(57)【要約】【課題】透過率を変調して三次元形状を感光性材料に作製する際に、量子化後の領域境界部が解像するような条件においても領域境界部に起因する表面粗さを改善すること。【解決手段】露光量に応じた感光性材料の現像後の膜厚分布により感光性材料の三次元光学素子形状を作製する透過率制御型の三次元光学素子形状形成マスクにおいて、透過率の階調毎に量子化したマスク上の領域の境界をずらした複数のマスクパターンを用意し、多重露光して三次元形状を形成する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光量に応じた感光性材料の現像後の膜厚分布により感光性材料の三次元光学素子形状を作製する透過率制御型の三次元光学素子形状形成マスクにおいて、
透過率の階調毎に量子化したマスク上の領域の境界をずらした複数のマスクパターンを用意し、多重露光して三次元形状を形成することを特徴とする三次元光学素子形状形成マスク。
【請求項２】
量子化したマスク上の領域境界のずらし量は用意するパターンが（２Ｎ−１）種類のとき、サンプリング点の中点である量子化領域幅の１／（２−１）ずつ両方向にずらしたことを特徴とする請求項１記載の三次元光学素子形状形成マスク。
【請求項３】
量子化したマスク上の領域境界のずらし量は用意するパターンが（２Ｎ）種類のとき、サンプリング点の中点である量子化領域幅の１／（２Ｎ）ずつの幅でずらしたことを特徴とする請求項１記載の三次元光学素子形状形成マスク。
【請求項４】
量子化したマスク上の領域境界をずらした複数のマスクパターンは、１枚のマスク上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の三次元光学素子形状形成マスク。
【請求項５】
量子化したマスク上のずらした新たな領域境界の数を素子の中で少なくとも１種類以上使っていることを特徴とする請求項２又は３記載の三次元光学素子形状形成マスク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、露光量に応じて感光性材料の残存する膜厚が変化する略線形な特性部分を利用して露光量の変化によって感光性材料の三次元形状を作製する工程に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、リソグラフィー技術を用いて作製される半導体素子の回路パターンは、マスクに形成された開口と遮光部の組合せにより設計され、感光性材料にマスクを透過した露光光を照射することによって転写される。感光性材料の代表例であるレジストにはポジ型とネガ型とがあり、工程毎の状況を見て適宜選択されるのが普通である。又、回路パターンは厚み方向を考慮しないのが一般的である。
【０００３】
近年は更なる微細化の目的で部分的な露光量を調整することによって、より微細なパターンを形成する手法が検討されている。そして、高さ方向の形状も部分的な露光量の調整によって制御しようとする提案もなされており、例えば、特許文献１は、フォトレジストに三次元形状を形成する方法を開示している。以下、図６を参照してその方法について説明する。
【０００４】
図６（ａ）はポジ型フォトレジストの特性曲線（感光曲線）を示す。図６（ａ）に示すように、ポジ型フォトレジストの特性曲線を予め実験的に得ることによって、入射する露光エネルギーと現像後の残留レジスト比との関係を求めることができる。図６（ｂ）に示すように、微小面積を最小単位として、３×３の９個を一塊として考えてみる。図６（ｂ）においては、５２が遮光部で５１が開口である。９個のうち遮光部５２と開口５１の個数比率を変化させ、図６（ｃ）に示すように、開口部５１のみから成る領域５３、遮光部５２が１個である領域５４、遮光部５２が２個である領域５５、遮光部５２が４個である領域５６、遮光部５２が５個である領域５７、遮光部５２のみから成る領域５７を形成する。この開口密度分布、即ち、透過率分布によって発生する強度分布は、図６（ｄ）に示すように、ポジ型レジストの感度特性によりレジストの膜厚変化に変換される。特許文献１は、斯かるマスクを利用してポジ型レジストに３次元形状を形成することを提案している。
【０００５】
又、形成すべき三次元形状のニーズもより難しい形状へと変化してきている。例えば特許文献２に開示された一部の境界が円弧状のレンズアレイでは形状が不連続になる部分があり、曲面と垂直側壁という感光性材料や露光条件にとって相反する形状を作製する必要がある。そのため、曲面表面の平滑化に向けた露光条件の設定には限界があり、僅かな光量差であっても量子化したマスク上の領域の境界が解像してしまうことが分かった。マスクの量子化領域の境界が解像する場合、量子化した階段上の形状に近くなってしまい、設計形状からの誤差を考えると量子化領域の境界でプラスマイナスに振れるような形状誤差となる。これを我々は量子化誤差と呼んでいる。マスクに対してより細かい階調、広い透過率調整幅が求められているものの、マスクの製造技術にも限界があってマスク製造技術以外の手段による解決が求められている。
【０００６】
曲面の表面粗さをより小さくする試みとしては、特許文献３に開示された方法がある。１度目の露光ではマスクを密着して露光させて、パターンのエッジをシャープに転写する。２度目の露光では感光性材料からマスクを離して解像力を落として露光する。２度目の露光によって解像力が落ちていることから滑らかな曲面を有する形状を感光性材料に転写することができている。
【０００７】
又、別にマスクの階調不足を補う方法として特許文献４に開示された方法がある。本方法によれば、合計でも量子化した領域の幅以下の量だけ横方向にマスクをずらして複数回の露光をしている。これにより、マスクの持っている階調数以上のステップ数で露光量の変化を付けることができる。
【０００８】
又、別の方法としては特許文献５に開示された方法がある。本方法によれば２枚のマスクを同時に露光光の光路上に配置することで、２段階に光の強度分布を発生させている。本方法では１枚目のマスクで球面レンズ形状に対応する光量パターンを形成し、２枚目のマスクで非球面量に相当する光量分布を重ねることで非球面レンズ形状に相当する形状を形成している。
【０００９】
【特許文献１】特開昭６３−２８９８１７号公報
【特許文献２】特開昭６２−１１５７１８号公報
【特許文献３】特開平０５−０３３１６４号公報
【特許文献４】特開２００２−１０７９４２号公報
【特許文献５】特開２００２−２７８０７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来技術では以下のような課題が残っていた。
【００１１】
即ち、特許文献１においては、透過率の変化は９個のグループに限定されており、滑らかな曲面を得るためにはステップが少な過ぎる。又、９個をひとまとめにして面積比率を考えているが、投影露光方式で開口・遮光部を解像せずに透過率だけを変化させるには、本従来例のマスク設計手法では非常に困難である。
【００１２】
又、特許文献３においては、デフォーカスを利用して解像度を調整しているために平滑な曲面を得ているが、特許文献２に開示された一部の境界が円弧状のレンズアレイのように一部にシャープな形状を有する場合は作製することができない。
【００１３】
又、特許文献４においては、マスクをずらしながら多重露光するためにやはりシャープな形状を転写、形成することが困難である。又、基本的に横ずらしのピッチが裾と頂上付近とで等しくなってしまうため、量子化の領域幅が変化していく球面レンズ面の形成が困難である。更に、マスクの移動は一方向が望ましく、球面レンズを形成するために二次元的にマスクを移動させた場合は周方向に変動する形状エラーが発生するためにレンズ性能を満たす形状を作製するのは困難である。
【００１４】
又、特許文献５においては、２枚のマスクを同時に光路上に配置する必要があり、一般的な縮小光学系を用いた露光装置に適用することができない。又、空間周波数が低く、振幅が小さい形状を狙った方法であり、空間周波数が高い表面粗さの改善は期待できない。
【００１５】
従って、本発明では従来技術で困難であった以下の課題を同時に解決するものであり、縮小投影方式の露光装置を用いて特別な改造を要することなくに三次元形状を形成し、シャープな形状の形成を同時に実現しながら量子化誤差に伴う曲面上の表面粗さを改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、露光量に応じた感光性材料の現像後の膜厚分布により感光性材料の三次元光学素子形状を作製する透過率制御型の三次元光学素子形状形成マスクにおいて、透過率の階調毎に量子化したマスク上の領域の境界をずらした複数のマスクパターンを用意し、多重露光して三次元形状を形成することを特徴とする。
【００１７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、量子化したマスク上の領域境界のずらし量は用意するパターンが（２Ｎ−１）種類のとき、サンプリング点の中点である量子化領域幅の１／（２−１）ずつ両方向にずらしたことを特徴とする。
【００１８】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、量子化したマスク上の領域境界のずらし量は用意するパターンが（２Ｎ）種類のとき、サンプリング点の中点である量子化領域幅の１／（２Ｎ）ずつの幅でずらしたことを特徴とする。
【００１９】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、量子化したマスク上の領域境界をずらした複数のマスクパターンは、１枚のマスク上に形成されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項５記載の発明は、請求項２又は３記載の発明において、量子化したマスク上のずらした新たな領域境界の数を素子の中で少なくとも１種類以上使っていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１記載の発明によれば、多重露光によって領域境界がずれたパターンが露光されるため、各領域境界における露光量のステップが小さくなり、且つ、それぞれの位置がずれるためにたとえパターンの転写能力が高い露光条件においても表面粗さへの影響が小さくなる。
【００２２】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明に加えて分割数を奇数としたことで、従来の設計手順でできたマスクを基準として新しい領域境界の位置を配置し易く設計手順が容易となる。
【００２３】
請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の発明に加えて多重露光の回数が偶数となり、作製する素子の形状や配置が偶数個で示される対称性を有する際に整合性が取れたマスクパターンを提供できる。
【００２４】
請求項４記載の発明によれば、複数のパターンを用いて露光する請求項１記載の発明をマスク枚数を増やすことなく実施でき、コストをも抑えた三次元形状及び露光方法を提供できる。
【００２５】
請求項５記載の発明によれば、領域境界をずらす数を部分部分で変化させることで、不必要にマスクデータを増やすことなく最適化することで本発明の効果を最大限に発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
＜実施の形態１＞
図１及び図２は本発明の実施の形態１の実施結果を説明するための図で、干渉式の表面粗さ計での計測結果である。
【００２８】
シャープな形状と滑らかな曲面形状を両立させるために実験を繰り返したところ、以下のような知見を得た。実験はｉ線ステッパーを用い、レジストは主たる感光波長がｇ線に有るクラリアント社製ＡＺ−Ｐ４０００シリーズを用いた。
【００２９】
実験ではシャープな形状を同時に形成するために種々の実験からフォーカスをレジスト表面近傍に設定した。この状態で従来の設計手法のままに量子化した透過率変調マスクで露光した結果が図１である。測定がやり易いようにパターンは一次元形状化（シリンドリカル形状）している。図１は干渉方式の表面粗さ計を用いて測定した結果で量子化誤差である縦の筋が幾本も走っている様子が理解できる。測定結果の中心が曲面の中心で、凹の形状をしているので、周辺にいくに従って量子化誤差の境界の間隔が狭くなっている様子も分かる。
【００３０】
次に、３種類のパターンを用いて順次重ねて露光した結果が図２である。パターンの設計形状、露光他の条件は同じである。３枚のマスクを設計してあり、露光量も１／３ずつである。量子化領域幅のそれぞれ１／３の幅だけ最も近似が良好な量子化領域境界を中心に左右にずらして設計した２枚の合計３枚である。図２から分かる通り、量子化誤差に起因する縦に走る凹凸（色の変化）が減少している。
【００３１】
本実施の形態で用いたマスク境界を図３及び図４を用いて説明する。
【００３２】
両図とも一次元形状化したパターンの断面およびパターンのうち、中心からの半分だけ図示している。本実施の形態では、図３において、マスクパターンを設計するために設計形状１をサンプリングし、サンプリング点２の中点を領域境界３と定義する。領域境界３に挟まれた領域内はサンプリング点の形状高さになるようにマスクの透過率を設計している。
【００３３】
更に、図４に示す通り、領域境界３の両側にシフト領域ａ６とシフト領域ｂ７に領域境界をずらした３種類のパターンを用意した。ここで、領域境界を中心に両側に多重露光パターンの領域境界をずらしたが、手順はこれ１つではなく、領域境界を作成形状で露光量が少なくなる側で１／３ずつに区切っても良い。又、より厳密に作製形状（より正確には必要露光量）に合わせてそれぞれの境界位置を設計すれば目的の形状に近い結果が得られる。
【００３４】
又、本実施の形態では、領域境界を変化させた３つのパターンについて、横又は縦方向に並べてその並びを繰り返した。そして、露光する際には１枚のマスクを素子ピッチで左右にずらして３種類のパターンを重ねて露光した。そうすることで、マスクを１枚に抑えながら３種類の露光に成功した。又、パターンの端には必要な露光回数だけ露光されていない無駄なパターンが存在するが、無駄になるのはマイクロレンズアレイの素子ピッチの幅だけである。マスクの有効領域を最大限に利用することができた。
【００３５】
又、１枚のマスクに納めるにしても有効領域を例えば４分割してそれぞれに領域境界が異なるパターンを配置する、或は横方向に分割ラインを定義して３分割して、露光時には１種類だけ露光パターンとして抜き出して順次露光しても構わない。本実施の形態で示した露光手順に比べてショット数が増えるものの、目的の形状を作製できる。
【００３６】
＜実施の形態２＞
次に、本発明の実施の形態２について説明する。
【００３７】
本実施の形態では、分割数を４と偶数にした。当初設計の領域境界を中心に両側に均等に領域境界をずらしたパターンを多重露光したところ、表面粗さが低減された形状を得た。又、本実施の形態では、両側に均等に領域境界をずらしたが、露光量が少ない側で細かく４分割しても良い。その際、均等分割でなく、作製形状に合わせて細かくそれぞれの領域境界位置をその都度設計しても良い。より厳密なマスク設計をすることで所望の形状に近い形状が得られるからである。注意しなければならない点は、余りに細かい手順を設定してしまうとマスク設計の手間のみならず、マスク製造用のデータ量が膨大となってしまい、現実的な範囲では処理できなくなる場合もあることである。従って、処理としては横方向の変化に対する形状の高さの変化量、即ち傾きが急峻なところでは比較的粗い内容の設計にして、傾きが緩い部分では細かく設計する等、形状の中でも領域を分けて設計手順を使い分けても良い。
【００３８】
本実施の形態では、六角形の輪郭を有するレンズアレイを製作した。六角形のレンズはレンズ密度を高めるためにその輪郭はハニカム状に並んでいる。実施の形態１と同様にして一方向に各領域境界をずらしたパターンを並べて、やはり一方向にずらして露光してもパターニングは可能である。ここでは、素子のサイズが少々大きめだったこともあり、図５に示す通り、４つで１組と考えて、その中で４種類のパターンを並べた。その際、横方向と縦方向に１素子分ずつずらして露光することで全種類のパターンを露光することができる。このときのずらし量は、図中シフト量として示した素子ピッチである。又、単純に一方向に並べる場合と比較して周辺部で無駄になる素子数が少なくなるのも本手法の効果である。本実施の形態のレンズアレイ形状、パターン配置であれば、マスクを１８０度回転して露光することでも効果的に多重露光ができる。
【００３９】
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されないことは言うまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態１を説明するための図で、従来法で作製した場合の表面粗さ状態を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１を説明するための図で、本発明で作製した場合の表面粗さの状態を示す図である。
【図３】領域境界の位置設定の手順を説明する図である。
【図４】領域境界の位置設定の手順を説明する図である。
【図５】パターン配置を説明するための図である。
【図６】ポジ型フォトレジストの特性曲線（感光曲線）を示す図である
【符号の説明】
【００４１】
１      設計形状
２      サンプリング点
３      領域境界
４      マスクパターン
【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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