JP2006011129A - 微細構造を有する光学素子の製造方法。 - Google Patents
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Abstract
【課題】可視域の波長より微細な周期で、断面が波型をなすレジストパターンを用いても、下層の被エッチング膜に同じ周期をも持たせ、しかも、アスペクト比が高くてエッチング形状が矩形を成す微細構造を有する光学素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】可視域の波長より微細な周期で、断面が波型を成すレジストパターンの下層に金属膜或は金属化合膜を少なくとも１層形成した構成において、金属膜或は金属化合膜をスパッッタリングし、波型を成すレジストパターンの側壁面に該金属膜或は金属化合膜を形成し、これをマスクとして下層の被エッチング膜をドライエッチングする。
【選択図】図１
【解決手段】可視域の波長より微細な周期で、断面が波型を成すレジストパターンの下層に金属膜或は金属化合膜を少なくとも１層形成した構成において、金属膜或は金属化合膜をスパッッタリングし、波型を成すレジストパターンの側壁面に該金属膜或は金属化合膜を形成し、これをマスクとして下層の被エッチング膜をドライエッチングする。
【選択図】図１
Description
本発明は、可視域の波長より微細な構造を有する光学素子の製造方法に関するものである。
従来、可視域の波長より微細な構造体の作製には半導体のフォトリソ工程が使用されてきている。即ち、Ｓｉウェハ等の基板上、或はＳｉウェハ等の基板上に成膜された誘電体膜、半導体膜、金属膜等の被エッチング材料上にスピンナー等により一様にフォトレジストを塗布する。次に、プレベーキング処理後、フォトレジストに微細構造の寸法に対応したパターンをステッパ等の露光装置により露光、現像し形成する。必要があればポストベーキング処理を施す。その後、このパターンをマスクとして下層の被エッチング材料を所望の深さにエッチングする。残ったフォトレジストを酸素アッシング等の方法により灰化、除去することにより微細構造をＳｉ基板或はＳｉ基板上に成膜された誘電体膜、半導体膜、金属膜に形成していた。
ドライエッチングにより被エッチング材料を所望の深さにエッチングしている間、フォトレジストもプラズマに晒されてエッチングされる。そのため、フォトレジストのパターン幅が除々に縮小・後退してしまい、その結果、被エッチング材料の微細形状は基板面と反対側の表面側で広がる傾向にあった。
この寸法変化の対策防止としては、使用する被エッチング材料やフォトレジスト材料、エッチングガス等を工夫して幾つかの方法が採られてきている。
その１つとして、非特許文献１には、フォトレジストのエッチングレートが被エッチング膜のエッチングレートよりも遅くなる、高選択比化が可能なフォトレジスト材料を使用する方法が記載されている。これはパターン幅の縮小、後退量を少なくするものである。或はポストベーキング温度、時間等を制御してフォトレジストそのもののプラズマ耐性を向上させるものもある。
２つ目として、非特許文献１には、エッチングガスにハイドロカーボン系等の重合性ガスを使用することで被エッチング材のエッチング側壁にハイドロカーボン等から成る薄い重合膜を形成しつつ深さ方向にエッチングを進めることも記載されている。重合膜は分子鎖が絡み合っているのでプラズマ耐性が強く、側壁でのエッチングによる横方向への進行を防止するものである。
２つ目として、非特許文献１には、エッチングガスにハイドロカーボン系等の重合性ガスを使用することで被エッチング材のエッチング側壁にハイドロカーボン等から成る薄い重合膜を形成しつつ深さ方向にエッチングを進めることも記載されている。重合膜は分子鎖が絡み合っているのでプラズマ耐性が強く、側壁でのエッチングによる横方向への進行を防止するものである。
３つ目として、特許文献１には以下のプロセスが記載されている。被エッチング膜をエッチングするガスに対してエッチング耐性が強い膜をフォトレジストパターンを含めた表面に一旦成膜する。次に、前記エッチング耐性膜に対し、今度はエッチングの容易なガスにてエッチングする。パターン側壁面に成膜した膜は基板面に対しほぼ垂直であるため、基板に対し垂直方向に入射するエッチングガスに対しては、エッチング面積が狭くなるので、充分にエッチングされず、側壁にエッチング耐性の強い膜が取り残される。これによりドライエッチング中におけるフォトレジストの横方向への後退を防止するものである。
半導体ドライエッチング 徳山 編著 産業図書（平成７年１月３０日）
特開平０７−０８６２４４号公報
しかしながら、微細構造において、フォトレジストのパターン幅がドライエッチング中に除々に縮小・後退してしまうことに適応し得る、これらの対策防止はマスクパターンの側壁形状が被エッチング面に対しできるだけ垂直で、しかも、１０００ｎｍ程度の厚みを有するような断面が矩形形状を成すレジストパターンに限られていた。
微細化周期が可視域の波長より微細になり、断面が波型をなすようなフォトレジストパターンにおいては、厚みが薄く（≦２００ｎｍ）、しかも、側壁が基板面に対し傾斜を有する形状となる。このような、断面が波型を成すレジストパターンでは下層の被エッチング膜をアスペクト比が高くて矩形形状を有する断面形状にエッチングできないという欠点があった。
本発明の第１の目的は、可視域の波長より微細な周期で、断面が波型を成すレジストパターンを用いても、下層の被エッチング膜に同じ周期を持たせて、しかも、アスペクト比が高くてエッチング形状が矩形を成す微細構造を有する光学素子の製造方法を提供することにある。
又、本発明の第２の目的は、可視域の波長より微細な周期で、断面が波型を成すレジストパターンから、下層の被エッチング膜にレジストパターンのスペース幅より狭いスペースを持たせたアスペクト比が高く、エッチング形状が矩形を成す微細構造を有する光学素子の製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明は、可視域の波長より微細な周期で、断面が波型を成すレジストパターンの下層に金属膜或は金属化合膜を少なくとも１層形成した構成において、該金属膜或は金属化合膜をスパッッタリングし、波型を成すレジストパターンの側壁面に該金属膜或は金属化合膜を形成し、これをマスクとして下層の被エッチング膜をドライエッチングすることを特徴とする。
上記構成において、可視域の波長より微細な周期で、断面が波型を成すレジストパターンの下層に金属膜或は金属化合膜を少なくとも１層形成した構成において、該金属膜或は金属化合膜をスパッッタリングし、波型を成すレジストパターンの側壁面に該金属膜或は金属化合膜を形成させる手段はフォトレジストのパターン幅がドライエッチング中に除々に縮小・後退するのを防ぐように動作する。
又、本発明は、レジストパターンの下層に設けた金属膜或は金属化合膜をスパッタリングする際、該金属膜或は金属化合膜のスパッタ形状が深さ方向に傾斜を持つようにさせながら、波型を成すレジストパターンの側壁面に該金属膜或は金属化合膜を形成させる手段は、レジストパターンから同じピッチでありながらスペースがより狭いマスクパターンを作製するように動作する。
本発明によれば、可視域の波長より微細な周期で、断面が波型を成すフォトレジストパターンを用いても深さ方向に急峻な傾斜を持たせたアスペクト比が高くて、エッチング形状が矩形を成す微細構造を有する光学素子を作製することができる。
又、本発明によれば、可視域の波長より微細な周期で、断面が波型を成すフォトレジストパターンから、同じピッチでありながらスペースがより狭く、アスペクト比が高くて、エッチング形状が矩形を成す微細構造を有する光学素子を作製することができる。
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
清浄な面を有するシリコン基板を通常の熱酸化炉に投入して表面に熱酸化膜を作製する。冷却後取り出して、通常のスパッタ装置に移し、Ａｌ金属膜をＡｌをターゲットにしてスパッタ成膜する。真空槽を大気開放した後、通常のスピンナーに移しＡｌ膜面にフォトレジストを塗布する。必要があれば反射防止膜等の処理を施しておいても良い。
プリベーク処理後、干渉露光法にてフォトレジストに可視域の波長より微細なパターンを露光、現像して、Ａｌ膜面にフォトレジストパターンマスクを作製する。このときに作製されるマスクは可視域の波長より微細な周期で、断面が波型を成している。通常のステッパ等を用いた、所謂縮小投影露光法により作製できる矩形形状を有する断面とは異なる。断面が波型を成すので厚みも１５０ｎｍと薄くなる。
次に、ドライエッチング装置に基板を設置してエッチングを行う。このとき、化学的エッチングよりも物理的エッチング、即ちスパッタ効果を強めにしてエッチングを行う。これにより、下層のＡｌ膜はスパッタされながらフォトレジストの側壁面に付着堆積するので、フォトレジストの横方向へのエッチング、縮小、後退に対し、丁度キャンセルするように働く。
結果としてマスクパターンの横寸法はエッチング前の寸法から大きくは変化せずに、側壁にＡｌ膜が付着した状態で熱酸化膜面までエッチングされる。これにより、Ａｌ膜のエッチング側面は基板面に対し垂直性の良い、良好なメタルマスクが作製されることになる。
次に、イオン性エッチングの高いエッチングガス及びエッチング条件にて熱酸化膜を基板面までエッチングする。エッチング形状はＡｌマスクの良好な形状を踏襲し、垂直性の良い矩形形状が得られた。
次に、残存レジストを酸素アッシングにて灰化除去した後、Ａｌ膜をウエットエッチングで除去し純粋洗浄・置換乾燥工程を経ることで、可視域の波長より微細な周期で、その断面が矩形形状を成し、高アスペクト比から成る微細構造体を有する光学素子を作製できた。
＜実施の形態１＞
図１は本発明の特徴を最も良く表す概略工程を示す断面図であり、同図１の工程（ａ）において１は基板であるところのシリコン基板。２はシリコン基板面上に形成した被エッチング膜であるところの熱酸化膜である。３は被エッチング膜面上に成膜した金属膜であるところのアルミー銅合金薄膜。４はアルミー銅合金薄膜面上に形成した可視域の波長より微細な周期で、断面が波型を成すフォトレジストパターンである。
図１は本発明の特徴を最も良く表す概略工程を示す断面図であり、同図１の工程（ａ）において１は基板であるところのシリコン基板。２はシリコン基板面上に形成した被エッチング膜であるところの熱酸化膜である。３は被エッチング膜面上に成膜した金属膜であるところのアルミー銅合金薄膜。４はアルミー銅合金薄膜面上に形成した可視域の波長より微細な周期で、断面が波型を成すフォトレジストパターンである。
図１の工程（ｂ）において５は波型フォトレジストパターン４をマスクとして下層のアルミー銅合金薄膜をスパッタエッチングさせたところのアルミー銅合金薄膜マスクパターン。
６は波型を成すレジストパターンの側壁面に金属膜或は金属化合膜としてアルミ−銅合金薄膜３をスパッタエッチングして形成させたところのアルミ−銅合金側壁膜である。図１の工程（ｃ）において、７はアルミ−銅合金側壁膜６とアルミ−銅合金薄膜マスクパターン５をマスクとしてエッチングしたところの可視域の波長より微細な周期で、アスペクト比が高く、矩形形状を有する形状に熱酸化膜２をエッチングしたところの微細構造を有する熱酸化膜である。
８は熱酸化膜２を微細構造を有する熱酸化膜７にエッチングしている祭にエッチングされた可視域の波長より微細な周期で、断面が波型を成すフォトレジストパターン４のエッチング除去後の形状を示すエッチング後のレジスト残パターンである。
図１の工程（ｄ）において、９はエッチング後のレジスト残パターン８とアルミ−銅合金薄膜マスクパターン５及びアルミ−銅合金側壁膜６を取り除いた後の、フォトレジストパターン４と同じ周期を持ち、アスペクト比が高く、エッチング形状が矩形を成す微細構造を有する光学素子である。
次に、図１を用いて具体例を詳細に説明する。
先ず、φ４インチ、厚み５２５μｍから成るシリコン基板１を洗浄、乾燥して清浄な鏡面を得る。次に、このシリコン基板１を一般の熱酸化炉に投入して鏡面側には厚さ５００ｎｍから成る均一な熱酸化膜２を一様に形成させる。次に、一般のスパッタ装置に移し、熱酸化膜２上にアルミ−銅合金膜３を厚さ２００ｎｍになるように不活性ガスを導入しながらアルミ−銅合金ターゲットをスパッタしてアルミ−銅合金薄膜３を成膜する。
次に、スピンナーに移してアルミ−銅合金膜３上にフォトレジストが一様な厚み１２０ｎｍになるように塗布形成する。
通常仕様のプリベーク処理後、干渉露光法にて可視域の波長より微細な周期で、断面が波型を成すライン＆スペースが１３０ｎｍから成るフォトレジストパターン４を露光・現像にて形成する。次に、一般的な仕様にてポストベーク処理を行い、図１（ａ）に示すような構成を作製した。
次に、ＥＣＲエッチング装置に移し、チャンバー内にＡｒガスを３ｓｃｃｍ導入しながらアルミ−銅合金薄膜３をスパッタエッチングしてフォトレジストパターン４の側壁にアルミ−銅合金側壁膜６を付着形成させた。
これによりフォトレジストパターン４の周期に対応した周期で、ほぼ矩形形状を保ったアルミ−銅合金薄膜マスクパターン５が図１（ｂ）に示すように形成される。フォトレジストパターン４は、アルミー銅合金薄膜３のドライエッチング中にダメージを受け、側壁は僅かに除去され後退するが、それと同時にアルミ−銅合金薄膜３がスパッタされ、側壁膜６として付着形成されるためライン＆スペース幅としては大きくは変わらない。このときの側壁膜厚は約３０ｎｍであった。又、頂部もエッチングダメージを受け、フォトレジストパターン４の厚みは薄くなる。
次に、エッチングガスをＣＨＦ３ガスに変えてアルミ−銅合金薄膜マスクパターン５とその上のフォトレジストパターン４とが積層した状態でアルミ−銅合金薄膜マスクパターン５の下層にある熱酸化膜２を所定時間ドライエッチングした。この概略状態を図１（ｃ）に示す。
アルミ−銅合金側壁膜６とアルミ−銅合金薄膜マスクパターン５は熱酸化膜２に対し高選択比を示すため、ほぼドライエチング前の形状を保っているが、フォトレジストパターン４は選択比が高くないので殆どエッチングされてしまい、エッチング後のレジスト残パターン８が僅かに残る。
次に、エッチングチャンバー内に酸素を導入しながら残ったフォトレジストを灰化処理する。その後、エッチング装置から取り出してアルミ−銅合金剥離液に浸漬してアルミ−銅合金薄膜マスクパターン５とアルミー銅合金側壁膜６を熱酸化膜面から除去する。次に、通常の置換洗浄、乾燥にて図１（ｄ）に示すようなフォトレジストパターンと同じライン＆スペースが１３０ｎｍ周期から成り、アスペクト比が３．８と高く、エッチング形状が矩形を成す微細構造を有する光学素子９を得た。
本実施の形態によれば、アルミー銅合金側壁膜６をフォトレジストパターン４の側壁面に付着形成するため、フォトレジストパターンの除去、後退がしにくくなる。これによりアルミ−銅合金薄膜パターンの側壁面が下層の被エッチング膜に対し垂直に近い角度を有するように形成される。結果として被エッチング膜の側壁面が下地のシリコン基板に対し垂直化するので、高いアスペクト比で且つ、矩形形状を有した微細構造を有する光学素子が得られるという効果がある。
＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２を図２の（ｅ）〜（ｈ）の概略断面図から成る工程図にて説明する。
本発明の実施の形態２を図２の（ｅ）〜（ｈ）の概略断面図から成る工程図にて説明する。
厚さ６５０μｍから成る石英基板１０を実施の形態１と同様に洗浄、乾燥させた清浄な平滑面にスパッタリングにて膜厚４００ｎｍから成るＴｉＯ2膜１１を一様に形成した。ここでＴｉＯ2膜は通常のスパッタ装置にてターゲットにＴｉ金属を用いＡｒ不活性ガスとＯ2ガスを適切な割合で導入しながら基板温度２５０℃にてスッパッタすることで所望の屈折率を有する膜とした。
次に、そのままスパッタ装置内でターゲットをＡｌに変え、実施の形態１と同様に不活性ガスを導入しながらアルミターゲットをスパッタして膜厚２００ｎｍから成るアルミ薄膜１２をＴｉＯ2膜１１上に一様に形成した。
次に、スピンナーに移してアルミ膜上にフォトレジストが一様な厚み１２０ｎｍになるように塗布形成し、通常仕様のプリベーク処理を行った。
次に、干渉露光法にて可視域の波長より微細な周期で、断面が波型を成すライン＆スペースが１５０ｎｍから成るフォトレジストパターン１３を露光・現像工程を経て形成する。次に、一般的な仕様にてポストベーク処理を行い、図２（ｅ）に示すような構成を作製した。
次に、ＩＣＰエッチング装置に移し、チャンバー内にＡｒガスを３０ｓｃｃｍ導入しながらアルミ薄膜１２をスパッタエッチングしてフォトレジストパターン１３の側壁にアルミ側壁膜１５を付着形成させた。
このとき、アルミ薄膜１２のエッチング形状が下層側で狭くなるように、その他のスパッタエッチング条件を選択した、ここでは、ＴｉＯ2膜１１との境界面でアルミ薄膜１２のスペース幅が３０ｎｍになるよに制御した。
これによりフォトレジストパターンのピッチに対応したピッチを保ちつつ、スペースが極めて狭いアルミ薄膜マスクパターン１４が図２（ｆ）に示すように形成される。
フォトレジストパターン１３はアルミ薄膜１２のドライエッチング中にダメージを受け、側壁は僅かに除去され後退するが、それと同時にアルミ薄膜１２がスパッタされ、側壁膜１５として付着形成されるため、ライン＆スペースの幅は大きくは変化しない。このときの側壁膜厚は約４０ｎｍであった。又、頂部もエッチングダメージを受けフォトレジストの厚みは薄くなる。
次に、エッチングガスをＳＦ6ガスに変えてアルミ薄膜マスクパターン１４とその上のフォトレジストパターン１３とが積層した状態でアルミ薄膜マスクパターン１４の下層にあるＴｉＯ2膜１１を所定時間ドライエッチングした。この概略状態を図２（ｇ）に示す。これによりＴｉＯ2膜１１はフォトレジストパターン１３のスペース幅より極めて狭いスペース幅にエチングされ、アスペクト比が高く、矩形形状を成す微細構造を有するＴｉＯ2膜１６となる。
アルミ側壁膜１５とアルミ薄膜マスクパターン１４はＴｉＯ2膜１１に対し適度の選択比を示すためにドライエチング前の形状をほぼ保っているが、フォトレジストパターン１３は選択比が高くないので殆どなくなり、フォトレジスト残部１７として少し残る。
次に、エッチングチャンバー内に酸素を導入しながら残ったフォトレジスト残部１７を灰化処理する。
その後、エッチング装置から取り出してアルミ剥離液に浸漬してアルミ薄膜マスクパターン１４とアルミ側壁膜１５をＴｉＯ2の膜面から除去する。
次に、通常の置換洗浄、乾燥にて図２（ｈ）に示すような、フォトレジストパターン１３よりスペースが３０ｎｍと極めて狭く、エッチング形状が矩形を成す微細構造を有する光学素子１８を得た。
本実施の形態によれば、露光、現像にて得た、可視域の波長より微細なライン＆スペースを有するフォトレジストパターンから、同じピッチでありながら極めて狭いスペースを有する微細構造を有する光学素子が得られるという効果がある。
１ シリコン基板
２ 熱酸化膜
３ アルミ−銅合金薄膜
４ フォトレジストパターン
５ アルミ薄膜マスクパターン
６ アルミ側壁膜
７ 微細構造を有する熱酸化膜
８ エッチング後のレジスト残パターン
９ 微細構造を有する光学素子
１０ 石英基板
１１ ＴｉＯ２ 膜
１２ アルミ薄膜
１３ フォトレジストパターン
１４ アルミ薄膜マスクパターン
１５ アルミ側壁膜
１６ 微細構造を有するＴｉＯ２ 膜
１７ フォトエレジスト残部
１８ 微細構造を有する光学素子
２ 熱酸化膜
３ アルミ−銅合金薄膜
４ フォトレジストパターン
５ アルミ薄膜マスクパターン
６ アルミ側壁膜
７ 微細構造を有する熱酸化膜
８ エッチング後のレジスト残パターン
９ 微細構造を有する光学素子
１０ 石英基板
１１ ＴｉＯ２ 膜
１２ アルミ薄膜
１３ フォトレジストパターン
１４ アルミ薄膜マスクパターン
１５ アルミ側壁膜
１６ 微細構造を有するＴｉＯ２ 膜
１７ フォトエレジスト残部
１８ 微細構造を有する光学素子
Claims (2)
- 可視域の波長より微細な周期で、断面が波型を成すレジストパターンの下層に金属膜或は金属化合膜を少なくとも１層形成した構成において、該金属膜或は金属化合膜をスパッッタリングし、波型を成すレジストパターンの側壁面に該金属膜或は金属化合膜を形成し、これをマスクとして下層の被エッチング膜をドライエッチングすることを特徴とする微細構造を有する光学素子の製造方法。
- レジストパターンの下層に設けた金属膜或は金属化合膜をスパッタリングする際、該金属膜或は金属化合膜のスパッタ形状が深さ方向に傾斜を持つようにさせながら、波型を成すレジストパターンの側壁面に該金属膜或は金属化合膜を形成し、これをマスクとして下層の被エッチング膜をドライエッチングすることを特徴とする請求項１記載の微細構造を有する光学素子の製造方法。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020017270A1 (ja) * | 2018-07-19 | 2020-01-23 | コニカミノルタ株式会社 | 金属マスクの製造方法と金属マスク、及び高アスペクト比回折格子の製造方法と高アスペクト比回折格子 |
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2004
- 2004-06-28 JP JP2004189468A patent/JP2006011129A/ja not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2020017270A1 (ja) * | 2018-07-19 | 2020-01-23 | コニカミノルタ株式会社 | 金属マスクの製造方法と金属マスク、及び高アスペクト比回折格子の製造方法と高アスペクト比回折格子 |
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