JP2003015275A - Method for forming gray scale mask and three- dimensional fine working method by using the same - Google Patents
Method for forming gray scale mask and three- dimensional fine working method by using the sameInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、グレイスケールマ
スク作製法とそれを用いた３次元微細加工方法に関し、
特に、マスクパターンとして連続的な濃度分布を有する
グレイスケールマスクの作製法とそれを用いた３次元微
細加工方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gray scale mask manufacturing method and a three-dimensional microfabrication method using the same.
In particular, the present invention relates to a method for producing a gray scale mask having a continuous density distribution as a mask pattern and a three-dimensional microfabrication method using the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、電子ビーム描画装置やレーザー直
接描画装置とＨＥＢＳ ｇｌａｓｓ（Ｈｉｇｈ−Ｅｎｅ
ｒｇｙ−Ｂｅａｍ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｇｌａｓｓ）
を用いたグレイスケールマスクが提案され、各種のマイ
クロレンズやマイクロプリズムが作製されている（Ａｐ
ｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．２
０，１９９７，ｐｐ．４６７５−４６８０；Ａｐｐｌｉ
ｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．３２，１９
９８，ｐｐ．７５６８−７５７６）。これらの装置とガ
ラスは高価であり、さらに、通常の電子ビーム描画装置
には集積回路用のＣＡＤで設計されたＧＤＳ２フォーマ
ットファイルを用いるため、グレイスケールをラインの
組み合わせで表現する必要があった。また、従来は、グ
レイスケールマスクのパターンをレジストに転写してそ
れを反応性イオンエッチング技術を用いてガラスに転写
していたため、工程が複雑でコストも高かった。また、
感光性ガラスに上記のようなライン等を組み合わせで表
現したグレイスケールマスクを介して直接露光すること
により３次元加工することも提案されているが（０−７
８０３−４４１２−Ｘ／９８，１９９８ ＩＥＥＥ，ｐ
ｐ．２０７−２１０）、このようなグレイスケールマス
クを作製することは容易ではなかった。2. Description of the Related Art In recent years, electron beam lithography systems, laser direct lithography systems and HEBS glass (High-Ene)
rgy-Beam-Sensitive glass)
A gray scale mask using is proposed, and various microlenses and microprisms have been manufactured (Ap
plied Optics, Vol. 36, No. Two
0, 1997, pp. 4675-4680; Appli
ed Optics, Vol. 37, No. 32, 19
98, pp. 7568-7576). These devices and glass are expensive, and further, since the GDS2 format file designed by CAD for an integrated circuit is used for an ordinary electron beam drawing device, it is necessary to express a gray scale by a combination of lines. Further, conventionally, the pattern of the gray scale mask was transferred to the resist and then transferred to the glass by using the reactive ion etching technique, so that the process was complicated and the cost was high. Also,
Three-dimensional processing is also proposed by directly exposing the photosensitive glass through a gray scale mask expressed by combining the above lines and the like (0-7
803-4412-X / 98, 1998 IEEE, p.
p. 207-210), making such a gray scale mask has not been easy.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】本発明は従来技術のこ
のような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的
は、特別の描画装置や描画ソフトを用いずに市販のパー
ソナルコンピュータ用のＣＡＤソフトとプリンタを用い
て３次元微細加工用のグレイスケールマスクを作製する
方法と、そのグレイスケールマスクと感光性ガラスとを
組み合わせて簡便かつ安価に３次元微細加工を行う方法
を提供することである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and an object thereof is to use a commercially available personal computer without a special drawing device or drawing software. By providing a method for producing a grayscale mask for three-dimensional microfabrication using CAD software and a printer and a method for performing the three-dimensional microfabrication simply and inexpensively by combining the grayscale mask and photosensitive glass. is there.
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明のグレイスケールマスク作製法は、３次元微細加工用
のグレイスケールマスクにおいて、インクジェットプリ
ンターあるいはレーザプリンター等を用いて、黒又は不
透明画素の粗密で表現された濃淡パターンとして透明シ
ートあるいは白色シート上に原画を印刷し、その出力さ
れた黒又は不透明画素の粗密で表現された原画を縮小投
影光学系を用いて、原画の各画素の像がぼけて隣接する
画素の像と平均化されて解像できない倍率で写真感材に
複写することにより作製することを特徴とする方法であ
る。The method for producing a gray scale mask of the present invention which achieves the above object is a method for producing a gray scale mask for three-dimensional microfabrication by using an ink jet printer, a laser printer, or the like to obtain a black or opaque pixel. An original image is printed on a transparent sheet or a white sheet as a light and shade pattern expressed in terms of density, and the output original image expressed in terms of density of black or opaque pixels is output to an image of each pixel of the original image using a reduction projection optical system. It is a method characterized in that it is produced by copying on a photographic light-sensitive material at a magnification that is blurred and averaged with an image of an adjacent pixel and cannot be resolved.
【０００５】この場合、縮小投影光学系により、原画の
各画素の像が幾何光学的に０．５μｍ以下に縮小される
倍率で写真感材上に投影するようにすることが望まし
い。In this case, it is desirable that the reduction projection optical system projects the image of each pixel of the original image on the photographic light-sensitive material at a magnification that is geometrically optically reduced to 0.5 μm or less.
【０００６】なお、本発明はこのようにして作製された
グレイスケールマスクを含むものである。The present invention includes the gray scale mask thus manufactured.
【０００７】本発明の３次元微細加工方法は、以上の作
製法で作製されたグレイスケールマスクを、露光量に応
じてエッチング量が異なる感光性ガラスに接触させ、前
記グレイスケールマスクを介して前記感光性ガラスが感
度を有する光を照射し、その後、前記感光性ガラスを所
定のエッチング溶液でエッチングすることにより前記感
光性ガラスの表面に３次元微細加工を施すことを特徴と
する方法である。In the three-dimensional microfabrication method of the present invention, the gray scale mask manufactured by the above manufacturing method is brought into contact with a photosensitive glass having an etching amount different depending on the exposure amount, and the above-mentioned gray scale mask is used to contact the photosensitive glass. The method is characterized in that the photosensitive glass is irradiated with light having sensitivity, and then the photosensitive glass is etched with a predetermined etching solution to perform three-dimensional fine processing on the surface of the photosensitive glass.
【０００８】本発明のもう１つの３次元微細加工方法
は、以上の作製法で作製されたグレイスケールマスク
を、露光量に応じてエッチング量が異なるフォトレジス
トの層を塗布した基板表面に接触させ、前記グレイスケ
ールマスクを介して前記フォトレジストが感度を有する
光を前記フォトレジストの層に照射し、その後、前記フ
ォトレジストの層を所定のエッチング溶液でエッチング
し、次いで、その残ったフォトレジストのパターンを介
して反応性イオンエッチングによりドライエッチングす
ることにより前記基板の表面に３次元微細加工を施すこ
とを特徴とする方法である。Another three-dimensional microfabrication method of the present invention is that the gray scale mask manufactured by the above manufacturing method is brought into contact with the surface of a substrate coated with a layer of photoresist having a different etching amount depending on the exposure amount. Irradiating the photoresist layer with light to which the photoresist is sensitive through the gray scale mask, then etching the photoresist layer with a predetermined etching solution, and then removing the remaining photoresist. The method is characterized in that the surface of the substrate is subjected to three-dimensional fine processing by dry etching by reactive ion etching through a pattern.
【０００９】本発明においては、インクジェットプリン
ターあるいはレーザプリンター等を用いて、黒又は不透
明画素の粗密で表現された濃淡パターンとして透明シー
トあるいは白色シート上に原画を印刷し、その出力され
た黒又は不透明画素の粗密で表現された原画を縮小投影
光学系を用いて、原画の各画素の像がぼけて隣接する画
素の像と平均化されて解像できない倍率で写真感材に複
写することにより３次元微細加工用のグレイスケールマ
スクを作製するので、従来法に比べて、簡便かつ安価に
グレイスケールマスクが設計、製作できる。このグレイ
スケールマスクと感光性ガラスを組み合わせることによ
り、深さ数ｍｍ、精度数１０μｍ程度の３次元ガラス構
造体を１回の露光、エッチングにより製作することがで
きる。また、本発明のグレイスケールマスクは、従来の
フォトレジストを用い、反応性イオンエッチング技術を
用いてシリコン基板等の３次元微細加工方法にも適用す
ることができる。In the present invention, an original image is printed on a transparent sheet or a white sheet as a light and shade pattern expressed by the density of black or opaque pixels by using an ink jet printer or a laser printer, and the output black or opaque. By using a reduction projection optical system, the original image expressed by the density of pixels is copied to a photographic material at a magnification that cannot be resolved because the image of each pixel of the original image is blurred and averaged with the image of the adjacent pixel. Since a grayscale mask for three-dimensional microfabrication is manufactured, the grayscale mask can be designed and manufactured more easily and cheaply than the conventional method. By combining this gray scale mask and photosensitive glass, a three-dimensional glass structure having a depth of several mm and an accuracy of several tens of μm can be manufactured by exposing and etching once. Further, the gray scale mask of the present invention can be applied to a three-dimensional microfabrication method of a silicon substrate or the like using a conventional photoresist and a reactive ion etching technique.
【００１０】[0010]
【発明の実施の形態】以下、本発明のグレイスケールマ
スク作製法とそれを用いた３次元微細加工方法の原理と
その実施例について説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The principle of a gray scale mask manufacturing method of the present invention, a three-dimensional microfabrication method using the same, and examples thereof will be described below.
【００１１】従来の微細加工用のグレイスケールマスク
は、前記したように、集積回路用のＣＡＤで設計された
ＧＤＳ２フォーマットファイルを用いるため、グレイス
ケールをラインの組み合わせで表現する必要があった。
これに対して、本発明では、市販のパーソナルコンピュ
ータ用の種々のＣＡＤソフトのグラデーション機能に着
目し、これを用いて濃度が連続分布するグレイスケール
マスクを作製するものである。Since the conventional gray scale mask for microfabrication uses the GDS2 format file designed by CAD for integrated circuits as described above, it is necessary to express the gray scale by a combination of lines.
On the other hand, the present invention focuses on the gradation function of various CAD software for commercially available personal computers, and uses it to manufacture a gray scale mask in which the density is continuously distributed.
【００１２】図１は、本発明のグレイスケールマスク作
製法の基本原理を説明するための模式図であるが、パー
ソナルコンピュータのインクジェットプリンター（バブ
ルジェット（登録商標）プリンターも含む）あるいはレ
ーザプリンターから出力される種々のＣＡＤソフトによ
る濃度表現は、図１（ａ１）〜（ｃ１）に示すように、
微細な離散的な黒画素Ｐの粗密を用いて濃淡を表してい
る。すなわち、図１（ａ１）の場合は濃度（グレイバリ
ュー）が略１００％、（ｂ１）はその半分の略５０％、
（ｃ１）はその半分の略２５％の場合である。FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the basic principle of the gray scale mask manufacturing method of the present invention. Output from an inkjet printer (including a bubble jet (registered trademark) printer) or a laser printer of a personal computer. As shown in FIGS. 1 (a1) to 1 (c1), the density expression by various CAD software is
The density is represented by using the density of fine discrete black pixels P. That is, in the case of FIG. 1 (a1), the density (gray value) is about 100%, and (b1) is about 50% that half,
(C1) is about 25% of the half.
【００１３】このような黒あるいは不透明画素Ｐの粗密
を局所で平均化することにより、図１（ａ２）〜（ｃ
２）に示すように、局所面内の濃度が連続したものとな
る。図１（ａ２）、（ｂ２）、（ｃ２）はそれぞれ（ａ
１）、（ｂ１）、（ｃ１）に対応する濃度である。By locally averaging the density of the black or opaque pixels P as described above, FIGS.
As shown in 2), the concentration in the local plane becomes continuous. 1 (a2), (b2), and (c2) are (a2)
1), (b1), and (c1).
【００１４】そのために、本発明では、作製したいグレ
イスケールマスクを拡大した形状で、インクジェットプ
リンターあるいはレーザプリンター等を用いて、黒（不
透明）画素の粗密で表現されたパターンとして透明シー
トあるいは白色シート上に印刷し、その出力された黒
（不透明）画素の粗密で表現されたグレイスケールマス
クパターンを結像光学系を用いて印刷のときの拡大をキ
ャンセルする縮小倍率で投影して高分解写真フィルム等
の上に焼き付ける。Therefore, in the present invention, an enlarged shape of a gray scale mask to be manufactured is used, and an inkjet printer, a laser printer, or the like is used to form a pattern expressed by the density of black (opaque) pixels on a transparent sheet or a white sheet. High-resolution photographic film, etc. by printing on a gray scale mask pattern expressed by the density of the black (opaque) pixels that is output and projected at a reduction ratio that cancels the enlargement during printing using the imaging optical system. Bake on top.
【００１５】図２はそのための配置であり、縮小投影可
能な投影レンズ系１と、高分解写真フィルム１１を載置
可能な架台３と、上記の黒（不透明）画素の粗密で表現
されたグレイスケールマスクパターン（原画）１０を照
明する照明装置２とを備えた複写装置を用い、図２のよ
うな配置で、照明装置２によりグレイスケールマスクパ
ターン１０を裏面から照明し、投影レンズ系１で架台３
上に載置された高分解写真フィルム１１に、グレイスケ
ールマスクパターン１０を例えば２０分の１に縮小投影
する。FIG. 2 shows an arrangement for that purpose, which includes a projection lens system 1 capable of reducing and projecting, a mount 3 on which a high resolution photographic film 11 can be mounted, and a gray expressed by the density of the black (opaque) pixels. Using a copying machine equipped with a lighting device 2 for illuminating the scale mask pattern (original image) 10, the gray scale mask pattern 10 is illuminated from the back side by the illumination device 2 in the arrangement as shown in FIG. Stand 3
The grayscale mask pattern 10 is reduced and projected, for example, to 1/20 on the high resolution photographic film 11 placed on the top.
【００１６】グレイスケールマスクパターン１０上の画
素Ｐは、その径が１０μｍ程度なので、投影レンズ系１
で上記のように２０分の１に縮小されると、画素Ｐは約
０．５μｍとなるが、実際には、投影レンズ系１の縮小
限界に基づく収差や回折の影響により、画素Ｐはぼけて
写真フィルム１１上で平均化された状態になり、高分解
写真フィルム１１を現像して得られるマスクには、濃度
が平均化されて連続分布するグレイスケールマスクとな
る。Since the diameter of the pixel P on the gray scale mask pattern 10 is about 10 μm, the projection lens system 1
Then, when the pixel P is reduced to 1/20 as described above, the pixel P becomes about 0.5 μm. However, in reality, the pixel P is blurred due to the influence of aberration and diffraction due to the reduction limit of the projection lens system 1. The resulting mask is an averaged state on the photographic film 11, and the mask obtained by developing the high-resolution photographic film 11 is a gray scale mask in which the densities are averaged and continuously distributed.
【００１７】ここで、投影レンズ系１の縮小倍率として
は、画素Ｐの径が幾何光学的に写真フィルム１１上で波
長オーダーの０．５μｍ以下になる倍率が望ましく、そ
れよりもより小さく縮小するようにしてもよい。Here, as the reduction magnification of the projection lens system 1, it is desirable that the diameter of the pixel P is 0.5 μm or less of the wavelength order on the photographic film 11 geometrically and optically, and reduction is made smaller than that. You may do it.
【００１８】このように、本発明においては、インクジ
ェットプリンターあるいはレーザプリンター等を用い
て、作製しようとするグレイスケールマスクを拡大した
形状で黒（不透明）画素の粗密で表現されたパターンと
して透明シートあるいは白色シート上に印刷し、その出
力された黒（不透明）画素の粗密で表現されたグレイス
ケールマスクパターン（原画）１０を縮小投影光学系１
を用いて、各画素がぼけて写真感材上で隣接する画素と
平均化されて解像できない状態で複写することによりグ
レイスケールマスクを作製するものである。As described above, according to the present invention, an inkjet printer, a laser printer or the like is used to form a transparent sheet or a transparent sheet as a pattern expressed by the density of black (opaque) pixels in an enlarged shape of a gray scale mask to be manufactured. A grayscale mask pattern (original image) 10 which is printed on a white sheet and which is expressed by the density of black (opaque) pixels output from the white sheet is reduced and projected onto the optical system 1.
Is used to make a gray scale mask by copying each pixel in a state in which each pixel is blurred and averaged with an adjacent pixel on the photographic light-sensitive material and cannot be resolved.
【００１９】さて、本発明においては、このようにして
作製したグレイスケールマスクを用いて感光性ガラスに
コンタクト露光をすることにより、グレイスケールマス
クの濃度分布を感光性ガラスの表面からのエッチング量
に変換することにより、感光性ガラスを３次元微細加工
するようにする。In the present invention, contact exposure is performed on the photosensitive glass using the gray scale mask thus produced, so that the concentration distribution of the gray scale mask is set to the etching amount from the surface of the photosensitive glass. By converting, the photosensitive glass is subjected to three-dimensional fine processing.
【００２０】まず、感光性ガラスの特性について説明す
る。感光性ガラスとして、（株）住田光学ガラス製 Ｐ
ＳＧ−１を用いた。この感光性ガラスは、ＳｉＯ2 −Ｌ
ｉＯ 2 −Ａｌ2 Ｏ3 系のガラスに感光剤として少量のＡ
ｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の金属イオン、増感剤としてＧｅＯ2
等を少量含んだものである。この感光性ガラスに紫外線
等を露光した後に、熱処理をすることで、露光部分にＬ
ｉ2 Ｏ−２ＳｉＯ2 （メタケイ酸リチウム）が析出する
ことにより、フッ酸（ＨＦ）水溶液に対するエッチング
レートが、未露光部分のガラスに比べて約５０倍にな
る。First, the characteristics of the photosensitive glass will be described.
It As a photosensitive glass, P made by Sumita Optical Glass Co., Ltd.
SG-1 was used. This photosensitive glass is SiO2-L
iO 2-Al2O3 A small amount of A as a photosensitizer on glass
u, Ag, Cu and other metal ions, GeO as a sensitizer2
It contains a small amount of etc. UV light on this photosensitive glass
After exposing, etc., heat treatment is performed to make L
i2O-2SiO2(Lithium metasilicate) precipitates
By this, etching for hydrofluoric acid (HF) aqueous solution
The rate is about 50 times higher than that of unexposed glass
It
【００２１】このような感光性ガラスに、上記の本発明
によるグレイスケールマスクを用いてコンタクト露光す
ると、グレイスケールマスクに濃度分布がついている上
に、感光性ガラスが透明性を持っているために、感光性
ガラスに露光時にも露光量の平均化が起こり、グレイス
ケールマスクに残っている画素像の粗密は平均化され、
紫外線露光量の分布として感光性ガラスに転写されるこ
とになる。したがって、本発明によるグレイスケールマ
スクと感光性ガラスの特性とを組み合わせることによ
り、任意の３次元形状の化学切削（エッチング）を行う
ことができる。When contact exposure is performed on such a photosensitive glass using the gray scale mask according to the present invention, since the gray scale mask has a density distribution and the photosensitive glass has transparency. , The exposure amount is averaged even when the photosensitive glass is exposed, and the density of the pixel image remaining in the gray scale mask is averaged,
It will be transferred to the photosensitive glass as a distribution of the ultraviolet exposure amount. Therefore, chemical cutting (etching) of an arbitrary three-dimensional shape can be performed by combining the characteristics of the gray scale mask according to the present invention and the photosensitive glass.
【００２２】図３に、グレイスケールマスクパターン
（原画）１０描画時のＣＡＤソフトのグレイスケール階
調（グレイバリュー）と上記感光性ガラスにおける切削
量（エッチング深さ）の関係を実験的に求めた結果を示
す。露光には、ミカサ社の半導体アライナーＭＡ１０を
用いて、紫外線を９０分照射した。その後、熱処理を５
１３℃で６０分、５４８℃で９０分行うと、露光部はメ
タケイ酸リチウムが析出することにより薄く白濁して、
未露光部は透明のままである。グレイスケールマスクを
用いて露光量を変化させると、白濁部の白濁度はグレイ
スケールの濃度（グレイバリュー）と一致し、メタケイ
酸リチウムの析出濃度がグレイスケールにより制御され
ていることが確認できた。露光時間を増すと白濁度は大
きくなるが、最適値を越えると露光部は黄色くなり、未
露光部も白濁することから、最適値以下で露光すること
が必要であることが分かる。この状態のガラスを、温度
３０℃の５ｗｔ％ＨＦ水溶液に入れ、エッチング時間を
４０分、８０分、１２０分と変化させ切削量（エッチン
グ深さ）を測定したのが図３である。In FIG. 3, the relationship between the gray scale gradation (gray value) of the CAD software when drawing the gray scale mask pattern (original image) 10 and the cutting amount (etching depth) in the photosensitive glass was experimentally obtained. The results are shown. For the exposure, a semiconductor aligner MA10 manufactured by Mikasa was used and irradiated with ultraviolet rays for 90 minutes. Then heat treatment 5
When performed at 13 ° C. for 60 minutes and at 548 ° C. for 90 minutes, the exposed portion becomes slightly cloudy due to the deposition of lithium metasilicate,
The unexposed areas remain transparent. When the exposure amount was changed using a gray scale mask, the white turbidity of the white turbid part coincided with the gray scale concentration (gray value), and it was confirmed that the deposition concentration of lithium metasilicate was controlled by the gray scale. . When the exposure time is increased, the white turbidity increases, but when it exceeds the optimum value, the exposed part becomes yellow and the unexposed part also becomes cloudy. Therefore, it is necessary to perform the exposure below the optimum value. FIG. 3 shows that the glass in this state was put in a 5 wt% HF aqueous solution at a temperature of 30 ° C., the etching time was changed to 40 minutes, 80 minutes, and 120 minutes, and the cutting amount (etching depth) was measured.
【００２３】この図３より、グレイスケール階調１０％
〜３０％では実用的な切削量は得られず、表面荒れも見
られることから、この範囲では実用的な切削量調整は行
えなかった。グレイスケール階調３０％〜８０％におい
てグレイスケール階調に略比例した切削量が得られ、切
削量はグレイスケール階調とエッチング時間の関数で制
御可能であった。露光量９０分、階調８０％、エッチン
グ時間１２０分で、エッチング深さ１ｍｍが得られた。
また、グレイスケール階調８０％以上では、切削量は飽
和傾向にあるため、実際の３次元形状の作製には、グレ
イスケール階調３０％〜８０％を用いて深さの比率を決
定して、絶対的な深さはエッチング時間や露光時間で調
整する手法が適切である。From FIG. 3, gray scale gradation 10%
A practical cutting amount could not be obtained in the range of up to 30%, and surface roughness was also observed. Therefore, the practical cutting amount could not be adjusted in this range. A cutting amount approximately proportional to the gray scale gradation was obtained at a gray scale gradation of 30% to 80%, and the cutting amount was controllable by a function of the gray scale gradation and the etching time. With an exposure amount of 90 minutes, a gradation of 80%, and an etching time of 120 minutes, an etching depth of 1 mm was obtained.
In addition, since the cutting amount tends to be saturated when the gray scale gradation is 80% or more, the depth ratio is determined by using the gray scale gradation of 30% to 80% in the actual fabrication of the three-dimensional shape. The method of adjusting the absolute depth by etching time or exposure time is appropriate.
【００２４】図４、図５に、本発明によるグレイスケー
ルマスク２０を用い、感光性ガラス板２１にこのグレイ
スケールマスク２０を通してコンタクト露光することに
より、感光性ガラス板２１の表面に３次元微細加工する
例を示す。図４の場合は、グレイスケールマスク２０と
して濃度が図の左で低く右で高い傾斜濃度領域２０1、
２０2 を持つグレイスケールマスク２０を用い、同図
（ａ）に示すように、感光性ガラス板２１の上に載せ、
その上にカバーガラス２２を載せて、カバーガラス２２
側から紫外線２３を照射する。その後、同図（ｂ）に示
すように、カバーガラス２２とグレイスケールマスク２
０を外して、所定の熱処理を行う。次いで、同図（ｃ）
に示すように、所定濃度のフッ酸（ＨＦ）水溶液で所定
時間エッチングすることにより、グレイスケールマスク
２０の透過率の傾斜に応じた深さ方向の傾斜領域２
１1 ’、２１2 ’を持った３次元表面を有する感光性ガ
ラス板２１’が得られる。必要に応じて、その表面に平
滑化のためのコーティング等を施すことにより、マイク
ロレンズ、マイクロプリズム、生物工学用マイクロチャ
ンネル等に最適なガラス製品が得られる。あるいは、こ
の３次元表面を有する感光性ガラス板２１’表面にメッ
キ及び電着を施して型取りすることにより、それらのプ
ラスチック成形型を作製することもできる。4 and 5, the gray scale mask 20 according to the present invention is used, and the photosensitive glass plate 21 is contact-exposed through the gray scale mask 20 to form a three-dimensional fine pattern on the surface of the photosensitive glass plate 21. Here is an example. In the case of FIG. 4, as the gray scale mask 20, a gradient density region 20 1 whose density is low on the left and high on the right in the drawing,
Using a gray scale mask 20 having 20 2 , it is placed on a photosensitive glass plate 21 as shown in FIG.
The cover glass 22 is placed on the cover glass 22.
Ultraviolet rays 23 are irradiated from the side. After that, as shown in FIG. 3B, the cover glass 22 and the gray scale mask 2 are
By removing 0, a predetermined heat treatment is performed. Then, the same figure (c)
As shown in FIG. 2, by etching with a hydrofluoric acid (HF) aqueous solution having a predetermined concentration for a predetermined time, the sloped region 2 in the depth direction corresponding to the slope of the transmittance of the gray scale mask 20 is formed.
1 1 ', 21 2' of the photosensitive glass plate 21 having a three-dimensional surface having 'is obtained. If necessary, by coating the surface thereof with a smoothing agent, a glass product most suitable for microlenses, microprisms, microchannels for biotechnology, etc. can be obtained. Alternatively, the surface of the photosensitive glass plate 21 ′ having the three-dimensional surface may be plated and electrodeposited to obtain a mold for those plastic molding dies.
【００２５】図５の場合は、グレイスケールマスク２０
として濃度が中程度の領域２０3 、濃度が比較的高い領
域２０4 、濃度が比較的低い領域２０5 を持つグレイス
ケールマスク２０を用い、同図（ａ）に示すように、感
光性ガラス板２１の上に載せ、その上にカバーガラス２
２を載せて、カバーガラス２２側から紫外線２３を照射
する。その後、同図（ｂ）に示すように、カバーガラス
２２とグレイスケールマスク２０を外して、所定の熱処
理を行う。次いで、同図（ｃ）に示すように、所定濃度
のフッ酸（ＨＦ）水溶液で所定時間エッチングすること
により、グレイスケールマスク２０の透過率の透過率差
に応じた深さの異なる領域２１3 ’、２１4 、２１5 ’
を持った３次元表面を有する感光性ガラス板２１’が得
られる。同様に、必要に応じて、その表面に平滑化のた
めのコーティング等を施すことにより、マイクロレン
ズ、マイクロプリズム、生物工学用マイクロチャンネル
等に最適なガラス製品が得られる。あるいは、この３次
元表面を有する感光性ガラス板２１’表面にメッキ及び
電着を施して型取りすることにより、それらのプラスチ
ック成形型を作製することもできる。In the case of FIG. 5, the gray scale mask 20 is used.
As a gray scale mask 20 having a medium density area 20 3 , a relatively high density area 20 4 and a relatively low density area 20 5, as shown in FIG. 21 and place it on the cover glass 2
2 is placed, and ultraviolet rays 23 are irradiated from the cover glass 22 side. Then, as shown in FIG. 3B, the cover glass 22 and the gray scale mask 20 are removed, and a predetermined heat treatment is performed. Then, as shown in FIG. 7C, the region 21 3 having a different depth corresponding to the difference in transmittance of the gray scale mask 20 is formed by etching with a hydrofluoric acid (HF) solution having a predetermined concentration for a predetermined time. ', 21 4 , 21 5 '
A photosensitive glass plate 21 'having a three-dimensional surface with a surface is obtained. Similarly, if necessary, by coating the surface thereof with a smoothing agent, a glass product suitable for microlenses, microprisms, microchannels for biotechnology, etc. can be obtained. Alternatively, the surface of the photosensitive glass plate 21 ′ having the three-dimensional surface may be plated and electrodeposited to obtain a mold for those plastic molding dies.
【００２６】以上は、本発明によるグレイスケールマス
クを用いて、感光性ガラスに３次元微細加工する例であ
ったが、感光性ガラス以外の材料に本発明によるグレイ
スケールマスクを転写する場合は、従来技術と同様に、
グレイスケールマスクのパターンをフォトレジストに転
写して、それを反応性イオンエッチング技術を用いて削
ることで、シリコン等の材料へ転写することが可能であ
る。その例を図６に示す。この場合は、まず図（ａ）に
示すように、シリコン基板２４上に、フォトレジスト層
２５をスピンコート等により塗布し、その上に本発明に
よるグレイスケールマスク２０の上に載せる。この例で
は、グレイスケールマスク２０として、濃度が図の左で
高く右で低い傾斜濃度領域２０6 の繰り返しパターンか
らなるグレイスケールマスク２０を用いている。そし
て、その上側から紫外線２３を照射する。その後、同図
（ｂ）に示すように、グレイスケールマスク２０を外し
て、フォトレジスト層２５をエッチングする。フォトレ
ジスト層２５は露光量に比例してエッチング量が増える
ものを用いているので、エッチング後のレジストパター
ン２５’は、グレイスケールマスク２０の濃度の傾斜に
応じた深さ方向の傾斜領域２５6 ’の繰り返しパターン
からなるものとなる。その後、そのレジストパターン２
５’を介してシリコン基板２４を反応性イオンエッチン
グによりドライエッチングすると、同図（ｃ）に示すよ
うに、グレイスケールマスク２０の濃度の傾斜に応じた
深さ方向の傾斜領域２４6 の繰り返しパターンからなる
３次元表面を有するシリコン基板２４が得られる。The above is an example of three-dimensional fine processing on photosensitive glass using the gray scale mask according to the present invention. However, when transferring the gray scale mask according to the present invention to a material other than the photosensitive glass, Like the prior art,
It is possible to transfer to a material such as silicon by transferring the pattern of the gray scale mask to the photoresist and scraping it using the reactive ion etching technique. An example thereof is shown in FIG. In this case, first, as shown in FIG. 3A, a photoresist layer 25 is applied on a silicon substrate 24 by spin coating or the like, and is placed on the gray scale mask 20 according to the present invention. In this example, as the gray scale mask 20, a gray scale mask 20 having a repeating pattern of a gradient density region 20 6 whose density is high on the left side and low on the right side in the drawing is used. Then, ultraviolet rays 23 are irradiated from the upper side. Then, as shown in FIG. 3B, the gray scale mask 20 is removed and the photoresist layer 25 is etched. Since the photoresist layer 25 is used such that the etching amount increases in proportion to the exposure amount, the resist pattern 25 ′ after etching has a sloping region 25 6 in the depth direction corresponding to the concentration gradient of the gray scale mask 20. 'Is a repeating pattern. After that, the resist pattern 2
When the silicon substrate 24 is dry-etched by reactive ion etching through 5 ', as shown in FIG. 6C, a repeating pattern of inclined regions 24 6 in the depth direction corresponding to the concentration gradient of the gray scale mask 20. A silicon substrate 24 having a three-dimensional surface of is obtained.
【００２７】以上、本発明のグレイスケールマスク作製
法とそれを用いた３次元微細加工方法を説明してきた
が、本発明はこれらの実施例に限定されず種々の変形が
可能である。また、本発明によるグレイスケールマスク
及びそれを用いた３次元微細加工方法は、マイクロ光学
製品やバイオ工学におけるマイクロ製品に限らず、種々
の分野のマイクロ製品の加工に適用できる。The gray scale mask manufacturing method of the present invention and the three-dimensional microfabrication method using the same have been described above, but the present invention is not limited to these embodiments and various modifications are possible. Further, the gray scale mask and the three-dimensional microfabrication method using the same according to the present invention are applicable not only to micro-optical products and micro products in biotechnology, but also to the processing of micro products in various fields.
【００２８】[0028]
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のグレイスケールマスク作製法とそれを用いた３次元微
細加工方法によると、インクジェットプリンターあるい
はレーザプリンター等を用いて、黒又は不透明画素の粗
密で表現された濃淡パターンとして透明シートあるいは
白色シート上に原画を印刷し、その出力された黒又は不
透明画素の粗密で表現された原画を縮小投影光学系を用
いて、原画の各画素の像がぼけて隣接する画素の像と平
均化されて解像できない倍率で写真感材に複写すること
により３次元微細加工用のグレイスケールマスクを作製
するので、従来法に比べて、簡便かつ安価にグレイスケ
ールマスクが設計、製作できる。このグレイスケールマ
スクと感光性ガラスを組み合わせることにより、深さ数
ｍｍ、精度数１０μｍ程度の３次元ガラス構造体を１回
の露光、エッチングにより製作することができる。ま
た、本発明のグレイスケールマスクは、従来のフォトレ
ジストを用い、反応性イオンエッチング技術を用いてシ
リコン基板等の３次元微細加工方法にも適用することが
できる。As is apparent from the above description, according to the gray scale mask manufacturing method of the present invention and the three-dimensional microfabrication method using the same, black or opaque pixels can be formed by using an ink jet printer or a laser printer. An original image is printed on a transparent sheet or a white sheet as a light and shade pattern expressed in terms of density, and the output original image expressed in terms of density of black or opaque pixels is output to an image of each pixel of the original image using a reduction projection optical system. Since a grayscale mask for three-dimensional microfabrication is produced by copying on a photographic material at a magnification that is blurred and averaged with the image of adjacent pixels and cannot be resolved, it is simpler and cheaper than conventional methods. Grayscale mask can be designed and manufactured. By combining this gray scale mask and photosensitive glass, a three-dimensional glass structure having a depth of several mm and an accuracy of several tens of μm can be manufactured by exposing and etching once. Further, the gray scale mask of the present invention can be applied to a three-dimensional microfabrication method of a silicon substrate or the like using a conventional photoresist and a reactive ion etching technique.
【図１】本発明のグレイスケールマスク作製法の基本原
理を説明するための模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the basic principle of a grayscale mask manufacturing method of the present invention.
【図２】本発明によるグレイスケールマスクを原画から
縮小投影光学系を用いて複写する配置の１例を示す図で
ある。FIG. 2 is a diagram showing an example of an arrangement in which a grayscale mask according to the present invention is copied from an original image using a reduction projection optical system.
【図３】グレイスケール階調と感光性ガラスにおける切
削量の関係を実験的に求めた結果を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a result of experimentally obtaining a relationship between a gray scale gradation and a cutting amount in photosensitive glass.
【図４】本発明により感光性ガラス板の表面に３次元微
細加工する例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example in which three-dimensional fine processing is performed on the surface of a photosensitive glass plate according to the present invention.
【図５】本発明により感光性ガラス板の表面に３次元微
細加工する別の例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing another example of three-dimensional microfabrication on the surface of a photosensitive glass plate according to the present invention.
【図６】本発明によりシリコン基板の表面に３次元微細
加工する例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of performing three-dimensional fine processing on the surface of a silicon substrate according to the present invention.
Ｐ…画素 １…投影レンズ系（縮小投影光学系） ２…照明装置 ３…架台 １１…高分解写真フィルム １０…グレイスケールマスクパターン（原画） ２０…グレイスケールマスク ２０1 、２０2 …傾斜濃度領域 ２０3 …濃度が中程度の領域 ２０4 …濃度が比較的高い領域 ２０5 …濃度が比較的低い領域 ２０6 …傾斜濃度領域 ２１…感光性ガラス板 ２１’…感光性ガラス板 ２１1 ’、２１2 ’…傾斜領域 ２１3 ’、２１4 、２１5 ’…深さの異なる領域 ２２…カバーガラス ２３…紫外線 ２４…シリコン基板 ２４6 …傾斜領域 ２５…フォトレジスト層 ２５’…レジストパターン ２５6 ’…傾斜領域P ... Pixel 1 ... Projection lens system (reduction projection optical system) 2 ... Illumination device 3 ... Frame 11 ... High-resolution photographic film 10 ... Grayscale mask pattern (original image) 20 ... Grayscale mask 20 1 , 20 2 ... Gradient density area 20 3 ... medium density area 20 4 ... relatively high density area 20 5 ... relatively low density area 20 6 ... gradient density area 21 ... photosensitive glass plate 21 '... photosensitive glass plate 21 1 ', 21 2 ′ ... Inclined regions 21 3 ′, 21 4 , 21 5 ′ ... Regions having different depths 22 ... Cover glass 23 ... UV rays 24 ... Silicon substrate 24 6 ... Inclined regions 25 ... Photoresist layer 25 ′ ... Resist pattern 25 6 '... slope area
───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｈ０１Ｌ 21/027 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５０２Ｐ ５０５ ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01L 21/027 H01L 21/30 502P 505
Claims (5)
クにおいて、インクジェットプリンターあるいはレーザ
プリンター等を用いて、黒又は不透明画素の粗密で表現
された濃淡パターンとして透明シートあるいは白色シー
ト上に原画を印刷し、その出力された黒又は不透明画素
の粗密で表現された原画を縮小投影光学系を用いて、原
画の各画素の像がぼけて隣接する画素の像と平均化され
て解像できない倍率で写真感材に複写することにより作
製することを特徴とするグレイスケールマスク作製法。1. In a gray scale mask for three-dimensional fine processing, an original image is printed on a transparent sheet or a white sheet as a light and shade pattern expressed by the density of black or opaque pixels by using an inkjet printer or a laser printer. , The output original image expressed by the density of black or opaque pixels is reduced by using a reduction projection optical system, and the image of each pixel of the original image is blurred and averaged with the image of the adjacent pixel A method for producing a gray scale mask, which is produced by copying on a light-sensitive material.
各画素の像が幾何光学的に０．５μｍ以下に縮小される
倍率で前記写真感材上に投影されることを特徴とする請
求項１記載のグレイスケールマスク作製法。2. The reduction projection optical system projects an image of each pixel of the original image on the photographic light-sensitive material at a magnification that is geometrically optically reduced to 0.5 μm or less. 1. The method for producing a gray scale mask according to 1.
スク作製法で作製されたことを特徴とするグレイスケー
ルマスク。3. A gray scale mask manufactured by the gray scale mask manufacturing method according to claim 1.
ザプリンター等を用いて、黒又は不透明画素の粗密で表
現された濃淡パターンとして透明シートあるいは白色シ
ート上に原画を印刷し、その出力された黒又は不透明画
素の粗密で表現された原画を縮小投影光学系を用いて、
原画の各画素の像がぼけて隣接する画素の像と平均化さ
れて解像できない倍率で写真感材に複写することにより
作製されたグレイスケールマスクを、露光量に応じてエ
ッチング量が異なる感光性ガラスに接触させ、前記グレ
イスケールマスクを介して前記感光性ガラスが感度を有
する光を照射し、その後、前記感光性ガラスを所定のエ
ッチング溶液でエッチングすることにより前記感光性ガ
ラスの表面に３次元微細加工を施すことを特徴とする３
次元微細加工方法。4. An ink jet printer, a laser printer or the like is used to print an original image on a transparent sheet or a white sheet as a light and shade pattern expressed by the density of black or opaque pixels, and the output density of black or opaque pixels is printed. Using the reduction projection optical system, the original image represented by
The image of each pixel of the original image is blurred and averaged with the image of the adjacent pixel, and the grayscale mask created by copying it on the photographic material at a magnification that cannot be resolved changes the exposure amount depending on the exposure amount. Light on the surface of the photosensitive glass by exposing the photosensitive glass to light having sensitivity to the photosensitive glass through the gray scale mask and then etching the photosensitive glass with a predetermined etching solution. Characterized by three-dimensional microfabrication 3
Dimensional fine processing method.
ザプリンター等を用いて、黒又は不透明画素の粗密で表
現された濃淡パターンとして透明シートあるいは白色シ
ート上に原画を印刷し、その出力された黒又は不透明画
素の粗密で表現された原画を縮小投影光学系を用いて、
原画の各画素の像がぼけて隣接する画素の像と平均化さ
れて解像できない倍率で写真感材に複写することにより
作製されたグレイスケールマスクを、露光量に応じてエ
ッチング量が異なるフォトレジストの層を塗布した基板
表面に接触させ、前記グレイスケールマスクを介して前
記フォトレジストが感度を有する光を前記フォトレジス
トの層に照射し、その後、前記フォトレジストの層を所
定のエッチング溶液でエッチングし、次いで、その残っ
たフォトレジストのパターンを介して反応性イオンエッ
チングによりドライエッチングすることにより前記基板
の表面に３次元微細加工を施すことを特徴とする３次元
微細加工方法。5. An inkjet printer, a laser printer, or the like is used to print an original image on a transparent sheet or a white sheet as a light and shade pattern expressed by the density of black or opaque pixels, and the density of the output black or opaque pixels is printed. Using the reduction projection optical system, the original image represented by
The image of each pixel in the original image is blurred and averaged with the image of the adjacent pixel, and the grayscale mask is made by copying it on the photographic material at a magnification that cannot be resolved. The layer of resist is brought into contact with the surface of the coated substrate, and the photoresist layer is irradiated with light having sensitivity to the photoresist through the gray scale mask, and then the layer of photoresist is treated with a predetermined etching solution. A three-dimensional microfabrication method, which comprises performing three-dimensional microfabrication on the surface of the substrate by etching and then dry etching by reactive ion etching through the remaining photoresist pattern.
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|---|---|---|---|
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