JP2006098489A - 微細パターンを有する光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ光を用いた２光束干渉露光により、基板中心部から周辺部に至るまでレジストに所望のパターン形成して、基板に微細パターンを形成する方法を提供する。
【解決手段】 この発明の製造方法は、レーザ光を光学系を用いて２光束に分岐させると共に、再び交差させてレジストを塗布した基板の主面に照射して、干渉露光させた後、現像して前記レジストに微細パターンを形成し、微細パターンが形成されたレジストをマスクとしてエッチングを行い前記基板の主面に微細パターンを形成する微細パターンを有する光学素子の製造方法であって、前記レーザ光の照度が低いほどレジスト３０の膜厚が薄くなるように、基板３の主面に塗布するレジスト３１の膜厚に照度分布に対応した膜厚分布を設け、このレジスト３１に２光束干渉露光によりレーザ光を照射し、現像してレジストパターン３２を得る。
【選択図】 図１１

Description

この発明は、反射防止構造や回折格子などの微細パターンを有する光学素子の製造方法に関するものである。

従来より、ガラス、プラスチックなどの透光性材料を用いた光学ピックアップ、非球面レンズ等の光学素子においては、基板の光入射面に反射を防止するための表面処理が施されている。この表面処理としては、薄膜の誘電体膜を重畳させた多層膜を透光性基板表面に真空蒸着等により成膜する方法や、光学素子表面に微細で且つ緻密な凹凸を設ける方法がある。

光学素子表面に微細で且つ緻密な凹凸形状からなる反射防止構造は、微細パターンを設けたレジストを用いてエッチングで形成することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、光学フィルタなどに用いられる回折格子は、周期が１μｍ以下の非常に微細なパターンで形成されている。

反射防止構造や回折格子など非常に微細なパターンを形成する場合、基板上にフォトレジストを塗布して、レーザによる２光束干渉露光により、干渉縞をフォトレジストに転写し、このフォトレジストをマスクとしてエッチングにより形成される。

従来の２光束干渉露光により、基板上に微細パターンを形成する方法につき図１２を参照して説明する。

まず、基板１０１の主面上にレジストをスピンコート塗布し、基板１０１上に所定の膜厚レジスト膜１０２を形成する（図１２（ｂ）参照）。

そして、塗布したレジスト膜１０２に対して２光束干渉露光装置を用いて露光し、現像を行いレジストパターン１０３を形成する（図１２（ｃ）参照）。

次に、図１２（ｄ）に示すように、上記レジストパターン１０３をマスクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、基板１０１をパターニングして、基板１０１の主面上に微細パターンを形成する。その後、レジストパターン１０３を除去して、反射防止構造などの微細パターン１０４を設けた光学素子が得られる（図１２（ｅ）参照）。
特開２００１−２７２５０５号公報

ところで、図１２（ａ）に示すように、レーザ光２を用いた２光束干渉露光装置では、レーザ光の分布がガウス分布を持つ。このため、露光中心から遠ざかるほど照度が低下し、基板外周部では照度不足になりパターンの開口が不十分になり、基板に所望の大きさ、深さのエッチングが行えないという難点があった。

この発明は、上記した従来の問題点を鑑みなされたものにして、レーザ光を用いた２光束干渉露光により、基板中心部から周辺部に至るまでレジストに所望のパターン形成して、基板に微細パターンを形成する方法を提供することを課題とする。

この発明の製造方法は、レーザ光を光学系を用いて２光束に分岐させると共に、再び交差させてレジストを塗布した基板の主面に照射して、干渉露光させた後、現像して前記レジストに微細パターンを形成し、微細パターンが形成されたレジストをマスクとしてエッチングを行い前記基板の主面に微細パターンを形成する微細パターンを有する光学素子の製造方法であって、前記露光光の照度が低いほどレジストの膜厚が薄くなるように、前記基板の主面に塗布するレジストの膜厚に照度分布に対応した膜厚分布を設けることを特徴とする。

また、この発明は、レジストを塗布する塗布装置の基板ステージが温度制御可能に形成され、レジスト塗布時の基板温度が基板ステージの中心部が高く周辺に向かうに連れて低くなるように楕円状又は円状の温度分布になるように基板ステージの温度を制御することを特徴とする。

前記微細パターンは反射防止構造であることを特徴とする。

以上説明したように、この発明によれば、レーザ光の分布がガウス分布を持っていても、照射されるレーザの照度分布に対応した膜厚のレジストを基板上に設けることで、基板の周縁部においても所望のパターンの開口を得ることができ、基板に微細パターンを形成することができる。

以下、この発明の実施の形態につき、図面を参照して説明する。図１は、この発明に用いられる２光束干渉露光装置の概略を示す構成図、図２は、基板上での干渉露光状態を示す説明図である。図１、図２に従いこの発明に用いられる２光束干渉露光につき説明する。

２光束干渉露光装置は、図１に示すように、一条のレーザ光２を出射するレーザ装置１と、基板３を支持する基板ステージ４とを有するとともに、レーザ装置１から出射されたレーザ光２を２光束のレーザ光２ａ、２ｂに分岐させた後、基板ステージ４に支持される基板３の主面に再び交差させて干渉露光させる光学系５を有している。

光学系５は、レーザ装置１から出射したレーザ光２の通過または遮蔽を行わせる露光シャッタ５ａと、露光シャッタ５ａを通過したレーザ光２を２光束のレーザ光２ａ，２ｂに分岐する偏光ビームスプリッタ５ｂと、レーザ光を案内する第１から第４の反射ミラー５ｃ〜５ｆ、露光部５０ａ、５０ｂ等からなる。

このレーザ装置１は、ｓ偏光光のレーザ光２を出射する。レーザ装置１から出射したレーザ光２がシャッタ５ａを通過して第１反射ミラー５ｃ、第２反射ミラー５ｄで方向を変え、絞り５ｇで所定のビームに絞られた後、λ／２位相差板５ｈに入射し、ｓ偏光光の偏光面が４５度傾けられる。４５度傾けられたレーザビームが偏光ビームスプリッタ５ｂに与えられ、ｓ偏光成分は反射、ｐ偏光成分は透過してレーザ光２が２光束のレーザ光２ａ、２ｂ分岐される。分岐されたｐ偏光光はλ／２位相差板５ｉにより、ｓ偏光光に偏光される。それぞれのレーザ光２ａ、２ｂは第４反射ミラー５ｅ、第５反射ミラー５ｆにより、露光部５０ａ、５０ｂに案内される。露光部５０ａ、５０ｂは、絞り５１、対物レンズ５２、ピンホール５３、平凸レンズ５４を備える。第４反射ミラー５ｅ、第５反射ミラー５ｆにより案内された２つのレーザ光２ａ、２ｂを露光部５０ａ、５０ｂを介して基板３の主面に再び交差させて干渉露光させる。また、露光部５０ａ、５０ｂからのレーザ光の入射角θは同じになるように露光される。

干渉露光による微細パターンのピッチは、図２に示すように、ピッチ（Δ）＝λ／２・ｓｉｎθとなる。よって、形成するピッチは前記入射角θを変化させることによって変更することができる。

表１に、レーザ装置１から出射するレーザの波長（λ）が２６６ｎｍの場合の入射角（θ）を変更させたときのピッチ（Δ）と、干渉縞の水平と垂直の比を示す。

表１より、入射角（θ）を変更させることで、ピッチ（Δ）を変化させることができる。干渉露光を行う場合には、基板３を照射光に対して所定角度に傾けるために、基板３上では楕円状の照度分布になる。入射角が大きくなるほど円から楕円形状になり、水平と垂直の比が大きくなる。

一方、レーザ光の照度分布は前述したように、ガウス分布を持つ。このため、露光中心から遠ざかるほど照度が低下する。図３は、照射光の入射角（θ）と基板上のレーザの照度分布の関係を示し、（ａ）は入射角（θ）が３０度、（ｂ）は入射角（θ）が４５度、（ｃ）は入射角（θ）が６０度の時の照度分布である。図３は中心部の照度を１００として中心から遠ざかる照度を示している。図３から分かるように、照度分布は露光中心から遠ざかるほど照度が低下し、入射角が大きくなるほど楕円形状の照度分布になる。

この発明は、上記した事実に基づき、基板３上に塗布するレジストの膜厚を照度が低いほど膜厚が薄くなるように、照度分布に対応してレジストの膜厚を制御し、照度分布の低下があっても確実な開口を有するパターンを形成するものである。

レジストは塗布時の基板温度が高くなるほど塗布される膜厚は厚くなる。このため、この発明では、レジストの塗布時の基板温度に楕円状または円状の勾配を持たせるように、レジスト塗布装置の基板ステージの中心ほど温度が高くなるように、楕円状または円状の温度分布が可能なように、温度調節装置を設けている。

図４、図５は、この発明の製造方法の実施形態に使用されるレジスト塗布装置を示し、図４は縦断面図、図５は、基板ステージの一例を示す平面図である。

レジスト塗布装置の基板ステージ４には、基板を基板ステージ４上に吸着するため真空チャック用の真空ポンプ４５に連なるノズル４５ａが複数個設けられている。基板ステージ４は、熱伝導性に優れた材質、例えば、アルミニウムで構成された本体に温度調整部が内蔵されている。また、基板ステージ４はモータ４８により回転可能に構成されている。

温度調節部は、基板ステージ４の中心部にから外周部に向けて同心円状に設けられた複数の温度制御素子４０〜４４で構成されている。温度制御素子４０〜４４は、ヒーターユニットやペルチェ素子で構成されている。この実施形態では、図５に示すように、中心部の温度制御素子４０は１つの素子で構成されているが、それより外側の温度制御素子４１〜４４は、径方向に４つのゾーンに分割されている。すなわち、第１のゾーンは内周から外周に向かって４つの温度素子４１ａ〜４４ａ、第２のゾーンは内周から外周に向かって４つの温度素子４１ｂ〜４４ｂ、第３のゾーンは内周から外周に向かって４つの温度素子４１ｃ〜４４ｃ、第４のゾーンは内周から外周に向かって４つの温度素子４１ｄ〜４４ｄ、に分割され、各素子が温度コントローラ４６の制御に基づき、照度分布に対応した温度分布を格納した温度分布データメモリ４７からのデータに基づき、基板ステージ４の温度分布が制御される。

このように、温度制御部を同心円状で且つ径方向で分割し、それぞれを独自で制御することで、楕円状の照度分布にも対応した温度分布が容易に得られる。

図６に、東京応化製の商品名「ＴＤＵＲ−Ｐ０００９」のレジストを用いて、基板温度とレジストの膜厚との関係を測定した結果を示す。測定は、上記レジストを回転数４０００ｒｐｍで膜厚６００ｎｍの厚みなる量で塗布した。

図６に示すように、基板温度により塗布されるレジストの膜厚が変化し、温度が低くなるほどレジスト膜厚は薄くなる。

図７は、図４，図５に示した塗布装置の温度制御素子４０〜４４を制御し、中心からの半径位置でそれぞれ温度が相違するようにした半径位置と温度との関係を示す特性図である。この図７では、４つの条件の温度設定を行った。

図８は、図７に示す基板ステージの温度でレジストを塗布したときのレジストの膜厚を測定した結果を示す。レジストの塗布は図６と同様に、東京応化製の商品名「ＴＤＵＲ−Ｐ０００９」のレジストを用いて、回転数４０００ｒｐｍで膜厚６００ｎｍの厚みなる量で塗布した。図８に示すように、基板ステージの温度を中心部から周辺部に至るまで変化させると、その温度変化に対応してレジストの膜厚を変化させることができる。

レーザ光の照度分布に応じて、基板ステージの温度制御素子４０〜４４を制御することで、照度分布に対応して、照度の低いところはレジストの膜厚を所望の膜厚より薄くする。例えば、図９に示すような照度分布に対応したレジストの膜厚を形成する場合、図１０に示すように、基板ステージ４の温度制御素子の第１のゾーンと第３のゾーン、第２のゾーンと第４のゾーンをそれぞれ外周側で温度を低くすることで、塗布装置の基板ステージ４に載置された基板３上に照度分布に応じた膜厚のレジストを塗布することができる。なお、図９においては、最大膜厚を１００で規格化して示している。

以下、この発明の製造方法につきずに従いさらに説明する。

図１１は、この発明にかかる光学素子の製造方法を工程別に示す断面図であり、この実施形態では、微細な凹凸を有する反射防止パターンを基板３の主面上に形成するものである。図１１の（ａ）に示すように、２光束干渉露光装置に用いるレーザ光の照度分布は、ガウス分布を持つ。このため、露光中心から遠ざかるほど照度が低下する。そこで、この実施形態においては、レーザ光の照度分布に対応して、基板３の主面上に塗布するレジスト３１の膜厚を変化させる。この図１１（ａ）に示す例では、中央部から両端に行く従いレーザ光の照度分布が低下しているので、レジスト３の膜厚も中央部から両端に行くに従い楕円状に薄くなるように制御する。

図１１（ｂ）に示すように、例えば、合成石英ガラスなどからなる基板３を図４、図５に示す塗布装置の基板ステージ４上に載置し、基板ステージ４の温度制御素子４０〜４４を制御して、基板ステージ４にレーザ光の照度分布に対応した温度勾配を設定する。そして、基板３上にレジスト３１を塗布する。このレジスト塗布は、レジストとして、例えば、東京応化製商品名「ＴＤＵＲ−Ｐ００９」を用いて、回転数４０００ｒｐｍでスピンコート塗布し、基板３の中央部の位置のレジストの膜厚６００ｎｍになるようにして、照度分布に応じて膜厚が薄くしたレジスト膜３１を形成した。

続いて、図１１（ｃ）に示すように、塗布したレジスト膜３１に対して露光、現像を行いレジストパターン３２を形成する。この実施形態においては、露光装置として、２光束干渉露光装置（λ＝２６６ｎｍ）を用い、露光パワー７５０ｍＪで１回目の露光を行い、基板を９０度回転させて露光パワー７５０ｍＪで多重露光した。そして、東京応化製商品名「ＮＭＤ−Ｗ」で現像し、２５０ｎｍピッチで円錐状の突起が多数形成されたレジストパターン３２を形成した。この露光現像工程において、照度が不足する周辺部分のレジスト３１の膜厚は薄いので、両端部に至るまで所望の開口を有するレジストパターンが形成される。

次に、図１１（ｄ）に示すように、上記レジストパターン３０をマスクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、基板３をパターニングする。この実施形態では、ＲＩＥエッチング装置として、ＵＬＶＡＣ製の商品名「ＮＬＤ−８００」を用い、エッチングガスとして、Ｃ₄Ｆ₈とＣＨ₂Ｆ₂の混合ガスを用い、アンテナ電源１５００Ｗ、バイアス電源４００Ｗ、二酸化シリコン膜（ＳｉＯ₂）のエッチングレート１２ｎｍ／ｓｅｃとして、加工深さ５００ｎｍの円錐状の溝を形成した。

その後、図１１（ｅ）に示すように、酸素プラズマアッシングでレジスト３２を除去すると、基板３の主面上に微細な凹凸パターンからなる反射防止構造３３が形成される。

上記した実施形態においては、基板上に微少な凹凸からなる反射防止構造を形成する場合について説明したが、これに限らず、回折格子、フレーズド格子など２光束干渉露光装置を用いて基板上に微細なパターンを形成する光学素子にこの発明は適用できる。また、１次元格子の場合には、Ｘ，Ｙ方向の照度分布に依存して楕円状に膜厚分布が変化するようにレジストを塗布すればよく、また、２次元格子の場合には、Ｘ，Ｙ方向の平均の照度分布に依存にして、同心円状に膜厚分布が変化するようにレジストを塗布すればよい。

また、上記した実施形態においては、光学素子の直接微細パターンを形成する場合につき説明したが、金型を用いて光学素子を形成する場合には、上記した図１１の（ｅ）に示す状態からメッキを施し、かかるメッキにより、スタンパ金型を形成すればよい。

この発明に用いられる２光束干渉露光装置の概略を示す構成図である。 基板上での干渉露光状態を示す説明図である。 照射光の入射角（θ）と基板上のレーザの照度分布の関係を示し、（ａ）は入射角（θ）が３０度、（ｂ）は入射角（θ）が４５度、（ｃ）は入射角（θ）が６０度の時の照度分布である。この発明の実施形態の導光板を反射面側から見た平面図である。 この発明の製造方法の実施形態に使用されるレジスト塗布装置の縦断面図である。 この発明の製造方法の実施形態に使用されるレジスト塗布装置の基板ステージの一例を示す平面図である。 東京応化製の商品名「ＴＤＵＲ−Ｐ０００９」のレジストを用いて、基板温度とレジストの膜厚との関係を測定した結果を示す特性図である。 図４，図５に示した塗布装置の温度制御素子４０〜４４を制御し、中心からの半径位置でそれぞれ温度が相違するようにした半径位置と温度との関係を示す特性図である。 図７に示す基板ステージの温度でレジストを塗布したときのレジストの膜厚を測定した結果を示す特性図である。 照度分布に対応したレジストの膜厚の例を示す説明図である。 図９に示す膜厚のレジスト分布を得る場合の温度制御の例を示す図である。 この発明にかかる光学素子の製造方法を工程別に示す断面図である。 従来の２光束干渉露光により、基板上に微細パターンを形成する方法を工程別に示す断面図である。

符号の説明

１ レーザ装置
３ 基板
４ 基板ステージ
３１ レジスト
３２ レジストパターン

Claims (3)

1. レーザ光を光学系を用いて２光束に分岐させると共に、再び交差させてレジストを塗布した基板の主面に照射して、干渉露光させた後、現像して前記レジストに微細パターンを形成し、微細パターンが形成されたレジストをマスクとしてエッチングを行い前記基板の主面に微細パターンを形成する微細パターンを有する光学素子の製造方法であって、前記露光光の照度が低いほどレジストの膜厚が薄くなるように、前記基板の主面に塗布するレジストの膜厚に照度分布に対応した膜厚分布を設けることを特徴とする微細パターンを有する光学素子の製造方法。
2. レジストを塗布する塗布装置の基板ステージが温度制御可能に形成され、レジスト塗布時の基板温度が基板ステージの中心部が高く周辺に向かうに連れて低くなるように楕円状又は円状の温度分布になるように基板ステージの温度を制御することを特徴とする請求項１に記載の微細パターンを有する光学素子の製造方法。
3. 前記微細パターンは反射防止構造であることを特徴とする請求項１又は２に記載の微細パターンを有する光学素子の製造方法。
   

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