JP5402316B2 - フォトマスク、及び光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フォトマスク、及び光学素子の製造方法に関する。

３次元構造の特殊表面形状を形成すべき基板材料の表面上に所定の厚さに感光性材料を塗布して感光性材料層を形成し、特殊表面形状に対応して光透過率が段階的に変化する露光用マスクを用いて感光性材料層に所定の光透過率分布のマスクパターンを露光し、目的とする特殊表面形状に応じて感光性材料層の厚さを変化させる特殊表面形状の創成方法において、感光性材料層へ露光用マスクのパターンを露光する際に、デフォーカスして露光パターンを僅かに焦点ボケさせ、マスクパターンの光透過率分布の段差を解消する特殊表面形状の創成方法が提案されている（特許文献１参照）。

また、第１の光学濃度レベルを有する第１の領域と、第１の光学濃度レベルに次ぐ第２の光学濃度レベルを有する第２の領域との間に、第１の光学濃度レベルを有する第１の区域と第２の光学濃度レベルを有する第２の区域とが混在する混在領域を有する透過率変調方式の多階調マスクが提案されている（特許文献２参照）。
特開２００１−２５５６６０号公報 特開２００２−３６５７８４号公報

本発明は、光透過領域及び遮光領域からなる２値パターンのグレートーンマスクにおいても、多くの階調数を表現することができるフォトマスク、及びこのフォトマスクを用いて滑らかな表面形状の光学素子を製造することができる光学素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、光透過領域及び遮光領域の双方を有し、かつ露光装置の分解能に対応する面積より小さい面積の小領域であって、小領域内の前記光透過領域または前記遮光領域の面積を各々異ならせた複数の小領域を、階調毎に前記光透過領域または前記遮光領域の総面積が異なるように、階調に応じた組み合わせで単位領域内に配列したフォトマスクである。

また、請求項２の発明は、前記単位領域内に、組織的ディザ法または誤差拡散法を用いて前記小領域を配列した請求項１記載のフォトマスクである。

また、請求項３の発明は、光透過領域及び遮光領域の双方を有し、かつ露光装置の分解能に対応する面積より小さい面積の小領域を配列した単位領域であって、小領域内の前記光透過領域または前記遮光領域の面積を各々異ならせた複数の単位領域のそれぞれについて、前記単位領域内に設けられた階調毎に領域内に含まれる前記光透過領域または前記遮光領域の総面積が異なるように設定された設定領域以外の領域の前記光透過領域及び前記遮光領域を前記光透過領域または前記遮光領域のいずれか一方にしたフォトマスクである。

また、請求項４の発明は、前記小領域内に、組織的ディザ法または誤差拡散法を用いて前記光透過領域または前記遮光領域が配列された請求項３記載のフォトマスクである。

また、請求項５の発明は、光学素子が形成される基板上に形成された光感受性材料を、請求項１〜請求項４のいずれか１項記載のフォトマスクを透過させた光で露光して現像することにより三次元形状を形成し、エッチング処理により、前記光感受性材料の三次元形状を前記基板に転写する、光学素子の製造方法である。

請求項１記載のフォトマスクによれば、光透過領域及び遮光領域からなる２値パターンのグレートーンマスクにおいても、階調毎に光透過領域または遮光領域の総面積が異なるように単位領域内に配列していない場合と比較して、多くの階調数を表現することができる、という効果が得られる。

請求項２記載のフォトマスクによれば、組織的ディザ法または誤差拡散法を用いない場合と比較して、階調に応じた光学濃度の変化をより滑らかにすることができる、という効果が得られる。

請求項３記載のフォトマスクによれば、階調毎に異なる面積の設定領域を単位領域内に設定しない場合と比較して、多くの階調数を表現することができる、という効果が得られる。

請求項４記載のフォトマスクによれば、組織的ディザ法または誤差拡散法を用いない場合と比較して、階調に応じた光学濃度の変化をより滑らかにすることができる、という効果が得られる。

また、請求項５記載の光学素子の製造方法によれば、階調毎に光透過領域または遮光領域の総面積が異なるように単位領域内に配列していない、または階調毎に異なる面積の設定領域を単位領域内に設定しないフォトマスクを用いる場合に比べて、滑らかな表面形状の光学素子を製造することができる、という効果が得られる。

フォトマスクの光学濃度と形成されたレジスト形状の膜厚との関係を示す線図である。 第１の実施の形態のフォトマスクの小領域を示す図である。 第１の実施の形態のフォトマスクにおいて、小領域を単位領域に配列する際に用いられるベイヤーマトリックスの一例である。 第１の実施の形態のフォトマスクにおいて、小領域を単位領域に配列した一例である。 第１の実施の形態のフォトマスクの小領域の他の例を示す図である。 第１の実施の形態のフォトマスクにおいて、他の例の小領域を単位領域に配列した一例である。 本実施の形態のフォトマスクを用いた光学素子の製造方法を示す概略図である。 第２の実施の形態のフォトマスクの小領域、及び小領域を単位領域に配列した一例である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

まず、第１の実施の形態のフォトマスクについて説明する。第１の実施の形態のフォトマスクは、同心円状に配列された領域毎に、階調が連続して変化するように階調に応じた単位領域を配列することで光学濃度を異ならせている。詳細は後述するが、単位領域には、露光装置の分解能に対応する面積より小さい面積の小領域が配列されており、小領域は、光透過領域及び遮光領域を有している。すなわち、第１の実施の形態のフォトマスクは、光透過領域及び遮光領域の２値からなるグレートーンマスクである。

また、第１の実施の形態のフォトマスクは、ガラス等の光透過性の基板にクロム等の遮光性材料を用いて光透過領域及び遮光領域を形成したものである。光透過領域及び遮光領域は、基板に蒸着された遮光性材料に描画装置（例えば、電子ビームまたはレーザビームを用いた描画装置）により電子ビーム等を照射して現像することにより形成する。電子ビーム等が照射された部分は、現像により遮光性材料が除去されて光透過領域となる。電子ビーム等が照射されず遮光性材料が残った部分は遮光領域となる。

ここで、フォトマスクとレジスト形状の膜厚とは、例えば図１に示すような関係にあり、表現できる階調数は、フォトマスクを製造する際に用いられる描画装置のドットサイズにより制限される。使用する光学濃度範囲の幅が広いほど表現できる階調数は多く、使用する光学濃度範囲の幅が狭いほど表現できる階調数は少ない。例えば、高さが低い三次元形状を形成するために光学濃度の範囲を図中Ｌのように狭い範囲とした場合には、その範囲内で表現できる階調数は少なくなる（例えば、３段階）。

第１の実施の形態では、遮光領域の面積比が第１の大きさの第１小領域、遮光領域の面積比が第１の大きさより大きい第２の大きさの第２小領域、遮光領域の面積比が第２の大きさより大きい第３の大きさの第３小領域の３種類の小領域を用いている。また、各小領域の遮光領域の辺の長さａの小領域の辺の長さＷに対する比ａ／Ｗは、第１小領域から第３小領域に向かって予め定められた大きさずつ大きくなるように定められている。

具体的には、図２に示すように、小領域２０は、縦横のサイズがＷの正方形で、光透過領域２２及び遮光領域２４を有する。遮光領域２４は、縦横のサイズがａの正方形で、遮光領域２４以外の領域が光透過領域２２となっている。同図（Ａ）に示す第１小領域２０ａは、ａ／Ｗ＝０．２であり、遮光領域２４の面積比は４％である。同図（Ｂ）に示す第２小領域２０ｂは、ａ／Ｗ＝０．５であり、遮光領域２４の面積比は２５％である。同図（Ｃ）に示す第３小領域２０ｃは、ａ／Ｗ＝０．８であり、遮光領域２４の面積比は６４％である。以下、このように各小領域２０内の遮光領域２４の面積を異ならせて光学濃度を異ならせる手法をパルス幅変調、及び小領域２０の辺の長さａをパルス幅ともいう。

これら３種類の小領域２０ａ〜２０ｃの各々で１階調を表現した場合には、３段階の階調が表現できる。また、第１小領域２０ａ及び第２小領域２０ｂを、階調毎に単位領域内の遮光領域の総面積が異なるように組み合わせて単位領域内に配列して、第１小領域２０ａで表せる階調と第２小領域２０ｂで表せる階調との間に更に細かい階調を複数表現する。同様に、第２小領域２０ｂ及び第３小領域２０ｃを、階調毎に単位領域内の遮光領域の総面積が異なるように組み合わせて単位領域内に配列して、第２小領域２０ｂで表せる階調と第３小領域２０ｃで表せる階調との間に更に細かい階調を複数表現する。以下、このように単位領域内に異なるパルス幅の小領域を、階調毎に単位領域内の遮光領域の総面積が異なるように組み合わせて配列することにより単位領域内の光学濃度を異ならせる手法をパルス密度変調ともいう。

小領域２０を単位領域内に配列するに際しては、ランダムに配置したり、予め定めた順番で配列したりしてもよいが、ここでは特に、組織的ディザ法の一つであるベイヤータイプのマトリックスを用いて配列する。組織的ディザ法は、画像処理技術において、スムーズな画像を再現するための手法であり、この手法を用いることにより、フォトマスク上に表現される階調に応じた光学濃度の変化をより滑らかなものとする。

ベイヤータイプのマトリックスとしては、例えば、図３（Ａ）に示すような２×２ベイヤーマトリックス、同図（Ｂ）に示すような４×４ベイヤーマトリックス、及び同図（Ｃ）に示すような８×８ベイヤーマトリックスが用いられる。これらの全体が単位領域に対応しており、各マスが小領域に対応している。また、各マス内の数値は閾値であり、表現される階調の段階数をこの数値と比較しながら、小領域の配列を決定する。

はじめに全てのマスに第１小領域を同じ向きで配列する。次に、最も小さい閾値以下の閾値を有するマスに配置された第１小領域を第２小領域に置換し、次に、２番目に小さい閾値以下の閾値を有するマスに配置された第１小領域を第２小領域に置換し、次に、３番目に小さい閾値以下の閾値を有するマスに配置された第１小領域を第２小領域に置換し、次に、最も大きい閾値以下の閾値を有するマスに配置された第１小領域を第２小領域に置換する。そして、次に、最も小さい閾値以下の閾値を有するマスに配置された第２小領域を第３小領域に置換し、次に、２番目に小さい閾値以下の閾値を有するマスに配置された第２小領域を第３小領域に置換し、次に、３番目に小さい閾値以下の閾値を有するマスに配置された第２小領域を第３小領域に置換し、次に、最も大きい閾値以下の閾値を有するマスに配置された第２小領域を第３小領域に置換する。なお、小領域を置換する場合には、置換前の小領域と置換後の小領域とが同じ向きになるように、すなわち遮光領域の位置が対応する位置になるように置換する。

具体的に、図４（Ａ）に示す２×２ベイヤーマトリックスを用いて、第１小領域２０ａ及び第２小領域２０ｂ、並びに第２小領域２０ｂ及び第３小領域２０ｃを単位領域３０内に配列する場合について説明する。まず、同図（Ｂ）に示すように、単位領域３０内の全領域に面積比が一番小さい第１小領域２０ａを同じ向きに配列し、これを０階調目とする。次に、０階調目に次ぐ１階調目について、同図（Ａ）のベイヤーマトリックスの最も小さい閾値以下の閾値を有するマスに配置された第１小領域２０ａを第２小領域２０ｂに置換する（同図（Ｃ））。以下、２階調目では、２番目に小さい閾値以下の閾値を有するマスに配置された第１小領域２０ａを第２小領域２０ｂに置換し（同図（Ｄ））、３階調目では、３番目に小さい閾値以下の閾値を有するマスに配置された第１小領域２０ａを第２小領域２０ｂに置換し（同図（Ｅ））、４階調目では、最も大きい閾値以下の閾値を有するマスに配置された第１小領域２０ａを第２小領域２０ｂに置換する（同図（Ｆ））。

第２小領域２０ｂ及び第３小領域２０ｃについても同様に単位領域３０内に配列する（同図（Ｆ）〜同図（Ｊ））。なお、第２小領域２０ｂ及び第３小領域２０ｃの配列の０段階目は、単位領域３０内の全領域に第２小領域２０ｂを配列した状態であり、第１小領域２０ａ及び第２小領域２０ｂの組合せの配列の４階調目と同一の配列となる（同図（Ｆ））。

なお、上記では、図２に示すように、小領域内に１つの遮光領域を有する場合について説明したが、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、小領域２０ｄ〜２０ｆ内に複数の遮光領域を有するようにしてもよい。同図（Ｃ）の場合には、遮光領域がはみ出した部分も含めて小領域として扱う。これらの小領域を図４（Ａ）に示す２×２ベイヤーマトリクスを用いて単位領域内に配列した例を図６に示す。なお、同図（Ｃ）の小領域を単位領域に配列する際に、はみ出した部分が隣接する小領域に重複するようにする。

次に、第１の実施の形態のフォトマスク１０を用いた光学素子の製造方法について説明する。ここでは、光学素子としてマイクロレンズを製造する場合について説明する。

図７（Ａ）に示すように、マイクロレンズが形成される基板１２上にレジスト膜１４を生成する。そして、同図（Ｂ）に示すように、第１の実施の形態のフォトマスク１０を透過させた光でレジスト膜１４を露光する。第１の実施の形態のフォトマスク１０は、階調表現がより細密となっているため、露光後、現像すると同図（Ｃ）に示すように滑らかな表面形状のレジスト形状１６が形成される。そして、同図（Ｄ）に示すように、エッチング処理により、形成されたレジスト形状１６を基板１２に転写してマイクロレンズを製造する。

以上説明したように、第１の実施の形態のフォトマスクによれば、パルス幅変調による異なるパルス幅の小領域を、パルス密度変調により組み合わせて単位領域内に配列することにより、パルス幅変調のみまたはパルス密度変調のみにより階調を表現する場合に比べて、多くの階調数が表現され、滑らかな形状の光学素子を製造することができる。また、第１の実施の形態のフォトマスクは、光透過領域及び遮光領域の２値で構成されているため、特殊な感光性プレートに高エネルギービームで描画する場合などに比べて、安価に製造することができる。

次に、第２の実施の形態のフォトマスクについて説明する。第１の実施の形態のフォトマスク１０は、パルス幅変調による異なるパルス幅の小領域を、パルス密度変調により組み合わせて単位領域内に配列する場合について説明したが、第２の実施の形態では、単位領域内に設定された設定領域についてパルス密度変調を行う点が異なる。その他の点については、第１の実施の形態のフォトマスク１０と同様であるため、説明を省略する。

第２の実施の形態のフォトマスク２１０では、遮光領域の総面積が第１の大きさの第１小領域、遮光領域の総面積が第１の大きさより大きい第２の大きさの第２小領域、遮光領域の総面積が第２の大きさより大きい第３の大きさの第３小領域の３種類の小領域を用いている。第２の実施の形態では、このように小領域２２０内に配列する遮光領域２２４の総面積を異ならせて光学濃度を異ならせる手法をパルス密度変調ともいう。

遮光領域２２４を小領域２２０内に配列するに際しては、ランダムに配置したり、予め定めた順番で配列したりしてもよいが、ここでは特に、組織的ディザ法の一つであるベイヤータイプのマトリックスを用いて配列する。ベイヤータイプのマトリックスとしては、第１の実施の形態と同様に、例えば、図３に示すようなものが用いられる。これらの全体が小領域に対応しており、各マスが１つの遮光領域が配列される領域に対応している。また、各マスの数値は閾値であり、表現される階調の段階をこの数値と比較しながら、遮光領域の配列を決定する。なお、１マスの面積（１つの遮光領域に対応する面積）は、フォトマスク２１０を製造する際に用いられる描画装置のドットサイズにより定まる。

具体的に、図８（Ａ）に示す２×２ベイヤーマトリックスを用いて、遮光領域２２４を小領域２２０内に配列する場合について説明する。なお、小領域２２０内の遮光領域２２４が配列された領域以外の領域は光透過領域２２２となる。まず、第１小領域２２０ａについて、同図（Ａ）のベイヤーマトリックスの最も小さい閾値以下の閾値を有するマスに遮光領域２２４を配置し（同図（Ｂ））、第２小領域２２０ｂについて、２番目に小さい閾値以下の閾値を有するマスに遮光領域２２４を配置し（同図（Ｃ））、第１小領域２２０ａについて、３番目に小さい閾値以下の閾値を有するマスに遮光領域２２４を配置する（同図（Ｄ））。

これら３種類の小領域２２０ａ〜２２０ｃの各々で１階調を表現した場合には、３段階の階調が表現できる。また、各小領域２２０が配列された単位領域２３０の各々について、階調毎に領域内の遮光領域２２４の総面積が異なるように設定領域２４０を設け、設定領域２４０に含まれる領域以外の領域を光透過領域２２２または遮光領域２２４のいずれかにする（ここでは、光透過領域２２２にする）ことで、各単位領域２３０について更に細かい階調を表現する。また、設定領域の辺の長さｂは、光学濃度が低い階調から光学濃度が高い階調に向かって予め定められた長さずつ長くなるように定められている。第２の実施の形態では、このように単位領域２３０内の設定領域２４０の面積を異ならせて光学濃度を異ならせる手法をパルス幅変調ともいう。

具体的には、第１小領域２２０ａを配列した単位領域２３０（同図（Ｅ））について、１階調目の面積の設定領域２４０を設定する。例えば、設定領域２４０は、単位領域２３０の左下角を基準とした１辺の長さｂの正方形とし、階調が上がる毎に相似形で拡大する。拡大するピッチは、フォトマスクを製造する際に用いられる描画装置のドットサイズに応じて定める。なお、第２の実施の形態では、設定領域２４０の１辺の長さｂをパルス幅ともいう。

そして、設定領域２４０以外の領域を全て光透過領域２２２にする。その状態を同図（Ｆ）に示す。次に、第１小領域２２０ａを配列した単位領域２３０に２階調目の面積の設定領域２４０を設定し、同様に設定領域２４０以外の領域を全て光透過領域２２２にする（同図（Ｇ））。３階調目以降についても同様である。なお、第１小領域２２０ａを配列した単位領域２３０については、３階調目以降はいずれも同一の配列となる（同図（Ｈ））。

第２小領域２２０ｂを配列した単位領域２３０（同図（Ｉ））についても同様に、階調毎に領域内の遮光領域２２４の総面積が異なるように設定領域２４０を設け、設定領域２４０に含まれる領域以外の領域を光透過領域２２２にする。その状態を同図（Ｊ）〜（Ｎ）に示す。また、第３小領域２２０ｃを配列した単位領域２３０（同図（Ｏ））についても同様に、階調毎に領域内の遮光領域２２４の総面積が異なるように設定領域２４０を設け、設定領域２４０に含まれる領域以外の領域を光透過領域２２２にする。その状態を同図（Ｐ）〜（Ｔ）に示す。

また、第２の実施の形態のフォトマスクを用いた場合も、第１の実施の形態のフォトマスクを用いた場合と同様の手順により、光学素子を製造することができる。

以上説明したように、第２の実施の形態のフォトマスクによれば、パルス密度変調により遮光領域の総面積を異ならせた小領域の各々を配列した単位領域の各々について、パルス幅変調により面積を異ならせた設定領域以外の領域を光透過領域または遮光領域とすることにより、パルス幅変調のみまたはパルス密度変調のみにより階調を表現する場合に比べて、多くの階調数が表現され、滑らかな形状の光学素子を製造することができる。また、第２の実施の形態のフォトマスクは、光透過領域及び遮光領域の２値で構成されているため、特殊な感光性プレートに高エネルギービームで描画する場合などに比べて、安価に製造することができる。

なお、第１及び第２の実施の形態では、露光された部分が除去されるタイプ（ポジタイプ）のレジスト膜を用いてレジスト形状を形成する場合について説明したが、露光された部分が硬化するタイプ（ネガタイプ）のレジスト膜を用いる場合にも本発明を適用することができる。この場合、上記で説明した遮光領域と光透過領域とを逆にした構成とすればよい。

また、第１及び第２の実施の形態では、狭い光学濃度範囲Ｌの間で階調をより細かくする場合について説明したが、本発明は、光学濃度範囲の全範囲において適用することができる。従って、本発明を適用したフォトマスクを用いて様々な形状の光学素子を製造することができ、従来のフォトマスクを用いる場合と比べて、滑らかな形状の光学素子を製造することができる。

また、第１の実施の形態では、単位領域に小領域を配列する際、第２の実施の形態では、小領域に遮光領域を配列する際に組織的ディザ法を用いる場合について説明したが、スムーズな画像を再現するための画像処理技術として、例えば、誤差拡散法などの他の手法を用いてもよい。

また、第１及び第２の実施の形態では、小領域を正方形としたがこれに限定されるものではなく、長方形などでもよい。また、単位領域に縦横同数の小領域を配列する場合について説明したが、例えば、単位領域内に小領域を２つ配列する場合には１×２としたり、３つ配列する場合には１×３としたり、縦横の配列数を異ならせてもよい。

１０、２１０ フォトマスク
１２ 基板
１４ レジスト膜
２０、２２０ 小領域
２２、２２２ 光透過領域
２４、２２４ 遮光領域
３０、２３０ 単位領域
２４０ 設定領域

Claims (5)

1. 光透過領域及び遮光領域の双方を有し、かつ露光装置の分解能に対応する面積より小さい面積の小領域であって、小領域内の前記光透過領域または前記遮光領域の面積を各々異ならせた複数の小領域を、階調毎に前記光透過領域または前記遮光領域の総面積が異なるように、階調に応じた組み合わせで単位領域内に配列したフォトマスク。
2. 前記単位領域内に、組織的ディザ法または誤差拡散法を用いて前記小領域を配列した請求項１記載のフォトマスク。
3. 光透過領域及び遮光領域の双方を有し、かつ露光装置の分解能に対応する面積より小さい面積の小領域を配列した単位領域であって、小領域内の前記光透過領域または前記遮光領域の面積を各々異ならせた複数の単位領域のそれぞれについて、前記単位領域内に設けられた階調毎に領域内に含まれる前記光透過領域または前記遮光領域の総面積が異なるように設定された設定領域以外の領域の前記光透過領域及び前記遮光領域を前記光透過領域または前記遮光領域のいずれか一方にしたフォトマスク。
4. 前記小領域内に、組織的ディザ法または誤差拡散法を用いて前記光透過領域または前記遮光領域が配列された請求項３記載のフォトマスク。
5. 光学素子が形成される基板上に形成された光感受性材料を、請求項１〜請求項４のいずれか１項記載のフォトマスクを透過させた光で露光して現像することにより三次元形状を形成し、
   エッチング処理により、前記光感受性材料の三次元形状を前記基板に転写する、
   光学素子の製造方法。

Images