JP2016004174A - プロキシミティ露光用フォトマスク - Google Patents

Abstract

【課題】大型フラットディスプレイパネルの形成に好適なプロキシミティ露光用フォトマスクを提供する。【解決手段】図１（Ａ）に示すように、表面に遮光膜が形成された透明基板上に前記遮光部の一部が除去されて前記透明基板が露出した透光部のパターン１０ａと、前記透光部のパターンの両側の縁に帯状に形成された位相をシフトさせる半透過膜のパターン１２ａとを具備しており、かつ、パターン形成領域においては遮光膜によって露光光を遮光する遮光部と遮光膜及び半透過膜が除去されて透明基板が露出した透光部とが直接に接する部分がない場合が含まれる構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、フラットディスプレイパネルなどの大型パネルの製造工程において、プロキシミティ露光機によって主にラインパターンを形成するためのプロキシミティ露光用フォトマスクに関する。

プロキシミティ露光機によって開口パターンを露光する場合、開口幅が解像限界に近づくと線幅を形成することが難しくなる。従来はこれらの問題をプロキシミティ・ギャップ（以下、単に「ギャップ」という場合がある。）、すなわち、マスクと被露光対象との距離を狭めることで対応していた。

プロキシミティ露光に関連して、液晶表示装置に用いられるカラーフィルターの製造において、ハーフトーン露光に好適に用いられるプロキシミティ露光用階調マスクが開示されている（特許文献１）。

特開２００８−１２２６９８号公報

一般に、開口幅を狭くすると開口部を通過する露光量が減少するため、開口エッジ部付近におけるコントラストが低下して解像しにくくなる。このため、従来はマスクと被露光対象とのギャップを狭くすることで露光量の減少を抑えていた。しかしながら、フラットディスプレイパネルなどの大型マスクに対するプロキシミティ露光の場合、マスクは必ずしも平坦ではないため、プロキシミティ・ギャップを狭くするとギャップに異物が混入したり被露光対象とマスクが部分的に接触したりするという問題も一層顕在化してくる。

このような事情から、大型フラットディスプレイパネルのカラーフィルターに用いられるブラックマトリクス用のパターンなどを従来のプロキシミティ露光法で得る場合、本願出願人の実験では、開口幅６μｍ程度のラインパターンを得るのが限界であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、大型フラットディスプレイパネルの形成に好適なプロキシミティ露光用フォトマスクを提供することを主たる技術的課題とする。

本発明に係るプロキシミティ露光用フォトマスクは、表面に遮光膜が形成された透明基板上に前記遮光部の一部が除去されて前記透明基板が露出した透光部のパターンと、前記透光部のパターンの両側の縁に帯状に形成された位相をシフトさせる半透過膜のパターンとを具備しており、かつ、パターン形成領域においては
遮光膜によって露光光を遮光する遮光部と遮光膜及び半透過膜が除去されて透明基板が露出した透光部とが直接接する部分がない場合が含まれることを特徴とする。

本明細書において、「位相をシフトさせる半透過膜」とは、通常の位相シフト膜が入射光の位相を反転させる（すなわち位相差が１８０度である）半透過膜であるのに対して、低位相半透過膜は位相差がそれよりも小さい、例えば９０度以下である半透過膜をいう。

なお、本発明に係るプロキシミティ露光用フォトマスクの製造方法は、従来の多階調フォトマスクの形成方法をそのまま適用することができるため、得られたフォトマスクの膜構成なども断面図でみる限り、基本的には半透過膜を用いた公知の多階調フォトマスクと同一であるようにみえる。しかし、このフォトマスクはプロキシミティ露光を前提としているため、パターン以外が遮光部であるネガ型のパターンであって、露光時に用いるレジスト膜はネガ型レジスト膜が用いられ、マトリクス状のラインパターンのみを考えればよい点で、本質的に相違する。

また、本発明が解決しようとする技術的課題は、プロキシミティ露光で形成されるラインパターンのコントラストを高めることにあり、多階調を実現するためのものではない点に留意すべきである。多階調フォトマスクは半透過部がそれ自体で露光パターンの一部を構成するため、遮光部と透光部とが広い範囲で隣接するようなパターンも許容されるが本発明における半透過膜のパターンは、あくまで遮光部と透光部のエッジ部に配置することでコントラストを高めるためのものであり、この点、微細なパターンを得ようとする場合には、原則として遮光部と透光部の境界部に低位相半透過膜が形成されている点で相違する。ただし、このパターンの配置に限定するものではなく個々のパターンに合わせて変更可能であり、転写されるパターンのどの部分のコントラストを高めるかによって配置を規定するものであるから、コントラストを高める必要のないサイズのパターンに対しては遮光部と透光部とが隣接する部分があっても構わない。

本発明に係るプロキシミティ露光用フォトマスクは位相角や透過率を制御した半透過膜をパターンの境界部（両側又は周囲）に付与するだけでエッジ付近の露光量が増加し、転写像のコントラストを改善することができる。

（Ａ）第１の実施形態に係るプロキシミティ露光用フォトマスクのパターンを示す図である。（Ｂ）従来のプロキシミティ露光用フォトマスクのパターンを示す図である。 図２（Ａ）〜図２（Ｅ）は、図１（Ａ）に示すフォトマスクの製造工程を示す一連の工程断面図を示している。 図１（Ａ）に示すフォトマスク１に対して、プロキシミティ露光機で露光した際の露光光の強度分布を示している。 図４（Ａ）〜図４（Ｅ）は、第２の実施形態のフォトマスクの製造工程を示す一連の工程断面図を示している。 本実施形態に係るプロキシミティ露光用フォトマスクのパターンの他の例 （Ａ）は、ブラックマトリクスの画素境界部付近のパターンを示す図、（Ｂ）はホールパターンに本発明を適用した図である。 （Ａ）は、上述した本実施形態のプロキシミティ露光用フォトマスクの効果を検証するために、作成したプロキシミティ露光用フォトマスク５０を図示したもの （Ｂ）露光エリアと非露光エリアの境界部付近を撮影した写真である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、パターン形成領域に形成した種々のパターンを撮影した写真である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、これによって本発明が限定的に解釈されるものではない。なお、参照符号に小文字のａ、ｂをつけたものは、成膜した状態からいずれかの方法によりパターンが形成されたものを指すものとする。

（第１実施形態）
図１（Ａ）は、第１の実施形態に係るプロキシミティ露光用フォトマスクのパターンを示す図であり、図１（Ｂ）は、従来のプロキシミティ露光用フォトマスクのパターンを示す図である。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すフォトマスクは、いずれも、フラットディスプレイパネルのカラーフィルターを形成するために設計されたものであり、主に、格子状又はストライプ状の「ネガ型パターン」を形成するためのフォトマスクである。パターンは基本的にラインパターンであり、パターン領域以外の領域はすべて遮光部で構成される。そして、ネガ型フォトレジスト（露光光が照射された領域が硬化するレジスト）を用いてプロキシミティ露光によりパターンを形成する。本実施形態のフォトマスクの代表的な用途は例えばブラックマトリクスなどカラーフィルターの製造に必要な格子状パターンなどが該当する。多くの場合、上述したようなネガ型フォトレジストを用いてパターンを形成するプロキシミティ露光用フォトマスクが該当するが、このような実施態様に限定されない。

図１（Ａ）に示すフォトマスク１は、露光光を透過する透光部のパターン１０ａと、露光光を遮断する遮光膜のパターン１１ａに加えて、露光光の一部だけを透過する半透過膜のパターン１２ａが設けられ、露光光を透過する透光部、露光光を遮断する遮光部、及び露光光の位相をわずかにシフトすると共に露光光の一部を透過する半透光部を有する。

これに対して、図１（Ｂ）に示すフォトマスク１００は、同様の用途の従来のフォトマスクであり、露光光を透過する透光部のパターン１１０ａと、露光光を遮断する遮光膜のパターン１１１ａとのみからなる。

半透過膜のパターン１２ａは低位相半透過膜で構成され、その条件は、実験によれば、位相差１０〜９０度、より好ましい範囲は２０〜８０度である。かつ、透過率は３０〜７０％、より好ましい範囲は４０〜６０％で効果がある。

遮光膜に隣接する低位相半透過膜の幅は、プロキシミティ露光装置の光学条件やラインパターンの設計値すなわち開口幅によって最適値は異なるが、概ね０．３μｍ〜３μｍ、より好ましくは０．５〜１．５μｍの幅で形成することにより高い効果が得られる。

ここで、低位相半透過膜の材質について説明する。理論的には、半導体集積回路装置の製造プロセスにおいて位相シフトマスクの位相シフターとして広く用いられているＭｏＳｉ膜の組成を調整して低位相にしつつ透過率を制御することも可能である。しかし、ＭｏＳｉ膜は高価であり、大型フラットディスプレイパネルの製造に用いた場合、製造コストを押し上げる要因となる。

他方、クロム系の半透過膜を用いた場合、パターンのエッジ部付近に設けた低位相半透過膜と透光部の位相差を９０度以下に設定することで透光部を通過した露光光と低位相半透過膜を通過した露光光の干渉が抑制されるため、開口部のパターンの露光量が改善される。特に、プロキシミティ露光用フォトマスクのラインパターン形成用に用いた場合には、従来よりも微細なラインパターンを形成できることが実験により明らかとなった。

図２（Ａ）〜図２（Ｅ）は、図１（Ａ）に示すフォトマスクの製造工程を示す一連の工程断面図を示している。図２（Ａ）は、透明基板１０の表面に遮光膜１１を形成し、フォトリソグラフィ工程により遮光膜のパターン１１ａを形成した様子を示している。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の状態からフォトマスク基板に形成した遮光膜のパターン１１ａを含む表面全体を覆うように、低位相半透過膜１２を形成した様子を示している。図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）の状態から、低位相半透過膜１２の表面に図示しないフォトレジスト膜を形成し、フォトレジスト膜をパターニングし、フォトレジスト膜のパターン２０ａを形成した様子を示している。

なお、低位相半透過膜１２のパターニングに際しては、下層の遮光膜のパターンとの関係を精密に位置合わせする必要がある。一例として、第１層目の遮光膜のパターン１１ａの形成時、フォトマスク基板上のパターン形成領域の外側に図示しない位置合わせ用の遮光膜パターンを「アライメントマーク」として形成しておく。そして、第２層目の低位相半透過膜を形成する際に、このアライメントマークの部分だけ遮光膜パターンの表面に第２層目の低位相半透過膜が形成されないように遮蔽する。このようにアライメントマークの最表面に遮光膜のパターンが露出するようにしておくことは、基板の表面側から照射したアライメント光の反射光を計測するタイプの描画装置には有効である。その他、画像処理によって位置合わせを行ってもよい。いずれにせよ、第１層目の遮光膜のパターンと、第２層目の位相をシフトさせる半透過膜のパターンが精度よく位置合わせされていることが重要である。この位置合わせの手法はフラットディスプレイパネル用の多階調フォトマスクで用いられるトップハーフ型フォトマスクの製造方法をそのまま適用することができる。

図２（Ｄ）は、フォトレジスト膜のパターン２０ａによって、ウエットエッチング法により、第２層目の位相をシフトさせる半透過膜のパターン１２ａを形成した様子を示している。本実施形態では、上述のように、低位相半透過膜１２の材質として、クロム酸化膜やクロム窒化膜などのクロム系材料を用いているため、既存のウエットエッチングプロセスを適用することができる利点がある。最後に、フォトレジスト膜のパターン２０ａを除去して図２（Ｅ）に示すフォトマスクが完成する。図２（Ｅ）に示すフォトマスクは、図１（Ａ）のフォトマスクをラインパターンに垂直な断面で切断した断面図の一部を示している。

なお、完成したパターンを平面からみた場合、単純なラインパターンだけでなく、パターンの交差部や折れ曲がり部分などを組み合わせることにより、格子状やストライプ状などのパターンを形成することができる。このようなパターンについても、ラインパターンに沿って帯状に形成された位相をシフトさせる半透過膜のパターンを遮光膜のパターンに隣接して設けることで、遮光膜によって露光光を遮光する遮光部と遮光膜及び半透過膜が除去されて透明基板が露出した透光部とが直接に接する部分がないようにする。

こうすることで、上述のとおり、この部分では、ラインパターンのエッジ部（図１（Ｂ）に示す従来のパターンにおける透光部のパターン１１０ａと遮光部のパターン１１２ａとの境界部（図中のＸ部）において、パターンのエッジ部付近に設けた低位相半透過膜と透光部の位相差を９０度以下に設定することで透光部を通過した露光光と低位相半透過膜を通過した露光光の干渉が抑制されるため、露光量が減少せず、転写像のコントラストが改善する。

図３は、図１（Ａ）に示すフォトマスク１に対して、プロキシミティ露光機で露光した際の露光光の強度分布を示している。図中の横軸はラインパターンの中央を原点とした場合の座標（単位はμｍ）、縦軸は露光量（露光強度）を任意目盛で表したものである。図中に示す（ｉ）〜（ｉｖ）のグラフのフォトマスクの特に位相をシフトさせる半透過膜のパターン１２ａの膜厚を異ならせることで位相差と透過率を３通り変え、露光強度の分布を調べた。

低位相半透過膜の位相差と透過率
（ｉ） 位相差５０度、透過率６０．０％
（ｉｉ） 位相差７２度、透過率４０．０％
（ｉｉｉ）位相差９０度、透過率３１．７％
（ｉｖ） 半透過膜なし（従来）

この実験の結果、最も膜厚を薄くした半透過膜において露光光の強度分布が（ｉ）のとおり、位相差を最も小さく、透過率を最も高く制御することができ、この条件で露光すると開口エッジ付近のコントラストが大幅に改善できることが判った。なお、位相差や透過率は露光波長にも影響するため、予め露光光源と膜厚の関係を調べることで、実現できる位相差及び透過率とその時の膜厚を調べておく必要がある。

なお、透明基板上に遮光膜と半透過膜を設けたフォトマスクとしては、半導体装置の製造工程で用いられる位相シフトマスクや、フラットディスプレイパネルの薄膜トランジスタの製造工程で用いられる多階調フォトマスクなどが知られているが、これらと本発明とは、少なくとも以下の点において、半透過膜の機能が本質的に異なっている。

第１に、前者の半透過膜は解像限界を超える微細パターンを形成するために本来のパターンに付加される膜であり、位相を反転（１８０度シフト）させるための膜（位相シフター）である。後者の半透過膜は半透過膜の透過率に着目し、露光を透過部と遮光部の中間調を実現するための膜であり、半透過膜がパターンの一部を中間調で露光する役割を果たす膜である。これに対して、本発明では、上記のように、半透過膜は位相シフトと透過率の両方を制御しており、かつ、位相シフト量は１８０度よりもはるかに小さい９０度以下とすることが必要である。

第２に、フラットディスプレイパネルのブラックマトリクスパターン形成用のプロキシミティ露光用フォトマスクであるため、多階調フォトマスクのように少なくともパターン形成領域においては遮光膜によって露光光を遮光する遮光部と遮光膜及び半透過膜が除去されて透明基板が露出した透光部とが直接に接する部分がない場合が含まれる。これに対して、位相シフトマスクや多階調フォトマスクでは、必然的に遮光部と透光部が直接接する部分が存在する。

従来のバイナリマスクでプロキシミティ露光を行った場合、露光光にｇ線、ｈ線、ｉ線の混合光を用いてプロキシミティ・ギャップを約１００μｍとして、６μｍの開口幅を得ることが限界であったが、本実施形態のフォトマスクを用いると、露光量が大幅に改善するため、同じプロキシミティ・ギャップで同条件で露光しても、４μｍの開口幅を実現することができた。

（第２実施形態）
本実施形態では、低位相半透過膜を先に形成する、いわゆるボトムハーフ型フォトマスクの製造方法について説明する。製造方法が変わっても得られたフォトマスクのパターンを平面からみた際の透光部、半透過部、遮光部の配置や大きさは、第１の実施形態と同様である。ただし、遮光膜と低位相半透過膜の積層順序が異なり、低位相半透過膜の上に遮光膜が形成されているため、低位相半透過膜の上に遮光膜が形成されている部分は、遮光部となる。

図４（Ａ）〜図４（Ｅ）は、第２の実施形態のフォトマスクの製造工程を示す一連の工程断面図を示している。図４（Ａ）は、透明基板１０の表面に低位相半透過膜２２と遮光膜２１とをこの順に形成した様子を示している。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の状態から公知のフォトリソグラフィ工程により、上層の遮光膜２１の表面にフォトレジスト膜を形成した後フォトレジスト膜のパターン３０ａを形成した様子を示している。

図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）の状態から、上層の遮光膜２１をフォトレジスト膜のパターン３０ａをマスクとしてウエットエッチングした後、フォトレジスト膜のパターン３０ａを除去した様子を示している。これにより、遮光膜のパターン２１ａが半透過膜２２上に形成される。図４（Ｄ）は、図４（Ｃ）の状態から、公知のフォトリソグラフィ工程により、上層の遮光膜のパターン２１ａを含むフォトマスク基板１０の表面全体にフォトレジスト膜を形成した後フォトレジスト膜のパターン４０ａを形成した様子を示している。

次に、フォトレジスト膜のパターン４０ａによって、ウエットエッチング法により、第１層目の位相をシフトさせる半透過膜のパターン１２ａを形成した後、最後に、フォトレジスト膜のパターン４０ａを除去して図４（Ｅ）に示すフォトマスクが完成する。

以上のようにしても、第１の実施形態で説明したプロキシミティ露光用フォトマスクと同様の機能を備えたフォトマスクが完成する。

なお、上記実施形態（第１及び第２の実施形態）では、図１（Ａ）に示すような折れ曲がりのない直線状のラインパターンの場合について説明したが、図５（Ａ）に示すような折れ曲がり部を有するブラックマトリクスパターンの境界部のラインパターンや、図５（Ｂ）に示すような遮光膜のパターン１１ｂ上に設けた透光部のパターン１０ｂからなるホールパターンでも、両者の境界部に位相シフトさせる半透過膜のパターン１２ｂを帯状に設けることでエッジ付近の露光量が増加し、転写像のコントラストを改善することができる。

−実験例−
図６（Ａ）は、上述した本実施形態のプロキシミティ露光用フォトマスクの効果を検証するために作成した、プロキシミティ露光用フォトマスク５０を図示したものである。フォトマスク５０の中央部分が露光エリア５１でその外側が非露光エリア５２である。露光エリア５１には、テスト用に作成した種々のパターン（孤立ラインパターン、ライン・アンド・スペース、矩形（正方形）ホールパターン、孤立した矩形パターン）が設けられたパターン形成領域５３が複数設けられている。一方、非露光エリア５２には、アライメントマーク５４や図示しないフォトマスクの識別記号などが設けられている。

図６（Ｂ）は、露光エリアと非露光エリアの境界部付近を撮影した写真である。この写真の破線で示す部分は露光エリアの角部にあたる部分である。２回目のエッジ部付近に少量の残渣はあるがほぼ問題なくパターンが形成されていることが確認された。

図７（Ａ）〜（Ｆ）は、パターン形成領域に形成した種々のパターンを撮影した写真である。図７（Ａ）〜（Ｃ）は、開口幅３．０μｍの孤立ラインパターンにそれぞれ幅１．０μｍ、１．５μｍ及び２．０μｍの幅の半透過膜のパターンが帯状に設けられている。

図７（Ｄ）は、開口幅３μｍのライン・アンド・スペースである。図７（Ｅ）は、幅３μｍの矩形（正方形）のホールパターン、図７（Ｆ）は、同じく幅３μｍの矩形（正方形）のアイランドパターンを示している。図７（Ｆ）のアイランド系のパターンでは、半透過膜が殆ど視認できず、線幅の測定もできなかったが、図７（Ａ）〜（Ｃ）及び図７（Ｄ）のパターンはいずれもきれいに位相をシフトさせる帯状の半透過膜のパターンを形成することができた。

１ 実施形態のプロキシミティ露光用フォトマスク
１０ 透明基板
１０ａ 透光部のパターン
１１ａ 遮光膜のパターン
１２ 半透過膜
１２ａ 半透過膜のパターン
２０ａ ２層目（半透過膜）に対するレジストパターン
１００ 従来のプロキシミティ露光用フォトマスク
１１０ａ 透光部のパターン
１１１ａ 遮光部のパターン

Claims (8)

1. 表面に遮光膜が形成された透明基板上に前記遮光部の一部が除去されて前記透明基板が露出した透光部のパターンと、前記透光部のパターンの両側の縁に帯状に形成された位相をシフトさせる半透過膜のパターンとを具備しており、かつ、パターン形成領域においては
   遮光膜によって露光光を遮光する遮光部と遮光膜及び半透過膜が除去されて透明基板が露出した透光部とが直接に接する部分がない場合が含まれることを特徴とする、プロキシミティ露光用フォトマスク。
2. 前記低位相半透過膜は、位相差１０〜９０度かつ透過率が３０〜７０％の範囲であることを特徴とする請求項１記載のプロキシミティ露光用フォトマスク。
3. 前記低位相半透過膜は、位相差２０〜８０度かつ透過率が４０〜６０％の範囲であることを特徴とする請求項２記載のプロキシミティ露光用フォトマスク。
4. 前記低位相半透過膜の材質は、クロム酸化膜、クロム窒化膜のいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか1項に記載のプロキシミティ露光用フォトマスク。
5. 前記パターンの幅は６μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか1項に記載のプロキシミティ露光用フォトマスク。
6. 前記遮光部に隣接する半透過膜の幅は、０．３〜３．０μｍであることを特徴とする請求項５記載のプロキシミティ露光用フォトマスク。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプロキシミティ露光用フォトマスクの製造方法であって、
   透明基板の表面に遮光膜のパターンを形成する工程と、
   前記遮光膜のパターンを含む前記透明基板上に半透過膜を形成する工程と、
   前記半透過膜をパターニングして前記遮光膜のパターンに隣接して半透過膜のパターンを形成すると共に、前記遮光膜及び前記半透過膜が除去されて前記透明基板が露出した透光部のパターンを形成する工程とを含む、プロキシミティ露光用フォトマスクの製造方法。
8. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプロキシミティ露光用フォトマスクの製造方法であって、
   透明基板の表面に半透過膜と遮光膜とをこの順に形成する工程と、
   前記工程により得られた半透過膜及び遮光膜からなる積層膜における上層の遮光膜に対して選択的にパターニングを行って、遮光膜のパターンを形成する工程と、
   前記半透過膜に対してパターニングを行って、前記遮光膜に隣接する半透過膜のパターンを形成すると共に、前記遮光膜及び前記半透過膜が除去されて前記透明基板が露出した透過部のパターンを形成する工程とを含む、プロキシミティ露光用フォトマスクの製造方法。

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