JP2003241391A - 三次元形状形成マスクおよびパターニング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 露光量を変化させて現像後のレジスト残膜特
性から三次元形状を形成する。露光量の変化を発生する
のにリソグラフィで一般的な開口／遮光部のみからなる
マスクと露光装置の露光量制御機能だけで所望の三次元
形状を作製する。 【解決手段】 露光量と感光性材料の残存する膜厚特性
を把握する工程と目的の三次元形状を少なくとも複数の
高さ毎にスライスした際の断面形状の輪郭を求める工程
と断面形状の輪郭を元に複数のマスクを作製し、既に把
握している露光量と感光性材料の残存膜厚特性から求ま
る複数の露光量にて複数回の露光を行う工程からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は露光量に応じて感光
性材料の残存する膜厚が変化する線形な特性部分を利用
して露光量の変化によって感光性材料の三次元形状を作
製工程に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般にリソグラフィ技術を用いて作製さ
れる半導体素子のパターンは、マスクに形成された開口
と遮光部の組合せで回路パターンを設計し、感光性材料
にマスクを透過した露光光によって転写する。感光性材
料の代表例であるレジストにはポジ型とネガ型とがあ
り、工程毎の状況をみて適宜選択されるのが普通であ
る。この際、回路パターンは二次元平面上に描画された
姿が全てであり、作製すべきパターンの厚み方向は考慮
しないのが一般的である。

【０００３】近年はさらなる微細化の目的で部分的な露
光光量を調整することで、より微細なパターンを形成す
る手法が検討されている。さらに高さ方向の形状も部分
的な露光量の調整によって制御しようとする試みがあ
る。

【０００４】高さ方向の形状を制御する試みは例えば特
開昭６３−２８９８１７にはフォトレジストに三次元形
状を形成する方法が開示されている。図１２を用いて説
明する。

【０００５】図１２（ａ）に示すようにポジ型フォトレ
ジストの特性曲線を予め実験的に求めておくことによっ
て任意の路光量と残膜量との関係を求めることができ
る。ここに微小な面積図１２（ｂ）を最小単位として、
３ｘ３の９個を一かたまりとして考えてみる。図１２
（ｂ）では５２が遮光部で５１が開口である。９個のう
ち遮光部のと開口部の個数比率を変えることによって離
散的に開口の密度分布を変化させることができる（図１
２（ｃ））。この密度分布、すなわち透過率分布によっ
て発生する強度分布はポジ型レジストの感度特性により
レジストの膜厚変化に変換される（図１２（ｄ））。

【０００６】また近年では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。さらに液晶表示素子や液晶
プロジェクター等に関連して、マイクロレンズ等にも特
殊な面形状が求められている。

【０００７】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る方法が知ら
れている。

【０００８】その後、この技術では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。転写
の結果、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できる。

【０００９】このような透過率を調整するマスクとして
は前記特開昭６３−２８９８１７のような開口密度の分
布で制御する方法のほか、表面形状に対して光学濃度を
制御して透過率の変化を発生されるマスクがある。

【００１０】このようなマスクの一例としては表面にＡ
ｇアルカリハライドドープ層が形成されたいわゆるＨＥ
ＢＳ（Ｈｉｇｈ Ｅｎｅｒｇｙ Ｂｅａｍ Ｓｅｎｓｉ
ｔｉｖｅ）ガラスを基板に用いて作製されたものがあ
る。

【００１１】Ａｇアルカリハライドドープ層は、通常の
クラウンガラスをＡｇ＋イオン交換反応にさらすことに
より、ガラス表面に均一に形成される。例えば、Ａｇ＿
イオンのドープ層は３ｕｍ程度の厚さとされている。そ
して、グレースケールマスクのガラス表面に均一に形成
されたドープ層に電子線ビームが照射されて、Ａｇ＋イ
オンからＡｇになる。

【００１２】そして、Ａｇの部分では紫外線に対して吸
収を示す。このようなことから、Ａｇとされた部分に分
布をもたせることにより、ドープ層内において紫外線の
吸収について異なる分布が形成されるので、グレースケ
ールマスクは、透過される紫外線量を異なるものとする
ことができる。

【００１３】具体的にはグレースケールマスクは紫外線
の透過量について、中間値を有する階調の分布をなすよ
うに形成されることで紫外線の透過量分布が連続的に変
化するようになされている。例えば、ａｇ部分がドープ
層にある分布を持つようにするためには、電子線照射
量、電子線の加速電圧、ビーム電流、ビーム径が制御さ
れた電子線ビームを照射することにより可能とされる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
技術では露光量の強度をマスクの透過率の変化をもって
制御しようとしたために以下のような課題が残ってい
た。

【００１５】微小なドットの密度分布を用いて透過率の
変化を発生させており、９個のグループを一ユニットと
して考えているために透過率の変化が９段階に限定され
ていた。このことから現在入手できる解像力が向上した
レジストを用いた場合は連続的な曲面を得るのが難し
い。

【００１６】また光学濃度を変化させるマスクを用いた
方法においてはＡｇ＋イオン交換反応にさらしたクラウ
ンガラスを用いるなど、一般的なリソグラフィーに用い
られるマスク製造方法とは異なっている。

【００１７】したがって、本発明では従来技術で困難で
あった以下の課題を同時に解決するものである。

【００１８】一般的なリソグラフィーで用いられている
マスク製造方法で作製できるマスクを用いること。

【００１９】露光量の制御値を細かくして、より平滑化
された面を得ること。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本出願に係る第一の発明は、露光光の露光量に対
するレジスト残膜厚の特性を把握し、各高さでの目的と
する形状の断面から求まる輪郭の開口部を有するマスク
を複数枚用いて、前記レジスト残膜特性から求めた露光
量に各マスク毎に露光装置の露光量を設定して重ね合わ
せて露光することを特徴とする。

【００２１】また本出願に係る第二の発明は、断面の輪
郭を境界とし、感光性材料のポジ型かネガ型の違いに合
わせて分けられた領域の開口／遮光を選択する。そして
各マスクの露光量を重ね合わせた積算露光量が第一の発
明で求めた露光量と感光性材料の残膜特性から求まる露
光量に一致させることを特徴とする。

【００２２】また本出願に係る第三の発明は二種類の高
さの断面の輪郭を使って、輪郭に挟まれた領域とそれ以
外との領域を定義する。そして露光光を照射すべき領域
を開口として、第一の発明で求めた露光量と感光性材料
の残膜特性から求まる露光量を露光装置に設定して露光
することを特徴とする。

【００２３】また本出願に係る第四の発明は二種類の高
さでスライスした断面から露光領域を定義したので、所
望の露光量すなわちレジスト残膜厚をサンプリングした
目的形状の高さ各点の間に設定することで量子化形状を
定義することを特徴とする。

【００２４】また本出願に係る第五の発明は第四の発明
における設定値をサンプリング点の中間値に設定するこ
とを特徴とする。

【００２５】また本出願に係る第六の発明は第一から第
五の発明までを用いて作製された感光性材料が光学素子
として機能することを特徴とする。

【００２６】また本出願に係る第七の発明は第一から第
五の発明までを用いて作製された感光性材料の三次元形
状を異方性エッチングによって別材料に形状を転写し、
転写された別材料が光学素子として機能することを特徴
とする。

【００２７】

【発明の実施の形態】（第一の実施例）図１から５は第
一の実施例を説明するための図で、１はマイクロレンズ
アレイである。Ａ−Ａ´の点線部分を断面にしたものが
図２である。

【００２８】ここで作成したレンズアレイのサイズは一
つのレンズが横縦供に幅２５０ｕｍの場合を例に説明す
る。もちろん、レンズのサイズは必要とされる光学性能
や、製造工程の精度などを元に決定すべきものであるか
ら、ここで説明するサイズに限定する必要はない。

【００２９】今回のマイクロレンズアレイは横幅が２５
０ｕｍで、レンズ頂点から最も深いところ（レンズアレ
イを構成するひとつの基本形状の四隅）で２０ｕｍであ
る。このレンズ形状を感光性材料であるレジストに形成
し、異方性エッチングによって光学材料に転写すること
により所望の光学素子を得る。もちろん、使用波長によ
っては感光性材料そのものを光学素子として使用可能で
あるが、本実施例での目的は紫外領域の波長を光源と考
えるので、石英基板に転写する。

【００３０】図２は使用するレジストの感度曲線であ
る。これは初めに実験で求めておく。横軸に露光量、縦
軸は現像後のレジスト膜厚である。通常のリソグラフィ
で用いられるレジストはこの線形性を示す部分を急峻に
して半導体を製造する際に必要な解像力を向上してい
る。

【００３１】したがって、一般的なメーカが示すレジス
トの感度特性のグラフではこのような滑らかな特性は表
示されていない。ここでは本実施例で最も関心がある、
すなわち露光量に応じて現像後のレジスト膜厚が変化す
る部分のみを拡大して示している。図から分かる通り、
露光量に応じて膜厚が変化しており、それぞれＤ１，Ｄ
２，Ｄ３といった露光量に対してｈ１，ｈ２，ｈ３と現
像後にレジストの膜厚が変化する。

【００３２】この特性をもとに作製したいレジスト高さ
を位置毎に求め、対応する露光量をその位置に照射すれ
ば所望のレジストの三次元形状を得ることができる。

【００３３】では次に位置毎に所望の露光量を照射する
ためのマスク設計の手順を説明する。図３（ａ）はレン
ズアレイのレンズ頂点を通る断面２を示している。図３
（ｂ）に示した断面図は説明のためにレンズアレイの中
から一つのレンズ３だけ抜きだして表示している。その
断面を所望の高さでスライスする。具体的には所望の高
さの線４を断面形状に重ねると、表面形状と一定高さの
線との交点（図中５，６）ができる。これは断面で見る
限り交点という点であるものの、実際には上部からの二
次元的な観察をすれば、ちょうど地図でいうところ等高
線と同じで連続した線を形成する。

【００３４】三次元形状をレジストに転写する場合、ポ
ジ型とネガ型で露光すべき場所が反転する。ただし、レ
ジストを除去する部分とレジストを残す部分との境界に
ついての考え方は共通化できる。ここではポジ型のレジ
ストを使用した実施例を説明する。既に述べた等高線と
同様の所望の高さで断面形状をスライスした際の線、つ
まり形状をスライスしたと仮定した際の水平方向断面の
輪郭を使ってマスクを設計する。

【００３５】図４は複数の高さについての水平断面の輪
郭を書き重ねたものである。ここで７は輪郭を実線で示
したものである。ここでは８の強調した輪郭を代表にマ
スクを設計する手順を説明する。図３（ｂ）から分かる
通り、本実施例では凸のレンズアレイを考えているの
で、中心が最も高い。したがって輪郭８で領域を分割し
たした際にはレンズ中心部はレジストを残し、周辺部は
レジストを除去しなければならない。

【００３６】ポジ型レジストの場合は光が照射された部
分が現像によって除去されるので、周辺部側に光を照射
すれば良いことがわかる。つまり、輪郭８を用いて設計
するマスクは輪郭８の内側が遮光部になればよい。

【００３７】これを図示すれば、図４（ｂ）の遮光部１
０のようになる。さらに各輪郭について同様の設計を行
えば、図５に示す通り、それぞれのスライス高さ毎に遮
光部の大きさが異なるマスクが設計される。ここでは１
１がマスクで１２は各遮光部である。次にこのマスクを
使って露光作業を行う際の露光量について考える。

【００３８】図６（ａ）に示すような断面形状１３をポ
ジレジストで作成したいならば、図６（ｂ）に示す露光
量分布をレジストに与えなければならない。

【００３９】ここで１４は図４での輪郭８に対応し、１
５が図４での輪郭９に対応しているとする。すると輪郭
８を有するマスク図４（ｂ）を露光する際には既に輪郭
９までの複数のマスクが露光されており、既露光分（図
６中１６）の積算露光量がレジストに与えられている。

【００４０】したがって輪郭８に対応するマスクでの露
光量は追加分の露光量で十分となる。すなわち、各マス
クでの露光量は感度特性から求まる必要露光量から一段
小さい露光量で露光するマスクの必要露光量を差し引い
たものとなる。

【００４１】本実施例ではポジ型レジストを用いて説明
したが、ネガ型レジストでもマスクの透過／遮光部が反
転したりするだけで、露光光を照射した部位が除去され
るか残存するかの違いだけである。

【００４２】したがって本発明で提供される三次元形状
形成マスクおよびパターニング方法を用いて同様に作業
することができる。さらに得られた三次元形状が使用波
長によって透過率等の光学性能が十分であればそのまま
光学素子として利用することが可能である。またレジス
トにできた三次元形状を異方性ドライエッチングによっ
て別の材料、例えば石英ガラスに転写すれば、紫外線に
対して有用な素子となり、例えばシリコン基板などに転
写すれば赤外領域で良好な光学性能を示す。

【００４３】また先に求めた露光量に対するレジストの
残存膜厚特性のレンジが狭い場合や、逆に感度が鈍く細
かな制御が難しい場合などは、異方性ドライエッチング
での選択比を適切に設計することで、高さ方向の転写前
後の倍率を調整することができる。

【００４４】（第二の実施例）他の実施例としては図７
に示したものがある。ここで図７は図４と同様に複数の
高さについての水平断面の輪郭を書き重ねたものであ
る。対称としている三次元形状は第一の実施例同様凸の
球面レンズアレイの一つを抜きだしたものである。また
レジストはポジ型を用いた場合で説明する。

【００４５】ここで１７はそれぞれの高さでスライスし
た断面の輪郭である。ここで１８の斜線部は輪郭１７を
用いて設計されたマスクで露光する部位である。マスク
は対象とする輪郭１７よりも一段低い露光量で得られる
高さでの断面図の輪郭１９とで囲われた領域を開口部と
して他の部分を遮光部で構成する。

【００４６】このようにして複数枚のマスクを設計する
と図７の各輪郭間をそれぞれ開口とするマスクが設計さ
れる。つぎに、これらのマスクを使って露光する場合を
考える。図７に示した通り、ａの断面形状２０を得よう
とすればポジ型レジストでは、ｂの露光量分布を与える
必要がある。ここで２１が輪郭１７に対応する位置で、
２３が輪郭１９に対応する位置である。

【００４７】ここで図８（ｂ）に示すように露光領域の
中央（輪郭の中間点）で設計値と一致させたければ露光
量は領域の中央の位置での設計高さが得られる露光量に
設定すればよいことがわかる（点２２）。すなわち複数
の高さの断面形状の輪郭で囲まれた領域を開口としたマ
スクを設計し、三次元形状を作製するには、断面形状を
求めた高さを与えるレジストの残存膜厚特性から求まる
輪郭位置での両露光量の間の露光量を与えれば良いこと
が分かる。

【００４８】ただし設計値に対して精度よく三次元形状
を作製するには露光量の厳密な設定は各マスク間で統一
されていることが望ましい。これを図で示すと図９とな
る。２４は所望の形状で２５が露光量を表している。棒
状なのはマスク開口部内では一定の露光量を与えている
ことを示している。輪郭位置での両露光量の間で露光量
が設定できるとは図９に示すとおり、所望の形状を量子
化する際に各状態が選べるということである。

【００４９】さらに得られた三次元形状が使用波長によ
って透過率等の光学性能が十分であればそのまま光学素
子として利用することが可能である。またレジストにで
きた三次元形状を異方性ドライエッチングによって別の
材料、例えば石英ガラスに転写すれば、紫外線に対して
有用な素子となり、例えばシリコン基板などに転写すれ
ば赤外領域で良好な光学性能を示す。

【００５０】また先に求めた露光量に対するレジストの
残存膜厚特性のレンジが狭い場合や、逆に感度が鈍く細
かな制御が難しい場合などは、異方性ドライエッチング
での選択比を適切に設計することで、高さ方向の転写前
後の倍率を調整することができる。

【００５１】（第三の実施例）第三の実施例としては図
１０に示すような基本レンズ２６を縦横に並べたマイク
ロレンズアレイがある。普通の凸レンズを図１０にみる
ような輪郭で切り出した形をしている。したがって基本
形状間の境界が複雑な形になっている。

【００５２】図１０に示すレンズの場合にも三次元形状
を複数の高さでスライスして断面形状の輪郭を求めれ
ば、図１１（ａ）に示す輪郭の集合体が得られる。ここ
で第一の実施例と同様に説明のため代表の輪郭２７を考
えれば、図１１（ｂ）に示すような遮光部２８を有する
マスクを設計することができる。また同様に第二の実施
例と同じ手法のパターニングを考えるのであれば図１１
（ｃ）に示すような遮光部２９を有するマスクを設計で
きる。

【００５３】本実施例から分かる通り、三次元形状が基
本形状を複数回繰り返して構成される場合は基本形状に
ついて考えれば良い。また、基本形状と基本形状の接続
部で定義される輪郭が複雑な場合にも一定高さでの断面
形状を考えれば、その輪郭を元に適切な開口部を有する
マスクを設計することができる。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本出願に係る第一
の発明によれば、リソグラフィ技術として一般的に用い
られている透過部と遮光部からなるバイナリ型のマスク
を使い、一般的な露光装置の露光量制御機構を使い、複
数のマスクを使って精度良く三次元形状を作製すること
が可能となる。

【００５５】また本出願に係る第二の発明のよれば、複
数の高さで目的の形状をスライスした断面形状の輪郭を
用いてマスクを設計し、かつ輪郭で分割された領域を開
口部／遮光部にしたマスクを製作してパターニングする
ため、一回の露光量を小さく抑えて積算露光量によって
全体の形状を作製することができる。

【００５６】また本出願に係る第三の発明によれば、複
数の高さで目的の形状をスライスした断面形状の輪郭の
うち、高さが連続する輪郭２つを用いて囲まれた領域と
それ以外の領域を開口部／遮光部とするマスクを設計
し、前記開口領域に露光光を照射して三次元形状を作製
するため、各位置における露光量の誤差は露光装置の一
回の露光作業で発生する露光量誤差になり、誤差管理が
容易となる。

【００５７】また本出願に係る第四の発明によれば、第
三の発明で設計したマスクを露光する際に露光量設定値
の選択の幅を持たせることで、量子化誤差の発生の仕方
に一定の自由度を与えることができる。

【００５８】また本出願に係る第五の発明によれば、第
四の発明で得られた自由度のうちで露光量の設定をマス
ク設計に用いたスライス高さが得られる露光量の中間値
に設定することで、量子化誤差を欲しい形状にたいして
プラスマイナス両方向に均等に割り振ることができる。

【００５９】また本出願に係る第六の発明によれば、第
一から第五までの発明の結果得られた感光性材料に形成
された三次元形状をそのまま光学素子として使用するこ
とができる。

【００６０】また本出願に係る第七の発明によれば、第
一から第五までの発明の結果得られた感光性材料の三次
元形状を別の材料に異方性ドライエッチングで転写する
ことで、本出願で重要な特性である三次元形状を作製す
る上での感光性とを捨てて、別の光学性能を満たす三次
元形状に材質を代えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第一の実施例を説明するための三次
元形状の代表で、凸面を有するマイクロレンズアレイ

【図２】 マイクロレンズアレイの断面模型図

【図３】 図１のマイクロレンズアレイの各代表断面図
（例えばＡ−Ａ’）

【図４】 三次元形状からマスクを設計するまでを説明
するための図

【図５】 遮光部の大きさが異なる設計マスクの図

【図６】 マスクを使って露光作業を行う際の露光量の
説明図

【図７】 第二の実施例の説明図

【図８】 露光量の説明図

【図９】 露光量の説明図

【図１０】 マイクロレンズアレイの図

【図１１】 マイクロレンズアレイの図

【図１２】 フォトレジストに三次元形状を形成する方
法の説明図

【符号の説明】

１ マイクロレンズアレイ ２ マイクロレンズアレイ断面図 ３ マイクロレンズアレイを構成する基本レンズ ４ 基本レンズの平面断面を形成するためのスライス線 ５１ 正方形 ５２ 正方形 ５３ 領域

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に感光性材料の三次元構造を形成す
   る工程において、露光波長の露光量と感光性材料の残存
   する膜厚の特性を把握する工程と目的の三次元構造を少
   なくとも複数の高さ毎にスライスした際に得られる少な
   くとも複数の水平断面形状の輪郭に一致した輪郭の開口
   を有する少なくとも複数のマスクを作製する工程と前記
   マスクを用いて開口の輪郭を求めた高さに対応する前記
   露光波長と感光性材料の残存膜厚特性から求まる複数の
   露光量にて少なくとも複数回の露光を行う工程からなる
   三次元形状形成マスクおよびパターニング方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の各マスクの開口部の輪郭
   は、請求項１記載の断面形状の輪郭と一致するとともに
   輪郭で分離された領域のうち露光光を照射すべき領域を
   開口部とし、対応する高さの露光量から隣接する一段小
   さい露光量を必要とする断面形状スライス高さに対応す
   る露光量を差し引いた露光量で露光することを特徴とす
   る請求項１記載の三次元形状形成マスクおよびパターニ
   ング方法。
3. 【請求項３】請求項１記載の各マスクの開口部の輪郭は
   請求項１記載の隣接する二つの高さの断面形状の輪郭か
   らなって前記二つの輪郭で囲まれた領域と前記領域以外
   の二種類の領域を定義し、露光光を照射すべき領域を開
   口部として、二つの断面形状を得た高さに対応する請求
   項１記載の露光波長と感光性材料残存膜厚特性から求ま
   る二つの露光量間で、かつ各マスク露光作業間で統一さ
   れた計算方法で求めた露光量だけ露光することを特徴と
   する請求項１記載の三次元形状形成マスクおよびパター
   ニング方法。
4. 【請求項４】請求項３記載の露光量の計算方法が両露光
   量間を一定比率で分割した中間の値であることを特徴と
   する請求項３記載の三次元形状形成マスクおよびパター
   ニング方法。
5. 【請求項５】請求項４記載の露光量の計算方法の比率が
   ５０％、すなわち平均値であることを特徴とする請求項
   ３記載の三次元形状形成マスクおよびパターニング方
   法。
6. 【請求項６】請求項１乃至５の何れか１項記載の三次元
   形状形成マスクおよびパターニング方法を用いて作製さ
   れた感光性材料からなる光学素子。
7. 【請求項７】請求項１乃至５の何れか１項記載の三次元
   形状形成マスクおよびパターニング方法を用いて作製さ
   れた感光性材料をマスクにドライエッチングによって基
   板に形状転写して作製された光学素子。