JP4506264B2 - フォトレジストレンズの製造方法、レンズの製造方法、型の製造方法、光学装置、及び投影露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、グレースケールマスクを使用したフォトレジストレンズ、レンズ、及び型の製造方法、この型を使用したレンズの製造方法、さらにはこれらのフォトレジストレンズ又はレンズを使用した光学装置、及び投影露光装置に関するものである。

シリンドリカルレンズアレイ、マイクロレンズアレイ、フライアイレンズ等の光学素子は、ディジタルカメラ、光通信分野を中心に実用化され、益々使用範囲が拡大しており、エキシマレーザを光源とする露光装置の光源用のインテグレータとしても使用されている。従来、このようなマイクロレンズの製造方法として、特開平９−００８２６６号公報（特許文献１）に開示されているような、光リソグラフィを使用した方法が知られている。

これらの方法においては、通常のフォトマスクを用い、マスクにマイクロレンズに対応するパターンを形成し、光学基材表面に塗布されたレジストを感光させて現像することにより、レジストの立体矩形パターンを製作する。そして、このレジストの立体矩形パターンを熱フローによりレンズ（曲面）形状に変形させてマイクロレンズを形成するものである。さらに、必要に応じ、このレンズ形状となったレジストを光学基材と共にエッチングすることにより、レンズ形状のレジストのパターンを光学基材に転写し、光学基材からなるマイクロレンズを形成している。

近年、これとは全く別の原理に基づくマイクロレンズの製造方法が開発され、特開２００３−１０７２０９号公報（特許文献２）に開示されている。これは、グレースケールマスク（アナログ的とみなせる光透過率の変化を有するマスク）を使用して光学基材の表面に形成されたレジストを感光させ、レジストを現像することによって、グレースケールに応じた形状の、立体的なレジストパターンを形成し、それをマイクロレンズとするか、あるいは前述のように、さらにレンズ形状となったレジストを光学基材と共にエッチングすることにより、レンズ形状のレジストのパターンを光学基材に転写し、光学基材からなるマイクロレンズを形成するものである。

なお、光学素子の中には、レジストの形状に光学的な機能を持たせたものも存在する。このような光学素子は、レンズ形状となったレジストを光学基材と共にエッチングする前の工程で完成品とするものである。このような光学素子はフォトレジスト光学素子と呼ばれ、レンズはフォトレジストレンズと呼ばれている。後に述べるように、本発明は、このようなものをも対象とするものである。

特開平９−００８２６６号公報 特開２００３−１０７２０９号公報

以上説明したようなグレースケールマスクを使用して製造したフォトレジストレンズ、又はグレースケールマスクを使用してフォトレジストを所定の形状に形成し、エッチングによりその形状を基板に転写して製造したレンズに要求される性能は益々厳しくなってきている。

一般に、製造されたフォトレジストレンズ又はレンズ（以下、単にレンズということがある）の形状誤差を表現する場合には、所定の平面を基準にしたレンズの各部分の設計高さ（SAG量）と実際の高さ（SAG量）の差で表すが、この差を空間周波数に変換してみた場合、レンズの直径（シリンドリカルレンズの場合はレンズ幅をいうが、まとめてレンズ直径と称する）の倍の周期の誤差成分を取り除いた誤差成分を「うねり」と称することがある。

一般に、レンズの直径の倍の周期の誤差成分から、レンズ直径の１／２の周期までの、比較的長周期のうねりは、グレースケールマスクの設計変更により取り除くことができるが、それより短い周期のうねりは製作誤差に起因するものが多く、グレースケールマスクの設計により取り除くことが困難である。

このようなうねりを取り除く手段として、発明者の同僚は「ソルベントベーパ処理」と称する処理方法を発明し、本出願人が特願２００２−３６７１７４号として特許出願を行っている。

これは、グレースケールマスク等を使用して、基板の上に形成されたフォトレジストレンズの表面（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により、フォトレジストレンズ表面に形成された不要な凹凸を低減又は除去するものである。

しかしながら、このソルベントベーパ処理を行っても、レンズ直径の１／１０程度の比較的周期の短いうねりは除去することができるが、それよりは周期が長く、レンズ直径の１／２よりは短い周期である中周期のうねりを除去することはできない。

一方、前記特許文献１に記載されているような方法では、矩形のレジストを熱変形温度以上に昇温し、円形あるいは球形に近い滑らかな凸面形状に変形させており、この方法では、中周期のうねりを除去することができる。しかし、この方法は、矩形のレジストが滑らかな凸面形状になる程のレジスト流動を起こさせ、昇温前の形状を完全に変えるものである。

よって、この熱処理の方法では、グレースケールマスク法によりレジストの形状を所定の要求形状にした場合、熱処理後のレジスト形状はほぼ昇温前形状によらない円形あるいは球形に近い形状に変形してしまう。よって、要求形状とは全く異なった形状になり、別の大きな形状誤差を生じてしまう。結局、レンズ直径の１／１０〜１／２の周期のうねりを取り除いたり低減する有効な方法は開発されていない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、従来調整が困難であったレンズ直径の１／１０〜１／２の周期のうねりを取り除いたり低減することができるフォトレジストレンズの製造方法、レンズの製造方法、型の製造方法、この型を使用したレンズの製造方法、さらにはこれらのフォトレジストレンズ又はレンズを使用した光学装置を提供することを課題とする。

第１の形態は、基板上に塗布されたフォトレジストに、グレースケールマスクを用いて、光強度分布を持つパターン光を照射した後に、前記フォトレジストを現像することにより、前記フォトレジストを所定の立体形状としてレンズ作用を持たせるようにしたフォトレジストレンズの製造方法であって、前記現像後のレジストを、レジストの流動による変形は起こらないが、レジストが固体状態のまま変形する温度（熱変形温度より低い所定の温度）まで昇温する工程を含むことを特徴とするフォトレジストレンズの製造方法である。

ここで「熱変形温度」とは、図１１に示すＴｇに相当する温度のことである。すなわち、ある物質においては、その体積は温度の上昇と共に増加するが、所定の温度より高い温度では、体積の増加の程度が大きくなる。低い温度での体積の増加を直線近似した直線と、高い温度での体積の増加を直線近似した直線の交点をＴｇとし、この温度を本明細書及び請求の範囲では「熱変形温度」と呼ぶことにする。熱変形温度の典型的なものとしては、ガラス転移温度があげられる。

本形態においては、グレースケールマスクを用いて所定の形状に形成されたレジストを、この熱変形温度より低い所定の温度まで昇温する。すると、レジストが流動性を帯びることはないが、流動によらない熱変形が発生し、それにより、レンズ直径の１／１０〜１／２の周期のうねりを取り除いたり低減することができることを、発明者は発見した。この原因は必ずしも明らかではないが、熱によりレジスト中の分子が内部応力が開放される方向に移動して相対的な位置を変え、それによりレジストの形状が内部応力を有しない本来の形状に戻るためであると推定される。これは金属の熱処理に似ているが、レジストは樹脂であるため、一度応力が開放されて発生した変形は、温度を下げてもそのまま保たれると推定される。

第２の形態は、前記第１の形態であって、前記現像後のレジストを、その熱変形温度より低い所定の温度まで昇温する前、又は昇温して冷却した後に、ソルベントベーパ処理工程を行うことを特徴とするものである。

ソルベントベーパ処理法とは、前述のように基板の上に形成されたフォトレジストレンズの表面を、フォトレジストを溶解する溶剤の蒸気に曝露することにより、フォトレジストレンズ表面に形成された不要な凹凸を低減又は除去するものである。この方法を前記第１の手段に併用することにより、レンズ直径の１／１０以下の周期のうねりも除去したり低減することができるので、さらに精度の良いフォトレジストレンズを製造することができる。なお、第１の手段のみでも、レンズ直径の１／１０以下の周期のうねりを除去したり低減したりすることはある程度可能であるが、長時間の加熱処理を行うことが必要になるので、本形態を採用することが好ましい。

第３の形態は、基板上に塗布されたフォトレジストに、グレースケールマスクを用いて、光強度分布を持つパターン光を照射した後に、前記フォトレジストを現像することにより、前記フォトレジストを所定の立体形状とし、その後、当該フォトレジストの立体形状のパターンを前記基板に転写すると共に前記フォトレジストを除去して、前記基板からなるレンズを製造する方法であって、前記現像後のレジストを、その熱変形温度より低い所定の温度まで昇温する工程を含むことを特徴とするレンズの製造方法である。

この方法は、基本的に前記特許文献２に記載された方法と同じ方法であるが、本形態においては、この工程中における現像後のレジストを、その熱変形温度より低い所定の温度まで昇温するようにしている。よって、前記第１の手段と同じように、レンズ直径の１／１０〜１／２の周期のうねりを取り除いたり低減することができるので、このレジスト形状を基板に転写した場合も、レンズ直径の１／１０〜１／２の周期のうねりが取り除かれたり低減されたレンズを製造することができる。

第４の形態は、前記第３の形態であって、前記現像後のレジストを、その熱変形温度より低い所定の温度まで昇温する前、又は昇温して冷却した後に、ソルベントベーパ処理工程を行うことを特徴とするものである。

本形態においては、レンズ直径の１／１０以下の周期のうねりも除去したり低減することができるので、さらに精度の良いフォトレジスト形状を製造することができ、それを基板に転写した場合にも、さらに精度の良いレンズを製造することができる。

第５の形態は、基板上に塗布されたフォトレジストに、グレースケールマスクを用いて、光強度分布を持つパターン光を照射した後に、前記フォトレジストを現像することにより、前記フォトレジストを所定の立体形状とする型の製造方法であって、前記現像後のレジストを、その熱変形温度より低い所定の温度まで昇温する工程を含むことを特徴とする型の製造方法である。

前記第１の形態は、フォトレジストレンズを製造するものであったが、本形態はレジストを使用した型を製造するものである点が異なるだけで、その基本的な考え方は前記第１の形態と異なるところはない。

第６の形態は、基板上に塗布されたフォトレジストに、グレースケールマスクを用いて、光強度分布を持つパターン光を照射した後に、前記フォトレジストを現像することにより、前記フォトレジストを所定の立体形状とし、その後、当該フォトレジストの立体形状のパターンを前記基板に転写すると共に前記フォトレジストを除去して、前記基板からなる型を製造する方法であって、前記現像後のレジストを、その熱変形温度より低い所定の温度まで昇温する工程を含むことを特徴とする型の製造方法である。

前記第３の形態は、フォトレジストレンズを製造するものであったが、本形態はレジストを使用した型を製造するものである点が異なるだけで、その基本的な考え方は前記第１の形態と異なるところはない。

第７の形態は、前記第５の形態又は第６の形態であって、前記現像後のレジストを、その熱変形温度より低い所定の温度まで昇温する前、又は昇温して冷却した後に、ソルベントベーパ処理工程を行うことを特徴とするものである。

前記第２の形態、第４の形態は、フォトレジストレンズを製造するものであったが、本形態はレジストを使用した型を製造するものである点が異なるだけで、その基本的な考え方は前記第２の形態、第４の形態と異なるところはない。

第８の形態は、前記第５の形態から第７の形態のうちいずれかの型の製造方法により製造された型を用いて、他の基板に当該型を転写して新しい型を製造することを特徴とする型の製造方法である。

第９の形態は、前記第５の形態から第７の形態のうちいずれかの型の製造方法により製造された型を用いて、他の基板に当該型を転写して新しい型を製造し、さらにこの方を用いて他の基板に当該型を転写して新しい型を製造することを１回又は複数回繰り返すことを特徴とする型の製造方法である。

これら第８の形態、第９の形態においては、グレースケールマスクを用いてフォトリソグラフィにより製造した型を用いて、他の基板に当該型を転写して新しい型を製造し、さらには、その新しい型を型として、他の基板に当該型を転写してさらに新しい型一つの型を製造することを複数回繰り返しているので、一つの母型から複数の型を製造することができ、結局、グレースケールマスクを用いたフォトリソグラフィ工程を１回行うだけで、多数の型を製造することができる。

第１０の形態は、前記第５の形態から第９の形態のうちいずれかにより製造された型を母型として、電鋳を行うことにより、新しい型を製造することを特徴とする型の製造方法である。

本形態においては、電鋳により型を製造しているので、多回数使用できる型を製造することができる。

第１１の形態は、前記第５の形態から第１０の形態のうちいずれかの型の製造方法によって製造された型を用い、基板に当該型を転写してレンズを製造することを特徴とするレンズの製造方法である。

本形態においては、うねりの少ないレンズを、型を用いて大量に生産することができるので、精度の良いレンズを安価に製造することができる。

第１２の形態は、前記第１の形態若しくは第２の形態のフォトレジストレンズの製造方法によって製造されたフォトレジストレンズ、又は前記第３の形態、第４の形態、第１１の形態の製造方法によって製造されたレンズを、光学系に有することを特徴とする光学装置である。

本形態においては、精度のよいフォトレジストレンズ、又はレンズを光学系に有するので、光学特性を向上できると共に、安価なレンズを使用することにより、全体の価格を安価にできる。

第１３の形態は、前記第３の形態、第４の形態、第１１の形態の製造方法によって製造されたレンズを具備した照明光学系と、前記照明光学系により照明されたマスクに形成されたパターンを投影する投影光学系を有することを特徴とする投影露光装置である。

特に、照明光学系のフライアイレンズとして、前記第３の形態、第４の形態、第１１の形態の製造方法によって製造されたレンズを使用することにより、照明一様性を向上させることができる。このような照明一様性の高い照明光によりマスクを照明することにより、ウエハ上での露光均一性が向上し、現像後のレジストに正確なパターンを形成することができる。

本発明によれば、グレースケールマスクを使用したフォトレジストマイクロレンズ、又はマイクロレンズにおいて、従来調整が困難であったレンズ直径の１／１０〜１／２の周期のうねりを取り除いたり低減することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の基本的な例である、マイクロレンズアレイ、及びフォトレジストマイクロレンズアレイの製造方法を示す図である。

石英からなる基板１の上にレジスト２を塗布する（ａ）。この場合、レジストとしてはポジ型のものを使用している。そして、グレースケールマスク３を通して光をレジスト２上に照射する（ｂ）。図においてハッチングを施してある部分がグレースケールとなっており、ハッチング部の中心に行くほど光の透過率が低くなっている。ハッチングを施していない部分は、透明な部分である。

このようにして露光されたレジスト２を現像すると、強く光の照射を受けた部分は多く除去され、弱く光の照射を受けた部分は除去量が少なくなって、（ｃ）に示すように、レジスト２にマイクロレンズアレイのパターンが形成される。

このような状態で、レジスト２と基板１を同時にドライエッチングすると、レジスト２に形成されたマイクロレンズのパターンが基板１に転写され、レジスト２が無くなった状態で、基板１の表面にマイクロレンズアレイが形成される。レジスト２と基板１のエッチングレートの違いにより、レジスト２に形成されたマイクロレンズのパターンと基板１の表面に形成されたマイクロレンズのパターンはその凹凸度が異なるが、所望の凹凸を有するマイクロレンズのパターンが基板１の表面に形成されるように、予め、レジスト２に形成されるマイクロレンズのパターンの形状を決定しておけばよい。又、レジスト２を残し、その形状により所望の光学特性を持たせる光学素子の場合は、（ｃ）の工程で最終製品とすればよい。

このような方法によれば、マイクロレンズのみならす、マイクロシリンドリカルレンズ、及びこれらのアレイ、回折格子、フレネルレンズ等の種々の光学素子や、その他、光学素子以外の目的に使用される、表面に所定のパターンを有する基板を製造することができる。

以上の方法は、従来の方法と基本的に変わるところはないが、本手段においては、（ｃ）の工程で形成された、直径数百μｍ程度のマイクロレンズアレイの形状をしたレジスト２の表面を、レジスト２の熱変形温度より低い所定の温度に加熱する工程を加えている。所定の温度を何度とするかということ、及びどの程度の時間加熱するかということは、レジスト２の種類やマイクロレンズアレイの形状や精度に応じて、適宜決定すればよい。

このようにすると、加熱温度がレジスト２の熱変形温度より低いため、レジストの流動による変形は起こらないが、レジストが固体状態のまま変形し、後に実施例で示すように、その直径（シリンドリカルレンズの場合はレンズ幅）が数百μｍの場合、直径の１／１０〜１／２の周期のうねりが除去されたり低減されたりする。

よって、（ｃ）の工程の後にこのような熱処理を行い、製品とすれば、精度の良いフォトレジストマイクロレンズアレイを製造することができ、このような熱処理の後で前述のようにエッチングを行い（ｄ）に示すような基板形状を得れば、精度の良いマイクロレンズアレイを製造することができる。特に、基板に石英や蛍石を用いれば、極めて波長の短い紫外線に対しても透明であるので、紫外領域で用いられる光学装置用のマイクロレンズアレイの製造にとって有利である。

なお、（ｃ）の工程の後、前述の熱処理を行う前、又は前述の熱処理を行った後に、前述のソルベントベーパ処理を行うようにしてもよい。この方法の例を図２に示す。シャーレ４の中にレジスト２を溶解する溶剤５を入れ、蓋（図示せず）をする。

例えば、フォトレジストとしてノボラック樹脂系のポジ型フォトレジストを使用した場合、溶剤として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）を使用する。そして、一定温度（例えば２３℃）に保つことにより、シャーレ４内の溶剤蒸気６の圧力は飽和蒸気圧に達する。この溶剤蒸気６は、ＰＧＭＥＡの蒸気である。

この状態を乱さないように、前記蓋を素早くマイクロレンズアレイ形状が形成されたレジスト２を有する基板１と交換し、レジスト２を下に向けた状態で密閉する。このとき、基板がシャーレ４の蓋の役割をし、溶剤蒸気６の飽和蒸気圧は維持される。

このようにして、溶剤蒸気６にレジスト２の表面を曝露する。すると、マイクロレンズを形成するレジストの表面が溶解されることにより、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズの直径（数百μｍ）の１／１０以下の短い周期を有するうねりが低減される。

ソルベントベーパ法において、フォトレジスト層に用いるフォトレジストは、好ましくはノボラック樹脂である。ソルベントベーパ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。

ソルベントベーパ法に用いる溶剤の蒸気は、例えば、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。

ソルベントベーパ法の処理を安定的に行なう為には、ソルベントベーパ法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。その一方法として、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に保つ方法がある。

又、ソルベントベーパ法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。

ソルベントベーパ法においては、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。

ソルベントベーパ法の処理中に、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。

以上説明した方法は、グレースケールマスクを使用したフォトリソグラフィ工程により、直接フォトレジストマイクロレンズアレイ、又はマイクロレンズアレイを製造する方法であったが、これらのもの（図１（ｃ）又は（ｄ）に示すようなもの）を型として使用し、この型を用いて樹脂製のマイクロレンズアレイを製造してもよい。

このような方法を図３に示す。図３においては、図１（ｃ）に示されるように、基板１の上にマイクロレンズアレイの形状が形成されたレジスト２を有するものを型として用いる（ａ）。

この型と、紫外線に対して透明な定盤７の間に、ディスペンサ等を使用して紫外線硬化型樹脂８を注入して押圧した後、定盤７を通して紫外線を照射することにより紫外線硬化型樹脂８を硬化させる（ｂ）。そして、その後、紫外線硬化型樹脂８を型と定盤７から剥がすことにより、樹脂製のマイクロレンズアレイを製造することができる（ｃ）。この場合には、基板１やレジスト２は透明なものでなくても良いことはいうまでもない。

更に、このようにして形成された樹脂製のマイクロレンズアレイを、マイクロレンズアレイとして使用せず、型として使用し、この型と、紫外線に対して透明な定盤７’の間に、ディスペンサ等を使用して紫外線硬化型樹脂８’を注入して押圧した後、定盤７’を通して紫外線を照射することにより紫外線硬化型樹脂８’を硬化させる（ｄ）。そして、その後、紫外線硬化型樹脂８’を型と定盤７’から剥がすことにより、樹脂製のマイクロレンズアレイを製造することができる（ｅ）。

さらに、紫外線硬化型樹脂８’をマイクロレンズアレイとして使用せず、型として使用し、図３（ｃ）〜（ｄ）の工程を繰り返すことにより、多数の型を製造し、これらから多数のマイクロレンズアレイを製造することができる。なお、レジストや樹脂の表面を型として使用する場合には、これらの表面に金属薄膜や誘電体薄膜を形成して、表面を硬化させ、型の耐久性を増すこともできる。使用する金属としては、Cu、Al、Ni、Au等が適当であり、使用する誘電体としては、SiＮ_ｘ、SiＯ_２、Al_２Ｏ_３、Ta_２Ｏ_５、TiＯ_２等が適当である。

又、図１（ｃ）又は（ｄ）に示すものを母型として使用し、これに電鋳を行ってレプリカを製造し、これを型として使用して樹脂を成形し、複数の、樹脂からなるマイクロレンズアレイを製造することもできる。

この例を図４に示す。図４においては、図１（ｃ）に示されるように、基板１の上にマイクロレンズアレイの形状が形成されたレジスト２を有するものを型として用いる（ａ）。このレジスト２の上に無電解メッキにより、Ni層９をめっきし、それを電極としてNi電鋳を行って、Ni製のレプリカ１０を製造する。そして、このレプリカ１０を型として、図３（ｃ）〜（ｅ）に示したように、この型と透明な定盤との間に、ディスペンサ等を使用して紫外線硬化型樹脂を注入して押圧した後、定盤を介して紫外線を照射することにより紫外線硬化樹脂を硬化させ、その後、型と定盤から、硬化した紫外線硬化樹脂を剥離することにより、樹脂製のマイクロレンズアレイを製造することができる。

以上説明した方法により製造される光学素子は、通常のレンズ、シリンドリカルレンズ、マイクロレンズ、マイクロシリンドリカルレンズ、マイクロレンズアレイ、シリンドリカルレンズアレイ等、広範囲に亘るものであり、どのようなものに応用できるかは、当業者が容易に認識できるであろう。又、本発明は球面レンズに限られず、軸対称や非軸対称の非球面レンズにも適用できることはいうまでもない。

また、マイクロレンズアレイについては、その配置が規則的であってもランダムであってもよい。またマイクロレンズの直径（シリンドリカルレンズの場合は幅）が数百μｍより小さいものであっても、本発明の製造方法は十分な効果を発揮する。

以下、本発明の実施の形態の方法によって製造されたシリンドリカルレンズアレイ、フライアイレンズを使用した露光装置の概要について図５を用いて説明する。図５に示す露光装置は、露光光（照明光）を供給するための光源１１として、たとえば248nmの波長の光を供給するKrＦエキシマレーザー光源または193nmの波長の光を供給するArＦエキシマレーザー光源を備えている。光源１１からＺ方向に沿って射出されたほぼ平行な光束は、Ｘ方向に沿って細長く延びた矩形状の断面を有し、一対のレンズ１２ａおよび１２ｂからなるビームエキスパンダー１２に入射し、所定の矩形状の断面を有する光束に整形される。

整形光学系としてのビームエキスパンダー１２を介したほぼ平行な光束は、折り曲げミラー１３でＹ方向に偏向された後、回折光学素子１４を介して、アフォーカルズームレンズ１５に入射する。一般に、回折光学素子は、ガラス基板に露光光（照明光）の波長程度のピッチを有する段差を形成することによって構成され、入射ビームを所望の角度に回折する作用を有する。具体的には、回折光学素子１４は、矩形状の断面を有する平行光束が入射した場合に、そのファーフィールド（またはフラウンホーファー回折領域）に円形状の光強度分布を形成する機能を有する。したがって、回折光学素子１４を介した光束は、アフォーカルズームレンズ１５の瞳位置に円形状の光強度分布、すなわち円形状の断面を有する光束を形成する。

アフォーカルズームレンズ１５は、アフォーカル系（無焦点光学系）を維持しながら所定の範囲で倍率を連続的に変化させることができるように構成されている。アフォーカルズームレンズ１５を介した光束は、輪帯照明用の回折光学素子１６に入射する。アフォーカルズームレンズ１５は、回折光学素子１４の発散原点と回折光学素子１６の回折面とを光学的にほぼ共役に結んでいる。そして、回折光学素子１６の回折面またはその近傍の面の一点に集光する光束の開口数は、アフォーカルズームレンズ１５の倍率に依存して変化する。

輪帯照明用の回折光学素子１６は、平行光束が入射した場合に、そのファーフィールドにリング状の光強度分布を形成する機能を有する。

回折光学素子１６を介した光束は、ズームレンズ１７に入射する。ズームレンズ１７の後側焦点面の近傍には、光源側から順に第１フライアイ部材１８ａと第２フライアイ部材１８ｂとからなるマイクロフライアイレンズ（またはフライアイレンズ）１８の入射面（すなわち第１フライアイ部材１８ａの入射面）が位置決めされている。なお、マイクロフライアイレンズ１８は入射光束に基づいて多数光源を形成するオプティカルインテグレータとして機能する。

上述したように、回折光学素子１４を介してアフォーカルズームレンズ１５の瞳位置に形成される円形状の光強度分布からの光束は、アフォーカルズームレンズ１５から射出された後、様々な角度成分を有する光束となって回折光学素子１６に入射する。すなわち、回折光学素子１４は、角度光束形成作用を有するオプティカルインテグレータを構成している。一方、回折光学素子１６は、平行光束が入射した場合に、そのファーフィールドにリング状の光強度分布を形成する機能を有する。したがって、回折光学素子１６を介した光束は、ズームレンズ１７の後側焦点面に（ひいてはマイクロフライアイレンズ１８の入射面に）、たとえば光軸ＡＸを中心とした輪帯状の照野を形成する。

マイクロフライアイレンズ１８の入射面に形成される輪帯状の照野の外径は、ズームレンズ１７の焦点距離に依存して変化する。このように、ズームレンズ１７は、回折光学素子１６とマイクロフライアイレンズ１８の入射面とを実質的にフーリエ変換の関係に結んでいる。マイクロフライアイレンズ１８に入射した光束は二次元的に分割され、マイクロフライアイレンズ１８の後側焦点面にはマイクロフライアイレンズ１８への入射光束によって形成される照野と同じ輪帯状の多数光源（以下、「二次光源」という）が形成される。

マイクロフライアイレンズ１８の後側焦点面に形成された輪帯状の二次光源からの光束は、コンデンサー光学系１９の集光作用を受けた後、所定のパターンが形成されたマスクＭを重畳的に照明する。マスクＭのパターンを透過した光束は、投影光学系ＰＬを介して、感光性基板であるウェハＷ上にマスクパターンの像を形成する。こうして、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと直交する平面（ＸＹ平面）内においてウェハＷを二次元的に駆動制御しながら一括露光またはスキャン露光を行うことにより、ウェハＷの各露光領域にはマスクＭのパターンが逐次露光される。

このように本実施の形態にかかる露光装置においては、照明光の均一性を向上させるために、マイクロフライアイレンズ１８を使用している。そして、このマイクロフライアイレンズ１８を構成する第１フライアイ部材１８ａ、第２フライアイ部材１８ｂは、前述のような本発明に係る光学素子の製造方法によって製造された石英からなるシリンドリカルレンズアレイである。それ故、形状精度が優れたマイクロレンズアレイを使用しているため、従来よりも均一な照明光を形成が形成される。

なお、第１フライアイ部材１８ａ、第２フライアイ部材１８ｂのシリンドリカルレンズアレイの母線方向は互いに直交するようにされている。勿論、マイクロフライアイレンズとして、本発明の実施の形態である単体のフライアイレンズアレイを使用するようにしてもよい。

石英基板の上に、ノボラック樹脂を主成分としたレジストを塗布し、図１に示した方法により、図１（ｃ）に示すようなフォトレジストレンズからなるシリンドリカルマイクロレンズアレイを製造した。一つのシリンドリカルレンズの断面形状は、曲率半径が約700μｍ、幅が700μｍ、SAG量が８３μｍの非球面シリンドリカルレンズである。

図１（ｃ）に示すような形状をフォトリソグラフィ工程により製造したときのうねりを、図６に細線で示す。図６において、横軸はシリンドリカルレンズの中心を原点とした幅方向の位置（±350μｍのうち、約±275μｍの範囲）であり、縦軸は、設計上のSAG量と実際のSAG量との差を示す。このグラフを見ると分かるように、フォトリソグラフィ工程により製造したままの状態では、周期が数十μｍ〜200μｍ程度の大きなうねりが残っている。このような周期のうねりがあると、レンズの光学特性を悪化させる原因になる。

このようなシリンドリカルマイクロレンズアレイを70℃に加熱し、120分間保持した後の設計上のSAG量と実際のSAG量との差を図６に太線で示す。図６において熱処理前と熱処理後のうねりの状態を比較すると分かるように、熱処理を行うことにより、大幅にうねりが小さくなっている。又、残っているうねりの周期も長くなって、レンズ幅と同じ程度になっている。このようなうねりは、グレースケールマスクを修正することによって小さくすることができる。

なお、このレジストの熱変形温度は約９０℃である。加熱温度を高くすれば高くするほど、保持時間は短くて済み、図示はしていないが、加熱温度を80℃としたときには、約10分の保持時間で同様の効果が得られている。

うねりの大きさをより正確に評価する方法として、SAG量誤差の２階微分値で評価する方法がある。この方法を図７に示す。図７は、熱処理後のSAG量誤差の２階微分値を示すものである。まず、直接SAG量誤差の２階微分値をとると微小な変動でも、うねり成分が大きく評価されるので、直接SAG量誤差（図７に細線で示す）を16次の多項式により近似する。近似した曲線を図７に中細線で示す。そして、この近似曲線の２階微分をとって評価の対象とする。２階微分の値を図７に太線で示す。

図８にこのようにして求まった図６に示したうねり成分を有するSAG量誤差２階微分の、熱処理前と熱処理後の値を示す。図８をみるとわかるように、２階微分値の変動は、熱処理を行うことによって大幅に小さくなっており、うねりが改善されていることがわかる。

図９にこのようにして求まった、２階微分の最大値と、加熱時間の関係を示す。横軸の処理時間が加熱時間（加熱温度80℃）であり、加熱時間０は、熱処理を行わない当初のものの２階微分値を示す。この場合は、５分の熱処理で２階微分値は大幅に低下しており、以後は低下率は小さくなっている。熱処理時間を長くすればするほど２階微分値は低下するが、その変化率が低下するので、あまり長い時間をかけることは効率上好ましくなく、この場合には、10分程度の時間で十分であると考えられる。

うねりの大きさをより正確に評価する他の方法として、SAG量誤差のＦＦＴ周期分析がある。図１０は、図６に示した熱処理前と熱処理後のSAG量誤差の空間周波数分布（周期に換算して示している）を示す図である。図１０を見ると、いずれの周波数においても、熱処理によってSAG量誤差は低下しているが、特に周期60〜100μｍにおいて、その低下が著しいことが分かる。

発明の実施の形態の基本的な例である、マイクロレンズアレイ、及びフォトレジストマイクロレンズアレイの製造方法を示す図である。 ソルベントベーパ処理を説明するための図である。 図１に示した方法で製造されたものを型として使用し、この型を用いて樹脂製のマイクロレンズアレイを製造方法を説明するための図である。 図１に示した方法で製造されたものを母型として使用し、これに電鋳を行ってレプリカを製造し、これを型として使用して樹脂を成形し、複数の、樹脂からなるマイクロレンズアレイを製造する方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態の方法によって製造されたシリンドリカルレンズアレイ、フライアイレンズを使用した露光装置の概要を示す図である。 シリンドリカルマイクロレンズアレイの熱処理前と熱処理後のSAG量誤差を示すである。 SAG量誤差とその２階微分の関係を示す図である。 熱処理前と熱処理後のSAG量誤差の２階微分値を示す図である。 SAG量誤差の２階微分の最大値と、加熱時間の関係を示す図である。 熱処理前と熱処理後のSAG量誤差の空間周波数分布を示す図である。 熱変形温度の定義を説明するための図である。

符号の説明

１…基板、２…レジスト、３…グレースケールマスク、４…シャーレ、５…溶液、６…蒸気、７，７’…定盤、８、８’…紫外線硬化型樹脂、９…Ni層、１０…レプリカ、１１…光源、１２…ビームエキスパンダー、１３…折り曲げミラー、１４…回折光学素子、１５…アフォーカルズームレンズ、１６…回折光学素子、１７…ズームレンズ、１８…マイクロフライアイレンズ、１８ａ…第１フライアイ部材、１８ｂ…第２フライアイ部材、１９…コンデンサー光学系

Claims (9)

1. 基板上に塗布されたフォトレジストに、グレースケールマスクを用いて、光強度分布を持つパターン光を照射した後に、前記フォトレジストを現像することにより、前記フォトレジストを所定の立体形状としてレンズ作用を持たせるようにしたフォトレジストレンズの製造方法であって、前記現像後のレジストを、レジストの流動による変形は起こらないが、レジストが固体状態のまま変形する温度まで昇温する工程を含み、前記現像後のレジストを、レジストの流動による変形は起こらないが、レジストが固体状態のまま変形する温度まで昇温する前、又は昇温して冷却した後に、ソルベントベーパ処理工程を行うことを特徴とするフォトレジストレンズの製造方法。
2. 基板上に塗布されたフォトレジストに、グレースケールマスクを用いて、光強度分布を持つパターン光を照射した後に、前記フォトレジストを現像することにより、前記フォトレジストを所定の立体形状とし、その後、当該フォトレジストの立体形状のパターンを前記基板に転写すると共に前記フォトレジストを除去して、前記基板からなるレンズを製造する方法であって、前記現像後のレジストを、レジストの流動による変形は起こらないが、レジストが固体状態のまま変形する温度まで昇温する工程を含むことを特徴とするレンズの製造方法。
3. 請求項２に記載のレンズの製造方法であって、前記現像後のレジストを、レジストの流動による変形は起こらないが、レジストが固体状態のまま変形する温度まで昇温する前、又は昇温して冷却した後に、ソルベントベーパ処理工程を行うことを特徴とするレンズの製造方法。
4. 基板上に塗布されたフォトレジストに、グレースケールマスクを用いて、光強度分布を持つパターン光を照射した後に、前記フォトレジストを現像することにより、前記フォトレジストを所定の立体形状とする型の製造方法であって、前記現像後のレジストを、レジストの流動による変形は起こらないが、レジストが固体状態のまま変形する温度まで昇温する工程を含み、前記現像後のレジストを、レジストの流動による変形は起こらないが、レジストが固体状態のまま変形する温度まで昇温する前、又は昇温して冷却した後に、ソルベントベーパ処理工程を行うことを特徴とする型の製造方法。
5. 基板上に塗布されたフォトレジストに、グレースケールマスクを用いて、光強度分布を持つパターン光を照射した後に、前記フォトレジストを現像することにより、前記フォトレジストを所定の立体形状とし、その後、当該フォトレジストの立体形状のパターンを前記基板に転写すると共に前記フォトレジストを除去して、前記基板からなる型を製造する方法であって、前記現像後のレジストを、レジストの流動による変形は起こらないが、レジストが固体状態のまま変形する温度まで昇温する工程を含み、前記現像後のレジストを、レジストの流動による変形は起こらないが、レジストが固体状態のまま変形する温度まで昇温する前、又は昇温して冷却した後に、ソルベントベーパ処理工程を行うことを特徴とする型の製造方法。
6. 請求項４または５に記載の型の製造方法により製造された型を用いて、他の基板に当該型を転写して新しい型を製造することを特徴とする型の製造方法。
7. 請求項４または５に記載の型の製造方法により製造された型を用いて、他の基板に当該型を転写して新しい型を製造し、さらにこの方を用いて他の基板に当該型を転写して新しい型を製造することを１回又は複数回繰り返すことを特徴とする型の製造方法。
8. 請求項４から請求項７のうち、いずれか１項に記載の型の製造方法により製造された型を母型として、電鋳を行うことにより、新しい型を製造することを特徴とする型の製造方法。
9. 請求項４から請求項８のうちいずれか１項に記載の型の製造方法によって製造された型を用い、基板に当該型を転写してレンズを製造することを特徴とするレンズの製造方法。
   

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