JP2006178213A - 型の製造方法およびその型を用いて成形された光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、ステッピング露光を用いて大面積な母型（金型）表面に目視レベルで不連続性が感じることがない微細パターン作成をする方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 この発明は、所定構造を有する光学素子を成形するための型を製造する製造方法であって、前記型となる基材の表面上にレジスト膜を形成し、このレジスト膜にマスクパターン領域１０が細分化され、各マスクパターン領域１０，１０間には未露光とするブラインド領域１１が設けられている１ショットのマスクパターン１を用いてステッピング露光して前記レジスト膜に所定のパターン形状を描画し、描画されたレジスト膜に現像処理を施し前記所定のパターン形状を形成し、この所定のパターン形状が形成されたレジスト膜を用いてエッチング処理し、前記基材の表面に所定のパターン形状を形成する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、光エレクトロニクス、光通信、照明装置など種々の光学素子を形成するための金型の母型や金型を製造する技術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基板を用いた光学素子においては、表面反射による光を減少させるために、基板の光入射面に反射防止層が設けられている。反射防止層としては、薄膜の誘電体膜を重畳させた多層膜や表面に微細且つ緻密な凹凸形状を形成したものが知られている。

微細且つ緻密な凹凸形状を形成した反射防止層は、図１６に示すように、透光性基板５０の表面に微細な錐形状の突起５１が連続して形成された連続パターンからなるサブミクロンオーダーあるいはそれ以下のレベルの凹凸面で構成されている。

ところで、光エレクトロニクス、光通信、照明装置など種々の光学素子は、低コスト化の観点から、ガラス製に製品よりも樹脂製の製品が広く利用されている。このような樹脂製の光学レンズは、一般に射出成形によって製造される。微細且つ緻密な凹凸形状をからなる反射防止層を設ける場合には、予め反射防止構造を付与するための面を形成しておく必要がある。

このようなサブミクロンオーダーの面の形成加工は、切削バイトを用いた一般的な加工技術では困難である。そこで、成形型の母型となる基材に対して、レジスト膜を形成して、そのレジスト膜にそのような微細且つ緻密な凹凸形状の原型となる形状を描画して、これを現像処理することで、その形状を得、さらに、その形状をエッチング処理することで、所定の微細パターン構造が形成された母型を得る方法がある。この方法は、例えば、微細な回折構造を得る場合に用いられている（例えば、特許文献１参照）。さらに、このようにして得られた母型を用いて電鋳処理を行うことで、そのような微細パターン構造が転写形成された成形型が形成され、この成形型により光学素子が成形される。
特開２００２−３３３７２２号公報

上記したように、フォトリソグラフィで大面積の母型（金型）表面に微細パターン作成する場合、一括露光を行うには、露光光学系の大型化が必要となり、コストが嵩むという難点がある。そこで、ステッピング露光により、複数回露光ショットを繰り返す方法を採用すれば、露光光学系を大型にする必要が無く便利である。しかし、ステッピング露光の場合、ショット間のつなぎ目をナノオーダーで制御することはできず、つなぎ目が多重露光されたり、隙間が空いたりするなどの問題が生じる。人の目は、大きなピッチのパターン不連続性は認識しやすく、このような場合、表示デバイス等の視覚可能な光学素子には使用することができない。

この発明は、上記した従来の問題点に鑑みなされたものにして、ステッピング露光を用いて大面積な母型（金型）表面に目視レベルで不連続性が感じることがない微細パターン作成をする方法を提供することを目的とする。

この発明は、所定構造を有する光学素子を成形するための型を製造する製造方法であって、前記型となる基材の表面上にレジスト膜を形成し、このレジスト膜にマスクパターン領域が細分化され、各マスクパターン領域間には未露光とするブラインド領域が設けられている１ショットのマスクパターンを用いてステッピング露光して前記レジスト膜に所定のパターン形状を描画し、描画されたレジスト膜に現像処理を施し前記所定のパターン形状を形成することを特徴とする。

この発明は、所定構造を有する光学素子を成形するための型を製造する製造方法であって、基材の表面上にレジスト膜を形成し、このレジスト膜にマスクパターン領域が細分化され、各マスクパターン領域間には未露光とするブラインド領域が設けられている１ショットのマスクパターンを用いてステッピング露光して前記レジスト膜に所定のパターン形状を描画し、描画されたレジスト膜に現像処理を施し前記所定のパターン形状を形成し、この所定のパターン形状が形成されたレジスト膜を用いてエッチング処理し、前記基材の表面に所定のパターン形状を形成することを特徴とする。

前記マスクパターンはマスクパターン領域間にブラインド領域が規則正しく配列され、前記ブラインド領域のライン幅をショット重ね合わせ時に生じる変位量の１０倍以上に設定するとよい。

また、前記マスクパターン領域の反射率をＲ１、面積をＳ１、前記ブラインド領域の反射率をＲ２、面積をＳ２、平均の反射率Ｒ０とすると、
Ｒ０＝Ｒ１×Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）＋Ｒ２×Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）≦０．０１
を満足するように、前記ブラインド領域のライン幅を設定するとよい。

上記いずれかの方法により製造された型を用いて光学素子を成形することができる。

この発明によれば、ショット間のつなぎ目に結果として間を開けて露光することで、ステッピング露光しても不連続点は発生せず、目視レベルで不連続を感じることなく微細パターンを形成できる型を提供できる。そして、その型を用いて反射防止構造等を有する光学素子を成形することができる。

以下、この発明の実施形態につき図面を参照して説明する。図１は、この発明の実施形態に用いるステッピング露光用のマスクパターンの模式的平面図、図２はこの発明の実施形態によるステッピング露光によりつなぎ合わせた状態を示す模式的平面図である。

この実施形態におけるマスクパターン１は、微細な凹凸パターンを形成するためのマスクパターン領域１０が細分化され、各マスクパターン領域１０間には未露光とするブラインド領域１１が設けられている。マスクパターン１内で規則正しく配列されている。図１に示すように、マスクパターン領域１０、１０間は、ライン幅（Ｌ）で規則正しく配列されている。

なお、図１及び図２において、黒塗りした領域１０がマスクパターン領域であり、ここでこの領域１０の面積をＳ１、反射率をＲ１とする。また、その他の空白部分がブランド領域１１であり、この面積をＳ２、反射率をＲ２とする。

ところで、等倍の露光装置では、マスクパターン１の寸法誤差がそのまま反映され、縮小投影型の露光装置では、マスクパターン１の寸法誤差は縮小倍率に比例して小さくなる。

上記したマスクパターン１を用いてステッピング露光を行い、ショット間のつなぎ目に結果として間を開けて露光することで、ステッピング露光しても不連続点は発生せず、目視レベルで不連続間を認識することが無くなる。以下、その理由等につき図面を参照しつう説明する。

基板に投影されたマスクパターン１のライン幅（Ｌ）が設計値Ａに対してＡ±ａであるとする。また、露光装置のステッピング精度、すなわち、送り精度、露光投影光学系の精度等を含めた装置側の精度が設計値Bに対してＢ±ｂとする。

この結果、ステッピング露光を行うと、図２に示すように、1ショットのショット境界のパターン位置の最大変位量はｂ＋ａ／２となる。

ショット境界では、ライン幅はその2倍の変位が最大発生するため、ショット境界のライン幅はＡ±［２×（ｂ＋ａ／２）］となる。

次に、ライン幅を故意にずらした場合をシミュレーションした結果を図３ないし図１０に示す。これら図３ないし図１０において、黒塗り部分はマスクパターン領域を示し、その間の白い部分がブラインド領域１１である。そして、Ｌがライン幅、矢印ａで示す箇所がライン幅を故意にずらした領域である。図３は、ライン幅が３ピクセル、変位量が２ピクセル、図４は、ライン幅が４ピクセル、変位量が２ピクセル、図５は、ライン幅が６ピクセル、変位量が２ピクセル、図６は、ライン幅が８ピクセル、変位量が２ピクセル、図７は、ライン幅が１０ピクセル、変位量が２ピクセル、図８は、ライン幅が１２ピクセル、変位量が２ピクセル、図９は、ライン幅が１６ピクセル、変位量が２ピクセル、図１０は、ライン幅が２０ピクセル、変位量が２ピクセルを示している。

これら図からライン幅が大きくなるにつれてライン幅のずれが分かりにくくなり、図１０に示すライン幅が変位量の１０倍以上であれば、ライン幅のズレを視認できなくなることが分かった。

従って、マスクパターン１のマスクパターン領域１０、１０に設ける未露光となるブラインド領域１１のライン幅（Ｌ）を、設計値Ａに対して、最大変位量の１０倍以上に設定すればよく、次式を満足するように設計すればよい。

：
Ａ≧１０×２×（ｂ＋ａ／２）…（１）

そして、反射率が１％以下になるように、以下（２）式のように、ブラインド領域１１の面積を設定する。

反射防止構造が形成されている部分、すなわち、マスクパターン領域１０の反射率をＲ１、面積をＳ１、反射防止構造のない鏡面部となるブラインド領域１１の反射率をＲ２（屈折率をｎとすると、Ｒ２＝（ｎ−１）２／（ｎ＋１）^２）、面積をＳ２とすると、平均の反射率Ｒ０は（２）式に示すようになり、この反射率Ｒ０を０．０１以下にすると反射防止構造としての機能を十分に果たすことができる。

Ｒ０＝Ｒ１×Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）＋Ｒ２×Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）≦０．０１…（２）

この（２）式を満足するように、ブラインド領域１１のライン幅（Ｌ）を設定すればよい。

上記のように、マスクパターン領域１０、１０間のブラインド領域１１の幅を最大変位量の１０倍以上に設定するとともに、上記の反射率の関係を満たすように、ブラインド領域１１のライン幅（Ｌ）を設定したマスク１を用いることにより、ステッピング露光を行っても、ライン幅のズレが視認できない状態でパターニングが行える。したがって、成形型の母型となる基材に対して、レジスト膜を形成して、そのレジスト膜に微細且つ緻密な凹凸形状の原型となる形状を不連続点が視認状態できない状態で形成することができる。

図１１に、マスクパターン１のマスクパターン領域１０を細分化する大きさを変えた場合の模式的平面図を示す。（ａ）はマスクパターン領域１０を１５ｍｍ角に細分化した場合のパターンを、（ｂ）はマスクパターン領域１０を１０ｍｍ角に細分化した場合のパターンを、（ｃ）はマスクパターン領域１０を５ｍｍ角に細分化した場合のパターンを、（ｄ）はマスクパターン領域１０を３ｍｍ角に細分化した場合のパターンを、（ｅ）はマスクパターン領域１０を１．５ｍｍ角に細分化した場合のパターンを、（ｆ）はマスクパターン領域１０を１ｍｍ角に細分化した場合のパターンをそれぞれ示す。細分化したマスクパターン１０のパターンのサイズは特に指定しないが、サイズが小さいほど目視で違和感を感じない。

次に、マスクパターン１の具体的な設計例につき説明する。最終的製品材質をポリカーボネート基板（屈折率はn＝１．５８）を想定する。ポリカーボネート基板からなる光学素子の表面に反射防止構造を設ける場合を説明する。ポリカーボネート基板の鏡面部（ブラインドライン領域１１）の反射率は、Ｒ２＝０．０５０５、反射防止構造部分となるマスクパターン領域１０の反射率をＲ１＝０．００５０とする。

そして、精度がｂ＋ａ／２＝１μｍのステッピング露光装置を使用し、１ショットのサイズが２０ｍｍ角で、その中に１ｍｍ角に細分化されたマスクパターン領域１０を形成する場合を考える。この場合、上記（１）（２）式を満足するのは、マスクパターン領域１０、１０間のブラインド領域１１のライン幅（Ｌ）は１０〜５６μｍとなるので、この例では、ライン幅（Ｌ）を２０μｍに設定した。

このように設計した場合、１ショット２０ｍｍ角の中に、２０×２０＝４００個に細分化されたパターンが存在するマスクパターンとなる。なお、１個のパターンは９８０μｍ角のマスクパターン領域１０と２０μｍのブラインド領域１１のライン幅からなるブラインドライン領域１１で構成される。そして、この１ショット２０ｍｍ角のショットをステッピング露光で繋ぎ合わせて大面積のパターンをレジスト膜上に作製する。ライン幅が２０μｍの場合には、平均の反射率は０．００６８となる。

表１にマスクパターン領域１０、１０間のブラインド領域１１のライン幅（Ｌ）（表１ではライン幅と表記する）、マスクパターン領域１０の面積（表１では単にパターン面積と表記する）、ブラインド領域１１の面積（表１では単にブラインド面積と表記する）をそれぞれ変化させた時の平均の反射率Ｒ０を計算した結果を示す。表１に示すように、ライン幅が大きくなるにつれて反射率Ｒ０は大きくなるが、反射率が１％以下を想定した反射防止構造であれば、ライン幅が５６μｍ以下でその機能を満足できる。また、マスクパターン領域１０の設定値Ａはこの例では１ｍｍ角であるので、ライン幅が１０μｍ以上であれば最大変位量は十分に１０倍以上になり、不連続点が目視では確認できない状態となる。このようなマスクパターン１を用いることでステッピング露光で繋ぎ合わせて大面積のパターンをレジスト膜上に不連続点が目視では確認できない状態で作製できる。

マスクパターンをステッピング露光により重ね合わせてゆく際、１ショットのマスクパターンは種々の形状をとることができる。図１２ないし図１４に１ショットにおけるマスクパターンとそれを用いた重ね合わせの例を示す。これらの図において、（ａ）は１ショットの配列、（ｂ）はステッピング露光で重ね合わせて露光した状態を示す模式図である。

図１２は正方形配列による重ね合わせの例、図１３は三角形配列による重ね合わせの例、図１４は６角形配列による重ね合わせの例をそれぞれ示している。これらの形状はあくまでも例示にすぎず、用途、装置の精度などに応じて最適な形状を選択すればよい。

次に、上記したこの発明にかかるマスクパターンを用いて母型並びに金型の製造例につき説明する。

母型を作成する場合には、まず、ＳｉＯ₂やポリシリコン等の樹脂材料からなる基材をダイヤモンド工具などにより所望の光学素子の原型を製造する。例えば、導光板の反射防止構造を設ける側の面形状を形成する。この母型の上にレジスト膜を形成して、上記したマスクパターンを用いて、レジスト膜に微細且つ緻密な凹凸形状の原型となる形状をステッピング露光で繋ぎ合わせて大面積のパターン描画して、これを現像処理する。

このフォトリソグラフィで大面積な微細且つ緻密な凹凸形状の形状を得ることができる。そして、その形状をエッチング処理することで、所定の微細パターン構造が形成された母型を得ることができる。

このようにして得られた母型を用いて電鋳処理を行い、微細且つ緻密な凹凸形状の形状が転写された形成金型を得る。

図１５は、上記の方法により形成された金型を用いて導光板を作成する一例を示す模式的断面図である。図１５は、液晶表示装置のフロントライトを構成する導光板の製造方法を示すものである。

フロントライトを構成する導光板のフロント側の反射面と透過面を形成するためのパターンが設けられたフロントライト金型６１を用意する。上記したこの発明の方法により、反射防止構造の連続パターンを形成した反射防止部材金型６２を用意する。なお、フロントライト金型６１は光透過性部材で形成されている。

そして、両金型６１，６２の間に紫外線（ＵＶ）硬化樹脂を充填する。続いて、紫外線線を照射してＵＶ硬化樹脂を硬化させる。その後、金型６１，６２を外すことにより、反射防止構造が導光板を成形する際に、一体に形成されることになる。

上記した実施形態においては、導光板の反射防止構造を作成する際の母型、金型の形成につき説明したが、この発明は導光板に限らず、反射防止構造を有する他の光学素子を製造するための金型等を製造する際にも適用できることはもちろんである。また、反射防止構造に限らず、同じ連続パターンを大面積に形成する光学素子の形状であればこの発明を適用することができる。

また、上記実施形態においては、母型を製造してから金型を製造する場合につき説明したが、直接金型となる基材上に所定形状からなるパターンを形成してもよく、この発明は、母型、金型などの型に適用することができる。

更に、上記実施形態においては、フォトリソグラフィでレジストパターンに所定形状を形成した後、レジストパターンをマスクとしてエッチング処理しているが、エッチング処理せずにフォトリソグラフィで形成したレジストパターンをそのまま母型もしくは金型として用いることもできる。

この発明の実施形態に用いるステッピング露光用のマスクパターンの模式的平面図である。 この発明の実施形態によるステッピング露光によりつなぎ合わせた状態を示す模式的平面図である。 ライン幅を故意にずらした場合をシミュレーションした結果を示す模式図であり、ライン幅が３ピクセル、変位量が２ピクセルの状態を示している。 ライン幅を故意にずらした場合をシミュレーションした結果を示す模式図であり、ライン幅が４ピクセル、変位量が２ピクセルの状態を示している。 ライン幅を故意にずらした場合をシミュレーションした結果を示す模式図であり、ライン幅が６ピクセル、変位量が２ピクセルの状態を示している。 ライン幅を故意にずらした場合をシミュレーションした結果を示す模式図であり、ライン幅が８ピクセル、変位量が２ピクセルを示している。 ライン幅を故意にずらした場合をシミュレーションした結果を示す模式図であり、ライン幅が１０ピクセル、変位量が２ピクセルの状態を示している。 ライン幅を故意にずらした場合をシミュレーションした結果を示す模式図であり、ライン幅が１２ピクセル、変位量が２ピクセルの状態を示している。 ライン幅を故意にずらした場合をシミュレーションした結果を示す模式図であり、ライン幅が１６ピクセル、変位量が２ピクセルを示している。 ライン幅を故意にずらした場合をシミュレーションした結果を示す模式図であり、ライン幅が２０ピクセル、変位量が２ピクセルを示している。 マスクパターン１のマスクパターン領域１０を細分化する大きさを変えた場合の模式的平面図を示す。（ａ）はマスクパターン領域１０を１５ｍｍ角に細分化した場合のパターンを、（ｂ）はマスクパターン領域１０を１０ｍｍ角に細分化した場合のパターンを、（ｃ）はマスクパターン領域１０を５ｍｍ角に細分化した場合のパターンを、（ｄ）はマスクパターン領域１０を３ｍｍ角に細分化した場合のパターンを、（ｅ）はマスクパターン領域１０を１．５ｍｍ角に細分化した場合のパターンを、（ｆ）はマスクパターン領域１０を１ｍｍ角に細分化した場合のパターンをそれぞれ示す。 １ショットにおけるマスクパターンとそれを用いた重ね合わせの例を示し、（ａ）は１ショットの配列、（ｂ）はステッピング露光で重ね合わせて露光した状態を示す模式図である。 １ショットにおけるマスクパターンとそれを用いた重ね合わせの例を示し、（ａ）は１ショットの配列、（ｂ）はステッピング露光で重ね合わせて露光した状態を示す模式図である。 １ショットにおけるマスクパターンとそれを用いた重ね合わせの例を示し、（ａ）は１ショットの配列、（ｂ）はステッピング露光で重ね合わせて露光した状態を示す模式図である。 この発明の方法により形成された金型を用いて導光板を作成する一例を示す模式的断面図である。 反射防止構造の一例を示す模式的斜視図である。

符号の説明

１ マスクパターン
１０ マスクパターン領域
１１ ブラインド領域

Claims (5)

1. 所定構造を有する光学素子を成形するための型を製造する製造方法であって、基材の表面上にレジスト膜を形成し、このレジスト膜にマスクパターン領域が細分化され、各マスクパターン領域間には未露光とするブラインド領域が設けられている１ショットのマスクパターンを用いてステッピング露光して前記レジスト膜に所定のパターン形状を描画し、描画されたレジスト膜に現像処理を施し前記所定のパターン形状を形成することを特徴とする型の製造方法。
2. 所定構造を有する光学素子を成形するための型を製造する製造方法であって、前記型となる基材の表面上にレジスト膜を形成し、このレジスト膜にマスクパターン領域が細分化され、各マスクパターン領域間には未露光とするブラインド領域が設けられている１ショットのマスクパターンを用いてステッピング露光して前記レジスト膜に所定のパターン形状を描画し、描画されたレジスト膜に現像処理を施し前記所定のパターン形状を形成し、この所定のパターン形状が形成されたレジスト膜を用いてエッチング処理し、前記基材の表面に所定のパターン形状を形成することを特徴とする型の製造方法。
3. 前記マスクパターンはマスクパターン領域間にブラインド領域が規則正しく配列され、前記ブラインド領域のライン幅をショット重ね合わせ時に生じる変位量の１０倍以上に設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の型の製造方法。
4. 前記マスクパターン領域の反射率をＲ１、面積をＳ１、前記ブラインド領域の反射率をＲ２、面積をＳ２、平均の反射率Ｒ０とすると、
   Ｒ０＝Ｒ１×Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）＋Ｒ２×Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）≦０．０１
   を満足するように、前記ブラインド領域のライン幅を設定することを特徴とする請求項３に記載の型の製造方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかの製造方法により製造された型を用いて成形された光学素子。
   

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