JP4437366B2 - パワー変調方式による濃度分布マスクの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元構造の表面形状をもつ物品を製造する際に使用する濃度分布マスク（レチクル）の製造方法に関するものである。
この方法により製造される濃度分布マスクは特に微細な三次元構造の表面形状をもつ物品の製造に適しており、適用される技術分野としては、例えば光学部品製造分野、マイクロマシニング分野、壁掛けＴＶ用ディスプレイ分野、液晶ディスプレイ分野、太陽電池製造分野などを挙げることができる。
【０００２】
【従来の技術】
光学素子の屈折面や反射面に、球面や非球面等に代表される特殊な面形状が使用されるようになってきている。また近年は液晶表示素子や液晶プロジェクタ等に関連して、マイクロレンズ等にも特殊な面形状が求められている。
そこで屈折面や反射面を型成形や研磨によらずに形成する方法として、光学基板の表面にフォトレジスト（感光性材料の代表例）の層を形成し、このフォトレジスト層に対して二次元的な透過率分布を有する濃度分布マスクを介して露光し、フォトレジストの現像によりフォトレジストの表面形状として凸面形状もしくは凹面形状を得、しかる後にフォトレジストと光学基板とに対して異方性エッチングを行ない、フォトレジストの表面形状を光学基板に彫り写して転写することにより、光学基板の表面に所望の三次元構造の屈折面や反射面の形状を得ることが知られている（特開平７−２３０１５９号公報、特表平８−５０４５１５号公報を参照）。
【０００３】
そこでは、屈折面や反射面等の三次元構造の特殊表面形状を得るために用いられる濃度分布マスクとして、表面形状に対応して透過率が段階的に変化する二次元的な透過率分布を持った濃度分布マスク（グラデーションマスク（ＧＭ））が使用されている。
【０００４】
特表平８−５０４５１５号公報に記載されている濃度分布マスクでは、二次元的な透過率分布のパターンを形成するために、マスクパターンを光伝達開口と称する単位セルに分割し、各単位セルの開口寸法が、形成しようとするフォトレジストパターンの対応した位置の高さに応じた光透過量又は遮光量となるように設定されている。その単位セルの遮光膜パターンは遮光膜が存在して光の透過率が０％の領域と、遮光膜がなくて光の透過率が１００％の領域の２種類により構成され、光の透過率が０％の領域と光の透過率が１００％の領域は互いに一方向に寄せられてひとつの塊になるように配置されている。遮光膜パターンの最小寸法は露光に用いる光の波長よりも短かくなるような超微細パターンである。
また、その製造方法として電子ビーム（ＥＢ）照射による描画方法が採られている。
【０００５】
特開平７−２３０１５９号公報には、描画時のレーザー光照射光量を単位セル内で変更することによって、単位セル内の光透過量を変更することによる濃度分布マスクの製造方法が記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特表平８−５０４５１５号公報に記載されている濃度分布マスクには次のような問題がある。
▲１▼ＥＢ描画に多大の時間を要する。即ち、濃度分布マスク製作に多大の労力、コストを要する。
▲２▼超微細描画が必要である為、専用の高価な描画装置が必要である。
▲３▼製作した濃度分布マスクを用いると、遮光膜のある領域とない領域との間で感光性材料に段差が露光され、滑らかな形状とならない。
▲４▼遮光膜パターンが超微細であるため、縮小露光時の光が回折を起こし易く、単位セル間の隣接効果が生じる。従って、多くのノウハウ蓄積が必要である。
【０００７】
特開平７−２３０１５９号公報に記載の濃度分布マスクの製造方法は、特表平８−５０４５１５号公報に記載されている発明に比較して、専用装置が不要であるため低コストで短時間で製作できる、滑らかな形状が製作できる、隣接効果が少ない、光の回折が生じないなどのメリットを有する。しかし、この方法は、単位セル毎にレーザーのパワー変調をする為の新規プログラムが必要で、このプログラムと描画形状プログラムを同期させる必要がある。また、描画のパターン形状が円形状に限られている。
【０００８】
そこで本発明は、上記従来例の問題点を解決すべく、透過率が滑らかに変化する濃度分布を有するマスクを特別な装置を必要とすることなく安価に、しかも容易に、製作速度速く製作できる製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の濃度分布マスクの特徴は、所望の形状を形成するために光の透過量を全体的に制御することにある。そのため、遮光パターンは連続的に変化していてもよいし、不連続的に変化していてもよい。グリッドの寸法を小さくすることができるので、配置の方法として不連続（例えばランダム）に中間透過率をもつグリッドを配置することが可能となる。また、同じ透過率をもつグリッドを塊状として配置することもできる。この方式を進めると、連続した濃度分布配置となる。
グリッド部分とはレーザービームや電子線（ＥＢ）による走査線上の一部分を指している。グリッドの１単位は、レーザーや電子線のビームの直径をＯＮ／ＯＦＦする最小時間内に走査する距離の積である。例えば、ビーム径０.２μｍ、ＯＮ／ＯＦＦ時の走査距離０.２μｍでは、単位グリッドは０.２μｍ×０.２μｍである。
【００１０】
本発明の濃度分布マスク製造方法は、基板上に三次元構造の感光性材料パターンを形成するための工程で使用するものであれば全てその対象とする。
本発明では、透明基板上に遮光膜が形成され、さらにその上に感光性材料膜が形成されたマスクブランクスを用意し、その感光性材料膜をレーザー又は電子線による一度の走査により描画するとともに、その走査の際、形成しようとする感光性材料パターンの三次元構造設計値に基づいて求められた光透過量分布とマスクブランクスの感光性材料の感度特性とに応じて、感光性材料に直接照射するレーザー又は電子線の照射エネルギーを多段階に変調することにより濃度分布マスクを製造する。
【００１１】
より具体的に述べると、別途、所望の三次元構造設計が行われる。この設計に基づき、濃度分布マスクを製作する。具体的には、マスクブランクス上の感光性材料の感度特性と、所望の形状設計による単位セルの光透過量分布に応じて、感光性材料に直接照射するレーザーまたは電子線描画の照射（露光）エネルギーを多段階に変調する。ここで重要なことは、「照射エネルギーを多段階に変更する」とは、ある「注目する単位セル上を走査するレーザー又は電子線が１回の走査で目的形状を製作できること」を意味する。つまり、描画のエネルギーを変調するといっても単にパワー変更することを意味するので、座標データとパワー変更の関係をデータ入力すれば良いので特別の操作は必要としない。
【００１２】
エネルギー変調（頻度）は、感光性材料の種類によって異なるが、例えばポジレジストの場合には（描画部分のレジストが現像で除去されるので）、光透過量を多くしたいグリッド部分を多くエネルギーを与えて露光するのである。（当然のことであるが、ネガレジストの場合には、光遮光のグリッド部分を多く露光する。）この制御をグリッド毎に、「照射エネルギー」と「描画座標」で制御するのである。
【００１３】
「照射エネルギー」と「描画座標」で制御することは、多くの労力を要するように思われるが、エネルギー変調はＡＯＭ（パワー変調機）で容易に変調でき、描画座標は簡単なプログラムで電気的に高精度制御が可能であり、焦点位置変更（深度変更）も電気的に容易に設定でき、また照射時のビーム径を変更することも電気的に変更が容易であるので、非常に簡単で高速に描画することが可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の濃度分布マスク製造方法は、図１に示されるように、以下のステップを備えている。
（Ａ）マスクブランクスを単位セルに分割するステップ（ステップＳ１）。
すなわち、所望の三次元形状から、マスクブランクスをグリッド状に分割して、得ようとする濃度分布マスクの二次元の光強度分布パターンをグリッド状に配列設計する。
【００１５】
（Ｂ）加工プロセス条件及び感光性材料の感度から決定される数式化された「感度曲線」に基づいて単位セルそれぞれの光透過領域又は遮光領域を決定するステップ（ステップＳ２）。
（Ｃ）上記決定された光透過領域又は遮光領域を「各グリッド」に配置してＣＡＤ（Computer Aided Design）で必要な照射エネルギー、焦点深度、ビーム径を計算し、データ化するステップ（ステップＳ３）。
【００１６】
（Ｄ）ステップ（Ｃ）のデータに基づいて、マスクブランクス上の感光性材料を所定の条件（焦点深度、ビーム径）で所定のエネルギー（多段階変調）で走査して１回露光する（露光エネルギーを変化させる）ステップ描画ステップ（ステップＳ４）。
【００１７】
このステップは、図２（ａ）〜（ｄ）示されるように多段階変調して描画する。ここでは、一例として４種類のエネルギーに変調して描画をする場合を示しており、各グリッドを走査するときにビームのＯＮ／ＯＦＦの制御と、ＯＮの場合にはその４種類のエネルギーのいずれかを選択して描画することにより、その単位セルの光透過量が決定される。最上部に（Ａ）として示されている図はこれら４種類のエルルギーにより単位セルを描画した場合の描画パターンである。
【００１８】
描画は図２の右上に矢印で示されているような走査線にそって光ビーム又は電子線ビームを複数本同時に又は順次走査し、グリッド毎に、「描画ＯＮ，ＯＦＦ」とエネルギーを制御することにより行なう。
【００１９】
単位セル内の光透過率変化は、「中心から周辺に向かって変化する」場合もあるし、「単位セルをグリッドに分割し、そのグリッドにおいて光透過率が不連続に変化する」場合もある。
グリッドに光透過率が０％と１００％の中間の値を示す「中間透過率を有する部分」を配置することができる。つまり、０％と１００％の中間の値を示す光透過率、例えば３０％、５０％、７０％のような中間透過率を有する部分を配置することができる。
【００２０】
グリッドの寸法を小さくすることができるので、配置の方法として不連続（例えばランダム）に中間透過率をもつグリッドを配置することが可能となる。また、同じ透過率をもつグリッドを塊状として配置することもできる。この方式を進めると、連続した濃度分布配置となる。この場合、▲１▼中間階調を非常に細かくとることができるため単位セル寸法を飛躍的に小さくすることができる。▲２▼したがって、所望の形状が急激に変化する形状、すなわち勾配の急な形状でも容易に階調を形成することができる。▲３▼ランダム配置することによって隣接セルと光回り込み量を平均化できる、などの利点がある。
【００２１】
グリッドに光透過率が０％と１００％の中間の値を示す「中間透過率を有する部分」を配置する例を図５に示す。ここでは、一辺１μｍの単位セルを一辺０.２μｍの５×５＝２５のセルに分割した。例えば、白、黒、３０％、５０％、７０％の５段階の光透過率部分を配置した場合、全部白、又は全部黒の場合は階調とはなり得ないので、この場合は４階調である。したがって、理論的には２５×４＝１００階調である。つまり、ｎ段階の濃度変化では、ｎ−１階調である。また、単位セルの分割数（グリッド数）によって階調は異なる。上の例では、グリッド数×（ｎ−１）＝２５×４＝１００である。
グリッドの光透過率と階調の関係は、下の表１のように設定した。
【００２２】
（表１）

【００２３】
図５では、（Ａ）３０／１００階調の単位セルと（Ｂ）６０／１００階調の単位セルの光透過率配置を示している。（Ｃ）は０／１００階調、３０／１００階調及び６０／１００階調を組み合わせた例を示したものであり、各グリッドの階調数を数値で示したものが図５（Ｄ）である。なお、図５の例は、乱数を発生させて各グリッド番地に光透過濃度分布を形成した場合である。
【００２４】
（Ｅ）ステップ（Ｄ）で描画されたマスクブランクスを現像・リンスして三次元の感光性材料パターンを得るステップ（ステップＳ５）。
このステップで得られる感光性材料パターンの断面形状は、概念として図３（１）のようになるが、実際に現像した後の感光性材料パターンの断面形状は図３（２）に示されるように連続した膜厚分布をもったものになる。図３で、１２はマスクブランクス材料基板、１４は遮光膜（例えばＣｒ膜）、１６ａはパターン化された感光性材料の概念的な断面図、１６は現像後の感光性材料パターンの断面図である。
【００２５】
（Ｆ）その後、ドライエッチング又はウエットエッチングによって感光性材料パターン形状を遮光膜１４に転写するステップ（ステップＳ６）。
このステップで得られる遮光膜パターン１４の断面形状は、図３（３）のように連続した膜厚分布をもったものになる。
【００２６】
得られた濃度分布マスクを用いて三次元構造の物品を製作するには、その濃度分布マスクを用い、縮小光学系露光機で、感光性材料が塗布された基板上に縮小露光する工程と、露光された感光性材料を現像しリンスして三次元構造の感光性材料パターンを形成する工程と、この感光性材料パターンをマスクとしてドライエッチング法でパターンを上記基板に転写する工程から構成される。
また、上記縮小露光工程では、露光する際に焦点が感光性材料層表面から外れた状態のデフォーカス（焦点ボカシ）することが有効である。
【００２７】
この発明を特表平８−５０４５１５号公報（引例）に記載されている濃度分布マスクにおける単位セルの考え方と比較すると、単位セルを透過する露光光線の光学濃度（オプチカル・デンシチィー：ＯＤ値）は同様になるように座標、照射エネルギー、焦点深さ、ビーム径、感光性材料層厚さ、遮光膜（例えばＣｒ膜）厚さ、ドライエッチング選択比を設計している。即ち、引例の方法では図４左側の図のように光透過量を光透過率が０％と１００％の遮光膜によりデジタル的に変化させているのに対して、本発明では図４の右側に示した図のように光透過量を連続的（図では階段状に示しているが、図３で説明したように現像によって連続した膜厚分布となる。）に変化させている。この連続的な光透過量変化は、描画時の描画座標、照射エネルギー、及び感光性材料の感度によって描画後の感光性材料の断面形状（感光性材料の厚さ分布）を変化させることによって実現されたものである。図４で、上側が単位セルの平面図、下側が断面図である。
【００２８】
単位セル内の光透過率変化は、図３の例のように「中心から周辺に向かって変化する」場合もあるし、図５に示したように、「単位セルをグリッドに分割し、そのグリッドにおいて光透過率が不連続に変化する」場合もある。
【００２９】
以上の感光性材料層の厚さ変化をドライエッチングによってその下の遮光膜（例えばＣｒ膜）に転写する。この工程によって、上記露光条件の変化が遮光膜の膜厚差の変化、すなわち光透過量の変化になって現れる。
【００３０】
上記の照射エネルギーと座標は、予め別途用意したシミュレーションによって決定する。つまり、予め遮光膜厚と光透過量の関係をグラフ化し数式化しておく。そして、単位セルの光透過量（Ｏ．Ｄ．）の集合が所望の形状を表わすように各単位セルの光学濃度量を決定し、次いでその光学濃度になるように中心から光透過量の分布を設定する。このように、単位セルの中心から光透過量を設定する場合には、中心から連続的に変化する光透過量分布を製作することができる。
また、不連続に変化する光透過量分布を製作することもできる。中間的な光透過率をもつグリッドの配置では、不連続な光透過量分布ではランダムな配置もできるし、一塊になるように配置し部分的に連続するように配置することもできる。中心又は周辺から一方向に変化する場合は、連続的な変化となる。
【００３１】
以上によって、引例方法の最大の欠点である▲１▼製作時間が掛かる、コストが高い、▲２▼隣接効果（光の回り込み）が生じる、▲３▼パターン配置の向き（同じパターンでも光透過部分がどこに配置されているか：同じ形状でも右向きか左向きか）で製作形状が異なる、▲４▼光の回折が大きく、回折量の予測が難しい、などの問題点を解決できる。
本発明の製造方法を用いれば、滑らかに変化する濃度分布を有するマスクを特別な装置を必要とすることなく安価に、しかも容易に、製作速度速く、製作することが可能となる。
【００３２】
【実施例】
（実施例）
（単位セル内の形状と配置、及び「光透過」、「光遮光」グリッドの形状と配置）
単位セル内の形状と配置、及び「光透過」、「光遮光」グリッドの形状と配置について説明する。以下に示す例は、代表的な例を示したものであり、単位セルの寸法、グリッドの寸法、基点の位置や寸法等は、所望の形状に対応して設計されるべきもので、本実施例に限定されるものではない。即ち、各単位セルとグリッドの寸法によって階調数が決定されるので、これらの寸法は、目的形状と目的階調によって決定するものである。
【００３３】
図６には、単位セル形状を変更する場合の代表例として、多角形の単位セルの中心に光を透過する丸形状パターンを製作する例を示した。この多角形形状は、「所望の形状を上方向から見た際に、上方から多角形の網を覆いかぶせる方法」で形状を決定する。所望の形状に応じて、すなわち、例えば、なだらかな曲面が続く場合、不連続な面で構成される場合など階調の変化量によって、濃度分布マスク特性を発現する「最も効果的な多角形」及び「その組み合わせ」を選択することで最適な形状を決定することができる。
また、同様に単位セルの寸法も所望の形状に対して必要な階調をどの程度微細にとるかにより決定される。即ち、短い距離で多くの階調を必要とする時には、比較的小さな寸法の単位セルを選択し、グリッド寸法（ビーム径の変更で容易に変更できる）をできるだけ小さくするのが望ましい。
【００３４】
図７には、ＭＬＡ（マイクロレンズアレイ）の濃度分布マスクの単位セル配置の例を示した。ここでは中心部分に配置する単位セルの組合わせパターンの例を示している。（ア）は中心部分に配置する単位セルの組合わせパターンの例、（イ）は周辺部分に配置する単位セルの組合わせパターンの例を示している。いずれも実線で示されているのが単位セルで、破線の矢印はその方向にも単位セルが配置されていることを示している。
【００３５】
（ア）はＭＬＡの中心付近に配置するため、所望の形状はなだらかな曲線形状である。このため階調数はさほど必要としない。したがって、寸法の比較的大きい単位セルで構成し、放射線状に単位セルを配置している。
（イ）は周辺部分に配置するため、所望の形状は急激に変化する曲面形状である。このため階調数は多くを必要とする。したがって、ＭＬＡの四隅に近づくにつれて寸法の小さな単位セルで構成しドット寸法も小さくする必要がある。また、単位セルの形状も四角形だけでなく、三角形のものも配置し、単位セル内でのドットの位置を変更することにより光透過量の隣接効果に対処しやすくしている。
【００３６】
図８は、代表的な単位セル内の光透過領域又は遮光領域の増加又は減少の起点となる初期パターンの位置の違いと、光透過量又は遮光量を変化させる方法を示している。いずれも最も外側の正方形が単位セルを表わし、内側の正方形はそれぞれ光透過領域又は遮光領域を表わしている。ここでは単位セルの中央に起点がある配置を表わしている。（Ａ）では単位セルの中央に起点があり、（Ｂ）では四隅のいずれかに起点が配置されていることを表わしている。
【００３７】
図９は、光を透過する開口部（Ｃｒがない部分）を増加させていく例を示している。特に説明はしないが、光透過面積を減少させていく場合も同様である。図９（ア）は螺旋状に中心から面積を増やす方法であることの例を示している。この例は、ある単位セルＮｏ.からのドットの増加方法の代表例を示している。また、ある代表的な１ドットづつの増加方法あるいは減少方法を示している。したがって、ここに示したドットの中心に配置した初期四角形形状の寸法やドット寸法はモデル的なものであり、本発明では正方形に限定されるものではなく、長方形、三角形等の多角形でも構わない。また、当然のことながら楕円形状を含む円形状でもよい。
図９（イ）は単位セルが正六角形の場合の例を示している。この場合は、斜線部で示されるドットは円であり、その大きさを変えることにより透過量又は遮光量が変化していく。
【００３８】
図には示していないが、描画時のレーザービーム径や電子線ビーム径は、装置に固有の値である場合や変更が可能な場合など色々であるが、基本的にはどの装置でも変更が可能である。レーザーの場合には印可する電流値やアパチャーを変更することによって、電子線描画の場合には加速電圧を変更することによって変更ができる。これを利用して所望の形状の寸法、精度、階調数などから最適のビーム径を決定する。基本的にはビーム径が細いほうが良いが細いほど描画に時間が掛かる傾向にある。
【００３９】
また描画時の焦点深さは、ビーム径や断面形状との関係が深い。ビーム径が大きい時には焦点深さの変更はさほど重要ではないが、細い場合には重要となる。焦点深さを変更することで断面形状を滑らかにすることが可能となる。焦点深さの変更は、断面形状や感度曲線など入力時のインプットデータであり、設計時に決定されるものである。
【００４０】
（濃度分布マスクの設計）
マイクロレンズの隣接間隔を限りなく零に近づけた微小ピッチＭＬＡの例を示す。液晶プロジェクタ用ＭＬＡにおいて、０.９”−ＸＧＡ用の画素サイズは、１８μｍ×１８μｍである。
このＭＬＡにおいては、レンズの両側に各１μｍづつのレンズ非形成部がある場合は、１７μｍ×１７μｍのマイクロレンズ領域となり、全体の面積に占めるＭＬＡ面積は、１７×１７／１８×１８＝２８９／３２４＝０.８９２となり、ＭＬＡで全ての光を有効に集光することができても８９パーセントの集光効率でしかない。即ち、ＭＬＡの非形成部の面積を小さくすることが光利用効率を向上させるには重要である。
【００４１】
具体的には、１／５倍（縮小の）ステッパーを用いる場合、実際に製作した濃度分布マスクレチクルパターン寸法は、９０μｍ×９０μｍである。この１個のＭＬＡを３.０μｍの単位セルに分割し縦×横＝３０×３０（個）＝９００（個）の単位セルに分割する。
【００４２】
次に、中央部の２×２単位セル（濃度分布マスク濃度分布マスク上では６μｍ×６μｍ、実際のパターンでは１.２μｍ×１.２μｍ）にはセルＮｏ.１番（クロム全部残り）を配置する。また、レンズ四隅部分はセルＮｏ.８０番（クロム残り部分なし）を配置する。この間のＮｏ.１〜Ｎｏ.８０のセルには、各「階調」に対応する「開口面積」を対応させる。この関係は、露光プロセスとレジスト感度曲線から得られる関係である。勿論、レジスト材料やプロセスが異なればその都度感度曲線を把握する必要がある。このようにして、ＭＬＡ濃度分布マスク濃度分布マスクのＣＡＤデータを作成する。本件実施例では、感度曲線とＣｒ膜厚さと光透過率の関係からの式を用いてＣＡＤプログラムを製作した。
【００４３】
（濃度分布マスクの製作）
上記のようにして作成したＣＡＤデータを図１０に示すレーザー光照射装置（リコー光学株式会社製）を用いてレーザー光を照射しレジスト材料に描画を行なった。このレーザー光照射では、所望の形状に応じて最適のビーム形状を決定し、多角形形状や円形状などをアパチャーで整形することができる。また、レーザーパワーは、レーザーに供給する電流値を変更するか、または光出射側に減光フィルターを挿入して変更しても良い。
【００４４】
図１０に示すレーザー光照射装置は、レーザー光発振装置１、レーザー光発振装置１からのレーザー光を複数のレーザー光に分割するビームスプリッター２、レーザー光の光路を折り曲げるミラー３、ミラー３で折り曲げられたレーザー光を変調する光変調器４、データバスからの信号により光変調器４を制御して個々のレーザー光のＯＮ・ＯＦＦを制御する光変調制御装置５、光変調器４からのレーザー光を偏向する光偏向器６、レーザー光をレジスト材料層に集光するための対物レンズ７、載置されたマスクブランクスをＸ方向及びＹ方向に移動するＸ−Ｙステージ８、並びに光偏向器６の動作とＸ−Ｙステージ８の動作を制御する制御装置９などの主要構成部品から構成されている。
【００４５】
このレーザー光照射装置は、設計データに応じてＸ−Ｙステージ８の動作と、個々のレーザー光のＯＮ・ＯＦＦ及び偏向を制御することにより、マスクブランクスのレジスト材料層に所望のマスクパターンを描画する。すなわち、このレーザー光照射装置によりレジスト材料層にレーザー光を照射して各単位セル毎に光透過領域又は遮光領域を所望の透過率分布になるように二次元的にパターン形成を行なう。また基板表面高さ検出器（ＡＦ機能）が付属しており、ＡＦ面から僅かにずらすことによって焦点位置を変更している。
【００４６】
レーザービーム径は本実施例では直径０.２μｍ、位置あわせ精度０.０５μｍ、焦点位置精度０.１μｍで行なった。描画時のレーザーパワーの小刻みな変調を行ない、全体を一度で露光して描画時間の短縮を実現している。また、レーザーの光源は４１３ｎｍのクリプトンレーザーを用い、出力は５０〜３００ｍＷの範囲でパワー変調して描画した。
以上によって、露光時のエネルギーの制御と感光性材料の深さを変更している。
尚、単位セル形状とグリッド形状は目的とする製品により適当なものを選択すればよい。
【００４７】
上記のようにして作成したＣＡＤデータを図１０に示したレーザー光照射装置にインストールして、Ｘ−Ｙステージとレーザー光のＯＮ・ＯＦＦ及びビーム照射位置と照射エネルギーを制御しながら、所定の方法でマスクブランクスに露光した。そして、所定の方法で現像、リンスを行なってレジスト材料層をパターニングした。その後、ドライエッチングにてＣｒ膜のパターニングを行なった。
【００４８】
レーザービーム描画方法を用い、照射エネルギーを制御することで電子線描画方法よりも高い再現性を得ることができる。描画領域が円形の場合には、レーザービーム描画方法は描画領域の直径が０.２μｍ以上のときは非常に高い再現性を得ることができる。描画領域の直径が０.２μｍより小さくなると再現性が悪くなってくるが、電子線描画方法では描画領域の寸法が０.５μｍより小さくなると再現性が悪くなるのに比べると、再現性が格段に優れている。但し、本件発明では、レーザーでも電子線描画でも実現できる。
【００４９】
「隣接効果」の予測は単位セルの形状と濃度変化方法に依存する。単位セル形状が正方形や長方形の場合には円形状のドットにより正確に描画できるため、隣接効果を計算で予測することができる。
以下の具体例ではドット形状を円形状（中心から同心円状にレーザー光照射部分を増やしていく方式）を用いてＣＡＤプログラムを作成した。
このようにして、目的とする開口寸法を有し、かつ濃度分布を有する濃度分布マスク濃度分布マスクを製作した。
【００５０】
（濃度分布マスク製作の具体例）
液晶用ＭＬＡの製作：
濃度分布マスク濃度分布マスクを製作するに当たり、感光性材料であるレジスト材料として、ポジ型レジスト材料のＴＧＭＲ−９５０ＢＥ（東京応化（株）の製品）を用いた。
濃度分布マスクは、正方形に分割された単位セルで構成され、各単位セル内の光透過量又は遮光量が制御されたものとした。勿論、所望の形状に応じて最適の単位セルを決め最適なドットで製作すればよい。ここでは説明を簡単にするために、正方形で説明する。光透過量の制御方法は、▲１▼Ｃｒ開口面積の制御、▲２▼Ｃｒ膜厚の制御、▲３▼▲１▼と▲２▼の組合わせ方法がある。ここでは、▲３▼の方法を採用した。
【００５１】
別途用意してある「単位セルパターンＮｏ.と感光性材料の除去膜厚（残る膜厚でも良い）関係」、「Ｃｒ膜厚さと光透過量の関係」、「照射エネルギーと感光性材料の除去膜厚（残る膜厚でも良い）」、「光学濃度とＣｒパターン」、「光学濃度とＣｒ膜厚分布」などのデータから設計シミュレーターで所望の形状を製作するための濃度分布マスク単位セル配置を設計する。
【００５２】
濃度分布マスクを製作するために、透明ガラス基板上に例えば１５０ｎｍ厚さのＣｒ膜を成膜し、その上に上記のレジスト材料を塗布する。そのレジスト材料に図１０のレーザー光照射装置を用いてレーザー光を照射し描画を行なった。
その後、現像とリンスを経てレジスト材料層にマスクパターンを形成し、そのレジストパターンをエッチングマスクとしてＣｒ膜をドライエッチングすることにより、Ｃｒ膜をパターン化し、濃度分布マスクを製作した。
【００５３】
出来上がった濃度分布マスクは、図３（３）に示したように光透過率変化が連続している単位セルが全面に並び、全体として濃度分布したもの、又は図５に示したようにグリッドの光透過率変化がランダム配列である単位セルが全面に並び、全体として濃度分布したものである。
【００５４】
このような濃度分布マスクを用いて露光を行なうと、図１１に示されるように、その透過光の光強度分布は中央部で少なく、周辺部で多くなるような形状になる。そのため、この濃度分布マスクを用いてポジ型の感光性材料を露光すると、現像後に得られる感光性材料パターンの断面形状は中央部で厚く、周辺部で薄くなった凸状となる。
【００５５】
（液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１）
上記液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の濃度分布マスク濃度分布マスクを用い、図１２に示す縮小投影露光装置（１／５ステッパー）を使用して露光を行なって、レジストパターンを形成し、それを光学デバイス用材料に転写して製作した液晶プロジェクタ用ＭＬＡの例を述べる。
【００５６】
まず、その縮小投影露光装置の説明を行なう。
光源ランプ３０からの光は、集光レンズ３１により集光され、本発明により製作された露光用マスク３２を照射する。マスク３２を透過した光は、縮小倍率の結像レンズ３３に入射し、ステージ３４上に載置された光学デバイス用材料３７の表面に、マスク３２の縮小像、即ち、透過率分布の縮小像を結像する。光学デバイス用材料３７を載置したステージ３４は、ステップモーター３５，３６の作用により、結像レンズ３３光軸に直交する面内で、互いに直交する２方向へ変位可能であり、光学デバイス用材料３７の位置を、結像レンズ３３の光軸に対して位置合わせできるようになっている。
【００５７】
結像レンズ３３によるマスク３２の縮小像を、光学デバイス用材料３７のフォトレジスト層表面に結像させる。この露光を、光学デバイス用材料３７の全面にわたって密に行なう。
液晶プロジェクタ用ＭＬＡを製作するために、ネオセラム基板を用意し、この基板上に前述のＴＧＭＲ−９５０ＢＥレジストを８.５６μｍの厚さに塗布した。次にホットプレートで、１００℃にてベーク時間１８０秒でプリベークした。
【００５８】
この基板を図１２の１／５ステッパーで露光した。
次のような露光条件▲１▼から▲３▼を連続して行なった。
▲１▼デフォーカス：＋４μｍ、光照射量：３９０ｍＷ×０.４４秒
▲２▼デフォーカス：＋２μｍ、光照射量：３９０ｍＷ×０.４４秒
▲３▼デフォーカス：＋０μｍ、光照射量：３９０ｍＷ×０.１３秒
この条件では、総合露光量は、光照射量３９０ｍＷ×１.０２秒（照度：３９４ｍＪ）である。ここで、デフォーカス量の表示の＋の符号は、焦点がレジスト表面の上方にあることを意味している。
【００５９】
この条件で露光後、ＰＥＢ（ポスト・エキスポージャー・ベーク）を６０℃にて１８０秒実施した。次いで、感光性材料の現像、リンスを行なった。その後、紫外線硬化装置にて１８０秒間紫外線を光照射しながら真空引きを実施して、レジストのハードニングを行なった。紫外線硬化装置は、レジストの露光に使用する波長よりも短波長でレジストを硬化させることのできる波長を光照射する。この操作によって、レジストの耐プラズマ性は向上し、次工程での加工に耐えられるようになる。このときのレジスト高さは７.５μｍであった。
デフォーカスの効果によって、特段の段差を生じることなく形状を製作することができた。
【００６０】
その後、上記基板をＴＣＰ（誘導結合型プラズマ）ドライエッチング装置にセットし、真空度：１.５×１０^-3Ｔｏｒｒ、ＣＨＦ₃：５.０ｓｃｃｍ、ＣＦ₄：５０.０ｓｃｃｍ、Ｏ₂：１５.０ｓｃｃｍ、基板バイアス電力：６００Ｗ、上部電極電力：１.２５ｋＷ、基板冷却温度：−２０℃の条件下でドライエッチングを行なった。またこの時、基板バイアス電力と上部電極電力を経時的に変化させ、時間変化と共に選択比が小さくなるように変更しながらエッチングを行なった。基板の平均エッチング速度は、０.６７μｍ／分であったが、実際のエッチンング時間は、１１.５分を要した。エッチング後のレンズ高さは、５.３μｍであった。
【００６１】
（液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例２）
ここでは非球面形状のＭＬＡを製作した。上記の液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１と同じ濃度分布マスク濃度分布マスクを用い、ステッパー装置での露光条件を変更して行なった。
次のような露光条件▲１▼から▲４▼を連続して行なった。
▲１▼デフォーカス：＋３μｍ、光照射量：３９０ｍＷ×０.１６秒
▲２▼デフォーカス：＋２μｍ、光照射量：３９０ｍＷ×０.２３秒
▲３▼デフォーカス：＋１μｍ、光照射量：３９０ｍＷ×０.２３秒
▲４▼デフォーカス：＋０μｍ、光照射量：３９０ｍＷ×０.３０秒
この条件では、総合露光量は、光照射量３９０ｍＷ×０.９２秒（照度：３５９ｍＪ）である。
【００６２】
この条件で露光後、感光性材料のＰＥＢ、現像、リンスを行なった。次いで、液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１と同じ条件でレジストのハードニングを行なった。このときのレジスト高さは７.７μｍであった。デフォーカスの効果によって、特段の段差を生じることなく形状を製作することができた。
【００６３】
その後、上記基板をＴＣＰドライエッチング装置にセットし、液晶用微小寸法ＭＬＡ製作の具体例１での条件のうち、Ｏ₂を１５.０ｓｃｃｍから０.９ｓｃｃｍへ変更してドライエッチングを行なった。基板の平均エッチング速度は、０.５５μｍ／分であったが、実際のエッチンング時間は、１４.０分を要した。エッチング後のレンズ高さは、７.４μｍであった。
この具体例２によって製作したＭＬＡは、具体例１で作成したＭＬＡよりも焦点距離が短いＭＬＡを実現することができた。
【００６４】
【発明の効果】
本発明では、感光性材料膜をレーザー又は電子線による一度の走査により描画するとともに、その走査の際、形成しようとする感光性材料パターンの三次元構造設計値に基づいて求められた光透過量分布とマスクブランクスの感光性材料の感度特性とに応じて、レーザー又は電子線の照射エネルギーを多段階に変調するようにしたので、縮小光学系露光で三次元方向に光透過量濃度分布を有するアナログマスクを特別な装置を使用することなく、高速度に安価に製作できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の濃度分布マスク製造方法を示すフローチャート図である。
【図２】 多段階描画を示す図で、（ａ）〜（ｄ）は各エネルギーによる描画領域、（Ａ）はこれら４種類の全てを描画した場合の描画パターンである。
【図３】 描画されたマスクブランクスの現像・リンスから遮光膜のエッチングの工程を示す単位セルの断面図である。
【図４】 引例の方法と本発明の方法を比較する単位セルの断面図である。
【図５】 単位セルをグリッドに分割して光透過濃度分布を形成した例を示した単位セル光透過率配置を示す図であり、（Ａ）は３０／１００階調の単位セル、（Ｂ）は６０／１００階調の単位セル、（Ｃ）は０／１００階調、３０／１００階調及び６０／１００階調の単位セルを組み合わせた例を示したものである。
【図６】 ６種類の単位セル形状の例を示す図である。
【図７】 ＭＬＡの濃度分布マスクに配置される単位セルの例を示す図である。
【図８】 単位セル内の光透過領域又は遮光領域の増加又は減少の起点となる初期パターンと光透過量又は遮光量を変化させる方法を示す図である。
【図９】 単位セル内の光透過領域又は遮光領域を増加又は減少させる方法を示す図で、（ア）は単位セルが長方形の場合、（イ）は単位セルが正六角形の場合の例である。
【図１０】 濃度分布マスク濃度分布マスクの製作に用いるレーザー光照射装置の一例を示す概略構成図である。
【図１１】 一実施例の濃度分布マスクを用いて露光を行なったときの透過光の光強度分布と得られるポジ型感光性材料パターンの断面形状を示す図である。
【図１２】 縮小投影露光装置の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１２ マスクブランクス材料基板
１４ 遮光膜
１６ 現像後の感光性材料パターンの断面図

Claims (3)

1. 基板上に三次元構造の感光性材料パターンを形成するための写真製版工程で使用する濃度分布マスクの製造方法において、
   透明基板上に遮光膜が形成され、さらにその上に感光性材料膜が形成されたマスクブランクスを用意し、その感光性材料膜をレーザー又は電子線による一度の走査により描画する工程を含む方法であって
   （Ａ）濃度分布マスクを生成すべき領域を適当な形状及び大きさの単位セルにより隙間なく分割し、前記光透過量分布と、前記感度特性を数式化した感度曲線とに基づいて前記各単位セルの光透過領域又は遮光領域を決定するステップ、
   （Ｂ）ステップ（Ａ）で決定された光透過領域又は遮光領域に基づいて、ＣＡＤ上で各単位セルのグリッドごとの照射エネルギー、焦点深度及びビーム径を計算し、データ化するステップ、
   （Ｃ）ステップ（Ｂ）により求められたデータに基づいて、前記マスクブランクスの感光性材料に照射を行なって描画するステップ、
   （Ｄ）露光後のマスクブランクスを現像して三次元構造の感光性材料パターンを形成するステップ、及び
   （Ｅ）その感光性材料パターンをエッチングによって前記遮光膜に転写するステップを含み、
   前記ステップ（Ｂ）での計算では、前記ステップ（Ｄ）の現像後の感光性材料パターンが連続した膜厚分布をもつように、各単位セルのグリッドごとの照射エネルギーを不連続な多段階に変調することを特徴とする濃度分布マスクの製造方法。
2. 前記レーザー又は電子線の照射時の焦点深さも多段階に変調する請求項１に記載の濃度分布マスクの製造方法。
3. 前記レーザー又は電子線の照射時のビーム径も多段階に変調する請求項１又は２に記載の濃度分布マスクの製造方法。

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