(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロレンズアレイの製造方法の提供。【解決手段】基板上に自己組織化単層膜を形成し、自己組織化単層膜の被膜領域との関係で決定される親水性領域と疎水性領域を形成した後、基板上に液体材料を塗布し、塗布した液体材料を凝集させて、親水性領域に複数の液体マイクロレンズを形成し、紫外線照射または熱照射を用いて液体マイクロレンズを硬化し、複数のマイクロレンズを形成する。【選択図】図１
2007249158.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に自己組織化単層膜を形成し、親水性領域と疎水性領域を形成し、
基板上に液体材料を塗布し、塗布した液体材料を凝集させて、親水性領域に複数の液体マイクロレンズを形成し、
液体マイクロレンズを硬化し、複数のマイクロレンズを形成するマイクロレンズアレイの製造方法。
【請求項２】
自己組織化単層膜によって被覆される領域が疎水性領域であり、自己組織化単層膜によって被覆されない領域が親水性領域である請求項１記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
【請求項３】
自己組織化単層膜によって被覆される領域が親水性領域であり、自己組織化単層膜によって被覆されない領域が疎水性領域である請求項１記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
【請求項４】
自己組織化単層膜を形成する方法が、
第一鋳型上に接着層を形成し、
接着層を硬化して、第二鋳型を形成し、
第二鋳型から第一鋳型を分離し、
第二鋳型を用いて、微小接触印刷を介して、基板上に自己組織化単層膜を形成することを含む請求項１記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
【請求項５】
接着層が、ＰＤＭＳを有する請求項４記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
【請求項６】
液体マイクロレンズを硬化するステップが、紫外線照射または熱照射を用いることを含む請求項１記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光部品アレイとその製造方法に関する。より詳細には、この発明は、マイクロレンズアレイとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロレンズの応用が大きな注目を集めているが、それは、特に発光素子、光検出器、太陽電池、光ファイバ通信、および微小光電気機械システム等の分野において、マイクロレンズが光電子素子の性能を著しく改善できるためである。従来の技術では、発光ダイオードの表面上にマイクロレンズアレイを製造することで、光出射結合効率を５０％上昇させることが提案されている。従来の技術では、光検出器の表面上にマイクロレンズアレイを製造することで、光電流を１１％向上させることが提案されている。マイクロレンズアレイを衛星の太陽電池内で用いることで、太陽電池の光利用効率を改善することもできる。従って、我々は、マイクロレンズアレイを経済的に効果的に製造しなければならない。
【０００３】
マイクロレンズを製造するには、例えば、インクジェット印刷、フォトレジスト・リフロー、成型、ハーフトーン・マスク・リソグラフィ、およびレーザ直接描画など多くの方法がある。インクジェット印刷は主にインクジェットヘッドを用いて、等価な量の液体マイクロレンズ材料を基板上に押し付ける。それから、液体マイクロレンズ材料は、表面張力で半球状の液滴に自然に凝集し、それから硬化して、基板の表面上にマイクロレンズを形成する。マイクロレンズの形状は、液体マイクロレンズ材料の体積と基板の表面特性を制御することで調整できる。さらに、マイクロレンズの位置は、インクジェット印刷技術によって正確に制御できる。しかし、インクジェット印刷の欠点は、装置コストが高く時間がかかることである。
【０００４】
フォトレジスト・リフロー法は主に、フォトレジストの膜厚を制御するためにスピンコーティングを用い、フォトレジストの形状と位置を規制するためにリソグラフィック法を用い、それからフォトレジストが液状になるまで加熱する。この時点で、液体フォトレジストは表面張力下で半球状に凝集し、液体半球フォトレジストを室温で硬化させる。それから、ドライエッチングを行って、フォトレジストを基板の表面上で所望の形状にパターンニングする。固定型のマイクロレンズベースの場合、フォトレジストの膜厚はマイクロレンズの形状と所望の変換関係を有する。しかし、フォトレジスト・リフローの欠点はリソグラフィック装置が高価で、製造方法が複雑なことである。
【０００５】
成型では主に、微小機械的方法およびダイヤモンド研磨を用いて、金属バルク材料の表面上にマイクロレンズの凹状のメス型を製造する。それから、射出成型または機械的プレスを用いて、マイクロレンズの形状を規制する。しかし、成型の欠点は製造コストが高く、マイクロレンズの小型化が難しいことである。
【０００６】
ハーフトーン・マスク・リソグラフィは、主にハーフトーン・マスクを用いて光束量を制御し、高分子をマイクロレンズ材料として導入する。紫外光は結合部を切断することで、高分子をより小さな分子に切断でき、より小さな分子は現像液に溶解可能で、光束量が大きいほどエッチングは深くなる。マスク・リソグラフィの欠点は、ハーフトーン・マスクの製造コストが高く、製造方法が複雑なことである。
【０００７】
レーザ直接描画は、主にエキシマレーザを用いて基板を直接蒸発させ、マイクロレンズ形状を構成する。レーザ直接描画の欠点はエキシマレーザの装置が高価で、工作物の表面上に残った微粒子がマイクロレンズの光学特性に悪影響を与えることである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上の観点において、この発明の目的は、マイクロレンズアレイを製造する低コストな方法を提供することである。
【０００９】
この発明の以上の目的および他の目的に従って、この発明はマイクロレンズアレイの製造方法を提供する。まず、基板上に自己組織化単層膜を形成し、親水性領域と疎水性領域を形成する。基板上に液体材料を塗布すると、親水性領域に複数の液体マイクロレンズが凝集する。それから、液体マイクロレンズを硬化し、マイクロレンズを形成する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明の一実施例では、自己組織化単層膜によって被覆される領域は疎水性領域であり、自己組織化単層膜によって露出される領域は親水性領域である。
【００１１】
この発明の一実施例では、自己組織化単層膜によって被覆される領域は親水性領域であり、自己組織化単層膜によって露出される領域は疎水性領域である。
【００１２】
この発明の一実施例では、自己組織化単層膜を形成する方法は、第一鋳型上に接着層を形成し、接着層を硬化して第二鋳型を形成し、第一および第二鋳型を分離し、第二鋳型による微小接触印刷を介して、基板上に自己組織化単層膜を形成することを含んでいる。
【００１３】
この発明の一実施例では、接着層はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）である。
【００１４】
この発明の一実施例では、液体マイクロレンズを硬化するステップでは、紫外線照射または熱照射を用いる。
【発明の効果】
【００１５】
以上の観点において、この発明は自己組織化単層膜を導入し、基板の表面特性を変化させ、親水性領域と疎水性領域を形成する。その後、表面張力下で、親水性領域上に液体マイクロレンズ材料を凝集させることで、液体マイクロレンズを形成する。従って、この発明の方法は、マイクロレンズアレイの大量生産に適用することができる。マイクロレンズアレイの製造コストは、効果的に低減できる。
【００１６】
この発明の以上の目的および他の目的、特徴および利点を理解可能にするために、図面と共に好ましい実施例を以降で詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、この発明の一実施例によるマイクロレンズアレイの製造方法の流れ図である。図２Ａ〜２Ｇは、この発明の一実施例によるマイクロレンズアレイの製造方法のステップを示す断面図である。図１を参照すると、まず、ステップＳ１１０で、基板上に自己組織化単層膜を形成し、親水性領域と疎水性領域を形成する。次に、ステップＳ１２０で、基板上に液体材料を塗布し、親水性領域上に複数の液体マイクロレンズを凝集させる。次に、ステップＳ１３０で、液体マイクロレンズを硬化し、複数のマイクロレンズを形成する。
【００１８】
この実施例では、自己組織化単層膜を形成する方法は、微小接触印刷または他の適切な方法を含んでいる。
【００１９】
図２Ａを参照すると、微小接触印刷において、基板１１０とその上に配置した支柱構造１２０を備えた第一鋳型１００を提供する。この発明の一実施例によると、基板１１０はシリコンウェハであってもよい。基板１１０をパターンニングして、その上に支柱構造１２０を形成することもでき、支柱構造１２０は列状であってもプリズム状であってもよい。しかし、当然のことながら、支柱構造１２０は基板１１０上に材料層を形成し、それから材料層をパターンニングして、基板１１０上に支柱構造１２０を形成することもできる。
【００２０】
図２Ｂを参照すると、第一鋳型１００上には接着層２１０が形成されている。接着層２１０は、ＰＤＭＳであってもよい。特に、接着層２１０はＤｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ社が製造したシリコンエラストマ１８４であってもよく、ここでは主成分（試薬Ａ）と開始剤（試薬Ｂ）を１０：１の割合で混合し、均一な混合物が得られるまで５〜１０分かき混ぜる。その後、混合物を約１時間放置し、かき混ぜるステップ中に生じた気泡を消失させる。その後、混合物を第一鋳型１００の表面上に均一に塗布する。例えば、接着層２１０の厚さはおよそ数ｍｍとすることができる。
【００２１】
図２Ｃを参照すると、接着層２１０を硬化し、第二鋳型２００を形成する。それから、第一鋳型１００と第二鋳型２００を分離する。特に、接着層２１０は、加熱温度約６０〜８０℃で約１〜２時間、加熱ランプで加熱する。接着層２１０を硬化した後、第一鋳型１００と第二鋳型２００を機械的手段によって分離する。
【００２２】
硬化後、例えばＰＤＭＳからなる第二鋳型２００は高機械的強度および化学的安定性を備えたエラストマであり、第一鋳型１００内に設けた所望の形状に構成する。同様に、同じ第一鋳型１００によって複数の第二鋳型２００を成型でき、その結果、製造コストを効果的に低減できる。
【００２３】
図２Ｄを参照すると、第二鋳型２００の表面上に自己組織化単層膜材料を均一に塗布し、自己組織化単層膜３１０を形成する。第二鋳型２００の突出部は微小な穴を有し、第二鋳型２００は毛管作用を介して、自己組織化単層膜材料を吸収する。これ以降、自己組織化単層膜３１０を製造する構成要素および方法を詳細に例示する。
【００２４】
好ましくは、自己組織化単層膜３１０の構成要素は、適切な体積濃度またはモル濃度で有機溶剤に希釈したシラン化合物またはチオレン（thiolene）化合物である。シラン化合物およびチオレン化合物は空気中の水分および酸素と容易に反応することができるので、溶液は水分や酸素のない環境でかき混ぜるべきである。シラン化合物またはチオレン化合物の希釈に用いられる溶剤は、溶液の性質が劣化しないように高純度とすべきである。
【００２５】
特に、自己組織化単層膜３１０は一般的な化学構造Ｘ−Ｒ−Ｙを備えた材料であってもよく、ここでＸ官能基は基板との結合に適し、Ｒは炭化水素主鎖であり、Ｙ官能基は基板の表面特性の変化に適したものである。Ｒは−（ＣＨ２）ｎ−であってもよく、ここでｎは２以上である。
【００２６】
Ｘ官能基は、対称または非対称シラン化合物、−ＳｉＣｌ３、−ＳｉＯＣＨ３、−Ｒ’ＳＳＲ、−ＲＳＳＲ、−Ｒ’ＳＲ、−ＲＳＲ、−Ｒ’Ｓｅ−ＳｅＲ、Ｒ’ＳｅＲ、−ＲＳｅＲ、セレノール（−ＳｅＨ）、−ＲＳＨ、−ＣＮ、イソニトリル、三価のリン化合物、イソチオシアネート、キサンテート、チオレン化合物、フォスフィン、チオ酸、ジチオ酸、カルボン酸、ヒドロキシ酸、またはヒドロキサム酸からなる。さらに、上記のＲおよびＲ’は炭化水素から構成され、ＮまたはＦ等の異質元素を含む炭化水素の長鎖構造を有する。さらに、好ましくは、ＲおよびＲ’は分子の不規則な構成を避けるために、側鎖を持たない。
【００２７】
Ｙ官能基は、水酸基、カルボキシル基、アミノ基、アルデヒド基、ヒドラジド基、フルオロ基、フェニル基、カルボニルを含む金属化合物、エポキシ基、またはビニル基である。
【００２８】
図２Ｅを参照すると、第二鋳型２００を用いて、微小接触印刷によって基板４１０上に自己組織化単層膜３１０を形成する。この発明の一実施例では、基板４１０は、金属薄膜、金属酸化物、半導体材料または高分子材料を有する。金属薄膜の例には、金、銀、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、ジルコニウム、または白金が含まれる。半導体材料の例には、シリコン、二酸化シリコン、ガラス、または水晶が含まれる。高分子材料の例には、ポリエチレン−テレフタレート、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン、アクリロニトリル−メチルアクリレート共重合体、セロファン、チルセルロース、セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート、セルロースプロピオネート、セルローストリアセテート等のセルロース高分子、またはポリエチレン、ポリエチレン−ビニルアセテート共重合体、アイオノマ（エチレン高分子）、ポリエチレン−ナイロン共重合体、ポリプロピレン、メチルペンテン高分子、ポリビニルフッ化物、および芳香族ポリスルホンが含まれる。
【００２９】
例えば、親水性、疎水性、および液体接触角等の基板４１０の表面の物理的特性は、自己組織化単層膜３１０と基板４１０の間の共有結合によって修正できる。従って、親水性領域４１０ａと疎水性領域３１０ａを基板４１０上に規制できる。この発明の一実施例では、基板４１０の表面特性が親水性、自己組織化単層膜３１０の表面特性が疎水性になるので、自己組織化単層膜３１０を基板４１０上に塗布したとき、図２Ｅに示したように、自己組織化単層膜３１０によって被覆される領域が疎水性領域３１０ａになり、自己組織化単層膜３１０によって被覆されない領域が親水性領域４１０ａになる。
【００３０】
図２Ｆを参照すると、基板４１０上に液体材料を塗布すると、親水性領域４１０ａ上に複数の液体マイクロレンズを凝集させる。基板４１０の表面は疎水性領域３１０ａと親水性領域４１０ａに規制されているので、基板４１０上に液体材料を塗布すると、液体材料は表面張力下で、親水性領域４１０ａ上の複数の液体マイクロレンズに凝集される。特に、液体マイクロレンズ材料はフリーフロー特性を有し、液体材料が小さな表面エネルギで疎水性領域３１０ａと接触すると、液体材料は反発力下のより大きな表面エネルギで親水性領域４１０ａに向かって流れる。さらに、液体材料を半円球状に凝集させ、表面張力下で液体マイクロレンズを形成する。
【００３１】
その後、紫外線照射または熱照射法を行って、液体マイクロレンズを硬化し、複数のマイクロレンズ３２０を形成する。上記のマイクロレンズ３２０は透明であり、高い機械的強度、高い化学的安定性を有し、この発明による比較的簡単な方法を行うことで容易に製造できる。従って、マイクロレンズアレイのコストを効果的に低減できる。マイクロレンズ３２０の屈折率は、１〜２の間である。例えば、マイクロレンズ３２０は、エポキシ樹脂、アクリレート、ポリシロキサン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ペルフルオロシクロブテン、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリウレタンまたはＰＤＭＳであってもよい。
【００３２】
図３Ａは、この発明の一実施例による光部品アレイ素子の平面図であり、図３Ｂは図３ＡのラインＡ−Ａ’における断面図を示している。図３Ａと３Ｂを参照すると、光部品アレイ素子５００は、光部品アレイ素子本体５１０とマイクロレンズアレイ５２０を有する。光部品アレイ素子本体５１０は、例えば、表示装置、発光ダイオード、光検出器、または太陽電池である。さらに、マイクロレンズアレイ５２０は、光部品アレイ素子本体５１０の表面上に配置する。マイクロレンズアレイ５２０は自己組織化単層膜５２２と複数のマイクロレンズ５２４を有し、ここで自己組織化単層膜５２２は光部品アレイ素子本体５１０の表面上に配置し、その上に親水性領域５１０ａと疎水性領域５２２ａを規制する。さらに、マイクロレンズ５２４は、親水性領域５１０ａ上に配置する。
【００３３】
この発明の一実施例では、光部品アレイ素子本体５１０の表面が疎水性の場合、ＵＶオゾンまたはＯ２プラズマ等の表面処理を用いて、親水性表面を得ることができる。例えば、光部品アレイ素子本体５１０の表面が疎水性であり、自己組織化単層膜５２２の表面が親水性の場合、自己組織化単層膜５２２によって被覆される領域が親水性領域５２２ａであり、自己組織化単層膜５２２によって被覆されない領域が疎水性領域５１０ａとなる。
【００３４】
当然のことながら、上記のマイクロレンズアレイの製造方法は、表示装置、発光ダイオード、光検出器、または太陽電池上のマイクロレンズアレイの製造に適用されるだけでなく、様々な光部品アレイ素子の表面上のマイクロレンズアレイの製造にも適用できる。
【００３５】
発光ダイオードの場合、マイクロレンズアレイは全反射の可能性を低減できるだけでなく、導波路構造およびマイクロキャビティ効果を遮断し、発光効率を改善することもできる。
【００３６】
光検出器の場合、マイクロレンズアレイは信号光を光検出領域に集束し、それによって光利用効率、光検出器の信号対雑音比を向上させ、さらに応答時間を改善し、それによって歪みを低減できる。
【００３７】
太陽電池の場合、マイクロレンズアレイは、環境光の吸収効率を向上できる。さらに、太陽電池の製造コストは非常に高いので、太陽電池の表面上にマイクロレンズアレイを追加することで、素子のサイズを効率的に低減できる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
要約すると、この発明によるマイクロレンズアレイの製造方法は、発光ダイオード、光検出器および太陽電池等の光部品アレイ素子内で用いられ、光電効率を改善できる。さらに、上記のマイクロレンズアレイの製造方法では、高価な機械および複雑な方法が必要とされる。従って、この発明の方法は好ましくは、実質的により低いコストでマイクロレンズアレイの産業用の大量生産に適用できる。
【００３９】
この発明は好ましい実施例によってこれまで開示されてきたが、それは発明を限定するものではない。当業者は、発明の精神および範囲から逸脱することなく、いくつかの修正および変形を行うことができる。従って、この発明の保護範囲は、添付の請求項にあるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明の一実施例によるマイクロレンズアレイの製造方法の流れ図である。
【図２Ａ】この発明の一実施例によるマイクロレンズアレイの製造方法のステップを示す断面図である。
【図２Ｂ】この発明の一実施例によるマイクロレンズアレイの製造方法のステップを示す断面図である。
【図２Ｃ】この発明の一実施例によるマイクロレンズアレイの製造方法のステップを示す断面図である。
【図２Ｄ】この発明の一実施例によるマイクロレンズアレイの製造方法のステップを示す断面図である。
【図２Ｅ】この発明の一実施例によるマイクロレンズアレイの製造方法のステップを示す断面図である。
【図２Ｆ】この発明の一実施例によるマイクロレンズアレイの製造方法のステップを示す断面図である。
【図３Ａ】この発明の一実施例による光部品アレイ素子の平面図である。
【図３Ｂ】図３ＡのラインＡ−Ａ’における断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１００ 第一鋳型
１１０ 基板
１２０ 支柱構造
１８４ シリコンエラストマ
２００ 第二鋳型
２１０ 接着層
３１０ 自己組織化単層膜
３１０ａ      疎水性領域
３２０ マイクロレンズ
４１０ 基板
４１０ａ      親水性領域
５００ 光部品アレイ素子
５１０ 光部品アレイ素子本体
５１０ａ      親水性領域（疎水性領域）
５２０ マイクロレンズアレイ
５２２ 自己組織化単層膜
５２２ａ      疎水性領域（親水性領域）
５２４ マイクロレンズ
【図１】
2007249158.tif 000003
【図２Ａ】
2007249158.tif 000004
【図２Ｂ】
2007249158.tif 000005
【図２Ｃ】
2007249158.tif 000006
【図２Ｄ】
2007249158.tif 000007
【図２Ｅ】
2007249158.tif 000008
【図２Ｆ】
2007249158.tif 000009
【図３Ａ】
2007249158.tif 000010
【図３Ｂ】
2007249158.tif 000011