JPH07191209A - 微小光学素子の製造方法 - Google Patents

微小光学素子の製造方法

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JPH07191209A
JPH07191209A JP33010593A JP33010593A JPH07191209A JP H07191209 A JPH07191209 A JP H07191209A JP 33010593 A JP33010593 A JP 33010593A JP 33010593 A JP33010593 A JP 33010593A JP H07191209 A JPH07191209 A JP H07191209A
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etching
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 微小光学素子の製造方法に関し、製造工程数
が少なく、低コストで再現性よく微小光学素子を製造す
る方法を提供することを目的とする。 【構成】 基板1上にレジスト層4を形成し、複数のマ
スク5a・5bを使用して順次露光量を変化させて多重
露光をなした後現像して階段形状をもって近似された微
小光学素子の原型6を形成し、エッチングをなしてこの
微小光学素子の原型6を基板1に転写して微小光学素子
を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、表示装置や通信・コン
ピュータ用デバイスの分野において幅広く利用されてい
る回折格子やマイクロレンズ等の微小光学素子の製造方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】マイクロレンズあるいはマイクロレンズ
アレイを製造する従来技術として、プラスチックやガラ
ス基板上に選択的にイオン交換処理を施して屈折率分布
を形成する方法が知られている。この方法は、イオンの
有する電子分極率の差を利用して屈折率分布を形成する
ものである。
【0003】また、基板上にレンズ形状のレジスト層を
形成し、イオンビームエッチング法を使用して基板表面
にこのレジストのレンズ形状を転写する方法が知られて
いる。この方法は、基板上に形成したレジスト層を円形
にパターニングし、これに熱を加えてレジストの表面張
力によって球面形状に変形させ、エッチングによりこの
球面形状を基板表面に転写するものである。
【0004】その他、基板上に電子線レジスト層を形成
し、微小光学素子の形状に対応して露光量を変化させな
がら電子線を走査した後現像して、電子線レジストより
なる微小光学素子の原型を形成し、エッチングによりこ
の原型を下層の基板に転写する方法が知られている。
【0005】微小光学素子を階段形状で近似させて製造
する所謂バイナリオプティックス素子の製造方法として
は、以下に説明する従来例が知られている。基板11上
にフォトレジスト層12を形成し、第1のマスク13a
を使用して露光する(図9(a)参照)。現像・ベーク
処理をなして、基板11上にレジストマスク14を形成
し(図9(b)参照)、エッチング処理を施した後(図
9(c)参照)、レジストマスク14を除去する(図1
0(a)参照)。再びレジスト層15を形成し、第2の
マスク13bを使用して露光した後(図10(b)参
照)、現像・ベーク処理をなしてレジストマスク16を
形成する(図10(c)参照)。エッチング処理を施し
た後(図11(a)参照)、レジストマスク16を除去
して階段形状をもって近似された微小光学素子17を形
成する(図11(b)参照)。近似レベルを高めるため
には、上記のプロセスの繰り返し回数を増加させればよ
い。なお、エッチングを複数回繰り返す上記の方法に代
えて、リフトオフを複数回繰り返すことによって堆積膜
厚を階段形状に変化させて微小光学素子を形成する方法
もある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】イオン交換処理を施す
方法はイオン拡散工程が必要であり、またレジストを加
熱して球面形状に形成する方法は熱処理工程が必要であ
るため、いずれも再現性に問題がある。また、上記いず
れの方法においても円形または球形以外の形状の光学素
子を形成することが困難であるという欠点がある。
【0007】電子線を露光量を変化させながら走査して
露光・現像する方法は、電子線描画に時間がかゝるとい
う欠点がある。
【0008】また、従来のバイナリオプティックス素子
の製造方法は、エッチングまたはリフトオフ工程を何回
も繰り返し実施しなければならないので、工程数が多く
なるという欠点があるとともに、エッチングやリフトオ
フのバッチ間の再現性を高めることが必要である。
【0009】本発明の目的は、これらの欠点を解消する
ことにあり、製造工程数が少なく、低コストで再現性よ
く微小光学素子を製造する方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、基板
(1)上にレジスト層(4)を形成し、複数のマスク
(5a・5b)を使用して順次露光量を変化させて多重
露光をなした後現像して階段形状をもって近似された微
小光学素子の原型(6)を形成し、次いで、エッチング
をなして前記の微小光学素子の原型(6)を前記の基板
(1)に転写する微小光学素子の製造方法によって達成
される。
【0011】なお、前記のエッチングの方法はイオンビ
ームエッチング法またはリアクティブイオンエッチング
法が好ましく、また、前記のレジスト層(4)の形成に
使用されるレジストは、露光時間と露光・現像後の残留
レジスト膜厚との関係が少なくとも一部領域において直
線関係を有することが好ましい。場合によっては、前記
の微小光学素子の原型(6)の階段の段数を微小光学素
子の一部領域において減少させるとよく、また、前記の
エッチング工程に先立ち、前記の微小光学素子の原型
(6)を加熱して階段形状をなだらかにして理論形状に
近づけるとよい。なお、この微小光学素子の製造方法を
使用して製造した微小光学素子を使用して型を形成し、
この型を使用して微小光学素子を複製することができ
る。
【0012】
【作用】図2(a)に示すように、二酸化シリコンウェ
ーハ等の基板1上にチタン、クローム等からなる遮光膜
2を形成し、1部領域からこの遮光膜2を除去して、図
2(b)に示すように多重露光用マーカ3を形成する。
次に、図2(c)に示すように、遮光膜2上にポジ型レ
ジスト層4を形成してプリベークした後、図3(a)に
示すように、第1のマスク5aを多重露光用マーカ3を
介して基板1に位置合わせして露光し、次いで、図3
(b)に示すように、第2のマスク5bを多重露光用マ
ーカ3を介して基板1に位置合わせして、第1回目の露
光量の1/2の露光量をもって露光する。なお、第1の
マスク5aと第2のマスク5bはともに回転対称形をな
しており、図3(a)(b)に示すマスク5a、5bの
断面図は、回転対称軸を通る切断面で切断した断面図で
ある。
【0013】次に、現像処理を施してポストベークする
と、回転対称形で、回転対称軸を通る切断面で切断した
断面が図1(a)に示すような階段形状を有するレンズ
原型6が形成される。このレジスト層よりなるレンズ原
型6が形成された二酸化シリコン基板1にリアクティブ
イオンエッチング処理を施すと、図1(b)に示すよう
に、レジスト層よりなるレンズ原型6が二酸化シリコン
基板1に転写され、階段形状をもって近似されたフレネ
ルレンズ7が1回のエッチング工程をもって形成され
る。なお、サイドエッチングを抑えてレジスト層よりな
るレンズ原型6を基板1に転写する必要があるため、エ
ッチング方法としてはウェットエッチングは不適当であ
り、イオンビームエッチングまたはリアクティブイオン
エッチングが適当である。
【0014】ポジ型レジストの露光時間と現像後の残留
レジスト膜厚との関係を示す残膜率曲線が、図4に示す
ように非線形である場合には、レンズの理論形状と現像
処理後に形成される階段状の近似形状との間のずれが大
きくなるとゝもに、特に高次の輪帯の裾の領域において
階段形状が微細になり、製造が困難になる。この問題を
解決するには、図5に示すように、残膜率曲線が線形の
レジストを使用すればよい。この場合には、理論形状と
近似形状との間のずれが小さくなり、また輪帯の裾の領
域の階段形状は微細にならず、高次の輪帯までエッチン
グ加工が可能になる。
【0015】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の四つの実施
例に係る微小光学素子の製造方法について説明する。
【0016】第1例 図2再参照 二酸化シリコンウェーハ基板1上に、例えばチタン膜2
を形成し、これをパターニングして多重露光用マーカ3
を形成し、次いでポジ型レジスト、例えば東京応化製の
OFPR−800を2.0μm厚に塗布してレジスト層
4を形成する。
【0017】図6参照 フレネルレンズ及びその製造に使用されるマスクはいず
れも回転対称形であるので、図6に示すマスク及びレン
ズ原型の断面図は、マスク及びレンズ原型を回転対称軸
を通る切断面で切断した断面の右半分を示す。
【0018】また、同図においては複数のマスクとそれ
らの組み合わせにより得られるレジスト形状を示してお
り、基本的工程については、図2および図3を同時に参
照されたい。
【0019】レンズの設計値より作製した図6(a)に
示す第1のマスクを多重露光用マーカ3を介して基板1
に位置合わせして260ミリ秒間露光し、次に図6
(b)に示す第2のマスクを同様に基板1に位置合わせ
して130ミリ秒間露光し、次いで図6(c)に示す第
3のマスクを同様に基板1に位置合わせして65ミリ秒
間露光して現像すると、図6(d)に示すように階段状
の近似形状を有するフレネルレンズの原型が形成され
る。
【0020】四フッ化炭素ガスと酸素ガスとの混合ガス
を使用するリアクティブイオンエッチングを実施するこ
とによって、図6(d)に示す形状のレジストよりなる
フレネルレンズ原型が二酸化シリコン基板1に転写さ
れ、フレネルレンズが形成される。なお、チタン膜2は
多重露光用マーカ3の形成に使用されるのみでなく、リ
アクティブイオンエッチングの終点を容易に確認する目
的にも使用される。また、リアクティブイオンエッチン
グ法に代えてイオンビームエッチング法を使用してもよ
い。
【0021】本実施例では、3種類のマスクで8段の階
段形状を形成しているが、これは各マスクにおける露光
部・非露光部の組み合わせ、および、各マスクでの露光
量を変えることにより実現されるものであり、こうする
ことにより工程数の大幅な減少を可能にすることができ
る。
【0022】第2例 図7参照 高次の輪帯においては階段形状が微細になり、製造が困
難になる場合がある。この場合には、高次の輪帯の階段
の段数を図7に示すように少なくすればよい。図7にお
いては、4次の輪帯の一部領域と5次の輪帯の全領域と
において階段数を少なくしている。
【0023】第3例 図8(a)(b)参照 レジスト層4を階段形状に形成した後、加熱して階段形
状をなだらかにしてからエッチングを実行する。150
℃の温度で20分間加熱したときのレジスト形状を図8
(a)に実線をもって示す。この方法により、レンズ形
状をより理論形状に近づけることができる。
【0024】この時、前述の図5〜図7に示す実施例に
おいては、階段状の近似形状を理論形状を示す曲線の内
側に形成するように図示されているが、図8(b)に示
すように階段形状の凸部と凹部の間を理論形状の曲線が
通るようにあらかじめ近似形状を形成することで加熱に
よる効果をさらに上げることができる。
【0025】第4例 前記の方法で製造した二酸化シリコンよりなるフレネル
レンズを原盤として使用して型を作製し、PMMA等の
材料を使用してスタンピング法により大量にフレネルレ
ンズを複製する。
【0026】
【発明の効果】以上説明したとおり、本発明に係る微小
光学素子の製造方法においては、複数のマスクを使用し
て、順次露光量を変化させて多重露光することによって
レジストよりなるバイナリオプティックス素子の原型を
作製し、エッチングによりこの原型を基板に転写して微
小光学素子を形成しているので、エッチング工程は1回
ですみ、スループットが大きくなるとゝもに素子製造の
再現性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理説明図である。
【図2】本発明の原理説明図である。
【図3】本発明の原理説明図である。
【図4】残膜率曲線が非線形の場合に形成されるレンズ
形状を示す図である。
【図5】残膜率曲線が線形の場合に形成されるレンズ形
状を示す図である。
【図6】本発明に係るフレネルレンズ製造工程説明図で
ある。
【図7】高次の輪帯において階段数を低減したフレネル
レンズの断面図である。
【図8】(a)は加熱により理論形状に近づける方法で
あり、(b)は理論曲線である。
【図9】従来技術に係る微小光学素子の製造工程説明図
である。
【図10】従来技術に係る微小光学素子の製造工程説明
図である。
【図11】従来技術に係る微小光学素子の製造工程説明
図である。
【符号の説明】
1 基板 2 遮光膜 3 多重露光用マーカ 4 レジスト層 5a 第1のマスク 5b 第2のマスク 6 レンズ原型 7 フレネルレンズ 11 基板 12・15 レジスト層 13a 第1のマスク 13b 第2のマスク 14・16 レジストマスク 17 微小光学素子

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板(1)上にレジスト層(4)を形成
    し、 複数のマスク(5a・5b)を使用して順次露光量を変
    化させて多重露光をなした後現像し、階段形状をもって
    近似された微小光学素子の原型(6)を形成し、 エッチングをなして前記微小光学素子の原型(6)を前
    記基板(1)に転写することを特徴とする微小光学素子
    の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記エッチングの方法はイオンビームエ
    ッチング法またはリアクティブイオンエッチング法であ
    ることを特徴とする請求項1記載の微小光学素子の製造
    方法。
  3. 【請求項3】 前記レジスト層(4)の形成に使用され
    るレジストは、露光時間と露光・現像後の残留レジスト
    膜厚との関係が少なくとも一部領域において直線関係を
    有することを特徴とする請求項1または2記載の微小光
    学素子の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記微小光学素子の原型(6)の階段の
    段数を微小光学素子の一部領域において減少させること
    を特徴とする請求項1、2、または、3記載の微小光学
    素子の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記エッチング工程に先立ち、前記微小
    光学素子の原型(6)を加熱して階段形状をなだらかに
    して理論形状に近づけることを特徴とする請求項1、
    2、3、または、4記載の微小光学素子の製造方法。
  6. 【請求項6】 請求項1記載の微小光学素子の製造方法
    を使用して製造した微小光学素子を使用して型を形成
    し、該型を使用して微小光学素子を複製することを特徴
    とする微小光学素子の製造方法。
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