(57)【要約】【課題】  従来の技術では、フォトマスクを形成するには、大きなコストや時間が掛かっていた。本発明の目的は、所望のパターンを安価に短時間で得ることのできるパターン形成方法を提供することにある。【解決手段】  上記課題は、基板上に形成したレジスト膜上に集束させた光を照射して所望の潜像パターンを形成する方法であって、前記集束光の強度或いは前記レジスト膜上での大きさを前記パターンの位置に応じて調節して照射する工程を備えたパターン形成方法により解決される。【選択図】図１
2005167104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成したレジスト膜上に集束させた光を照射して所望の潜像パターンを形成する方法であって、前記集束光の強度或いは前記レジスト膜上での大きさを前記パターンの位置に応じて調節して照射する工程を備えたパターン形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載のパターン形成方法であって、前記レジスト膜上における前記集束光の径が５μｍ乃至５００μｍの範囲で変化させる工程を備えたパターンの形成方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のパターン形成方法であって、前記集束光の光源と前記レジスト膜の間に設けられたレンズ及び絞りを含む光伝送手段に具備された前記絞りを調節して前記集束光の径を調節するパターンの形成方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のパターン形成方法であって、前記集束光の径を調節しつつ、前記レジスト膜における単位面積当たりのエネルギー照射量を調節するパターンの形成方法。
【請求項５】
請求項４に記載のパターン形成方法であって、前記レジスト膜における単位面積当たりのエネルギー照射量を、前記集束光の光源とレジスト膜の間に設けられた光伝送手段内に具備された光強度変調素子を用いて集束光に対する透過率を制御するパターンの形成方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載のパターン形成方法であって、前記レジスト表面における前記集束光の相対的な移動速度を制御して、前記レジスト膜における単位面積当たりのエネルギー照射量を調節するパターンの形成方法。
【請求項７】
基板上に形成したレジスト膜上に集束させた光を照射して所望の潜像パターンを形成する方法であって、前記集束光の照射方向あるいは前記基板の位置を前記パターンの位置に応じて可変に調節しつつ前記集束光を照射する工程を備えたパターン形成方法。
【請求項８】
請求項７に記載のパターン形成方法において、前記パターンに沿って前記集束光のシャープネスを調節する工程を備えたパターンの形成方法。
【請求項９】
請求項７または８に記載のパターン形成方法において、前記集束光の光源と前記レジスト膜の間に設けられたレンズ及び絞りを備えた光伝送手段の前記絞りを用いて対物レンズの開口数ＮＡを調節して前記集束光のシャープネス或いは焦点深度を調節するパターンの形成方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載のパターン形成方法において、前記集束光の光源として、３６５ｎｍ近傍の波長を主とする出射光強度分布を有する半導体発光素子を用いたパターンの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の基板上に形成したレジスト膜にパターンを形成する方法に係わり、基板上のレジスト膜に光を照射してパターン潜像を形成するパターン形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハ等の基板から半導体素子を形成するための工程において、基板上にレジスト膜等のマスクを用いてパターンが形成される。このようなパターンの形成、例えば、マイクロ流路デバイス等のパターン作製には、数μｍ〜数百μｍ幅の所望パターンを含むフォトマスクを事前に製作する必要がある。通常、これらのフォトマスクは、電子線直接描画リソグラフィ工程及びクロム膜のエッチング工程を経て作製される。次に、コンタクト露光装置或いはマスクアライナを用いて、基板上に塗布，成膜したレジスト膜に対して、前記フォトマスクを密着或いは密着に近い状態に保持し、紫外光を前記フォトマスクを通してレジスト膜に照射することにより、所望の潜像パターンを形成する。次いで、レジスト膜に所定の熱処理（ベーク工程）を施した後、現像処理を行うことにより、前記潜像パターンをレジスト形状パターンに変換する。ポジ型レジストを用いた場合には、紫外線照射により形成された潜像パターンが現像処理により溶解，除去される。逆に、ネガ型レジストを用いた場合には、潜像パターン領域だけが現像処理後にも残ることによりレジスト形状を形成する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
マイクロ流路デバイス等の研究開発段階では、各アプリケーションに応じて、パターン構成だけでなく、寸法や配置の微調整の試行錯誤による最適化が必須であり、デバイスパターンの修正が頻繁に行われる。これらのパターン修正にはフォトマスク再製作まで遡る必要があり、高価な電子線直接描画リソグラフィを所有するフォトマスク作製専業メーカに頼らざるを得ないため、研究開発スピードがフォトマスクの入手期間（納期）により制限され、またフォトマスクにかかるコストが増えるという課題がある。
【０００４】
また、通常のフォトマスクでは、遮光材（クロム膜）パターンの有無により、レジスト膜に潜像パターンを形成している。その結果、現像処理後に得られるレジストパターン形状、特にレジスト膜厚方向のプロファイルは基本的には光照射有無の２値情報に基づいたシャープな形状となる。一方、マイクロ流路デバイス等の分野では、流体における乱流発生を防ぐためにレジスト膜厚方向の変化に対しても含めて滑らかなプロファイルを有する流路パターン形状が望まれている。このようなプロファイルを有するレジストパターンを形成する方法として、ドットパターンの密度を段階的に変化させることにより透過率をゾーン毎に徐々に変化させたグレースケールマスクを用いる露光方法があるが、グレースケールマスクの設計及び製造が煩雑であり、フォトマスク作製にかかるコスト及び期間が大幅に増大するため、試行錯誤を要するマイクロ流路デバイス等の研究或いは試作段階での適用は現実的ではない。
【０００５】
本発明の目的は、所望のパターンを安価に短時間で得ることのできるパターン形成方法を提供することにある。
【０００６】
また、本発明の別の目的は、所望のパターンを簡便で高精度に得ることができるパターン形成方法を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、目標となるパターンの修正を容易に短時間に実現可能なパターン形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は、基板上に形成したレジスト膜上に集束させた光を照射して所望の潜像パターンを形成する方法であって、前記集束光の強度或いは前記レジスト膜上での大きさを前記パターンの位置に応じて調節して照射する工程を備えたパターン形成方法により達成される。
【０００９】
さらには、前記レジスト膜上における前記集束光の径が５μｍ乃至５００μｍの範囲で変化させる工程を備えたことにより達成される。また、前記集束光の光源と前記レジスト膜の間に設けられたレンズ及び絞りを含む光伝送手段に具備された前記絞りを調節して前記集束光の径を調節することにより達成される。
【００１０】
さらにまた、前記集束光の径を調節しつつ、前記レジスト膜における単位面積当たりのエネルギー照射量を調節することにより達成される。さらに、前記レジスト膜における単位面積当たりのエネルギー照射量を、前記集束光の光源とレジスト膜の間に設けられた光伝送手段内に具備された光強度変調素子を用いて集束光に対する透過率を制御することにより達成される。さらには、前記レジスト表面における前記集束光の相対的な移動速度を制御して、前記レジスト膜における単位面積当たりのエネルギー照射量を調節することにより達成される。
【００１１】
また、上記目的は、基板上に形成したレジスト膜上に集束させた光を照射して所望の潜像パターンを形成する方法であって、前記集束光の照射方向あるいは前記基板の位置を前記パターンの位置に応じて可変に調節しつつ、前記集束光を照射する工程を備えたパターン形成方法により達成される。
【００１２】
さらには、前記パターンに沿って前記集束光のシャープネスを調節する工程を備えたことにより達成される。さらにまた、前記集束光の光源と前記レジスト膜の間に設けられたレンズ及び絞りを備えた光伝送手段の前記絞りを用いて対物レンズの開口数ＮＡを調節して前記集束光のシャープネス或いは焦点深度を調節することにより達成される。さらには、前記集束光の光源として、３６５ｎｍ近傍の波長を主とする出射光強度分布を有する半導体発光素子を用いたことにより達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について、以下図面を用いて詳細に説明する。
【００１４】
本発明のパターン形成方法を実現するパターン形成装置の第１の実施形態を図１に示す。図１は、本実施の形態に係る装置の構成の概略を示す模式図である。図２は、図１に示す実施の形態を用いて形成したパターンの例を示す縦断面図である。
【００１５】
この図１に示す実施の形態においては、ステージ１００上に、レジスト膜１０１が塗布，成膜された基板１０２が搭載されその位置が固定されている。次に、３６５ｎｍ前後の波長において強度のピークを有する紫外光源１０３からの集束光１０４がレジスト膜101に直接露光され、基板１０２上に所望パターンの潜像が形成される。この集束光１０４は、光強度変調素子１０５,第１のレンズ１０６,第２のレンズ１０７、及び可変絞り１０８を少なくとも含む光伝送手段である光学制御系１０９を経て前記レジスト膜１０１に照射される。
【００１６】
制御用コンピュータ１１０と紫外光源１０３の間の制御，モニタ信号１１１の通信に基づいて、制御用コンピュータ１１０から紫外光源１０３及び光学制御系１０９に対して動作のための司令信号が発信されて、レジスト膜１０１における集束光１０４の光強度及び照射された箇所での光のスポット径の大きさが、精密に調節，制御されている。
【００１７】
また、本実施の形態では、制御用コンピュータ１１０は、ステージ１００の位置及び移動速度を制御して、図２（ａ）の例に示すようなマイクロ流路デバイスにおける流路パターン２００の潜像を、集束光１０４をその光強度やスポット径が照射される基板表面上のパターンの箇所に応じて調節しつつ照射している。このように、照射される集束光の指向する方向，位置や強度変化させるベクター方式によって潜像を形成している。
【００１８】
図２（ａ）における流路パターン２００の幅の異なる部分では、可変絞り１０８等を制御して集束光１０４のスポット径を典型的には５μｍ〜５００μｍの範囲で制御して所望の潜像パターンが形成される。また、集束光１０４の径を考慮してステージ１００の移動速度を制御することにより、レジスト面における光エネルギー密度が制御できる。
【００１９】
このようにして潜像を形成した後、レジスト膜１０１に対して所定のＰＥＢ〔Post 
Exposure Bake 〕ベーク処理及び現像処理が施され、所望のレジスト膜パターンが形成される。本実施の形態では、ポジ型のレジスト膜２０１を用いた場合を説明しており、集束光１０４の照射により形成された潜像部が現像処理により溶解，除去される。
【００２０】
上記実施の形態においては、基板上に形成したレジスト膜に、マイクロ流路デバイス等の所望の潜像パターンを形成する方法として、紫外領域の集束光を用いてレジスト膜に所望のパターンを直接露光している。このような構成とすることで、前記従来の技術におけるフォトマスクが不要になる。本実施形態によれば、フォトマスクを用いることなく、図２に示した流路パターン２００を形成できる。
【００２１】
また、図２（ａ）におけるＡ−Ｂ間の流路パターン２００のようにパターン幅を従来よりも滑らかに変えることも簡便に行うことができる。すなわち、マイクロ流路デバイス等での主要な直線或いは曲線状のパターンの流路幅に応じて、上記集束光の径を制御することにより、上記直線状或いは曲線状のパターンを多重走査することなく、一筆書きに準ずるベクター方式を用いて簡便に所望パターンの潜像を形成することも可能となる。
【００２２】
さらに、レジスト膜上に、直線或いは曲線状パターンを一筆書きに準ずる方式により露光する際に、レジスト面における集束光の径を漸次的に変化させることにより流路幅の変化が滑らかなパターンも容易に形成できる。つまり、レジスト膜における単位面積当たりの光照射量を直線或いは曲線に沿って漸次的に変化させることにより、レジスト膜厚方向のプロファイル（流路深さの変化）が滑らかなパターンを形成することができる。例えば、集束光の光学系における対物レンズの開口数（ＮＡ）を直線或いは曲線に沿って漸次的に変化させることにより、前記直線或いは曲線状パターンにおけるレジスト膜断面のプロファイル（流路の側壁形状）を滑らかに変化させたパターンを形成することも可能である。
【００２３】
また、Ａ−Ｂ間においてレジスト面に照射する単位面積当たりの光エネルギー密度も漸次的に変化させることが可能であり、図２（ｂ）及び（ｃ）に示すように流路パターン
２００部の断面Ａのようにレジスト膜２０２が完全に溶解して基板２０３表面が露出した状態（図２（ｂ））から基板２０３上にレジスト膜２０２を残している状態（図２(ｃ)）の間で流路の深さを変えることが可能である。本実施形態では断面Ａで流路を深く、断面Ｂで浅くしているが、逆に断面Ｂの流路の方を深くするなど、流路幅とは独立して深さの制御を行うことができる。
【００２４】
また、本実施の形態では紫外光源として、３６５ｎｍ前後にピーク波長をもつ化合物半導体（ＧａＮ系）の光発光デバイスＬＥＤ〔Light Emitting Diode〕を用いており、紫外線ランプやガスレーザ等の光源に比べて低価格であるだけでなく、メンテナンスも容易である。ＬＥＤの替わりに、３６５ｎｍ前後にピーク波長を有するＧａＮ系半導体レーザの適用も可能であるが、現時点では長寿命なレーザの入手は困難である。
【００２５】
また、本実施形態では光学制御系１０９として、光強度変調素子１０５，第１のレンズ１０６，第２のレンズ１０７、及び可変絞り１０８だけを代表的に例示しているが、構成及び位置関係についてこれらに限定されるものでなく、また、対物レンズとしての第２のレンズ１０７のレジスト膜１０１或いは基板１０２に対するフォーカス状態或いは相対距離をモニタ制御するために、レジスト膜１０１が感光しない波長のレーザ光を光学制御系１０９の少なくとも一部を経由してレジスト膜１０１或いは基板１０２に入射せしめる光学系が安定した潜像形成に有効であることは言うまでもない。
【００２６】
本実施形態ではポジ型レジスト膜２０１による流路パターン２００について説明したが、マイクロ流路デバイスの作製プロセスにはバリエーションがあり、レジスト膜パターンをマスクとして下地基板に流路パターンを転写する方法，レジスト膜パターンを鋳型としてレプリケーションをとる方法等があり、それらに応じてレジストもポジ型とネガ型が使い分けられることは言うまでもない。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施形態を図３及び図４を用いて説明する。図３は、本発明の第２の実施の形態のパターン形成方法を実現する装置の構成の概略を示す模式図である。図４は、図３に示すパターン形成装置を用いて形成したパターンの例を示す縦断面図である。
【００２８】
この図３においては、ステージ３００上に、レジスト膜３０１が塗布，成膜された基板３０２が搭載されその位置が固定される。次に、３６５ｎｍ前後の波長にピークを有する紫外光源３０３からの集束光３０４がレジスト膜３０１上に照射されて基板３０２表面が直接露光されて、所望のパターンの潜像が形成される。前記集束光３０４は、光強度変調素子３０５，第１のレンズ３０６，第２のレンズ３０７，第１の可変絞り３０８，第２の可変絞り３０９を少なくとも含む光伝送手段である光学制御系３１０を経て前記レジスト膜３０１に照射される。
【００２９】
制御用コンピュータ３１１と紫外光源３０３の間の制御，モニタ信号３１２の通信に基づいて、制御用コンピュータ３１１から紫外光源３０３及び光学制御系３１０に対して動作のための司令信号が発信されて、レジスト膜３０１における集束光３０４の光強度及びスポット径の大きさが、精密に調節，制御されている。
【００３０】
また、本実施の形態において、制御用コンピュータ３１１は、ステージ３００の位置及び移動速度を制御して、図４（ａ）の例に示すようなマイクロ流路デバイスの潜像パターンをベクター方式により簡便に形成している。図４（ａ）におけるパターン幅の異なる部分では、第１の可変絞り３０８等が制御されて集束光３０４のスポット径を代表的には５μｍ〜５００μｍの範囲で制御して、所望の潜像パターンが形成されている。
【００３１】
また、集束光３０４の径を考慮してステージ３００の移動速度を制御することにより、レジスト面における光エネルギー密度が制御される。また、これとは独立して、第２の可変絞り３０９を制御することにより、対物レンズとなる第２のレンズ３０７の開口数(NA)を制御することにより集束光３０４の光強度プロファイル，シャープネスを制御することができる。このようにして潜像を形成した後、レジスト膜３０１に対して所定のＰＥＢ
〔Post Exposure Bake〕ベーク処理及び現像処理を施すことにより、所望のレジスト膜パターンが形成されるものである。
【００３２】
上記本実施の形態によれば、フォトマスクを用いることなく、図４に示した流路パターンを形成できる。また、図４（ａ）におけるＡ−Ｂ間の流路パターンのようにパターン幅を滑らかに変えることも簡便に行える。また、Ａ−Ｂ間においてレジスト面に照射する単位面積当たりの光エネルギー密度も漸次的に変化させることが可能であり、図４（ｂ）及び（ｃ）に示すように流路パターン４００部の断面Ａのようにレジスト膜４０２が完全に溶解して基板４０３表面が露出した状態（図４（ｂ））から基板４０３上にレジスト膜
４０２を残している状態（図４（ｃ））の間で流路の深さを変えることが可能である。さらに、本実施形態では前述したように、第２の可変絞り３０９を制御して対物レンズである第２のレンズ３０７の開口数（ＮＡ）を断面Ａでは大きく、断面Ｂでは小さくすることにより、図４（ｂ）及び（ｃ）に示したようにＡ断面では垂直なレジスト側壁形状を、Ｂ断面ではテーパ形状の側壁断面を各々、形成できる。ここで、Ａ−Ｂ間において漸次的に第２のレンズ３０７の開口数（ＮＡ）を変えることにより、側壁形状を徐々に変化させることができる。
【００３３】
以上のように、上記実施例によれば、基板上に形成したレジスト膜にマイクロ流路デバイス等の所望の潜像パターンを形成する方法として、紫外領域の集束光を用いてレジスト膜に所望のパターンを直接露光することにより、前記従来の技術に記載したようなフォトマスクが不要になる。また、マイクロ流路デバイスの主要な直線或いは曲線状パターンの流路幅に応じて、上記集束光の径を制御することにより、一筆書きに準ずるベクター方式を用いて簡便に所望パターンの潜像を形成できる。
【００３４】
また、前記直線或いは曲線状パターンを一筆書きに準ずる方式により露光する際に、レジスト面における集束光の径を漸次的に変化させることにより流路幅の変化が滑らかなパターンも容易に形成できる。さらに、レジスト膜における単位面積当たりの光照射量を直線或いは曲線に沿って漸次的に変化させることにより、レジスト膜厚方向のプロファイル（流路深さの変化）が滑らかなパターンを形成することができる。さらに、集束光の光学系における対物レンズの開口数（ＮＡ）を直線或いは曲線に沿って漸次的に変化させることにより、前記直線或いは曲線状パターンにおけるレジスト膜断面のプロファイル（流路の側壁形状）を滑らかに変化させたパターンを形成することも可能である。
【００３５】
上記本発明の実施の形態に開示したパターン形成方法を用いることにより、高額であり、さらに入手までに時間を要するフォトマスクを用いることなく、マイクロ流路デバイスの流路パターンを短時間で作成でき、所望の流路パターンに関するデータ及び制御データをコンピュータ上で編集するだけで、容易に、且つ、短時間で流路パターンの修正，改良を行うことが可能になる。また、通常のフォトマスクによる露光方法では実現不可能な流路の深さ及び流路の側壁形状を滑らかに制御したレジスト膜パターンの形成が可能になる。
【００３６】
その結果、マイクロ流路デバイスの研究開発及び試作期間を大幅に短縮できだけるだけでなく、３次元形状の設計パラメータを有する高機能，高品質なマイクロ流路デバイスを作製することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のパターン形成方法の第１の実施形態を実現する装置の構成の概略を示す模式図である。
【図２】図１に示す第１の実施の形態により形成されたパターンの例を示す縦断面図である。
【図３】本発明のパターン形成方法の第２の実施形態を実現する装置の構成の概略を示す模式図である。
【図４】図３に示す第１の実施の形態により形成されたパターンの例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１００，３００…ステージ、１０１，２０１，２０２，３０１，４０１…レジスト膜、１０２，２０３，３０２，４０３…基板、１０３，３０３…紫外光源、１０４，３０４…集束光、１０５，３０５…光強度変調素子、１０６，３０６…第１のレンズ、１０７，
３０７…第２のレンズ、１０８…可変絞り、１０９,３１０…光学制御系、１１０,３１１…制御用コンピュータ、１１１，３１２…制御，モニタ信号、２００，４００…流路パターン、３０８…第１の可変絞り、３０９…第２の可変絞り、４０２…レジスト。
【図１】
2005167104.tif 000003
【図２】
2005167104.tif 000004
【図３】
2005167104.tif 000005
【図４】
2005167104.tif 000006