JP6676997B2 - 三次元形状物の製造方法と階調露光用マスクおよびモールド - Google Patents

Description

本発明は、エネルギーを階調で供給することを利用した三次元形状物の製造方法と、この製造方法に使用することができる階調露光用マスクと、三次元形状物製造用のモールドに関する。

従来から、感光性レジストに階調露光を行うことにより現像後のレジスト残膜量を制御して、所望の形状を有する三次元形状物をレジストで形成することが行われている。このような階調露光は、例えば、撮像素子や表示装置等に使用するマイクロレンズの製造にも利用されており、所望の曲率半径を有するマイクロレンズの作製が行われている。
階調露光に使用する階調マスクとして、例えば、露光装置の解像限界を超える小さい領域を配列し、各領域内に設定する光透過部と遮光部の面積比を調整することにより、細かい階調を表現した２値化パターンのグレートーンマスクが提案されている（特許文献１）。

特開２０１１−８１１８号公報

従来のグレートーンマスクでは、開口率とレジスト残膜量の関係から所望の高さのレジスト残膜を得るための開口率分布を求め、これに基づいてディザ法または誤差拡散法を用いてドット状に遮光部が配置される。
しかしながら、マイクロレンズのように三次元的に連続して高さが変化する場合、ディザ法では、ドットの遮光パターンを円形状に配置することが難しく、また、誤差拡散法では、拡散方向に非対称性が生じる。このため、形成されたマイクロレンズの表面形状は回転対称とはならず、光学特性に支障を生じる場合があった。

また、階調を細かく表現して三次元形状物の表面形状を滑らかにするためには、遮光部をドット状に配置するために必要な二値化データ量が膨大なものとなる。したがって、マイクロレンズのように、表面形状が滑らかな三次元形状物を製造する場合の負荷が大きいという問題があった。
本発明は、上述のような実状に鑑みてなされたものであり、エネルギーを階調で供給することを利用して三次元形状物を高い精度で簡便に製造する方法と、この製造方法に使用することができる階調露光用マスクと、寸法精度が高い三次元形状を製造するためのモールドを提供することを目的とする。

このような課題を解決するために、本発明は、エネルギー感応型レジストの所望のエネルギー供給領域に対してエネルギーを階調で供給する工程を有する三次元形状物の製造方法において、前記エネルギー供給領域に、所定方向に沿って等ピッチで複数のグリッドを設定し、該グリッド毎に前記グリッドの境界線に平行なライン形状でエネルギーを供給し、該エネルギー供給に際して、前記グリッド毎にエネルギー供給部位の前記ライン形状の幅を設定することにより前記エネルギーを階調で供給し、前記エネルギー供給領域は、三角形状の複数のエネルギー供給領域の集合体であり、前記三角形状の各エネルギー供給領域は、前記三角形状の１個の頂点を他の前記三角形状のエネルギー供給領域と共有するとともに、該頂点を囲むように隣接して位置し、前記三角形状の各エネルギー供給領域に、前記頂点から底辺に向かう方向に沿って等ピッチで前記グリッドを設定するような構成とした。

本発明の他の態様として、前記三次元形状物がマクロレンズであり、前記三角形状の各エネルギー供給領域に共有される前記頂点がマイクロレンズの最大厚みとなる部位に位置するような構成とした。

本発明の他の態様として、前記エネルギーは、フォトマスクを介した露光により供給され、前記フォトマスクは、透明基板と、該透明基板の一方の面に位置する遮光膜パターンとを備え、前記透明基板は、前記グリッドに対応するように所定方向に沿って等ピッチで複数の単位領域が画定されており、前記単位領域毎に前記単位領域の境界に平行なライン形状の光透過部を有する遮光膜パターンが位置し、各単位領域における前記光透過部のライン幅を設定することにより各単位領域における開口率が調整されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記エネルギーは、エネルギー線を照射することにより供給され、前記グリッド毎に、所定面積のスポット形状の前記エネルギー線を走査して、前記グリッドの境界に平行なライン形状となるように前記エネルギー感応型レジストに前記エネルギー線を照射するような構成とした。

本発明の階調露光用マスクは、透明基板の一方の面に位置する遮光膜パターン領域に遮光膜パターンを備えた階調露光用マスクにおいて、前記遮光膜パターン領域には、所定方向に沿って等ピッチで複数の単位領域が画定されており、該単位領域の境界に平行なライン形状の光透過部を有する遮光膜パターンが前記単位領域毎に位置し、各単位領域における開口率は、各単位領域における前記光透過部のライン形状の幅により調整可能であり、二等辺三角形状の複数の前記遮光膜パターン領域が、前記二等辺三角形状の頂点を一致させ、かつ、前記二等辺三角形状の等辺を一致するように隣接して、共通の前記頂点を囲むように位置し、前記二等辺三角形状の各遮光膜パターン領域における前記単位領域が等ピッチで区画され配列されている方向は、前記頂点から前記二等辺三角形状の底辺に向かう方向であるような構成とした。

本発明の三次元形状物の製造方法は、エネルギーを階調で供給するために要するデータ量が少なく、三次元形状物を高い精度で簡便に製造することができる。
また、本発明の階調露光用マスクは、少ないデータ量による細かい階調露光が可能である。
また、本発明のモールドは、具備する凹凸構造の壁面の寸法精度が高く、これにより、高い精度の三次元形状物を製造することができる。

図１は、三次元形状物を製造するためのエネルギー感応型レジストを備えた基板を示す部分平面図である。 図２は、図１に示されるエネルギー供給領域の部分拡大平面図である。 図３は、階調露光用マスクの一例を示す平面図である。 図４は、図３に示される階調露光用マスクの遮光膜パターン領域の拡大平面図である。 図５は、図４に示される遮光膜パターン領域の部分拡大平面図である。 図６は、マスクの開口率とレジスト残膜量の関係を示す図である。 図７は、図６に示されるマスクの開口率とレジスト残膜量の関係からＸ軸、Ｙ軸を変換して得られる開口率関数を示す図である。 図８は、三次元形状物の厚みのプロファイルを示す図である。 図９は、三次元形状物に必要な厚みを得るための開口率の分布を示す図である。 図１０は、エネルギー照射密度とレジスト残膜量の関係を示す図である。 図１１は、図１０に示されるエネルギー照射密度とレジスト残膜量の関係からＸ軸、Ｙ軸を変換して得られるエネルギー照射密度関数を示す図である。 図１２は、三次元形状物に必要な厚みを得るためのエネルギー照射密度の分布を示す図である。 図１３は、エネルギーの階調供給を示す図である。 図１４は、エネルギーの階調供給を行い、露光して得た三次元形状物を示す図である。 図１５は、基板上に設けられたエネルギー感応型レジストが画定されるエネルギー供給領域の他の例を示す図である。 図１６は、図１５に示されるエネルギー供給領域を構成する１個のエネルギー供給領域の拡大平面図である。 図１７は、図１５、図１６に示すようなエネルギーの階調供給を行うための階調露光用マスクの一例を示す平面図である。 図１８は、図１７に示される階調露光用マスクの遮光膜パターン領域を構成する１個の遮光膜パターン領域の拡大平面図である。 図１９は、三次元形状物の厚みのプロファイルを示す図である。 図２０は、三次元形状物に必要な厚みを得るための開口率の分布を示す図である。 図２１は、三次元形状物に必要な厚みを得るためのエネルギー照射密度の分布を示す図である。 図２２は、エネルギーの階調供給を示す図である。 図２３は、エネルギーの階調供給を行い、露光して得た三次元形状物を示す図である。 図２４は、エネルギー供給領域を頂点を中心に１２分割し、マイクロレンズ形状の三次元形状物を形成する場合のグリッドの境界線に平行なライン形状のエネルギー供給部位の一例を示す図である。 図２５は、エネルギー供給領域を頂点を中心に１２分割し、マイクロレンズ形状の三次元形状物を形成する場合のグリッドの境界線に平行なライン形状のエネルギー供給部位の他の例を示す図である。 図２６は、正方形のドット状に遮光部を配置して、マイクロレンズ形状の三次元形状物を形成する場合のエネルギー供給部位の一例を示す図である。 図２７は、正方形のドット状に遮光部を配置して、マイクロレンズ形状の三次元形状物を形成する場合のエネルギー供給部位の他の例を示す図である。 図２８は、エネルギー供給領域の各グリッドに位置するエネルギー供給部位を説明するための図である。 図２９は、エネルギー供給領域の各グリッドに位置するエネルギー供給部位を説明するための図である。 図３０は、三次元形状物を製造するためのモールドの一例を示す側面図である。 図３１は、モールドが有する凹凸構造を構成する凸部を説明するための図である。 図３２は、三次元形状物を製造するためのモールドの他の例を示す側面図である。 図３３は、モールドが有する凹凸構造を構成する凹部を説明するための図である。 図３４は、三次元形状物を製造するためのモールドの他の例を示す側面図である。 図３５は、モールドが有する凹凸構造を構成する凸部を説明するための図である。 図３６は、実施例において使用するテストマスクの１７段階の開口率を示す図である。 図３７は、実施例におけるテストマスクの開口率とレジスト残膜量の関係を示す図である。 図３８は、図３７に示されるテストマスクの開口率とレジスト残膜量の関係からＸ軸、Ｙ軸を変換して得られる開口率関数を示す図である。 図３９は、実施例において階調露光用マスクＭ１〜Ｍ４を用いて作製した三次元形状物（試料１〜試料４）の形状を示す図である。 図４０は、実施例において階調露光用マスクＭ５〜Ｍ８を用いて作製した三次元形状物（試料５〜試料８）の形状を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
尚、図面は模式的または概念的なものであり、各部材の寸法、部材間の大きさの比等は、必ずしも現実のものと同一とは限らず、また、同じ部材等を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比が異なって表される場合もある。

［三次元形状物の製造方法、階調露光用マスク］
本発明の三次元形状物の製造方法は、エネルギー感応型レジストの所望のエネルギー供給領域に対してエネルギーを階調で供給する工程を有している。図１は、三次元形状物を製造するためのエネルギー感応型レジストを備えた基板を示す部分平面図である。この図１の例では、基板１上にエネルギー感応型レジスト５が設けられ、エネルギー感応型レジスト５にはエネルギー供給領域１１が画定されている。そして、このエネルギー供給領域１１に、矢印で示す所定方向ａに沿って一定のピッチＰで複数のグリッド２１が設定されている。尚、図１では、エネルギー供給領域１１の外郭形状を実線で示し、また、各グリッド２１の境界を実線で示しており、エネルギー供給領域１１の外郭形状、グリッド２１の数は便宜的に記載したものである。
エネルギー感応型レジスト５は、紫外線感応型、電子線感応型等、公知のエネルギー感応型レジストを使用することができ、特に制限はない。また、ピッチＰは使用するエネルギー感応型レジスト５の解像限界よりも小さい寸法とする。

このようなエネルギー供給領域１１へのエネルギー供給は、グリッド２１毎にグリッド２１の境界線に平行なライン形状でエネルギーを供給する。図２は、図１に示されるエネルギー供給領域１１の部分拡大平面図である。図２に示されるように、所定方向ａに沿って同一のピッチＰで設定されている複数のグリッド２１において、グリッド２１の境界線に平行なライン形状のエネルギー供給部位２５にエネルギーを供給する。図２では、ライン形状のエネルギー供給部位２５に斜線を付しており、エネルギー供給部位２５は各グリッド２１の中央に位置し、所定方向ａに沿ってエネルギー供給部位２５のライン形状の幅が徐々に減少している。このように、エネルギー供給に際して、グリッド２１毎にエネルギー供給部位２５のライン形状の幅を設定することにより、エネルギーの階調供給を行うことができる。
上記のようなエネルギーの階調供給は、例えば、フォトマスクを使用した階調露光により行うことができ、また、エネルギー線を走査して照射する描画によっても行うことができる。

まず、フォトマスクを使用した階調露光によるライン形状でのエネルギー供給について説明する。図３は、階調露光用マスクの一例を示す平面図であり、階調露光用マスク１０１は、透明基板１０２の一方の面に位置する遮光膜パターン領域１０４に遮光膜パターンを備えている。遮光膜パターン領域１０４の周囲は適宜設計することができ、図示例では、遮光膜パターン領域１０４の周囲には遮光膜１０３が位置しているが、遮光膜パターン領域１０４の周囲が光透過部であってもよい。尚、図３では、遮光膜パターン領域１０４の外郭形状を一点鎖線で示している。

図４は、図３に示される階調露光用マスク１０１の遮光膜パターン領域１０４の拡大平面図であり、また、図５は、図４に示される遮光膜パターン領域１０４の部分拡大平面図である。図４、図５に示されるように、遮光膜パターン領域１０４には、矢印で示す所定方向ａ′に沿って一定のピッチＰ′で複数の単位領域１０５が設定されている。ピッチＰ′は、上記のピッチＰを基に、後述する露光時の縮小倍率を考慮して設定することができる。図示例では、各単位領域１０５の境界を実線で示している。このような各単位領域１０５には、単位領域の境界に平行なライン形状の光透過部１０６Ｔを有する遮光膜パターン１０６が位置している。図５に示される例では、上記のようにエネルギー供給部位２５が各グリッド２１の中央に位置することに対応して、各単位領域１０５の中央にライン形状の光透過部１０６Ｔが位置し、その両側にライン形状の遮光部１０６Ｂが位置しており、所定方向ａ′に沿ってライン形状の光透過部１０６Ｔの幅が徐々に減少している。このように、単位領域１０５の中央にライン形状の光透過部１０６Ｔが位置することにより、ポジネガ反転しても、形成される三次元形状の位置のずれが生じることがなく、ポジ型、ネガ型のいずれのエネルギー感応型レジスト５にも階調露光用マスク１０１を適用できる。尚、図５では、ライン形状の遮光部１０６Ｂに斜線を付して示している。

このような階調露光用マスク１０１の各単位領域１０５における開口率は、各単位領域１０５における光透過部１０６Ｔのライン形状の幅により調整可能である。これについて、図６〜図９を参照しながら説明する。図６は、マスクの開口率とレジスト残膜量の関係を示す図である。このような開口率とレジスト残膜量の関係は、種々の開口率を有する遮光膜パターンを備えたテストマスクを用いて、エネルギー感応型レジストを露光、現像して、レジスト残膜量を測定することにより得ることができる。この開口率とレジスト残膜量の関係から、Ｘ軸、Ｙ軸を変換して、開口率関数を図７に示すように求める。一方、目的の三次元形状物の厚みのプロファイルを得る。ここでは図８に示すような断面が三角形であるプリズム形状の厚みのプロファイルを例とする。この三次元形状物の厚みのプロファイルと、図７に示される開口率関数から、図９に実線で示すような、プリズム形状の三次元形状物に必要な厚みを得るための開口率の分布を求める。次に、図９に示される開口率の変化が表現可能なように、各単位領域１０５における光透過部１０６Ｔのライン形状の幅を設定してマスク設計を行う。大きな開口率が要求される単位領域１０５では、光透過部１０６Ｔのライン形状の幅が大きいものとなる。そして、このマスク設計にしたがって、階調露光用マスク１０１を製造することができる。このような階調露光用マスク１０１は、ドット状の遮光部を備える従来の階調露光用マスクに比べて、少ないデータ量で作製することができる。

このような階調露光用マスク１０１を使用し、階調露光用マスク１０１における所定方向ａ′を、上述の図１に示すようなエネルギー供給領域１１の所定方向ａと一致させ、所定の縮小、例えば、５倍の縮小をかけて露光することにより、図２に示すようなエネルギーの階調供給を行うことができる。
次に、エネルギー線の描画によるライン形状でのエネルギー供給について説明する。エネルギー線としては、電子線、レーザ光等の荷電粒子、または光等を使用することができる。ライン形状でのエネルギー供給は、所定のスポット径でエネルギー線をライン形状に走査して描画することにより行うことができる。エネルギー線の出力、スポット径、走査速度を一定として、エネルギー照射密度と、エネルギー感応型レジストの現像後のレジスト残膜量との関係を予め求めておくことにより、グリッド２１毎のエネルギーの階調供給を行うことができる。例えば、図１０に示すように、予めエネルギー照射密度とレジスト残膜量の関係を求め、このエネルギー照射密度とレジスト残膜量との関係から、Ｘ軸、Ｙ軸を変換して、エネルギー照射密度関数を図１１に示すように求める。一方、目的の三次元形状物の厚みのプロファイル、例えば、上述の図８に示すようなプリズム形状の厚みのプロファイルを得る。この三次元形状物の厚みのプロファイルと、図１１に示されるエネルギー照射密度関数から、図１２に実線で示すような、プリズム形状の三次元形状物に必要な厚みを得るためのエネルギー照射密度の分布を求める。そして、エネルギー供給領域１１におけるエネルギー照射密度が、図１２に示されるエネルギー照射密度の分布となるように、グリッド２１毎のエネルギー供給部位２５のライン形状の幅を設定して描画することにより、エネルギーの階調供給を行うことができる。例えば、グリッド２１におけるエネルギー照射密度を高くするためには、エネルギー供給部位２５のライン形状の幅が大きいものとなる。

図１３は、上述のようなフォトマスクを使用した階調露光、あるいは、エネルギー線を用いた描画によるエネルギーの階調供給を示す図である。図１３において、基板１上に設けられたエネルギー感応型レジスト５には、矢印で示す所定方向ａに沿って一定のピッチＰで複数のグリッド２１（図１参照）が設定されており、グリッド２１毎にエネルギー供給部位２５（図２参照）のライン形状の幅を設定してエネルギーの階調供給を行う。図１３では、エネルギー感応型レジスト５をポジ型とし、このエネルギー感応型レジスト５に対するエネルギーの供給量が矢印で示す所定方向ａに沿って減少することを、図示の下向きの矢印の幅の減少で便宜的に示している。
このようなエネルギー感応型レジスト５に対するエネルギーの階調供給を行った後、エネルギー感応型レジスト５を現像することにより、図１４に示すように、基板１上に三次元形状物７を形成することができる。
本発明では、基板１上に設けられたエネルギー感応型レジスト５に画定されるエネルギー供給領域の外郭形状は、上述のエネルギー供給領域１１のような矩形（図１参照）に限定されるものではない。また、感応型レジスト５に画定されるエネルギー供給領域は２以上であってもよい。

図１５は、基板１上に設けられたエネルギー感応型レジスト５に画定されるエネルギー供給領域の他の例を示す図である。図１５において、基板１上に設けられたエネルギー感応型レジスト５に画定されるエネルギー供給領域３１は、三角形状の８個のエネルギー供給領域３１ａ〜３１ｈの集合体である。８個のエネルギー供給領域３１ａ〜３１ｈは１個の頂点３１Ｓを他のエネルギー供給領域と共有するとともに、この頂点３１Ｓを囲むように隣接して位置している。尚、上記の例では、エネルギー供給領域３１を頂点３１Ｓを中心に８分割して、８個のエネルギー供給領域３１ａ〜３１ｈを画定しているが、エネルギー供給領域３１を構成する三角形状のエネルギー供給領域の数は８個に限定されるものではない。

図１６は、図１５に示されるエネルギー供給領域３１を構成する１個のエネルギー供給領域の拡大平面図であり、エネルギー供給領域３１ａを例としたものである。図１６に示されるように、エネルギー供給領域３１ａには、頂点３１Ｓから底辺３１Ｂに向かう所定方向ａ（矢印で示す）に沿って同一のピッチＰで複数のグリッド４１が設定されている。このピッチＰは、使用するエネルギー感応型レジスト５の解像限界よりも小さい寸法とする。そして、グリッド４１の境界線に平行なライン形状のエネルギー供給部位４５にエネルギーを供給する。図１６に示される例では、ライン形状のエネルギー供給部位４５に斜線を付しており、エネルギー供給部位４５は各グリッド４１の中央に位置し、所定方向ａに沿ってエネルギー供給部位４５のライン形状の幅が徐々に増大している。このように、エネルギー供給に際して、グリッド４１毎にエネルギー供給部位４５のライン形状の幅を設定することにより、エネルギーの階調供給を行うことができる。エネルギー供給領域３１を構成する他のエネルギー供給領域３１ｂ〜３１ｈについても同様に、ライン形状のエネルギー階調供給を行う。したがって、三角形状の８個のエネルギー供給領域３１ａ〜３１ｈの集合体であるエネルギー供給領域３１では、中央に位置する頂点３１Ｓから周縁方向に向けて略放射状に、エネルギー供給量が徐々に増大するようなエネルギー階調供給が行われる。
このようなエネルギーの階調供給も、上述の例と同様に、フォトマスクを使用した階調露光により行うことができ、また、エネルギー線を走査して照射する描画により行うことができる。

図１７は、図１５、図１６に示すようなエネルギーの階調供給を行うための階調露光用マスクの一例を示す平面図であり、階調露光用マスク１１１は、透明基板１１２の一方の面に位置する遮光膜パターン領域１１４に遮光膜パターンを備えている。図１７では、遮光膜パターン領域１１４の外郭形状を一点鎖線で示している。階調露光用マスク１１１を構成する遮光膜パターン領域１１４は、二等辺三角形状の８個の遮光膜パターン領域１１４ａ〜１１４ｈが、二形等辺三角状の頂点１１４Ｓを一致させ、かつ、二等辺三角形状の等辺を一致するように隣接しており、共通の頂点１１４Ｓを囲むように位置している。このような８個の遮光膜パターン領域１１４ａ〜１１４ｈは、エネルギー供給領域３１を構成する８個のエネルギー供給領域に対応するものである。図１７では、遮光膜パターン領域１１４を構成する二等辺三角形状の各遮光膜パターン領域１１４ａ〜１１４ｈの等辺を鎖線で示している。そして、各遮光膜パターン領域１１４ａ〜１１４ｈにおいて、共通の頂点１１４Ｓから二等辺三角形状の底辺１１４Ｂに向けて等ピッチで単位領域１１５が区画されている。図１７では、遮光膜パターン領域１１４ａついてのみ、画定されている単位領域１１５の境界を実線で示しており、単位領域１１５の数は便宜的に記載したものである。
いる。尚、遮光膜パターン領域１１４の周囲は適宜設計することができ、図示例では、遮光膜パターン領域１１４の周囲には遮光膜１１３が位置しているが、遮光膜パターン領域１１４の周囲が光透過部であってもよい。

図１８は、図１７に示される階調露光用マスク１１１の遮光膜パターン領域１１４を構成する１個の遮光膜パターン領域の拡大平面図であり、遮光膜パターン領域１１４ａを例としたものである。図１８に示されるように、遮光膜パターン領域１１４ａには、頂点１１４Ｓから二等辺三角形状の底辺１１４Ｂに向かう所定方向ａ′（矢印で示す）に沿って同一のピッチＰ′で複数の単位領域１０５が設定されている。ピッチＰ′は、上記のピッチＰを基に、後述する露光時の縮小倍率を考慮して設定することができる。図示例では、各単位領域１１５の境界を実線で示している。このような各単位領域１１５には、単位領域の境界に平行なライン形状の光透過部１１６Ｔを有する遮光膜パターン１１６が位置している。図１８に示される例では、各単位領域１１５の中央にライン形状の光透過部１１６Ｔが位置し、その両側にライン形状の遮光部１１６Ｂが位置しており、所定方向ａ′に沿ってライン形状の光透過部１１６Ｔの幅が徐々に増大している。このように、単位領域１１５の中央にライン形状の光透過部１１６Ｔが位置することにより、ポジネガ反転しても、形成される三次元形状の位置のずれが生じることがなく、ポジ型、ネガ型のいずれのエネルギー感応型レジスト５にも階調露光用マスク１１１を適用することができる。尚、図１８では、ライン形状の遮光部１１６Ｂに斜線を付して示している。

このような階調露光用マスク１１１の各単位領域１１５における開口率は、各単位領域１１５における光透過部１１６Ｔのライン形状の幅により調整可能である。すなわち、図６、図７を参照して説明したように、予めレジスト残膜量と開口率との関係を求める。一方、目的の三次元形状物の厚みのプロファイル、ここでは図１９に示すようなマイクロレンズ形状の厚みのプロファイルを得る。この三次元形状物の厚みのプロファイルと、レジスト残膜量と開口率との関係から、図２０に実線で示すような、マイクロレンズの頂部から周縁部に至る三次元形状に必要な厚みを得るための開口率の分布を求める。次に、図２０に示される開口率の変化が表現可能なように、各単位領域１１５における光透過部１１６Ｔのライン形状の幅を設定し、この設定を遮光膜パターン領域１１４を構成する８個の遮光膜パターン領域１１４ａ〜１１４ｈに適用して、マスク設計を行う。そして、このマスク設計にしたがって、階調露光用マスク１１１を製造することができる。このような階調露光用マスク１１１は、ドット状の遮光部を備える従来の階調露光用マスクに比べて、少ないデータ量で作製することができる。
このような階調露光用マスク１１１を使用し、階調露光用マスク１１１における共通の頂点１１４Ｓ（図１７参照）を、エネルギー供給領域３１の頂点３１Ｓ（図１５参照）と一致させ、所定の縮小、例えば、５倍の縮小をかけて露光することにより、図１６に示すようなエネルギーの階調供給を行うことができる。

次に、上記のエネルギー供給領域３１の中央に位置する頂点３１Ｓ（図１５参照）から周縁方向に向けて、略放射状にエネルギー供給量が徐々に増大するようなエネルギー階調供給を、エネルギー線の描画によるライン形状のエネルギー供給で行う場合について説明する。この場合、図１０、図１１を参照して説明したように、予めレジスト残膜量とエネルギー照射密度との関係を求める。一方、目的の三次元形状物の厚みのプロファイル、例えば、上述の図１９に示すようなマイクロレンズ形状の厚みのプロファイルを得る。この三次元形状物の厚みのプロファイルと、レジスト残膜量とエネルギー照射密度の関係から、図２１に実線で示すような、マイクロレンズの頂部から周縁部に至る三次元形状に必要な厚みを得るためのエネルギー照射密度の分布を求める。そして、エネルギー供給領域３１を構成する三角形状の８個のエネルギー供給領域３１ａ〜３１ｈにおけるエネルギー照射密度が、図２１に示されるエネルギー照射密度の分布となるように、グリッド４１毎のエネルギー供給部位４５のライン形状の幅（図１６参照）を設定して描画することにより、エネルギーの階調供給を行うことができる。

図２２は、上述のようなフォトマスクを使用した階調露光、あるいは、エネルギー線を用いた描画によるエネルギーの階調供給を示す図である。図２２では、エネルギー感応型レジスト５をポジ型とし、図１５に示されるエネルギー供給領域３１のＩ−Ｉ線に沿ってエネルギー感応型レジスト５に供給されるエネルギーの供給量を、図示の下向きの矢印の幅の増大で便宜的に示している。この図２２では、エネルギー供給領域３１の中央に位置する頂点３１Ｓから周縁方向に向けて、エネルギーの供給量が増大している。
このようなエネルギー感応型レジスト５に対するエネルギーの階調供給を行った後、エネルギー感応型レジスト５を現像することにより、図２３に示すように、基板１上にマイクロレンズ形状の三次元形状物８を形成することができる。

上記の例では、エネルギー供給領域３１を、頂点３１Ｓを中心として８分割して８個のエネルギー供給領域３１ａ〜３１ｈを画定しているが、分割数を更に多くしたり、エネルギー供給領域３１に画定するグリッド４１のピッチＰを小さくすることにより、基板１上に形成するマイクロレンズ形状の三次元形状物８の表面形状をより滑らかなものとすることができる。ここで、エネルギー供給領域３１を、頂点３１Ｓを中心に１２分割し、グリッド４１のピッチＰを４００ｎｍとし、形成するマイクロレンズ形状の三次元形状物の直径を２０μｍとした場合、１個のエネルギー供給領域３１に画定されるグリッド４１は２５個となり、このようなグリッド４１の境界線に平行なライン形状のエネルギー供給部位４５（図１６参照）は、例えば、図２４に示すものとなる。さらに、グリッド４１のピッチＰを２００ｎｍまで小さくした場合、１個のエネルギー供給領域３１に画定されるグリッド４１は５０個となり、このようなグリッド４１の境界線に平行なライン形状のエネルギー供給部位４５は、例えば、図２５に示すものとなる。尚、図２４、図２５において、エネルギー供給部位４５は黒い部位として示されている。

一方、誤差拡散法により、一辺４００ｎｍの正方形のドット状に遮光部を配置して、上記と同様に、直径２０μｍのマイクロレンズ形状の三次元形状物を形成する場合、エネルギー供給部位は、例えば、図２６に示すものとなる。また、一辺２００ｎｍの正方形のドット状に遮光部を配置して、上記と同様に、直径２０μｍのマイクロレンズ形状の三次元形状物を形成する場合、エネルギー供給部位は、例えば、図２７に示すものとなる。尚、図２６、図２７において、エネルギー供給部位は黒い部位として示されている。
上記の図２４と図２６の対比、図２５と図２７の対比から明らかなように、本発明の三次元形状物の製造方法は、ディザ法または誤差拡散法を用いた従来のドット状のエネルギー階調供給を行う場合に比べて、エネルギーの階調供給に要するデータ量が少なく、三次元形状物を高い精度で簡便に製造することができる。

上述の実施形態では、図２に示されるように、エネルギー供給部位２５は各グリッド２１の中央に位置しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図２８（Ａ）、図２８（Ｂ）に示すように、エネルギー供給部位２５が各グリッド２１内で、隣接するグリッド寄りに位置するものであってもよい。したがって、図３、図４に示される階調露光用マスク１０１においても、各単位領域１０５の中央にライン形状の光透過部１０６Ｔが位置する場合の他に、隣接する単位領域１０５寄りにライン形状の光透過部１０６Ｔが位置するものであってもよい。
また、図１６に示される例でも、エネルギー供給部位４５は各グリッド４１の中央に位置しているが、この場合も、例えば、図２９（Ａ）、図２９（Ｂ）に示すように、エネルギー供給部位４５が各グリッド４１内で、隣接するグリッド寄りに位置するものであってもよい。したがって、図１７、図１８に示される階調露光用マスク１１１においても、各単位領域１１５の中央にライン形状の光透過部１１６Ｔが位置する場合の他に、隣接する単位領域１１５寄りにライン形状の光透過部１１６Ｔが位置するものであってもよい。

［三次元形状物製造用のモールド］
図３０は、三次元形状物を製造するためのモールドの一例を示す側面図である。図３０において、モールド５１は、基材５２と、この基材５２の一方の面５２ａに位置する凹凸構造５３を備えている。
基材５２は、モールド５１を用いたインプリントに使用する被成形樹脂材料が光硬化性である場合には、これらを硬化させるための照射光が透過可能な材料を用いることができ、例えば、石英ガラス、珪酸系ガラス、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、アクリルガラス等のガラス類の他、サファイアや窒化ガリウム、更にはポリカーボネート、ポリスチレン、アクリル、ポリプロピレン等の樹脂、あるいは、これらの任意の積層材を用いることができる。また、使用する被成形樹脂材料が光硬化性ではない場合には、モールド５１は光透過性を具備しなくてもよく、上記の材料以外に、例えば、シリコンやニッケル、チタン、アルミニウム等の金属およびこれらの合金、酸化物、窒化物、あるいは、これらの任意の積層材を用いることができる。
基材５２の厚みは、材質の強度、取り扱い適性等を考慮して設定することができ、例えば、３００μｍ〜１０ｍｍ程度の範囲で適宜設定することができる。尚、基材５２の一方の面５２ａ側が２段以上の凸構造、いわゆるメサ構造となっていてもよく、この場合、最上段の面が、凹凸構造５３が位置する面５２ａとなる。

モールド５１が備える凹凸構造５３は、複数の凸部５４を有している。図示例では、各凸部５４は、マイクロレンズ形状をなし、これにより、凹凸構造５３はマイクロレンズアレイをなしている。図３１は、凹凸構造５３を構成する凸部５４を説明するための図であり、図３１（Ａ）は１個の凸部５４を示す斜視図であり、図３１（Ｂ）は１個の凸部５４を示す平面図である。各凸部５４では、凸部側壁面５４ａの表面形状の輪郭線のなかで、基材５２の一方の面５２ａから最も高い部位に位置する点５５を通る複数の輪郭線が同じである。図示例では、１個の凸部５４の点５５を通る３本の輪郭線５６を二点鎖線で示している。３本の輪郭線５６が同一とは、３本の輪郭線５６の形状を対比したときに、図３１（Ｃ）に鎖線で示す輪郭線５６のバラツキの幅Ｗが、使用する光源の波長の１／４以下、例えば、波長が０．５５μｍの場合、幅Ｗが０．１３７μｍ以下であること、あるいは、バラツキの幅Ｗが基材５２の一方の面５２ａから最も高い部位に位置する点５５までの高さの５％以下であることを意味する。そして、図示例では、点５５を通る輪郭線５６を便宜的に３本示しているが、点５５を通るいずれの輪郭線５６であっても、バラツキの幅Ｗが上記の範囲を満足する。尚、凸部側壁面５４ａの表面形状の輪郭線５６は、（株）小坂研究所製 微細形状測定器 サーフコーダ ＥＴ４０００Ａ等の装置を使用することにより得ることができる。

このようなモールド５１は、上述の本発明の三次元形状物の製造方法により、基材５２にエネルギー感応型レジストを用いて凹凸構造５３を形成することにより製造できる。このようの製造されたモールド５１では、凹凸構造５３の耐久性を向上させるために、例えば、凹凸構造５３を被覆するように、基材５２の一方の面５２ａに金属薄膜を設けてもよい。このような金属薄膜は、例えば、クロム、ニッケル、アルミニウム等の金属、クロム合金、アルミニウム合金等の合金を用いて、スパッタリング法等の公知の真空成膜法により形成することができ、厚みは、例えば、０．０１〜０．１μｍの範囲で適宜設定することができる。
図３２は、三次元形状物を製造するためのモールドの他の例を示す側面図である。図３２において、モールド６１は、基材６２と、この基材６２の一方の面６２ａに位置する凹凸構造６３を備えている。
基材６２は、上述のモールド５１の基材５２と同様とすることができる。

モールド６１が備える凹凸構造６３は、複数の凹部６４を有している。図３３は、凹凸構造６３を構成する凹部６４を説明するための図であり、図３３（Ａ）は１個の凹部６４を示す斜視図であり、図３３（Ｂ）は１個の凹部６４を示す平面図である。これらの凹部６４では、凹部内壁面６４ａの表面形状の輪郭線のなかで、基材６２の一方の面６２ａから最も低い部位に位置する点６５を通る複数の輪郭線が同じである。図示例では、１個の凹部６４の点６５を通る３本の輪郭線６６を二点鎖線で示している。３本の輪郭線６６が同一とは、３本の輪郭線６６の形状を対比したときに、図３３（Ｃ）に鎖線で示す輪郭線６６のバラツキの幅Ｗが、使用する光源の波長の１／４以下、例えば、波長が０．５５μｍの場合、幅Ｗが０．１３７μｍ以下であること、あるいは、バラツキの幅Ｗが基材６２の一方の面６２ａから最も低い部位に位置する点６５までの深さの５％以下であることを意味する。そして、図示例では、点６５を通る輪郭線６６を便宜的に３本示しているが、点６５を通るいずれの輪郭線６６であっても、バラツキの幅Ｗが上記の範囲を満足する。尚、凹部内壁面６４ａの表面形状の輪郭線６６は、上記の輪郭線５６と同様にして得ることができる。
このようなモールド６１は、上記のモールド５１を用いインプリントリソグラフィにより製造することができる。この場合、基材６２上に被成形樹脂材料を配設し、この被成形樹脂材料にモールド５１を当接させ、被成形樹脂材料を硬化させてエッチングレジストを形成し、このエッチングレジストを介して基材６２をエッチングすることによりモールド６１を製造することができる。

また、モールド６１は、上述の本発明の三次元形状物の製造方法により、エネルギー感応型レジストを用いて基材６２に凹凸構造６３を形成することにより製造できる。この場合、基材６２上にエネルギー感応型レジストを配設し、このエネルギー感応型レジストに対してエネルギーを階調供給し、その後、現像することにより、凹部６４を備えたレジスト硬化物である三次元形状物を形成する。このようの製造されたモールド６１では、凹凸構造６３の耐久性を向上させるために、例えば、凹凸構造６３を被覆するように金属薄膜を設けてもよい。このような金属薄膜は、上述のモールド５１に形成する金属薄膜と同様とすることができる。

図３４は、三次元形状物を製造するためのモールドの他の例を示す側面図である。図３４において、モールド７１は、基材７２と、この基材７２の一方の面７２ａに位置する凹凸構造７３を備えている。
基材７２は、上述のモールド５１の基材５２と同様とすることができる。
モールド７１が備える凹凸構造７３は、複数の凸部７４を有している。各凸部７４は、プリズム形状をなし、これにより、凹凸構造７３はプリズムアレイをなしている。図３５は、凹凸構造７３を構成する凸部７４を説明するための図であり、図３５（Ａ）は１個の凸部７４を示す斜視図である。各凸部７４では、凸部側壁面７４ａ，７４ｂの表面形状の輪郭線のなかで、基材７２の一方の面７２ａから最も高い部位である頂部辺７５と直交する複数の輪郭線が同じである。図示例では、頂部辺７５と直交する３本の輪郭線７６を二点鎖線で示している。３本の輪郭線７６が同一とは、３本の輪郭線７６の形状を対比したときに、図３５（Ｂ）に鎖線で示す輪郭線７６のバラツキの幅Ｗが、使用する光源の波長の１／４以下、例えば、波長が０．５５μｍの場合、幅Ｗが０．１３７μｍ以下であること、あるいは、バラツキの幅Ｗが基材７２の一方の面７２ａから頂部辺７５までの高さの５％以下であることを意味する。そして、図示例では、最も高い部位である頂部辺７５を通る輪郭線７６を便宜的に３本示しているが、頂部辺７５と直交するいずれの輪郭線７６であっても、バラツキの幅Ｗが上記の範囲を満足する。尚、凸部側壁面７４ａ，７４ｂの表面形状の輪郭線７６は、上記の輪郭線５６と同様にして得ることができる。

このようなモールド７１は、上述の本発明の三次元形状物の製造方法により、エネルギー感応型レジストを用いて基材７２に凹凸構造７３を形成することにより製造できる。このようの製造されたモールド７１においても、凹凸構造７３の耐久性を向上させるために、例えば、凹凸構造７３を被覆するように、基材７２の一方の面７２ａに金属薄膜を設けてもよい。
上述のような本発明のモールドは、具備する凹凸構造の壁面の寸法精度が高く、複数の輪郭線が同じであることにより、壁面に突発的な凹凸の変形がなく、これにより、高い精度の三次元形状物を製造することができる。
上述の実施形態は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

次に、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］
開口率が、図３６に示すような０／１６〜１６／１６までの１７段階となり、したがって透過光によるエネルギー照射密度も１７段階となる１７種のパターンを備えたテストマスクを準備した。このテストマスクの各パターンにおける１個の光透過部あるいは遮光部となる正方形状のドットの寸法は５０ｎｍとした。図３６では、光透過部が黒い部位として示されている。

基材上にエネルギー感応型レジスト（メルク（株）製 ＡＺ５２１８）を塗布してレジスト層（厚み４．３μｍ）を形成し、このレジスト層に上記のテストマスクを用いて露光（照射量１８０ｍＪ）し、現像後のレジストの残膜量を測定して、開口率とレジスト残膜量の関係を求め、図３７に示した。この図３７の開口率とレジスト残膜量の関係から、Ｘ軸、Ｙ軸を変換して、開口率関数を図３８に示すように求めた。ここでは、開口率とレジスト残膜量の関係を１種の曲線で近似することが難しいので、下記の式（１）、式（２）ように、レジスト残膜量４．２２ｎｍを境界に、２種の曲線近似を行った。
レジスト残膜量４．２２ｎｍ未満：
ｙ ＝ -0.0015X³ ＋ 0.0364X² − 0.3187X ＋ 0.9365 式（１）
レジスト残膜量４．２２ｎｍ以上：
ｙ ＝ -3.8422X² ＋ 32.374X − 68.072 式（２）

上記の開口率関数から、例えば、高さ２μｍの三次元形状物を得るためには、開口率を０．４３２７とする必要がある。したがって、図４〜図５に示されるような階調露光用マスクにおいて、単位領域のピッチＰ′が２００ｎｍである場合には、光透過部１０６Ｔのライン形状の幅は８６．５４ｎｍ（２００ｎｍ×０．４３２７）となる。また、単位領域のピッチＰ′が３００ｎｍである場合には、光透過部１０６Ｔのライン形状の幅は１２９．８１ｎｍ（３００ｎｍ×０．４３２７）となる。
以上から、製造対象となる三次元形状物の厚みプロファイルを基に、上記の開口率関数から光透過部１０６Ｔのライン形状の幅を設定することにより、当該三次元形状物を製造するための階調露光用マスクを作製することができ、また、エネルギー照射密度を設定することができることを確認した。

［実施例２］
基材として、厚み６７５μｍの石英ガラス（６５ｍｍ角）を準備し、この基材上にエネルギー感応型レジスト（メルク（株）製 ＡＺ５２１８）を塗布してレジスト層を形成した。
また、実施例１で得た開口率関数を基にして、階調露光用マスクとして、図４〜図５に示されるように、等ピッチＰ′で複数の単位領域が設定され、各単位領域にライン状の光透過部が所定のライン幅で設けられた４種の階調露光用マスクＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４を作製した。これらの階調露光用マスクＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４におけるピッチＰ′は、１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ、２５０ｎｍとした。
次に、階調露光用マスクＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４を用いて、５倍の縮小倍率で上記のレジスト層を階調露光することにより、エネルギーの階調供給を行い、その後、現像し硬化させて、４種のプリズム形状の三次元形状物（試料１〜試料４）を作製した。このように作製した三次元形状物（試料１〜試料４）を、使用した階調露光用マスクと組み合わせて図３９に示した。尚、図３９では、階調露光用マスクＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４の光透過部が白い部位として示されている。

一方、階調露光用マスクとして、誤差拡散法により、正方形のドット状に遮光部を配置した４種の階調露光用マスクＭ５、Ｍ６、Ｍ７、Ｍ８を作製した。これらの階調露光用マスクＭ５、Ｍ６、Ｍ７、Ｍ８における正方形のドット状遮光部の寸法は、１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ、２５０ｎｍとした。
次に、階調露光用マスクＭ５、Ｍ６、Ｍ７、Ｍ８を用いて、５倍の縮小倍率で上記のレジスト層を階調露光することにより、エネルギーの階調供給を行い、その後、現像し硬化させて、４種のプリズム形状の三次元形状物（試料５〜試料８）を作製した。このように作製した三次元形状物（試料５〜試料８）を、使用した階調露光用マスクと組み合わせて図４０に示した。尚、図４０では、階調露光用マスクＭ５、Ｍ６、Ｍ７、Ｍ８の光透過部が白い部位として示されている。

図３９に示される４種の三次元形状物（試料１〜試料４）は、表面形状が滑らかであり、使用した階調露光用マスク（Ｍ１〜Ｍ４）の単位領域のピッチＰ′が小さい程、表面形状がより滑らであった。
これに対して、図４０に示される４種の三次元形状物（試料５〜試料８）は、４種の三次元形状物（試料１〜試料４）に比べて表面形状が粗く、特に、ドット状遮光部の寸法が大きくなると表面形状に突発的な変形が発生し、形状精度が著しく低下するものであった。
また、上記の４種の階調露光用マスクＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４を作製するに際してのデータ量、および、上記の３種の階調露光用マスクＭ５、Ｍ６、Ｍ７を作製するに際してのデータ量から、製造負荷を求めて下記の表１に示した。尚、製造負荷は、実際に階調露光用マスクを製造したときのマスクパターン描画時間（単位：時間）として求めた。

表１に示されるように、階調露光用マスクＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４は製造負荷が少なく、単位領域のピッチＰ′が小さい階調露光用マスクＭ１であっても、製造負荷が若干増大する程度であった。これに比べて、階調露光用マスクＭ５、Ｍ６、Ｍ７の製造負荷は大きく、特にドット状遮光部の寸法が小さい階調露光用マスクＭ５では、製造負荷が著しく増大することが確認された。

エネルギーの階調供給を行うことにより三次元形状物を製造する工程を有する種々の製造分野において有用である。

１…基板
５…エネルギー感応型レジスト
７，８…三次元形状物
１１…エネルギー供給領域
２１…グリッド
２５…エネルギー供給部位
３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ，３１ｆ，３１ｇ，３１ｈ…エネルギー供給領域
４１…グリッド
４５…エネルギー供給部位
５１，６１，７１…モールド
５２，６２，７２…基材
５３，６３，７３…凹凸構造
５４，７４…凸部
５４ａ，７４ａ，７４ｂ…凸部側壁面
６４…凹部
６４ａ…凹部内壁面
５６，６６，７６…輪郭線
１０１，１１１…階調露光用マスク
１０２，１１２…透明基板
１０３，１１３…遮光膜
１０４，１１４…遮光膜パターン領域
１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄ，１１４ｅ，１１４ｆ，１１４ｇ，１１４ｈ…遮光膜パターン領域
１０５，１１５…単位領域
１０６Ｔ，１１６Ｔ…光透過部
１０６Ｂ，１１６Ｂ…遮光部

Claims (5)

1. エネルギー感応型レジストの所望のエネルギー供給領域に対してエネルギーを階調で供給する工程を有する三次元形状物の製造方法において、
   前記エネルギー供給領域に、所定方向に沿って等ピッチで複数のグリッドを設定し、該グリッド毎に前記グリッドの境界線に平行なライン形状でエネルギーを供給し、該エネルギー供給に際して、前記グリッド毎にエネルギー供給部位の前記ライン形状の幅を設定することにより前記エネルギーを階調で供給し、
   前記エネルギー供給領域は、三角形状の複数のエネルギー供給領域の集合体であり、
   前記三角形状の各エネルギー供給領域は、前記三角形状の１個の頂点を他の前記三角形状のエネルギー供給領域と共有するとともに、該頂点を囲むように隣接して位置し、
   前記三角形状の各エネルギー供給領域に、前記頂点から底辺に向かう方向に沿って等ピッチで前記グリッドを設定することを特徴とする三次元形状物の製造方法。
2. 前記三次元形状物がマクロレンズであり、
   前記三角形状の各エネルギー供給領域に共有される前記頂点が前記マイクロレンズの最大厚みとなる部位に位置することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状物の製造方法。
3. 前記エネルギーは、フォトマスクを介した露光により供給され、
   前記フォトマスクは、透明基板と、該透明基板の一方の面に位置する遮光膜パターンとを備え、
   前記透明基板は、前記グリッドに対応するように所定方向に沿って等ピッチで複数の単位領域が画定されており、前記単位領域毎に前記単位領域の境界に平行なライン形状の光透過部を有する遮光膜パターンが位置し、各単位領域における前記光透過部のライン幅を設定することにより各単位領域における開口率が調整されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元形状物の製造方法。
4. 前記エネルギーは、エネルギー線を照射することにより供給され、
   前記グリッド毎に、所定面積のスポット形状の前記エネルギー線を走査して、前記グリッドの境界に平行なライン形状となるように前記エネルギー感応型レジストに前記エネルギー線を照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元形状物の製造方法。
5. 透明基板の一方の面に位置する遮光膜パターン領域に遮光膜パターンを備えた階調露光用マスクにおいて、
   前記遮光膜パターン領域には、所定方向に沿って等ピッチで複数の単位領域が画定されており、該単位領域の境界に平行なライン形状の光透過部を有する遮光膜パターンが前記単位領域毎に位置し、
   各単位領域における開口率は、各単位領域における前記光透過部のライン形状の幅により調整可能であり、
   二等辺三角形状の複数の前記遮光膜パターン領域が、前記二等辺三角形状の頂点を一致させ、かつ、前記二等辺三角形状の等辺を一致するように隣接して、共通の前記頂点を囲むように位置し、前記二等辺三角形状の各遮光膜パターン領域における前記単位領域が等ピッチで区画され配列されている方向は、前記頂点から前記二等辺三角形状の底辺に向かう方向であることを特徴とする階調露光用マスク。

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