(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長の光に対して不透明な材料の層を含む対象物の表面にフォトレジストパターンを形成する方法であって、
フォトレジスト材料の層により前記対象物を覆うステップと、
前記対象物の下に反射表面を設け、前記対象物の上に光源を設け、前記対象物と前記光源との間に、前記不透明な材料の層と前記不透明な材料の層を取り囲む領域の一部とを覆う暗部を与えるマスクを設けることによって、前記対象物が前記フォトレジスト材料の層へと暗部を与えるように、前記対象物の下部から、前記フォトレジスト材料の層に前記所定の波長の光を照射するステップと、
前記フォトレジストパターンを形成するために、前記フォトレジスト材料を現像するステップと
を含んでなる方法。
【請求項２】
前記対象物は透明な基板上に置かれており、前記反射表面は該基板に取り付けるテーブルの表面を含むものである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
デバイスの一部をなす金属パッドで終わり、誘電体材料の層を貫通するビアを有するものである該誘電性材料の層を該デバイスの上に置く方法であって、
請求項１に記載の方法を実行するステップであって、前記金属パッドによって前記対象物を形成し、フォトレジスト材料の層により前記対象物を覆うステップがフォトレジスト材料の層を用いて前記デバイスを覆うことを含み、前記フォトレジスト材料を現像するステップが前記フォトレジストの層の露光された部分を取り除いて、前記金属パッドの上にパターン化されたフォトレジスト層を残すことを含むものである、請求項１に記載の方法を実行するステップと
前記誘電性材料の層を前記デバイスの上に置くステップと、
前記パターン化されたフォトレジストの層を取り除くステップと
を含んでなる方法。
【請求項４】
前記デバイスは、透明基板上に置かれた複数の窒化ガリウム層を含む請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記基板がサファイアである請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は半導体素子の形成に関し、特に形成された素子部分の一部をマスクとして他の部分を透る光によりフォトレジストを露光することにより高精度の素子を製造するためのフォトリソグラフィ方法と装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ミクロンオーダの微細な構造を有する半導体素子表面と整列する層構造の形成が必要とされている。たとえば、Yoshinori Kiｍura他はJpn. J. Appl. Phys. Vol.37(1998) pp.L1231-L1233においてGaN系材料を用いた半導体レーザー素子の形成方法を開示している。幅5ミクロンまたはそれ以下の細い光導波路を形成するため、幅5ミクロン程度にパターニングされたフォトレジスト、またはそのフォトレジストを用いてパターニングされたエッチングマスク材料をエッチングマスクとして、その下の下地パターンを有するＧａＮ系材料がエッチングされ凹凸構造が形成される。このようなデバイスでは光導波路の周囲を絶縁材料で覆い、この絶縁材料の上部に設けられる電極パッドと光導波路の周囲の部分とが電気的に接続されないようにする必要がある。
【０００３】
従来このような構造を形成するにはつぎのような方法が用いられている。
（１）光学露光装置を用いて、光導波路の上に、この光導波路より一回り小さなフォトレジストのパターン形成後、全面にSiO2等の絶縁膜を蒸着し、その後有機溶剤やフォトレジスト剥離剤等を用いて、フォトレジスト上のSiO2をフォトレジストといっしょに除去する。
（２）下地パターン形成時に、下地パターンの上に積層形成された他の材料からなる第二の層もいっしょにパターニングした後、これらをエッチングマスク材としてその下のGaN系材料をエッチングする。その後SiO2等の絶縁膜を蒸着し、第二の層とその上のSiO2等の絶縁膜をいっしょに除去することによって、SiO2等の絶縁膜のパターンを形成する。具体的には下地パターン形成時に使用したフォトレジストを残したままＧａＮ系材料をリアクテリブイオンエッチング法等によってエッチングした後、このフォトレジストをリフトオフ材としてSiO2等の絶縁膜のリフトオフパターニングを行う。
（３） 試料上部全面にSiO2等の絶縁膜を蒸着し、フォトリソグラフィー法とエッチング技術を用いて、所望の領域の絶縁膜のみを除去する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の（１）、（２）においては、 試料上にあらかじめ形成されたパターンとフォトマスクとの正確な位置合わせを行う必要がある。たとえば、作業者が手動により試料上の合わせマークと、フォトマスク上の合わせマークとの位置のずれを確認し、そのずれが許容値以下になるまでＸＹ及び回転ステージを用いて試料とフォトマスクの相対位置を合わせる方法がある。しかし、1ミクロン程度の合わせマージンを必要とするため、下地パターンより１乃至２ミクロン程度小さなフォトマスクにしか応用できない。別の方法（ロ）では高精度な自動位置合わせシステムを有する縮小投影露光装置（ステッパー）や電子ビーム描画装置等を用いる。しかし、装置が極めて高価であり、製造コストが増大するといった問題点があった。
【０００５】
また（３）では、ＧａＮ系材料のエッチング工程において、その上のマスク材料であるフォトレジストもエッチングされ、特にパターンの端部分が丸みを帯びたり、またエッチング中に生成される反応生成物などによってフォトレジストが剥離されにくくなったりする。これらのフォトレジストの形状の変化や反応生成物の形成はリフトオフ法による加工の歩留まりの低下を招く等の問題があった。また（３）では正確なマスク合わせの工程は必要ないが、ＧａＮ系材料のエッチング後に、試料表面に形成されたSiO2等の絶縁膜のうちフォトレジスト上の部分のみをフォトレジストとともに選択的に除去することが必要である。
【０００６】
したがって、本発明の目的はマスクあわせが不要か、きわめて容易で、かつ低コストであるが精度が高いフォトリソグラフィ方法を提供することにより従来技術の欠点を解消することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フォトリソグラフィー技術を用いた透明材料のデバイス加工工程において、すでに形成されている不透明材料の下地パターンをフォトマスクとして作用させることに基づいている。
本発明では、まず、第一、第二の表面を備え、露光光に対する透明度の高い第一の層構造を用意する。次に、露光光に対する透明度が低い所定のパターンを有する第二の層構造を第一の層構造の第二の表面上に形成する。さらにフォトレジスト層を設けて、該フォトレジスト層と第一の層構造とにより第二の層を構造を挟持するようにする。そして、露光光を前記第一の層構造から前記第二の層構造をマスクとしてフォトレジスト層に導入し該フォトレジスト層を露光する。
【０００８】
露光光が前記第一の表面を透過して前記第一の層構造に入射するようにしてもよい。
また露光光は前記第一の層構造に導入された後前記第一の表面で反射されてから前記フォトレジスト層に導入されるようにしてもよい。
さらに、露光光はフォトレジスト層側から第一の層構造に導入され、ついで前記第一の表面近傍で反射されてから前記フォトレジスト層に導入されて該フォトレジスト層を露光するようにしてもよい。
【０００９】
露光光の反射は、第一の表面から所定の距離だけ離れた位置に設けた反射手段によっておこなうようにしてもよい。
そして、第一の表面と反射手段との距離を調節して反射された露光光に対するフォトレジスト層の露光範囲を制御するようにしてもよい。
また、光源からの光をフォトマスクパターンによりスクリーニングして露光光とし、まずフォトレジスト層に入射させるようにしてもよい。
【００１０】
フォトマスクパターンにスクリーニングされた露光光を第二の層構造の透明度の低い所定のパターンには入射しないようにしてもよい。
そしてフォトマスクパターンにスクリーニングされた露光光は第二の層構造の透明度の低い所定のパターンの外側近傍にも入射しないようにしてもよい。
さらに前記反射手段は第一の表面を被覆する露光光遮蔽材としてもよいし、第一の表面が接触するウェーハステージとしてもよい。
フォトマスクパターンと第一、第二の層構造のいずれかとの距離を露光光に対するフォトレジスト層の露光範囲を制御するようにしてもよい。
【００１１】
上記本発明の方法を実施するための装置構成の一つは、露光光を発生する光源と、前記露光光を受光する第一の表面と、第二の表面とを備え、該露光光に対する透明度の高い第一の層構造と、第一の層構造の第二の表面上部に形成され、前記露光光に対する透明度が低い所定のパターンを有する第二の層構造と、第二の層構造の第一の層構造とは反対側に形成されたフォトレジスト層とを設けてなる。
【００１２】
別の装置構成は、露光光を発生する光源と、前記露光光を反射する反射手段と、前記反射された露光光を受光する第一の表面と、第二の表面とを備え、該露光光に対する透明度の高い第一の層構造と、第一の層構造の第二の表面上部に形成され、前記露光光に対する透明度が低い所定のパターンを有する第二の層構造と、第二の層構造の第一の層構造とは反対側に形成されたフォトレジスト層と、を設けてなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施例をいくつかを例示する。図１〜図４は実際の寸法で描かれておらず、本発明の理解に必要な程度に誇張や省略がおこなわれている。また、図１〜図４を通して実質的に同等の対象には同じ参照符号が付してある。
【００１４】
図１は本願発明を実施できるＧａＮデバイスを構成する各層を従来技術でもよい積層技術により形成した中途の一構造１を例示するものである。なお、本願発明がＧａＮデバイスに限らず実施できることは、以下の説明から容易に理解できると考えられるので付記する。
図１において、ＧａＮデバイスは端面発光型のレーザや面発光型のレーザや発光ダイオードであってもよい。本発明では本質的でないデバイス構造１の形成過程を必要な範囲で略述する。
【００１５】
サファイア基板２にＭＯＣＶＤ法により順次ｎ−ＧａＮ層３、多重井戸（ＭＱＷ）層４及びｐ−ＧａＮ層５を成長させる。次にフォトリソグラフィ法とリアクティブ・イオン・エッティング法により順次ｐ−ＧａＮ層５、多重井戸（ＭＱＷ）層４及びｎ−ＧａＮ層３それぞれの一部面積をｎ−ＧａＮ層３の中途の深さまで除去し、メサ構造６を形成した。
【００１６】
メサ構造６は幅１００μｍ、段差すなわち高さ約１．４μｍである。
次に真空蒸着法によりｐ−ＧａＮ層に厚さ５０ｎｍのニッケル（Ｎｉ）薄膜７を成長させた。さらに、フォトリソグラフィ法とエッチング技術によりＮｉ薄膜７をパターン化し幅１〜１００μｍのパターンを形成した。このパターン化したＮｉ薄膜７をエッチング・マスクとしてｐ−ＧａＮをリアクティブ・イオン・エッティング法によりエッチングし高さ４００ｎｍの凸部８をメサ構造６の頂上に設けた。
【００１７】
更に、メサ構造６の基底部に続くｎ−ＧａＮの露出部にリフトオフ法により厚さ２００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）の薄膜９を形成した。薄膜７や薄膜９が本発明における下地パターンを形成している。
さらに、スピン・コート法により上記構造の上部全面にフォトレジスト（例えばHochst社製ＡＺ６１２４）を塗布し、厚さ２．５μｍのフォトレジスト層１０を形成しデバイス構造１が完成された。
このデバイス構造１の外部にフォトレジスト層１０の露光に用いる露光光の光源（１５）を配置すれば本発明の一実施例である装置構成がえられる。
【００１８】
次に、サファイア基板２側から基板２の裏面１１に垂直に光源（１５）から紫外光（ｈ線）を毎平方ｃｍ当たり１．５ｍＷのエネルギー密度で２０秒間照射した。紫外光の裏面１１に対する照射方向を変えたり、レンズで収束させたり、拡散させたりして後述のフォトレジスト・パターンの端の形状を微調整することもできる。
【００１９】
照射後デバイス構造１を現像液（例えば前記Hochst社製ＡＺ developer をイオン水で１：１希釈したもの）に４０秒間浸漬してレジストの紫外光照射を受けた部分を除去し図２のようなフォトレジスト・パターン１０−１、１０−２を有する構造２０を得た。図２の構造２０の上部にＳｉＯ2膜１２を蒸着して、リフトオフ法によりにＳｉＯ2を除去して薄膜７，９以外のデバイス上部にＳｉＯ2の被膜１２−１、１２−２、１２−３が形成されるようにして図３のデバイス構造３０が得られた。
【００２０】
フォトレジストの形状を走査型電子顕微鏡で観察したところ、下地となったNi薄膜７とほぼ同形状のフォトレジストのパターンが形成されているのがわかった。形成されたフォトレジストと下地のNi薄膜の寸法の差は、約０．２〜０．３μｍであった。Ａｌ薄膜についても同様である。
したがって、幅０．５〜１μｍの下地パターン上にもフォトレジスト・パターンが形成できる。
【００２１】
本実施例では、下地パターン材料としてNiを用いたが、本発明の実施には下地パターンは遮光性を有する部分があればよく、Niの代わりに、W, Ti、Pt, Pd,Ta,Cr, Ag, Au, Al, などの光遮蔽性の材料を用いても同様の効果を有することは言うまでもない。
【００２２】
紫外光の照射を基板２とは反対側のフォトレジスト層１０側からおこなって露光するようにすることもできる。
まず、図４に示すように、図１に示すデバイス構造１を露光光を反射する表面４１を備えたテーブル４０上に表面１１が相対するように置く。この実施例ではテーブル４０は紫外線露光装置のステンレス製サンプル・テーブルである。つぎに、テーブル４０を操作してマスク・パターン４４（４４−１，４４−２等）を備えるフォトマスク４２を位置決めしてフォトレジスト１０上に重ねる。露光光源（１５）をフォトマスク４２の上方に設置すると本発明の別実施例の装置構成が得られる。
【００２３】
重ねられた状態で、露光光の照射方向でのマスク・パターン４４−１、４４−２の射影が光遮蔽材の薄膜７，９をそれぞれ覆える大きさに調整されているのがよい。所望の光遮蔽材の薄膜の周囲において対応する射影の周囲は約１０μｍ程離れているのがよい。図４にこの様子を点線で模式的に示した。
下地パターンである薄膜７，９より、各辺が１０μｍ程度外側まで広がっているマスク・パターン４４−１、４４−２を用い、精度５μｍ程度の位置合わせで、露光しても、反射された露光光が回り込んでくることにより、ほぼ下地パターン形状にフォトレジスト１０をパターニングできる。つまり、精度５μｍ程度の合わせで、従来技術の１μｍ程度の合わせを行った場合に相当するか高精度が選られる。
マスク・パターン４４−１、４４−２があまり大きいと、下地パターンの外側のフォトレジストの一部が露光されずに残ってしまう。
また、反射手段の反射面と第一の層構造との距離を適当に調節することにより、２０〜３０μｍ程度まで調節が可能である。
【００２４】
露光光である紫外光は上方より下方にフォトマスク４２を介して構造１に導入され、テーブル４０の表面４１で上方に反射される。反射された露光光はフォトレジスト１０の薄膜７、９の上方を除く部分に導入されフォトレジスト１０の露光がおこなわれる。
【００２５】
この露光方法においては、フォトマスク４０のマスク・パターン４４で遮蔽されている部分のフォトレジスト１０も、反射された露光光によって少なくともマスク・パターン４４の端から１０ミクロン程度内側のフォトレジスト１０も露光される。このため、薄膜７、９等を含む下地パターンより１０ミクロン程度周囲が大きなフォトマスク・パターン４４を合わせ精度５μｍ程度であわせるだけで、下地パターン上のフォトレジストのみを露光しないようにすることが可能となる。
合わせ精度５ミクロンは簡単なXY及び回転ステージと顕微鏡のみで簡単に実現できる合わせ精度である。
【００２６】
この方法では、適当なフォトマスク・パターン４４を用い、下地パターン上のフォトレジスト１０のうち任意の部分を覆うことができる。したがって、フォトレジストの所望の部分が薄膜７，９の上部であっても露光することが可能であり、デバイス設計での自由度が増す。
【００２７】
また、テーブル４０が反射表面を有しない場合でも、試料裏面をNi、W, Ti、Pt, Pd, Ta, Cr, Ag, Au, Al, などの光遮蔽性の材料でコーティングすれば容易にこの方法を実施できよう。
さらに、反射表面４１と構造１との距離を調節すれば、反射光の下地パターンにおける回り込み量が調整される。
同様に、フォトマスク４０と構造１との距離を調節すれば、反射光の下地パターンにおける回り込み量が調整される。
光源とデバイス構造の距離や方向、偏光、収束の変化により露光範囲の微調整ができる。
なお、わずかではあるが、第１図に示すように光源（１５）を基板２側に置くほうが、フォトレジスト１０側に置く図４に示す方法よりよい精度が得られる。いずれにしても、いずれの方法でも、幅０．５〜１μｍの下地パターン上にもフォトレジスト・パターンが形成できる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の実施例につき開示したが、本発明によれば
１）    フォトマスクの位置あわせが不要かあるいは簡易な設備で低コストかつ容易に行えばよい。したがって、高精度のデバイスを低価格で提供できる。特にＧａＮ系半導体デバイスの製造工程ではデバイスが露光光（紫外光）に対して透明なので実施が容易で、工程の簡素化により製造コストが大幅に低減される。そして、このようなＧａＮ発光デバイスでは光導波路の周囲を絶縁材料で覆い、この絶縁材料の上部に設けられる電極パッドと光導波路の周囲の部分とが電気的に接続されないようにすることを容易に実現できるようにする。
２）    現像後に形成される、レジストパターンは上部が平坦で、側面が切り立っているので、リフトオフ工程が後続する場合はその工程歩留まりが向上する。
３）    上記の実施例では、デバイスが露光光に対して透明であるとしたが、不透明な基板に形成された透明なデバイスでは、該基板を除去するか、研磨して透明化して、本発明を実施できるのは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が実施されるデバイス構造の断面を露光光とともに示す装置構成の概略図である。
【図２】図１のデバイス構造においてフォトレジストが露光され、現像されてパターン化された状態を示す断面図である。
【図３】図２のデバイス構造にリフトオフ方によりＳｉＯ2パターンを堆積した状態をしめす断面図である。
【図４】本発明の別の実施形態を説明するための装置構成の断面図である。
【符号の説明】
２：透明基板
３−５：ＧａＮ層
７，９：光遮蔽材料からなる薄膜
１０、１０−１、１０−２：フォトレジスト
１２（１２−１，１２−２，１２−３）：ＳｉＯ2パターン
４０：（反射）テーブル
４１：反射表面
４２：フォトマスク
４４（４４−１，４４−２）：フォトマスク・パターン
【図１】
0004267122.tif 000002
【図２】
0004267122.tif 000003
【図３】
0004267122.tif 000004
【図４】
0004267122.tif 000005