(57)【要約】【課題】垂直側壁のようなシャープな形状を有する光学部材を作成しようとした場合、デフォーカス等して解像力を低下させると、その垂直側壁の形状が劣化し、大きなテーパ形状となってしまい、所望の垂直側壁のようなシャープな形状を得られないという問題があった。【解決手段】露光装置の投影光学系の結像位置をレジスト表面近傍にし、且つ、その際に使用するマスクのドットパターンのピッチを均一にしているため、従来よりも設計値に近いシャープな形状を有する３次元形状を形成できる。【選択図】        図６
2005003879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光時に解像不可能である一定のピッチで格子状に並べられたドットパターンを有する複数の領域を有し、該ドットパターンのドットのサイズは各領域ごとに調整されており、該各領域内では略同じ大きさとされているマスクを用意するステップと、
前記マスクを投影露光装置にセットするステップと、
前記投影露光装置の前記マスクのパターンが結像する位置若しくはその近傍に基板上に形成した感光性材料を配置して該感光性材料を露光するステップと、
該露光した感光性材料を現像するステップと、を有することを特徴とする素子の製造方法。
【請求項２】
前記現像した感光性材料をマスクとして前記基板をエッチングすることにより該感光性材料の形状を該基板に転写するステップを更に有することを特徴とする請求項１の素子の製造方法。
【請求項３】
前記３次元形状は基本図形をアレイ状に並べた形状を有し、前記格子の原点を該基本図形の中心に設定することを特徴とする素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に三次元形状を形成する方法に関するものであり、特に、マイクロレンズ、回折格子などの光学素子や半導体デバイスなどの素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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（レチクル）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。
【０００３】
従来は、回路パターンを形成する際にはレジストの厚み方向を考慮せず、幅のみ考慮するのが一般的であったが、近年は半導体素子の断線を防ぐ等の目的で部分的な露光量を調整することによって、レジストの厚み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１参照。）、露光量に応じて残存する膜厚が略線形で変化するという感光性材料の特性を利用している。
【０００４】
以下、図５を参照して特許文献１について説明する。
【０００５】
図５（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５（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膜厚との関係を求めることができる。ここで、図５（ｂ）に示す３ｘ３の９個を最小単位としたものを考慮する。図５（ｂ）においては５２が遮光部で５１が透光部である。図５（ｃ）はその最小単位で構成したマスクを表す図であり、９個のうちの遮光部５２と透光部５１との個数の比率を変化させた領域５３〜５７を有する。
【０００６】
具体的には、最小単位が透光部５１のみからなる領域５３、遮光部５２が９個中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のみからなる領域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５（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、か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。
【０００７】
また、近年では光学素子の屈折面や反射面に、球面や非球面等に代表される特殊な面形状が使用されるようになってきている。更に、液晶表示素子や液晶プロジェクター等に関連して、マイクロレンズ等にも特殊な面形状が求められている。屈折面や反射面を型成形や研磨によらずに形成する方法として、光学基板の表面にフォトレジストの層を形成し、このフォトレジスト層に対して二次元的な透過率分布を有する露光用マスクを介して露光し、フォトレジストの現像によりフォトレジストの表面形状として凸面形状もしくは凹面形状を得る方法が知られている。その後、フォトレジストと光学基板とに対して異方性エッチングを行い、フォトレジストの表面形状を光学基板に彫り写して転写する。転写の結果、光学基板の表面に所望の三次元構造の屈折面や反射面の形状を得ることができる（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
図７及び図８を参照して特許文献２の実施形態を説明する。特許文献３では解像しない一定ピッチの開口７１を並べたパターンを解像可能な周期Ｐで開口部の面積を変動させている。これによりレジストに露光光を照射した際は個々の開口パターンは解像することなく、開口率の変化だけが光量の分布としてあらわれる。開口率は露光量に対するレジストの残膜特性から設計されており、発生した光量分布によって感光したレジストパターンは光量分布を残膜量に変換した形状を有している。またここで開口の形状は直線的だけでなく、矩形の解像しない一定周期の開口で形成する手法も開示されている（図８）。さらにマスクに作製する開口サイズによっては投影光学系のフォーカス面（結像面）を極端にデフォーカス（結像面を基板のレジストが塗布された面とは反対側の面よりも離れた所に位置させる等）させて解像力を調整する手法も開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開昭６３−２８９８１７号公報
【特許文献２】
特開平０５−２２４３９８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、３次元形状が滑らかな形状となるように、露光装置の投影光学系の結像面をデフォーカスさせる等、マスクのパターン露光時の条件をわざわざ極端に劣化させていた。
【００１１】
しかし、例えば垂直側壁のようなシャープな形状を有する回折光学素子を作成しようとした場合、デフォーカス等して解像力を低下させると、その垂直側壁の形状が劣化し、大きなテーパ形状となってしまい、所望の垂直側壁のようなシャープな形状を得られないという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明者は、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線を光源とする後述の投影露光装置を用い、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。
【００１３】
投影露光装置の結像面を極端にレジストからデフォーカスさせた条件で露光を行うと確かにレジスト表面は平滑になった。ところが、図１０に示す通り、テーパ部分はデフォーカス量が大きい程テーパが大きくなってしまい。設計形状からの誤差が大きい。これに対してフォーカスをレジスト表面に合わせた場合はテーパ部が起きて来て設計値に近付いていることが分かる。このことからフォーカスはレジスト表面近傍に設定した方が望ましいことが分かる。
【００１４】
ところが、フォーカスをレジスト表面近傍に設定した場合には問題があることも同時にわかった。それは３次元形状を形成するためのマスクとして特許文献１のように透過率の異なる各領域でパターンのピッチを変化させたときに問題となる。隣接する領域の境界においては、領域ごとにピッチが変わっているため、ドットパターンが近付いたり離れたりしている。つまり、極端な場合には、隣接するどちらの領域の境界にもドットが配置され、その境界部分だけ大きなドットが配置されているのと同じ状況となり、境界の輪郭が微妙にレジストに転写されてしまうという現象が起こっていた。これは、設計上、光の強度分布に与える影響は小さいと考えられ、実際にレジストから投影光学系の結像面をデフォーカスさせるなどの条件設定で平滑化できるものであった。ところが、テーパ部の誤差を低減するためにフォーカス位置をレジスト表面若しくは近傍に設定すると、微妙な光量分布がレジスト形状に影響してしまう（参照：図１１）。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、上記課題を解決すべく、所望のシャープな３次元形状を得ることのできる３次元形状の形成方法を提供することを例示的目的とする。
【００１６】
本発明の素子の製造方法は、露光時に解像不可能である一定のピッチで格子状に並べられたドットパターンを有する複数の領域を有し、該ドットパターンのドットのサイズは各領域ごとに調整されており、該各領域内では略同じ大きさとされているマスクを用意するステップと、前記マスクを投影露光装置にセットするステップと、前記投影露光装置の前記マスクのパターンが結像する位置若しくはその近傍（前記基板表面位置と、レジスト表面から該レジスト膜厚分だけ離れた位置との間）に基板上に形成した感光性材料を配置して該感光性材料を露光するステップと、該露光した感光性材料を現像するステップと、を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下の添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【００１８】
【発明の実施の形態】
近年ではマスクの製造技術も格段に向上しており、従来よりも微小なドットサイズおよび微小ピッチのマスクパターンを作成することが可能になってきた。
【００１９】
そこで、ピッチを一定にしてドットパターンのサイズのみ変更することで透過率を制御したところ、フォーカスをレジスト表面近傍に設定した際にも平滑な曲面を得ることができた。
【００２０】
以下、より具体的な実施例について説明する。
【００２１】
＜実施例＞
図１は本実施例で作製しようとするマイクロレンズアレイである。図１のマイクロレンズアレイ１は特開昭６２−１１５７１８号公報にて提案されているものであり、ハエノメレンズの素子レンズの外形を円弧形状にした円弧レンズを複数集めることで構成されている。このレンズアレイを構成要素のレンズの中心を通る断面で観察したものが図２である。ここで２は断面を観察した際の表面形状、３は断面形状をサンプリングするために基板を基準に設定した等しい高さの線である。直線３によってレンズ表面をサンプリングすると実際には基板からの高さが等しい等高線が得られている。
【００２２】
次に等しい高さの線３と三次元形状の表面形状２との交点を形状のサンプリング点４（実際には等高線）とする。このサンプリング点４を元に複数の領域を設定する。図３に示した通り、表面形状２上に複数のサンプリング点４が求められる。
【００２３】
ここでサンプリング点４を基準平面である基板表面に投影した点１０で、隣接する投影したサンプリング点１０間の中点を求める。中点は三次元形状を作製する上でマスク開口率を変化させる領域境界９を与える。領域境界９が求まった後は、領域内の高さをサンプリング点４の高さで代表し、領域内部の開口率を決定する。その際は図４に示す別途測定してある感光性材料の露光量と残膜の特性から代表高さに対応する露光量を求める。さらに三次元形状でもっとも露光量を必要とする領域の露光量を１００として各領域毎の露光量の最大露光量からの比率をもとめ、透過率を求める。我々の実験によれば解像限界以下のパターンを用いて露光を行う場合、開口率が実質的な透過率にはならず、補正が必要であることが分かっている。そこで、１００の透過率の開口を用いて露光量を変化させた場合と、開口率を変化させて露光量を変化させた場合の結果を比較することで、寸法から求まる開口率と実効的な透過率との関係を求めておき、最終的に透過率から開口率を決める。
【００２４】
マスクの開口率を制御して最終的に得られる感光性材料の３次元形状はつぎの手順で求められる。それぞれのサンプリング点４において水平に線７を伸ばし、かつマスク開口率の領域境界点９から垂直方向に伸ばした線との交点８をもとめる。サンプリング点４を通る直線７は交点８まで伸び、交点８ではそれぞれ隣接する高さまで垂直に結べば設計したマスクによって得られる感光性材料の３次元形状となる。ただし、感光性材料の解像力を含め、プロセス全体の解像力と比較してサンプリングの間隔が十分に密であれば、前記矩形の近似形状ではなく、連続的な滑らかな曲線が得られることが分かっている。
【００２５】
次に決められた開口率に基づいてマスクを設計／製作する。ここでは目的の形状が円弧レンズを集めたレンズアレイなので、基本となるレンズを抜きだして考え、説明のため球面の中心部のみを書き出して説明する。
【００２６】
図６に示すように等高線３を用いてマスク領域１６を設計すると領域境界はレンズの中心を中心とする同心円状のものとなる。ここでは中央部の領域を代表して表している。ここで、図６は、本実施例で使用するマスク９５の一部である。
【００２７】
今回、投影露光装置にはｉ線（波長３６５ｎｍ）を光源とするものを用いたので、解像限界には少々の余裕を見て０．４ｕｍのピッチとし、全面均一なピッチでドットパターンを配置した。この様に、マスクのドットのピッチをマスク上で均一にすることで、前述したようなドットのサイズが互いに異なる隣接する領域のその境界において部分的な開口率の分布うねりの発生を防止することが可能となる。
【００２８】
もちろん０．４ｕｍは一例であり、ピッチサイズは実効的な範囲で選択することができる。ピッチが細かい方がドットの数が多くなり、より繊細な透過率の変化を発生させることができるし、ピッチが大きければ最大のドットサイズから製造限界の最小のドットサイズまでの範囲が広くなり、ドットサイズをより微妙に制御できることとなる。いずれにしても高性能なマスク製造はコストがかかる作業であり、要求に応じて最適なピッチサイズというものは変わると考えるべきである。
【００２９】
そしてそれぞれの領域毎の開口率に応じてドットパターンのサイズを変えている。ここでドットパターンは使うレジストによってドットが開口部であってもよいし、ドットが遮光部であってもよい。開口部のドットを配置する場合、ピッチの半分のサイズのドットパターンを一様に配置すると開口率は２５％である。
【００３０】
ドットパターンの配置は基本形状の中心、ここでは領域境界の中心と同じ位置を原点として、所望のピッチで格子を描く。前記格子の交点上にドットパターンを配置して行く。一つ外側の領域においても基本形状の中心を原点として格子を描き、その格子の交点にドットパターンを配置する。そして、所望の領域内部に格子の交点が存在する場合のみドットパターンを領域に設定されたドットサイズで設計する。
【００３１】
なお、図６では、格子として直交格子を用いているが、必ずしも直交している必要はなく、形成したい３次元形状に合わせて変更しても良い。
【００３２】
以上のようにドットパターンのサイズを領域毎に設計し、作製したい基本形状の輪郭で設計データを取り出せば、目的とするマスク設計データが出来上がる。
特開昭６２−１１５７１８にて提案されている輪郭が円弧状のレンズアレイの場合は、球面レンズを設計してドットサイズの分布を決定し、そこから所望のサイズの円弧領域を切り出せば、所望の円弧レンズを形成するマスクパターンが出来上がる。あとは基本パターンを繰り返し配置することで円弧状レンズのマイクロレンズアレイを作製することができる。
【００３３】
なお、以上では、基本図形の中心をドット配置の格子の原点としていたが、マスク中心をドット配置の格子の原点としてもマスク設計は可能である。ただし、アレイ形状の場合はマスク設計データ作成時に基本図形について作成し、基本図形のデータを繰り返す手法が良く使われる。したがって、３次元形状が、基本図形をアレイ状に並べた形状の場合にはドットパターン配置の原点（格子の原点）をアレイ状となっているその基本図形の中心に設定すると、マスク設計および製造がより平易になる。
【００３４】
次に本発明のマスクを用いて露光作業を行った。投影光学系の結像位置をレジスト表面又はその近傍にすることで曲面の不連続位置にできる側壁のテーパ角の小さいものができた。また単一のピッチでドットパターンを配置したため、結像位置をレジスト表面に合わせた場合にもドットパターンの微妙な配置の差による部分的な露光量差が発生することも無く滑らかな曲面と両立することができた。
【００３５】
投影光学系の結像位置について以下に具体的に述べる。図９は、本実施例の３次元形状を製造する際に用いた投影露光装置の図である。この投影露光装置は、光源（不図示）からの光（ｉ線）を照明系により図６に示したマスク９５を照明し、マスク９５のマスクパターンを投影光学系９２により基板９０に投影するものである。基板９０には、感光性材料としてのレジスト９１が所定の膜厚で形成されている。本実施例では、図９に示すように、マスクのパターンをレジスト９１の表面近傍に結像させているのである。投影光学系の結像位置Ｆ（マスク９５のドットパターンが結像する位置）は、基板９０の表面位置とレジスト９１の表面からそのレジスト膜厚分だけ離れた位置との間Ａに調整されていることが好ましい。
【００３６】
ここで得られた感光性材料でできたレンズアレイはこのまま光学素子として使用することも可能である。本実施例ではさらに紫外光線で使える光学素子とするために石英ガラスを基板とし、感光性材料に用いたレジストをマスクとして異方性ドライエッチングを行うことで三次元形状を石英基板に転写した。異方性ドライエッチングは平行平板型のＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）装置を用いて行った。感光性材料に市販のフォトレジスト材料（クラリアント社製ＡＺ−Ｐ４９０３レジスト（商品名））を用いて形成した三次元形状をエッチング転写したところ良好な性能を示すレンズアレイを作製できた。このように異方性のドライエッチング等を用いて三次元形状の感光性材料をマスクとして基板に形状を転写すると、本発明で提供する三次元形状形成マスクで形状を作製するために必須な感光性という特性と、光学素子自身が持つべき光学特性とを材料が合わせ持つ必要がなくなる。したがって、別材料に転写することで本発明によるマスクによって作製される三次元形状の適用範囲が格段に広がることになる。
【００３７】
なお、以上の実施例では、円弧状のレンズアレイの製造方法を示したが、その他にも、回折光学素子等の光学素子、半導体素子を同様に製造することも可能であるのは言うまでもない。なお、図１２に示したような、シリンドリカル面を複数有する凸型のシリンドリカルミラー（レンズ）や凹型のシリンドリカルミラー（レンズ）も作成可能である。これらは、投影露光装置において、インテグレータとして使用することができ、特にミラーの場合には、５〜２０ｎｍのＥＵＶ光を露光光として使用するＥＵＶ露光装置に使用することができる。図１２（ａ）は、凸型のシリンドリカルミラー（レンズ）を表す図であり、図１２（ｂ）は、凹型のシリンドリカルミラー（レンズ）を表す図である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、露光装置の投影光学系の結像位置をレジスト表面近傍にし、且つ、その際に使用するマスクのドットパターンのピッチを均一にしているため、従来よりも設計値に近いシャープな形状を有する３次元形状を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態により形成しようとする三次元形状を有するマイクロレンズアレイの概略図である。
【図２】図１に示すレンズの断面形状で、等高線とマイクロレンズアレイとの関係を説明するための部分断面図である。
【図３】マイクロレンズアレイのサンプリングを説明するための部分拡大断面図である。
【図４】ポジ型レジストの感光曲線の一例である。
【図５】３次元形状を感光性材料に形成するための従来例を説明するための図である。
【図６】マイクロレンズアレイを構成する一つのレンズ素子としての球面を形成するためのマスクの概略平面図である。
【図７】従来の別の微細パターン形成技術に使用されるフォトマスクの概略的平面図である。
【図８】従来の更に別の微細パターン形成技術に使用されるフォトマスクの概略的平面図である。
【図９】本実施例で使用した投影露光装置の図である。
【図１０】実験した断面形状測定結果の図である。
【図１１】実験したレジスト形状の観察結果を表す図面代用写真である。
【図１２】本発明で製造可能なシリンドリカルミラー（レンズ）を表す図である。
【符号の説明】
１  マイクロレンズアレイ
２  マイクロレンズアレイ断面の表面
３  サンプリング高さのライン
４  サンプリング点
６  基準平面
１０  領域境界
１５  ドット
１６  領域
９０  基板
９１  感光性材料（レジスト）
９２  投影光学系
９５  マスク（レチクル）
９９  照明系
Ｆ  結像面（結像位置）
【図１】
2005003879.tif 000003
【図２】
2005003879.tif 000004
【図３】
2005003879.tif 000005
【図４】
2005003879.tif 000006
【図５】
2005003879.tif 000007
【図６】
2005003879.tif 000008
【図７】
2005003879.tif 000009
【図８】
2005003879.tif 000010
【図９】
2005003879.tif 000011
【図１０】
2005003879.tif 000012
【図１１】
2005003879.tif 000013
【図１２】
2005003879.tif 000014