JP2010191002A - 凹凸形状の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】露光されて水と反応することで可溶化される光反応成分を含有するフォトレジストを用いて、フォトレジスト層や各種の基材に微細な凹凸形状を安定して精度よく形成することが可能な凹凸形状の形成方法を提供する。
【解決手段】露光されて水と反応することで可溶化される光反応成分を含有するフォトレジストを基材１１上で固化して、厚さ５μｍ以上のフォトレジスト層１３を形成し（Ｓ２０）、フォトレジスト層１３を露光及び現像することで凹凸形状２０、３０を形成する方法であり、フォトレジスト層１３を形成後、フォトレジスト層１３を所定温度及び所定湿度に保たれた調湿環境内に、所定時間保持した後、露光する。
【選択図】図２

Description

この発明は、露光されて水と反応することで可溶化される光反応成分を含有するフォトレジストを用いて、微細な凹凸形状を形成する形成方法に関する。

従来、ノボラック・ジアゾナフトキノン系レジスト等のように、露光され、更に、水と反応することで可溶化される光反応成分を含有するフォトレジストが知られている。このようなフォトレジストを用いて凹凸形状を形成するには、例えば各種の基材の表面にフォトレジスト層を形成した後、フォトマスクを用いて目標形状に応じて露光し、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等の現像液を用いて現像することで、フォトレジスト層に所定の凹凸形状を形成することができる。また、現像されたフォトレジスト層及び基材をエッチングすることで、フォトレジスト層の凹凸形状と所定の相関を有する凹凸形状を基材に形成することができる。

フォトレジストを用いてフォトレジスト層を形成するには、各種の基材の表面を高精度に平坦に仕上げ、フォトレジストを均一に塗布し、加熱するプリベーク処理を施すことでフォトレジストの溶媒を揮発させて固化する。

ところで、ノボラック・ジアゾナフトキノン系レジスト等から形成されたフォトレジスト層では、ジアゾナフトキノンが露光されることでインデンカルボン酸等の構造に変化する可溶化の際、水の存在が不可欠である。ところが、プリベーク処理時には、フォトレジストの溶媒だけでなく、フォトレジスト中の水分も揮発して除去される。

薄膜のフォトレジスト層の場合、フォトレジスト層中に含有される水分量が過剰に減少しても、その後、保管時や露光時に周囲の大気と接することで、大気と平衡な水分量に容易に達するため、露光されても光反応成分の可溶化が可能である。一方、厚膜のフォトレジスト層の場合、下記非特許文献１等に記載されているように、フォトレジスト中の水分が不足し易いため、露光後に可溶化され難くなることが報告されている。

そのため、これらの文献では、プリベーク処理後にそのまま使用せず、水中に浸漬したり、湿度が存在する雰囲気下で保管することで、フォトレジスト層に十分な水分を含有させ、その後に使用することで、高アスペクト比で一定高さの矩形パターンの幅やピッチを狭くすることを可能にして、高解像度化を実現させている。

扇子義久，三宅康宏，関口淳，「厚膜レジストの高解像化に関する検討」，電子情報通信学会論文誌／，Ｖｏｌ．Ｊ８５−Ｃ，Ｎｏ．４，ｐｐ．２６０−２６８（Ａｐｒ．２００２）

しかしながら、このような従来の方法では、厚肉のフォトレジスト層であっても水分を含有させることができるため、同一高さで矩形形状を有する高アスペクト比のパターンを形成することはできたものの、高さが異なる矩形や段差、傾斜した平面や曲面を有する凹凸形状を形成すると、目標形状に対する形状誤差がばらついたり、低下し易く、精度よく安定して凹凸形状を形成することが容易でなかった。

そこで、この発明は、露光されて水と反応することで可溶化される光反応成分を含有するフォトレジストを用いて、フォトレジスト層や各種の基材に凹凸形状を安定して精度よく形成することが可能な凹凸形状の形成方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するこの発明は、露光されて水と反応することで可溶化される光反応成分を含有するフォトレジストを固化して、厚さ５μｍ以上のフォトレジスト層を形成し、前記フォトレジスト層を露光及び現像することで凹凸形状を形成する凹凸形状の形成方法において、前記フォトレジスト層を形成後、該フォトレジスト層を所定温度及び所定湿度に保たれた調湿環境内に、所定時間保持した後、露光することを特徴とする。

この発明によれば、フォトレジスト層に適切な量の水分を含有させることができるため、光反応成分が露光されて水と反応する際、現像時のフォトレジスト層の溶解量を、露光量に対応させ易く、精度よく凹凸形状を形成し易い。更に、製造環境に拘わらず、フォトレジスト層の水分量を安定させることができるため、凹凸形状を安定して精度よく形成することが可能である。

この発明の実施の形態で形成するマイクロレンズアレイの製造過程を示す断面図であり、（ａ）は基材、（ｂ）はフォトレジスト層、（ｃ）はフォトレジスト層に形成された第１の凹凸形状、（ｄ）は基材に形成された第２の凹凸形状を示す。 この発明の実施の形態でマイクロレンズアレイを製造するための手順を説明する図である。 この発明の実施の形態で形成される第１の凹凸形状の変形例を示す断面図である。 この発明の実施の形態で形成される第１の凹凸形状の他の変形例を示す断面図である。 実施例及び比較例において得られた凹凸形状の形状誤差を示すグラフであり、（ａ）は実施例、（ｂ）は比較例の結果である。

以下、この発明の実施の形態について説明する。ここでは、基材の表面に設けられたフォトレジスト層に第１の凹凸形状を形成すると共に、更に、フォトレジスト層の第１の凹凸形状に所定の相関で対応する第２の凹凸形状を基材に形成する例を説明する。

この実施の形態では、予め所望の光学特性が得られるように設計された凸曲面形状のマイクロレンズ部を多数備えたマイクロレンズアレイを製造する場合について説明する。

この製造方法は、図１及び２に示すように、予め基材１１を準備する前処理工程Ｓ１０と、基材１１の表面にフォトレジスト層１３を形成するフォトレジスト層形成工程Ｓ２０と、フォトレジスト層１３に含有される水分量を調整する調湿工程Ｓ３０と、調湿されたフォトレジスト層１３を露光する露光工程Ｓ４０と、露光されたフォトレジスト層１３を現像してフォトレジスト層１３に第１の凹凸形状２０を形成する現像工程Ｓ５０と、基材１１及びフォトレジスト層１３の第１の凹凸形状２０をエッチングして第１の凹凸形状２０に所定の相関で対応した第２の凹凸形状３０を基材１１に形成するエッチング工程Ｓ６０とを備えている。

基材１１は、エッチングにより加工可能な光学基材であり、例えば、ソーダライムガラス、光学ガラス、石英ガラス等の各種のガラス、蛍石、シリコン光学基材等の各種の結晶体、透光性セラミックス等の各種のセラミックス、各種の樹脂材料等が挙げられる。

フォトレジスト層１３を形成するためのフォトレジストは、露光されて水と反応することで可溶化される光反応成分を含有するポジ型フォトレジストであり、揮発可能な溶媒中に光反応成分が溶解又は混合された流動性を有するもので、基材１１に塗布して溶媒を揮発させることで固化されてフォトレジスト層１３を形成可能となっている。

このようなフォトレジストとしては、例えば、ノボラック・ジアゾナフトキノン系レジストが挙げられる。ノボラック・ジアゾナフトキノン系レジストは露光されて生じるインデンケテンが、フォトレジスト層中に含有される水と反応してインデンカルボン酸となることで可溶化され、アルカリ性の現像液に溶解可能となる。

現像に用いる現像液は、フォトレジストに応じて適宜選択すればよく、例えば、ノボラック・ジアゾナフトキノン系レジストを用いる場合には、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）溶液等を用いてもよい。

この実施の形態の前処理工程Ｓ１０では、基材１１の表面を高精度に平坦に形成するなどの前処理を行う。

次いで、フォトレジスト層形成工程Ｓ２０では、表面が平坦に形成された基材１１に、スプレー法、スピンコート法等により均一にフォトレジストを塗布し（Ｓ２１）、このフォトレジストを加熱するプリベーク処理（Ｓ２２）を施すことで、溶媒を揮発させてフォトレジストを固化し、これにより基材１１表面にフォトレジスト層１３を形成する。

この実施の形態は、厚いフォトレジスト層１３を形成する場合に好適に適用できる方法であり、形成されるフォトレジスト層１３の厚さは５μｍ以上、好ましくは３０μｍ以上、更に好ましくは５０μｍ以上であるのが好適である。

次いで、調湿工程Ｓ３０では、フォトレジスト層１３が形成された基材１１を、減圧環境内に保持することで減圧乾燥処理Ｓ３１を行い、その後、温度及び湿度が管理された調湿環境内に保持することで水分量調整処理（Ｓ３２）を行う。

減圧乾燥処理Ｓ３１では、フォトレジスト層１３内に残留している水分を出来るだけ除去する。この減圧乾燥処理Ｓ３１では、水分を完全に除去する必要はないが、異なる基材１１上のフォトレジスト層１３に対する異なる減圧乾燥処理Ｓ３１において、得られる各フォトレジスト層１３の水分量が、一定又は一定と見なせる程度となるように十分に乾燥させることが好ましい。この減圧乾燥処理Ｓ３１の条件は、フォトレジスト層１３の種類や厚さにより適宜選択できる。

水分量調整処理Ｓ３２では、フォトレジスト層１３が形成された基材１１を所定の温度及び湿度に調整された調湿環境内に収容し、所定時間保持することで、フォトレジスト層１３の水分量を調整する。

フォトレジスト層１３の水分量は、過剰に高い場合、露光時のフォトレジスト層の光反応成分の感度が過剰に高くなり易く、露光量以上に可溶化され易くなる。一方、過剰に低い場合には、露光量に対して光反応成分が十分に可溶化されず、現像時に露光量に相当する溶解量が得難くなる。

このフォトレジスト層１３の水分量を直接調整することは容易でない。そのため、この水分量調整処理Ｓ３２においてフォトレジスト層１３の水分量を調整するには、調湿環境を所定の温度及び湿度に調整し、フォトレジスト層１３をこの調湿環境内に所定時間保持することで、フォトレジスト層１３の水分量を調湿環境の湿度と平衡又は平衡と見なせる程度にすることで調整する。

ここで、調湿環境とは、フォトレジスト層１３の水分量を増加するために温度及び湿度が管理された環境の意味である。この調湿環境は、大気と隔離されて温度及び湿度が管理された環境であればよく、例えば、恒温恒湿槽やクリーンルーム等であってもよい。

調湿環境の温度及び湿度や、調湿環境内の保持時間は、用いるフォトレジストの種類、フォトレジスト層１３の厚さ、目的とする第１の凹凸形状２０の形状、要求される精度などに応じて適宜設定することが可能である。これらは、予め実験等により所定の値を求めておき、製造に利用することが好適である。

調湿環境の所定の温度及び湿度は、一定であることが最も好ましいが、多少の変動は許容される。水分量調整処理Ｓ３２では、得られるフォトレジスト層１３の水分量が露光後の光反応成分と水との反応性を安定化できればよく、直接温度及び湿度の変化が直ちに影響するものではないからである。

特に限定されるものではないが、例えば、調湿環境の温度が２３±５℃のような範囲に保たれ、湿度が５０±２０％のような範囲に保たれた場合には、得られるフォトレジスト層１３の水分量を、温度及び湿度が一定の調湿環境で調湿したものと同等と見なすことができる。

次いで、露光工程Ｓ４０では、調湿されたフォトレジスト層１３をグレースケールマスクを用いて露光することで、フォトレジスト層１３を第１の凹凸形状２０に対応する露光量分布となるように露光する。

この露光工程Ｓ４０では、目的とする第２の凹凸形状３０の設計形状と、後述するエッチング工程Ｓ５０における選択比とに基づいて設定される第１の凹凸形状２０の形状に対応すると共に、フォトレジスト層１３の感度特性や閾値、投影レンズの光学特性等に応じて調整された透過光の光量が得られるように、１枚或いは複数枚のグレースケールマスクを作製する。

このグレースケールマスクを用いて、ステッパ−により露光を行うことで、フォトレジスト層１３の光反応成分が露光により受けた光エネルギーに対応するように反応する。そして、この光反応により生成された反応生成物がフォトレジスト層１３中に含有されている水分と反応することで、フォトレジスト層１３が第１の凹凸形状２０に対応するように可溶化される。

次いで、現像工程Ｓ５０では、基材１１上の露光されたフォトレジスト層１３を現像液より溶解することで現像する。この現像では、フォトレジスト層１３が第１の凹凸形状２０に対応して精度よく可溶化されているため、可溶化されたフォトレジスト層１３を現像液により溶解除去することで、精度良く第１の凹凸形状２０の形状でフォトレジスト層２０を残留させることができる。

その結果、以上のような工程で、第２の凹凸形状３０の設計形状に対応するように予め設定された第１の凹凸形状２０が精度よく形成される。

その後、エッチング工程Ｓ６０を行うことで、フォトレジスト層１３の第１の凹凸形状２０及び基材１３をエッチングする。このエッチング工程Ｓ６０は、例えば誘導結合プラズマを用いたドライエッチングなどにより行うことができる。ドライエッチングでは、エッチングガスの組成を調整するなどにより、フォトレジスト層１３と基材１１との選択比を調整することで、第１の凹凸形状２０に所定の相関を有して対応する第２の凹凸形状３０を精度よく形成することができる。

その結果、所定の光学特性が得られるように設計された第２の凹凸形状３０が精度よく形成される。

以上のようにしてフォトレジスト層１３に第１の凹凸形状２０を形成すれば、フォトレジスト層１３に適切な量の水分を含有させることができるため、光反応成分が露光されて水と反応する際、現像時のフォトレジスト層１３の溶解量を、露光量に対応させ易く、精度よく第１の凹凸形状２０を形成し易い。更に、製造環境に拘わらず、フォトレジスト層１３の水分量を安定させることができるため、第１の凹凸形状２０を安定して精度よく形成することが可能である。

また、上記では、第１の凹凸形状２０がマイクロレンズ形状であるため曲面からなる傾斜面を有しており、グレースケールマスクを用いてフォトレジスト層１３を露光することでその傾斜面を形成するので、傾斜面であっても精度よく形成することが可能である。

更に、上記では、フォトレジスト層１３を減圧乾燥させた後、調湿環境内に保持するので、調湿環境への保持開始時のフォトレジスト層１３の水分量を一定にすることができる。そのため、露光時のフォトレジスト層１３の水分量をより安定させることができる。

そして、上記のように、フォトレジスト層１３を基材１１表面に形成し、このフォトレジスト層１３に前記のようにして第１の凹凸形状２０を形成した後、エッチングすることで第１の凹凸形状２０に応じた第２の凹凸形状３０を基材１１に形成するので、基材１１に精度良く第２の凹凸形状３０を形成することが可能である。

なお、上記実施の形態は、この発明の範囲内において適宜変更可能である。例えば、上記では、凸曲面形状を有するマイクロレンズ部を形成した例について説明したが、特に限定されるものではなく、凹形状であってもよい。また、光学素子に限られることはなく、他の微細な構造を有する部材であっても全く同様に形成することが可能である。

更に、上記では、曲面状の傾斜面を形成する例について説明したが、傾斜面は平面形状であってもよい。また、表面が平坦な平面からなるものであってもよく、例えば、図３に示すように、高突出部５１及び低突出部５２等の複数の高さの矩形の凹凸形状を備えた矩形凹凸形状５０や、図４に示すように、高段差部４１及び低段差部４２等の複数の段差形状を備えた段差凹凸形状４０などであっても、この発明を適用することで、形状の精度を向上することが可能である。

また、上記では、第１の凹凸形状２０を形成した後、第２の凹凸形状３０を形成した例について説明したが、第２の凹凸形状３０を形成しなくてもよい。また、第２の凹凸形状３０をドライエッチングにより形成したが、特に限定されるものではなく、例えば、第１の凹凸形状２０を母型として転写面からなる型面を形成して成形型を作製し、この成形型を用いて第１の凹凸形状２０と同一の形状を有する第２の凹凸形状３０を形成することも可能である。

更に、上記では、調湿工程Ｓ３０において、フォトレジスト層形成工程Ｓ２０により得られたフォトレジスト層１３を減圧乾燥処理Ｓ３１を行う例について説明したが、減圧乾燥処理Ｓ３１を施すことなく、フォトレジスト層形成工程Ｓ２０により得られたフォトレジスト層１３にそのまま水分量調整処理Ｓ３２を施してもよい。そのような場合であっても、長時間調湿環境内に保持することで、フォトレジスト層１３内の水分量を調湿環境と平衡にすることが可能だからである。

以下、この発明の実施例について説明する。

フォトレジスト層を形成後に、フォトレジスト層の水分量調整処理を行う場合と、行わない場合とで、得られるフォトレジスト層の凹凸形状の精度を比較した。
［実施例１〜５］

８インチ角石英基板からなる基材に、ノボラック・ジアゾナフトキノン系レジストを厚さ７０μｍとなるように塗布し、８０℃で２時間プリベーク処理した後、温度が２３℃で、圧力が２×１０^−１Ｐａの真空チャンバ−内で３８時間減圧乾燥処理を行い、フォトレジスト層を形成した。その後、フォトレジスト層が形成された基材を、温度が２３℃で湿度が５０％ＲＨに管理された恒温恒湿槽の調湿空間に５日間保持することで水分量調整処理を行った。

また、図１（ｃ）に示す第１の凹凸形状２０のような凸曲面形状のマイクロレンズ形状を有し、直径が８００μｍで突出高さ（ｓａｇ）が１００μｍの目標形状を設定し、この目標形状が得られるようにグレースケールマスクを作製して、ｇ線ステッパを用いて露光した。その後、ＴＭＡＨ溶液からなる現像液により現像することで、フォトレジスト層からなるマイクロレンズ形状を形成した。

なお、実施例１と、実施例２及び３と、実施例４及び５とはそれぞれ日にちをずらして行った。また、実施例２及び３、実施例４及び５ではそれぞれ同じ日に別々に行った。

得られた各マイクロレンズ形状の中心線を通る任意の横断線において、目標形状に対する形状誤差を図５（ａ）に示すと共に、有効領域に相当する部位の形状誤差の最大値を表１に示す。
（表１）

更に、得られた各マイクロレンズ形状の有効領域に相当する部位の表面精度をＰＶ値により測定し、突出高さ（ｓａｇ）に対するＰＶ値の最大値を求めた結果を表２に示す。
（表２）
［比較例１〜４］

フォトレジスト層を形成して減圧乾燥処理を行った後、水分量調整処理を行わず、温度及び湿度が管理されていない室内に五日間保管して露光に供する他は、全て実施例と同様にしてマイクロレンズ形状を形成した。なお、露光時のグレースケールマスクは実施例のものをそのまま使用した。

なお、比較例１と、比較例２及び３と、比較例４とは、それぞれ日にちをずらして行った。また、比較例２及び３は同じ日に別々に行った。

得られた各マイクロレンズ形状の中心線を通る任意の横断線において、目標形状に対する形状誤差を図５（ｂ）に示すと共に、有効領域に相当する部位の形状誤差の最大値を表３に示す。
（表３）

更に、得られた各マイクロレンズ形状の有効領域に相当する部位の表面の精度をＰＶ値により測定し、突出高さ（ｓａｇ）に対するＰＶ値の最大値を求めた結果を表２に示す。
（表４）

以上の結果から、実施例１〜５では、何れも形状誤差及びＰＶ値を小さく抑えることができており、しかも、日にちをずらしてマイクロレンズ形状を形成しても、形状誤差やＰＶ値に差は生じなかった。

一方、比較例１〜４では、形状誤差及びＰＶ値が大きく、しかも、日にちをずらしてマイクロレンズ形状を形成すると、日によって誤差やＰＶ値が異なっていた。

従って、実施例１〜５のように、フォトレジスト層の水分量調整処理を行うことで、マイクロレンズ形状を安定して精度よく形成できることが確認された。

１１ 基材
１３ フォトレジスト層
２０ 第１の凹凸形状
３０ 第２の凹凸形状
４０ 段差凹凸形状
４１ 高段差部
４２ 低段差部
５０ 矩形凹凸形状
５１ 高突出部
５２ 低突出部

Claims (5)

1. 露光されて水と反応することで可溶化される光反応成分を含有するフォトレジストを固化して、厚さ５μｍ以上のフォトレジスト層を形成し、前記フォトレジスト層を露光及び現像することで凹凸形状を形成する凹凸形状の形成方法において、
   前記フォトレジスト層を形成後、該フォトレジスト層を所定温度及び所定湿度に保たれた調湿環境内に、所定時間保持した後、露光することを特徴とする凹凸形状の形成方法。
2. 前記凹凸形状は、傾斜面を有し、グレースケールマスクを用いて前記フォトレジスト層を露光することにより前記傾斜面を形成することを特徴とする請求項１に記載の凹凸形状の形成方法。
3. 前記フォトレジスト層を減圧乾燥させた後、前記調湿環境内に保持することを特徴とする請求項１又は２に記載の凹凸形状の形成方法。
4. 前記フォトレジストは、ノボラック・ジアゾナフトキノン系レジストであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の凹凸形状の形成方法。
5. 前記フォトレジスト層を基材表面に形成し、前記露光及び現像した後、エッチングすることで前記凹凸形状に応じた形状を前記基材に形成することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載の凹凸形状の形成方法。