(57)【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方法において、
濃度分布マスクは透明基板上に２次元の光強度分布を有する遮光パターンが形成されたものであり、適当な形状及び大きさの単位セルにより隙間なく分割されており、各単位セル内の遮光パターンが前記感光性材料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とにより前記遮光パターンが構成されているものであり、
前記基板上に感光性材料層を形成し、前記濃度分布マスクを用いた露光において、露光時間内にデフォーカス量を焦点が大きくずれた側から焦点が合う側へ複数段階に変化させつつ行なうフォトリソグラフィ工程により３次元パターンの表面形状が平滑化された前記感光性材料パターンを形成することを特徴とする３次元構造体製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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次元的な透過率分布を有する露光用マスクを介して露光し、フォトレジストの現像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透過率が段階的に変化する２次元的な透過率分布を持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。
【０００４】
特表平８−５０４５１５号公報（この記載内容を従来技術とする）に記載されている濃度分布マスクでは、２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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の濃度分布マスクを用いて行なう露光工程は、投影露光法である場合も密着露光法である場合も、フォトレジスト層にちょうど焦点が合ったジャストフォーカス状態で行なわれる。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、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でてくる。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。従来技術の文献で「実質的に」と述べているのはそのことを意味している。
そこで、本発明は、目的とする物品の表面形状を平滑なものとすることを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、濃度分布マスク工法を用いることによって、上記問題点を解決する方法の提案である。濃度分布マスク工法はレジスト熱変形工法に比べて次のような利点をもっている。
（１）隣接間隔を限りなく零に近づけた微小ピッチのマイクロ・レンズ・アレイ（ＭＬＡ）は隣接部の高さが隣接接線断面で異なっている。しかし、この形状を従来のレジスト熱変形工法で製作しようとしても目的の設計通りのＭＬＡ構造を製作できない。また従来のレジスト熱変形工法では、レジストの複数回塗布工法によって間隔を小さく、あるいは、隣接断面高さを目的地に近づけることはできるが、独立（孤立）したレジストブロックを形成するために隣接するＭＬＡの間隔を零にすることは事実上不可能である。
（２）フレネルレンズの形成は、従来のレジスト熱変形方法では不可能であった。
（３）従来のレジスト熱変形工法では、直径５００μｍ程度が大口径レンズの限界であった。
（４）非球面形状を容易に製作できる。
（５）トロイダル等の異形レンズを容易に製作できる。
（６）プリズム、ピラミッド等に代表される単調増加の凸構造が容易に製作できる。
（７）マイクロマシニング等の複雑な構造物を容易に製作できる。
【０００７】
本発明の目的は請求項１に記載した３次元構造体製造方法により達成することができる。
すなわち、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方法であり、露光に用いる濃度分布マスクは透明基板上に２次元の光強度分布を有する遮光パターンが形成されたものであり、適当な形状及び大きさの単位セルにより隙間なく分割されており、各単位セル内の遮光パターンが感光性材料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とにより遮光パターンが構成されているものであり、基板上に感光性材料層を形成し、上記濃度分布マスクを用いた露光において、露光時間内にデフォーカス量を予め設定された条件で変化させつつ行なうフォトリソグラフィ工程により感光性材料パターンを形成する。
ここでデフォーカス量とは焦点がずれている程度をいう。
【０００８】
デフォーカス状態で露光することにより、フォトレジストに形成される３次元パターン、ひいては目的とする物品の表面形状を平滑なものとすることができる。そして、デフォーカス量を多段階に変化させることにより、３次元パターン表面を滑らかにする効果を保ちつつ、デフォーカス量を大きく設定して変化させない場合に比べて露光時間の短縮、隣接効果の低減による形状制御性の向上及び露光面への光の到達度の向上を図ることができる。
デフォーカス量の制御は、露光が投影露光である場合には、焦点を感光性材料層からずらせばよく、露光がマスクを感光性材料に近づけて行なう近接露光の場合には、露光時間内に感光性材料層が形成されている基板とマスクの一方又は両方を面内で移動させればよい。また、露光時間内に、デフォーカス量に応じて露光量を制御することが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
フォトリソグラフィ工程は、デフォーカス量を焦点が大きくずれた側から焦点が合う側へ変化させることが好ましい。その結果、フォトレジストに形成される３次元パターン、ひいては目的とする物品の表面形状をより平滑なものとすることができる。
【００１０】
また、単位セルの形状及び大きさを選択することにより、描画ビーム形状に合わせた最適な設計方法を選択することができるようになる。
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。即ち、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（即ち、関数）である。
【００１１】
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。
【００１２】
Ｔ＝(１／α)・Ｌｎ(Ｐ・Ｓ)−(１／α)・Ｌｎ(Ｙ)
Ｔ＝Ｌｎ{ａ・(Ｓ＋ｂ)f・Ｆ(Ｘ)}
Ｔ：除去される感光性材料の厚さ(μｍ)
α：係数（各種プロセス条件等の関数であり、α＞０）
Ｐ：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、したがってＳ＜１
Ｙ：深さＴでの光量、感光性材料が感光するのに必要な露光量（ｍＪ）ａ，ｂ，ｆ：係数
Ｆ(Ｘ)：関数（但し、Ｆ(Ｘ)＝Ｆ(Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，・・・，Ｘｎ)）Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，・・・，Ｘｎ：感光性材料プロセス、感光性材料自体の感度、濃度分布マスク設計手法によって変化する因子
【００１３】
本発明は、半導体プロセスのように、ある高さの感光性材料を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、即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。上記方法によって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次元的に設計し、その結果、濃度分布マスクを透過した光は２次元の光強度分布を有する特徴を発現できる。
【００１４】
本発明の濃度分布マスクを用い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。更に、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。
【００１５】
濃度分布マスクレチクルを製作するに当たり、まず、レジスト材料の感度曲線を求め、光照射量とレジスト除去量の関係を把握する。
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.」（即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（Computer 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。更に、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。
【００１６】
次に、ＣＡＤデータをデータ化してレーザー光照射装置にセットする。
濃度分布マスクレチクルは、一例として、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する。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▼の組合わせ方法がある。ここでは、▲３▼の方法を採用した。
【００１７】
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２００ｎｍ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して濃度分布マスクレチクルブランクスとする。そのレジスト材料に上記のＣＡＤデータがセットされた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う。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。
このレーザー光照射装置によりレーザー光が照射されたレジスト材料部分は、次の現像工程によって除去され、レジスト材料層にマスクパターンが形成される。
【００１８】
次に、このパターン化されたレジスト材料層をエッチングマスクとしてＣｒ膜をドライエッチング又はウエットエッチング、好ましくはドライエッチングすることにより、Ｃｒ膜がパターン化されて、「単位セルＮｏ.」が規則的に「レンズ配置位置」に並んだ、所望の２次元的な透過量分布を有する濃度分布マスクが得られる。その単位セル内では、Ｃｒ膜の除去された部分と、Ｃｒ膜の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。
【００１９】
濃度分布マスクレチクルマスクのブランクスとしては、市販のマスクブランクスを使用してもよい。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１μｍ程度塗布したものである。
上記の濃度分布マスクレチクル製作において、Ｃｒ膜のパターン化をエッチング処理により行なえば、Ｃｒ膜のある部分では光透過率が０％、Ｃｒ膜のない部分では光透過率が１００％となる遮光膜パターンが得られる。
【００２０】
また、単位セル内で残存させるレジスト材パターンの膜厚が単位セル内のパターン周辺部では周辺に向って連続的に厚くなるように上記レーザー光照射装置による露光を行ない、現像をしてそのレジスト材層にパターンを形成した後、そのレジスト材パターンをマスクとして異方性ドライエッチングによりＣｒ膜をエッチングすれば、単位セル内のＣｒ膜パターンがその周辺部では周辺に向って膜厚が連続的に厚くなって光透過率が連続的に変化するようにすることができる。
【００２１】
また、本製作方法は、電子線描画（ＥＢ描画）でも製作できるが、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、再現性が著しく乏しい。また製作時は、単一ビームしか出射できないために製作に莫大な時間を要し、経時的な変動が大きい。以上から、本発明では、安価で信頼性の高いレーザー光照射装置を製作し、濃度分布マスクを製作した。
【００２２】
【実施例】
（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。
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。
【００２３】
図１には、単位セル形状を変更する場合の代表例として、６種類の多角形形状の例を示した。（ア）は正方形、（イ）は正六角形、（ウ）は直角二等辺三角形、（エ）は長方形、（オ）は六角形、（カ）は二等辺三角形である。これらの多角形は、「所望の形状を上方向から見た際に、上方から多角形の網を覆いかぶせる方法」で最適の形状を決定する。所望の形状に応じて、すなわち、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。
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。
【００２４】
図２には、ＭＬＡの濃度分布マスクの単位セル配置の例を示した。（ア）は中心部分に配置する単位セルの組合わせパターンの例、（イ）は周辺部分に配置する単位セルの組合わせパターンの例を示している。いずれも実線で示されているのが単位セルで、破線の矢印はその方向にも単位セルが配置されていることを示している。
【００２５】
（ア）はＭＬＡの中心付近に配置するため、所望の形状はなだらかな曲線形状である。このため階調数はさほど必要としない。したがって、寸法の比較的大きい単位セルで構成し、放射線状に単位セルを配置している。
【００２６】
（イ）は周辺部分に配置するため、所望の形状は急激に変化する曲面形状である。このため階調数は多くを必要とする。したがって、ＭＬＡの四隅に近づくにつれて寸法の小さな単位セルで構成し、ドット寸法も小さくする必要がある。また、単位セルの形状も四角形だけでなく、三角形のものも配置し、単位セル内でのドットの位置を変更することにより光透過量の隣接効果に対処しやすくしている。
【００２７】
図３は、代表的な単位セル内の光透過領域又は遮光領域の増加又は減少の起点となる初期パターンの位置の違いと、光透過量又は遮光量を変化させる方法を示している。いずれも最も外側の正方形が単位セルを表わし、内側の正方形はそれぞれ光透過領域又は遮光領域を表わしている。（Ａ）では単位セルの中央に起点があり、（Ｂ）では四隅のいずれかに起点が配置されていることを表わしている。
【００２８】
図４は、光を透過する開口部（Ｃｒがない部分）を増加させていく例を示している。特に説明はしないが、光透過面積を減少させていく場合も同様である。図４（ア）は螺旋状に中心から面積を増やす方法であることの例を示している。この例は、ある単位セルＮｏ.からのドットの増加方法の代表例を示している。また、ある代表的な１ドットづつの増加方法あるいは減少方法を示している。したがって、ここに示したドットの中心に配置した初期四角形形状の寸法やドット寸法はモデル的なものであり、本発明では正方形に限定されるものではなく、長方形、三角形等の多角形でも構わない。また、当然のことながら楕円形状を含む円形状でもよい。
【００２９】
図４（イ）は単位セルが正六角形の場合の例を示している。この場合は、斜線部で示されるドットは円であり、その大きさを変えることにより透過量又は遮光量が変化していく。
また、ドットの面積の増加・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。
【００３０】
（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１μｍづつのレンズ非形成部がある場合は、１６μｍ×１６μｍ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、１６×１６／１８×１８＝２５６／３２４＝０.７９となり、ＭＬＡで全ての光を有効に集光することができても７９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り、この実施例ではそのレンズ非形成部を零に近づける。
【００３１】
具体的には、１／５倍（縮小の）ステッパーを用いる場合、実際に製作した濃度分布マスクレチクルパターン寸法は、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。
【００３２】
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。本件実施例では、図１（ア）〜（カ）の方式を用いてＣＡＤプログラムを製作した。
【００３３】
（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５に示す自社開発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。
【００３４】
図５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。
【００３５】
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、この際、所望の特殊表面形状に応じて演算された各単位セルの透過量分布に応じてレーザー光の照射が制御され、各単位セル内の光透過領域又は遮光領域を増加または減少させるドットの配列が制御される。
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。
【００３６】
上記のようにして作成したＣＡＤデータを図５に示したレーザー光照射装置にインストールして、Ｘ−Ｙステージとレーザー光のＯＮ，ＯＦＦ及びビーム形状をアパチャーで制御しながら、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。
【００３７】
レーザービーム描画方法を用い、描画ビーム形状を矩形にして描画領域を螺旋状に増加させていくことにより電子線描画方法よりも高い再現性を得ることができる。描画領域が円形の場合には、レーザービーム描画方法は描画領域の直径が０.２μｍ以上のときは非常に高い再現性を得ることができる。描画領域の直径が０.２μｍより小さくなると再現性が悪くなってくるが、電子線描画方法では描画領域の寸法が０.５μｍより小さくなると再現性が悪くなるのに比べると、再現性が格段に優れている。
【００３８】
「隣接効果」の予測は単位セルの形状に依存する。単位セル形状が正方形や長方形の場合には矩形のドットにより正確に描画できるため、隣接効果を計算で予測することができる。
【００３９】
これらの結果から、図１の（ア）、（イ）のマスクが最も良い出来であったのでこれを使用した。尚、図１の（ア）の配置では、図３の（Ａ）タイプ、（Ｂ）タイプどちらも良好な結果を得ることができた。図１の（イ）の配置では図３の（Ａ）タイプのドット配置で実施した。但し、各方法とも長所、欠点があるのでそれぞれ目的形状に応じて使い分けが可能である。以下の具体例ではドット形状を円形状（中心から同心円状にレーザー光照射部分を増やしていく方式）を用いて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。
【００４０】
（濃度分布マスクレチクル製作の具体例）
疎サイズの液晶用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ＴＧＭＲ−９５０（東京応化（株）の製品）を用いた。
【００４１】
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▼の組合わせ方法がある。ここでは、▲３▼の方法を採用した。
【００４２】
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２００ｎｍ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５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。
【００４３】
図６は、濃度分布マスクの代表的な配置例として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Ｃｒ膜が残存している部分である。
【００４４】
（液晶用微小寸法ＭＬＡの製作）
（液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１）
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。
【００４５】
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を透過した光は、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、即ち、透過率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３７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。
【００４６】
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。
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ＴＧＭＲ−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１８０秒でプリベークした。
【００４７】
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▲１▼から▲８▼を連続して行なった。
▲１▼デフォーカス：＋１１μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒
▲２▼デフォーカス：＋１０μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒
▲３▼デフォーカス：＋  ９μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１１秒
▲４▼デフォーカス：＋  ８μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１１秒
▲５▼デフォーカス：＋  ７μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１１秒
▲６▼デフォーカス：＋  ５μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１１秒
▲７▼デフォーカス：＋  ３μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１１秒
▲８▼デフォーカス：＋  １μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１１秒
この条件では、総合露光量は、照射量３９０ｍＷ×０.９２秒（照度：３５９ｍＪ）である。ここで、デフォーカス量の表示の＋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。
【００４８】
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。
デフォーカスの効果によって、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。
【００４９】
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、０.６３μｍ／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。
【００５０】
（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▲１▼から▲３▼を連続して行なった。
▲１▼デフォーカス：＋１０μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.４４秒
▲２▼デフォーカス：＋  ５μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.４４秒
▲３▼デフォーカス：＋  ０μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒
この条件では、総合露光量は、照射量３９０ｍＷ×１.０２秒（照度：３９４ｍＪ）である。
【００５１】
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ＭＬＡ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。
デフォーカスの効果によって、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。
【００５２】
（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▲１▼から▲８▼を連続して行なった。
▲１▼デフォーカス：＋１１μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.０８秒
▲２▼デフォーカス：＋１０μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.０８秒
▲３▼デフォーカス：＋  ９μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１０秒
▲４▼デフォーカス：＋  ８μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒
▲５▼デフォーカス：＋  ７μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１８秒
▲６▼デフォーカス：＋  ５μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.２０秒
▲７▼デフォーカス：＋  ３μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.１０秒
▲８▼デフォーカス：＋  １μｍ、照射量：３９０ｍＷ×０.０５秒
この条件では、総合露光量は、照射量３９０ｍＷ×０.９２秒（照度：３５９ｍＪ）である。
【００５３】
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ＭＬＡ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。
デフォーカスの効果によって、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。
【００５４】
このように、各マスク内で光透過量の隣接効果の量を制御してＭＬＡの非球面形状を形成することができた。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ＭＬＡ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によれば、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。
【００５５】
【発明の効果】
本発明にかかる３次元構造体製造方法では、露光に用いる濃度分布マスクは透明基板上に２次元の光強度分布を有する遮光パターンが形成されたものであり、適当な形状及び大きさの単位セルにより隙間なく分割されており、各単位セル内の遮光パターンが感光性材料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とにより遮光パターンが構成されているものであり、基板上に感光性材料層を形成し、上記濃度分布マスクを用いた露光において、露光時間内にデフォーカス量を予め設定された条件で変化させつつ行なうフォトリソグラフィ工程により感光性材料パターンを形成するようにしたので、フォトレジストに形成される３次元パターン、ひいては目的とする物品の表面形状を平滑なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】６種類の単位セル形状の例を示す図である。
【図２】ＭＬＡの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】単位セル内の光透過領域又は遮光領域の増加又は減少の起点となる初期パターンと光透過量又は遮光量を変化させる方法を示す図である。
【図４】単位セル内の光透過領域又は遮光領域を増加又は減少させる方法を示す図で、（ア）は単位セルが長方形の場合、（イ）は単位セルが正六角形の場合の例である。
【図５】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。
【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      レーザー光発振装置
２      ビームスプリッター
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
【図１】
0004557373.tif 000002
【図２】
0004557373.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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