JP2009192783A - レーザ加工用光学部品の製法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面粗さが小さく光の散乱が少ないレーザ加工用光学部品の製法を提供する。
【解決手段】レーザ加工用光学部品の製法。（ａ）基板の表面にフォトレジスト膜を形成する工程、（ｂ）前記フォトレジスト膜をレーザ光で露光して所望の３次元形状を有する未露光部を形成する工程、（ｃ）前記フォトレジスト膜を現像してレーザ光による露光部を除去する工程、（ｄ）前記フォトレジスト膜が軟化し得る温度で当該フォトレジスト膜に加熱処理を施す工程、及び（ｅ）前記未露光部の３次元形状をエッチングにより前記基板に転写して当該基板表面に３次元形状を形成する工程を含んでいる。
【選択図】 図１

Description

本発明はレーザ加工用光学部品の製法に関する。

レーザ加工はレーザ光をレーザ窓（光学部品）で集光して被加工物を加熱溶融させるものであるが、かかる光学部品を作製するのに、従来の研磨やＳＰＤＴ（超精密切削加工）に代えてレーザ光を用いる方法が提案されている。

例えば、非特許文献１には、光学部品を構成する基板上に形成したフォトレジストに絞ったレーザ光を照射して露光することが記載されており、その際、必要とする３次元形状を有する未露光部が得られるようにレーザ光の強度を変調させながら当該レーザ光を走査している。その後、現像をしてレーザ光による露光部分を除去し、さらに得られた３次元形状のフォトレジストと下地である基板を同時にドライエッチングして当該フォトレジストの３次元形状を基板に転写している。

尼子淳、外３名、「Ｕｓｅ ｏｆ ｎｏｎ−ｄｉｇｉｔｉｚｅｄ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ−ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ−ｆｒｅｅ ｌａｓｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」、ＳＰＩＥ、２００６年１月２５−２６日、Ｖｏｌ．６１０７ ６１０７０Ｄ−１−８

ところで、レーザ描画露光では細く絞ったレーザ光の強度を必要な３次元形状に応じて変化させながら走査しているが、使用されるレーザ光はビームの中心強度が最も強く、周辺に行くに従い弱くなる。したがって、図１５（ａ）に示されるように、レーザ光Ｌの中心部のフォトレジスト１３は強く露光され、レーザ光外側のフォトレジスト１３はやや弱く露光されることから、現像後には、図１５（ｂ）に示されるように、レーザ光の走査ラインに応じた筋状の凹凸が発生し、荒れた表面となることがある。

この状態でフォトレジストをドライエッチングすると、前記凹凸がそのまま基板に転写され、表面の粗い光学部品となってしまう。表面が粗いとそこで光の散乱が発生し、必要とする光学特性を得ることができない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、表面粗さが小さく光の散乱が少ないレーザ加工用光学部品の製法を提供することを目的としている。

本発明のレーザ加工用光学部品の製法は、レーザ加工用光学部品の製法であって、
（ａ）基板の表面にフォトレジスト膜を形成する工程、
（ｂ）前記フォトレジスト膜をレーザ光で露光して所望の３次元形状を有する未露光部を形成する工程、
（ｃ）前記フォトレジスト膜を現像してレーザ光による露光部を除去する工程、
（ｄ）前記フォトレジスト膜が軟化し得る温度で当該フォトレジスト膜に加熱処理を施す工程、及び
（ｅ）前記未露光部の３次元形状をエッチングにより前記基板に転写して当該基板表面に３次元形状を形成する工程
を含むことを特徴としている。

本発明のレーザ加工用光学部品の製法では、レーザ光で露光されたフォトレジスト膜を現像して当該レーザ光による露光部を除去した後に、フォトレジスト膜が軟化し得る温度で当該フォトレジスト膜に加熱処理を施している。フォトレジスト膜にレーザ光を照射して所望の３次元形状を有する未露光部を形成するに際し、細く絞ったレーザビームの中心部分の強度が外側部分よりも大きくなることから、現像後のフォトレジスト膜表面には走査ラインに応じた筋状の凹凸が形成されるが、当該フォトレジスト膜を加熱して軟化させることにより凹凸部分を変形させて凹凸の差ないしは程度を小さくすることができる。

したがって、フォトレジスト膜の未露光部の３次元形状をエッチングにより基板に転写した場合に、得られる基板表面の粗さを低減させることができ、その結果、光の散乱の少ない光学部品を得ることができる。
なお、本発明明細書において、「フォトレジスト膜が軟化し得る温度」とは、当該フォトレジスト膜の溶融温度より低く、相当な時間、例えば５時間から１０時間の間に、フォトレジスト膜の流動により筋状の凹凸が変形し凹凸の差ないしは程度が小さくなる温度を下限とし、実用的な時間、例えば１５分から２時間の間には、必要とする３次元形状、特に角部ないしはコーナー部が存在する場合は当該角部ないしはコーナー部の形状が崩れない温度を上限とする温度範囲を指す。

前記基板が２−６族化合物又はダイヤモンドからなるのが好ましい。ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等の２−６族化合物や、合成ダイヤモンド、ＣＶＤダイヤモンド等のダイヤモンドは波長１０μｍ近傍のレーザ光に対する透過率及び吸収率が小さいので、炭酸ガスレーザ加工用光学部品として優れた光学特性を発揮することができる。

前記エッチングをＩＣＰドライエッチング法により行うのが好ましい。この場合、異方性（垂直性）の高いエッチングが可能なためフォトレジストの形状をそのまま基板へ転写するのに有効である。

本発明のレーザ加工用光学部品の製法によれば、表面粗さが小さく光の散乱が少ないレーザ加工用光学部品を得ることができる。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明のレーザ加工用光学部品の製法（以下、単に「製法」ともいう）の実施の形態を詳細に説明する。なお、分かり易くするために、図１〜２において、構成要素の厚さ方向の寸法などを誇張して描いている。

本発明の製法は、レーザ光の走査により形成される凹凸を解消するために現像後のフォトレジスト膜に加熱処理を施して当該フォトレジスト膜を軟化させるものであり、基板の表面にフォトレジスト膜を形成する工程、フォトレジスト膜をレーザ光で露光して所望の３次元形状を有する未露光部を形成する工程、フォトレジスト膜を現像してレーザ光による露光部を除去する工程、フォトレジスト膜が軟化し得る温度で当該フォトレジスト膜に加熱処理を施す工程、及び未露光部の３次元形状をエッチングにより前記基板に転写して当該基板表面に３次元形状を有する面を形成する工程を含んでいる。

前記基板は、本発明において特に限定されるものではなく、レーザ光を透過する機能を備えた材料で作製されたものを広く用いることができ、例えばＺｎＳｅ、ＺｎＳ等の２−６族化合物、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の３−５族化合物、Ｓｉ、Ｇｅ等の４族元素、天然ダイヤモンド、合成ダイヤモンド、ＣＶＤダイヤモンド等のダイヤモンドからなるものを用いることができる。これらのうち、２−６族化合物やダイヤモンドは、１０μｍ近傍のレーザ光に対する透過率及び吸収率が小さいので、炭酸ガスレーザ加工用光学部品として優れた光学特性を発揮することができる。

前記基板４の表面に、フォトレジストをスピンコータなどにより塗布し、ついでフォトレジストを塗布した基板を８０〜１１０℃で２〜３０分間程度加熱することにより、溶媒を除去してフォトレジスト膜３を直接基板上に形成する（図１（a）参照）。この加熱は、例えば当該温度に加熱したホットプレート上に基板を置いたり、窒素雰囲気のベーキング炉内に基板を配置したりすることで行うことができる。フォトレジストの塗布厚さは、基板表面に形成する３次元形状の高低差や使用波長などに基づき選定されるが、通常、０．５〜４０μｍ程度が目安である。本発明では、レーザ光を用いて描画しているので、電子ビームのような専用のレジストを用いる必要がなく、一般に使用されている、例えばＡＺＰ４６２０（ＡＺエレクトロニックスマテリアルズ社製）やＮＰＲ９８１０（長瀬ケムテックス社製）などのフォトレジストを適宜採用することができる。

ついで基板４上に形成されたフォトレジスト膜３をレーザ光Ｌで露光して当該フォトレジスト膜３に所望の３次元形状を有する未露光部を形成する（図１（ｂ）〜（ｃ）参照。この３次元形状は、フォトレジスト膜上にレーザ光をスキャンさせながらその出力（露光強度）を制御することにより、形成することができる。例えば、図１〜２に示される例では、階段形状の凹面がフォトレジスト膜３に形成されているが、図１の（ｂ）〜（ｃ）において、１はレーザ光Ｌにより露光された露光部、２はレーザ光Ｌにより露光されていない未露光部を示している。この図において、フォトレジスト膜３のｘで示される地点にきたときのレーザ光Ｌの出力を、フォトレジスト膜３の厚さｈだけ露光できる大きさとし、フォトレジスト膜３のｙで示される地点にきたときのレーザ光Ｌの出力がゼロとなるように、レーザ光Ｌをスキャンさせる速度及びその出力を制御することで、図１の（ｃ）に示されるような階段形状の未露光部２を形成することができる。かかる制御を行うために、使用するレーザ光Ｌの強度とフォトレジスト膜３の露光厚さとの相関関係が予め把握される。なお、図１〜２に示される凹凸は平面的なものとして表現されているが、レーザ光Ｌは紙面貫通方向にもスキャンされるので実際の凹凸は３次元形状を呈している。また、３次元形状は光学部品の仕様に応じて適宜選定すればよく、階段形状以外にも、凸面状、凹面状などの曲面状や、傾斜面、フレネル構造、シリンドリカル面など様々な形状を採用することができる。

レーザ光Ｌにより露光された基板４は、現像された後に洗浄される。基板４の現像は、例えばＡＺデベロッパー（ＡＺエレクトロニックスマテリアルズ社製）を用いて、室温にて当該基板４を１〜５分間程度揺動させることにより行うことができる。また、基板４の洗浄は、例えば超純水（抵抗率≧１８ＭΩｃｍ）中で当該基板を１〜５分間程度揺動させることにより行うことができる。レーザ光Ｌにより露光された露光部１は、前記現像プロセスにおいてフォトレジスト膜３から除去される（図１（ｄ）参照）。これにより、フォトレジスト膜表面には所望の３次元形状が形成される。

洗浄後の基板４は、フォトレジスト膜３が軟化し得る温度で加熱処理される。フォトレジスト膜３にレーザ光Ｌを照射して所望の３次元形状を有する未露光部２を形成するに際し、細く絞ったレーザビームの中心部分の強度が外側部分よりも大きくなることから、現像後のフォトレジスト膜表面には走査ラインに応じた筋状の凹凸が形成されるが、当該フォトレジスト膜３を加熱して軟化させることにより凹凸部分を変形させて凹凸の差ないしは程度を小さくすることができる。

フォトレジスト膜３を加熱処理する温度及び時間は、前記筋状の凹凸は変形するが、必要とする３次元形状、特に角部ないしはコーナー部が存在する場合は当該角部ないしはコーナー部の形状が崩れないように、前記フォトレジスト膜の軟化温度や溶融温度などを考慮して選定される。具体的に、例えばフォトレジストとして、ＡＺＰ４６２０（ＡＺエレクトロニックスマテリアルズ社製）を用いるときは、１１５〜１２０℃で３０分間以上加熱処理し、また、ＮＰＲ９８１０（長瀬ケムテックス社製）を用いるときは１３０℃前後で３０分間以上加熱処理するのが好ましい。

前記加熱処理は、例えば当該温度に加熱したホットプレート上に基板を置いたり、窒素雰囲気のベーキング炉内に基板を配置したりすることで行うことができる。この加熱処理は、洗浄時にフォトレジスト膜３に付着した洗浄液（超純水）を乾燥させるポストベーキング処理と同時にあるいはポストベーキング処理に続いて行うことができる。従来はポストベーキング処理が終了した後は作業工程の短縮のため、すぐに次工程に移っていたが、本発明においては前記筋状の凹凸の差ないしは程度が小さくなるまでは加熱処理を継続する。

ついで、この基板４にエッチング処理を施してフォトレジスト膜３の未露光部２の３次元形状を基板４に転写する（図２参照）。エッチング法としては、ドライエッチング法又はウェットエッチング法を用いることができるが、レジスト形状をそのまま基板４に転写する必要があることから、ＩＣＰドライエッチング法を用いるのが好ましい。基板４及びフォトレジスト膜３の種類により異なるが、ＩＣＰドライエッチング法を用いる場合、ＩＣＰ投入パワー及びバイアス投入パワーとして、例えばそれぞれ１００〜８００Ｗ及び１００〜７００Ｗとすることができる。また、圧力を０．１〜１０Ｐａとし、例えば基板がＺｎＳｅの場合、流すガス量をＢＣｌ₃１〜５０ｓｃｃｍ、Ａｒ１〜１００ｓｃｃｍとすることができる。以上の工程により、基板４の表面に三次元形状を形成することができる。なお、図２（ｂ）は、エッチング処理の途中の段階を模式的に示しており、階段状の凹面の中央部付近は基板４にまでエッチングが進行している。また、図２において、ＰはＩＣＰドライエッチングに用いられるプラズマを示している。

本発明では、現像後の加熱工程において、フォトレジスト膜を軟化させることにより
レーザ光の走査ラインに応じた筋状の凹凸の程度を小さくしているので、フォトレジスト膜の未露光部の３次元形状をエッチングにより基板に転写した場合に、得られる基板表面の粗さを低減させることができ、その結果、光の散乱の少ない光学部品を得ることができる。

次に本発明の製法の実施例を説明するが、本発明はもとよりかかる実施例にのみ限定されるものではない。
［実施例１］
直径５０ｍｍ、厚さ５ｍｍのＺｎＳｅ製の円形基板の一方の面上にＡＺＰ４６２０（クラリアントジャパン社製フォトレジスト）を６μｍの厚さとなるようにスピンコータで塗布し、このフォトレジストを塗布した基板を窒素雰囲気のベーキング炉に入れて、９０℃で１０分間加熱して溶媒を除去し当該基板上にフォトレジスト膜を形成した。

ついで、レーザ光の強度を変化させながらレーザ光をスキャンさせて前記フォトレジスト膜を露光した。予め求めておいた露光レーザ強度とフォトレジスト膜の露光厚さとの相関関係に基づいて、階段状の凹面を有する未露光部が形成されるようにレーザ光の強度を制御した。最深の露光深さはフォトレジスト膜表面から約５μｍであった。使用したレーザ光の波長は４４１．６ｎｍであった。使用したレーザ光の径は、約１．７〜１．８μｍであり、また、レーザ光の強度は０．１〜２ｍＷの範囲内で制御された。

次に、露光した基板をＡＺ−Ｄｅｖｅｒｏｐｐｅｒ（ＡＺエレクトロニックスマテリアルズ社製）で室温にて１２０秒間揺動させて現像し、フォトレジスト膜の露光部を除去した。現像後、基板を超純水（抵抗率≧１８ＭΩｃｍ）中で２分間揺動させて洗浄した。

ついで洗浄した基板を窒素雰囲気のベーキング炉に入れて、１２０℃で３０分間加熱した。この加熱処理によりフォトレジスト膜の未露光部を軟化させ（ＡＺＰ４６２０の軟化温度：１１０℃）、レーザ描画による表面の凹凸を変形させて凹凸の差ないしは程度を小さくした。

ついで、基板を表１に示す条件下で、ＩＣＰドライエッチング法によりエッチングした。フォトレジスト膜及び基板を同一速度でエッチングして、当該フォトレジスト膜の未露光部に形成した階段状の凹面を基板上に転写した。

［実施例２〜１４及び比較例１〜２］
フォトレジスト、現像後の加熱温度及び加熱時間のうち少なくとも１つを表２に示すように変えた以外は実施例１と同様にして基板表面に３次元形状を形成した。

実施例１〜１４におけるフォトレジストの現像、加熱後の表面粗さ、及び比較例１〜２におけるフォトレジストの現像後の表面粗さについて、算術平均粗さＲａをα―ｓｔｅｐ５００（ＫＬＡテンコール社製触針式形状測定装置）で測定した。結果を図３〜１２に示す。なお、参考例として、フォトレジストの未露光面の表面粗さについても測定した。参考例１はＡＺＰ４６２０の未露光面、参考例２はＮＰＲ９８１０の未露光面について測定したものであり、結果をそれぞれ図３（ａ）及び図１０（ａ）に示す。図３〜９において、横軸は測定したフォトレジストの基準点からの距離（単位：μｍ）を示しており、縦軸は高さ（単位：×１０ｎｍ）を示している。図１０〜１２において、横軸は測定したフォトレジストの基準点からの距離（単位：μｍ）を示しており、縦軸は高さ（単位：×１００ｎｍ）を示している。

さらに、ＡＺＰ４６２０の加熱温度と表面粗さの関係（実施例１〜６）、及びＡＺＰ４６２０の加熱時間と表面粗さの関係（実施例７〜１１）をそれぞれ図１３〜１４に示す。

以上の結果より、現像後のフォトレジスト膜を当該フォトレジスト膜が軟化し得る温度で加熱処理することにより表面粗さが低減することが分かる。また、図１３より、フォトレジストとしてＡＺＰ４６２０を用いる場合、最適な加熱温度は１１５〜１２０℃であることが分かる。表面粗さＲａは４０ｎｍ（加熱しない場合。比較例１）から５ｎｍへと改善された。一方、表２より、フォトレジストとしてＮＰＲ９８１０を用いる場合、最適な加熱温度は１３０℃付近であることが分かる。表面粗さＲａは６６ｎｍ（加熱しない場合。比較例２）から５ｎｍへと改善された。以上より、フォトレジストの種類に応じて、現像後の加熱温度の最適な範囲が異なることが分かる。

また、図１４より、フォトレジストとしてＡＺＰ４６２０を用いる場合、最適な加熱時間は３０分以上であることが分かる。表面粗さＲａは４０ｎｍ（加熱しない場合。比較例１）から、加熱時間３０分（実施例１０）で５ｎｍへと改善され、加熱時間６０分（実施例１１）でさらに３ｎｍへと改善された。

また、加熱温度について、図１３より、ＡＺＰ４６２０の場合、１３０℃でフォトレジスト表面にうねりが生じはじめ、表面粗さが粗くなることが分かる。加熱温度がフォトレジスト膜の軟化温度よりも高すぎると、レーザ描画による表面の凹凸だけでなく３次元形状も変形してしまうことに起因するものと考えられる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点において単なる例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、前記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の製法の一実施の形態の前半を模式的に示す断面説明図である。 本発明の製法の一実施の形態の後半を模式的に示す断面説明図である。 参考例１及び比較例１に係るＡＺＰ４６２０の表面粗さを示す図である。 実施例１〜２に係るＡＺＰ４６２０の表面粗さを示す図である。 実施例３〜４に係るＡＺＰ４６２０の表面粗さを示す図である。 実施例５〜６に係るＡＺＰ４６２０の表面粗さを示す図である。 実施例７〜８に係るＡＺＰ４６２０の表面粗さを示す図である。 実施例９〜１０に係るＡＺＰ４６２０の表面粗さを示す図である。 実施例１１に係るＡＺＰ４６２０の表面粗さを示す図である。 参考例２及び比較例２に係るＮＰＲ９８１０の表面粗さを示す図である。 実施例１２〜１３に係るＮＰＲ９８１０の表面粗さを示す図である。 実施例１４に係るＮＰＲ９８１０の表面粗さを示す図である。 ＡＺＰ４６２０の加熱温度と表面粗さの関係を示す図である。 ＡＺＰ４６２０の加熱時間と表面粗さの関係を示す図である。 レーザ描画露光法により発生するフォトレジスト膜表面の荒れの説明図である。

符号の説明

１ 露光部
２ 未露光部
３ フォトレジスト膜
４ 基板

Claims (3)

1. レーザ加工用光学部品の製法であって、
   （ａ）基板の表面にフォトレジスト膜を形成する工程、
   （ｂ）前記フォトレジスト膜をレーザ光で露光して所望の３次元形状を有する未露光部を形成する工程、
   （ｃ）前記フォトレジスト膜を現像してレーザ光による露光部を除去する工程、
   （ｄ）前記フォトレジスト膜が軟化し得る温度で当該フォトレジスト膜に加熱処理を施す工程、及び
   （ｅ）前記未露光部の３次元形状をエッチングにより前記基板に転写して当該基板表面に３次元形状を形成する工程
   を含むことを特徴とするレーザ加工用光学部品の製法。
2. 前記基板が、２−６族化合物又はダイヤモンドからなる請求項１に記載のレーザ加工用光学部品の製法。
3. 前記エッチングをＩＣＰドライエッチング法により行う請求項１〜２のいずれかに記載のレーザ加工用光学部品の製法。