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図面 (18)

課題

従来技術の問題点である光利用効率を改善したフォトマスクを提供する。

解決手段

本発明は、従来のフォトマスク、もしくは位相シフトマスクに特定方向の偏光成分を制御する光利用効率の良い構造性偏光素子具備させることにより、光利用効率の優れた偏光マスクおよび偏光位相シフトマスクを作成することが出来る。具体的には、構造性複屈折素子フォトニック結晶をフォトマスクに用いることにより、光利用効率が改善され、露光工程のスループットの向上を達成することが出来た。また現像されたレジストパターンを観察したが、問題となっていたフェーズコンフリクト(Phase Conflict)を示すレジスト残り現象は全く観測されなかった。

概要

背景

半導体素子製造工程、液晶表示装置製造工程では、一般的にフォトリソグラフィ技術が用いられている。フォトリソグラフィ技術とは、半導体素子や液晶表示装置の基板や、基板上に成膜された薄膜フォトレジストを塗布したのち選択露光することにより、エッチングマスクが形成され、このエッチングマスクを用いて選択エッチング処理が施される。前記したフォトレジストに選択露光を行うために、露光用フォトマスクが用いられる。従来のフォトマスクは、振幅変調型として用いられるものであり、一般的には透明基板上にクロム等の金属からなる遮光パターンが形成された構造を成しており、フォトマスクを透過照明し、投影光学系によって遮光パターンの像を基板上に結像することにより、所望の回路パターンを基板上に転写している。

さらに投影像コントラストを高めるために、透明部の特定の箇所に透過光位相を変化させる位相シフト部を設けた種々の位相シフトマスクが用いられている。位相シフトマスクの1つとして、レベンソン型位相シフトマスクがある。これは微細投影パターン部分を形成するための透過領域に、相互に180°の位相差が生じるような位相シフタ領域が設けられている。そして光源からの光(これは一般的には種々の偏光面を含む無偏光の光である)が、前記マスク照射されたとき、両位相シフタ領域を透過するそれぞれの光が重なりあう部分では、それらの同一偏光成分が互いに逆位相干渉するため、暗部を形成する。その結果、前記両位相シフタ領域に挟まれる遮光領域又は両位相シフタ領域の境界を示す投影パターン部分が明瞭に形成される。このことから、前記した微細な投影パターン像解像度を高めたり焦点深度を深くしたりすることが出来る。

以上記載したように、半導体素子製造工程、液晶表示装置製造工程等の微細加工分野のレジストに対する露光において使用されるフォトマスクは、上述の振幅分布を生成する振幅変調型のフォトマスクや位相分布を生成する位相シフトマスクが用いられている。

最近、それらの機能に加えて偏光の面内分布を生成する機能を有する「偏光マスク」が提案されている。この偏光マスクの目的は概ねフェーズコンフリクト(Phase conflict)の解決、コントラストの改善、二重露光の実現の3つである。

1.フェーズコンフリクトの解決
偏光マスクの第1の目的は、位相シフトマスク(ここでは渋谷レベンソンマスクもしくはalternating Phase Shift Maskのことを意味する)の課題であるフェーズコンフリクトと呼ばれる問題の解決である。これについて述べられたものとして"RuopingWang et al."(非特許文献1)、特開2002-116528(特許文献1)、特開平5-11434(特許文献2)のような公知文献がある。内容について以下で説明する。

図12に位相シフトマスク(渋谷レベンソンマスク)を用いた場合の露光パターンを示す。黒い部分は露光されない未露光部となる遮光部121である。位相シフトマスク(渋谷レベンソンマスク)を用いる場合、微細化の目的である細線である遮光部121の両側の位相差を180°にする必要があるが、遮光部121以外の所に境界122ができる。この境界122は干渉により光強度が0となるので未露光となり、露光部が除去されるポジ型レジストを使用した場合は、レジストが残ってしまう。ネガ型レジストの場所は逆にレジストが除去されてしまう。(以降の説明はポジ型レジストを用いる場合について行う。)
そのため、図13のような「偏光位相シフトマスク」が用いられる。偏光位相シフトマスクとは、従来の位相シフトマスクに偏光マスクの機能を付加したものであり、図において、矢印131、132はマスク上に設ける直線偏光器の向き、すなわちマスク透過後の直線偏光の向きを示す。異なる偏光方向の光束間では干渉しないので、その境界133に例え位相差があっても、レジストが残るという問題がなくなる。

2.コントラストの改善
偏光マスクの第2の目的は、結像のコントラストを改善するものである。これらについて述べられたものには特開平5-241324(特許文献3)、特開平7-176476(特許文献4)、特開平7-36174(特許文献5)、特開平9-120154(特許文献6)があり、内容の詳細を示す。

図14(a)は露光装置光学系141である。X方向に繰り返し周期を持つL&S(ラインアンドスペースパターン142の露光を考えると、マスクの透過光143は、X方向に回折し、これらの回折光が被露光面上で干渉することにより結像144される。この干渉において、図14(b)に示す回折光のS偏光成分145(電場がY方向)の方が、図14(c)に示すP偏光成分146(電場がX方向)より干渉性がよく、コントラストが高くなる。通常のマスクを用いた場合、S偏光とP偏光の平均の像となるため、S偏光成分が存在する分、コントラストは劣化する。このため、図15のように、マスク上にL&Sパターン(151)の接線方向152、153に偏光させる直線偏光器154を設けることにより、任意の方向のL&Sパターンに対してコントラストを改善できる。

この目的において位相シフト機能は使用しておらず、従って偏光マスクではあるが偏光位相シフトマスクではない。

3.二重露光の実現
偏光マスクの第3の目的は、二重露光と同等の効果を一回の露光で実現することである。これについて述べられたものには特開平4-366841(特許文献7)ような公知文献がある。

この従来技術では、マスクの開口部に向きの異なる直線偏光器を設け、隣接開口の透過光が互いに干渉しないようにすることにより、独立した露光としている。図16の例では、L&Sパターン(161)に向きの異なる直線偏光器162を交互に設けることにより、実質的な周波数を1/2にして解像を容易にしている。

この技術は独立した露光を同時に行なう、もしくは二重露光を一回の露光で実現するものと表現できる。この目的のマスクも、偏光マスクであるが偏光位相シフトマスクではない。

以上の3つの目的を実現するため、偏光マスクは偏光機能を有する微細なパターニングが必須である。これを可能とする具体的な方法として、導電体格子を設ける方法が、特開平9-120154(特許文献8)、特開平7-36174(特許文献9)、特開平7-176476(特許文献10)に記載されている。

導電体格子171とはグリッド偏光子とも呼ばれるものであり、図17に示すようなピッチ波長よりも小さな導電体による格子172である。

導電体格子172は、電界が格子に垂直な光173を透過174し、電界が格子に平行な光175を反射176するという特徴を有する。従って、この導電体格子171により上記に示した偏光マスクを実現することが可能である。

この導電体格子171は、通常のリソグラフィの方法により作製可能であり、具体的には石英基板上にクロムをスパッタ成膜したのちレジスト塗布・パターニング・エッチングにより作製することが出来る。
特開2002−116528
特開平5−11434
特開平5−241324
特開平7−176476
特開平7−36174
特開平9−120154
特開平4−366841
特開平9−120154
特開平7−36174
特開平7−176476
RuopingWang et al., Polarized Phase Shift Mask: Concept, Design, and Potential Advantages to Photolithography Process and Physical Design, Proceedings of SPIEVol.4562, 406-417(2002)

概要

従来技術の問題点である光利用効率を改善したフォトマスクを提供する。本発明は、従来のフォトマスク、もしくは位相シフトマスクに特定方向の偏光成分を制御する光利用効率の良い構造性偏光素子具備させることにより、光利用効率の優れた偏光マスクおよび偏光位相シフトマスクを作成することが出来る。具体的には、構造性複屈折素子フォトニック結晶をフォトマスクに用いることにより、光利用効率が改善され、露光工程のスループットの向上を達成することが出来た。また現像されたレジストパターンを観察したが、問題となっていたフェーズコンフリクト(Phase Conflict)を示すレジスト残り現象は全く観測されなかった。

目的

1.フェーズコンフリクトの解決
偏光マスクの第1の目的は、位相シフトマスク(ここでは渋谷レベンソンマスクもしくはalternating Phase Shift Maskのことを意味する)の課題である

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
3件

この技術が所属する分野

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請求項1

露光用基板露光パターン投影光学系により照射する露光装置フォトマスクであって、第1の方向軸誘電体の略同一のパターンが繰り返し並設されている第1の周期的構造を有する第1の周期的構造領域と、前記第1の方向軸と異なる第2の方向軸に誘電体の略同一のパターンが繰り返し並設されている第2の周期的構造を有する第2の周期的構造領域とを具備し、これら第1および第2の周期的構造領域に光が入射されることを特徴とするフォトマスク。

請求項2

前記第1及び第2の周期的構造は、2種類以上の誘電体によって立体的に構成されていることを特徴とする請求項1のフォトマスク。

請求項3

前記第1及び第2の周期的構造は、前記第1及び第2の周期的構造領域に入射した光の前記方向軸に対応した特定方向の偏光成分の透過率が、前記特定方向と異なる方向の偏光成分の透過率より多い偏光成分選択構造を有することを特徴とする請求項1または2のフォトマスク。

請求項4

前記フォトマスクは、前記フォトマスクの透過光露光光として使用する透過型フォトマスクであることを特徴とする請求項3のフォトマスク。

請求項5

前記第1及び第2の周期的構造は、前記第1及び第2の周期的構造領域に入射した光の前記方向軸に対応した特定方向の偏光成分の反射率が、前記特定方向と異なる方向の偏光成分の反射率より多い偏光成分選択構造を有することを特徴とする請求項1または2のフォトマスク。

請求項6

前記フォトマスクは、前記フォトマスクの反射光を露光光として使用する反射型フォトマスクであることを特徴とする請求項5のフォトマスク。

請求項7

前記偏光成分選択構造は、特定の偏光成分に対してのみフォトニックバンドギャップを有する構造であることを特徴とする請求項3または5のフォトマスク。

請求項8

前記第1及び第2の周期的構造は、複屈折を有する構造であることを特徴とする請求項1のフォトマスク。

請求項9

前記複屈折を有する構造は、2種類以上の誘電体の、板状パターンが順次並設された構造であることを特徴とする請求項8のフォトマスク。

請求項10

前記第1及び第2の周期的構造領域の前記複屈折を有する構造は、光の電気ベクトル振動面が直交する2つの偏光成分の間の位相差が略90°となるようにすることを特徴とする請求項8のフォトマスク。

請求項11

前記第1および第2の周期的構造領域の前記複屈折を有する構造は、光の電気ベクトルの振動面が直交する2つの偏光成分の間の位相差が略180°となるようにすることを特徴とする請求項8のフォトマスク。

請求項12

前記第1及び第2の周期的構造の前記誘電体は、層形状をなし、前記層形状の一部は対応する前記方向軸に対して傾きを有すると同時に、フォトマスクの面内で前記方向軸と垂直な方向に対しては平行であるように積層されていることを特徴とする請求項1のフォトマスク。

請求項13

前記第1及び第2の周期的構造領域に入射された光に対し、位相差を生じる位相シフト部分を有し、前記位相シフト部分により位相シフトされる部分である位相シフト線の少なくとも一部と、前記第1及び第2の周期的構造領域が相互に接する境界が対応することを特徴とする請求項1のフォトマスク。

請求項14

前記位相シフト部分は、前記周期的構造とは別の層に設けられていることを特徴とする請求項13のフォトマスク。

請求項15

前記位相シフト線は、前記第1および第2の周期的構造領域の前記境界であり、周期的構造の位相変調する量の差として形成されることを特徴とする請求項1のフォトマスク。

請求項16

前記第1及び第2の周期的構造領域のそれぞれの前記方向軸は略直交することを特徴とする請求項1のフォトマスク。

請求項17

前記第1及び第2の周期的構造領域のそれぞれの前記方向軸は、直線偏光を入射したときの透過光、もしくは反射光が互いに干渉しない偏光となるような向きをなすことを特徴とする請求項1ないし16のいずれか1に記載のフォトマスク。

請求項18

前記第1及び第2の周期的構造領域のそれぞれの前記方向軸は、円偏光を入射したときの透過光、もしくは反射光が互いに干渉しない偏光となるような向きをなすことを特徴とする請求項1ないし16のいずれか1に記載のフォトマスク。

技術分野

0001

本発明は、投影露光法に使用するフォト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、液晶表示装置製造工程では、一般的にフォトリソグラフィ技術が用いられている。フォトリソグラフィ技術とは、半導体素子や液晶表示装置の基板や、基板上に成膜された薄膜フォトレジストを塗布したのち選択露光することにより、エッチングマスクが形成され、このエッチングマスクを用いて選択エッチング処理が施される。前記したフォトレジストに選択露光を行うために、露光用のフォトマスクが用いられる。従来のフォトマスクは、振幅変調型として用いられるものであり、一般的には透明基板上にクロム等の金属からなる遮光パターンが形成された構造を成しており、フォトマスクを透過照明し、投影光学系によって遮光パターンの像を基板上に結像することにより、所望の回路パターンを基板上に転写している。

0003

さらに投影像コントラストを高めるために、透明部の特定の箇所に透過光位相を変化させる位相シフト部を設けた種々の位相シフトマスクが用いられている。位相シフトマスクの1つとして、レベンソン型位相シフトマスクがある。これは微細投影パターン部分を形成するための透過領域に、相互に180°の位相差が生じるような位相シフタ領域が設けられている。そして光源からの光(これは一般的には種々の偏光面を含む無偏光の光である)が、前記マスク照射されたとき、両位相シフタ領域を透過するそれぞれの光が重なりあう部分では、それらの同一偏光成分が互いに逆位相干渉するため、暗部を形成する。その結果、前記両位相シフタ領域に挟まれる遮光領域又は両位相シフタ領域の境界を示す投影パターン部分が明瞭に形成される。このことから、前記した微細な投影パターン像解像度を高めたり焦点深度を深くしたりすることが出来る。

0004

以上記載したように、半導体素子製造工程、液晶表示装置製造工程等の微細加工分野のレジストに対する露光において使用されるフォトマスクは、上述の振幅分布を生成する振幅変調型のフォトマスクや位相分布を生成する位相シフトマスクが用いられている。

0005

最近、それらの機能に加えて偏光の面内分布を生成する機能を有する「偏光マスク」が提案されている。この偏光マスクの目的は概ねフェーズコンフリクト(Phase conflict)の解決、コントラストの改善、二重露光の実現の3つである。

0006

1.フェーズコンフリクトの解決
偏光マスクの第1の目的は、位相シフトマスク(ここでは渋谷レベンソンマスクもしくはalternating Phase Shift Maskのことを意味する)の課題であるフェーズコンフリクトと呼ばれる問題の解決である。これについて述べられたものとして"RuopingWang et al."(非特許文献1)、特開2002-116528(特許文献1)、特開平5-11434(特許文献2)のような公知文献がある。内容について以下で説明する。

0007

図12に位相シフトマスク(渋谷レベンソンマスク)を用いた場合の露光パターンを示す。黒い部分は露光されない未露光部となる遮光部121である。位相シフトマスク(渋谷レベンソンマスク)を用いる場合、微細化の目的である細線である遮光部121の両側の位相差を180°にする必要があるが、遮光部121以外の所に境界122ができる。この境界122は干渉により光強度が0となるので未露光となり、露光部が除去されるポジ型レジストを使用した場合は、レジストが残ってしまう。ネガ型レジストの場所は逆にレジストが除去されてしまう。(以降の説明はポジ型レジストを用いる場合について行う。)
そのため、図13のような「偏光位相シフトマスク」が用いられる。偏光位相シフトマスクとは、従来の位相シフトマスクに偏光マスクの機能を付加したものであり、図において、矢印131、132はマスク上に設ける直線偏光器の向き、すなわちマスク透過後の直線偏光の向きを示す。異なる偏光方向の光束間では干渉しないので、その境界133に例え位相差があっても、レジストが残るという問題がなくなる。

0008

2.コントラストの改善
偏光マスクの第2の目的は、結像のコントラストを改善するものである。これらについて述べられたものには特開平5-241324(特許文献3)、特開平7-176476(特許文献4)、特開平7-36174(特許文献5)、特開平9-120154(特許文献6)があり、内容の詳細を示す。

0009

図14(a)は露光装置光学系141である。X方向に繰り返し周期を持つL&S(ラインアンドスペースパターン142の露光を考えると、マスクの透過光143は、X方向に回折し、これらの回折光が被露光面上で干渉することにより結像144される。この干渉において、図14(b)に示す回折光のS偏光成分145(電場がY方向)の方が、図14(c)に示すP偏光成分146(電場がX方向)より干渉性がよく、コントラストが高くなる。通常のマスクを用いた場合、S偏光とP偏光の平均の像となるため、S偏光成分が存在する分、コントラストは劣化する。このため、図15のように、マスク上にL&Sパターン(151)の接線方向152、153に偏光させる直線偏光器154を設けることにより、任意の方向のL&Sパターンに対してコントラストを改善できる。

0010

この目的において位相シフト機能は使用しておらず、従って偏光マスクではあるが偏光位相シフトマスクではない。

0011

3.二重露光の実現
偏光マスクの第3の目的は、二重露光と同等の効果を一回の露光で実現することである。これについて述べられたものには特開平4-366841(特許文献7)ような公知文献がある。

0012

この従来技術では、マスクの開口部に向きの異なる直線偏光器を設け、隣接開口の透過光が互いに干渉しないようにすることにより、独立した露光としている。図16の例では、L&Sパターン(161)に向きの異なる直線偏光器162を交互に設けることにより、実質的な周波数を1/2にして解像を容易にしている。

0013

この技術は独立した露光を同時に行なう、もしくは二重露光を一回の露光で実現するものと表現できる。この目的のマスクも、偏光マスクであるが偏光位相シフトマスクではない。

0014

以上の3つの目的を実現するため、偏光マスクは偏光機能を有する微細なパターニングが必須である。これを可能とする具体的な方法として、導電体格子を設ける方法が、特開平9-120154(特許文献8)、特開平7-36174(特許文献9)、特開平7-176476(特許文献10)に記載されている。

0015

導電体格子171とはグリッド偏光子とも呼ばれるものであり、図17に示すようなピッチ波長よりも小さな導電体による格子172である。

0016

導電体格子172は、電界が格子に垂直な光173を透過174し、電界が格子に平行な光175を反射176するという特徴を有する。従って、この導電体格子171により上記に示した偏光マスクを実現することが可能である。

0017

この導電体格子171は、通常のリソグラフィの方法により作製可能であり、具体的には石英基板上にクロムをスパッタ成膜したのちレジスト塗布・パターニング・エッチングにより作製することが出来る。
特開2002−116528
特開平5−11434
特開平5−241324
特開平7−176476
特開平7−36174
特開平9−120154
特開平4−366841
特開平9−120154
特開平7−36174
特開平7−176476
RuopingWang et al., Polarized Phase Shift Mask: Concept, Design, and Potential Advantages to Photolithography Process and Physical Design, Proceedings of SPIEVol.4562, 406-417(2002)

発明が解決しようとする課題

0018

フォトマスクとして偏光マスクを使用する場合の課題を説明する。

0019

導電体格子では本来用いる偏光成分において、露光時の光の利用効率導電体領域の開口部の面積率の程度になってしまう。例えば開口部の面積率を50%とすると、利用率は50%である。

0020

また、入射光のうち、本来用いる偏光成分以外の偏光成分は用いないため、利用効率はさらにその50%となる。

0021

開口部の面積比を広くすれば利用効率は良くなるものの、格子のピッチは波長以下と細かいため格子部分を十分に細くすることは困難である。

0022

上記の例の場合、総合的な光利用効率は、多くても25%程度(=50%程度×50%)となる。そのため、理想的な光利用率100%の場合と比較し、同等の露光を行おうとすると露光時間が4倍となり、露光工程のスループットを低下させる課題があった。

課題を解決するための手段

0023

本発明は、上記点に対処してなされたもので、光利用効率を向上させたフォトマスクを得ることを目的とする。

0024

本発明の一態様に係わる露光用基板に露光パターンを投影光学系により照射する露光装置のフォトマスクは、第1の方向軸誘電体の略同一のパターンが繰り返し並設されている第1の周期的構造を有する第1の周期的構造領域と、前記第1の方向軸と異なる第2の方向軸に誘電体の略同一のパターンが繰り返し並設されている第2の周期的構造を有する第2の周期的構造領域とを具備し、これら第1および第2の周期的構造領域に光が入射されることを特徴とする。

0025

本発明の他の態様に係わるフォトマスクは、前記第1及び第2の周期的構造が、2種類以上の誘電体によって立体的に構成されていることを特徴とする。

0026

本発明のさらに他の態様に係わるフォトマスクは、前記第1及び第2の周期的構造が、前記第1及び第2の周期的構造領域に入射した光の前記方向軸に対応した特定方向の偏光成分の透過率が、前記特定方向と異なる方向の偏光成分の透過率より多い偏光成分選択構造を有することを特徴とする。

0027

本発明のさらに他の態様に係わるフォトマスクは、前記第1及び第2の周期的構造が、前記第1及び第2の周期的構造領域に入射した光の前記方向軸に対応した特定方向の偏光成分の反射率が、前記特定方向と異なる方向の偏光成分の反射率より多い偏光成分選択構造を有することを特徴とする。

0028

本発明の又さらに他の態様に係わるフォトマスクは、前記第1及び第2の周期的構造は、複屈折を有する構造であること、例えば2種類以上の誘電体の、板状パターンが順次並設された構造、または光の電気ベクトル振動面が直交する2つの偏光成分の間の位相差が略90°となる構造、または光の電気ベクトルの振動面が直交する2つの偏光成分の間の位相差が略180°となる構造であることを特徴とする。
本発明の又さらに他の態様に係わるフォトマスクは、前記第1及び第2の周期的構造の前記誘電体は、層形状をなし、前記層形状の一部は対応する前記方向軸に対して傾きを有し、前記誘電体の層形状は、フォトマスクの面内で前記方向軸と垂直な方向に対しては平行であるように積層されていることを特徴とする。

0029

本発明の又さらに他の態様に係わるフォトマスクは、前記第1及び第2の周期的構造領域に入射された光に対し、位相差を生じる位相シフト部分を有し、前記位相シフト部分により位相がシフトされる部分である位相シフト線の少なくとも一部と、前記第1及び第2の周期的構造領域が相互に接する境界が対応することを特徴とする。

0030

本発明の又さらに他の態様に係わるフォトマスクは、前記位相シフト部分が、前記周期的構造とは別の層に設けられていることを特徴とする。

発明の効果

0031

本発明によれば、光利用効率のよいフォトマスクを提供できる。

発明を実施するための最良の形態

0032

発明者らは「構造性偏光子」に着目し、これを用いることにより、光利用効率を低下させることなく、有効な偏光マスクを実現できるのではないかと考えた。

0033

「構造性偏光子」とは発明者らによって本発明において用いる用語で、2種類以上の誘電体材料による、入射光の波長程度以下の微細構造により偏光を制御する素子です。構造性偏光子の具体例は「構造性複屈折素子」や「フォトニック結晶」などである。

0034

以下、構造性偏光子を用いて偏光位相シフトマスクを実現する方法について説明する。例えば図2では、マスクを透過直後の光の状態を、矢印で偏光方向を、0°、180°で位相を示す。またその状態を実現する場合のマスクの構造を説明する。ここで位相0°は、その部分を位相の基準としたことを意味する。なお、この構成は偏光位相シフトマスクに必要な光の状態を全て含むものであり、この配置が実現できれば位相シフト機能を含まない偏光マスクも含めて任意のパターンが実現できる。

0035

図では偏光マスクを実現する部材として直線偏光器と複屈折素子を用いている。このうち、直線偏光器はフォトニック結晶にて実現できる。複屈折素子はフォトニック結晶でも構造複屈折素子でも実現できる。

0036

ここで直線偏光器として用いる場合に必要となる消光比について説明する。消光比とは、直線偏光器の偏光能力を表すものであり、ここでは透過光の、全体の光強度に対する、不要な偏光成分の強度比と定義する。

0037

以下必要な消光比を計算してみる。図3(a)に計算に用いる偏光位相シフトマスクの構成を記載する。上記構造性偏光子1の上に位相段差部22を有する位相シフト部21を設ける。制作の具体例として、構造性偏光子1の上に位相シフト部21としてSiO2膜を堆積し、それに入射光の波長と位相シフト部21の屈折率に基づいて、希望する位相差を生ずる位相段差部22をエッチング工程により形成する。

0038

位相段差部22に対応するA点においてレジストが残らないようにするためには、光強度分布落ち込みはある値以上である必要がある。透過部分を1に規格化したときの、位相線上のA点での光強度分布をPとして、レジストの光感度の下限値をαとする。すなわちP>αを満たす場合、レジストが残らない。

0039

以下では、A点での光強度Pを求める。図3(b)には具体例としてTE偏光透過機能を有する構造性偏光子1a’とTM偏光機能を有する構造性偏光子1b’を具備した偏光位相シフトマスクを示す。TE偏光とは、電気ベクトルの振動方向が入射面に垂直で、磁気ベクトルの振動方向は入射面内に有るような光(TE光)に偏光させることをいい、TM偏光とは、磁気ベクトルの振動方向が入射面に垂直で、電気ベクトルの振動方向が入射面内に有るような光(TM光)に偏光させることと定義する。A点での振幅Uは、それぞれの偏光成分において、振幅透過率分布結像光学系の点像振幅分布とのコンボリューション(畳み込み積分)で与えられる。いまコンボリューションの関数としてConvolution(A,B)を定義する。Convolution(A,B)は関数Aと関数Bの畳み込み積分を意味する。するとA点でのTE光の振幅UteとA点でのTM光の振幅Utmは
Ute=Convolution(Tte,PSF
Utm=Convolution(Ttm,PSF)
で与えられる。
ここでTtm、Tteは、それぞれフォトマスクのTM光とTE光に対する振幅透過率分布を意味し、PSFは結像光学系の点像振幅分布を意味する。

0040

TM偏光機能を有する構造性偏光子1b’に対応するTM偏光透過領域での、実際のTM偏光の、透過光全体に対する光強度比をRとする。TE偏光機能を有する構造性偏光子1a’に対応するTM偏光透過領域での、実際のTE偏光の、透過光全体に対する光強度比も同様のRとする。このとき、TM偏光透過領域でのTE偏光の強度比は1−Rであり、TE偏光透過領域でのTM偏光の強度比も同様に1−Rとなる。また位相シフト部21の位相段差部22により決定されるTE偏光領域の位相を0°、TM偏光領域の位相を180°とする。

0041

となる。従ってTE偏光領域でのTE偏光、およびTM偏光領域でのTM偏光の割合は93.5%以上の必要がある。すなわち消光比は6.5%以下であることが望ましい。

0042

次に、本発明の一方法として、構造性複屈折素子やフォトニック結晶を用いて複屈折機能により偏光マスクを実現する方法について説明する。図1には、部分的に複屈折機能を有する構造性偏光子1がパターニングされたマスクを示す。具体例として、マスクの基板として合成石英板2の上に後ほど述べる構造性複屈折素子やフォトニック結晶である構造性偏光子1を作成する。構造性偏光子1は、一定の方向に向かって(この方向を方向軸という)、略同一のパターンが繰り返し並設された周期的構造を有するようにエッチング工程、もしくはエッチング工程後に成膜工程を行うことにより形成される。図1には、それぞれの方向軸が異なる構造性偏光子1a、1bを有しており、該構造性偏光子1a,1bにより直交する偏光成分の光の間で、位相差がλ/4異なる(λは波長)、すなわち90°の位相差が生じるように該構造性偏光子1a,1bは形成されている。このマスクに対して直線偏光や円偏光などの偏りを持つ偏光状態の偏光3(図の例では円偏光)で照明することにより、マスク透過後の偏光を互いに干渉しない偏光状態の偏光4(図の例では互いに直交する直線偏波4a,4b)にできる。すなわち、直線偏光器の機能をもつ偏光マスクと同等の効果が、複屈折で実現できることとなる。

0043

なお光源には水銀灯などのランダム偏光を出力する光源と、エキシマレーザの様に直接偏光を出力する光源がある。直接偏光や円偏光などで照明する場合、(後者では問題ないものの)前者では偏光状態を変換するときに、光エネルギーを失わない工夫をすることが望ましい。

0044

図2C型の構造を用いる場合は、左右の複屈折素子および照明光の偏光状態の組み合わせとして、図5に示す実現例が考えられる。この図において、2つの出射光は、いずれも互いに非干渉の状態にある。

0045

構造性偏光子の例である構造性複屈折素子とフォトニック結晶について、従来技術の導電体格子に対する利点として、予想される光利用効率、実現機能および位相シフト機能の実現可能性図6に示す。

0046

導電体格子の理論的な光利用効率は、偏光の利用率50%と格子の開口部の面積率を50%程度とすると、その積である25%程度である。それに対し、構造性複屈折素子では理想的には100%が実現でき、フォトニック結晶でも理想的な値としては直線偏光器の機能を用いる場合は、50%、複屈折の機能を用いる場合は100%が実現できる。いずれにしても、導電体格子よりも利用効率を高めることができる。

0047

また、導電体格子では、導電体は光を遮断することしか出来ず、それ自体に位相シフトの機能を持たせることが出来ず、それ故、位相シフト機能は実現できないが、構造性複屈折素子やフォトニック結晶では位相シフト機能も実現できる。具体的には、構成部分の厚みを増減することにより偏光機能を保った状態で位相シフト機能を実現できる。従って位相シフトの機能を実現する場合、導電体格子では別に位相シフト層を設ける必要があったが、構造性複屈折素子やフォトニック結晶の場合は偏光子と位相シフトを一つの構造(層)で同時に実現することが可能となる。そのため、構造・工程が簡単になる。

0048

第1の実施の形態
構造性複屈折素子を用いた偏光位相シフトマスクの作製
発明者らは、まず構造性複屈折素子を用いた偏光位相シフトマスクの作成を試みた。構造性複屈折(素子)とは、光の波長より十分小さな規則的な構造からなる複屈折素子をいう。構造性複屈折(素子)では、光の電場の方向により実効誘電率が異なるため複屈折が生じる。構造性複屈折(素子)の原理については、例えば“M・ボルン、E・ウォルフ、光学の原理III、「14.5.2 構造性複屈折」、東海大出版会、1975、p1030”に、原理について述べられている。

0049

構造性複屈折(素子)の例として、図7のような平行平面板による格子がある。誘電率ε1・デューティ比f1の誘電体71と、誘電率ε2・デューティ比f2の誘電体72が交互に並ぶ構造である。図では誘電体71は空気としている。この素子に対して垂直に光を入射すると、光の電界方向により、例えば電界が格子に垂直な場合73と電界が格子に平行な場合74とでは実効的誘電率が異なる。

0050

電界が格子に垂直な場合 ε=ε1ε2/(f1ε2+f2ε1)
電界が格子に平行な場合 ε=f1ε1+f2ε2
この2つの値が異なるため複屈折機能が発生するのである。

0051

実際のフォトマスクとして、フェーズコンフリクトを解決する図13の機能の偏光マスクを作成した。作成されるマスクは図2のC型、かつ図53型を想定した。この場合、機能はλ/4板となる。

0052

1位相シフト層の作成
まず、最初に位相シフト機能を有するため、図8(a)に示すような段差81の凹凸加工を行った。具体的にはフォトマスクの基板となる石英基板80の表面にレジスト塗布・パターニング・ドライエッチングを行なうことにより、波長365nmの光に対して180°の位相差を与える397nmの段差81を形成した。

0053

遮光層の作製
続いて、遮光層の作成を行った。段差81を有する石英基板80の上にクロムを800nmの厚さでスパッタ成膜した。その後、レジスト塗布・パターニング・ドライエッチングにより、クロム遮光層82を設けた(図8(b))。

0054

3構造性複屈折素子の作製
その後、図8(c)に示す様に、異なる向きを持つ格子型83になるようにレジスト塗布・パターニング・ドライエッチングにより、断面がくし型84になるような加工を行なった。このとき、遮光領域は加工しない。格子の設計寸法はピッチ180nm、エッチングの深さdは1079nmと定め、加工作成した。パターニングは特に微細な加工が求められるため電子線描画により行った。またこのとき、格子型83の図中横方向の境界は図8(b)で示される位相差線と一致させた。後ほど、加工精度を測定したがほぼ当初定めた加工形状通りに作成されていたことを確認した。この設計寸法の深さdはλ/4板の機能を実現するように下記の関係式から求めた。

0055

4照明
作成された偏光位相シフトマスクに対して、円偏光で照明した場合の透過光の状態を測定した結果を図8(d)に示す。測定は、作成した偏光位相シフトマスクを、照明光を円偏光にした状態で、直線偏光器を介して光学顕微鏡にて観察した。その結果、偏光状態が設計通りにパターニングされていることを確認した。偏光の向きが斜めになっている点は異なるが図13に示した偏光位相シフトマスクが実現できたことが分かる。この偏光位相シフトマスクを用いて、実際に露光工程を行った。その結果を以下に示す。

0056

光利用効率については、開口率の面積率50%の導電体格子による従来マスクで露光した場合の最適露光時間に対して、どの程度時間短縮が計られたのかを実測した。最適露光時間は、同一レジスト材料、同一現像条件等の下、露光時間のみをいろいろと変えて露光した後、現像を行い最適なレジストパターニングが実現できた時間を最適露光時間と定め比較を行った。その結果、導電体格子の最適露光時間を100%とした場合に比べ、構造性複屈折素子を用いた偏光マスクの最適露光時間は28%の短時間で実現できた。このことより、構造性複屈折素子を用いた偏光マスクの利用効率は導電体格子を用いた場合に比べ大幅に改善されたことが分かった。

0057

また現像されたレジストパターンを観察したが、問題となっていたフェーズコンフリクトを示すレジスト残り現象は全く観測されなかった。以上より、構造性複屈折素子を用いた偏光位相シフトマスクは光利用効率が従来に比べ大幅に向上し、それに伴い露光工程のスループット向上を実現できるとともに、フェーズコンフリクトの問題も解決できることが分かった。

0058

第2の実施の形態
フォトニック結晶を用いた偏光位相シフトマスクの作製
発明者らはさらにフォトニック結晶を用いた偏光位相シフトマスクについても作製を行った。

0059

フォトニック結晶については例えば“吉野・武田、「フォトニック結晶の基礎と応用」、コロナ発行、2004年4月28日刊”に述べられている。

0060

フォトニック結晶とは、光の波長程度の周期構造を有し、この構造に起因するブラック反射により、特定条件の光の存在が許されない状態、フォトニックバンドギャップを生じる素子である。この光の存在が許されない特定条件には、周波数(波長)、偏光、進行方向がある。フォトニック結晶は、フォトニックバンドギャップを生じる光の進行方向の次元に対応して一次元、二次元、三次元フォトニック結晶分類される。本発明で用いるフォトニック結晶は、基本的にマスクに入射する方向の光に対してのみフォトニックバンドギャップを示す一次元フォトニック結晶である。ただし、偏光方向により特性が異なる現象を利用するため、フォトニック結晶の構造自体は単純な積層構造とは異なってくる。フォトニック結晶の原理を以下に説明する。

0061

図9は誘電体円形ロッド91からなる二次元正方格子フォトニック結晶92の構造と、そのフォトニックバンド構造93(横軸波数k、縦軸規格化周波数値ωa/2πcのグラフ)を示す。ただし、ロッド半径のピッチに対する比を0.2、ロッドの誘電率を11.9、ロッドの周囲(空気)の誘電率を1.0とした。

0062

グラフの縦軸の値ωa/2πcおよび横軸の値ka/2πは下記の値から求められる。

0063

ω:角周波数
a:格子のピッチ
c:真空中の光速
k:波数
また、TEモードは電場が紙面に平行、TMモードは紙面に垂直を表す。

0064

この誘電体円形ロッドは紙面に垂直な方向に伸びているが、この構造に対し、X軸方向に光を入射した場合を考える。この場合は、フォトニックバンドの中のΓからXの部分のみ考えればよい。

0065

入射光として縦軸の値ωa/2πc=0.35に相当する波長を選択する。真空中の波長をλとすると、λ=2πc/ωであるからこの式は、
a/λ=0.35
と変形され、例えば波長365nmを用いる場合、格子ピッチとしてa=128nm(=365×0.35)を選択することを意味する。

0066

縦軸がこの値でのバンド構造を見ると、TEモードは存在するが、TMモードは存在しない。(TMモードではバンドギャップが生じ、この周波数はこのバンドギャップの中に位置する。)このことは、TEモードの光はそのまま進行するが、TMモードの光は反射することを意味する。すなわち直線偏光器として作用する。

0067

また、入射光として縦軸の値ωa/2πc=0.2に相当する波長を選択する。この値は上記と同様に計算すると、格子ピッチとしてa=73nm(=365×0.2)を選択することを意味する。

0068

縦軸がこの値でのバンド構造を見ると、TEモードもTMモードも存在するが、対応する横軸の値が異なる。すなわち、TEモードとTMモードで波数が異なるということであり、このことは一定の厚さのフォトニック結晶を透過した後に位相差を生じることを意味する。すなわち複屈折を有する。

0069

なお、複屈折を利用する場合はバンドギャップそのものを用いていないが、バンド構造が大きく変形するのはバンドギャップが存在するためであり、フォトニック結晶に特有の現象である。

0070

ここでは、よく解析されているロッド形状の例について示したが、様々な形状がフォトニック結晶になることが分かっており、図9に示したようなフォトニックバンド構造の計算方法確立されている。

0071

フォトニック結晶の作製方法は複数提案されており、穿孔を形成する方法、誘電体ロッドを積層する方法、自己クローニング法多光子吸収を用いる方法、ホログラフィ技術を用いる方法などがある。自己クローニングによる作製法ではV字形状によりフォトニック結晶を実現している。

0072

自己クローニング法は、凹凸基板を作製したのち、その上に2種類の材料を交互にスパッタ・エッチングすることにより周期構造を生成する方法である。実際に自己クローニング法により、作成したフォトニック結晶を図10に示す。リソ・エッチング工程によりマスク基板である合成石英に凹凸の形状を形成し、その上にバイアススパッタ法にて、ターゲット材料として、SiとTaを用い、スパッタガスとしてArを、反応性ガスとして酸素を導入して反応性スパッタ法にて凹凸面上にSiO2、Ta2O5を交互に積層していくことによりV字形多層構造を有するフォトニック結晶が作成されたのが分かる。

0073

この方法では既存のリソグラフィ技術や成膜技術が応用でき、また特殊な材料を用いる必要がないため作製容易である。また、最初の凹凸基板をパターニングすることにより、偏光機能もパターニングできる。この方法により直線偏光機能を実現する方法が“川上・大・川嶋、「フォトニック結晶の作製と光デバイスへの応用」、応用物理第68巻 第12号(1999)”に述べられている。

0074

1フォトニック結晶の作製
ここでは具体的なフォトニック結晶の作製について記載する。まず最初に、石英基板の表面に図11(a)に示す凹凸加工111を行なった。凹凸のピッチは130nm、深さは65nmとした。この上に、SiO2(112)とTa2O5(113)をそれぞれ10層づつ、膜厚55nmで交互に成膜した。この成膜において基板へ高周波電力印加したRFバイアススパッタリングを用い、V字型断層形状を得られるようにした。図上、横線縦線はV字の方向を模式的に示したものであり、方向軸の異なる2種類の領域にパターニングされたことを説明している。

0075

2位相シフト層の作製
続いて、この上にSiO2(114)をPE−CVD法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition Method)により800nmの膜厚で成膜した。この成膜は、フォトニック結晶の表面のV字型凹凸形状がSiO2層の表面に現れないような条件を選んだ。さらにその後、レジスト塗布・パターニング・ドライエッチングを行なうことにより、波長365nmの光に対して180°の位相差を与える397nmの段差115を形成した。このとき図中横向きの位相シフト線と図11(a)に示したフォトニック結晶上の2つの領域の境界を一致させた。作成した結果を図11(b)に示す。

0076

3遮光層の作製
続いて、この上にクロムを800nmの厚さでスパッタ成膜した。さらにこの上にレジスト塗布・パターニング・ドライエッチングにより、クロム遮光層116を設けた。作成した結果を図11(c)に示す。

0077

4照明
この偏光位相シフトマスクに対して、ランダム偏光で照明した場合の透過光の状態を測定した結果を図11(d)に示す。測定は、作成した偏光位相シフトマスクを、照明光をランダム偏光にした状態で、光学顕微鏡にて直線偏光器を介して観察した。その結果、偏光状態が設計通りにパターニングされていることを確認し、図13に示した偏光位相シフトマスクが実現できたことが分かる。

0078

光利用効率については、開口率の面積率50%の導電体格子による従来マスクで露光した場合の最適露光時間に対して、どの程度時間短縮が計られたのかを図8(d)の場合と同様に実測した。最適露光時間は、同一レジスト材料、同一現像条件等の下、露光時間のみをいろいろと変えて露光した後、現像を行い最適なレジストパターニングが実現できた時間を最適露光時間と定め比較を行った。その結果、導電体格子の最適露光時間を100%とした場合に比べ、構造性複屈折素子を用いた偏光マスクの最適露光時間は54%の短時間で実現できた。このことより、構造性複屈折素子を用いた偏光マスクの利用効率は導電体格子を用いた場合に比べやはり大幅に改善されたことが分かった。

0079

また現像されたレジストパターンを観察したが、問題となっていたフェーズコンフリクトを示すレジスト残りの現象は全く観測されなかった。以上より、フォトニック結晶を用いた偏光位相シフトマスクは光利用効率が従来に比べ大幅に向上し、それに伴い露光工程のスループット向上を実現できるとともに、フェーズコンフリクトの問題も解決できることが分かった。

図面の簡単な説明

0080

複屈折機能の偏光マスクを示す図である。
偏光位相シフトマスクの実現方法を示す図である。
直線偏光器として用いる場合に必要な消光比について説明する為の図である。
光強度PとTM偏光の光強度比Rの関係を示す図である。
複屈折素子を用いた場合の実施方法を示す図である。
従来技術の導電体格子と本発明を比較し、本発明の利点を示す図である。
構造性複屈折の原理を説明するための図である。
構造性複屈折素子による実施例を示す図である。
フォトニック結晶の原理を説明するための図である。
自己クローニングにより制作したフォトニック結晶による直線偏光器の例を説明するための図である。
フォトニック結晶による実施例を示す図である。
位相シフトマスク技術で問題となるフェーズコンフリクトを説明するための図である。
位相シフトマスク技術である問題となるフェーズコンフリクトを偏光位相シフトマスクで解決する方法を説明するための図である。
コントラスト低下の問題を説明するための図である。
コントラスト低下の問題を偏光マスクで解決する従来方法を説明するための図である。
重露光を偏光マスクで実現する従来方法を説明するための図である。
従来の導電体格子を説明するための図である。

符号の説明

0081

1・・・構造性偏光子、3・・・偏りのある偏光、4・・・偏光状態の偏光、71、72・・・誘電体、91・・・誘電体円形ロッド、92・・・二次元正方格子フォトニック結晶、82,116・・・クロム遮光層、83・・・格子型、84・・・くし型、115・・・段差、121・・・遮光部、122・・・境界。

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