JP4514427B2 - 稠密構造物品の製造方法及びそこで用いる露光用マスク、並びにマイクロレンズアレイ - Google Patents

Description

本発明は、マイクロレンズアレイ基板、稠密配列マイクロレンズアレイ光学素子又は高精度形状を有する多数個配列形状製品（マイクロマシーンの量産型など）など、稠密で同一なパターンを有する三次元微細構造物である稠密構造物品を製造する方法、その製造方法に用いる露光用マスク及び稠密構造物品の一例としてのマイクロレンズアレイに関するものである。

稠密構造物品の一例として、液晶デバイス用の対向基板に用いられるマイクロレンズアレイ基板を挙げることができる。そのマイクロレンズアレイ基板はマイクロレンズアレイの形成された面を内側にして平面基板と重ねて一体化されて対向基板を構成する。対向基板はＴＦＴ（薄膜トランジスタ）基板との間に液晶層を挾持して光照射側に配備され、照射光束の入射角に対する精度を緩和し、光利用効率を上げて画像投影できるようにするものである（特許文献１参照。）。

稠密構造物品の他の例として、オプチカル・ホモジナイザーを挙げることができる（特許文献２参照。）。そのオプチカル・ホモジナイザーでは、マイクロレンズアレイ配置領域に正六角形形状のマイクロレンズが稠密に形成されている。
その他にもいろいろな稠密構造物品があるが、そのような稠密構造物品を製造する方法として、特許文献２に記載されているように、濃度分布マスクを用いた方法が提案がされている。

濃度分布マスクは２次元の光強度分布を有する微細遮光パターンが形成された露光マスクであり、感光性材料の光透過深さ、すなわち３次元構造の高さ位置に応じた光強度分布を設定し、適当な形状及び大きさの単位セルにより隙間なくパターン配置されているものである。そのような濃度分布マスクを用いて、縮小投影露光（ステッパー露光ともいう。）によるフォトリソグラフィ工程により感光性材料パターンを形成し、その感光性材料パターンをドライエッチングにより基板に転写することによりマイクロレンズアレイなどの３次元構造体を製造する。投影露光で使用される露光マスクはレチクルと呼ばれる。
特開平８−３２８００２号公報 特開２００３−１４９５９６号公報

縮小投影露光において、縮小光学系のステッパー露光機を用いると、従来の等倍型露光装置と濃度分布レチクルを用いた露光方法に比べて、大きいパターンをマスクに利用でき、高解像度で自由度のある形状パターンを製作できる。その反面、ステッパー縮小露光の場合１回で露光できる範囲が僅かであるため１回の露光で大面積のパターン形成は望めず、大面積化を実現するにはステップ露光の繋ぎ合わせ方法による製作が必要となる。

図９によりステップ露光の繋ぎ合わせ方法を説明する。（Ａ）に示されるような、外形が６０ｍｍ×８０ｍｍのマイクロレンズアレイを製作するものとする。そのマイクロレンズアレイには微小なマイクロレンズが隙間なく稠密に配置されて形成される。１回の縮小投影露光で露光できる面積が（Ｃ）のように２０ｍｍ×２０ｍｍであるとすると、そのマイクロレンズアレイを製作するには、（Ｂ）に示されるように１２回のステップ露光で露光領域を繋ぎ合わせる。１回の露光で形成される２０ｍｍ×２０ｍｍの領域には、（Ｄ）に示されるように、単位セルとしての例えば正六角形のマイクロレンズが稠密に配置されたパターンが形成される。

しかしながら、このように露光領域を繋ぎ合わせる方法によりパターン形成をすると、レチクル上に予め配置してある稠密パターン内の単位セル形状が隣り合う点又は線の部分（（Ｆ）に実線で示されている）と、この稠密パターンをステップ露光で繋ぎ合わせた点と線の境界（（Ｆ）に破線で示されている）とを比較すると、微妙な違いが生じており、マクロ的観察をした場合、パネルの面内ムラとして映るという問題が生じる。この繋ぎ合わせた点と線の境界で生じる微妙な違いは、主としてステッパー露光装置のステッピングステージ精度によるレチクルパターン露光時の微妙な重なり方又は拡がり方が原因である。ステッピング精度は、ステッパーの機種で多少異なるが、３σ≦６０ｎｍ（σは分散）であり、バラツキ量は僅かであるため、繋ぎ合せた境界をミクロ的に評価した場合、単位レンズ精度では影響がないレベルであるが、この僅かな違いでも巨視的なマクロ観察では、一括パターン内の正常なレンズ境界部分に比べて異なることが繋ぎ合せ部分を強調したように映し出すので、面内ムラとして現われるのである。
本発明は、複数回の縮小投影露光により製作される稠密構造物品の面内ムラを防ぐ製造方法と、その製造方法で使用する露光マスク、及び面内ムラを抑えた稠密構造物品を提供することを目的とするものである。

本発明の縮小投影露光用マスクは、このマスクを用いて露光され現像されて得られる目的とする感光性材料パターンが、複数の単位セルパターンが境界を接して隙間なく配置された稠密構造パターンとなるものである。このマスクは感光性材料パターンの単位セルパターンを形成するための単位セルパターンを備え、マスク内の全ての単位セルパターンは互いに境界を接することなく隙間をもち、かつ時間を異ならせて露光された単位セルパターンが互いに重ならないように位置をずらして複数回露光することにより稠密構造パターンを形成するように配置されているものである。

好ましいマスクでは、それを基にして得られる感光性材料パターンの単位セルパターンから製作される光学素子が互いに光学位相が逆方向になるように形状が設定されている２種類の単位セルパターンを含んでいる。
単位セルパターン形状は、例えば四角形、六角形もしくはその他の多角形、又は円形状である。

本発明の製造方法は、本発明のマスクを使用し、製品基板上に塗布された感光性材料に、異なる時間に露光されたパターンが互いに重ならないように位置をずらして複数回分割露光することにより全ての単位セルパターンが境界を接して隙間なく配置された形状を形成する縮小投影露光工程と、露光された前記感光性材料を現像して感光性材料パターンを形成する現像工程と、得られた感光性材料パターンを製品基板に転写することにより目的製品をえるエッチング工程とを備えて稠密構造物品を製造する。
得られる稠密構造物品の一例は、マイクロレンズアレイ素子である。

本発明のマイクロレンズアレイは、１個のマイクロレンズ又は複数個を含むマイクロレンズ群を単位として、境界を接しているマイクロレンズ又はマイクロレンズ群が互いに光学位相が逆方向になるようにマイクロレンズ形状が設定されている領域を含んでいることを特徴とするものである。

その領域における各マイクロレンズは設計値に対して偏差をもち、互いに光学位相が逆方向になるマイクロレンズの偏差量は互いに正負逆方向であり、その絶対量がほぼ等しく設定されているものとすることができる。

その偏差量はマイクロレンズ仕様の形状誤差規格公差内の大きさであることが好ましい。例えば、その偏差量はマイクロレンズの光軸上と周辺部では零、その中間部で正又は負に設定することができる。

ステッパー露光において１回露光方法であれば面内ムラは発生しないが、露光フィールド範囲が小さい場合、又は目的製品寸法が大きい場合には、１回の露光で大面積のパターン化は難しい。その結果、稠密マイクロレンズ素子のような稠密構造物品の製作で、ステッパー露光で露光領域（設計により予め決定される）の複数回露光で繋ぎ合わせるとパターンの繋ぎ部分が強調されることで、パネル面内のムラの原因となる。また、ステッパー露光におけるレチクルは、微細パターンが形成されているパターン領域が拡がる程高価になるが、本発明のレチクルではレチクル上のパターン領域は密に配置されていないので、低コストにできる。

本発明の製造方法により製作される稠密構造物品は、全体をマクロ的視野で観察した場合に、ムラが目立たないので、大面積でムラがない製品を製作することができる。このように、本発明の製造方法は、ムラが目立ってはならない、高品位製品の製造に好適である。

予め所望の形状用濃度分布パターンを設計し、レチクル上に製品の目的に応じた所望の形状によって、四角形（正方形及び長方形を含む）、六角形もしくはその他の多角形、又は円形状などの単位セルパターンをもつ稠密配列濃度分布パターンを製作する。ここで言う稠密配列とは、これらの形状が隣り合う形状と点または線で接する状態を意味しており、例えば、第１の実施例に示す「蜂の巣状の六方稠密配列」（図２）や、第２の実施例に示す「碁盤の目状の正方形配列」（図４）を初め、図５に示す液晶パネル用の長方形シリンダーレンズの配列、図６に示すような「ダイヤモンドの菱形配列」、図７に示すような「そろばん状の一次元配列」などを含んでいる。

レチクルは、図１に示されるように、単位セルパターンの有る部分とない部分が交互に規則的に繰り返されるように配置したものである。１は一例としての六角形マイクロレンズパターン群を示しており、単位セルパターンはそれぞれマイクロレンズなどの素子に対応した濃度分布パターンであり、レチクル中には同じ単位セルパターンが配置されている。

次にこのレチクルパターンを用いてステッパー露光装置で基板上のレジストを複数回ステップ露光する。この際、交互繰り返しの有り無しパターンが重ならないようにレンズをずらした位置でステップ露光をする。複数回の露光により稠密構造パターンを形成するため、それぞれの露光を分割露光と称している。「ステップ露光位置」や「露光回数」は所望の製品に応じて、予めレチクル設計段階で考慮し、工程設定しながら計算で求める。
ステップ露光を必要な範囲まで繰り返した後、現像とリンスを行なうと、レジスト材による大面積の稠密形状が形成される。

この方法により、多角形形状又は円形状で隣り合う単位セル形状の各辺又は接点が、隣り合う全ての部分で異なった時間での分割露光による境界となることで、従来の繋ぎ合わせ露光で発生する境界の違いによるムラはなくなる。この方法により大きな視野で観察できる面内ムラが改善される。
このレジストパターンをマスクとしてドライエッチング法を用いることで、基板材料に形状転写する。

以下に実施例に基づいてさらに詳細に説明する。

図１は濃度分布レチクルによる六角形マイクロレンズアレイのパターンレイアウト図を示している。符号１は六角形マイクロレンズの単位セルパターンである。
そのレチクルを用いて、ステッパー露光装置により、まず図２（Ａ）に示す「Ａ」の領域に単位セルパターンが来るように分割露光する。２はパターン露光位置Ａ群を示している。図ではレチクルのパターンと露光されたパターンのサイズを同じ大きさに記載しているが、実際には露光されたパターンのサイズはレチクルのサイズを、例えば１／５というような所定の縮小率に縮小したものとなる。

次に、図２（Ｂ）に示されるように、領域「Ａ」に隣接する領域「Ｂ」に単位セルパターンが来るように、位置をずらして分割露光する。３はパターン露光位置Ｂ群を示している。
さらに、図２（Ｃ）に示されるように、領域「Ａ」，「Ｂ」に隣接する領域「Ｃ」に単位セルパターンが来るように、さらに位置をずらして露光する。４はパターン露光位置Ｃ群を示している。

このように位置をずらして分割露光を繰り返すことにより、最終的には図２（Ｄ）に示すように、符号５で表される稠密六角形マイクロレンズアレイがレジスト材料上に感光される。
次にその露光後のレジストを現像し、リンス処理することで基板材料上にレジストのマイクロレンズアレイパターンが形成される。

図２（Ｄ）に示すパターンによれば、各マイクロレンズの周りで隣り合う各辺及び接点が必ず分割露光の境界位置にくるが、この繋ぎ合わせ部をミクロ的に観察すると単位セル形状の隣り合った境界全体がステッパーステッピング精度内でレンズ形状性能に影響しない程度の僅かな微少バラツキを生じる。このミクロ的な作用により、マクロ的視野で観察した場合、マイクロレンズ境界の違いが判らないので、識別できる表示ムラが発生しない。

また、パターニングは基板材料上に必要な範囲まで図２に示す分割露光の方法で拡大できる。
このようにして得られたレジスト形状パターンをマスクにして、従来技術であるドライエッチング法を用いて基板に転写することで、境界ムラがないマイクロレンズパネルを製作できる。

以下に、この実施例の方法で製作した具体例を挙げる。
縮小光学系露光装置の発散光束変換のためのマイクロフライアイレンズを製作した。各マイクロレンズの寸法及び特性の設計値は次の通りである。
曲率半径：５.０４ｍｍ
焦点距離：９ｍｍ
レンズ形状：正六角形
レンズ径：０.５ｍｍ
レンズピッチ：０.４３３ｍｍ
レンズ高さ：６.２μｍ
この実施例により、３０ｍｍ×３０ｍｍのレンズ形成範囲内で製作したレンズ形状精度と性能の抜取り測定結果を挙げると、次の表１のようになった。

更に従来品の光束変換素子と比べると、光強度分布が従来は±１３％であったものが、本実施例では±５％となり、バラツキが低下して精度が向上した。

図３は濃度分布レチクルによる四角形マイクロレンズアレイのパターンレイアウト図を示している。図３の符号６に示すパターン群を図４（Ａ）から（Ｄ）に示すようにステッパー露光装置による分割露光を繰り返し組み合わせることで、図４（Ｅ）の符号１１に示す稠密四角形のマイクロレンズアレイをレジスト材料上に感光させた。図４で、７はパターン露光位置Ｄ群、８はパターン露光位置Ｅ群、９はパターン露光位置Ｆ群、１０はパターン露光位置Ｇ群をそれぞれ示しており、それぞれを分割露光で組み合わせると稠密四角形マイクロレンズアレイ１１のパターンが得られる。
次にこのレジストを現像し、リンス処理することで基板材料上にレジストのマイクロレンズアレイを形成した。

図４に示すフローにより、マイクロレンズの周りで隣り合う各辺及び接点が必ず分割露光の境界位置にくる。この繋ぎ合わせ部をミクロ的に観察すると単位セル形状の隣り合った境界全体がステッパーステッピング精度内でレンズ形状性能に影響しない程度の僅かな微少バラツキを生じるが、このミクロ的な作用により、マクロ的視野で観察した場合、マイクロレンズ境界の違いが判らないので、識別できる表示ムラは発生しない。また、パターニングは基板材料上に必要な範囲まで図４に示す分割露光の方法で拡大できる。

以下に、本実施例の方法で製作した具体例を挙げる。
バイオ分野で用いられるＤＮＡ解析用のマイクロレンズアレイを製作した。各マイクロレンズの寸法及び特性の設計値は次の通りである。
曲率半径：７.３４ｍｍ
焦点距離：１６ｍｍ
レンズ形状：正方形
レンズ径：０.４２４ｍｍ
レンズピッチ：０.３ｍｍ
レンズ高さ：３.０６μｍ
本実施例により、３０ｍｍ×３０ｍｍのレンズ形成範囲内で製作したレンズ形状精度と性能の抜取り測定結果を挙げると、次の表２のようになった。

更に従来品のマイクロレンズアレイと比べると、光利用効率が１０％向上した。

稠密構造物品の一例としてのマイクロレンズアレイを製作した。このマイクロレンズアレイでは、マイクロレンズは１個のマイクロレンズ又は複数個を含むマイクロレンズ群を単位として、境界を接しているマイクロレンズ又はマイクロレンズ群が互いに光学位相が逆方向になるようにマイクロレンズ形状が設定されている領域を含んでいる。

その領域における各マイクロレンズは、図８に示されるように、設計値に対して偏差をもっており、互いに光学位相が逆方向になるマイクロレンズの偏差量は互いに正負逆方向であり、その絶対量がほぼ等しく設定されている。図８（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ１個のマイクロレンズの光軸を通って光軸方向に切断した断面形状における偏差量を表わしている。（Ａ）は正方向の偏差をもつマイクロレンズ、（Ｂ）は負方向の偏差をもつマイクロレンズをそれぞれ表わしている。それらの偏差量はマイクロレンズ仕様の形状誤差規格公差内の大きさである。これらの２つのマイクロレンズでは、その透過光又は反射光の光学位相が逆方向になる。

図８の例では偏差量はマイクロレンズの光軸上と周辺部では零、その中間部で正又は負に設定されている。
このようなマイクロレンズアレイを製作するための露光用マスクは、そのマスクはそれを基にして得られる感光性材料パターンから製作される光学素子が互いに光学位相が逆方向になるように形状が設定されている２種類のものを含んでいる。この露光用マスクは濃度分布マスクとして形成することができ、その製造方法は特許文献２に記載されている方法を採用することができる。

以下に、本実施例の方法で製作した具体例を挙げる。
実施例１と同様に縮小光学系露光装置の発散光束変換のためのマイクロフライアイレンズを製作した。ただし、本実施例では、マイクロレンズは互いに光学位相が逆方向になるように形状が設定されたプラス型とマイナス型のマイクロレンズを交互に配置した。
各マイクロレンズの寸法及び規格公差は次の通りである。
曲率半径：０.８９５ｍｍ
焦点距離：１.７６ｍｍ
レンズ形状：正六角形
レンズ径：０.２５ｍｍ
レンズピッチ：０.２１６ｍｍ
レンズ高さ：８.７７μｍ
レンズ形状誤差Ｆｉｇ．ＰＶ：０.２μｍ以内

ここで、Ｆｉｇ．ＰＶは次のように定義された値である。設計値の球面式の曲率半径Ｒのみを変化させてＲＭＳ（二乗平均平方根値）が最小となる球面をａとする。球面ａに対して近似し、ＲＭＳが最小となる球面をｂとする。ａとｂの差をＦｉｇ．という。Ｆｉｇ．の最大値と最小値の差がＦｉｇ．ＰＶである。
この実施例により、２０ｍｍ×４０ｍｍのレンズ形成範囲内で製作したレンズ形状精度の抜取り測定結果を挙げると、次の表３のようになった。

更に従来品の光束変換素子と比べると、照度ムラが２％程度低減できた。

本発明は、マイクロレンズアレイ等の光学素子に限らず、三次元的構造を有する稠密多数個配列形状の製品に使用可能である。

一実施例のレチクルにおける濃度分布六角形マイクロレンズパターンのレイアウトを示す図である。 一実施例の製造方法において、図１の六角形パターン群を分割露光で組み合わせる露光過程を示す図である。 他の実施例のレチクルにおける濃度分布四角形マイクロレンズパターンのレイアウトを示す図である。 他の実施例の製造方法において、図３の四角形パターン群を分割露光で組み合わせる露光過程を示す図である。 稠密構造パターンの一例としての液晶パネル用長方形シリンダーレンズのパターンを示す図である。 稠密構造パターンの他の例としてのダイヤモンドの菱形配列パターンを示す図である。 稠密構造パターンのさらに他の例としてのそろばん状の一次元配列パターンを示す図である。 光学位相の異なる２つのマイクロレンズの偏差量を示すグラフである。 従来の繋ぎ合わせ露光方法を示す概略図である。

符号の説明

１ 六角形マイクロレンズパターン群
２ パターン露光位置Ａ群
３ パターン露光位置Ｂ群
４ パターン露光位置Ｃ群
５ 分割露光で組み合わされた稠密六角形マイクロレンズアレイ
６ 四角形マイクロレンズパターン群
７ パターン露光位置Ｄ群
８ パターン露光位置Ｅ群
９ パターン露光位置Ｆ群
１０ パターン露光位置Ｇ群
１１ 分割露光で組み合わされた稠密四角形マイクロレンズアレイ

Claims (8)

1. 基板上に塗布された感光性材料を露光する縮小投影露光用マスクであって、
   このマスクを用いて露光され現像されて得られる目的とする感光性材料パターンは複数の単位セルパターンが境界を接して隙間なく配置された稠密構造パターンであり、
   このマスクはマイクロレンズアレイを製作するためのマスクであって、前記単位セルパターンのそれぞれはマイクロレンズに対応しており、
   このマスクは前記単位セルパターンを形成するための単位セルパターンを備え、マスク内の全ての単位セルパターンは互いに境界を接することなく隙間をもち、かつ時間を異ならせて露光された単位セルパターンが互いに重ならないように位置をずらして複数回露光することにより前記稠密構造パターンを形成するように配置されていることを特徴とする露光用マスク。
2. 該マスクはそれを基にして得られる前記感光性材料パターンの単位セルパターンから製作されるマイクロレンズが互いに光学位相が逆方向になるように形状が設定されている２種類の単位セルパターンを含んでいる請求項1に記載の露光用マスク。
3. 前記単位セルパターン形状は四角形、六角形もしくはその他の多角形、又は円形状である請求項1又は２に記載の露光用マスク。
4. 製品基板上に塗布された感光性材料に、請求項1から３のいずれかに記載のマスクを用い、異なる時間に露光されたパターンが互いに重ならないように位置をずらして複数回分割露光することにより全ての単位セルパターンが境界を接して隙間なく配置された形状を形成する縮小投影露光工程と、
   露光された前記感光性材料を現像して感光性材料パターンを形成する現像工程と、
   得られた感光性材料パターンを前記製品基板に転写することにより目的製品をえるエッチング工程とを備えたマイクロレンズアレイの製造方法。
5. 複数のマイクロレンズが境界を接して隙間なく配置された稠密構造をもつマイクロレンズアレイにおいて、
   前記マイクロレンズは１個のマイクロレンズ又は複数個を含むマイクロレンズ群を単位として、境界を接しているマイクロレンズ又はマイクロレンズ群が互いに光学位相が逆方向になるようにマイクロレンズ形状が設定されている領域を含んでおり、
   請求項４に記載の製造方法において請求項２に記載の露光用マスクを用いて製造されたものであることを特徴とするマイクロレンズアレイ。
6. 前記領域における各マイクロレンズは設計値に対して偏差をもっており、互いに光学位相が逆方向になるマイクロレンズの偏差量は互いに正負逆方向であり、その絶対量がほぼ等しく設定されている請求項５に記載のマイクロレンズアレイ。
7. 前記偏差量はマイクロレンズ仕様の形状誤差規格公差内の大きさである請求項６に記載のマイクロレンズアレイ。
8. 前記偏差量はマイクロレンズの光軸上と周辺部では零、その中間部で正又は負に設定されている請求項６又は７に記載のマイクロレンズアレイ。