JP2006222378A

JP2006222378A - ステンシルマスク及びその製造方法

Info

Publication number: JP2006222378A
Application number: JP2005036317A
Authority: JP
Inventors: Toshihisa Kinoshita; 歳久木下
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 2005-02-14
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2006-08-24

Abstract

【課題】機械的強度、耐エッチング性及び耐熱性を維持しながらスリット幅の小さく、かつ安定した精度で容易に製造し得るステンシルマスクを提供する。
【解決手段】基板１の厚さ方向に貫通するスリット２を有するステンシルマスクであって、スリット２は開口幅の大きい第一のスリット部21と、第一のスリット部21の底面21aに開口する開口幅の小さい第二のスリット部22とからなり、第二のスリット部22を有する基板部分の厚さが10〜20μmであることを特徴とするステンシルマスク。
【選択図】図２

Description

本発明はフォトリソグラフィに用いるステンシルマスクに関し、特に機械的強度、耐エッチング性及び耐熱性を維持しながらスリット幅が小さく、かつ安定した精度で容易に製造し得るステンシルマスク及びその製造方法に関する。

近年、光学素子や半導体デバイス等の三次元微細加工において、所定形状のスリットを有するステンシルマスクが用いられている。ステンシルマスクのスリットを介してエネルギービームを被加工物に照射させながらその表面をエッチングし、ステンシルマスク及び被加工物の少なくとも一方を他方に対して相対移動させて、所定の三次元形状の回折格子を形成させることにより、作業時間及びコストを大幅に削減することができる。

ステンシルマスクは通常Si基板にエッチング法により形成される。Si基板は自己支持性を有するために100μm程度を厚さが必要である。そのため図4に示すように、Si基板１を貫通するスリット２の小幅化には限界がある。著しく幅の狭いスリットを形成しようとすると、原理的には図５に示すようにSi基板１を例えば２μmと薄くすれば良いが、そうすると十分な基板強度が得られず、ハンドリングが困難となる。

その対策として、特開2001-210578号（特許文献１）は、図６に示すステンシルマスクの製造方法を開示している。この方法は、厚さ２μmのSi層41と、厚さ1μmのSiO₂絶縁層42と、厚さ725μmのSi層43とからなるSOI基板に微細パターン形成領域45と大型パターン形成領域46を形成するもので、まず微細パターン形成領域45を、レジスト膜44aを用いてSi層43の側からエッチングで６μｍ掘り込み（工程(a)）、レジスト膜44aを除去し（工程(b)）、同様にレジスト膜44bを用いて、微細パターン形成領域45及び大型パターン形成領域46のエッチングを同時に行う（工程(c)）。大型パターン形成領域46では絶縁層42まで掘り込むが、微細パターン形成領域45では絶縁層42を越えてSi層41内まで掘り込む（工程(d)）。SOI基板を反転させた後、SOI基板の反対側の面に形成したレジスト膜44cに所定の開口パターンを形成し（工程(e)）、Si層41の微細パターン形成領域45に開口幅の小さいスリットを形成するとともに、大型パターン形成領域46に開口幅の大きいスリットを形成した後、レジスト膜44cを除去する（工程(f)）。

この方法において、微細パターン形成領域45が絶縁層42に到達したとき、大型パターン形成領域46は絶縁層42より６μmだけ手前に位置するが、SiO₂絶縁層とSi層のエッチングスピード比は１：５であるため、大型パターン形成領域46が絶縁層42に到達したときには、微細パターン形成領域45は（５÷５＋１）μmだけエッチングが進んでいる。そのため微細パターン形成領域45の基板厚さは１μmとなる。

上記方法では、大型パターン形成領域46では絶縁層42までエッチングした時点で終了となるため、安定した深さ制御が可能であるが、微細パターン形成領域45では、絶縁層42を貫通してSi層41までエッチングするため、エッチング深さは絶縁層42の厚さの誤差やエッチング条件に影響される。特に上記エッチングスピード比のため、絶縁層42の厚さむらの5倍のむらが微細パターン形成領域45に生じるが、微細パターン形成領域45の基板厚さは１μmと非常に薄いので、絶縁層42の厚さむらによる影響は重大である。このように微細パターン形成領域45における安定した基板厚さの制御は非常に困難であり、ステンシルマスクとして実用性に欠けるという問題がある。

特開2001-210578号公報

従って本発明の目的は、機械的強度、耐エッチング性及び耐熱性を維持しながらスリット幅の小さく、かつ安定した精度で容易に製造し得るステンシルマスクを提供することである。

本発明のもう一つの目的はかかるステンシルマスクの製造方法を提供することである。

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、ステンシルマスクのスリットを開口幅の大きい第一のスリット部と、それに連結した開口幅の小さい第二のスリット部とで構成することにより、機械的強度、耐エッチング性及び耐熱性を維持しながらスリット幅の小さく、かつ安定した精度で容易に製造し得るステンシルマスクが得られることを発見し、本発明に想到した。

すなわち、本発明は以下の手段により達成される。
(1) 基板の厚さ方向に貫通するスリットを有するステンシルマスクであって、前記スリットは開口幅の大きい第一のスリット部と、前記第一のスリット部の底面に開口する開口幅の小さい第二のスリット部とからなり、前記第二のスリット部を有する基板部分の厚さが10〜20μmであることを特徴とするステンシルマスク。
(2) 上記(1) に記載のステンシルマスクにおいて、前記基板が単一成分からなることを特徴とするステンシルマスク。
(3) 上記(2) に記載のステンシルマスクにおいて、前記基板が単結晶シリコンからなることを特徴とするステンシルマスク。
(4) 開口幅の大きい第一のスリット部と、前記第一のスリット部の底面に開口する開口幅の小さい第二のスリット部とからなるステンシルマスクの製造方法であって、前記基板の一方の面にフォトレジストを用いたエッチング法により前記第一のスリット部を形成した後、前記基板の他方の面にフォトレジストを用いたエッチング法により、前記第一のスリット部の底面に開口するように前記第二のスリット部を形成することを特徴とする方法。
(5) 上記(1)〜(3) のいずれかに記載のステンシルマスクの製造方法であって、前記基板の一方の面にフォトレジストを用いたエッチング法により前記第一のスリット部を形成した後、前記基板の他方の面にフォトレジストを用いたエッチング法により、前記第一のスリット部の底面に開口するように前記第二のスリット部を形成することを特徴とする方法。
(6) 上記(4) 又は(5) に記載のステンシルマスクの製造方法において、前記エッチングを反応性イオンエッチング法により行なうことを特徴とする方法。
(7) 上記(6) に記載のステンシルマスクの製造方法において、前記反応性イオンエッチング工程と、形成されたスリットの側面に保護膜を形成する工程とを交互に行なうことにより、所定の幅のスリットを形成することを特徴とする方法。

本発明のステンシルマスクは、スリットが開口幅の大きい第一のスリット部と、それに連結した開口幅の小さい第二のスリット部とからなるとともに、第二のスリット部を有する基板部分の厚さが10〜20μmであるので、誤差を考慮しても実用上機械的強度、耐エッチング性、耐熱性等に問題がなく、かつ安定した製造が容易である。

[1] ステンシルマスク
図１及び２は本発明の一実施例によるステンシルマスクを概略的に示す。この例では、ステンシルマスクに複数のスリット２が基板１にピッチ間隔Wで二次元配列されている。スリット２は大きい開口幅h₁の第一のスリット部21と小さい開口幅h₂の第二のスリット部22とからなり、第二のスリット部22は第一のスリット部21の底面21aのほぼ中央に連結している。

基板１の厚さtは100〜200μmであるのが好ましく、100〜150μmであるのがより好ましい。基板１の厚さtが100μm未満であると、基板１の機械的強度、耐エッチング性及び耐熱性が低く、エネルギービームによりスリット２が変形するおそれがある。一方、基板１の厚さtが200μmを超えても、ステンシルマスクの製造効率が低下するだけである。

ピッチ間隔Wは10〜100μmであるのが好ましい。ピッチ間隔Wが10μm未満であると、ステンシルマスクにおけるスリット２が占める領域の割合が大きくなり、ステンシルマスクが実質的に薄型化するためスリット部の機械的強度、耐エッチング性及び耐熱性が悪く、製造時の寸法精度も得られにくい。一方、ピッチ間隔Wが100μm超であると、ステンシルマスクが大型化するため、ステンシルマスク自体の機械的強度が悪くなる。

第一のスリット部21の開口幅h₁は３〜20μmであるのが好ましく、５〜10μmであるのがより好ましい。開口幅h₁が３μm未満であると、第一のスリット部21のスリット幅が小さすぎ、エッチング加工が困難であり、開口幅h₁が20μm超であると、ステンシルマスクの機械的強度、耐エッチング性及び耐熱性が悪い。

第二のスリット部22の開口幅h₂は、被加工物をより精密に加工するためには小さいほど望ましいが、小さすぎるとエッチング加工が困難となる。実用的には0.5〜１μmであるのが好ましい。

第二のスリット部22の高さ（薄肉部３の厚さ）t₂は、0.5〜１μmの開口幅h₂の場合、10〜20μmであるのが好ましく、10〜15μmであるのがより好ましい。第二のスリット部22の高さt₂はエッチング加工の観点から出来るだけ小さいほうが好ましいが、10μm未満であると薄肉部３が薄すぎるため、薄肉部３の機械的強度、耐エッチング性及び耐熱性が低く、第二のスリット部22が変形するおそれがある。またt₂が20μmを超えると、第二のスリット部22が細長くなりすぎ、エッチング加工が困難になり、かつ寸法精度も悪くなる。

基板１の材料は、ステンシルマスクとして使用可能なものであれば特に限定されないが、単結晶シリコン、SOI（Silicon On Insulator）、ガラス、ポリエチレン、タングステン、SUS（ステンレス鋼）等が挙げられ、単一成分であるのが好ましく、中でも単結晶シリコンがより好ましい。

以上の通り、第二のスリット部22を有する非常に薄い薄肉部３の上に、実用的な深さの第一のスリット部21を設けることにより、第二のスリット部22のアスペクト比が小さくなる。このため、エッチングによりスリット２を製造する際、反応性ラジカル等の不純物が第二のスリット部22の底部に蓄積するのを防止することができる。加えて、第二のスリット部22の寸法精度を向上させることができる。

第一のスリット部21の横断面形状は一般に第二のスリット部22と相似の細長い長方形であるが、これに限定されず、例えば正方形でも円筒形でも良い。第一のスリット部21の形状が円筒形であれば、最小の開口部の面積で、開口幅h₁が最大になるため、ステンシルマスクの機械的強度等の低下を最小限に留めることができる。

(2) ステンシルマスクの製造方法
図３を参照して、ステンシルマスクの製造方法について詳細に説明する。まず基板１の一方の面1aにレジスト層11aをスピンコータにより形成する（工程(a)）。ピッチ間隔Wで二次元配列された第一のスリット部21に相当するパターンを有するフォトマスク（図示せず）を用いて、レジスト層11aに第一のスリット部21に相当する開口部12aを形成する（工程(b)）。他方の面1bから第二のスリット部22を形成する際（後述する）、第一のスリット部21の位置と正確に対応するように、フォトマスクに位置合わせ用のアライメントマークが付いているのが好ましい。RIE法等のドライエッチング法により基板１の開口部12aにより露出した領域をスリット深さがt₁になるまでエッチングし、第一のスリット部21を形成した後、レジスト層11aを除去する（工程(c)）。

基板１を裏返しにして、基板１の他方の面1bにレジスト層11bをスピンコータにより形成する（工程(d)）。第二のスリット部22に相当する開口部12bを、第一のスリット部21と同様にフォトレジスト法により形成する（工程(e)）。その際、アライメントマークを用いて開口部12bが第一のスリット部21のほぼ中心部に位置するように調節する。最後に、第一のスリット部21に貫通するまでエッチングを行い、第一のスリット部22を形成した後、レジスト層11bを除去する（工程(f)）ことにより、ステンシルマスクが得られる。

エッチング方法としては、例えばドライエッチングやレーザー加工等が挙げられるが、反応性イオンエッチング法（RIE）が好ましく、RIE工程と、形成されたスリット側面に保護膜を形成する工程を交互に行いながらスリット２を形成するDeep-RIEがより好ましい。保護膜を形成することにより、スリット２を形成していく過程でスリット側面が削られてスリット２の幅が広がるのを防ぐことができる。RIEに使用するエッチングガスとしては、SF₆，CF₄，又はCCl₄等のハロゲンガス、O₂等が好ましく、SF₆が特に好ましい。保護膜としては、C₄H₈ガスを用いて、CFx（x＝１，２，３・・・）ラジカル及びイオンの重合反応により形成された、テフロン（登録商標）に近い組成を有するポリマー膜（フロロカーボン系保護膜）が好ましい。保護膜の厚さはRIEの加工速度に応じて適宜決められるが、１nm〜50nm程度が好ましい。保護膜の厚さが１nm未満であると、保護膜としての効果が十分に発揮されず、50nm超であると、形成されるスリットの寸法精度が悪くなる。

本発明の一実施例によるステンシルマスクを概略的に示す断面図である。図１の一部を示す拡大断面図である。本発明の一実施例によるステンシルマスクの製造工程を示す図である。ステンシルマスクのスリットの一例を概略的に示す断面図である。ステンシルマスクのスリットの別の例を概略的に示す断面図である。従来のステンシルマスクの製造工程を示す図である。

符号の説明

１・・・基板
1a・・・一方の面
1b・・・他方の面
２・・・スリット
21・・・第一のスリット部
21a・・・底面
22・・・第二のスリット部
３・・・薄肉部
11a，11b・・・レジスト層
12a，12b・・・開口部
41，43・・・Si層
42・・・SiO₂絶縁層
44a，44b，44c・・・レジスト膜
45・・・微細パターン形成領域
46・・・大型パターン形成領域

Claims

基板の厚さ方向に貫通するスリットを有するステンシルマスクであって、前記スリットは開口幅の大きい第一のスリット部と、前記第一のスリット部の底面に開口する開口幅の小さい第二のスリット部とからなり、前記第二のスリット部を有する基板部分の厚さが10〜20μmであることを特徴とするステンシルマスク。
請求項１に記載のステンシルマスクにおいて、前記基板が単一成分からなることを特徴とするステンシルマスク。
請求項２に記載のステンシルマスクにおいて、前記基板が単結晶シリコンからなることを特徴とするステンシルマスク。
開口幅の大きい第一のスリット部と、前記第一のスリット部の底面に開口する開口幅の小さい第二のスリット部とからなるステンシルマスクの製造方法であって、前記基板の一方の面にフォトレジストを用いたエッチング法により前記第一のスリット部を形成した後、前記基板の他方の面にフォトレジストを用いたエッチング法により、前記第一のスリット部の底面に開口するように前記第二のスリット部を形成することを特徴とする方法。
請求項１〜３のいずれかに記載のステンシルマスクの製造方法であって、前記基板の一方の面にフォトレジストを用いたエッチング法により前記第一のスリット部を形成した後、前記基板の他方の面にフォトレジストを用いたエッチング法により、前記第一のスリット部の底面に開口するように前記第二のスリット部を形成することを特徴とする方法。
請求項４又は５に記載のステンシルマスクの製造方法において、前記エッチングを反応性イオンエッチング法により行なうことを特徴とする方法。
請求項６に記載のステンシルマスクの製造方法において、前記反応性イオンエッチング工程と、形成されたスリットの側面に保護膜を形成する工程とを交互に行なうことにより、所定の幅のスリットを形成することを特徴とする方法。