(57)【要約】【課題】低コストでかつ一回の露光工程で比較的広い面積にわたって連続的に高さの変化する３次元構造体を作製することを目的とする。【解決手段】露光対象を回転駆動させる回転駆動部３と、露光対象の露光面にレーザ光を照射する光照射部１とを備える露光装置１００とする。またさらに、回転駆動部３又は光照射部１に固定され、回転駆動部３又は光照射部１を回転駆動部の回転方向を横切る方向に露光面上を移動させるスライド移動部４と、前記回転駆動部３からの回転同期信号に合わせて、光照射部１にレーザ光の強度を変化させるアナログ変調信号を送出する信号発生部２を備えるものとする。そして回転駆動部３とスライド移動部４と光照射部１の動作を制御する制御部５を備え、信号発生部２は前記回転駆動部３からの回転同期信号に合わせて変調信号を送出する露光装置とする。【選択図】図１
2011090055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光対象を回転駆動させる回転駆動部と、
前記露光対象の露光面にレーザ光を照射する光照射部と、
前記回転駆動部又は光照射部に固定され、前記回転駆動部又は光照射部を前記回転駆動部の回転方向を横切る方向に前記露光面に沿って移動させるスライド移動部と、
前記回転駆動部からの回転同期信号に合わせて、前記光照射部にレーザ光の強度を変化させるアナログ変調信号を送出する信号発生部と、
前記回転駆動部と前記スライド移動部と前記光照射部の動作を制御する制御部と、
を備える
露光装置。
【請求項２】
前記回転駆動部の１回転あたりに前記スライド移動部が移動する距離は、前記レーザ光のスポット径未満に設定可能である請求項１に記載の露光装置。
【請求項３】
前記回転駆動部はロールに接続され、前記スライド移動部は前記ロールの回転軸方向に沿って移動する請求項１に記載の露光装置。
【請求項４】
露光対象を回転させるステップと、
前記回転する露光対象の露光面に照射するレーザ光を、前記露光対象の回転方向を横切る方向に前記露光面に沿って走査させるステップと、
を含み、前記レーザ光の強度を前記露光対象の回転周期に合わせて変調させる
露光方法。
【請求項５】
前記レーザ光が前記スライド移動部によって前記露光対象の１回転毎に前記露光面上を走査する移動量を、前記露光対象の回転周期あたり前記レーザ光のスポット径未満とする請求項４に記載の露光方法。
【請求項６】
前記露光対象の同じ回転位相において照射される前記レーザ光の強度を経時的に変化させる請求項５に記載の露光方法。
【請求項７】
前記露光対象の同じ回転位相において照射される前記レーザ光の強度を連続的に変化させる請求項６に記載の露光方法。
【請求項８】
前記レーザ光が前記スライド移動部によって前記露光対象の１回転毎に前記露光面上を走査する移動量を、前記露光対象の回転周期あたり前記レーザ光のスポット径の１／２以上とし、前記スポット径未満とする請求項５に記載の露光方法。
【請求項９】
前記露光対象は、ポジレジストである請求項４に記載の露光方法。
【請求項１０】
前記露光面は回転するロールのロール面とし、前記レーザ光を前記ロールの回転軸方向に沿って走査させる請求項４に記載の露光方法。
【請求項１１】
前記露光対象は円盤状であり、前記レーザ光を前記露光対象の盤面の半径方向に沿って走査させる請求項４に記載の露光方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は露光装置、特に３次元微細加工のための露光装置及び露光方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、３次元構造体を自由に形成する三次元加工技術の開発が盛んに行われるようになっている。例えば下記特許文献１では、積層造形法を用いた加工法が開示されている。この手法では熱可塑性樹脂の粉末と可溶性フィラー粉末とを混合した粉末材料の薄層を形成し、レーザによって選択的に任意の箇所を焼結させる。そしてその上に再び薄層を形成して焼結させることを繰り返すことで焼結薄層を順次積層し、全体の形を形成するものである。特に下記特許文献１においては、造形後に水によって可溶性フィラー粉末を溶出させることで、空孔率の高い構造体を形成するものである。
【０００３】
また、薄層を積層させることで３次元構造体を形成するものとしては、他に光造形法のように液体を材料とする方法がある。この方法は光硬化樹脂に選択的にビームを照射し、硬化した層を積層させるものである。例えば下記特許文献２では、２次元スライスデータに基づいて造形冶具をＸ軸、Ｒ軸、θ軸に移動させると同時に光硬化樹脂を吹きつけ、レーザ照射を行うことが開示されている。
【０００４】
また、下記特許文献３では、光造形用樹脂の液面に選択的にパルス光を照射することで３次元構造を形成することが開示されている。レーザ光にはＮｄ：ＹＶＯ４（波長１０６４ｎｍ）を高調波変換器で３５５ｎｍにしたものを用い、それを超音波変調器でパルス化している。また、このパルス光はガルバノミラーによって液面上を２次元的に走査し、任意の箇所を選択的に硬化させるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３０１９４５号公報
【特許文献２】特開２００１−１６２６８７号公報
【特許文献３】特開平１１−４２７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１〜３に開示の発明では全て、光の照射部が硬化するいわゆるネガ型の材料を用いている。ネガ型の材料の場合、光が照射された材料の表面側から硬化が始まる。したがって硬化した部分が材料の配置された基板等に達していない時には、硬化した部分は材料中に浮いた状態となっている。このため未硬化部を溶剤によって溶解するプロセス中に基板から剥がれて、構造体が失われてしまう。
すなわち、基板側から材料を硬化させるためには、上記のように積層によって少しずつ硬化させていかなければならない。ところが層を積層することによって３次元構造体を形成する場合、形成された固化層上に再び固化材料を配置し、レーザ照射を行う操作を繰り返すことが必要となる。
【０００７】
また、形成される構造体の側面形状は段差を有する階層構造によって表現されることになるため、曲面を形成するにはその精度を上げようとする程層を薄く、且つ積層数を多くする必要があり、照射回数も増える。このため、そのプロセスには非常に時間がかかり、１度に大量の３次元構造体を作成するには適していない。またこの手法ではネガ型の材料にしか適用できず、ポジ型の材料を用いることができない。
【０００８】
また、上記特許文献１においては粉末を焼結させることによって固化するため、この粉末材料の粒径よりも小さいサイズの構造体を作成することはできない。したがって実際には数十ミクロン程度が限界である。またレーザをミラーによって走査しているため、全領域をカバーするにはステージ上をレーザが幾度も往復する動作が必要となる。したがってこの往路、復路分の制御が不可欠であり、この照射位置決め精度もミクロンオーダと考えられる。上記特許文献３においても同様である。すなわち、ナノメートルオーダの構造体を作成することができない。
上記特許文献２においては、その精度までは記されてはいないが、立体形状を決定するのは全て機械的な機構によるものであるから、機械的精度そのものが３次元構造体の精度となる。そして機械的な機構によってナノメートルオーダの構造を形成するための技術は特許文献２には開示されていない。
【０００９】
他にも、これらの方法においては紫外線レーザやパルスレーザ等のハイパワーレーザを必要とするため照射システムが高価になる。特に引用文献２においては、レーザ照射部に樹脂を吹き付ける機構も必要なため装置が大型となってしまう。また特許文献３では、基板を紫外線（光）硬化樹脂等に浸しながら露光を行うので、大面積の露光とするほどムダが大きくなる。
【００１０】
また上記方法に限らず３次元構造として金型作製を例に挙げると、ロールインプリント等に使用されるロール金型の製作には大きく分けて機械加工とレーザ加工とがある。
どちらの加工法も、ロールをロータリーエンコーダなどによる精密位置決めにより回転させ、あらかじめ加工したい位置へドリルやレーザ等を当て、パターニングを行っていく。しかし、この方法では膨大な時間がかかり、大面積の加工には向かない。
また、機械加工は接触式であるため加工対象が限られ、使用するドリルによって加工サイズも制限される。一方、レーザ加工は非接触であるため加工対象は限られず、スポットサイズを小さくすれば加工サイズもサブミクロンまで可能である。
しかし、従来のレーザ加工ではおおよそエキシマレーザによるマスク露光であり、露光用のマスクを用意する必要があるのでコストが高い。またさらに、マスク露光においてはマスクの大きさを超える領域の露光を行う場合、マスクの位置決め精度次第で継ぎ目ができてしまう。
【００１１】
本発明は上記問題を鑑みて、低コストで且つ一回の露光工程で比較的広い面積にわたって連続的に高さの変化する３次元構造体を作製することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため本発明による露光装置は、露光対象を回転駆動させる回転駆動部と、露光対象の露光面にレーザ光を照射する光照射部とを備える。また、回転駆動部又は光照射部に固定され、回転駆動部又は光照射部を回転駆動部の回転方向を横切る方向に露光面に沿って移動させるスライド移動部と、光照射部にレーザ光の強度を変化させるアナログ変調信号を送出する信号発生部を備える。そして回転駆動部とスライド移動部と光照射部の動作を制御する制御部を備え、信号発生部は前記回転駆動部からの回転同期信号に合わせて変調信号を送出する。
【００１３】
また、本発明による露光方法は、露光対象を回転させるステップと、回転する露光対象の露光面に照射するレーザ光を、前記露光対象の回転方向を横切る方向に前記露光面に沿って走査させるステップと、を含む。そして、レーザ光の強度を露光対象の回転周期に合わせて変調させる。
【００１４】
すなわち、本発明の露光装置及び露光方法は、レーザ光の強度をアナログ変化させながら直接レジスト等の露光対象に対して照射するものである。またさらに露光対象を回転させながらレーザ光の照射を行うことで、露光対象位置によって異なる量のレーザ光を受光する。したがって露光対象にはその受光量の変化に応じて高さの変化する３次元構造が形成されることになる。またマスクを不要とするため、低コスト化を図ることができる。
【００１５】
また、光照射部を露光対象の回転方向を横切る方向に露光面に沿って移動させることで、レーザ光は露光面上の全面を走査することが可能となる。そして回転駆動部から発せられる回転同期信号にあわせて出力されるため、回転する露光対象の任意の位置に正確にパターニングすることが可能である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、回転する露光対象に対して、レーザ光を連続的に強度を変えながら照射することができる。このため、低コストで、且つマスク等の大きさに限定されることなく、比較的広い面積に渡って連続的に高さの変化する３次元構造を１度の露光プロセスによって形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施の形態による露光装置を示す概略構成図である。
【図２】ポジレジストの露光領域を示す断面図である。
【図３】ポジレジストの現像後の形状を示す断面図である。
【図４】第２の実施の形態による露光装置を示す概略構成図である。
【図５】出射されるレーザ光の入力信号及び光出力の波形図である。波形Ａは発光指令出力であり、波形Ｂは波形Ａに基づいて発光したレーザ発光波形である。また波形Ｃは露光対象に対して照射された光を測定した実測の出力である。また、波形Ｄは波形Ａを作り出すために信号発生器より発信されるジェネレータ出力である。
【図６】図６Ａは第１の実施の形態による露光装置によってレジスト上に形成したパターンを電子顕微鏡により上面から観察した写真図である。図６Ｂは図６Ａの拡大写真図である。また図６Ｃは図６Ａに示すパターンを斜め方向から観察した拡大写真図である。
【図７】出射されるレーザ光の入力信号及び光出力の波形図である。波形Ａは発光指令出力であり、波形Ｂは波形Ａに基づいて発光したレーザ発光波形である。また波形Ｃは露光対象に対して照射された光を測定した実測の出力である。また、波形Ｄは波形Ａを作り出すために信号発生器より発信されるジェネレータ出力である。
【図８】図６Ａは第１の実施の形態による露光装置によってレジスト上に形成したパターンを電子顕微鏡により斜めから観察した写真図である。図６Ｂは図６Ａの拡大写真図である。また図６Ｃは図６Ａの拡大写真図である。
【図９】出射されるレーザ光の入力信号及び光出力の波形図である。波形Ａは発光指令出力であり、波形Ｂは波形Ａに基づいて発光したレーザ発光波形である。また波形Ｃは露光対象に対して照射された光を測定した実測の出力である。また、波形Ｄは波形Ａを作り出すために信号発生器より発信されるジェネレータ出力である。
【図１０】図９の波形のレーザ光照射によってレジスト上に形成されたパターンを電子顕微鏡により上面から観察した上面写真図である。
【図１１】トラックピッチを２００ｎｍとし、図９の波形のレーザ光を照射したときにレジスト上に形成されたパターンを電子顕微鏡により上面から観察した写真図である。
【図１２】トラック方向にもレーザ光の強度を変化させることによって形成されるパターンを示す説明図である。Ａはレーザ光の波形であり、Ｂはポジレジストに形成されるパターンのトラック方向の断面図である。またＣはポジレジストに形成されるパターンの周方向の断面図であり、Ｄは形成されたパターンを電子顕微鏡により上面から観察した写真図である。
【図１３】図１３Ａは、トラック方向にもレーザ光の強度を変化させることによって形成されたパターンを伝顕微鏡により斜めから観察した写真図である。図１３Ｂは図１３Ａの拡大写真図である。また図１３Ｃは図１３Ｂの拡大写真図である。
【図１４】本発明による露光装置によってポジレジスト上に形成したパターンが転写された基板を電子顕微鏡により上面より観察した写真図である。
【図１５】本発明による露光装置によってポジレジスト上に形成したパターンが転写された基板を電子顕微鏡により上面より観察した写真図である。
【図１６】本発明による露光装置によってポジレジスト上に形成したパターンが転写された基板を示す上面図である。
【図１７】本発明による露光装置によってポジレジスト上に形成したパターンが転写された基板を電子顕微鏡により上面より観察した写真図である。
【図１８】本発明による露光装置によってポジレジスト上に形成したパターンが転写された基板を電子顕微鏡により斜めから観察した写真図である。
【図１９】本発明による露光装置によってポジレジスト上に形成したパターンが転写された基板を電子顕微鏡により斜めから観察した写真図である。
【図２０】本発明による露光装置によってポジレジスト上に形成したパターンが転写された基板を電子顕微鏡により斜めから観察した写真図である。
【図２１】本発明による露光装置によってポジレジスト上に形成したパターンが転写された基板を電子顕微鏡により斜めから観察した写真図である。
【図２２】本発明による露光装置によってポジレジスト上に形成したパターンが転写された基板を電子顕微鏡により斜めから観察した写真図である。
【図２３】本発明による露光装置によってポジレジスト上に形成したパターンが転写された基板を電子顕微鏡により斜めから観察した写真図である。
【図２４】本発明による露光装置によってポジレジスト上に形成したパターンが転写された基板を電子顕微鏡により斜めから観察した写真図である。
【図２５】本発明による露光装置によってポジレジスト上に形成したパターンが転写された基板を電子顕微鏡により上面から観察した写真図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（露光装置）
２．第２の実施の形態（露光装置）
３．第３の実施の形態（露光方法）
３−１．レーザ光の変調信号と構造体の形状
３−２．重ね露光
３−３．トラック方向への変調
４．実施例
【００１９】
１．第１の実施の形態（露光装置）
図１は、本実施の形態による露光装置の構成を示す概略構成図である。本実施の形態による露光装置１００は、レーザ光を出射する光照射部１と、光照射部１にレーザ光の変調信号を送る信号発生部２とを備える。またレーザ光の露光対象６を回転させる回転駆動部３と、回転駆動部３に接続され、露光対象６をスライド移動させるスライド移動部４と、これら光照射部１と回転駆動部３とスライド移動部４の動作を制御する制御部５とを備える。
【００２０】
本発明における露光装置１００は、直接レーザの照射が可能であり、ナノリソグラフィーを基盤とした露光技術を用いるのが好ましい。光照射部１の光源には電流の量によって出力パワーの高速な変化が可能な半導体レーザ、例えば波長４０５ｎｍの青紫色半導体レーザを用いるのが好ましい。また、光照射部１は図示しない対物レンズを具備しており、そのスポットは５０〜４００ｎｍ程度まで集光される。このため非常に高い分解能での露光が可能である。
【００２１】
また、この対物レンズは図示しない移動機構等によって露光対象に対して上下方向に移動可能とし、露光面へのオートフォーカス機能を具備するのが好ましい。例えば、露光対象の露光面によって反射されたレーザの戻り光をポジションセンサ等に入射させ、その検出信号に基づいて、離軸法、ナイフエッジ法、非点収差法等により露光対象との距離が常に一定となるように対物レンズを移動制御してもよい。
【００２２】
また、回転駆動部３は例えば真空吸着機構や磁石等による固定機構を備え、その上部に載置される露光対象６を吸着等により固定するようにしてもよい。露光対象としては例えばポジレジストを厚膜コーティングしたシリコンウエハーやガラスウエハー等を用いることができ、レジスト面を光照射部１側に向けて回転駆動部３に固定する。
レジストには厚膜塗布が可能なものを用いると、例えばＭＥＭＳ等において必要とされる高アスペクト比の構造体も形成することができるので好ましい。また耐性の高い永久レジストであれば、そのまま構造材料として用いることができるので好ましい。
例えばポジ型レジストとしてはＯＦＰＲ、ＰＭＥＲ−Ｐ−ＲＨ／ＲＣ、ＰＭＥＲ−Ｐ−ＬＡ／ＨＡ、ＰＭＥＲ−Ｐ−ＣＡ、ＰＭＥＲ−Ｎ−ＣＡ（以上、東京応化工業（株）製）等が挙げられる。また他にもＰＦＲ−ＧＸ（ＪＳＲ（株）製）、ＡＺ−Ｐ４０００（ＡＺエレクトロニックマテリアルズ（株）製）を用いることができる。
ネガ型レジストとしては例えばＳＵ−８（ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ（株）製）や、ＯＲＤＹＬ、ＴＭＭＲ／ＴＭＭＦ（以上、東京応化工業（株）製）などが利用可能である。
【００２３】
そして制御部５から露光の開始信号を受けると、回転駆動部３は任意の一定した速度で例えば矢印Ａ１の方向に回転し、光照射部１から出射されるレーザ光は露光対象６上を円周方向に走査することになる。回転数は３０ｒｐｍ程度から６０００ｒｐｍ程度まで可変であり、例えば１８００ｒｐｍとし得る。
【００２４】
また回転に伴って回転駆動部３はその回転速度に応じた回転同期信号を信号発生部２に送信する。そして信号発生部２はこの回転同期信号を基準にして光照射部１へレーザ光の変調信号を送信する。
すなわち、照射するレーザ光の出力をアナログ的に変調することで露光エネルギーを連続的に変化させ、形成する構造体の高さを制御するものである。したがってこの方法では積層法のように露光と材料の再配置とを繰り返す必要がなく、１度の露光プロセスによって自由に３次元構造を形成することができる。このため従来に比べてタクトタイムを大きく縮めることが可能となる。またマスクを不要とするため、マスク作製に要するコストを削減でき、コストの低減化を図ることができる。更に、マスクの大きさに制限されることなく連続的な露光が可能であり、マスクの位置合わせも不要となるので、より精度よく所望の領域への一括露光が可能となる。
【００２５】
またスライド移動部４は、制御部５から露光の開始信号を受けると、回転駆動部３の回転と同時に例えば図示しないガイド軸等に沿って矢印Ａ２方向、すなわち回転の径方向に任意の速度で移動する。この駆動は例えばリニアモータ等によって行うことができ、その移動位置は例えばリニアスケール等によって正確に測定することが可能である。この時の移動誤差量は例えば目標移動量が３２０ｎｍである時±３ｎｍ以下である。
【００２６】
これにより、レーザ光のスポットは露光対象のレジスト上をいわば一筆描き状に走査する。そしてスライド移動部４の移動速度を適宜設定することで、隙間無くレジスト全面を露光することができる。
また、このように一筆描きによって露光を行うため、目標とする構造体の高さ方向の情報となる変調信号は１次元データ（シリアルデータ）として表すことができる。そして回転駆動部３から発せられる回転同期信号にあわせて出力されるため、回転する露光対象の任意の位置に正確にパターニングすることが可能である。したがって、露光以外にも任意の位置への熱照射として用いることも可能である。
【００２７】
そして露光後のレジストを現像すると、露光エネルギーに応じて現像液に溶解するレジスト深さも変化するため、レーザ光の変調信号に対応した３次元構造が形成されることになる。
例えば図２に示すように、基板１８上に塗布されたポジ型のレジスト１７対してレーザ光の強度を変化させながら露光を行うと、斜線部の露光領域１９、２０のようにレジストの受光量に応じた深さの領域が露光される。この露光領域は現像液に溶解するため、現像後には図３の空孔２１、２２のように露光領域が取り除かれた形状の構造体がレジスト１７に形成されることになる。また、このレーザ光の変調はアナログ的に行われるため、滑らかに高さの変化する３次元構造体を作成することも可能である。
【００２８】
また、特許文献３のような従来の光造形法においては、まずステージ（基板）を紫外線（光）硬化樹脂内に浸して露光を行う。その後ステージをわずかに下げることで、露光により硬化した部分も再び紫外線硬化樹脂内に浸し、再度露光するといったことを繰り返す。したがって、露光対象全面を浸す紫外線硬化樹脂と、その紫外線硬化樹脂を内部に満たし、露光対象を内部に収容できるだけの大きさを有する容器が必要となる。したがって露光対象が大面積となるほど、露光対象を浸すための紫外線硬化樹脂の量と容器のサイズは飛躍的に大きくなり、ムダも大きくなってしまう。
しかし本実施の形態による露光装置では、レーザ光の強度を直接変化させながら露光を行うため、一度の厚膜レジストの塗布で済み、ムダを省くことができる。すなわち、露光面積の大面積化に必要となるのは、スライド移動部４の移動量を大きくすること程度であり、容易に大面積の露光が可能である。
【００２９】
また、既述のようにガルバノミラー等によってレーザ光の走査を行う場合には、露光面をレーザ光が往復する動作が必要となり、往路と復路の両方における制御が必要となる。これに対して本実施の形態による露光装置１００では、露光対象の回転と、回転の径方向へのスライドによってレーザ光を走査するため、レーザ光が往復することなく一筆描きによって連続したレーザ光の走査を行うことができる。
【００３０】
またＸ−Ｙステージによって露光面上を走査してもよいが、本実施の形態のように回転させながら露光を行う場合には、露光面内の回転中心位置から露光面の外縁まで一方向にレーザ光のスポットを移動させるだけで全面を走査することができる。このため装置の小型化やタクトタイムの短縮を図ることができるので好ましい。
【００３１】
また、ネガレジストとしては上述したように例えばＳＵ−８（ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ（株）製）やＴＭＭＲ、ＴＭＭＦ（東京応化工業（株）製）を用いることができる。これらはスピンコート等の一度の塗布工程によって１００μｍ以上の厚膜形成が可能である。または、レジストの重ね塗りによって厚膜を形成しても構わない。
【００３２】
また、本発明により基板上に形成された構造体は例えばＮｉ等をメッキすることで、転写用の金型やモールド等としてそのまま用いることができる。
またもちろん、形成された構造体をＲＩＥ（reactive ion etching）等のエッチング処理によって基板材料に転写し、金型として用いてもよい。
【００３３】
２．第２の実施の形態（露光装置）
図４は本発明の第２の実施の形態による露光装置２００の構成を示す概略構成図である。本実施の形態による露光装置２００は、レーザ光を出射する光照射部１１と、光照射部１１にレーザ光を変調する変調信号を送る信号発生部１２と、露光対象を載置固定または露光対象そのものとする円筒形状等のロール１６を回転させる回転駆動部１３とを備える。また光照射部１１に接続され、光照射部１１をロール１６の回転面に対して垂直な方向に移動させるスライド移動部１４とを備える。またそしてさらに、この光照射部１１と、回転駆動部１３と、スライド移動部１４の動作を制御する制御部１５とを備える。
【００３４】
光照射部１１の光源には、第１の実施の形態（図１）と同様に例えば青紫色半導体レーザを用いることができる。また、レーザ光を露光対象表面に集光する対物レンズを備え、露光対象との距離が一定になるように駆動するオートフォーカス機能を有していることが好ましい。
【００３５】
第１の実施の形態においては、露光対象が回転運動とスライド移動とを行うことによって、露光対象の全面にレーザ光を走査していた。これに対して本実施の形態においては、光照射部１１はスライド移動部１４に固定されており、回転駆動部１３はスライド移動部１４から分離されている。すなわち露光対象が回転運動を行い、レーザ光が露光対象の回転軸に沿ってスライド移動することで露光対象の外周面全面を走査するものである。
【００３６】
したがって、制御部１５から光照射部１１、回転駆動部１３、スライド移動部１４に開始信号が送られると、光照射部１１からレーザ光がロール１６の側面、ロール面に照射され、回転駆動部１３が任意の一定の速度で例えば矢印Ａ３方向に回転を始める。そして同時にスライド移動部１４は矢印Ａ４の方向に移動を始め、レーザ光をロール１６の回転軸Ｃ１に平行な方向に走査する。これにより、本実施の形態においてもレーザ光は一筆描き状にロール１６の表面を走査することができる。またこの時、スライド移動部１４の移動速度を適宜設定することによってロール１６の全面をくまなく露光することが可能である。
【００３７】
また回転駆動部１３からは、その回転速度に応じた回転同期信号が信号発生部１２に送られる。そして信号発生部１２がその回転同期信号に合わせてレーザ光のアナログ変調信号を光照射部１１に送ることにより、光照射部１１は、強度の変化するレーザ光をロール１６に照射する。これにより、本実施の形態においてもロール１６上に連続的に高さの変化する３次元構造体を形成することができる。
【００３８】
ロール１６表面には、レジストを塗布した薄いフィルム状の基板を巻いて固定してあってもよいし、またロール１６上にスプレーコーティングやディップ法等により直接レジストを塗布し、ロール１６上に直接３次元構造体を形成してもよい。
特に本実施の形態の場合、円筒状のロール表面に任意の３次元構造体を形成することができるので、このロールにＮｉ等のメッキを施すことでロールインプリント用金型として用いることが可能である。
【００３９】
また、ロールの側面を露光面とすることにより、第１の実施の形態と比較して装置内における占有面積が同じであってもより大面積の露光面を確保することができ、装置の小型化を図ることが可能である。
【００４０】
またこの第２の実施の形態に係る露光装置２００においても、露光と材料の再配置とを繰り返す必要がなく、１度の露光プロセスによって自由に３次元構造を形成することができ、このため従来に比べてタクトタイムを大きく縮めることが可能となる。またマスクを不要とするため、マスク作製に要するコストを削減でき、コストの低減化を図ることができる。更に、マスクの大きさに制限されることなく連続的な露光が可能であり、マスクの位置合わせも不要となるので、より精度よく所望の領域への一括露光が可能となる。
【００４１】
３．第３の実施の形態（露光方法）
次に、本発明の実施の形態に係る露光装置による露光方法について実際に例を挙げながら詳細に説明する。なお、ここで「回転位相」とは第１の実施の形態（図１）における回転駆動部３の回転の位相であり、図１に示す露光対象６がディスク状の場合は半径方向の直線上の位置を同位相とする。図４に示すロール１６では外周面上の回転軸に平行な方向の直線上の位置を同位相とする。また「トラック」とはレーザ光によって走査される経路の領域を指す。したがって「トラック方向」とは走査経路の幅方向、すなわちスライド移動部４の移動方向であり、図１の例では回転駆動部３の回転の径方向、図４の例ではロール１６の軸に沿う方向を指し、「トラックピッチ」は隣り合うレーザ光経路の間隔である。
【００４２】
３−１．レーザ光の変調信号と構造体の形状
図５に第１の実施の形態による露光装置１００において出力されるレーザ光源への入力信号と、この光源から出力されるレーザ光の光出力の波形の一例を示す。波形Ａは発光指令出力、すなわち信号発生部２からの変調信号であり、ここではノコギリ波を送出している。
また、波形Ｂは波形Ａに基づいて出射されたレーザ発光波形を検出した光出力であり、波形Ｃは露光対象に対して照射された光を測定した実測の出力である。なお、レーザへの入力に対して実際に発振するまでには閾値が存在するため、レーザ光の波形Ｂ、Ｃの立ち上がりは変調信号である波形Ａよりも遅れている。
また、波形Ｄは波形Ａを作り出すために信号発生器より発信されるジェネレータ出力である。半導体レーザには流す電流の量で高速にパワーを変化させることが可能な波長４０５ｎｍの青紫色半導体レーザを用いている。
【００４３】
図６Ａは、この出力のレーザ光によって露光を行い、現像したポジレジストをＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にて上面から観察した写真図である。露光の開始と同時に回転駆動部３が回転することにより、レーザ光のスポットはレジスト上を矢印Ａ５の向きに走査する。したがって、例えば領域Ｔ１においてレジストに形成されている３つの溝は経時的に連続して露光されている。
【００４４】
そして図１に示す露光装置１００におけるスライド移動部４が移動することによって、レーザ光のスポットがレジスト上を一周した時には、矢印Ａ６の方向に１トラック分だけスポットの位置がずれている。また、スライド移動部４は等速で移動し、信号発生部２は回転駆動部３からの回転同期信号にタイミングを合わせてレーザ光の変調信号を出力しているので、スライド移動によりトラックが矢印Ａ６方向に移っても必ず同じ回転位相位置において同じ位相のレーザ光が出力される。これにより図６Ａでは無数の溝が整列して並んだ状態となっているのがわかる。
【００４５】
なお回転駆動部３の回転速度は一定であるため内周側と外周側とでレーザ光が単位時間当たりに走査する距離が異なる。しかし信号発生部２は、出力する信号の波形長さをその走査速度に合わせて変化させることができる。このため、内周側と外周側とでも全く同じ長さ、大きさのパターンを形成することが可能である。
また、この内周側と外周側の走査速度の差を予め組み込んだ変調信号を出力するように信号発生部２をプログラムしてもよい。また第２の実施の形態（図４）の場合、ロールのロール面（図４における側面）に露光を行うため走査速度は一定であり、こうした制御を省くことができる。
【００４６】
図６Ｂはこの溝を拡大して真上から観察した写真図であり、また図６Ｃは露光対象を１３．５度傾けた斜め方向から観察した写真図である。これからもわかるように、図５に示したレーザ光の出力に応じて図６Ｃ中、右方向に行くほど深さの深くなる３次元形状が形成できている。
【００４７】
次に、レーザ光源に対して変調信号としてサイン波を出力する場合について説明する。図７はサイン波を信号発生部２より送出した場合のレーザ光源への入力信号とレーザ光出力の一例である。図７Ａの波形は信号発生部２より送出した変調信号であり、図７Ｂの波形は波形Ａに基づいて出射されたレーザ発光波形を検出した光出力である。また、図７Ｃの波形は露光対象に対して照射された光を測定した実測したものであり、図７Ｄの波形は信号発生器からのジェネレータ出力である。
【００４８】
図８Ａはこのレーザ光によって露光を行い、現像したポジレジストを観察した上面図である。図８Ａにおいても同様に、回転駆動部３の回転によってレーザ光のスポットは矢印Ａ７の方向に走査される。したがって領域Ｔ２において形成されている溝は経時的に連続して露光された箇所である。またレーザ光のスポットがレジスト上を一周した時には、回転駆動部３の回転に伴いスライド移動部４が移動していることにより、矢印Ａ８の方向にもスポット位置が１トラック分移動する。
そしてレーザ光の変調信号を、回転駆動部３からの同期信号に合わせて送出することにより、スポットの回転位相位置とレーザ光の位相とを対応させている。これにより、図８Ａにおける矢印Ａ８方向に沿って並ぶ複数の溝列は、矢印Ａ８方向に同じ位置に整列して形成することができる。
【００４９】
図８Ｂはこの溝を真上から拡大した上面図であり、図８Ｃは露光対象を１３．５度傾いた斜め方向から観察した斜視図である。各溝は一度深さが深くなりその後浅くなるという、レーザ光のサイン波形に応じた形状をしており、滑らかに高さの変化する３次元形状を均一に形成できている。
なお、ポジレジストが現像液に可溶となる反応を起こすのに必要なレーザ光の受光量、レーザ光が発振するのに必要な入力電流には閾値がある。このため、サイン波の極小値にあたる位相においてはレジストが感光されないので、各溝がつながらず個々に独立した形状が形成されている。
【００５０】
これに対し、最小の入力電流値をオフセットして最小値付近でもレジストが感光されるようにすることで、走査方向に並ぶ各溝を連続的につなげて、光照射部１の走査方向の断面においてサイン波形に類似の形状とすることも可能である。また、三角波、鋸歯状等の他の波形とする場合も同様に、光源への入力値をオフセットすることで連続的な形状を形成することが可能である。
【００５１】
このように、本発明の実施の形態に係る露光方法によれば、変調信号によりレーザ光の強度を変化させながら露光を行うため、連続的に高さの変化する形状を形成することが可能である。また、既存のリソグラフィー技術を応用することが可能であり、マスクレス露光であるので露光工程のコストも低減できる。
【００５２】
３−２．重ね露光
上述の露光方法においては、レーザ光のスポットがレジスト上を一周すると、スライド移動部４の移動によりスポットは元の露光位置から離れた箇所を走査する例を示した。したがって形成されるのは１本のレーザ光のスポット径に対応した１次元的な幅の形状となる。
次に、このスライド移動部４の移動速度を調整することによりスポットの経路、即ち露光位置を重ね、より自由度の高い３次元構造を形成する露光方法について述べる。
【００５３】
図９にこの実施の形態に係る露光方法におけるレーザ光源への入力信号とレーザ光の出力波形の一例を示す。波形Ａは信号発生部２からの変調信号であり、また波形Ｂは波形Ａに基づいて出射されたレーザ発光波形を検出した光出力、波形Ｃは信号発生器からのジェネレータ出力である。図に示すように、ここでは信号波形の一つの周期内において出力が３段階に変化する波形を送出している。
【００５４】
このような信号波形とする場合に、レーザ光のスポット径を４００ｎｍに絞り、回転駆動部３が１回転する間にスライド移動部４が移動する量（以下トラックピッチと呼ぶ）を４００ｎｍとして露光を行ってパターンを形成した。現像後のパターンのＳＥＭによる上面からみた写真図を図１０に示す。この図においては、レーザ光のスポットは図１に示す露光装置１００の回転駆動部３の回転によって、図１０中矢印Ａ９の方向に走査され、レーザ光の出力に対応した３段の深さを有する溝が形成されている。
また、スライド移動部４が図１０中矢印Ａ１０の方向に移動することにより、４００ｎｍのピッチ毎に露光が行われ、この矢印Ａ１０の方向には４００ｎｍ毎に溝が連続して形成される。なお、レーザ光の変調信号は、回転駆動部３からの回転同期信号に合わせて送出されるため、矢印Ａ１０方向においては同じ位相のレーザ光が出力される。このため形成される各溝は矢印Ａ１０方向に正確に整列したものとなる。
【００５５】
これに対し、図１１はトラックピッチを２００ｎｍとし、レーザ光のスポットの経路が半分重なるようにした場合のＳＥＭにより観察した写真図である。この図においてもレーザ光を回転駆動部３の回転により矢印Ａ１１の方向に走査し、スライド移動部４を矢印Ａ１２の方向に移動させている。
このように、レーザ光のスポットの経路が半分重なるトラックピッチとすると、トラック毎に形成される溝が隣接する溝と重なるだけでなく、図１１に示すように継ぎ目なく一体化することができる。つまり、溝底面の形状をほぼ滑らかに連続して形成することができる。これにより、二次元面方向への広がりを有する構造も自由に形成することが可能となる。
【００５６】
なお、このトラック毎にレーザ光のスポットを重ね合わせる量は、スポット径未満であればある程度は溝の平滑化の効果が得られる。スポット径に対し２分の１の重ね合わせを行うことで、最も溝底面の形状を平滑化することが可能であるが、これに限らない。レジストの材料、形成するパターンの形状等にもよるが、重ね合わせ量はスポット径の２分の１以下、例えば１０分の１程度でもよく、重ね合わせ量がゼロでなければ、ある程度の溝形状の平滑化を行うことが可能である。
【００５７】
３−３．トラック方向への変調
上記の露光法により、二次元方向への広がりを有する構造も継ぎ目なく形成することが可能となり、自由度を格段に向上させることができる。しかし、スライド移動部の移動方向においては、常に同じ強度のレーザ光が照射されると深さに変化が生じない。したがって、トラック方向においてもレーザ光を変調するのが好ましい。
【００５８】
先ず図１２を用い、トラック方向にレーザ光を変調することで３次元構造体を形成する場合について以下に説明する。図１２において、Ａは各トラックａ〜ｅにおけるレーザ光源への信号出力波形、ＢはＡの出力のレーザ光によって形成されたパターンのトラック方向の模式的な断面図である。またＣはＡの出力のレーザ光によって形成されるパターンの周方向の断面図であり、ＤはＡの出力のレーザ光によって形成されたパターンを電子顕微鏡によって上面から観察した写真図である。
例えば図１２Ａのａに示す変調信号のレーザ光を出力した時、現像後には図１２Ｃのａに示す露光パターンがレジストに形成される。そして回転駆動部３及びスライド移動部４によりレーザ光が走査されて一周し、トラックピッチＬだけ離れた同じ回転位相の位置に戻ってくると、今度は例えば図１２Ａのｂに示すような少し大きい出力のレーザ光を出射する。すると、この箇所においては図１２Ｃのｂに示す矢印Ａ１３のより深いパターンが形成される。
【００５９】
そして同様にレーザ光のスポットがさらに走査され、トラックピッチＬだけ再び離れた同じ回転位相の位置にスポットが戻ってくると、例えば図１２Ａのｃに示すより強い出力の変調信号を送出する。すると、現像後にこの経路において形成されるパターンは矢印Ａ１４に示すより深さの深い形状となる。
そして再びトラックピッチＬだけ離れた位置において図１２Ａのｄに示す変調信号によるレーザ光を露光すると、図１２Ｃのｄに示す矢印Ａ１５の深さのパターンが形成される。また同様にトラックピッチＬだけ離れた位置において図１２Ａのｅに示す、より出力の小さい変調信号によるレーザ光を露光すると、図１２Ｃのｅに示す、より浅い深さのパターンが形成される。
【００６０】
このようにしてトラック方向にもレーザ光強度の変化を与えると、図１２Ｂに示すトラック方向の断面図のように、トラック方向にも深さの変化する形状を形成することができる。なお、トラックピッチは４００ｎｍである。また、このトラック方向にレーザ光の出力を変化させるには、回転駆動部３からの回転同期信号に合わせて、露光対象の１回転毎に波形の変化した変調信号を信号発生部２より出力すればよい。すなわち、変調信号において回転駆動部３の同じ回転位相の時に送出される出力値が経時的に異なっていればよい。
またさらに、変調信号において回転駆動部３の同じ回転位相における出力値が経時的に連続となる波形とすれば、トラック方向においても連続して滑らかに高さの変化する構造を形成することができる。
【００６１】
図１２Ｄは、こうして露光したポジレジストに形成されたパターンを真上からＳＥＭにより観察した写真図である。図中、中央部において最も深く、トラック方向である上下方向にいくほど浅くなるパターンを形成することができている。なお、パターン内に見られる縞模様は１トラック分の露光によって形成された部分であり、トラック毎のレーザ光のスポットが重なるように調整することで継ぎ目の無い滑らかな表面を形成することが可能である。
【００６２】
このように、トラック方向にも変調信号を変化させ、さらに回転の周方向にも変調信号を変化させると、レジストの二次元方向の面内においてあらゆる方向に深さの変化する３次元形状を形成することが可能となる。したがってこの場合には目的とする形状の設計自由度を飛躍的に向上させることができる。このため、マイクロフローチャネルのように非対称な構造の作製も可能であり、例えばＰＤＭＳ（Polydimethyl siloxane）等への転写用金型としても用いることができる。
【００６３】
例えば図１３Ａは、図１２に示した露光パターンにおいてトラックピッチを２００ｎｍとして継ぎ目を無くし、トラック数、レーザ光の出力パワーを制御することで半球状のパターンを多数形成したものである。すなわち、図１２Ｄに示したパターンを上下方向に縮めた状態に相当する。
この半球状のパターンをさらに拡大したものが図１３Ｂである。図１３Ｂにおいて手前側は断面であり、領域Ｔ３は石英ガラス基板である。また回転駆動部３の回転によりレーザ光が走査される円周方向を矢印Ａ１６に示し、またスライド移動部４の移動方向、すなわちトラック方向を矢印Ａ１７に示す。
【００６４】
このように、円周方向及びトラック方向においてレーザ光を変調させることで、あらゆる方向に深さが変化する半球形状も均一に形成することができているのが確認できる。また、図１３Ｃは図１３Ｂの断面部を拡大したものである。この断面はトラック方向とは異なる方向に切断することで形成しており、もちろん円周方向とも異なる。
すなわち、レーザ光のスポットが半分重なるトラックピッチとすることにより、レーザの走査方向、レーザ光の変調方向でなくとも継ぎ目や段差無く、連続して滑らかに深さの変化する曲面を形成することができる。
【００６５】
４．実施例
以下図１４〜図２５に本発明による露光装置を用いてポジレジストに露光を行い、現像後に形成されたパターンを異方性ドライエッチングにより基板に転写したものと、そこからさらにＮｉ転写品を作製したものを示す。なおレジストにはＰＦＲ−ＧＸを用い、石英ガラス基板上に塗布した。またレーザ光源は波長４０５ｎｍの青紫色半導体レーザを用い、スポット径を４００ｎｍとして露光を行った。
【００６６】
図１４はテストパターンとしてクレーター状の形状を形成したものであり、図１５は平皿状の窪みを形成したものである。また図１６、１７では方形パターンを形成している。図１８は凹凸を反転させた場合であり、未露光の部分が凸となった方形形状が形成されている。
また図１９はマイクロレンズ形状を形成したものである。基板にガラス基板等の光学材料を用いることにより、ポジレジストから基板に転写した時点でそのまま光学部品として利用することも可能である。
【００６７】
また図２０は六角型のマイクロレンズアレイ形状を形成したものである。例えばＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）イメージセンサ等の撮像素子においては、画像解像度向上のために画素数が増え続けており、その分画素サイズもまた小さく小型化が進んでいる。したがって、各画素上に配置されるレンズも同様に小型化が必要であり、こうしたレンズの金型製造にも本発明による露光装置を用いることは可能である。
【００６８】
また図２１はフレネルレンズパターンを形成したものである。微細３次元構造を形成する方法としては、例えばグレイスケールマスク等を用いた露光も従来より行われている。例えば、ガラス基板上の金属薄膜に無数の開口を開け、開口サイズを変化させることでマスクの透過光量を調整する手法や、エマルジョンガラスによるマスク等を用いる手法もある。しかしこうした手法では、マスク透過時の光の回折のために、鋭角な峰を有する形状や、垂直に切り立つ面を同時に形成するのは難しい。また、これはサイズがより小さくなるほど困難となる。
しかし本発明による露光装置では、レーザ光の強度を変化させながらレジストに直接照射するため、フレネルレンズのように鋭角な峰を有する形状であっても正確に形成することができる。
【００６９】
図２２は、卍型（まんじ型）のパターンを形成したものである。Ａｕ等の金属膜が形成された基板上に形成して金属への転写を行えば、透過０次光を回旋させる偏光機能を有したフォトニッククリスタルを作製することができる。
また図２３は図１８にて示したような方形パターンを浅い角度から観察して、より立体視できるようにしたものである。そして図２４、２５は図柄パターンを形成したものであり、このような複雑な３次元形状であっても鮮明に形成することができている。
またここでは示さなかったが、ワイヤーグリッドやモスアイのようなサブナノメートルオーダの微細パターンの形成、ロータリーエンコーダやロータリースケールの作製にも用いることが可能である。
【００７０】
以上、本発明による露光装置及び露光方法について説明したが、本発明は上記実施の形態にとらわれることなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、なお考えられる種々の形態を含むものであることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００７１】
１，１１・・・光照射部、２，１２・・・信号発生部、３，１３・・・回転駆動部、４，１４・・・スライド移動部、５，１５・・・制御部、６・・・露光対象、１６・・・ロール、１７・・・レジスト、１８・・・基板、１９・・・露光領域、２１・・・空孔、１００，２００・・・露光装置
【図１】
2011090055.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2011090055.tif 000008
【図７】
2011090055.tif 000009
【図８】
2011090055.tif 000010
【図９】
2011090055.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2011090055.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2011090055.tif 000016
【図１５】
2011090055.tif 000017
【図１６】
2011090055.tif 000018
【図１７】
2011090055.tif 000019
【図１８】
2011090055.tif 000020
【図１９】
2011090055.tif 000021
【図２０】
2011090055.tif 000022
【図２１】
2011090055.tif 000023
【図２２】
2011090055.tif 000024
【図２３】
2011090055.tif 000025
【図２４】
2011090055.tif 000026
【図２５】
2011090055.tif 000027