(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンデンサーレンズにより集光された紫外線をフォトマスクに照射し、前記フォトマスクを透過して拡がった紫外線を投影レンズによって集光し、前記フォトマスクのパターンを焦点面で結像する構造における、前記焦点面と、基板上に形成されたポジ型紫外線感光性材料の相対位置を変化させて、前記紫外線感光性材料を前記フォトマスクのパターンに紫外線露光した後、前記紫外線感光性材料を現像して、側壁に、上記相対位置に応じた傾斜面を有する断面形状が台形の前記紫外線感光性材料のパターンを形成する工程と、
形成した前記紫外線感光性材料の前記パターンを含む前記基板上に電鋳モールドして、前記パターンの側壁の傾斜面形状を反映した抜き勾配の形成された電鋳モールドパターンを形成した後、前記紫外線感光性材料の前記パターンを前記基板とともに剥離する工程を、含み、
前記相対位置は、
前記焦点面が前記紫外線感光性材料と基板の界面位置と一致するフォーカス状態からずれて、光軸に沿って前記基板を動かしたデフォーカス状態の前記界面位置までの、焦点面からの距離について、
基板が投影レンズから遠ざかる方向及び近づく方向のいずれにおいても、前記距離を大にすればするほど、前記傾斜面の傾斜角度が大きくなる関係を有するものであり、
前記距離により、前記抜き勾配の形状に反映される前記傾斜面の傾斜角度を調整することを特徴とする側壁に傾斜面を有する電鋳モールドパターンの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外線露光方法、紫外線露光装置及び電鋳モールドパターンの作製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体ＩＣ製造技術ではＳｉ基板の表面で成膜、リソグラフィー、エッチングを繰り返しながら、電子回路を形成する。一方、半導体ＩＣ製造技術から派生したＭｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ (ＭＥＭＳ)製造技術では、基板表面においてマイクロ構造体を加工する表面マイクロマシニングの他に、基板自体をエッチングし、高アスペクト比（アスペクト比＝パターン深さ÷パターン幅）の三次元的な自立、可動マイクロ構造体（厚み：数μｍ以上）を作製するバルクマイクロマシニングがある。バルクマイクロマシニングの中には、厚膜成膜やディープエッチング、犠牲層エッチング等のＭＥＭＳ特有の技術も含まれている。ＭＥＭＳ製造技術は、アクチュエータ、センサー、スイッチ、バルブなどの電気、光、バイオデバイスの各種構成要素を加工する際に利用され、既に自動車やディスプレイ、医療用検査装置等に幅広く利用されている。
【０００３】
近年では、紫外線リソグラフィーや電子ビーム描画によって、線幅の小さい微細パターンが紫外線感光性材料であるレジストに転写されるようになった。これらのパターニング技術とＭＥＭＳ製造技術を組み合わせて、マイクロ・ナノ成形用の高精細なモールドが作製されている。特にＮｉを主な材料とした高アスペクト比対応の電鋳技術が発達し、高精細な電鋳Ｎｉモールドが開発されている。これらのモールドを用いてマイクロ微細構造体を量産するのは、ホットエンボッシング、射出成形、ナノインプリント等の成形技術である。
【０００４】
成形構造体の形状を決定するのは、Ｎｉ電鋳用マスターを作製する各種パターニング技術である。しかし、最終成形品の品質に決定的な影響を及ぼす工程は、成形技術における離型工程である。特にモールドのパターン側壁が垂直な場合、成形パターンとモールドパターン間には離型時に大きな摩擦力が働き、成形パターンが破壊、もしくは変形する等の深刻な欠陥を発生させる。モールドのパターン面にフッ素系離型剤を塗布し、離型抵抗力を低減する方法があるが、この手法は全ての成形条件やパターン形状に適応できるほど万能な解決策ではない。パターンサイズがミリメータ以上の比較的大きなパターンを有するモールドでは、モールドパターンの側壁に抜き勾配が切削加工や放電加工によって付与されている。しかし、マイクロ・ナノサイズの高精細モールドに、現在の機械加工技術によって抜き勾配を加工することは非常に困難である。そこで、パターニング技術によって電鋳マスターを作製する際にマスターパターンの側壁に勾配を付けて、離型抵抗力を低減する試みがなされている。
【０００５】
紫外線露光方法においてレジストにパターンを転写し、現像によって微細構造体を形成する際にパターンの側壁に傾斜面を付与する方法として、グレートーンマスクや紫外線の回折効果を利用した手法がある。前者では、紫外線吸収体の厚みや材質を変化させて、レジストに照射される紫外線の光量を制御する。その結果、レジスト表面からの感光深さに分布が生じ、現像によって溶解するレジストの深さに変化が生じる。
この手法ではフォトマスクの精度が重要であり、グレートーンマスクの作製には特殊な技術が必要とされる。この手法を用いてポジ型レジストによる自由曲面レンズを作製する手法や、半導体基板上に傾斜角が緩やかなネガ型レジストパターンを転写して良質な再配線層を形成する手法が特許文献１、２などにおいて開示されている。また後者は、等倍露光方法において、フォトマスクとレジスト表面間のギャップを通常よりも拡げて露光し、紫外線の回折効果を利用してレジスト構造体の側壁を傾斜させる方法である。この手法を用いて、高輝度な導光板を製造するために、レジスト構造体の側壁に傾斜面を付与する手法が特許文献３において開示されている。
【０００６】
ホットエンボッシングやナノインプリントに代表される精密成形技術では、工程時間の短縮、離型工程時の成形パターンの保護、モールドの寿命延長等を目的に、モールドのパターン側壁に傾斜面を付与し、離型工程時の抵抗力を低減することが重要とされている。前述の方法の中で、グレートーンマスクを利用する方法は、形成される傾斜角を予め予測した上でマスクパターンを設計しなければならず、マスク自体が高価となり、傾斜角も一義的に定まってしまう。一方、紫外線の回折効果を利用した手法では、紫外線等倍露光装置の平行化された紫外線を用いて、フォトマスクとレジスト層との距離だけでパターン側壁の傾斜角を制御する。しかし、マスクパターンが微細になり、パターン幅が紫外線の波長と同等もしくはそれ以下の大きさになると、光の回折効果は利用できなくなる。また、異なる線幅のパターンで構成されたフォトマスクでは統一された傾斜角度を実現することは原理的に難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６―１５６５１５号公報
【特許文献２】特許２００３―２３４２８３号公報
【特許文献３】特開２００７―１４９５７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、側壁に勾配を形成するのが困難なマイクロ・ナノパターンに対して、レジストパターンの側壁に任意の角度で傾斜面を付与できる紫外線露光方法、紫外線露光装置を提供することである。
本発明の他の課題は、レジストパターンの側壁に任意の角度で傾斜面を付与できる紫外線露光方法を用いた電鋳モールドパターンの作製方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題は次のような手段により解決される。
（１）紫外線の集点と紫外線感光性材料の相対位置を変化させて該紫外線感光性材料をパターンに露光し、該紫外線感光性材料を現像することにより、側壁に上記相対位置に応じた傾斜面を有する該紫外線感光性材料のパターンを形成することを特徴とする紫外線露光方法。
（２）紫外線の集点と基板上に形成された紫外線感光性材料の相対位置を変化させて該紫外線感光性材料をフォトマスクのパターンに露光するステップと該紫外線感光性材料を現像するステップとを含み、側壁に上記相対位置に応じた傾斜面を有する紫外線感光性材料のパターンを形成することを特徴とする紫外線露光方法。
（３）上記（２）に記載の露光方法を実施する紫外線露光装置であって、紫外線の集点と紫外線感光性材料の相対位置を変化させる機構は、紫外線感光性材料が形成された基板が挿入でき、紫外線の光軸に対して直交するように基板を配置でき、基板を紫外線の光軸上の任意の位置に固定できるようにしたことを特徴とする紫外線露光装置。
（４）上記（２）請求項２に記載の露光方法により得られた紫外線感光性材料のパターンを含む基板上に電鋳モールドし、電鋳モールドパターンを形成した後、該紫外線感光性材料のパターンを基板とともに剥離することを特徴とする側壁に傾斜面を有する電鋳モールドパターンの作製方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、側壁に勾配を形成するのが困難なマイクロ・ナノパターンに対して、紫外線投影露光の焦点に対するレジスト塗布基板の相対位置を変化させることによって、レジスト構造体の側壁に任意の角度で傾斜面を付与できる。
また現像後のレジストパターンをマスターとした電鋳によって、抜き勾配を有する高精細モールドが安価に作製できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明を実施する紫外線露光装置の光学系配置図
【図２】本発明に係る紫外線露光方法における焦点とレジスト塗布基板との相対位置関係図
【図３】本発明に係る紫外線露光方法におけるレチクル透過後の紫外線強度分布と現像後のレジスト構造体形状の関係
【図４】本発明に係る紫外線露光方法で加工したＳ１８３０レジストパターンの走査型電子顕微鏡断面写真
【図５】本発明に係る紫外線露光方法におけるＦｏｃｕｓ ｏｆｆｓｅｔ値とＳ１８３０レジストパターン側壁の傾斜角度の関係
【図６】本発明に係る紫外線露光方法で加工したＳ１８３０レジストパターンをマスターとした電鋳モールドの作製工程図
【図７】本発明に係る紫外線露光方法で加工したＳ１８３０レジストマスターと電鋳Ｎｉモールドパターンの走査型電子顕微鏡断面写真
【図８】本発明に係る紫外線露光方法におけるＦｏｃｕｓ ｏｆｆｓｅｔ値とＳ１８３０レジストマスターと電鋳Ｎｉモールドパターン側壁の傾斜角度の関係
【図９】本発明に係る紫外線露光方法で加工した電鋳Ｎｉモールドパターン側壁の傾斜角度とホットエンボッシングの離型工程での離型抵抗力の関係
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明者らは、縮小投影による紫外線露光装置（ＵＶステッパー装置、実施例では１：１露光）を用いて、ＵＶステッパー内の光学系で集光された紫外線ビームの強度分布とレジスト内の解像プロファイルとの関係を積極的に活用し、ＵＶステッパー装置内のＦｏｃｕｓｏｆｆｓｅｔ値を変化させることで、高精度かつ簡便にレジストパターンの側壁に傾斜面を付与できると考え、本発明に至った。特に、レジスト塗布基板が投影レンズ側に近づくようにＦｏｃｕｓ ｏｆｆｓｅｔ値を変化させると、レジストパターンの側壁の傾斜角度は精度良く制御することができる。
このようにして作製したレジストマスターを基に、電鋳技術等によってモールドを製作すれば、金属製のモールドパターンの側壁に抜き勾配を付与することができる。本手法に用いるマスクはＵＶステッパー装置に用いられる一般的なフォトマスク（レチクル）で充分であり、特別な製造コストは必要ない。
【００１３】
まず、図１を参照しながら、紫外線露光方法について説明する。等倍露光では平行光をフォトマスクに照射し、パターン化された平行紫外線がレジスト表面に照射される。一方、投影露光では、図１に示したように、水銀ランプから発生した紫外線は、シャッター、ミラー、フィルター、レンズ等の光学系によって集光され、最終的にはレジストに照射される。
レチクル面に照射される紫外線はコンデンサーレンズ１によって集光される。レチクル２にはレジストに転写されるパターンが描画されており、レチクルを透過した紫外線は拡がりながら投影レンズ４に導入され、再び集光する。
露光装置の性能を評価する指標として解像度と焦点深度（ＤＯＦ）が挙げられる。解像度は転写可能な最小パターン幅を意味し、紫外線の波長に比例し、レンズ開口数に反比例する。焦点深度は焦点をずらした時に許容できる解像度の範囲を意味し、紫外線の波長に比例し、レンズ開口数の累乗に反比例する。
通常のＵＶステッパーでは、図１に示したように焦点がレジストと基板との界面に来るように基板の位置を調整する。
【００１４】
次に図２を参照しながら、紫外線投影露光における焦点と基板の位置関係について説明する。対物面（レチクル面）から拡がった紫外線は投影レンズ９によって集光され、対物面８のパターンは焦点面１２で結像する。
この焦点面から光軸に沿って上下にレジスト塗布基板を動かすと、デフォーカス状態でパターンが転写される。焦点面からデフォーカス面１１、１４までの距離をＦｏｃｕｓ
ｏｆｆｓｅｔと呼び、プラスの値は基板が投影レンズから遠ざかる方向を示し、マイナスの値は基板が投影レンズに近づく方向を示す。前述のようにＭＥＭＳ製造技術ではバルクのＳｉ基板を加工する場合もあるため、比較的厚く塗布されたレジスト層を感光させる必要がある。従って、半導体ＩＣ製造に用いられるステッパーと比べて焦点深度が深い。レチクルを透過した紫外線の強度分布が最良となるように、焦点をレジスト膜厚の中間位置に置くことができるため、Ｆｏｃｕｓ ｏｆｆｓｅｔの±方向に利用可能な領域が拡がる。
しかし、一般的にデフォーカスの状態では、投影パターンの鮮明さとコントラストが劣化し、解像度が落ちて露光余裕度が制限される。従って、デフォーカスはフォーカスエラーとも呼ばれ、通常のＭＥＭＳプロセスでは欠陥として扱われる。
【００１５】
図３は紫外線投影露光におけるデフォーカス状態が、ポジ型レジストパターンの形状に与える影響を模式的に示した図である。焦点が基板とレジストの境界にある(c)の場合、レチクルを透過し、レジストに照射される紫外線の強度分布は、レチクルパターンを反映しながら、最大の強度でレジストに進入する。通常のポジ型レジストは焦点位置での露光において、パターン側壁が垂直になるように設計し、製造されている。しかし、レジストと基板の界面位置を焦点からずらしてデフォーカス状態にすると、レジストに照射される紫外線の強度分布は減少する。Ｆｏｃｕｓ ｏｆｆｓｅｔが大きくなればなるほど、レジストに照射される紫外線の強度は減少し、レジスト内の感光深さも浅くなる。特にレジスト側壁は、光の干渉効果も相まって、デフォーカスの影響が発現しやすく、比較的容易にレジスト側壁が傾斜してしまう。
このデフォーカス状態を意図的に作り出し、パターン形状の欠陥として現れる傾斜側壁の角度を制御すれば、レジストパターンに任意の傾斜面を付与できる手法となる。
【実施例】
【００１６】
［実施例１：ポジ型レジスト（Ｓ１８３０）を用いたパターン側壁の傾斜面付与］
最初に、４インチＳｉ基板上に厚み４μｍのポジ型レジストＳ１８３０（ＳｈｉｐｌｅｙＣｏｍｐａｎｙ Ｌ.Ｌ.Ｃ）をスピンコートした。次にオーブンにて２０分間１２０℃でベークした後、ＵＶステッパー１５００ＭＶＳ Ｒ―ＰＣ ｓｙｓｔｅｍ（Ｕｌｔｒａｔｅｃｈ Ｉｎｃ.)によってレチクルを透過した紫外線をレジスト上に照射した。この実験では２０ｍｍ角フィールド内のマスクパターンを１：１で転写させたので、Ｓｉウエハー上に１２ショットの露光が可能であった。
【００１７】
投影露光時にはＦｏｃｕｓ ｏｆｆｓｅｔを−４、−２、０、＋２、＋４μｍと変化させた。レチクルの１フィールド内には線幅が２μｍから２００μｍのライン／スペースパターンや、幅が５μｍと１０μｍの角ドットパターン、直径が５μｍと１０μｍの丸ドットパターンを配置した。感光したレジスト塗布基板は、Ｍｉｃｒｏｐｏｓｉｔ ＭＦ‐３１９（Ｓｈｉｐｌｅｙ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌ.Ｌ.Ｃ）によって５分間現像した後に、純水で洗浄してスピンドライヤーで乾燥した。
線幅２μｍ、５μｍ、１０μｍの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面写真を図４に示す。線幅に依らず、デフォーカス状態で投影露光されたパターンの側壁に傾斜面が形成されているのが確認できる。
【００１８】
図５は図４のＳＥＭ観察からＳ１８３０レジストパターン側壁の傾斜角度を測定してプロットした結果である。焦点位置であるＦｏｃｕｓ ｏｆｆｓｅｔ＝０の露光条件でも、レジストパターンの側壁は線幅２μｍで４.７°傾斜しており、線幅１０μｍでは６.０°傾斜していた。本実験で使用したＵＶステッパー１５００ＭＶＳ Ｒ―ＰＣ ｓｙｓｔｅｍでは、パターン幅が１μｍの場合、焦点深度は３μｍである。従って、当該装置で垂直な側壁を有するレジストパターンを形成するには、３μｍのレジスト膜厚が限界である。本実験で塗布されたレジストの厚み（４μｍ）は焦点深度を上回っているため、Ｆｏｃｕｓ ｏｆｆｓｅｔ＝０の露光条件でも、レジスト側壁は垂直にならない。Ｆｏｃｕｓ ｏｆｆｓｅｔをマイナス方向に変化させると、線幅２μｍで８.６°、線幅１０μｍでは９.７°まで傾斜角度が大きくなった。一方、Ｆｏｃｕｓ ｏｆｆｓｅｔをプラス方向に変化させた場合、パターン側壁の傾斜角度は線幅２μｍで１１.０°、線幅１０μｍでは１１.６°まで増加した。従って、Ｆｏｃｕｓ ｏｆｆｓｅｔをプラス方向に変化させた方が、パターン側壁の傾斜角度が劇的に変わることが分かった。また線幅が大きくなると、傾斜角度も大きくなる傾向があったが、その差はＦｏｃｕｓ ｏｆｆｓｅｔ＝０の時に１.４７と最大となっており、Ｆｏｃｕｓ ｏｆｆｓｅｔの変化によって異なる線幅間の傾斜角度の差が増大する傾向は見られなかった。
【００１９】
［実施例２：電鋳Ｎｉモールドへの抜き勾配付与と離型抵抗力低減の効果］
図６は傾斜側壁を有するレジストパターンを用いて、抜き勾配を付与した電鋳モールドを作製する手順を示している。レジストは実施例１と同じ手法で、厚み４μｍのポジ型レジスト１５としてＳ１８３０をＳｉ基板１６上に塗布した。
次に、実施例１と同じＵＶステッパー１５００ＭＶＳ Ｒ―ＰＣ ｓｙｓｔｅｍを用いて、Ｆｏｃｕｓ ｏｆｆｓｅｔを−１２、−８、−４、−２、０と変化させて紫外線投影露光を行った。Ｆｏｃｕｓ ｏｆｆｓｅｔをマイナス方向のみに変化させた理由は、実施例１において比較的変化が緩やかであったため、制御が容易であると判断したためである。感光後のレジストは実施例１と同じ条件でＭｉｃｒｏｐｏｓｉｔ ＭＦ‐３１９を用いて現像した。次にシード層として、厚み２０ｎｍのＮｉをＡＣスパッタリング法にてＳ１８３０レジストマスター表面に成膜した。
【００２０】
その後、電鋳法によって厚みが２ｍｍ以上になるまでＮｉ層を形成し、Ｎｉ層の表面を鏡面研磨した後に、Ｓｉ基板とレジスト層を化学的に除去して電鋳Ｎｉモールド１８を完成させた。
この工程における、Ｓ１８３０レジストと電鋳Ｎｉモールドの線幅５μｍと１０μｍのライン／スペースパターンの断面ＳＥＭ写真を図７に示す。Ｆｏｃｕｓ ｏｆｆｓｅｔの値が０から−１２μｍに変化するにつれて、Ｓ１８３０レジストマスターの断面形状は矩形から台形へと変化している。この傾向は線幅に依存せず同様に観察される。また、電鋳Ｎｉモールドもレジストマスターの形状を忠実に反映して、ライン／スペースパターンの側壁が大きく傾いている。
【００２１】
図８はＳＥＭ観察から計測したパターン側壁の傾斜角度の変化を示している。線幅が５μｍの場合は、Ｓ１８３０レジストマスターでは８°から２３°までパターン側壁の傾斜角度が変化している。電鋳Ｎｉモールドでは０°から２１°まで変化し、両者に大きな違いは見られない。一方、線幅が１０μｍの場合には、Ｓ１８３０レジストマスターでは５°から２４°まで傾斜角度を制御することができ、電鋳Ｎｉモールドでは１°から２２°まで調整できた。線幅５μｍと１０μｍで比較したところ、線幅による大きな違いは観察されなかった。
【００２２】
次に、前述の電鋳Ｎｉモールドを用いて、ポリカーボネート（ＰＣ）シートにホットエンボッシングを行った。一般的なホットエンボッシングや熱ナノインプリントでは、成形材料はそのガラス転移温度（Ｔｇ）よりも２０から３０℃ほど高い温度で成形される。そこで、成形工程での電鋳Ｎｉモールドの加熱温度をＰＣのＴｇである１４５℃から、Ｔｇ＋１０℃（１５５℃）、Ｔｇ＋２０℃（１６５℃）、Ｔｇ＋３０℃（１７５℃）と変化させた。
【００２３】
成形実験では、デスクトップナノインプリントシステムＮＩ‐２７３（ナノクラフトテクノロジーズ（株））を用いた。電鋳Ｎｉモールドは上部荷重ステージに、ＰＣシートは下部荷重ステージに両面粘着テープによって固定した。電鋳Ｎｉモールドのサイズは２０×２０×ｔ２ｍｍで、ＰＣシートは２０×２０×t０.５ｍｍのサイズに切り出した。
【００２４】
電鋳Ｎｉモールドの表面には一切の離型剤を塗布していない。デスクトップナノインプリントシステムＮＩ‐２７３には荷重を計測するために、圧縮力だけでなく引張力も測定できる水晶式ロードワッシャ９１０２Ａ（日本キスラー（株））が挿入されている。これにより、離型工程での離型抵抗力を測定することができる。
電鋳ＮｉモールドとＰＣシートをセットアップした後、上部荷重ステージのみを設定温度まで加熱した。一方、下部荷重ステージは室温に保った。次に荷重が２ｋＮになるまでプレスし、その状態を１分間保持した。その後、上部荷重ステージを１２０℃まで冷却し、成形されたＰＣシートを電鋳Ｎｉモールドから離型した。この離型工程で離型抵抗力が水晶式ロードワッシャ９１０２Ａにてマイナスの荷重とし測定される。
【００２５】
４種類の異なるパターン傾斜角度を有する電鋳Ｎｉモールドを用いた場合の離型抵抗力の測定結果を図９に示す。電鋳Ｎｉモールドの加熱温度を上昇させると、いずれの傾斜角度のモールドを用いても離型抵抗力は上昇した。これは高温での成形によって、モールドパターンの空隙内に溶けたＰＣが流れ込み易くなり、完全充填されたためだと考えられる。電鋳Ｎｉモールドのパターン側壁の傾斜角度が大きくなると離型抵抗力が小さくなる傾向が明確に確認された。これによって、モールドパターンの側壁を傾斜させることによって、最大で５００Ｎあった離型抵抗力が、最小で約１／１０倍の５６Ｎまで低減できることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明に係る焦点位置を変化させる紫外線露光方法は、各種ＭＥＭＳデバイスのマイクロ部品を製作する際の高精密マイクロモールドの製造技術として極めて有用である。また簡便な傾斜面形成方法は、成形工程での離型抵抗力の低減だけでなく、例えば、光学デバイスのミラーや流体デバイスの流路、電気配線の加工にも応用できる。
【符号の説明】
【００２７】
１  コンデンサーレンズ、２  レチクル、３  紫外線光路、４  投影レンズ、５  レジスト、６  基板、７  ステージ、８  対物面、９  投影レンズ、１０  紫外線光路、１１  −デフォーカス面、１２  焦点面、１３  焦点深度面、１４  ＋デフォーカス面、１５  ポジ型レジスト、１６  Ｓｉ基板、１７  レチクル、１８  電鋳Ｎｉモールド
【図２】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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