JP2008064812A - パターン構造体及びパターン形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラスやフィルムに対して微細かつ高アスペクト比のレジストパターンを形成することができるパターン構造体及びパターン形成方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るパターン形成方法は、感光性レジスト材料１３Ｂを露光、現像してパターン層１５を形成する方法において、基板１１の上に感光性レジスト材料１３Ｂを塗布する工程の前に、基板の上に同一又は他の感光性レジスト材料からなる下地層１３Ａを形成する。パターン層１５の下地として、下地層１３Ａを設けることで、基板１１とパターン層１５の密着性を高めて微細かつ高アスペクト比のパターン層１５の形成を可能とする。また、基板１１と下地層１３Ａとの間の密着性を高めるために、例えばＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）からなる密着層１２を介在させるのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトリソグラフィ技術を用いて形成されるパターン構造体及びパターン形成方法に関する。

半導体デバイスをはじめとする各種電子部品の製造工程には、微細加工技術のひとつであるフォトリソグラフィ技術を利用して形成したレジストパターンが広く用いられている。ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System）分野などにおいては、アスペクト比のより高いレジストパターンの形成が要求されているが、現像後におけるパターンの剥がれや倒れが深刻な問題となっている。

図６Ａ〜Ｄは、従来のレジストパターンの形成方法を説明する工程断面図である。半導体シリコンやガラス等からなる基板５１上に、レジスト材料との密着性を高める密着層５２を形成した後、レジスト材料５３を塗布する。密着層５２としては、基板５１の表面を疎水化するＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）の塗膜が広く用いられている。そして、マスク５４を用いてレジスト材料５３を露光した後、現像処理を施すことにより、基板５１上にマスクパターンに対応したレジストパターン５５が形成される。

しかし、レジストパターン５５が微細かつ高アスペクト比の場合、図示するようにパターンが剥離して消失したり倒れやうねりが生じるという問題があった。これは、レジストパターンが微細かつ高アスペクト比形状であるため、基板５１との密着性が低下して剥離が生じることが原因であると考えられている。

この問題を解決するために、感光性樹脂組成物として、ベース樹脂の主鎖にアミン系の材料を選択したり（下記特許文献１参照）、基板上にカーボン膜をスパッタ後化学処理を施す方法（下記特許文献２参照）が提案されている。また、現像後基板にリンスを滴下する前に、減圧下において脱気したリンス液でリンス及び乾燥を行う方法（下記特許文献３参照）、感光性材料の塗布前にフッ素含有ポリマー層を形成する方法（下記特許文献４参照）、水とエチレンオキシ基を有しフッ素原子を壊さないように非イオン性界面活性剤を含有するリソグラフィ用リンス液を用いて現像処理後のレジストパターンのリンスを行う方法（下記特許文献５参照）などが提案されている。

特開平６−２０２３２９号公報 特開平７−１９１４６７号公報 特開平９−２４６１５６号公報 特開２００２−１９８２８３号公報 特開２００４−１８４６４８号公報

しかしながら、上述したいずれの方法においても、パターンの流れや剥がれという点において対策としては不十分であり、特に、ガラスやフィルム上への微細かつ高アスペクト比のパターン形成においては課題を残すものであった。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、ガラスやフィルムに対して微細かつ高アスペクト比のレジストパターンを形成することができるパターン構造体及びパターン形成方法を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明のパターン構造体は、基板と、基板の上に形成された感光性レジスト材料からなる下地層と、下地層の上にパターン形成された感光性レジスト材料からなるパターン層とを備えている。

また、本発明のパターン形成方法は、基板の上に感光性レジスト材料を塗布し、少なくとも露光、現像工程を経て、レジストパターンを形成するパターン形成方法であって、基板の上に感光性レジスト材料を塗布する工程の前に、基板の上に同一又は他の感光性レジスト材料からなる下地層を形成する工程を有する。

本発明においては、パターン層の下地として、感光性材料からなる下地層を設けることで、基板とパターン層の密着性を高めて微細かつ高アスペクト比のパターン層の形成を可能とする。また、基板と下地層との間の密着性を高めるために、例えばＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）からなる密着層を介在させるのが好ましい。

下地層に用いる感光性レジスト材料は、パターン層を構成する感光性レジスト材料と別種類のものでも構わないが、同種の感光性レジスト材料を用いることでパターン層との親和性、相溶性、密着性を高めて微細かつ高アスペクト比のパターン層の安定した形成が可能となる。感光性レジスト材料の感光源は特に限定されず、紫外線、赤外線、電子線等で硬化する種々のレジスト材料を用いることができる。

以上のように構成されるパターン構造体は、最終構造を構成するものでもよいし、レジストパターンを基板から剥離してパターン構造体の薄厚化を図るようにしてもよい。本発明に係るパターン構造体の適用例としては、例えば、ＤＮＡチップ用のマイクロ流路デバイスのほか、光導波路、液晶材料の透明性と散乱性を利用した視野角制御素子等の光学デバイス等があるが、勿論これらに限定されない。

以上のように、本実施形態によれば、パターン層の下地層に感光性材料からなる下地層を設けているので、基板とパターン層の密着性を高めて微細かつ高アスペクト比のパターン層の形成が可能となる。

以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は以下の各実施形態に限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

（第１の実施形態）
図１Ａ〜Ｅは本発明の第１の実施形態によるパターン形成方法を説明する概略工程断面図である。まず、図１Ａに示すように、パターン層を形成すべき基板１１を用意する。基板１１はガラスや高分子フィルム、無機フィラー入り高分子フィルム等の透明基板が用いられているが、これ以外にもシリコン基板等の半導体基板が用いられてもよい。

次に、図１Ｂに示すように、基板１１の表面に密着層１２を形成する。この密着層１２は、基板１１と感光性レジスト材料との密着性を高めるためのものである。このような密着層１２の構成材料としては、ＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）が挙げられるがこれに限定されない。密着層１２は、基板１１の表面にＨＭＤＳを塗布することにより形成される。

次に、図１Ｃに示すように、密着層１２の上に感光性レジスト材料からなる下地層１３Ａが形成される。本実施形態では、下地層１３Ａの形成方法として液状レジスト材料の塗布のほか、ドライフィルムレジスト材料を基板１１の上に積層することで形成してもよい。下地層１３Ａは塗布後、全面露光により硬化される。なお、本実施形態において、下地層１３Ａは、紫外線の照射により感光するレジスト材料が用いられている。

下地層１３Ａの形成厚は、特に制限されないが、厚すぎると下地層の内部応力によって剥離やクラックが生じやすくなり、薄すぎるとパターン層の密着力が低下する傾向にある。使用するデバイスにもよるが、下地層１３Ａの形成厚としては、好ましくは１〜１００μｍであり、より好ましくは５〜３０μｍである。

下地層１３Ａの具体的な形成方法としては、レジスト材料（例えば化薬マイクロケム社製「ＳＵ−８」）を３０００ｒｐｍ×３０秒でスピンコートし、６５℃×５分及び９５℃×３０分の条件でベーキングすることで、厚み２０μｍの下地層を形成できる。フィルムなどの可撓性のある基板や大型の基板に下地層を形成する場合、スピンコータの他にスリットダイコータなども使用できる。なお、上記の形成条件は一例であって、仕様等に応じて適宜変更することが可能である。

続いて、図１Ｄに示すように、下地層１３Ａの上にレジスト層１３Ｂを形成し、レジスト層１３Ｂを乾燥後、マスク１４を介して露光する。その後、図１Ｅに示すように、露光したレジスト層１３Ｂを現像することにより、マスク１４のパターン形状に対応したパターン層１５を形成する。

レジスト層１３Ｂは、下地層１３Ａと同種の感光性レジスト材料が用いられるが、異種のレジスト材料が用いられても構わない。同種の感光性レジスト材料を用いることでパターン層との親和性、相溶性、密着性を高めて微細かつ高アスペクト比のパターン層の安定した形成が可能となる。

本実施形態では、レジスト層１３Ｂとして、露光された部分が硬化して残存するネガ型の感光性レジスト材料が用いられている。中でも、化学増幅型のレジスト材料（例えば、化薬マイクロケム社製「ＳＵ−８」）を用いることで、微細かつ高アスペクト比のパターン層１５を精度良く形成することができる。

次に、図２を参照して、パターン層１５の具体的な形成方法について説明する。下地層１３Ａの上にレジスト層１３Ｂをスピンコート法により形成する。レジスト層の厚みは使用するデバイスにより適宜決定できるが、下地層同様に厚すぎると剥がれやクラックが形成しやすい。これらを防止する方法としては、レジスト層を複数回に分けて塗布する方法や乾燥過程の昇降速度を工夫することなどが挙げられる。

レジスト層１３Ｂの構成材料には化薬マイクロケム社製「ＳＵ−８」を用い、これを１０００ｒｐｍ×５秒、１２００ｒｐｍ×１０秒、１５００ｒｐｍ×６０秒のプロファイルで形成する。上記の操作を３回行い、１５０μｍ厚さのレジスト層１３Ｂを得る。次に、６５℃×５分及び９５℃×３０分の条件でレジスト層１３Ｂをソフトベークする。その後、ｉ線露光を行い、露光後ベーク処理（ＰＥＢ）を行った後、ディッピング法で現像処理を行う。必要に応じて、形成されたレジストパターンのハードベークを行う。以上のようにして下地層１３Ａの上にパターン層１５を形成することができる。なお、上記の形成条件は一例であって、仕様等に応じて適宜変更することが可能である。

以上のようにして、基板１１上のパターン層１５が形成されたパターン構造体１０が作製される。本実施形態によれば、レジスト層１３Ｂを塗布形成する工程の前に、基板１１の上に下地層１３Ａを形成する工程を有しているので、下地層１３Ａに対するパターン層１５の密着性が高まり、現像時のパターンの剥離による消失や倒れ等のパターン不良を防止することができる。従って、パターン層１５の基板１１との密着性が向上し、微細かつ高アスペクト比のパターン層１５を精度よく形成することが可能となる。

パターン層１５の形状は、ストライプ状、格子状、ハニカム状などの形状のほか、領域ごとにパターンの疎密がある形状であってもよい。また、形成された下地層１３Ａ及びパターン層１５は透光性を有していてもよいし、透光性を有していなくてもよい。更に、作製されたパターン層１５を下地層１３Ａとともに基板１１から剥離して使用することも可能である。

以上のようにして作製されるパターン構造体１０は、例えば、試料液をその流動過程で目的の物質に分離するＤＮＡチップ等のマイクロ流路デバイスとして構成することができる。また、本実施形態のパターン構造体１０は、パターン層１５間に光学材料を充填したり、レジスト材料の屈折率を最適化することによって、光ファイバ等の光導波路等の光学デバイスとして構成することができる。

（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施形態を示している。なお、図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施形態のパターン構造体２０は、基板１１と密着層１２との間に透明電極層１６が形成されている。パターン層１５間の隙間には液晶材料１７が充填されており、この液晶材料１７の流出を防ぐように透明電極層１８を備えた対向基板１９が積層されている。透明電極層１６，１８は例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明導電性酸化物で構成されている。基板１１及び対向基板１９は、ガラスや高分子フィルム基板等の透明基板で構成されている。液晶材料１７としては、ＰＤＬＣ（Polymer Dispersed Liquid Crystal）やＰＮＬＣ（Polymer Network Liquid Crystal）等の分散液晶材料が好適に用いられる。

以上のようにして、本実施形態のパターン構造体２０は、液晶材料１７を透過する光の出射角を制御する光制御素子２１を構成している。光制御素子２１による透過光制御は、一対の透明電極層１６，１８間における電圧のオン／オフによって行われる。図４Ａ，Ｂは、この光制御素子２１を備えた液晶表示装置２４の概略構成図である。液晶表示装置２４は、バックライトユニット２２と液晶表示パネル２３との間に光制御素子２１が配置された構成を有している。バックライトユニット２２としては、正面方向への指向性が比較的高く構成されたものが用いられている。

本実施形態では、液晶材料１７は電圧無印加時に液晶分子がランダムに配向し、電圧印加時に電界方向に液晶分子の長軸方向が配向するものが用いられている。従って、電圧無印加時には、図４Ａに示すように液晶材料１７は白濁状態を呈し、光制御素子２１はバックライトユニット２２からの光を液晶表示パネル２３へ散乱出射させる。これにより液晶表示パネル２３の広視野角モードが実現される。一方、電圧印加時には、図４Ｂに示すように液晶材料１７は透明状態を呈し、光制御素子２１はバックライト２２からの光を液晶表示パネル２３へ直線透過させる。これにより、液晶表示パネル２３の狭視野角モードが実現される。

本実施形態によれば、液晶材料１７を区画するパターン層１５を精度良く形成することができるので、例えば画素ピッチに相当する微細かつ高アスペクト比のパターン層１５を有するパターン構造体２０を安定かつ高精度に形成することが可能となる。なお、液晶材料を用いた光制御素子の構成は上記の例に限定されない。

（第３の実施形態）
図５Ａ、Ｂは本発明の第３の実施形態を示している。なお、図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施形態では、基板１１上に密着層１２、下地層１３Ａ及びパターン層１５が順に形成されたパターン構造体１０を作製する（図５Ａ）。その後、図５Ｂに示すように、基板１１と下地層１３Ａとの間を分離して、下地層１３Ａ及びパターン層１５からなるレジストパターン構造体１０Ａを形成する。これにより、パターン層１５を備えるデバイスの薄厚化を図ることができるようになる。

本実施形態において、基板１１としてはシリコン基板が好適であり、高精細・高アスペクトのパターン層１５を形成することができる。また、基板１１からのレジストパターン構造体１０Ａの剥離は、フッ酸等の薬液を用いて密着層１２および／または自然酸化膜層を溶解することで容易に行うことができる。具体的には、数％ＨＦ溶液にパターン構造体１０を数時間浸漬することにより、基板１１からレジストパターン構造体１０Ａを剥離する。

本発明の第１の実施形態において説明するパターン形成方法の工程断面図である。 図１のパターン形成方法において、パターン層の形成工程の詳細を説明する工程図である。 本発明の第２の実施形態において説明するパターン構造体の概略構成を示す断面図である。 図３に示した光制御素子の機能を説明する図である。 本発明の第３の実施形態を説明する導体パターンの形成方法を説明する図である。 従来のレジストパターンの形成方法を説明する工程断面図である。

符号の説明

１０，２０…パターン構造体、１０Ａ…レジストパターン構造体、１１…基板、１２…密着層、１３Ａ…下地層、１３Ｂ…レジスト層、１４…マスク、１５…パターン層、１６，１８…透明電極層、１９…対向基板、２１…光制御素子

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板の上に形成された感光性レジスト材料からなる下地層と、
   前記下地層の上にパターン形成された感光性レジスト材料からなるパターン層とを備えた
   ことを特徴とするパターン構造体。
2. 前記下地層を構成する感光性レジスト材料と、前記パターン層を形成する感光性レジスト材料とが、それぞれ同一の材料からなる
   ことを特徴とする請求項１に記載のパターン構造体。
3. 前記下地層及び前記パターン層は、透光性を有している
   ことを特徴とする請求項１に記載のパターン構造体。
4. 前記下地層は、前記基板の上に密着層を介して形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のパターン構造体。
5. 前記基板と前記下地層との間に透明電極層が形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のパターン構造体。
6. 前記基板は、ガラス、高分子フィルム又は無機フィラー入り高分子フィルムからなる
   ことを特徴とする請求項１に記載のパターン構造体。
7. 前記パターン層には液晶材料が充填されている
   ことを特徴とするパターン構造体。
8. 基板の上に感光性レジスト材料を塗布し、少なくとも露光、現像工程を経て、レジストパターンを形成するパターン形成方法であって、
   前記基板の上に前記感光性レジスト材料を塗布する工程の前に、前記基板の上に同一又は他の感光性レジスト材料からなる下地層を形成する工程を有する
   ことを特徴とするパターン形成方法。
9. 前記基板の上に前記下地層を形成する工程の前に、前記基板上にヘキサメチルジシラザンを塗布する工程を有する
   ことを特徴とする請求項８に記載のパターン形成方法。
10. 前記レジストパターンの形成後、前記レジストパターンを前記基板から剥離する工程を有する
    ことを特徴とする請求項８に記載のパターン形成方法。
    
    
    

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