JP5176387B2 - メンブレン構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
上記の半導体材料を用いて作製される構造体は、シリコンの自立薄膜(メンブレン)を有している。
メンブレンとは、金属または半導体材料からなる少なくとも一つの層から構成される自立薄膜であり、例えば数nm(ナノメートル)〜数十μmの厚みを有する機能部分のことを指す。メンブレンは、例えば、上述の半導体基板をエッチングすることによって形成される。このようなエッチング方法としてドライエッチング法を用いる。
上記に鑑み、本発明はメンブレン構造体内に作製されたメンブレンの破損を抑制するでき、かつプロセス性能の低下を低減することが可能なメンブレン構造体の製造方法を提供することを目的とする。
メンブレン1、エッチングストップ層2、支持層3が全て同一材料からなり、例えば、シリコンウエハなどから構成されていてもよい。
図2は、本発明の実施態様に係るメンブレンマスク100とその作製手順の一例を模式的に説明する図である。図3は図2に対応するステンシルタイプのメンブレンマスク100の作製手順をフローチャートで表した図である。図6は、図2のメンブレンマスクから作製される転写露光装置用の転写用マスクの構成例を模式的に示す図であり、(A)はメンブレンマスクの図6(B)のA−A断面図であり、(B)は小メンブレン領域の平面図(第2の構造体から第1の構造体を観察した場合)である。まず、図6を参照して、転写用マスクの基本構造を説明する。
次に図2及び図3を参照してメンブレンマスク100の製造方法を説明する
(メンブレンマスク100の作製)
(1)積層基板Wの用意(ステップS10、および図2(a))
図2(a)に示すように、第1、第2、第3の層11、12、13の3層を積層してなる積層基板Wを用意する。
上記の積層構造をもったSOI基板の構成は、例えば、貼り合わせSOI基板であってもよいし、SIMOX(Separation by Implanted Oxygen)技術を適用してこのような積層構成とした基板であっても良い。
例えば、第1、第2、第3の層の厚みはそれぞれ、2μm、1μm、600〜800μmである。
第1および第3の層の表面に、厚さ1μmのシリコン酸化膜を形成する。第1の層表面に形成されたシリコン酸化膜上にレジストを塗布し、第1の層表面のシリコンが露出するように、レジストおよびシリコン酸化膜を第1の構造体に対応するパターンニングする(図2における図面の見易さを考慮し、シリコン酸化膜、レジスト等は図示せず)。
そして第1の層11をエッチングすることにより第1の層に開口部(貫通孔)22を形成し、第1の構造体110を形成する。即ち、第1の層11に対して侵食性を有し、第2の層12にして耐侵食性を有するエッチング方法を用いて、第1の層11の所定領域に対して、第2の層12の上面が露出するまで厚み方向にエッチングする。このようなエッチング方法として、例えば、CF4ガスを用いたRIE(Reactive Ion Etching)法を挙げることができる。
図2(b)は上述のようなエッチングを行い、第1の構造体110を形成した状態を示す。
その後、第3の層の表面にレジストを塗布し、第2の構造体に対応するパターンを形成する(図示せず)。
第1の構造体110を形成した第1の構造体110および第2の層12上に保護層14を形成する(図2(c))。該保護層14によって、後に形成されるメンブレンの破損を抑えることができる。
保護層14は、例えば水溶性高分子材料を水に溶解させた液体を塗布することで形成できる。水溶性高分子材料として、例えば、ポリビニルアルコールを用いることができる。ポリビニルアルコールの塗布は、周知の塗布法により行われ、例えば、膜厚3〜5μmの厚さで塗布する。
ポリビニルアルコールは、プラズマエッチング耐性に富み、かつエッチング時に発泡等が起こらないため、プロセス異常を起こすことがない。
本実施例ではポリビニルアルコールを用いるが、これに限定されるわけではなく、水またはアルコール等の水溶性液体で容易に剥離可能な水溶性高分子材料を用いることができる。また、上記水溶性高分子材料以外に、有機溶媒可溶性高分子を用いることも可能である。
保護層14の別の態様として、例えば、UV(紫外線)剥離シート(セルファBG(耐熱タイプ) 積水化学工業株式会社製)、もしくは、熱剥離シート(リバアルファ(型番:319Y−4H) 日東電工株式会社製)を保護層として用いることができる。これらはエネルギー照射(加熱、露光等)により剥離可能となる粘着面を有するシートである。
保護層形成のステップは第3の層表面に、第2の構造体に対応するレジストパターンの形成前に行ってもよいものとする。
積層基板Wをエッチングし、第2の構造体を形成する工程の一例として、誘導結合型プラズマエッチング法(ICPエッチング法:Induced Coupled Plasma Etching Method)を挙げることができる。このエッチング法は、基板垂直方向に深い溝を掘る際に効果的な方法であり、一般にDRIE(Deep Reactive Ion Etching)と呼ばれているエッチング方法である。
この方法では材料層を厚み方向に侵食しながら掘り進むエッチングステップと、彫った穴の側壁にポリマーの壁を形成するデポジションステップと、を交互に繰り返す。掘り進んだ穴の側壁は、順次ポリマーの壁が形成されて保護されるため、ほぼ厚み方向にのみ侵食を進ませることが可能であり、エッチングガスとしてSF6等のイオン・ラジカル供給ガスを用い、デポジションガスとしてC4F8等を用いることができる。
プラズマ源としては上記のICP型の他に、容量結合型プラズマ(CCP型:Capacitively-Coupled Plasma)、電子サイクロトロン共鳴プラズマ(ECP型:Electron-Coupled Plasma)、マイクロ波励起表面波プラズマ(SWP:Surface Wave Plasma)、ヘリコン波励起プラズマ(HWP:Helicon Wave Plasma)などを用いても同様の効果を得ることができる。
次に、真空ポンプ66を作動し、電磁バルブ67の開閉を行い、チャンバ61の内部を所望の真空度に維持する。プロセスガスをチャンバ61内に導入し、高周波電源63をオンにする。プロセスガスは電磁コイル62の高周波によって励起されて、プラズマを発生し、ラジカル、イオンを生成する。このラジカル、イオンは、第3の層13を厚み方向にエッチングし、第2の構造体130を形成する。上記のエッチングは一般に製造されているICP型ドライエッチング装置を用いて行うことが可能である。エッチング中、積層基板Wは、加工に付される面の裏側からヘリウムなどのガスが供給される。該ガスは積層基板Wを冷却する役割を果たす。
しかし本発明において、メンブレンを有する積層基板Wは保護層14により保護され、メンブレンの破損を抑制することが可能である。特に、エッチング中にメンブレン破損が起こると、冷却用ガスがリークしてプロセス性能が低下する。また、エッチングガスによる第1の層の腐食損傷を防ぐことが可能である。
保護層14が水溶性高分子材料からなる場合には、積層基板Wを水に浸水させる。このとき、ヒーター等によって水を例えば、80℃程度に昇温させることで保護層14の除去を促すことができる。また、保護層14を水またはアルコール等の水溶性液体に溶解させることにより除去できる。
別の除去方法として周知のプラズマアッシング法を用いることにより保護層を除去することができる。
保護層14が熱剥離シートもしくはUV(紫外線)剥離シートである場合には、それぞれ、基板の加熱もしくは支持層側からの紫外線照射により、積層基板Wと保護層14とを分離する。
シリコン酸化膜をエッチングする方法として、バッファードフッ酸(例えば、HF=5.5wt%、NH4F=20wt%の混合水溶液)をエッチング液としてウエットエッチングを挙げることができる。
このようにしてメンブレンはシリコンからなる自立薄膜として機能し、メンブレンマスク100が完成する。
次に、本発明のメンブレン構造体の製造方法に関する第2実施態様について図面を用いて説明する。第2実施態様は、支持基板を更に備える点を除き、第1実施態様と略同一である。したがって略同一構成の図番号は、第1実施態様と同一の図番号を付するものとする。
図4は、本発明の実施態様に係るメンブレンマスク100とその作製手順の一例を模式的に説明する図である。図4は図3に対応するメンブレンマスク100の作製手順をフローチャートで表した図である。
図4及び図5を参照してメンブレンマスク100の製造方法を説明する
(メンブレンマスク100の作製)
(1)積層基板Wの用意(ステップS20、および図4(a))
図4(a)に示すように、第1、第2、第3の層11、12、13の3層を積層してなる積層基板Wを用意する。
本実施態様における第1の構造体の作製工程は、上記第1実施態様と同様であるため、ここでの説明は省略する(図4(b))。
第1の構造体110を形成した第1の構造体110および第2の層12、又は支持基板15の上に保護層14を形成する(図4(c)では第1の層110および第2の層12上に保護層14を形成した場合を表す)。保護層14は支持基板15上に形成し、積層基板Wと後述する貼り合せ方法によって貼り合せてもよい。また、積層基板Wと支持基板15の双方に保護層を設けて、互いに貼り合せてもよい。
保護層14は、上述の保護層と同様の材料を用い、同様の方法により形成することができる。
支持基板15は、シリコン基板もしくはガラス基板等の剛体板を用いることができる。UV剥離シートを接着層として用いる場合には、紫外線を透過するガラス基板を支持基板として用いる。
接着層形成のステップは第3の層表面に、第2の構造体体に対応するレジストパターンの形成前に行ってもよいものとする。
保護層14が形成された支持基板15と積層基板Wとを周知のアライメント方法により位置合せし、貼り合せる。貼り合せの後、保護層14に介在する気泡を除くために、基板を加圧及び、加熱を行うことが好ましい。
これにより、保護層14を介して積層基板Wと支持基板15を一体にする。支持基板15は、例えば、高アスペクト比を有する第1の構造体110の開口内に保護層を形成することが困難である場合に、メンブレン破損に伴うエッチング時の冷却用ガスのリークを防ぐことができ、さらに好適である。
上記の第1実施態様におけるエッチング方法を用いて、第3の層13をエッチングし、第2の構造体130を形成する。
本発明において、第1の構造体110は保護層14および支持基板15によって保護され、メンブレンの破損を抑制することが可能である。
保護層14が水溶性高分子材料からなる場合には、支持基板15と一体になった積層基板Wを水またはアルコール等の水溶性液体に浸漬させる。このとき、ヒーター等によって水を例えば、80℃に昇温させることで保護層14の除去を促すことができる。保護層14が水に溶解することにより、保護層14の除去および支持基板15を分離する。
保護層14が熱剥離もしくは紫外線剥離シートである場合には、それぞれ、基板の加熱もしくは支持基板側からの紫外線照射により、積層基板Wと支持基板15とを分離する。
このようにしてメンブレンは自立薄膜として機能し、メンブレンマスク100が完成する。
次に、本発明のメンブレン構造体の製造方法に関する第3実施態様について図面を用いて説明する。第3実施態様は、支持基板15が溝部を備えた点を除き、第2実施態様と略同一である。したがって、支持基板15に設けられた溝部と、その機能について説明する。図7(A)は支持基板15を模式的に示す図であり、(A)は支持基板の一部の上面図であり、(B)は半導体基板と支持基板とを貼り合せた状態であり、Y−Y断面を示す図である。
支持基板15の半導体基板と対向する面に溝部50を形成し、例えば、水溶性高分子材料からなる保護層14を介して積層基板Wと支持基板15を接着した際に、図7(B)に示すように溝部50の底面と接着層との間に空洞部51が形成される。該空洞部により、分離時に分離液の侵入を容易にする。溝部はアスペクト比の高い切片部として形成されることが好ましく、それにより保護層14が溝部の底部まで到達せず、空洞部51が形成される。分離時に溝部より分離液の侵入を容易にし、良好な分離作業が得られる。
支持基板15に形成される溝部50はエッチングもしくはサンドブラスト等の方法により形成できる。
次に、本発明のメンブレン構造体の製造方法に関する第4実施態様について図面を用いて説明する。第4実施態様は、支持基板15がその表裏を貫通するスルーホールを備えた点を除き、第3実施態様と略同一である。したがって、支持基板15に設けられたスルーホール等について説明する。
支持基板15に設けられる溝部として、図8に示すような実施形態を用いることもできる。図8(A)において、例えば、200μm口径のスルーホール52(200μm辺の正方形等でもよい)が1mmピッチで配置されている。また、スルーホール同士を結合し、例えば、幅50μm、深さ200μmの結合部53が配設され、スルーホールは隣接する少なくとも一つのそれと結合部53により構成されている。分離時にスルーホールより分離液の侵入を容易にし、かつ、結合部により支持基板面内に分離液が行き渡り、良好な分離作業が得られる。
シリコン/二酸化珪素/シリコン(第1の層/第2の層/第3の層)からなり、それぞれの厚さが、60〜70μm、1μm、450〜625μmであるSOI基板を用い、図1に示すようなメンブレン構造体の製造を保護層(および支持基板)を設けずに行った。
第1の層に第1の構造体を形成し、その後、第3の層を第2の層の下面が露出するような開口を上述したDRIEにより形成した。このとき、第3の層に所定の開口を得た後、第1の層および第2の層からなるメンブレンの破損が起こった。このメンブレンの破損により、基板冷却用ガスのリークが起こり、プロセス異常が発生した。これによりエッチングプロセスが中断され、所望の加工形状を得ることができなかった。
1:メンブレン
2:エッチングストップ層
3:支持層
11:第1の層
12:第2の層
13:第3の層
14:保護層
15:支持基板
110:第1の構造体
120:接合部
130:第2の構造体
22:開口部
50:溝部
51:空洞部
52:スルーホール
53:結合部
60:プラズマエッチング装置
61:チャンバ
62:電磁コイル
63:高周波電源
64:磁場レンズ
65:ステージ
66:真空ポンプ
67:電磁バルブ
Claims (6)
- 第1の半導体材料からなる第1の層、絶縁性材料からなる第2の層、および第2の半導体材料からなる第3の層が順に積層されてなる積層基板内に配置される自立薄膜を備えたメンブレン構造体の製造方法において、
前記第1の層をエッチングして第1の構造体を形成する工程と、
前記積層基板の前記第1の層側に水溶性高分子材料又は有機溶媒可溶性高分子材料からなる保護層を配設する工程と、
前記積層基板を前記保護層と一体の状態で前記第3の層をエッチングして第2の構造体
を形成し、中空状態の、第1の層又は第1の構造体を含む自立薄膜を形成する工程と、
前記自立薄膜形成後に前記保護層を除去する工程とを含み、
前記自立薄膜形成工程において、第1の層又は第1の構造体を支持し、かつ剛体板よりなる支持基板をさらに備え、
前記支持基板と前記積層基板は前記保護層を挟むように配置され、前記支持基板は第1の層又は第1の構造体と対向する面に溝部を有し、前記溝部と前記保護層の間に空洞部が形成され、前記保護層除去工程において前記保護層を除去する分離液が前記空洞部に侵入することを特徴とするメンブレン構造体の製造方法。 - 半導体基板内に配置され、自立薄膜を有するメンブレン構造体の製造方法において、
前記半導体基板の加工に付される面に所定のパターンを有するマスクを形成する工程と、
前記半導体基板の加工に付される面の逆側の面に水溶性高分子材料又は有機溶媒可溶性高分子材料からなる保護層を配設する工程と、
前記半導体基板を前記保護層と一体の状態で、前記マスクを加工用マスク材として用いて前記半導体基板の厚み方向にエッチングして所定の厚さの自立薄膜を形成する工程と、
前記自立薄膜形成後に前記保護層を除去する工程と、を含み、
前記自立薄膜形成工程において、前記半導体基板を支持し、かつ剛体板よりなる支持基板をさらに備え、
前記支持基板と前記半導体基板は前記保護層を挟むように配置され、前記支持基板は半導体基板の加工に付される面と対向する面に溝部を有し、前記溝部と前記保護層の間に空洞部が形成され、前記保護層除去工程において前記保護層を除去する分離液が前記空洞部に侵入することを特徴とするメンブレン構造体の製造方法。 - 第1の半導体材料からなる第1の層、絶縁性材料からなる第2の層、および第2の半導体材料からなる第3の層が順に積層されてなる積層基板内に配置される自立薄膜を備えたメンブレン構造体の製造方法において、
前記第1の層をエッチングして第1の構造体を形成する工程と、
前記積層基板の前記第1の層側に水溶性高分子材料又は有機溶媒可溶性高分子材料からなる保護層を配設する工程と、
前記積層基板を前記保護層と一体の状態で前記第3の層をエッチングして第2の構造体
を形成し、中空状態の、第1の層又は第1の構造体を含む自立薄膜を形成する工程と、
前記自立薄膜形成後に前記保護層を除去する工程とを含み、
前記自立薄膜形成工程において、第1の層又は第1の構造体を支持し、かつ剛体板よりなる支持基板をさらに備え、
前記支持基板と前記積層基板は前記保護層を挟むように配置され、前記支持基板はスルーホールを有し、前記保護層除去工程において前記保護層を除去する分離液が前記スルーホールに侵入することを特徴とするメンブレン構造体の製造方法。 - 半導体基板内に配置され、自立薄膜を有するメンブレン構造体の製造方法において、
前記半導体基板の加工に付される面に所定のパターンを有するマスクを形成する工程と、
前記半導体基板の加工に付される面の逆側の面に水溶性高分子材料又は有機溶媒可溶性高分子材料からなる保護層を配設する工程と、
前記半導体基板を前記保護層と一体の状態で、前記マスクを加工用マスク材として用いて前記半導体基板の厚み方向にエッチングして所定の厚さの自立薄膜を形成する工程と、
前記自立薄膜形成後に前記保護層を除去する工程と、を含み、
前記自立薄膜形成工程において、前記半導体基板を支持し、かつ剛体板よりなる支持基板をさらに備え、
前記支持基板と前記半導体基板は前記保護層を挟むように配置され、前記支持基板はスルーホールを有し、前記保護層除去工程において前記保護層を除去する分離液が前記スルーホールに侵入することを特徴とするメンブレン構造体の製造方法。 - 前記支持基板は、前記スルーホールを複数有し、前記スルーホール同士を結合する結合部を有することを特徴とする請求項3又は4記載のメンブレン構造体の製造方法。
- 前記保護層を除去する分離液を加温して用いることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項記載のメンブレン構造体の製造方法。
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