JP2005275000A

JP2005275000A - 光学素子の作製に用いるマスク、該マスクを用いた光学素子の作製方法

Info

Publication number: JP2005275000A
Application number: JP2004088438A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Tanaka; 一郎田中
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】干渉の発生の少ないマイクロレンズアレイの作成方法を提供すること。
【解決手段】マイクロレンズアレイの作製方法において、露光法によって基板上に感光性材料のマイクロレンズアレイを形成するのに使用するマスクにおいて、そのマスクは階調を持ち、前記マスクには単位マイクロレンズに対応する単位マスクパターンが複数配置され、前記マスクには、前記マスクと転写用基板の位置をずらして、複数回露光と移動を繰り返すことにより、転写用基板全面にマイクロレンズアレイが形成できるように、前記単位マスクパターンが配置されており、上記マスクを用いて、マスクと転写用基板の位置をずらして、複数回露光と移動を繰り返す際に、個々の露光においてドーズ量を変えることとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、マスク、該マスクを用いた光学素子の作製方法に関し、例えば、半導体露光装置などの照明系等に用いるハエの目レンズ等に好適に用いることができる技術に関する。

従来、フォトリソグラフィを用いたマイクロレンズアレイの作製方法の一つとして、面積階調マスクを用いた作製方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２９６６４９号公報

しかしながら、面積階調マスクには、ひとつひとつのマイクロレンズの大きさが小さくなると光の干渉が起こりやすくなり、インテグレータとして求められる性能の一つである均一性が著しく損なわれるという問題がある。

またマスクの階調を多くとるために描画精度が厳しく、マスクのコストが高いために素子の価格が高価になるという問題がある。

ハエノメレンズとは素子レンズで波面分割をする光学素子である。そのため素子レンズが小さくなると、隣り合う素子レンズからの光が干渉をおこし、被照明面で干渉縞が発生する。

光の干渉については、一般の物理の教科書にて回折格子の干渉として説明されている。回折格子の繰り返しパターンのピッチをｐ、露光波長をλ、コンデンサレンズの焦点距離をｆとすると、被照明面での干渉縞のピッチは、ｆλ÷ｐとなる。よって、波長が短くなると干渉縞のピッチが短くなり、回折格子の繰り返しパターンのピッチが細かくなると、干渉縞のピッチが長くなる。これは、回折光としても理解できる。回折格子からの回折光が飛ぶ角度θは、ｐ×ｓｉｎθ＝ｎλを満たす。回折光はコンデンサレンズによって、フーリエ変換されるため、角度分布が位置分布に変換される。よって、回折光の強めあう位置は、被照明面で、ｆｎλ÷ｐとなり、ｆλ÷ｐピッチで強めあう縞ができる。MLAにおける干渉縞に関しても回折格子と同様にｆλ÷ｐピッチで発生する。前述の長手方向２１ｍｍ、短手方向４ｍｍの円弧領域をＮＡ０．８０で照明する場合の円弧ＭＬＡについて当てはめると、焦点距離は８７．５ｍｍ、短手方向のピッチを０．０３１ｍｍとすると、１５７ｎｍの波長に対しては、８７．５×０．０００１５７÷０．０３１＝０．４４３ｍｍピッチ、６３３ｎｍの波長に対しては、１．７９ｍｍピッチの干渉縞が発生する事になる。短手方向の長さは４ｍｍであるために、１５７ｎｍでは短手方向には９本の干渉縞が、６３３ｎｍでは２．２本の干渉縞が入る計算となる。そのため、被照明領域の照度分布はもはや連続的な分布とはならず、均一な分布ではなくなってしまう。このようにひとつひとつのレンズが小さいほど干渉は深刻な問題となる。

そこで、本発明の例示的な目的は、干渉の発生の少ないマイクロレンズアレイの作成方法を提供することにある。

本発明は、円弧ＭＬＡの素子レンズから射出される光の位相状態を制御する事によって、干渉縞の本数を増やして課題を解決する。

前述の回折格子において隣り合う開口で位相差をつけると回折光の飛ぶ方向が変化する。例えば隣り合う開口からの光に、位相差が１８０度つくようにすると、位相差をつけなかった時の暗部が明部となり、明部が暗部となり、白黒反転した干渉縞となる。本発明はこれを利用したものであって、円弧MLAの素子レンズから射出する光に位相差をつけて、素子レンズ間の干渉縞のできる位置をずらして、全体として被照明面での干渉縞のピッチを細かくするものである。

例えば、２つおきに位相差が１８０度つくようにして、隣り合う素子レンズ間の光の位相差が、０度、１８０度、０度、１８０度、０度…とつくようにするとする。位相差が０度である素子レンズ間の干渉縞の明部に、位相差が１８０度である素子レンズ間の干渉縞の暗部が存在し、位相差が０度である素子レンズ間の干渉縞の暗部に、位相差が１８０度である素子レンズ間の干渉縞の明部が存在するようになる。そのため見かけ上、干渉縞のピッチは、従来の円弧MLAに比べて半分となる。

本発明は、以上のように微小な素子レンズからなる光学素子において、位相差をつけて干渉縞のピッチを細かくするものであって、円弧ＭＬＡのみならず、屈折、もしくは回折によってパワーを持った微小な素子レンズが繰り返し配置された光学素子において有効である。例えば、矩形のマイクロレンズアレイであっても、干渉縞のピッチを細かくする事ができ、被照明面での照度むらを緩和する事が可能である。また、位相差の付け方は上述の２つおきに１８０度の位相差をつける方法のみならず、光学素子の右半分と左半分で、隣り合う光学素子の位相差を変えて、右半分を０度、左半分を１８０度とすれば、上述の２つおきに１８０度の位相差をつけたものと同様の効果を得ることができる。隣り合う素子レンズからの光に位相差をつける方法としては、素子レンズの位相差毎のグループで分類して相対的に素子の高さをずらす方法が考えられる。たとえば、基板の屈折率をN、掘り込み量をｄとすれば、掘り込まなかった部分と掘り込んだ部分の位相差は（ｄ÷（λ÷N）−ｄ÷λ）×３６０度＝（N−１）×ｄ÷λ×３６０度となる。位相差を１８０度つけようとすると、N＝１．５、λ＝１５７ｎｍとすると、ｄ＝１５７ｎｍとなる。つまり、１５７ｎｍ素子の高さをずらせば前述の機能を実現できる。また高さをずらすのは屈折、もしくは回折によってパワーを持った面に行う方が、素子レンズとの位置合わせが容易であるため好適である。エッチングで基板に転写する際にはエッチングの選択比、すなわち転写倍率を考慮する必要が有る。もちろん、MLA形状をレジストに形成し、そのまま光学素子として利用する際にはエッチングの選択比を考慮する必要は無い。

またここではF2光学系を例に説明をしたが、MLAによる干渉縞は白色光でも観察されており、F2以外の波長用の素子に対しても有効性は変わらない。

したがって、本出願にかかる第一の発明は露光法によって基板上に感光性材料のマイクロレンズアレイを形成するのに使用するマスクにおいて、そのマスクは階調を持ち、前記マスクには単位マイクロレンズに対応する単位マスクパターンが複数配置され、前記マスクには、前記マスクと転写用基板の位置をずらして、複数回露光と移動を繰り返すことにより、転写用基板全面にマイクロレンズアレイが形成できるように、前記単位マスクパターンが配置されており、上記マスクを用いて、マスクと転写用基板の位置をずらして、複数回露光と移動を繰り返す際に、個々の露光においてドーズ量を変えることを特徴とする。

本出願にかかる第二の発明は、前記第一の発明において前記露光法は投影露光法であることを特徴とするマイクロレンズアレイの作製方法である。

本出願にかかる第三の発明は、第一または第二の発明において各露光時のドーズ量はそのそれぞれの露光により生ずる高さの差が露光回数をNとしたときに光学素子として機能する段階で使用波長における位相差が略(360/N)度となることを特徴としたマイクロレンズアレイの作製方法である。

本出願にかかる第四の発明は、露光法によって基板上に感光性材料のマイクロレンズアレイを形成するのに使用するマスクにおいて、そのマスクは階調を持ち、前記マスクには単位マイクロレンズに対応する単位マスクパターンが複数配置され、前記マスクには、前記マスクと転写用基板の位置をずらして、複数回露光と移動を繰り返すことにより、転写用基板全面にマイクロレンズアレイが形成できるように、前記単位マスクパターンが配置されていることを特徴とするマスクである。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付の図面を参照して説明される好ましい実施例等によって明らかにされるであろう。

ハエの目の一つ一つのレンズを小さくしても干渉の影響を小さくすることができ、照明領域の光強度を均一化できる。

マスクの描画面積を小さくできるので描画時間が短縮され、マスクコストを下げることができる。このため素子コストを下げることができる。

以下に、本発明の実施の形態における面積変調型マスクの作成手順と、この面積変調型マスクを用いたマイクロレンズの作製手順について添付の図面に基づいて詳細に説明する。

ここでは面積変調型マスクについて述べるが、銀塩や膜厚変化を用いた階調を持つマスクにおいても発明の本質は変わりがない。

面積変調マスクでは、図１に示すように遮光部（ハッチング部分）と透過部（白抜き部分）を露光装置の解像限界以下の寸法で作製する。遮光部と透過部の一単位の寸法1をピッチと呼び、透過部の寸法2をドットと呼ぶことにする。

一般に最小寸法もマスク描画機やマスクエッチング装置等の制限があるので、マスクのドットやピッチの大きさは連続的に変化できない。したがって階調は離散的になる。これらの観点を加味し量子化幅を適当に決める。

例えば、図２に示すようなマスクパターンによりマイクロレンズアレイを作製する場合、面積変調マスクでは図の矢線3にそった部分のマスクの開口率は図３のようになる。また設計上、レジスト形状は図４のように階段状になる。

なお、ここでは、上記段階的な階調における均一な階調領域の幅（例えば図3の符号6で示される個所）を量子化幅、この均一な階調領域（例えば図2の符号4で示される個所）間の境界（例えば図2の符号5で示される個所）を量子化位置と定義し、以下にこれらについて詳細に説明する。

つぎに、本実施の形態における面積変調型を作成すめためのマスクマスクデータ作成の手順について説明する。

まず、つぎのようにして、その現像特性を求める。ドーズ量を変化させ、現像し、レジストの現像深さを求める。図5に、ノボラック系のレジストを２０μｍ塗布し、ベーク後にｉ線のステッパーを用いて露光した結果を示す。

つぎに、透過率を変えたマスクを用意する。例えば、開口率２５％、５０％、７５％、１００％とし、これを用いて照度２６０００Ｊ／ｍ²でｉ線のステッパーを用い露光する。このときの現像深さを測定し、さきほど求めた図5の現像カーブと同じ現像深さの点の照度をグラフより求める。
この照度をａ（Ｊ／ｍ²）とすれば、
ａ／２６０００
という値がその開口率での、光の実質的な透過率となる。

例えば、このときの条件では開口率２５％、５０％、７５％、１００％に対し、それぞれの現像深さは、４．９、９．８、１３．８、１６．６μｍとなった。この値から図5のグラフで照度ａを求めると、それぞれ１８２０、７０２０、１５６００、２６０００（Ｊ／ｍ²）である。

したがって、ａ／２６０００、すなわち、透過率はそれぞれ０．０７、０．２７、０．６、１．０となる。

図6に、このようにして求めた開口率と透過率の関係を示す。

以上データから、望みのレジスト高さに対してマスクの開口率を決めることができる。

つぎに、図7を用いてマイクロレンズの作製手順について説明する。
基板8にはたとえば石英製、８インチφ、厚さ１ｍｍｔの基板を用いる。また157nm等短波長の光は透過率が落ちる為、Ｆ（フッ素）をドープした石英を用いることもあるが、まったく同様に加工できる。

つぎに、前記基板にノボラック系のポジレジスト7をスピンコータ−により、厚さ２０μｍ塗布しプリベークを行う（図7（ａ））。

つぎに、面積変調型マスク9を用い、ｉ線の露光装置により露光する（図7（ｂ））。このマスクは上記方法で設計した図7に示す面積変調型マスクを用いる。もちろん銀塩を用いた濃度変調型マスクや、遮光膜の厚さを変えた濃度変調型マスクを用いてもかまわない。また露光方法はコンタクト露光やプロキシミティー露光でもかまわない。

また必要により、ポストエクスポージャーベークを行う。これによりウネリが多少緩和される効果がある。

つぎに、アルカリ系の現像液により現像し、基板8上に所望のレジストパターン12を形成する（図7（ｃ））。現像後必要によりポストベークを行う。つぎに、レジストと石英の選択比が0.5〜2程度のエッチング条件でエッチングし、上記現像によって形成されたレジストパターンを基板8に転写する（図7（ｄ））。エッチングには反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、スパッタエッチングなどを用いてもよい。ＲＩＥではたとえばＣＦ₄に水素の添加量を調整するとレジストと石英の選択比が調整できる。

本実施例で使用するマスクを図8に示す。円弧形状のレンズ形成用マスクが市松模様状に配列されている。図示13がレンズ形成用マスク部分、14は遮光部分である。目的の素子の円弧配列は、横ピッチは２００ミクロン、縦ピッチは３０ミクロンである。このマスクで第一回目の露光をした後、縦に３０ミクロンだけマスクと基板の相対位置をずらし、続いて2回目の露光をする。このあと現像すると縦横に円弧レンズが並んだレジスト像が形成される。このとき第一回目の露光と第二回目の露光でドーズ量を変えるとそれぞれの露光で形成されたレンズ間の高さを変えることができる。

以下詳細に述べる。ここでレジスト形状を基板に転写するときの選択比は２．０、使用波長は１５７nmである場合を考える。先の議論から、出来上がりでの隣り合う素子の位相差は高さの差として157nm与える必要がある。選択比が２．０である場合は、レジスト像としてさらに半分の７８．５nmの段差を与える必要がある。

前述のようにたとえばドーズ量２６０００J/m²である場合、ドーズ量とレジストの現像深さは図5のようになる。またドーズ量２６４００J/m²の場合も同様にグラフが求められ、その２者の現像深さの差を開口率に対してプロットしたのが図9である。たとえばレンズのサグ量６μm（レジスト寸法）で78.5nmの位相差（レジスト寸法）をつける場合は図9の縦軸が78.5nmの部分（矢線23）に対して適当な幅（矢線24 矢線25）をとる。またその幅は均等になるようにする。そのそれぞれの値に対しグラフの横軸（ドーズ量26000J/m²での現像深さ）に対応する値の差（矢線30）が所望のサグ量（この場合6μm）となるように幅（矢線24 矢線25）を決定する。すなわち隣接するレンズの高さの差はこの幅（矢線24 矢線25を合わせた幅）の中に入ることになる。すべての位置で位相差が正確に180度とはならないが、平均値が78.5nm付近にあり干渉を打ち消す効果がある。

次にさきほど求めたレンズトップ（ドーズ量26000J/m²での現像深さが-8μm。矢線29）とレンズボトム（ドーズ量26000J/m²での現像深さが-14μm矢線28）の値からレンズ設計のためのマスク開口率を決めることができる。まず、図５において現像深さ-8μmと-14μmに対応する横軸（Dose量）の値を読み取るとそれぞれ、5000J/m²、16000J/m²となる（矢線15 矢線16 矢線17 矢線18）。このとき実際に用いるドーズ量を26000J/m²とするとこの2点、すなわちレンズトップとボトムでのマスクの透過率はそれぞれ、5000/26000=0.192、16000/26000=0.615となる。

次に図６によりマスク透過率からマスク開口率を求めることができる。透過率0.192に対応するマスク開口率は図６より0.41（矢線21 矢線22をたどる）、透過率0.651に対応するマスク開口率は図６より0.79（矢線19 矢線20をたどる）となる。このようにしてレンズトップに相当する部分のマスク開口率を0.41、レンズボトムに相当する部分のマスク開口率を0.79となるようにマスクを設計すればよい。その他各点の開口率も、所望の位置と現像深さから同様な方法によって導くことができる。

以上の方法により所望の位相差をつけたマイクロレンズアレイを作製することができる。

位相差を3段階につけることも同様に可能である。たとえば図10のようなマスクを作製する。31はレンズ作製用マスク部分、32、33は遮光部分である。各円弧の寸法は実施例１と同じとすれば、縦方向に30ミクロンづつ2回ずらして計3回露光すればよい。ドーズ量のずらし方は基本的には同じである。3回露光するので、たとえば26000J/m²を中心に±300J/m²ずらせばよい。このとき位相差が120度となるように実施例１と同様にマスクを設計すればよい。

六角の細密充填型のマイクロレンズアレイの場合、たとえば図１１のように34と35のように区分けし位相差をつけることも有効である。34はレンズ作製用マスク部分、35は遮光部分である。

また矩形のマイクロレンズアレイの場合、たとえば図１２のように36と37のように区分けし位相差をつけることも有効である。36はレンズ作製用マスク部分、37は遮光部分である。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

本発明の実施の形態を説明するためのマスクの原理を説明する図。本発明の実施の形態を説明するための素子の上面図。本発明の実施の形態を説明するための位置とマスクの開口率の関係を示す図。本発明の実施の形態を説明するための位置とレジスト高さの設計値を示す図。本発明の実施の形態を説明するためのドーズ量と現像深さの関係を示す図。本発明の実施の形態を説明するためのマスク開口率とマスクの透過率を示す図。本発明の実施の形態を説明するための素子の作製工程を説明する図。本発明の実施例１におけるマスクの形態を示す図。本発明の実施例１におけるドーズ量26000J/m²での現像深さと、ドーズ量26000J/m²とドーズ量26400J/m²時の現像深さの差の関係を示す図。本発明の実施例2におけるマスクの形態を示す図。本発明の実施例3におけるマスクの形態を示す図。本発明の実施例3におけるマスクの形態を示す図。

符号の説明

１マスクのピッチ
２マスクのドット
３断面図（図３、図４）の切り取り位置
４個々の量子化幅（領域）
５量子化位置（境界）
６量子化幅
７レジスト
８基板
９階調マスク
１０感光したレジスト
１２現像によって得られたレジストのレンズ形状
１３レンズ形成用マスク部分
１４遮光部分
１５発明の実施の形態を説明するための補助線
１６発明の実施の形態を説明するための補助線
１７発明の実施の形態を説明するための補助線
１８発明の実施の形態を説明するための補助線
１９発明の実施の形態を説明するための補助線
２０発明の実施の形態を説明するための補助線
２１発明の実施の形態を説明するための補助線
２２発明の実施の形態を説明するための補助線
２３実施例を説明するための補助線
２４実施例を説明するための補助線
２５実施例を説明するための補助線
２６実施例を説明するための補助線
２７実施例を説明するための補助線
２８実施例を説明するための補助線
２９実施例を説明するための補助線
３０実施例を説明するための補助線
３１レンズ形成用マスク部分
３２遮光部分
３３遮光部分
３４レンズ形成用マスク部分
３５遮光部分
３６レンズ形成用マスク部分
３７遮光部分

Claims

露光法によって基板上に感光性材料のマイクロレンズアレイを形成するのに使用するマスクにおいて、そのマスクは階調を持ち、前記マスクには単位マイクロレンズに対応する単位マスクパターンが複数配置され、前記マスクには、前記マスクと転写用基板の位置をずらして、複数回露光と移動を繰り返すことにより、転写用基板全面にマイクロレンズアレイが形成できるように、前記単位マスクパターンが配置されており、上記マスクを用いて、マスクと転写用基板の位置をずらして、複数回露光と移動を繰り返す際に、個々の露光においてドーズ量を変えることを特徴とするマイクロレンズアレイの作製方法。
前記露光法は投影露光法であることを特徴とするマイクロレンズアレイの作製方法。
各露光時のドーズ量はそのそれぞれの露光により生ずる高さの差が露光回数をNとしたときに光学素子として機能する段階で使用波長における位相差が略(360/N)度となることを特徴とした請求項１、２のマイクロレンズアレイの作製方法。
露光法によって基板上に感光性材料のマイクロレンズアレイを形成するのに使用するマスクにおいて、そのマスクは階調を持ち、前記マスクには単位マイクロレンズに対応する単位マスクパターンが複数配置され、前記マスクには、前記マスクと転写用基板の位置をずらして、複数回露光と移動を繰り返すことにより、転写用基板全面にマイクロレンズアレイが形成できるように、前記単位マスクパターンが配置されていることを特徴とするマスク。