JP4792148B2 - ５階調フォトマスクの製造方法及びパターン転写方法 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置（Liquid Crystal Display：以下、ＬＣＤと称する）製造等に好適に用いられる５階調フォトマスクの製造方法及び５階調フォトマスク、並びに当該フォトマスクを用いたパターン転写方法に関するものである。

現在、ＬＣＤの分野において、薄膜トランジスタ液晶表示装置（Thin FilmTransistor Liquid Crystal Display：以下、ＴＦＴ−ＬＣＤと呼ぶ）は、ＣＲＴ（陰極線管）に比較して、薄型にしやすく消費電力が低いという利点から、現在商品化が急速に進んでいる。ＴＦＴ−ＬＣＤは、マトリックス状に配列された各画素にＴＦＴが配列された構造のＴＦＴ基板と、各画素に対応して、レッド、グリーン、及びブルーの画素パターンが配列されたカラーフィルターが液晶相の介在の下に重ね合わされた概略構造を有する。ＴＦＴ−ＬＣＤでは、製造工程数が多く、ＴＦＴ基板だけでも５〜６枚のフォトマスクを用いて製造されていた。このような状況の下、ＴＦＴ基板の製造を４枚のフォトマスクを用いて行う方法が提案されている。

この方法は、遮光部と透光部の他に半透光部（グレートーン部）を有するグレートーンマスクと称されるフォトマスクを用いることにより、使用するマスク枚数を低減するというものである。ここで、半透光部とは、マスクを使用してパターンを被転写体に転写する際、透過する露光光の透過量を所定量低減させ、被転写体上のフォトレジスト膜の現像後の残膜量を制御する部分をいう。

ここで用いられるグレートーンマスクとしては、半透光部が、グレートーンマスクを使用するＬＣＤ用露光機の解像限界以下の微細パターンで形成されている構造のものが知られている。また、半透光部を半透過性の半透光膜とする構造のものも従来知られている。何れの構造のものであっても、この半透光部での露光量を所定量少なくして露光することが出来、被転写体上に、レジスト残膜値の異なる２つの転写パターンを転写することができることから、１枚のグレートーンマスクを用いて従来のフォトマスク２枚分の工程が実施されることにより、マスク枚数が削減される。

上記グレートーンマスクは、遮光部と透光部と半透光部とを有し、露光光透過率を３段階に変化させる３階調のフォトマスクである。したがって、１枚のさらに多階調のフォトマスクを用いれば、さらにマスク枚数を削減することが可能になる。

従来、レジストパターンの形成と金属化合物等の膜のエッチングとを所望回数繰り返すことにより得られる、光透過率が３段階以上の多段階に変化する多階調フォトマスクが下記特許文献１に開示されている。また、遮光部と透光部の他にそれぞれ異なる光透過率の第１半透光部と第２半透光部を有する４階調フォトマスクをリソグラフィ工程により少ない描画回数で製造できる４階調フォトマスクの製造方法が下記特許文献２に開示されている。

特開平９−１４６２５９号公報 特開２００７−２４９１９８号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された多階調フォトマスクの製造方法の場合、金属化合物等の膜をエッチングする回数と、そのエッチングマスク用のレジストパターンを形成するための描画回数とが同一回数となるため、所望の多階調とするためには描画回数が増大してしまう。例えば、露光光透過率を５段階以上に変化させる多階調フォトマスクを製造するためには、少なくとも４回以上の描画を行わなければならず、描画回数が増えれば、その位置合わせを高精度に行うことが困難になり、形成されるマスクパターン精度に影響する。近年、ＴＦＴ基板の製造等においても、より微細なパターンを形成することが要求されてきており、フォトマスク上のパターン精度は非常に重要である。フォトリソグラフィ工程の回数が増えることは、欠陥などの不都合が生じる確率が増大することでもあり、単純に階調を増加させることには懸念がある。

また、上記特許文献２に開示された４階調フォトマスクの製造方法によれば、フォトリソグラフィ工程によって描画回数を２回に低減して、４階調のフォトマスクを製造することができるが、さらに多階調、例えば５階調のフォトマスクを製造する場合、上記の４階調フォトマスクに限定された製造方法をそのまま適用することは勿論できない。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであり、５階調のフォトマスクを少ない半透光膜の膜数と少ない描画回数で製造できる５階調フォトマスクの製造方法を提供することを第１の目的とする。また、本発明は、微細パターンが高精度に形成された５階調フォトマスクを提供することを第２の目的とする。さらに、上記５階調フォトマスクを用いたパターン転写方法を提供することを第３の目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。
（構成１）透明基板上に、遮光部、透光部、及びそれぞれ露光光透過率の異なる第1半透光部と第２半透光部と第３半透光部からなるマスクパターンを有する５階調フォトマスクの製造方法であって、透明基板上に、エッチャントに対するエッチング選択性のある第１半透光膜と遮光膜とをこの順に有するフォトマスクブランクを準備する工程と、前記フォトマスクブランクの前記遮光膜上に形成したレジスト膜を描画、現像して第１レジストパターンを形成する工程と、前記第１レジストパターンをマスクとして前記遮光膜をエッチングして第１のパターニングを行う工程と、前記第１レジストパターンを除去した後、パターニングされた前記遮光膜を含む面上に形成したレジスト膜を描画、現像して第２レジストパターンを形成する工程と、前記第２レジストパターンをマスクとして前記第１半透光膜をエッチングして第２のパターニングを行う工程と、前記第２レジストパターンを除去した後、パターニングされた前記遮光膜及び前記第１半透光膜を含む基板全面に、前記第１半透光膜とのエッチャントに対するエッチング選択性のある第２半透光膜を形成する工程と、前記第２半透光膜上に形成したレジスト膜を描画、現像して第３レジストパターンを形成する工程と、前記第３レジストパターンをマスクとして前記第２半透光膜をエッチングして第３のパターニングを行う工程とを有することを特徴とする５階調フォトマスクの製造方法。

（構成２）透明基板上に、遮光部、透光部、及びそれぞれ露光光透過率の異なる第1半透光部と第２半透光部と第３半透光部からなるマスクパターンを有する５階調フォトマスクの製造方法であって、透明基板上に遮光膜を有するフォトマスクブランクを準備する工程と、前記フォトマスクブランクの前記遮光膜上に形成したレジスト膜を描画、現像して第１レジストパターンを形成する工程と、前記第１レジストパターンをマスクとして前記遮光膜をエッチングして第１のパターニングを行う工程と、前記第１レジストパターンを除去した後、パターニングされた前記遮光膜を含む基板全面に第１半透光膜を形成する工程と、前記第１半透光膜上に形成したレジスト膜を描画、現像して第２レジストパターンを形成する工程と、前記第２レジストパターンをマスクとして前記第１半透光膜をエッチングして第２のパターニングを行う工程と、前記第２レジストパターンを除去した後、パターニングされた前記遮光膜及び前記第１半透光膜を含む基板全面に、前記第１半透光膜とのエッチャントに対するエッチング選択性のある第２半透光膜を形成する工程と、前記第２半透光膜上に形成したレジスト膜を描画、現像して第３レジストパターンを形成する工程と、前記第３レジストパターンをマスクとして前記第２半透光膜をエッチングして第３のパターニングを行う工程とを有することを特徴とする５階調フォトマスクの製造方法。

（構成３）前記第1半透光部、前記第２半透光部、及び前記第３半透光部は、前記第１半透光膜、前記第２半透光膜、前記第１半透光膜と前記第２半透光膜の積層膜のそれぞれいずれかにより形成されていることを特徴とする構成１又は２に記載の５階調フォトマスクの製造方法。
（構成４）前記遮光膜及び前記第２半透光膜はいずれもクロムを主成分とした材料からなり、前記第１半透光膜はモリブデンシリサイドを主成分とした材料からなることを特徴とする構成１乃至３のいずれか一に記載の５階調フォトマスクの製造方法。

（構成５）透明基板上に、遮光部、透光部、及びそれぞれ露光光透過率の異なる第1半透光部と第２半透光部と第３半透光部からなるマスクパターンを有し、前記遮光部は、少なくとも前記透明基板上に形成された遮光膜により形成され、前記透光部は、露出した前記透明基板により形成され、前記第1半透光部、前記第２半透光部、及び前記第３半透光部は、前記透明基板上に形成された、露光光透過率の異なる第１半透光膜と第２半透光膜、前記第１半透光膜と前記第２半透光膜の積層膜のうちのそれぞれいずれかにより形成されていることにより、露光光透過率を５段階に変化させることを特徴とする５階調フォトマスク。
（構成６）前記遮光膜及び前記第２半透光膜はいずれもクロムを主成分とした材料からなり、前記第１半透光膜はモリブデンシリサイドを主成分とした材料からなることを特徴とする構成５に記載の５階調フォトマスク。

（構成７）構成１乃至４のいずれかに記載の製造方法によるフォトマスク、あるいは、構成５又は６に記載のフォトマスクを用いて、被転写体に露光光を照射する露光工程を有し、被転写体上に５階調の転写パターンを形成することを特徴とするパターン転写方法。

本発明の５階調フォトマスクの製造方法によれば、遮光膜の他に、互いに露光光透過率の異なる第１半透光膜と第２半透光膜との組み合わせを用い、フォトリソグラフィ法によって描画回数を３回に低減して、露光光透過率が５段階に異なる５階調のフォトマスクを製造することができる。
また、上述のように描画回数を３回に低減して製造できることにより、微細パターンが高精度に形成された５階調のフォトマスクが得られる。
また、本発明に係る５階調フォトマスクを用いたパターン転写方法によれば、精度の高い多階調のパターン転写を実施することができ、またその結果、例えばＴＦＴ基板の製造等においてマスク枚数の大幅な削減が可能になる。

本発明に係る５階調フォトマスクの第１の実施の形態と、当該５階調フォトマスクを用いたパターン転写方法を説明するための断面図である。 上記第１の実施の形態に係る５階調フォトマスクの製造工程を工程順に示す断面図である。 本発明に係る５階調フォトマスクの第２の実施の形態と、当該５階調フォトマスクを用いたパターン転写方法を説明するための断面図である。 上記第２の実施の形態に係る５階調フォトマスクの製造工程を工程順に示す断面図である。 遮光部Ａに挟まれた半透光部Ｂのパターン（同図（１））と、該半透光部Ｂの透過光の光強度分布（同図（２））を示し、同図（ａ）は半透光領域の幅が４μｍ、同図（ｂ）は２μｍの場合を示す。 チャネル幅と該チャネル幅に対応した幅の半透光部における露光光の透過率との関係を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る５階調フォトマスクの第１の実施の形態と、当該５階調フォトマスクを用いたパターン転写方法を説明するための断面図である。
図１に示す５階調フォトマスク１０は、例えば液晶表示装置（ＬＣＤ）の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）やカラーフィルタ、またはプラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）などを製造するための多階調グレートーンマスクとして用いられるものであり、図１に示す被転写体２０上に、膜厚が段階的または連続的に異なるレジストパターン２３を形成するものである。なお、図１中において符号２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄは、被転写体２０において基板２１上に積層された膜を示す。

上記本実施の形態のフォトマスク１０は、具体的には、当該フォトマスク１０の使用時に露光光を遮光（透過率が略０％）させる遮光部１１と、ガラス基板等の透明基板１４の表面が露出して露光光を透過させる透光部１２と、透光部１２の露光光透過率を１００％としたとき透過率を１０〜８０％程度、好ましくは、２０〜７０％程度の範囲内に低減させ、この範囲内において露光光透過率が３段階に異なる第1半透光部１３Ａと第２半透光部１３Ｂと第３半透光部１３Ｃとを有して構成されている。上記半透光部は、透明基板１４上に光半透過性の半透光膜が形成されて構成され、本実施の形態では、そのうちの第1半透光部１３Ａは、露光光波長に対する透過率のそれぞれ異なる第１半透光膜１６と第２半透光膜１７の積層膜により形成され、第２半透光部１３Ｂは上記第１半透光膜１６により形成され、また第３半透光部１３Ｃは上記第２半透光膜１７により形成されている。また、上記遮光部１１は、透明基板１４上に、上記第１半透光膜１６、遮光層１５ａ及び反射防止層１５ｂの積層からなる遮光膜１５、及び上記第２半透光膜１７が順に設けられて形成されている。したがって、上記フォトマスク１０は、露光光透過率が５段階に異なる５階調のフォトマスクとなっている。なお、図１に示す遮光部１１、透光部１２、及び半透光部１３Ａ〜１３Ｃのパターン形状はあくまでも一例である。

上述のような５階調フォトマスク１０を使用して、被転写体２０へのパターン転写を行ったときに、遮光部１１では露光光が実質的に透過せず、透光部１２では露光光が透過し、第１〜第３半透光部１３Ａ〜１３Ｃでは各々の光透過率に応じて露光光が低減される。そのため、被転写体２０上に塗布したレジスト膜（ここではポジ型フォトレジスト膜）は、パターン転写後、現像を経たとき、上記遮光部１１に対応する部分で膜厚が最も厚くなる。また、上記第１〜第３半透光部１３Ａ〜１３Ｃに対応する部分ではいずれも遮光部１１に対応する部分の膜厚よりも薄くなるが、例えば上記第１半透光膜１６の露光光透過率が上記第２半透光膜１７の露光光透過率よりも低く設定されている場合は、上記半透光部に対応する部分において段階的に膜厚が薄くなる。また、透光部１２に対応する部分では膜がない。その結果、膜厚が５段階に異なる（そのうちの１段階は膜がない）レジストパターン２３を形成する。例えば、第１〜第３半透光部の透過率は、透光部を１００％としたとき、それぞれ、２０％、４０％、６０％程度とすることができる。なお、ネガ型フォトレジストを用いた場合には、レジスト膜厚が上記と逆転することを考慮した設計を行う必要がある。

そして、図１に示すレジストパターン２３の膜のない部分（上記透光部１２に対応する部分）で、被転写体２０における例えば膜２２Ａ〜２２Ｄに第１エッチングを実施する。続いて、レジストパターン２３の膜のうち膜厚が最も薄い部分（上記第３半透光部１３Ｃに対応する部分）をアッシング等によって除去しこの部分で、被転写体２０における例えば膜２２Ｂ〜２２Ｄに第２エッチングを実施する。続いて、レジストパターン２３のうち次に膜厚が薄い部分（上記第２半透光部１３Ｂに対応する部分）をアッシング等によって除去しこの部分で、被転写体２０における例えば膜２２Ｃ及び２２Ｄに第３エッチングを実施する。続いて更に、レジストパターン２３のうち次に膜厚が薄い部分（上記第１半透光部１３Ａに対応する部分）をアッシング等によって除去しこの部分で、被転写体２０における例えば膜２２Ｄに第４エッチングを実施する。このようにして、１枚の５階調フォトマスク１０を用いて、例えばＴＦＴ基板の製造における従来のフォトマスク４枚分の工程が実施されることになり、従来よりもマスク枚数を大幅に削減することが可能になる。

次に、上記５階調フォトマスクの製造方法について説明する。図２は、上記第１の実施の形態の５階調フォトマスク１０の製造工程を工程順に示す断面図である。
使用するフォトマスクブランクは、図２（ａ）に示すように、ガラス基板等の透明基板１４上に、第１半透光膜１６と、遮光層１５ａ及び反射防止層１５ｂの積層からなる遮光膜１５が順に形成されている。ただし、上記第１半透光膜１６と上記遮光膜１５は、エッチング工程に用いるエッチャントに対するエッチング選択性のある材質の組み合わせが選択される。したがって、上記遮光層１５ａとしては、例えばクロム又はその化合物（例えばＣｒＮ，ＣｒＯ，ＣｒＣ等）が好ましく挙げられ、上記反射防止層１５ｂとしては、クロム系化合物（例えばＣｒＮ，ＣｒＯ，ＣｒＣ等）などが挙げられ、さらに上記第１半透光膜１６としては、例えば金属シリサイド、特にモリブデンシリサイド化合物（MoSixのほか、MoSiの窒化物、酸化物、酸化窒化物、炭化物など）等が好ましく挙げられる。上記第１半透光膜１６は、透明基板１４（透光部）の露光光の透過量に対し１０〜８０％程度、好ましくは２０〜７０％程度の透過量を有するものが好ましい。

なお、上記第１半透光膜１６と後述の第２半透光膜１７とは露光光透過率が異なるようにするため、第１半透光膜１６の膜材質と膜厚は、後述の第２半透光膜１７の膜材質と膜厚との兼ね合いも考慮して設定される。

まず、上記フォトマスクブランク上にレジストを塗布してレジスト膜を形成し、１度目の描画を行う。本実施の形態では例えばレーザー光を用いる。また、上記レジストとしてはポジ型フォトレジストを使用する。そして、レジスト膜に対し、所定のデバイスパターンを描画し、描画後に現像を行うことにより、例えば製造されるフォトマスクの遮光部１１に対応する領域に第１レジストパターン３０を形成する（図２（ｂ）参照）。

次に、上記第１レジストパターン３０をエッチングマスクとして遮光層１５ａ及び反射防止層１５ｂの積層からなる遮光膜１５をエッチングして遮光膜パターンを形成する（図２（ｃ）参照）。クロムを主成分とする遮光膜１５を用いた場合、エッチング手段としては、ドライエッチングもしくはウェットエッチングのどちらでも可能であるが、たとえば大型液晶表示パネル製造に使用する大型サイズのフォトマスクでは、ウェットエッチングが好適である。ウェットエッチングでは、エッチング液として例えば硝酸セリウム第二アンモニウムを用いる。なお、上記遮光膜１５とその下の第１半透光膜１６は、エッチャントに対するエッチング選択性を有する材質で形成されているため、上記遮光膜１５のエッチング時には第１半透光膜１６はエッチングされにくい。

残存する第１レジストパターン３０を除去した後（図２（ｄ）参照）、再び全面に上記と同じレジスト膜を形成し、２度目の描画を行う。すなわち、このレジスト膜に対し、所定のパターンを描画し、描画後に現像を行うことにより、例えば製造されるフォトマスクの遮光部１１と第１半透光部１３Ａ及び第２半透光部１３Ｂに対応する領域に第２レジストパターン３１を形成する（図２（ｅ）参照）。

次に、上記第２レジストパターン３１をエッチングマスクとして、露出した第３半透光部１３Ｃ及び透光部１２領域上の第１半透光膜１６をエッチングする（図２（ｆ）参照）。Ｍｏ化合物を主成分とする第１半透光膜１６を用いた場合、エッチング手段としては、ドライエッチングもしくはウェットエッチングのどちらでも可能であるが、ウェットエッチングではエッチング液として例えばフッ化水素アンモニウムを主成分とするものを用いる。

残存する第２レジストパターン３１を除去した後（図２（ｇ）参照）、パターニングされた遮光膜１５及び第１半透光膜１６を含む基板全面に、第２半透光膜１７を成膜する（図２（ｈ）参照）。ただし、第２半透光膜１７は、前記第１半透光膜１６とのエッチャントに対するエッチング選択性のある材質が選択される。従って、第１半透光膜１６に例えば前述のＭｏ化合物を用いる場合、上記第２半透光膜１７としては、例えばクロム化合物などが好ましく挙げられる。クロム化合物には、酸化クロム(ＣｒＯｘ)、窒化クロム(ＣｒＮｘ)、炭化クロム(ＣｒＣｘ)、酸窒化クロム(ＣｒＯｘＮ)、フッ化クロム(ＣｒＦｘ)や、これらに炭素や水素を含むものがある。また、上記第２半透光膜１７についても、透明基板２４（透光部）の露光光の透過量に対し１０〜８０％程度、好ましくは２０〜７０％程度の透過量を有することが望ましいが、同時に第１半透光膜１６とは露光光透過率が異なるように、第２半透光膜１７の膜材質と膜厚の選定によって設定される。

次に、上記第１半透光膜１７上の全面に再度前記と同じレジスト膜を形成し、３度目の描画を行う。すなわち、このレジスト膜に対し、所定のパターンを描画し、描画後、現像を行うことにより、例えば製造されるフォトマスクの遮光部１１と第１半透光部１３Ａ及び第３半透光部１３Ｃに対応する領域に第３レジストパターン３２を形成する（図２（ｉ）参照）。

次いで、上記第３レジストパターン３２をエッチングマスクとして、露出した第２半透光部１３Ｂ及び透光部１２領域上の第２半透光膜１７を同時にエッチングする（図２（ｊ）参照）。クロム化合物を主成分とする第２半透光膜１７を用いた場合、エッチング手段としては、ドライエッチングもしくはウェットエッチングのどちらでも可能であるが、ウェットエッチングではエッチング液として例えば硝酸セリウム第二アンモニウムを用いる。なお、第２半透光膜１７と第１半透光膜１６は、エッチャントに対するエッチング選択性を有する材質で形成されているため、例えば上記第２半透光部１３Ｂ領域上では、上記第２半透光膜１７のエッチング時にはその下の第１半透光膜１６はエッチングされにくい。エッチング選択性が十分でない場合には、エッチングストッパ膜を介在させることも可能であるが、フォトリソグラフィ工程をより効率化し、欠陥発生の確率を減少させるために、上記の手法はより有利である。

そして、残存する第３レジストパターン３２を除去する。こうして、透明基板１４上に、第１半透光膜１６と、遮光層１５ａ及び反射防止層１５ｂからなる遮光膜１５と、第２半透光膜１７との積層によりなる遮光部１１、透明基板１４が露出する透光部１２、及び、第１半透光膜１６と第２半透光膜１７の積層によりなる第１半透光部１３Ａと、第１半透光膜１６によりなる第２半透光部１３Ｂと、第２半透光膜１７によりなる第３半透光部１３Ｃを有するマスクパターンが形成された、露光光透過率が５段階に異なる５階調のフォトマスク１０が出来上がる（図２（ｋ）参照）。

以上のように本実施の形態によれば、遮光膜の他に、互いに露光光透過率の異なる第１半透光膜と第２半透光膜との組み合わせを用い、フォトリソグラフィ法によって描画回数を３回に低減して、少ない膜数と少ない描画回数で、露光光透過率が５段階に異なる５階調のフォトマスクを製造することができる。
また、上述のように描画回数を３回に低減して製造できることにより、微細パターンが高精度に形成された５階調のフォトマスクが得られる。

また、前述の図１に示すような本発明に係る５階調フォトマスクを用いたパターン転写を実施すると、被転写体には精度の高い多階調の転写パターンを形成することができる。またその結果、例えばＴＦＴ基板の製造等においてマスク枚数の大幅な削減が可能になる。

［第２の実施の形態］
次に、図３及び図４に従って本発明の第２の実施の形態を説明する。図３は、本発明に係る５階調フォトマスクの第２の実施の形態と、当該５階調フォトマスクを用いたパターン転写方法を説明するための断面図であり、図４は、上記第２の実施の形態の５階調フォトマスク１０の製造工程を工程順に示す断面図である。なお、前述の第１の実施の形態を示す図１及び図２と同等の箇所には同一の符号を付している。

図３に示す本実施の形態のフォトマスク１０は、前述の第１の実施の形態と同様、具体的には、当該フォトマスク１０の使用時に露光光を遮光（透過率が略０％）させる遮光部１１と、ガラス基板等の透明基板１４の表面が露出して露光光を透過させる透光部１２と、透光部１２の露光光透過率を１００％としたとき透過率を１０〜８０％程度、好ましくは、２０〜７０％程度の範囲内に低減させ、この範囲内において露光光透過率が３段階に異なる第1半透光部１３Ａと第２半透光部１３Ｂと第３半透光部１３Ｃとを有して構成されている。そして、上記第1半透光部１３Ａは、露光光波長に対する透過率のそれぞれ異なる第１半透光膜１６と第２半透光膜１７の積層膜により形成され、第２半透光部１３Ｂは上記第１半透光膜１６により形成され、また第３半透光部１３Ｃは上記第２半透光膜１７により形成されている。また、本実施の形態では、上記遮光部１１は、透明基板１４上に、遮光層１５ａ及び反射防止層１５ｂの積層からなる遮光膜１５、上記第１半透光膜１６、及び上記第２半透光膜１７が順に設けられて形成されている点が、第１の実施の形態とは異なっている。したがって、上記フォトマスク１０は、露光光透過率が５段階に異なる５階調のフォトマスクとなっている。

本実施の形態に係る５階調フォトマスク１０を使用して、被転写体２０へのパターン転写を行ったときに、遮光部１１では露光光が実質的に透過せず、透光部１２では露光光が透過し、第１〜第３半透光部１３Ａ〜１３Ｃでは各々の光透過率に応じて露光光が低減される。そのため、被転写体２０上に塗布したレジスト膜（ここではポジ型フォトレジスト膜）は、パターン転写後、現像を経たとき、上記遮光部１１に対応する部分で膜厚が最も厚くなり、また上記第１〜第３半透光部１３Ａ〜１３Ｃに対応する部分ではいずれも遮光部１１に対応する部分の膜厚よりも薄くなるが、例えば上記第１半透光膜１６の露光光透過率が上記第２半透光膜１７の露光光透過率よりも低く設定されている場合は、上記半透光部に対応する部分において段階的に膜厚が薄くなり、また透光部１２に対応する部分では膜のない、膜厚が５段階に異なる（そのうちの１段階は膜がない）レジストパターン２３を形成する。

そして、前述したように、図３に示す膜厚が５段階に異なるレジストパターン２３を用いて、被転写体２０における例えば膜２２Ａ〜２２Ｄのエッチングを実施することにより、例えばＴＦＴ基板の製造における従来のフォトマスク４枚分の工程が実施されることになり、従来よりもマスク枚数を大幅に削減することが可能になる。

次に、図４を用いて、上記本実施の形態に係る５階調フォトマスクの製造方法を説明する。
使用するフォトマスクブランクは、図４（ａ）に示すように、ガラス基板等の透明基板１４上に、遮光層１５ａ及び反射防止層１５ｂの積層からなる遮光膜１５が形成されている。上記遮光層１５ａとしては、例えばクロム又はその化合物（例えばＣｒＮ，ＣｒＯ，ＣｒＣ等）が好ましく挙げられ、上記反射防止層１５ｂとしては、クロム系化合物（例えばＣｒＮ，ＣｒＯ，ＣｒＣ等）などが挙げられる。
なお、製造されるフォトマスクにおける遮光部１１の透過率は、主に上記遮光層１５ａと上記反射防止層１５ｂの膜材質と膜厚との選定によって設定される。

まず、上記フォトマスクブランク上にレジストを塗布してレジスト膜を形成し、１度目の描画を行う。描画には、本実施の形態では例えばレーザー光を用いる。上記レジストとしてはポジ型フォトレジストを使用する。そして、レジスト膜に対し、所定のデバイスパターンを描画し、描画後に現像を行うことにより、例えば製造されるフォトマスクの遮光部１１に対応する領域に第１レジストパターン３０を形成する（図４（ｂ）参照）。

次に、上記第１レジストパターン３０をエッチングマスクとして遮光層１５ａ及び反射防止層１５ｂの積層からなる遮光膜１５をエッチングして遮光膜パターンを形成する（図４（ｃ）参照）。クロムを主成分とする遮光膜１５を用いた場合、エッチング手段としては、ドライエッチングもしくはウェットエッチングのどちらでも可能であるが、たとえば大型サイズのフォトマスク製造に好適なウェットエッチングでは、エッチング液として例えば硝酸セリウム第二アンモニウムを用いる。

残存する第１レジストパターン３０を除去した後、パターニングされた遮光膜１５を含む基板全面に、第１半透光膜１６を成膜する（図４（ｄ）参照）。
上記第１半透光膜１６としては、例えばＭｏ化合物（MoSixのほか、MoSiの窒化物、酸化物、酸化窒化物、炭化物など）が好ましく挙げられる。また、本実施の形態では、第１半透光膜１６は、遮光膜１５とのエッチング選択性はとくに要求されないため、例えば遮光膜と同様、クロム又はクロム系化合物を用いることもできる。クロム系化合物には、酸化クロム(ＣｒＯｘ)、窒化クロム(ＣｒＮｘ)、炭化クロム(ＣｒＣｘ)、酸窒化クロム(ＣｒＯｘＮ)、フッ化クロム(ＣｒＦｘ)や、これらに炭素や水素を含むものがある。上記第１半透光膜１６は、透明基板１４（透光部）の露光光の透過量に対し１０〜８０％程度、好ましくは２０〜７０％程度の透過量を有するものが好ましい。

また、上記第１半透光膜１６は、後述の第２半透光膜１７との関係では、エッチング選択性が要求されると同時に、両者の露光光透過率が異なるようにするため、第１半透光膜１６の膜材質と膜厚は、後述の第２半透光膜１７の膜材質と膜厚との兼ね合いも考慮して設定される。

次に、再び全面に上記と同じレジスト膜を形成し、２度目の描画を行う。すなわち、このレジスト膜に対し、所定のパターンを描画し、描画後に現像を行うことにより、例えば製造されるフォトマスクの遮光部１１と第１半透光部１３Ａ及び第２半透光部１３Ｂに対応する領域に第２レジストパターン３１を形成する（図４（ｅ）参照）。

次に、上記第２レジストパターン３１をエッチングマスクとして、露出した第３半透光部１３Ｃ及び透光部１２領域上の第１半透光膜１６をエッチングする（図４（ｆ）参照）。Ｍｏ化合物を主成分とする第１半透光膜１６を用いた場合、エッチング手段としては、ドライエッチングもしくはウェットエッチングのどちらでも可能であるが、ウェットエッチングではエッチング液として例えばフッ化水素アンモニウムを主成分とするものを用いる。また、クロム系化合物を主成分とする第１半透光膜１６を用いた場合、ドライエッチングもしくはウェットエッチングのどちらでも可能であるが、ウェットエッチングでは、エッチング液として例えば硝酸セリウム第二アンモニウムを用いる。

残存する第２レジストパターン３１を除去した後（図４（ｇ）参照）、パターニングされた遮光膜１５及び第１半透光膜１６を含む基板全面に、第２半透光膜１７を成膜する（図４（ｈ）参照）。ただし、第２半透光膜１７は、前記第１半透光膜１６とのエッチャントに対するエッチング選択性のある材質が選択される。従って、第１半透光膜１６に例えば前述のＭｏ化合物を用いる場合、上記第２半透光膜１７としては、例えばクロム系化合物などが好ましく挙げられる。また反対に、第１半透光膜１６に例えばクロム系化合物を用いる場合、上記第２半透光膜１７としては、例えばＭｏ化合物などが好ましく挙げられる。また、上記第２半透光膜１７についても、透明基板２４（透光部）の露光光の透過量に対し１０〜８０％程度、好ましくは２０〜７０％程度の透過量を有することが望ましいが、同時に第１半透光膜１６とは露光光透過率が異なるように、第２半透光膜１７の膜材質と膜厚の選定によって設定される。

次に、上記第１半透光膜１７上の全面に再度前記と同じレジスト膜を形成し、３度目の描画を行う。すなわち、このレジスト膜に対し、所定のパターンを描画し、描画後、現像を行うことにより、例えば製造されるフォトマスクの遮光部１１と第１半透光部１３Ａ及び第３半透光部１３Ｃに対応する領域に第３レジストパターン３２を形成する（図４（ｉ）参照）。

次いで、上記第３レジストパターン３２をエッチングマスクとして、露出した第２半透光部１３Ｂ及び透光部１２領域上の第２半透光膜１７をエッチングする（図４（ｊ）参照）。第２半透光膜１７のエッチング手段としては、ドライエッチングもしくはウェットエッチングのどちらでも可能である。なお、第２半透光膜１７と第１半透光膜１６は、エッチャントに対するエッチング選択性を有する材質で形成されているため、例えば上記第２半透光部１３Ｂ領域上では、上記第２半透光膜１７のエッチング時にはその下の第１半透光膜１６はエッチングされにくい。

そして、残存する第３レジストパターン３２を除去する。こうして、透明基板１４上に、遮光層１５ａ及び反射防止層１５ｂからなる遮光膜１５と、第１半透光膜１６と第２半透光膜１７との積層によりなる遮光部１１、透明基板１４が露出する透光部１２、及び、第１半透光膜１６と第２半透光膜１７の積層によりなる第１半透光部１３Ａと、第１半透光膜１６によりなる第２半透光部１３Ｂと、第２半透光膜１７によりなる第３半透光部１３Ｃを有するマスクパターンが形成された、露光光透過率が５段階に異なる５階調のフォトマスク１０が出来上がる（図４（ｋ）参照）。

以上説明した本実施の形態においても、遮光膜の他に、互いに露光光透過率の異なる第１半透光膜と第２半透光膜との組み合わせを用い、フォトリソグラフィ法によって描画回数を３回に低減して、少ない膜数と少ない描画回数で、露光光透過率が５段階に異なる５階調のフォトマスクを製造することができる。
また、上述のように描画回数を３回に低減して製造できることにより、微細パターンが高精度に形成された５階調のフォトマスクが得られる。

また、前述の図３に示すような本実施の形態に係る５階調フォトマスクを用いたパターン転写を実施すると、被転写体には精度の高い多階調の転写パターンを形成することができる。またその結果、例えばＴＦＴ基板の製造等においてマスク枚数の大幅な削減が可能になる。

なお、本発明による５階調のフォトマスクには、上記のほか以下に述べる利点がある。
一般に、本発明の属する多階調フォトマスク（遮光部、透光部のほかに半透光部を有する３階調以上のフォトマスク）においては、被転写体上に所望の残膜値をもつレジストパターンを得るために、半透光部の露光光透過率を選択し、決定する。この透過率としては、透光部（すなわち透明基板が露出している部分）の透過率を１００％としたときの、半透過膜の透過率を用いて規定する。これは、一定以上の広い領域のパターンについて、その透過率を特定する場合には問題がないが、ある程度以下の寸法のパターンに対しては、厳密にいうと、実際のパターン転写に寄与する露光光量を正確に反映していないこととなる。これは露光光の回折が原因であるため、この傾向は微小なパターンになるほど、露光光波長が長いほど顕著になる。しかし、パターンの寸法や、分光特性の異なる光源に対する透過率の変化については正確に考慮されていないのが現状である。

具体的には、半透光部に、非常に狭い幅を含むパターン形状と、相対的に広い領域のパターン形状とが存在すると、半透光部には、被転写体上のレジスト膜に、常に一定の残膜値を与えるものであるべきところ、パターン形状に起因して異なる残膜値のレジストパターンが形成されてしまい、所望の許容範囲を越えた残膜値のばらつきを生じると、電子デバイス製造上の不安定要素となるという問題がある。

例えば、薄膜トランジスタ用の多階調フォトマスクとしては、チャネル部に相当する領域を半透光部とし、これを挟む形で隣接するソース及びドレインに相当する領域を遮光部で構成したものが多用される。このフォトマスクは、通常i線〜ｇ線の波長帯の露光光を用いて露光されるが、チャネル部の寸法（幅）が小さくなるにしたがい、隣接する遮光部との境界が、実際の露光条件下においてぼかされ、チャネル部の露光光透過率は半透過膜の透過率よりも低くなる。図５は、遮光部Ａに挟まれた半透光部Ｂのパターン（同図（１））と、該半透光部Ｂの透過光の光強度分布（同図（２））を示したもので、同図（ａ）は一例として半透光領域の幅が４μｍ、同図（ｂ）は２μｍの場合をそれぞれ示している。すなわち、図５（ａ），（ｂ）に示すように、遮光部Ａに挟まれた半透光部Ｂの透過光の光強度分布は、その半透光部Ｂの線幅が小さくなると、全体に下がり、ピークが低くなる。つまり、幅が狭い領域を有するパターンについては、実際に露光に寄与する透過率が相対的に低い一方、相対的に線幅が広い領域を有するパターンについては、実際の露光に寄与する透過率が相対的に高い。例えば、図６に示すように、チャネル幅が５μｍ以下では、該チャネル幅に対応した幅の半透光部における、実際の露光に寄与する光の透過率が顕著に低下する。

そこで、一定の寸法をもつ半透光部の透過率を、その膜固有の透過率と区別し、実際の露光光の透過量を、透光部の透過量との比において、実効透過率として把握する必要が生じる。
一方で、膜固有の透過率とは、透明基板上の該膜を形成した、十分に広い領域において、該膜の組成や膜厚によって決定されるものである。十分に広い領域とは、該領域の広さの変化によって、実効透過率が実質的に変化しないような領域をいう。なお、図６においては、半透光部Ｂの透過光の光強度分布のピーク値によって、該領域の透過率を代表させている。この部分の透過率は、この多階調マスクを使用して露光したときの、被転写体上のレジスト残膜値と相関をもつ。

そこで、半透光部のパターン形状に応じて、その部分の膜透過膜を変えることにより、パターン形状に拘わらず、半透光部のレジスト膜の残膜値をほぼ同一にできることとなる。
例えば、本発明の方法によれば、５つの階調を有する多階調フォトマスクを得ることができる。すなわち、透光部、遮光部のほかに、３つの異なる膜透過率を有する半透光部を得ることができるのである。この３種類の半透光部によって、被転写体上に、それぞれ異なるレジスト残膜値をもつレジストパターンを形成してもよい。しかしながら、他方、この３種類の半透光部によって、被転写体上に、パターンの寸法が異なる（従って、同一の膜透過率を有する半透光部を使用すると、形成されるレジスト残膜値が異なってしまう）にもかかわらず、一定のレジスト残膜値を有するレジストパターンを形成してもよい。換言すれば、膜構成として３種類の膜透過率を有し、ほぼ同一の実効透過率を有する半透光部を形成しても良い。この場合、本発明のフォトマスクを３階調フォトマスクとして用いることになる。

もちろん、３種類の半透光部のうち、２種類を、同一の実効透過率を有する異なる形状のパターンに用い、残りの１種類を、異なる実効透過率を有するパターンに供しても良い。この場合、本発明のフォトマスクを４階調のフォトマスクとして用いることになる。
本発明は、このような優れた効果をもたらす多階調フォトマスクを、効率的で、かつ欠陥発生の確率の低い工程によって、作製することができる点で、量産上のメリットが大きい。

なお、上述の第１の実施の形態及び第２の実施の形態においては、いずれも上記第１半透光膜１６の露光光透過率が上記第２半透光膜１７の露光光透過率よりも低く設定されている場合を説明したが、両者の露光光透過率が異なればよいので、これとは逆に、例えば上記第１半透光膜１６の露光光透過率が上記第２半透光膜１７の露光光透過率よりも高く設定されてもよい。

１０ ５階調フォトマスク
１１ 遮光部
１２ 透光部
１３Ａ 第１半透光部
１３Ｂ 第２半透光部
１３Ｃ 第３半透光部
１４ 透明基板
１５ 遮光膜
１６ 第１半透光膜
１７ 第２半透光膜
３０〜３２ 第１〜第３レジストパターン
２０ 被転写体
２３ レジストパターン

Claims (5)

1. 透明基板上に、遮光部、前記透明基板が露出した透光部、及びそれぞれ露光光透過率の異なる第1半透光部と第２半透光部と第３半透光部からなるマスクパターンを有する５階調フォトマスクの製造方法であって、
   透明基板上に遮光膜を有するフォトマスクブランクを準備する工程と、
   前記フォトマスクブランクの前記遮光膜上に形成したレジスト膜を描画、現像して、前記遮光部に対応する領域に第１レジストパターンを形成する工程と、
   前記第１レジストパターンをマスクとして前記遮光膜をウェットエッチングして第１のパターニングを行う工程と、
   前記第１レジストパターンを除去した後、パターニングされた前記遮光膜を含む基板全面に第１半透光膜を形成する工程と、
   前記第１半透光膜上に形成したレジスト膜を描画、現像して、前記遮光部、前記第１半透光部及び前記第２半透光部に対応する領域に第２レジストパターンを形成する工程と、
   前記第２レジストパターンをマスクとして前記第１半透光膜をウェットエッチングして第２のパターニングを行う工程と、
   前記第２レジストパターンを除去した後、パターニングされた前記遮光膜及び前記第１半透光膜を含む基板全面に、前記第１半透光膜とのエッチャントに対するエッチング選択性のある第２半透光膜を形成する工程と、
   前記第２半透光膜上に形成したレジスト膜を描画、現像して、前記遮光部、前記第１半透光部及び前記第３半透光部に対応する領域に第３レジストパターンを形成する工程と、
   前記第３レジストパターンをマスクとして前記第２半透光膜をウェットエッチングして第３のパターニングを行う工程と、
   を有することにより、成膜回数を３回とし、かつエッチング回数を３回のウェットエッチングとして５階調を得ることを特徴とする５階調フォトマスクの製造方法。
2. 前記遮光膜は、遮光層と反射防止層の積層からなることを特徴とする請求項１に記載の５階調フォトマスクの製造方法。
3. 前記第1半透光部、前記第２半透光部、及び前記第３半透光部は、前記第１半透光膜、前記第２半透光膜、前記第１半透光膜と前記第２半透光膜の積層膜のそれぞれいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の５階調フォトマスクの製造方法。
4. 前記遮光膜及び前記第２半透光膜はいずれもクロムを主成分とした材料からなり、前記第１半透光膜はモリブデンシリサイドを主成分とした材料からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の５階調フォトマスクの製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の製造方法によるフォトマスクを用いて、被転写体に露光光を照射する露光工程を有し、被転写体上に５階調の転写パターンを形成することを特徴とするパターン転写方法。

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