JP2007165362A - Ｘ線マスク及びその製造方法並びに紫外線リソグラフィー用階調マスク - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＩＧＡプロセス及び紫外線リソグラフィーによる微細加工において三次元形状の成形を可能にするマスクを簡便な工法で提供する。
【解決手段】Ｘ線を透過させる支持体上に、Ｘ線吸収体１０となる微粒子を含むバインダー樹脂を微粒子ペースト１７のインク剤として、インクジェット方式により基板１１上にパターン印刷して積層する。積層の厚さを変化させることでＸ線の透過量を制御することのできる三次元構造を有するＸ線マスク１２を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回路基板、ディスプレー、半導体、マイクロマシン等の光学部品や機械部品の加工のうち、特に三次元的な形状の微細加工に優れた技術として用いられる微細加工用マスク、特に、ＬＩＧＡプロセスにおいて利用されるＸ線マスク及びその製造方法、並びに紫外線リソグラフィー用階調マスクに関するものである。

近年、情報通信機器やマイクロマシン等の発達に伴い、光学部品や機械部品等の小型化が進行しており、微小精密部品を高精度で加工する技術が求められている。このような加工技術としては、従来より、半導体集積回路等の製造に用いられるＸ線リソグラフィーやフォトリソグラフィー等の技術が知られている。また、このＸ線リソグラフィーの技術を応用した方法として、ＬＩＧＡプロセスが知られている。このＬＩＧＡプロセスとは、シンクロトロン放射光源から放射されるＸ線（ＳＲ光）を利用して高アスペクト比を有する微細形状を加工する技術である。更に具体的には、ＬＩＧＡプロセスとは、Ｘ線リソグラフィと電鋳およびモールディングを組み合わせ、アスペクト比(加工幅に対する深さ(高さ)の比)の大きな形状を作る製法で、１９８０年代にドイツ・カールスルーエ原子核研究所で開発された技術である。Lithographie（リソグラフィー），Galvanoformung（電鋳），Abformung（成型）の各工程のドイツ語の頭文字をとってＬＩＧＡと名付けられている。厚さ１００μｍ以上のレジスト（感光性有機材料）に直進性の良いシンクロトロン放射（ＳＲ）光装置から発生するＸ線を用い、Ｘ線マスクを介してパターンを転写することにより、１００μｍ以上の深さ（高さ）で横方向に任意の形状を持った超精密部品の製造が可能である。

図５（ａ）〜（ｅ）には、Ｘ線の照射面を上にした状態で、ＬＩＧＡプロセスによる微細加工の概略工程断面図が示されている。この微細加工は、以下のようにして行われる。
（ａ）基板５０の表面にレジスト膜５１を塗布する。
（ｂ）Ｘ線マスク５３を介してシンクロトロン光源からのＸ線をレジスト膜５１に照射し、当該レジスト膜５１をパターニングする。Ｘ線マスク５３には、Ｘ線吸収体５４のパターンが形成されている。
（ｃ）現像を行い、露光された部位を除去し、レジスト構造体５５を形成する。
（ｄ）レジスト構造体５５を型として金属を電着させた後にレジスト構造体５５を除去して金属構造体５６を形成する。
（ｅ）金属構造体５６を成形型として合成樹脂成形品５７を成形する。

このように、ＬＩＧＡプロセスにおいては、必ずＸ線マスクが必要となり、当該Ｘ線マスクの製造においても微細加工技術が必要とされる。このＸ線マスクは、例えば、図６（ａ）〜（ｇ）の概略工程断面図に示されるように、紫外線リソグラフィーを用いて形成することができる。
すなわち、
（ａ）基板６０上にレジスト膜６１を塗布する。
（ｂ）基板６０上に紫外線リソグラフィー用のマスク６３を配置して紫外線を露光する。
（ｃ）現像を行い、露光された部位を除去して凹部６４を形成する。
（ｄ）スパッタリング法もしくはメッキ法により凹部６４にＸ線吸収体６５を備えた構造体を形成する。
（ｅ）溶剤でレジスト膜６１を除去する。
（ｆ）Ｘ線吸収体６５を被覆するように基板６０上にＸ線透過剤６６を塗布する。
（ｇ）エッチング液で基板６０を除去してＸ線マスク６７が形成される。

Ｘ線マスク６７の製造方法は上例に限るものではないが、いずれにしても、ＬＩＧＡプロセスの前に複雑な微細加工工程を経て、Ｘ線マスクを製造しなければならない。このＸ線マスクの製造コストの高さが問題となっている。

また、ＬＩＧＡプロセスにおいては、上述のように基板５０に垂直にＸ線を入射させるため基板５０に垂直な方向の材料加工しかできないという大きな制約がある。

そこで、ＬＩＧＡプロセスで三次元構造の加工を行う方法として、透過パターンの異なる複数枚のＸ線マスクを用意し、これらのＸ線マスクを順次交換しながら複数回のＸ線露光を行う方法や、特許文献１に示されるように、Ｘ線マスクとレジストを相対的に移動させながら露光することにより三次元形状を実現する方法が知られている。

特許３３８０８７８号公報

しかしながら、透過パターンの異なる複数枚のＸ線マスクを用いる方法にあっては、製造コストが非常に高くなる他、多重露光時にアライメントが必要となり製造プロセスが複雑となるなどの不都合がある。

また、特許文献１の方法にあっては、Ｘ線マスクとレジストとの相対移動に高い動作精度が要求され、二次元形状を形成する場合に比べ、製造プロセスが複雑になるという不都合がある。

[発明の目的]
本発明は、このような不都合に着目して案出されたものであり、その目的は、ＬＩＧＡプロセスによる任意の三次元形状の微細加工を可能とし、容易且つ安価に製造することのできるＸ線マスクおよびＸ線マスクの製造方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、Ｘ線マスクの製造方法を利用して紫外線階調マスク並びに紫外線リソグラフィー用階調マスクを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、ＬＩＧＡプロセスによる微細加工に使用するＸ線マスクであって、
Ｘ線を透過させる支持体と、当該支持体の上に設けられたＸ線吸収体とからなり、
前記Ｘ線吸収体は、Ｘ線を吸収する微粒子を積層し、その層厚を変化させることでＸ線の透過量を制御する、という構成を採っている。

本発明において、前記微粒子は金、銀、銅、鉛、白金、スズ、タングステン、タンタル、パラジウム、ニッケル、ビスマス、インジウム、レニウム等の金属もしくは金属の酸化物、窒化物、硫化物、炭化物、フッ化物、および合金等の金属化合物のナノ粒子からなるものである。

また、前記Ｘ線吸収体は、所定のバインダー樹脂を含む微粒子ペーストをインク剤として印刷することができる。

更に、本発明は、ＬＩＧＡプロセスによる微細加工に使用するＸ線マスクの製造方法であって、
Ｘ線を透過させる支持体の上にＸ線を吸収する微粒子を含むインク剤を用いてインクジェット方式による印刷によって多層印刷を行い、
その際に、各層の印刷面積を変化させることで層厚を変化させる、という方法を採っている。

また、本発明は、紫外線リソグラフィーに使用するマスクであって、
紫外線を透過させる支持体と、当該支持体の上に設けられた紫外線吸収体とからなり、
前記紫外線吸収体は、紫外線を吸収する微粒子を含むインク剤をインクジェット方式による印刷を施してドット分布が粗密となる領域を備える、という構成を採っている。

本発明に係るＸ線マスクは、微細なマスクパターンを形成するＸ線吸収体を、スクリーンを用いることなく基板に直接印刷することで、微細加工の工程を経ることなく製造することができる。
前記印刷は、例えば、特開２００２−３２４９６６号公報に開示されたインクジェット方式による印刷法により、導電性ナノ金属ペーストを用いて微細な配線パターンを形成する方法によって行うことが例示できる。
すなわち、インクとしてＸ線吸収体である微粒子を含んだペーストを用いることで、インクジェット方式による印刷法によりＸ線マスクを形成することが可能となる。また、印刷パターンを変えて同一の基板に印刷を繰り返し行うことにより、微粒子の積層による三次元形状を有するＸ線マスクを容易に製造することができる。

Ｘ線マスクの支持体となる基板はＸ線を透過する樹脂を採用することができ、特に、ポリイミドを用いることが好ましい。また、微粒子ペーストを基板上に固定するために、基板に接着力を高める表面処理若しくは表面に溶剤の塗布が行われていることが好ましい。

Ｘ線マスクの母体となる微粒子は、薄い膜厚でＸ線を十分に吸収するものが好ましい。従って、微粒子がＸ線吸収係数の高い重金属、もしくは重金属を含む化合物で構成されていることが好ましい。例えば、金、銀、銅、鉛、白金、スズ、タングステン、タンタル、パラジウム、ニッケル、ビスマス、インジウム、レニウム等の金属もしくはそれら金属の酸化物、窒化物、硫化物、炭化物、フッ化物等の微粒子および複数の金属の合金等の微粒子をＸ線吸収体として用いることができる。

微粒子の粒子径はインクジェットプリンタのノズル径より十分小さなサイズであることが必要とされる。平均粒子径は１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲であることが好ましい。１ｎｍ以下では、Ｘ線マスク構造体を保持する事が困難であり、１００ｎｍを越えると、構造体に粒子径に起因する不均一が生じるためである。

微粒子ペーストは、インクジェットプリンタのインクタンク内で、液体として微粒子が拡散した状態を保持し、印刷後の加熱処理によって固化した状態を保持する性質が必要とされる。そのため、微粒子ペーストは、有機溶剤中に微粒子の種類に合わせた適当な分散剤とバインダー樹脂を含んだものが好ましい。

分散剤は、有機溶剤中で微粒子表面を被覆し、微粒子の凝集を防ぐ性質を有するものが好ましい。例えば、微粒子として、金や銀等の金属粒子を用いた場合、アルキルアミン、アルカンジオール、アルカンチオール等、金属元素と配位結合を形成する官能基を有するものが含まれていることが好ましい。

バインダー樹脂には、塗布後に過熱によって硬化する性質が必要とされる。例えば、微粒子として、金や銀等の金属粒子を用いた場合、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が好ましい。

インクジェット方式による印刷に用いられるインクジェットプリンタは、目的のＸ線マスクパターンの印刷が可能な微細なノズルを有するものでなければならない。インク吐出方法としては微小液滴の吐出に適したピエゾ方式、若しくは、例えば、特開２００４−１６５５８７公報に記載されている超微細印刷用の静電吸引方式が例示できる。

必要とされるＸ線マスクの膜厚は、照射するＸ線のエネルギーとＸ線吸収体となる微粒子の種類によって異なるが、最厚部分が５μｍ〜５０μｍの範囲であることが好ましい。５μｍ以下ではＸ線の吸収が十分でないため目的の形状が得られない。一方、５０μｍを越えると過剰な厚みによりＸ線マスクの製作コストが大きくなるためである。

平面方向への形状の制約は特に無く、任意の形状を形成することができる。

本発明によれば、電子データから直接マスクを製造できるため、微細加工のプロセスが省略され、従来の方法に比べ、格段に製造コストが安価なＸ線マスク、紫外線リソグラフィー用階調マスクを提供することができる。

また、マスクと基板の相対移動による方法では、テーパが付いた立体形状しか成形できないのに対し、本発明に係るＸ線マスクによれば、電子データ上で設計した任意の三次元形状の成形が可能となる。また、Ｘ線マスクを形成する方法により、紫外線リソグラフィー用階調マスクを形成することができる。

以下に、実施例に係るＸ線マスクの製造方法を説明する。

[実施例１]
図１（ａ）は底面の直径２００μｍ、上面の直径が１５０μｍ、高さ２０μｍの円錐台形状のＸ線吸収体１０がポリイミド基板１１（支持体）に配列されたＸ線マスク１２の平面図を示している。図１（ｂ）〜（ｄ）は製造工程の概略図を示している。なお、理解を容易とするため、図１（ａ）の一部領域ａについて、円錐台形状の構造体を構成するドット数を減らして簡略化して描いている。

目的とする成型品の三次元形状に対応するマスクパターンを複数の層状の二次元ドットパターンデータ１５として設計する。垂直方向のドット数によって膜（層）厚を変化させＸ線の透過量を制御する。図１（ｂ）は上部から見た電子データの二次元パターンを下層から順に示している。

図１（ｃ）はインクジェット方式による印刷を示す断面図である。各層ドットパターンデータにもとづき、直径３０μｍの微細ノズルを持つピエゾ方式のインクジェットプリンタノズル１６から平均粒５ｎｍの銀ナノ粒子とフェノール樹脂を含むペースト１７を吐出させ、最下層から順にポリイミド基板１１上に印刷する。一層印刷するごとに、銀ペースを加熱させ、フェノール樹脂を硬化させる。

印刷、加熱処理を繰り返し、図１（ｄ）に示される円錐台形状のＸ線吸収体１０が基板１１上に設けられたＸ線マスク１２を形成することができた。

[実施例２]
図２には第２実施例が示されている。図２（ａ）は、円柱、三角錐、四角錐のＸ線吸収体１０（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）がポリイミド基板１１上に順に配列された三次元構造を有するパターンの平面図である。図２（ｂ）はパターンの一部ｂを拡大した断面図であり、実施例１と同じ銀ナノ粒子ペーストを用いて、Ｘ線マスク１２を形成した。実施例１に比べ、個々のＸ線吸収体１０ａ〜１０ｃの形状が異なる複雑な構造を有しているが、実施例１とほぼ同じ工数でＸ線マスク１２を形成することができた。

[実施例３]
前記実施例１及び２は、ＬＩＧＡプロセスにおいて用いるＸ線マスクであるが、上述の製造方法を用いて紫外線リソグラフィー用階調マスク３０を作成した。このマスク３０は、図３（ａ）、（ｂ）に示されるように、紫外線を透過する支持体３１と、ドット３２による印刷領域とにより構成されている。印刷領域は、支持体３１の中央に向かうほどドット３２の密度が大きいパターンとなるように設けられている。

前記ドット状の印刷は、ノズル径１μｍの静電吸引方式の微微細インクジェットプリンタを用い、実施例１と同じ銀ナノ粒子ペーストを用いて行った。積層は行わず、１層のみ配列させた。図３（ｂ）は基板３５上に塗布されたレジスト膜３６への紫外線照射の断面図を示している。レジスト膜３６には、クラリアントジャパン社誠のAZ P4903と呼ばれる厚膜レジストを用いた。

紫外線照射後の現像によって、図３（ｃ）に示す円錐形状の構造体３７が基板３５上に形成されたレジスト構造体４０が形成された。マスク３０の形状とレジスト構造体４０の形状が異なるのは、紫外線はＸ線に比べ波長が長いため、干渉によって、マスク３０の構造の分解能を下げた形でレジストに照射されるためである。

図４に紫外線照射量に対する加工深さを示す。照射量と加工深さは線形性を有しており、三次元形状の設計−加工が可能であることが分かる。

以上のように、本発明によれば、実施例１のマスクを用いて、マスク移動無しでテーパ付きの三次元構造体を形成できるだけでなく、実施例２のマスクを用いて、複雑な三次元構造体を形成することも可能となる。更に、実施例３のように、紫外線リソグラフィー用の階調マスクに応用することができる。また、本発明方法は、従来よりも格段に工数が少なく、簡便であり、ＬＩＧＡプロセスもしくは紫外線リソグラフィーによる微細加工の工程を大幅に簡略化することができる。

本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。
すなわち、本発明は、主に特定の実施の形態に関して特に図示し、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想及び目的の範囲から逸脱することなく、以上に述べた実施の形態に対し、形状、材料、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではない。

（Ａ）は第１実施例に係るＸ線マスクの平面図、（Ｂ）は横断面位置を代えてみたときに印刷面積が異なる状態を示す平面図、（Ｃ）はインクジェット方式による印刷層を積層する状態を示す正面図、（Ｄ）は図１（Ａ）のａ部断面図である。 （Ａ）は第２実施例に係るＸ線マスクの平面図、（Ｂ）は図２（Ａ）のｂ部断面図である。 （Ａ）は紫外線リソグラフィー用の階調マスクの平面図、（Ｂ）は同マスクを用いてレジスト層に紫外線を照射する状態を示す正面図、（Ｃ）は紫外線照射後の現像によって得られたレジスト構造体の正面図である。 紫外線照射量とレジスト膜の加工深さの関係を示す図である。 （Ａ）〜（Ｅ）はＬＩＧＡプロセスによる微細加工工程の概略断面図である。 （Ａ）〜（Ｇ）は紫外線リソグラフィーによるＸ線マスクの製造工程の概略断面図である。

符号の説明

１０ Ｘ線吸収体
１１ 基板（支持体）
１２ Ｘ線マスク
１６ ノズル
３０ 紫外線階調マスク
３１ 支持体
３２ ドット

Claims (5)

1. Ｘ線を透過させる支持体と、当該支持体の上に設けられたＸ線吸収体とからなり、
   前記Ｘ線吸収体は、Ｘ線を吸収する微粒子を積層し、その層厚を変化させることでＸ線の透過量を制御することを特徴とするＸ線マスク。
2. 前記微粒子は、金、銀、銅、鉛、白金、スズ、タングステン、タンタル、パラジウム、ニッケル、ビスマス、インジウム、レニウム等の金属もしくは金属の酸化物、窒化物、硫化物、炭化物、フッ化物、および合金等の金属化合物のナノ粒子からなることを特徴とする請求項１記載のＸ線マスク。
3. 前記支持体上のＸ線吸収体は、バインダー樹脂を含む微粒子ペーストをインク剤として印刷されていることを特徴とする請求項１又は２記載のＸ線マスク。
4. Ｘ線を透過させる支持体の上にＸ線を吸収する微粒子を含むインク剤を用いてインクジェット方式による印刷によって多層印刷を行い、
   その際に、各層の印刷面積を変化させることで層厚を変化させることを特徴とするＸ線マスクの製造方法。
5. 紫外線を透過させる支持体と、当該支持体の上に設けられた紫外線吸収体とからなり、
   前記紫外線吸収体は、紫外線を吸収する微粒子を含むインク剤をインクジェット方式による印刷を施してドット分布が粗密となる領域を備えていることを特徴とする紫外線リソグラフィー用階調マスク。

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