JP2007219343A - マイクロレンズの製造方法及び微細構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な形状を有するマイクロレンズの製造方法を提供する。
【解決手段】基板の上に形成したレジスト層を現像して円柱形状のレジストパターンを形成し、その後、熱フローにより前記レジストを溶融してレンズ形状とし、さらに、残った前記レジストと前記基板をドライエッチングして前記レジストの形状を前記基板に転写する工程を有するマイクロレンズの製造方法であって、前記ドライエッチングの開始時点において、熱フローにより形成された前記レンズ形状４のレジストの高さ（ＳＡＧ量）が、レジストパターンが形成されない領域５に形成されているレジスト層の高さより低くされていることを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロレンズの製造方法及び微細構造体の製造方法に関するものである。

マイクロレンズを製造する方法の１つとして、石英等の基板の上にレジストを塗布し、クロム遮光部に開口部が設けられた単純なバイナリーマスクを用いてレジストを露光現像し円柱形状を形成した後、熱フローによりレジストをレンズ形状とし、さらに、残ったレジストと基板を同時にドライエッチングすることによりレジスト形状を基板に転写し、基板の表面にマイクロレンズを製造する方法が知られている。

このようなマイクロレンズの製造方法においては、レジストと基板のエッチング選択比（基板のエッチング速度／レジストのエッチング速度）が問題となる。すなわち、エッチングの終了時に目標とするマイクロレンズの形状が得られるように、エッチング選択比を考慮して、熱フローにより形成されるレジストの形状を決定してやる必要がある。

図８に、マイクロレンズの半径方向のエッチング選択比のパターンの例を示す。（ａ）は、エッチング選択比が半径方向で変化しない場合であり、最も理想的な場合である。（ｂ）はエッチング選択比のレンズ半径方向での変化率が一定の場合であり、この場合でも変化率が予め分かっていれば、それを考慮して、レジストの形状を決定することができる。

（ｃ）は、エッチング選択比の変化率がレンズ半径方向で変化する場合であり、多くの場合、変化の仕方が一様ではない。よって、このような場合、同じ形状のレジストをドライエッチングしても、基板上表面に形成されるマイクロレンズの形状が異なるという問題点がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、基板の上に形成したレジスト層を現像して円柱形状のレジストパターンを形成し、その後、熱フローにより前記レジストを溶融してレンズ形状とし、さらに、残った前記レジストと前記基板をドライエッチングして前記レジストの形状を前記基板に転写する工程を有するマイクロレンズの製造方法であって、正確な形状を有するマイクロレンズの製造方法を提供すること、及び、基板と、前記基板に形成する所望の形状に対応した形状を有したレジストパターンを有し、前記レジストパターンと前記基板とをドライエッチングして前記レジストパターンを前記基板に転写する工程を有する微細構造体の製造方法であって、正確な形状を有する微細構造体の製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、基板の上に形成したレジスト層を現像して円柱形状のレジストパターンを形成し、その後、熱フローにより前記レジストを溶融してレンズ形状とし、さらに、残った前記レジストと前記基板をドライエッチングして前記レジストの形状を前記基板に転写する工程を有するマイクロレンズの製造方法であって、前記ドライエッチングの開始時点において、熱フローにより形成された前記レンズ形状のレジストの高さ（ＳＡＧ量）が、前記レンズ形状のレジストパターンが形成されない領域に存在しているレジスト層の高さより低くされていることを特徴とするマイクロレンズの製造方法である。

発明者が、エッチング選択比が図８（ｃ）のようになる原因を究明した結果、レジストパターンが形成されない領域、すなわち、円柱状のレジストパターンが形成されている領域の周囲の領域のレジストが原因であることを突き止めた。通常、この領域においては露光は行われず、かなり広い面積に亘ってレジストがそのまま残留している。

ドライエッチングが進み、ある段階に達すると、この領域のレジストが一斉に無くなり、基板表面が露出する。すると、基板が石英やガラスの場合には、基板から酸素が発生し、エッチングガスの組成を変えることになる。そのため、エッチング選択比がこの時点を境に大幅に変化する。基板が樹脂の場合には、逆に樹脂が酸素を吸入し、エッチングガスの組成を変えることになる。そのため、エッチング選択比がこの時点を境に大幅に変化する。

いずれにしても、レジストパターンが形成されない領域のレジストがエッチングにより消滅した段階でエッチング選択比が急変するので、それが、マイクロレンズの半径方向のエッチング選択比を変えることにつながり、図８（ｃ）のようなエッチング選択比となってしまう。

そこで、本手段においては、ドライエッチングの開始時点において、熱フローにより形成されたレンズ形状のレジストの高さ（ＳＡＧ量）を、レンズ形状のレジストパターンが形成されない領域に存在しているレジスト層の高さより低くするようにしている。レンズ形状のレジストの高さ（ＳＡＧ量）を、レジストパターンが形成されない領域に形成されているレジスト層の高さより低くする方法としては、たとえば、円柱状のレジストパターンを形成する場所にも、ある程度の露光を行い、一方、レジストパターンが形成されない領域は、露光を行わない状態にしておけばよい、
このようにすると、マイクロレンズが形成される領域のドライエッチングが終了した時点で、レジストパターンが形成されない領域には、まだレジストが残っていることになり、前述のようなエッチングレートの急変の発生を防止することができる。よって、図８（ａ）、（ｂ）に示すようなエッチング選択比のパターンが得られ、正確な形状のマイクロレンズを製造することができる。

前記課題を解決するための第２の手段は、基板の上に形成したレジスト層を現像して円柱形状のレジストパターンを形成し、その後、熱フローにより前記レジストを溶融してレンズ形状とし、さらに、残った前記レジストと前記基板をドライエッチングして前記レジストの形状を前記基板に転写する工程を有するマイクロレンズの製造方法であって、前記ドライエッチングの開始時点において、前記レンズ形状のレジストパターンが形成されない領域に、レジスト層が形成されていないことを特徴とするマイクロレンズの製造方法である。

本手段においては、前記第１の手段とは逆に、ドライエッチングの開始時点において、レンズ形状のレジストパターンが形成されない領域に、レジスト層が形成されていない状態にしておく。これは、たとえば、レジストパターンが形成されない領域に露光を行うことによって簡単に実現できる。このようにすると、レジストパターンが形成されない領域においては、始めから基板がむき出しになっており、ドライエッチングの途中でエッチング選択比が急変することがない。よって、図８（ａ）、（ｂ）に示すようなエッチング選択比のパターンが得られ、正確な形状のマイクロレンズを製造することができる。

前記課題を解決するための第３の手段は、基板と、前記基板に形成する所望の形状に対応した形状を有したレジストパターンを有し、前記レジストパターンと前記基板とをドライエッチングして前記レジストパターンを前記基板に転写する工程を有する微細構造体の製造方法であって、前記ドライエッチング開始時点において、前記レジストパターンの高さが、前記基板に形成する所望の形状が形成されない領域に存在しているレジスト層の高さより低くされていることを特微とする微細構造体の製造方法である。

本手段は、前記第１の手段と同様に、基板の上に形成されたレジストパターンを、エッチングレートの急変の発生を防止することで、正確な形状とするものであり、前記第１の手段と同様の作用効果を奏する。

前記課題を解決するための第４の手段は、基板と、前記基板に形成する所望の形状に対応した形状を有したレジストパターンを有し、前記レジストパターンと前記基板とをドライエッチングして前記レジストパターンを前記基板に転写する工程を有する微細構造体の製造方法であって、前記ドライエッチング開始時点において、前記基板に形成する所望の形状が形成されない領域に、レジスト層が形成されていないことを特微とする微細構造体の製造方法である。

本手段は、前記第２の手段と同様に、基板の上に形成されたレジストパターンを、エッチングレートの急変の発生を防止することで、正確な形状とするものであり、前記第２の手段と同様の作用効果を奏する。

本発明によれば、基板の上に形成したレジスト層を現像して円柱形状のレジストパターンを形成し、その後、熱フローにより前記レジストを溶融してレンズ形状とし、さらに、残った前記レジストと前記基板をドライエッチングして前記レジストの形状を前記基板に転写する工程を有するマイクロレンズの製造方法において、正確な形状を有するマイクロレンズの製造方法を提供すること、及び、基板と、前記基板に形成する所望の形状に対応した形状を有したレジストパターンを有し、前記レジストパターンと前記基板とをドライエッチングして前記レジストパターンを前記基板に転写する工程を有する微細構造体の製造方法において、正確な形状を有する微細構造体の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を図を用いて説明する。熱フロー後のレジスト形状を基板に転写する方法は周知であるので、以下の説明においては、熱フローによりレジスト形状を形成するまでの工程について説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態であるマイクロレンズの製造方法を説明するための図である。図１（ａ）に示すように、石英、ガラス、樹脂等からなる基板１の上にレジスト２を塗布し、マスク３を介してレジスト２を露光する。マスクのうち３ａで示す部分はマイクロレンズに対応する部分であり、少量の光が透過するようになっている。３ｂに当たる部分はマイクロレンズの間を形成する部分に対応する部分であり、完全に光を透過する。マイクロレンズに対応する部分と、マイクロレンズの間を形成する部分を、本明細書及び請求の範囲では、レジストパターンが形成される領域と呼んでおり、それ以外の領域を、レンズ形状のレジストパターンが形成されない領域と呼んでいる。３ｃは、レジストパターンが形成されない領域に対応する部分であり、光を完全に遮光するようにＣｒめっき等が施されている。

露光後レジストを現像すると、図１（ｂ）に示すようなレジスト形状が得られる。２ａは、マイクロレンズとなる部分である。２ｂは、レジストパターンが形成されない領域である。２ａの領域には少量の露光が行われているために、その高さは、レジストパターンが形成されない領域２ｂの高さより低くなっている。

このようなレジスト形状を熱フローにより溶融すると、図１（ｃ）に示すようなレジすと形状が得られる。４は、マイクロレンズの形状をしたレジストである。なお、この部分の高さ（ＳＡＧ量）は、前述の２ａの部分の高さより少し高くなっている。５は、レジストパターンが形成されない領域のレジストであるが、この部分は全く露光を受けていないため、その高さは、マイクロレンズの形状をしたレジスト４の高さよりも高くなっている。

図１（ｃ）に示すような形状のレジストと基板１をドライエッチングを行うと、マイクロレンズの形状をしたレジスト４が完全にエッチングされて無くなった状態で、まだ、レンズ形状のレジストパターンが形成されない領域のレジスト５が残った状態となっている。よって、この段階でドライエッチングを終了して、残ったレジストを除去する。このようにすれば、ドライエッチング工程で、レジストパターンが形成されない領域のレジストは、最後まで残留するので、この部分のレジストが一斉に無くなりエッチング選択比が変化するという前述の問題の発生を防止することができる。

なお、本発明の第１の実施の形態では、マスク３の３ａで示す部分が少量の光を透過するようになっているマスクを使用しているが、この部分は、従来から知られているグレースケールマスクのグレースケールパターンを利用することで形成できる。一方、グレースケールパターンを有したマスクを使用しなくとも、バイナリーマスクを２枚使用することにより、レンズ形状のレジストパターンが形成されていない部分のレジスト厚よりも、レンズ形状を有したレジストパターンの高さを低くする方法がある。

例えば、図１（ａ）の工程の代わりに、図９（ａ）及び（ｂ）に示す工程で露光工程を行う。図９（ａ）に示す工程は、バイナリーマスク３０を用いて露光する工程を示す。バイナリーマスク３０においては、マイクロレンズに対応する部分３ａは、完全に光を遮光するクロムめっきが形成されている。なお、その他の部分、３ｂ及び３ｃは先に述べた図１（ａ）のマスクと同じなので、説明を省略する。

次に、図９（ｂ）に示す工程を行う。この工程においては、バイナリーマスク６を使用する。バイナリーマスク６は、図９（ａ）で示すマイクロレンズに対応する部分３ａ及びマイクロレンズの間を形成する部分に対応する部分３ｂに対応する領域６ａで、完全に光を透過する。しかし、レンズ形状のレジストパターンが形成されない領域３ｃと同じ領域６ｃでは、完全に光が遮光されるようにクロムめっきが形成されている。このようなマスク６を用い、図９（ａ）で行われる露光よりも露光量が小さくなるように露光する。その後、レジストを現像すると図１（ｂ）に示すようなレジストパターンが形成される。あとは、第１の実施の形態と同じである。

なお、この第１の実施の形態の変形例においては、図９（ａ）で示したバイナリーマスクでの露光と図９（ｂ）で示したバイナリーマスクでの露光の順番を変えてもよい。また、この場合でも、図９（ｂ）で示したバイナリーマスク使用時の露光量は、図９（ａ）で示したバイナリーマスク使用時の露光量よりも小さくすることが肝要である。

図２は、本発明の第２の実施の形態であるマイクロレンズの製造方法を説明するための図である。図２（ａ）に示すように、石英、ガラス、樹脂等からなる基板１の上にレジスト２を塗布し、マスク３を介してレジスト２を露光する。マスクのうち３ａで示す部分はマイクロレンズに対応する部分であり、完全に光を遮光する。３ｂに当たる部分はマイクロレンズの間を形成する部分に対応する部分であり、完全に光を透過する。Ａに当たる部分がレジストパターンが形成されない領域に対応する部分であり、完全に光を透過する。

露光後レジストを現像すると、図２（ｂ）に示すようなレジスト形状が得られる。２ａは、マイクロレンズとなる部分である。２ｂは、レジストパターンが形成されない領域である。レジストパターンが形成されない領域Ｂにおいては、レジストが完全に除去されている。

このようなレジスト形状を熱フローにより溶融すると、図２（ｃ）に示すようなレジスト形状が得られる。４は、マイクロレンズの形状をしたレジストである。

図２（ｃ）に示すような形状のレジストと基板１をドライエッチングを行うと、レンズ形状のレジストパターンが形成されない領域Ｂのレジストは最初から無く、基板１がむき出しになっているので、この部分のレジストが一斉に無くなりエッチング選択比が変化するという前述の問題の発生を防止することができる。

なお、図９（ａ）に示すマスクと、レンズ形状のレジストパターンが形成されない領域に対応する部分だけ光を透過するマスクの２枚を用いて、レンズ形状のレジストパターンが形成されない領域Ｂのレジストを無くすようにしてもよい。

なお、本発明はレンズだけに限らず、レジストに形成された回折パターンを基板に転写する方法にも適用できる。例えば、ブレーズ型の回折光学素子の場合、レジストパターンで正確なブレーズパターンができていても、途中でエッチングレートの急変が発生してしまうと、ブレーズパターンの斜面の傾きが途中で変わってしまう。そのため、所望の形状のブレーズパターンができなくなってしまう。しかし、本発明を適用することで、ブレーズパターンの斜面の傾きが途中で変わってしまうことを防止して、基板にブレーズパターンを転写できるという効果を得ることができる。

このようにレンズだけに限られず、微細構造休を形成する領域が基板全面でない場合には、本発明は有効な手段である。なお、本明細書及び特許請求の範囲で言う「前記基板に形成する所望の形状が形成されない領域」とは、例えば、レンズ形状のレジストパターンが形成されていない部分のような、レジストパターンの形状転写を積極的に利用していない領域を示している。

（実施例）
厚さ１．２ｍｍの６インチ石英基板に、ポジ型レジストを厚さが７μｍとなるように塗布した。その後、９０℃で３０分間プリベーク処理を行った。続いて、単純なクロム遮光バイナリーマスクを用いて、ｉ線ステッパーで露光した。マイクロレンズアレイ製作のための露光領域は（６０×６０）ｍｍで、その外側は全面オーバー露光し、現像処理した。

これにより、ピッチ１１０μｍ、直径１００μｍのレジスト製円柱形状を（６０×６０）ｍｍの領域に製作した。その外側はレジストがなく光学基材表面が露出した状態である。

これを温度１５０〜１６０℃で３０分加熱し、熱フローによりレジスト製マイクロレンズを製作した。製作したレジスト形状は、図３に示す通りであった。

このレジスト製マイクロレンズアレイをＲＩＥドライエッチング装置で石英基板に形状転写した。ドライエッチング中のガス流量設定は固定とした。ドライエッチング後のレンズ形状を図４、エッチング時の選択比プロファイルを図５に示す。選択比変化が一定になり、得られた石英製マイクロレンズの形状精度も良好であった。

（比較例）
厚さ１．２ｍｍの６インチ石英基板に、ポジ型レジストを厚さが７μｍとなるように塗布した。その後、９０℃で３０分間のプリベーク処理を行った。単純なクロム遮光バイナリーマスクを用いて、ｉ線ステッパーで露光した。マイクロレンズアレイ製作のための露光領域は（６０＊６０）ｍｍである。

これにより、ピッチ１１０μｍ、直径１００μｍのレジスト製円柱形状を（６０＊６０）ｍｍの領域に製作した。その外側はレジスト塗布残部のレジスト７μｍが全面に残っている状態である。

これを温度１５０〜１６０℃で３０分加熱し、熱フローによりレジスト製マイクロレンズを製作した。製作したレジスト形状は、図３に示す形状とほぼ同形状であった。

このレジスト製マイクロレンズアレイをＲＩＥドライエッチング装置で石英基板に形状転写した。

ドライエッチング中のガス流量設定は固定とした。ドライエッチング後のレンズ形状を図６、エッチング時の選択比プロファイルを図７に示す。マイクロレンズ半径方向の選択比変化が一定ではなく、途中から選択比が変わっていることがわかる。その結果、石英製マイクロレンズの形状精度も悪化していることがわかった。

本発明の第１の実施の形態であるマイクロレンズの製造方法を説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態であるマイクロレンズの製造方法を説明するための図である。 本発明の実施例において製作されたレンズ形状のレジスト形状と形状誤差を示すグラフである。 本発明の実施例によって得られたレンズ形状と形状誤差を示すグラフである。 本発明の実施例におけるエッチング時の選択比プロファイルを示す図である。 本発明の比較例によって得られたレンズ形状と形状誤差を示すグラフである。 本発明の比較例におけるエッチング時の選択比プロファイルを示す図である。 マイクロレンズの半径方向のエッチング選択比のパターンの例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態の変形例であるマイクロレンズの製造方法を説明するための図である。

符号の説明

１…基板、２…レジスト、２ａ…マイクロレンズとなる部分のレジスト、２ｂ…レンズ形状のレジストパターンが形成されない領域となる部分のレジスト、３…マスク、３ａ…マスクの、マイクロレンズに対応する部分、３ｂ…マスクのマイクロレンズの間を形成する部分に対応する部分マイクロレンズの間を形成する部分に対応する部分、３ｃ…マスクのレジストパターンが形成されない領域に対応する部分、４…マイクロレンズの形状をしたレジスト、５…レジストパターンが形成されない領域のレジスト、６…マスク、６ａ…マイクロレンズに対応する部分３ａ及びマイクロレンズの間を形成する部分に対応する部分３ｂに対応する領域、６ｂ…レンズ形状のレジストパターンが形成されない領域３ｃと同じ領域

Claims (4)

1. 基板の上に形成したレジスト層を現像して円柱形状のレジストパターンを形成し、その後、熱フローにより前記レジストを溶融してレンズ形状とし、さらに、残った前記レジストと前記基板をドライエッチングして前記レジストの形状を前記基板に転写する工程を有するマイクロレンズの製造方法であって、前記ドライエッチングの開始時点において、熱フローにより形成された前記レンズ形状のレジストの高さ（ＳＡＧ量）が、前記レンズ形状のレジストパターンが形成されない領域に存在しているレジスト層の高さより低くされていることを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
2. 基板の上に形成したレジスト層を現像して円柱形状のレジストパターンを形成し、その後、熱フローにより前記レジストを溶融してレンズ形状とし、さらに、残った前記レジストと前記基板をドライエッチングして前記レジストの形状を前記基板に転写する工程を有するマイクロレンズの製造方法であって、前記ドライエッチングの開始時点において、前記レンズ形状のレジストパターンが形成されない領域に、レジスト層が形成されていないことを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
3. 基板と、前記基板に形成する所望の形状に対応した形状を有したレジストパターンを有し、前記レジストパターンと前記基板とをドライエッチングして前記レジストパターンを前記基板に転写する工程を有する微細構造体の製造方法であって、前記ドライエッチング開始時点において、前記レジストパターンの高さが、前記基板に形成する所望の形状が形成されない領域に存在しているレジスト層の高さより低くされていることを特微とする微細構造体の製造方法。
4. 基板と、前記基板に形成する所望の形状に対応した形状を有したレジストパターンを有し、前記レジストパターンと前記基板とをドライエッチングして前記レジストパターンを前記基板に転写する工程を有する微細構造体の製造方法であって、前記ドライエッチング開始時点において、前記基板に形成する所望の形状が形成されない領域に、レジスト層が形成されていないことを特微とする微細構造体の製造方法。

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