JP4678640B2 - Concentration distribution mask and three-dimensional structure manufacturing method using the same - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元構造の表面形状をもつ物品を製造する方法、その製造方法で使用される感光性材料パターンを形成するための露光に用いる濃度分布マスク、及びその濃度分布マスクを製造する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次元的な透過率分布を有する露光用マスクを介して露光し、フォトレジストの現像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（特開平７−２３０１５９号公報、特表平８−５０４５１５号公報を参照）。
【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透過率が段階的に変化する２次元的な透過率分布を持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。
【０００４】
特表平８−５０４５１５号公報（この記載内容を従来技術とする）に記載されている濃度分布マスクでは、２次元的な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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の濃度分布マスクでは、単位セルは形状も大きさも均一であり、光透過率や遮光量を全体的に制御する方法は述べられていない。そのため、例えば、目的とするレジストパターン、ひいては最終物品の表面形状の傾斜角度が大きいとき、即ち、短距離内で急激な変化をする形状には対応できなかった。
従来技術は、単位セル間の光透過量又は遮光量の隣接効果（光回折量の差）を考慮していない。単位セル間で光透過量が単調に変化する場合は隣接する単位セルからの光漏れ量は予測可能であり、制御もできるが、フレネルレンズのように単位セル間で光透過量又は遮光量が不連続に変化する場合には、光漏れ量が予測不可能である。例えば、フレネルレンズのトップ（頂点）に対応する単位セルと、その隣に直ぐ隣接する単位セルとではフレネル輪帯の曲率が異なるため、トップ部分への光漏れ量は当然異なってくる。光透過量の隣接効果に対処するには単位セル内の遮光パターンの配置を修正するなどの処置が必要になるが、従来技術のように単位セルの形状も大きさも均一である場合には対処しにくい。
【０００６】
従来技術は、濃度分布マスクの単位セルが正方形のみで構成されているために、遮光パターンを構成するドットの形状をこれに合わせて正方形とすることが最も設計し易く、再現性の良い制作方法である。しかし、レーザービーム描画装置のように主として円形形状のビームを出射する描画装置においては、最適な単位セルは、描画時のビーム形状である円形状により近い形状が望まれる。しかし、単位セルの形状が固定されている場合には、このような描画ビーム形状に合わせた最適な設計方法を選択することができない。
【０００７】
本発明の第１の目的は、３次元構造の表面形状をもつ物品を製造する濃度分布マスクにおいて、得ようとする表面形状に対処しやすくし、単位セル間の光透過量の隣接効果にも対処しやすくし、しかも設計の自由度も高めることである。
【０００８】
また、従来技術の濃度分布マスクでは、単位セルの開口寸法を形成するようにパターン化された遮光膜は、遮光膜のある領域では光透過率が０、遮光膜のない領域では光透過率が１００％というように、光透過率がデジタル的に変化する。そして、その濃度分布マスクを用いて行なう露光工程は、投影露光法である場合も密着露光法である場合も、フォトレジスト層にちょうど焦点が合ったジャストフォーカス状態で行なわれる。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、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かくする必要がでてくる。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。従来技術の文献で「実質的に」と述べているのはそのことを意味している。
そこで、本発明の第２の目的は、目的とする物品の表面形状をより平滑なものとすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の目的は請求項１に記載した濃度分布マスクにより達成することができる。すなわち、本発明の濃度分布マスクは、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、前記感光性材料パターンを形成するための露光に用いる濃度分布マスクであり、透明基板上に２次元の光強度分布を有する遮光パターンが形成されたものである。そして、その濃度分布マスクは、適当な形状及び大きさの単位セルにより隙間なく分割されており、各単位セル内の遮光パターンが前記感光性材料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とにより前記遮光パターンが構成されている。
【００１０】
単位セルの形状及び大きさを選択することにより、描画ビーム形状に合わせた最適な設計方法を選択することができるようになる。
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。即ち、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ー条件（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（即ち、関数）である。
【００１１】
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。
【００１２】
本発明は、半導体プロセスのように、ある高さの感光性材料を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、即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。上記方法によって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、光透過量変化又は遮光量変化を実現する濃度分布マスクの製造方法で、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次元的に設計し、その結果、濃度分布マスクを透過した光は２次元の光強度分布を有する特徴を発現できる。
【００１３】
本発明の第２の目的は、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方法において、前記基板上に感光性材料層を形成し、本発明の濃度分布マスクを使用して感光性材料を露光することにより達成することができる。すなわち、その濃度分布マスクが透明基板上にパターン化された遮光膜が形成されたものである場合には、単位セル内の遮光パターンは、その周辺部では周辺に向って膜厚が連続的に厚くなって、光透過率が連続的に変化しているものである。また、その濃度分布マスクが銀塩用写真原版が露光され現像されて形成されたものである場合には、単位セル内の遮光パターンは、その周辺部では周辺に向って黒化度が連続的に小さくなって、光透過率が連続的に変化しているものである。
【００１４】
このように、単位セル内の遮光パターンの周辺部で光透過率が連続的に変化している濃度分布マスクを用いると、仮りにジャストフォーカス状態で露光を行なっても隣接する単位セル間の境界での光量変化が少なくなり、フォトレジストに形成される３次元パターンの表面形状はより平滑なものになる。
【００１５】
本発明の濃度分布マスクを用い、デフォーカス状態での露光を含む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するようにしてもよい。露光が投影露光である場合には、焦点を感光性材料層からずらせばよく、露光がマスクを感光性材料に近づけて行なう近接露光の場合には、露光時間内に感光性材料層が形成されている基板とマスクの一方又は両方を面内で移動させればよい。デフォーカス状態での露光によっても、隣接する単位セル間の境界での光量変化が少なくなり、フォトレジストに形成される３次元パターンの表面形状はより平滑なものになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
単位セルは形状と大きさの少なくとも一方が異なる複数種類を含んでいることが好ましい。濃度分布マスクを形状と大きさの少なくとも一方が異なる複数種類の単位セルに分割することにより、感光性材料パターン、ひいては最終物品の表面形状の傾斜角度に応じて光透過量や遮光量を全体的に制御することが容易になる。また、単位セル間の光透過量の隣接効果にも対処しやすくなる。
【００１７】
ここで、単位セルの形状や大きさによる光透過量やその隣接効果について図１に基づいて説明する。図で、斜線部は遮光パターンである。
図１（Ａ）と（Ｂ）は隣のセルから入射する光照度を比較したものである。（Ａ）は２μｍ×２μｍのセルの中央に１μｍ×１μｍの開口部を設けた場合、（Ｂ）は１μｍ×１μｍのセルの中央に０.５μｍ×０.５μｍの開口部を設けたものを４個集めた場合で、いずれも開口部の合計面積は等しい。尚、隣接するセルの中心から１μｍ離れた距離にある１μｍ×１μｍのセルに入射する光の総和をＥとした。これらのセルから、隣接する２μｍ×２μｍのセルの中心に入射する光照度を計算する。
（Ａ）では
２×（Ｅ／４）／Ｌ32＋２×（Ｅ／４）／Ｌ42＝０.２５７６Ｅ
（Ｂ）では
２×（Ｅ／４）／Ｌ12＋２×（Ｅ／４）／Ｌ22＝０.２７６Ｅ
となる。すなわち、単位セルへの隣接効果は、分割した方が大きい。
【００１８】
図１（Ｃ）と（Ｄ）は開口部を集中させた場合と分散させた場合で、２μｍ×２μｍの単位セル中心部での光照度を比較したものである。（Ｃ）は２μｍ×２μｍの単位セルの中央に０.５μｍ×０.５μｍの開口部を４個集めた場合、（Ｄ）は１μｍ×１μｍのセルに分割し、それぞれの中心に０.５μｍ×０.５μｍの開口部を設けた場合である。この２μｍ×２μｍの単位セル中心部での光照度を計算する。
（Ｃ）では
４×（Ｅ／４）／Ｄ02＝４×（Ｅ／４）／０.１２５＝８Ｅ
（Ｄ）では
４×（Ｅ／４）／Ｄ12＝４×（Ｅ／４）／０.５＝２Ｅ
となる。すなわち、単位セルの中心部の光透過量は分割した方が小さくなる。したがって、セルを分割した場合は分割前のセルの中央部での光透過量より減少するため、単位セル内の光透過量は、分割しない場合に比べて減少しポジ型レジスト除去量が減少する。
【００１９】
本発明の濃度分布マスクにおける単位セルは、感光性材料パターンの高さの変化の緩やかな部分に対応した位置では大きく、感光性材料パターンの高さの変化の急な部分に対応した位置では小さくなるように少なくとも２種類の大きさのものを含んでいるのが好ましい。単位セルを小さくすれば単位長さ当たりの階調数を多くすることができ、得られる感光性材料パターンの表面形状を平滑にすることができる。しかし、全体の単位セルを小さくするとコスト高を招くので、感光性材料パターンの高さの変化が急な部分では単位セルを小さくするが、感光性材料パターンの高さの変化の緩やかな部分では単位セルを大きくすることにより、コストを抑えつつ、表面形状の平滑化を実現することができるようになる。
【００２０】
単位セル内の遮光パターンは、光透過又は遮光のための均一な大きさの領域が所定数配置されていることにより光透過量又は遮光量が設定されているとすることができる。その場合、濃度分布マスクを構成し隣接する単位セルの光透過領域又は遮光領域の増加または減少が、所望の形状に応じて、単調に変化することもあるし、不連続に変化することもある。そして、単位セル内の光透過領域又は遮光領域は、光透過量又は遮光量が、単位セル内の中心から周辺方向に向って増加又は減少するように配置されていてもよく、単位セル内の一端から他端へ向って増加又は減少するように配置されていてもよい。
また、単位セルの形状によっては遮光パターンは円形で単一の光透過領域又は遮光領域とする方が好都合な場合もある。その場合、その領域の大きさにより光透過量又は遮光量を設定することができる。
【００２１】
透明基板上にパターン化された遮光膜が形成され、単位セル内の遮光パターンの周辺部では周辺に向って膜厚が連続的に厚くなって、光透過率が連続的に変化している濃度分布マスクは、次のように製造することができる。すなわち、透明基板上に遮光膜を形成したマスクブランクスのその遮光膜上にポジ型感光性材料層を形成し、目的とする光強度分布を有する遮光膜パターンを形成するための感光性材料パターンを形成するために、出力可変の露光用光ビームを用い、単位セル内で残存させる感光性材料パターンが周辺部で膜厚が周辺に向って連続的に厚くなるように照射光量を変化させて感光性材料層を露光し、現像をしてその感光性材料層に感光性材料パターンを形成した後、その感光性材料パターンをマスクとして異方性ドライエッチングによりその遮光膜をエッチングして、単位セル内の遮光膜パターンがその周辺部では周辺に向って膜厚が連続的に厚くなって光透過率が連続的に変化する遮光膜パターンを形成する。
【００２２】
銀塩用写真原版が露光され現像されて形成され、単位セル内の遮光パターンの周辺部では周辺に向って黒化度が連続的に小さくなって、光透過率が連続的に変化している濃度分布マスクは、次のように製造することができる。すなわち、銀塩用写真原版に目的とする光強度分布を有する銀塩パターンを形成するために、出力可変の露光用光ビームを用い、単位セル内で形成される銀塩パターンが周辺部で黒化度が周辺に向って連続的に小さくなるように照射光量を変化させてその銀塩用写真原版を露光し、現像をしてその銀塩用写真原版に単位セル内の銀塩パターンがその周辺部では周辺に向って黒化度が連続的に小さくなって光透過率が連続的に変化する銀塩パターンを形成する。
【００２３】
本発明の濃度分布マスクを用い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制作することも可能となる。更に、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。
【００２４】
（濃度分布マスクレチクルの制作）
濃度分布マスクレチクルを製作するに当たり、まず、レジスト材料の感度曲線を求め、光照射量とレジスト除去量の関係を把握する。
濃度分布マスクのレチクルを用いて露光すると、露光量、デフォーカス量、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．」（即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。更に、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。
【００２５】
次に、ＣＡＤデータをデータ化してレーザー光照射装置にセットする。
濃度分布マスクレチクルは、一例として、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する。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。ここでは説明を簡単にするために、正方形で説明する。光透過量の制御方法は、▲１▼Ｃｒ開口面積の制御、▲２▼Ｃｒ膜厚の制御、▲３▼▲１▼と▲２▼の組合わせ方法がある。ここでは、▲１▼と▲３▼の方法を採用した。
【００２６】
レチクルを制作するために、透明ガラス基板上に例えば２００ｎｍ厚さのＣｒ膜を成膜し、その上に上記のレジスト材料を塗布してレチクルブランクスとする。そのレジスト材料に上記のＣＡＤデータがセットされたレーザー光照射装置を用いてレーザー光を照射し描画を行なう。レーザー光照射では、所望の形状に応じて最適のビーム形状を決定し、多角形形状や円形状などをアパチャーで整形する。
このレーザー光照射装置によりレーザー光が照射されたレジスト材料部分は、次の現像工程によって除去され、レジスト材料層にマスクパターンが形成される。
【００２７】
次に、このパターン化されたレジスト材料層をエッチングマスクとしてＣｒ膜をドライエッチング又はウェットエッチングすることにより、Ｃｒ膜がパターン化されて、「単位セルＮｏ．」が規則的に「レンズ配置位置」に並んだ、所望の２次元的な透過量分布を有する濃度分布マスクが得られる。その単位セル内では、Ｃｒ膜の除去された部分と、Ｃｒ膜の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】
レチクルマスクのブランクスとしては、市販のマスクブランクスを使用してもよい。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１μｍ程度塗布したものである。
上のレチクル制作において、Ｃｒ膜のパターン化をウエットエッチングにより行なえば、Ｃｒ膜のある部分では光透過率が０、Ｃｒ膜のない部分では光透過率が１００%となる遮光膜パターンが得られる。
【００２９】
また、単位セル内で残存させるレジスト材パターンの膜厚が単位セル内のパターン周辺部では周辺に向って連続的に厚くなるように前記レーザー光照射装置による露光を行ない、現像をしてそのレジスト材層にパターンを形成した後、そのレジスト材パターンをマスクとして異方性ドライエッチングによりＣｒ膜をエッチングすれば、単位セル内のＣｒ膜パターンがその周辺部では周辺に向って膜厚が連続的に厚くなって光透過率が連続的に変化するようにすることができる。
【００３０】
また、本制作方法は、電子線描画（ＥＢ描画）でも製作できるが、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、再現性が著しく乏しい。また製作時は、単一ビームしか出射できないために製作に莫大な時間を要し、経時的な変動が大きい。以上から、本発明では、安価で信頼性の高いレーザー光照射装置を製作し、濃度分布マスクを製作した。
【００３１】
【実施例】
濃度分布マスクの製作では、レジスト材料に図２に示す自社開発のレーザー光照射装置を用いてレーザー光を照射し描画を行なった。このレーザー光照射では、所望の形状に応じて最適のビーム形状を決定し、多角形形状や円形状などをアパチャーで整形することができる。
【００３２】
図２に示すレーザー光照射装置は、レーザー光発振装置１、レーザー光発振装置１からのレーザー光を複数のレーザー光に分割するビームスプリッター２、レーザー光の光路を折り曲げるミラー３、ミラー３で折り曲げられたレーザー光を変調する光変調器４、データバスからの信号により光変調器４を制御して個々のレーザー光のＯＮ・ＯＦＦを制御する光変調制御装置５、光変調器４からのレーザー光を偏向する光偏向器６、レーザー光をレジスト材料層に集光するための対物レンズ７、載置されたマスクブランクスをＸ方向及びＹ方向に移動するＸ−Ｙステージ８、並びに光偏向器６の動作とＸ−Ｙステージ８の動作を制御する制御装置９などの主要構成部品から構成されている。
【００３３】
このレーザー光照射装置は、設計データに応じてＸ−Ｙステージ８の動作と、個々のレーザー光のＯＮ・ＯＦＦ及び偏向を制御することにより、マスクブランクスのレジスト材料層に所望のマスクパターンを描画する。すなわち、このレーザー光照射装置によりレジスト材料層にレーザー光を照射して各単位セル毎に光透過領域又は遮光領域を所望の透過率分布になるように２次元的にパターン形成を行なう。また、この際、所望の特殊表面形状に応じて演算された各単位セルの透過量分布に応じてレーザー光の照射が制御され、各単位セル内の光透過領域又は遮光領域を増加または減少させるドットの配列が制御される。
単位セル形状とドット形状は目的とする製品により適当なものを選択すればよい。例えば、次の表１に示すような組み合わせが適当である。
【表１】
（実施例１）
疎サイズの液晶用マイクロ・レンズ・アレイ（ＭＬＡ）の製作：
濃度分布マスクレチクルを製作するに当たり、感光性材料であるレジスト材料として、ポジ型レジスト材料のＴＧＭＲ−９５０（東京応化（株）の製品）を用いた。
【００３５】
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。ここでは説明を簡単にするために、正方形で説明する。光透過量の制御方法は、▲１▼Ｃｒ開口面積の制御、▲２▼Ｃｒ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。
【００３６】
レチクルを制作するために、透明ガラス基板上に例えば２００ｎｍ厚さのＣｒ膜を成膜し、その上に上記のレジスト材料を塗布する。そのレジスト材料に図１のレーザー光照射装置を用いてレーザー光を照射し描画を行なった。
その後、現像とリンスを経てレジスト材料層にマスクパターンを形成し、そのレジストパターンをエッチングマスクとしてＣｒ膜をドライエッチング又はウェットエッチングすることにより、Ｃｒ膜をパターン化し、濃度分布マスクを製作した。
【００３７】
図３は、このようにして製作した濃度分布マスクの代表的な配置例として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Ｃｒ膜が残存している部分である。
【００３８】
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。
以下に示す例は、代表的な例を示したものであり、単位セルの寸法、ドットの寸法、起点の寸法等は、所望の形状に対応して設計されるべきもので、本実施例に限定されるものではない。即ち、各単位セルとドットの寸法によって階調数が決定されるので、これらの寸法は、目的形状と目的階調によって決定するものである。
【００３９】
図４には、単位セル形状を変更する場合の代表例として、６種類の多角形形状の例を示した。（ア）は正方形、（イ）は正六角形、（ウ）は正三角形、（エ）は長方形、（オ）は六角形、（カ）は二等辺三角形である。これらの多角形は、「所望の形状を上方向から見た際に、上方から多角形の網を覆いかぶせる方法」で最適の形状を決定する。所望の形状に応じて、すなわち、例えば、なだらかな曲面が続く場合、不連続な面で構成される場合など階調の変化量によって、濃度分布マスク特性を発現する「最も効果的な多角形」及び「その組み合わせ」を選択することで最適な形状を決定することができる。
また、同様に単位セルの寸法も所望の形状に対して必要な階調をどの程度微細にとるかで決定される。即ち、短かい距離で多くの階調を必要とする時には、比較的小さな寸法の単位セルを選択し、ドット寸法をできるだけ小さくするのが望ましい。
【００４０】
図５には、ＭＬＡの濃度分布マスクの単位セル配置の例を示した。（ア）は中心部分に配置する単位セルの組合わせパターンの例、（イ）は周辺部分に配置する単位セルの組合わせパターンの例を示している。いずれも実線で示されているのが単位セルで、破線の矢印はその方向にも単位セルが配置されていることを示している。
【００４１】
（ア）はＭＬＡの中心付近に配置するため、所望の形状はなだらかな曲線形状である。このため階調数はさほど必要としない。したがって、寸法の比較的大きい単位セルで構成し、放射線状に単位セルを配置している。
【００４２】
（イ）は周辺部分に配置するため、所望の形状は急激に変化する曲面形状である。このため階調数は多くを必要とする。したがって、ＭＬＡの四隅に近づくにつれて寸法の小さな単位セルで構成し、ドット寸法も小さくする必要がある。また、単位セルの形状も四角形だけでなく、三角形のものも配置し、単位セル内でのドットの位置を変更することにより光透過量の隣接効果に対処しやすくしている。
【００４３】
図６は、代表的な単位セル内の光透過領域又は遮光領域の増加又は減少の起点となる初期パターンの位置の違いと、光透過量又は遮光量を変化させる方法を示している。いずれも最も外側の正方形が単位セルを表わし、内側の正方形はそれぞれ光透過領域又は遮光領域を表わしている。（Ａ）では単位セルの中央に起点があり、（Ｂ）では四隅のいずれかに起点が配置されていることを表わしている。
【００４４】
図７は、光を透過する開口部（Ｃｒがない部分）を増加させていく例を示している。特に説明はしないが、光透過面積を減少させていく場合も同様である。（ア）は螺旋状に中心から面積を増やす方法であることの例を示している。この例は、ある単位セルＮｏ．からのドットの増加方法の代表例を示している。また、ある代表的な１ドットづつの増加方法あるいは減少方法を示している。したがって、ここに示したドットの中心に配置した初期四角形形状の寸法やドット寸法はモデル的なものであり、本発明では正方形に限定されるものではなく、長方形、三角形等の多角形でも構わない。また、当然のことながら楕円形状を含む円形状でもよい。
【００４５】
図７（イ）は単位セルが正六角形の場合の例を示している。この場合は、斜線部で示されるドットは円であり、その大きさを変えることにより透過量又は遮光量が変化していく。
また、ドットの面積の増加・減少は入力時のインプットデータであり、マスクの製作条件によってはレーザー光の太りやウエットエッチングのサイドエッチングなどにより形状が崩れることがある。
【００４６】
（実施例２）
液晶用微小寸法ＭＬＡの製作：
実施例２は、微小ピッチＭＬＡの例で、マイクロレンズの隣接間隔を限りなく零に近づけた例である。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。
【００４７】
このＭＬＡにおいては、レンズの両側に各１μｍづつのレンズ非形成部がある場合は、１６μｍ×１６μｍ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、１６×１６／１８×１８＝２５６／３２４＝７９．０となり、ＭＬＡで全ての光を有効に集光することができても７９パーセントの集光効率でしかない。即ち、ＭＬＡの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には重要である。
【００４８】
実施例１の方法によって製作したレチクルを予め用意する。具体的には、本実施例では、１／５倍（縮小の）ステッパーを用いるため、実際に製作したレチクルパターン寸法は、９０μｍ×９０μｍである。この一個の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。
【００４９】
次に、中央部の２×２単位セル（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マスクレチクルのＣＡＤデータを作成する。本件実施例では、図３、図４（ア）〜（カ）の方式を用いてＣＡＤプログラムを製作した。
【００５０】
液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例：
上記のようにして作成したＣＡＤデータを図２に示したレーザー光照射装置にインストールして、Ｘ−Ｙステージとレーザー光のＯＮ，ＯＦＦ及びビーム形状をアパチャーで制御しながら、所定の方法でレチクルマスクに露光した。そして、所定の方法で現像、リンスを行なった。その後、Ｃｒウエットエッチング液にてＣｒエッチングを行なった。
【００５１】
その結果を表２に示す。
【表２】
表２において、ドット面積増加方式の左欄は、レーザービームによる描画ビーム形状を矩形状とし、その描画ビームを螺旋状に移動させていくことにより描画領域を増加させていく方式である。右欄は、描画ビーム形状を円形状とし、その描画ビームの直径を大きくすることにより描画領域を増加させていく方式である。
【００５３】
表２の結果における「再現性」は、実施例で行なったレーザービーム描画方法を電子線描画方法と比較した結果として示している。電子線描画方法では描画領域の形状に拘らず、電子線を走査することにより所定の領域を描画する。
電子線描画方法の場合、描画領域の寸法が０.５μm×０.５μｍ以上のときは再現性がよいが、それより小さい寸法になると再現性が悪くなる。
【００５４】
それに対し、レーザービーム描画方法では、描画ビーム形状を矩形にして描画領域を螺旋状に増加させていくことにより電子線描画方法よりも高い再現性を得ることができる。描画領域が円形の場合には、レーザービーム描画方法は描画領域の直径が０.２μｍ以上のときは非常に高い再現性を得ることができる。描画領域の直径が０.２μｍより小さくなると再現性が悪くなってくるが、電子線描画方法では描画領域の寸法が０.５μｍより小さくなると再現性が悪くなるのに比べると、再現性が格段に優れている。
【００５５】
「隣接効果」の予測は単位セルの形状に依存する。単位セル形状が正方形や長方形の場合には矩形のドットにより正確に描画できるため、隣接効果を計算で予測することができる。しかし、単位セル形状が三角形の場合は正確に描画することが難しい。特にエッジ部分では正確な描画は難しい。そのため、隣接効果を計算で予測することも難しい。
【００５６】
これらの結果から、図４の（ア）、（イ）のマスクが最も良い出来であったのでこれを使用した。尚、図４の（ア）の配置では、図６の（Ａ）タイプ、（Ｂ）タイプどちらも良好な結果を得ることができた。図４の（イ）の配置では図６の（Ａ）タイプのドット配置で実施した。但し、各方法とも長所、欠点があるのでそれぞれ目的形状に応じて使い分けが可能である。この実施例では、基本セルとして図４の（ア）のパターンを用い、図６の（Ａ）タイプで光透過量を変化させてＣＡＤデータを作成した。
【００５７】
このようにして、目的とする開口寸法を有し、かつ濃度分布を有するレチクルを製作した。
次に、このレチクルをマスクとして使用し、図８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。
【００５８】
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を透過した光は、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、即ち、透過率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。
【００５９】
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。
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。
【００６０】
この基板を図８の１／５ステッパーで露光した。露光条件は、デフォーカス：＋２５μｍ、照射量：３９０ｍＷ×１．９２秒（照度：７２０ｍＪ）である。ここで、デフォーカス量の表示の＋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。
【００６１】
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２５分実施した。ついで、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。
【００６２】
その後、上記基板をＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）ドライエッチング装置にセットし、真空度：１．５×１０-3Ｔｏｏｒ、ＣＨＦ3：５．０、ＣＦ4：５０、Ｏ2：２０ｓｃｃｍ、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大きくなるように変更しながらエッチングを行った。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。
【００６３】
（実施例３）
濃度分布マスク工法が最も有効性を発現する製品として以下のものが挙げられる。
（１）レジスト熱変形工法では、微小寸法のフレネルレンズの形成は、不可能であった。→濃度分布マスク技術はこれを可能とする。
（２）レジスト熱変形工法では、製作可能なレンズ寸法が、限られており、直径５００μｍ程度が大口径レンズの限界であった。→濃度分布マスク工法は、大口径レンズも製作可能である。
（３）非球面形状を製作するのに、多くのデータ蓄積とノウ・ハウを必要としていた。→濃度分布マスク工法は、色々な形状を製作できる。
【００６４】
濃度分布マスク工法は、上記のような特徴を有する。これらの特徴を最も良く表す形状の１つとして、フレネルレンズの例を挙げる。
本実施例ではフレネルレンズとして、焦点距離：ｆ＝６.２５（ｍｍ）、開口数：ＮＡ＝０.４（１０λギャップ）の６５輪帯のフレネルレンズを製作した。図９はそのフレネルレンズ４２の光軸Ｏから右側の部分の一部を示したものであり、ｔは基板の厚さ、ｈ(ｎ)（ｎ＝１，２，３・・・）は光軸Ｏから各輪帯までの面高さ、△Ｚ(ｎ)は各輪帯の表面から谷までの深さを表わすサグ量、θは傾き角である。
【００６５】
ここで、フレネルレンズの各輪帯の曲面形状を表わす非球面式：Ｚ(ｎ)は、
h(n)＝（Ｘ2＋Ｙ2）1/2
であり、傾き角θは、
θ＝arctan(ｄｚ／ｄｈ）
であり、傾斜度ｄｚ／ｄｈは、
設計波長λ＝７８０（ｎｍ）、
基板厚さｔ＝１±０．０５（ｍｍ）
（平行度：φ５ｍｍで０.１μｍ以下）、
基板の屈折率ｎ＝１.５１１１８、
バックフォーカスＢＦ＝５.５８８２６８
である。また、各非球面係数は、
ｃ＝１／Ｒ
＝０.３１３００３２５１（曲率半径Ｒ＝３.１９４８５５）、
Ｋ＝−０.８７９８５５５３２、
Ａ＝−０.０００１０５９５１、
Ｂ＝６.２００６１３×１０-6、
Ｃ＝０、
Ｄ＝０
である。また、１〜６５の輪帯のサグ量を計算した結果を図１０〜図１４に示す。
【００６６】
以上に基づいて６５輪帯のフレネルレンズを設計したが、図１０〜図１４に示す設計値ではフレネルレンズの中央と外周側とでは輪帯の高さ（サグ量：ΔＺ（ｎ））に１.５μｍ程度の差があるため、フレネルレンズの各輪帯の高さが１５.５μｍの同じ高さになるようにレンズ設計を補正し、この補正した値でフレネルレンズを製作した。
フレネルレンズの場合には、外周部輪帯の曲率が大きくなるため、単位セル形状を２μｍ×２μｍの正方形、ドット形状を円形状（同心円状に面積を増加させる方法）、ドット配置を中心配置として濃度分布マスクを製作した。
【００６７】
実施例１のＭＬＡの場合と同様に、感度曲線と計算式からＧマスクパターンＮｏ．の配列を決定し、図２のレーザー光照射装置を用いてＣＡＤデータのパターンを描画した。また、実施例１と同様の方法によって、現像、リンス及びエッチングを経て濃度分布マスクを製作した。
【００６８】
次に、上記マスクを使用して製作するフレネルレンズの例を述べる。
ＢＫ−７ガラス基板を用意し、この基板上に記述のＴＧＭＲ−９５０レジストを約８.５μｍの厚さに塗布する。
次に、ホットプレートを用いて、１００℃にてベーク時間１８０秒でプリベークした。この基板を１／２．５ステッパーで露光した。露光条件は、デフォーカス：＋２５μｍ、照射量：３９０ｍＷ×１.９２秒（照度：７２０ｍＪ）である。
【００６９】
この条件で露光後、ＰＥＢを６０℃にて２５分実施した。ついで、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った。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。この段階で、レジスト高さは、７．５μｍであった。
【００７０】
上記基板をＩＣＰドライエッチング装置にセットし、真空度：１．５×１０-3Ｔｏｏｒ、ＣＨＦ3：１０．０、ＣＬ2：１．０、ＣＦ4：１５．０、Ｏ2：０．９ｓｃｃｍ、基板バイアス電力：１ＫＷ、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大きくなるように変更しながらエッチングを行った。基板の平均エッチング速度は、１．１７μｍ／分であった。また、選択比は、２．０７で、エッチング後のレンズ高さは、１５．５５μｍであった。実際のエッチンング時間は、１３．５分を要した。
【００７１】
本発明は、濃度分布マスク工法を用いることによって、上記問題点を解決する方法の提案である。濃度分布マスク工法はレジスト熱変形工法に比べて次のような利点をもっている。
（１）実施例１は、微小ピッチＭＬＡの例で、隣接間隔を限りなく零に近づけた例である。このＭＬＡは隣接部の高さが隣接接線断面で異なっている。しかし、この形状を従来のレジスト熱変形工法で製作しようとしても目的の設計通りのＭＬＡ構造を製作できない。また従来のレジスト熱変形工法では、レジストの複数回塗布工法によって間隔を小さく、あるいは、隣接断面高さを目的地に近づけることはできるが、独立（孤立）したレジストブロックを形成するために隣接するＭＬＡの間隔を零にすることは事実上不可能である。
（２）フレネルレンズの形成は、従来のレジスト熱変形方法では不可能であった。
（３）従来のレジスト熱変形工法では、直径５００μｍ程度が大口径レンズの限界であった。
（４）非球面形状を容易に製作できる。
（５）トロイダル等の異形レンズを容易に製作できる。
（６）プリズム、ピラミッド等に代表される単調増加の凸構造が容易に製作できる。
（７）マイクロマシニング等の複雑な構造物を容易に製作できる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明の濃度分布マスクは、適当な形状及び大きさの単位セルにより隙間なく分割されており、各単位セル内の遮光パターンは形成しようとする感光性材料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遮光パターンが構成されているので、描画ビーム形状に合わせた最適な設計方法を選択することができる。
単位セルの形状や大きさが複数種類となるように濃度分布マスクを単位セルに分割すれば、例えばある部分では小さい単位セルに分割して単位セル内の隣接効果が小さく急激な傾斜面での階調数を多くとるようにするなど、目的とする表面形状製作の自由度が高くなり、また濃度分布マスク全体を微細な単位セルで構築する場合に比べて安価に製作することができるようになる。
単位セル内の遮光パターンの周辺部で光透過率が連続的に変化している濃度分布マスクを用いたり、デフォーカス状態で露光したりすれば、隣接する単位セル間の境界での光量変化が少なくなり、より平滑な表面形状を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光透過量やその隣接効果を説明する図である。
【図２】濃度分布マスクの製作に用いるレーザー光照射装置の一例を示す概略構成図である。
【図３】マイクロレンズ用濃度分布マスクの一例を示す遮光パターンの図である。
【図４】６種類の単位セル形状の例を示す図である。
【図５】ＭＬＡの濃度分布マスクに配置される単位セルの例を示す図である。
【図６】単位セル内の光透過領域又は遮光領域の増加又は減少の起点となる初期パターンと光透過量又は遮光量を変化させる方法を示す図である。
【図７】単位セル内の光透過領域又は遮光領域を増加又は減少させる方法を示す図で、（ア）は単位セルが長方形の場合、（イ）は単位セルが正六角形の場合の例である。
【図８】縮小投影露光装置の一例を示す概略構成図である。
【図９】フレネルレンズの一部を示す断面図である。
【図１０】設計したフレネルレンズの１〜４輪帯を示す図である。
【図１１】同フレネルレンズの４〜１５輪帯を示す図である。
【図１２】同フレネルレンズの１５〜３３輪帯を示す図である。
【図１３】同フレネルレンズの３３〜５８輪帯を示す図である。
【図１４】同フレネルレンズの５８〜６５輪帯を示す図である。
【符号の説明】
１ レーザー光発振装置
２ ビームスブリッター
４ 光変調器
５ 光変調制御装置
６ 光備向器
７ 対物レンズ
８ Ｘ−Ｙステージ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing an article having a three-dimensional surface shape, a density distribution mask used for exposure to form a photosensitive material pattern used in the manufacturing method, and a method of manufacturing the density distribution mask. It is about.
[0002]
[Prior art]
Special surface shapes typified by spherical surfaces and aspheric surfaces have been used for the refractive surfaces and reflective surfaces of optical elements. In recent years, special surface shapes have been required for microlenses and the like in connection with liquid crystal display elements, liquid crystal projectors, and the like.
Therefore, as a method of forming the refracting surface and the reflecting surface without using molding or polishing, a layer of photoresist (a representative example of a photosensitive material) is formed on the surface of the optical substrate, and the two-dimensional structure is applied to the photoresist layer. Exposure through an exposure mask having a typical transmittance distribution, and developing the photoresist to obtain a convex or concave shape as the photoresist surface shape, and then anisotropically etching the photoresist and the optical substrate The surface shape of the photoresist is engraved on an optical substrate and transferred to obtain a desired three-dimensional refracting surface or reflecting surface shape on the surface of the optical substrate (Japanese Patent Laid-Open No. 7). No. -230159 and JP-A-8-504515).
[0003]
There, as an exposure mask used to obtain a special surface shape of a three-dimensional structure such as a refracting surface or a reflecting surface, a two-dimensional transmittance distribution in which the transmittance changes stepwise according to the special surface shape. A density distribution mask (gradation mask (GM)) having the above is used.
[0004]
In the density distribution mask described in JP-T-8-504515 (this description is taken as the prior art), the mask pattern is used as a light transmission aperture in order to form a two-dimensional transmittance distribution pattern. The unit cell is divided so that the opening size of each unit cell is set to the light transmission amount or the light shielding amount corresponding to the height of the corresponding position of the photoresist pattern to be formed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the density distribution mask of the prior art, the unit cell has a uniform shape and size, and a method for controlling the light transmittance and the light shielding amount as a whole is not described. For this reason, for example, when the inclination angle of the target resist pattern, and thus the surface shape of the final article is large, that is, it cannot cope with a shape that changes suddenly within a short distance.
The prior art does not consider the adjacent effect (difference in the amount of light diffraction) of the light transmission amount or the light shielding amount between unit cells. When the light transmission amount changes monotonously between unit cells, the light leakage amount from the adjacent unit cell can be predicted and controlled, but the light transmission amount or the light shielding amount between unit cells is different as in a Fresnel lens. If it changes discontinuously, the amount of light leakage is unpredictable. For example, the unit cell corresponding to the top (vertex) of the Fresnel lens and the unit cell immediately adjacent to the unit cell have different curvatures of the Fresnel zone, so the amount of light leakage to the top portion is naturally different. In order to deal with the adjacent effect of the light transmission amount, it is necessary to take measures such as correcting the arrangement of the light shielding pattern in the unit cell. However, if the unit cell has a uniform shape and size as in the prior art, it can be dealt with. Hard to do.
[0006]
In the prior art, since the unit cell of the density distribution mask is composed only of squares, it is easiest to design the shape of the dots constituting the light-shielding pattern to be square, and the production method has good reproducibility. It is. However, in a drawing apparatus that emits a mainly circular beam, such as a laser beam drawing apparatus, an optimum unit cell is desired to have a shape closer to the circular shape that is the beam shape at the time of drawing. However, when the shape of the unit cell is fixed, it is not possible to select an optimal design method that matches such a drawing beam shape.
[0007]
The first object of the present invention is to make it easy to cope with the surface shape to be obtained in a concentration distribution mask for manufacturing an article having a surface shape with a three-dimensional structure, and also to the effect of adjacent light transmission between unit cells. It should be easy to deal with and increase the degree of design freedom.
[0008]
Further, in the conventional density distribution mask, the light shielding film patterned so as to form the opening size of the unit cell has a light transmittance of 0 in a region with the light shielding film and a light transmittance in a region without the light shielding film. The light transmittance changes digitally, such as 100%. The exposure process performed using the density distribution mask is performed in a just-focus state where the photoresist layer is just in focus, whether it is a projection exposure method or a contact exposure method. Therefore, in order to make the surface shape of the target article substantially smooth, the number of gradations must be very large, and the unit of the opening dimension in the unit cell is exposed as illustrated. It is necessary to make the wavelength shorter than the wavelength of the light used for. And as the pattern becomes finer, its manufacturing cost increases. The surface shape of the target article is a step-like one, although it approaches a smooth one as the number of gradations increases. That said in the prior art literature is “substantially” means that.
Accordingly, a second object of the present invention is to make the surface shape of the target article smoother.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The first object of the present invention can be achieved by the density distribution mask described in
[0010]
By selecting the shape and size of the unit cell, it is possible to select an optimum design method that matches the drawing beam shape.
The density distribution mask is a function obtained experimentally from the relationship between the “sensitivity curve” of the photosensitive material, the light transmission region (area) unique to each unit cell of the density distribution mask, and the “light energy amount” that passes through this area. Is given. Here, “obtained experimentally” means that the “sensitivity characteristics” and light diffusion amount of the photosensitive material differ depending on the process conditions. That is, when the process condition parameter is changed, the given function is different. The “sensitivity curve” of the photosensitive material is basically determined by the relationship between the light irradiation energy to the photosensitive material and the photosensitive component of the photosensitive material. However, it is a curve (that is, a function) that is also changed by photolithography conditions (exposure conditions, development conditions, baking conditions, etc.).
[0011]
In addition, the amount of light transmitted is an exponential function of light energy (light quantity) according to the depth when light travels through the photosensitive material because the light absorption coefficient varies depending on the molecular structure contained in the photosensitive material. Decrease. That is, the irradiation light energy amount has an exponential function with respect to the thickness (depth) of the photosensitive material. Therefore, when the “light transmission amount” and the “sensitivity” (light absorption rate) of the photosensitive material are combined from the experimental data, it is possible to form a light energy distribution having a distribution in the thickness direction of the photosensitive material.
[0012]
The present invention is not intended to form a two-dimensional line pattern of a photosensitive material at a certain height as in a semiconductor process, but “a structure having a three-dimensional shape, that is, a pattern property controlled also in the height direction”. It is aimed at forming things. In the three-dimensional shape forming method in which the thickness of the photosensitive material layer is changed by the above-described method, the “light” of the unit cell constituting the density distribution mask is a manufacturing method of the density distribution mask that realizes a light transmission amount change or a light shielding amount change The “transmission area” or the “light-shielding area” is designed two-dimensionally according to a desired shape, and as a result, the light transmitted through the density distribution mask can exhibit characteristics having a two-dimensional light intensity distribution.
[0013]
A second object of the present invention is a method of manufacturing an article having a three-dimensional structure surface shape by forming a photosensitive material pattern having a three-dimensional structure on a substrate and engraving the photosensitive material pattern on the substrate. In forming a photosensitive material layer on the substrate,The present inventionCan be achieved by exposing the photosensitive material using a concentration distribution mask. That is, when the density distribution mask is a pattern in which a patterned light shielding film is formed on a transparent substrate, the thickness of the light shielding pattern in the unit cell is continuously increased toward the periphery at the periphery. As the thickness increases, the light transmittance continuously changes. Further, when the density distribution mask is formed by exposing and developing a silver salt photographic original plate, the light shielding pattern in the unit cell has a continuous blackening degree toward the periphery in the peripheral portion. The light transmittance continuously changes.
[0014]
As described above, when a density distribution mask whose light transmittance continuously changes around the light shielding pattern in the unit cell is used, the boundary between adjacent unit cells is assumed even if exposure is performed in a just-focus state. The change in the amount of light is reduced, and the surface shape of the three-dimensional pattern formed on the photoresist becomes smoother.
[0015]
The present inventionConcentration distribution maskUseForming a photosensitive material pattern by a photolithography process including exposure in a defocused stateYou may do. If the exposure is a projection exposure, the focus may be shifted from the photosensitive material layer. If the exposure is a proximity exposure in which the mask is brought close to the photosensitive material, the photosensitive material layer is formed within the exposure time. One or both of the substrate and the mask may be moved in the plane. Even in exposure in the defocused state, the change in the amount of light at the boundary between adjacent unit cells is reduced, and the surface shape of the three-dimensional pattern formed on the photoresist becomes smoother.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The unit cell preferably includes a plurality of types different in at least one of shape and size. By dividing the density distribution mask into multiple types of unit cells that differ in at least one of shape and size, the light transmission amount and the light shielding amount are totally controlled according to the photosensitive material pattern and, consequently, the inclination angle of the surface shape of the final article. It becomes easy to control. Moreover, it becomes easy to cope with the adjacent effect of the light transmission amount between the unit cells.
[0017]
Here, the light transmission amount and the adjacent effect due to the shape and size of the unit cell will be described with reference to FIG. In the figure, the shaded area is a light shielding pattern.
1A and 1B compare the illuminance incident from the adjacent cells. (A) shows a case where an opening of 1 μm × 1 μm is provided in the center of a 2 μm × 2 μm cell, and (B) shows a case where an opening of 0.5 μm × 0.5 μm is provided in the center of a 1 μm × 1 μm cell. In the case of collecting 4 pieces, the total area of the openings is the same. Note that E is the total light incident on a 1 μm × 1 μm cell located 1 μm away from the center of adjacent cells. From these cells, the illuminance incident on the center of the adjacent 2 μm × 2 μm cell is calculated.
(A)
2 x (E / 4) / L32+2 x (E / 4) / L42= 0.2576E
(B)
2 x (E / 4) / L12+2 x (E / 4) / L22= 0.276E
It becomes. That is, the effect of adjacent to the unit cell is larger when divided.
[0018]
FIGS. 1C and 1D compare the light illuminance at the center of a unit cell of 2 μm × 2 μm when the openings are concentrated and dispersed. (C) is a case where four openings of 0.5 μm × 0.5 μm are collected at the center of a unit cell of 2 μm × 2 μm, and (D) is divided into cells of 1 μm × 1 μm with 0.5 μm at the center. This is a case where an opening of × 0.5 μm is provided. The light illuminance at the center of the unit cell of 2 μm × 2 μm is calculated.
In (C)
4 x (E / 4) / D02= 4 × (E / 4) /0.125=8E
In (D)
4 x (E / 4) / D12= 4 x (E / 4) /0.5=2E
It becomes. That is, the light transmission amount at the center of the unit cell is smaller when divided. Therefore, when the cell is divided, the light transmission amount in the central portion of the cell before the division is reduced. Therefore, the light transmission amount in the unit cell is reduced as compared with the case where the cell is not divided, and the positive resist removal amount is reduced. .
[0019]
The unit cell in the density distribution mask of the present invention is large at a position corresponding to a gradual change in the height of the photosensitive material pattern, and small at a position corresponding to a sudden change in the height of the photosensitive material pattern. It is preferable to include at least two kinds of sizes. If the unit cell is reduced, the number of gradations per unit length can be increased, and the surface shape of the resulting photosensitive material pattern can be smoothed. However, if the whole unit cell is made small, the cost increases, so the unit cell is made small in the portion where the height of the photosensitive material pattern changes rapidly, but in the portion where the change in the height of the photosensitive material pattern is slow. By increasing the unit cell, it is possible to realize smoothing of the surface shape while suppressing the cost.
[0020]
The light shielding pattern in the unit cell may be set to have a light transmission amount or a light shielding amount by arranging a predetermined number of regions having a uniform size for light transmission or light shielding. In that case, the increase or decrease of the light transmission region or the light shielding region of the adjacent unit cell constituting the density distribution mask may change monotonously or discontinuously depending on the desired shape. . The light transmission region or the light shielding region in the unit cell may be arranged such that the light transmission amount or the light shielding amount increases or decreases from the center in the unit cell toward the peripheral direction. You may arrange | position so that it may increase or decrease toward the other end from one end.
Further, depending on the shape of the unit cell, it may be more convenient for the light shielding pattern to be circular and to be a single light transmission region or light shielding region. In that case, the light transmission amount or the light shielding amount can be set depending on the size of the region.
[0021]
TransparentConcentration distribution in which a patterned light-shielding film is formed on the substrate, and the film thickness continuously increases toward the periphery of the light-shielding pattern in the unit cell, and the light transmittance continuously changes. The mask can be manufactured as follows. That is, a photosensitive material pattern for forming a light-shielding film pattern having a desired light intensity distribution by forming a positive photosensitive material layer on the light-shielding film of a mask blank formed with a light-shielding film on a transparent substrate. In order to form the photosensitive material, the exposure light beam with variable output is used, and the amount of irradiation light is changed so that the photosensitive material pattern remaining in the unit cell continuously increases in the peripheral portion toward the periphery. The photosensitive material layer is exposed and developed to form a photosensitive material pattern on the photosensitive material layer, and then the light shielding film is etched by anisotropic dry etching using the photosensitive material pattern as a mask. A light shielding film pattern in which the light transmittance continuously changes in the peripheral portion of the inner light shielding film pattern toward the periphery is formed.
[0022]
Silver saltDensity distribution that is formed by exposing and developing a photographic original, and in the peripheral part of the light shielding pattern in the unit cell, the degree of blackening continuously decreases toward the periphery, and the light transmittance continuously changes The mask can be manufactured as follows. In other words, in order to form a silver salt pattern having a desired light intensity distribution on a silver salt photographic original plate, a light beam for exposure with variable output is used, and the silver salt pattern formed in the unit cell is black at the periphery. The silver salt photographic original is exposed by changing the amount of irradiation light so that the degree of conversion continuously decreases toward the periphery, developed, and the silver salt pattern in the unit cell is developed on the silver salt photographic original. In the peripheral part, a silver salt pattern in which the degree of blackening continuously decreases toward the periphery and the light transmittance continuously changes is formed.
[0023]
When a three-dimensional structure is manufactured using the concentration distribution mask of the present invention, an optical element composed of a continuous surface such as a spherical surface, an aspherical surface, or a conical shape can be manufactured. It is also possible to produce an optical element composed of Furthermore, it is possible to form a reflective optical surface by forming a reflective optical surface on such an optical element.
[0024]
(Production of concentration distribution mask reticle)
In manufacturing the concentration distribution mask reticle, first, a sensitivity curve of the resist material is obtained, and the relationship between the light irradiation amount and the resist removal amount is grasped.
When exposure is performed using a reticle of a density distribution mask, the removal amount of the resist material varies depending on the exposure amount, defocus amount, light transmission amount or light shielding amount of the unit cell. Thus, “unit cell No.” (that is, the relationship characterized by the light transmission amount or the light shielding amount and the resist removal amount is expressed as one No.) is determined. “Unit cell No.” can be converted into a mathematical expression by graphing the above relationship and converting it into a function. Based on the above formula, the relationship between the desired “shaped lens height” and “resist remaining amount (“ resist film thickness ”−“ removed amount ”)” is formulated into a formula. Next, the relationship between “lens arrangement position” and “lens height (resist remaining amount)” is clarified on CAD. Furthermore, this is developed and replaced with the relationship between “lens arrangement position” and “unit cell No.”. That is, based on the above basic concept, the lens height and density distribution mask pattern cell No. on the CAD design screen are calculated from a calculation formula and a program supported by detailed data. To function cell No. Place.
[0025]
Next, the CAD data is converted into data and set in the laser beam irradiation apparatus.
As an example, the density distribution mask reticle is composed of unit cells divided into squares, and the light transmission amount or the light shielding amount in each unit cell is controlled. Of course, an optimal unit cell may be determined according to a desired shape and manufactured with an optimal dot. Here, in order to simplify the explanation, a square is used for explanation. There are (1) control of the Cr opening area, (2) control of the Cr film thickness, and combinations of (3), (1) and (2). Here, the methods (1) and (3) were adopted.
[0026]
In order to produce a reticle, a Cr film having a thickness of, for example, 200 nm is formed on a transparent glass substrate, and the resist material is applied thereon to form a reticle blank. Drawing is performed by irradiating a laser beam using the laser beam irradiation apparatus in which the CAD data is set on the resist material. In laser light irradiation, an optimal beam shape is determined according to a desired shape, and a polygonal shape, a circular shape, or the like is shaped with an aperture.
The resist material portion irradiated with laser light by this laser light irradiation apparatus is removed by the next development process, and a mask pattern is formed on the resist material layer.
[0027]
Next, the Cr film is patterned by dry etching or wet etching using the patterned resist material layer as an etching mask, and the “unit cell No.” is regularly “lens arrangement position”. Thus, a density distribution mask having a desired two-dimensional transmission amount distribution arranged in the above is obtained. In the unit cell, a portion where the Cr film is removed and a portion where the Cr film remains are formed. One unit cell can be characterized and configured as its light transmission amount or light shielding amount.
[0028]
Commercially available mask blanks may be used as the reticle mask blanks. In other words, a commercially available mask blank is obtained by applying a photosensitive material of about 1 μm to a quartz substrate having a Cr film of about 200 nm deposited (a two-layer film of Cr and Cr oxide if necessary).
In the above reticle production, if the Cr film is patterned by wet etching, a light-shielding film pattern is obtained in which the light transmittance is 0 in a portion where the Cr film is present and the light transmittance is 100% in a portion where the Cr film is not present. .
[0029]
Further, the resist material pattern to be left in the unit cell is exposed by the laser beam irradiation device so as to continuously increase toward the periphery in the periphery of the pattern in the unit cell, and the resist is developed and developed. After forming a pattern in the material layer, if the Cr film is etched by anisotropic dry etching using the resist material pattern as a mask, the thickness of the Cr film pattern in the unit cell is continuous toward the periphery at the periphery. The light transmittance can be changed continuously.
[0030]
This production method can also be produced by electron beam drawing (EB drawing). However, in terms of device control such as control of the filament current for electron beam emission, thinning of the filament during long exposure, and control of the amount of electron beam (dose). The reproducibility is extremely poor. Also, since only a single beam can be emitted during production, the production takes a long time, and the fluctuation over time is large. From the above, in the present invention, an inexpensive and highly reliable laser beam irradiation apparatus was manufactured, and a concentration distribution mask was manufactured.
[0031]
【Example】
In the production of the concentration distribution mask, the resist material was drawn by irradiating with laser light using a laser light irradiation apparatus developed in-house shown in FIG. In this laser light irradiation, an optimal beam shape can be determined according to a desired shape, and a polygonal shape, a circular shape, or the like can be shaped with an aperture.
[0032]
The laser beam irradiation apparatus shown in FIG. 2 divides the laser beam from the laser
[0033]
This laser beam irradiation device draws a desired mask pattern on the resist material layer of the mask blank by controlling the operation of the
The unit cell shape and the dot shape may be selected appropriately depending on the target product. For example, the combinations shown in Table 1 below are appropriate.
[Table 1]
Example 1
Fabrication of sparse sized liquid crystal micro lens array (MLA):
In manufacturing the concentration distribution mask reticle, positive resist material TGMR-950 (product of Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) was used as a resist material which is a photosensitive material.
[0035]
The density distribution mask is composed of unit cells divided into squares, and the light transmission amount or the light shielding amount in each unit cell is controlled. Of course, an optimal unit cell may be determined according to a desired shape and manufactured with an optimal dot. Here, in order to simplify the explanation, a square is used for explanation. There are (1) Cr opening area control, (2) Cr film thickness control, and (3) (1) and (2) combination methods. Here, the method (3) was adopted.
[0036]
In order to produce a reticle, a Cr film having a thickness of, for example, 200 nm is formed on a transparent glass substrate, and the resist material is applied thereon. Drawing was performed by irradiating the resist material with laser light using the laser light irradiation apparatus of FIG.
Thereafter, a mask pattern was formed on the resist material layer through development and rinsing, and the Cr film was subjected to dry etching or wet etching using the resist pattern as an etching mask, thereby patterning the Cr film and manufacturing a concentration distribution mask.
[0037]
FIG. 3 shows an example of a 20 μm × 20 μm microlens as a typical arrangement example of the density distribution mask thus manufactured. The unit cell has a grid-like square shape. The unit cell does not necessarily have to be a square, and it is desirable that the unit cell have another polygonal shape according to a desired shape. The hatched portion is the portion where the Cr film remains.
[0038]
Next, the shape and arrangement in the unit cell and the shape and arrangement of the “light transmission” and “light shielding” dots will be described.
The following examples are representative examples, and unit cell dimensions, dot dimensions, starting point dimensions, etc. should be designed according to the desired shape. It is not limited. That is, since the number of gradations is determined by the size of each unit cell and dot, these dimensions are determined by the target shape and target gradation.
[0039]
FIG. 4 shows examples of six types of polygonal shapes as representative examples when changing the unit cell shape. (A) is a square, (b) is a regular hexagon, (c) is a regular triangle, (d) is a rectangle, (e) is a hexagon, and (f) is an isosceles triangle. These polygons are determined in an optimum shape by “a method of covering a polygonal net from above when a desired shape is viewed from above”. "The most effective polygon" that expresses the density distribution mask characteristics according to the desired shape, that is, for example, when a gentle curved surface continues or when it is composed of discontinuous surfaces, depending on the amount of change in gradation And by selecting “the combination”, the optimum shape can be determined.
Similarly, the size of the unit cell is determined by how fine the necessary gradation is for a desired shape. That is, when many gradations are required at a short distance, it is desirable to select a unit cell having a relatively small size and make the dot size as small as possible.
[0040]
FIG. 5 shows an example of unit cell arrangement of an MLA density distribution mask. (A) shows an example of a combination pattern of unit cells arranged in the central part, and (A) shows an example of a combination pattern of unit cells arranged in the peripheral part. In both cases, the unit cell is indicated by a solid line, and the broken-line arrow indicates that the unit cell is also disposed in that direction.
[0041]
Since (a) is arranged near the center of the MLA, the desired shape is a gentle curved shape. For this reason, the number of gradations is not so much required. Therefore, it is composed of unit cells having relatively large dimensions, and the unit cells are arranged radially.
[0042]
Since (a) is arranged in the peripheral portion, the desired shape is a curved surface shape that changes rapidly. For this reason, a large number of gradations are required. Therefore, it is necessary to configure the unit cell with a smaller size as the four corners of the MLA are approached, and to reduce the dot size. Further, the unit cell is not limited to a quadrilateral shape but also a triangular one, and the dot position in the unit cell is changed to easily cope with the adjacent effect of the light transmission amount.
[0043]
FIG. 6 shows the difference in the position of the initial pattern that is the starting point of the increase or decrease of the light transmission region or the light shielding region in a typical unit cell, and a method for changing the light transmission amount or the light shielding amount. In each case, the outermost square represents a unit cell, and the inner square represents a light transmission region or a light shielding region, respectively. (A) shows that the starting point is in the center of the unit cell, and (B) shows that the starting point is arranged at one of the four corners.
[0044]
FIG. 7 shows an example in which the number of openings that transmit light (the portion without Cr) is increased. Although not specifically described, the same applies to the case where the light transmission area is decreased. (A) shows an example of a method of increasing the area from the center spirally. In this example, a unit cell No. A representative example of a method for increasing the number of dots is shown. In addition, a typical one-dot increasing method or decreasing method is shown. Therefore, the dimensions and dot dimensions of the initial rectangular shape arranged at the center of the dots shown here are model-like, and in the present invention, they are not limited to squares, and may be polygons such as rectangles and triangles. . Of course, a circular shape including an elliptical shape may be used.
[0045]
FIG. 7A shows an example where the unit cell is a regular hexagon. In this case, the dot indicated by the hatched portion is a circle, and the amount of transmission or light shielding changes by changing the size of the dot.
The increase / decrease in the dot area is input data at the time of input, and the shape may be lost due to the thickening of the laser beam or the side etching of the wet etching depending on the manufacturing conditions of the mask.
[0046]
(Example 2)
Production of micro dimension MLA for liquid crystal:
Example 2 is an example of a minute pitch MLA, in which the adjacent interval between microlenses is made as close to zero as possible. In the MLA for liquid crystal projectors, the pixel size for 0.9 ″ -XGA is 18 μm × 18 μm.
[0047]
In this MLA, when there is a lens non-formation part of 1 μm on both sides of the lens, it becomes a micro lens area of 16 μm × 16 μm, and the MLA area occupying the entire area is 16 × 16/18 × 18 = 256 / 324 = 79.0, and even if all the light can be collected effectively by the MLA, the light collection efficiency is only 79%. That is, it is important to reduce the area of the MLA non-formation part in order to improve the light utilization efficiency.
[0048]
A reticle manufactured by the method of
[0049]
Next, cell No. 2 is placed in the 2 × 2 unit cell in the center (6 μm × 6 μm on the reticle, 1.2 μm × 1.2 μm in the actual pattern). Place No. 1 (all remaining chromium). The four corners of the lens are cell Nos. Place 80 (no chrome remaining). No. 1-No. The 80 cells are associated with an “opening area” corresponding to each “gradation”. This relationship is obtained from the exposure process and the resist sensitivity curve. Of course, if the resist material or process is different, it is necessary to grasp the sensitivity curve each time. In this way, CAD data of the MLA mask reticle is created. In this example, a CAD program was produced using the methods shown in FIGS. 3 and 4A to 4F.
[0050]
Specific examples of micro-size MLA production for liquid crystal:
The CAD data created as described above is installed in the laser beam irradiation apparatus shown in FIG.XY stageThe reticle mask was exposed by a predetermined method while controlling the ON / OFF of the laser beam and the beam shape with the aperture. Then, development and rinsing were performed by a predetermined method. Thereafter, Cr etching was performed with a Cr wet etching solution.
[0051]
The results are shown in Table 2.
[Table 2]
In Table 2, the left column of the dot area increasing method is a method of increasing the drawing area by making the drawing beam shape by the laser beam rectangular and moving the drawing beam in a spiral shape. The right column shows a method of increasing the drawing area by making the drawing beam shape a circle and increasing the diameter of the drawing beam.
[0053]
“Reproducibility” in the results of Table 2 is shown as a result of comparing the laser beam drawing method performed in the example with the electron beam drawing method. In the electron beam drawing method, a predetermined area is drawn by scanning an electron beam regardless of the shape of the drawing area.
In the case of the electron beam drawing method, the reproducibility is good when the size of the drawing region is 0.5 μm × 0.5 μm or more, but the reproducibility becomes worse when the size is smaller than that.
[0054]
On the other hand, in the laser beam drawing method, reproducibility higher than that of the electron beam drawing method can be obtained by making the drawing beam shape rectangular and increasing the drawing region in a spiral shape. When the drawing area is circular, the laser beam drawing method can obtain very high reproducibility when the diameter of the drawing area is 0.2 μm or more. When the diameter of the drawing area is smaller than 0.2 μm, the reproducibility is deteriorated. However, in the electron beam drawing method, the reproducibility is markedly lower than that when the dimension of the drawing area is smaller than 0.5 μm. Is excellent.
[0055]
The prediction of “adjacent effect” depends on the shape of the unit cell. When the unit cell shape is a square or a rectangle, it can be accurately drawn with a rectangular dot, so the adjacency effect can be predicted by calculation. However, when the unit cell shape is a triangle, it is difficult to draw accurately. In particular, accurate drawing is difficult at the edge portion. Therefore, it is difficult to predict the adjacent effect by calculation.
[0056]
From these results, the masks (a) and (b) in FIG. 4 were the best and were used. In the arrangement of FIG. 4A, both the types (A) and (B) of FIG. 6 were able to obtain good results. In the arrangement of (a) in FIG. 4, the dot arrangement of the (A) type in FIG. 6 was performed. However, each method has advantages and disadvantages and can be used according to the target shape. In this example, CAD data was created by using the pattern (A) in FIG. 4 as the basic cell and changing the light transmission amount in the type (A) in FIG.
[0057]
In this way, a reticle having a desired opening size and a concentration distribution was manufactured.
Next, using this reticle as a mask, exposure is performed using a reduction projection exposure apparatus (1/5 stepper) shown in FIG. 8 to form a resist pattern, which is transferred to an optical device material. An example of the manufactured MLA for a liquid crystal projector will be described.
[0058]
First, the reduction projection exposure apparatus will be described.
The light from the
[0059]
A reduced image of the
In order to produce an MLA for a liquid crystal projector, a neo-serum substrate was prepared, and the above-described TGMR-950 resist was applied on the substrate to a thickness of 8.56 μm. Next, it was pre-baked on a hot plate at 100 ° C. with a baking time of 180 seconds.
[0060]
This substrate was exposed with a 1/5 stepper of FIG. The exposure conditions are defocus: +25 μm, irradiation amount: 390 mW × 1.92 seconds (illuminance: 720 mJ). Here, the + sign in the defocus amount display means that the focal point is above the resist surface.
[0061]
After exposure under these conditions, PEB (post-exposure baking) was performed at 60 ° C. for 25 minutes. Next, the resist was hardened by evacuation while irradiating with ultraviolet rays for 180 seconds with an ultraviolet curing device. The ultraviolet curing device irradiates a wavelength capable of curing the resist at a wavelength shorter than that used for resist exposure. By this operation, the plasma resistance of the resist is improved, and the resist can withstand processing in the next process.
[0062]
Thereafter, the substrate is set in an ICP (inductively coupled plasma) dry etching apparatus, and the degree of vacuum is 1.5 × 10.-3Toor, CHFThree: 5.0, CFFour: 50, O2: 20 sccm, substrate bias power: 600 W, upper electrode power: 1.25 KW, substrate cooling temperature: −20 ° C. At this time, the substrate bias power and the upper electrode power were changed with time, and etching was performed while changing the selection ratio so as to increase with time. The average etching rate of the substrate was 0.63 μm / min, but the actual etching time required 11.5 minutes. The lens height after etching was 5.33 μm.
[0063]
Example 3
The following products can be listed as products in which the concentration distribution mask method is most effective.
(1) With the resist thermal deformation method, it was impossible to form a Fresnel lens with a minute dimension. → The density distribution mask technology makes this possible.
(2) In the resist thermal deformation method, the lens dimensions that can be manufactured are limited, and a diameter of about 500 μm is the limit of a large-diameter lens. → The density distribution mask method can produce large-diameter lenses.
(3) A lot of data storage and know-how were required to produce an aspherical shape. → The concentration distribution mask method can produce various shapes.
[0064]
The density distribution mask method has the above-described features. An example of a Fresnel lens is given as one of the shapes that best represents these characteristics.
In this example, a 65-band Fresnel lens having a focal length of f = 6.25 (mm) and a numerical aperture of NA = 0.4 (10λ gap) was manufactured as a Fresnel lens. FIG. 9 shows a part of the right portion of the
[0065]
Here, the aspherical expression Z (n) representing the curved surface shape of each annular zone of the Fresnel lens is:
h (n) = (X2+ Y2)1/2
And the inclination angle θ is
θ = arctan (dz / dh)
And the slope dz / dh is
Design wavelength λ = 780 (nm),
Substrate thickness t = 1 ± 0.05 (mm)
(Parallelity: 0.1 μm or less at φ5 mm),
The refractive index of the substrate n = 1.5118,
Back focus BF = 5.588268
It is. Each aspheric coefficient is
c = 1 / R
= 0.3133003251 (curvature radius R = 3.1944855),
K = −0.879855532,
A = −0.00105951,
B = 6.20613 × 10-6,
C = 0,
D = 0
It is. Moreover, the result of having calculated the sag amount of the 1 to 65 annular zone is shown in FIGS.
[0066]
Based on the above, a 65-zone Fresnel lens was designed, but with the design values shown in FIGS. 10 to 14, the zone height (sag amount: ΔZ (n)) is 1 at the center and the outer periphery of the Fresnel lens. Since there is a difference of about .5 μm, the lens design was corrected so that the height of each annular zone of the Fresnel lens was the same height of 15.5 μm, and a Fresnel lens was manufactured with this corrected value.
In the case of a Fresnel lens, the curvature of the outer ring is increased, so the unit cell shape is a square of 2 μm × 2 μm, the dot shape is a circle (a method of increasing the area concentrically), and the dot arrangement is the center arrangement A density distribution mask was manufactured.
[0067]
As in the case of the MLA of Example 1, the G mask pattern No. is determined from the sensitivity curve and the calculation formula. The pattern of CAD data was drawn using the laser beam irradiation apparatus of FIG. Further, development and rinsing are performed in the same manner as in Example 1.And after etchingA density distribution mask was manufactured.
[0068]
Next, an example of a Fresnel lens manufactured using the mask will be described.
A BK-7 glass substrate is prepared, and the described TGMR-950 resist is applied on the substrate to a thickness of about 8.5 μm.
Next, using a hot plate, prebaking was performed at 100 ° C. with a baking time of 180 seconds. The substrate was exposed with a 1 / 2.5 stepper. The exposure conditions are defocus: +25 μm, irradiation amount: 390 mW × 1.92 seconds (illuminance: 720 mJ).
[0069]
After exposure under these conditions, PEB was performed at 60 ° C. for 25 minutes. Next, the resist was hardened by evacuation while irradiating with ultraviolet rays for 180 seconds with an ultraviolet curing device. By this operation, the plasma resistance of the resist is improved, and the resist can withstand processing in the next process. At this stage, the resist height was 7.5 μm.
[0070]
The substrate is set in an ICP dry etching apparatus, and the degree of vacuum is 1.5 × 10-3Toor, CHFThree: 10.0, CL2: 1.0, CFFour: 15.0, O2: 0.9 sccm, substrate bias power: 1 KW, upper electrode power: 1.25 KW, substrate cooling temperature: −20 ° C. Dry etching was performed. At this time, the substrate bias power and the upper electrode power were changed with time, and etching was performed while changing the selection ratio so as to increase with time. The average etching rate of the substrate was 1.17 μm / min. Further, the selection ratio was 2.07, and the lens height after etching was 15.55 μm. The actual etching time required 13.5 minutes.
[0071]
The present invention is a proposal of a method for solving the above problems by using a density distribution mask method. The concentration distribution mask method has the following advantages over the resist thermal deformation method.
(1) Example 1 is an example of a minute pitch MLA, in which the adjacent interval is made as close to zero as possible. In this MLA, the heights of adjacent portions are different in adjacent tangential cross sections. However, even if this shape is manufactured by the conventional resist thermal deformation method, the MLA structure as designed cannot be manufactured. Further, in the conventional resist thermal deformation method, the interval can be reduced by applying the resist multiple times, or the height of the adjacent cross section can be brought close to the destination, but it is adjacent to form an independent (isolated) resist block. It is virtually impossible to make the MLA interval zero.
(2) Formation of a Fresnel lens was impossible with the conventional resist thermal deformation method.
(3) In the conventional resist thermal deformation method, a diameter of about 500 μm is the limit of a large aperture lens.
(4) An aspherical shape can be easily manufactured.
(5) An irregular lens such as a toroid can be easily manufactured.
(6) Monotonically increasing convex structures such as prisms and pyramids can be easily manufactured.
(7) Complex structures such as micromachining can be easily manufactured.
[0072]
【The invention's effect】
The density distribution mask of the present invention is divided without gaps by unit cells having an appropriate shape and size, and the light shielding pattern in each unit cell corresponds to the height of the corresponding position of the photosensitive material pattern to be formed. Since the light shielding pattern is configured so as to be the light transmission amount or the light shielding amount, it is possible to select an optimum design method in accordance with the drawing beam shape.
If the density distribution mask is divided into unit cells so that the shape and size of the unit cell are multiple types, for example, in a certain part, the unit cell is divided into small unit cells, and the adjacent effect in the unit cell is small and the slope is steep. Increases the degree of freedom in the production of the target surface shape, such as increasing the number of gradations, so that it can be produced at a lower cost than when the entire density distribution mask is constructed with fine unit cells. Become.
If a density distribution mask whose light transmittance continuously changes around the light shielding pattern in the unit cell is used, or if exposure is performed in a defocused state, the amount of light at the boundary between adjacent unit cells will change. As a result, a smoother surface shape can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a light transmission amount and its adjacent effect.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an example of a laser beam irradiation apparatus used for manufacturing a concentration distribution mask.
FIG. 3 is a diagram of a light shielding pattern showing an example of a density distribution mask for microlenses.
FIG. 4 is a diagram illustrating examples of six types of unit cell shapes.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a unit cell arranged in an MLA density distribution mask.
FIG. 6 is a diagram illustrating an initial pattern that is a starting point of increase or decrease of a light transmission region or a light shielding region in a unit cell and a method of changing a light transmission amount or a light shielding amount.
7A and 7B are diagrams illustrating a method for increasing or decreasing a light transmission region or a light shielding region in a unit cell. FIG. 7A illustrates an example in which the unit cell is a rectangle, and FIG. 7B illustrates an example in which the unit cell is a regular hexagon.sois there.
FIG. 8 is a schematic block diagram showing an example of a reduced projection exposure apparatus.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a part of a Fresnel lens.
FIG. 10 is a diagram showing 1 to 4 zones of the designed Fresnel lens.
FIG. 11 is a diagram showing 4 to 15 annular zones of the Fresnel lens.
FIG. 12 is a diagram showing 15 to 33 annular zones of the Fresnel lens.
FIG. 13 is a view showing 33 to 58 annular zones of the Fresnel lens.
FIG. 14 is a view showing 58 to 65 annular zones of the Fresnel lens.
[Explanation of symbols]
1 Laser oscillator
2 Beam Blitter
4 Light modulator
5 Light modulation controller
6 Hikari device
7 Objective lens
8 XY stage
Claims (14)
この濃度分布マスクは透明基板上に２次元の光強度分布を有する遮光パターンが形成されたものであり、
この濃度分布マスクは適当な形状及び大きさの単位セルにより隙間なく分割されており、各単位セル内の遮光パターンが前記感光性材料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とにより前記遮光パターンが構成されており、
前記遮光パターンは遮光膜パターン又は銀塩パターンからなっており、遮光膜パターンの場合は遮光膜の膜厚が単位セルの周辺部では周辺に向って連続的に厚くなっていることにより、又は銀塩パターンの場合は銀塩の黒化度が単位セルの周辺部では周辺に向って連続的に小さくなっていることにより、各単位セル内の遮光パターンの光透過率が単位セルの周辺部で連続的に変化しているものであることを特徴とする濃度分布マスク。A photosensitive material pattern having a three-dimensional structure is formed by forming a photosensitive material pattern having a three-dimensional structure on a substrate and engraving the photosensitive material pattern on the substrate. In the density distribution mask used for exposure to
This density distribution mask is formed by forming a light-shielding pattern having a two-dimensional light intensity distribution on a transparent substrate.
This density distribution mask is divided by unit cells of an appropriate shape and size without gaps, and the light shielding pattern in each unit cell has a light transmission amount or light shielding according to the height of the corresponding position of the photosensitive material pattern. The light shielding pattern is configured by being set to be an amount,
The light-shielding pattern is a light-shielding film pattern or a silver salt pattern. In the case of the light-shielding film pattern, the thickness of the light-shielding film is continuously increased toward the periphery at the periphery of the unit cell, or silver In the case of the salt pattern, the degree of blackening of the silver salt continuously decreases toward the periphery at the periphery of the unit cell, so that the light transmittance of the light shielding pattern in each unit cell is at the periphery of the unit cell. A density distribution mask characterized by being continuously changed.
透明基板上に遮光膜を形成したマスクブランクスの前記遮光膜上にポジ型感光性材料層を形成し、
目的とする光強度分布を有する遮光膜パターンを形成するための感光性材料パターンを形成するために、出力可変の露光用光ビームを用い、単位セル内で残存させる感光性材料パターンが周辺部で膜厚が周辺に向って連続的に厚くなるように前記感光性材料層を露光し、
現像をしてその感光性材料層に感光性材料パターンを形成した後、
その感光性材料パターンをマスクとして異方性ドライエッチングにより前記遮光膜をエッチングして、単位セル内の遮光膜パターンがその周辺部では周辺に向って膜厚が連続的に厚くなって光透過率が連続的に変化する遮光膜パターンを形成することを特徴とする濃度分布マスクの製造方法。A method of manufacturing the density distribution mask according to claim 1, wherein the light shielding pattern is a light shielding film pattern,
Forming a positive photosensitive material layer on the light shielding film of the mask blanks having a light shielding film formed on a transparent substrate;
In order to form a photosensitive material pattern for forming a light-shielding film pattern having a desired light intensity distribution, a photosensitive material pattern to be left in a unit cell is formed at a peripheral portion by using an exposure light beam with variable output. Exposing the photosensitive material layer so that the film thickness continuously increases toward the periphery,
After developing and forming a photosensitive material pattern on the photosensitive material layer,
The light-shielding film is etched by anisotropic dry etching using the photosensitive material pattern as a mask, and the light-shielding film pattern in the unit cell is continuously increased in thickness toward the periphery at the peripheral part, so that the light transmittance is increased. A method for producing a density distribution mask, comprising forming a light-shielding film pattern having a continuously varying thickness.
銀塩用写真原版に目的とする光強度分布を有する銀塩パターンを形成するために、出力可変の露光用光ビームを用い、単位セル内で形成される銀塩パターンが周辺部で黒化度が周辺に向って連続的に小さくなるように前記銀塩用写真原版を露光し、
現像をしてその銀塩用写真原版に単位セル内の銀塩パターンがその周辺部では周辺に向って黒化度が連続的に小さくなって光透過率が連続的に変化する銀塩パターンを形成することを特徴とする濃度分布マスクの製造方法。A method of manufacturing a light shielding pattern comprising a silver salt pattern among the density distribution mask according to claim 1,
In order to form a silver salt pattern with the desired light intensity distribution on the photographic original for silver salt, a light beam for exposure with variable output is used, and the silver salt pattern formed in the unit cell is blackened at the periphery. Exposing the silver salt photographic original so that is continuously reduced toward the periphery,
When developed, the silver salt pattern in the unit cell has a silver salt pattern in which the light transmittance continuously changes as the degree of blackening continuously decreases toward the periphery at the periphery of the photographic original plate for silver salt. A method of manufacturing a concentration distribution mask, comprising: forming a concentration distribution mask.
前記基板上に感光性材料層を形成し、請求項１から７のいずれか一項に記載の濃度分布マスクを用いたフォトリソグラフィ工程により前記感光性材料パターンを形成することを特徴とする３次元構造体製造方法。In a method of manufacturing an article having a three-dimensional structure surface shape by forming a photosensitive material pattern having a three-dimensional structure on a substrate and engraving the photosensitive material pattern on the substrate.
A photosensitive material layer is formed on the substrate, and the photosensitive material pattern is formed by a photolithography process using the concentration distribution mask according to claim 1. Structure manufacturing method.
前記基板上に感光性材料層を形成し、請求項１から７のいずれか一項に記載の濃度分布マスクを用い、焦点を感光性材料層からずらしたデフォーカス状態の投影露光によるフォトリソグラフィ工程により前記感光性材料パターンを形成することを特徴とする３次元構造体製造方法。In a method of manufacturing an article having a three-dimensional structure surface shape by forming a photosensitive material pattern having a three-dimensional structure on a substrate and engraving the photosensitive material pattern on the substrate.
A photolithography process by forming a photosensitive material layer on the substrate, using the concentration distribution mask according to claim 1, and performing projection exposure in a defocused state in which a focus is shifted from the photosensitive material layer. The photosensitive material pattern is formed by the method of manufacturing a three-dimensional structure.
前記基板上に感光性材料層を形成し、請求項１から７のいずれか一項に記載の濃度分布マスクを用い、露光時間内に前記基板と前記濃度分布マスクの一方又は両方を面内で移動させることによりデフォーカス状態の露光としたフォトリソグラフィ工程により前記感光性材料パターンを形成することを特徴とする３次元構造体製造方法。In a method of manufacturing an article having a three-dimensional structure surface shape by forming a photosensitive material pattern having a three-dimensional structure on a substrate and engraving the photosensitive material pattern on the substrate.
A photosensitive material layer is formed on the substrate, and the density distribution mask according to any one of claims 1 to 7 is used, and one or both of the substrate and the density distribution mask are in-plane within an exposure time. A method of manufacturing a three-dimensional structure, wherein the photosensitive material pattern is formed by a photolithography process in which exposure is performed in a defocused state by moving the photosensitive material pattern.
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