JP2012513620A - ハーフトーンマスク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ハーフトーンマスク及びその製造方法に関する。特に、具体的には、半透過膜を積層して光透過率を調節できるハーフトーンマスクを提供することを目的とする。
【解決手段】理論的な挙動特性ではない実際のプロセスに基づいたデータベースを通じて構築される光透過率を具現できるようにして、特定の透過率ではない広範囲な領域での透過率を備えたハーフトーンマスクとその製造方法に関するものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、透明基板上に遮光領域、半透過領域及び透過領域を備えるハーフトーンマスク及びその製造方法に関するものである。

液晶ディスプレイなどの製造に用いられる複数の構成は、複数のマスク工程を要する。これにより製造工程が複雑であって、液晶表示装置の製造単価を上昇させる問題が発生する。これを解決するために、現在、マスクの工程数を減らす方向に発展している。

フォトリソグラフィ（Ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）工程でパターニングする際に用いられる一般的なフォトマスクは、図１に示したように、透明基板１１と、透明基板１１上に形成されて光を完全に透過させる光透過部１３と、光を完全に遮断させる光遮断部１５とを有する。前記のような従来のマスクは、一層のパターンを具現するしかないため、露光→現象→エッチングからなる１つのサイクルのフォトリソグラフィ工程のみに用いることができる。

詳しく説明すると、液晶ディスプレイのＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）及びカラーフィルタ（ＣＦ）は、多くの層が蒸着／塗布されており、蒸着／塗布された各層は、それぞれフォトリソグラフィ工程でパターニングされる。ところが、１つのサイクルのフォトリソグラフィ工程を減らすことができれば、大きな経済的な効果を得られるが、従来のマスクは、ただ一層のパターンのみを具現するしかない構造となっているため、別途のパターンを具現した複数のフォトマスクを製造する必要があり、経済的でない。

前記のような短所を解消するために、スリットマスク、グレートーンマスク、ハーフトーンマスクなどが開発されている。

スリットマスクは、光の散乱を用いたものであって、適用する波長の直進性が保障されるスリットよりも薄いスリットを光が通過するようになると、隣接部位で散乱が起き、全体的な光エネルギーが分散される性質を用いたものである。しかし、このようなスリットマスクの場合、微細スリットで散乱される光の分布が不均一であって、位置別の露光エネルギーが変わるため、位置別の残膜の厚さが凹凸を形成して、均一な残膜の厚さを得にくい点がある。

グレートーンマスク（Ｇｒａｙ Ｔｏｎｅ Ｍａｓｋ）は、光が完全に透過する透過部、光が完全に遮断される遮光層、及び照射される光の量を減らして透過させるスリットパターンがある構造である。しかし、グレートーンマスクは、微細パターンを通過する光の回折現象を用いて透過される光の量を調節するため、スリットパターン具現の限界により調節可能な光透過量に制限があり、グレートーンマスクが所定の大きさ以上の場合には、均一なパターニングを具現することができない短所がある。

ハーフトーンマスクは、透明基板に形成される光透過部と、光を完全に遮断する光遮断部と、光の一部を透過させるように透過率を調節する半透過部とを備えたマスクである。

しかし、このようなハーフトーンマスクの場合、半透過部を通過した光が位置別に均一に通過して、位置別に均一な残膜厚さを形成することができる長所があるが、マスク製造の追加工程を要するようになり、製造工程の増加及びコストの増加のような短所を伴っている。よって、複数のマスク工程を減らす問題は、ハーフトーンマスクでも依然として存在している。

本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであって、本発明の目的は、半透過膜を積層して光透過率を調節できるハーフトーンマスクを提供するが、理論的な挙動特性ではなく実際工程に基づいたデータベースを通じて構築される光透過率を具現できるようにして、特定の透過率ではない広範囲な領域での透過率を備えたハーフトーンマスクを提供することにある。

また、ハーフトーンマスク及び複数の半透過領域を備えたマルチトーンマスクを製造する場合、半透過領域は半透過物質を積層して必要な光透過率を具現して製造工程を短縮し、形成されるハーフトーンマスクに形成される隣接半透過領域間の光透過率の変動幅を４〜７５％の範囲に限定して半透過領域を具現できるようにして、製造されるハーフトーンマスクの精密性を高めることのできる製造工程を提供することにその目的がある。

本発明は、上述した課題を解決するための構成であって、少なくとも１以上の半透過物質が積層され、別個の光透過率を有する複数（Ｎ）個の半透過領域を備えることを特徴とするハーフトーンマスクを提供する。

特に、実際の製造工程で微細調節が可能な最大の透過率の調節幅を考慮して、本発明における前記複数の半透過領域は、隣接する半透過領域間の光透過率の差が４％〜７５％以内であることを特徴とする。

上述した本発明における透過率の調節は、前記半透過領域を形成するが、同一物質からなる半透過膜の積層構造で透過率を調節したり、または、互いに異なる種類の物質からなる半透過膜の積層構造で透過率を調節したり、あるいは、同一物質または互いに異なる物質からなる半透過膜の組み合わせで透過率を調節することを特徴とする。

また、上述した本発明の半透過領域を構成する複数の前記半透過物質は、前記半透過物質を構成する物質は、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｄ、Ｇｅ、スピネル（ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主元素とするいずれか１つであるか、または、前記主要な要素の少なくとも２つ以上が混合した複合物質であるか、あるいは、前記主要な要素または複合物質にＣＯ_x、Ｏ_x、Ｎ_x、Ｃ_x、Ｆ_x、Ｂ_xの少なくとも１つが添加された物質であることを特徴とする。

本発明では、上述したハーフトーンマスクの製造のための製造工程を行うことができるようにすることは勿論である。

具体的には、少なくとも１以上の半透過領域を備えたハーフトーンマスクの製造方法において、それぞれの半透過領域は、複数の半透過物質の積層によって光透過率を調節することを特徴とするハーフトーンマスクの製造方法を提供する。

上述した製造工程で、半透過物質の積層によって光透過率を調節することは、半透過物質を順次積層した後、不要なパターンを除去する順次除去工程を含むことを特徴とする。つまり、透過率調節に必要な半透過物質を順次積層し、これを順次除去することによって、必要な半透過膜を残して光透過率を調節することで、非常に簡単な工程で複数の光透過率を有する半透過領域を形成することができる。

また、上述した製造工程で、前記半透過物質の積層によって光透過率を調節することは、ハーフトーンマスクの特定個所に、半透過物質を順次積層した後、不要なパターンを除去する順次除去工程と、特定の半透過層を別途に形成する独立形成工程とを含んで、互いに異なる光透過率を備えた半透過領域を形成することもできる。

併せて、前記半透過物質の積層によって光透過率を調節することは、前記順次除去工程または独立形成工程をハーフトーンマスクの少なくとも１以上の個所に別途に行って半透過領域を形成できることは勿論である。

上述したハーフトーンマスクの場合の説明のように、本製造工程でも、前記半透過領域は複数個形成されるが、隣接する半透過領域間の光透過率の差は４〜７５％となるよう形成することが好ましい。

全工程において、特定の積層された半透過物質を除去する工程は、フォトリソグラフィを用いることができる。

本発明によれば、半透過物質を積層して光透過率を調節できるハーフトーンマスクを提供するが、理論的な挙動特性ではなく実際の工程に基づいたデータベースを通じて構築される光透過率を具現できるようにして、特定の透過率ではない広範囲な領域における透過率を備えたハーフトーンマスクを提供できる効果がある。

また、ハーフトーンマスク及び複数の半透過領域を備えたマルチトーンマスクを製造する場合、半透過領域は半透過物質を積層して必要な光透過率を具現できるようになり、製造工程を短縮できる効果もある。

特に、隣接する半透過領域間の光透過率の変動幅を４〜７５％の範囲に限定して半透過領域を具現できるようにして、製造されるハーフトーンマスクの精密性を高めることができる長所もある。

また、精密な透過率制御によって隣接する半透過領域間の区分をはっきりすることで、転写されるパターン（マスクを用いて形成される製品のパターン）の制御が容易であり、一つのマスクで複数の層を形成することができ、転写パターン形成に容易に活用することができる。

従来のフォトマスクを示した概念図である。 ハーフトーンマスクの積層構造での透過率の挙動特性を説明するための図である。 本発明による半透過領域の一実施例を示したものである。 本発明による半透過領域の一実施例を示したものである。 本発明による半透過領域の透過率調節と、これによる積層工程を説明するための概念図である。 本発明の他の実施例による半透過領域の構造と、この製造工程についての説明図である。 本発明のまた他の実施例による半透過領域の構造と、この製造工程についての説明図である。

以下に図面を参照しながら、本発明による構成及び製造工程について具体的に説明する。

本発明では、少なくとも１以上の半透過物質を積層して光透過率を調節することで、一つのハーフトーンマスク上に複数の半透過領域を備えたハーフトーンマスクを提供することをその要旨とする。

図２は、ハーフトーンマスクの積層構造での光透過率の挙動特性を説明するための図である。

基板１００上に遮光層１１０が形成された遮光領域Ｃと、半透過層１２０、１３０が積層されて光透過率を調節する半透過領域Ａ、Ｂと、光の完全透過領域Ｄとから構成されたハーフトーンマスクを一例として説明する。Ｄ領域は、完全透光部に該当する。

つまり、上述した遮光領域Ｃでは光透過率が０％、完全透過領域Ｄでは光透過率が１００％であるが、半透過層１２０は光透過率が７０％、そして半透過層１３０は光透過率が３５％である。理論的には、上述した半透過領域を透過する光の最終の透過率は、Ａ領域の場合、半透過層１２０（透過率７０％）を透過した場合、７０％の光がもう一回半透過層１３０（透過率３５％）を通過しながら、透過率は約２５％にならなければならない。しかし、実際には、製造工程においてこのような理論的な透過率が適用される場合は非常に珍しく、実際透過率の挙動特性は、Ａ領域では透過率が２５％とは差があって、精密な透過率を計算することが非常に困難である。つまり、実際の工程で半透過膜を積層して透過率を調節することは非常に困難である。

本発明では、このような半透過物質の積層構造での光透過率の微細誤差を４〜７５％の範囲で具現し、一つのハーフトーンマスクで複数の半透過領域を備えることができるようにする。これは、隣り合う半透過領域間の透過率の変動幅が４％未満の範囲に形成する場合、隣り合う半透過領域間の区分ができない致命的な問題が発生するようになる。すなわち、本発明による、隣接する半透過領域間の透過率の変動幅が４％未満では各半透過領域間の区分がつけられず、これにより、各半透過領域における転写されるパターンが曖昧になるため、転写された後のパターン間の不良が発生するようになる。

したがって、本発明により半透過領域を構成する際に、透過率を調節できる複数の半透過物質を少なくとも１つ以上積層する構造で透過率を調節する。

半透過材料を構成する物質は、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｄ、Ｇｅ、スピネル（ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主元素（要素）とするいずれか１つであるか、または、主元素の少なくとも２つ以上が混合した複合物質であるか、あるいは、主元素または複合物質にＣＯ_x、Ｏ_x、Ｎ_x、Ｃ_x、Ｆ_x、Ｂ_xの少なくとも１つが添加された物質の中から選択されるいずれか１つを用いることができる。各積層構造を形成する半透過物質は、選択される同一物質の積層構造であるか、または互いに異なる物質の積層構造、あるいはこの２つの複合積層構造に形成することができる。（上記において、化学式の添え字ｘ、ｙ、ｚは、自然数である。）

本発明における最大の特徴は、半透過部領域が多重に備えられ、このように多重に備えられる半透過領域は、互いに異なる光透過率を有するという点である。特に、このような光透過率の調節は、１以上の半透過物質の積層構造で制御することに、その特徴がある。

もちろん、個別的な積層型半透過領域を構成する半透過膜の光透過率は、積層される半透過物質の組成を異にするか、または厚さを異にして、調整することができる。すなわち、半透過膜をなす組成物の特性によって光透過率を互いに異にすることができ、同じ組成物を用いる場合にも厚さを異にすることで光透過率を調整することができる。

上述したように、本発明の半透過物質を構成できる物質は、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｄ、Ｇｅ、スピネル（ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主元素とするいずれか１つである。

また、主元素の少なくとも２つ以上が混合した複合物質、または、主元素または複合物質にＣＯ_x、Ｏ_x、Ｎ_x、Ｃ_x、Ｆ_x、Ｂ_xの少なくとも１つが添加された物質の中から選ばれるいずれか１つを適用することができる。これに対する適用物質は、積層型半透過領域の組成物が、照射される所定波長帯の光を一部だけ通過させることができれば、多様に形成することができる。一例として、Ｃｒ_xＯ_y、Ｃｒ_xＣＯ_y、Ｃｒ_xＯ_yＮ_z、Ｓｉ_xＯ_y、Ｓｉ_xＯ_yＮ_z、Ｓｉ_xＣＯ_y、Ｓｉ_xＣＯ_yＮ_z、Ｍｏ_xＳｉ_y、Ｍｏ_xＯ_y、Ｍｏ_xＯ_yＮ_z、Ｍｏ_xＣＯ_y、Ｍｏ_xＯ_yＮ_z、Ｍｏ_xＳｉ_yＯ_z、Ｍｏ_xＳｉ_yＯ_zＮ、Ｍｏ_xＳｉ_yＣＯ_zＮ、Ｍｏ_xＳｉ_yＣＯ_z、Ｔａ_xＯ_y、Ｔａ_xＯ_yＮ_z、Ｔａ_xＣＯ_y、Ｔａ_xＯ_yＮ_z、Ａｌ_xＯ_y、Ａｌ_xＣＯ_y、Ａｌ_xＯ_yＮ_z、Ａｌ_xＣＯ_yＮ_z、Ｔｉ_xＯ_y、Ｔｉ_xＯ_yＮ_z、Ｔｉ_xＣＯ_yの中のいずれか１つまたはこれらの組み合わせで積層型半透部を形成することができる。添え字ｘ，ｙ及びｚは、自然数であって、各化学元素の個数を意味する。

図３は、このような積層構造の半透過領域の一実施例を示したものである。

基板上に積層された３種の半透過膜を形成して半透過領域を備えたものであって、このような構造は、一つまたは複数個が必要によって一つのハーフトーンマスク上に形成できることは勿論である。もちろん、このような半透過膜が遮光膜の上部に積層されて遮光部を形成する構造に配置することもできる。

第１半透過膜Ｈ１の透過率をｘ％とする場合、第２半透過膜Ｈ２の透過率はｙ％、そして第３半透過膜Ｈ３の透過率をｚ％とすると、これら３つの半透過膜によって形成される透過率の異なる領域は、Ａ、Ｂ、Ｃ領域に形成できる。

特に、Ｃ領域を透過した光は、ｚ％が最終的に透過し、Ｂ領域は（ｚ×ｙ）％、Ａ領域は（（ｚ×ｙ）×ｘ）％が透過するようになる。このような透過特性を通じて、各Ａ、Ｂ、Ｃ領域での光の透過率の変動幅は４〜７５％に調節することが好ましい。

これを通じてハーフトーンマスクに半透過領域を形成する際に、どの特定の透過率のみを形成できる構造から脱して、単純なハーフトーン物質を積層することで精密な透過率の調節を通じて半透過領域を具現することができる。

図４は、図３で積層された第１半透過膜Ｈ１（透過率はｘ％）と、第２半透過膜Ｈ２（透過率はｙ％）、第３半透過膜Ｈ３（透過率はｚ％）を備える他の変形実施例を示したものである。

つまり、本発明の要旨は、どの場合であっても、一つのハーフトーンマスク上に複数の半透過物質を積層して各透過率を調節することができ、このような透過率の調節幅は隣接する半透過領域間では４〜７５％に調節できるようにし、別途のマスクを製造することなく、透過率の異なる半透過領域を一つのハーフトーンマスクに複数形成できるようにして、製造コストの効率性を向上することができる。

図５（ａ）を参照しながら、このような透過率調節制御方式について説明する。

半透過領域を形成するための半透過物質の積層構造は、データベース化した実験データを基に具現する。

まず、半透過物質別データベース（ＤＢ₁〜ＤＢ_n、ｎは自然数）で各物質別透過率を形成し、ハーフトーンマスクの特定半透過領域で具現されなければならない透過率を選定する。

その後、第１半透過物質をスパッタした透過率を選択し、第２半透過物質をスパッタした透過率を選択する。そして、第１及び第２半透過物質の透過率を具現し、２つの膜が結合した層の透過率も具現する。透過率のデータベースは、透過率データベース２１０に保存され、特に、各透過率の算出は制御部２２０で具現され、基板上に層２３０を形成できるようになる。このような方法で、一つのマスク内に２以上の透過率を具現することができ、データベースに保存された定量的なデータは、同一性を有して再現できるようになる。

以下の〔表１〕は、本発明に係る好ましい実施例により、積層された半透過領域の透過率の算出結果を定量的に導出することを例示したものである。

上記表１の「透過率（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ） Ｔ（％）」は、図５（ｂ）の「参照層（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｌａｙｅｒ（Ｒ））」の透過率であり、図５（ｂ）のＸ（％）は、参照層（Ｒ）上に積層される半透過層の透過率を意味する。

上記表１に対する半透過領域の積層による透過率の算出例を図５（ｂ）を参照して説明すると、次のようである。
したがって、最終的に積層された半透過領域の透過率（Ｙ）は、表１によって定量的な算出が可能になる。勿論、半透過領域（参照層；Ｒ）の透過率が変動する場合、上記算出データは変動する。

図６は、本発明による多様な半透過領域が具現された適用例を示したものである。示された構造を参照しながら、本発明によるハーフトーンマスクの半透過領域の製造工程について説明する。

ハーフトーンマスクの製造工程は、基板上に遮光領域と透光領域、そして半透過領域を積層してこれをパターニングしてなることは、一般的な周知の技術であることから省略する。

ただし、本発明では、一つのハーフトーンマスクの形成工程で、複数の半透過膜を積層して透過率を調節できるようにして、互いに異なる光透過率を備えた半透過領域を複数個形成できる製造方法について説明する。

図６（ａ）は、図３及び図４と同様の工程で行われた半透過領域の製造工程による複数の半透過領域の概念図である。

すなわち、第１半透過膜Ｈ１、第２半透過膜Ｈ２、第３半透過膜Ｈ３を順次積層し、それぞれの領域で、不要な部位を除去する工程（順次除去工程）を行う。つまり、（ｂ−１）示されたＨ１、Ｈ２、Ｈ３で積層されたＨ３上にフォトレジストＰＲを積層して、露光／現象を通じてＨ３の一部を除去し、（ｂ−２）その後、フォトレジストＰＲを積層して、再びＨ２の一部を順次除去すると、（ｂ−３）最終的に、各Ａ、Ｂ、Ｃ領域を備えた半透過領域が形成され、ここでの隣接領域間の光の透過率の変動幅は４〜７５％に調節することが好ましい。Ｄ領域は、完全透光部に該当する。

図７（ａ）及び図７（ｂ）に示された半透過領域の構造もまた、各半透過膜を順次積層し、フォトレジストを用いて順次除去工程を行って形成される。完全透光領域（Ｐ）部分は、順次除去工程でフォトレジストのパターニング時に各積層された半透過膜を全部除去できるようにパターン化して形成される。

ただし、図７（ｂ）において、Ａ、Ｂ領域は、上述した構造で順次除去工程を通じて工程の単純化を行うことができるが、Ｃ領域の場合には、Ｈ３半透過膜を独立して形成させる独立形成工程を通じて具現することができる。

図７（ｃ）のような構造の多様な半透過領域の場合、Ａ領域は順次除去工程を通じて、Ｂ、Ｃ領域は独立形成工程を通じて行われることができる。

上述したような本発明の詳細な説明では、具体的な実施例について説明した。しかし、本発明の範疇から脱しない限度内では様々な変形が可能である。本発明の技術的思想は、本発明において記述した実施例に限って定められてはならず、特許請求の範囲だけではなく、この特許請求の範囲と均等なものによって定めなければならない。

１００ 基板
１１０ 遮光層
１２０、１３０ 半透過層

Claims (12)

1. 少なくとも１またはそれ以上の半透過物質が積層され、それぞれが異なる光透過率を有する複数の半透過領域を備えるハーフトーンマスク。
2. 隣接する半透過領域間の光透過率の差が４％〜７５％の範囲内である複数の半透過領域を備えるハーフトーンマスク。
3. 前記複数の半透過領域は、それぞれが同一物質からなる半透過物質の積層構造で透過率を調節する請求項１または２に記載のハーフトーンマスク。
4. 前記複数の半透過領域は、それぞれが互いに異なる物質からなる半透過物質の積層構造で透過率を調節する請求項１または２に記載のハーフトーンマスク。
5. 前記複数の半透過領域は、それぞれが同一物質または互いに異なる物質を組み合せた半透過物質の積層構造で透過率を調節する請求項１または２に記載のハーフトーンマスク。
6. 前記半透過物質を構成する物質は、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｄ、Ｇｅ、スピネル（ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）の１つを主要な要素とする物質であるか、または、前記要素の少なくとも２つまたはそれ以上を混合した複合物質であるか、あるいは、
   前記単一主要要素物質または複合物質に、ＣＯ_x、Ｏ_x、Ｎ_x、Ｃ_x、Ｆ_x、Ｂ_xの少なくとも１つが添加された物質である請求項１または２に記載のハーフトーンマスク。（ただし、添え字ｘ、ｙ、ｚは、自然数であって、各化学元素の個数を意味する。）
7. 少なくとも１またはそれ以上の半透過領域を形成し、
   それぞれの半透過領域は、複数の半透過物質を積層して光透過率を調節するハーフトーンマスクの製造方法。
8. 前記半透過物質を積層して光透過率を調節することは、
   前記半透過物質を順次積層した後、不要なパターンを順次除去することを含む請求項７に記載のハーフトーンマスクの製造方法。
9. 前記半透過物質を積層して光透過率を調節することは、
   前記半透過物質を積層した後、ハーフトーンマスクの特定数の位置に半透過領域を形成しながら、不要なパターンを順次除去することと、
   特定の半透過層を独立して形成することと、を含む請求項７に記載のハーフトーンマスクの製造方法。
10. 前記半透過物質を積層して光透過率を調節することは、
    前記順次除去することまたは独立して形成することをハーフトーンマスクの少なくとも１またはそれ以上の個所に独立して行って半透過領域を形成する請求項７または８に記載のハーフトーンマスクの製造方法。
11. 前記半透過領域は複数個形成され、隣接する半透過領域間の光透過率の差は４〜７５％である請求項７ないし９のいずれか一項に記載のハーフトーンマスクの製造方法。
12. 前記順次除去することは、フォトリソグラフィ法を用いる請求項９に記載のハーフトーンマスクの製造方法。

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