JP3611613B2 - Three-dimensional shape forming method, three-dimensional structure formed by the method, and press mold - Google Patents

Three-dimensional shape forming method, three-dimensional structure formed by the method, and press mold Download PDF

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、三次元形状の形成方法に関し、特に、マイクロレンズ、マイクロマシーン、マイクロセンサーなどの三次元に精度よく構造制御された微小構造体やこれらの微小構造体を大量生産するためのプレス成形型等の形成方法等に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体製造等に利用されるリソグラフィー技術を用いてマイクロマシーン等の微小構造体の作製が試みられている。具体的には、微小構造形成用基材にフォトレジストを塗布し、フォトマスクを介して露光、現像してレジストパターンを得、エッチングによりこのレジストパターンを微小構造形成用基材に転写して微小構造体を製造する方法が知られているが、この方法だと、得られる微小構造体の深さ方向の形状が矩形に限定されており、深さ方向の形状を制御することができない。
【0003】
そこで、三次元曲面等の三次元に精度よく構造制御された微小構造体の作製方法が各種検討され、提案されている。
【0004】
例えば、矩形に形成した樹脂パターンアレーを加熱熔融して球面形状に変形し、樹脂製凸型マイクロレンズアレーを作製する方法が提案されている(特開平5−40216号公報)(公知例1とする)。
【0005】
また、別の方法として、露光と現像を繰り返して階段状の形状を作製する方法が提案されている(ジャーナル バキューム サイエンス テクノロジー、B9(6)、1991年、3117−3120頁)(公知例2とする)。
【0006】
さらに、他の方法として、電子ビームの露光量を露光位置により変化させて電子ビームレジストに露光しこれを現像することで電子ビームの露光量に応じた形状を作製する方法が提案されている(特公平2−44060号公報)(公知例3とする)。
【0007】
また、フォトマスクの遮光部分の一部の間隔を露光波長の回折限界以下としこの遮光部分間を透過した光が平面的に連続的に変化する透過光量を与えるフォトマスクを通してフォトレジストを露光し、次いで現像処理することにより、露光された領域に露光量に応じた残像樹脂パターン(三次元形状のレジスト像)を形成する方法が提案されている(アイ イー イー イー プロシーディングス オン エム イー エム エス、1994年、205−210頁)(公知例4とする)。
【0008】
一方、微小構造体を大量生産するためのプレス成形型の製造方法に関しては、微細加工の施してある透明母型の形状を感光性樹脂に転写し、その転写した感光性樹脂をエッチングにより下地プレス成型用型に転写する方法が提案されている(特公平6−15184号公報)(公知例5とする)。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の微小構造体の作製方法には、次に示すような問題がある。
【0010】
すなわち、公知例1記載の方法にあっては、熔融した樹脂の表面張力を利用して球面化を行っているため得られる形状が球状のものに限られしまうという問題がある。
【0011】
また、公知例2記載の方法にあっては、レジスト成膜、露光、現像といった工程を複数回繰り返して行う必要があるため製造が煩雑であり、また、フォトマスクと被露光体との位置合わせを厳密に行う必要があり技術的に製造が難しいという問題がある。
【0012】
さらに、公知例3記載の方法にあっては、すべてのパターンを電子ビームで描画しているので露光に時間がかかり生産性が極めて低いという問題がある。
【0013】
また、公知例4記載の方法にあっては、三次元形状のレジスト像を生産性よく作製できるのであるが、公知例4の方法で実際に作製できる三次元形状のレジスト像は、微視的に見るとその表面形状が階段状(ギザギザ)であるため、なめらかな表面形状が要求されるマイクロレンズ等の製品の製造に実際に応用するのは困難であるという問題がある。
【0014】
さらに、公知例5記載の方法にあっては、母型を機械加工で作製しているため100μm以下の三次元形状を作製することは困難であるという問題がある。なお、超硬材料を用いたプレス型の作製にあっては、通常砥石による研削、研磨を行うため、被加工型の大きさがミリメートル以上に制限されるという問題もある。
【0015】
本発明は上述した問題点にかんがみてなされたものであり、微視的になめらかな三次元表面形状の形成方法の提供を目的とする。
また、微視的になめらかな三次元表面形状を有する三次元に精度よく構造制御された微小構造体やこれらの微小構造体を大量生産するためのプレス成形型等の提供を目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の三次元形状の形成方法は、基材上にレジスト層を形成し、該レジスト層に到達する露光強度を連続的に変化させる遮光性パターンを有するリソグラフィー用マスクを用いて、前記レジスト層を露光する工程と、前記露光後のレジスト層を現像処理して三次元形状のレジスト像を形成する工程と、前記レジスト像および基材を同時にエッチングしてレジスト像の三次元形状を基材に転写する工程とを有する三次元形状の形成方法において、レジストの残膜曲線が、緩やかな傾きの残膜曲線となるようなレジストおよび/またはレジスト像形成条件を使用する構成としてある。
【0017】
また、本発明の三次元形状の形成方法は、上記本発明の三次元形状の形成方法において、前記緩やかな傾きの残膜曲線となるようなレジストが、コントラストが低く低解像力のレジストである構成、
前記緩やかな傾きの残膜曲線となるようなレジスト像形成条件が、レジストのベーク条件および/または現像条件である構成、
前記緩やかな傾きの残膜曲線となるようなレジストおよび/またはレジスト像形成条件が、レジストのコントラストがガンマ値で2.0以下となるような条件である構成、
前記レジスト層を露光する工程において、縮小投影露光を行う構成、あるいは、 前記現像処理により三次元形状のレジスト像を形成する工程の後に、該三次元形状のレジスト像を該レジストの融点よりも高い温度で加熱する構成、としてある。
【0018】
また、本発明の微小三次元構造体は、上記三次元形状の形成方法によって、微視的に見てなめらかな三次元表面形状を有する三次元構造体を製造する構成としてある。
【0019】
さらに、本発明のプレス成形型は、上記三次元形状の形成方法によって、微視的に見てなめらかな三次元表面形状を有するプレス成形型を製造する構成としてある。
【0020】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の三次元形状の形成方法においては、まず、基材上にレジスト層を形成し、このレジスト層に到達する露光強度を連続的に変化させる遮光性パターンを有するリソグラフィー用マスクを用いて、前記レジスト層を露光する。
【0021】
ここで、基材材料としては、耐光性や機械的強度の高い材料であればいかなる材料でも使用することができ特に制限されないが、例えば、SiC、WC、TiC、Cr、TiN、Al等の超硬材料、石英等のガラス材料、Si、Ge等の赤外線透過材料、ポリアミド類などに代表されるエンジニアリングプラスチック等が挙げられる。基材の形状は特に制限されないが、通常基板が用いられる。
【0022】
また、レジスト層の形成は、溶液タイプのレジストについてはスピンコート、ディップコート、スプレーコート等の既存の方法により形成し、無機レジスト等の固形タイプレジストについては真空蒸着、スパッタリング、CVD等の既存の方法により形成する。
【0023】
本発明では、レジスト層に到達する露光強度を連続的に変化させる遮光性パターンを有するリソグラフィー用マスクを用いる。
これは、一般にレジストの現像後の残膜厚はレジスト上に露光された露光光強度(露光量)に対応して変化するため、レジスト層に到達する露光強度を連続的に変化させてレジストの現像後の残膜厚を連続的に変化させるためである。
【0024】
ここで、レジスト層に到達する露光強度を連続的に変化させる遮光性パターンを有するリソグラフィー用マスクとしては、いくつかの種類が挙げられる。
例えば、遮光部分の光学濃度の少なくとも一部を連続的に変化させたマスクが挙げられる。このようなマスクは、遮光膜の厚みを連続的に変化させるか、あるいは遮光膜の組成を連続的に変化させて得られる。
【0025】
他のマスクとしては、マスクの遮光部分の間隔の少なくとも一部を露光波長の回折限界以下の間隔としたマスク、あるいはマスクの開口部分の間隔の少なくとも一部を露光波長の回折限界以下の間隔としたマスクが挙げられる。
この場合、マスクの遮光部分の間隔あるいは開口部分の間隔を露光波長の回折限界以下の間隔とするには、これらの間隔を下記に示す限界ピッチ以下とすればよい。
Pc=λ/NA(1+σ)
ここで、Pcは限界ピッチ、λは露光波長、NAは露光機の開口数、σはピクセル内の遮光部分の充填率をそれぞれ示す。ここで遮光部分の充填率に関し、遮光部分の形状は一つのピクセル内の遮光面積が可変できる形状であれば特に制限されないが、線状、ドット状、矩形状などの形状が主として用いられる。
【0026】
なお、ステッパーを用いて縮小露光する場合にあっては、実際のマスク(レチクル)の遮光部分の間隔あるいは開口部分の間隔を露光波長の回折限界以下の間隔とするのではなく、縮小投影されたレジスト上における遮光部分の間隔あるいは開口部分の間隔が露光波長の回折限界以下の間隔となるようにする。
【0027】
上述したマスクは、回折の影響を受けることなく正確に転写できるパターンの幅(ピッチ)あるいはパターンの面積を1としこの場合の露光強度を1とした場合、パターンの幅あるいは面積を1以下とし回折の影響を利用して1以下の中間的な露光強度を得ようとするものである。
【0028】
さらに他のマスクとしては、マスクの遮光部分の間隔の少なくとも一部をレジストの解像限界以下の間隔としたマスク、あるいはマスクの開口部分の間隔の少なくとも一部をレジストの解像限界以下の間隔としたマスクが挙げられる。
例えば、レジストの解像限界が1μmであれば、マスクの遮光部分の間隔あるいは開口部分の間隔を1μm以下の間隔とする。これは、レジストの解像限界(解像力)が異なれば上述した限界ピッチも異なるためこれを考慮しようとするものである。したがって、レジストの解像限界が2μmであれば、マスクの遮光部分の間隔あるいは開口部分の間隔を2μm以下の間隔とする。
【0029】
なお、上述した露光強度を連続的に変化させる遮光性パターンを有するリソグラフィー用マスクの形成材料に関しては、マスク基板としては露光波長に対して透明な材料であれば全て使用が可能であり、遮光部を構成する遮光膜としてはマスクを通して被転写体に必要とされる光学濃度のコントラストを有するパターンを転写できる物質であれば全て使用が可能である。具体的には、マスク基板としては、例えば、石英ガラス板、アルミノボロシリケートガラス板などが挙げられる。また、遮光膜材料としては、例えば、クロム、酸化クロム、タングステンシリサイド、タンタルシリサイド、モリブデンシリサイド、銀コロイドなどが挙げられる。
【0030】
上記リソグラフィー用マスクには、フォトマスク、X線マスクの他、電子線マスクやイオンビームマスクも含まれる。また、露光方法には、密着露光(コンタクト露光)、近接露光(プロキシミティ露光)、等倍投影露光(ミラープロジェクション露光)等の等倍露光や、縮小投影露光などが含まれる。縮小投影露光を用いると等倍露光に比べより微細な微小構造体を容易に形成できる。さらに、露光光源には、紫外・可視光、エキシマレーザ、X線(シンクロトロン放射光含む)、、電子線、イオンビームなどが含まれる。
【0031】
本発明においては、上記露光後のレジスト層を現像処理して三次元形状のレジスト像を形成する際に、微視的に見てなめらかな表面を有するレジスト像が形成される条件を使用することを特徴とする。
これは、コントラストが高く高解像力のレジストを使用すると、上記特定の遮光性パターンを有するリソグラフィー用マスクによってレジスト層に到達する露光強度が連続的に変化しているといっても、この露光強度の連続的変化は微視的に見ると階段状となっているため、得られる三次元形状のレジスト像の表面が微視的に見て階段状(ギザギザ)となってしまうからである。
【0032】
そこで、本発明者らは、シャープなレジスト像が形成できないような条件を積極的に使用することを考えついた。
具体的には、本発明では、緩やかな傾きの残膜曲線となるようなレジストおよび/またはレジスト像形成条件を使用する。
【0033】
ここで、レジストの残膜曲線(特性曲線)は、一般には横軸に照射量の常用対数をとり縦軸に現像後の膜厚を塗布膜厚で規格化した値(残膜率)をとって得られる曲線であり、この残膜曲線の形状(傾き等)は、レジスト自身の特性(レジストを構成する樹脂の種類等)や、レジストの熱処理条件(プリベーク条件等)、現像処理条件、露光光源等によって変化する。
また、残膜曲線の傾きはガンマ値(γ値)と呼ばれ、このγ値は、レジストのコントラストを表す指標となり、この値が高いほどコントラストは上がり解像度も上がる。一般的にネガ型レジストのγ値は残膜率が0.5となるときの残膜曲線の傾き(傾き角の正接値)で定義され、ポジ型レジストのγ値は残膜率が0となるときの残膜曲線の傾きで定義される。
【0034】
したがって、全体として緩やかな傾きの残膜曲線となるようなレジストおよびレジスト像形成条件を使用すると、コントラストが低く低解像力のなめらかな形状(エッジ等)のレジスト像が形成できる。これは、残膜曲線の傾きが緩やかであると、露光強度の広い範囲でレジストの残膜厚を制御でき、露光強度の微妙な変化に応じたレジスト残膜厚を得ることができるからである。
【0035】
ここで、緩やかな傾きの残膜曲線となるようなレジストとしては、コントラストが低く低解像力のレジストが挙げられるが、このようなレジストは、レジストを構成する樹脂の種類や、増感材、溶剤等の含有量などを選択調整して調製する。
【0036】
また、緩やかな傾きの残膜曲線となるようなレジスト像形成条件としては、レジストのベーク条件および/または現像条件が挙げられる。これは、上述したように残膜曲線の形状がレジストの熱処理条件や現像処理条件によって変化するためである。
【0037】
現像条件としては、現像時間、現像方法、現像液の種類、濃度および温度、レジストの溶解特性などが挙げられ、緩やかな傾きの残膜曲線となるようにこれらの条件を設定する。特に、現像時間やレジストの溶解特性は現像後のレジスト形状(レジストプロフィル)に影響を与えるためこれを考慮して条件を設定する。具体的には、これらの条件を種々変化させて残膜曲線を実際に作成しこれに基づき各種条件を設定すればよい
また、現像温度や現像方法(スプレー法におけるスプレー圧あるいはディッピング法における現像液の対流速度等)なども解像力に影響を与えるためこれらを考慮して条件を設定する。
【0038】
プリベークは通常レジスト膜中から溶剤を除去する目的で行われるが、本発明では、緩やかな傾きの残膜曲線となるように、プリベーク温度およびプリベーク時間を設定する。
【0039】
なお、通常の半導体プロセスではガンマ値が2.0以上の高コントラスト、高解像度のレジストが使用されていることを考慮すると、緩やかな傾きの残膜曲線となるようなレジストおよび/またはレジスト像形成条件としては、レジストのコントラストがガンマ値で2.0以下となるような条件であるといえる。
ここで、γ値の値は、上述した残膜曲線の場合と同様に、レジスト自身の特性や、レジストの熱処理条件、現像処理条件等によって変化するので、これらを調整すれば所望のγ値を得ることができる。
γ値の値は、上記の理由から2.0以下であることが好ましいのであるが、本発明の効果をより確かなものにするためにはγ値が1.5以下であることが好ましく、1.0以下であることがさらに好ましい。
γ値の下限に関しては、露光強度の微妙な変化に応じたレジスト残膜厚が得られるようにするため、極端に低くならないように注意すればよい。
【0040】
なお、レジストを構成する樹脂の種類としては、例えば、シンナメート系の光二量化型感光性樹脂、金属イオン重クロム酸型感光性樹脂などの光架橋性樹脂、アジド系の光分解架橋型感光性樹脂、ジアゾ系の光分解不溶型感光性樹脂、キノンジアジド系の光分解可溶型感光性樹脂などの光分解性樹脂、不飽和ポリエステル系感光性樹脂、アクリレート系感光性樹脂、ナイロン系感光性樹脂、カチオン重合系感光性樹脂などの光重合性樹脂や、カルコゲナイド系の無機レジスト等が挙げられる。これらの樹脂は単独で使用してもよく、二種類以上を混合して使用してもよい。
【0041】
本発明では、上記現像処理により三次元形状のレジスト像を形成する工程の後に、三次元形状のレジスト像をレジストの融点よりも高い温度で加熱してもよい。これによりレジストが変形してなめらかとなる。このように上記工程の後に加熱熔融を行うと、単独で加熱熔融する場合に比べ、うねりが少なく局部的な欠陥が少なく、かつ、よりなめらかな三次元形状のレジスト像が短時間で得られる。
【0042】
本発明では、上記現像工程の後、レジスト像および基材を同時にエッチングしてレジスト像の三次元形状を基材に転写する。
この場合、レジスト像と同一の形状を転写するにはレジストと下地基材のエッチング速度を等しくする。また、縦方向に圧縮した形状を得るにはレジストのエッチング速度を下地基材のエッチング速度より速くし、逆に縦方向に引き延ばした形状を得るにはレジストのエッチング速度を下地基材のエッチング速度より遅くする。
【0043】
なお、エッチング速度は使用するレジストとエッチング装置におけるエッチング条件によって変化するので、これらを総合的に判断してエッチング条件を選択する必要がある。特に、ドライエッチング装置を使用する場合には、装置の構造(種類)やエッチング圧力(ガス圧)、エッチング出力、ガス流量、基板温度などの条件によってエッチング速度が変化するので、これらを総合的に判断してエッチング条件を選択する必要がある。
【0044】
なお、エッチング方法としてはウエットエッチングおよびドライエッチングが挙げられるが、レジストパターンの形状を極力正確に基板に転写するためには、ドライエッチングを採用することが好ましい。
ドライエッチング装置は、特に制限されないが、例えば、平行平板型リアクティブイオンエッチング装置やマグネトロンイオンエッチング装置等の公知のドライエッチング装置が使用される。
【0045】
ドライエッチングに使用するガスとしては、CF、CHF、C、Clに代表されるようなフッ素系、塩素系の単体ガス、またはこれらのガスを含む混合ガス等が好ましい。また、これらのガスに、酸素もしくは水素などのガス、あるいはHe、Arなどの不活性ガスを、必要に応じ混合してもよい。
【0046】
上記本発明方法によれば、微視的に見てなめらかな三次元表面形状の形成できる。また、本発明方法によれば、三次元に精度よく構造制御されたなめらかな表面の微小構造体を効率よく製造でき、特に、実用上微視的になめらかな表面形状を必要とする微小光学部品の製造方法として特に有効である。さらに、本発明方法によれば、従来得ることのできなかった三次元に精度よく構造制御されたなめらかな表面の微小プレス成形型を効率よく製造できる。
なお、本発明の三次元形状の形成方法は、微小構造体に限られず、通常の大きさの構造体にも適用できる。
【0047】
本発明の他の発明は、上述した三次元形状の形成方法によって製造したことを特徴とする三次元構造体である。
本発明の三次元構造体は、微視的になめらかな三次元表面形状を有する三次元に精度よく構造制御された微小構造体であり、実用上微視的になめらかな表面形状を必要とする微小光学部品として特に有効である。すなわち、本発明は、従来、実用製品として得ることのできなかった微小光学部品の実用化を図ったものであり産業上の利用価値が極めて高い。
【0048】
なお、微小構造体の用途や種類は特に制限されない。微小構造体の用途としては、例えば、微小光学部品、マイクロマシーン部品、マイクロセンサー部品としての用途が挙げられる。また、微小光学部品の種類としては、凸型レンズ、凹型レンズ、アナモフィックレンズ、レンチキュラーレンズ等の球面レンズや非球面レンズ、三角波形グレーティング、正弦波形グレーティング、台形波形グレーティング等のグレーティング、プリズム、ゾーンプレート、フレネルレンズ、ホログラフィックレンズなどが挙げられる。マイクロマシーン部品やマイクロセンサー部品の種類としては、凸型球面体、凹型球面体、非球面体、錐状突起体などが挙げられる。
【0049】
なお、本発明では、複数の微小構造体を任意の配置で配置して作製することができ、さらに、微小構造体を連続して作製したり、連続一体型の微小構造連続体を作製することができる。
【0050】
本発明の他の発明は、上述した三次元形状の形成方法によって製造したことを特徴とするプレス成形型である。
本発明のプレス成形型によれば、微小構造体を容易に大量生産できる。
【0051】
ここで、微小プレス成形型に加工される基材としては、耐光性や耐熱性、機械的強度の高い材料であればいかなる材料でも使用することができ特に制限されないが、例えば、SiC、WC、TiC、Cr、TiN、Al等の超硬材料、石英等のガラス材料、Si、Ge等の赤外線透過材料、ポリアミド類などに代表されるエンジニアリングプラスチック等が挙げられる。
【0052】
なお、プレスする材料としてはガラスやプラスチック等が用いられる。この場合、ガラスとしてはBK−7等の光学ガラスが用いられる。
また、プレスする材料としてプラスチックを用いる場合には、プレス型に石英等の透明材料を用い、紫外線硬化樹脂をプレス型と被転写基板との間に充填し、紫外線を照射して樹脂を硬化させて樹脂製の微小光学素子等をプレス成型できる。
ここで、紫外線硬化樹脂としては、ポリスチレン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、あるいはこれらの樹脂の混合物等公知の樹脂が使用できる。
【0053】
さらに、プレス型に耐熱性材料を用い、熱硬化樹脂をプレス型と被転写基板との間に充填し、加熱によって熱硬化樹脂を硬化させて樹脂製の微小光学素子等を成型することもできる。
ここで、熱硬化樹脂としては、ポリスチレン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、あるいはこれらの樹脂の混合物等公知の樹脂が使用できる。
【0054】
【実施例】
以下、実施例にもとづき本発明をさらに具体的に説明する。
【0055】
実施例1
石英基板3上にγ値を1.0に調整したg線対応ポジ型スチレン系フォトレジスト4を塗布し、図1に示すような円形遮光パターン2を有するフォトマスク1を用いて、等倍g線密着露光機でレジスト4の露光を行った(図2(a))。
ここで、図1に示すフォトマスク1は、円外周に向かって遮光部分の占有面積が徐々に減少する遮光パターン2を有するものとし、遮光部分の間隔が限界ピッチ(Pc=0.11μm)以下としたものを使用した。
【0056】
次いで、現像液(ヘキスト社製AZデベロッパー)でフォトレジスト4の現像を行い(現像時間120秒、プリベーク温度90℃、時間60分)、対角20μm、高さ1μmの凸型球面レジスト像5を形成した(図2(b))。
【0057】
続いて、平行平板型リアクティブイオンエッチング装置を用い、250Wの高周波電力を供給し、C流量50sccm、レジスト4のエッチング速度を基板3のエッチング速度と同一とした条件で、上記凸型球面レジスト像を有する石英基板をドライエッチングし、凸型球面レジスト像5を石英基板3に転写して、対角20μm、高さ1μmの石英製凸型球面体を形成した(図2(c))。
【0058】
実施例2
実施例1で得られた対角20μm、高さ1μmの石英製凸型球面体を母型とし、光重合性モノマー(日本化学薬社製2P用モノマーINC312)を母型と基板との間に充填し、20mW/cmの照射強度で、240秒間水銀灯を照射しモノマーを重合硬化して、対角20μm、深さ1μmの樹脂製凹型球面体を形成した。
【0059】
実施例3
SiC基板3上にγ値が2.0であるg線対応ポジ型スチレン系フォトレジスト4を塗布し、図3にその一部が示されている遮光部分の間隔が徐々に変化する遮光パターン2を有するフォトマスク1(Pc=0.11μm以下)を用いて、等倍g線密着露光機でレジスト4の露光を行った(図4(a))。
【0060】
次いで、現像液(ヘキスト社製AZデベロッパー)でフォトレジスト4の現像を行い、さらに、200℃で30分間熱処理を施して、格子ピッチ105.6μm、格子深さ0.698μmの正弦波回折格子レジスト像5を形成した(図4(b))。
【0061】
続いて、平行平板型リアクティブイオンエッチング装置を用い、250Wの高周波電力を供給し、CF流量40sccm、レジスト4のエッチング速度を基板3のエッチング速度より速くした条件で、上記正弦波回折格子レジスト像を有するSiC基板をドライエッチングし、正弦波回折格子レジスト像5を石英基板3に縦方向に圧縮して転写して、格子ピッチ105.6μm、格子深さ0.279μmの正弦波回折格子を形成した(図4(c))。
【0062】
実施例4
実施例3で得られた格子ピッチ105.6μm、格子深さ0.279μmの正弦波回折格子を母型とし、二酸化ケイ素70重量%、酸化鉛25重量%、その他数種類の微量元素成分からなるガラスを加熱後にプレスして、格子ピッチ105.6μm、格子深さ0.279μmのガラス製正弦波回折格子を形成した。
【0063】
実施例5
SiC基板3上にγ値を0.7に調整したg線対応ポジ型スチレン系フォトレジスト4を塗布し、図5にその一部が示されている外周に向かって遮光部分の占有面積が徐々に減少する輪帯状遮光パターン2を有するフォトマスク1(Pc=0.50μm以下)を用いて、g線5倍縮小投影露光機でレジスト4の露光を行った(図6(a))。
【0064】
次いで、現像液(ヘキスト社製AZデベロッパー)でフォトレジスト4の現像を行い、直径48μm、深さ3.88μmの形状が反転されたフレネルレンズレジスト像5を形成した(図6(b))。
【0065】
続いて、平行平板型リアクティブイオンエッチング装置を用い、250Wの高周波電力を供給し、CF流量40sccm、レジスト4のエッチング速度を基板3のエッチング速度より速くした条件で、上記形状が反転されたフレネルレンズレジスト像を有するSiC基板をドライエッチングし、形状が反転されたフレネルレンズレジスト像5を石英基板3に縦方向に圧縮して転写して、直径48μm、深さ1.55μmの形状が反転されたSiC製フレネルレンズ体を形成した(図6(c))。
【0066】
実施例6
実施例5で得られた形状が反転されたSiC製フレネルレンズ体を母型とし、油化シェルエポキシ社製エピコート152と油化シェルエポキシ社製エピキュア114とを混合して得たエポキシ樹脂を母型と石英基板との間に充填し、30℃で4日間加熱硬化させた後、母型を引き剥して、直径48μm、高さ1.55μmのエポキシ樹脂製フレネルレンズを形成した。
【0067】
実施例7
PMMA基板3上にγ値を0.7に調整したg線対応ポジ型スチレン系フォトレジスト4を塗布し、図7にその一部(図示Aの部分に対応する)が示されている遮光部分の幅が徐々に変化する遮光パターン2を有するフォトマスク1(Pc=0.50μm以下)を用いて、g線5倍縮小投影露光機でレジスト4の露光を行った(図8(a))。
【0068】
次いで、現像液(ヘキスト社製AZデベロッパー)でフォトレジスト4の現像を行い、溝角度120°、溝深さ40μmのV溝型レジスト像5を形成した(図8(b))。
【0069】
続いて、平行平板型リアクティブイオンエッチング装置を用い、250Wの高周波電力を供給し、CF流量40sccm、レジスト4のエッチング速度を基板3のエッチング速度より遅くした条件で、上記V溝型レジスト像を有するPMMA基板をドライエッチングし、V溝型レジスト像5をPMMA基板3に縦方向に引き延ばして転写して、溝角度60°、溝深さ120μmのPMMA製V溝型を形成した(図8(c))。
【0070】
なお、上記実施例1〜7で形成した微小構造体および微小プレス成形型の表面をSEM(走査型電子顕微鏡)で観察したところ微視的に見てなめらかな表面形状であることが確認された。
【0071】
以上好ましい実施例をあげて本発明を説明したが、本発明は必ずしも上記実施例に限定されるものではない。
【0072】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の三次元表面形状の形成方法によれば、微視的に見てなめらかな三次元表面形状を形成できる。
また、本発明方法によれば、三次元に精度よく構造制御されたなめらかな表面の微小構造体を効率よく製造でき、特に、実用上微視的になめらかな表面形状を必要とする微小光学部品の製造方法として特に有効である。
さらに、本発明方法によれば、従来得ることのできなかった三次元に精度よく構造制御されたなめらかな表面の微小プレス成形型を効率よく製造できる。
【0073】
また、本発明の微視的に見てなめらかな三次元表面形状を有する微小三次元構造体は、従来実用製品として得ることのできなかった微小光学部品の実用化を図ったものであり産業上の利用価値が極めて高い。
【0074】
さらに、本発明のプレス成形型によれば、微小構造体を容易に大量生産できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例で使用したフォトマスクを示す平面図である。
【図2】本発明の実施例における製造工程を示す工程説明図である。
【図3】本発明の他の実施例で使用したフォトマスクの遮光パターンの一部を示す平面図である。
【図4】本発明の他の実施例における製造工程を示す工程説明図である。
【図5】本発明の他の実施例で使用したフォトマスクの遮光パターンの一部を示す平面図である。
【図6】本発明の他の実施例における製造工程を示す工程説明図である。
【図7】本発明の他の実施例で使用したフォトマスクの遮光パターンの一部を示す平面図である。
【図8】本発明の他の実施例における製造工程を示す工程説明図である。
【符号の説明】
1 フォトマスク
2 遮光パターン
3 基板
4 フォトレジスト
5 レジスト像
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a method for forming a three-dimensional shape, and in particular, a microstructure whose structure is precisely controlled in three dimensions, such as a microlens, a micromachine, and a microsensor, and press molding for mass production of these microstructures. The present invention relates to a method for forming a mold and the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, attempts have been made to fabricate a microstructure such as a micromachine using a lithography technique used in semiconductor manufacturing or the like. Specifically, a photoresist is applied to the microstructure forming substrate, exposed and developed through a photomask to obtain a resist pattern, and this resist pattern is transferred to the microstructure forming substrate by etching to form a minute pattern. A method of manufacturing a structure is known, but with this method, the shape of the obtained microstructure in the depth direction is limited to a rectangle, and the shape in the depth direction cannot be controlled.
[0003]
Therefore, various methods for producing a microstructure whose structure is precisely controlled in three dimensions such as a three-dimensional curved surface have been studied and proposed.
[0004]
For example, a method has been proposed in which a resin pattern array formed in a rectangular shape is heated and melted to be deformed into a spherical shape to produce a resin-made convex microlens array (Japanese Patent Laid-Open No. 5-40216) (with known example 1). To do).
[0005]
As another method, a method of producing a stepped shape by repeating exposure and development has been proposed (Journal Vacuum Science Technology, B9 (6), 1991, pages 3117-3120) (known example 2 and To do).
[0006]
Furthermore, as another method, there has been proposed a method of producing a shape corresponding to the exposure amount of the electron beam by changing the exposure amount of the electron beam depending on the exposure position, exposing the electron beam resist, and developing the resist. JP-B-2-44060) (referred to as publicly known example 3).
[0007]
Further, exposing the photoresist through a photomask that gives a transmitted light amount in which the interval between the light shielding portions of the photomask is less than the diffraction limit of the exposure wavelength and the light transmitted through the light shielding portion continuously changes in a plane, Next, a method of forming an afterimage resin pattern (three-dimensional resist image) corresponding to the exposure amount in the exposed area by developing is proposed (IEE Proceedings on MM SMS, (1994, pp. 205-210) (known example 4).
[0008]
On the other hand, regarding the manufacturing method of press molds for mass production of microstructures, the shape of a transparent matrix that has been subjected to microfabrication is transferred to a photosensitive resin, and the transferred photosensitive resin is etched by a base press. A method of transferring to a mold for molding has been proposed (Japanese Patent Publication No. 6-15184) (referred to as known example 5).
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional microstructure manufacturing method has the following problems.
[0010]
That is, the method described in the known example 1 has a problem that the shape obtained is limited to a spherical shape because the surface is made spherical by utilizing the surface tension of the molten resin.
[0011]
Further, in the method described in the known example 2, since it is necessary to repeat the steps of resist film formation, exposure, and development a plurality of times, the manufacturing is complicated, and the alignment between the photomask and the object to be exposed is performed. There is a problem that it is technically difficult to manufacture.
[0012]
Furthermore, in the method described in the known example 3, since all patterns are drawn with an electron beam, there is a problem that exposure takes time and productivity is extremely low.
[0013]
Further, in the method described in the known example 4, a three-dimensional resist image can be produced with high productivity. However, the three-dimensional resist image actually produced by the method of the known example 4 is microscopic. Since the surface shape is stepped (jagged), there is a problem that it is difficult to actually apply to the manufacture of products such as microlenses that require a smooth surface shape.
[0014]
Furthermore, the method described in the known example 5 has a problem that it is difficult to produce a three-dimensional shape of 100 μm or less because the mother die is produced by machining. In the production of a press die using a super hard material, since grinding and polishing are usually performed with a grindstone, there is a problem that the size of a work die is limited to millimeters or more.
[0015]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a method for forming a microscopically smooth three-dimensional surface shape.
Another object of the present invention is to provide a microstructure having a three-dimensional surface shape that is microscopically smooth and whose structure is precisely controlled in three dimensions, a press mold for mass-producing these microstructures, and the like.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the three-dimensional shape forming method of the present invention comprises a resist mask formed on a substrate, and a lithography mask having a light-shielding pattern that continuously changes the exposure intensity reaching the resist layer. A step of exposing the resist layer, a step of developing the resist layer after the exposure to form a three-dimensional resist image, and simultaneously etching the resist image and the substrate to form a resist image. In a method for forming a three-dimensional shape including a step of transferring a three-dimensional shape to a substrate, resist and / or resist image forming conditions are used such that the residual film curve of the resist becomes a residual film curve having a gentle slope. As a configuration.
[0017]
The three-dimensional shape forming method of the present invention is the same as the three-dimensional shape forming method of the present invention, wherein the resist that forms the remaining film curve having a gentle slope is a resist with low contrast and low resolution. ,
A resist image forming condition that results in a gradual residual film curve is a resist baking condition and / or a developing condition;
The resist and / or the resist image forming conditions that form the residual film curve with the gentle slope are the conditions that the resist contrast is 2.0 or less in terms of gamma value,
In the step of exposing the resist layer, a configuration in which reduced projection exposure is performed, or after the step of forming a three-dimensional resist image by the development process, the three-dimensional resist image is higher than the melting point of the resist. It is as composition which heats at temperature.
[0018]
Further, the micro three-dimensional structure of the present invention is configured to produce a three-dimensional structure having a three-dimensional surface shape that is smooth microscopically by the above three-dimensional shape forming method.
[0019]
Furthermore, the press mold of the present invention is configured to produce a press mold having a smooth three-dimensional surface shape microscopically by the above three-dimensional shape forming method.
[0020]
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
In the method for forming a three-dimensional shape of the present invention, first, a resist layer is formed on a substrate, and a lithography mask having a light-shielding pattern that continuously changes the exposure intensity reaching the resist layer is used. The resist layer is exposed.
[0021]
Here, as the base material, any material can be used as long as it has high light resistance and high mechanical strength, and is not particularly limited. For example, SiC, WC, TiC, Cr3C2TiN, Al2O3Examples thereof include superhard materials such as quartz, glass materials such as quartz, infrared transmitting materials such as Si and Ge, engineering plastics represented by polyamides, and the like. The shape of the substrate is not particularly limited, but a substrate is usually used.
[0022]
In addition, the resist layer is formed by existing methods such as spin coating, dip coating, and spray coating for solution type resists, and existing methods such as vacuum deposition, sputtering, and CVD for solid type resists such as inorganic resists. It is formed by the method.
[0023]
In the present invention, a lithography mask having a light-shielding pattern that continuously changes the exposure intensity reaching the resist layer is used.
This is because, in general, the residual film thickness after development of the resist changes in accordance with the exposure light intensity (exposure amount) exposed on the resist, so that the exposure intensity reaching the resist layer is continuously changed to change the resist thickness. This is for continuously changing the remaining film thickness after development.
[0024]
Here, there are several types of lithography masks having a light-shielding pattern that continuously changes the exposure intensity reaching the resist layer.
For example, a mask in which at least a part of the optical density of the light shielding portion is continuously changed can be used. Such a mask can be obtained by continuously changing the thickness of the light shielding film or continuously changing the composition of the light shielding film.
[0025]
As another mask, a mask in which at least a part of the interval between the light shielding portions of the mask is an interval below the diffraction limit of the exposure wavelength, or at least a part of the interval of the opening portion of the mask is an interval below the diffraction limit of the exposure wavelength. Masks.
In this case, in order to set the interval between the light shielding portions of the mask or the interval between the opening portions to be equal to or less than the diffraction limit of the exposure wavelength, these intervals may be set to be equal to or less than the limit pitch shown below.
Pc = λ / NA (1 + σ)
Here, Pc is the limit pitch, λ is the exposure wavelength, NA is the numerical aperture of the exposure device, and σ is the filling factor of the light shielding portion in the pixel. Here, regarding the filling ratio of the light shielding portion, the shape of the light shielding portion is not particularly limited as long as the light shielding area in one pixel can be varied, but shapes such as a linear shape, a dot shape, and a rectangular shape are mainly used.
[0026]
In the case of reducing exposure using a stepper, the actual mask (reticle) is not projected with the interval between the light shielding portions or the opening portion being less than the diffraction limit of the exposure wavelength. The interval between the light shielding portions on the resist or the interval between the opening portions is set to be equal to or smaller than the diffraction limit of the exposure wavelength.
[0027]
The above-described mask has a pattern width (pitch) or pattern area that can be accurately transferred without being affected by diffraction, and the exposure intensity in this case is 1, and the pattern width or area is 1 or less. The intermediate exposure intensity of 1 or less is to be obtained using the influence of the above.
[0028]
Still another mask is a mask in which at least a part of the interval between the light shielding portions of the mask is an interval below the resolution limit of the resist, or at least a part of the interval between the openings of the mask is an interval below the resolution limit of the resist. And the mask.
For example, if the resolution limit of the resist is 1 μm, the interval between the light shielding portions of the mask or the interval between the opening portions is set to an interval of 1 μm or less. This is to be considered because the above-mentioned limit pitch is different if the resolution limit (resolution) of the resist is different. Therefore, if the resolution limit of the resist is 2 μm, the interval between the light shielding portions of the mask or the interval between the opening portions is set to an interval of 2 μm or less.
[0029]
In addition, regarding the formation material of the lithography mask having a light-shielding pattern that continuously changes the exposure intensity described above, any material that is transparent to the exposure wavelength can be used as the mask substrate. Any material that can transfer a pattern having a contrast of optical density required for a transfer target through a mask can be used as the light-shielding film constituting the film. Specifically, examples of the mask substrate include a quartz glass plate and an aluminoborosilicate glass plate. Examples of the light shielding film material include chromium, chromium oxide, tungsten silicide, tantalum silicide, molybdenum silicide, and silver colloid.
[0030]
The lithography mask includes an electron beam mask and an ion beam mask in addition to a photomask and an X-ray mask. In addition, the exposure method includes contact exposure (contact exposure), proximity exposure (proximity exposure), 1 × exposure such as 1 × projection exposure (mirror projection exposure), reduced projection exposure, and the like. When the reduction projection exposure is used, a finer microstructure can be easily formed as compared with the same magnification exposure. Further, the exposure light source includes ultraviolet / visible light, excimer laser, X-ray (including synchrotron radiation), electron beam, ion beam, and the like.
[0031]
In the present invention, when the resist layer after the exposure is developed to form a three-dimensional resist image, a condition that a resist image having a smooth surface as viewed microscopically is used is used. It is characterized by.
This is because, when a resist with high contrast and high resolution is used, the exposure intensity reaching the resist layer is continuously changed by the lithography mask having the specific light-shielding pattern. This is because the continuous change is stepped when viewed microscopically, and the surface of the obtained three-dimensional resist image is stepped (notched) when viewed microscopically.
[0032]
Accordingly, the present inventors have come up with an active use of conditions that do not allow a sharp resist image to be formed.
Specifically, in the present invention, a resist and / or resist image forming conditions that provide a remaining film curve with a gentle slope are used.
[0033]
Here, the residual film curve (characteristic curve) of the resist generally takes a value (residual film ratio) in which the horizontal axis represents the common logarithm of the dose and the vertical axis represents the film thickness after development with the coating film thickness. The residual film curve shape (slope, etc.) is the characteristics of the resist itself (type of resin constituting the resist, etc.), the heat treatment conditions of the resist (pre-bake conditions, etc.), development processing conditions, exposure It varies depending on the light source.
The slope of the remaining film curve is called a gamma value (γ value), and this γ value serves as an index representing the contrast of the resist. The higher this value, the higher the contrast and the higher the resolution. In general, the γ value of the negative resist is defined by the slope of the remaining film curve (tangent value of the tilt angle) when the residual film ratio is 0.5, and the γ value of the positive resist has a residual film ratio of 0. Defined by the slope of the remaining film curve.
[0034]
Therefore, using resist and resist image forming conditions that form a residual film curve with a gentle slope as a whole, a resist image having a smooth shape (edge, etc.) with low contrast and low resolution can be formed. This is because if the slope of the residual film curve is gentle, the residual film thickness of the resist can be controlled over a wide range of exposure intensity, and the residual resist film thickness can be obtained in accordance with subtle changes in the exposure intensity. .
[0035]
Here, examples of the resist that has a gently-sloping residual film curve include resists with low contrast and low resolution. Such resists include the types of resins constituting the resist, sensitizers, and solvents. It is prepared by selectively adjusting the content and the like.
[0036]
Also, resist image forming conditions that form a residual film curve with a gentle slope include resist baking conditions and / or development conditions. This is because, as described above, the shape of the remaining film curve changes depending on the heat treatment conditions and development processing conditions of the resist.
[0037]
Examples of development conditions include development time, development method, type of developer, concentration and temperature, resist dissolution characteristics, and the like, and these conditions are set so that a residual film curve with a gentle slope is obtained. In particular, the development time and the dissolution property of the resist affect the resist shape (resist profile) after development, and therefore the conditions are set in consideration thereof. Specifically, these conditions can be changed variously to actually create a residual film curve, and various conditions can be set based on this.
Further, since the developing temperature, the developing method (spray pressure in the spray method or the convection speed of the developer in the dipping method, etc.) affect the resolving power, conditions are set in consideration thereof.
[0038]
Pre-baking is usually performed for the purpose of removing the solvent from the resist film, but in the present invention, the pre-baking temperature and the pre-baking time are set so that the remaining film curve has a gentle slope.
[0039]
In view of the fact that a high-contrast, high-resolution resist having a gamma value of 2.0 or more is used in a normal semiconductor process, resist and / or resist image formation that forms a residual film curve with a gentle slope It can be said that the conditions are such that the resist contrast is 2.0 or less in terms of gamma value.
Here, the value of the γ value changes depending on the characteristics of the resist itself, the heat treatment condition of the resist, the development process condition, etc., as in the case of the residual film curve described above. Can be obtained.
The value of γ value is preferably 2.0 or less for the above reason, but in order to make the effect of the present invention more reliable, the γ value is preferably 1.5 or less, More preferably, it is 1.0 or less.
With regard to the lower limit of the γ value, care should be taken not to make it extremely low in order to obtain a residual resist film thickness corresponding to a subtle change in exposure intensity.
[0040]
The types of resins constituting the resist include, for example, photocrosslinkable resins such as cinnamate-based photodimerization-type photosensitive resins, metal ion dichromate-type photosensitive resins, and azide-type photodecomposition-crosslinking-type photosensitive resins. , Photodegradable resins such as diazo-based photodegradable insoluble photosensitive resins, quinonediazide-based photodegradable soluble photosensitive resins, unsaturated polyester-based photosensitive resins, acrylate-based photosensitive resins, nylon-based photosensitive resins, Examples thereof include photopolymerizable resins such as cationic polymerization photosensitive resins, chalcogenide inorganic resists, and the like. These resins may be used alone or in combination of two or more.
[0041]
In the present invention, the three-dimensional resist image may be heated at a temperature higher than the melting point of the resist after the step of forming the three-dimensional resist image by the development process. As a result, the resist is deformed and becomes smooth. Thus, when heat-melting is performed after the above steps, a smoother three-dimensional resist image can be obtained in a short time with less undulation and fewer local defects than when heat-melting alone.
[0042]
In the present invention, after the developing step, the resist image and the base material are simultaneously etched to transfer the three-dimensional shape of the resist image to the base material.
In this case, in order to transfer the same shape as the resist image, the etching rates of the resist and the base substrate are made equal. Also, to obtain a shape compressed in the vertical direction, the resist etching rate should be higher than the etching rate of the base material. Make it slower.
[0043]
Since the etching rate varies depending on the resist used and the etching conditions in the etching apparatus, it is necessary to comprehensively judge these and select the etching conditions. In particular, when using a dry etching system, the etching rate varies depending on conditions such as the structure (type) of the system, etching pressure (gas pressure), etching output, gas flow rate, and substrate temperature. It is necessary to judge and select the etching conditions.
[0044]
The etching method includes wet etching and dry etching, but it is preferable to employ dry etching in order to transfer the shape of the resist pattern onto the substrate as accurately as possible.
The dry etching apparatus is not particularly limited. For example, a known dry etching apparatus such as a parallel plate type reactive ion etching apparatus or a magnetron ion etching apparatus is used.
[0045]
The gas used for dry etching is CF4, CHF3, C2F6, Cl2Fluorine-based and chlorine-based single gases represented by the above, or mixed gases containing these gases are preferred. Further, these gases may be mixed with a gas such as oxygen or hydrogen, or an inert gas such as He or Ar, if necessary.
[0046]
According to the method of the present invention, a smooth three-dimensional surface shape can be formed when viewed microscopically. Further, according to the method of the present invention, it is possible to efficiently manufacture a microstructure with a smooth surface whose structure is accurately controlled in three dimensions. This is particularly effective as a production method. Furthermore, according to the method of the present invention, it is possible to efficiently produce a fine press mold having a smooth surface whose structure is accurately controlled in three dimensions, which could not be obtained conventionally.
Note that the three-dimensional shape forming method of the present invention is not limited to a microstructure, and can be applied to a structure having a normal size.
[0047]
Another invention of the present invention is a three-dimensional structure manufactured by the above-described method for forming a three-dimensional shape.
The three-dimensional structure of the present invention is a microstructure that has a microscopically smooth three-dimensional surface shape and is precisely controlled in three dimensions, and requires a practically microscopically smooth surface shape. It is particularly effective as a micro optical component. That is, the present invention is intended for practical use of micro optical components that could not be obtained as a practical product in the past, and has an extremely high industrial utility value.
[0048]
Note that the use and type of the microstructure are not particularly limited. Examples of the use of the microstructure include use as a micro optical component, a micro machine component, and a micro sensor component. Also, the types of micro optical components include spherical lenses such as convex lenses, concave lenses, anamorphic lenses, lenticular lenses, and aspherical lenses, triangular waveform gratings, sine waveform gratings, trapezoidal waveform gratings, prisms, zone plates, etc. , Fresnel lenses, holographic lenses, and the like. Examples of the types of micromachine parts and microsensor parts include convex spherical bodies, concave spherical bodies, aspherical bodies, and conical projections.
[0049]
Note that in the present invention, a plurality of microstructures can be arranged in an arbitrary arrangement, and the microstructures can be continuously manufactured, or a continuous monolithic microstructure continuum can be manufactured. Can do.
[0050]
Another invention of the present invention is a press mold characterized by being manufactured by the above-described method for forming a three-dimensional shape.
According to the press mold of the present invention, a microstructure can be easily mass-produced.
[0051]
Here, as a base material processed into a micro press mold, any material can be used as long as it is a material having high light resistance, heat resistance, and mechanical strength, and is not particularly limited. For example, SiC, WC, TiC, Cr3C2TiN, Al2O3Examples thereof include superhard materials such as quartz, glass materials such as quartz, infrared transmitting materials such as Si and Ge, engineering plastics represented by polyamides, and the like.
[0052]
In addition, glass, plastics, etc. are used as a material to press. In this case, optical glass such as BK-7 is used as the glass.
When plastic is used as the material to be pressed, a transparent material such as quartz is used for the press die, an ultraviolet curable resin is filled between the press die and the transfer substrate, and the resin is cured by irradiating ultraviolet rays. Resin micro optical elements can be press-molded.
Here, as the ultraviolet curable resin, a known resin such as polystyrene resin, epoxy resin, urethane resin, polyolefin resin, polyimide resin, polyamide resin, polyester resin, or a mixture of these resins can be used.
[0053]
Furthermore, a heat-resistant material can be used for the press mold, a thermosetting resin can be filled between the press mold and the transfer substrate, and the thermosetting resin can be cured by heating to mold a resin-made micro optical element or the like. .
Here, as the thermosetting resin, a known resin such as polystyrene resin, acrylic resin, epoxy resin, urethane resin, polyolefin resin, polyimide resin, polyamide resin, polyester resin, or a mixture of these resins can be used.
[0054]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples.
[0055]
Example 1
A g-line-compatible positive styrene-based photoresist 4 with a γ value adjusted to 1.0 is applied onto a quartz substrate 3 and a photomask 1 having a circular light-shielding pattern 2 as shown in FIG. The resist 4 was exposed with a line contact exposure machine (FIG. 2A).
Here, the photomask 1 shown in FIG. 1 has a light-shielding pattern 2 in which the area occupied by the light-shielding portion gradually decreases toward the outer periphery of the circle, and the interval between the light-shielding portions is less than the limit pitch (Pc = 0.11 μm). What was used was used.
[0056]
Next, the photoresist 4 is developed with a developer (AZ developer manufactured by Hoechst) (development time 120 seconds, pre-baking temperature 90 ° C., time 60 minutes), and a convex spherical resist image 5 having a diagonal of 20 μm and a height of 1 μm is obtained. It formed (FIG.2 (b)).
[0057]
Subsequently, using a parallel plate type reactive ion etching apparatus, high frequency power of 250 W was supplied, and C2F6The quartz substrate having the convex spherical resist image is dry-etched under the conditions that the flow rate is 50 sccm and the etching rate of the resist 4 is the same as the etching rate of the substrate 3, and the convex spherical resist image 5 is transferred to the quartz substrate 3. A quartz convex spherical body having a diagonal of 20 μm and a height of 1 μm was formed (FIG. 2C).
[0058]
Example 2
The quartz convex spherical body having a diagonal of 20 μm and a height of 1 μm obtained in Example 1 is used as a matrix, and a photopolymerizable monomer (Nippon Chemical Co., Ltd. 2P monomer INC312) is interposed between the matrix and the substrate. Filled, 20mW / cm2The monomer was polymerized and cured by irradiation with a mercury lamp for 240 seconds at an irradiation intensity of 2 to form a resin concave spherical body having a diagonal of 20 μm and a depth of 1 μm.
[0059]
Example 3
A g-line compatible positive styrene-based photoresist 4 having a γ value of 2.0 is applied on the SiC substrate 3, and a light shielding pattern 2 in which the interval between the light shielding portions, a part of which is shown in FIG. The resist 4 was exposed using a photomask 1 having Pc (Pc = 0.11 μm or less) with an equal-magnification g-line contact exposure machine (FIG. 4A).
[0060]
Next, the photoresist 4 is developed with a developer (AZ developer manufactured by Hoechst), and further subjected to heat treatment at 200 ° C. for 30 minutes, and a sine wave diffraction grating resist having a grating pitch of 105.6 μm and a grating depth of 0.698 μm. An image 5 was formed (FIG. 4B).
[0061]
Subsequently, using a parallel plate type reactive ion etching apparatus, high frequency power of 250 W was supplied, and CF4The SiC substrate having the sine wave diffraction grating resist image is dry-etched under the condition that the flow rate is 40 sccm and the etching speed of the resist 4 is higher than the etching speed of the substrate 3, and the sine wave diffraction grating resist image 5 is longitudinally applied to the quartz substrate 3. Sine wave diffraction grating having a grating pitch of 105.6 μm and a grating depth of 0.279 μm was formed (FIG. 4C).
[0062]
Example 4
A glass composed of a sine wave diffraction grating having a grating pitch of 105.6 μm and a grating depth of 0.279 μm obtained in Example 3 and comprising 70% by weight of silicon dioxide, 25% by weight of lead oxide, and several other trace element components. Was heated and pressed to form a glass sine wave diffraction grating having a grating pitch of 105.6 μm and a grating depth of 0.279 μm.
[0063]
Example 5
A g-line compatible positive styrene-based photoresist 4 with a γ value adjusted to 0.7 is applied on the SiC substrate 3, and the area occupied by the light-shielding portion gradually increases toward the outer periphery shown in part in FIG. 5. Using the photomask 1 (Pc = 0.50 μm or less) having a ring-shaped light shielding pattern 2 that decreases to a minimum, the resist 4 was exposed using a g-line 5-fold reduction projection exposure machine (FIG. 6A).
[0064]
Next, the photoresist 4 was developed with a developer (AZ developer manufactured by Hoechst) to form a Fresnel lens resist image 5 in which the shape having a diameter of 48 μm and a depth of 3.88 μm was inverted (FIG. 6B).
[0065]
Subsequently, using a parallel plate type reactive ion etching apparatus, high frequency power of 250 W was supplied, and CF4Under the condition that the flow rate is 40 sccm and the etching rate of the resist 4 is higher than the etching rate of the substrate 3, the SiC substrate having the Fresnel lens resist image having the inverted shape is dry-etched, and the Fresnel lens resist image 5 having the inverted shape is obtained. A SiC Fresnel lens body having a diameter of 48 μm and a depth of 1.55 μm inverted was formed by being compressed and transferred in the vertical direction on the quartz substrate 3 (FIG. 6C).
[0066]
Example 6
The SiC Fresnel lens body obtained by inverting the shape obtained in Example 5 was used as a matrix, and an epoxy resin obtained by mixing Epicoat 152 manufactured by Yuka Shell Epoxy and EpiCure 114 manufactured by Yuka Shell Epoxy Co., Ltd. was used as a matrix. After filling between the mold and the quartz substrate and heat-curing at 30 ° C. for 4 days, the mother mold was peeled off to form an epoxy resin Fresnel lens having a diameter of 48 μm and a height of 1.55 μm.
[0067]
Example 7
A g-line compatible positive styrene-based photoresist 4 having a γ value adjusted to 0.7 is applied on the PMMA substrate 3, and a part thereof (corresponding to the part A in the figure) is shown in FIG. The resist 4 was exposed with a g-line 5-fold reduction projection exposure machine using a photomask 1 (Pc = 0.50 μm or less) having a light-shielding pattern 2 with a gradually changing width (FIG. 8A). .
[0068]
Next, the photoresist 4 was developed with a developer (AZ Developer manufactured by Hoechst) to form a V-groove resist image 5 having a groove angle of 120 ° and a groove depth of 40 μm (FIG. 8B).
[0069]
Subsequently, using a parallel plate type reactive ion etching apparatus, high frequency power of 250 W was supplied, and CF4Under the conditions that the flow rate is 40 sccm and the etching rate of the resist 4 is slower than the etching rate of the substrate 3, the PMMA substrate having the V-groove resist image is dry-etched, and the V-groove resist image 5 is stretched vertically on the PMMA substrate 3. Thus, a PMMA V-groove mold having a groove angle of 60 ° and a groove depth of 120 μm was formed (FIG. 8C).
[0070]
In addition, when the surface of the microstructure formed in Examples 1 to 7 and the minute press mold was observed with a SEM (scanning electron microscope), it was confirmed that the surface shape was smooth when viewed microscopically. .
[0071]
Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, the present invention is not necessarily limited to the above embodiments.
[0072]
【The invention's effect】
As described above, according to the three-dimensional surface shape forming method of the present invention, a smooth three-dimensional surface shape can be formed microscopically.
Further, according to the method of the present invention, it is possible to efficiently manufacture a microstructure with a smooth surface whose structure is accurately controlled in three dimensions. This is particularly effective as a production method.
Furthermore, according to the method of the present invention, it is possible to efficiently produce a fine press mold having a smooth surface whose structure is accurately controlled in three dimensions, which could not be obtained conventionally.
[0073]
Further, the micro three-dimensional structure having a three-dimensional surface shape that is smooth from the microscopic viewpoint according to the present invention is an industrial application of a micro optical component that could not be obtained as a practical product. The utility value of is extremely high.
[0074]
Furthermore, according to the press mold of the present invention, the microstructure can be easily mass-produced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a photomask used in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a process explanatory view showing a manufacturing process in an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view showing a part of a light shielding pattern of a photomask used in another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a process explanatory view showing a manufacturing process in another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan view showing a part of a light shielding pattern of a photomask used in another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a process explanatory view showing a manufacturing process in another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a plan view showing a part of a light shielding pattern of a photomask used in another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a process explanatory view showing a manufacturing process in another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Photomask
2 Shading pattern
3 Substrate
4 photoresist
5 resist image

Claims (4)

基材上にレジストを塗布してレジスト層を形成し、該レジスト層に到達する露光強度を連続的に変化させる遮光性パターンを有するリソグラフィー用マスクを用いて、前記レジスト層を露光する工程と、
前記露光後のレジスト層を現像処理して三次元形状のレジスト像を形成する工程と、
前記レジスト像および基材を同時にエッチングしてレジスト像の三次元形状を基材に転写する工程とを有する三次元形状の形成方法において、
前記レジスト層におけるレジストの残膜曲線を、照射量の常用対数と、現像後の(レジスト)膜厚をレジスト塗布膜厚で規格化した残膜率をとって得られた曲線であって、前記残膜曲線の傾きであるガンマ値が2.0以下となるレジストおよび/またはレジスト像形成条件を使用することを特徴とする三次元形状の形成方法
但し、前記ガンマ値は、レジストがネガ型レジストの場合、残膜率が0.5となるときの前記残膜曲線の傾きとし、ポジ型レジストの場合、残膜率が0となるときの残膜曲線の傾きとする
Applying a resist on a substrate to form a resist layer, and exposing the resist layer using a lithography mask having a light-shielding pattern that continuously changes the exposure intensity reaching the resist layer;
A step of developing the resist layer after the exposure to form a three-dimensional resist image;
In the method for forming a three-dimensional shape, including simultaneously etching the resist image and the base material to transfer the three-dimensional shape of the resist image to the base material,
The residual film curve of the resist in the resist layer is a curve obtained by taking the common logarithm of the irradiation amount and the residual film ratio obtained by standardizing the resist film thickness after development with the resist coating film thickness, A method for forming a three-dimensional shape, comprising using a resist and / or resist image forming conditions in which a gamma value, which is a slope of a residual film curve, is 2.0 or less .
However, the gamma value is the slope of the residual film curve when the residual film ratio is 0.5 when the resist is a negative resist, and the residual value when the residual film ratio is 0 when the resist is a positive resist. The slope of the membrane curve .
前記リソグラフイーマスクは、マスクの遮光部分の間隔を少なくとも一部を露光波長の回折限界以下の間隔としたマスク、あるいはマスクの開口部分の間隔の少なくとも一部を露光波長の回折限界以下の間隔としたマスクのいずれかであることを特徴とする請求項1記載の三次元形状形成方法 The lithographic mask is a mask in which at least a part of the interval between the light-shielding portions of the mask is an interval below the diffraction limit of the exposure wavelength, or at least a portion of the interval between the opening portions of the mask is an interval below the diffraction limit of the exposure wavelength. The three-dimensional shape forming method according to claim 1, wherein the mask is any one of the masks . 請求項1又は2記載の三次元形状形成方法を使用し、微小構造体用プレス成形型を製造する微小構造体プレス成形型の製造方法 The manufacturing method of the microstructure press-molding die which uses the three-dimensional shape formation method of Claim 1 or 2 and manufactures the press-molding die for microstructures . 請求項3記載の微小構造体用プレス成形型の製造方法によって得られた微小構造体用プレス成形型を使用し、プレス成形して微小構造体を製造する微小構造体の製造方法 A method for manufacturing a microstructure, wherein the microstructure is manufactured by press molding using the microstructure pressing mold obtained by the method for manufacturing a microstructure pressing mold according to claim 3 .
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