(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線フォトレジストをＸ線輻射で露光する方法であって、
（ａ）Ｘ線源から、フォトンエネルギー5000eVを越える出力スペクトルの実質的部分をもつ平行化されたビームとして、Ｘ線輻射を得る工程、
（ｂ）該Ｘ線ビームを濾波処理し、かつ該Ｘ線ビームを、Ｘ線マスクに通して、約5000eV未満のフォトンエネルギーをもつＸ線を除去し、一方で約5,000eVをこえるフォトンエネルギーの出力スペクトルをもつＸ線を通す工程であって、該Ｘ線マスクがパターンのＸ線吸収性物質を含む工程、及び、
（ｃ）該Ｘ線マスクを透過した該Ｘ線ビームを、積層関係で配置された物理的に分離した複数のフォトレジストターゲットに適用する工程であって、該複数のフォトレジストターゲットは、該Ｘ線が最初に入射される入射面と、該入射面から離れた出射面とを有し、該Ｘ線ビームを適用する該工程を、全てのフォトレジストターゲットが同時に露光されるように、該Ｘ線ビームを各フォトレジストターゲットに通すことにより実施し、該フォトレジストはＸ線露光閾値線量を有し、該線量を越えると、該フォトレジストは現像液に対して感受性となる工程及び、該フォトレジストを、該Ｘ線マスクを透過した濾波されたＸ線ビーム内に、該フォトレジストターゲットの該出射面における該閾値線量を越えるのに十分な時間維持する工程を含み、
該濾波工程を、該Ｘ線ビームを透過性フィルタ及び該Ｘ線マスクの基板に通すことにより実施し、かつ該透過性フィルタ及び該Ｘ線マスクの基板が選択され、該Ｘ線ビームを濾波する工程を、該フォトレジストターゲット材料に対して該複数のターゲットを有意な減衰なしに透過することができる該Ｘ線マスクを透過するビームを、該Ｘ線ビームが入射する最後のフォトレジストターゲットの出射面において閾値をこえるが、該Ｘ線ビームが入射する第一のフォトレジストターゲットの入射面は、該マスクを透過したＸ線に露光されるフォトレジスト部分に隣接する部分を破壊するような露光線量を受けないような十分な時間提供するように実施することを特徴とする方法。
【請求項２】
該各フォトレジストターゲットが、複数の基板が存在するように、該ターゲットの支持基板上に取付けられており、かつ該Ｘ線ビームが該各フォトレジストターゲット及び該ターゲットを支持している該基板を、該基板による有意な減衰なしに透過する、請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項３】
フォトレジストのミクロ機械加工で使用する装置であって、
（ａ）平行化されたビームとしてＸ線輻射を与えるＸ線源であって、該ビームはフォトンエネルギー5000eVを越える、該ビーム出力スペクトルの実質的部分を有しているＸ線源、
（ｂ）積層された関係で支持基板上に取付けられた複数のＸ線フォトレジストターゲットであって、各フォトレジストターゲットが該フォトレジストターゲットそれぞれの支持基板上に取り付けられているフォトレジストターゲット、
（ｃ）該Ｘ線ビーム内に、該Ｘ線源と該フォトレジストターゲットとの間に取り付けられたＸ線マスクであって、該マスクは基板及び該基板上にパターンとして形成されたＸ線吸収性物質を含み、該フォトレジスト支持基板は、該マスクからの該Ｘビームが該フォトレジストターゲット及び該ターゲットに対する該支持基板を透過して、該各ターゲットを同時に露光するように選択されるＸ線マスク、及び、
（ｄ）該Ｘ線ビーム通路内に、該Ｘ線源と該フォトレジストターゲットとの間に取付けられた透過性フィルタであって、該透過性フィルタの材料及びその厚み並びに該Ｘ線マスクの材料及びその厚みは、該Ｘ線ビームから、少なくとも約5000eV未満のフォトンエネルギーをもつＸ線ビームを濾波により除去し、一方で少なくとも約5000eVを越えるフォトンエネルギーを有する出力スペクトルをもつＸ線が、形成された該吸収体のパターンをもたない該マスクの部分を透過するように選択され、該Ｘ線ビームは該フォトレジストターゲット及び該基板を減衰することなしに透過することができる透過性フィルタ、
を含むことを特徴とする装置。
【請求項４】
該透過性フィルタ及び該マスク基板を、該Ｘ線ビームから、約10000eV未満のフォトンエネルギーをもつＸ線を濾波により除去するように選択する、請求の範囲第３項に記載の装置。
【請求項５】
該各基板が表面をもち、該表面上にメッキベースが形成されており、該ベース上にフォトレジストターゲットが固定されている、請求の範囲第３項に記載の装置。
【請求項６】
Ｘ線フォトレジストの多重層を、Ｘ線輻射で露光する方法であって、
（ａ）Ｘ線源からのＸ線輻射を平行化されたビームとして得る工程であって、該ビームは、フォトンエネルギー5,000eVを越える該ビームの出力スペクトルの実質的部分を有している工程、
（ｂ）該Ｘ線ビームを濾波処理し、かつ該Ｘ線ビームをＸ線マスクに通して、約5000eV未満のフォトンエネルギーをもつＸ線を実質的に除去し、一方で約5000eVを越えるフォトンエネルギーをもつＸ線を透過させる工程であって、該Ｘ線マスクがパターン状でＸ線吸収物質を有している工程、
（ｃ）積層状態で、複数のフォトレジストターゲット層を取り付ける工程であって、該各層は、基板及び該基板上に支持されたフォトレジストターゲットを含み、該各フォトレジストターゲットは、該Ｘ線が最初に入射される入射面と出射面とを有している工程、及び、
（ｄ）該Ｘ線マスクを透過した該Ｘ線ビームを、該ビームが積層状態にある該各フォトレジストターゲット及び該支持基板を透過して、全てのフォトレジストターゲットを同時に露光するように、該積層状態のフォトレジストターゲット層へ適用する工程であって、該フォトレジストターゲットはＸ線露光閾値線量を有し、該線量以上において該フォトレジストは現像液に対して感受性となる工程、及び、該積層体を該Ｘ線マスクを透過し濾波した該Ｘ線ビーム内で、該ビームが入射される該積層体中の最後のフォトレジストターゲットの出射面において閾値線量を越えるのに十分な時間、維持する工程であって、該Ｘ線ビームを、該Ｘ線ビームが該フォトレジスト及び該基板を有意な減衰なしに透過するように、かつ、該積層体中の最後のフォトレジストターゲットの出射面に閾値線量を越えるのに十分な時間露光するように、かつ、該積層体中の第一フォトレジストターゲットの入射面が、該マスクを透過したＸ線に露光されるフォトレジスト部分に隣接する部分を破壊するような露光線量を受けないように濾波する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
該濾波工程が、濾波性物質のシート及びＸ線マスク基板に、該Ｘ線ビームを通す工程を含む、請求の範囲第６項に記載の方法。
【請求項８】
現像液を、露光しかつ分離したフォトレジストターゲットに適用して、該現像液に対して感受性とされた該ターゲット部分を除去する工程を含む、請求の範囲第６項に記載の方法。
【請求項９】
該基板が、該基板の各々の表面上に形成されたメッキベースを有し、該基板上にフォトレジストターゲットが取付けられており、かつ、
追加の工程であって、現像液を、該露光しかつ分離したフォトレジストターゲットに適用して、該現像液に対して感受性の該フォトレジスト部分を除去し、該フォトレジストが除去された該ターゲットの領域に、金属を電気メッキする工程を含む、請求の範囲第６項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、一般的にはミクロメカニカルデバイスおよびそのための加工技術、および特にＸ−線を使用したミクロメカニカル機械加工に関するものである。
発明の背景
リトグラフィー法においては、典型的には、フォトレジスト材料の薄いフィルムが、基板上に塗布され、光のパターンをそこに作用させて、化学変化を生じさせる。この化学変化は、後の（現像と呼ばれる）化学的処理の際に、該明暗のパターンを該層に模写することを可能とする。該露光工程は、ポジ型フォトレジストポリマー材料中の化学結合の切断を包含し、結果として該露光領域を該現像液に溶解され易くし、あるいは該現像液による他の化学的攻撃を受け易くするものであってもよい。ネガ型のフォトレジストを使用した場合、該露光領域は、未露光領域と比較して、現像液により溶解され難い。化学結合の切断または生成に関る要件は、この工程で使用できるフォトンのエネルギーに係わる下限を課する。典型的には、半導体工業で使用する市販のレジストは、該レジスト内のある光学的共鳴によって、可視光フォトンによる結合切断断面を増大している。該レジスト内でのフォトンの強い吸収は、該レジスト層内で、数ミクロンを越える該光の透過を妨害する。半導体工業で使用されるリトグラフィー法は、多数のサブミクロンサイズの特徴を複製することを可能とする。極微細かつ精密な細部を再現するこの能力は、リトグラフィー法を、大幅に小型化した機械的要素の製造においても、潜在的に魅力ある技術としている。深部Ｘ−線リトグラフィーは、一般的に厚い、典型的には厚み数百ミクロンのフォトレジストにより被覆された基板を含み、該基板はマスクを通してＸ−線で露光される。Ｘ−線フォトンは、他の光学的フォトンよりも著しく高エネルギーであり、厚いフォトレジストの完全な露光を実施、実現可能なものとする。該Ｘ−線源としてのシンクロトロンの使用は、高い線量率、即ち数ワット/cm2を生じ、しかも如何なる水平方向への振れもなしに、厚いフォトレジストの露光をもたらす優れた平行性をもつ。従って、局所的露光パターンは、露光フォトレジストと未露光フォトレジストとの間の極めて高い選択性をもつ現像系が利用可能である場合には、垂直のフォトレジスト壁が生成されるはずである。該要件は、Ｘ−線フォトレジストとしてのポリメチルメタクリレート（PMMA）および種々の現像系について満たされる。これについては、H.グッケル（Guckel）等，ディープＸ−レイ＆UVリトグラフィーズフォーミクロメカニックス（Deep X−ray and UV Lithographies For Micromechanics），テクニカルダイジェスト（Technical Digest），ソリッドステートセンサ＆アクチュエータワークショップ（Solid State Sensor and Actuator Workshop），ヒルトンヘッド（Hilton Head）,S.C.4−7,1990,pp.118−122を参照のこと。
深部Ｘ−線リトグラフィーを、電気メッキ法と組み合わせて、高いアスペクト比の構造を形成することができる。この技術では、フォトレジストの適用前に、該基板に適当なメッキベースが与えられていることが必要である。典型的には、この技術では、接着性の金属、例えばクロムまたはチタンのスパッターフィルムを使用し、次いでメッキすべき該金属の薄いフィルムが適用される。適当なマスクを介しての露光および現像後、電気メッキされる。これは、清浄化後に、極めて高いアスペクト比を有する、完全に付着した金属構造を与える。このような構造は、西独のカールスルーエ（Kerlsruhe）の、ナショナルラボラトリー（National Laboratory）の、インスティチュートフォーヌクレアーフィジックス（Institute for Nuclear Physics）におけるW.エーアフェルド（Ehrfeld）とその共同研究者によって最初に報告された。エーアフェルドは、この方法を、リトグラフィーおよび電気メッキに関するドイツ語の頭文字をとって、“LIGA"と命名した。このLIGA法の一般的な概説はW.エーアフェルド等の文献:LIGAプロセス：センサコンストラクションテクニックスビアＸ−レイリトグラフィー（LIGA Process:Sensor Construction Techniques Via X−Ray Lithography），テクニカルダイジェストIEEE,ソリッドステートセンサ＆アクチュエータワークショップ,1988,pp.1−４に与えられている。
このLIGA法に対する犠牲層（sacrificial layer）の付加は、完全に付着した、部分的に付着した、または完全にフリーな金属構造の製造を容易にする。デバイスの厚みは、典型的には10μを越えるので、該メッキフィルムに関する妥当な歪の制御が達成されれば、自立式構造は幾何学的に歪みを受けないであろう。この事実は、ミクロ機械加工における組み立てを可能とし、殆ど任意的な三次元構造の形成に導く。これについてはH.グッケル（Guckel）等の、ファブリケーションオブアセンブルドミクロメカニカルコンポーネンツビアディープＸ−レイリトグラフィー（Fabrication of Assembled Micromechanical Components Via Deep X−Ray Lithography），プロシーディングズオブIEEEミクロエレクトロメカニカルシステムズ（Proceedings of IEEE Micro Electro Mechanical Systems）,Jan.30−Fab.2,1991,pp.74−79およびグッケル等の米国特許第5,189,777号を参照。このLIGA法の更なる拡張は、グッケル等の米国特許第5,206,983号および同第5,327,033号に示されているような、磁気的に駆動されるミクロメカニカル回転モータの形成を含む。複雑な多層微細構造は、金属で形成でき、これはグッケルの米国特許第5,190,637号に記載されているように、第一金属層に影響を与えないエッチング剤によりエッチング除去される、犠牲金属層を含むことができる。微細構造、特に極めて高いアスペクト比をもつものの形成における大幅な改善が、グッケル等の米国特許第5,378,583号に記載のように、予め形成されたフォトレジストシートを利用して達成される。
例えばPMMA製の予め形成されたフォトレジストシートの利用は、論理的には、上記のＸ−線機械加工法により、該フォトレジスト内に比較的大きな構造を加工することを可能とするであろう。しかしながら、該フォトレジストの厚みが増大するにつれて、例えば500μｍを越えると、LIGA法に対して従来使用されていた、比較的軟（低フォトンエネルギー）Ｘ−線源に関連する困難に遭遇する。軟Ｘ−線の波長は十分に長くて、回折作用により、該Ｘ−線マスクの陰影像の周辺部が暈される可能性がある。軟Ｘ−線に対する通常のフォトレジスト材料の無視し得ない反射性により生ずる干渉作用によっても、問題が生ずる恐れがある。
また、約500μｍを越える厚みのレジストシートに対して、軟Ｘ−線は十分に該レジスト層の底部まで浸透せず、従って該レジストの底部領域の現像が保証されず、破壊的な過剰露光を生ずる程に、該レジストの上部領域に対する線量を高くすることが必要となることも分かっている。この上部レジスト領域のこのような破壊に関与する応力は、該レジストの隣接領域の歪みもしくは破壊を生じ、あるいは典型的には該レジスト層の数ミクロン以内に配置される該脆弱な軟Ｘ−線マスクの破壊さえも起こす可能性がある。低エネルギーＸ−線フォトンは、該フォトレジストターゲットを透過するフォトンとして実質的に吸収されることも分かっている。フォトレジストが現像液によって除去されるようになる、閾値線量を越える、厚い該フォトレジストの底部におけるＸ−線露光線量を与えるためには、より薄いフォトレジストの完全な現像に必要な露光時間よりも、かなり長い露光時間が必要とされる。更に、該フォトレジストの頂部即ちＸ−線導入表面およびその浅い領域における、Ｘ−線フォトンの継続的吸収は、該フォトレジストの頂部表面およびその近傍での激しい発泡を生ずる可能性がある。この激しい発泡は、該フォトレジストの露光および未露光領域間の側壁の品位を害する恐れがあり、また該Ｘ−線マスクにも損傷を与える可能性があり、典型的には該マスクは、比較的軟質の長い波長をもつＸ−線が使用される場合には、該フォトレジストターゲットの数ミクロン以内に配置する必要がある。
発明の概要
本発明によれば、厚いフォトレジスト材料の高精度のミクロ機械加工を、硬質（高エネルギー）Ｘ−線を使用して達成する。硬Ｘ−線のかなりのスペクトル成分を含むシンクロトロン等のＸ−線源由来の、高度に平行化されたビームを使用して、好ましくは比較的厚いフォトレジストに対する線量を適度に変更して、該フォトレジストを露光する。該フォトレジストの底部、即ち出射表面部分は、少なくとも該フォトレジストを現像液に感受性のものとするのに十分な閾値線量で露光され、一方で該フォトレジストの頂部、即ち入射表面は、該フォトレジストの破壊的な損傷または発泡を生ずる可能性のある、出力限界を越えない線量で露光される。
本発明によれば、該Ｘ−線源からのＸ−線ビームは、該フォトレジスト内で短い吸収長を有し、かつ該フォトレジストの頂部表面近傍で実質的に吸収される傾向のある、低エネルギーフォトンを実質上除去するように、スペクトル的に処理される。このスペクトル的に処理されたビームは、該フォトレジストの厚みに匹敵する吸収長さをもち、結果として該フォトレジストの厚み全体に渡り比較的均一に吸収される、より高いエネルギー（例えば約5000eVを越える、および好ましくは約10,000eVを越える）をもつフォトンを主として含有する。低エネルギーフォトンに比して、該高エネルギーフォトレジストが低い吸収率をもつにも拘らず、より厚いフォトレジストの加工は、低フォトンエネルギーにおいて該フォトレジストにより許容される以上の、該Ｘ−線源からの高エネルギーフォトンのより高い線量をを供給することにより、より薄いフォトレジストに対する加工時間と同等な長さの時間に渡り実施できる。かくして、本発明を利用することにより、ポリメチルメタクリレート（PMMA）等のフォトレジストの、ミクロン程度の許容度まで、および1cmまたは数cm程度の深さまでの機械加工を達成することが可能となる。更に、露光に使用する該硬Ｘ−線の極めて短い波長（例えば、10-10m程度）は、回折および反射作用を最小化し、結果としてより小さな構造物の形成が可能となり、またより長い波長をもつＸ−線成分を含むＸ−線源により可能であるよりも、より大きな距離該フォトレジストターゲットから離して、該Ｘ−線マスクを配置することが可能となる。
本発明のスペクトル的に処理した硬Ｘ−線を使用して、適当に成形したマスクを介してフォトレジストを露光し、かつ該Ｘ−線マスクを透過するパターン化されたビーム内で、該フォトレジストを回転および／または移動させることによって、複雑な三次元構造の精巧な機械加工された物品を製造できる。該パターン化されたビーム内で該フォトレジストを回転することによって、該回転軸から離れた、該回転するフォトレジストの周辺部分を、該閾値線量を越える線量で露光し、一方該回転軸に隣接する中央部分を、これらが該閾値未満の線量で露光されるように遮光することで、該フォトレジスト内に回転ベタ部を加工することができる。後に現像液中で、該露光されたフォトレジストを現像して、該周辺部分を除去する。複雑な構造を、該Ｘ−線マスクを介してパターン化されたビームで露光された該フォトレジストを、選択的に除去することにより形成することもでき、従って該フォトレジストの幾らかの部分は、該フォトレジストのある部分では、露光中に該閾値未満の線量の露光を受け、また該フォトレジストの移動部分では、露光を受けず、一方で該フォトレジストの他の部分は、多重露光、即ち該閾値線量を越える積算線量による露光を受ける。
本発明において、該硬Ｘ−線の透過能は、金等のＸ−線吸収体をあるパターンで堆積した、高耐久度の基板、例えば比較的厚く、幅のある単結晶シリコンウエハ上に、該Ｘ−線マスクを形成することを可能とする。この比較的厚いＸ−線マスク基板（例えば、300−400μｍの厚みのシリコン）の利用可能性は、軟Ｘ−性マスクに必要とされる極めて薄い、脆弱なマスク基板と比較して、マスク製造コストを大幅に減じ、かつより幅のある（例えば、径４〜６インチ）マスクを形成を可能とする。というのは、該厚い基板はより高い構造上の強度をもち、結果としてより幅のあるターゲットを露光して、バッチ生産率を高めるからである。より厚いマスクは、またより耐久性があり、かつ薄いマスクよりも高い露光率を得るために利用できる。
この好ましい硬Ｘ−線の非常に短い波長は、回折および軟Ｘ−線において遭遇する部分反射によるゴースト像形成の問題を排除し、かくして該ビームが十分に平行化されている場合には、該マスクとターゲットとの間の間隔を非常に大きくする（例えば、数cmまたは数十cm程度までに）ことが可能となる。該ターゲットフォトレジストから比較的長距離離して該マスクを配置することにより、該フォトレジストと該マスクとの間の偶発的な接触または該フォトレジストの露光部分の発泡による該Ｘ−線マスクの損傷の可能性が最小化され、また該マスクとフォトレジストとの間の大きな間隔は、更に該マスクから干渉なしに、該フォトレジストを回転または移動することを可能とする。更に、該ターゲットから大きな距離で、該マスクを隔置できることおよび該硬Ｘ−線の該フォトレジストターゲットおよび典型的にはフォトレジスト担持基板両者を、最小の減衰率で透過する能力は、一連の数個の基板を担持するフォトレジストの同時露光を可能とし、結果として高いバッチ生産率を与える。
該深部フォトレジストの露光は、露光中に該フォトレジストを、制御された様式で加熱して、該フォトレジストの大部分における揮発性種の移動を促進し、該露光されたフォトレジスト中の大きな破壊的な気泡の形成を最小化することによって、簡略化できる。
本発明の更なる目的、特徴および利点は、以下の詳細な説明を、添付図と組み合わせることにより明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明によるＸ−線露光装置を単純化した図であり、フィルタおよびマスクを介して、Ｘ−線源からのＸ−線ビームにより露光される、フォトレジストサンプルを図示してある。
第２図は、第１図に示したものと類似する、Ｘ−線露光装置の単純化された図であるが、これは数個の基板担持フォトレジストターゲットを同時に露光するための装置である。
第３図は、NSLSシンクロトロン（250mA）およびSRCシンクロトロン（150mA）に対する、１秒当たりのフォトンのスペクトル分布を示すグラフである。
第４図は、濾波前後の該SRCシンクロトロンに関するスペクトル出力分布を示すグラフである。
第５図は、濾波後および種々の厚みのフォトレジストを透過した後の、該SRCシンクロトロンに関するスペクトル出力分布を示すグラフである。
第６図は、該SRCシンクロトロンに関する、レジストの深さの関数としての、吸収された出力を示すグラフである。
第７図は、該NSLSシンクロトロンに関する、ベリリウムウインドウによる濾波後の、種々のフォトレジスト深さにおける、スペクトル出力分布を示すグラフである。
第８図は、第７図において濾波されたような該NSLSシンクロトロンに関する、レジストの深さの関数としての、吸収された出力を示すグラフである。
第９図は、ビーム通路内に挿入された、種々の選択フィルタを備えた該NSLSシンクロトロンの、スペクトルを示すグラフである。
第10図は、第９図に示されたフィルタ全てにより濾波した、またフォトレジストの種々の深さにおける、該NSLSシンクロトロンの出力スペクトルを示すグラフである。
第11図は、第10図に示したように濾波した、該NSLSシンクロトロンに関する吸収された出力を、レジスト深さの関数として示すグラフである。
第12図は、第10図に示したように濾波した後の、および50μｍの金の吸収体を透過した後の該NSLSシンクロトロンに関するスペクトルを示すグラフである。
第13図は、1000μｍのPMMAの露光に対して、１例としてのＸ−線マスクについての、該NSLSシンクロトロンを使用した際の、コントラストを示す模式的な図である。
第14図は、Ｘ−線マスクを透過した該パターン化されたビーム内で回転しているフォトレジストターゲットの単純化した正面図である。
第15図は、第14図に示されたような、回転されたフォトレジストサンプルの平面図である。
第16図は、第14および15図に示された露光に関する、該Ｘ−線マスク上の吸収体のパターンの端面図である。
第17図は、回転されたフォトレジストの他の露光に関する正面図であり、ここで該フォトレジストは比較的大きな別々の段階で回転される。
第18図は、Ｘ−線マスク内の開口を透過した、小径に画成されたビーム内で回転かつ平行移動するフォトレジストの、単純化された平面図である。
第19図は、別々の段階で回転されるフォトレジストターゲットの露光を示す、模式的な側面図であり、ここで該回転軸に隣接する該フォトレジストの内側部分は、該閾値線量を越える積算露光量を受け、一方で該フォトレジストの周辺部分は、該閾値線量未満の露光を受ける。
第20図は、シリコン基板を使用した、多層露光に関する、レジスト深さ（層の数）の関数として、吸収された出力を示すグラフである。
第21図は、酸化ベリリウム基板を使用した、多層露光に関する、レジスト深さ（層の数）の関数として、吸収された出力を示すグラフである。
発明の詳細な説明
本発明は、第１図の模式的図に関連して例示でき、第１図において、高エネルギーＸ−線源10からの輻射がビーム11として投影される。このＸ−線ビーム11は、好ましくは高度に平行化されており、該平行化は光学的手段を利用して、発散性ビームを平行化するか、あるいは平行化されたビームを生成するシンクロトロン等の光源を使用して得ることができる。要求される平行化の程度は、周辺部のぼけおよび製造すべき部品の振れ要件により指定される。これらは、回折作用が、波長の短いＸ−線については顕著でないので、容易に測定できる。適度に高いエネルギー源の一例は、ブルックハーベンナショナルラボラトリー（Brookhaven National Laboratory）のナショナルシンクロトロンライトソース（National Synchrotron Light Source:NSLS）製造の2.584GeVシンクロトロンである。該平行化されたビーム11は、光源10から公知の様式で露光ステーションまで供給される。本発明において、該ビーム11はスペクトル処理フィルタ12に通されて、スペクトル的に処理されたビーム14を与え、該ビーム14は次いで支持基板または膜18上に形成し得る、Ｘ−線吸収体17のパターンをもつＸ−線マスク16を通り、パターン化されたビーム19を生成し、このビーム19がフォトレジストターゲット20に入射し、まず該レジストの頂部、即ち入射表面21に入る。別のフィルタ12およびマスク基板18が第１図に示されているが、該フィルタおよびマスク基板を組み合わせることができ、また別のフィルタ要素が完全に排除され、該基板18も部分的にフィルタとして機能でき、また該マスクの吸収パターンは、幾つかの場合においては、自立式であって、マスク基板を全く使用しないことは明らかであろう。
任意の適当なポジ型またはネガ型フォトレジストを利用できるが、本発明は、周知の諸特性をもつ有利なＸ−線フォトレジストである、ポリメチルメタクリレート（PMMA）について例示することができる。このPMMAフォトレジスト20は、PMMAの予備成形したシートとして生成でき、該シートは特定の用途に適するサイズに裁断される。本発明においては、比較的厚いフォトレジストターゲット、例えば0.5mm〜数cm（ルーサイト（Lucite:登録商標）シートまたはブロック等の、市販のPMMAを包含する、例えば10cmまたはそれ以上の厚みのPMMA）の範囲の厚みをもつフォトレジストシートおよびブロックを機械加工することができる。このターゲットは、支持体または基板と共にまたはこれら無しに、また該パターン化されたビーム19に相対的な配向で固定され、もしくは回転および／または平行移動するように搭載された状態で、該ビーム内に所定の方法で懸垂させることができる。第１図の例示的図において、背板22が設けられ、これに対して該フォトレジストターゲット20の底部または出射表面23が取付けられる。該背板22（例えば、アルミニウム等の金属で形成される）は、該フォトレジスト20に対する物理的支持体を与え、また該露光中該フォトレジストの温度を制御するように機能できる。該フォトレジストの底部表面23は、好ましくは該レジスト20を該背板22の所定の位置に、例えばクリップ、クランプ、取付けフレーム、接着剤等で固定する任意の所定の方法によって、該背板22と良好な熱伝導接触状態にある。該レジストターゲット20を回転する場合、背板は一般的に使用されず、また該ターゲット20は１または複数の端部から懸垂されて、該ターゲットの該ビーム内での回転を可能とする。該Ｘ−線露光が、該現像されたレジスト内への金属の電気メッキを伴う場合には、該レジストを基板22に固定することができ、該基板はその表面上に形成されたメッキベースをもち、またそこに該レジストが固定されている。該レジストターゲット20が回転される場合、該レジストの回りを流動する、温度制御された流体流の適用により、温度制御を達成することができる。
軟Ｘ−線を使用した露光に関連する、典型的な固定化の要件と対比して、また第１図に一般的に示されたように、かなりの間隔を、該Ｘ−線マスク16とフォトレジストターゲット20の頂部表面21との間に与えることができる。この間隔は、例えば5mmであり得るが、一般的には少なくとも1cmまたは数cmであってもよい。この比較的大きな、フォトレジスト20と、該Ｘ−線マスク16の支持膜18との間の間隔は、該マスクに損傷を与える可能性のある、該フォトレジストと該マスクとの間の偶然の接触の可能性を最小にし、かつ該Ｘ−線マスクと接触している該フォトレジスト上に、気泡が形成される可能性を最小化する。
背板22の表面と、該フォトレジストターゲット20の底部表面23との間の熱伝導性接触は、該ターゲット20の温度制御を可能とする。例えば、該金属背板22の温度を追跡し、またその温度を以下のように調節する。即ち、例えば温度制御器を備えたヒーター25を使用して、該背板22を加熱し、かつこれを所定の温度に維持することにより、あるいは該背板に接続された冷凍機または冷却器を使用して、該背板内で吸収されたＸ−線により発生する熱および該レジストから該背板に伝達される熱を取り去ることにより、熱を適用し、もしくは熱を取り去る。該フォトレジストターゲット20は、該背板とほぼ同一の内部温度をもち、従って該フォトレジストターゲット自体の温度全体を幾分か調節することを可能とする。該背板の制御された加熱量は、該フォトレジスト20を周囲温度以上に加熱することを可能とし、かつ以下により詳細に説明するように、該フォトレジストの露光部分からのガスの発生を容易にする。該フォトレジストターゲット20およびＸ−線マスクを所定の位置に固定する、固定手段は、入射するＸ−線ビーム19に対して垂直な面内を前後に移動できて、公知の様式で該フォトレジストターゲットの全長および／または幅に渡る、該ビームの走査を可能とする。
該スペクトル的に濾波したＸ−線の、フォトレジストの実質的な厚みを介する透過能の故に、該レジスト20は、予備成形されたレジストの複数枚のシートを含むことができ、該シートは一緒に積み重ねられて、同時に露光される。次に、個々のシートを現像し、種々の目的に使用することができる。例えば、個々のシートを微小要素製造用の、例えば200〜1000μｍの範囲内の所定の厚みとし、多数のかかるシートを、1cmまたはそれ以上の高さまで一緒に積層することができる。露光後、該シートを、例えば基板上のメッキベースにより該基板に接着し、種々の周知の現像液で現像し、引き続き米国特許第5,378,583号（これを本発明の参考文献とする）に記載のように、金属を該現像された領域に電気メッキすることができる。このようにして、該Ｘ−線露光と関連して、LIGA構造を形成するための製造時間およびコストを大幅に節減することができる。
同様に、該スペクトル的に処理したＸ−線ビームは、また大幅に減衰することなく、フォトレジストに対する共通の支持基板を透過できる。かくして、本発明においては、第２図に示した如く、表面上に形成されたフォトレジストターゲット28を有する、複数のターゲット支持基板27は、積層状態でホルダー29に取り付けることができ、該ホルダーは該支持基板27の端部と嵌合している。一例として、厚み400μｍの単結晶シリコンウエハとその上に設けられた厚み300μｍのPMMAフォトレジスト31を含む支持基板27に関して、少なくとも10層の支持基板27と、フォトレジスト28とを積層して、同時に露光することができる。適当な基板のもう一つの例は、例えば厚み250μｍの酸化ベリリウムである。該フォトレジスト28および基板27のマスク回折作用および反射は、該スペクトル的に処理した硬Ｘ−線ビーム19に対しては大きくないので、該フォトレジスト28が、該マスクから異なる間隔で配置されているという事実は、各フォトレジストの露光精度に影響を与えることはない。各々は順次精度よく同一のパターンで露光される。該基板27は、また表面上に形成された薄いメッキベースをもつことができ、該表面には該フォトレジスト28が固定されており、従って米国特許第5,378,583号に記載されているように、該フォトレジストの現像後に、直接電気メッキを実施することができる。勿論、適当な場合には、該基板27は半導体ウエハ（例えば、単結晶シリコン）を含むことができ、該ウエハ上には微細電気回路がパターン化され、またフォトレジスト28は、半導体デバイス製造において従来使用されていた型のものであり得る。
厚いまたは多層型のフォトレジストの適当なＸ−線露光は、シンクロトロン等の光源からの入射フォトンスペクトルの最適化および該フォトンが該フォトレジストに入射した場合にどの様に変化するかの理解を必要とする。対象とする典型的なフォトレジストの厚みは、100μ〜1cmの範囲にあるが、幾つかの用途においては、より厚いフォトレジストを使用することも可能である。該フォトンスペクトルは、好ましくは該フォトレジストが選択された現像液に対して感受性となる該閾値線量が、該フォトレジストに損傷を与えずに、できる限り迅速に該フォトレジストの出射表面に達するように処理される。
厚いフォトレジストに対する露光要件は、Ｘ−線源の２つの例、即ちブルックハーベンナショナルラボラトリー（Brookhaven National Laboratory）のナショナルシンクロトロンライトソース（National Synchrothron Light Source:NSLS）Ｘ−線リングおよびウイスコンシンマジソン大学（University of Wisconsin−Madison）におけるシンクロトロンラジエーションセンター（Synchrotron Radiation Center:SRC）について例示することができる。これらの電子貯蔵リングは、SRCリングについては1GeVの、またNSLSリングについては2.584GeVの電子ビームエネルギーにて動作する。所謂「ベンドマグネット（bend magnet）」開口において、これらのデバイスから放出された輻射は、垂直方向に自然に平行化され、また水平方向に該露光場を横切って進む。従って、該露光装置（例えば、第１図のフィルタ12、マスク16、背板22およびターゲット20）は、該フォトンビームを介して垂直方向に走査されて、均一な線量の大きな領域を与える。
Ｘ−線による厚いフォトレジストの適当な露光は、使用した現像液系および特定のレジストの加工条件内で作業することを必要とし、これによりレジストの厚みおよび露光の幾何の効果を斟酌して、入射輻射スペクトルを最適化する。これに関連して、該SRCおよびNSLS貯蔵リングに対する臨界エネルギーは、それぞれ1.07および5.0keVであることに注目することができる。積分輻射出力の半分は該「臨界エネルギー」の何れかの側にあり、これが該貯蔵リングパラメータの特徴である。第３図は、公称の作動条件における、これら２つのリングに関する計算された線束およびスペクトル出力（このような計算に関する公知のソフトウエアを使用して得た）を示す図である。該高エネルギーNSLSリングが、全体的により高い出力をもつ、かなり硬質のＸ−線スペクトルを生成することを明確に理解することができる。硬Ｘ−線リトグラフィー用途にとって重要である、これら２種のＸ−線源間の差異は、これらＸ−線源によるレジストの露光およびその後の加工を考察することにより最も良く理解できる。
従来、「吸収線量（absorbed dose）」または単に「線量（dose）」なる用語は、照射された物質の単位質量当たりの、Ｘ−線等の輻射により付与されたエネルギーの量として定義される。便宜的に、リトグラフィー加工では、該「線量」なる用語は、しばしば該レジストが薄いフィルム状である場合には、該レジスト層の単位面積当たりの、該レジストに吸収されたエネルギーとして定義される。任意の形状のレジストの大きな体積部分を加工するためには、レジストの単位体積当たりの吸収されるエネルギーとして、該線量を定義することがより適当である。この最後の定義を、一般的に本明細書で使用するであろう。実際に該レジストによるエネルギーの吸収が、該Ｘ−線ビームの軌跡に沿った線量の勾配を生ずるという事実によって、この情況は一層複雑となり、これは該レジストの組成および該Ｘ−線ビームのスペクトルのプロフィールに依存する。首尾よい露光に係わる要件は、該レジストの照射された部分全体が、十分な線量（「閾値線量」と呼ぶ）を受け取り、該イメージの上首尾の現像を可能とし、一方で如何なる部分も、例えば大きな気泡形成等により該レジストに損傷を与える程に大きな線量を受け取らないことである。ここで、該気泡の形成は、該レジストの未露光部分を破壊するであろう。
Ｘ−線透過フィルタおよびフォトレジストは、ブーゲー−ランバート（Bouguer−Lambert）法則によって、そのスペクトルフォトン分布が変更されるものと推定される。
Ｎ（ｈν）＝N0（ｈν）・exp［−α（ｈν）ｄ］                                            （１）
ここで、N0（ｈν）は元のスペクトル分布であり、α（ｈν）はフォトンエネルギーｈνにおけるフィルタの減衰定数であり、またｄはフィルタの厚みである。全吸収断面μｚ（ｈν）は、単位cm2/atomで表された、フォトンのあるエネルギー範囲に渡り、各エレメントに対して一般的に与えられる。フィルタの減衰定数は以下のように算出される。
0003609833.tif 000002
この計算では、該フィルタ材料の密度および原子質量単位（amu）並びに該フィルタを構成する各エレメントについての、重みを付加した全吸収断面の和を利用して実施する。
任意の特定のフィルタにより生ずる減衰の物理は、十分に理解された現象であり、この目的のための、広範に入手できるソフトウエアを使用して、容易に計算することができる。これについては、例えばチャップマン（Chapman）等の「フォトン：アプログラムフォーシンクロトロンラジエーションドーズカルキュレーションズ（PHOTON:A Program for Synchrotron Radiation Dose Calculations）」，ヌクレアーインスツルメンツ＆メソッズ（Nuclear Instruments and Methods）A,Vol.266,1988,pp.191−194を参照のこと。このような計算手段を利用して、本発明の顕著な特徴を例示するための、第２〜12図のグラフを得た。これら例において、ポリメチルメタクリレート（PMMA）を該レジストとして使用し、全厚み3mmのレジストの、厚み0.3mmの層内の蓄積出力を計算した。データは、フォトンエネルギーの関数として、および種々の実際のフィルタの組み合わせに関して、深さの関数で表した積分蓄積出力として表示した。
第４図は、フォトンエネルギーの関数としての、線束についての、SRC貯蔵リングのデータを示すものである。上部の曲線30は、該装置からのスペクトルであり、一方次の下方の曲線31は、厚み0.25mmのベリリウムフィルタを透過した輻射線である。第４図の該後者の曲線31は、第５図の最大の線束の曲線を構成し、一方で第５図の該曲線31の下方の曲線群は、厚み3mmのレジストフィルムの、該入射表面（最大曲線）から、射出表面（最小曲線）までの、該フォトレジストの厚み0.3mmの層内に蓄積されたエネルギーを表す。該吸収におけるピークエネルギーが、該レジストを介して大幅にシフトし、かつより重要なことに、各シミュレーション層において吸収された出力が、その大きさの順に従って変動することに注目すべきである。この作用は第６図に明白に示されており、ここで深さの関数として表した吸収された出力および該積分された出力両者は、同一のレジスト厚み尺度に対して示されている。本質的に全ての入射出力は、レジストの最初の0.5mm中に蓄積され、一方該出射表面近傍に蓄積した出力は、無視できる。このような有意な線量範囲をもつサンプルは、一般的にその全厚み3mmに渡り首尾よく加工することは不可能であろう。しかしながら、より適度な厚み、例えば0.5mmまでの厚みは、SRCにおいて、上首尾でパターン化することができる。実際に、実行可能な露光時間は、SRCにおいて、0.5mmの厚みをもつ平坦なレジストに対して、数時間程度である。
厚み0.5mmのベリリウムスペクトルフィルタのみを使用した露光に対して、該NSLSX−線リングを使用した場合、得られる濾波スペクトル曲線33および該層により吸収されたスペクトルの曲線は、第７図に示されており、該入射表面に最も近接した層についての曲線は、第７図に34として示されている。この傾向は、第４および５図に示されたものと類似しているが、該吸収されたスペクトルにおけるピークは、幾分高いフォトンエネルギーにおいて見られ、該サンプルに対する曲線は、SRCにみられる値よりも２桁大きい。第８図に、NSLS源について示した、該フォトレジストを介する勾配も、第６図に示されたSRCについてのプロフィールと類似しており、このことはレジスト深さの関数としての線量における指数関数的減少が存在するが、全ての深さにおける吸収エネルギーがより一層大きいことを立証している。第６図のNSLSビームに暴露した厚み3mmのレジストフィルムが、５秒未満でカタストロフィー的に損傷を受けることに注意すべきである。このようにして露光されたPMMAサンプルは、典型的には該露光の、残存する周辺部の極めて微細な発泡ガラス（foam glass）の境界をもつ。実際の条件下でのこのサンプルに関する吸収された出力は、僅かに数ワットである。該サンプルに対する損傷は、該レジストの低分子量フォトフラグメント（photofragments）が生成される割合と、揮発または未露光レジスト材料への溶解により、該露光領域から離脱するこれらの割合との競合に起因するものと考えられる。ここに説明した例については、揮発性成分の生産速度は、該露光領域からの物質の移動速度よりも非常に速い。該露光領域に気泡および空洞が生成し、これらは十分な機械的歪みを導入して、露光することを意図していない該レジスト部分に損傷を与える。吸収されたエネルギーの深さに伴う指数関数的な減少のために、有害な線量レベルは、まず該入射表面近傍の該フォトレジスト部分において達せられるであろう。
該フォトレジストの直接加熱は、上記の破壊モードの原因とはなり得ないが、光−誘発加熱は、基板と結合したレジストフィルムにとって重要である。該レジストフィルムが、該レジスト自体よりも大きな平均原子数をもつ基板により支持されている場合には、該界面における局所加熱が顕著であり、また該結合の破壊を生じる可能性があり、もしくは該基板と該レジストとの間の熱膨張差によって該レジストフィルム中に歪みを導入する恐れがある。これらの作用は、後にこの加工されたレジストから製造される部品の加工精度および品位を大幅に低下させる可能性がある。該レジストフィルム内での空洞の形成は、該フィルムをカタストロフィー的破壊に導くのに必要な線量よりも十分に低い全線量にて起こる可能性があるが、その最終製品に及ぼす影響は、まさに有害であると考えられる。
本発明においては、適当なスペクトル濾波を利用して、Ｘ−線ビームを得るが、該Ｘ−線ビームは、入射表面における該レジスト部分が該レジストの保全性を破壊するのに十分な線量の照射を受ける前に、該レジストの出射表面に対する閾値線量を与えることができる。
例えば、第７図の曲線33によって特徴付けられる該NSLSビームは、0.05mmのアルミニウムおよび0.4mmのシリコンからフィルタを使用して、更に濾波処理することができる。該シリコンフィルタは、マスク支持基板を含むことができ、これは極めて頑丈なマスク構造を与える。第９図は、ベリリウムフィルタ（曲線35）、アルミニウムフィルタ（曲線36）およびシリコンフィルタ（曲線37）で処理した後の該NSLSビームのスペクトル分布を示す図である。第10図は、この十分に濾波処理されたビームによる、該レジスト層各々において蓄積されたエネルギーを表す曲線を示す。この十分に濾波処理されたビームが、3mm厚のレジスト中の入射綿から出射面を通過するにつれて、該ビームによる線量は、第５および７図に示された数桁の変動の大きさと対照的に、30％未満で変動する。第10図は、また該スペクトル内のピークが、該レジストを介して、比較的僅かな量だけシフトすることを示している。第11図は、この濾波処理したビームに関する、吸収された出力勾配を示し、またこの全体で3mmの厚みのレジストフィルムを介する線量の殆ど直線的な変動も、全く明らかである。深さに依存する線量におけるかかる僅かな変動をもつ、露光されたレジストフィルムは、著しく容易に平坦な幾何形状に加工され、該濾波処理されたビームは、以下に説明するような、完全に形象化された露光幾何形状の生成を可能とする。第９図から、最終的に濾波処理された該ビームのスペクトル37は、実質上僅かに10KeVを越える程度のフォトンエネルギーをもつ。これは本発明にとっては好ましいが、幾つかのレジスト露光については、約5KeVを越えるフォトンエネルギーをもつビームを使用することができる。上で論じかつ第２図に示したように、各々基板によって支持された幾つかのフォトレジストターゲットを、同時に露光することができる。第20図は、積層され、同時に露光されたレジストにおける、計算された吸収出力を示す図である。各層は、厚み0.3mmのPMMAフォトレジストを担持する、厚み0.4mmのシリコンウエハ基板から形成される。該レジストの深さは、該フォトレジスト層に対応し、即ち0.3mm、0.6mm、0.9mm等である。所望ならば、該第一層および最後の層における吸収出力の比を、該第一層として、付随的なフィルタとして効果的に機能する、シリコン基板のみを使用することにより、減じることができる。
0.3mmの厚みのフォトレジストを0.25mmの厚みの酸化ベリリウムウエハで支持した、積層体についての同様なプロットを第21図に示した。このような基板については、該Ｘ−線の減衰はより一層緩慢であるので、10層を越える積層体を、所望により同時に露光することができる。
しかしながら、形象化したレジストフィルムを得るためには、適当なマスクが利用可能である必要がある。該Ｘ−線の短波長特性および使用した該Ｘ−線源の平行性は、巨視的な厚みの自立式材料をマスクとして使用することを可能とする。これらは、銅、タングステン、モリブデン、タンタル、およびマスクの精度が問題とならない場合のマスクとしての鉛等を包含する、種々の高原子量の材料製の、公知の機械加工に付された、自立式部材を含む。実際の高許容度、高精度マスク系、特に特徴的サイズが1mmよりもかなり小さいマスク系については、リトグラフィー技術により製造したマスクが極めて好ましい。このようなマスクは、公知のLIGA技術によって、シリコンウエハ上に堆積した厚み50μｍの金のパターンを使用して、首尾よく製造されていた。該NSLS濾波ビームおよび追加の50μｍ金製吸収フィルムで処理した同一のビームの相対的透過率を第12図の、それぞれ38および39で表示した曲線で示した。計算によれば、該金は積算透過スペクトルにおいて98％の減衰を生じ、これは金のより薄いフィルムまたは他の材料から製造したマスクが、該マスク吸収体として適しているであろうことを示唆している。第13図は、このマスク系を使用して達成できる、露光コントラストをグラフで示した図である。
該フォトレジストおよびこれを現像するのに選択された現像液は、該フォトレジストを露光するのに必要なエネルギー量、該フォトレジストが受け取ることのできる最大の出力および該入射フォトンスペクトルが厚いフォトレジスト層を透過した場合に、該スペクトルが如何ように変化するかを決定する。フォトレジストの該閾値線量は、該フォトレジストを特定の現像液に溶解するのに必要なエネルギー量を説明しており、従って該閾値線量は、フォトレジストの型および使用した現像液の関数である。厚いフォトレジストに関連して、該フォトレジストの底部および出射面は、該フォトレジストが完全に現像されるのに必要なこの閾値線量を受け取る必要がある。PMMAを露光するための露光閾値線量は、典型的には1.6KJ/cm3であると考えられるが、完全な露光を保証するために、2.0KJ/cm3近傍の閾値が通常使用されている。該シンクロトロンリングパラメータおよび該フォトレジストに関する知見が与えられれば、該露光時間をフォトレジストの厚みの関数として算出できる。
厚いフォトレジストに対する最大出力限界は、該フォトン源に最も近接した該フォトレジスト部分（即ち、該入射面およびその近傍）が吸収できる出力の量を決定し、一方で最も遠方の該フォトレジスト部分（即ち、出射面）は、少なくとも該露光閾値線量を受け取る。
好ましくは、該フォトレジストを、露光前に注意深く調製して、露光前の加熱および真空サイクルにより、あらゆる過剰のモノマーおよび水を除去する。上で述べた如く、露光中選択的に高いフォトレジスト温度（例えば、PMMAについては35〜45℃）に維持して、該結合の破壊の際に生成したあらゆる揮発性種の拡散速度を高めることも可能である。これは、該フォトレジストに分配し得る出力の増加を可能とし、従って露光時間の短縮を可能とする。かくして、周囲温度以上であるが、有害な加熱作用を結果する程に高くない制御された温度に、該フォトレジストを加熱することが望ましい。
該Ｘ−線フィルタの設計では、該露光光源から得られる全フォトンスペクトル分布、フォトレジストの最大出力限界および露光閾値線量を考慮する必要がある。該フィルタの設計は、好ましくは利用可能なフォトンスペクトル分布に適合するようになされ、かくして該フォトレジストを最短時間で露光することができ、一方で線量は該フォトレジストの出力限界の範囲内にある。適当なフィルタは、該フォトレジストの入射面が出力限界またはその近傍の出力を受け取ることを可能とし、一方で最下部のフォトレジスト層に分配される該出力を最大にして、できる限り迅速に該露光閾値線量またはそれ以上の線量を達成する。
ビーム光路に、すれすれの入射ミラーを配置して、該シンクロトロンのフォトンスペクトルに適合させることができ、またこれは本発明によればフィルタであるとも考えられる。該ミラーの角度は低域フィルタとして機能し（高エネルギーフォトンは透過し、かつ使用されない場合には、低エネルギーフォトンが該サンプルに向けて反射される）、その遮断フォトンエネルギーは該ミラー角度によって決定される。ミラーは、これを使用しない場合には、該フォトレジストを透過し、背後の基板を加熱する高エネルギーフォトンが排除されることから、有用である。不幸なことに、ミラーはまた幾つかの制限をももつ。ビームライン内に挿入されたミラーは、取り外しが困難であり、従って上記の適合化のために利用できる該フォトンスペクトルを制限する。ビームライン内のミラーは、最大フォトレジスト深さを設定し、また基板の加熱を防止するためのミラーについては、最低フォトレジスト厚をも設定する。該ビームが透過する材料で作成された透過フィルタを、任意の時点においてビームライン内に付加でき、一方ミラーの変更は新たなビームラインの設計を要する可能性があることに注意すべきである。かくして、透過フィルタは、特定のフォトレジストの厚みに対してビームラインが特定されていなければ、スペクトル適合化のためには、ミラーフィルタよりも好ましい。
上記のように、該Ｘ−線ビーム出力を減じ、かつ該フォトレジストに分配すべきスペクトルのフォトンエネルギーをより高い方向にシフトするという２つの目的のために、本発明ではフィルタを使用する。まず、比較的高い吸収波長または低い原子番号をもつ材料で作成された透過フィルタを、必要に応じて、不当に厚いものとなるまで付加することができ、次いでより高い原子番号をもつ材料製のフィルタを使用することができる。一般的なフィルタ材料は、該低原子番号の材料製のフィルタに対するベリリウム、該高い原子番号をもつ材料製のフィルタに対するシリコンおよび／またはアルミニウムを包含する。シリコンは、フィルタとして理想的である。というのは、これは、該Ｘ−線マスク用の基板として通常使用されている該膜の厚みを大きくすることを可能とするからである。該Ｘ−線マスク用の膜が厚い程、得られるＸ−線マスクは安価で、より耐久性が高く、しかも単純である。
このＸ−線マスクは、該フォトレジストの特定の領域が、上記露光閾値に達することを防止する。Ｘ−線マスクは、短い吸収長さのＸ−線吸収材料製の厚いパターン化したフィルム、または長い吸収長さのＸ−線透過性材料製の薄いフィルムまたは膜を使用する。一般的な吸収体は金、タングステン、タンタル、タングステン−チタン、ニッケルおよび銅である。通常の膜材料は、純粋なおよびドーピングした炭素、シリコンおよび窒化シリコン製の薄い自立型フィルムである。
Ｘ−線マスクのコントラストは、その性能の尺度である。即ち、該吸収体が如何に十分に、該入射スペクトル領域を遮断し、一方で該スペクトルの他の部分の該膜の透過を可能とするかの尺度である。２つの型のＸ−線マスクコントラストを定義することができる：（１）該膜を透過した全出力対該吸収体および膜両者を透過する全出力の比を定義する透過コントラストおよび（２）吸収コントラスト、即ち該膜のみを介して露光した領域内のフォトレジスト中に吸収された出力の、該吸収体および膜両者により保護されたこれら領域中に吸収された出力に対する比である。これら両コントラストは、該入射スペクトルに依存するが、該吸収コントラストのみは、該フォトレジストの吸収機能を含む。Ｘ−線マスクが有効であるためには、該吸収体下方の該フォトレジスト中に十分な出力が吸収されるのを阻止する必要がある。というのは、これが該フォトレジスト現像液により除去されるべきではなく、一方他の領域に吸収された出力が該露光閾値に達することを可能とするからである。従って、該吸収コントラストのみを、このようなフォトレジスト露光用のＸ−マスクの性能の尺度として使用する必要がある。
露光線量の閾値は、単位体積当たりのエネルギーとして有利に特定でき、またＸ−線マスクコントラスト比で使用する出力は、出力密度であるべきである。フォトレジストの単位体積当たりに吸収される出力は、フォトレジストの深さの関数であるので、吸収コントラストは、該出力密度を測定する深さを指定する必要がある。該マスク膜のみを透過するＸ−線から、該フォトレジスト中に吸収される該Ｘ−線の出力密度は、該膜の性能を評価し、その結果として該フォトレジストの露光が可能となる。このために、該露光領域における該フォトレジストの底部にて吸収された出力を測定すること、が好ましい。該Ｘ−線マスク吸収コントラストの基準は、該吸収体下方の該フォトレジストが露光されるのを防止する際の、該吸収体の性能の尺度となる。従って、該吸収体により保護された該フォトレジストの上部表面において吸収された出力を測定することが好ましい。実際には、多くの場合において、該吸収体によって濾波されたフォトンスペクトルの吸収長さは、非常に長くて、該吸収された出力密度は該保護された領域における該フォトレジストの深さ全体において同一である。概して、厚みｄのフォトレジストに対するＸ−線マスクの吸収コントラストは、該膜下方の該フォトレジスト内の深さｄにおいて吸収された出力密度の、該吸収体下方の該フォトレジストの入射面において吸収された出力密度に対する比として定義することができる。
0003609833.tif 000003
２〜400の範囲の吸収コントラストが、深部Ｘ−線リトグラフィーにおいて一般的である。必要な吸収コントラストは、使用する現像液および該現像されたフォトレジスト構造の側壁における所定の振れに依存する。該現像液の選択性が大きければ大きい程、該Ｘ−線マスクの吸収コントラストはより小さくともよい。該コントラストが大きければ大きい程、現像後に該フォトレジスト構造の該側壁はより垂直となるであろう。
1000μｍのPMMA露光用のNSLSにおけるＸ−線マスクの一例は、厚み400μｍのシリコンウエハ上にパターン化された厚み50μｍの金製の吸収体からなる。このＸ−線マスクは、パターン化のためにシンクロトロンの使用を必要とする。該50μｍの金の層は、50〜60μｍの深部Ｘ−線LIGA露光によりパターン化される。該最終のマスクを露光するのに使用する第一のＸ−線マスクは、低エネルギーシンクロトロンにおいては、高コントラストの、薄い金製、薄膜Ｘ−線マスクの何れか、あるいは高いエネルギーシンクロトロンにおいては、低コントラストの、薄い金製、厚膜Ｘ−線マスクである。NSLSにおける最終Ｘ−線マスクについての、1000μｍのPMMAに対する吸収コントラストはほぼ45である。第13図は、このマスクに対する入射および出射スペクトルのコントラストの種々の尺度を示す。該PMMAの表面、本体および底部で測定される該吸収コントラストは、ほぼ同一である。というのは、該NSLSシンクロトロンの濾波処理したスペクトルの吸収長さがほぼ1000μｍであるからである。
本発明において利用可能な、スペクトル的に処理したＸ−線ビームは、フォトレジストターゲットの動的な露光並びに第１図に示された設備により例示される、本質的に静的な露光を可能とする。第一の例は第14〜16図に示されている。ここで、ターゲット20は、該ビームの面内に水平に配置された軸40の回りを回転するように取り付けられ、かくして走査領域および露光時間を最小化する。該軸40もまた、該マスク基板の面に対して水平に配置されている。このＸ−線マスク16は、その上に吸収体パターン17をもち、該パターンは第16図に示されるように形成され、半円形の中央部分42および頂部および底部延長部43および44を有する。該マスク16を透過する、該Ｘ−線ビーム14は第16図に示された吸収体17により処理されて、該ターゲット20が該軸40の回りを回転（例えば、小さな不連続の段階で、または適当な場合には連続的に）するにつれて、閾値線量に暴露されないフォトレジスト部分は、該中心軸の回りの回転立体を規定し、これは該吸収体の半円形部分42に対応する中央のボール状部分48と、該吸収体の末端部分43および44に対応する２つの末端部分49および50を含む。該露光したターゲットを、現像液（例えば、MIBK）内に浸漬することにより現像した場合、未露光フォトレジストの、第15図に示された回転立体が残される。任意の回転立体が、このようにして形成でき、旋盤のように該入射Ｘ−線ビームを有効に利用して、該回転立体の形状を規定できることは明白である。
中心軸の回りに、該ターゲット20を連続的にまたは半連続的に回転することに加えて、該ターゲットは、大きな不連続の段階で回転することもできる。このような回転の結果は第17図に示されており、そこでは該Ｘ−線吸収体17は、長い矩形の単純なパターンを有し、該矩形の短辺が第17図に示されている。該ターゲット20を、各露光操作間に60゜回転する。その結果は六角形の部分51であり、これは閾値未満の線量を受取り、かつ現像液をこれに適用して、該成形した部分の外側にある、該フォトレジストのより強力に照射された部分を除去する場合に、残留するであろう。該成形構造に対する他の多角形断面も、このようにして形成できることは明らかである。
第18図は、Ｘ−線の狭い、十分に画成されたビームを使用して、複雑な形状を機械加工して、該フォトレジストターゲットとする方法を例示している。この場合には、該吸収体17は、単一の孔54が形成されるように、パターン化され、該孔を通して、該ビーム14の薄い部分が透過する。次いで、この薄い部分を使用して、該フォトレジスト20のい匹敵する薄い部分を露光することができ、該レジストは回転の中心軸55の回りを回転することができる。このようにして形成できる構造の一例は、第18図に示されたようなスクリュー型の構造56である。該ターゲットの段階的回転を利用することも可能である。該ターゲットは、二次元内で平行移動して、該ターゲット中に露光されたラインを描くこともできる。
本発明に従って、凹角型構造を形成することも可能である。このような構造の一例を第19図に示す。本図では、２つのマスク16および16aが使用されている。該マスク16は、吸収体17のパターンを有し、該吸収体は比較的厚い中央マスク部分60および薄いリムマスク部分61を含む。開放空間62がこれらの間に画成されている。第17図の矩形吸収体17に類似する、大きな矩形吸収体64をもつボディー（body）マスク16aを、所定の位置に挿入して、部分的に該ビーム14を遮断することができる。まず、該外側形状を、該マスク16aを使用して規定する。該ターゲット20は六角形の周辺を規定するよりに示された６段階による、第17図に示されたターゲットと同様に、不連続の段階で回転される。該マスク16aを取り外し、露光を行った場合、該吸収体部分60と61との間の開放領域62は、リム吸収体部分61によって遮断される、該ターゲットの周辺部分よりも大きな線量を受け取る、該ターゲットの中央部分68を与えるであろう。該ターゲットを段階的に回転させ、かつ該中央部分68が該閾値線量よりも大きな線量を受け取る点にまで該露光が進行することを可能とし、一方該リム部分61により遮断される周辺部分69はそのような線量を受け取らず、該ターゲット20が現像液により現像された場合には、該中央部分68は取り外され、該フォトレジスト内に空洞を残す。該ターゲットの該中央部分は、各回転中に３回該ビーム内に入り、一方該周辺部分69は２回だけ該ビームと遭遇することが分かる。第18図の該マスク16および16Aまたは該14−17図のマスクは必ずしもマスク支持基板を必要としない。図示された該マスク吸収体材料は、該吸収体部分間に画成された開口により、該ビーム内で自立するように取り付けることができる。
該露光したフォトレジストターゲットの現像後、該ターゲットを直接、かかる部品を必要とする場所で使用することができる。更に、該ミクロ機械加工されたフォトレジストは、付随的なプラスチック部品を成形するための金型用のコア部分として利用でき、該部品は従って該ミクロ機械加工された部品の形状をとり、かつ適当に該フォトレジスト構造をメッキベース上に固定することにより、このようなフォトレジスト構造の回りおよびその間の金属のメッキを行って、該フォトレジストの形状をもつ金属構造を組み立てることができる。次いで、該フォトレジストを現像液に溶解して、該フォトレジストと逆の形状をもつ該金属構造を残すことができる。適当な現像法および金属メッキ法は、米国特許第5,189,777号、同第5,190,637号、同第5,206,983号および同第5,378,583号に記載されている。これら特許の開示を本発明の参考とする。金属微小構造を利用した射出成形の例は、P.ハグマン（Hagmann）＆W.エーアフェルド（Ehrfeld），「ファブリケーションオブマイクロストラクチャーズオブイクストリームストラクチュラルハイツバイリアクションインジェクションモールディング（Fabrication of Microstructures of Extreme Structural Heights by Reaction Injection Molding）」，インタナショナルポリマープロセッシング（International Polymer Processing）,IV,Vol.3,1989,pp.188−195に記載されている。これを本発明の参考文献とする。この成形し、電気メッキした金属を鋳型として使用し、液状ポリマーを該金型に適用してこれを満たし、これを硬化して該ポリマーに該金属金型の形状をもたせ、次いで該ポリマーを硬化した後、硬化ポリマーを該金属金型から取り出し、該金属金型の形状をもつポリマーを得ることができる。
本発明は、ここに例示の目的で提示した特定の態様に制限されるのではなく、以下の請求の範囲に含まれる、該態様の変形をも包含するものと理解すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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