JP2018508835A - マルチトーンレベルフォトマスク｛ｍｕｌｔｉ−ｔｏｎｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｐｈｏｔｏｍａｓｋ｝ - Google Patents
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Abstract
本発明は、マルチトーンレベルフォトマスク５０の製造方法に関し、この方法は、マスク基板２４を提供するステップと、マスク基板の表面の少なくとも一つの層２０ａ、２０ｂに階段式パターンを提供するステップとを含む。階段式パターンは少なくとも２個の階段と少なくとも３個のレベル４２、４４、４８とを含む。階段式パターンに光を照らせば、レベルごとに異なる光度を提供する。【選択図】図１ｆ
Description
本発明はマルチトーンフォトマスク、具体的には光学密度が様々なレベルのフォトマスクに関し、より具体的には加工材のパターンに様々な高さのフォトレジストを提供するフォトマスクに関する。
多重マスキングステップによって基板に多層構造を形成し、各々のマスクレベルを以前のマスクレベルに整列すれば整列誤差が生じたりする。そのため、ウェハーごとに整列状態が少しずつ異なる。よって、互いに異なるウェハーに形成された生成物ごとに異なる誤整列状態を持って互いに一致しなくなる。また、マスキングステップごとに相当な時間がかかり、多重マスキングステップには処理時間が何倍もさらにかかったりする。また、各々のマスクとマスキングステップにも相当な費用がかかる。
本出願人は従来のこのような問題点を解決することをその目的とする。
本発明は、マルチトーンレベルフォトマスクの製造方法に関し、この方法は、マスク基板を提供するステップと、マスク基板の表面の少なくとも一つの層に階段式パターンを提供するステップとを含む。階段式パターンは少なくとも２個の階段と少なくとも３個のレベルとを含む。階段式パターンに光を照らせばレベルごとに異なる光度を提供する。
本発明はマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法に関し、マルチトーンレベルフォトマスクは多重レベルの光学密度を有する。露出後、マスクを用いて加工材のフォトレジストを現像して３次元構造にパターン化すれば、加工材に様々な高さのフォトレジストを有するパターンが生じる。
一例として、マルチトーンレベルフォトマスクを製作しようとすれば、マスク基板の表面に１層以上の階段型パターンを提供する。階段型パターンは２個以上の階段と３個以上のレベルとを有する。階段型パターンに光を照らして測定した時にレベルごとに光密度が異なる。
複数の光減衰材層を備えてマルチトーンレベルフォトマスク上に様々な光密度レベルを用意する。層ごとに別途にパターン化する。層ごとに材料の特性と厚さに合った減衰度や光密度を有する。２個の光減衰材層を有するフォトマスクは露出入射光に三つの減衰レベル、すなわち、両層をエッチングした所の無減衰、上段層をエッチングした領域での下段層の光密度による減衰、及びどの層もエッチングしていない所で両層全ての光密度による減衰という三つの減衰レベルを示す。
さらに多い光減衰材層を備えることができ、基板に光減衰材層が多いほど、加工材上で露出し現像されたフォトレジストの減衰レベルが多くなり、高さ数も多くなる。
一例として、部分的に透明な材料からなる層が少なくとも一つである２層構造を透明基板にブランケット（ｂｌａｎｋｅｔ）蒸着して２層マルチトーンレベルフォトマスクを製作し始める（図１ａ参照）。この時、下段層２０ｂは材料とエッチング化学反応において上段層２０ａとは異なり、上段層２０ａをエッチングする時に下段層２０ｂはエッチングされない。例えば、上段層２０ａはニッケルであり、下段層２０ｂはクロムである。マスク基板２４はガラス、石英、溶融シリカのような透明材である。反射マスク用の部分透過率の観点で記載したが、この工程は透明マスク及び反射マスクの製作工程と同様であり、反射マスクの場合、少なくとも１層は部分反射材からなる。
２個の層２０ａ、２０ｂを通して加工材上のフォトレジストに到達する光量はこれらの層の厚さに左右される。下段層２０ｂの厚さが５ｎｍ程度の場合、マスク基板２４上に下段層のみある部分はＵＶ光量の半分程度が下段層を透過する。上段層２０ａの厚さに応じて、両層２０ａ、２０ｂの両方とも有する部分には相当に小さいＵＶが透過される。例えば、上段層２０ａの厚さ５ｎｍであれば、図２ａのグラフのように、２個の層を透過した光が３０％に減る。上段層２０ａが厚いほど２個の層を透過する光が減り、その下の領域のフォトレジストの露出も減る。上段層の厚さは５ｎｍ〜３００ｎｍ程度であってもよい。他の厚さのニッケルとクロムを用いて、マスクを用いて露出された加工材での現像後のフォトレジストの上下寸法を裁断することもできる。
薄い金属層の代わりに、二酸化珪素、窒化珪素、二酸化チタニウム、酸化ハフニウム、五酸化タンタルのような誘電体を用いて厚さを裁断してマスクに用いる所定の波長に部分透明率や反射率を付与することもできる。透過率と反射率を高めるために、値の高くて低い材料の多数の層を用いる。例えば、厚さが材料の１／４波長と等しいのであれば誘電層の透過率が最大であり、半波長と等しいのであれば反射率が最大であるが、１／４波長と半波長との間に厚さを調節すれば透過率と反射率を調節することができる。メタルと誘電体の他に、顔料ポリマーのような他の部分的に透明な材料を用いることもできる。
上下段金属や誘電体層２０ａ、２０ｂを蒸発、化学的蒸着、スパッタリング、物理的蒸着のような技術により蒸着することができる。顔料材料の厚い層を蒸着し、スピニング、スプレーまたはロールオン蒸着を利用することができる。
上下段層２０ａ、２０ｂを蒸着した後、第１レジスト層２６を蒸着しパターン化して第１レジスト層に第１開口部２８を形成する（図１ｂ〜ｃ参照）。第１レジスト層２６はフォトレジストであり、現像液でマスクを通してＵＶ光でパターン化して第１開口部２８を形成する。レーザ書き込みや電子ビーム書き込みのような他の技法により第１レジスト層２６をパターン化することもできる。一方、ＵＶ吸収顔料やフォトレジストを有したＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）のような吸光ポリマーを所望の深さに削除するのにレーザ書き込みを利用することもできる（図１０ａ参照）。また、ホログラフィックマスクとレーザを用いてマスク基板上の吸光ポリマーに階段式パターンを形成することもできる（図１０ｂ参照）。また、ステンシルスクリーン印刷やロールオンマスキングのような工程を利用して蒸着途中に第１レジスト層をパターン化することもできる。
上段層２０ａを第１レジスト層２６の第１開口部２８に合わせてエッチングする（図１ｃ）。上段層２０ａの材料がニッケルであれば、第１レジスト層２６の第１開口部２８にＴｒａｎｓｅｎｅ Ｎｉｃｋｅｌ Ｅｔｃｈ ＴＦＧでエッチングして上段層開口部３０を形成する。Ｔｒａｎｓｅｎｅ Ｎｉｃｋｅｌ Ｅｔｃｈ ＴＦＧは下段層２０ｂのクロムはエッチングしないため、下段層はそのまま維持される（図１ｃ）。
さて、第１レジスト層２６を剥がし、第２レジスト層３６を蒸着しパターン化して第２開口部３８を形成する（図１ｄ）。パターン化された第２レジスト層３６の第２開口部３８は上段層２０ａの開口部３０内にある（図１ｄ）。第２レジスト層３６もフォトレジストであり、第２開口部３８を形成するパターン化には、マスクを整列した後、マスクを通してＵＶ光を露出させて現像する工程が含まれる。レーザや電子ビーム書き込みのような他の技法を露出に利用することもできる。第２レジスト層３６をＸ線露出することもできる。レジストのような吸光ポリマーを所望の深さに除去するのにレーザ書き込みを利用することもできる。また、ステンシルスクリーン印刷やロールオンマスキング、インクジェット印刷のような工程を利用して、第一層と整列したパターン化された第２レジスト層を提供することもできる。
図１ｅのように、第２レジスト層３６の第２開口部３８に一致するように底層２０ｂをエッチングし、底層がクロムであるため、Ｔｒａｎｓｃｅｎｅ Ｃｈｒｏｍｉｕｍ Ｅｔｃｈ ＴＦＥで第２開口部３８をエッチングして底層に底層開口部４０を形成する。Ｔｒａｎｓｃｅｎｅ Ｃｈｒｏｍｉｕｍ Ｅｔｃｈ ＴＦＥは上段層のニッケルはエッチングしないため、この時、上段層は第２レジスト層３６によって保護され、第１開口部３０外の上段層はそのまま残される。
最後に、第２レジスト層３６を剥がすと、マスク基板２４の３つの区域を除き、２層マルチトーンレベルフォトマスク５０が完成される。マスク基板２４の区域４２には上下段層２０ａ、２０ｂが全てなく、区域４４には下段層２０ｂのみあり、区域４６には上下段層２０ａ、２０ｂが全てある（図１ｆ）。ある区域には上下段層２０ａ、２０ｂが階段やピラミッドの形態にあり、他の区域には下段層のみある。
階段やピラミッド型パターン４８が図３のようなマスク露出によって加工材６０のフォトレジストに再現される。先ず、半導体ウェハーのような加工材６０をフォトレジスト６１でコーティングし（図３ａ）、マルチトーンレベルフォトマスク５０を通してＵＶ光に露出させる。フォトレジスト６１はフォトマスク５０のパターンより遥かに厚く、フォトマスク上の金属層の全体厚さより１００倍程度より大きい１μｍであってもよいが、通常、０．５〜３μｍまたは０．１〜１００μｍであるか、さらには数ｍｍであってもよい。
透過率と反射率の両方ともフォトマスク５０上の金属厚さに左右されるため、加工材６０上のフォトレジスト６１を透明や反射モードに露出させることができる。反射率が互いに異なる誘電体コーティングや金属を用いる場合、反射モードを利用することができる。
フォトレジスト露出にＵＶの他に、Ｘ線、可視光、赤外線、水銀ランプやキセノンランプ、レーザ、Ｘ線マシーンを含む他の波長の光を用いることもできる。
パターン化にレーザや電子ビーム書き込みを利用する場合、マスクの生成に数時間がかかる。しかし、一度生成されたマルチトーンレベルフォトマスクは複数の加工材のフォトレジストを迅速に露出させるのに何度も使用することができるため、所望の３次元パターンを作る処理時間を大幅に短縮することができる。マルチトーンレベルフォトマスクを備えた各加工材のフォトレジストを露出させる処理時間は従来の数時間に比べて分単位の範囲である。
上下段層２０ａ、２０ｂが全てない領域４２ではフォトマスク露出に用いられたＵＶ光がフォトレジスト６１にぶつかり、下段層２０ｂのみある領域４４では下段層を通過した光がフォトレジスト６１の上段部を露出させるのに充分であり、２個の層２０ａ、２０ｂが全てある領域４６では２個の層を全て通過した光がフォトレジスト６１を露出させるのに充分ではない。
よって、現像後、マスク基板２４に３個の異なる高さを有する領域４２、４４、４６を有するマスク５０のパターンが加工材６０上のフォトレジスト６１において３個の高さを有する階段やピラミッドパターン６８を有するフォトレジスト領域６２、６４、６６、すなわち、フォトレジストがない領域６２、フォトレジストが半分残った領域６４、及びフォトレジストが全て残った領域６６に再現される（図３ｂ）。
一実施形態において、米国Ｃｌａｒｉａｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ＡＺ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社のＡＺ ４３３０フォトレジストを半導体ウェハー加工材にスピン付着した。３μｍのフォトレジストを有する加工材を１５分間１０５℃で事前露出した。３０秒間４００Ｗの水銀ランプを用いて１００ｍＪ／ｃｍ２の光量でＯｒｉｅｌマスクアライナを用いてマルチトーンレベルフォトマスクを通して露出した。このような加工材を３：１で薄められたＡＺ ４００Ｋにおいて６０秒間現像し、その結果であるフォトレジスト形態を触針式プロファイラ（ＫＬＡ／Ｔｅｎｃｏｒ Ｐ−２ ｓｔｙｌｕｓ ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒ）によって測定した。
このような露出と現像条件下でＡＺ４３３０フォトレジストの露出エネルギーの関数で現像されたフォトレジスト深さを示すグラフが図２ｂである。グラフによれば、光量が約３８ｍＪ／ｃｍ２である時には０．５μｍのレジストを、光量が５０ｍＪ／ｃｍ２である時には１．０μｍのレジストを、光量が６０ｍＪ／ｃｍ２である時には１．５μｍのレジストを、光量が７２ｍＪ／ｃｍ２である時には２．０μｍのレジストを、光量が８４ｍＪ／ｃｍ２である時には２．５μｍのレジストを、光量が１００ｍＪ／ｃｍ２である時には３．０μｍのレジストを現像する。
図４のように、透明基板上に３個の層を形成し、図５のように、マスク露出法により加工材のフォトレジストに同様に４個の露出レベルを転写して４レベル３次元構造を作る。ここで、３層構造は部分的に透明材料からなる少なくとも２個の層や部分的に反射材料からなる少なくとも２個の層を含む。部分的に透明や反射材料からなる３個の層を透明マスク基板の層として蒸着してマルチトーンレベルフォトマスクの製作を開始する（図４ａ）。例えば、上段層７０ａは銅、中間層７０ｂはニッケル、下段層７０ｃはクロムであり、マスク基板はガラス、石英または溶融シリカである。下段層７０ｃは、マスク基板７４に単独にある時、ＵＶ光に部分的に透明な２または３ｎｍの厚さを有し、中間層は、マスク基板に中間層と下段層が両方ともある時、相変らずＵＶ光に対して部分的に透明な２または３ｎｍの厚さを有する。
反射モードでは、同一構造の金属層が反対に作用して基板が加工材に最小限の光を反射し、その上の層が最大限の光を反射する。アルミニウムやアルミニウムコーティングされた溶融シリカ基板のような反射基板にコーティングを付けて最大に反射されるようにすることもでき、この時、基板上の各々の層は光をさらに吸収し少なく反射する。
上段層は十分に厚く、３個の層が全てある区域では、ＵＶ光がほぼ通過することができないか、またはフォトレジストを現像するために加工材に用いられたフォトレジストに必要な閾値に到達するには不充分な光が３個の層を通過する。例えば、上段層７０ａの厚さは１０ｎｍ又は２０ｎｍであって厚い。このようなマスクを用いて露出された加工材のフォトレジストの厚さを裁断して３次元構造を作るのに、他の厚さの銅、ニッケル及びクロムを用いることもできる。
前述したように、誘電体や顔料ポリマーのような他の吸収材を用いることもできる。上段、中間、下段層（７０ａ〜７０ｃ）の各々を蒸発、ＣＶＤ、スパッタリング、ＰＶＤのような方法によりマスク基板７４に蒸着する。
３個の層（７０ａ〜７０ｃ）を蒸着したのであれば、第１レジスト層７６を蒸着しパターン化して第１開口部７８を形成する（図４ｂ）。第１レジスト層７６はフォトレジストであり、開口部７８を形成するパターニングはマスクにＵＶ光を通過させた後に現像液を用いて行う。レーザや電子ビーム書き込みやＸ線露出のような他の方法を利用することもできる。また、ステンシルスクリーン印刷やロールオンマスキング、インクジェット印刷のような工程を利用して蒸着途中に第１レジスト層をパターン化することもできる。
第１レジスト層７６の第１開口部７８に一致するように上段層７０ａをエッチングする（図４ｂ）。上段層７０ａが銅の場合、Ｔｒａｎｓｅｎｅ社のＴｒａｎｓｅｎｅ ｃｏｐｐｅｒｅｔｃｈ ＡＰＳ−１００でエッチングすることができる。よって、銅エッチング液がその下の中間層７０ｂのニッケルには影響を与えずに上段層開口部８０を形成するため、中間層７０ｂと下段層７０ｃはそのまま残されている（図３ｂ参照）。
次いで、第１レジスト層７６を剥がし、第２レジスト層８６を蒸着しパターン化して第２開口部８８を形成する（図４ｃ）。第２開口部８８のパターン化はマスクを通してＵＶ光、レーザや電子ビームで第２レジスト層８６を露出してなされる。一方、ステンシルスクリーン印刷やロールオンマスキング、インクジェット印刷のような工程を利用して蒸着途中に第２レジスト層をパターン化することもできる。第２開口部８８は上段層の開口部８０内にある（図３ｃ参照）。
第２レジスト層の第２開口部８８と一致するように中間層７０ｂをエッチングする（図４ｃ）。中間層７０ｂがニッケルであるため、第２レジスト層の第２開口部８８においてＴｒａｎｓｅｎｅ ｎｉｃｋｅｌ ｅｔｃｈ ＴＦＧで中間層をエッチングして中間層開口部９０を形成する。このエッチング液が下段層７０ｃのクロムはエッチングせず、銅上段層７０ａは第２レジスト層８６の保護を受けるため、第１開口部８０外の上段層７０ａと下段層７０ｃはそのまま残される（図４ｃ）。
続いて、第２レジスト層８６を剥がし、第３レジスト層９６を蒸着しパターン化して第３レジスト層に第３開口部９８を形成する（図４ｄ）。第３開口部９８のパターン化はマスクを通してＵＶ光、レーザや電子ビームで第３レジスト層９６を露出してなされる。一方、ステンシルスクリーン印刷やロールオンマスキング、インクジェット印刷のような工程を利用して蒸着途中に第３レジスト層をパターン化することもできる。第３開口部９８は中間層の開口部８８内にある（図４ｄ）。
最後に、マスク基板７４に４つの区域のみを除いて、第３レジスト層９６を剥がせば、マルチトーンレベルフォトマスク１０１が完成される（図４ｅ）。区域１０２には何の層もなく、区域１０４には下段層７０ｃのみあり、区域１０６には下段層７０ｃと中間層７０ｂがあり、区域１０８には３個の層が全てある。ある区域には３個の層が階段式パターン１１０である。３次元で見た時、階段式パターン１１０がピラミッド形状であってもよい。
３層マルチトーンレベルフォトマスク１２０に形成された階段式パターン１１０は加工材１３０のフォトレジストに再現される（図５参照）。先ず、半導体ウェハーのような加工材１３０をフォトレジスト１３１でコーティングし、フォトマスク１２０を通してＵＶ光を照らして露出する（図５ａ）。接触印刷をするか、またはプロジェクション・アライナやスキャナーを用いて露出をする。
何の層もないマスク基板７４の区域１０２ではＵＶ光が加工材のフォトレジスト１３１にそのままぶつかる。下段層７０ｃのみある区域１０４では下段層を通過した光がフォトレジスト１３１の上部を十分に露出させる。２個の層７０ｂ、７０ｃがある区域１０６ではフォトレジスト１３１の表面のみ露出させる程度の光が通過する。３個の層７０ａ、７０ｂ、７０ｃが全てある区域１０８ではフォトレジスト１３１のどの部分も十分に露出されず現像液が材料を除去することができない。よって、現像時、４つの高さのパターン１４２、１４４、１４６、１４８がフォトレジスト１３１に形成され（図５ｂ）、フォトレジストがない区域１４２、１／３高さの区域１４４、２／３高さの区域１４６、及び全体高さの区域１４８の３次元構造が形成される。
図６ａの４層マルチトーンレベルフォトマスク１２０’のように透明なマスク基板７４’にさらに薄い金属層を形成することができる。層（７０ａ’〜７０ｅ’）の個数が多いほど、ある程度の光が下位４個の層を通過できるように各層の厚さが減る。層（７０ａ〜７０ｅ）全部の総厚さは加工材のレジストの露出を効果的に遮断するのに充分であるが、層（７０ｄ’〜７０ｅ’）を有する環状区域のような階段式層がある区域はさらに多い光量を受ける。図５ｂの３層マルチトーンレベルフォトマスク１２０の場合、マスク基板７４のフォトレジスト１３１をさらに深く露出してさらに深い３次元パターンを十分に現像することができる。５層フォトマスク１２０’も同様である。フォトマスク１２０’の層の位置と個数が露出と現像を経てフォトレジストに再現される。
図６ａにおいて、フォトレジストの開口部は円形であり、最も大きい円形開口部は金属上段層７０ａ’のエッチングのためのものである。次の層（７０ｂ’〜７０ｅ’）を順にエッチングするために、該当するレジスト層の開口部が次第に小さくなる。このようなシステムは３層マルチトーンレベルフォトマスクの製作工程である図４ｂ〜４ｅの断面図から知ることができる。
図６ｂの回折レンズ１５４や図６ｃの回折格子１５５のような他のパターンも可能である。
回転レンズを作るためのフォトレジスト１５６は高さが３μｍであり、フォトレジスト１５６内の各階段１５７の高さは赤外線に合わせるために１μｍである。他例として、このような回折レンズ４００個のアレイを形成し、全体アレイの直径は２０ｍｍである。アレイ内の各々のフォトレジストレンズは、近赤外線波長である．８５μｍに合わせるために直径５００μｍ、高さ１．７μｍであった。回折レンズを製作するために、溶融シリカ加工材１５８のフォトレジスト１５６に方向性反応イオンエッチング法を適用して溶融シリカ下にフォトレジストパターンを複製した。エッチング化合物を調整してフォトレジストと溶融シリカのエッチング速度をほぼ同様にする。このような調節因子に酸素とフッ素の先行ガス流量と圧力が含まれる。
図６ｃの階段型多層マルチトーンレベルフォトマスク１５５を製作するために、連続する各々のレジスト層に長方形開口部を作る。付着された第１レジスト内の最も大きい長方形開口部の幅を横切って上段層７０ａ’’にのみレジストコーティングを残したまま、他の全ての予想される階段上の上段層７０ａ’’をエッチングする。第１レジスト下を除いた上段層７０ａ’’をエッチングしたのであれば、上段層７０ａ’’と第２層７０ｂ’’を両方ともコーティングし、残りの階段上の第２層７０ｂ’’をエッチングするために第１レジストを剥がし、第２レジスト層を蒸着する。コーティング面積を増やし、開口部サイズを減らしつつ、他の層（７０ｃ’’〜ｆ’’）を順にエッチングして階段式マスク１５５を形成する。前述したように、エッチング特性が異なる金属と異なるエッチング液を異なる層に用いることもできる。また、異なる誘電体や顔料ポリマー、そして異なるエッチング液を異なる層に用いることもできる。
回折レンズと同様に、フォトレジストに形成された回折格子パターンを反応性イオンエッチングを利用して溶融シリカ加工材に再現する。このように形成された回折格子は角度をなしてぶつかった光を色要素別に分散させ、分光計に用いることができる。階段式パターンの各々の高さを数百ｎｍ〜数十μｍ範囲にすれば、この高さは用いる光の波長に関連する。このような製造工程において、各階段の幅と角度と階段数と幅−深さ比も調節することができる。
一方、図７に示すように、フォトマスクのエッチング停止層を用いて、上段層と下段層に同じ材料を用いることもできる。ここでは、透明基板１６４上に上下段層１６０ａ、１６０ｂを蒸着し、その間にエッチング停止層１６３を置き、マルチトーンレベルフォトマスクの製作を開始する（図７ａ）。上下段層１６０ａ、１６０ｂは全てクロムであり、エッチング停止層１６３は二酸化珪素であり、基板１６４はガラス、石英または溶融シリカである。下段層１６０ｂは厚さ５ｎｍとして、基板１６４に単独にある時、ＵＶ光に対して部分的な透過率を示す。上段層１６０ａの厚さが１０ｎｍの場合、上段層と下段層が全てある区域では非常に少ないＵＶ光が通過する。上段層１６０ａはより厚くてもよい。他の厚さのクロムを用いて、マスクを用いて露出された加工材のフォトレジストの上下寸法を調節することができる。銅やニッケルのような他の部分的な吸収材を用いることもできる。上下段層１６０ａ、１６０ｂを蒸発、ＣＶＤ、スパッタリング、ＰＶＤのような技術で蒸着し、エッチング停止層１６３はＣＶＤで蒸着することができる。
図７のような２層構造でない、さらに多い層構造もこの過程を利用して繰り返し製作することができる。厚さ４ｎｍの二酸化珪素層であればエッチング停止に充分であることが明らかになった。
上下段層１６０ａ、１６０ｂとエッチング停止層１６３を蒸着したのであれば、第１レジスト層１６６を蒸着し（図７ｂ）パターン化して第１開口部１６８を形成する（図７ｃ）。第１レジスト層１６６はフォトレジストであり、この時のパターン化はマスクを通してＵＶ光、レーザービームや電子ビームやＸ線露出をした後に現像による。前述したように、ステンシルスクリーン印刷やロールオンマスキングを利用することもできる。
図７ｃのように、第１レジスト層１６６の第１開口部１６８に一致するように上段層１６０ａをエッチングする。上段層がクロムであるため、第１開口部１６８内をＴｒａｎｓｅｎｅ Ｃｈｒｏｍｉｕｍ Ｅｔｃｈ ＴＦＥでエッチングして上段層に開口部１７０を形成し、この方法では、エッチング停止層１６３の二酸化珪素はエッチングされず、エッチング停止層と下段層１６０ｂがそのまま残される（図７ｃ）。
さて、第１レジスト層１６６を剥がし、第２レジスト層１７６を蒸着しパターン化して第２開口部１７８を形成する（図７ｄ）。第２開口部１７８は上段層１６０ａの開口部１７０内にある（図７ｃ〜ｄ）。第２レジスト層１７６もフォトレジストである。この時のパターン化はマスクを通してＵＶ光、レーザービームや電子ビームやＸ線露出をした後に現像による。前述したように、ステンシルスクリーン印刷やロールオンマスキングを利用することもできる。
次いで、第２開口部１７８に一致するようにエッチング停止層１６３をエッチングする（図７ｄ）。二酸化珪素エッチング停止層を第２開口部１７８内でフッ化水素酸でエッチングして開口部１８０を形成する（図７ｅ）。フッ化水素酸はクロム下段層１６０ｂはエッチングせず、クロム上段層１６０ａは第２レジスト層１７６の保護を受けるため、どのクロム層もエッチングされない（図７ｅ）。
続いて、第２開口部１７８に一致するように下段層１６０ｂをエッチングする（図７ｆ）。クロム下段層１６０ｂが第２開口部１７８内でＴｒａｎｓｅｎｅ Ｃｈｒｏｍｉｕｍ Ｅｔｃｈ ＴＦＥでエッチングされて開口部１８０を形成する。Ｔｒａｎｓｅｎｅ Ｃｈｒｏｍｉｕｍ Ｅｔｃｈ ＴＦＥがガラス基板１６４をエッチングせず、クロム層１６０ａが第２レジスト層１７６によって保護され、両方とも影響を受けない（図７ｆ）。
最後に、第２レジスト層１７６を剥がし、３つの区域のみ残して、マルチトーンレベルフォトマスク１９０が完成される。基板１６４の区域１９２には何の層もなく、区域１９４には下段層１６０ｂとエッチング停止層１６３のみあり、区域１９６には上下段層１６０ａ、１６０ｂとエッチング停止層１６３が全てある（図７ｇ）。ある区域には３個の層（１６０ａ〜１６０ｂ、１６３）が階段式パターン１９８で配列されている。
マルチトーンレベルフォトマスク５０、１２０、１２０’、１９０は層状や曲面状の素子製作に用いられる。例えば、図８のようなエアロゾルノズルアレイや図９のようなマイクロレンズアレイを製作するのに３層マルチトーンレベルフォトマスク１２０を用いる。
エアロゾルノズルアレイを製作するために、電気メッキ補助層２２２でコーティングされ、フォトレジスト２２４で備えた加工材２２０が３層マルチトーンレベルフォトマスク１２０を通過したＵＶ光に露出される（図８ａ）。現像後、フォトレジスト２２４は４層階段構造２２６の間に空洞２２８が形成された構造となる（図８ｂ）。４層階段構造２２６中の最も低い階段は高さが０．５μｍであり、最も大きい階段は高さが４μｍである。最も高い階段はノズルの孔をなす直径を有する。電気メッキ補助層２２２はスパッタリングされたニッケルであって、厚さ１〜２ｍｍ範囲のスパッタリングされたクロム上に５〜５００ｎｍ程度の厚さを有する。補助層２２２の後に電気メッキ材料を放出することができる。このような補助層は蒸発、イオンビーム蒸着、ＰＶＤ及びレーザ蒸着を利用して加工材２２０に提供されることができる。
次いで、図８ｃのように４層階段式フォトレジスト構造２２６によりマスキングされたようにメッキ補助層２２２を通した電気メッキのために加工材２２０を連結し、電気メッキされたパラジウムニッケル合金が構造２２６の間の空洞２２８を満たす。貴金属を含む他の金属や合金も用いることもできる。
続いて、アセトンを用いてフォトレジスト２２４、２２６を除去すれば、基板２２０から機械的に放出された電気メッキパラジウムニッケル合金ノズルアレイ２３０が残される（図８ｄ）。このような工程により、直径が２．５〜４．５μｍ程度のフォトレジスト構造２２６の最も高い階段によって形成された孔を有するノズルが形成される。
マイクロレンズアレイを製作するために、フォトレジスト２５４で覆われた加工材２５０が３層マルチトーンレベルフォトマスク１２０を通過したＵＶ光に露出される（図９ａ）。加工材２５０は溶融シリカのような材料からなる。現像後のフォトレジスト２５４は３層ピラミッド構造２５４’を有する（図９ｂ）。
３層ピラミッド構造を有する加工材２５０を１５０℃程度に加熱して３層ピラミッド構造２５４’を溶融し、溶融シリカ加工材２５０上にレンズ型フォトレジスト区域２５４’’を形成する。
レンズ型フォトレジスト区域２５４’’を有する加工材２５０を反応性イオンエッチングして溶融シリカ加工材２５０に変換させれば（図９ｄ）、加工材２５０上にマイクロレンズアレイ２５６が形成される。反応性イオンエッチングの条件はＴｒｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社のＰｈａｎｔｏｍ ＩＩ イオンエッチング工具を利用し、３００Ｗ、ＣＦ４ ４５ｃｍ３／ｍｉｎ、Ｏ２ ５ｃｍ３／ｍｉｎ、４０分間２００ｍＴｏｒｒである。
３Ｄプリンタを用いて図６ａのようにフォトマスク用顔料ポリマー層を蒸着することもできる。この場合、層（７ａ’〜７ｅ’）は、各々１〜数十μｍ範囲の厚さを有する。全ての層が同じ厚さと透過率を有するか、または露出用ビームが通過する層数に合わせて層の透過率が減ってもよい。また、光を吸収する顔料ポリマーの厚さに応じて、マスク基板は反射率が高く層ごとに異なる反射率を有してもよい。
３Ｄプリンタが標準インクジェットプリンタとして、インク層を順に蒸着することもできる。インクやポリマー結合剤内の顔料や染料の濃度は、蒸着されたインク層の各々が８０％程度の透過率を有するように選択するか、または５個の層を透過した光が順に５％ずつ減衰して６５％の各層が６５％の透過率を有するようにすることもでき、層ごとに異なるそれ自身の透過率を有するようにインクを印刷するのに用いられるヘッドを異なるように用いることもできる。
マスクを通した化学的蒸着を利用するか、またはマスク基板にパターン化された事前層を予め蒸着するなどの他の製造法を利用してマルチトーンレベルフォトマスクを製作することもできる。例えば、図１１のように、ポリマー液滴を供給するプリンタを用いて吸光ポリマーに階段式パターンを形成することもできる。他の金属、誘電体、ポリマー、２次元材料、グラフェン、その他の所望の透過率や反射率を有する他の材料も用いることができる。
Claims (23)
- ａ．マスク基板を提供するステップ、及び、
ｂ．マスク基板の表面の少なくとも１個の層に階段式パターンを提供するステップを含み、
前記階段式パターンが少なくとも２個の階段と少なくとも３個のレベルとを有し、階段式パターンに光を照射した時にレベルごとに異なる光度を提供することを特徴とする、マルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。 - 階段式パターンを提供するステップにおいて、マスク基板にポリマー層を提供した後に該ポリマー層を除去する又はエッチングしてポリマー層にパターンを形成し、ポリマー層の前記パターンは、第１厚さを有する第１部分、および、第２厚さを有する第２部分を含むことを特徴とする、請求項１に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。
- 前記除去がスキャニングレーザによるレーザ除去を含むことを特徴とする、請求項２に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。
- 前記除去がホログラフィックマスクによる除去を含むことを特徴とする、請求項２に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。
- 前記エッチングがマスクを通した反応性イオンエッチングやプラズマエッチングを含むことを特徴とする、請求項２に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。
- 前記階段式パターンを提供するステップにおいて、前記マスク基板にパターン化されたポリマー層をさらに提供して前記階段式パターンを形成することを特徴とする、請求項１に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。
- 前記階段式パターンを提供するステップにおいて、
ａ．前記マスク基板に第１ブランケット層を提供し、
ｂ．前記第１ブランケット層上に第２ブランケット層を提供し、
ｃ．前記第１、第２ブランケット層をエッチングして第１ブランケット層の第１パターンと第２ブランケット層の第２パターンとを含む前記階段式パターンを形成し、この時、前記階段式パターンは第１、第２ブランケット層が全てない第１区域、第１ブランケット層のみある第２区域、及び第１、第２ブランケット層が全てある第３区域を含むことを特徴とする、請求項１に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。 - 前記階段式パターンを提供するステップにおいて、
ａ．前記マスク基板の表面に少なくとも一つの材料を提供し、
ｂ．前記少なくとも一つの材料上に第１レジストを提供し、前記第１レジスト内の第１開口部が第１レジストを完全に貫通し、前記第１開口部がマスク基板の表面に従って存在する第１区域を含み、
ｃ．前記第１開口部を通して前記少なくとも一つの材料の第１エッチングパターンをエッチングし、前記第１エッチングパターンは前記少なくとも一つの材料内に一部のみ延び、前記材料の残りの部分は残し、
ｄ．前記少なくとも一つの材料上に第２レジストを提供し、第２レジスト内の第２開口部が第２レジストを完全に貫通して前記第１区域上に延び、
ｅ．前記第２開口部を通して前記少なくとも一つの材料に第２エッチングパターンをエッチングし、前記第２エッチングパターンは前記少なくとも一つの材料の残りの部分内に一部延びてマスク基板上の前記少なくとも一つの材料に前記階段式パターンを提供し、前記第２エッチングパターンが第１エッチングパターンに整列されることを特徴とする、請求項１に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。 - 前記少なくとも一つの材料が第１材料と第２材料とを含み、前記第１材料は第１エッチング特性を有し、第２材料は第２エッチング特性を有し、前記第１エッチング特性と第２エッチング特性は互いに異なり、前記第１、第２エッチング特性により、（ｃ）のエッチングステップにおいて、第２材料はエッチングせず、第１材料は完全にエッチングすることを特徴とする、請求項８に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。
- 前記（ｅ）のエッチングステップにおいて、マスク基板をエッチングせず、前記第２材料を完全にエッチングすることを特徴とする、請求項９に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。
- 前記第１材料は第１金属を含み、前記第２材料は第２金属を含み、前記第２金属はマスク基板の表面の階段式パターンの透過率と反射率を階段別に連続的に増加させる程度に薄いことを特徴とする、請求項１０に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。
- 前記第２金属の厚さが最大３００ｎｍであることを特徴とする、請求項１１に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。
- 前記第２材料が犠牲エッチング停止材料を含むことを特徴とする、請求項９に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。
- 前記第１材料は前記犠牲エッチング停止材料上に延び、前記第１材料は前記犠牲エッチング停止材料下に延びることを特徴とする、請求項１３に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。
- 前記少なくとも一つの材料が第２エッチング特性とは異なる第３エッチング特性を有する第３材料を含み、前記第２、第３エッチング特性により、（ｅ）のエッチングステップにおいて、前記第３材料はエッチングせず、前記第２材料を貫通エッチングし、
ａ．（ｅ）ステップ後に前記少なくとも一つの材料上に第３レジストを提供し、第３レジスト内の第３開口部が第３レジストを完全に貫通した状態で前記第２区域上に延び、第３開口部が前記表面に沿って第３区域を含むようにするステップ、及び、
ｂ．前記第３開口部を通して前記少なくとも一つの材料に第３エッチングパターンをエッチングし、第３エッチングパターンが少なくとも一つの材料の残りの部分内に少なくとも部分的に延びるようにするステップをさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。 - ａ．加工材を提供するステップ、
ｂ．前記加工材上にフォトレジストを提供するステップ、
ｃ．前記加工材のフォトレジストを露出させる光量をマスク基板の表面の前記階段式パターンに提供するステップ、及び
ｄ．マスクにおいて測定した時、そして前記階段式パターンに光を照らした時、互いに光度に基づいて加工材のフォトレジストに階段式パターンを形成するように現像し、前記第２エッチングパターン内の加工材の表面にはフォトレジストが存在せず、第１厚さのフォトレジストが第２エッチングパターンと第１エッチングパターンとの間で加工材の表面上に延び、第２厚さのフォトレジストが第１エッチングパターンを経て加工材の表面上に延び、第２厚さが第１厚さより大きくなるようにするステップをさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。 - 前記加工材のフォトレジストの階段式パターンを素子に転写するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１６に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。
- 前記フォトレジストの前記階段式パターンを転写するステップにおいて金属を電気メッキすることを特徴とする、請求項１７に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。
- 前記レジストを除去してノズルアレイを形成するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１８に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。
- 前記金属が貴金属を含むことを特徴とする、請求項１９に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。
- 前記ノズルアレイが直径２．５〜４．５μｍの孔を有することを特徴とする、請求項１９に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。
- 前記フォトレジストの階段式パターンを転写するステップにおいて、前記フォトレジストを加熱してレンズ形状を作り、反応性イオンエッチングをしてレンズアレイを形成することを特徴とする、請求項１７に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。
- 前記フォトレジストの階段式パターンを転写するステップにおいて、反応性イオンエッチングをして回折光学素子アレイを形成することを特徴とする、請求項１７に記載のマルチトーンレベルフォトマスクの製造方法。
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