JP2014170200A - フォトマスクの多重描画方法及びこれを用いて製造されたフォトマスク - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ描画装置を用いてフォトマスクブランクス上に形成されたフォトレジスト膜のパターンの解像度を向上させることができるフォトマスクの多重描画方法を提供する。
【解決手段】１回で描画する従来の描画時よりも小さい出力でフォトマスクブランクス上のフォトレジスト膜に同一の描画パターンを複数回描画するフォトマスクの多重描画方法であって、各回の描画間隔を前記フォトレジスト膜が光化学反応により脱色する時間よりも長い時間に設定して描画する。このようにすると、フォトレジスト膜を光化学反応により脱色させてレーザ光のエネルギーをより効率よくフォトレジスト膜に付与し、現像したフォトレジスト膜のパターンの縁部をより急峻に形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトマスクのパターン形成技術に関する。

近時、フォトマスクの描画パターンを一回の露光で行う従来の描画方法に対して、同一パターンを複数回重ねて描画を行うことによってより一層解像性を高める描画方法（以下、本明細書では「多重描画方法」という。）が知られている。例えば、電子ビーム露光装置を用いる例では、電子ビームをデフォーカス状態にしつつ解像度以下の部分が重なりを有するようにしながら露光することで斜線精度を向上させる（特許文献１）。

特開平８−５５７７１号公報

電子工業界向けにパターン形成用途として紫外線感光用ポジ型フォトレジストが広く用いられるが、従来の描画方法の露光方式では、露光されたフォトレジスト膜が光化学反応により脱色して透明化する。そのフォトレジスト膜が脱色するまでの時間は数ナノ秒〜数マイクロ秒程度であるため、フォトレジスト膜は露光中に概ね脱色しており、フォトレジスト膜のパターンの解像度がその脱色でより向上していた。

しかしながら、従来のレーザ描画装置を用いた場合では、高速描画の利点を活かすため、フォトレジスト膜の描画時の脱色については描画効率上ほとんど考慮されていなかった。具体的には、フォトレジスト膜にビームを照射する時間が１つの描画グリッドに対して例えば１７〜３６［ｐｓ］程度と非常に短いため、フォトレジスト膜がが光化学反応によって脱色が進行する前にフォトレジスト膜へのビーム照射が終了していた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、レーザ描画装置を用いてフォトレジスト膜のパターンの解像度を向上させることができる新規な多重描画方法を提供することを目的とする。

本発明に係るフォトマスクの多重描画方法は、レーザ描画装置を用いて１回で描画する従来の描画方法よりも小さい出力でフォトマスクブランクス上のフォトレジスト膜に同一の描画パターンを複数回描画するフォトマスクの多重描画方法であって、各回の描画間隔を前記フォトレジスト膜が光化学反応により脱色する時間よりも長い時間に設定して描画することを特徴とする。

このように光化学反応を考慮して描画間隔を設定すると、最初の露光光照射時から次の露光光照射時までの間に光化学反応が進行して脱色がより深部まで進むため、照射エネルギーや照射回数が同じでも、より効率のよい露光ができる。その結果、現像後に得られるフォトレジスト膜のパターンは縁部が急峻に形成され、全体として解像度を向上させることができる。

上記フォトマスクの多重描画方法において、前記フォトレジスト膜の膜厚の範囲でレーザ光のフォーカス位置を描画毎にずらしながら描画してもよい。上述のように光化学反応は深部に向かって徐々に進行するため、これに合わせてレーザ光のフォーカス位置も、照射回数を重ねるごとに深部へと移動させていくことで、さらに高い解像性が得られる。

上記フォトマスクの多重描画方法において、光学素子などによりレーザ光の偏光方向を描画毎に異ならせて描画してもよい。このようにすると、レーザ光のフォーカス位置の偏光方向によるパターンのばらつきが平均化され、しかも現像後のフォトレジスト膜のパターンの縁部をより急峻に形成でき、そのフォトレジスト膜のパターンの解像度を向上させることができる。

上記フォトマスクの多重描画方法において、前記レーザ描画装置は、ラスター走査方式であるとともにスウィープ機構を備え、レーザ光のスウィープによる１ストライプの描画をｎ回繰り返すようにしてもよい。また、レーザ光による全面描画をｎ回繰り返すようにしてもよい。

以上のようなフォトマスクの多重描画方法により高解像度のパターンを形成し、これによってフォトマスクを製造すれば、従来よりもパターンの縁部が急峻でより微細なパターンを形成することができる。

本発明に係るフォトマスクの多重描画方法によれば、縁部が急峻なフォトレジスト膜のパターンを形成でき、そのフォトレジスト膜のパターンの解像度を向上させることができる。

第１の実施形態の多重描画方法を説明する図であり、（ａ）は１回目の描画を示す断面図であり、（ｂ）は２回目の描画を示す断面図であり、（ｃ）は３回目の描画を示す断面図であり、（ｄ）は現像後のフォトレジスト膜のパターンを示す図である 従来の１回で描画する描画方法を示す図であり、（ａ）は描画を示す断面図であり、（ｂ）は現像後のフォトレジスト膜のパターンを示す図である 第２の実施形態の多重描画方法を説明する図であり、（ａ）は１回目の描画を示す断面図であり、（ｂ）は２回目の描画を示す断面図であり、（ｃ）は３回目の描画を示す断面図である 第３の実施形態の多重描画方法を説明する図であり、（ａ）は１回目の描画をレーザ光の照射方向から見た平面図であり、（ｂ）は２回目の描画をレーザ光の照射方向から見た平面図であり、（ｃ）は３回目の描画をレーザ光の照射方向から見た平面図である １回描画により得られたフォトレジスト膜のパターンを上方から見た写真である ５回描画により得られたフォトレジスト膜のパターン上方から見た写真である フォトレジスト膜のパターンの断面を示す概念図であり、（ａ）は図５に示すＡ−Ａ断面を示す図であり、（ｂ）は図６に示すＢ−Ｂ断面を示す図である

以下、本実施形態について図面を参照して詳述する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態では、レーザ描画装置を用いてポジ型フォトレジスト膜に同一の描画パターンを３回描画する方法について説明する。図１は、第１の実施形態の多重描画方法を説明する図であり、図１（ａ）は１回目の描画を示す断面図であり、図１（ｂ）は２回目の描画を示す断面図であり、図１（ｃ）は３回目の描画を示す断面図であり、図１（ｄ）は現像後のフォトレジスト膜のパターンを示す断面図である。なお、第１の実施形態の多重描画方法では各描画時のレーザ光のフォーカス位置及びレーザ光の偏光方向は一定であり、また、その他の条件も特に言及しない限り一定である。

まず透明基板上に遮光膜が成膜されたフォトマスクブランクス１の上に、フォトレジスト膜２を形成する。次に、図１（ａ）に示すように、レーザ光Ｌ１をフォトレジスト膜２に照射して１回目の描画を行う。このとき、レーザ光Ｌ１は描画パターンをレーザ光のビーム径に対応する最小単位に分割した領域（描画グリッド）に照射される。

レーザ光Ｌ１の出力は、レーザ描画装置を用いて１回で描画する従来の出力Ｌ０の１／３とする。レーザ光Ｌ１のエネルギーは、図１（ａ）に示すように、ガウス分布Ｇ１を持つ。その各位置におけるエネルギーの大きさは後述する１回で描画する場合（図２（ａ）参照）よりも小さくなる。

ｎ回描画する場合では、各回のレーザ光Ｌ１の出力は、それぞれ上記１回で描画する従来の描画時の（レーザ光Ｌ０の）出力の１／ｎ程度とする。

レーザ光Ｌ１によりエネルギーがフォトレジスト膜２に付与されると、光化学反応により現像液に対して溶解性が増した感光領域Ｐ１が形成される。また、感光領域Ｐ１ではフォトレジスト膜２が光化学反応により時間と共に脱色し、透明化していく。このフォトレジスト膜２が脱色するまでの時間は数ナノ秒〜数マイクロ秒程度である。感光領域Ｐ１のフォトレジスト膜２が脱色されると次回描画時に感光領域Ｐ１及びその周囲のフォトレジスト膜２にレーザ光のエネルギーを効率よく付与することができる。

次に、１回目の描画後２回目の描画までの描画間隔として少なくとも感光領域Ｐ１のフォトレジスト膜２が脱色する数ナノ秒〜数マイクロ秒程度よりも長い時間をあける。その後、図１（ｂ）に示すように、２回目の描画としてレーザ光Ｌ１をフォトレジスト膜２に照射する。これにより、現像液に対して溶解性が増した感光領域Ｐ２が形成される。

次に、２回目の描画後３回目の描画までの描画間隔についても同様に少なくとも感光領域Ｐ２のフォトレジスト膜２が脱色する数ナノ秒〜数マイクロ秒程度よりも長い時間をあける。その後、図１（ｃ）に示すように、３回目の描画としてレーザ光Ｌ１をフォトレジスト膜２に照射する。これにより、現像液に対して溶解性が増した感光領域Ｐ３が形成される。

その後感光領域Ｐ３を現像液に溶解させて除去すると、図１（ｄ）に示すように、フォトレジスト膜２の縁部が急峻なパターンが得られる。

その後、図１（ｄ）に示すフォトレジスト膜２のパターンをエッチングマスクとしてフォトマスクブランクス１１の遮光膜をエッチングし、フォトレジスト膜２を除去することで、遮光膜のパターンの線幅がより小さい高精度なフォトマスクを得ることができる。

第１の実施形態の多重描画方法は、各回の描画間隔をフォトレジスト膜２が光化学反応により脱色する数ナノ秒〜数マイクロ秒程度よりも長い時間に設定されているため、各回の描画においてフォトレジスト膜２が光化学反応により多く脱色し、次回描画時にフォトレジスト膜２にレーザ光のエネルギーを効率よく付与して感光領域を形成することができる。そのため、この多重描画を実施後現像すると急峻な縁部を有するフォトレジスト膜２のパターンを得ることができる。このフォトレジスト膜２のパターンをエッチングマスクとしてフォトマスクブランクス１１の遮光膜をエッチングし、フォトレジスト膜２を除去することで、遮光膜のパターンの線幅がより小さい高精度なフォトマスクを得ることができる。

（比較例）
図２は、従来の１回で描画する描画方法を示す図であり、図２（ａ）は描画を示す断面図であり、図２（ｂ）は現像後のフォトレジスト膜のパターンを示す図である。図２（ａ）に示すように、図示しないレーザ描画装置のレーザ光出射部からレーザ光Ｌ０をフォトマスクブランクス１１上に形成されたフォトレジスト膜１２に照射する。

図２（ａ）に示すように、レーザ光Ｌ０のエネルギーはガウス分布Ｇ_０を持っており、その中央部分のエネルギーが最も高く、その外周部のエネルギーは低くなっている。なお、ガウス分布Ｇ_０に示す矢印の方向はその位置におけるエネルギーが付与される方向を示し、その矢印の大きさはその位置におけるエネルギーの大きさをそれぞれ示している。以下、ガウス分布を示すグラフには同じような意味で矢印を示している。

レーザ光Ｌ０のエネルギーをフォトレジスト膜１２に付与することで、エネルギーが付与されたフォトレジスト膜１２は光化学反応を生じ、感光された領域（以下、「感光領域」という。）Ｐ_０が形成される。感光領域Ｐ_０は、レーザ光Ｌ０によりフォトレジスト膜１２に付与されたエネルギーがフォトレジスト膜１２のエネルギー強度よりも大きくなった部分であり、現像液に対して溶解性が増した領域である。その後感光領域Ｐ_０を現像液に溶解させて除去すると、図２（ｂ）に示すように、フォトレジスト膜１２のパターンが得られる。このような１回で描画する描画方法でフォトレジスト膜１２にパターンを形成すると、角度Ｒ_０の緩やかな縁部が形成される。但し、図２（ａ）では理解のために感光領域Ｐ_０を模式的に表現しているが、感光の程度は“０”か“１”かというデジタル的なものではなく、実際にはある程度階調を持ったものとなる。

（実施例）
上記第１の実施形態の多重描画方法において、描画回数を５回とし、レーザ光のビーム径を０．２５［μｍ］としてフォトレジスト膜のパターンを形成後マスクブランク上の遮光膜にパターンを形成したところ、線幅０．５［μｍ］のラインアンドスペースを均一に形成することができた。また、同様の条件において描画間隔をフォトレジスト膜が光化学反応により脱色する時間よりも短い時間にすると、形成されたラインアンドスペースに不均一な部分ができた。また、同じレーザ光のビーム径で上記従来の１回で描画する描画方法では、形成されたラインアンドスペースの線幅は１．２５［μｍ］程度であった。このことから、第１の実施形態の多重描画方法において描画回数を５回としてパターンを形成すると、各回の描画においてフォトレジスト膜を脱色させてから描画することでフォトレジスト膜全体でパターンを均一に形成することができ、そのフォトレジスト膜のパターンをエッチングマスクとして遮光膜をエッチングすることで不均一なパターンの形成を抑えられることが分かる。また、各回の描画においてフォトレジスト膜を段階的に脱色させることでフォトレジスト膜のパターンの縁部を急峻に形成でき、１回で描画するよりもフォトレジスト膜のパターンの解像度を大幅に向上させることができる。

図５は、比較例として１回描画により得られたフォトレジスト膜のパターン（写真）を示しており、図６は、５回描画により得られたフォトレジスト膜のパターン（写真）を示している。明暗はパターンの凸凹に対応する。すなわち、明るい部分は頂上部分（凸部）４２ａ、５２ａを、暗い部分は谷の部分（凹部）４２ｂ、５２ｂにそれぞれ対応する。

図６に示すフォトマスク（５回描画）の形成に際しては、１回描画で用いられるレーザ光のエネルギーの１／５のエネルギーで描画領域の全面を走査して描画する「全面描画」を５回繰り返した。

１回の全面描画に必要な時間及び描画間隔が同じである場合、５回描画を完了するには１回描画の５倍以上の時間が必要である。

なお、ラスター描画方式では、スウィープを連続することで１ストライプを形成しているため、１ストライプをｎ回繰り返すことで形成してもよい。その場合、時間間隔を例えば５〜２０秒程度に設定すればよい。ここで、スウィープとは、レーザ光の出射位置を一定周期で繰り返し変化させることをいう。レーザ光の出射する位置を１周期移動させて１ストライプを描画する。

上記第１の実施形態の多重描画方法では、描画間隔としてフォトレジスト膜２が光化学反応により脱色するまでの数ナノ秒〜数マイクロ秒程度よりも長い時間をあけて、次回の描画開始時には再度同じ描画領域の開始位置に戻って同一のパターンを描画する。この際、１回の描画の開始から終了までの所要時間、或いは上記ラスター描画方式では１ストライプの描画の開始から終了までの所要時間は、最低でも１秒以上である。また、この所要時間は、レーザ描画装置の動作スピード、フォトマスクの大きさや温度等の要因により変動する。大型フォトマスクの場合、１ストライプの描画間隔は数秒程度となる。

図７は、フォトレジスト膜のパターンの写真からそのパターンの断面を示す概念図であり、図７（ａ）は図５に示すＡ−Ａ断面を示す図であり、図７（ｂ）は図６に示すＢ−Ｂ断面を示す図である。

図５〜図７（ｂ）に示すように、５回描画により形成されたフォトレジスト膜のパターンは、１回描画により形成されたフォトレジスト膜のパターンよりも全体的にパターンが均一になっていることと、ラインアンドスペースの縁部が急峻に形成されていることがわかる。そして、このフォトレジスト膜のパターンを形成した後、パターンが形成されたフォトレジスト膜をエッチングマスクとして（図示しない）遮光膜をエッチングして除去し、その後フォトレジスト膜を除去してフォトマスクが完成する。このとき、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、５回描画により得られる遮光膜のパターンの線幅Ｗ２は１回描画により得られる遮光膜のパターンの線幅Ｗ１よりも小さい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第１の実施形態で説明した多重描画方法において、レーザ光のフォーカス位置をフォトレジスト膜の膜厚の範囲で深部方向にずらしていく実施態様について説明する。第２の実施形態の多重描画方法では各描画時のレーザ光の偏光方向は一定であり、また、その他の条件も特に言及しない限り一定である。

図３は、第２の実施形態の多重描画方法を説明する図であり、図３（ａ）は１回目の描画を示す断面図であり、図３（ｂ）は２回目の描画を示す断面図であり、図３（ｃ）は３回目の描画を示す断面図である。

第２の実施形態の多重描画方法では、まず予めフォトレジスト膜２２が形成されたフォトマスクブランクス２１を準備する。次に、図３（ａ）に示すように、１回目の描画として図示しないレーザ描画装置のレーザ光出射部からレーザ光Ｌ２１をフォトレジスト膜２２に照射する。このとき、レーザ光Ｌ２１のフォーカス位置Ｆ１はフォトレジスト膜２２の表面に設定されている。次に、図３（ｂ）に示すように、２回目の描画として図示しないレーザ描画装置のレーザ光出射部からレーザ光Ｌ２２をフォトレジスト膜２２に照射する。このとき、レーザ光Ｌ２２のフォーカス位置Ｆ２はフォトレジスト膜２２の膜厚の中間の位置に設定されている。このフォーカス位置Ｆ２はフォトレジスト膜２２の膜厚の範囲内であれば任意に設定してもよい。次に、図３（ｃ）に示すように、３回目の描画として図示しないレーザ描画装置のレーザ光出射部からレーザ光Ｌ２３をフォトレジスト膜２２に照射する。このとき、レーザ光Ｌ２３のフォーカス位置Ｆ３はフォトレジスト膜２２の裏面に設定されている。このように各回の描画時にレーザ光のフォーカス位置をそれぞれずらすようにすると、デフォーカス効果によるパターンの劣化の度合いをフォトレジスト膜２２の膜厚中で平均化することができ、これによって現像後のフォトレジストのパターンはより矩形性が増しフォトレジストパターンの解像性を向上させることができる。

第２の実施形態の多重描画方法は、１回目のレーザ光Ｌ２１に対してフォーカス位置Ｆ１をフォトレジスト膜２２の表面とし、２回目のレーザ光Ｌ２２に対してフォーカス位置Ｆ２をフォトレジスト膜２２の膜厚の中間の位置とし、３回目のレーザ光Ｌ２３に対してフォーカス位置Ｆ３をフォトレジスト膜２の裏面としているため、デフォーカス効果によるパターンの劣化の度合いがフォトレジスト膜２２の膜厚中で平均化することができる。これにより、フォトレジスト膜２２のパターンではより急峻な縁部を形成することができる。このフォトレジスト膜２２のパターンを用いることでフォトマスクブランク２１に形成するパターンはより解像度を向上させることができる。

上記第２の実施形態の多重描画方法において、各回のレーザ光のフォーカス位置を、フォトレジスト膜２２の裏面、中間、表面の順に、或いは、その他の順に変更してもよい。描画回数は３回に限定されず、その描画の順番を任意に変更してもよい。レーザ光のフォーカス位置をフォトレジスト膜２２の表面又は裏面に設定していなくてもよい。レーザ光のフォーカス位置は重複していてもよい。

（第３の実施形態）
第３の実施形態の多重描画方法では、上記第１の実施形態の多重描画方法において、各回の描画時のレーザ光に対してそれぞれ異なった偏光方向を設定する実施態様について説明する。なお、第３の実施形態の多重描画方法では各描画時のレーザ光のその他の条件は特に言及しない限り一定である。

レーザ光は振動しながら照射方向に進行する。この振動の方向が偏る現象を偏光という。このレーザ光の進行方向に対する垂直面には、電子が移動する電場及び磁場が生じており、この電子の移動を示す電場ベクトルのＸ成分とＹ成分の位相差により、レーザ光は主に直線偏光、円偏光又は楕円偏光に大きく分類される。レーザ光の偏光方向とは、レーザ光の進行方向に対する垂直面におけるレーザ光の振動方向をいい、レーザ光の通過時に生じるその垂直面での電子の運動方向である。以下、各回の描画時のレーザ光が直線偏光であるものとして説明する。

図４は、第３の実施形態の多重描画方法を説明する図であり、図４（ａ）は１回目の描画をレーザ光の照射方向から見た平面図であり、図４（ｂ）は２回目の描画をレーザ光の照射方向から見た平面図であり、図４（ｃ）は３回目の描画をレーザ光の照射方向から見た平面図である。

第３の実施形態の多重描画方法は、まず予めフォトレジスト膜３２が形成されたフォトマスクブランクスを準備する。次に、図４（ａ）に示すように、１回目の描画として図示しないレーザ描画装置のレーザ光出射部からレーザ光Ｌ３１をフォトレジスト膜３２に照射する。このとき、レーザ光Ｌ３１のフォーカス位置の偏光方向Ｐ１は上下の方向に設定されている。ここで、レーザ光のフォーカス位置の偏光方向とは、レーザ光の進行方向に対するフォーカス位置の垂直面におけるレーザ光の振動方向をいう。次に、図４（ｂ）に示すように、２回目の描画として図示しないレーザ描画装置のレーザ光出射部からレーザ光Ｌ３２をフォトレジスト膜３２に照射する。このとき、レーザ光Ｌ３２のフォーカス位置の偏光方向Ｐ２は左下と右上の斜め方向に設定されている。次に、図３（ｃ）に示すように、３回目の描画として図示しないレーザ描画装置のレーザ光出射部からレーザ光Ｌ３３をフォトレジスト膜３２に照射する。このとき、レーザ光Ｌ３３のフォーカス位置の偏光方向Ｐ３は左右の方向に設定されている。このように各回の描画時にレーザ光のフォーカス位置の偏光方向をそれぞれずらすようにすると、レーザ光のフォーカス位置の偏光方向によるフォトレジスト膜３２のパターンのばらつきを平均化することができる。

直線偏光であるレーザ光の偏光方向を任意の方向に設定する手段としては、λ/２波長板（半波長板）をレーザ光の光路上のいずれかの位置に置き、λ/２波長板を一定の角度だけ回転させることで実現できる。例えば、λ/２波長板の光学軸をレーザ光の偏光方向に対して−６０度、０度、６０度に設定すれば、出射されるレーザ光の偏光方向はそれぞれ−１２０度、０度、１２０度となる。

第３の実施形態の多重描画方法は、１回目のレーザ光Ｌ３１に対してフォーカス位置の偏光方向Ｐ１は上下の方向とし、２回目のレーザ光Ｌ３２に対してフォーカス位置の偏光方向Ｐ２は左下と右上の斜め方向とし、３回目のレーザ光Ｌ３３に対してフォーカス位置の偏光方向Ｐ３は左右の方向としているため、レーザ光のフォーカス位置の偏光方向によるフォトレジスト膜３２に形成されるパターンのばらつきを平均化することができる。これにより、フォトレジスト膜３２のパターンではより急峻な縁部を形成することができる。このフォトレジスト膜３２のパターンを用いることでフォトマスクブランクに形成するパターンはより解像度を向上させることができる。

１、１１、２１ マスクブランクス
２、１２、２２ フォトレジスト
Ｇ１、Ｇ２ ガウス分布
Ｌ１ レーザ光
Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３ レーザ光
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 感光領域
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３ フォーカス位置
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ レーザ光のフォーカス位置の偏光方向

Claims (5)

1. レーザ描画装置を用いて１回で描画する従来の描画時よりも小さい出力でフォトマスクブランクス上のフォトレジスト膜に同一の描画パターンを複数回描画するフォトマスクの多重描画方法であって、
   各回の描画間隔を前記フォトレジスト膜が光化学反応により脱色する時間よりも長い時間に設定して描画することを特徴とするフォトマスクの多重描画方法。
2. 前記フォトレジスト膜の膜厚の範囲でレーザ光のフォーカス位置を描画毎にずらしながら描画することを特徴とする請求項１記載のフォトマスクの多重描画方法。
3. レーザ光の偏光方向を描画毎にずらしながら描画することを特徴する請求項１又は請求項２に記載のフォトマスクの多重描画方法。
4. 前記レーザ描画装置は、ラスター走査方式であるとともにスウィープ機構を備え、
   レーザ光のスウィープによる１ストライプの描画をｎ回繰り返すことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のフォトマスクの多重描画方法。
5. 請求項１乃至４記載のフォトマスクの多重描画方法を用いて形成されたフォトマスク。