JP4206669B2

JP4206669B2 - エッチングパターン形成方法

Info

Publication number: JP4206669B2
Application number: JP2002013676A
Authority: JP
Inventors: 俊尚新保
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2022-01-23
Also published as: JP2003218009A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトリソグラフィ技術を用いて、複数種類の微細パターンをレジスト層に形成するエッチングパターン形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フォトリソグラフィ技術は、半導体の製造工程等に広く用いられており、近年ではマイクロマシンの製造等の微細加工技術にも応用されている。例えば、基板に厚さの異なる複数部位を形成するための加工（所謂集中パターニング）に用いられている。この集中パターニングでは、厚さの異なる複数部位を有する加工膜を用いている。そして、この段差付きの加工膜を作製するにあたり、レジストの塗布、露光、現像、レジスト層の除去からなる一連の工程を、厚さの異なる部位毎に繰り返して行っていた。
【０００３】
例えば、２段の凹部を有する加工膜を作製する場合について説明する。この場合、まず、基板表面にフォトレジストを塗布してレジスト層を形成し、このレジスト層に対して１段目の微細パターンを露光する。その後、レジスト層を現像して１段目の微細パターンを形成し、この微細パターンを用いたエッチングによって基板に１段目の凹部を形成する。１段目の凹部を形成したならばレジスト層を除去する。次に、基板表面にフォトレジストを再度塗布してレジスト層を形成し、このレジスト層に対して２段目の微細パターンを露光する。その後、レジスト層を現像して２段目の微細パターンを形成し、この微細パターンを用いたエッチングによって基板に２段目の凹部を形成する。２段目の凹部を形成したならばレジスト層を除去する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記方法では、レジストの塗布、露光、現像、レジスト層の除去からなる一連の工程を、厚さの異なる部位毎に繰り返して行うので、微細パターンの形成に手間が掛かかってしまうという問題があった。また、新しいフォトレジストをその都度塗布するので、製造コストが増大するという問題もあった。さらに、複数の微細パターンを位置合わせするためのアラインメントマークが次に形成したレジスト層によって埋められてしまうので、アラインメント精度が低下し易いという問題もあった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、厚さが異なる複数部位を備えた微細パターンをエッチング対象物に形成する際において、その工程が簡略化できるとともに、製造コストを低減可能なエッチングパターン形成方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１に記載の発明は、エッチング対象物の表面に設けられたポジ型フォトレジスト層に対して露光、現像及びポストベークを順に行うことで微細パターンを形成し、
前記微細パターンによるエッチング対象物へのエッチング処理の後に、このエッチング処理で用いたレジスト層に対して露光、現像及びポストベークを再度行うことで新たな微細パターンを形成するエッチングパターン形成方法において、
前記エッチング対象物は、ＣＶＤ法又は熱拡散法等の薄膜形成方法により、Ｓｉ基板表面に形成された加工膜であり、
前記ポジ型フォトレジスト層は、Ｏ−ナフトキノンジアジトとアルカリ可溶性フェノール樹脂との混合樹脂であり、当該ポジ型レジスト層の厚さを８０００Å〜１５０００Åに設定し、
前記ポストベークの温度を１００℃〜１４０℃に設定し、ポストベークの時間を５分〜１５分に設定したことを特徴とするエッチングパターン形成方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。まず、図１及び図２に基づき、基板表面の加工膜（本発明のエッチング対象物の一種）に対してエッチングを施し、この加工膜に厚さの異なる複数部位を形成する一連の工程について説明する。なお、この実施形態では、表面が（１１０）面とされたシリコンウエハーを基板（以下、Ｓｉ基板と称する。）として用いている。
【００１６】
まず、洗浄後のＳｉ基板１の表面に酸化膜（ＳｉＯ_２膜）２を形成する。この酸化膜２は、Ｓｉ基板１に対するエッチング時に用いる加工膜として機能すると共に、レジスト層３の現像時における保護膜として機能する。なお、この酸化膜２は任意の方法で形成することができるが、ＣＶＤ法や熱拡散法等の薄膜形成方法が好ましい。これは、均一膜厚の酸化膜２を高い精度で形成できるからである。そして、酸化膜２を形成したならば、そのＳｉ基板１を洗浄し、不活性ガス中で十分に乾燥させる。
【００１７】
Ｓｉ基板１に対する洗浄・乾燥が終了したならば、酸化膜２上にレジスト層３を均一厚さで形成する。本実施形態では、このレジスト層３を、光照射によって光化学反応が起き、その反応により高分子チェーンが分解して現像液に可溶性となるポジ型フォトレジストを用いて形成する。このポジ型フォトレジストとしては、例えば、Ｏ−ナフトキノンジアジトとアルカリ可溶性フェノール樹脂との混合樹脂等が挙げられる。
【００１８】
このレジスト層３の厚さは、８０００〜１５０００Å（１０^−１０ｍ）に設定することが好ましい。ここで、レジスト層３の厚さ上限を１５０００Åに設定したのは、レジスト層３が１５０００Åより厚いと、後述する露光工程において、光がレジスト層３の最下部まで到達する前に減衰し、膜下部が露光されずに現像不良となってしまうからである。また、レジスト層３の厚さ下限を８０００Åに設定したのは、レジスト層３が８０００Åより薄いと、後述する第２レジストパターンの形成時においてレジスト層３の膜厚が過度に薄くなり、露光エッジ部の形状の直線性が損なわれて歩留まりが低下するからである。なお、このレジスト層３の形成方法としては、スピンコートが好適に用いられる。
【００１９】
レジスト層３を形成したならば、次にプリベークを行い、このレジスト層３に含まれる溶剤を蒸発させる。このプリベークは、例えば、８０〜９０℃の温度で３０分程度行う。
【００２０】
プリベークを行ったならば、微細パターンが形成されたフォトマスク（図示せず）を用いてレジスト層３上にマスキングを施し、その後、水銀ランプ等の光源を用いて露光する。なお、フォトマスクとしては、写真乾板と同様の構造のエマルジョンマスクの他、クロムや酸化クロム等の薄膜をパターンニングしたハードマスクを用いることができる。また、露光方式としては、フォトマスクとレジスト層３とを密着させて露光する密着露光の他、フォトマスクをレジスト層３に密着させず、フォトマスクの微細パターンをレジスト層３に投影する投影露光を用いることができる。
【００２１】
露光処理を行ったならば、露光後のレジスト層３を現像する。この現像には、例えば、珪酸ソーダやリン酸ソーダ等を含むアルカリ性現像液を用いる。そして、この現像処理により、図１（ｂ）に示すように、レジスト層３における露光部分が除去され、第１の微細パターン３ａ（以下、第１レジストパターン３ａと称する。）が形成される。なお、この現像工程において、残存する未露光のレジスト層３の膜厚も多少減少する。
【００２２】
現像処理が終了したならば、第１レジストパターン３ａが形成されたレジスト層３をポストベークし、Ｓｉ基板１との密着性を高める。その際、ポストベークは、１００〜１４０℃の温度で、５〜１５分程度の時間行うことが好ましい。ここで、ポストベークの温度上限を１４０℃に設定したのは、ポストベーク温度が１４０℃より高いと、後工程での感光特性が劣化し、所望の寸法精度が得られなくなるからである。また、ポストベークの温度下限を１００℃に設定したのは、ポストベーク温度が１００℃より低いと、ベーク後のエッチング時にレジスト層３とＳｉ基板１との密着性が低くなり、アンダーエッチ（レジスト層下に生じるエッチング）の量が局部的に大きくなるからである。さらに、ポストベーク時間の上限を１５分に設定したのは、ポストベーク時間が１５分より長いと、ポストベーク温度が高い場合と同様の現象が生じるからである。また、ポストベーク時間の下限を５分に設定したのは、ワークが温まる時間を考慮する必要があり、ポストベーク時間が５分より短いと、ポストベーク温度が低い場合と同様にアンダーエッチが発生し易いからである。
【００２３】
ポストベークが終了したならば、ＨＦ溶液等の溶解液により酸化膜２を膜厚の途中までエッチング（１段目段差エッチング）する。この１段目段差エッチングにより、酸化膜２における第１レジストパターン３ａからの露出部分が除去され、図１（ｃ）に示すような１層目の段差パターン２ａが形成される。
なお、この段差パターン２ａの深さはエッチング時間で制御する。例えば、酸化膜２内を厚さ方向に貫通させるために必要なエッチング時間が１２分であった場合、エッチング時間を６分に設定することで、段差パターン２ａの深さを基板厚さの略中間にすることができる。同様に、エッチング時間を４分に設定することで、段差パターン２ａの深さを基板厚さの略１／３にすることができる。
そして、本実施形態では、エッチング時間を６分に設定して厚さ方向の略中間でエッチングを停止させている。
【００２４】
１段目段差エッチングが終了したならば、このエッチング処理で使用したレジスト層３に対して露光、現像及びポストベークを再度行うことで新たな微細パターンを形成する。
【００２５】
ここでは、まず、残存する未感光のレジスト層３、即ち、第１レジストパターン３ａが形成されたレジスト層３の上にマスキングを施して露光する。その際、１回目の露光処理で付けたアラインメントマークを２回目の露光におけるアラインメントに使用する。このようにすると、アラインメントマークが共通なのでアラインメント精度が向上する。また、上記したように、最初に塗布するレジスト層３の厚さの下限を８０００Åに定めているので、露光エッジ部における形状の直線性を良好に保つことができる。
【００２６】
露光処理を行ったならば、露光後のレジスト層３を現像する。この現像処理により、図２（ａ）に示すように、レジスト層３における露光部分が除去され、第２の微細パターン３ｂ（以下、第２レジストパターン３ｂと称する。）が形成される。そして、現像を行ったならば、第１レジストパターン３ａを形成した時と同様の条件でポストベークを行う。
【００２７】
ポストベークを行ったならば、この第２レジストパターン３ｂを用いてＨＦ溶液等により、酸化膜２をエッチング（２段目段差エッチング）する。本実施形態において、この２段目段差エッチングは、１層目の段差パターン２ａが膜厚方向に丁度貫通するまで行う。例えば、この２段目段差エッチングにおけるエッチング時間を６分間に設定する。これにより、図２（ｂ）に示すように、酸化膜２には厚さの異なる複数部位が形成される。即ち、第１レジストパターン３ａに対応する１層目の段差パターン（貫通部分）２ａと、第２レジストパターン３ｂに対応する２層目の段差パターン（薄肉部分）２ｂと、第１レジストパターン３ａ及び第２レジストパターン３ｂの両方で未露光とされた未露光部分に対応する厚肉部分２ｃとが形成される。
【００２８】
２段目段差エッチングを行ったならば、図２（ｃ）に示すように、酸化膜２の表面に残存しているレジスト層３（即ち、第２レジストパターン３ｂが形成されたレジスト層３）を剥離除去し、純水等で洗浄する。このレジスト層３の除去は、例えば、Ｈ_２ＳＯ_４／Ｈ_２Ｏ_２等の酸性溶液によって行う。
【００２９】
このように、本実施形態では、レジスト層３をポジ型フォトレジストにより形成し、このレジスト層３に微細パターンを形成した後の未露光部分を用いて新たな微細パターンを形成している。このため、従来のように、微細パターン毎にレジスト層３の形成及び除去を繰り返す必要がなく、１層のレジスト層３を用いて複数種類の微細パターンを形成できる。従って、工程が簡略化され、製造効率を向上させることができる。また、フォトレジストの塗布回数を減らすことができるので、製造コストを低減することができる。
【００３０】
次に、図３及び図４に基づき、上記工程で作製された段差付きの酸化膜２を加工膜としたエッチング処理（集中パターニング）により、Ｓｉ基板１から微細パターン加工品を作製する一連の工程について説明する。
【００３１】
図３（ａ），（ｂ）に示すように、まず、上記の加工膜（酸化膜）２が形成されたＳｉ基板１をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸し、１段目のエッチングを行う。この１段目のエッチングにより、Ｓｉ基板１における１層目の段差パターン２ａに対応する部分が浸食される。このとき、Ｓｉ基板１の異方性によって浸食方向は板厚方向となり、当該部分に１段目凹部１ａが形成される。そして、このエッチングは、Ｓｉ基板１における厚さ方向の途中まで行う。本実施形態では、この１段目凹部１ａの深さをエッチング時間によって制御している。
【００３２】
１段目凹部１ａが所望の深さに形成されるまで１段目のエッチングを行ったならば、２層目の段差パターン２ｂに対応する新たなエッチングパターンを作製する。即ち、１段目のエッチングが終了した加工膜付きのＳｉ基板１をＨＦ溶液等に浸すなどして、図３（ｃ）に示すように、加工膜２における薄肉部分２ｂを除去する。この場合、加工膜２は全体的に厚さが薄くなるので、溶液に浸す時間を適宜調整することで加工膜２の薄肉部分２ｂのみを選択的に除去し、厚肉部分２ｃを残す。
【００３３】
新たなエッチングパターンを形成したならば、このエッチングパターンをマスクにして２段目のエッチングを行う。即ち、このエッチングパターンが形成されたＳｉ基板１をＫＯＨ溶液に浸す。この２段目エッチングにより、図４（ａ）に示すように、２層目の段差パターン２ｂに対応する部分が浸食され、Ｓｉ基板１に２段目凹部１ｂが形成される。このとき、上記した１段目凹部１ａも同様に浸食されるので、Ｓｉ基板１には、１段目凹部１ａと２段目凹部１ｂとからなる段差凹部が形成される。そして、２段目凹部１ｂを、板厚方向の途中であって所望の深さまで形成したならば、Ｓｉ基板１をＫＯＨ溶液から引き上げてエッチングを停止させる。
【００３４】
このようにしてＳｉ基板１に段差凹部１ａ，１ｂを形成したならば、図４（ｂ）に示すように、残存している加工膜２（厚肉部分２ｃ）を除去し、微細パターン加工品を得る。この加工膜２の除去は、例えば、ＨＦ溶液等に浸すことで行う。加工膜２を除去したならば、必要に応じてＳｉ基板１の表面全体に酸化膜２を形成する。
【００３５】
ところで、上記の第１実施形態では、Ｓｉ基板表面の加工膜（酸化膜）２を本発明におけるエッチング対象物としていたが、本発明はこの形態に限定されるものではない。例えば、基板を本発明のエッチング対象として基板表面にポジ型フォトレジスト層を設け、このフォトレジスト層を用いたエッチングにより、基板に厚さの異なる複数部位を形成してもよい。以下、図５に基づき、この方法を採った第２実施形態について説明する。
【００３６】
この第２実施形態では、まず図５（ａ）に示すように、金属基板１１の表面にポジ型フォトレジストを塗布してレジスト層１２を形成する。このレジスト層１２の厚さは、先に説明したレジスト層３と同様に８０００Å〜１５０００Åとすることが好ましい。レジスト層１２を形成したならば、このレジスト層１２に対して対して露光、現像及びポストベークを順に行い、図５（ｂ）に示すように、第１の微細パターン（第１レジストパターン１２ａ）を形成する。なお、この第１レジストパターン１２ａの形成条件も、先の第１実施形態と同様である。
【００３７】
レジスト層１２に第１レジストパターン１２ａを形成したならば、この第１レジストパターン１２ａをマスクにして金属基板１１に対するエッチング処理を行う。これにより、図５（ｃ）に示すように、金属基板１１における第１レジストパターン１２ａに対応した部分が浸食され、当該部分に１段目凹部１１ａが形成される。そして、本実施形態では、１段目凹部１１ａが金属基板１１を貫通する前にこのエッチング処理を停止する。
【００３８】
第１レジストパターン１２ａによるエッチング処理が終了したならば、この第１レジストパターン１２ａが形成されたレジスト層１２に対して新たな微細パターン（第２レジストパターン１２ｂ）を形成する。即ち、このレジスト層１２における未感光部分に対して、露光、現像及びポストベークを再度行うことで、図５（ｄ）に示すように、第２レジストパターン１２ｂを形成する。
【００３９】
レジスト層１２に第２レジストパターン１２ｂを形成したならば、この第２レジストパターン１２ｂをマスクにして金属基板１１に対するエッチング処理を行う。これにより、図５（ｅ）に示すように、金属基板１１における第２レジストパターン１２ｂに対応した部分が浸食され、当該部分に２段目凹部１１ｂが形成される。このとき、上記した１段目凹部１１ａも同様に浸食されるので、金属基板１１には、１段目凹部１１ａと２段目凹部１１ｂとからなる段差凹部が形成される。そして、２段目凹部１１ｂが板厚方向途中の所望の深さに形成されたならば、このエッチング処理を停止する。本実施形態では、１段目凹部１１ａが金属基板１１を貫通する前にエッチング処理を停止している。
【００４０】
このようにして金属基板１１に段差凹部１１ａ，１１ｂを形成したならば、図５（ｆ）に示すように、残存しているレジスト層１２を除去し、微細パターン加工品を得る。
【００４１】
このように、本実施形態でも、レジスト層１２をポジ型フォトレジストにより形成し、このレジスト層１２に微細パターン１２ａを形成した後の未露光部分を用いて新たな微細パターン１２ｂを形成している。このため、１層のレジスト層１２を用いて複数種類の微細パターンが形成でき、製造効率の向上が図れる。また、フォトレジストの塗布回数を減らせるので、製造コストの低減が図れる。
【００４２】
なお、この第２実施形態において、エッチング対象物は金属基板１１に限定されるもではない。例えば、Ｓｉ基板をエッチング対象物としても同様に実施できる。
【００４３】
ところで、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。例えば、上記各実施形態では、１つのレジスト層３，１２に対して露光、現像及びポストベークの一連の処理を２回繰り返して行っていたが、この一連の処理を３回以上繰り返して行ってもよい。
【００４４】
また、微細パターン加工品は、マイクロマシンの構成部品以外であってもよい。例えば、インクジェット式記録ヘッドにおけるインク流路を形成するための流路形成基板でもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、以下の効果を奏する。
即ち、エッチング対象物の表面に設けられたポジ型フォトレジスト層に対して露光、現像及びポストベークを順に行うことで微細パターンを形成し、前記ポストベークの温度を１００℃〜１４０℃に設定し、ポストベークの時間を５分〜１５分に設定し、前記微細パターンによるエッチング対象物へのエッチング処理の後に、このエッチング処理で用いたレジスト層の未露光部分に対して露光、現像及びポストベークを再度行うことで新たな微細パターンを形成するので、従来のように、微細パターン毎にレジスト層の形成及び除去を繰り返す必要がなく、１層のレジスト層を用いて複数種類の微細パターンが形成できる。これにより、厚さが異なる複数部位を備えた微細パターンをエッチング対象物に形成する際において、工程の簡略化が図れ、製造効率を向上させることができる。さらに、フォトレジストの塗布回数を減らすことができるので、製造コストの低減が図れる。
また、エッチング対象物は、ＣＶＤ法又は熱拡散法等の薄膜形成方法により、Ｓｉ基板表面に形成された加工膜であり、ポジ型フォトレジスト層は、Ｏ−ナフトキノンジアジトとアルカリ可溶性フェノール樹脂との混合樹脂であり、ポジ型レジスト層の厚さを８０００Å〜１５０００Åに設定し、ポストベークの温度を１００℃〜１４０℃に設定し、ポストベークの時間を５分〜１５分に設定したので、均一膜厚の酸化膜を高い精度で形成でき、現像不良や、露光エッジ部の形状の直線性が損なわれて歩留まりが低下することを防止できる。さらに、感光特性の劣化を抑制することができると共に、ベーク後のエッチング時にレジスト層とエッチング対象物との密着性の低下を抑制してアンダーエッチの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のパターン形成方法を示す概略図であり、（ａ）は酸化膜が形成されたＳｉ基板上にレジスト層を設けた状態を説明する図、（ｂ）はレジスト層に第１レジストパターンを形成した状態を説明する図、（ｃ）は第１レジストパターンによるエッチングを説明する図である。
【図２】第１実施形態のパターン形成方法を示す概略図であり、（ａ）はレジスト層に第２レジストパターンを形成した状態を説明する図、（ｂ）は第２レジストパターンによるエッチングを説明する図、（ｃ）はレジスト層を除去した状態を説明する図である。
【図３】第１実施形態のパターン形成方法を示す概略図であり、（ａ）は加工膜が形成されたＳｉ基板を説明する図、（ｂ）は加工膜による１段目のエッチングを説明する図、（ｃ）は加工膜における薄肉部を除去した状態を説明する図である。
【図４】第１実施形態のパターン形成方法を示す概略図であり、（ａ）は加工膜による２段目のエッチングを説明する図、（ｂ）は加工膜を除去した状態を説明する図である。
【図５】（ａ）〜（ｆ）は、第２実施形態におけるパターン形成方法を示す概略図である。
【符号の説明】
１Ｓｉ基板
１ａ１段目凹部
１ｂ２段目凹部
２酸化膜（加工膜）
２ａ１層目の段差パターン（貫通部分）
２ｂ２層目の段差パターン（薄肉部分）
２ｃ厚肉部分
３レジスト層
３ａ第１レジストパターン
３ｂ第２レジストパターン
１１金属基板
１１ａ１段目凹部
１１ｂ２段目凹部
１２レジスト層
１２ａ第１レジストパターン
１２ｂ第２レジストパターン

Claims

エッチング対象物の表面に設けられたポジ型フォトレジスト層に対して露光、現像及びポストベークを順に行うことで微細パターンを形成し、
前記微細パターンによるエッチング対象物へのエッチング処理の後に、このエッチング処理で用いたレジスト層の未露光部分に対して露光、現像及びポストベークを再度行うことで新たな微細パターンを形成するエッチングパターン形成方法であって、
前記エッチング対象物は、ＣＶＤ法又は熱拡散法等の薄膜形成方法により、Ｓｉ基板表面に形成された加工膜であり、
前記ポジ型フォトレジスト層は、Ｏ−ナフトキノンジアジトとアルカリ可溶性フェノール樹脂との混合樹脂であり、当該ポジ型レジスト層の厚さを８０００Å〜１５０００Åに設定し、
前記ポストベークの温度を１００℃〜１４０℃に設定し、ポストベークの時間を５分〜１５分に設定したことを特徴とするエッチングパターン形成方法。