JP2008003502A - 露光方法、パターンの形成方法及び光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ３次元状の構造の微細な露光を行う。
【解決手段】 基板の表面に形成された所定厚さの感光性材料に、レーザビームのビーム強度とビーム走査速度を制御しながらレーザビームを集光させ照射し、前記感光性材料の反応時定数を局所的に制御し、基板に垂直方向及び水平方向に焦点位置を移動させながら３次元的に露光を行うことを特徴とする露光方法を提供することにより上記課題を解決する。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、露光方法、パターンの形成方法及び光学素子の製造方法に関するものであり、特に、反射防止フイルム等の用途に使用される凹凸状パターンを有する光学素子や、凹凸状パターンを有する他の部材の製造に好適な露光方法、パターンの形成方法及び光学素子の製造方法に関する。

従来、感光性フォトレジストを使用したフォトファブリケーションは、各種の分野に適用されている。具体的には、比較的要求精度の低い技術分野として、プリント基板への適用が挙げられ、比較的要求精度の高い技術分野として、ＬＳＩ等の半導体への適用が挙げられる。

このフォトファブリケーションに使用される光源（ビーム源）として、水銀ランプ、レーザビーム、電子ビーム等の荷電粒子ビーム等が採用されており、パターニング方法も、フォトマスク等のマスクパターンにより露光パターンを形成するマスク露光と、ビームをパターン形状に走査して露光パターンを形成する直接描画が採用されている。

このうち、レーザビームによる直接描画は、パターニングの自由度が大きく、多品種少量生産の生産形態に適しており、半導体回路形成用のフォトマスクの製造（露光パターン形成）等に適用されている。

微細な露光パターンを得るための露光方法に関する技術は、特許文献１から６に具体的に開示されている。

特許文献１では、単位パターンの露光を繰り返して多面付けするレーザビームの補正方法に関するものであり、複数のレーザビームを使用して各ビームの寸法変動要因に補正を行うレーザビームの補正方法が開示されている。

また、特許文献２、３では、マスクとレジストを近接させて近接場光を発生させて、微細なパターンを露光することにより、従来のマスクパターンサイズよりも微細なパターンを露光することができる方法が開示されている。

また、特許文献４では、フォトレジスト層上にフォトクロミック層を形成して近接場光を発生させてレーザビームによる直接描画により、微細なパターンを形成する方法が開示されている。

また、特許文献５では、温度に対して高い非線形反応性を有する材料をレジスト又はマスクとして用い、入射光を吸収することによって生じる熱によりレジストを反応させパターンを形成する方法、即ち、レジストの温度が一定以上の領域のみ縮小パターンを形成することができ、レーザビームの回折限界以下の幅の微小パターンを形成することを可能とする方法が開示されている。

さらに、特許文献６では、光硬化樹脂にフェムト秒レーザを集光照射し、２光子吸収により微小パターンを露光する方法が開示されている。
特開２００４−１４４８８５号公報 特開２００６−８０４６７号公報 特許第３３３４６８５号 特開２００５−２８３７５３号公報 特開２００４−２６５５１９号公報 特開２００３−１５９９号公報

ところで、近年、半導体回路の高集積化、微細化に伴って、半導体回路の線幅の細線化の要求は非常に高い。従って、レーザビームによる直接描画においてこれに対応するためには、要求を満たすまでレーザビームのビーム幅を絞り込むことが必要となる。

しかしながら、レーザビームのビーム幅（ビーム径）は、光学系により集光させて絞ることは可能であるが、回折限界によりレーザ光源の波長と同等レベルまでしか絞り込むことができない。図７は、この現象を説明する概念図である。

光束径が２ｎのレーザビームは、レンズ２で集光されるが、スポットサイズは回折によって制限され、１次エアリーディスク３となる。ところが、フォトレジストを感光させるスポットサイズは、２次エアリーディスク４まで及ぶ。したがって、一般的なレーザ光源（半導体レーザ、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ等）では、通常は１μｍ以下の細線化には対応することができないのが現状である。

一方、サブミクロンのパターンの形成には、ＡｒＦレーザ、ＫｒＦレーザ等の紫外線レーザ光源や、電子ビーム等の荷電粒子ビームを使用して描画が行われている。ところが、紫外線レーザ光源は高額なうえ、安定性を維持する管理が困難であり、更に、非常に高額のレジストを使用するという問題点を有する。

また、電子ビーム露光装置では、真空チャンバや、電子銃、偏向装置等が必要であり、装置が複雑かつ高額となり、更に、描画面積が小さい上に描画速度が遅いという問題点を有する。

他に、フォーカシングレンズとフォトレジストとの間に液体を充填し、ビームの拡がりを抑制して露光する方法や、近接場光を用いて微細構造を形成する方法、等の特殊な方法も提案されてはいるが、これらの方法も簡便な方法とは言い難く、安価で簡便に微細パターンを形成できるものではない。

また、特許文献２から５に開示されている発明では、位置合わせ等を厳密に行うことが要求されており、制御における自由度が少なくなり、装置としては非常に複雑なものとなってしまうといった問題点や、深さ方向の露光の制御が困難であり、アスペクト比の高い露光や３次元的な露光を行うことが困難であった。

更に、特許文献６に開示されている発明では、フェムト秒パルスレーザのような超短パルスレーザは、非常に高価であるが、レーザ発振の安定性に問題があるため、現実的に使用する上では問題を有していた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、安価で安定性のある個体レーザ（ＹＡＧレーザ等）やガスレーザ（Ａｒ+ レーザ等）を露光光源として使用し、従来から使用されているｇ線用、ｉ線用のフォトレジストを使用し、簡便にサブミクロンサイズの線幅の露光パターンをフォトレジストの厚さ方向及び、３次元的に形成することが可能な露光方法、この露光方法を使用した高アスペクト比の微小ホールや３次元的なパターンの形成方法、及び光学素子の製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、基板の表面に形成された所定厚さの感光性材料に、レーザビームのビーム強度とビーム走査速度を制御しながらレーザビームを集光させ照射し、前記感光性材料の反応時定数を局所的に制御し、基板に垂直方向に焦点位置を移動させながら露光を行うことを特徴とする露光方法である。

請求項２に記載の発明は、基板の表面に形成された所定厚さの感光性材料に、レーザビームのビーム強度とビーム走査速度を制御しながらレーザビームを集光させパルス状に照射し、前記感光性材料の反応時定数を局所的に制御し、基板に垂直方向に焦点位置を移動させながら露光を行うことを特徴とする露光方法である。

請求項３に記載の発明は、基板の表面に形成された所定厚さの感光性材料に、レーザビームのビーム強度とビーム走査速度を制御しながらレーザビームを集光させ照射し、前記感光性材料の反応時定数を局所的に制御し、基板に垂直方向及び水平方向に焦点位置を移動させながら３次元的に露光を行うことを特徴とする露光方法である。

請求項４に記載の発明は、基板の表面に形成された所定厚さの感光性材料に、レーザビームのビーム強度とビーム走査速度を制御しながらレーザビームを集光させパルス状に照射し、前記感光性材料の反応時定数を局所的に制御し、基板に対し垂直方向及び水平方向に焦点位置を移動させながら３次元的に露光を行うことを特徴とする露光方法である。

請求項５に記載の発明は、前記露光エリアの幅は、前記レーザビームの径より小さいことを特徴とする請求項１から４に記載のいずれかの露光方法である。

請求項６に記載の発明は、前記レーザビームは、時間的、空間的にコヒーレントな光であることを特徴とする請求項１から５に記載いずれかの露光方法である。

請求項７に記載の発明は、基板の表面に所定厚さの感光性材料の層を形成し、前記感光性材料の層の上にレーザビームのビーム強度とビーム走査速度を制御しながらレーザビームを集光させ照射し、前記感光性材料の反応時定数を局所的に制御し、基板に垂直方向に焦点位置を移動させながら露光を行い、露光後の前記感光性材料の層を現像処理し、前記感光性材料の層に複数の微細なホール状、柱状、壁状パターンを形成することを特徴とするパターンの形成方法である。

請求項８に記載の発明は、基板の表面に所定厚さの感光性材料の層を形成し、前記感光性材料の層の上にレーザビームのビーム強度とビーム走査速度を制御しながらレーザビームを集光させ照射し、前記感光性材料の反応時定数を局所的に制御し、基板に垂直方向及び水平方向に焦点位置を移動させながら３次元的に露光を行い、露光後の前記感光性材料の層を現像処理し、前記感光性材料の層に複数の微細な３次元的なパターンを形成することを特徴とするパターンの形成方法である。

請求項９に記載の発明は、前記基板が円柱状体又は円筒状体であることを特徴とする請求項７又は８に記載のパターンの形成方法である。

請求項１０に記載の発明は、請求項７から９のいずれかに記載のパターンの形成方法により形成された前記基板の表面に形成された複数のパターンを転写することにより、前記複数のパターンの表面形状を転写したスタンパーを作製する工程と、前記スタンパーを用いて成型加工を行うことにより、樹脂材料の表面に前記複数のパターンと略同一形状の複数のパターンを形成する工程と、からなることを特徴とする光学素子の製造方法である。

以上説明したように、本発明の露光方法によれば、露光ビームのエアリーディスクよりも細い線幅でフォトレジストの厚さ方向、及び、３次元的に露光することができる。

また、本発明の凹凸状パターンの形成方法によれば、上記の露光方法を凹凸状パターンの形成に適用することができるため、高精度の凹凸状パターン、特に、高アスペクト比の微小ホールや、３次元的な微細なパターンを安価で安定的に製造することができる。

また、本発明の光学素子の製造方法により形成したスタンパーを用いた成型加工により、樹脂材料の表面に複数の微細な微小ホール状パターンや、３次元パターンを形成することができるため、光学素子の生産性を大幅に向上させることができ、コストを低下させることができる。

〔本発明の概要〕
以下、添付図面に従って、本発明に係る露光方法、凹凸状パターンの形成方法、及び光学素子の製造方法の好ましい実施の形態について詳説する。図１に、本発明に係る露光方法、凹凸状パターンの形成方法、及び光学素子の製造方法に使用される露光装置の概要を示す。

図１の露光装置１０は、露光光源１２と基板テーブル１４とより構成される。このうち、露光光源１２は、レーザ光源１６とコリメータレンズ１８より構成される。レーザ光源１６より出射される所定径の光束の平行光であるレーザビームＬは、コリメータレンズ１８により集光されて、焦点距離において基板Ｗの表面に照射されるように調節可能となっている。

基板テーブル１４は、ベース２０とＸ軸移動ステージ２２とＹ軸移動ステージ２４等より構成される。Ｘ軸移動ステージ２２はベース２０に対して図示しない駆動手段によって、図示のｘ軸方向に相対移動可能となっている。また、Ｙ軸移動ステージ２４はＸ軸移動ステージ２２に対して図示しない駆動手段によって、図示のｙ軸方向に相対移動可能となっている。

Ｙ軸移動ステージ２４の上面には、基板Ｗを吸着するための図示しないチャック（たとえば、静電チャック）が設けられており、基板Ｗを固定できるようになっている。

以上の構成になる露光装置１０により、基板Ｗの表面に形成された感光性材料（フォトレジスト）が露光される。図２は、集光されたレーザビームにより基板Ｗの表面が描画（露光）される態様を示す概念図（平面図）である。図２において、コリメータレンズ１８の焦点位置のレーザビームのスポットＰが、図の破線のようにｘ軸方向及びｙ軸方向に走査され、基板Ｗの略全面を露光するように、Ｘ軸移動ステージ２２及びＹ軸移動ステージ２４が駆動される。

レーザ光源１６としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザが採用できる。このレーザ光源１６の第２高調波（ＳＨＧ）の波長は、５３２ｎｍである。レーザ光源１６として、ＹＡＧレーザ以外に、たとえばアルゴンレーザが採用できる。なお、レーザ光源１６としてビームが時間的、空間的にコヒーレントな光であれば、他の種類のレーザ光源でもよい。更に、短波長で安定なレーザ光源が入手できれば、このレーザ光源の使用が好ましい。

レーザ光源１６による露光ビームの縦モード数は、３以下であることが好ましい。後述する自然遷移確率は、縦モード数に依存するからである。理想的には露光ビームの縦モード数が１（単一縦モード）のレーザ光を使用することが望ましい。

基板Ｗとしては、板ガラス、シリコンウェーハ、セラミックス基板等が採用できる。基板Ｗの表面には、感光性材料としてフォトレジストの層が形成される。フォトレジストとしては、公知の各種のものが採用できる。レーザ光源１６としてＹＡＧレーザや、アルゴンイオンレーザを使用する場合には、従来から使用されているｇ線用、ｉ線用のフォトレジストが好ましく採用できる。

このようなフォトレジストとしては、たとえばアーチ社製のもの（製品名：ＯＩＲ−９０７）が採用できる。基板Ｗの表面にフォトレジストの層を形成する方法としては、公知の各種方法、たとえば、スピンコート、ダイコート、ロールコート、ディップコート、スクリーン印刷等の各種塗布方法等が採用できる。

次に、本発明に係る露光方法の原理について説明する。本発明においては、フォトレジストの層にレーザ光源１６よりビーム強度を制御しながらレーザビームを照射するとともに、基板テーブル１４のｘ軸方向及びｙ軸方向の移動速度（走査速度）を制御する。

すなわち、フォトレジストの反応時定数を局所的に制御する露光を行う。これにより、露光ビームのエアリーディスクよりも細い線幅で描画することができる。言い換えると、フォトレジストの露光において、通常の定常状態ではなく、過渡的応答状態における非線形特性を利用することによって、サブミクロンサイズの線幅の露光パターンを形成する。

その際、既述のフォトレジストとレーザ光源１６の特性として、以下の組み合わせが採用される。図３は、フォトレジストの各波長（λ）における吸光度（Ａｂｓ）特性を示すグラフである。

図３において、フォトレジストの吸光度（Ａｂｓ）が高い波長（たとえば、λ１）特性のレーザ光源が使用されるのが一般的であるが、本発明においては、フォトレジストの吸光度（Ａｂｓ）が低い波長（たとえば、λ２）領域の特性のレーザ光源が使用されている。

すなわち、フォトレジストの吸光度（Ａｂｓ）が、図３の矢印Ｒ１で示される、高い波長の共鳴領域（Resonance Region）ではなく、矢印Ｒ２で示される、吸光度（Ａｂｓ）が低い波長の非共鳴領域（Non-Resonance Region）が使用される。

この点について、本発明者は鋭意検討した結果、感光性材料（フォトレジスト等）の光反応励起状態における吸収断面積が大きく、且つその状態からの誘導遷移確率が大きく、自然遷移確率が小さい条件下では、感光性材料（フォトレジスト等）の反応時定数τが感光性材料への入射フォトン数、すなわち光強度Ｉと光周波数に大きく依存するτ（Ｉ）の形であることを発見した。

図４は、フォトレジストのエネルギーダイアグラムを示す概念図である。図４において、ΦA は自然遷移確率であり、ΦB は誘導遷移確率であり、Ｋは熱速度定数であり、σは吸収（誘導）断面積である。

図４のエネルギーダイアグラムにおいて、各準位の原子数をそれぞれ、Ｎ（１）、Ｎ（２）、Ｎ（３）とする。本発明では、レベル３の準位を介してエネルギー移動が生じる一般の反応系について考える。本発明では、フォトレジストのコヒーレント相互作用を利用するため、フォトンモードでの反応に比べて、ヒートモードでの反応が十分に小さい物として考え、また、時間が充分に経過した時の反応ではなく、露光ビームを走査するときの露光現象を利用するため、フォトレジストの過渡的応答領域でのレート方程式を考える。

エネルギーダイアグラムにおいて、レベル２の寿命はレベル３の寿命に比べて充分に短く、結果的にＮ（３）の時間変化はＮ（２）の時間変化に比べて非常にゆっくりとしているものと考えられる。レベル３からエネルギー移動を経たフォトレジストの反応時定数は、上記フォトンモードでの反応時定数に比べて、オーダーが大きく異なると判断できるため、Ｎ（３）の時間変化にはフォトンモード反応のみが寄与すると解釈される。

そして、本発明に係る露光方法において、露光ビームの照射時間とビーム強度を制御することにより、上記の各パラメータを制御することができ、感光性材料の反応速度を意図的に操作できることを見出した。なお、露光ビームの照射時間の制御は、基板Ｗの走査速度の制御による。

そして、図４のフォトレジストのエネルギーダイアグラムにおける過渡的応答時のレート方程式を解くことによって、反応時定数τが以下の式で表すことができることを見出した。

ここで、τ＝τ（０）の式は、強度が充分に弱い光が感光性材料（フォトレジスト等）に入射してから、感光性材料が光化学反応を開始するまでの時間遅れを示す。

また、τ（Ｉ）は、感光性材料が光化学反応を開始するまでの時間遅れが光強度に依存する非線型定数であることを示す。なお、通常のインコヒーレント光による露光下では、感光性材料（フォトレジスト等）の反応時定数は一定である。

具体的な方法としては、たとえば、露光ビームの照射時間の制御のもとで、入射光強度Ｉの大きい領域では、フォトレジストの反応時定数τ（Ｉ大）を小さくして反応を速く進行させ、かつ、入射光強度Ｉの小さな領域では、フォトレジストの反応時定数τ（Ｉ小）を大きくして反応を遅く進行させることが可能となることにより、露光ビームの光強度分布内で、光強度の小さい領域での光化学反応を抑制することが可能になり、露光ビームのエアリーディスクよりも細い線幅で描画することが可能となる。

これにより、安価でシンプルな装置で、簡便にサブミクロンサイズの線幅の露光パターンを形成することができ、その結果、様様な微細凹凸状パターンを形成することができる。

なお、露光ビームの波長は、フォトレジストの最大吸収率の１／２以下となる領域の範囲で、吸収波長共鳴中心からシフトさせる方が好ましい。露光ビームの波長が吸収波長共鳴中心であると、式１中のレベル１での吸収断面積σ1 が大きくなり、また、式１中のレベル１からレベル２への誘導遷移確率Φ1Bも大きくなる。更に、式１中のレベル２からレベル３への熱速度定数（熱自然放出確率）Ｋ1 も大きくなるため、露光ビーム強度Ｉの依存性が小さくなってしまい、フォトレジストの反応時定数τの制御性が低下してしまうためである。

ただし、パルス露光のように、照射時間を非常に短くできる場合は、この限りではない（吸収波長共鳴中心帯でも可能）。

次に、図１の露光装置１０を使用した露光、その後の現像処理等による微細な凹凸状パターンの形成について説明する。図５は、基板Ｗの処理工程を示す概略断面図である。

図５（Ａ）において、基板Ｗの表面にフォトレジストが塗布され（既述の方法、たとえば、スピンコートによる）、フォトレジストの層３０が形成される。そして、図示しないクリーンオーブンによりプレベーク処理される。

次いで、図５（Ｂ）において、露光光源１２よりコリメータレンズ１８により集光されたレーザビームＬが、基板Ｗの表面に照射されるとともに、図２に平面図で示されるように、基板テーブル１４上の基板Ｗが走査され、集光されたレーザビームにより基板Ｗの表面が描画（露光）される。図５（Ｂ）において、３０Ａ、３０Ａ…は、露光済みのフォトレジストの部分を示す。

露光が終了した後に、現像液による現像処理、次いで純水によるリンス処理、図示しないクリーンオーブンによるポストベーク処理を経て、基板Ｗの表面に図５（Ｃ）に示される断面形状の微細な凹凸状パターンが形成される。

このような断面形状の基板Ｗは、各種の光学素子、たとえば回折格子としてそのまま使用できる。また、このような基板Ｗは、表面に凹凸状パターンが規則的に配列されており、量子効果による光閉じ込め現象により、反射防止機能を有することとなる。したがって、光学素子等の用途に好適に使用できる。

また、このような断面形状の基板Ｗを原盤（マザー）として後述するような工程により、多数の同一断面形状の複製品を製造することもできる。

次に、本発明に係る凹凸状パターンの形成方法、及び光学素子の製造方法の他の実施形態について詳説する。本実施形態は、基板Ｗの表面に複数の微細な凹凸状パターンが形成された後に、この複数の微細な凹凸状パターンを使用して更に同様の凹凸状パターンを複製して光学素子を製造する方法である。

すなわち、完成した基板Ｗ（マザー）の表面に形成された複数の微細な凹凸状パターンを使用して、この複数の微細な凹凸状パターンを転写するためのスタンパーを作製し、作製したスタンパーを用いた成形加工により、樹脂材料の表面に複数の微細な凹凸状パターンと略同一形状の複数の微細な凹凸状パターンを形成し、多数個の光学素子を複製するという光学素子の製造方法である。

図６は、スタンパー４６の作製工程を説明する概念図である。同図（Ａ）において、完成した光学素子である基板Ｗの断面形状が示される。

先ず、図６（Ｂ）に示されるように、この基板Ｗの表面の全面に導電層４０を形成する。この導電層４０は、次工程において無電解メッキを行う際にコンタクト層となる。したがって、所定の抵抗値が得られる範囲において、膜厚は最小限度とするのが形状転写精度の点より好ましい。

導電層４０の材質としては、銅、銀等が採用でき、導電層４０の膜厚としては、たとえば０．１μｍが採用でき、導電層４０の形成方法としては、真空蒸着、スパッタリング、無電解メッキ等が採用できる。

次いで、図６（Ｃ）に示されるように、この基板Ｗ表面の導電層４０上に無電解メッキによりニッケル層４２を形成する電鋳を行う。ニッケル層４２の厚さは、ハンドリングや次工程であるＮｉマザー４４の転写の際に変形しない程度であればよい。なお、ここで無電解メッキにより形成されたニッケル層４２は、完成した光学素子である基板Ｗの反転形状であり、反転マザーとなる。この反転マザー４２は、基板Ｗより剥離される。

次いで、図６（Ｄ）に示されるように、この反転マザー４２上に無電解メッキによりニッケル層４４を形成する電鋳を行う。ニッケル層４４の厚さは、ハンドリングや次工程であるスタンパー４６の転写の際に変形しない程度であればよい。なお、ここで無電解メッキにより形成されたニッケル層４４は、完成した光学素子である基板Ｗと同一形状であり、Ｎｉマザーとなる。電鋳の終了後に、反転マザー４２とＮｉマザー４４とは剥離される。

次いで、図６（Ｅ）に示されるように、このＮｉマザー４４上に無電解メッキによりニッケル層４６を形成する電鋳を行う。ニッケル層４６はスタンパーとして使用される。ニッケル層４６の厚さは、スタンパーとしての使用条件に耐え得る程度とすることが求められる。なお、ここで無電解メッキにより形成されたニッケル層４６は、完成した光学素子である基板Ｗの反転形状である。

図６（Ｅ）に示されるように、本工程においては、１のＮｉマザー４４より複数のスタンパー４６を複製することができる。したがって、たとえば多段熱プレス加工により同時に多数枚の光学素子を製造する場合には便宜である。電鋳の終了後に、Ｎｉマザー４４とニッケル層（スタンパー）４６とは剥離される。

スタンパー４６を用いた成形加工により、樹脂材料の表面に完成した光学素子（マザー）の凹凸状パターンと略同一形状の複数の微細な凹凸状パターンを形成することにより光学素子を複製する製造方法としては、公知の各種成型法が採用できる。たとえば、射出成型、熱プレス成型、ＵＶ硬化樹脂に転写成型、ＥＢ硬化樹脂に転写成型、溶液流延乾燥硬化成型等が採用できる。この各種成型方法において、平板状のスタンパーのみならず、ロール状のスタンパーを使用したロール成形（たとえば、溶液流延乾燥硬化成型）をも適用できる。

更に、本実施形態では、図２において、レーザビームのスポットＰが、基板Ｗの略全面を露光するように、Ｘ軸移動ステージ２２及びＹ軸移動ステージ２４が駆動されているが、基板Ｗを移動させずに、たとえばポリゴンミラーにより、レーザビームを走査させて基板Ｗの略全面を露光する構成も採用できる。

また、光学素子の製造において、図６に示されるように、完成した光学素子である基板Ｗの反転形状のものがスタンパー４６として採用されているが、完成した光学素子である基板Ｗと同一形状であるＮｉマザー４４をスタンパーとして使用することもできる。この場合、成形加工により形成された樹脂材料の表面は基板Ｗの反転形状となる。このような樹脂材料であっても光学素子として有効に機能する場合もあるからである。

また、上記実施形態の例では、スタンパーを板状部材として説明したが、これをロール状部材とすることもできる。その際、ロール状スタンパーの製造方法としては、シート状のＮｉマザー４４を円柱状体に巻き付けて、これより反転型を電鋳により形成する構成、シート状のＮｉマザー４４を、微細な凹凸状パターンの面を内周側に位置するようにして円筒状に変形させ、これより反転型を電鋳により形成する構成も採用できる。

また、たとえば、基板Ｗを円柱状体又は円筒状体として、この円柱状体の表面又は円筒状体の内周面に複数の微細な凹凸状パターンを形成し、これをマザーとして電鋳によりロール状スタンパーを形成する構成も採用できる。

更に、基板Ｗを円柱状体又は円筒状体として、この円柱状体の表面又は円筒状体の内周面に複数の微細な凹凸状パターンを形成し、この微細な凹凸状パターンの表面に所定厚さの電鋳を施して所定硬度の表面とし、これをそのままロール状スタンパーとして使用する構成も採用できる。

また、図６に示されるような凹凸状パターンの断面形状の、山部分と谷部分の幅の比率にしても、図示のような１対１の比率以外にも、露光条件を制御することにより異ならせることができる。

更に、微細な凹凸状パターンを転写するためのスタンパーの作製方法も本実施形態の例に限られない。図８は、スタンパーの他の作製工程を説明する概念図であり、既述の図６に対応する。

図８（Ａ）において、完成した光学素子である基板Ｗの断面形状が示される。ここでは、図６（Ａ）の基板Ｗ表面の微細な凹凸状パターンに代えて、図５（Ｃ）に示される断面形状と同様のフォトレジスト３０の微細な凹凸状パターンが使用される。

すなわち、基板Ｗの表面に形成されたフォトレジスト３０の微細な凹凸状パターンを使用して、この複数の微細な凹凸状パターンを転写するためのスタンパーを作製し、作製したスタンパーを用いた成形加工により、樹脂材料の表面に複数の微細な凹凸状パターンと略同一形状の複数の微細な凹凸状パターンを形成し、複数個の光学素子を複製するという光学素子の製造方法である。

そして、図８（Ｂ）に示されるように、この基板Ｗの表面の全面に導電層４０を形成する。この工程は、図６（Ｂ）と略同一である。導電層４０は、次工程において無電解メッキを行う際にコンタクト層となる。

次いで、図８（Ｃ）に示されるように、この基板Ｗ表面の導電層４０上に無電解メッキによりニッケル層４２を形成する電鋳を行う。この工程は、図６（Ｃ）と略同一である。形成された反転マザー４２は、基板Ｗより剥離される。

次いで、図８（Ｄ）に示されるように、この反転マザー４２上に無電解メッキによりニッケル層４４を形成する電鋳を行う。この工程は、図６（Ｄ）と略同一である。電鋳の終了後に、反転マザー４２とＮｉマザー４４とは剥離される。

次いで、図８（Ｅ）に示されるように、このＮｉマザー４４上に無電解メッキによりニッケル層４６を形成する電鋳を行う。この工程は、図６（Ｅ）と略同一である。ニッケル層４６はスタンパーとして使用される。

図８（Ｅ）に示されるように、本工程においては、１のＮｉマザー４４より複数のスタンパー４６を複製することができる。スタンパー４６を用いた成形加工は、図６の場合と同様である。

〔具体的な実施の形態１〕
図１に示される露光装置１０を使用して基板Ｗの露光を行い、基板Ｗの表面に複数の微細な凹凸状パターンを形成した。

露光光源１２のレーザ光源１６としてＮｄ：ＹＡＧレーザ（ＳＨＧ波長５３２ｎｍ）を使用した。露光に先立って、レーザ光源１６より出射され、コリメータレンズ１８により集光されたレーザビームの１次エアリーディスク３（図７参照）の径及び２次エアリーディスクの径を測定した。

測定のために、基板Ｗの表面にフォトレジストを塗布形成し、フォトレジストの推奨条件によりレーザビームを照射し、現像後に照射部分をＡＦＭによりプロファイル測定した。更に、照射レーザビームを直接レーザビームプロファイラー（Gentec社製、商品名：Beam Map）でも測定した。

その結果、１次エアリーディスク３の径は、焦点位置において７２２ｎｍであった。また、２次エアリーディスクの径は１．２μｍであった。

基板Ｗとして、ソーダライムガラス（フロートガラス）で板厚５ｍｍのものを使用した。基板Ｗを洗浄、乾燥させた後、フォトレジスト（ｇ線ポジ型フォトレジスト）を基板Ｗの表面に、乾燥後の膜厚が２μｍになるように塗布形成した。このフォトレジストとして、アーチ社製のもの（製品名：ＯＩＲ−９０７）を使用した。

露光装置１０による露光では、フォトレジストの反応時定数を局所的に制御しながら露光を行えるように、レーザビームのビーム強度と走査速度（実際は、基板Ｗの移動速度）を制御しながら露光を行った。具体的には、レーザビームのビーム強度Ｉ＝５３５μＷとし、基板Ｗのｘ軸方向の移動速度Ｖ＝５００μｍ／秒とした。基板Ｗのｙ軸方向のライン走査幅は１μｍとした。

露光後に、現像液による現像処理、純水によるリンス処理、ポストベーク処理を行い、形成されたパターンを測定したところ、パターン線幅が約７００ｎｍで、パターン深さが約２μｍ（フォトレジストの膜厚相当）のパターンであった。

次に、比較例として、フォトレジストの反応時定数を局所的に制御しないで露光を行った。具体的には、レーザビームのビーム強度Ｉ＝４５μＷとし、基板Ｗのｘ軸方向の移動速度Ｖ＝２００μｍ／秒とした。基板Ｗのｙ軸方向のライン走査幅は１μｍとした。

露光後に、現像液による現像処理、純水によるリンス処理、ポストベーク処理を行い、形成されたパターンを測定したところ、パターン線幅が約７５０ｎｍで、パターン深さが約１００ｎｍのパターンであった。

更に、他の比較例として、フォトレジストの反応時定数を局所的に制御しないで露光を行った。具体的には、レーザビームのビーム強度Ｉ＝５３５μＷとし、基板Ｗのｘ軸方向の移動速度Ｖ＝１００μｍ／秒とした。基板Ｗのｙ軸方向のライン走査幅は１μｍとした。

露光後に、現像液による現像処理、純水によるリンス処理、ポストベーク処理を行い、形成されたパターンを測定したところ、全面露光となっており、パターンは形成されていなかった。

〔具体的な実施の形態２〕
次に、本発明における３次元的な露光方法について説明する、
本実施の形態では、レーザ光源にＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（λ＝５３２ｎｍ）を用い、短焦点深度の高ＮＡレンズ（ＮＡ＝０．９）を用いてレーザビームを集光させた。フォトレジストには、ＯｉＲ９０７を用い、ガラス基板上にスピンコータで塗布、乾燥を繰り返すことにより、厚さ１１０μｍの厚膜フォトレジストの形成された基板を作製した。図９に、ポジレジストであるＯｉＲ９０７の波長と吸光度の関係を示す。尚、フォトレジストの形成方法は、この方法以外であっても厚膜レジストを形成することが可能であれば、レジストシートを用いてもよい。

次に、このフォトレジストにレーザ光を照射し、微細なパターンの感光を行う。図１０（ａ）に塗布、乾燥を繰り返すことにより形成されたフォトレジスト１０１を示す（ガラス基板不図示）。このフォトレジスト１０１に、上記Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波の光を光学系により集光させて照射する。レーザ光は光学系により集光させることにより回折限界まで絞ることが可能である。このレーザ光を露光用に用いてフォトレジストを感光させる場合、膜厚の厚いフォトレジスト１０１においては、フォトレジスト１０１の厚さに対し焦点深度が十分に浅いため、図１０（ａ）に示すようなレーザビーム１０２の照射された領域が感光領域１０３となる。

この場合では、露光は通常レーザビーム１０２の照射された領域が感光するため、露斗状に感光されてしまう。したがって、フォトレジスト１０１に対し、垂直方向に感光させる場合では、フォトレジスト１０１の厚さが厚くなればなるほど、高アスペクト比の露光が困難となる。

一方、本発明では、前述したように、フォトレジスト１０１におけるレーザビーム１０２の強度の強い領域であればあるほど、電子が励起されフォトレジスト１０１における反応が促進される。即ち、レーザビーム１０２の強い領域と弱い領域とでは、フォトレジスト１０１を感光させるために必要なエネルギー×時間の値が異なるため、通常のレーザビーム１０１の回折限界よりも狭い領域を露光することができるのである。このことを図１０（ｂ）に示す。図１０（ｂ）は、フォトレジスト１０１の表面に集光させたスポットを下に移動させながら露光を行った場合における斜視図である。図１０（ｂ）に示すように、レーザビーム１０２の光強度の強い中心領域のみ感光させることができ、集光位置を厚さ方向に移動させることによりホール状に露光されて感光領域１０４が形成される。

以上より、レーザビーム１０２の焦点位置をフォトレジスト１０１の厚さ方向に移動させることにより、レーザビーム１０２の回折限界よりも狭い幅の領域を垂直方向に露光することができ、狭い幅のホール状や柱状、或いは狭い幅の壁状の露光を行うことができる。このようにして、従来では行うことができなかったアスペクト比の極めて高い露光を行うことが可能となるのである。

図１１（ａ）には、レーザビーム１０２の光強度Ｉ＝２１４〔μＷ〕、Ｚ方向（フォトレジストの厚さ方向）の走査速度Ｖ＝３００〔μｍ／ｓ〕で移動させ露光した場合の露光した後、現像したもののパターンを示す。図１１（ａ）に示すように、直径約３．４〔μｍ〕のホールを形成することができる。

図１１（ｂ）には、レーザビーム１０２の光強度Ｉ＝２１４〔μＷ〕、Ｚ方向（フォトレジストの厚さ方向）の走査速度Ｖ＝４００〔μｍ／ｓ〕で移動させ露光した場合の露光した後、現像したもののパターンを示す。図１１（ｂ）に示すように、直径約２．７〔μｍ〕のホールを形成することができる。

図１２（ａ）には、レーザビーム１０２の光強度Ｉ＝１３４〔μＷ〕、Ｚ方向（フォトレジストの厚さ方向）の走査速度Ｖ＝４００〔μｍ／ｓ〕で移動させ露光した場合の露光した後、現像したもののパターンを示す。図１２（ａ）に示すように、直径約２．０〔μｍ〕のホールを形成することができる。

図１２（ｂ）には、レーザビーム１０２の光強度Ｉ＝１６〔μＷ〕、Ｚ方向（フォトレジストの厚さ方向）の走査速度Ｖ＝４００〔μｍ／ｓ〕で移動させ露光した場合の露光した後、現像したもののパターンを示す。図１１（ａ）に示すように、直径約１．０〔μｍ〕のホールを形成することができる。

以上のように、従来の露光方法では、膜厚の厚いフォトレジスト１０１では露斗状に露光されてしまうのに対し、本発明に係る露光方法では、高いアスペクト比でホール状に露光することができる。また、本実施の形態ではポジレジストを用いたためホールが形成されたが、ネガレジストを用いることにより、柱状の構造を形成することも可能であり、集光位置を基板に水平方向に移動させることにより、壁状の構造を形成することも可能である。従って、高アスペクト比のホール、柱、壁を形成することが可能である。

また、図１３に示すように、レーザビーム１０１の集光位置を矢印の示す方向であるフォトレジストの厚さ方向（垂直方向）及び、フォトレジストの面方向（水平方向）に移動させることにより、３次元的に露光を行うことが可能となり、３次元の露光パターンを形成することができる。このように形成された３次元の露光パターンは現像した後、スタンパーを作製し、このスタンパーを用いた射出成型等の方法により光学素子等を製造することが可能である。

なお、本実施の形態では、フォトレジストを用いたが、紫外線硬化樹脂等、光により感光する材料であれば、本発明を適用させることが可能である。

以上、本発明に係る露光方法、ホール状、柱状、壁状パターン、３次元パターンの形成方法、及び光学素子の製造方法の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。

本発明に係る露光方法、凹凸状パターンの形成方法、及び光学素子の製造方法に使用される露光装置の構成図 集光されたレーザビームにより基板の表面が描画される態様を示す概念図 フォトレジストの各波長における吸光度特性を示すグラフ フォトレジストのエネルギーダイアグラムを示す概念図 基板の処理工程を示す概略断面図 スタンパーの作製工程を説明する概念図 レーザビームのプロファイルを説明する概念図 スタンパーの他の作製工程を説明する概念図 フォトレジストの波長と吸光度の関係を示す相関図 本発明に係るフォトレジストの厚さ方向の露光方法の説明図 本発明に係る露光方法により露光したパターンのレーザ顕微鏡像（１） 本発明に係る露光方法により露光したパターンのレーザ顕微鏡像（２） 本発明に係る露光方法による３次元露光の露光方法の説明図

符号の説明

１０１…フォトレジスト、１０２…レーザビーム、１０３…従来の感光領域、１０４…本発明の感光領域

Claims (10)

1. 基板の表面に形成された所定厚さの感光性材料に、レーザビームのビーム強度とビーム走査速度を制御しながらレーザビームを集光させ照射し、前記感光性材料の反応時定数を局所的に制御し、基板に垂直方向に焦点位置を移動させながら露光を行うことを特徴とする露光方法。
2. 基板の表面に形成された所定厚さの感光性材料に、レーザビームのビーム強度とビーム走査速度を制御しながらレーザビームを集光させパルス状に照射し、前記感光性材料の反応時定数を局所的に制御し、基板に垂直方向に焦点位置を移動させながら露光を行うことを特徴とする露光方法。
3. 基板の表面に形成された所定厚さの感光性材料に、レーザビームのビーム強度とビーム走査速度を制御しながらレーザビームを集光させ照射し、前記感光性材料の反応時定数を局所的に制御し、基板に垂直方向及び水平方向に焦点位置を移動させながら３次元的に露光を行うことを特徴とする露光方法。
4. 基板の表面に形成された所定厚さの感光性材料に、レーザビームのビーム強度とビーム走査速度を制御しながらレーザビームを集光させパルス状に照射し、前記感光性材料の反応時定数を局所的に制御し、基板に対し垂直方向及び水平方向に焦点位置を移動させながら３次元的に露光を行うことを特徴とする露光方法。
5. 前記露光エリアの幅は、前記レーザビームの径より小さいことを特徴とする請求項１から４に記載のいずれかの露光方法。
6. 前記レーザビームは、時間的、空間的にコヒーレントな光であることを特徴とする請求項１から５に記載いずれかの露光方法。
7. 基板の表面に所定厚さの感光性材料の層を形成し、
   前記感光性材料の層の上にレーザビームのビーム強度とビーム走査速度を制御しながらレーザビームを集光させ照射し、前記感光性材料の反応時定数を局所的に制御し、基板に垂直方向に焦点位置を移動させながら露光を行い、
   露光後の前記感光性材料の層を現像処理し、
   前記感光性材料の層に複数の微細なホール状、柱状、壁状パターンを形成することを特徴とするパターンの形成方法。
8. 基板の表面に所定厚さの感光性材料の層を形成し、
   前記感光性材料の層の上にレーザビームのビーム強度とビーム走査速度を制御しながらレーザビームを集光させ照射し、前記感光性材料の反応時定数を局所的に制御し、基板に垂直方向及び水平方向に焦点位置を移動させながら３次元的に露光を行い、
   露光後の前記感光性材料の層を現像処理し、
   前記感光性材料の層に複数の微細な３次元的なパターンを形成することを特徴とするパターンの形成方法。
9. 前記基板が円柱状体又は円筒状体であることを特徴とする請求項７又は８に記載のパターンの形成方法。
10. 請求項７から９のいずれかに記載のパターンの形成方法により形成された前記基板の表面に形成された複数のパターンを転写することにより、前記複数のパターンの表面形状を転写したスタンパーを作製する工程と、
    前記スタンパーを用いて成型加工を行うことにより、樹脂材料の表面に前記複数のパターンと略同一形状の複数のパターンを形成する工程と、
    からなることを特徴とする光学素子の製造方法。

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