(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に階段状要素の高さに応じた厚みを有し、互いにエッチングレートが異なる２つの材料を交互に積層し、前記２つの材料のうち前記エッチングレートが大きい方の材料の層を前記階段状の要素の主要部とし、前記エッチングレートが小さい方の材料の層は前記エッチングレートが大きい方の材料の層をエッチングする際のストッパとして作用する第１のエッチングストッパ層とし、前記２つの材料よりも前記エッチングレートが小さい材料から成りかつ前記２つの材料の双方をエッチングする際のストッパとして作用する第２のエッチングストッパ層を前記基板側に有する多層膜を形成し、前記基板上の前記多層膜を前記階段状要素の最下段の面の前記第２のエッチングストッパ層が露出するようにフォトレジストでパターニングし、前記第２のエッチングストッパ層に相当する領域までエッチングすることにより前記階段状要素の前記最下段の面を生成した後に、前記フォトレジストにより既に露出している前記第２のエッチングストッパ層にかかるようにパターニングし、前記基板上の前記多層膜における前記階段状要素の他の段に相当する領域を必要な深さだけエッチングすることにより前記階段状要素の前記他の段の面を生成することを特徴とする素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法を用いて回折格子を作製する工程を含む素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の製造方法を用いて回折格子の型を作製し、該型を用いて前記回折格子を形成する工程を含む素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１の製造方法を用いて製造した回折光学素子を備える光学系。
【請求項５】
請求項１の製造方法を用いて製造した型を用いて製作した回折光学素子を備える光学系。
【請求項６】
前記第２のエッチングストッパ層を形成した後にアニール処理を行う請求項１に記載の素子の製造方法。
【請求項７】
前記階段状形状の形成により露出した前記第２のエッチングストッパ層をエッチングにより除去する請求項６に記載の素子の製造方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の製造方法により製作した素子を型として、樹脂を充填し硬化転写することにより回折光学素子を作製する素子の製造方法。
【請求項９】
請求項６又は７に記載の製造方法により回折光学素子を作製する工程を含む素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項６〜９の何れか１つの請求項に記載の製造方法によって製作した素子。
【請求項１１】
請求項１０に記載の素子を有する露光装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の露光装置による露光工程を含むデバイス製造方法。
【請求項１３】
請求項６〜９の何れか１つの請求項に記載の製造方法によって製作した素子を有する光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、階段状の回折格子等における微細構造を有する素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回折光学素子は光の回折現象を利用した光学素子であり、様々な形状や寸法の回折格子により構成することができる。例えば、階段形状の回折格子の作製方法が特開平９−５４４２０号公報に記載されており、この場合は基板上に初期遮光膜パターンを形成し、この遮光膜パターンから露出した基板を第１の深さだけエッチングし、この上にネガ型レジストを塗布する。その後に、この遮光膜上の所定部のネガレジストを露光すると共に、基板裏面から全面露光し現像することによりマスクパターンを形成する。このマスクパターンから露出した遮光膜をエッチングし、更にこのマスクパターンから露出した基板を第２の深さだけエッチングする。この工程を繰り返すことによって、２段以上の多段に基板をエッチングする型製法である。
【０００３】
しかしながら、特開平９−５４４２０号公報によるネガレジストを利用して基板裏面側からパターニングする方式では、段数が進んでくるとエッチングすべきアスペクト比が高くなり、深い部分のエッチング形状が先細りしてくる。これによって、段と段の境目に角状のエッチング残りが形成されるために、連続した矩形をなす階段形状が得られないという問題点がある。
一方、特開平６−２５８５１０号公報に回折格子の断面が階段形状から成る回折光学素子の作製方法が開示されており、この回折光学素子はエッチングガスに対して反応性の異なる２種類の材料を、膜厚を十分に管理して基板上に交互に積層した後に、この２種類の材料を交互層に対してフォトリソグラフィ技術によりパターニング、エッチングを行うことにより階段状回折格子を形成している。
【０００４】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、高精度な矩形階段形状となるようにエッチングを行う素子の製造方法を提供することにある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、断面が階段形状の回折格子を形成する際に、上述の従来例の特開平６−２５８５１０号公報の方式では、パターニングを３回重ねて行うと、階段と向かい合う側の側壁にアライメントずれが発生する。このために、階段の底面に対して、この側壁が裾を引く形状が顕著となり、この側壁が垂直な矩形をなす階段形状が得られないという問題点がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る素子の製造方法は、基板上に階段状要素の高さに応じた厚みを有し、互いにエッチングレートが異なる２つの材料を交互に積層し、前記２つの材料のうち前記エッチングレートが大きい方の材料の層を前記階段状の要素の主要部とし、前記エッチングレートが小さい方の材料の層は前記エッチングレートが大きい方の材料の層をエッチングする際のストッパとして作用する第１のエッチングストッパ層とし、前記２つの材料よりも前記エッチングレートが小さい材料から成りかつ前記２つの材料の双方をエッチングする際のストッパとして作用する第２のエッチングストッパ層を前記基板側に有する多層膜を形成し、前記基板上の前記多層膜を前記階段状要素の最下段の面の前記第２のエッチングストッパ層が露出するようにフォトレジストでパターニングし、前記第２のエッチングストッパ層に相当する領域までエッチングすることにより前記階段状要素の前記最下段の面を生成した後に、前記フォトレジストにより既に露出している前記第２のエッチングストッパ層にかかるようにパターニングし、前記基板上の前記多層膜における前記階段状要素の他の段に相当する領域を必要な深さだけエッチングすることにより前記階段状要素の前記他の段の面を生成することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は第１の実施例における４段の階段形状の回折光学素子の断面図を示し、光学ガラス、金属、合成樹脂から成る基板１上に、エッチングによって階段部を形成するために、交互積層膜としてスパッタリング層（エッチング層）２と、各段のエッチングストッパとして機能するエッチングストッパ層３とが交互に積層されて成膜されている。そして、基板１と交互積層膜の最下層のエッチングストッパ層３との間には、第２のエッチングストッパ層４が設けられている。
【００１０】
本実施例では、基板１としてＳｉウエハを使用し、基板１の面上に形成する交互積層膜の一方の層を成す層２にはＳｉＯ２膜を使用して、層２のそれぞれの膜厚が６００ｎｍとなるように通常のスパッタリング成膜装置で成膜する。また、交互積層膜の他方の層を成す層３には、ＳｉＯ２膜とはエッチングレートが異なるＡｌ２Ｏ３膜をそれぞれ膜厚が１０ｎｍとなるように同様のスパッタリング成膜装置を用いて成膜する。また、第２のエッチングストッパ層４は交互積層膜のスパッタリング膜（エッチング層）２とエッチングストッパ層３をエッチングするエッチングガスに対して極めてエッチングレートが遅い特性を有する金属膜又は誘電体膜から成り、例えばＣｒ２Ｏ３膜を用いる。このＣｒ２Ｏ３膜は基板１と最下層のエッチングストッパ層３との間に、例えば通常の真空成膜法を用いて成膜する。
【００１１】
図２〜図７は図１における回折光学素子の製作模式図を示し、先ず直径８インチから成り良く洗浄された基板１を、成膜面がスパッタリング装置のターゲットに向くようにして槽内のサンプルホルダにセットする。そして、十分に真空排気した後に、酸素ガスとアルゴンガスを槽内に導入して、漕内の圧力を２Ｐａに設定する。ＲＦ電源より出力４００Ｗの高周波を電極に印加し、前述のＣｒ２Ｏ３膜から成る第２のエッチングストッパ層４を面内に膜厚が１００ｎｍとなるように均一に成膜する。成膜後に一旦槽内の真空を開放し、加熱高温炉にサンプルを投入して９００度で２時間、大気雰囲気中でアニール処理する。
【００１２】
そして、十分に徐冷した後に、再びスパッタリング装置に先程と同様にサンプルをセットする。ターゲットをＡｌに変えて酸素ガスとアルゴンガスの混合比が同じになるように調節して、アニール処理した第２のエッチングストッパ層４上に第１のエッチングストッパ層３を面内に膜厚が１０ｎｍとなるように均一に成膜する。
【００１３】
今度は真空を開放せずにターゲットをＳｉＯ２に交換し、酸素ガスとアルゴンガスの混合比が酸素１に対しアルゴンガスが１０となるように調節して、エッチングストッパ層３上にスパッタリング膜２を面内に膜厚が６００ｎｍになるように均一に成膜する。続けて、層３と層２とを交互層を更に２回成膜することにより、６層から成る交互積層膜を第２のエッチングストッパ層４上に形成する。
【００１４】
更に、このようなサンプルに、パターニングされたフォトレジスト５を使用して、エッチングにより４段の階段形状を形成する。図２において、交互積層膜上にスピンナによりフォトレジスト５を形成し、４段目に相当する段幅１μｍのパターニングを露光、現像する。
【００１５】
次に、通常のＲＩＥエッチング装置の電極上に、成膜面がエッチングされるようにこのサンプルをセットし、十分に真空排気した後に、エッチングガスとしてＣＦ４とＣＨＦ３を導入し、槽内の圧力を１Ｐａとなるように設定する。高周波電源から電極に出力１００Ｗの電力を印加して放電し、サンプル表面から層２が１層エッチングされる所定時間だけエッチングを行う。更に、エッチングガスをＣＣｌ４に変えて層３をエッチングする。これを交互に３回繰り返し、図３に示すように交互積層膜を１μｍ幅で第２のエッチングストッパ層４が完全に露出するまでエッチングを行う。これによって、図３に示すように最下段に相当する上から数えて４段目のパターニング、エッチングが終了する。
【００１６】
サンプルをエッチング装置から取り出してレジスト５を剥離し、再度図４に示すように、スピンナにより交互積層膜上にフォトレジスト５を形成する。今度は２段目に相当する段幅２μｍにパターニングのアライメント精度として、０．３μｍを加味した段幅２．３μｍで露光、現像する。このときの０．３μｍ幅は既にエッチングして露出しているエッチングストッパ層側にくるようにする。
【００１７】
前回と同様に、エッチング装置にサンプルをセットし、図５に示すように層２が１層エッチングされる所定時間だけエッチングし、同様にエッチングガスを変えて層３をエッチングする。サンプルをエッチング装置より出してレジスト５を剥離する。次に、前回と同様に図６に示すようにスピンナにより交互積層膜上にフォトレジスト５を形成し、３段目に相当する段幅１μｍにパターニングのアライメント精度として、０．３μｍを加味した段幅１．３μｍで露光、現像する。このときの０．３μｍ幅も既にエッチングし露出している層３側にくるようにする。
【００１８】
更に、前回と同様にエッチング装置にサンプルをセットし、図７に示すように層２が１層エッチングされる所定時間だけエッチングし、同様にエッチングガスを変えて層３をエッチングする。そして、サンプルをエッチング装置より出してレジスト５を剥離する。次に、Ｃｒ２Ｏ３剥離液の中にエッチングしたサンプルを浸し、超音波をかけて第２のエッチングストッパ層４だけを剥離し、２段目、３段目のエッチングで面荒れした第２のエッチングストッパ層４を除去し、平滑な基板１の面を溝底面に露出させる。そして、純水により十分に洗い流した後にＮ２ブロワにより乾燥して、図１に示すような４段の回折光学素子が形成される。
【００１９】
また、この回折格子面にＡｌ反射面を通常の真空蒸着装置により形成すれば、４段の反射式回折光学素子を作製することができる。この実施例の作製方法によれば、断面階段形状、特に階段と向かい合う側の側壁が底面に対し垂直となり、エッチング底面に面荒れがなく、かつ何れも平滑面となる１段当りの段差が揃った矩形形状を形成することができるため回折特性に優れた回折光学素子を低コストで安定して製造することが可能となる。なお、階段部を構成するスパッタリング膜２やエッチングストッパ層３は、実施例で述べた膜材に限る組み合わせでなくとも、同様の効果が得られる。
【００２０】
図８は第２の実施例の断面図を示し、第１の実施例において第２のエッチングストッパ層４として使用したＣｒ２Ｏ３膜を金属Ｃｒ膜から成るエッチングストッパ層４’に変更し、加熱高温炉において４００度で２時間、Ｎ２雰囲気中でアニール処理を施す。この第２のエッチングストッパ層４’上にＡｌ２Ｏ３膜から成る第１のエッチングストッパ層３と階段部を構成するＳｉＯ２膜から成るスパッタリング膜（エッチング層）２を交互に２回積層し、それに対応したフォトリソグラフィ工程、エッチング工程を行って回折光学素子を作製する。その他は第１の実施例と同様である。
【００２１】
このようにして、第１の実施例と同様に側壁が底面に垂直で面荒れがなく平滑な段差が揃った矩形形状の３段の反射式回折光学素子を作製することができる。金属Ｃｒ膜から成る第２のエッチングストッパ層４‘を使用することによって、通常のフォトリソグラフィ工程で使用するＳｉウエハから成る基板１と近い反射率が得られるため、通常の露光条件を適用することができ、生産の切換えを円滑に行うことができる。なお、これ以外の段数から成る回折光学素子についても同様の効果が得られる。
【００２２】
また、第１の実施例において、基板１をＳｉウエハから石英に変更してエッチングした回折格子面に、Ａｌ反射膜ではなく反射防止膜を通常の真空蒸着装置により形成してもよい。これによって、第１の実施例と同様の特性を有する４段の透過式回折光学素子を実現できる。なお、ここで用いた石英以外の透明な光学基材に対しても同様な効果が得られる。
【００２３】
更に、第１の実施例において第２のエッチングストッパ層４の上に、エッチングストッパ層３を成膜せずに直接エッチング層２を成膜し、その後は第１の実施例と同様にエッチングストッパ層３との交互積層膜を形成することにより、４段の回折光学素子を作製してもよい。この場合は、回折格子面にＡｌ反射膜を形成せずに、型としてこれに紫外線硬化樹脂を滴下し、その上から光学ガラスを張り合わせ、回折格子の裏面又は表面から紫外線を照射して硬化した後に、剥離してレプリカ転写することにより回折格子を得る。また、型に熱可塑性樹脂を流し込み、インジェクション成型しても回折格子を得られる。そして、この成型により得られた回折格子の格子面にＡｌ反射膜を形成して反射式回折光学素子を形成すれば、第１の実施例と同様の特性を有する４段の反射式回折光学素子を再現性良く安価に実現することができる。
【００２４】
なお、第１の実施例において第２のエッチングストッパ層４を形成せずに、基板１上に直接エッチングストッパ層３とエッチング層２を交互に積層して、回折光学素子を作製した場合には、上から数えて４段目に相当する溝部つまり最下段に小さな溝ができたり、溝面が荒れる等の現象が見られるが、階段と向かう合う側の側壁は垂直にできる。
【００２５】
また、第１の実施例において第２のエッチングストッパ層４を成膜した後にアニール処理を行ったのは、エッチングストッパ層３とスパッタリング膜２を交互に積層した場合には、交互積層膜を形成している最中に一部の膜剥離が発生したり、基板１面内において部分的に膜質が変化して所望のパターニングが困難になり、またフォトリソグラフィ工程におけるレジスト剥離や洗浄工程においても一部に膜剥離が発生する可能性を小さくなり、なくすためである。
【００２６】
更に、第１の実施例において、回折格子面にＡｌ反射膜を成膜して反射式回折光学素子を形成する場合、エッチングを終了した後に第２のエッチングストッパ層４をウエットエッチングにより除去することになり、上から数えて４段目に相当する最下段の溝面が荒れるという現象がない。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る素子の製造方法は、高精度な矩形階段形状となるようにエッチングすることができる。ここで開示した実施の形態においては、互いにエッチングレートが異なるエッチング膜とエッチングストッパ膜の２種類を交互に成膜して交互積層膜を形成する際に、基板と交互積層膜との間に先の２種類と異なるエッチングレートを有する第２のエッチングストッパ層を設けることにより、交互積層膜がエッチングされる条件に晒されても、ストッパ層を超えて基板側にエッチングが進まないために、階段と向かい合う側の側壁が溝底面に対し垂直な階段形状の断面を有する矩形形状を形成することができ、基板と交互積層膜に対し良好な密着性又は耐久性が得られ、素子の型とした場合に成形転写による型耐久性を向上することができる。更に、溝底面を平滑にすることができるので優れた回折分光特性を有し、再現性良く低コストで安定した製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の回折光学素子の断面図である。
【図２】第１の実施例の製造工程の断面図である。
【図３】第１の実施例の製造工程の断面図である。
【図４】第１の実施例の製造工程の断面図である。
【図５】第１の実施例の製造工程の断面図である。
【図６】第１の実施例の製造工程の断面図である。
【図７】第１の実施例の製造工程の断面図である。
【図８】第１の実施例の第２の実施例の回折光学素子の断面図である。
【符号の説明】
１  基板
２  スパッタリング膜
３  エッチングストッパ層
４、４’  第２のエッチングストッパ層
５  フォトレジスト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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