(57)【要約】【課題】露光光線の波長以下の大きさの露光パターンを、低コストかつ高スループットに得ることができるフォトマスク及び露光方法を提供すること。【解決手段】本発明の一態様であるフォトマスク１００は、基板及び遮光膜を有するものである。基板は、入射する露光光線が被転写体へ向けて透過させる。遮光膜は、基板上に形成され、露光光線を遮光する。遮光膜に設けられた開口部１１の内側には、開口部１１と同心かつ相似形の遮光板１３が形成されている。【選択図】図６
2012145629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する露光光線が被転写体へ向けて透過する基板と、
前記基板上に形成された、前記露光光線を遮光する遮光膜と、
前記遮光膜に設けられた開口部の内側に形成された、前記開口部と同心かつ相似形の遮光板と、を備える、
フォトマスク。
【請求項２】
前記開口部の最大径が、当該フォトマスクを用いて露光する露光装置の波長λ以上、その波長λを縮小倍率で割った値以下であることを特徴とする、
請求項１に記載のフォトマスク。
【請求項３】
前記開口部及び前記遮光板は、真円形であることを特徴とする、
請求項１又は２に記載のフォトマスク。
【請求項４】
前記開口部及び前記遮光板は、楕円形であることを特徴とする、
請求項１又は２に記載のフォトマスク。
【請求項５】
前記開口部及び前記遮光板は、正ｎ（ｎは、３以上の整数）角形であることを特徴とする、
請求項１又は２に記載のフォトマスク。
【請求項６】
複数の前記開口部が、格子状に配置されることを特徴とする、
請求項４又は５に記載のフォトマスク。
【請求項７】
前記複数の前記開口部のうちの一の開口部と、前記一の開口部に隣接する他の開口部とは、それぞれ異なる回転角で配置されることを特徴とする、
請求項６に記載のフォトマスク。
【請求項８】
前記複数の前記開口部のうちの第１の開口部と、前記第１の開口部に隣接する６つ開口部とが、それぞれ異なる回転角で配置されることを特徴とする、
請求項８に記載のフォトマスク。
【請求項９】
露光光線を所定の透光率以上、透光させる、形状が凸ｎ角形（ｎは３以上の整数）の第１の透光部と、
前記第１の透光部と接しない所定の位置に備えられ、前記露光光線を所定の遮光率以上、遮光する第１の遮光部と、
前記第１の透光部の外周に接し、前記露光光線を前記遮光率以上、遮光する第２の遮光部と、を備え、
ｎが３に等しい場合は前記凸ｎ角形の最長の辺の長さが前記露光光線の波長を前記露光光線を発生する縮小投影露光装置の縮小倍率で割った長さ以下であり、ｎが４以上の場合は前記凸ｎ角形の最も長い対角線の長さが、前記露光光線の波長を前記露光光線を発生する縮小露光装置の縮小倍率で割った長さ以下である、
フォトマスク。
【請求項１０】
露光光線を所定の透光率以上、透光させる、形状が凸ｎ角形（ｎは３以上の整数）の第１の透光部と、前記第１の透光部と接しない所定の位置に備えられ、前記露光光線を所定の遮光率以上、遮光する第１の遮光部と、前記第１の透光部の外周に接し、前記露光光線を前記遮光率以上、遮光する第２の遮光部と、を備えるフォトマスクに、
ｎが３に等しい場合は前記凸ｎ角形の最長の辺の長さに、前記露光光線の波長を前記露光光線を発生する縮小投影露光装置の縮小倍率を掛けた長さ以上の波長の前記露光光線を照射し、ｎが４以上の場合は前記凸ｎ角形の最も長い対角線の長さに、前記露光光線の波長を前記露光光線を発生する縮小露光装置の縮小倍率を掛けた長さ以上の波長の前記露光光線を照射する、
露光方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフォトマスク及び露光方法に関し、特に半導体製造プロセスの露光装置で使用されるフォトマスク及び露光方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の製造プロセスでは、基板上に半導体素子のパターンを形成するプロセスが存在する。一般に、半導体素子のパターン形成技術として、フォトリソグラフィ技術が知られている。近年では、素子の寸法の小型化が進展しているため、フォトリソグラフィ技術に起因する困難が克服されなければ、半導体素子及びその製造技術の発展は妨げられると考えられる。
【０００３】
レイリーの解像力基準によると、光学システムが識別できる最小幅（即ち、解像度）は、光線の波長（λ）に比例し、開口数に逆比例する。波長が短い露光光源又は開口数が大きいレンズを用いると、理論的には解像度が向上し、より小さなパターン幅を実現することができる。しかし、この場合、焦点深度が小さくなるという問題が生じる。
【０００４】
また、フォトリソグラフィ処理における超解像技術（Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：ＲＥＴ）として、変型照明（Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ  Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ：ＯＡＩ）、位相シフトマスク（Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｍａｓｋ：ＰＳＭ）及び光近接効果補正（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ  Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ：ＯＰＣ）などが知られている。
【０００５】
光近接効果補正（ＯＰＣ）は、光の回折による影響を補償する技術である。パターン幅が露光光線の波長に近い場合、露光光線は、マスクを透過するときに回折効果を生ずることがある。その結果、回折光の集積により、露光したパターンに歪みが生じる。光近接効果補正（ＯＰＣ）は、回折効果を考慮し、露光したパターンの歪みを補償する。具体的には、マスク上のパターンを修正することにより、集積した回折光が所定のパターン及び幅に一致するようにする。
【０００６】
また、他にも超解像技術が提案されている（特許文献１及び２）。例えば、特許文献１では、フォトニック結晶を用いたマスクが提案されている。特許文献１に記載のマスクは、露光光線を遮光する領域に、その露光波長をフォトニックバンドギャップとするフォトニック結晶を有する。これにより、的確な遮光が可能となり、透光部を透過する露光光線の回折効果を低減させることができる。
【０００７】
特許文献２では、位相マスクが提案されている。特許文献２に記載の位相マスクには、特定波長の露光光線が入射する。そして、位相マスクから出射した０次光と±１次光とによりパターンが形成される。これにより、±１次光の干渉を利用した周期構造と０次光による一様な構造とを同時に作製できる。
【０００８】
近年、半導体素子の微細化に起因したフォトリソグラフィにおける課題は、先端のＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＣＭＯＳ）に限ったことではなくなってきている。光通信や光情報処理に適用する半導体光デバイス分野では、微細な屈折率の周期構造（フォトニック結晶構造）を用いることで、特性の著しい改善や新しい機能創出を狙った提案が数多くなされている。フォトニック結晶構造の作製技術としては、例えば、電子線描画（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ  ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：ＥＢ）による２次元又は３次元の屈折率周期構造（多次元回折格子）の作製方法が示されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−２１１０７２号公報
【特許文献２】特開２００５−９１７０２号公報
【特許文献３】特開２０００−１９３８１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、発明者らは、半導体光デバイスにおける微細構造の作製においては、以下のような課題が有ることを見出した。上述のように、微細なフォトリソグラフィには、理論的な解像の限界、プロセス歩留まりの低下及びコスト上昇といった課題がある。特に、光通信や光情報処理用に適用する半導体光デバイス分野では、使用するウエハ及び作製プロセスがＣＭＯＳとは異なっている。そのため、半導体光デバイス分野では、先端ＣＭＯＳプロセスに導入されている最先端の作製装置を用いて素子を作製することができない。よって、半導体光デバイスの作製には、一般に、先端ＣＭＯＳプロセスと比べて、技術的に古い作製装置及び作製プロセスが適用される。
【００１１】
また、フォトリソグラフィにおける素子の最小寸法は、露光装置の解像限界により決定される。ところが、光通信や光情報処理用に適用するフォトニック結晶構造は、０．１〜０．４μｍ程度の微細な空孔の周期構造である。このような微細構造パターンを得るためには、例えば、露光波長がパターン寸法と同程度又はパターン寸法よりも短い、高価な露光装置が必要である。このような高価な装置としては、例えば、先端ＣＭＯＳプロセスで用いられる、ＫｒＦ（Ｋｒｙｐｔｏｎ  Ｆｌｕｏｒｉｄｅ  ｌａｓｅｒ：ＫｒＦ）やＡｒＦ（Ａｒｇｏｎ  Ｆｌｕｏｒｉｄｅ  ｌａｓｅｒ：ＡｒＦ）などの光源を用いる露光装置が挙げられる。さらに、近接効果補正や位相シフトなどの超解像技術を適用したフォトマスクが必要である。
【００１２】
しかしながら、光近接効果補正を適用すれば、フォトマスクの複雑さが増大し、プロセスのコストが上昇してしまうという欠点が有る。また、特許文献１に記載のマスクの場合も、微細なフォトニック結晶を有するフォトマスクを作製すること自体が高コストである。つまり、従来の位相シフトマスクや光近接効果補正などの超解像技術を適用するには、高価なフォトマスクを作製しなければいけない。さらに、特許文献２に記載の位相マスクの場合も、位相マスクが高価である。加えて、特許文献２に記載の位相マスクは、光の干渉を利用するため、露光波長に依存した一定周期の構造しか作製できないという課題がある。従って、上述のような高価な装置やフォトマスクを用いた半導体光素子の作製は、現状の半導体光素子の販売価格から考えると、現実的ではない。
【００１３】
一方、光によるリソグラフィ以外にも、ＥＢリソグラフィを用いた半導体光素子の作製が考えられる。電子線の波長はｐｍオーダーであり、光の波長の１／１０００００程度である。よって、高価なフォトマスクを用いることなく、０．１〜０．４μｍ程度の微細な空孔の周期構造パターンが、十分に解像可能である。しかし、ＥＢリソグラフィは、電子銃から発生した電子ビームにより露光パターンを直接描画するため、スループットが低いことが課題となっている。現状、ＥＢリソグラフィのスループットは、２００ｍｍウエハで３〜１０枚 / 毎時程度であり、フォトリソグラフィで用いられる縮小投影露光装置のスループットの１／２０〜１／１００に過ぎない。
【００１４】
つまり、現状では、微細な半導体光デバイスの量産に適用可能な低コストかつ高スループットな作製方法は確立されていない。
【００１５】
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたものであり、露光光線の波長以下の大きさの露光パターンを、低コストかつ高スループットに得ることができるフォトマスク及び露光方法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】
【００１６】
本発明の一態様であるフォトマスクは、入射する露光光線が被転写体へ向けて透過する基板と、前記基板上に形成された、前記露光光線を遮光する遮光膜と、前記遮光膜に設けられた開口部の内側に形成された、前記開口部と同心かつ相似形の遮光板と、を備えるものである。
【００１７】
本発明の一態様であるフォトマスクは、露光光線を所定の透光率以上、透光させる、形状が凸ｎ角形（ｎは３以上の整数）の第１の透光部と、前記第１の透光部と接しない所定の位置に備えられ、前記露光光線を所定の遮光率以上、遮光する第１の遮光部と、前記第１の透光部の外周に接し、前記露光光線を前記遮光率以上、遮光する第２の遮光部と、を備え、ｎが３に等しい場合は前記凸ｎ角形の最長の辺の長さが前記露光光線の波長を前記露光光線を発生する縮小投影露光装置の縮小倍率で割った長さ以下であり、ｎが４以上の場合は前記凸ｎ角形の最も長い対角線の長さが、前記露光光線の波長を前記露光光線を発生する縮小露光装置の縮小倍率で割った長さ以下であるものである。
【００１８】
本発明の一態様である露光方法は、  露光光線を所定の透光率以上、透光させる、形状が凸ｎ角形（ｎは３以上の整数）の第１の透光部と、前記第１の透光部と接しない所定の位置に備えられ、前記露光光線を所定の遮光率以上、遮光する第１の遮光部と、前記第１の透光部の外周に接し、前記露光光線を前記遮光率以上、遮光する第２の遮光部と、を備えるフォトマスクに、ｎが３に等しい場合は前記凸ｎ角形の最長の辺の長さに、前記露光光線の波長を前記露光光線を発生する縮小投影露光装置の縮小倍率を掛けた長さ以上の波長の前記露光光線を照射し、ｎが４以上の場合は前記凸ｎ角形の最も長い対角線の長さに、前記露光光線の波長を前記露光光線を発生する縮小露光装置の縮小倍率を掛けた長さ以上の波長の前記露光光線を照射するものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、露光光線の波長以下の大きさの露光パターンを、低コストかつ高スループットに得ることができるフォトマスク及び露光方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】フォトマスクを用いた露光プロセスの概要を説明するための一般的な半導体露光装置６００の要部断面図である。
【図２】比較例１にかかるフォトマスク４００の要部を拡大した上面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面における、開口部を透過した露光光線の被転写体上での光強度分布を示す図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ断面における、開口部を透過した露光光線の被転写体上での光強度分布図である。
【図５】比較例１にかかるフォトマスク４００を用いた場合の被転写体上の光強度分布の計算結果を示す光強度分布図である。
【図６】実施の形態１にかかるフォトマスク１００の要部を拡大した上面図である。
【図７】フォトマスク１００を用いた場合の単一の開口部が作る光強度分布の遮光率ｔ依存性を示す光強度分布図である。
【図８】離散フーリエ変換にて計算したフォトマスク１００を用いた場合の単一の開口部が作る、開口中心を通る断面強度分布の遮光率ｔ依存性を示す図である。
【図９】孤立した円形開口内に相似な円形遮光板があり、遮光板の中心位置が開口部の中心位置からずれた場合の、開口面での瞳関数及びその回折パターンを表す点像関数のそれぞれの２次元分布を示す図である。
【図１０】実施の形態２にかかるフォトマスク２００の要部を拡大した上面図である。
【図１１】実施の形態３にかかるフォトマスク３００の要部を拡大した上面図である。
【図１２】開口部及び遮光板の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。
【００２２】
まず、本発明を理解するための準備として、フォトマスクを用いた露光プロセスの概要について説明する。図１は、フォトマスクを用いた露光プロセスの概要を説明するための一般的な半導体露光装置６００の要部断面図である。一般的な半導体露光装置としては、ステッパやスキャナなどの縮小投影露光装置が広く用いられる。縮小投影露光装置は、フォトマスクに描画されたパターンを被転写体に縮小投影することにより、露光パターンを形成する。半導体基板１は、半導体露光装置内のステージ（不図示）上に保持される。例えば、半導体基板１は、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＩｎＰ又はＧａＡｓなどの材料からなる。
【００２３】
図１に示すように、半導体基板１上には、誘電体膜２が成膜されている。誘電体膜２上には、フォトレジスト膜３が形成されている。フォトレジスト膜３は、例えば、スピン塗付により形成される。但し、フォトレジスト膜３の形成方法については、スピン塗付に限定されない。
【００２４】
フォトレジスト膜３の上方には、例えばマスクホルダー（不図示）により、フォトマスク１０が固定される。フォトマスク１０は、透過性基板４上に遮光膜５が形成されている。透過性基板４は、露光光線６を透過させる基板であり、一般に、ガラスや合成石英により構成される。遮光膜５は、露光光線６を遮光する膜であり、一般に、クロムにより構成される。
【００２５】
つまり、露光光線６は、遮光膜５が形成されていない部分である開口部７を透過して、フォトレジスト膜３に到達する。また、露光光線６は、遮光膜５が形成されている部分である遮光部８によって遮られる。従って、露光光線６は、遮光部８の下方のフォトレジスト膜３には到達しない。これにより、フォトレジスト膜３には、開口部７を透過した露光光線６が明暗パターンとして照射される。これにより、現像後のフォトレジスト膜３には、フォトマスク１０に対応した露光パターンが形成される。
【００２６】
なお、開口部７は、厳密には露光光線６のすべてを透過させる必要はなく、フォトレジスト膜３が露光される以上の量の露光光線を透過させればよい。すなわち、フォトレジスト膜３が露光される光の量を「感光しきい値Ｉｔｈ」、露光光線６の量に対する透過光の量の比を「透過率」と定義すると、開口部７の透過率は、Ｉｔｈを露光光線６の量で割った値以上であればよい。
【００２７】
また、遮光部５も、厳密には露光光線６のすべてを遮光する必要はなく、感光しきい値Ｉｔｈよりも少ない量の露光光線であれば透過させてもよい。すなわち、露光光線６の量に対する、遮光光される露光光線の量の比を「遮光率」と定義すると、開口部７の遮光率は、Ｉｔｈを露光光線６の量で割った値よりも小さい値であればよい。
【００２８】
なお、図１は半導体露光装置の模式図である。従って、図１に示す半導体露光装置６００は、実際の半導体露光装置とは異なる寸法比率で示されている。また、図面の簡略化のため、図１では、露光光線６が通過するコンデンサレンズや投影レンズなどが省略されている。
【００２９】
比較例１
続いて、本発明の実施の形態にかかるフォトマスクの技術的効果を理解するための準備として、比較例１にかかるフォトマスク４００について説明する。図２は、フォトマスク４００の要部を拡大した上面図である。フォトマスク４００は、図２に示すように、円形の開口部４１が三角形の格子状に形成されている。遮光部４２は、開口部４１の間を覆っている。なお、開口部４１は図１に示す開口部７に対応し、遮光部４２は図１に示す遮光部８に対応する。フォトマスク４００の断面構成については、フォトマスク１０と同様であるので、説明を省略する。
【００３０】
フォトマスク４００では、格子状配置の一例として、開口部４１が三角格子状に配置されている。これにより、開口部４１は、代表的なフォトニック結晶構造パターンを構成している。以下、開口部４１の直径をｄ４とし、開口部４１間の周期をａ４とする。以後、断りがない限り、上面図におけるフォトマスクにかかる寸法表示は、フォトマスク上における実寸法を示す。なお、被転写体（図１の半導体基板１上のフォトレジスト膜３）にかかる寸法表示は、フォトマスクにおける寸法に半導体露光装置の縮小投影倍率を乗算した値を示す。
【００３１】
フォトマスク４００において、開口部４１の開口サイズ（直径ｄ４）を露光光線の波長λの近傍まで小さくすると、露光光線の回折効果が大きくなる。ここで、フォトマスク４００から被転写体（例えば、図１のフォトレジスト膜３）までの実効的な焦点距離をＲとする。また、被転写体上における、露光光線の光軸からの距離をｒとする。この場合、１つの円形の開口部４１を透過した露光光線が被転写体上に作る光強度分布Ｉ（ｒ）は、以下の式（１）及び（２）で表される。
【数１】
2012145629.tif 000003
【数２】
2012145629.tif 000004
なお、式（１）において、Ｊ１は第１種１次Ｂｅｓｓｅｌ関数を示す。
【００３２】
式（１）で表される光強度分布Ｉ（ｒ）は、一般にエアリーディスクと呼ばれ、同心円上に光強度分布が広がる。この広がりの尺度を示す、光強度の最初の零点の光軸からの距離ｒ０は、以下の式（３）で表される。
【数３】
2012145629.tif 000005
【００３３】
式（３）より、開口部４１の直径ｄ４が、露光光線の波長λに対して十分大きくない場合には、被転写体上における光強度分布Ｉ（ｒ）の開口径（開口部４１の直径ｄ４）に対する広がりが顕著になる。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面における、開口部を透過した露光光線のレジスト上での光強度分布を示す図である。この計算においては、露光光線の波長λを３６５ｎｍ（水銀ランプのｉ線の露光波長）、縮小投影露光装置の縮小倍率を１／５、とし、直径ｄ４を１．０、１．２５、１．５μｍと変化させた。式（３）に示すように、開口部の直径が小さくなると、被転写体上の光が広がることがわかる。以下、特に断りが無い限り、上記の条件と同じ露光光線の波長及び縮小倍率を用いて、計算結果を示すこととする。
【００３４】
実際の被転写体上の光強度分布は、複数の開口部４１を透過した露光光線の重ね合わせである。よって、実際の被転写体上での光強度分布Ｉｔｏｔａｌは、以下の式（４）及び（５）で表される。
【数４】
2012145629.tif 000006
【数５】
2012145629.tif 000007
【００３５】
ここで、被転写体上における露光光線の光強度分布の計算結果を示す。図４は、図２のＩＶ−ＩＶ断面における、開口部を透過した露光光線のレジスト上での光強度分布図である。すなわち、図４は、３つの開口部を透過した露光光線の重ね合わせによる、レジスト上での光強度分布を示している。この計算においては、直径ｄ４を１．２μｍで一定とし、三角格子の周期a４を、２．０、２．５、３．０、３．５μｍと変化させた。図４に示すように、周期ａ４が小さくなるほど、すなわち隣接する開口部間の距離が小さくなるほど、干渉の影響で開口部と遮蔽部での光強度のコントラスト差が小さくなり、解像しなくなっていくことがわかる。
【００３６】
次に、図５は、フォトマスク４００を用いた場合の被転写体上の光強度分布の計算結果を示す図である。なお、この計算においては、露光光線の波長λを３６５ｎｍ（水銀ランプのｉ線の露光波長）、縮小投影露光装置の縮小倍率を１／５、三角格子の周期ａ４を２．１μｍとした。この条件において、開口部４１の直径ｄ４が１．２μｍ及び１．４μｍの場合について、光強度分布を計算した。
【００３７】
図５において、白い部分は光強度が強いことを示し、黒い部分は光強度が弱いことを示す。また、白線で示した等光強度線は、フォトレジスト膜の感光しきい値Ｉｔｈを示す。すなわち、感光しきい値Ｉｔｈよりも光強度が強い領域（図５の白線の内部）のフォトレジスト膜が感光し、露光パターンが形成される。
【００３８】
開口部４１の直径ｄ４が小さい場合（ｄ４＝１．２μｍ）では、光の回折が顕著になり、隣り合う開口部４１間で干渉が起きる。この場合、正三角形の頂点に配置された開口部４１は、それぞれ式（１）で示される同心円状のエアリーディスクを形成する。そのため、被転写体上において、正三角形の頂点に配置された３つの開口部４１のそれぞれから等距離の点では、露光光線の回折光が同位相で重ね合わされる。また、被転写体上において、２つの開口部４１から等距離の点についても、２つの開口部４１からの回折光が、同位相で重ねあわされる。これにより、開口部４１間の被転写体上では、光強度が強い領域及び光強度が弱い領域が周期的に形成され、コントラストの低下を招いてしまう。その結果、図４及び５に示すように、光強度のコントラスト低下により、円形の露光パターンが解像できない。
【００３９】
一方、開口部４１の直径ｄ４が大きい場合（ｄ４＝１．４μｍ）では、光の回折が小さくなり、隣り合う開口部４１間での干渉が抑制される。その結果、図５に示すように、円形の露光パターンを解像できる。しかしながら、開口部４１の直径ｄ４を大きくしてしまうと、露光パターンも大きくなってしまう。そのため、フォトニック結晶作製に要する微細な露光パターンを形成することができなくなってしまう。
【００４０】
実施の形態１
次に、本発明の実施の形態１にかかるフォトマスクついて説明する。上述のフォトマスク４００での現象を回避してフォトニック結晶構造を得るためには、開口部を透過した後の露光光線の回折効果による広がりを低減する必要がある。そのため、本実施の形態にかかるフォトマスク１００では、開口部の内側の一部領域に遮光板が設けられている。つまり、開口部と遮光板とにより、帯状開口部（輪帯形状開口部）が構成される。以下、本実施の形態にかかるフォトマスク１００の構成について、具体的に説明する。
【００４１】
図６は、実施の形態１にかかるフォトマスク１００の要部を拡大した上面図である。フォトマスク１００は、図６に示すように、円形の開口部１１が格子状に形成されている。開口部１１内には、開口部１１と同心円の形状（相似形状）を有する遮光板１３形成されている。遮光部１２は、開口部１１の間を覆っている。これにより、開口部１１と遮光板１３とは、輪帯形状の帯状開口部１４を構成する。つまり、露光光線は、帯状開口部１４を通じて、被転写体に到達する。なお、遮光板１３は、例えば遮光部１２と同じ材料で形成される。図６では、格子状配置の一例として、開口部１１及び遮光板１３が三角格子状に配置されている。これにより、フォトマスク１００には、代表的なフォトニック結晶構造パターンが構成される。以下、開口部１１の直径をｄ１１、遮光板１３の直径をｄ１３、開口部１１間の周期をａ１とする。その他の構成は、比較例１にかかるフォトマスク４００と同様であるので、説明を省略する。
【００４２】
フォトマスク１００では、遮光板１３の大きさにより、帯状開口部１４の大きさが変化する。ここで、遮光板１３による遮光率ｔを定義する。遮光率ｔは、開口部１１の面積と遮光板１３の面積との比により、下記の式（６）で表される。
【数６】
2012145629.tif 000008
【００４３】
このときの被転写体上の光強度分布Ｉ（ｒ）は、第１種１次Ｂｅｓｓｅｌ関数を用いて、以下の式（７）及び（８）で表される。
【数７】
2012145629.tif 000009
【数８】
2012145629.tif 000010
【００４４】
ここで、フォトマスク１００を用いた場合の、被転写体上での露光光線の光強度分布の計算結果を示す。なお、この計算においては、露光光線の波長λを３６５ｎｍ（水銀ランプのｉ線の露光波長）、縮小投影露光装置の縮小倍率を１／５、三角格子の周期ａ１を２．１μｍ、開口部１１の直径ｄ１１を１．４μｍとして光強度分布を計算した。
【００４５】
図７は、フォトマスク１００を用いた場合の単一の開口部が作る光強度分布の遮光率ｔ依存性を示す光強度分布図である。図７では、遮光率ｔが０、０．２５、０．５及び０．７５の場合を示している。図７において、白い部分は光強度が強いことを示し、黒い部分は光強度が弱いことを示す。また、白線で示した等光強度線は、フォトレジスト膜の感光しきい値Ｉｔｈを示す。すなわち、感光しきい値Ｉｔｈよりも光強度が強い領域（図７の白線の内側部分）のフォトレジスト膜が感光することにより、露光パターンが形成される。
【００４６】
フォトマスク１００を用いた場合、図７に示すように、開口部１１が遮光されていない場合（遮光率ｔ＝０、すなわち開口部１１が単純な円形開口である場合）では、フォトレジスト膜が感光する円形領域の直径が最大となる。一方、遮光率ｔの値が大きくなるに従って、フォトレジスト膜が感光する円形領域の直径が小さくなる。つまり、遮光率を大きくする、すなわち、遮光板を大きくすることによって、開口部１１の直径が同じであっても、実効的にフォトレジスト膜が感光する円形領域の直径を小さくすることができる。よって、フォトマスク１００によれば、開口部内に相似形状の遮光板を設けることで、単一の開口部により形成される露光パターンのサイズを縮小することが可能となる。
【００４７】
この結果を、離散フーリエ変換によっても確認した。一般に、開口面での光の位相と振幅を表す瞳関数と、レンズ等によって結像された像を表す点像関数は、互いにフーリエ変換の関係にある。従って、開口の形状を離散フーリエ変換することによって、フォトレジスト膜膜上での光強度分布を求めることができる。図８は、離散フーリエ変換にて計算したフォトマスク１００を用いた場合の単一の開口部が作る、開口中心を通る断面強度分布の遮光率ｔ依存性を示す図である。図８では、遮光率ｔの依存性をより詳しく見るために、遮光率ｔが０、０．２、０．４、０．６、０．８及び０．９の場合について示している。図７で示したとおり、ｔが大きくなるに従って、中心部の分布幅が狭くなっていることがわかる。ただし、この遮蔽によって実効的に透過する光強度が低下するが、露光装置で露光量を適切に調整すればよい。
【００４８】
また、露光に用いる縮小投影露光装置の縮小倍率を１／５倍とすると、開口部１１の直径１．４μｍは、被転写体上では３８０ｎｍに対応する。つまり、遮光板が無い場合には、直径が３８０ｎｍ以下の露光パターンを形成することはできない。しかし、上述のように、フォトマスク１００によれば、遮光板により露光パターンのサイズを縮小できるので、露光波長λ（３６５ｎｍ）以下の直径を有する露光パターンを得ることが可能となる。
【００４９】
フォトマスク１００では、開口部内に遮光板を設けることで、被転写体上の露光光線の回折の影響を低減することができる。換言すれば、帯状開口部１４の外周の端部と内周の端部とにおける露光光線の回折効果を利用して、露光光線の波長λ以下の寸法を有する露光パターンが得られる。従って、帯状開口部１４が露光光線の回折効果を利用するためには、開口部１１の直径ｄ１１の長さが、露光光線の波長λを縮小投影露光装置の縮小倍率Ｍ（０＜Ｍ＜１）で割った値以下であることが必要である。
【００５０】
一方、開口部１１の直径ｄ１１を小さくし過ぎると、回折効果が顕著になり過ぎるとともに、露光光線の照度低下を招いてしまい、露光パターンが得られなくなる。直径ｄ１１が波長以下となると、露光光線の伝搬する成分は透過できなくなる。そのため、開口部１１の直径ｄ１１が、露光光線の波長λ以上であることが必要である。
【００５１】
以上より、本実施の形態において、本発明の効果が得られる直径ｄ１１の条件は、以下の式（９）で表される。
【数９】
2012145629.tif 000011
また、式（９）を書き換えると、波長λは、以下の式（１０）で表される。
【数１０】
2012145629.tif 000012
すなわち、本実施の形態では、波長に下限がないのではなく、開口部１１の直径ｄ１１に縮小倍率Ｍを掛けた長さの波長の露光光線を使用することが可能である。
【００５２】
また、遮光板の中心位置依存性について、上述の離散フーリエ変換により計算した結果を使って説明する。図９は、孤立した円形開口内に相似な円形遮光板があり、遮光板の中心位置が開口部の中心位置からずれた場合の、開口面での瞳関数及びその回折パターンを表す点像関数のそれぞれの２次元分布を示す図である。図９では、直径に対する遮光板の中心位置の開口中心からのずれ量を、２．５％、５％、７．５％、及び１０％と変えた結果を示している。この結果より、開口部の中心位置よりもずれた場合（図中７．５％）であっても、回折パターンに大きな変化がないことがわかる。しかしずれ量が大きくなり、開口端に接した場合（図中１０％）は、中心の強度分布が楕円形に変形していることがわかる。従って、本実施の形態において、その効果が得られる遮光版の中心位置は、開口端に接しない範囲であればよい。これはフォトマスクの作製工程で、その作製誤差を許容できることも示す。
【００５３】
なお、本実施の形態では、開口部の形状を円形としているが、開口部の形状はこれに限定されない。すなわち、開口部の形状は、真円形ではなく、楕円形であってもよい。また、開口部の形状は、正方形を含む任意の正ｎ（ｎは、３以上の整数）角形（すなわち、正多角形）、あるいは、任意の多角形とすることができる。以下では、楕円形の長径及び正ｎ角形の最も長い対角線の長さを、開口部の最大径と定義する。フォトマスク１００では、開口部１１の直径ｄ１１が、開口部の最大径に相当する。
【００５４】
また、本実施の形態にかかるフォトマスクは、通常のフォトマスク作製方法により、開口部及び遮光部のパターン配置を変更するのみで作製が可能である。つまり、位相シフトマスクなどの高価なマスクや、電子線照射装置、先端プロセスに適用される露光装置などの高価な装置を要することなく、フォトニック結晶を作製することができる。従って、安価かつ技術的に簡易なプロセスにより、フォトニック結晶を作製することが可能となる。
【００５５】
実施の形態２
次に、本発明の実施の形態２にかかるフォトマスクついて説明する。図１０は、実施の形態２にかかるフォトマスク２００の要部を拡大した上面図である。フォトマスク２００は、実施の形態１にかかるフォトマスク１００と比べ、開口部及び遮光板の形状が異なる。フォトマスク２００は、正多角形の一つである正六角形の開口部２１を有する。開口部２１の内部には、開口部２１と同心かつ相似形（正六角形）の遮光板２３が形成される。遮光部２２は、開口部２１の間を覆っている。これにより、開口部２１と遮光板２３とは、正六角形の外周及び内周を有する帯状開口部２４を構成する。つまり、露光光線は、帯状開口部２４を通じて、被転写体に到達する。以下、開口部２１の最も長い対角線の長さをｄ２１、遮光板２３の最も長い対角線の長さをｄ２３、開口部２１間の周期をａ２とする。フォトマスク２００のその他の構成は、フォトマスク１００と同様であるので、説明を省略する。
【００５６】
上述のように、開口部２１の形状は正六角形である。そのため、同一の列（図１０の縦方向の列）においては、隣接する２つの開口部２１の端から等距離となる被転写体上の中点で、露光光線の光波が同位相で重ねあわされる。これにより、被転写体上の中点では、強い光強度分布が発生する。一方、異なる列間における被転写体上の点においては、開口部２１の端からの距離が異なるので、重ねあわされる露光光線の光波の位相の同一性が緩和される。従って、隣接する異なる列の開口部２１の間における被転写体上の点では、露光光線の光波の干渉の影響を抑制することができる。その結果、開口部の形状が円形である場合と比べて、干渉の影響を抑制することができる。
【００５７】
従って、フォトマスク２００によれば、フォトマスク１００と同じ作用及び効果を奏するのみならず、被転写体上におけるコントラスト低下を防止し、露光光線の波長よりも小さな直径を有するスポット像を、より容易に得ることが可能となる。すなわち、フォトマスク２００によれば、露光光線の波長よりも小さな直径を有するスポットにより構成されたフォトニック結晶構造パターンを、より容易に得ることができる。
【００５８】
また、フォトマスク２００は、フォトマスク１００と同様に、通常のフォトマスク作製方法により、開口部及び遮光部のパターン配置を変更するのみで作製が可能である。つまり、位相シフトマスクなどの高価なマスクや、電子線照射装置、先端プロセスに適用される露光装置などの高価な装置を要することなく、フォトマスク２００を作製することができる。従って、安価かつ技術的に簡易なプロセスにより、フォトニック結晶を作製することが可能となる。
【００５９】
さらに、本実施の形態にかかるフォトマスクは、開口部の形状が正六角形を含む正ｎ角形とすることができる。これにより、開口部が円形で有る場合に比べ、より作製が容易である。一般に、フォトマスク上のパターンは、電子線描画装置やレーザ描画装置などを用いて描画される。よって、パターン形状が正ｎ角形などの直線の多い形状の場合、描画グリッドを大きくすることができる。これにより、本実施の形態にかかるフォトマスクは、より短時間かつ低コストに作製することができる。
【００６０】
ちなみに、本実施の形態において、被転写体上における露光光線の照度を大きくしたい場合には、図７に示すように、遮光率ｔを、０．２５以上０．５０以下の範囲とすればよい。また、被転写体上においてフォトレジスト膜が感光する領域をなるべく狭めたい場合には、図７に示すように、遮光率ｔを、０．５０以上０．７５以下の範囲とすればよい。
【００６１】
実施の形態３
次に、本発明の実施の形態３にかかるフォトマスクついて説明する。図１１は、実施の形態３にかかるフォトマスク３００の要部を拡大した上面図である。フォトマスク３００は、実施の形態２にかかるフォトマスク２００と比べ、開口部及び遮光板の配置が異なる。フォトマスク３００のその他の構成は、実施の形態２にかかるフォトマスク２００と同様であるので、説明を省略する。
【００６２】
フォトマスク３００は、フォトマスク２００の開口部２１と同一形状である、正六角形の開口部３１を有する。開口部３１の内部には、開口部３１と同心かつ相似形（正六角形）の遮光板３３が形成される。遮光部３２は、開口部３１の間を覆っている、これにより、開口部３１と遮光板３３とは、正六角形の外周及び内周を有する帯状開口部３４を構成する。つまり、露光光線は、帯状開口部３４を通じて、被転写体に到達する。以下、開口部３１の最も長い対角線の長さをｄ３１、遮光板３３の最も長い対角線の長さをｄ３３、開口部３１間の周期をａ３とする。
【００６３】
フォトマスク３００では、１つの開口部３１と、１つの開口部３１に隣接する、中心が正六角形の頂点上に配置された開口部３１とが、互いに異なる回転角を有する。図１１では、開口部３１＿０〜３１＿６が、それぞれ異なる回転角を有している。フォトマスク３００は、開口部３１＿０〜３１＿６に相当する、それぞれ回転角が異なる７つの開口部からなる群が、ハニカム状に配置されている。
【００６４】
図１１において、基準となる回転角をΔθとすると、開口部３１＿ｍ（ｍは、０以上６以下の整数）の回転角θｍは、以下の式（１１）により表される。
【数１１】
2012145629.tif 000013
【００６５】
フォトマスク３００では、隣接する開口部３１の回転角はそれぞれ異なる。そのため、ｍ×Δθの回転角を有する開口部は、ｍがいかなる整数の場合でも、互いに重ならないようにする必要がある。正ｎ（ｎは３以上の整数）角形は、３６０°／ｎの回転対称性を有するため、回転角の異なる開口部が互いに重ならない条件は、以下の式（１２）で表される。
【数１２】
2012145629.tif 000014
【００６６】
なお、図１１では、基準となる回転角Δθを５°とした。また、中心の開口部３１＿０に対して、周囲の開口部３１＿１〜３１＿６の回転角が反時計回り増加する例を掲載した。ただし、図１１の構成はあくまで例示であって、整数ｍの選び方及び基準となる回転角は、これに限定されない。また、開口部３１の回転角は時計回りに増加してもよいし、開口部３１＿０〜３１＿６は、正六角形の中心及び頂点の上にランダムに配置されてもよい。
【００６７】
フォトマスク３００によれば、フォトマスク２００と比べて、同一の列（図１１の縦方向の列）の隣接する２つの開口部２１の間においても、開口部の端からの距離が異なる。従って、同一の列（図１１の縦方向の列）の隣接する２つの開口部３１の間における、露光光線の光波の干渉の影響を抑制することができる。また、隣接する異なる列の開口部３１の間においても、それぞれの開口部３１の端からの距離がランダムになり、被転写体上において重ねあわされる露光光線の光波の位相の同一性がより緩和される。従って、隣接する異なる列の開口部３１の間における、露光光線の光波の干渉の影響をさらに抑制することができる。
【００６８】
その結果、フォトマスク３００によれば、フォトマスク１００と同じ作用及び効果を奏するのみならず、被転写体上におけるコントラスト低下を更に防止することができる。これにより、露光光線の波長よりも小さな直径を有するスポット像を、より容易に得ることが可能となる。すなわち、フォトマスク３００によれば、露光光線の波長よりも小さな直径を有するスポットにより構成されたフォトニック結晶構造パターンを、容易に得ることができる。
【００６９】
その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述の実施の形態では、周期的なフォトニック結晶構造を形成するためのパターンを示したが、例示であって本発明のフォトマスクで形成するパターンはこれに限定されない。例えば、上述の実施の形態にかかるフォトマスクは、一般的な電子回路に加え、イメージセンサや液晶パネルなど大面積を低コストかつ高スループットにパターンニングする際に有効である。
【００７０】
上述の実施の形態におけるフォトマスクの断面構成及び材料はあくまで例示であって、フォトマスクの構成及び材料はこれに限定されない。
【００７１】
上述の実施の形態における露光光線の波長を３６５ｎｍとしたが、あくまで例示である。すなわち、水銀ランプのｇ線又はｈ線又はエキシマレーザ（例えば、ＡｒＦ、ＫｒＦ又はＦ２）によるレーザ光などの、他の波長の露光光線を用いることができる。
【００７２】
上述の実施の形態では、開口部の配置の例として、三角格子について説明したが、開口部は特に四角格子状に配置されている必要はないなどの他の格子配置を適用することも可能である。また、前述のように、本発明における開口部の形状は、特に限定されない。
【００７３】
遮光板の形状も限定されない。また、遮光板は、必ずしも開口部と相似な形状を備えている必要はない。さらに、遮光板は、必ずしも開口部の中心付近に配置されていなくてもよく、遮光板の周囲が開口部の周囲に接しないように配置されていればよい。
【００７４】
上記の条件を満たす、開口部及び遮光板の例を示す。図１２は、開口部及び遮光板の例を示す図である。このように、本発明では、開口部６１の内部に、開口部に接しないように遮光板６２を備えていればよい。
【００７５】
ただし、開口部の大きさに対する遮光板の大きさの比率や、開口部内の遮光板の配置位置によって、効果の大きさが異なることは前述の通りである。従って、実際に適用する開口部と遮光部の形状および配置は、必要な寸法に応じてフーリエ変換等、所定の演算によって確認し、決定すればよい。
【００７６】
上記の実施の形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
【００７７】
（付記１）入射する露光光線が被転写体へ向けて透過する基板と、前記基板上に形成された、前記露光光線を遮光する遮光膜と、前記遮光膜に設けられた開口部の内側に形成された、前記開口部と同心かつ相似形の遮光板と、を備える、フォトマスク。
【００７８】
（付記２）前記開口部の最大径が、当該フォトマスクを用いて露光する露光装置の波長λ以上、その波長λを縮小倍率で割った値以下であることを特徴とする、付記１に記載のフォトマスク。
【００７９】
（付記３）前記開口部及び前記遮光板は、真円形であることを特徴とする、付記１又は２に記載のフォトマスク。
【００８０】
（付記４）前記開口部及び前記遮光板は、楕円形であることを特徴とする、付記１又は２に記載のフォトマスク。
【００８１】
（付記５）前記開口部及び前記遮光板は、正ｎ（ｎは、３以上の整数）角形であることを特徴とする、付記１又は２に記載のフォトマスク。
【００８２】
（付記６）複数の前記開口部が、格子状に配置されることを特徴とする、付記４又は５に記載のフォトマスク。
【００８３】
（付記７）前記複数の前記開口部のうちの一の開口部と、前記一の開口部に隣接する他の開口部とは、それぞれ異なる回転角で配置されることを特徴とする、付記６に記載のフォトマスク。
【００８４】
（付記８）前記複数の前記開口部は、三角格子状に配置されることを特徴とする、付記７に記載のフォトマスク。
【００８５】
（付記９）前記複数の前記開口部のうちの第１の開口部と、前記第１の開口部に隣接する６つ開口部とが、それぞれ異なる回転角で配置されることを特徴とする、付記８に記載のフォトマスク。
【００８６】
（付記１０）前記６つの開口部は、中心が正六角形のそれぞれの頂点に配置された第２乃至第７の開口部からなり、前記第１乃至第７の開口部のそれぞれの回転角は、所定の角度ピッチで、この順に増加することを特徴とする、付記９に記載のフォトマスク。
【００８７】
（付記１１）前記第２乃至第７の開口部は、右回り又は左回りに、この順で配置されることを特徴とする、付記１０に記載のフォトマスク。
【００８８】
（付記１２）前記複数の開口部は、前記第１乃至第７の開口部からなる群がハニカム状に配置されることにより構成されることを特徴とする、付記１０又は１１に記載のフォトマスク。
【００８９】
（付記１３）前記遮光板の面積を前記開口部の面積で除した値が、０．２５以上０．７５以下であることを特徴とする、付記１乃至１２のいずれか一項に記載のフォトマスク。
【００９０】
（付記１４）露光光線を所定の透光率以上、透光させる、形状が凸ｎ角形（ｎは３以上の整数）の第１の透光部と、前記第１の透光部と接しない所定の位置に備えられ、前記露光光線を所定の遮光率以上、遮光する第１の遮光部と、前記第１の透光部の外周に接し、前記露光光線を前記遮光率以上、遮光する第２の遮光部と、を備え、ｎが３に等しい場合は前記凸ｎ角形の最長の辺の長さが前記露光光線の波長を前記露光光線を発生する縮小投影露光装置の縮小倍率で割った長さ以下であり、ｎが４以上の場合は前記凸ｎ角形の最も長い対角線の長さが、前記露光光線の波長を前記露光光線を発生する縮小露光装置の縮小倍率で割った長さ以下である、フォトマスク。
【００９１】
（付記１５）露光光線を所定の透光率以上、透光させる、形状が凸ｎ角形（ｎは３以上の整数）の第１の透光部と、前記第１の透光部と接しない所定の位置に備えられ、前記露光光線を所定の遮光率以上、遮光する第１の遮光部と、前記第１の透光部の外周に接し、前記露光光線を前記遮光率以上、遮光する第２の遮光部と、を備えるフォトマスクに、ｎが３に等しい場合は前記凸ｎ角形の最長の辺の長さに、前記露光光線の波長を前記露光光線を発生する縮小投影露光装置の縮小倍率を掛けた長さ以上の波長の前記露光光線を照射し、ｎが４以上の場合は前記凸ｎ角形の最も長い対角線の長さに、前記露光光線の波長を前記露光光線を発生する縮小露光装置の縮小倍率を掛けた長さ以上の波長の前記露光光線を照射する、露光方法。
【符号の説明】
【００９２】
１  半導体基板
２  誘電体膜
３  フォトレジスト膜
４  透過性基板
５  遮光膜
６  露光光線
７、１１、２１、３１、３１＿０〜３１＿６、４１、６１  開口部
８、１２、２２、３２、４２  遮光部
１３、２３、３３、６２  遮光板
１４、２４、３４  帯状開口部
１００、２００、３００、４００  フォトマスク
６００  半導体露光装置
【図１】
2012145629.tif 000015
【図２】
2012145629.tif 000016
【図３】
2012145629.tif 000017
【図４】
2012145629.tif 000018
【図６】
2012145629.tif 000019
【図８】
2012145629.tif 000020
【図１０】
2012145629.tif 000021
【図１１】
2012145629.tif 000022
【図１２】
2012145629.tif 000023
【図５】
2012145629.tif 000024
【図７】
2012145629.tif 000025
【図９】
2012145629.tif 000026