(57)【要約】【課題】  三次元形状の表面に凹凸を有する微細構造体を容易に効率良く製造することができる微細構造体の製造方法を提供する。【解決手段】  基材１上にレジストパターン２ａを形成するパターン形成工程と、レジストパターン２ａをマスクとしてエッチングすることにより基材１の表面に凹部６を形成するエッチング工程とを備え、パターン形成工程は、複数の非レジスト部ＮＲの幅Ｗ１が少なくとも一方向に沿って段階的に変化するようにレジストパターン２ａを形成し、エッチング工程は、レジストパターン２ａの非レジスト部ＮＲの幅Ｗ１が大きいほどエッチング深さが深くなるように凹部６を形成する。【選択図】  図１
2008112036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元形状の表面に凹凸を有する微細構造体を製造する方法であって、
基材上にレジストパターンを形成するパターン形成工程と、
前記レジストパターンをマスクとしてエッチングすることにより前記基材の表面に凹部を形成するエッチング工程とを備え、
前記パターン形成工程は、複数の非レジスト部の幅が少なくとも一方向に沿って段階的に変化するようにレジストパターンを形成し、
前記エッチング工程は、レジストパターンの非レジスト部の幅が大きいほどエッチング深さが深くなるように前記凹部を形成する微細構造体の製造方法。
【請求項２】
三次元形状の表面に凹凸を有する微細構造体を製造する方法であって、
基材上にレジストパターンを形成するパターン形成工程と、
前記基材上に前記レジストパターンを介して金属材料を成膜した後、前記レジストパターンを除去することにより、前記基材上に金属パターンを形成するリフトオフ工程と、
前記金属パターンをマスクとしてエッチングすることにより前記基材の表面に凹部を形成するエッチング工程とを備え、
前記パターン形成工程は、複数の非レジスト部の幅が少なくとも一方向に沿って段階的に変化するようにレジストパターンを形成し、
前記エッチング工程は、金属パターンの非金属部の幅が大きいほどエッチング深さが深くなるように前記凹部を形成する微細構造体の製造方法。
【請求項３】
前記パターン形成工程は、少なくとも一方向に沿って隣接する複数の単位領域の開口率が段階的に変化するようにレジストパターンを形成する請求項１または２に記載の微細構造体の製造方法。
【請求項４】
前記微細構造体が、光学素子またはその成形型である請求項１から３のいずれかに記載の微細構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細構造体の製造方法に関し、より詳しくは、三次元形状の表面に凹凸を有する微細構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回折光学素子等の微細構造体を製造する方法として、例えば、特許文献１に開示された方法が知られている。この方法は、基材上に形成したレジスト層に対して、露光強度を連続的に変化させるマスクを用いて露光・現像することにより、三次元形状のレジスト像を形成するものであり、レジスト像及び基材を同時にエッチングすることにより、レジスト像の三次元形状を基材に転写することができる。
【特許文献１】特開平８−１７４５６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
三次元形状のレジスト像を形成する方法として、特許文献１には、レジストを構成する樹脂の種類や、増感材、溶剤等の含有量を調整すると共に、レジストのベーク条件や現像条件を適宜設定することが記載されている。ところが、所望の三次元形状を有するレジスト像を形成するための条件設定には作業者の熟練や経験が必要であり、作業が困難であるという問題があった。更に、所望の形状を有するレジスト像を形成した後も、これを基材に転写するためのエッチングを行う際に最適なエッチング条件を設定しなければならず、作業がより困難なものとなっていた。
【０００４】
また、微細構造体が光学素子である場合には、三次元形状の表面に微細な凹凸を形成することにより反射防止機能を得ることができるが、従来は、三次元形状をまず形成してから微細な凹凸を形成する必要があり、作業工程が煩雑であった。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決すべくなされたものであって、三次元形状の表面に凹凸を有する微細構造体を容易に効率良く製造することができる微細構造体の製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の前記目的は、三次元形状の表面に凹凸を有する微細構造体を製造する方法であって、基材上にレジストパターンを形成するパターン形成工程と、前記レジストパターンをマスクとしてエッチングすることにより前記基材の表面に凹部を形成するエッチング工程とを備え、前記パターン形成工程は、複数の非レジスト部の幅が少なくとも一方向に沿って段階的に変化するようにレジストパターンを形成し、前記エッチング工程は、レジストパターンの非レジスト部の幅が大きいほどエッチング深さが深くなるように前記凹部を形成する微細構造体の製造方法により達成される。
【０００７】
或いは、本発明の前記目的は、三次元形状の表面に凹凸を有する微細構造体を製造する方法であって、基材上にレジストパターンを形成するパターン形成工程と、前記基材上に前記レジストパターンを介して金属材料を成膜した後、前記レジストパターンを除去することにより、前記基材上に金属パターンを形成するリフトオフ工程と、前記金属パターンをマスクとしてエッチングすることにより前記基材の表面に凹部を形成するエッチング工程とを備え、前記パターン形成工程は、複数の非レジスト部の幅が少なくとも一方向に沿って段階的に変化するようにレジストパターンを形成し、前記エッチング工程は、金属パターンの非金属部の幅が大きいほどエッチング深さが深くなるように前記凹部を形成する微細構造体の製造方法により達成される。
【０００８】
これらの微細構造体の製造方法において、前記パターン形成工程は、少なくとも一方向に沿って隣接する複数の単位領域の開口率が段階的に変化するようにレジストパターンを形成することができる。
【０００９】
こうして製造される微細構造体は、光学素子またはその成形型とすることができる。  
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、三次元形状の表面に凹凸を有する微細構造体を容易に効率良く製造することができる微細構造体の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実態形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る微細構造体の製造工程図である。本実施形態は、微細構造体が鋸歯状（ブレーズ状）回折格子である場合の製造方法の一例を示すものである。
【００１２】
まず、図１（ａ）に示すように、平板状の基材１の上面全体に、レジスト層２を形成する。基材１の材質としては、石英、シリコン、サファイア、プラスチックなどの透光性材料を例示することができる。
【００１３】
ついで、図１（ｂ）に示すように、電子線等の高エネルギービームによる直接描画技術を用いてレジスト層２の露光及び現像を行い、レジスト部Ｒ及び非レジスト部ＮＲを有するレジストパターン２ａを形成するパターン形成工程を行う。レジストパターン２ａの形成においては、直接描画の代わりに、ステンレス等の遮光性材料からなる平板に開口部を形成した露光マスク（図示せず）を使用することも可能である。本実施形態においては、ネガ型レジストを使用し、露光された部分のみを基材１上に残留させるようにしているが、ポジ型レジストを使用してもよい。
【００１４】
基材１上に形成するレジストパターン２ａは、図２に示すように、基材１の上面全体を正方形状の微細な単位領域Ａによりマトリクス状に分割し、各単位領域Ａの中心に存在するアイランド状のレジスト部Ｒが、Ｘ方向に沿って段階的に大きさが変化するように形成されている。すなわち、各レジスト部Ｒは、レジストが存在しない非レジスト部ＮＲによりＸ方向に分離され、各非レジスト部ＮＲの幅Ｗ１がＸ方向に沿って段階的に変化するように形成されており、単位領域Ａの開口率（単位領域Ａ中の非レジスト部ＮＲの割合）が、Ｘ方向に沿って段階的に変化している。各単位領域Ａの開口率は、最大のものから最小のものまでを単位周期Ｃとして、これがＸ方向に沿って繰り返されるように、それぞれ設定されている。単位領域Ａの大きさは、微細構造体に要求される寸法精度などを考慮して適宜設定すればよく、本実施形態では一辺を０．２５μｍとしている。
【００１５】
次に、図１（ｃ）に示すように、レジストパターン２ａをマスクとしてエッチングすることにより、基材１の表面に凹部６を形成するエッチング工程を行う。凹部６の形成は、例えばエッチング中のガス圧力を制御する等して、マイクロローディング効果が生じるエッチング条件で、反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングにより行う。すなわち、レジストパターン２ａの非レジスト部ＮＲの幅Ｗ１が大きいほど、エッチング速度が速くなり、同じエッチング時間ではエッチング深さが深くなるように、エッチングを行う。これにより、各非レジスト部ＮＲの幅Ｗ１に対応した異なる深さを有する複数の凹部６を同時に形成することができる。なお、エッチング方法としては、ドライエッチングまたはウェットエッチングのいずれであってもよい。
【００１６】
この後、図１（ｄ）に示すように、レジストパターン２ａを剥離するレジスト除去工程を行うことにより、上面に三次元形状を有する微細構造体が得られる。なお、エッチング工程によりレジストパターン２ａも除去されている場合には、レジスト除去工程は不要である。
【００１７】
本実施形態においては、上述したように、非レジスト部ＮＲの幅Ｗ１がＸ方向に沿って段階的に変化するようにレジストパターン２ａが形成されるため、それぞれの凹部６は、深さＤがＸ方向に沿って段階的に変化するように形成され、且つ、これらが相互に繋がる。この結果、微細構造体の三次元形状は、図１（ｄ）に破線で示すように、単位周期Ｃに対応する傾斜面Ｂが繰り返し配置された鋸歯状となり、更に、この傾斜面Ｂに対して微細な凹凸８が形成されたものとなる。単位領域Ａの幅は、微細な凹凸８の周期にほぼ等しいため、上記のパターン形成工程において、これを入射光または出射光の波長よりも小さく設定することにより、微細な凹凸８が反射防止構造としてのみ機能し、屈折率が図１（ｄ）に破線で示す傾斜面Ｂの屈折率と等価である微細構造体を得ることができる。
【００１８】
このように、本実施形態の微細構造体の製造方法によれば、鋸歯状の形成が容易であると共に、鋸歯状の形成と同時に表面の微細な凹凸の形成が可能であるため、表面に反射防止構造を有するブレーズ状の回折格子を容易に効率良く製造することができる。
【００１９】
回折格子のブレーズ角は、Ｘ方向に沿った非レジスト部ＮＲの幅Ｗ１の変化率が大きいほど大きくなり、この値を適宜設定することにより所望のブレーズ角を得ることができる。また、回折格子のピッチは、単位周期Ｃの設定により所望の値とすることができる。
【００２０】
本実施形態においては、図１（ｂ）に示すパターン形成工程において、図２に示すように、Ｘ方向だけでなく、これと垂直な矢示Ｙ方向にも非レジスト部ＮＲが形成されるため、微細構造体の表面には、Ｘ方向だけでなく、Ｙ方向に沿っても微細な凹凸８が形成される。したがって、微細な凹凸８が微細構造体の表面全体に形成され、良好な反射防止効果を得ることができる。
【００２１】
本実施形態のレジストパターン２ａは、複数のアイランド状のレジスト部Ｒからなる集合体であるため、レジスト部Ｒの周囲に形成される複数の非レジスト部ＮＲは互いに繋がった状態で形成されているが、非レジスト部ＮＲの一部又は全部が分断されるように形成してもよい。また、図２に示すレジストパターン２ａのレジスト部Ｒ及び非レジスト部ＮＲを反転することにより、レジストパターンに形成された開口部の開口幅がＸ方向に段階的に変化するレジストパターンを使用することも可能であり、この場合も本実施形態と同様の微細構造体を製造することができる。
【００２２】
本実施形態においては、微細構造体がブレーズ状の回折格子である場合を例として説明したが、単位周期Ｃにおける非レジスト部ＮＲの幅Ｗ１の変化パターンを変えることにより、正弦波状や三角状など他の形状の回折格子についても容易に製造可能である。また、フレネルレンズやゾーンプレートレンズ等のように、回折格子のピッチが一定でない微細構造体についても、本実施形態と同様に製造可能であり、更にこれらがアレイ状に配置された構成も容易に製造可能である。
【００２３】
微細構造体の具体例としては、回折格子以外に、凸レンズや凹レンズなどを挙げることができる。例えば、図３に示すレジストパターン１２ａを使用することにより、図４に示すように、表面に微細な凹凸１８を有する凸レンズを製造することができる。
【００２４】
図３に示すレジストパターン１２ａは、複数の非レジスト部ＮＲの幅Ｗ１が、Ｘ方向だけでなく、Ｙ方向にも段階的に変化するように形成されており、中央部から四方に向けて非レジスト部ＮＲの幅Ｗ１が段階的に拡がるように形成されている。このようなレジストパターン１２ａを用いることで、図４に破線で示すように、凸レンズ状の三次元形状を有する微細構造体を製造することができる。微細構造体が凹レンズの場合には、中央部から四方に向けて非レジスト部ＮＲの幅Ｗ１が段階的に狭まるようなレジストパターン１２ａを用いて、同様に製造することができる。複数の非レジスト部ＮＲの幅Ｗ１が段階的に変化する方向は、単位領域Ａの形状を正六角形状とすることにより三方向にすることも可能であり、或いはそれ以上にすることもできる。これにより、より滑らかなレンズ形状を得ることができる。
【００２５】
また、微細構造体の具体例としては、３次元形状による屈折率分布に加えて透過率分布を有する構成を挙げることができる。図５は、本発明の第２の実施形態に係る微細構造体の製造工程図である。
【００２６】
まず、図５（ａ）に示すように、第１の実施形態におけるパターン形成工程と同様の方法で、非レジスト部ＮＲの幅Ｗ１がＸ方向に沿って段階的に変化するようにレジストパターン２２ａを基材１上に形成する。
【００２７】
次に、図５（ｂ）に示すように、クロムやニッケル等の遮光性の金属材料をレジストパターン２２ａ上に蒸着等により成膜した後、レジストパターン２２ａを剥離除去することにより、レジストパターン２２ａ上の金属が除去されて、レジストパターン２２ａの反転パターンである金属パターン２４ａが基材１上に形成される。このようなリフトオフ工程により形成された金属パターン２４ａは、レジストパターン２２ａと同様に、非金属部ＮＭの幅Ｗ２がＸ方向に沿って段階的に変化する。
【００２８】
ついで、第１の実施形態におけるエッチング工程と同様の方法で、金属パターン２４ａをマスクとしたエッチングを行い、金属パターン２４ａの非金属部ＮＭの幅Ｗ２が大きいほどエッチング深さが深くなるように、凹部２６を形成する。金属パターン２４ａをマスクとするエッチングは、第１の実施形態のようにレジストパターンをマスクとするエッチングに比べて、異方性エッチングを行う場合のエッチング選択比が向上するため、凹部２６の深さをより広範囲で制御することができる。
【００２９】
このようにして製造された微細構造体は、図６（ａ）に示す三次元形状及び金属パターン２４ａの金属部Ｍの残留によって、図６（ｂ）に示すような屈折率分布及び透過率分布が生じるため、振幅変調と位相変調とを同時に行うことができる。
【００３０】
なお、本実施形態においては、金属パターン２４ａを残留させることにより、透過率分布を生じさせるようにしているが、金属パターン２４ａを最終的に溶解除去するようにしてもよい。また、レジストパターン２２ａの形成において、複数の非レジスト部ＮＲの幅Ｗ１が段階的に変化する方向は、本実施形態のように一方向とするだけでなく、二方向以上であってもよい。
【００３１】
本発明の微細構造体の製造方法は、微細構造体が光学素子である場合に、三次元形状の表面に必然的に形成される微細な凹凸が反射防止構造として機能するため特に好ましく、ホログラフィック光学素子、計算機ホログラム、ピックアップレンズなどへの適用が考えられる。但し、光学素子以外の微細構造体（例えば、マイクロ流体デバイス、バイオチップ、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）など）の製造に本発明を適用することも可能である。
【００３２】
また、上記例示の微細構造体を製造するための成形型を、本発明の微細構造体の製造方法により製造することが可能であり、成形型の製造が容易であると共に、量産化にも対応可能である。
【００３３】
本発明の製造方法は、三次元形状の表面に微細な凹凸を容易に形成することができる点で優れているが、単位領域Ａの幅を極小とすることにより、或いは、エッチング条件を適宜調節することにより、凹凸をほとんど消失させて、所望の三次元形状とほぼ同じ形状に近づけることも可能である。例えば、エッチングを、レジストパターン（あるいは金属パターン）が滅失され、更に過剰に進行するまで行うことにより、３次元形状をある程度維持したまま凹凸を滑らかにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る微細構造体の製造工程図である。
【図２】レジストパターンの一実施例を示す平面図である。
【図３】レジストパターンの他の実施例を示す平面図である。
【図４】微細構造体の一実施例を示す概略断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る微細構造体の製造工程図である。
【図６】微細構造体の他の実施例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  基材
２ａ，１２ａ，２２ａ  レジストパターン
Ｒ  レジスト部
ＮＲ  非レジスト部
６，２６  凹部
２４ａ  金属パターン
Ｍ  金属部
ＮＭ  非金属部
【図１】
2008112036.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】
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