JP2013168472A - アライメントマーク - Google Patents

Abstract

【課題】 水晶基板の加工位置の微細な位置ずれ等を高精度且つ容易に検出できると共に、フォトリソグラフィ工程等によって前記水晶基板の表面にレジストを塗布した場合であっても、形状を明確に認識することで加工位置を精度よく検出することが可能なアライメントマークを提供することである。
【解決手段】 水晶基板１１に設けられ、この水晶基板１１の加工位置を検出する照合パターンからなるアライメントマークＭ１であって、前記照合パターンは、前記水晶基板１１の表面に形成した複数の凹部１４の配列からなる集合体によって構成され、各凹部１４は微小な開口径を有すると共に、この開口径と同じかそれより小さな寸法の深さとなるように形成した。
【選択図】 図３

Description

本発明は、水晶基板を加工する際の位置合わせに用いられるアライメントマークに関するものである。

従来、水晶基板や半導体基板等のワークに電極パターンやカットパターンを描画する際に、前記ワークに対して位置決め用のマークを付して行っている。この位置決め用のマーク（アライメントマーク）は、ワークの加工本体部の外側領域に目印としやすい十文字等の記号を用いて転写形成される場合が多い（特許文献１）。このようなアライメントマークは、ワーク外形との位置ずれが発生しないように、ワークを打ち抜き加工あるいは深掘加工するときに同時に形成されることが多い。そして、アライメントマークが付されたワークは加工ステージに載置され、アライメントマークをカメラで読み取ることにより位置検出され、露光マスク等との位置が調整される。

特許文献２には、エッチングによって半導体基板にビアホールを形成する工程において、位置決め精度を改善させたアライメントマークが開示されている。このアライメントマークは、前記ビアホールと略同じ開口径を有して凹設されたドットの集合体によって形成され、アライメントマーク内の反射光が一定になるように調整される。

特開２００９−１９４６９６号公報 特開２００３−２０９０３７号公報

前記ワークの加工工程の中で、特にフォトリソグラフィ工程にあっては高精度且つ再現性良好な位置決め手段が必要となる。しかしながら、このような加工を行う際には、加工対象となるワークに設けたアライメントマークの上にレジストを塗布した状態で露光等の位置決めを行う必要があり、このレジストによってアライメントマークが不鮮明になるといった問題があった。特に、前記ワークが水晶基板であって、打ち抜き加工等される場合は、コーティングを確実に行うためにレジストを厚めに塗布することから、アライメントマークがさらに不鮮明になるおそれがあった。

また、厚みが１００μｍ以上のワークを打ち抜き加工する際には、アライメントマークも深くエッチングされてしまい、さらにレジストを塗布するとなると、毛細管現象によってレジストがアライメントマーク内に吸い込まれ、部分的に大きな歪を生じてしまう場合がある。このような状態で前記アライメントマークをカメラで読み取ると、レジスト表面の陰影が強く現れ、ワークのアライメントすべき位置が不明確になってしまうといった問題もあった。

図１２は、水晶基板に従来の十文字状のアライメントマークＭを形成して加工したときの表面状態を示したものである。ここで、図１２（ａ）は、実際に水晶基板の表面を凹設して形成されたアライメントマークＭのパターン形状を示したものである。また、図１２（ｂ）は前記アライメントマークＭ上にレジスト５を薄めに塗布した状態、図１２（ｃ）はレジスト５を厚めに塗布した状態を示す。図１２（ｂ），（ｃ）に示したように、レジスト５を塗布することによって、パターン形状が崩れると共にエッジが不明瞭になることがわかる。

一方、特許文献２に開示されているアライメントマークは、基板の表面をドット状に凹設した複数の孔部の集合体で構成されており、図１３に示すように、各孔部４はエッチング工程において、ビアホールと同様に基板２の厚み方向に対して深く形成されたものとなっている。この発明にあっては、広い面積で深掘り加工した場合に、加工した底面の反射がアライメント精度に悪影響を及ぼすことを防止するため、深く凹設された孔部４の底面を均一に加工することを目的としている。また、前記孔部４が複数形成された基板２上に露光用等のレジストが塗布されたような場合は想定されておらず、それによって、アライメントマークを構成する各孔部４のエッジ４ａが不明瞭となることを改善するものではない。仮に、図１３に示したように、前記基板２の表面にレジスト５を塗布した場合には、前述したような毛細管現象によって、深く凹設された各孔部４内にレジスト５が吸い込まれるため、孔部４の内側面にレジスト５が不規則に堆積して目詰まりを起こしやすくなる。このような目詰まりが生じると、孔部４の内側面にこびり付いたレジスト５によって、各孔部４の開口径φが不均一に狭まってしまい、図１２で示した状態と同様に、基板２の上面側から見たときに本来の孔部４のエッジ４ａがぼやけて不明瞭になるといった問題があった。

そこで、本発明の目的は、水晶基板の加工位置の微細な位置ずれ等を高精度且つ容易に検出できると共に、フォトリソグラフィ工程等によって前記水晶基板の表面にレジストを塗布した場合であっても、形状を明確に認識することで加工位置を精度よく検出することが可能なアライメントマークを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のアライメントマークは、水晶基板に設けられ、この水晶基板の加工位置を検出する照合パターンからなるアライメントマークであって、前記照合パターンは、前記水晶基板の表面に形成した複数の凹部の配列からなる集合体によって構成され、各凹部は微小な開口径を有することを特徴とする。

また、本発明のアライメントマークは、水晶基板に設けられ、この水晶基板の加工位置を検出する照合パターンからなるアライメントマークであって、前記照合パターンは、前記水晶基板の表面に形成した複数の凹部の配列からなる集合体によって構成され、各凹部は微小な開口径を有すると共に、この開口径と同じかそれより小さな寸法の深さを有することを特徴とする。

本発明のアライメントマークによれば、水晶基板に設けられる照合パターンが複数の凹部の配列からなると共に、それぞれの凹部が微小な開口径を有して形成されているため、複数の加工工程を経て繰り返しながら形状加工等が行われる水晶基板の微細な位置ずれを高精度且つバラツキなく検出することができる。

また、本発明のアライメントマークによれば、照合パターンを構成する複数の凹部が微小な開口径を有すると共に、この開口径と同じかそれより小さな寸法の深さを有しているため、露光工程においてレジストが塗布された場合であっても、レジストの浸入を少なく抑えることができる。これによって、各凹部のエッジが不明瞭化するのを防止することができ、形状加工を繰り返し行う際にも水晶基板の位置決め精度が低下することがない。

さらに、隣接する凹部同士の間隔が一定の規則性を持って変化するように構成したり、複数の凹凸エリアと平面エリアとによって照合パターンを形成したりすることで、各凹部のピッチずれ等も確実に検出することができる。

本発明のアライメントマークが形成された水晶基板の平面図である。 第１実施形態のアライメントマークのパターン形態を示す平面図である。 上記アライメントマークが形成された水晶基板の断面図である。 上記水晶基板の表面にレジストを塗布したときの断面図である。 図２で示したアライメントマークのＡ部の拡大平面図及び拡大断面図である。 第１実施形態のアライメントマークの検出画像図である。 第２実施形態のアライメントマークのパターン形態を示す平面図である。 第２実施形態のアライメントマークの検出画像図である。 第３実施形態のアライメントマークのパターン形態を示す平面図である。 第４実施形態のアライメントマークのパターン形態を示す平面図である。 第５実施形態のアライメントマークのパターン形態を示す平面図である。 従来の十文字状のパターンからなるアライメントマークの検出画像図である。 従来のドット状のパターンからなるアライメントマークが形成された水晶基板の断面図である。

図１は本発明の第１実施形態のアライメントマークＭ１が形成された加工前の水晶基板１１の一例を示したものである。前記アライメントマークＭ１は、図２及び図３に示すように、水晶基板１１の表面を微細に凹設した複数の凹部１４の配列からなる集合体（照合パターン）によって構成されている。本実施形態では、前記水晶基板１１から各種形状の水晶振動子を得るための基準となるアライメントマークの構成について以下に示す。なお、前記水晶基板１１から得られる水晶振動子１６は、図１中の仮想線で示したように、基部１７から並行して延びる一対の振動腕部１８を備え、この振動腕部１８に溝部１９を設けた音叉型のものを例示しているが、厚み滑りや輪郭振動といった他の水晶振動子の形状であってもよい。

図１に示したように、前記水晶基板１１には、水晶振動子１６を得るための加工領域１１ａと、アライメントマークＭ１が形成されるフレーム領域１１ｂとを有している。この水晶基板１１は、図３に示したように、所定のカット角及び厚みにスライスされた基板本体１２と、この基板本体１２の表面にスパッタリング法等によって蒸着形成される表面電極膜１３とによって形成されている。

アライメントマークＭ１は、前記フレーム領域１１ｂに設けられ、表面電極膜１３の上から基板本体１２の表面を凹設することによって形成される複数の凹部１４からなっている。この凹部１４は、水晶基板１１の表面を直接エッチングすることによって、円形状あるいは多角形状に形成される。このような凹部１４は、図２に示したように、複数のドット状の配列とすることで、加工する際の位置合わせの基準となる照合パターンを構成する。この照合パターンは、カメラでモニタリングしながら、あるいは撮影したものを他の位置合わせの対象物と比較することで、水晶基板１１が所定の加工位置と合っているか、ずれているかを判別することができる。

前記水晶基板１１から水晶振動子１６を形成する際には、露光用のレジスト１５を塗布した後、露光マスク（図示せず）を介して紫外線を照射することで、前記加工領域１１ａに水晶振動子１６を得るための加工パターンを転写形成する。そして、この加工パターンに沿ってエッチングを施し、最後に残ったレジスト１５を剥離する。このような、レジスト塗布、エッチング、レジスト剥離といった一連の工程を複数繰り返すことによって、音叉型の外形形状を有し、振動腕部１８の内部に溝部１９を有した水晶振動子１６を完成させている。前記各工程での水晶基板１１の加工位置合わせは、水晶基板１１を載置する加工ステージ上に固定されるカメラ（図示せず）を通して前記アライメントマークＭを捉え、予め設定されている照合用のドットパターンとを比較させることによって、所定の加工位置にあるかを判別する。

図４は前記水晶基板１１にレジスト１５を塗布した際の前記アライメントマークＭ１における断面状態を示したものである。本発明の特徴は、このような断面状態が各工程で維持されることで、アライメントマークＭ１が明瞭に判別可能とするように構成されている点にある。これを実現するために、図２及び図５に示すように、前記各凹部１４が開口径φと同じかそれより小さな寸法の深さｄとなるように、基板本体１２の表面１２ａを凹設することによって、高精度且つ認識容易な照合パターンを形成している。本実施形態では、各凹部１４の開口径φを２０μｍ以下の微小サイズに設定したので、ウェットエッチングによって凹設される深さｄは前記開口径φよりも大きくなることはなく、最大で２０μｍ以下、最小では１０μｍ以下となる。なお、隣接する凹部１４間の間隔（ピッチ）ｐは一定となるように設定されている。

前記凹部１４は、エッチングによって厚み方向（Ｚ軸）に形成する際、エッチング特有の異方性によって平面方向（Ｘ軸，Ｙ軸）の浸食量が一定に定まらず、凹部形状が異なる場合がある。このような凹部形状が不均一であると、位置決め精度に誤差が生じやすくなるが、本実施形態では、前述したように、各凹部１４の深さｄが開口径φと同じかそれよりも浅くなるため、異方性の影響がほとんど生じることがない。そのため、凹部１４のエッジ１４ａが明確となるので、このエッジ１４ａを基準にした位置決めを高精度に行うことができる。また、前述したような範囲の開口径φに設定することで、図５に示したように、各凹部１４内に浸透するレジスト量を少なく且つ均一にすることができる。これによって、各凹部１４のエッジ１４ａが明瞭になると共に、それぞれの凹部の形状及び大きさも揃うため、照合精度の向上化が図られる。

図６（ａ）は上記第１実施形態のアライメントマークＭ１が形成された水晶基板１１の上面状態を示したものであり、図６（ｂ）はアライメントマークＭ１上にレジスト１５を薄めに、図６（Ｃ）は厚めに塗布したときの状態を示したものである。このように、レジスト１５が薄塗りであっても厚塗りであっても各凹部１４のエッジ１４ａが明瞭となるので照合が容易となり、水晶基板１１の加工位置ずれ検出を精度よく行うことができる。実際の位置ずれ検出は、前述したように、カメラで捉えられたアライメントマークＭ１の画像をデータ処理することによって行われる。この画像によるデータ処理は、パターンサーチあるいはパターンマッチングと呼ばれる二次元の画像データマトリクスと、予め登録された二次元のデータマトリクスとの相関性を用いた位置検出法に基づいて行われる。

図７は第２実施形態のアライメントマークＭ２の平面形状を示したものである。このアライメントマークＭ２は、複数の凹部１４が配列されている複数の凹凸エリア２２と、凹部１４が設けられていない複数の平面エリア２３とを組み合わせることによって特定の照合パターンを構成している。前記凹凸エリア２２は凹部１４が等間隔で配列されており、平面エリア２３は十文字状に凹部１４の配列を１ピッチ分あるいは２ピッチ以上省いた部分となっている。なお、前記平面エリア２３は、隣接する凹部１４のピッチ間の距離を一部変えることによって形成することもできる。上記第１実施形態のアライメントマークＭ１では凹部１４のピッチが全体で等間隔であるので、カメラで読み取る際、１ピッチ分ずれたような場合であっても、他の凹部のピッチが一致していれば正しい加工位置であると誤って検出されるおそれがあるが、このアライメントマークＭ２のように一部に凹部１４が抜けた特定の照合パターンで形成されているため、ピッチずれによる誤認識を確実に検出することができる。

このように、凹凸エリア２２と平面エリア２３とを複数組み合わせることで、図８（ａ）に示すように、凹部１４の配列による境界が明確となる。これによって、位置合わせする際の目標や目印になりやすい。また、図８（ｂ），（ｃ）に示すように、レジスト１５を薄めに（ｂ）、厚めに（ｃ）塗布した場合にあっても、前記凹凸エリア２２を構成する各凹部１４の形状も明確に捉えられるので、ピッチずれ等の検出をより正確且つ迅速に行うことができる。本実施形態では、前記平面エリア２３を左右対称の十文字状に形成したが、アライメントマークＭ２の中心部からずれていてもよい。また、このような十文字に限らず、複数の直線あるいは曲線からなる様々な記号や模様等にして前記平面エリア２３を構成してもよく、さらには、凹凸エリア２２と平面エリア２３とを反転させて構成してもよい。

上記図７及び図８で示したアライメントマークＭ２と図１０で示した従来のアライメントマークＭとの比較において、実際にレジストを塗布した状態での位置ずれ量を測ると、標準偏差の３倍値（３σ）は、従来が４．２μｍに対して、本発明のものでは０．６μｍとなった。なお、従来の十文字状のアライメントマークＭをドットで形成した場合であっても、３σが１．８μｍとなり、本発明のアライメントマークＭ２に比べて大きな値が計測されている。以上の結果から、本発明で規定されている上記開口径φ及び深さｄの凹部１４の集合体からなるアライメントマークを採用することによって、従来に比べて３σは約１／３以下に抑えられることが実証された。なお、この実験では各アライメントマークを５０個作製し、レジストを塗布した状態で等間隔に設置したアライメントマーク間の距離をカメラで測定することによって各々の距離の誤差を３σで評価した。

図９は第３実施形態のアライメントマークＭ３を示したものである。ここで、（ａ）はアライメントマークＭ３全体の配列構成を示したものであり、（ｂ）は、（ａ）で示したＢ部の配列構成を拡大したものである。この実施形態では、中央に位置する凹部３４ａを中心として外周部に向かって隣接する凹部のピッチ（ｐ１〜ｐ７）が次第に広がるように放射状に配列させている。また、図１０に示す第４実施形態のアライメントマークＭ４は、図９とは逆に、中心に位置している凹部３４ａから外周部に向けて隣接する凹部のピッチ（ｐ１〜ｐ７）が次第に狭くなるように配列している。このように、各凹部３４が中心部から放射状に広がるように、又は狭まるような一定の規則性を有して形成されているので、中心に位置している凹部３４ａを起点とした回転方向のずれが検出しやすくなるといった効果が得られる。さらに、図１１に示す第５実施形態のアライメントマークＭ５は、図９で示したアライメントマークＭ３において、凹部３４の配列の一部を省くことによって、所定の平面エリア２３を構成したものである。このように、一定の規則性を有した凹部３４の配列構成の中で、複数の凹凸エリア２２と平面エリア２３とからなる特定の照合パターンを形成することによって、ピッチずれの検出と共に、アライメントマークＭ５全体の判別を容易にすることができる。

次に、本発明のアライメントマークを用いた水晶基板の加工方法を図１に示した第１実施形態に基づいて説明する。本発明では前述したように、水晶基板１１を所定の設計値に基づいた寸法で音叉形状の水晶振動子１６に加工するものである。水晶振動子１６は、前記水晶基板１１に所望の形状の水晶片を形成する水晶片形成工程、水晶基板から切り出した水晶片上に、水晶片を発振させるための電極を形成する電極形成工程、電極が形成された水晶片をパッケージに実装し、さらに蓋部材によって水晶片を密閉するパッケージング工程によって製造される。

前記水晶片形成工程は、水晶基板１１の表面にフォトリソグラフィ法を用いて所定の加工パターンを形成する工程と、この加工パターンを位置合わせするために用いるアライメントマークＭ１を形成する工程とを備える。この水晶片形成工程は、水晶振動子としての特性を左右するため、特に位置合わせには高い精度が要求される。

最初にアライメントマークＭ１を形成する工程では、水晶基板１１のフレーム領域１１ｂに、図２に示したような複数の凹部１４からなるドット状の照合パターンを形成する。この照合パターンは、前記水晶基板１１の表面に微小孔が複数所定の配列によって形成されたマスクを被せ、このマスクの上からウェットエッチングを施すことによって形成される。このようにして形成された照合パターンは、図３に示したように、水晶基板１１の表面を凹設してなる複数の凹部１４の集合体となっている。前記各凹部１４は、開口径φが２０μｍ以下に設定される。このような開口径φであれば、製造上、ウェットエッチングで凹設される深さは前記開口径φより大きくはならない。また、隣接する凹部１４との間隔（ピッチ）ｐも前記開口径φと概略同程度の寸法に設定される。

本実施形態では、前記水晶基板１１の加工領域１１ａを挟んで対向する位置に一対のアライメントマークＭ１を設けている。次に、このアライメントマークＭ１を用いてフォトリソグラフィ工程を行う。まず、マスク層が形成された水晶基板１１の表面に感光性材料からなるレジスト１５による層を形成し、アライメントマークＭ１が形成されたマスク層に対向するようにして露光マスクを配置し、紫外線でレジスト１５を露光する。

図４に示したように、前記水晶基板１１の表面には所定厚みでレジスト１５が塗布される。しかしながら、アライメントマークＭ１は、前述したような寸法による微小な開口径及び深さに形成された複数の凹部１４の集合体となっているため、この凹部１４内をレジスト１５が均等に満たされる。これによって、各凹部１４のエッジ１４ａがぼやけたりすることなく明瞭に認識可能な状態となる。

前記アライメントマークＭ１は、上方に設置されたカメラによって捉えられ、予め登録されている基準パターンと一致するか一致しないかが照合される。この照合手段によって、各凹部１４のエッジ１４ａ同士が重ならない場合は水晶基板１１の加工位置がずれていると判断される。これによって、前記アライメントマークＭ１を基準パターンに一致させるように、水晶基板１１が載置されている加工ステージをＸ軸方向及びＹ軸方向に走査して位置調整を行った上で露光等の処理を行うことができる。

本実施形態では、アライメントマークＭ１を含む水晶基板１１の表面全体にレジスト１５を形成した後に、所定の加工を行うための位置合わせを行うが、前述したように、アライメントマークＭ１の上におけるレジスト１５の厚みが抑えられるため、カメラで映し出される映像には、凹部１４のエッジ１４ａが明確となるので、位置合わせを精度よく行うことができる。

このようにして露光を行った水晶基板１１は、現像工程へ移行する。この現像工程では、露光されたレジスト１５を現像し、水晶振動子１６としての外形形状がパターン化されたレジスト１５を形成する。そして、このレジスト１５をマスクとして利用して、水晶基板１１をフッ酸等のエッチング液に浸すことによって、マスク層のパターン部分を残して抜かれた水晶基板１１が形成される。最後にマスク層を除去することによって、所定形状の水晶振動子１６が完成する。なお、水晶基板１１に形成したアライメントマークＭ１は、加工パターン領域以外の場所に形成され、エッチング処理によって、排除されるため、水晶振動子１６として抜かれた部分に影響を及ぼすことがない。

フォトリソ加工では露光、現像、エッチング等を繰り返しながら水晶振動子としての形状を形作るのに対し、本実施形態ではアライメントマークＭ１を最初に形成した後に全体がレジスト１５でコーティングされる。このため、フッ酸等のエッチング液でアライメントマークＭ１自体が追加工されることがない。したがって、一つの水晶基板に対してフォトリソ加工を繰り返し行った場合であってもアライメントマークＭ１は変形しないので、このような厳しい製造環境であっても加工の位置決め精度を常に高く維持することができる。

本実施形態では、アライメントマークＭ１を加工領域１１ａの外側に一対対向して設けたが、加工領域１１ａの角部などの外周部に沿って複数設けることができる。このように、アライメントマークＭ１の数を増やすことで、水晶基板１１の位置合わせ精度をさらに高めることができる。また、複数設けられるアライメントマークＭ１をそれぞれ異なるパターン形状にすることによって、位置合わせを行う水晶基板１１の方向性も効率よく検知することができる。

なお、本発明によるアライメントマークは、水晶基板に限らず、半導体基板や他の電子基板や機械部品などの加工対象物に形成した場合であっても、加工の位置合わせを高精度且つ効率よく行うことができる。

Ｍ，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５ アライメントマーク
２ 基板
４ 孔部
４ａ エッジ
５ レジスト
１１ 水晶基板
１１ａ 加工領域
１１ｂ フレーム領域
１２ 基板本体
１２ａ 表面
１３ 表面電極膜
１４ 凹部
１４ａ エッジ
１５ レジスト
１６ 水晶振動子
１７ 基部
１８ 振動腕部
１９ 溝部
２２ 凹凸エリア
２３ 平面エリア
３４ 凹部

Claims (6)

1. 水晶基板に設けられ、この水晶基板の加工位置を検出する照合パターンからなるアライメントマークであって、
   前記照合パターンは、前記水晶基板の表面に形成した複数の凹部の配列からなる集合体によって構成され、各凹部は微小な開口径を有することを特徴とするアライメントマーク。
2. 水晶基板に設けられ、この水晶基板の加工位置を検出する照合パターンからなるアライメントマークであって、
   前記照合パターンは、前記水晶基板の表面に形成した複数の凹部の配列からなる集合体によって構成され、各凹部は微小な開口径を有すると共に、この開口径と同じかそれより小さな寸法の深さを有することを特徴とするアライメントマーク。
3. 前記配列された複数の凹部は、隣接する凹部同士の間隔が一定の規則性を持って変化する請求項１又は２に記載のアライメントマーク。
4. 前記配列された複数の凹部は、隣接する凹部同士の間隔が一定である請求項１又は２に記載のアライメントマーク。
5. 前記照合パターンは、前記複数の凹部の配列によって形成された複数の凹凸エリアと、複数の凹凸エリアの間に形成され前記複数の凹部が配列されない平面エリアとを有する請求項１乃至４のいずれかに記載のアライメントマーク。
6. 前記複数の凹部は、前記水晶基板上に塗布されたレジストによって満たされる請求項１又は２に記載のアライメントマーク。