(57)【要約】【課題】表面に段差のある基板でも、段差による焦点の位置ずれを抑制することのできるフォトマスクを提供する。【解決手段】本発明のフォトマスクは、１対の主面を有する透明基板１と、透明基板の主面の一方に配置され、第１開口部７１および第２開口部７２を有する遮光膜７と、透明基板１の主面の一方であって第１開口部７１に配置され、透明基板１と反対側に凸のレンズ面を有する集光構造Ｌ１とを備える。【選択図】図１
2012118459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１対の主面を有する透明基板と、
前記透明基板の前記主面の一方に配置され、第１開口部および第２開口部を有する遮光膜と、
前記透明基板の前記主面の一方であって前記第１開口部に配置され、前記透明基板と反対側に凸のレンズ面を有する集光構造と、
を備えるフォトマスク。
【請求項２】
前記レンズ面の表面は部分球面形状を有する請求項１に記載のフォトマスク。
【請求項３】
前記レンズ面は同心円状の階段形状であり、前記階段形状の包絡面は部分球面である、請求項１に記載のフォトマスク。
【請求項４】
前記集光構造の焦点が前記透明基板内に位置している請求項１から３のいずれかに記載のフォトマスク。
【請求項５】
前記集光構造の焦点が前記集光構造内に位置している請求項１から３のいずれかに記載のフォトマスク。
【請求項６】
前記遮光膜は第３開口部をさらに有し、
前記透明基板の前記主面の一方であって前記第３開口部に配置され、前記透明基板と反対側に凸のレンズ面を有する集光構造をさらに備える請求項１から３のいずれかに記載のフォトマスク。
【請求項７】
前記第１開口部に位置する集光構造の焦点および前記第３開口部に位置する集光構造の焦点のうち、一方は前記透明基板内に位置しており、他方は前記集光構造内に位置している請求項６に記載のフォトマスク。
【請求項８】
前記第１開口部に位置する集光構造の焦点および前記第３開口部に位置する集光構造の焦点はいずれも前記透明基板内、または、前記集光構造内に位置しており、
前記第１開口部に位置する集光構造の焦点および前記第３開口部に位置する集光構造の焦点の前記集光構造の光軸方向における位置が互いに異なる請求項６に記載のフォトマスク。
【請求項９】
第１開口部および第２開口部を有する遮光膜が一方の主面に設けられた透明基板に、前記遮光膜を覆うように透明膜を形成する工程と、
前記透明膜の前記第１開口部の上方の領域にレジストパターンを形成する工程と、
熱処理によって前記レジストパターンを変形させ、前記レジストパターンの表面に部分球面形状を形成する工程と、
前記変形したレジストパターンをマスクとして前記透明膜を異方性エッチングする工程と
を包含するフォトマスクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体フォトリソグラフィに用いられる露光用フォトマスクに関する。特に、露光すべき基板表面の段差によって生じる、焦点の位置ずれを軽減するための露光用フォトマスクに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路や光学撮像素子の製造では、フォトリソグラフィにおけるパターン転写の微細化が進められている。それに伴い、短波長の露光光源や大開口数の投影レンズが求められている。
【０００３】
フォトリソグラフィにおける縮小投影露光の焦点深度ＤＯＦ（Depth Of Focus）は、式（１）で与えられる。
【数１】
2012118459.tif 000003
【０００４】
ここで、λは露光光の波長（ｎｍ）であり、ＮＡは縮小投影露光装置のレンズ開口数、Ｋはレジスト材料などによって決まる係数である。
【０００５】
例えば、ＡｒＦ線（波長１９３ｎｍ）の光源と、開口数が０．８５の投影レンズを用いた場合、焦点深度は約０．２μｍとなる。式（１）から分かるように、大開口数の投影レンズを用いたり、短波長の露光光源を用いたりすることによって焦点深度は浅くなる。
【０００６】
一般に、縮小投影露光装置を用いたフォトリソグラフィでは、露光用フォトマスク上のパターンを露光すべき基板上に塗布されたフォトレジストなどの感光材に投影することでパターンを形成する。パターン形成においては、露光装置の投影レンズの結像面を、露光面の全面に一致させることが理想である。しかし、実際には、露光すべき基板の表面に、パターニングされた金属膜、絶縁膜、半導体膜などが形成されることによって、基板の表面は平坦でなく、段差が生じている場合がある。このような基板に感光材を塗布すれば、感光材の表面に段差が反映される。その結果、露光装置の焦点位置が感光材表面と合致しない領域が発生し、フォトマスクの開口パターンが感光材に正しく投影されなくなる。
【０００７】
図１４は、従来のフォトマスクを用いて、段差を有する感光材表面へ開口パターンを投影する様子を示す。基板１５上に塗布された感光材には、基板１５が有する段差によって、露光面１４ａと露光面１４ｂとの間に段差が存在している。そのため、投影レンズ１３の焦点位置を露光面１４ａに一致させると露光面１４ｂにおいて焦点の位置ずれが生じ、開口パターン１１は正しく投影されない。また、投影レンズ１３の焦点位置を露光面１４ｂに一致させた場合も同様に、開口パターン１２は露光面に正しく投影されない。
【０００８】
このような課題に対し、特許文献１は、凹凸を有する基板上に精度良くパターンを形成することのできるフォトマスクを開示している。図１５は、特許文献１に開示されたフォトマスクの断面構造を模式的に示している。図１５に示すように、特許文献１に開示されたフォトマスクは、透明基板２０と、透明基板２０の表面に設けられており、開口２１および開口２２を有する遮光膜とを備え、開口２１には、透明層２３が設けられている。透明層２３は空気よりも屈折率が大きいため、パターン２１を透過する光の光路長は、パターン２２を透過する光に比べて長くなる。つまり、パターン２１は、パターン２２よりも投影レンズ２４から離れて位置しているのと等価である。このため、パターン２１およびパターン２２を投影レンズ２４により投影した場合、パターン２２は露光面２５ａに結像し、パターン２１は露光面２５ａよりも投影レンズ２４に近接した投影面２５ａに結像する。つまり、凹凸を有する基板の凹部および凸部において正しくパターン２１、２２を投影することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平２−２２０４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に示された方法では、仮に基板表面の凹凸の段差が０．５μｍであり、形成する透明層の屈折率が２．０であるとした場合、必要な透明層の厚さは１２．５μｍとなる。このような厚い透明層をエッチングによって加工するには、時間を要する。例えば、透明層が窒化シリコンからなる場合、フッ素系ガスを用いて１２．５μｍの厚さの透明層をエッチングするのに、約１０００ｎｍ／ｍｉｎのエッチングレートでも１０分間以上要する。このため、長時間のエッチングによりチャンバ内壁に多くの堆積物（スカム）が発生し、その後の工程に悪影響を及ぼす可能性があったり、堆積物を除去する必要があったりする。
【００１１】
また、フォトリソグラフィにより形成すべきパターンの微細化に伴い、フォトマスクの開口部分も小さくなる。例えば、フォトマスクの開口幅が１μｍであるとすると、１０μｍ以上の厚さの透明層をエッチングすることにより、エッチングされた透明層の側面はテーパー形になりやすい。傾斜した側面を透過する光は、設計された光路を通らないため、フォトマスクのパターンが正確に基板に投影されないという問題が生じる。
【００１２】
本発明は、このような従来技術の課題を解決し、表面に段差のある基板でも、段差による焦点の位置ずれを抑制することのできるフォトマスクを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のフォトマスクは、１対の主面を有する透明基板と、前記透明基板の前記主面の一方に配置され、第１開口部および第２開口部を有する遮光膜と、前記透明基板の前記主面の一方であって前記第１開口部に配置され、前記透明基板と反対側に凸のレンズ面を有する集光構造とを備える。
【００１４】
ある好ましい実施形態において、前記レンズ面の表面は部分球面形状を有する。
【００１５】
ある好ましい実施形態において、前記レンズ面は同心円状の階段形状であり、前記階段形状の包絡面は部分球面である。
【００１６】
ある好ましい実施形態において、前記集光構造の焦点が前記透明基板内に位置している。
【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記集光構造の焦点が前記集光構造内に位置している。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記遮光膜は第３開口部をさらに有し、フォトマスクは、前記透明基板の前記主面の一方であって前記第３開口部に配置され、前記透明基板と反対側に凸のレンズ面を有する集光構造をさらに備える。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記第１開口部に位置する集光構造の焦点および前記第３開口部に位置する集光構造の焦点のうち、一方は前記透明基板内に位置しており、他方は前記集光構造内に位置している。
【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記第１開口部に位置する集光構造の焦点および前記第３開口部に位置する集光構造の焦点はいずれも前記透明基板内、または、前記集光構造内に位置しており、前記第１開口部に位置する集光構造の焦点および前記第３開口部に位置する集光構造の焦点の前記集光構造の光軸方向における位置が互いに異なる。
【００２１】
本発明のフォトマスクの製造方法は、第１開口部および第２開口部を有する遮光膜が一方の主面に設けられた透明基板に、前記遮光膜を覆うように透明膜を形成する工程と、前記透明膜の前記第１開口部の上方の領域にレジストパターンを形成する工程と、熱処理によって前記レジストパターンを変形させ、前記レジストパターンの表面に部分球面形状を形成する工程と、前記変形したレジストパターンをマスクとして前記透明膜を異方性エッチングする工程とを包含する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、基板の表面に段差があっても、フォトマスクのパターンを正確に基板表面に投影することができる。また、結像面の位置を変化させて複数回の露光を行う必要がないため、露光プロセスの短縮化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（ａ）は、本発明によるフォトマスクの第１の実施形態の断面およびフォトマスクと表面に感光材が設けられた基板との配置を示しており、（ｂ）は、第１の実施形態のフォトマスクの模式的平面図である。
【図２】第１の実施形態のフォトマスクにおける集光構造のレンズ面の曲率半径とレンズ厚さとの関係を示すグラフである。
【図３】（ａ）から（ｃ）は、第１および第２の実施形態のフォトマスクの製造工程を示す断面図である。
【図４】（ａ）は、本発明によるフォトマスクの第２の実施形態の断面およびフォトマスクと表面に感光材が設けられた基板との配置を示しており、（ｂ）は、第２の実施形態のフォトマスクの模式的平面図である。
【図５】第２の実施形態のフォトマスクにおける集光構造のレンズ面の曲率半径とレンズ厚さとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明によるフォトマスクの第３の実施形態の断面およびフォトマスクと表面に感光材が設けられた基板との配置を示している。
【図７】第３の実施形態のフォトマスクの模式的平面図である。
【図８】（ａ）から（ｃ）は、第３の実施形態のフォトマスクの製造工程を示す断面図である。
【図９】本発明によるフォトマスクの第４の実施形態の断面およびフォトマスクと表面に感光材が設けられた基板との配置を示している。
【図１０】（ａ）から（ｅ）は、第４の実施形態のフォトマスクの製造工程を示す断面図である。
【図１１】本発明によるフォトマスクの第５の実施形態の断面およびフォトマスクと表面に感光材が設けられた基板との配置を示している。
【図１２】（ａ）から（ｆ）は、第５の実施形態のフォトマスクの製造工程を示す断面図である。
【図１３】本発明によるフォトマスクの第６の実施形態の断面およびフォトマスクと表面に感光材が設けられた基板との配置を示している。
【図１４】従来のフォトマスクと基板の位置関係を表す断面図である。
【図１５】従来の他のフォトマスクと基板の位置関係を表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（第１の実施形態）
本発明によるフォトマスクの第１の実施形態を説明する。図１（ａ）はフォトマスク５１およびフォトマスク５１と表面に感光材３４が設けられた基板３１との配置を示す断面図であり、図１（ｂ）は、フォトマスク５１の模式的平面図である。フォトマスク５１は、透明基板１と遮光膜７とを備える。遮光膜７は透明基板１の１対の主面１ａ、１ｂのうち一方の主面１ａに設けられている。
【００２５】
透明基板１は、フォトマスク５１を用いて露光を行う場合に用いられる光（露光光）に対して透明である。透明基板１は、ガラスなどフォトマスクの透明基板として用いられる一般的な材料によって構成されている。一方、遮光膜７は、露光に用いる所定の波長の光に対し、遮光性を有する。遮光膜７はクロム膜など、フォトマスク５１の遮光膜として一般的な材料によって構成される。
【００２６】
図１（ｂ）に示すように、遮光膜７は、第１開口部７１および第２開口部７２を有する。第１開口部７１および第２開口部７２はフォトマスク５１を用いて露光すべき基板の表面に露光光が照射される領域を規定する。例えば、露光すべき基板の表面にネガ型のフォトレジスト層が形成されている場合、第１開口部７１および第２開口部７２のパターンが投影された領域が現像後に残存するパターンとなる。
【００２７】
本実施形態では、第１開口部７１は、露光によって、露光すべき基板３１の凸部３２上に位置する感光材３４の露光面６に投影され、第２開口部７２は、基板３１の凹部３３上に位置する感光材３４の露光面５に投影される。露光面５と露光面６との段差はδである。遮光膜７の開口部のうち、第１開口部７１となるか第２開口部７２となるかは、フォトマスク５１が用いられるフォトリソグラフ工程以前の半導体製造などの微細加工工程によって、基板３１自体、あるいは、基板３１の表面に形成される金属層、絶縁層、半導体層などに依存する。通常、半導体装置の製造や、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の製造において、使用されるフォトマスクのセットおよび各フォトマスクを用いて行われる微細加工は予め定められているため、フォトマスク５１を設計する段階で、どの開口が第１開口部７１となるか定まる。
【００２８】
図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、第１開口部７１には、集光構造Ｌ１が設けられている。集光構造Ｌ１は、有機材料や無機材料などの露光光を透過する透明材料からなる。以下において、説明するように、集光構造Ｌ１を構成する材料の屈折率は大きいほうが、集光構造Ｌ１の膜厚を小さくできる。このため、集光構造Ｌ１は、屈折率の大きい透明無機材料によって構成されていることが好ましい。集光構造Ｌ１は透明基板１と反対側に凸のレンズ面を有している。つまり、透明基板１と反対側に集光機能を有する面を有している。集光構造Ｌ１は第１開口部７１全体を覆っていることが好ましい。集光構造Ｌ１は第１開口部７１にのみ設けられており、第２開口部７２には、集光構造Ｌ１は設けられていない。
【００２９】
フォトマスク５１は、集光構造Ｌ１のレンズ面により、露光における焦点の位置ずれを抑制することができる。本実施形態では、集光構造Ｌ１の焦点は透明基板１の遮光膜７の設けられた主面１ａよりも透明基板１の内部側に、つまり透明基板１の内部に位置している。集光構造Ｌ１のレンズ面の曲率半径、および集光構造Ｌ１の厚さは、次式（２）の関係を満たしている。
【数２】
2012118459.tif 000004
【００３０】
式（２）において、ｎは集光構造Ｌ１を構成する材料の屈折率であり、Δは集光構造Ｌ１のレンズ面の頂点から透明基板１までの距離（レンズ厚さ）であり、ｍは露光装置の縮小倍率であり、δは感光材３４が有する上記段差（露光面５と露光面６との差）であり、Ｒはレンズ面の曲率半径である。上述したように、フォトマスク５１を用いて露光する前に基板３１の表面に形成される微細構造および微細構造による段差δも予め設計により定まっている。このため、式（２）を満たす集光構造Ｌ１は予め定めることができる。
【００３１】
図１に示すように、透明基板１側から入射する光のうち、第２開口部７２を通過する光は、露光装置の投影レンズ４によって集光され、基板３１の表面に設けられた感光材３４の露光面５において像を結ぶ。具体的には、第２開口部７２の開口パターンが縮小倍率ｍで縮小されて露光面５に投影される。
【００３２】
一方、透明基板１側から入射する光のうち、第１開口部７１を通過する光は、集光構造Ｌ１を透過し、レンズ面で屈折する。第１開口部７１が規定するパターンは主面１ａにおいて規定され、集光構造Ｌ１の焦点が透明基板１の内部に位置しているため、結像すべき第１開口部７１が規定するパターンは、焦点よりも集光構造Ｌ１のレンズ面側に位置していることになる。このため、集光構造Ｌ１を透過した光は、透明基板１の内部の平面Ｐ１上に形成される第１開口部７１が規定するパターンの虚像を構成する。式（２）を満たすように集光構造Ｌ１のレンズ面が形成されているため、平面Ｐ１は、集光構造Ｌ１のレンズ面の頂点から透明基板１側へΔ+２ｍδの位置にある。
【００３３】
この虚像が投影レンズ４によって集光されることにより、投影レンズ４を透過した光は、集光構造Ｌ１がない場合における集光位置よりも段差δだけフォトマスク５１側に位置する露光面６上で結像する。つまり、第１開口部７１の開口パターンが縮小倍率ｍで縮小されて露光面６に投影される。
【００３４】
図２は、集光構造Ｌ１におけるレンズ面の曲率半径と集光構造の厚さとの関係を示している。実線は集光構造Ｌ１の材料の屈折率が２．０の場合であり、破線は集光構造の材料の屈折率が１．５の場合の関係を示す。露光面における段差δを０．５μｍとし、露光装置の縮小倍率ｍを５倍に設定している。図２より、例えば、フォトマスクとして１．５μｍ角の開口部のパターンを形成し、このパターンを露光装置の正焦点位置から０．５μｍだけフォトマスク側にある凸領域の表面位置に結像させるためには、集光構造Ｌ１の材料の屈折率が２．０の場合、曲率半径が少なくとも１．０６μｍであり、厚さが約２μｍの集光構造Ｌ１が必要であることが分かる。また、集光構造の材料の屈折率が１．５の場合、曲率半径が少なくとも１．０６μｍ、集光構造Ｌ１の厚さは約２．８μｍ必要であることが分かる。図２より、集光構造の材料の屈折率が大きいほど必要とする集光構造Ｌ１の厚さは小さくなり、集光構造Ｌ１の形成が容易となることが分かる。
【００３５】
このように、本実施形態のフォトマスクによれば、第１開口部に実現可能な厚さ（例えば数μｍ程度）の集光構造を設けることにより、基板表面の段差に起因する露光装置の焦点の位置ずれを軽減することができる。また、結像面の位置を変化させて複数回の露光を行う必要がないため、露光プロセスの短縮化を図ることができる。
【００３６】
次に、本実施形態のフォトマスク５１の製造方法について説明する。フォトマスク５１は、例えば、透明基板１の表面に第１開口部７１および第２開口部７２を有する遮光膜７を形成し、第１開口部７１に熱変形樹脂を形成後、所望のレンズ面の形状が得られるように熱変形樹脂を加熱することにより、集光構造Ｌ１を有するフォトマスク５１を作製することができる。しかし、樹脂の屈折率は大きくても約１．６程度であるため、この方法によりフォトマスク５１を作製する場合、集光構造Ｌ１の厚さが大きくなる。集光構造Ｌ１の厚さを小さくしたい場合には、無機材料を用いて集光構造Ｌ１を形成することが好ましい。
【００３７】
図３（ａ）から（ｃ）を参照しながら、透明無機材料を用いた集光構造Ｌ１を備えるフォトマスクの製造方法を説明する。本実施形態では、透明無機材料として、微細加工に適した窒化シリコンを用いる。
【００３８】
まず、図３（ａ）に示すように、透明基板１上に金属膜などを形成し、金属膜に第１開口部７１および第２開口部７２を形成することによって、遮光膜７を透明基板１の表面に形成する。さらに、遮光膜７を覆うように透明基板１上に窒化シリコン膜２０２をプラズマＣＶＤやスパッタリング等を用いて形成する。
【００３９】
次に、窒化シリコン膜２０２の上にレジスト膜２０３を形成する。フォトリソグラフィによって、レジスト膜２０３から所望のレジストパターンを形成した後、熱処理を行ない、レジストパターンを変形させる（リフロー）ことによって、図３（ｂ）に示すように、部分球面形状を有するレジストパターン２０４を得る。レジストパターン２０４は第１開口部７１上に位置している。
【００４０】
その後、レジストパターン２０４をマスクとして、ドライエッチング法により、窒化シリコン膜２０２を異方性エッチングすることにより、図３（ｃ）に示すように、レジストパターン２０４の断面形状および平面形状が反映された窒化シリコン膜パターン２０５が残存する。ここで、レジスト膜２０３の厚さや、レジスト膜２０３と窒化シリコン膜２０２のエッチングレート比（選択比）を調整することにより、集光構造Ｌ１のレンズ面の曲率を調整することができる。これにより、窒化シリコン膜パターン２０５によって構成される集光構造Ｌ１が第１開口部７１に形成されたフォトマスク５１が完成する。
【００４１】
なお、上記無機材料として、窒化シリコン以外に酸化タンタルや石英などを用いてもよい。また、無機材料に代わり、エポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、放射線重合性不飽和樹脂などの高分子樹脂を用いてもよい。
【００４２】
（第２の実施形態）
本発明によるフォトマスクの第２の実施形態を説明する。図４（ａ）はフォトマスク５２およびフォトマスク５２と表面に感光材３４が設けられた基板３１との配置を示す断面図であり、図４（ｂ）は、フォトマスク５２の模式的平面図である。フォトマスク５２は、透明基板１と透明基板１の一方の主面１ａに配置された遮光膜７とを備える。
【００４３】
第１の実施形態と同様、遮光膜７には第１開口部７１および第２開口部７２が設けられており、第１開口部７１には、集光構造Ｌ２が設けられている。集光構造Ｌ２は露光光を透過する透明材料からなる。本実施形態では、第１開口部７１は、露光によって、露光すべき基板３１の凹部３３上に位置する感光材３４の露光面６’に投影され、第２開口部７２は、基板３１の凸部３２上に位置する感光材３４の露光面５に投影される。露光面５と露光面６との段差はδである。
【００４４】
フォトマスク５２は、集光構造Ｌ２のレンズ面により、露光における焦点の位置ずれを抑制することができる。本実施形態では、集光構造Ｌ２の焦点は透明基板１の遮光膜７が設けられた主面１ａよりもレンズ面側、つまり、集光構造Ｌ２内に位置している。集光構造Ｌ２のレンズ面の曲率半径、および集光構造Ｌ２の厚さは、次式（３）の関係を満たしている。
【数３】
2012118459.tif 000005
【００４５】
式（３）において、ｎは集光構造Ｌ２を構成する材料の屈折率であり、Δは集光構造Ｌ２のレンズ面の頂点から透明基板１までの距離（厚さ）であり、ｍは露光装置の縮小倍率であり、δは感光材３４が有する上記段差（露光面５と露光面６との差）であり、Ｒはレンズ面の曲率半径である。
【００４６】
図４に示すように、透明基板１側から入射する光のうち、第２開口部７２を通過する光は、露光装置の投影レンズ４によって集光され、基板３１の表面に設けられた感光材３４の露光面５において像を結ぶ。具体的には、第２開口部７２の開口パターンが縮小倍率ｍで縮小されて露光面５に投影される。
【００４７】
一方、透明基板１側から入射する光のうち、第１開口部７１を通過する光は、集光構造Ｌ２を透過し、レンズ面で屈折する。第１開口部７１が規定するパターンは主面１ａにおいて規定され、集光構造Ｌ２の焦点が集光構造Ｌ２内に位置しているため、結像すべき第１開口部７１が規定するパターンは、焦点よりも集光構造Ｌ２のレンズ面より遠い側に位置していることになる。このため、集光構造Ｌ２を透過した光は、集光構造Ｌ２よりも投影レンズ４側の平面Ｐ２上において実像を形成する。式（３）を満たすように集光構造Ｌ２のレンズ面が形成されているため、平面Ｐ２は、集光構造Ｌ２のレンズ面の頂点から基板３１側へ２ｍδの位置にある。
【００４８】
この実像が投影レンズ４によって集光されることにより、投影レンズ４を透過した光は、集光構造Ｌ２がない場合における集光位置よりも段差δだけフォトマスク５２から離れた基板３１側に位置する露光面６’上で結像する。つまり、第１開口部７１の開口パターンが縮小倍率ｍで縮小されて露光面６’に投影される。このように、本実施形態では、露光装置の投影レンズ４の正規の焦点位置に対して、窪んでいる領域での焦点の位置ずれを軽減することができる。
【００４９】
図５は、集光構造Ｌ１２おけるレンズ面の曲率半径と集光構造の厚さとの関係を示している。実線は集光構造の材料の屈折率が２．０の場合であり、破線は集光構造の材料の屈折率が１．５の場合の関係を示す。露光面における段差δを０．５μｍとし、露光装置の縮小倍率ｍを５倍に設定している。図５より、例えば、フォトマスクとして１．５μｍ角の開口部のパターンを形成し、このパターンを露光装置の正焦点位置から０．５μｍだけフォトマスク５２とは反対側にある凹部領域の表面位置に結像させるためには、集光構造Ｌ２の材料の屈折率が２．０である場合、曲率半径が少なくとも１．０６μｍであり、厚さが約２．３μｍの集光構造Ｌ２が必要であることが分かる。また、集光構造の材料の屈折率が１．５である場合、曲率半径が少なくとも１．０６μｍであり、厚さは約３．８μｍ必要であることが分かる。また、図５より、集光構造の材料の屈折率が大きいほど必要とする集光構造Ｌ２の厚さは小さくなり、集光構造Ｌ２の形成が容易となる。
【００５０】
このように、本実施形態のフォトマスクによれば、第１開口部に実現可能な厚さ（例えば数μｍ程度）の集光構造を設けることにより、基板表面の段差に起因する露光装置の焦点の位置ずれを軽減することができる。特に、本実施形態は、例えば、基板表面に凹部が点在している場合など、凹部領域の面積の割合が小さい場合に、フォトマスクに設ける集光構造を少なくできるため適している。フォトマスク５２は第１の実施形態のフォトマスク５１と同様の方法によって製造することができる。
【００５１】
（第３の実施形態）
本発明によるフォトマスクの第３の実施形態を説明する。図６はフォトマスク５３およびフォトマスク５３と表面に感光材３４が設けられた基板３１との配置を示す断面である。また、図７はフォトマスク５３の平面図である。
【００５２】
第１および第２の実施形態のフォトマスク５１、５２において、独立した開口を形成している第１開口部７１の面積が大きくなると、第１開口部７１全体を覆う集光構造Ｌ１、Ｌ２も大きくなり、膜厚も増大する。例えば、曲率半径が２．５μｍを超える集光構造を作製しようとする場合、集光構造の厚さは４μｍよりも大きくなってしまう。このような場合、第１開口部７１の領域を複数の微小領域に分割し、各微小領域において集光構造Ｌ３を形成することにより、基板上の段差に大面積の第１の開口部３のパターンを投影することが可能となる。
【００５３】
第１および第２の実施形態と同様、フォトマスク５３は、透明基板１と透明基板１の一方の主面に配置された遮光膜７とを備える。遮光膜７には第１開口部７１’および第２開口部７２が設けられており、第１開口部７１’には、複数の集光構造Ｌ３が設けられている。具体的には、第１開口部７１’の領域が複数の微小領域に分割され、各微小領域に集光構造Ｌ３が設けられている。図７では、１つの第１開口部７１’を６つの微小領域に分割しているが、分割する数、つまり、いくつの集光構造Ｌ３で１つの第１開口部７１’を覆うかは、第１開口部７１’の大きさや、集光構造Ｌ１を構成する材料の屈折率ｎ、集光構造Ｌ１の厚さΔ、露光装置の縮小倍率ｍ、基板表面の段差δおよびレンズ面の曲率半径Ｒに依存する。
【００５４】
図６では、集光構造Ｌ３は、第１の実施形態の集光構造Ｌ１の特徴を備えている。このため、第１の実施形態で説明したように、第１開口部７１’のパターンは、露光面５よりも段差δだけフォトマスク５３側に位置する露光面６に投影され、第２開口部７１のパターンは露光面５に投影される。しかし、集光構造Ｌ３は、第２の実施形態の集光構造Ｌ１の特徴を備えていてもよい。本実施形態のフォトマスクによれば、大面積の第１開口部を有する場合でも、複数の集光構造を設けることによって、単一のレンズ面を有する集光構造を備えた場合と同じ効果を得ることができる。
【００５５】
フォトマスク５３は例えば以下の方法によって製造することがきる。まず図８（ａ）に示すように、透明基板１上に第１開口部７１’および第２開口部７２（図示していない）を有する遮光膜７を形成する。さらに、遮光膜７上に窒化シリコン膜３０２をプラズマＣＶＤやスパッタリング等を用いて形成する。
【００５６】
次に、窒化シリコン膜３０２の上にレジストパターン３０３を形成した後、図８（ｂ）に示すように、熱処理を行ない、レジストパターンの角を変形させる（リフロー）ことによって、部分球面形状を有するレジストパターン３０４を得る。レジストパターン３０４は第１開口部７１’上に位置している。
【００５７】
その後、レジストパターン３０４をマスクとして、ドライエッチング法により、窒化シリコン膜３０２を異方性エッチングすることにより、図８（ｃ）に示すように、レジストパターン３０４の断面形状および平面形状が反映された窒化シリコン膜パターン３０５が残存する。ここで、レジスト膜３０３の厚さや、レジスト膜３０３と窒化シリコン膜３０２のエッチングレート比（選択比）を調整することにより、集光構造Ｌ３のレンズ面の曲率を調整することができる。これにより、窒化シリコン膜パターン３０５によって構成される複数の集光構造Ｌ３が第１開口部７１’に形成されたフォトマスク５３が完成する。
【００５８】
フォトマスク５３は上記製造方法のほか、第１開口部７１’の大きさに応じた集光構造Ｌ３のアレイを別途作製し、これを第１開口部７１’内の透明基板１に張り合わせてもよい。
【００５９】
（第４の実施形態）
本発明によるフォトマスクの第４の実施形態を説明する。図９はフォトマスク５４およびフォトマスク５４と表面に感光材３４が設けられた基板３１との配置を示す断面である。フォトマスク５４は、透明基板１と透明基板１の一方の面に配置された遮光膜７とを備える。第１、第２の実施形態と同様、遮光膜７には第１開口部７１および第２開口部７２が設けられており、第１開口部７１には、集光構造Ｌ４が設けられている。
【００６０】
集光構造Ｌ４は、レンズ面が曲面ではなく、階段形状となっている点において、第１および第２の実施形態と異なる。具体的には、集光構造４のレンズ面は、同心円状の階段形状を有しており、階段形状を構成する段差の包絡面（各段差の円形の角（綾）が接する面）は、部分球面である。この部分球面は、曲率半径Ｒであり、集光構造Ｌ４が第１の実施形態の集光構造Ｌ１として機能する場合には、式（２）を、集光構造Ｌ４が第２の実施形態の集光構造Ｌ２として機能する場合には、式（３）を満たす。階段形状の段差および幅の長さが露光光の波長以下であれば、階段形状による回折を低減することができ、集光構造Ｌ４は曲面によるレンズ面と同様、集光機能を有する。このため、第１および第２の実施形態と同様の効果を奏する。
【００６１】
フォトマスク５４は例えば以下の方法によって製造することがきる。まず図１０（ａ）に示すように、透明基板１上に第１開口部７１および第２開口部７２（図示していない）を有する遮光膜７を形成する。さらに、遮光膜７上に窒化シリコン膜１０３をプラズマＣＶＤやスパッタリング等を用いて形成する。
【００６２】
まず、開口パターンが形成された透明基板１上に窒化シリコン膜１０３を堆積する。次に、図１０（ｂ）に示すように、第１開口７１を覆う大きさを有するレジストパターン１０４を窒化シリコン膜１０３上に形成し、レジストパターン１０４をマスクとして、窒化シリコン膜１０３をドライエッチング法により異方性エッチングする。アッシングにより残渣を除いた後、図１０（ｃ）に示すように、レジストパターン１０４よりも小さいレジストパターン１０６を窒化シリコン膜１０５上に形成し、レジストパターン１０６をマスクとして窒化シリコン膜１０５をドライエッチング法により異方性エッチングする。
【００６３】
アッシングにより残渣を除いた後、図１０（ｄ）に示すように、レジストパターン１０６よりも小さいレジストパターン１０８を窒化シリコン膜１０７に形成し、同様の工程を繰り返すことにより、図１０（ｅ）に示すように、階段形状を有する集光構造Ｌ４が透明基板１の第１開口部７１に形成され、フォトマスク５４が完成する。
【００６４】
本実施形態のフォトマスクによれば、球面に角が接する階段形状の集光構造を備えることにより、基板表面の段差に起因する露光装置の焦点の位置ずれを軽減することができる。
【００６５】
（第５の実施形態）
本発明によるフォトマスクの第５の実施形態を説明する。図１１はフォトマスク５５およびフォトマスク５５と表面に感光材３４が設けられた基板３１との配置を示す断面である。フォトマスク５５は、透明基板１と透明基板１の一方の面に配置された遮光膜７とを備える。遮光膜７は、第１開口部７１と、第２開口部７２と、第３開口部７３とを有する。
【００６６】
図１１に示すように、第１開口部７１には、集光構造Ｌ１が設けられており、第３開口部７３には、集光構造Ｌ２が設けられている。集光構造Ｌ１および集光構造Ｌ２は、それぞれ、透明基板１と反対側に凸のレンズ面を有している。
【００６７】
フォトマスク５５の第１開口部７１および第３開口部７３に設けられた集光構造Ｌ１および集光構造Ｌ２は、第１および第２の実施形態で説明した集光構造Ｌ１および集光構造Ｌ２と同じ構造を備え、同じ効果を奏する。具体的には、フォトマスク５５は、集光構造Ｌ１および集光レンズＬ２のレンズ面により、露光における焦点の位置ずれを抑制することができる。
【００６８】
第１の実施形態と同様、集光構造Ｌ１の焦点は透明基板１の遮光膜７の設けられた主面よりも透明基板１の内部側、つまり透明基板１の内部に位置している。集光構造Ｌ１のレンズ面の曲率半径、および集光構造Ｌ１の厚さは、上述の式（２）の関係を満たしている。これにより、露光装置の投影レンズ４の正焦点位置である露光面５よりもフォトマスク５５側にある露光面６に第１開口部７１のパターンを投影することができる。
【００６９】
また、第２の実施形態と同様、集光構造Ｌ２の焦点は透明基板１の遮光膜７の設けられた面よりもレンズ面側、つまり集光構造Ｌ２内に位置している。集光構造Ｌ２のレンズ面の曲率半径、および集光構造Ｌ２の厚さは、上述の式（３）の関係を満たしている。これにより、露光装置の投影レンズ４の正焦点位置である露光面５よりも基板３１側にある露光面６’に第３開口部７３のパターンを投影することができる。なお、式（２）および式（３）では、集光構造Ｌ１、Ｌ２を構成する材料の屈折率ｎ、集光構造Ｌ１の厚さΔ、基板表面の段差δおよびレンズ面の曲率半径Ｒを同じ記号で表わしている。しかし、集光構造Ｌ１、Ｌ２を構成する材料を異ならせたり、同じ材料を用いる場合でも集光構造Ｌ１の厚さΔやレンズ面の曲率半径Ｒを異ならせることによって、これらのパラメータを、集光構造Ｌ１、Ｌ２において互いに独立して設定することができる。このため、露光面５と露光面６との段差δと、露光面５と露光面６’との段差δとは異なる値に設定することができる。
【００７０】
集光構造Ｌ１において、レンズ面の曲率半径と集光構造の膜厚との関係は図２で示される。また、集光構造Ｌ２において、レンズ面の曲率半径と集光構造の膜厚との関係は図５で示される。
【００７１】
例えば、第１開口部７１、第２開口部７２および第３開口部７３として１．５μｍ角のパターンを形成し、第１開口部７１を露光装置の正焦点位置（露光面５）から０．５μｍだけフォトマスク側の高さに位置する露光面６に第１開口部７１のパターンを結像させるためには、集光構造Ｌ２の材料の屈折率が２．０の場合、少なくとも１．０６μｍの曲率半径および約２μｍの厚さを有する集光構造が必要であることが分かる。また、集光構造の材料の屈折率が１．５の場合、少なくとも１．０６μｍの曲率半径および約２．８μｍの厚さを有する集光構造が必要であることが分かる。
【００７２】
また、第３開口部７３のパターンを露光装置の正焦点位置から０．５μｍだけ基板３１側に低く位置する露光面６’に結像させるためには、集光構造の材料の屈折率が２．０の場合、少なくとも１．０６μｍの曲率半径および約２．３μｍの厚さを有する集光構造が必要であることが分かる。また、集光構造の材料の屈折率が１．５の場合、少なくとも１．０６μｍの曲率半径および約３．８μｍの厚さを有する集光構造が必要であることが分かる。
【００７３】
このように、１つのフォトマスクに第１の実施形態と、第２の実施形態を組み合わせることによって、３レベルによる２つの段差を有する基板であっても、それぞれの段差において露光時の焦点の位置ずれを軽減することができる。また、基板の段差は２つだけに限られない。３つ以上の段差を有する基板のそれぞれの段差に応じた集光構造をフォトマスクに設けることによって、３つ以上の段差を有する基板を露光する際、露光の焦点の位置ずれを軽減することが可能なフォトマスクを実現することができる。
【００７４】
フォトマスク５５は、例えば以下の方法によって製造することができる。以下では、集光構造の透明無機材料として、微細加工に適した窒化シリコンを用いる例を説明する。まず図１２（ａ）に示すように、透明基板１上に第１開口部７１、第２開口部７２および第３開口部７３を有する遮光膜７を形成する。次に、遮光膜７上に窒化シリコン膜４０２をプラズマＣＶＤやスパッタリング等を用いて形成し、窒化シリコン膜４０２上にＴＥＯＳ等を材料としたレジスト以外のハードコート４０３を堆積する。さらにハードコート４０３上にレジストパターン４０４を形成する。レジストパターン４０４は第３開口部７３上に位置している。ハードコート４０３は、以下で説明するレジストパターン４０７が変形する熱処理温度では実質的に変形しないことが好ましい。つまり、ハードコート４０３が変形する温度はレジストパターン４０７が変形する温度よりも高いことが好ましい。
【００７５】
その後、熱処理を行ない、レジストパターン４０４を変形させる（リフロー）ことによって、図１２（ｂ）に示すように、部分球面形状を有するレジストパターン４０５を得る。次に、レジストパターン４０５をマスクとしてハードコート４０３を異方性エッチングすることにより、図１２（ｃ）に示すような、レジストパターン４０５の断面形状および平面形状が反映されたハードコートパターン４０６が残存する。ここで、レジストパターン４０４の厚さや、レジストパターン４０４とハードコート４０３のエッチングレート比（選択比）を調整することにより、ハードコートパターン４０６のレンズ面の曲率を調整することができる。
【００７６】
次に、第１開口部７１上方に位置する窒化シリコン膜４０２の表面に、レジストパターン４０７を形成する。その後、熱処理を行い、レジストパターン４０７を変形させる（リフロー）ことによって、図１２（ｅ）に示すように、部分球面形状を有するレジストパターン４０８を得る。
【００７７】
最後に、レジストパターン４０８とハードコートパターン４０６をマスクとして、窒化シリコン膜４０２を異方性エッチングすることにより、図１２（ｆ）に示すように、レジストパターン４０８とハードコートパターン４０６の断面形状及び平面形状が反映された窒化シリコン膜パターン４０９、４１０が残存する。ここで、レジストパターン４０８の厚さや、レジストパターン４０８と窒化シリコン膜４０２のエッチングレート比（選択比）を調整することにより、窒化シリコン膜パターン４０９のレンズ面の曲率を調整することができる。また、ハードコートパターン４０６の厚さや、ハードコートパターン４０６と窒化シリコン膜４０２のエッチングレート比（選択比）を調整することにより、窒化シリコン膜パターン４１０のレンズ面の曲率を調整することができる。
【００７８】
これにより、窒化シリコン膜パターン４０９、４１０によって構成される集光構造Ｌ１および集光構造Ｌ２が第１開口部７１および第３開口部７３にそれぞれ形成されたフォトマスク５５が完成する。このような方法によって、集光構造Ｌ１と集光構造Ｌ２とにおいて、厚さやレンズ面の曲率半径Ｒを異ならせることができる。
【００７９】
なお、上記無機材料として、窒化シリコン以外に酸化タンタルや石英などを用いてもよい。また、無機材料に代わり、エポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、放射線重合性不飽和樹脂などの高分子樹脂を用いてもよい。
【００８０】
また、本実施形態では、第１開口部７１に集光構造Ｌ１が設けられており、第３開口部７３に集光構造Ｌ２が設けられていたが、第１開口部７１に集光構造Ｌ２が設けられており、第３開口部７３に集光構造Ｌ１が設けられていてもよい。
【００８１】
（第６の実施形態）
本発明によるフォトマスクの第６の実施形態を説明する。図１３はフォトマスク５６およびフォトマスク５６と表面に感光材３４が設けられた基板３１との配置を示す断面である。フォトマスク５６は、透明基板１と透明基板１の一方の面に配置された遮光膜７とを備える。遮光膜７は、第１開口部７１と、第２開口部７２と、第３開口部７３とを有する。
【００８２】
図１３に示すように、第１開口部７１には、集光構造Ｌ１が設けられており、第３開口部７３には、集光構造Ｌ１’が設けられている。集光構造Ｌ１および集光構造Ｌ１’は、それぞれ、透明基板１と反対側に凸のレンズ面を有している。
【００８３】
フォトマスク５５の第１開口部７１および第３開口部７３に設けられた集光構造Ｌ１および集光構造Ｌ１’は、第１の実施形態で説明した集光構造Ｌ１と同じ構造を備え、同じ機能を奏する。具体的には、フォトマスク５５は、集光構造Ｌ１および集光構造Ｌ２のレンズ面により、露光における焦点の位置ずれを抑制することができる。
【００８４】
第１の実施形態と同様、集光構造Ｌ１の焦点は透明基板１の遮光膜７の設けられた面よりも透明基板１の内部側に位置している。このため、集光構造Ｌ１を透過した光は、透明基板１の内部の平面Ｐ１上に形成される虚像を構成している。集光構造Ｌ１のレンズ面の曲率半径、および集光構造Ｌ１の厚さは、上述の式（２）の関係を満たしている。これにより、露光装置の投影レンズ４の正焦点位置である露光面５よりもフォトマスク５６側にある露光面６に第１開口部７１のパターンを投影することができる。
【００８５】
集光構造Ｌ１’の焦点も透明基板１の遮光膜７の設けられた面よりも透明基板１の内部側に位置し、集光構造Ｌ１’を透過した光は、透明基板１の内部の平面Ｐ１’上に形成される虚像を構成している。集光構造Ｌ１’のレンズ面の曲率半径、および集光構造Ｌ１の厚さは、上述の式（２）の関係を満たしている。ただし、集光構造Ｌ１とは異なる条件で式（２）を満たしているため、露光装置の投影レンズ４の正焦点位置である露光面５よりもフォトマスク５６側であるが、露光面６よりも基板３１側に位置する露光面６’’に第３開口部７３のパターンが投影される。
【００８６】
このように、１つのフォトマスクに２つの第１の実施形態を組み合わせることによって、３レベルによる２つの段差を有する基板であっても、それぞれの段差において露光時の焦点の位置ずれを軽減することができる。また、基板の段差は２つだけに限られない。３つ以上の段差を有する基板のそれぞれの段差に応じた第１の実施形態の集光構造をフォトマスクに設けることによって、３つ以上の段差を有する基板を露光する際、露光の焦点の位置ずれを軽減することが可能なフォトマスクを実現することができる。
【００８７】
本実施形態では集光構造Ｌ１を２つ組み合わせたが、１つのフォトマスクに２つの第２の実施形態を組み合わせ、フォトマスクを構成してもよい。この場合、正焦点位置である露光面５より窪んだ２つの露光面に、集光構造Ｌ２が設けられた開口部のパターンが投影される。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明は、段差が存在する基板への露光において、焦点位置ずれを軽減するためのフォトマスクとして適用できる。本発明のフォトマスクは、半導体装置の製造、ＭＥＭＳなどの微細構造体の製造、バイオチップの製造、表示装置の製造など、フォトリソグラフィ技術を用いて微細加工が行われる種々の分野に適用可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１  透明基板
４  投影レンズ
５、６、６’６’’  露光面
７  遮光膜
Ｌ１、Ｌ１’、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４  集光構造
１０４、１０６、１０８、３０３、４０３、４０４  フォトレジスト
３１  基板
３４  感光材
７１  第１開口部
７２  第２開口部
７３  第３開口部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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