(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
感光性材料が塗布された基板上に露光マスクを介して露光し、現像・リンスしてその感光性材料に三次元構造パターンを形成した後、その感光性材料パターンを硬化させ、それをマスクとしてドライエッチング法で前記基板にパターンを転写して三次元構造体を形成する方法において、
前記露光マスクは光遮光部分の面積を決定するように光透過部分が多段階に分解されたパターンをもつ複数の単位セルであって、該単位セルはその寸法が得ようとする三次元構造体に対応したマスク上の寸法の１／２００以下であるものを備えており、
前記感光性材料として前記単位セル内のパターンが凹凸形状として転写されるようにγ値が１.７５以上の高感度な感光性材料を使用し、現像・リンス後の前記感光性材料パターンとして三次元の全体構造の表面にマスクの単位セル内パターンの光透過領域の寸法に応じた微細な凹凸を形成し、
前記感光性材料パターンを硬化させる前に前記凹凸形状を滑らかな曲面にする加熱処理を施すことを特徴とする三次元構造体の製造方法。
【請求項２】
前記マスクの単位セルは、光透過部分と遮光部分が交互に繰り返し配置されたパターンをもち、目的形状に応じて光透過部分の間隔が設定されているものである請求項１に記載の三次元構造体の製造方法。
【請求項３】
前記露光は焦点ボカシ量がゼロである請求項１又は２に記載の三次元構造体の製造方法。
【請求項４】
前記凹凸の高さ寸法は感光性材料パターンにおける所望構造全体の高さの１／１０００以上である請求項１から３のいずれかに記載の三次元構造体の製造方法。
【請求項５】
前記凹凸は、前記加熱処理中で形状変化量の大きい部分又は体積変化量の大きい部分では凹凸の深さが深くなるように前記マスクの単位セル内パターンが形成されている請求項１から４のいずれかに記載の三次元構造体の製造方法。
【請求項６】
前記凹凸は、前記加熱処理中で形状変化量の大きい部分又は体積変化量の大きい部分では凹凸の数が多くなるように前記マスクの単位セル内パターンが形成されている請求項１から４のいずれかに記載の三次元構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体技術を利用する分野（例えば、マイクロマシニング分野、壁掛けＴＶ用ディスプレイ分野、液晶ディスプレイ分野、太陽電池製造分野）、光学部品分野、マイクロマシニング製品など、三次元的構造を有する物品の製造方法に関するものであり、特に感光性材料が塗布された基板上に露光マスクを介して露光し、現像・リンスしてその感光性材料に三次元構造パターンを形成した後、その感光性材料パターンを硬化させ、それをマスクとしてドライエッチング法でその基板にパターンを転写して三次元構造体を形成する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二次元的な透過率分布を有する濃度分布マスク（グラデーションマスク（ＧＭ））を介して露光し、フォトレジストの現像・リンス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三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（特開平７−２３０１５９号公報、特表平８−５０４５１５号公報を参照）。
【０００３】
そこでは、屈折面や反射面等の三次元構造の特殊表面形状を得るために用いられる濃度分布マスクとして、表面形状に対応して透過率が段階的に変化する二次元的な透過率分布を持った濃度分布マスクが使用されている。
【０００４】
特表平８−５０４５１５号公報に記載されている濃度分布マスクでは、二次元的な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。その単位セルの遮光膜パターンは遮光膜が存在して光の透過率が０％の領域と、遮光膜がなくて光の透過率が１００％の領域の２種類により構成され、光の透過率が０％の領域と光の透過率が１００％の領域は互いに一方向に寄せられてひとつの塊になるように配置されている。遮光膜パターンの最小寸法は露光に用いる光の波長よりも短かくなるような超微細パターンである。
【０００５】
また、その製造方法として電子ビーム（ＥＢ）照射による描画方法が採られている。
特開平７−２３０１５９号公報には、描画時のレーザー光照射光量を単位セル内で変更することによって、単位セル内の光透過量を変更することによる濃度分布マスクの製造方法が記載されている。
【０００６】
感光性材料の「感度曲線」は、概略図３に示すように与えられている。感光性材料によって感度曲線は異なり、ａは高感度感光性材料、ｂは低高感度感光性材料である。Ａは感光性材料の塗布膜厚、ＣＥＬ（コントラスト・エンハンスト・リソグラフィー）は感光初期の感光性材料除去量で、高感度感光性材料のＣＥＬ（高）は低感度感光性材料のＣＥＬ（低）よりも大きい。Ｄ１は低感度感光性材料が感光し始める照射光量、Ｄ２は高感度感光性材料が感光し始める照射光量で、それぞれのＣＥＬ効果による初期照射光量である。Ｄ３は高感度感光性材料の全膜厚除去に要する照射光量、Ｄ４は低感度感光性材料の全膜厚除去に要する照射光量で、これらはそれぞれの感光性材料が底部まで感光する時の露光量である。
【０００７】
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に応じてＣＥＬ量及び感度曲線が異なる。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）が減少する。つまり、感光性材料の厚さ（深さ）と照射光エネルギー量は指数関数で減少する反比例の関係にある。したがって、「光透過率」と感光性材料の残膜量を実験データから求めると、感光性材料の厚さ方向に分布を有するレジスト膜厚分布を形成することが可能となる。
【０００８】
図３からわかるように、低感度感光性材料を用いるとＤ１からＤ４の範囲で階調が得られ、階調の範囲を広くとることができる反面、パターンのシャープネス（切れ）を向上させることが難しい。一方、高感度感光性材料を用いるとＤ２からＤ３の範囲でのみ階調が得られ、階調の範囲を広くとることができないが、パターンのシャープネスを向上させることが容易である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、パターンのシャープネスを向上させるために、高感度感光性材料を使用することを検討した。
従来技術の特表平８−５０４５１５号公報に示されている濃度分布レチクルマスクは図２（Ａ）、（Ｂ）に示されるような単位セルをもっており、そのような濃度分布レチクルマスクを用いて高感度感光性材料を露光すると、現像後の断面形状は図１（Ａ）に実線で示されるように、感光性材料に各単位セルの階調段差が大きく生じるため、滑らかな形状とはならない。また、表面に大きな凹形状が傷状に発生する。このため、階調の変わり目（例えば、Ｎｏ．ｎとＮｏ．ｎ＋１の間）で段差が生じるため、バイナリーオプチクス（Binary Optical Element）形状となる。
【００１０】
高感度感光性材料では、マスクの単位セル内の光透過率分布をそのまま転写するため、表面に大きく微細な凹凸が生じる。この形状のまま感光性材料を硬化させると構造物の表面粗さが粗くなることや、段差の原因となり、滑らかな表面形状が求められる光学素子などの分野では好ましいことではない。
本発明の目的は、高感度感光性材料を使用してパターンのシャープネスを向上させるとともに、階調の変わり目で段差が生じないようにしてバイナリーオプチクス形状とならず、滑らかな表面形状とすることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、感光性材料が塗布された基板上に露光マスクを介して露光し、現像・リンスしてその感光性材料に三次元構造パターンを形成した後、その感光性材料パターンを硬化させ、それをマスクとしてドライエッチング法で前記基板にパターンを転写して三次元構造体を形成する方法の改良である。本発明では、露光マスクは光遮光部分の面積を決定するように光透過部分が多段階に分解されたパターンをもつ複数の単位セルを備えており、感光性材料として単位セル内のパターンが凹凸形状として転写される高感度な感光性材料を使用して、現像・リンス後の感光性材料パターンとして三次元の全体構造の表面にマスクの単位セル内パターンの光透過領域の寸法に応じた微細な凹凸を形成する。そして、感光性材料パターンを硬化させる前に表面の凹凸形状を滑らかな曲面にする加熱処理を施す。この加熱処理により、凹凸形状が変形して図１（Ｂ）に破線で示されるように滑らかな曲面となる。
【００１２】
そのような高感度な感光性材料とは、γ値が１.７５以上のものである。γ値が１.７５未満のものを低感度な感光性材料と呼ぶ。
γ値は次の定義により与えられる数値である。再び図３を参照すると、感光性材料が感光し始める照射光量（Ｄ１又はＤ２として示されている）をＤ0と表わし、感光性材料の全膜厚除去に要する照射光量（Ｄ３又はＤ４として示されている）をＤと表わすとすれば、γ値は
γ＝１／（logＤ−logＤ0）
と定義される。γ値が大きいほど感度が高く、解像度がよくなる。
【００１３】
本発明で使用する露光マスク（レチクル）は、特表平８−５０４５１５号公報に記載の方法及び特開平７−２３０１５９号公報に記載の方法のいずれの方法によっても製作することができる。両方法の違いは、おおよそ▲１▼単位セルの寸法、▲２▼製作時の光源、▲３▼デジタル方式かアナログ方式か、ということなどである。
【００１４】
露光マスクを特表平８−５０４５１５号公報に記載の方法により製作した場合には、その露光マスクは光遮光部分が極微細パターンによりデジタル的に形成され、光透過部分がサブミクロンで形成されて多段階に分解されたパターンをもつ複数の単位セルを備えることになる。また、露光マスクを特開平７−２３０１５９号公報に記載の方法により製作した場合には、その露光マスクは光透過分布がアナログ的に濃度分布したパターンをもつ複数の単位セルを備えることになる。
【００１５】
感光性材料を露光し、現像・リンスした後に得られる感光性材料パターンは表面に微細な凹凸をもっているが、その凹凸は目的とする三次元構造体寸法の１／２００以下の領域内に複数個が形成されたものが好ましい。その凹凸が三次元構造体寸法の１／２００より大きくなると目的形状を滑らかに製作することが困難になるからである。
【００１６】
また、その凹凸の高さ寸法はこの三次元構造体の高さの１／１０００以上であることが好ましい。その凹凸の高さ寸法がそれより小さくなると、感光性材料パターンの構造を維持することが困難になるからである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
基板上に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する濃度分布レチクルマスク製作方法を述べる。
【００１８】
まず別途、所望の三次元構造設計を行なう。この設計の際次の２点について注意を要する。
▲１▼感光性材料の感度曲線と目的形状の対応を明らかにして、単位セル内の透過率、すなわちＧＭパターンＮｏ．を配置すること。
ＧＭパターン（単位セル）の例としては、図２（Ｃ）〜（Ｆ）に示されたようなものがある。（Ｃ）は千鳥状配列、（Ｄ）はランダム配列、（Ｅ）はライン・アンド・スペース配列、（Ｆ）は片寄せライン・アンド・スペース配列の例を示したものである。もちろん、使用できるＧＭパターンはこれらに限定されるものではない。
【００１９】
▲２▼プロセス中熱処理の際、他の部分よりもより多く熱処理（熱変形）させる部分を目的形状から指定・選定し単位セル中のパターンを配置する（但し、ここで「部分を目的形状から指定・選定し単位セル中のパターンを配置する」とは、光透過部分と光遮光部分を集約させることなく配置することを意味する）。
【００２０】
次いで、この設計に基づき、濃度分布レチクルマスクを製作する。具体的には、（レチクルマスク上の）感光性材料の感度特性と、所望の形状設計による単位セルの光透過量分布に応じて、感光性材料に直接照射するレーザー又は電子線描画の照射（露光）を行なう。
【００２１】
濃度分布レチクルマスクの製作方法の一例を示す。図４に示されるように、以下のステップを備えている。
（Ａ）マスクブランクスを単位セルに分割するステップ（ステップＳ１）。
すなわち、所望の三次元形状から、マスクブランクスをグリッド状に分割して、得ようとする濃度分布マスクの二次元の光強度分布パターンをグリッド状に配列設計する。
【００２２】
（Ｂ）加工プロセス条件及び感光性材料の感度から決定される数式化された「感度曲線」に基づいて単位セルそれぞれの光透過領域又は遮光領域を決定するステップ（ステップＳ２）。
【００２３】
（Ｃ）上記決定された光透過領域又は遮光領域を「各グリッド」に配置してＣＡＤ（Computer Aided Design）で必要な描画回数、焦点深度、ビーム径を計算し、データ化するステップ（ステップＳ３）。
【００２４】
（Ｄ）ステップ（Ｃ）のデータに基づいて、マスクブランクス上の感光性材料を所定の条件（焦点深度、ビーム径）で所定の回数だけ多数（多段階）回描画する（単位セルによって描画回数を変化させる）描画ステップ（ステップＳ４）。もちろん、１回露光の場合もある。
このステップは、図５（ａ）〜（ｄ）示されるように多段階描画する。ここでは、一例として４回に分けて描画をする場合を示しており、その４回のうちの必要な回数だけ描画することによりその単位セルの光透過量が決定される。最上部に（Ａ）として示されている図はこれら４回の全てを描画した場合の描画パターンである。
【００２５】
各回の描画は図５の右上に矢印で示されているような走査線にそって光ビーム又は電子線ビームを複数本同時に又は順次走査し、グリッド毎に、「描画ＯＮ，ＯＦＦ」を制御することにより行なう。各回で描画領域が異なるように設定されている。
【００２６】
単位セル内の光透過率変化は、「中心から周辺に向かって変化する」場合もあるし、「単位セルをグリッドに分割し、そのグリッドにおいて光透過率が不連続に変化する」場合もある。
グリッドに光透過率が０％と１００％の中間の値を示す「中間透過率を有する部分」を配置することができる。つまり、０％と１００％の中間の値を示す光透過率、例えば３０％、５０％、７０％のような中間透過率を有する部分を配置することができる。
【００２７】
グリッドの寸法を小さくすることができるので、配置の方法として不連続（例えばランダム）に中間透過率をもつグリッドを配置することが可能となる。また、同じ透過率をもつグリッドを塊状として配置することもできる。この方式を進めると、連続した濃度分布配置となる。この場合、▲１▼中間階調を非常に細かくとることができるため単位セル寸法を飛躍的に小さくすることができる。▲２▼したがって、所望の形状が急激に変化する形状、すなわち勾配の急な形状でも容易に階調を形成することができる。▲３▼ランダム配置することによって隣接セルと光回り込み量を平均化できる、などの利点がある。
【００２８】
グリッドに光透過率が０％と１００％の中間の値を示す「中間透過率を有する部分」を配置する例を図７に示す。ここでは、一辺１μｍの単位セルを一辺０.２μｍの５×５＝２５のセルに分割した。例えば、白、黒、３０％、５０％、７０％の５段階の光透過率部分を配置した場合、全部白、又は全部黒の場合は階調とはなり得ないので、この場合は４階調である。したがって、理論的には２５×４＝１００階調である。つまり、ｎ段階の濃度変化では、ｎ−１階調である。また、単位セルの分割数（グリッド数）によって階調は異なる。上の例では、グリッド数×（ｎ−１）＝２５×４＝１００である。
【００２９】
グリッドの光透過率と階調の関係は、下の表１のように設定した。
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【００３０】
図７では、（Ａ）３０／１００階調の単位セルと（Ｂ）６０／１００階調の単位セルの光透過率配置を示している。（Ｃ）は０／１００階調、３０／１００階調及び６０／１００階調を組み合わせた例を示したものであり、各グリッドの階調数を数値で示したものが図７（Ｄ）である。なお、図７の例は、乱数を発生させて各グリッド番地に光透過濃度分布を形成した場合である。
【００３１】
（Ｅ）ステップ（Ｄ）で描画されたマスクブランクスを現像・リンスして三次元の感光性材料パターンを得るステップ（ステップＳ５）。
（Ｆ）その後、ドライエッチング又はウエットエッチングによって感光性材料パターン形状を遮光膜に転写するステップ（ステップＳ６）。
得られた濃度分布マスクを用いて三次元構造の物品を製作方法は、その濃度分布マスクを用い、縮小光学系露光機で、高感度な感光性材料が塗布された基板上に縮小露光する工程と、露光された感光性材料を現像しリンスして表面に微細な凹凸をもつ三次元構造の感光性材料パターンを形成する工程と、加熱処理により表面の凹凸を変形させて滑らかな曲面にした後、この感光性材料パターンをマスクとしてドライエッチング法でパターンを基板に転写する工程から構成される。
【００３２】
上記引例の特表平８−５０４５１５号公報の方法における単位セルの考え方と本発明のものを比較すると、その引例の方法では図６左側の図に示すように、光透過部分を単位セルの一部分に集約させている。これによって、露光される単位セルは集約された光透過部分のパターンは、微視的に捉えると大きな凹形状である。これに対して、本発明では、図６右側の図に示すように、単位セル内において積極的に微細な凹凸を形成し、この凹凸形状を積極的に構造製作時に活用するものである。活用の方策として、加熱工程において大きく変形させたい部分（領域）に凹凸形状をより多く、又は凹凸の深さがより深くなるように配置する。
【００３３】
もちろん、本発明及び引例の方法においても、単位セルの集合体としての光透過量は目的の構造を製作できるように設計されている。また、本発明ではデジタル的な光透過量変化をさせる方法も含んでいる点においては、引例の方法と同様である。
【００３４】
上記の描画エネルギーは、予め別途用意したシミュレーションによって決定する。つまり、予めＣｒ膜厚と光透過量の関係をグラフ化し数式化しておく。上記の様に、単位セル内の光透過量（Ｏ．Ｄ．）の集合が所望の形状を表わすように各単位セルの光学濃度量を決定し、光透過量の分布を設定する。
【００３５】
以上によって、引例方法の最大の欠点である▲１▼パターン配置の向き（同じパターンでも光透過部分がどこに配置されているか：同じ形状でも右向きか左向きか）で製作形状が異なる、▲２▼三次元構造物の微細な構造制御ができない、などの問題点を解決できる。
【００３６】
この方法を用いれば、感光性材料の感度が高いためにパターンのシャープネスを得るのが容易であるため、高度に制御が必要な感度曲線の管理・高度な製造プロセスの管理を必要とすることもなく、安価に、しかも容易に、製作速度速く、製作することが可能となる。
縮小光学系露光で三次元方向に光透過量濃度分布を有するデジタルマスク又はアナログマスクを使用して、高精度で安価な非球面構造を製作できる。
【００３７】
【実施例】
（実施例1）
（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）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。以下に示す例は、代表的な例を示したものであり、単位セルの寸法、ドットの寸法、起点の寸法等は、所望の形状に対応して設計されるべきもので、本実施例に限定されるものではない。即ち、各単位セルとドットの寸法によって階調数が決定されるので、これらの寸法は、目的形状と目的階調によって決定するものである。
【００３８】
単位セル形状は、所望の形状に応じて、例えば、なだらかな曲面が続く場合、不連続な面で構成される場合など階調の変化量によって、濃度分布マスク特性を発現する「最も効果的な多角形」及び「その組み合わせ」を選択することで最適な形状を決定することができる。
【００３９】
また、同様に単位セルの寸法も所望の形状に対して必要な階調をどの程度微細にとるかで決定される。即ち、短い距離で多くの階調を必要とする時には、比較的小さな寸法の単位セルを選択し、ドット寸法をできるだけ小さくするのが望ましい。
また、ドット面積の増加・減少は入力時のインプットデータであり、マスクの製作条件によってはレーザー光の太りやドライエッチングの等方性エッチングなどにより形状が崩れることがある。
【００４０】
（濃度分布マスクの設計）
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（マイクロレンズアレイ）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。
【００４１】
このＭＬＡにおいては、レンズの両側に各１μｍづ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＝０．８９２となり、ＭＬＡで全ての光を有効に集光することができても８２パーセントの集光効率でしかない。即ち、ＭＬＡの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には重要である。
【００４２】
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。
【００４３】
本件実施例では、Ｎｏ．５からＮｏ．１０までのパターン部分（すなわち、マイクロレンズの頂点付近に近い部分：レンズ傾斜が滑らかな部分）の単位セルでは、単位セル□６μｍ×６μｍを□０．５μｍ×０．５μｍの小さな領域に分割し１２×１２＝１４４の領域に分割した。この領域に所定の光透過量を与えながら、かつ微細な凹凸が形成できるように各ＧＭパターンの光透過領域を配置する。
一例は、ＧＭパターンＮｏ．Ａでは、図８に示されるように、１４４領域を長さＸμｍ、幅Ｙ１μｍ〜Ｙ３μｍの縦３ラインの光透過領域として設計する。この際、３ラインの間隔を各ライン毎に変更するのがポイントである。もちろん、上記Ｘ、ＹはＧＭパターンＮｏ．や単位セル寸法、ドット寸法によって変更があるのは当然である。具体的には、ＧＭパターンＮｏ．１０では、１４４領域を「光透過する長さ４μｍ、幅０．５μｍの縦３ライン」として設計する。
【００４４】
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。本件実施例では、感度曲線とＣｒ膜厚さと光透過率の関係からの式を用いてＣＡＤプログラムを製作した。
【００４５】
（濃度分布マスクレチクルの製作）
上記のようにして作成したＣＡＤデータを図９に示すリコー光学株式会社製のレーザー光照射装置を用いてレーザー光を照射しレジスト材料に描画を行なった。このレーザー光照射では、所望の形状に応じて最適のビーム形状を決定し、多角形形状や円形状などをアパチャーで整形することができる。また、レーザーパワーは、レーザーに供給する電流値を変更するか、または光出射側に減光フィルターを挿入して変更してもよい。
【００４６】
図９に示すレーザー光照射装置は、レーザー光発振装置１、レーザー光発振装置１からのレーザー光を複数のレーザー光に分割するビームスプリッター２、レーザー光の光路を折り曲げるミラー３、ミラー３で折り曲げられたレーザー光を変調する光変調器４、データバスからの信号により光変調器４を制御して個々のレーザー光のＯＮ・ＯＦＦを制御する光変調制御装置５、光変調器４からのレーザー光を偏向する光偏向器６、レーザー光をレジスト材料層に集光するための対物レンズ７、載置されたマスクブランクスをＸ方向及びＹ方向に移動するＸ−Ｙステージ８、並びに光偏向器６の動作とＸ−Ｙステージ８の動作を制御する制御装置９などの主要構成部品から構成されている。
【００４７】
このレーザー光照射装置は、設計データに応じてＸ−Ｙステージ８の動作と、個々のレーザー光のＯＮ・ＯＦＦ及び偏向を制御することにより、マスクブランクスのレジスト材料層に所望のマスクパターンを描画する。すなわち、このレーザー光照射装置によりレジスト材料層にレーザー光を照射して各単位セル毎に光透過領域又は遮光領域を所望の透過率分布になるように２次元的にパターン形成を行なう。また基板表面高さ検出器（ＡＦ（自動焦点合わせ）機能）が付属しており、ＡＦ面から僅かにずらすことによって焦点位置を変更することができる。レーザービーム径は本実施例では直径０.２μｍ、位置あわせ精度０．０５μｍ、焦点位置精度０．１μｍで行った。
尚、単位セル形状とドット形状は目的とする製品により適当なものを選択すればよい。
【００４８】
上記のようにして作成したＣＡＤデータを図９に示したレーザー光照射装置にインストールして、Ｘ−Ｙステージ８とレーザー光のＯＮ、ＯＦＦ及びビーム描画位置と描画回数を制御しながら、所定の方法で濃度分布マスクブランクスに露光した。そして、所定の方法で現像、リンスを行なってレジスト材料層をパターニングした。その後、ドライエッチングにてＣｒ膜のパターニングを行なった。以下の具体例ではドット形状を四角円形状としてＣＡＤプログラムを作成した。
このようにして、目的とする開口寸法を有し、かつ濃度分布を有する濃度分布マスクレチクルを製作した。
【００４９】
（濃度分布マスクレチクル製作の具体例）
液晶用ＭＬＡの製作：
濃度分布マスクレチクルを製作するに当たり、感光性材料であるレジスト材料として、ポジ型レジスト材料のＯＦＰＲ−８００−８００（東京応化（株）の製品）を用いた。
【００５０】
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。ここでは説明を簡単にするために、正方形で説明する。光透過量の制御方法は、▲１▼Ｃｒ開口面積の制御、▲２▼Ｃｒ膜厚の制御、▲３▼▲１▼と▲２▼の組み合わせ方法がある。ここでは、▲１▼の方法を採用した。
【００５１】
別途用意してある「単位セルパターンＮｏ．と感光性材料の除去膜厚（残る膜厚でも良い）関係」、「Ｃｒ膜厚さと光透過量の関係」、「描画回数と感光性材料の除去膜厚（残る膜厚でも良い）」、「光学濃度とＣｒパターン」、「光学濃度とＣｒ膜厚分布」などのデータから設計シミュレーターで所望の形状を製作するための濃度分布マスク単位セル配置を設計する。
【００５２】
濃度分布マスクレチクルを製作するために、透明ガラス基板上に例えば１５０ｎｍ厚さのＣｒ膜を成膜し、その上に上記のレジスト材料を塗布する。そのレジスト材料に図９のレーザー光照射装置を用いてレーザー光を照射し描画を行なった。
その後、現像とリンスを経てレジスト材料層にマスクパターンを形成し、そのレジストパターンをエッチングマスクとしてＣｒ膜をドライエッチングすることにより、Ｃｒ膜をパターン化し、濃度分布マスクを製作した。
【００５３】
（液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１）
上記液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の濃度分布マスクレチクルを用いた。基板上に感光性材料であるレジスト材料として、ポジ型レジスト材料のＴＧＭＲ−９５０ＢＥ（東京応化（株）の製品）をスピンナーで塗付した。その後、ホットプレート上で９０℃、１２０秒間プリベークした。この時の感光性材料厚さは９．１μｍであった。次いで、ステッパー装置で露光を行なった。露光条件は、デフォーカス：＋０μｍ、照射量：３９０ｍＷ×１．４９秒（照度：５８０ｍＪ）である。
【００５４】
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。このときのレジスト高さは７．５μｍであった。ジャストフォーカスの効果によって、感光性材料表面には狙いどおりの凹凸微細形状を製作することができた。
【００５５】
次いで、ホットプレート上で９５℃で５分間プリ・ポストベークを行った。この時、温度上昇は２５℃から９５℃まで７０℃／４分（１７．５℃／分）の勾配で上昇させた。その後、９５℃で１分間保持した。この加熱によって、感光性材料中の溶剤を徐々に蒸発させながら、かつ加熱の後半では感光性材料の表面凹凸を僅かに流動させて滑らかな表面をもつ目的形状を得ることができた。
【００５６】
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。
【００５７】
その後、上記基板をＴＣＰ（誘導結合型プラズマ）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、Ｏ2：１５.０ｓｃｃｍ、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、０.６７μｍ／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。
【００５８】
（液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例２）
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製作方法でマスクを製作した。マスクの設計は、光学シミュレーターの設計データと、感光性材料（ＮＰＲ−９７１０：ナガセ化成工業製）の感度曲線を基にＧＭ設計を行なった。ＧＭ設計は、参照球面（Ｒ（半径）のみを変化させて、ＲＭＳ（根二乗平均）が最小となる球面）からの差異（ずれ）の大きな部分では図８に示すパターンを基本にしたパターンを配置した。具体的には、ＧＭパターンＮｏ．１０では、全体領域１４４領域の内で、「光透過する領域として長さ４μｍ、幅０．５μｍの縦３ライン」として設計した。このときレンズ頂点部に近い部分は、光透過領域を狭く（光透過量を少なく）した配置を実施した。
【００５９】
基板上に上記感光性材料（ＮＰＲ−９７１０：ナガセ化成工業製）をスピンナーで塗付した。その後、ホットプレート上で９０℃、１２０秒間プリベークした。この時の感光性材料厚さは９．１μｍであった。次いで、上記マスクを用いてステッパー装置で露光を行なった。露光条件は、デフォーカス：＋０μｍ、照射量：３９０ｍＷ×１．４９秒（照度：５８０ｍＪ）である。
【００６０】
露光後、ＰＥＢ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。このときのレジスト高さは７．５μｍであった。ジャストフォーカスの効果によって、感光性材料表面には狙いどおりの凹凸微細形状を製作することができた。
【００６１】
次いで、ホットプレート上で９５℃で５分間プリ・ポストベークを行った。この時、温度上昇は２５℃から９５℃まで７０℃／４分（１７．５℃／分）の勾配で上昇させた。その後、９５℃で１分間保持した。この加熱によって、感光性材料中の溶剤を徐々に蒸発させながら、かつ加熱の後半では感光性材料の表面凹凸を僅かに流動させて滑らかな表面をもつ目的形状を得ることができた。
【００６２】
本実施例では、レンズ頂点部分に凹凸形状を配置したが、非球面構造を製作する場合に、参照球面から僅かに下側に形状をずらしている非球面形状を目的とする場合は、この部分に凹凸パターンを配置する。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
この具体例２によって製作したＭＬＡは、具体例１で作成したＭＬＡよりも焦点距離が短い非球面ＭＬＡを実現することができた。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、三次元方向に光透過量濃度分布を有するデジタルマスク又はアナログマスクを使用して、高感度な感光性材料が塗布された基板上に露光し、現像・リンスしてその感光性材料の表面に微細な凹凸形状をもつ三次元構造パターンを形成し、凹凸形状を滑らかな曲面にする加熱処理を施した後にその感光性材料パターンを硬化させ、それをマスクとしてドライエッチング法で基板にパターンを転写して三次元構造体を形成するので、高精度で安価な非球面構造を製作でき、安価な光学製品の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  各工法による現像後の断面形状を示す図である。
【図２】  濃度分布マスクに配置される単位セルの例を示す図である。
【図３】  感光性材料の感度曲線を示す例である。
【図４】  濃度分布マスク製造方法を示すフローチャート図である。
【図５】  多段階描画を示す図で、（ａ）〜（ｄ）は各回の描画領域、（Ａ）はこれら４回の全てを描画した場合の描画パターンである。
【図６】  引例の方法と本発明の方法を比較する単位セルの断面図である。
【図７】  単位セルをグリッドに分割して光透過濃度分布を形成した例を示した単位セル光透過率配置を示す図であり、（Ａ）は３０／１００階調の単位セル、（Ｂ）は６０／１００階調の単位セル、（Ｃ）は０／１００階調、３０／１００階調及び６０／１００階調の単位セルを組み合わせた例を示したものである。
【図８】  本発明における濃度分布マスクの単位セルの一例を示す図である。
【図９】  濃度分布マスクレチクルの製作に用いるレーザー光照射装置の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１      レーザー光発振装置
４      光変調器
５      光変調制御装置
６      光偏向器
７      対物レンズ
８      Ｘ−Ｙステージ
９      制御装置
【図１】
0004794091.tif 000003
【図２】
0004794091.tif 000004
【図３】
0004794091.tif 000005
【図４】
0004794091.tif 000006
【図５】
0004794091.tif 000007
【図６】
0004794091.tif 000008
【図７】
0004794091.tif 000009
【図８】
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【図９】
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