JP2001356470A - 濃度分布マスクを用いた３次元構造体製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 目的とする物品の表面形状を平滑なものとす
る。 【解決手段】 濃度分布マスクを用いた露光により基板
上に３次元構造の感光性材料パターンを形成し、その感
光性材料パターンを基板に彫り写すことにより３次元構
造の表面形状をもつ物品を製造する方法であり、濃度分
布マスクとして、透明基板上に２次元の光強度分布を有
する遮光パターンが形成され、適当な形状及び大きさの
単位セルにより隙間なく分割され、各単位セル内の遮光
パターンが感光性材料パターンの対応した位置の高さに
応じた光透過量又は遮光量となるように設定されている
ことにより遮光パターンが構成されているものを用い
る。基板上に感光性材料層を形成し、上記濃度分布マス
クを用いた露光において、露光時間内にデフォーカス量
を予め設定された条件で変化させつつ行なうフォトリソ
グラフィ工程により感光性材料パターンを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、濃度分布マスクを
用いた露光により基板上に３次元構造の感光性材料パタ
ーンを形成し、その感光性材料パターンを基板に彫り写
すことにより３次元構造の表面形状をもつ物品を製造す
る方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光学素子の屈折面や反射面に、球面や非
球面等に代表される特殊な面形状が使用されるようにな
ってきている。また近年は液晶表示素子や液晶プロジェ
クタ等に関連して、マイクロレンズ等にも特殊な面形状
が求められている。そこで屈折面や反射面を型成形や研
磨によらずに形成する方法として、光学基板の表面にフ
ォトレジスト（感光性材料の代表例）の層を形成し、こ
のフォトレジスト層に対して２次元的な透過率分布を有
する露光用マスクを介して露光し、フォトレジストの現
像によりフォトレジストの表面形状として凸面形状もし
くは凹面形状を得、しかる後にフォトレジストと光学基
板とに対して異方性エッチングを行ない、フォトレジス
トの表面形状を光学基板に彫り写して転写することによ
り、光学基板の表面に所望の３次元構造の屈折面や反射
面の形状を得ることが知られている（特開平７−２３０
１５９号公報、特表平８−５０４５１５号公報を参
照）。

【０００３】そこでは、屈折面や反射面等の３次元構造
の特殊表面形状を得るために用いられる露光用マスクと
して、特殊表面形状に対応して透過率が段階的に変化す
る２次元的な透過率分布を持った濃度分布マスク（グラ
デーションマスク（ＧＭ））が使用されている。

【０００４】特表平８−５０４５１５号公報（この記載
内容を従来技術とする）に記載されている濃度分布マス
クでは、２次元的な透過率分布のパターンを形成するた
めに、マスクパターンを光伝達開口と称する単位セルに
分割し、各単位セルの開口寸法が、形成しようとするフ
ォトレジストパターンの対応した位置の高さに応じた光
透過量又は遮光量となるように設定されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来技術の濃度分布マ
スクを用いて行なう露光工程は、投影露光法である場合
も密着露光法である場合も、フォトレジスト層にちょう
ど焦点が合ったジャストフォーカス状態で行なわれる。
そのため、目的とする物品の表面形状を実質的に平滑な
ものとするためには、階調数を非常に大きくしなければ
ならず、例示されているように単位セルにおける開口寸
法の単位が露光に用いる光の波長よりも短くする必要が
でてくる。そして、パターンが微細になればなるほどそ
の製造コストが上昇する。目的とする物品の表面形状
は、階調数を大きくしていくにつれて平滑なものに近づ
いてはいくものの、あくまで階段状のものである。従来
技術の文献で「実質的に」と述べているのはそのことを
意味している。そこで、本発明は、目的とする物品の表
面形状を平滑なものとすることを目的とするものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、濃度分布マス
ク工法を用いることによって、上記問題点を解決する方
法の提案である。濃度分布マスク工法はレジスト熱変形
工法に比べて次のような利点をもっている。 （１）隣接間隔を限りなく零に近づけた微小ピッチのマ
イクロ・レンズ・アレイ（ＭＬＡ）は隣接部の高さが隣
接接線断面で異なっている。しかし、この形状を従来の
レジスト熱変形工法で製作しようとしても目的の設計通
りのＭＬＡ構造を製作できない。また従来のレジスト熱
変形工法では、レジストの複数回塗布工法によって間隔
を小さく、あるいは、隣接断面高さを目的地に近づける
ことはできるが、独立（孤立）したレジストブロックを
形成するために隣接するＭＬＡの間隔を零にすることは
事実上不可能である。 （２）フレネルレンズの形成は、従来のレジスト熱変形
方法では不可能であった。 （３）従来のレジスト熱変形工法では、直径５００μｍ
程度が大口径レンズの限界であった。 （４）非球面形状を容易に製作できる。 （５）トロイダル等の異形レンズを容易に製作できる。 （６）プリズム、ピラミッド等に代表される単調増加の
凸構造が容易に製作できる。 （７）マイクロマシニング等の複雑な構造物を容易に製
作できる。

【０００７】本発明の目的は請求項１に記載した３次元
構造体製造方法により達成することができる。すなわ
ち、濃度分布マスクを用いた露光により基板上に３次元
構造の感光性材料パターンを形成し、その感光性材料パ
ターンを基板に彫り写すことにより３次元構造の表面形
状をもつ物品を製造する方法であり、露光に用いる濃度
分布マスクは透明基板上に２次元の光強度分布を有する
遮光パターンが形成されたものであり、適当な形状及び
大きさの単位セルにより隙間なく分割されており、各単
位セル内の遮光パターンが感光性材料パターンの対応し
た位置の高さに応じた光透過量又は遮光量となるように
設定されていることにより遮光パターンが構成されてい
るものであり、基板上に感光性材料層を形成し、上記濃
度分布マスクを用いた露光において、露光時間内にデフ
ォーカス量を予め設定された条件で変化させつつ行なう
フォトリソグラフィ工程により感光性材料パターンを形
成する。ここでデフォーカス量とは焦点がずれている程
度をいう。

【０００８】デフォーカス状態で露光することにより、
フォトレジストに形成される３次元パターン、ひいては
目的とする物品の表面形状を平滑なものとすることがで
きる。そして、デフォーカス量を多段階に変化させるこ
とにより、３次元パターン表面を滑らかにする効果を保
ちつつ、デフォーカス量を大きく設定して変化させない
場合に比べて露光時間の短縮、隣接効果の低減による形
状制御性の向上及び露光面への光の到達度の向上を図る
ことができる。デフォーカス量の制御は、露光が投影露
光である場合には、焦点を感光性材料層からずらせばよ
く、露光がマスクを感光性材料に近づけて行なう近接露
光の場合には、露光時間内に感光性材料層が形成されて
いる基板とマスクの一方又は両方を面内で移動させれば
よい。また、露光時間内に、デフォーカス量に応じて露
光量を制御することが好ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】フォトリソグラフィ工程は、デフ
ォーカス量を焦点が大きくずれた側から焦点が合う側へ
変化させることが好ましい。その結果、フォトレジスト
に形成される３次元パターン、ひいては目的とする物品
の表面形状をより平滑なものとすることができる。

【００１０】また、単位セルの形状及び大きさを選択す
ることにより、描画ビーム形状に合わせた最適な設計方
法を選択することができるようになる。濃度分布マスク
は、感光性材料の「感度曲線」と濃度分布マスクの各単
位セル固有の光透過領域（面積）とこれを通過する「光
エネルギー量」の関係から、実験的に求められる関数で
与えられるものである。ここで、実験的に求められると
は、プロセス条件によって、感光性材料の「感度特性」
及び光拡散量が異なることを意味する。即ち、プロセス
条件パラメータを変更すると、与えられる関数も異なる
ことを意味する。感光性材料の「感度曲線」は、感光性
材料への光照射エネルギーと感光性材料の感光性成分の
関係で基本的には決定される。但し、フォトリソグラフ
ィ条件（露光条件、現像条件、ベーキング条件等）によ
っても変更される曲線（即ち、関数）である。

【００１１】また、光透過量は、感光性材料中に含まれ
る分子構造によって光の吸収係数が異なるため感光性材
料中を光が進行する際には、深さに応じて光エネルギー
（光量）が指数関数的に減少する。つまり、感光性材料
の厚さ（深さ）に対して照射光エネルギー量は指数関数
で減少する関係にある。したがって、「光透過量」と感
光性材料の「感度」（光吸収率）を実験データから組み
合わせると、感光性材料の厚さ方向に分布を有する光エ
ネルギー分布を形成することが可能となる。ここで除去
される感光性材料の厚さＴは、下記の式で表される。

【００１２】 Ｔ＝(１／α)・Ｌｎ(Ｐ・Ｓ)−(１／α)・Ｌｎ(Ｙ) Ｔ＝Ｌｎ{ａ・(Ｓ＋ｂ)^f・Ｆ(Ｘ)} Ｔ：除去される感光性材料の厚さ(μｍ) α：係数（各種プロセス条件等の関数であり、α＞０） Ｐ：濃度分布マスク表面での光量（ｍＪ） Ｓ：濃度分布マスクパターンの単位セル開口率、したが
ってＳ＜１ Ｙ：深さＴでの光量、感光性材料が感光するのに必要な
露光量（ｍＪ） ａ，ｂ，ｆ：係数 Ｆ(Ｘ)：関数（但し、Ｆ(Ｘ)＝Ｆ(Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，
・・・，Ｘｎ)） Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，・・・，Ｘｎ：感光性材料プロセ
ス、感光性材料自体の感度、濃度分布マスク設計手法に
よって変化する因子

【００１３】本発明は、半導体プロセスのように、ある
高さの感光性材料を２次元ラインパターンを形成するの
が目的ではなく、「３次元形状、即ち高さ方向にも制御
されたパターン性を有する構造物」を形成することを対
象としている。上記方法によって感光性材料層の厚さを
変化せしめる３次元形状形成方法において、濃度分布マ
スクを構成する単位セルの「光透過領域」又は「遮光領
域」を所望の形状に応じて２次元的に設計し、その結
果、濃度分布マスクを透過した光は２次元の光強度分布
を有する特徴を発現できる。

【００１４】本発明の濃度分布マスクを用い３次元構造
を製作すると、球面、非球面、円錐形状のような連続面
で構成される光学素子を製作することも、フレネル形状
のように連続面と不連続面から構成される光学素子を製
作することも可能となる。更に、そのような光学素子に
反射光学面を形成し、反射光学素子とすることも可能で
ある。

【００１５】濃度分布マスクレチクルを製作するに当た
り、まず、レジスト材料の感度曲線を求め、光照射量と
レジスト除去量の関係を把握する。濃度分布マスクレチ
クルを用いて露光すると、露光量、単位セルの光透過量
又は遮光量によってレジスト材料の除去量が異なる。こ
れによって、「単位セルＮｏ.」（即ち光透過量又は遮
光量とレジスト除去量が特徴づけられた関係を一つのＮ
ｏ.として表す）が決定される。「単位セルＮｏ.」は、
上記の関係をグラフ化し、関数化することによって数式
に変換できる。上記数式に基づいて、目的とする「形状
のレンズ高さ」と「レジスト残存量（「レジスト膜厚」
−「除去量」）」の関係を数式化する。次いで、ＣＡＤ
（Computer Aided Design）上で「レンズ配置位置」と
「レンズ高さ（レジスト残存量）」の関係を明らかにす
る。更に、これを発展させて、「レンズ配置位置」と
「単位セルＮｏ.」の関係に置き換える。すなわち、上
記の基本的考え方に立ち、詳細なデータに裏付けされた
計算式とプログラムから、ＣＡＤ設計画面上でレンズ高
さと濃度分布マスクパターンセルＮｏ.を関数付けてセ
ルＮｏ.を配置する。

【００１６】次に、ＣＡＤデータをデータ化してレーザ
ー光照射装置にセットする。濃度分布マスクレチクル
は、一例として、正方形に分割された単位セルで構成さ
れ、各単位セル内の光透過量又は遮光量が制御されたも
のとする。勿論、所望の形状に応じて最適の単位セルを
決め最適なドットで製作すればよい。ここでは説明を簡
単にするために、正方形で説明する。光透過量の制御方
法は、Ｃｒ開口面積の制御、Ｃｒ膜厚の制御、
との組合わせ方法がある。ここでは、の方法を採用
した。

【００１７】濃度分布マスクレチクルを製作するため
に、透明ガラス基板上に例えば２００ｎｍ厚さのＣｒ膜
を成膜し、その上に上記のレジスト材料を塗布して濃度
分布マスクレチクルブランクスとする。そのレジスト材
料に上記のＣＡＤデータがセットされたレーザー光照射
装置を用いてレーザー光を照射し描画を行なう。レーザ
ー光照射では、所望の形状に応じて最適のビーム形状を
決定し、多角形形状や円形状などをアパチャーで整形す
る。このレーザー光照射装置によりレーザー光が照射さ
れたレジスト材料部分は、次の現像工程によって除去さ
れ、レジスト材料層にマスクパターンが形成される。

【００１８】次に、このパターン化されたレジスト材料
層をエッチングマスクとしてＣｒ膜をドライエッチング
又はウエットエッチング、好ましくはドライエッチング
することにより、Ｃｒ膜がパターン化されて、「単位セ
ルＮｏ.」が規則的に「レンズ配置位置」に並んだ、所
望の２次元的な透過量分布を有する濃度分布マスクが得
られる。その単位セル内では、Ｃｒ膜の除去された部分
と、Ｃｒ膜の残っている部分が形成される。その光透過
量又は遮光量として、一つの単位セルを特徴づけ、構成
させることができる。

【００１９】濃度分布マスクレチクルマスクのブランク
スとしては、市販のマスクブランクスを使用してもよ
い。つまり、市販のマスクブランクスとは石英基板上に
２００ｎｍ程度のＣｒ膜を成膜したもの（必要に応じ
て、Ｃｒと酸化Ｃｒの２層膜）に感光性材料を１μｍ程
度塗布したものである。上記の濃度分布マスクレチクル
製作において、Ｃｒ膜のパターン化をエッチング処理に
より行なえば、Ｃｒ膜のある部分では光透過率が０％、
Ｃｒ膜のない部分では光透過率が１００％となる遮光膜
パターンが得られる。

【００２０】また、単位セル内で残存させるレジスト材
パターンの膜厚が単位セル内のパターン周辺部では周辺
に向って連続的に厚くなるように上記レーザー光照射装
置による露光を行ない、現像をしてそのレジスト材層に
パターンを形成した後、そのレジスト材パターンをマス
クとして異方性ドライエッチングによりＣｒ膜をエッチ
ングすれば、単位セル内のＣｒ膜パターンがその周辺部
では周辺に向って膜厚が連続的に厚くなって光透過率が
連続的に変化するようにすることができる。

【００２１】また、本製作方法は、電子線描画（ＥＢ描
画）でも製作できるが、電子線出射のフィラメント電流
の制御、長時間露光時のフィラメント細り、電子線モレ
（ドーズ）量の制御等の装置制御上の課題が多く、再現
性が著しく乏しい。また製作時は、単一ビームしか出射
できないために製作に莫大な時間を要し、経時的な変動
が大きい。以上から、本発明では、安価で信頼性の高い
レーザー光照射装置を製作し、濃度分布マスクを製作し
た。

【００２２】

【実施例】（単位セル内の形状と配置、及び「光透
過」、「光遮光」ドットの形状と配置）次に、単位セル
内の形状と配置、及び「光透過」、「光遮光」ドットの
形状と配置について説明する。以下に示す例は、代表的
な例を示したものであり、単位セルの寸法、ドットの寸
法、起点の寸法等は、所望の形状に対応して設計される
べきもので、本実施例に限定されるものではない。即
ち、各単位セルとドットの寸法によって階調数が決定さ
れるので、これらの寸法は、目的形状と目的階調によっ
て決定するものである。

【００２３】図１には、単位セル形状を変更する場合の
代表例として、６種類の多角形形状の例を示した。
（ア）は正方形、（イ）は正六角形、（ウ）は直角二等
辺三角形、（エ）は長方形、（オ）は六角形、（カ）は
二等辺三角形である。これらの多角形は、「所望の形状
を上方向から見た際に、上方から多角形の網を覆いかぶ
せる方法」で最適の形状を決定する。所望の形状に応じ
て、すなわち、例えば、なだらかな曲面が続く場合、不
連続な面で構成される場合など階調の変化量によって、
濃度分布マスク特性を発現する「最も効果的な多角形」
及び「その組み合わせ」を選択することで最適な形状を
決定することができる。また、同様に単位セルの寸法も
所望の形状に対して必要な階調をどの程度微細にとるか
で決定される。即ち、短い距離で多くの階調を必要とす
る時には、比較的小さな寸法の単位セルを選択し、ドッ
ト寸法をできるだけ小さくするのが望ましい。

【００２４】図２には、ＭＬＡの濃度分布マスクの単位
セル配置の例を示した。（ア）は中心部分に配置する単
位セルの組合わせパターンの例、（イ）は周辺部分に配
置する単位セルの組合わせパターンの例を示している。
いずれも実線で示されているのが単位セルで、破線の矢
印はその方向にも単位セルが配置されていることを示し
ている。

【００２５】（ア）はＭＬＡの中心付近に配置するた
め、所望の形状はなだらかな曲線形状である。このため
階調数はさほど必要としない。したがって、寸法の比較
的大きい単位セルで構成し、放射線状に単位セルを配置
している。

【００２６】（イ）は周辺部分に配置するため、所望の
形状は急激に変化する曲面形状である。このため階調数
は多くを必要とする。したがって、ＭＬＡの四隅に近づ
くにつれて寸法の小さな単位セルで構成し、ドット寸法
も小さくする必要がある。また、単位セルの形状も四角
形だけでなく、三角形のものも配置し、単位セル内での
ドットの位置を変更することにより光透過量の隣接効果
に対処しやすくしている。

【００２７】図３は、代表的な単位セル内の光透過領域
又は遮光領域の増加又は減少の起点となる初期パターン
の位置の違いと、光透過量又は遮光量を変化させる方法
を示している。いずれも最も外側の正方形が単位セルを
表わし、内側の正方形はそれぞれ光透過領域又は遮光領
域を表わしている。（Ａ）では単位セルの中央に起点が
あり、（Ｂ）では四隅のいずれかに起点が配置されてい
ることを表わしている。

【００２８】図４は、光を透過する開口部（Ｃｒがない
部分）を増加させていく例を示している。特に説明はし
ないが、光透過面積を減少させていく場合も同様であ
る。図４（ア）は螺旋状に中心から面積を増やす方法で
あることの例を示している。この例は、ある単位セルＮ
ｏ.からのドットの増加方法の代表例を示している。ま
た、ある代表的な１ドットづつの増加方法あるいは減少
方法を示している。したがって、ここに示したドットの
中心に配置した初期四角形形状の寸法やドット寸法はモ
デル的なものであり、本発明では正方形に限定されるも
のではなく、長方形、三角形等の多角形でも構わない。
また、当然のことながら楕円形状を含む円形状でもよ
い。

【００２９】図４（イ）は単位セルが正六角形の場合の
例を示している。この場合は、斜線部で示されるドット
は円であり、その大きさを変えることにより透過量又は
遮光量が変化していく。また、ドットの面積の増加・減
少は入力時のインプットデータであり、マスクの製作条
件によってはレーザー光の太りやドライエッチングの等
方性エッチングなどにより形状が崩れることがある。

【００３０】（濃度分布マスクの設計）マイクロレンズ
の隣接間隔を限りなく零に近づけた微小ピッチＭＬＡの
例を示す。液晶プロジェクタ用ＭＬＡにおいて、０.
９”−ＸＧＡ用の画素サイズは、１８μｍ×１８μｍで
ある。このＭＬＡにおいては、レンズの両側に各１μｍ
づつのレンズ非形成部がある場合は、１６μｍ×１６μ
ｍのマイクロレンズ領域となり、全体の面積に占めるＭ
ＬＡ面積は、１６×１６／１８×１８＝２５６／３２４
＝０.７９となり、ＭＬＡで全ての光を有効に集光する
ことができても７９パーセントの集光効率でしかない。
即ち、ＭＬＡの非形成部の面積を小さくすることが光利
用効率を向上させるには重要であり、この実施例ではそ
のレンズ非形成部を零に近づける。

【００３１】具体的には、１／５倍（縮小の）ステッパ
ーを用いる場合、実際に製作した濃度分布マスクレチク
ルパターン寸法は、９０μｍ×９０μｍである。この１
個のＭＬＡを３.０μｍの単位セルに分割し縦×横＝３
０×３０（個）＝９００（個）の単位セルに分割する。

【００３２】次に、中央部の２×２単位セル（濃度分布
マスクレチクル上では６μｍ×６μｍ、実際のパターン
では１.２μｍ×１.２μｍ）にはセルＮｏ.１番（クロ
ム全部残り）を配置する。また、レンズ四隅部分はセル
Ｎｏ.８０番（クロム残り部分なし）を配置する。この
間のＮｏ.１〜Ｎｏ.８０のセルには、各「階調」に対応
する「開口面積」を対応させる。この関係は、露光プロ
セスとレジスト感度曲線から得られる関係である。勿
論、レジスト材料やプロセスが異なればその都度感度曲
線を把握する必要がある。このようにして、ＭＬＡ濃度
分布マスクレチクルのＣＡＤデータを作成する。本件実
施例では、図１（ア）〜（カ）の方式を用いてＣＡＤプ
ログラムを製作した。

【００３３】（濃度分布マスクレチクルの製作）上記の
ようにして作成したＣＡＤデータを図５に示す自社開発
のレーザー光照射装置を用いてレーザー光を照射しレジ
スト材料に描画を行なった。このレーザー光照射では、
所望の形状に応じて最適のビーム形状を決定し、多角形
形状や円形状などをアパチャーで整形することができ
る。

【００３４】図５に示すレーザー光照射装置は、レーザ
ー光発振装置１、レーザー光発振装置１からのレーザー
光を複数のレーザー光に分割するビームスプリッター
２、レーザー光の光路を折り曲げるミラー３、ミラー３
で折り曲げられたレーザー光を変調する光変調器４、デ
ータバスからの信号により光変調器４を制御して個々の
レーザー光のＯＮ・ＯＦＦを制御する光変調制御装置
５、光変調器４からのレーザー光を偏向する光偏向器
６、レーザー光をレジスト材料層に集光するための対物
レンズ７、載置されたマスクブランクスをＸ方向及びＹ
方向に移動するＸ−Ｙステージ８、並びに光偏向器６の
動作とＸ−Ｙステージ８の動作を制御する制御装置９な
どの主要構成部品から構成されている。

【００３５】このレーザー光照射装置は、設計データに
応じてＸ−Ｙステージ８の動作と、個々のレーザー光の
ＯＮ・ＯＦＦ及び偏向を制御することにより、マスクブ
ランクスのレジスト材料層に所望のマスクパターンを描
画する。すなわち、このレーザー光照射装置によりレジ
スト材料層にレーザー光を照射して各単位セル毎に光透
過領域又は遮光領域を所望の透過率分布になるように２
次元的にパターン形成を行なう。また、この際、所望の
特殊表面形状に応じて演算された各単位セルの透過量分
布に応じてレーザー光の照射が制御され、各単位セル内
の光透過領域又は遮光領域を増加または減少させるドッ
トの配列が制御される。単位セル形状とドット形状は目
的とする製品により適当なものを選択すればよい。

【００３６】上記のようにして作成したＣＡＤデータを
図５に示したレーザー光照射装置にインストールして、
Ｘ−Ｙステージとレーザー光のＯＮ，ＯＦＦ及びビーム
形状をアパチャーで制御しながら、所定の方法で濃度分
布マスクブランクスに露光した。そして、所定の方法で
現像、リンスを行なってレジスト材料層をパターニング
した。その後、ドライエッチングにてＣｒ膜のパターニ
ングを行なった。

【００３７】レーザービーム描画方法を用い、描画ビー
ム形状を矩形にして描画領域を螺旋状に増加させていく
ことにより電子線描画方法よりも高い再現性を得ること
ができる。描画領域が円形の場合には、レーザービーム
描画方法は描画領域の直径が０.２μｍ以上のときは非
常に高い再現性を得ることができる。描画領域の直径が
０.２μｍより小さくなると再現性が悪くなってくる
が、電子線描画方法では描画領域の寸法が０.５μｍよ
り小さくなると再現性が悪くなるのに比べると、再現性
が格段に優れている。

【００３８】「隣接効果」の予測は単位セルの形状に依
存する。単位セル形状が正方形や長方形の場合には矩形
のドットにより正確に描画できるため、隣接効果を計算
で予測することができる。

【００３９】これらの結果から、図１の（ア）、（イ）
のマスクが最も良い出来であったのでこれを使用した。
尚、図１の（ア）の配置では、図３の（Ａ）タイプ、
（Ｂ）タイプどちらも良好な結果を得ることができた。
図１の（イ）の配置では図３の（Ａ）タイプのドット配
置で実施した。但し、各方法とも長所、欠点があるので
それぞれ目的形状に応じて使い分けが可能である。以下
の具体例ではドット形状を円形状（中心から同心円状に
レーザー光照射部分を増やしていく方式）を用いてＣＡ
Ｄプログラムを作成した。このようにして、目的とする
開口寸法を有し、かつ濃度分布を有する濃度分布マスク
レチクルを製作した。

【００４０】（濃度分布マスクレチクル製作の具体例） 疎サイズの液晶用ＭＬＡの製作：濃度分布マスクレチク
ルを製作するに当たり、感光性材料であるレジスト材料
として、ポジ型レジスト材料のＴＧＭＲ−９５０（東京
応化（株）の製品）を用いた。

【００４１】濃度分布マスクは、正方形に分割された単
位セルで構成され、各単位セル内の光透過量又は遮光量
が制御されたものとした。勿論、所望の形状に応じて最
適の単位セルを決め最適なドットで製作すればよい。こ
こでは説明を簡単にするために、正方形で説明する。光
透過量の制御方法は、Ｃｒ開口面積の制御、Ｃｒ膜
厚の制御、との組合わせ方法がある。ここでは、
の方法を採用した。

【００４２】濃度分布マスクレチクルを製作するため
に、透明ガラス基板上に例えば２００ｎｍ厚さのＣｒ膜
を成膜し、その上に上記のレジスト材料を塗布する。そ
のレジスト材料に図５のレーザー光照射装置を用いてレ
ーザー光を照射し描画を行なった。その後、現像とリン
スを経てレジスト材料層にマスクパターンを形成し、そ
のレジストパターンをエッチングマスクとしてＣｒ膜を
ドライエッチングすることにより、Ｃｒ膜をパターン化
し、濃度分布マスクを製作した。

【００４３】図６は、濃度分布マスクの代表的な配置例
として２０μｍ×２０μｍのマイクロレンズのためのも
のの例を示す。単位セルは、碁盤の目状の正方形形状で
ある。単位セルは必ずしも正方形である必要はなく、所
望の形状に応じて他の多角形形状にすることが望まし
い。斜線部はＣｒ膜が残存している部分である。

【００４４】（液晶用微小寸法ＭＬＡの製作） （液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１）濃度分布マス
クレチクル製作の具体例１の濃度分布マスクレチクル
（図６のもの）をマスクとして使用し、図７に示す縮小
投影露光装置（１／５ステッパー）を使用して露光を行
なって、レジストパターンを形成し、それを光学デバイ
ス用材料に転写して製作した液晶プロジェクタ用ＭＬＡ
の例を述べる。

【００４５】まず、その縮小投影露光装置の説明を行な
う。光源ランプ３０からの光は、集光レンズ３１により
集光され、露光用マスク３２を照射する。マスク３２を
透過した光は、縮小倍率の結像レンズ３３に入射し、ス
テージ３４上に載置された光学デバイス用材料３７の表
面に、マスク３２の縮小像、即ち、透過率分布の縮小像
を結像する。光学デバイス用材料３７を載置したステー
ジ３４は、ステップモーター３５，３６の作用により、
結像レンズ３３光軸に直交する面内で、互いに直交する
２方向へ変位可能であり、光学デバイス用材料３７の位
置を、結像レンズ３３の光軸に対して位置合わせできる
ようになっている。

【００４６】結像レンズ３３によるマスク３２の縮小像
を、光学デバイス用材料３７のフォトレジスト層表面に
結像させる。この露光を、光学デバイス用材料３７の全
面にわたって密に行なう。液晶プロジェクタ用ＭＬＡを
製作するために、ネオセラム基板を用意し、この基板上
に前述のＴＧＭＲ−９５０レジストを８.５６μｍの厚
さに塗布した。次にホットプレートで、１００℃にてベ
ーク時間１８０秒でプリベークした。

【００４７】この基板を図７の１／５ステッパーで露光
した。次のような露光条件からを連続して行なっ
た。 デフォーカス：＋１１μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.１３秒 デフォーカス：＋１０μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.１３秒 デフォーカス：＋ ９μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.１１秒 デフォーカス：＋ ８μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.１１秒 デフォーカス：＋ ７μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.１１秒 デフォーカス：＋ ５μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.１１秒 デフォーカス：＋ ３μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.１１秒 デフォーカス：＋ １μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.１１秒 この条件では、総合露光量は、照射量３９０ｍＷ×０.
９２秒（照度：３５９ｍＪ）である。ここで、デフォー
カス量の表示の＋の符号は、焦点がレジスト表面の上方
にあることを意味している。

【００４８】この条件で露光後、ＰＥＢ（ポスト・エキ
スポージャー・ベーク）を６０℃にて１８０秒実施し
た。次いで、感光性材料の現像、リンスを行なった。そ
の後、紫外線硬化装置にて１８０秒間紫外線を照射しな
がら真空引きを実施して、レジストのハードニングを行
なった。紫外線硬化装置は、レジストの露光に使用する
波長よりも短波長でレジストを硬化させることのできる
波長を照射する。この操作によって、レジストの耐プラ
ズマ性は向上し、次工程での加工に耐えられるようにな
る。このときのレジスト高さは７.５μｍであった。デ
フォーカスの効果によって、特段の段差を生じることな
く形状を製作することができた。

【００４９】その後、上記基板をＴＣＰ（誘導結合型プ
ラズマ）ドライエッチング装置にセットし、真空度：
１.５×１０^-3Ｔｏｒｒ、ＣＨＦ₃：５.０ｓｃｃｍ、Ｃ
Ｆ₄：５０.０ｓｃｃｍ、Ｏ₂：１５.０ｓｃｃｍ、基板バ
イアス電力：６００Ｗ、上部電極電力：１.２５ｋＷ、
基板冷却温度：−２０℃の条件下でドライエッチングを
行なった。またこの時、基板バイアス電力と上部電極電
力を経時的に変化させ、時間変化と共に選択比が小さく
なるように変更しながらエッチングを行なった。基板の
平均エッチング速度は、０.６３μｍ／分であったが、
実際のエッチンング時間は、１１.５分を要した。エッ
チング後のレンズ高さは、５.３３μｍであった。

【００５０】（液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例２）
液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１と同じ濃度分布マ
スクレチクルを用い、ステッパー装置での露光条件を変
更して行なった。次のような露光条件からを連続し
て行なった。 デフォーカス：＋１０μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.４４秒 デフォーカス：＋ ５μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.４４秒 デフォーカス：＋ ０μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.１３秒 この条件では、総合露光量は、照射量３９０ｍＷ×１.
０２秒（照度：３９４ｍＪ）である。

【００５１】この条件で露光後、感光性材料のＰＥＢ、
現像、リンスを行なった。次いで、液晶用微小寸法ＭＬ
Ａ製作の具体例１と同じ条件でレジストのハードニング
を行なった。このときのレジスト高さは７.２μｍであ
った。デフォーカスの効果によって、特段の段差を生じ
ることなく形状を製作することができた。その後、上記
基板をＴＣＰドライエッチング装置にセットし、液晶用
微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１と同じ条件でドライエッ
チングを行なった。基板の平均エッチング速度は、０.
６７μｍ／分であったが、実際のエッチンング時間は、
１１.０分を要した。エッチング後のレンズ高さは、５.
３μｍであった。

【００５２】（液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例３）
ここでは非球面形状のＭＬＡを製作した。上記の液晶用
微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１と同じ濃度分布マスクレ
チクルを用い、ステッパー装置での露光条件を変更して
行なった。次のような露光条件からを連続して行な
った。 デフォーカス：＋１１μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.０８秒 デフォーカス：＋１０μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.０８秒 デフォーカス：＋ ９μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.１０秒 デフォーカス：＋ ８μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.１３秒 デフォーカス：＋ ７μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.１８秒 デフォーカス：＋ ５μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.２０秒 デフォーカス：＋ ３μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.１０秒 デフォーカス：＋ １μｍ、照射量：３９０ｍＷ×
０.０５秒 この条件では、総合露光量は、照射量３９０ｍＷ×０.
９２秒（照度：３５９ｍＪ）である。

【００５３】この条件で露光後、感光性材料のＰＥＢ、
現像、リンスを行なった。次いで、液晶用微小寸法ＭＬ
Ａ製作の具体例１と同じ条件でレジストのハードニング
を行なった。このときのレジスト高さは７.７μｍであ
った。デフォーカスの効果によって、特段の段差を生じ
ることなく形状を製作することができた。その後、上記
基板をＴＣＰドライエッチング装置にセットし、液晶用
微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１での条件のうち、Ｏ₂を
１５.０ｓｃｃｍから０.９ｓｃｃｍへ変更してドライエ
ッチングを行なった。基板の平均エッチング速度は、
０.５５μｍ／分であったが、実際のエッチンング時間
は、１４.０分を要した。エッチング後のレンズ高さ
は、７.４μｍであった。

【００５４】このように、各マスク内で光透過量の隣接
効果の量を制御してＭＬＡの非球面形状を形成すること
ができた。この具体例３によって製作したＭＬＡは、具
体例１で作成したＭＬＡよりも焦点距離が短いＭＬＡを
実現することができた。また、具体例３によれば、従来
の濃度分布マスク工法で作成したＭＬＡよりも高精度の
非球面形状を再現性よく形成することができた。

【００５５】

【発明の効果】本発明にかかる３次元構造体製造方法で
は、露光に用いる濃度分布マスクは透明基板上に２次元
の光強度分布を有する遮光パターンが形成されたもので
あり、適当な形状及び大きさの単位セルにより隙間なく
分割されており、各単位セル内の遮光パターンが感光性
材料パターンの対応した位置の高さに応じた光透過量又
は遮光量となるように設定されていることにより遮光パ
ターンが構成されているものであり、基板上に感光性材
料層を形成し、上記濃度分布マスクを用いた露光におい
て、露光時間内にデフォーカス量を予め設定された条件
で変化させつつ行なうフォトリソグラフィ工程により感
光性材料パターンを形成するようにしたので、フォトレ
ジストに形成される３次元パターン、ひいては目的とす
る物品の表面形状を平滑なものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】６種類の単位セル形状の例を示す図である。

【図２】ＭＬＡの濃度分布マスクに配置される単位セル
の例を示す図である。

【図３】単位セル内の光透過領域又は遮光領域の増加又
は減少の起点となる初期パターンと光透過量又は遮光量
を変化させる方法を示す図である。

【図４】単位セル内の光透過領域又は遮光領域を増加又
は減少させる方法を示す図で、（ア）は単位セルが長方
形の場合、（イ）は単位セルが正六角形の場合の例であ
る。

【図５】濃度分布マスクレチクルの製作に用いるレーザ
ー光照射装置の一例を示す概略構成図である。

【図６】マイクロレンズ用濃度分布マスクの遮光パター
ンの一例を示す図である。

【図７】縮小投影露光装置の一例を示す概略構成図であ
る。

【符号の説明】

１ レーザー光発振装置 ２ ビームスプリッター ４ 光変調器 ５ 光変調制御装置 ６ 光偏向器 ７ 対物レンズ ８ Ｘ−Ｙステージ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２９Ｌ 11:00 Ｂ２９Ｌ 11:00

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 濃度分布マスクを用いた露光により基板
   上に３次元構造の感光性材料パターンを形成し、その感
   光性材料パターンを前記基板に彫り写すことにより３次
   元構造の表面形状をもつ物品を製造する方法において、 濃度分布マスクは透明基板上に２次元の光強度分布を有
   する遮光パターンが形成されたものであり、適当な形状
   及び大きさの単位セルにより隙間なく分割されており、
   各単位セル内の遮光パターンが前記感光性材料パターン
   の対応した位置の高さに応じた光透過量又は遮光量とな
   るように設定されていることにより前記遮光パターンが
   構成されているものであり、 前記基板上に感光性材料層を形成し、前記濃度分布マス
   クを用いた露光において、露光時間内にデフォーカス量
   を予め設定された条件で変化させつつ行なうフォトリソ
   グラフィ工程により前記感光性材料パターンを形成する
   ことを特徴とする３次元構造体製造方法。
2. 【請求項２】 前記フォトリソグラフィ工程は、デフォ
   ーカス量を焦点が大きくずれた側から焦点が合う側へ変
   化させる請求項１に記載の３次元構造体製造方法。