(57)【要約】【課題】グレートーンパターンを用いて３次元構造物を形成するにあたり、周辺構造物も効率よく形成できるようにすること。【解決手段】本発明は、露光装置で用いられる露光用マスクにおいて、露光装置から出射される照明光を遮断する遮光パターンと照明光を透過する透過パターンとの対から構成されるパターンブロックが複数連続して配置されているとともに、その連続するパターンブロックのピッチが一定で遮光パターンと透過パターンとの比率が徐々に変化することによりその比率に応じた照明光の透過率を得る第１のマスク領域Ｍ１と、照明光を遮光する全遮光パターンＰ０と照明光を透過する全透過パターンＰ１００とから構成され、各々のパターンの形状に対応した遮光部および透光部を得る第２のマスク領域Ｍ２とを備えている。【選択図】図１
2005202170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光装置で用いられる露光用マスクにおいて、
前記露光装置から出射される照明光を遮断する遮光パターンと前記照明光を透過する透過パターンとの対から構成されるパターンブロックが複数連続して配置されているとともに、その連続するパターンブロックのピッチが一定で前記遮光パターンと前記透過パターンとの比率が徐々に変化することによりその比率に応じた前記照明光の透過率を得る第１のマスク領域と、
前記照明光を遮光する遮光パターンと前記照明光を透過する透過パターンとから構成され、各々のパターンの形状に対応した遮光部および透光部を得る第２のマスク領域と
を備えることを特徴とする露光用マスク。
【請求項２】
前記第１のマスク領域と前記第２のマスク領域とが同一の基材に設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の露光用マスク。
【請求項３】
露光装置から出射される照明光を遮断する遮光パターンと前記照明光を透過する透過パターンとの対から構成されるパターンブロックが複数連続して配置されているとともに、その連続するパターンブロックのピッチが一定で前記遮光パターンと前記透過パターンとの比率が徐々に変化することによりその比率に応じた前記照明光の透過率を得る第１のマスク領域と、前記照明光を遮光する遮光パターンと前記照明光を透過する全透過パターンとから構成され、各々のパターンの形状に対応した遮光部および透光部を得る第２のマスク領域とを備える露光用マスクを用い、
前記第１のマスク領域による露光と前記第２のマスク領域による露光とを同一領域に重ね合わせて行う
ことを特徴とする露光方法。
【請求項４】
前記第２のマスク領域による露光での露光量を調整により、前記第１のマスク領域により形成する段差構造及びレンズ部構造のベース高さを調整する
ことを特徴とする請求項３記載の露光方法。
【請求項５】
前記第１のマスクは露光によって形成する対象形状に対応したパターンブロックのほか、その対象形状の周辺段差部を形成するためのパターンブロックを含む
ことを特徴とする請求項１記載の露光用マスク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的なレンズアレイ等の３次元形状を露光によって形成するための露光用マスクおよび露光方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等の映像デバイス応用製品に使用されているマイクロレンズアレイなど、微小な光学部品の製造方法の一つとして半導体、液晶デバイス製造で用いられているフォトリソグラフィ技術を応用する方法がある。
【０００３】
すなわち、感光材料であるフォトレジストに所望の露光量分布を与えることにより、フォトレジストを３次元的に加工し、それをマスクとしてドライエッチングすることによりシリコン、ガラス基板などを３次元的に加工している。
【０００４】
このリソグラフィプロセスに用いられるフォトマスクは図９に示されるような複数枚マスクを用いた多重露光で実現されている。この技術による露光方法を図９を用いて１次元で説明する。最終的な露光量分布は図９中のD(X)とする。
【０００５】
先ず、図９中のマスク（１）で領域<1>に露光量E[1]を与える。次に、マスク（２）で領域<2>に露光量E[2]を与える。この時、領域<1>のトータルの露光量D1はE[1]+E[2]となる。さらに、図示しないマスク（３）、マスク（４）、…、マスク（n）をそれぞれ露光量E[3]、E[4]、…、E[n]で順次露光することにより、領域iの最終的な露光量D[i]は、D[i]＝E[i]＋E[i+1]＋…＋E[n]となり、所望の離散的な露光量分布を得る。この場合マスク枚数nがその露光量位置分解能に相当し、例えばn＝10の時は１０階調の露光量ステップを得ることになる。
【０００６】
また、最近では複数マスクによる多重露光方法の他に、特許文献１に示されるような遮光膜の透過率に連続的な分布を持たせてある、いわゆるグレートーンマスクを用いて１回の露光で所望の露光量分布を得る方式も開発されている。この概念図を図１０に示す。
【０００７】
前述の２つの方法において、前者の複数マスク多重露光による技術は、複数回の多重露光であり時間的にも多段階露光であるため、得られる積算露光量分布は階段形状が残留してしまう。また、得られる露光量階調数はマスク枚数すなわち露光回数であり、現実的には１０工程程度となって十分な階調数が得られないという問題がある。また、露光工程の複雑化とマスク枚数に比例したマスクコストが発生し、様々な問題が生じる。
【０００８】
後者のグレートーンマスクによる１回露光方式は、ほぼ連続的な露光量分布が得られるが、このようなグレートーンマスクを作成することは一般的には非常に困難であり、特殊な膜材料、特殊な成膜処理技術が必要となるため、マスクコストは非常に高いものになってしまう。また、その特殊な膜材は熱に対して経時変化が懸念されており、使用している間の性能安定性（熱的安定性）の問題も懸念されている。
【０００９】
これらの問題を解決する方策として、本願発明者らは解像限界ピッチ以下のバイナリマスクパターンでマスクを構成し、その開口サイズ、あるいはドット残しパターンサイズを空間的に各々に変えることで、任意の３次元構造形成を可能にする技術を提案している(特願２００３−１８４３９)。
【００１０】
このようなマスクの設計にあたっては、あるピッチ、ある開口サイズの単一２次元アレイパターンの０次光強度を理論計算し、これを基に所定の位置で所定の光量を得るための開口サイズを導出し、所定の位置で所望のレジスト残膜厚を得られるように開口サイズを場所により変えると言う設計手法を採用している。
【００１１】
ところで、実際のマイクロレンズアレイはレンズ部だけではなく、レンズ周辺部に注入樹脂の流れを誘導する構造物（柱など）、組み立てのためのアライメントマーク等も形成しなければならない。また、レンズ部は基板上面（表面）基準で形成されるのではなく、基板表面から所定の深さ基準（以下、レンズ部ベースレベルと表記）にして形成されることの方が多い。これらの構造物を形成する際に従来は図１１に示すように、複数枚のマスクを用いて露光領域を選択的に変え、かつ各露光マスクでの露光量を変えることにより、所望の微小光学デバイス構造を形成していた。
【００１２】
つまり、初めにレンズベース部を露光し、次にアライメントマーク部を露光し、次いで樹脂ベースレベルを露光する。その後、レンズ部を形成するために複数枚のマスクによって露光を繰り返している。
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−１８９２８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、レンズ部をグレートーンマスクによって一括露光化したとしても、周辺構造を形成するために結局は複数枚のマスクを用いた露光プロセスになってしまう。このため、露光工程の複雑化と工程時間の増大に繋がり、グレートーンマスク露光のメリットが下がってしまうという問題が生じる。
【００１５】
また、目標構造にレンズ部以外の構造物高低差があり、レンズ部を所定の深さ（オフセット深さ）に形成する場合、透過率の低いグレートーンマスクでオフセット的に所定深さを掘り込まなければいけない。したがって、露光時間が増えるという工程処理時間の問題と長時間露光による露光装置へのダメージという問題とが生じることになる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、露光装置で用いられる露光用マスクにおいて、露光装置から出射される照明光を遮断する遮光パターンと照明光を透過する透過パターンとの対から構成されるパターンブロックが複数連続して配置されているとともに、その連続するパターンブロックのピッチが一定で遮光パターンと透過パターンとの比率が徐々に変化することによりその比率に応じた照明光の透過率を得る第１のマスク領域と、照明光を遮光する全遮光パターンと照明光を透過する全透過パターンとから構成され、各々のパターンの形状に対応した遮光部および透光部を得る第２のマスク領域とを備えている。
【００１７】
このような本発明では、まず、マスク内にはベースレベル露光用の１００％透過の透過パターン、１００％遮光の遮光パターンから成るバイナリパターン（第２のマスク領域）でマスクを構成する。このベースレベル成型パターンを露光してベース部を形成するために必要な露光量を与える。さらに、同一マスク内の別の箇所には３次元形状形成用と周辺の段差形成用のグレートーンパターン（第１のマスク領域）が配置してあり、このグレートーンパターンと前述のバイナリパターンを重ね合わせ露光することにより、全体としてベースレベルと３次元形状部および周辺段差部を一枚のマスク（２つのマスク領域）を用いて露光形成できる。
【発明の効果】
【００１８】
したがって、このような本発明によれば、３次元形状部のベースレベルは全透過パターン部で露光形成されるため、露光時間は必要最小限で済む。また、３次元形状部と周辺段差部とはグレートーンパターンを用いて一括露光で形成されるため露光工程数低減が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図１は、本実施形態に係る露光用マスク（以下、単に「マスク」と言う。）を説明する模式平面図である。このマスクは、主として第１のマスク領域Ｍ１と、第２のマスク領域Ｍ２とが同じ基材に隣接して配置された構成となっている。
【００２０】
第１のマスク領域Ｍ１は、３次元形状物（本実施形態ではレンズ）を露光によって形成するためのグレートーンパターンが設けられた領域であり、露光目標の形状に合わせたパターンブロックＰＢを備えている。パターンブロックＰＢについては後述する。
【００２１】
一方、第２のマスク領域Ｍ２は、露光装置からの照明光を１００％遮光する全遮光パターンＰ０と、照明光を１００％透過する全透過パターンＰ１００とを備えるバイナリパターンである。これらのパターンより、そのパターンの形状に対応した遮光部および透光部を得ることができる。
【００２２】
ここで、本実施形態に係るマスクを構成する第１のマスク領域Ｍ１のパターンブロックＰＢについて図２の模式図に基づき説明する。すなわち、転写に用いる縮小投影露光装置ＳはマスクＭのパターン面とウエハＷの表面とが共役（結像）関係になっており、通常はマスクＭ下面のパターンがウエハＷの表面に結像し、パターンの転写を行う。
【００２３】
しかしながら、露光波長（λ）と構成するマスクパターンピッチ（P）と露光装置の開口数（NA）、２次光源サイズを表すコヒーレンスファクタ（σ）が与えられた時、ウエハＷの表面に結像しうる最小ピッチ（Ｐmin）は式１で表される。ここでＰminはウエハ上の寸法を表す。
【００２４】
【数１】
2005202170.tif 000003
【００２５】
この式１は最低次数（±１）の回折光が投影レンズのNA絞りで遮断される／されないといったレベルで解釈され、例えばλ＝365nm,NA＝0.5,σ＝0.5の場合はPmin＝487nmとなる。
【００２６】
すなわち、Pmin以下の微少ピッチパターンはウエハＷの表面に回折光が届かないので回折光同士の干渉、つまりマスクパターンの結像は発生し得ない。しかしながら０次光はウエハＷ上に到達する。この時、同一ピッチでは遮光帯幅が大きいほど０次光強度は小さく、また、同一遮光部寸法の場合はPmin以下のピッチにおいてピッチが大きいほど０次光強度は大きくなる。
【００２７】
具体的には、１次元のライン＆スペースパターンにおいては、単位繰り返しパターン内の透過部面積率をＲ（≦１）とすると、ウエハ面上に到達する光強度はマスク上の光強度で規格化すると、Ｒ2となる。例えば、１：１のラインアンドスペースでの０次光強度は０．２５となる。同様にして１：１の２次元正方形ホールアレイの場合の０次光強度は０．０６２５となる。
【００２８】
本実施形態によるマスクＭはこの原理を用いて透過パターンと遮光パターンとの組みが連続して設けられ、パターンブロックＰＢが構成されている。なお、これに関する基本的なマスク設計方法については、本願発明者による先の出願(特願２００３−１８４３９号)に記載されている。図３には例として凹シリンドリカルレンズアレイを形成するためのマスクにおけるパターンブロックＰＢを示してある。
【００２９】
ここで、本発明の課題となっているレンズ周辺部を含めた全体の段差レベルに関して図４を用いて説明する。なお、使用するレジストはポジ型とし、ガラス基板に塗布されており、説明を簡単にするために、露光、現像後のレジスト残膜形状がエッチング選択比１：１で転写されるものとする。また、この形状加工が施されたガラス基板上に高屈折率樹脂を塗布し、１次元の凹型シリンドリカルレンズアレイパネルを形成することを実施例として仮定する。
【００３０】
図４（ａ）は目標となる形状を示す模式平面図、図４（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。この例では中央に３次元形状物であるレンズ部（１次元シリンドリカルレンズアレイ）があり、その周辺にレンズ部ベースレベル、および樹脂層ベースレベルがある。また、樹脂層ベースレベルの四隅部には樹脂注入用の柱があり、さらに左右両辺にアライメントマーク部が設けられている。
【００３１】
各部の段差形状を以下のように未露光部のレジスト表面を基準にして以下のように定義する。
レンズ部のベースレベルは深さＤ０。
レンズ部自体の段差はＤＬ。
周辺段差部１は樹脂層のベースレベルに相当し、深さＤ１。
周辺段差部２はアライメントマークの高さに相当し、深さＤ２。
【００３２】
つまり、平坦な段差レベルはＤ０、Ｄ１、Ｄ２の３段階（Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ０）であり、これにレンズ部の連続的に変化する段差レベルＤＬが加わる系となる。
【００３３】
まず、説明を簡単にするため、本願発明者による先願（特願２００３−１８４３９）と同様に簡単なレジスト特性を前提として考える。本実施形態でのレジストの残膜特性が以下の式２で近似できたとする。
【００３４】
【数２】
2005202170.tif 000004
【００３５】
ここで、Ｚは未露光部からの深さ量（現像後の膜減り量）、doseは与えた露光量、A,Bはln(dose)対Zの近似係数を表す。説明を簡単にするために、図４（ｂ）におけるＡ−Ａ’断面と図４（ｃ）におけるＢ−Ｂ’断面の樹脂注入用柱を合わせた構造を図５（ａ）に示す。この目標形状をＺ＝ｆ（Ｘ）とする。
【００３６】
この図５（ａ）の構造を形成するために必要な露光量分布（Ｅ（ｘ））は前述の目標形状Ｚ＝ｆ（Ｘ）と式２を用いて、次式（式３）のように変換され、その概念図を図５（ｂ）に示す。
【００３７】
【数３】
2005202170.tif 000005
【００３８】
ここで、グレートーンマスクである第１のマスク領域の最小透過率部をマスクパターン製造限界で構成すると前提する。これをピッチ寸法P、スペース寸法Sminとする。ここで、Pは式１の非結像条件を満たすものとする。さらに長時間露光による露光装置のダメージを考慮した上限露光量をEmaxとおく。
【００３９】
よって、グレートーンパターンの露光する際にレンズベースレベル部に与えられる露光量(dose(Lp))は式４のようになる。
【００４０】
【数４】
2005202170.tif 000006
【００４１】
また、レンズ部形成のためには深さＤ０が必要であるため、前述の第２のマスク領域のバイナリパターンで露光する際に与えるべき露光量(Ebin)は式５のようになる。
【００４２】
【数５】
2005202170.tif 000007
【００４３】
また、図５（ｃ）の領域で最も露光量が大きな箇所は樹脂層（深さＤ１）であるが、これを形成するために必要な露光量(dose(D1))は式６のようになる。
【００４４】
【数６】
2005202170.tif 000008
【００４５】
ここで、グレートーンパターンのスペースパターンの製造最小限界をSminとするとき、また、マスクパターンのライン最小寸法とピッチＰから算出されるスペースパターンの製造最大限界をSmaxとする時、以下の式７の関係を満たすものとする。なお、ここでｐ、Smax、Sminはウエハ上の換算寸法である。
【００４６】
【数７】
2005202170.tif 000009
【００４７】
これはグレートーンパターンで図５（ｄ）の露光量分布が形成可能であるための条件である。これを満たすようにP、Emaxを初期的に微調整する。あるいは使用するレジスト材料を高コントラストのものに変更する。
【００４８】
グレートーンパターンのパターン配列としては、前述の式３の露光量分布E(x)より、以下の式８によって透過率分布に変換する。
【００４９】
【数８】
2005202170.tif 000010
【００５０】
最後に、各位置におけるスペースパターン寸法を以下の式９より得る。
【００５１】
【数９】
2005202170.tif 000011
【００５２】
このようにして設計したレンズ部を含む段差構造形成用のグレートーンパターンとオフセット的な深さを得るためのバイナリパターンをそれぞれEmax、Ebinの露光量で露光することによって図５（ａ）の構造を形成できる。
【００５３】
本実施形態では、上記のように設計された第１のマスク領域であるグレートーンパターンと第２のマスク領域であるバイナリパターンとを用いて同一領域に重ね合わせた露光を行うが、グレートーンパターンによる露光での露光量に応じてバイナリパターンによる露光の露光量を調整するようにしてもよい。つまり、第１のマスク領域であるグレートーンパターンで例えばレンズ部の露光を行った後、バイナリパターンである第２のマスク領域での露光量を調整し、樹脂層ベースレベルＤ１を第２のマスク領域の露光量で制御することが可能である。これにより例えば樹脂注入状態を制御し、プロセスの最適化などが可能となる。
【００５４】
ここで、本実施形態に係るマスクを用いたマイクロレンズアレイを製造する方法を図６の模式図に沿って説明する。先ず、例えば６インチ径の石英ガラスウエハから成る基板上に感光材料であるフォトレジスト（以下、単に「レジスト」と言う。）を塗布する。塗布厚は例えば10um程度である（図６（ａ）参照）。
【００５５】
次に、露光装置の一つであるステッパーからｉ線を照射し、本実施形態のマスクを介してレジストへ露光を行う。この際、後工程で必要となるアライメントマークも同時に形成する。露光後はレジストを現像することによりマスクで設定された３次元形状をレジストに転写できるようになる（図６（ｂ）参照）。
【００５６】
次いで、このレジストを介して基板をドライエッチングする。これにより、レジストの３次元形状が基板に転写される。その後、３次元形状が転写された石英基板に高屈折率を有する樹脂をスピンコート法などによって塗布する。これによって基板の３次元形状に対応した樹脂製のプラスのパワーを有するレンズアレイが形成される（図６（ｃ）参照）。
【００５７】
このようなマイクロレンズアレイは、図７、図８に示すような装置に適用される。図７、図８に示す装置は液晶プロジェクタであり、石英基板上に形成されたＴＦＴ（Thin Film Transistor）と、その上に形成された液晶層とを備えており、ＴＦＴの駆動によって各画素単位で液晶層の配向を制御するものである。
【００５８】
本実施形態のマスクで形成したマイクロレンズアレイＭＬは、このような液晶プロジェクタの各画素に対応して個々のレンズＬが樹脂層によって構成されるようになっている。本実施形態のマスクによってマイクロレンズアレイＭＬおよび周辺構造を２回の露光で形成できるとともに、マスク自体も遮光パターンと透光パターンの組み合わせからなるバイナリマスクであるため製造も容易である。したがって、液晶プロジェクタに適用するマイクロレンズアレイＭＬを安価に提供でき、液晶プロジェクタのコストダウンを図ることができる。
【００５９】
また、先に説明したように、形成されるレンズＬの形状も遮光パターンと透光パターンとの比率や配列によって自在に設定でき、レジストの現像特性を生かしたマスクの露光量設定によって正確なレンズ形状を再現でき、個々のレンズＬの境界にも不要な継ぎ目を生じさせることなく精度の高いレンズＬを提供できるようになる。
【００６０】
なお、先に説明したマイクロレンズアレイの製造方法では、３次元フォトレジスト形状を形成後、ドライエッチングにより基板を加工する例を用いたが、フォトレジストを電鋳加工してマザー金型を作成し、スタンパ方式で樹脂等を材料にして量産することも可能である。また、本実施形態のマスクで形成したレンズアレイは液晶プロジェクタ以外であってもＣＣＤや他の液晶表示装置、半導体レーザ、受光素子、光通信機器であっても適用でき、またレンズ以外の３次元形状の製造であっても適用可能である。
【００６１】
また、本実施形態では、説明を簡単にするために、マスクパターン設計方法としては開口率理論値を用いる手法で説明したが、本願発明者による先の出願（特願２００３−２８１４８９）で提案されているように較正マスクを露光した残膜特性を用いた手法でも本発明は有効である。この場合、前述の実際の露光と同様に較正マスクをEmaxで露光し、連続して１００％透過のバイナリパターンもしくはマスクレスでウエハ全体を露光量Ebinで露光する。このサンプルウエハを現像し、パターン寸法対膜減り量の相関データを得る。この相関データを用いてグレートーンパターンのパターン設計を行うようにしてもよい。また、上記実施形態では、第１のマスク領域であるグレートーンパターンでレンズ部を露光し、第２のマスク領域であるバイナリパターンで周辺段差部を露光する例を示したが、第１のマスク領域レンズ部のほかに周辺段差部の一部を露光するグレートーンパターンを含むよう構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）等を用いたスイッチやリレー、センサー等の３次元形状物への応用が可能である。さらには、半導体製造等における基板の下地形状の任意形状形成への応用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本実施形態に係る露光用マスクを説明する模式平面図である。
【図２】パターンブロックを説明する模式図である。
【図３】凹シリンドリカルレンズアレイを形成するためのマスクにおけるパターンブロックを示す模式図である。
【図４】全体の段差レベルを説明する模式図である。
【図５】露光量を説明する模式図で、（ａ）は目標形成形状、（ｂ）は、（ａ）の形状を形成するための露光量分布Ｅ（Ｘ）、（ｃ）は第２のマスク領域による露光量分布、（ｄ）は第１のマスク領域による露光量分布を示す図である。
【図６】マイクロレンズアレイの製造工程を説明する模式図である。
【図７】液晶プロジェクタへの適用例を説明する模式図（その１）である。
【図８】液晶プロジェクタへの適用例を説明する模式図（その２）である。
【図９】従来例を説明する模式図（その１）である。
【図１０】従来例を説明する模式図（その２）である。
【図１１】従来例を説明する模式図（その３）である。
【符号の説明】
【００６４】
Ｍ１…第１のマスク領域、Ｍ２…第２のマスク領域、Ｐ０…全遮光パターン、Ｐ１００…全透過パターン
【図１】
2005202170.tif 000012
【図２】
2005202170.tif 000013
【図３】
2005202170.tif 000014
【図４】
2005202170.tif 000015
【図５】
2005202170.tif 000016
【図６】
2005202170.tif 000017
【図７】
2005202170.tif 000018
【図８】
2005202170.tif 000019
【図９】
2005202170.tif 000020
【図１０】
2005202170.tif 000021
【図１１】
2005202170.tif 000022