JP2005271141A - ３次元構造形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ３次元構造をもった感光性樹脂を一定条件でエッチングしていくと、その選択比がエッチング中に徐々に変化してしまうこと。
【解決手段】 基板に、３次元構造をもった樹脂を形成し、前記樹脂をドライエッチングし、前記樹脂の形状を基板に転写することにより３次元構造をもった基板を製造する工程において、エッチングを行う際に、前記基板に対するエッチングレイトと前記樹脂に対するエッチングレイトの比（選択比）が一定になるようにエッチング条件を基板上の樹脂の残存面積により変化させていくこととした。
【選択図】 図１

Description

本発明は3次元構造形成方法、３次元構造形成方法に用いるドライエッチング装置、3次元構造形成方法を用いて作製した光学素子、マイクロレンズ、前記光学素子を用いた光学系、前記光学系をもちいた露光装置，カメラ，望遠鏡，顕微鏡等の光学系を有する装置、デバイス及びデバイス製造方法に関するものである。

近年，半導体素子の微細化への要求はますます高くなっており、線幅は0.1μｍを切るようになってきている。そのため半導体露光装置に対する解像力向上の要求は高くなっている。半導体露光装置の解像力を向上させるために、投影レンズの高NA化と、露光波長の短波長化が近年ますます加速している。露光波長の短波長化は248nm（KrFレーザー）、193nm（ArFエキシマレーザー）、157nm（F2レーザー）と進み、さらに極端紫外光を利用したEUV露光へと進んでいる。

短波長化とともに、露光装置の光学系、および、そこに使用される光学素子の精度はより厳しいものが要求されるようになってきた。

通常のレンズを作製する方法も研磨や研削による従来の製造方法では、要求精度を満たす加工は非常に厳しくなってきた。さらに、マイクロレンズにおいては、素子レンズを積み重ねることによって加工誤差が積み上がることで全体としての性能がでない。コストが非常に高くなってしまうという問題点が発生していた。よってマイクロレンズを露光装置の光学系に利用するという手段は、従来、実用が困難であった。

ところが近年，フォトリソグラフィー技術を利用した、マイクロレンズアレイの加工方法が提案されている。マイクロレンズアレイをフォトリソグラフィーで製作する場合，比較的安価に製作する事が可能である。また素子レンズを積み重ねるわけではないので，加工誤差が積みあがらず，性能の悪化もすくない。

しかし、従来のフォトリソグラフィー技術では、マスクに形成された開口と遮光部の組合せで回路パターンを設計し、感光性樹脂にマスクを透過した露光光によって転写する。この際、回路パターンは二次元平面上に描画された姿が全てであり、作製すべきパターンの厚み方向は考慮しないのが一般的であった。

近年は、高さ方向の形状も部分的な露光量の調整によって制御しようとする試みがある。高さ方向の形状を制御する試みとしては、フォトレジスト（感光性樹脂）に三次元形状を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

図12を用いて説明する。

図12-aに示すようにポジ型フォトレジストの特性曲線を予め実験的に求めておくことによって任意の露光量と残膜量との関係を求めることができる。ここに微小な面積(図12-b)を最小単位として、3×3の9個を一かたまりとして考えてみる。図では７2が遮光部で７1が開口部である。9個のうち遮光部と開口部の個数比率を変えることによって離散的に開口の密度分布を変化させることができる(図12-c)。この密度分布、すなわち透過率分布によって発生する強度分布はポジ型レジストの感度特性によりレジストの膜厚変化に変換される(図12-d)。

その後、フォトレジストと基板とに対してドライエッチングを行い、フォトレジストの表面形状を光学基板に彫り写して転写する。転写の結果、基板の表面に三次元構造を得ることができる。このような３次元形状のレジストを用いて、光学部材をドライエッチングして、３次元構造をもった光学素子を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開昭63-289817号公報 特開2002-287370号公報

上記従来技術で説明したように、感光性樹脂であるフォトレジストなどを基板上に形成し、フォトレジストが感光する露光光の量に分布をもたせ、露光現像し３次元構造を形成し、ドライエッチングによってその構造を転写し、3次元構造をもった光学素子を製造する際には、高精度なエッチング技術が必要とされる。従来のフォトリソグラフィー技術では、回路パターンは、2次元的な平面上の構造がすべてであり、エッチング時には、より細い線幅の回路パターンをいかに垂直にエッチングすべきか、などが主に検討されていた。エッチングレイトの変動も、エッチングストッパーを用いることにより、影響をおさえることができていた。

しかし、感光性樹脂の3次元構造を基板にそのまま転写する技術では、選択比という値が非常に重要なる。選択比とは、感光性樹脂であるレジストのエッチングレイトと、そのレジスト形状が転写される基板材料のエッチングレイトの比である。

選択比＝（基板のエッチングレイト）/（レジストのエッチングレイト）とすると、選択比1の場合、レジストと全く同じ形状の構造が基板上に形成される。選択比が2の場合、レジストの形状が縦だけ２倍にのびた構造となる。

すなわち、従来のリソグラフィー技術で転写されてきた2次元構造だけでなく、高さの情報を転写する際には、選択比がその精度に大きな影響を与える。

しかし、3次元構造をもった感光性樹脂を一定条件でエッチングしていくと、その選択比がエッチング中に徐々に変化してしまうことが発見された。（図９）その影響で、所望の3次元構造を得ることができなくなってしまっていた。前記３次元構造が光学素子の場合、曲率が設計値とずれてきてしまい、効率の劣化などを起こし、光学系に悪影響を与えていた。

そこで、本発明の例示的な目的は、所望の3次元構造を得ることのできる３次元構造形成方法を提供することにある。

上記の問題点は下記の本発明によって解決される。

3次元構造をエッチング中に選択比が変化してしまう原因を検討したところ、鋭意努力の結果、基板内におけるレジスト面積の変動が主たる要因であることが判明した。通常の2次元構造のみの情報をもったレジストと違い3次元構造をもったレジストをエッチングしていくと、基板内におけるレジスト面積比率（基板上にレジストが残存している面積/基板面積）がエッチング中に連続的に変動していく。

しかし、そのレジスト面積比率は、3次元構造の違いによって、変化量は違ってくる。たとえば、図８（ａ）にしめすようなＡパターンと図８（ｂ）に示すようなＢパターンとでは同一条件でエッチングしても、あるレジスト厚における選択比は図９にしめすようにちがっていた。しかし、同一条件でエッチングすれば、たとえ構造が違っても、基板/レジストのエッチング選択比とレジストの面積比率とのあいだには相関関係があることが判明した。すなわち、選択比の単位時間あたりの変化量は３次元構造の形状に関わらず、レジスト面積比率の1次式（図１０）であらわすことができるのである。

即ち、本発明とは、基板に、3次元構造をもった樹脂を形成し、前記樹脂をドライエッチングし、前記樹脂の形状を基板に転写することにより3次元構造をもった基板を製造する工程において、エッチングを行う際に、上記基板に対するエッチングレイトと上記樹脂に対するエッチングレイトの比（選択比）が一定になるようにエッチング条件を基板上の樹脂の残存面積により変化させていくことを特徴とする３次元構造形成方法、または、基板に、3次元構造をもった樹脂を形成し、前記樹脂をドライエッチングし、前記樹脂の形状を基板に転写することにより3次元構造をもった基板を製造する工程において、ドライエッチング時のある条件における樹脂の残存面積と選択比の関係を把握し、樹脂の３次元構造に補正をかけ、前記エッチング条件でドライエッチングすることにより、所望の３次元構造を得ることを特徴とする３次元構造形成方法、更に、基板に、3次元構造をもった樹脂を形成し、前記樹脂をドライエッチングし、前記樹脂の形状を基板に転写することにより3次元構造をもった基板を製造する工程に用いるドライエッチング装置において、基板上の樹脂の面積を測定し、エッチング条件にフィードバックさせるアルゴリズムを持つことを特徴とするドライエッチング装置である。

更には、前記3次元構造形成方法や前記ドライエッチング装置を用いることにより、製造される光学素子、マイクロレンズアレイ、光学系、前記光学系をもちいた露光装置，カメラ，望遠鏡，顕微鏡等の装置、デバイス及びデバイス製造方法である。

また、所望の形状が変化しても、所望の構造の面積比率を計算しなおすことによって、新たなエッチング条件を探索することなく、所望の形状を得ることができる。

基板に、3次元構造をもった樹脂を形成し、前記樹脂をドライエッチングし、前記樹脂の形状を基板に転写することにより3次元構造をもった基板を製造する工程において、エッチングを行う際に、上記基板に対するエッチングレイトと上記樹脂に対するエッチングレイトの比（選択比）が一定になるようにエッチング条件を基板上の樹脂の残存面積により変化させていくことを特徴とする３次元構造形成方法、または、基板に、3次元構造をもった樹脂を形成し、前記樹脂をドライエッチングし、前記樹脂の形状を基板に転写することにより3次元構造をもった基板を製造する工程において、ドライエッチング時のある条件における樹脂の残存面積と選択比の関係を把握し、樹脂の３次元構造に補正をかけ、前記エッチング条件でドライエッチングすることにより、所望の３次元構造を得ることを特徴とする３次元構造形成方法により、高さ情報もより高精度に制御された形状を作製することができ、高効率、高精度、高性能な光学素子、光学系、前記光学系をもちいた露光装置，カメラ，望遠鏡，顕微鏡等の装置、デバイス及びデバイス製造方法を得ることができた。また、所望の形状が変化しても、所望の構造の面積を計算しなおすことによって、新たなエッチング条件を探索することなく、所望の形状を得ることができた。

以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の３次元構造形成方法を表す図面であり、中心を通る直径方向での断面図を表している。本実施例では、マイクロレンズアレイの製造法についてのべる。マイクロレンズアレイは球面レンズを複数集めることで構成されている。たとえば、図６に示すような、六角マイクロレンズアレイである。

図1において１１は紫外線にも用いることができる合成石英基板である。特に、Ｆ２レーザー用の光学素子として使用される場合は、Ｆドープト石英や蛍石を用いる。EUV用の光学素子として用いる場合は、合成石英でも、シリコンでも、低熱膨張ガラスなどでもかまわない。基板１1上に、AZ-P４６２０（クラリアント社製）をコーターを用いて塗布し、レジスト１２を形成し、図１（ａ）とした。

所望の３次元構造を得るために設計された透過率分布をもつマスク１３を作製した。マスク１３をもちいて、露光する（図１（ｂ））。専用現像液を用いて現像することにより、３次元構造をもった感光性樹脂１２'を作製し、図１（ｃ）とした。

図１（ｃ）の基板を図２（ａ）に示すドライエッチング装置（ＲＩＥ）にセットした。ドライエッチング装置は、ICP、NLD、ADPなど、どの装置をもちいても構わない。

この装置におけるエッチングガスとしてＣＦ４20sccm、H2 0〜6sccm流し、１００W４Paの条件にてエッチングをした場合のレジスト面積比率と選択比の関係（図１０と同様のグラフ）が、水素の各流量に対して事前に検討されている。本実施例では、H2 1sccm条件でエッチングを開始した。感光性樹脂１２'の面積は、図１（Ｃ１）→（Ｃ２）→（Ｃ３）のように変化していく。設計値から予想されるレジストの面積比率をエッチング装置に付随している光学式モニターで計測（面積の計測）し、微小なずれ等を補正しながら、選択比１を維持できるようH2の流量を調整しながらエッチングした。本実施例では、H2流量が１→3.5sccmに変化させていくことによって、選択比を一定にたもつことができた。（図１（ｄ））
レジスト形状を変化させることなく、所望のマイクロレンズアレイを作製することができ、非有効領域が少ないため、効率が高く不要光の少ない、光学素子を作製することができた。

また、この手法は、3次元構造が違うものでも同様の手法をもちることができるので、必要なマイクロレンズの形状が変化して設計形状の面積を計算しなおすだけで、新たにエッチング条件を検討することなく、すぐに対応することができた。

本発明は図３を用いて説明する。本実施例では、たとえば、図７のようなシリンドリカルレンズを作成する。

本発明において、３１はガラスモールドの型となるセラミックス基板である。本実施例では、フッ素系でも塩素系のガスでも加工可能な、ＳｉＣを用いた。セラミックスは、高温の加熱冷却を繰り返しに耐え、低熱膨張材料であるため、ガラスモールドの型として、すぐれている。しかし、表面性や加工が難しいなどの問題があった。表面性は、貴金属などのコーティングで、容易に解決されるが、加工性に関しては、要求される加工精度や形状が複雑になるにつれ、大きな課題であった。

基板３１上に、ＰＭＥＲ P-LA900PM（東京応化社製）をコーターを用いて、レジスト３２を形成し、図３（ａ）とした。

所望の３次元構造を得るために設計されたマスク３３をもちいて、露光する（図３（ｂ））。更に、専用現像液を用いて現像することにより、３次元構造をもった感光性樹脂３２'を作製し、図３（ｃ）とした。

図３（ｃ）の基板を図２（ｂ）に示すドライエッチング装置にセットしたこの装置におけるエッチングガスとしてSF6 30sccm、O2 0〜10sccm流し、3００W３Paの条件にてエッチングをした場合のレジスト面積比率と選択比の関係（図１０と同様のグラフ）が、酸素の各流量に対して事前に検討されている。本実施例では、O2 6.5sccm条件でエッチングを開始した。上記の条件では、レジスト面積比率と単位時間あたり選択比の関係が事前にわかっているので、設計値から予想されるレジストの面積比率をエッチング装置に付随しているモニターの計測（レジスト、セラミックスの夫々のエッチングレイトの計測）で補正しながら、選択比１を維持できるようO2の流量を調整しながらエッチングした。エッチングレイトの計測には、最も厚いレジストと同じ厚さの部分と、基板表面がでている測定場所が必要であり、基板上ではあるが、型としては、利用しない部分に観測用のパターン部を設けておいた。O2流量を6.5→2sccmに変化させていくことによって、選択比を一定にたもつことができた。

本実施例では、ドライエッチング装置を用いて、選択比１の異方性ドライエッチングを行うことにより、感光性樹脂３２'の形状をSiC基板３１に転写し、図３（ｄ）とした。SiC基板３４にPtをコーティングし、図３（ｅ）のように、ガラスモールドの型として使用し、ガラス３５を成形した。(図３（ｆ）)
高温の成形に耐えることができ、非球面などの複雑な形状も容易に加工することができ、非有効領域が少ないため、効率の高く不要光の少ない、光学素子を大量に安価に作製することができた。

また、この手法は、3次元構造が違うものでも同様の手法をもちることができるので、必要な形状が変化しても、設計形状の面積を計算しなおすだけで、新たにエッチング条件を検討することなく、すぐに対応することができた。

図４は、本発明の実施例を説明する図である。6角形のマイクロレンズアレイを作製するための型を石英基板にて作製する。基板４１上に、AZ-P４９０３（クラリアント社製）をコーターを用いて塗布し、レジスト４２とした。（図４(a)）
実施例１では、所望の３次元構造を得るためにエッチング条件をコントロールしたが、本実施例では、エッチング条件は一定とし、レジスト形状すなわちマスクに補正を行った。あらかじめ、図９にしめすような単位時間あたりの選択比とレジストの面積比率の関係がわかっているので、選択比が変化してエッチングをされた基板形状が所望の形状となるようなレジスト形状となるように、その補正も加えた上で設計された透過率分布をもつマスク４３を用意した。マスク４３を用いて、露光する。（図４（ｂ））更に、専用現像液を用いて現像し、３次元構造をもった感光性樹脂４２'を作製し、図４（ｃ）とした。

図４（ｃ）の基板をドライエッチング装置にセットした。エッチングガスとして、CHF3 30sccm、４００W４Paの条件にてエッチングをおこなった。マスクにすでに補正がされているので、上記の一定条件にてエッチングをおこなった。
マスク補正により、所望のマイクロレンズアレイを作製することができ、非有効領域が少ないため、効率が高く不要光の少ない、光学素子を作製することができた。

マスク補正の条件式がわかっているので、3次元構造が違うものでも同様の手法をもちることができ、必要な形状が変化しても、設計形状の面積を計算しなおすだけで、新たにエッチング条件を検討することなく、すぐに対応することができた。

[比較例１]
図５は比較例の３次元構造形成方法を表す図面であり，実施例１と同様のレジスト５２が塗布された基板５１が用いられる。（図５（ａ））
所望の３次元構造を得るために設計された透過率分布は、実施例１と同様マスク５３に作製されている。図５（ｂ）のように、実施例１と同様露光現像を行い、３次元構造をもった感光性樹脂５２'を形成した。感光性樹脂５２'は所望の3次元構造に形成されている。（図５（ｃ））
図５（ｃ）の基板をドライエッチング装置（ICP）にセットし、一定条件にてエッチングをおこなった。エッチング選択比が変化してしまい、図５（ｄ）にあるように所望の形状を得ることができなかった。

曲率が設計値からずれ、効率が低い性能の悪い光学素子となった。

図１１は本発明の光学系及び半導体露光装置をあらわす図面である。本実施例は、EUV露光装置である。アンジュレータ光源６１からは、細くて平行な、いわゆるペンシルビーム状のＸ線６２が放射される。このＸ線を照明光学系６３内で、短波長成分をカットするなどし、EUV光源の軸ブレ、非対称性を解消する、照明光源の形状を整えるなどのために実施例１〜３で作製された光学素子が用いられる。ほぼ単色なＸ線ビーム６２は反射型マスク６５に照射する。反射型マスク６５には所望のパターンが形成され、このパターンに応じてＸ線は反射し、投影光学系６４に導かれる。そして、反射型マスク６５のパターンがウェハ６７面に縮小投影され、レジストを感光させる。

高精度な光学素子を用いることによって、高解像、高性能な半導体露光装置を得ることができた。

実施例４に記載した光学素子を搭載した半導体露光装置を利用した半導体デバイス（半導体素子）の製造方法の実施例を説明する。

図１３は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、或いは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造のフローチャートである。本実施例において、ステップ１（回路設計）では、半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（ウェハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウェハ製造する。ステップ４（ウェハプロセス）は前工程と呼ばれ、前記用意した半導体露光装置によってウェハ上に実際の回路を形成する。

次のステップ５（組立）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって製作されたウェハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。

ステップ６（検査）ではステップ５で製作された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。

図１４は上記ステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。まず、ステップ１１（酸化）ではウェハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウェハ表面に絶縁膜を形成する。

ステップ１３（電極形成）ではウェハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）ではウェハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウェハにレジストを塗布する。

ステップ１６（露光）では前記用意した半導体露光装置によってマスクの回路パターンをウェハに焼付け露光する。ウェハをローディングしてウェハをマスクと対向させ、アライメントユニットで両者のズレを検出して、ウェハステージを駆動して両者の位置あわせを行う。両者が合致したならば露光を行う。露光終了後、ウェハは次のショットへステップ移動し、アライメント以下の動作を繰り返す。

ステップ１７（現像）では露光したウェハを現像する。ステップ１８（ドライエッチング）では、現像したレジスト以外の部分を削りとる。これらのステップを繰り返し行うことによってウェハ上に多重に回路パターンが形成される。

尚、本実施例の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導体デバイスの量産に対応することが出来る。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

本発明の第１の実施例に係る製造工程を説明する図である。 本発明の第１〜３の実施例に係るエッチング装置を説明する図である。 本発明の第２の実施例に係る製造工程を説明する図である。 本発明の第３の実施例に係る製造工程を説明する図である。 比較例に係る製造工程を説明する図である。 本発明の第１の実施例に係る光学素子を説明する図である。 本発明の第２の実施例に光学素子を説明する図である。 本発明の解決手段を説明する図である。 本発明の解決手段を説明する図である。 本発明の解決手段を説明する図である。 本発明の第４の実施例に係る半導体露光装置の図である。 ３次元構造形成方法を説明する図である。 本発明の第５の実施例に係る半導体デバイスの製造フロ−である。 本発明の第５の実施例に係る半導体デバイスの製造フロ−の中のウェハ−プロセスの詳細なフロ−である。

符号の説明

１１、２１、３１、４１、５１ 基板
１２、１２'、２２、２２'、３２、３２'、４２、４２'、５２、５２' レジスト（感光性樹脂）
１３、２３、３３、４３、５３ マスク
３４ 基板（型）
３５ 光学素子
６１ アンジュレータ光源
６２ Ｘ線ビーム
６３ 照明光学系
６４ 投影光学系
６５ 反射型マスク
６６ マスクステージ
６７ ウェハ
６８ ウェハステージ
７１ 開口部
７２ 遮光部

Claims (14)

1. 基板に、3次元構造をもった樹脂を形成し、前記樹脂をドライエッチングし、前記樹脂の形状を基板に転写することにより3次元構造をもった基板を製造する工程において、エッチングを行う際に、前記基板に対するエッチングレイトと前記樹脂に対するエッチングレイトの比（選択比）が一定になるようにエッチング条件を基板上の樹脂の残存面積により変化させていくことを特徴とする３次元構造形成方法。
2. 基板に、3次元構造をもった樹脂を形成し、前記樹脂をドライエッチングし、前記樹脂の形状を基板に転写することにより3次元構造形成する方法において、ドライエッチング時のある条件における樹脂の残存面積と選択比の関係を把握し、樹脂の３次元構造に補正をかけ、前記エッチング条件でドライエッチングすることにより、所望の３次元構造を得ることを特徴とする３次元構造形成方法。
3. 基板が光学部材であることを特徴とする請求項１または２に記載の3次元構造形成方法。
4. 基板が型であることを特徴とする請求項１または２に記載の3次元構造形成方法。
5. 基板に、3次元構造をもった樹脂を形成し、前記樹脂をドライエッチングし、前記樹脂の形状を基板に転写することにより3次元構造を形成するドライエッチング装置において、基板上の樹脂面積を測定し、エッチング条件にフィードバックさせるアルゴリズムを持つことを特徴とするドライエッチング装置。
6. 請求項５におけるドライエッチング装置がRIE（リアクティブイオンエッチング）、ICP、NLD、ADPであることを特徴とするドライエッチング装置。
7. 請求項５または６に記載のドライエッチング装置を用いて、3次元構造をもった樹脂をエッチングすることを特徴とする３次元構造形成方法。
8. 請求項３、４または７の３次元構造形成方法を用いて製造した光学素子。
9. 請求項３、４または７の３次元構造形成方法を用いて製造したマイクロレンズ。
10. 請求項９に記載のマイクロレンズは、微小なレンズが繰り返し配置されたマイクロレンズアレイであり、微小レンズの形状は、シリンドリカル、六角、円弧、矩形のいずれかであることを特徴とする光学素子。
11. 請求項８、９または１０記載の光学素子を少なくとも１つ採用したことを特徴とする光学系。
12. 請求項１１に記載の光学系を少なくとも１つ採用したことを特徴とする装置。
13. 請求項１２に記載の装置を用いて製造されるデバイス製造方法。
14. 請求項１３に記載の装置を用いて製造されるデバイス。

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