０の工程では、ドライエッチング処理によりレジスト層Ｒ１１〜Ｒ１６の凸レンズ形状を基板２２の一方の主面に転写してレジスト層Ｒ１１〜Ｒ１６にそれぞれ対応する凸レンズＬ１〜Ｌ６を基板２２の一方の主面に形成する。ドライエッチング処理では、ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｃ３Ｆ８等のフッ素系ガスもしくはこれらの混合ガス又はこれらに酸素、アルゴン等を添加したガスを用いてエッチングを行うことができる。
【００２３】
上記した製法によれば、Ｌ１等の各レンズの突出高さＨが１００μｍもあるマイクロレンズアレイが得られ、Ｌ１，Ｌ２等の隣り合うレンズ間のピッチＰの精度としては、±０．５μｍ以下の高精度が得られた。
【００２４】
図１１は、変形例に係る金属層１４’を示すもので、この金属層１４’は、図４〜８の工程において前述した金属層１４の代りに使用することができる。
【００２５】
図１１の金属層１４’を得るには、図２の工程においてネガレジスト層Ｒ１〜Ｒ６をいずれも下部から上部に進むにつれてサイズが徐々に小さくなるように形成すればよい。このような順テーパー状のレジスト形状を得るためには、ステッパ（縮小投影露光装置）を用いた場合、
（１）フォーカス位置をレジスト内に設定する方法、
（２）露光マスクにおいて、マスク部の透過率を徐々に変化させる（レジストの裾にいくに従って透過率を高くする）方法
のうちのいずれかの方法を用いることができる。
【００２６】
図２の工程にてＲ１等の各レジスト層を順テーパー状に形成した場合、図３のメッキ工程では、図１１に示すように凹部Ｑ１１〜Ｑ１６がいずれも底部から開口端に進むにつれてサイズが徐々に大きくなるように金属層１４’に付与される。このような金属層１４’を用いると、図６の工程では、ポジレジスト層Ｒ１１〜Ｒ１６が凹部Ｑ１１〜Ｑ１６にそれぞれ対応した形状で形成され、図８の工程において、レジスト層Ｒ１１〜Ｒ１６から金属層１４’を分離する際に分離作業が容易となる。
【００２７】
図１２〜１５は、この発明の他の実施形態に係るマイクロレンズアレイの製法を示すものである。この製法において、図１２の工程の前までの工程は、図１〜９に関して前述した工程と同様であり、同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。ただし、基板２２としては、レンズ材基板に限らず、金属等の不透明基板を用いてもよい。
【００２８】
図１２の工程では、加熱リフロー処理により凸レンズ形状が付与されたポジレジスト層Ｒ１１〜Ｒ１６を覆って基板２２の一方の主面にスパッタ法によりメッキ下地層としてのＣｕ／Ｃｒ積層２４を形成する。Ｃｒ層及びＣｕ層の厚さは、それぞれ２０ｎｍ及び１５０ｎｍとすることができる。
【００２９】
図１３の工程では、例えばＮｉ−Ｆｅ合金のメッキ処理によりＣｕ／Ｃｒ積層２４の上にＮｉ−Ｆｅ合金製の成形型２６を形成する。このときのメッキ厚さは、２００μｍ程度とすることができる。成形型２６には、レジスト層Ｒ１１〜Ｒ１６の凸レンズ形状にそれぞれ対応して球面状の凹部Ｑ２１〜Ｑ２６が付与される。
【００３０】
図１４の工程では、Ｃｕ／Ｃｒ積層２４のうち少なくともＣｕ層をエッチング処理により除去して成形型２６を基板２２及びレジスト層Ｒ１１〜Ｒ１６から分離する。この結果、成形型２６の凹部Ｑ２１〜Ｑ２６が露呈される。
【００３１】
図１５の工程では、成形型２６をガラスモード用の型の台座に固定してガラスモールド処理を行なうことによりレンズ材層としてのガラス層２８の一方の主面に凹部Ｑ２１〜Ｑ２６にそれぞれ対応する凸レンズＬ１１〜Ｌ１６を形成する。そして、凸レンズＬ１１〜Ｌ１６を有するガラス層（マイクロレンズアレイ）２８を成形型２６から分離する。この後は、同様のガラスモールド処理を繰返すことによりマイクロレンズアレイを量産することができる。
【００３２】
図１２〜１５に関して上記した製法によれば、Ｌ１１等の各凸レンズの突出高さが１００μｍもあるマイクロレンズアレイが得られ、Ｌ１１，Ｌ１２等の隣り合うレンズ間のピッチ精度としては、±０．５μｍ以下の高精度が得られた。
【００３３】
上記した実施形態において、レンズ配置は、一次元配置としたが、二次元配置としてもよい。また、図１０又は図１５の工程で得られた凸レンズ型マイクロレンズアレイを用いて凹レンズ型マイクロレンズアレイを製作してもよい。すなわち、凸レンズ型マイクロレンズアレイの凸レンズパターンをレンズ材基板上に形成した流動性がある樹脂層に凹レンズパターンとして転写した後、この樹脂層を硬化させ、樹脂層の凹レンズパターンをエッチング処理によりレンズ材基板に転写することにより凹レンズ型マイクロレンズアレイを製作してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、ネガレジストパターンをメッキ処理によりメッキ金属層に凹部パターンとして転写すると共にメッキ金属層の凹部に溶解性の犠牲膜を介してリフロー性の樹脂層を形成し、樹脂層をレンズ材基板の一方の主面に密着させた状態で犠牲膜を溶解させて樹脂層からメッキ金属層を分離し、レンズ材基板上で加熱リフロー処理により樹脂層に凸レンズ形状を付与し、樹脂層の凸レンズ形状をレンズ材基板の一方の主面にエッチング処理により転写して凸レンズを形成するようにしたので、突出高さが高い凸レンズを有するマイクロレンズアレイを精度良く製作できる効果が得られる。
【００３５】
また、レンズ材基板の代りに他の基板を用い、他の基板上で加熱リフロー処理により樹脂層に凸レンズ形状を付与した後、メッキ処理により樹脂層の凸レンズ形状を成形型に転写し、成形型を用いて凸レンズを形成するようにしたので、突出高さが高い凸レンズを有するマイクロレンズアレイを精度良く量産できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係るマイクロレンズアレイの製法におけるＣｕ／Ｃｒ積層形成工程を示す断面図である。
【図２】図１の工程に続くネガレジスト層形成工程を示す断面図である。
【図３】図２の工程に続くメッキ工程を示す断面図である。
【図４】図３の工程に続く金属層分離工程、レジスト除去工程及び金属層接着工程工程を示す断面図である。
【図５】図４の工程に続く水溶性ポリマー塗布工程を示す断面図である。
【図６】図５の工程に続くポジレジスト層形成工程を示す断面図である。
【図７】図６の工程に続くポジレジスト層密着工程を示す断面図である。
【図８】図７の工程に続く水溶性ポリマー溶解工程及び金属層分離工程を示す断面図である。
【図９】図８の工程に続く加熱リフロー工程を示す断面図である。
【図１０】図９の工程に続くレンズ形成工程を示す断面図である。
【図１１】金属層の変形例を示す断面図である。
【図１２】この発明の他の実施形態に係るマイクロレンズアレイの製法におけるＣｕ／Ｃｒ積層形成工程を示す断面図である。
【図１３】図１２の工程に続くメッキ工程を示す断面図である。
【図１４】図１３の工程に続く成形型分離工程を示す断面図である。
【図１５】図１４の工程に続くガラス成形工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１０：第１の基板、１２，２４：Ｃｕ／Ｃｒ積層、１４，１４’：金属層、１６：第２の基板、１８：接着層、２０：水溶性ポリマー膜、２２：石英基板、２６：成形型、２８：ガラス層、Ｒ１〜Ｒ６：ネガレジスト層、Ｒ１１〜Ｒ１６：ポジレジスト層、Ｑ１〜Ｑ６，Ｑ１１〜Ｑ１６，Ｑ２１〜Ｑ２６：凹部、Ｌ１〜Ｌ６，Ｌ１１〜Ｌ１６：凸レンズ。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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