JP2001166109A

JP2001166109A - 短周期的構造を持つ曲面の形成方法および光学素子

Info

Publication number: JP2001166109A
Application number: JP35155499A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Umeki; 和博梅木; Noritaka Omori; 憲孝大森
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 1999-12-10
Publication date: 2001-06-22

Abstract

(57)【要約】【課題】小径のフレネルレンズやマイクロプリズムアレ
イのような短周期的構造を持つ曲面を形成する方法を実
現する。【解決手段】基板１０上にレジスト層１２を形成し、こ
のレジスト層に対して、マスクにより強度分布を発生さ
せた光束で露光を行い、形成すべき曲面に応じた面形状
をレジスト層に形成し、形成された上記面形状を出発形
状として、レジスト層１２と基板１０とに対して異方性
のドライエッチングを行い、レジスト層の上記面形状を
基板に転写する曲面形状の形成方法において、基板１０
に形成する曲面形状を、短周期的構造を持つ曲面とし、
マスクにおける光透過率分布と露光条件とにより、レジ
スト層表面上に、上記曲面形状に応じた露光光束の強度
分布を形成することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、短周期的構造を
持つ曲面の形成方法および光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】フレネルレンズは、従来から「プラスチ
ック材料の型成形により製造された大レンズ径の拡大レ
ンズ」が市販されている。しかし、フレネルレンズの径
が数ｍｍ〜１０数ｍｍ程度と小さくなり、しかも高度な
光学性能を必要とされる場合、レンズ面の周期的構造も
短周期化し、このようなフレネルレンズをプラスチック
材料の型成形で製造するのは必ずしも容易ではないし、
周期的構造が短周期であるため、型自体の作製も容易で
はない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記の如
き小径のフレネルレンズやマイクロプリズムアレイのよ
うな短周期的構造を持つ曲面を形成する方法およびこの
方法により光学的曲面を形成された光学素子の実現を課
題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この発明の「短周期的構
造を持つ曲面の形成方法」は、基板上にレジスト層を形
成し、このレジスト層に対して、「マスクにより強度分
布を発生させた光束」で露光を行い、「形成すべき曲面
に応じた面形状」をレジスト層に形成し、形成された上
記面形状を出発形状として、レジスト層と基板とに対し
て異方性のドライエッチングを行い、レジスト層の面形
状を基板に転写する曲面形状の形成方法であって、以下
の点を特徴とする（請求項１）。即ち、基板に形成する
曲面形状を「短周期的構造を持つ曲面」とし、マスクに
おける光透過率分布と露光条件とにより、レジスト層表
面上に「上記曲面形状に応じた露光光束の強度分布」を
形成する。上記短周期的構造を持つ曲面は、前述した小
径のフレネルレンズ面やマイクロプリズムアレイのプリ
ズム面等である。レジスト層の露光は、マスクとして
「微小な光透過部を配列してなり、個々の光透過部の面
積が、所定の光透過率分布をなすように設定されたも
の」を用い、マスクを用いる露光をレジスト層に対して
「デフォーカス状態」で行い、レジスト層に形成すべき
面形状に応じた連続的な光強度分布をレジスト層表面上
に実現して行うこともできるし（請求項２）、マスクと
して「透明基板に、膜厚が段階的に変化する膜を金属お
よび／または金属酸化物で形成してなり、膜の厚さの変
化が所定の光透過率分布をなすように設定されたもの」
を用い、マスクを用いる露光をレジスト層に対して「デ
フォーカス状態」で行い、レジスト層に形成すべき面形
状に応じた連続的な光強度分布を、レジスト層表面上に
実現して行うこともできる（請求項３）。

【０００５】上記請求項１または２または３記載の曲面
の形成方法においては「レジスト層の材料、露光量、デ
フォーカス量、現像時間、現像温度、ベーク時間の１以
上」を、パラメータとして変化させることにより、レジ
スト層に形成される面形状を変化させるようにすること
ができる（請求項４）。上記「ベーク時間」は、プリベ
ーク時間、ポストベーク時間、ポストエクスポジャーベ
ーク時間等である。請求項１〜４の任意の１に記載の曲
面の形成方法において、異方性のドライエッチングを
「選択比：１」で行うこともできるし（請求項５）、
「１以外の選択比」で行うこともでき（請求項６）、あ
るいは、異方性のドライエッチング中に「選択比を変化
させる」こともできる（請求項７）。マスクをデフォー
カス状態にして露光を行うには、マスクをレジスト層表
面に密着させず、マスクとレジスト層表面との間に間隙
を隔し、この間隙部で光が拡散するようにしてもよい
し、ステッパ装置を用いる場合であれば、マスクの像に
対してレジスト層表面を意図的にずらしてフォーカス状
態を実現すればよい。この発明の光学素子は、上記請求
項１〜７の任意の１に記載の曲面形成方法により「光学
的曲面」を形成された光学素子である。光学的曲面とし
ては反射面や屈折面を挙げることができる。勿論、形成
された光学的曲面は「フレネルレンズ面」であることが
できる（請求項９）。また、光学的曲面をマイクロプリ
ズム面のアレイ配列とした「マイクロプリズムアレイ」
を光学素子として実現することができる（請求項１
０）。なお、基板として金属基板を用い、上記方法で短
周期的構造を持つ曲面を金属基板に形成すれば、この金
属基板を「金型」として利用できる。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１は、短周期的構造を持つ曲面
の形成方法の実施の１形態として、レンズ径が１３ｍｍ
程度のフレネルレンズを形成する場合を示している。図
１（ａ）は、合成石英ガラスの平行平板である基板１０
上に、ポジ型のレジスト材料によるレジスト層１２を形
成した状態を示している。レジスト層１２に対し、図１
（ｂ）に示すような光強度分布をもった露光光束Ｌで露
光を行い、現像・リンスを行うと、図１（ｃ）に示すよ
うな「形成すべき曲面に応じた面形状」がレジスト層１
２に形成される。露光光束Ｌの光強度分布は、マスクに
より発生される。この曲面形状を出発形状として、レジ
スト層１２と基板１０に対して異方性のドライエッチン
グを行うと、図１（ｄ）に示すように、レジスト層の表
面形状としての曲面形状を、基板１０の表面形状として
転写することができる。出発形状であるレジスト層１２
の曲面形状の高低差：ｈと、基板１０の表面形状として
転写された曲面の高低差：ｈ’との関係は、異方性のド
ライエッチングの選択比により定まる。選択比が１であ
るときはｈ’＝ｈであり、選択比が１より大であるか小
であるかに応じて、ｈ’＞ｈまたはｈ’＜ｈとなる。図
１（ｄ）に示すように、基板１０に形成される曲面はフ
レネルレンズ面で、「短周期的構造」を持つ（図はフレ
ネルレンズ面の光軸近傍の一部のみを示している）。こ
のような「短周期的構造を持つ曲面」を得るために、図
１（ｂ）に示す如き露光光束Ｌの光強度分布を形成す
る。露光光束Ｌの光強度分布は、マスクにおける光強度
分布と露光条件とにより発生させる。図２は、このよう
なマスクの１例を説明するための図である。図２（ａ）
は、マスクの一部を説明図的に示している。このマスク
は、平行平板ガラス等の薄い透明基板に遮光膜を金属蒸
着膜等で形成し、この遮光膜に微小な光透過部（フォト
リソグラフィを利用したパターニングで形成する）を配
列してなり、個々の光透過部の面積が「所定の光透過率
分布をなすように設定された」ものである。

【０００７】図２（ａ）において、破線で仕切られた部
分は「１辺が４μｍ程度の大きさの正方形領域」であ
り、各領域に、例えば矩形形状の微小な光透過部ＡＰが
形成されている。光透過部ＡＰを透過する光量は光透過
部の面積に比例するので、例えば、矩形形状の光透過部
ＡＰの２次元的な配列において、光透過部ＡＰの面積を
「２次元的に変化させて配列する」ことにより、透過光
量の２次元的な分布を形成することができる。図２
（ａ）に示すのは、図１（ｂ）に示すような光強度分布
を形成するためのマスクにおける「１辺が４μｍ程度の
大きさの正方形領域」の配列における１列の部分を例示
している。このようなマスクをステッパ装置にセット
し、図２（ｃ）に示すように、セットされたマスクＭに
光束ＦＸを照射し、レンズＬＺによりマスクＭの像（正
確には、光透過部ＡＰの２次元的配列の像）ＩＭを結像
させると、図２（ａ）に示すような光透過部ＡＰの配列
に応じて、像ＩＭの部分では、図２（ｂ−１）に示すよ
うな光強度分布が得られる。図２（ｃ）に示すように、
像ＩＭの位置から距離：ｄ（デフォーカス量という）だ
け離れた位置では、デフォーカス量：ｄによる「デフォ
ーカス効果」により、像ＩＭがぼやける。デフォーカス
量：ｄが小さいと像ＩＭの「ぼけ」も小さく、光強度分
布は図２（ｂ−２）の如きものとなり、図２（ｂ−１）
における光強度分布に応じた凹凸が残っている。デフォ
ーカス量：ｄがさらに大きくなるとデフォーカス効果も
大きくなり、光強度分布は図２（ｂ−３）に示すように
滑らかに連続した変化となる。このような光強度分布
を、図１（ｂ）に示すような露光光束の光強度分布とし
て利用するのである。実際には、所定のデフォーカス
量：ｄを予め定め、デフォーカス量：ｄに応じて図２
（ｂ−３）に示すような「所望の光強度分布」が得られ
るように、マスクＭにおける光透過部ＡＰの大きさの分
布を設計するのである。露光に使用される光強度分布
は、曲面形成のプロセスとレジスト層の感度特性を予め
特定し、それに応じてレジスト層に所望の出発形状を実
現できるように定める。図２（ｃ）に示した露光方式は
ステッパ装置を用いる方式である。この方式では、マス
クにおける光透過部ＡＰの配列は、ステッパ装置により
縮小像として結像された状態で露光に供されるので、マ
スクにおける光透過部ＡＰの配列は、実際の露光状態に
おけるよりも大きくてよく、マスクの製造が容易であ
る。

【０００８】図３は別の露光方式を示している。この露
光方式は所謂「アライメント露光」と呼ばれるものであ
る。マスクｍは、レジスト層１２の表面から、アライメ
ント量：Ｄだけ離して配備される。マスクｍの上方には
拡散板ＤＦが配備され、この拡散板に光束ＦＸが照射さ
れる。照射された光は拡散板ＤＦにより拡散光となって
マスクｍを照射する。マスクｍには、図２（ａ）に即し
て説明したような光透過部ＡＰの配列が形成されている
が、マスクｍとレジスト層１２との間のアライメント
量：Ｄの間隙により「デフォーカス」され、レジスト層
１２に、図２（ｂ−３）の如き光強度分布を実現するこ
とになる。アライメント露光方式では、露光倍率は等倍
であるので、マスクｍにおける光透過部の配列は、十分
に細かく形成する必要がある。なお、上記アライメント
量：Ｄは、アライメント露光におけるデフォーカス量で
ある。図４は、マスクの別の例を説明するための図であ
る。図４（ａ）において、マスクＭ１は、透明基板２０
に、膜厚が段階的に変化する膜２１を金属および／また
は金属酸化物で形成してなり、膜２１の厚さの変化が所
定の光透過率分布をなすように設定されたものである。
図４に示している例では、光透過率分布は、個々の膜部
分で階段状に変化しており、従って、デフォーカスさせ
た状態では、レジスト層表面に図４（ｂ）に示す如き
「鋸歯状の光強度分布」を実現できる。鋸歯状の光強度
分布における歯の周期を十分に小さくして、このような
光強度分布で露光を行うことにより、最終的には、図４
（ｃ）に示すような曲面形状を基板１０の表面に形成で
きる。図４（ｃ）の基板１０は「マイクロプリズムアレ
イ」として使用される。フレネルレンズ面を形成するの
に、図５（ａ）に示す如き光強度分布を用いれば、基板
１０に形成されるフレネルレンズ面は、図５（ｂ）に示
すように、レンズリングの高さ・幅がレンズリングの位
置ともに変化する形状となる。このように、フレネルレ
ンズのレンズリングの高さ：ηおよび／または幅；ζ
を、レンズリングの位置ともに変化させるとにより、フ
レネルレンズに「非球面効果」を持たせることができ
る。

【０００９】ここまで説明した実施の形態をまとめる
と、図１に即して説明した実施の形態においては、基板
１０上にレジスト層１２を形成し、レジスト層１２に対
して、マスクにより強度分布を発生させた光束で露光を
行い、形成すべき曲面に応じた面形状をレジスト層１２
に形成し、形成された面形状を出発形状として、レジス
ト層１２と基板１０とに対して異方性のドライエッチン
グを行い、レジスト層１２の面形状を基板１０に転写す
る曲面形状の形成方法において、基板１０に形成する曲
面形状を短周期的構造を持つ曲面とし、マスクにおける
光透過率分布と露光条件とにより、レジスト層表面上に
上記曲面形状に応じた露光光束の強度分布を形成するこ
とを特徴とする短周期的構造を持つ曲面の形成方法（請
求項１）が実施される。図２に即して説明した露光方式
では、レジスト層の露光に用いるマスクＭとして、微小
な光透過部ＡＰを配列してなり、個々の光透過部ＡＰの
面積が、所定の光透過率分布をなすように設定されたも
のが用いられ、マスクＭをレジスト層に対してデフォー
カス状態で行い、レジスト層に形成すべき面形状に応じ
た連続的な光強度分布（図２(ｂ−３)）をレジスト層表
面上に実現する（請求項２）。また、図４に即して説明
したマスクＭ１は、透明基板２０に、膜厚が段階的に変
化する膜２１を金属および／または金属酸化物で形成し
てなり、膜２１の厚さの変化が所定の光透過率分布をな
すように設定されたものであり、マスクを用いる露光を
レジスト層に対してデフォーカス状態で行い、レジスト
層に形成すべき面形状に応じた連続的な光強度分布（図
４（ｂ））を、レジスト層表面上に実現する（請求項
３）。また、図１（ｄ）に即して説明したように、異方
性のドライエッチングを選択比：１で行って、レジスト
層表面の出発形状の高低差：ｈと基板表面に転写された
曲面の高低差：ｈ’をｈ＝ｈ’とすることもできるし
（請求項５）、異方性のドライエッチングを１以外の選
択比で行うことにより、ｈ≠ｈ’とすることもできる
（請求項６）。そして、上記の方法により、光学的曲面
としてフレネルレンズ面を形成された光学素子（図１
（ｄ）、図５（ｂ））や（請求項８，９）、光学的曲面
としてマイクロプリズムアレイを形成された光学素子
（図４（ｃ））を得ることができる（請求項８，１
０）。

【００１０】ところで、図６（ａ）は、基板１０上に、
表面を曲面化されたレジスト層１２を形成した状態を示
している。このような曲面形状を「出発形状」とするエ
ッチング工程において、選択比を時間的に変化させる
と、基板１０に、例えば、図６（ｂ）に示す如く「出発
形状と全く異なる曲面形状」として転写することができ
る。図６の例においては、出発形状の「裾野部分（図中
に「Ｉ」で示す部分）」を転写する時の選択比を１より
大きく設定することにより、基板１０にはこの部分Ｉの
傾きを大きくして転写し、次の「中間領域ＩＩ」の転写
に際しては選択比を略１に設定して出発形状に近い形状
を転写し、最後に「中央領域ＩＩＩ」の転写に際しては
再度、選択比を１より大きく設定して、出発形状におけ
る領域ＩＩＩの高低差を拡大して転写している。このよ
うに、選択比を変化させつつ異方性のドライエッチング
を行うことにより、出発形状に「所望の変形を施し」て
基板の表面形状として転写することができる。形成すべ
き曲面が「短周期的構造」を持つ場合においても同様で
ある（請求項７）。例えば、図５（ａ）に示す如き光強
度分布の露光光束で露光を行って形成された出発形状
を、基板に転写する際に、選択比を時間的に変化させる
ことにより、例えば、図７に示すような「非球面化され
たフレネルレンズ面」を形成することもできる。

【００１１】ところで、上に説明してきた実施の形態に
おいては、露光光束に強度分布を発生させるマスクは、
レジスト層に形成すべき「出発形状」に応じて設計され
るものであり、謂ばマスクと上記出発形状とは１：１に
対応するものである。この場合、マスクとともにレジス
ト材料、露光量やデフォーカス量、現像時間、現像温
度、ベーク時間等は予め設計条件として定められてい
る。このことは、見方を変えれば、同一のマスクを用い
ても、用いるレジスト材料や露光量、デフォーカス量、
現像時間、現像温度、ベーク時間等を異ならせることに
より「レジスト層に形成される出発形状を変化させる」
ことができることを意味している。即ち、レジスト層の
材料、露光量、デフォーカス量、現像時間、現像温度、
ベーク時間等の１以上をパラメータとして変化させるこ
とにより、レジスト層に形成される面形状を変化させる
（請求項４）ことが出来る。即ち、同一のマスクを用い
たとしても、図２に即して説明したように、デフォーカ
ス量を異ならせれば、レジスト層表面に形成する光強度
分布を異ならせることができる。また、露光量を変化さ
せればレジストの露光深さを変化させることができ、レ
ジスト層の材料、現像時間、現像温度、ベーク時間等を
調整することによりレジスト層における感度特性を制御
できる。従って、マスクとしては同一のものを用いて
も、上記パラメータの変化により、レジスト層に形成さ
れる出発形状を制御できるのである。ここでは、１例と
して「露光量をパラメータとして変化させる場合」を説
明する。レジスト材料としてｉ線ポジ型のフォトレジス
ト（ＴＧＭＲ−９５０ＢＥ：商品名（株）東京応化
製）をスピンコートし、ベーキングを行って厚さ：５μ
のレジスト層を形成した。マスクの「デフォーカス量」
を２５μｍとし、レジスト層表面に図８（ａ）に示すよ
うな「光強度分布（横軸はレジスト層表面の座標であ
る）」が形成されるようにし、「露光量」を５００、９
００、１４００、２０００ｍＪ／ｃｍ²に変化させて露
光を行い、１０５度Ｃの温度で「ポストエクスポジャー
ベーク」を１８０秒間行った。現像温度を２５度Ｃ、現
像時間を２１０秒として現像を行ったときの、レジスト
除去量（除去厚さ）は、露光量：５００、９００、１４
００、２０００ｍＪ／ｃｍ²のそれぞれに応じて、図８
（ｂ）における曲線８−１，８−２，８−３，８−４の
如くに変化した。図８（ｂ）の横軸は図８（ａ）の横軸
に対応する座標である。

【００１２】この図から、明らかなように、同一のマス
クを用いても、露光量を変化させることにより、レジス
ト層に形成できる曲面形状を変化させることができるこ
とがわかる。例えば、マスクとして「レジスト層表面に
（デフォーカス状態で）図５（ａ）に示すような光強度
分布を形成できるようにした」ものを用いても、露光量
を５００ｍＪ／ｃｍ²に設定すれば、レジスト層に形成
される出発形状として図１（ｃ）に示したような「レン
ズリングの高さが変化しないような」曲面形状を形成で
きる。この場合、形成される曲面の高低差：ｈは小さい
が、基板への転写の際、選択比を十分に大きくすること
により、図１（ｄ）に示すような、フレネルレンズ面を
形成可能である。また、上記マスクを用い、露光量を２
０００ｍＪ／ｃｍ²に設定すれば、図５（ｂ）に示すよ
うなフレネルレンズ面を形成できることは容易に理解さ
れるであろう。なお、露光光束に所望の強度分布を発生
させるマスクは、従来から種々のものが知られており、
上述したものの他、特開平６−２１１１４号公報や特開
平７−２２０８７２号公報、特開平７−２４１８８３号
公報に記載されたものを適宜利用することができる。

【００１３】

【発明の効果】以上に説明したように、この発明によれ
ば、短周期的構造を持つ曲面を形成する方法およびこの
方法により光学的曲面を形成された光学素子を実現でき
る。この発明によれば、上述の如く、小径のフレネルレ
ンズやマイクロプリズムアレイのような短周期的構造を
持つ曲面を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】短周期的構造を持つ曲面を形成する方法の実施
の１形態を説明するための図である。

【図２】図１に示す実施の形態において用いられるマス
クと、これを用いる露光を説明するための図である。

【図３】別の露光方法を説明するための図である。

【図４】請求項３記載の発明の特徴部分を説明するため
の図である。

【図５】露光光束の光強度分布と、形成される短周期的
構造を持つ曲面との対応の１例を説明するための図であ
る。

【図６】レジスト層の表面の形状を基板に転写する際
に、選択比を時間的に変化させることの効果を説明する
ための図である。

【図７】選択比を時間的に変化させて形成された基板表
面形状の１例を示す図である。

【図８】請求項４記載の発明を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１０基板１２レジスト層Ｌマスクによりマスクにより強度分布を発生させ
た露光光束

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H095 AA10 AC01 AC02 AC03 AC05 2H096 AA28 EA02 EA11 EA19 EA20 HA23 4F213 AA44 AD04 AD08 AD33 AF01 AG03 AG05 AH75 AH76 WA36 WA53 WA62 WA86 WB01 WC02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上にレジスト層を形成し、このレジス
ト層に対して、マスクにより強度分布を発生させた光束
で露光を行い、形成すべき曲面に応じた面形状をレジス
ト層に形成し、形成された上記面形状を出発形状とし
て、レジスト層と上記基板とに対して異方性のドライエ
ッチングを行い、レジスト層の上記面形状を基板に転写
する曲面形状の形成方法において、基板に形成する曲面形状を、短周期的構造を持つ曲面と
し、マスクにおける光透過率分布と露光条件とにより、レジ
スト層表面上に、上記曲面形状に応じた露光光束の強度
分布を形成することを特徴とする、短周期的構造を持つ
曲面の形成方法。
【請求項２】請求項１記載の曲面の形成方法において、レジスト層の露光に用いるマスクとして、微小な光透過部を配列してなり、個々の光透過部の面積
が、所定の光透過率分布をなすように設定されたものを
用い、上記マスクを用いる露光をレジスト層に対してデフォー
カス状態で行い、レジスト層に形成すべき面形状に応じ
た連続的な光強度分布を、レジスト層表面上に実現する
ことを特徴とする、短周期的構造を持つ曲面の形成方
法。
【請求項３】請求項１記載の曲面の形成方法において、レジスト層の露光に用いるマスクとして、透明基板に、膜厚が段階的に変化する膜を、金属および
／または金属酸化物で形成してなり、膜の厚さの変化が
所定の光透過率分布をなすように設定されたものを用
い、上記マスクを用いる露光をレジスト層に対してデフォー
カス状態で行い、レジスト層に形成すべき面形状に応じ
た連続的な光強度分布を、レジスト層表面上に実現する
ことを特徴とする、短周期的構造を持つ曲面の形成方
法。
【請求項４】請求項１または２または３記載の曲面の形
成方法において、レジスト層の材料、露光量、デフォーカス量、現像時
間、現像温度、ベーク時間の１以上をパラメータとして
変化させることにより、レジスト層に形成される面形状
を変化させることを特徴とする、短周期的構造を持つ曲
面の形成方法。
【請求項５】請求項１〜４の任意の１に記載の曲面の形
成方法において、異方性のドライエッチングを選択比：１で行うことを特
徴とする、短周期的構造を持つ曲面の形成方法。
【請求項６】請求項１〜４の任意の１に記載の曲面の形
成方法において、異方性のドライエッチングを１以外の選択比で行うこと
を特徴とする、短周期的構造を持つ曲面の形成方法。
【請求項７】請求項１〜４の任意の１に記載の曲面の形
成方法において、異方性のドライエッチング中に、選択比を変化させるこ
とを特徴とする、短周期的構造を持つ曲面の形成方法。
【請求項８】請求項１〜７の任意の１に記載の曲面形成
方法により、光学的曲面を形成されたことを特徴とする
光学素子。
【請求項９】請求項８記載の光学素子において、形成された光学的曲面がフレネルレンズ面である光学素
子。
【請求項１０】請求項８記載の光学素子において、形成された光学的曲面がマイクロプリズムアレイである
ことを特徴とする光学素子。