JP2008306066A - 基板の加工装置、基板の加工方法及び半導体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】基板上に形成されるレジストパターン不良に起因する製品の不良を低減することができる基板の加工装置、加工方法、及び半導体デバイスを提供する。
【解決手段】半導体基板の加工装置１は、凹凸パターンが形成されたモールド３を用いて凹凸パターンが転写されたレジスト層を基板上に形成させる装置である。加工装置１は、基板５が設置されると共に、レジスト層の材料である液状の樹脂Ｓが導入されて基板５を浸漬させるチャンバー９を備え、基板５をチャンバー９に設置して液状の樹脂Ｓに浸漬させ、チャンバー９内を真空引きし、液状の樹脂Ｓに浸漬された状態の基板５にモールド３を押し付けることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、凹凸パターンが形成されたモールドを用いて前記凹凸パターンに対応するレジストパターンを基板上に形成させる基板の加工装置、基板の加工方法及び半導体デバイスに関するものである。

従来、このような分野の技術として、例えば、下記非特許文献１に記載の基板の加工方法が知られている。この文献に記載された加工方法では、Polymethylmethacrylate（ＰＭＭＡ）が塗布された基板が、ＰＭＭＡのガラス転移点である１０５℃以上に加熱されて、微細な凹凸パターンをもつ石英製モールドが塗布層に押し付けられる。このモールドによる型押しにより、ＰＭＭＡ層には、上記モールドの凹凸パターンが転写されたレジストパターンが形成される。そして、このパターンをマスクとして基板に微細なエッチング加工を行うことができる。
Stephen Y. Chou, Peter R. Krauss, and Preston J. Renstrom, "Imprintof sub-25 nm vias and trenches in polymers", Applied Physics Letters, 20 November 1995 , vol. 67, no. 21, pp. 3114-3116. Stephen Y. Chou, Peter R. Krauss, and Preston J. Renstrom, "Nanoimprintlithography", J.Vac.Sci.Technol, Nov/Dec 1996 , vol. B14, no. 6, pp. 4129-4133. Jan Haisma, Martin Verheijen, Kees van den Heuvel, and Jan van denBerg, "Mold-assisted nanolithography:A process for reliable pattern replication",J.Vac.Sci.Technol, Nov/Dec 1996 , vol. B14, no. 6, pp. 4124-4128. 米国特許第５７７２９０５号明細書 特表２００３−５１６６４４号公報

しかしながら、上記の加工方法では、例えば、シリコン、石英、又はサファイアからなる平坦性の良いモールドを用いたとしても、基板の平坦性によっては、ＰＭＭＡ層に押し付けられたモールドの凹凸の隅々にまではＰＭＭＡが拡がり難く、凹凸が十分に再現されない場合もあり得る。特に、半導体デバイス用の基板として商業的に提供されるＧａＡｓやＩｎＰ等の化合物半導体基板は、平坦度が十分ではない場合もあるため、上記のようなレジストパターン不良に起因する半導体デバイスの不良が生じてしまうおそれがある。

そこで、本発明は、基板上に形成されるレジストパターン不良に起因する製品の不良を低減することができる基板の加工装置、加工方法、及び半導体デバイスを提供することを目的とする。

本発明に係る基板の加工装置は、凹凸パターンが形成されたモールドを用いて凹凸パターンが転写されたレジスト層を基板上に形成させる基板の加工装置において、基板が設置されレジスト層の材料である液状の樹脂が導入されて基板を浸漬させる加工室を備え、基板を加工室に設置して液状の樹脂に浸漬させ、加工室内を真空引きすると共に、液状の樹脂に浸漬された状態の基板にモールドを押し付けることを特徴とする。

この加工装置において、加工室には、基板が設置され当該基板が浸漬されるように液状の樹脂が導入される。そして、加工室内が真空引きされ、液状の樹脂に浸漬された状態の基板に対して、凹凸パターンが形成されたモールドが押し付けられる。このとき、基板とモールドとの間には、基板を浸漬している上記液状の樹脂が挟まれて存在することになる。この樹脂は、基板とモールドとの間に挟まれた際に、モールドの凹凸パターンに沿って流動し凹凸パターンに充填される。そして、後工程において、その状態のまま樹脂を硬化させれば、モールドの凹凸パターンが転写されたレジスト層が基板上に形成される。このように、レジストの原料である樹脂が、液状でモールドと基板とで挟み込まれるので、この樹脂がモールドの凹凸パターンに沿って円滑に流動し、凹凸パターンの隅々にまで充填される。また、モールドが基板に押し付けられる際に、加工室内が真空引きされるので、基板とモールドとの間における樹脂の気泡の発生が抑えられる。従って、このような液状の樹脂の硬化により基板上のレジスト層に再現される凹凸パターンの不良が抑制される。

また、本発明に係る基板の加工方法は、凹凸パターンが形成されたモールドを用いて凹凸パターンが転写されたレジスト層を基板上に形成させる基板の加工方法において、基板を加工室内に設置し、レジスト層の材料である液状の樹脂に基板を浸漬させる浸漬工程と、加工室内を真空引きする真空引き工程と、液状の樹脂に浸漬された状態の基板にモールドを押し付ける型押工程と、を備えたことを特徴とする。

この加工方法において、加工室には、基板が設置され当該基板が浸漬されるように液状の樹脂が導入される。そして、加工室内が真空引きされ、液状の樹脂に浸漬された状態の基板に対して、凹凸パターンが形成されたモールドが押し付けられる。このとき、基板とモールドとの間には、基板を浸漬している上記液状の樹脂が挟まれて存在することになる。この樹脂は、基板とモールドとの間に挟まれた際に、モールドの凹凸パターンに沿って流動し凹凸パターンに充填される。そして、後工程において、その状態のまま樹脂を硬化させれば、モールドの凹凸パターンが転写されたレジスト層が基板上に形成される。このように、レジストの原料である樹脂が、液状でモールドと基板とで挟み込まれるので、この樹脂がモールドの凹凸パターンに沿って円滑に流動し、凹凸パターンの隅々にまで充填される。また、モールドが基板に押し付けられる際に、加工室内が真空引きされるので、基板とモールドとの間における樹脂の気泡の発生が抑えられる。従って、このような液状の樹脂の硬化により基板上のレジスト層に再現される凹凸パターンの不良が抑制される。

また、本発明に係る半導体デバイスは、凹凸パターンが形成されたモールドを用いて凹凸パターンが転写されたレジスト層が形成された半導体基板から作製される半導体デバイスにおいて、半導体基板は、加工室内に設置されてレジスト層の材料である液状の樹脂に浸漬され、加工室内が真空引きされ、液状の樹脂に浸漬された状態の半導体基板にモールドが押し付けられる処理を経て、表面にレジスト層が形成されることを特徴とする。

この半導体デバイスの作製にあたり、半導体基板にレジストパターンを形成する際、加工室には、基板が設置されると共に当該基板が浸漬されるように液状の樹脂が導入される。そして、加工室内が真空引きされ、液状の樹脂に浸漬された状態の基板に対して、凹凸パターンが形成されたモールドが押し付けられる。このとき、基板とモールドとの間には、基板を浸漬している上記液状の樹脂が挟まれて存在することになる。この樹脂は、基板とモールドとの間に挟まれた際に、モールドの凹凸パターンに沿って流動し凹凸パターンに充填される。そして、後工程において、その状態のまま樹脂を硬化させれば、モールドの凹凸パターンが転写されたレジスト層が基板上に形成される。

このように、レジストの原料である樹脂が、液状でモールドと基板とで挟み込まれるので、この樹脂がモールドの凹凸パターンに沿って円滑に流動し、凹凸パターンの隅々にまで充填される。また、モールドが基板に押し付けられる際に、加工室内が真空引きされるので、基板とモールドとの間における樹脂の気泡の発生が抑えられる。従って、このような液状の樹脂の硬化により基板上のレジスト層に再現される凹凸パターンの不良が抑制される。このようなパターン不良が少ないレジスト層が形成された基板を用いて作製される結果、半導体デバイスの不良が抑制される。

本発明の、基板の加工装置、加工方法、及び半導体デバイスによれば、基板上に形成されるレジストパターン不良に起因する製品の不良を低減することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る基板の加工装置、基板の加工方法及び半導体デバイスの好適な一実施形態について詳細に説明する。

図１に示す加工装置１は、高低差約０．１μｍの凹凸パターンが形成された石英製のモールド３を用いて、この凹凸パターンが転写されたレジスト層を、半導体基板５の上に形成する装置である。この装置１の装置台７上には、チャンバー本体９ｂ及び上蓋９ａで画成される空間に半導体基板５を格納するチャンバー（加工室）９が設けられている。また、装置台７に立設された支柱１１には、上下にスライド可能な調整可動部１３ａを介して、チャンバー９の上方で水平に延びる梁１３が支持されている。この梁１３には、水平にスライド可能な調整可動部１９ａを介して、下方に延びるアーム１９が支持されている。

このアーム１９には、モールド３を水平に保持するモールド保持部１５と、このモールド保持部１５と上記調整可動部１９ａとの間に配置され上下にスライド可能なチャンバー上蓋９ａと、が取り付けられている。このような構成により、モールド保持部１５は、装置台７上のチャンバー本体９ｂに対して、水平方向及び鉛直方向に位置調整可能である。上記モールド保持部１５の下部には、石英モールド３が凹凸面を下に向けた状態で保持される。そして、モールド保持部１５には、モールド３で覆われる中空部に配置されたＵＶランプ１５ａが内蔵されている。

また、チャンバー９は、格納した半導体基板５を浸漬するための液体樹脂Ｓを導入する樹脂導入口９ｃ、この液体樹脂Ｓをチャンバー本体９ｂ底部から引き抜く樹脂排出口９ｄ、及び内部を真空引きするための真空排気口９ｅを有している。このような構成により、チャンバー９内の基板台９ｆ上に半導体基板５を設置した状態で、樹脂導入口９ｃから液体樹脂Ｓが導入されると、チャンバー本体９ｂの底部に溜まる液体樹脂Ｓによって半導体基板５が浸漬される。

続いて、本発明に係る半導体デバイスの一実施形態である分布型半導体レーザを、上記加工装置１を用いて作製する方法について説明する。

最初に、上記半導体レーザ作製の一工程として、半導体基板５の表面にエッチングのためのレジスト層を形成する加工方法について、図２〜図７を参照し説明する。ここで用いられる、半導体基板５は、Ｓｎドープした２インチのｎ型ＩｎＰ基板５ｄに、ｎ型クラッド層５ｃ、ＩｎＧａＡｓＰの多層超格子層（ＭＱＷ）の活性層５ｂ、及びＩｎＧａＡｓＰの回折格子層５ａを有機金属気相成長法で順次形成して作製される。なお、ここでは、上記ＩｎＰ基板に代えて、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板、又はＳｉＣ基板を用いてもよい。また、活性層、回折格子層としては、基板や求められるレーザ波長に応じて適切な材料を選択してもよく、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＩｎＮＡｓ等を適宜用いることができる。

図２に示すように、装置１のチャンバー上蓋９ａを開けた状態で、上記基板５を、チャンバー本体９ｂ底部の基板台９ｆ上に設置する。なお、この装置１の基板台９ｆ及びモールド保持部１５に保持されたモールド３は、予め水平に調整されている。この状態から、図３に示すように、基板５が液面下に十分に没するまで、樹脂導入口９ｃから十分な量の液体樹脂Ｓを導入し、基板５がチャンバー本体９ｂ底部に溜まった液体樹脂Ｓによって浸漬された状態とする（浸漬工程）。ここで、上記液体樹脂９としては、紫外線硬化性樹脂の液体である東洋合成工業アクリル系樹脂ＰＡＫ−０１が好適に用いられる。

次に、図４に示すように、チャンバー上蓋９ａを下降させてチャンバー９内を気密し、ポンプＰ１により真空排気口９ｅを通じてチャンバー９内を真空引きする（真空引き工程）。その後、調整可動部１３ａを調整してモールド保持部１５の位置調整を行い、モールド３の凹凸面を基板５の表面に押し付ける（型押工程）。このとき、モールド３と基板５との間に存在する液体樹脂Ｓは、押し付けられたモールド３の凹凸パターンに追従して円滑に流動し、凹凸パターンの隅々にまで充填される。次に、この状態で、図５に示すように、モールド保持部１５のＵＶランプ１５ａから紫外線Ｌを照射して、液体樹脂Ｓを硬化させる。モールド３は、紫外線を透過させる石英製であるので、ＵＶランプ１５ａから発せられた紫外線Ｌは、モールド３を透過し、モールド３と基板５との間に挟まれた液体樹脂Ｓに照射される。そして、この位置における液体樹脂Ｓが、紫外線Ｌを受け硬化することで、この硬化部が基板５上のレジスト層２１を構成する。このように形成されたレジスト層２１には、モールド３の凹凸パターンが転写されたレジストパターンが形成される。

次に、図６に示すように、樹脂排出口９ｄから液体樹脂Ｓを排出し、図７に示すように、梁１３を上昇させて、形成されたレジスト層２１からモールド３を離間させる。その後、チャンバー本体９ｂに洗浄液を注入して基板５及びレジスト層２１に残留する液体樹脂Ｓを洗浄除去した後、乾燥窒素を吹きかけて乾燥させ
る。以上のような処理により、モールド５の凹凸パターンが転写されたレジスト層２１を、基板５上に形成することができる。

このような加工方法によれば、レジスト層２１の原料としての樹脂Ｓが、液体の状態でモールド３と基板５とで挟み込まれるので、この液体樹脂Ｓがモールドの凹凸パターンに沿って円滑に流動し、凹凸パターンに確実に追従しながら隅々にまで充填されることになる。また、型押工程の前の真空引き工程において、予めチャンバー９内が真空引きされるので、型押工程における基板５とモールド３との間の樹脂Ｓの気泡の発生が抑えられる。以上の結果、基板５上のレジスト層２１に再現される凹凸パターンの不良が抑制される。

続いて、図８を参照しながら、レジスト層２１が形成された後の基板５の処理について説明する。図８では、基板５が完全に平坦ではないことを前提とし、基板５の表面粗さを誇張して表している。なお、商業的に提供されるＧａＡｓやＩｎＰ等の化合物半導体基板の表面粗さは５μｍ程度であり、シリコン基板の表面粗さは１μｍ程度である。

上述したように、装置１による加工によって、モールド３の凹凸パターンがレジスト層２１に確実に転写され（図８（ａ）参照）、基板５及びレジスト層２１の洗浄を経て、欠陥が少ないレジスト層２１が基板５上に形成される（図８（ｂ）参照）。その後、レジスト層２１の凸部にＳｉ蒸着を施す（図８（ｃ）参照）。このとき、基板５に対して斜め上方からの蒸着を行うことで、レジスト層２１の凹部には蒸着されず凸部のみにＳｉ蒸着マスク２３が形成されるので、次のドライエッチング工程での良好な選択性が得られる。

次に、上記マスク２３を利用して、レジスト層２１の凹部に対応する部分を、酸素を用いたドライエッチングで除去する（図８（ｄ）参照）。更に、メタンと水素との混合ガスを用い、レジスト層２１が除去された部分に対し所定深さのドライエッチングを行う（図８（ｅ）参照）。その後、有機溶剤を用いてレジスト層２１を除去する（図８（ｆ）参照）。以上のような処理によって、基板５の回折格子層５ａに、均一な回折格子パターンを形成することができる。

続いて、上記処理との比較のため、基板５上にレジスト層を形成する際に従来のナノインプリント法を用いた場合の回折格子パターンの形成処理について、図９を参照しながら説明する。図９では、基板５及び基板５上に塗布された樹脂膜２７が完全に平坦ではないことを前提とし、図８と同様に、基板５及び樹脂膜２７の表面粗さを誇張して表している。

この処理においては、まず、スピンコートによって、厚膜樹脂やＳＯＧ（塗布型シリコン材料）といった材料からなる樹脂膜２７が、基板５上に塗布される。このような樹脂膜２７の厚さは１〜２μｍ程度しかなく、基板５表面の広い領域について平坦性を良くすることは困難であるので、樹脂膜２７の表面粗さは、０．４μｍ程度となる。次に、基板５上に塗布されたこの樹脂膜２７にモールド３が押し付けられ（図９（ａ）参照）、モールド３の凹凸パターンが樹脂膜２７に転写される。このとき、樹脂膜２７の表面の高低差により、低い部分にはモールド３が十分に押し付けられず、モールド３の凹凸パターンが十分に転写されない欠陥部分Ｄ１が発生する（図９（ｂ）参照）。そして、この状態で樹脂膜２７へのＳｉ蒸着が施されると、本来はマスクが不必要な上記欠陥部分Ｄ１にまでマスク２９が形成されてしまう（図９（ｃ）参照）。

従って、このマスク２９を利用して、酸素を用いたドライエッチング（図９（ｄ）参照）及び、メタンと水素との混合ガスを用いたドライエッチング（図９（ｅ）参照）を行ったとしても、回折格子層５ａには、本来必要な凹凸が欠けてしまう欠陥箇所Ｄ２が発生する。従って、その後、有機溶剤を用いて樹脂膜２７を除去すると、図９（ｆ）に示す通り、回折格子層５ａには、凹凸が欠けた部分Ｄ３が発生し、当該半導体基板５は不良品となってしまう。

なお、ここでは、樹脂膜２７を厚くするために高粘性の樹脂を採用したり、スピンコートの回転数を小さくしたりすることも考えられるが、この場合、樹脂膜２７の表面粗さが大きくなってしまうので、適切ではない。また、見かけの平坦性を良くするために、モールド３を高い圧力で基板５に押し付けることも考えられるが、基板５に欠陥が発生するおそれがあるため、適切ではない。

以上の比較で判るように、図８に示す処理によれば、図９に示す処理とは異なり、基板５自体の表面粗さが大きい場合であっても、均一な回折格子パターンが得られる。

続いて、図１０及び図１１を参照し、回折格子層５ａに凹凸パターンが形成された後の基板５（図１０（ａ）参照）の処理について説明する。なお、図１０（ａ）,（ｂ）は、図８（ａ）〜（ｅ）で示した基板５断面と同じ断面を示す図であり、図１１（ａ）〜（ｄ）は、その断面に直交する断面を示す図である。この基板５を、有機金属気相成長装置に導入し、回折格子層５ａ上にＩｎＰ層３１をオーバーグロウスする（図１０（ｂ）参照）。次に、図１１（ａ）に示すように、共振器に対応する部分にＳｉＮエッチングマスク３３を形成し、所定の活性層幅になるようにＢｒメタノール液でエッチングする。

次に、再び有機金属気相成長装置に導入し、マスク３３を選択成長マスクとして利用し、ｐ型ＩｎＰの埋込層３７及びｎ型ＩｎＰの埋込層３９を順次形成する（図１１（ｂ）参照）。次に、マスク３３を除去した後、有機金属気相成長装置に導入してコンタクト層４１（図１１（ｃ）参照）を形成し、その後、絶縁膜４３と、表面及び裏面の電極４５，４７とを形成する。そして、へき開によって所定の大きさのチップとし、端面を絶縁膜で被覆して半導体レーザ５１が完成する（図１１（ｄ）参照）。

このように製造された半導体レーザ５１は、図１１（ｄ）に示すように、Ｓｎドープされたｎ型ＩｎＰ基板５ｄ上に設けられた、ｎ型クラッド層５ｃ、ＩｎＧａＡｓＰの多層超格子層（ＭＱＷ）の活性層５ｂ、及び上記のＩｎＧａＡｓＰの回折格子層５ａを備えている。そして、この半導体レーザ５１は、ｎ型クラッド層５ｃ、活性層５ｂ、回折格子層５ａ、及び上記ＩｎＰ層３１が、上記の埋込層３７，３９に挟み込まれた構造を成している。このように、半導体レーザ５１は、活性層５ｂに隣接する回折格子層５ａを備えたいわゆる分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）を構成している。

このように、製造された分布帰還型半導体レーザ５１は、上述のとおり、均一な回折格子パターンを有しウエハ内での品質のバラツキも少ないので、不良率が低減され、高い歩留まりが得られる。

本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、装置１におけるモールド３は、石英製に限られず、シリコン製やサファイア製のものを採用してもよい。

本発明に係る基板の加工装置の一実施形態を示す図である。 基板の加工における図１の加工装置の動作を順次示す図である。 基板の加工における図１の加工装置の動作を順次示す図である。 基板の加工における図１の加工装置の動作を順次示す図である。 基板の加工における図１の加工装置の動作を順次示す図である。 基板の加工における図１の加工装置の動作を順次示す図である。 基板の加工における図１の加工装置の動作を順次示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、図１の加工装置による基板の加工状態を順次示す断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、従来の加工方法による基板の加工状態を順次示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は、半導体レーザの製造過程を順次示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、半導体レーザの製造過程を順次示す断面図である。

符号の説明

１…加工装置、３…モールド、５…半導体基板、９…チャンバー（加工室）、２１…レジスト層、５１…半導体レーザ（半導体デバイス）、Ｓ…液状の樹脂。

Claims (3)

1. 凹凸パターンが形成されたモールドを用いて前記凹凸パターンが転写されたレジスト層を基板上に形成させる基板の加工装置において、
   前記基板が設置され前記レジスト層の材料である液状の樹脂が導入されて前記基板を浸漬させる加工室を備え、
   前記基板を前記加工室に設置して前記液状の樹脂に浸漬させ、前記加工室内を真空引きすると共に、前記液状の樹脂に浸漬された状態の前記基板に前記モールドを押し付けることを特徴とする基板の加工装置。
2. 凹凸パターンが形成されたモールドを用いて前記凹凸パターンが転写されたレジスト層を基板上に形成させる基板の加工方法において、
   前記基板を加工室内に設置し、前記レジスト層の材料である液状の樹脂に前記基板を浸漬させる浸漬工程と、
   前記加工室内を真空引きする真空引き工程と、
   前記液状の樹脂に浸漬された状態の前記基板に前記モールドを押し付ける型押工程と、を備えたことを特徴とする基板の加工方法。
3. 凹凸パターンが形成されたモールドを用いて前記凹凸パターンが転写されたレジスト層が形成された半導体基板から作製される半導体デバイスにおいて、
   前記半導体基板は、加工室内に設置されて前記レジスト層の材料である液状の樹脂に浸漬され、前記加工室内が真空引きされ、前記液状の樹脂に浸漬された状態の前記半導体基板に前記モールドが押し付けられる処理を経て、表面に前記レジスト層が形成されることを特徴とする半導体デバイス。
   

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