JP6953109B2 - 基板上構造体の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、微細パターンを基板上に実現するための基板上構造体の製造方法に関する。
従来、微細加工を実現する方法として、二光束干渉露光方法が用いられている。二光束干渉露光方法とは、２本のレーザービームを所定の角度で交差させることにより、当該レーザービームの波長と同程度のピッチ或いはそれ以下のピッチの明暗（光強度分布）を有する干渉光（干渉縞）を発生し、これを基板に照射する方法である。この二光束干渉露光方法では、レーザーなどの干渉性の強い光源からの光を２つに分岐し、それぞれを干渉させることで、微細マスクを用意することなく、微細かつ周期的な露光照度分布を得ることができる。
このような二光束干渉露光方法を採用した微細構造体の製造方法として、例えば特許文献１に記載の技術がある。この技術は、レーザー光源からの光を回折型ビームスプリッタによって０次光と±１次光に分岐し、±１次光をそれぞれ集光レンズ、空間フィルタ、ミラーを介してステージに支持された基板上で互いに干渉させ、基板上の感光性膜を感光させるものである。ここで、ステージは回転自由度を有しており、２回露光を行うことで円柱や円錐などが周期的に配置された微細構造体を得ることができるようになっている。
また、二光束干渉露光方法を採用した露光装置として、例えば特許文献２に記載の技術がある。この技術は、ステージをステップ的に駆動し、複数回の露光をワーク上においてオーバーラップ（重ね合わせ露光）させることで、ワークのある範囲で露光強度分布が一定となるようにするものである。ここでは、複数回の露光において干渉縞同士が重なり合うように各露光内の干渉縞を走査制御している。
特許第４８９４８９９号公報 特許第４５１４３１７号公報
しかしながら、特許文献１に記載の技術にあっては、集光レンズと空間フィルタとによってビーム径が拡大されたレーザー光を基板に照射する構成であるため、基板に照射されるビームが球面波となっている。そして、このとき形成される干渉縞は、ピッチの累積誤差が露光領域のフチに向かうほど増大したものとなる。そのため、等間隔のラインパターンが必要とされる回折格子や更に微細な構造体の作製などの用途では、露光有効領域はビームの中央付近に限定される。したがって、この場合、大面積を露光するには空間フィルタから基板までの距離を大きくする必要があり、装置が大型化し、コストが嵩む。
また、特許文献２に記載の技術は、ビーム径を広げず、コリメートレンズによって平行光にしたビームを重ね合わせ露光に用いている。しかしながら、レンズの持つ収差やアライメント誤差により、ビーム端部においては干渉縞が平行とならない場合がある。そのため、ビーム端部を重ね合わせ露光に用いている特許文献２に記載の技術では、ビーム端部の重ね合わせ領域において基板上構造体の欠陥が生じるおそれがある。
そこで、本発明は、装置を大型化することなく、大面積の基板へ微細構造体を作成するための光照射を、干渉縞の適切な重ね合わせにより実現可能とする基板上構造体の製造方法を提供することを課題としている。
上記課題を解決するために、本発明に係る基板上構造体の製造方法の一態様は、基板の表面若しくは当該基板上に設けられた機能材料層の表面に複数の凸部及び凹部の少なくとも一方が配列されてなるモスアイ構造を有する基板上構造体の製造方法であって、前記基板の表面若しくは前記機能材料層の表面に、ガラス転移点を有する材料から構成される感光性材料層を形成する工程と、コヒーレント光源の出力光を２つに分岐した光を、角度調整手段により、所定の干渉角度に調整して交差させ、干渉光を発生させる工程と、前記干渉光を用いて、前記感光性材料層に対して複数回の干渉露光を行う工程であって、第１回目の干渉露光における干渉縞の長手方向に対して、第２回目以降の干渉露光における干渉縞の長手方向が所定角度で交差するように干渉露光を行う工程と、前記干渉露光後の感光性材料層における前記干渉光の照射領域若しくは非照射領域を除去して、前記感光性材料層に楕円柱状の微細パターンを形成する工程と、前記楕円柱状の微細パターンに対して前記ガラス転移温度を上回る温度で熱処理を行い、当該微細パターンを半球形状のドットパターンに整形して、前記ドットパターンの面内密度を高める工程であって、前記熱処理における加熱条件を調整して所望の前記面内密度を得る工程と、前記半球形状のドットパターンを用いて、前記基板若しくは前記機能材料層をエッチングして前記モスアイ構造を形成する工程と、を含み、前記干渉露光を行う工程は、前記干渉光の基板への照射と前記基板の搬送とを繰り返して前記感光性材料層を露光する工程であって、１ショットで前記干渉光が照射される前記感光性材料層上の領域である干渉光照射領域を所定形状に整形し、前記基板をステップ的に搬送しながら前記感光性材料層を露光するに際し、各ショットでの前記干渉光照射領域同士の重畳する部分において、前記干渉光の干渉縞の周期が一致するように重ね合わせる。
このように、干渉露光により微細パターンを形成する。干渉露光は微細フォトマスクを用いずに微細パターンの露光が可能であり、基板に対して接触する要素がない。そのため、ナノインプリント法等と比較して、量産時の歩留まりを高めることができる。また、ナノインプリント法のように高価なマスターモールドを必要としないため、低コストで高精度なパターニングが可能となる。したがって、光学素子や半導体発光素子等の各種デバイスとして、基板表面若しくは基板上に形成された機能材料層の表面に二次元周期的な微細パターンが形成された基板上構造体を容易且つ精度良く製造することができる。
さらに、基板をステップ的に搬送しながら小区画ずつ露光するので、装置を大型化することなく大面積への露光が可能となる。そのため、装置の大型化に伴うコストを削減することができる。また、二光束干渉露光において露光領域を所定形状に整形するので、干渉縞が平行とならないビーム端部の干渉光を重ね合わせ露光に用いないようにすることができる。したがって、各ショットの干渉光照射領域同士の一部を、適切に重ね合わせることができ、大面積の基板への連続した微細パターンの形成が可能である。
さらに、熱処理工程により微細パターンを整形することで、形成後の微細パターンの精度をより向上させることができる。また、この熱処理工程により、微細パターンの幅を広げ、互いに隣接する凸部の間隔を狭くすることもできる。すなわち、より密に配置された構造体を形成することができる。
また、ガラス転移温度を上回る温度で加熱する処理を施すので、異方性を有する形状（例えば、楕円形状）の微細パターンを、表面張力により正円形状に自然に整形することができる。また、これにより、感光性材料層に形成された微細パターンをマスクとして用い、基板若しくは基板上に設けられた機能材料層をエッチングして除去した際に、真円形状の底面を持つ精度の良いモスアイ構造を形成することができる。
さらにまた、前記干渉露光を行う工程は、前記感光性材料層に対し複数回の干渉露光を行う工程であって、第１回目の干渉露光における干渉縞の長手方向に対して、第２回目以降の干渉露光における干渉縞の長手方向が所定角度で交差するように干渉露光を行う。このように、干渉露光を複数回実施することで、ドットパターンや格子状パターンなどの微細パターンを容易に形成することができる。
さらに、上記の基板上構造体の製造方法において、前記干渉露光を行う工程では、前記感光性材料層に形成される微細パターンが三方配列となるよう干渉露光を行ってもよい。すなわち、干渉縞の長手方向が６０°交差するように干渉露光すれば、三方配列のモスアイ構造を得ることができる。この場合、正方配列のモスアイ構造と比較して細密構造とすることができる。
また、上記の基板上構造体の製造方法において、前記干渉露光を行う工程では、前記第１回目の干渉露光を行った後に、前記基板を前記所定角度回転させ、前記第２回目以降の干渉露光を行ってもよい。このように、基板を回転させることで、容易に複数回露光を実現することができる。
また、上記の基板上構造体の製造方法において、前記干渉露光を行う工程では、前記所定形状の光透過部を有する遮光部材を、前記基板の上に所定のギャップを設けて配置することで、前記干渉光照射領域を前記所定形状に整形すると共に、前記干渉光照射領域の前記干渉縞の延在する方向と略直交する第一方向に位置する端部に、前記２以上に分岐した光の一部である非干渉光が照射される非干渉光照射領域が形成され、前記第一方向において、前記干渉光照射領域同士の重畳する部分において、前記干渉縞の周期が一致するように重ね合わせてもよい。このように、前記干渉縞の延在する方向と略直交する第一方向において干渉光照射領域の重ね合わせを行うので、非干渉光照射領域の影響を低減して、第一方向における積算された照度分布の変動を一様にすることができ、精度良く基板上構造体を形成するための干渉光を照射することができる。
さらに、上記の基板上構造体の製造方法において、前記干渉光を発生させる工程では、コヒーレント光源の出力光を２つに分岐した光を前記干渉角度で交差させて前記干渉光を発生させ、前記干渉露光を行う工程では、前記干渉光照射領域を、前記第一方向に平行な２つの辺を有する形状に整形し、前記第一方向に直交し、前記干渉縞の延在する方向と略平行な方向である第二方向において、前記干渉光照射領域同士を重畳させずに隣接させてもよい。
このように、第二方向においては非干渉光照射領域が形成されないので、干渉光照射領域の重ね合わせを行わなくても、基板上構造体を隣接させて形成するための干渉光を照射することができる。この場合、ショット回数を削減し、スループットを向上させることができる。また、干渉光照射領域を第一方向に平行な２つの辺を有する形状に整形することで、第二方向においては、干渉光照射領域の重ね合わせを行わなくても基板上構造体を基板の光照射面に敷き詰めるよう干渉光を照射することができる。
また、上記の基板上構造体の製造方法において、前記干渉露光を行う工程では、前記第一方向に前記干渉光照射領域同士の重畳する部分において、前記干渉縞の周期が一致するように重ね合わせた結果、前記基板の光照射面において、積算された照度分布の変動が、コントラスト比の差で５０％以内となるように、前記干渉光照射領域同士を重ね合わせる回数が設定されていてもよい。これにより、基板の光照射面における積算された照度分布の変動を許容範囲内に抑えることができる。このように、非干渉光照射領域の影響を低減させて精度良く基板上構造体を形成するための干渉光を照射することができる。
さらにまた、上記の基板上構造体の製造方法において、前記干渉露光を行う工程では、前記第一方向に前記干渉光照射領域同士の重畳する部分において、前記干渉縞の周期が一致するように重ね合わせた結果、干渉縞により前記基板上に生じ得る微細パターンの線幅の変動量が５ｎｍ以下となるように、前記干渉光照射領域同士を重ね合わせる回数が設定されていてもよい。これにより、基板上に生じ得る微細パターンの線幅の変動を許容範囲内に抑えることができる。このように、非干渉光照射領域の影響を低減させて精度良く基板上構造体を形成するための干渉光を照射することができる。
また、上記の基板上構造体の製造方法において、前記基板をステップ的に搬送する際の前記基板の搬送量を決定する搬送量決定工程をさらに備え、前記搬送量決定工程は、前記搬送量の複数の候補を用いて、前記基板をステップ的に搬送しながら前記基板の光照射面に前記干渉光を照射した結果に基づいて、前記複数の候補の中から前記干渉露光を行う工程で用いる前記搬送量を決定してもよい。このように、基板の搬送量を変化させながら実際に干渉光照射領域の重ね合わせを行った結果に基づいて、干渉露光を行う工程で用いる基板の搬送量を決定してもよい。この場合、干渉縞のピッチの絶対値を高精度に測定するための機構などを要することなく、干渉光照射領域同士を干渉縞の周期が一致するように重ね合わせることができる。
さらに、上記の基板上構造体の製造方法において、前記干渉露光を行う工程では、前記干渉光照射領域を、矩形状に整形してもよい。この場合、干渉光照射領域を容易に整形し、ショット間の繋ぎ目のない高精度な光照射が可能である。
また、上記の基板上構造体の製造方法において、前記干渉露光を行う工程では、前記干渉光照射領域を、前記基板の光照射面の全面に隙間無く配置してもよい。これにより、大面積の基板の全面へ連続した基板上構造体を形成するための干渉光を照射することができる。
さらに、上記の基板上構造体の製造方法において、前記干渉露光を行う工程では、互いに隣接された複数の前記干渉光照射領域からなる領域を、前記基板の光照射面に離散的に配置してもよい。これにより、大面積の基板内における多数領域へ干渉光を照射することができる。
本発明によれば、基板をステップ的に搬送しながら小区画ずつ光照射するので、装置を大型化することなく、大面積の基板への微細パターンの光照射が可能である。また、１ショットの光照射領域を所定形状に整形するので、干渉縞が平行とならないビーム端部の干渉光を基板の光照射面に照射しないようにすることができる。したがって、各ショットの干渉光照射領域同士の一部を、適切に重ね合わせることができ、大面積の基板への微細パターンの光照射を適切に実現することができる。
第１の実施形態の露光装置を示す概略構成図である。 有効照射領域が形成される様子を示す図である。 有効照射領域における干渉光照射領域と非干渉光照射領域との分布の一例である。 重ね合わせ露光について説明する図である。 露光ショットレイアウトイメージの一例である。 重ね合わせ回数と線幅分布との関係を示す図である。 重ね合わせ回数とコントラストの変動差との関係を示す図である。 重ね合わせ回数と線幅低下量との関係を示す図である。 第１の実施形態の露光方法を示す図である。 従来の露光方法を示す図である。 従来の露光方法を示す図である。 干渉縞に沿った重ね合わせにおける不具合を説明する図である。 第２の実施形態における露光方法の一例を示す図である。 ９０°配向時のレジストパターン形状を示す図である。 ６０°配向時のレジストパターン形状を示す図である。 熱処理によるレジストパターンの整形例を示す図である。 角度可変ミラーを用いた露光装置を示す概略構成図である。 角度可変ミラーの機構の一例を示す図である。 多光束干渉露光方法の概略図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の露光装置１を示す概略構成図である。
露光装置１は、光源２と、ビームエキスパンダ３と、打ち下ろしミラー４と、シャッター５と、ビーム分岐素子６と、折り返しミラー７ａ，７ｂと、集光レンズ８ａ，８ｂと、ピンホール９ａ，９ｂと、コリメートレンズ１０ａ，１０ｂとを備える。また、露光装置１は、ステージ１１と、吸着盤１２と、マスク１３と、ギャップセンサ１４と、コントローラ２０と、ステージ駆動回路２１とを備える。
光源２は、コヒーレント光を出射するコヒーレント光源であり、例えば、波長λが２６６ｎｍのレーザー光を出射する半導体励起固体レーザーである。光源２が出射したレーザー光Ｂ０は、ビームエキスパンダ３によってそのビーム径が拡大され、打ち下ろしミラー４によって反射される。シャッター５は、レーザー光出射のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるためのものであり、ミラー４とビーム分岐素子６との間に配置される。このシャッター５の開閉は、コントローラ２０が制御する。
ビーム分岐素子６は、１本のレーザー光を分岐して２本のレーザー光を生成する。このビーム分岐素子６は、例えば、石英等の表面に施した微細な凹凸形状による形状効果を用いてその機能を実現する凹凸型回折素子である。ビーム分岐素子６により生成された２本のレーザー光Ｂ１，Ｂ２は、それぞれ折り返しミラー７ａ，７ｂによって折り返され、集光レンズ８ａ，８ｂに入射する。集光レンズ８ａによる集光後のレーザー光はピンホール９ａに入射され、そのビーム径が拡大された後、コリメートレンズ１０ａでコリメートされる。このようにして、レーザー光Ｂ３を得る。同様に、集光レンズ８ｂによる集光後のレーザー光はピンホール９ｂに入射され、そのビーム径が拡大された後、コリメートレンズ１０ｂでコリメートされる。このようにして、レーザー光Ｂ４を得る。ここで、ピンホール９ａ，９ｂは、空間フィルタとして機能し、集光レンズ８ａ，８ｂまでの光路で生じたビーム波面の乱れを取り除くために用いる。また、コリメートレンズ１０ａ，１０ｂは、レーザー光の波面を理想的な平面波とするために用いる。すなわち、レーザー光Ｂ３およびＢ４は、それぞれ平行光である。
２本のレーザー光Ｂ３，Ｂ４は、図２に示すように、所定の干渉角度２θで交差される。これにより、ワーク（基板）Ｗの上部で二つのレーザー光Ｂ３，Ｂ４の干渉による干渉縞が発生する。露光装置１は、この干渉光をワークＷの光照射面に露光光として照射する。すなわち、露光装置１は、１回の露光でワークＷ上にストライプ状のラインアンドスペースの干渉縞を転写する。
このように、ビームエキスパンダ３、打ち下ろしミラー４、シャッター５、ビーム分岐素子６、折り返しミラー７ａ，７ｂ、集光レンズ８ａ，８ｂ、ピンホール９ａ，９ｂ及びコリメートレンズ１０ａ，１０ｂから構成される光学系によって、光源２の出力光を２分岐した光を干渉角度２θで交差させ、干渉光を発生する。この光学系のうち、ビーム分岐素子６からワークＷまでの間の素子一式は対になるように設けられており、ビーム分岐素子６で分岐した２本のレーザー光をそれぞれワークＷまで誘導、整形し、ワークＷ上で干渉させることができる。
図１に戻って、ワークＷは、ステージ１１に設けられた吸着盤１２上に固定可能である。ここで、ワークＷは、例えば、表面に感光性材料層（例えば、フォトレジスト等）が形成された基板とすることができる。また、ワークＷは、表面に機能材料層が設けられた基板上に感光性材料層を形成した基板であってもよい。さらに、ワークＷは、ガラス基板や、表面に自己組織化単分子膜（ＳＡＭ膜）等の有機単分子膜が形成された基板であってもよい。このようなワークＷの光照射面に干渉光を照射することにより、基板の表面、若しくは基板上に設けられた機能材料層の表面に複数の凸部及び／又は凹部が配列されてなる微細パターンを形成したり、基板の表面改質を行ったりすることができる。
例えば、基板に塗布された感光性材料層（レジスト）が、光照射部分が現像液に溶解するポジ型である場合、干渉光によって露光し現像することにより、光照射されていない箇所が残存したレジストパターンを得ることができる。一方、レジストが、光照射部分が架橋して現像液に溶解しなくなるネガ型である場合には、干渉光によって露光し現像することにより、光照射された箇所が現像後に残存したレジストパターンを得ることができる。
ステージ１１は、ワークＷ面に対してＸＹ方向に移動する自由度を有しており、コントローラ２０は、ステージ駆動回路２１を駆動制御することで、ステージ１１をＸＹ方向に移動することが可能である。すなわち、ワークＷは、ステージ１１をＸＹ方向に移動することでＸＹ方向に移動する。ここで、Ｘ方向とは図１の左右方向であり、Ｙ方向とは図１の紙面垂直方向である。
本実施形態では、レンズの収差を考慮し、コリメートレンズ１０ａ，１０ｂの中央付近から取り出される光のみを用いてワークＷへの露光を行う。具体的には、ワークＷの上面に開口部（光透過部）を有するマスク１３を配置し、当該マスク１３を介してコリメートレンズ１０ａ，１０ｂを通過した光の中央付近のみにより形成された干渉光を露光光としてワークＷに照射する。
マスク１３は、所定形状の光透過部を有する遮光部材によって構成する。ここで、マスク１３としては、金属製基板の略中央に所定形状の開口部を形成したものを用いることができる。なお、マスク１３として、ガラス等の透明基板上に、当該透明基板が露出する光透過部を形成した遮光膜を形成したものを用いてもよい。ここで、遮光膜としては、例えばクロムからなる膜を用いることができる。
光透過部の形状は、任意の形状でよく、例えば、矩形状とすることができる。ワークＷの上部にこのようなマスク１３を配置することで、マスク１３に対して干渉角度２θで二光束を入射したとき、１ショットで干渉光が照射されるワークＷ上の領域をマスク１３の開口部の形状に整形することができる。このマスク１３の開口部により区切られてワークＷに光照射される領域を、以下、有効照射領域という。
マスク１３の開口部は、コリメートレンズ１０ａ，１０ｂを通過した光のワークＷ上の照射領域よりも小さく形成されている。なお、最適なマスクの開口部のサイズは、露光条件によって異なる。例えば、波長λ＝２６６ｎｍ、干渉角度θ＝４７．６°（干渉縞Ｌ＆Ｓピッチ１８０ｎｍ）、照射領域（ビームの１／ｅ2直径）φ８２ｍｍ、干渉縞のコントラスト７０％、レーザー出力１００ｍＷ、レジストの感光閾値を５ｍＪ／ｃｍ2、ワークとして８インチウェハを使用し、面積の９０％を露光領域とする。目標線幅をＬ＝６０±１０ｎｍとする場合には、マスクの開口部（例えば矩形開口）のサイズは８ｍｍ×５ｍｍから３６ｍｍ×２４ｍｍの範囲であることが好ましい。特に、目標線幅をＬ＝６０±５ｎｍ、タクトを１０ｍｉｎ／枚以下とする場合には、１８ｍｍ×１２ｍｍから２４ｍｍ×１６ｍｍの範囲とすることがより好ましい。
レーザー光Ｂ３，Ｂ４のビーム径（１／ｅ2）は、ビームエキスパンダ３や集光レンズ８ａ，８ｂ、コリメートレンズ１０ａ，１０ｂでの倍率によって任意に決めることができる。したがって、マスク１３のサイズは、当該ビーム径の大きさをはじめ、用途に合わせて適宜交換する。
また、このマスク１３は、図２に示すように、ワークＷに対してギャップＤを設けて配置する。図１に示すように、ステージ１１及び吸着盤１２には、ギャップセンサ１４が埋め込まれており、このギャップセンサ１４によって吸着盤１２とマスク１３との間の距離が測定可能となっている。
また、マスク１３は、吸着盤１２からの距離を調整可能なホルダに保持されており、ワークＷへの露光に先立って、吸着盤１２に固定するワークＷの厚みに応じて任意のギャップＤを設けるように、吸着盤１２とマスク１３との間の距離が調整される。
マスク１３をワークＷの上部にギャップＤを設けて配置することで、図２に示すように、ワークＷ上にはレーザー光Ｂ３，Ｂ４の干渉光が照射される領域と、レーザー光Ｂ３，Ｂ４の何れか一方のみが照射される領域とが生じる。すなわち、有効照射領域は、干渉光が照射される干渉光照射領域Ｅ１（以下、単に「干渉領域」という）と、干渉領域Ｅ１のＸ方向両側に形成される、光線の幾何学的回り込みによる非干渉光照射領域Ｅ２（以下、単に「非干渉領域」という）とからなる。非干渉領域Ｅ２の幅は、ギャップＤと干渉角度θとに依存し、２Ｄ・ｔａｎθである。
図３は、ワークＷ上の有効照射領域Ｅ０が矩形である場合の例を示す平面図である。ここで、図３の左右方向がＸ方向、図３の上下方向がＹ方向である。この図３に示すように、有効照射領域Ｅ０のＸ方向中央部に干渉領域Ｅ１が形成され、その両側に非干渉領域Ｅ２が形成される。干渉領域Ｅ１においては干渉縞が形成され、非干渉領域には干渉縞は形成されない。
例えば、光源２の波長λ＝２６６ｎｍ、干渉角度１５°≦θ≦６０°とした場合、図３に示す干渉領域Ｅ１では、隣接するライン間のピッチが１５４ｎｍ〜５１４ｎｍであるストライプ状の干渉縞が形成される。干渉縞のピッチは、干渉角度θ、光源２の波長λ及び露光環境の屈折率ｎに依存し、λ／（２ｎ・ｓｉｎθ）である。すなわち、干渉縞のピッチは、ｎ＝１（空気中での露光）とすると、光源２のレーザー光の波長λの半分近くまで短くすることができる。
また、本実施形態では、重ね合わせ露光によりワークＷ全体を露光する。ここで、重ね合わせ露光とは、基板の露光領域に、少なくとも一方向に互いに重ね合わせた複数の小区画を設定し、基板の搬送と露光とを繰り返して、設定された小区画ごとに順次露光する方式である。
重ね合わせ露光を採用した露光工程では、コントローラ２０は、ステージ１１のステップ駆動と、シャッター５の開閉制御とを行う。すなわち、コントローラ２０は、ワークＷを搭載したステージ１１を所定位置に移動し、シャッター５を開いてステップ露光した後、シャッター５を閉じてステップ露光を終了し、ステージ１１を一定距離移動する。この動作を、予め設定した露光領域を露光するまで繰り返し実行する。このコントローラ２０は、基板搬送制御部として動作する。
本実施形態では、ワークＷ上において、図４に示すように有効照射領域Ｅ０をＸ方向に所定距離Ｐずつ移動し、干渉領域Ｅ１同士の一部を重ねて合わせて配置する。ここで、所定距離Ｐは、各ショット間におけるステージ１１の移動量であり、各ショットでの干渉縞のピッチ同士が重なるような値に設定される。１ショットでの干渉縞の照度分布は、干渉領域Ｅ１におけるＸ方向端部ほど照度が弱く、非干渉領域Ｅ２では干渉縞が生じない。これに対して、重ね合わせ露光により干渉領域Ｅ１をＸ方向に移動させながら複数回重ね合わせることにより、図４に示すように、Ｘ方向における干渉縞の照度分布を均一化する（包絡線を一定にする）ことができる。
具体的には、重ね合わせ露光では、所定形状に区切った各ショットの露光時間を、重ね合わせ露光を行わない一括露光の場合と比較して短縮し、その短縮した時間に応じた回数だけショットをずらして露光していく。この重ね合わせ露光により、一度非干渉光が照射された領域に干渉光を重ねて照射することができるので、当該領域の露光エネルギーを重ね合わせ回数に応じて減少させることができる。そして、重ね合わせ回数がある程度以上となると、非干渉光の照射の影響が殆ど無視できるようになる。例えば、干渉領域Ｅ１をｎ回重ね合わせることにより、非干渉領域Ｅ２の影響を１／ｎにすることができる。なお、ステージ１１の移動量Ｐや干渉領域Ｅ１の重ね合わせ回数ｎなど、重ね合わせ露光に関する条件の設定方法については後述する。
重ね合わせ露光では、例えば図５に示すように、ワークＷの左下の位置から露光を開始し、先ず−Ｘ方向（図５の左方向）にワークＷを搬送して、有効照射領域Ｅ０をワークＷに対して相対的に移動させながら一列目を露光する。すなわち、ワークＷの左下の位置から＋Ｘ方向（図５の右方向）に順次露光領域を移動し、ワークＷの右下の位置まで露光する。ワークＷの一列目を露光した後は、ワークＷを−Ｙ方向（図５の下方向）に搬送し、有効照射領域Ｅ０が二列目の右端に位置するようにする。そして、＋Ｘ方向（図５の右方向）にワークＷを搬送して、有効照射領域Ｅ０をワークＷに対して相対的に移動させながら二列目を露光する。すなわち、二列目については、右端の位置から−Ｘ方向（図５の左方向）に順次露光領域を移動しながら露光する。
このとき、Ｘ方向の各列の露光において、干渉領域Ｅ１同士を干渉縞の周期（ピッチ同士）が重なるように重ね合わせる。また、Ｙ方向においては、干渉領域Ｅ１同士を重畳させずに隣接させる。なお、図５に示すように、ワークＷ上において最終的に製品として必要な領域Ｗ１についてのみ重ね合わせ露光を実施し、領域Ｗ１外は重ね合わせ露光を行わないステップアンドリピート方式により露光してもよい。すなわち、領域Ｗ１内においては、干渉領域Ｅ１同士を、ワークＷの搬送方向に重ね合わせ、領域Ｗ１外においては、干渉領域Ｅ１同士を、ワークＷの搬送方向に重畳させずに隣接させてもよい。
以上の動作をワークＷのＹ方向下端から上端まで繰り返し、ワークＷ全体を露光する。これにより、ワークＷの全面にショット間の繋ぎ目のない光照射が可能となり、ワークＷ全体を精度良く露光することができる。
次に、重ね合わせ露光に関する条件の設定方法について説明する。
まず、重ね合わせ回数ｎの設定方法について説明する。
重ね合わせを実施しない１ショットの露光では、ガウシアンビームの分布がそのままワークＷに転写される。そのため、例えばワークＷの感光性材料層がレジストである場合、ラインアンドスペースの線幅は中央が最も細く、端部にいくほど徐々に太くなる。これに対して、重ね合わせ露光を実施すると、面内の強度分布が重ね合わせ方向に対してなだらかになるため、線幅分布は小さくなる。そして、その線幅分布は、重ね合わせ回数ｎが多いほど小さくなる。重ね合わせ回数ｎと線幅分布との関係の一例を図６に示す。ここで、線幅分布とは、ショット中央を原点とした際の重ね合わせ方向の軸上（Ｘ軸上）における線幅の分布である。このように、重ね合わせ回数ｎに応じて線幅分布は変化する。したがって、重ね合わせ回数ｎは、線幅分布が許容値（許容範囲内）となるような回数に設定してもよい。
また、１ショットの露光においては、非干渉領域Ｅ２ではパターンが切れない。これに対して、重ね合わせ露光を実施すると、非干渉領域Ｅ２を含む露光領域（一度でも非干渉光が照射された領域）では、干渉強度分布（縞）＋一様強度分布（オフセット）の和として露光量が求められる。すなわち、非干渉領域Ｅ２を含む露光領域では、重ね合わせ露光により干渉光が照射されるたびにコントラスト比が変動し、徐々にパターンが切れるようになる。ここで、上記コントラスト比は、光強度の最大値をＩｍａｘ、光強度の最小値をＩｍｉｎとしたとき、Ｖ＝（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）により求められる値である。
図７に示すように、重ね合わせ回数ｎが多くなるほど、非干渉領域Ｅ２を含む露光領域Ａにおけるコントラスト比Ｖと、非干渉領域Ｅ２を含まない露光領域Ｂにおけるコントラスト比Ｖとの差（変動差）は小さくなる。すなわち、重ね合わせ回数を増やすことで、非干渉領域Ｅ２の影響を低減させることができる。したがって、重ね合わせ回数ｎは、上記変動差が、許容値以下（許容範囲内）となるような回数に設定してもよい。具体的には、例えば、変動差が５０％以内、好ましくは１０％以内となるように重ね合わせ回数ｎを設定するようにしてもよい。
さらに、重ね合わせ回数ｎを増やすことで非干渉領域Ｅ２の影響が小さくなると、上述したようにコントラスト比の変動差が小さくなるため、露光領域Ｂに対する露光領域Ａでの、感光性材料層に生じ得る微細パターンの線幅の変動量（線幅低下量）も小さくなる。線幅低下量は、感光性材料層の感光閾値に対して、露光強度分布とコントラスト分布とが既知であれば算出することが可能である。前者は光学系の設計と測定とによって知ることができる。また、後者については、大まかには一様分布と仮定すればよく、実験から知ることができる。
具体的には、コントラスト分布は、コントラスト比Ｖ＝１と仮定した場合の線幅からのズレを実際に露光して測定することで間接的に知ることができる。重ね合わせ回数ｎと非干渉領域Ｅ２を含む露光領域での線幅低下量との関係の一例を図８に示す。この図８に示すように、例えば重ね合わせ回数ｎが５回であれば、線幅低下量は１０ｎｍ程度まで低減することができる。また、重ね合わせ回数ｎが１０回であれば、線幅低下量は５ｎｍ程度まで低減することができる。したがって、重ね合わせ回数ｎは、線幅低下量が許容値（許容範囲内）となるような回数に設定してもよい。
以上のように、非干渉領域Ｅ２を含む露光領域と、非干渉領域Ｅ２を含まない露光領域との間で、コントラスト比Ｖの差や微細パターンの線幅の変動量が許容値以下となるように、重ね合わせ回数ｎを設定してもよい。これにより、重ね合わせ回数ｎを、非干渉領域Ｅ２の影響を許容できる程度まで低減させるような回数に設定することができる。例えば、重ね合わせ回数ｎを１０回として重ね合わせ露光を実施した結果、良好なパターニングが確認できた。
なお、各ショットにおける露光時間Ｔは、重ね合わせ回数ｎに応じて設定することができる。具体的には、Ｔ＝重み付け×（１／ｎ）とすることができる。
次に、各ショット間におけるステージ１１の移動量Ｐの設定方法について説明する。
本実施形態では、上述したように、干渉領域Ｅ１同士を重ね合わせる際、干渉縞のピッチ同士が重なるようにステージ１１を移動する。
ところで、干渉縞のピッチは、必ずしも目標ピッチに一致しているわけではなく、目標ピッチに対して僅かな誤差を有している。そして、重ね合わせ露光においてステージ１１を移動した際、ピッチの僅かな誤差が累積誤差となって現れ、干渉縞の重ね合わせ時に位相が反転し、打ち消し合うおそれがある。例えば、目標ピッチが２００ｎｍである場合、ピッチ１本あたりの誤差が１ｐｍであったとしても、ステージを２０ｍｍ移動させると累積誤差は１００ｎｍとなり、ピッチと逆位相になってしまう。そのため、この場合には、重ね合わせによるパターンは互いに打ち消し合い、パターンを切ることができなくなる。
移動量Ｐを設定する方法としては、干渉縞のピッチの絶対値を測定し、測定した絶対値をもとに移動量Ｐを設定する方法が考えられる。しかしながら、干渉縞のピッチの絶対値を正確に測定するためには、干渉縞のピッチ測定精度にｐｍ以下の非常に高精細な分解能が求められ、測定ハードルが非常に高い。
そこで、本実施形態では、累積誤差そのものを間接的に調べる方法を採用する。累積誤差を間接的に調べるために、事前処理として次のような重ね合わせ露光を実施する。先ず、重ね合わせ回数ｎを所定回数（例えば、２回〜５回程度）に設定し、重ね合わせの移動量Ｐの候補として、複数（例えば、１０個）の値を準備する。そして、これらの複数の移動量Ｐの候補を用いて、複数回（候補数が１０個である場合、１０回）の重ね合わせ露光を実施し、その結果として得られる露光パターンを観察する。ここで、移動量Ｐの候補は、例えば、目標ピッチの０．１倍ずつ異なる１０個の値とする。具体的には、移動量Ｐの候補は、（所定の重ね合わせ移動量）＋干渉ピッチ×０．１×ｋ（ｋ＝０，１，２，…，９）の計１０個とする。
上記の重ね合わせ露光の結果、ピッチの位相が揃っているものに関してはパターンが残り、位相が反転したものについてはパターンが欠損する。すなわち、累積誤差がピッチの整数倍となる移動量であれば、パターン同士の位相が揃うため、正常に重ね合わせ露光が実施できる。
したがって、上記の計１０回の重ね合わせ露光のうち、パターンが残った条件をステージ１１の移動量Ｐとして採用することができる。このように、実験により累積誤差を確認し、適切にステージ１１の移動量Ｐを決定することができる。なお、上記の例では、移動量Ｐの調整幅を干渉ピッチの０．１倍としたが、より精度良く移動量Ｐを求めたい場合には、移動量Ｐの調整幅をピッチの０．０５倍（計２０回の重ね合わせ露光）、０．０２５倍（計４０回の重ね合わせ露光）などと細かくしていけばよい。
以上のように、本実施形態では、二光束干渉露光において、干渉領域Ｅ１を所定形状に整形し、ステージ１１上に載置した基板（ワークＷ）をステージ駆動により搬送しながら、基板の光照射面に対して干渉光を照射する。その際、干渉領域Ｅ１同士は、干渉縞の長手方向に対して直交する方向に干渉縞のピッチ同士が一致するように重ね合わせる。これにより、ショット間の繋ぎ目を生じさせることなく、基板の全面に隙間無く干渉領域Ｅ１を配置することができ、容易に大面積の基板への連続した干渉露光が可能となる。
図９は、本実施形態の露光方法を示す図であり、（ａ）は装置構成、（ｂ）は露光パターン、（ｃ）はＸ方向の照度分布、（ｄ）はＹ方向の照度分布を示す。図９（ａ）に示すように、ワークＷの上部にマスク１３を設け、パターン有効領域を矩形に整形し、図９（ｂ）に示すように、パターン有効領域同士をＸ方向に重ね合わせて配置する。これにより、図９（ｃ）に示すように、ワークＷのＸ方向において積算された照度分布の変動を一様にすることができる。また、Ｙ方向においては、パターン有効領域同士を重畳させずに隙間無く並べる。これにより、図９（ｄ）に示すように、ワークＷのＹ方向において積算された照度分布の変動を略一様にすることができる。
ところで、二光束干渉露光方法としては、図１０に示すように、一括露光方式を採用した露光方法もある。図１０において、（ａ）は装置構成、（ｂ）は露光パターン、（ｃ）はＸ方向の照度分布を示す。この露光方法では、図１０（ａ）に示すように、ガウシアンビームを分岐素子によって２本に分岐し、これらの光をそれぞれミラーによって反射し、集光レンズで集光したあと、ピンホールを通してそのビーム径を拡大し基板に照射する。しかしながら、この場合、基板に照射されるビームは球面波であるため、このとき形成される露光パターンは、ピッチの類型誤差が露光領域の縁に向かうほど増大する状態となり、図１０（ｂ）に示すように双曲線状となる。等間隔のラインパターンが必要とされる用途では、ピッチの累積誤差はピッチの１／１０以下に抑えることが好ましいことから、図１０（ｂ）の点線に示すように、パターン有効領域はビームの中央付近に限定することが好ましい。
また、ガウシアンビームは、ビームの中央から周辺部に向かって照度が低下していく。そのため、露光パターンは、ビーム中央部とビーム周辺部とで線幅が異なる。例えば、レジストがポジ型（感光した箇所が現像時に溶解する）であれば、ビーム中央部では線幅は細く、ビーム周辺部では線幅が太くなる。このように、ビーム中央部とビーム周辺部とで、形成されるパターンの線幅に差が生じるため、線幅の変動を抑えて露光するためには、やはり図１０（ｂ）に示すように、パターン有効領域をビームの中央付近に限定することが好ましい。パターン有効領域は、用途に応じて異なるが、一般にビーム中央付近１０％〜５０％（より好ましくは１０％〜３０％、さらに好ましくは２０％）であることが好ましい。
しかしながら、パターン有効領域がビーム中央付近に限定されると、図１０（ｃ）に示すように、照度有効領域がその分狭くなるため、大面積を露光するには空間フィルタ（ピンホール）から基板までの距離を大きくする必要があり、装置が大型化する。例えばピッチ１３０ｎｍの干渉縞を８インチウェハ（=φ２００ｍｍ）全面に一括露光するために、λ＝２４８ｎｍ、θ＝７２°、集光レンズＮＡ＝０．２０、露光有効領域１０％とすると、ピッチの累積誤差は最大で７．５μｍ程度となり、空間フィルタから基板までの距離は約５１００ｍｍ程度必要になる。このように基板までの距離が長くなることで環境変動の影響を受けやすくなるということも懸念される。また、ビーム径を広げると、その分露光時間が径の２乗に比例して延びるため、環境変動の影響を受けやすくなる。具体的には、環境温度変化や振動による屈折率ｎの変化が生じることで、露光中に干渉縞のピッチが変動し、露光異常となりやすくなる。そのため、これを防止するために、別途、露光安定化技術が必要となる。
これに対して、本実施形態では、上述したように、基板をステージ駆動により搬送しながら小区画ずつ露光する。したがって、光学系素子から基板までの距離を短く設定することができ、装置を大型化することなく大面積の露光が可能となる。また、環境変動の影響も受けにくい。さらに、本実施形態では、基板を干渉縞の長手方向に対して直交する方向に搬送しながら露光する際、干渉領域Ｅ１同士を、干渉縞のピッチ同士が一致するように重ね合わせる。したがって、ショット間の繋ぎ目を生じさせることなく、基板の全面に隙間無く干渉領域Ｅ１を配置することができる。その結果、基板の光照射面において積算された照度分布の変動を一様にすることができ、大面積の基板への均一な干渉露光が可能となる。
ところで、ステップアンドリピート方式を採用した二光束干渉露光方法としては、本実施形態のようにマスク１３によって露光領域を整形しない方法もある。その場合の装置構成を図１１（ａ）に示す。この露光方法を採用した場合、パターン有効領域の形状は、図１１（ｂ）に示すように楕円形となる。そのため、基板の全面において積算された照度分布の変動を一様にするためには、図１１（ｂ）に示すように、Ｘ方向およびＹ方向の双方においてパターン有効領域を互いに重畳させる必要がある。
このように、図１１に示す露光方法の場合、露光領域を整形しないため、ビーム端部を重ね合わせ露光に用いることになる。ところが、レンズの持つ収差やアライメント誤差により、ビーム端部においては干渉縞が平行とならない場合があり、ビーム端部を重ね合わせ露光に用いると、基板上構造体の欠陥が生じるおそれがある。
これに対して、本実施形態では、露光領域を所定形状に変形するため、欠陥（ビームの強度不足、ピッチ累積誤差、アライメント誤差による露光不足など）が生じやすいビーム端部の領域をカットすることができ、高精度の重ね合わせ露光が可能となる。
また、図１１に示す露光方法の場合、パターン有効領域の形状が楕円形であるため、干渉縞に沿った方向（Ｙ方向）にもパターン有効領域を重ね合わせる必要がある。ところが、この場合、図１２（ａ）に示すように、ステージ搬送方向（Ｙ方向）に対して干渉縞の角度がΔφずれていると、ステージの移動方向や移動量によっては、図１２（ｂ）に示すように、領域αにおいて干渉縞がうまく重ならず、ピッチ同士が打ち消し合うといった不具合が生じる。これを解消するためには、干渉縞がワークＷ面内においてどのような角度を持っているかを高精度に検出する機構や、干渉縞を補正（調整）するための機構などが必要となる。
これに対して、本実施形態では、Ｙ方向において干渉領域Ｅ１同士を重ね合わせる必要がない。そのため、Ｙ方向への重ね合わせによる基板上構造体の欠陥といった不具合が発生することを回避することができる。また、干渉縞の検出調整機構なども導入する必要もない。さらに、Ｙ方向への重ね合わせが不要であるため、その分スループットの低下を抑制することができる。
以上のように、本実施形態では、二光束干渉露光において、基板をステージ駆動により搬送しながら小区画ずつ露光する方式を採用するので、装置を大型化することなく大面積への露光が可能となる。したがって、装置の大型化に伴うコストを削減することができる。また、二光束干渉露光において干渉光が照射される干渉領域を所定形状に整形し、当該干渉領域を干渉縞の周期が一致するように基板搬送方向に重ね合わせて露光する。したがって、大面積の基板へ連続した基板上構造体を形成することができる。
さらに、干渉領域を矩形状のような、Ｘ方向に平行な２つの辺を有する形状とすることで、Ｙ方向への干渉領域の重ね合わせを不要とすることができる。つまり、干渉領域に対して非干渉領域が形成されている方向（Ｘ方向）に基板を搬送した場合にのみ干渉領域同士を重ね合わせ、非干渉領域が形成されていない方向（Ｙ方向）に基板を搬送した場合には、干渉領域同士を重ね合わせる必要がない。すなわち、Ｙ方向については、干渉領域を重畳させずに隣接させればよい。また、干渉領域を矩形状のような、Ｘ方向に平行な２つの辺を有する形状とすることで、Ｙ方向への干渉領域の重ね合わせをしなくとも、干渉領域をＹ方向に隙間無く敷き詰めることができる。したがって、ワークＷ面内において隙間無く連続した基板上構造体を形成することができる。
また、Ｙ方向への干渉領域の重ね合わせが必要な場合と比較して、基板へのショット回数を削減することができ、スループットを向上させることができる。さらに、Ｙ方向への干渉領域の重ね合わせが不要であるため、上述した図１２に示すような基板上構造体の欠陥が生じることを確実に回避することができる。
また、光透過部を有する遮光部材であるマスク１３を基板上に配置するので、比較的容易に干渉領域を所定形状に整形することができる。さらに、このとき、基板とマスク１３との間にギャップＤを設けるため、両者が密着することに起因するパーティクル等の付着を防止することができる。
上記の露光方法は、例えばファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）の製造方法に適用することができる。ＦＢＧは光ファイバセンサの一種で、温度や歪みの計測に用いられている。ＦＢＧは、光ファイバなどに形成された屈折率の周期的な変化のことであり、屈折率の異なる部分が交互に並んだ構造を有する。この構造は、ファイバ内を伝播する光のうち、ある特定の波長の光のみを反射させ、それ以外の波長の光を透過させる性質を持っている。また、反射する波長λｂは屈折率の周期Λとファイバの有効屈折率ｎｅに依存し、λｂ＝２ｎｅΛの関係が成り立つ。したがって、温度や歪みなどによって周期構造に変化が生じると、ファイバ内を伝播する光の波長の変調として温度や歪みなどを計測することができ、温度センサ、または歪みセンサとして利用することができる。
ＦＢＧのような屈折率の周期構造を製造するには、感光性のある材料に、強度が周期的に分布している光を照射すればよく、二光束干渉露光が適している。本実施形態では二光束干渉露光によって、高スループットで大面積への露光が可能となるため、ＦＢＧ製造の際には複数のファイバを高速に処理するといったことが可能となる。
また、ＦＢＧ製造には、上記のように干渉光の干渉縞に対応した物性を付与する方法が用いられるが、その他の用途として、干渉光の干渉縞に対応した形状を形成する方法も考えられる。例えば高出力パルスレーザーによるレーザーアブレーションを利用して、干渉縞の形状を直接基板に加工する方法や、光硬化性樹脂を露光し、硬化させて、干渉縞の形状に対応した微細構造を得る方法などである。これらは基板の表面改質や、フォトニック結晶製造などに適用できる。本実施形態では二光束干渉露光によって、高スループットで大面積への露光が可能となるため、大面積ワークの表面改質や、フォトニック結晶製造の高速化などが可能となる。
また、上記の露光方法は、例えばグリッド偏光素子の製造方法にも適用することができる。偏光光を得る偏光素子は、偏光サングラスのような身近な製品を始めとして偏光フィルタや偏光フィルム等の光学素子として各種のものが知られており、液晶ディスプレイ等のディスプレイデバイスでも使用されている。偏光素子には、偏光光を取り出す方式から幾つかのものに分類されるが、その一つにワイヤーグリッド偏光素子がある。
ワイヤーグリッド偏光素子は、透明基板上にアルミのような金属より成る微細な縞状の格子を設けた構造のものである。格子を成す各線状部の離間間隔（格子間隔）を偏光させる光の波長以下とすることで偏光素子として機能する。直線偏光光のうち、格子の長さ方向に電界成分を持つ偏光光にとってはフラットな金属と等価なので反射する一方、長さ方向に垂直な方向に電界成分を持つ偏光光にとっては透明基板のみがあるのと等価なので、透明基板を透過して出射する。このため、偏光素子からは格子の長さ方向に垂直な方向の直線偏光光が専ら出射する。偏光素子の姿勢を制御し、格子の長さ方向が所望の方向に向くようにすることで、偏光光の軸（電界成分の向き）が所望の方向に向いた偏光光が得られることになる。
以下、説明の都合上、格子の長さ方向に電界成分を持つ直線偏光光をｓ偏光光と呼び、格子の長さ方向に垂直な方向に電界成分を持つ直線偏光光をｐ偏光光と呼ぶ。通常、入射面（反射面に垂直で入射光線と反射光線を含む面）に対して電界が垂直なものをｓ波、平行なものをｐ波と呼ぶが、格子の長さ方向が入射面と平行であることを前提とし、このように区別する。
このような偏光素子の性能を示す基本的な指標は、消光比ＥＲと透過率ＴＲである。消光比ＥＲは、偏光素子を透過した偏光光の強度のうち、ｓ偏光光の強度（Ｉｓ）に対するｐ偏光光の強度（Ｉｐ）の比である（Ｉｐ／Ｉｓ）。また、透過率ＴＲは、通常、入射するｓ偏光光とｐ偏光光の全エネルギーに対する出射ｐ偏光光のエネルギーの比である（ＴＲ＝Ｉｐ／（Ｉｓ＋Ｉｐ））。理想的な偏光素子は、消光比ＥＲ＝∞、透過率ＴＲ＝５０％ということになる。なお、格子が金属製である偏光素子はワイヤーグリッド偏光素子と呼ばれるが、格子が金属製でないものを含めて、以下、単に「グリッド偏光素子」と呼ぶ。
グリッド偏光素子を製造する場合には、先ず、透明基板上に格子用薄膜を作成する。ここで、格子用薄膜の材質は、例えば無機誘電体である。次に、格子用薄膜の上にフォトレジストを塗布する。そして、この状態で上述した本実施形態の露光方法によりフォトレジストを露光し、現像する。これにより、レジストパターンを得る。
次に、レジストパターンの側からエッチャントを供給し、レジストパターンで覆われていない箇所の格子用薄膜をエッチングする。このエッチングは、格子用薄膜の厚さ方向に電界を印加しながら行う異方性エッチングである。これにより、格子用薄膜がパターン化される。そして、最後に、レジストパターンを除去することで、グリッド偏光素子が完成する。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
上述した第１の実施形態では、ストライプ状の干渉光を基板に照射する場合について説明した。第２の実施形態では、格子状の干渉光を基板に照射する場合について説明する。
本実施形態においても、上述した第１の実施形態と同様に、干渉縞が延在する方向と略直交する方向において、干渉領域Ｅ１同士を干渉縞のピッチ同士が重なるように重ね合わせ、干渉縞が延在する方向においては、干渉領域Ｅ１同士を重畳させずに隣接させて、ワークＷを露光する。
そして、本実施形態では、ワークＷに対して複数回（２回）露光を行う。その際、１回目の露光（往路）では、例えば図１３（ａ）の破線矢印に示す経路で干渉光を照射し、２回目の露光（復路）では、図１３（ａ）の実線矢印に示す経路で干渉光を照射する。往路では、例えば図１３（ｂ）に示すように、Ｙ方向に伸びるストライプ状の干渉光をワークＷ全体に照射する。そして、復路では、１回目の干渉光（第一の干渉光）に対してストライプ状の干渉光を所定角度回転させ、これを第二の干渉光としてワークＷに照射する。
すなわち、２回目の回転角度（配向角度）を例えば９０°とした場合、図１３（ｃ）に示すように、第二の干渉光として、Ｘ方向に伸びるストライプ状の干渉光をワークＷ全体に照射することになる。これにより、ワークＷには、第一の干渉光と第二の干渉光とを重畳した干渉光が照射される。配向角度が９０°である場合、上記の露光方法により、基板の全面に格子状のパターンを形成することができる。例えば、基板に塗布された感光性材料膜（レジスト等）が、光照射部分が現像液に溶解するポジ型である場合は、上記の露光方法を用いて露光することにより、格子状に光照射された箇所が溶解して、円柱が残存したレジストパターンを得ることができる。この場合、図１４に示すように、円柱状の微細パターン（ドットパターン）Ｐ１は正方配列で配列される。一方、感光性材料膜が、光照射部分が架橋して現像液に溶解しなくなるネガ型である場合は、この露光方法を用いて露光することにより、格子状に光照射された箇所が現像後に残存し、四角や丸等の形状の凹部を有するパターンを形成することができる。
本実施形態において、干渉領域Ｅ１の形状（マスク１３の開口部の形状）は、任意の形状でよく、例えば矩形状とすることができる。図１３では、干渉領域Ｅ１の形状を正方形としている。なお、配向角度δは９０°に限定されず、０°＜δ≦９０°の範囲内で任意に設定可能である。当該配向角度を変化させることで、ワークＷに照射する干渉光の形状を変化させることができる。例えば、配向角度は６０°であってもよい。この場合、１回目の露光と２回目の露光とで干渉縞の長手方向が６０°交差し、図１５に示すように、ドットパターンＰ１はＸＹ平面図において略楕円となる。そして、楕円柱状のドットパターンＰ１は、三方配列で配列される。このように、配向角度が６０°の場合は、配向角度が９０°の場合と比較してドットのピッチが狭くなる。すなわち、配向角度を変更することで、任意の面内密度を有するレジストパターンを作製することができる。
なお、２回目以降の露光を行う際には、干渉光を回転させてもよいし、ワークＷを保持するステージ１１を回転させてもよい。ステージ１１を回転させる方法の方が、容易に複数回干渉露光を実現することができ好ましい。
また、本実施形態では、得られたレジストパターンに対して熱処理を加え、パターン形状を整形する処理を実施してもよい。
本発明者は、上記の露光及び現像により得られたレジストパターンに熱処理を加えることで、パターン形状を真円状に整形することができることを見出した。そこで、本実施形態では、レジストパターンを、レジストのガラス転移温度を上回る温度で加熱し、レジストパターンを真円状に整形してもよい。
例えば、ガラス転移温度がおよそ１４０℃〜１５０℃のレジストに対し、加熱温度を２００℃、加熱時間を１０分として熱処理を施す。このように、ガラス転移温度を超える温度での熱処理では、レジストパターンが整形され、熱処理後のレジストパターンは正円形状となる。すなわち、図１５に示す熱処理前の楕円形状のドットパターンＰ１は、熱処理後、図１６に示すように正円形状に整形することができ、三方配列で正円形状のドットパターンが得られる。
上述したように、配向角度を任意の角度に設定することで、任意の面内密度を有するレジストパターンを作製することができる。したがって、任意の配向角度での露光と、現像後の熱処理とを実施することで、任意の面内密度で正円形状を有するレジストパターンを作製することができる。
そして、このようにして得られた熱処理後のレジストをマスクとして用い、レジストに直下に位置する基板若しくは基板上に設けられた機能材料層をエッチングして除去することで、基板表面若しくは機能材料層の表面に凸状の構造体が二次元周期的に配置されたモスアイ構造を有する基板上構造体を作製することができる。上述したように、熱処理後のレジストパターンは正円に整形されているため、真円形状の底面を有する高精度なモスアイ構造を作製することが可能となる。
さらに、上記熱処理においては、加熱温度や加熱時間などの加熱条件を調整し、レジストパターンのドットの大きさを調整するようにしてもよい。加熱温度を高くすると、加熱時間が同じであっても、ドット径は大きくなり、隣接する微細構造体との間隔が狭くなる。すなわち、レジストパターンにおいて隣接する微細構造体との間隔を狭くし、より密接した配置とすることができる。したがって、加熱条件を調整することで、熱処理後のドット径を調整し、微細構造体の面内密度を調整することができる。
なお、ここでは加熱温度を変化させる場合について説明したが、加熱時間を変化させることでも、同様に熱処理後のドット径を調整することができる。また、所望のドット径（面内密度）を得るための加熱条件は、レジストの材料やレジストの下にある基板の材料等に応じて適宜設定することができる。
モスアイ構造を有する基板上構造体を製造する際には、先ず、表面に機能材料層が設けられた基板を準備する。当該基板は、例えば石英基板（ＳｉＯ2）等とし、機能材料層は、例えばジルコニア（ＺｒＯ2）等とすることができる。機能材料層は、例えばスパッタ成膜法により基板上に形成することができる。なお、基板および機能材料層の材質は、用途等に応じて適宜設定可能である。
そして、第一工程として、機能材料層の表面に感光性材料層（例えば、フォトレジスト等）を形成し、第二工程として、上述した二光束干渉露光を複数回行い、フォトレジストを露光する。次に、第三工程として、露光後のフォトレジストを現像する。これにより、例えばフォトレジストにおける干渉光の照射領域が除去され、微細パターンが形成される。この微細パターンはドットパターンを有する。次に、第四工程として、第三工程で得られたフォトレジストの微細パターンに対して熱処理（楕円補正）を施し、微細パターンを整形する。その際、例えばホットプレート等を用いて熱処理を行ってもよい。これにより、断面半球形状の微細パターンを得る。
次に、第五工程として、第四工程で得られた微細パターンをマスクとして用いて、機能材料層をエッチングする。その後、フォトレジストの微細パターンを除去することで、機能材料層の微細パターンを得る。次に、最終工程として、第五工程で得られた機能材料層の微細パターンに対してスパッタリングを行い、モスアイ構造を有する基板上構造体を得る。
なお、上記の例では、基板上に設けられた機能材料層の表面に微細パターンを形成する場合について説明したが、基板の表面にフォトレジストの微細パターンを形成し、当該微細パターンをマスクとして用いて基板をエッチングすれば、基板の表面にモスアイ構造を形成することもできる。
このようにして製造された基板上構造体は、偏光素子や反射防止素子等の光学素子、或いは蛍光光源やＬＥＤに代表される半導体発光素子等の各種デバイスとして使用可能である。
以上のように、本実施形態では、コヒーレント光源の出力光を２分岐した光を所定の干渉角度で交差させて発生した干渉光を用いてフォトレジストの干渉露光を行う。このとき、二光束干渉露光を複数回行い、２回目以降の干渉露光で照射する干渉縞の長手方向を、１回目の干渉露光で照射する干渉縞の長手方向と所定の配向角度で交差させるようにする。そして、露光後に現像工程を実施し、微細なレジストパターンを得る。
二光束干渉露光は微細フォトマスクを用いずに微細パターンの露光が可能であり、ワークに対して接触する要素がない。したがって、ＮＩＬ（ナノインプリントリソグラフィ）のようにワークとマスターモールドとの都度接触が必要な方法と比較して、歩留まりを高くすることができる。また、二光束干渉露光は非常に深い焦点深度で露光可能であるため、ワークの平坦度が不問である。例えば、ナノインプリント法では、仮にワークが反っていると、当該ワークの破損や転写不良が発生するおそれがある。したがって、二光束干渉露光を採用することで、仮にワークが反っていても精度良く露光することができる。
また、ナノインプリント法では、ワークとマスターモールドとの都度接触によりマスターモールドの劣化が生じるため、マスターモールドの管理が必要となるが、二光束干渉露光では、上記のような管理を必要とすることなく品質安定性を確保することができる。さらに、二光束干渉露光では、ナノインプリント法のように消耗品である高価なマスターモールドを必要としないため、その分のコストを削減することができる。
また、現像工程を行って得られた微細パターンに対して熱処理を行い、当該微細パターンを整形すれば、レジストパターンの精度をより向上させることができる。このとき、熱処理として、ガラス転移温度を上回る温度で加熱する処理を行うことで、異方性を有する微細パターンを、表面張力により等方性を有する微細パターンに自然に整形することができる。
したがって、上記のフォトレジストを用いてエッチング加工を施すことにより、微細な凸部及び／又は凹部が２次元周期的に配列され、制御された形状を有する微細構造体を製造することができる。このように、特に、レジストパターンがドットパターンである場合には、高精度なモスアイ構造を有する微細構造体を製造することができる。
また、本実施形態では、上記の干渉露光工程において、配向角度を調整することで、レジストパターンの配列を変更することができる。さらに、上記の熱処理工程において、加熱条件を調整することで、レジストパターンの形状を変更することができる。したがって、任意の配列、任意の面内密度を有するモスアイ構造を作製することができる。
なお、微細構造体を形成する基板の材質は、その用途に応じて適宜選択することができる。例えば、本実施形態により製造したモスアイ構造を有する構造体は、ナノインプリント法で用いられるマスターモールドとして利用することもできる。
さらに、本実施形態では、二光束干渉露光においてステップアンドリピート方式を採用するので、装置を大型化することなく大面積への露光が可能となる。また、二光束干渉露光において、干渉領域Ｅ１を所定形状に整形し、各ショットでの干渉領域Ｅ１同士を基板の搬送方向に重ね合わせる。したがって、ショットによる繋ぎ目を生じさせることなく、大面積の基板への干渉露光が可能となる。
なお、上記第２の実施形態においては、レジストパターンがドットパターンである場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、レジストがネガ型である場合には、格子状に光照射された箇所が現像後に残存し、ホール状の凹部を有するパターンを形成することができる。そして、現像後のレジストパターンに対して上述した熱処理を施すことで、異方性のない凹部に整形することができる。
（変形例）
上記各実施形態においては、干渉領域Ｅ１を矩形状に整形する場合について説明したが、上述したように、干渉領域Ｅ１の形状は任意の形状であってよい。ただし、矩形状のように、干渉領域Ｅ１に対して非干渉領域Ｅ２が形成されている方向（Ｘ方向）に平行な２辺を有する形状であれば、Ｙ方向の干渉領域Ｅ１の重ね合わせが不要となるため、好ましい。このような形状としては、矩形状の他に、平行四辺形やひし形などがある。
上記各実施形態においては、非干渉領域Ｅ２が発生しないＹ方向には、干渉領域Ｅ１を重ね合わせない場合について説明した。しかしながら、上述した図１２に示す基板上構造体の欠陥が生じないように、干渉縞の検出調整機構などを導入したうえで、干渉縞に沿った方向（Ｙ方向）への重ね合わせ露光を行ってもよい。この場合、ワークＷの面内の強度分布をＸ方向とＹ方向の双方において一様にすることができる。ただし、Ｙ方向においては干渉領域Ｅ１を重畳させずに隣接させる方法を採用した場合でも、有効な大面積パターンが得られること、Ｙ方向の重ね合わせ露光を行うと、スループットが低下しやすく、且つ干渉縞の面内角度とステージ搬送方向との差をなくすためのアライメントが必要になることなどから、Ｙ方向においては干渉領域Ｅ１を重畳させずに隣接させる方法を採用することが好ましい。
上記各実施形態においては、干渉領域Ｅ１を、ワークＷの光照射面の全面に隙間無く配置する場合について説明したが、干渉領域Ｅ１は、ワークＷの光照射面に離散的に配置するようにしてもよい。すなわち、ワークＷの光照射面において、互いに重ね合わされた複数の干渉領域Ｅ１からなる部分領域を、ワークＷ上に離散的に配置してもよい。この場合、部分領域間に形成された隙間をダイシングライン（スクライブライン）として利用し、１枚の大径ウェハから複数のチップを切り出すことができる。例えば、干渉領域Ｅ１同士が隣接された部分領域を、基板上においてマトリクス状に配置すれば、容易にダイシングすることができる。また、複数の干渉領域Ｅ１が敷き詰められた部分領域の大きさは、ショット数に応じて容易に調整可能であるため、様々なチップサイズに対応することができる。さらに、１枚の大径ウェハからサイズの異なるチップを作製することも可能である。上記の露光方法は、第１の実施形態のようにストライプ状の干渉光を基板に照射する場合にも、第２の実施形態のように格子状の干渉光を基板に照射する場合にも適用可能である。
上記各実施形態においては、マスク１３をワークＷ上にギャップＤを設けて配置する場合について説明したが、ギャップＤを設けずにマスク１３をワークＷ上に直接配置してもよい。すなわち、マスク１３をワークＷ上に接触させた状態で露光を行う。この場合、図２で説明したような光線の回り込みがなされないため、干渉領域Ｅ１の両エッジに非干渉領域Ｅ２は形成されない。したがって、有効照射領域Ｅ０と干渉領域Ｅ１とは同面積となる。この場合も、上述した重ね合わせ露光を実施することで、Ｘ方向における干渉縞の照度分布を均一化させながら、大面積の基板への干渉露光が可能となる。
上記各実施形態においては、図１に示す折り返しミラー７ａ，７ｂを固定ミラーとする場合について説明したが、角度可変ミラーであってもよい。例えば、図１７に示すように、図１の露光装置１における折り返しミラー７ａ，７ｂを角度可変ミラー１７ａ，１７ｂとすることができる。ここで、角度可変ミラー１７ａ，１７ｂは、光入射面の角度を変更可能に構成されており、当該光入射面の角度を変更することで干渉角度θを所望の角度に変化させる。干渉角度θを変えることにより、基板に形成されるストライプ状の干渉縞のピッチを自在に変更することができる。
図１８は、角度可変ミラー１７ａ及び１７ｂの機構を示す図である。角度可変ミラー１７ａと１７ｂとは同一構成を有するため、ここでは角度可変見ミラー１７ａの機構についてのみ図示している。角度可変ミラー１７ａ（以下、単に「ミラー」という）は、干渉角度θを任意の角度に調整するための素子で、ビーム分岐素子６で分岐されたビーム（分岐ビーム）Ｂ１がなす直線上を移動し、且つ紙面垂直軸周りに角度を変えることができる。当該ミラー１７ａで反射されたビーム（ミラー反射ビーム）Ｂ５は、ワークＷ上の所定の位置に向けられ、もう片方のミラーからのミラー反射ビームとワークＷ上で結合し、干渉縞を形成する。すなわち、ミラー１７ａの法線は、分岐ビームＢ１とミラー反射ビームＢ５とがなす角の二等分線となる。
ミラー１７ａの法線を所定の方向に保ったまま干渉角度θを調整する方法として、例えば、図１８（ａ）及び図１８（ｂ）に示すようなＴ字型のフレームＴを持つリンク機構を用いる方法がある。Ｔ字フレームＴには３つのスライダＳが設けられ、そのうちの２つは分岐ビームＢ１及びミラー反射ビームＢ５がなす直線上をそれぞれ移動し、残りの１つにはミラー１７ａが取り付けられ、Ｔ字フレームＴ上を移動する。
また、ミラー１７ａの回転軸は分岐ビームＢ１及びミラー反射ビームＢ５の交点位置で拘束されている。干渉角度θを調整する際には、図１８（ａ）から図１８（ｂ）のように、ミラー１７ａの法線方向が、分岐ビームＢ１とミラー反射ビームＢ５とがなす角の二等分線を維持したまま、所定の方向へ変化する。この干渉角度θは、駆動部（アクチュエータ）２２を用いて調整する。駆動部２２は、ミラー反射ビームＢ５のなす直線上に配置されたフレームに作用し、干渉角度θを調整する。なお、駆動部２２は、Ｔ字フレームＴに作用して干渉角度θを調整する構成であってもよい。
このように、ビーム分岐素子６で２以上に分岐した光が所望の角度で交差するように、分岐したそれぞれの光を基板へ向けて反射する角度可変ミラー１７ａ，１７ｂを備えることで、基板に形成されるストライプ状の干渉縞のピッチを自在に変更することができる。すなわち、複数回露光によって得られるレジストパターンのピッチ（面内密度）を自在に変更することができる。
さらに、上記各実施形態においては、二光束干渉露光について説明したが、ビームを２以上に分岐させ、それらを一度に基板へと照射する、所謂多光束干渉露光を採用してもよい。ビームの分岐手段には、例えば、レーザーを複数のビームに分岐させる回折光学素子を用いてもよい。多光束干渉露光で、例えば、２つのビームの干渉縞を９０°回転させて重畳させる方法と同様の結果を得るためには、図１９に示すように、ビームを４分岐させて、分岐ビームと基板の法線がなす４つの面が９０°ずつ配向し、かつ、基板に入射する際に向かい合う２つの分岐ビームがなす角度が所定の干渉角度となるように、光学部品を配置すればよい。
１…露光装置（光照射装置）、２…光源、３…ビームエキスパンダ、４…打ち下ろしミラー、５…シャッター、６…ビーム分岐素子、７ａ，７ｂ…折り返しミラー、８ａ，８ｂ…集光レンズ、９ａ，９ｂ…ピンホール、１０ａ，１０ｂ…コリメートレンズ、１１…ステージ、１２…吸着盤、２０…コントローラ、２１…ステージ駆動回路、Ｗ…ワーク（基板）

Claims (11)

  1. 基板の表面若しくは当該基板上に設けられた機能材料層の表面に複数の凸部及び凹部の少なくとも一方が配列されてなるモスアイ構造を有する基板上構造体の製造方法であって、
    前記基板の表面若しくは前記機能材料層の表面に、ガラス転移点を有する材料から構成される感光性材料層を形成する工程と、
    コヒーレント光源の出力光を２つに分岐した光を、角度調整手段により、所定の干渉角度に調整して交差させ、干渉光を発生させる工程と、
    前記干渉光を用いて、前記感光性材料層に対して複数回の干渉露光を行う工程であって、第１回目の干渉露光における干渉縞の長手方向に対して、第２回目以降の干渉露光における干渉縞の長手方向が所定角度で交差するように干渉露光を行う工程と、
    前記干渉露光後の感光性材料層における前記干渉光の照射領域若しくは非照射領域を除去して、前記感光性材料層に楕円柱状の微細パターンを形成する工程と、
    前記楕円柱状の微細パターンに対してガラス転移温度を上回る温度で熱処理を行い、当該微細パターンを半球形状のドットパターンに整形して、前記ドットパターンの面内密度を高める工程であって、前記熱処理における加熱条件を調整して所望の前記面内密度を得る工程と、
    前記半球形状のドットパターンを用いて、前記基板若しくは前記機能材料層をエッチングして前記モスアイ構造を形成する工程と、を含み、
    前記干渉露光を行う工程は、
    前記干渉光の基板への照射と前記基板の搬送とを繰り返して前記感光性材料層を露光する工程であって、
    １ショットで前記干渉光が照射される前記感光性材料層上の領域である干渉光照射領域を所定形状に整形し、
    前記基板をステップ的に搬送しながら前記感光性材料層を露光するに際し、各ショットでの前記干渉光照射領域同士の重畳する部分において、前記干渉光の干渉縞の周期が一致するように重ね合わせることを特徴とする基板上構造体の製造方法。
  2. 前記干渉露光を行う工程では、
    前記感光性材料層に形成される微細パターンが三方配列となるよう干渉露光を行うことを特徴とする請求項１に記載の基板上構造体の製造方法。
  3. 前記干渉露光を行う工程では、
    前記第１回目の干渉露光を行った後に、前記基板を前記所定角度回転させ、前記第２回目以降の干渉露光を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の基板上構造体の製造方法。
  4. 前記干渉露光を行う工程では、
    前記所定形状の光透過部を有する遮光部材を、前記基板の上に所定のギャップを設けて配置することで、前記干渉光照射領域を前記所定形状に整形すると共に、前記干渉光照射領域の前記干渉縞の延在する方向と略直交する第一方向に位置する端部に、前記２以上に分岐した光の一部である非干渉光が照射される非干渉光照射領域が形成され、
    前記第一方向において、前記干渉光照射領域同士の重畳する部分において、前記干渉縞の周期が一致するように重ね合わせることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の基板上構造体の製造方法。
  5. 前記干渉光を発生させる工程では、コヒーレント光源の出力光を２つに分岐した光を前記干渉角度で交差させて前記干渉光を発生させ、
    前記干渉露光を行う工程では、
    前記干渉光照射領域を、前記第一方向に平行な２つの辺を有する形状に整形し、
    前記第一方向に直交し、前記干渉縞の延在する方向と略平行な方向である第二方向において、前記干渉光照射領域同士を重畳させずに隣接させることを特徴とする請求項４に記載の基板上構造体の製造方法。
  6. 前記干渉露光を行う工程では、
    前記第一方向に前記干渉光照射領域同士の重畳する部分において、前記干渉縞の周期が一致するように重ね合わせた結果、前記基板の光照射面において、積算された照度分布の変動が、コントラスト比の差で５０％以内となるように、前記干渉光照射領域同士を重ね合わせる回数が設定されていることを特徴とする請求項４または５に記載の基板上構造体の製造方法。
  7. 前記干渉露光を行う工程では、
    前記第一方向に前記干渉光照射領域同士の重畳する部分において、前記干渉縞の周期が一致するように重ね合わせた結果、干渉縞により前記基板上に生じ得る微細パターンの線幅の変動量が５ｎｍ以下となるように、前記干渉光照射領域同士を重ね合わせる回数が設定されていることを特徴とする請求項４または５に記載の基板上構造体の製造方法。
  8. 前記基板をステップ的に搬送する際の前記基板の搬送量を決定する搬送量決定工程をさらに備え、
    前記搬送量決定工程は、
    前記搬送量の複数の候補を用いて、前記基板をステップ的に搬送しながら前記基板の光照射面に前記干渉光を照射した結果に基づいて、前記複数の候補の中から前記干渉露光を行う工程で用いる前記搬送量を決定することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の基板上構造体の製造方法。
  9. 前記干渉露光を行う工程では、前記干渉光照射領域を、矩形状に整形することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の基板上構造体の製造方法。
  10. 前記干渉露光を行う工程において、前記干渉光照射領域を、前記基板の光照射面の全面に隙間無く重ね合わせて配置することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の基板上構造体の製造方法。
  11. 前記干渉露光を行う工程において、互いに重ね合わされた複数の前記干渉光照射領域からなる領域を、前記基板の光照射面に離散的に配置することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の基板上構造体の製造方法。
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