JPS63271265A - 透過率変調型フォトマスク、その製法及びそれを用いる回折格子の製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、光線透過率が回折格子のパターンに沿って
立体的に形成されるフォトマスクと、これを使用し公知
のフォトレジストを用いる製造方法によって回折格子を
得る回折格子の製造方法に関する。

［従来の技術］ ツレーズ形状を有するレリーフ型格子の製法としては１
例えば次の方法が知られている。

ａ、基板を直接ルーリングエンジンを用いて切削加工す
る方法 す、エレクトロン・ビームを使用し、そのドーズ（ｄｏ
ｓｅ）を変化することにより基板上のレジストに直接描
画する方法（例えばＴ、Ｆｕｊｉｔａ　ｅｔ　ａｌ、。

ＯｐＬ、Ｌｅｔｔ、　、第７ａ第１２号第５７８頁、１
９８２年１２月号参照） ｃ、基板上にフォトレジストを塗布し、マスクを介して
露光することにより周期的なレジストパターンを作成し
、該レジストパターンをマスクとして不活性又は活性イ
オンビームにより斜めエツチングを施して形成する方法
（例えば前掲Ｔ、Ａｏｙａｇｉ　ｅｔ　ａｌ、、Ａｐｐ
ｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔｅｒ第２９巻第５号第３０３頁
、１９７６年９月参照） ｄ、非対称二光束干渉露光法により薄いレジストを露光
・現像することにより直接フレーズ状回折格子を得る方
法（例えばＧ、Ｓｃｈｍａｈｌ　ｅｔ　ａｌ、、ｉｎＰ
ｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　０ｐｔｉｃｓ、Ｅｌｏｌｆ発行
、　Ｎｏｒｔｈ−１１ｏ１１ａｎｄ、Ａ＋＋＋ｓｔｅｒ
ｄａｍ、　１４　、第１９５頁、１９７６年参照） ［発明が解決しようとする問題点］ 上記ａの方法においては、回折格子の製作に時間がかか
り高価となってしまう。

上記すの方法においては、ドーズな変化させるための装
置が複雑となり、装置が大型化するのみならず大面精の
描画が困難てあり、小面積の回折格子しか製造が困難で
あるという欠点を有する。

上記Ｃの方法は上記すと同様に装置が複雑であり、大型
化するために高価になってしまうという欠点を有する。

一方、上記ｄの製造法は上記すに比し比較的簡単な装置
で広面積の回折格子の作製が可、能であるが、生産性が
低いために回折格子は高価にならざるを得ない、更に回
折格子の形状に制限がある。

以上、いずれの方法も生産性が低いために回折格子は高
価にならざるを得なかった。また、上記ａ、〜ｄ、の方
法で製作された形態変調型回折格子を基に金型を作り、
これからレプリカを成形によって作ることも可能である
か、そのプロセスが困難で煩雑てあり高価なものとなっ
てしまう。

この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、安価で
大量生産が可能な種々のフレーズ状形状を有する形態変
調型回折格子を提供することを主たる目的とする。また
、このための透過率変調型のフォトマスクを提供するこ
とを目的としている。更に本発明の別の目的は該フォト
マスクを用いた他の型（屈折率変調型）の回折格子を提
供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段および作用］このため、
この発明では、フォトマスクとして形態変調型（レリー
フ型）の回折格子を用意し、この回折格子の形態変調面
がね（以下格子側という）に上記形態変調型回折格子の
基板とほぼ同じ屈折率を有する光吸収剤の層をコーティ
ングしてフォトマスクを形成する。そして、このフォト
マスクを使用して一回の露光によって形態変調型回折格
子を製作する。

したかって、製造プロセスか単純化されるとともに、大
量生産が可能になる。

［実　施　例］ 本発明のフォトマスクは、第１図に示されるように、透
明材質のフレーズ状回折格子２と光吸収剤を含有した材
料よりなるフレーズ状回折格子４とからなり、上述の回
折格子が互いに格子面を介して嵌合した構造を形成して
いる透過率変調型フォトマスクである。

一般に光吸収剤を含有した層の厚さと光透過率Ｔとの関
係は第３図に示すように次の関係を有する。

ＭＯｇ（１／Ｔ）ｏｃ厚さ したがって、第１図に示されるように構成された透過率
変調型フォトマスクは、第４図に示されるように元の回
折格子のパターンに沿って光透過率か鋸歯状に変化する
フォトマスクを形成することになる。

以下、本発明のフォトマスクの好適な製法について述べ
る。

第２図は、例えばパイレックスガラスの基板２の一面に
、ルーリングエンジン等によってフレーズ状の格子面３
を形成した元のフレーズ状回折格子ｌの一部を拡大して
示した断面図である。この基板２を構成する材料は紫外
線等の光線を透過するものであれば何でもよい。また、
回折格子面を形成する方法としても特に制限はなく、ル
ーリングエンジンによる切削の他に、上記従来の技術に
示す他の方法で形成してもかまわない。

例えば、（１）エレクトロン・ビーム、イオンビーム、
レーザビーム、Ｘ線ビーム等の各種ビームを使用し、そ
のドーズを変化させることにより基板上のレジストに直
接描画して回折格子面を形成する方法、（２）基板上に
任意の方法でレジストパターンを形成後、該レジストパ
ターンをマスクとして上記各種ビームを作用させ、斜め
エツチングを施して回折格子面を形成する方法、（３）
平行光と斜めからの入射光による組合せ又は平行光と発
散光の組合せ等による非対称二光束干渉露光法により直
接フレーズ状回折格子面を形成する方法か挙げられる。

ここで、一般にフォトレジストは耐光性、耐湿性１機械
的強度等の物性が劣る場合が多い。

従って、上記の元の回折格子面を形成する際には、フォ
トマスクとしての実用的な耐久性を有する基材の上に上
記の回折格子面を形成させ、しかる後にプラズマエツチ
ング法、スパッタエツチング法、反応性イオンビームエ
ツチング法等の任意のドライエツチング法によりフォト
レジストよりなる回折格子面をエツチングし、耐久性を
有する材料面に転写することが好ましい。耐久性を有す
る基材としてはエツチングに適した材料より任意に選択
できる。ガラス基板−Ｆに光吸収剤を含むか又は含まな
い任意の高分子材料をコーティング等の手法で設けたも
のは、酸素プラズマにより容易にエツチングされるのて
好適に用いられる。

次に、第１図に示すように、基板２の屈折率Ｎとほぼ等
しい屈折率ｎを有する光吸収剤又はそれを含有する組成
￥ｓ４を基板２のフレーズ状の格子面３上に、その面４
′が基板２の面２′と平行になるようにコートする。こ
の光吸収剤の層４は。

所望の光吸収剤を有する材料より構成され、例えば、２
．２−ジヒドロキシ−４−メトキシベンゾフェノン等の
紫外線吸収剤を適切なバインダー樹脂に含有させた形で
塗布される。ここで適切なバインダー樹脂としては、そ
の屈折率ｎが透明基板２の屈折率Ｎとほぼ同じになるこ
とが重要である。屈折率差が０．Ｏ１以下なら実際上は
問題はないが、好ましくは屈折率差が０．０旧以下とす
るのがよい。屈折率差が上記範囲を越えて増大すると、
元の回折格子ｌと光吸収剤層４との界面３において、光
が回折するため精度の良い回折格子を得ることが困難と
なる。

元の回折格子ｌと光吸収剤層４との密着性を上げること
は重要であり、この界面に任意の密着性を上昇させるた
めの処理を施すことができる。それらは各種表面処理剤
であり、また接着剤である。光吸収剤層４の付与後に熱
処理を施すことは好適である。その材料が合成樹脂であ
る場合は、その温度はガラス転移点（Ｔｇ）の近辺であ
ることが好ましい。ここでガラス転移点の近辺とはＴｇ
±約５０にの範囲を示す、該熱処理により密着性が著し
く増大する。

光吸収剤並びにバインダー樹脂としては、透明性か保持
されれば、無機又は有機の任意の材料が用いられる。

光吸収剤層の付与方法は、コーティングによる他、真空
蒸着法等任意の方法が採用てきる。

フォトマスク上下面の平行性は光吸収剤付与後に例えば
研磨により達成てきる。

第２図に示される元の回折格子自身が光吸収性の材料よ
り構成されている場合、コートされるべき材料は光吸収
剤を含まない透明材料でよい。該光吸収性の材料より構
成される回折格子は、例えば光吸収側材料の上面に形成
された任意のフォトレジストよりなる回折格子の上面よ
りドライエツチング処理を行う、前述の転写方法を採用
することにより容易に得られる。

上記の例では、透過率変調型のフォトマスク５を形成し
ている基板２の格子面３は、断面が三角形状に形成され
ているものについて説明したが、次のような構成であっ
てもよい。

即ち、第１Ｏ図に示されるように、透過率変調型のフォ
トマスク２０のフレーズ状回折格子は、光を透過する材
質の基板１５に曲面からなる格子面１６を形成して構成
されいている。この格子面１６も上記例と同様にルーリ
ングエンジンによる切削等の任意の方法によって形成さ
れる。

次に、基板１５の屈折率Ｎ′とほぼ同じ屈折率ｎ′を有
する光吸収剤１７を、基板１５のフレーズ状の格子面１
６上にその面１７’が基板１５の面１５′と平行になる
ようにコートする。そうすると、この光吸収剤１７によ
る光透過率Ｔ′は第１２図に示すように１元の回折格子
のパターンに沿って鋸歯状に変化するフォトマスクを形
成することができる。

次に、この透過率変調型のフォトマスクを使用し、露光
・現像することによってフレーズ状回折格子を作る製作
方法について説明する。

第６図に示すように、透明材質の基板６にドーズ量（露
光量）と露光現像後の残膜率が第５図に示されるような
形状となるように調整した感光性樹脂７の溶液な膜厚が
約ＩＩＬｍとなるようにスピンコード法により塗布乾燥
したもの８を用意する０次に、この上に第１図に示すよ
うにして形成された透過率変調型フォトマスク５を載置
する。

そして、第７図に示すようにフォトマスク５がわから光
９を平行に一様に適当量照射し露光する。

次に、これを現像処理すれば、第８図に示すように感光
性樹脂７が基板６上に鋸歯状７に形成されたフレーズ状
回折格子１０が得られる。

上記感光性樹脂７として透明性の材料を使用すれば、こ
のまま透過型の回折格子となる。また、第９図に示すよ
うに、この上に反射膜１１を蒸着等で形成すれば反射型
の回折格子１２を容易に形成することができる。

得られた回折格子は任意の表面仕上げを行うことかてき
る。例えば公知の光学部品に適用される反射防止膜を付
与することができる。また、感光性樹脂７．７′が機械
的に弱い場合には、その上に保護膜として蒸着法、スパ
ッタ法などの方法でＳｉＯ，、ＴｉＯ□等を付ければよ
い。

フレーズ状回折格子のピッチは、通常のフォトリソグラ
フィーにて行なえる例えば、ｌ’ｐｍ程度までは十分に
可能である。

上述の例において、第１θ図で示される透過率変調型フ
ォトマスクを用いた場合は、感光性樹脂として、ドーズ
量（露光量）と露光現像後の残膜率との関係が、第１６
図に示されるようなリニアに変化するように調整したフ
ォトレジストを使用する。そうすると第８図に示された
回折格子が得られる。

以と、フレーズ状の回折格子の作製法について述べたが
、例えば第２図のフレーズ状回折格子ｌに代えて第１３
図で示されるサイン波状の回折格子１８を用いてフォト
マスクを作製し、以下同様な操作をすることによりサイ
ン波状の回折格子が得られる。

この様に本発明に従えば任意の形状の回折格子が得られ
る。また、この回折格子のピッチ及び／又は深さは必ら
ずしも一様でなくて良いので、フレネルレンズ、ゾーン
プレートレンズ等の種々の形態変調型回折格子か得られ
る。

本発明のフォトマスクを用いて、第５図の関係を示す感
光性樹脂に代えて第１４図に示されるようなドーズ量（
露光量）と露光現像後の屈折率との関係を示す感光性樹
脂を用いれば、屈折率変調型の回折格子が得られる。ピ
ッチ及び／又は屈折率変化が任意に選択できるという特
長は、形態変調型回折格子の場合と同様である。

以下実施例により本発明を具体的に説明する。

（フォトマスクの製造例） 実施例１ 屈折率Ｎ　＝　１．４７を有するパイレックスガラスの
基板２の一面に、ルーリングエンジン等によつてフレー
ズ状の格子面３を形成する。（第２図参照） 酢醜セルロース０．８７ｇ、メチルメタクリレート／４
フッ化エチルメタクリレート共重合体０．１３ｇ、　　
２．２−ジヒドロキシ−４−メトキシベンゾフェノン（
紫外線吸収剤）　　０．０１ｇ、　ＤＭＦ（ジメチルホ
ルムアミド）２０ｇからなる溶液を、ピッチ６ＩＬｍ、
深さ約１１Ｌｍの第２図で示される三角状のパイレック
ス性フレーズ回折格子２上にスピンコードした。基板２
と紫外線吸収剤の層４の密着性を上げるために、スピン
コード後５０℃で約２時間ベーキングした。このときの
膜厚は厚いところで約６μｍ、薄いところで約５ｐｍと
なっており、表面は平滑であった。（第１図参照）そし
て、この紫外線吸収剤４の紫外線の透過率Ｔは、第３図
に示すように 見ｏｇ（１／Ｔ）ｃｃ厚さ の関係にある。

また、ガラスの屈折率は１．４７０で吸収剤層の屈折率
は１．４７１に調整しているため、もとのガラス格子と
ポリマ一層間の回折はほとんど生じない。

したがって、第１［Ｊに示されるように構成されたブレ
ーブ状回折格子５は、第４図に示されるように元の回折
格子のパターンに沿って紫外線透過率か鋸歯状に変化す
るフォトマスクを形成することになる。

実施例２ 石英ガラス基板等の光線透過性基板１９に紫外線吸収剤
２．２′−ジヒドロキシ−３−メトキシベンゾフェノン
を８重量％含有するメチルメタクリレートとグリシジル
メタクリレートとの共重合体の混合物をスピンコード法
でコート後、光架橋反応によりフォトリソグラフィ一工
程における耐溶剤性を付与した。このコート層Ａの屈折
率は１．５１″′！？あった。（第１５図参照）つづい
てこのコート層Ａの上にシブレイ社製フォトレジストＡ
Ｚ−１４００をコートしコート層Ｂを形成し、第１５図
の実線の矢印で示したように垂直入射光と点線で示され
る斜めからの入射光による２光束干渉法によってフレー
ズ状の格子をパターニングした。その後、酸素プラズマ
エツチングにより工・ンチシグし、コートＭＢのフレー
ズ状格子をコート層Ａに転写した。次にフレーズ状の形
態を有するコート層Ａの上に、屈折率がほぼ同じである
材料（グリシジルメタクリレートの組成比を増加させ、
屈折率が１．５１になるように調節したメチルメタクリ
レートとグリシジルメタクリレートとの共重合体）をス
ピンコード法により面が平らになるようにコートしたと
ころ、光透過率が連続的に変化した透過率変調型フォト
マスクが得られた。

実施例３ 実施例２において、コート層Ｂとして、フォトリソグラ
フィーでの露光量と残膜率が第１６図の関係を満足する
ように調整したフォトレジストを用いて、露光量を調節
しながら、レーザビームを照射し、ｉｌＯ図のような形
状で、ピッチが６１Ｌｍのフレーズ状のグレーティング
をパターニングした。続いて酸素プラズマエツチングに
より、とッチ６ＩＬｍ、高さｌｐｍのフレーズグレーテ
ィングを転写し、さらに続いて実施例２と同様の操作に
よってフォトマスクを作製した。

このフォトマスクの紫外線透過率を測定したところ、第
１２図に示されるような透過率変調型のフォトマスクで
あることが確認された。

（回折格子の製造例） 実施例４ ガラス基板上に、露光量と露光後の膜厚との関係が比例
関係にある感光性樹脂組成物（メタクリル酸の２−ブテ
ニルエステルとメタクリル酸メチルエステルの共重合体
及びｍ−ベンゾイルベンゾフェノンよりなる）を約３ｐ
、、ｍにコートし乾燥した。この上に実施例３のフォト
マスクを用いて紫外線をフォトマスクの９５％透過部で
１０　ｊ　／ｃｒｔＩ′になるように照射後、高温減圧
処理をした。これによりピッチ６ＩＬｍ、高さＩＩＬｍ
のフレーズ状回折格子が得られた。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明に従えば透過率分布ル制御
型のアナログ的なフォトマスクを形成することかでき、
一度の露光のみでフレーズ形状の回折格子が基板上に簡
単に形成することかできるので、製造プロセスの単純化
と相俟って大量生産の可ｆ駈性をもたらすことができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例のフレーズ状回折格子か
らなるフォトマスクの要部拡大断面図、第２図は、この
発明に使用されるフレーズ状回折格子の要部拡大断面図
、 第３図は、・第１図のフォトマスクに使用される紫外線
吸収剤の厚さと透過率の関係を示す線図、第４図は、第
１図のフォトマスクの透過率を示す線図、 第５図は、第１図のフォトマスクを介して露光される感
光性樹脂の露光量と残膜率との関係を示す線区。 第６図〜第９図は、この発明のフォトマスクを使用して
回折格子を製作するプロセスを説明するための線図、 第１θ図は、この発明の他の実施例のフォトマスクの要
部拡大断面図、 第１１図は、第１０図に示すフォトマスクに使用する紫
外線吸収剤の厚さと透過率との関係を示す線図。 第１２図は、第１θ図に示すフォトマスクの透過率を示
す線図、 第１３図は、この発明に使用されるサイン波状回折格子
の要部断面図、 第１４図は、感光性樹脂の露光量と屈折率変化との関係
を示す線図、 第１５図は、本発明による透過率変調型フォトマスクを
作製する際の露光方法を示す模式図、第１６図は、感光
性樹脂の露光量と残膜率の関係を示す線図である。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）透明材質の形態変調型回折格子（Ａ）と、光吸収
   剤を含有した材料よりなるフレーズ状回折格子（Ｂ）と
   からなり、 上記透明材質の回折格子（Ａ）と上記光吸収剤を含有す
   る回折格子（Ｂ）とが互いに格子面を介して嵌合した構
   造を形成している透過率変調型フォトマスク。
2. （２）回折格子（Ａ）を構成する材料と回折格子（Ｂ）
   を構成する材料の双方の屈折率が略等しいことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のフォトマスク。
3. （３）回折格子（Ａ）又は回折格子（Ｂ）の断面形状が
   三角形状又は鋸歯状である特許請求の範囲第１項記載の
   フォトマスク。
4. （４）光の透過率が回折格子のパターンに沿って三角形
   状又は鋸歯状に変化している特許請求の範囲第１項記載
   のフォトマスク。
5. （５）光吸収剤を含むか又は含まない透明材料の形態変
   調型回折格子（Ａ）の格子面に光吸収剤を含むか又は含
   まなく（回折格子（Ａ）において光吸収剤を含まない場
   合は含む）、且つ上記回折格子とほぼ同じ屈折率の透明
   材質の層（Ｂ）を形成することを特徴とする透過率変調
   型フォトマスクの製造法。
6. （６）回折格子（Ａ）がフォトリソグラフィー法により
   形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第５項
   記載のフォトマスクの製造法。
7. （７）（ａ）基板上に感光性樹脂の層を形成し、（ｂ）
   この上に透明材質の形態変調型回折格子（Ａ）と、光吸
   収剤を含有した材料よりなるフレーズ状回折格子（Ｂ）
   とからなり、上記透明材質の回折格子と上記光吸収剤を
   含有する回折格子とが互いに格子面を介して嵌合した構
   造を形成している透過率変調型フォトマスクを密着載置
   し、（ｃ）これを露光・現像処理を行うことによる回折
   格子の製造法。
8. （８）感光性樹脂として露光量と露光現像後の残膜率と
   の関係が、フォトマスクとして使用する回折格子の光吸
   収剤の光線透過率と厚さの関係と略々等しい関係の感光
   性樹脂を用いる特許請求の範囲第７項記載の回折格子の
   製造法。