JP3622308B2 - 荷電ビーム一括露光用透過マスク - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電ビーム一括露光用透過マスク（以下透過マスクと称す。）に関し、さらに詳しくは、従来よりも少ない工程で作製できるとともに、熱歪みによる影響が小さく、荷電ビームによる転写精度の高い透過マスクに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の透過マスクの構造を説明するために、従来の透過マスクの代表的な製造工程を図３に従って説明する。まず熱酸化等によって二酸化珪素膜１３が形成された下部シリコン（以下Ｓｉと記す）基板１２と上部Ｓｉ基板１１とを熱接着によって貼り合わせた基板を用意する（図３（ａ）参照）。このような熱酸化二酸化珪素膜１３を接着層とする貼り合わせ基板は一般にＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板と呼ばれ、センサ類を作製するための基板として一般的に使われている。（例えば、石田誠，李栄泰：応用物理７，ｐ．７００（１９９５））。
透過マスクとして使用する場合、通常下部Ｓｉ基板の厚さは５００μｍ程度、上部Ｓｉ基板の厚さは２０μｍ程度である。
【０００３】
次に上部Ｓｉ基板１１を単層または多層からなるレジストパターンをマスクとしてドライエッチング等によりエッチングした後、レジストパターンを剥離してパターン化された上部Ｓｉ基板１１ａを作製し、荷電ビーム透過孔１９を形成する（図３（ｂ）参照）。尚、単層レジストではＳｉを２０μｍの深さまでエッチングするのが難しく、多層レジスト法を使う場合は、下層の材料は、透過マスクの完成後に剥離せずに済む導電性の膜であることが望ましい。
次に貼り合わせＳｉ基板の裏面、すなわち下部Ｓｉ基板１２側に、接着層である二酸化珪素膜１３と同じ厚さの二酸化珪素膜１６を成膜する。この理由は、次工程であるバックエッチング保護膜１５の堆積は通常高温の熱工程となるため二酸化珪素膜１３の内部応力変化により基板全体に反りが生じる。そこで裏面にも接着層と同じ種類の膜をつけて反りを緩和するようにするためである。
【０００４】
次に貼り合わせＳｉ基板の裏面側と表面側に、後工程で開口部１８を形成する（以下、この工程をバックエッチングと記す）際のバックエッチング保護膜１５を堆積する（図３（ｃ）参照）。ここで表面側にも堆積する理由は特にバックエッチングの終わり近くにおいては基板全体をバックエッチング溶液に晒すことが多いためである。また、このようなバックエッチング保護膜１５の堆積は表裏同時に成膜可能な減圧ＣＶＤ法などによれば一工程で済む。
その後、フォトレジストパターンをマスクとしてドライエッチング等によりこのバックエッチング保護膜１５、二酸化珪素膜１６をエッチングして、開口部１８を形成する（バックエッチングをする）際のマスクとなるバックエッチング保護膜パターン１５ａ、パターン化された二酸化珪素膜１６ａを形成する（図３（ｄ）参照）。
【０００５】
次にバックエッチング保護膜パターン１５ａをマスクとして下部Ｓｉ基板１２を８０〜９０℃のＫＯＨ水溶液等によりバックエッチングして開口部１８を形成した後、接着層である開口部面の二酸化珪素膜１３を除去し、パターン化された二酸化珪素膜１３ａを形成する。さらにバックエッチング保護膜パターン１５ａとパターン化された二酸化珪素膜１６ａを剥離することにより、貫通した荷電ビーム透過孔１９を有する透過マスクの基本形を作製する。この後透過マスクの電気伝導性を高めるために、表裏両面を金などの酸化しにくい導電膜１７で覆い、従来の構造の透過マスクが完成する（図３（ｅ）参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図３で説明した従来の構造の透過マスクにおいては、下部Ｓｉ基板および上部Ｓｉ基板として、いずれもその主面の面方位が＜１００＞面からなる貼り合わせ基板が使われていた。それ故、開口部を形成するために下部Ｓｉ基板のバックエッチングするときのエッチング停止機能は、貼り合わせ基板の接着層である二酸化珪素膜のみが担っていた。
【０００７】
前記のような二酸化珪素膜をエッチング停止層とする、ＫＯＨ水溶液によるＳｉのエッチングにおいては、二酸化珪素がかなり速くエッチングされる（文献（ａ）；「Ｓｉマイクロマシニング先端技術」（サイエンスフォーラム社）第２章，ｐ．１１５）ということと、エッチング液の温度分布等によるエッチングの面内不均一性によって生じる形状不良を避けるために、接着層である二酸化珪素膜の厚さは従来２μｍ程度必要であるとされていた。
【０００８】
また、バックエッチング保護膜はバックエッチング溶液に対して十分な耐性がなければならないため、通常は減圧ＣＶＤ法による窒化シリコン膜などが用いられる。減圧ＣＶＤ法は通常８００℃前後の高温プロセスである。そこで問題となってくるのは、高温プロセスにより接着層である二酸化珪素膜の内部応力が変化し、基板が反り、変形することである。この現象を緩和するために、従来は基板裏面にも接着層と同じ厚さの二酸化珪素膜を成膜しておく工程が必要であった。
【０００９】
さらに透過マスクに入射した荷電粒子が透過マスク中で失うエネルギーは、ほぼ１００％熱エネルギーに変換されるため、透過マスクの温度は上昇する。それ故透過マスクが熱膨張係数の大きく異なる材質で構成されていると、熱歪みが大きくなり、転写精度の劣化を引き起こす。Ｓｉと二酸化珪素の熱膨張係数を比べると、温度にも依るが、Ｓｉの方が１桁前後大きいことからも分かるように、接着層である二酸化珪素膜は可能な限り薄いことが望ましい。
【００１０】
本発明はかかる従来の問題に鑑みなされたもので、その目的とするところは、作製工程数が少ないとともに、熱歪みによる影響が小さく、荷電ビームによる転写精度の高い透過マスクを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に於いて上記課題を達成するために、まず請求項１においては、荷電ビーム透過孔が形成された上部Ｓｉ基板と、上部Ｓｉ基板を保持する下部Ｓｉ基板とが二酸化珪素膜を接着層とする貼り合わせ基板を用いて作製された透過マスクにおいて、上部Ｓｉ基板の主面の面方位が＜１１１＞面からなり、下部Ｓｉ基板の主面の面方位が＜１００＞面からなることを特徴とする透過マスクである。
【００１２】
また、請求項２においては、上部Ｓｉ基板と下部Ｓｉ基板との接着層である二酸化珪素膜の厚さが２００オングストロームから１０００オングストロームの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の透過マスクである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１には本発明の透過マスクの断面図を、図２には本発明の透過マスクの製造工程を示した工程断面図を示す。上部Ｓｉ基板１の主面の面方位が＜１１１＞面からなり、下部Ｓｉ基板２の主面の面方位が＜１００＞面からなり、二酸化珪素膜３を接着層とする貼り合わせ基板を用いて作製されている。図１（ａ）は本発明の透過マスクの基本構成を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）の基本構成の透過マスクの上面に導電層を有する透過マスクで、図１（ｃ）は図１（ｂ）の透過マスクに、さらに一工程を追加し、透過マスクの下面に導電膜を形成し、表裏両面に導電層を有する透過マスクである。
【００１４】
次に本発明の請求項１、２の相互の関連性を説明するために、本発明の透過マスクのうち、もっとも工程数の多い図１（ｃ）の透過マスクの製造工程を図２に従って説明する。
まず上部Ｓｉ基板１の主面の面方位が＜１１１＞面、下部Ｓｉ基板２の主面の面方位が＜１００＞面からなる二酸化珪素膜３を接着層とする貼り合わせ基板を用意する。ここで接着層である二酸化珪素膜３の厚さは２００オングストロームから１０００オングストロームの範囲とする。
【００１５】
ここで２００オングストロームから１０００オングストロームの範囲に限定する理由を述べる。これまで述べたように接着層である二酸化珪素膜３の厚さは薄い方が望ましいが、良好な貼り合わせ状態を実現するにはある程度の厚さは必要である。その下限は文献から推定するとおよそ２００オングストロームであると考えられる（阿部孝夫、三谷清、中里泰章：応用物理１１、ｐ．１０８０（１９９４））。またよく知られているように、薄膜の内部応力の変化による基板の反りの大きさは薄膜の厚さに比例する。従って従来２μｍであった二酸化珪素膜３の厚さを１０００オングストロームにすれば反りは２０分の１となり、パターン精度の良い透過マスクを作製する上で問題のない領域に入る。
【００１６】
次に上部Ｓｉ基板１の表面に公知のスパッタリング法等により、荷電ビーム透過孔９を形成するための上部Ｓｉ基板１のドライエッチングの際のマスクとなるような導電層４を成膜する（図２（ａ）参照）。この導電層４は多層レジスト法における下層レジストとなる。
【００１７】
次に前記導電層４の上に上層レジストを塗布し、通常のフォトリソグラフィ若しくは電子線リソグラフィ等の手段により透過マスクの荷電ビーム透過孔９を形成するためのレジストパターンを形成し、該レジストパターンをマスクとして導電層４を公知の反応性イオンエッチング等の手段によりエッチングし、パターン化された導電層４ａを形成する。この後上層のレジストパターンはまだ残しておいてもよいが、通常は有機溶剤等で剥離する。
【００１８】
次に前記パターン化された導電層４ａをマスクとして上部Ｓｉ基板１を公知の反応性イオンエッチング等の手段によりエッチングし、上部Ｓｉ基板１の表面に荷電ビーム透過孔９となるパターン化された上部Ｓｉ基板１ａを形成する（図２（ｂ）参照）。
【００１９】
この後、導電層パターン４ａは剥離せず、そのまま残しておくことにより、完成後の透過マスクの上面の導電層とすることができる。
【００２０】
次に荷電ビーム透過孔９が形成された貼り合わせ基板の上下面、及び荷電ビーム透過孔９の側面をＫＯＨ水溶液に耐性のあるバックエッチング保護膜５で被覆する（図２（ｃ）参照）。その後このバックエッチング保護膜５をフォトレジストパターンをマスクとしてエッチングして、下部Ｓｉ基板２に開口部８を形成するためのバックエッチング保護膜パターン５ａを形成する（図２（ｄ）参照）。
【００２１】
次にバックエッチング保護膜パターン５ａをマスクとして下部Ｓｉ基板２をＫＯＨ水溶液によりバックエッチングして開口部８を形成する。ここで、本発明の透過マスクでは、第一のバックエッチング停止層である二酸化珪素膜３を２００オングストロームから１０００オングストロームと薄くしている。
そこで本発明の透過マスクの製造工程では、上部Ｓｉ基板の主面である＜１１１＞面を第二のバックエッチング停止層として利用する。
【００２２】
文献（（ａ）ｐ．１１４〜１１５）によると、Ｓｉの＜１１１＞面のＫＯＨ水溶液によるエッチングレートは＜１００＞面よりもはるかに小さく、＜１００＞面の約４００分の１である。従って仮に温度分布等により下部Ｓｉ基板２のバックエッチングが不均一に進み、一部の二酸化珪素膜３が先に消失したとしても、上部Ｓｉ基板１は二酸化珪素膜３とともにエッチング停止層としての機能を有しているので、問題となるようなエッチング形状の不良が生じることはない。
開口部８を形成した後は、下部Ｓｉ基板２がバックエッチングされた部分の二酸化珪素膜３を緩衝フッ酸処理等で除去し、パターン化された二酸化珪素膜３ａを形成する（図２（ｅ）参照）。
【００２３】
さらに、バックエッチング保護膜パターン５ａを剥離した後、パターン化された導電層４ａはそのまま残し、透過マスク下面に導電膜７を形成し、透過マスク表裏面に導電層を有する本発明の透過マスクが出来上がる（図２（ｆ）参照）。
【００２４】
【実施例】
以下、実施例を示して本発明をさらに図２を用いて具体的に説明する。
【００２５】
主面の面方位が＜１１１＞で、厚さ２０μｍの上部Ｓｉ基板１と、主面の面方位が＜１００＞で、厚さ５００μｍの下部Ｓｉ基板２を、下部Ｓｉ基板表面に熱酸化により形成した７００オングストローム厚の二酸化珪素膜３を介して貼り合わせた基板を用意した。
【００２６】
次に貼り合わせ基板の上部Ｓｉ基板１側の表面に、完成後の透過マスクの導電層４とするためのＣｒ膜を、スパッタリング法により１５００オングストロームの厚さで成膜した（図２（ａ）参照）。Ｃｒ膜は熱膨張係数がＳｉに近い導電膜である理由で選択した。
【００２７】
次に前記導電層４の上に上層レジストとして、電子線レジストを塗布し、通常の電子線リソグラフィプロセスによりレジストパターンを形成した。
【００２８】
次に前記レジストパターンをマスクとして、下層の導電層４を塩素系ガスを用いたドライエッチングによりエッチングし、パターン化された導電層４ａを形成した。この後上層のレジストパターンは有機溶剤で剥離した。
【００２９】
次に前記パターン化された導電層４ａをマスクとして上部Ｓｉ基板１をＳＦ６ガスを主ガスとしたドライエッチングによりエッチングして、荷電ビーム透過孔９を形成した（図２（ｂ）参照）。
このとき、ドライエッチングによりパターン化された導電層４ａの膜厚は減少したが、公知のようにＣｒ膜はフッ素系ガスではエッチングされにくいので、ドライエッチング終了後もまだ約１０００オングストロームのＣｒ膜が残っていた。このパターン化された導電層４ａは剥離せず、そのまま完成後の透過マスクの上面の導電層の一部とすることにした。
【００３０】
次に荷電ビーム透過孔９が形成されたマスク基板全体を、バックエッチング保護膜５となる窒化シリコン膜で被覆した（図２（ｃ）参照）。成膜法は減圧ＣＶＤ法を使い、厚さは７００オングストロームとした。このとき減圧ＣＶＤは８００℃で行ったが、接着層である二酸化珪素膜３は７００オングストロームと薄いために後工程で問題となるような基板の反りは発生しなかった。
【００３１】
その後、下部Ｓｉ基板２の下面の窒化シリコン膜上に通常のフォトリソグラフィ法により、レジストパターンを作製し、このレジストパターンをマスクとして、窒化シリコン膜を通常のドライエッチングによりエッチングし、開口部を形成するためのバックエッチング保護膜パターン５ａを形成した（図２（ｄ）参照）。
【００３２】
次にバックエッチング保護膜パターン５ａをマスクとして下部Ｓｉ基板を３０重量％のＫＯＨ水溶液によりバックエッチングして開口部８を形成した。このときバックエッチングの終了が近くなるまでは、二酸化珪素膜３の下部Ｓｉ基板側のみに液圧がかかるやり方で、エッチーレートが高くなるよう９０℃の液温で行い、それ以後は透過マスク全体を６０℃の液に浸漬する方法で最後まで行った。このバックエッチングの結果、バックエッチングの終点となった上部Ｓｉ基板の裏面や、終了近くにバックエッチング液にさらされた上部Ｓｉ基板の上面、及び荷電ビーム透過孔の側面にも問題となるようなエッチング形状の不良は生じなかった。
【００３３】
この後、下部Ｓｉ基板がバックエッチングされた部分の二酸化珪素膜３を緩衝フッ酸で完全に除去し、パターン化された二酸化珪素膜３ａを形成した（図２（ｅ）参照）。さらに窒化シリコン膜で形成されたバックエッチング保護膜パターン５ａを１００℃の熱燐酸液で除去し、透過マスクの下面に電子線加熱蒸着法により、３００オングストローム厚のＡｕ膜にて導電膜７を形成し、透過マスク表裏面に導電層を有する本発明の透過マスクが完成した。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の透過マスクによれば、上部Ｓｉ基板として主面の面方位が＜１１１＞面からなる基板、下部Ｓｉ基板として同じく＜１００＞面からなる基板を用いるので、透過マスクの作製途中の熱工程による反りの発生や荷電ビーム一括露光時の発熱とＳｉとの熱膨張係数の違いによって熱歪みを発生させる原因となる二酸化珪素膜を２００オングストロームから１０００オングストロームの範囲と薄くすることができる。このため下部Ｓｉ基板裏面への二酸化珪素膜の成膜工程が不要になるとともに、荷電ビーム一括露光時の熱歪みが小さくなり、転写精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による透過マスクの構造の例を示す断面図である。
【図２】本発明による透過マスクの製造工程の例を工程順に示す説明図である。
【図３】従来の透過マスクの構造と、従来の透過マスクの製造工程を工程順に示す説明図である。
【符号の説明】
１、１１………上部Ｓｉ基板
１ａ、１１ａ………パターン化された上部Ｓｉ基板
２、１２………下部Ｓｉ基板
２ａ、１２ａ………パターン化された下部Ｓｉ基板
３、１３………二酸化珪素膜
３ａ、１３ａ………パターン化された二酸化珪素膜
４………下層レジスト若しくは導電層
４ａ………パターン化された下層レジスト若しくは導電層
５、１５………バックエッチング保護膜
５ａ、１５ａ………バックエッチング保護膜パターン
７、１７………導電膜
８、１８………開口部
９、１９………荷電ビーム透過孔
１６………二酸化珪素膜
１６ａ………パターン化された二酸化珪素膜

Claims (2)

1. 荷電ビームの透過孔が形成された上部シリコン基板と、該上部シリコン基板を保持する下部シリコン基板とを、二酸化珪素膜にて接着した貼り合わせ基板を用いて作製された荷電ビーム一括露光用透過マスクにおいて、該上部シリコン基板の主面の面方位が＜１１１＞面からなり、該下部シリコン基板の主面の面方位が＜１００＞面からなることを特徴とする荷電ビーム一括露光用透過マスク。
2. 前記上部シリコン基板と下部シリコン基板との接着層である二酸化珪素膜の厚さが２００オングストロームから１０００オングストロームの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の荷電ビーム一括露光用透過マスク。

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