【手続補正書】
【提出日】平成17年1月24日(2005.1.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  フォトマスク、微細光学素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】透光部と遮光部の透過率がスッテプ状に大きく変わる境界部に、該透光部の透過率より少ない透過率変化を与え、照射する紫外光の解像限界以下の幅を有する中間層を、設けたことを特徴とするフォトマスク。
【請求項２】前記中間層は、その透過率が前記遮光部の透過率の略半分に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトマスク。
【請求項３】前記中間層は、連続した複数列からなっており、各中間層の透過率が前記境界部における透過率変化のステップより、小さいステップで順に変化するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトマスク。
【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項に記載のフォトマスクを用いて作製したことを特徴とする微細光学素子。
【請求項５】前記光学素子は、キノフォーム又はバイナリー型の回折光学素子であり、前記中間層の形成個所が前記回折光学素子の格子エッジに対応することを特徴する請求項４に記載の微細光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フレネルレンズ、マイクロレンズ等に代表される微細光学素子の製造におけるフォトリソグラフィ工程で用いられるフォトマスク、微細光学素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体で使用しているフォトマスクはフォトマスク基盤それ自体の光透過率を有する透光部とフォトマスク基盤上に金属膜を成膜して透過率を一定の強度に遮光する遮光部とからなる。ウエハ基板上に塗布形成した感光性樹脂へのフォトリソ工程を用いてのパターン形成においては、フォトマスクの透光部は感光性樹脂がポジ型であれば現像液に可溶性を示すように作用する。逆にフォトマスクの遮光部は現像液への可溶性を示さないように作用する。透光部に相当する感光性樹脂を可溶しウエハ基板面を露出させることによりウエハ基板面上に塗布した感光性樹脂の厚みを持ったフォトマスクの透光部と遮光部からなるパターンに対応した所望のパターンが形成される。
【０００３】
微小光学研究グループ機関誌（１９９９．３／４Ｖｏｌ．１７Ｎｏ．１）にはこのような透過率を２値制御したメタルマスクを用いて形成する微細光学素子として回折光学素子やバイナリオプティクスが示されている。
すなわち、１枚目のフォトマスクでパターンを形成した後エッチングにて感光性樹脂の厚みに相似した深さにウエハ基板をエッチングする。次にエッチングしたウエハ基板上に感光性樹脂を塗布して２枚目の１枚目とは異なるパターンを有するフォトマスクを用いてパターンを形成し、１枚目と同様に感光性樹脂の厚みに相似した深さにウエハ基板をエッチングする。
この工程を所望の回数、繰り返すことにより所望の微細光学素子が得られる。
このようにして得られた微細光学素子は平面と段差部から構成される。
比較的薄い感光性樹脂を塗布し露光・現像・エッチングを繰り返し、高さのある微細光学素子を形成する為、１段あたりの段差部はウエハ基板面に対し良好な垂直性が得られる。
【０００４】
一方、透光部と遮光部との中間の光量をも制御しうる透過率変調型フォトマスクがある。
透過率変調型フォトマスクを用いると上述のような３次元形状をなす微細光学素子を１回のフォトリソ工程で作製できる。
特開平５−２２４３９８号公報には透過率変調を与えるものとして解像限界以下の面積で透光部と遮光部の面積比率を変える面積変調型フォトマスクにてブレーズ状の回折格子の作製が開示されている。
また、特開平８−４４０４２号公報には透過率変調を与える別のタイプとして光吸収層を用いた濃度変調型フォトマスクにてブレーズ状の回折型レンズの作製が開示してある。
濃度変調型フォトマスクの構成としては、合成石英などの基盤上に高分子などからなる光吸収層を形成し、光吸収層の厚みで透過率を制御する例が示してある。このような透過率変調型フォトマスクを用いて得られた微細光学素子では滑らかな斜面が形成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、透過率変調型フォトマスクを用いた上記従来例では１回のフォトリソ工程で３次元形状の微細光学素子を形成する為、ウエハ基板に塗布する感光性樹脂の厚みが厚くなる。
これにより、面積変調型においては解像限界以下の透光部と遮光部の交互配列からの回折光が感光性樹脂を露光するため、垂直な段差を形成しようとする透光部の比率が多い領域と遮光部の比率が多い領域との境界では透過率強度の傾斜が透光部領域と遮光部領域にまで生じることになり、段差部が大きく傾斜するという欠点があった。
【０００６】
また、濃度変調型においてはフォトマスクとウエハをコンタクトさせて露光させたとしても、光吸収層の厚みが感光性樹脂の厚みに加わる為、回折効果が強調される。垂直な段差を形成する透光部と遮光部との境界で透光部側には透過強度がより強い所、遮光部側では透過強度がより弱い所が生じるため段差形成の幅が広がり段差部が大きく傾斜する。更には強化部にリップル形状が形成されるという欠点があった。これら透過率変調型のフォトマスクを用いて作製した場合、または透過率変調型のフォトマスクを用いてウェハ基板上に作製した３次元形状の微細光学素子をエッチングにてウェハ基板に形状を相似転写した場合においても、同様の形状が得られてしまう。これにより本来得られる光学性能を著しく損なうという欠点があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、フォトリソ工程により垂直段差がある微細光学素子を作製するに際し、フォトマスクの透光部と遮光部とにおける透過率が変化する境界部で、透光部と遮光部側に生じる回折干渉強度を緩和させ、該微細光学素子における垂直段差の形成が可能となるフォトマスク、微細光学素子を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【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に、次の（１）〜（５）のように構成したフォトマスク、微細光学素子を提供するものである。
（１）透光部と遮光部の透過率がスッテプ状に大きく変わる境界部に、該透光部の透過率より少ない透過率変化を与え、照射する紫外光の解像限界以下の幅を有する中間層を、設けたことを特徴とするフォトマスク。
（２）前記中間層は、その透過率が前記遮光部の透過率の略半分に設定されていることを特徴とする上記（１）に記載のフォトマスク。
（３）前記中間層は、連続した複数列からなっており、各中間層の透過率が前記境界部における透過率変化のステップより、小さいステップで順に変化するように設定されていることを特徴とする上記（１）に記載のフォトマスク。
（４）上記（１）〜（３）のいずれかに記載のフォトマスクを用いて作製したことを特徴とする微細光学素子。
（５）前記光学素子は、キノフォーム又はバイナリー型の回折光学素子であり、前記中間層の形成個所が前記回折光学素子の格子エッジに対応することを特徴する上記（４）に記載の微細光学素子。
【０００９】
【発明の実施の形態】
上記構成を適用することにより、フォトマスクの透光部と遮光部とにおける透過率が変化する境界部で、特に透過率がステップ状に大きく変わるフォトマスクの境界部で透光部と遮光部側に生じる回折干渉強度を緩和させ、透過率変化の乱れを少なくし、該微細光学素子における垂直段差の形成が可能となるフォトマスクを実現することができる。これにより透過率変調型のフォトマスクを構成し、１回のフォトリソ工程にて微細光学素子における垂直段差の形成が可能となる。また、これを用いて作製した型、並びに微細光学素子からは優れた光学性能が得られる。
【００１０】
【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は、本発明の実施例１におけるフォトマスクの構成を示す略断面図である。同図において、１はマスク基盤である合成石英基板、２は光吸収層からなるブレーズ状の回折レンズパターン、３は透過率を吸収層の厚みで制御してなるブレーズ状レンズの輪帯部分であり、図１に示すように輪帯部の厚み（回折レンズパターンの高さ）をｈとしたした場合、輪帯部の最小厚み（ｈ＝０）で最大の透過率が得られるようにした透光部と、輪帯部の最大厚み（ｈ）で最小の透過率が得られるようにした遮光部が形成されている。
４は隣り合う輪帯間の境界部、すなわち上記透光部と遮光部の境界部に、解像限界以下の幅で設けた中間層である。
本実施例においては上記中間層の幅を０．２μｍ幅とした。中間層の透過率は、上記透光部と上記遮光部との透過光量の差分の半分に相当する透過光量が得られるように、輪帯部の厚み差の略半分（ｈ／２）に中間層の厚みが設定されている。
【００１１】
次に、本実施例によるフォトマスクを用いた微細光学素子の作製を説明する。ウエハとするφ５インチの合成石英基板を洗浄して表面をクリーニングした後カップリング剤のベーパー蒸気内を通過させウエハ表面にカップリング層を形成する。
次いで、感光性樹脂をスピナーにて塗布形成する。この時塗布厚が４μｍになるように回転数を調整した。次に１００℃に設定したクリーンオーブン内で７分間プリベークした。冷却した後、本実施例のフォトマスクをフォトマスクのガラス面とウエハの感光性樹脂とを密着させフォトマスクの吸収層側から紫外線を照射し露光した。
次に、ウエハを感光性樹脂に適した現像液に浸し所定の時間現像した後、純水にて洗浄し余分な水分を除去した。ウエハ面上に作製されたブレーズ状（キノフォーム）回折レンズの断面をＳＥＭにて観察した。
【００１２】
その結果を図２に示す。輪帯境界部の段差はウエハ基板面に対し良好な垂直性が得られていた。段差は３．８μｍあった。輪帯部の最大厚みに相当する頂角部分（格子エッジ）で鋭角な形状が得られており、輪帯部の最小厚みに相当する傾斜部は湾曲しておらず所望の傾斜角で平滑な斜面が得られていた。この素子面にＮｉ膜を形成した後、Ｎｉ電鋳型を作製した。この型から作製した高分子樹脂性の微細光学素子からは優れた光学性能が得られた。
【００１３】
［実施例２］
次に、面積変調型のフォトマスクに、本発明の中間層の構成を適用した一例として、実施例２について説明する。
図３は本実施例における階段状回折格子のフォトマスクの構成を示す図であり、（ａ）はそのフォトマスク平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
この図３には１のマスク基盤である合成石英基板に、金属膜５が一様の厚みで成膜してある通常のフォトマスクにおいて、解像限界以下のドットで透光部と遮光部の面積比率を変えて透過率が３段階になるように繰り返しパターニングして形成された本実施例の階段状回折格子のフォトマスクの構成が示されている。
【００１４】
図３において、４ａは透過率が一番高い部分であり、この部分は遮光部は無く孔が空いている状態とされている。よって透過光量はマスク自体の透過率となる。４ｂは２番目に透過率が高い部分で、この部分は遮光部より透光部が占める面積が大きくなるように配置されている。
次に、４ｃは３番目に透過率が高い部分であり、この部分は透光部より遮光部が占める面積が大きくなるように配置されている。透過率が最も低い部分は透光部が無く金属膜で覆われている。透過光量の割合が順番に９０％、６０％、３０％、０％に相当する領域になるようにドットサイズを０．２５μｍとして配列した。各段のピッチは２０μｍとした。
【００１５】
透過率がステップ状に大きく変わる境界部、すなわち透過率が９０％と０％を示す大きな垂直段差が形成される格子エッジ箇所に透過率が１０％づつ変化するように透光部と遮光部を解像限界以下のドットサイズ０．０５μｍで配列した中間層を０．１μｍ幅で８列作製してある。またそれ以外の透過率のステップ幅が少ない境界部、９０％と６０％、６０％と３０％、３０％と０％にはそれぞれ透過率が１５％変化する中間層を０．１μｍ幅で１列作成した。
【００１６】
このフォトマスクを用いて実施例１と同様にφ５インチの合成石英基板に感光性樹脂を塗布して露光現像を行った。ただし塗布厚は３０μｍになるようにスピナーの回転数を調整した。
また塗布厚が変わることによる露光現像の諸条件を最適化した。
作製された階段状の回折格子の断面をＳＥＭにて観察したところ、図３（ｂ）に示すように透過率のステップが大きく変る段差部は基板に対し良好な垂直性を示していた。
段差２９μｍに対し段差の傾斜幅は約１μｍとわずかであった。
また、透過率のステップが小さいところの段差部も基板に対し良好な垂直性を示していた。
また、それぞれの段には窪みなどが無く平坦であった。
このことから、通常の半導体で使用しているメタルマスクを多数回露光現像して作製する階段状の回折格子と同様に段差部が垂直な微細光学素子が１回のフォトリソ工程にて得られた。
また、得られた素子形状をエッチングにてウェハ基板に相似転写することで、優れた光学性能を有する回折光学素子が得られた。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、フォトリソ工程により垂直段差がある微細光学素子を作製するに際し、フォトマスクの透光部と遮光部とにおける透過率が変化する境界部で、特に透過率がステップ状に大きく変わるフォトマスクの境界部で透光部と遮光部側に生じる回折干渉強度を緩和させ、該微細光学素子における垂直段差の形成が可能となるフォトマスクを提供することができ、またそれを用いて作製した微細光学素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施例１に係るブレーズ状レンズのフォトマスクの略断面図。
【図２】
本発明の実施例１により作製された回折格子の略断面形状を示す図。
【図３】
本発明の実施例２に係わる階段状回折格子のフォトマスクの構成を示す図であり、（ａ）はそのフォトマスク平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図。
【符号の説明】
１：マスク基盤である合成石英基板
２：ブレーズ状の回折レンズパターン
３：ブレーズ状レンズの輪帯部分
４：中間層
５：金属膜
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2003228160.tif 000001
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2003228160.tif 000002