JPH0791661B2 - 電子的構成要素を形成するためレ−ザを使用するリソグラフィック方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はリソグラフィプロセス技術に関し、更に詳細に
はリソグラフィを使用する電子デバイスの製造のための
レーザを使用する技術に関する。本発明のレーザ技術
は、デジタルデータ処理システムのための磁気記憶装置
用薄膜型磁気的読出し／書込みヘッドの様な部品を製造
するのに有用である。

従来の技術 マイクロリソグラフィ技術は、多くの形態の電子装置の
製造に長年好んで使用されてきた。このような技術は、
例えば、半導体製造において使用されており、最近はデ
ィスク大容量データ記憶ユニットに使用される読出し／
書込みヘッドの製造に使用されている。電子部品のマイ
クロリソグラフ法による製造においては、半導体製造の
場合における基板のような被加工物体が先ず形成され
る。リソグラフィ技術が次に使用されて種々の回路およ
び他の特徴構造が被加工物体に形成される。このような
技術において、複数の材料層が堆積され、良く知られる
方法により塗布され且つパターン付けされるホトレジス
トにより被加工物体に特徴構造の輪郭が形作られる。ホ
トレジストがパターン付けされた後、マスクによってカ
バーされていない領域の下の被加工物体のある部分ある
いは選択された層が化学的あるいはイオンビームエッチ
ングによって取り除かれる。この処理は典型的には最終
的な装置が形成されるまで何度も繰り返される。

しかしながら、化学的およびイオンビームエッチングの
何れにおいても多くの問題が発生する。化学的エッチン
グにおいては、エッチングを行うのに使用される化学薬
品が、マスクされていない領域から保護されていない部
分の材料を取り除くばかりでなく、マスクされた領域の
端縁の直下の被加工物体の部分にわずかであってもアン
ダーカットを生じる傾向がある。これは、エッチング薬
品がマスクされていない材料を取り除くので、マスク直
下の領域の側壁が化学薬品に曝され、同様にエッチング
されるために生じる。このアンダーカットは装置に形成
することのできる特徴構造のサイズを制限する。特に、
装置の設計において、設計者は特徴構造同士をどの位近
づけられるかおよび特徴構造の最小の幅を決める際に、
装置の製造中に生じうるアンダーカッティングの程度を
考慮する必要がある。

イオンビームエッチングではエッチングするイオンビー
ムは単一方向である。従って、被加工物体の表面に垂直
にイオンビームを向けると、アンダーカットは生じな
い。現在のイオンビームエッチング技術は被加工物体の
一部分にではなく、被加工物体の全体に加えられる広い
イオンビームを使用している。その結果としてイオンビ
ームはマスクされていない材料を除くばかりではなく、
少なくともマスク材料それ自体にも切り込んでいく。従
って、取り除くためにマスクをしていない材料が、マス
クそれ自体がエッチングされて完全に取り除かれてしま
わない前に、全て乗り除かれてしまうようにそのマスク
を厚くしておくことが重要である。従って、マスクを任
意の薄さにすることはできない。エッチングすべき層の
部分を所望の深さまでエッチングしてしまうまではマス
クはエッチングされつくしてしまわないだけの厚さを有
していなければならない。しかしマスクが厚過ぎると被
加工物体上の最小特徴構造の大きさが制限される。

イオンビームエッチングでの別の問題は、被加工物体の
全体に照射される、原子もしくはイオンのようなエネル
ギー粒子を使用することである。被加工物体の全体をエ
ネルギー粒子に曝すので、被加工物体の温度は上がり、
熱が蓄積され、そのことは磁気読み取り／書き込みヘッ
ドのような装置にとって望ましいことではない。更にイ
オンビームエッチングでは、被加工物体から最初取り除
いた材料の少量部分を加工片のどこかに再び付着させる
ことがしばしばあるが、これはその技術で可能とされる
特徴構造の解像寸法を制限することがあり、また環境次
第では装置の適正な動作を阻害する。

これまでは、レーザ放射を使用して、エッチング困難な
被加工材料例えばセラミックスやある種のポリマをエッ
チングしたり、薄いフイルム抵抗のような回路素子を調
製することも行なわれている。既存のレーザ技術ではレ
ーザビームを小さいスポットに焦点させ、これを被加工
物体の表面に照射させる。このスポットを被加工物体の
表面上を動かして、要らない材料を取り除く。このやり
かたはマスキングを不要とするが、少なくともいくつか
の欠点はある。例えばレーザエッチングではスポットの
大きさが被加工物体に形成されることができる特徴構造
の小さい方の限界をきめる。それで非常に小さい、もし
くは勝手な形の特徴構造の加工には精巧な光学的素子を
必要とする。従来のレーザ技術では一時にただ一つの特
徴構造しか形成できないので、一時に被加工物体の全表
面にわたりレーザが作用できる場合よりも多くの時間が
かかる。

３つのすべての技術をもってしても、一旦エッチングを
始めてしまったときには、凹所を、予め正確に定められ
た深さを持つように形成することは困難である。エッチ
ングによる凹所の深さは、かけられた時間のみならず、
エッチングされる材料の特性にもよって変化し、また、
実質的に同じ材料のときでさえ、種々の処理工程を経る
と、材質が変化して、凹所の深さが変化する。

本発明は、被加工物体をエッチングするための新規かつ
改良されたレーザリソグラフ技術を提供するものであ
る。この新規な技術において、使用されるレーザの波長
に対して高い反射性を有する材料でできたマスクが、従
来技術に従い被加工物体の表面に配置される。次いで、
レーザ放射が被加工物体のマスクが置かれた表面に照射
され、マスクされていない材料が除去される。レーザ放
射は、被加工物体の上に形成される特徴構造の大きさに
比べて大きな領域に一様に照射される。反射性材料は、
除去されるべきではない領域でレーザ放射を反射する。

この新規な方法においては、与えられたエネルギの多く
は被加工物体によって吸収されず、その代りに、マスク
によって反射されるか、マスクされていない材料の蒸発
のために使用される。従って、反射性材料でカバーされ
た、すなわちエッチングされない被加工物体の部分は、
周囲の温度近くに維持される。これは、上記した蓄熱に
よる損傷の影響を最小のものとする。

被加工物体の表面に、選択された深さの凹所を形成する
ため、まず基板上に反射性材料の層が被着され、次いで
反射性材料層の表面上に凹所が形成されるべき非反射性
の材料の他の層が被着された被加工物体が形成される。
凹所の側壁を規定するようにパターン付けされたマスク
が、被加工物体の表面上、すなわち反射性材料層上に被
着された非反射性材料層の表面上に配置される。それか
ら、レーザ放射が、被加工物体の表面上に照射され、照
射された非反射性材料が除去される。反射性材料の下層
は、この工程によって形成される凹所の下限を規定す
る。

この処理の変形例としては、エッチング工程においてエ
ッチング加工されるべき被加工物体の表面に液体を配置
するようにしてもよい。使用する液体としては、レーザ
光線を吸収しないものが好ましい。この液体によって、
レーザ光線により蒸発させられた材料の除去作用が高め
られるので、処理がより速やかに、しかもより清浄な状
態で行われる。また、被加工物体を冷却してエッチング
加工部分に熱応力が発生することを回避するといった別
の利点も得られる。更に、使用する液体として、レーザ
光線によって生じた高温下で、エッチングされた領域の
被加工物体の材料と反応する液体が選定された場合に
は、より細かなエッチング解像度が得られる。変形例と
しては、エッチング加工される被加工物体の表面だけを
液体で覆う代わりに、被加工物体を部分的にまたは全体
的に液体内に浸せきするようにしてもよい。

（実施例） 図面を参照するに、第1A図には、新規なレーザ・リソグ
ラフ技術に使用する被加工物体すなわちワークピース10
が示してある。このワークピースは基板11を備えてお
り、この基体上には、以下に説明するレーザ処理が開始
される前に、前処理が施される。第1A図のワークピース
10においては、前処理によって基板11の上面に層12が配
置されている。また、先立って行われる処理によって、
各種の特徴構造および電子回路要素が基板11および層12
内に形成されていてもよいが、これらは、第1A図には特
に示してはいない。これらは従来の処理によって形成さ
れ、本発明を構成する部分ではない。

本発明においては、まず層12上に層13が配置される。次
に、（第1C図に下方に向かう矢印16によって表されて
る）レーザ放射によって凹所が形成されるべき第３の層
14が層13上に配置される。それから、上面層15が層14上
に配置される。この層15にはパターン付けを施してそこ
に（第1B図に示すように）開口20を形成させることがで
き、これらの開口はその下の層14を部分的に露出させる
ために使用される。この層15へのパターン付けは、例え
ば化学的なエッチング処理あるいはイオンビームによる
エッチング処理を用いる従来のホトリソグラフ技術を使
用することによって行うことができる。これらの開口20
によって、下の層14に形成される凹所の側壁境界が規定
される。第1B図には、このような開口20のうちの２つを
示してある。開口の形状は任意の形にすることができ
る。

使用されるレーザは、層13及び15を形成する材料がレー
ザ放射の波長において高い反射性を有するように選定さ
れる。層14を形成する材料は、レーザ放射の波長におい
て低い反射性および低い透過率を有するように選定され
る。第1C図に示されるように、層15は、入射レーザ放射
16の波長で高い反射性を有するので、層15は、矢印17で
示されるように、レーザ放射を反射し、それゆえに、放
射によって影響されない。しかしながら、層14は、放射
を反射せず、それゆえ、開口20により露出された領域
は、放射を吸収し、それにより効果的に蒸発させられる
ため取り除かれて凹所21を形成する。層14の露出部分の
取り除きは層14の下側の反射層13の表面が露出するまで
継続する。層15と同様に、層13もまた矢印18で示される
ように、レーザ放射を反射し、それによって影響されな
い。

それゆえ、層15のパターンは、（層15の露出表面に直交
する方向から見たときの）層14内の凹所21の形状を決定
し、そして、層13は、ワークピース11内の凹所21の最大
の深さを決定し、レーザ放射が層12に衝突するのを防止
するように、効果的に作用する。従って、凹所21は層12
又は基板11内に拡がらないのは、明らかである。

層15のパターンは、層15が正常位置、すなわちワークピ
ースの所定の位置に配置された状態で形成されるように
述べたが、層15は、配置される以前にパターン付けされ
たマスクで形成されてもよいことは、当業者には理解さ
れるであろう。

ある状況では、エッチストップ用の反射層13がワークピ
ース10の全体に拡がるのが望ましくないであろうこと
は、理解し得られるであろう。例えば、もし銅が層13の
材料として選択され、そして、層13がワークピース11全
体に拡がるならば、銅層13は、ワークピース10全体に渡
って電気的伝導体として作用する。もしワークピース10
が層14内の両凹所21を通過する電気的接続線を有するな
らば、層13が開口の全てに拡がることは、明らかに望ま
しくない。それゆえ、エッチストップ用の反射層13もパ
ターン付けして、層13が層15内の開口20を効果的に補完
するようにすることが必要かもしれない。これは、両凹
所21の間で層13を通る電気的伝導路を除去するのに十分
である。

層13、14、及び15について選択される材料は、エッチン
グ処理に使用されるレーザに依存し、あるいは、逆に、
エッチング処理の使用に選択されるレーザは、ワークピ
ース10に要求されるであろう材料のタイプに依存する。
ある特定の例において、基板11は、約70パーセントのア
ルミナ（Al₂O₂）及び30パーセントのチタニウムカーバ
イドを有する高密度のセラミックの基板で形成されても
よく、そして、層12は、アルミナで形成されてもよく、
そして、アルミナから成る層14内に凹所21を形成させる
のが望ましい。

前記の例についてさらに説明を続けると、二酸化炭素
（CO₂）レーザが効果的に使用される。というのは、二
酸化炭素のレーザ放射をアルミナが非常によく吸収する
からである。すなわち、層14を構成するアルミナが二酸
化炭素レーザの放出する波長の放射を容易に吸収し、従
って層14における露出された領域がレーザによって効果
的に蒸発させられるからです。上記の例の層13、15に適
する材料は銅や金であり、これらの材料はどちらも、二
酸化炭素レーザの波長における放射の98％程度を反射す
る。ある特定例においては、層13は金であり、層15は銅
であって、どちらの材料もスパッタリングによりそれぞ
れの下側にある層上に付着され、銅の層15はイオンビー
ム技術又は化学エッチング技術によって容易にパターン
付けされる。

この方法によって、従来のエッチング方法よりも多くの
利益が得られることが理解されるだろう。特に、レーザ
エッチングは、化学エッチング技術によって行われるよ
りもずっと早く不要な材料を除去し、化学エッチングに
存在するアンダーカッティングの問題はなくなる。この
新たなレーザ技術は、除去されている領域の外側の被加
工物体において凹所の付近に伝導される熱エネルギによ
り、若干の僅かな変形を生じさせる。さらに、溶融材料
のいくらかの部分の再固化によっても同様な変形が生ず
る。しかし、これらは以下に説明するように最小ならし
めることができる。

イオンビームエッチング技術のように、この新らしいレ
ーザエッチング技術は、マスキング材料とエッチングさ
れる材料との間のエッチング速度差に依存しない。従っ
て、イオンビーム技術に関連する場合のように、レーザ
技術で使用されるマスクの最小の厚さは、エッチングさ
れる凹所の深さに関連しない。レーザエッチング技術に
用いられる反射層は、被加工物体のエッチングされない
領域の表面全体に亘って反射性を維持するために、十分
な厚さをもっていなければならない。

更に、この新しいレーザエッチング技術は、従来のレー
ザエッチング技術において必要であるように小さなスポ
ットにレーザビームを焦点させる必要がなく、又、要求
される特徴構造を形成するために被加工物体の表面上に
レーザビームのスポットを移動させる必要がない。この
ように、従来のレーザ技術に特有な複雑な光学システム
は、この新たな技術では要求されない。更に、最小の特
徴構造の大きさは、レーザスポットの大きさに関連せ
ず、そして新しい技術によれば被加工物体の全表面が一
度に処理されるので、被加工物体は一度に処理される。

すでに言及したように、レーザ・リソグラフィー法によ
って形成された凹所は、取り除かれている領域の外側の
被加工物体の加熱により、また、レーザによって加熱さ
れて溶融したが、蒸発しなかった材料の再固化により少
し変形することがあり、これは特徴構想の解像度を決定
するものである。さらに、強度の高いレーザ放射によっ
て、ある金属およびセラミック材料は変形することがあ
り、また、あるセラミック材料はクラックを生ずること
がある。しかしながら、これらの問題は、被加工物体を
液体に浸すことにより、あるいは、被加工物体のレーザ
照射を受ける表面上に、レーザ照射中、液体の層を形成
することによって、最小限に抑えることができる。この
場合、液体は、被加工物体を冷却するように作用し、ま
た、液体の性質によっては、レーザの照射中に、被加工
物体から除される材料を、化学反応によって溶解した
り、あるいは、機械的作用によって流し出す作用を担っ
ている。

当業者であれば理解できるように、どのような液体を選
択すればよいかは、多くのファクタによって決定され
る。とくに、レーザ放射に対して、かなり透明であり、
そしてマスキング材料（すなわち、第1A図ないし第1C図
における層13および15の材料）と反応しない液体が適当
である。また、若しもその液体が、エッチングされる材
料（すなわち、第1A図および第1C図における層14の材
料）と反応するものである場合には、室温できわめてゆ
っくり反応し、レーザ放射が照射される領域の外側にお
いて被加工物体自体が液体によってエッチングされない
ようなものでなければならない。

もし、レーザが照射される領域に存在する液体がその蒸
発温度でエッチングされる材料と反応を起こす場合に
は、その液体はレーザが照射される領域内の材料を効果
的に化学的にエッチングしてエッチング操作を助ける。
レーザ放射の照射を直接に受けない部分の材料の温度
は、レーザ光線の照射を直接に受ける部分の材料の温度
ほど高くならないので、その部分の材料が、その液体に
より、同じようにエッチングされない。その液体による
エッチングは、化学的エッチングであるが、通常の化学
的エッチングに比べて異方性が大きいであろう。

例 １ CO₂レーザによるアルミナのエッチング アルミナ層が基板上に形成され、その後スパッタリング
によって厚さ200Åのクロム層が付着された。このクロ
ム層は次の層すなわち金（これに代えて銅を用いてもよ
い。）との接着層として作用するよう設けられた。この
金の層は層13（第1A図）として作用し、その厚さは1/2
ミクロンであった。その後スパッタリングによって厚さ
約30ミクロンないし40ミクロンのアルミナのシートが付
着されて層14が形成された。さらに厚さ3/10ないし5/10
の銅（これに代えて金が用いられてもよい。）の層が層
15としてスパッタリングにより形成された。

銅層15はその後従来のフォトリソグラフィー技術によっ
てパターン付けされた。ある場合には、その銅の層の上
部にフォトレジスト層が付着されてその下の銅層のパタ
ーンを露光させる従来の方法でパターンが形成された。
この露光した銅がイオンビームエッチングによってエッ
チングされた後、現像液内でフォトレジストが溶出され
た。これによって層14のアルミナが露出した開口部（第
1B図の20）が残された。

別の場合には、銅層15が従来のリフトオフ技術を用いて
パターン印刷された。この技術では、銅層の前にフォト
レジスト層が付着され（第1A図にはフォトレジスト層は
示されていない。）、このフォトレジストのパターンが
従来の写真石版工程で露光された。その後フォトレジス
ト層の頂面に薄い銅層がスパッタリングにより付着さ
れ、そのパターン付けされたフォトレジストが現像液内
で溶出された。この溶出したフォトレジストがその直ぐ
上側にある銅を除去して所望のパターンに銅が残され
た。

銅層がパターン付けされた後、そのワークピースがエチ
レンクロライド溶液の薄膜によって被覆され、そしてパ
ルス状のCO₂レーザを用いて照射されて露出したアルミ
ナがエッチングされた。このレーザにより供給されるエ
ネルギーは、約1.36平方糎（約1/4平方インチ）の領域
に亘って毎秒４パルスないし10パルスのレーザパルスで
照射した場合に１レーザパルス当たり約４ジュールであ
った。

例 ２ 除去可能なマスクを用いるエッチング 本例に於いて、層15より成るマスクはワークピース上に
は蒸着されず別に作成してエッチングされるワークピー
スの表面上におかれた。ワークピースはアルミナより形
成された。ベースマスクは一般に平坦なニッケルで作ら
れ、ワークピースが露出される開口を有せしめた。この
マスクは開口付近の厚さが約15ミクロン、他の部分の厚
さは約125ミクロンであり、厚い部分は機械的強度をも
たらし薄い部分はワークピース上へのマスクの整列の精
度を高める。マスクと、用いられる液体との間の化学的
相互作用を防止するため、このマスクは厚さ10ミクロン
の金属でメッキされた。次にマスクをワークピースと整
列させ固定具内にワークピースと共に固定した。次に塩
化メチレン液をこの固定具上に散布してレーザ照射を受
ける表面上に均一な層を形成させた。

次にワークピースをCO₂レーザにより照射させた。レー
ザ（パルス当り約４ジュールのエネルギを有する）単位
面積当りのエネルギを増大するためにレーザビームをレ
ンズにより約2.54糎×0.63糎（約１インチ×1/4イン
チ）の大きさに集光させ、ワークピースをその全表面が
マスクを通して露光されるまで１秒あたり約15/1000糎
（6/1000インチ）の速さでレーザビーム下で動かした。

この工程は約35ミクロンの深さの凹所をアルミナに形成
させるため20回繰り返えされた。

これら工程が完了した後、マスクを固定具から取り外し
た。このマスクは次のエッチング工程にも使うことがで
きる。

例 ３ 高密度セラミックのエッチング 高密度セラミックによってエッチングされるべきパター
ンを限定するためのパターン付き銅層を有するワークピ
ースを製作した。エッチングを行なうために二酸化炭
素、ルビーおよびNd:YAGレーザを使用した。空気中でエ
ッチングを行なった時、すなわち液体が存在しない時、
セラミックに小さいクラックが現われ、エッチングから
生じた若干のセラミックの破片は再固化した。

高密度セラミックを用いた他の試験では、塩化メチレン
および水酸化カリウムの水溶液を含む数種の液体を使用
した。水酸化カリウム溶液は、その液が若干の深さを有
しているとNd:YAGレーザの放射線の約35パーセントを吸
収するけれど、Nd:YAGレーザおよびルビーレーザに対し
て大体において満足すべきものであった。水酸化カリウ
ム溶液の好ましい濃度は１規定（12N）程度またはそれ
以上であり、試験エッチングにおいて５規定程度または
それ以下の濃度を有する溶液でセラミックにいくらかの
クラックが現われた。

例 ４ パーマロイのエッチング アルシマグ（Alsimag）の基板上に3000オングストロー
ムの厚さを有するアルミニウム層をスパッタリングによ
って被着させたワークピースを製作した。アルミニウム
はエッチング停止層としての役目をした。アルミニウム
シート上に2000オングストロームの厚さのパーマロイの
層をメッキした。パーマロイ層の上にリフトオフ技術を
使用してアルミニウムマスクを形成させた。そこで、空
気中においてワークピースをフッ化クリプトンレーザに
よって照射した。アルミニウムマスクおよびエッチング
停止層のエッチングが行なわれることなしに、パーマロ
イがエッチングされた。

他の試験においては、少量の重クロム酸カリウムを含む
稀硝酸溶液を使用した。得られたエッチングによれば、
溶液を使用しないエッチングにおいて起生した再固化に
較べて溶融パーマロイの再固化が少なかった。

例 ５ ポリマーのエッチング 銅の薄膜をシリコン基板上にエッチング停止層（第１図
の符号13）として付着させた。フォトレジスト層を銅層
の上に付着させ、硬く焼き付けた。このフォトレジスト
層の一部を、取外し可能なステンレス鋼マスクの穴を通
るルビーレーザからの放射線によって露光させた。レー
ザビームの有効直径は約３耗であり、マスクの穴は約40
ミクロンの直径であった。レーザビームに当たったフォ
トレジスト部分は揮発部分として有効に分解され、再固
化は生じなかった。銅層は有効にエッチングを停止させ
たが、ルビーレーザ放射線の高いエネルギーによって少
し変形した。

なお、前述の例２から例５のそれぞれの説明において、
特に述べていない点は、例１の対応する部分と同様であ
り、また、例２から例５の間においても、特に述べてい
ない点は、同様であってよい。

上記の説明は本発明の特定の実施例に限定して行われた
ものである。しかしながら、本発明の方法には、本発明
の利点の幾つか又は全部をそなえたまま、変形や修正が
可能である。従って、特許請求の範囲は本発明の真の精
神及び範囲に入る全ての変形や修正を含む。

【図面の簡単な説明】

第1A図ないし第1C図は本発明による新規なレーザ・リソ
グラフ技術を示す図である。 10……ワークピース 11……基板 12、13、14、15……層 20……開口 21……凹所

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ放射を使用して被加工物体に凹所を
   エッチングする方法であって、 A.レーザ放射の波長において反射性であるマスク用材料
   の被覆層を被加工物体上に付着させ、 B.前記反射性被覆層の下の前記被加工物体における前記
   凹所を形成すべき部分を露出させるマスクを形成するた
   めに、前記反射性被覆層をパターン付けし、 C.使用される前記レーザ放射に対して実質的に透過性で
   あり、室温において前記被加工物体を形成している材料
   に対して実質的に非反応性であり、且つ前記レーザ放射
   によって発生される上昇温度において前記被加工物体を
   形成していてレーザ放射に露出されてエッチングされる
   材料に対して反応性である液体の層を、前記マスクの表
   面及び前記被加工物体の露出された部分上に設け、 D.それによって被覆された各部分がレーザ放射によって
   エッチングされることを防止する前記マスクを通して、
   前記被加工物体を所望の深さの前記凹所が形成されるに
   十分な時間の間前記レーザ放射に露出させて、露出され
   た部分から材料を除去する、 各工程を具備することを特徴とする方法。