JP4296779B2

JP4296779B2 - 光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP4296779B2
Application number: JP2002367174A
Authority: JP
Inventors: 浩二小川; 広文菊池; 登米谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2022-12-18
Also published as: JP2004198735A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、様々な光学装置に用いられるマイクロレンズアレイ等の光学素子、特に光通信等に用いられるマイクロレンズアレイの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数のマイクロレンズを具えるマイクロレンズアレイは図７に示すような方法で製造されていた。
先ず、基板面上に加熱硬化型樹脂等の有機高分子材料層を形成し、更にこの有機高分子材料層上にフォトレジスト層を形成する。次に前記フォトレジスト層を選択的に露光、現像処理して熱軟化性のフォトレジストパターンを形成し、その後、熱処理をしてフォトレジストパターンをリフローする。前記リフローにより形成された略球面のなだらかな表面形状を有するフォトレジスト層を、プラズマエッチング等により前記有機高分子層とともにエッチングし、前記フォトレジストパターンを有機高分子層に転写し、光学面がほぼ球面のマイクロレンズが配列したマイクロレンズアレイを作製する。（例えば、特許文献１、特許文献２参照）以後、光学面は、マイクロレンズアレイ等の光学素子の光学特性を決定する面を意味し、球面又は非球面等の固有の面形状を有する。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−８２６６号公報
【特許文献２】
特開平３−１４８１７３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようにして熱リフローを用いて作製されたマイクロレンズアレイは光学面の形状精度が低かった。また、多様な面形状の光学面、例えば非軸対称の自由曲面を有する光学面を形成することが極めて困難であるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明者は、特願２００１−３００３０２号に、所定の空間濃度分布を持たせたマスクの像を縮小投影露光装置でフォトレジスト面に縮小結像して露光し、現像することにより、所望の形状の光学面を有するフォトレジスト製マイクロレンズアレイを作製する方法を提案している。
【０００６】
その方法を図５を参照しながら以下に示す。図５は、簡単の為に、多数あるマイクロレンズの内１個のみを示す。
手順１基板４面上にフォトレジスト層３を塗布する。この層厚はマイクロレンズアレイのレンズ高さを確保できる厚さとされ、一般に１０μｍ以上と通常のフォトレジストプロセスよりも厚い。・・・図５（ａ）
手順２このフォトレジスト層面に、投影露光装置（不図示）を用いて、グレースケール(光学濃度)が所定の空間分布を有するグレースケールマスク８（以後単にグレースケールマスクと呼ぶ）の縮小像を結像して縮小露光し、露光後に現像することにより、基板４と基板４面上に所望の形状の光学面を有するフォトレジスト層３とを具えたフォトレジスト製マイクロレンズアレイ６が作製される。・・・図５（ｂ）
基板材料面上にマイクロレンズアレイを作製する場合、更に、以下の手順３を経る。
手順３手順２までで作製されたフォトレジスト製マイクロレンズアレイ６のレジスト層３をエッチングマスクとして基板４をドライエッチングすることにより、フォトレジスト層３が有するマイクロレンズアレイの形状が基板４に転写され、基板面上にマイクロレンズアレイが作製される。・・・図５（ｃ）
手順１、２により作製されたフォトレジスト製マイクロレンズアレイの形状を図３、図４に示す。図３は平面図であり、多数のマイクロレンズが基板面上に二次元状に配置されている。図４は図３のＡ−Ａ切断面の拡大図であり、マイクロレンズ３個のレンズ面の断面図を示す。
【０００７】
手順１、２、３により作製されたマイクロレンズアレイが有する光学面には、所望の形状の球面又は非球面、円筒面或いは平面、等が形成されている。上記二つの方法で作製されたマイクロレンズの光学面は、面の拡がり方向に、粗いサンプリング間隔で且つ粗い空間分解能で測定すると、形状精度が高い。しかしながら、細かいサンプリング間隔で且つ細かい空間分解能で測定すると、光学面は滑らかではなくて無視できない不要な凹凸（以後単に凹凸と呼ぶ）があった。この原因は、グレースケールマスクの光透過特性の空間的不連続性、又はフォトレジストの露光特性の空間的不均一性、又は現像の空間的不均一性、等に起因すると推定される。この凹凸の度合い（以後単に凹凸度と呼ぶ）、言い換えると、表面粗さの程度をＲＭＳ値とＰＶ値とで表すと、ＲＭＳ：５〜６ｎｍ、ＰＶ：５０〜６０ｎｍになる。
【０００８】
面の凹凸度が大きいと、光学面で散乱等が生じ、光学特性を劣化させる。上記程度の凹凸度を持つマイクロレンズアレイは通常の照明光学系などには全く問題なく使用できるが、結像光学系、特に、光通信の光学系に用いる場合には大きすぎる。光通信の光学系に用いる為には、マイクロレンズの光学面の凹凸度を、上記した凹凸度の１／３程度以下に低減しなければならない。
【０００９】
本発明は、以上の問題を解決し、マイクロレンズアレイ等の光学素子の光学面の凹凸度を低減する製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決する為の手段】
以上の問題を解決する為に、本発明の光学素子は、基板と、前記基板面上のフォトレジスト層と、前記フォトレジスト層表面上に形成された光学面とを有する光学素子の製造方法であって、フォトレジスト層表面上に光学面を形成する段階と、該フォトレジスト層を溶解する溶剤を準備する段階と、前記溶剤および前記基板を室温に保持した状態で、前記溶剤の蒸気に該光学面を曝露し、前記光学面の不要な凹凸の凹凸度を低減又は除去する段階とを具えることを特徴とする。（請求項１）
又、前記光学素子の製造方法であって、前記光学面を、恒温状態にある前記溶剤の飽和蒸気中に曝露することが好ましい。（請求項２）
本発明の光学素子の製造方法は、基板と基板面上に形成された光学面とを有する光学素子の製造方法であって、前記基板面上にフォトレジスト層を形成し、前記フォトレジスト層表面上に前記光学面形成の為のエッチングマスクとなるマスク面を形成する段階と、該フォトレジスト層を溶解する溶剤を準備する段階と、前記溶剤および前記基板を室温に保持した状態で、前記フォトレジストを溶解する溶剤の蒸気に該マスク面を曝露し、前記マスク面の不要な凹凸の凹凸度を低減又は除去する段階と、前記マスク面をエッチングマスクとしてドライエッチングすることにより前記基板面上に前記光学面を形成する段階とを具えることを特徴とする。（請求項３）
又、請求項１〜３何れか１項記載の光学素子の製造方法であって、前記光学素子がマイクロレンズアレイであることを特徴とする。（請求項４）
【００１１】
【発明の実施の形態】
［発明の実施の形態］
本発明の光学素子の製造方法を実施する対象の光学素子は、基板と基板面上に形成されたフォトレジスト層とを具え、そのフォトレジスト層の表面上に光学面が形成され、その光学面に凹凸を有する光学素子である。この凹凸は前に述べたように不要な凹凸である。
【００１２】
フォトレジスト層に用いるフォトレジストは好ましくはポジ型のフォトレジストであり、より好ましくはポジ型のノボラック樹脂である。
【００１３】
本発明の光学素子の製造方法の特徴は、上記光学素子の光学面をフォトレジストを溶解する溶剤の蒸気に曝露することである。
【００１４】
本発明の光学素子の製造方法に用いるフォトレジストを溶解する溶剤（以下単に溶剤と呼ぶ）としては、処理の対象の光学面が形成されたフォトレジスト層を溶解するものであれば、特に、フォトレジストの希釈や、洗浄等に一般的に用いるものに限定されるものではなく、ジオキサンやエチレングリコールモノメチルエーテルなどのエーテル系のものが好ましく、ＰＧＭＥＡ（プロピレングリコールメチルエーテル）がより好ましい。又、ある種のシンナー（例えば、東京応化社製ＰＭシンナー）も好ましく使うことが出来る。
【００１５】
本発明の製造方法に用いる溶剤の蒸気は、前記フォトレジストを溶解する溶剤を適当な温度に保つことにより、この溶剤の液面から溶剤蒸気を蒸発させて得られる。
【００１６】
本発明の製造方法の処理を安定的に行なう為には、本発明の処理中に於けるこの溶剤の蒸気圧を空間的に一様で、時間的に一定とすることが好ましい。その為に、この溶剤の蒸気圧が、温度一定の下で、溶剤から蒸発（気化）した蒸気の量とこの溶剤の液面に戻る（液化）蒸気の量とが平衡する飽和蒸気圧で、この飽和蒸気に被処理光学素子を曝露する処理を行なうことが好ましい。
【００１７】
本発明に用いる溶剤の飽和蒸気を生成する為に、密閉容器中で溶剤を所定温度Ｔに保ち、溶剤を蒸発させ、同時に密閉容器の内面を温度Ｔに保つ。
【００１８】
本発明の処理を行なうために、被処理光学素子を密閉容器にセットする際に、被処理光学素子も予め温度Ｔに保っておくことが好ましい。
【００１９】
本発明の光学素子の製造方法は、上記溶剤蒸気が処理対象のフォトレジスト層の光学面の凹凸に化学的に作用し、この凹凸の表面だけを溶解させることによって処理が進行する。その処理条件は、溶剤の種類、処理温度、処理時間を調整することで適正化される。この適正化された条件で処理を行なうことにより、被処理光学素子の光学面の凹凸の凹凸度は低減するが、光学面の形状精度は変化しない。
【００２０】
上記処理条件の内で、処理温度Ｔが上昇すると、溶剤の蒸気圧は上昇するので、被処理の凹凸部に到達する溶剤蒸気の量が増えて、処理速度が高まる。凹凸度が処理される程度、即ち処理量は、処理速度と処理時間との積に比例して増える。処理量は少なすぎると、凹凸度の改善効果が不充分であり、多すぎると光学面の形状精度を変化させてしまうので、最適な処理量がある。また、処理温度が高すぎると処理時間は短くて済むが、処理品質が安定しない、又低すぎると処理に時間が掛かりすぎるので好ましくなく、最適処理温度が存在する。最適処理温度は、被処理光学面の形状、フォトレジストの種類、溶剤の種類に依存し、繰り返しテストすることによって決定される。
【００２１】
本発明の光学素子の製造方法によれば、以上述べたようにフォトレジスト層の光学面の不要な凹凸度を低減し、形状精度を変化させない。
［実施例１］
本実施例は基板面上のフォトレジスト製マイクロレンズアレイの製造方法を示す。図１、図２、図５（ａ）（ｂ）、図６は本実施例を説明する図である。本実施例で製造するマイクロレンズアレイは複数のマイクロレンズを具えるが、図５（ａ）（ｂ）では簡単の為に、マイクロレンズアレイ６中のマイクロレンズを１個のみ示している。このマイクロレンズは、光学面が中心対称の形状を持つ。
【００２２】
先ず、φ１５０ｍｍ×１．０ｍｍ^tの石英基板４面上にノボラック樹脂系のポジ型フォトレジストをスピナーを用いて塗布する。塗布条件は、フォトレジストの粘度：８３０ｃｐ、スピナー回転数：４００ｒｐｍ、塗布時間：４０秒である。塗布されたフォトレジスト層３の層厚は３１μｍ、層厚分布は１％ＰＶ（領域１００ｍｍφ）である。
【００２３】
次に。グレースケールマスク８の縮小像を、ステッパー（不図示）により、石英基板４面上のフォトレジスト層３面上に結像することによりフォトレジスト層３を露光する。・・・図５（ａ）
ここで、グレースケールマスク８は、図５、図６に示すように、透明基板９とこの透明基板面上に形成された遮光層１０とこの遮光層面上にほぼ中心対称に配列された多数の微小開口１１とを有する。図６に於いて、斜線を付けた複数の小円が微小開口１１であり、この微小開口１１は露光光を透過し、微小開口１１の配置密度は中心から周辺に向かうに従って増大している。
【００２４】
尚、ｄは、微小開口１１が同心状に配置されている輪帯の幅であり、略微小開口の径に等しい。また、微小開口１１と同径の斜線がない複数の小円は、遮光層部分であり、１〜２７の小円は、微小開口１１が配置され得る場所を示している。
【００２５】
従って、フォトレジスト層３面上に縮小結像されるグレースケールマスク８の像の照度分布は中心対称であり、且つ中心から周辺に向けて照度が増加する。その結果、フォトレジスト層３の露光度分布も、ほぼ中心対称であり、且つ中心から周辺に向けて露光度が増加する。
【００２６】
次に、露光されたフォトレジスト層３を現像すると、フォトレジストはポジ型であるので、石英基板４面上に中心対称形状で、周辺に向かって高さが低下する凸形状の、光学面を有するフォトレジスト層３を具えるフォトレジスト製マイクロレンズアレイ６が作製される。・・・図５（ｂ）
こうして作製されるフォトレジスト製マイクロレンズアレイ６のマイクロレンズの光学面は、面の拡がり方向に、粗いサンプリング間隔で且つ粗い空間分解能で測定すると、微小開口の配列密度を正確に反映して形状精度が高い。しかしながら、この光学面を細かいサンプリング間隔で且つ細かい空間分解能で測定すると、表面に無視できない凹凸がある。
【００２７】
以上のようにして作製された光学素子のこの光学面の凹凸の凹凸度を低減する為に、続いて次の処理を行なう。
【００２８】
この処理を図１を参照して説明する。
【００２９】
図１に於いて、先ず、フォトレジストを溶解させる溶剤（ＰＧＭＥＡ：プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート）１をシャーレ５に注ぎ、蓋（不図示）をして２３℃に保つ。この実施例で、一連の作業は、半導体プロセスの一般的環境である、室温が２３℃のクリーンルーム中で行われるので、処理にあたり特に温度制御は必要がなく、そのまましばらく放置することにより、シャーレ５内の溶剤蒸気２の圧力は飽和蒸気圧に達する。この溶剤蒸気２は、ＰＧＭＥＡの蒸気である。
【００３０】
この状態を乱さないように、前記蓋を素早くフォトレジスト製マイクロレンズアレイ６が面上に形成された石英基板４と交換し、密閉する。このとき、石英基板４がシャーレ５の蓋の役割をし、フォトレジスト製マイクロレンズアレイ６が面上に形成された石英基板４も事前に２３℃に保たれているので、溶剤蒸気２の飽和蒸気圧は維持される。
【００３１】
シャーレ５内で、フォトレジスト製マイクロレンズアレイ６の光学面は溶剤蒸気２に１０分間曝露される。
【００３２】
【表１】

表１に、このマイクロレンズアレイ６中の任意の３個のマイクロレンズＡ、Ｂ、Ｃの１０分間溶剤蒸気に曝露する前後の凹凸度即ち表面粗さを比較した結果を示す。１０分間曝露した後に、表面粗さが、ＲＭＳ値で３分の１以下に、ＰＶ値で５分の１以下に低減しており、著しい改善効果が得られた。この表面粗さは光通信用光学系のマイクロレンズアレイとして充分に使用できるレベルである。
【００３３】
また、図２に、この１０分間溶剤蒸気に曝露した後のマイクロレンズアレイ中の任意の１個のマイクロレンズの形状変化を示す。横軸はマイクロレンズの中心軸からの距離であり、Ａは曝露前のレンズ形状（光学面の形状）を示し、Ｂはこの曝露処理によるレンズ形状の変化を示す。図２より、形状変化は、マイクロレンズの殆どの位置で±０.１μｍ以下と充分に小さく、作製されるマイクロレンズアレイは形状精度が高いことがわかる。
［実施例２］
本実施例は石英ガラス製マイクロレンズアレイの製造方法を示す。図１、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）、図６は本実施例を説明する図である。本実施例で製造するマイクロレンズアレイは複数のマイクロレンズを具えるが、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は簡単の為に、マイクロレンズアレイ７中のマイクロレンズを１個のみ示している。このマイクロレンズは、光学面が中心対称の形状を持つ。
【００３４】
先ず、実施例１と同様な方法でフォトレジスト製マイクロレンズアレイ６を作製する。
【００３５】
即ち、図５（ｂ）の工程の後に、図１に示すように、フォトレジスト製マイクロレンズアレイ６は溶剤蒸気２に曝露され、その光学面の表面粗さは、充分に低減されているが、そのレンズ形状は変化していない。又、このフォトレジスト製マイクロレンズアレイ６が具えるフォトレジスト層３の面形状は、作製対象のマイクロレンズの光学面に対応する形状とされている。
【００３６】
次に、この作製されたフォトレジスト製マイクロレンズアレイ６のフォトレジスト層３をエッチングマスクとしてＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙｃｏｕｐｌｅｄｐｌａｚｍａ）ドライエッチングをすることにより、石英基板４面にフォトレジスト製マイクロレンズアレイの形状を転写し、石英ガラス製マイクロレンズアレイ７を作製する。・・・図５（ｃ）
本実施例の製造方法によれば、表面粗さが小さくて、高い形状精度のフォトレジスト層３をエッチングマスクとしているので、表面粗さが小さくて、形状精度が高い石英ガラス製のマイクロレンズアレイ７を作製することが出来る。
【００３７】
この石英製マイクロレンズアレイの光学面の表面粗さは光通信用光学系のマイクロレンズアレイとして充分に使用できるレベルである。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の光学素子の製造方法によれば、光学面が形成されたフォトレジスト層を溶剤蒸気に曝露する処理をするので、フォトレジスト製のマイクロレンズアレイ等の光学素子の光学面の凹凸度を低減することが出来る。
【００３９】
又、本発明の光学素子の製造方法によれば、光学面に対応した面形状が形成されたフォトレジスト層を溶剤蒸気に曝露する処理をするので、このフォトレジスト層をエッチング用マスクとして基板面をエッチングすることにより、基板面上に形成されるマイクロレンズアレイ等の光学素子の光学面の凹凸度を低減することができる。
【００４０】
又、本発明は非軸対称等の自由曲面を有する面でも処理でき非処理面の形状には制限がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の光学素子の製造方法を説明する図である。
【図２】実施例の光学素子の製造方法で作製したマイクロレンズアレイの光学面の形状変化を示す図である。
【図３】マイクロレンズアレイの平面図である。
【図４】マイクロレンズの断面図を示す。
【図５】本発明の光学素子の製造方法を説明する図である。
【図６】本発明の光学素子の製造方法で用いるグレースケールマスクの平面図を示す。
【図７】従来のマイクロレンズアレイの製造方法を示す図である。
【符号の説明】
１フォトレジスト溶解性の溶剤
２フォトレジスト溶解性の溶剤の蒸気
３フォトレジスト層
４基板
５シャーレ
６フォトレジスト製マイクロレンズアレイ
７石英ガラス製マイクロレンズアレイ
８グレースケールマスク
９透明基板
１０遮光層
１１微小開口

Claims

基板と、前記基板面上のフォトレジスト層と、前記フォトレジスト層表面上に形成された光学面とを有する光学素子の製造方法であって、フォトレジスト層表面上に光学面を形成する段階と、該フォトレジスト層を溶解する溶剤を準備する段階と、前記溶剤および前記基板を室温に保持した状態で、前記溶剤の蒸気に該光学面を曝露し、前記光学面の不要な凹凸の凹凸度を低減又は除去する段階とを具えることを特徴とする光学素子の製造方法。
前記光学面を、恒温状態にある前記溶剤の、飽和蒸気中に曝露することを特徴とする請求項１記載の光学素子の製造方法。
基板と基板面上に形成された光学面とを有する光学素子の製造方法であって、前記基板面上にフォトレジスト層を形成し、前記フォトレジスト層表面上に前記光学面形成の為のエッチングマスクとなるマスク面を形成する段階と、該フォトレジスト層を溶解する溶剤を準備する段階と、前記溶剤および前記基板を室温に保持した状態で、前記フォトレジストを溶解する溶剤の蒸気に該マスク面を曝露し、前記マスク面の不要な凹凸の凹凸度を低減又は除去する段階と、前記マスク面をエッチングマスクとしてドライエッチングすることにより前記基板面上に前記光学面を形成する段階とを具えることを特徴とする光学素子の製造方法。
前記光学素子がマイクロレンズアレイであることを特徴とする請求項１〜３何れか１項記載の光学素子の製造方法。