JP4390119B2

JP4390119B2 - 回折光学素子の製造方法

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Publication number: JP4390119B2
Application number: JP2000113012A
Authority: JP
Inventors: 裕一岩崎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2020-04-14
Also published as: JP2001296416A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折光学素子の製造方法に係り、特に、断面が階段状に形成した回折光学素子等のバイナリオプティクス（ＢＯＥ）の製造法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、バイナリオプティクスである回折光学素子の製造方法としては、電子ビームのドーズ量を制御してレジストを階段形状に形成し、そのまま回折パターンとして用いる技術が、電子通信学会誌（Ｃ）Ｊ６６−ＣＰ８５−９１昭和５８年１月号、特開昭６２−２６５６０１号公報、特開昭６２−４２１０２号公報等に開示されている。
【０００３】
また、特開昭６１−１３７１０１号公報には、互いにエッチング耐性を有する２種類以上の膜を所望の厚さに積層し、上層から順次エッチングして階段構造を形成し、回折光学素子の金型とする技術が開示されており、特開昭６１−４４６２８号公報、特開平６−１６０６１号公報には、レジストを１段ずつアライメントして形成し、これをエッチングマスクとして階段構造を形成して回折光学素子の金型とする技術が開示されている。
更に、特開平８−１５５１０号公報には、基板上にエッチングストッパ層と透明層を１段づつ積層し、アライメント、露光、エッチングを行って直接階段構造を形成して回折光学素子とする技術が開示されている。
【０００４】
また、特開平７−７２３１９号公報、米国特許第２５５４６００号明細書には、レジストをエッチングマスクとして直接基板上に階段構造を形成して回折光学素子とし、レジストパターンニング毎にアライメントを行う技術が開示されており、特開平７−７２３１９号公報には、レジストをエッチングマスクとしてアライメントを行って階段構造を形成する技術が開示されている。
【０００５】
図３は８段構造の回折光学素子の製造工程の断面図を示し、図３の工程（１）において、基板１上に１μｍ程度の厚さのレジスト膜２を形成する。図３の工程（２）において、最も微細な回折パターンが露光可能な露光装置に基板１を装着し、所望の回折パターンに応じたレチクル３をマスクとしてレジスト膜２に対して感度を有する露光光Ｌを照射し露光を行う。ポジタイプのレジストを用いた場合は、露光光Ｌにより露光した領域は現像液に可溶となるので、図３の工程（３）に示すように所望寸法のレジストパターン４が形成される。図３の工程（４）において、基板１を異方性エッチングが可能な反応性イオンエッチング装置またはイオンビームエッチング装置に装着し、パターン化したレジストパターン４をエッチングマスクとして、基板１に所定の深さエッチングを行う。そして、レジストパターン４を除去すると、図３の工程（５）に示すように２段の段差を有するパターン５が形成された基板１を得る。
【０００６】
再び、工程（１）と同様にレジスト膜６を形成して露光装置に装着し、図３の工程（６）において回折パターン３の２倍周期を持つパターンを有するレチクル７をマスクとして、工程（５）までに形成したパターンに対して露光装置が有するアライメント精度でアライメントを行った後に、図３の工程（７）においてレジスト膜６を露光、現像してレジストパターン８を形成する。続いて、工程（４）と同様にドライエッチングを行ってレジストパターン８を除去すると、図３の工程（８）に示すように４段の段差を有するパターン９が形成される。
【０００７】
更に、工程（１）と同様に再び基板１にレジスト膜１０を形成した後に、図３の工程（９）において回折パターン３の４倍周期を持つパターンを有するレチクル１１をマスクとして、図３の工程（１０）において工程（７）と同様にしてレジストパターン１２を形成し、ドライエッチングを行った後に最後にレジストパターン１２を除去すると、図３の工程（１１）に示すように８段の段差のパターン１３を有する回折光学素子が形成される。そして、回折光学素子が形成された基板１の両面に対して、スパッタリング法や蒸着法により反射防止膜を形成する。ここで図示したものは、理想的に形成された場合である。
【０００８】
このように、階段状の断面形状を有する回折光学素子または金型は、半導体製造技術で用いられている露光、エッチング技術に基づくリソグラフィ及び成膜技術によって製造されている。この回折光学素子は基板上に形成した階段状の凸凹によって光学的性能が発揮されるので、その光学的性能、特に回折効率は、形成した凸凹の形状、即ち段の深さや幅や断面形状等により左右される。
【０００９】
このような倍周期のマスクを順次に使用して多段の階段形状の回折光学素子を製造する場合には、アライメントエラーや寸法エラーが発生しなければ、例えば図８に示すように３枚のマスク１７ａ〜１７ｃを使用して、理想的な８段の階段形状Ａを形成することが出来る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来例で説明したように、複数のマスクを使用する回折光学素子等の製造技術では、アライメントによる誤差が回折効率を著しく劣化させ、更にこのような形状エラーは、一旦形成すると再生が不可能なためにコスト上昇を招く結果となる。実際にはこれらアライメントエラーや寸法エラーを完全になくすことは不可能であり、例えば図９に示すようにマスク１７ａ〜１７ｃのアライメントにｒ１、ｒ２に示す量のずれが生じた場合には、理想形状Ａと異なる形状Ｂのような回折光学素子が形成されてしまう。これによって、回折効率等の光学性能は大幅に低下し、加えて各層において寸法エラー発生した場合には、更に光学性能の低下は増大する。
【００１１】
例えば基板としてＳｉＯ₂を用い、最小線幅が０．３５μｍ、１段の段差ｄが６１ｎｍ、使用波長２４８ｎｍで、形状Ａに示す様に理想的な８段形状が形成された場合には、反射による損失を除いた理論回折効率は９５％である。これに対して、例えばレチクル１７ａとレチクル１７ｂのアライメント誤差ｒ１が８０ｎｍ、レチクル１７ａとレチクル１７ｃのアライメント誤差ｒ２が３０ｎｍの場合には、反射を考慮に入れない回折効率は８０％となって１５％の低下となり、実際の測定結果とシミュレーション結果においても同様の結果が確認されている。
【００１２】
また、同様な方法で多段の回折光学素子を形成するには、複数回の露光および現像によるレジストプロセス工程が行われ、例えば段数１６段、基板としてＳｉＯ₂を用い、最小線幅が０．３５μｍ、１段の段差が３０．５ｎｍ、使用波長２４８ｎｍの場合には１６段の階段状回折光学素子が製造できる。理想的な１６段形状の場合には、反射による損失を除いた理論回折効率は９９％となるが、これにアライメント誤差が含まれた場合には、回折効率は８段形状のときより更に大幅に低下することになる。
【００１３】
このように、実際にアライメント及びレジストパターンの寸法の制御は相当に難しく、再現性が得にくく、その結果、段の幅が太くなったり、細くなったりして、理想的な階段形状には存在しない溝や突起が形成され、このために回折光学素子の光学性能が著しく劣化するという問題がある。
また、電子ビーム描画の場合にはアライメントの誤差はなくなるが、膨大な描画量となるために、生産上十分なスループットが得られないという問題がある。
【００１４】
そこで、本発明は、上記従来技術の課題を解決し、高精度な回折光学素子を実現し、短時間かつ低価格で安定して製造することができる回折光学素子の製造方法を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するため、つぎの（１）のように構成した回折光学素子の製造方法を提供するものである。
（１）断面が２ｎ段（ｎは２以上の自然数）の階段形状の回折パターンを基板上に形成する回折光学素子の製造方法であって、
前記回折パターンの１周期中にある最も深い２ｎ段部分とその中間のｎ段部分をそれぞれエッチングして形成した後、該２ｎ段部分および該ｎ段部分として形成された空間部分に第１のエッチングマスクを形成する第１の工程と、
前記２ｎ段部分とｎ段部分との間の領域をまたぐように第２のエッチングマスクを形成した後、該２ｎ段部分とｎ段部分との間の領域をエッチングする第２の工程と、
前記第１のエッチングマスクを基準として、前記２ｎ段部分の次段である２ｎ−１段部分および前記ｎ段部分の次段であるｎ−１段部分の片側の位置を規定する一方、該２ｎ−１段部分および該ｎ−１段部分のもう一方の片側の位置を第３のエッチングマスクによって規定し、該第１のエッチングマスクと該第３のエッチングマスクとによる前記基板上の開口部をエッチングすることにより２ｎ−１段部分およびｎ−１段部分を形成する第３の工程とを有し、
前記２ｎ−１段部分およびｎ−１段部分に続く段、およびそれらに続く残りの段を順次形成するに際して、これら各段を形成する毎に、前記第３の工程と同様の第１のエッチングマスクに対するもう一方の片側の位置を規定するエッチングマスクの位置を、順次、前記段数分に対応させて前記開口部を広げ、該開口部のエッチングを繰り返すことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
【００１６】
【発明の実施の形態】
上記構成によって、つぎのような実施の形態を構成することができる。
階段状に形成される回折光学素子において、回折パターン１周期の段数ｎが偶数または奇数の場合には、まず、ｎ段目（最も深い段）を所定の深さに基板をエッチングして形成した後、該基板上に金属等その後のエッチングで基板と選択比のある材料を成膜し、エッチバック法または化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法でｎ段上を埋め込む形で第１のエッチングマスクを形成する。これにより、基板上に回折パターンの基準としてｎ段目が規定され、１周期および１周期内の残りの段を形成する際の片側の位置の基準が決まる。残りの段を形成する際には、隣の周期の第１のエッチングマスク上から各段のもう一方の片側の位置を決めるように第２のエッチングマスクを形成した後、１段分の深さ基板をエッチングする工程をｎ−２回繰り返し残りの段を形成する。
【００１７】
以上のように、初めに回折パターン１周期内のｎ段目（最も深い段）を第１のエッチングマスクで埋め込んで形成することにより、該第１のエッチングマスクを基準として１周期内の残りの段が形成できるようになるため、アライメントエラーが発生しない。また、全てのレジストパターン形成が基板の平坦な部分にて行うことが出来るので、従来のように段差上にレジストパターンを形成する必要がなく、レジストパターン寸法制御性が向上する。即ち、アライメントエラーによって形成される溝や突起がなくなり、寸法エラーも小さくなり設計値に忠実な階段形状が形成される。
【００１８】
また、階段状に形成される回折光学素子において、回折パターン１周期の段数が偶数（＝２ｎ、ｎ≧３）の場合には、まず、２ｎ段（最も深い段）とｎ段目を所定の深さに基板をエッチングして形成した後、該基板上に金属等その後のエッチングで基板と選択比のある材料を成膜し、エッチバック法または化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法で２ｎ段とｎ段上を埋め込む形で第１のエッチングマスクを形成する。これにより、基板上に回折パターンの基準として２ｎ段とｎ段目が規定され、１周期内の残りの段の位置の片側の基準が決まり、残りの段を形成する際には、隣の周期の第１のエッチングマスク上から各段のもう一方の片側の位置を決めるように第２のエッチングマスクを形成し、所定の深さ基板をエッチングする。
【００１９】
以上のように、初めに回折パターン１周期内の２ｎ段とｎ段目を第１のエッチングマスクで埋め込んで形成することにより、該第１のエッチングマスクを基準として１周期内の残りの段が形成できるようになるため、アライメントエラーが発生しない。また、全てのレジストパターン形成が基板の平坦な部分にて行うことが出来るので、従来のように段差上にレジストパターンを形成する必要がなく、レジストパターン寸法制御性が向上する。即ち、アライメントエラーによって形成される溝や突起がなくなり、寸法エラーも小さくなり設計値に忠実な階段形状が形成される。
【００２０】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図１に、本発明における実施例１の４段の階段形状を有する回折光学素子の製造工程の断面図を示す。
図１の工程（１）において、石英基板２１上に１周期中の４段目の位置に０．３５μｍ幅の開口部を有するレジストパターン２２を形成した後に、図１の工程（２）において、ＣＦ₄と水素の混合ガスを用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、石英基板２１を３６６ｎｍの深さエッチングして、凹部２３を形成する。次に、図１の工程（３）において、電子ビーム蒸着法を用いてＡｌ膜２４を凹部２３が埋め込まれるように４５０〜５００ｎｍの厚さに形成した後、図１の工程（４）において、エッチバック法により石英基板２１の表面が露出するまでＡｌ膜２４を除去する。ここまでの工程で１周期の最も深い段とその上にエッチングマスク２５が形成され、残りの段の片側を規定される。
【００２１】
続いて、図１の工程（５）において、１周期中の３段目の位置に０．３５μｍ幅の開口部を、前記エッチングマスク２５とレジストパターン２６とによって形成した後に、図１の工程（６）において、工程（２）と同じＲＩＥ法により石英基板２１を１２２ｎｍの深さエッチングする。次に、図１の工程（７）において、１周期中の２，３段目の位置に０．７０μｍ幅の開口部を有するレジストパターン２７を形成した後に、図１の工程（８）において、工程（２）と同じＲＩＥ法により石英基板２１を１２２ｎｍの深さエッチングする。ここまでの工程で、２，３段の片側の位置は工程（４）までに形成されたエッチングマスク２５により規定され、もう一方の端はレジストパターン２６及び２７により決定する。
【００２２】
最後に、エッチングマスク２５を燐酸と硝酸と酢酸と水の混合液から成るエッチング液にて除去すると、図１の工程（９）に示すような４段の回折光学素子または回折光学素子作製用の型が完成する。
このようにして完成した、最小線幅が０．３５μｍ、１段の段差が１２２ｎｍの回折光学素子は、アライメントエラーがなくパターン寸法エラーの小さい、溝や突起のない、高精度な４段の階段構造を有する回折光学素子として実現できる。
【００２３】
［実施例２］
図２に、本発明における実施例２として、８段の階段形状を有する回折光学素子の製造工程の断面図を示す。
図２の工程（１）において、石英基板３１上に１周期中の８段目の位置に０．３５μｍ幅の開口部を有するレジストパターン３２を形成した後、図２の工程（２）において、ＣＨＦ₃と水素の混合ガスを用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、石英基板２１を４２７ｎｍの深さエッチングして、凹部３３を形成する。次に、図２の工程（３）において、石英基板３１上に１周期中の４段目の位置に０．３５μｍ幅の開口部を有するレジストパターン３４を形成した後、図２の工程（４）において、工程（２）と同じＲＩＥ法により、石英基板３１を１８３ｎｍの深さエッチングして、凹部３５を形成する。次に、図１の工程（５）において、スパッタリング法を用いてＡｌ膜３６を凹部３３および３５が埋め込まれるように４５０〜５００ｎｍの厚さに形成した後、図１の工程（６）において、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法により石英基板３１の表面が露出するまでＡｌ膜３６を除去する。ここまでの工程で１周期の最も深い段（２ｎ段）と中間の段（ｎ段）が形成され、その段上にエッチングマスク３７が形成され、残りの段の片側を規定される。
【００２４】
続いて、図２の工程（７）において、１周期中の５〜７段目の位置に開口部を有するレジストパターン３８を形成した後に、図２の工程（８）において、工程（２）と同じＲＩＥ法により石英基板３１を２４４ｎｍの深さエッチングする。次に、図２の工程（９）において、１周期中の３段および７段目の位置に０．３５μｍ幅の開口部を、前記エッチングマスク３７とレジストパターン３９とによって形成した後に、図２の工程（１０）において、工程（２）と同じＲＩＥ法により石英基板３１を６１ｎｍの深さエッチングする。次に、図２の工程（１１）において、１周期中の２〜３段および６〜７段目の位置に０．７０μｍ幅の開口部を有するレジストパターン４０を形成した後に、図２の工程（１２）において、工程（２）と同じＲＩＥ法により石英基板３１を６１ｎｍの深さエッチングする。ここまでの工程で、１〜３段および５〜７段の片側の位置は工程（４）までに形成されたエッチングマスク３７により規定され、もう一方の端はレジストパターン３９及び４０により決定する。
【００２５】
最後に、エッチングマスク３７を燐酸と硝酸と酢酸と水の混合液から成るエッチング液にて除去すると、図２の工程（１３）に示すような８段の回折光学素子または回折光学素子作製用の型が完成する。
このようにして完成した、最小線幅が０．３５μｍ、１段の段差が６１ｎｍの回折光学素子は、アライメントエラーがなくパターン寸法エラーの小さい、溝や突起のない、高精度な８段の階段構造を有する回折光学素子として実現できる。なお、第１および第２の実施例におけるパターン形成のための露光光Ｌは、紫外や遠紫外に限らず、電子ビームやＸ線、またはその他の露光技術を用いても良い。また、第１および第２の実施例の基板２１および３１は、透過型や反射型または金型の使用目的に合わせて材質を適宜選択する。また、基板である被エッチング材とエッチングマスクの材料が、使用するエッチング方法において選択比が得られる組み合わせを適宜選択する。更に、エッチングマスク材料の成膜方法は、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンビームスパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法、電子ビーム法等を用いても良い。
【００２６】
［実施例３］
図４に、本発明における実施例３として、反射型回折光学素子の断面図を示す。
実施例１および実施例２で作製した多段の階段構造を有する基板６１に、反射膜としてクロム層６２とアルミニウム層６３と石英層６４を電子ビーム蒸着法等により積層する。
クロム層６２は基板６１との密着性を向上する機能を有し、アルムニウム層６３は反射膜で、石英層６４は保護膜機能を有する。
【００２７】
基板材料には珪素や石英などを使用し、エッチングマスク材料には選択比の高いものを適宜選択し、反射膜層の材料および積層構成は、使用する波長や環境に応じて各層の作用を十分発揮するものを選択する。
このようにして、アライメントエラーやパターン寸法エラーによる溝や突起のない、高精度な４または８段の階段状構造を持つ反射型の回折光学素子が実現できる。
【００２８】
［実施例４］
図５に、本発明における実施例４として、回折光学素子の断面図を示す。実施例１および実施例２で作成した多段の階段構造を持つ基板６５を金型として用い、光硬化性樹脂等を用いたＺＰ法やインジェクション法等の複製技術により回折光学素子６６をレプリカとして製造する。
このようにして、アライメントエラーやパターン寸法エラーによる溝や突起のない、高精度な４または８段の階段状構造を持つ回折光学素子が実現できる。
【００２９】
図６は回折光学素子を有する投影光学系の構成図を示す。球面または非球面の通常のレンズ群７１に本実施例の回折光学素子７２が組み込まれており、通常のレンズ７１の表面には反射防止膜が形成されている。
回折光学素子７２は通常のレンズ７１と共働して光学系の色収差やザイデルの５収差等の各種収差を補正する。このような投影光学系は、各種カメラ、１眼レフレックスカメラに取り付ける交換レンズ、複写機等の事務機、液晶パネル製造用の投影露光装置、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体チップ製造用の投影露光装置に用いられる。
【００３０】
図７は投影露光装置の構成図を示し、露光光を供給する照明光学系７３、照明光学系７３により照明されるマスク７４、マスク７４に描かれたデバイスパターン像を投影する投影光学系７５、レジストが塗布されたガラス基板やシリコン基板７６が配置されている。照明光学系７３および投影光学系７５に本実施例による回折光学素子が組み込まれており、照明光学系７３や投影光学系７５を構成するレンズの表面には反射防止膜が形成されている。
照明光学系７３からの露光光はマスク７４を照明し、投影光学系７５によりマスク７４に描かれたデバイスパターン像をガラス基板やシリコン基板７６上に投影する。
【００３１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る回折光学素子の製造法方は、回折パターン１周期内の最も深い段または最も深い段と半分の段を初めに形成し、それらの段上をエッチングマスクとなる材料で埋め込むことによって、１周期内の基準を形成することが可能となり、この基準を基にして残りの段を形成することによりアライメントエラーを無くすことができ、寸法エラーが小さく、溝や突起のない、高精度な多段の階段状構造を有する回折光学素子の製造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における実施例１の製造工程の断面図である。
【図２】本発明における実施例２の製造工程の断面図である。
【図３】従来例の製造工程の断面図である。
【図４】本発明における実施例３の反射型回折光学素子の断面図である。
【図５】本発明における実施例４の回折光学素子の断面図である。
【図６】投影光学系の構成図である。
【図７】投影露光装置の構成図である。
【図８】階段形状とマスクの関係の説明図である。
【図９】階段形状とマスクの関係の説明図である。
【符号の説明】
１、２１、３１：石英基板
２２、２６、２７：レジストパターン
２３：凹部
２４、３６：アルミニウム膜
２５：エッチングマスク
７１：レンズ群
７２：回折光学素子
７３：照明光学系
７４：マスク
７５：投影光学系

Claims

断面が２ｎ段（ｎは２以上の自然数）の階段形状の回折パターンを基板上に形成する回折光学素子の製造方法であって、
前記回折パターンの１周期中にある最も深い２ｎ段部分とその中間のｎ段部分をそれぞれエッチングして形成した後、該２ｎ段部分および該ｎ段部分として形成された空間部分に第１のエッチングマスクを形成する第１の工程と、
前記２ｎ段部分とｎ段部分との間の領域をまたぐように第２のエッチングマスクを形成した後、該２ｎ段部分とｎ段部分との間の領域をエッチングする第２の工程と、
前記第１のエッチングマスクを基準として、前記２ｎ段部分の次段である２ｎ−１段部分および前記ｎ段部分の次段であるｎ−１段部分の片側の位置を規定する一方、該２ｎ−１段部分および該ｎ−１段部分のもう一方の片側の位置を第３のエッチングマスクによって規定し、該第１のエッチングマスクと該第３のエッチングマスクとによる前記基板上の開口部をエッチングすることにより２ｎ−１段部分およびｎ−１段部分を形成する第３の工程とを有し、
前記２ｎ−１段部分およびｎ−１段部分に続く段、およびそれらに続く残りの段を順次形成するに際して、これら各段を形成する毎に、前記第３の工程と同様の第１のエッチングマスクに対するもう一方の片側の位置を規定するエッチングマスクの位置を、順次、前記段数分に対応させて前記開口部を広げ、該開口部のエッチングを繰り返すことを特徴とする回折光学素子の製造方法。