JP5343378B2

JP5343378B2 - ステンシルマスクおよびその製造方法

Info

Publication number: JP5343378B2
Application number: JP2008071386A
Authority: JP
Inventors: 秀幸江口
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2028-03-19
Also published as: JP2009231324A

Description

本発明は、ステンシルマスクおよびその製造方法に関するものである。

近年、ステンシルマスクを用いた荷電粒子ビームの転写方法について研究がなされている。ステンシルマスクの転写技術とは、自立薄膜（メンブレン）にステンシルパターンを形成し、メンブレンに入射した荷電粒子はメンブレン内に吸収、もしくは散乱され、ステンシルパターンを通過した荷電粒子を利用する技術である。
その応用プロセスのひとつに、半導体の製造プロセスにおいてステンシルマスクを用いたイオン注入プロセスがある。本注入方法ではステンシルマスクの開口パターンを通して、不純物をプロセス基板に注入するため、従来のイオン注入プロセスと比較してレジストのリソグラフィー工程やレジストの除去工程が不要であり、プロセスや装置コストの削減が可能である。さらに、一枚のステンシルマスクを繰り返して使用することでプロセスコストを削減することが出来る。

しかしながら、イオン注入プロセスで用いるステンシルマスクでは、イオン注入時の熱ひずみを防ぐ必要があり、マスクへの入射エネルギーやメンブレンサイズにも依存するがメンブレン膜厚を例えば１０μｍ以上にすることが好ましい。ステンシルマスクでは、自立メンブレンに形成された開口パターンを注入イオンが通過し、メンブレン上へ注入されたイオンはメンブレン内に捕獲されることで、被注入基板の所望の場所にイオンを注入できる。このため、注入プロセスを正確に制御しなければならず、ステンシルパターンの開口寸法、深さ方向の角度（テーパー角）、寸法のステンシルマスク面内バラツキといった加工精度が要求される。

厚さｔのメンブレンに開口幅ｗのステンシルパターンを加工する場合、要求加工精度を満たすには、一般的にアスペクト比Ａ（＝ｔ／ｗ）は小さい方が有利である。例えばメンブレンにシリコンを用いた場合、高アスペクトエッチングを得意とするボッシュプロセスを用いてもＡを２０以下にすることが望ましい。

また、上記のイオン注入工程以外にも電子線リソグラフィーにステンシルマスクを用いた転写方法がある。本方法では、ＥＢＬＩＴＨＯ（株式会社ホロン社製）と呼ばれる低加速電子ビームにて微細パターンを形成できる露光装置がある。本装置では、低加速の電子線を用いるためメンブレン膜厚を５００ｎｍ〜２μｍと非常に薄膜化することが可能であり、１０ｍｍ□以上の領域に数百ｎｍ以下のレジスト微小パターンを形成できる。本方法によれば、フォトリソグラフィーやナノインプリント法と比較して、深い焦点深度で形成できるためリソグラフィープロセスが容易になるという特徴がある。この特徴により、ＬＥＤチップの表面に微細構造を形成するプロセスに適し、ＬＥＤの高輝度化プロセスへの適用が期待されている。

この様なステンシルマスクについて、特許文献１の様な、支持層と補強層とメンブレン層からなるステンシルマスクにおける前記支持基板層が除かれている前記開口部の前記補強層と前記メンブレン層からなる多層メンブレン層における前記補強層の一部が除去された前記メンブレン層からなるメンブレン層開口部が、前記メンブレン層がパターン状に設けられているステンシルパターン領域より大きい面積を有しており、パターン領域内にはステンシルパターン領域を形成しているステンシルマスクが知られている。
特開２００３−３７０５５

イオン注入マスクの場合、メンブレン膜厚は１０〜２０μｍが多く使われる。膜厚１０μｍのメンブレンにおいて精度良く加工できる開口幅は最小で０．５μｍ程度である。

しかしながら、イオン注入工程で必要とされる開口寸法は０．５μｍ以下の場合があるだけでなく、スループット向上のため電流を上げるとマスクへの熱負荷が上がるため、膜厚も厚くする必要がある。よって、膜厚を厚くして現状のパターンよりもさらに高アスペクト比を有するステンシルマスクが有効であるが、実際には作製することができない。

またＥＢＬＩＴＨＯの様な低加速電子ビームを用いた等倍露光において、光学部材加工で用いられるパターンサイズは、対象とする光源の波長程度、もしくはそれ以下であることが多く、そのサイズは数１０ｎｍ〜５００ｎｍ程度である。さらに、その微細パターンがサイズの２倍程度のピッチで配置され、高密度に微細パターン群が形成される。このような微細パターンを形成するため、メンブレン膜厚は０．５〜２．０μｍ程度が用いられるが、厚さ０．７μｍのメンブレンに１００ｎｍのパターンを形成する場合、幅１００ｎｍ、高さ７００ｎｍの非常に弱いステンシルの梁が形成され、パターンをサイズの２倍程度のピッチで高密度に配列すると、メンブレン強度が非常に低下する。このような強度の低下は、ステンシルマスク使用時や作製時のメンブレン変形や破壊など問題を引き起こしてしまう。

そこで、膜厚を厚くしてメンブレン強度を高めることは可能であるが、加工限界以上の高アスペクトパターンを形成することは不可能である。また、ダイヤモンドのようなシリコンよりも強度が高い材料を適用することも考えられるが、無欠陥のダイヤモンド層を形成し、なおかつ良好な加工精度を満たしながらダイヤモンドを加工することは非常に困難であるため、マスクのような欠陥制御が厳しい部材には適さない。

そこで、本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、械的強度と耐熱性を高め、なおかつ優れた加工精度を有するステンシルマスクおよびその製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る本願発明は、支持基板層と、補強層と、メンブレン層からなるステンシルマスクにおける前記支持基板層が除かれている開口部の前記補強層と、前記メンブレン層からなる多層メンブレン層において前記補強層の一部が除去されている前記メンブレン層からなるメンブレン層開口部が、前記メンブレン層がパターン状に除去されているステンシルパターン領域より大きい面積を有しているパターン領域内にステンシルパターン領域を形成しているステンシルマスクであって、補強層が露出した領域に位置合わせ用マークが形成されていることを特徴とするステンシルマスクを提供するものである。

請求項２に係る本願発明は、請求項１に記載のステンシルマスクの製造方法であって、支持層と補強層からなるブランクの補強層のみをパターン化する補強層パターン化工程、支持体とメンブレン層からなるメンブレン基板を補強層とメンブレン層が接する様に貼り合わせる貼り合せ工程、支持体を除去する支持体除去工程、メンブレン層をパターン化するメンブレン層パターン化工程、支持層をパターン化する支持層パターン化工程よりなり、ステンシルパターンを露光する工程において、補強層が露出した領域に形成された位置合わせ用マークを用い、メンブレン層開口部の位置に合わせてステンシルパターンを形成することを特徴とするステンシルマスクの製造方法を提供するものである。

本発明の方法によれば、２層の位置合わせ精度は接合装置のアライメント精度に依存せず、描画装置の重ね合わせ精度により決まるので、数ｎｍという非常に良好な位置合わせ精度を容易に実現できる。さらに補強層とメンブレン層が両方ともシリコンからなるために内部応力によるメンブレン変形が発生しないので、メンブレン層の厚さｔ１より補強層の厚さｔ２を厚くできるので、熱や外力によるステンシルマスクの機械的な変形を抑制することができる。

多層メンブレン層を形成するメンブレン層と補強層の材料は両方ともシリコンであるので、両層とも同様のエッチング技術を用いることができ、複数のエッチング装置を使うことがなくエッチングプロセスが容易である。さらに、酸化膜といったシリコンと異なる材料を補強層にする場合と比較して、内部応力によるメンブレン変形が発生しないので、メンブレン層を平坦に保つことができる。

以下、本発明のステンシルマスクとその製造方法について説明を行う。

まず本発明のステンシルマスクについて図１の断面図と図２の平面的位置関係図を用いて説明する。本発明のステンシルマスクは厚さｔ２の補強層２と厚さｔ１のメンブレン層１からなる多層メンブレン３を有し、多層メンブレン３は中間酸化膜層４と支持基板層５からなる支持層に保持されて、かつ支持層を有さない開口部６を形成している。開口部内の支持層の一部は除去されてメンブレン層開口部７を形成し、メンブレン層開口部７にはメンブレン層がパターン状に除去されているステンシルパターン領域８が形成されている。

なお、このメンブレン層１と補強層２の材料は両方ともシリコンであり、このことにより同じ材料であるのでメンブレン層１と補強層２の２層により反りが生じないとともに、内部応力が生じず、変形も最小限になる。

また、メンブレン層１と補強層２の材料は両方ともシリコンであり、両層とも同様のエッチング技術を用いることができるので、複数のエッチング装置を使うことがなくエッチングプロセスが容易である。さらに、メンブレン層と補強層との間に酸化膜などのエッチ
ングストッパー層が不要であるため、エッチングストッパー層の内部応力によるメンブレン変形が起きることはない。

また、メンブレン層開口部７の幅はステンシルパターンよりも大きくすることができるので、メンブレン層１の厚さｔ１に比べて補強層２の厚さｔ２は厚くできる。これにより、より厚い補強層２を設けることで補強層２がない場合に比べて荷電粒子がステンシルマスクに照射された際のメンブレンの温度上昇や変形を防止することができる。

さらに、本発明のマスクはマスク上面図で示すように、多層メンブレン領域９はステンシルパターン領域８と重ならないように任意に配置することができ、開口部６内における多層メンブレン領域９の面積をより大きくすることで熱や外力により変形しにくいマスクを得ることが可能である。

ウエハ上面の一部は補強層が露出した領域１０を設けてあり、位置合わせ用マーク１１が形成される。この位置合わせ用マーク１１を利用することで、ステンシルパターンを露光する際、メンブレン層開口部に対して位置合わせを高精度におこなうことができる。並進と回転補正をおこなうためには、位置合わせ用マークを少なくとも２つ以上配置し、位置合わせ精度を高めるためにはより多くの位置合わせ用マークを配置することが望ましい。

多層メンブレン領域とステンシルパターン領域の間のバウンダリー領域における幅は、ステンシルパターンをメンブレン開口に対して位置合わせをおこなって露光する際の重ね精度によるが、ステンシルマスクのプロセスマージンを考慮して１μｍ以上保つことが望ましい。

以下、本発明のステンシルマスクの一例として、メンブレン層の厚さが１０μｍ、補強層の厚さが５０μｍのイオン注入用ステンシルマスクについて例示する。

まず、厚さ５２５μｍからなる支持体５、厚さ０．５μｍの中間酸化膜層４、厚さ５０μｍの補強層２からなる直径が１００ｍｍΦのＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ基板（以下ＳＯＩ基板と称する）１２を用意する（図３（ａ））。支持基板層と補強層の材料はシリコン単結晶とした。基板サイズは本発明を制限するものではなく、一般にウエハプロセスで使われる大きさである３，６，８インチでも可能である。

次に、補強層２の上に電子線感応性レジスト１３（ＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレ−ト系）ポジレジスト、感度：３００μＣ／ｃｍ²）を３０００ｎｍの膜厚になるようにスピンコート法により塗布し、電子線感応性レジスト１５上に電子線照射量が３００μＣ／ｃｍ²となるように電子線照射した後、現像後に位置合わせ用レジストパターン１４、メンブレン層開口部用レジストパターン１５、および裏面合わせ用レジストマーク１６を得た（図３（ｂ））。位置合わせ用レジストパターン１４は出来るだけ広い範囲に数多く配置することにより、ＳＯＩ基板上の位置座標を高精度に測定できるので、メンブレン層開口部とステンシルパターン領域の位置ズレを低減することができる。

次に、同パターンをエッチングマスクにしてフロロカーボン系の混合ガスプラズマを用いたドライエッチングにより中間酸化膜層４が露出するまでエッチングをおこない、さらに酸素プラズマにより電子線感応性レジスト層１３を剥離後、アンモニア過水等の洗浄により洗浄をおこない、位置合わせ用パターン１７、メンブレン層開口部７および裏面合わせ用マーク１８を形成したパターン加工済み１０ｍｍΦのＳＯＩ基板１９を得た（図３（ｃ））。

次に、厚さ５２５μｍからなる支持基板層２０と厚さ１μｍの中間酸化膜層２１からなる支持体上に、厚さ２０μｍのメンブレン層１からなる直径が５０ｍｍΦのＳＯＩ基板であるメンブレン基板２２を用意する。市販の５０ｍｍΦのＳＯＩ基板がない場合、１００ｍｍΦのＳＯＩ基板から切り出すことで容易に５０ｍｍΦのＳＯＩ基板を入手できる。

次に、５０ｍｍΦのメンブレン基板２２のメンブレン層１表面とパターン加工済みＳＯＩ基板１９の補強層２表面が接するように、なおかつ、にそれぞれの基板中心が重なるように貼り合せる。貼り合せは、両基板の接合面を真空プラズマにより活性化し、接合面を貼り合せることで実現できる。十分な密着力を得るために、接合と同時に３００〜５００℃の加熱や圧力を施すことが望ましい。また、支持基板層２０は後工程により研磨により削るので、５２５μｍよりも薄くすることが望ましい（図３（ｄ））。

次に、貼り合せたメンブレン基板２２の支持基板層２０を研磨やエッチングによりメンブレン基板の中間酸化膜層２１まで除去し、次にフッ化水素酸（ＨＦ）エッチングにより中間酸化膜層２１を除去することで、メンブレン層１が露出する。この際、パターン加工済みＳＯＩ基板１９上の位置合わせ用パターン１７や裏面合わせ用マーク１８が損傷しないように、レジスト等の保護膜層を支持基板層上に形成することが望ましい（図４（ｅ））。

次に、メンブレン層１上に電子線感応性レジスト２３（ＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレ−ト系）ポジレジスト、感度：３００μＣ／ｃｍ²）を１０００ｎｍの膜厚で塗布する（図４（ｆ））。

次に、電子線描画装置によりパターン加工済みＳＯＩ基板１９上の位置合わせ用パターン１７を検出し、パターン加工済みＳＯＩ基板上のメンブレン層開口部７と同位置となるように、電子線感応性レジスト２３上に電子線照し、注入用レジストステンシルパターン領域２４を得る。このとき電子線照射量は３００μＣ／ｃｍ²である（図４（ｇ））。

次に、注入用レジストステンシルパターンをエッチングマスクにしてフロロカーボン系の混合ガスプラズマを用いたドライエッチングによりパターン加工済みＳＯＩ基板１９のメンブレン開口部までエッチングをおこない、酸素プラズマによりレジスト層を剥離し、アンモニア過水等のＲＣＡ洗浄により洗浄をおこなったのち、注入用ステンシルパターン領域８を得た（図４（ｈ））。

電子線描画装置により位置合わせ用パターンを検出し、ＳＯＩ層の注入パターンを形成しているので、注入用ステンシルパターンとメンブレン層開口部との位置ズレは最小で位置精度測定限界の２ｎｍ程度である。ここで、位置ズレとは２つのパターン中心の相対ズレとする。また、貼り合せの際に位置合わせ用マーク上にＳＯＩ基板が接着し、位置合わせマークの一部が観察できない場合でも、残りのマークの座標情報から近似平面算出して、描画装置内でのＳＯＩ基盤のゆがみを算出できる。そのため、貼り合せ精度が１５μｍ程度であっても位置ズレは最大でも数１０ｎｍ以下にすることが可能である。

次に、パターン加工済みＳＯＩ基板１９の支持基板層５上にフォトレジストをスピンナー等で塗布して厚さが５０μｍの感光層２５を形成し、パターン露光、現像等のパターニング処理を行って、メンブレン開口用レジストパターン２６を形成する。このとき、パターン露光時の基板とメンブレン開口レジストパターン露光用のフォトマスクとの位置合わせは、裏面合わせ用マーク１８とフォトマスクのアライメントマークを用いる（図５（ｉ））。

次に、メンブレン開口用レジストパターン２６をエッチングマスクにしてフロロカーボン系の混合ガスプラズマを用いたドライエッチングにより、中間酸化膜層４をエッチングストッパー層として支持基板層５の一部をエッチングし開口部６を形成した後、さらにＨＦ溶液に浸漬してドライエッチングにより露出した中間酸化膜層４を除去した（図５（ｊ））。

次に、洗浄を行った。このとき、洗浄処理として、アンモニア：過酸化水素水：純水の比を１：１：５程度に混合し、７０度に過熱したアンモニア過水に１０分間浸漬し、純水オーバーフローのリンスを行い、フッ酸処理および再度オーバーフロー処理を行い、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）ベーパ乾燥を行う。

以上より、メンブレン層の厚さが１０μｍ、補強層の厚さが５０μｍのイオン注入用ステンシルマスクを得ることができた。

本願発明の一つの実施の形態に係るステンシルマスクのＡ−Ａ’線部分における断面図である。図１の本願発明の一つの実施の形態に係るステンシルマスクの平面的位置関係図である。本願発明の一つの実施の形態に係るステンシルマスクの製造方法に係る概念断面図である。本願発明の一つの実施の形態に係るステンシルマスクの製造方法に係る図３の続きの概念断面図である。本願発明の一つの実施の形態に係るステンシルマスクの製造方法に係る図４の続きの概念断面図である。

符号の説明

１……メンブレン層
２……補強層
３……多層メンブレン層
４……中間酸化膜層
５……支持基板層
６……開口部
７……メンブレン層開口部
８……ステンシルパターン領域
９……多層メンブレン領域
１０…補強層が露出した領域
１１…位置合わせ用マーク
１２…直径が１００ｍｍΦのＳＯＩ基板
１３…電子線感応性レジスト層
１４…位置合わせ用レジストパターン
１５…メンブレン層開口部用レジストパターン
１６…裏面合わせ用レジストマーク
１７…位置合わせ用パターン
１８…裏面合わせ用マーク
１９…パターン加工済みＳＯＩ基板
２０…支持基板層
２１…中間酸化膜層
２２…メンブレン（ＳＯＩ）基板
２３…電子線感応性レジスト
２４…注入用レジストパターン領域
２５…感光層
２６…開口部用レジストパターン

Claims

支持基板層と、補強層と、メンブレン層からなるステンシルマスクにおける前記支持基板層が除かれている開口部の前記補強層と、前記メンブレン層からなる多層メンブレン層において前記補強層の一部が除去されている前記メンブレン層からなるメンブレン層開口部が、前記メンブレン層がパターン状に除去されているステンシルパターン領域より大きい面積を有しているパターン領域内にステンシルパターン領域を形成しているステンシルマスクであって、補強層が露出した領域に位置合わせ用マークが形成されていることを特徴とするステンシルマスク。
請求項１に記載のステンシルマスクの製造方法であって、支持層と補強層からなるブランクの補強層のみをパターン化する補強層パターン化工程、支持体とメンブレン層からなるメンブレン基板を補強層とメンブレン層が接する様に貼り合わせる貼り合せ工程、支持体を除去する支持体除去工程、メンブレン層をパターン化するメンブレン層パターン化工程、支持層をパターン化する支持層パターン化工程よりなり、ステンシルパターンを露光する工程において、補強層が露出した領域に形成された位置合わせ用マークを用い、メンブレン層開口部の位置に合わせてステンシルパターンを形成することを特徴とするステンシルマスクの製造方法。