JPH0821908A

JPH0821908A - 光学素子の製造方法

Info

Publication number: JPH0821908A
Application number: JP15848094A
Authority: JP
Inventors: Michio Miura; 道雄三浦; Ippei Sawaki; 一平佐脇
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1994-07-11
Filing date: 1994-07-11
Publication date: 1996-01-23

Abstract

(57)【要約】【目的】マイクロレンズやマイクロ回折格子などの微小
光学素子の製造工程数を低減して生産性を高めることを
目的とする。【構成】基体部材１０の表面を感光性レジスト材３０で
被覆し、感光性レジスト材３０に対して、加工領域Ｅ０
の全域を選択的に露光するパターンを含む３パターン以
上の多重露光を行い、その後に現像処理を行うことによ
って、加工領域Ｅ０内で厚さが段階的に変化する原型レ
ジスト層３１を形成し、原型レジスト層３１をエッチン
グマスクとする異方性エッチングによって、基体部材１
０の表層面を素子機能に応じた起伏面に加工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表示装置用、通信機器
用、又はコンピュータ用のデバイスとして用いられてい
る、マイクロレンズやマイクロ回折格子などの微小光学
素子の製造方法に関する。

【０００２】例えば表示装置などの分野においては、簡
易型の光学素子（光機能素子）として、理想的には曲面
である光学機能面（レンズの外面など）を階段面で近似
したいわゆるバイナリ光学素子が広く用いられている。

【０００３】

【従来の技術】マイクロレンズ又はマイクロレンズアレ
イの製造方法として、基板上にレンズの原型を設けて基
板をレンズ形状に加工する方法がある。

【０００４】例えば、平面形状が円形のレジスト層を基
板上に形成し、それを加熱して軟化させ、レジスト材の
表面張力を利用して半球状に変形させた後、イオンミリ
ングなどの異方性エッチング手法を用いて半球状のレジ
スト層をマスクとして基板を削る。これにより、基板の
表面がレジスト層の厚さに応じた起伏面（半球面）に加
工される。

【０００５】また、原型となるレジスト層の形成に電子
ビーム露光法を用いる場合もある。その場合は、ビーム
走査に際して露光量（ビーム強度又は描画速度）を変化
させて露光の深さを調整し、現像後のレジスト層の厚さ
を滑らかに変化させる。

【０００６】これらの方法によれば、滑らかな曲面を有
した理想的な形状の素子を得ることが可能である。しか
し、加熱によって原型を形成する方法は、再現性に問題
があり、平面形状が円形以外の素子の作製が困難であ
る。電子ビーム露光法を用いる方法は、露光に長時間を
要し、量産性の面で実用に適さない。

【０００７】一方、従来において、階段状の疑似曲面を
有するバイナリ光学素子は、曲面近似の各段毎に一連の
リソグラフィ工程を実施する製造方法によって形成され
ていた。すなわち、従来の製造方法による場合は、予め
近似の段数に応じた数の露光マスクを用意しておき、ま
ず、基板上にレジスト材を塗布し、第１の露光マスクを
用いてパターン露光をし、それにより得られたレジスト
層をマスクとして基板を一定の深さ分だけエッチング
し、レジスト層を一旦除去する。次に再びレジスト材を
塗布し、第２の露光マスクを用いてパターン露光をし、
基板をエッチングした後にレジスト層を除去する。そし
て、以降においては、レジスト塗布、露光、エッチン
グ、及びレジスト除去を繰り返す。その際、各回毎に異
なる露光マスクを使用し、その使用順序に応じて必要に
よりエッチング条件（時間又はレート）を変更する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のバイナリ型の光
学素子の製造方法は、工程数が多く、コスト面で不利で
あるという問題があった。特に、例えばレンズの周囲に
遮光膜を設けたり、疑似曲面のみに反射膜を設ける場合
には、さらに一連のリソグラフィ工程が追加される。

【０００９】本発明は、この問題に鑑みてなされたもの
で、工程数を低減して生産性を高めることを目的として
いる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の製造方
法は、上述の課題を解決するため、図１に示すように、
前記基体部材の表面を感光性レジスト材で被覆し、前記
感光性レジスト材に対して、加工領域の全域を選択的に
露光するパターンを含む３パターン以上の多重露光を行
い、その後に現像処理を行うことによって、前記加工領
域内で厚さが段階的に変化する原型レジスト層を形成
し、前記原型レジスト層をエッチングマスクとする異方
性エッチングによって、前記基体部材の表層面を素子機
能に応じた起伏面に加工するものである。

【００１１】

【作用】疑似曲面の段数に係わらず、また、基体部材の
加工領域の周囲又は加工領域のみに各種の膜を被覆する
場合であっても、感光性レジスト材の塗布及びパターン
露光後のエッチングの回数はそれぞれ１回となる。

【００１２】加工領域の全域の露光（全域露光）に際し
て露光量を適当に設定すれば、全域露光と加工領域の部
分的な露光（部分露光）とからなる多重露光において、
加工領域内の各部の総露光量が、露光量と感光性レジス
ト材に固有の残膜率とが比例する範囲内の値となり、全
域露光以外のパターン露光の時間設定による疑似曲面の
各段の高さ制御が容易になる。

【００１３】

【実施例】図１は本発明の第１実施例を示す図、図２は
感光性レジスト材の特性とレンズ形状との関係を示す図
である。なお、図１においては、加工状態に係わらず、
同一部材からなる構成要素には同一の符号を付してあ
る。

【００１４】図１の例は同図（Ｆ）に示すマイクロレン
ズ１の製造に本発明の方法を適用したものである。マイ
クロレンズ１は、レンズ部１１を有した透光性基体１０
と、レンズ部１１を囲む開口絞りである遮光膜２０とか
ら構成されている。

【００１５】マイクロレンズ１の製造に際しては、ま
ず、基体部材である二酸化珪素ウエハ１０の表面に、遮
光膜２０として、グラファイト膜又はクロムと酸化クロ
ムとからなる複層構造の金属膜などの薄膜を成膜する。
そして、多重露光のマスクアライメントのために、遮光
膜２０の一部をパターニングして図示しないアライメン
トマークを形成しておく。

【００１６】次に、二酸化珪素ウエハ１０をエッチング
によって加工するために、ポジ型の感光性レジスト材
（例えば、東京応化製ＯＦＰＲ８００−２００ｃｐ）３
０を約３μｍの厚さに塗布してプリベークを行う。加工
領域Ｅ０は、例えば直径が２００〜３００μｍの円形領
域である。

【００１７】本実施例では、以下に詳述するように３つ
の露光マスクＭ１〜３を用いて合計３回の多重露光を行
い、最下面を含めて４段の階段面からなる高低差が約２
μｍの疑似曲面を有したレジスト層を、レンズ形状の原
型として形成する。各回の露光においては、感光性レジ
スト材３０の膜厚方向の一部のみが露光状態（可溶化状
態）になるように、露光時間の設定によって露光量（感
光エネルギー量）を制御する。

【００１８】なお、多重露光の順序は任意であるが、こ
こでは３つの露光マスクＭ１，Ｍ２，Ｍ３を順に用いる
ものとする。１回目の露光に用いる露光マスクＭ１は、
図１（Ａ）のように、二酸化珪素ウエハ１０の加工領域
Ｅ０の全域を選択的に露光するための透光パターンを有
している。１回目の露光によって、感光性レジスト材３
０における加工領域Ｅ０内の表層部に一定の厚さ（深
さ）の可溶化部３０ａが形成され、レンズ開口の大きさ
が決まる。

【００１９】そして、この露光マスクＭ１による露光に
際して、予め感光性レジスト材３０の特性を考慮して露
光時間を選定しておく。つまり、設計どおりの原型を得
るには、現像後の膜厚が露光時間に比例する感光特性を
有した線型タイプのレジスト材が好適である。しかし、
線型タイプのレジスト材であっても、通常は図２に示さ
れるように、特に露光時間が短い範囲で比例関係が損な
われている。したがって、レンズ部１１の加工精度を高
めるために、疑似曲面の各段の高さを決定する露光の総
時間が比例関係の良好な範囲内の時間となるように、疑
似曲面の各段間の段差に影響のない全域露光の時間を調
整する。

【００２０】図１（Ｂ）のように、２回目の露光に用い
る露光マスクＭ２は、外径が加工領域Ｅ０と等しい環状
の透光パターンを有している。２回目の露光時間は、例
えば２６０ｍｓとする。これにより、感光性レジスト材
３０における可溶化部３０ａの下側の非露光部が、疑似
曲面の２段分の深さまで感光し、中央部に比べて周縁部
が深い可溶化部３０ｂが形成される。

【００２１】図１（Ｃ）のように、３回目の露光に用い
る露光マスクＭ３は、外径が加工領域Ｅ０と等しい２重
環状の透光パターンを有している。そして、内側の環の
外径は、露光マスクＭ２の加工領域Ｅ０内の遮光膜の外
径と等しい。３回目の露光時間は、２回目の露光時間の
半分の１３０ｍｓとする。これにより、感光性レジスト
材３０の非露光部（可溶化部３０ｂ以外の部分）が、疑
似曲面の１段分の深さまで感光し、中央部から周縁部へ
向かって段階的に深くなる可溶化部３０ｃが形成され
る。

【００２２】以上の多重露光を終えると、可溶化部３０
ｃを取り除く現像処理を行ってポストベークを施し、加
工領域Ｅ０内で厚さが変化する原型レジスト層３１を形
成する〔図１（Ｄ）〕。

【００２３】続いて、例えばエッチングガスとして四フ
ッ化炭素と酸素の混合ガスを用いる反応性イオンエッチ
ング（ＲＩＥ）によって、加工領域Ｅ０について、遮光
膜２０とともに二酸化珪素ウエハ１０をエッチングする
〔図１（Ｅ）〕。エッチングの進行は原型レジスト層３
１が薄いほど速いので、二酸化珪素ウエハ１０の表層面
は、原型レジスト層３１の厚さを反映した起伏面に加工
される。なお、遮光膜２０はエッチング終点の検出に利
用できる。

【００２４】二酸化珪素ウエハ１０の表層面が所望のレ
ンズ機能に応じた起伏面になった時点でエッチングを終
了し、加工領域Ｅ０の外側に残った原型レジスト層３１
を除去して上述のマイクロレンズ１を完成する〔図１
（Ｅ）〕。

【００２５】図３は本発明の第２実施例を示す図であ
る。なお、図３において、図１の例に対応する構成要素
には、形状や材質の際に係わらず同一の符号を付してあ
る。以下の各図についても同様である。

【００２６】図３の例は同図（Ｄ）に示すマイクロミラ
ー２の製造に本発明の方法を適用したものであり、最終
段階の膜形成を除く基本的な手順は図１の例と同一であ
る。すなわち、図１（Ａ）〜（Ｃ）の例と同様に３パタ
ーンの多重露光を行い、遮光膜２０で被覆された二酸化
珪素ウエハ１０上に原型レジスト層３１を設け〔図３
（Ａ）〕、ＲＩＥ又はイオンミリングなどによって遮光
膜２０と二酸化珪素ウエハ１０とをパターニングし〔図
３（Ｂ）〕、残った原型レジスト層３１を除去する〔図
３（Ｃ）〕。そして、スパッタによってアルミニウムか
らなる１０００Åの厚さの反射膜４０を設ける〔図３
（Ｄ）〕。

【００２７】図４は本発明の第３実施例を示す図であ
る。図１及び図３の例と同様の手順で二酸化珪素ウエハ
１０をエッチングし〔図４（Ａ）〕、原型レジスト層３
１を残した状態で反射膜４０を設け〔図４（Ｂ）〕、そ
の後にリフトオフを行う。これにより、加工領域Ｅ０の
みに反射膜４０を有し且つ開口絞り（遮光膜２０）を有
したマイクロミラー２Ｂが得られる。

【００２８】図５は本発明の第４実施例を示す図であ
る。図５の例は同図（Ｇ）に示すマイクロハーフミラー
３の製造に本発明の方法を適用したものである。

【００２９】図５（Ａ）〜（Ｄ）の各段階は、遮光膜２
０を設けない点を除いて図１（Ａ）〜（Ｄ）と同様であ
る。すなわち、二酸化珪素ウエハ１０上に感光性レジス
ト材３０を塗布し、３パターンの多重露光を行って原型
レジスト層３１を形成する。

【００３０】その後、原型レジスト層３１をマスクとす
るエッチングによって二酸化珪素ウエハ１０の表層面を
所定の疑似曲面に加工し〔図５（Ｅ）〕、残った原型レ
ジスト層３１を除去することなく、半透光膜５０として
２５０Å程度の厚さのアルミニウム膜をスパッタで形成
する〔図５（Ｆ）〕。そして、リフトオフによって加工
領域Ｅ０のみに半透光膜５０を有したマイクロハーフミ
ラー３を完成させる〔図５（Ｇ）〕。

【００３１】上述の実施例によれば、透光パターンが部
分的に重なるように作製した露光マスクＭ２，Ｍ３を用
い、これらのマスクによる露光の時間を変えたので、マ
スク数（部分露光数）ｎの２乗の段数（ｎ²）を有した
疑似曲面を形成することができ、理想形状に近いマイク
ロレンズ１を効率的に製造することができる。すなわ
ち、露光マスクにおける透光パターン（遮光膜の配置）
の組み合わせと、各回の露光における露光量とを選定す
ることにより、露光量を一定として各段毎にパターン露
光を行う場合に比べて、工程数を大幅に低減することが
できる。

【００３２】上述の実施例によれば、露光マスクＭ１に
よる露光によって、多重露光の総露光時間の調整と、開
口絞りとなる遮光膜２０の位置決めとが行われ、より少
ない工数で高機能・高性能のマイクロレンズ１を得るこ
とができる。

【００３３】上述の実施例において、レンズ部１１の形
状は用途に応じて種々選定することができる。例えば２
次又は３次以上のフレネル形状としてもよい。また、疑
似曲面の段数は４に限らない。その他、各部の材質、膜
厚、形状、層構造、処理手法、処理条件などを適宜変更
してもよい。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、感光性レジスト材によ
る基体部材の被覆、エッチング、及び感光性レジスト材
の除去を、露光回数に係わらずそれぞれ１回ずつ行えば
よいので、工程数が大幅に低減され生産性が向上する。

【００３５】また、加工領域の全域を選択的に露光する
ことによって、感光性レジスト材の特性に応じた多重露
光の総露光時間の調整と、遮光膜や反射膜などの光学機
能膜の位置決めとが同時に行われ、より少ない工数で高
機能・高性能の光学素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す図である。

【図２】感光性レジスト材の特性とレンズ形状との関係
を示す図である。

【図３】本発明の第２実施例を示す図である。

【図４】本発明の第３実施例を示す図である。

【図５】本発明の第４実施例を示す図である。

【符号の説明】

１マイクロレンズ（光学素子）２，２Ｂマイクロミラー（光学素子）３マイクロハーフミラー（光学素子）１０二酸化珪素ウエハ（基体部材）３０感光性レジスト材３１原型レジスト層Ｅ０加工領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体部材をリソグラフィ法によって加工す
る光学素子の製造方法であって、前記基体部材の表面を感光性レジスト材で被覆し、前記感光性レジスト材に対して、加工領域の全域を選択
的に露光するパターンを含む３パターン以上の多重露光
を行い、その後に現像処理を行うことによって、前記加
工領域内で厚さが段階的に変化する原型レジスト層を形
成し、前記原型レジスト層をエッチングマスクとする異方性エ
ッチングによって、前記基体部材の表層面を素子機能に
応じた起伏面に加工することを特徴とする光学素子の製
造方法。