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JPH11160510A5 - - Google Patents

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JPH11160510A5
JPH11160510A5 JP1998276481A JP27648198A JPH11160510A5 JP H11160510 A5 JPH11160510 A5 JP H11160510A5 JP 1998276481 A JP1998276481 A JP 1998276481A JP 27648198 A JP27648198 A JP 27648198A JP H11160510 A5 JPH11160510 A5 JP H11160510A5
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Description

【書類名】 明細書

【発明の名称】 多段階段状素子又は該素子作製用モールド型の製造方法
【特許請求の範囲】
【請求項1】 複数回のリソグラフィ工程により、多段階段状素子又は該素子作製用モールド型を作製する方法であって、
基板上に第1のマスクのパターンを第1の材料を用いて形成し、前記第1のマスクのパターンを用いて前記基板をエッチングする工程と、
前記第1のマスクのパターンを用いて第2のマスクのパターンを第2の材料を用いて形成する工程と、
前記第1と第2のマスクのパターンの少なくとも一方を部分的に除去し、第3のマスクのパターンを形成する工程と、
前記第3のマスクのパターンにより前記基板をエッチングする工程と、
を有することを特徴とする多段階段状素子又は該素子作製用モールド型の製造方法。
【請求項2】 前記第2のマスクのパターンを形成する工程は、前記第1のマスクのパターンを用いて前記基板をエッチングする工程により作成された前記基板の凹部を、前記第2の材料で埋める工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の多段階段状素子又は該素子作製用モールド型の製造方法。
【請求項3】 前記基板は透光性材料、前記第1のマスクは遮光性材料であり、前記第2のマスクのパターンを形成する工程は前記基板の裏面から前記基板を介して前記第2の材料に光を照射する工程を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の多段階段状素子又は該素子作製用モールド型の製造方法。
【請求項4】 前記第2の材料はネガレジストであり、前記基板の裏面からの光により前記ネガレジストを感光させることを特徴とする請求項3に記載の多段階段状素子又は該素子作製用モールド型の製造方法。
【請求項5】 前記基板の表面に光を照射し、前記ネガレジストを感光させる工程を含むことを特徴とする請求項4に記載の多段階段状素子又は該素子作製用モールド型の製造方法。
【請求項6】 請求項1〜5の何れか1つの請求項に記載の製造方法により製造した回折光学素子。
【請求項7】 請求項1〜5の何れか1つの請求項に記載の製造方法により製造されたモールド型を用いて製造された回折光学素子。
【請求項8】 請求項6又は7に記載の回折光学素子を有する光学系。
【請求項9】 請求項8に記載の光学系を有する露光装置。
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リソグラフィ工程により階段状断面を形成する多段階段状素子又は該素子作製用モールド型の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、バイナリオプティクスである回折光学素子の作製方法としては、電子ビームのドーズ量を制御してレジストを階段形状に形成し、そのまま回折パターンとして用いる技術が、電子通信学会誌(c) J66−CP85−91昭和58年1月号、特開昭62−265601号公報、特開昭62−42102号公報等に開示されている。
【0003】
また、特開昭61−137101号公報には、互いにエッチング耐性を有する2種類以上の膜を所望の厚さに積層し、上層から順次にエッチングして階段構造を形成し、回折光学素子の金型とする技術が開示されており、特開昭61−44628号公報、特開平6−160610号公報には、レジストを1段ずつアライメントして形成し、これをエッチングマスクとして階段構造を形成して回折光学素子の金型とする技術が開示されている。
【0004】
更に特開平8−15510号公報には、基板上にエッチングストッパ層と透明層を1段ずつ積層し、アライメント、露光、エッチングを行って直接階段構造を形成して回折光学素子とする技術が開示されている。
【0005】
また、特開平6−26339号公報、米国特許公報第2554600号には、レジストをエッチングマスクとして直接基板上に階段構造を形成して回折光学素子とし、レジストパターニング毎にアライメントを行う技術が開示されており、特開平7−72319号公報には、レジストをエッチングマスクとしてアライメントを行って階段構造を形成する技術が開示されている。
【0006】
図32は8段構造の回折光学素子の製造工程の断面図を示し、図32の工程(1) において、清浄な基板1上にレジストを滴下し、スピンコートによりレジストを1μm程度の薄膜とし、ベーク処理を行ってレジスト膜2を形成する。図32の工程(2) において、最も微細な回折パターンが露出可能な露出装置に基板1を装着し、所望の回折パターンに応じたレチクル3をマスクとしてレジスト膜2に対して感度を有する露光光Lを照射し露光を行う。ポジタイプのレジストを用いた場合は、露光光Lにより露光した領域は現像液に対して可溶となるので、図32の工程(3) に示すように所望寸法のレジストパターン4が形成される。図32の工程(4) において、基板1を異方性エッチングが可能な反応性イオンエッチング装置又はイオンビームエッチング装置に装着し、パターン化したレジストパターン4をエッチングマスクとして、基板1に所定時間所定深さのエッチングを行う。そして、レジストパターン4を除去すると、図32の工程(5) に示すように2段の段差を有するパターン5が形成された基板1を得る。
【0007】
再び、工程(1) と同様に基板1にレジスト膜6を形成して露光装置に装着し、図32の工程(6) において回折パターン3の2倍周期のパターンを有するレクチル7をマスクとして、工程(5) までに形成したパターンに対して露光装置が有するアライメント精度でアライメントした後に、図32の工程(7) においてレジスト膜6を露光現像してレジストパターン8を形成する。次に、工程(4) と同様にドライエッチングを行ってレジストパターン8を除去すると、図32の工程(8) に示すように4段の段差を有するパターン9が形成される。
【0008】
更に、工程(1) と同様に再び基板1にレジスト膜10を形成した後に、図32の工程(9) において回折パターン3の4倍同期のパターンを有するレクチル11をマスクとして、図32の工程(10)において工程(7) と同様にしてレジストパターン12を形成し、ドライエッチングを行った後にレジストパターン12を除去すると、図32の工程(11)に示すように8段の段差のパターン13を有する回折光学素子が形成される。そして、前後に回折光学素子が形成された基板1の両面に対して、スパッタリング法や蒸着法により反射防止膜を形成する。
【0009】
このように、階段状の断面形状を有する回折光学素子又は金型は、半導体製造技術で用いられている露光、エッチング技術に基づくリソグラフィ工程及び成膜技術によって、製造されている。この回折光学素子は基板上に形成した階段状の凹凸により光学的性能が発揮されるので、その回折効率は形成した凹凸の形状即ち段の深さや幅や断面形状等により左右される。
【0010】
このような倍周期のマスクを順次に使用して、多段の段階形状の回折光学素子を製造する場合には、アライメントエラーや寸法エラーが発生しなければ、例えば図33に示すように3枚のマスク17a〜17cを使用して、理想的な8段形状Aを形成することができる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の実施例において、複数のマスクを使用する製造技術では、アライメントによる誤差が回折効率を著しく劣化させ、更にこのような形状エラーは一旦形成されると再生が不可能なためにコスト上昇を招く結果となる。実際には、これらのアライメントエラーや寸法エラーを完全になくすことは不可能であり、例えば図34に示すようにマスク17a〜17cのアライメントにr1、r2に示す量のずれが生じた場合には、理想形状Aと異なる形状Bのような回折光学素子が形成されてしまう。これによって、回折効率等の光学性能は大幅に低下し、加えて各層において寸法エラーが発生した場合には、更に光学性能の低下は増大する。
【0012】
例えば基板として石英を用いて、最小線幅が0.35μm、1段の段差dが61nm、使用波長248nmで、形状Aに示すように理想的な8段形状が形成された場合には、反射による損失を除いた理論回折効率は95%である。一方、例えばマスク17aとマスク17bのアライメント誤差r1が80nm、マスク17aとマスク17cのアライメント誤差r2が30nmの場合には、反射を考慮に入れない回折効率は80%となって15%の低下となり、実際の測定及びシミュレーンョンにおいても同様の結果が確認されている。
【0013】
また、同様な方法で多段の回折光学素子を形成するには、複数回の露光及び現像によるレジストプロセス工程が行われ、例えば段数16段、基板として石英を用い、最小線幅が0.35μm、1段の段差が30.5nm、使用波長248nmの場合には16段の階段状回折光学素子が製造できる。理想的な16段形状の場合には、反射による損失を除いた理論回折効率は99%となるが、これにアライメント誤差が含まれた場合には、回折効率は8段形状のときより更に大幅に低下することになる。
【0014】
このように、実際にレジストパターンの寸法及びアライメントの制御は相当に難しく、再現性が得られず、その結果、段の幅が太くなったり細くなったりして、理想的な階段形状には存在しない溝や突起が形成され、このために回折光学素子の光学性能が著しく劣化するという問題がある。
【0015】
また、電子ビーム描画の場合にはアライメントの誤差はなくなるが、膨大な描画量となるために、生産上十分なスループットが得られないという問題がある。
【0016】
更に、一般に回折光学素子に用いる硝子の場合には、エッチング速度が遅いことと、レジストと硝子のエッチング速度が同程度であることから、段が深い回折パターンを得ようとすると、レジストを厚く形成する必要があり、レジストが厚いと溝の深い部分でエッチングにより生成した反応生成物質が外に出られなくなり、断面形状が悪化して側壁の矩形形状を損うという問題がある。
【0017】
本発明の目的は、高精度の回折光学素子を短時間かつ低価格で安定して製造可能な多段階段状素子又は該素子作製用モールド型の製造方法を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る多段階段状素子又は該素子作製用モールド型の製造方法の技術的特徴は、複数回のリソグラフィ工程により、多段階段状素子又は該素子作製用モールド型を作製する方法であって、基板上に第1のマスクのパターンを第1の材料を用いて形成し、前記第1のマスクのパターンを用いて前記基板をエッチングする工程と、前記第1のマスクのパターンを用いて第2のマスクのパターンを第2の材料を用いて形成する工程と、前記第1と第2のマスクのパターンの少なくとも一方を部分的に除去し、第3のマスクのパターンを形成する工程と、前記第3のマスクのパターンにより前記基板をエッチングする工程と、を有することを特徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明を図1〜図31に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図1は第1の実施例の回折光学素子の製造工程の断面図を示す。図1の工程(1) において、透光性材料から成る石英基板21上に第1のマスクとして第1の材料である遮光性材料から成るクロム膜22をスパッタリング法により100nmの厚さに形成し、基準となる周期の回折パターンを有するレジストパターン23を形成した後に、硝酸第2セリウムアンモニウムと過塩素酸と水の混合液から成るエッチング液を用いてクロム膜22を除去する。
【0020】
図1の工程(2) において、CF4と水素の混合ガスを用いてRIE法(反応性イオンエッチング法)により、石英基板21を所定の深さエッチングして凹部24を形成する。図1の工程(3) において、電子ビーム蒸着法を用いて、残存するクロム膜22の表面に揃う程度の厚さに、第2のマスクとして第2の材料であるアルミニウム膜25を形成し、凹部24を埋める。次に、図1の工程(4) において、リフトオフ法によりレジストパターン23とその上のアルミニウム膜25を同時に除去する。ここまでの工程で基準となる周期の回折パターンが2段構造で形成され、石英基板21の表面は隣接するクロム膜22とアルミニウム膜25により被覆されて、パターンの位置及び寸法が規定される。
【0021】
次に、図1の工程(5) においてレジストパターン26を形成し、所定のクロム膜27をエッチング液により除去した後に、図1の工程(6) において工程(1) と同じエッチング液を用いてレジストパターン26を除去する。更に、図1の工程(7) においてレジストパターン28を形成し、工程(6) で除去したクロム膜27と隣接する所定のアルミニウム膜29を、燐酸と硝酸と酢酸と水の混合液から成るエッチング液により除去した後に、図1の工程(8) においてレジストパターン28を除去する。
【0022】
図1の工程(9) において、第1のマスクのクロム膜22及び第2のマスクのアルミニウム膜25部分的に除去して残存する部分を第3のマスクであるエッチングマスクとし、アライメントの必要がない自己整合法として工程(2) と同じRIE法により石英基板21を所定の深さエッチングする。最後に、図1の工程(10)においてクロム膜22を工程(1) と同じエッチング液により除去し、アルミニウム膜25を工程(6) と同じエッチング液により除去する。このようにして、アライメントエラーやパターン寸法エラーによる溝や突起のない、高精度な4段の階段状構造を有する回折光学素子が実現できる。
【0023】
図2は第2の実施例の光CVD法(光アシスト化学的気相成長法)による回折光学素子の製造工程の断面図を示す。図2の工程(1) において、石英基板31上に第1のマスクとしてクロム膜32をスパッタリング法で100nmの厚さに形成し、基準となる周期の回折パターンを有するレジストパターン33を形成した後に、硝酸第2セリウムアンモニウムと過塩素酸と水の混合液から成るエッチング液を用いてレジストパターン33を形成していないクロム膜32を除去する。
【0024】
図2の工程(2) において、CF4と水素の混合ガスを用いてRIE法により、石英基板31を所定の深さエッチングして凹部34を形成し、レジストパターン33を除去する。図2の工程(3) において、石英基板31の背面から露光光Lを照射しながら行う光CVD法により、波長248nmのKr Fレーザー光、及びAl(CH3)3 と過酸化窒素の混合ガスを用いて、残存するクロム膜32の表面に揃う程度の厚さに第2のマスクとして第2の材料である酸化アルミニウム膜35を形成して、凹部34を埋める。
【0025】
ここまでの工程で、基準となる周期の回折パターンが2段構造で形成され、石英基板31の表面は隣接するクロム膜32と酸化アルミニウム膜35により被覆され、パターンの位置及び寸法が規定される。なお、背面からの光照射による光CVD法は、自己整合法として1工程で孔埋めが可能なので、他の方法より簡便である。
【0026】
次に、図2の工程(4) において、所定のレジストパターン36を形成し、図2の工程(5) においてレジストパターン36を形成していないクロム膜37を工程(1) と同じエッチング液により除去した後に、レジストパターン36を除去する。更に、図2の工程(6) においてレジストパターン38を形成し、酸化アルミニウム膜35の内の工程(5) で除去したクロム膜32と隣合う所定の酸化アルミニウム膜39を燐酸系のエッチング液にて除去した後に、図2の工程(7) においてレジストパターン38を除去する。
【0027】
続いて、図2の工程(8) において、残存するクロム膜32及び酸化アルミニウム膜35を第3のマスクとして、石英基板31を工程(2) と同じRIE法によりエッチングした後に、クロム膜32を工程(1) と同じエッチング液により除去し、酸化アルミニウム膜35を工程(7) と同じエッチング液により除去すると、図2の工程(9) に示すように、自己整合法によりアライメントエラーやパターン寸法エラーによる溝や突起がない、高精度な4段の階段状構造を有する回折光学素子が実現できる。
【0028】
ここで用いた光CVD法は、アシスト光を透過する石英基板31と堆積材料の組合わせで実施することができ、他に石英基板31と酸化チタン又は窒化硼素等の組合わせがある。また、本実施例の第1のマスクをクロムと酸化クロムの積層膜とし、工程(3) の酸化アルミニウム膜35の材料をアルミニウム膜とし、選択デポジション法を用いて、高精度な4段の階段状構造を有する回折光学素子を実現することができる。
【0029】
図3は第3の実施例のCMP法(化学的機械的研磨法)又はエッチバック法による回折光学素子の製造工程の断面図を示す。図3の工程(1) において、石英基板41上に第1のマスクとしてクロム膜42をスパッタリング法により200nmの厚さに形成し、基準となる周期の回折パターンを有するレジストパターン43を形成した後に、四塩化炭素と酸素の混合ガスを用いてRIE法によりクロム膜42を除去する。図3の工程(2) において、レジストパターン43を除去した後に、石英基板41をCHF3系のガスを用いてRIE法で所定の深さエッチングする。図3の工程(3) において、第2のマスクとしてアルミニウム膜44を電子ビーム蒸着法により500nm程度の厚さに形成した後に、図3の工程(4) においてCMP法を利用したダマシン法、又はエッチング液によるエッチバック法により、残存するクロム膜42の表面が露出するまでアルミニウム膜44を除去する。
【0030】
ここで、CMP法に用いるスラリと加工液はそれぞれ酸化アルミニウム系と水酸化アンモニウム系を用い、エッチバック法のエッチング液は燐酸と硝酸と酢酸と水の混合液を用いる。ここまでの工程で、基準となる周期の回折パターンが石英基板41上に2段の構造で形成され、石英基板41の表面は隣接するクロム膜42とアルミニウム膜44により被覆される。
【0031】
続いて、図3の工程(5) において、所定位置にレジストパターン45を形成した後に、図3の工程(6) においてレジストパターン45を形成しないクロム膜46を硝酸第2セリウムアンモニウムと過塩素酸と水の混合液を用いたエッチング液により除去し、その後にレジストパターン45を除去する。更に、図3の工程(7) においてレジストパターン47を形成し、工程(6) で除去したクロム膜46と隣合う所定のアルミニウム膜48を工程(4) と同じエッチング液により除去し、図3の工程(8) においてレジストパターン47を除去する。図3の工程(9) において残存するクロム膜42及びアルミニウム膜44を第3のマスクとして、石英基板41を工程(2) と同じRIE法によりエッチングし、凹部49を形成する。ここまでの工程で、基準となる周期の回折パターンが石英基板41上に4段の構造で形成される。
【0032】
次に、図3の工程(10)において、工程(3) と同様に100nm程度の厚さにアルミニウム膜50を成膜した後に、図3の工程(11)においてダマシン法により工程(9) で形成した凹部49を埋め、更に工程(4) と同様にしてアルミニウム膜50を除去する。続いて、図3の工程(12)において所定位置にレジストパターン51を形成し、図3の工程(13)においてレジストパターン51のないクロム膜52をエッチング液で除去する。更に、図3の工程(14)においてレジストパターン53を形成し、図3の工程(15)においてアルミニウム膜44、50を除去し、図3の工程(16)においてレジストパターン53を除去する。
【0033】
次に、図3の工程(17)において、残存するクロム膜42、アルミニウム膜44、50をマスクとして、石英基板41を工程(2) と同様のRIE法によりエッチングする。最後に、図3の工程(18)において、残存するクロム膜42を工程(1) と同じエッチング液により除去し、アルミニウム膜44、50を工程(4) と同じエッチング液により除去する。
【0034】
このようにして、自己整合法によりアライメントエラーやパターン寸法エラーによる溝や突起のない、高精度な8段の階段状構造を有する回折光学素子が実現できる。なお、第1〜第3の実施例におけるパターン形成のための露光光Lは、紫外や遠紫外等の光に限らず、電子ビームやX線、又はその他の露光技術を用いてもよい。
【0035】
また、第1及び第3の実施例の基板21及び41は、透過型や反射型又は金型の使用目的に合わせて材質を適宜選択する。ただし、基板である被エッチング材と第1、第2のマスクの2つの材料が、使用するエッチング方法において、エッチング速度、エッチング条件が全く異なり、選択比が得られるものでなければならない。また、クロム膜とアルミニウム膜のエッチング方法は、ウエットエッチング法に限らず、スパッタエッチング法、イオンビームエッチング法等のドライエッチング法を用いてもよい。更に、第1及び第3の実施例の第1、第2のマスクの成膜方法は、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンビームスパッタリング法、イオンプレーティング法、CVD法、M電子ビーム法等を用いてもよい。
【0036】
図4は第4の実施例の反射型回折光学素子の断面図を示している。第1〜第3の実施例で作成した多段の階段構造を有する基板61に、反射膜としてクロム層62とアルミニウム層63と石英層64を電子ビーム蒸着法等により積層する。クロム層62は基板61との密着性を向上する機能を有し、アルミニウム層63は反射膜で、石英層64は保護膜機能を有する。基板材料には珪素や石英等を使用し、第1及び第2のマスクは選択比の高いものを適宜選択し、反射膜層の材料及び積層構成は、使用する波長や環境に応じて各層の作用を十分発揮するものを選択する。このようにして、アライメントエラーやパターン寸法エラーによる溝や突起のない、高精度な4段又は8段の階段状構造を有する反射型の回折光学素子が実現できる。
【0037】
図5は第5の実施例の回折光学素子の断面図を示す。第1〜第3の実施例で作成した多段の階段構造を有する基板65を金型として用い、光硬化性樹脂等を用いたZP法やインジェクション法等の複製技術により回折光学素子66をレプリカとして製造する。このようにして、アライメントエラーやパターン寸法エラーによる溝や突起のない、高精度な4又は8段の階段状構造を有する回折光学素子素子が実現できる。
【0038】
図6は回折光学素子を有する投影光学系の構成図を示す。球面又は非球面の通常のレンズ群71に本実施例の回折光学素子72が組み込まれており、通常のレンズ71の表面には反射防止膜が形成されている。
【0039】
回折光学素子72は通常のレンズ71と共働して光学系の色収差やザイデルの5収差等の各種収差を補正する。このような投影光学系は、各種カメラ、1眼レフレックスカメラに取り付ける交換レンズ、複写機等の事務機、液晶パネル製造用の投影露光装置、IC、LSI等の半導体チップ製造用の投影露光装置に用いられる。
【0040】
図7は投影露光装置の構成図を示し、露光光を供給する照明光学系73、照明光学系73により照明されるマスク74、このマスク74に描かれたデバイスパターン像を投影する投影光学系75、レジストパターンが塗布された硝子基板やシリコン基板76が配列されている。照明光学系73及び投影光学系75に本実施例による回折光学素子が組み込まれており、照明光学系73や投影光学系75を構成するレンズの表面には反射防止膜が形成されている。
【0041】
照明光学系73からの露光光はマスク74を照明し、投影光学系75によりマスク74に描かれたデバイスパターン像を硝子基板やシリコン基板76上に投影する。
【0042】
図8、図9は第6の実施例のネガレジストを背面露光して感光させる技法による回折光学素子の製造工程の断面図を示す。先ず、図8の工程(1) において、石英基板81上にクロム膜82をスパッタリング法により100nmの厚みに成膜する。なお、パターニングの解像力向上のためにクロム膜82上に20〜30nmの酸化クロム等の反射防止膜を形成する。図8の工程(2) において、この石英基板81にフォトレジストを塗布し、ライン及びスペースの幅を共に0.35μmとして第1回目のレジストパターン83を形成する。続いて、例えば平行平板型のRIE装置により塩素ガス又は塩素ガスと酸素の混合ガスを用いて、レジストパターン83を第1のマスクとしてクロム膜82をエッチングする。次に、図8の工程(3) においてレジストパターン83を酸素アッシング法又は剥離液により剥離する。このクロム膜82のパターンによって以下に示す工程を経て全ての段位置が規定される。
【0043】
図8の工程(4) において、クロム膜82によるパターンをマスクとして、例えば平行平板型のRIE装置によりCF4と水素の混合ガスを用いて、CF4の流量20cm3/分、水素の流量3cm3/分、圧力4Pa、RFのパワー60Wのエッチング条件で、石英基板81を5分で61nmにエッチングする。続いて、基板81にフォトレジストを塗布して第2回目のレジストパターン84を形成する。このときのアライメント精度は、クロム膜82のパターンの線幅の半分の値でよいので、通常の露光装置で達成することができる。これは他の実施例も含めて、第2回目以降の全てのパターニングに適用可能である。
【0044】
次に、図8の工程(5) において、クロム膜82のパターン及びレジストパターン84をマスクとして、石英基板81を61nmエッチングする。図8の工程(6) においてレジスト84を剥離した後に、再びフォトレジストを塗布して第3回目のレジストパターン85を形成する。そして、図8の工程(7) において、クロム膜82及びレジストパターン85をマスクとして石英基板81を61nmエッチングする。レジスト85を剥離した後に、再びフォトレジストを塗布して第4回目のレジストパターン86を形成する。
【0045】
図8の工程(8) において、レジストパターン86及びクロム膜82のパターンをマスクとして、石英基板81を61nmエッチングする。次に、図8の工程(9) において、ネガレジストを塗布し背面から露光し現像すると、図8の工程(10)に示すように、クロムパターンのないところのみ第2のマスクとしてレジストパターン87を残すことができる。このとき、クロムパターン自体がネガレジスト露光のコンタクトマスクとなるので、完全に正確なアライメントを行うことができる。
【0046】
次に、この上にフォトレジストを塗布し、図8の工程(11)に示すように第5回目のレジスト88を形成する。図8の工程(12)において、レジストパターン87、88に覆われない部分のクロム膜を、例えば硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸と水の混合液を用いてエッチングにより除去する。更に、図9の工程(13)においてレジスト87、88を第3のマスクとして、工程(3) と同じRIE装置及びエッチングガスを用い、工程(3) と同じエッチング条件で石英基板81を30分で366nmエッチングする。図9の工程(14)において、レジストパターン87、88をアッシング法により除去した後に、ネガレジストを塗布し背面から露光する。図9の工程(15)においてこれを現像すると、クロムパターンのないところのみレジストパターン89を残すことができる。
【0047】
図9の工程(16)において、この上にフォトレジストを塗布して第6回目のレジスト90を形成する。図9の工程(17)において、レジストパターン89、90に覆われない部分のクロム膜を工程(12)と同じ混合液を用いてエッチングにより除去する。次に、図9の工程(18)においてレジスト89、90をマスクとして、工程(3) と同じRIE装置及びエッチングガスを用い、工程(3) と同じ石英基板81をエッチング条件でエッチング時間20分で244nmエッチングする。図9の工程(19)において、レジストパターン89、90をアッシング法により除去する。図9の工程(20)において、ネガレジストを塗布し背面から露光して現像すると、図9の工程(21)に示すようにクロムパターンのないところのみレジストパターン91を残すことができる。
【0048】
次に、この上にフォトレジストを塗布し、第7回目のフォトレジスト92を形成する。図9の工程(22)において、レジストパターン91、92に覆われない部分のクロム膜を工程(12)と同じ混合液を用いてエッチングにより除去する。図9の工程(23)においてネガレジスト91、92をマスクとして、工程(3) と同じRIE装置及びエッチングガスを用い、工程(3) と同じエッチング条件で石英基板81をエッチング時間10分で122nmエッチングする。次に、図9の工程(24)において、レジストパターン91、92をアッシング法により除去する。クロム膜82のパターンを工程(12)と同じ混合液を用いてエッチングし、図9の工程(25)に示すような8段の回折光学素子又は回折光学素子作製用のモールド型が完成する。
【0049】
このようにして完成した最小線幅が0.35μm、1段の段差が61nmの回折光学素子を、使用波長248nmで回折効率を測定した結果、反射による損失を除いた回折効率は93%であり、理論値に対して2%の回折効率低下量であった。この2%の回折効率低下の主要因は、最初のクロムパターンの線幅誤差によるものである。
【0050】
図10、図11は第7の実施例の回折光学素子の製造工程の断面図を示す。図10の工程(1) 〜工程(3) は第6の実施例の図9の工程(1) 〜図9の工程(3) と同様で、第1回目のレジストパターン83を形成してクロムパターンを完成する。
【0051】
図10の工程(4) において、石英基板81にフォトレジストを塗布し、第2回目のレジストパターン93を形成する。次に、図10の工程(5) において、レジストパターン93及びクロム膜82のパターンをマスクとして石英基板81を366nmエッチングする。図10の工程(6) において、レジスト93を剥離した後に再びフォトレジストを塗布し、第3回目のレジストパターン94を形成する。図10の工程(7) において、レジストパターン94及びクロム膜82のパターンをマスクとして石英基板81を244nmエッチングする。次に、フォトレジスト94を剥離した後に、再びフォトレジストを塗布し、第4回目のレジストパターン95を形成する。
【0052】
図10の工程(8) において、レジストパターン95及びクロム膜82のパターンをマスクとして石英基板81を122nmエッチングする。図10の工程(9) において、レジスト95を剥離した後にポリイミド膜96を全面にスピンコート法により約1μm塗布する。次に、酸素プラズマアッシング法によりポリイミド膜96をクロム膜82のパターンの表面が露出するまでエッチバックする。図10の工程(10)においてレジストパターンを塗布し、リソグラフィ法により第5回目の第2のマスクのレジストパターン97を形成する。図10の工程(11)において、レジストパターン97及びポリイミド膜96に覆われない部分のクロム膜を、例えば硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸と水の混合液を用いてエッチングにより除去する。図10の工程(12)において、レジストパターン97及びポリイミド膜96を第3のマスクとして、平行平板型のRIE装置によりCF4と水素の混合ガスを用いて、例えばCF4の流量20cm3/分、水素の流量3cm3/分、圧力4Pa、RFのパワー60Wのエッチング条件で、石英基板81をエッチング時間30分で366nmエッチングする。
【0053】
図11の工程(13)において、レジストパターン97及びポリイミド膜96を剥離した後に、ポリイミド膜98を全面にスピンコート法により約1μm塗布する。図11の工程(14)において、酸素プラズマアッシング法によりポリイミド膜98をクロム膜82のパターンの表面が露出するまでエッチバックする。次に、図11の工程(15)においてレジストパターンを塗布し、リソグラフィ法により第6回目のレジストパターン99を形成する。図11の工程(16)において、レジストパターン99及びポリイミド膜98に覆われない部分のクロム膜2を、工程(11)と同じ混合液を用いてエッチングにより除去する。
【0054】
図11の工程(17)において、レジストパターン99及びポリイミド膜98をマスクとして、石英基板81を例えば工程(12)と同じRIE装置及びエッチングガスを用いて、同じエッチング条件で20分で244nmエッチングする。図11の工程(18)において、レジストパターン99及びポリイミド膜98を剥離する。その後に図11の工程(19)において、ポリイミド膜100を全面にスピンコート法により約1μm塗布する。図11の工程(20)において、酸素プラズマアッシング法によりポリイミド膜100をクロム膜82のパターンの表面が露出するまでエッチバックする。次に、図11の工程(21)においてレジストパターンを塗布し、リソグラフィ法により第7回目のレジストパターン101を形成する。
【0055】
次に、図11の工程(22)において、レジストパターン101及びポリイミド膜100に覆われない部分のクロム膜102を、工程(11)と同じ混合液を用いてエッチングにより除去する。図11の工程(23)において、レジストパターン101及びポリイミド膜100をマスクとして、工程(12)と同じRIE装置及びエッチングガスを用いて、工程(12)と同じエッチング条件で石英基板81を10分で122nmエッチングする。図11の工程(24)において、レジストパターン101及びポリイミド膜100をアッシング法により除去する。クロム膜82のパターンを工程(11)と同じ混合液を用いてエッチングし、図11の工程(25)に示すような、8段の回折光学素子又は回折光学素子作製用の型が完成する。
【0056】
図12、図13は第8の実施例の光CVD法による回折光学素子の製造工程の断面図を示す。図12の工程(1) において、先ず石英基板81上にスパッタリング法によりクロム膜102を100nmの厚みに成膜し、続いて酸化クロム膜103を20〜30nm成膜する。この酸化クロム層により、露光光Lの石英基板81による反射が減少してパターニング精度が向上する。図12の工程(2) において、この基板81にフォトレジストを塗布し、ライン及びスペースの幅を0.35μmとして第1回目のレジストパターン104を形成する。続いて、レジストパターン104を第1のマスクとしてクロム膜102及び酸化クロム膜103を、平行平板型のRIE装置により塩素ガス又は塩素ガスと酸素の混合ガスを用いてエッチングする。次にレジスト104を剥離し、図12の工程(3) に示すような酸化クロム/クロムのパターンが完成する。この酸化クロム/クロムパターンにより、以下に示す工程を経て全ての段の位置が規定される。
【0057】
図12の工程(4) において、クロム膜102及び酸化クロム膜103によるパターンをマスクとして、例えば平行平板型のRIE装置によりCF4と水素の混合ガスを用いて、例えばCF4の流量20cm3/分、水素の流量3cm3/分、圧力4Pa、RFのパワー60Wのエッチング条件で、石英基板81を5分で61nmエッチングする。基板81にフォトレジストを塗布し、第2回目のレジストパターン105を形成する。続いて、図12の工程(5) において、レジストパターン105、クロム膜102、酸化クロム膜103のパターンをマスクとして石英基板81を366nmエッチングする。図12の工程(6) において、フォトレジスト105を剥離した後に再びフォトレジストを塗布し、第3回目のレジストパターン106を形成する。
【0058】
図12の工程(7) において、レジストパターン106、クロム膜102、酸化クロム膜103のパターンをマスクとして石英基板81を244nmエッチングする。次に、図12の工程(8) において、フォトレジスト106を剥離した後に、再びフォトレジストを塗布して第4回目のレジストパターン107を形成する。そして、レジストパターン107、クロム膜102、酸化クロム膜103のパターンをマスクとして石英基板81を122nmエッチングする。次に、図12の工程(9) において、レジストパターン107を酸素プラズマアッシング又は剥離液により除去する。
【0059】
図12の工程(10)において、工程(9) の状態の基板をAl2(CH3)6ガス中で背面から紫外線、例えばKr Fレーザー光で露光する。このようにすると、クロム膜102、酸化クロム膜103のパターンのない部分のみに第2のマスクとしてアルミニウム膜108を100〜20nm成膜することができる。このとき、裏面にもアルミニウム膜109が析出している。図12の工程(11)において、この上にレジストパターン膜110を塗布した後に、燐酸と硝酸と酢酸と水の混合液で、裏面のアルミニウム膜109を除去する。図12の工程(12)において、レジストパターン110を除去した後に、この上にフォトレジストを塗布し、露光、現像することにより、第5回目のレジスト111を形成する。
【0060】
図12の工程(13)において、レジストパターン111及びアルミニウム膜108に覆われていない部分のクロム膜102、酸化クロム膜103をエッチングにより除去する。図12の工程(14)において、レジストパターン111及びアルミニウム膜108を第3のマスクとして、工程(4) と同じRIE装置及びエッチングガスを用いて、同じエッチング条件で石英基板81を30分で366nmエッチングする。
【0061】
図13の工程(15)において、レジストパターン111をアッシング法又は剥離液により除去し、アルミニウム膜108を工程(11)と同じ混合液でエッチングし除去した後に、基板をAl2(CH3)6ガス中で背面から紫外線、例えばKr Fレーザー光で露光する。このようにして、クロム膜102、酸化クロム膜103のパターンのない部分のみに、アルミニウム膜112を20〜30nm成膜することができるが、このとき裏面にもアルミニウム膜113が析出している。図13の工程(16)において、この上にレジストパターン膜114を塗布した後に、工程(11)と同じ混合液で裏面のアルミニウム膜113を除去する。図13の工程(17)においてレジストパターン膜114を除去した後に、この上にフォトレジストを塗布して、露光、現像することにより第6回目のレジスト115を形成する。
【0062】
図13の工程(18)において、レジストパターン115及びアルミニウム膜112に覆われない部分のクロム膜102、酸化クロム膜103を例えば硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸と水の混合液を用いてエッチングにより除去する。次に、図13の工程(19)において、レジストパターン115及びアルミニウム膜112をマスクとして、工程(4) と同じRIE装置及びエッチングガスを用いて、同じエッチング条件で石英基板81を20分で244nmエッチングする。レジストパターン115をアッシング法又は剥離液により除去し、アルミニウム膜112を工程(11)と同じ混合液でエッチングして除去すると、図13の工程(20)に示す状態となる。
【0063】
この石英基板81をAl2(CH3)6ガス中で背面から紫外線、例えばKr Fレーザー光で露光する。このようにして、図13の工程(21)に示すように、クロム膜102、酸化クロム膜103のパターンのない部分のみにアルミニウム膜116を10〜20nm成膜することができる。このとき、裏面にもアルミニウム膜117が析出している。図13の工程(22)において、この上にレジストパターン膜118を塗布した後に、工程(11)と同じ混合液で裏面のアルミニウム膜117を除去する。図13の工程(23)において、レジストパターン膜118を除去した後に、この上にフォトレジストを塗布し、露光、現像することにより第7回目のレジストパターン119を形成する。
【0064】
図13の工程(24)において、レジストパターン119及びアルミニウム膜116に覆われていない部分のクロム膜102及び酸化クロム膜103を、工程(18)と同じ混合液を用いてエッチングにより除去する。図13の工程(25)において、レジストパターン119及びアルミニウム膜116をマスクとして、工程(4) と同じRIE装置エッチングガスを用いて、同じエッチング条件で石英基板81を10分で122nmエッチングする。図13の工程(26)において、レジストパターン膜119をアッシング法又は剥離液により除去し、アルミニウム膜116を工程(11)と同じ混合液でエッチングし除去する。図13の工程(27)において、クロム膜102、酸化クロム膜103を工程(18)と同じ混合液を用いてエッチングして、8段の回折光学素子又は回折光学素子作製用の型が完成する。
【0065】
このようにして完成した最小線幅が0.35μm、1段の段差が61nmである回折光学素子の回折効率を、使用波長248nmで測定した結果、反射による損失を除いた回折効率は93%であり、理論値に対して2%の回折効率低下量であった。この2%の回折効率低下の主要因は、最初のクロムパターンの線幅誤差とエッチングの再現性不良によるものである。
【0066】
図14、図15は第9の実施例のアルミニウムを用いたダマシン法による回折光学素子の製造工程の断面図を示す。第6の実施例と同様に、図14の工程(1) において石英基板81にフォトレジストを塗布し、図14の工程(2) においてフォトリソグラフィにより第1回目のレジストパターン83を形成し、図14の工程(3) においてレジストパターン83を第1のマスクとしてクロム膜82をエッチングする。
【0067】
次に、図14の工程(4) においてクロム膜82によるパターンをマスクとして、石英基板81を61nmエッチングする。更に、石英基板81にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィにより第2回目のレジストパターン120を形成する。図14の工程(5) において、レジストパターン120及びクロム膜82のパターンをマスクとして石英基板81を366nmエッチングする。図14の工程(6) において、フォトレジスト120を剥離した後に再びフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィにより第3回目のレジストパターン121を形成する。図14の工程(7) において、レジストパターン121及びクロム膜82のパターンをマスクとして石英基板81を244nmエッチングする。次に、フォトレジスト121を剥離した後に、再びフォトレジストを塗布し、第4回目のレジストパターン122を形成する。
【0068】
図14の工程(8) において、レジストパターン122及びクロム膜82のパターンをマスクとして石英基板81を122nmエッチングする。そして、レジストパターン122を酸素プラズマアッシング又は剥離液により除去する。図14の工程(9) において、スパッタリング法によりアルミニウム膜123を1.5μmの厚みに成膜する。そして、粒径5/100μmの酸化セリウム研磨剤とウレタンシート研磨布を用いて、ラップ盤により研磨条件30rpm、50g/cm2で、第2のマスクとなるアルミニウム膜123をクロム膜82の表面が露出するまで研磨すると、図14の工程(10)に示すような状態となる。図14の工程(11)において、この上にフォトレジストを塗布し、露光、現像することにより第5回目のレジスト124を形成する。図14の工程(12)において、レジストパターン124及びアルミニウム膜123に覆われない部分のクロム膜102のパターンを、例えば硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸と水の混合液を用いてエッチングにより除去する。
【0069】
図14の工程(13)において、レジストパターン124及びアルミニウム膜123を第3のマスクとして、平行平板型のRIE装置によりCF4と水素の混合ガスを用いて、例えばCF4の流量20cm3/分、水素の流量3cm3/分、圧力4Pa、RFパワー60W、のエッチング条件で、石英基板81を30分で366nmエッチングする。図15の工程(14)においてレジストパターン膜124及びアルミニウム膜123を除去した後に、スパッタリング法によりアルミニウム膜125を1.5μmの厚みに成膜する。次に、工程(9) と同じラップ盤を用いて同じ条件で、アルミニウム膜125をクロム膜82の表面が露出するまで研磨すると、図15の工程(15)に示すような状態となる。図15の工程(16)においてこの上にフォトレジストを塗布し、露光、現像することにより第5回目のフォトレジスト126を形成する。
【0070】
図15の工程(17)において、レジストパターン膜126及びアルミニウム膜125に覆われない部分のクロム膜82を、工程(11)と同じ混合液を用いてエッチングにより除去する。図15の工程(18)において、レジストパターン膜126及びアルミニウム膜125をマスクとして、工程(13)と同じRIE装置及びエッチングガスを用いて同じエッチング条件で、石英基板81を20分で244nmエッチングする。
【0071】
次に、レジストパターン膜126をアッシング法又は剥離液により除去し、アルミニウム膜125を燐酸と硝酸と酢酸と水の混合液でエッチングして除去し、図15の工程(19)に示すような状態となる。次に、図15の工程(20)において、スパッタリング法によりアルミニウム膜127を1.5μmの厚みに成膜する。工程(9) と同じラップ盤を用いて同じ条件でアルミニウム膜127をクロム膜82の表面が露出するまで研磨すると、図15の工程(21)に示すような状態となる。図15の工程(22)においてこの上にフォトレジストを塗布し、露光、現像することにより第6回目のレジスト128を形成する。
【0072】
図15の工程(23)において、レジストパターン48及びアルミニウム膜127に覆われない部分のクロム膜102を、工程(11)と同じ混合液を用いて除去する。次に、図15の工程(24)において、レジストパターン28及びアルミニウム膜127をマスクとして、工程(13)と同じRIE装置及びエッチングガスを用いて、同じエッチング条件で石英基板81を10分で122nmエッチングする。次に、レジストパターン48をアッシング法又は剥離液により除去し、アルミニウム膜127を工程(19)と同じ混合液でエッチングして除去して、図15の工程(25)に示す状態となる。図15の工程(26)において、クロム膜102を工程(11)と同じ混合液を用いてエッチングして、8段の回折光学素子又は回折光学素子作製用の型が完成する。
【0073】
このようにして完成した最小線幅が0.35μm、1段の段差が61nmである回折光学素子を、使用波長248nmで回折効率を測定した結果、反射による損失を除いた回折効率は93%であり、理論値に対して2%の回折効率低下量であった。この2%の回折効率低下の主要因は、最初のクロムパターンの線幅誤差とエッチングの再現性不良によるものである。
【0074】
図16は第10の実施例の反射型階段状回折光学素子の断面図を示す。第6の実施例の方法により作製した図8、図9に示すような階段状基板、第7の実施例による方法により作製した図10、図11に示すような階段状基板、第8の実施例の方法により作製した図12、図13に示すような階段状基板、又は第9の実施例の方法により作製した図14、図15に示すような階段状基板上に、スパッタリング法によりアルミニウム膜129を100nm成膜することにより、図16に示すような反射型の階段状回折光学素子が完成する。
【0075】
この完成した最小線幅が0.35μm、1段の段差が30.5nmである回折光学素子の回折効率を、使用波長248nmで測定した結果、回折効率は91%であり、理論値に対して4%の回折効率低下量であった。この4%の回折効率低下の主要因は、最初のクロムパターンの線幅誤差とエッチングの再現性不良、及びスパッタリングによる段差部形状のなまりによるものである。
【0076】
図17、図18、図19は第11の実施例の回折光学素子の製造工程の断面図を示す。図17、図18の工程(1) 〜(24)の工程は、エッチング厚さ及びエッチング時間以外は第1の実施例の図8、図9の工程(1) 〜工程(24)と全く同様なので、次に相違点のみを列挙し、詳しい説明は省略する。
【0077】
図17の工程(3) において、クロム膜82によるパターンをマスクとして、石英基板81をエッチング時間2.5分で30.5μmエッチングする。
【0078】
図17の工程(13)において、レジストパターン87、88をマスクとして、石英基板81をエッチング時間15分で183μmエッチングする。
【0079】
図18の工程(18)において、レジストパターン89、90をマスクとして、石英基板81をエッチング時間10分で122μmエッチングする。
【0080】
図18の工程(24)において、レジストパターン91、92をマスクとして、石英基板81をエッチング時間5分で61μmエッチングする。
【0081】
以上の条件により、ネガレジストを背面露光する技法を用いて、図18の工程(24)に示すような状態の基板81が形成される。なお、背面露光技法ではなくアルミニウムを用いたダマシン法、エッチバック法、裏面照射による光CVD法等の技法を用いても支障はない。
【0082】
図19の工程(25)において、スパッタリング法によりアルミニウム膜130を1.5μmの厚みに成膜する。次に、ダマシン法により例えば粒径5/100μの酸化セリウム研磨剤とウレタンシートの研磨布を用いて、ラップ盤により研磨条件30rpm、50g/cm2で、アルミニウム膜130をクロム膜82の表面が露出するまで研磨すると、図19の工程(26)に示すような状態となる。なお、アルミニウムを用いたダマシン法ではなく、ネガレジストを背面露光する技法、エッチバック法、裏面照射による光CVD法等の技法を用いてもよい。図19の工程(27)において、この上にフォトレジストを塗布して露光、現像することにより、第7回目のレジストパターン131を形成する。
【0083】
図19の工程(28)において、レジストパターン131及びアルミニウム膜130に覆われない部分のクロム膜82を、例えば硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸と水の混合液を用いてエッチングにより除去する。図19の工程(29)において、この上にフォトレジストを塗布して露光、現像することにより、第8回目のレジストパターン132を形成する。次に、この状態からレジストパターン132に覆われない部分のアルミニウム膜130を、燐酸と硝酸と酢酸と水の混合液でエッチングし除去すると、図19の工程(30)に示すような状態となる。
【0084】
図19の工程(31)において、フォトレジスト132を剥離液又は酸素プラズマアッシング法により除去する。図19の工程(32)においてクロム膜82及びアルミニウム膜130をマスクとして、例えば平行平板型のRIE装置及びCF4と水素の混合ガスを用いて、例えばCF4の流量20cm3/分、水素の流量3cm3/分、圧力4Pa、RFのパワー60Wのエッチング条件で、石英基板81を20分で244nmエッチングする。次に、アルミニウム膜130を工程(30)と同じ混合液でエッチングし除去し、図19の工程(33)に示すような状態となる。続いて、クロム膜82を工程(28)と同じ混合液を用いてエッチングにより除去して、図19の工程(34)に示すような16段の階段状回折光学素子が完成する。
【0085】
このようにして完成した最小線幅が0.35μm、1段の段差30.5nmである回折光学素子の回折効率を、使用波長248nmで測定した結果、反射による損失を除いた回折効率は97%であり、理論値に対して2%の回折効率低下量であった。この2%の回折効率低下の主要因は、最初のクロムパターンの線幅誤差及びエッチング深さのエラーによるものである。
【0086】
図20、図21は第12の実施例の回折光学素子の製造工程の断面図を示す。図20の工程(1) に示す石英基板81上に、クロム膜82をスパッタリング法により100nmの厚さに成膜し、図20の工程(2) に示す状態とする。この石英基板81にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ法によりライン及びスペースの幅を共に0.35μmとして、第1回目のレジストパターンを形成する。続いて、レジストパターンをマスクにクロム膜82を、平行平板型のRIE装置及び塩素ガス又は塩素ガスと酸素の混合ガスを用いてエッチングする。次に、フォトレジストを剥離して、図20の工程(3) に示すようなクロム膜82による第1のマスクのパターンが完成する。このクロム膜82のパターンにより、以下に示す工程を経て全ての段の位置が規定される。
【0087】
図20の工程(4) において、石英基板81をクロム膜82によるパターンをマスクに、例えば平行平板型のRIE装置及びCF4と水素の混合ガスを用い、CF4の流量20cm3/分、水素の流量3cm3/分、圧力4Pa、RFのパワー60Wのエッチング条件で、エッチング時間5分で61nmエッチングする。続いて、図20の工程(5) において石英基板81にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ法により第2回目のレジストパターン133を形成する。図20の工程(6) において、レジストパターン133及びクロム膜82のパターンをマスクとして、石英基板81を122nmエッチングする。次に、レジストパターン133を剥離すると、図20の工程(7) に示すような状態となる。
【0088】
次に、図20の工程(8) においてスパッタリング法により、アルミニウム膜134を1.5μmの厚みに成膜する。第2のマスクとなるアルミニウム膜134を例えば粒径5/100μmの酸化セリウム研磨剤及びウレタンシート研磨布を用いて、ラップ盤により30rpm、50g/cm2の研磨条件で、クロム膜82の表面が露出するまで研磨すると、図20の工程(9) に示すような状態となる。次に、図20の(10)において、この上にフォトレジストを塗布して露光、現像することにより、第5回目のフォトレジストパターン135を形成する。続いて、図20の(11)において、レジストパターン135及びアルミニウム膜134に覆われない部分のクロム16を、例えば硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸と水の混合液を用いてエッチングにより除去する。
【0089】
図20の工程(12)において、レジストパターン135及びアルミニウム膜134を第3のマスクとして、工程(4) と同じRIE装置及びエッチングガスを用いて同じエッチング条件で石英基板81を10分で122nmエッチングする。続いて、レジストパターン135を剥離液又はプラズマアッシング法により除去し、アルミニウム膜134を燐酸と硝酸と酢酸と水の混合液によりエッチングして除去すると、図20の工程(13)に示すような状態となる。
【0090】
次に、工程(13)の状態の石英基板81を、Al2(CH3)6ガスと酸素ガス中で背面より紫外線、例えばKr Fレーザーで露光する。このようにすると、クロム膜82のない部分のみに酸化アルミニウム膜136が500nmの厚さに成膜され、裏面にも酸化アルミニウム膜136が析出する。なお、裏面の酸化アルミニウム膜136が不要な場合は、図20の工程(14)に示すように表面をレジストで覆って燐酸により除去すればよい。図21の工程(15)において、フォトレジスト137を塗布する。図21の工程(16)において、露光、現像することにより第5回目のレジストパターン138を形成する。
【0091】
図21の工程(17)において、レジストパターン138に覆われない部分の酸化アルミニウム膜136を燐酸により除去する。図21の工程(18)においてレジストパターン138を剥離液又はプラズマアッシング法により除去し、図21の工程(19)においてフォトレジスト139を塗布する。次に、図21の工程(20)において、フォトリソグラフィ法によりレジストパターン140を形成する。図21の工程(21)において、レジストパターン140に覆われない部分のクロム膜82を工程(11)と同じ混合液を用いてエッチングにより除去する。次に、レジストパターン140を剥離して図21の工程(22)に示すような状態となる。
【0092】
図21の工程(23)において、クロム膜82及び酸化アルミニウム膜136をマスクして、石英基板81を工程(4) と同じRIE装置及びCF4と水素の混合ガスを用いて、同じエッチング条件でエッチング時間20分で244nmエッチングする。図21の工程(24)において酸化アルミニウム膜136を燐酸によりエッチングし、最後にクロム膜82を例えば工程(11)と同じ混合液を用いてエッチングにより除去し、図21の工程(25)に示すような階段状回折光学素子が完成する。
【0093】
このようにして完成した最小線幅が0.35μm、1段の段差が61nmである回折光学素子の回折効率を、使用波長248nmで測定した結果、反射による損失を除いた回折効率は91%で、理論値に対して4%の回折効率低下量であった。この2%の回折効率低下の主要因は、最初のクロムパターンの線幅誤差とエッチングの再現性不良等によるものである。なお、従来例により作製した回折光学素子の回折光率は76%であり、本発明の有効性は明らかである。
【0094】
図22は第13の実施例の樹脂製の階段状回折光学素子の製造工程の断面図を示す。図8、図9に示す第6の実施例の階段状基板、図10、図11に示す第7の実施例の階段状基板、図12、図13に示す第8の実施例の階段状基板、又は図14、図15に示す第9の実施例の階段状基板を型とする。
【0095】
先ず、図22の工程(1) において、シリンジ150から硝子基板151上に、アクリル系やエポキシ系等の紫外線硬化型樹脂又は熱硬化型樹脂の反応硬化型樹脂152を滴下する。次に、図22の工程(2) 、工程(3) に示すように階段状基板型153を樹脂152の上から押し付けて、レプリカ層154を形成する。なお、型となる階段状基板型153を樹脂152に押し付ける前に階段状基板型153の表面に必要に応じて離型剤を塗布しておく。
【0096】
次に、紫外線硬化型樹脂の場合は型となる階段状基板型153側から紫外線を照射して、樹脂を固化させる。また、熱硬化型樹脂の場合には加熱処理により樹脂を固化させる。そして、階段状基板型153を剥離すると、図22の工程(4) に示すような階段状回折光学素子155が完成する。
【0097】
このようにして完成した最小線幅が0.35μm、1段の段差が120nmである回折光学素子の回折効率を、使用波長500nmで測定した結果、回折効率は90%であり、理論値に対して5%の回折効率低下量であった。この5%の回折効率低下の主要因は、最初のクロムパターンの線幅誤差とエッチングの再現性不良、及び樹脂147の収縮等によるものである。
【0098】
図23、図24、図25は第14の実施例の階段状回折光学素子の製造工程の断面図を示す。先ず、図23の工程(1) において、石英基板161上にクロム膜162をスパッタリング法により100nmの厚さに成膜する。また、パターニングの解像力向上のためクロム膜162上に20〜30nmの酸化クロム膜等の反射防止膜を設けてもよい。
【0099】
図23の工程(2) において、石英基板161にフォトレジストを塗布し、第1回目のレジストパターン163を形成する。このときのライン及びスペースの幅は共に、0.35μmである。続いて、図23の工程(3) においてレジストパターン163をマスクにクロム膜162をエッチングする。このときのエッチングは例えば平行平板型のRIE装置を使用して、エッチングガスには例えば塩素ガス又は塩素ガスと酸素の混合ガスを用いる。次に、レジストパターン163を酸素アッシング法又は剥離液により剥離する。そして、クロム膜162により以下に示す工程を経て、全ての段の位置が規定される。
【0100】
図23の工程(4) において、クロム膜162によるパターンを第1のマスクに、石英基板161を61nmエッチングする。このときのエッチングには例えば平行平板型のRIE装置を用い、エッチングガスは例えばCF4と水素の混合ガスを用いる。エッチング条件は例えばCF4流量20cm3/分、水素流量3cm3/分、圧力4Pa、RFパワー60W、エッチング時間5分とする。
【0101】
続いて、図23の工程(5) において、石英基板161上にフォトレジストを塗布し、第2回目のレジストパターン164を形成する。このときのアライメント精度はクロム膜162によるパターンの線幅の半分あればよく、通常の露光装置であれば間違いなく達成できる値である。このことは、以下の他の実施例も含め、全ての2回目以降のパターニングに当てはまる。次に図23の工程(6) において、レジストパターン164及びクロム膜162をマスクに、石英基板161を61nmエッチングする。
【0102】
図23の工程(7) において、フォトレジストパターン164を剥離する。次に、図23の工程(8) において、ネガレジストを塗布し背面から露光する。これを現像すると図23の工程(9) に示すように、クロム膜162のないところのみに第2のマスクとしてレジストパターン165を残すことができる。このとき、クロム膜162自体がネガレジスト露光のためのコンタクトマスクとなるために、完全に正確なアライメントになる。
【0103】
次に、図24の工程(10)においてこの上にフォトレジストを塗布し、第5回目のフォトレジストパターン166を形成する。図24の工程(11)においてレジスト166、165に覆われない部分のクロム膜162をエッチングにより除去する。このエッチングには、例えば硝酸セリウムアンモニウム、過塩素酸、水の混合液を用いる。
【0104】
図24の工程(12)において、レジスト166及びレジスト165を第3のマスクに石英基板161を122nmエッチングする。このときのエッチングは例えば平行平板型のRIE装置を用いて、エッチングガスは例えばCF4と水素の混合ガスを用いる。エッチング条件は例えばCF4流量20cm3/分、水素流量3cm3/分、圧力4Pa、RFパワー60W、エッチング時間30分とする。
【0105】
図24の工程(13)において、レジスト166、165をアッシング法により除去する。図24の工程(14)においてこの上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりフォトレジストパターン167を形成する。図24の工程(15)において、クロム膜162及びパターン167をマスクに基板161を244nmエッチングする。
【0106】
次に、ネガレジストを塗布し背面から露光し、これを現像すると図25の工程(16)に示すようにクロム膜162のないところのみにレジストパターン168を残すことができる。この上にフォトレジストを塗布し、図25の工程(17)においてフォトリソグラフィによりフォトレジストパターン169を形成する。図25の工程(18)において、パターン169、168に覆われない部分のクロム膜162をエッチングにより除去する。このエッチングには、例えば硝酸セリウムアンモニウム、過塩素酸、水の混合液を用いる。
【0107】
図25の(19)において、パターン169、168をマスクに石英基板161を244nmエッチングする。図25の工程(20)において、パターン169、168をアッシング法により除去する。
【0108】
図25の工程(21)においてクロム膜162をエッチングし、8段の回折光学素子又は回折光学素子作製用の型が完成する。このエッチングには、例えば硝酸セリウムアンモニウム、過塩素酸、水の混合液を用いる。このようにして作製した回折光学素子はアライメントエラーがなく、高い回折効率が得られる。
【0109】
図26、図27、図28は第15の実施例を示す。図26の工程(1) において、石英基板171上にクロム膜172をスパッタリング法により100nmの厚さに成膜する。また、パターニングの解像力向上のためにクロム膜172上に20〜30nmの酸化クロム膜等の反射防止膜を設けることもできる。この石英基板171にフォトレジストを塗布し、第1回目のレジストパターンを形成する。このときのライン及びスペースの幅は共に、0.35μmである。続いて、レジストパターンをマスクにクロム膜172をエッチングする。このときのエッチングは例えば平行平板型のRIE装置を使用し、エッチングガスは例えば塩素ガス又は塩素ガスと酸素の混合ガスを用いる。次に、レジストパターンを酸素アッシング法又は剥離液により、剥離する。そして、形成された第1のマスクのクロム膜172により以下に示す工程を経て、全ての段の位置が規定される。
【0110】
図26の工程(2) において石英基板171にフォトレジストを塗布し、レジストパターン173を形成する。次に、クロム膜172によるパターンとレジストパターン173をマスクに、石英基板171を61nmエッチングする。このときのエッチングには例えば平行平板型のRIE装置を使用して、エッチングガスは例えばCF4と水素の混合ガスを用いる。エッチング条件は例えばCF4流量20cm3/分、水素流量3cm3/分、圧力4Pa、RFパワー60W、エッチング時間5分とする。このときのアライメント精度はこのクロム膜172の線幅の半分あればよく、通常の露光装置であれば間違いなく達成できる数値である。
【0111】
図26の工程(3) において、石英基板171にフォトレジストを塗布し、レジストパターン174を形成する。続いて、レジストパターン174及びクロム膜172をマスクに石英基板171を183nmエッチングする。図26の工程(4) において、レジストパターン174を剥離し、図26の工程(5) においてネガレジスト175を塗布する。
【0112】
図26の工程(6) において、石英基板171の背面から露光するとクロム膜172がコンタクトマスクとなり、ネガレジスト175に潜像部176が形成される。
【0113】
図27の工程(7) において、レチクル177により所望の部分を覆い露光すると、クロム膜172を残すべき部分の上に潜像部である第2のマスクのネガレジストパターン178が形成されるので、これを現像すると図27の工程(8) の状態になる。図27の工程(9) においてレジストパターン178に覆われない部分のクロム膜172をエッチングにより除去する。このエッチングには、例えば硝酸セリウムアンモニウム、過塩素酸、水の混合液を用いる。
【0114】
次に、図27の工程(10)において、ネガレジストパターン178を第3のマスクとして石英基板171を122nmエッチングする。このときのエッチングは例えば平行平板型のRIE装置を用い、エッチングガスは例えばCF4と水素の混合ガスを用いる。
【0115】
図27の工程(11)において、レジストパターン178をアッシング法により除去する。図27の工程(12)において、この上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりフォトレジストパターン179を形成する。図27の工程(13)において、クロム膜172及びパターン179をマスクに、基板171を244nmエッチングする。
【0116】
図28の工程(14)において、ネガレジスト180を塗布し背面から露光するとクロム膜172がコンタクトマスクとなり、ネガレジスト180に潜像部であるレジストパターン181が形成される。図28の工程(15)において、レチクル182により所望の部分を覆い露光すると、クロム膜172を残すべき部分の上に潜像部183が形成され、これを現像すると図28の工程(16)に示す状態になる。図28の工程(16)において、潜像部183に覆われない部分のクロム膜172をエッチングにより除去する。このエッチングには、例えば硝酸セリウムアンモニウム、過塩素酸、水の混合液を用いる。
【0117】
図28の工程(17)において、クロム膜172、レジストパターン181をマスクに石英基板171を244nmエッチングする。図28の工程(18)において、パターン181、潜像部183をアッシング法により除去する。
【0118】
図28の工程(19)においてクロム膜172をエッチングし、8段の回折光学素子又は回折光学素子作製用の型が完成する。このエッチングには、例えば硝酸セリウムアンモニウム、過塩素酸、水の混合液を用いる。
【0119】
図29は第16の実施例の半導体用露光装置であるステッパの構成図を示す。上方から、波長248nmの照明光学系200、レチクル201、結像光学系202、半導体基板Wを載置したステージ203が配置されており、結像光学系202内に色収差低減と非球面効果を持たせる目的で、第1の実施例の方法により作製した回折光学素子Dが組み込まれている。
【0120】
このステッパにおいては、照明光学系200によりi線又はKr F等の紫外線をレチクル201に照射し、レチクル201に描かれたパターンを結像光学系202により、ステージ203上の半導体基板Wに5分の1の縮小倍率で描画する。
【0121】
図30は回折光学素子Dの斜視図、図31はその断面形状の断面図を示す。この回折光学素子Dは光学的には凸レンズと同じ機能を有し、1段の段差が61nm、最外周の階段1段の幅が0.35μm、直径が120mmの4段の回折光学素子を表している。
【0122】
階段状回折光学素子Dに入射した光は、主に1次、9次、17次の回折光に分かれて素子Dを透過する。この内、結像に関与するのは1次光のみで、入射光の93%を占めている。残りの数%分が9次、17次であるが、結像に必要な1次光と回折次数が離れているので、これらの光は結像光学系の外側に向かい結像に大きく影響することはない。
【0123】
従って、従来技術として説明した図32に示すような3枚のマスク17a〜17cを使用して作製した同一条件(1段の段差61nm、最外周の階段1段の幅0.35μm、直径120mm)の従来例の8段数回折光学素子を用いた場合には、1次と9次の回折光の中間に3次等の回折光が強く発生するために、不要光が像面に擬パターンを形成して像性能が劣化するが、本実施例の同一条件の8段数回折光学素子を用いることにより、この問題を回避することができる。
【0124】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る多段階段状素子又は該素子作製用モールド型の製造方法は、最初のリソグラフィ工程により形成する第1のマスクのパターンにより全ての段の位置を決定するので、位置ずれを生ずることのない正確なパターンを基板上に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
第1の実施例の作製工程の断面図である。
【図2】
第2の実施例の作製工程の断面図である。
【図3】
第3の実施例の作製工程の断面図である。
【図4】
第4の実施例の反射型回折光学素子の断面図である。
【図5】
第5の実施例の回折光学素子の断面図である。
【図6】
投影光学系の構成図である。
【図7】
投影露光装置の構成図である。
【図8】
第6の実施例の作製工程の断面図である。
【図9】
第6の実施例の作製工程の断面図である。
【図10】
第7の実施例の作製工程の断面図である。
【図11】
第7の実施例の作製工程の断面図である。
【図12】
第8の実施例の作製工程の断面図である。
【図13】
第8の実施例の作製工程の断面図である。
【図14】
第9の実施例の作製工程の断面図である。
【図15】
第9の実施例の作製工程の断面図である。
【図16】
第10の実施例の反射型回折光学素子の断面図である。
【図17】
第11の実施例の作製工程の断面図である。
【図18】
第11の実施例の作製工程の断面図である。
【図19】
第11の実施例の作製工程の断面図である。
【図20】
第12の実施例の作製工程の断面図である。
【図21】
第12の実施例の作製工程の断面図である。
【図22】
第13の実施例の作製工程の断面図である。
【図23】
第14の実施例の作製工程の断面図である。
【図24】
第14の実施例の作製工程の断面図である。
【図25】
第14の実施例の作製工程の断面図である。
【図26】
第15の実施例の作製工程の断面図である。
【図27】
第15の実施例の作製工程の断面図である。
【図28】
第15の実施例の作製工程の断面図である。
【図29】
第16の実施例のステッパの構成図である。
【図30】
階段状回折光学素子の斜視図である。
【図31】
階段状回折光学素子の断面図である。
【図32】
従来例の作製工程の断面図である。
【図33】
階段形状とマスクの関係の説明図である。
【図34】
階段形状とマスクの関係の説明図である。
【符号の説明】
21、31、41、81、161、171 石英基板
22、27、32、37、42、46、52、82、102、162、172 クロム膜
25、29、44、48、50、108、109、112、113、116、117、123、125、127、130、134、136 アルミニウム膜
35、39 酸化アルミニウム膜
71 レンズ群
72、155、D 回折光学素子
73、160 照明光学系
75 撮影光学系
96、98、100 ポリイミド膜
103 酸化クロム膜
150 シリンジ
151 硝子基板
152 反応硬化樹脂
201 レチクル
202 結像光学系
[Document name] Statement

[Title of invention] Manufacturing method of multi-stage stepped element or mold for manufacturing said element [Claims]
1. A method for fabricating a multi-step stepped element or a mold for fabricating said element by multiple lithography steps, comprising:
forming a first mask pattern on a substrate using a first material, and etching the substrate using the first mask pattern;
forming a second mask pattern using a second material using the pattern of the first mask;
partially removing at least one of the patterns of the first and second masks to form a pattern of a third mask;
Etching the substrate using the pattern of the third mask;
1. A method for producing a multi-stage stepped element or a mold for producing said element, comprising:
[Claim 2] A method for manufacturing a multi-stage stepped element or a mold for producing said element, as described in claim 1, characterized in that the process of forming the pattern of the second mask includes a process of filling, with the second material, recesses in the substrate created by the process of etching the substrate using the pattern of the first mask.
[Claim 3] A method for manufacturing a multi-stage stepped element or a mold for producing said element as described in claim 1 or 2, characterized in that the substrate is a light-transmitting material, the first mask is a light-shielding material, and the process of forming a pattern of the second mask includes a process of irradiating light from the back surface of the substrate through the substrate onto the second material.
4. The method for manufacturing a multi-step stepped element or a mold for manufacturing said element according to claim 3, wherein the second material is a negative resist, and the negative resist is exposed to light from the back surface of the substrate.
5. The method for manufacturing a multi-stepped element or a mold for manufacturing said element according to claim 4, further comprising the step of irradiating the surface of said substrate with light to expose said negative resist.
6. A diffractive optical element manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 5.
7. A diffractive optical element manufactured using a mold manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 5. Description:
8. An optical system comprising the diffractive optical element according to claim 6. Description:
9. An exposure apparatus comprising the optical system according to claim 8. Description:
Detailed Description of the Invention
[0001]
[Technical Field to which the Invention Belongs]
The present invention relates to a method for manufacturing a multi-stepped element having a stepped cross section formed by a lithography process , or a mold for manufacturing such an element.
[0002]
2. Description of the Related Art
Conventionally, as a method for manufacturing a diffractive optical element, which is a binary optics, a technique of forming a resist into a stepped shape by controlling the dose of an electron beam and using this as a diffraction pattern as is has been disclosed in the Journal of the Institute of Electronics and Communication Engineers (c) J66-CP85-91, January 1983, Japanese Patent Laid-Open Nos. 62-265601 and 62-42102, etc.
[0003]
Furthermore, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 61-137101 discloses a technique in which two or more types of films, each having etching resistance, are stacked to a desired thickness, and are etched sequentially from the top layer to form a staircase structure, which is then used as a mold for a diffractive optical element. Japanese Patent Laid-Open Publication Nos. 61-44628 and 6-160610 disclose techniques in which resist is formed by aligning each step, and this is used as an etching mask to form a staircase structure, which is then used as a mold for a diffractive optical element.
[0004]
Furthermore, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 8-15510 discloses a technique in which an etching stopper layer and a transparent layer are stacked one layer at a time on a substrate, and alignment, exposure, and etching are performed to directly form a staircase structure, thereby forming a diffractive optical element.
[0005]
Furthermore, Japanese Patent Laid-Open No. 6-26339 and U.S. Patent Publication No. 2,554,600 disclose a technique for forming a staircase structure directly on a substrate using resist as an etching mask to form a diffractive optical element, and for performing alignment after each resist patterning. Japanese Patent Laid-Open No. 7-72319 discloses a technique for forming a staircase structure by performing alignment using resist as an etching mask.
[0006]
Figure 32 shows a cross-sectional view of the manufacturing process for an eight-stage diffractive optical element. In step (1) of Figure 32, resist is dropped onto a clean substrate 1, spin-coated to form a thin film of approximately 1 μm, and baked to form a resist film 2. In step (2) of Figure 32, the substrate 1 is loaded into an exposure device capable of exposing the finest diffraction pattern, and exposure is performed by irradiating the resist film 2 with exposure light L, to which the resist film 2 is sensitive, using a reticle 3 corresponding to the desired diffraction pattern as a mask. If a positive resist is used, the area exposed to the exposure light L becomes soluble in a developer, forming a resist pattern 4 of the desired dimensions, as shown in step (3) of Figure 32. In step (4) of Figure 32, the substrate 1 is loaded into a reactive ion etching device or ion beam etching device capable of anisotropic etching, and the patterned resist pattern 4 is used as an etching mask to etch the substrate 1 to a predetermined depth for a predetermined time. The resist pattern 4 is then removed, yielding a substrate 1 with a two-step pattern 5 formed thereon, as shown in step (5) of Figure 32.
[0007]
Again, as in step (1), a resist film 6 is formed on the substrate 1 and the substrate is loaded into an exposure tool, and in step (6) of Fig. 32, a reticle 7 having a pattern with twice the pitch of the diffraction pattern 3 is used as a mask, and alignment is performed with the alignment precision of the exposure tool relative to the pattern formed up to step (5). Then, in step (7) of Fig. 32, the resist film 6 is exposed and developed to form a resist pattern 8. Next, dry etching is performed as in step (4) to remove the resist pattern 8, and a pattern 9 having four steps is formed as shown in step (8) of Fig. 32.
[0008]
Furthermore, after forming a resist film 10 on the substrate 1 again in the same manner as in step (1), in step (9) of Fig. 32, a reticle 11 having a pattern four times as synchronous as the diffraction pattern 3 is used as a mask to form a resist pattern 12 in step (10) of Fig. 32 in the same manner as in step (7), and after dry etching, the resist pattern 12 is removed to form a diffractive optical element having a pattern 13 with eight steps, as shown in step (11) of Fig. 32. Then, anti-reflection films are formed by sputtering or vapor deposition on both sides of the substrate 1 on which the diffractive optical elements have been formed.
[0009]
In this way, diffractive optical elements or molds with stepped cross sections are manufactured using lithography processes and film-forming techniques based on exposure and etching techniques used in semiconductor manufacturing. The optical performance of these diffractive optical elements is achieved by the stepped unevenness formed on the substrate, and the diffraction efficiency is determined by the shape of the unevenness formed, i.e., the depth, width, cross-sectional shape, etc. of the steps.
[0010]
When manufacturing a diffractive optical element having a multi-step shape by sequentially using such double-pitch masks, provided that no alignment or dimensional errors occur, it is possible to form an ideal eight-step shape A, for example, using three masks 17a to 17c as shown in Figure 33.
[0011]
[Problem to be solved by the invention]
However, in the above-described embodiment, in a manufacturing technique using multiple masks, alignment errors significantly degrade diffraction efficiency, and furthermore, such shape errors, once formed, are impossible to reproduce, resulting in increased costs. In reality, it is impossible to completely eliminate these alignment errors and dimensional errors. For example, as shown in Figure 34, if the alignment of masks 17a to 17c is misaligned by the amounts indicated by r1 and r2, a diffractive optical element with a shape B different from ideal shape A is formed. This significantly reduces optical performance such as diffraction efficiency, and if dimensional errors occur in each layer, the deterioration of optical performance is further exacerbated.
[0012]
For example, if an ideal eight-step shape as shown in shape A is formed using quartz as the substrate, with a minimum line width of 0.35 μm, a step height d of 61 nm, and a wavelength of 248 nm, the theoretical diffraction efficiency excluding loss due to reflection is 95%. On the other hand, if the alignment error r1 between masks 17a and 17b is 80 nm and the alignment error r2 between masks 17a and 17c is 30 nm, the diffraction efficiency excluding reflection will be 80%, a decrease of 15%, and similar results have been confirmed in actual measurements and simulations.
[0013]
Furthermore, to form a multi-stage diffractive optical element using a similar method, a resist process involving multiple exposures and developments is performed, and a 16-step stepped diffractive optical element can be manufactured, for example, using quartz as the substrate, with a minimum line width of 0.35 μm, a step height of 30.5 nm, and a wavelength of 248 nm. In the case of an ideal 16-step shape, the theoretical diffraction efficiency excluding loss due to reflection is 99%, but if alignment errors are included, the diffraction efficiency will be significantly lower than that of an 8-step shape.
[0014]
As described above, in practice, it is extremely difficult to control the dimensions and alignment of the resist pattern, and reproducibility cannot be achieved. As a result, the width of the steps may become wider or narrower, and grooves or protrusions that do not exist in an ideal staircase shape may be formed, resulting in a significant deterioration in the optical performance of the diffractive optical element.
[0015]
In addition, in the case of electron beam lithography, alignment errors are eliminated, but the amount of lithography required is so large that sufficient throughput cannot be obtained in terms of production.
[0016]
Furthermore, in the case of glass generally used in diffractive optical elements, the etching rate is slow and the etching rates of the resist and glass are similar, so if you try to obtain a diffraction pattern with deep steps, you need to form a thick resist.If the resist is too thick, reaction products generated by etching in the deep parts of the grooves will not be able to escape, which will deteriorate the cross-sectional shape and damage the rectangular shape of the side walls.
[0017]
An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a multi-step stepped element or a mold for manufacturing such an element, which allows for stable production of a high-precision diffractive optical element in a short time at low cost.
[0018]
[Means for solving the problem]
The technical features of the method for manufacturing a multi-step stepped element or a mold for manufacturing such an element according to the present invention for achieving the above-mentioned object are that the method is a method for manufacturing a multi-step stepped element or a mold for manufacturing such an element by multiple lithography processes, and is characterized by comprising the steps of: forming a first mask pattern on a substrate using a first material and etching the substrate using the first mask pattern; forming a second mask pattern using a second material using the first mask pattern; partially removing at least one of the first and second mask patterns to form a third mask pattern; and etching the substrate using the third mask pattern.
[0019]
[Embodiments of the Invention]
The present invention will be described in detail based on the embodiments shown in FIGS.
1 shows cross-sectional views of the manufacturing process of the diffractive optical element of the first embodiment. In step (1) of Fig. 1, a 100 nm thick chromium film 22 made of a light-shielding first material is formed as a first mask on a quartz substrate 21 made of a light-transmitting material by sputtering, and a resist pattern 23 having a diffraction pattern with a reference period is then formed. After that, the chromium film 22 is removed using an etching solution made of a mixture of ceric ammonium nitrate, perchloric acid, and water.
[0020]
In step (2) of Figure 1, the quartz substrate 21 is etched to a predetermined depth by reactive ion etching (RIE) using a mixed gas of CF4 and hydrogen, forming recesses 24. In step (3) of Figure 1, an aluminum film 25, a second material, is formed as a second mask using electron beam evaporation to a thickness that is consistent with the surface of the remaining chromium film 22, filling the recesses 24. Next, in step (4) of Figure 1, the resist pattern 23 and the aluminum film 25 thereon are simultaneously removed by lift-off. Through these steps, a diffraction pattern with a reference period is formed in a two-stage structure, and the surface of the quartz substrate 21 is covered by the adjacent chromium film 22 and aluminum film 25, thereby defining the position and dimensions of the pattern.
[0021]
Next, in step (5) of Fig. 1, a resist pattern 26 is formed, and the predetermined chromium film 27 is removed with an etching solution, and then in step (6) of Fig. 1, the resist pattern 26 is removed using the same etching solution as in step (1). Furthermore, in step (7) of Fig. 1, a resist pattern 28 is formed, and the predetermined aluminum film 29 adjacent to the chromium film 27 removed in step (6) is removed with an etching solution consisting of a mixture of phosphoric acid, nitric acid, acetic acid, and water, and then the resist pattern 28 is removed in step (8) of Fig. 1.
[0022]
In step (9) of Fig. 1, the chromium film 22 of the first mask and the aluminum film 25 of the second mask are partially removed, and the remaining portions serve as an etching mask, or third mask. The quartz substrate 21 is then etched to a predetermined depth by the same RIE method as in step (2), a self-alignment method that does not require alignment. Finally, in step (10) of Fig. 1, the chromium film 22 is removed using the same etching solution as in step (1), and the aluminum film 25 is removed using the same etching solution as in step (6). In this way, a diffractive optical element having a highly accurate four-step structure is realized, free of grooves or protrusions due to alignment errors or pattern dimensional errors.
[0023]
2 shows cross-sectional views of the manufacturing process of a diffractive optical element by photo-CVD (photo-assisted chemical vapor deposition) according to the second embodiment. In step (1) of Fig. 2, a chromium film 32 is formed on a quartz substrate 31 by sputtering to a thickness of 100 nm as a first mask, and a resist pattern 33 having a diffraction pattern with a reference period is then formed. The chromium film 32 not forming the resist pattern 33 is then removed using an etching solution consisting of a mixture of ceric ammonium nitrate, perchloric acid, and water.
[0024]
2, the quartz substrate 31 is etched to a predetermined depth by RIE using a mixed gas of CF4 and hydrogen to form recesses 34, and the resist pattern 33 is then removed. In step (3) of Fig. 2, an aluminum oxide film 35, which is the second material, is formed as a second mask using a KrF laser beam with a wavelength of 248 nm and a mixed gas of Al(CH3)3 and nitrogen peroxide while irradiating the rear surface of the quartz substrate 31 with exposure light L, filling the recesses 34.
[0025]
Through the steps up to this point, a diffraction pattern with a reference period is formed in a two-stage structure, and the surface of the quartz substrate 31 is covered with the adjacent chromium film 32 and aluminum oxide film 35, thereby defining the position and dimensions of the pattern. Note that the photo-CVD method using light irradiation from the backside is a self-aligning method that allows hole filling in one step, making it simpler than other methods.
[0026]
2, a predetermined resist pattern 36 is formed, and in step (5) of Fig. 2, the chromium film 37 not forming the resist pattern 36 is removed with the same etching solution as in step (1), and then the resist pattern 36 is removed. Furthermore, in step (6) of Fig. 2, a resist pattern 38 is formed, and the predetermined aluminum oxide film 39 adjacent to the chromium film 32 removed in step (5) of the aluminum oxide film 35 is removed with a phosphoric acid-based etching solution, and then the resist pattern 38 is removed in step (7) of Fig. 2.
[0027]
Next, in step (8) of FIG. 2, the remaining chromium film 32 and aluminum oxide film 35 are used as a third mask to etch the quartz substrate 31 by the same RIE method as in step (2), and then the chromium film 32 is removed with the same etching solution as in step (1), and the aluminum oxide film 35 is removed with the same etching solution as in step (7).As a result, as shown in step (9) of FIG. 2, a diffractive optical element having a high-precision four-step staircase structure, which is free from grooves or protrusions due to alignment errors or pattern dimensional errors, can be realized by the self-alignment method.
[0028]
The photo-CVD method used here can be implemented by combining a quartz substrate 31 that transmits assist light with a deposition material, and other combinations include a quartz substrate 31 with titanium oxide or boron nitride, etc. Also, by using a laminated film of chromium and chromium oxide as the first mask in this embodiment and an aluminum film as the material for the aluminum oxide film 35 in step (3), a diffractive optical element having a highly accurate four-step staircase structure can be realized using a selective deposition method.
[0029]
FIG. 3 shows cross-sectional views of a third embodiment of a manufacturing process for a diffractive optical element using a CMP (chemical mechanical polishing) or etch-back method. In step (1) of FIG. 3, a 200-nm-thick chromium film 42 is formed on a quartz substrate 41 by sputtering as a first mask. A resist pattern 43 having a diffraction pattern with a reference period is then formed. The chromium film 42 is then removed by RIE using a mixture of carbon tetrachloride and oxygen. In step (2) of FIG. 3, the resist pattern 43 is removed, and the quartz substrate 41 is then etched to a predetermined depth by RIE using a CHF3 -based gas. In step (3) of FIG. 3, an aluminum film 44 is formed as a second mask to a thickness of approximately 500 nm by electron beam evaporation. In step (4) of FIG. 3, the aluminum film 44 is then removed by a damascene process using CMP or an etch-back process using an etching solution until the surface of the remaining chromium film 42 is exposed.
[0030]
The slurry and processing liquid used in the CMP method are aluminum oxide-based and ammonium hydroxide-based, respectively, and the etching liquid used in the etch-back method is a mixture of phosphoric acid, nitric acid, acetic acid, and water. Through the steps up to this point, a diffraction pattern with a reference period is formed in a two-stage structure on the quartz substrate 41, and the surface of the quartz substrate 41 is covered with adjacent chromium films 42 and aluminum films 44.
[0031]
Next, in step (5) of Fig. 3, a resist pattern 45 is formed in a predetermined position. Then, in step (6) of Fig. 3, the chromium film 46 where the resist pattern 45 is not formed is removed using an etching solution containing a mixture of ceric ammonium nitrate, perchloric acid, and water, and then the resist pattern 45 is removed. Furthermore, in step (7) of Fig. 3, a resist pattern 47 is formed, and the predetermined aluminum film 48 adjacent to the chromium film 46 removed in step (6) is removed using the same etching solution as in step (4). Finally, in step (8) of Fig. 3, the resist pattern 47 is removed. In step (9) of Fig. 3, the remaining chromium film 42 and aluminum film 44 are used as a third mask to etch the quartz substrate 41 by the same RIE method as in step (2), forming recesses 49. Through these steps, a diffraction pattern with a reference period is formed on the quartz substrate 41 in a four-stage structure.
[0032]
Next, in step (10) of Fig. 3, an aluminum film 50 is formed to a thickness of about 100 nm, as in step (3), and then, in step (11) of Fig. 3, the recesses 49 formed in step (9) are filled by the damascene method, and the aluminum film 50 is removed in the same manner as in step (4). Subsequently, in step (12) of Fig. 3, a resist pattern 51 is formed in a predetermined position, and in step (13) of Fig. 3, the chromium film 52 without the resist pattern 51 is removed with an etching solution. Furthermore, in step (14) of Fig. 3, a resist pattern 53 is formed, and in step (15) of Fig. 3, the aluminum films 44 and 50 are removed, and in step (16) of Fig. 3, the resist pattern 53 is removed.
[0033]
3, the quartz substrate 41 is etched by RIE similar to that in step (2) using the remaining chromium film 42 and aluminum films 44 and 50 as a mask. Finally, in step (18) in FIG. 3, the remaining chromium film 42 is removed with the same etching solution as in step (1), and the aluminum films 44 and 50 are removed with the same etching solution as in step (4).
[0034]
In this way, a diffractive optical element having a highly accurate eight-step structure without grooves or protrusions due to alignment errors or pattern dimensional errors can be realized by the self-alignment method. Note that the exposure light L for forming the pattern in the first to third embodiments is not limited to ultraviolet or far ultraviolet light, but may also be an electron beam, X-ray, or other exposure technology.
[0035]
Furthermore, the materials of the substrates 21 and 41 in the first and third embodiments are appropriately selected depending on the intended use of the mold, such as a transmission type or a reflection type. However, the two materials of the substrate (the material to be etched) and the first and second masks must have completely different etching rates and etching conditions in the etching method used, and a selectivity must be obtained. Furthermore, the etching method for the chromium film and aluminum film is not limited to wet etching, and dry etching methods such as sputter etching and ion beam etching may also be used. Furthermore, the film formation method for the first and second masks in the first and third embodiments may also be vacuum deposition, sputtering, ion beam sputtering, ion plating, CVD, electron beam etching, etc.
[0036]
FIG. 4 shows a cross-sectional view of a reflective diffractive optical element according to the fourth embodiment. A chromium layer 62, an aluminum layer 63, and a quartz layer 64 are deposited as reflective films on a substrate 61 having a multi-step staircase structure, as fabricated in the first to third embodiments, by electron beam evaporation or other methods. The chromium layer 62 functions to improve adhesion to the substrate 61, the aluminum layer 63 functions as a reflective film, and the quartz layer 64 functions as a protective film. Silicon or quartz is used as the substrate material, and the first and second masks are appropriately selected to have high selectivity. The material and layer structure of the reflective film layer are selected to fully utilize the functions of each layer depending on the wavelength and environment used. In this way, a reflective diffractive optical element having a high-precision four- or eight-step staircase structure, free of grooves or protrusions due to alignment errors or pattern dimensional errors, can be realized.
[0037]
5 shows a cross-sectional view of a diffractive optical element according to the fifth embodiment. A substrate 65 having a multi-step staircase structure, as produced in any of the first to third embodiments, is used as a mold to produce a replica of a diffractive optical element 66 using a duplication technique such as the ZP method or injection method using a photocurable resin. In this way, a diffractive optical element having a high-precision four- or eight-step staircase structure can be realized, free of grooves or protrusions due to alignment errors or pattern dimensional errors.
[0038]
6 shows the configuration of a projection optical system having a diffractive optical element. The diffractive optical element 72 of this embodiment is incorporated into a group of ordinary spherical or aspherical lenses 71, and an anti-reflection coating is formed on the surface of the ordinary lens group 71.
[0039]
The diffractive optical element 72 corrects various aberrations such as chromatic aberration and Seidel's five aberrations in cooperation with the normal lens group 71. Such projection optical systems are used in various cameras, interchangeable lenses attached to single-lens reflex cameras, office machines such as copying machines, projection exposure apparatuses used in the manufacture of liquid crystal panels, and projection exposure apparatuses used in the manufacture of semiconductor chips such as ICs and LSIs.
[0040]
7 shows the configuration of a projection exposure apparatus, which includes an illumination optical system 73 that supplies exposure light, a mask 74 that is illuminated by the illumination optical system 73, a projection optical system 75 that projects an image of a device pattern formed on the mask 74, and a glass or silicon substrate 76 that is coated with a resist pattern. The illumination optical system 73 and the projection optical system 75 incorporate a diffractive optical element according to this embodiment, and the surfaces of the lenses that make up the illumination optical system 73 and the projection optical system 75 are coated with anti-reflection coatings.
[0041]
Exposure light from an illumination optical system 73 illuminates a mask 74 , and a device pattern image formed on the mask 74 is projected onto a glass substrate or a silicon substrate 76 by a projection optical system 75 .
[0042]
8 and 9 show cross-sectional views of the manufacturing process for a diffractive optical element using a technique for exposing a negative resist to light by backside exposure according to the sixth embodiment. First, in step (1) of FIG. 8, a 100-nm-thick chromium film 82 is formed on a quartz substrate 81 by sputtering. To improve patterning resolution, a 20-30-nm anti-reflection coating such as chromium oxide is formed on the chromium film 82. In step (2) of FIG. 8, a photoresist is applied to the quartz substrate 81, and a first resist pattern 83 is formed with line and space widths of 0.35 μm. Next, using a parallel-plate RIE system, for example, the chromium film 82 is etched using chlorine gas or a mixture of chlorine gas and oxygen, with the resist pattern 83 serving as a first mask. Next, in step (3) of FIG. 8, the resist pattern 83 is stripped using oxygen ashing or a stripping solution. The pattern of the chromium film 82 defines all step positions through the following steps.
[0043]
In step (4) of Figure 8, using the pattern of the chromium film 82 as a mask, the quartz substrate 81 is etched to 61 nm in 5 minutes using, for example, a parallel-plate RIE apparatus with a mixed gas of CF4 and hydrogen under the following etching conditions: CF4 flow rate 20 cm3 /min, hydrogen flow rate 3 cm3 /min, pressure 4 Pa, and RF power 60 W. Next, a photoresist is applied to the substrate 81 to form a second resist pattern 84. The alignment accuracy at this time is sufficient to be half the line width of the pattern of the chromium film 82, and can be achieved with a conventional exposure apparatus. This can be applied to all patterning steps from the second onwards, including other embodiments.
[0044]
Next, in step (5) of Fig. 8, the quartz substrate 81 is etched by 61 nm using the pattern of the chromium film 82 and the resist pattern 84 as a mask. After the resist 84 is stripped in step (6) of Fig. 8, photoresist is applied again to form a third resist pattern 85. Then, in step (7) of Fig. 8, the quartz substrate 81 is etched by 61 nm using the chromium film 82 and the resist pattern 85 as a mask. After the resist 85 is stripped, photoresist is applied again to form a fourth resist pattern 86.
[0045]
In step (8) of Fig. 8, the quartz substrate 81 is etched by 61 nm using the resist pattern 86 and the pattern of the chromium film 82 as a mask. Next, in step (9) of Fig. 8, a negative resist is applied, exposed from the backside, and developed, leaving a resist pattern 87 as a second mask only in areas where there is no chromium pattern, as shown in step (10) of Fig. 8. At this time, the chromium pattern itself serves as a contact mask for the negative resist exposure, allowing for perfectly accurate alignment.
[0046]
Next, a photoresist is applied thereon, forming a fifth resist 88, as shown in step (11) of Figure 8. In step (12) of Figure 8, the chromium film in the areas not covered by the resist patterns 87 and 88 is removed by etching, for example, using a mixture of cerium ammonium nitrate, perchloric acid, and water. Furthermore, in step (13) of Figure 9, using the resists 87 and 88 as a third mask, the quartz substrate 81 is etched 366 nm in 30 minutes using the same RIE equipment and etching gas as in step (3) under the same etching conditions. In step (14) of Figure 9, the resist patterns 87 and 88 are removed by ashing, and then a negative resist is applied and exposed from the backside. In step (15) of Figure 9, this is developed, leaving a resist pattern 89 only in the areas where the chromium patterns were not present.
[0047]
In step (16) of Figure 9, photoresist is applied thereon to form a sixth resist 90. In step (17) of Figure 9, the chromium film in the areas not covered by the resist patterns 89, 90 is removed by etching using the same mixed solution as in step (12). Next, in step (18) of Figure 9, using the resists 89, 90 as a mask, the same RIE equipment and etching gas as in step (3) are used to etch the quartz substrate 81 to a depth of 244 nm under the same etching conditions as in step (3) for an etching time of 20 minutes. In step (19) of Figure 9, the resist patterns 89, 90 are removed by ashing. In step (20) of Figure 9, a negative resist is applied and exposed from the backside and developed, leaving a resist pattern 91 only in the areas where the chromium patterns were not present, as shown in step (21) of Figure 9.
[0048]
Next, photoresist is applied thereon to form a seventh photoresist 92. In step (22) of Figure 9, the portions of the chromium film not covered by the resist patterns 91 and 92 are removed by etching using the same mixed solution as in step (12). In step (23) of Figure 9, using the negative resists 91 and 92 as a mask, the quartz substrate 81 is etched 122 nm in 10 minutes using the same RIE equipment and etching gas as in step (3) under the same etching conditions as in step (3). Next, in step (24) of Figure 9, the resist patterns 91 and 92 are removed by ashing. The pattern of the chromium film 82 is etched using the same mixed solution as in step (12), completing an eight-stage diffractive optical element or a mold for fabricating diffractive optical elements, as shown in step (25) of Figure 9.
[0049]
The diffraction efficiency of the completed diffractive optical element, which had a minimum line width of 0.35 μm and a step height of 61 nm, was measured at a wavelength of 248 nm. The diffraction efficiency, excluding losses due to reflection, was found to be 93%, a 2% decrease from the theoretical value. The main cause of this 2% decrease in diffraction efficiency was the line width error of the initial chrome pattern.
[0050]
10 and 11 are cross-sectional views showing the steps of manufacturing the diffractive optical element of the seventh embodiment. Steps (1) to (3) in Fig. 10 are similar to steps (1) to (3) in Fig. 9 of the sixth embodiment, and a first resist pattern 83 is formed to complete the chrome pattern.
[0051]
In step (4) of Fig. 10, photoresist is applied to the quartz substrate 81, and a second resist pattern 93 is formed. Next, in step (5) of Fig. 10, the quartz substrate 81 is etched by 366 nm using the resist pattern 93 and the pattern of the chromium film 82 as a mask. In step (6) of Fig. 10, the resist 93 is stripped, and then photoresist is applied again, and a third resist pattern 94 is formed. In step (7) of Fig. 10, the quartz substrate 81 is etched by 244 nm using the resist pattern 94 and the pattern of the chromium film 82 as a mask. Next, the photoresist 94 is stripped, and then photoresist is applied again, and a fourth resist pattern 95 is formed.
[0052]
In step (8) of Figure 10, the quartz substrate 81 is etched by 122 nm using the resist pattern 95 and the pattern of the chromium film 82 as a mask. In step (9) of Figure 10, the resist 95 is removed, and then a polyimide film 96 is applied to the entire surface by spin coating to a thickness of approximately 1 μm. Next, the polyimide film 96 is etched back by oxygen plasma ashing until the surface of the pattern of the chromium film 82 is exposed. In step (10) of Figure 10, a resist pattern is applied, and a resist pattern 97 of a fifth second mask is formed by lithography. In step (11) of Figure 10, the chromium film not covered by the resist pattern 97 and the polyimide film 96 is removed by etching using, for example, a mixture of cerium ammonium nitrate, perchloric acid, and water. In step (12) of FIG. 10, using the resist pattern 97 and polyimide film 96 as a third mask, the quartz substrate 81 is etched to a depth of 366 nm in 30 minutes using a parallel plate type RIE apparatus with a mixed gas of CF4 and hydrogen under etching conditions of, for example, a CF4 flow rate of 20 cm3 /min, a hydrogen flow rate of 3 cm3 /min, a pressure of 4 Pa, and an RF power of 60 W.
[0053]
In step (13) of Fig. 11, after the resist pattern 97 and polyimide film 96 are peeled off, a polyimide film 98 is applied to the entire surface by spin coating to a thickness of about 1 µm. In step (14) of Fig. 11, the polyimide film 98 is etched back by oxygen plasma ashing until the surface of the pattern of the chromium film 82 is exposed. Next, in step (15) of Fig. 11, a resist pattern is applied, and a sixth resist pattern 99 is formed by lithography. In step (16) of Fig. 11, the portions of the chromium film 2 not covered by the resist pattern 99 and polyimide film 98 are removed by etching using the same mixed solution as in step (11).
[0054]
In step (17) of Figure 11, using the resist pattern 99 and polyimide film 98 as a mask, the quartz substrate 81 is etched 244 nm in 20 minutes using the same RIE equipment and etching gas as in step (12) under the same etching conditions. In step (18) of Figure 11, the resist pattern 99 and polyimide film 98 are stripped. Thereafter, in step (19) of Figure 11, a polyimide film 100 is applied to the entire surface by spin coating to a thickness of approximately 1 μm. In step (20) of Figure 11, the polyimide film 100 is etched back by oxygen plasma ashing until the surface of the pattern of the chromium film 82 is exposed. Next, in step (21) of Figure 11, a resist pattern is applied, and a seventh resist pattern 101 is formed by lithography.
[0055]
Next, in step (22) of Fig. 11, the chromium film 102 in the portions not covered by the resist pattern 101 and the polyimide film 100 is removed by etching using the same mixed solution as in step (11). In step (23) of Fig. 11, the quartz substrate 81 is etched 122 nm in 10 minutes using the same RIE apparatus and etching gas as in step (12) under the same etching conditions as in step (12). In step (24) of Fig. 11, the resist pattern 101 and the polyimide film 100 are removed by ashing. The pattern of the chromium film 82 is etched using the same mixed solution as in step (11), completing an eight-stage diffractive optical element or a mold for fabricating a diffractive optical element, as shown in step (25) of Fig. 11.
[0056]
Figures 12 and 13 show cross-sectional views of the manufacturing process for a diffractive optical element using photo-CVD according to the eighth embodiment. In step (1) of Figure 12, a chromium film 102 is first formed on a quartz substrate 81 by sputtering to a thickness of 100 nm, followed by a chromium oxide film 103 of 20 to 30 nm. This chromium oxide layer reduces reflection of the exposure light L by the quartz substrate 81, improving patterning accuracy. In step (2) of Figure 12, a photoresist is applied to the substrate 81, and a first resist pattern 104 is formed with line and space widths of 0.35 μm. Next, using the resist pattern 104 as a first mask, the chromium film 102 and the chromium oxide film 103 are etched using chlorine gas or a mixture of chlorine gas and oxygen in a parallel-plate RIE apparatus. Next, the resist 104 is stripped, completing the chromium oxide/chromium pattern shown in step (3) of Figure 12. This chromium oxide/chromium pattern defines the locations of all steps through the process described below.
[0057]
In step (4) of Figure 12, using the pattern of the chromium film 102 and the chromium oxide film 103 as a mask, the quartz substrate 81 is etched 61 nm in 5 minutes using, for example, a parallel-plate RIE apparatus with a mixed gas of CF4 and hydrogen under etching conditions of, for example, a CF4 flow rate of 20 cm3 /min, a hydrogen flow rate of 3 cm3 /min, a pressure of 4 Pa, and an RF power of 60 W. Photoresist is applied to the substrate 81, and a second resist pattern 105 is formed. Subsequently, in step (5) of Figure 12, the quartz substrate 81 is etched 366 nm using the patterns of the resist pattern 105, chromium film 102, and chromium oxide film 103 as a mask. In step (6) of Figure 12, the photoresist 105 is stripped, and then a photoresist is applied again to form a third resist pattern 106.
[0058]
In step (7) of Fig. 12, the quartz substrate 81 is etched by 244 nm using the patterns of the resist pattern 106, chromium film 102, and chromium oxide film 103 as a mask. Next, in step (8) of Fig. 12, the photoresist 106 is stripped, and then photoresist is applied again to form a fourth resist pattern 107. Then, the quartz substrate 81 is etched by 122 nm using the patterns of the resist pattern 107, chromium film 102, and chromium oxide film 103 as a mask. Next, in step (9) of Fig. 12, the resist pattern 107 is removed by oxygen plasma ashing or with a stripping solution.
[0059]
In step (10) of Figure 12, the substrate in the state of step (9) is exposed from the backside to ultraviolet light, e.g., KrF laser light, in Al2 ( CH3 ) 6 gas. This allows a 100-20 nm thick aluminum film 108 to be formed as a second mask only in the non-patterned areas of the chromium film 102 and chromium oxide film 103. At this time, an aluminum film 109 is also deposited on the backside. In step (11) of Figure 12, a resist pattern film 110 is applied thereon, and then the aluminum film 109 on the backside is removed with a mixture of phosphoric acid, nitric acid, acetic acid, and water. In step (12) of Figure 12, after removing the resist pattern 110, a photoresist is applied thereon, exposed, and developed to form a fifth resist 111.
[0060]
12, the chromium film 102 and the chromium oxide film 103 that are not covered by the resist pattern 111 and the aluminum film 108 are removed by etching. In step (14) of Fig. 12, the resist pattern 111 and the aluminum film 108 are used as a third mask, and the quartz substrate 81 is etched 366 nm in 30 minutes using the same RIE equipment, etching gas, and etching conditions as in step (4).
[0061]
In step (15) of Figure 13, the resist pattern 111 is removed by ashing or with a stripping solution, and the aluminum film 108 is etched and removed using the same mixture as in step (11). The substrate is then exposed from the backside to ultraviolet light, e.g., KrF laser light, in Al2 ( CH3 ) 6 gas. In this manner, a 20-30 nm thick aluminum film 112 is formed only in the non-patterned areas of the chromium film 102 and chromium oxide film 103. At this time, an aluminum film 113 is also deposited on the backside. In step (16) of Figure 13, a resist pattern film 114 is applied thereon, and the aluminum film 113 on the backside is then removed using the same mixture as in step (11). In step (17) of Figure 13, the resist pattern film 114 is removed, and a photoresist is applied thereon, exposed, and developed to form a sixth resist 115.
[0062]
In step (18) of Fig. 13, the chromium film 102 and chromium oxide film 103 in the portions not covered by the resist pattern 115 and the aluminum film 112 are removed by etching, for example, using a mixture of cerium ammonium nitrate, perchloric acid, and water. Next, in step (19) of Fig. 13, using the resist pattern 115 and the aluminum film 112 as a mask, the quartz substrate 81 is etched 244 nm in 20 minutes using the same RIE equipment, etching gas, and etching conditions as in step (4). The resist pattern 115 is removed by ashing or with a stripping solution, and the aluminum film 112 is removed by etching with the same mixture as in step (11), resulting in the state shown in step (20) of Fig. 13.
[0063]
The quartz substrate 81 is exposed from the backside to ultraviolet light, e.g., KrF laser light, in Al2 ( CH3 ) 6 gas. In this way, as shown in step (21) of Figure 13, an aluminum film 116 is formed to a thickness of 10 to 20 nm only in the non-patterned areas of the chromium film 102 and chromium oxide film 103. At this time, an aluminum film 117 is also deposited on the backside. In step (22) of Figure 13, a resist pattern film 118 is applied thereon, and then the aluminum film 117 on the backside is removed with the same mixed solution as in step (11). In step (23) of Figure 13, after the resist pattern film 118 is removed, a photoresist is applied thereon, exposed, and developed to form a seventh resist pattern 119.
[0064]
In step (24) of Figure 13, the chromium film 102 and chromium oxide film 103 in the portions not covered by the resist pattern 119 and aluminum film 116 are removed by etching using the same mixed solution as in step (18). In step (25) of Figure 13, using the resist pattern 119 and aluminum film 116 as a mask, the quartz substrate 81 is etched 122 nm in 10 minutes using the same RIE etching gas and etching conditions as in step (4). In step (26) of Figure 13, the resist pattern film 119 is removed by ashing or with a stripping solution, and the aluminum film 116 is etched and removed with the same mixed solution as in step (11). In step (27) of Figure 13, the chromium film 102 and chromium oxide film 103 are etched using the same mixed solution as in step (18), completing an eight-stage diffractive optical element or a mold for fabricating a diffractive optical element.
[0065]
The diffraction efficiency of the completed diffractive optical element, which had a minimum line width of 0.35 μm and a step height of 61 nm, was measured at a wavelength of 248 nm. The diffraction efficiency, excluding reflection losses, was 93%, a 2% decrease from the theoretical value. The main causes of this 2% decrease in diffraction efficiency were line width errors in the initial chrome pattern and poor reproducibility of the etching.
[0066]
14 and 15 show cross-sectional views of the manufacturing process of a diffractive optical element using aluminum by the damascene method according to the ninth embodiment. As in the sixth embodiment, in step (1) of Fig. 14, photoresist is applied to a quartz substrate 81, in step (2) of Fig. 14, a first resist pattern 83 is formed by photolithography, and in step (3) of Fig. 14, a chromium film 82 is etched using the resist pattern 83 as a first mask.
[0067]
Next, in step (4) of Figure 14, the quartz substrate 81 is etched by 61 nm using the pattern of the chromium film 82 as a mask. Furthermore, photoresist is applied to the quartz substrate 81, and a second resist pattern 120 is formed by photolithography. In step (5) of Figure 14, the quartz substrate 81 is etched by 366 nm using the resist pattern 120 and the pattern of the chromium film 82 as a mask. In step (6) of Figure 14, the photoresist 120 is stripped, and then photoresist is applied again, and a third resist pattern 121 is formed by photolithography. In step (7) of Figure 14, the quartz substrate 81 is etched by 244 nm using the resist pattern 121 and the pattern of the chromium film 82 as a mask. Next, the photoresist 121 is stripped, and then photoresist is applied again, and a fourth resist pattern 122 is formed.
[0068]
In step (8) of Figure 14, the quartz substrate 81 is etched 122 nm using the resist pattern 122 and the pattern of the chromium film 82 as a mask. The resist pattern 122 is then removed by oxygen plasma ashing or a stripping solution. In step (9) of Figure 14, an aluminum film 123 is formed to a thickness of 1.5 μm by sputtering. Then, using a cerium oxide abrasive with a particle size of 5/100 μm and a urethane sheet abrasive cloth, the aluminum film 123, which serves as the second mask , is polished on a lapping machine at 30 rpm and 50 g/ cm² until the surface of the chromium film 82 is exposed, resulting in the state shown in step (10) of Figure 14. In step (11) of Figure 14, a photoresist is applied thereon, exposed, and developed to form a fifth resist 124. In step (12) of FIG. 14, the pattern of the chromium film 102 in the portion not covered by the resist pattern 124 and the aluminum film 123 is removed by etching using, for example, a mixture of cerium ammonium nitrate, perchloric acid and water.
[0069]
In step (13) of Figure 14, using the resist pattern 124 and aluminum film 123 as a third mask, the quartz substrate 81 is etched 366 nm in 30 minutes using a parallel-plate RIE apparatus with a mixed gas of CF4 and hydrogen, for example, under etching conditions of a CF4 flow rate of 20 cm3 /min, a hydrogen flow rate of 3 cm3 /min, a pressure of 4 Pa, and an RF power of 60 W. In step (14) of Figure 15, after removing the resist pattern film 124 and aluminum film 123, an aluminum film 125 is formed to a thickness of 1.5 μm by sputtering. Next, using the same lapping machine and under the same conditions as in step (9), the aluminum film 125 is polished until the surface of the chromium film 82 is exposed, resulting in the state shown in step (15) of Figure 15. In step (16) of Figure 15, a photoresist is applied thereon, exposed, and developed to form a fifth photoresist 126.
[0070]
In step (17) of Fig. 15, the chromium film 82 in the portions not covered by the resist pattern film 126 and the aluminum film 125 is removed by etching using the same mixed solution as in step (11). In step (18) of Fig. 15, using the resist pattern film 126 and the aluminum film 125 as a mask, the quartz substrate 81 is etched by 244 nm in 20 minutes using the same RIE equipment and etching gases as in step (13) under the same etching conditions.
[0071]
Next, the resist pattern film 126 is removed by ashing or with a stripping solution, and the aluminum film 125 is removed by etching with a mixture of phosphoric acid, nitric acid, acetic acid, and water, resulting in the state shown in step (19) of Figure 15. Next, in step (20) of Figure 15, an aluminum film 127 is formed to a thickness of 1.5 μm by sputtering. Using the same lapping machine and under the same conditions as in step (9), the aluminum film 127 is polished until the surface of the chromium film 82 is exposed, resulting in the state shown in step (21) of Figure 15. In step (22) of Figure 15, a photoresist is applied thereon, exposed, and developed to form a sixth resist 128.
[0072]
In step (23) of Figure 15, the chromium film 102 in the portions not covered by the resist pattern 48 and the aluminum film 127 is removed using the same mixed solution as in step (11). Next, in step (24) of Figure 15, using the resist pattern 48 and the aluminum film 127 as a mask, the quartz substrate 81 is etched 122 nm in 10 minutes using the same RIE equipment, etching gas, and etching conditions as in step (13). Next, the resist pattern 48 is removed by ashing or with a stripping solution, and the aluminum film 127 is etched and removed with the same mixed solution as in step (19), resulting in the state shown in step (25) of Figure 15. In step (26) of Figure 15, the chromium film 102 is etched using the same mixed solution as in step (11), completing an eight-stage diffractive optical element or a mold for fabricating a diffractive optical element.
[0073]
The diffraction efficiency of the completed diffractive optical element, which had a minimum line width of 0.35 μm and a step height of 61 nm, was measured at a wavelength of 248 nm. The diffraction efficiency, excluding losses due to reflection, was found to be 93%, a 2% decrease from the theoretical value. The main causes of this 2% decrease in diffraction efficiency were line width errors in the initial chrome pattern and poor reproducibility of the etching.
[0074]
Fig. 16 shows a cross-sectional view of a reflective step-like diffractive optical element according to Example 10. A 100 nm thick aluminum film 129 is formed by sputtering on a step-like substrate such as that shown in Figs. 8 and 9 produced by the method of Example 6, a step-like substrate such as that shown in Figs. 10 and 11 produced by the method of Example 7, a step-like substrate such as that shown in Figs. 12 and 13 produced by the method of Example 8, or a step-like substrate such as that shown in Figs. 14 and 15 produced by the method of Example 9, to complete a reflective step-like diffractive optical element as shown in Fig. 16.
[0075]
The diffraction efficiency of this completed diffractive optical element, which had a minimum line width of 0.35 μm and a step height of 30.5 nm, was measured at a wavelength of 248 nm and found to be 91%, a 4% decrease from the theoretical value. The main causes of this 4% decrease in diffraction efficiency were line width errors in the initial chrome pattern, poor reproducibility of the etching, and rounding of the step shape due to sputtering.
[0076]
Figures 17, 18, and 19 show cross-sectional views of the manufacturing process for the diffractive optical element of the eleventh embodiment. Steps (1) to (24) in Figures 17 and 18 are exactly the same as steps (1) to (24) in Figures 8 and 9 of the first embodiment, except for the etching thickness and etching time, so only the differences will be listed below and a detailed explanation will be omitted.
[0077]
In step (3) of FIG. 17, the quartz substrate 81 is etched by 30.5 μm for 2.5 minutes using the pattern of the chromium film 82 as a mask.
[0078]
In step (13) of FIG. 17, the quartz substrate 81 is etched by 183 μm for 15 minutes using the resist patterns 87 and 88 as a mask.
[0079]
In step (18) of FIG. 18, the quartz substrate 81 is etched by 122 μm for 10 minutes using the resist patterns 89 and 90 as a mask.
[0080]
In step (24) of FIG. 18, the quartz substrate 81 is etched by 61 μm for 5 minutes using the resist patterns 91 and 92 as a mask.
[0081]
Under the above conditions, a technique of backside exposure of a negative resist is used to form a substrate 81 in the state shown in step (24) of Fig. 18. It should be noted that instead of the backside exposure technique, other techniques such as the damascene method using aluminum, the etch-back method, and the photo-CVD method using backside illumination can also be used without any problems.
[0082]
In step (25) of Figure 19, an aluminum film 130 is formed to a thickness of 1.5 µm by sputtering. Next, the aluminum film 130 is polished by the damascene method, for example, using cerium oxide abrasives with a particle size of 5/100 µm and a urethane sheet polishing cloth on a lapping machine under polishing conditions of 30 rpm and 50 g/ cm² until the surface of the chromium film 82 is exposed, resulting in the state shown in step (26) of Figure 19. Note that instead of the damascene method using aluminum, techniques such as backside exposure of a negative resist, etch-back, and backside photo-CVD may also be used. In step (27) of Figure 19, a photoresist is applied thereon, exposed, and developed to form a seventh resist pattern 131.
[0083]
In step (28) of Fig. 19, the chromium film 82 in the portions not covered by the resist pattern 131 and the aluminum film 130 is removed by etching using, for example, a mixture of cerium ammonium nitrate, perchloric acid, and water. In step (29) of Fig. 19, a photoresist is applied thereon, exposed to light, and developed to form an eighth resist pattern 132. Next, from this state, the aluminum film 130 in the portions not covered by the resist pattern 132 is removed by etching using a mixture of phosphoric acid, nitric acid, acetic acid, and water, resulting in the state shown in step (30) of Fig. 19.
[0084]
In step (31) of Figure 19, the photoresist 132 is removed using a stripper or oxygen plasma ashing. In step (32) of Figure 19, the chromium film 82 and aluminum film 130 are used as a mask to etch the quartz substrate 81 by 244 nm in 20 minutes using, for example, a parallel-plate RIE apparatus and a mixed gas of CF4 and hydrogen, under etching conditions of, for example, a CF4 flow rate of 20 cm3 /min, a hydrogen flow rate of 3 cm3 /min, a pressure of 4 Pa, and an RF power of 60 W. Next, the aluminum film 130 is etched and removed using the same mixed liquid as in step (30), resulting in the state shown in step (33) of Figure 19. Subsequently, the chromium film 82 is etched and removed using the same mixed liquid as in step (28), completing the 16-step diffractive optical element shown in step (34) of Figure 19.
[0085]
The diffraction efficiency of the completed diffractive optical element, which had a minimum line width of 0.35 μm and a step height of 30.5 nm, was measured at a wavelength of 248 nm. The diffraction efficiency, excluding losses due to reflection, was 97%, a 2% decrease in diffraction efficiency compared to the theoretical value. The main causes of this 2% decrease in diffraction efficiency were errors in the line width of the initial chrome pattern and in the etching depth.
[0086]
Figures 20 and 21 show cross-sectional views of the manufacturing process of the diffractive optical element of the twelfth embodiment. A 100 nm thick chromium film 82 is formed by sputtering on a quartz substrate 81 shown in step (1) of Figure 20, resulting in the state shown in step (2) of Figure 20. Photoresist is applied to this quartz substrate 81, and a first resist pattern is formed by photolithography, with line and space widths of 0.35 μm. Next, using the resist pattern as a mask, the chromium film 82 is etched using a parallel-plate RIE apparatus and chlorine gas or a mixture of chlorine gas and oxygen. Next, the photoresist is stripped, completing the first mask pattern of the chromium film 82 as shown in step (3) of Figure 20. The pattern of this chromium film 82 defines the positions of all steps through the following steps.
[0087]
In step (4) of Figure 20, the quartz substrate 81 is etched by 61 nm using the pattern of the chromium film 82 as a mask, for example, using a parallel-plate RIE apparatus and a mixed gas of CF4 and hydrogen under etching conditions of a CF4 flow rate of 20 cm3 /min, a hydrogen flow rate of 3 cm3 /min, a pressure of 4 Pa, and an RF power of 60 W for 5 minutes. Subsequently, in step (5) of Figure 20, a photoresist is applied to the quartz substrate 81, and a second resist pattern 133 is formed by photolithography. In step (6) of Figure 20, the quartz substrate 81 is etched by 122 nm using the resist pattern 133 and the pattern of the chromium film 82 as a mask. Next, the resist pattern 133 is stripped, resulting in the state shown in step (7) of Figure 20.
[0088]
Next, in step (8) of Figure 20, an aluminum film 134 is formed to a thickness of 1.5 μm by sputtering. The aluminum film 134, which serves as the second mask, is polished using, for example, a cerium oxide abrasive with a particle size of 5/100 μm and a urethane sheet polishing cloth on a lapping machine at 30 rpm and 50 g/ cm² until the surface of the chromium film 82 is exposed, resulting in the state shown in step (9) of Figure 20. Next, in step (10) of Figure 20, a photoresist is applied thereon, exposed, and developed to form a fifth photoresist pattern 135. Subsequently, in step (11) of Figure 20, the chromium 16 not covered by the resist pattern 135 and the aluminum film 134 is removed by etching using, for example, a mixture of cerium ammonium nitrate, perchloric acid, and water.
[0089]
20, using the resist pattern 135 and aluminum film 134 as a third mask, the quartz substrate 81 is etched 122 nm in 10 minutes using the same RIE equipment and etching gas under the same etching conditions as in step (4). Subsequently, the resist pattern 135 is removed using a stripping solution or plasma ashing, and the aluminum film 134 is etched and removed using a mixture of phosphoric acid, nitric acid, acetic acid, and water, resulting in the state shown in step (13) of FIG.
[0090]
Next, the quartz substrate 81 in the state of step (13) is exposed from the backside to ultraviolet light, e.g., a KrF laser, in Al2 ( CH3 ) 6 gas and oxygen gas. In this manner, an aluminum oxide film 136 is formed to a thickness of 500 nm only in the areas where the chromium film 82 is not present, and an aluminum oxide film 136 is also deposited on the backside. If the aluminum oxide film 136 on the backside is not required, the surface can be covered with resist and then removed with phosphoric acid, as shown in step (14) of Figure 20. In step (15) of Figure 21, a photoresist 137 is applied. In step (16) of Figure 21, a fifth resist pattern 138 is formed by exposure and development.
[0091]
In step (17) of Fig. 21, the aluminum oxide film 136 in the portion not covered by the resist pattern 138 is removed with phosphoric acid. In step (18) of Fig. 21, the resist pattern 138 is removed with a remover or plasma ashing, and in step (19) of Fig. 21, a photoresist 139 is applied. Next, in step (20) of Fig. 21, a resist pattern 140 is formed by photolithography. In step (21) of Fig. 21, the chromium film 82 in the portion not covered by the resist pattern 140 is removed by etching using the same mixed solution as in step (11). Next, the resist pattern 140 is stripped, resulting in the state shown in step (22) of Fig. 21.
[0092]
In step (23) of Fig. 21, the chromium film 82 and aluminum oxide film 136 are masked, and the quartz substrate 81 is etched to a depth of 244 nm using the same RIE apparatus and CF4 /hydrogen gas mixture as in step (4) under the same etching conditions for 20 minutes. In step (24) of Fig. 21, the aluminum oxide film 136 is etched with phosphoric acid, and finally the chromium film 82 is removed by etching using, for example, the same mixed solution as in step (11), completing the step-like diffractive optical element as shown in step (25) of Fig. 21.
[0093]
The diffraction efficiency of the completed diffractive optical element, with a minimum line width of 0.35 μm and a step height of 61 nm, was measured at a wavelength of 248 nm. The diffraction efficiency, excluding reflection losses, was 91%, a 4% decrease from the theoretical value. The main causes of this 2% decrease in diffraction efficiency were line width errors in the initial chrome pattern and poor reproducibility of the etching. The diffracted light efficiency of a diffractive optical element fabricated in the conventional example was 76%, demonstrating the effectiveness of the present invention.
[0094]
Fig. 22 shows cross-sectional views of the manufacturing process of a resin stepped diffractive optical element according to the thirteenth embodiment. The stepped substrate according to the sixth embodiment shown in Figs. 8 and 9, the stepped substrate according to the seventh embodiment shown in Figs. 10 and 11, the stepped substrate according to the eighth embodiment shown in Figs. 12 and 13, or the stepped substrate according to the ninth embodiment shown in Figs. 14 and 15 is used as a mold.
[0095]
First, in step (1) of Fig. 22, a reactive curing resin 152, such as an acrylic or epoxy ultraviolet curing resin or a thermosetting resin, is dropped from a syringe 150 onto a glass substrate 151. Next, as shown in steps (2) and (3) of Fig. 22, a stepped substrate mold 153 is pressed onto the resin 152 to form a replica layer 154. Before pressing the stepped substrate mold 153, which will serve as the mold, onto the resin 152, a release agent is applied to the surface of the stepped substrate mold 153 as needed.
[0096]
Next, in the case of ultraviolet-curable resin, ultraviolet light is applied from the stepped substrate mold 153 side to harden the resin. In the case of thermosetting resin, the resin is hardened by heat treatment. Then, when the stepped substrate mold 153 is peeled off, a stepped diffractive optical element 155 is completed as shown in step (4) of Figure 22.
[0097]
The diffraction efficiency of the completed diffractive optical element, which had a minimum line width of 0.35 μm and a step height of 120 nm, was measured at a wavelength of 500 nm and found to be 90%, a 5% decrease from the theoretical value. The main causes of this 5% decrease in diffraction efficiency were line width errors in the initial chrome pattern, poor reproducibility of the etching, and shrinkage of the resin 147.
[0098]
23, 24, and 25 show cross-sectional views of the manufacturing process for the stepped diffractive optical element of the fourteenth embodiment. First, in step (1) of Fig. 23, a chromium film 162 is formed to a thickness of 100 nm by sputtering on a quartz substrate 161. In addition, an anti-reflection film such as a chromium oxide film having a thickness of 20 to 30 nm may be provided on the chromium film 162 to improve the resolution of patterning.
[0099]
In step (2) of Figure 23, photoresist is applied to the quartz substrate 161 to form a first resist pattern 163. The line and space widths at this time are both 0.35 μm. Subsequently, in step (3) of Figure 23, the chromium film 162 is etched using the resist pattern 163 as a mask. This etching is performed using, for example, a parallel plate type RIE device, and the etching gas used is, for example, chlorine gas or a mixture of chlorine gas and oxygen. Next, the resist pattern 163 is stripped using oxygen ashing or a stripping solution. The positions of all steps are then defined by the chromium film 162 through the following steps.
[0100]
23, the quartz substrate 161 is etched to a depth of 61 nm using the pattern of the chromium film 162 as a first mask. For example, a parallel-plate RIE apparatus is used for this etching, and a mixed gas of CF4 and hydrogen is used as the etching gas. The etching conditions are, for example, a CF4 flow rate of 20 cm3 /min, a hydrogen flow rate of 3 cm3 /min, a pressure of 4 Pa, an RF power of 60 W, and an etching time of 5 minutes.
[0101]
Next, in step (5) of Figure 23, photoresist is applied to the quartz substrate 161, and a second resist pattern 164 is formed. The alignment accuracy at this time only needs to be half the line width of the pattern formed by the chrome film 162, a value that can be achieved without fail with a normal exposure device. This applies to all patterning from the second onwards, including the other examples below. Next, in step (6) of Figure 23, the quartz substrate 161 is etched 61 nm using the resist pattern 164 and chrome film 162 as a mask.
[0102]
In step (7) of Fig. 23, the photoresist pattern 164 is peeled off. Next, in step (8) of Fig. 23, a negative resist is applied and exposed from the backside. When this is developed, as shown in step (9) of Fig. 23, a resist pattern 165 can be left as a second mask only in the areas where the chrome film 162 is not present. At this time, the chrome film 162 itself serves as a contact mask for the exposure of the negative resist, ensuring perfectly accurate alignment.
[0103]
Next, in step (10) of Fig. 24, photoresist is applied thereon to form a fifth photoresist pattern 166. In step (11) of Fig. 24, the portions of the chromium film 162 not covered by the resists 166 and 165 are removed by etching. For example, a mixture of cerium ammonium nitrate, perchloric acid, and water is used for this etching.
[0104]
24, the quartz substrate 161 is etched to a depth of 122 nm using the resist 166 and the resist 165 as a third mask. For example, a parallel plate type RIE apparatus is used for the etching, and a mixed gas of CF4 and hydrogen is used as the etching gas. The etching conditions are, for example, a CF4 flow rate of 20 cm3 /min, a hydrogen flow rate of 3 cm3 /min, a pressure of 4 Pa, an RF power of 60 W, and an etching time of 30 minutes.
[0105]
In step (13) of Fig. 24, the resists 166 and 165 are removed by ashing. In step (14) of Fig. 24, photoresist is applied thereon, and a photoresist pattern 167 is formed by photolithography. In step (15) of Fig. 24, the substrate 161 is etched by 244 nm using the chromium film 162 and pattern 167 as a mask.
[0106]
Next, a negative resist is applied and exposed from the back, and then developed, leaving a resist pattern 168 only in the areas where the chromium film 162 is not present, as shown in step (16) of Figure 25. Photoresist is applied on top of this, and a photoresist pattern 169 is formed by photolithography in step (17) of Figure 25. In step (18) of Figure 25, the chromium film 162 in the areas not covered by the patterns 169 and 168 is removed by etching. A mixture of cerium ammonium nitrate, perchloric acid, and water, for example, is used for this etching.
[0107]
In step (19) of Fig. 25, the quartz substrate 161 is etched by 244 nm using the patterns 169 and 168 as a mask, and in step (20) of Fig. 25, the patterns 169 and 168 are removed by ashing.
[0108]
In step (21) of Figure 25, the chromium film 162 is etched to complete an eight-stage diffractive optical element or a mold for fabricating a diffractive optical element. For this etching, a mixture of cerium ammonium nitrate, perchloric acid, and water is used, for example. The diffractive optical element fabricated in this manner is free from alignment errors and has high diffraction efficiency.
[0109]
Figures 26, 27, and 28 show a fifteenth embodiment. In step (1) of Figure 26, a chromium film 172 is formed on a quartz substrate 171 by sputtering to a thickness of 100 nm. To improve patterning resolution, a 20-30 nm anti-reflection film, such as a chromium oxide film, can be formed on the chromium film 172. Photoresist is applied to the quartz substrate 171, and a first resist pattern is formed. The line and space widths are both 0.35 μm. Next, the chromium film 172 is etched using the resist pattern as a mask. This etching is performed using, for example, a parallel-plate RIE apparatus, and the etching gas used is, for example, chlorine gas or a mixture of chlorine gas and oxygen. The resist pattern is then stripped using oxygen ashing or a stripping solution. The chromium film 172, the first mask , is then used to define the positions of all steps through the following steps.
[0110]
In step (2) of Figure 26, photoresist is applied to the quartz substrate 171, and a resist pattern 173 is formed. Next, using the pattern of the chromium film 172 and the resist pattern 173 as a mask, the quartz substrate 171 is etched to a depth of 61 nm. For example, a parallel plate type RIE apparatus is used for this etching, and a mixed gas of CF4 and hydrogen is used as the etching gas. The etching conditions are, for example, a CF4 flow rate of 20 cm3 /min, a hydrogen flow rate of 3 cm3 /min, a pressure of 4 Pa, an RF power of 60 W, and an etching time of 5 minutes. The alignment accuracy required for this step is only half the line width of the chromium film 172, a value that can be achieved without fail with a normal exposure apparatus.
[0111]
In step (3) of Fig. 26, a photoresist is applied to the quartz substrate 171 to form a resist pattern 174. Subsequently, the quartz substrate 171 is etched by 183 nm using the resist pattern 174 and the chromium film 172 as a mask. In step (4) of Fig. 26, the resist pattern 174 is peeled off, and in step (5) of Fig. 26, a negative resist 175 is applied.
[0112]
In step (6) of FIG. 26, when the quartz substrate 171 is exposed from the back side, the chromium film 172 serves as a contact mask, and a latent image portion 176 is formed in the negative resist 175.
[0113]
In step (7) of Fig. 27, when the desired portion is covered with a reticle 177 and exposed to light, a negative resist pattern 178 of the second mask, which is a latent image portion, is formed on the portion of the chromium film 172 where it is to remain, and when this is developed, the state shown in step (8) of Fig. 27 is obtained. In step (9) of Fig. 27, the chromium film 172 in the portion not covered by the resist pattern 178 is removed by etching. For example, a mixture of cerium ammonium nitrate, perchloric acid, and water is used for this etching.
[0114]
27, the quartz substrate 171 is etched by 122 nm using the negative resist pattern 178 as a third mask using, for example, a parallel plate type RIE device and, for example, a mixed gas of CF4 and hydrogen as the etching gas.
[0115]
In step (11) of Fig. 27, the resist pattern 178 is removed by ashing. In step (12) of Fig. 27, photoresist is applied thereon, and a photoresist pattern 179 is formed by photolithography. In step (13) of Fig. 27, the substrate 171 is etched by 244 nm using the chromium film 172 and pattern 179 as a mask.
[0116]
In step (14) of Fig. 28, a negative resist 180 is applied and exposed from the back, so that the chromium film 172 serves as a contact mask, and a resist pattern 181, which is a latent image portion, is formed in the negative resist 180. In step (15) of Fig. 28, a desired portion is covered with a reticle 182 and exposed to light, forming a latent image portion 183 on the portion of the chromium film 172 where it should remain, and developing this results in the state shown in step (16) of Fig. 28. In step (16) of Fig. 28, the chromium film 172 in the portion not covered by the latent image portion 183 is removed by etching. For this etching, a mixture of cerium ammonium nitrate, perchloric acid, and water, for example, is used.
[0117]
In step (17) of Fig. 28, the quartz substrate 171 is etched by 244 nm using the chromium film 172 and resist pattern 181 as a mask, and in step (18) of Fig. 28, the pattern 181 and latent image portion 183 are removed by ashing.
[0118]
28, the chromium film 172 is etched to complete an eight-stage diffractive optical element or a mold for fabricating a diffractive optical element. For this etching, a mixture of cerium ammonium nitrate, perchloric acid, and water is used, for example.
[0119]
29 shows the configuration of a stepper, which is a semiconductor exposure apparatus according to the 16th embodiment. Arranged from above are an illumination optical system 200 with a wavelength of 248 nm, a reticle 201, an imaging optical system 202, and a stage 203 on which a semiconductor substrate W is placed. A diffractive optical element D fabricated by the method of the first embodiment is incorporated into the imaging optical system 202 in order to reduce chromatic aberration and provide an aspherical effect.
[0120]
In this stepper, an illumination optical system 200 irradiates a reticle 201 with i-line or ultraviolet light such as KrF, and an imaging optical system 202 transfers the pattern drawn on the reticle 201 to a semiconductor substrate W on a stage 203 at a reduction ratio of 1/5.
[0121]
Fig. 30 is a perspective view of diffractive optical element D, and Fig. 31 shows a cross-sectional view of its cross-sectional shape. This diffractive optical element D has the same optical function as a convex lens, and is a four-step diffractive optical element with a step height of 61 nm, a width of 0.35 µm on the outermost periphery, and a diameter of 120 mm.
[0122]
Light incident on the stepped diffractive optical element D is mainly split into 1st-, 9th-, and 17th-order diffracted light beams that pass through the element D. Of these, only the 1st-order light beam is involved in image formation, accounting for 93% of the incident light. The remaining few percent are 9th- and 17th-order light beams, but because the 9th- and 17th-order light beams are far apart in diffraction order from the 1st-order light beam required for image formation, these beams are directed outside the imaging optical system and do not have a significant effect on image formation.
[0123]
Therefore, when a conventional eight-stage diffractive optical element is used, which is manufactured under the same conditions (step height of 61 nm, width of one step on the outermost periphery of 0.35 μm, diameter of 120 mm) using three masks 17 a to 17 c as shown in FIG. 32 and described as the prior art, strong third-order and other diffracted light occurs between the first-order and ninth-order diffracted light, causing unnecessary light to form a pseudo pattern on the image plane and degrading image performance. However, this problem can be avoided by using an eight-stage diffractive optical element under the same conditions as in this embodiment.
[0124]
[Effects of the Invention]
As described above, in the method for manufacturing a multi-step stepped element or a mold for manufacturing such an element according to the present invention, the positions of all steps are determined by the pattern of the first mask formed in the initial lithography process, so that an accurate pattern can be formed on the substrate without misalignment.
[Brief explanation of the drawings]
Figure 1
1A to 1C are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the first embodiment.
Figure 2
10A to 10C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the second embodiment.
Figure 3
10A to 10C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the third embodiment.
Figure 4
FIG. 10 is a cross-sectional view of a reflective diffractive optical element according to a fourth embodiment.
Figure 5
FIG. 10 is a cross-sectional view of a diffractive optical element according to a fifth embodiment.
Figure 6
FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of a projection optical system.
Figure 7
FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a projection exposure apparatus.
Figure 8
13A to 13C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the sixth embodiment.
Figure 9
13A to 13C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the sixth embodiment.
Figure 10
13A to 13C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the seventh embodiment.
Figure 11
13A to 13C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the seventh embodiment.
Figure 12
13A to 13C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the eighth embodiment.
Figure 13
13A to 13C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the eighth embodiment.
FIG. 14
13A to 13C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the ninth embodiment.
Figure 15
13A to 13C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the ninth embodiment.
FIG. 16
FIG. 22 is a cross-sectional view of a reflective diffractive optical element according to a tenth embodiment.
FIG. 17
19A to 19C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the eleventh embodiment.
FIG. 18
19A to 19C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the eleventh embodiment.
FIG. 19
19A to 19C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the eleventh embodiment.
Figure 20
12A to 12C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the twelfth embodiment.
Figure 21
12A to 12C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the twelfth embodiment.
Figure 22
13A to 13C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the thirteenth embodiment.
Figure 23
20A to 20C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the fourteenth embodiment.
FIG. 24
20A to 20C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the fourteenth embodiment.
Figure 25
20A to 20C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the fourteenth embodiment.
FIG. 26
20A to 20C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the fifteenth embodiment.
FIG. 27
20A to 20C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the fifteenth embodiment.
FIG. 28
20A to 20C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the fifteenth embodiment.
FIG. 29
FIG. 20 is a configuration diagram of a stepper according to a sixteenth embodiment.
Figure 30
FIG. 1 is a perspective view of a stepped diffractive optical element.
FIG. 31
FIG. 2 is a cross-sectional view of a step-like diffractive optical element.
FIG. 32
10A to 10C are cross-sectional views of a conventional manufacturing process.
FIG. 33
FIG. 10 is an explanatory diagram of the relationship between a staircase shape and a mask.
FIG. 34
FIG. 10 is an explanatory diagram of the relationship between a staircase shape and a mask.
[Explanation of symbols]
21, 31, 41, 81, 161, 171 Quartz substrate
22, 27, 32, 37, 42, 46, 52, 82, 102, 162, 172 Chromium film 25, 29, 44, 48, 50, 108, 109, 112, 113, 116, 117, 123, 125, 127, 130, 134, 136 Aluminum film 35, 39 Aluminum oxide film 71 Lens group 72, 155, D Diffractive optical element 73, 160 Illumination optical system 75 Photography optical system 96, 98, 100 Polyimide film 103 Chromium oxide film 150 Syringe 151 Glass substrate 152 Reaction curing resin 201 Reticle 202 Imaging optical system

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