曲面への電子ビーム描画による光学素子用金型の作製技術
The Fabrication of Optical Element Molds through the Use of Electron Beam Lithography

増田修＊

Masuda, Osamu

森川雅

弘＊

Morikawa, Masahiro

要旨
電子ビーム描画は、ブレーズ型回折格子や反射防止構

茜部

祐

一＊

Akanabe, Yuichi

２

古田

和

三＊

Furuta, Kazumi

全体の加工プロセス

造、構造性複屈折素子などのサブ波長オーダーの微細構素子製作の全体の流れをFig.１に示す。まず機械加工で造を実現するために有望な手段として注目されている。

母材に光学面を加工した。次に光学面にスピンコートで我々はこの電子ビーム描画技術を応用することで、こ均一なレジスト膜を得た後、電子ビーム描画装置でパれらサブ波長オーダーの微細構造を曲面上に形成するこターンを描画し、現像を経て母材光学面上に微細構造をとを可能にし、今回、高密度ブレーズ型回折格子付レン得た。尚、今回ここで用いた描画装置は、３次元基材上ズの試作を行ったので報告する。

への描画を可能にするために特別な改造を行ったものである。更に得られた微細構造付き母材上に電鋳を行い、Abstract

母材を取り外して周囲を精密加工することで金型を得た

Electron beam lithography (EBL) has drawn great at-

後、射出成形により、目標の素子を試作した。

tention as a promising technique for the production of finestructures of sub-wavelength dimensions, such as blazed
diffraction gratings, anti-reflection structures, and devices
employing structural birefringence. This paper presents anew EBL technique that obtains fine structure on any
curved surface of an optical element mold. This EBL technique has led to the successful fabrication of a densely
blazed diffraction-grating lens.

１Fig.1 Process flow chart

はじめに

近年、ブレーズ型回折格子や反射防止構造、構造性複屈折素子など、サブ波長オーダーの微細構造を製作する

３レジスト塗布方法が数多く提案されている。しかしながら、安定性、曲面上でのスピンコートによるレジスト塗布のモデル

製造コストなどの面で多くのものは製品としての実用化

は、円柱座標上任意の点（ r，θ，z ）においてラジアルに未だ至らないのが現状である。また、平面上であれば方向の速度ｖ、角速度ωとした場合、次式で与えられる２）。

半導体の製造技術を応用してパターニングすることは可能であり、ブレーズ型回折格子においてはすでに報告されているものもある１）が、曲面上においては、コスト以

ここで、ηはレジストの粘度、ρは濃度を表す。即上に製作自体に困難を伴う。そこで我々は微細なパター

ち、遠心力と重力から受ける力のバランスがカギとなン形成が可能な電子ビーム描画技術に着目し、それを曲る。Fig.２は実際にスピンコートにより得られた曲面基材面上に応用することを試みた。更にその形状を転写し金表面上のレジスト膜厚の分布であるが、基板中心からの型にすることで、表面に微細構造をもつ光学素子を１プ

距離2mm〜2.5mmにかけて大きく膜厚の変動する領域がロセスで製作し、これにより安定且つ低価格に実現する存在することが分かる。これは遠心力と重力との力関係ことを考えた。

が反転する位置が存在するために必ず発生する現象であ

今回は、次世代のピックアップレンズで要求される高る。従って、有効径外にこの位置を持ってくることとそ

密度ブレーズ型回折格子付レンズを、本技術を用いて試の点に至るまでの間いかに均一な膜を得るかにポイント作し、評価を行ったので報告する。

を絞り塗布を行った。結果、有効径内においては膜厚変＊コニカミノルタテクノロジーセンター㈱デバイス技術研究所 ナノ加工開発室

化20nm、収差換算するとコマ収差、非点収差、球面収差
いずれも0.001λ（λ=405nm）
以内の均一な膜が得られた。

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４．２

凹面上回折格子曲面上に描画を行う場合、母材と描画パターンとの位置合せや電子ビームのフォーカス位置の合せ込みなど、平面上での描画と比較し格段に高いアライメント精度が要求される。そこで描画装置内での母材の位置や傾きを正確に計測し、ステージ位置及び電子ビームの偏向にフィードバックして描画を行った。Fig.４にφ約２mm最大傾斜角20°凹曲面上に描画した結果を示す。写真に見られるように平面上回折格子に対して遜色なく良好な描画形状が得られている。尚、本回折格子については金型まで製作し、素子の成形まで行っておりその結果は後述で報告する。
Fig.2 Result of resist film thickness measurement
on curved surface

４

ブレーズ形成４．１

平面上回折格子

まず、平面上へのブレーズ型回折格子の描画を試みた。初回はブレーズに強いムラが発生しφ４mmの回折格子を描画するのに16時間もの時間を要した。そこで生産性や安定性を考え少なくとも一晩で描画することを目標に電子ビームのスキャン方式の改善を行った。結果、ムラの無い回折格子を４時間で描画することに成功した。
現像後、得られた回折格子の観察像をFig.３に示す。
描画された輪帯は真円度及び偏心ともに100nm以内を得た。また、ブレーズの高さは設計値に対し平均５％以内、且つバラツキ５％以内で、回折効率に換算して99.5％相当の形状精度を得ている。

Fig.3 Images of blazed diffraction-grating patternon the concavity surface with EBL

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Fig.4 Images of blazed diffraction-grating patternon the concavity surface with EBL

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４．３

高角度傾斜面上回折格子

ここで最大傾斜角50°の凸曲面上への回折格子を試み

ブレーズ回折格子において、溝部の形状が回折効率をた。この角度まで達するとアライメントに微小な誤差があ大きく左右する。通常、レンズ上に回折格子を形成する

ると電子ビームのフォーカスずれを生じ、ドーズ分布によ場合には光軸から離れるほど傾斜角度は大きく、回折格るブレーズ形状の補正も全く意味をなさなくなる。描画し子のピッチは狭くなるため、より鋭角な溝部が必要とさた結果はFig.７に示すように、シミュレーションとほぼ一れるが、近接効果により設計値通りの溝形状を得るのは致する確りとしたオーバーハングを持つブレーズが確認で非常に困難になる。実際に平面でブレーズを得る場合ときることから、３次元的に正確なアライメントとその補正同じドーズ分布をFig.５−(a)に、そのドーズで電子ビームがなされていることが分かる。

入射角45°のシミュレーションをした結果をFig.５−(b)に示す。この結果から通常のドーズ分布では鋭角な溝部を形成することができないことが分かる。そこで、Fig.６−(a)のように溝部に対応する部分に強いドーズを与えその近傍に周期的な変動を与えることを考えた。これにより現像の進行を電子ビームの入射方向に進むように誘導させることが可能となる。Fig.６−(b)に示すシミュレーション結果から見られるように深くまでブレーズの壁面に沿って現像が進むことが分かる。

Fig.5

Result of blazed grating pattern simulation on the slope

Fig.6 Result of blazed grating pattern simulationon the slope by the new techniqueFig.7 Images of blazed diffraction-grating patternon the convexity surface with EBL

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５を、評価した結果をTable ２に示す。収差成分はいずれも金型性能評価0.02λ（λ＝405nm）が得られた。更に、レーザーを集光

前述Fig.３の凹面上ブレーズ構造を型として電鋳によりさせたときのフォーカス位置でのビーム形状を測定しメタルに転写し、周囲を精密に加工して得られた金型のTable 2 Result of aberration measurement（λ =405nm）

ブレーズ形成面をFig.８に示す。レジストとは逆パターンのブレーズ構造が細部に渡り正確に転写されていることが分かる。

た。Fig.10に示す結果から、Ｘ方向Ｙ方向のバランス良く、形状も整っており、ビーム径430nm（1/e２）で製品としても使用可能と思われるレベルに達していることが分かった。また瞳透過率はダブルパスで90％以上得られることを確認している。

Fig.8 Images of blazed diffraction-grating pattern
fabricated on the metallic mold

電鋳により懸念される歪を評価するため、転写された光学面を干渉計で測定した。その干渉パターンをFig.９に、測定結果をTable １に示す。３次収差成分はMAX0.006λ（λ＝405nm）、金型形状誤差換算でいずれも20nm以内とFig.10 Data of beam shape at the point of focus position

非常に高精度に仕上がっていることが分かる。

７

おわりに電子ビーム描画技術を応用し、曲面上に微細パターンを形成し量産まで結び付ける方法として、まずはブレーズ構造付レンズをターゲットととして射出成形まで試みた。得られた素子の回折効率や収差はほぼ製品レベルに到達しており、直接量産に結び付けられる可能性を得た。今後、この技術を応用し別の光学素子にも展開していく予定である。
Fig.9 Interference pattern

８

Table 1 Result of aberration measurement (λ =405nm)

謝辞

本技術開発に当り、多大なご協力を頂いたコニカミノルタオプト株式会社の皆様に紙面を借りて感謝致します。
●参考文献
１） 塩野 照 弘 , 佐 藤 和郎
浜, 本
哲也：OJ2003 講
演予稿 集 , 6pC７（2003）.
２）Dylan E. Haas, Jorge N. Quijada, Stephen J. Picone, and Dunbar

６

光学性能評価P. Birnie III：SPIE Proc. 3943, Sol-Gel Optics V (2000) 280-284．

前述の金型を使って射出成形を行い、回折格子を１面にもつレンズを試作した。得られたレンズを含む光学系

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