JP2002040623A

JP2002040623A - 濃度分布マスクの製造方法

Info

Publication number: JP2002040623A
Application number: JP2000225216A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Umeki; 和博梅木
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 2000-07-26
Filing date: 2000-07-26
Publication date: 2002-02-06
Anticipated expiration: 2020-07-26
Also published as: JP4565711B2

Abstract

(57)【要約】【課題】光学濃度分布がアナログ的な濃度分布マスク
を製造する。【解決手段】石英基板１上に遮光膜３及び感光性材料
層５を形成し（Ａ）、電子線描画により感光性材料パタ
ーン５ａを形成し（Ｂ）、ドライエッチングにより遮光
膜パターン３ａを形成する（Ｃ）。表面１ａ上全面にポ
ジ型感光性材料７を塗布した後、石英基板１の裏面１ｂ
側から拡散板９を介して露光し、露光を遮光膜パターン
３ａの開口部分から広角的にポジ型感光性材料層７に照
射する（Ｄ）。現像処理及びハードニング処理により、
遮光膜パターン３ａの開口部分周辺の膜厚が開口部分に
近づくにつれて連続的に薄くなるポジ型感光性材料パタ
ーン７ａを形成する（Ｅ）。ドライエッチング、剥離処
理及び洗浄処理により、遮光膜パターン３ａの開口部分
周辺の膜厚を開口部分に近づくにつれて連続的に薄くな
るように形成する（Ｆ）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、濃度分布マスクを
用いた露光により基板上に３次元構造の感光性材料パタ
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
る際に使用される濃度分布マスクの製造方法に関するも
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２次元的な光透過率分布を
有する露光用マスクを介して露光し、露光後のフォトレ
ジストに現像処理を施すこと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
３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（特表平８−５０４５１５号公報を参照、以下こ
の記載内容を従来技術とする）。

【０００３】そこでは、屈折面や反射面等の３次元構造
の特殊表面形状を得るために用いられる露光用マスクと
して、特殊表面形状に対応して光透過率が段階的に変化
する２次元的な光透過率分布をもった濃度分布マスク
（グラデーションマスク（ＧＭ））が使用されている。
従来技術に記載されている濃度分布マスクでは、２次元
的な光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。ここで、光透過率はマ
スクパターンの光学濃度とも表現できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来技術に記載の濃度
分布マスクを製作する方法として、次のような方法が考
えられる。透明基板の一表面に金属膜や金属酸化膜など
からなる遮光膜が形成され、さらにその上に感光性材料
層が形成されたマスクブランクスを用い、その感光性材
料層がポジ型のときはそのポジ型感光性材料層の光伝達
開口に対応する位置に、感光性材料層がネガ型のときは
そのネガ型感光性材料層の光伝達開口に対応する位置以
外の位置に、電子線描画装置を用いて電子線を走査して
描画することにより感光パターンを描画した後、現像処
理を施して光伝達開口に対応する位置に開口をもつ感光
性材料パターンを形成する。その後、感光性材料パター
ンをマスクとしてドライエッチングを施すことにより遮
光膜にマスクパターン（遮光膜パターン）を形成する。
このように電子線描画を用いてマスクパターンを形成す
る方法を電子線描画方法という。

【０００５】上記の製造工程では、感光性材料パターン
は高エネルギービームである電子線によって描画される
ため、感光性材料パターンの側壁、ひいては遮光膜パタ
ーンの側壁は基板に対してほぼ垂直に形成される。その
ため、遮光膜パターンを通過する光の透過率は、遮光膜
が存在する部分では０％、遮光膜が存在しない部分では
１００％であり、デジタル的な光学濃度分布をもってい
る。目的物品形成用の基板上に形成されたフォトレジス
トに所望の表面形状を形成すべく、このデジタル的な光
学濃度分布をもつ濃度分布マスクを介してフォトレジス
ト層に露光工程を行なうと、その後の現像処理によって
形成されるフォトレジストの表面形状の高さはデジタル
的、すなわち階段状になってしまう。そのため、目的と
する物品の表面形状を実質的に平滑なものとするために
は、階調数を非常に大きくしなければならず、従来技術
に例示されているように単位セルにおける開口寸法の単
位が露光に用いる光の波長よりも短くする必要がある。
そして、パターンが微細になればなるほどその製造コス
トが上昇する。目的とする物品の表面形状は、階調数を
大きくしていくにつれて平滑なものに近づいてはいくも
のの、あくまで階段状のものである。従来技術で「実質
的に」と述べているのはそのことを意味している。

【０００６】このような問題を解決するためには光学濃
度分布がアナログ的な濃度分布マスクが必要となる。そ
こで本発明は、光学濃度分布がアナログ的な濃度分布マ
スクを製造する方法を提供することを目的とするもので
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は請求項１
に記載した濃度分布マスクの製造方法により達成するこ
とができる。すなわち、本発明にかかる濃度分布マスク
の製造方法は、以下の工程を含んでいる。（Ａ）透明基板の一表面に遮光膜を介して形成された感
光性材料層に電子線を用いて描画する描画工程、（Ｂ）
描画後の感光性材料層に現像処理を施して感光性材料パ
ターンを形成する現像工程、（Ｃ）感光性材料パターン
をマスクにして異方性エッチングを施して、遮光膜をパ
ターニングして遮光膜パターンを形成するエッチング工
程、（Ｄ）透明基板の遮光パターンの存在する側の一表
面上全面にポジ型感光性材料層を形成するポジ型感光性
材料層形成工程、（Ｅ）透明基板の裏面側から透明基板
を介して、遮光膜パターンをマスクにしてポジ型感光性
材料層に光を照射する露光工程、（Ｆ）露光後のポジ型
感光性材料層に現像処理を施して遮光膜パターン上にポ
ジ型感光性材料パターンを形成する現像工程、（Ｇ）ポ
ジ型感光性材料パターンをマスクにして異方性エッチン
グを施して、遮光膜パターンの一部分を除去するエッチ
ング工程。

【０００８】描画工程（Ａ）、現像工程（Ｂ）及びエッ
チング工程（Ｃ）により形成される遮光膜パターンは電
子線描画方法によって形成されたデジタル的な光学濃度
分布をもつものである。そして、遮光膜パターンが形成
された表面上全面に、ポジ型感光性材料層形成工程
（Ｄ）によりポジ型感光性材料層を形成した後、露光工
程（Ｅ）により透明基板の裏面側から透明基板を介し
て、遮光膜パターンをマスクにしてポジ型感光性材料層
に光を露光する。遮光膜パターンの開口部分を透過した
光は広角的にポジ型感光性材料層に照射される。その
後、現像工程（Ｆ）によりポジ型感光性材料層の感光部
分を除去してポジ型感光性材料パターンを形成する。ポ
ジ型感光性材料パターンは遮光膜パターン上に存在し、
遮光膜パターンの開口部分周辺ではポジ型感光性材料パ
ターンの膜厚は遮光膜パターンの開口部分に近づくにつ
れて連続的に薄くなるように形成される。エッチング工
程（Ｇ）により異方性エッチングを施すと、膜厚が薄く
なっているポジ型感光性材料パターン部分下の遮光膜パ
ターンから順に露出し、遮光膜パターンは露出面側から
徐々にエッチング除去される。これにより、遮光膜パタ
ーンは、開口部分周辺では開口部分に近づくにつれて連
続的に薄くなるように形成される。遮光膜パターンの膜
厚が薄くなっている部分は膜厚に応じて０〜１００％の
中間の光透過率を示すようになるので、濃度分布マスク
の光学濃度分布はアナログ的になる。

【０００９】

【発明の実施の形態】上記露光工程（Ｅ）において、照
射する光は拡散光であることが好ましい。その結果、遮
光膜パターンの開口部分を介して、より広角的にポジ型
感光性材料層に照射できるようになる。

【００１０】上記描画工程（Ａ）で用いている電子線描
画は、一般に、電子線出射のフィラメント電流の制御、
長時間露光時のフィラメント細り、電子線モレ（ドー
ズ）量の制御等の装置制御上の課題が多く、再現性が乏
しいという欠点がある。また製作時は、単一ビームしか
出射できないためにマスク全体の露光に長時間を要し、
経時的な変動が大きくなるという問題が生じる。このよ
うな問題を解決するために、上記露光工程（Ｅ）におい
て、遮光膜パターンの配置位置に応じてポジ型感光性材
料に対する拡散光の拡散角度を異ならせることが好まし
い。その結果、遮光膜パターンの配置位置に応じて光透
過率が０〜１００％の中間領域の幅を制御することがで
きる。そして、電子線描画時の感光性材料パターンのば
らつき、ひいては遮光膜パターンのばらつきを平均化す
ることができるようになり、濃度分布マスク製作の再現
性を向上させることができる。このとき、エッチング工
程（Ｇ）におけるポジ型感光性材料と遮光膜のエッチン
グ速度比を考慮してポジ型感光性材料及び遮光膜の材料
を選択することが好ましい。

【００１１】さらに、上記露光工程（Ｅ）は、透明基板
の裏面側に拡散板を配置し、その拡散板を介して拡散光
を照射するものであることが好ましい。その結果、拡散
板の焦点距離や拡散板と透明基盤の距離を変更すること
により、遮光膜パターン上に形成されたポジ型感光性材
料に対する拡散光の拡散角度を容易に変更することがで
きる。

【００１２】さらに、上記露光工程（Ｅ）において、照
射する光の波長は遮光膜パターンの最小線幅又は最小ド
ット長さよりも長い波長であることが好ましい。その結
果、電子描画による微細パターンの境界部分において回
折が生じやすくなり、かつ回折角度が大きくなるので、
遮光膜パターンの開口部分を介してポジ型感光性材料層
に行なう広角的な光照射が容易になる。

【００１３】

【実施例】まず、濃度分布マスクについて説明する。濃
度分布マスクは、感光性材料の「感度曲線」と濃度分布
マスクの各単位セル固有の光透過領域（面積）とこれを
通過する「光エネルギー量」の関係から、実験的に求め
られる関数で与えられるものである。ここで、実験的に
求められるとは、プロセス条件によって、感光性材料の
「感度特性」及び光拡散量が異なることを意味する。す
なわち、プロセス条件パラメータを変更すると、与えら
れる関数も異なることを意味する。感光性材料の「感度
曲線」は、感光性材料への光照射エネルギーと感光性材
料の感光性成分の関係で基本的には決定される。但し、
フォトリソグラフィ条件（露光条件、現像条件、ベーキ
ング条件等）によっても変更される曲線（すなわち、関
数）である。

【００１４】また、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）が指数関数的に減少する。つまり、感光性材料
の厚さ（深さ）に対して照射光エネルギー量は指数関数
で減少する関係にある。したがって、「光透過量」と感
光性材料の「感度」（光吸収率）を実験データから組み
合わせると、感光性材料の厚さ方向に分布を有する光エ
ネルギー分布を形成することが可能となる。ここで除去
される感光性材料の厚さＴは、下記の式で表される。

【００１５】Ｔ＝(１／α)・Ｌｎ(Ｐ・Ｓ)−(１／α)・Ｌｎ(Ｙ) Ｔ＝Ｌｎ{ｋ・(Ｐ・Ｓ＋ｂ)^f・F(X)} Ｌｎ：自然対数Ｔ：除去される感光性材料の厚さ（μｍ） α：減衰係数で、各種プロセス条件の関数α＞０Ｐ：濃度分布マスク表面での光量（ｍＪ）Ｓ：濃度分布マスクパターンの単位セル開口率Ｓ＜１Ｙ：深さＴでの光量で、感光性材料が感光するのに必要
な露光量（ｍＪ）ｋ，ｂ，ｆ：係数Ｆ(Ｘ)：関数Ｆ(Ｘ)＝Ｆ(Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，・・・，Ｘｎ) （ただし、Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，・・・，Ｘｎは因子で、
少なくとも加工プロセス条件及び感光性材料自体の感度
を含んでいる。）

【００１６】濃度分布マスクは、半導体プロセスのよう
に、ある高さの感光性材料の２次元ラインパターンを形
成するのが目的ではなく、「３次元形状、すなわち高さ
方向にも制御されたパターン性を有する構造物」を形成
することを対象としている。感光性材料層の厚さを変化
せしめる３次元形状形成方法において、濃度分布マスク
を構成する単位セルの「光透過領域」又は「遮光領域」
を所望の形状に応じて２次元的に設計する。その結果、
濃度分布マスクを透過した光は２次元の光学濃度分布を
有する特徴を発現できる。

【００１７】濃度分布マスクを用いて３次元構造を製作
すると、球面、非球面、円錐形状のような連続面で構成
される光学素子を製作することも、フレネル形状のよう
に連続面と不連続面から構成される光学素子を製作する
ことも可能となる。さらに、そのような光学素子に反射
光学面を形成し、反射光学素子とすることも可能であ
る。

【００１８】（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）次に、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。濃度分布マスクレチクル
を製作するに当たり、まず、目的物品形成用の基板上に
形成されるレジスト材料（フォトレジスト）の感度曲線
を求め、光照射量とレジスト除去量の関係を把握する。

【００１９】濃度分布マスクレチクルを用いて露光する
と、露光量、単位セルの光透過量又は遮光量によってレ
ジスト材料の除去量が異なる。これによって、「単位セ
ルＮｏ.」（すなわち光透過量又は遮光量とレジスト除
去量が特徴づけられた関係を一つのＮｏ.として表す）
が決定される。「単位セルＮｏ.」は、上記の関係をグ
ラフ化し、関数化することによって数式に変換できる。
上記数式に基づいて、目的とする「形状のレンズ高さ」
と「レジスト残存量（「レジスト膜厚」−「除去
量」）」の関係を数式化する。次いで、ＣＡＤ（Comput
er Aided Design）上で「レンズ配置位置」と「レンズ
高さ（レジスト残存量）」の関係を明らかにする。さら
に、これを発展させて、「レンズ配置位置」と「単位セ
ルＮｏ.」の関係に置き換える。すなわち、上記の基本
的考え方に立ち、詳細なデータに裏付けされた計算式と
プログラムから、ＣＡＤ設計画面上でレンズ高さと濃度
分布マスクパターンセルＮｏ.を関数付けてセルＮｏ.を
配置する。

【００２０】（濃度分布マスクの設計）この実施例で
は、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。光透過量の制
御方法は、遮光膜パターンの開口面積の制御、遮光
膜パターンの膜厚の制御、との組合わせ方法があ
る。ここでは、の方法を採用した。

【００２１】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。このＭＬＡにおいて
は、レンズの両側に各０.５μｍず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＝０.８９となり、ＭＬＡで全ての光を有効に集光することができ
ても８９パーセントの集光効率でしかない。したがっ
て、ＭＬＡのレンズ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上で重要であり、マイクロレン
ズの隣接間隔を限りなくを零に近づけることが望まし
い。

【００２２】具体的には、１／５倍（縮小の）ステッパ
ーを用いる場合、実際に製作する濃度分布マスクレチク
ル上でのパターン寸法は、９０μｍ×９０μｍである。
この１個のＭＬＡを３.０μｍの単位セルに分割し縦×
横＝３０×３０（個）＝９００（個）の単位セルに分割
する。

【００２３】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。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。

【００２４】（濃度分布マスクレチクルの製作）次に、
本発明にかかる濃度分布マスクの製造方法の一実施例を
説明する。図１は一実施例を示す工程断面図である。ま
ず、上記のようにして作成したＣＡＤデータをデータ化
して電子線描画装置にセットする。（Ａ）濃度分布マスクレチクルを製作するために、石英
基板（透明基板）１の一表面１ａ上に遮光膜３としての
Ｃｒ（クロム）膜を２００ｎｍの厚さで成膜し、その上
に感光性材料層５としてのポジ型電子線描画用レジスト
材料（ＺＥＰ−７０００、日本ゼオン（株）の製品）を
０.５μｍの厚さで塗布してマスクブランクスを形成す
る。

【００２５】ここでは遮光膜としてＣｒ膜を用いている
が、本発明はこれに限定されるものではなく、他の金属
膜もしくは金属酸化膜又はそれらの積層膜であってもよ
い。また、マスクブランクスとしては、市販のものを使
用してもよい。つまり、市販のマスクブランクスとは石
英基板上に２００ｎｍ程度のＣｒ膜を成膜したもの（必
要に応じて、Ｃｒと酸化Ｃｒの２層膜）に感光性材料を
０.５μｍ程度塗布したものである。

【００２６】（Ｂ）感光性材料層５に上記のＣＡＤデー
タがセットされた電子線描画装置を用いて電子線を照射
して、マスクパターンの開口部分に対応する感光パター
ンの描画を行なう。その後、現像及びリンスを含む現像
処理を施して、電子線が照射された部分の感光性材料を
除去し、さらに紫外線硬化（ハードニング）処理を施し
て耐プラズマエッチング性を向上させて、マスクパター
ンと同等の感光性材料パターン５ａを形成する。電子線
はエネルギーが高いため、感光性材料パターン５ａはそ
の側壁が石英基板１の表面１ａに対してほぼ垂直に形成
されている。ここで、ハードニング処理は紫外線による
ものに限定されるものではなく、他の方法による硬化で
あってもよい。

【００２７】（Ｃ）感光性材料パターン５ａをエッチン
グマスクとして遮光膜３に対してドライエッチング（異
方性エッチング）を施す。これにより、遮光膜３がパタ
ーン化されて遮光膜パターン３ａが形成され、「単位セ
ルＮｏ.」が規則的に「レンズ配置位置」に並んだ濃度
分布マスクが得られる。その単位セル内では、遮光膜３
が除去された部分と、遮光膜３が残っている部分が形成
される。その光透過量又は遮光量として、一つの単位セ
ルを特徴づけ、構成させることができる。

【００２８】図２は図１（Ｃ）中の破線円部ａを示す拡
大断面図である。石英基板１に対してその側壁がほぼ垂
直に形成された感光性材料パターン５ａをエッチングマ
スクとして形成された遮光膜パターン３ａはその側壁が
石英基板１の表面１ａに対してほぼ垂直に形成される。
これにより、遮光膜パターン３ａが存在する部分では光
透過率が０％、遮光膜パターン３ａが存在しない部分で
は光透過率が１００％である濃度分布マスクが得られ
る。ここまでの工程は、遮光膜パターン３ａの開口面積
により光透過率を制御する方法を示している。

【００２９】（Ｄ）石英基板１の表面１ａ上全面にポジ
型感光性材料７（ＯＦＰＲ−８００−２０：２０ＣＰ
Ｓ、東京応化工業（株）の製品）を所定の方法によりス
ピンナーを用いて１.０μｍの膜厚に塗布する。次い
で、石英基板１の表面１ａとは反対側の裏面１ｂ側に、
予め用意した拡散板９を裏面１ｂと所定の間隔（ギャッ
プ）ｄをもって配置する。ギャップｄは例えば１.０ｍ
ｍである。拡散板９はプラスチック製のものでもガラス
製のものでもよい。また、拡散板９の焦点距離は、石英
基板１の厚さ、すなわちマスクブランクスの基板厚さや
電子線描画した各ドットの寸法に基づいて設定すること
が好ましい。一般には焦点距離が短いものの方が適して
いる。そしてギャップｄを変更することにより、遮光膜
パターン３ａの開口部分を介してポジ型感光性材料層７
に照射される拡散光の拡散角度を容易に変更することが
できる。なお、図１（Ｄ）に示す拡散板９の凹凸形状は
単なるイメージであり、実際の凹凸形状を示すものでは
ない。

【００３０】次に、石英基板１の裏面１ｂ側に拡散板９
を介してｇ線（波長４３６ｎｍ）を露光する。図３は図
１（Ｄ）中の破線円部ｂを示す拡大断面図である。ｇ線
は、拡散板９により拡散及び屈折され、裏面１ｂ側から
石英基板１を介して表面１ａ側に到達する。表面１ａ側
に到達したｇ線は、遮光膜パターン３ａの開口部分でさ
らに回折されて、遮光膜パターン３ａの開口部分から広
角的にポジ型感光性材料層７に照射される。なお、ポジ
型感光性材料層７の膜厚は１.０μｍと薄いので、ｇ線
の露光量は拡散板９で拡散される光を考慮しても１００
ｍＪ程度で十分である。

【００３１】この実施例では遮光膜パターン３ａの開口
部分からポジ型感光性材料層７に露光する拡散光とし
て、拡散板９により拡散及び屈折したｇ線を用いている
が、本発明はこれに限定されるものではなく、ポジ型感
光性材料層７を感光可能な拡散光であればよい。また、
拡散光の波長は遮光膜パターン３ａの最小線幅又は最小
ドット長さよりも長い波長であることが好ましい。

【００３２】（Ｅ）ポジ型感光性材料層７に対して、現
像及びリンスを含む現像処理を施して、ｇ線が照射され
た部分のポジ型感光性材料を除去し、さらに加熱ハード
ニング処理を施して耐プラズマエッチング性を向上させ
て、ポジ型感光性材料パターン７ａを形成する。図４は
図１（Ｅ）中の破線円部ｃを示す拡大断面図である。遮
光膜パターン３ａの開口部分周辺に存在するポジ型感光
性材料パターン７ａの断面構造は、図４に示すように、
遮光膜パターン３ａの開口部分から離れるにつれて連続
的に膜厚が厚くなるようにテーパー状の形状になってい
る。加熱ハードニング処理後のポジ型感光性材料パター
ン７ａの膜厚は０.８μｍであった。ここで、耐プラズ
マエッチング性を向上させる手段として加熱ハードニン
グ処理を用いているが、他の手段であってもよい。但
し、加熱ハードニング処理によれば、加熱処理により感
光性材料パターン７ａが収縮するので、耐プラズマエッ
チング性を向上させる効果に加えて、さらに、遮光膜パ
ターン３ａの開口部分周辺での感光性材料パターン７ａ
の傾斜角度を大きくすることができるという効果も得ら
れる。

【００３３】（Ｆ）石英基板１をＴＣＰ（誘導結合型プ
ラズマ）ドライエッチング装置に設置し、真空度：１.
５×１０^-3Ｔｏｒｒ、ＣＨＦ₃：１.０ｓｃｃｍ、Ａｒ：
０.５ｓｃｃｍ、Ｏ₂：１０.０ｓｃｃｍ、ＢＣｌ₃：１.
０ｓｃｃｍ、基板バイアス電力：２００Ｗ、上部電極電
力：１.００ｋＷ、基板冷却温度：０℃の条件下で石英
基板１の表面１ａ側に対して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一
定に維持しながらエッチングを行なった。石英基板１の
平均エッチング速度は０.００５μｍ／分、ポジ型感光
性材料パターン７ａの平均エッチング速度は０.０７０
μｍ／分、遮光膜パターン３ａの平均エッチング速度は
０.０２５μｍ／分であり、全体のエッチング時間は８
分であった。ドライエッチング後の状態では、遮光膜パ
ターン３ａ上に一部の感光性材料パターン７ａがエッチ
ング除去されずに残留している。次いで、その残留して
いる感光性材料パターン７ａを剥離液によって除去し
た。さらに、専用のマスク洗浄機によってマスクを洗浄
した。このドライエッチング工程で、遮光膜パターン３
ａの開口部分に位置する石英基板１の一表面１ａに０.
０４μｍ程度の段差（図示は省略）が生じるが、この段
差は光学上特段の影響を及ぼすものではない。

【００３４】図５（Ａ）は図１（Ｆ）中の破線円部ｄを
示す拡大断面図であり、（Ｂ）はその断面位置での光学
濃度分布を示す図である。（Ｂ）において、縦軸は光透
過率（％）を表し、横軸は断面位置を表す。また、
（Ａ）において、石英基板１の一表面１ａに形成された
上記段差の図示は省略する。（Ａ）に示すように、遮光
膜パターン３ａの開口部分周辺の断面構造は、遮光膜パ
ターン３ａの開口部分から離れるにつれて連続的に膜厚
が厚くなるようにテーパー状の形状になっており、完全
に遮光できる膜厚で遮光膜が残っている遮光部分３ｂ
と、遮光膜が全く存在しない開口部分３ｃと、完全に遮
光できる膜厚に比べて膜厚が薄い遮光膜が残っている中
間部分３ｄの３つの領域に分けることができる。

【００３５】中間部分３ｄにおける遮光膜の膜厚は、開
口部分３ｃ側から遮光部分３ｂ側に向って連続的に厚く
なっているので、（Ｂ）中の実線Ａで示すように、中間
部分３ｄにおける光透過率は開口部分３ｃ側から遮光部
分３ｂ側に向って連続的に小さくなっている。また、
（Ｂ）中の破線Ｂは、遮光膜パターンに中間部分３ｄに
対応する部分が存在しない従来の濃度分布マスクの光学
濃度分布を示している。その光透過率は開口部分では１
００％、遮光部分では０％であり、光透過率はデジタル
的に変化している。それに対し、この実施例により製作
した濃度分布マスクでは、膜厚が連続的に変化している
中間部分３ｄの存在により、光透過率は中間部分３ｄ、
すなわち開口部分３ｃ周辺でアナログ的に変化してい
る。

【００３６】このように、工程（Ｄ）から（Ｆ）によ
り、遮光膜パターン３ａの膜厚の制御により光透過率を
制御することができた。そして、工程（Ａ）から（Ｃ）
による遮光膜パターン３ａの開口面積の制御と、工程
（Ｄ）から（Ｆ）による遮光膜パターン３ａの膜厚の
制御を組み合わせた制御を実現することができた。

【００３７】図６は、濃度分布マスクの代表的な単位セ
ル配置例として、２０μｍ×２０μｍのマイクロレンズ
のためのものの例を示す。単位セルは、碁盤の目状の正
方形形状である。単位セルは必ずしも正方形である必要
はなく、所望の形状に応じて他の多角形形状にすること
が望ましい。斜線部は遮光膜が残存している部分であ
る。

【００３８】（液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１）
次に、本発明により製作した濃度分布マスクを用いてＭ
ＬＡを製作した例を説明する。濃度分布マスクレチクル
製作の具体例１の濃度分布マスクレチクル（図６のも
の）をマスクとして使用し、図７に示す縮小投影露光装
置（１／５ステッパー）を使用して露光を行なって、レ
ジストパターンを形成し、それを光学デバイス用材料に
転写して製作した液晶プロジェクタ用ＭＬＡの例を述べ
る。

【００３９】まず、その縮小投影露光装置の説明を行な
う。光源ランプ３０からの光は、集光レンズ３１により
集光され、露光用マスク３２を照射する。マスク３２を
通過した光は、縮小倍率の結像レンズ３３に入射し、ス
テージ３４上に載置された光学デバイス用材料３７の表
面に、マスク３２の縮小像、すなわち、光学濃度分布の
縮小像を結像する。光学デバイス用材料３７を載置した
ステージ３４は、ステップモーター３５，３６の作用に
より、結像レンズ３３光軸に直交する面内で、互いに直
交する２方向へ変位可能であり、光学デバイス用材料３
７の位置を、結像レンズ３３の光軸に対して位置合わせ
できるようになっている。結像レンズ３３によるマスク
３２の縮小像を、光学デバイス用材料３７のフォトレジ
スト層表面に結像させる。この露光を、光学デバイス用
材料３７の全面にわたって密に行なう。

【００４０】液晶プロジェクタ用ＭＬＡを製作するため
に、ネオセラム基板を用意し、この基板上に前述のＴＧ
ＭＲ−９５０レジストを８.５６μｍの厚さに塗布し
た。次にホットプレートで、１００℃にてベーク時間１
８０秒でプリベークした。この基板を図７の１／５ステ
ッパーで露光した。次のような露光条件からを連続
して行なった。デフォーカス量：＋５μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒デフォーカス量：＋４μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒デフォーカス量：＋３μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒デフォーカス量：＋２μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒デフォーカス量：＋１μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒デフォーカス量：＋０μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１５秒この条件では、総合露光量は、照射量３９０ｍＷ×０.
８０秒（照度：３１２ｍＪ）である。ここで、デフォー
カス量とは焦点がずれている程度をいい、その表示の＋
の符号は、焦点がレジスト表面の上方にあることを意味
している。

【００４１】この条件で露光後、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。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。光
学濃度分布がアナログ的な濃度分布マスクを用いたこと
によって、特段の段差を生じることなく形状を製作する
ことができた。

【００４２】その後、上記基板をＴＣＰ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、Ｏ
₂：１５.０ｓｃｃｍ、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、
０.６３μｍ／分であったが、実際のエッチンング時間
は、１１.５分を要した。エッチング後のレンズ高さ
は、５.３３μｍであった。

【００４３】（液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例２）
液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１と同じ濃度分布マ
スクレチクルを用い、ステッパー装置での露光条件を変
更して行なった。次のような露光条件からを連続し
て行なった。デフォーカス量：＋５μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.３３秒デフォーカス量：＋２μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.３３秒デフォーカス量：＋０μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.２０秒この条件では、総合露光量は、照射量３９０ｍＷ×０.
８６秒（照度：３３５ｍＪ）である。

【００４４】この条件で露光後、感光性材料のＰＥＢ、
現像、リンスを行なった。次いで、液晶用微小寸法ＭＬ
Ａ製作の具体例１と同じ条件でレジストのハードニング
を行なった。このときのレジスト高さは７.２μｍであ
った。光学濃度分布がアナログ的な濃度分布マスクを用
いたことによって、特段の段差を生じることなく形状を
製作することができた。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と同じ条件で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、０.６７μｍ／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。

【００４５】（液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例３）
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
チクルを用い、ステッパー装置での露光条件を変更して
行なった。次のような露光条件からを連続して行な
った。デフォーカス量：＋５μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒デフォーカス量：＋４μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒デフォーカス量：＋３μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒デフォーカス量：＋２μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒デフォーカス量：＋１μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒デフォーカス量：＋０μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１５秒この条件では、総合露光量は、照射量３９０ｍＷ×０.
８０秒（照度：３１２ｍＪ）である。

【００４６】この条件で露光後、感光性材料のＰＥＢ、
現像、リンスを行なった。次いで、液晶用微小寸法ＭＬ
Ａ製作の具体例１と同じ条件でレジストのハードニング
を行なった。このときのレジスト高さは７.７μｍであ
った。光学濃度分布がアナログ的な濃度分布マスクを用
いたことによって、特段の段差を生じることなく形状を
製作することができた。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。

【００４７】このようにして、非球面形状のＭＬＡを形
成した。その結果、光学濃度分布がアナログ的な濃度分
布マスクを用いたことによって、特段の段差を生じるこ
となく非球面形状を製作することができた。この具体例
３によって製作したＭＬＡは、具体例１で作成したＭＬ
Ａよりも焦点距離が短いＭＬＡを実現することができ
た。また、具体例３によって、従来の濃度分布マスク工
法で作成したＭＬＡよりも高精度の非球面形状を再現性
よく形成することができた。

【００４８】

【発明の効果】本発明の濃度分布マスクの製造方法で
は、電子線による描画工程（Ａ）、現像工程（Ｂ）及び
エッチング工程（Ｃ）により透明基板の一表面上にデジ
タル的な遮光膜パターンを形成した後、上記一表面上全
面にポジ型感光性材料層を形成するポジ型感光性材料層
形成工程（Ｄ）、透明基板の裏面側から透明基板を介し
て、遮光膜パターンをマスクにしてポジ型感光性材料層
に光を照射する露光工程（Ｅ）、露光後のポジ型感光性
材料層に現像処理を施して遮光膜パターン上にポジ型感
光性材料パターンを形成する現像工程（Ｆ）、及び透明
基板の上記一表面に異方性エッチングを施して、ポジ型
感光性材料パターンをマスクにして、遮光膜パターンの
一部分を除去するエッチング工程（Ｇ）により、開口部
分周辺の遮光膜パターンの膜厚を開口部分に近づくにつ
れて連続的に薄くなるように形成するようにしたので、
遮光膜パターンの開口面積の制御と遮光膜パターンの膜
厚の制御を組み合わせることによって、各ドット部を通
過する光量をアナログ的に制御することができ、光学濃
度分布がアナログ的な濃度分布マスクを製造することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例を示す工程断面図である。

【図２】図１（Ｃ）中の破線円部ａを示す拡大断面図で
ある。

【図３】図１（Ｄ）中の破線円部ｂを示す拡大断面図で
ある。

【図４】図１（Ｅ）中の破線円部ｃを示す拡大断面図で
ある。

【図５】図１（Ｆ）中の破線円部ｄを示す拡大断面図で
ある。

【図６】マイクロレンズ用濃度分布マスクの遮光パター
ンの一例を示す図である。

【図７】縮小投影露光装置の一例を示す概略構成図であ
る。

【符号の説明】

１石英基板３遮光膜３ａ遮光膜パターン５感光性材料層５ａ感光性材料パターン７ポジ型感光性材料層７ａポジ型感光性材料パターン９拡散板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】濃度分布マスクを用いた露光により基板
上に３次元構造の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される
濃度分布マスクを以下の工程を含んで製造する濃度分布
マスクの製造方法。（Ａ）透明基板の一表面に遮光膜を介して形成された感
光性材料層に電子線を用いて描画する描画工程、（Ｂ）描画後の前記感光性材料層に現像処理を施して感
光性材料パターンを形成する現像工程、（Ｃ）前記感光性材料パターンをマスクにして異方性エ
ッチングを施して、前記遮光膜をパターニングして遮光
膜パターンを形成するエッチング工程、（Ｄ）前記透明基板の遮光パターンの存在する側の一表
面上全面にポジ型感光性材料層を形成するポジ型感光性
材料層形成工程、（Ｅ）前記透明基板の裏面側から前記透明基板を介し
て、前記遮光膜パターンをマスクにして前記ポジ型感光
性材料層に光を照射する露光工程、（Ｆ）露光後の前記ポジ型感光性材料層に現像処理を施
して前記遮光膜パターン上にポジ型感光性材料パターン
を形成する現像工程、（Ｇ）前記ポジ型感光性材料パターンをマスクにして異
方性エッチングを施して、前記遮光膜パターンの一部分
を除去するエッチング工程。
【請求項２】前記露光工程（Ｅ）において、照射する
光は拡散光である請求項１に記載の濃度分布マスクの製
造方法。
【請求項３】前記露光工程（Ｅ）において、前記遮光
膜パターンの配置位置に応じて前記ポジ型感光性材料に
対する拡散光の拡散角度を異ならせる請求項２に記載の
濃度分布マスクの製造方法。
【請求項４】前記露光工程（Ｅ）は、前記透明基板の
裏面側に拡散板を配置し、その拡散板を介して前記拡散
光を照射する請求項２又は３に記載の濃度分布マスクの
製造方法。
【請求項５】前記露光工程（Ｅ）において、照射する
光の波長は前記遮光膜パターンの最小線幅又は最小ドッ
ト長さよりも長い波長である請求項１から４のいずれか
に記載の濃度分布マスクの製造方法。