JP3216888B2

JP3216888B2 - ホトマスク及びその製造方法並びに露光方法

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Publication number: JP3216888B2
Application number: JP3261191A
Authority: JP
Inventors: 誠村山; 良忠押田; 田中　　勉; 隆一船津; 康裕吉武
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-07-27
Filing date: 1991-02-27
Publication date: 2001-10-09
Anticipated expiration: 2016-10-09
Also published as: JPH04212155A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の利用分野】本発明は、ホトマスクとウェハまた
はプリント板等の基板を微小ギャップ離して露光するプ
ロキシミティ露光法等において、高解像性能を得るため
のホトマスク及びその製造方法並びに露光方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ホトマスク上の所望のパターンをウェハ
またはプリント板等の基板上に転写する露光方法は、投
影露光方法、密着露光法、プロキシミティ露光方法の３
つに大きく分けることができる。各露光方法の性能を評
価する基準として解像度、歩留まり、露光速度、装置価
格を考える。解像度は、より細かいパターンを転写でき
るほどよく、歩留まりは、パターン転写欠陥の起こる確
率が小さいほど良い。

【０００３】レンズ系やミラー系を用いた投影露光方式
は、解像度や歩留まりはよいが、装置構成が複雑なため
高価格であり、ホトマスクや基板を移動させるため比較
的露光速度は遅い。ホトマスクと基板を密着させて露光
する密着露光方式は、解像度はよく露光速度も速く装置
も低価格であるが、接触によりホトマスクや基板の損傷
が起こり、歩留まりが低い。

【０００４】ホトマスクと基板を微小ギャップあけて露
光するプロキシミティ露光方式は、装置は低価格で露光
速度も速く、ホトマスクと基板の接触による損傷はない
ため歩留まりはよいが、微小ギャップあけるために光が
回折し、高解像度は得られない。

【０００５】また、従来技術として、特公平１−５１８
２５号公報が知られている。即ち、この従来技術には、
「リソグラフィ用マスクがリソグラフィの分解能よりも
小さな複数の透明要素及び不透明要素（ハーフトーン）
を含むリソグラフィ方法」により、解像度が向上するこ
とが示されている。また、透過光の位相をシフトさせる
位相シフトを併用し、有限段数の位相シフタとハーフト
ーンにより任意の複素振幅透過率分布を実現することが
示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする問題点】上記従来のプロキシ
ミティ露光方法で用いられたホトマスクは、光の回折に
より解像度が低下するという課題があった。この課題に
ついて、図２、図５を用いて説明する。図２は、孤立遮
光パターンを露光するための従来のホトマスクの断面図
であり、ホトマスク１１上には遮光パターン１２が形成
されている。横軸ｘは基板１３上の位置を示す座標であ
り、ｘ₁、ｘ₂は遮光パターン１２境界の座標である。ｇ
は、ホトマスクと基板間のギャップである。このホトマ
スク１１に露光照明光１０を照射して露光をおこなうと
きの基板１３上の光強度Ｉの分布を図５に示す。ポジレ
ジストを基板上に塗布して露光および現像をするとき、
基板上の光強度Ｉがあるしきい値以下の部分にパターン
が残ることになる。実線３１は照明光１０が平行コヒー
レント光であるとき（視角ゼロのとき）の光強度分布で
あり、回折光の影響でパターン中心部で光強度が大きく
なる。光強度しきい値をどのようにとっても、解像パタ
ーンの境界をｘ₁とｘ₂にとることはできない。一点鎖線
３０は図９の視角５７を大きくするときの光強度分布
で、パターン中心部の光強度が小さくなってｘ₁とｘ₂を
境界にもつ所望のパターンが得られるが、解像する光強
度しきい値付近の光強度分布の勾配が非常に小さくなっ
ている。この勾配が小さいと、露光量のばらつきやプロ
セスばらつきに対するパターン線幅の変化が大きくな
り、安定な解像パターン線幅が得られないという課題を
有していた。

【０００７】図７（ａ）、（ｂ）はホトマスク上に長方
形遮光パターン３５が形成されているときの被露光基板
上の光強度の等高線分布を示す図である。長方形の短辺
の長さは、１次元の場合のパターン幅ｄと同じであり、
３５は長方形の境界も示す。図７（ａ）は視角ゼロの場
合で、光強度しきい値をどのようにとっても、回路パタ
ーン形状は大きく変化してしまい、しきい値０．４のと
きのレジストパターンは斜線に示すようになる。図７
（ｂ）は１次元の場合と同じく視角を大きくする場合で
あるが、やはり所望の回路パターン形状は得られないと
いう課題を有するものである。

【０００８】また、特公平１−５１８２５号公報には、
波面を逆に再生し、基板上で結像させて、プロキシミテ
ィ露光の解像度を向上させようとする課題については、
考慮されていない。

【０００９】本発明の目的は、上記課題を解決すべく、
プロキシミティ露光方式等では解像できなかった微小パ
ターンを正確に解像し、しかもパターン寸法の変化を小
さくして露光できるようにしたホトマスク及びその製造
方法並びに露光方法を提供することにある。

【００１０】

【問題点を解決するための手段】本発明においては、上
記目的を達成するために、基板上で望ましい光強度分布
が得られるようなホトマスクを設計する。その設計方法
の１つは以下のとおりである。照明光波長をλ、露光時
のホトマスクと基板との間のギャップをｇとする。所望
の転写パターンが波長λの平行コヒーレント光によって
照射されるときの回路パターンから光軸方向にｚ離れた
仮想平面上での光の複素振幅分布を、光の回折の式等を
用いて計算機により計算して求める。なお、光の回折の
式を用いる場合には、フレネル回折やフラウンホーファ
回折の近似式によるのがよい。そしてこの複素振幅分布
の複素共役に等しい位相分布および振幅透過率分布を透
過光に与えるようなホトマスクを形成すればよい。すな
わち、透過光の位相と実効的な光振幅透過率の両方が連
続的または離散的に変化するようなホトマスクを用い
る。実際の露光では、図９に示す露光系を用いて、波長
λを主な波長成分とする照明光をこのホトマスクに照射
して基板上にパターンを転写する。

【００１１】

【作用】本発明による作用を図１０により説明する。図
１０（ａ）は、所望の転写パターンを有するホトマスク
６０に平行コヒーレント光を照射するときの光の波面の
伝播状況を表している。図１０（ｂ）は本発明によるホ
トマスク６２に平行コヒーレント光を照射して露光する
ときの光の波面の伝播状況を表している。図１０（ａ）
のホトマスク６０と基板６１の間隔と、図１０（ｂ）の
ホトマスク６２と基板６３間の間隔は同じである。７０
から７４および８０から８４は位相の等しい波面を表し
ており、線の太さは光の振幅の大きさを表す。例えば、
図１０（ａ）の透過直後の波面７１は、遮光部の振幅が
ゼロで透過部の振幅、位相が等しいことを示し、波面７
２はパターン部の位相が大きく遅れていて振幅が小さい
ことを表している。伝播するにつれ、波面７４のように
パターン部にあたる部分の振幅が大きくなり、位相の遅
れが小さくなっていく。ホトマスク透過直後の波面８１
が、波面７４の振幅と同一で位相を反転した波面となる
ようにホトマスク６２を形成する。ホトマスク６２と基
板６３間で波面が（ａ）の場合と逆に伝播し、波面８
２、８３はそれぞれ波面７３、７２と振幅が等しく位相
を反転した波面になる。基板６３面上の波面８４は、元
のホトマスク６０透過直後の波面７１の再生になる。す
なわち基板６３上では、遮光部に対応する部分の光の振
幅がゼロとなり透過部では一様な振幅、位相になる。波
面８１が波面７４の反転そのものであるような理想的な
場合には、ホトマスクと基板の間のギャップがいかに大
きくても元のホトマスク６０透過直後の光の強度分布が
再現できる。

【００１２】

【実施例】本発明によるホトマスクを用いたプロキシミ
ティ露光の実施例を図１を用いて説明する。図１は本発
明によるホトマスクの一実現方法（実施例）を表す断面
図である。１は平行なコヒーレント光、２はホトマス
ク、３はホトマスク上に形成された微小なクロムの細線
パターン、４は位相シフタ、５は基板である。このホト
マスクは、以下のようにして得られる。図２に示す所望
のパターン１２を有するホトマスク１１への露光照明光
１０を平行コヒーレント光とする。このときホトマスク
透過直後の光の振幅分布は図３（ａ）に示す分布１５を
もつ。ギャップｇだけホトマスク１１から離れた基板１
３上の回折光の複素振幅分布を求め、その複素共役をと
ると図３（ｂ）に示す実線の振幅分布１６と図３（ｃ）
に示す実線の位相分布１８になる。基板上の位置を示す
ｘ軸を十分細かい間隔で分割し、各領域で振幅分布１６
を３段階に離散化すると点線で示す振幅分布１７が得ら
れる。透過度１／３の部分は図３（ｄ）のように開口部
と遮光部の比を１対２に、２／３の部分は図３（ｅ）の
ように２対１にして図１に示す細線パターン３を得る。
この細線パターンが解像しないようにｘ軸の分割間隔を
選んでおく。この細線パターン３は、クロム等を用いて
通常の露光、現像、エッチングプロセスにより形成でき
る。また、位相分布１８も同様に離散化して点線で示す
位相分布１９をえる。この分布を実現するには、空気に
対してある屈折率差をもつ透明な材料からなる位相シフ
タを設ける。位相シフタのある開口部の位相が遅れるこ
とになる。位相シフタ材料としては、ＳｉＯ₂やホトレ
ジスト材料が考えられる。先の位相分布の離散化単位の
遅れを透過光に与える位相シフタ厚さを計算し、位相シ
フタをその厚さを単位として３層に重ね、図１に示す位
相シフタ４を形成する。図４に、このホトマスクに平行
コヒーレント光を照射して露光を行うときの基板５上の
光強度分布２５を示す。遮光パターンに対応する中心部
分での光強度はほぼゼロで、点線に示すようにもとのパ
ターン境界のｘ₁、ｘ₂を境界にもつ解像パターンが得ら
れる。また、解像する光強度しきい値付近での光強度分
布は急勾配をもち、露光量の変動や現像プロセスのばら
つきに対する解像パターン幅の変化が小さい。一方、本
実施例で用いたような細線パターン３は回折格子として
働き、図４では示されていないさらに外側の基板上の光
強度分布に、高空間周波数成分からなるノイズが生じる
ことがある。しかし、照明系の視角５７を増やすことで
ノイズを打ち消すことができる。図には示さないが、ノ
イズが打ち消される程度に視角を増やしても図４の光強
度分布はほとんど変わらない。

【００１３】同じ１次元孤立遮光パターンのプロキシミ
ティ露光に用いるホトマスクの計算方法は、以上の１通
りだけではない。図６を用いて説明する。これまでは、
所望のパターン透過直後の光は振幅位相とも一様として
微小ギャップ離れた基板面上の光の振幅および位相分布
を計算した。よりコントラストのよい光強度分布を得る
ための方法は、所望のパターン透過直後の光の振幅分布
が図３（ａ）の振幅分布１５ではなく、図６のような遮
光パターンエッジｘ₁、ｘ₂付近のコントラストを大きく
した振幅分布３３であると仮定して、基板面上の光の複
素振幅分布を計算することである。こうして計算したホ
トマスクを用いて露光を行うと、解像する光強度しきい
値付近の勾配のより大きい光強度分布となり、パターン
線幅の変動が小さくなる。また、露光時の基板上の光強
度分布だけが所望の分布になればよく、その位相は問わ
れない。前の実施例では、所望のパターンに照射する光
の位相は一様として基板上の光の振幅および位相分布を
計算したが、任意の位相分布を与えても良いことは明ら
かである。位相分布をうまく与えることにより、ホトマ
スクの形成をより簡単にしたり、露光時の基板上の光強
度分布をより望ましくすることができる。

【００１４】２次元の場合の長方形パターンのプロキシ
ミティ露光の実施例を図８を用いて説明する。図８
（ａ）に示すように、所望の長方形パターン４１の形成
されたホトマスク４２と、そのホトマスクから露光ギャ
ップｇ離れており、かつ格子上に区切られた仮想面４３
を考える。このホトマスク４２に平行コヒーレント光４
０を照射するときの仮想面４３上の各格子内での光の振
幅分布と位相分布を計算する。その振幅分布を３段階に
離散化し、透過率ゼロの格子はすべて遮光部とし、透過
率１／３の格子は図８（ｂ）のような斜線で示す遮光部
と空白の透過部の比率が２対１のパターンに置き換え、
２／３の格子は図８（ｃ）のように遮光部と透過部の比
率が１対２のパターンに置き換え、透過率が１の格子は
すべて開口とする。これらのパターンが解像しない程度
に微小となるように格子の大きさをあらかじめ決めてお
く。図８（ｄ）は、その結果得られたホトマスク上の細
線パターン４４を上方から見た図である。図８（ｄ）、
（ｅ）、（ｆ）とも点線は図８（ａ）の元の長方形遮光
パターン４１の境界を示す。一方、位相分布は正負逆に
したのちある離散化単位で離散化し、位相を遅らせる格
子ほど厚い位相シフタに置き換える。そのときの位相シ
フタ配置図をホトマスク上方から見たものを図８図
（ｅ）に示す。４５はシフタのない部分、４６、４７、
４８はそれぞれ単位シフタ厚さの１倍、２倍、３倍の厚
さの領域を表している。この細線パターン４４と位相シ
フタ配置を有するホトマスクに平行コヒーレント光を照
射して露光するときのギャップｇ離れた基板上の光強度
の等高線分布を図８（ｆ）に示す。図７（ｂ）と同様に
斜線部は、光強度が解像光強度しきい値より小さい部分
であり、元のパターンに近いレジストパターンが得られ
ている。さらに解像する光強度しきい値付近での等高線
密度が大きく光強度分布の勾配が大きいため、線幅ばら
つきが小さくなっている。なお、この場合も細線に垂直
な方向に光が回折して光強度分布に高周波のノイズが生
じるため、視角を少し増す必要がある。

【００１５】本発明によるホトマスクにおいて、光の振
幅透過率分布や位相分布を実現する他の実施例について
図１１を用いて説明する。まず振幅透過率の場合は、図
１１に示すように露光量により現像後に光の透過率のか
わる感光材料９１、たとえば銀塩感光材料やフォトポリ
マーをホトマスク９０に塗布した後、この感光材料９１
に図に示すように適当な露光量分布をもつ露光をして現
像する。露光量分布は、たとえばレーザー直描で場所に
より照射量を変えることで実現すればよい。位相分布に
ついても同様に、露光量により現像後の光の屈折率のか
わる感光材料を塗布した後、同様に露光、現像すればよ
い。本実施例によれば、振幅透過率や位相変調度の分布
を露光量に置き換えるため、連続的な分布が実現しやす
いという効果がある。

【００１６】本発明によるホトマスクにおいて、光の振
幅透過率分布を実現する他の実施例について図１２を用
いて説明する。図１２は、数層に重ねた半透明フィルム
９３を有するホトマスク９２の断面図であり、半透明フ
ィルムを重ねることによって光透過率の分布を実現する
こともできる。フィルム厚さによる位相遅れの影響がで
るときは、それを考慮して位相シフタ厚さを計算すれば
よい。

【００１７】プロキシミティ露光方式の一例を図９によ
り説明する。図９において、高圧水銀灯光源５０からの
光を反射ミラー５１によりロッドレンズ群５２に集め、
各ロッドレンズからの出射光をコリメーターレンズ５４
により平行光としてホトマスク５５に照射する。ロッド
レンズ群直後の絞り５３により光を出射するロッドレン
ズの数を制限して、視角と呼ばれる照射光の最大傾き角
５７を変える。絞り５３の径を小さくすると、光の分布
はホトマスクに垂直な平行光だけになり、視角ゼロのコ
ヒーレントな照明となる。

【００１８】次に本発明の原理を図１０に基いて説明す
る。即ち、図１０（ｂ）に示すように、ホトマスク２
（６２）と基板５（６３）間で波面が図１０（ａ）の場
合と逆に伝播し、波面８２、８３はそれぞれ波面７３、
７２と振幅が等しく位相を反転した波面になる。基板５
（６３）面上の波面８４は、元のホトマスク６０透過直
後の波面７１の再生になる。すなわち基板５（６３）上
では、遮光部に対応する部分の光の振幅がゼロとなり透
過部では一様な振幅、位相になる。波面８１が波面７４
の反転そのものであるような理想的な場合には、ホトマ
スクと基板の間のギャップがいかに大きくても元のホト
マスク６０透過直後の光の強度分布を再現することがで
きる。このように、転写パターンが細かくなっても、回
折の影響を受けることなく、高解像度でもって転写露光
することができる。

【００１９】また、プロキシミティ露光で大面積を一度
に転写する場合の実施例を図１３を用いて説明する。図
１３は大型の本発明によるホトマスク１００を用いて基
板１０３上にパターン転写する場合を示す。ホトマスク
１００自体が重力によりたわむため、中央部１０２のギ
ャップｇ₁は端部１０１のギャップｇ₂より小さくなる
が、このギャップの分布は計算で求めることができる。
そこで、所望のパターンを有するホトマスクに平行コヒ
ーレント光を照射すると仮定して仮想面上での光の複素
振幅を計算するときの、ホトマスクと仮想面のギャップ
をホトマスク上の位置によって変えればよい。本実施例
のように計算したホトマスクを用いて露光すると、ホト
マスクのたわみに影響されることなく全基板面上で所望
の光強度分布が実現できる効果がある。

【００２０】最後に本発明によるホトマスクを投影露光
に適用する実施例を図１４を用いて説明する。図１４
は、ホトマスク１１０に露光照明光１１３を照射して所
望パターンを入射瞳１１５と投影レンズ１１４からなる
投影露光系により段差のある基板面上に転写する場合を
示す断面図である。段差の上面１１１に焦点が合ってい
るとすると、従来のホトマスクを用いて露光すれば段差
の下面１１２はデフォーカスとなる。そこで、面１１２
上に結像するときの面１１１上での光の複素振幅分布を
計算する。段差の高さｇをプロキシミティギャップとみ
なし、本発明で用いた方法により導く。面１１１上での
この光の複素振幅分布を実現するようなホトマスク透過
直後の光の複素振幅分布を、投影レンズ系の伝達関数か
ら逆計算し、本発明によるホトマスク１１０を用いて投
影露光を行う。本実施例によれば、段差による焦点ずれ
の影響を排除した露光が可能になるという効果がある。

【００２１】次に、本発明の原理を更に具体的に図１５
を用いて説明する。即ち、図１５（ａ）は、所望の１次
元遮光パターン１２（以下所望パターン）に波長λの平
行コヒーレント光７０を照射すると仮定するときの光の
波面の伝播状況を表している。図１５（ｂ）は本発明に
よるホトマスク（以下結像性マスクと称す。）６２
（２）に同じ波長λの平行コヒーレント光１を逆向きに
露光するときの光の波面の伝播状況を表している。図１
５（ａ）の所望パターン形成面６０と仮想面６１の間隔
は、図１５（ｂ）の結像性マスク６２（２）と被露光基
板６３の間隔と同じでｇである。図１５（ａ）に示すよ
うに所望パターン形成面６０上に位置座標ｘo、仮想面
６１上に位置座標ｘiをとり、所望パターンの両端の座
標をｘ₁、ｘ₂とする。７１から７４および８１から８４
は位相の等しい波面を表しており、線の太さは光の振幅
の大きさを表す。例えば図１５（ａ）の所望パターン１
２透過直後の波面７１は、遮光部の振幅がゼロで透過部
の振幅位相が一様であることを示し、波面７２は中心部
の位相が大きく遅れていて振幅が小さいことを表してい
る。伝播につれ、波面７４のように中心部分の振幅が大
きくなり、位相の遅れが小さくなっていく。

【００２２】結像性マスク６２（２）透過直後の複素振
幅は、仮想面上の複素振幅の位相を反転したものである
ように形成されている。７４では中央部の位相が遅れて
いるので、位相反転すると８１の中央部の位相は進む。
光の伝播方向が反対であるため、図１５（ａ）の遅れと
図１５（ｂ）の進みは図中で対応し、液面７４は液面８
１と同一形状になる。従って、結像性マスク５を透過し
た光の波面は（ａ）の場合と逆に伝播し、被露光基板６
３面上の波面８４は、所望パターン１２透過直後の波面
７１を再生する。すなわち被露光基板６３上では、遮光
部に対応する部分の光の振幅がゼロで、透過部に対応す
る部分で一様な複素振幅になる。こうして結像性マスク
を用いると回折の影響をなくすことができ、所望パター
ン透過直後の光の強度分布が再現できる。

【００２３】次に本発明による結像性マスクを用いて一
次元遮光パターンを転写するプロキシミティ露光につい
て、更に具体的に図１５から図１８を用いて説明する。
ギャップｇ、パターン幅ｄ＝ｘ₂−ｘ₁は、従来のホトマ
スクを用いた図５の場合と同じであるが波長λは図１の
場合と少し異なっている。結像性マスク６２（２）上に
は、微小な遮光パターン３と位相シフタ４が形成されて
いる。この結像性マスクの製造方法を図１６に基いて説
明する。

【００２４】所望パターン（図１５に示す１次元遮光パ
ターン１２）に波長λの平行コヒーレント光を照射する
ときのパターン透過直後の複素振幅分布ｕo（ｘo）、波
長λ、ギャップｇを入力データ１６１とし、ギャップｇ
離れた仮想面６１上の光の複素振幅分布を計算機１６２
により計算する。光の進行方向に位相の正方向をとる。
パターン寸法ｄは数１で表されるプロキシミティ露光の
解像限界Ｒ以下であり、通常フレネル近似が成り立つ。

【００２５】プロキシミティ露光の解像限界Ｒは、露光
波長をλ、マスクと基板の間隔をｇとすると数１で表さ
れる。

【００２６】

【数１】

【００２７】ここでｋ1は定数で、１．４程度である。

【００２８】そして、仮想面６１上の複素振幅ｕi（ｘ
i）は１次元のフレネル回折の式を用いて数２で表され
る。

【００２９】

【数２】

【００３０】ｋは波数でｋ＝２π／λである。ギャッ
プ、波長、パターン寸法によってはフラウンホーファ回
折の式を用いてもよい。計算した複素振幅ｕi（ｘi）の
複素共役をとり、結像マスク上の位置を表す座標をｘm
として結像性マスク透過光の複素振幅分布ｕm（ｘm）が
得られる。ｕm（ｘm）とｕi（ｘi）の振幅は等しく、位
相の符号が反転することになる。ｕm（ｘm）の振幅をａ
（ｘm）、位相をφ（ｘm）とすると、図１５に示す所望
パターン１２の場合、図１７（ａ）の実線の振幅分布１
６と図１７（ｂ）に示す実線の位相分布１８が得られ
る。透過光にこのように連続的に変化する分布を与える
結像性マスクを形成するのは困難なため、近似を行う。
まずｘm軸を十分細かい間隔ｐで分割する。分割された
各領域で振幅分布１６および位相分布１８をサンプリン
グする。次に振幅分布を３段階に量子化すると点線で示
す振幅分布１７が得られ、位相分布も同様にπ／６を単
位角度として量子化すると点線で示す位相分布１９が得
られる。さらに、振幅透過率は微小な遮光パターン３を
用いて開口率分布に置き換える。透過率ゼロの部分は遮
光部３とし、透過率１／３の部分は図１７（ｃ）の２６
のような遮光部と透過部の比率が２対１のパターンに置
き換え、２／３の部分は２７のような遮光部と透過部の
比率が１対２のパターンに置き換え、透過率が１の部分
はすべて開口とする。これらのパターンが解像しない程
度に微小となるように分割の大きさｐを選んでおく。図
１７（ｃ）の３に示すような遮光パターン分布が得られ
る。

【００３１】なお、量子化の段階数は３に限られるもの
ではなく、最大９程度で十分正確に近似することができ
る。

【００３２】位相分布１９は、図１７（ｃ）に示すよう
に、空気に対してある屈折率差をもつ透明な材料からな
る位相シフタ４により実現する。位相シフタ４が厚いほ
ど透過光の位相が遅れることになる。先の位相分布の量
子化単位π／６の遅れを透過光に与える位相シフタ厚さ
を計算し、その厚さを段差とする位相シフタパターンを
形成すると、図１７（ｃ）の位相シフタ４となる。２８
ａは透過光の位相をπ／６進ませる部分、２９は位相変
化を与えない部分、２８ｂはπ／６遅らせる部分であ
る。

【００３３】なお、量子化単位は、π／６に限られるも
のでなく、π／１２（以上）からπ／４（以下）の範囲
であればよい。

【００３４】以上図１６に示すように、計算機１６２に
より得られた微小遮光パターンと位相シフタパターンか
らなる結像性マスクデータ１６３をホトマスク作成部１
６４に入力する。

【００３５】結像性マスクデータ１６３が入力されたホ
トマスク作成部１６４において、微小遮光パターン３に
ついては、クロム等を用いて通常の電子線描画、現像、
エッチングプロセスにより形成し、位相シフトパターン
４については、空気に対してある屈折率差をもつ透明な
材料からなる位相シフタ（厚さを変化させること）より
実現する。なお位相シフタ材料としては、ＳｉＯ₂やホ
トレジスト材料が考えられる。多段階の位相シフタを形
成するには、ホトマスク基板上に塗布したレジストに、
位相分布に対応する露光量分布を与えて露光後現像して
厚さの分布を得る方法がある。また、単位厚さの位相シ
フタを重ねて形成してもよい。

【００３６】以上により、本発明による結像性マスク６
２（２）を製造することができる。

【００３７】このようにして製造された結像性マスク２
（６２）を図９に示すプロキシミティ露光装置に設置
し、結像性マスク２（６２）と被露光基板５間にギャッ
プｇを設け、波長λの照明光を結像性マスク２に照射
し、正規の回路パターンが高解像度で被露光用基板５に
転写露光される。

【００３８】視角ゼロのときの被露光基板５上の光強度
分布は、図１８に示す３２になる。中心部分での光強度
はほぼゼロであり、解像光強度しきい値Ｉth＝０．２５
のとき、点線に示すようにｘ₁、ｘ₂を境界にもつ解像パ
ターンを得ることができる。ｘ₁、ｘ₂付近での光強度分
布は急勾配をもち、高コントラストが得られる。なお、
本実施例の結像性マスク２（６２）は微小遮光パターン
３により高次回折光を生じ、図１８では示されていない
さらに外側の基板上の光強度分布に高空間周波数成分か
らなるノイズがでる。しかしながら、パターン残りを生
じる大きさではなく解像に影響はない。このノイズは図
９に示す視角５７を増すと打ち消される。このときも図
１８の光強度分布はほとんど変わらない。

【００３９】２次元パターンに対する結像性マスクも同
様に設計できる。図７で示したのと同じ長方形遮光パタ
ーン３５を転写するための結像性マスクについて、更に
具体的に図１９、図２０、図２１に基いて説明する。図
１９に示すように、所望長方形パターン４１に波長λの
平行コヒーレント光４０を照射するときのギャップｇ離
れた仮想面４３上の光の振幅分布と位相分布を計算機１
６２により計算する。即ち、所望パターン形成面４２上
の座標を（ｘo、ｙo）、所望パターン形成面４２透過直
後の光の複素振幅をｕo（ｘo、ｙo）、仮想面４３上の
座標を（ｘi、ｙi）、仮想面４３上の複素振幅をｕi
（ｘi、ｙi）とする。フレネル近似を用いるときの２次
元のフレネル回折式は数３で表される。

【００４０】

【数３】

【００４１】１次元の場合と同様に仮想面４３を格子間
隔ｐで分割し、各格子の中心点で複素振幅分布ｕi（ｘ
i、ｙi）を計算機１６２で計算し、位相の符号を反転す
ることにより複素共役をとって結像性マスク透過光の複
素振幅分布ｕm（ｘm、ｙm）を得る。更に計算機１６２
は、１次元と同様に振幅分布と位相分布を量子化し、微
小パターンと位相シフタパターンを計算して図２０
（ａ）に示す微小遮光パターン４４ａと図２０（ｂ）に
示す位相シフタパターンが得られる。図２０中の長方形
４６ａは図７の元の長方形遮光パターン３５の境界を示
す。図２０（ｂ）において４７ａはシフタの最も薄い部
分で図１７（ｃ）の２８ａに対応し、４８ａ、４９ａは
それぞれ２９、２８ｂに対応する。この結像性マスク２
（６２）に波長λの平行コヒーレント光を露光するとき
のｇ離れた被露光基板５上での光強度の等高線分布を図
２１に示す。長方形４６ａは元の長方形遮光パターン３
５の境界である。光強度しきい値を０．３とするときの
レジストパターンを斜線部で示す。パターンは角部で丸
みを帯び、多少うねりが残るが図７（ｂ）と比べるとパ
ターンの再現性の向上は明かである。また解像光強度し
きい値付近での等高線密度が大きく、高コントラストが
得られている。この場合も細線に垂直な方向に光が回折
して光強度分布に高周波のノイズが生じるが、視角をわ
ずかに大きくすることで打ち消される。

【００４２】同じギャップと同じ波長で、２つの隣接し
た長方形パターン４６ｂを転写するための結像性マスク
の微小遮光パターン４４ｂを図２２（ａ）に、位相シフ
タパターンを図２２（ｂ）に示す。長方形短辺の寸法は
図２０の場合の長方形の短辺の寸法と同じである。図２
２（ａ）の微小遮光パターンの長手方向は、図２０
（ａ）とは直交している。図２２（ｂ）に示す長方形の
位相シフタパターンの４７ｂ、４８ｂ、４９ｂはそれぞ
れ図１７の２８ａ、２９、２８ｂに対応している。この
マスクを用いて露光するときの基板上光強度等高線図
（視角はゼロ）を図２３（ｂ）に示す。比較用に従来の
ホトマスクを用いる場合（視角は図７（ｂ）の場合と同
じ）を図２３（ａ）に示す。図２３（ａ）で斜線で示し
たレジストパターンは光強度しきい値０．４の場合であ
り、図のように所望パターンとは全く異なる３つのパタ
ーンが残る。図２３（ｂ）では図７と同様に角部が欠け
て丸みを帯び、中央部にふくらみが見られるが、ほぼ所
望パターンが再現し、解像光強度しきい値付近の等高線
密度が大きく高コントラストが得られている。

【００４３】図１５から図２３の実施例は、波長λ＝４
０５ｎｍ、ギャップｇ＝１２０μｍ、パターン幅ｄ＝
４．５μｍ、ピッチｐ＝１．５μｍの場合である。この
ときの視角は０．５°程度がよい。別の波長やギャップ
でも相似則を用いると同じ結像性マスクパターンが使え
ることを示す。１次元フレネル回折の数２の座標を√
（ｇλ）で無次元化し、無次元化寸法Ｘo＝ｘo／√（ｇ
λ）、Ｘi＝ｘi／√（ｇλ）とする。さらにＵo（ｘ
o）、Ｕi（ｘi）を数４、数５で定義する。

【００４４】

【数４】

【００４５】

【数５】

【００４６】このとき数２の位相項ｅjkgを無視して書
き換えると、数６の関係が成り立つ。

【００４７】

【数６】

【００４８】数６において、結像性マスクの複素振幅透
過率の複素共役を表すＵi（ｘi）はＵo（ｘo）のみに依
存し、ギャップｇ、波長λに依存しない。従って、無次
元化した所望パターン形状が同じ場合は結像性マスクの
微小遮光パターンと位相シフタパターンも相似になり、
数５より寸法のみ√（ｇλ）倍すればよい。また無次元
視角Θ＝（√（ｇ／λ））・θとおけるので、露光時の
視角を無次元視角Θが等しくなるように選べば相似な基
板上光強度分布が得られる。

【００４９】あるパターンを転写するための結像性マス
クの計算方法は前述の方法に限らない。前記実施例で
は、所望のパターン透過直後の光の複素振幅について、
透過部の振幅と位相は一様として仮想面上の光の複素振
幅分布を計算した。この振幅、位相分布にある変化を与
えてもよい。たとえば１次元遮光パターンの場合、より
コントラストのよい光強度分布を得るため、所望のパタ
ーン透過直後の光の振幅分布を図２４のように遮光パタ
ーンエッジ付近のコントラストを大きくする。こうして
計算した結像性マスクを用いて露光すると、光強度分布
の解像光強度しきい値付近の勾配がより大きくなり、高
コントラストが得られる。また、近似を行うために露光
後に得られるパターン寸法に誤差を生じることがある。
このときは、計算に用いる元パターン寸法を修正する方
法がある。たとえばレジストパターン寸法が所望より小
さくなるときは、元パターン寸法を大きく修正して計算
を行うとよい。さらにまた、元パターン透過直後の光の
位相が一様でないとして、任意の位相分布を与えて計算
してもよいことは明らかである。位相分布をうまく与え
ることにより、ホトマスクの形成をより簡単にしたり、
露光時の基板上の光強度分布をより望ましくすることが
できる。

【００５０】以上の実施例ではサンプリング間隔ｐは一
定としたが、可変にして計算効率をよくする方法もあ
る。たとえば、結像性マスクの複素振幅透過率の変化が
大きい部分（たとえば角部など）でのサンプリング間隔
を小さくして変化の小さい部分でのサンプリング間隔を
大きくするとよい。また、以上の実施例では振幅の量子
化段数を３、位相の量子化単位角をπ／６としたが、段
数を増やすほどまた単位角を小さくするほど近似精度は
向上すると考えられる。ただし、段数を増やすことは微
小遮光パターンの寸法を小さくすることになり、単位角
を小さくすることは位相シフタの段数を増やすことにな
るため、マスクの製造はより困難になる。さらに特公平
１−５１８２５号公報に示されたように、有限段数の位
相シフタを用い、複素振幅のベクトル和により任意の複
素振幅透過率の近似をする方法もある。

【００５１】結像性マスクの作成方法は、遮光パターン
と位相シフタだけとは限らない。振幅透過率の分布を実
現するには、図２５に示すように、露光量により現像後
に光の透過率のかわる感光材料９１たとえば銀塩感光材
料やフォトポリマーをマスク基板９０に塗布した後、こ
の感光材料９１に図に示すような適当な分布をもつ照明
光を露光して現像する。露光量分布は、たとえば電子線
やレーザーの直描で場所により照射量を変えることで実
現すればよい。位相変調率分布についても同様に、露光
量により現像後の光の屈折率がかわる感光材料を塗布し
た後、同様に露光、現像すればよい。本実施例によれ
ば、振幅透過率や位相変調度の分布を露光量に置き換え
るため、連続的な分布が実現しやすいという効果があ
る。また、図２６はマスク基板９２に半透明膜９３ａ，
９３ｂを重ねて形成して光の振幅透過率分布を実現する
場合を示す。膜厚による位相遅れの影響がでるときは、
それを考慮して位相シフタ厚さを計算すればよい。半透
明膜の形成は、最も厚い厚さの膜から一層ずつエッチン
グしてもよいし、リフトオフ法などを用いてスパッタや
ＣＶＤによる薄膜を一層ずつ重ねてもよい。

【００５２】結像性マスクを用いる効果として、結像性
マスクと被露光用基板間のギャップが一様でない場合も
全面で合焦点露光ができることがある。予想される露光
時のギャップ変化を考慮して、光の回折計算のギャップ
ｇを場所によって変える。たとえば大面積を一度に、テ
ーブル１０４上に載置された被露光用基板１０３（５）
に転写する場合、図２７（ａ）のように結像性マスク１
００自体が重力によりたわむため、中央部のギャップｇ
₁は端部のギャップｇ₂より小さくなる。このギャップの
分布は、予め測定手段による測定または計算によって求
めることができる。こうして結像性マスク１００のたわ
みによる影響をなくすことができる。また、図２７
（ｂ）のように基板１０３（５）に段差がある場合も同
様に、ｇ₃、ｇ₄を用いて仮想面上の光の複素振幅分布を
求めればよい。

【００５３】縮小投影露光法により段差のある基板１１
６上にパターンを転写するときも同様の方法が応用でき
る。図２８は、結像レンズ１１４と瞳１１５からなる結
像系により結像性マスク１１０の回路パターンを、段差
のある基板１１６に転写する場合を示す。従来のホトマ
スクを用いると、面１１１に焦点が合っているとき、面
１１２はｇのデフォーカスとなる。この場合は、面１１
２上で結像する面１１１上の光の複素振幅分布を計算す
る。段差の高さｇをギャップとみなし、前述の方法によ
り１１１上の複素振幅分布ｕm（ｘm、ｙm）を計算す
る。この複素振幅分布の座標を結像系の倍率の逆数倍で
スケーリングして、結像性マスク１１０透過光の複素振
幅分布が得られる。ただし、１１２上で結像させるため
には照明光の視角はある程度小さくせねばならず、コヒ
ーレント性の高い照明系が必要になる。こうして、段差
によるデフォーカスの影響を排除できる。

【００５４】

【発明の効果】本発明によれば、結像性マスクを上記の
ように構成できるので、従来のプロキシミティ露光装置
の照明系のコヒーレント性を少し変えるだけで、従来の
ホトマスクによるプロキシミティ露光の解像限界以下の
微小回路パターンの転写が、再現性よく、高コントラス
トに行なうことができる効果を奏する。また、段差のあ
る基板上への転写も可能になる効果を奏する。

【００５５】また、本発明によれば、容易に結像性マス
クを設計して製造することが可能になる効果を奏する。

【００５６】また、本発明によれば、従来不可能であっ
た所望の微小レジストパターンが、コヒーレントに近い
照明系を用いるだけで、正確にしかもパターン線幅のば
らつきが小さく形成できる効果を奏する。

【００５７】更に本発明によれば、結像性マスクと基板
の接触が問題となった密着露光と同様の解像性能がプロ
キシミティ露光で実現することができ、高スループッ
ト、低価格、高歩留まり、そして高解像度が得られる露
光を実現できる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の結像性マスクを用いてプロキシミティ
露光する一実施例を示す断面図である。

【図２】従来のホトマスクによる露光を示す断面図であ
る。

【図３】光の振幅分布及び位相分布、並びに細線パター
ンを示す図である。

【図４】基板上の光強度分布図である。

【図５】基板上の光強度分布図である。

【図６】光の振幅分布を示す図である。

【図７】従来のホトマスクにおける基板上の光強度分布
の等高線分布を示す図である。

【図８】（ａ）は所望パターンを有するホトマスクにコ
ヒーレント光を照射する図、（ｂ）、（ｃ）は格子内の
細線パターンを示す図、（ｄ）はホトマスク細線パター
ンの平面図、（ｅ）は位相シフタ配置の平面図、（ｆ）
は基板上の光強度分布の等高線分布を示す図である。

【図９】本発明に係るプロキシミティ露光系を示す断面
図である。

【図１０】本発明に係るホトマスクの原理を説明するた
めの図である。

【図１１】本発明に係る感光材料を用いたホトマスクを
示す断面図である。

【図１２】本発明に係る半透明フィルムを用いたホトマ
スクを示す断面図である。

【図１３】本発明に係る大型ホトマスクと基板を示す断
面図である。

【図１４】本発明に係る投影レンズ系を示す断面図であ
る。

【図１５】本発明に係る結像性マスクの原理を示す図で
ある。

【図１６】本発明に係る結像性マスクの製造方法の一実
施例を示す図である。

【図１７】本発明に係る１次元の結像性マスクについて
の説明図である。

【図１８】本発明に係る結像性マスクを用いた場合の被
露光用基板上の光強度分布を表す図である。

【図１９】本発明に係る長方形パターン転写用結像性マ
スクを設計するための説明図である。

【図２０】本発明に係る長方形パターン転写用結像性マ
スクの遮光パターンと位相シフタパターンの一実施例を
示す図である。

【図２１】本発明に係る結像性マスクを用いた場合の被
露光用基板上での光強度の等高線分布を表す図である。

【図２２】本発明に係る隣接パターン転写用結像性マス
クの遮光パターンと位相シフタパターンの一実施例を示
す図である。

【図２３】従来のホトマスクを用いる場合の基板上の光
強度の等高線分布と本発明の隣接パターン転写用結像性
マスクの同じく等高線分布とを表す図である。

【図２４】コントラストを強調する場合の所望パターン
透過光の振幅を表す図である。

【図２５】本発明に係る感光材料への露光量を制御して
結像性マスクを製造する方法を説明するための断面図で
ある。

【図２６】本発明に係る半透明膜により振幅透過率分布
を得て結像性マスクを製造する方法を説明するための断
面図である。

【図２７】本発明に係るギャップが一定でない場合のプ
ロキシミティ露光を説明するための図である。

【図２８】本発明に係る段差のある基板上に縮小投影露
光をする場合について説明するための図である。

【符号の説明】

１…平行コヒーレント光、２，６２…ホトマスク（結像
性マスク）、３…クロム細線パターン（遮光パター
ン）、４…位相シフタ、５，６３…被露光用基板、１２
…所望パターン、６０…所望パターン形成面、６１…仮
想面、７１〜７４…計算時の等位相面、８１〜８４…露
光時の等位相面。

フロントページの続き (72)発明者田中勉横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者船津隆一横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者吉武康裕横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献特開昭63−304257（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光の振幅と位相とを２次元的に変調する複
素透過率分布を持つ２次元光変調部を有するプロキシミ
テイ露光用のホトマスクであって、前記２次元光変調部
を透過した単波長コヒーレント光の複素振幅分布が、プ
ロキシミテイ露光時のギャップに相当する距離だけ前記
ホトマスクから離れた面上に形成された所望のパターン
に単波長コヒーレント光を照射したときに前記ホトマス
クの面上で得られる複素振幅分布の複素共役分布、また
はそれを離散化した分布、または離散化した後振幅もし
くは位相もしくはその両方をある単位で有限段数に量子
化した分布の何れかとほぼ同じであるように前記２次元
光変調部が形成されていることを特徴とするホトマス
ク。
【請求項２】前記複素共役分布を、光の回折の式を用い
て求めたことを特徴とする請求項１記載のホトマスク。
【請求項３】前記ホトマスクの複素透過係数分布の位相
分布がπ／１２以上でπ／４以下の単位で変化すること
を特徴とする請求項１記載のホトマスク。
【請求項４】単波長コヒーレント光を被照射部に照射す
ることにより、前記被照射部を透過したほぼ全ての光ま
たは反射したほぼ全ての光が、前記被照射部から所望の
ギャップ離れた面であって前記被照射部と光学的に共役
な位置関係にない面上に所望の転写パターンを形成する
ように、前記単波長コヒーレント光の振幅と位相とを２
次元変調する２次元変調部分を上記被照射部に形成した
ことを特徴とするホトマスク。
【請求項５】光の振幅と位相を２次元的に変調する２次
元光変調部を有するホトマスクの製造方法であって、所
望の転写パターンを仮想マスクとして該所望の転写パタ
ーンに短波長コヒーレント光を照射したときに該所望の
転写パターンから所望のギャップ離れた面上で得られる
複素振幅分布の複素共役分布、またはそれを離散化した
分布、または離散化した後振幅もしくは位相もしくはそ
の両方をある単位で有限段数に量子化した分布を算出
し、該算出した複素振幅分布の複素共役分布、またはそ
れを離散化した分布、または離散化した後振幅もしくは
位相もしくはその両方をある単位で有限段数に量子化し
た分布を複素透過係数分布として持つ２次元光変調部を
有するマスクパターンを形成することを特徴とするホト
マスクの製造方法。
【請求項６】前記単波長コヒーレント光が、単波長平行
コヒーレント光であることを特徴とする請求項５記載の
ホトマスクの製造方法。
【請求項７】前記複素共役分布を、光の回折の式を用い
て求めたことを特徴とする請求項５記載のホトマスクの
製造方法。
【請求項８】前記ホトマスクの複素透過係数分布の位相
分布がπ／１２以上でπ／４以下の単位で変化すること
を特徴とする請求項４記載のホトマスクの製造方法。
【請求項９】光の振幅と位相を２次元的に変調する２次
元光変調部を有するホトマスクに露光光を照射して基板
表面に塗布したレジストに所望のパターンを露光する露
光方法であって、所望の転写パターンを仮想マスクとし
て該所望の転写パターンに短波長コヒーレント光を照射
したときに該所望の転写パターンから所望のギャップ離
れた面上で得られる複素振幅分布の複素共役分布、また
はそれを離散化した分布、または離散化した後振幅もし
くは位相もしくはその両方をある単位で有限段数に量子
化した分布を算出し、該算出した複素振幅分布の複素共
役分布、またはそれを離散化した分布、または離散化し
た後振幅もしくは位相もしくはその両方をある単位で有
限段数に量子化した分布を複素透過係数分布として持つ
２次元光変調部を有するマスクパターンを形成し、該マ
スクパターンに短波長コヒーレント光を照射して基板表
面に塗布したレジストに所望のパターンを露光すること
を特徴とする露光方法。
【請求項１０】上記所望のギャップ離れた面に上記基板
表面に塗布したレジストの表面を設置することを特徴と
する請求項９記載の露光方法。
【請求項１１】上記ホトマスクと上記所望のギャップ離
れた面に位置づけられた基板上の塗布レジスト表面とを
共役関係で結ぶ結像光学系を介さずに、所望の転写パタ
ーンを形成し、露光することことを特徴とする請求項１
０記載の露光方法。
【請求項１２】上記ホトマスクと上記所望のギャップ離
れた面に位置づけられた基板上の塗布レジスト表面との
間には結像光学系が存在し、該ホトマスクの面又は該ホ
トマスクの該結像光学系による像形成面と該塗布レジス
ト表面とは互いに共役関係にないことを特徴とする請求
項９記載の露光方法。
【請求項１３】該ホトマスクの面又はホトマスクの該結
像光学系による像形成面と該塗布レジスト表面との距離
は上記所望のギャップに相当することを特徴とする請求
項１２記載の露光方法。