JP2006201692A - 立体パターン形成装置及び立体パターンの形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 特殊なフォトマスクを使用することなく、マイクロレンズ等の立体形状を有する微小部品を形成できるようにする。
【解決手段】 被加工物を載置するための載置手段と、前記載置手段に載置された被加工物に塗布されたレジストに立体的なパターンを形成するための光線を発生させる光発生手段と、前記光線の光路上に設けられた光の回折を発生させる微小光変調素子と、前記微小光変調素子に印加される電圧を制御する制御手段と、前記レジストが塗布された被加工物に前記光線を走査する走査手段とを具備するように立体パターン形成装置を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば半導体集積回路、液晶表示板、プリント基板などの平面基板上に所定の立体パターンを形成する技術、特にＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置に用いられるオンチップマイクロレンズ（以下、マイクロレンズという）等の形成用パターンを形成するための立体パターン形成装置及び立体パターンの形成方法に関する。

例えば、図１２Ａに示すように、ＣＣＤイメージセンサ本体１０１上に平坦化されたレンズ用樹脂層（例えばポリスチレン系樹脂層）１０６を形成し、この樹脂層１０６上にレジスト膜（感光性樹脂）を塗布し、さらに所定パターンのフォトマスク（図示せず）を介して露光し、現像処理して各受光部１０３に対応する位置にレジストパターン１０７を形成する。次に熱処理を施すと、この熱処理によって図１２Ｂに示すようにレジストパターン１０７は熱流動を起こし凸レンズ形状となる。次に、図１２Ｃに示すように、例えば反応性イオンエッチング(ＲＩＥ）によるエッチバックを行って、レンズ形成用樹脂層１０６の各受光部１０３に対応する位置に微小集光レンズ（マイクロレンズ）１０９を形成することが知られている（特許文献１参照）。

また、図１３に示すように、中心付近が最も密度が高く左右両端に向かって段階的に密度が疎になるようにドットパターン１１２の分布密度を変化させてなる遮光パターンを有するフォトマスク１１４を用いて、ＣＣＤイメージセンサ本体上の平坦化されたレンズ用樹脂層上に塗布されたレジスト膜をパターニングしてレンズ形状のレジストパターンを形成し、その後エッチバックしてレンズ用樹脂層に微小集光レンズを形成することが知られている。

また、半導体回路のマスクパターンを形成する際に、微小光変調素子であるＧＬＶ（登録商標）素子で発生する０次回折光を利用して、マスク形成用のレクチルに平面パターンを形成することが知られている（特許文献２参照）。
特開平５−１４２７５２号 特開２００３−５９８０４号

しかし、レジストパターン１０７を熱流動によって凸レンズ形状とすることにより微小集光レンズ１０９を形成する方法においては、各レンズ間隔ｅ（図１２Ｂ参照）の制御が困難という問題がある。また、感光性樹脂に熱を加えて溶解させ、表面張力を利用して曲面形状を形成するので、隣り合うレジストパターン１０７同士が接触し一体化してしまうため、レジストパターン１０７間にある程度の間隔ｅを設ける必要があり（図１２Ｃ参照）、その結果、最終的に各レンズ１０９間に間隔ｅをとることになり、各受光部１０３において、開口率の向上を図ることができないという問題がある。

また、ドットパターン１１２の分布密度を変化させて遮光パターンを有する特殊なフォトマスク１１４を用いて微小集光レンズを形成する方法においては、複雑なドットパターンを有しているフォトマスクを形成するための作成過程が複雑であり、また、フォトマスクの作成コストが高くなるという問題がある。

本発明は、上述の点を考慮し、特殊なフォトマスクを使用することなく、微小集光レンズ等の球面形状やその他の３次元的な形状を有する立体部品を形成することができる立体パターン形成装置及び立体パターンの形成方法を提供するものである。

本発明に係る立体パターンの形成装置は、被加工物を載置するための載置手段と、前記載置手段に載置された被加工物に塗布されたレジストに立体的なパターンを形成するための光線を発生させる光発生手段と、前記光線の光路上に設けられた光の回折を発生させる微小光変調素子と、前記微小光変調素子に印加される電圧を制御する制御手段と、前記レジストが塗布された被加工物に前記光線を走査する走査手段とを具備した構成とする。

好ましくは、微小光変調素子は、基板の絶縁表面上に形成された基板側電極と、前記基板側電極に対向して交互に配置された静電駆動する可動ビーム及び固定ビームと、前記ビームを支持する支持部材と、前記ビーム上に設けられた光反射面を有する駆動電極とからなる複数の微小振動素子で構成されていることが適当である。
さらに好ましくは、微小光変調素子に印加される電圧は、前記ビーム上に設けられた駆動電極に印加されることが適当である。

本発明に係る立体パターンの形成方法は、レジストが塗布された被加工物に立体的なパターンを形成するための光線を発生させる工程と、前記光線の光路上に設けられた光の回折を発生させるための微小光変調素子に印加される電圧を制御して回折強度を変調する工程と、前記変調された回折光を前記レジストが塗布された被加工物に走査する工程と
を有するものである。

本発明の立体パターン形成装置及び立体パターン形成方法では、直接的にウエハ上のレジストマスクに立体的なレジストパターンを形成できるので、特殊なパターンマスクを使用することなく、曲面等の立体形状を有する微小部品を安価に製造することができる。

本発明に係る立体パターンの形成装置によれば、曲面、傾斜面、その他の３次元的な面等を有する立体的なレジストパターンを、マスク上のレジスト膜に直接的に形成することができるので、特殊なマスクを使用する必要がなく、曲面等の立体形状を有する微小部品、例えばマイクロレンズ等の製造コストを安くすることができる。また、様々なパターン形状による試作が必要な研究開発品や多品種少量生産品についても、フォトマスクを形成する必要がないため、コストを安く製造することができる。

本発明に係る立体パターンの形成方法によれば、微小光変調素子を用いることにより強度の異なる回折光を発生させることによって、マスク上のレジスト膜に、曲面等を有する立体的なレジストパターンを直接的に形成することができるので、特殊なマスクを使用する必要がなく、曲面等の立体形状を有する微小部品、例えばマイクロレンズ等の製造コストを安く作ることができる。また、様々なパターン形状による試作が必要な研究開発品や多品種少量生産品についても、フォトマスクを形成する必要がないため、コストを安く製造することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る立体パターン形成装置の概略構成を示したものである。
図１に示すように、本実施の形態に係る立体パターン形成装置１は、光線を発生させる光発生手段としてのレーザ光源２と、レーザ光を調整するために光軸上に設けられたレンズ３と、レーザ光路上に設けられた光の回折を発生させる微小変調素子としてのＧＬＶ(Grating Light Valve)素子４と、回折されたレーザ光を被加工物に走査する走査手段としてのミラー５と、被加工物を載置する載置台６とから構成されている。また、載置台６の上には、レジストの膜８が塗布された被加工物であるウエハ７が置かれている。さらに、立体パターン形成装置１は、ＧＬＶ素子４に印加される電圧を制御するためのＧＬＶ素子駆動制御回路１１と、形成装置の全体の制御を行う制御系１２と、パターンジェネレータ１３と、同期回路１４と、走査手段駆動制御回路１５とを備えている。なお、ＧＬＶ素子列として、ＧＬＶ素子４を多数個配列して使用してもよい。

レーザ光源２から出射されたレーザ光は、レンズ３を経てＧＬＶ素子４に入射して回折されることにより空間変調される。この回折された光は、同期回路１４によって描画パターンと同期するように制御された走査ミラー５により空間に展開され、載置台６に載置されたウエハ７上のレジスト膜８に投影される。

レジスト膜８へ描画すべき描画パターンのデータは、パターンジェネレータ１３によりＧＬＶ素子駆動用のデータに変更される。次に、この変更後のデータに従い、制御系１２の制御の下、同期回路１４及びＧＬＶ素子駆動制御回路１１を介してＧＬＶ素子４に電圧が印加され、ＧＬＶ素子列４を変調させる。そして、制御系１２の下、同期回路１４と走査手段駆動制御回路１５を介して、走査ミラー５のレジスト面の走査と、ＧＬＶ素子列４の変調との同期を行いながら連続的に露光を行うことで、ウエハ７上のレジスト膜８に所望のパターン像を形成する。例えば、レジスト膜８としてポジレジストをウエハ７上に塗布している場合には、レジストを残したい箇所に光が回折されないような電圧をＧＬＶ素子４に印加する。また、レジストを除去したい箇所には、光が照射されるような電圧をＧＬＶ素子４に印加する。このようにＧＬＶ素子４に印加する電圧を調整することで、レジストを立体的に露光し、現像後のレジストマスクを用いてマイクロレンズ等の立体パターンをウエハ７上に形成することができる。

次に図２を使用して上述したレーザ光がウエハ７上に照射される過程を詳しく説明する。本実施の形態に係る立体パターン形成装置１は、レーザ光源９２と、レーザ光源に対して、光軸上に順次設けられたミラー９４、照明光学系（レンズ群）９６、及び光変調素子であるＧＬＶデバイス９８とを備えている。レーザ光源９２は、例えばｉ線ステッパーで用いられる発振波長１５０ｎｍ〜４００ｎｍ程度の紫外線領域の波長をもつレーザ光を射出する。さらに、ＧＬＶデバイス９８により光強度が変調されたレーザ光を透過させる空間フィルタ１０２、ディフューザ１０４、ミラー１０６、ガルバノスキャナ１０８、投影光学系（レンズ群）１１０、およびウエハを載置するための台座部１１２を備えている。

レーザ光源９２から射出されたレーザ光は、ミラー９４を経て照明光学系９６からＧＬＶデバイス９８に入射する。ウエハ上に描画すべきパターンのデータに従って、レーザ光はＧＬＶデバイス９８によって回折されることにより空間変調され、次に空間フィルタ１０２によって信号成分のみがとりだされる。ついで、この描画信号は、ディフューザ１０４によってレーザスペックルが低減され、ミラー１０６を経て、描画パターンと同期するガルバノスキャナ１０８により空間に展開され、投影光学系１１０によって台座部１１２に載置されたレジスト膜が塗布されたウエハに描画パターンとして投影される。

図３は、本実施の形態に用いるＧＬＶ素子４の概略構成を示す。このＧＬＶ素子４は、基板２２上に共通の基板側電極２３を形成し、この基板側電極２３と空間２４を挟んで対向するように、支持部材としての支柱１６を介して絶縁膜１７とその表面を被覆する反射膜を兼ねる駆動側電極１８からなる複数、本例では６本のリボン上のビーム１９〔１９_１、１９_２、１９_３、１９_４、１９_５、１９_６〕を形成して構成される。このＧＬＶ素子４は、いわゆる両持ち梁構造である。ＧＬＶ素子４は、１本置きの３本のビーム１９_１、１９_３、１９_５が基板側電極２３に対して静電力で近接・離間する可動ビームであり、その他のビーム１９_２、１９_４、１９_６が固定ビームとなる。すなわち、可動ビームと固定ビームが基板側電極２３に対向して交互に配置されている。図３Ａは、１本置きのビーム１９_１、１９_３、１９_５が基板側電極１３に引き寄せられた状態を示している。このとき、６本のビーム１９が１本置きに沈み込んで回折格子を形成する。

ＧＬＶ素子４は、可動ビームに設けられた駆動側電極１８に印加する電圧を調整することで、可動ビーム１９_１、１９_３、１９_５の表面で反射する光の位相と、固定ビーム１９_２、１９_４、１９_６の表面で反射する位相との差が０〜λ／４の間でアナログ的に制御することが可能である。例えば、レーザ光がＧＬＶ素子４に対して垂直に入射した場合を考える。６本のビーム１９〔１９_１〜１９_６〕が同一平面を形成していれば、図４Ａに示すように、光はそのまま垂直に反射する。このときのビーム１９表面における反射光の波面Ｗ_０は、破線で示すようになっている。この反射光は０次光である。一方、ビーム１９が１本置きにさがっていれば、図４Ｂに示すように、垂直に反射する０次光の他に、回折により±１次光が発生する。±１次光の波面Ｗ_１、Ｗ_−１は、実線で示すようになっている。ＧＬＶでは、この±１次光を加算して使用する。光の回折によって駆動側電極１８で反射する光の強度（回折強度）を変調する光変調素子は、いわゆる空間変調である。

図５は１つのビーム１９を模式的に示し、図６Ａ，ＢはＧＬＶ素子１１のオン・オフ動作を模式的に示した要部の構成である。動作は６本のビームのうちの隣合う２本のビーム１９について示している。オフ時は図６Ａに示すように、全ビーム１９に０Ｖが印加され、全ビーム１９は変位されず同一平面にある。オン時は図６Ｂに示すように、１つ置きの可動ビーム１９_１の駆動側電極１８に例えば１５Ｖが印加され、その他の固定ビーム１９_２に０Ｖが印加され、１５Ｖが印加された可動ビーム９_１が例えばλ／４だけ基板側電極に引かれて降下し、回折格子が形成される。ここで、隣り合う可動ビーム１９_１と固定ビーム１９_２との反射面の高さの差をｄとする。

入射光の波長をλとすると、隣接する可動ビーム（例えば、１９_１と１９_２）の反射面の高さの差ｄが、λ／４となるとき、すなわち可動ビーム１９_１の駆動側電極１８に１５Ｖの電圧が印加されたときに回折光の強度が最大となる。また、反射面の高さの差ｄが０となるとき、すなわち可動ビーム１９_１の駆動側電極１８に電圧が印加されないときに、回折光の強度は最小となる。

ＧＬＶ素子４を構成する微小振動素子である光学ＭＥＭＳ素子２１は、例えば、図７に示すようにビーム１９を片持ち梁構造にして構成され、あるいは図８に示すようにビーム１９を両持ち梁構造に構成される。

図９は、被加工物であるウエハ７の断面図である。ウエハ７の上にレジスト膜８（ポジ型の感光性樹脂膜）が形成されている。このレジスト膜８に対して、ＧＬＶ素子４で回折した光をミラー５の走査によって照射して露光する。

レジスト膜８が露光される深さは、レジスト膜８に対する光の強さ、すなわちＧＬＶ素子４により回折された光の強さに比例する。回折された光の強度が強ければ、レジスト膜８が露光される深さは深くなり、回折された光の強度が弱ければ、レジスト膜８が露光される深さは浅くなる。上述したように回折された光の強さは、可動ビームの駆動側電極１８に印加される電圧に応じて変化する可動ビーム１９の位置によって決まる。すなわち、隣り合う可動ビームと固定ビームの反射面の高さの差ｄによって、回折光の強度が決定し、レジスト膜８が露光される深さが定まる。

図１０は、球面を有している、例えばマイクロレンズをパターニングする際の実施の形態を示す。
図１０に示すように、球面レンズのエッジ領域Ａ１、Ａ２を形成する場合には、レジスト膜８（ポジ型の感光性樹脂膜）に対する回折光の照射を強くすることで、レジスト膜８を深くまで露光する。すなわち、可動ビーム１９_１，１９_３，１９_５の駆動側電極１８に、例えば１５Ｖの電圧を印加し、可動ビーム１９_１、１９_３、１９_５を基板側電極１３に引き寄せ、隣接する可動ビームと固定ビームの反射面の高さの差ｄをλ／４となるように調整する。その結果、ＧＬＶ素子４で回折される光の強度は最大となり、レジスト膜８を深く露光することができるので、レンズ球面の端部領域を形成することができる。

球面レンズの中間領域Ｂ１、Ｂ２を形成する場合には、レジスト膜８に対する回折光の強度をエッジ領域Ａ１，Ａ２を形成する場合よりも弱くすることで、エッジ領域を形成する場合よりもレジスト膜８を浅く露光する。すなわち、可動ビーム１９_１，１９_３，１９_５の駆動側電極１８に、例えば７．５Ｖの電圧を印加し、可動ビーム１９_１、１９_３、１９_５を基板側電極１３に引き寄せ、隣接する可動ビームと固定ビームの反射面の高さの差ｄを、例えばλ／８となるように調整する。その結果、ＧＬＶ素子４で回折する光の強度は、エッジ領域Ａ１，Ａ２を形成する場合よりも弱くなるので、レンズ球面の中間部を形成する程度の露光をレジスト膜８に行うことができ、レンズ球面の中間部領域を形成することができる。

球面レンズの頂点領域Ｃを形成する場合には、レジスト膜８に対する回折光の強さを中間領域Ｂ１、Ｂ２を形成する場合よりもさらに弱くすることで、中間領域を形成する場合よりもさらにレジスト膜８を浅く露光する（若しくは露光しない）。すなわち、可動ビーム１９_１，１９_３，１９_５の駆動側電極１８に、例えば０．５Ｖの電圧を印加し（若しくは電圧を印加しない）、可動ビーム１９_１、１９_３、１９_５を基板側電極１３にわずかに引き寄せ、隣接する可動ビームと固定ビームの反射面の高さの差ｄを、例えばλ／１６（若しくは０）となるように調整する。その結果、ＧＬＶ素子４で回折する光の強度は、中間領域Ｂ１、Ｂ２を形成する場合よりもさらに弱くなる（若しくは０）ので、レジスト膜８を浅く露光することができ、レンズ球面の頂点領域を形成することができる。

すなわち、作成するマイクロレンズの球面の形状に合わせて、可動ビーム１９_１、１９_３、１９_５の駆動側電極１８に印加する電圧を調整することにより、光変調素子であるＧＬＶ素子４に発生する回折光の強度を調整することができるので、その結果、レジスト膜８に対する露光の深さをマイクロレンズの球面の形状に合うように変えることができる。なお、ブレーズ構造のような斜め形状を有する部品を形成する場合にも、可動ビームの駆動電極へ印加する電圧を調整することで斜め形状に合わせてレジスト膜の露光の深さを調整する。

ミラー５によって走査される回折光の走査方向を図１０に示すような矢印の向きにとった場合には、エッジ領域Ａ１から中間領域Ｂ１を経て頂点領域Ｃ方向に回折光を走査するときには、制御系１２によって回折光の強度が強いものから弱いものになるようにＧＬＶ素子４に印加する電圧を連続的に調整する。次に、頂点領域Ｃから中間領域Ｂ２を経てエッジ領域Ａ２方向に走査するときは、制御系１２によって、回折光の強度が弱いものから強くなるようにＧＬＶ素子４に印加する電圧を連続的に調整する。

その後、露光されたレジスト膜８を現像処理により除去すると、図１０に示すようにマイクロレンズの形状に合ったレジストパターン８Ａが形成される。そして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、レジストパターン８Ａを除去すると同時にレジストパターン８Ａの下層のレンズ用樹脂層７を選択エッチングすることによりマイクロレンズが形成される。

次に、図１１を用いて、本発明を適用したＣＣＤイメージセンサにおける微小集光レンズ（マイクロレンズ）の形成方法の態様を説明する。
図１１Ａにおいて、３１はＣＣＤイメージセンサ本体を示し、例えば被加工物であるシリコンウェーハ３２の主面上に画素となる複数の受光部３３（本例ではフォトダイオード）を形成し、受光部の信号電荷を読み出す転送領域に転送電極（ゲート電極）３４を形成して構成されている。３５は絶縁膜である。そして、ＣＣＤイメージセンサ３１本体上に表面を平坦化したレンズ用樹脂層３６（例えばポリスチレン系の樹脂層）を形成し、このレンズ用樹脂層上にポジ型のレジスト膜３２（感光性樹脂膜）を形成する。上述したようにマイクロレンズ形状のレジストパターンが残るように回折光の走査を行う。次に、現像処理することにより図１１Ｂに示すように、各受光部３３に対しマイクロレンズ形状のレジストパターン３２Ａが形成される。次に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってエッチバックしてレジスト膜３２を除去すると同時に、レンズ用樹脂層３６を選択エッチングする。これによってマイクロレンズ形状のレジストパターン３２Ａの形状に沿ってレンズ用樹脂層３６がエッチングされ、図１１Ｃに示すように、各受光部３３に対応して曲面を有するマイクロレンズ３４が形成される。

上例では、ＣＣＤイメージセンサのマイクロレンズの形成に適用したが、その他の例、例えばＣＭＯＳイメージセンサのマイクロレンズの形成にも適用できる。

本発明に係る立体パターンの形成装置１によれば、マスク７上のレジスト膜８に、曲面、傾斜面、あるいはその他の３次元的な面等を有する立体的なレジストパターンを直接的に形成することができる。従って、本発明に係る立体パターンの形成装置によれば、特殊なマスクを使用することがないので、曲面等の立体形状を有する微小部品、例えばマイクロレンズの製造コストを安くすることができる。

また、例えば研究開発用の半導体集積回路や多品種少量生産品を製造する場合であっても、個々のパターンを形成する毎にフォトマスクを作成する必要がないので、製造のコストを安くすることができる。

立体パターンの形成方法においても、ＧＬＶ素子４によって強度の異なる回折光を発生させることによって、直接的にマイクロレンズの球面形状に合わせたレジストパターン８Ａをマスク７上に作成することができる。従って、本実施の形態の立体パターンの形成方法によれば、特殊なマスクを使用することがないので、曲面等の立体形状を有する微小部品、例えばマイクロレンズ等の作成コストを低減することができる。

本発明に係る立体パターン形成装置の実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係る立体パターン形成装置の実施の形態を示す詳細構成図である。 Ａ、Ｂ 本実施の形態に用いるＧＬＶ素子の概略構成図である。 Ａ，Ｂ 本実施の形態に用いるＧＬＶ素子の動作を説明する説明図である。 １つのビームを模式的に示した模式図である。 Ａ，Ｂ ＧＬＶ素子のオン・オフ動作を模式的に示した説明図である。 ＧＬＶ素子を構成する微小振動素子の１つの例である。 ＧＬＶ素子を構成する微小振動素子の他の例である。 本発明の実施の形態に係るウエハの断面図である。 曲面を有するマイクロレンズのパターニングの方法の例を示す図である。 ＣＣＤイメージセンサにおけるマイクロレンズの製造工程図である。 従来のマイクロレンズの形成方法の例を示す製造工程図である。 従来のフォトマスクの例を示す平面図である。

符号の説明

１ 立体パターン形成装置
２ レーザ光源
３ レンズ
４ ＧＬＶ素子
５ ミラー
６ 載置台
７ ウエハ
８ レジスト膜
１１ ＧＬＶ素子駆動制御回路
１２ 全体制御系
１３ パターンジェネレータ
１４ 同期回路
１５ 走査手段駆動制御回路
１６ 支柱
１７ 絶縁膜
１８ 駆動側電極
１９ ビーム
２１ 微小振動素子
２２ 基板
２３ 基板側電極
２４ 空間

Claims (4)

1. 被加工物を載置するための載置手段と、
   前記載置手段に載置された被加工物に塗布されたレジストに立体的なパターンを形成するための光線を発生させる光発生手段と、
   前記光線の光路上に設けられた光の回折を発生させる微小光変調素子と、
   前記微小光変調素子に印加される電圧を制御する制御手段と、
   前記レジストが塗布された被加工物に前記光線を走査する走査手段と
   を具備することを特徴とする立体パターン形成装置。
2. 前記微小光変調素子は、基板の絶縁表面上に形成された基板側電極と、
   前記基板側電極に対向して交互に配置された静電駆動する可動ビーム及び固定ビームと、
   前記ビームを支持する支持部材と、
   前記ビーム上に設けられた光反射面を有する駆動電極とからなる複数の微小振動素子で構成されていることを特徴とする請求項２記載の立体パターン形成装置。
3. 前記微小光変調素子に印加される電圧は、前記ビーム上に設けられた駆動電極に印加されることを特徴とする請求項３記載の立体パターン形成装置。
4. レジストが塗布された被加工物に立体的なパターンを形成するための光線を発生させる工程と、
   前記光線の光路上に設けられた光の回折を発生させるための微小光変調素子に印加される電圧を制御して回折強度を変調する工程と、
   前記変調された回折光を前記レジストが塗布された被加工物に走査する工程と
   を有することを特徴とする立体パターンの形成方法。

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