JP3380878B2 - Ｘ線照射を用いた材料の加工方法及び加工装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被加工材料にＸ線
を照射し、微細な３次元部品を実現するためのＸ線照射
を用いた加工方法及び加工装置に関するものである。さ
らに詳しくは、Ｘ線の直進性と波長が短いという特徴を
生かして、マイクロマシンや情報関連機器を始めとする
精密機器において実用できる精密な３次元形状部品を加
工するための加工方法及び加工装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】情報通信機器、マイクロマシンなどエレ
クトロニクスと機械部品の融合が進むにつれてエレクト
ロニクス部品のみならず、機械部品にも微小で高精度な
加工が求められている。エレクトロニクスの発達を支え
る半導体微細加工技術は２次元的な微細加工を主目的と
しており、深さ方向には高々数ミクロンの加工が限界で
ある。

【０００３】一方、機械部品の加工には、深さ方向に数
ミクロンから数百ミクロンのオーダを有する３次元的構
造の加工が必要であり、従って、高精度な３次元形状加
工技術が要求されるが、従来の加工方法ではこれらの要
求に応えることは困難であった。

【０００４】上記の問題を解決する有力な手法として従
来用いられている加工技術には、Ｘ線の有する直進性と
波長が短いという特徴を生かして行うＸ線照射加工があ
る。しかしながら、この従来のＸ線照射を用いた加工方
法は、上記の問題を解決することはできない。その理由
は、Ｘ線リソグラフィによるレジストパターニングは、
サブミクロンオーダの２次元的な微細加工は可能である
が、深さ方向の加工可能寸法は高々数ミクロンであり、
上述した深さ方向に数ミクロンから数百ミクロンのオー
ダを有する機械部品等の３次元的構造の加工には適用で
きない。

【０００５】一方、Ｘ線照射を用いたアブレーションに
よるエッチング加工方法やＸ線照射による高分子鎖の切
断を応用したＬＩＧＡと呼ばれる加工方法などは、深さ
方向には数百ミクロン以上の加工が可能であるが、Ｘ線
の入射方向に平行な方向の材料加工、すなわち多くの場
合、Ｘ線は基板に垂直に入射させるため、基板に垂直な
方向の材料加工しかできないという大きな制約がある。

【０００６】ここで、上記のＬＩＧＡと呼ばれる手法の
概要を説明する。ＬＩＧＡはドイツで提案された手法
で、その名称はドイツ語のリソグラフィ、電気メッキと
成型の頭文字からなる。その名の表わす如く、リソグラ
フィによりパターニングされた厚さ数十から数百μｍの
レジストとこれを型にして電気メッキした金属を用いて
３次元構造を形成する。

【０００７】すなわち、まず、図１６中（ａ）に示すよ
うに、基板１の表面にポリメチルメタクリレート（ＰＭ
ＭＡ）からなるレジスト２を厚さ数十から数百μｍ塗布
し、図示しないシンクロトロン光源からのＸ線をＸ線マ
スク３を介して照射するリソグラフィ技術によってレジ
スト２をパターニングする。Ｘ線マスク３にはＸ線の吸
収材として、例えば、厚さ数μｍの金３ａ（Au）を用い
てパターンを形成しておく。上記シンクロトロン光源か
ら放射される短波長で広がりの少ないＸ線でＸ線マスク
３を介してレジスト２に露光した後現像し、露光された
部位を除去することによって１００以上の高いアスペク
ト比（開口幅に対する深さの比）を有するＰＭＭＡから
なるレジスト２のマイクロ構造体が形成できる（図１６
中（ｂ）参照）。

【０００８】次に図１６中（ｃ）に示すように、上記レ
ジスト２を型として電気メッキを行い、最後に図１６中
（ｄ）に示すように、レジスト２を除去して上記電気メ
ッキで付着させた金属からなる３次元のマイクロ構造体
４を形成する。こうして形成された金属のマイクロ構造
体４をプラスチックやセラミックスのモールドの鋳型に
すれば、高精度なマイクロ部品を低コストで大量に生産
することが可能である。このように、ＬＩＧＡは深さ方
向に数百μｍのオーダを有する３次元的構造の加工がで
きる優れた技術であるが、上述のように基板１に垂直に
Ｘ線を入射させるため基板１に垂直な方向の材料加工し
かできないという大きな制約がある。

【０００９】ＬＩＧＡで３次元的構造の加工を行う方法
として、透過パターンの異なる複数枚のＸ線マスクを用
意し、これらのＸ線マスクを順次交換しながら複数回の
Ｘ線露光を行う方法が提案されている。しかしこの方法
には、（１）複数枚のＸ線マスクが必要であるため製作
コストが高い、（２）多重露光時にアライメントが必要
となり製造プロセスが複雑となる、（３）実現できる構
造は深さ方向にステップ状の段差を有するため、ステッ
プを有しない滑らかな傾斜の加工面を必要とする応用に
は適用できない、などの問題があった。

【００１０】上記のＬＩＧＡでステップを有しない滑ら
かな傾斜面を実現する手法としては、Ｘ線を基板に対し
て斜めに入射させる手法が提案されている。しかしこの
方法では、傾斜方向は一方向に限定されるという問題が
あり、例えば円錐や四角錐などの、傾斜方向が連続的ま
たは段階的に変化する形状を有する穴加工は不可能であ
る。

【００１１】

【発明が解決すべき課題】以上説明したように、従来の
Ｘ線照射を用いた加工方法においては、加工しない部分
を保護するためにＸ線を透過しない材料でパターンを形
成したＸ線マスクを用い、加工される部分のみがＸ線照
射に曝される。その際、加工面には均一なＸ線照射が行
われるような工夫がなされてきた。Ｘ線照射のエネルギ
に面内分布が存在する場合、あるいは基板面積がＸ線照
射領域より大きい場合は、基板とマスクを相対させたま
ま、これら基板とマスクを一体としてＸ線源に対し連続
的に動かすことにより、上記面内分布や基板面積とＸ線
照射領域との差の影響を防ぐようにしている。

【００１２】また、半導体プロセスにおけるＸ線リソグ
ラフィにおいてはマスク内では均一なＸ線照射が行われ
るようにしておいて、大面積のウエハ全面への加工は一
定のステップで基板を動かすことにより実現されてい
る。これらの従来技術においては、加工面に対して均一
なＸ線照射を行うことが基本的な考え方であり、上述の
ように、例えば、円錐や四角錐などの、傾斜方向が連続
的または段階的に変化する形状を有する穴加工は不可能
であった。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、Ｘ線の有する
直進性と波長が短いという特徴を生かしつつ、微細でか
つＸ線の入射方向に平行でない加工面、すなわち、多く
の場合、基板に対して連続的または段階的に変化する傾
斜を有する加工を実現する方法及び装置を提供するもの
である。そのため、請求項１に係るＸ線照射を用いた材
料の加工方法は、Ｘ線源から材料にＸ線を照射すること
により材料を除去し、あるいは材料の物理的・化学的性
質を変化させるＸ線照射を用いた材料の加工方法におい
て、Ｘ線源と材料との間に配置される１または複数枚の
Ｘ線マスクと、このＸ線マスクを材料に対して相対的に
移動させる第１移動手段とを有する制御手段を用い、第
１移動手段でＸ線マスクを材料に対して相対的に移動さ
せることによって材料の表面と平行な平面内におけるＸ
線のエネルギー分布が連続的に変化するように制御し、
材料の各部でＸ線のエネルギー分布に応じた深さの加工
を行うことを特徴とするものである。なお、第１移動手
段でＸ線マスクを移動させる方法としては、被加工材料
に対して固定したＸ、Ｙ、Ｚ軸を考え、複数のマスクを
それぞれＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動させたり、Ｘ、Ｙ、Ｚ
軸回りに回転させることなどが考えられる。このよう
に、Ｘ線の透過パターンが一定のＸ線マスクを移動させ
ることによって、材料の各部においてＸ線のエネルギー
分布を連続的に変化させることができる。

【００１４】図１に示すように、加工すべき材料の表面
に対するＸ線の照射エネルギーが大きくなるに伴って加
工深さは増加する。ここで加工深さとは、Ｘ線エネルギ
ーにより材料が除去加工される場合のみならず、Ｘ線エ
ネルギーにより材料が改質されその後の化学処理等によ
りこの変質層を除去する場合も含める。

【００１５】加工中に材料表面に照射されるＸ線の上記
材料表面と平行な平面内でのエネルギー分布を加工部分
毎に加工したい深さに応じて制御することにより、材料
を３次元的に加工することが可能になる。

【００１６】請求項２のＸ線照射を用いた材料の加工装
置は、Ｘ線源から材料にＸ線を照射することにより材料
を除去し、あるいは材料の物理的・化学的性質を変化さ
せるＸ線照射を用いた材料の加工装置において、Ｘ線源
と材料との間に配置される１または複数枚のＸ線マスク
と、このＸ線マスクを材料に対して相対的に移動させる
第１移動手段とを有し、第１移動手段でＸ線マスクを材
料に対して相対的に移動させることによって材料の表面
と平行な平面内におけるＸ線のエネルギー分布が連続的
に変化するように制御する制御手段を備えたことを特徴
とするものである。制御手段で材料の各部に照射するＸ
線のエネルギー分布を連続的に変化させることにより、
材料の各部における加工深さを制御する。また、上記と
同様、Ｘ線の透過パターンが一定のＸ線マスクを移動さ
せることによって、材料の各部においてＸ線のエネルギ
ー分布を連続的に変化させることができる。

【００１７】請求項３のＸ線照射を用いた材料の加工装
置は、請求項２の構成において、第１移動手段が、Ｘ線
マスクを材料の表面と平行な平面内で材料に対して１ま
たは複数軸方向へ相対的に移動させる手段であることを
特徴とするものである。

【００１８】

【００１９】請求項４のＸ線照射を用いた材料の加工装
置は、Ｘ線源から材料にＸ線を照射することにより材料
を除去し、あるいは材料の物理的・化学的性質を変化さ
せるＸ線照射を用いた材料の加工装置において、材料の
表面と平行な平面内における材料に吸収されるＸ線のエ
ネルギー分布が連続的に変化するように制御する制御手
段を備え、この制御手段は、Ｘ線源と材料との間に配置
された、Ｘ線の透過パターンが可変なＸ線マスクを有
し、このＸ線マスクは、Ｘ線透過材料で形成された基板
上へのメッキ液からのＸ線吸収材料の析出又は基板上の
Ｘ線吸収材料のメッキ液への溶解によりＸ線の透過パタ
ーンが可変であることを特徴とするものである。このよ
うに、Ｘ線マスクにおけるＸ線の透過パターンを可変と
することにより、材料の各部におけるＸ線のエネルギー
分布を連続的に変化させることができる。

【００２０】

【００２１】請求項５のＸ線照射を用いた材料の加工装
置は、請求項２乃至４のいずれかの構成において、材料
及びＸ線マスクを材料の表面と平行な平面内でＸ線源に
対して１または複数軸方向へ相対的に移動させる第２移
動手段を有することを特徴とするものである。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
を図面を参照しながら説明する。ここでは、Ｘ線を用い
てＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）に３次元形状
を加工する。ＰＭＭＡのＸ線加工には、高強度で透過
性、指向性の良いシンクロトロン放射（ＳＲ）光を発生
する光源を用いることが好ましい。

【００２３】図２に示すように、この実施の形態では、
超伝導小型シンクロトロン放射光源１０（以下、ＳＲ光
源１０という）を用いた。このＳＲ光源１０は半導体リ
ソグラフィ等への応用を念頭においた非常に小型の光源
であり、電子の蓄積リング直径１ｍ、本体直径わずか３
ｍと非常にコンパクトである。

【００２４】上記ＳＲ光源１０から放射された光は可視
からＸ線までの波長領域を含む白色光であるが、ここで
は、ベリリウムフィルタ１１とポリイミドフィルタ１２
（例えば、デュポン社のカプトン（商品名）で形成した
フィルタ）でフィルタリングすることにより、波長５オ
ングストロームにピークを有するＸ線を露光チャンバ１
３に入射させる。ＳＲ光源１０、ベリリウムフィルタ１
１及びポリイミドフィルタ１２はＸ線源１４を構成す
る。

【００２５】露光チャンバ１３内にはサンプルホルダ１
５により支持されたサンプル１６が配置され、このサン
プル１６は基板１６ａと、基板１６ａ上に積層されたＰ
ＭＭＡからなる所定厚のレジスト１６ｂ（材料）とから
なる。サンプルホルダ１５上のサンプル１６の側方に
は、第１移動手段１７が設けられ、この第１移動手段１
７上にマスクホルダ１８が取り付けられている。マスク
ホルダ１８上にはＸ線マスク２０が基板１６ａと対向さ
せて配置される。なお、マスクホルダ１８にはＸ線を透
過させるための孔１８ａが設けられている。

【００２６】上記第１移動手段１７は、サンプルホルダ
１５に対してマスクホルダ１８をＸ軸方向（図２の左右
方向）に移動させるＸ軸方向移動部材１７ａとサンプル
ホルダ１５に対してマスクホルダ１８をＹ軸方向（図２
の紙面と直交方向）に移動させるＹ軸方向移動部材１７
ｂとからなる。上記Ｘ線マスク２０と第１移動手段１７
とは制御手段Ｓを構成する。

【００２７】サンプルホルダ１５はその下方に配置され
た第２移動手段２１によりＸ線源１４に対して移動自在
に支持されている。第２移動手段２１はサンプルホルダ
１５、換言すれば基板１６ａ及びＸ線マスク２０をＸ線
源１４に対してＸ軸方向へ移動させるＸ軸方向移動部材
２１ａと、サンプルホルダ１５をＸ線源１４に対してＹ
軸方向に移動させるＹ軸方向移動部材２１ｂとからな
る。

【００２８】上記基板１６ａ上に形成された被加工材料
であるレジスト１６ｂ（ＰＭＭＡ）にＸ線源１４からＸ
線を照射したときの反応は以下のように説明される。ま
ずＸ線照射によって主に光電気効果によりＰＭＭＡ分子
の内核電子が電離され、同時にＡｕｇｅｒ効果による外
核電子の放出が起こる。続いて、これら２次・３次電子
（エネルギー：１０〜４０ｅＶ）がＰＭＭＡ内の電子状
態を励起させ、ＰＭＭＡのイオン化あるいはラジカル化
を引き起こす。このときＰＭＭＡはラジカルの発生によ
って分子鎖が切断され、露光領域で分子量が小さくな
る。

【００２９】このため、露光された領域が現像液に溶解
するようになる。分子鎖が切断されるときには水素が発
生する。ＰＭＭＡを溶解するために必要な最小露光エネ
ルギーは使用するＰＭＭＡの分子量に大きく依存する。
露光エネルギーが上限を超えると架橋反応が無視できな
くなり現像液に溶解しなくなったり、発生した水素ガス
による損傷でＰＭＭＡの構造が破壊される。従って、Ｐ
ＭＭＡ底面での露光エネルギーは下限以上、ＰＭＭＡ表
面での露光エネルギは上限以下としなければならない。
短いＸ線波長を用いるほどＰＭＭＡへの侵入深さが大き
く、加工できる最大深さが大きくなる。

【００３０】波長によりＰＭＭＡ中での透過距離が異な
り、加工できる深さが決まると同時に形成できる最少寸
法（解像度）が決まる。Ｘ線露光における解像度を決め
る要因はフレネル回折と、レジスト中に発生する光電子
による“かぶり”である。Ｘ線波長が短くなるとフレネ
ル回折の影響は減少するが“かぶり”の影響が増加す
る。この２つの要因を考慮した結果、０．２μｍ領域の
ＬＳＩプロセスで用いられる最適Ｘ線波長は１０オング
ストロームである。一方、ＬＩＧＡ等のＰＭＭＡ加工で
用いられるＸ線波長はレジストへの侵入深さが大きい短
波長の２〜５オングストロームが用いられる。

【００３１】上記の点を考慮してＬＩＧＡ用ビームライ
ンは設計されている。ＬＳＩプロセスに応用されるＸ線
露光技術では、露光波長の短波長化による解像度の向上
を主目的としているのに対し、ＬＩＧＡプロセスでは露
光波長の短波長化によるレジスト中への侵入深さの向上
を主目的としている点で両者はビームラインの設計思想
が大きく異なる。

【００３２】図３中の曲線Ａ１はＳＲ光源１０における
放射光のスペクトルを示し、曲線Ａ２はフィルタ１１、
１２を透過後の露光チャンバ１３の入射部におけるＸ線
のスペクトルを示す。ＳＲ光源１０からサンプルである
ＰＭＭＡまでは電磁ヨークを含めて３ｍである。ＳＲ光
源１０からサンプルまでの間に、上述した２００μｍ厚
のベリリウムフィルタ１１と５０μｍ厚のポリイミドフ
ィルタ１２の２種類の光学フィルタが挿入されており、
これによって放射光に含まれる長波長成分がカットされ
る。ゲートバルブからベリリウム窓までのラインは５×
１０^-9Torrの超高真空、ベリリウム窓からポリイミドま
でのラインは５×１０^-2Torr以下の低真空になってい
る。露光チャンバ１３内は酸素や窒素によるＸ線の減衰
を避けるために１気圧のＨｅを充填してある。

【００３３】基板１６ａ上のＰＭＭＡに対するＸ線の照
射エリアは高さ５ｍｍ、幅３０ｍｍの長方形である。Ｓ
Ｒ光源１０から放射されるＳＲ光は平行光であるといわ
れているが、厳密には蓄積リングに対して垂直方向には
１ｍｒａｄ程度の広がりを有している。そのため、上記
照射エリアの高さ方向にはエネルギー分布があり、この
エネルギー分布は理論的に計算することができる。図４
中曲線Ｂ１は２５００ｅＶのエネルギーにおける照射Ｘ
線の高さ方向エネルギー分布を示し、曲線Ｂ２はこれを
積分した値を示す。エネルギーの積分値を照射エリアの
高さ５ｍｍで除して求めた平均エネルギーはピーク値の
約４４％である。

【００３４】本実施の形態では、この照射エリアにおけ
るエネルギー分布を平均化するため、上記第２移動手段
２１によってサンプル１６及びＸ線マスク２０をＸ線源
１４に対してＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ移動させ
る。このようにサンプル１６及びＸ線マスク２０をＸ軸
方向及びＹ軸方向にスキャンすることにより、上記のエ
ネルギー分布の影響を除くと同時に大面積の露光を行う
ことが可能である。

【００３５】以下、図５及び図６を参照しながら、実際
のレジスト１６ｂの加工方法を説明する。平面図である
図５（ａ）及び垂直断面図である図５（ｃ）に示すよう
に、Ｘ線マスク２０はＸ線透過膜２０ａ上にＸ線吸収膜
２０ｂを積層してなり、Ｘ線吸収膜２０ｂの中央部に
は、例えば、半径２５μｍの円形孔２０ｃが形成され
て、この円形孔２０ｃの部位をＸ線が透過できるように
なっている。

【００３６】例えば、サンプル１６の垂直断面図である
図５（ｅ）及びレジスト１６ｂに形成すべき孔１６ｃの
みの概略斜視図である図５（ｆ）に示すように、レジス
ト１６ｂ（ＰＭＭＡ）に下方へ向かうにつれて縮径する
逆円錐台形状の孔１６ｃを設ける場合、レジスト１６ｂ
の各部に照射されるＸ線のエネルギー分布が図５（ｄ）
中の折れ線Ｃに示す如く、孔１６ｃの形状に対応して孔
１６ｃの中央部で高く、外周部に向かうにつれて次第に
低くなるエネルギー分布とする必要がある。なお、図５
（ｄ）にはＸ軸方向におけるＸ線のエネルギー分布を示
したが、Ｙ軸方向におけるＸ線のエネルギー分布も上記
折れ線Ｃと同様とする必要がある。

【００３７】例えば、孔１６ｃの上端部における円１６
ｄの半径を３７．５μｍ、孔１６ｃの下端部における円
１６ｅの半径を１２．５μｍとする場合、上記Ｘ線のエ
ネルギー分布は、Ｘ線マスク２０の中心における半径１
２．５μｍの領域内で最も強くなり、半径１２．５μｍ
から半径３７．５μｍの領域までは徐々にＸ線の照射エ
ネルギーが減少するように制御する。このような制御を
実現するためには、Ｘ線源１４からＸ線を連続的に照射
しながら、図５（ａ）に平面図を示すＸ線マスク２０を
レジスト１６ｂの表面１６ｆと平行な平面内において半
径１２．５μｍの円周上で円運動させればよい。

【００３８】すなわち、図５（ａ）では、Ｘ線マスク２
０の中心Ｄ、つまり、上記円形孔２０ｃの中心が図５
（ｅ）におけるレジスト１６ｂの中心Ｅと合致している
が、実際のレジスト１６ｂの加工に際しては、図５
（ｂ）に示す如く、Ｘ線マスク２０の中心ＤがＸ軸及び
Ｙ軸を含む平面、つまり、レジスト１６ｂの表面１６ｆ
と平行な平面内でレジスト１６ｂの中心Ｅを中心とする
半径１２．５μｍの円周Ｆ上を移動するようにＸ線マス
ク２０全体を連続的に回転させながら、Ｘ線マスク２０
を通してレジスト１６ｂにＸ線を照射する。これによ
り、レジスト１６ｂの中心Ｅを中心とする半径１２．５
μｍの範囲内にはＸ線が常時照射されるが、半径１２．
５乃至３７．５μｍの範囲では外周側に向かうにつれて
Ｘ線の照射時間、つまり、Ｘ線の照射エネルギーが少な
くなるようにＸ線のエネルギー分布を制御することがで
きる。

【００３９】上記のような円周Ｆ上でのＸ線マスク２０
の回転運動は、第１移動手段１７のＸ軸方向移動部材１
７ａ及びＹ軸方向移動部材１７ｂを同時に駆動し、上記
円周Ｆ上でＸ線マスク２０の中心Ｄが移動するようにＸ
線マスク２０のＸ軸方向及びＹ軸方向における移動の向
き及び速度を各々連続的に制御することにより実現でき
る。なお、上記円周Ｆはレジスト１６ｂに形成される逆
円錐台形の孔１６ｃの下端部の円１６ｅ（図６参照）と
上下方向でオーバーラップしている。

【００４０】上記のように、Ｘ線マスク２０をレジスト
１６ｂの表面１６ｆと平行な平面内で円運動させながら
Ｘ線マスク２０を介してレジスト１６ｂにＸ線を照射し
た後、レジスト１６ｂを現像液で処理すると、加工深さ
はＸ線の照射エネルギーの増加と共に深くなる。従っ
て、レジスト１６ｂには照射エネルギー分布に対応し
て、下底部（孔１６ｅ）の半径１２．５μｍ、上底部
（孔１６ｄ）の半径３７．５μｍの逆円錐台形状の微細
構造（孔１６ｃ）が形成される。

【００４１】半径２５μｍの円形の円形孔２０ｃ（Ｘ線
透過パターン）を、例えばピッチ２００μｍでＸ線マス
ク２０上に多数個アレイ状に形成しておけば、レジスト
１６ｂ上の逆円錐台状の微細構造（孔１６ｃ）もピッチ
２００μｍのアレイ状で多数形成され、一括加工に対応
可能である。

【００４２】第２移動手段２１のＸ軸方向移動部材２１
ａ及びＹ軸方向移動部材２１ｂは、加工する基板１６ａ
上のレジスト１６ｂの表面全体に均一にＸ線を照射する
ために基板１６ａをスキャンさせるために用いる。この
基板１６ａのスキャンスピードは、第１移動手段１７に
よるＸ線マスク２０のスキャンスピードより充分遅くす
る。例えば、基板１６ａのスキャンスピードは好適には
１ｍｍ／秒以下、Ｘ線マスク２０のスキャンスピードは
好適には１０ｍｍ／秒以上である。

【００４３】これによって、基板１６ａのスキャンとＸ
線マスク２０のスキャンとの干渉を無くし、基板１６ａ
の各部でレジスト１６ｂに均一な加工を行うことが可能
となる。また、Ｘ線の強度を常にモニタすることによ
り、単位時間あたりに単位面積に照射されるＸ線エネル
ギーが一定になるように基板１６ａのスキャンスピード
とＸ線マスク２０のスキャンスピードを制御することも
基板１６ａの各部で均一な加工を行うためには有効であ
る。

【００４４】上記とは反対に、基板１６ａのスキャンス
ピードをＸ線マスク２０のスキャンスピードより充分速
くすることにより、同様に基板１６ａの各部で均一な加
工を行う効果を生じさせることも可能である。しかし、
基板１６ａのスキャン用の第２移動手段２２の負荷と、
Ｘ線マスク２０のスキャン用の第１移動手段１７の負荷
とを比較すると、基板１６ａのスキャン用の第２移動手
段２１の負荷の方が大きいため、基板１６ａのスキャン
スピードをＸ線マスク２０のスキャンスピードより速く
することは望ましい方法ではない。なお、これらのスキ
ャンに関する内容は、以下で述べる本発明の他の実施の
形態においても同様であり、重複した説明は省略する。

【００４５】次に、本発明の第２の実施の形態を説明す
る。図７に第２の実施の形態における加工装置を示す。
Ｘ線源１４は第１の実施の形態と同様に構成され、ま
た、露光チャンバ１３内の第２移動手段２１及びサンプ
ルホルダ１５も第１の実施の形態と同様に構成されて、
サンプルホルダ１５上には基板２２ａとＰＭＭＡ製のレ
ジスト２２ｂからなるサンプル２２が配置される。

【００４６】第２の実施の形態では、上下２枚のＸ線マ
スク２３、２４が使用され、各Ｘ線マスク２３、２４を
保持する２つのマスクホルダ２５、２６が設けられてい
る。これらマスクホルダ２５、２６には、各々Ｘ線を透
過させるための孔２５ａ、２６ａが設けられている。第
１移動手段２７は各マスクホルダ２５、２６を各々Ｘ軸
方向（図７の左右方向）へ移動させる２つのＸ軸方向移
動部材２７ａ、２７ｂから構成されている。ここでは、
制御手段ＳはＸ線マスク２３、２４と第１移動手段２７
とからなる。

【００４７】図８（ａ）乃至（ｃ）に示すように、Ｘ線
マスク２３、２４は各々Ｘ線透過膜２３ａ、２４ａとＸ
線吸収膜２３ｂ、２４ｂとを積層してなる。Ｘ線吸収膜
２３ｂ、２４ｂには対角線長５０μｍの正方形の孔２３
ｃ、２４ｃが形成され、２枚のＸ線マスク２３、２４の
孔２３ｃ、２４ｃの重複部分をＸ線が透過するようにし
ている。

【００４８】レジスト２２ｂの加工のためのＸ線の照射
に際して、最初は２枚のＸ線マスク２３、２４を図８
（ａ）に示す互いの１頂点Ｇ、Ｈ同士が重なる位置から
スタートし、Ｘ線の照射を継続しながらＸ線マスク２３
をＸ軸方向に沿って図８（ａ）（ｂ）の左側へ２５μｍ
移動させる一方、Ｘ線マスク２４はＸ軸方向に沿って図
８（ａ）（ｃ）の右側へＸ線マスク２３と同一速度で２
５μｍ移動させ、最終的には、図８（ａ）に一点鎖線で
示す位置で互いのＸ線マスク２３、２４が重なるように
する。

【００４９】このような照射により得られるレジスト２
２ｂ上のＸ軸方向におけるＸ線のエネルギー分布は、図
８（ｄ）に折れ線Ｊで示すように、最終的な位置におけ
るＸ線マスク２３、２４の中心Ｉで最も強くなり、周辺
領域まで徐々に照射エネルギーが減少することとなる。
また、Ｙ軸方向におけるＸ線のエネルギー分布も上記折
れ線Ｊと同様となる。

【００５０】従って、上記レジスト２２ｂを現像液で処
理すると、加工深さは照射エネルギーの増加と共に深く
なるので、レジスト２２ｂには照射エネルギー分布に対
応して、底部の対角線長５０μｍの逆四角錐状の微細構
造（孔２２ｃ）が形成される。なお、２枚のＸ線マスク
２３、２４の孔２３ｃ、２４ｃのサイズは、対角線長が
５０μｍ以上であれば同一サイズでなくても良く、互い
に交差した部分の長さが５０μｍになるまでＸ線マスク
２３、２４を移動させればよいことは言うまでもない。

【００５１】また、Ｘ線透過パターン（孔２３ｃ、２４
ｃ）を、Ｘ線マスク２３、２４上に例えば、ピッチ２０
０μｍのアレイ状に形成しておけば、レジスト２２ｂ上
にも複数の逆四角錐状の微細構造（孔２２ｃ）がピッチ
２００μｍのアレイ状に形成され、一括加工に対応可能
である。

【００５２】次に、本発明の第３の実施の形態を説明す
る。加工装置の構成自体は図７に示す第２の実施の形態
と同様であるが、第２の実施の形態のＸ線マスク２３、
２４に代えて、図９（ａ）乃至（ｃ）に示す２枚のＸ線
マスク２８、２９を使用し、基板３０ａとＰＭＭＡ製の
レジスト３０ｂとからなるサンプル３０のレジスト３０
ｂ上にＸ線を照射する。

【００５３】上記２枚のＸ線マスク２８、２９は互いに
同一構成であって、Ｘ線吸収膜２８ａ、２９ａ上にＸ線
透過膜２８ｂ、２９ｂを積層してなり、Ｘ線透過膜２８
ｂ、２９ｂにはＹ軸方向が長くＸ軸方向の幅が２０μｍ
の矩形状の孔２８ｃ、２９ｃが形成され、孔２８ｃ、２
９ｃの重複部分をＸ線が透過するようになっている。

【００５４】ここでは、ピッチが２０μｍ、１５μｍ、
１０μｍと順次変化する斜面を有するグレーティング３
０ｃ、３０ｄ、３０ｅをレジスト３０ｂ上に形成する場
合を説明する。図１０（ａ）（ｂ）に示すように、ま
ず、最初のステップでは互いのＸ線マスク２８、２９が
重なる位置からスタートし、Ｘ線マスク２８を図１０
（ａ）の位置で保持しながら、Ｘ線マスク２９のみを図
１０（ｂ）の位置から図１０（ｃ）の位置までＸ軸の左
側へ２０μｍ直線移動させる。

【００５５】図１０（ａ）（ｃ）から明らかなように最
終的には互いのＸ線マスク２８、２９の長辺のみが重な
るようになる。係るＸ線照射により得られるレジスト３
０ｂ上でのＸ線エネルギー分布は図１０（ｄ）に折れ線
Ｋ１で示すように、Ｘ軸方向の左側に向かうにつれて次
第に大きくなる。

【００５６】次に、第２のステップではＸ線マスク２８
を短時間でＸ軸の左側へ図１０（ｅ）の位置まで１５μ
ｍ移動させる。続いて、Ｘ線マスク２８を図１０（ｅ）
の位置で保持しながらＸ線マスク２９のみをＸ軸方向の
左側へ図１０（ｆ）の位置から図１０（ｇ）の位置まで
１５μｍ直線移動させる。図１０（ｅ）（ｇ）から明ら
かなように、最終的には互いのＸ線マスク２８、２９の
長辺のみが重なるようになる。得られたレジスト３０ｂ
上でのＸ軸エネルギー分布は図１０（ｈ）に折れ線Ｋ２
で示すようになる。

【００５７】続いて、第３のステップでは、Ｘ線マスク
２８をＸ軸の左側へ図１０（ｉ）の位置まで短時間で１
０μｍ移動させる。次に、Ｘ線マスク２８を図１０
（ｉ）の位置で保持しながらＸ線マスク２９のみを図１
０（ｊ）の位置から図１０（ｋ）の位置までＸ軸の左側
へ１０μｍ直線移動させる。図１０（ｉ）（ｋ）から明
らかなように最終的には互いのＸ線マスク２８、２９の
長辺のみが重なるようになる。得られたレジスト３０ｂ
上でのＸ線エネルギー分布を図１０（ｌ）に折れ線Ｋ３
で示すようになる。

【００５８】上記のような第１乃至第３のステップによ
るＸ線照射後、レジスト３０ｂを現像すると、図９
（ｅ）に示すように、レジスト３０ｂ上にはピッチが２
０μｍ、１５μｍ、１０μｍと順次変化する斜面を有す
るグレーティング３０ｃ乃至３０ｅが形成される。２枚
のＸ線マスク２８、２９のＸ線透過パターン（孔２８
ｃ、２９ｃ）のサイズは幅が２０μｍ以上であれば同一
サイズでなくても良く、各ステップにおいて初期にオー
バラップしている長さがピッチに等しければよいことは
言うまでもない。また、Ｘ線マスク２８、２９上にＸ線
透過パターンを、例えばピッチ２００μｍで多数形成し
ておけば、レジスト３０ｂ上のグレーティング３０ｃ乃
至３０ｅの微細構造もピッチ２００μｍで多数形成さ
れ、一括加工に対応可能である。

【００５９】次に、本発明の第４の実施の形態を説明す
る。上記各実施の形態では１または複数枚のＸ線マスク
を移動させることにより、Ｘ線の照射エネルギー分布を
連続的に変化させるようにしたが、第４の実施の形態で
はＸ線吸収材料の析出または溶解によりＸ線透過パター
ンを変化させる場合を説明する。

【００６０】図１１に示すように、Ｘ線マスク３２はＸ
線透過材料、例えば、厚みが５０μｍ程度のポリイミド
フィルムからなる基板３２ａ上に、例えば、幅１０μ
ｍ、厚み１μｍのストライプ状の銅電極３２ｂ（Ｘ線吸
収材料）を互いに平行に複数本形成してなる。係るＸ線
マスク３２を２枚、銅電極３２ｂ同士の長手方向を直交
させながらギャップ２０μｍ程度で対向させ、係る２枚
のＸ線マスク３２間に銅イオンを含むメッキ液（図示せ
ず）を封入して密封する。

【００６１】上記の構成において、不図示のＸ線源から
上記メッキ液を封入した２枚のＸ線マスク３２を介して
不図示のサンプルにＸ線を照射するのであるが、２枚の
Ｘ線マスク３２の銅電極３２ｂ間に電圧を印加しない状
態では銅電極３２ｂとメッキ液中の銅イオンとの間に平
衡が成立し、変化は生じない。

【００６２】これに対し、２枚のＸ線マスク３２上の銅
電極３２ｂから各々１本を選んで図１２のように、電源
３３から電圧を印加すると、これら２本の銅電極３２ｂ
の交差位置のマイナス電極に銅３４が析出する。この析
出した銅３４の厚みが１０μｍ程度あれば、ＰＭＭＡを
１００μｍ加工できる強度のＸ線を十分吸収することが
できる。

【００６３】電源３３から電圧を印加する銅電極３２ｂ
の組合せをコンピュータで制御することにより、時間と
ともにマイナス電極上に析出させる銅３４が描くパター
ンを自由に制御でき、これによってＸ線を透過するパタ
ーンを可変することができる。なお、銅電極３２ｂに代
えて、金電極を用いても同様の効果が得られる。また、
予めストライプ状の銅電極３２ｂの全面に銅のパターン
を析出させておき、外部電圧を印加して銅を溶解させて
ゆくことにより、Ｘ線透過パターンを可変することも可
能である。

【００６４】次に、本発明の第５の実施の形態を説明す
る。図１３及び図１４に示すように、Ｘ線マスク３５は
Ｘ線透過材料、例えば、厚みが５０μｍ程度のポリイミ
ドフィルムからなる基板３５ａ上に複数のマイクロシャ
ッタ３５ｂをアレイ状に配置してなる。各マイクロシャ
ッタ３５ｂは、例えば、厚み２μｍで一辺が１０μｍの
平面正方形状の金からなる。各マイクロシャッタ３５ｂ
は対向する２つの角でヒンジ３５ｃにより捩じり回動自
在に支持され、かつこれらマイクロシャッタ３５ｂ及び
ヒンジ３５ｃはポール３５ｄにより基板３５ａに支持さ
れている。

【００６５】図１３及び図１４に示すように、各マイク
ロシャッタ３５ｂが水平姿勢を取る状態では、Ｘ線はマ
イクロシャッタ３５ｂにより吸収され、透過しないが、
図１５に示すように、ヒンジ３５ｃの９０°の捩じり作
用によりマイクロシャッタ３５ｂが垂直姿勢を取る状態
では、Ｘ線が透過可能となる。各マイクロシャッタ３５
ｂには、通常の半導体メモリと同様にアドレスが付与さ
れており、図示しない制御部からの制御信号により任意
の組合せでマイクロシャッタ３５ｂの遮断と透過を制御
することが可能である。

【００６６】なお、上記の各実施の形態では、レジスト
としてＰＭＭＡを用いたが、これ以外の適宜の合成樹脂
等をレジストとして用いることも可能である。また、第
１乃至第３の各実施の形態に示したのは、Ｘ線マスクを
移動させてＸ線透過パターンを変化させる場合の例示で
あって、上記以外の形状のＸ線マスクや移動方法を用い
た加工が可能なことは言うまでもない。また、上記第２
及び第３の実施の形態では、２枚のＸ線マスクを各々Ｘ
軸方向のみに移動させることにより、Ｘ線の透過パター
ンを変化させるようにしたが、必要により、２枚のＸ線
マスクを各々Ｘ及びＹ軸方向に移動させるようにしても
よい。さらに、必要により、３枚以上のＸ線マスクを用
いることもできる。

【００６７】

【発明の効果】請求項１に係るＸ線照射を用いた材料の
加工方法によれば、加工すべき材料の表面と平行な平面
内におけるＸ線のエネルギー分布が連続的に変化するよ
うに制御し、材料の各部でＸ線のエネルギー分布に応じ
た深さの加工を行うので、材料を３次元的に加工するこ
とができ、例えば、材料に円錐形や角錐形などの、傾斜
方向が連続的または段階的に変化する形状を有する孔加
工等を行うこともできる。また、第１移動手段でＸ線マ
スクを材料に対して相対的に移動させるので、Ｘ線マス
ク自体のＸ線透過パターンを変化させることなく、比較
的簡単かつ安価な構成で材料各部の加工の深さを制御で
きる。

【００６８】請求項２のＸ線照射を用いた材料の加工装
置によれば、材料の表面と平行な平面内におけるＸ線の
エネルギー分布が連続的に変化するように制御する制御
手段を備えているので、材料の各部における加工の深さ
を制御することができ、例えば、材料に円錐形や角錐形
などの、傾斜方向が連続的または段階的に変化する形状
を有する孔加工等を行うこともできる。また、第１移動
手段でＸ線マスクを材料に対して相対的に移動させるよ
うにしているので、上記と同様、Ｘ線マスク自体のＸ線
透過パターンを変化させることなく、比較的簡単かつ安
価な構成で材料各部の加工の深さを制御できる。

【００６９】請求項３のＸ線照射を用いた材料の加工装
置によれば、第１移動手段が、Ｘ線マスクを材料の表面
と平行な平面内で材料に対して１または複数軸方向へ相
対的に移動させる手段であるので、円錐形や角錐形等の
比較的複雑な形状の孔加工等も簡単かつ安価に実現でき
る。

【００７０】請求項４のＸ線照射を用いた材料の加工装
置によれば、材料の表面と平行な平面内における材料に
吸収されるＸ線のエネルギー分布が連続的に変化するよ
うに制御する制御手段を備え、この制御手段は、Ｘ線源
と材料との間に配置された、Ｘ線の透過パターンが可変
なＸ線マスクを有し、このＸ線マスクは、Ｘ線透過材料
で形成された基板上へのメッキ液からのＸ線吸収材料の
析出又は基板上のＸ線吸収材料のメッキ液への溶解によ
りＸ線の透過パターンが可変であるので、Ｘ線源からの
Ｘ線の照射エネルギーは制御することなく、材料の表面
におけるＸ線照射のエネルギー分布を制御できる利点が
ある。

【００７１】

【００７２】請求項５のＸ線照射を用いた材料の加工装
置によれば、材料及びＸ線マスクを材料の表面と平行な
平面内でＸ線源に対して１または複数軸方向へ相対的に
移動させる第２移動手段を有するので、材料の表面全体
にＸ線を照射して材料各部の加工を確実に行える利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】材料に対するＸ線の照射エネルギーと加工深さ
との関係を示すグラフ。

【図２】本発明の第１の実施の形態における加工装置を
示す説明図。

【図３】上記加工装置におけるＳＲ光源とフィルタ透過
後の露光チャンバ入射部におけるＸ線のスペクトルを示
すグラフ。

【図４】２５００ｅＶのエネルギにおける照射Ｘ線の高
さ方向のエネルギー分布とその積分値とを示すグラフ。

【図５】第１の実施の形態におけるＸ線マスク及びサン
プルの構成を示す説明図。

【図６】第１の実施の形態のサンプルを示す平面図。

【図７】第２の実施の形態における加工装置を示す説明
図。

【図８】第２の実施の形態におけるＸ線マスク及びサン
プルの構成を示す説明図。

【図９】第３の実施の形態におけるＸ線マスク及びサン
プルの構成を示す説明図。

【図１０】第３の実施の形態においてサンプルにグレー
ティングを形成する手順を示す説明図。

【図１１】第４の実施の形態におけるＸ線マスクを示す
斜視図。

【図１２】図１１のＸ線マスクの電極間に通電する様子
を示す斜視説明図。

【図１３】第５の実施の形態におけるＸ線マスクを示す
平面図。

【図１４】図１３のＸ線マスクを示す側面図。

【図１５】図１４のＸ線マスクのシャッタを開いた状態
を示す側面図。

【図１６】従来のＬＩＧＡによる加工手順を説明する断
面説明図。

【符号の説明】

１４ Ｘ線源 １６ｂ、２２ｂ、３０ｂ レジスト（材料） １７、２７ 第１移動手段 ２０、２３、２４、２８、２９、３２、３５ Ｘ線マス
ク ２１ 第２移動手段 Ｓ 制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21K 5/02 G03F 7/20 H01L 21/30 C25D 5/02

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｘ線源から材料にＸ線を照射することに
   より材料を除去し、あるいは材料の物理的・化学的性質
   を変化させるＸ線照射を用いた材料の加工方法におい
   て、Ｘ線源と材料との間に配置される１または複数枚のＸ線
   マスクと、このＸ線マスクを材料に対して相対的に移動
   させる第１移動手段とを有する制御手段を用い、第１移
   動手段でＸ線マスクを材料に対して相対的に移動させる
   ことによって 材料の表面と平行な平面内におけるＸ線の
   エネルギー分布が連続的に変化するように制御し、材料
   の各部でＸ線のエネルギー分布に応じた深さの加工を行
   うことを特徴とするＸ線照射を用いた材料の加工方法。
2. 【請求項２】 Ｘ線源から材料にＸ線を照射することに
   より材料を除去し、あるいは材料の物理的・化学的性質
   を変化させるＸ線照射を用いた材料の加工装置におい
   て、Ｘ線源と材料との間に配置される１または複数枚のＸ線
   マスクと、このＸ線マスクを材料に対して相対的に移動
   させる第１移動手段とを有し、第１移動手段でＸ線マス
   クを材料に対して相対的に移動させることによって 材料
   の表面と平行な平面内におけるＸ線のエネルギー分布が
   連続的に変化するように制御する制御手段を備えたこと
   を特徴とするＸ線照射を用いた材料の加工装置。
3. 【請求項３】 第１移動手段は、Ｘ線マスクを材料の表
   面と平行な平面内で材料に対して１または複数軸方向へ
   相対的に移動させる手段であることを特徴とする請求項
   ２記載のＸ線照射を用いた材料の加工装置。
4. 【請求項４】 Ｘ線源から材料にＸ線を照射することに
   より材料を除去し、あるいは材料の物理的・化学的性質
   を変化させるＸ線照射を用いた材料の加工装置におい
   て、 材料の表面と平行な平面内における材料に吸収されるＸ
   線のエネルギー分布が連続的に変化するように制御する
   制御手段を備え、 この制御手段は、Ｘ線源と材料との間に配置された、Ｘ
   線の透過パターンが可変なＸ線マスクを有し、 このＸ線マスクは、Ｘ線透過材料で形成された基板上へ
   のメッキ液からのＸ線 吸収材料の析出又は基板上のＸ線
   吸収材料のメッキ液への溶解によりＸ線の透過パターン
   が可変である ことを特徴とするＸ線照射を用いた材料の
   加工装置。
5. 【請求項５】 材料及びＸ線マスクを材料の表面と平行
   な平面内でＸ線源に対して１または複数軸方向へ相対的
   に移動させる第２移動手段を有することを特徴とする請
   求項２乃至４のいずれか記載のＸ線照射を用いた材料の
   加工装置。