(57)【要約】【課題】  エッチングで製作した円弧ＭＬＡでありながら、干渉縞のピッチを細かくすること。【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形状形成マスクにおいて、作製する基本形状に対応する基本パターンが少なくとも２つ以上繰り返され、マスク上の基本パターンを少なくとも２つ以上のグループに分け、各グループ間で感光性材料の形状を高さ方向に相対的にずらして透過率を設計した。【選択図】  図１
2005258306.tif 000002
【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に三次元形状を作製するための透過率制御型のマスクにおいて、
作製する基本形状に対応する基本パターンが少なくとも２つ以上繰り返され、マスク上の基本パターンを少なくとも２つ以上のグループに分け、各グループ間で感光性材料の形状を高さ方向に相対的にずらして透過率を設計したことを特徴とするマスク。
【請求項２】
前記グループは、少なくとも一方向には隣接した基本パターンを二つ以上を含むことを特徴とする請求項１記載のマスク。
【請求項３】
グループは少なくとも一方向には基本パターンの隣接部で異グループの組合せとなることを特徴とする請求項１記載のマスク。
【請求項４】
前記高さ方向の相対的なずらし量は、グループの数をＮとしたときに光学素子として機能する段階で使用波長における位相差が略（３６０／Ｎ）度となることを特徴とする請求項１記載のマスク。
【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マスクに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子製造工程のリソグラフィ工程において、投影露光装置が用いられる。リソグラフィ工程とは、半導体素子の回路パターンを半導体素子となる基板（シリコン基板等）上に投影転写する工程のことである、近年、半導体素子の微細化への要求はますます高くなっており、線幅は０．１５μｍを切るようになってきている。そのため投影露光装置に対する解像力向上の要求は高くなっている。
【０００３】
投影露光装置の解像力を向上させるために、投影レンズの高ＮＡ化と、露光波長の短波長化が近年ますます加速している。露光波長の短波長化はＫｒＦエキシマレーザーを光源とした２４８ｎｍから、ＡｒＦエキシマレーザーを光源とした１９３ｎｍ、そしてＦ２レーザーを光源とした１５７ｎｍへと進んでいる。
【０００４】
光学系には色収差と呼ばれる光の波長によって硝材の屈折率が異なる事に起因する結像性能を悪化させる収差がある。このため、ＫｒＦエキシマレーザーを光源として用いた投影露光装置においては、単一の光を発光するように狭帯域化されたＫｒＦエキシマレーザーが用いられている。また、ＡｒＦエキシマレーザーを光源として用いた投影露光装置においては、投影光学系に石英と蛍石（ＣａＦ２）の２硝材を用いて色消しが行われている。
【０００５】
Ｆ２レーザーを光源として用いた投影露光装置においては、Ｆ２レーザーを狭帯域化しようとする試みはなされているが、いずれも投影露光装置の光源として満足できる出力を達成していない。そのため、現在投影露光装置の光源としては、Ｆ２レーザーの自然発光をラインセレクトしたものが利用されている。ラインセレクトされたＦ２レーザーの半値幅は１ｐｍ程度であり、投影露光装置に用いられる投影光学系は色収差の補正が必要となる。
【０００６】
１５７ｎｍを露光波長として用いた場合、光を透過する硝材は限られている。今日、１５７ｎｍの波長に対して満足のいく透過率が得られることが分かっている硝材には、蛍石（ＣａＦ２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）等があるが、投影露光装置の投影光学系に用いるために必要な硝材の均一性と結晶の大口径化を達成できる硝材は蛍石（ＣａＦ２）のみである。そのため、ＡｒＦエキシマレーザーを光源とした投影露光装置のように２硝材による色消しを行うことができない。
【０００７】
そのため、屈折レンズだけではなくミラーを用いたカタディオ系を用いて色消しを行う投影光学系が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。ミラーを用いた投影光学系はミラーにおいて光を遮らないように光学系を構成する必要があり、結像領域は軸上から特定の高さの円弧領域となる。
【０００８】
結像領域が円弧領域である投影光学系をもちいて、マスクに描画されたパターンを感光剤の塗布された基板上に投影する投影露光装置においては、マスクを円弧状に照明する照明光学装置が必要となる。従来技術における円弧領域を照明領域とする照明光学装置は、矩形形状を照明し、視野絞りで円弧領域を切り出すものであった。
【０００９】
従来の円弧領域を結像領域とする投影光学系を用いた走査型投影露光装置に対する照明装置について図６を用いて説明する。
【００１０】
１は光源となるＦ２レーザーである。Ｆ２レーザーは波長１５７ｎｍの波長の光を射出する。
【００１１】
２は被照射面上の照度を制御するための減光手段である。Ｆ２レーザー等のパルス光源を走査型投影露光装置の露光光源として使用する場合、レーザーのパルス間の出力バラツキに起因する露光量バラツキが発生する。そのため露光を行うパルス数を所定のパルス数以上として、パルスバラツキをパルス平均する事によって、露光量バラツキを軽減する必要がある。そのため、感光剤の感度が高い場合。光を減光して照度を下げて、所定のパルス数以上で露光するようにする必要がある。２はそのための減光手段である。
【００１２】
３はビーム揺動手段である。Ｆ２レーザーは可干渉性があるために、被照明面にスペックルが発生する。スペックルが発生すると被照明面での照度むらとなるために露光量バラツキとなり、マスクから基板に焼き付けた像の線幅が場所によって異なる（ＣＤ均一性が悪化する）という問題が発生する。そのため、ビームを揺動してスペックルの分布を揺動して露光中に時間平均することが行われている。ビームを揺動する方法としては、傾けた平行平板を回転させる方法、ミラーを揺動する方法。クサビプリズムを回転させる方法等がある。
【００１３】
４はハエノメレンズであり、５はコンデンサレンズである。４の射出面に形成された２次光源で５のコンデンサレンズを用いて６のハエノメレンズ入射面をケーラー照明している。４のハエノメレンズはターレット上に置かれており、切り替えることによってハエノメレンズからの射出ＮＡが変えられ、６のハエノメレンズ入射面での照射範囲がかえらえる用になっている。これは、９のリレーレンズの倍率を変えた際に１０のハエノメレンズ射出面での光強度分布が集光しないようにするためである。
【００１４】
６はハエノメレンズであり、７はコンデンサレンズである。６の射出面に形成された３次光源で７のコンデンサレンズを用いて８の有効光源形成絞りをケーラー照明している。４から７の２段ハエノメレンズの構成によって、レーザービームのプロファイルが変化しても８の有効光源形成絞りでの光の分布が変化せず、常に均一な有効光源が形成できるようになっている。たとえば、４、５の１段目のハエノメレンズがないとすると、レーザーからの位置分布が変化した際に６の入射面での光強度分布が変化するので、８の有効光源形成絞りでの光の角度分布が変化する。もし、光の角度分布が変化すると、後述する１０のハエノメレンズ射出面での光強度分布がシフトする為に、１７の基板上での角度分布が傾き、基板がデフォーカスすると転写パターンの転写位置が変化するという軸上テレセン度となる。よって、４から７の２段ハエノメレンズの構成としている。
【００１５】
８は有効光源形成絞りである。有効光源とはレチクル面を照明する照明光源の形状のことである。有効光源の形状は通常、円形である。一方６のハエノメレンズとしては、ハエノメレンズの素子レンズの外形が四角形である四角ハエノメレンズや、素子レンズの外形が六角形である六角ハエノメレンズ、シリンドリカルレンズを素子レンズとして並べたシリンドリカルレンズアレイといったものが使われる。そのため８の有効光源形成絞りの光源側で形成される分布は、四角ハエノメレンズ、シリンドリカルレンズアレイの場合、正方形となり、六角ハエノメレンズの場合は六角形となる。よって、有効光源の形状を円形とするために、円形の開口をもった８の有効光源形成絞りが必要となる。
【００１６】
９はズームリレーレンズであって、８の有効光源形成絞りで形成された円形の光強度分布を１０のハエノメレンズ入射面に所定の倍率で投影している。レチクルを照明する照明光源の大きさはコヒーレンズファクタと呼ばれ、投影光学系のパフォーマンスをあげるために、転写するパターンに応じて可変にすることが望まれている。それを実現するために、９のリレー光学系の倍率を可変とすることによって、１０のハエノメレンズ入射面での照射領域の大きさを変えられるようにしている。
【００１７】
１０はハエノメレンズであり１１はコンデンサレンズである。１１のハエノメレンズ射出面に形成される４次光源を用いて１３のマスキングブレード上を均一な照度分布で照明する
１２はスリットであって、被照明面の照明領域を制御するものである。１０のハエノメレンズとしては、ハエノメレンズの素子レンズの外形が四角形である四角ハエノメレンズ、もしくはシリンドリカルレンズを素子レンズとして並べたシリンドリカルレンズアレイといったものが使われる。そのため１２のスリットの位置は矩形形状で照明される。ところが、前述のように投影光学系の結像領域が円弧であるために、照明領域は円弧にする必要がある。そのために１２のスリットは図７の円弧の開口を持ったものである。また走査投影露光装置においては、スリットの幅をスリットと垂直方向で変える事によって、スリットと垂直方向の露光量むらを補正する事が可能であるので、スリット幅を調整できるようにしておくことが望ましい。
【００１８】
１３は露光領域を制御するためのマスキングブレードである。所望の露光領域を得るために、走査露光にあわせて駆動される。
【００１９】
１４はマスキング結像レンズであり、１３の光強度分布を１５のレチクル面に投影する。
【００２０】
１５は回路パターンが描画されたレチクルである。１５７ｎｍの波長に対しては、従来の石英基板のレチクルでは、十分な透過率が得られない。そのためＦドープ石英や、蛍石等の１５７ｎｍの波長に対して透過率の高い基板を用いる必要がある。
【００２１】
１６はカタディオ系の投影光学系であって、レンズとミラーによって色消しを行って、円弧の結像領域において、良好な結像性能を達成している。
【００２２】
１７は感光剤の塗布された基板である。１５のレチクルの回路パターンが１６の投影光学系によって投影される。１５のレチクルと１７の感光剤の塗布された基板は、同期して走査露光され、投影光学系の結像領域よりも広い露光領域に露光される。
【００２３】
１８は１７の基板が載せられたステージであって、前記露光時の走査と、ショットごとに行われるステップを行う。
【００２４】
以上の従来技術によれば、円弧領域を照明するために、矩形照明領域が１２のスリットでの円弧切り出しを行っている。そのためスリットで光線が蹴られるために照明効率の低下が起こり、感光基板上において高い照度が得られない。感光基板上で高い照度が得られれば、露光時間の短縮化ができ、単位時間あたりの回路パターンの転写（スループット）を多くする事ができる。そのために感光基板上の高照度化を達成する事が求めらえている。
【００２５】
高照度化の技術として、光ファイバを用いる方法や、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ハエノメレンズを用いる方法が提案されている（特許文献２及び３参照。）。
【００２６】
光ファイバを用いる方法は、光ファイバによる均一化が良好でないという理由と、１５７ｎｍの波長に対する光ファイバーができないという理由で実用は困難である。
【００２７】
円弧ハエノメレンズを用いる方法も実用が困難である。素子レンズの加工は、ロッドレンズを加工後、外形を円弧状に削りだすために、非常にコストがかかり、加工の誤差も大きい。そのため、円弧ハエノメレンズはコストが高く、また素子レンズを積み重ねることによって加工誤差が積み上がり全体としての性能がでない。よって円弧ハエノメレンズを利用するという方法も実用が困難である。
【００２８】
ところが近年、フォトリソグラフィーのエッチング技術を利用した、回折光学素子、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）の加工が可能になってきた。そこで、円弧ハエノメレンズをマイクロレンズアレイで製作して高照度化を達成する方法が検討されている。マイクロレンズアレイで製作した円弧ハエノメを以後円弧ＭＬＡと呼ぶ。図８に円弧ＭＬＡのＲ面から見た図とその断面を示す。円弧ＭＬＡはフォトリソグラフィーで製作するために、円弧ハエノメレンズの素子レンズに相当するＲ形状を数回の露光とエッチングで製作できる。よって比較的安価に製作する事が可能である。また、加工誤差も露光装置のアライメント誤差のみであるので少なく、また素子レンズを積み重ねるわけではないので、加工誤差が積みあがらず、性能の悪化もすくない。
【特許文献１】特開２００１−２２８４０１号公報
【特許文献２】特公平５−６８８４６号公報
【特許文献３】特開昭６２−１１５７１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
上述のようにエッチングにより円弧ＭＬＡを製作する方法は、比較的安価に加工誤差の少ない円弧ＭＬＡの作成が出来るが、エッチングで作成しているために、深く掘れないという問題がある。エッチングによるレンズ形成は、レジストを基板上に塗布した後にグレーマスクを用いて露光を行い、できたレンズ形状のレジストマスクとしてエッチングによって、その形状を基板に写すことによって行われる。一般に用いられているノボラック系のレジストを用いると、通常半導体プロセスなどリソグラフィで用いられるレジストの厚みは１μｍ以下の程度であり、エッチングにより基板に作製される形状もレジストの膜厚以下の構造となる。仮に半導体素子の実装に用いられるバンプ形成用のレジストで２０μｍ程度のレジストを用いても、形成できる形状の大きさがレジストの膜厚に依存していることには変わり無く、レンズサイズのうち、少なくとも高さ（サグ量）は数十μｍが限度となる。つまり、基板を深く掘り込めないために、レンズのサグ量が取れず、結果として素子レンズの大きさが小さい円弧ＭＬＡしか作れないという制約がある。特に円弧ＭＬＡの場合、素子レンズの長手方向と短手方向での幅が異なる為、長手方向のサグ量で素子レンズの大きさが決まってしまい、短手方向の素子レンズのピッチは非常に細かくなってしまう。
【００３０】
例えば、円弧領域の形状が、図７であって、そこでのＮＡが０．８で照明する照明装置を考える。円弧ＭＬＡの径をφ１４０とすると、ヘルムホルツ・ラグランジェの関係より、長手方向に、円弧ＭＬＡから射出するＮＡは２１×０．８÷１４０＝０．１２が必要である。このときのコンデンサレンズの焦点距離ｆは（２１÷２）÷０．１２＝８７．５ｍｍである。円弧ＭＬＡの素子レンズの曲率半径をＲ、長手方向の幅をＸ、円弧ＭＬＡ基板の屈折率をＮとすると、射出ＮＡは（Ｎ−１）÷Ｒ×Ｘ÷２で求まる。一方サグ量は、中心と最軸外の距離をｄとして、Ｒ−√（Ｒ２＋ｄ２）で求まる。ｄは最軸外までの距離であるが、長手方向と短手方向の差が大きい時には、ｄ〜Ｘ÷２とできる。Ｎを１．５として、ほり込めるサグ量を１０μｍとすると、次の２つの方程式を解けば、素子レンズの曲率半径Ｒと、長手方向の幅Ｘが決まる。
（１．５−１）÷Ｒ×Ｘ÷２＝０．１２
Ｒ−√（Ｒ２−（Ｘ÷２）２）＝０．０１０
これより、素子レンズの曲率半径は０．３４２ｍｍ（３４２μｍ）、長手方向の幅は０．１６４ｍｍ（１６４μｍ）となる。短手方向の幅は、長手方向の幅の４÷２１であるので、０．０３１ｍｍ（３１μｍ）となる。
【００３１】
ハエノメレンズとは素子レンズで波面分割をする光学素子である。そのため素子レンズが小さくなると、隣り合う素子レンズからの光が干渉をおこし、被照明面で干渉縞が発生する。
【００３２】
光の干渉については、一般の物理の教科書にて回折格子の干渉として説明されている。回折格子の繰り返しパターンのピッチをｐ、露光波長をλ、コンデンサレンズの焦点距離をｆとすると、被照明面での干渉縞のピッチは、ｆλ÷ｐとなる。よって、波長が短くなると干渉縞のピッチが短くなり、回折格子の繰り返しパターンのピッチが細かくなると、干渉縞のピッチが長くなる。これは、回折光としても理解できる。回折格子からの回折光が飛ぶ角度θは、ｐ×ｓｉｎθ＝ｎλを満たす。回折光はコンデンサレンズによって、フーリエ変換されるため、角度分布が位置分布に変換される。よって、回折光の強めあう位置は、被照明面で、ｆｎλ÷ｐとなり、ｆλ÷ｐピッチで強めあう縞ができる（図９）。
【００３３】
円弧ＭＬＡにおける干渉縞に関しても回折格子と同様にｆλ÷ｐピッチで発生する。前述の長手方向２１ｍｍ、短手方向４ｍｍの円弧領域をＮＡ０．８０で照明する場合の円弧ＭＬＡについて当てはめると、焦点距離は８７．５ｍｍ、短手方向のピッチは０．０３１ｍｍであったので、１５７ｎｍの波長に対しては、８７．５×０．０００１５７÷０．０３１＝０．４４３ｍｍピッチ、６３３ｎｍの波長に対しては、１．７９ｍｍピッチの干渉縞が発生する事になる。短手方向の長さは４ｍｍであるために、１５７ｎｍでは短手方向には９本の干渉縞が、６３３ｎｍでは２．２本の干渉縞が入る計算となる。そのため、被照明領域の照度分布はもはや連続的な分布とはならず、均一な分布ではなくなってしまう。
【００３４】
なお、コンデンサレンズには無収差の理想レンズを用いたので、実際の照明系においては収差によるボケが発生するため、干渉縞のコントラストは低下する。被照射面での照度分布はＭＬＡの素子レンズの幾何光学的な照明領域内を、素子レンズの大きさから決まるピッチの干渉縞が埋める照度分布となる。ｙ方向を円弧の動径方向とすると、ｘ方向とｙ方向で素子レンズの大きさは異なるため、ｙ方向のピッチはｘ方向のピッチに比べて大きいことがわかる。干渉縞は被照明面での照度むらとなり基板へのパターンの転写不良となる。ｘ方向に干渉縞が存在すると、干渉縞の暗部では走査露光後の感光基板上で露光量が不足してしまう。ｙ方向に干渉縞が存在すると、光源がパルス光であるために走査方向に走査速度に依存した周期で露光量のバラツキが発生してしまう。
【００３５】
そのため、エッチングで製作した円弧ＭＬＡを用いると、高照度化は達成できるものの、干渉縞に起因する露光量のバラツキが発生してしまうという問題があった。露光量のバラツキを緩和するためには干渉縞のピッチを細かくする必要がある。しかし、前述のようにエッチングによって掘り込めるサグ量が取れないために、素子レンズのピッチを大きくして干渉縞の周期を大きくする事ができない。そのため、円弧ＭＬＡを用いた投影露光装置の実用化がなされていなかった。
【００３６】
そこで、本発明は、エッチングで製作した円弧ＭＬＡでありながら、干渉縞のピッチを細かくすることを例示的な課題とし、さらには、それを投影露光装置に用いて、高照度化を達成しながら、露光量のバラツキを小さくした投影露光装置を提供することも例示的な課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
上記目的を達成するために、本発明の一側面は、円弧ＭＬＡの素子レンズから射出される光の位相状態を制御する事によって、干渉縞の本数を増やして課題を解決する。
【００３８】
前述の回折格子において隣り合う開口で位相差をつけると回折光の飛ぶ方向が変化する。例えば隣り合う開口からの光に、位相差が１８０度つくようにすると、位相差をつけなかった時の暗部が明部となり、明部が暗部となり、白黒反転した干渉縞となる。本発明はこれを利用したものであって、円弧ＭＬＡの素子レンズから射出する光に位相差をつけて、素子レンズ間の干渉縞のできる位置をずらして、全体として被照明面での干渉縞のピッチを細かくするものである。
【００３９】
例えば、２つおきに位相差が１８０度つくようにして、隣り合う素子レンズ間の光の位相差が、０度、１８０度、０度、１８０度、０度…とつくようにするとする。位相差が０度である素子レンズ間の干渉縞の明部に、位相差が１８０度である素子レンズ間の干渉縞の暗部が存在し、位相差が０度である素子レンズ間の干渉縞の暗部に、位相差が１８０度である素子レンズ間の干渉縞の明部が存在するようになる。そのため見かけ上、干渉縞のピッチは、従来の円弧ＭＬＡに比べて半分となる。
【００４０】
本発明は、以上のように微小な素子レンズからなる光学素子において、位相差をつけて干渉縞のピッチを細かくするものであって、円弧ＭＬＡのみならず、屈折、もしくは回折によってパワーを持った微小な素子レンズが繰り返し配置された光学素子において有効である。例えば、矩形のマイクロレンズアレイであっても、干渉縞のピッチを細かくする事ができ、被照明面での照度むらを緩和する事が可能である。また、位相差の付け方は上述の２つおきに１８０度の位相差をつける方法のみならず、光学素子の右半分と左半分で、隣り合う光学素子の位相差を変えて、右半分を０度、左半分を１８０度とすれば、上述の２つおきに１８０度の位相差をつけたものと同様の効果を得ることができる。またさらには、素子レンズ間の位相差を０度と１８０度のみならず、隣り合う素子レンズからの光の位相差を０度から３６０度までの間でランダムにすることによって、干渉縞のピッチを無限小にまで細かくする事が可能である。隣り合う素子レンズからの光に位相差をつける方法としては、素子レンズの位相差毎のグループで分類して相対的に素子の高さをずらす方法が考えられる。たとえば、基板の屈折率をＮ、掘り込み量をｄとすれば、掘り込まなかった部分と掘り込んだ部分の位相差は（ｄ÷（λ÷Ｎ）−ｄ÷λ）×３６０度＝（Ｎ−１）×ｄ÷λ×３６０度となる。位相差を１８０度つけようとすると、Ｎ＝１。５、λ＝１５７ｎｍとすると、ｄ＝１５７ｎｍとなる。つまり、１５７ｎｍ素子の高さをずらせば前述の機能を実現できる。また高さをずらすのは屈折、もしくは回折によってパワーを持った面に行う方が、素子レンズとの位置合わせが容易であるため好適である。そのため、ＭＬＡの三次元形状を形成するマスク設計時に必要な位相差分を考慮してマスク上の透過率を決定すればよいことになる。位相差分を考慮するとはつまり、与える位相差からＭＬＡの使用材料の屈折率を考えて素子高さに変換し、エッチングで基板に転写する際にはエッチングの選択比、すなわち転写倍率を考慮する必要が有る。もちろん、ＭＬＡ形状をレジストに形成し、そのまま光学素子として利用する際にはエッチングの選択比を考慮する必要は無い。
【００４１】
またここではＦ２光学系を例に説明をしたが、ＭＬＡによる干渉縞は白色光でも観察されており、Ｆ２以外の波長用の素子に対しても有効性は変わらない。
【００４２】
したがって、本出願にかかる第一の発明は作製する形状が基本形状の繰り返しであるときに、基本パターンを二つ以上のグループに分けて、作製する感光性材料の高さをグループ間で相対的にずらした形状にしてマスクの設計を行ったことを特徴とする。
【００４３】
また本出願にかかる第二の発明はグループに分ける際に少なくとも一方向には連続する複数個の基本パターンを一つにグループに含めて、マスクの設計を簡略なものにする、また干渉時の比率を最適化したことを特徴とする。
【００４４】
また本出願にかかる第三の発明はグループ分けする際に少なくとも一方向には隣接する基本パターンが常に異るグループの組合せとなる様にグループ分けを設定しており、位相差をもった素子の組合せの数を最も多くしていることを特徴とする。
【００４５】
また本出願にかかる第四の発明はグループ間の位相差をグループの数で一周期を分割した量とし、制御する位相差が均等で、できる干渉縞のコントラストが最も小さくなっていることを特徴とする。
【００４６】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付の図面を参照して説明される好ましい実施例等によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００４７】
本発明によればマスク設計時にグループ分けして位相差を発生することで、レンズ高さに制約を持ったリソグラフィ技術を用いたマイクロレンズの干渉縞の影響を、低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
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。
【実施例１】
【００４９】
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５１は球面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５２は断面を観察した際の表面形状、５３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５３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。次に等しい高さの線５３と三次元形状の表面形状５２との交点を形状のサンプリング点５４（実際には等高線）とする。このサンプリング点５４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５２上に複数のサンプリング点５４が求められる。ここでサンプリング点５４を基準平面である基板表面５６に投影した点６０で、隣接する投影したサンプリング点６０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５９を与える。領域境界５９が求まった後は、領域内の高さをサンプリング点５４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部位の露光量を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、これが必要な透過率となる。
【００５０】
さらに解像限界以下のパターンを用いて露光を行うと、開口率と透過率は等しくはならない。そこで、事前に開口率を変えたパターンと１００％の透過率を有する開口パターンで設定露光量を変えたパターンを用いて、各開口率での実効透過率を求めておく。設計形状から得られた透過率は実効透過率に対応する開口率への変換を経て、最終的な開口率が求まる。
【００５１】
本実施例ではエッチング条件に選択比が１となる条件を選択したので、１８０度の位相差に必要な高さの違いをそのままレジスト形状時の高さの差として計算し、透過率を求めた。
【００５２】
ここで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。
【００５３】
本発明ではグループ毎にレンズの断面形状を所望の高さだけシフトして、上記の手順を用いて順次マスクに必要な透過率を求める。本実施例では隣接する素子間で、つまり交互に０度、１８０度と位相差が生じるような高さの差を計算して設計値に付与した。
【００５４】
次に求められた開口率をつかってマスクを設計／製作する。ここでは目的の形状が球面レンズを集めたレンズアレイなので、基本となる球面レンズを抜きだして考える。
【００５５】
図５に示すように先ほど図３に示した等高線５３を用いてマスク領域を設計すると領域境界６６はレンズ中心と中心を同一にする同心円となる。６３はドットパターンを配置するために一定ピッチで定義したますめ、６４はドットパターンである。ここでは中央部の領域を代表して表している。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決めて行く。
【００５６】
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。ドットパターンを配置するます目の原点は球面の頂点に設定すると設計時に考えやすいと考えられる。
【００５７】
領域境界の中心と同じ位置を原点として、所望のピッチでます目を描く。前記ます目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ます目の交点にドットパターンを配置する。そして、所望の領域内部にます目の交点が存在する場合のみ所望のサイズのドットパターンを配置し、ドット配置の点（ます目の交点）が領域を外れた場合にはドットパターンを配置しない。そして次の領域でも同様の作業を繰り返してゆく。ここではアレイ形状が目標となる形状であったが、マスク中心をドット配置のます目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、アレイ形状の場合にはドットパターン配置の原点を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。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。
【００５８】
また、円弧以外の輪郭であってもマスク設計仕様の違いであって、本発明の効果には影響しない。
【００５９】
第１の実施例のインテグレータを用いる事により、従来４ｍｍスリット中に９本であった干渉縞が、１８本となり、光源がパルス光であるために走査方向に走査速度に依存した周期で露光量のバラツキが従来に比べて小さくなった。
【実施例２】
【００６０】
本発明の第２の実施例は第１の実施例では１８０度つけていた位相変調円弧ＭＬＡの位相差を１２０度にしたものである。インテグレータの隣り合う素子レンズ間に、０度、１２０度、０度、−１２０度の位相差をつけている。
【００６１】
位相差が１２０度ついた素子レンズ間で発生する干渉縞は、位相差がついていない素子レンズ間で発生する干渉縞に対して、ｆλ÷ｐ×（１２０÷３６０）だけずれた場所に同じピッチの干渉縞を発生する。つまり、位相差がついていない素子レンズ間で発生する干渉縞のピッチの３分の１ずれた場所に干渉縞を発生する。一方位相差が−１２０度ついた素子レンズ間で発生する干渉縞は、１２０度ついた素子レンズ間が発生する干渉縞と反対方向に、位相差がついていない素子レンズ間で発生する干渉縞のピッチの３分の１ずれた場所に干渉縞を発生する。よって、位相変調円弧ＭＬＡ全体としては、これら３種類の干渉縞が重なり合った干渉縞を発生し、被照明面での干渉縞のピッチは、位相差をつけなかったときに比べて３分の１となる。１２０度の位相差をつけるために付けられている段差は、基板の屈折率をＮ、波長をλとすると、ｋを整数としてλ÷（３×（Ｎ−１））＋ｋ×λ÷（Ｎ−１）である。よってＮ＝１．５として１５７ｎｍで使用する円弧ＭＬＡの場合には、１０４．７ｎｍもしくは４１８．７ｎｍ、もしくは７３２．７ｎｍの段差をつける。ｘ方向、ｙ方向ともピッチが３分の１になるように、位相差をつけるのが好適である。なお、条件によっては素子レンズ間の位相差が０度と１８０度のもの比が１：１以外のときが好適な場合もある。たとえば、２：１の場合は、０度、０度、１２０度、０度、１２０度、０度、０度となるように、３つおきに段差を変えるようにすればよい。
【実施例３】
【００６２】
本発明の第３の実施例は第１の実施例では１８０度つけていた位相変調円弧ＭＬＡの位相差を０から３６０度の間でランダムにしたものである。
【００６３】
ランダムな位相差をつけたことにより、隣り合う素子レンズによって発生する干渉縞は、それぞれのペアによって異なる位置に発生する。位相変調円弧ＭＬＡの加工は第１、第２の実施例と同様にマスクパターンによって段差をつけるが、完全にランダムな無限数の段差をつけることは難しいので、２段階、４段階、８段階の２の累乗の段数をつけることが実際的である。よって実際には２の累乗の段差をランダムに各素子レンズに与えてマスクの設計を行った。
【００６４】
第３の実施例のインテグレータを用いる事により、従来４ｍｍスリット中に９本であった干渉縞が多くなり、光源がパルス光であるために走査方向に走査速度に依存した周期で露光量のバラツキが従来に比べて小さくなる。
【００６５】
なお、本明細書では、位相差が１８０度、１２０度、ランダムの場合についての実施例を述べたが、光学系の構成方法よっては、それ以外の位相差をつけたほうが、効果が得られる場合もある。
【００６６】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、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】
【００６７】
【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図である。
【図２】図１に示す線Ａ−Ａに沿った、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】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レンズを形成するためのマスクの概略平面図である。
【図６】従来技術による投影露光装置を示す図である。
【図７】スリットの説明図である。
【図８】円弧ＭＬＡの説明図である。
【図９】回折格子における干渉縞の説明する図である。
【符号の説明】
【００６８】
５１  位相差付与後の円弧状ＭＬＡ
５２  断面図での表面形状
５３  断面形状の等高線
５４  表面上の等高となる点
【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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【図９】
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