JP2006113429A - レリーフパターンの作製方法およびレリーフパターン - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＢ描画装置などの荷電粒子ビームを用いたレリーフパターンの作製方法において、解像度の高いパターン描画を行い複雑なパターンを高品質に作製する。
【解決手段】電子ビームやイオンビームなどの荷電粒子ビームを用いて、前記荷電粒子ビームに感度を有する高分子材料の表面にレリーフパターンを描画する方法において、ビーム照射源の位置および前記高分子材料の搭載されたステージ位置が固定された状態で、両者が相対的に移動しない状態を維持しながら、前記高分子材料へのビーム照射が行われる操作を具備することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、荷電粒子ビームを用いて基板に塗布された高分子材料（レジスト）への描画を行なうことによりレリーフパターンを作製する方法に係り、特に、解像度の高いレリーフパターンを高精度に作製する方法に関する。

ＬＳＩ（半導体集積回路）用フォトマスク等の超微細パターンを形成する方法として、電子ビームやイオンビーム等の荷電粒子ビームを基板上に塗布されたレジスト上に照射させる方法が知られている。
現在利用されている方法としては、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）のように集束させたビームを走査させ、レジストの任意の領域を直接照射する直接描画方式と、マスクパターンを別途用意し、それを原寸もしくは縮小投影しレジストの任意の領域に一括で露光する一括露光方式が公知である。

一括露光方式では、露光に要する時間は短くて済むが、マスクパターン上にある図形もしくは複数のマスクパターンの図形の組み合わせにより表現できる図形のみしか露光することができないためパターンの柔軟性に欠ける。
そのため、ビームを走査させる直接描画方式が主流である。

ビームを走査させる直接描画方式で動作する描画装置は、一般に、描画部／描画制御部／コンピュータ制御部から構成される。
描画部は、ビームを照射する銃，基板を移動させるステージ，また真空制御系等から構成される。
また、描画制御部は、ビームを加速させるための高圧電源装置，ディフレクター，ステージ制御機等から構成される。
コンピュータ制御部は、描画データの処理やステージ移動，ビーム走査等に関する制御を行うソフトウェアを搭載したコンピュータ等から構成される。

描画装置に入力され、実際に描画される描画データは、ＬＳＩやＬＣＤ（液晶表示板）、プリント基板等用途に応じて専用に作られたパターンデータ作成ＣＡＤを用いて作製する。
ＣＡＤには様々な種類があり、ＣＡＤで処理することのできる描画データのフォーマットにも様々なものが存在する。
しかし、いずれのフォーマットでも描画データとしては、四角形や多角形、円形等の予め定められた形状の図形を多数定義するのが一般的である。

描画装置は、そのような図形のデータをもとにレジスト上の指定の領域にビームを走査することで描画していく。
図形を描画していく方法としては、ステージ上を全面走査して図形の部分でのみレジスト上にビームを照射するラスター走査方式と、図形の存在する部分のみを走査するベクター走査方式とがあるが、いずれの走査方式においてもビームを照射する走査開始位置とビームの照射を終了する走査終了位置を決定し、その区間を直線的にビーム走査していくことで描画を行っていく。

このような方法では、定義される図形は一定の面積を有しており、描画装置の持つ描画解像度の限界に匹敵するような微小な図形を描画するのは困難であったり、膨大な数の図形を定義する必要があったりして効率が悪い。

一方、描画パターンの指定方法として図形を定義するのではなく、ビームの照射座標を指定し、直線状ないしは曲線状にビームを走査させることで前記図形による描画方法よりも自由にパターンを描画する方法もある。
この方法を用いると、ＬＳＩ用フォトマスク等のパターンだけでなく、回折格子パターンやマイクロレンズパターン等の光学素子の微細加工も行うことができる。

ビームを線状に走査し、回折格子パターンを描画する方法としては例えば特許文献１の方法が提案されている。この方法によれば、深さ方向に鋸歯状の断面形状を有するブレーズド格子のような、図形を描画する方式では困難なパターンをも比較的自由に形成することが可能である。

尚、前述したような荷電粒子ビームを用いた方法により作製されるレリーフパターンは、そこから複数回の使用に耐えうる金属版を複製時の原版として作成し、熱可塑性樹脂や紫外線硬化樹脂、電子線硬化樹脂等の成型用材料を、前記金属版に密着し硬化させるなどして、量産することができる。

成型用材料としては前記のように様々なものが利用できるが、粘性が低く硬化時の収縮が少ない特性の紫外線硬化樹脂等を選択することで品質の高い複製を行うことができる。そのため、原版の品質がそのまま複製品の品質に直結するため、良好な特性のレリーフパターンを描画することが求められている。

特許番号第２７４５９０２号公報

前述したような荷電粒子ビームを用い、ビームを直線状ないしは曲線状に走査させパターンを描画する方法を用いると、光学素子のようなパターンの微細加工が比較的自由に行えるが、直線と曲線が互いに複雑に融合するようなパターンを形成するためには扱うデータ量が膨大になってしまう。

また、荷電粒子ビームとして電子ビームをレジストに照射した際には、レジスト内での電子散乱，基板からの後方散乱により照射した場所の周辺部分においても電荷が蓄積され、本来の設計とは異なるパターンが形成されてしまう近接効果と呼ばれる現象が生じる。
近接効果は、電子ビームが照射された点を中心に四方八方に広がり、照射点に近いほど強く、離れるに従って弱くなっていく。

近接効果による照射エネルギーの分布は、概ねガウス分布に近似することができる。
イオンビームにおいては、イオンが電子と比較して質量が大きく散乱の影響を受けにくいために近接効果の影響はほとんど無視できるが、電子ビームでは、近接効果の影響は大きく、特に、パターン同士が隣接している場合や、解像度の高いパターンを描画する際に問題となる。
近接効果の影響は描画方法によって変化し、ベクター走査方式とラスター走査方式でも異なるし、走査方向の違いや直線走査と曲線走査によっても変化する。
そのため、解像度の高い光学素子等を精密に描画したい場合、この近接効果の影響により設計どおりのパターンが得られず所望の光学特性が得られないといった問題が生じてしまう。

荷電粒子ビームを用いたレリーフパターンの描画方法において、解像度の高いパターンを高品質に作製する際には、データの取り扱いが煩雑になったり、予測が困難な近接効果が生じるため、従来の図形を単位とした描画方法やビームの走査を制御する方法では限界がある。
特に、電子ビームを用いたレリーフパターンの描画においては、解像度が高くなればなるほど近接効果の影響は避けられないため、ビームの走査方向がレジスト上の各所で異なると近接効果の影響が顕著にあらわれるため好ましくない。

そこで、従来の図形を単位とした方法やビームを走査する方法ではなく、レジスト上の各所毎に独立してビームの照射を行い、ビームの照射中はビームの走査やステージの移動を行わない方式を実施することで解像度が高く、近接効果の影響を予測することが容易な、レリーフパターンの描画方法を提案する。

本発明によるレリーフパターンの作製方法は、
電子ビームやイオンビームなどの荷電粒子ビームを用いて、前記荷電粒子ビームに感度を有する高分子材料の表面にレリーフパターンを描画する方法において、
ビーム照射源の位置および前記高分子材料の搭載されたステージ位置が固定された状態で、両者が相対的に移動しない状態を維持しながら、前記高分子材料へのビーム照射が行われる操作を具備することを特徴とする。

上記方法においては、ディフレクター（偏向器）によりビームの照射位置が制御され、前記高分子材料の複数の箇所にビームの照射が行われる操作を具備することが好ましい。

また、複数の前記ビーム照射位置で、荷電粒子ビームの照射エネルギー量および／または荷電粒子ビームの照射時間が変化している場所があることが、作製するパターンの多様化の上で有効である。

本発明のレリーフパターンの作製方法は、以下のような効果が期待できる。
（１）電子ビームやイオンビーム等の荷電粒子ビームを用いてパターンを直接描画する方式において、ビーム照射位置及びステージ位置が固定された状態でレジストへのビーム照射を行うことで、レジストの各所において近接効果の影響が定量的に把握しやすく、高解像度で高品質なレリーフパターンを作製することができる。

（２）電子ビームやイオンビーム等の荷電粒子ビームを用いてパターンを直接描画する方式において、ビーム照射位置及びステージ位置が固定された状態でレジストへのビーム照射を行い、ディフレクターによりビームの照射位置を制御することで、効率よく高品質なレリーフパターンを作製することができる。

（３）ビーム照射位置に応じて荷電粒子ビームの照射エネルギー量を適宜変化させることで、局所的に異なる特性を有する光学素子等を高精度に作製することができる。

（４）ビーム照射位置に応じて荷電粒子ビームの照射時間を適宜変化させることで、局所的に異なる特性を有する光学素子等を高精度に作製することができる。

（５）隣接するビーム照射位置の間隔を描画装置の最小分解能と等しくすることで、描画装置の有する最も細かい解像度でレリーフパターンの描画を行うことができる。

（６）描画を行うレリーフパターンのレイアウトを指示するデータを、ビットマップ形式のデジタルデータとすることで、描画パターンの作成や描画データの読み取り等の処理を容易に行うことができ、効率良くレリーフパターンの作製を行うことが可能である。

（７）隣接するビーム照射位置の間隔を格子間隔の１／４以下とすることで、階段状回折光学素子もしくはブレーズド型回折光学素子を精密に描画することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
荷電粒子ビームによりパターンの描画を行う描画装置の一例として、電子線描画装置の一実施形態を示す説明図を図１に示す。

電子線描画装置の描画部は、ビームを照射する銃１０、アライメント１１、ブランキング電極１２、コンデンサーレンズ１３、スティグメータ１４、ディフレクター１５、対物レンズ１６、基板を載置するステージ１７から構成され、図では省略するが真空制御系や除振架台等も備えられる。
銃１０から照射されたビームは、アライメント１１やレンズ系等によりビーム形状等を任意に変えられ、また、ディフレクター１５によりビーム走査の進行方向を変えられ、基板２１上に塗布されたレジスト２０の任意の位置に照射される。
ビームの照射可能な位置、すなわち描画エリアは通常、１ミリ角以下であり、それ以上の面積の描画を行う場合は適宜ステージ１７を移動させることで大面積の描画を行っていく。
ブランキング電極１２、ディフレクター１５、ステージ１７はコントロールインターフェイス１８を介してコンピュータ１９に接続され、コンピュータ１９の制御によりビームの走査、ステージ移動を行っていく。

レジスト２０上でビームを走査させ描画を行う方式の概念図を図２に示す。
まず、ディフレクター１５によりビームが偏向され走査開始位置３１が決定される。
そこで、ブランキング電極１２によりビーム３０がオン状態になりレジスト２０上に照射される。
次いで、ディフレクター１５によりビームの照射位置が連続的に変化し、矢印３３の方向にビームの走査が行われ、走査終了位置３２までビームの照射が行われ、その後ブランキング電極によりビームの照射が終了される。
なお、ここではブランキング電極１２、ディフレクター１５以外のビーム制御機構については省略する。

尚、ビームを走査している最中も連続的にステージを動かすことで描画時間の短縮を実現している描画装置もあるが、ビーム走査により描画を行う概念は上記の説明と同一である。

ところで、ビームの照射位置の指定にあたっては、描画エリア内を碁盤の目状に分割し、各点をＸＹ座標で表すデジタルスキャン方式をとることが多い。
この方式では、碁盤の目４０上の各点に添った直線を走査する図３（ａ）のような場合と、ＸＹ方向に角度を有する線分及び曲線等を走査する図３（ｂ）のような場合とでは、走査速度が同一であると仮定するとビームの照射エネルギー量に違いが生じてしまい、望ましいレリーフパターンを得ることは難しい。
また、線分の走査方向の違いを考慮し、走査速度等の照射エネルギー量に影響を与える要素を制御することも非常に複雑で困難であると言える。

そこで、レジスト上でビームを走査するのではなく、レジスト上の各点で各々独立して、ビームオン→ビーム照射→ビームオフ、を繰り返し、隣接する点に移動する際にはレジスト上にビームが照射されないようにする。
このような点描方式を実施することでビームの走査方向に依存して照射エネルギー量が不均一になったり、近接効果の影響が不均一に生じるといった問題を回避、低減することができる。

請求項１の発明によるレリーフパターンの作製方法の一実施形態を、図面を用いて説明する。
図４（ａ）は基板２１上にレジスト２０が塗布され、レジスト２０上の点５０にビームが照射されている状態を示している。
点５０に所望のエネルギー量の照射が完了すると図４（ｂ）に示したように一度ブランキング電極１２により、レジスト２０への照射が行われなくなる。
次いで、図４（ｃ）のようにブランキング電極１２により再度ビームがレジストへ照射されるようになり、同時にディフレクター１５により別の点５１にビームの照射が行われる。
図４ではレジスト上のＸＹ座標値を表す碁盤の目を図示しなかったが、一般的にはＸＹ座標値がデジタルデータとして指定されビームの照射が行われる。

なお、ビームの照射位置の制御には図４で示したようにディフレクターを用いる方法の他にも、ディフレクターは用いずステージを逐一移動させる方法をとることもできるが、ディフレクターによる方法がもっとも簡便である。

また、図４では離れた点に無作為にビームを照射していく様子を示したが、隣接する点に順にビーム照射をしていっても構わない。
その際、順にビーム照射していっても飛び飛びに離れた点をビーム照射していっても品質に違いのない同一のパターンが描画できる。また、本特許の方法では、レジスト上のＸＹ座標すべての点にビーム照射を行う必要はなく、任意のＸＹ座標点に選択的にビーム照射しても良い。

本方式を用いれば、近接効果によるエネルギーの分布は各照射点を中心に四方八方に広がるので、ビーム走査を行った時よりも分布量の予測が容易である。

請求項３によるレリーフパターンの作製方法は、ビーム照射位置に応じてビームの照射エネルギー量が変化していることを特徴としている。
図５に示したレジストの断面図のようにレジスト上の各点で各々異なるエネルギー量のビームの照射を行うと、場所により深さの異なるレリーフパターンを得ることができる。

図５では順に規則的に照射エネルギー量を増大させ、それを３回繰り返すことで階段状の回折光学素子を作製した例である。
ビーム３０の太さがエネルギー量の大小に対応している。
このように場所により任意に照射エネルギー量を変化させることで、レリーフパターンの形状制御を自由に行うことができる。
また、このような方法により回折や屈折、偏光、光拡散等様々な機能を有するパターンを高精度に作製することも可能である。

請求項４によるレリーフパターンの作製方法は、ビーム照射位置に応じてビームの照射時間が変化していることを特徴としている。
ビームの照射エネルギー量を場所により変化させる方法としては、各照射点毎にビームの照射時間を制御する、ビームの形状や絞りを変化させる、電流値や加速電圧値を変化させる（電子線描画装置の場合）等が考えられるが、描画データに照射点毎のビーム照射時間に関するデータを付与し、各照射点毎にビームの照射時間を制御する方式をとることがもっとも取り扱いが容易である。

請求項５によるレリーフパターンの作製方法は、隣接するビーム照射位置の間隔が描画装置の有する最も細かい描画解像度に等しいことを特徴としている。
上記作製方法は、粗い解像度による描画であっても、細かい解像度の描画であっても実施することができ、所望の解像度に応じた描画データを用意し、ビーム照射位置及びビーム照射位置の間隔を決定することで任意の解像度に応じた描画を行うことができる。

従来の図形を描画する一括露光方式では複数の点から面積をもつ図形を定義しなければ描画ができず、また、ビームを走査する描画方式では、最低でも２つのビーム照射点がなければビームの走査が行えない。
それに対し、本発明による点描方式は、単独の照射点毎に描画を行うことができるので、描画装置の有する最も細かい解像度でパターンの描画を行うことができ、そうした場合、従来手法では不可能な、局所的に異なる光学性能を有する光学素子の作製や非常に細かいパターンの描画をも好適に行うことができる。

本発明のレリーフパターンの作製方法では、描画データとしてビットマップ形式のデジタル画像データを用いることが望ましい。
レジスト上が碁盤の目状に分割され、ＸＹ座標がそれぞれ決定され、各点毎にビームの照射が行われるため、同様にＸＹ座標があり、各点毎に情報を保持するビットマップ形式のデジタル画像データを描画データとして用いると、描画データと実際の描画が一対一に対応し、データの管理や処理が容易になる。

さらに描画するパターンがコンピュータの画像作成ソフト等を用いて容易に作成できたり、描画するパターンを予め絵柄として事前に観察することもできる。
また、描画データの部分的な修正も容易に行うことができる。

デジタル画像データとしては、ＢＭＰ形式やＴＩＦＦ形式等、コンピュータで取り扱うことのできる画像データであればいずれの形式でも利用でき、また、ＪＰＥＧ形式等のデータが圧縮されている形式のファイルでも構わない。
また、これらの画像データの様に各点毎のデータが規則的に記録されている独自のフォーマットのデータ形式を用いることも勿論可能である。また、描画データとしては、１つの画像データでなく複数の画像データを用いてもよい。

本発明によるレリーフパターンの作製方法では、高解像度で高品質にレリーフパターンを作製できるので、回折／屈折／偏光／光拡散などから選択される少なくとも１種類以上の光学機能を奏する、厳密な光の制御を必要とする光学素子の作製にも好適に用いることができる。

特に、隣接するビーム照射位置の互いの間隔を格子間隔の１／４以下とすることで、高回折効率を有する階段状回折光学素子を精度良く作製することができる。
各点の互いの間隔を格子間隔の１／４以下とすることで、各回折格子の格子線をピッチ方向に対して４つ以上の照射点から形成することができる。
階段状回折光学素子は段数が４段の時に＋１次回折光として約８１％の効率が理論上得られ、８段の時には約９５％の効率が得られる。
そのため、ビーム照射位置の互いの間隔を格子間隔の１／４以下にすることで高い回折効率を有する階段状回折光学素子を作製できる。
また、ビーム照射位置の互いの間隔をさらに細かくすることで、断面形状が鋸歯状のブレーズド格子を作製することも可能である。

尚、ＸＹ方向に角度を有する階段状回折光学素子もしくはブレーズド回折光学素子を作製する場合でも、回折格子のピッチ方向に４つ以上のビーム照射位置が配置されるような細かい解像度で描画するのが良い。

ビームを走査して描画を行う電子線描画装置の一実施形態を示す説明図。 レジスト上でビームを走査させ描画を行う描画方式の概念図。 （ａ）は、レジスト上でビームを直線状に走査させた場合の概念図であり、（ｂ）は、ビームを曲線状に走査させた場合の概念図。 本特許のレリーフパターンの作製方法におけるビームの照射方法を示す説明図であり、（ａ）は、レジスト上の任意の一点にビームを照射した状態、（ｂ）は、（ａ）の後にビームの照射を一旦終了した状態、（ｃ）は（ｂ）の後に他の任意の一点にビームを照射した状態を示した説明図。 レジスト上の各点でビームのエネルギー量を変え、異なる深さの露光を行った状態を説明する図。

符号の説明

１０・・・銃
１１・・・アライメント
１２・・・ブランキング電極
１３・・・コンデンサーレンズ
１４・・・スティグメータ
１５・・・ディフレクター
１６・・・対物レンズ
１７・・・ステージ
１８・・・コントロールインターフェイス
１９・・・コンピュータ
２０・・・レジスト
２１・・・基板
３０・・・ビーム
３１・・・走査開始位置
３２・・・走査終了位置
３３・・・走査方向
４０・・・ＸＹ座標
５０，５１・・・照射点

Claims (8)

1. 電子ビームやイオンビームなどの荷電粒子ビームを用いて、前記荷電粒子ビームに感度を有する高分子材料の表面にレリーフパターンを描画する方法において、
   ビーム照射源の位置および前記高分子材料の搭載されたステージ位置が固定された状態で、両者が相対的に移動しない状態を維持しながら、前記高分子材料へのビーム照射が行われる操作を具備することを特徴とするレリーフパターンの作製方法。
2. ディフレクター（偏向器）によりビームの照射位置が制御され、前記高分子材料の複数の箇所にビームの照射が行われる操作を具備することを特徴とする請求項１記載のレリーフパターンの作製方法。
3. 複数の前記ビーム照射位置で、荷電粒子ビームの照射エネルギー量が変化している場所があることを特徴とする請求項１または２に記載のレリーフパターンの作製方法。
4. 複数の前記ビーム照射位置で、荷電粒子ビームの照射時間が変化している場所があることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のレリーフパターンの作製方法。
5. 隣接する前記ビーム照射位置の間隔が、描画装置の最も細かい描画解像度に等しいことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のレリーフパターンの作製方法。
6. 描画するレリーフパターンのパターン指示データが、ビットマップ形式のデジタル画像データで与えられていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のレリーフパターンの作製方法。
7. 回折，屈折，偏光，光拡散から選択される少なくとも１種類以上の光学機能を示すことを特徴とする、請求項１〜６の何れかの作製方法により得られるレリーフパターン。
8. レリーフパターンが回折格子であり、
   隣接する前記ビーム照射位置の互いの間隔が、格子間隔の１／４以下で作製された階段状回折光学素子もしくはブレーズド型回折光学素子であることを特徴とする請求項７記載のレリーフパターン。

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