JP3626756B2 - リソグラフィにより作られたフレネル表面構造の段つきレンズ及び製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、互いに角度が変位した円柱軸線を有する円柱レンズビーム線量分配の重合により、半径方向に対称か、だ円形の光学作用によるリソグラフィにより作られたフレネル表面構造の段つきレンズに関するものである。その上、発明の対称は角度が変位した円柱軸線を有する円柱レンズの２つのビーム線量分配の重合露出およびレジスト層の深さで現象面の進行ステップが停止される次の現象工程により、レジスト層の構成が行なわれる。段つきレンズおよび製造方法である。
レンズ構造は、側面とプロフイルで高精度を持たねばならない。限定された寸法でのリソグラフィによるレンズ製造方法は、以前から周知である。光，電子ビーム，レントゲンビームまたはイオンビームで作動するリソグラフィ方法は、原則的にそのようなプロフイルの製造に適する。多くの場合、しかしながら、書き込み方法では、長期の加工時間の問題が生じる。その原因は、プロフイル面の表出のため、処理すべき多数の要素の構造細部での湾曲構造幾何学の不可欠な分析にある。
この事実は、屈折マクロクレンズアレーの電子リソグラフィによる製造に基ずき明らかにできる。この例を根拠とする方法は“可変線量書き込み”という名称で周知であり、現像浴での感光レジストの溶解速度が、レジスト内に入れられる電子線量により決定できるという事実を利用している。それにより、所定時間後の現像の中断と共に最も望ましい表面プロフイルを得るように、側面の電子線量分配を設計することができる。
図１は、この方法を概略的に示している。
個々のレンズの半径対称のレンズ曲率およびプロフイルが有限の高さ段の場合、均一な電子線量のリング状処理区域が生じる。アレーでの有効な配置のためレンズを正方形に限定すると、同一の電子線量の外リングは閉じない。生じるデータ消耗が大きく、個々のレンズが比較的遅く処理される。
非常に急速な電子ビーム露出システムは、長方形断面の可変成形ビームで作業する。しかし、座標軸に平行な長方形電子ゾンデができる限り大きい面で利用できる時だけ、その潜在的露出速度を利用できる。この例では、全く不可能である。というのは、円形リングに近ずけるために非常に多くの小さい長方形を処理しなければならないからである。
図２、長方形での円形リングの分析を概略的に示す。また急速な電子ビーム露出システムを使用する場合、不満足な長い処理時間が生じる。
西ドイツ国公開明細書1772567号によると、適当に期間の異なる露出や連続現像や再ハロゲン化または写真層のつや出し現像により異なる光学的路長を生じることが知られている。
２つのシステムが正方形アレーで互いに垂直である線により露出されると、球形レンズの網目スクリーンが生じる。
この解決策では、実質的に同一設計で光学的品質の劣るレンズのレンズ網目スクリーンだけが製造できるという欠点がある。
この発明の課題は、可変の長方形断面で作動する急速な電子ビーム露出システムの高い潜在的露出速度を、フレネル形段つきレンズの製造のため高効率に変換し、必要なデータ量を減らす事である。この発明によると、表面構造の形成のため、少なくとも１つのビーム線量分配がフレネル円柱レンズと一致することにより、この課題が解決され、互いに角度が変位した円柱軸線を持つ円柱レンズのビーム線量分配の重合により、半径対称か、だ円光学作用によるリソグラフィにより作られたフレネル表面構造の段つきレンズにより解決される。
特殊なリソグラフィで作られた段つきレンズでは、表面構造は、互いに直角に向いた側面により形成され、レンズの中心から遠ざかると共に狭くなる格子内に埋め込まれる隣接階段要素の形の段を有し、その際、側面はその交点と中心からの垂直線の点で、側面において、中心と共に同一高さの個所を形成する。各々の階段要素のため、同一高さから出る高さ減少が現われ、側面と垂直およびレンズの縁に向く各々の方向内で高さ減少は、側面から側面まで同じ大きさであり、レンズの縁に対して離れている交点の方向で、階段要素の側面から側面に生じる高さ減少の合計に一致する。高さ減少は、側面と垂直な方向内で、波長の集積多重の位相ジャンプを実現する量を都合により有する。
この発明の対象は、更に、フレネルタイプの段つきレンズの製造方法であり、角度が変位した円柱軸線を持つ円柱レンズの２つのビーム線量分配の重合露出および現象面の進行が層の深さで停止する次の現象工程によりレジスト層の構成が行なわれる。少なくとも１つの重合露出するビーム線量分配がフレネル円柱レンズと一致する。
一方のビーム線量分配がフレネルレンズプロフイルに一致し、他方が、典型的なレンズプロフイルに一致する事が長所である。
また、両方のビーム線量分配がフレネルレンズプロフイルに一致することも有利である。更に、両方のビーム線量分配が典型的なレンズプロフイルに一致する事も長所である。
必要な露出がまず第１に順に実施でき、次に時間的に制限して現像でき、露出と現像を交互に実施することもできる。
この発明により、リソグラフィによるパターン発生のための露出データの形で、非常に効率的な仕方である３次元湾曲表面を利用することができる。
それぞれの個々の構造のためのデータは、比較的少ないスケールを有し、適切なシステム（例えば、可変成形ビームを持つ露出システム）で、リング構造の分析により生じる大規模なデータ量より著しく急速に処理できる。
この発明、特に、円柱レンズプロフイルの組合わせ、数および配置の変更により、更に、特定の線量分配のための比較的簡単に構成されるデータレコードの限定的蓄積により、所定の特徴を持つ多数のフレネルレンズ製造することができる。反対に、従来では、フレネルレンズによる製造において、変更の場合、データレコードを完全に改定する必要があった。
従来リング構造とフレネルレンズの作用が同じであるこの発明により作られたフレネルレンズは、更に、その表面構造、特に特定の段つき高さ、減少に基ずく色収差に関する改善特性を有する。
異なる光学機能の多くの線量分配を重合し露出することができる。円柱軸線の非垂直配置は、レンズプロフイルの平行四辺形縁境界または側面配置を提供する。
基板上での、所定の垂直線で現像されるようにレジスト層の厚さが決められている時、屈折レンズプロフイルに丸いレンズ縁が生じる。個々の構造の並列した多重配置により、レンズアレーが生じる。
この発明は、マスキング技術やエッチングステップによるバイナリー構成に同じく転用できる。
この発明より作られたレンズプロフイルは、電着により成形され、レンズの製造のため、周知な仕方が採用される。この発明を概略図に基ずき以下に詳細に説明する。
図１は、電子ビーム露出による表面プロフイルの発生及び関連する現象を示す。
図２は、従来のフレネルレンズの断片図を示す。
図３は、長方形分析による円形リングの発生を示す。
図4aは、デカルト座標系のＸ方向で形成される第１円柱レンズのプロフイルの線量分配を示す。
図4bは、図4aの線量分配により生じる円柱レンズのプロフイルを示す。
図5aは、デカルト座標系のＸ方向で形成される第１円柱レンズのプロフイルの線量分配を示す。
図5bは、図5aの線量分配により生じる円柱レンズのプロフイルを示す。
図6aは、正方形表面積を持つ、典型的な屈折レンズの線量分配を示す。
図6bは、図6aの線量分配の重なりにより生じる典型的な屈折レンズの線量分配を示す。
図7a,7bは、互いに直角に向く円柱軸線を持つ円柱レンズアレーのプロフイルを示す。
図7cは、図7a、図7bのプロフイルに応じた線量分配の重なりによるレンズアレーのプロフイルを示す。
図7dは、線量分配を示す。
図8a,8bは、フレネル表面構造を持つ円柱レンズのプロフイルの部分を示す。
図8cは、図8a、図8bの円柱レンズのプロフイルの線量分配の重なりにより生じるこの発明によるフレネルレンズの断片を示す。
図9aは、この発明による正方形に限定されたフレネルレンズの平面図を示す。
図9bは、図8cの断片図を示す。
図10は、この発明によるフレネルレンズの高度プロフイルの構成を示す。
図11aは、円柱レンズのプロフイルを示す。
図11bは、フレネル円柱レンズのプロフイルを示す。
図11cは、図11a、図11bのプロフイルの重なり生じるこの発明によるレンズプロフイルを示す。
図１は、基板２上に装着されるレジスト１内に表面プロフイルを構成する技術的方法を図解する。Ｘ方向での可変線量による電子ビーム露出３により、レジスト層１の可溶性が変化し、現象プロセスにおいて現象フロント４が形成される。露出および現象時間に応じて、現像の遮断後にレジスト１内に所定構造が現われ、それは図１によるとＸ方向に形成される階段構造である。
この技術的方法に従って図２のフレネルレンズを作るには、多くのデータに基ずく露出工程が必要である。図３は、そのために不可欠な長方形５での円形リング６の分析を明らかにするものであり、長方形の寸法や形状は、成形ビームとして形成される電子ビーム束により決定される。フレネルレンズの各々の作用面７は、各々の円形リング６に対応する多数の垂直ステップに分解される。各々の円形リング６は、更に、特定の線量に関連する。
所定の線量分配の使用下で、どのようにして屈折マイクロレンズプロフイルを生成できるかを第４図乃至第６図は、明らかにする。
図4bおよび図5bに対応する湾曲表面は、十分な数の長方形８の露出と現象の場合に生じる。
図6aによる互いに直角に向く円柱軸線と正方形表面積を持つ円柱レンズの線量分配の重なりにより、図6bによる正方形表面積を持つ典型的な放射レンズが生じる。放射レンズの焦点距離は、円柱レンズの焦点距離と同一である。
図7a〜図7dは、互いに直角方向の円柱軸線を持つレンズ配列を形成する例を示す。
屈折レンズ配列は、以下のパラメータにより製造できる。
焦点距離 ５
屈折率 1.5
レンズ材料 PMMA
レンズサイズ 150μｍ
レンズ境界 正方形
レンズ数 660＊660
５インチマスクブランク（約80nmクロムでコーテイングされたガラス基板）が電子レジスト（PMMA−共重合体）で被覆される。続く電子ビーム露出において、２つのデータレコードが必要となる。第１のデータレコードにより、Ｘ方向での屈折力による660＊660円柱レンズプロフイルのための線量分配の書き込みが実現される（第7a図）。図7dは、レンズプロフイルのためのＸ方向での理想的な線量分配を示す。ｙ方向（150μｍ）では線量は一定である。この線量分配は、各々が露出すべき正方形構造面（方形）に対応する90回の線量分配により近似される。第２のデータレコードは、同じ配列を90゜だけ回転してレジスト層に書き込む（図7b）。期間限定された現象後に表面プロフイルが完全に形成される（図7c）。
円柱レンズプロフイルの1/2のために必要である正方形面（方形）の最小数は、線量ステップ（ここでは90）の数に等しい。つまり、４つの1/2交差円柱レンズの全体で360個の方形が生じる。配列内のレンズの配置に基ずき、隣接する方形の集中により最大活用が可能である。第２図に対応する従来の放射重合方法による同一レンズ構造の加工は、少なくとも18,980個の方形を生じる。電子ビーム露出設備でのデータが処理される場合に、約30のフアクターだけの時間の節約が生じる。
図８乃至図10は、フレネル円柱レンズを互いに直角に向く円柱軸線と一致させる線量分配の重なりによる円柱レンズに応じた線量分配の他の組み合わせにより、当然変更ができ、その際、円柱軸線は、90゜変位した実際上意味のある角度を包含できる。
この発明によると、半径対称または、だ円光学作用によるレンズプロフイルを形成できる。
図8,図９によると、フレネルレンズは、互いに直角に向く側面10により形成され、レンズの中心11からの距離の増加と共に狭くなる格子網に埋め込まれる隣接階段要素９の形の階段から成る。側面10は、交点12および中心11から側面10への垂直の点で、中心11と共に等しい高さ個所から、各々の階段要素での方向に依存する高さ減少h₁,h₂,h_gesが生じる。見通しのために、階段要素9,側面10,交点12の一部分だけが示してある。
側面10に垂直でレンズの縁に向かう各々の方向の内側で、方向h₁とそれに垂直な方向h₂において、側面から側面への同一の高さ減少がある。高さ減少h₁とh₂は、互いに同一か異なる大きさにすることができる。
レンズの縁に対して離れて位置する交点12の方向で、高さ減少h_gesは、h₁とh₂の合計に一致する。
図10で示すフレネル円柱レンズの断片図の高さプロフイルは、図8c、図9bに対応し、この実情を再度明らかにする。
フレネル円柱レンズの断片をデカルト座標系に置くと、Ｘ方向に高さ減少h₁、ｙ方向に高さ減少h₂が現われ、その際、この例では、h₁＝h₂である。レンズの縁に対して離れる交点12の方向で高さ減少h_gesがある。
高さ減少h₁,h₂は、波長の集積多重の位相ジャンプを達成する大きさである。
側面10は、最も低く、実質的に交点12に対応する地点から、ほぼ垂直にレジスト表面13まで上昇する。更に外方に向かい高さ減少h₁,h₂,h_gesが続く。
図11a乃至図11cは、円柱レンズと、フレネル円柱レンズの対応する線量とに対応する線量の重合により、Ｘ軸に沿ってＺ方向に湾曲したフレネル区域を持つフレネルレンズの形成を明らかにする。
この発明は、当然、電子ビームの使用だけに限定されるものではない。
照射は光，レントゲン線，イオンビームでも行なえる。

Claims (5)

1. 互いに角度が異なる円柱軸線を持つ複数の円柱レンズの照射線量分布の重ね合わせによって、半径方向対称の光学作用または楕円の光学作用をするフレネル表面構造のリソグラフィにより作られた段付きレンズにおいて、
   表面構造の形成のため、少なくとも１つの照射線量分布がフレネル円柱軸線と一致し、
   互いに直角に向く円柱軸線を持つ２つのフレネル円柱レンズの照射線量分布の重ね合わせにより当該表面構造が形成され、かつ当該表面構造は隣接する階段要素の形状の階段を有し、当該階段要素は互いに直角に向く側面により形成された格子であって、レンズの中心からの距離が遠くなるとともに狭くなる格子内に埋め込まれ、
   当該側面は、直交座標系のｘ方向またはｙ方向に伸びて おり、また、その交線においてかつ側面の中心からの法 線上の点において同一高さで配置され、
   また、
   各々の階段要素に対して、同一高さ位置から生ずる高さ 減少があり、
   これらの高さ減少は、ｘ方向及びレンズの縁に平行なすべての方向において、あらゆる側面について同一であ り、h ₁ の値であり、
   これらの高さ減少は、ｙ方向及びレンズの縁に平行なすべての方向において、あらゆる側面について同一であ り、h ₂ であり、
   さらにこれらの高さ減少は、中心から、最も中心から離れたレンズの縁に位置する２つの側面の交点へ向かう方 向において、あらゆる側面について、h _ges ＝h ₁ ＋h ₂ であ る
   ことを特徴とするリソグラフィにより作られた段付きレンズ。
2. 角度的にオフセットした円柱軸を有する円柱レンズの２つの照射線量分布を重ね合わせの方法で順次露光し、他の照射線量分布の上へ露光される、少なくとも１回の照射線量分布がフレネル型円柱レンズに対応する、露光することと、
   現像面の進行がレジスト塗布層の深さで停止される、後続の現像工程を実行すること、
   の工程を特徴とするレジスト塗布層が構成されるフレネル型の段付きレンズの製造方法。
3. 他方の照射線量分布が古典的なレンズプロフイルに対応し、一方の照射線量分布がフレネルレンズプロフイルに対応する
   ことを特徴とする請求項２に記載の段付きレンズの製造方法。
4. 両方の照射線量分布がフレネルレンズプロフイルに
   対応することを特徴とする請求項２に記載の段付きレンズの製造方法。
5. 両方の照射線量分布が古典的なレンズプロフイルに対応することを特徴とする請求項２に記載の段付きレンズの製造方法。

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