KR20170110593A - 멀티톤 레벨 포토마스크 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 멀티톤 레벨 포토마스크(50)의 제조방법에 관한 것으로, 이 방법은 마스크기판(24)을 제공하는 단계와, 마스크기판의 표면의 적어도 하나의 층(20a~b)a에 계단식 패턴을 제공하는 단계를 포함한다. 계단식 패턴은 적어도 2개의 계단과 적어도 3개의 레벨(42,44,48)을 포함한다. 계단식 패턴에 빛을 비추면 레벨마다 다른 광도를 제공한다.
Description
본 발명은 멀티톤 포토마스크, 구체적으로는 광학밀도가 여러 레벨인 포토마스크에 관한 것이며, 더 구체적으로는 가공재의 패턴에 여러 높이의 포토레지스트를 제공하는 포토마스크에 관한 것이다.
다중 마스킹 단계에 의해 기판에 다층구조를 형성하는데, 각각의 마스크 레벨을 이전 마스크 레벨에 정렬하면 정렬오차가 생기곤 한다. 그래서 웨이머마다 정렬상태가 약간씩 다르다. 따라서, 서로 다른 웨이퍼에 형성된 생성물마다 다른 오정렬 상태를 갖고 서로간에 일치하지 않게 된다. 또, 마스킹 단계마다 상당한 시간이 소요되고, 다중 마스킹 단계에는 처리시간이 몇배 더 소요되곤 한다. 또, 각각의 마스크와 마스킹 단계도 상당한 비용이 든다.
본 출원인들은 종래의 이런 문제점들을 해결하는 것을 목적으로 한다.
요약
본 발명은 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법에 관한 것으로, 이 방법은 마스크기판을 제공하는 단계와, 마스크기판의 표면의 적어도 하나의 층에 계단식 패턴을 제공하는 단계를 포함한다. 계단식 패턴은 적어도 2개의 계단과 적어도 3개의 레벨을 포함한다. 계단식 패턴에 빛을 비추면 레벨마다 다른 광도를 제공한다.
도 1a~f는 2층 3레벨인 본 발명의 멀티톤 레벨 포토마스크를 2층 3레벨로 제작하는 각 공정단계의 단면도;
도 2a는 여러 두께의 니켈과 크로뮴 각각의 투과율과 파장 관계를 나타낸 그래프;
도 2b는 현상된 포토레지스트의 깊이와 노출에너지 관계를 나타낸 그래프;
도 3a~b는 도 1f의 포토마스크를 이용해 가공재의 포토레지스트를 노출/현상하여 3레벨의 계단식 피라미트와 같은 차원 패턴을 제공하는 각 공정의 단면도;
도 4a~e는 본 발명의 포토마스크를 3층 4레벨로 제작하는 각 공정의 단면도;
도 5a~b는 도 4e의 포토마스크를 이용해 가공재의 포토레지스트를 노출/현상하여 4레벨의 계단식 피라미트와 같은 차원 패턴을 제공하는 각 공정의 단면도;
도 6a는 본 발명의 공정으로 형성된 6레벨의 포토마스크를 이용해 기판의 포토레지스트에 계단식 패턴으로 형성된 6레벨 패턴의 사시도;
도 6b는 본 발명의 공정으로 형성된 4레벨의 포토마스크를 이용해 기판의 포토레지스트에 형성된 4레벨 회절렌즈의 사시도;
도 6c는 본 발명의 공정으로 형성된 7레벨의 포토마스크를 이용해 기판의 포토레지스트에 형성된 7레벨 회절격자의 사시도;
도 7a~g는 에칭정지층을 상하단 층들 사이에 배치해 본 발명의 포토마스크를 제작하는 각 공정의 단면도;
도 8a~d는 본 발명의 포토마스크를 이용해 에어로즐 노즐 어레이를 제작하는 각 공정의 단면도;
도 9a~d는 본 발명의 포토마스크를 이용해 마이크로렌즈 어레이를 제작하는 각 공정의 단면도;
도 10a는 흡광 폴리머에 계단식 패턴을 형성하기 위해 마스크기판의 흡광 폴리머를 레이저로 제공하는 과정을 보여주는 단면도;
도 10b는 흡광 폴리머에 계단식 패턴을 형성하기 위해 마스크기판의 흡광 폴리머의 레이저 제거를 위해 홀로그래픽 마스크를 사용하는 예를 보여주는 단면도; 및
도 11은 폴리머 액적을 공급하는 프린터를 이용해 흡광 폴리머에 계단식 패턴을 형성하는 다른 과정을 보여주는 단면도.
도 2a는 여러 두께의 니켈과 크로뮴 각각의 투과율과 파장 관계를 나타낸 그래프;
도 2b는 현상된 포토레지스트의 깊이와 노출에너지 관계를 나타낸 그래프;
도 3a~b는 도 1f의 포토마스크를 이용해 가공재의 포토레지스트를 노출/현상하여 3레벨의 계단식 피라미트와 같은 차원 패턴을 제공하는 각 공정의 단면도;
도 4a~e는 본 발명의 포토마스크를 3층 4레벨로 제작하는 각 공정의 단면도;
도 5a~b는 도 4e의 포토마스크를 이용해 가공재의 포토레지스트를 노출/현상하여 4레벨의 계단식 피라미트와 같은 차원 패턴을 제공하는 각 공정의 단면도;
도 6a는 본 발명의 공정으로 형성된 6레벨의 포토마스크를 이용해 기판의 포토레지스트에 계단식 패턴으로 형성된 6레벨 패턴의 사시도;
도 6b는 본 발명의 공정으로 형성된 4레벨의 포토마스크를 이용해 기판의 포토레지스트에 형성된 4레벨 회절렌즈의 사시도;
도 6c는 본 발명의 공정으로 형성된 7레벨의 포토마스크를 이용해 기판의 포토레지스트에 형성된 7레벨 회절격자의 사시도;
도 7a~g는 에칭정지층을 상하단 층들 사이에 배치해 본 발명의 포토마스크를 제작하는 각 공정의 단면도;
도 8a~d는 본 발명의 포토마스크를 이용해 에어로즐 노즐 어레이를 제작하는 각 공정의 단면도;
도 9a~d는 본 발명의 포토마스크를 이용해 마이크로렌즈 어레이를 제작하는 각 공정의 단면도;
도 10a는 흡광 폴리머에 계단식 패턴을 형성하기 위해 마스크기판의 흡광 폴리머를 레이저로 제공하는 과정을 보여주는 단면도;
도 10b는 흡광 폴리머에 계단식 패턴을 형성하기 위해 마스크기판의 흡광 폴리머의 레이저 제거를 위해 홀로그래픽 마스크를 사용하는 예를 보여주는 단면도; 및
도 11은 폴리머 액적을 공급하는 프린터를 이용해 흡광 폴리머에 계단식 패턴을 형성하는 다른 과정을 보여주는 단면도.
본 발명은 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법에 관한 것으로, 멀티톤 레벨 포토마스크는 다중 레벨의 광학밀도를 갖는다. 노출 뒤 마스크를 사용해 가공재의 포토레지스트를 현상해 3차원 구조로 패턴화하면, 가공재에 여러 높이의 포토레지스트를 갖는 패턴이 생긴다.
일례로, 멀티톤 레벨 포토마스크를 만드려면, 마스크 기판 표면에 한층 이상의 계단형 패턴을 제공한다. 계단형 패턴은 2개 이상의 단턱과 3개 이상의 레벨을 갖는다. 계단형 패턴에 빛을 비추고 측정했을 때 레벨마다 광밀도가 다르다.
다수의 광감쇠재 층들을 마련하여 멀티톤 레벨 포토마스크 위에 여러 광밀도 레벨를 마련한다. 층마다 별도로 패턴화한다. 층마다 재료의 특성과 두께에 맞는 감쇠도나 광밀도를 갖는다. 2개의 광감쇠재 층을 갖는 포토마스크는 노출 입사광에 3가지 감쇠 레벨, 즉 양쪽 층을 에칭한 곳의 무괌쇠, 상단층을 에칭한 영역에서의 하단층의 광밀도로 인한 감쇠, 및 어떤 층도 에칭하지 않은 곳에서 양쪽 층 모두의 광밀도로 인한 감쇠의 이는개의 감쇠의 3개 감쇠 레벨을 보인다.
더 많은 광감쇠재 층들을 마련할 수 있고 기판에 광감쇠재 층들이 많을 수록 가공재 위에서 노출되고 현상된 포토레지스트의 감쇠레벨이 많아지고 높이 수도 많아진다.
일례로, 부분적으로 투명한 재료로 된 층이 적어도 하나인 2층 구조를 투명 기판에 블랭킷(blanket) 증착하여 2층 멀티톤 레벨 포토카스크를 제작하기 시작한다(도 1a 참조). 이때, 하단층(20b)은 재료와 에칭 화학반응에서 상단층(20a)과 달라, 상단층(20a)을 에칭할 때 하단층(20b)은 에칭되지 않는다. 예컨대, 상단층(20a)은 니켈이고 하단층(20b)은 크로뮴이다. 마스크 기판(24)은 유리, 석영, 용융실리카와 같은 투명재이다. 반사마스크용의 부분 투과율 관점에서 기재했지만, 이 공정은 투명 마스크 및 반사 마스크의 제작공정과 동일하고, 반사 마스크의 경우 적어도 1층은 부분반사재로 이루어진다.
2개 층(20a~b)을 통해 가공재 위의 포토레지스트에 도달하는 광량은 이들 층의 두께에 좌우된다. 하단층(20b)의 두께가 5nm 정도일 경우, 마스크 기판(24) 위에 하단층만 있는 부분은 UV 광량의 절반 정도가 하단층을 투과한다. 상단층(20a)의 두께에 따라 양쪽 층(20a~b) 모두 갖는 부분에는 상당히 작은 UV가 투과된다. 예컨대 상단층(20a)의 두께도 5nm이면, 도 2a의 그래프와 같이, 2개 층을 투과한 빛이 30%로 줄어든다. 상단층(20a)이 두꺼울 수록 2개 층을 투과하는 빛이 줄어들어 그 밑의 영역의 포토레지스트의 노출도 줄어든다. 상단층의 두께는 5nm 내지 300nm 정도일 수 있다. 다른 두께의 니켈과 크로뮴을 사용해 마스크를 사용해 노출된 가공재에서의 현상 이후의 포토레지스트의 상하 치수들을 재단할 수도 있다.
얇은 금속층 대신, 이산화규소, 질화규소, 이산화티타늄, 산화하프뮴, 오산화탄탈륨과 같은 유전체를 사용해 두께를 재단하여 마스크에 사용하는 소정의 파장에 부분 투명율이나 반사율을 부여할 수도 있다. 투과율과 반사율을 높이기 위해, 값이 높고 낮은 재료들을 여러층 사용한다. 예를 들어, 두께가 재료의 1/4파장과 같으면 유전층의 투과율이 최대이고 반파장과 같으면 반사율이 최대이지만, 1/4파장과 반파장 사이로 두께를 조절하면 투과율과 반사율을 조절할 수 있다. 메탈과 유전체 외에, 안료폴리머와 같은 다른 부분 투명재료를 사용할 수도 있다.
상하단 금속이나 유전체 층(20a~b)를 증발, 화학적증착, 스퍼터링, 물리적증착과 같은 기술로 증착할 수 있다. 안료재료의 두꺼운 층들을 증착하고, 스피닝, 분무 또는 롤온 증착을 이용할 수 있다.
상하단 층(20a~b)을 증착한 뒤, 제1 레지스트층(26)을 증착하고 패턴화하여 제1 레지스트층에 제1 개구부들(28)을 형성한다(도 1b~c 참조). 제1 레지스트층(26)은 포토레지스트이고, 현상액으로 마스크를 통해 UV 광으로 패턴화하여 제1 개구부들(28)을 형성한다. 레이저 라이팅이나 전자빔 라이팅과 같은 다른 기법으로 제1 레지스트층(26)을 패턴화할 수도 있다. 한편, UV 흡수안료나 포토레지스트를 가진 PMMA(polymethyl methacrylate)와 같은 흡광 폴리머를 원하는 깊이로 삭제하는데 레이저 라이팅을 이용할 수도 있다(도 10a 참조). 또, 홀로그래픽 마스크와 레이저를 사용해 마스크 기판 위의 흡광 폴리머에 계단식 패턴을 형성할 수도 있다(도 10b 참조). 또, 스텐실스크린 인쇄나 롤온 마스킹과 같은 공정을 이용해 증착도중에 제1 레지스트층을 패턴화할 수도 있다.
상단층(20a)을 제1 레지스트층(26)의 제1 개구부(28)에 맞게 에칭한다(도 1c). 상단층(20a)의 재료가 니켈이면, 제1 레지스트층(26)의 제1 개구부(28)에 Transene Nickel Etch TFG로 에칭하여 상단층 개구부(30)를 형성한다. Transene Nickel Etch TFG는 하단층(20b)의 크로뮴은 에칭하지 않으므로, 하단층은 그대로 유지된다(도 1c).
이제 제1 레지스트층(26)을 벗겨내고, 제2 레지스트층(36)을 증착하고 패턴화하여 제2 개구부(38)를 형성한다(도 1d). 패턴화된 제2 레지스트층(36)의 제2 개구부(38)는 상단층(20a)의 개구부들(30) 안에 있다(도 1d). 제2 레지스트층(36)도 포토레지스트이고, 제2 개구부(38)를 형성하는 패턴화에는 마스크를 정렬한 다음 마스크를 통해 UV광을 노출시키고 현상하는 공정들이 포함된다. 레이저나 전자빔 라이팅과 같은 다른 기법들을 노출에 사용할 수도 있다. 제2 레지스트층(36)을 X선 노출할 수도 있다. 레지스트와 같은 흡광 폴리머를 원하는 깊이로 제거하는데 레이저 라이팅을 이용할 수도 있다. 또, 스텐실스크린 인쇄나 롤온 마스킹, 잉크젯 인쇄와 같은 공정을 이용해 첫번째 층과 정렬된 패턴화된 제2 레지스트층을 제공할 수도 있다.
도 1e와 같이, 이제 제2 레지스트층(36)의 제2 개구부(38)에 일치하게 바닥층(20b)을 에칭하는데, 바닥층이 크로뮴이므로 Transcene Chromium Etch TFE로 제2 개구부(38)를 에칭하여 바닥층에 바닥층 개구부(40)를 형성한다. Transcene Chromium Etch TFE는 상단층의 니켈은 에칭하지 않으므로, 이때 상단층은 제2 레지스트층(36)에 의해 보호되어, 제1 개구부(30) 밖의 상단층은 그대로 남게된다.
마지막으로, 제2 레지스트층(36)을 벗겨내면 마스크 기판(24)의 3개 구역을 제외하고 2층 멀티톤 레벨 포토마스크(50)가 완성된다. 마스크 기판(24)의 구역(42)에는 상하단층(20a~b) 모두 없고; 구역(44)에는 하단층(20b)만 있으며, 구역(46)에는 상하단층(20a~b) 모두 있다(도 1f). 어떤 구역에는 상하단층(20a~b)이 계단이나 피라미드 형태로 있고, 다른 구역에는 하단층만 있다.
계단이나 피라미드형 패턴(48)이 도 3과 같은 마스크노출에 의해 가공재(60)의 포토레지스트에 재현된다. 먼저, 반도체웨이퍼와 같은 가공재(60)를 포토레지스트(61)로 코팅하고(도 3a), 멀티톤 레벨 포토마스크(50)를 통해 UV광에 노출시킨다. 포토레지스트(61)는 포토마스크(50)의 패턴보다 훨씬 두꺼워, 포토마스크 위의 금속층 전체 두께보다 100배 정도 더 큰 1㎛일 수도 있는데, 보통 0.5~3 ㎛ 또는 0.1~100 ㎛이거나 심지어는 최대 수 ㎜일 수도 있다.
투과율와 반사율 모두 포토마스크(50) 위의 금속 두께에 좌우되므로, 가공재(60)위의 포토레지스트(61)를 투명이나 반사 모드로 노출시킬 수 있다. 반사율이 서로 다른 유전체 코팅들이나 금속들을 사용할 경우, 반사모드를 이용할 수 있다.
포토레지스트 노출에 UV 외에, X선, 가시광, 적외선, 수은등이나 제논등, 레이저, X선 머신을 포함한 다른 파장의 빛을 사용할 수도 있다.
패턴화에 레이저나 전자빔 라이팅을 이용할 경우, 마스크 생성에 수시간이 걸릴 수 있다. 그러나, 한번 생성된 멀티톤 레벨 포토마스크는 여러 가공재의 포토레지스트를 신속히 노출시키는데 여러번 사용할 수 있어, 원하는 3차원 패턴을 만드는 처리시간을 크게 단축할 수 있다. 몰티톤 레벨 포토마스크를 갖춘 각 가공재의 포토레지스트를 노출시키는 처리시간은 종래의 수시간에 비해 분단위 범위이다.
상하단층(20a~b)이 모두 없는 영역(42)에서는 포토마스크 노출에 사용된 UV광이 포토레지스트(61)에 부딪치고, 하단층(20b)만 있는 영역(44)에서는 하단층을 통과한 빛이 포토레지스트(61)의 상단부를 노출시키기에 충분하며, 2개 층(20a~b)이 모두 있는 영역(46)에서는 2개 층을 모두 통과한 빛이 포토레지스트(61)를 노출시키기에 충분치 않다.
따라서, 현상 후, 마스크 기판(24)에 3개의 다른 높이를 갖는 영역들(42,44,46)을 갖는 마스크(50)의 패턴이 가공재(60) 위의 포토레지스트(61)에서 3개의 높이를 갖는 계단이나 피라미드 패턴(68)을 갖는 포토레지스트 영역(62,64,66), 즉 포토레지스트가 없는 영역(62), 포토레지스트가 절반 남은 영역(64) 및 포토레지스트가 모두 남은 영역(66)으로 재현된다(도 3b).
일 실시예에서, 미국 Clariant Corporation AZ Electronic Materials사의 AZ 4330 포토레지스트를 반도체웨이퍼 가공재에 스핀 부착했다. 3㎛의 포토레지스트를 갖는 가공재를 15분간 105℃에서 사전노출했다. 30초간 400W 수은등을 사용해 100 mJ/㎠의 광량으로 Oriel 마스크 얼라이너를 사용해 멀티톤 레벨 포토마스크를 통해 노출했다. 이런 가공재를 3:1 희석된 AZ 400K에서 60초간 현상하고, 그 결과인 포토레지스트 형태를 촉침기(KLA/Tencor P-2 stylus profilometer)로 측정했다.
이런 노출과 현상 조건하에 AZ4330 포토레지스트의 노출에너지의 함수로 현상된 포토레지스트 깊이를 보여주는 그래프가 도 2b이다. 그래프에 의하면, 광량이 약 38mJ/㎠일 때는 0.5㎛의 레지스트를, 광량이 50mJ/㎠일 때는 1.0㎛의 레지스트를, 광량이 60mJ/㎠일 때는 1.5㎛의 레지스트를, 광량이 72mJ/㎠일 때는 2.0㎛의 레지스트를, 광량이 84mJ/㎠일 때는 2.5㎛의 레지스트를, 광량이 100mJ/㎠일 때는 3.0㎛의 레지스트를 현상한다.
도 4와 같이, 투명 기판 위에 3개층을 형성하고, 도 5와 같이 마스크노출법으로 가공재의 포토레지스트에 마찬가지로 4개의 노출 레벨들을 전사하여 4-레벨 3차원 구조를 만든다. 여기서, 3층 구조는 부분적 투명 재료로 된 적어도 2개 층이나 부분적 반사 재료로 된 적어도 2개 층을 포함한다. 부분적 투명이나 반사 재료로 된 3개 층들을 투명 마스크기판의 층으로 증착하여 멀티톤 레벨 포토마스크의 제작을 시작한다(도 4a). 예컨대 상단층(70a)은 구리, 중간층(70b)은 니켈, 하단층(70c)은 크로뮴이며, 마스크기판은 유리, 석영 또는 용융실리카이다. 하단층(70c)은 마스크기판(74)에 단독으로 있을 때 UV광에 부분적으로 투명한 2, 3nm의 두께를 갖고, 중간층은 마스크기판에 중간층과 하단층이 둘다 있을 때 여전히 UV광에 대해 부분적으로 투명한 2, 3nm의 두께를 갖는다.
반사모드에서는 동일한 구조의 금속층들이 반대로 작용하여 기판이 가공재에 최소한의 빛을 반사하고 그 위의 층들이 최대한의 빛을 반사한다. 알루미늄이나 알루미늄 코팅된 용융실리카 기판과 같은 반사기판에 코팅을 붙여 최대로 반사되게 할 수도 있는데, 이때 기판 위의 각각의 층은 빛을 더 흡수하고 적게 반사한다.
상단층은 충분히 두꺼워 3개층이 모두 있는 구역에서는 UV광이 거의 통과하지 못하거나, 포토레지스트를 현상하기 위해 가공재에 사용된 포토레지스트에 필요한 임계값에 도달하기에는 불충분한 빛이 3개층을 통과한다. 예컨대 상단층(70a)의 두께는 10nms나 20nm로 두껍다. 이런 마스크를 사용해 노출된 가공재의 포토레지스트의 두께를 재단해 3차원 구조를 만드는데 다른 두께의 구리, 니켈 및 크로뮴을 사용할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 유전체나 안료 폴리머와 같은 다른 흡수재를 사용할 수도 있다. 상단, 중간, 하단 층들(70a~c) 각각을 증발, CVD, 스퍼터링, PVD와 같은 방법으로 마스크기판(74)에 증착한다.
3개 층(70a~b)을 증착했으면, 제1 레지스트층(76)을 증착하고 패턴화해 제1 개구부(78)를 형상한다(도 4b). 제1 레지스트층(76)은 포토레지스트이고, 개구부(78)를 형성하는 패터닝은 마스크에 UV광을 통과시킨 다음 현상액으로 한다. 레이저나 전자빔 라이팅이나 X선 노출과 같은 다른 방법을 사용할 수도 있다. 또, 스텐실스크린 인쇄나 롤온 마스킹, 잉크젯 인쇄와 같은 공정을 이용해 증착 도중에 제1 레지스트층을 패턴화할 수도 있다.
제1 레지스트층(76)의 제1 개구부(78)에 일치하게 상단층(70a)을 에칭한다(도 4b). 상단층(70a)이 구리일 경우 Transene사의 Transene copperetch APS-100으로 에칭할 수 있다. 따라서, 구리 에칭액이 그 밑의 중간층(70b)의 니켈에는 영향을 주지 않고 상단층 개구부(80)를 형성하므로, 중간층(70b)과 하단층(70c)은 그대로 남아있다(도 3b 참조).
이제 제1 레지스트층(76)을 벗기고 제2 레지스트층(86)을 증착하고 패턴화하여 제2 개구부(88)를 형성한다(도 4c). 제2 개구부(88)의 패턴화는 마스크를 통해 UV광, 레이저나 전자빔으로 제2 레지스트층(86)을 노출해 이루어진다. 한편, 스텐실스크린 인쇄나 롤온 마스킹, 잉크젯 인쇄와 같은 공정을 이용해 증착 도중에 제2 레지스트층을 패턴화할 수도 있다. 제2 개구부(88)는 상단층의 개구부(80) 안에 있다(도 3c 참조).
제2 레지스트층의 제2 개구부(88)와 일치되게 중간층(70b)을 에칭한다(도 4c). 중간층(70b)이 니켈이므로 제2 레지스트층의 제2 개구부(88)에서 Transene nickel etch TFG로 중간층을 에칭하여 중간층 개구부(90)를 형성한다. 이 에칭액이 하단층(70c)의 크로뮴은 에칭하지 않고 구리 상단층(70a)은 제2 레지스트층(86)의 보호를 받으므로, 제1 개구부(80) 밖의 상단층(70a)과 하단층(70c)은 그대로 남게된다(도 4c).
이제 제2 레지스트층(86)을 벗기고 제3 레지스트층(96)을 증착하고 패턴화해 제3 레지스트층에 제3 개구부(98)를 형성한다(도 4d). 제3 개구부(98)의 패턴화는 마스크를 통해 UV광, 레이저나 전자빔으로 제3 레지스트층(96)을 노출해 이루어진다. 한편, 스텐실스크린 인쇄나 롤온 마스킹, 잉크젯 인쇄와 같은 공정을 이용해 증착 도중에 제3 레지스트층을 패턴화할 수도 있다. 제3 개구부(98)는 중간층의 개구부(88) 안에 있다(도 4d).
끝으로, 마스크기판(74)에 4개 구역만 제외하고 제3 레지스트층(96)을 벗기면 멀티톤 레벨 포토마스크(101)가 완성된다(도 4e). 구역(102)에는 아무 층도 없고, 구역(104)에는 하단층(70c)만 있으며, 구역(106)에는 하단층(70c)과 중간층(70b)이 있고, 구역(108)에는 3개층이 모두 있다. 어떤 구역에는 3개층이 계단식 패턴(110)으로 있다. 3차원으로 보았을 때 계단식 패턴(110)이 피라미드 모양일 수도 있다.
3층 멀티톤 레벨 포토마스크(120)에 형성된 계단식 패턴(110)은 가공재(130)의 포토레지스트에 재현된다(도 5 참조). 먼저, 반도체웨이퍼와 같은 가공재(130)를 포토레지스트(131)로 코팅하고 포토마스크(120)를 통해 UV광을 비춰 노출한다(도 5a). 접촉인쇄를 하거나 투사정렬기나 스캐너를 사용해 노출을 한다.
아무 층도 없는 마스크기판(74)의 구역(102)에서는 UV광이 가공재의 포토레지스트(131)에 그대로 부딪친다. 하단층(70c)만 있는 구역(104)에서는 하단층을 통과한 빛이 포토레지스트(131)의 상부를 충분히 노출시킨다. 2개 층(70b~c)이 있는 구역(106)에서는 포토레지스트(131)의 표면만 노출시킬 정도의 빛이 통과된다. 3개층(70a~c)이 모두 있는 구역(108)에서는 포토레지스트(131)의 어떤 부분도 충분히 노출되지 않아 현상액이 재료를 제거하지 못한다. 따라서, 현상을 할 때, 4가지 높이의 패턴(142,144,146,148)이 포토레지스트(131)에 형성되어(도 5b), 포토레지스트가 없는 구역(142), 1/3 높이의 구역(144), 2/3 높이의 구역(146) 및 전체 높이 구역(148)의 3차원 구조가 형성된다.
도 6a의 4층 멀티톤 레벨 포토마스크(120')와 같이 투명한 마스크기판(74')에 더 얇은 금속층들을 형성할 수 있다. 층(70a'~e')의 갯수가 많을수록, 어느정도의 빛이 하위 4개층을 통과할 수 있도록 각 층의 두께가 줄어든다. 층(70a~e) 전부의 총두께는 가공재의 레지스트의 노출을 효과적으로 차단하기에 충분하지만, 층(70d'~e')를 갖는 환형 구역과 같은 계단식 층들이 있는 구역은 더 많은 광량을 받는다. 도 5b의 3층 멀티톤 레벨 포토마스크(120)의 경우, 마스크기판(74)의 포토레지스트(131)을 더 깊이 노출하여 더 깊은 3차원 패턴을 충분히 현상할 수 있다. 5층 포토마스크(120')도 마찬가지다. 포토마스크(120')의 층들의 위치와 수가 노출과 현상을 거쳐 포토레지스트에 재현된다.
도 6a에서 포토레지스트의 개구부들은 원형이고 가장 큰 원형 개구부는 금속 상단층(70a')의 에칭을 위한 것이다. 다음 층들(70b'~e')을 차례로 에칭하기 위해, 해당하는 레지스트층의 개구부가 점점 더 작아진다. 이런 시스템을 3층 멀티톤 레벨 포토마스크 제작공정인 도 4b~e의 단면도에서 알 수 있다.
도 6b의 회절렌즈(154)나 도 6c의 회절격자(155)와 같은 다른 패턴도 가능하다.
회전렌즈를 만들기 위한 포토레지스트(156)는 높이가 3㎛이고, 포토레지스트(156)내 각 계단(157)의 높이는 적외선에 맞추기 위해 1㎛이다. 다른 예로서, 이런 회절렌즈 400개 어레이를 형성했고 전체 어레이의 직경은 20mm이다. 어레이내 각각의 포토레지스트 렌즈는 근적외선 파장인 .85㎛에 맞추기 위해 직경 500㎛, 높이 1.7㎛였다. 회절렌즈 제작을 위해 용융실리카 가공재(158)의 포토레지스트(156)에 방향성 무효 이온에칭법을 적용해 용융실리카 밑으로 포토레지스트 패턴을 복제했다. 에칭화합물을 조정해 포토레이즈트와 용융실리카의 에칭속도를 거의 같게 한다. 이런 조절 인자에 산소와 불소의 선행 가스유량과 압력이 포함된다.
도 6c의 계단형 다층 멀티톤 레벨 포토마스크(155) 제작을 위해, 연속되는 각각의 레지스트층에 직사각형 개구부를 만든다. 부착된 제1 레지스트내의 가장 큰 직사각형 개구부의 폭을 가로질로 상단층(70a")에만 레지스트 코팅을 남겨둔채, 다른 모든 예상되는 계단들 위의 상단층(70")을 에칭한다. 제1 레지스트 밑을 제외한 상단층(70a")을 에칭했으면, 상단층(70a")과 제2 층(70b")을 둘다 코팅하고 나머지 계단들 위의 제2 층(70b")을 에칭하기 위해 제1 레지스트를 벗기고 제2 레지스트층을 증착한다. 코팅면적을 늘이고 개구부 사이즈를 줄이면서 다른 층들(70c"~f")을 차례로 에칭하여 계단식 마스크(155)를 형성한다. 전술한 바와 같이, 에칭특성이 다른 금속과 다른 에칭액을 다른 층에 사용할 수도 있다. 또, 다른 유전체나 안료폴리머와 다른 에칭액을 다른 층들에 사용할 수도 있다.
회절렌즈와 마찬가지로, 포토레지스트에 형성된 회절격자 패턴을 반응성 이온에칭을 이용해 용융실리카 가공재에 재현한다. 이렇게 형성된 회절격자는 각도를 이루어 부딪친 빛을 색요소별로 분산시키며, 분광계에 사용할 수 있다. 계단식 패턴 각각의 높이를 수백 nm 내지 수십 ㎛ 범위로 하면, 이 높이는 사용할 빛의 파장에 관련된다. 이런 제조공정에서 각 계단의 폭과 각도와 계단수와 폭-깊이 비도 조절할 수 있다.
한편, 도 7과 같이, 포토마스크의 에칭정지층을 이용해 상단층과 하단층에 같은 재료를 사용할 수도 잇다. 여기서는, 투명 기판(164) 위에 상하단층(160a~b)을 증착하되, 그 사이에 에칭정지층(163)을 두고 멀티톤 레벨 포토마스크의 제작을 시작한다(도 7a). 상하단층(160a~b) 모두 크로뮴이고, 에칭정지층(163)은 이산화규소이며, 기판(164)은 유리, 석영 또는 용융실리카이다. 하단층(160b)은 두께 5nm로서 기판(164)에 단독으로 있을 때 UV광에 대해 부분적인 투과율을 보인다. 상단층(160a)의 두께가 10nm일 경우 상단층과 하단층 모두 있는 구역에서는 아주 적은 UV광이 통과한다. 상단층(160a)은 더 두꺼워도 된다. 다른 두께의 크로뮴을 사용해 마스크를 이용해 노출된 가공재의 포토레지스트의 상하 치수를 조절할 수 있다. 구리나 니켈과 같은 다른 부분흡수재를 사용할 수도 있다. 상하단층(160a~b)을 증발, CVD, 스퍼터링, PVD와 같은 기술로 증착하고, 에칭정지층(163)은 CVD로 증착할 수 있다.
도 7과 같은 2층 구조가 아닌 더 많은 층 구조도 이 과정을 이용해 반복적으로 제작할 수 있다. 두께 4nm의 이산화규소 층이면 에칭 정지에 충분함이 밝혀졌다.
상하단층(160a~b)과 에칭정지층(163)을 증착했으면, 제1 레지스트층(166)을 증착하고(도 7b) 패턴화하여 제1 개구부(168)를 형성한다(도 7c). 제1 레지스트층(166)은 포토레지스트이고, 이때의 패턴화는 마스크를 통해 UV광, 레이저빔이나 전자빔이나 X선 노출을 한 다음 현상에 의한다. 전술한 바와 같이, 스텐실스크린 인쇄나 롤-온 마스킹을 이용할 수도 있다.
도 7c와 같이, 제1 레지스트층(166)의 제1 개구부(168)에 일치되게 상단층(160a)을 에칭한다. 상단층이 크로뮴이므로 제1 개구부(168) 안을 Transene Chromium Etch TFE로 에칭해 상단층에 개구부(170)를 형성하고, 이 방법으로는 에칭정지층(163)의 이산화규소는 에칭되지 않고 에칭정지층과 하단층(160b)이 그대로 남게된다(도 7c).
이제 제1 레지스트층(166)을 벗겨내고 제2 레지스트층(176)을 증착하고 패턴화해 제2 개구부(178)를 형성한다(도 7d). 제2 개구부(178)는 상단층(160a)의 개구부(170) 안에 있다(도 7c~d). 제2 레지스트층(176)도 포토레지스트이다. 이때의 패턴화는 마스크를 통해 UV광, 레이저빔이나 전자빔이나 X선 노출을 한 다음 현상에 의한다. 전술한 바와 같이, 스텐실스크린 인쇄나 롤-온 마스킹을 이용할 수도 있다.
이제 제2 개구부(178)에 일치되게 에칭정지층(163)을 에칭한다(도 7d). 이산화규소 에칭정지층을 제2 개구부(178) 안에서 불화수소산으로 에칭해 개구부(180)를 형성한다(도 7e). 불화수소산은 크로뮴 하단층(160b)은 에칭하지 않고 크로뮴 상단층(160a)은 제2 레지스트층(176)의 보호를 받으므로, 어떤 크로뮴 층도 에칭되지 않는다(도 7e).
이제 제2 개구부(178)에 일치되게 하단층(160b)을 에칭한다(도 7f). 크로뮴 하단층(160b)이 제2 개구부(178) 안에서 Transene Chromium Etch TFE로 에칭되어 개구부(180)를 형성한다. Transene Chromium Etch TFE가 유리 기판(164)을 에칭하지 못하고 크로뮴 층(160a)이 제2 레지스트층(176)에 의해 보호되어, 둘다 영향을 받지 않는다(도 7f).
끝으로, 제2 레지스트층(176)을 벗겨내고 3개 구역만 남기고 멀티톤 레벨 포토마스크(190)가 완성된다. 기판(164)의 구역(192)에는 아무 층도 없고; 구역(194)에는 하단층(160b)과 에칭정지층(163)만 있으며, 구역(196)에는 상하단층(160a~b)과 에칭정지층(163) 모두 있다(도 7g). 어떤 구역에는 3개의 층(160a~b,163)이 계단식 패턴(198)으로 배열되어 있다.
멀티톤 레벨 포토마스크(50,120,120',190)는 층상이나 곡면 형상의 소자 제작에 사용된다. 예컨대, 도 8과 같은 에어로졸 노즐 어레이나 도 9와 같은 마이크로렌즈 어레이를 제작하는데 3층 멀티톤 레벨 포토마스크(120)를 사용한다.
에어로졸 노즐 어레이 제작을 위해, 전기도금 보조층(222)으로 코팅되고 포토레지스트(224)로 갖춘 가공재(220)가 3층 멀티톤 레벨 포토마스크(120)를 통과한 UV광에 노출된다(도 8a). 현상 뒤 포토레지스트(224)는 4층 계단 구조들(226) 사이에 공동(228)이 형성된 구조로 된다(도 8b). 4층 계단 구조(226) 중의 가장 낮은 계단은 높이 0.5㎛이고, 가장 큰 계단은 높이가 4㎛이다. 가장 높은 계단은 노즐의 구멍을 이루는 직경을 갖는다. 전기도금 보조층(222)은 스퍼터링된 니켈로서, 두께 1~2 mm 범위의 스퍼터링된 크로뮴 위에 5~500 nm 정도의 두께를 갖는다. 보조층(222) 나중에 전기도금 재료를 방출할 수 있다. 이런 보조층은 증발, 이온빔 증착, PVD 및 레이저 증착을 이용해 가공재(220)에 제공될 수 있다.
이제 도 8c와 같이 4층 계단식 포토레지스트 구조들(226)로 마스킹된 것처럼 도금 보조층(222)을 통한 전기도금을 위해 가공재(220)를 연결하고, 전기도금된 팔라듐니켈 합금이 구조들(226) 사이의 공동(228)을 채운다. 귀금속을 포함한 다른 금속이나 합금도 사용할 수 있다.
이제 아세톤을 이용해 포토레지스트(224,226)을 제거하면, 기판(220)에서 기계적으로 방출된 전기도금 팔라듐니켈 합금 노즐 어레이(230)가 남는다(도 8d). 이런 공정에 의해, 직경이 2.5~4.5 ㎛ 정도인 포토레지스트 구조(226)의 가장 높은 계단에 의해 형성된 구멍을 갖는 노즐이 형성된다.
마이크로렌즈 어레이 제작을 위해, 포토레지스트(254)로 덮인 가공재(250)가 3층 멀티톤 레벨 포토마스크(120)를 통과한 UV 광에 노출된다(도 9a). 가공재(250)는 용융실리카와 같은 재료로 이루어진다. 현상 뒤의 포토레지스트(254)는 3층 피라미드 구조들(254')을 갖는다(도 9b).
3층 피라미드 구조를 갖는 가공재(250)를 150℃ 정도로 가열해 3층 피라미드 구조(254')를 용융하여 용융실리카 가공재(250) 위에 렌즈형 포토레지스트 구역(254")을 형성한다.
렌즈형 포토레지스트 구역(254")을 갖는 가공재(250)를 반응성 이온에칭하여 용융실리카 가공재(250)로 변환시키면(도 9d), 가공재(250) 위에 마이크로렌즈 어레이(256)가 형성된다. 반응성 이온에칭 조건은 Trion Technology사의 Phantom II 이온에칭공구를 이용해 300W, CF4 45 ㎤/min, O2 5 ㎤/min, 40분간 200 mTorr이다.
3D 프린터를 사용해 도 6a와 같이 포토마스크용 안료폴리머 층을 증착할 수도 있다. 이 경우, 층들(7a'~e') 각각 1 내지 수십 ㎛ 범위의 두께를 갖는다. 모든 층들이 같은 두께와 투과율을 갖거나, 노출용 빔이 통과하는 층수에 맞게 층들의 투과율이 줄어들 수도 있다. 또, 빛을 흡수하는 안료폴리머의 두께에 따라 마스크 기판은 반사율이 높고 층마다 다른 반사율을 가질 수도 있다.
3D 프린터가 표준 잉크젯 프린터로서, 잉크 층들을 차례로 증착할 수도 있다. 잉크나 폴리머 결합제내의 안료나 염료 농도는 증착된 잉크층 각각이 80% 정도의 투과율을 갖도록 선택하거나, 5개 층을 투과한 빛이 차례로 5%씩 감쇠되어 65%의 각 층이 65%의 투과율을 갖도록 할 수도 있으며, 층마다 다른 자체 투과율을 갖도록 잉크를 인쇄하는데 사용되는 헤드를 다르게 사용할 수도 있다.
마스크를 통한 화학적증착을 이용하거나 마스크기판에 패턴화된 사전 층을 미리 증착하는 등의 다른 제조법을 이용해 멀티톤 레벨 포토마스크를 제작할 수도 있다. 예컨대, 도 11과 같이, 폴리머 액적을 공급하는 프린터를 이용해 흡광 폴리머에 계단식 패턴을 형성할 수도 있다. 다른 금속, 유전체, 폴리머, 2차원 재료, 그래핀, 기타 원하는 투과율이나 방사율을 갖는 다른 재료도 사용할 수 있다.
Claims (23)
- a. 마스크기판을 제공하는 단계; 및
b. 마스크기판 표면의 적어도 1개의 층에 계단식 패턴을 제공하는 단계;를 포함하고,
상기 계단식 패턴이 적어도 2개의 계단과 적어도 3개의 레벨을 가지며, 계단식 패턴에 빛을 조사했을 때 레벨마다 다른 광도를 제공하는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법. - 제1항에 있어서, 계단식 패턴을 제공하는 단계에서, 마스크기판에 폴리머 층을 제공한 다음 이 폴리머 층을 제거하거나 에칭하여 폴리머 층에 패턴을 형성하고, 폴리머 층의 상기 패턴은 제1 두께를 갖는 제1 부분과 제2 두께를 갖는 제2 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 제거가 스캐닝 레이저에 의한 레이저 제거를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 제거가 홀로그래픽 마스크에 의한 제거를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 에칭이 마스크를 통한 반응성 이온에칭이나 플라즈마 에칭을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 계단식 패턴을 제공하는 단계에서, 상기 마스크기판에 패턴화된 폴리머 층들을 추가로 제공하여 상기 계단식 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 계단식 패턴을 제공하는 단계에서,
a. 상기 마스크기판에 제1 블랭킷 층을 제공하고;
b. 상기 제1 블랭킷 층 위에 제2 블랭킷 층을 제공하며;
c. 상기 제1, 제2 블랭킷 층들을 에칭하여 제1 블랭킷 층의 제1 패턴과 제2 블랭킷 층의 제2 패턴을 포함하는 상기 계단식 패턴을 형성하며, 이때 상기 계단식 패턴은 제1, 제2 블랭킷 층들이 모두 없는 제1 구역, 제1 블랭킷 층만 있는 제2 구역, 및 제1, 제2 블랭킷 층들이 모두 있는 제3 구역을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법. - 제1항에 있어서, 계단식 패턴을 제공하는 단계에서,
a. 상기 마스크기판의 표면에 적어도 하나의 재료를 제공하고;
b. 상기 적어도 하나의 재료 위에 제1 레지스트를 제공하며, 상기 제1 레지스트내의 제1 개구부가 제1 레지스트를 완전히 관통하고, 상기 제1 개구부가 마스크기판의 표면을 따라 있는 제1 구역을 포함하며;
c. 상기 제1 개구부를 통해 상기 적어도 하나의 재료의 제1 에칭 패턴을 에칭하고, 상기 제1 에칭 패턴은 상기 적어도 하나의 재료 안으로 일부만 뻗고 이 재료의 나머지 부분은 남겨두며;
d. 상기 적어도 하나의 재료 위에 제2 레지스트를 제공하고, 제2 레지스트내의 제2 개구부가 제2 레지스트를 완전히 관통해 상기 제1 구역 위로 뻗으며;
e. 상기 제2 개구부를 통해 상기 적어도 하나의 재료에 제2 에칭 패턴을 에칭하고, 상기 제2 에칭 패턴은 상기 적어도 하나의 재료의 나머지 부분 안으로 일부 뻗어 마스크기판 위의 상기 적어도 하나의 재료에 상기 계단식 패턴을 제공하며, 상기 제2 에칭 패턴이 제1 에칭 패턴에 정렬되는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법. - 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 재료가 제1 재료와 제2 재료를 포함하고, 상기 제1 재료는 제1 에칭특성을 갖고 제2 재료는 제2 에칭특성을 가지며, 상기 제1 에칭특성과 제2 에칭특성이 서로 다르고, 이런 제1, 제2 에칭특성들에 의해 (c)의 에칭단계에서 제2 재료를 에칭하지 않고 제1 재료를 완전히 에칭할 수 있는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법.
- 제9항에 있어서, 상기 (e)의 에칭 단계에서 마스크기판을 에칭하지 않고 상기 제2 재료를 완전히 에칭하는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법.
- 제10항에 있어서, 상기 제1 재료가 제1 금속을 포함하고 제2 재료는 제2 금속을 포함하며, 상기 제2 금속은 마스크기판 표면의 계단식 패턴의 투과율과 반사율을 계단별로 연속적으로 증가시킬 정도로 얇은 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 제2 금속의 두께가 최대 300nm인 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법.
- 제9항에 있어서, 상기 제2 재료가 희생 에칭정지 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법.
- 제13항에 있어서, 상기 제1 재료가 희생 에칭정지 재료 위로 뻗고 제1 재료는 희생 에칭정지 재료 밑으로 뻗는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법.
- 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 재료가 제2 에칭특성과는 다른 제3 에칭특성을 갖는 제3 재료를 포함하고, 상기 제2, 제3 에칭특성들에 의해 (e)의 에칭단계에서 제3 재료를 에칭하지 않고 제2 재료를 관통 에칭하며, 아래 단계들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법:
a. (e) 단계 뒤에 상기 적어도 하나의 재료 위에 제3 레지스트를 제공하고, 제3 레지스트내의 제3 개구부가 제3 레지스트를 완전히 관통한채 상기 제2 구역 위로 뻗으며, 제3 개구부가 상기 표면을 따라 제3 구역을 포함하도록 하는 단계; 및
b.상기 제3 개구부를 통해 상기 적어도 하나의 재료에 제3 에칭 패턴을 에칭하며, 제3 에칭 패턴이 적어도 하나의 재료의 나머지 부분 안으로 적어도 부분적으로 뻗도록 하는 단계. - 제9항에 있어서,
a. 가공재를 제공하는 단계;
b. 상기 가공재 위에 포토레지스트를 제공하는 단계;
c. 상기 가공재의 포토레지스트를 노출시키는 광량을 마스크기판의 표면의 상기 계단식 패턴에 제공하는 단계; 및
d. 마스크에서 측정했을 때 그리고 상기 계단식 패턴에 빛을 비추었을 때 서로 광도들에 의거해 가공재의 포토레지즈트에 계단식 패턴을 형성하도록 현상을 하되, 상기 제2 에칭 패턴내의 가공재 표면에는 포토레지스트가 존재하지 않고, 제1 두께의 포토레지스트가 제2 에칭 패턴과 제1 에칭 패턴 사이에서 가공재 표면 위로 뻗으며, 제2 두께의 포토레지스트가 제1 에칭 패턴을 지나 가공재 표면 위로 뻗고, 제2 두께가 제1 두께보다 크도록 하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법. - 제16항에 있어서, 가공재의 포토레지스트의 상기 계단식 패턴을 소자에 전사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법.
- 제17항에 있어서, 포토레지스트의 계단식 패턴을 전사하는 단계에서 금속을 전기도금하는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법.
- 제18항에 있어서, 상기 레지스트를 제거하여 노즐 어레이를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법.
- 제19항에 있어서, 상기 금속이 귀금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법.
- 제19항에 있어서, 상기 노즐 어레이가 직경 2.5~4.5 ㎛의 구멍을 갖는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법.
- 제17항에 있어서, 포토레지스트의 계단식 패턴을 전사하는 단계에서 상기 레지스트를 가열해 렌즈 형상을 만들고 반응성 이온에칭을 하여 렌즈 어레이를 형성하는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법.
- 제17항에 있어서, 포토레지스트의 계단식 패턴을 전사하는 단계에서 반응성 이온에칭을 하여 회절 광학소자 어레이를 형성하는 것을 특징으로 하는 멀티톤 레벨 포토마스크의 제조방법.
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