JP2006030568A - フォトマスク - Google Patents

Abstract

【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を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、構造性複屈折素子や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の現象は全く観測されなかった。
【選択図】 図７

Description

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。

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に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。

さらに投影像の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の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、渋谷レベンソン型位相シフトマスクがある。これは微細な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、前記マスクに照射されたとき、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で干渉するため、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の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"Ruoping Wang 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）は露光装置の光学系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が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 Ruoping Wang et al., Polarized Phase Shift Mask: Concept, Design, and Potential Advantages to Photolithography Process and Physical Design, Proceedings of SPIE Vol.4562, 406-417(2002)

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。

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は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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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の振動面が直交する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。

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。

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。

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。

「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。

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。

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。

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。

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ＳｉＯ_２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。

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、光強度分布の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。

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、振幅透過率分布と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。

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。

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。

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。

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。

図２のＣ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。

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を図６に示す。

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。

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。

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」、東海大学出版会、1975、p1030”に、原理について述べられている。

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ε_１・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。

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。

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５の３型を想定した。この場合、機能はλ／４板となる。

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。

２ 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））。

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。

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。

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。

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、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。

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。

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」、コロナ社発行、2004年4月28日刊”に述べられている。

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に分類される。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。

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（横軸が波数ｋ、縦軸が規格化周波数値ωa／2πcのグラフ）を示す。ただし、ロッドの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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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も確立されている。

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。

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ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５を交互に積層していくことによりＶ字形の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。

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・大寺・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。

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、ＳｉＯ_２（１１２）とＴａ_２Ｏ_５（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を印加したＲＦバイアス・スパッタリングを用い、Ｖ字型の断層形状を得られるようにした。図上、横線と縦線は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。

２ 位相シフト層の作製
続いて、この上にＳｉＯ_２（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ＳｉＯ_２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。

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。

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。

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。

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。

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。 ２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

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。

Claims (18)

1. 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であって、
   第１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。
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。
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。
4. 前記フォトマスクは、前記フォトマスクの透過光を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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、光の電気ベクトルの振動面が直交する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。
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。
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。
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請求項１のフォトマスク。
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。
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。
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。
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。
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。

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