JP2009008933A - レジストパターンの形成方法及びフォトマスク - Google Patents

Abstract

【課題】マスク製造の負荷を増加させること無く、より滑らかなレジストパターンを得る。
【解決手段】先ず、被加工基板の主表面上に、膜厚が不均一なレジストパターンを形成するフォトマスクを用意する。このフォトマスクは、透明なマスク基板の表面に行列状に配列された複数の正方形のマスクセルを有し、マスクセルの一辺の長さは、当該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小さく設定される。各マスクセルは光透過領域と遮光領域のいずれか一方又は双方を備え、各マスクセルの面積に対する光透過領域の面積の比によって、各マスクセルを透過する光の強度を決定する。次に、主表面上にレジスト材を塗布した被加工基板の、主表面に直角方向の位置である垂直焦点位置を、最適焦点位置とは異なる位置に合わせる。次に、フォトマスクを透過する光でレジスト膜を露光した後現像して、レジストパターンを得る。
【選択図】図１０

Description

この発明は、レジストパターンの形成方法及びフォトマスクに関し、特に微細な三次元構造体の製造に用いられるレジストパターンの形成方法と、このレジストパターンの形成に用いて好適なフォトマスクに関する。

周知の通り、半導体装置の製造における微細加工分野では、リソグラフィ技術が用いられている。一般的なリソグラフィ技術では、フォトマスクパターンの平面的形状を一旦、レジストパターンとして転写し、さらにエッチングプロセスによって、このレジストパターンを被加工基板に転写して、フォトマスクパターンと相似形の被エッチングパターンを得ている。

これに対し、最近、リソグラフィ技術を用いて、被加工基板を立体的にエッチングする試みが提案されている。

例えば、半導体レーザからの信号光を光ファイバによって伝播させ、受光ダイオードで受信する光伝送システムでは、半導体レーザの発振光をレンズで集光し、発振光のファイバ入射面でのスポット径を、光ファイバのコア径に近づけることにより、伝送効率を高めることが行われている。このような用途に用いられる直径２５０μｍ程度の微細なレンズ（以下、マイクロレンズと称する。）について、従来の製造方法の一例を簡単に説明する（例えば、特許文献１又は特許文献２参照）。

特許文献１に開示された製造方法は、以下の工程を備えている。先ず、マイクロレンズ形成用の被加工基板上にレジスト材を塗布してレジスト膜を形成する。次に、透明のマスク基板上に、光透過領域となるスペースを隔てて、同心円状に設けられた遮光領域としての複数の遮光膜が形成されたフォトマスクを用いてレジスト膜を露光する。次に、露光されたレジスト膜を現像して、レジストパターンを得る。その後、ドライエッチングにより、レジストパターンが被加工基板に転写されて、マイクロレンズが得られる。

ここで用いられるフォトマスクでは、遮光膜の同心円の直径に沿った方向の配列周期が、当該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小さい。従って、フォトマスクを透過する光は、フォトマスクパターンを解像するのに充分なコントラストを有していない。また、同心円の中心点から、同心円の直径に沿って外側に向かうに従い、隣接するスペースの幅、すなわち、遮光膜の間隔が段階的に大きくなっている。

このため、レジスト膜を露光する光強度は、同心円の直径に沿って外側に向かうにつれて、段階的に大きくなる。このフォトマスクを用いて露光したポジ型のレジストを現像すると、直径に沿って外側に向かうにつれて、段階的に膜厚が減少するレジストパターンが形成される。

また、特許文献２には、フォトマスクとして、マスク基板に複数の溝による位相格子を形成し、各溝の深さや幅によって透過光の光強度を段階的に変化させる方法が開示されている。
特開平８−１６６６６６号公報 特開２００３−１７７５０７号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示されているフォトマスクでは、遮光膜が同心円状に配置されている。このため、球面レンズを作成する場合のように、中心からの距離が等しい場所のレジスト膜厚を等しくする場合は、遮光膜を同心円状に配置したフォトマスクパターンを用いることによって容易に行うことができるが、そうでない場合は、遮光膜が同心円状に配置されているフォトマスクを適用できない。

一方、上述の特許文献２に開示されているフォトマスクでは、位相格子を構成する各溝の深さを精密に制御することが困難である。このため、透過光の強度がばらつき、従って、レジストパターン形状が大きくばらついてしまうという課題がある。

また、レジスト膜厚方向の分解能は、特許文献１に開示されているフォトマスクでは、スペース幅の最大値及び最小値と、スペース幅の設定単位である最小変化量とに依存し、特許文献２に開示されているフォトマスクでは、位相格子を構成する溝の深さの制御性に依存する。一方、水平方向の分解能は、特許文献１及び特許文献２に開示されているフォトマスクでは、マスクパターンの配列周期に依存する。

水平方向やレジスト膜厚方向の位置精度を高めるためには、フォトマスクの製造にあたり、フォトマスクのスペース幅の最小値をさらに小さくする必要があるが、これは、フォトマスクの製造コストの大幅な上昇を引き起こす。このため、マスクパターン単独で、レジストパターンの位置精度を向上させるには限界がある。

そこで、この出願に係る発明者が鋭意研究を行った結果、一辺の長さが、露光装置の光学系の解像限界以下である正方形のマスクセルを最小単位として複数備えていて、各マスクセルが、光透過領域と遮光領域のいずれか一方又は双方を備え、光透過領域の面積はマスクセルごとに透過する光強度に応じて設定されているフォトマスクを用いて、露光装置の光学系の垂直焦点位置を、被加工基板の主表面上に形成されたレジスト膜に焦点が合っている位置からずらして露光することにより、フォトマスク単体で通常の一回露光によって得られる分解能以上のレジストパターンが得られることを見出した。

この発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、マスク製造の負荷を増加させること無く、より滑らかなレジストパターンを得ることが可能な、レジストパターンの形成方法、及びレジストパターンの形成に用いられるフォトマスクを提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明のレジストパターンの形成方法は、以下の工程を備えている。

先ず、マスク準備工程において、被加工基板の主表面上に、膜厚が不均一なレジストパターンを形成するにあたって用いられるフォトマスクを用意する。このフォトマスクは、透明なマスク基板の表面に行列状に配列された複数の正方形のマスクセルを有していて、各マスクセルの一辺の長さは、当該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小さく設定される。さらに、各マスクセルは、それぞれ光透過領域と遮光領域のいずれか一方又は双方を備え、及び、各マスクセルの面積に対する光透過領域の面積の比によって、各マスクセルを透過する光強度が与えられる。

次に、垂直位置合せ工程において、垂直焦点位置を、最適焦点位置とは異なる位置に合わせる。ここで、垂直焦点位置は、露光装置の光学系の、被加工基板の主表面に対して垂直方向の焦点位置である。また、最適焦点位置は、被加工基板の主表面上に形成されたレジスト膜に焦点が合っているときの垂直焦点位置である。

次に、露光工程において、フォトマスクを透過する光で、被加工基板の主表面上に形成されたレジスト膜を露光する。

次に、現像工程において、露光後のレジスト膜を現像して、レジストパターンを得る。

上述したレジストパターンの形成方法の実施にあたり、好ましくは、マスク準備工程では、フォトマスクとして、このフォトマスクが有する各マスクセルが、素子形成領域と、素子非形成領域とに分類され、素子非形成領域内の、素子形成領域に隣接する領域に補正領域を備え、及び、補正領域に含まれる各マスクセルは、当該補正領域に隣接する、素子形成領域に含まれるマスクセルと、マスクセルの面積に対する光透過領域の面積の比が等しいフォトマスクを用意するのが良い。

また、上述したレジストパターンの形成方法の実施にあたり、好ましくは、マスク準備工程では、フォトマスクとして、このフォトマスクが有する各マスクセルが、素子形成領域と、素子非形成領域とに分類され、素子非形成領域に管理パターンを備えるフォトマスクを用意するのが良い。管理パターンは、複数のボックスパターンを有し、各ボックスパターンは、それぞれマスクセルの面積に対する光透過領域の面積の比が等しい複数のマスクセルを備え、及び、面積の比がボックスパターンごとに異なる。

現像工程後に、各ボックスパターンに対応する領域のレジストパターンについて、レジストが残存しているか否かを検査することにより、レジストパターンの仕上がり確認を行う。

また、上述した目的を達成するために、この発明のフォトマスクは、被加工基板の主表面上に、膜厚が不均一なレジストパターンを形成するにあたって用いられ、透明なマスク基板の表面に行列状に配列された複数の正方形のマスクセルを有している。

マスクセルの一辺の長さは、当該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小さく設定されている。また、マスクセルは光透過領域と遮光領域のいずれか一方又は双方を備えている。マスクセルの面積に対する光透過領域の面積の比によって、各マスクセルを透過する光強度が与えられる。

フォトマスクが有する各マスクセルが、素子形成領域と、素子非形成領域とに分類され、素子非形成領域内の、素子形成領域に隣接する領域に補正領域を備えている。補正領域に含まれる各マスクセルは、当該補正領域に隣接する、素子形成領域に含まれるマスクセルと、マスクセルの面積に対する光透過領域の面積の比が等しい。

また、この発明のフォトマスクの好適な実施形態によれば、フォトマスクが有する各マスクセルが、素子形成領域と、素子非形成領域とに分類され、及び、素子非形成領域に複数のボックスパターンを有する管理パターンを備えるのが良い。

各ボックスパターンは、それぞれマスクセルの面積に対する光透過領域の面積の比が等しい複数のマスクセルを備え、及び、マスクセルの面積に対する光透過領域の面積の比がボックスパターンごとに異なる。

この発明のレジストパターンの形成方法によれば、垂直焦点位置を、レジスト膜に焦点が合っている最適焦点位置とは異なる位置に合わせて露光を行うので、マスクセルの面積に対する光透過領域の面積の比が変わる領域について、現像後のレジスト膜厚の変化が緩やかになる。この結果、各マスクセルに対応する光強度が、フォトマスク単体で通常の一回露光によって得られるレジストパターンに比べて滑らかなレジストパターンを得ることができる。

また、フォトマスクの素子形成領域に隣接して、補正領域を備える構成にして、補正領域に含まれる各マスクセルと、当該補正領域に隣接する素子形成領域に含まれるマスクセルについて、マスクセルの面積に対する光透過領域の面積の比が等しい構成にすると、素子形成領域の、素子非形成領域との境界付近での、目標値からのずれを低減することができ、レジストパターン全体としての寸法精度が高まる。

さらに、管理パターンを備えることで、光学顕微鏡等を用いて容易にレジストパターンの仕上がりを確認できる。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

なお、参照する図では、平面図について一部ハッチング等を付しているが、所要の領域部分を強調してあるに過ぎず、これらハッチング等は何ら断面を示すものではない。

（フォトマスク）
図１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）を参照して、被加工基板の主表面上に、膜厚が不均一なレジストパターンを形成するにあたって用いられるフォトマスクについて説明する。

図１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、フォトマスク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の模式的平面図である。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）は、横軸にＸ方向の位置を取って示し、及び、縦軸に透過光の光強度を取って示している。

フォトマスク１０は、石英ガラスなどの透明なマスク基板２０の表面に、複数の、同一の大きさの正方形状の単位領域を備えている。以下、この単位領域をマスクセル４０と称する。マスクセル４０は、互いに直交するＸ方向（又は行方向）及びＹ方向（又は列方向）に引かれた直線である複数の仮想格子線４６により、マスク基板２０の一方の主表面に等間隔に仕切られて設定された領域である。従って、これらマスクセル４０は、行列状に配列されている。

マスクセル４０は、それぞれ遮光領域４２と光透過領域４４のいずれか一方又は双方を備えている。遮光領域４２のマスク基板２０上には、例えば、クロムを蒸着するなどして遮光膜３０が形成されている。

マスクセル４０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１０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ている。このため、このフォトマスク１０を用いて被加工基板の主表面上に形成されたレジスト膜を露光した場合、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。

マスクセル４０中の、光透過領域４４の面積が大きいほど、当該マスクセル４０を透過する光強度が大きくなる。すなわち、マスクセル４０の面積に対する光透過領域４４の面積の比により、マスクセル４０を透過する光強度が与えられる。従って、マスクセル４０が、フォトマスク１０を透過する光強度を制御する基本単位になる。光透過領域の幅がＤ１の第１領域４１ａと光透過領域の幅がＤ２（＞Ｄ１）の第２領域４１ｂでは、第２領域４１ｂにおける透過光の光強度が、第１領域４１ａにおける光強度に比べて大きくなる（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４４と遮光領域４２の双方が設定されているマスクセル４０が、Ｙ方向の仮想二分線４８で二分され、仮想二分線４８の一方の側（図中、仮想二分線の右側）に光透過領域４４が設定され、他方の側（図中、仮想二分線の左側）に遮光領域４２が設定されている例を示している。このように各マスクセルについて、光透過領域４４が仮想二分線４８に対して同じ側に設定されているのが良い。これは、以下の理由による。

目標とされるレジスト形状が、連続的に膜厚が変化する曲面状の場合、レジスト膜厚の変化が緩やかな領域では、同一の光強度のマスクセル４０が連続して設定されることがある。各マスクセル４０について、仮想二分線４８に対して、同じ側に光透過領域４４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４０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４０の遮光膜３０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４０について光透過領域４４と遮光領域４２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、フォトマスクは、光透過領域４４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４０に遮光領域４２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備える構成でもよい。

例として、露光装置の露光波長λが３６５ｎｍであり、縮小投影倍率が５倍のｉ線ステッパを用いる場合について説明する。

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）４２の幅Ｗの比は、１：１としている。ピッチは、マスクピッチＰをレジスト面に射影した長さに相当する。縮小投影倍率が５倍の場合、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。

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が与えるレジストへの影響が、許容できる範囲内であれば良い。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がレジストに与える影響は、許容できる。

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、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４４の幅Ｄや、遮光領域４２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４４の幅Ｄ、及び、遮光領域４２の幅Ｗの最小値を固定して、マスクセル４０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でのレジストにおける最小寸法が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、レジストにおける寸法に縮小投影倍率、ここでは５倍を乗ずれば良い。このとき、スペース幅、すなわち、レジストにおける寸法に換算した光透過領域の幅は、１５０〜３３０ｎｍに設定できる。

一方、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同じく１５０ｎｍであるとする。このとき、設定できるスペース幅は、１５０〜２５０ｎｍ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３１〜６９％であり、ピッチが４００ｎｍのとき３８〜６３％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７０〜２３０ｎｍ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の大きさが数＋から数百μｍと十分大きい場合、レジストにおけるピッチは４００〜５００ｎｍ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。

以下の説明では、露光装置としてｉ線ステッパ（例えば、Ｎｉｋｏｎ社製、商品名ＮＳＲ−ｉ１１Ｄ）を用い、露光条件をＮＡ＝０．５、σ＝０．５、縮小投影倍率を５倍としたときの例について説明する。レジストとして、ポジ型のレジスト材（例えば、ＪＳＲ社製の商品名ＩＸ４１０）を用いる。この場合、マスクセルの一辺の長さが４８０ｎｍ以下のとき、フォトマスクパターンは解像されないので、当該フォトマスクは、マスクセルごとに異なる光強度の光を透過させる、いわゆるグレイマスクとして機能させることができる。そこで、ピッチを４８０ｎｍとしたときの例について説明する。

なお、以下の説明では、ポジ型のレジスト材を用いる例について説明するが、ネガ型のレジスト材を用いても良い。

図２は、最適焦点位置における光強度分布を示す特性図である。図２は、レジスト膜上での光強度分布をシミュレーションにより求めた結果を示している。図２では、横軸にＸ方向の位置（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸に光強度（任意単位）を取って示す。

ここでは、垂直焦点位置を、最適焦点位置に合わせている。垂直焦点位置は、露光装置の光学系の焦点位置であって、被加工基板の主表面に垂直方向の位置である。最適焦点位置は、露光装置の縮小投影レンズの光学系、レジスト膜の厚み及び屈折率等によって定まる位置であって、垂直焦点位置が最適焦点位置に一致しているとき、光学系の焦点が合っているという。

ここでＸ＜０の領域では、スペース幅を２４０ｎｍとし、また、Ｘ≧０の領域では、スペース幅を２５０ｎｍとする。このとき、Ｘ＝０近傍において、オーバーシュート及びアンダーシュートが発生しているが、Ｘ＜０のスペース幅が２４０ｎｍの領域では、０．２３の光強度でほぼ一定であり、及びＸ≧０のスペース幅が２５０ｎｍの領域では、０．２５の光強度でほぼ一定であり、従って、光強度分布は、ステップ関数的に変化している。

次に、垂直焦点位置を、最適焦点位置からずらした場合を考える。図３は、垂直焦点位置を最適焦点位置からずらしたときの光分布を示す特性図であって、図２と同様にシミュレーションにより得られた結果を示している。図３では、横軸にＸ方向の位置（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸に光強度（任意単位）を取って示している。図３は、焦点位置を、最適焦点位置から２、４及び６μｍずらした場合の光強度分布をそれぞれ曲線Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩで示している。

垂直焦点位置を最適焦点位置からずらすと、ずれの大きさ（以下、デフォーカス量と称することもある。）が２μｍ（曲線Ｉ）から６μｍ（曲線ＩＩＩ）へと大きくなるにつれて、Ｘ＝０近傍においてＸ座標に対する光強度変化の傾きが小さくなる。すなわち、光強度分布がステップ形状から崩れて、光透過領域の幅が変わる部分において、光強度変化が滑らかになる。

（第１実施形態）
第１実施形態のレジストパターンの形成方法について、被加工基板を加工してレンズを形成する例について説明する。ここで、形成するレンズは、半径２５μｍ及びサグ３．５μｍのレンズとする。ここで、サグは、弦から図った曲線の高さｈを示す。

図４は、被加工基板を加工してレンズを形成するためのレジストパターンを模式的に示す断面図である。被加工基板１００としてシリコン基板上にレジストパターン２１０が形成されている。ここで、被加工基板１００の主表面１００ａに垂直な方向をＺ方向とし、及び、主表面１００ａをＸＹ平面としている。図４は、ＸＺ平面での断面の切り口を示している。ここで、レンズ中心をＸ座標及びＹ座標の原点とする。

被加工基板１００をエッチングにより加工してレンズを形成する場合、被加工基板１００上に形成されるレジストパターン２１０は、形成されるレンズの形状に対応して、レンズと同様の形状に形成される。エッチングによりこのレジストパターン２１０の形状が被加工基板１００に転写されて、レンズが形成される。

ピッチを４８０ｎｍとして、スペース幅Ｗを１５０ｎｍから３３０ｎｍまで１０ｎｍ刻みで変化させる場合は、光強度及び現像後のレジスト膜厚は１９段階に変化させることができる。

上述のレジスト材を膜厚３．５μｍで被加工基板上に塗布してレジスト膜を形成し、このレジスト膜に対して２９０ミリ秒（ｍｓ）の露光及び現像を行えば、スペース幅３３０ｎｍから１５０ｎｍの間で、現像後のレジスト膜厚はほぼ線形の特性を示す。図５は、レジスト膜厚のスペース幅依存性を示す特性図である。図５は、横軸にスペース幅Ｗ（単位：ｎｍ）を取って示し、及び、縦軸にレジスト膜厚を膜厚３．５μｍの場合を１として規格化した、規格化レジスト膜厚を取って示している。

先ず、マスク準備工程Ｓ１０において、図１を参照して説明したフォトマスクを準備する。

マスク準備工程Ｓ１０では、先ず、目標とするレンズの形状に対応するレジストパターンを、Ｘ方向及びＹ方向に等しい間隔（ここでは４８０ｎｍ間隔）で引いた複数の仮想格子線により、レジストセルに分割する。レジストセルは、正方形状であり、かつＸ方向及びＹ方向に行列状に配列される。

次に、各レジストセルの中央でのレジスト膜厚を得るのに必要な強度でレジスト膜を露光できるようにするために、対応するマスクセルのスペース幅を、図５に示す関係を用いて求める。

スペース幅は、１９段階で調整できるので、目標とする規格化レジスト膜厚が０．０５３未満であれば、スペース幅を３３０ｎｍとし、０．０５３以上０．１０５未満であれば、３２０ｎｍとし、０．１０５以上０．１５８未満であれば３１０ｎｍとし、以下同様に各レジストセルに対応するマスクセルのスペース幅Ｄを定める。

図６は、Ｘ方向に配列されたマスクセルについてスペース幅の分布を示す図である。図６は、横軸にＸ座標（μｍ）を取って示し、及び縦軸に対応するマスクセルのスペース幅（ｎｍ）を取って示している。ここでは、Ｘ座標が０以上の領域について、マスクセルのスペース幅を示している。

マスク準備工程Ｓ１０に続いて、垂直位置合せ工程Ｓ２０を行う。垂直位置合せ工程Ｓ２０では、垂直焦点位置を最適焦点位置とは異なる位置に合わせる。

図７を参照して、最適焦点位置を求める方法について説明する。図７（Ａ）及び（Ｂ）は、最適焦点位置を求める方法について説明するための図である。図７（Ａ）は、最適焦点位置を求める方法を模式的に示している。

先ず、基準焦点位置を定める。基準焦点位置は、露光装置の光学系等によって定まる露光装置固有の位置である。この位置は、露光装置の仕様により定めても良いし、他の製造工程でこの露光装置を使用している場合は、他の製造工程で得られた値を用いても良い。ここで定められた基準焦点位置をＺ軸の原点とする。

次に、焦点位置決定用マスクを用意する位置決定用マスク準備工程Ｓ５を行う。焦点位置決定用マスク３１０は、透明なマスク基板３２０の表面に、露光装置の光学系の解像限界となる長さよりも大きい配列周期Ｐ０で配列された、複数の帯状の遮光膜３３０を備えている。

位置決定用マスク準備工程Ｓ５に続いて、レジスト幅測定工程Ｓ７を行う。この工程Ｓ７では、焦点位置決定用マスク３１０を用いて、複数の垂直焦点位置について、主表面１００ａ上にレジスト膜２００を形成した被加工基板１００に対する、露光、現像、及び、現像後の帯状のレジスト残部の幅の測定を行う。このとき、被加工基板１００上に形成するレジスト膜２００の材質及び厚みは、マイクロレンズの製造に用いるのと同じ条件とする。

ここで、用いられる露光装置の構成、及びレジスト膜厚３．５μｍの条件では、遮光領域の幅Ｗ及びその間隔Ｄがともに、１．０μｍ程度のパターンを解像可能である。ただし、現像後のレジストの帯状のパターン（以下、ラインパターンとも称する。）が倒れる、いわゆるパターン倒れを防ぐために、アスペクト比を２〜２．５とするのが妥当である。そこで、ここでは、遮光領域の幅Ｗ０及びその間隔Ｄ０をともに１．５μｍとする。

現像により得られたレジスト残部のラインパターンの幅を、例えば、測長走査型電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ：Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ−Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｒｃｒｏｓｃｏｐｅ）で測定する。

次に、最適焦点位置取得工程Ｓ９を行う。この工程Ｓ９では、垂直焦点位置とレジスト残部の幅との関係から、最適焦点位置及び露光工程における揺らぎを考慮した焦点深度を求める。

図７（Ｂ）は、垂直焦点位置（Ｚ方向の焦点位置）とレジスト幅の関係を示す図である。ここでは、被加工基板１００の主表面１００ａを基準焦点位置、すなわちＺ軸の座標原点とし、縮小投影レンズ４００に向かう方向をＺ軸の正の方向とする。

ラインパターンの幅が極大となる垂直焦点位置が、最適焦点位置Ｚ_０となる。ここでは、Ｚ＝＋２．０μｍのときに、レジスト幅が極大Ｌｍａｘとなり、遮光領域の幅Ｗの１．５μｍに対応するレジスト幅が得られる。なお、レジスト材として、ネガ型のレジストを用いる場合は、垂直焦点位置が最適焦点位置Ｚ_０にある場合に、レジスト幅が極小となる。

また、ここでは、レジスト幅が最大値Ｌｍａｘから、±５％の範囲内となる焦点位置を、焦点位置の許容範囲（焦点深度）とする。この場合、最適焦点位置Ｚ_０から±２μｍの範囲、すなわち、０μｍ＜Ｚ＜＋４μｍが焦点深度となる。なお、焦点深度は要求される精度に基づいて定めれば良く、設定に応じて±５％よりも狭い範囲にすることも、広い範囲にすることも可能である。

ここで、露光装置の光学系のレンズ収差、被加工基板及びレジストの凹凸、露光装置の垂直位置の設定精度などの露光工程における揺らぎにより、被加工基板の水平位置によっては、焦点位置が設定した位置からずれる。レンズ収差、被加工基板及びレジストの凹凸、露光装置の垂直位置の設定精度のそれぞれは、±０．１〜±０．５μｍ程度の精度を有しているが、これらが組み合わされた場合、焦点位置が最適焦点位置から１μｍ程度ずれて、焦点位置を焦点深度内に設定したときであっても、被加工基板の位置によっては、焦点位置が焦点深度から外れる恐れがある。

そこで、通常、焦点位置は、上記の焦点深度について露光工程における揺らぎを考慮した焦点深度（以下、補正焦点深度）の範囲内に設定される。

例えば、焦点深度が±２μｍで、露光工程における揺らぎが±１μｍの場合、補正焦点深度は、±１（＝２−１）μｍになる。この補正焦点深度の範囲内であれば、露光工程における揺らぎがあっても、露光領域が全て焦点深度内に収まる。

ここでは、垂直位置を変えて焦点深度を実測により求めて、別途得られている露光工程における揺らぎを考慮して補正焦点深度を求める例について説明したが、この例に限定されない。例えば、それぞれの垂直焦点位置について、水平位置を変えて露光を行って、被加工基板全面についてレジスト幅を測定した結果から、補正焦点深度を実測により求めてもよい。

次に、上述したフォトマスクを用いて、垂直焦点位置を最適焦点位置とは異なる位置に合わせて、露光及び現像を行う。ここで、垂直焦点位置は、最適焦点位置から少なくとも補正焦点深度よりも離れた位置、より好適には、補正焦点深度の２〜１０倍程度離れた位置に合わせるのが良い。なお、垂直焦点位置と最適焦点位置の間の距離の大きさであるデフォーカス量は、シミュレーション又は実測により、好適な値を選択することができる。以下、デフォーカス量を選択する方法について説明する。

図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）は、垂直焦点位置を変えた場合のレジスト膜厚を示す図であって、横軸にＸ軸上の位置（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸にレジスト膜厚（単位：μｍ）を取って示している。それぞれ、現像後のレジスト膜厚を曲線Ｉで示し、目標とするレンズ形状に対応するレジスト膜厚を曲線ＩＩで示している。

また、図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）は、垂直焦点位置を変えた場合の、現像後のレジスト膜厚の目標値との差分を示す図であって、横軸にＸ軸上の位置（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸に露光後のレジスト膜厚の目標値との差分（単位：μｍ）を取って示す。

なお、図８及び図９は、図６で示される領域と同じ領域を示している。

図８（Ａ）及び図９（Ａ）は、垂直焦点位置が２μｍ、すなわち、垂直焦点位置が最適焦点位置にあるときの分布を示している。この場合、光透過領域の幅が変わる部分において、光強度分布にオーバーシュート又はアンダーシュートが見られるが、光透過領域の幅を反映したステップ状の光強度変化が認められる。

図８（Ｂ）及び図９（Ｂ）は、垂直焦点位置、すなわちＺ座標が０μｍのときの光強度分布及び目標値との差分を示す。図８（Ｃ）及び図９（Ｃ）は、垂直焦点位置が−２μｍのときの光強度分布及び目標値との差分を示す。また、図８（Ｄ）及び図９（Ｄ）は、垂直焦点位置が−４μｍのときの光強度分布及び目標値との差分を示す。

垂直焦点位置が、最適焦点位置から離れるに従って、すなわちデフォーカス量が大きくなるに従って、光透過領域の幅が変わる部分において、光強度の変化が滑らかになり、Ｘ座標が２０μｍよりも小さい領域では、目標値に対する差分も小さくなる。一方、Ｘ座標が２０μｍよりも大きい領域、すなわちレンズ端部において、デフォーカス量が大きくなるに従って、設定した光強度との差異が大きくなる。

図１０に、垂直焦点位置と、現像後のレジスト膜厚の目標値からの差分の二乗和の関係を示す。図１０（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）では、横軸に垂直焦点位置を取って示し、及び、縦軸に目標値からの差分の二乗和を取って示している。図１０（Ａ）は、Ｘが０〜２５μｍの範囲、すなわち、レンズ中央から端の部分までの全体について示す。図１０（Ｂ）は、Ｘが０〜２０μｍの範囲、すなわち、レンズ端の部分（以下、レンズ下部と称することもある。）を除いた中央付近の部分（以下、レンズ上部と称することもある。）について示す。図１０（Ｃ）は、Ｘが２０〜２５μｍの範囲、すなわち、レンズ下部について示している。

図１０（Ｂ）に示されるように、レンズ上部（Ｘが０〜２０μｍの範囲）については、垂直焦点位置が＋２〜４μｍ付近、つまり最適焦点位置Ｚ_０付近で、差分が極大となり、垂直焦点位置が−４μｍ付近と＋１０μｍ付近で極小となる。

また、図１０（Ｃ）に示されるように、レンズ下部（Ｘが２０〜２５μｍの範囲）については、垂直焦点位置が最適焦点位置Ｚ_０であるＺ＝＋２μｍ付近で差分が極小となる。

このように、レンズ上部とレンズ下部とで差分が極小となる焦点位置が異なるが、レンズ全体としては、図１０（Ａ）に示されるように、０μｍ付近、すなわち、垂直焦点位置を、最適焦点位置Ｚ_０（Ｚ＝＋２μｍ）から、補正焦点深度１μｍの２倍の２μｍだけ負の方向に離れた状態で差分の二乗和が最も小さくなる。この場合、差分の二乗和が最小となるときのデフォーカス量として２μｍを選択して、垂直焦点位置を０μｍ（＝Ｚ_０−２μｍ）に合わせれば良い。このときの二乗和はおよそ１．０４であり、垂直焦点位置が最適焦点位置Ｚ_０に合わせられたときの二乗和の１．１４に比べて１０％程度小さくなる。

なお、被加工基板の主表面をＺ軸の原点である基準焦点位置に合わせて、この原点を基準として垂直焦点位置を変化させるには、被加工基板の主表面と、垂直焦点位置との相対的な位置関係を設定すれば良い。すなわち、露光装置の焦点位置を固定して、被加工基板をＺ軸に沿って移動させることで、垂直焦点位置を設定しても良いし、被加工基板のＺ軸に沿った位置を固定して、露光装置の光学系を調節して焦点位置を移動させることで、垂直焦点位置を設定しても良い。

この発明のレジストパターンの形成方法によれば、フォトマスクパターンを解像するのに最適な最適焦点位置とは異なる位置に合わせて露光を行うので、各マスクセルに対応する光強度が、フォトマスク単体で通常の一回露光で得られる光の階調に比べて滑らかになる。この結果、フォトマスクパターンを解像するのに最適な最適焦点位置に合わせて露光するのに比べて、滑らかな、より目標形状に近いレジストパターンを得ることができる。

（第２実施形態）
レンズ全体としては、第１実施形態で示したように、Ｚ＝０μｍのときに、目標値からの差分の二乗和が最小となる。

しかし、曲率半径が大きいレンズ上部（図１０（Ｂ）参照。）と、曲率半径が小さいレンズ下部（図１０（Ｃ）参照。）とでは、目標値からの差分の二乗和が極小となる焦点位置が異なっている。

レンズ上部（０＜Ｘ＜２０）では、最適焦点位置Ｚ_０（＝＋２μｍ）から、補正焦点深度（±１μｍ）の６〜８倍程度離したとき（Ｚ＝−４、＋１０μｍ）、目標値からの差分の二乗和が極小となる。

一方、レンズ下部（２０＜Ｘ＜２５）では、最適焦点位置Ｚ_０（＝＋２μｍ）のときに極小となり、最適焦点位置Ｚ_０から離れるに従って、目標値からの差分の二乗和は増大する。

これは、垂直焦点位置を、最適焦点位置Ｚ_０から離すと、レンズ端部の後退の影響が大きくなることを示している。

そこで、第２実施形態では、例えば、焦点位置を、レンズ上部に対して目標値からの差分の二乗和が最小となる位置（Ｚ＝−４μｍ）とし、レンズ下部については、補正パターンを設ける。

第２実施形態では、レンズ非形成領域に補正パターンを設けたフォトマスクを用いる点が第１実施形態と異なっていて、それ以外の点については第１実施形態と同様なので重複する説明を省略する。補正パターンは、レンズ形成領域の周囲に設けられる。

図１１は、第２実施形態のフォトマスクを説明するための模式図である。フォトマスク１１が備えるマスクセルは、素子形成領域としてレンズ形成領域１４と、素子非形成領域として、レンズ形成領域１４以外の領域であるレンズ非形成領域１６とに分類される。補正領域１８は、レンズ非形成領域１６内の、レンズ形成領域１４に隣接する領域に備えられている。

補正領域１８に含まれるマスクセル（以下、補正パターンと称することもある。）は、隣接するレンズ形成領域に含まれるマスクセルと、マスクセルの面積に対する光透過領域の面積の比が等しい。

例えば、レンズ非形成領域のマスクセルが、遮光領域を備えないパターンの場合、垂直焦点位置が最適焦点位置からずれることによって、レンズ形成領域の外周囲付近は、レンズ非形成領域のマスクセルを透過する光により、設定した光強度よりも強い光で露光される。このため、設定した光強度との差異が大きくなる。そこでレンズ形成領域の周囲に補正パターンを設けることで、レンズ形成領域の外周囲付近でも、設定した光強度との差異が小さくなり、理想的な形状に近づく。

なお、この補正パターンの個数は、デフォーカス量等に応じて好適な値にすればよい。デフォーカス量が小さければ、補正パターンの幅は狭くすることができる。一方、デフォーカス量が大きければ、レンズ形成領域に影響を与えるレンズ非形成領域の範囲が拡がるので、補正パターンの幅を広げるのが良い。

図１２は、Ｘ方向に配列されたマスクセルについてスペース幅の分布を示す図である。図１２は、横軸にＸ座標（μｍ）を取って示し、及び、縦軸に対応するマスクセルのスペース幅（ｎｍ）を取って示している。ここでは、ＸＹ平面におけるレンズ中心を原点とするＸ軸上の、Ｘ座標が０以上の領域について、マスクセルのスペース幅を示している。レンズ形成領域の外側（図中、Ａで示す部分）に補正パターンを備えている。

図１３及び図１４を参照して、補正パターンの個数を変えた場合の光強度分布について説明する。

図１３（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、補正パターンの個数を変えた場合のレジスト膜厚を示す図であって、横軸にＸ軸上の位置（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸にレジスト膜厚（単位：μｍ）を取って示している。それぞれ、現像後のレジスト膜厚を曲線Ｉで示し、目標とするレンズ形状に対応するレジスト膜厚を曲線ＩＩで示している。

また、図１４（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、補正パターンの個数を変えた場合の、現像後のレジスト膜厚の目標値との差分を示す図であって、横軸にＸ軸上の位置（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸に露光後のレジスト膜厚の目標値との差分（単位：μｍ）を取って示す。

図１３及び図１４は、垂直焦点位置が−４μｍ、すなわち、垂直焦点位置が、レンズ上部において目標値からの差分の二乗和が極小となる位置のときの分布を示している。

図１３（Ａ）及び図１４（Ａ）は、補正パターンの個数を４個としている。図１３（Ｂ）及び図１４（Ｂ）は、補正パターンの個数を６個としている。また、図１３（Ｃ）及び図１４（Ｃ）は、補正パターンの個数を８個としている。

図１４（Ａ）に示されるように、垂直焦点位置が−４μｍの場合、補正パターンの個数が４個のときは、第１実施形態の補正パターンを備えない構成の最大０．３μｍ程度の差に比べて、目標形状との差が小さくなり０．２μｍ程度になっている。

さらに補正パターンの個数を増やして６個にすると、目標形状との差がさらに小さくなり、最大でも０．０５μｍ程度となる（図１４（Ｂ））。

なお、さらに補正パターンの個数を増やして８個にすると、目標形状との差が６個の場合に比べて大きくなり、０．１μｍ程度になる。これは、例えば、以下のような原因が考えられる（図１４（Ｃ））。

露光の際の散乱光により周辺領域のレジスト層には、対応するマスクセルを透過する光よりも多くの光が当たる場合があり、マスクパターンの設計の際には、この散乱光の寄与も考慮する。このとき、補正パターンの個数を多く設定すると、散乱光が減るため、レンズ下部においては、予定していた光強度で露光されない。

このため、補正パターンを８個にすると、レンズ下部において、目標値よりもレジスト膜が厚くなる。

なお、露光及び現像後の基板検査において、レジストの有無により基板検査が行われるために、レンズ形成領域１４にレジストが残存し、レンズ非形成領域１６のレジストは、全て除去されているのが好ましい。このため、補正パターンの幅は、できるだけ細くするのが良い。

図１５に、垂直焦点位置と、現像後のレジスト膜厚の目標値からの差分の二乗和の関係を示す。図１５は、補正パターンの個数を４、６、７及び８個とした場合について、垂直焦点位置を変えたときの、目標値からの差分の二乗和を示している。図１５は、横軸に垂直焦点位置を取って示し、及び、縦軸に目標値からの差分の二乗和を取って示している。図１５では、補正パターンの個数が４、６、７及び８個の場合を、それぞれ曲線I、II、III及びIVで示している。

垂直焦点位置が−４μｍで、図にIIで示す補正パターンの個数が６のとき、差分の二乗和は０．１以下となり、第１実施形態の最小値の１．０４と比較すると１０分の１程度に小さくなっている。

このように、フォトマスクの素子形成領域の周囲に補正パターンを備える構成にすると、素子形成領域の、素子非形成領域との境界付近での、目標値からのずれを低減することができ、レジストパターン全体としての寸法精度が高まる。

（第３実施形態）
通常の、半導体製造工程においては、遮光領域と光透過領域を交互に備えるラインアンドスペースパターンを管理パターンとして、その寸法によって仕上がり状態を管理するのが一般的である。管理精度を高めるためには、その工程で用いられる最も微細なパターンと同程度の寸法であることが望ましい。

しかし、本発明の各実施形態で用いるパターンのピッチは、露光装置の光学系の解像限界以下の大きさであるため、このピッチで形成したラインアンドスペースパターンは、全く解像しない。従って、ラインアンドスペースパターンを、寸法による管理を行うための管理パターンとして用いることができない。そこで、ここでは、管理パターンとして複数のボックス（ＢＯＸ）パターンを備えるフォトマスクを用いる。

図１６は、第３実施形態のフォトマスクを説明するための模式図である。フォトマスク１２が備えるマスクセルは、素子形成領域としてのレンズ形成領域１４と、素子非形成領域としてのレンズ非形成領域１６とに分類される。管理パターン７０は、レンズ非形成領域１６に形成される。管理パターンは、露光領域の外周付近１２ａ、又はレンズ形成領域１４間など、設定に応じて複数設けることができる。

図１７は、管理パターンの概略図である。１つの管理パターン７０は、複数のＢＯＸパターン７１、７２、７３、７４、７５及び７６を備えている。各ＢＯＸパターン７１〜７６は、光学顕微鏡による目視確認が行いやすい大きさのパターンとして形成され、例えば、一辺が１０〜１００μｍの正方形状である。ＢＯＸパターン７１〜７６の内部は、図１を参照して説明したフォトマスク、すなわち、グレイマスクと同じピッチのラインアンドスペースパターンが配置されている。スペース幅は、各ＢＯＸパターン内では一定であり、ＢＯＸパターンごとに異なるスペース幅を有している。

スペース幅は、大きい方から順に５種類程度を選択するのが良い。また、管理パターンには、リファレンスとして遮光領域を備えないＢＯＸパターンを備えるのが良い。

マスクセルの一辺の長さ、すなわちピッチが４８０ｎｍ、最小寸法が１５０ｎｍ及び最小寸法刻み幅が１０ｎｍのとき、管理パターンは、スペース幅が３３０、３２０、３１０、３００、２９０ｎｍの５種類のＢＯＸパターン（７２、７３、７４、７５及び７６）と、リファレンスとして全て光透過領域のＢＯＸパターン７１とを備える。

管理パターン７０と同じ構成のパターンを備える管理マスクを用いて、露光感度を得る感度測定工程Ｓ３を行う。感度測定工程Ｓ３では、異なる複数の露光時間に対して、被加工基板の主表面上に形成されたレジスト膜に対する、露光及び現像を行う。その後、ＢＯＸパターンに対応する領域のレジストパターンについて、各露光時間に対してレジスト膜が残存しているか否かを検査し、露光時間と露光後のレジスト膜が残存しているか否かとの関係から、露光感度を得る。

例えば、この管理パターン７０について、目標露光量を与える露光時間２９０ミリ秒と、その±５ミリ秒の露光時間である２８５、２９５ミリ秒におけるレジスト残膜を、予め測定しておく。図１８は、管理パターンにおけるレジスト残膜の露光量依存性を示す図である。

図１８（Ａ）は、露光時間が２８５ミリ秒におけるレジスト残膜を示し、図１８（Ｂ）は、露光時間が２９０ミリ秒におけるレジスト残膜を示し、及び、図１８（Ｃ）は、露光時間が２９５ミリ秒におけるレジスト残膜を示している。

例えば露光時間が２８５ミリ秒のときは、スペース幅が３３０ｎｍのＢＯＸパターン８２ａまでが、レジストが全て除去された状態であるレジスト抜けとなり（図１８（Ａ））、２９０ミリ秒のときは、スペース幅が３３０及び３２０ｎｍのＢＯＸパターン８２ｂ及び８３ｂがレジスト抜けし（図１８（Ｂ））、及び、２９５ミリ秒のときは、スペース幅が３３０、３２０及び３１０ｎｍのＢＯＸパターン８２ｃ、８３ｃ及び８４ｃがレジスト抜けする（図１８（Ｃ））。

フォトマスクに管理パターン７０を設けておけば、現像後に、管理パターンに対応するレジストパターンの目視検査を行い、スペース幅３３０ｎｍのＢＯＸパターンがレジスト抜けし、かつ、スペース幅３００ｎｍのＢＯＸパターンがレジスト抜けせずにレジストが残存している場合に、目標露光量である２９０ミリ秒±５ミリ秒の露光がなされたものと判定できる。このように、ＢＯＸパターンに対応する領域のレジストパターンについて、レジストが残存しているか否かを検査することにより、レジストパターンの仕上がり確認を行う。

上述の管理パターンの構成の場合、目標露光量の２９０ミリ秒に対して、±５ミリ秒、すなわち、約１．７％の感度で検出可能である。なお、さらに高感度が要求される場合は、例えばスペース幅を１０ｎｍから１／２の５ｎｍ刻みにすれば、感度を２倍程度に高めることができる。

ここで、ＢＯＸパターンに対応するレジストパターンの検査に、光学顕微鏡を用いる例について説明したが、ＢＯＸパターンの大きさによっては肉眼で行っても良い。

なお、第３実施形態では、フォトマスクが管理パターン７０を備える構成について説明したが、図１１を参照して説明した第２実施形態のフォトマスクと同様に、さらに補正パターンを備える構成としても良い。

また、上述した各実施形態では、露光装置としてｉ線ステッパ（波長３６５ｎｍ）を用いる例について説明したが、光源としてＫｒＦレーザ（波長２４８ｎｍ）又はＡｒＦレーザ（波長１９３ｎｍ）を備える露光装置を用いても良い。

フォトマスクを説明するための模式図である。 最適焦点位置における光強度分布を示す特性図である。 最適焦点位置からずれた場合の光強度分布を示す特性図である。 レンズを形成するためのレジストパターンを示す模式図である。 レジスト膜厚のスペース幅依存性を示す特性図である。 フォトマスクのスペース幅の分布を示す図である。 最適焦点位置を求める方法を説明するための図である。 垂直焦点位置を変えた場合のレジスト膜厚について説明するための図である。 目標とレジスト膜厚との差分を示す図である。 垂直焦点位置と、目標値からの差分の二乗和の関係を示す図である。 第２実施形態のフォトマスクを説明するための模式図である。 第２実施形態のフォトマスクのスペース幅の分布を示す図である。 補正パターンの個数を変えた場合のレジスト膜厚について説明するための図である。 目標とレジスト膜厚との差分を示す図である。 垂直焦点位置と、目標値からの差分の二乗和の関係を示す。 第３実施形態のフォトマスクを説明するための模式図である。 管理パターンの概略図を示す図である。 管理パターンにおけるレジスト残膜の露光量依存性を示す図である。

符号の説明

１０、１１、１２ フォトマスク
１４ レンズ形成領域
１６ レンズ非形成領域
１８ 補正領域
２０、３２０ マスク基板
３０、３３０ 遮光膜
４０ マスクセル
４１ａ 第１領域
４１ｂ 第２領域
４２ 遮光領域
４４ 光透過領域
４６ 仮想格子線
４８ 仮想二分線
７０、８０ａ、８０ｂ、８０ｃ 管理パターン
７１、７２、７３、７４、７５、７６ ＢＯＸパターン
８１ａ、８２ａ、８３ａ、８４ａ、８５ａ、８６ａ ＢＯＸパターン
８１ｂ、８２ｂ、８３ｂ、８４ｂ、８５ｂ、８６ｂ ＢＯＸパターン
８１ｃ、８２ｃ、８３ｃ、８４ｃ、８５ｃ、８６ｃ ＢＯＸパターン
１００ 被加工基板
１００ａ 主表面
２００ レジスト膜
２１０ レジストパターン
３１０ 焦点位置決定用マスク
４００ 縮小投影レンズ

Claims (16)

1. 被加工基板の主表面上に、膜厚が不均一なレジストパターンを形成するにあたって用いられるフォトマスクであって、
   透明なマスク基板の表面に行列状に配列された複数の正方形のマスクセルを有し、
   前記各マスクセルの一辺の長さは、当該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小さく設定され、
   前記各マスクセルは、それぞれ光透過領域と遮光領域のいずれか一方又は双方を備え、及び、
   前記各マスクセルの面積に対する前記光透過領域の面積の比によって、前記各マスクセルを透過する光強度が与えられる
   当該フォトマスクを用意するマスク準備工程と、
   前記露光装置の光学系の、前記被加工基板の前記主表面に対して垂直方向の垂直焦点位置を、前記被加工基板の前記主表面上に形成されたレジスト膜に焦点が合っている位置である最適焦点位置とは異なる位置に合わせる垂直位置合せ工程と、
   前記フォトマスクを透過する光で前記レジスト膜を露光する露光工程と、
   露光後の前記レジスト膜を現像して、レジストパターンを得る現像工程と
   を備えることを特徴とするレジストパターンの形成方法。
2. 前記露光工程の前に、
   透明なマスク基板の表面に、前記露光装置の光学系の解像限界となる長さよりも大きい配列周期で配列された、複数の帯状の遮光膜を備える焦点位置決定用マスクを用意する位置決定用マスク準備工程と、
   複数の前記垂直焦点位置について、被加工基板の主表面上に形成されたレジスト膜に対する、露光及び現像と、現像後の帯状のレジスト残部の幅の測定を行うレジスト幅測定工程と、
   前記垂直焦点位置と前記レジスト残部の幅との関係から、前記最適焦点位置、及び露光工程における揺らぎを考慮した焦点深度を求める最適焦点位置取得工程と
   を行うことを特徴とする請求項１に記載のレジストパターンの形成方法。
3. 前記最適焦点位置取得工程では、
   前記レジスト残部の幅が極大又は極小となる前記垂直焦点位置を、前記最適焦点位置に合わせる
   ことを特徴とする請求項２に記載のレジストパターンの形成方法。
4. 前記垂直位置合せ工程では、
   前記垂直焦点位置を、前記最適焦点位置から、少なくとも前記揺らぎを考慮した焦点深度の大きさだけ離れた位置に合わせる
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載のレジストパターンの形成方法。
5. 前記垂直位置合せ工程では、
   前記垂直焦点位置を、前記最適焦点位置から、前記揺らぎを考慮した焦点深度の大きさの２〜１０倍離れた位置に合わせる
   ことを特徴とする請求項４に記載のレジストパターンの形成方法。
6. 前記マスク準備工程では、
   前記フォトマスクとして、
   該フォトマスクが有する各マスクセルが、素子形成領域と、素子非形成領域とに分類され、
   前記素子非形成領域内の、前記素子形成領域に隣接する領域に補正領域を備え、及び
   該補正領域に含まれる各マスクセルは、当該補正領域に隣接する、前記素子形成領域に含まれるマスクセルと、マスクセルの面積に対する光透過領域の面積の比が等しい
   フォトマスクを用意する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のレジストパターンの形成方法。
7. 前記マスク準備工程では、
   前記フォトマスクとして、
   前記素子非形成領域に含まれるマスクセルであって、前記補正領域に含まれないマスクセルは、光透過領域と遮光領域のいずれか一方を備える
   フォトマスクを用意する
   ことを特徴とする請求項６に記載のレジストパターンの形成方法。
8. 前記マスク準備工程では、
   前記フォトマスクとして、
   該フォトマスクが有する各マスクセルが、素子形成領域と、素子非形成領域とに分類され、及び、該素子非形成領域に管理パターンを備えるフォトマスクであって、
   該管理パターンは複数のボックスパターンを有し、
   前記ボックスパターンのそれぞれは、マスクセルの面積に対する光透過領域の面積の比が等しい複数のマスクセルを備え、及び
   前記面積の比が、前記ボックスパターンごとに異なる
   当該フォトマスクを用意し、
   前記現像工程後に、得られたレジストパターンの前記各ボックスパターンに対応する領域について、レジストが残存しているか否かを検査することにより、レジストパターンの仕上がり確認を行う
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のレジストパターンの形成方法。
9. 前記露光工程の前に、
   前記管理パターンと同じ構成のパターンを備える管理マスクを用いて、異なる複数の露光時間に対して、被加工基板の主表面上に形成されたレジスト膜に対する、露光及び現像を行い、及び
   現像により得られたレジストパターンの前記ボックスパターンに対応する領域について、露光時間とレジスト膜が残存しているか否かとの関係から、露光感度を得る感度測定工程を行う
   ことを特徴とする請求項８に記載のレジストパターンの形成方法。
10. 前記マスク準備工程では、
    前記フォトマスクとして、
    前記素子非形成領域内の、前記素子形成領域に隣接する領域に補正領域を備え、及び
    該補正領域に含まれる各マスクセルは、当該補正領域に隣接する、前記素子形成領域に含まれるマスクセルと、マスクセルの面積に対する光透過領域の面積の比が等しい
    フォトマスクを用意する
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載のレジストパターンの形成方法。
11. 前記マスク準備工程では、
    前記フォトマスクとして、
    前記素子非形成領域に含まれるマスクセルであって、前記補正領域及び管理パターンに含まれないマスクセルは、光透過領域及び遮光領域のいずれか一方を備える
    フォトマスクを用意する
    ことを特徴とする請求項１０に記載のレジストパターンの形成方法。
12. 被加工基板の主表面上に、膜厚が不均一なレジストパターンを形成するにあたって用いられるフォトマスクであって、
    透明なマスク基板の表面に行列状に配列された複数の正方形のマスクセルを有し、
    前記各マスクセルの一辺の長さは、当該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小さく設定され、
    前記各マスクセルは、それぞれ光透過領域と遮光領域のいずれか一方又は双方を備え、
    前記各マスクセルの面積に対する前記光透過領域の面積の比によって、前記各マスクセルを透過する光強度が与えられ、
    当該フォトマスクが有する各マスクセルが、素子形成領域と、素子非形成領域とに分類され、
    前記素子非形成領域内の、前記素子形成領域に隣接する領域に補正領域を備え、及び
    該補正領域に含まれる各マスクセルは、当該補正領域に隣接する、前記素子形成領域に含まれるマスクセルと、マスクセルの面積に対する光透過領域の面積の比が等しい
    ことを特徴とするフォトマスク。
13. 前記素子非形成領域に含まれるマスクセルであって、前記補正領域に含まれないマスクセルは、光透過領域と遮光領域のいずれか一方を備える
    ことを特徴とする請求項１２に記載のフォトマスク。
14. 被加工基板の主表面上に、膜厚が不均一なレジストパターンを形成するにあたって用いられるフォトマスクであって、
    透明なマスク基板の表面に行列状に配列された複数の正方形のマスクセルを有し、
    前記各マスクセルの一辺の長さは、当該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小さく設定され、
    前記各マスクセルは、それぞれ光透過領域と遮光領域のいずれか一方又は双方を備え、
    前記各マスクセルの面積に対する前記光透過領域の面積の比によって、前記各マスクセルを透過する光強度が与えられ、
    当該フォトマスクが有する各マスクセルが、素子形成領域と、素子非形成領域とに分類され、
    該素子非形成領域に管理パターンを備え、
    該管理パターンは複数のボックスパターンを有し、
    前記ボックスパターンのそれぞれは、マスクセルの面積に対する光透過領域の面積の比が等しい複数のマスクセルを備え、及び
    前記面積の比が前記ボックスパターンごとに異なる
    ことを特徴とするフォトマスク。
15. 前記素子非形成領域内の、前記素子形成領域に隣接する領域に補正領域を備え、及び
    該補正領域に含まれる各マスクセルは、当該補正領域に隣接する、前記素子形成領域に含まれるマスクセルと、マスクセルの面積に対する光透過領域の面積の比が等しい
    ことを特徴とする請求項１４に記載のフォトマスク。
16. 前記素子非形成領域に含まれるマスクセルであって、前記補正領域及び管理パターンに含まれないマスクセルは、光透過領域と遮光領域のいずれか一方を備える
    ことを特徴とする請求項１５に記載のフォトマスク。
    

Images