JP2005202170A - Exposure mask and exposure method - Google Patents

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  • Preparing Plates And Mask In Photomechanical Process (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently form a circumferential structure, when forming a three-dimensional structure, using a large tone pattern. <P>SOLUTION: An exposure mask used for an aligner comprises: a first mask region M1 for obtaining transmittance of illumination light, corresponding to a ratio by continuously arranging a plurality of pattern blocks composed of a pair of a light-shielding pattern for shielding illumination light emitted from the aligner and a transmitting pattern for transmitting the illumination light and gradually changing the ratio of the light-shielding pattern to the transmission pattern; and a second mask region M2 composed of an all light-shielding pattern P0 for shielding the illumination light and an all transmitting pattern P100 for transmitting the illumination light and obtaining the light-shielding part and the transmission part, corresponding to the shape of each pattern. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光学的なレンズアレイ等の3次元形状を露光によって形成するための露光用マスクおよび露光方法に関する。   The present invention relates to an exposure mask and an exposure method for forming a three-dimensional shape such as an optical lens array by exposure.

CCD(Charge Coupled Device)、LCD(Liquid Crystal Display)等の映像デバイス応用製品に使用されているマイクロレンズアレイなど、微小な光学部品の製造方法の一つとして半導体、液晶デバイス製造で用いられているフォトリソグラフィ技術を応用する方法がある。   It is used in the manufacture of semiconductors and liquid crystal devices as one of the manufacturing methods for minute optical components such as microlens arrays used in video device application products such as CCD (Charge Coupled Device) and LCD (Liquid Crystal Display). There is a method of applying photolithography technology.

すなわち、感光材料であるフォトレジストに所望の露光量分布を与えることにより、フォトレジストを3次元的に加工し、それをマスクとしてドライエッチングすることによりシリコン、ガラス基板などを3次元的に加工している。   That is, by giving a desired exposure dose distribution to the photoresist, which is a photosensitive material, the photoresist is processed three-dimensionally, and by using the photoresist as a mask, silicon, a glass substrate, etc. are processed three-dimensionally. ing.

このリソグラフィプロセスに用いられるフォトマスクは図9に示されるような複数枚マスクを用いた多重露光で実現されている。この技術による露光方法を図9を用いて1次元で説明する。最終的な露光量分布は図9中のD(X)とする。   The photomask used in this lithography process is realized by multiple exposure using a plurality of masks as shown in FIG. An exposure method according to this technique will be described in one dimension with reference to FIG. The final exposure dose distribution is D (X) in FIG.

先ず、図9中のマスク(1)で領域<1>に露光量E[1]を与える。次に、マスク(2)で領域<2>に露光量E[2]を与える。この時、領域<1>のトータルの露光量D1はE[1]+E[2]となる。さらに、図示しないマスク(3)、マスク(4)、…、マスク(n)をそれぞれ露光量E[3]、E[4]、…、E[n]で順次露光することにより、領域iの最終的な露光量D[i]は、D[i]=E[i]+E[i+1]+…+E[n]となり、所望の離散的な露光量分布を得る。この場合マスク枚数nがその露光量位置分解能に相当し、例えばn=10の時は10階調の露光量ステップを得ることになる。   First, the exposure amount E [1] is given to the region <1> with the mask (1) in FIG. Next, the exposure amount E [2] is given to the region <2> with the mask (2). At this time, the total exposure amount D1 of the region <1> is E [1] + E [2]. Further, the mask (3), the mask (4),..., The mask (n) (not shown) are sequentially exposed with the exposure amounts E [3], E [4],. The final exposure dose D [i] is D [i] = E [i] + E [i + 1] +... + E [n], and a desired discrete exposure dose distribution is obtained. In this case, the number n of masks corresponds to the exposure position resolution. For example, when n = 10, an exposure step of 10 gradations is obtained.

また、最近では複数マスクによる多重露光方法の他に、特許文献1に示されるような遮光膜の透過率に連続的な分布を持たせてある、いわゆるグレートーンマスクを用いて1回の露光で所望の露光量分布を得る方式も開発されている。この概念図を図10に示す。   Recently, in addition to the multiple exposure method using a plurality of masks, a single exposure using a so-called gray-tone mask having a continuous distribution in the transmittance of the light shielding film as shown in Patent Document 1 can be performed. A method for obtaining a desired exposure dose distribution has also been developed. This conceptual diagram is shown in FIG.

前述の2つの方法において、前者の複数マスク多重露光による技術は、複数回の多重露光であり時間的にも多段階露光であるため、得られる積算露光量分布は階段形状が残留してしまう。また、得られる露光量階調数はマスク枚数すなわち露光回数であり、現実的には10工程程度となって十分な階調数が得られないという問題がある。また、露光工程の複雑化とマスク枚数に比例したマスクコストが発生し、様々な問題が生じる。   In the above-described two methods, the former technique based on multiple mask multiple exposure is multiple multiple exposure and multistage exposure in terms of time, so that a stepped shape remains in the obtained integrated exposure amount distribution. Further, the number of exposure gradations to be obtained is the number of masks, that is, the number of exposures, and there is a problem that a practically sufficient number of gradations cannot be obtained because it is about 10 steps. Moreover, the complexity of the exposure process and the mask cost proportional to the number of masks occur, and various problems arise.

後者のグレートーンマスクによる1回露光方式は、ほぼ連続的な露光量分布が得られるが、このようなグレートーンマスクを作成することは一般的には非常に困難であり、特殊な膜材料、特殊な成膜処理技術が必要となるため、マスクコストは非常に高いものになってしまう。また、その特殊な膜材は熱に対して経時変化が懸念されており、使用している間の性能安定性(熱的安定性)の問題も懸念されている。   Although the one-time exposure method using the latter gray-tone mask can obtain an almost continuous exposure amount distribution, it is generally very difficult to create such a gray-tone mask, and a special film material, Since a special film forming technique is required, the mask cost becomes very high. Further, the special film material is worried about change with time with respect to heat, and there is also a concern about performance stability (thermal stability) during use.

これらの問題を解決する方策として、本願発明者らは解像限界ピッチ以下のバイナリマスクパターンでマスクを構成し、その開口サイズ、あるいはドット残しパターンサイズを空間的に各々に変えることで、任意の3次元構造形成を可能にする技術を提案している(特願2003−18439)。   As a measure for solving these problems, the inventors of the present invention configure a mask with a binary mask pattern having a resolution limit pitch or less, and change the aperture size or the dot-remaining pattern size to each spatially. A technology that enables three-dimensional structure formation has been proposed (Japanese Patent Application No. 2003-18439).

このようなマスクの設計にあたっては、あるピッチ、ある開口サイズの単一2次元アレイパターンの0次光強度を理論計算し、これを基に所定の位置で所定の光量を得るための開口サイズを導出し、所定の位置で所望のレジスト残膜厚を得られるように開口サイズを場所により変えると言う設計手法を採用している。   In designing such a mask, the 0th-order light intensity of a single two-dimensional array pattern having a certain pitch and a certain opening size is theoretically calculated, and based on this, the opening size for obtaining a predetermined light amount at a predetermined position is determined. A design technique is adopted in which the opening size is changed depending on the location so that a desired resist residual film thickness can be obtained at a predetermined position.

ところで、実際のマイクロレンズアレイはレンズ部だけではなく、レンズ周辺部に注入樹脂の流れを誘導する構造物(柱など)、組み立てのためのアライメントマーク等も形成しなければならない。また、レンズ部は基板上面(表面)基準で形成されるのではなく、基板表面から所定の深さ基準(以下、レンズ部ベースレベルと表記)にして形成されることの方が多い。これらの構造物を形成する際に従来は図11に示すように、複数枚のマスクを用いて露光領域を選択的に変え、かつ各露光マスクでの露光量を変えることにより、所望の微小光学デバイス構造を形成していた。   By the way, in an actual microlens array, not only the lens portion but also a structure (column or the like) for guiding the flow of the injected resin to the lens peripheral portion, an alignment mark for assembly, and the like must be formed. Further, the lens portion is not formed on the basis of the upper surface (surface) of the substrate, but is more often formed with a predetermined depth reference (hereinafter referred to as a lens portion base level) from the substrate surface. Conventionally, when forming these structures, as shown in FIG. 11, by using a plurality of masks to selectively change the exposure area and changing the exposure amount of each exposure mask, desired micro-optics can be obtained. A device structure was formed.

つまり、初めにレンズベース部を露光し、次にアライメントマーク部を露光し、次いで樹脂ベースレベルを露光する。その後、レンズ部を形成するために複数枚のマスクによって露光を繰り返している。   That is, the lens base portion is first exposed, then the alignment mark portion is exposed, and then the resin base level is exposed. Thereafter, exposure is repeated with a plurality of masks to form a lens portion.

特開2002−189280号公報JP 2002-189280 A

しかしながら、レンズ部をグレートーンマスクによって一括露光化したとしても、周辺構造を形成するために結局は複数枚のマスクを用いた露光プロセスになってしまう。このため、露光工程の複雑化と工程時間の増大に繋がり、グレートーンマスク露光のメリットが下がってしまうという問題が生じる。   However, even if the lens portion is collectively exposed with a gray tone mask, an exposure process using a plurality of masks eventually results in forming a peripheral structure. For this reason, it leads to complication of the exposure process and an increase in process time, and there arises a problem that the merit of gray tone mask exposure is lowered.

また、目標構造にレンズ部以外の構造物高低差があり、レンズ部を所定の深さ(オフセット深さ)に形成する場合、透過率の低いグレートーンマスクでオフセット的に所定深さを掘り込まなければいけない。したがって、露光時間が増えるという工程処理時間の問題と長時間露光による露光装置へのダメージという問題とが生じることになる。   In addition, there is a difference in the height of the structure other than the lens part in the target structure, and when the lens part is formed to a predetermined depth (offset depth), the predetermined depth is dug in an offset manner with a gray-tone mask having low transmittance. Must be. Therefore, there arises a problem of process processing time that the exposure time increases and a problem of damage to the exposure apparatus due to long exposure.

本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、露光装置で用いられる露光用マスクにおいて、露光装置から出射される照明光を遮断する遮光パターンと照明光を透過する透過パターンとの対から構成されるパターンブロックが複数連続して配置されているとともに、その連続するパターンブロックのピッチが一定で遮光パターンと透過パターンとの比率が徐々に変化することによりその比率に応じた照明光の透過率を得る第1のマスク領域と、照明光を遮光する全遮光パターンと照明光を透過する全透過パターンとから構成され、各々のパターンの形状に対応した遮光部および透光部を得る第2のマスク領域とを備えている。   The present invention has been made to solve such problems. That is, according to the present invention, in an exposure mask used in an exposure apparatus, a plurality of pattern blocks each composed of a pair of a light-shielding pattern that blocks illumination light emitted from the exposure apparatus and a transmission pattern that transmits illumination light are continuous. A first mask region having a constant pitch of the continuous pattern blocks and a ratio of the light shielding pattern to the transmission pattern gradually changing to obtain a transmittance of illumination light according to the ratio. And a second mask region that includes a total light shielding pattern that shields illumination light and a total transmission pattern that transmits illumination light, and that obtains a light shielding portion and a light transmission portion corresponding to the shape of each pattern.

このような本発明では、まず、マスク内にはベースレベル露光用の100%透過の透過パターン、100%遮光の遮光パターンから成るバイナリパターン(第2のマスク領域)でマスクを構成する。このベースレベル成型パターンを露光してベース部を形成するために必要な露光量を与える。さらに、同一マスク内の別の箇所には3次元形状形成用と周辺の段差形成用のグレートーンパターン(第1のマスク領域)が配置してあり、このグレートーンパターンと前述のバイナリパターンを重ね合わせ露光することにより、全体としてベースレベルと3次元形状部および周辺段差部を一枚のマスク(2つのマスク領域)を用いて露光形成できる。   In the present invention, first, a mask is constituted by a binary pattern (second mask region) including a 100% transmission pattern for base level exposure and a 100% light shielding pattern in the mask. The base level molding pattern is exposed to give an exposure amount necessary for forming the base portion. Further, a gray tone pattern (first mask region) for forming a three-dimensional shape and a peripheral step is arranged at another location in the same mask, and this gray tone pattern and the above binary pattern are overlaid. By performing the combined exposure, the base level, the three-dimensional shape portion, and the peripheral step portion as a whole can be exposed and formed using a single mask (two mask regions).

したがって、このような本発明によれば、3次元形状部のベースレベルは全透過パターン部で露光形成されるため、露光時間は必要最小限で済む。また、3次元形状部と周辺段差部とはグレートーンパターンを用いて一括露光で形成されるため露光工程数低減が可能となる。   Therefore, according to the present invention as described above, since the base level of the three-dimensional shape portion is formed by exposure in the entire transmission pattern portion, the exposure time can be minimized. Further, since the three-dimensional shape portion and the peripheral step portion are formed by batch exposure using a gray tone pattern, the number of exposure processes can be reduced.

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図1は、本実施形態に係る露光用マスク(以下、単に「マスク」と言う。)を説明する模式平面図である。このマスクは、主として第1のマスク領域M1と、第2のマスク領域M2とが同じ基材に隣接して配置された構成となっている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic plan view for explaining an exposure mask (hereinafter simply referred to as “mask”) according to the present embodiment. This mask mainly has a configuration in which a first mask region M1 and a second mask region M2 are disposed adjacent to the same base material.

第1のマスク領域M1は、3次元形状物(本実施形態ではレンズ)を露光によって形成するためのグレートーンパターンが設けられた領域であり、露光目標の形状に合わせたパターンブロックPBを備えている。パターンブロックPBについては後述する。   The first mask region M1 is a region provided with a gray tone pattern for forming a three-dimensional shape object (lens in this embodiment) by exposure, and includes a pattern block PB that matches the shape of the exposure target. Yes. The pattern block PB will be described later.

一方、第2のマスク領域M2は、露光装置からの照明光を100%遮光する全遮光パターンP0と、照明光を100%透過する全透過パターンP100とを備えるバイナリパターンである。これらのパターンより、そのパターンの形状に対応した遮光部および透光部を得ることができる。   On the other hand, the second mask region M2 is a binary pattern including a total light shielding pattern P0 that shields 100% of the illumination light from the exposure apparatus and a total transmission pattern P100 that transmits 100% of the illumination light. From these patterns, a light shielding part and a light transmitting part corresponding to the shape of the pattern can be obtained.

ここで、本実施形態に係るマスクを構成する第1のマスク領域M1のパターンブロックPBについて図2の模式図に基づき説明する。すなわち、転写に用いる縮小投影露光装置SはマスクMのパターン面とウエハWの表面とが共役(結像)関係になっており、通常はマスクM下面のパターンがウエハWの表面に結像し、パターンの転写を行う。   Here, the pattern block PB of the first mask region M1 constituting the mask according to the present embodiment will be described based on the schematic diagram of FIG. That is, in the reduction projection exposure apparatus S used for transfer, the pattern surface of the mask M and the surface of the wafer W are in a conjugate (imaging) relationship, and usually the pattern on the lower surface of the mask M is imaged on the surface of the wafer W. Transfer the pattern.

しかしながら、露光波長(λ)と構成するマスクパターンピッチ(P)と露光装置の開口数(NA)、2次光源サイズを表すコヒーレンスファクタ(σ)が与えられた時、ウエハWの表面に結像しうる最小ピッチ(Pmin)は式1で表される。ここでPminはウエハ上の寸法を表す。   However, when the exposure wavelength (λ), the constituent mask pattern pitch (P), the numerical aperture (NA) of the exposure apparatus, and the coherence factor (σ) representing the secondary light source size are given, an image is formed on the surface of the wafer W. The minimum pitch (Pmin) that can be obtained is expressed by Equation 1. Here, Pmin represents a dimension on the wafer.

Figure 2005202170
Figure 2005202170

この式1は最低次数(±1)の回折光が投影レンズのNA絞りで遮断される/されないといったレベルで解釈され、例えばλ=365nm,NA=0.5,σ=0.5の場合はPmin=487nmとなる。   This equation 1 is interpreted at a level where the diffracted light of the lowest order (± 1) is blocked or not blocked by the NA aperture of the projection lens. For example, when λ = 365 nm, NA = 0.5, and σ = 0.5, Pmin = 487 nm Become.

すなわち、Pmin以下の微少ピッチパターンはウエハWの表面に回折光が届かないので回折光同士の干渉、つまりマスクパターンの結像は発生し得ない。しかしながら0次光はウエハW上に到達する。この時、同一ピッチでは遮光帯幅が大きいほど0次光強度は小さく、また、同一遮光部寸法の場合はPmin以下のピッチにおいてピッチが大きいほど0次光強度は大きくなる。   That is, since the diffracted light does not reach the surface of the wafer W in the minute pitch pattern of Pmin or less, interference between the diffracted lights, that is, image formation of the mask pattern cannot occur. However, the 0th order light reaches the wafer W. At this time, the 0th-order light intensity decreases as the light-shielding band width increases at the same pitch, and the 0th-order light intensity increases as the pitch increases at a pitch of Pmin or less for the same light-shielding portion dimensions.

具体的には、1次元のライン&スペースパターンにおいては、単位繰り返しパターン内の透過部面積率をR(≦1)とすると、ウエハ面上に到達する光強度はマスク上の光強度で規格化すると、R2となる。例えば、1:1のラインアンドスペースでの0次光強度は0.25となる。同様にして1:1の2次元正方形ホールアレイの場合の0次光強度は0.0625となる。 Specifically, in a one-dimensional line and space pattern, if the transmission area ratio in the unit repeating pattern is R (≦ 1), the light intensity reaching the wafer surface is normalized by the light intensity on the mask. Then, R 2 is obtained. For example, the 0th-order light intensity at 1: 1 line and space is 0.25. Similarly, the 0th-order light intensity in the case of a 1: 1 two-dimensional square hole array is 0.0625.

本実施形態によるマスクMはこの原理を用いて透過パターンと遮光パターンとの組みが連続して設けられ、パターンブロックPBが構成されている。なお、これに関する基本的なマスク設計方法については、本願発明者による先の出願(特願2003−18439号)に記載されている。図3には例として凹シリンドリカルレンズアレイを形成するためのマスクにおけるパターンブロックPBを示してある。   The mask M according to the present embodiment is provided with a set of a transmission pattern and a light shielding pattern in succession using this principle, thereby forming a pattern block PB. A basic mask design method related to this is described in a previous application (Japanese Patent Application No. 2003-18439) by the present inventor. FIG. 3 shows a pattern block PB in a mask for forming a concave cylindrical lens array as an example.

ここで、本発明の課題となっているレンズ周辺部を含めた全体の段差レベルに関して図4を用いて説明する。なお、使用するレジストはポジ型とし、ガラス基板に塗布されており、説明を簡単にするために、露光、現像後のレジスト残膜形状がエッチング選択比1:1で転写されるものとする。また、この形状加工が施されたガラス基板上に高屈折率樹脂を塗布し、1次元の凹型シリンドリカルレンズアレイパネルを形成することを実施例として仮定する。   Here, the overall level difference including the lens peripheral part, which is the subject of the present invention, will be described with reference to FIG. The resist to be used is a positive type and is applied to a glass substrate. For simplicity of explanation, the resist residual film shape after exposure and development is transferred at an etching selection ratio of 1: 1. Further, it is assumed as an example that a high refractive index resin is applied on a glass substrate subjected to this shape processing to form a one-dimensional concave cylindrical lens array panel.

図4(a)は目標となる形状を示す模式平面図、図4(b)は(a)のA−A’断面図、(b)は(a)のB−B’断面図である。この例では中央に3次元形状物であるレンズ部(1次元シリンドリカルレンズアレイ)があり、その周辺にレンズ部ベースレベル、および樹脂層ベースレベルがある。また、樹脂層ベースレベルの四隅部には樹脂注入用の柱があり、さらに左右両辺にアライメントマーク部が設けられている。   4A is a schematic plan view showing a target shape, FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line A-A ′ in FIG. 4A, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line B-B ′ in FIG. In this example, there is a lens portion (one-dimensional cylindrical lens array) that is a three-dimensional shape in the center, and there are a lens portion base level and a resin layer base level around it. In addition, there are resin injection columns at the four corners of the resin layer base level, and alignment mark portions are provided on both the left and right sides.

各部の段差形状を以下のように未露光部のレジスト表面を基準にして以下のように定義する。
レンズ部のベースレベルは深さD0。
レンズ部自体の段差はDL。
周辺段差部1は樹脂層のベースレベルに相当し、深さD1。
周辺段差部2はアライメントマークの高さに相当し、深さD2。
The step shape of each part is defined as follows based on the resist surface of the unexposed part as follows.
The base level of the lens part is depth D0.
The level difference of the lens part itself is DL.
The peripheral step portion 1 corresponds to the base level of the resin layer and has a depth D1.
The peripheral step 2 corresponds to the height of the alignment mark and has a depth D2.

つまり、平坦な段差レベルはD0、D1、D2の3段階(D1>D2>D0)であり、これにレンズ部の連続的に変化する段差レベルDLが加わる系となる。   That is, the flat level difference level has three levels D0, D1, and D2 (D1> D2> D0), and a system in which a level difference level DL that continuously changes in the lens portion is added thereto.

まず、説明を簡単にするため、本願発明者による先願(特願2003−18439)と同様に簡単なレジスト特性を前提として考える。本実施形態でのレジストの残膜特性が以下の式2で近似できたとする。   First, in order to simplify the explanation, it is assumed that the resist characteristics are simple as in the prior application (Japanese Patent Application No. 2003-18439) by the present inventor. It is assumed that the residual film characteristic of the resist in this embodiment can be approximated by the following formula 2.

Figure 2005202170
Figure 2005202170

ここで、Zは未露光部からの深さ量(現像後の膜減り量)、doseは与えた露光量、A,Bはln(dose)対Zの近似係数を表す。説明を簡単にするために、図4(b)におけるA−A’断面と図4(c)におけるB−B’断面の樹脂注入用柱を合わせた構造を図5(a)に示す。この目標形状をZ=f(X)とする。   Here, Z is the depth amount from the unexposed portion (film reduction amount after development), dose is the given exposure amount, and A and B are approximation coefficients of ln (dose) versus Z. In order to simplify the explanation, FIG. 5A shows a structure in which the resin injection columns of the A-A ′ cross section in FIG. 4B and the B-B ′ cross section in FIG. This target shape is Z = f (X).

この図5(a)の構造を形成するために必要な露光量分布(E(x))は前述の目標形状Z=f(X)と式2を用いて、次式(式3)のように変換され、その概念図を図5(b)に示す。   The exposure dose distribution (E (x)) required to form the structure of FIG. 5A is expressed by the following equation (Equation 3) using the above-described target shape Z = f (X) and Equation 2. The conceptual diagram is shown in FIG.

Figure 2005202170
Figure 2005202170

ここで、グレートーンマスクである第1のマスク領域の最小透過率部をマスクパターン製造限界で構成すると前提する。これをピッチ寸法P、スペース寸法Sminとする。ここで、Pは式1の非結像条件を満たすものとする。さらに長時間露光による露光装置のダメージを考慮した上限露光量をEmaxとおく。   Here, it is assumed that the minimum transmittance portion of the first mask region, which is a gray tone mask, is configured with a mask pattern manufacturing limit. This is defined as a pitch dimension P and a space dimension Smin. Here, P is assumed to satisfy the non-imaging condition of Equation 1. Further, an upper limit exposure amount considering the damage of the exposure apparatus due to long exposure is set to Emax.

よって、グレートーンパターンの露光する際にレンズベースレベル部に与えられる露光量(dose(Lp))は式4のようになる。   Therefore, the exposure amount (dose (Lp)) given to the lens base level portion when the gray tone pattern is exposed is expressed by Equation 4.

Figure 2005202170
Figure 2005202170

また、レンズ部形成のためには深さD0が必要であるため、前述の第2のマスク領域のバイナリパターンで露光する際に与えるべき露光量(Ebin)は式5のようになる。   Further, since the depth D0 is necessary for forming the lens portion, the exposure amount (Ebin) to be given when the exposure is performed with the binary pattern of the second mask region is expressed by Equation 5.

Figure 2005202170
Figure 2005202170

また、図5(c)の領域で最も露光量が大きな箇所は樹脂層(深さD1)であるが、これを形成するために必要な露光量(dose(D1))は式6のようになる。   Further, the portion having the largest exposure amount in the region of FIG. 5C is the resin layer (depth D1). The exposure amount (dose (D1)) necessary for forming this is as shown in Equation 6. Become.

Figure 2005202170
Figure 2005202170

ここで、グレートーンパターンのスペースパターンの製造最小限界をSminとするとき、また、マスクパターンのライン最小寸法とピッチPから算出されるスペースパターンの製造最大限界をSmaxとする時、以下の式7の関係を満たすものとする。なお、ここでp、Smax、Sminはウエハ上の換算寸法である。   Here, when the minimum production limit of the space pattern of the gray tone pattern is Smin, and when the maximum production limit of the space pattern calculated from the minimum line size of the mask pattern and the pitch P is Smax, the following formula 7 Satisfy the relationship. Here, p, Smax, and Smin are converted dimensions on the wafer.

Figure 2005202170
Figure 2005202170

これはグレートーンパターンで図5(d)の露光量分布が形成可能であるための条件である。これを満たすようにP、Emaxを初期的に微調整する。あるいは使用するレジスト材料を高コントラストのものに変更する。   This is a condition for forming the exposure amount distribution of FIG. 5D with a gray tone pattern. P and Emax are initially finely adjusted to satisfy this. Alternatively, the resist material used is changed to one with high contrast.

グレートーンパターンのパターン配列としては、前述の式3の露光量分布E(x)より、以下の式8によって透過率分布に変換する。   As the gray-tone pattern pattern arrangement, the exposure distribution E (x) of Equation 3 described above is converted into a transmittance distribution by Equation 8 below.

Figure 2005202170
Figure 2005202170

最後に、各位置におけるスペースパターン寸法を以下の式9より得る。   Finally, the space pattern dimension at each position is obtained from Equation 9 below.

Figure 2005202170
Figure 2005202170

このようにして設計したレンズ部を含む段差構造形成用のグレートーンパターンとオフセット的な深さを得るためのバイナリパターンをそれぞれEmax、Ebinの露光量で露光することによって図5(a)の構造を形成できる。   The structure shown in FIG. 5A is obtained by exposing a gray-tone pattern for forming a step structure including the lens portion designed in this way and a binary pattern for obtaining an offset depth with exposure amounts of Emax and Ebin, respectively. Can be formed.

本実施形態では、上記のように設計された第1のマスク領域であるグレートーンパターンと第2のマスク領域であるバイナリパターンとを用いて同一領域に重ね合わせた露光を行うが、グレートーンパターンによる露光での露光量に応じてバイナリパターンによる露光の露光量を調整するようにしてもよい。つまり、第1のマスク領域であるグレートーンパターンで例えばレンズ部の露光を行った後、バイナリパターンである第2のマスク領域での露光量を調整し、樹脂層ベースレベルD1を第2のマスク領域の露光量で制御することが可能である。これにより例えば樹脂注入状態を制御し、プロセスの最適化などが可能となる。   In the present embodiment, exposure is performed by superimposing the same area using the gray tone pattern, which is the first mask area designed as described above, and the binary pattern, which is the second mask area. You may make it adjust the exposure amount of exposure by a binary pattern according to the exposure amount by exposure by (2). That is, for example, after the lens portion is exposed with the gray tone pattern that is the first mask region, the exposure amount in the second mask region that is the binary pattern is adjusted, and the resin layer base level D1 is set to the second mask region. It is possible to control by the exposure amount of the area. Thereby, for example, the resin injection state is controlled, and the process can be optimized.

ここで、本実施形態に係るマスクを用いたマイクロレンズアレイを製造する方法を図6の模式図に沿って説明する。先ず、例えば6インチ径の石英ガラスウエハから成る基板上に感光材料であるフォトレジスト(以下、単に「レジスト」と言う。)を塗布する。塗布厚は例えば10um程度である(図6(a)参照)。   Here, a method of manufacturing a microlens array using the mask according to the present embodiment will be described with reference to the schematic diagram of FIG. First, a photoresist (hereinafter simply referred to as “resist”), which is a photosensitive material, is applied onto a substrate made of, for example, a 6-inch diameter quartz glass wafer. The coating thickness is, for example, about 10 μm (see FIG. 6 (a)).

次に、露光装置の一つであるステッパーからi線を照射し、本実施形態のマスクを介してレジストへ露光を行う。この際、後工程で必要となるアライメントマークも同時に形成する。露光後はレジストを現像することによりマスクで設定された3次元形状をレジストに転写できるようになる(図6(b)参照)。   Next, i-line is irradiated from a stepper which is one of exposure apparatuses, and the resist is exposed through the mask of this embodiment. At this time, an alignment mark required in a later process is also formed at the same time. After the exposure, the resist is developed so that the three-dimensional shape set by the mask can be transferred to the resist (see FIG. 6B).

次いで、このレジストを介して基板をドライエッチングする。これにより、レジストの3次元形状が基板に転写される。その後、3次元形状が転写された石英基板に高屈折率を有する樹脂をスピンコート法などによって塗布する。これによって基板の3次元形状に対応した樹脂製のプラスのパワーを有するレンズアレイが形成される(図6(c)参照)。   Next, the substrate is dry-etched through this resist. Thereby, the three-dimensional shape of the resist is transferred to the substrate. Thereafter, a resin having a high refractive index is applied to the quartz substrate onto which the three-dimensional shape has been transferred by spin coating or the like. Thus, a lens array having a positive power made of resin corresponding to the three-dimensional shape of the substrate is formed (see FIG. 6C).

このようなマイクロレンズアレイは、図7、図8に示すような装置に適用される。図7、図8に示す装置は液晶プロジェクタであり、石英基板上に形成されたTFT(Thin Film Transistor)と、その上に形成された液晶層とを備えており、TFTの駆動によって各画素単位で液晶層の配向を制御するものである。   Such a microlens array is applied to an apparatus as shown in FIGS. 7 and 8 is a liquid crystal projector, and includes a TFT (Thin Film Transistor) formed on a quartz substrate and a liquid crystal layer formed on the TFT, and each pixel unit is driven by driving the TFT. This controls the orientation of the liquid crystal layer.

本実施形態のマスクで形成したマイクロレンズアレイMLは、このような液晶プロジェクタの各画素に対応して個々のレンズLが樹脂層によって構成されるようになっている。本実施形態のマスクによってマイクロレンズアレイMLおよび周辺構造を2回の露光で形成できるとともに、マスク自体も遮光パターンと透光パターンの組み合わせからなるバイナリマスクであるため製造も容易である。したがって、液晶プロジェクタに適用するマイクロレンズアレイMLを安価に提供でき、液晶プロジェクタのコストダウンを図ることができる。   In the microlens array ML formed by the mask of the present embodiment, each lens L is constituted by a resin layer corresponding to each pixel of such a liquid crystal projector. The microlens array ML and the peripheral structure can be formed by two exposures using the mask of this embodiment, and the mask itself is a binary mask composed of a combination of a light-shielding pattern and a light-transmitting pattern, and is easy to manufacture. Therefore, the microlens array ML applied to the liquid crystal projector can be provided at low cost, and the cost of the liquid crystal projector can be reduced.

また、先に説明したように、形成されるレンズLの形状も遮光パターンと透光パターンとの比率や配列によって自在に設定でき、レジストの現像特性を生かしたマスクの露光量設定によって正確なレンズ形状を再現でき、個々のレンズLの境界にも不要な継ぎ目を生じさせることなく精度の高いレンズLを提供できるようになる。   Further, as described above, the shape of the formed lens L can be freely set according to the ratio and arrangement of the light shielding pattern and the light transmitting pattern, and an accurate lens can be set by setting the exposure amount of the mask taking advantage of the development characteristics of the resist. The shape can be reproduced, and a highly accurate lens L can be provided without causing unnecessary seams at the boundaries of the individual lenses L.

なお、先に説明したマイクロレンズアレイの製造方法では、3次元フォトレジスト形状を形成後、ドライエッチングにより基板を加工する例を用いたが、フォトレジストを電鋳加工してマザー金型を作成し、スタンパ方式で樹脂等を材料にして量産することも可能である。また、本実施形態のマスクで形成したレンズアレイは液晶プロジェクタ以外であってもCCDや他の液晶表示装置、半導体レーザ、受光素子、光通信機器であっても適用でき、またレンズ以外の3次元形状の製造であっても適用可能である。   In the microlens array manufacturing method described above, an example is used in which a substrate is processed by dry etching after forming a three-dimensional photoresist shape. However, a mother die is produced by electroforming the photoresist. It is also possible to mass-produce resin or the like by the stamper method. In addition, the lens array formed by the mask of the present embodiment can be applied to a CCD or other liquid crystal display device, a semiconductor laser, a light receiving element, or an optical communication device other than a liquid crystal projector. Even the manufacture of shapes is applicable.

また、本実施形態では、説明を簡単にするために、マスクパターン設計方法としては開口率理論値を用いる手法で説明したが、本願発明者による先の出願(特願2003−281489)で提案されているように較正マスクを露光した残膜特性を用いた手法でも本発明は有効である。この場合、前述の実際の露光と同様に較正マスクをEmaxで露光し、連続して100%透過のバイナリパターンもしくはマスクレスでウエハ全体を露光量Ebinで露光する。このサンプルウエハを現像し、パターン寸法対膜減り量の相関データを得る。この相関データを用いてグレートーンパターンのパターン設計を行うようにしてもよい。また、上記実施形態では、第1のマスク領域であるグレートーンパターンでレンズ部を露光し、第2のマスク領域であるバイナリパターンで周辺段差部を露光する例を示したが、第1のマスク領域レンズ部のほかに周辺段差部の一部を露光するグレートーンパターンを含むよう構成してもよい。   Further, in this embodiment, for the sake of simplicity, the mask pattern design method has been described using a method using a theoretical value of the aperture ratio. However, this was proposed in a previous application (Japanese Patent Application No. 2003-281489) by the present inventor. As described above, the present invention is also effective in a method using the residual film characteristics obtained by exposing the calibration mask. In this case, the calibration mask is exposed with Emax in the same manner as the actual exposure described above, and the entire wafer is exposed with an exposure amount Ebin in a binary pattern or maskless continuously 100%. The sample wafer is developed to obtain correlation data between the pattern size and the amount of film reduction. You may make it perform the pattern design of a gray tone pattern using this correlation data. In the above embodiment, the lens portion is exposed with the gray tone pattern that is the first mask region, and the peripheral step portion is exposed with the binary pattern that is the second mask region. You may comprise so that the gray tone pattern which exposes a part of peripheral step part other than an area | region lens part may be included.

本発明は、MEMS(Micro Electro Mechanical System)等を用いたスイッチやリレー、センサー等の3次元形状物への応用が可能である。さらには、半導体製造等における基板の下地形状の任意形状形成への応用も可能である。   The present invention can be applied to a three-dimensional object such as a switch, a relay, or a sensor using MEMS (Micro Electro Mechanical System). Furthermore, the present invention can be applied to formation of an arbitrary shape of the base shape of a substrate in semiconductor manufacturing or the like.

本実施形態に係る露光用マスクを説明する模式平面図である。It is a schematic plan view explaining the exposure mask which concerns on this embodiment. パターンブロックを説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining a pattern block. 凹シリンドリカルレンズアレイを形成するためのマスクにおけるパターンブロックを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the pattern block in the mask for forming a concave cylindrical lens array. 全体の段差レベルを説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the whole level | step difference level. 露光量を説明する模式図で、(a)は目標形成形状、(b)は、(a)の形状を形成するための露光量分布E(X)、(c)は第2のマスク領域による露光量分布、(d)は第1のマスク領域による露光量分布を示す図である。It is a schematic diagram explaining the exposure amount, (a) is a target formation shape, (b) is an exposure amount distribution E (X) for forming the shape of (a), and (c) is based on the second mask region. The exposure amount distribution, (d) is a diagram showing the exposure amount distribution by the first mask region. マイクロレンズアレイの製造工程を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the manufacturing process of a micro lens array. 液晶プロジェクタへの適用例を説明する模式図(その1)である。It is a schematic diagram (the 1) explaining the example applied to a liquid crystal projector. 液晶プロジェクタへの適用例を説明する模式図(その2)である。It is a schematic diagram (the 2) explaining the example applied to a liquid crystal projector. 従来例を説明する模式図(その1)である。It is a schematic diagram (the 1) explaining a prior art example. 従来例を説明する模式図(その2)である。It is a schematic diagram (the 2) explaining a prior art example. 従来例を説明する模式図(その3)である。It is a schematic diagram (the 3) explaining a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

M1…第1のマスク領域、M2…第2のマスク領域、P0…全遮光パターン、P100…全透過パターン   M1 ... first mask area, M2 ... second mask area, P0 ... total light shielding pattern, P100 ... total transmission pattern

Claims (5)

露光装置で用いられる露光用マスクにおいて、
前記露光装置から出射される照明光を遮断する遮光パターンと前記照明光を透過する透過パターンとの対から構成されるパターンブロックが複数連続して配置されているとともに、その連続するパターンブロックのピッチが一定で前記遮光パターンと前記透過パターンとの比率が徐々に変化することによりその比率に応じた前記照明光の透過率を得る第1のマスク領域と、
前記照明光を遮光する遮光パターンと前記照明光を透過する透過パターンとから構成され、各々のパターンの形状に対応した遮光部および透光部を得る第2のマスク領域と
を備えることを特徴とする露光用マスク。
In an exposure mask used in an exposure apparatus,
A plurality of pattern blocks each composed of a pair of a light-shielding pattern that blocks illumination light emitted from the exposure apparatus and a transmission pattern that transmits the illumination light are continuously arranged, and the pitch of the continuous pattern blocks Is a first mask region that obtains the transmittance of the illumination light according to the ratio by gradually changing the ratio of the light shielding pattern and the transmission pattern,
A light-shielding pattern that shields the illumination light and a transmission pattern that transmits the illumination light, the light-shielding part corresponding to the shape of each pattern, and a second mask region for obtaining a light-transmitting part. Mask for exposure.
前記第1のマスク領域と前記第2のマスク領域とが同一の基材に設けられている
ことを特徴とする請求項1記載の露光用マスク。
The exposure mask according to claim 1, wherein the first mask region and the second mask region are provided on the same base material.
露光装置から出射される照明光を遮断する遮光パターンと前記照明光を透過する透過パターンとの対から構成されるパターンブロックが複数連続して配置されているとともに、その連続するパターンブロックのピッチが一定で前記遮光パターンと前記透過パターンとの比率が徐々に変化することによりその比率に応じた前記照明光の透過率を得る第1のマスク領域と、前記照明光を遮光する遮光パターンと前記照明光を透過する全透過パターンとから構成され、各々のパターンの形状に対応した遮光部および透光部を得る第2のマスク領域とを備える露光用マスクを用い、
前記第1のマスク領域による露光と前記第2のマスク領域による露光とを同一領域に重ね合わせて行う
ことを特徴とする露光方法。
A plurality of pattern blocks each composed of a pair of a light shielding pattern that blocks illumination light emitted from the exposure apparatus and a transmission pattern that transmits the illumination light are continuously arranged, and the pitch of the continuous pattern blocks is A first mask region that obtains the transmittance of the illumination light according to the ratio by gradually changing the ratio between the light shielding pattern and the transmission pattern, and the light shielding pattern that shields the illumination light and the illumination Using an exposure mask that includes a total transmission pattern that transmits light, and includes a light shielding portion corresponding to the shape of each pattern and a second mask region that obtains the light transmission portion,
An exposure method comprising: performing exposure with the first mask region and exposure with the second mask region by superimposing them on the same region.
前記第2のマスク領域による露光での露光量を調整により、前記第1のマスク領域により形成する段差構造及びレンズ部構造のベース高さを調整する
ことを特徴とする請求項3記載の露光方法。
4. The exposure method according to claim 3, wherein a base height of the step structure and the lens portion structure formed by the first mask region is adjusted by adjusting an exposure amount in exposure by the second mask region. 5. .
前記第1のマスクは露光によって形成する対象形状に対応したパターンブロックのほか、その対象形状の周辺段差部を形成するためのパターンブロックを含む
ことを特徴とする請求項1記載の露光用マスク。
The exposure mask according to claim 1, wherein the first mask includes a pattern block corresponding to a target shape to be formed by exposure, and a pattern block for forming a peripheral step portion of the target shape.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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AU2006249246B2 (en) * 2005-12-08 2009-12-24 Electronics And Telecommunications Research Institute Programmable mask for fabricating biomolecule array or polymer array, apparatus for fabricating biomolecule array or polymer array including the programmable mask, and method of fabricating biomolecule array or polymer array using the programmable mask
CN112198757A (en) * 2020-10-20 2021-01-08 蓝思科技(长沙)有限公司 Monochromatic gradient film, preparation method thereof and photomask

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