(57)【要約】【課題】半導体の製造プロセスを利用して、マイクロレンズを形成する。【解決手段】被加工基板４とエッチングレートの異なる材料でこの被加工基板４のレンズ形成面に腐食マスク７を形成する。この腐食マスク７上に、開口部６を有する非腐食マスク５を形成する。この被加工基板４をエッチングすると、腐食マスク７に開口部８が形成されるとともに、この開口部８が拡大しながら、被加工基板４のこの開口部８により露出して行く部分がエッチングされ、非球面断面形状の凹部９が形成される。凹部９が所定の形状となると、マスクを除去することで、非球面マイクロレンズ１０が形成された被加工基板４が得られる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工基板に凹状のマイクロレンズを形成する非球面マイクロレンズの形成方法において、
前記被加工基板とエッチングレートの異なる材料でこの被加工基板のレンズ形成面に腐食マスクを形成し、エッチングにより前記腐食マスクに開口部を形成するとともに、この開口部を拡大しながら、前記被加工基板のこの開口部により露出して行く部分をエッチングして凹部を形成した後、前記腐食マスクを除去することを特徴とする非球面マイクロレンズの形成方法。
【請求項２】
前記腐食マスクのエッチングレートを前記被加工基板のエッチングレートより早くした
ことを特徴とする請求項１記載の非球面マイクロレンズの形成方法。
【請求項３】
前記腐食マスクの上に、前記開口部を形成するパターンが形成された非腐食マスクを形成した後、前記非腐食マスクおよび腐食マスクで被覆された前記被加工基板のエッチングを行う
ことを特徴とする請求項１記載の非球面マイクロレンズの形成方法。
【請求項４】
前記エッチングは、フッ化水素水溶液を用いたウエットエッチングである
ことを特徴とする請求項１記載の非球面マイクロレンズの形成方法。
【請求項５】
前記エッチングは、フッ化水素ガスを用いたドライエッチングである
ことを特徴とする請求項１記載の非球面マイクロレンズの形成方法。
【請求項６】
前記腐食マスクの不純物分布を制御することにより、前記開口部の開口速度を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の非球面マイクロレンズの形成方法。
【請求項７】
前記腐食マスクを少なくとも部分的に熱処理することによって、前記開口部の開口速度を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の非球面マイクロレンズの形成方法。
【請求項８】
前記腐食マスクを含む前記被加工基板を温度制御し、前記被加工基板と前記腐食マスクのエッチング速度比を制御して、前記被加工基板に形成される凹部の形状を制御する
ことを特徴とする請求項５記載の非球面マイクロレンズの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置等に用いられる非球面マイクロレンズの形成方法に関する。詳しくは、マイクロレンズが形成される被加工基板を、この被加工基板とエッチングレートの異なる材料からなる腐食マスクで覆い、エッチングによってこの腐食マスクに開口を形成し、この開口部を拡大しながら被加工基板をエッチングして凹部を形成することで、半導体の製造プロセスを利用して非球面レンズを形成できるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置、同プロジェクター装置では液晶部分を含む画素部分を光が透過、反射することにより、画像を得ている。マイクロレンズ（ＭＬ）は、通常パネル上全面に投射される光を屈折、集光し、パネル全体の光の透過効率を向上させるために設けられる。その形状は光学的な効率を上げるために非球面であることが望ましい。
【０００３】
従来のマイクロレンズは、非球面形状を得るために半導体プロセスでは用いられない特殊なプロセス、例えばレジスト積層構造やレジスト変形加工、金属メッキ工程等を使用して非球面形状を得た上で、金属メッキ等によりファーザーを作成し、ここに樹脂を流し込むことにより、スタンプ加工の方法でマイクロレンズを形成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この方法ではレジスト塗布を複数回行ったり、適度の変形特性を示すレジストを用意する必要があり、装置運用、スループット、コストの面で大量生産には不適である。またファーザー形成時にメッキによる加工が必要なため、高精度かつ高価なメッキ装置が必要となる。更にファーザーはレンズを形成後、ファーザーとレンズを引き剥がす際にメッキ剥がれが発生し、ファーザーの形状が変わることによる不良が少なからず発生し、歩留まり低下につながる。このファーザーの損傷は、通常修正不可能である。これもマイクロレンズ製造においてコストを上げる要因となっている。
【０００５】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、半導体の製造プロセスを利用して、容易に非球面レンズが得られる非球面マイクロレンズの形成方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するため、本発明に係る非球面マイクロレンズの形成方法は、被加工基板に凹状のマイクロレンズを形成する非球面マイクロレンズの形成方法において、被加工基板とエッチングレートの異なる材料でこの被加工基板のレンズ形成面に腐食マスクを形成し、エッチングにより腐食マスクに開口部を形成するとともに、この開口部を拡大しながら、被加工基板のこの開口部により露出して行く部分をエッチングして凹部を形成した後、腐食マスクを除去することを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る非球面マイクロレンズの形成方法によれば、被加工基板とエッチングレートの異なる材料でこの被加工基板のレンズ形成面に腐食マスクが形成される。この腐食マスクにエッチングによって開口部が形成されると、腐食マスク自体がエッチングによって腐食するので、開口部の径が徐々に拡大して行く。また、被加工基板の開口部によって露出して行く部分もエッチングされ、凹部が形成される。
【０００８】
これにより、被加工基板は深さ方向に対して幅方向のエッチングが速く進み、非球面の凹部が形成される。そして、腐食マスクを除去することで、凹状の非球面マイクロレンズが形成された被加工基板が得られる。
【０００９】
したがって、半導体の製造プロセスで利用される既存の設備を利用して非球面のマイクロレンズを容易に形成することができる。また、半導体の製造プロセスで利用される設備は高精度な加工が可能なので、高精度なマイクロレンズを大量にかつ安価に提供できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の非球面マイクロレンズの形成方法の実施の形態について説明する。図１は本実施の形態における非球面マイクロレンズの形成工程例を示す説明図である。本実施の形態の非球面マイクロレンズの形成方法は、被加工基板をエッチングにより腐食される材料によってマスクし、このマスクのエッチングレートと被加工基板のエッチングレートの違いを利用して、非球面レンズを形成するものである。
【００１１】
まず、ウエットエッチング法によってマイクロレンズを形成する例について説明するため、ウエットエッチング法の概要を図２を用いて説明する。図２は浸漬方式のウエットエッチング装置の構成例を示す概略説明図である。浸漬方式のウエットエッチング装置１は、処理槽２にエッチング液３を入れ、このエッチング液３中に、通常はフォトレジスト材で所定の形状のマスクがなされた被加工基板４を浸すことで、被加工基板４のマスクに覆われていない部分をエッチングするものである。
【００１２】
まず、通常のフォトレジスト材等、エッチング液による腐食の進まない材料のみをマスク材として用いてマイクロレンズを形成する場合について説明する。図３は被加工基板をマスクした状態の一例を示す断面図である。被加工基板４としては、光透過効率の高いガラス材を用いることとする。
【００１３】
まず、被加工基板４上にはエッチング液による腐食の進まない材料からなる非腐食マスク５を形成し、レンズ形状に加工する部分のみ例えば円形の開口部６を形成する。そして、図２に示すようにエッチング液３が入れられた処理槽２にこの非腐食マスク５が形成された被加工基板４を浸す。
【００１４】
図４は非腐食マスクのみで形成したレンズの構成例を示す断面図である。非腐食マスク５はエッチング液３により腐食が進まないので、加工終了まで残存する。この場合、開口部６から幅方向へのエッチング速度をＶｘ、深さ方向へのエッチング速度をＶｖとすると、開口部６から全ての方向に等速度でエッチングが進むため、Ｖｘ＝Ｖｖとなって、エッチングされる被加工基板４の断面形状は半球状になる。
【００１５】
次に、本実施の形態の非球面マイクロレンズの形成方法であるエッチングにより腐食される材料によるマスクを用いたレンズ形成方法について図１を用いて説明する。
【００１６】
まず、エッチング液により腐食の進む材料で、図１（ａ）に示すように、被加工基板４のレンズ形成面に腐食マスク７を形成する。ここで、腐食マスク７を構成する材料としては、通常の半導体製造プロセスで酸化膜として用いられるＳｉＯ２（二酸化シリコン）等でよいが、腐食マスク７のエッチングレートと被加工基板４のエッチングレートは異ならせる必要がある。特に、本例では、腐食マスク７のエッチングレートが被加工基板４のエッチングレートより早くなるような材料を選ぶ。なお、腐食マスク７の形成は、通常の半導体製造プロセスで使用されるＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置等の周知の薄膜形成技術を用いることができる。
【００１７】
次に、図１（ｂ）に示すように、腐食マスク７の上に、フォトレジスト材に代表されるエッチング液によって腐食の進まない材料を塗布し、露光、現像等を行って、開口部６を有する非腐食マスク５を形成する。ここで、開口部６の形状は円形とする。また、開口部６の径は、得ようとするマイクロレンズの径よりも小さいものとする。さらに、図１では開口部６を１個しか図示していないが、実際は、複数の開口部６が所定のパターンで並べて設けられる。なお、非腐食マスク５の形成は、通常の半導体製造プロセスで使用される周知のリソグラフィ技術を用いることができる。
【００１８】
次に、腐食マスク７および開口部６を有する腐食マスク５でマスクされた被加工基板４を、図２に示すようにエッチング液３が入れられた処理槽２に浸す。ここで、エッチング液３は、例えばＨＦ（フッ化水素）水溶液を含むものとする。すると、図１（ｃ）に示すように、非腐食マスク５はエッチング液３により腐食が進まないので、加工終了まで残存し、開口部６の形状も変化しない。
【００１９】
これに対して、腐食マスク７はエッチング液３により腐食が進むので、開口部６によって露出している部分からまず腐食が進み、開口部８が形成される。そして、この開口部８は順次径が拡大して行く。
【００２０】
また、被加工基板４の開口部８によって露出している部分も腐食が進む。ここで、腐食マスク７による開口部８は順次広がって行くので、被加工基板４において、エッチング液３と接する部分の径が順次広がっていく。
【００２１】
図５は腐食マスク７と被加工基板４のエッチング速度例を示す断面図である。上述したように、腐食マスク７のエッチングレートが被加工基板４のエッチングレートより早いので、幅方向のエッチング速度をＶｘ、深さ方向のエッチング速度をＶｖとすると、Ｖｘ＞Ｖｖとなって、被加工基板４においては、深さ方向に対して幅方向のエッチングが速く進み、図１（ｄ）に示すように、非球面断面形状の凹部９が形成されて行く。
【００２２】
凹部９が所望の形状となると、被加工基板４を図２に示す処理槽２から取り出し、被加工基板４の水洗い等でエッチングの進行を停止させる。そして、非腐食マスク５および腐食マスク７を除去することで、図１（ｅ）に示すように、凹状の非球面マイクロレンズ１０が形成された被加工基板４が得られる。
【００２３】
さて、腐食マスク７は、上述したようにＳｉＯ２等の酸化物系の膜を使用することにより、成膜条件や場合によってはアニール等の熱処理を加えることでその膜質を制御出来る。これにより、腐食マスク７の開口部８の開口速度を調整することが可能となる。
【００２４】
以下に、腐食マスク７の開口部８の開口速度の制御例を説明する。図６は不純物拡散工程例を示す断面図である。まず、エッチング液により腐食の進む例えばＳｉＯ２で、被加工基板４のレンズ形成面に腐食マスク７を形成する。次に、腐食マスク７の上に、Ｓｉ３Ｎ４（シリコン窒化膜）による非腐食マスク５を形成する。ここで、Ｓｉ３Ｏ４はＨＦ水溶液に対して腐食が進みにくいので、ウエットエッチングでは非腐食マスク５として用いることができる。
【００２５】
次に、非腐食マスク５に、周知のリソグラフィ技術（レジストプロセスとエッチングプロセス）を用いて、腐食マスク７に達する開口部６を形成する。この開口部６を設けた非腐食マスク５の上に、図６に示すように、更にＢＰＳＧ（ボロン・リン・シリケートガラス）に代表される高濃度不純物含有酸化膜１１を形成する。
【００２６】
図７は腐食マスク７内の不純物の濃度勾配例を示す断面図である。図６に示すように高濃度不純物含有酸化膜１１まで形成した被加工基板４の所望の一部、あるいは全体にアニール等の熱処理を行うことで、高濃度不純物含有酸化膜１１中の不純物を腐食マスク７に拡散させる。ここで、高濃度不純物含有酸化膜１１は、非腐食マスク５に設けた開口部６の部分で腐食マスク７と接触するので、腐食マスク７内において、開口部６と接触する部分の近傍では不純物の濃度が高く、開口部６から離れるに従い不純物の濃度が低くなるような濃度勾配が設けられる。ここで、非腐食マスク５は、高濃度不純物含有酸化膜１１からの不純物が直接腐食マスク７の表面に到達しないようにするマスクとしての役目を果たす。
【００２７】
この熱処理を行って不純物を腐食マスク７に拡散させた被加工基板４を図２に示すようにエッチング液３が入れられた処理槽２に浸すと、高濃度不純物含有酸化膜１１はエッチングレートが非常に早く、浸漬初期段階で消滅し、エッチング液３は非腐食マスク５とこの非腐食マスク５の開口部６から腐食マスク７に到達する。その後、腐食マスク７は、図７に示す不純物の濃度勾配を持つために、エッチングレートは不純物濃度に依存して変化する。すなわち、開口部６近傍の不純物高濃度領域では、早い速度でエッチングが進み、不純物濃度が低下して行くに従いエッチング速度が低下する。これによって被加工基板４は、図１に示す開口部８の開口速度が変化する腐食マスク７によってエッチング液３との接触面積が拡大していくことで非球面断面形状を得る。なお、この例でも、腐食マスク７のエッチングレートは被加工基板４のエッチングレートに比べて早いことが条件となる。
【００２８】
その後、腐食マスク７はエッチングが進み、非腐食マスク５との接触面積は減少していく。所望の断面形状が得られた後に、被加工基板４の水洗などでエッチングを停止し、その後、Ｓｉ３Ｎ４による非腐食マスク５を高選択エッチング、リン酸水溶液等で除去してマスク全体を除去する。これにより、図１（ｅ）に示すように、非球面マイクロレンズ１０が形成された被加工基板４が得られる。
【００２９】
次に、ドライエッチング法によってマイクロレンズを形成する例について説明するため、ドライエッチング法の概要を図８を用いて説明する。図８はガス方式のドライエッチング装置の構成例を示す概略説明図である。ガス方式のドライエッチング装置１２は、炉１３内に温度制御自在なプレートヒータ１４が設けられ、このプレートヒータ１４上に通常はフォトレジスト材で所定の形状のマスクがなされた被加工基板４を載せ、上方よりエッチングガス、ここではＨＦ蒸気を被加工基板４に供給することで、マスクに覆われていない部分をエッチングするものである。
【００３０】
このドライエッチング装置１２を用いた非球面マイクロレンズの形成方法は、図１で説明した工程と同じである。すなわち、図１（ａ），図１（ｂ）に示すように、被加工基板４の上に、ＨＦ蒸気により腐食される腐食マスク７を形成し、この腐食マスク７の上にＨＦ蒸気により腐食されない非腐食マスク５を形成して、この非腐食マスク５に開口部６を設ける。
【００３１】
被加工基板４上に形成された腐食マスク７は、ここでは例えば高濃度不純物含有酸化膜で、被加工基板４に比べてエッチングレートの高いものを選択する。この被加工基板４を、図８に示すドライエッチング装置１２の炉１３内のＨＦ蒸気雰囲気中に設置することで、腐食マスク７はＨＦ蒸気により腐食が進むので、図１（ｃ）に示すように、開口部６によって露出している部分からまず腐食が進み、腐食マスク７に開口部８が形成される。そして、この開口部８は順次径が拡大して行く。
【００３２】
また、被加工基板４の開口部８によって露出している部分もＨＦ蒸気が接触するので腐食が進む。ここで、腐食マスク７による開口部８は順次広がって行くので、被加工基板４において、ＨＦ蒸気と接する部分の径が順次広がっていく。
【００３３】
上述したように、腐食マスク７のエッチングレートが被加工基板４のエッチングレートより早いので、図５に示すように、被加工基板４においては、深さ方向に対して幅方向のエッチングが速く進み（Ｖｘ＞Ｖｖ）、図１（ｄ）に示すように、非球面断面形状の凹部９が形成されて行く。
【００３４】
ドライエッチング装置１２では、プレートヒータ１４によって被加工基板４の温度を制御することで、ＨＦ蒸気中における例えばＳｉＯ２とＰＳＧ（リン・シリケートガラス）間の選択比を変動させることが可能である。この原理を用いると、腐食マスク７の開口部８の開口速度を温度で制御することが可能となり、エッチング途中で開口速度を変えることで、断面形状を制御することが可能となる。
【００３５】
図９は腐食マスク７のみで形成したレンズの構成例を示す断面図である。例えば、被加工基板４上に腐食マスク７を形成し、周知のリソグラフィ技術（レジストプロセスとエッチングプロセス）を用いて、被加工基板４に達する開口部８を形成する。そして、図示しないフォトレジストマスクを除去した後、図８に示すドライエッチング装置１２の炉１３内のＨＦ蒸気雰囲気中に被加工基板４を設置することで、腐食マスク７はＨＦ蒸気により腐食が進むので、開口部８は順次径が拡大して行く。
【００３６】
また、被加工基板４の開口部８によって露出している部分も腐食が進む。ここで、腐食マスク７による開口部８は順次広がって行くので、被加工基板４において、ＨＦ蒸気と接する部分の径が順次広がっていく。これにより、被加工基板４においては、深さ方向に対して幅方向のエッチングが速く進み、非球面断面形状の凹部９が形成されて行く。ここで、腐食マスク７のみでレンズを形成する場合、腐食マスク７は表面からもエッチングが進行するため、腐食マスク７の膜厚は開口方向半径以上の膜厚を要する。
【００３７】
ドライエッチング法を用いる場合でも、図６および図７で説明したように、腐食マスク７に不純物を拡散して、開口部８の開口速度の制御を行うことが可能である。すなわち、図６に示すように、開口部６を設けた非腐食マスク５の上に、ＢＰＳＧ等の高濃度不純物含有酸化膜１１を形成する。
【００３８】
そして、高濃度不純物含有酸化膜１１を形成した被加工基板４に熱処理を行うことで、図７に示すように、高濃度不純物含有酸化膜１１中の不純物を腐食マスク７に拡散させる。ここで、高濃度不純物含有酸化膜１１は、非腐食マスク５に設けた開口部６の部分で腐食マスク７と接触するので、腐食マスク７内において、開口部６と接触する部分の近傍では不純物の濃度が高く、開口部６から離れるに従い不純物の濃度が低くなるような濃度勾配が設けられる。
【００３９】
この熱処理を行って不純物を腐食マスク７に拡散させた被加工基板４を図８に示すように炉１３内のＨＦ蒸気雰囲気中に設置すると、高濃度不純物含有酸化膜１１はエッチングレートが非常に早く、初期段階で消滅し、ＨＦ蒸気は非腐食マスク５とこの非腐食マスク５の開口部６から腐食マスク７に到達する。その後、腐食マスク７は、図７に示す不純物の濃度勾配を持つために、エッチングレートは不純物濃度に依存して変化する。すなわち、開口部６近傍の不純物高濃度領域では、早い速度でエッチングが進み、不純物濃度が低下して行くに従いエッチング速度が低下する。これによって被加工基板４は、図１に示す開口部８の開口速度が変化する腐食マスク７によってＨＦ蒸気との接触面積が拡大していくことで非球面断面形状の凹部を得ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、被加工基板とエッチングレートの異なる材料でこの被加工基板のレンズ形成面に腐食マスクを形成し、エッチングにより腐食マスクに開口部を形成するとともに、この開口部を拡大しながら、被加工基板のこの開口部により露出して行く部分をエッチングして凹部を形成した後、腐食マスクを除去するものである。
【００４１】
したがって、半導体の製造プロセスで利用される既存の設備を利用して非球面のマイクロレンズを容易に形成することができる。また、半導体の製造プロセスで利用される設備は高精度な加工が可能なので、高精度なマイクロレンズを大量にかつ既存の設備を利用することで安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における非球面マイクロレンズの形成工程例を示す説明図である。
【図２】ウエットエッチング装置の構成例を示す概略説明図である。
【図３】被加工基板をマスクした状態の一例を示す断面図である。
【図４】非腐食マスクのみで形成したレンズの構成例を示す断面図である。
【図５】腐食マスクと被加工基板のエッチング速度例を示す断面図である。
【図６】不純物拡散工程例を示す断面図である。
【図７】腐食マスク内の不純物の濃度勾配例を示す断面図である。
【図８】ドライエッチング装置の構成例を示す概略説明図である。
【図９】腐食マスクのみで形成したレンズの構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・ウエットエッチング装置、２・・・処理槽、３・・・エッチング液、４・・・被加工基板、５・・・被腐食マスク、６・・・開口部、７・・・腐食マスク、８・・・開口部、９・・・凹部、１０・・・非球面マイクロレンズ、１１・・・高濃度不純物含有酸化膜、１２・・・ドライエッチング装置、１３・・・炉、１４・・・プレートヒータ
【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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