JP2010224125A - 露光用マスク、露光方法、及び光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】滑らかな曲面を効率よく形成可能な露光用マスクを提供する。
【解決手段】本発明の露光用マスクは、レジストに三次元形状のパターニングを行うための露光用マスクであって、露光装置の解像限界より小さい第１サイズの複数の開口パターン１ａが配置された第１領域と、第１サイズより小さい第２サイズの複数の開口パターン１ｂが配置された第２領域と、第１領域と第２領域との間に第１サイズの複数の開口パターン１ａと第２サイズの複数の開口パターン１ｂとが混在して配置された第３領域とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レジストに三次元形状のパターニングを行うための露光用マスクに関する。

一般に、リソグラフィー技術を用いて作製される半導体素子の回路パターンは、マスクに形成された開口部と遮光部の組合せにより設計される。マスクを透過した露光光を感光性材料であるレジストに照射することにより、マスクパターンが転写される。特許文献１に開示されているように、近年では、露光光の光量分布を発生させて曲面を含む任意の形状を形成する方法が提案されている。特許文献１に開示されているマスクは、開口部と遮光部を有するバイナリのマスクであるが、開口パターンを露光装置の解像限界以下のピッチで配置することにより、露光量を段階的に変化させている。
このような技術によれば、曲面形状を密に並べてマクロレンズアレイ等の光学素子を形成することができる。また、パターンの設計を変えることにより、曲面の境界部で段差を有する形状を作製し、又は、開口部のサイズ分布を変えることにより非球面形状を作製することができる等、この技術の応用範囲は広い。

特開２００６−１０６５９７号公報

しかしながら、透過率の制御には細分化できる限界があり、有限なステップで高さを変える必要がある。特にＥＵＶ光（極紫外光）を用いた露光装置では、露光光の短波長化に伴い、光学素子の表面に要求される表面粗さも小さくなっている。このため、特許文献１の技術では、要求される平滑度に十分に対応することができない。また、特許文献１の技術では、多重露光のため必要な露光回数が多くなり、マスク枚数も増える。

そこで本発明は、滑らかな曲面を効率よく形成可能な露光用マスクを提供する。

本発明の一側面としての露光用マスクは、レジストに三次元形状のパターニングを行うための露光用マスクであって、露光装置の解像限界より小さい第１サイズの複数の開口が配置された第１領域と、前記第１サイズより小さい第２サイズの複数の開口が配置された第２領域と、前記第１領域と前記第２領域との間に前記第１サイズの複数の開口と前記第２サイズの複数の開口とが混在して配置された第３領域とを有する。

本発明の他の側面としての露光方法は、レジストに三次元形状のパターニングを行う露光方法であって、基板にレジストを塗布する工程と、前記露光用マスクを用いて前記レジストを感光させる工程とを有する。

本発明の他の側面としての光学素子の製造方法は、前記露光方法により基板上のレジストを三次元形状にパターニングする工程と、前記レジスト及び前記基板をエッチングする工程とを有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、滑らかな曲面を効率よく形成可能な露光用マスクを提供することができる。

実施例１における露光用マスクの平面図である。 実施例１において、異なるサイズの開口パターンの存在確率分布である。 実施例１において、異なるサイズの開口パターンの存在確率分布である。 実施例１において、異なるサイズの開口パターンの存在確率分布である。 実施例２における露光用マスクの平面図である。 実施例３における露光用マスクの平面図である。 実施例４における露光用マスクの平面図である。 実施例５における露光用マスクの平面図である。 本実施例におけるマイクロミラーアレイの作製工程図である。 本実施例における露光装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

まず、本発明の実施例１について説明する。図１は、本実施例における露光用マスクの平面図である。本実施例の露光用マスクは、レジストに三次元形状のパターニングを行うための露光用マスクである。本実施例の露光用マスクは、特に、レジストにシリンドリカル形状のパターニングを行うために用いられるが、本実施例はこれに限定されるものではない。図１に示される露光用マスクで得られるシリンドリカル形状は、上下方向（縦方向）において同一高さを有し（等高線上に位置し）、左右方向（横方向）において高さが変化する。

図１において、１ａ、１ｂは解像限界より小さいピッチで配列された複数の開口パターン（ホールパターン）である。開口パターン１ａ、１ｂは互いに異なるサイズの開口である。開口パターン１ａ、１ｂのサイズの違いは、露光用マスクにおいて製作可能な最小ステップ（例えば、２ｎｍ）に相当する。本実施例において、開口パターン１ａ、１ｂはいずれも正方形の開口であるが、正方形の一辺は互いに２ｎｍ異なっている。

２〜４は量子化境界線である。従来の構成において、量子化境界線２〜４は、同一サイズの開口パターンが並んで配置されていた領域の境界を決定する。また、量子化境界線２〜４は、周知のマスクパターン設計手順に従って決定される。本実施例では、代表的な二つのパターンレベルに着目して説明する。従来の露光用マスクは、量子化境界線３を境界として、二つのサイズの開口パターンにより分割されていた。これに対し、本実施例では、図１に示されるように、量子化境界線３の近傍において、複数の開口パターン１ａと複数の開口パターン１ｂとが混在して配置されている。

図１において、量子化境界線４と点線３２との間の領域は、露光装置の解像限界より小さい第１サイズの複数の開口パターン１ａが配置された第１領域である。また、量子化境界線２と点線３１との間の領域は、第１サイズより小さい第２サイズの複数の開口パターン１ｂが配置された第２領域である。第１領域と第２領域との間の領域（点線３１、３２の間の領域）は、第１サイズの複数の開口パターン１ａと第２サイズの複数の開口パターン１ｂとが混在して配置された第３領域である。

図１に示されるように、第１領域には、第２サイズの開口パターン１ｂは存在しない。また、第２領域には、第１サイズの開口パターン１ａは存在しない。第３領域に配置された第１サイズの開口パターン１ａ及び第２サイズの開口パターン１ｂの存在割合は、レジストのパターニングにより得られる三次元形状の高さに応じて変化する。

第３領域における第１サイズの開口パターン１ａと第２サイズの開口パターン１ｂとを混在させる方法として、複数の方法が考えられる。本実施例では、図２に示されるように、開口パターン１ａ、１ｂの存在確率を定義して、乱数を発生させた上で存在確率と比較して隣接する二種類の開口パターン１ａ、１ｂを混在させる。図２は、開口パターン１ａ、１ｂの存在確率と露光マスク上の横方向位置との関係図である。図２中の横軸は、図１中の横方向（左右方向）における任意の位置であり、横軸上に量子化境界線２〜４が示されている。図２中の実線は、第２サイズの開口パターン１ｂの存在確率を表す。また、図２中の破線は、第１サイズの開口パターン１ａの存在確率を表す。上述のように、第２サイズの開口パターン１ｂは、第１サイズの開口パターン１ａより小さい。

図２において、第１サイズ又は第２サイズの開口パターン１ａ、１ｂの存在確率が１になっている位置（量子化境界線２、３の中央、量子化境界線３、４の中央）は、露光用マスク設計時のサンプリング点に対応する。なお、サンプリング点とは、高さの等しい線とレジストのパターニングにより形成される三次元形状（表面形状）との交点（等高線上の点）である。

これらの開口パターン１ａ、１ｂの存在確率は、量子化境界線３でいずれも０．５になり、図２中の実線と破線とが交わる。なお、図１に示される露光用マスクの平面図では、理解を容易にするため、量子化境界線３の近傍においてのみ、異なるサイズの開口パターン１ａ、１ｂを混在させた構成が示されている。したがって、サンプリング点で１となった存在確率は、図２中の実線であれば量子化境界線２まで、破線であれば量子化境界線４まで１のまま延びることになる。しかし実際には、図１に示される構成ではなく、量子化領域は連続して設けられる。図２では、理解を容易にするため、量子化境界線２の左側における存在確率のグラフ、及び、量子化境界線４の右側における存在確率のグラフを省略している。省略された各グラフが量子化境界線２又は量子化境界線４の上で、図２中の実線又は破線と交わるため、実線及び破線はいずれも０．５の値になっている。

次に、開口パターン１ａ、１ｂのサイズの決定手法について説明する。量子化境界線２〜４は、サンプリング点の中点で定義される。また、露光用マスクの上には、解像限界より小さいピッチの仮想的なメッシュが配置されている。開口パターン１ａ、１ｂは、この仮想的なメッシュの交点に配置される。このとき、各メッシュの交点において、量子化境界線へ引く垂線の距離に基づいて開口パターン１ａ、１ｂの存在確率を求める。本実施例では、０から１の間の値で乱数を発生させて、開口パターン１ａ、１ｂの存在確率の分布及び比較を行う。

図２において、量子化境界線からの距離をプロットしたものが点線２０で表される。このとき、実線の存在確率線と点線２０との交点で示される存在確率は、量子化境界線２と３の間に主に存在する小さいサイズの開口パターン１ｂの存在確率を与える。前述の乱数が点線２０との交点で得られた存在確率より小さい場合には小さいサイズの開口パターン１ｂを採用し、その存在確率より大きい場合には大きいサイズの開口パターン１ａを採用する。

上述の方法で異なるサイズの開口パターン１ａ、１ｂを混在させると、従来のマスク描画装置では実現できなかった階調を連続的に表現することができる。本実施例では、開口パターン１ａ、１ｂの存在確率を直線で定義しているため、サンプリング点の間を直線近似したことになる。

次に、上述の直線状に変化する存在確率分布とは異なる存在確率分布について、図３を参照して説明する。図３に示される開口パターンの存在確率は、サンプリング点の間で曲線状に変化する。具体的には、第１サイズの開口パターン１ａの存在確率（点線）は、量子化境界線２から量子化境界線３に向けて、その増加率が大きくなるように増加する。また、第２サイズの開口パターン１ｂの存在確率（実線）は、量子化境界線２から量子化境界線３に向けて、その減少率が大きくなるように減少する。このような曲線近似を行うと、量子化境界線３では、上述の直線近似を行った場合に比べて、やや高い形状が形成される。このため、量子化境界線３の近傍が凸形状の一部分である場合、直線近似を行う場合よりも設計値からの誤差を少なくすることができる。

また、異なるサイズの開口パターンの混在領域を、隣接する領域に拡張してもよい。図４は、複数の隣接する領域のそれぞれに、異なるサイズの開口パターンを混在させた場合の存在確率分布である。図４は、一般化した量子化境界線ｎ_ｉ−２、ｎ_ｉ−１、ｎ_ｉ、ｎ_ｉ＋１、ｎ_ｉ＋２の位置における存在確率分布を示す。このように、任意の位置における平均の開口パターンのサイズは、３種類の開口パターンのサイズに各存在確率を積算した値の和となる。露光用マスクを設計する際には、その和（平均の開口パターンのサイズ）と実際に必要とする開口パターンのサイズから所定の補正係数を求めて、各存在確率を補正する。

本実施例によれば、サンプリング点を結ぶ相対的な形状に対応した開口パターンの存在確率分布を形成することにより、滑らかな曲面を効率よく形成することができる。

次に、本発明の実施例２について説明する。図５は、本実施例における露光用マスクの平面図である。本実施例の露光用マスクは、レジストにシリンドリカル形状（三次元形状）のパターニングを行うために用いられ、第１領域、第２領域、及び、第３領域を有するという点で、実施例１の露光用マスクと同様である。

図５に示されるように、本実施例では、第３領域において、同一サイズの開口パターンは連続して配置されている。ただし、第１サイズの開口パターンと第２サイズの開口パターンとが隣接する位置は、図５中の上下方向（長さ）及び左右方向（幅）において異なる。すなわち、第１サイズの複数の開口パターン１ａと第２サイズの複数の開口パターン１ｂとが隣接する境界線５は、不均一な長さ及び幅を有する。このように、量子化境界線３に平行な方向に対して、異なる大きさの複数の開口パターンが混ざっている状態（境界線５の長さ及び幅が不均一な状態）も、第１サイズ及び第２サイズの開口パターンが混在していると定義する。

なお、露光装置の解像限界の空間周波数より細かいピッチでパターンは混在している。新しい量子化境界線を配置する際は、量子化境界線に直交する直線を量子化境界線に沿って移動させる。この直線と開口パターンを配置するメッシュ交点が交わる場所ごとに、図２の横座標位置と存在確率の２つの擬似乱数を発生させる。図２の実線と破線とで形成される量子化境界線３の近傍の三角形の中に入る場合のみ、疑似乱数値を採用し、横座標位置に量子化境界線を生成する。その結果、元の量子化境界線に沿ってそれぞれの開口パターンサイズの存在確率分布は、図２に示される分布となる。また、実施例１と同様に、他の存在確率分布を用いることもできる。

次に、本発明の実施例３について説明する。図６は、本実施例における露光用マスクの平面図である。本実施例の露光用マスクは、レジストにシリンドリカル形状（三次元形状）のパターニングを行うために用いられるという点で、実施例１の露光用マスクと同様である。ただし本実施例では、異なるサイズの開口パターン１ｃ、１ｄとして、実施例１及び２のようなホールパターンではなく、ラインパターンが配置される。本実施例において、開口パターン１ｃの第１サイズ及び開口パターン１ｄの第２サイズは、図６の上下方向に延びるラインパターンの幅（左右方向の長さ）に相当する。開口パターン１ｃ、１ｄとしてのラインパターンは、シリンドリカル形状を形成する際に適して用いられる。

量子化境界線３の右側には、太いラインパターンのほうが細いラインパターンより多く配置されている。一方、量子化境界線３の左側には、細いラインパターンのほうが太いラインパターンより多く配置されている。このように、各ラインパターンの存在確率は、図６中の左右方向において変化する。本実施例のような露光用マスクを用いても、滑らかな曲面を形成することができる。

次に、本発明の実施例４について説明する。図７は、本実施例における露光用マスクの平面図である。本実施例の露光用マスクは、ラインパターンが配置されているという点で実施例３の露光用マスクと同様である。ただし本実施例では、異なる二種類のサイズの開口パターン（ラインパターン）の隣接部（混在領域）において、特定のラインパターンの幅が図７中の上下方向において変化している（異なる二種類のサイズの開口パターンが混在している）。図７に示されるように、混在領域において、同一種類のサイズの開口パターンは、横方向の並びで連なった形で連続している。ただし、混在する際に横に連なる開口パターンの数や長さは均一ではない。このため、露光用マスクのパターン平面上において見かけ上の境界線５が形成される。

本実施例において、量子化境界線３に沿って平均化を行う際には、異なる二種類のサイズの開口パターンの存在確率は、実施例１で述べた図２で示される分布を用いた。ただし、本実施例はこれに限定されるものではなく、実施例１と同様に、他の存在確率分布を用いてもよい。

次に、本発明の実施例５について説明する。図８は、本実施例における露光用マスクの平面図である。上述の各実施例における露光用マスクは、シリンドリカル形状を形成するために用いられるものであるが、本実施例の露光用マスクは、球面を形成するために用いられる。球面を形成するための露光用マスクの場合、球面の頭頂部を中心とした同心円のサンプリング点を繋げた線が量子化境界線になる場合が多い。

図８に示される平面図は、球面の一部（右上部）を形成するための部分の拡大図である。第１サイズの開口パターン１ａの存在確率は、量子化境界線３を基準として図８中の左下から右上の方向に増加する。逆に、第２サイズの開口パターン１ｂの存在確率は、図８中の右上から左下の方向に増加する。本実施例の露光用マスクを用いれば、滑らかな球面を効率よく形成することができる。
［マイクロミラーアレイの作製手順］
次に、図９（ａ）乃至（ｄ）を参照して、本実施例におけるマイクロミラーアレイの作製手順について説明する。マイクロミラーアレイの基板７としては、例えば石英やシリコンで形成された８インチφ、厚さ１ｍｍの基板が用いられる。まず、スピンコーターを用いて、レジスト６（ノボラック系のポジレジスト）を基板７の上に２０μｍ程度の厚さだけ塗布して、プリベークを行う（図９（ａ））。

次に、マスク９（上述の露光用マスク）を用いて、ｉ線等の露光装置により露光する（図９（ｂ））。上述のとおり、マスク９は、場所ごとに異なる透過率を有する。露光方法としては、コンタクト露光やプロキシミティー露光でもよい。マスク９を通過した露光光８は、強度（空間的分布）が変調された光１０となり、レジスト６を露光する（感光させる）。また、必要に応じて、ポストエクスポージャーベークを行う。これにより、レジスト６のうねりを緩和させることができる。

続いて、アルカリ系の現像液により現像し、基板７上に所望のレジストパターン１１を形成する（図９（ｃ））。このとき、レジスト６の現像スピードは場所に応じて異なる。このため、基板上のレジスト６は、所定の三次元形状にパターニングされる。現像後、必要によりポストベークを行う。次に、レジスト６と基板７の材料の選択比が１程度のエッチング条件で、レジスト６及び基板７をエッチングすることによりレジストパターン１１を基板７に転写して、表面形状１２を有するマイクロミラーアレイ１９が得られる（図９（ｄ））。ここで用いられるエッチングとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やスパッタエッチング等を用いてもよい。
［ＥＵＶ露光装置］
次に、図１０を参照して、上述のマイクロミラーアレイを用いたＥＵＶ露光装置について説明する。図１０において、励起レーザ１３からのレーザ光１３ａによってプラズマ１４が励起される。プラズマ１４から発せられたＥＵＶ光１４ａは、照明光学系１５を介してＥＵＶマスク１６を照明する。ＥＵＶマスク１６によって生成された光パターンは、投影光学系１７を通してウエハステージ１８上に結像し、パターンを形成する。ここで、照明光学系１５の光学要素として、上述の露光用マスク（マスク９）を用いて製作されたマイクロミラーアレイ１９は、一般的にハエの目素子と呼ばれ、ＥＵＶマスク１６を均一に照明する役割を担う。

上記各実施例によれば、露光工程におけるコストの増加を抑えつつ、滑らかな曲面すなわち表面粗さが良好な曲面を形成することが可能となる。このため、滑らかな曲面を効率よく形成可能な露光用マスク、露光方法、及び、光学素子の製造方法を提供することができる。

以上、本発明の実施例について具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施例として記載された事項に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。

１ａ、１ｂ 開口パターン
２、３、４ 量子化境界線
６ レジスト

Claims (5)

1. レジストに三次元形状のパターニングを行うための露光用マスクであって、
   露光装置の解像限界より小さい第１サイズの複数の開口が配置された第１領域と、
   前記第１サイズより小さい第２サイズの複数の開口が配置された第２領域と、
   前記第１領域と前記第２領域との間に前記第１サイズの複数の開口と前記第２サイズの複数の開口とが混在して配置された第３領域と、
   を有することを特徴とする露光用マスク。
2. 前記第１領域には、前記第２サイズの開口は存在せず、
   前記第２領域には、前記第１サイズの開口は存在しないことを特徴とする請求項１記載の露光用マスク。
3. 前記第３領域に配置された前記第１サイズの複数の開口及び前記第２サイズの複数の開口の存在割合は、前記レジストのパターニングにより得られる前記三次元形状の高さに応じて変化していることを特徴とする請求項１又は２記載の露光用マスク。
4. レジストに三次元形状のパターニングを行う露光方法であって、
   基板にレジストを塗布する工程と、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の露光用マスクを用いて前記レジストを感光させる工程と、
   を有することを特徴とする露光方法。
5. 光学素子の製造方法であって、
   請求項４記載の露光方法により基板上のレジストを三次元形状にパターニングする工程と、
   前記レジスト及び前記基板をエッチングする工程と、
   を有することを特徴とする光学素子の製造方法。