JP4794091B2

JP4794091B2 - Manufacturing method of three-dimensional structure

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Publication number: JP4794091B2
Application number: JP2001282150A
Authority: JP
Inventors: 和博梅木; 卓也半田
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2021-09-17
Also published as: JP2003091066A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体技術を利用する分野（例えば、マイクロマシニング分野、壁掛けＴＶ用ディスプレイ分野、液晶ディスプレイ分野、太陽電池製造分野）、光学部品分野、マイクロマシニング製品など、三次元的構造を有する物品の製造方法に関するものであり、特に感光性材料が塗布された基板上に露光マスクを介して露光し、現像・リンスしてその感光性材料に三次元構造パターンを形成した後、その感光性材料パターンを硬化させ、それをマスクとしてドライエッチング法でその基板にパターンを転写して三次元構造体を形成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二次元的な透過率分布を有する濃度分布マスク（グラデーションマスク（ＧＭ））を介して露光し、フォトレジストの現像・リンス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三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三次元構造の特殊表面形状を得るために用いられる濃度分布マスクとして、表面形状に対応して透過率が段階的に変化する二次元的な透過率分布を持った濃度分布マスクが使用されている。
【０００４】
特表平８−５０４５１５号公報に記載されている濃度分布マスクでは、二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。その単位セルの遮光膜パターンは遮光膜が存在して光の透過率が０％の領域と、遮光膜がなくて光の透過率が１００％の領域の２種類により構成され、光の透過率が０％の領域と光の透過率が１００％の領域は互いに一方向に寄せられてひとつの塊になるように配置されている。遮光膜パターンの最小寸法は露光に用いる光の波長よりも短かくなるような超微細パターンである。
【０００５】
また、その製造方法として電子ビーム（ＥＢ）照射による描画方法が採られている。
特開平７−２３０１５９号公報には、描画時のレーザー光照射光量を単位セル内で変更することによって、単位セル内の光透過量を変更することによる濃度分布マスクの製造方法が記載されている。
【０００６】
感光性材料の「感度曲線」は、概略図３に示すように与えられている。感光性材料によって感度曲線は異なり、ａは高感度感光性材料、ｂは低高感度感光性材料である。Ａは感光性材料の塗布膜厚、ＣＥＬ（コントラスト・エンハンスト・リソグラフィー）は感光初期の感光性材料除去量で、高感度感光性材料のＣＥＬ（高）は低感度感光性材料のＣＥＬ（低）よりも大きい。Ｄ１は低感度感光性材料が感光し始める照射光量、Ｄ２は高感度感光性材料が感光し始める照射光量で、それぞれのＣＥＬ効果による初期照射光量である。Ｄ３は高感度感光性材料の全膜厚除去に要する照射光量、Ｄ４は低感度感光性材料の全膜厚除去に要する照射光量で、これらはそれぞれの感光性材料が底部まで感光する時の露光量である。
【０００７】
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に応じてＣＥＬ量及び感度曲線が異なる。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）が減少する。つまり、感光性材料の厚さ（深さ）と照射光エネルギー量は指数関数で減少する反比例の関係にある。したがって、「光透過率」と感光性材料の残膜量を実験データから求めると、感光性材料の厚さ方向に分布を有するレジスト膜厚分布を形成することが可能となる。
【０００８】
図３からわかるように、低感度感光性材料を用いるとＤ１からＤ４の範囲で階調が得られ、階調の範囲を広くとることができる反面、パターンのシャープネス（切れ）を向上させることが難しい。一方、高感度感光性材料を用いるとＤ２からＤ３の範囲でのみ階調が得られ、階調の範囲を広くとることができないが、パターンのシャープネスを向上させることが容易である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、パターンのシャープネスを向上させるために、高感度感光性材料を使用することを検討した。
従来技術の特表平８−５０４５１５号公報に示されている濃度分布レチクルマスクは図２（Ａ）、（Ｂ）に示されるような単位セルをもっており、そのような濃度分布レチクルマスクを用いて高感度感光性材料を露光すると、現像後の断面形状は図１（Ａ）に実線で示されるように、感光性材料に各単位セルの階調段差が大きく生じるため、滑らかな形状とはならない。また、表面に大きな凹形状が傷状に発生する。このため、階調の変わり目（例えば、Ｎｏ．ｎとＮｏ．ｎ＋１の間）で段差が生じるため、バイナリーオプチクス（Binary Optical Element）形状となる。
【００１０】
高感度感光性材料では、マスクの単位セル内の光透過率分布をそのまま転写するため、表面に大きく微細な凹凸が生じる。この形状のまま感光性材料を硬化させると構造物の表面粗さが粗くなることや、段差の原因となり、滑らかな表面形状が求められる光学素子などの分野では好ましいことではない。
本発明の目的は、高感度感光性材料を使用してパターンのシャープネスを向上させるとともに、階調の変わり目で段差が生じないようにしてバイナリーオプチクス形状とならず、滑らかな表面形状とすることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、感光性材料が塗布された基板上に露光マスクを介して露光し、現像・リンスしてその感光性材料に三次元構造パターンを形成した後、その感光性材料パターンを硬化させ、それをマスクとしてドライエッチング法で前記基板にパターンを転写して三次元構造体を形成する方法の改良である。本発明では、露光マスクは光遮光部分の面積を決定するように光透過部分が多段階に分解されたパターンをもつ複数の単位セルを備えており、感光性材料として単位セル内のパターンが凹凸形状として転写される高感度な感光性材料を使用して、現像・リンス後の感光性材料パターンとして三次元の全体構造の表面にマスクの単位セル内パターンの光透過領域の寸法に応じた微細な凹凸を形成する。そして、感光性材料パターンを硬化させる前に表面の凹凸形状を滑らかな曲面にする加熱処理を施す。この加熱処理により、凹凸形状が変形して図１（Ｂ）に破線で示されるように滑らかな曲面となる。
【００１２】
そのような高感度な感光性材料とは、γ値が１.７５以上のものである。γ値が１.７５未満のものを低感度な感光性材料と呼ぶ。
γ値は次の定義により与えられる数値である。再び図３を参照すると、感光性材料が感光し始める照射光量（Ｄ１又はＤ２として示されている）をＤ₀と表わし、感光性材料の全膜厚除去に要する照射光量（Ｄ３又はＤ４として示されている）をＤと表わすとすれば、γ値は
γ＝１／（logＤ−logＤ₀）
と定義される。γ値が大きいほど感度が高く、解像度がよくなる。
【００１３】
本発明で使用する露光マスク（レチクル）は、特表平８−５０４５１５号公報に記載の方法及び特開平７−２３０１５９号公報に記載の方法のいずれの方法によっても製作することができる。両方法の違いは、おおよそ▲１▼単位セルの寸法、▲２▼製作時の光源、▲３▼デジタル方式かアナログ方式か、ということなどである。
【００１４】
露光マスクを特表平８−５０４５１５号公報に記載の方法により製作した場合には、その露光マスクは光遮光部分が極微細パターンによりデジタル的に形成され、光透過部分がサブミクロンで形成されて多段階に分解されたパターンをもつ複数の単位セルを備えることになる。また、露光マスクを特開平７−２３０１５９号公報に記載の方法により製作した場合には、その露光マスクは光透過分布がアナログ的に濃度分布したパターンをもつ複数の単位セルを備えることになる。
【００１５】
感光性材料を露光し、現像・リンスした後に得られる感光性材料パターンは表面に微細な凹凸をもっているが、その凹凸は目的とする三次元構造体寸法の１／２００以下の領域内に複数個が形成されたものが好ましい。その凹凸が三次元構造体寸法の１／２００より大きくなると目的形状を滑らかに製作することが困難になるからである。
【００１６】
また、その凹凸の高さ寸法はこの三次元構造体の高さの１／１０００以上であることが好ましい。その凹凸の高さ寸法がそれより小さくなると、感光性材料パターンの構造を維持することが困難になるからである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
基板上に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する濃度分布レチクルマスク製作方法を述べる。
【００１８】
まず別途、所望の三次元構造設計を行なう。この設計の際次の２点について注意を要する。
▲１▼感光性材料の感度曲線と目的形状の対応を明らかにして、単位セル内の透過率、すなわちＧＭパターンＮｏ．を配置すること。
ＧＭパターン（単位セル）の例としては、図２（Ｃ）〜（Ｆ）に示されたようなものがある。（Ｃ）は千鳥状配列、（Ｄ）はランダム配列、（Ｅ）はライン・アンド・スペース配列、（Ｆ）は片寄せライン・アンド・スペース配列の例を示したものである。もちろん、使用できるＧＭパターンはこれらに限定されるものではない。
【００１９】
▲２▼プロセス中熱処理の際、他の部分よりもより多く熱処理（熱変形）させる部分を目的形状から指定・選定し単位セル中のパターンを配置する（但し、ここで「部分を目的形状から指定・選定し単位セル中のパターンを配置する」とは、光透過部分と光遮光部分を集約させることなく配置することを意味する）。
【００２０】
次いで、この設計に基づき、濃度分布レチクルマスクを製作する。具体的には、（レチクルマスク上の）感光性材料の感度特性と、所望の形状設計による単位セルの光透過量分布に応じて、感光性材料に直接照射するレーザー又は電子線描画の照射（露光）を行なう。
【００２１】
濃度分布レチクルマスクの製作方法の一例を示す。図４に示されるように、以下のステップを備えている。
（Ａ）マスクブランクスを単位セルに分割するステップ（ステップＳ１）。
すなわち、所望の三次元形状から、マスクブランクスをグリッド状に分割して、得ようとする濃度分布マスクの二次元の光強度分布パターンをグリッド状に配列設計する。
【００２２】
（Ｂ）加工プロセス条件及び感光性材料の感度から決定される数式化された「感度曲線」に基づいて単位セルそれぞれの光透過領域又は遮光領域を決定するステップ（ステップＳ２）。
【００２３】
（Ｃ）上記決定された光透過領域又は遮光領域を「各グリッド」に配置してＣＡＤ（Computer Aided Design）で必要な描画回数、焦点深度、ビーム径を計算し、データ化するステップ（ステップＳ３）。
【００２４】
（Ｄ）ステップ（Ｃ）のデータに基づいて、マスクブランクス上の感光性材料を所定の条件（焦点深度、ビーム径）で所定の回数だけ多数（多段階）回描画する（単位セルによって描画回数を変化させる）描画ステップ（ステップＳ４）。もちろん、１回露光の場合もある。
このステップは、図５（ａ）〜（ｄ）示されるように多段階描画する。ここでは、一例として４回に分けて描画をする場合を示しており、その４回のうちの必要な回数だけ描画することによりその単位セルの光透過量が決定される。最上部に（Ａ）として示されている図はこれら４回の全てを描画した場合の描画パターンである。
【００２５】
各回の描画は図５の右上に矢印で示されているような走査線にそって光ビーム又は電子線ビームを複数本同時に又は順次走査し、グリッド毎に、「描画ＯＮ，ＯＦＦ」を制御することにより行なう。各回で描画領域が異なるように設定されている。
【００２６】
単位セル内の光透過率変化は、「中心から周辺に向かって変化する」場合もあるし、「単位セルをグリッドに分割し、そのグリッドにおいて光透過率が不連続に変化する」場合もある。
グリッドに光透過率が０％と１００％の中間の値を示す「中間透過率を有する部分」を配置することができる。つまり、０％と１００％の中間の値を示す光透過率、例えば３０％、５０％、７０％のような中間透過率を有する部分を配置することができる。
【００２７】
グリッドの寸法を小さくすることができるので、配置の方法として不連続（例えばランダム）に中間透過率をもつグリッドを配置することが可能となる。また、同じ透過率をもつグリッドを塊状として配置することもできる。この方式を進めると、連続した濃度分布配置となる。この場合、▲１▼中間階調を非常に細かくとることができるため単位セル寸法を飛躍的に小さくすることができる。▲２▼したがって、所望の形状が急激に変化する形状、すなわち勾配の急な形状でも容易に階調を形成することができる。▲３▼ランダム配置することによって隣接セルと光回り込み量を平均化できる、などの利点がある。
【００２８】
グリッドに光透過率が０％と１００％の中間の値を示す「中間透過率を有する部分」を配置する例を図７に示す。ここでは、一辺１μｍの単位セルを一辺０.２μｍの５×５＝２５のセルに分割した。例えば、白、黒、３０％、５０％、７０％の５段階の光透過率部分を配置した場合、全部白、又は全部黒の場合は階調とはなり得ないので、この場合は４階調である。したがって、理論的には２５×４＝１００階調である。つまり、ｎ段階の濃度変化では、ｎ−１階調である。また、単位セルの分割数（グリッド数）によって階調は異なる。上の例では、グリッド数×（ｎ−１）＝２５×４＝１００である。
【００２９】
グリッドの光透過率と階調の関係は、下の表１のように設定した。

【００３０】
図７では、（Ａ）３０／１００階調の単位セルと（Ｂ）６０／１００階調の単位セルの光透過率配置を示している。（Ｃ）は０／１００階調、３０／１００階調及び６０／１００階調を組み合わせた例を示したものであり、各グリッドの階調数を数値で示したものが図７（Ｄ）である。なお、図７の例は、乱数を発生させて各グリッド番地に光透過濃度分布を形成した場合である。
【００３１】
（Ｅ）ステップ（Ｄ）で描画されたマスクブランクスを現像・リンスして三次元の感光性材料パターンを得るステップ（ステップＳ５）。
（Ｆ）その後、ドライエッチング又はウエットエッチングによって感光性材料パターン形状を遮光膜に転写するステップ（ステップＳ６）。
得られた濃度分布マスクを用いて三次元構造の物品を製作方法は、その濃度分布マスクを用い、縮小光学系露光機で、高感度な感光性材料が塗布された基板上に縮小露光する工程と、露光された感光性材料を現像しリンスして表面に微細な凹凸をもつ三次元構造の感光性材料パターンを形成する工程と、加熱処理により表面の凹凸を変形させて滑らかな曲面にした後、この感光性材料パターンをマスクとしてドライエッチング法でパターンを基板に転写する工程から構成される。
【００３２】
上記引例の特表平８−５０４５１５号公報の方法における単位セルの考え方と本発明のものを比較すると、その引例の方法では図６左側の図に示すように、光透過部分を単位セルの一部分に集約させている。これによって、露光される単位セルは集約された光透過部分のパターンは、微視的に捉えると大きな凹形状である。これに対して、本発明では、図６右側の図に示すように、単位セル内において積極的に微細な凹凸を形成し、この凹凸形状を積極的に構造製作時に活用するものである。活用の方策として、加熱工程において大きく変形させたい部分（領域）に凹凸形状をより多く、又は凹凸の深さがより深くなるように配置する。
【００３３】
もちろん、本発明及び引例の方法においても、単位セルの集合体としての光透過量は目的の構造を製作できるように設計されている。また、本発明ではデジタル的な光透過量変化をさせる方法も含んでいる点においては、引例の方法と同様である。
【００３４】
上記の描画エネルギーは、予め別途用意したシミュレーションによって決定する。つまり、予めＣｒ膜厚と光透過量の関係をグラフ化し数式化しておく。上記の様に、単位セル内の光透過量（Ｏ．Ｄ．）の集合が所望の形状を表わすように各単位セルの光学濃度量を決定し、光透過量の分布を設定する。
【００３５】
以上によって、引例方法の最大の欠点である▲１▼パターン配置の向き（同じパターンでも光透過部分がどこに配置されているか：同じ形状でも右向きか左向きか）で製作形状が異なる、▲２▼三次元構造物の微細な構造制御ができない、などの問題点を解決できる。
【００３６】
この方法を用いれば、感光性材料の感度が高いためにパターンのシャープネスを得るのが容易であるため、高度に制御が必要な感度曲線の管理・高度な製造プロセスの管理を必要とすることもなく、安価に、しかも容易に、製作速度速く、製作することが可能となる。
縮小光学系露光で三次元方向に光透過量濃度分布を有するデジタルマスク又はアナログマスクを使用して、高精度で安価な非球面構造を製作できる。
【００３７】
【実施例】
（実施例1）
（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）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。
【００３８】
単位セル形状は、所望の形状に応じて、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。
【００３９】
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。
また、ドット面積の増加・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ドライエッチングの等方性エッチングなどにより形状が崩れることがある。
【００４０】
（濃度分布マスクの設計）
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（マイクロレンズアレイ）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。
【００４１】
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、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＝０．８９２となり、ＭＬＡで全ての光を有効に集光することができても８２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。
【００４２】
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。
【００４３】
本件実施例では、Ｎｏ．５からＮｏ．１０までのパターン部分（すなわち、マイクロレンズの頂点付近に近い部分：レンズ傾斜が滑らかな部分）の単位セルでは、単位セル□６μｍ×６μｍを□０．５μｍ×０．５μｍの小さな領域に分割し１２×１２＝１４４の領域に分割した。この領域に所定の光透過量を与えながら、かつ微細な凹凸が形成できるように各ＧＭパターンの光透過領域を配置する。
一例は、ＧＭパターンＮｏ．Ａでは、図８に示されるように、１４４領域を長さＸμｍ、幅Ｙ１μｍ〜Ｙ３μｍの縦３ラインの光透過領域として設計する。この際、３ラインの間隔を各ライン毎に変更するのがポイントである。もちろん、上記Ｘ、ＹはＧＭパターンＮｏ．や単位セル寸法、ドット寸法によって変更があるのは当然である。具体的には、ＧＭパターンＮｏ．１０では、１４４領域を「光透過する長さ４μｍ、幅０．５μｍの縦３ライン」として設計する。
【００４４】
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。本件実施例では、感度曲線とＣｒ膜厚さと光透過率の関係からの式を用いてＣＡＤプログラムを製作した。
【００４５】
（濃度分布マスクレチクルの製作）
上記のようにして作成したＣＡＤデータを図９に示すリコー光学株式会社製のレーザー光照射装置を用いてレーザー光を照射しレジスト材料に描画を行なった。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。また、レーザーパワーは、レーザーに供給する電流値を変更するか、または光出射側に減光フィルターを挿入して変更してもよい。
【００４６】
図９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。
【００４７】
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。また基板表面高さ検出器（ＡＦ（自動焦点合わせ）機能）が付属しており、ＡＦ面から僅かにずらすことによって焦点位置を変更することができる。レーザービーム径は本実施例では直径０.２μｍ、位置あわせ精度０．０５μｍ、焦点位置精度０．１μｍで行った。
尚、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。
【００４８】
上記のようにして作成したＣＡＤデータを図９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８とレーザー光のＯＮ、ＯＦＦ及びビーム描画位置と描画回数を制御しながら、所定の方法で濃度分布マスクブランクスに露光した。そして、所定の方法で現像、リンスを行なってレジスト材料層をパターニングした。その後、ドライエッチングにてＣｒ膜のパターニングを行なった。以下の具体例ではドット形状を四角円形状としてＣＡＤプログラムを作成した。
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濃度分布マスクレチクルを製作した。
【００４９】
（濃度分布マスクレチクル製作の具体例）
液晶用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ＯＦＰＲ−８００−８００（東京応化（株）の製品）を用いた。
【００５０】
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▼の組み合わせ方法がある。ここでは、▲１▼の方法を採用した。
【００５１】
別途用意してある「単位セルパターンＮｏ．と感光性材料の除去膜厚（残る膜厚でも良い）関係」、「Ｃｒ膜厚さと光透過量の関係」、「描画回数と感光性材料の除去膜厚（残る膜厚でも良い）」、「光学濃度とＣｒパターン」、「光学濃度とＣｒ膜厚分布」などのデータから設計シミュレーターで所望の形状を製作するための濃度分布マスク単位セル配置を設計する。
【００５２】
濃度分布マスクレチクルを製作するために、透明ガラス基板上に例えば１５０ｎｍ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９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。
【００５３】
（液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１）
上記液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の濃度分布マスクレチクルを用いた。基板上に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−９５０ＢＥ（東京応化（株）の製品）をスピンナーで塗付した。その後、ホットプレート上で９０℃、１２０秒間プリベークした。この時の感光性材料厚さは９．１μｍであった。次いで、ステッパー装置で露光を行なった。露光条件は、デフォーカス：＋０μｍ、照射量：３９０ｍＷ×１．４９秒（照度：５８０ｍＪ）である。
【００５４】
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。このときのレジスト高さは７．５μｍであった。ジャストフォーカスの効果によって、感光性材料表面には狙いどおりの凹凸微細形状を製作することができた。
【００５５】
次いで、ホットプレート上で９５℃で５分間プリ・ポストベークを行った。この時、温度上昇は２５℃から９５℃まで７０℃／４分（１７．５℃／分）の勾配で上昇させた。その後、９５℃で１分間保持した。この加熱によって、感光性材料中の溶剤を徐々に蒸発させながら、かつ加熱の後半では感光性材料の表面凹凸を僅かに流動させて滑らかな表面をもつ目的形状を得ることができた。
【００５６】
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。
【００５７】
その後、上記基板をＴＣＰ（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^-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、０.６７μｍ／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。
【００５８】
（液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例２）
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製作方法でマスクを製作した。マスクの設計は、光学シミュレーターの設計データと、感光性材料（ＮＰＲ−９７１０：ナガセ化成工業製）の感度曲線を基にＧＭ設計を行なった。ＧＭ設計は、参照球面（Ｒ（半径）のみを変化させて、ＲＭＳ（根二乗平均）が最小となる球面）からの差異（ずれ）の大きな部分では図８に示すパターンを基本にしたパターンを配置した。具体的には、ＧＭパターンＮｏ．１０では、全体領域１４４領域の内で、「光透過する領域として長さ４μｍ、幅０．５μｍの縦３ライン」として設計した。このときレンズ頂点部に近い部分は、光透過領域を狭く（光透過量を少なく）した配置を実施した。
【００５９】
基板上に上記感光性材料（ＮＰＲ−９７１０：ナガセ化成工業製）をスピンナーで塗付した。その後、ホットプレート上で９０℃、１２０秒間プリベークした。この時の感光性材料厚さは９．１μｍであった。次いで、上記マスクを用いてステッパー装置で露光を行なった。露光条件は、デフォーカス：＋０μｍ、照射量：３９０ｍＷ×１．４９秒（照度：５８０ｍＪ）である。
【００６０】
露光後、ＰＥＢ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。このときのレジスト高さは７．５μｍであった。ジャストフォーカスの効果によって、感光性材料表面には狙いどおりの凹凸微細形状を製作することができた。
【００６１】
次いで、ホットプレート上で９５℃で５分間プリ・ポストベークを行った。この時、温度上昇は２５℃から９５℃まで７０℃／４分（１７．５℃／分）の勾配で上昇させた。その後、９５℃で１分間保持した。この加熱によって、感光性材料中の溶剤を徐々に蒸発させながら、かつ加熱の後半では感光性材料の表面凹凸を僅かに流動させて滑らかな表面をもつ目的形状を得ることができた。
【００６２】
本実施例では、レンズ頂点部分に凹凸形状を配置したが、非球面構造を製作する場合に、参照球面から僅かに下側に形状をずらしている非球面形状を目的とする場合は、この部分に凹凸パターンを配置する。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
この具体例２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非球面ＭＬＡを実現することができた。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、三次元方向に光透過量濃度分布を有するデジタルマスク又はアナログマスクを使用して、高感度な感光性材料が塗布された基板上に露光し、現像・リンスしてその感光性材料の表面に微細な凹凸形状をもつ三次元構造パターンを形成し、凹凸形状を滑らかな曲面にする加熱処理を施した後にその感光性材料パターンを硬化させ、それをマスクとしてドライエッチング法で基板にパターンを転写して三次元構造体を形成するので、高精度で安価な非球面構造を製作でき、安価な光学製品の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各工法による現像後の断面形状を示す図である。
【図２】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３】感光性材料の感度曲線を示す例である。
【図４】濃度分布マスク製造方法を示すフローチャート図である。
【図５】多段階描画を示す図で、（ａ）〜（ｄ）は各回の描画領域、（Ａ）はこれら４回の全てを描画した場合の描画パターンである。
【図６】引例の方法と本発明の方法を比較する単位セルの断面図である。
【図７】単位セルをグリッドに分割して光透過濃度分布を形成した例を示した単位セル光透過率配置を示す図であり、（Ａ）は３０／１００階調の単位セル、（Ｂ）は６０／１００階調の単位セル、（Ｃ）は０／１００階調、３０／１００階調及び６０／１００階調の単位セルを組み合わせた例を示したものである。
【図８】本発明における濃度分布マスクの単位セルの一例を示す図である。
【図９】濃度分布マスクレチクル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。
【符号の説明】
１レーザー光発振装置
４光変調器
５光変調制御装置
６光偏向器
７対物レンズ
８Ｘ−Ｙステージ
９制御装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention manufactures articles having a three-dimensional structure, such as fields using semiconductor technology (for example, micromachining field, wall-mounted TV display field, liquid crystal display field, solar cell manufacturing field), optical parts field, micromachining products, etc. In particular, the photosensitive material pattern is exposed on a substrate coated with a photosensitive material through an exposure mask, developed and rinsed to form a three-dimensional structure pattern on the photosensitive material. The present invention relates to a method of forming a three-dimensional structure by curing and transferring a pattern onto the substrate by a dry etching method using the mask as a mask.
[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 for forming the refractive surface and the reflective 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 a density distribution mask (gradation mask (GM)) having a typical transmittance distribution, and developing or rinsing the photoresist to obtain a convex shape or a concave shape as the surface shape of the photoresist. An anisotropic etching is performed on the substrate, and the surface shape of the photoresist is engraved on the optical substrate and transferred to obtain the desired three-dimensional refracting or reflecting surface shape on the optical substrate surface. Are known (see JP-A-7-230159 and JP-A-8-504515).
[0003]
As a concentration distribution mask used to obtain a special surface shape with a three-dimensional structure such as a refracting surface or a reflecting surface, a two-dimensional transmittance distribution whose transmittance changes stepwise according to the surface shape is used. A held density distribution mask is used.
[0004]
In the density distribution mask described in JP-T-8-504515, in order to form a two-dimensional transmittance distribution pattern, the mask pattern is divided into unit cells called light transmission apertures. Is set so that the light transmission amount or the light shielding amount corresponds to the height of the corresponding position of the photoresist pattern to be formed. The light-shielding film pattern of the unit cell is composed of two types: a region where the light-shielding film exists and the light transmittance is 0%, and a region where there is no light-shielding film and the light transmittance is 100%. The 0% region and the 100% light transmittance region are arranged so as to be brought together in one direction to form one lump. The minimum dimension of the light shielding film pattern is an ultrafine pattern that is shorter than the wavelength of light used for exposure.
[0005]
Further, as a manufacturing method thereof, a drawing method using electron beam (EB) irradiation is adopted.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-230159 describes a method of manufacturing a concentration distribution mask by changing the amount of light transmitted in a unit cell by changing the amount of laser light irradiation during drawing in the unit cell. .
[0006]
The “sensitivity curve” of the photosensitive material is given as schematically shown in FIG. Sensitivity curves differ depending on the photosensitive material, a is a highly sensitive photosensitive material, and b is a low sensitive photosensitive material. A is the coating thickness of the photosensitive material, CEL (contrast enhanced lithography) is the removal amount of the photosensitive material at the initial stage of the photosensitivity, CEL (high) of the high-sensitivity photosensitive material is CEL (low) of the low-sensitivity photosensitive material Bigger than. D1 is an irradiation light amount at which the low-sensitivity photosensitive material starts to be exposed, and D2 is an irradiation light amount at which the high-sensitivity photosensitive material starts to be exposed, which is an initial irradiation light amount due to each CEL effect. D3 is an irradiation light amount required for removing the entire film thickness of the high-sensitivity photosensitive material, D4 is an irradiation light amount required for removing the entire film thickness of the low-sensitivity photosensitive material, and these are exposures when each photosensitive material is exposed to the bottom. Amount.
[0007]
Since the light transmission coefficient differs in light absorption coefficient depending on the molecular structure contained in the photosensitive material, the CEL amount and the sensitivity curve differ depending on the photosensitive material. When light travels through the photosensitive material, light energy (light quantity) decreases according to the depth. That is, the thickness (depth) of the photosensitive material and the amount of irradiation light energy are in an inversely proportional relationship that decreases with an exponential function. Therefore, when the “light transmittance” and the remaining film amount of the photosensitive material are obtained from the experimental data, it is possible to form a resist film thickness distribution having a distribution in the thickness direction of the photosensitive material.
[0008]
As can be seen from FIG. 3, when a low-sensitivity photosensitive material is used, gradation can be obtained in the range of D1 to D4, and the gradation range can be widened, but the sharpness of the pattern can be improved. difficult. On the other hand, when a high-sensitivity photosensitive material is used, gradation can be obtained only in the range from D2 to D3 and the gradation range cannot be widened, but it is easy to improve the sharpness of the pattern.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the present invention, in order to improve the sharpness of the pattern, the use of a highly sensitive photosensitive material was examined.
A density distribution reticle mask disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-504515 has a unit cell as shown in FIGS. 2A and 2B, and such a density distribution reticle mask is used. When a high-sensitivity photosensitive material is exposed, the cross-sectional shape after development does not become a smooth shape because the gradation step of each unit cell is large in the photosensitive material as shown by the solid line in FIG. . In addition, a large concave shape is generated in a scratched manner on the surface. For this reason, a step occurs at the gradation change point (for example, between No. n and No. n + 1), resulting in a binary optical element (Binary Optical Element) shape.
[0010]
In the high-sensitivity photosensitive material, the light transmittance distribution in the unit cell of the mask is transferred as it is, so that large and fine irregularities are generated on the surface. If the photosensitive material is cured in this shape, the surface roughness of the structure becomes rough or causes a step, which is not preferable in the field of an optical element that requires a smooth surface shape.
It is an object of the present invention to improve the sharpness of a pattern by using a high-sensitivity photosensitive material, and to make a smooth surface shape instead of a binary optics shape so as not to cause a step at the transition of gradation. It is.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, a substrate coated with a photosensitive material is exposed through an exposure mask, developed and rinsed to form a three-dimensional structure pattern on the photosensitive material, and then the photosensitive material pattern is cured, This is an improvement of a method for forming a three-dimensional structure by transferring a pattern to the substrate by dry etching using the mask as a mask. In the present invention, the exposure mask includes a plurality of unit cells having a pattern in which the light transmission part is decomposed in multiple stages so as to determine the area of the light shielding part, and the pattern in the unit cell is uneven as a photosensitive material. Using high-sensitivity photosensitive material transferred as a shape, as a photosensitive material pattern after development and rinsing, on the surface of the entire three-dimensional structure, fine according to the size of the light transmission area of the pattern in the unit cell of the mask Irregularities are formed. Then, before the photosensitive material pattern is cured, a heat treatment is performed to make the uneven shape of the surface a smooth curved surface. By this heat treatment, the uneven shape is deformed to become a smooth curved surface as indicated by a broken line in FIG.
[0012]
Such a highly sensitive photosensitive material has a γ value of 1.75 or more. A material having a γ value of less than 1.75 is called a low-sensitivity photosensitive material.
The γ value is a numerical value given by the following definition. Referring again to FIG. 3, shows the irradiation light quantity of light-sensitive material begins to expose the (shown as D1 or D2) represented as D _0, as the irradiation light amount (D3 or D4 required for full thickness removal of the photosensitive material ) Is represented by D, the γ value is γ = 1 / (logD−logD ₀ ).
Is defined. The larger the γ value, the higher the sensitivity and the better the resolution.
[0013]
The exposure mask (reticle) used in the present invention can be produced by any of the method described in JP-A-8-504515 and the method described in JP-A-7-230159. The differences between the two methods are roughly (1) the size of the unit cell, (2) the light source during production, and (3) whether it is digital or analog.
[0014]
When the exposure mask is manufactured by the method described in JP-T-8-504515, the light-shielding portion of the exposure mask is digitally formed with a very fine pattern and the light transmission portion is formed with submicron. A plurality of unit cells having patterns decomposed in multiple stages are provided. Further, when the exposure mask is manufactured by the method described in JP-A-7-230159, the exposure mask includes a plurality of unit cells having a pattern in which the light transmission distribution is an analog density distribution.
[0015]
The photosensitive material pattern obtained after exposing, developing and rinsing the photosensitive material has fine irregularities on the surface, but there are a plurality of irregularities within a region of 1/200 or less of the target three-dimensional structure size. Those formed with are preferred. This is because if the unevenness is larger than 1/200 of the dimension of the three-dimensional structure, it is difficult to produce the target shape smoothly.
[0016]
Moreover, it is preferable that the height dimension of the unevenness is 1/1000 or more of the height of the three-dimensional structure. This is because it becomes difficult to maintain the structure of the photosensitive material pattern when the height dimension of the unevenness is smaller than that.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A method of manufacturing a concentration distribution reticle mask used when manufacturing an article having a three-dimensional surface shape by forming a photosensitive material pattern on a substrate and engraving the photosensitive material pattern on the substrate will be described.
[0018]
First, a desired three-dimensional structure design is performed separately. Attention should be paid to the following two points in this design.
(1) The correspondence between the sensitivity curve of the photosensitive material and the target shape is clarified, and the transmittance within the unit cell, that is, the GM pattern No. To place.
Examples of GM patterns (unit cells) include those shown in FIGS. 2 (C) to 2 (F). (C) is a staggered arrangement, (D) is a random arrangement, (E) is a line and space arrangement, and (F) is an example of a justified line and space arrangement. Of course, the GM pattern which can be used is not limited to these.
[0019]
(2) During heat treatment during the process, the part to be heat-treated (thermally deformed) more than other parts is designated and selected from the target shape, and the pattern in the unit cell is arranged (however, “part from the target shape “Specifying and selecting and arranging the pattern in the unit cell” means arranging the light transmitting part and the light shielding part without consolidating them).
[0020]
Next, based on this design, a density distribution reticle mask is manufactured. Specifically, depending on the sensitivity characteristics of the photosensitive material (on the reticle mask) and the light transmission distribution of the unit cell according to the desired shape design, the irradiation of the laser or electron beam drawing that directly irradiates the photosensitive material ( Exposure).
[0021]
An example of a method for manufacturing a concentration distribution reticle mask will be described. As shown in FIG. 4, the following steps are provided.
(A) A step of dividing the mask blank into unit cells (step S1).
That is, a mask blank is divided into a grid shape from a desired three-dimensional shape, and a two-dimensional light intensity distribution pattern of a density distribution mask to be obtained is arranged and designed in a grid shape.
[0022]
(B) A step of determining a light transmission region or a light shielding region of each unit cell based on a mathematical expression “sensitivity curve” determined from the processing process conditions and the sensitivity of the photosensitive material (step S2).
[0023]
(C) A step of arranging the determined light transmission region or light shielding region in each grid and calculating the number of drawing times, the focal depth, and the beam diameter necessary for CAD (Computer Aided Design) and converting it into data (step S3) ).
[0024]
(D) Based on the data in step (C), the photosensitive material on the mask blank is drawn a predetermined number of times (multistage) under a predetermined condition (depth of focus, beam diameter) (number of times of drawing by unit cell). A drawing step (step S4). Of course, there may be a single exposure.
In this step, multistage drawing is performed as shown in FIGS. Here, as an example, the case of drawing in four times is shown, and the light transmission amount of the unit cell is determined by drawing as many times as necessary out of the four times. The figure shown as (A) at the top is a drawing pattern when all four times are drawn.
[0025]
In each drawing, a plurality of light beams or electron beam beams are scanned simultaneously or sequentially along a scanning line as indicated by an arrow in the upper right of FIG. 5, and “drawing ON / OFF” is controlled for each grid. By doing. The drawing area is set differently each time.
[0026]
The light transmittance change in the unit cell may “change from the center toward the periphery” or “the unit cell may be divided into grids and the light transmittance changes discontinuously in the grid”. .
A “part having an intermediate transmittance” that shows an intermediate value between 0% and 100% of the light transmittance can be arranged on the grid. That is, it is possible to arrange a portion having an intermediate transmittance such as 30%, 50%, and 70%, which is an intermediate value between 0% and 100%.
[0027]
Since the size of the grid can be reduced, it is possible to dispose a grid having an intermediate transmittance discontinuously (for example, randomly) as an arrangement method. Moreover, the grid which has the same transmittance | permeability can also be arrange | positioned as a block shape. When this method is advanced, a continuous density distribution arrangement is obtained. In this case, {circle around (1)} the intermediate gradation can be taken very finely, so that the unit cell size can be drastically reduced. (2) Therefore, a gradation can be easily formed even in a shape in which a desired shape changes suddenly, that is, in a shape having a steep slope. (3) There is an advantage that the amount of light sneaking with neighboring cells can be averaged by random arrangement.
[0028]
FIG. 7 shows an example in which a “part having an intermediate transmittance” indicating an intermediate value between 0% and 100% is disposed on the grid. Here, a unit cell having a side of 1 μm was divided into 5 × 5 = 25 cells having a side of 0.2 μm. For example, in the case where the five-stage light transmittance portions of white, black, 30%, 50%, and 70% are arranged, gradation cannot be obtained in the case of all white or all black. Key. Therefore, theoretically, 25 × 4 = 100 gradations. In other words, in the n-stage density change, there are n-1 gradations. Also, the gradation varies depending on the number of unit cell divisions (number of grids). In the above example, the number of grids × (n−1) = 25 × 4 = 100.
[0029]
The relationship between the light transmittance of the grid and the gradation was set as shown in Table 1 below.

[0030]
FIG. 7 shows the light transmittance arrangement of (A) 30/100 gradation unit cell and (B) 60/100 gradation unit cell. FIG. 7C shows an example in which 0/100 gradation, 30/100 gradation, and 60/100 gradation are combined, and the number of gradations of each grid is shown as a numerical value. It is. The example of FIG. 7 is a case where a light transmission density distribution is formed at each grid address by generating random numbers.
[0031]
(E) A step of developing and rinsing the mask blank drawn in step (D) to obtain a three-dimensional photosensitive material pattern (step S5).
(F) Thereafter, the photosensitive material pattern shape is transferred to the light shielding film by dry etching or wet etching (step S6).
A method of manufacturing an article having a three-dimensional structure using the obtained density distribution mask is a process of reducing exposure on a substrate coated with a highly sensitive photosensitive material using a reduction optical system exposure machine using the density distribution mask. And developing and rinsing the exposed photosensitive material to form a photosensitive material pattern with a three-dimensional structure with fine irregularities on the surface, and deforming the irregularities on the surface to a smooth curved surface by heat treatment Thereafter, the photosensitive material pattern is used as a mask to transfer the pattern to the substrate by dry etching.
[0032]
Comparing the concept of the unit cell in the method of JP-A-8-504515 of the above reference with that of the present invention, in the method of the reference, as shown in the diagram on the left side of FIG. Are consolidated. As a result, the pattern of the light transmitting portion in which the unit cells to be exposed are aggregated has a large concave shape when viewed microscopically. On the other hand, in the present invention, as shown in the diagram on the right side of FIG. 6, fine irregularities are positively formed in the unit cell, and the irregularities are positively utilized during the structure fabrication. As a measure for utilization, a portion (region) to be largely deformed in the heating process is arranged so that there are more uneven shapes or deeper uneven portions.
[0033]
Of course, also in the present invention and the method of reference, the light transmission amount as an assembly of unit cells is designed so that a target structure can be manufactured. In addition, the present invention is the same as the cited method in that it includes a method of changing the amount of light transmitted digitally.
[0034]
The drawing energy is determined by a separately prepared simulation. In other words, the relationship between the Cr film thickness and the light transmission amount is graphed and expressed in advance. As described above, the optical density amount of each unit cell is determined so that the set of light transmission amounts (OD) in the unit cell represents a desired shape, and the distribution of the light transmission amount is set.
[0035]
Due to the above, (1) which is the biggest drawback of the reference method, (1) The shape of the pattern is different (2) Tertiary, depending on the orientation of the pattern (where the light transmission part is located in the same pattern: whether it is the same shape or rightward or leftward) Problems such as inability to finely control the original structure can be solved.
[0036]
If this method is used, it is easy to obtain pattern sharpness due to the high sensitivity of the photosensitive material. Therefore, it may be necessary to manage sensitivity curves that require high control and to manage advanced manufacturing processes. It is possible to manufacture at low cost and easily at high manufacturing speed.
By using a digital mask or an analog mask having a light transmission amount density distribution in the three-dimensional direction by reduction optical system exposure, a highly accurate and inexpensive aspherical structure can be manufactured.
[0037]
【Example】
(Example 1)
(Shape and arrangement in unit cell, and shape and arrangement of “light transmission” and “light blocking” dots) Description of shape and arrangement in unit cell, and shape and arrangement of “light transmission” and “light blocking” dots To do. 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.
[0038]
Depending on the desired shape, the unit cell shape expresses a density distribution mask characteristic depending on the amount of change in gradation, for example, when a gentle curved surface continues or when it is composed of discontinuous surfaces. The optimum shape can be determined by selecting “polygon” and “combination thereof”.
[0039]
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.
The increase / decrease in the dot area is input data at the time of input, and the shape may be lost due to laser beam thickening or isotropic etching such as dry etching depending on the mask manufacturing conditions.
[0040]
(Design of density distribution mask)
An example of a micro pitch MLA (micro lens array) in which the adjacent interval between micro lenses is as close to zero as possible is shown. In the MLA for liquid crystal projectors, the pixel size for 0.9 ″ -XGA is 18 μm × 18 μm.
[0041]
In this MLA, when there is a lens non-formation part of 1 μm on each side of the lens, it becomes a micro lens area of 17 μm × 17 μm, and the MLA area occupying the total area is 17 × 17/18 × 18 = 289 / 324 = 0.892, and even if all the light can be collected effectively by the MLA, the light collection efficiency is only 82%. That is, it is important to reduce the area of the MLA non-formation part in order to improve the light utilization efficiency.
[0042]
Next, cell No. 2 is placed in the center 2 × 2 unit cell (6 μm × 6 μm on the density distribution mask 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.
[0043]
In this example, No. 5 to No. In the unit cell of up to 10 pattern parts (that is, the part near the apex of the microlens: the part where the lens inclination is smooth), the unit cell □ 6 μm × 6 μm is divided into small areas of □ 0.5 μm × 0.5 μm. The area was divided into 12 × 12 = 144 areas. The light transmission region of each GM pattern is arranged so that a minute unevenness can be formed while giving a predetermined light transmission amount to this region.
An example is GM pattern no. In A, as shown in FIG. 8, the 144 region is designed as a light transmission region of three vertical lines having a length of X μm and a width of Y1 μm to Y3 μm. At this time, the point is to change the interval of the three lines for each line. Of course, the above X and Y are GM pattern Nos. Of course, there are changes depending on the unit cell size and the dot size. Specifically, the GM pattern No. 10, the 144 region is designed as “three vertical lines with a light transmission length of 4 μm and a width of 0.5 μm”.
[0044]
In this way, CAD data of the MLA density distribution mask reticle is created. In this example, a CAD program was produced using an equation based on the relationship between the sensitivity curve, Cr film thickness, and light transmittance.
[0045]
(Production of concentration distribution mask reticle)
The CAD data created as described above was irradiated with laser light using a laser light irradiation apparatus manufactured by Ricoh Optical Co., Ltd. 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. The laser power may be changed by changing the current value supplied to the laser or inserting a neutral density filter on the light emitting side.
[0046]
The laser beam irradiation apparatus shown in FIG. 9 is bent by a laser beam oscillator 1, a beam splitter 2 that splits the laser beam from the laser beam oscillator 1 into a plurality of laser beams, a mirror 3 that bends the optical path of the laser beam, and a mirror 3. An optical modulator 4 that modulates the laser beam, an optical modulation controller 5 that controls the optical modulator 4 according to a signal from the data bus to control ON / OFF of each laser beam, and a laser from the optical modulator 4 An optical deflector 6 for deflecting light, an objective lens 7 for condensing laser light on a resist material layer, an XY stage 8 for moving a mounted mask blank in X and Y directions, and an optical deflector 6 and main components such as a control device 9 for controlling the operation of the XY stage 8.
[0047]
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 XY stage 8 and the ON / OFF and deflection of each laser beam according to the design data. To do. That is, a laser beam is irradiated onto the resist material layer by this laser beam irradiation apparatus, and a pattern is formed two-dimensionally so that a light transmission region or a light shielding region has a desired transmittance distribution for each unit cell. Also, a substrate surface height detector (AF (automatic focusing) function) is attached, and the focal position can be changed by slightly shifting from the AF surface. In this embodiment, the laser beam diameter was 0.2 μm, the alignment accuracy was 0.05 μm, and the focal position accuracy was 0.1 μm.
The unit cell shape and the dot shape may be selected appropriately depending on the target product.
[0048]
The CAD data created as described above is installed in the laser beam irradiation apparatus shown in FIG. 9, and the XY stage 8, the laser beam ON / OFF, the beam drawing position, and the number of times of drawing are controlled. The density distribution mask blanks were exposed by this method. Then, development and rinsing were performed by a predetermined method to pattern the resist material layer. Thereafter, the Cr film was patterned by dry etching. In the following specific example, the CAD program was created with the dot shape as a square circle.
In this manner, a density distribution mask reticle having a desired opening size and a density distribution was manufactured.
[0049]
(Specific example of density distribution mask reticle production)
Production of MLA for liquid crystal:
In manufacturing the concentration distribution mask reticle, a positive resist material OFPR-800-800 (product of Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) was used as a resist material which is a photosensitive material.
[0050]
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 (1) was adopted.
[0051]
Separately prepared “Relationship between unit cell pattern No. and removal thickness of photosensitive material (remaining film thickness may be acceptable)”, “Relationship between Cr thickness and light transmission amount”, “Removal of number of times of drawing and photosensitive material” Concentration distribution mask unit cell arrangement for producing a desired shape with a design simulator from data such as “film thickness (remaining film thickness is acceptable)”, “optical density and Cr pattern”, “optical density and Cr film thickness distribution” design.
[0052]
In order to manufacture a concentration distribution mask reticle, a Cr film having a thickness of, for example, 150 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 patterned by dry etching using the resist pattern as an etching mask, thereby producing a concentration distribution mask.
[0053]
(Specific example 1 for the production of MLA for liquid crystal)
A concentration distribution mask reticle manufactured by the above-mentioned micro dimension MLA for liquid crystal was used. A positive resist material TGMR-950BE (product of Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) was applied as a photosensitive resist material on the substrate using a spinner. Then, it prebaked at 90 degreeC for 120 second on the hotplate. The photosensitive material thickness at this time was 9.1 μm. Next, exposure was performed with a stepper apparatus. The exposure conditions are defocus: +0 μm, irradiation amount: 390 mW × 1.49 seconds (illuminance: 580 mJ).
[0054]
After the exposure, PEB (post exposure bake) was performed at 60 ° C. for 180 seconds. Next, the photosensitive material was developed and rinsed. The resist height at this time was 7.5 μm. Due to the effect of just focus, the surface of the photosensitive material was able to produce the desired irregular fine shape.
[0055]
Next, pre-post baking was performed on a hot plate at 95 ° C. for 5 minutes. At this time, the temperature rise was raised from 25 ° C. to 95 ° C. with a gradient of 70 ° C./4 minutes (17.5 ° C./min). Then, it hold | maintained at 95 degreeC for 1 minute. By this heating, the target shape having a smooth surface could be obtained by gradually evaporating the solvent in the photosensitive material and by slightly flowing the surface irregularities of the photosensitive material in the latter half of the heating.
[0056]
Thereafter, 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. The resist height at this time was 7.5 μm.
[0057]
Thereafter, the substrate was set in a TCP (inductively coupled plasma) dry etching apparatus, and the degree of vacuum was 1.5 × 10 ⁻³ Torr, CHF ₃ : 5.0 sccm, CF ₄ : 50.0 sccm, O ₂ : 15. Dry etching was performed under the conditions of 0 sccm, substrate bias power: 600 W, upper electrode power: 1.25 kW, and 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 decrease with time. The average etching rate of the substrate was 0.67 μm / min, but the actual etching time required 11.0 minutes. The lens height after etching was 5.3 μm.
[0058]
(Specific example 2 for the production of MLA for liquid crystal)
Here, an aspherical MLA was manufactured. A mask was manufactured by the same method of manufacturing the concentration distribution mask reticle as in the above-described specific example 1 for manufacturing the minute dimension MLA for liquid crystal. The mask was designed by GM based on the design data of the optical simulator and the sensitivity curve of the photosensitive material (NPR-9710: manufactured by Nagase Chemical Industries). In the GM design, a pattern based on the pattern shown in FIG. 8 is used in a portion having a large difference (deviation) from a reference spherical surface (a spherical surface in which only R (radius) is changed and RMS (root mean square) is minimized). Arranged. Specifically, the GM pattern No. 10 is designed as “three vertical lines having a length of 4 μm and a width of 0.5 μm as a light transmitting region” in the entire region 144. At this time, the portion close to the lens apex portion was arranged with a light transmission region narrowed (light transmission amount decreased).
[0059]
The photosensitive material (NPR-9710: manufactured by Nagase Kasei Kogyo Co., Ltd.) was applied onto the substrate with a spinner. Then, it prebaked at 90 degreeC for 120 second on the hotplate. The photosensitive material thickness at this time was 9.1 μm. Next, exposure was performed with a stepper apparatus using the mask. The exposure conditions are defocus: +0 μm, irradiation amount: 390 mW × 1.49 seconds (illuminance: 580 mJ).
[0060]
After exposure, PEB was performed at 60 ° C. for 180 seconds. Next, the photosensitive material was developed and rinsed. The resist height at this time was 7.5 μm. Due to the effect of just focus, the surface of the photosensitive material was able to produce the desired irregular fine shape.
[0061]
Next, pre-post baking was performed on a hot plate at 95 ° C. for 5 minutes. At this time, the temperature rise was raised from 25 ° C. to 95 ° C. with a gradient of 70 ° C./4 minutes (17.5 ° C./min). Then, it hold | maintained at 95 degreeC for 1 minute. By this heating, the target shape having a smooth surface could be obtained by gradually evaporating the solvent in the photosensitive material and by slightly flowing the surface irregularities of the photosensitive material in the latter half of the heating.
[0062]
In this embodiment, the concave / convex shape is arranged at the apex portion of the lens. However, when an aspherical structure is manufactured, this portion is used when the aspherical shape is slightly shifted downward from the reference spherical surface. An uneven pattern is arranged on the surface.
[0063]
Thereafter, 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. The resist height at this time was 7.5 μm.
[0064]
Thereafter, the substrate was set in a TCP dry etching apparatus, and dry etching was performed by changing O ₂ from 15.0 sccm to 0.9 sccm among the conditions in the specific example 1 for manufacturing the liquid crystal micro dimension MLA. The average etching rate of the substrate was 0.55 μm / min, but the actual etching time required 14.0 minutes. The lens height after etching was 7.4 μm.
The MLA produced according to this specific example 2 was able to realize an aspherical MLA having a shorter focal length than the MLA created in specific example 1.
[0065]
【The invention's effect】
According to the present invention, a digital mask or an analog mask having a light transmission amount density distribution in a three-dimensional direction is used for exposure on a substrate coated with a high-sensitivity photosensitive material, and development and rinsing are performed. A three-dimensional structure pattern with fine irregularities is formed on the surface of the photosensitive material, heat-treated to make the irregularities a smooth curved surface, and then the photosensitive material pattern is cured, and then used as a mask by dry etching Since the three-dimensional structure is formed by transferring the pattern to the substrate, a highly accurate and inexpensive aspherical structure can be manufactured, and an inexpensive optical product can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a cross-sectional shape after development by each method.
FIG. 2 is a diagram showing an example of unit cells arranged in a density distribution mask.
FIG. 3 is an example showing a sensitivity curve of a photosensitive material.
FIG. 4 is a flowchart showing a concentration distribution mask manufacturing method.
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing multi-stage drawing. FIGS. 5A to 5D are drawing areas for each time, and FIG. 5A is a drawing pattern when all four times are drawn.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a unit cell that compares the method of the reference and the method of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a unit cell light transmittance arrangement showing an example in which a unit cell is divided into grids to form a light transmission density distribution; FIG. 7A is a unit cell of 30/100 gradation; ) Shows a unit cell of 60/100 gradation, and (C) shows an example in which unit cells of 0/100 gradation, 30/100 gradation and 60/100 gradation are combined.
FIG. 8 is a diagram showing an example of a unit cell of a density distribution mask in the present invention.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing an example of a laser beam irradiation apparatus used for manufacturing a density distribution mask reticle.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser beam oscillation apparatus 4 Optical modulator 5 Optical modulation control apparatus 6 Optical deflector 7 Objective lens 8 XY stage 9 Control apparatus

Claims

A substrate coated with a photosensitive material is exposed through an exposure mask, developed and rinsed to form a three-dimensional structure pattern on the photosensitive material, and then the photosensitive material pattern is cured and used as a mask. In a method of forming a three-dimensional structure by transferring a pattern to the substrate by a dry etching method,
The exposure mask is a plurality of unit cells having a pattern in which a light transmitting part is decomposed in multiple stages so as to determine the area of the light shielding part, and the unit cell is a three-dimensional structure whose size is to be obtained. That is less than 1/200 of the dimension on the mask corresponding to
As the photosensitive material, a highly sensitive photosensitive material having a γ value of 1.75 or more is used so that the pattern in the unit cell is transferred as a concavo-convex shape, and the photosensitive material pattern after development and rinsing is tertiary. Form fine irregularities according to the size of the light transmission area of the pattern in the unit cell of the mask on the surface of the original whole structure,
A method for producing a three-dimensional structure, wherein a heat treatment is performed to make the uneven shape into a smooth curved surface before curing the photosensitive material pattern.

2. The three-dimensional image according to claim 1, wherein the unit cell of the mask has a pattern in which light transmitting portions and light shielding portions are alternately and repeatedly arranged, and the interval between the light transmitting portions is set according to a target shape. Manufacturing method of structure.

3. The method of manufacturing a three-dimensional structure according to claim 1, wherein the exposure has a focal blur amount of zero.

The method for producing a three-dimensional structure according to any one of claims 1 to 3 , wherein a height dimension of the unevenness is 1/1000 or more of a height of the entire desired structure in the photosensitive material pattern.

The irregularities, in the above during the heat treatment in a large portion of the large part or volume variation of the shape variation amount from claim 1, the unit cell pattern of the mask as the depth of the irregularities is deeper is formed of 4 The manufacturing method of the three-dimensional structure in any one.

Any The irregularities in the high part of the large part or volume variation of the shape variation amount in the heating process of claims 1, the number of irregularities unit cell pattern of the mask so that many are formed 4 A method for producing the three-dimensional structure according to claim 1.