JP4595548B2 - マスク基板及びマイクロレンズの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、グレースケールマスクを有するマスク基板、及びこのマスク基板を使用したマイクロレンズの製造方法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。

このようなフォトレジストレンズ、及びその形状を基板に転写して形成されたレンズの製造に用いられるグレースケールマスクは、製造したいマイクロレンズ形状に対応した露光量分布をレジスト上に作り出す役目を負う。その一例として、図４のように多数のマイクロドット開口を設け、そのドットの大きさを当該露光量分布が得られるように計算・配置したものがある。ドット径の大きな部分ほど露光量が多くなるため、図４のように、中心部のドット径が小さく、周辺に向かってドット径が大きくなるマスクの場合、現像後は凸型のレジストレンズ形状が得られる（ポジ型レジストを使った場合）。

しかし、グレースケールマスク製作工程に存在するばらつきにより、毎回同一条件で製作を行っても、でき上がったグレースケールマスクのドットサイズが全体的に一様に大き目、小さ目になることは避けられない。これは、グレースケールマスクを製造する工程で使用されるレジストの感光感度のばらつきや、現像感度のばらつき、サイドエッチング量のばらつきに起因するものと考えられる。

前記フォトレジストレンズの形状は、グレースケールマスクのドットサイズに非常に敏感である。グレースケールマスクの設計においては、ドットサイズを、製造したいマイクロレンズ形状に対応した露光量分布が得られるように計算・配置するが、前述のように、グレースケールマスクの製造工程において、そのドットサイズが設計値に対して全体的に一様に大き目、小さ目になることが避けられず、これに起因して、得られるマイクロレンズの形状が変わってしまうという問題点がある。

さらに、同一のグレースケールマスクを使用しても、マイクロレンズを製造する基板のロットによって、製造されるマイクロレンズの形状が異なる場合がある。これは、ロット間のレジストの感光感度のばらつきや現像感度のばらつきに起因するものと考えられる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、目的とする形状のレンズを得ることが可能なマスク基板、およびこれを使用したマイクロレンズの製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、露光装置に用いられるマスク基板であって、１枚のマスク基板上に複数のグレースケールマスクエリアが形成され、各グレースケールマスクエリアに形成されるパターンは同一のパターンデータに基づいて製作され、各グレースケールマスクエリア間では、前記パターンの要素であるドットの分布が同一であるが、対応するドットの大きさが異なることを特徴とするマスク基板（請求項１）である。

本手段においては、１枚のマスク基板に複数のグレースケールマスクエリアが形成されている。そして、各グレースケールマスクエリアに形成されるドットの分布が同一である。すなわち、各ドットの中心点は、各グレースケールマスクエリアにおいて同一に分布する。各クレースケールマスクエリアは、同一のパターンデータに基づいて製作されるが、各グレースケールマスクエリアにおいては、対応するドット、すなわちグレースケールマスクエリア内において同じ位置に位置するドットの大きさが異なっている。

本手段においては、各グレースケールマスクエリアを使用して露光を行った場合、形成されるマイクロレンズの形状が僅かに異なってくる。よって、マイクロレンズを製造するための、レジストを塗布した基板のロットに応じて、最適な形状が得られるようなグレースケールマスクエリアを選択して使用することにより、複数枚のマスク基板を用意しなくても正確な形状のマイクロレンズを製造することができる。

前記課題を解決するための第２の手段は、露光装置に用いられるマスク基板であって、１枚のマスク基板上に複数のグレースケールマスクエリアが形成され、各グレースケールマスクエリアのパターンは、同一のマスターマスクから、露光時間を変えてフォトリソグラフィにより露光転写して形成されたものであることを特徴とするマスク基板（請求項２）である。

同じマスターマスクから露光時間を変えて、一つのマスク基板に複数のグレースケールマスクエリアを形成すると、前記第１の手段とほぼ同様なマスク基板が得られる。このようなマスク基板の各グレースケールマスクエリアを使用して露光を行った場合、露光光の強度分布形状が、各グレースケールマスクエリア毎にわずかに異なる。よって、マイクロレンズを製造するための、レジストを塗布した基板のロットに応じて、最適な形状が得られるようなグレースケールマスクエリアを選択して使用することにより、複数枚のマスク基板を用意しなくても正確な形状のマイクロレンズを製造することができる。

前記課題を解決するための第３の手段は、露光装置に用いられるマスク基板であって、１枚のマスク基板上に複数のグレースケールマスクエリアが形成され、各グレースケールマスクエリアのパターンは、同一のパターンデータに基づいて、描画装置のビーム強さを変えて描画して形成されたものであることを特徴とするマスク基板（請求項３）である。

同じパターンデータに基づいて描画を行った場合でも、描画装置のビーム強さを変えて描画すると、前記第１の手段とほぼ同様なマスク基板が得られる。このようなマスク基板の各グレースケールマスクエリアを使用して露光を行った場合、露光光の強度分布形状が、各グレースケールマスクエリア毎にわずかに異なる。よって、マイクロレンズを製造するための、レジストを塗布した基板のロットに応じて、最適な形状が得られるようなグレースケールマスクエリアを選択して使用することにより、複数枚のマスク基板を用意しなくても正確な形状のマイクロレンズを製造することができる。

前記課題を解決するための第４の手段は、基板の上にレジストを塗布し、グレースケールマスクのパターンを前記レジストに露光して前記レジストを感光させ、その後レジストを現像することにより、レンズの形状をしたレジストパターンを形成する工程を含むマイクロレンズの製造方法であって、前記第１の手段から第３の手段のうちいずれかのマスク基板を使用し、前記複数のグレースケールマスクエリアの一つを、適宜選択して使用し、前記レジストの露光に使用することを特徴とするマイクロレンズの製造方法（請求項４）である。

本手段においては、最適なマイクロレンズの形状が得られるようなグレースケールマスクエリアを選択し、それを使用して露光を行うので、複数のグレースケールマスク基板を用意する必要が無い。なお、特許請求の範囲、及び本欄で言うマイクロレンズには、レジストそのものにレンズ特性を持たせたフォトレジストマイクロレンズを含む。

本発明によれば、目的とする形状のレンズを得ることが可能なマスク基板、およびこれを使用したマイクロレンズの製造方法を提供することができる。

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フォトレジスト光学素子の場合は、（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。

なお、（ｃ）の工程の後に、形成された表面形状を滑らかにするために加熱処理や、薬品による溶解処理が行われることがある。

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、本実施の形態においては、使用するグレースケールマスク３が異なっており、これをマスク基板５と称する。図２にマスク基板５の１例を示す。

このマスク基板５には、４つのグレースケールマスク６、７、８、９が形成されているが、これらのグレースケールマスクは、マスク基板５の上に遮光膜を形成し、その上にレジストを塗布し、同一のマスターマスク基板に形成されたパターンを、レジスト上に、露光時間を変えて露光転写し、その後レジストを現像して、残ったレジストをマスクとして前記遮光膜をエッチングして除去し、その後レジストを除去することにより形成されたものである。よって、各グレースケールマスク６、７、８、９間では、ドットパターンの配列は同じであるが、露光時間の違いに応じて、ドットパターンの大きさが異なっている。

図１（ｂ）の工程で露光を行うとき、各グレースケールマスク６、７、８、９の各々を使用して、サンプルとしてのマイクロレンズを製造し、その中で出来上がったマイクロレンズの形状が目標値に一番近いものを製造するのに使用したグレースケールマスクを、その後のマイクロレンズの製造に使用することにする。

このようにして、１枚のマスク基板５上に、ドットパターンの寸法が少しずつ異なるグレースケールマスク６、７、８、９を、予め形成しておき、そのうち最適なものを選んで使用することにより、複数のグレースケールマスク３を用意することが不要になり、又、出来上がったマイクロレンズの形状を見て、グレースケールマスク３を作り直すことも必要でなくなる。

前述のような方法で、図２に示すようなマスク基板５を製造した。グレースケールマスク６、７、８、９を製造するときの露光時間は、それぞれ290ms、320ms、350ms、380msとした。

このグレースケールマスクを使用して、図１に示すような工程によりフォトレジストマイクロレンズを製作した。製作したフォトレジストマイクロレンズについて、その形状を測定した結果を図３に示す。図３は、得られたフォトレジストマイクロレンズ形状と理想形状（設計形状）の差を表している。図３のグラフは、上から、290ms、320ms、350ms、380msの露光時間で露光を行って製造したグレースケールマスクを使用した場合の結果を示している。

図３から、グレースケールマスクによって、得られるフォトレジストマイクロレンズの形状誤差が異なることが分かる。即ち、グレースケールマスクの全体的なドットサイズの出来具合によって、得られるフォトレジストマイクロレンズ形状が異なることになる。

このフォトレジストマイクロレンズの有効径は680μｍであり、このデータから誤差の大きさ及び誤差曲線のスムーズさからグレースケールマスク７を用いて製造したフォトレジストマイクロレンズ形状が最も良いと判断される。結果的に、グレースケールマスク７のドットサイズが最も設計ドットサイズに近いものであった。

この例のグレースケールマスクでは、グレースケールマスク７が最も設計ドット径に近かったが、マスク製作工程のばらつきにより、どのグレースケールマスクが最も設計ドット径に近くなるかは不定である。出来上がったマスクのドット径をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）等を用いて実測し、最適なグレースケールマスクを見つけ出して使用することになる。

また、この例と異なり、場合によっては設計ドット径から外れたドット径を有するグレースケールマスクで最も良好なマイクロレンズ形状が得られる可能性もある。よって、全てのグレースケールマスクを使用してマイクロレンズをテスト的に製作し、その形状比較を行って最適なグレースケールマスクを選択するのが最も良い方法である。例えば、このマイクロレンズの有効径が500μｍだった場合は、図３の結果から、グレースケールマスク９を選択するのが最も適当である。

以上の実施例は、露光装置を用いてグレースケールマスクを製造したものであるが、電子線描画装置等の描画装置を用いて、同じ設計データに基づき、描画のビーム強さを変えて、グレースケールマスクを製造した場合でも、同様の結果が得られる。

本発明の実施の形態の例である、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。 本発明の実施の形態の１例であるマスク基板の概要を示す図である。 図２に示すマスク基板において、各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マイクロレンズについて、その形状を測定した結果を示す図である。 グレースケールマスクの例を示す図である。

符号の説明

１…基板、２…レジスト、３…グレースケールマスク、５…マスク基板、６〜９…グレースケールマスク

Claims (4)

1. 露光装置に用いられるマスク基板であって、１枚のマスク基板上に複数のグレースケールマスクエリアが形成され、各グレースケールマスクエリアに形成されるパターンは同一のパターンデータに基づいて製作され、各グレースケールマスクエリア間では、前記パターンの要素であるドットの分布が同一であるが、対応するドットの大きさが異なることを特徴とするマスク基板。
2. 露光装置に用いられるマスク基板であって、１枚のマスク基板上に複数のグレースケールマスクエリアが形成され、各グレースケールマスクエリアのパターンは、同一のマスターマスクから、露光時間を変えてフォトリソグラフィにより露光転写して形成されたものであることを特徴とするマスク基板。
3. 露光装置に用いられるマスク基板であって、１枚のマスク基板上に複数のグレースケールマスクエリアが形成され、各グレースケールマスクエリアのパターンは、同一のパターンデータに基づいて、描画装置のビーム強さを変えて描画して形成されたものであることを特徴とするマスク基板。
4. 基板の上にレジストを塗布し、グレースケールマスクのパターンを前記レジストに露光して前記レジストを感光させ、その後レジストを現像することにより、レンズの形状をしたレジストパターンを形成する工程を含むマイクロレンズの製造方法であって、請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載のマスク基板を使用し、前記複数のグレースケールマスクエリアの一つを、適宜選択して使用し、前記レジストの露光に使用することを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
   
   

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