(57)【要約】【課題】  設計値と近い灰色度を有する高精度のグレースケールマスクを提供する。【解決手段】  微小なパターンをレチクルに形成し、そのパターンを露光転写装置によって、表面にレジストを塗布したウエハに縮小露光し、その後レジストを現像し、残ったレジストをマスクとしてウエハをエッチングすることにより、グレースケールマスクを形成する。前記微細なパターンの同士の間隔Ｓが、前記露光装置の開口数をＮＡ、露光に使用される光の波長をλとするとき、0.3λ／ＮＡ以上とされているようにする。【選択図】  図１
2005189371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光装置を用いてリソグラフィ法により製作され、グレースケールの度合により、複数の微細なパターンの光透過部分の分布状態を変えたグレースケールマスクであって、前記微細なパターン同士の最小間隔Ｓが、前記露光装置の開口数をＮＡ、露光に使用される光の波長をλとするとき、0.3λ／ＮＡ以上とされていることを特徴とするグレースケールマスク。
【請求項２】
請求項１に記載のグレースケールマスクを使用し、当該グレースケールマスクのパターンを、レジストを塗布した基板上に露光転写し、その後に前記レジストを現像することにより、前記グレースケールマスクのパターンに応じた形状のレジストパターンを形成する工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載のグレースケールマスクを使用し、当該グレースケールマスクのパターンを、レジストを塗布した基板上に露光転写し、その後に前記レジストを現像して前記グレースケールマスクのパターンに応じた形状のレジストパターンを形成し、さらに前記レジストと前記基板を同時にエッチングすることにより、前記レジストのパターンを基板に転写する工程を有することを特徴とする基板の製造方法。
【請求項４】
露光装置を用いてリソグラフィ法により製造されるグレースケールマスクの製造方法であって、前記露光装置の開口数をＮＡ、前記露光装置の使用光源の波長をλとするとき、前記露光装置の投影面上における開口パターンの最小間隔Ｓが0.3λ／ＮＡ以上となるパターンを有する原板を用意し、遮光膜が形成された基板の上にレジストを塗布し、前記レジストが塗布された基板に対し、前記原板の像を前記露光装置により投影し、前記レジストが塗布された基板から、開口が形成されたグレースケールマスクを得ることを特徴とするグレースケールマスクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光リソグラフィを用いて光学素子を製造するため等に用いられるグレースケールマスク、及びこのグレースケールマスクを使用した光学素子の製造方法、このグレースケールマスクを使用して、基板表面のフォトレジストを所定の形状に製造する方法、及び前述のグレースケールマスクの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロレンズ等の光学素子は、ディジタルカメラ、光通信、ＭＥＭＳ分野を中心に実用化され、益々使用範囲が拡大しており、エキシマレーザを光源とする露光装置の光源用のインテグレータとしても使用されている。従来のマイクロレンズの製造方法の例が、例えば特開２００３−１０７２０９号公報（特許文献１）に開示されている。これは、グレースケールマスク（アナログ的とみなせる光透過率の変化を有するマスク）を使用して光学基材の表面に形成されたレジストを感光させ、レジストを現像することによって、グレースケールに応じた形状の、立体的なレジストパターンを形成し、それをマイクロレンズとするか、あるいは前述のように、さらにレンズ形状となったレジストを光学基材と共にエッチングすることにより、レンズ形状のレジストのパターンを光学基材に転写し、光学基材からなるマイクロレンズを形成するものである。
【０００３】
その例を図１０に示す。石英からなる基板１１の上にレジスト１２を塗布する（ａ）。この場合、レジストとしてはポジ型のものを使用している。そして、グレースケールマスク１３を通して光をレジスト１２上に照射する（ｂ）。図においてハッチングを施してある部分がグレースケールとなっており、ハッチング部の中心に行くほど光の透過率が低くなっている。ハッチングを施していない部分は、透明な部分である。
【０００４】
このようにして露光されたレジスト１２を現像すると、強く光の照射を受けた部分は多く除去され、弱く光の照射を受けた部分は除去量が少なくなって、（ｃ）に示すように、レジスト１２にマイクロレンズアレイのパターンが形成される。
【０００５】
このような状態で、レジスト１２と基板１１を同時にドライエッチングすると、レジスト１２に形成されたマイクロレンズのパターンが基板１１に転写され、レジスト１２が無くなった状態で、基板１１の表面にマイクロレンズアレイが形成される。レジスト１２と基板１１のエッチングレートの違いにより、レジスト１２に形成されたマイクロレンズのパターンと基板１１の表面に形成されたマイクロレンズのパターンはその凹凸度が異なるが、所望の凹凸を有するマイクロレンズのパターンが基板１１の表面に形成されるように、予め、レジスト１２に形成されるマイクロレンズのパターンの形状を決定しておけばよい。又、レジスト１２を残し、その形状により所望の光学特性を持たせる光学素子の場合は、（ｃ）の工程で最終製品とすればよい。
【０００６】
このような方法によれば、マイクロレンズのみならす、シリンドリカルレンズ、及びこれらのアレイ、回折格子、フレネルレンズ等の種々の光学素子や、その他、光学素子以外の目的に使用される、表面に所定のパターンを有する基板を製造することができる。
【０００７】
このような目的に用いられるグレースケールマスクとしては、微細な光透過部分を有し、この光透過部分の光非透過部分に対する割合を変えることにより、実質的にグレースケール（アナログ的な透過量変化）を有するグレースケールマスクとするのが一般的である。このような微細な光透過部分のパターンは、例えばＥＢ描画、レーザプロッタ描画、投影露光、密着露光等の方法により製造される。
【０００８】
即ち、遮光膜が形成された透明基板の表面にレジストを塗布し、ＥＢ描画、レーザプロッタ描画、投影露光、密着露光等により所定のパターン形状に感光させ、その後レジストを現像し、残ったレジストをマスクとして遮光膜をエッチングして、所定のパターンを有する開口部を形成する。このうち、ステッパを利用した投影露光による方法は、例えばＥＢ描画に比べて、極めて短時間でグレースケールマスクを製造することができ、効率が良いという利点を有する。
【０００９】
又、パターンの形状は円形、正方形、正六角形等を使用することができ、特に形状に制限はない。円形の場合、その直径は0.3〜２０μｍ程度である。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−１０７２０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
最近、グレースケールマスクを使用して製造される光学素子の形状精度を高くすることが要望されるようになってきた。光学素子の形状精度を高くするための一つの条件として、グレースケールマスクの精度を高くすること、即ち、製作されたグレースケールマスクの各部分における光透過率（以下、「灰色度」と称することがある。）が設計値通りになっているようにすることが要求されるようになってきた。そのために、グレースケールマスクに形成される個々の微細パターン寸法を小さくし、かつ、寸法精度を高くすることで灰色度の分解能を良くすると共に、灰色度を微小な部分で変化させることができるようにすることが必要とされるようになった。
【００１２】
前述のように、灰色度を変えるには、グレースケールマスクの各部分における微細パターンの、単位面積当たりの光透過部と光非透過部の割合を変えるようにすることが一般的である。即ち、マスク自体における光の吸収を無視した場合に、所定部分における入射した光を全て通す微細パターンを有する場合の灰色度を１とし、所定部分における入射光量に対し、レジストが感光しない最大光量（レジストの閾値の光量）を透過する微細パターンを有する場合の灰色度を０とすると、グレースケールマスクの各部分における灰色度が、その部分における、前記微細パターンの面積比｛（所定部分における微細パターンの面積）−（灰色度を０とする微細パターンの面積）｝／（灰色度を１とする微細パターンの面積）｝で決定されるものとして、その部分に要求される灰色度に合わせて、前記微細パターンの面積比を決定して、それに応じて微細パターンの分布又は形状を変えるようにしている。
【００１３】
しかしながら、このような設計思想に基づいてグレースケールマスクを製造した場合、出来上がったグレースケールマスクの各部分における灰色度が、設計値と異なってくる場合があることが判明した。そして、この問題は、微細パターンの密度が高い場合で特に起きやすいという問題点があった。
【００１４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、設計値と近い灰色度を有する高精度のグレースケールマスク、及びこのグレースケールマスクを使用した光学素子の製造方法、さらには、このグレースケールマスクを使用して、表面に所定の形状を有する基板を製造する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記課題を解決するための第１の手段は、露光装置を用いてリソグラフィ法により製作され、グレースケールの度合により、複数の微細なパターンの光透過部分の分布状態を変えたグレースケールマスクであって、前記微細なパターン同士の最小間隔Ｓが、前記露光装置の開口数をＮＡ、露光に使用される光の波長をλとするとき、0.3λ／ＮＡ以上とされていることを特徴とするグレースケールマスク（請求項１）である。
【００１６】
本手段が対象とするグレースケールマスクは、基板上にリソグラフィ法により製作され、基板に微細なパターンを製作し、グレースケールの度合により、複数の微細なパターンの光透過部分の分布状態を変えたグレースケールマスクである。
【００１７】
発明者が、特に微細パターンの密度分布が高い場合で、実際に製造されたグレースケールマスクの灰色度が設計値と異なる原因を調査したところ、投影露光装置等の光学系のボケにより、レジスト上に形成されたグレースケールマスクの微細パターンの像がボケ、隣り合う微細パターンの像（又は隣り合う描画領域のボケ）と重なり合う結果、図１１に示すように、本来独立したパターンの中間の遮光部分に対応する部分にも、露光光が照射されたのと同じような部分ができてしまうためであることが分かった。図１１において、Ａ、Ｂが本来形成されるべきパターンであるが、本来パターンが形成されるべきでない領域にＣのようにパターンが形成され、ＡとＢとがつながってしまう。そのため、設計上のパターン密度と実際のパターン密度が異なり、灰色度も設計値と実際値が異なってくる。
【００１８】
実際に所定の灰色度を得るために、円形の開口パターンを多数、離間させて形成したレチクルを用いて、露光転写によりグレースケールマスクを製造した場合に、グレースケールマスクに形成されたパターンの顕微鏡写真を図１２に示す。図１２を見ると分かるように、本来独立しているべき円形のパターンが、つながってしまっている。これは、前述のように、露光時のボケにより、本来露光されるべきでない場所が、隣り合う露光量域から重複して露光される結果、その部分における蓄積エネルギーの量が、レジスト現像時に遮光膜部のレジスト膜減りを生じさせるためであると考えられる。
【００１９】
そこで、実験を行った結果、後に実施例で示すように、製造するグレースケールマスクの微細なパターン同士の最も近いエッジの間隔Ｓを、露光装置の開口数をＮＡ、露光に使用される光の波長をλとするとき、0.3λ／ＮＡ以上となるようにすれば、グレースケールマスクでの微細なパターン同士の変形又はつながりがなくなることが判明した。
【００２０】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であるグレースケールマスクを使用し、当該グレースケールマスクのパターンを、レジストを塗布した基板上に露光転写し、その後に前記レジストを現像することにより、前記グレースケールマスクのパターンに応じた形状のレジストパターンを形成する工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法（請求項２）である。
【００２１】
前記第１の手段であるグレースケールマスクは、微細パターン同士のつながりが無く、従って露光面上の強度分布が設計値に近くなっている。よって、このようなグレースケールマスクを使用することにより、設計値に近い光学特性を有する光学素子を製造することができる。
【００２２】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段であるグレースケールマスクを使用し、当該グレースケールマスクのパターンを、レジストを塗布した基板上に露光転写し、その後に前記レジストを現像して前記グレースケールマスクのパターンに応じた形状のレジストパターンを形成し、さらに前記レジストと前記基板を同時にエッチングすることにより、前記レジストのパターンを基板に転写する工程を有することを特徴とする基板の製造方法（請求項３）である。
【００２３】
前記第１の手段であるグレースケールマスクは、微細パターン同士の変形が無く、従って灰色度が設計値に近くなっている。よって、このようなグレースケールマスクを使用することにより、選択比を考慮した設計値に近い形状を表面に有する基板を製造することができる。このような基板が光学素子として用いられることは言うまでもない。
【００２４】
前記課題を解決するための第４の手段は、露光装置を用いてリソグラフィ法により製造されるグレースケールマスクの製造方法であって、前記露光装置の開口数をＮＡ、前記露光装置の使用光源の波長をλとするとき、前記露光装置の投影面上における開口パターンの最小間隔Ｓが0.3λ／ＮＡ以上となるパターンを有する原板を用意し、遮光膜が形成された基板の上にレジストを塗布し、前記レジストが塗布された基板に対し、前記原板の像を前記露光装置により投影し、前記レジストが塗布された基板から、開口が形成されたグレースケールマスクを得ることを特徴とするグレースケールマスクの製造方法（請求項４）である。
【００２５】
グレースケールマスクを、レチクル等の原板を用いてリソグラフィ法により形成する場合、グレースケールマスクを製造するために用いる露光装置の開口数ＮＡと、使用光源波長λに応じて、投影面上における開口パターンの最小闇隔が0.3λ／ＮＡ以上となるように原板を設計することで、開口と開口の問の遮光部をほぼ設計値どおりに形成することができ、設計値に近い灰色度を有するグレースケールマスクを製造することができる。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、本発明によれば、設計値と近い灰色度を有する高精度のグレースケールマスク、このグレースケールマスクを使用した光学素子の製造方法、及びこのグレースケールマスクを使用した、表面に所定の形状を有する基板の製造方法、さらには高精度のグレースケールマスクの製造方法を提供することができる。
【実施例】
【００２７】
露光転写装置（ステッパ）を使用して微小パターンをウエハ上に露光転写し、このウエハをグレースケールマスクとして使用することを想定して、パターンのエッジ部分での露光光の強度分布を測定した。露光に使用する光の波長λを436nm（ｇ線）、露光転写装置の投影光学系の開口数ＮＡを0.45として、透過光量がステップ状に変化するＬ／Ｓのパターン（ピッチ４０μｍ、ラインとスペース幅２０μｍ）を有するレチクルを使用し、縮小倍率１／５で露光を行ったときの、ウエハ面における光の強度分布を図１に示す。
【００２８】
図１において、横軸はウエハ面位置（μｍ）、縦軸は光の相対強度を示す。横軸が０の位置が、ラインとスペースの境界の位置である。ウエハのパターンもこの部分を境界にして作成されるべきであるので、レジストが有するべき閾値は約0.25である。また、図１を見ると分かるように、光が、パターンが形成されるべきでない領域までにじみ出し、約290nmの位置で０となっていることが分かる。
【００２９】
ここで注目されるべきは、パターンが形成されるべきでない領域における光量の変化の度合いが、位置０から離れるに従って小さくなっていることである。このことから、この場合においては、あるパターンが形成されるべき領域の境界を、隣り合うパターンが形成されるべき領域の境界より約290nm以上離しておけば、両側のパターンからの光量の合計が、レジストの閾値を超えることがないということが言える。
【００３０】
この様子を図２に示す。図２において、１は、あるパターンの境界領域における光強度分布曲線、２は、それに隣接するパターンにおける光強度分布曲線である。３は、光強度分布曲線１が閾値と交わる位置であり、この位置が設計されたパターン境界の位置、即ち、前記微細なパターンが単独で存在する場合の境界の位置である。４は、光強度分布曲線２が閾値と交わる位置であり、この位置が設計されたパターン境界の位置、即ち、一つのパターンが単独で存在する場合に、ウエハに形成される境界の位置である。
【００３１】
この例では、位置３と位置４が、光強度分布曲線１及び２が、閾値と交わる点から実質的に０と見なせる点までの距離だけ離されている。位置３と位置４の間においては、光強度分布曲線１と光強度分布曲線２の和に相当する光量で露光が行われることになるが、光強度分布曲線１、２が前述のような特性を持っているために、この和の光量は閾値を超えることがない。よって、位置３と位置４の間ではレジストは現像後も残り、パターンがつながることがない。
よって、前述のデータから、位置３と位置４を約290nm以上離しておけば、パターンが変形することがなく、設計どおりの間隔でパターンが形成されることが分かる。
【００３２】
同様にして、同じＬ／Ｓのレチクルを同じ露光波長λ＝436nm（ｇ線）で、ＮＡを0.53、0.60、0.63と変化させて、ウエハ面での光量分布を調べた結果を、それぞれ図３、図４、図５に示す。これらの図から、ＮＡが0.53の場合約250nm、ＮＡが0.60の場合約220nm、ＮＡが0.63の場合約210nmの位置で光強度分布が０となっていることが分かる。
これらの結果から、Ｌ／Ｓパターンの場合、単独のパターンが形成される境界から
0.3λ／ＮＡ
だけ離れた位置で、光強度分布が０となることが推定される。
【００３３】
この関係を確かめるために、露光転写に使用する波長を365nm（ｉ線）として、ＮＡが0.53、0.60、0.63の場合について同じようなデータをとった。その結果をそれぞれ図６、図７、図８に示す。これらの図から、ＮＡが0.53の場合約210nm、ＮＡが0.60の場合約180nm、ＮＡが0.63の場合約175nmの位置で光強度分布が０となっていることが分かる。
【００３４】
これらのデータから、Ｌ／Ｓパターンの場合、単独のパターンが形成される境界から
0.3λ／ＮＡ
だけ離れた位置で、光強度分布が０となることが確かめられた。よって、図２において説明したような理由により、あるパターンが形成されるべき領域の境界を、隣り合うパターンが形成されるべき領域の境界から0.3λ／ＮＡ以上離しておけば、グレースケールマスクを形成するときに、マスク上に形成される微細なパターン同士がつながった形状とならず、設計値どおりの間隔で形成され、目的とした灰色度に近い灰色度が得られることが分かる。
【００３５】
図９に、投影光学系の開口数が0.63のｉ線ステッパ（露光波長365nm）を使用して、円形のパターンを露光転写により作成した例の写真を示す。この円形のパターンの間隔は200nmであり、円形のパターンの直径は550nmである。図９から分かるように、各円形のパターンは独立しており、図１１に示したように、本来独立したパターンの中間の遮光部分に対応する部分にも、露光光が照射されたのと同じような部分ができてしまうようなことが避けられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本発明の実施の形態においては、グレースケールマスクを製造する際に、微細なパターンをレチクルに形成し、そのパターンを露光転写装置によって、表面にレジストを塗布したウエハに縮小露光し、その後レジストを現像し、残ったレジストをマスクとして遮光膜をエッチングすることにより、グレースケールマスクを製造する。
【００３７】
または、クロム膜が成膜された石英基板の上にレジストを塗布し、露光転写装置に配置しておく。一方微細な開口パターンを有したレチクルを用意し、このレチクルのパターンを、クロム膜が成膜された石英基板に転写する。そして、レジストの現像及びクロム膜のエッチングを施すことで、所定の開口を有するグレースケールマスクが形成される。
【００３８】
これらの方法自体は、従来のグレースケールマスクの製造方法と変わるところはないが、本発明の実施の形態においては、グレースケールマスクに形成される微細なパターン同士の間隔の設計値を、前述のように0.3λ／ＮＡ以上としている。よって、前述のような理由により、パターン同士が変形することが無く、設計値に近い強度分布が得られるマスクが得られ、従って、設計値に近い灰色度を有するグレースケールマスクとなる。
【００３９】
このグレースケールマスクを使用して、光学素子や、表面にパターンが形成された基板を形成する方法は、背景技術の欄で説明した方法と同じであるので、その説明を省略する。
【００４０】
そして、レーザプロッタやＥＢ描画装置を用いてグレースケールマスクを製造する場合にも、パターンの最小間隔をそれぞれのパターンが変形しない程度の聞隔を有するようにすることで、所望の高精度な強度分布を有するグレースケールマスクが得られる。また、密着露光法により製造されるグレースケールマスクについても同様なことが言える。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】投影光学系のＮＡが0.45のｇ線ステッパを用いてＬ／Ｓのパターンの露光を行ったときのパターン境界での光強度分布を示す図である。
【図２】パターンのつながりが発生しない理由を説明するための図である。
【図３】投影光学系のＮＡが0.53のｇ線ステッパを用いてＬ／Ｓのパターンの露光を行ったときのパターン境界での光強度分布を示す図である。
【図４】投影光学系のＮＡが0.60のｇ線ステッパを用いてＬ／Ｓのパターンの露光を行ったときのパターン境界での光強度分布を示す図である。
【図５】投影光学系のＮＡが0.63のｇ線ステッパを用いてＬ／Ｓのパターンの露光を行ったときのパターン境界での光強度分布を示す図である。
【図６】投影光学系のＮＡが0.53のｉ線ステッパを用いてＬ／Ｓのパターンの露光を行ったときのパターン境界での光強度分布を示す図である。
【図７】投影光学系のＮＡが0.60のｉ線ステッパを用いてＬ／Ｓのパターンの露光を行ったときのパターン境界での光強度分布を示す図である。
【図８】投影光学系のＮＡが0.63のｉ線ステッパを用いてＬ／Ｓのパターンの露光を行ったときのパターン境界での光強度分布を示す図である。
【図９】投影光学系のＮＡが0.63のｉ線ステッパを使用して、本発明の方法により、円形のパターンを露光転写を使用して作成した例の写真を示す図である。
【図１０】グレースケールマスクを使用してマイクロレンズを製造する工程の例を示す図である。
【図１１】パターンのつながりの発生を示す図である。
【図１２】実際にグレースケールマスクに形成されたパターンの顕微鏡写真の例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…光強度分布曲線、２…光強度分布曲線、３…位置、４…位置、１１…基板、１２…レジスト、１３…グレースケールマスク
【図１】
2005189371.tif 000003
【図２】
2005189371.tif 000004
【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】
2005189371.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005189371.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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