JP6235477B2 - 微細構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
この方法では、形成されるパターンの高さあるいは斜面形状は、フォトレジストに与えられる露光量(レーザ光量)と現像時のフォトレジストの溶解特性によって変化する。したがって、形成しようとするパターンの高さ及び斜面形状に応じて露光量(レーザ光量)が調整される。
本明細書では、特に明記しない限り、「フォトレジスト」はポジ型のフォトレジストを意味するものとする。
特許文献2には、レーザ光走査による露光において、レーザ光の焦点深度よりも深い凹部を形成する場合、焦点ボケによる解像度の低下を抑えるべく、焦点位置を変えて複数回露光を行う方法が開示されている(請求項12等)。
しかしながら、レーザ光量(レーザ光強度)を変調してフォトレジストを露光する場合、レーザ光量(レーザパワーに対応)を変調できる階調数に上限があり、焦点位置の影響よりもレーザ光量変調の階調数不足により充分な解像度が得られない場合がある。レーザ光量変調の階調数を増やすには、装置のハードあるいはソフトの改造などに費用と時間が必要になるため、レーザ光量階調数不足による解像度不足が生じた場合にそれを改善することは難しい。
以下、レーザ光量変調の階調数不足による解像度の低下について、具体例を挙げて説明する。
ここでは、半球状の凸部の底面をXY平面とし、高さ方向をZ軸方向としてある。
図6上図は、現像後に得られる凸部の中心を通るXZ面において、所望形状を得るのに最も理想的なレーザ光量分布(細線)と実際のレーザ光量分布(太線)とを示したものである。
図6下図は、凸部の頭頂部側から見たときの所望形状を得るのに最も理想的なレーザ光量の分布(細線)と実際のレーザ光量分布(太線)とを示したものである。この図では、レーザ光量の階調ごとに区画し、各区画について色の濃淡でもってレーザ光量の大小を示してある。この図では、レーザ光量が多い程、より濃い色で表示されている。
図6の上図および下図における横軸の単位は、「μm」である。
この例の装置では、レーザ光量変調の階調は8段階に設定可能であり、この階調はX軸方向およびY軸方向ともに1μm毎に設定可能である。
一方、XZ面におけるレーザ光量の階調設定も、理想的には図6上図に示すように半円形状に設定したいが、実際には設定できる階調数に限りがあり、図中の太線に示すように階段状の設定にならざるを得ない。
さらに、この例ではX軸方向およびY軸方向についての階調設定単位が1μmであるため、各階調区画に対するレーザ光量の階調は最大8階調のうち6階調分しか使えていない。
図6に示す例のような場合、現像後に得られる凸部の表面(3次元曲面)は、階調設定の境界部分に段差が生じるなど、所望の解像度が得られないことがある。
基材上に塗布されたポジ型のフォトレジストに対してレーザ光を照射して前記フォトレジストを露光し、当該フォトレジストを現像することにより、表面に凹凸パターンを有するフォトレジストパターンを形成するフォトレジストパターン形成工程を有し、
前記基材の面内位置によってレーザ光量を変調する露光を、前記基材の面内位置と前記レーザ光量との関係が異なる階調パターン設定で、複数回重ねて実施する複重露光を行い、前記現像後に前記複重露光の合計露光量に応じた前記凹凸パターンを形成するものである。
前記フォトレジストパターン上に、当該フォトレジストパターンのパターン形状に沿ってスタンパを形成し、当該スタンパを前記フォトレジストパターンから剥離するスタンパ形成工程をさらに有することができる。
前記スタンパまたは当該スタンパのパターン形状をさらに1回以上転写して得られる複製スタンパを用いて、樹脂へのパターン転写を行う樹脂転写工程をさらに有することができる。
本発明の微細構造体には、フォトレジストパターンそのもの、このフォトレジストパターンを用いて製造されるスタンパ、このスタンパのパターン形状をさらに1回以上転写して得られる複製スタンパ、およびこれらのスタンパを用いて、樹脂へのパターン転写を行って製造される樹脂成形体が含まれる。
本発明の微細構造体の製造方法は、表面に凹凸パターンを有するフォトレジストパターンを形成するフォトレジストパターン形成工程を有する。
本発明の微細構造体の製造方法は、フォトレジストパターンを用いたスタンパ形成工程、およびスタンパを用いた樹脂転写工程を含むことができる。
本発明の微細構造体は、上記の本発明の製造方法により製造されたものである。
図1A〜図1G、および図2A〜図2Dは製造工程図であり、各図は模式断面図である。
ここでは、断面視半(楕)円形状の滑らかな曲面を有する凹部を含むフォトレジストパターンを製造し、このフォトレジストパターンを用いて第1のスタンパを製造し、第1のスタンパの反転パターンを有する第2のスタンパ(複製スタンパ)を製造し、第2のスタンパを用いて樹脂成形体を製造する例について示してある。
本実施形態では、樹脂成形体として、断面視半(楕)円形状の凸レンズを有するレンズシートを製造する場合を例として、説明する。
フォトレジストパターン、スタンパ(複製スタンパを含む)、および樹脂成形体は、すべて本発明の微細構造体に含まれる。
本実施形態においては、樹脂成形体として断面視半(楕)円形状の凸レンズを有するレンズシートを製造する場合を例として説明することから、フォトレジストパターンの凹凸パターンを樹脂成形体のパターンの反転パターンとし、これをポジ型フォトレジストにより形成する場合について説明する。
フォトレジスト21の表層には通常、フォトレジスト21の内部とは感光特性が異なるスキン層があるので、所望の凹凸パターンがスキン層にかからないように、フォトレジスト21の膜厚を設計することが好ましい。フォトレジスト21の膜厚は、所望の凹凸パターンの高さよりも10%以上厚く設定することが好ましい。ただし、フォトレジスト21の膜厚は厚すぎても、露光の制御が難しくなり、レジスト材料が多くなり、好ましくない。
フォトレジスト21の塗布後露光前に、70〜110℃のベーキング処理を施しておくことが好ましい。
本実施形態では、基材10の面内位置によってレーザ光量を変調する露光を複数回重ねて実施する複重露光を行う。複重露光の階調設定の詳細については後述する。
レーザ光L1としては例えば、Ar+レーザ光(発振波長:351nm、364nm、458nm、488nm)、Kr+レーザ光(発振波長:351nm、406nm、413nm)、He−Cdレーザ光(発振波長:352nm、442nm)、半導体励起固体レーザのパルス光(発振波長:355nm、473nm)、半導体レーザ光(発振波長:375nm、405nm、445nm、488nm)等が挙げられる。
凹凸パターン22Pには、断面視半(楕)円形状の滑らかな曲面を有する少なくとも1つの凹部22Aが含まれている。
図示例では、凹凸パターン22Pには、複数の凹部22Aが含まれている。
現像液としては特に制限なく、フォトレジスト21の種類に応じて選定される。現像液としては例えば、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)等のアルカリ現像液を用いることができる。
次に図1Eに示すように、第1のスタンパ40をフォトレジストパターン22から剥離する。
第1のスタンパ40は、フォトレジストパターン22の凹凸パターン22Pの反転パターンである凹凸パターン40Pを有する。
第1のスタンパ40の離型処理としては、電鋳後に第1のスタンパ40と第2のスタンパ45とを互いに離型可能であれば任意の処理が適用可能であり、酸素プラズマアッシングによる酸化層形成処理等が好適である。
硬化性樹脂61は、紫外線等のエネルギー線照射により硬化するエネルギー線硬化性樹脂でも熱硬化性樹脂でもよい。硬化性樹脂61としては、エネルギー線硬化性樹脂が好ましい。
次に図2Bに示すように、硬化性樹脂61に対して第2のスタンパ45を押圧する。
次に図2Dに示すように、基材50付きのまま樹脂成形体62を第2のスタンパ45から剥離する。
本実施形態では、樹脂成形体62として、少なくとも1つの凸レンズを有するレンズシートが製造される。
図1Aに示したフォトレジスト21の露光工程において、基材10の面内位置によってレーザ光L1の光量を変調する露光を、基材10の面内位置とレーザ光L1の光量との関係が異なる階調パターン設定で、複数回重ねて実施する複重露光を実施する。これにより、現像後に複重露光の合計露光量に応じた凹凸パターン22Pを形成する。
レーザ光量の変調の階調数をN階調(N≧3)とし、露光の複重回数をM回(M≧2)としたとき、
m回目(2≦m≦M)の露光におけるレーザ光量が少ない方からn番目(2≦n≦N−1)の階調の露光領域と、1回目からm−1回目までの各回露光における、レーザ光量が少ない方からn−1番目またはn+1番目のいずれかの階調の露光領域とが部分的に重なるように複重露光を実施することが好ましい。
この場合、M回の複重露光の合計露光量の階調数をM×N階調に増加させることができる。
この場合、1回露光の場合に比べて階調数を実質的にM倍に増加することができ、より細かい階調制御が可能になるので、より高い解像度が得られ、より滑らかな曲面を持つ凹凸パターン22Pを形成できる。
m回目(2≦m≦M)の露光におけるレーザ光量が少ない方からn番目(2≦n≦N−1)の階調の露光領域が、1回目の露光におけるレーザ光量の少ない方からn−1番目またはn+1番目の階調の露光領域と重なる領域の断面幅を、1回目の露光におけるレーザ光量が少ない方からn−1番目またはn+1番目の階調の露光領域の断面幅をM等分した幅の略m倍とすることが好ましい。
本明細書において、「略m倍」は、0.9m倍〜1.1m倍により定義するものとする。
上記のように、複重露光における露光領域の重なりの断面幅を略均等に分割することにより、各レーザ光量の各階調設定幅のバラツキが抑えられ、より滑らかな曲面を持つ凹凸パターン22Pを形成できる。
図3Aは、現像後に得られる凹部の断面における、基材の面内位置(X軸方向の位置、単位はμm)とレーザパワー(レーザ光量に対応)の階調番号との関係を示す図である。
この例では、1回目と2回目の露光においては、いずれもX軸方向に対して1μm毎にレーザ光量の階調が設定されており、階調数はいずれも4である(Y軸方向も同様)。
ただし、1回目と2回目の露光では、相対位置とレーザ光量との関係である露光パターンデータが異なっている。この例では、2回目の露光パターンデータは、1回目の露光パターンデータにおいて、平面視で凸部の中心を含む階調領域だけを、X軸方向とY軸方向ともに、正方向と負方向に0.5μmずつ拡大した露光パターンデータとしている。
現像後に2重露光の合計露光量に応じた凹凸パターン22Pが形成される。図示するように、1回目の露光と2回目の露光を合わせた合計露光量は8(2×4)階調になっており、実質的に階調数が増加している。
図3Bは、現像後に得られる凹部の断面における、基材の面内位置(X軸方向の位置、単位はμm)とレーザパワー(レーザ光量に対応)の階調番号との関係を示す図である。
この例では、1回目と2回目の露光においては、いずれもX軸方向に対して1μm毎にレーザ光量の階調が設定されており、階調数はいずれも4である(Y軸方向も同様)。
1回目と2回目の露光では、相対位置とレーザ光量との関係である露光パターンデータは同一であるが、2回目の露光では、1回目の露光を基準として、露光パターンデータの基材の面内位置をX軸の正方向に0.5μmずらしている。
現像後に2重露光の合計露光量に応じた凹凸パターン22Pが形成される。図示するように、1回目の露光と2回目の露光を合わせた合計露光量は8(2×4)階調になっており、実質的に階調数が増加している。
図3Cは、現像後に得られる凸部の断面における、基材の面内位置(X軸方向の位置、単位はμm)とレーザパワー(レーザ光量に対応)の階調番号との関係を示す図である(グラフの一部は省略されている)。
この例では、1〜3回目の露光においては、いずれもX軸方向に対して1μm毎にレーザ光量の階調が設定されており、階調数はいずれも4である(Y軸方向も同様)。
1〜3回目の露光では、相対位置とレーザ光量との関係である露光パターンデータは同一であるが、2回目、3回目の露光では、1回目の露光を基準として、露光パターンデータの基材の面内位置をX軸の正方向に1/3(約0.33)μmずつずらしている。
現像後に3重露光の合計露光量に応じた凹凸パターン22Pが形成される。図示するように、1〜3回目を合わせた合計露光量は12(3×4)階調になっており、実質的に階調数が増加している。
露光の複重回数をM回(M≧2)とし、ある任意の基材面内位置における所望の合計露光量をRとしたとき、その位置における各回の露光量は例えば、R/Mとすればよい。このように、各回の露光におけるある任意の基材面内位置の露光量を設定することで、各回の露光量の設定が容易であり、複重露光および現像後に所望の凹凸パターン22Pを得ることができる。
図4は、複重露光における各回のレーザパワーの設定例を示す。
図4は、レーザパワーと現像後のパターン深さとの関係を示したものである。
1回のみ露光を行う場合のレーザパワーと現像後のパターン深さとの関係(感度曲線)を基準とし、複重露光の回数をM回(M≧2)とする場合、各回の露光のレーザパワーはパターン深さが所望のパターン深さの1/M倍となるように設定する。
図4では、複重露光の回数を2回および3回とする場合の、各回のレーザパワーと現像後のパターン深さとの関係を示してある。
本実施形態の方法では、フォトレジストの露光時のレーザ光量の階調数を実質的に増し、解像度を向上することができるので、凹部22Aの表面形状をより滑らかな曲面形状とすることができる。
本実施形態の方法では例えば、フォトレジストパターン22の凹凸パターン22Pにおける凹部または凸部の最大径が2μm以上のとき、得られるフォトレジストパターン22、スタンパ40、45、樹脂成形体62の原子間力顕微鏡観察にて計測される評価長さ2μmの表面粗さRaを10nm以下とすることができる。
各例では、フォトレジストの露光条件のみを変更し、それ以外の条件は同一として、直径60μm高さ6μm、平面視六角形状、断面視半円形状の複数のドーム状の凸レンズを有するレンズシート(樹脂成形体)を製造した。
上記実施形態の方法にて、ポジ型フォトレジストの塗布および露光を実施した。
本例では、基材の面内位置とレーザ光量との関係が異なる階調パターン設定で2重露光を実施した。
露光を重ねる際には、相対位置とレーザ光量との関係である露光パターンデータとして、先の露光と同一の露光パターンデータを用い、この露光パターンデータの基材の面内位置をずらして露光を行った。
1回目の露光パターンデータでは、直径60μmに対してX軸方向およびY軸方向ともに1μm毎に階調設定を実施し、全32階調設定とした。
2回目の露光では1回目と同一の露光パターンデータを用いたが、図3Bに示したのと同様の要領で、1回目の露光パターンデータをX軸方向およびY軸方向ともに0.5μmずらして露光を行った。
各回の最大レーザパワーは、1回露光で6μm高さを造形できる25mWの1/2に相当する12.5mWに設定した。
露光後、レジスト基板をアルカリ現像液に10分間浸漬する現像を実施して、直径60μm高さ6μm、平面視六角形状、断面視半円形状の複数の凹部を有するフォトレジストパターンを得た。
得られた第1のスタンパのSEM(走査型電子顕微鏡)表面写真を図5Aに示す。
次いで、第1のスタンパの表面を酸素プラズマアッシングして離型層となる酸化層を形成した後、さらに電解メッキを行い、フォトレジストパターンの凹凸パターンと同じパターンを有する第2のニッケル製のスタンパ(複製スタンパ)を得た。
得られたレンズシートは、第1のニッケルスタンパの凹凸パターンを複製したものであり、表面が滑らかな複数の凸レンズを持つレンズシートを製造することができた。凸レンズの表面粗さRaを原子間力顕微鏡(AFM)にて計測した結果、評価長さ2μmでRa=4.1nmであった。
露光条件を変更する以外は実施例1と同様にして、フォトレジストパターン、第1および第2のスタンパ、およびレンズシートを製造した。
1回目の露光において、直径60μmに対してX軸方向およびY軸方向ともに1μm毎に階調設定し、32階調設定とした。2回目の露光の露光パターンデータは、図3Aに示したのと同様の要領で、1回目の露光パターンデータに対して、平面視で凸部の中心を含む階調領域だけをX軸方向およびY軸方向ともに、正方向と負方向にそれぞれ0.5μmずつ拡大した露光パターンデータとした。
各回の最大レーザパワーは、1回露光で6μm高さを造形できる25mWの1/2に相当する12.5mWに設定した。
露光条件を変更する以外は実施例1と同様にして、フォトレジストパターン、第1および第2のスタンパ、およびレンズシートを製造した。
直径60μmに対してX軸方向およびY軸方向ともに1μm毎に階調設定を実施し、全32階調設定とした。
最大レーザパワーは、1回露光で6μm高さを造形できる25mWに設定した。
得られた第1のスタンパのSEM表面写真を図5Bに示す。
第1のスタンパの凹凸パターンを複製したものであるレンズシートの凸レンズは、表面に同心円状の模様が生じており、集光性能が良くないものであった。凸レンズの表面粗さRaを原子間力顕微鏡(AFM)にて計測した結果、評価長さ2μmでRa=100nmであった。
本発明は、表面に凹凸パターンを有するフォトレジストパターン、このフォトレジストパターンを用いて製造されるスタンパ、このスタンパのパターン形状をさらに1回以上転写して得られる複製スタンパ、およびこれらのスタンパを用いて、樹脂へのパターン転写を行って製造される樹脂成形体に適用することができる。
21 フォトレジスト
22 フォトレジストパターン
22P 凹凸パターン
22A 凸部
30 導電膜
40 第1のスタンパ
40P 凹凸パターン
45 第2のスタンパ(複製スタンパ)
45P 凹凸パターン
50 基材
61 硬化性樹脂
62 樹脂成形体
L1 レーザ光
L2 エネルギー線
Claims (7)
- 基材上に塗布されたポジ型のフォトレジストに対してレーザ光を走査しながら照射して前記フォトレジストを露光し、当該フォトレジストを現像することにより、表面に凹凸パターンを有するフォトレジストパターンを形成するフォトレジストパターン形成工程を有し、
前記基材の面内位置によってレーザ光量を変調する複数階調の露光を、前記基材の面内位置と前記レーザ光量との関係が異なる階調パターン設定で、複数回重ねて実施する複重露光を行うことで、前記レーザ光量の変調の階調数に対して、複重露光の合計露光量の階調数を増加させ、
前記現像後に前記複重露光の合計露光量に応じた前記凹凸パターンを形成する微細構造体の製造方法。 - 前記複重露光において、
露光を重ねる際には、相対位置と前記レーザ光量との関係である露光パターンデータとして、先の露光と異なる露光パターンデータを用いて露光を行う請求項1に記載の微細構造体の製造方法。 - 前記複重露光において、
露光を重ねる際には、相対位置と前記レーザ光量との関係である露光パターンデータとして、先の露光と同一の露光パターンデータを用い、当該露光パターンデータの前記基材の面内位置をずらして露光を行う請求項1に記載の微細構造体の製造方法。 - 前記複重露光において、
前記レーザ光量の変調の階調数をN階調(N≧3)とし、露光の複重回数をM回(M≧2)としたとき、
m回目(2≦m≦M)の露光におけるレーザ光量が少ない方からn番目(2≦n≦N−1)の階調の露光領域と、1回目からm−1回目までの各回露光における、レーザ光量が少ない方からn−1番目またはn+1番目のいずれかの階調の露光領域とが部分的に重なるように複重露光を実施し、M回の複重露光の合計露光量の階調数をM×N階調に増加させる請求項1〜3のいずれかに記載の微細構造体の製造方法。 - 前記複重露光において、
m回目(2≦m≦M)の露光におけるレーザ光量が少ない方からn番目(2≦n≦N−1)の階調の露光領域が、1回目の露光におけるレーザ光量の少ない方からn−1番目またはn+1番目の階調の露光領域と重なる領域の断面幅を、1回目の露光におけるレーザ光量が少ない方からn−1番目またはn+1番目の階調の露光領域の断面幅をM等分した幅の略m倍とする請求項4に記載の微細構造体の製造方法。 - 前記フォトレジストパターン上に、当該フォトレジストパターンのパターン形状に沿ってスタンパを形成し、当該スタンパを前記フォトレジストパターンから剥離するスタンパ形成工程をさらに有する請求項1〜5のいずれかに記載の微細構造体の製造方法。
- 前記スタンパまたは当該スタンパのパターン形状をさらに1回以上転写して得られる複製スタンパを用いて、樹脂へのパターン転写を行う樹脂転写工程をさらに有する請求項6に記載の微細構造体の製造方法。
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