(57)【要約】【目的】  光ＭＥＭＳデバイスのような高機能デバイスの低コスト化、汎用化を実現するため、高透明である上に高耐熱、低ガス透過、低複屈折などの複合機能を持った透過型回折格子フィルムを低コストに提供する。【構成】  厚み500μm以下の樹脂フィルム表面に透過光を回折するための周期凸凹形状を形成することで、フィルムを透過する光を回折する透過型回折格子フィルムを作製する。フッ素化ポリイミドフィルムを用いることが好ましい。【選択図】        図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚みが５００μｍ以下の樹脂フィルムの表面に、透過光を回折するための周期凹凸形状が形成されていることを特徴とする透過型回折格子フィルム。
【請求項２】
前記樹脂フィルムの樹脂がフッ素化ポリイミド樹脂である請求項１に記載の透過型回折格子フィルム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高透明である上に高耐熱、低ガス透過、低複屈折などの複合機能を持ち、さらにはデバイスの薄肉化と低コスト化が可能な透過型回折格子フィルムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、微細加工技術の進展に伴い、デバイスの小型化、薄肉化及び高機能化が進んでいる。デバイスの小型化や高機能化は省スペースといったメリットだけでなく、使用される材料の量も減り材料コストが低くなる。そのようなデバイスの小型化や高機能化の代表格とも言えるのが、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）である。自動車用の加速度センサーやインクジェットプリンターのヘッド部分などは、ＭＥＭＳの成功事例として挙げられている。このようなＭＥＭＳデバイスに使われる部品には、一般的に高い耐久性が必要であると言われている。例えば自動車用に使用する場合には１００℃近い耐熱性が必要であり、電子デバイスのように溶融ハンダ接合をする場合にはさらに高い２００℃以上の耐熱性が必要となる。また、シリコンや有機半導体などを検知部として使用するようなセンサー用途では、酸素ガスや水蒸気ガスなどによってその検知部分が劣化しないような高ガス封止性も必要となる。一方、ＭＥＭＳにはＲＦ（高周波）やBIO（バイオ）など様々なカテゴリーがあるが、その中の一つとして光ＭＥＭＳがある。光ＭＥＭＳにも様々な用途や種類があるが、中でも注目されているのがＧＬＶ（Grating Light Valve）やマイクロスペクトロメータ、マイクロエンコーダのように回折光学素子を使用したデバイスである。回折光学素子は高い波長分解能と角度依存性を持っている上に、ミラーやプリズムのように多数そろえる必要も無く省スペース化が可能なので、光ＭＥＭＳ部品としては必須のものとなっている。このような光ＭＥＭＳ用途に使われる回折光学素子は、先ほど述べた高い耐久性が必要な点から、シリコンやガラスのエッチング加工によって作製されている。例えば、非特許文献１（R.W.Corrigan, D.T.Amm, and C.S.Gudeman：International Display Workshop,Kobe Japan, 9 Dec 1998, Paper Number LAD5-1）ではシリコンエッチング加工によって作製され、特許文献１、特許文献２などではガラスをエッチング加工することで回折光学素子が作製されている。
【０００３】
しかしながらシリコンやガラスのエッチングによって作製される回折光学素子は、作製コストが高いといった問題がある。また、シリコンやガラスは300μm以下に薄くしてしまうと剛性劣化による割れや反りの問題が発生するため、さらなる薄膜化によるデバイスの省スペース化が難しい。一方で、このような回折光学素子に従来の射出成形などで作製されたポリマーレプリカを適用しようとした場合、耐熱性やガス封止性などが低く、デバイスが劣化してしまう可能性がある。またその点を考慮して、高耐熱で高ガスバリア性の樹脂を用いて回折光学素子を成形した場合、一般的にこのような樹脂は透明性が低いため、透過型の回折光学素子としては使用できなくなってしまう。また現在、ポリマーレプリカで成形されている材料はポリカーボネイトやPMMAのように複屈折性があるものがほとんどであり、これは光学特性に影響を及ぼすため好ましくない。
【特許文献１】特開平8-261793号公報
【特許文献２】特開2000-352525号公報
【非特許文献１】R.W.Corrigan, D.T.Amm, and C.S.Gudeman：International Display Workshop,Kobe Japan, 9 Dec 1998, Paper Number LAD5-1
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光ＭＥＭＳのような高機能デバイス用途の回折光学素子を作製する場合、ガラスやシリコンの加工ではコストが高く、このような高機能デバイスを民生用途として汎用的に使用することが難しかった。またポリマーレプリカでは、信号の検出精度や分解能を悪くし、耐熱性やガス封止性の問題から長期的な信頼性も落ちてしまうといった問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、超小型で且つ高機能・高精度なマイクロスペクトロメータやマイクロエンコーダのような光ＭＥＭＳデバイスを実現するため、高透明である上に高耐熱、低ガス透過、低複屈折などの複合機能を持ち、さらにはデバイスの薄肉化と低コスト化が可能な透過型回折格子フィルムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、厚みが５００μｍ以下の樹脂フィルムの表面に、透過光を回折するための周期凹凸形状が形成されている透過型回折格子フィルムである。
【０００７】
本発明に従えば、従来の回折光学素子のようにガラスやシリコンのエッチング加工によって作製する必要が無く、射出成形法やホットエンボス法のようなポリマー成形技術や、インクジェット印刷やスクリーン印刷、グラビア印刷などの印刷技術によって、安価に回折光学素子を作製することができる。また、ポリマーであるため厚さ500μm以下に薄膜化したとしても、剛性劣化による割れや反りの問題は発生せず、柔軟なフィルムとして使用することができる。
【０００８】
また、フィルム材料としてフッ素化ポリイミドが好ましい。フッ素化ポリイミドを使用することで、３００度以上の温度にも耐えられる高耐熱化が可能となる上に、フッ素含有のポリイミドのため透明性と低ガス透過性も兼ね備えることができる。さらに、厚さ500μm以下のフィルム状なので、従来の回折光学素子よりも省スペース化と軽量化が可能となる上に、薄膜化による透過率の更なる向上ができる。またフッ素化ポリイミドは、特に延伸フィルム成形や押し出し成形などの方向性のある成形法以外の製法を用いることにより、複屈折がほとんど無いフィルムを成形することができるので、フィルムの複屈折性によって光学特性に悪影響を与えることも無くなる。
【０００９】
厚さは300μｍ以下であることが好ましく、さらには100μｍ以下が好ましい。これにより透明性が高まり、さらに柔軟性が向上する。厚さの下限は特に規定されないが実用上10μｍが好ましい。また本発明の回折格子フィルムは周期凹凸部も含めて全体が均一な材料からなることが好ましい。これによりフィルム内部に光学界面を生じることがない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の透過型回折格子フィルムは、成形や印刷といった低コスト且つ安定に供給ができる製造方法で作製できる上に、機能面や耐久面では従来のガラスやシリコン製の回折光学素子と同等レベルの性能を保つので、光ＭＥＭＳデバイスのように超小型で且つ高機能・高精度・高耐久性が必要な高機能デバイスを、安価に提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明者らは、厚み500μm以下のフッ素化ポリイミドフィルム上にレリーフ型の回折格子形状を成形することに成功し、そのフィルムにレーザー光を入射して透過光の角度依存性を評価したところ、透過型回折格子として機能していることを見出した。また、フッ素化ポリイミドフィルムの厚さを特に300μm以下にすることにより、広い波長範囲にわたって透過率は90%以上あり、厚み1mm程度のガラスや光学用透明ポリマー材料とほぼ同じかそれ以上の透過率を示すことを見出した。
【００１２】
レリーフ型回折格子を有したフッ素化ポリイミドフィルムの作製方法は、射出成形法やホットエンボス法、剥離層法、石英転写法、シリコン転写法のような金型やスタンパなどの転写の型を用いた成形によって作製することもできるし、あらかじめ用意したフィルム上にフッ素化ポリイミド樹脂を、インクジェット印刷やスクリーン印刷、グラビア印刷などの印刷によってレリーフ形状を形成することもできる。
【００１３】
フッ素化ポリイミドは300℃以上の耐熱性とフッ素含有のため極めて低い水蒸気ガス透過性を示すため、このようなフッ素化ポリイミドフィルム製の透過型回折格子フィルムは高耐熱性や高ガス封止性といった耐久性も兼ね備えている。
【００１４】
また、前記レリーフ型回折格子を有したフッ素化ポリイミドフィルムのハンドリングが難しい場合には、フィルムを薄い透明ガラス板上に貼り付けることで、そのハンドリング性能を向上させても良い。あるいは目的により非線形光学素子などの光学素子に貼り付けて用いることもできる。
【００１５】
本発明において、成形や印刷によって作製したフッ素化ポリイミド製の透過型回折格子フィルムを用いることで、マイクロスペクトロメータやマイクロエンコーダのように超小型・超薄型で且つ高検出精度・高検出分解能・高耐熱・高ガスバリア性などが必要な高機能デバイスを、安価に提供することが可能になる。
【実施例１】
【００１６】
本発明の実施例として、シリコン転写法を用いてフッ素化ポリイミドフィルム上にレリーフ型回折格子を形成した製造例を図１に示す。まず半導体リソグラフィー技術によって、シリコン基板１上にレリーフ型回折格子形状を形成し、この表面を1000℃・１時間熱酸化して熱酸化膜２を形成することでシリコンの転写型とした。次に前記のシリコン転写型上にフッ素化ポリイミド樹脂の前駆体をスピンコートし、窒素雰囲気下で300℃以上の熱乾燥によってイミド化してフッ素化ポリイミド膜３を形成した後、50℃以上の温水４に浸漬してフッ素化ポリイミドフィルムを剥離した。以上のプロセスでレリーフ型回折格子形状が表面に形成されたフッ素化ポリイミド製の回折格子フィルム5を成形した。回折格子の周期は、半導体リソグラフィー技術でレジスト表面に周期形状を形成する際に２光束干渉法を用いることで、最小0.2μm周期まで可能であった。フィルム膜厚は、スピンコート時の樹脂粘度やスピン回転数を選ぶことによって、10〜300μmの範囲で調整可能であった。図２に周期0.5μmの回折格子形状を膜厚40μmのフッ素化フィルム上に成形した例の表面段差形状測定結果を示した。
【００１７】
図2に示す形状が面積2cm×2cmの範囲に形成されたレリーフ型回折格子フィルムを作製し、波長632nmのレーザー光（He-Neレーザー）を入射角45°で入射し、透過回折光の回折角を測定した。測定系を図３に示す。その結果、−1次光の回折角θ-1＝−35.71°であり、計算値から求められる回折角φ-1＝−33.84°にほぼ一致した。さらに−1次透過回折効率の角度依存性を評価したところ、図４に示すような角度依存性が得られた。この結果は、図４に示した計算値から求められる回折効率の角度依存性と傾向がほぼ一致し、効率が計算値より小さいとはいえ、作製したレリーフ型回折格子が透過型回折格子フィルムとして機能していることが分かった。また、40μm厚のフッ素化ポリイミドフィルムの透過率を評価したところ、図５に示すように広い波長範囲で透過率90%以上と高い透明性を示すことが分かった。フッ素化ポリイミドを薄くすることによって、ポリカーボネートなどの光学材料と同等の透過率が得られることが分かる。さらに、表面が平坦な厚み40μmのフッ素化ポリイミドフィルムをクロスニコル偏光観察したところ、2枚の偏光子が90°の角を成す時（クロスニコル観察時）に完全に真っ暗となり、フィルムには複屈折性がほとんど無いことが分かった。以上のように、金型やスタンパを用いた転写成形のような低コスト作製プロセスによって、薄いフィルム状で高透明且つ複屈折性の少ないフッ素化ポリイミドの透過型回折格子フィルムが作製できることが分かった。
【実施例２】
【００１８】
本発明の他の実施例として、インクジェット印刷法を用いてフッ素化ポリイミドフィルム上にレリーフ型回折格子を形成した例を図６に模式的に示す。まず表面が平坦なフッ素化ポリイミドフィルム6を用意し、その上にアミック酸の状態のフッ素化ポリイミド樹脂の前駆体溶液8をインクジェット印刷によって等間隔に印刷する。印刷後は直ちに300℃以上の温度で熱乾燥することでイミド化し、平坦なフッ素化ポリイミドフィルム表面上に周期的な凸凹回折格子形状を作製する。回折格子の周期は、インクジェットヘッド7の走査速度、液適量を調整することで、最小10μm周期まで可能であった。フィルム膜厚は用意するフィルムに応じて、10〜500μmの範囲で調整可能であった。
【００１９】
以上のようなインクジェット印刷法によって、高透明である上に高耐熱、低ガス透過、低複屈折などの複合機能を持ち、さらにはデバイスの薄肉化と低コスト化が可能な透過型回折格子フィルムが作製できる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
このような透過型回折格子フィルムによって、高耐熱性や高ガスバリア性といった耐久性を保持しながら、高透明且つ低複屈折の薄い透過型回折光学素子が低コストに実現できるため、マイクロスペクトロメータやマイクロエンコーダのような高機能光デバイスの低コスト提供、及び汎用化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施例のシリコン転写法を示す図である。
【図２】本実施例の周期0.5μmの回折格子フィルムの表面形状を示す図である。
【図３】本実施例の回折角の測定系を示す図である。
【図４】本実施例の−１次透過回折効率の角度依存性を示す図である。
【図５】本実施例のフッ素化ポリイミドフィルムの透過率を示す図である。
【図６】本実施例のインクジェット印刷法を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１    シリコン基板、      ２    熱酸化膜、    ３    フッ素化ポリイミド膜
４    温水、          ５    回折格子フィルム、  
６    フッ素化ポリイミドフィルム、  ７    インクジェットヘッド
８    前駆体溶液
【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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