CN100426462C - 图案形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种图案形成方法，是将汇聚的光照射在形成于基板上的抗蚀膜上而形成期望的潜像图案的方法，其特征是，具备根据所述图案的位置调节所述汇聚光的强度或在所述抗蚀膜上的大小而进行照射的工序。由此，本发明能够提供一种能以低廉的价格在短时间内得到期望的图案的图案形成方法。

Description

图案形成方法

技术领域

本发明涉及在形成于半导体晶片等的基板上的、抗蚀膜上形成图案的方法，尤其涉及将光照射在基板上的抗蚀膜上而形成图像潜像的图案形成方法及装置。

背景技术

在用于从半导体晶片等的基板形成半导体元件的工序中，在基板上采用抗蚀(resist)膜等的掩膜形成图案。这种图案的形成，例如在微型流路装置等的图案制作中，需要预先制作包括数μm～数百μm宽度的期望图案的光掩膜。通常这些光掩膜经过电子射线直接光刻工序以及铬膜的蚀刻工序而被制作。接着，采用接触式曝光装置或掩膜对准器(maskaligner)，对在基板上进行涂敷并成膜的抗蚀膜，保持与所述光掩膜密合或接近密合的状态，并通过将紫外光经过所述光掩膜照射到抗蚀膜上，形成期望的潜像图案。接着，在抗蚀膜上实施规定的热处理(烘焙工序)后，通过进行显影处理，将所述潜像图案转换为抗蚀层形状的图案。在采用阳性抗蚀剂的情况下，通过显影处理，溶解、去除由紫外线照射形成的潜像图案。反过来，在采用阴性抗蚀剂的情况下，通过在显影处理后只残留潜像图案区域而形成抗蚀层形状。

在微型流路装置等的研究开发阶段中，根据各种应用，不仅是对图案构成还要对尺寸或配置的微调整的试行错误，也必须进行最优化，并频繁进行设备图案的修正。在进行这些图案修正时，必须要回溯至光掩膜再制作，而由于这必须依赖于拥有高成本的电子线直接描绘光刻技术的光掩膜制作专业生产商，还存在研究开发速度被光掩膜的取得期间(交付期)限制的问题、以及在光掩膜中所需费用增加的问题。

此外，在通常的光掩膜中，根据遮光材料(铬膜)图案的有无，在抗蚀膜中形成潜像图案。其结果，在显影处理后得到的抗蚀图案形状，特别是抗蚀膜厚度方向的轮廓变为基于有无光照射的二值信息的尖锐的形状。另一方面，在微型流路装置等的领域中，为了防止流体中的乱流产生，对抗蚀膜厚度方向的变化也期望具有包括平滑轮廓的流路图案形状。虽然形成具有这种轮廓的抗蚀图案的方法有采用通过使光点图形(dotpattem)的密度阶段性地改变而在每个区域使透过率逐渐改变的灰度级掩膜(gray scale mask)的曝光方法，但灰度级掩膜的设计以及制造复杂，在光掩膜制作中所耗费的成本以及期间大幅增大，因此实际上在需要试行错误的微型流路装置等的研究或试制阶段中不适用。

发明内容

本发明的目的是提供一种可低成本短时间取得期望的图案的图案形成方法及装置。

此外，本发明的另一目的是提供一种可简便且高精度地得到期望的图案的图案形成方法及装置。

此外，本发明的另一目的是提供一种可在短时间容易实现作为目标的图案修正的图案形成方法及装置。

所述目的，可由下述图案形成方法达到：将汇聚的光照射在形成于基板上的抗蚀膜上而形成期望的平滑的图案宽度的潜像图案的方法，其特征是，具备根据所述图案的位置调节所述汇聚光的强度或所述抗蚀膜上的大小，逐渐使所述汇聚光的直径改变而进行照射的工序。

还有，由下述图案形成方法而达到所述目的：具备使所述抗蚀膜中的所述汇聚光的直径在5μm～500μm的范围内变化的工序。此外，由下述图案形成方法而达到所述目的：调节在光传送机构中所具备的所述光阑，调节所述汇聚光的直径，其中，所述光传送机构包含设置在所述汇聚光的光源和所述抗蚀膜之间的透镜以及光阑。

此外还有，由下述图案形成方法而达到所述目的：一边调节所述汇聚光的直径，一边调节所述抗蚀膜中的每单位面积的能量照射量。还有，由下述图案形成方法而达到所述目的：采用在设置于所述汇聚光的光源和抗蚀膜之间的光传送机构内所具备的光强度调节元件，控制对汇聚光的透过率，进而调节所述抗蚀膜中的每单位面积的能量照射量。还有，由下述图案形成方法而达到所述目的：控制所述抗蚀表面中的所述汇聚光的相对移动速度，调节所述抗蚀膜中的每单位面积的能量照射量。

此外，所述目的，由下述装置而达到：将汇聚的光照射在形成在基板上的抗蚀膜上，形成期望的平滑的图案宽度的潜像图案的装置，具备：根据所述图案的位置，对所述汇聚光的强度或在所述抗蚀膜上的大小进行调节，逐渐使所述汇聚光的直径改变而进行照射。还有，由下述图案形成方法而达到所述目的：具备沿所述图案调节所述汇聚光的锐度(Sharpness)的工序。此外还有，由下述图案形成方法达到所述目的：采用光传送机构的所述光阑调节物镜的数值孔径NA，调节所述汇聚光的锐度或焦点深度，其中，光传送机构具备设置在所述汇聚光的光源和所述抗蚀膜之间的透镜以及光阑。还有，由下述图案形成方法达到所述目的：作为所述汇聚光的光源，采用具有以365nm左右的波长为主的射出光强度分布的半导体发光元件。

附图说明：

图1是表示实现本发明的图案形成方法的第1实施方式的装置的构成的概略示意图。

图2是表示由在图1中所示的第1实施方式形成的图案的例子的纵截面图。

图3是表示实现本发明的图案形成方法的第2实施方式的装置的构成的概略示意图。

图4是表示由在图3中所示的第1实施方式形成的图案的例子的纵截面图。

图中：100、300-载物台；101、201、202、301、401-抗蚀膜；102、203、302、403-基板；103、303-紫外光源；104、304-汇聚光；105、305-光强度调节元件；106、306-第1透镜；107、307-第2透镜；108-可变光阑；109、310-光学控制系统；110、311-控制用计算机；111、312-控制，监控信号；200、400-流路图案；308-第1可变光阑；309-第2可变光阑；402-抗蚀剂。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的各实施方式进行详细说明。

在图1中表示实现本发明的图案形成方法的图案形成装置的第1实施方式。图1是表示有关本实施方式的装置的构成的概略的示意图。图2是表示采用图1中所示的实施方式而形成的图案的例子的纵截面图。

在该图1中所示的实施方式中，在载物台(stage)100上搭载有已涂敷、成膜了抗蚀膜101的基板102，且其位置固定。接着，将来自在365nm左右的波长中具有强度峰值的紫外光源103的汇聚光104直接曝光到抗蚀膜101上，在基板102上形成期望图案的潜像。将该汇聚光104经过至少包括光强度调节元件105、第1透镜106、第2透镜107以及可变光阑108的光传送机构的光学控制系统109，照射到所述抗蚀膜101上。

控制用计算机110和紫外光源103之间的控制，是基于监控信号111的通信，发送用于从控制用计算机110对紫外光源103以及光学控制系统109进行动作的指挥信号，对抗蚀膜101中的汇聚光104的光强度以及被照射的位置上的光的点径的大小进行精密调节并控制。

此外，在本实施方式中，控制用计算机110对载物台100的位置以及移动速度进行控制，并一边根据照射汇聚光104的基板表面上的图案的位置而调节其光强度或点径，一边照射如图2(a)的例子中所示的那种微型流路装置中的流路图案200的潜像。由此，通过采用改变被照射的汇聚光的指向的方向、位置或强度，改变的矢量方式，而形成潜像。

在图2(a)中的流路图案200的宽度不同的部分中，控制可变光阑108等将汇聚光104的点径控制在典型的5μm～500μm的范围内，形成期望的潜像图案。此外，考虑汇聚光104的直径通过对载物台100的移动速度进行控制，从而控制抗蚀面中的光能密度。

由此形成潜像后，对抗蚀膜101实施规定的PEB(Post Exposure Bake)烘焙处理以及显影处理，形成期望的抗蚀图案。在本实施方式中，对采用阳性抗蚀膜201的情况进行说明，由汇聚光104的照射形成的潜像部通过显影处理被溶解、去除。

在所述的实施方式中，作为在基板上形成的抗蚀膜上形成微型流路装置等的期望的潜像图案的方法，采用紫外区域的汇聚光将期望的图案直接曝光在抗蚀膜上。作为这种构成，不需要所述现有的技术中的光掩膜。根据本实施方式，不采用光掩膜也可形成图2中所示的流路图案200。

此外，可简便地进行处理，使图案宽度像在图2(a)中的A-B间的流路图案200那样比以往能更光滑地变化。即根据在微型流路装置等中的主要的直线或曲线状的图案的流路宽度，通过控制所述汇聚光的直径，对所述直线状或曲线状的图案不进行多重扫描，采用基于一笔写入的矢量方式，即可简便地形成期望图案的潜像。

还有，在抗蚀膜上，在基于一笔写入方式对直线或曲线状图案进行曝光时，通过逐渐使在抗蚀面上的汇聚光的直径改变，也可容易形成流路宽度变化平滑的图案。即通过使抗蚀膜中的每一单位面积的光照射量沿直线或曲线逐渐变化，可形成抗蚀膜厚方向的轮廓(流路深度的变化)平滑的图案。例如通过使在汇聚光的光学系统中的物镜的数值孔径(NA)沿直线或曲线逐渐改变，也可形成使所述直线或曲线状图案中的抗蚀膜截面的轮廓(流路的侧壁形状)平滑变化的图案。

此外，也可使照射在A-B间的抗蚀面上的每一单位面积的光能量密度逐渐变化，如图2(b)以及(c)中所示，从像流路图案200部的截面A那样将抗蚀膜202完全溶解而露出基板203表面的状态(图2b)，到在基板203上残留抗蚀膜202的状态(图2c)之间，可改变流路的深度。虽然在本实施方式中，在截面A中加深流路，在截面B中变浅，但反过来也可以加深截面B的流路方等，从而与流路宽度独立地进行深度的控制。

此外，在本实施方式中作为紫外光源，采用具有365nm左右的峰值波长的化合物半导体(GaN系)的光发光装置LED(Light Emitting Diode)，与紫外线灯或气体激光器等的光源相比不仅价格低，而且也容易维护。虽然也可不用LED，而使用具有365nm左右的峰值波长的GaN系半导体激光器，但实用上很难取得长寿命的激光器。

此外，虽然在本实施方式中，作为光学控制系统109只以光强度调节元件105、第1透镜106、第2透镜107以及可变光阑108为代表进行了例示，但关于构成以及位置关系并不限于此，还有，由于对相对作为物镜的第2透镜107的抗蚀膜101或基板102的聚焦状态或相对距离进行监控控制，因此，将抗蚀膜101不受感光的波长的激光经由光学控制系统109的至少一部分而入射到抗蚀膜101或基板102上的光学系统，能够有效形成稳定的潜像是毫无疑问的。

在本实施方式中，虽然对基于阳性抗蚀膜201的流路图案200已进行了说明，但在微型流路装置的制作工序中存在变动，存在将抗蚀膜图案作为掩膜且将流路图案转写至基底基板的方法，将抗蚀膜图案作为铸型而进行复制(replication)的方法等。当然与此对应抗蚀也可分别采用正型和负型。

接着，采用图3以及图4说明本发明的第2实施方式。图3是表示实现本发明的第2实施方式的图案形成方法的装置的构成的概略的示意图。图4是表示采用在图3中所示的图案形成装置而形成的图案的例子的纵截面图。

在该图3中，在载物台(stage)300上搭载有已涂敷、成膜的抗蚀膜301的基板302，并固定其位置。接着，将来自在365nm左右的波长中具有强度峰值的紫外光源303的汇聚光304照射在抗蚀膜301上，并将基板302表面直接曝光，形成期望图案的潜像。将所述汇聚光304经过至少包括光强度调节元件305、第1透镜306、第2透镜307、第1可变光阑308以及第2可变光阑309的光传送机构的光学控制系统310，照射到所述抗蚀膜301上。

控制用计算机311和紫外光源303之间的控制，是基于监控信号111的通信，发送用于从控制用计算机311对紫外光源303以及光学控制系统310进行动作的指挥信号，对抗蚀膜301中的汇聚光304的光强度以及点径的大小进行精密调节并控制。

此外，在本实施方式中，控制用计算机311对载物台300的位置以及移动速度进行控制，并由矢量方式简便形成如图4(a)的例子中所示的微型流路装置的潜像图案。在图4(a)中的图案宽度的不同部分中，通过控制第1可变光阑308等，将汇聚光304的点径控制在代表性的5μm～500μm的范围内，形成期望的潜像图案。

此外，通过考虑汇聚光304的直径对载物台300的移动速度进行控制，可控制抗蚀面中的光能密度。此外，与此独立，通过控制第2可变光阑309，由控制作为物镜的第2透镜307的数值孔径(NA)，可控制汇聚光304的光强度分布、锐度。由此形成潜像后，通过对抗蚀膜301实施规定的PEB(Post Exposure Bake)烘焙处理以及显影处理，形成期望的抗蚀膜图案。

根据所述本实施方式，不采用光掩膜也可形成图4中所示的流路图案。此外，像在图4(a)中的A-B间的流路图案那样，可简便地进行处理使图像宽度变平滑。此外，可使在A-B间照射到抗蚀面上的每单位面积的光能量密度逐渐改变，如图4(b)以及(c)中所示，可在从像流路图案400部的截面A那样将抗蚀膜402完全溶解而露出基板403表面的状态(图4(b))到在基板403上残留抗蚀膜402的状态(图4(c))之间，改变流路的深度。还有，在本实施方式中，如上所述，通过对第2可变光阑309进行控制而在截面A中增大物镜的第2透镜307的数值直径(NA)并在截面B中减小数值直径(NA)，如图4(b)以及(c)所示，可分别在A截面中形成垂直的抗蚀侧壁形状，在B截面中形成锥状的侧壁截面。在此，通过逐渐改变在A-B间的第2透镜307的数值孔径(NA)，可使侧壁形状慢慢变化。

如上所述，根据所述实施方式，作为在形成于基板上的抗蚀膜上形成微型流路装置等的期望的潜像图案的方法，通过采用紫外区域的汇聚光而将期望的图案直接曝光在抗蚀膜上，不需要使用在所述现有的技术中所记载的那种光掩膜。此外，根据微型流路装置的主要的直线或曲线状图案的流路宽度，通过控制所述汇聚光的直径并采用基于一笔写入的矢量方式，可简便地形成期望图案的潜像。

此外，在由一笔写入的方式将所述直线或曲线状图案曝光时，通过使在抗蚀面上的汇聚光的直径逐渐变化，也可容易地形成流路宽度变化平滑的图案。还有，通过使抗蚀膜中的每一单位面积的光照射量沿直线或曲线逐渐变化，可形成抗蚀膜厚度方向的轮廓(流路深度的变化)平滑的图案。还有，通过使在汇聚光的光学系统中的物镜的数值孔径(NA)沿直线或曲线逐渐改变，也可形成使所述直线或曲线状图案中的抗蚀膜截面的轮廓(流路的侧壁形状)平滑变化的图案。

通过采用在所述本发明的实施方式中已公开的图案形成方法，不采用高成本且到取得之前需要时间的光掩膜，就可短时间作成微型流路装置的流路图案，并只要在计算机上对涉及期望的流路图案的数据以及控制数据进行编辑，就可容易且在短时间进行流路参数的修正、改良。此外，可以进行在通常的光掩膜的曝光方法中曾无法实现的，将流路的深度以及流路的侧壁形状控制为平滑状的抗蚀膜图案的形成。

其结果，不仅大幅缩短微型流路装置的研究开发以及试制期间，而且可制作具有3维形状的设计参数的高功能、高品质的微型流路装置。

Claims (10)

1、 一种图案形成方法，将汇聚光照射在形成于基板上的抗蚀膜上而形成期望的平滑的图案宽度的潜像图案，其特征在于，具备：

根据所述图案的位置，对所述汇聚光的强度或在所述抗蚀膜上的大小进行调节，逐渐使所述汇聚光的直径改变而进行照射的工序。

2、 根据权利要求1所记载的图案形成方法，其特征在于，

利用设置在所述汇聚光的光源和所述抗蚀膜之间的包括透镜及光阑的光传送机构所具有的一个以上的可变光阑，通过调节所述光阑，从而根据通过搭载所述基板的载物台的位置控制而来进行控制的所述基板上的抗蚀膜的位置，来调节所述汇聚光在所述抗蚀膜上的大小，逐渐使所述汇聚光的直径改变而进行照射。

3、 根据权利要求2所记载的图案形成方法，其特征在于，

边调节所述汇聚光的直径，边调节所述抗蚀膜的每单位面积的能量照射量。

4、 根据权利要求3所记载的图案形成方法，其特征在于，

控制所述抗蚀膜的表面中的所述汇聚光相对于所述抗蚀膜的表面的相对移动速度，调节所述抗蚀膜中的每单位面积的能量照射量。

5、 根据权利要求2～4任一项所记载的图案形成方法，其特征在于，

边根据所述图案的位置可变调节所述汇聚光的照射方向或所述基板的位置，边照射所述汇聚光。

6、 根据权利要求2所记载的图案形成方法，其特征在于，

具有使所述抗蚀膜上的所述汇聚光的直径在5μm～500μm的范围内变化的工序。

7、 根据权利要求3所记载的图案形成方法，其特征在于，

作为调节所述抗蚀膜的每单位面积的能量照射量的机构，使用设于所述汇聚光的光源和所述抗蚀膜之间的光传送机构内具备的光强度调节元件。

8、 根据权利要求5所记载的图案形成方法，其特征在于，

具有沿所述图案调节所述汇聚光的锐度的工序。

9、 根据权利要求5所记载的图案形成方法，其特征在于，

具有利用设置在所述汇聚光的光源和所述抗蚀膜之间的包括透镜以及可变光阑的光传送机构的所述可变光阑，调节物镜的数值孔径NA，进而调节所述汇聚光的锐度或焦点深度的机构。

10、 根据权利要求8所记载的图案形成方法，其特征在于，

具有利用设置在所述汇聚光的光源和所述抗蚀膜之间的包括透镜以及可变光阑的光传送机构的所述可变光阑，调节物镜的数值孔径NA，进而调节所述汇聚光的锐度或焦点深度的机构。

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