(57)【要約】【課題】  レーザーアブレーションにおける欠点である基板表面の粗面化を解決し、従来は不可能であった大面積基板上に極めて高精度に制御された曲率を持った単位胞から成るマイクロレンズアレイ用母型の作製を可能とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法を提供するものである。【解決手段】  多数のマイクロレンズアレイが設けられた光学部材を形成するための母型の製造方法であって、基板１上方にマスクパターンが形成されたフォトマスク２を配設し、該フォトマスク２を介してレーザービーム３を照射することで該基板１にマスクパターンに応じた所望の三次元パターンを形成する際、前記レーザービーム３のスポットサイズを拡大してフォトマスク２を透過させた後、該レーザービーム３のスポットサイズを縮小して基板１表面に照射することにより、該基板表面の一部を蒸発させるものである。【選択図】      図１
2005131940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数のマイクロレンズアレイが設けられた光学部材を形成するための母型の製造方法であって、基板上方にマスクパターンが形成されたフォトマスクを配設し、該フォトマスクを介してレーザービームを照射することで該基板にマスクパターンに応じた所望の三次元パターンを形成する際、前記レーザービームのスポットサイズを拡大してフォトマスクを透過させた後、該レーザービームのスポットサイズを縮小して基板表面に照射することにより、該基板表面の一部を蒸発させることを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、フォトマスクとして二値マスクが採用されていることを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、二値マスクを複数使用し、これら複数の二値マスクは、異なるマスクパターンを有することを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、フォトマスクとして遮光部に透過率の階調を有した階調マスクが採用され、該階調マスクは金属製で、その厚みを変化させることで前記透過率の階調が形成されていることを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、階調マスクを下記（１）の工程，（２）の工程，（３）の工程及び（４）の工程を順に行うことにより作製したことを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法。
記
（１）の工程：基板に設けた金属膜の表面に電子線レジストを塗布する工程。
（２）の工程：電子線の線量を変調させて走査することにより、電子線レジスト表面に
該電子線を照射する工程。
（３）の工程：現像して電子線が閾値以上の線量照射された部分を除去して厚み階調を
もった電子線レジスト層を形成する工程。
（４）の工程：反応性イオンエッチングにより、厚みに階調がつけられた電子線レジス
ト層を削り取り、該電子線レジスト層の厚み階調を金属膜に転写する工
程。
【請求項６】
請求項１記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、フォトマスクとして遮光部に透過率の階調を有した階調マスクが採用され、該階調マスクは、電子線を吸収して特定波長を含む光の透過率が変化する層を有し、吸収した電子線量と前記特定波長を含む光の透過率が１対１に対応する範囲が存在するガラスに、電子線を線量変調して照射し露光光透過率に階調をもたせることによって作製することを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法。
【請求項７】
請求項３〜６のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、マイクロレンズアレイ用母型の主平面に垂直な平面と、該マイクロレンズアレイ用母型の交線のうち最も長い交線を、下記式（１）で表される長さに分割した点を通る主平面に平行な平面と、該マイクロレンズアレイ用母型表面が交差して形成される図形を階調のパターンとして使用することを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法。
Ｃｓ／（ｇ−１）×（δ＋１）        式（１）
但し、Ｃｓ：マイクロレンズアレイ用母型の主平面に垂直な平面と、該マイクロレンズ
アレイ用母型表面の最も長い交線の長さ
ｇ：階調数
δ：−０．２から０．２までの数
とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロレンズアレイ用母型の製造方法に関し、特に、リアプロジェクションディスプレイ用スクリーンの一部を成すマイクロレンズアレイシートを製造するために使用される大面積母型を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般にリアプロジェクションディスプレイ装置は主として、画像を生成する部品である光学エンジン、そこから出射された画像光を投影用スクリーンに投影するための光学系、そして画像光を受ける投影用スクリーンの３種類の部品から成る。
【０００３】
このなかで、観察者からもっとも近い位置にある投影用スクリーンは２種類の光学部材から構成されており、これらは一般に、光学エンジン側からフレネルレンズ及びレンティキュラ板と呼ばれている。フレネルレンズの機能は画像光全体のコリメーションであり、レンティキュラ板の機能は個々の画素から出射される画素光の拡散角調整である。
【０００４】
光学エンジンから出射された画像光は投影用スクリーンに到達した際に投影用スクリーンの有効表示領域に一致した断面を持つように光学系によって拡大されるので、光学エンジンからの光束は観察者方向に向かって拡散しているが、各画素から出射される画像光のすべてが同一方向に拡散しているわけではない。出射された画像光の強度が最大となる方向は画素毎に異なっているので、画素光拡散角調節機能を持たない投影用スクリーンを使用した場合には、どの方向から見ている観察者にとっても表示画面の全体にわたって同一の表示品質を示すことができない。これは、視角−輝度分布特性が画素毎に異なるためである。
【０００５】
ところで、データ表示、たとえばコンピュータのモニターにとっては有効視野角範囲から見ているどの観察者に対しても画面の全体にわたって同一の表示品質を示すことが必要との設計思想がある。このためには画面を構成するすべての画素から出射された個々の画素光の強度がその有効視野角内でいずれの出射角方向にも同一となるように拡散されることが必要である。このような拡散面を使用した場合、有効視野角範囲内外の境界部に位置する観察者にとってはごくわずかの視点の移動で表示品質の急激な変化を見ることになるが、本質的に使用者すなわち観察者は一人なので問題にはならないと考えられている。
【０００６】
また、有効視野角範囲内における観察者の位置により表示品質が徐々に変化することが好ましいとの設計思想もあり、これは多人数で使用する場合、すなわちテレビに適していると考えられている。多くの場合真正面すなわち視角（スクリーン面への垂線と観察者の視線がなす角度）＝０°から見た時の輝度が最大で視角が傾いて行くに従い徐々に輝度が低下するような拡散パターンの設計がなされる。現在市場で見ることのできるプロジェクションディスプレイの多くはこのような特性を狙って設計されている。この場合もすべての画素から出射光の拡散パターンを同一にする必要がある。
【０００７】
投影用スクリーン上のすべての画素から出射された個々の画素光の拡散パターンを同一にするためには、光学エンジンから拡大光学系により投影用スクリーン面に様々な入射角度で到達し、それぞれ異なる光度の角度分布を有した個々の画素光に対し光学系を用いた補正を行わなくてはならない。
【０００８】
すなわち、投影用スクリーン面の各画素に対応したそれぞれの位置に光軸（最大光度を示す方向）と拡散角を補正するマイクロレンズを設けることにより上記目的を達成することができる。
【０００９】
しかし、投影用スクリーン面上の多数の画素に対応した位置に正確にマイクロレンズを配置することは極めて精密な位置決め操作が必要なため、その設備には高額の費用を必要とし、生産性も低いために製造コストが過大なものとなる。
【００１０】
また、このようなマイクロレンズアレイは特定の光学系と光学エンジンの組み合わせに対して設計されたものであるため汎用性がないことからさらに製造コストが増大する。
【００１１】
そこで、光学エンジン側の画素と投影用スクリーン面上の画素の位置決め操作を回避するために、投影用スクリーン面上に配置するマイクロレンズを複数に分割することが一般に行われる。
【００１２】
このとき、投影用スクリーン面上に配置するマイクロレンズのピッチを画素ピッチの１／５以下とすればある程度位置ずれが生じても解像度の目に見える低下は起こらないと考えられる。
【００１３】
一方、投影用スクリーン面上の各画素からの出射光の光軸と拡散角を補正するマイクロレンズをそれぞれ設計して製作することはきわめて繁雑かつ困難であることから、一旦コリメートしてスクリーンへの入射光の全体を平行光に変換し、マイクロレンズアレイでは光軸補正を行わない方法が現在では採られている。
【００１４】
即ち、投影用スクリーンの光学エンジン側にまずフレネルレンズを配置してコリメーションを行い、フレネルレンズから出射してくる平行光の拡散角をマイクロレンズアレイで補正する。マイクロレンズアレイに入射してくる画像光は平行光なので出射光に角度分布を持たせて広げること、すなわち拡散角補正がマイクロレンズアレイの最も重要な機能である。角度分布はマイクロレンズアレイを構成する単位胞の曲面形状で決定される。
【００１５】
以上、現在ではプロジェクションディスプレイ用スクリーンのすべてがこの構成をとっている。
【００１６】
しかしながら、現状使用されているマイクロレンズアレイは未だに重大な欠点を有している。プロジェクションディスプレイ用スクリーンに使用されるマイクロレンズアレイは一般にレンティキュラ板と呼ばれるシリンドリカルレンズアレイであり、一軸方向にしか拡散角補正機能がない。現在のリアプロジェクションディスプレイの主用途がテレビであり、多人数で見ることが多いため、拡散角補正を必要とする方向は主として横方向であり、縦方向への補正の必要がないわけではないが横方向におけるほどに必要とされていないので、シリンドリカルレンズ単位胞の長手方向を縦に配置して使用される。
【００１７】
縦方向の出射角はシリンドリカルレンズアレイを構成する部材に屈折率の異なる微粒子を添加して散乱特性を与えることにより若干拡大し得ているだけであり、不十分ながらもこの状態で使用されているのが現状である。
【００１８】
この現状技術において、下記ａ、ｂ及びｃに示す３点の問題が存在する。
【００１９】
ａ縦視野角が狭い。散乱特性を与えることにより縦視野角を拡大しようとしているに
もかかわらず、視野角は散乱によってほとんど拡大させることができない。公共の
場におけるデータ表示に使用される多くの場合には観察者の目よりも高い位置にデ
ィスプレイが設置されることが多く、縦視野角が狭いことは重大な問題である。
【００２０】
ｂ縦視野角拡大のために添加した微粒子による散乱がもたらす重大な副作用のひとつ
として、解像度の低下がある。現在のプロジェクションディスプレイの主要な用途
である大面積テレビにおいてはそれほど重大な問題とはなっていないが、今後高解
像度化が進んだ場合致命的な問題となる。
【００２１】
ｃ微粒子による散乱がもたらすもう一つの副作用として、スペックル（微小な輝点）
の発生がある。この現象は光学系のコヒーレント長よりも小さな散乱体が多数存在
することによるシンチレーションが原因となって起こる。
【００２２】
これらの問題を回避するため、シリンドリカルレンズを交差させて２枚使用することも行われているが、この場合にも下記ａ、ｂに示す２点の問題が存在する。
【００２３】
ａシリンドリカルレンズアレイシートを２枚使用するためこの部分の製造コストは単
純に二倍以上となり経済性に劣る。
【００２４】
ｂ空気と部材の界面が４箇所となり反射損失が増大し、さらに反射光が迷光となって
もたらす予期しない結像により表示品質が劣化する。反射防止膜の使用は製造コス
トを増大させる。
【００２５】
従って、リアプロジェクションディスプレイにおいて良好な表示品質を得るには、散乱体を一切添加しないことが必須であり、また、使用されるマイクロレンズアレイシートの枚数は１枚のみに押さえる必要がある。
【００２６】
そのためには二軸方向に集光特性を有するマイクロレンズアレイが必要である。このようなマクロレンズアレイはシリンドリカルレンズではなく一般にフライアイレンズと呼ばれる微小な球面あるいは非球面のレンズが縦横に配列された構造を持たなくてはならず、またそれを構成するマイクロレンズ単位胞は設計上の出射光拡散特性が得られるようにその曲面形状が制御されたものでなくてはならない。望ましい曲面形状は多くの場合特定のパラメータによって表現された放物面、双曲面、あるいは縦横の曲率が異なったトーリック面である。
【００２７】
しかし、これまでこのようなフライアイレンズによって構成されるマイクロレンズアレイシートを使用したプロジェクションディスプレイ用スクリーンは存在しなかった。成型のための型を製造することが極めて困難であったためである。
【００２８】
シリンドリカルレンズアレイの場合、型を製造するためには一軸方向への加工のみで十分なので、金属母材表面に所望の断面形状を持った溝を旋盤を用いて切削加工することにより製作することが可能である。一旦母型の製造に成功すれば、あとはプレス、キャスティング、あるいは押し出し成形等でプラスチック部材を成形加工すればよい。
【００２９】
ところがフライアイレンズの場合には、構造が二軸以上の方向に存在するため、旋盤による加工が不可能である。機械加工の手段がないわけではないが、たとえばエンドミルを使用して単位胞を一個ずつ切削した場合には膨大な時間を要することによるコストの増大以外に、単位胞中心部に加工の中心点が異常形状となって残留するという致命的な欠点が存在する。
【００３０】
そこで機械加工を行わずにフライアイレンズを製作する方法がこれまでに開発されてきている。それらについて下記１〜４に示す。
【００３１】
１  剛性微小球の配列
単位胞と同じ大きさの微小球を平面上に配列し、固定する。大面積対応は可能
であるが、単位胞サイズが小さくなった場合対応困難となる。また、配列操作
の問題から単位胞形状として球面以外のものを選択することが不可能、すなわ
ち、球以外のものを配列した場合に形状の方向性を揃えて配列することが不可
能なので設計上の自由度がなく望ましい画素光拡散特性を得ることができない
。
【００３２】
２  液体表面張力による曲面形成
（１）  リフロー法
フォトレジストを円柱形状にパターニングするかポリマー膜をレーザー加工で
円柱の配列を形成し、加熱して流動させることにより曲面を得る。          
大面積対応は可能であるが、単位胞形状がレジストの流動によって決定される
ので設計上の自由度がなく望ましい画素光拡散特性を得ることができない。ま
た、ある円柱を構成するポリマーが軟化流動した際に隣接した円柱から流動し
てきたポリマーに接触した場合には表面張力により滑らかにつながり、形状が
歪んでしまう。
【００３３】
（２）  インクジェット法
インクジェットプリンターによりポリマー溶液を出射して基板上に付着させ、
流動により曲面を得る。                                                
利点及び難点は前項のリフロー法と同様である。
【００３４】
３  剛性平面の部分エッチング
ガラス等の透明剛性平板表面にこの透明剛性平板材料を溶解させる薬剤に侵さ
れない材料から成る薄膜を成膜し、フォトリソグラフィー等により微小な穴を
あけてその穴から透明剛性平板表面をエッチングする。                    
大面積対応は可能であるが、穴から開始したエッチングは等方的に進行するの
で単位胞形状は球面となり、設計上の自由度がなく望ましい出射光拡散特性を
得ることができない。
【００３５】
４  三次元リソグラフィー
（１）  Ｘ線リソグラフィー
通常Ｘ線リソグラフィーはＬＩＧＡ（ＬＩｔｈｏｇｒａｐｈｙ−Ｇａｌｖａｎ
ｉｓｃｈｖｅｒｓｉｌｂｅｒｎ−Ａｂｄｒｕｃｋ）と呼ばれ、これまでもっぱ
らきわめて深く切り立った三次元パターンの作製に使用されていたが、曲面パ
ターン形成への適用が最近始まっている。                                
フライアイレンズの対称軸で切った断面形状から作製されたマスクをその対称
軸と直交しかつレジストを塗布した基板に平行な方向に摺動させながらＸ線を
照射することを各対称軸毎に行い、レジストを現像する。                  
高度に制御された単位胞曲面形状の作製が可能であるが、大面積への対応がき
わめて困難である。すなわち、線源にはシンクロトロンを使用するので設備費
用がきわめて大きいうえに、線源に対して基板を精密に位置決めしてステッピ
ング露光を行うことの可能な設備は現状では存在しない。
【００３６】
（２）  電子線リソグラフィー
ア  直接法
電子線レジストを塗布した基板表面に電子線を走査しつつ照射する。        
レンズアレイの深さ方向パターンに応じた線量を調節して吸収させ、レジスト
を現像した後にレジスト塗布面に垂直にバイアス電圧をかけた反応性イオンエ
ッチングにより基板をエッチングする。電子線レジストとの選択比で決まる倍
率だけ深さ方向の寸法が増幅されたレジストの三次元パターンが基板表面に転
写される。                                                            
高度に制御された単位胞曲面形状の作製が可能であるが、大面積への対応がき
わめて困難である。すなわち、一般に吸収電子線量の変調は走査中の電子線の
ＯＮ−ＯＦＦを多数回の走査において行うことにより実現するが、基板面積が
大きくなれば走査にかかる時間が膨大なものとなり現実的な時間内での完了は
望み得ない。また、プロジェクションディスプレイのスクリーンと同様の規模
の面積に対して電子線を走査可能な設備は現状では存在しない。
【００３７】
イ  間接法
電子線を吸収する事によって着色するガラス基板の表面に電子線を走査しつつ
照射する。レンズアレイの深さ方向パターンに応じた線量を変調して吸収させ
、深さ方向パターンが着色量の濃淡に変換されたグレイスケールパターンを基
板に描く。これをフォトマスクとして着色範囲の波長の光りでフォトレジスト
を塗布した基板を露光し、現像することによりレジストの三次元パターンが基
板表面に形成される。                                                  
高度に制御された単位胞曲面形状の作製が可能であるが、大面積への対応がき
わめて困難である。理由は上記直接法と同様である。                      
ただ、大面積のＬＣＤ用基板に微細パターンを形成するために使用されるステ
ッパーは最近ではプロジェクションディスプレイのスクリーンと同等規模の面
積の基板に使用可能なものも非常に高価ではあるが入手可能になってきており
、この方法で作製したフォトマスクをレティクルとしてステッピング露光を行
うことにより大面積基板への三次元リソグラフィーを実現できる可能性はある
。                                                                    
しかしながら、この間接法には下記ａ、ｂに示す２点の問題が存在する。
【００３８】
ａ  露光時間が極めて長くなってしまう。                              
通常、ＴＦＴ−ＬＣＤ基板等の配線パターンを描くバイナリーパターニ
ングで使用されるレジストの厚みは０．５〜１μｍ、厚くても３μｍを
越えることはないが、三次元リソグラフィーでは当然形成されるパター
ンの深さ以上のレジスト厚みが必要である。                        
形成されるパターンにもよるがリアプロジェクションディスプレイのス
クリーンに使用するマイクロレンズアレイの場合、最小でも３０μｍ、
最大を考えると１００μｍ程度は必要である。                      
バイナリーパターニングにおける露光時間は５〜３０秒程度なので単純
に膜厚の倍率だけかかるとしても一回の露光に５００〜３０００秒かか
ることになるが、Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則により深い部位の光
量はその部位に届くまでに吸収される量だけ減衰しており、レジスト厚
みが増大すればするほど指数関数的に必要露光時間が増大する。      
このような状況でステッピング露光を行った場合、最初のセクションの
露光を開始してから最後のセクションの露光を完了するまでにはきわめ
て長い時間を要することになる。たとえば一回の露光が１時間で完了す
るとしても、１００ｍｍのレティクルを使用して対角７０インチワイド
画面を露光するためには１４４回の露光が必要なので１４４時間以上か
けて露光しなくてはならない。この間にレジストが変質してしまう可能
性がある。
【００３９】
ｂ  ステッパーには焦点深度の問題が存在する。                        
ステッパー以外のマスク露光装置では露光されるレジスト膜付き基板に
対してフォトマスクを密着させるかあるいはプロキシミティと称して数
μｍのギャップを挟んで近接させた上でフォトマスク側から平行光を照
射してマスクパターンの陰を基板表面のレジスト層に投影する。従って
、回折によるエッジの非鮮明化以外の解像度低下要因はない。        
ステッパーの場合、複数回の露光で形成された各パターン相互の位置あ
わせ精度をあげるために可動部を必要最小減とするべく、基板ステージ
はＸ−Ｙ方向にのみ動くようになっている。従って、ステッパーではそ
れ以外のマスク露光装置で使用される密着露光やプロキシミティ露光は
使用されない。基板ステージの動きとフォトマスクの位置が干渉するた
めである。                                                      
ステッパーでは、基板近傍にフォトマスクを配置することをせず、光学
系によってマスクパターンを基板表面に結像させる方式をとっている。
【００４０】
これにより、マスクパターンの描いてある基板（レティクルと呼ばれる
）は光学系を挟んで基板と反対側に置くことができるので基板の動きと
干渉することはない。                                            
しかしそのために別の問題が発生する。結像させたパターンの解像度が
最小線幅以上に低下しないＺ軸方向の有効距離が存在し、これは焦点深
度と呼ばれる。ＬＣＤ基板用の大型ステッパーの場合焦点深度は最大で
も２０μｍ程度でしかなく、これよりも深い形状の三次元リソグラフィ
ーは不可能である。
【００４１】
５．レーザーアブレージョン
径を細く絞り込んだレーザービームを物質表面に照射すると、その部分は非常
に高い密度のエネルギーを与えられて急激に蒸発して除去される。この技術は
切断やマーキングなどに広く利用されている。このレーザービームのエネルギ
ーを変調しつつ基板表面を走査することにより深さが変調された三次元パター
ンを作製することが可能である。基板サイズも２ｍ２程度の大きさまでなら容
易に対応可能である。                                                  
しかしながら、アブレージョンされた基板表面は一般に極めて凹凸の激しい荒
れた表面となり、平坦な表面を得ることができない。凹凸の周期は一定してい
ないが、かなり細かく制御しても可視光の波長よりも若干大きい程度までしか
小さくならない。マイクロレンズアレイの表面にそのような凹凸が存在した場
合には画像光の散乱が起こり、正常な拡散特性が得られない。
【００４２】
以上述べたように、現状では、高度に制御されたフライアイレンズを作製する方法は存在してもリアプロジェクションディスプレイ用スクリーンのような大面積基板上に作製することができず、大面積基板に微細加工を行う手段は存在しても精密な形状の制御は不可能であったのが現状である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４３】
本発明は、上述のような現状に鑑み、レーザーアブレーションにおける欠点である基板表面の粗面化を解決し、従来は不可能であった大面積基板上に極めて高精度に制御された曲率を持った単位胞から成るマイクロレンズアレイ用母型の作製を可能とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００４４】
添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。
【００４５】
多数のマイクロレンズアレイが設けられた光学部材を形成するための母型の製造方法であって、基板１上方にマスクパターンが形成されたフォトマスク２を配設し、該フォトマスク２を介してレーザービーム３を照射することで該基板１にマスクパターンに応じた所望の三次元パターンを形成する際、前記レーザービーム３のスポットサイズを拡大してフォトマスク２を透過させた後、該レーザービーム３のスポットサイズを縮小して基板１表面に照射することにより、該基板表面の一部を蒸発させることを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法に係るものである。
【００４６】
また、請求項１記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、フォトマスク２として二値マスクが採用されていることを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法に係るものである。
【００４７】
また、請求項２記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、二値マスクを複数使用し、これら複数の二値マスクは、異なるマスクパターンを有することを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法に係るものである。
【００４８】
また、請求項１記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、フォトマスク２として遮光部に透過率の階調を有した階調マスクが採用され、該階調マスクは金属製で、その厚みを変化させることで前記透過率の階調が形成されていることを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法に係るものである。
【００４９】
また、請求項４記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、階調マスクを下記（１）の工程，（２）の工程，（３）の工程及び（４）の工程を順に行うことにより作製したことを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法に係るものである。  
記
（１）の工程：基板に設けた金属膜の表面に電子線レジストを塗布する工程。        
（２）の工程：電子線の線量を変調させて走査することにより、電子線レジスト表面に
該電子線を照射する工程。                                        
（３）の工程：現像して電子線が閾値以上の線量照射された部分を除去して厚み階調を
もった電子線レジスト層を形成する工程。                          
（４）の工程：反応性イオンエッチングにより、厚みに階調がつけられた電子線レジス
ト層を削り取り、該電子線レジスト層の厚み階調を金属膜に転写する工
程。
【００５０】
また、請求項１記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、フォトマスク２として遮光部に透過率の階調を有した階調マスクが採用され、該階調マスクは、電子線を吸収して特定波長を含む光の透過率が変化する層を有し、吸収した電子線量と前記特定波長を含む光の透過率が１対１に対応する範囲が存在するガラスに、電子線を線量変調して照射し露光光透過率に階調をもたせることによって作製することを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法に係るものである。
【００５１】
また、請求項３〜６のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ用母型の製造方法において、マイクロレンズアレイ用母型の主平面に垂直な平面と、該マイクロレンズアレイ用母型の交線のうち最も長い交線を、下記式（１）で表される長さに分割した点を通る主平面に平行な平面と、該マイクロレンズアレイ用母型表面が交差して形成される図形を階調のパターンとして使用することを特徴とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法に係るものである。                                                                
Ｃｓ／（ｇ−１）×（δ＋１）        式（１）
但し、Ｃｓ：マイクロレンズアレイ用母型の主平面に垂直な平面と、該マイクロレンズ
アレイ用母型表面の最も長い交線の長さ
ｇ：階調数
δ：−０．２から０．２までの数
とする。
【発明の効果】
【００５２】
本発明は上述のように構成したから、大面積基板上に極めて高精度に制御された曲率を持った単位胞から成るマイクロレンズアレイ用母型の作製を可能とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
好適と考える本発明の実施の形態を、図面に基づいてその作用効果を示して簡単に説明する。
【００５４】
基板１上方に、マスクパターンが形成されたフォトマスク２を配設し、このフォトマスク２を介して基板１上にレーザービーム３を照射し、このフォトマスク２のマスクパターンを反映したレーザービーム３により基板１表面を任意の形状に加工する。
【００５５】
この際、レーザービーム３のビームスポットを拡縮することでこのレーザービーム３の有するエネルギー密度を制御してフォトマスク２及び基板１に過度のエネルギーを与えることなく、このフォトマスク２のマスクパターンを反映したレーザービーム３により基板１表面を加工することができ、よって、従来は不可能であった大面積基板上に極めて高精度に制御された曲率を持った単位胞から成るマイクロレンズアレイ用母型の作製を可能とするマイクロレンズアレイ用母型の製造方法となる。
【実施例】
【００５６】
本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。
【００５７】
本実施例は、フォトマスク２を通過したレーザービーム３を基板１表面に照射することにより、レーザーアブレージョンによって平滑な曲面を作製する方法である。
【００５８】
レーザービーム３による基板１表面の加工は、市販のレーザー加工機により行う。具体的には、このレーザー加工機は、レーザービーム３を発生するレーザー発振器４，レーザービーム３の径を拡大する光学系５，任意のマスクパターンが形成されたフォトマスク２，このフォトマスク２が設けられるマスクホルダー，フォトマスク２を位置決めするマスク位置決め機構及びフォトマスク２を通過したレーザービーム３の径を縮小して加工対象である基板１表面に投影するための光学系６が設けられているものである。
【００５９】
光源レーザーは、要求される解像度、加工される基板の材質及びフォトマスク２の材質に応じて適宜選択される。より高い解像度が要求される場合には、波長の短い出力光を得られる光源を使用することが好ましい。従って、本実施例に適用されるレーザー光源としては、Ｎｄ：ＹＡＧの高調波やエキシマレーザーが適当である。
【００６０】
レーザーアブレージョンとは、特定波長のレーザー光を照射された基板表面において、その基板を構成する材料中の化学結合が光を吸収することにより切断され、分子量の小さなセグメントとなって蒸発する現象である。従って、加工を行うためには基板材料が吸収する波長のレーザー光源を使用する必要がある。一般的には、このような微細加工に使用されるほとんどの材料、例えば、ガラス、セラミックス、あるいはプラスチックなどは紫外域に吸収を有するので、それらのいずれかの材料に対して紫外線レーザーを使用することになる。
【００６１】
フォトマスク２の材料も波長との関係を考慮する必要がある。すなわち、フォトマスク２は加工のために使用する光を選択的に遮蔽して基板１表面に選択的に光を到達させるための部品であり、そのためにレーザー光源からの光を完全に吸収する部分と透過する部分が一枚のマスク内に配置されている。
【００６２】
光源のビームスポットサイズは特に問わないが、全加工時間は下記式（２）で表されるので、露光領域数、すなわち分割数が小さい方が加工時間を短くすることができる。従って、加工される基板の表面におけるビームスポットサイズは大きくした方が良い。
【００６３】
ｔ０×ｇ×ｄ＋α            式（２）
但し、ｔ０は一回の露光時間、ｇは階調数、ｄは露光領域数、αは露光処理以外の動作（主に露光領域間移動）にかかる時間とする。
【００６４】
望ましい投入エネルギー密度は、加工される基板の表面において０．１Ｊ／ｃｍ２以上、１０Ｊ／ｃｍ２以下が適切である、投入エネルギー密度が０．１Ｊ／ｃｍ２よりも低い場合にはアブレージョンの速度が小さすぎて加工時間が長くかかりすぎ、１０Ｊ／ｃｍ２よりも高い場合には通常行われるビーム走査によるアブレージョンの場合と同様に表面の荒れが著しくなって光学用途に使用できるような平滑な表面にならない。
【００６５】
また、基板材料がプラスチックのように蒸発させやすい材料の場合には比較的低いエネルギー密度に、ガラスやセラミックス材料のように蒸発させにくい材料の場合には比較的高いエネルギー密度に設定するのが好ましい。
【００６６】
フォトマスク基板に使用される材料はガラスが最も一般的であり、従って、基板表面に照射されるレーザービーム３をそのままフォトマスクに照射した場合、フォトマスク自体がアブレージョンしてマスクの役割を果たすことができなくなってしまう。
【００６７】
従って、エネルギー密度を下げるために光源から出射したレーザービーム３は一旦光学系５により断面積を拡大してフォトマスク２を通過させた後再び今度は別の光学系６により断面積を縮小してから基板１表面を照射する必要がある。ビーム断面積の拡大倍率は基板１表面のエネルギー密度によって異なるが一般に基板表面での断面積の２倍から１００倍の間とすることが好ましい。２倍より小さい場合にはフォトマスク２に加わるエネルギー密度が高すぎてフォトマスク２がアブレージョンを起こさないまでも温度が上がりすぎて不都合をもたらし、１００倍よりも大きい場合にはフォトマスク２の必要面積が大きくなって階調数が不足するなどの不都合が起こる。また、光源から出射した拡大前のビームスポットサイズと基板表面を照射するときのビームスポットサイズが同一である必要はない。
【００６８】
露光単位面、すなわち、ビーム断面あるいはフォトマスク有効領域は、広い面積の基板面をすべて過不足なく露光しなくてはならないので、重ねることなく全面を埋め尽くすことのできる形状を有していることが必要である。そのような形状としては、正方形、長方形、菱形、平行四辺形、対称軸を二本以上有する六角形等の比較的単純な図形から図２（Ａ），（Ｂ）に示す複雑な形状まで種々のものを使用することができる。
【００６９】
フォトマスク２に描かれるマスクパターンは作製するマイクロレンズアレイ用母型の曲面パターンの配列を所定の高さにおいてその主平面に平行な平面で切った断面を反映したものとするが、必ずしもその断面形状に一致したものではない。遮光領域は対応する断面によって決定されるものよりも狭くあるいは広く取る。マスクパターン形状はそのマスクパターンによって成形されたレーザービーム３によって削り取られた基板１表面の部分の形状が作製するマイクロレンズアレイ用母型の曲面パターンの同等となるように決定される。
【００７０】
作製するマイクロレンズアレイ用母型の曲面パターンの配列をその主平面に平行な平面で切る高さは、その曲面パターンを近似した階段状パターンの階段数（階調数）に依存する。
【００７１】
階調数はアブレージョンの際に形成される階段状パターンのエッジの形状と段差の大きさの関係を踏まえ、使用される条件下で不都合の生じない限りにおいて少なく取ることが好ましい。階調数はマスク数に等しいので階調数が増えることは多数のマスクを作製しなくてはならないことを意味し、更に、ひとつの露光領域を照射する回数が増えることをも意味する。即ち、階調数の増大はマスク作製コストの増大とプロセス時間の延長をもたらす。
【００７２】
即ち、レーザービーム３が照射された基板表面において、ビームの縁の部分はアブレージョンされて蒸発する部分としない部分の境界となるが、その境界部はそのときの波長、投入電力、パルス幅、基板材料の種類などによって決まる特定の形状をなす。
【００７３】
例えば、温度上昇がさほど大きくない場合には切り立った階段状を示すが、大きい場合には角が熔融状態になって丸みを帯び、甚だしい場合にはなだらかな斜面となる。温度上昇が大きい場合に見られるこのようなスムージング現象は少ない階調数、すなわちマスク数で滑らかな曲面が作製可能になるというメリットをもたらす。
【００７４】
しかしながら、このようなスムージング効果が大きすぎた場合には作製された曲面形状の設計からのずれが大きくなってしまうという不都合をもたらす。従って、スムージング効果によるマスク数の削減のメリットと設計からのずれのデメリットのバランスを考慮してマスク数とレーザービーム照射条件を決定する必要がある。
【００７５】
また、作製された曲面形状の設計に対するずれを極めて小さい範囲に収める必要がある場合には、温度上昇によるスムージング効果を期待できないので完成した形状は滑らかな曲面ではなく階段状の側面で構成されたものになる。このような構造において段差構造がもたらす散乱や回折の効果が甚だしく問題となる場合には、あとで熱処理することにより段差部を熔融させたりコーティングによって段差部に塗料を埋めたりして平滑化処理を施すことによりその様な不都合を軽減させることができる。
【００７６】
以上を考慮して階調数を決定し、各階調における遮光パターンを各断面の形状とそのときに使用するアブレージョンプロセスの性格、主として温度上昇からのスムージング効果を考慮して決定する。
【００７７】
このような階調のついたフォトマスク２を使用して、以下に述べるような手順で基板表面における露光量を調節しつつアブレージョンを起こす。全階調を一回の露光で実現する手法と各階調を別々のマスクに描き少なくともそれぞれのマスクを一回ずつ使用して少なくとも階調数の回数を重畳する手法とがあり、どちらを使用しても良い。
【００７８】
全階調を一回の露光で実現するには、各階調を一枚に描いたフォトマスク２を使用する。このようなフォトマスク２は、金属膜の厚みを制御するか、特殊なフォトクロミックガラスの着色量を制御する方法によって作製することができる。
【００７９】
金属膜の厚み制御は下記のようにして行う。まず、ガラスなどの露光光を透過する材料を基板とし、これにＣｒなどの金属膜をスパッタリングなどで成膜する。その上に電子線レジストを成膜（塗布）し、これに電子線の線量を変調しながら走査することにより、電子線レジスト表面全体に照射する。変調のパターンは金属膜の厚みパターンに対応したものとする。これを現像して電子線が所定量以上照射された部分を除去することにより目標とするマイクロレンズアレイ用母型の曲面パターンに対応した階段状のレジストパターン（厚み階調）となる。このレジスト表面から該マイクロレンズアレイ用母型に垂直な方向にＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）によって電子線レジストと金属膜を一括してエッチングすることで、電子線レジスト層の厚み階調をＣｒなどの金属膜の厚み階調に転写する。
【００８０】
即ち、表面に現像済みのレリーフを有した電子線レジスト膜を設けたＣｒ膜付き基板を真空槽中に置き、作製するマイクロレンズアレイ用母型の主平面に平行な二枚の平板電極で基板を挟んで排気減圧した後、不活性ガスと反応性ガスを導入しながらこれら電極間に直流電圧あるいは直流バイアスつきでＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ラジオ波領域の高周波。１０〜１００ＭＨｚ）をかける。
【００８１】
不活性ガスは真空槽内で発生させるプラズマを安定させるために導入する。基本的に真空槽内壁やその他の部材と反応しない方が良いので通常Ａｒ，Ｘｅ等の希元素を使用する。反応性ガスには電子線レジストと金属の夫々に対して適切な反応性を持つガスを使用する。電子線レジストは通常有機高分子を主成分とするので、電子線レジストに対する反応性を高く、即ち、電子線レジストのエッチング速度を大きくする場合には酸素を含むガスを、多くの場合酸素そのものを導入する。逆に金属膜のエッチング速度を大きくする場合にはハロゲンを含むガスを導入する。このようなガスにはテトラフロロメタン、トリフロロメタン、テトラクロロメタン、トリクロロメタン等が挙げられる。尚、これらのガスは単独で用いることも混合して用いることもできる。
【００８２】
適切なガス組成と圧力、放電電圧、バイアス電圧等を選択することにより微細な曲面形状を有した電子線レジスト表面からその組成のガスが電離して生成したイオンにより反応性および非反応性のエッチングによりその表面形状を維持しながら厚みが減少していき、最も電子線レジスト厚みの小さな部分から金属膜表面が露出し、次に金属膜がエッチングされる。金属のエッチング速度の方が大きいガス組成が使用された場合には金属膜表面の凹凸は電子線レジスト表面の凹凸よりも急峻になり、逆の場合はその逆の結果となる。
【００８３】
以上のようにして作製された階調マスク表面には反射防止膜を設けることができる。マスク表面の反射防止膜は迷光による悪影響を回避する機能を有するが反射光が戻らないような光学設計を行えば、必ずしも必要ではない。
【００８４】
着色量を制御した特殊なフォトクロミックガラスを使用したフォトマスク２は次のようにして作製される。このガラスはＨＥＢＳ（Ｈｉｇｈ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｂｅａｍ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）ガラスと呼ばれ、電子線により幅広い帯域において着色を起こすガラスであり、Ｃａｎｙｏｎ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．より販売されている。このガラスに、前記の金属階調マスクを作製する場合と同様に電子線を変調しながら走査して階調パターンを描くことにより作製可能である。
【００８５】
各階調を別々のマスクに描き、少なくとも夫々のマスクを一回ずつ使用して少なくとも階調数の回数を重畳する手法において使用される階調マスクは各階調を表現するマスクそのものは二値なので一般的なフォトマスクの作製法により作製することができる。
【００８６】
いうまでもなくこの場合に使用されるフォトマスク２は、一般的な薄膜パターニングにおいて使用される二値マスクであり、各階調に対応した複数の二値マスク相互の位置関係を可能な限り正確に制御する必要がある。位置決め精度の問題は後述する露光領域相互間のつなぎ合わせ位置決め精度の問題も含め、本実施例においては常に重要な要因であるが、この場合の各階調相互間の位置決め精度の方が露光領域相互間のつなぎ合わせ位置決め精度に比べて要求水準が高い。露光領域相互間のつなぎ合わせ位置決め誤差が後の工程で修正可能であるのに対し、単一露光領域内での階調間位置決め誤差は直接作製しようとする曲面の形状精度に影響するからである。階調間位置決め誤差の許容量は作製するマイクロレンズアレイ単位胞のサイズによって決まり、単位胞サイズの１％以内、具体的には０．１％以内とするのが好ましい。
【００８７】
また、各階調毎にフォトマスク２を使用して一回ずつアブレージョンした方が一回で全階調をアブレージョンする方法に比べ深い形状を作製しやすい。作製可能な曲面パターンの深さは全階調が一枚のマスクブランクスに描いてあるフォトマスク２の場合、透過率のダイナミックレンジと使用されるレーザー発信器の出力によってその限界が決定されるが、各階調毎にアブレージョンを行う場合には作製可能な深さに制限はない。もちろんパターンが深くなればレーザービーム３の照射回数が多くなるので作製にかかる時間は長くなる。
【００８８】
本実施例の重要な一部として各階調における明るさの決め方がある。
【００８９】
一般的には、ある範囲内で階調表示を行う場合、最も暗いレベルと最も明るいレベルの間を明るさにおいて等間隔に分割し、夫々のレベルを各階調のレベルとする。この関係は一般的には下記式（３）で表される。肉眼で見られる用途、即ち、印刷物などのような視覚への忠実度を重視する用途においてはこれにガンマ補正、即ち、視覚特性の補正、多くの場合Ｓ字曲線状のバイアスがかけれらる。
【００９０】
Ｌ０＋（Ｌｈ−Ｌ０）／（ｇｌ−１）        式（３）
但し、Ｌ０は最低レベルの輝度、Ｌｈは最高レベルの輝度、ｇｌは階調数とする。
【００９１】
しかしながら、アブレージョンによって曲面を作製する際にこの方法で階調分割を行った場合、図３に示すように接線と主平面のなす角が小さい部分での解像度が低下する。逆に、この角度が大きい領域においては場合によっては見かけ上分解能以上の解像度で加工することになり、事実上不可能である。
【００９２】
従って、本実施例においては、使用する階調マスクの階調分割を図４に示すように、作製されるマイクロレンズアレイ用母型の主平面と該マイクロレンズアレイ用母型との交線の中で長さが最長となる交線をおおよそ階調数−１等分した点で行うことにした。
【００９３】
ただ、この分割点は必ずしも等分点である必要はなく、だいたい等分点付近であればよい。従って、等分点から２０％前後する長さの範囲内とした。
【００９４】
以上のように、曲面の形状を基準に階調分割点を決定することにより、全階調において解像度を均一化できるので作製された曲面パターンへの設計への忠実性が向上する。
【００９５】
本実施例においては、上述したような３種類のフォトマスク２のいずれも用いることができる。全階調を一枚のフォトマスク２に描いたフォトマスク２を使用した場合には、それらのフォトマスク２を介して少なくとも一回レーザービーム３を基板１表面に照射した後、次の露光領域に対し同様の露光工程を実施する。各階調に対応した別々のフォトマスク２を使用する場合には、基板１表面の同一露光領域に対してフォトマスク２を特定の位置関係に保持して露光する工程を少なくともマスク数、即ち、階調数回実施した後に次の露光領域に移る。
【００９６】
上記のようにして基板表面の全体にわたって露光領域を必要な場合には隙間なく充填して露光し、目標とするマイクロレンズアレイ用母型を作製する。このとき隣接する露光領域間のつなぎ目における位置決め誤差の許容量は作製される単位胞の大きさにより、単位胞サイズの１／５以下、好ましくは１／５０以下とすることが好ましい。単一露光領域内における階調間位置決め誤差の許容量よりも隣接露光領域間のつなぎ目における位置決め誤差の許容量の方が大きい理由は下記の通りである。
【００９７】
単一露光領域内における階調間位置決め誤差は直ちに作製される曲面形状に影響する。従って、この場合の誤差は大きくても単位胞サイズの１％以下、望ましくは０．１％以下に押さえる必要がある。これに対して隣接露光領域間のつなぎ目における位置決め誤差は作製される曲面形状には影響しない。もちろん隣接露光領域間のつなぎ目が単位胞の内部にある場合には曲面の中につなぎ目を形成することになるので、このように露光領域を設計した場合には隣接露光領域間のつなぎ目における位置決め誤差にも単一露光領域内における階調間位置決め誤差と同様に極めて小さな数値が要求される。しかし、露光領域は隣接露光領域間の接合部が横切らないように設計することが可能であり、その様な設計を行った場合には後述する遮光膜を形成することによりかなり幅の広い継ぎ目部が存在してもその影響を除去することができる。
【００９８】
しかしながら、継ぎ目部は遮光部であり、この部分の面積がマイクロレンズアレイ全体に占める比率が高くなれば入射光のうち該シートにおいて吸収される部分の比率も高まる。即ち、光線の利用効率が低下する。従って、継ぎ目部の幅は広くなりすぎない方がよい。以上から、隣接する露光領域間のつなぎ目における位置決め誤差の許容量は単位胞サイズの１／５以下、好ましくは１／５０以下とすることが好ましい。
【００９９】
以上のような工程を経ることにより基板表面にはレーザーアブレージョンによって形成された滑らかな三次元パターンが完成する。これを母型としてマイクロレンズアレイを成型するための母型を製造する。
【０１００】
型の材料としては金属や合成樹脂が一般的に使用されている。金属を使用する場合、一般に電鋳と呼ばれる方法を使用する。導電性薄膜を成膜した上に電解鍍金で金属の厚膜を成長させる。
【０１０１】
導電性薄膜の成膜には銀鏡反応若しくは真空蒸着、スパッタリング等を使用する。
【０１０２】
電解鍍金で付着する金属にはＮｉが一般的に用いられる。また、合成樹脂の場合、一般にＳＭＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ  ＭｏｌｄｉｎｇＣｏｍｐｏｕｎｄ）と呼ばれる室温硬化型シリコーン樹脂を使用して形状転写を行う。
【０１０３】
このようにして基板表面の微細曲面形状を型に転写し、マイクロレンズアレイシートの成型を行う。型の上に非溶剤型の硬化性樹脂組成物を流し込み、マイクロレンズアレイ用基板を乗せて硬化させる。マイクロレンズアレイ用基板の厚みはマイクロレンズの焦点距離程度にしておく。
【０１０４】
マイクロレンズアレイ硬化後に離型し、マイクロレンズアレイ用基板のマイクロレンズアレイが形成されていない側の面に感光性粘着剤からなる膜を積層し、マイクロレンズアレイ側から平行光を照射してマイクロレンズアレイによる集光作用により感光性粘着剤の光路と干渉する部分のみを露光硬化させる。
【０１０５】
感光性粘着剤としては、光ラジカル反応により架橋するタイプ、光カチオンによる酸塩基反応により架橋するタイプ等、一般に入手可能なものを使用することができる。
【０１０６】
その後、黒色粉体あるいは脆い黒色膜を積層して粘着性の残留している光路と干渉しない部分に付着させ、遮光層（ブラックマトリクス）とする。これにより光路上のみが透明で光路にならないマイクロレンズアレイシート表面は黒色とすることができるのでスクリーンのコントラストを増大させることができる。
【０１０７】
さらにその上から、ブラックマトリクスを保護するためにバックシートを積層して貼り付ける。マイクロレンズアレイやバックシートの表面に反射防止膜を成膜すれば反射光による迷光が発生せず反射損失も低減できる。
【０１０８】
本実施例は上述のようにしたから、これまでのレーザーアブレージョン技術においては不可避であった解像度と処理速度の相反した関係を回避できる。即ち、レーザービームを拡大し、フォトマスクを介して基板表面に照射することにより、解像度がフォトマスクの解像度によって決定される。更に、一度にアブレージョンされる領域の面積が広くなるので高速で走査しなくてもアブレージョンを起こさせることができる。従って、単位時間×面積において投入されるエネルギーの量が小さくなるのでアブレージョンされた表面において急激な表面物質の蒸発が起こらず、そのためアブレージョンされた表面は平滑になる。また、本発明においてはフォトマスクを用いた階調露光の際に行う階調分割の手法について各層の厚みを等しくするのではなく、主平面に垂直な平面と曲面の交差する曲線の長さがほぼ等しくなるような分割を行うことにより曲面の全域においてほぼ均一な解像度の階調分割を実現できる。以上のことから、本実施例によれば、平滑で高度に形状が制御された曲面をもつ大面積のマイクロレンズアレイを作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本実施例の概略説明図である。
【図２】本実施例の露光領域の形状例である。
【図３】等高線によって階調分割を行う例である。
【図４】曲面形状を基本に階調分割を行う例である。
【符号の説明】
【０１１０】
１  基板
２  フォトマスク
３  レーザービーム
【図１】
2005131940.tif 000003
【図２】
2005131940.tif 000004
【図３】
2005131940.tif 000005
【図４】
2005131940.tif 000006