JP2004334184A

JP2004334184A - 三次元構造物形成方法および露光装置

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Publication number: JP2004334184A
Application number: JP2004116003A
Authority: JP
Inventors: Minoru Ueda; 稔上田; Noriaki Okada; 訓明岡田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2004-04-09
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】所望の三次元構造物を高い精度で形成することができる三次元構造物形成方法および露光装置を提供する。
【解決手段】基板の厚み方向一端面部に、感光性材料から成り、形成すべき三次元構造物の厚み寸法に予め定める嵩上げ寸法を加算した厚み寸法を有する感光性材料層を形成する第１工程と、感光性材料層全体にわたって、予め定める最小光量以上の光量で露光光を照射して、三次元構造物を形成する第２工程とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、三次元構造物形成方法および露光装置に関し、たとえばマイクロレンズおよびマイクロレンズアレイを形成する際などに適用される三次元構造物形成方法および露光装置に関する。

たとえば液晶表示素子および液晶プロジェクタ、または光通信などの分野においては、三次元構造物を含む透明基板が使用されつつある。三次元構造物としては、たとえばマイクロレンズおよびマイクロレンズアレイなどのように、少なくとも一表面部に球面部分またはプリズムなどが形成されたものが実用化されている。このような三次元構造物の微小化に伴い、型成形または研磨を行うことなく、透明基板の一表面部に三次元構造物を形成する技術が提案されている。

その一例としては、透明基板の一表面部に所定厚さの感光性材料を塗布して感光性材料層を形成する。その後感光性材料層の位置によって異なる露光量でハーフトーン露光する。これによって感光性材料層の現像処理後の残膜厚を変化させ、所望の三次元構造物を形成する。

具体的には、マイクロレンズを微小な複数の領域に分割し、各領域におけるレンズの厚さに応じて、フォトマスクに透過率分布を与える技術が提案されている（特許文献１）。この特許文献１に記載の技術によれば、フォトマスクを介して露光されたフォトレジストの残膜厚が所望の厚さになるようにしている。

一方、露光光の光強度分布を段階的に微調整する技術も提案されている（特許文献２）。この特許文献２に記載の技術においては、光源と感光性材料層との光路途中に第１および第２のフォトマスクを介在させている。これによって１枚のフォトマスクではなし得ない細かな透過率変化量を実現している。

特表平８−５０４５１５号公報特表２００２−２７８０７９号公報

特許文献１に記載の従来技術では、露光量が非常に少ない領域においては、感光性材料の残膜厚の制御は、以下の理由から困難となる。図９は、ネガ型の感光性材料における露光量と残膜厚との関係を示す図である。ネガ型感光性材料における露光量Ｅに対する残膜厚ｄは次式で表される。ｄ＝Ａ・ｌｎ（Ｅ／Ｂ）ここでＡおよびＢは感光性材料固有の定数で、用いる材料によって異なる。これらの関係から、厚い残膜厚を得るために露光量を大きくした範囲では、露光量に対する残膜厚の変化は緩やかである。したがって前記範囲では感光性材料の残膜厚の制御は容易である。

これに対して、薄い残膜厚を得るため露光量を少なくするほど、露光量に対する残膜厚の変化が急激になる。領域ａで示される露光量の範囲、すなわち三次元構造物の高さが領域ｂで示される範囲においては、所望の残膜厚に対し、露光量を高精度に設定しなければならない。逆に言えば露光量が非常に少ない領域においては、感光性材料の残膜厚の制御は困難となる。

特許文献２に記載の従来技術において、フォトマスクの透過率を高い精度で制御したとしても、光源の光強度の誤差、露光時間の誤差、および光強度の不均一性のうちの少なくともいずれか１つによって、露光量の精度は制限される。このため量産の際に、たとえば１つの感光性材料層を露光する毎に、露光時間を正確に制御しなければならない。たとえば広範囲の領域に対して露光する場合、光強度の均一性を非常に高くしなければならない。また露光量の少ない領域では、現像条件のわずかな差によっても残膜厚が大きく変化するため、現像温度および時間を厳密に制御しなければならない。しかしながら、一枚の基板上でもわずかな温度分布が残るため、現像ムラが生じ、均一な形状の三次元構造物を得ることが難しかった。さらに薄い感光性材料層を得るために露光量を少なくした場合、得られる感光性材料の表面部には、気泡または凹凸などの表面荒れが発生したり、基板に対する感光性材料層の密着性が低下するなどの問題が生じることもあり、表面部が滑らかで形状精度の高い三次元構造物を得るうえで障害となる。

したがって本発明の目的は、所望の三次元構造物を高い精度で形成することができる三次元構造物形成方法および露光装置を提供することである。

本発明は、基板に感光性材料から成る層を形成し、この層を少なくとも露光することで三次元構造物を形成する三次元構造物形成方法であって、
基板の厚み方向一端面部に、感光性材料から成り、形成すべき三次元構造物の厚み寸法に予め定める嵩上げ寸法を加算した厚み寸法を有する感光性材料層を形成する第１工程と、
感光性材料から成る感光性材料層全体にわたって、予め定める最小光量以上の光量で露光光を照射して、三次元構造物を形成する第２工程とを有することを特徴とする三次元構造物形成方法である。

本発明に従えば、第１工程において、基板の厚み方向一端面部に、感光性材料から成る感光性材料層を形成する。この感光性材料層は、形成すべき三次元構造物の厚み寸法に予め定める嵩上げ寸法を加算した厚み寸法を有する。第２工程において、感光性材料から成る感光性材料層全体にわたって、予め定める最小光量以上の光量で露光光を照射して三次元構造物を形成する。

特に、形成すべき三次元構造物の厚み寸法に、予め定める嵩上げ寸法を加算した厚み寸法を有する感光性材料層を形成した後、前記感光性材料層全体にわたって、予め定める最小光量以上の光量で露光光を照射しているので、次のような作用を奏する。たとえばネガ型の感光性材料から成る感光性材料層に露光光を照射して露光するとき、露光量に対し感光性材料層の残留厚さが急激に変化するような露光量を用いることなく三次元構造物を形成することが可能となる。

したがって三次元構造物の厚み、換言すれば三次元構造物の基板からの高さの制御を、従来の三次元構造物形成方法よりも向上することができる。露光量に対し残留厚さが急激に変化するような露光量を用いることなく三次元構造物を形成することが可能となるので、従来の露光量が少ないことに起因する気泡および表面荒れを解消することもできる。

また本発明は、第２工程は、
三次元構造物の前駆体を形成する段階と、
前記段階の後、前駆体全体を基板垂直方向に嵩上げ量エッチングして三次元構造物を形成する段階とを含むことを特徴とする。

本発明に従えば、第１工程の後最初の段階で、三次元構造物の前駆体を形成する。次の段階で、前駆体全体を基板垂直方向に嵩上げ量エッチングして三次元構造物を形成する。このように所望の三次元構造物を形成することが可能となる。

また本発明は、嵩上げ量を、感光性材料層の厚みの５％以上になるように設定することを特徴とする。

本発明に従えば、必要十分な嵩上げ寸法部分の厚みを設定することができる。これによって感光性材料層全体にわたって、予め定める最小光量以上の光量で露光光を照射することができる。したがって三次元構造物を所望の厚みに正確に形成することが可能となる。

また本発明は、光透過性基板に形成されたネガ型の感光性材料から成る層に、三次元構造物を形成する露光装置であって、
光透過性基板を透過させて、ネガ型の感光性材料から成る感光性材料層に露光光を照射する光源と、
光透過性基板によって発生し得る収差を補正する光学素子であって、前記光透過性基板と光源との間に介在される光学素子とを有することを特徴とする露光装置である。

本発明に従えば、光源から発する露光光を、光学素子および光透過性基板を介してネガ型の感光性材料から成る感光性材料層に照射する。ここで露光光が光透過性基板を透過することによって、収差が発生する場合がある。光学素子を、光透過性基板と光源との間に介在させることによって、前記収差を補正することができる。したがって所望の三次元構造物を高い精度で形成することができる。

また光源からの露光光を、少なくとも光透過性基板を介してネガ型の感光性材料から成る感光性材料層に照射しているので、たとえば現像処理するとき、三次元構造物が基板から剥がれ落ちることを防止することができる。すなわち前記感光性材料層においては、光源からの距離が離れるに従って光強度分布が減少するので感光性材料は光が入射された面から感光していき、入射面から離れた未感光部分は現像処理で順次除去されていく。逆に言えば、基板に臨む感光性材料層部分を除去することなく、三次元構造物を形成している。したがって三次元構造物が基板から剥がれ落ちることを防止することができる。

また本発明は、三次元構造物および三次元構造物の前駆体の少なくともいずれか一方を形成する領域全体部分に対応するフォトマスクであって、透過率が予め定める値となる透過率分布を有するフォトマスクをさらに備えることを特徴とする。

本発明に従えば、光源から発する露光光を、フォトマスクおよび光透過性基板を介してネガ型の感光性材料から成る感光性材料層に照射する。前記フォトマスクは、三次元構造物および三次元構造物の前駆体の少なくともいずれか一方を形成する領域全体部分に対応する。しかもフォトマスクは、透過率が予め定める値となる透過率分布を有するので、露光量に対し感光性材料層の残留厚さが急激に変化するような露光量を用いることなく、三次元構造物の形成を実現することが可能となる。またフォトマスクは、たとえば透過率が「０」とならないような予め定める値となる透過率分布を有するので、露光光を照射する全面にわたって感光性材料層を残留させることが可能となる。したがって露光量が少ないことに起因する気泡および表面荒れを解消することができる。

また本発明は、光透過性基板と光源との間に、レンズアレイを介在させることを特徴とする。

本発明に従えば、光源から発する露光光を、少なくともレンズアレイおよび光透過性基板を介してネガ型の感光性材料から成る感光性材料層に照射する。前記レンズアレイを光透過性基板と光源との間に介在させることで、たとえば一度の露光によって一つのフォトマスク形状を感光性材料層に複数形成することが可能となる。

また本発明は、光源は光ビームを発する光源であり、前記光ビームを感光性材料から成る感光性材料層に集光し、その焦点位置を露光位置に合わせて変化させ得る光学手段と、
光ビームを感光性材料層に対して相対的に走査可能な走査手段とをさらに有することを特徴とする。

本発明に従えば、光ビームを、光学手段によって、感光性材料層に集光するとともにその焦点位置を露光位置に合わせて変化させる。また光ビームを、走査手段によって感光性材料層に対して相対的に走査させる。このように所望の三次元構造物を形成することができる。

特に、光ビームを感光性材料層に集光するとともに、その焦点位置を露光位置に合わせて変化させることができるので、たとえばフォトマスクを用いる従来のものと比べて解像度の高い露光を行うことが可能となる。このようにフォトマスクを用いることなく所望の三次元構造物を形成することができるので、フォトマスクを作製するのに必要な時間および費用を削減することができる。

以上のように本発明によれば、特に、形成すべき三次元構造物の厚み寸法に、予め定める嵩上げ寸法を加算した厚み寸法を有する感光性材料層を形成した後、前記感光性材料層全体にわたって、予め定める最小光量以上の光量で露光光を照射しているので、次のような効果を奏する。たとえばネガ型の感光性材料から成る感光性材料層に露光光を照射して露光するとき、露光量に対し感光性材料層の残留厚さが急激に変化するような露光量を用いることなく三次元構造物を形成することが可能となる。

また本発明によれば、第１工程の後最初の段階で、三次元構造物の前駆体を形成する。次の段階で、前駆体全体を基板垂直方向に嵩上げ量エッチングして三次元構造物を形成する。このように所望の三次元構造物を形成することが可能となる。

また本発明によれば、必要十分な嵩上げ寸法部分の厚みを設定することができる。これによって感光性材料層全体にわたって、予め定める最小光量以上の光量で露光光を照射することができる。したがって三次元構造物を所望の厚みに正確に形成することが可能となる。

また本発明によれば、光源から発する露光光を、光学素子および光透過性基板を介してネガ型の感光性材料から成る感光性材料層に照射する。ここで露光光が光透過性基板を透過することによって、収差が発生する場合がある。光学素子を、光透過性基板と光源との間に介在させることによって、前記収差を補正することができる。したがって所望の三次元構造物を高い精度で形成することができる。

また本発明によれば、光源から発する露光光を、フォトマスクおよび光透過性基板を介してネガ型の感光性材料から成る感光性材料層に照射する。前記フォトマスクは、三次元構造物および三次元構造物の前駆体の少なくともいずれか一方を形成する領域全体部分に対応する。しかもフォトマスクは、透過率が予め定める値となる透過率分布を有するので、露光量に対し感光性材料層の残留厚さが急激に変化するような露光量を用いることなく、三次元構造物の形成を実現することが可能となる。またフォトマスクは、たとえば透過率が「０」とならないような予め定める値となる透過率分布を有するので、露光光を照射する全面にわたって感光性材料層を残留させることが可能となる。したがって露光量が少ないことに起因する気泡および表面荒れを解消することができる。

また本発明によれば、光源から発する露光光を、少なくともレンズアレイおよび光透過性基板を介してネガ型の感光性材料から成る感光性材料層に照射する。前記レンズアレイを光透過性基板と光源との間に介在させることで、たとえば一度の露光によって一つのフォトマスク形状を感光性材料層に複数形成することが可能となる。

また本発明によれば、光ビームを、光学手段によって、感光性材料層に集光するとともにその焦点位置を露光位置に合わせて変化させる。また光ビームを、走査手段によって感光性材料層に対して相対的に走査させる。このように所望の三次元構造物を形成することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る三次元構造物を形成する工程を示すフローチャートである。図２は、三次元構造物を形成する工程を段階的に示し、基板１の表面部に垂直な仮想平面で切断して見た断面図であり、（ａ）は基板１に感光性材料層２を塗布し、基板１および感光性材料層２に照射する露光光３を説明する断面図、（ｂ）は露光量に応じたフォトレジストの三次元構造物４を示す断面図、（ｃ）はフォトレジストの形状が基板１に転写された状態を示す断面図である。

本実施形態の三次元構造物形成方法は、液晶表示素子および液晶プロジェクタなどで用いられるたとえばマイクロレンズを形成する際に適用される。本実施形態においてはマイクロレンズが三次元構造物に相当する。ただし三次元構造物は、マイクロレンズに限定されるものではない。また本実施形態においては感光性材料の一例として、ネガ型のフォトレジストを用いた場合について説明する。前記ネガ型のフォトレジストを、ネガ型フォトレジストまたは単にフォトレジストと表記する場合がある。

図１のステップｓ１および図２（ａ）に示すように、光透過性基板１の厚み方向一端面部１ａに、感光性材料から成る感光性材料層であるフォトレジスト２を形成する。光透過性基板１を単に、基板１と表記する場合がある。この感光性材料層としてのフォトレジスト２は、形成すべき三次元構造物４の厚み寸法に、予め定める後述の嵩上げ寸法を加算した厚み寸法δを有する。次にステップｓ２に移行して、フォトレジスト２全体にわたって、予め定める最小光量以上の光量で露光光３を照射する。ステップｓ１が第１工程に相当し、ステップｓ２が第２工程に相当する。

前記フォトレジスト２に、所望の三次元構造物４に対応する強度分布を有する露光光３を照射することで、フォトレジスト２をハーフトーン露光する。これによってレジストの露光量に三次元的な分布を与える。このように一定の露光量分布を与えたフォトレジスト２に現像およびベークなどの処理を施す。これによって図２（ｂ）に示すような露光量に応じた三次元構造物４の前駆体４Ａが得られる。

ここでネガ型フォトレジスト２を用いるのは、以下の理由による。つまりハーフトーン露光による三次元構造物４の形成において、ポジ型フォトレジストに比べてネガ型フォトレジスト２の方が、三次元構造物４の高さの制御が容易であるためである。ポジ型のものは、露光された部分が現像によって除去され、露光されなかった部分または露光量が少なかった部分が残留する。このような残留部分によって、三次元構造物を形成する。

したがってポジ型においては、露光量を制御することによって得られる三次元構造物の高さ、つまり基板厚み方向の高さは、基板の厚み方向一端面部に初期に形成されたレジスト層の厚さから、現像および露光によって除去されるレジストの厚さを引いた値となる。このため同一高さの三次元構造物を得る場合であっても、基板の厚み方向一端面部に初期に塗布されたレジストの厚みが異なると、与えるべき露光量も異なる。またレジストを塗布するときの厚み誤差および厚みむらが、露光によって形成される三次元構造物の形状にも影響する。

これに対しネガ型においては、露光された部分が残留する。このような残留部分によって三次元構造物４を形成する。したがってネガ型においては、三次元構造物４の高さは基板１の厚み方向一端面部に初期に塗布されたレジスト２の厚みとは関係なく、露光量だけで決定される。このためネガ型レジスト２を用いたハーフトーン露光による三次元構造物４の形成では、与える露光量分布は塗布されたレジスト２の厚みによらず、所望の三次元構造物４に対して一定となる。またレジスト２を塗布するときの厚み誤差および厚みむらの影響も皆無である。

図２（ｂ）に示す三次元構造物４の前駆体４Ａが得られた後、前駆体４Ａ全体に対して基板垂直方向に異方性ドライエッチング６を行う。これによって前駆体４Ａはその形状を維持したまま嵩上げ量だけ全体の高さが下がり、三次元構造物４が形成される。得られたフォトレジストの三次元構造物４および基板１に対して、フォトレジスト２がなくなるまで異方性ドライエッチング６を行う。これによって図２（ｃ）に示すように、フォトレジストの形状が光透過性基板１の一表面部１ａに転写される。このときフォトレジスト２と基板１とのエッチング選択比を、エッチング条件によって選択することも可能である。これによってフォトレジスト形状を矢符Ｄ１で示す基板厚み方向に拡大して転写することもできる。フォトレジスト２に形成する形状はこのようなエッチング選択比も考慮して決定する。

本実施形態においては、フォトレジスト２で形成された三次元構造物の形状を、光透過性基板１の表面部に転写する形態について説明したが、必ずしもこの形態に限定されるものではない。たとえば前述の転写工程を省略して、フォトレジスト２で形成された三次元構造物をそのまま用いてもよい。この場合においても、本実施形態と同様の効果を奏する。

図３は、露光量とレジスト残膜厚との関係を示す図である。本実施形態のハーフトーン露光においては、露光量に対するフォトレジスト２の残膜厚は、使用するフォトレジスト材料によって異なる。図３の実験においては、フォトレジストとしてたとえば市販のフォトレジスト材料（ＪＳＲ社製ＴＨＢ−１２０Ｎ）が用いられる。図３には、基板１の一表面部１ａに、このフォトレジスト材料をたとえば約３０μm塗布した場合における各露光量とレジスト残膜量の実験結果を示している。

この図からも明らかなように、露光量が増えるに従いフォトレジストの残膜厚が大きくなっており、この露光量とレジスト残膜圧との関係から、所望の三次元構造物を得るために必要な露光量が求められる。

図３における破線はデータの近似曲線である。フォトレジストの残膜厚が、たとえば約４μm以下の範囲においては、露光量とレジスト残膜厚との関係が近似曲線から外れ、不安定になっている。これはフォトレジストの残膜厚が約４μm以下となるような露光量が少ない範囲Ｈ１においては、露光量に対するフォトレジストの残膜厚の変化が非常に大きいためである。逆に言えば、約４μm以下のレジスト残膜厚を制御するには、露光量を非常に高い精度で制御しなければならない。このため露光量を減らして、レジスト残膜厚が約４μm以下となるような形状を精度良く形成することは困難である。さらに現像条件のわずかな差によってもレジスト残膜厚が大きく変化する。そのため現像温度および時間も厳密に制御しなければならないが、一枚の基板上でもわずかな温度分布が残るため、現像ムラが生じ、均一な三次元構造物を得ることが難しい。

さらにレジスト残膜厚が約２μm以下の非常に薄い領域では、残留するレジスト表面に荒れが確認されており滑らかな面を得ることができない。また基板に対するフォトレジストの密着性が弱くなるという問題も生じていた。このことからも露光量を減らしフォトレジストの残膜厚を非常に薄くすることは、精度の良いレジスト形状を得るうえで課題となる。

そこで本実施形態においては、形成すべき三次元構造物４の厚み寸法に予め定める嵩上げ寸法を加算した厚み寸法δを有するフォトレジスト２を形成する。その後、フォトレジスト２全体にわたって、予め定める最小光量Ｐｍｉｎ．以上の光量で露光光３を照射する。図３に示す実験結果から、前記嵩上げ寸法は、表面の荒れを防ぐために少なくとも約２μm、フォトレジスト２の残膜厚の制御精度を向上させるために少なくとも約４μm必要である。

図４は、三次元構造物形成方法の概念を表す断面図であり、（ａ）は所望の三次元構造物４および基板１を示す断面図、（ｂ）は、形成すべき三次元構造物４の厚み寸法ｔに嵩上げ寸法Ｄを加算した状態を示す断面図である。たとえば図４（ａ）に示すようにフォトレジスト２を略球面形状に形成しようとする場合、レジスト残膜厚が約４μm以下に薄くなる部分、たとえば半径方向外周縁部４ａでは、露光量が非常に少なくなる。したがって所望のレジスト残膜厚を精度よく得ることはできない。

したがって形成すべき三次元構造物４の厚み寸法ｔに、約４μm以上の嵩上げ寸法Ｄを加算した厚み寸法δを有するフォトレジスト２を形成する。本実施形態においては、嵩上げ寸法Ｄを約４μm以上に設定しているが、必ずしもこれに限定されるものではない。図示外の実験結果から、嵩上げ寸法部分５の厚みＤを、感光性材料層２の厚みの５％以上になるように設定する場合がある。このように嵩上げ寸法Ｄを設定した場合でも、後述する同様の効果を奏する。

その後フォトレジスト２全体にわたって、露光光３を照射し、レジスト残膜厚約４μm以上となるような光量を与える。この嵩上げ寸法部分５は、たとえば前述の異方性ドライエッチング６によってエッチングされる。そのため最終的に得られる表面形状には、影響しない。このようにフォトレジスト２の残膜厚は、所望の形状、部位によらず常に約４μm以上となる。これによってフォトレジスト２全体にわたって、予め定める最小光量Ｐｍｉｎ．以上の光量で露光光３を照射することが可能となる。したがってレジスト残膜厚を高精度で制御できるとともに、表面の滑らかな形状を実現することが可能となる。

以上説明した三次元構造物形成方法によれば、第１工程において、光透過性基板１の厚み方向一端面部１ａに、感光性材料から成る感光性材料層２を形成する。この感光性材料は、形成すべき三次元構造物４の厚み寸法ｔに予め定める嵩上げ寸法Ｄを加算した厚み寸法δを有する。第２工程において、感光性材料層２全体にわたって、予め定める最小光量Ｐｍｉｎ．以上の露光光３を照射して三次元構造物４を形成する。

特に、形成すべき三次元構造物４の厚み寸法ｔに、予め定める嵩上げ寸法Ｄを加算した厚み寸法δを有する感光性材料層２を形成した後、前記感光性材料層２全体にわたって、予め定める最小光量Ｐｍｉｎ．以上の光量で露光光３を照射しているので、次のような効果を奏する。すなわちネガ型の感光性材料から成る感光性材料層２に露光光３を照射して露光するとき、露光量に対し感光性材料層２の残留厚さが急激に変化するような露光量を用いることなく三次元構造物４を形成することが可能となる。

したがって三次元構造物４の厚み、換言すれば三次元構造物４の基板１からの高さの制御を、従来の三次元構造物形成方法よりも向上することができる。露光量に対し残留厚さが急激に変化するような露光量を用いることなく三次元構造物４を形成することが可能となるので、従来の露光量が少ないことに起因する気泡および表面荒れおよび密着性不良を解消することもできる。

第２工程は、三次元構造物４の前駆体４Ａを形成する段階と、前記段階の後、前駆体４Ａ全体を基板垂直方向に嵩上げ量エッチングして三次元構造物４を形成する段階とを含んでいる。このように所望の三次元構造物４を形成することが可能となる。たとえば嵩上げ寸法部分５の厚みＤを、感光性材料層２の厚みの５％以上になるように設定することで、必要十分な嵩上げ寸法部分５の厚みＤを設定することができる。

図５は、透過率分布型マスク７を含む露光装置８を概略示す図である。露光装置８は、具体的にフォトレジスト２に露光量分布を与える装置であり、光透過性基板１に形成されたネガ型の感光性材料層２に、三次元構造物を形成する装置である。露光装置８は、光源９と、透過率分布型フォトマスク７と、光学素子１０と、コリメートレンズ１１とを有する。光透過性基板１の一表面部１ｂに対向するように、順次コリメートレンズ１１、光学素子１０、透過率分布型フォトマスク７、および光源９が配設される。

光源９は、光透過性基板１を透過させて、感光性材料層２に露光光を照射する機能を有する。透過率分布型フォトマスク７は、光透過率が段階的に変化するフォトマスクであって、前記実験から得られた露光量とフォトレジスト残膜厚との関係から、所望の形状を得るために必要な露光量分布を実現するような透過率分布が設定されている。

本露光方法では、露光領域全面にわたってフォトレジスト２が一定量残留するように露光量を設定する。したがって前記フォトマスク７の透過率分布も通常のフォトマスクとは異なり、露光領域全面にわたって透過率が「０」とならない一定の値を有する。この「０」とならない一定の値が、透過率の予め定める値に相当する。光源９から発せられた露光光は、この透過率分布型フォトマスク７を透過する。透過した露光光は、フォトマスク７の透過率分布に対応した強度分布を有して光透過性基板１の一表面部１ａのフォトレジスト２にコリメートレンズ１１で投影される。この光強度分布によって、フォトレジスト２は所望の露光量分布を有する。

光学素子１０は、露光光を光透過性基板１に透過させることによって発生し得る収差を補正する光学素子１０であり、光透過性基板１と光源９との間に介在される。このような光学素子１０として、たとえば可動レンズ、または空間的な位相調整機能を有する液晶パネルを光透過性基板１と光源９との間に配設することで、収差を補正する。これによってパターンの解像度を向上させる、換言すれば解像度の高い露光を実現することができる。これはたとえば、光透過性基板１とフォトマスク７との間に、レンズおよび光学素子を配設する形態、ステッパー露光装置を用いた投影露光による形態などが挙げられる。

以上説明した露光装置８によれば、光源９から発する露光光を、光学素子１０および光透過性基板１を介してネガ型の感光性材料から成る感光性材料層２に照射する。ここで露光光が光透過性基板１を透過することによって、収差が発生する場合があるが、前記光学素子１０を、光透過性基板１と光源９との間に介在させることによって、前記収差を補正することができる。したがって所望の三次元構造物を高い精度で形成することができる。

また光源９からの露光光を、少なくとも光透過性基板１を介してネガ型の感光性材料から成る感光性材料層２に照射しているので、たとえば現像処理するとき、三次元構造物が基板１から剥がれ落ちることを防止することができる。すなわち前記感光性材料層２においては、光源９からの距離が離れるに従って光強度分布が減少し露光光による未露光部分が除去される。逆に言えば、光透過性基板１に臨む感光性材料層部分を除去することなく、三次元構造物を形成している。したがって三次元構造物が基板１から剥がれ落ちることを防止することができる。

また本露光装置８によれば、光源９から発する露光光を、フォトマスク７および光透過性基板１を介して感光性材料層２に照射する。前記フォトマスク７は、三次元構造物および三次元構造物の前駆体の少なくともいずれか一方を形成する領域全体部分に対応する。しかもフォトマスク７は、透過率が予め定める値となる透過率分布を有するので、露光量に対し感光性材料層２の残留厚さが急激に変化するような露光量を用いることなく、三次元構造物の形成を実現することが可能となる。

またフォトマスク７は、たとえば透過率が「０」とならないような予め定める値となる透過率分布を有するので、露光光を照射する全面にわたって感光性材料層２を残留させることが可能となる。したがって露光量が少ないことに起因する気泡および表面荒れを解消することができる。

図６は、マイクロレンズアレイ１２を含む露光装置８Ａを概略示す図である。ただし前記実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。フォトレジスト２とフォトマスク７との間に介在させる光学系として、レンズアレイ１２がある。つまり露光装置８Ａは、光源９と、透過率分布型フォトマスク７と、光学素子１０と、コリメートレンズ１１と、レンズアレイ１２とを有する。光透過性基板１の一表面部１ｂに対向するように、順次レンズアレイ１２、コリメートレンズ１１、光学素子１０、透過率分布型フォトマスク７、および光源９が配設される。

光源９から発せられた露光光は、透過率分布型フォトマスク７を透過することで、所望の光強度分布を与えられる。さらに露光光は、光学素子１０、コリメートレンズ１１、およびレンズアレイ１２によって、光透過性基板１を透過して前記レンズアレイ１２を構成する各レンズ１２ａの焦点位置に結像する。透過率分布型フォトマスク７は、前述の実施形態と同様に、所望の三次元構造物形状を得るために必要な露光量分布を実現するような透過率分布が設定されている。これによって、フォトマスク７のパターンに応じた露光強度分布がレンズアレイ１２を構成するレンズ１２ａの焦点位置それぞれに実現される。

したがってフォトマスク７のパターンを、たとえば一回の露光でレンズアレイ１２のレンズの数だけ二次元的に並べて露光することができる。したがって一つのマスクパターンを複数回露光する場合に必要なアライメント作業が不要となる。露光光回数も一回ですむので、露光時間を大幅に短縮することができる。マイクロレンズアレイなど同一形状の繰り返し構造を作製する場合に、特に露光時間を大幅に短縮することができる。

図１０は、本発明の他の実施形態に係り、複数の開口２１ａが形成されたフォトマスク２１を用いて三次元構造物を形成するための露光装置８Ｂを概略示す図である。ただし、前記実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。この他の実施形態に係る露光装置８Ｂにおいては、特に前述のマイクロレンズアレイの代わりにフォトマスク２１を用いて三次元構造物を形成することが可能である。

露光装置８Ｂは、光源９と、コリメートレンズ１１と、複数の開口２１ａが形成されたフォトマスク２１と、感光性材料層２が形成された基板２２とを有する。基板２２の一表面部とコリメートレンズ１１との間に、フォトマスク２１が介在される。フォトマスク２１は、基板２２の一表面部に対し平行でかつ近接離隔可能に構成されている。コリメートレンズ１１は、光源９から発せられた露光光を平行光化する機能を有する。したがって露光装置８Ｂによれば、光源９から発せられた露光光は、コリメートレンズ１１によって平行光化され、フォトマスク２１の複数の開口２１ａを通過し、基板２２上の感光性材料層２を感光する。

このときフォトマスク２１に形成された開口２１ａを通過した光は回折されるが、フォトマスク２１と感光性材料層２との間の距離を調整することによって、曲面部を有する三次元構造物、たとえばマイクロレンズを形成するような露光量分布を与えることができる。感光性材料層２の感光後、未硬化部分を溶剤で除去すれば、各開口２１ａに対応する曲面部２ａ形状のレンズを形成することができる。この場合、感光性材料層として光吸収係数の高いフォトレジストを用いると、光照射側のフォトレジスト面から感光、硬化され、硬化物と基板との密着力が弱くなる。それ故、感光性材料層２としては透過率の高い可視光硬化樹脂または紫外線硬化樹脂を用いる。またこの場合、基板２２は光透過性のものでなくてもよい。

図１１は、本発明のさらに他の実施形態に係り、回転機構および複数の開口２１ａが形成されたフォトマスク２１を用いて三次元構造物を形成するための露光装置８Ｃを概略示す図である。ただし前述の他の実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。さらに他の実施形態に係る露光装置８Ｃは、光源９と、コリメートレンズ１１と、複数の開口２１ａが形成されたフォトマスク２１と、感光性材料層２が形成された光透過性基板１と、図示外の回転機構とを有する。

回転機構は、後述する第１軸Ｌ１および第２軸Ｌ２を中心に回転可能な２軸回転機構であって、フォトマスク２１および光透過性基板１が、この回転機構に一体に保持されている。前記第１軸Ｌ１は、光照射方向に直交するように配設され、第２軸Ｌ２は、第１軸Ｌ１に直交しかつ光透過性基板１の一表面部に対し平行に配設される。また光透過性基板１は、該基板を透過した光によって感光性材料層２が感光されるように配設されている。光透過性基板１のうち光源９およびコリメートレンズ１１に臨む側に、フォトマスク２１が配設されている。

以上説明した露光装置８Ｃによれば、光源９から発せられた露光光は、コリメートレンズ１１によって平行光化され、順次、フォトマスク２１の複数の開口２１ａ、光透過性基板１を透過し、感光性材料層２を感光する。前記回転機構によって、第１軸Ｌ１および第２軸Ｌ２の少なくともいずれか一方の回転軸線まわりにフォトマスク２１および光透過性基板１を、光源９およびコリメートレンズ１１に対して相対的に角変位させると、感光される領域がシフトする。この回転角度と露光時間とを制御することによって、積算露光量分布を制御することができる。これによって所望の形状の三次元構造物つまり所望形状のマイクロレンズアレイ２ａを作製することができる。この場合フォトマスク２１を変更する代わりに、回転機構の駆動プログラム（回転角度および露光時間を制御するプログラム）を変更するだけで、三次元構造物の形状を制御することができる。そのため、様々な形状の三次元構造物を、その形状に対応するフォトマスクを用いることなく作製することができる。このように複数種類のフォトマスクを準備する必要がないので、その分製作コストの低減を図ることが可能となるうえ、作製可能な三次元構造物の汎用性を高くすることができる。またフォトマスク２１を用いる代わりに、光透過性基板１の光源側に臨む一表面部に、複数の開口部を形成してもよい。この場合にも、前記と同様の効果を奏する。

また、ブラックマトリクスを有する透過型液晶パネルにも、この技術を適用してマイクロレンズアレイを形成し、液晶パネルの光利用効率を向上させることができる。すなわち、ブラックマトリクスが複数の開口部であり、ここを通過した光を用いて、液晶パネル上にマイクロレンズアレイを形成する。マイクロレンズアレイが設けられていない液晶パネルでは、液晶パネルを照明する光の一部がブラックマトリクス遮光部でけられるため光利用効率が低かったが、レンズの焦点がブラックマトリクス面に一致するようなマイクロレンズアレイが設けられていれば、液晶パネルを照明する光はマイクロレンズにより集光されてブラックマトリクス開口部に導かれるため、光利用効率が高くなる。この場合、ブラックマトリクス開口部の位置にあわせてレンズが形成されるため、開口とレンズの位置合わせ工程が不要で、さらに開口とレンズの位置ずれによる光損失も生じない。

図７は、レーザービームを用いて走査露光する露光装置１３を示す図である。この露光装置１３は、主に、光源１４と、光学部品と、走査機構１５とを有する。光源１４は、光ビームとしてレーザー光を発するレーザー光源である。前記レーザー光は、フォトレジストが光反応を示す波長のレーザー光が適用される。光源１４の発光方向一方にフィルター１６を介してミラー１７が配設される。ミラー１７による光の反射方向一方には、順次、収差を補正する光学素子１０、対物レンズ１８、および走査機構１５が配設される。

走査手段としての走査機構１５は、後述するＸＹ方向に走査可能に構成されるステージ１５ａと、このステージ１５ａを走査駆動する図示外の駆動手段とを有する。ステージ１５ａはたとえば略直方体状に形成され、その一表面部に、光透過性基板１９を載置支持するように構成されている。このステージ１５ａの長辺Ｌ１に沿った方向をＸ方向と定義し、ステージ１５ａの短辺Ｌ２に沿った方向であって、Ｘ方向およびステージ１５ａの厚み方向に直交する方向をＹ方向と定義する。これらＸおよびＹ方向を、ＸＹ方向と定義する。

光源１４から発せられたレーザー光は、対物レンズ１８によって光透過性基板１９を透過してレジスト層に集光される。光透過性基板１９を透過することによって生じる収差は、光学素子１０によって解消される。ステージ１５ａの一表面部に載置支持された光透過性基板１９を透過したレーザー光は、フォトレジストに照射される。このようにレーザー光を照射するとともに、ステージ１５ａの速度を制御しつつ走査する。

これによって、露光量分布を有するフォトレジストを得ることができる。ステージ１５ａの走査方法は、ステージ１５ａの速度を変更しつつ連続的に走査してもよい。ステージ１５ａを一定時間停止して露光し、次のＸＹ方向の所定位置にステージ１５ａを移動する方法でもよい。また光強度変調型のレーザーを用いて光源自体の強度を変化させることで、露光量分布を与えることも可能である。透過率が可変のフィルター１６を用いてレーザービームの強度を変化させることで、露光量分布を与えることも可能である。

図８は、光ビームを感光性材料層２に集光するとともに、その焦点位置を露光位置Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃに合わせて変化させて三次元構造物を形成する方法を説明する図である。ただし前記実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。フォトレジスト２にレーザー光を集光する対物レンズ１８を、フォトレジスト２に対してＸＹ方向および矢符Ｄ１で示す基板厚み方向に相対的に移動させる構成にすることも可能である。この対物レンズ１８が光学手段および走査手段に相当する。

このような構成によって、焦点位置Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３を三次元構造物４の厚みの位置に合わせて、基板厚み方向に調節する。これによって解像度の高い露光を行うことが可能となる。特に基板厚み方向の高低差の大きな構造物を作製する場合、本露光装置２０によれば、常に構造物の表面部に焦点が合致する。したがって本露光装置２０によれば、フォトマスクを用いた露光装置よりも解像度の高い露光を行うことが可能となる。この露光装置２０においては、フォトマスクが不要となるので、フォトマスクを作製するための時間および費用を削減することができる。

本実施形態においては、透過率分布型フォトマスクを採用しているが、必ずしもこの透過率分布型フォトマスクに限定されるものではない。本発明の実施の他の形態として、たとえばフォトマスクは、光透過性基板の一表面部に形成された金属膜などに、露光装置の解像度以下の微小開口を設け、透過率を制限したものを採用してもよい。また前記金属膜の膜厚を段階的にあるいは連続的に変化させ、透過率を制御したものを採用してもよい。

光学系に用いるレンズアレイは、光透過性基板とフォトマスクとの間に必ずしも介在させるとは限らない。たとえば光透過性基板にレンズアレイを直接作りこむことも可能である。このときレンズアレイの焦点位置がレジスト層内部となるようにレンズアレイの焦点距離、およびレンズアレイからフォトレジストまでの距離を設定する。

光源および光学部品に対し、ステージをＸＹ方向に走査可能に構成しているが、ステージを固定的に配置し、光源および光学部品をＸＹ方向に走査可能に構成してもよい。その他前記実施形態に、特許請求の範囲を逸脱しない範囲において種々の部分的変更を行う場合もある。

本発明の実施形態に係る三次元構造物を形成する工程を示すフローチャートである。三次元構造物を形成する工程を段階的に示し、基板１の表面部に垂直な仮想平面で切断して見た断面図であり、（ａ）は基板１に感光性材料層２を塗布し、基板１および感光性材料層２に照射する露光光３を説明する断面図、（ｂ）は露光量に応じたフォトレジストの三次元構造物４を示す断面図、（ｃ）はフォトレジストの形状が基板１に転写された状態を示す断面図である。露光量とレジスト残膜厚との関係を示す図である。三次元構造物形成方法の概念を表す断面図であり、（ａ）は所望の三次元構造物４および基板１を示す断面図、（ｂ）は、形成すべき三次元構造物４の厚み寸法ｔに嵩上げ寸法Ｄを加算した状態を示す断面図である。透過率分布型マスク７を含む露光装置８を概略示す図である。マイクロレンズアレイ１２を含む露光装置８Ａを概略示す図である。レーザービームを用いて走査露光する露光装置１３を示す図である。光ビームを感光性材料層２に集光するとともに、その焦点位置を露光位置Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃに合わせて変化させて三次元構造物を形成する方法を説明する図である。ネガ型の感光性材料における露光量と残膜厚との関係を示す図である。本発明の他の実施形態に係り、複数の開口２１ａが形成されたフォトマスク２１を用いて三次元構造物を形成するための露光装置８Ｂを概略示す図である。本発明のさらに他の実施形態に係り、回転機構および複数の開口２１ａが形成されたフォトマスク２１を用いて三次元構造物を形成するための露光装置８Ｃを概略示す図である。

符号の説明

１基板
２感光性材料層
４三次元構造物
４Ａ前駆体
５嵩上げ寸法部分
７透過率分布型マスク
８，８Ａ，８Ｂ，８Ｃ露光装置
９光源
１０光学素子
１２レンズアレイ
１４光源
１５走査機構
１８対物レンズ

Claims

基板に感光性材料から成る層を形成し、この層を少なくとも露光することで三次元構造物を形成する三次元構造物形成方法であって、
基板の厚み方向一端面部に、感光性材料から成り、形成すべき三次元構造物の厚み寸法に予め定める嵩上げ寸法を加算した厚み寸法を有する感光性材料層を形成する第１工程と、
感光性材料から成る感光性材料層全体にわたって、予め定める最小光量以上の光量で露光光を照射して、三次元構造物を形成する第２工程とを有することを特徴とする三次元構造物形成方法。
第２工程は、
三次元構造物の前駆体を形成する段階と、
前記段階の後、前駆体全体を基板垂直方向に嵩上げ量エッチングして三次元構造物を形成する段階とを含むことを特徴とする請求項１に記載の三次元構造物形成方法。
嵩上げ量を、感光性材料層の厚みの５％以上になるように設定することを特徴とする請求項１または２に記載の三次元構造物形成方法。
光透過性基板に形成されたネガ型の感光性材料から成る層に、三次元構造物を形成する露光装置であって、
光透過性基板を透過させて、ネガ型の感光性材料から成る感光性材料層に露光光を照射する光源と、
光透過性基板によって発生し得る収差を補正する光学素子であって、前記光透過性基板と光源との間に介在される光学素子とを有することを特徴とする露光装置。
三次元構造物および三次元構造物の前駆体の少なくともいずれか一方を形成する領域全体部分に対応するフォトマスクであって、透過率が予め定める値となる透過率分布を有するフォトマスクをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の露光装置。
光透過性基板と光源との間に、レンズアレイを介在させることを特徴とする請求項４または５に記載の露光装置。
光源は光ビームを発する光源であり、前記光ビームを感光性材料から成る感光性材料層に集光し、その焦点位置を露光位置に合わせて変化させ得る光学手段と、
光ビームを感光性材料層に対して相対的に走査可能な走査手段とをさらに有することを特徴とする請求項４に記載の露光装置。