JP5891406B2 - フォトマスク、それを用いたパターン形成方法及び露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に、プロキシミティ（近接）露光に用いるフォトマスク、それを用いたパターン形成方法及び露光装置に関する。

半導体集積回路の微細加工を始め、ＭＥＭＳ加工及び液晶等のフラットパネルの表面加工においては、加工する基板上に形成された感光性樹脂層にパターン露光を行い、露光された感光性樹脂層を現像することによって、目的とするパターンを形成するリソグラフィ法が用いられている。リソグラフィにおいては、パターンを描いたフォトマスクを介して光を照射するのが一般的である。この際、フォトマスクが被露光体に密着することによって生じる傷を防ぐため、フォトマスクと被露光体との間に間隙を設けて露光する、すなわちプロキシミティ（近接）露光を行うことが多い。

しかしながら、このような間隙を設けた場合に、露光波長の数倍程度の細かいパターンを形成するために波長の数倍程度のパターンをマスク上に設けても、フレネル回折現象等によって、目的とする寸法を持つパターンを基板上に形成することができないという問題がある。

例えば、図２３に示すような、透明基板２０１の上に遮光膜２０２が形成された露光用フォトマスク２０３を用いて露光を行った場合に、フォトマスク２０３を透過した露光光２０４が回折して、パターンがぼやけてしまう。これは、たとえフォトマスク２０３と加工する基板２０５との間にレンズを設ける投影方式の露光を用いたとしても、等倍の投影露光であれば、フォトマスク２０３の波長の数倍程度の寸法を持つ開口部２０３ａには、十分な光が透過しないため、微細パターンを形成することは困難である。

近年、フォトマスク２０３と基板２０５との間に設ける投影レンズとして縮小レンズを配置することにより、加工寸法の４〜５倍のマスクを用いてマスク上のパターン寸法を大きくして、微細寸法を形成できる縮小投影露光法がある。しかし、縮小投影露光法は、露光面積の全体を縮小してしまうため、大面積の基板加工が困難になる。その上、縮小するための複数の高精度レンズが必要となり、露光用装置に多大なコストを要する。

そこで、近接露光法又は投影露光法による等倍の投影露光において、波長の数倍程度の微小な開口部を透過する光の強度を強くすることにより、所望の寸法を持つパターンを形成できる方法が提案されている。

以下、図２４（ａ）及び図２４（ｂ）を参照しながら、フォトマスク２０３を用いてリソグラフィにより露光できる限界値よりも小さいパターンを形成する方法について説明する（例えば、特許文献１を参照。）。

まず、図２４（ａ）に示すように、ガラス基板２０７と、該ガラス基板２０７の上に微細パターン部である開口部２０８ａが形成された遮光膜２０８とから構成されたフォトマスク２０３には、ガラス基板２０７における開口部２０８ａから露出する領域及びその近傍に、ガラス基板２０７よりも高い屈折率を有する高屈折率領域２０９が形成されている。ここで、ガラス基板２０７に、例えば、酸化シリコンを用いる場合は、その屈折率は１．５である。また、高屈折率領域２０９領域に、例えば、チタン（Ｔｉ）を添加すると、その屈折率１．８となる。遮光膜２０８には、例えばクロム（Ｃｒ）からなる蒸着膜が用いられる。

図２４（ｂ）から明らかなように、フォトマスク２０３を露光光が透過する際の光路となる開口部２０８ａにおいては、高屈折率領域２０９が凸状レンズとなる。このため、開口部２０８ａの周辺の領域を透過する光が集光されて、微細パターン部２０８ａを通過する光の強度が通常のマスク部を通過する光の強度よりも増大するので、微細パターンを形成することができる。

なお、高屈折率領域２０９を形成するには、イオン注入法等を用いて、分極性が高いイオンをガラス基板２０７における遮光膜２０８の開口部２０８ａとその周辺部に含有させるという方法が記載されている。

特開昭５７−０５４９３９号公報

しかしながら、露光光をフォトマスクによって十分に集光させるには、フォトマスクの開口部の全領域における屈折率が単純に高くなるだけでなく、屈折率分布レンズとなるように、開口部及びその周辺領域の屈折率が連続的に変化する状態とする必要がある。

前記従来のフォトマスクにおいては、開口部及びその周辺領域にガラス基板の屈折率を高くするための分極性が高いイオンを含有した領域を形成し、さらに、屈折率分布レンズの働きを得られるように、１つの開口部内の周辺領域における屈折率の値を連続的に変化させることは極めて困難である。従って、従来の技術においては、所望の焦点に十分な光を集光することができない。

本発明は、前記の問題に鑑み、開口部を透過する光を十分に集光させて、微細パターンを形成することができるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、フォトマスクを、開口部から露出する領域に、所望の位置に焦点を結ぶ複数の掘り込み部を形成する構成とする。

具体的に、本発明に係る第１のフォトマスクは、透光性を有する基板と、基板の上に形成され、遮光部と透光領域となる開口部とを有する遮光膜とを備え、基板における開口部からの露出領域には、複数の掘り込み部が形成され、複数の掘り込み部は、該複数の掘り込み部を透過した光が所定の位置に焦点を結ぶように、それぞれの幅が焦点から離れるに従って大きく形成されている。

第１のフォトマスクによると、複数の掘り込み部は、該複数の掘り込み部を透過した光が所定の位置に焦点を結ぶように、それぞれの幅が焦点から離れるに従って大きく形成されているため、遮光膜に設けられた開口部において、複数の掘り込み部を透過した光が掘り込み部の内側に隣接する非掘り込み部側に屈折する。従って、開口部の中心に向かって光を効率良く集光することができる。

第１のフォトマスクにおいて、複数の掘り込み部は、開口部の互いに対向する２辺に沿って線状にパターニングされており、互いに隣接する２つの掘り込み部のうち、遮光部と開口部との境界部に近い側の第１の掘り込み部の線幅は、境界部から遠い側の第２の掘り込み部の線幅よりも大きいことが好ましい。

このようにすると、開口部の周縁部の近傍を透過した光を、開口部の内側を透過した光よりも大きく屈折させることができるので、開口部の中心に向かって光を確実に集光することができる。

この場合に、第２の掘り込み部の線幅は、第１の掘り込み部の線幅の０．９倍以下であってもよい。このようにすると、光の屈折方向をより確実に変えることができる。

また、この場合に、第１の掘り込み部の線幅は、露光波長の２倍以下であってもよい。このようにすると、光の屈折角の調整が可能となる。

また、この場合に、第２の掘り込み部の線幅は、露光波長以下であってもよい。このようにすると、光の屈折角のより正確な調整が可能となる。

また、この場合に、第１の掘り込み部の線幅及び第２の掘り込み部の線幅は、露光波長以下であってもよい。このようにすると、光の屈折角を調整するパターンの設計が容易となる。

また、この場合に、第１の掘り込み部と第２の掘り込み部との間隔は、露光波長以下であってもよい。このようにすると、所望の焦点に正確に集光することが可能となる。

また、この場合に、第１の掘り込み部と第２の掘り込み部との間隔と第２の掘り込み部の線幅との和は、露光波長以下であってもよい。このようにすると、所望の焦点に正確に集光するパターンの設計が容易となる。

また、この場合に、第１の掘り込み部と境界部との距離は、露光波長以下であってもよい。このようにすると、開口部を透過する光を有効に集光することができる。

また、この場合に、第１の掘り込み部は、境界部と接していてもよい。このようにすると、開口部を透過する光をほぼ全て集光することができる。

第１のフォトマスクにおいて、複数の掘り込み部のうちの第１の掘り込み部は、開口部の互いに対向する２辺に沿って線状にパターニングされており、複数の掘り込み部のうちの第２の掘り込み部は、各パターンの面積がλ×λ（但し、λは露光波長である。）以下で描かれたパターンの集合体からなり、第１の掘り込み部は、遮光部と開口部との境界部に近い側に位置し、第２の掘り込み部は、第１の掘り込み部を介在させて、境界部から遠い側に位置していてもよい。

このようにすると、開口部の周縁部の近傍を透過した光を、開口部の内側を透過した光よりも大きく屈折させることができるので、開口部の中心向かって光を確実に集光することができる。

この場合に、互いに隣接する第２の掘り込み部同士の間隔は、露光波長以下であってもよい。このようにすると、光の屈折角を正確に調整できる掘り込み部を容易に作製することができる。

また、この場合に、互いに隣接する第１の掘り込み部と第２の掘り込み部との間隔は、露光波長以下であってもよい。このようにすると、光の屈折角を調整するパターンの設計が容易となる。

また、この場合に、第１の掘り込み部と境界部との距離は、露光波長以下であってもよい。このようにすると、開口部を透過する光を有効に集光することができる。

第１のフォトマスクにおいて、複数の掘り込み部は、各パターンの面積がλ×λ（但し、λは露光波長である。）以下で描かれたパターンの集合体からなり、複数の掘り込み部のうちの第１の掘り込み部の総面積は、複数の掘り込み部のうちの第２の掘り込み部の総面積よりも大きく、第１の掘り込み部は、遮光部と開口部との境界部に近い側に位置し、第２の掘り込み部は、第１の掘り込み部を介在させて、境界部から遠い側に位置していてもよい。

このようにすると、開口部の周縁部の近傍を透過した光を、開口部の内側を透過した光よりも大きく屈折させることができるので、開口部の中心に向かって光を確実に集光することができる。

この場合に、互いに隣接する第１の掘り込み部と第２の掘り込み部との間隔は、露光波長以下であってもよい。このようにすると、光の屈折角を正確に調整できる掘り込み部を容易に作製することができる。

本発明に係る第２のフォトマスクは、透光性を有する基板と、基板の上に形成され、遮光部と透光領域となる開口部とを有する遮光膜とを備え、基板における開口部からの露出領域には、複数の掘り込み部が形成され、複数の掘り込み部のうちの第１の掘り込み部は、該第１の掘り込み部を透過した光が所定の位置に第１の焦点を結ぶように、第１の掘り込み部のそれぞれの幅が第１の焦点から離れるに従って大きく形成されており、複数の掘り込み部のうちの第２の掘り込み部は、該第２の掘り込み部を透過した光が所定の位置に第１の焦点とは異なる第２の焦点を結ぶように、第２の掘り込み部のそれぞれの幅が第２の焦点から離れるに従って大きく形成されている。

第２のフォトマスクによると、複数の掘り込み部のうちの第１の掘り込み部は、該第１の掘り込み部を透過した光が所定の位置に第１の焦点を結ぶように、第１の掘り込み部のそれぞれの幅が第１の焦点から離れるに従って大きく形成されており、複数の掘り込み部のうちの第２の掘り込み部は、該第２の掘り込み部を透過した光が所定の位置に第１の焦点とは異なる第２の焦点を結ぶように、第２の掘り込み部のそれぞれの幅が第２の焦点から離れるに従って大きく形成されている。このため、遮光膜に設けられた開口部において、第１の掘り込み部を透過した光が第１の掘り込み部の内側に隣接する非掘り込み部側に屈折する。また、第２の掘り込み部を透過した光が第２の掘り込み部の内側に隣接する非掘り込み部側に屈折する。従って、第１の焦点及び第２の焦点に向かって光を効率良く集光することができる。

第２のフォトマスクにおいて、複数の掘り込み部は、開口部の互いに対向する２辺に沿って線状にパターニングされており、互いに隣接する２つの第１の掘り込み部のうち、遮光部と開口部との境界部に近い側の掘り込み部の線幅は、境界部から遠い側の掘り込み部の線幅よりも大きく、互いに隣接する２つの第２の掘り込み部のうち、境界部に近い側の掘り込み部の線幅は、境界部から遠い側の掘り込み部の線幅よりも大きいことが好ましい。

このようにすると、開口部の周縁部の近傍を透過した光を、開口部の内側を透過した光よりも大きく屈折させることができるので、２つの焦点に向かって光を確実に集光することができる。

第２のフォトマスクにおいて、複数の掘り込み部は、各パターンの面積がλ×λ（但し、λは露光波長である。）以下で描かれたパターンの集合体からなり、互いに隣接する２つの第１の掘り込み部のうち、遮光部と開口部との境界部に近い側の掘り込み部の総面積は、境界部から遠い側の掘り込み部の総面積よりも大きく、互いに隣接する２つの第２の掘り込み部のうち、境界部に近い側の掘り込み部の総面積は、境界部から遠い側の掘り込み部の総面積よりも大きいことが好ましい。

このようにすると、所望のパターンから離れた位置を透過した光を、より大きく屈折させることができるので、開口部の中心に向かって光を画一に集光することができる。

第１又は第２のフォトマスクにおいて、掘り込み部の深さは、露光波長の２分の１よりも大きくてもよい。このようにすると、掘り込み部を透過する光を確実に屈折させることができる。

第１又は第２のフォトマスクを用いた、本発明に係るパターン形成方法は、被露光基板の上にレジスト膜を形成する工程と、レジスト膜に、フォトマスクを介して露光光を照射する工程と、露光光を照射されたレジスト膜を現像することにより、レジストパターンを形成する工程とを備えている。

本発明のパターン形成方法によると、露光工程に本発明のフォトマスクを用いることから、該フォトマスクを透過する光を集光することができるので、微細パターンの形成が可能となる。

第１又は第２のフォトマスクを用いた、本発明に係る露光装置は、フォトマスクが内部に露光光源が配置された空洞を有する円筒状のマスク基板として構成され、フォトマスクを回転させる回転機構と、被露光基板を、フォトマスクに対して相対的に移動させる移動機構とを備え、回転機構によりフォトマスクを回転させると共に、移動機構により被露光基板を移動させながら、被露光基板に対して露光を行う。

本発明の露光装置によると、円筒状のフォトマスクから所定の距離だけ離れた位置に光を集光させることが可能となるので、大面積にわたって微細パターンの形成が可能となる。

本発明に係るフォトマスク、それを用いたパターン形成方法及び露光装置によると、フォトマスクの開口部を透過する光を十分に集光させて、微細パターンを形成することができる。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は第１の実施形態に係るフォトマスクの一例を示し、図１（ａ）は底面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線に示す断面図である。 図２は第１の実施形態の第１変形例に係るフォトマスクの一例を示す断面図である。 図３（ａ）は第１の実施形態に係るフォトマスクを用いた場合の露光光の集光の様子を示す断面図である。図３（ｂ）は第１の実施形態に係るフォトマスクを用いて形成されるパターンを示す平面図である。 図４は屈折率分布を有する透明体を光が透過するときの光路を示す模式的な断面図である。 図５（ａ）は屈折率分布レンズを示す模式的な平面図である。図５（ｂ）は屈折率分布レンズにおける光の屈折を示す模式的な断面図である。 図６（ａ）〜図６（ｃ）は空気層を挟むガラスの実質屈折率を説明する図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）はガラスと該ガラスに形成した空気層の間隙を利用して構成される屈折率分布レンズを示し、図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は断面図である。 図８はガラスの表面に空気層の間隙を形成して屈折率分布レンズを構成する方法を示す模式的な断面図である。 図９は一実施例に係るフォトマスクの一例を示す底面図である。 図１０は一実施例に係るフォトマスクに設ける掘り込み部のデータの一例を示す表である。 図１１（ａ）は一実施例に係るフォトマスクを透過した光の強度分布を示すシミュレーション結果を示す図である。図１１（ｂ）は比較例に係るフォトマスクを透過した光の強度分布を示すシミュレーション結果を示す図である。 図１２は一実施例に係るフォトマスクによる光強度プロファイルを比較例と共に示すグラフである。 図１３は第１の実施形態の第２変形例に係るフォトマスクの一例を示す底面図である。 図１４はパターンの集合体で構成される掘り込みパターンとライン状の掘り込みパターンとの関係を説明するための平面図である。 図１５は第１の実施形態の第３変形例に係るフォトマスクの一例を示す底面図である。 図１６（ａ）は第１の実施形態の第４変形例に係るフォトマスクの一例を示す底面図である。図１６（ｂ）は第１の実施形態の第４変形例に係るフォトマスクを用いて形成されるパターンを示す平面図である。 図１７（ａ）は第１の実施形態の第５変形例に係るフォトマスクの一例を示す底面図である。図１７（ｂ）は第１の実施形態の第５変形例に係るフォトマスクを用いて形成されるパターンを示す平面図である。 図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は第２の実施形態に係るフォトマスクの一例を示し、図１８（ａ）は底面図であり、図１８（ｂ）は図１８（ａ）のXVIIIｂ−XVIIIｂ線に示す断面図である。 図１９（ａ）は第２の実施形態に係るフォトマスクを用いた場合の露光光の集光の様子を示す断面図である。図１９（ｂ）は第２の実施形態に係るフォトマスクを用いて形成されるパターンを示す平面図である。 図２０（ａ）は第２の実施形態の一変形例に係るフォトマスクの一例を示す底面図である。図２０（ｂ）は第２の実施形態の一変形例に係るフォトマスクを用いて形成されるパターンを示す平面図である。 図２１（ａ）〜図２１（ｄ）は第３の実施形態に係るパターン形成方法を示す工程順の断面図である。 図２２（ａ）は第４の実施形態に係るローラー型のフォトマスクを用いる露光装置を示す模式的な斜視図である。図２２（ｂ）は第４の実施形態に係るローラー型のフォトマスクを用いる露光装置を示す模式的な側面図である。 図２３は従来の近接露光法又は等倍の投影露光法における問題点を説明する模式的な断面図である。 図２４（ａ）は従来のガラス基板の一部に高屈折率領域を形成したフォトマスクの断面図である。図２４（ｂ）は従来のガラス基板の一部に高屈折率領域を形成したフォトマスクを用いた場合の近接露光法又は等倍の投影露光法を説明する断面図である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係るフォトマスクについて図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、第１の実施形態に係るフォトマスク１０１は、例えばガラスからなる透光性基板１０４と、該透光性基板１０４の下面に形成され、遮光部１０２ａと透光領域となる開口部１０２ｂとを有する遮光膜１０２とから構成されている。遮光膜１０２には、例えば、クロム（Ｃｒ）からなる蒸着膜を用いることができる。

第１の実施形態に係るフォトマスク１０１の特徴として、ガラス１０４における開口部１０２ｂから露出する領域には、線幅が異なる複数のライン状（線状）の掘り込み部１０４ａが設けられている。これらの掘り込み部１０４ａは、開口部１０２ｂにおける遮光部１０２ａと開口部１０２ｂとの境界部である外枠部１０７と並行して設けられている。さらに、各掘り込み部１０４ａの線幅は、外枠部１０７から開口部１０２ｂの中心に向かって順次小さくなるように構成されている。

以下、特に断らない限り、透光性基板１０４をガラス１０４と称して説明する。但し、透光性基板１０４はガラスに限られない。

（第１の実施形態の第１変形例）
図２に第１の実施形態の第１変形例に係るフォトマスク１０１の断面構成を示す。図２に示すように、ガラス１０４と遮光膜１０２との間に、高屈折材料からなる高屈折率膜１０５を設けている。図２に示すように、第１変形例に係るフォトマスク１０１は、複数の掘り込み部１０５ａが、高屈折率膜１０５に設けられる。このように、ガラス１０４と遮光膜１０２との間に高屈折率膜１０５を設けた構造であっても、本発明は有効である。

なお、本変形例においては、ガラス１０４と高屈折率膜１０５とを併せて透光性基板１０４と呼ぶことができる。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、フォトマスク１０１の上面（裏面）から光を照射した場合の、光が屈折する様子を表している。以下、特に断らない限り、光として、波長が３６５ｎｍの高圧水銀灯におけるｉ線と呼ばれる、リソグラフィで最もよく使われる露光光を想定して説明する。但し、以下に説明する光の屈折に関する諸原理は、ｉ線に限られず、例えば、波長が４３６ｎｍの高圧水銀灯におけるｇ線、波長が２５６ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光又は波長が１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光でも成り立ち、さらに、それ以下の波長の光でも同様に成り立つ。

図３（ａ）に示すように、フォトマスク１０１の裏面から表面に向かって照射された平行な光は、平行な状態を保ったまま、ガラス１０４の内部を透過する。しかしながら、フォトマスク１０１においては、光が、複数の掘り込み部１０４ａを透過する際に、堀り込み部１０４ａの線幅が広い方から狭い方に向かって屈折して、その進行方向が変えられる。

その結果、開口部１０２ａを透過した光は、フォトマスク１０１の裏面から所定の距離だけ離れた位置において、ライン状の開口部１０２ｂの中心付近に集光するという振る舞いを示す。これにより、フォトマスク１０１を透して露光したときに、該フォトマスク１０１の表面から数１０μｍ離れた位置においても、図３（ｂ）に示すように、フォトマスク１０１の開口部１０２ａの中心付近の下方の領域に、幅が１μｍ以下のライン状のパターン１０８が明瞭に形成される。

上記のような現象が発生する理由について、以下に説明する。具体的なフォトマスク１０１を透過する光の振る舞いを説明する前に、一般的な光の振る舞いについて説明する。

図４は屈折率が位置によって異なる、すなわち屈折率分布を有する透明体１０９を光が透過するときの振る舞いを示している。図４に示す透明体１０９は、光が入射する向きに対して垂直な方向に屈折率が分布する。具体的には、透明体１０９は、右端部Ｐ２から左端部Ｐ１に向けて屈折率が徐々に高くなる材料からなる。この透明体１０９に、第１の光路１１０で示される光が入射すると、透明体１０９の内部では、光は第２の光路１１１で示されるように、屈折率が低い方から高い方、すなわちＰ２側からＰ１側に向かって進行方向を曲げる。この現象は良く知られている。透明体１０９を透過した光は第３の光路１１２で示されるように、新たな進行方向に向かって直進する。

図５（ａ）及び図５（ｂ）は、上記のように、光が物質内の屈折率が低い領域からより高い領域に向かってその光路を曲げるという振る舞いを利用した屈折率分布レンズを示している。図５（ａ）は光の入射方向から見た屈折率分布レンズ１０６の平面構成を示している。図５（ａ）に示すように、平面円形状の屈折率分布レンズ１０６は、中心部１１３に向かって屈折率が漸次高くなるように構成されている。従って、周縁部１１４において屈折率が最も低くなるように構成されている。図５（ｂ）はその断面構成を示している。図５（ｂ）に示すように、光の進行方向に対しては平坦な板状である。レンズの周縁部１１４を透過した光は、中心に向かって屈折することより、レンズとしての光を集光する作用を有する。このとき、平面方向からみた円板状のレンズに対して、円の中心における屈折率をＮＣとし、円の半径ｒの位置１１５における屈折率をｎ（ｒ）とし、光の進行方向におけるレンズの厚みをｄとし、下記の式（１）に示す関係式が成り立つように、半径ｒ方向に屈折率を変化させると、レンズを透過した光は、レンズから距離ｆの位置に焦点１１６を有するようになる。

ｎ（ｒ）＝ＮＣ−ｒ×ｒ／２／ｆ／ｄ …（１）
本実施形態に係るフォトマスク１０１は、屈折率分布レンズ１０６の原理を利用して、フォトマスク１０１の開口部１０２ｂを透過する光を集光させる構成を採る。屈折率分布レンズ１０６は、例えば、ガラス１０４を溶融して内部のイオン分布を調整することにより、ガラス１０４の内部における屈折率分布を形成する。

これに対し、本発明者らは、ガラス１０４に露光波長程度の寸法を持つ掘り込み部１０４ａを形成することによって、ガラス１０４の内部に実質的な屈折率分布を与える方法を見出した。

まず、図６（ａ）〜図６（ｃ）を参照しながら、ガラスに掘り込み部を形成する加工によって、ガラスの実質的な屈折率を変化させる原理を説明する。

図６（ａ）に示す第１の透明体１１７は、厚さがＴＴで、屈折率がｎ１のガラス１０４である。第１の透明体１１７に入射した光が屈折する振る舞いを第１の光路１１８として表している。

図６（ｂ）に示す第２の透明体１１９は、第１の透明体１１７と同一の組成を持つガラス１０４を薄い層状にし、それぞれの層状のガラス１０４の間に該ガラス１０４と同一の厚さである空気層１２０を挟むように間隙を構成している。ガラス１０４と空気層１２０とを合わせた厚さは、第１の透明体１１７と同一のＴＴである。第２の透明体１１９に入射した光が屈折する振る舞いを第２の光路１２１として表している。

図６（ｃ）に示す第３の透明体１２２は、厚さがＴＴで、屈折率ｎａ＝（ｎ１＋ｎ０）／２を持つ透明材料である。ここで、ｎ０は空気層１２０の屈折率である。第３の透明体１２２に入射した光が屈折する振る舞いを第３の光路１２３として表している。

このような条件下では、第２の透明体１１９と第３の透明体１２２とは、それぞれの外界から見た場合、透明体に入射した光に対して透過した後の光路は互いに同一となる。すなわち、第２の透明体１１９と第３の透明体１２２とは、外界から見た場合は、光に対して同一の屈折率を持つ物質のように振舞う。また、実際に、入射した光は突然に曲がるわけではなく、その波長の長さ相当の距離を進行する間に進行方向が変わる。

これにより、図６（ｂ）に示す第２の透明体１１９を構成するガラス１０４及び空気層１２０の間隙を波長程度に、すなわち、大きくても波長の２倍以下にまで小さくすれば、物質内での振舞いも、図６（ｃ）に示す第３の透明体１２２と同等になると考えられる。

従って、互いの屈折率が異なる２つ以上の物質が混在した透明体は、光に対しては、混在する物質の屈折率の中間の値の屈折率を有する均一な物質として扱うことができる。このとき、上記の中間の値の屈折率を、実質屈折率と呼ぶことにする。ここでは、第２の透明体１１９の構成は、ガラス１０４の厚さと空気層１２０の厚さとを同一としたが、これに限られない。

例えば、ガラス１０４の厚さをＧＤとし、空気層１２０の厚さをＡＤとすれば、第２の透明体１１９の実質屈折率ｎａは、下記の式（２）で近似することができる。

ｎａ＝（ｎ１×ＧＤ＋ｎ０×ＡＤ）／（ＧＡ＋ＡＤ） …（２）
実質屈折率は、屈折率が異なる２種類の物質で構成されると、その構成比の値が高い物質の屈折率の値に近くなる。通常のガラス１０４の屈折率は１．５程度であり、空気層１２０の屈折率は１であることから、空気層の間隙を大きくする程、その実質的屈折率の値は小さくなる。ガラス１０４及び空気層１２０の間隙のそれぞれの厚さＧＤ及びＡＤの和、すなわち（ＧＤ＋ＡＤ）が波長の２倍以下程度であればこの近似が十分に成り立つ。さらに、ＧＤとＡＤとが共に波長以下であれば、さらにその近似精度が良くなる。従って、ＧＤ及びＡＤが共に波長寸法以下であることが、さらに望ましい。

また、（ＧＤ＋ＡＤ）が波長以下であれば、その実質的屈折率は、物質内で均一にｎａ＝（ｎ１×ＧＤ＋ｎ０×ＡＤ）／（ＧＡ＋ＡＤ）となる。従って、光に対しては屈折率の値がｎａの均一な物質と変わらなくなる。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、上記の原理を利用したガラス１０４と空気層１２０とから構成された屈折率分布レンズ１０６Ａを表している。図７（ａ）は光の入射方向から見た屈折率分布レンズ１０６Ａの平面構成を示している。図７（ｂ）はその断面構成を示している。

図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、屈折率分布レンズ１０６Ａは、内側からガラス部１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ及び１０４Ｄが順次配置され、それぞれの間に空気層１２０Ａ、１２０Ｂ及び１２０Ｃが同心円状に設けられている。また、ガラス部１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ及び１０４Ｄも同心円状に配置されて、屈折率分布レンズ１０６Ａは、円筒状に構成されている。ガラス部１０４Ｂ、１０４Ｃ及び１０４Ｄの各円筒の側壁の厚さは、この順に薄くなり、逆に、各円筒状のガラス部１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ及び１０４Ｄの側壁の間の空気層の厚さは、１２０Ａ、１２０Ｂ及び１２０Ｃの順に厚くなっている。

このとき、各ガラス部１０４Ａ等の厚さ及び空気層１２０Ａ等の厚さが光の波長程度以下となると、円形状のレンズの中心部で実質屈折率が高く、その周辺部で実質屈折率が低くなる。このため、入射光に対して、図５に示した屈折率分布レンズ１０６と同等の働きをすることができる。

従って、ガラス部１０４Ａ等と空気層１２０Ａ等との厚さを調整して、実質屈折率が、前述の式（１）となるように構成すれば、屈折率分布レンズ１０６と同様に、透過光に対して焦点１１６を結ぶことができる。

図８は、ガラスを加工して屈折率分布レンズ１０６Ａを作製した作製例を示している。まず、ガラス１０４の一方の主面から、図７（ａ）の空気層１２０Ａ、１２０Ｂ及び１２０Ｃに相当する部分をエッチング等により掘り込む。このとき、実質屈折率（ｎａ）と掘り込み部の深さｄを式（１）が成り立つように設定する。

このように、複数の掘り込み部１２０Ａ等が形成された屈折率分布レンズ１０６Ａの裏面から垂直に光を照射すると、ガラス１０４の掘り込み部１０４ａが形成されていない領域においては、光が直進する。一方、ガラス１０４の掘り込み部１０４ａが形成されている領域においては、該掘り込み部１０４ａと隣接するガラス部１０４Ａ等を光が透過する間に屈折が起こり、所定の焦点１１６に光が集光することになる。すなわち、図８に示すように、見かけ上は、ガラス１０４と屈折率分布レンズ１０６とを直列に接続した構成となる。

以上の基本原理を踏まえた上で、図１に示す本実施形態に係るフォトマスクについて、その構成の要点を説明する。

図１に示すフォトマスク１０１は、基板であるガラス１０４における遮光膜１０２の開口部１０２ｂから露出する領域に、複数の掘り込み部１０４ａが形成されている。ここで、開口部１０２ｂの外枠部１０７から開口部１０２ｂの中心に向かって、実質屈折率が高くなるように、各掘り込み部１０４ａのパターンが描かれている。

すなわち、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、本実施形態に係るフォトマスク１０１には、開口部１０２ｂの外枠部１０７に沿って形成されたライン状のパターンを持つ、少なくとも２本の掘り込み部１０４ａが描かれている。さらに、１本のガラス部を介在させて並行に形成された２本の掘り込み部１０４ａのうち、外枠部１０７から遠い位置、すなわち開口部１０２ａの中央側の掘り込み部１０４ａは、外枠部１０７に近い位置の掘り込み部１０４ａよりも、その線幅が小さく形成されている。逆に言えば、外枠部１０７に近い側の掘り込み部１０４ａの幅寸法は、中央側の掘り込み部１０４ａの幅寸法よりも大きい。

この構成により、第１の実施形態に係るフォトマスク１０１は、開口部１０２ｂの外枠部１０７に近い位置の実質屈折率をガラス１０４の屈折率よりも小さく、すなわち、より空気に近い値にすることができ、且つ、外枠部１０７から開口部１０２ｂの内側に向かってその実質的屈折率を徐々に高くすることにより、ガラス１０４の屈折率に徐々に近い値に設定することができる。

このため、本実施形態に係るフォトマスク１０１を用いて露光した際には、開口部１０２ｂの外枠部１０７の近傍を透過した光は、該開口部１０２ｂの内部を透過した光と比べて開口部１０２ｂの内側に大きく屈折するため、効果的に光を集光させることができる。

なお、ここでは、フォトマスク１０１を構成する透光性基板１０４として、単一のガラス１０４から構成され、該透光性基板１０４に深さｄの複数の掘り込み部１０４ａを形成する構成を例として説明した。しかし、フォトマスク１０１を構成する透光性基板１０４としては、図２に断面構成を示したように、ガラス１０４の主面に該ガラス１０４よりも高い屈折率を持つ高屈折率膜１０５を厚さｄだけ積層し、積層した高屈折率膜１０５に複数の掘り込み部１０５ａを形成する構成としてもよい。

本変形例によると、光の屈折率分布させる層において、実質屈折率の範囲を高屈折率膜１０５が持つ屈折率の値にまで変化させることが可能となる。その結果、所望の焦点位置に光をより正確に集光することが可能となる。

また、前述したように、本実施形態又は以下の実施形態においては、ガラス１０４に設ける掘り込み部１０４ａを説明する際には、高屈折率膜１０５を積層し、積層した高屈折率膜１０５に掘り込み部１０５ａを形成する場合をも含む。

（一実施例）
図９〜図１２は、一実施例として、第１の実施形態に係るフォトマスク１０１を露光波長λ＝３６５ｎｍに合わせて作製し、シミュレーションを行った結果である。

図９は、フォトマスク１０１の底面図である。ここで、掘り込み部１０４ａは、開口部１０２ｂの長手方向の中心線であるIXａ−IXａ線のそれぞれ片側に９本ずつ設けられている。但し、図９においては、掘り込み部１０４ａの本数を省略している。各掘り込み部１０４ａは、開口部１０２ｂの中心位置、すなわち集光したいラインパターンの中心線であるIXａ−IXａ線に対して線対称となるパターンとして描かれている。この構成により、IXａ−IXａ線と対向する位置に光を集光することが可能となる。

図１０に、９本の掘り込み部１０４ａをIXａ−IXａ線に近い側、すなわち内側から外側に向かって番号を付し、番号順に、IXａ−IXａ線から各掘り込み部１０４ａの中心線までの距離と該掘り込み部１０４ａの幅とを表にまとめている。ここで、各掘り込み部１０４ａのパターンはIXａ−IXａ線に対して線対称であるため、表の値はIXａ−IXａ線のいずれか一方の側についてのみ記載している。また、各掘り込み部１０４ａの深さは、全て同一としているが、各パターンで変えることも可能である。

なお、掘り込み部１０４ａの深さ（掘り込み寸法）は、光を有効に屈折させるには、波長の２分の１よりも大きいことが望ましい。さらに、波長よりも大きい寸法であれば、より確実に光を屈折させることが可能となる。また、屈折率分布レンズの原理により、掘り込み寸法が大きいほど、フォトマスク１０１と焦点１１６との距離も近くなる。ここで、各寸法は、露光波長λ（＝３６５ｎｍ）で規格化した値で示している。異なる露光波長で露光する場合には、この露光波長λで換算すればよい。

図１１（ａ）は、本実施形態に係るフォトマスク１０１を用いて行った光学シミュレーション結果であり、フォトマスク１０１の裏面から光を照射したときの該フォトマスク１０１における、図９に示したIXｂ−IXｂ線を透過した後の光強度分布を示している。光はフォトマスク１０１の開口部１０２ｂを透過する際に屈折し、フォトマスク１０１の表面から離れた位置において、IXａ−IXａ線と対向する位置に集光していることが分かる。

図１１（ｂ）に、比較例として、ガラス１０４に掘り込み部１０４ａを設けない場合の光学シミュレーション結果を示す。図１１（ｂ）からは、IXａ−IXａ線と対向する位置に、光が集光していないことが分かる。

図１２に、本実施形態に係るフォトマスク１０１を透過した光の、該フォトマスク１０１から２７μｍだけ離れた位置で、且つ図９のIXｂ−IXｂ線と対向する位置における光強度分布のプロファイルを示す。図１２において、プロファイルＡは、本実施形態に係るフォトマスク１０１における光強度プロファイルを表し、プロファイルＢは、比較例であって、通常のフォトマスクにおける光強度プロファイルを表す。

以上のように、本実施例に係るシミュレーション結果から、本実施形態に係る構成により、遮光膜１０２の開口部１０２ｂを透過した光を、例えば１μｍ程度の非常に狭い領域に集光して、急峻なピークを有する光強度分布を持つプロファイルＡを形成できることが分かる。これにより、本実施形態に係るフォトマスク１０１を用いた近接露光リソグラフィにより、１μｍ程度の微細パターンの形成が可能となる。

なお、本シミュレーションにおいては、光を集光するために、１つの外枠部１０７に沿って９本の掘り込み部１０４ａを設けているが、掘り込み部１０４ａの本数は、光を集光する上で十分な本数である。

また、外枠部１０７に隣接する掘り込み部１０４ａの幅に対するその内側に隣接する掘り込み部１０４ａの幅の比率は０．８３である。この例のように、光を十分に集光する複数の掘り込み部１０４ａを配置する場合には、外枠部１０７側の掘り込み部１０４ａに対して、その内側に形成される掘り込み部１０４ａの寸法は少なくとも０．９倍以下の寸法とすることが望ましいことが分かる。

以下に、本発明に係るフォトマスクの効果を発揮させるための要件について整理する。

本発明に係るフォトマスクは、ガラス１０４を露光波長程度の幅寸法で加工することにより、ガラス１０４に実質的な屈折率分布を形成する方法である。これから分かるように、本実施形態において、互いに隣接する２つの掘り込み部１０４ａの少なくとも一方の幅寸法は、露光波長の２倍以下であることが望ましい。

さらに、互いに隣接する２本の掘り込み部１０４ａの少なくとも一方の掘り込み部１０４ａの幅寸法と、掘り込み部１０４ａに挟まれたガラス１０４の幅寸法との和は、露光波長の２倍以下であることが望ましい。このようにすると、実質屈折率が掘り込み部１０４ａの幅とガラス１０４の幅とを用いた簡易式で近似できるので、光を効果的に焦点１１６に集光するパターンを容易に設計することができる。このとき、掘り込み部１０４ａの幅寸法及び掘り込み部１０４ａに挟まれたガラス１０４の幅寸法が共に露光波長以下であることがさらに望ましい。

また、掘り込み部１０４ａの幅寸法と掘り込み部１０４ａに挟まれたガラス１０４の幅寸法との和を露光波長以下に設定すれば、実質屈折率を精度良く調整することができる。その結果、光を焦点１１６に正確に集光できる掘り込みパターンを描けるようになる。すなわち、各掘り込み部１０４ａのパターン寸法（幅寸法）をＴとし、その両側のガラス１０４の平均の幅寸法をＧとすると、掘り込み部１０４ａの中心位置における実質屈折率は、下記の式（３）で正確に表される。ここで、ｎ０は掘り込み部１０４ａである空気層の屈折率であり、ｎ１はガラス１０４の屈折率である。

ｎａ＝（ｎ１×Ｇ＋ｎ０×Ｔ）／（Ｇ＋Ｔ） …（３）
これは、掘り込み部１０４ａ同士の間の任意の位置における実質屈折率は、隣り合う掘り込み部１０４ａ同士の間の中心位置の実質屈折率の値から、ほぼ線形補完によって高精度に表されるので、正確な焦点設計が可能になるからである。

ここで、１つの具体例を示す。例えば、図９に示すフォトマスク１０１において、長手方向の中心線であるIXａ−IXａ線から各掘り込み部１０４ａの中心線までの距離をＴｒとし、各堀込み部１０４ａの深さをＴｄとし、堀り込み部１０４ａの中心位置の実質屈折率が上記の式（３）であるとすると、屈折分布レンズの焦点１１６と屈折率分布の関係とを表す式（１）により、各堀り込み部のパターン寸法が下記の式（４）を満たすように作製すれば、焦点１１６を有する屈折率分布レンズと同値となる。すなわち、フォトマスク１０１から所望の距離Ｔｆにおいて正確に焦点１１６を有するフォトマスク１０１を容易に作製することができる。ここで、ｎ０は掘り込み部１０４ａである空気層の屈折率であり、ｎ１はガラス１０４の屈折率である。

（ｎ１×Ｇ＋ｎ０×Ｔ）／（Ｇ＋Ｔ）＝ｎ１−Ｔｒ×Ｔｒ／２／Ｔｆ／Ｔｄ …（４）
また、フォトマスク１０１の開口部１０２ｂを透過した光を全て集光するには、外枠部１０７に最も近い堀込み部１０４ａを、開口部１０２ｂの外枠部１０７に対して露光波長以下の位置に設けることが望ましい。これにより、開口部１０２ｂを透過した光が外枠部１０７から開口部１０２ｂの外側へ屈折することが抑制される。このため、開口部１０２ｂを透過する光を開口部１０２ｂの内側に効果的に集光させることができる。さらに、掘り込み部１０４ａは、外枠部１０７に接していることがより望ましい。

（第１の実施形態の第２変形例）
次に、第１の実施形態の第２変形例に係るフォトマスクについて図１３を参照しながら説明する。

図１３に示すように、第２変形例に係るフォトマスク１２５は、外枠部１０７から開口部１０２ｂの内側に向けて２本目以降に配置されたライン状の掘り込み部１０４ａを、複数の孤立パターンに分割されたパターンの集合体からなる掘り込みパターン１２４として形成されている。

以下、図１３に示すフォトマスク１２５が、光の屈折現象に対して図１に示すフォトマスク１０１と同一の露光パターンを生成することについて説明する。

まず、図１４を用いて、第２変形例に係るフォトマスク１２５に設ける掘り込みパターン１２４についてその機能を説明する。

まず、図１４において、上述したように、遮光膜１０２に孤立パターンの集合体からなる第２のパターン１４１が配置され、孤立パターン同士の間隔が露光波長以下であれば、実質屈折率がその寸法比のみで近似することができる。従って、露光波長以下の寸法Ｌに対して、下記の２つの形状の掘り込みパターンは光の屈折に対して同値のパターンとして扱うことができる。

第１のパターン１４０：線幅がＬ０／２のライン状の掘り込み部である。但し、Ｌ０＜Ｌである。

第２のパターン１４１：幅がＬ０で、長さがＬ１の方形パターンを間隔Ｌ１でライン状に並べた掘り込み部である。但し、Ｌ０、Ｌ１＜Ｌである。

すなわち、掘り込み部の寸法及びその間隔が露光波長以下であれば、これらの掘り込み部の集合体は個々の掘り込み部のパターン形状に依存しない。従って、孤立パターンの集合体からなる掘り込みパターン１２４の開口面積の和のみによって、その光学的な特性が決定されることになる。このとき、これらのパターンの集合体が周期的に配置され、その配置の周期が露光波長以下であれば、図１４に例示された、１つのライン状の第１のパターン１４０として描かれた掘り込み部と複数の方形パターンの集合体として描かれた掘り込みパターン１２４とは同値となる。

以上から、ガラス１０４の任意の位置における実質屈折率ｎａの式は、さらに一般化して表すことができる。すなわち、任意の位置から波長程度の半径における領域を考え、その領域における掘り込み部１０４ａの面積をＴＳとし、ガラス部分の面積をＧＳとすると、下記の式（５）のように近似することができる。

ｎａ＝（ｎ１×ＧＳ＋ｎ０×ＴＳ）／（ＧＳ＋ＴＳ） …（５）
従って、図１３に示すように、本変形例の構成により、開口部１０２ｂにおいて外枠部１０７と接して配置された掘り込み部１０４ａの面積に対して、その内部側のパターンの集合体である掘り込みパターン１２４のパターン面積を小さくすることができる。これにより、ガラス１０４における外枠部１０７側の実質屈折率を、開口部１０２ｂの内部側に対して低くすることが可能となる。その結果、開口部１０２ｂの内側に光を集光するフォトマスク１２５を実現することができる。

さらに、第１の実施形態に係るフォトマスク１０１においては、開口部１０２ｂの外枠部１０７側に配置された掘り込み部１０４ａと比べて、その開口部１０２ｂの内側に配置された掘り込み部１０４ａの線幅を小さくしている。これに対し、本変形例においては、２本目の線幅を第１の実施形態の寸法にまで小さくする必要がなくなる。

具体的には、図１４において、第１のパターン１４０及び第２のパターン１４１に例示したように、ライン状のパターンとしてＬ０／２の線幅で形成された第１のパターン１４０と同等の作用を有する第２のパターン１４１をＬ０の線幅で形成することができる。これにより、フォトマスク１０１に設ける掘り込み部１０４ａを加工する際の線幅の最小寸法を緩和することができる。このため、本変形例に係るフォトマスク１２５の作製が容易となる。

以上により、本変形例に係るフォトマスク１２５によって、第１の実施形態に係るフォトマスク１０１と同等の効果を得ることができる。

第１の実施形態に係るフォトマスク１０１と同等の効果を得る上で、さらに望ましい要件を以下に整理する。

図１３に示す、パターンの集合体により構成された掘り込みパターン１２４の寸法は、露光波長以下であることが望ましい。言い換えれば、パターンの集合体を構成する各パターンの面積は、露光波長をλで表した場合に、λ×λ以下であることが望ましい。また、パターンの集合体の間隔は、露光波長以下であることが望ましい。さらに、各パターンの集合体が周期的に配置され、その配置の周期が露光波長以下であれば、第１の実施形態に係るフォトマスク１０１と同等のフォトマスク１２５を実現することができる。

なお、図１３においては、パターンの集合体を構成する孤立パターンは全て平面方形状として表しているが、上記の構成であれば、方形状に限られない。

また、パターンの集合体である掘り込みパターン１２４と、ライン状の掘り込み部１０４ａとの間隔が露光波長以下であることが望ましい。これは、第１の実施形態と同様である。また、上記のライン状の掘り込み部１０４ａの線幅が露光波長以下であることが望ましい。これも第１の実施形態と同様である。

（第１の実施形態の第３変形例）
上述した第２変形例においては、外枠部１０７に近い掘り込み部１０４ａ、すなわち最も外側の掘り込み部１０４ａはライン状に形成されている。しかし、これに限られず、最も外側の掘り込み部１０４ａにおいても、パターンの集合体で構成されていてもよい。

この場合の一例を第１の実施形態の第３変形例として図１５に示す。

図１５に示すように、開口部１０２ｂの外枠部１０７に沿って、それぞれパターンの集合体である２組の掘り込みパターン１２４が配置されている。各掘り込みパターン１２４における孤立パターンの面積は、露光波長λに対して、λ×λ以下の面積を持つパターンで構成され、その間隔も露光波長λ以下で配置されている。

また、２組の掘り込みパターン１２４のうち、外枠部１０７側に配置された孤立パターンの面積と比べて、その内側に配置された孤立パターンの面積は小さく形成されている。

上記の構成により、外枠部１０７側の実質屈折率を内側に対して低くすることができ、開口部１０２ｂの内側に光を集光するフォトマスク１２５を実現することができる。

また、上記の構成において、開口部１０２ｂの外枠部１０７側に配置された掘り込みパターン１２４の総面積と比べて、その内側に配置された掘り込みパターン１２４の総面積は小さくなるように形成されている。例えば、外側の掘り込みパターン１２４の総面積に対する内側の掘り込みパターン１２４の総面積の比の値は、０．９倍以下である。これにより、第１の実施形態と同様に、光を十分に集光することができる。

以上から、第３変形例に係るフォトマスク１２５を用いることにより、実質的に任意の形状を持つ開口部１０２ｂに対して光を集光することが可能となる。

（第１の実施形態の第４変形例）
以下、第１の実施形態の第４変形例として、ライン状に限らず、任意の形状を持つ開口部１０２ｂに対して光を集光することが可能なフォトマスク１２６の一例について図１６（ａ）及び図１６（ｂ）を参照しながら説明する。

図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示すように、第４変形例に係るフォトマスク１２６は、任意の形状を有する開口部１０２ｂを透過する光を、その外枠部１０７の形状を保持したまま光を集光する。

具体的には、図１６（ａ）に示すように、第４変形例に係るフォトマスク１２６は、開口部１０２ｂの直線部分には、外枠部１０７に対してライン状の掘り込み部１０４ａが設けられている。また、開口部１０２ｂの各角部には、その面積が波長寸法λに対してλ×λ以下となるパターンの集合体である掘り込みパターン１２４が設けられている。さらに、λ×λ以下の寸法を持つ掘り込みパターン１２４は、開口部１０２ｂの外枠部１０７から開口部１０２ｂの内側に向けて、その線幅又は面積が順次小さくなるように構成されている。すなわち、λ×λ以下の寸法を持つ掘り込みパターン１２４のうち、外枠部１０７の近傍に設けられたパターンに対して、開口部１０２ｂの内側に設けられたパターンの面積が小さくなるように構成されている。

この構成により、第４変形例に係るフォトマスク１２６においては、任意の形状の開口部１０２ｂに対し、開口部１０２ｂの外形形状を保持したまま光を集光することが可能となる。すなわち、図１６（ａ）に示すフォトマスク１２６を用いて露光することにより、図１６（ｂ）に示す形状を持つパターン１０８Ａを形成することが可能となる。

（第１の実施形態の第５変形例）
掘り込みパターン１２４は、開口部１０２ｂから露出するガラス１０４の全体にわたって設ける必要はなく、光を集光させたい箇所にのみ設けることも可能である。

例えば、図１７（ａ）に示すように、第１の実施形態の第５変形例に係るフォトマスク１２７は、開口部１０２ｂから露出するガラス１０４のうちの一部にのみ掘り込み部１０４ａを設けている。これにより、図１７（ｂ）に示すように、ガラス１０４に掘り込み部１０４ａを設けた領域にのみ光が集光することにより、掘り込み部１０４ａを設けた開口部１０２ｂのみを透過する光が集光した形状のパターン１０８Ｂを形成することが可能となる。一方、掘り込み部１０４ａを設けない領域は、通常のガラス１０４であるため、光が集光することなく転写される。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態に係るフォトマスクについて図面を参照しながら説明する。

第２の実施形態に係るフォトマスクは、遮光膜の開口部を通過する光から複数の集光パターンを形成する。第２の実施形態においては、第１の実施形態同一の構成部材には同一の符号を付している。

図１８（ａ）及び図１８（ｂ）に示すように、第２の実施形態に係るフォトマスク１２８は、例えばガラスからなる透光性基板１０４と、該透光性基板１０４の下面に形成され、遮光部１０２ａと透光領域となる開口部１０２ｂとを有する遮光膜１０２とから構成されている。

第２の実施形態に係るフォトマスク１２８は、ガラス１０４における開口部１０２ｂから露出する領域に、線幅が異なる複数のライン状の掘り込み部１０４ａが設けられている。具体的には、ガラス１０４の開口部１０２ｂからの露出面には、２つの所望の集光パターンと対応する位置に、それぞれライン状のガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆが設けられている。さらに、各ガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆに沿って、それぞれ幅が異なるライン状の複数の掘り込み部１０４ａが設けられている。

掘り込み部１０４ａの幅は、ガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆの長手方向の中心線から離れるに従って順次大きくなるように構成されている。すなわち、２つの所望のパターンに沿って設けられた、少なくとも２本の掘り込み部１０４ａによって、ガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆのそれぞれ中心線に近い位置から離れるに従って実質屈折率が低くなるように構成されている。これにより、ガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆの中心位置に近い領域に設けられた掘り込み部１０４ａの近傍を透過した光は、ガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆの中心線に向かって小さく屈折する。これに対し、ガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆの中心位置から離れた領域の掘り込み部１０４ａの近傍を透過した光は大きく屈折する。これら屈折した光は、ガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆの中心線に向かってそれぞれ集光する。

図１９（ａ）は、フォトマスク１２８の裏面から光を照射した際に、光が屈折して２つの焦点１１６を結ぶ様子を表している。図１９（ｂ）は、フォトマスク１２８を露光することによって得られる、２本のライン状のパターン１０８Ｃを表している。

以下、図１８及び図１９に示す第２の実施形態に係るフォトマスク１２８を参照しながら、第２の実施形態に係る構成の要点について説明する。

図１８に示すフォトマスク１２８には、ガラス１０４における遮光膜１０２の開口部１０２ｂからの露出領域において、複数のパターン、ここでは２つのパターンを形成する掘り込み部１０４ａが設けられている。各掘り込み部１０４ａは、所望のパターンと対応するガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆのそれぞれの両側に配置されている。ここでは、各ガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆに沿って、それぞれ２本以上のライン状パターンである掘り込み部１０４ａが並行に配置されている。

互いに隣接する２本の掘り込み部１０４ａにおいて、ガラス部１０４Ｅから遠い側の掘り込み部１０４ａの線幅は、ガラス部１０４Ｅに近い側の掘り込み部１０４ａの線幅よりも大きい。同様に、ガラス部１０４Ｆから遠い側の掘り込み部１０４ａの線幅は、ガラス部１０４Ｆに近い側の掘り込み部１０４ａの線幅よりも大きい。

この構成により、所望のパターンと対応するガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆにおける近い位置のそれぞれの実質屈折率をガラスと同程度にまで高くし、一方、遠い位置のそれぞれの実質屈折率をより小さくすることができる。

従って、本実施形態に係るフォトマスク１２８を用いて露光した際には、所望のパターンと対応するガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆのそれぞれと対応する位置に、光を効果的に集光することができる。

なお、第２の実施形態において、所望のパターンと対応するガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆにおける実質屈折率をガラスと同等程度にまで十分に高くすることが望ましい。すなわち、ガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆの幅寸法は、少なくとも露光波長以上であることが望ましい。さらには、ガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆの幅寸法は、露光波長の２倍以上の寸法であることが望ましい。

また、光を効果的に集光するために、所望のパターンと対応するガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆに沿ってそれぞれに並行して設けられた、互いに隣接する２つの掘り込み部１０４ａのいずれか一方の幅と、掘り込み部１０４ａ同士の間の間隔（ガラス部）との和が、露光波長の２倍以下であることが望ましい。これは、第１の実施形態と同様である。

また、２つの掘り込み部１０４ａのいずれか一方の幅と、掘り込み部１０４ａ同士の間の間隔（ガラス部）との和を露光波長以下とすれば、各焦点１１６に光を集光する掘り込みパターンをより正確に描けるようになる。これも、第１の実施形態と同様である。

以上説明したように、第２の実施形態に係るフォトマスク１２８により、該フォトマスク１２８の開口領域の任意の箇所に、複数の集光パターンを形成することができる。

（第２の実施形態の一変形例）
第２の実施形態においては、各掘り込み部１０４ａの平面形状がライン状であるパターンを例に説明したが、第１の実施形態に係る第２変形例及び第３変形例と同様に、所望のパターンと対応するガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆのそれぞれの両側方に配置される掘り込み部１０４ａを、各ガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆから離れるに従ってその実質屈折率が順次低くなるように、孤立パターンである掘り込みパターン１２４を設けることにより、任意の形状を持つ集光パターンを形成することができる。

すなわち、図２０に示すように、所望のパターンと対応するガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆのそれぞれの両側方に設けられた、露光波長をλとして、面積がλ×λ以下の掘り込みパターン１２４において、各ガラス部１０４Ｅ、１０４Ｆのそれぞれの近傍に設けられたパターンの面積に対して、より遠くに設けられた掘り込みパターン１２４の面積が大きくなるようにパターンを構成すればよい。この構成により、図２０（ｂ）に示す２本のパターン１０８Ｄの形成が可能となる。

以上説明したように、第２の実施形態及びその変形例に係るフォトマスク１２８を用いることにより、該フォトマスク１２８の開口領域の任意の箇所に任意の形状を持つ集光パターンを形成することができる。

（第３の実施形態）
以下、本発明のフォトマスクを用いた、第３の実施形態に係るパターン形成方法について図２１（ａ）〜図２１（ｄ）を参照しながら説明する。本実施形態に係るパターン形成方法には、第１の実施形態及びその変形例、並びに第２の実施形態及びその変形例のいずれかに係るフォトマスクを用いる。

まず、図２１（ａ）に示すように、例えば、被露光基板であるウェハ１２９の上に、金属膜又は絶縁膜等の被加工膜１３０を形成する。

次に、図２１（ｂ）に示すように、被加工膜１３０の上に、例えばポジ型のレジスト膜１３１を塗布し、成膜する。

次に、図２１（ｃ）に示すように、例えば、図１（ｂ）に示す第１の実施形態に係るフォトマスク１０１に対して露光光を照射し、該フォトマスク１０１を透過した透過光によってレジスト膜１３１を露光する。ここで、上述したように、フォトマスク１０１の開口部１０２ｂには、フォトマスク１０１を透過する光を集光する掘り込み部１０４ａが設けられている。

図２１（ｃ）に示す露光工程においては、まず、露光光源により、レジスト膜１３１に対して露光を行なう。このとき、フォトマスク１０１を透過した露光光は、被露光基板１２９上で集光され、次工程の現像工程において、レジスト膜１３１が溶解するに足る露光エネルギーが照射される。

次に、図２１（ｄ）に示すように、露光されたレジスト膜１３１に対して現像を行なって、レジスト膜１３１における露光された潜像部１３１ａを除去することにより、微細な開口パターン１３１ｂを有するレジストパターン１３１Ａを形成する。

第３の実施形態に係るパターン形成方法によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。具体的には、レジスト膜１３１が塗布されたウェハ１２９に対して本発明のフォトマスク１０１を介して近接露光を行なう。このとき、フォトマスク１０１の開口部１０２ｂに設けた掘り込み部１０４ａによって、フォトマスク１０１を透過する光が集光されて、微細な開口パターン１３１ｂを有するパターン形成が可能となる。

なお、本実施形態においては、ポジ型のレジストプロセスを用いたが、これに代えて、ネガ型のレジストプロセスを用いても、同様の効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
これまでの各実施形態においては、平板マスクを用いる露光法を前提に説明したが、この方法に限定されない。例えば、ローラー型のフォトマスクを用いた露光法に適用しても、本発明は有効である。

以下、図２２（ａ）及び図２２（ｂ）を参照しながら、ローラー型のフォトマスク１３３を用いた露光装置について説明する。

図２２（ａ）は、ローラー型のフォトマスク１３３を表している。ローラー型のフォトマスク１３３は円筒状を有し、該円筒状の内部は空洞１３３ａである。円筒状の側壁部分は、内側がガラス１０４等の透光性基板により構成され、その外側の表面には、遮光部１０２ａと開口部１０２ｂとを有する遮光膜１０２が形成されている。ガラス１０４における開口部１０２ｂからの露出部分には、マスクパターンが形成されている。マスクパターンは、ガラス１０４と該ガラス１０４が選択的に彫り込まれた掘り込み部１０４ａとから構成される。ここで、遮光膜１０２の開口部１０２ｂ及び掘り込み部１０４ａが形成されたガラス部１０４は、以上の実施形態で説明したフォトマスク１０１、１２５〜１２８のいずれかの構成を採る。

次に、図２２（ｂ）に、ローラー型のフォトマスク１３３を用いた露光装置とその動作を示す。ここで、図２２（ｂ）は、円筒状のフォトマスク１３３を一方の端面から見た側面の構成を示している。円筒状の内部である空洞１３３ａには、光源１３７が設けられている。

ローラー型のフォトマスク１３３の下方には、被露光基板１２９が配置される。さらに、本実施形態に係るフォトマスク１３３は、光源１３７を中心として回転可能に設けられている。また、被露光基板１２９は、図面の左右方向（水平方向）に移動可能に配置されている。

このとき、円筒状のフォトマスク１３３の回転速度と被露光基板１２９の移動速度とを同期させて、円筒状の側壁に描かれたパターンを被露光基板１２９に露光する機構を有している。

本実施形態に係る露光装置によれば、ローラー型フォトマスク１３３における遮光膜１０２の露出部分に掘り込み部１０４ａを形成することにより、フォトマスク１３３から所定の距離だけ離れた位置に、フォトマスク１３３を透過した光を集光することができる。このため、大面積にわたって微細パターンを形成することが可能となる。

以上説明したように、本発明によると、フォトマスクを透過した光を該フォトマスクから所定の距離だけ離れた位置に集光させることができ、近接露光のような簡易な露光においても、従来のフォトマスクで形成可能な限界寸法よりも小さなパターンを形成することができる。また、掘り込みパターンによるレンズ作用を利用することにより、所定の焦点位置に転写像を形成できるため、従来技術では光が十分な強度で透過しない小さな開口寸法に対する等倍の投影露光であっても集光像を形成することができ、微細パターンが形成可能になる。

本発明に係るフォトマスク、それを用いたパターン形成方法及び露光装置は、近接露光のような簡易な露光法においても、従来のフォトマスクで形成可能な限界寸法よりも小さなパターンを形成できるため、低コストでの微細加工が可能となる。また、微細加工が可能となった近接露光及び等倍の投影露光を大面積加工に容易に適用できるため、半導体のみならず、映像パネルや太陽光発電等のエネルギー素子を始めとする大面積素子の低コストでの微細加工等に有用である。

１０１ フォトマスク
１０２ 遮光膜
１０２ａ 遮光部
１０２ｂ 開口部
１０４ 透光性基板（ガラス）
１０４ａ 掘り込み部
１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ、１０４Ｄ、１０４Ｅ、１０４Ｆ ガラス部
１０５ 高屈折率膜
１０５ａ 掘り込み部
１０６、１０６Ａ 屈折率分布レンズ
１０７ 外枠部
１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｃ、１０８Ｄ パターン
１０９ 透明体
１１０ 第１の光路
１１１ 第２の光路
１１２ 第３の光路
１１３ 中心部
１１４ 周縁部
１１５ 半径ｒの位置
１１６ 焦点
１１７ 第１の透明体
１１８ 第１の光路
１１９ 第２の透明体
１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ 空気層
１２１ 第２の光路
１２２ 第３の透明体
１２３ 第２の光路
１２４ 掘り込みパターン
１２５ フォトマスク
１２６ フォトマスク
１２７ フォトマスク
１２８ フォトマスク
１２９ 被露光基板
１３０ 被加工膜
１３１ レジスト膜
１３１Ａ レジストパターン
１３１ａ 潜像部
１３１ｂ 開口パターン
１３３ ローラー型フォトマスク
１３３ａ 空洞
１３７ 光源
１４０ 第１のパターン
１４１ 第２のパターン

Claims (22)

1. 透光性を有する基板と、
   前記基板の上に形成され、遮光部と透光領域となる開口部とを有する遮光膜とを備え、
   前記基板における前記開口部からの露出領域には、複数の掘り込み部が形成され、
   前記複数の掘り込み部は、該複数の掘り込み部を透過した光が所定の位置に焦点を結ぶように、それぞれの幅が前記焦点から離れるに従って大きく形成されているフォトマスク。
2. 請求項１において、
   前記複数の掘り込み部は、前記開口部の互いに対向する２辺に沿って線状にパターニングされており、
   互いに隣接する２つの前記掘り込み部のうち、前記遮光部と前記開口部との境界部に近い側の第１の掘り込み部の線幅は、前記境界部から遠い側の第２の掘り込み部の線幅よりも大きいフォトマスク。
3. 請求項２において、
   前記第２の掘り込み部の線幅は、前記第１の掘り込み部の線幅の０．９倍以下であるフォトマスク。
4. 請求項２又は３において、
   前記第１の掘り込み部の線幅は、露光波長の２倍以下であるフォトマスク。
5. 請求項２〜４のうちのいずれか１項において、
   前記第２の掘り込み部の線幅は、露光波長以下であるフォトマスク。
6. 請求項２〜５のうちのいずれか１項において、
   前記第１の掘り込み部の線幅及び前記第２の掘り込み部の線幅は、露光波長以下であるフォトマスク。
7. 請求項２〜６のうちのいずれか１項において、
   前記第１の掘り込み部と前記第２の掘り込み部との間隔は、露光波長以下であるフォトマスク。
8. 請求項２〜７のうちのいずれか１項において、前記第１の掘り込み部と前記第２の掘り込み部との間隔と前記第２の掘り込み部の線幅との和は、露光波長以下であるフォトマスク。
9. 請求項２〜８のうちのいずれか１項において、前記第１の掘り込み部と前記境界部との距離は、露光波長以下であるフォトマスク。
10. 請求項２〜９のうちのいずれか１項において、前記第１の掘り込み部は、前記境界部と接しているフォトマスク。
11. 請求項１において、
    前記複数の掘り込み部のうちの第１の掘り込み部は、前記開口部の互いに対向する２辺に沿って線状にパターニングされており、
    前記複数の掘り込み部のうちの第２の掘り込み部は、各パターンの面積がλ×λ（但し、λは露光波長である。）以下で描かれたパターンの集合体からなり、
    前記第１の掘り込み部は、前記遮光部と前記開口部との境界部に近い側に位置し、
    前記第２の掘り込み部は、前記第１の掘り込み部を介在させて、前記境界部から遠い側に位置するフォトマスク。
12. 請求項１１において、
    互いに隣接する前記第２の掘り込み部同士の間隔は、露光波長以下であるフォトマスク。
13. 請求項１１又は１２において、
    互いに隣接する前記第１の掘り込み部と前記第２の掘り込み部との間隔は、露光波長以下であるフォトマスク。
14. 請求項１１〜１３のうちのいずれか１項において、
    前記第１の掘り込み部と前記境界部との距離は、露光波長以下であるフォトマスク。
15. 請求項１において、
    前記複数の掘り込み部は、各パターンの面積がλ×λ（但し、λは露光波長である。）以下で描かれたパターンの集合体からなり、
    前記複数の掘り込み部のうちの第１の掘り込み部の総面積は、前記複数の掘り込み部のうちの第２の掘り込み部の総面積よりも大きく、
    前記第１の掘り込み部は、前記遮光部と前記開口部との境界部に近い側に位置し、
    前記第２の掘り込み部は、前記第１の掘り込み部を介在させて、前記境界部から遠い側に位置するフォトマスク。
16. 請求項１５において、
    互いに隣接する前記第１の掘り込み部と前記第２の掘り込み部との間隔は、露光波長以下であるフォトマスク。
17. 透光性を有する基板と、
    前記基板の上に形成され、遮光部と透光領域となる開口部とを有する遮光膜とを備え、
    前記基板における前記開口部からの露出領域には、複数の掘り込み部が形成され、
    前記複数の掘り込み部のうちの第１の掘り込み部は、該第１の掘り込み部を透過した光が所定の位置に第１の焦点を結ぶように、前記第１の掘り込み部のそれぞれの幅が前記第１の焦点から離れるに従って大きく形成されており、
    前記複数の掘り込み部のうちの第２の掘り込み部は、該第２の掘り込み部を透過した光が所定の位置に前記第１の焦点とは異なる第２の焦点を結ぶように、前記第２の掘り込み部のそれぞれの幅が第２の焦点から離れるに従って大きく形成されているフォトマスク。
18. 請求項１７において、
    前記複数の掘り込み部は、前記開口部の互いに対向する２辺に沿って線状にパターニングされており、
    互いに隣接する２つの前記第１の掘り込み部のうち、前記遮光部と前記開口部との境界部に近い側の掘り込み部の線幅は、前記境界部から遠い側の掘り込み部の線幅よりも大きく、
    互いに隣接する２つの前記第２の掘り込み部のうち、前記境界部に近い側の掘り込み部の線幅は、前記境界部から遠い側の掘り込み部の線幅よりも大きいフォトマスク。
19. 請求項１７において、
    前記複数の掘り込み部は、各パターンの面積がλ×λ（但し、λは露光波長である。）以下で描かれたパターンの集合体からなり、
    互いに隣接する２つの前記第１の掘り込み部のうち、前記遮光部と前記開口部との境界部に近い側の掘り込み部の総面積は、前記境界部から遠い側の掘り込み部の総面積よりも大きく、
    互いに隣接する２つの前記第２の掘り込み部のうち、前記境界部に近い側の掘り込み部の総面積は、前記境界部から遠い側の掘り込み部の総面積よりも大きいフォトマスク。
20. 請求項１〜１９のうちのいずれか１項において、
    前記掘り込み部の深さは、露光波長の２分の１よりも大きいフォトマスク。
21. 請求項１〜２０のいずれか１項に記載のフォトマスクを用いたパターン形成方法であって、
    被露光基板の上にレジスト膜を形成する工程と、
    前記レジスト膜に、前記フォトマスクを介して露光光を照射する工程と、
    前記露光光を照射された前記レジスト膜を現像することにより、レジストパターンを形成する工程とを備えているパターン形成方法。
22. 請求項１〜２０のいずれか１項に記載のフォトマスクを用いた露光装置であって、
    前記フォトマスクは、内部に露光光源が配置された空洞を有する円筒状のマスク基板として構成され、
    前記フォトマスクを回転させる回転機構と、
    被露光基板を、前記フォトマスクに対して相対的に移動させる移動機構とを備え、
    前記回転機構により前記フォトマスクを回転させると共に、前記移動機構により前記被露光基板を移動させながら、前記被露光基板に対して露光を行う露光装置。