JP4565711B2

JP4565711B2 - 濃度分布マスクの製造方法

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Publication number: JP4565711B2
Application number: JP2000225216A
Authority: JP
Inventors: 和博梅木
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 2000-07-26
Filing date: 2000-07-26
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2020-07-26
Also published as: JP2002040623A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、濃度分布マスクを用いた露光により基板上に３次元構造の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基板に彫り写すことにより３次元構造の表面形状をもつ物品を製造する際に使用される濃度分布マスクの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学素子の屈折面や反射面に、球面や非球面等に代表される特殊な面形状が使用されるようになってきている。また近年は液晶表示素子や液晶プロジェクタ等に関連して、マイクロレンズ等にも特殊な面形状が求められている。
そこで屈折面や反射面を型成形や研磨によらずに形成する方法として、光学基板の表面にフォトレジスト（感光性材料の代表例）の層を形成し、このフォトレジスト層に対して２次元的な光透過率分布を有する露光用マスクを介して露光し、露光後のフォトレジストに現像処理を施すことによりフォトレジストの表面形状として凸面形状もしくは凹面形状を得、しかる後にフォトレジストと光学基板とに対して異方性エッチングを行ない、フォトレジストの表面形状を光学基板に彫り写して転写することにより、光学基板の表面に所望の３次元構造の屈折面や反射面の形状を得ることが知られている（特表平８−５０４５１５号公報を参照、以下この記載内容を従来技術とする）。
【０００３】
そこでは、屈折面や反射面等の３次元構造の特殊表面形状を得るために用いられる露光用マスクとして、特殊表面形状に対応して光透過率が段階的に変化する２次元的な光透過率分布をもった濃度分布マスク（グラデーションマスク（ＧＭ））が使用されている。
従来技術に記載されている濃度分布マスクでは、２次元的な光透過率分布のパターンを形成するためにマスクパターンを光伝達開口と称する単位セルに分割し、各単位セルの開口寸法が、形成しようとするフォトレジストパターンの対応した位置の高さに応じた光透過量又は遮光量となるように設定されている。
ここで、光透過率はマスクパターンの光学濃度とも表現できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術に記載の濃度分布マスクを製作する方法として、次のような方法が考えられる。
透明基板の一表面に金属膜や金属酸化膜などからなる遮光膜が形成され、さらにその上に感光性材料層が形成されたマスクブランクスを用い、その感光性材料層がポジ型のときはそのポジ型感光性材料層の光伝達開口に対応する位置に、感光性材料層がネガ型のときはそのネガ型感光性材料層の光伝達開口に対応する位置以外の位置に、電子線描画装置を用いて電子線を走査して描画することにより感光パターンを描画した後、現像処理を施して光伝達開口に対応する位置に開口をもつ感光性材料パターンを形成する。その後、感光性材料パターンをマスクとしてドライエッチングを施すことにより遮光膜にマスクパターン（遮光膜パターン）を形成する。
このように電子線描画を用いてマスクパターンを形成する方法を電子線描画方法という。
【０００５】
上記の製造工程では、感光性材料パターンは高エネルギービームである電子線によって描画されるため、感光性材料パターンの側壁、ひいては遮光膜パターンの側壁は基板に対してほぼ垂直に形成される。そのため、遮光膜パターンを通過する光の透過率は、遮光膜が存在する部分では０％、遮光膜が存在しない部分では１００％であり、デジタル的な光学濃度分布をもっている。目的物品形成用の基板上に形成されたフォトレジストに所望の表面形状を形成すべく、このデジタル的な光学濃度分布をもつ濃度分布マスクを介してフォトレジスト層に露光工程を行なうと、その後の現像処理によって形成されるフォトレジストの表面形状の高さはデジタル的、すなわち階段状になってしまう。そのため、目的とする物品の表面形状を実質的に平滑なものとするためには、階調数を非常に大きくしなければならず、従来技術に例示されているように単位セルにおける開口寸法の単位が露光に用いる光の波長よりも短くする必要がある。そして、パターンが微細になればなるほどその製造コストが上昇する。目的とする物品の表面形状は、階調数を大きくしていくにつれて平滑なものに近づいてはいくものの、あくまで階段状のものである。従来技術で「実質的に」と述べているのはそのことを意味している。
【０００６】
このような問題を解決するためには光学濃度分布がアナログ的な濃度分布マスクが必要となる。
そこで本発明は、光学濃度分布がアナログ的な濃度分布マスクを製造する方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は請求項１に記載した濃度分布マスクの製造方法により達成することができる。すなわち、本発明にかかる濃度分布マスクの製造方法は、以下の工程を含んでいる。
（Ａ）透明基板の一表面に遮光膜を介して形成された感光性材料層に電子線を用いて描画する描画工程、
（Ｂ）描画後の感光性材料層に現像処理を施して感光性材料パターンを形成する現像工程、
（Ｃ）感光性材料パターンをマスクにして異方性エッチングを施して、遮光膜をパターニングして遮光膜パターンを形成するエッチング工程、
（Ｄ）透明基板の遮光パターンの存在する側の一表面上全面にポジ型感光性材料層を形成するポジ型感光性材料層形成工程、
（Ｅ）透明基板の裏面側から透明基板を介して、遮光膜パターンをマスクにしてポジ型感光性材料層に光を照射する露光工程、
（Ｆ）露光後のポジ型感光性材料層に現像処理を施して遮光膜パターン上にポジ型感光性材料パターンを形成する現像工程、
（Ｇ）ポジ型感光性材料パターンをマスクにして異方性エッチングを施して、遮光膜パターンの一部分を除去するエッチング工程。
【０００８】
描画工程（Ａ）、現像工程（Ｂ）及びエッチング工程（Ｃ）により形成される遮光膜パターンは電子線描画方法によって形成されたデジタル的な光学濃度分布をもつものである。そして、遮光膜パターンが形成された表面上全面に、ポジ型感光性材料層形成工程（Ｄ）によりポジ型感光性材料層を形成した後、露光工程（Ｅ）により透明基板の裏面側から透明基板を介して、遮光膜パターンをマスクにしてポジ型感光性材料層に光を露光する。遮光膜パターンの開口部分を透過した光は広角的にポジ型感光性材料層に照射される。その後、現像工程（Ｆ）によりポジ型感光性材料層の感光部分を除去してポジ型感光性材料パターンを形成する。ポジ型感光性材料パターンは遮光膜パターン上に存在し、遮光膜パターンの開口部分周辺ではポジ型感光性材料パターンの膜厚は遮光膜パターンの開口部分に近づくにつれて連続的に薄くなるように形成される。エッチング工程（Ｇ）により異方性エッチングを施すと、膜厚が薄くなっているポジ型感光性材料パターン部分下の遮光膜パターンから順に露出し、遮光膜パターンは露出面側から徐々にエッチング除去される。これにより、遮光膜パターンは、開口部分周辺では開口部分に近づくにつれて連続的に薄くなるように形成される。遮光膜パターンの膜厚が薄くなっている部分は膜厚に応じて０〜１００％の中間の光透過率を示すようになるので、濃度分布マスクの光学濃度分布はアナログ的になる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
上記露光工程（Ｅ）において、照射する光は拡散光であることが好ましい。その結果、遮光膜パターンの開口部分を介して、より広角的にポジ型感光性材料層に照射できるようになる。
【００１０】
上記描画工程（Ａ）で用いている電子線描画は、一般に、電子線出射のフィラメント電流の制御、長時間露光時のフィラメント細り、電子線モレ（ドーズ）量の制御等の装置制御上の課題が多く、再現性が乏しいという欠点がある。また製作時は、単一ビームしか出射できないためにマスク全体の露光に長時間を要し、経時的な変動が大きくなるという問題が生じる。
このような問題を解決するために、上記露光工程（Ｅ）において、遮光膜パターンの配置位置に応じてポジ型感光性材料に対する拡散光の拡散角度を異ならせることが好ましい。その結果、遮光膜パターンの配置位置に応じて光透過率が０〜１００％の中間領域の幅を制御することができる。そして、電子線描画時の感光性材料パターンのばらつき、ひいては遮光膜パターンのばらつきを平均化することができるようになり、濃度分布マスク製作の再現性を向上させることができる。このとき、エッチング工程（Ｇ）におけるポジ型感光性材料と遮光膜のエッチング速度比を考慮してポジ型感光性材料及び遮光膜の材料を選択することが好ましい。
【００１１】
さらに、上記露光工程（Ｅ）は、透明基板の裏面側に拡散板を配置し、その拡散板を介して拡散光を照射するものであることが好ましい。その結果、拡散板の焦点距離や拡散板と透明基盤の距離を変更することにより、遮光膜パターン上に形成されたポジ型感光性材料に対する拡散光の拡散角度を容易に変更することができる。
【００１２】
さらに、上記露光工程（Ｅ）において、照射する光の波長は遮光膜パターンの最小線幅又は最小ドット長さよりも長い波長であることが好ましい。その結果、電子描画による微細パターンの境界部分において回折が生じやすくなり、かつ回折角度が大きくなるので、遮光膜パターンの開口部分を介してポジ型感光性材料層に行なう広角的な光照射が容易になる。
【００１３】
【実施例】
まず、濃度分布マスクについて説明する。
濃度分布マスクは、感光性材料の「感度曲線」と濃度分布マスクの各単位セル固有の光透過領域（面積）とこれを通過する「光エネルギー量」の関係から、実験的に求められる関数で与えられるものである。ここで、実験的に求められるとは、プロセス条件によって、感光性材料の「感度特性」及び光拡散量が異なることを意味する。すなわち、プロセス条件パラメータを変更すると、与えられる関数も異なることを意味する。感光性材料の「感度曲線」は、感光性材料への光照射エネルギーと感光性材料の感光性成分の関係で基本的には決定される。但し、フォトリソグラフィ条件（露光条件、現像条件、ベーキング条件等）によっても変更される曲線（すなわち、関数）である。
【００１４】
また、光透過量は、感光性材料中に含まれる分子構造によって光の吸収係数が異なるため感光性材料中を光が進行する際には、深さに応じて光エネルギー（光量）が指数関数的に減少する。つまり、感光性材料の厚さ（深さ）に対して照射光エネルギー量は指数関数で減少する関係にある。したがって、「光透過量」と感光性材料の「感度」（光吸収率）を実験データから組み合わせると、感光性材料の厚さ方向に分布を有する光エネルギー分布を形成することが可能となる。ここで除去される感光性材料の厚さＴは、下記の式で表される。
【００１５】
Ｔ＝(１／α)・Ｌｎ(Ｐ・Ｓ)−(１／α)・Ｌｎ(Ｙ)
Ｔ＝Ｌｎ{ｋ・(Ｐ・Ｓ＋ｂ)^f ^・ ^F(X)}
Ｌｎ：自然対数
Ｔ：除去される感光性材料の厚さ（μｍ）
α：減衰係数で、各種プロセス条件の関数
α＞０
Ｐ：濃度分布マスク表面での光量（ｍＪ）
Ｓ：濃度分布マスクパターンの単位セル開口率
Ｓ＜１
Ｙ：深さＴでの光量で、感光性材料が感光するのに必要な露光量（ｍＪ）
ｋ，ｂ，ｆ：係数
Ｆ(Ｘ)：関数
Ｆ(Ｘ)＝Ｆ(Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，・・・，Ｘｎ)
（ただし、Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，・・・，Ｘｎは因子で、少なくとも加工プロセス条件及び感光性材料自体の感度を含んでいる。）
【００１６】
濃度分布マスクは、半導体プロセスのように、ある高さの感光性材料の２次元ラインパターンを形成するのが目的ではなく、「３次元形状、すなわち高さ方向にも制御されたパターン性を有する構造物」を形成することを対象としている。
感光性材料層の厚さを変化せしめる３次元形状形成方法において、濃度分布マスクを構成する単位セルの「光透過領域」又は「遮光領域」を所望の形状に応じて２次元的に設計する。その結果、濃度分布マスクを透過した光は２次元の光学濃度分布を有する特徴を発現できる。
【００１７】
濃度分布マスクを用いて３次元構造を製作すると、球面、非球面、円錐形状のような連続面で構成される光学素子を製作することも、フレネル形状のように連続面と不連続面から構成される光学素子を製作することも可能となる。さらに、そのような光学素子に反射光学面を形成し、反射光学素子とすることも可能である。
【００１８】
（単位セル内の形状と配置、及び「光透過」、「光遮光」ドットの形状と配置）次に、単位セル内の形状と配置、及び「光透過」、「光遮光」ドットの形状と配置について説明する。
濃度分布マスクレチクルを製作するに当たり、まず、目的物品形成用の基板上に形成されるレジスト材料（フォトレジスト）の感度曲線を求め、光照射量とレジスト除去量の関係を把握する。
【００１９】
濃度分布マスクレチクルを用いて露光すると、露光量、単位セルの光透過量又は遮光量によってレジスト材料の除去量が異なる。これによって、「単位セルＮｏ.」（すなわち光透過量又は遮光量とレジスト除去量が特徴づけられた関係を一つのＮｏ.として表す）が決定される。「単位セルＮｏ.」は、上記の関係をグラフ化し、関数化することによって数式に変換できる。上記数式に基づいて、目的とする「形状のレンズ高さ」と「レジスト残存量（「レジスト膜厚」−「除去量」）」の関係を数式化する。次いで、ＣＡＤ（Computer Aided Design）上で「レンズ配置位置」と「レンズ高さ（レジスト残存量）」の関係を明らかにする。さらに、これを発展させて、「レンズ配置位置」と「単位セルＮｏ.」の関係に置き換える。すなわち、上記の基本的考え方に立ち、詳細なデータに裏付けされた計算式とプログラムから、ＣＡＤ設計画面上でレンズ高さと濃度分布マスクパターンセルＮｏ.を関数付けてセルＮｏ.を配置する。
【００２０】
（濃度分布マスクの設計）
この実施例では、濃度分布マスクは正方形に分割された単位セルで構成され、各単位セル内の光透過量又は遮光量が制御されたものとした。勿論、所望の形状に応じて最適の単位セルを決め最適なドットで製作すればよい。光透過量の制御方法は、▲１▼遮光膜パターンの開口面積の制御、▲２▼遮光膜パターンの膜厚の制御、▲３▼▲１▼と▲２▼の組合わせ方法がある。ここでは、▲３▼の方法を採用した。
【００２１】
マイクロレンズの隣接間隔を限りなく零に近づけた微小ピッチＭＬＡの例を示す。液晶プロジェクタ用ＭＬＡにおいて、０.９”−ＸＧＡ用の画素サイズは、１８μｍ×１８μｍである。
このＭＬＡにおいては、レンズの両側に各０.５μｍずつのレンズ非形成部がある場合は、１７μｍ×１７μｍのマイクロレンズ領域となり、全体の面積に占めるＭＬＡ面積は、
１７×１７／１８×１８＝２８９／３２４＝０.８９
となり、ＭＬＡで全ての光を有効に集光することができても８９パーセントの集光効率でしかない。したがって、ＭＬＡのレンズ非形成部の面積を小さくすることが光利用効率を向上させる上で重要であり、マイクロレンズの隣接間隔を限りなくを零に近づけることが望ましい。
【００２２】
具体的には、１／５倍（縮小の）ステッパーを用いる場合、実際に製作する濃度分布マスクレチクル上でのパターン寸法は、９０μｍ×９０μｍである。この１個のＭＬＡを３.０μｍの単位セルに分割し縦×横＝３０×３０（個）＝９００（個）の単位セルに分割する。
【００２３】
次に、中央部の２×２単位セル（濃度分布マスクレチクル上では６μｍ×６μｍ、実際のパターンでは１.２μｍ×１.２μｍ）にはセルＮｏ.１番（クロム全部残り）を配置する。また、レンズ四隅部分はセルＮｏ.８０番（クロム残り部分なし）を配置する。この間のＮｏ.１〜Ｎｏ.８０のセルには、各「階調」に対応する「開口面積」を対応させる。この関係は、露光プロセスとレジスト感度曲線から得られる関係である。勿論、レジスト材料やプロセスが異なればその都度感度曲線を把握する必要がある。このようにして、ＭＬＡ濃度分布マスクレチクルのＣＡＤデータを作成する。
【００２４】
（濃度分布マスクレチクルの製作）
次に、本発明にかかる濃度分布マスクの製造方法の一実施例を説明する。
図１は一実施例を示す工程断面図である。
まず、上記のようにして作成したＣＡＤデータをデータ化して電子線描画装置にセットする。
（Ａ）濃度分布マスクレチクルを製作するために、石英基板（透明基板）１の一表面１ａ上に遮光膜３としてのＣｒ（クロム）膜を２００ｎｍの厚さで成膜し、その上に感光性材料層５としてのポジ型電子線描画用レジスト材料（ＺＥＰ−７０００、日本ゼオン（株）の製品）を０.５μｍの厚さで塗布してマスクブランクスを形成する。
【００２５】
ここでは遮光膜としてＣｒ膜を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の金属膜もしくは金属酸化膜又はそれらの積層膜であってもよい。
また、マスクブランクスとしては、市販のものを使用してもよい。つまり、市販のマスクブランクスとは石英基板上に２００ｎｍ程度のＣｒ膜を成膜したもの（必要に応じて、Ｃｒと酸化Ｃｒの２層膜）に感光性材料を０.５μｍ程度塗布したものである。
【００２６】
（Ｂ）感光性材料層５に上記のＣＡＤデータがセットされた電子線描画装置を用いて電子線を照射して、マスクパターンの開口部分に対応する感光パターンの描画を行なう。その後、現像及びリンスを含む現像処理を施して、電子線が照射された部分の感光性材料を除去し、さらに紫外線硬化（ハードニング）処理を施して耐プラズマエッチング性を向上させて、マスクパターンと同等の感光性材料パターン５ａを形成する。電子線はエネルギーが高いため、感光性材料パターン５ａはその側壁が石英基板１の表面１ａに対してほぼ垂直に形成されている。ここで、ハードニング処理は紫外線によるものに限定されるものではなく、他の方法による硬化であってもよい。
【００２７】
（Ｃ）感光性材料パターン５ａをエッチングマスクとして遮光膜３に対してドライエッチング（異方性エッチング）を施す。これにより、遮光膜３がパターン化されて遮光膜パターン３ａが形成され、「単位セルＮｏ.」が規則的に「レンズ配置位置」に並んだ濃度分布マスクが得られる。その単位セル内では、遮光膜３が除去された部分と、遮光膜３が残っている部分が形成される。その光透過量又は遮光量として、一つの単位セルを特徴づけ、構成させることができる。
【００２８】
図２は図１（Ｃ）中の破線円部ａを示す拡大断面図である。
石英基板１に対してその側壁がほぼ垂直に形成された感光性材料パターン５ａをエッチングマスクとして形成された遮光膜パターン３ａはその側壁が石英基板１の表面１ａに対してほぼ垂直に形成される。これにより、遮光膜パターン３ａが存在する部分では光透過率が０％、遮光膜パターン３ａが存在しない部分では光透過率が１００％である濃度分布マスクが得られる。
ここまでの工程は、遮光膜パターン３ａの開口面積により光透過率を制御する方法を示している。
【００２９】
（Ｄ）石英基板１の表面１ａ上全面にポジ型感光性材料７（ＯＦＰＲ−８００−２０：２０ＣＰＳ、東京応化工業（株）の製品）を所定の方法によりスピンナーを用いて１.０μｍの膜厚に塗布する。
次いで、石英基板１の表面１ａとは反対側の裏面１ｂ側に、予め用意した拡散板９を裏面１ｂと所定の間隔（ギャップ）ｄをもって配置する。ギャップｄは例えば１.０ｍｍである。拡散板９はプラスチック製のものでもガラス製のものでもよい。また、拡散板９の焦点距離は、石英基板１の厚さ、すなわちマスクブランクスの基板厚さや電子線描画した各ドットの寸法に基づいて設定することが好ましい。一般には焦点距離が短いものの方が適している。そしてギャップｄを変更することにより、遮光膜パターン３ａの開口部分を介してポジ型感光性材料層７に照射される拡散光の拡散角度を容易に変更することができる。
なお、図１（Ｄ）に示す拡散板９の凹凸形状は単なるイメージであり、実際の凹凸形状を示すものではない。
【００３０】
次に、石英基板１の裏面１ｂ側に拡散板９を介してｇ線（波長４３６ｎｍ）を露光する。
図３は図１（Ｄ）中の破線円部ｂを示す拡大断面図である。
ｇ線は、拡散板９により拡散及び屈折され、裏面１ｂ側から石英基板１を介して表面１ａ側に到達する。表面１ａ側に到達したｇ線は、遮光膜パターン３ａの開口部分でさらに回折されて、遮光膜パターン３ａの開口部分から広角的にポジ型感光性材料層７に照射される。
なお、ポジ型感光性材料層７の膜厚は１.０μｍと薄いので、ｇ線の露光量は拡散板９で拡散される光を考慮しても１００ｍＪ程度で十分である。
【００３１】
この実施例では遮光膜パターン３ａの開口部分からポジ型感光性材料層７に露光する拡散光として、拡散板９により拡散及び屈折したｇ線を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ポジ型感光性材料層７を感光可能な拡散光であればよい。また、拡散光の波長は遮光膜パターン３ａの最小線幅又は最小ドット長さよりも長い波長であることが好ましい。
【００３２】
（Ｅ）ポジ型感光性材料層７に対して、現像及びリンスを含む現像処理を施して、ｇ線が照射された部分のポジ型感光性材料を除去し、さらに加熱ハードニング処理を施して耐プラズマエッチング性を向上させて、ポジ型感光性材料パターン７ａを形成する。
図４は図１（Ｅ）中の破線円部ｃを示す拡大断面図である。
遮光膜パターン３ａの開口部分周辺に存在するポジ型感光性材料パターン７ａの断面構造は、図４に示すように、遮光膜パターン３ａの開口部分から離れるにつれて連続的に膜厚が厚くなるようにテーパー状の形状になっている。加熱ハードニング処理後のポジ型感光性材料パターン７ａの膜厚は０.８μｍであった。ここで、耐プラズマエッチング性を向上させる手段として加熱ハードニング処理を用いているが、他の手段であってもよい。但し、加熱ハードニング処理によれば、加熱処理により感光性材料パターン７ａが収縮するので、耐プラズマエッチング性を向上させる効果に加えて、さらに、遮光膜パターン３ａの開口部分周辺での感光性材料パターン７ａの傾斜角度を大きくすることができるという効果も得られる。
【００３３】
（Ｆ）石英基板１をＴＣＰ（誘導結合型プラズマ）ドライエッチング装置に設置し、真空度：１.５×１０^-3Ｔｏｒｒ、ＣＨＦ₃：１.０ｓｃｃｍ、Ａｒ：０.５ｓｃｃｍ、Ｏ₂：１０.０ｓｃｃｍ、ＢＣｌ₃：１.０ｓｃｃｍ、基板バイアス電力：２００Ｗ、上部電極電力：１.００ｋＷ、基板冷却温度：０℃の条件下で石英基板１の表面１ａ側に対してドライエッチングを行なった。またこの時、基板バイアス電力と上部電極電力を一定に維持しながらエッチングを行なった。石英基板１の平均エッチング速度は０.００５μｍ／分、ポジ型感光性材料パターン７ａの平均エッチング速度は０.０７０μｍ／分、遮光膜パターン３ａの平均エッチング速度は０.０２５μｍ／分であり、全体のエッチング時間は８分であった。
ドライエッチング後の状態では、遮光膜パターン３ａ上に一部の感光性材料パターン７ａがエッチング除去されずに残留している。次いで、その残留している感光性材料パターン７ａを剥離液によって除去した。さらに、専用のマスク洗浄機によってマスクを洗浄した。
このドライエッチング工程で、遮光膜パターン３ａの開口部分に位置する石英基板１の一表面１ａに０.０４μｍ程度の段差（図示は省略）が生じるが、この段差は光学上特段の影響を及ぼすものではない。
【００３４】
図５（Ａ）は図１（Ｆ）中の破線円部ｄを示す拡大断面図であり、（Ｂ）はその断面位置での光学濃度分布を示す図である。（Ｂ）において、縦軸は光透過率（％）を表し、横軸は断面位置を表す。また、（Ａ）において、石英基板１の一表面１ａに形成された上記段差の図示は省略する。
（Ａ）に示すように、遮光膜パターン３ａの開口部分周辺の断面構造は、遮光膜パターン３ａの開口部分から離れるにつれて連続的に膜厚が厚くなるようにテーパー状の形状になっており、完全に遮光できる膜厚で遮光膜が残っている遮光部分３ｂと、遮光膜が全く存在しない開口部分３ｃと、完全に遮光できる膜厚に比べて膜厚が薄い遮光膜が残っている中間部分３ｄの３つの領域に分けることができる。
【００３５】
中間部分３ｄにおける遮光膜の膜厚は、開口部分３ｃ側から遮光部分３ｂ側に向って連続的に厚くなっているので、（Ｂ）中の実線Ａで示すように、中間部分３ｄにおける光透過率は開口部分３ｃ側から遮光部分３ｂ側に向って連続的に小さくなっている。
また、（Ｂ）中の破線Ｂは、遮光膜パターンに中間部分３ｄに対応する部分が存在しない従来の濃度分布マスクの光学濃度分布を示している。その光透過率は開口部分では１００％、遮光部分では０％であり、光透過率はデジタル的に変化している。
それに対し、この実施例により製作した濃度分布マスクでは、膜厚が連続的に変化している中間部分３ｄの存在により、光透過率は中間部分３ｄ、すなわち開口部分３ｃ周辺でアナログ的に変化している。
【００３６】
このように、工程（Ｄ）から（Ｆ）により、遮光膜パターン３ａの膜厚の制御により光透過率を制御することができた。そして、工程（Ａ）から（Ｃ）による▲１▼遮光膜パターン３ａの開口面積の制御と、工程（Ｄ）から（Ｆ）による▲２▼遮光膜パターン３ａの膜厚の制御を組み合わせた制御を実現することができた。
【００３７】
図６は、濃度分布マスクの代表的な単位セル配置例として、２０μｍ×２０μｍのマイクロレンズのためのものの例を示す。単位セルは、碁盤の目状の正方形形状である。単位セルは必ずしも正方形である必要はなく、所望の形状に応じて他の多角形形状にすることが望ましい。斜線部は遮光膜が残存している部分である。
【００３８】
（液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１）
次に、本発明により製作した濃度分布マスクを用いてＭＬＡを製作した例を説明する。
濃度分布マスクレチクル製作の具体例１の濃度分布マスクレチクル（図６のもの）をマスクとして使用し、図７に示す縮小投影露光装置（１／５ステッパー）を使用して露光を行なって、レジストパターンを形成し、それを光学デバイス用材料に転写して製作した液晶プロジェクタ用ＭＬＡの例を述べる。
【００３９】
まず、その縮小投影露光装置の説明を行なう。
光源ランプ３０からの光は、集光レンズ３１により集光され、露光用マスク３２を照射する。マスク３２を通過した光は、縮小倍率の結像レンズ３３に入射し、ステージ３４上に載置された光学デバイス用材料３７の表面に、マスク３２の縮小像、すなわち、光学濃度分布の縮小像を結像する。光学デバイス用材料３７を載置したステージ３４は、ステップモーター３５，３６の作用により、結像レンズ３３光軸に直交する面内で、互いに直交する２方向へ変位可能であり、光学デバイス用材料３７の位置を、結像レンズ３３の光軸に対して位置合わせできるようになっている。
結像レンズ３３によるマスク３２の縮小像を、光学デバイス用材料３７のフォトレジスト層表面に結像させる。この露光を、光学デバイス用材料３７の全面にわたって密に行なう。
【００４０】
液晶プロジェクタ用ＭＬＡを製作するために、ネオセラム基板を用意し、この基板上に前述のＴＧＭＲ−９５０レジストを８.５６μｍの厚さに塗布した。次にホットプレートで、１００℃にてベーク時間１８０秒でプリベークした。
この基板を図７の１／５ステッパーで露光した。次のような露光条件▲１▼から▲８▼を連続して行なった。
▲１▼デフォーカス量：＋５μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒
▲２▼デフォーカス量：＋４μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒
▲３▼デフォーカス量：＋３μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒
▲４▼デフォーカス量：＋２μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒
▲５▼デフォーカス量：＋１μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒
▲６▼デフォーカス量：＋０μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１５秒
この条件では、総合露光量は、照射量３９０ｍＷ×０.８０秒（照度：３１２ｍＪ）である。ここで、デフォーカス量とは焦点がずれている程度をいい、その表示の＋の符号は、焦点がレジスト表面の上方にあることを意味している。
【００４１】
この条件で露光後、ＰＥＢ（ポスト・エキスポージャー・ベーク）を６０℃にて１８０秒実施した。次いで、感光性材料の現像、リンスを行なった。その後、紫外線硬化装置にて１８０秒間紫外線を照射しながら真空引きを実施して、レジストのハードニングを行なった。紫外線硬化装置は、レジストの露光に使用する波長よりも短波長でレジストを硬化させることのできる波長を照射する。この操作によって、レジストの耐プラズマ性は向上し、次工程での加工に耐えられるようになる。このときのレジスト高さは７.５μｍであった。
光学濃度分布がアナログ的な濃度分布マスクを用いたことによって、特段の段差を生じることなく形状を製作することができた。
【００４２】
その後、上記基板をＴＣＰドライエッチング装置にセットし、真空度：１.５×１０^-3Ｔｏｒｒ、ＣＨＦ₃：５.０ｓｃｃｍ、ＣＦ₄：５０.０ｓｃｃｍ、Ｏ₂：１５.０ｓｃｃｍ、基板バイアス電力：６００Ｗ、上部電極電力：１.２５ｋＷ、基板冷却温度：−２０℃の条件下でドライエッチングを行なった。またこの時、基板バイアス電力と上部電極電力を経時的に変化させ、時間変化と共に選択比が小さくなるように変更しながらエッチングを行なった。基板の平均エッチング速度は、０.６３μｍ／分であったが、実際のエッチンング時間は、１１.５分を要した。エッチング後のレンズ高さは、５.３３μｍであった。
【００４３】
（液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例２）
液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１と同じ濃度分布マスクレチクルを用い、ステッパー装置での露光条件を変更して行なった。
次のような露光条件▲１▼から▲３▼を連続して行なった。
▲１▼デフォーカス量：＋５μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.３３秒
▲２▼デフォーカス量：＋２μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.３３秒
▲３▼デフォーカス量：＋０μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.２０秒
この条件では、総合露光量は、照射量３９０ｍＷ×０.８６秒（照度：３３５ｍＪ）である。
【００４４】
この条件で露光後、感光性材料のＰＥＢ、現像、リンスを行なった。次いで、液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１と同じ条件でレジストのハードニングを行なった。このときのレジスト高さは７.２μｍであった。
光学濃度分布がアナログ的な濃度分布マスクを用いたことによって、特段の段差を生じることなく形状を製作することができた。
その後、上記基板をＴＣＰドライエッチング装置にセットし、液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１と同じ条件でドライエッチングを行なった。基板の平均エッチング速度は、０.６７μｍ／分であったが、実際のエッチンング時間は、１１.０分を要した。エッチング後のレンズ高さは、５.３μｍであった。
【００４５】
（液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例３）
ここでは非球面形状のＭＬＡを製作した。上記の液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１と同じ濃度分布マスクレチクルを用い、ステッパー装置での露光条件を変更して行なった。
次のような露光条件▲１▼から▲８▼を連続して行なった。
▲１▼デフォーカス量：＋５μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒
▲２▼デフォーカス量：＋４μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒
▲３▼デフォーカス量：＋３μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒
▲４▼デフォーカス量：＋２μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒
▲５▼デフォーカス量：＋１μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒
▲６▼デフォーカス量：＋０μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１５秒
この条件では、総合露光量は、照射量３９０ｍＷ×０.８０秒（照度：３１２ｍＪ）である。
【００４６】
この条件で露光後、感光性材料のＰＥＢ、現像、リンスを行なった。次いで、液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１と同じ条件でレジストのハードニングを行なった。このときのレジスト高さは７.７μｍであった。
光学濃度分布がアナログ的な濃度分布マスクを用いたことによって、特段の段差を生じることなく形状を製作することができた。
その後、上記基板をＴＣＰドライエッチング装置にセットし、液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１での条件のうち、Ｏ₂を１５.０ｓｃｃｍから０.９ｓｃｃｍへ変更してドライエッチングを行なった。基板の平均エッチング速度は、０.５５μｍ／分であったが、実際のエッチンング時間は、１４.０分を要した。エッチング後のレンズ高さは、７.４μｍであった。
【００４７】
このようにして、非球面形状のＭＬＡを形成した。その結果、光学濃度分布がアナログ的な濃度分布マスクを用いたことによって、特段の段差を生じることなく非球面形状を製作することができた。この具体例３によって製作したＭＬＡは、具体例１で作成したＭＬＡよりも焦点距離が短いＭＬＡを実現することができた。また、具体例３によって、従来の濃度分布マスク工法で作成したＭＬＡよりも高精度の非球面形状を再現性よく形成することができた。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の濃度分布マスクの製造方法では、電子線による描画工程（Ａ）、現像工程（Ｂ）及びエッチング工程（Ｃ）により透明基板の一表面上にデジタル的な遮光膜パターンを形成した後、上記一表面上全面にポジ型感光性材料層を形成するポジ型感光性材料層形成工程（Ｄ）、透明基板の裏面側から透明基板を介して、遮光膜パターンをマスクにしてポジ型感光性材料層に光を照射する露光工程（Ｅ）、露光後のポジ型感光性材料層に現像処理を施して遮光膜パターン上にポジ型感光性材料パターンを形成する現像工程（Ｆ）、及び透明基板の上記一表面に異方性エッチングを施して、ポジ型感光性材料パターンをマスクにして、遮光膜パターンの一部分を除去するエッチング工程（Ｇ）により、開口部分周辺の遮光膜パターンの膜厚を開口部分に近づくにつれて連続的に薄くなるように形成するようにしたので、遮光膜パターンの開口面積の制御と遮光膜パターンの膜厚の制御を組み合わせることによって、各ドット部を通過する光量をアナログ的に制御することができ、光学濃度分布がアナログ的な濃度分布マスクを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例を示す工程断面図である。
【図２】図１（Ｃ）中の破線円部ａを示す拡大断面図である。
【図３】図１（Ｄ）中の破線円部ｂを示す拡大断面図である。
【図４】図１（Ｅ）中の破線円部ｃを示す拡大断面図である。
【図５】図１（Ｆ）中の破線円部ｄを示す拡大断面図である。
【図６】マイクロレンズ用濃度分布マスクの遮光パターンの一例を示す図である。
【図７】縮小投影露光装置の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１石英基板
３遮光膜
３ａ遮光膜パターン
５感光性材料層
５ａ感光性材料パターン
７ポジ型感光性材料層
７ａポジ型感光性材料パターン
９拡散板

Claims

濃度分布マスクを用いた露光により基板上に３次元構造の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前記基板に彫り写すことにより３次元構造の表面形状をもつ物品を製造する際に使用される濃度分布マスクを以下の工程を含んで製造する濃度分布マスクの製造方法。
（Ａ）透明基板の一表面に遮光膜を介して形成された感光性材料層に電子線を用いて描画する描画工程、
（Ｂ）描画後の前記感光性材料層に現像処理を施して感光性材料パターンを形成する現像工程、
（Ｃ）前記感光性材料パターンをマスクにして異方性エッチングを施して、前記遮光膜をパターニングして遮光膜パターンを形成するエッチング工程、
（Ｄ）前記透明基板の遮光パターンの存在する側の一表面上全面にポジ型感光性材料層を形成するポジ型感光性材料層形成工程、
（Ｅ）前記透明基板の裏面側から前記透明基板を介して、前記遮光膜パターンをマスクにして前記ポジ型感光性材料層に拡散光を照射する露光工程、
（Ｆ）露光後の前記ポジ型感光性材料層に現像処理を施して前記遮光膜パターン上にポジ型感光性材料パターンを形成する現像工程、
（Ｇ）前記ポジ型感光性材料パターンをマスクにして異方性エッチングを施して、前記遮光膜パターンの一部分を除去するエッチング工程。
前記露光工程（Ｅ）は、前記透明基板の裏面側に拡散板を配置し、その拡散板を介して前記拡散光を照射する請求項１に記載の濃度分布マスクの製造方法。
前記露光工程（Ｅ）において、照射する光の波長は前記遮光膜パターンの最小線幅又は最小ドット長さよりも長い波長である請求項１又は２に記載の濃度分布マスクの製造方法。