JP2004310077A - マイクロレンズの製造方法、マイクロレンズ及び露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡単な方法により、高精度のマイクロレンズを製造する方法を提供する。
【解決手段】 グレースケールマスクパターン１を使用してレジストの露光を行い、レジストを現像したときに（ｂ）に示すような断面形状を有するレジストパターンが得られたとする。目的とするレジストの断面形状が（ｄ）のようなものであったとすると、（ｂ）と（ｄ）との差だけのレジストの膜べりを発生させるようなグレースケールマスクパターン２を形成する。そして、グレースケールマスクパターン１とグレースケールマスクパターン２を使用して、別々にレジストの露光を行った後に、レジストを現像すれば、（ｄ）に示すような目的とする形状のレジストパターンが得られる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、マイクロレンズ（本明細書においてマイクロレンズには、マイクロレンズアレイを含むものとする）の製造方法、マイクロレンズ、及び露光装置に関するものである。

マイクロレンズは、ディジタルカメラ、光通信、ＭＥＭＳ分野を中心に実用化され、益々使用範囲が拡大している。従来、このようなマイクロレンズの製造方法として、特開平９−００８２６６号公報（特許文献１）に開示されているような、光リソグラフィを使用した方法が知られている。

これらの方法においては、通常のフォトマスクをもちい、マスクにレンズに対応するパターンを形成し、光学基材表面に形成されたレジストを感光させて現像することにより、レジストの立体矩形パターンを製作する。そして、このレジストの立体矩形パターンを熱フローによりレンズ（曲面）形状に変形させることによりマイクロレンズを形成するものである。さらに、必要に応じ、このレンズ形状となったレジストを光学基材と共にエッチングすることにより、レンズ形状のレジストのパターンを光学基材に転写し、光学基材からなるマイクロレンズを形成している。

近年、これとは全く別の原理に基づくマイクロレンズの製造方法が開発され、特表平８−５０４５１５号公報（特許文献２）に開示されている。これは、グレースケールマスク（アナログ的とみなせる光透過率の変化を有するマスク）を使用して光学基材の表面に形成されたレジストを感光させ、レジストを現像することによって、グレースケールに応じた形状の、立体的なレジストパターンを形成し、それをマイクロレンズとするか、あるいは前述のように、さらにレンズ形状となったレジストを光学基材と共にエッチングすることにより、レンズ形状のレジストのパターンを光学基材に転写し、光学基材からなるマイクロレンズを形成するものである。

グレースケールマスクには、大別すると、以下の三つの種類がある。
(1) マスク素材に直接濃淡をつけて透過率分布を形成したグレースケールマスク(2) マスク基材の上に光吸収膜をつけ、その膜厚を制御することにより透過率分布を形成したグレースケールマスク(3) 通常のクロム膜のついたマスク基板上に開口を設け、この開口の寸法あるいは分布密度を制御することにより透過率分布を形成したグレースケールマスク 上記（１）〜（３）のグレースケールマスクのなかで、比較的製作が容易な（３）のグレースケールマスクを用いてマイクロレンズを製作することが近年盛んになっている。

特開平９−００８２６６号公報 特表平８−５０４５１５号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載されるような方法においては、マイクロレンズの形状はレジストのリフローによって決定されるので、非球面レンズ、非軸対称マイクロレンズを形成することができず、かつ、高精度のマイクロレンズを形成するのが困難であるという問題点がある。

特許文献２に記載される方法は、グレースケールのパターンを変化させることにより、種々の形状を有するマイクロレンズを、ある程度正確に形成することはできるが、前記（３）の方法を使用して、より高精度にマイクロレンズを形成する場合には、以下のような問題点がある。

すなわち、グレースケールマスクに設ける開口の大きさは、使用する露光機の解像限界以下の大きさにする必要がある。露光機の解像限界以上の大きさでは、露光転写されるパターンがぼけず、開口の形状がそのままレジストに形成されてしまうからである。

マイクロレンズの精度を考えると、使用する露光機はステッパーとなる。光源に水銀ランプから放射されるｇ線のスペクトルの光を使用した投影露光機であるｇ線ステッパーを使用してマイクロレンズを製作する場合、その解像度は0.8μｍ程度であるので、縮小率が１／５倍のｇ線ステッパーでは、使用するグレースケールマスクの開口の大きさは４μｍ以下となる。

前記（３）の方法に使用されるマスクは２種類に大別できる。一つは、開口の大きさで透過率を制御するマスク（グレースケールマスクＡと呼ぶことにする）、もう一つは、開口の大きさを一定にして開口の数（分布密度）で透過率を制御するマスク（グレースケールマスクＢと呼ぶことにする）である。

どちらのマスクも開口面積制御によって透過率制御を行っているので、開口の大きさの制御が重要になる。ここでは、グレースケールマスクＡの開口の大きさの制御を例に述べる。
(1)グレースケールマスクＡを用いて、特許文献２に記載の方法でマイクロレンズを製作する場合、レンズ形状の誤差が問題となる。sag量とは、マイクロレンズ部の高さのことであるが、高精度のマイクロレンズにおいては、レンズ表面部の凹凸誤差（ＰＶ値：微視的に見たときの凸部の先端と凹部の底部との高さの差）がsag量の１％以下であることが必要とされる。従って、sag量が１０μｍ以下のマイクロレンズでは、レンズ形状誤差を100nm以下とする必要がある。

図１は、横軸にグレースケールマスクの透過率、縦軸にレジストの膜べり量をとり、露光時間をパラメータとして、透過率と膜べり量の関係を示した図である。図１より、透過率と膜べり量との間には、おおよそ一次の関係があることが分かる。また、グレースケールマスクの透過率と開口の面積との間には、一次の関係が成立する。

今、ｇ線ステッパーによる露光を想定すると、前述のように、その解像限界以下となる開口の大きさは４μｍ以下となるので、最大の開口の大きさが３μｍ角のときの透過率を１００％とし、透過率、開口の面積、開口の大きさ（開口を正方形とし、その一辺の長さ）、開口の大きさの許容誤差（形状誤差１％以下、すなわち透過率誤差１％以下を達成にするための許容寸法誤差）を、表１に示す。

すなわち、グレースケールマスクＡを用いて立体形状を形成するとき、その形状精度がＰＶ値でsag量の１％以下となるようにするためには、レンズ形状に対応する各点の透過率誤差を１％以下にすることが望ましく、最低透過率に応じて許容誤差が小さくなり、もし、最低透過率が２０％となると、その許容誤差は6.3ｎｍ以下になる。マスク製作工程から考えてこのような高精度グレースケールマスクＡを製作することは、非常に困難になる。

そして、sag量１０μｍのマイクロレンズを製作したとき、このような高精度グレースケールマスクＡを用いても、最大で100nm程度の階段状立体形状になってしまう。さらに滑らかな立体形状を得たいときは、開口径の大きさの制御精度はさらに厳しくなり、現実的には形状精度がＰＶ値でsag量の１％の、曲面形状を有するマイクロレンズの製作は非常に困難になる。

前述の（１）、（２）の方法を用いた場合も同様な問題が生じ、いずれにしてもマスクの透過率の要求精度が非常に厳しいものとなり、滑らかな形状を有し、かつ形状精度の高いマイクロレンズを形成することが困難であるとい
う問題点があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、比較的簡単な方法により、高精度のマイクロレンズを製造する方法、および新規なマイクロレンズを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、２枚以上のグレースケールマスクを用いて、順次グレースケールマスクパターンを光学基材上に設けたレジストに転写し、前記レジストを現像することによりマイクロレンズを製造する工程を有するマイクロレンズの製造方法であって、前記各グレースケールマスクを用いて露光する露光時間のうち、少なくとも一つのグレースケールマスクにおいて、それを用いて露光する露光時間が、他のグレースケールマスクを用いて露光する露光時間と異なっていることを特徴とするもの（請求項１）である。

本手段においては、２枚以上のグレースケールマスクを用いて、それぞれのグレースケールマスクにより前記レジストを露光する工程を有しているので、１枚のグレースケールマスクを用いる方法よりフレキシビリティに富んだ露光方法を採用することができ、それにより、形状精度の良いマイクロレンズを製造することができる。なお、本明細書において「光学基材」とは、ガラスや石英等、マイクロレンズが使用される光に対して高い透過率を有する基材を言う。また、既に図１を用いて説明したように、露光時間が長いときには、グレースケールマスクの透過率が少し違うだけでもレジストの膜べり量の差が大きいので、マイクロレンズの形状の粗調整に適している。これに対し、露光時間が短いときには、グレースケールマスクの透過率が大きく違う場合でも、レジストの膜べり量の差は小さくなるので、マイクロレンズの形状の微調整に適している。本手段においては、この性質を利用して、形状精度の良いマイクロレンズを製造することができる。

前記課題を解決するための第２の手段は、２枚以上のグレースケールマスクを用いて、順次グレースケールマスクパターンを光学基材上に設けたレジストに転写し、前記レジストを現像した後、残存する前記レジストと前記光学基材をエッチングすることにより、前記グレースケールマスクに対応する前記レジストのパターンを前記光学基材に転写してマイクロレンズを製造する工程を有するマイクロレンズの製造方法であって、前記各グレースケールマスクを用いて露光する露光時間のうち、少なくとも一つのグレースケールマスクにおいて、それを用いて露光する露光時間が、他のグレースケールマスクを用いて露光する露光時間と異なっていることを特徴とするもの（請求項２）である。

本手段においても、前記第１の手段と同様、２枚以上のグレースケールマスクを用いて、それぞれのグレースケールマスクにより、前記レジストを露光する工程を有しているので、１枚のグレースケールマスクを用いる方法よりフレキシビリティに富んだ露光方法を採用することができる。それにより、形状精度の良いマイクロレンズを製造することができる。

前記課題を解決するための第３の手段は、２枚以上のグレースケールマスクを用いて、順次グレースケールマスクパターンを基材上に設けたレジストに転写し、前記レジストを現像することによりマイクロレンズ用の型を形成し、当該型を使用してマイクロレンズを製造する工程を有するマイクロレンズの製造方法であって、前記各グレースケールマスクを用いて露光する露光時間のうち、少なくとも一つのグレースケールマスクにおいて、それを用いて露光する露光時間が、他のグレースケールマスクを用いて露光する露光時間と異なっていることを特徴とするもの（請求項３）である。

本手段は、レジストを現像することによりマイクロレンズ用の型を形成し、当該型を使用して、例えば射出成形等によりマイクロレンズを製造するものであるが、前記第１の手段と同様の作用効果を有する。なお、本手段の場合、型は、射出成形等の成形型として用いられ、マイクロレンズは、この型を使用して、射出成形等、型に大きな応力が作用しない成型方法により形成される。

前記課題を解決するための第４の手段は、２枚以上のグレースケールマスクを用いて、順次グレースケールマスクパターンを基材上に設けたレジストに転写し、前記レジストを現像した後、残存する前記レジストと前記基材をエッチングすることにより、前記グレースケールマスクに対応する前記レジストのパターンを前記基材に転写してマイクロレンズ用の型を形成し、当該型を使用してマイクロレンズを製造する工程を有するマイクロレンズの製造方法であって、前記各グレースケールマスクを用いて露光する露光時間のうち、少なくとも一つのグレースケールマスクにおいて、それを用いて露光する露光時間が、他のグレースケールマスクを用いて露光する露光時間と異なっていることを特徴とするもの（請求項４）である。

本手段は、レジストを現像した後、残存するレジストと基材をエッチングすることにより、グレースケールマスクに対応するレジストのパターンを基材に転写してマイクロレンズ用の型を形成し、当該型を使用して、射出成形等によりマイクロレンズを製造するものであるが、前記第２の手段と同様の作用効果を有する。

なお、本手段の場合、型は、射出成形等の成形型として用いられる他、スタンパとしても用いることができ、マイクロレンズは、この型を使用して、射出成形等、型に大きな応力が作用しない成型方法の他、スタンピング等、型に応力がかかる成型方法によっても形成される。

前記課題を解決するための第５の手段は、２枚以上のグレースケールマスクを用いて、順次グレースケールマスクパターンを基材上に設けたレジストに転写し、前記レジストを現像することによりマイクロレンズ用の型母材を形成し、当該型母材から型を形成し、当該型を使用してマイクロレンズを製造する工程を有するマイクロレンズの製造方法であって、前記各グレースケールマスクを用いて露光する露光時間のうち、少なくとも一つのグレースケールマスクにおいて、それを用いて露光する露光時間が、他のグレースケールマスクを用いて露光する露光時間と異なっていることを特徴とするもの（請求項５）である。

本手段は、レジストを現像することによりマイクロレンズ用の型母材を形成し、当該型母材から型を形成し、当該型を使用して、射出成形等によりマイクロレンズを製造するものであるが、前記第１の手段と同様の作用効果を有する。

なお、本手段の場合、型は、射出成形等の成形型として用いられる他、スタンパとしても用いることができ、マイクロレンズは、この型を使用して、射出成形等、型に大きな応力が作用しない成型方法の他、スタンピング等、型に応力がかかる成型方法によっても形成される。又、型母材から型を形成する方法としては、電鋳や射出成形等、型母材に大きな応力がかからない成形方法が使用できる。

前記課題を解決するための第６の手段は、２枚以上のグレースケールマスクを用いて、順次グレースケールマスクパターンを基材上に設けたレジストに転写し、前記レジストを現像した後、残存する前記レジストと前記基材をエッチングすることにより、前記グレースケールマスクに対応する前記レジストのパターンを前記基材に転写してマイクロレンズ用の型母材を形成し、当該型母材から型を形成し、当該型を使用してマイクロレンズを製造する工程を有するマイクロレンズの製造方法であって、前記各グレースケールマスクを用いて露光する露光時間のうち、少なくとも一つのグレースケールマスクにおいて、それを用いて露光する露光時間が、他のグレースケールマスクを用いて露光する露光時間と異なっていることを特徴とするもの（請求項６）である。

本手段は、レジストを現像した後、残存するレジストと基材をエッチングすることにより、グレースケールマスクに対応するレジストのパターンを基材に転写してマイクロレンズ用の型母材を形成し、当該型母材から型を形成し、当該型を使用してマイクロレンズを製造するものであるが、前記第２の手段と同様の作用効果を有する。

なお、本手段の場合、型は、射出成形等の成形型として用いられる他、スタンパとしても用いることができ、マイクロレンズは、この型を使用して、射出成形等、型に大きな応力が作用しない成型方法の他、スタンピング等、型に応力がかかる成型方法によっても形成される。又、型母材から型を形成する方法としては、電鋳や射出成形等、型母材に大きな応力がかからない成形方法の他、スタンピングのように、型母材に応力がかかるような成形方法も使用できる。

前記課題を解決するための第７の手段は、前記第１の手段から第６の手段のいずれかであって、各グレースケールマスクのうち、少なくとも１枚はマイクロレンズの形状を粗く決定するためのグレースケールパターンを有し、少なくとも１枚は、粗く決定されたマイクロレンズの形状を微調整するためのグレースケールパターンを有するものであることを特徴とするもの（請求項７）である。

本手段においては、マイクロレンズの形状を粗く決定するためのグレースケールパターンによる露光により、マイクロレンズの形状を粗く決定する。すなわち、このグレースケールパターンによる露光により、レジストの膜べり量を大きくとり、マイクロレンズの粗い形状を決定する。そして、粗く決定されたマイクロレンズの形状を微調整するためのグレースケールパターンによる露光により、粗い形状の誤差を補正するようにして、最終的に精度の良いレジストパターンを形成するようにし、これにより高精度のマイクロレンズを製造する。なお、実際の露光においては、マイクロレンズの形状を粗く決定するためのグレースケールパターンによる露光と、粗く決定されたマイクロレンズの形状を微調整するためのグレースケールパターンによる露光のいずれを先に行ってもよい。レジストに蓄積されるエネルギーに重ね合わせの定理が成り立つからである。このようにして、各グレースケールパターンによる露光を行った後にレジストの現像を行う。

前記課題を解決するための第８の手段は、前記第１の手段から第７の手段のいずれかであって、前記グレースケールマスクの透過率設定は、前記グレースケールマスクに形成された開口により行われることを特徴とするもの（請求項８）である。

２枚以上のグレースケールパターンを組み合わせて使用することによって、開口の寸法精度の要求が厳しくなくなるので、本手段によれば、効率的に高精度のマイクロレンズを製造することができる。

前記課題を解決するための第９の手段は、前記第８の手段であって、マスクの開口の形状が円形であることを特徴とするもの（請求項９）である。

開口の形状が角部を有する場合、その投影像において角部の形状が丸みを帯びたようにぼけ、レジスト上に形成される像の開口率（面積）が計算通りにならない恐れがある。本手段においては、マスクの開口の形状が円形であるので、レジスト上に形成される像の開口率（面積）を正確に決めることができ、それにより、レジストの膜べり量を正確に把握することができるので、高精度のマイクロレンズを製造することができる。

前記課題を解決するための第１０の手段は、前記第１の手段から第９の手段のうちいずれかのマイクロレンズの製造方法であって、露光時間の短い順に前記グレースケールマスクを順次用いて露光することを特徴とするもの（請求項１０）である。

レジストの光感受性は、露光を繰り返すうちに低下する。よって、２枚以上のグレースケールマスクを使用する場合、それぞれのグレースケールマスクに対応する露光時間が短いマスクを先に使用した方が、正確に所定の蓄積エネルギーをレジストに与えることができる。

前記課題を解決するための第１１の手段は、光学基材の上にレジストパターンが形成され、前記レジストパターンの形状によりレンズが形成されたマイクロレンズであって、前記レジストパターンの表面形状精度がＰＶ値で、sag量の１％以下であるマイクロレンズ（請求項１１）である。

このレンズは、今までになかった高い表面形状精度を有する高精度マイクロレンズであり、光通信等の分野で有効に使用することができる。

前記課題を解決するための第１２の手段は、光学基材の表面形状によりレンズが形成されたマイクロレンズであって、前記光学基材の表面形状精度がＰＶ値で、sag量の１％以下であるマイクロレンズ（請求項１２）である。

このレンズも、今までになかった高い表面形状精度を有する高精度マイクロレンズであり、光通信等の分野で有効に使用することができる。

前記課題を解決するための第１３の手段は、前記第１１の手段又は第１２の手段のマイクロレンズが用いられた照明光学系と、当該照明光学系により照明されたレチクルのパターンをウエハ等の感応基板に投影する投影光学系を有することを特徴とする露光装置（請求項１３）である。

本手段においては、高精度のマイクロレンズを照明光学系に使用することができるので、照明一様性に優れた露光装置とすることができる。

以上説明したように、本発明によれば、比較的簡単な方法により、高精度のマイクロレンズを製造する方法、および新規なマイクロレンズを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図２に、本発明の実施の形態の第１の例であるマイクロレンズの製造方法に使用するグレースケールマスクとそれを使用してレジストを露光して現像した場合に形成されるレジストの立体的なパターンを示す。これらの図はマイクロレンズ１個分に相当するものである。

最初のグレースケールマスクに形成された第１のグレースケールマスクパターン１は、光透過率に応じて、白く記された開口の大きさが変わっている。この開口は、レジストの露光に使用される露光機の解像限界と縮小率の逆数の積より小さな直径を有する。また、実際は図２(a)で示すよりも多くの開口を有している。

なお、露光方法は、投影対物レンズを有し、マスクの像をレジスト上に結像する投影露光機を使用した。以下、実施例でステッパーと称する装置は、このような装置である。

今、第１のグレースケールマスクパターン１を使用してレジストの露光を行い、レジストを現像したときに図２（ｂ）の実線に示すような断面形状を有するレジストパターンが得られたとする。目的とするレジストの断面形状が図２（ｂ）の点線のようなものであった場合、実線と点線との差だけのレジストの膜べりを発生させるような他のグレースケールマスクを用意する。そのグレースケールマスクのグレースケールマスクパターン２は図２(ｃ)のように形成する。

そして、グレースケールマスクパターン１とグレースケールマスクパターン２を使用して、別々にレジストの露光を行った後に、レジストを現像すれば、図２（ｄ）に示すような形状誤差の非常に小さいレジストパターンが得られる。

グレースケールマスクパターン１を使用した露光とグレースケールマスクパターン２を使用した露光は、いずれを先に行ってもよいが、グレースケールマスクパターン１を使用した露光においては露光時間を長くし、グレースケールマスクパターン２を使用した露光においては露光時間を短くすることが好ましい。

また、グレースケールマスクパターン２を使用した露光の露光時間が短い場合には、先にグレースケールマスクパターン２を有したグレースケールマスクを使用した露光を行ってから、グレースケールマスクパターン１を有したグレースケールマスクを使用した露光を行うことが好ましい。

発明者らは、レジストの光感受性が高いうちに、短い露光時間の露光工程を行うことで、正確に所定の露光光量をレジストに与えることができると考えている。

図１から言えるように、露光時間が長いときは、グレースケールマスクパターンでの僅かな透過率の変化で、大きなレジストの膜べり量の変化を発生させることができる。故に、一つのマイクロレンズの形成領域内での現像後のレジストの最大膜厚と最小膜厚の差を大きくしたい場合、言い換えるとsag量の大きいレンズを得たい場合、大まかなマイクロレンズの形状を決定するときに有効である。これに対して、露光時間が短いときは、グレースケールマスクパターンの透過率の変化を大きくとってもレジストの膜べり量はあまり変化しない。よって、露光時間を短くすることは、レジストの膜べり量を微妙に制御するのに好ましい。このような微調整においてはマイクロレンズの形成領域内におけるレジスト除去量の最大厚さと最小厚さの差を大きくする必要がないので、短い露光時間で必要なレジスト除去量が得られる。

なお、本実施の形態においては、２枚のグレースケールマスクを用いた例を示しているが、より高精度化を達成するために、より露光時間が短く設定されたグレースケールマスクを用意し、グレースケールマスクを３枚又はそれ以上用いて、順次露光を行うようにしてもよい。よって、グレースケールマスクの枚数は２枚に限定されない。

なお、図２においては、説明の都合上、グレースケールマスクパターンの透過率の変化を階段状に変化させている図としているが、これらが連続的に変化するようにしてもよいことは言うまでもない。又、以上の説明においては、グレースケールマスクパターンの透過率を変化させるのに開口の大きさを制御する方法を使用したが、開口の大きさを一定として開口の分布密度を制御したり、グレースケールマスクパターンの透過率を、従来技術の説明で述べた（１）、（２）の方法で制御したりしてもよいことは言うまでもない。

図３は、このようにして形成されたマイクロレンズアレイの断面を示す概念図である。図３（ａ）においては、ガラスや石英等の光学基材３の上に、使用される光に対して透明なレジスト４がレンズの形状に残存しており、マイクロレンズアレイとしての役割を果たしている。この場合、レジスト４は、マイクロレンズが使用される光に対して、実用上透明であるものを使用する。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すような形状の光学基材３とレジスト４をエッチングしたもので、光学基材３とレジスト４がほぼ等しい速度でエッチングされれば、レジスト４がエッチングにより消滅した場合に、レジスト４のパターンが光学基材３に転写されて、光学基材３がマイクロレンズアレイとしての役割を果たすようになる。この場合は、レジスト４が残らないので、マイクロレンズが使用される光に対して不透明なレジストを使用することができる。

なお、レジスト４と光学基材３のエッチング速度が異なる場合も、レジスト４の形状をエッチング速度の差に応じて形成することにより、光学基材３に、所望の形状のマイクロレンズを形成することができる。

このように、レジスト４の形状を光学基材３に転写する方法は、前記特許文献１に記載され公知となっている。図３（ｂ）に示すマイクロレンズアレイを製造する上述のような方法は、本発明の第２の実施の形態であるマイクロレンズの製造方法に相当する。

図４に、本発明の第３及び第４の実施の形態であるマイクロレンズの製造方法の概要を示す。まず、上述のような方法により、基材５の上に、グレースケールマスクパターンのパターンが転写された形状のレジスト４を有する型７を形成する。この型７を形成する方法は、図３（ａ）のマイクロレンズアレイを形成する方法と同じである。ここでは、基材５として、マイクロレンズアレイが使用される波長及び紫外線に対して透明な材料（例えばガラス、石英）を使用している（ａ）。

そして、この型７と他の型（不図示）を用いて成形空間を形成し、射出成形により紫外線硬化樹脂６を射出して型７に密着させ、型７の裏側（基材５側）から紫外線を照射して、紫外線硬化樹脂６を硬化させる（ｂ）。その後、紫外線硬化樹脂６を型７から取り外すことにより、紫外線硬化樹脂６からなるマイクロレンズアレイが完成する（ｃ）。なお、この場合は凹レンズであるが、レジスト４のパターンが凹形状となるようにグレースケールマスクパターンのパターンを形成したり、レジストのポジ、ネガを選択することにより、凸レンズを形成できることは言うまでもない。なお、この場合は、レジスト４は使用されるマイクロレンズが使用される光に対して不透明なものであってもよい。すなわち、このようにレジスト４が型として用いられる場合、又は後に説明するように型母材として使用される場合には、レンズとして使用されないので、マイクロレンズが使用される光に対して不透明なものであってもよい。

さらに、紫外線硬化樹脂６として紫外線に対して透明なものを使用し、紫外線硬化樹脂６側から紫外線を照射して紫外線硬化樹脂を硬化させるようにすれば、レジスト４、基材５とも、紫外線、マイクロレンズが使用される光に対して不透明なものを使用できる。

図４（Ａ）〜（Ｃ）は、基材５からなる型７で、図３（ｂ）に相当するものから図４（ａ）〜（ｃ）に相当する方法でマイクロレンズアレイを製造する工程を示したものである。（Ａ）〜（Ｃ）の工程と（ａ）〜（ｃ）の工程の違いは、型７の違いのみであるので、（Ａ）〜（Ｃ）の工程については説明を省略する。

なお、基材５にガラス、石英等摩耗しにくく、硬い材料を使用すれば、型７をスタンパとして使用し、樹脂等の可塑性材料に対してスタンピングを行うことにより、マイクロレンズを形成することができる。

図５に、本発明の第５の実施の形態であるマイクロレンズの製造方法の概要を示す。まず、図３（ａ）と同じような工程により、基材５の上に所望のレンズ形状を有するレジスト４が形成された型母材８を形成する（ａ）。

そして、この型母材８の表面に、例えば蒸着等によりNiの導電膜を形成し、この導電膜を電極としてNiを電鋳し、型７を形成する（ｂ）。そして、型７を型母材８から剥がし、この型７と、型７に対して対向して配置され、紫外線に対して透明な成形型（不図示）により成形空間を形成し、その成形空間に紫外線硬化樹脂６を供給して密着成形する。紫外線硬化樹脂６は、マイクロレンズが使用される波長及び紫外線に対して透明であるものを使用する。そして、紫外線硬化樹脂６側から紫外線を照射し、紫外線硬化樹脂６を硬化させる（ｃ）。そして、硬化した紫外線硬化樹脂６を型７から剥離することにより、紫外線硬化樹脂６からなるマイクロレンズアレイが完成する（ｄ）。なお、この場合、Ni電鋳で形成された型７をスタンパとして使用し、樹脂等の可塑性材料に対してスタンピングを行うことにより、マイクロレンズを形成するようにしてもよい。

図６に、本発明の第６の実施の形態であるマイクロレンズの製造方法の概要を示す。まず、図３（ｂ）と同じような工程により、表面にレンズ形状が形成された基材５からなる型母材８を形成する（ａ）。

そして、この型母材８の表面に、例えば蒸着等によりNiの導電膜を形成し、この導電膜を電極としてNiを電鋳し、型７を形成する（ｂ）。そして、型７を型母材８から剥がし、この型７と、型７に対して対向して配置され、紫外線に対して透明な成形型（不図示）により成形空間を形成し、射出成形等により紫外線硬化樹脂６を密着成形する。紫外線硬化樹脂６は、マイクロレンズが使用される波長及び紫外線に対して透明であるものを使用する。そして、紫外線硬化樹脂６側から紫外線を照射し、紫外線硬化樹脂６を硬化させる（ｃ）。そして、硬化した紫外線硬化樹脂６を型７から剥離することにより、紫外線硬化樹脂６からなるマイクロレンズアレイが完成する（ｄ）。この場合も、Ni電鋳で形成された型７をスタンパとして使用し、樹脂等の可塑性材料に対してスタンピングを行うことにより、マイクロレンズを形成するようにしてもよい。また、型母材８から型７を形成するときに、型の材料として可塑性樹脂等を用い、スタンピングにより型７を形成してもよい。

また、図４において、（ｃ）、（Ｃ）に示されたような成形された紫外線硬化樹脂６を、レプリカとして用い、このレプリカを原型として射出成形等により型母材を形成し、それから上述のように電鋳等により型を形成するようにしてもよい。

以上説明したマイクロレンズアレイは、例えば、以下に説明する露光装置のマイクロフライアイとして使用することができる。

以下、本製造方法を用いて製造された高い形状精度を有するマイクロフライアイを用いた露光装置について説明する。

図１０に、本発明の実施の形態の１例である縮小投影露光装置の光学系の概要を示す。図１０において、レジストが塗布されたウエハＷの法線方向に沿ってＺ軸を、ウエハ面内において図１０の紙面に平行な方向にＹ軸を、ウエハ面内において図１０の紙面に垂直な方向にＸ軸をそれぞれ設定している。なお、図１０では、照明光学装置が輪帯照明を行うように設定されている。

図１０の縮小投影露光装置は、露光光（照明光）を供給するための光源１１として、たとえば248nmの波長の光を供給するKrＦエキシマレーザー光源または193nmの波長の光を供給するArＦエキシマレーザー光源を備えている。光源１１からＺ方向に沿って射出されたほぼ平行な光束は、Ｘ方向に沿って細長く延びた矩形状の断面を有し、一対のレンズ１２ａおよび１２ｂからなるビームエキスパンダー１２に入射し、所定の矩形状の断面を有する光束に整形される。

整形光学系としてのビームエキスパンダー１２を介したほぼ平行な光束は、折り曲げミラー１３でＹ方向に偏向された後、回折光学素子１４を介して、アフォーカルズームレンズ１５に入射する。一般に、回折光学素子は、ガラス基板に露光光（照明光）の波長程度のピッチを有する段差を形成することによって構成され、入射ビームを所望の角度に回折する作用を有する。具体的には、回折光学素子１４は、矩形状の断面を有する平行光束が入射した場合に、そのファーフィールド（またはフラウンホーファー回折領域）に円形状の光強度分布を形成する機能を有する。したがって、回折光学素子１４を介した光束は、アフォーカルズームレンズ１５の瞳位置に円形状の光強度分布、すなわち円形状の断面を有する光束を形成する。

アフォーカルズームレンズ１５は、アフォーカル系（無焦点光学系）を維持しながら所定の範囲で倍率を連続的に変化させることができるように構成されている。アフォーカルズームレンズ１５を介した光束は、輪帯照明用の回折光学素子１６に入射する。アフォーカルズームレンズ１５は、回折光学素子１４の発散原点と回折光学素子１６の回折面とを光学的にほぼ共役に結んでいる。そして、回折光学素子１６の回折面またはその近傍の面の一点に集光する光束の開口数は、アフォーカルズームレンズ１５の倍率に依存して変化する。

輪帯照明用の回折光学素子１６は、平行光束が入射した場合に、そのファーフィールドにリング状の光強度分布を形成する機能を有する。

回折光学素子１６を介した光束は、ズームレンズ１７に入射する。ズームレンズ１７の後側焦点面の近傍には、光源側から順に第１フライアイ部材１８ａと第２フライアイ部材１８ｂとからなるマイクロフライアイレンズ（またはフライアイレンズ）１８の入射面（すなわち第１フライアイ部材１８ａの入射面）が位置決めされている。なお、マイクロフライアイレンズ１８は入射光束に基づいて多数光源を形成するオプティカルインテグレータとして機能する。

上述したように、回折光学素子１４を介してアフォーカルズームレンズ１５の瞳位置に形成される円形状の光強度分布からの光束は、アフォーカルズームレンズ１５から射出された後、様々な角度成分を有する光束となって回折光学素子１６に入射する。すなわち、回折光学素子１６は、角度光束形成作用を有するオプティカルインテグレータを構成している。一方、回折光学素子１６は、平行光束が入射した場合に、そのファーフィールドにリング状の光強度分布を形成する機能を有する。したがって、回折光学素子１６を介した光束は、ズームレンズ１７の後側焦点面に（ひいてはマイクロフライアイレンズ１８の入射面に）、たとえば光軸ＡＸを中心とした輪帯状の照野を形成する。

マイクロフライアイレンズ１８の入射面に形成される輪帯状の照野の外径は、ズームレンズ１７の焦点距離に依存して変化する。このように、ズームレンズ１７は、回折光学素子１６とマイクロフライアイレンズ１８の入射面とを実質的にフーリエ変換の関係に結んでいる。マイクロフライアイレンズ１８に入射した光束は二次元的に分割され、マイクロフライアイレンズ１８の後側焦点面にはマイクロフライアイレンズ１８への入射光束によって形成される照野と同じ輪帯状の多数光源（以下、「二次光源」という）が形成される。

マイクロフライアイレンズ１８の後側焦点面に形成された輪帯状の二次光源からの光束は、コンデンサー光学系１９の集光作用を受けた後、所定のパターンが形成されたマスクＭを重畳的に照明する。マスクＭのパターンを透過した光束は、投影光学系ＰＬを介して、レジストが塗布されたウエハＷ上にマスクパターンの像を形成する。こうして、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと直交する平面（ＸＹ平面）内においてウエハＷを二次元的に駆動制御しながら一括露光またはスキャン露光を行うことにより、ウエハＷの各露光領域にはマスクＭのパターンが逐次露光される。

このように本実施例の露光装置においては、本発明の製造方法を適用し、形状精度が向上したマイクロフライアイレンズを使用しているため光源１１からの集光効率が向上している。ゆえにマスクMに効率的に光源１１からの光を伝達することができる。ゆえに、ウエハＷ上の照射されるエネルギーが従来の露光装置と比べ、格段と向上するので、露光時間を短縮できる露光装置を得ることができる。

幅360μｍ、sag量が３０μｍのシリンドリカルレンズを製作した。６インチ石英基板に高粘度のレジストを塗布した。塗布条件を制御し、レジスト塗布膜厚を４０μｍ、一つのマイクロレンズ領域内におけるレジスト塗布厚ばらつきを±0.1μｍ以下とした。

一方、第１のグレースケールマスクにおいては、幅1800μｍの露光領域を幅３μｍに分割して、600の露光領域とし、各露光領域毎にグレースケールマスクに形成される正方形の開口の直径を変えることにより透過率を変化させ、その結果レジストの膜べり量が露光領域毎に変わるようにした。開口の像は、レジスト面において縦横方向とも解像限界以下の0.6μｍピッチとなるように、マスクにおいて、開口を３μｍピッチで形成し、透過率は、開口面積が９μｍ２（３×３μｍ）の場合を100％として、２０〜５５％の範囲で変化させた。

この第１のグレースケールマスクを用いて、概略構成を図９に示した１／５倍の縮小投影ｇ線ステッパーにより、露光時間を約8000msecとして、露光を行い、その後レジストを現像することにより、sag量約３０μｍのレジスト製マイクロレンズを製造した。

なお、この縮小投影ｇ線ステッパーは水銀ランプを搭載し、ｇ線スペクトルのみを取り出し、光量分布を均一にして、グレースケールマスク１，２を照明する照明系９１と、グレースケールマスク１，２を保持するマスクステージ９４と、グレースケールマスク１，２の像をレジスト３に投影する投影光学系９２と、光学基材を設置するステージ９３からなる。そして、露光時間の制御は、照明系９１内に設けられたシャッターの開閉を制御することによって実行された。

そのときの、レジストの表面形状の、目標値からのずれを図７に示す。図７に細線で示すように、ずれ量は中心付近で大きくなり、最大で約400nmとなった。そこで、このずれ量を修正するように、図８に示すような透過率分布を有する第２のグレースケールマスクを製造し、前と同じ条件で製造した基板とレジストに対して、第１のグレースケールマスクを用いて、縮小投影ｇ線ステッパーにより、露光時間を約8000msecとして、露光を行い、続いて、第２のグレースケールマスクを用いて、露光時間200msecで重ね露光を行った。

その結果得られたレジストの表面形状の、目標値からのずれを図７に併せて示す。この結果、図７に太線で示すように目標の表面形状からのずれ量は100nm以下となり、sag量３０μｍに対する誤差は、0.3％以下で、非常に高精度のマイクロレンズを得ることができた。

さらに、このマイクロレンズをドライエッチングして、レジストを除去し、レジストの形状を石英基板に転写したところ、ほぼ同じ表面形状の石英製マイクロレンズが得られ、sag量に対する表面形状誤差は、ＰＶ値で0.3％以下であった。
この方法の大きな特徴は、図８に示すような粗い透過率分布を持ったグレースケールマスクを使用しても、露光時間を短くすることにより、精度よくマイクロレンズ形状の微調整を行えることである。

グレースケールマスクの透過率と、レジストの膜べり量の関係を示す図である。 本発明の実施の形態の第１の例であるであるマイクロレンズの製造方法に使用するグレースケールマスクとそれを使用してレジストを露光して現像した場合に形成されるレジストの立体的なパターンを示す概念図である。 マイクロレンズアレイの断面を示す概念図である。 本発明の実施の形態であるマイクロレンズの製造方法の概要を示す図である。 本発明の実施の形態であるマイクロレンズの製造方法の概要を示す図である。 本発明の実施の形態であるマイクロレンズの製造方法の概要を示す図である。 １枚のグレースケールマスクを使用した場合と、２枚のグレースケールマスクを使用した場合におけるレジスト表面形状の誤差の例を示す図である。 誤差補正用に形成した第２のグレースケールマスクの透過率分布を示す図である。 縮小投影ｇ線ステッパーの概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態の１例である縮小投影露光装置の光学系の概要を示す図である。

符号の説明

１…グレースケールマスクパターン、２…グレースケールマスクパターン、３…光学基材、４…レジスト、５…基材、６…紫外線硬化樹脂、７…型、８…型母材

Claims (13)

1. ２枚以上のグレースケールマスクを用いて、順次各グレースケールマスクのパターンを光学基材上に設けたレジストに転写し、前記レジストを現像することによりマイクロレンズを製造する工程を有するマイクロレンズの製造方法であって、前記各グレースケールマスクを用いて露光する露光時間のうち、少なくとも一つのグレースケールマスクにおいて、それを用いて露光する露光時間が、他のグレースケールマスクを用いて露光する露光時間と異なっていることを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
2. ２枚以上のグレースケールマスクを用いて、順次グレースケールマスクパターンを光学基材上に設けたレジストに転写し、前記レジストを現像した後、残存する前記レジストと前記光学基材をエッチングすることにより、前記グレースケールマスクに対応する前記レジストのパターンを前記光学基材に転写してマイクロレンズを製造する工程を有するマイクロレンズの製造方法であって、前記各グレースケールマスクを用いて露光する露光時間のうち、少なくとも一つのグレースケールマスクにおいて、それを用いて露光する露光時間が、他のグレースケールマスクを用いて露光する露光時間と異なっていることを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
3. ２枚以上のグレースケールマスクを用いて、順次グレースケールマスクパターンを基材上に設けたレジストに転写し、前記レジストを現像することによりマイクロレンズ用の型を形成し、当該型を使用してマイクロレンズを製造する工程を有するマイクロレンズの製造方法であって、前記各グレースケールマスクを用いて露光する露光時間のうち、少なくとも一つのグレースケールマスクにおいて、それを用いて露光する露光時間が、他のグレースケールマスクを用いて露光する露光時間と異なっていることを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
4. ２枚以上のグレースケールマスクを用いて、順次グレースケールマスクパターンを基材上に設けたレジストに転写し、前記レジストを現像した後、残存する前記レジストと前記基材をエッチングすることにより、前記グレースケールマスクに対応する前記レジストのパターンを前記基材に転写してマイクロレンズ用の型を形成し、当該型を使用してマイクロレンズを製造する工程を有するマイクロレンズの製造方法であって、前記各グレースケールマスクを用いて露光する露光時間のうち、少なくとも一つのグレースケールマスクにおいて、それを用いて露光する露光時間が、他のグレースケールマスクを用いて露光する露光時間と異なっていることを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
5. ２枚以上のグレースケールマスクを用いて、順次グレースケールマスクパターンを基材上に設けたレジストに転写し、前記レジストを現像することによりマイクロレンズ用の型母材を形成し、当該型母材から型を形成し、当該型を使用してマイクロレンズを製造する工程を有するマイクロレンズの製造方法であって、前記各グレースケールマスクを用いて露光する露光時間のうち、少なくとも一つのグレースケールマスクにおいて、それを用いて露光する露光時間が、他のグレースケールマスクを用いて露光する露光時間と異なっていることを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
6. ２枚以上のグレースケールマスクを用いて、順次グレースケールマスクパターンを基材上に設けたレジストに転写し、前記レジストを現像した後、残存する前記レジストと前記基材をエッチングすることにより、前記グレースケールマスクに対応する前記レジストのパターンを前記基材に転写してマイクロレンズ用の型母材を形成し、当該型母材から型を形成し、当該型を使用してマイクロレンズを製造する工程を有するマイクロレンズの製造方法であって、前前記各グレースケールマスクを用いて露光する露光時間のうち、少なくとも一つのグレースケールマスクにおいて、それを用いて露光する露光時間が、他のグレースケールマスクを用いて露光する露光時間と異なっていることを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
7. 請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載のマイクロレンズの製造方法であって、各グレースケールマスクのうち、少なくとも１枚はマイクロレンズの形状を粗く決定するためのグレースケールパターンを有し、少なくとも１枚は、粗く決定されたマイクロレンズの形状を微調整するためのグレースケールパターンを有するものであることを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
8. 請求項１から請求項７のうちいずれか１項に記載のマイクロレンズの製造方法であって、前記グレースケールマスクの透過率設定は、前記グレースケールマスクに形成された開口により行われることを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
9. 請求項８に記載のマイクロレンズの製造方法であって、マスクの開口の形状が円形であることを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
10. 請求項１から請求項９のうちいずれか１項に記載のマイクロレンズの製造方法であって、露光時間の短い順に前記グレースケールマスクを順次用いて露光することを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
11. 光学基材の上にレジストパターンが形成され、前記レジストパターンの形状によりレンズが形成されたマイクロレンズであって、前記レジストパターンの表面形状精度がＰＶ値で、sag量の１％以下であるマイクロレンズ。
12. 光学基材の表面形状によりレンズが形成されたマイクロレンズであって、前記光学基材の表面形状精度がＰＶ値で、sag量の１％以下であるマイクロレンズ。
13. 請求項１１又は請求項１２に記載のマイクロレンズが用いられた照明光学系と、当該照明光学系により照明されたレチクルのパターンをウエハ等の感応基板に投影する投影光学系を有することを特徴とする露光装置。
    
    
    

Images