JP4390195B2 - パターニング方法 - Google Patents

Description

本発明はフォトリソグラフィ技術を用いて、基板の両面にパターン形成を行うパターニング方法に関するものである。

フォトリソグラフィ技術を用いた代表的な製品である半導体は基板の一方の面にパターンを何重にも重ねていく。そのため、半導体にて要求されるパターン形成精度は重ね合わせていくパターン間の位置合わせに左右されるものである。このような目的を達成するための露光機は、フォトマスク像を任意の倍率で縮小し、露光を行う縮小投影露光機により現在ではサブミクロン以下のレベルで位置決めが可能となっている。

一方、水晶振動子やＭＥＭＳの分野において、基板の両面にフォトリソグラフィ技術を用いて、パターン形成を行う工程がある。水晶振動子においては、顧客からの製品小型化要求により、特に音叉型水晶振動子において従来の機械加工に頼っていた水晶片の加工方法がフォトリソグラフィ技術を用いた製造方法へと移行している。音叉型水晶振動子の形状を図４に示す。音叉型水晶振動子８は音叉枝部９と音叉基部１０からなり、音叉枝部９の寸法が周波数に影響するため、寸法管理が非常に重要となる。音叉型水晶振動子の場合、製造プロセスの都合上、水晶基板の両面に音叉形状や電極形状といった同一のパターンを形成することが多い。また、ＭＥＭＳにおいては、基板の両面に同一または、異なったパターンを形成することがある。そのため、パターン形成において基板両面に形成されるパターン間の位置精度向上が強く要求されている。

一般的に基板の両面にパターン形成を行う場合には、一対の露光光学系を用いて、基板の両面に同時に露光を行うことが出来る両面同時投影露光機、あるいは露光光学系は一つで有るが、基板の裏面を観察することの出来る顕微鏡を備えた片面等倍投影露光機あるいは片面コンタクト露光機を用いることとなる。しかし、これらの装置はフォトマスクパターンに対する露光パターン像が一対一で影響するため、位置決め精度に関しては半導体レベルと大きな差があるのが現状である。

音叉型水晶振動子を例に、両面同時投影露光機を用いた一般的なパターン形成プロセスを図２に示す。この露光機は基板両面へ同時にパターンを焼き付けるものであり、露光に要する作業時間が、片面ずつパターンを形成する場合に比べて約半分になるという効果がある。水晶基板１の両面にフッ酸あるいはフッ化アンモニウムに対して耐食性のあるクロム膜２と金膜３を成膜し（ｂ）、さらにスピンコート法等によってレジスト膜４を成膜する（ｃ）。その後、２枚のフォトマスク５を用い両面同時投影露光機によって該水晶基板１の両面に外形形状となるパターンを焼き付ける（ｄ）。パターンは現像（ｅ）、（ｂ）において成膜した金膜３（ｆ）とクロム膜２（ｇ）のエッチング、さらにレジスト膜４の剥離（ｈ）を行うことによって水晶基板１上に金膜３とクロム膜２の２層からなる音叉型水晶振動子のパターンを得ることが出来る。ここで得られたパターンに従って、フッ化アンモニウムあるいはフッ化水素酸との混合物であるバッファードフッ酸を用い、基板の両面から同時にむき出しとなった水晶基板１をエッチングすることによって、水晶基板１上に多数の音叉型水晶振動子形状パターンを得る。（同図においては音叉枝部９のパターンとなる。）このプロセスを用いた音叉型水晶振動子の製造方法については既に開示されている（例えば、特許文献１参照）。

次に音叉型水晶振動子を例に、片面投影露光機あるいは片面コンタクト露光機を用いた一般的なパターン形成プロセスを図３に示す。金膜３とクロム膜２を成膜した水晶基板１（ｂ）の両面にレジスト膜４を塗布し（ｃ）、一方の面（以下表面）へフォトマスク５を用い露光し（ｄ）、現像する（ｅ）。さらに金膜３（ｆ）、クロム膜２（ｇ）のエッチングを行い、水晶基板１上に金膜３とクロム膜２からなるパターンを形成する。その後、基板両面のレジスト膜４を剥離し（ｈ）、再度基板両面へレジスト膜４を塗布する（ｉ）。表面と反対の面への露光（ｊ）、現像し（ｋ）、金膜３（ｌ）、クロム膜２（ｍ）のエッチングを行い、再び基板両面のレジスト膜４を剥離し（ｎ）、水晶基板１両面への金膜３とクロム膜２によるパタ−ン形成が終了する。このような工程では２回の露光において、必ず水晶基板１の両面にレジスト膜４を塗布する必要がある。またレジスト膜４は非常に高価であるため、製造コストを圧迫する要因ともなる。レジスト膜４の剥離はアセトン、キシレンといった有機溶剤を用いるか、あるいはアッシングによって行う。

前記片面投影露光機あるいは片面コンタクト露光機を用いたパターン形成方法を、両面同時投影露光機を用いたパターン形成方法と比較すると、（ｃ）までの工程は両面同時投影露光機と同様であるが、（ｄ）における露光は片面のみとなる。（ｅ）の露光パターン現像後、（ｆ）金膜３、（ｇ）クロム膜２をそれぞれエッチングし、レジスト膜４を剥離する事で、表面への金膜３とクロム膜２の２層膜からなるパターン形成が終了する。裏面へのパターン形成は表面パターンの保護と裏面パタ−ニングの目的おいて、再度基板両面へのレジスト膜４の塗布を行い（ｈ）、基板の裏面に対して表面と同様の露光、現像、金膜３・クロム膜２のエッチング（ｉ）〜（ｋ）を行う。このように片面露光機を用いたパターン形成プロセスは、前記両面同時投影露光機を用いたパターン形成プロセス図２と比較すると、そのプロセス数が約２倍となっていることがわかる。製造プロセスの増加は製造コストの増加につながるため、積極的には用いられないが、片面投影露光機あるいは片面コンタクト露光機はその導入時に係るコストが両面同時投影露光機よりも安価であるという利点がある。

しかしながら、水晶振動子に対する顧客の要求は軽薄短小化の流れが大きく、さらなる小型化を推し進める必要がある。小型化を進めるにあたって、問題としてあげられるのが、基板の表裏に形成されたパターンのアライメント精度である。水晶振動子は機械的振動と電気的振動をそれぞれに変換することの出来る素子である。外形形状が電気特性に与える影響は大きく、振動子が小型になればなるほどその影響度合いは大きくなっていく。従って、基板の両面に形成するパターン位置ズレは極力避ける必要に迫られている。

特開平５−３１５８８１号公報

従来多く用いられてきた図２に示す両面同時投影露光機によるパターン形成方法は、図３に示す片面露光によるプロセスと比べて露光工程数が約半分で有るという点で非常に優位性があり、また投影方式を用いているため、フォトマスクと基板が直接接することがなく、双方に対するダメ−ジが無いという利点もある。しかし、両面同時投影露光機の場合、その装置構成上フォトマスクと基板間に投影レンズが存在し、投影レンズの歪み、収差が上面側光学系と下面側光学系にて異なるため、結果として表裏それぞれのパターンに倍率および、位置ズレが生じる結果となっていた。このとき、上面光学系において基板の表面を、下面側光学系において、基板の裏面を露光するものとする。両面同時投影露光機を用いた露光方法では、上面側光学系と下面側光学系との違いにより、表裏パターンの位置ズレは、図２（ｉ）に示す位置ズレ７部分において基板内で±４μm程度である。また、片面投影露光機においても、フォトマスクに形成されたパターンの基板上への転写と言う点については装置構成上、投影レンズを介して露光を行うため、投影レンズにおける歪み、収差の影響を除くことは出来ず、表面に形成した露光パターンと裏面に形成した露光パターンとでは表裏パターンの位置ズレが生じてしまう。

片面コンタクト露光機を用いた場合、基板とフォトマスクとのコンタクト厚や、プロキシミティ方式の場合のギャップ量にもよるが、フォトマスクと基板とを接触させた状態で露光を行うため、フォトマスクに対して忠実なパターンを基板上に形成することが出来る。この方式の場合、上面パターンに対する裏面パターンの位置ズレは実力値として、±２μm以下が得られる。従って、基板両面へのパターン形成を行うにあたって、片面コンタクト露光機を選定する事が有効な手段である。

しかしながら、従来の片面コンタクト露光機を用いたパターニング方法では、前述したとおり、２回の露光において、必ず水晶基板の両面にレジスト膜を塗布する必要が生じる。またレジスト膜は非常に高価であるため、製造コストを圧迫する要因ともなってしまう。
また、一般的に金膜、クロム膜のエッチングはバッチ処理によって行われる。図３の方法においては、表面パターンを現像後、金・クロム膜のエッチングを行い、表面パターン形成後に裏面パターンの金・クロム膜のエッチングを行っている。前記方法ではエッチングを２回にわたって行っているため、現像パターンに対する金膜とクロム膜のアンダーエッチング量に差異が生じてしまう。この差異がパターン寸法のバラツキ要因となっている。エッチング時間の制御により前記アンダーエッチング量の差異を減少させることも考えられるが、金膜やクロム膜の膜厚は数百〜２０００Å程度で、それぞれのエッチング時間は２０〜３０秒程度のごく短時間で完了するためエッチング時間で制御するのは非常に困難である。

本発明の目的は、片面コンタクト露光機を用いたパターニング方法で、レジストの消費量を抑え、かつ基板両面にパターニングされるパターンの位置精度をさらに向上させることを目的とする。

基板を所望の外形形状に形成するためのパターニング方法において、
少なくとも、
基板の両面に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜が形成された基板の一方の面にレジスト膜を形成する工程と
前記レジスト膜を任意形状のパターンに露光し現像する工程と、
前記基板の前記レジスト膜が形成された面上に保護膜を形成する工程と、
前記基板の他方の面で、前記基板の前記保護膜が形成されていない面にレジスト膜を形成する工程と、
前記基板の他方の面に形成した前記レジスト膜を任意形状のパターンに露光し現像する工程と、
前記保護膜を除去する工程と、
前記基板両面に露出した金属膜をエッチングする工程と、
前記レジスト膜を除去する工程と、
を有するパターニング方法とする。

本発明により、レジストの消費量を抑え、かつ基板両面へパターニングしたパターンの表裏面の位置精度を向上させることが可能となった。

図１に音叉型水晶振動子を例とした本発明のパターン形成プロセスを示す。水晶基板１の両面にスパッタあるいは蒸着により、第１層にクロム膜２を成膜し、第２層に金膜３を成膜する（ｂ）。その後、基板のどちらか一方の面（ここでは表面とする）にレジスト膜４を塗布し、フォトマスク５を用い片面コンタクト露光機にてパターンを露光し（ｄ）、現像（ｅ）を行う。これにより、レジスト膜４による音叉型水晶振動子形状パターン（図４に示す音叉枝部９のパターン）を得る。ここで、得られたパターンに対して、スパッタあるいは蒸着により保護膜６を成膜する。保護膜６の材質は現像液に対して耐食性のあるものを用いる。ポジ型のレジストを用いる際の一般的な現像液はアルカリ性であり、ＴＭＡＨが主成分で有るものが多い。耐食膜の材質としてはクロム、金、銀といった金属や、ＳｉＯ_２といったものが選べるが、下地膜あるいは基板に対してエッチング選択性を有するもので有れば任意に選択が出来る。ただし、成膜の際に成膜装置内部が高温になってしまう場合には、この熱により（ｅ）において形成されたパターン形状が劣化してしまうため、保護膜６の材料の選択、成膜方法の選択には注意が必要である。又、保護膜６の膜厚はその後のエッチングによる除去が必要であるため、あまり厚くすることは望ましくなく、現像液に対するレジストパターン保護の観点からすると、１０００Å前後で十分である。これにより表面へのパターン形成が終了する。前記保護膜６は、レジスト膜４に比べて安価なものである。

続いて、前記工程にてパターン形成を行った表面に対して、裏面へも同様のパターンを形成する。表面と同様に裏面へレジスト膜４を塗布し（ｇ）、片面コンタクト露光機にて裏面へパターンを露光する（ｈ）。裏面へのパターン露光の際には、片面コンタクト露光機の位置合わせ用顕微鏡を用いて、表面に形成したパターンを観察し、これを基準としてフォトマスク５と水晶基板１との位置あわせを行う。この位置あわせの際基準として用いる表面に形成された位置決め用マーク（以下アライメントマーク）は前述の工程で保護膜６によって覆われている。しかし、表面と裏面とのアライメント精度は装置の能力上±１μmであり、表面に形成された保護膜は１０００Å＝０．１μm前後であるため、位置決め精度に大きな影響を及ぼすことはない。露光が終了した水晶基板１は裏面パターンの現像を行う（ｉ）。ここで、表面のパターンは保護膜６で覆われているため、現像液によるパターン劣化の影響は受けない。

裏面へのパターン形成後、表面に成膜した保護膜６を任意のエッチング液にて除去する事で、水晶基板１の表裏面にレジスト膜による全く同じパターンが得られることとなる（ｊ）。その後、水晶基板１上の下地膜である金膜３（ｋ）とクロム膜２（ｌ）のエッチングを行い、レジスト膜４の剥離（ｍ）を行うことで、基板上に金膜３とクロム膜２の２層膜からなる音叉型水晶振動子形状パターンを得ることができる。本実施例のパターニング方法では金膜３とクロム膜２を同時にエッチング処理するため、表裏面におけるパターンの位置ズレを減少できる。その後、金膜３とクロム膜２を保護膜として、フッ酸あるいはフッ化アンモニウムさらにはフッ酸とフッ化アンモニウムの混合物であるバッファ−ドフッ酸を用いて、水晶基板１をエッチングすることによって、音叉型水晶振動子形状を得ることができ（ｎ）、さらに、金膜３とクロム膜２をエッチングにより除去することにより水晶からなる音叉型水晶振動子を得る（ｏ）。
本発明は音叉型水晶振動子を例として説明したが、基板両面へのパターニングにおける効果を目的としているため、対象は水晶振動子に限定されるものではない。

音叉型水晶振動子を例とした本発明のパターン形成プロセスを示す図 音叉型水晶振動子を例に、両面同時投影露光機を用いた一般的なパターン形成プロセスを示す図 音叉型水晶振動子を例に、片面投影露光機あるいは片面コンタクト露光機を用いた一般的なパターン形成プロセスを示す図 音叉型水晶振動子の正面図

符号の説明

１ 基板
２ クロム膜
３ 金膜
４ レジスト膜
５ フォトマスク
６ 保護膜
７ 位置ズレ
８ 音叉型水晶振動子
９ 音叉枝部
１０ 音叉基部

Claims (1)

1. 基板を所望の外形形状に形成するためのパターニング方法において、
   少なくとも、
   基板の両面に金属膜を形成する工程と、
   前記金属膜が形成された基板の一方の面にレジスト膜を形成する工程と、
   前記レジスト膜を任意形状のパターンに露光し現像する工程と、
   前記基板の前記レジスト膜が任意形状のパターンに形成された面上に保護膜を形成する工程と、
   前記基板の他方の面で、前記基板の前記保護膜が形成されていない面にレジスト膜を形成する工程と、
   前記基板の他方の面に形成した前記レジスト膜を任意形状のパターンに露光し現像する工程と、
   前記保護膜を除去する工程と、
   前記基板両面に露出した金属膜をエッチングする工程と、
   前記レジスト膜を除去する工程と、
   を有することを特徴とするパターニング方法。
   

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