JP2008089923A - 光学素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易な光学素子の製造方法。
【解決手段】回折光学素子の製造方法は、基板を準備する工程と、基板に、レジストパターンを形成するための露光用のフォトマスクであって、マスク基板と、該マスク基板に密接して、行列配列された複数のマスクセルとを有しており、当該マスクセルは、光透過領域と、マスク基板に設けられている遮光膜で形成されている遮光領域とのいずれか一方又は双方を有しており、マスクセルの透過光の光強度が規格化光強度であり、複数のマスクセルの透過光の光強度が変化するフォトマスクを用いる露光処理を含むパターニングを行って、レジストパターンを形成する工程と、レジストパターンをエッチングマスクとして用いて、パターニングを行う工程とを含む。
【選択図】図４

Description

この発明は微小光学素子に関し、特にシリコン基板等の基板に作り込まれる回折光学素子（DOE：Diffractive Optical Elements）の製造方法に関する。
回折現象を利用して入射光をコントロールする、特に曲面による格子断面形状を微小な複数の階段状の構造単位により近似した回折光学素子は、レンズ、分岐／合波、光強度分布変換、波長フィルター、各種回折バターンの形成等に利用されている。
このような回折光学素子としては多種多様な形状を有するものが知られている。この形状については、理論的な回折効率を考慮すると、断面としてみたときになめらかな曲面を含む鋸歯形状の構造単位を連続的に複数並べた形状とするのがよい。
しかしながら、このような鋸歯形状の構造単位を複数配列する複雑な構成を有する回折光学素子の製造は極めて困難である。
いわゆるウェハプロセス、すなわちフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を適用して、シリコン基板に、断面が階段状の構造単位を複数配列して形成し、この構造単位を複数配列して、回折光学素子の光学的特性を近似的に再現する方法が開示されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照。）。
特許文献１及び非特許文献１が開示する回折光学素子の製造方法によれば、ｍ枚（ｍは自然数である。）のフォトマスクを使用して、露光工程、現像工程、エッチング工程を行う。これら一連の工程をｍ回繰り返すことにより、断面形状が２m段の階段状の形状を有している。
回折光学素子全体としては、上面側から見た場合に、径が互いに異なる複数の円環状の構造単位が同心円状に配置されている。
特開平１１−１４８１３号公報 佐々木浩紀、他６名、「光源とシリコンマイクロレンズの高精度実装技術」、エレクトロニクス実装学会誌、２００２年、Ｖｏｌ５、Ｎｏ．５、Ｐ４６６−４７２
しかしながら、既に説明したような回折光学素子の製造方法では、複数枚のフォトマスクを使用して、露光工程、現像工程、エッチング工程を複数回繰り返す必要があった。
このため、露光工程において、例えばアラインメントマークを用いるマスクパターンの重ね合わせがうまくいかず、各エッチング工程におけるエッチング位置にずれが生じてしまう場合がある。このような場合には、形成されるパターン形状が所期の形状にならなくなってしまう。結果として、形成された回折光学素子の光学的特性を損なってしまうおそれがある。
また、段数の異なる構造単位が混在した回折光学素子を形成するのは極めて困難であった。
この発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。上記課題を解決するにあたり、この発明の回折光学素子の製造方法によれば、下記のような工程を含んでいる。
すなわち、基板を準備する。
基板に、レジストパターンを形成するための露光用のフォトマスクであって、マスク基板と、このマスク基板に密接して、行列配列された複数のマスクセルとを有しており、マスクセルは、光透過領域と、マスク基板に設けられている遮光膜で形成されている遮光領域とのいずれか一方又は双方を有しており、マスクセルの透過光の光強度が規格化光強度であり、複数のマスクセルの透過光の光強度が変化するフォトマスクを用いる露光処理を含むパターニングを行って、レジストパターンを形成する。
このレジストパターンをエッチングマスクとして用いて、パターニングを行う。
このレジストパターンの形成工程は、例えば、基板に、中心点から外周に向かって膜厚がｍ段の階段状に変化するレジスト中心部、レジスト中心部を囲み、中心点を中心として同心円状に配列され、かつ膜厚がｎ段（ｍ及びｎは互いに同一である任意の正の整数である。）の階段状に変化する、複数の円環状のレジスト構造単位を含むレジストパターンを形成するための露光用のフォトマスクであって、透明なマスク基板と、マスク基板に密接して、行列配列された複数の正方形のマスクセルとを有しており、マスクセルは、光透過領域と、マスク基板に設けられている遮光膜で形成されている遮光領域とのいずれか一方又は双方を有しており、マスクセルの透過光の光強度が規格化光強度であり、複数のマスクセルの透過光の光強度は、レジスト中心部の中心点及びレジスト構造単位が第１段の高さを画成するマスクセルの光強度を第１光強度とし、当該第１段の外側に位置して順次に配列される１又は２以上の段を含み、当該段の最終段である第Ｘ段の高さを画成するマスクセルの全ての光強度を第Ｘ光強度（但し、第１光強度及び第Ｘ光強度は、０≦第１光強度＜第２光強度・・・第Ｘ−１光強度＜第Ｘ光強度である。）とし、及びレジスト中心部の中心点及びレジスト構造単位の外周方向に並ぶ順次のマスクセルの光強度が、第１光強度から第Ｘ光強度（Ｘはｍ及びｎに等しい２以上の正の整数である。）まで変化するフォトマスクを用いる露光処理を含むパターニングを行って、レジストパターンを形成する工程とすることができる。
これらｍ、ｎ及びＹをいずれも７とすれば、７階調の段差を得ることができる。
このレジストパターンを形成する工程は、基板に、中心点から外周に向かって膜厚がｍ段の階段状に変化するレジスト中心部、レジスト中心部を囲み、中心点を中心として同心円状に配列され、かつ膜厚がｎ段（ｎはレジスト構造単位ごとに異なっていてもよい正の整数である任意の変数であり、ｍとｎとは互いに同一であるか又は異なっていてもよい任意の正の整数である。）の階段状に変化する、複数の円環状のレジスト構造単位を含むレジストパターンを形成するための露光用のフォトマスクであって、透明なマスク基板と、該マスク基板に密接して、行列配列された複数の正方形のマスクセルとを有しており、マスクセルは、光透過領域と、マスク基板に設けられている遮光膜で形成されている遮光領域とのいずれか一方又は双方を有しており、マスクセルの透過光の光強度が規格化光強度であり、複数のマスクセルの透過光の光強度は、レジスト中心部の中心点及びレジスト構造単位が第１段の高さを画成するマスクセルの光強度を第１光強度とし、当該第１段の外側に位置して順次に配列される１又は２以上の段を含み、当該段の最終段である第Ｘ段（Ｘは、ｍ及びｎのうち、最大数である。）の高さを画成するマスクセルの全ての光強度を第Ｘ光強度（但し、第１光強度及び第Ｘ光強度は、０≦第１光強度＜第２光強度・・・第Ｘ−１光強度＜第Ｘ光強度である。）とし、最終段が第Ｙ段である当該第Ｙ段（Ｙは、ｍ及びｎのうち、Ｘよりも小さい正の整数である。）の第Ｙ光強度を前記第Ｘ光強度と等しい強度とし最上段の光強度を第１光強度とするフォトマスクを用いることもできる。
これらｍ及びｎに含まれる全てを７とし、かつＹを６とすれば７段と６段の階段状の構造といった複数通りの段数を有する構成を一括形成することができる。
上述した回折光学素子の製造方法において、マスクセルの一辺の長さを、フォトマスクが用いられる露光装置の光学系の解像限界となる長さよりも短く設定し、光強度を、レジスト中心部及びレジスト構造単位ごとに互いに離散的な値であって、かつ外周方向に向かうに従って前後のマスクセル間での変化量が大となる値にそれぞれ設定することもできる。
このようにすればより精密に曲面（球面）を近似することができる。
また、この製造方法に適用して好適なフォトマスクは、下記のような構成を具えている。
すなわち、中心点から外周に向かって膜厚がｍ段の階段状に変化するレジスト中心部、レジスト中心部を囲み、中心点を中心として同心円状に配列され、かつ膜厚がｎ段（ｍとｎとは互いに同一である任意の正の整数である。）の階段状に変化する、複数の円環状のレジスト構造単位を含むレジストパターンを形成するための露光用のフォトマスクであって、透明なマスク基板と、該マスク基板に密接して、行列配列された複数の正方形のマスクセルとを有しており、当該マスクセルは、光透過領域と、マスク基板に設けられている遮光膜で形成されている遮光領域とのいずれか一方又は双方を有しており、マスクセルの透過光の光強度が規格化光強度であり、複数のマスクセルの透過光の光強度は、レジスト中心部の中心点及びレジスト構造単位が第１段の高さを画成するマスクセルの光強度を第１光強度とし、当該第１段の外側に位置して順次に配列される１又は２以上の段を含み、当該段の最終段である第Ｘ段の高さを画成するマスクセルの全ての光強度を第Ｘ光強度（但し、第１光強度及び第Ｘ光強度は、０≦第１光強度＜第２光強度・・・第Ｘ−１光強度＜第Ｘ光強度である。）とし、及びレジスト中心部の中心点及びレジスト構造単位の外周方向に並ぶ順次のマスクセルの光強度を、第１光強度から第Ｘ光強度（Ｘはｍ及びｎに等しい２以上の正の整数である。）まで変化させてある。
また、フォトマスクは、複数のマスクセルの透過光の光強度を、レジスト中心部の中心点及びレジスト構造単位が第１段の高さを画成するマスクセルの光強度を第１光強度とし、当該第１段の外側に位置して順次に配列される１又は２以上の段を含み、当該段の最終段である第Ｘ段（Ｘは、ｍ及びｎのうち、最大数である。）の高さを画成するマスクセルの全ての光強度を第Ｘ光強度（但し、第１光強度及び第Ｘ光強度は、０≦第１光強度＜第２光強度・・・第Ｘ−１光強度＜第Ｘ光強度である。）とし、最終段が第Ｙ段である当該第Ｙ段（Ｙは、ｍ及びｎのうち、Ｘよりも小さい正の整数である。）の第Ｙ光強度を前記第Ｘ光強度と等しい強度とし最上段の光強度を第１光強度としてある。
この発明の回折光学素子の製造方法によれば、新規な構成のフォトマスクを用いることにより、１回の露光工程及び現像工程による、複数段を含む階段状形状のレジストマスクの形成工程、及びこのレジストマスクを用いる１回のエッチング工程による基板のパターニングのみで、階段状の構造単位が複数並列されている光学素子を製造することができる。すなわち、極めて簡易な工程で光学素子を製造することができる。
また、この発明の光学素子の製造方法によれば、例えば、異なる段数の階段状の構造単位が混在しており、かつ各段の面積が異なっているような構成を有する回折光学素子であっても、膜厚が非一様に、例えば階段状に変化するレジストパターンを単一のフォトマスクによる１回の露光工程、及び１回のエッチング工程による基板のパターニングのみで回折光学素子を製造することができる。
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、図面には、この発明が理解できる程度に各構成成分の形状、大きさ及び配置関係が概略的に示されているに過ぎず、これによりこの発明が特に限定されるものではない。また、以下の説明において、特定の材料、条件及び数値条件等を用いることがあるが、これらは好適例の１つに過ぎず、従って、この発明は何らこれらに限定されない。
なお、この発明の回折光学素子の製造方法における各製造工程は、フォトマスクを除き、原則として従来公知の材料及び製造装置を用いて実施することができる。従って、各製造工程における材料、条件等の詳細な説明は省略する場合もある。
（フォトマスク）
まず、この発明の回折光学素子の製造方法に適用して好適なフォトマスクの構成例につき説明する。
図１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）を参照して、この発明の回折光学素子の製造方法に適用されるレジストパターン形成用のフォトマスクの構成について説明する。
図１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、フォトマスクの構成例を説明するための模式図である。図１（Ａ）は、フォトマスクの一部分を上方から見た模式的な平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った面で切った断面を示す図である。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った方向（Ｘ方向）の位置と、透過光の光強度の関係を説明するための図である。図１（Ｃ）において、横軸にＸ方向の位置を示し、縦軸に透過光の光強度を示している。
フォトマスク１１０は、石英ガラスなどの透明のマスク基板１２０上に、複数の、同一の大きさの正方形状のマスクセル１４０を有している。マスクセル１４０は、マスク基板１２０の一方の主表面に画成された複数の単位マスクセル領域に設定されている。
これら単位マスクセル領域は、互いに密接に隣接した状態で設けられている。例えば、単位マスクセル領域は、互いに直交するＸ方向（又は行方向とする。）及びＹ方向（又は列方向とする。）に引かれた直線である、複数の仮想格子状線１４６で、マスク基板１２０の一方の主表面に等間隔に仕切られて設定された領域とすることができる。従って、この場合には、これら単位マスクセル領域は、直交マトリクス（行列）配列として、配列されている。
マスクセル１４０には、光透過領域１４４と遮光領域１４２のいずれか一方又は双方が設定されている。
マスク基板１２０上の遮光領域１４２には、例えば、クロムを蒸着するなどして遮光膜１３０が設けられている。このマスクセル１４０がフォトマスク１１０を透過する光強度を制御する基本単位である。
同じ面積のマスクセル１４０の場合には、マスクセル１４０に対する光透過領域１４４
の面積比により、マスクセル１４０を透過する光強度が与えられる。すなわち、マスクセル１４０中の、光透過領域１４４の面積が大きいほど、マスクセル１４０を透過する光強度が大きくなる（図１（Ｃ））。
ここで、複数のマスクセルのうち、列方向に連続して配列されたマスクセルが、遮光領域を有している場合には、これら遮光領域は列方向に順次に接続して連続的に設けられている。
また、複数のマスクセルのうち、行方向に連続して配列されたマスクセルが、光透過領域及び遮光領域を有している場合には、これら遮光領域は行方向に順次に不接続に設けられている。
なお、図１（Ａ）は、光透過領域１４４と遮光領域１４２の双方が設定されているマスクセル１４０が、Ｙ方向の仮想二分線１４８で二分され、仮想二分線１４８の一方の側（図中、仮想二分線の右側）に光透過領域１４４が設定されさらに、他方の側（図中、仮想二分線の左側）に遮光領域１４２が設定されている例を示している。
なお、各マスクセルについていえば、光透過領域１４４が仮想二分線１４８に対して同じ側に設定されているのがよい。以下に、その理由につき説明する。
レジストパターンの膜厚が変化がしない領域では、同一の光強度のマスクセル１４０が連続して設定されることがある。
各マスクセル１４０について、仮想二分線１４８に対して、同じ側に光透過領域１４４が設定される構成にすると、Ｙ方向に連続して設けられる同一の光強度のマスクセル１４０については、遮光領域は一つの矩形として構成される。
マスクパターンを構成する矩形の数の増減に応じて、マスクパターンの生成に必要なデータ量も増減する。従って、各マスクセル１４０の遮光膜１３０を、一括して一つの矩形として形成すると、マスクパターンの生成に必要なデータ量を削減することができる。この結果、フォトマスクの製造にかかる時間を短縮するとともに、コストを削減することができる。
図１（Ａ）及び（Ｂ）では、全てのマスクセル１４０について光透過領域１４４と遮光領域１４２が設定されている例を示しているが、この例に限定されない。
すなわち、フォトマスク１１０は、光透過領域１４４だけが設定された、すなわち遮光領域がないマスクセル、あるいは、マスクセル１４０に遮光領域１４２だけが設定された、すなわち光透過領域がないマスクセルを有していてもよい。
マスクセル１４０の一辺の長さ（以下、マスクピッチと称することもある。）Ｐは、このフォトマスク１１０が用いられる露光装置の光学系の解像限界となる長さより小さく設定される場合もある。この場合には、フォトマスク１１０を用いてレジスト層に露光処理を行った場合には、フォトマスクのマスクパターンを解像できるだけのコントラストが得られない。
従ってこの場合には、フォトマスク１１０を用いてレジスト層を露光した後に現像すると、例えば基板に塗布されているレジスト層はこの基板から分離することなく、連続して膜厚が変化する曲面に近いレジストパターン形状を得ることができる。
露光装置として、例えば、波長λが３６５ｎｍであり、縮小投影倍率を５倍とするいわゆるｉ線ステッパを用いる場合には、露光光学系の解像性能は、投影レンズの開口数ＮＡ及びコヒーレンスファクタσに依存する。
表１は光学コントラストＭの、ピッチ（Ｐｉｔｃｈ）、開口数ＮＡ及びコヒーレンスファクタσに対する依存性を示している。ここで、光透過領域（スペース）４４の幅Ｄ、及び遮光領域（ライン）１４２の幅Ｗの比は、１：１としている。
ピッチはマスクピッチＰをレジスト層の上面に投影した長さに相当する。縮小投影倍率が５倍の場合には、このピッチは、マスクピッチＰの１／５になる。
光学コントラストＭは、Ｍ＝（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）で表される。フォトマスクを透過する光の光強度は正弦波的に変化し、その１周期内の光強度の最大値がＩｍａｘであり、最小値がＩｍｉｎである。
Figure 2008089923
一般に、露光光学系の解像力は、λ／ＮＡに比例する。よって、波長が短いほど、あるいは、開口数ＮＡが大きくなるほど、光学コントラストＭが０となるピッチ、すなわち、フォトマスクのマスクパターンを解像できるだけのコントラストが得られないピッチが小さくなる。
例えば開口数ＮＡが０．５であり、コヒーレンスファクタσが０．５の場合は、レジスト層上面におけるピッチが４８０ｎｍ（マスクピッチＰが２．４μｍ）以下になると、ウェハ上に投影される透過光の光強度の光学コントラストＭが０になる。
ただし、光学コントラストＭは０に限定されず、わずかに光学コントラストＭが発生し
たとしても、光学コントラストＭが与えるレジスト材料への影響が、許容できる範囲内であればよい。
例えば、開口数ＮＡが０．５であり、コヒーレンスファクタσが０．５である場合には、ピッチを５００ｎｍにすると、光学コントラストＭは０．０３となるが、この場合の光学コントラストＭがレジスト材料に与える影響は許容できる範囲内にある。
上述したように、マスクピッチＰの上限は、露光光学系により光学コントラストＭが０となる大きさに依存して決められる。
一方で、マスクピッチＰが短いほど、水平方向の分解能は高くなる。しかしながら、フォトマスクとして製造できる、光透過領域１４４の幅Ｄや、遮光領域１４２の幅Ｗを小さくすることは技術的に困難である。このため、光透過領域１４４の幅Ｄ、及び、遮光領域１４２の幅Ｗの最小値を固定して、マスクセル１４０の一辺の長さＰを小さくすると、光強度の可変幅が小さくなる。
例えば、レジストパターンレベルにおけるピッチが４８０ｎｍであるときに、使用できるマスク製造技術におけるレジストパターンレベルでの最小寸法が１５０ｎｍであるとする。
なお、以下の説明において、特に言及する場合を除いて、寸法としてレジストパターンにおける寸法に換算したものを用いている。フォトマスクにおける寸法は、レジストパターンレベルにおける寸法に縮小投影倍率、ここでは５倍を乗ずればよい。このとき、スペース幅、すなわち、レジストパターンレベルにおける寸法に換算した光透過領域の幅は、１５０ｎｍから３３０ｎｍに設定することができる。
一方で、ピッチが４００ｎｍであるときに、使用できるマスク製造技術での最小寸法が１５０ｎｍであるとする。このとき、設定できるスペース幅は、１５０ｎｍから２５０ｎｍの範囲になる。
スペース幅を１ｎｍ刻みで制御した場合の光の階調数は、ピッチが４８０ｎｍのとき１８１であり、ピッチが４００ｎｍのとき１０１になる。
ピッチが小さいと、光の階調数、すなわち、光強度の分解能が低下する。また、セル内における開口面積比は、ピッチが４８０ｎｍのとき３１％から６９％の範囲であり、ピッチが４００ｎｍのとき３８％から６３％の範囲である。つまり、ピッチが小さいと、光強度の可変幅が狭くなる。
高精度のマスク製造技術を用いれば、すなわち、マスク製造技術での最小寸法を小さくすれば、同等の階調数のまま、レジストパターンにおけるピッチを小さくすることができる。
例えば、ピッチを３００ｎｍとし、レジストパターンにおける最小寸法を７０ｎｍとすれば、設定できるスペース幅は７０ｎｍから２３０ｎｍの範囲となり、１ｎｍ刻みで制御した場合の階調数として１６１が得られる。
しかしながら、最小寸法を小さくすることは、マスクコストの増加を引き起こす。従って、レジストパターンにおけるピッチは対象パターン、露光光学系、マスク製造技術における最小寸法、マスクコストを考慮して最適な条件を選択する必要がある。対象とするレジストパターンの大きさが数＋μｍから数百μｍと十分大きい場合には、レジストパター
ンにおけるピッチは４００ｎｍから５００ｎｍの範囲とするのが好適である。
上述した、レジストパターン形成用のフォトマスクによれば、マスクセルごとに、透過する光強度を設定できる。従って、平坦面上に、例えば段差部を有するといった任意の形状のレジストパターン、中心からの距離が等しい場所のレジスト膜厚が等しくない任意の形状のレジストパターン等を形成する場合に、必要なフォトマスクを容易に得ることができる。
この発明の光学素子の製造方法において、レジストパターンを形成するにあたり、適用して好適なフォトマスクのサイズを例示すると、ピッチは４００ｎｍであり、最小のスペース幅、すなわち光透過領域の幅は１２０ｎｍであり、かつ最大のスペース幅は２８０ｎｍである。
なお、この露光処理は従来公知のｉ線ステッパを用いて行うことができる。適用して好適なｉ線ステッパの例としては、株式会社ニコン製、ＮＳＲ−２２０５ｉ１１Ｄ（商品名）（以下、単にｉ線ステッパＡと称する。）が挙げられる。また、適用して好適なレジスト材料としては株式会社ＪＳＲ製、ＩＸ４１０（以下、単にレジスト材料Ａと称する。）が挙げられる。
図２に、このフォトマスク及び上述のレジスト材料Ａを用いて露光、現像を行った場合の１ピッチの光透過領域の幅と残存するレジストパターンの膜厚との関係をグラフとして示す。
光透過領域の幅が増大するほど残存するレジストパターンの膜厚は減少する。
このように、光透過領域の幅と残存するレジストパターンの膜厚との関係からフォトマスク１１０のマスクセル１４０の配置を、所定のレジストパターン形状が得られるよう最適化することができることがわかる。
この発明の光学素子の製造工程に適用して好適なフォトマスク１１０のマスクセル１４０の透過光の光強度は、規格化光強度とすることができる。すなわち、規格化光学強度とは、多数のマスクセルのうち、いずれかのマスクセルを透過した光の強度が最大であるとき、この最大光強度を１として決まる他のマスクセルを透過する光の強度の値である。従って、規格化光強度は１と０とをそれぞれ含むその間のいずれかの値をとる。各マスクセルには、エッチングによってどのような高さ変化を有する結果物を形成するのか、そのためにはどのようなレジストパターンを形成するのか考慮して、それぞれ設計上決められる規格化光強度が割り当てられる。
図３及び表２を参照して、レジストＡを用いた場合のマスクセルの光透過領域の幅Ｗ、遮光領域の幅Ｄ及び残存するレジストパターンの膜厚Ｒの関係につき説明する。この例では７階調、すなわち７段の階段状の構造単位を形成する例につき説明する。
図３（Ａ）は、この例の製造工程に適用して好適なマスクセル１４０に設定されている光透過領域１４４と遮光領域１４２の構成例を説明する模式図であって、図３（Ｂ）は各階調（段）に対応したレジスト膜厚を模式的に示す図である。
表２には、各段に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄと基板上に残存する残存レジスト膜厚Ｒの関係を示してある。なお、ピッチＰは、４００ｎｍである。
Figure 2008089923
図３（Ｂ）及び表２に示すように、第７段（Ｓｘ７）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、２９０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは０（ゼロ）、すなわちレジストは残存せず、基板２０の表面２０ａが露出する。
第６段（Ｓｘ６）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、２５０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは０．５５μｍである。
第５段（Ｓｘ５）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、２２０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは１．１μｍである。
第４段（Ｓｘ４）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、１９０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは１．６５μｍである。
第３段（Ｓｘ３）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、１６０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは２．２μｍである。
第２段（Ｓｘ２）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、１４０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは２．７５μｍである。
第１段（Ｓｘ１）に対応する光透過領域１４４の横幅Ｄは、１２０ｎｍであり、この場合には残存レジスト膜厚Ｒは３．３μｍである。
なお、この場合には、露光条件を、開口数ＮＡを０．５とし、コヒーレンスファクタσを０．５とし、かつ縮小投影倍率を５倍とするのがよい。
このようなマスクセルを、所期のレジスト形状の各部に対応する透過光量が得られるよう適切に配置したフォトマスクを使用して、上述したような例えば７階調の階段状のレジストパターンを１回のみの露光工程により形成することができる。
（第１の実施の形態）
１．回折光学素子
図４を参照して、この発明の製造方法により形成される回折光学素子の構成例につき説明する。
図４（Ａ）は回折光学素子の中心を通る直線に沿った切断端面を示す模式的な図である。図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示した回折光学素子の中心を通る直線Ｉ−Ｉ’に沿った切断端面を示す模式的な図である。
図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す構成例では、回折光学素子１０は、例えばシリコンウエハである基板２０に彫り込まれて形成されている。この例の回折光学素子１０は、いわゆるフレネルレンズの形態を有している。
回折光学素子１０は、中心点Ｃから外周に向かって膜厚がｍ段、すなわちこの例では７段の階段状に変化する中心部２２を有している。
中心部２２は上面側からみた形状が正円形であり、断面形状は中心Ｃを含む第１次表面２０ａ１を高さが最も高い円柱状の第１段（Ｓａ１）と、後述するエッチング工程により生成する第２次表面２０ａ２を高さが最も低い第７段（Ｓａ７）とする、第１段（Ｓａ１）の周囲を囲むように設けられている６段の円環状のステップ（Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４、Ｓａ５、Ｓａ６及びＳａ７）を有している。第７段（Ｓａ７）は第２次表面２０ａ２に一致している。これら複数のステップにより全体として略球面（球欠）状の曲面を近似している。
表２に示したように、この例では隣接するステップ同士の高さの差はいずれも等しくしてある。しかしながら、既に説明したフォトマスクの遮光領域１４２の面積を可能な範囲で適宜変更することにより、隣接するステップ同士の高さの差を異なるものとすることができる。
また、第１段（Ｓａ１）及び第７段（Ｓａ７）を除く各ステップ（Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４、Ｓａ５及びＳａ６）の面積は、互いに等しい例を示したがこれに限定されない。
すなわち、これら各ステップ（Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４、Ｓａ５及びＳａ６）の面積、並びに第１段（Ｓａ１）及び第７段（Ｓａ７）の面積は、フォトマスクのマスクセル１４０の配置（配置形状及び配置数）を可能な範囲で適宜変更することにより、それぞれを任意好適なものとすることができる。
例えば、各ステップ（Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４、Ｓａ５及びＳａ６）の面積を、外周に向かうほど小さな面積にするといったように互いに異なるものとすることができる。
回折素子１０は、複数の円環状の構造単位２４を含んでいる。各構造単位２４は、中心部２２を囲んでいる。
複数の構造単位２４は、中心点Ｃを中心として同心円状にそれぞれが配列されている。構造単位２４は、この例では２つの構造単位２４、すなわち第１構造単位２４Ａ及び第２構造単位２４Ｂを含んでいる。なお、この構造単位２４の数は例示に過ぎず、所要の光学的特性に対応して任意好適な数を設けることができる。
第１構造単位２４Ａは、中心部２２の外側に配置され、この中心部２２を離間して囲んでいる。また、第２構造単位２４Ｂは、この第１構造単位２４Ａの外側に配置され、この第１構造単位２４Ａとは離間して配置されている。
これら円環状の構造単位２４は、中心部２２と同様に、外周方向に向かってその厚みが薄くなるｎ段、この例では既に説明した中心部２２の段数ｍと同一の７段の階段状としてある。
ここで、ｍとｎとは互いに同一であるか又は異なっていてもよい任意の正の整数である。すなわち構造単位２４の段数ｎと中心部２２の段数ｍとは、互いに同一であっても異なっていてもよい。
また、構造単位２４の段数ｎについては、複数の構造単位を含む場合、例えば第１構造単位２４Ａ及び第２構造単位２４Ｂを含んでいる場合には、それぞれの段数は互いに同一であっても異なっていてもよい。
第１構造単位２４Ａの第１段（Ｓｂ１）から第７段（Ｓｂ７）までの各ステップすなわち、Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３、Ｓｂ４、Ｓｂ５、Ｓｂ６及びＳｂ７の高さは、この例では中心部２２の各ステップＳａ１、Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４、Ｓａ５、Ｓａ６及びＳａ７の高さと同一番号についてそれぞれ対応する高さ、すなわち等しい高さとされている。
同様に、第２構造単位２４Ｂの第１段（Ｓｃ１）から第７段（Ｓｃ７）までの各ステップすなわち、Ｓｃ１、Ｓｃ２、Ｓｃ３、Ｓｃ４、Ｓｃ５、Ｓｃ６及びＳｃ７の高さは、この例では中心部２２の各ステップＳａ１、Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４、Ｓａ５、Ｓａ６及びＳａ７、並びに第１構造単位２４Ａの各ステップ、すなわちＳｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３、Ｓｂ４、Ｓｂ５、Ｓｂ６及びＳｂ７と同一番号についてそれぞれ対応する高さ、すなわち互いに等しい高さとしてある。
しかしながら、第１構造単位２４Ａの各ステップの高さと、番号が対応する中心部２２の各ステップの高さとは、互いに異なるものとすることもできる。
回折光学素子において、中心部２２及び構造単位２４の番号が対応する各ステップの面積は、外周に向かうほど小さくなるようにされるのが通例である。
この例においても、中心部２２の各ステップの面積、第１構造単位２４Ａの各ステップの面積及び第２構造単位２４Ｂの各ステップの面積は、外周に向かうほど、すなわち、この順に小さくされている。
各ステップの面積は、既に説明したようにフォトマスクのマスクセル１４０の配置（配置形状及び配置数）を可能な範囲で適宜変更することにより、それぞれを任意好適なものとすることができる。
２．回折光学素子の製造方法
以下、図を参照して、この発明の光学素子の製造方法につき説明する。ここでは、基板
としてシリコン基板を用いるいわゆるシリコンマイクロレンズの製造方法を例にとって説明する。
なお、この製造方法は、既に説明した構成を有するフォトマスクを用いる露光及び現像工程、並びにこの露光及び現像工程により形成されるレジストパターンをマスクとして用いる点に特徴を有している。
このレジストパターンの形成工程以外の工程については、従来の回折光学素子、特にシリコン基板を用いるシリコンマイクロレンズの形成工程と何ら変わるところがないため、従来と変わらない工程についての図示及び詳細な説明は省略する。
図５（Ａ）及び（Ｂ)は、回折光学素子の製造途中の構造体を切断した切り口を示す模式図である。
まず、平行平板状の基板２０を準備する。基板２０は、第１次表面２０ａ１と、この一次表面２０ａ１と対向する第２の面（単に裏面とも称する。）２０ｂとを有している。この第１次表面２０ａ１には、予めレンズ形成領域を設定しておく。
この発明に適用される基板２０は、シリコン基板に限定されず、好ましくはガラス基板、ゲルマニウム基板、ＩｎＰ基板といった種々のタイプの基板を用いることもできる。
次に、基板２０の第１次表面２０ａ１上に、この例ではポジ型のレジスト材料、例えば上述したレジスト材料Ａを塗布する。
このレジスト材料の塗布は、従来公知のスピンコータを用いる回転塗布の手法によって行えばよい。
次に、レジスト材料が塗布された基板２０に対してプリベーク処理を行う。このプリベーク処理は、選択されたレジスト材料に応じた条件で行うのがよい。プリベーク処理は、レジスト材料Ａを用いる場合には好ましくは例えば雰囲気温度９０℃で６０秒間行えばよい。
次いで、フォトリソグラフィ工程の露光処理を行う。
露光処理には上述した構成を有するフォトマスクを使用する。すなわち、この発明の製造方法によれば、このフォトマスクを用いる１回のみの露光工程によりレジストパターンを形成することを特徴としている。
この露光工程において、マスクセル１４０の透過光の光強度は、上述したように規格化光強度とする。
この例の複数のマスクセル１４０の透過光の光強度を一般化すると、レジスト中心部３２の中心点Ｃ及びレジスト構造単位３４が第１段の高さを画成するマスクセル１４０の光強度を第１光強度とし、第１段の外側に位置して順次に配列される１又は２以上の段を含み、段の最終段である第Ｘ段の高さを画成するマスクセルの全ての光強度を第Ｘ光強度（但し、第１光強度及び第Ｘ光強度は、０≦第１光強度＜・・・＜第Ｘ光強度である。）としたときに、及びレジスト中心部３２の中心点Ｃ及びレジスト構造単位３４の外周方向に並ぶ順次のマスクセルの光強度は、前記第１光強度から第Ｘ光強度（Ｘはｍ及びｎに等しい２以上の正の整数である。）まで変化させればよいことになる。
露光処理を例えば上述したｉ線ステッパＡを用いて行う場合には、好ましくは例えば２８０ミリ秒間の露光処理を行う。
その後、露光後ベーク処理が行われる。上述の態様では、好ましくは例えば雰囲気温度１１０℃で１００秒間の露光後ベーク処理を行えばよい。
このフォトマスクの採用により、既に説明したような特に複数段の段差、あるいはこれら複数段の段差により近似される曲面といった複雑な形状であっても、１回のみの露光工程により極めて精度のよいレジストパターン形状を形成することができる。
次に、現像液を用いて現像処理を行う。この現像液は選択されたレジスト材料に任意好適な現像液を用いればよい。レジスト材料Ａを用いた場合には、好ましくは例えばアルカリ性現像液である東京応化工業株式会社製ＮＭＤ−３（商品名）を用いて９０秒間の現像処理を行えばよい。
次いで、現像後ベーク処理を選択された材料に任意好適な条件で現像後ベーク処理を行う。レジスト材料Ａを用いた場合には、好ましくは例えば雰囲気温度１２０℃で１００秒間の現像後ベーク処理を行うことにより、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すような構成を有するレジストパターン３０を得る。
レジストパターン３０は、形成しようとする構造、すなわち既に説明した中心部２２及び構造単位２４に相似の形状を有するパターンとして形成される。具体的には、上側から見たレジストパターン３０の平面的なサイズは、所期の構成と同一サイズとして形成する。また、レジストパターン３０の立体的形状、すなわち、基板２０の厚み方向のレジストパターンのサイズについては、所期の構成と同一サイズとしなくともよい。基板２０の厚み方向のレジストパターンのサイズは、すなわちエッチング除去される深さは、エッチングレートにより調節することができるため、選択されたエッチングレートに見合った適切なサイズとして、レジストパターン３０の立体的な形状を形成すればよい。
すなわち、レジストパターン３０は、中心点Ｃから外周に向かって膜厚がｍ段、すなわちこの例ではレジストパターン３０から露出した第１次表面２０ａ１を第７段目として含む７段の階段状に変化するレジスト中心部３２を有している。
レジスト中心部３２は上面側からみた形状が正円形であり、断面形状は中心Ｃを含む、高さが最も高い位置にある円柱状の第１段（Ｓｒ１）と、第１段（Ｓｒ１）の周囲を囲むように設けられている６段の円環状のステップ（Ｓｒ２、Ｓｒ３、Ｓｒ４、Ｓｒ５及びＳｒ６）を有している。
結果的に、これら複数のステップにより全体として球面状の曲面を近似している。なお、エッチング後に形成される第７段（Ｓｘ７）、すなわちエッチング後に高さが最も低い位置に来る最終段に対応する部分は、この例では露出面としてされて、レジスト中心部３２に覆われることなく基板２０の第１次表面２０ａ１を露出させてある。
この例では隣接するステップ同士の高さの差はいずれも等しくしてある。しかしながら、既に説明したフォトマスクの遮光領域１４２の面積を可能な範囲で適宜変更することにより、隣接するステップ同士の高さの差を異なるものとすることができる。
また、第１段（Ｓｒ１）を除く各ステップ（Ｓｒ２、Ｓｒ３、Ｓｒ４、Ｓｒ５及びＳｒ６）の面積は、互いに等しい例を示してある。
すなわち、これら各ステップ（Ｓｒ２、Ｓｒ３、Ｓｒ４、Ｓｒ５及びＳｒ６）の面積、並びに第１段（Ｓｒ１）及び第７段（Ｓｒ７）の面積は、フォトマスクのマスクセル１４０の配置（配置形状及び配置数）を可能な範囲で適宜変更することにより、それぞれを任意好適なものとすることができる。
例えば、各ステップ（Ｓｒ２、Ｓｒ３、Ｓｒ４、Ｓｒ５及びＳｒ６）の面積は互いに異なるものとすることができる。
レジストパターン３０は、複数の円環状のレジスト構造単位３４を含んでいる。各レジスト構造単位３４は、レジスト中心部３２を囲んでいる。
複数のレジスト構造単位３４は、中心点Ｃを中心として同心円状にそれぞれが配列されている。レジスト構造単位３４は、この例では２つのレジスト構造単位３４、すなわち第１レジスト構造単位３４Ａ及び第２レジスト構造単位３４Ｂを含んでいる。なお、このレジスト構造単位３４の数は例示に過ぎず、所要の任意好適な数を設けることができる。
第１レジスト構造単位３４Ａは、レジスト中心部３２の外側に配置され、このレジスト中心部３２から離間して囲んでいる。
また、第２レジスト構造単位３４Ｂは、この第１レジスト構造単位３４Ａの外側に配置され、この第１レジスト構造単位３４Ａとは離間して配置されている。
このように、レジスト中心部３２と第１レジスト構造単位３４Ａとの間、及び第１レジスト構造単位３４Ａと第２レジスト構造単位３４Ｂとの間からは基板２０の第１次表面２０ａ１が露出している。
これら円環状のレジスト構造単位３４は、レジスト中心部３２と同様に、外周方向に向かってその厚みが薄くなるｎ段、この例では既に説明したレジスト中心部３２の段数ｍと同一の７段の階段状としてある。但し、第７段は基板２０の第１次表面２０ａ１である。
ここで、ｍとｎとは互いに同一であるか又は異なっていてもよい任意の正の整数である。すなわちレジスト構造単位３４の段数ｎと中心部２２の段数ｍとは、互いに同一であっても異なっていても一度の露光工程により形成することができる。
また、レジスト構造単位３４の段数ｎについては、複数の構造単位を含む場合、例えば第１レジスト構造単位３４Ａ及び第２レジスト構造単位３４Ｂを含んでいる場合には、それぞれの段数は互いに同一であっても異なっていても一度の露光工程により形成することができる。
第１レジスト構造単位３４Ａの第１段（Ｓｓ１）から第６段（Ｓｓ６）の各ステップすなわち、Ｓｓ１、Ｓｓ２、Ｓｓ３、Ｓｓ４、Ｓｓ５及びＳｓ６の高さは、この例ではレジスト中心部３２の各ステップＳｒ１、Ｓｒ２、Ｓｒ３、Ｓｒ４、Ｓｒ５及びＳｒ６の高さと同一番号についてそれぞれ対応する高さ、すなわち等しい高さとされている。
同様に、第２レジスト構造単位３４Ｂの第１段（Ｓｔ１）から第６段（Ｓｔ６）までの各ステップすなわち、Ｓｔ１、Ｓｔ２、Ｓｔ３、Ｓｔ４、Ｓｔ５及びＳｔ６の高さは、この例ではレジスト中心部３２の各ステップＳｒ１、Ｓｒ２、Ｓｒ３、Ｓｒ４、Ｓｒ５及びＳｒ６、並びにレジスト第１構造単位３４Ａの各ステップ、すなわちＳｓ１、Ｓｓ２、Ｓｓ３、Ｓｓ４、Ｓｓ５及びＳｓ６と同一番号についてそれぞれ対応する高さ、すなわち互いに等しい高さとしてある。
しかしながら、第１レジスト構造単位３４Ａの各ステップの高さと、番号が対応するレジスト中心部３２の各ステップの高さとは、互いに異なるものとすることもできる。
回折光学素子において、既に説明したように、中心部２２及び構造単位２４の番号が対応する各ステップの面積は、外周に向かうほど小さくなるようにされるのが通例である。
レジストパターン３０の上面側から見た平面的な形状は、ほぼそのままの形状で基板２０に転写されることになる。従って、このレジストパターン３０においても、レジスト中心部３２の各ステップの面積、これに対応する第１レジスト構造単位３４Ａの各ステップの面積及びこれに対応する第２レジスト構造単位３４Ｂの各ステップの面積は、外周に向かうほど、すなわち、この順に小さくされている。
レジストパターン３０の各ステップの面積は、既に説明したようにフォトマスクのマスクセル１４０の配置（配置形状及び配置数）を可能な範囲で適宜変更することにより、それぞれを任意好適なものとすることができる。
このように、既に説明したフォトマスクを用いて基板２０に塗布されたレジスト材料に対し、フォトリソグラフィ工程を行うことにより、異なった複数通りの深さのパターン面を有するレジストパターン３０が形成される。
このレジストパターン３０をエッチングマスクとして用いて、常法に従いパターニングする。
このパターニング工程において、レジストパターン３０は、それ自体削られながらシリコン基板２０にその形状を転写する。
このパターニング工程は、基板面に垂直な方向からの異方性エッチングによりレジストパターン３０をエッチング除去しつつ行われる。エッチングの進行により、レジストパターン３０の輪郭形状が平行移動して、レジストパターン３０の高さの低い部分（ステップ）が消滅して順次に露出する基板２０の露出する順に削られて、パターニング形成されていく。
すなわち、エッチングの開始と同時に、レジストパターン３０からの露出面であって第７段に相当する第１次表面２０ａ１が削られる。さらなるエッチングの進行により、レジストパターン３０の第６段、第５段、第４段、第３段及び第２段がこの順に消滅して、第１次表面２０ａ１が露出したタイミングが早い段に相当する部分ほど深くエッチングされる。
このエッチングは、レジストパターン３０の第１段がエッチング消滅すると同時に、すなわちレジストパターン３０の第１段が消滅した時点で停止される。
よって、レジストパターン３０の第１段の直下に位置していた第１次表面２０ａ１は残存する。ここで、最も深くエッチングされて中心部２２及び構造単位２４の第７段に相当して、基板２０の新たな表面となる面を第２次表面２０ａ２となる。
このパターニング工程は、好ましくは例えばＲＦ（高周波）電源を具える従来公知のエッチング装置を用いて行うことができる。このとき、エッチャントとしては、好ましくはＳＦ6ガス及びＯ2ガスの混合ガスを用いるのがよい。
なお、形成される中心部２２及び構造単位２４の各ステップの高さは、レジストパターン３０の各ステップの高さのみならず、エッチングレートの調節によっても任意所定の高さとすることができる。
次に、任意の形状の回折光学素子として切り出すためのさらなるホトリソグラフィ工程及びエッチング工程、すなわちパターニング工程を行えばよい。
この発明の光学素子の製造方法によれば、１回の露光工程、現像工程による複数段を含む階段状形状のレジストマスクの形成工程、及びこのレジストマスクを用いる１回のエッチング工程による基板のパターニングのみで、階段状の構造単位が複数並列されている光学素子を製造することができる。すなわち、極めて簡易な工程で光学素子を製造することができる。
（第２の実施の形態）
１．回折光学素子
図６を参照して、この発明の製造方法により形成される光学素子の構成例につき説明する。
図６（Ａ）は回折光学素子の中心を通る直線に沿った切断端面を示す模式的な図である。図６（Ｂ）は図６（Ａ）に示した回折光学素子の中心を通る直線Ｉ−Ｉ’に沿った切断端面を示す模式的な図である。
なお、この例の回折光学素子は、中心部２２の段数と構造単位２４の階段状構造の段数が異なっていることを特徴としている。従って、これら以外の構造については、既に説明した例と同様なのでその詳細な説明は省略する。
図６（Ａ）及び（Ｂ）に示す構成例では、回折光学素子１０は、中心点Ｃから外周に向かって膜厚がｍ段、すなわちこの例では７段の階段状に変化する中心部２２を有している。
中心部２２は上面側からみた形状が正円形であり、断面形状は中心Ｃを含む第１次表面２０ａ１を高さが最も高い円柱状の第１段（Ｓａ１）と、後述するエッチング工程により生成する第２次表面２０ａ２を高さが最も低い第７段（Ｓａ７）とする、第１段（Ｓａ１）の周囲を囲むように設けられている６段の円環状のステップ（Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４、Ｓａ５、Ｓａ６及びＳａ７）を有している。第７段（Ｓａ７）は第２次表面２０ａ２に一致している。これら複数のステップにより全体として略球面（球欠）状の曲面を近似している。
この例では隣接するステップ同士の高さの差はいずれも等しくしてある。しかしながら、既に説明したフォトマスクの遮光領域１４２の面積を可能な範囲で適宜変更することにより、隣接するステップ同士の高さの差を異なるものとすることができる。
また、第１段（Ｓａ１）及び第７段（Ｓａ７）を除く各ステップ（Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４、Ｓａ５及びＳａ６）の面積は、互いに等しい例を示したがこれに限定されない。
すなわち、これら各ステップ（Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４、Ｓａ５及びＳａ６）の面積、並びに第１段（Ｓａ１）及び第７段（Ｓａ７）の面積は、フォトマスクのマスクセル１４０の配置（配置形状及び配置数）を可能な範囲で適宜変更することにより、それぞれを任意好適なものとすることができる。
例えば、各ステップ（Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４、Ｓａ５及びＳａ６）の面積を互いに異なるものとすることができる。
複数の構造単位２４は、中心点Ｃを中心として同心円状にそれぞれが配列されている。構造単位２４は、この例では２つの構造単位２４、すなわち第１構造単位２４Ａ及び第２構造単位２４Ｂを含んでいる。なお、この構造単位２４の数は例示に過ぎず、所要の光学的特性に対応して任意好適な数を設けることができる。
第１構造単位２４Ａは、中心部２２の外側に配置され、この中心部２２を離間して囲んでいる。また、第２構造単位２４Ｂは、この第１構造単位２４Ａの外側に配置され、この第１構造単位２４Ａとは離間して配置されている。
これら円環状の構造単位２４は、中心部２２と同様に、外周方向に向かってその厚みが薄くなるｎ段、この例では、第１構造単位２４Ａの段数を、既に説明した中心部２２の段数ｍと同一の７段の階段状としてある。
また、第２構造単位２４Ｂは、この例では第１構造単位２４Ａの段数より一段減じた段数、すなわち６段としてある。
すなわち、この例は、段数ｎが複数通りの段数（数値）を含み、かつ段数ｍと段数ｎとが異なる場合がある例である。
第１構造単位２４Ａの第１段（Ｓｂ１）から第７段（Ｓｂ７）までの各ステップすなわち、Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３、Ｓｂ４、Ｓｂ５、Ｓｂ６及びＳｂ７の高さは、この例では中心部２２の各ステップの高さと同一番号についてそれぞれ対応する高さ、すなわち等しい高さとされている。
よって、第１構造単位２４Ａの総高さと中心部２２の総高さ、すなわち第１段（Ｓａ１）の高さ（位置）とは等しい。
第２構造単位２４Ｂの第１段（Ｓｃ２）は、中心部２２の総高さ、すなわち第１段（Ｓａ１）の高さとは等しくされている。また、第２構造単位２４Ｂの第６段（Ｓｃ７）は、中心部２２の第７段（Ｓａ７）の高さとは等しくされている。
また、第２構造単位２４Ｂの第２段（Ｓｃ３）から第５段（Ｓｃ６）までの各ステップすなわちＳｃ４、Ｓｃ５、及びＳｃ６の高さは、この例では中心部２２の各ステップの同一番号で対応するステップとは異なる高さとされている。
すなわち、Ｓｃ６は、Ｓｂ６とＳｂ５の間の高さに存在している。Ｓｃ５は、Ｓｂ５とＳｂ４の間の高さに存在している。Ｓｃ４は、Ｓｂ４とＳｂ３の間の高さに存在している。Ｓｃ３は、Ｓｂ３とＳｂ２の間の高さに存在している。
よって、第１構造単位２４Ａの総高さ、すなわち第１段（Ｓｂ１）の高さ（位置）と第２構造単位２４Ｂの総高さ、すなわち第１段（Ｓｃ２）の高さ（位置）とは、ほぼ同一とされている。
この例では、中心部２２及び第１構造単位２４Ａの段数をいずれも７段とし、第２構造単位２４Ｂの段数を６段としたが、これに限定されない。
例えば、第２構造単位２４Ｂの外側にさらに段数をさらに減じた、例えば５段、４段というように、順次に段数が減ったさらなる構造単位を設けてもよい。
このような構成は、例えば、１位相の線幅がマスクピッチより小さくなる領域が存在する場合に有効である。
すなわち、この発明の製造方法により製造される回折光学素子は、これに含まれる中心部、構造単位といった階段状の段差を、各個に互いに任意の同一又は異なる段数とすることができる。
２．回折光学素子の製造方法
以下、この例の回折光学素子の製造方法につき説明する。
なお、この製造方法は、既に説明した構成を有するフォトマスクを用いる露光及び現像工程、並びにこの露光及び現像工程により、中心部２２及び第２構造単位２４Ｂの段数と、第１構造単位２４Ａの段数とを異なる段数として形成するためのレジストパターンをマスクとして用いる点に特徴を有している。
すなわち、この例の製造方法は、既に説明した第１の実施の形態とは、形成されるレジストパターンの形状以外には何ら変わるところがないため、この工程以外についての詳細な説明は省略する。
まず、平行平板状の基板２０を準備する。
次に、基板２０の第１次表面２０ａ１上に、この例ではポジ型のレジスト材料、例えば上述したレジスト材料Ａを塗布する。
次に、レジスト材料が塗布された基板２０に対してプリベーク処理を行う。
次いで、フォトリソグラフィ工程の露光処理を行う。
露光処理には上述したマスクセルの構成を有するフォトマスクを使用する。すなわち、この発明の製造方法によれば、このフォトマスクを用いる１回のみの露光工程によりレジストパターンを形成することを特徴としている。
この露光工程において、マスクセル１４０の透過光の光強度は、上述したように規格化光強度とする。
この例の複数のマスクセル１４０の透過光の光強度については、複数のマスクセル１４０の透過光の光強度は、レジスト中心部の中心点Ｃ及びレジスト構造単位が第１段の高さを画成するマスクセルの光強度を第１光強度とし、この第１段の外側に位置して順次に配列される１又は２以上の段を含み、段の最終段である第Ｘ段（Ｘは、レジスト中心部の段数ｍ及びレジスト構造単位の段数ｎのうち、最大数である。）の高さを画成するマスクセルの全ての光強度を第Ｘ光強度（但し、第１光強度及び第Ｘ光強度は、０≦第１光強度＜・・・＜第Ｘ光強度である。）とし、最終段が第Ｙ段である当該第Ｙ段（Ｙは、レジスト中心部の段数ｍ及びレジスト構造単位の段数ｎのうち、Ｘよりも小さい正の整数である。）の第Ｙ光強度を前記第Ｘ光強度と等しい強度とし最上段の光強度を第１光強度とすればよい。
その後、露光後ベーク処理を行う。
このフォトマスクの採用により、既に説明したような特に複数段の段差、あるいはこれら複数段の段差により近似される曲面といった複雑な形状であっても、１回のみの露光工程により極めて精度のよいレジストパターン形状を得ることができる。
次に、現像液を用いて現像処理を行う。
次いで、現像後ベーク処理を選択された材料に任意好適な条件で現像後ベーク処理を行う。
レジストパターンは、形成しようとする構造、すなわち既に説明した中心部２２及び構造単位２４に相似の形状を有するパターンとして形成される。具体的には、上側から見たレジストパターンの平面的なサイズは、所期の構成と同一サイズとして形成する。また、レジストパターンの立体的形状、すなわち、基板２０の厚み方向のレジストパターンのサイズについては、所期の構成と同一サイズとしなくともよい。基板２０の厚み方向のレジストパターンのサイズは、すなわちエッチング除去される深さは、エッチングレートにより調節することができるため、選択されたエッチングレートに見合った適切なサイズとして、レジストパターンの立体的な形状を形成すればよい。
すなわち、レジストパターンは、中心点から外周に向かって膜厚がｍ段、すなわちこの例ではレジストパターンから露出した第１次表面２０ａ１を第７段目として含む７段の階段状に変化するレジスト中心部を有している。
レジスト中心部は上面側からみた形状が正円形であり、断面形状は中心Ｃを含む、高さが最も高い位置にある円柱状の第１段と、第１段の周囲を囲むように設けられている６段の円環状のステップを有している。
結果的に、これら複数のステップにより全体として球面状の曲面を近似している。なお、エッチング後に形成される第７段、すなわちエッチング後に高さが最も低い位置に来る最終段に対応する部分は、この例では露出面としてされて、レジスト中心部に覆われることなく基板２０の第１次表面２０ａ１を露出させてある。
この例では隣接するステップ同士の高さの差はいずれも等しくしてある。しかしながら、既に説明したフォトマスクの遮光領域１４２の面積を可能な範囲で適宜変更することにより、隣接するステップ同士の高さの差を異なるものとすることができる。
また、第１段を除く各ステップの面積は、互いに等しくしてある。
すなわち、これら各ステップの面積、並びに第１段及び第７段の面積は、フォトマスクのマスクセル１４０の配置（配置形状及び配置数）を可能な範囲で適宜変更することにより、それぞれを任意好適なものとすることができる。
例えば、各ステップの面積は互いに異なるものとすることができる。
レジストパターンは、複数の円環状のレジスト構造単位を含んでいる。各レジスト構造単位は、レジスト中心部を囲んでいる。
複数のレジスト構造単位は、中心点を中心として同心円状にそれぞれが配列されている。レジスト構造単位は、この例では２つのレジスト構造単位、すなわち第１レジスト構造単位及び第２レジスト構造単位を含んでいる。なお、このレジスト構造単位の数は例示に過ぎず、所要の任意好適な数を設けることができる。
第１レジスト構造単位は、レジスト中心部の外側に配置され、このレジスト中心部から離間して囲んでいる。
また、第２レジスト構造単位は、この第１レジスト構造単位の外側に配置され、この第１レジスト構造単位とは離間して配置されている。
このように、レジスト中心部と第１レジスト構造単位との間、及び第１レジスト構造単位と第２レジスト構造単位との間からは基板２０の第１次表面２０ａ１が露出している。
これら円環状のレジスト構造単位の特に第２構造単位は、レジスト中心部と同様に、外周方向に向かってその厚みが薄くなるｎ段、この例ではレジスト中心部の段数ｍと同一の７段の階段状としてあり、第１構造単位も同様に７段の階段状の構造としてある。但し、第１構造単位の第７段、並びに第１レジスト構造単位及び中心部の第７段は基板２０の第１次表面２０ａ１である。
第１レジスト構造単位の各ステップの高さは、この例ではレジスト中心部の各ステップにそれぞれ対応する高さ、すなわち等しい高さとされている。
また、第２レジスト構造単位の第２ステップから第６ステップの高さは、この例ではレジスト中心部及び第１レジスト構造単位の各ステップの高さとは異なる高さとしてある。
すなわち、第２レジスト構造単位の第１ステップ及び第６ステップの高さは、それぞれレジスト中心部及び第１レジスト構造単位の第１ステップ及び第７ステップの高さと等しくされている。
よって、第２レジスト構造単位の第２ステップから第５ステップの高さは、この例ではレジスト中心部及び第１レジスト構造単位の各ステップの高さとは異なる高さとなる。
このように、既に説明したフォトマスクを用いて基板２０に塗布されたレジスト材料に対し、フォトリソグラフィ工程を行うことにより、異なった複数通りの深さのパターン面を有するレジストパターンが形成される。
このレジストパターンをエッチングマスクとして用いて、常法に従いパターニングする。
このパターニング工程において、レジストパターンは、それ自体削られながらシリコン基板にその形状を転写する。
すなわち、エッチングの開始と同時に、レジストパターン３０からの露出面であって第７段に相当する第１次表面２０ａ１が削られる。さらなるエッチングの進行により、レジストパターンの第６段、第５段、第４段、第３段及び第２段がこの順に消滅して、第１次表面２０ａ１が露出したタイミングが早い段に相当する部分ほど深くエッチングされる。
このエッチングは、レジストパターンの最上段、すなわちこの例ではレジスト中心部及び第２レジスト構造単位の第１段がエッチング消滅すると同時に、すなわち第１段が消滅した時点で停止される。
よって、中心部及び第２レジスト構造単位の第１段の直下に位置していた第１次表面２０ａ１は残存する。ここで、最も深くエッチングされて中心部及び構造単位の第７段に相当して、基板２０の新たな表面となる面を第２次表面２０ａ２となる。
このパターニング工程は、好ましくは例えばＲＦ（高周波）電源を具える従来公知のエ
ッチング装置を用いて行うことができる。このとき、エッチャントとしては、好ましくはＳＦ6ガス及びＯ2ガスの混合ガスを用いるのがよい。
なお、形成される中心部及び構造単位の各ステップの高さは、レジストパターンの各ステップの高さのみならず、エッチングレートの調節によっても任意所定の高さとすることができる。
次に、任意の形状の回折光学素子として切り出すためのさらなるホトリソグラフィ工程及びエッチング工程、すなわちパターニング工程を行えばよい。
この例の回折光学素子の製造方法によれば、異なる段数の階段状の構造単位が混在している回折光学素子であっても、１回のエッチング工程による基板のパターニングのみで回折光学素子を製造することができる。
（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、フォトマスクの構成例を説明するための模式図である。 このフォトマスクを用いて露光、現像を行った場合の１ピッチの光透過領域の幅と残存するレジストパターンの膜厚との関係を示すグラフである。 （Ａ）はこの例の製造工程に適用して好適なマスクセルに設定されている光透過領域と遮光領域の構成例を説明する模式図であって、（Ｂ）は各階調（段）に対応したレジスト膜厚を模式的に示す図である。 （Ａ）は回折光学素子の中心を通る直線に沿った切断端面を示す模式的な図である。（Ｂ）は（Ａ）に示した回折光学素子の中心を通る直線Ｉ−Ｉ’に沿った切断端面を示す模式的な図である。 （Ａ）及び（Ｂ)は、回折光学素子の製造途中の構造体を切断した切り口を示す模式図である。 （Ａ）は回折光学素子の中心を通る直線に沿った切断端面を示す模式的な図である。（Ｂ）は（Ａ）に示した回折光学素子の中心を通る直線Ｉ−Ｉ’に沿った切断端面を示す模式的な図である。
符号の説明
１０：回折光学素子
２０：基板（シリコン基板）
２０ａ１：第１次表面
２０ａ２：第２次表面
２０ｂ：裏面
２２：中心部
２４：構造単位
２４Ａ：第１構造単位
２４Ｂ：第２構造単位
３０：レジストパターン
３２：レジスト中心部
３４：レジスト構造単位
３４Ａ：第１レジスト構造単位
３４Ｂ：第２レジスト構造単位
１１０：フォトマスク
１１２：マスク基準点
１２０：マスク基板
１３０：遮光膜
１４０：マスクセル
１４２、１５２：遮光領域
１４４、１５４：光透過領域
１４６：仮想格子状線
１４８：仮想二分線
１６０：下地層
１７０：レジスト層
１７２：レジスト基準点

Claims (8)

  1. 基板を準備する工程と、
    前記基板に、レジストパターンを形成するための露光用のフォトマスクであって、マスク基板と、該マスク基板に密接して、行列配列された複数のマスクセルとを有しており、当該マスクセルは、光透過領域と、前記マスク基板に設けられている遮光膜で形成されている遮光領域とのいずれか一方又は双方を有しており、前記マスクセルの透過光の光強度が規格化光強度であり、複数の前記マスクセルの透過光の光強度が変化する前記フォトマスクを用いる露光処理を含むパターニングを行って、レジストパターンを形成する工程と、
    前記レジストパターンをエッチングマスクとして用いて、パターニングを行う工程と
    を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
  2. 前記レジストパターンを形成する工程は、基板に、中心点から外周に向かって膜厚がｍ段の階段状に変化するレジスト中心部、当該レジスト中心部を囲み、前記中心点を中心として同心円状に配列され、かつ膜厚がｎ段（ｍ及びｎは互いに同一である任意の正の整数である。）の階段状に変化する、複数の円環状のレジスト構造単位を含むレジストパターンを形成するための露光用のフォトマスクであって、透明なマスク基板と、該マスク基板に密接して、行列配列された複数の正方形のマスクセルとを有しており、当該マスクセルは、光透過領域と、前記マスク基板に設けられている遮光膜で形成されている遮光領域とのいずれか一方又は双方を有しており、前記マスクセルの透過光の光強度が規格化光強度であり、複数の前記マスクセルの透過光の光強度は、前記レジスト中心部の前記中心点及び前記レジスト構造単位が第１段の高さを画成するマスクセルの光強度を第１光強度とし、当該第１段の外側に位置して順次に配列される１又は２以上の段を含み、当該段の最終段である第Ｘ段の高さを画成するマスクセルの全ての光強度を第Ｘ光強度（但し、第１光強度及び第Ｘ光強度は、０≦第１光強度＜第２光強度・・・第Ｘ−１光強度＜第Ｘ光強度である。）とし、及び前記レジスト中心部の前記中心点及び前記レジスト構造単位の外周方向に並ぶ順次のマスクセルの光強度が、前記第１光強度から第Ｘ光強度（Ｘはｍ及びｎに等しい２以上の正の整数である。）まで変化する前記フォトマスクを用いる露光処理を含むパターニングを行って、レジストパターンを形成する工程であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
  3. 前記レジストパターンを形成する工程は、前記基板に、中心点から外周に向かって膜厚がｍ段の階段状に変化するレジスト中心部、当該レジスト中心部を囲み、前記中心点を中心として同心円状に配列され、かつ膜厚がｎ段（ｎは前記レジスト構造単位ごとに異なっていてもよい正の整数である任意の変数であり、ｍとｎとは互いに同一であるか又は異なっていてもよい任意の正の整数である。）の階段状に変化する、複数の円環状のレジスト構造単位を含むレジストパターンを形成するための露光用のフォトマスクであって、透明なマスク基板と、該マスク基板に密接して、行列配列された複数の正方形のマスクセルとを有しており、当該マスクセルは、光透過領域と、前記マスク基板に設けられている遮光膜で形成されている遮光領域とのいずれか一方又は双方を有しており、前記マスクセルの透過光の光強度が規格化光強度であり、複数の前記マスクセルの透過光の光強度は、前記レジスト中心部の前記中心点及び前記レジスト構造単位が第１段の高さを画成するマスクセルの光強度を第１光強度とし、当該第１段の外側に位置して順次に配列される１又は２以上の段を含み、当該段の最終段である第Ｘ段（Ｘは、ｍ及びｎのうち、最大数である。）の高さを画成するマスクセルの全ての光強度を第Ｘ光強度（但し、第１光強度及び第Ｘ光強度は、０≦第１光強度＜第２光強度・・・第Ｘ−１光強度＜第Ｘ光強度である。）とし、最終段が第Ｙ段である当該第Ｙ段（Ｙは、ｍ及びｎのうち、Ｘよりも小さい正の整数である。）の第Ｙ光強度を前記第Ｘ光強度と等しい強度とし最上段の光強度を第１光強度とする前記フォトマスクを用いる工程であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
  4. 前記ｍ、前記ｎ及び前記Ｙがいずれも７であることを特徴とする請求項２記載の光学素子の製造方法。
  5. 前記ｍ及び前記ｎに含まれる全てが７であり、かつ前記Ｙが６であることを特徴とする請求項３に記載の光学素子の製造方法。
  6. 前記マスクセルの一辺の長さは、前記フォトマスクが用いられる露光装置の光学系の解像限界となる長さよりも短く設定されており、前記光強度は、前記レジスト中心部及び前記レジスト構造単位ごとに互いに離散的な値であって、かつ外周方向に向かうに従って前後のマスクセル間での変化量が大となる前記値にそれぞれ設定されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法。
  7. 中心点から外周に向かって膜厚がｍ段の階段状に変化するレジスト中心部、当該レジスト中心部を囲み、前記中心点を中心として同心円状に配列され、かつ膜厚がｎ段（ｍとｎとは互いに同一である任意の正の整数である。）の階段状に変化する、複数の円環状のレジスト構造単位を含むレジストパターンを形成するための露光用のフォトマスクであって、透明なマスク基板と、該マスク基板に密接して、行列配列された複数の正方形のマスクセルとを有しており、当該マスクセルは、光透過領域と、前記マスク基板に設けられている遮光膜で形成されている遮光領域とのいずれか一方又は双方を有しており、前記マスクセルの透過光の光強度が規格化光強度であり、複数の前記マスクセルの透過光の光強度は、前記レジスト中心部の前記中心点及び前記レジスト構造単位が第１段の高さを画成するマスクセルの光強度を第１光強度とし、当該第１段の外側に位置して順次に配列される１又は２以上の段を含み、当該段の最終段である第Ｘ段の高さを画成するマスクセルの全ての光強度を第Ｘ光強度（但し、第１光強度及び第Ｘ光強度は、０≦第１光強度＜第２光強度・・・第Ｘ−１光強度＜第Ｘ光強度である。）とし、及び前記レジスト中心部の前記中心点及び前記レジスト構造単位の外周方向に並ぶ順次のマスクセルの光強度を、前記第１光強度から第Ｘ光強度（Ｘはｍ及びｎに等しい２以上の正の整数である。）まで変化させてあることを特徴とするフォトマスク。
  8. 複数の前記マスクセルの透過光の光強度は、前記レジスト中心部の前記中心点及び前記レジスト構造単位が第１段の高さを画成するマスクセルの光強度を第１光強度とし、当該第１段の外側に位置して順次に配列される１又は２以上の段を含み、当該段の最終段である第Ｘ段（Ｘは、ｍ及びｎのうち、最大数である。）の高さを画成するマスクセルの全ての光強度を第Ｘ光強度（但し、第１光強度及び第Ｘ光強度は、０≦第１光強度＜第２光強度・・・第Ｘ−１光強度＜第Ｘ光強度である。）とし、最終段が第Ｙ段である当該第Ｙ段（Ｙは、ｍ及びｎのうち、Ｘよりも小さい正の整数である。）の第Ｙ光強度を前記第Ｘ光強度と等しい強度とし最上段の光強度を第１光強度としてあることを特徴とする請求項７に記載のフォトマスク。
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