マイクロ・ナノ加工｜3次元光学構造のグレースケールリソグラフィー

グレースケール加工技術により、様々な用途に様々なマイクロ光学素子を使用することができ、回折型と屈折型の両方のマイクロ光学素子を、輪郭フォトリソグラフィやグラフィックエッチング、転写技術を用いて加工することができる。より一般的に加工される微小光学素子には、ビーム分割回折光学素子、ビーム形成回折光学素子、光を均一に散乱または分散させる回折光学素子、回折レンズおよびレンズアレイ、屈折マイクロレンズおよびマイクロレンズアレイ（MLA）、その他の位相変調光学素子などがある。上記のような電磁波スペクトル範囲に応用される機能性マイクロ光学素子は、様々な基板材料上に作製されており、光放射スペクトル範囲に応用されるマイクロ光学素子は、波長157nmのDeepUltraviolet（DUV）から波長14μmのLong-WaveInfrared（LWIR）までのスペクトル範囲を有する。LWIR）である。

グレースケール・リソグラフィは、マスクを透過する光放射の強度が空間的な位置によって変化するようにフォトマスクを作製することによって達成される。この目的のためには、空間的に光密度が変化するフォトマスク、空間的に光吸収が変化するフォトマスク、マスク内で局所的に透過する光束を調節するための可変サイズの微細構造マスクプレートの使用など、いくつかの方法を用いることができる。マイクロ光学部品の製造のためのグレースケール・リソグラフィとグラフィック・エッチング転写技術の最初のカテゴリーに属する技術は、Galらによって開発された。グレースケール処理技術は、感光性ポリマー上に所望のマイクロ光学3次元構造パターンをエッチングするために、単一のフォトリソグラフィ反応プロセスを適用する。

グレイスケールリソグラフィーの使用により、設計者は同じ光学素子内に正（凸）面と負（凹）面を組み合わせることで、微小光学的な問題を解決する際の自由度が高まります。グレースケールに従って成形されたフォトレジストは、直交する軸に沿って正と負の曲率を持つアナモルフィック対物レンズまたは「サドル」レンズを製造することができ、サドル屈折面は画像散乱波面を補正するために形成することができます。非球面対物レンズや放物面レンズは、集光やビーム分割など1つの光学面で複数の機能を果たす微小光学素子と同様に、グレースケール処理を用いて非常に簡単に製造することができる。グレイスケールリソグラフィーの応用により、位相拡散ミラー、ビームインテグレーター（またはビーム積分器）、グレーティング、スポットジェネレーターなどの位相面マイクロ光学レンズなど、従来とは異なる光学素子もすでに製造されています。

グレイスケールリソグラフィによって作製される一般的な微小光学構造の例を図1.1に示す。これには、滑らかなカイノ（位相差）回折レンズ、同じ光学面上に集光とビーム分割の二重機能を持つ微小光学素子、高いフィルファクターを持つ正負のMLAなどがある。RIEパターン転写法は、容量結合型エッチング装置や、誘導結合プラズマ（InductivelyCoupledPlas-ma：ICP）エッチング装置などの高密度プラズマ装置を利用することができる。マイクロエレクトロニクスの分野では、機能的なマイクロ光デバイスを含むウェハーのエッチングを成功させるために、アプリケーションに好ましいプラズマエッチング技術が改良されています。また、酸化物材料、シリコン、化合物半導体に使用される業界標準のプラズマエッチングプロセスは、上記の様々な基板材料に転写するためのマイクロ光構造の処理に適するように改良されています。

図1.1 グレイスケール処理を施した代表的な微小光学素子のSEM像（回折レンズ、集光とビーム分割の2つの機能を持つ微小光学素子、凸レンズと凹レンズのアレイを含む）