JP2022135083A - 多階調フォトマスクの製造方法及び多階調フォトマスク - Google Patents

Abstract

【課題】アライメントを不要とすることができる多階調フォトマスクの製造方法及び多階調フォトマスクを提供する。【解決手段】多階調フォトマスクの製造方法は、透明基板２の上に積層される半透過膜３と、半透過膜３と異なるエッチング特性を有し、半透過膜３の上に重なるように積層される中間膜４と、半透過膜３と同じエッチング特性を有し、中間膜４の周辺領域の少なくとも一部が露出するように中間膜４の上に積層される遮光膜５とを備え、中間膜４の露出した部分の少なくとも一部が透明基板２に近づくほどエッジ４ａが外側に広がる形状を有する積層膜構造からなる中間体を準備する工程と、中間膜４の露出した部分を複数回に分けてエッチングする工程と、各回のエッチング後に半透過膜３の露出した部分をプラズマ処理し、当該部分の透過率を変更する工程とを備える。【選択図】図５

Description

本発明は、グラデーション部を有する多階調フォトマスクの製造方法及び多階調フォトマスクに関する。

多階調フォトマスクは、透過部の透過率と遮光部の透過率との間の透過率を有する半透過部を備えることにより、透過部による白の階調及び遮光部による黒の階調の２階調と、半透過部による白と黒の中間（グレートーン）の階調とを合わせた多階調（３階調以上）を実現する。多階調フォトマスクを用いることにより、１回の露光で露光量が異なるパターンをフォトレジストに形成することができる。このため、フォトマスクの使用枚数の削減、製造工程の削減、ひいては製造コストの削減を図ることができる。

多階調フォトマスクの一種として、グラデーションマスクがある。グラデーションマスクは、透過率が異なる複数の領域で構成されるグラデーション部、より詳しくは、半透過部の、透過部との境界領域に設けられ、透過部との境界に近づくほど透過率が高くなる複数の領域で構成されるグラデーション部を備えるフォトマスクである（特許文献１）。

特開２０１１－２０９７５９号公報

従来のグラデーションマスクの製造方法は、遮光部を構成するパターンの描画工程（露光工程）及び半透過部を構成するパターンの描画工程の少なくとも２回の描画工程が必要となる。そして、描画工程が複数回になると、各工程で形成されるパターンの位置ずれ（アライメントずれ）が生じやすくなる。

この対策として、アライメントマークの利用がある。２回目以降の描画工程に際し、アライメントマークを読み取ることにより、アライメント（位置合わせ）を行うというものである。しかし、アライメントマークを利用しても、アライメントずれを完全に無くすことは不可能であり、最大で５００ｎｍのアライメントずれが生じてしまう。このため、多階調フォトマスクの高精細化が困難な状況となっている。

そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、アライメントずれが無く、多階調フォトマスクの高精細化を実現することができる多階調フォトマスクの製造方法及び多階調フォトマスクを提供することを課題とする。

本発明に係る多階調フォトマスクの製造方法は、
所定のパターン形状を有し、透明基板の上に積層される半透過膜と、半透過膜と異なるエッチング特性を有し、半透過膜の上に重なるように積層される中間膜と、所定のパターン形状及び半透過膜と同じエッチング特性を有し、中間膜の周辺領域の少なくとも一部が露出するように中間膜の上に積層される遮光膜とを備え、中間膜の露出した部分の少なくとも一部が透明基板に近づくほどエッジが外側に広がる形状を有する積層膜構造からなる中間体を準備する中間体準備工程と、
中間膜の露出した部分を複数回に分けてエッチングする中間膜分割エッチング工程と、
各回のエッチング後に半透過膜の露出した部分をプラズマ処理し、当該部分の透過率を変更するプラズマ処理工程とを備える
多階調フォトマスクの製造方法である。

また、本発明に係る多階調フォトマスクは、
所定のパターン形状を有し、透明基板の上に積層される半透過膜と、
半透過膜と異なるエッチング特性を有し、半透過膜の周辺領域の少なくとも一部が露出するように半透過膜の上に積層される中間膜と、
所定のパターン形状及び半透過膜と同じエッチング特性を有し、中間膜の上に重なるように積層される遮光膜とを備え、
半透過膜の露出した部分の少なくとも一部は、半透過膜のエッジに近づくほど透過率が高くなる複数の領域で構成されるグラデーション部を備える
多階調フォトマスクである。

ここで、本発明に係る多階調フォトマスクの製造方法の一態様として、
中間体準備工程は、中間体を製造する中間体製造工程を含み、
中間体製造工程は、
フォトマスクブランクスの表面にレジスト膜を形成するレジスト膜形成工程と、
所定のレジストパターンを形成するレジストパターン形成工程と、
レジストパターンをマスクとして、遮光膜の露出した部分をエッチングし、除去する遮光膜エッチング工程と、
遮光膜をマスクとして、中間膜の露出した部分のうち、膜厚方向における所定の深さの部分をエッチングし、除去する表面エッチングと、遮光膜のうち、露出したエッジの端面から内側方向における所定の深さの部分をエッチングし、除去するサイドエッチングとを交互に繰り返すことにより、中間膜の該当部分を透明基板に近づくほどエッジが外側に広がる形状に整形する整形工程と、
中間膜をマスクとして、半透過膜の露出した部分をエッチングし、除去する半透過膜エッチング工程と、
レジスト膜を除去するレジスト膜除去工程とを備える
との構成を採用することができる。

また、この場合、
整形工程は、中間膜の該当部分を階段状に整形する
との構成を採用することができる。

また、本発明に係る多階調フォトマスクの製造方法の他態様として、
中間膜として、半透過膜及び遮光膜よりもエッチングレートが低い膜が選択される
との構成を採用することができる。

また、本発明に係る多階調フォトマスクの一態様として、
中間膜のエッジが遮光膜のエッジよりも内側に入り込むことにより、遮光膜のエッジの下方に、中間膜が存在しないアンダーカットが形成され、これに伴い、遮光膜の端部がオーバーハングして突出端部となる
との構成を採用することができる。

本発明によれば、描画工程は１回で済む。このため、多階調フォトマスクの製造過程において、アライメントが不要となる。したがって、本発明によれば、アライメントずれが無く、多階調フォトマスクの高精細化を実現することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る多階調フォトマスクの要部拡大断面図である。 図２（ａ）～（ｄ）は、多階調フォトマスクの製造方法の説明図である。 図３（ａ）～（ｄ）は、図２の続きの説明図である。 図４（ａ）～（ｄ）は、図３の続きの説明図である。 図５（ａ）～（ｄ）は、図４の続きの説明図である。 図６（ａ）～（ｃ）は、図５の続きの説明図である。 図７（ａ）～（ｃ）は、プラズマ処理工程におけるプラズマの照射時間の説明図である。 図８は、半透過膜のエッジの位置とレジスト膜のエッジの位置との関係を表す説明図である。 図９は、遮光膜のエッジの位置とレジスト膜のエッジの位置との関係を表す説明図である。 図１０は、遮光膜の段階的なエッジの位置とグラデーション部の境界の位置との関係を表す説明図である。 図１１（ａ）及び（ｂ）は、グラデーション部における透過率勾配に関する説明図である。 図１２（ａ）及び（ｂ）は、遮光膜のエッジの位置と中間膜のエッジの位置との関係を表す説明図である。 図１３（ａ）は、アイランド型（凸型）の多階調フォトマスクの要部拡大断面図である。図１３（ｂ）は、ホール型（凹型）の多階調フォトマスクの要部拡大断面図である。 図１４（ａ）～（ｄ）は、多階調フォトマスクの別の製造方法の説明図である。 図１５（ａ）～（ｄ）は、図１４の続きの説明図である。 図１６（ａ）～（ｄ）は、多階調フォトマスクのさらに別の製造方法の説明図である。 図１７（ａ）～（ｄ）は、図１６の続きの説明図である。

まず始めに、本発明の一実施形態に係る多階調フォトマスクの構成について説明する。

図１に示すように、多階調フォトマスク１は、透過部２０、半透過部３０及び遮光部５０を備え、半透過部３０にグラデーション部３１を備えるグラデーションマスクである。グラデーション部３１は、遮光部５０から透過部２０に近づくほど（半透過膜３のエッジ３ａに近づくほど）透過率が高くなる複数の領域で構成される。本実施形態においては、グラデーション部３１は、遮光部５０から透過部２０に向かって、最内部３１Ｃ、１つの中間部３１Ｂ、最外部３１Ａの３つの領域（３階調）で構成される。このため、本実施形態においては、多階調フォトマスク１は５階調である。

多階調フォトマスク１は、透明基板２の上に、半透過膜３、中間膜（エッチングストッパ膜）４及び遮光膜５がこの順に積層されたフォトマスクブランクスから製造される。半透過膜３が最下層にあるということで、このフォトマスクブランクスは、ボトム型と呼ばれる。

フォトマスクブランクスにおいて、半透過膜３は、スパッタ法、蒸着法等により、透明基板２の上に成膜される。半透過膜３の膜厚は、たとえば１０ｎｍないし５０ｎｍの範囲である。中間膜４は、スパッタ法、蒸着法等により、半透過膜３の上に成膜される。中間膜４の膜厚は、たとえば９０ｎｍないし２００ｎｍの範囲である。この理由については、後述する。遮光膜５は、スパッタ法、蒸着法等により、中間膜４の上に成膜される。遮光膜５の膜厚は、たとえば５０ｎｍないし１２０ｎｍの範囲である。

透明基板２は、合成石英ガラス等の基板である。透明基板２は、多階調フォトマスク１を用いた描画工程で使用される露光光に含まれる代表波長（たとえば、ｉ線、ｈ線又はｇ線）に対して９５％以上の透過率を有する。なお、露光光は、たとえば、ｉ線、ｈ線又はｇ線であってもよく、又はこれらの少なくとも２つの光を含む混合光であってもよい。ただし、露光光は、これらに限定されるものではない。

半透過膜３は、Ｃｒ又はＣｒ系化合物、Ｎｉ又はＮｉ系化合物、Ｔｉ又はＴｉ系化合物、Ｓｉ系化合物、金属シリサイド化合物等の公知の材質のうち、Ｃｒ系の材質が用いられる。本実施形態においては、半透過膜３は、Ｃｒ系化合物が用いられる。半透過膜３は、ハーフトーン膜である。あるいは、半透過膜３は、位相シフト膜であってもよい。半透過膜３は、露光光に含まれる代表波長に対し、透明基板２の透過率よりも低く、遮光膜５の透過率よりも高い透過率を有し、代表波長に対して１０％ないし７０％の透過率になるように設定される。

中間膜４は、非Ｃｒ系の材質が用いられる。本実施形態においては、中間膜４は、Ｎｉ、Ｔｉ又はモリブデンシリサイド化合物が用いられる。

遮光膜５は、半透過膜３と同じ材質が用いられる。本実施形態においては、遮光膜５は、Ｃｒ系化合物が用いられる。遮光膜５は、露光光に含まれる代表波長に対して１％以下の透過率を有する。あるいは、遮光膜５の透過率が１％より高くても、遮光部５０における積層透過率が１％以下であればよい。あるいは、遮光部５０における光学濃度（ＯＤ値）が２．７以上を満たせばよい。

半透過膜３及び遮光膜５は、同じ材質が用いられることにより、エッチング特性が同じである。しかし、半透過膜３及び遮光膜５と中間膜４とは、材質が異なることにより、エッチング特性が異なる。すなわち、半透過膜３及び遮光膜５は、中間膜４に対してエッチング選択性を有し、中間膜４は、半透過膜３及び遮光膜５に対してエッチング選択性を有する。

遮光部５０は、半透過膜３、中間膜４及び遮光膜５が除去されずに残置した領域、すなわち、遮光膜５のエッジ５ａまでの遮光膜５が存する領域に相当する。半透過部３０は、遮光部５０と透過部２０との間に設けられる。半透過部３０は、フォトマスクブランクスから中間膜４及び遮光膜５が除去されて半透過膜３が露出した領域、すなわち、遮光膜５のエッジ５ａから半透過膜３のエッジ３ａまでの半透過膜３が露出した領域に相当する。透過部２０は、フォトマスクブランクスから半透過膜３、中間膜４及び遮光膜５が除去されて透明基板２が露出した領域、すなわち、半透過膜３のエッジ３ａから透明基板２が露出した領域に相当する。

グラデーション部３１は、半透過部３０全域に設けられる。グラデーション部３１の最内部３１Ｃは、最も内側に位置して遮光部５０と接する領域、すなわち、遮光膜５のエッジ５ａから半透過膜３内の境界３ｃまでの領域に相当する。グラデーション部３１の中間部３１Ｂは、グラデーション部３１の最内部３１Ｃと最外部３１Ａとの間の領域、すなわち、半透過膜３内の境界３ｃから境界３ｂまでの領域に相当する。グラデーション部３１の最外部３１Ａは、最も外側に位置して透過部２０と接する領域、すなわち、半透過膜３内の境界３ｂから半透過膜３のエッジ３ａまでの領域に相当する。なお、本実施形態においては、グラデーション部３１は３階調であるため、中間部３１Ｂは１つである。しかし、グラデーション部３１が４階調の場合、中間部３１Ｂは２つ設けられる等、グラデーション部３１の階調数がｎとすると、中間部３１Ｂの数はｎ－２である。

中間膜４のエッジ４ａは、遮光膜５のエッジ５ａよりも内側に入り込み、遮光膜５のエッジ５ａの下方は、中間膜４が存在しないアンダーカット４ｂとなっている。そして、これに伴い、遮光膜５の端部は、オーバーハングして突出端部５ｂとなっている。

図示しないが、図１に示される積層膜構造は、遮光膜５が所定の幅を有した状態で反対側にも線対称に設けられる。そして、遮光部５０及び両側の半透過部３０，３０（グラデーション部３１，３１）により１つのパターン１Ａが構成される。

次に、本発明の一実施形態に係る多階調フォトマスク１の製造方法について説明する。

多階調フォトマスク１の製造方法は、ｉ）レジスト膜形成工程（工程１）、ｉｉ）描画工程（工程２）、ｉｉｉ）現像工程（工程３）、ｉｖ）遮光膜エッチング工程（工程４）、ｖ）中間膜表面エッチング工程（工程５）、ｖｉ）遮光膜サイドエッチング工程（工程６）、ｖｉｉ）半透過膜エッチング工程（工程７）、ｖｉｉｉ）レジスト膜除去工程（工程８）、ｉｘ）中間膜分割エッチング工程（工程９）、ｘ）プラズマ処理工程（工程１０）、を備える。なお、描画工程（工程２）及び現像工程（工程３）を合わせて、レジストパターン形成工程といい、中間膜表面エッチング工程（工程５）及び遮光膜サイドエッチング工程（工程６）を合わせて、整形工程という。

レジスト膜形成工程（工程１）では、図２（ａ）に示すように、フォトマスクブランクスの表面にレジストが均一に塗布されて、レジスト膜６が形成される。レジストは、塗布法やスプレイ法により塗布される。

描画工程（工程２）では、図２（ｂ）に示すように、描画装置（露光装置）の電子ビーム又はレーザを用いてレジスト膜６の表面に露光光が照射され、所定のレジストパターンが描画される。レジストパターンの設計（レジスト膜６のエッジ６ａの設計上の位置）の考え方については、後述する。現像工程（工程３）では、図２（ｃ）に示すように、レジスト膜６の余剰部６ｂが除去され、レジストパターンが形成される。現像は、現像液に浸漬することにより行われる。

遮光膜エッチング工程（工程４）では、図２（ｄ）に示すように、レジストパターンをエッチング処理用マスクとして、遮光膜５の露出した部分５ｃがエッチングされ、除去される。エッチングは、ドライエッチング、ウェットエッチングのいずれでも構わないが、大型サイズのフォトマスクであれば、ウェットエッチングが好ましい。エッチャントは、エッチング液やエッチングガスが用いられる。いずれのエッチャントであっても、遮光膜５に対するエッチング選択性を有するエッチャント（中間膜４をエッチングしないエッチャント）が用いられるため、遮光膜５のみが選択的にエッチングされる。

なお、遮光膜エッチング工程（工程４）では、中間膜４の表面にエッチングしきれない遮光膜５が残存しないように、遮光膜５の膜厚に相当するエッチング量に対し、エッチング量を余分に増やすようにする、いわゆる過エッチングが行われる。

中間膜表面エッチング工程（工程５）では、図３（ａ）に示すように、遮光膜５をエッチング処理用マスクとして、中間膜４の露出した部分のうち、膜厚方向における所定の深さの部分（表面部）４ｃが表面エッチングされ、除去される。エッチングは、ドライエッチング、ウェットエッチングのいずれでも構わないが、大型サイズのフォトマスクであれば、ウェットエッチングが好ましい。エッチャントは、エッチング液やエッチングガスが用いられる。いずれのエッチャントであっても、中間膜４に対するエッチング選択性を有するエッチャント（遮光膜５をエッチングしないエッチャント）が用いられるため、中間膜４のみが選択的にエッチングされる。

中間膜４の材質及び／又は中間膜４のエッチャントは、中間膜４のエッチングレートが低いものが選択される。これにより、中間膜４の表面部４ｃだけをエッチングすることができる。また、適切なエッチングレートを選択することにより、エッチング量（中間膜４の膜減り量）を適切に制御することができる。

中間膜表面エッチング工程（工程５）は、図３（ａ）、図３（ｃ）、図４（ａ）及び図４（ｃ）に示すように、複数回行われる（工程５－１、５－２、５－３、５－４）。中間膜表面エッチング工程（工程５）の回数は、（グラデーション部３１の階調数＋１）回である。本実施形態においては、グラデーション部３１は３階調であるため、中間膜表面エッチング工程（工程５）の回数は４回である。

遮光膜サイドエッチング工程（工程６）では、図３（ｂ）に示すように、遮光膜５のうち、露出したエッジ５ａの端面から内側方向における所定の深さ（所定の幅）の部分５ｄがサイドエッチングされ、除去される。サイドエッチングは、遮光膜エッチング工程（工程４）と同様の方法及び同様のエッチャントで行われる。

遮光膜サイドエッチング工程（工程６）は、図３（ｂ）、図３（ｄ）及び図４（ｂ）に示すように、複数回行われる（工程６－１、６－２、６－３）。遮光膜サイドエッチング工程（工程６）の回数は、グラデーション部３１の階調数と同じ回数である。別の言い方をすれば、遮光膜サイドエッチング工程（工程６）の回数は、（中間膜表面エッチング工程（工程５）の回数－１）回である。本実施形態においては、グラデーション部３１は３階調であり、中間膜表面エッチング工程（工程５）の回数は４回であるため、遮光膜サイドエッチング工程（工程６）の回数は３回である。なお、図３（ｂ）、図３（ｄ）及び図４（ｂ）においては、紙面の幅サイズの関係から、サイドエッチングのエッチング量は、短くして記載している。実際のイメージは、図９に記載されたものが近い。

中間膜表面エッチング工程（工程５）及び遮光膜サイドエッチング工程（工程６）は、中間膜表面エッチング工程（工程５）を始め及び終わりとして、複数回交互に繰り返される。本実施形態においては、工程５－１、工程６－１、工程５－２、工程６－２、工程５－３、工程６－３、工程５－４の順に行われる。中間膜４の表面エッチング及び遮光膜５のサイドエッチングが複数回交互に繰り返されることにより、中間膜４の露出した部分は、透明基板２に近づくほど外側に広がる形状を有する。より詳しくは、中間膜４の露出した部分は、階段形状を有する。

中間膜表面エッチング工程（工程５）の各工程５－１、５－２、５－３、５－４は、各工程のエッチング量の合計が中間膜４の膜厚となるように分割したエッチング量で行われる。好ましくは、各工程は、中間膜４の膜厚を中間膜表面エッチング工程（工程５）の回数で割ったエッチング量で行われる。たとえば、中間膜４の膜厚が１００ｎｍであり、中間膜表面エッチング工程（工程５）の回数が４回であるとすると、１回あたりのエッチング量は２５ｎｍとなる。ただし、各工程のエッチング量が同じであることは必須ではない。各工程のエッチング量は異なっていてもよい。いずれにせよ、上述のとおり、中間膜４のエッチングレートは低いので、このような微細な表面エッチングが可能となる。ただし、総エッチング量が膜厚に等しい場合、半透過膜３の表面にエッチングしきれない中間膜４が残存するおそれがある。そこで、最後の中間膜表面エッチング工程（工程５－４）では、過エッチングが行われる。図４（ｃ）に記載のエッチング量が図３（ａ）、図３（ｃ）、図４（ａ）に記載のエッチング量よりも多いのはこの理由による。

遮光膜サイドエッチング工程（工程６）の各工程６－１、６－２、６－３は、グラデーション部３１の透過率勾配に対応しかつ遮光膜５のエッジ５ａの設計上の位置に向かうように分割したエッチング量で行われる。

半透過膜エッチング工程（工程７）では、図４（ｄ）に示すように、中間膜４をエッチング処理用マスクとして、半透過膜３の露出した部分３ｄがエッチングされ、除去される。エッチングは、遮光膜エッチング工程（工程４）や遮光膜サイドエッチング工程（工程６）と同様の方法及び同様のエッチャントで行われる。なお、使用されるエッチャントは、遮光膜５及び半透過膜３に対するエッチング選択性を有するため、半透過膜３の露出した部分３ｄがエッチングされるだけでなく、遮光膜５のうち、露出したエッジ５ａの端面から内側方向における同量の深さの部分５ｄがサイドエッチングされる。

なお、半透過膜エッチング工程（工程７）では、透明基板２の表面にエッチングしきれない半透過膜３が残存しないように、半透過膜３の膜厚に相当するエッチング量に対し、エッチング量を余分に増やすようにする過エッチングが行われる。

レジスト膜除去工程（工程８）では、図５（ａ）に示すように、レジスト膜６が除去される。レジスト膜６の除去は、アッシング法やレジスト剥離液に浸漬することにより行われる。

以上の工程１ないし工程８を経て、多階調フォトマスク１の中間体が完成する。図５（ａ）に示すように、中間体は、透明基板２の上に積層される所定のパターン形状の半透過膜３と、半透過膜３の上に重なるように積層される中間膜４と、中間膜４の周辺領域の少なくとも一部が露出するように中間膜４の上に積層される所定のパターン形状の遮光膜５とを備え、中間膜４の露出した部分の少なくとも一部が透明基板２に近づくほどエッジ４ａが外側（面方向のうち、遮光膜５から遠ざかる方向）に広がる形状を有する積層膜構造からなる。より詳しくは、中間膜４の露出した部分の少なくとも一部は、透明基板２に近づくほどエッジ４ａが外側に広がる階段形状を有する。階段の段数は、グラデーション部３１の階調数と同じ段数である。本実施形態においては、グラデーション部３１は３階調であるため、段数は３段（下段部４ｄ、中段部４ｅ、上段部４ｆ）である。以降の工程９及び工程１０は、準備された中間体に対する工程となる。

中間膜分割エッチング工程（工程９）では、図５（ｂ）に示すように、遮光膜５をエッチング処理用マスクとして、中間膜４の露出した部分のうち、膜厚方向における所定の深さの部分（表面部）４ｃが表面エッチングされ、除去される。表面エッチングは、中間膜表面エッチング工程（工程５）と同様の方法及び同様のエッチャントで行われる。エッチャントは、中間膜４に対するエッチング選択性を有するエッチャント（半透過膜３及び遮光膜５をエッチングしないエッチャント）が用いられるため、中間膜４のみが選択的にエッチングされる。

また、中間膜分割エッチング工程（工程９）では、中間膜表面エッチング工程（工程５）と同様、中間膜４のエッチングレートは低い。これにより、中間膜４の表面部４ｃだけをエッチングすることができる。また、適切なエッチングレートを選択することにより、エッチング量（中間膜４の膜減り量）を適切に制御することができる。

中間膜分割エッチング工程（工程９）は、図５（ｂ）、図５（ｄ）及び図６（ｂ）に示すように、複数回行われる（工程９－１、９－２、９－３）。中間膜分割エッチング工程（工程９）の回数は、中間膜４の段数（すなわち、グラデーション部３１の階調数）と同じ回数である。本実施形態においては、中間膜４の段数は３段であるため、中間膜分割エッチング工程（工程９）の回数は３回である。

プラズマ処理工程（工程１０）では、図５（ｃ）に示すように、プラズマ処理装置により、半透過膜３の露出した部分の表面にプラズマが照射される。プラズマ処理装置は、大気圧下でプラズマを発生させて表面処理を行う装置（大気圧プラズマ処理装置）、密閉したチャンパ内の減圧下でプラズマを発生させて表面処理を行う装置（減圧プラズマ処理装置）のいずれでも構わないが、大型サイズのフォトマスクであれば、大気圧プラズマ処理装置が好ましい。

プラズマが照射された半透過膜３は、照射時間に応じて透過率が変化（増大）する。他方、半透過膜３の中間膜４に覆われた部分は、プラズマ処理の影響を受けないため、透過率は変化しない。このため、中間膜４は、プラズマ処理用マスクとして機能する。

プラズマ処理工程（工程１０）は、図５（ｃ）及び図６（ａ）に示すように、複数回行われる（工程１０－１、１０－２）。プラズマ処理工程（工程１０）の回数は、（グラデーション部３１の階調数－１）回である。別の言い方をすれば、プラズマ処理工程（工程１０）の回数は、（中間膜分割エッチング工程（工程９）の回数－１）回である。本実施形態においては、グラデーション部３１は３階調であり、中間膜分割エッチング工程（工程９）の回数は３回であるため、プラズマ処理工程（工程１０）の回数は２回である。

中間膜分割エッチング工程（工程９）及びプラズマ処理工程（工程１０）は、中間膜分割エッチング工程（工程９）を始め及び終わりとして、複数回交互に繰り返される。本実施形態においては、工程９－１、工程１０－１、工程９－２、工程１０－２、工程９－３の順に行われる。

１回目の中間膜分割エッチング工程（工程９－１）は、中間膜４の下段部４ｄの膜厚に対応するエッチング量で行われる。これにより、１回目の中間膜分割エッチング工程（工程９－１）では、中間膜４の下段部４ｄが除去される。このため、１回目のプラズマ処理工程（工程１０－１）では、中間膜４の下段部４ｄが除去されることにより半透過膜３の露出した部分の表面にプラズマが照射され、当該部分の透過率が高くなる。

２回目の中間膜分割エッチング工程（工程９－２）は、１回目の中間膜分割エッチング工程（工程９－１）により高さが下がった中間膜４の中段部４ｅの膜厚に対応するエッチング量で行われる。これにより、２回目の中間膜分割エッチング工程（工程９－２）では、中間膜４の中段部４ｅが除去される。このため、２回目のプラズマ処理工程（工程１０－２）では、中間膜４の下段部４ｄが除去されることにより半透過膜３の露出した部分の表面にさらにプラズマが照射され、当該部分の透過率がさらに高くなるとともに、中間膜４の中段部４ｅが除去されることにより半透過膜３の露出した部分の表面にプラズマが照射され、当該部分の透過率が高くなる。これらにより、グラデーション部３１の中で最も透過率が高い最外部３１Ａと、最外部３１Ａの次に透過率が高い中間部３１Ｂとが形成される。

３回目の中間膜分割エッチング工程（工程９－３）は、２回目の中間膜分割エッチング工程（工程９－２）により高さが下がった中間膜４の上段部４ｆの膜厚に対応するエッチング量で行われる。これにより、３回目の中間膜分割エッチング工程（工程９－３）では、中間膜４の上段部４ｆが除去される。グラデーション部３１の最内部３１Ｃは、中間膜４の上段部４ｆが除去されることにより半透過膜３の露出した部分である。最内部３１Ｃは、プラズマ処理を受けていない。このため、最内部３１Ｃの透過率は、半透過膜３の透過率と同じであり、グラデーション部３１の中で最も低い透過率である。

上述のとおり、グラデーション部３１の各部３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの透過率は、プラズマの照射時間の積算値と相関性を有する。図７（ａ）に示すように、最外部３１Ａの透過率をＴ３とするために照射時間Ｓ２が必要であり、中間部３１Ｂの透過率をＴ２とするために照射時間Ｓ１が必要であるとすると、１回目のプラズマ処理工程（工程１０－１）では、照射時間が（Ｓ２－Ｓ１）となるようにプラズマが照射され、２回目のプラズマ処理工程（工程１０－２）では、照射時間がＳ１となるようにプラズマが照射される。このように、プラズマ処理工程（工程１０）の各工程１０－１、１０－２での照射時間は、グラデーション部３１の各部３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの透過率に基づいて求められる。

そして、プラズマ処理工程（工程１０）の各工程１０－１、１０－２での照射時間を適宜設定することにより、グラデーション部３１の透過率勾配を適宜設定することができる。たとえば、図７（ａ）に示す例は、各工程１０－１、１０－２での照射時間を均等にすることにより、グラデーション部３１の透過率勾配が線形となる例である。また、図７（ｂ）に示す例は、工程１０－２での照射時間が工程１０－１での照射時間よりも長くなり、グラデーション部３１の透過率勾配が曲線となる例である。また、図７（ｃ）に示す例は、工程１０－２での照射時間が工程１０－１での照射時間よりも短くなり、グラデーション部３１の透過率勾配が曲線となる例である。

なお、中間膜分割エッチング工程（工程９）の各工程９－１、９－２、９－３では、半透過膜３の表面にエッチングしきれない中間膜４が残存しないように、過エッチングが行われる。図５（ｂ）に記載のエッチング量が、中間膜４の下段部４ｄの膜厚よりも多く、図５（ｄ）に記載のエッチング量が、膜厚が減少した中間膜４の中段部４ｅの膜厚よりも多く、図６（ｂ）に記載のエッチング量が、膜厚が減少した中間膜４の上段部４ｆの膜厚よりも多いのはこの理由による。

以上の工程１ないし工程９－３を経て、図６（ｃ）（及び図１）に示すように、多階調フォトマスク１が完成する。本実施形態に係る多階調フォトマスク１の製造方法によれば、描画工程は１回で済む。このため、多階調フォトマスクの製造過程において、アライメントが不要となる。したがって、本実施形態に係る多階調フォトマスク１の製造方法及び多階調フォトマスク１によれば、アライメントずれが無く、このため、リードタイムを短縮することができるとともに、高精細な多階調フォトマスクを製造することができる。

なお、多階調フォトマスク１の製造方法の諸条件は、目安として、次のとおりである。
・各エッチング工程（工程４ないし工程７、工程９）のプロセス温度：２０℃ないし２４℃（たとえば２３℃）
・遮光膜エッチング工程（工程４）のプロセス時間：６０秒ないし２００秒
・中間膜４の各エッチング工程（工程５、工程９）の１工程当たりのプロセス時間：５分ないし１０分
・遮光膜サイドエッチング工程（工程６）の１工程当たりのプロセス時間：５００秒ないし２０００秒
・半透過膜エッチング工程（工程７）のプロセス時間：２０秒ないし１００秒
・ちなみに、半透過膜３及び遮光膜５の各エッチングレートは、一例として１ｎｍ／ｓｅｃ程度であり、中間膜４のエッチングレートは、一例として４ｎｍ／ｍｉｎ程度である。

次に、描画工程（工程２）の説明の箇所で触れた、レジストパターンの設計（レジスト膜６のエッジ６ａの設計上の位置）の考え方について説明する。

半透過膜３のエッジ３ａの位置が設計上の位置に仕上げられるのは、半透過膜エッチング工程（工程７）においてである。そこで、レジスト膜６のエッジ６ａの設計上の位置と半透過膜３のエッジ３ａの設計上の位置との関係を図８に示す。図８からわかるように、両者の差Ａは、次の式で表される。なお、上記各エッチング工程において、半透過膜３、中間膜４及び遮光膜５のそれぞれは、膜厚方向及び内側方向に同じ速度（エッチングレート）でエッチングされていくものと仮定する（以下、同様）。
差Ａ＝半透過膜３の膜厚ＦＴ３＋工程７における過エッチング量ＯＥ３
＋中間膜４の膜厚ＦＴ４＋工程５における過エッチング量ＯＥ４
＋遮光膜５の膜厚ＦＴ５＋工程４における過エッチング量ＯＥ５

したがって、レジスト膜６のエッジ６ａの設計上の位置、すなわち、レジストパターンの描画データは、半透過膜３のエッジ３ａの設計上の位置に対し、差Ａだけ外側にオフセットしたデータとなる。

また、遮光膜５のエッジ５ａの位置が設計上の位置に仕上げられるのも、半透過膜エッチング工程（工程７）においてである。そこで、レジスト膜６のエッジ６ａの設計上の位置と遮光膜５のエッジ５ａの設計上の位置との関係を図９に示す。図９からわかるように、両者の差Ｂは、次の式で表される。
差Ｂ＝半透過膜３の膜厚ＦＴ３＋工程７における過エッチング量ＯＥ３
＋工程６における総サイドエッチング量（ＳＥ５－１～３）
＋遮光膜５の膜厚ＦＴ５＋工程４における過エッチング量ＯＥ５

したがって、この式を踏まえて、遮光膜サイドエッチング工程（工程６）の各工程６－１、６－２、６－３におけるサイドエッチング量を適宜設定することにより、遮光膜５のエッジ５ａの位置を設計上の位置に仕上げることができる。

次に、グラデーション部３１の透過率勾配について説明する。

図１０の上図は、中間膜表面エッチング工程（工程５）及び遮光膜サイドエッチング工程（工程６）によるフォトマスクブランクスの積層膜構造の変化を表したものであり、図１０の下図は、多階調フォトマスク１を表したものであり、両図は、面方向の位置が上下方向において合わされた状態で記載されている。これからわかるように、遮光膜サイドエッチング工程（工程６）による遮光膜５の段階的なエッジ５ａの位置と、中間膜４のエッジ４ａ及び各段部４ｄ，４ｅ，４ｆの境界の位置とは、中間膜４の各段部４ｄ，４ｅ，４ｆのサイドエッチングが生じることにより多少ずれるものの、相関性があることがわかる。また、中間膜４のエッジ４ａ及び各段部４ｄ，４ｅ，４ｆの境界の位置と、グラデーション部３１のエッジ３ａ及びグラデーション部３１の境界３ｂ,３ｃの位置とは、中間膜４の各段部４ｄ，４ｅ，４ｆのサイドエッチングが生じることにより多少ずれるものの、相関性があることがわかる。そして、これらのことから、遮光膜サイドエッチング工程（工程６）による遮光膜５の段階的なエッジ５ａの位置と、グラデーション部３１のエッジ３ａ及びグラデーション部３１の境界３ｂ,３ｃの位置とは、中間膜４の各段部４ｄ，４ｅ，４ｆのサイドエッチングが生じることにより多少ずれるものの、相関性があることがわかる。

したがって、遮光膜サイドエッチング工程（工程６）の各工程６－１、６－２、６－３におけるサイドエッチング量を適宜設定することにより、グラデーション部３１の透過率勾配を適宜設定することができる。たとえば、図１０の下図（及び図１）に示す例は、サイドエッチング量を均等にすることにより、グラデーション部３１の透過率勾配が線形となる例である。また、図１１（ａ）に示す例は、半透過膜３のエッジ３ａに近づくほど領域の幅が広くなり、グラデーション部３１の透過率勾配が曲線となる例である。また、図１１（ｂ）に示す例は、半透過膜３のエッジ３ａに近づくほど領域の幅が狭くなり、グラデーション部３１の透過率勾配が曲線となる例である。

次に、フォトマスクブランクスの説明の箇所で触れた、中間膜４の膜厚について説明する。

図１２からわかるように、遮光膜５の突出端部５ｂのオーバーハング量は、次の式で表される。
オーバーハング量＝中間膜４の膜厚ＦＴ４
－｛膜厚ＦＴ４／（グラデーション部３１の階調数＋１）
＋工程５における過エッチング量ＯＥ４｝
＋工程９－３における過エッチング量ＯＥ４

この式から、中間膜４の膜厚ＦＴ４は、次の式で表される。
膜厚ＦＴ４＝（オーバーハング量＋工程５における過エッチング量ＯＥ４
－工程９－３における過エッチング量ＯＥ４）
／｛１－１／（グラデーション部３１の階調数＋１）｝

ここで、オーバーハング量は、突出端部５ｂの垂れによる変形を防止するために、１５０ｎｍ以下にされるのが好ましい。そうすると、各過エッチング量ＯＥ４が１５ｎｍ、グラデーション部３１が３階調とした場合、中間膜４の膜厚は２００ｎｍ以下となる。

次に、中間膜４の膜厚の下限についてであるが、適切なグラデーション部３１を形成するためには、中間膜表面エッチング工程（工程５）及び中間膜分割エッチング工程（工程９）における中間膜４の膜厚制御が重要となる。エッチングレートが高すぎると、中間膜４の膜厚制御が難しくなる。逆に、エッチングレートが低すぎると、プロセス時間がかかり、生産性が低下する。そこで、エッチングレートは４ｎｍ／ｍｉｎ程度であり、中間膜表面エッチング工程（工程５）及び中間膜分割エッチング工程（工程９）の１工程当たりのプロセス時間は７．５分程度が好ましい。

そうすると、中間膜４の膜厚ＦＴ４は、次の式で表される。
膜厚ＦＴ４＝（グラデーション部３１の階調数＋１）×３０ｎｍ

以上のことから、中間膜４の膜厚を９０ｎｍないし２００ｎｍの範囲に設定することにより、２階調ないし５階調のグラデーション部３１（すなわち、４階調ないし７階調の高精細な多階調フォトマスク）を製造することができる。

次に、多階調フォトマスク１の全体パターンについて説明する。

多階調フォトマスク１の単位パターン１Ａは、一例として、遮光部５０の周辺領域全域に半透過部３０（グラデーション部３１）を備える形態である。図１３（ａ）は、複数の単位パターン１Ａ，…を互いに間隔を大きくあけて（透過部２０の領域を十分に広くして）２次元的に定ピッチに配置したアイランド型（凸型）の多階調フォトマスク１である。図１３（ｂ）は、遮光部５０の領域を十分に広くした複数の単位パターン１Ａ，…を互いに接近させて（透過部２０の領域を十分に狭くして）定ピッチに配置したホール型（凹型）の多階調フォトマスク１である。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

上記実施形態においては、多階調フォトマスクは５階調である。しかし、本発明は、これに限定されるものではない。中間膜の階段の段数を４段以上（中段部を２段以上）にし、グラデーション部の中間部を２つ以上形成することにより、６階調以上の多階調フォトマスクを製造することができる。あるいは、中間膜の階段の段数を２段（中段部を設けない）にし、グラデーション部の中間部を形成しないことにより、４階調の多階調フォトマスクを製造することができる。

また、上記実施形態においては、グラデーション部３１は、半透過部３０全域に設けられ、半透過部３０と一致するものである。しかし、本発明は、これに限定されるものではない。グラデーション部は、半透過部の一部に設けられるものであってもよい。

また、上記実施形態においては、中間膜表面エッチング工程（工程５）及び遮光膜サイドエッチング工程（工程６）は、中間膜表面エッチング工程（工程５）を始めとして、複数回交互に繰り返される。しかし、本発明は、これに限定されるものではない。たとえば、図１４及び図１５に示すように、中間膜表面エッチング工程（工程５）及び遮光膜サイドエッチング工程（工程６）は、遮光膜サイドエッチング工程（工程６）を始めとして、複数回交互に繰り返されるようにしてもよい。なお、図１４及び図１５の例においては、中間膜表面エッチング工程（工程５）の回数は、グラデーション部３１の階調数と同じ回数である。遮光膜サイドエッチング工程（工程６）の回数は、（グラデーション部３１の階調数＋１）回である。別の言い方をすれば、遮光膜サイドエッチング工程（工程６）の回数は、（中間膜表面エッチング工程（工程５）の回数＋１）回である。

また、上記実施形態及び図１４及び図１５の例においては、中間膜表面エッチング工程（工程５）及び遮光膜サイドエッチング工程（工程６）は、いずれかが１工程多い。しかし、本発明は、これに限定されるものではない。たとえば、図１６及び図１７に示すように、中間膜表面エッチング工程（工程５）及び遮光膜サイドエッチング工程（工程６）は、いずれが始めであるかを問わず、同じ工程数であってもよい。

また、上記実施形態においては、プラズマ処理工程（工程１０）は、１回目の中間膜分割エッチング工程（工程９－１）及び２回目の中間膜分割エッチング工程（工程９－２）の後に行われる。しかし、本発明は、これに限定されるものではない。プラズマ処理工程（工程１０）は、最後の中間膜分割エッチング工程の後にも行われるようにしてもよい。

また、本発明においては、遮光膜に代えて、位相シフト膜であってもよい。下層の半透過膜との積層により光学濃度（ＯＤ値）が２．７以上であればよい。

１…多階調フォトマスク、１Ａ…パターン、２…透明基板、２０…透過部、３…半透過膜、３ａ…エッジ、３ｂ…境界、３ｃ…境界、３ｄ…部分、３０…半透過部、３１…グラデーション部、３１Ａ…最外部、３１Ｂ…中間部、３１Ｃ…最内部、４…中間膜（エッチングストッパ膜）、４ａ…エッジ、４ｂ…アンダーカット、４ｃ…部分（表面部）、４ｄ…下段部、４ｅ…中段部、４ｆ…上段部、５…遮光膜、５ａ…エッジ、５ｂ…突出端部、５ｃ…部分、５ｄ…部分、５０…遮光部、６…レジスト膜、６ａ…エッジ、６ｂ…余剰部

Claims (6)

1. 所定のパターン形状を有し、透明基板の上に積層される半透過膜と、半透過膜と異なるエッチング特性を有し、半透過膜の上に重なるように積層される中間膜と、所定のパターン形状及び半透過膜と同じエッチング特性を有し、中間膜の周辺領域の少なくとも一部が露出するように中間膜の上に積層される遮光膜とを備え、中間膜の露出した部分の少なくとも一部が透明基板に近づくほどエッジが外側に広がる形状を有する積層膜構造からなる中間体を準備する中間体準備工程と、
   中間膜の露出した部分を複数回に分けてエッチングする中間膜分割エッチング工程と、
   各回のエッチング後に半透過膜の露出した部分をプラズマ処理し、当該部分の透過率を変更するプラズマ処理工程とを備える
   多階調フォトマスクの製造方法。
2. 中間体準備工程は、中間体を製造する中間体製造工程を含み、
   中間体製造工程は、
   フォトマスクブランクスの表面にレジスト膜を形成するレジスト膜形成工程と、
   所定のレジストパターンを形成するレジストパターン形成工程と、
   レジストパターンをマスクとして、遮光膜の露出した部分をエッチングし、除去する遮光膜エッチング工程と、
   遮光膜をマスクとして、中間膜の露出した部分のうち、膜厚方向における所定の深さの部分をエッチングし、除去する表面エッチングと、遮光膜のうち、露出したエッジの端面から内側方向における所定の深さの部分をエッチングし、除去するサイドエッチングとを交互に繰り返すことにより、中間膜の該当部分を透明基板に近づくほどエッジが外側に広がる形状に整形する整形工程と、
   中間膜をマスクとして、半透過膜の露出した部分をエッチングし、除去する半透過膜エッチング工程と、
   レジスト膜を除去するレジスト膜除去工程とを備える
   請求項１に記載の多階調フォトマスクの製造方法。
3. 整形工程は、中間膜の該当部分を階段状に整形する
   請求項２に記載の多階調フォトマスクの製造方法。
4. 中間膜として、半透過膜及び遮光膜よりもエッチングレートが低い膜が選択される
   請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の多階調フォトマスクの製造方法。
5. 所定のパターン形状を有し、透明基板の上に積層される半透過膜と、
   半透過膜と異なるエッチング特性を有し、半透過膜の周辺領域の少なくとも一部が露出するように半透過膜の上に積層される中間膜と、
   所定のパターン形状及び半透過膜と同じエッチング特性を有し、中間膜の上に重なるように積層される遮光膜とを備え、
   半透過膜の露出した部分の少なくとも一部は、半透過膜のエッジに近づくほど透過率が高くなる複数の領域で構成されるグラデーション部を備える
   多階調フォトマスク。
6. 中間膜のエッジが遮光膜のエッジよりも内側に入り込むことにより、遮光膜のエッジの下方に、中間膜が存在しないアンダーカットが形成され、これに伴い、遮光膜の端部がオーバーハングして突出端部となる
   請求項５に記載の多階調フォトマスク。

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