JP2012151189A

JP2012151189A - 微細パターン形成方法

Info

Publication number: JP2012151189A
Application number: JP2011007327A
Authority: JP
Inventors: Takuo Kawauchi; 拓男川内
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2011-01-17
Filing date: 2011-01-17
Publication date: 2012-08-09

Abstract

【課題】露光装置の解像限界よりも狭い線幅を有するラインパターンを形成可能な微細パターン形成方法を提供する。
【解決手段】エッチングの対象となる薄膜の上に、ネガ型のフォトレジスト膜を形成する工程と、前記フォトレジスト膜を減圧雰囲気下で乾燥する工程と、使用する露光装置における解像限界よりも幅が小さい露光光透過部を有するフォトマスクを用いて、乾燥された前記フォトレジスト膜に対し前記露光光を照射して当該フォトレジスト膜を露光する工程と、露光された前記フォトレジスト膜を現像して当該フォトレジスト膜からエッチングマスクを形成する工程と、前記エッチングマスクを用いて前記薄膜をエッチングする工程とを含む、微細パターン形成方法が開示される。
【選択図】図３

Description

本発明は、フラットパネルディスプレー（ＦＰＤ）の回路パターンを微細化可能なパターン形成方法に関する。

ＦＰＤを製造する場合、ガラス基板上に、種々の回路素子や配線を含む回路パターンが形成される。回路パターンは、ガラス基板上へ薄膜を形成し、フォトリソグラフィー技術によりエッチングマスクを形成し、エッチングマスクを用いて薄膜をエッチングするといった手順を繰り返すことにより形成される（たとえば特許文献１）。現在の回路パターン中のたとえばラインの幅は約３μｍであるが、今後、１．５μｍ程度までの微細化が望まれている。

特開２００２−３４１５２５号公報（段落０００２から０００９）

回路パターンの微細化のためには、フォトリソグラフィー工程で使用される露光光の短波長化が欠かせない。ところが、ＦＰＤの製造には一辺の長さが１ｍにも及ぶ大型のガラス基板が使用されるため、そのようなガラス基板に対応可能な短波長光光源の開発・製造が難しいという事情がある。
本発明の出願人においては、約３μｍの解像度を有する現状の露光装置を用いつつ、回路パターンの形成方法を工夫することにより、約２μｍのスペース幅を実現する方法が検討されている。

以下、図１を参照しながら、この方法を説明する。まず、図１（ａ）に示すように、ガラス基板Ｓ上のエッチング対象となる薄膜１１上に、ポジ型のフォトレジストによりフォトレジスト膜１３が形成される。

次に、図１（ｂ）に示すように、４３６ｎｍ（ｇ線）、４０５ｎｍ（ｈ線）、または３６５ｎｍ（ｉ線）の波長を有する露光光Ｌがフォトマスク１５を通してフォトレジスト膜１３に照射され、フォトレジスト膜１３が露光される。ここでフォトマスク１５の図示の部分は、回路パターン中のライン・アンド・スペースを形成する部分に対応しており、複数のスリット１５ｓが所定のピッチで形成されている。スリット１５ｓの幅ＳＷ１は、使用する露光装置の露光限界が２．５μｍから３μｍ程度であるのに対して、たとえば約１．７μｍである。

この場合、フォトマスク１５のスリット１５ｓを透過する露光光は回折現象により広がるため、透過露光光の強度曲線は、図１（ｂ）中に参照符号Ａで示すように、スリット１５ｓの幅ＳＷ１を超えて裾を引くこととなる。したがって、フォトレジスト膜１３においては、回折現象が無いと仮定したときに露光されるスリット１５ｓの幅ＳＷ１に等しい領域だけでなく、これよりも外側の領域Ｐ２もが露光され得る。すなわち、露光時間を適切に調整すれば（オーバー露光すれば）、スリット１５ｓの幅（約１．７μｍ）に対応した領域Ｐ１よりも広い領域Ｐ２、たとえば約２μｍの幅を有する領域Ｐ２を露光することが可能となる。したがって、この後、フォトレジスト膜１３をオーバー現像すると、約２μｍの幅ＳＷ２を有するスペースＳを有するエッチングマスクＭ１が形成される（図１（ｃ））。

上記の方法によれば、露光限界よりも小さい幅を有するスリット１５ｓによる回折現象を利用してオーバー露光するとともに、オーバー現像により、スリット１５ｓの幅ＳＷ１より大きく露光限界より小さい約２μｍの幅ＳＷ２を有するスペースＳを実現することができる。

しかし、この方法をラインの形成に適用しようとすると、図２（ａ）に示すように、露光光の回折により、フォトレジスト膜１３中の残存すべき領域Ｐ３までが露光され、現像後のエッチングマスクＭ２の膜厚が小さくなり過ぎ（図２（ｂ））、エッチングマスクとして利用できなくなってしまうおそれがある。このように、約２μｍの幅を有するラインを上記の方法で形成することは難しい。また、回折光による露光のため、現像後の各ラインの幅の均一性を得ることも困難である。
本発明は、上記の事情に鑑み、露光装置の解像限界よりも狭い線幅を有するラインパターンを形成可能な微細パターン形成方法を提供する。

本発明の一の態様によれば、エッチングの対象となる薄膜の上に、ネガ型のフォトレジスト膜を形成する工程と、前記フォトレジスト膜を減圧雰囲気下で乾燥する工程と、使用する露光装置における解像限界よりも幅が小さい露光光透過部を有するフォトマスクを用いて、乾燥された前記フォトレジスト膜に対し前記露光光を照射して当該フォトレジスト膜を露光する工程と、露光された前記フォトレジスト膜を現像して当該フォトレジスト膜からエッチングマスクを形成する工程と、前記エッチングマスクを用いて前記薄膜をエッチングする工程とを含む、微細パターン形成方法が提供される。

本発明の実施形態によれば、露光装置の解像限界よりも狭い線幅を有するラインパターンを形成可能な微細パターン形成方法が提供される。

解像限界以下の幅を有するスペースを形成する方法を説明する図である。図１の方法により、解像限界以下の幅を有するラインを形成する場合の問題点を説明する図である。本発明の実施形態による微細パターン形成方法を示すフローチャートである。本発明の実施形態による微細パターン形成方法の各工程を示す模式図である。図４に引き続いて、本発明の実施形態による微細パターン形成方法の各工程を示す模式図である。本発明の実施形態による微細パターン形成方法におけるフォトレジスト膜の減圧雰囲気下での乾燥に好適な塗布ユニットおよび減圧乾燥ユニットを説明する図である。図４の減圧乾燥ユニットにてフォトレジスト膜を減圧雰囲気下で乾燥する際のガスの流れを示す図である。

以下、図３から図５までを参照しながら、本発明の実施形態による微細パターン形成方法を説明する。以下の説明において、同一または対応する部品または部材には、同一または対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、ガラス基板（以下、単に基板）Ｓの上にエッチングされるべき薄膜（以下、エッチング対象膜）１１が形成される。エッチング対象膜１１は、これらに限定されないが、化学気相堆積（ＣＶＤ）法で堆積したポリシリコン膜、およびスパッタ法で堆積した金属膜であって良い。

次いで、エッチング対象膜１１が形成された基板Ｓは、所定のフォトレジスト塗布現像装置（以下、塗布現像装置）に搬入される。塗布現像装置においては、まず、たとえば疎水化処理など、フォトレジスト膜１３の形成前の所定の処理が行われる。次いで、基板Ｓは、塗布現像装置のフォトレジスト塗布ユニットに搬送され、図４（ａ）に示すように、エッチング対象膜１１の上にフォトレジスト膜１３が形成される（図３のステップＳ１）。本発明の実施形態による微細パターン形成方法においては、フォトレジスト膜１３は、ネガ型のフォトレジスト（液）を用いて形成される。ネガ型のフォトレジストとしては、使用される露光装置の露光光の波長に対して感度を有していれば、特に限定されることはない。また、フォトレジスト膜１３の膜厚は、約０．５μｍから約３μｍまでの範囲にあって良い。

フォトレジスト膜１３が形成された後、図４（ｂ）に示すように、塗布現像装置に設けられる減圧乾燥ユニット４６内に基板Ｓが搬送される。減圧乾燥ユニット４６は、外部雰囲気に対して気密可能に構成され、図示しない排気装置により内部が減圧に排気される。これにより、減圧乾燥ユニット４６内のフォトレジスト膜１３に含まれるフォトレジストの溶剤が蒸発し、フォトレジスト膜１３が乾燥する（図３のステップＳ２）。ここで、減圧乾燥ユニット４６内での基板Ｓの温度（たとえば２３℃）におけるフォトレジスト溶剤の蒸気圧よりも低い圧力にまで、減圧乾燥ユニット４６の内部が減圧されることが望ましい。フォトレジスト（液）の溶剤が、たとえば複数の溶剤を含む場合は、いずれかの溶剤、好ましくは含有量の最も多い溶剤の蒸気圧よりも減圧乾燥ユニット４６の内部が減圧されることが望ましい。また、複数の溶剤の蒸気圧のうちの最も低い蒸気圧よりも低い圧力まで減圧乾燥ユニット４６の内部を減圧しても良い。

なお、フォトレジスト溶剤の蒸気圧より低い圧力に到達するまでの時間は、たとえば５ｓｅｃから４０ｓｅｃまでの範囲であることが好ましい。本発明の発明者の検討によれば、この程度の時間でフォトレジスト膜１３を急速に乾燥すると、フォトレジスト膜１３の表層が、より硬化されるため、露光耐性が高くなる（露光され難くなる）傾向があることが分かっている。

また、減圧乾燥ユニット４６内でフォトレジスト膜１３を減圧雰囲気下で乾燥しているときに、基板Ｓの上方に、窒素ガスや希ガスなどの不活性ガスＧを流すことにより、フォトレジスト膜１３の乾燥を促進することが好ましい。これにより、フォトレジスト膜１３の硬化および露光耐性の促進が期待される。
なお、フォトレジスト膜１３の形成に好適な塗布ユニットと、減圧雰囲気下での乾燥に好適な減圧乾燥ユニット４６とについては後に説明する。

フォトレジスト膜１３が減圧雰囲気下で乾燥された後、塗布現像装置において更に乾燥するために基板Ｓが加熱され、再び室温（たとえば２３℃）に冷却される。この後、基板Ｓは露光装置に搬送され、図４（ｃ）に示すように、フォトマスク１５を通してフォトレジスト膜１３が露光される（図３のステップＳ３）。ここで露光光の波長は、たとえば波長４０５ｎｍ（ｈ線）と波長３６５ｎｍ（ｉ線）の混合波長であり、露光限界は２．５μｍから３．０μｍ程度である。また、露光光の露光量はたとえば３０〜４０ｍＪであって良い。また、１００ｍＪ程度の露光量でフォトレジスト膜１３をオーバー露光しても良い。

フォトマスク１５のスリット１５ｓ（露光光透過部）の幅ＳＷ１は、本実施形態においては露光限界より小さいたとえば約１．８μｍである。スリット１５ｓを透過する露光光Ｌの光強度曲線Ａは、露光光Ｌがスリット１５ｓにより回折されるため、スリット１５ｓの幅ＳＷ１の外側にまで裾を引くことになる。このため、図４（ｃ）に示すように、スリット１５ｓの幅ＳＷ１にほぼ対応する領域Ｐ４が露光されるのに加えて、領域Ｐ４の外側の領域Ｐ５までに露光光が照射され得る。

続いて、現像塗布装置の現像ユニットへ基板Ｓが搬送され、露光されたフォトレジスト膜１３が現像される（図３のステップＳ４）。本発明の実施形態においてフォトレジスト膜１３はネガ型であるため、現像後には領域Ｐ４およびＰ５が残ることになる。しかしながら、フォトレジスト膜１３の表層はステップＳ２において減圧雰囲気下で急速に乾燥されて露光され難くなっているため、露光光の回折成分が照射されたに過ぎない領域Ｐ５は十分には露光されておらず、現像により除去される。その結果、図５（ｄ）に示すように、領域Ｐ４のみが残ったエッチングマスクＭが得られる。
なお、領域Ｐ５の確実な除去のために、フォトレジスト膜１３における露光光が照射されていない部分が現像液に十分に溶け出した後も、所定の時間、フォトレジスト膜１３を現像液に晒しておいても良い（オーバー現像を行っても良い）。

ここでエッチングマスクＭの断面形状に着目すると、エッチングマスクＭ（領域Ｐ４）の幅は、上端部で広く、下端部に向かって狭くなっていることがわかる（いわゆるＴトップ形状）。しかも、上端部でのエッチングマスクＭ（領域Ｐ４）の幅は、フォトマスク１５のスリット１５ｓの幅にほぼ等しい。これは、フォトレジスト膜１３を減圧雰囲気下で乾燥したことにより、フォトレジスト膜１３の表層ほど乾燥し、硬化され、露光耐性が向上したためと考えられる。また、減圧雰囲気下での乾燥中に、フォトレジスト膜１３の上方において不活性ガスＧ（図４（ｂ））を流すことによる乾燥促進の効果でもある。

続けて、図５（ｅ）に示すように、エッチングマスクＭを使用してエッチング対象膜１１がエッチングされる（図３のステップＳ５）。このエッチングは、たとえば１００ｍＴｏｒｒより低い圧力の下で、エッチング対象膜１１の性質に応じて、塩素を含むエッチングガスまたはフッ素を含むエッチングガスにより行われることが好ましい。塩素を含むエッチングガスとしては、たとえば、塩素（Ｃｌ_２）ガス、Ｃｌ_２と六フッ化硫黄（ＳＦ_６）との混合ガス、Ｃｌ_２と四フッ化炭素（ＣＦ_４）との混合ガス、Ｃｌ_２と三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）との混合ガス、およびＣｌ_２と酸素（Ｏ_２）との混合ガスがある。また、フッ素を含むエッチングガスとしては、ＳＦ_６とＯ_２との混合ガス、ＳＦ_６と窒素（Ｎ_２）との混合ガス、ＣＦ_４とＯ_２との混合ガス、およびＣＦ_４とＮ_２との混合ガスがある。これらによれば、エッチング対象膜１１が異方的にエッチングされる。すなわち、図５（ｅ）に示すように、エッチングマスクＭの上端部の幅がエッチング対象膜１１に転写され、エッチング対象膜１１からライン１１Ｌが基板Ｓ上に形成される。

以上、本発明の実施形態によれば、エッチング対象膜１１の上にネガ型のフォトレジスト膜１３を形成し、フォトレジスト膜１３を減圧雰囲気下で乾燥することにより、露光限界よりも小さい幅を有するスリット１５ｓを用いてフォトレジスト膜１３を露光しても、露光限界より小さい幅を有するエッチングマスクＭを得ることができる。このエッチングマスクＭを用いた異方性エッチングにより、露光限界より小さい幅を有するラインを形成することが可能となる。また、フォトレジスト膜１３の表層の露光耐性が向上しているため、露光光が照射された領域がより確実に残ることとなり、各ライン幅の均一性も向上され得る。

また、上述のとおり、フォトレジスト膜１３の表層を減圧雰囲気下で急速に乾燥することにより、フォトレジスト膜１３の表層が露光され難くなるため、フォトレジスト膜１３におけるスリット１５ｓで回折した露光光が照射された領域Ｐ５は、オーバー現像により除去され得る。したがって、現像により得られたエッチングマスクＭ（領域Ｐ４）の幅は、スリット１５ｓの幅ＳＷ１とほぼ等しくなる。すなわち、スリット１５ｓの幅ＳＷ１を露光限界よりも小さく設定することにより、露光限界よりも小さい幅を有するラインを形成することが可能となる。しかも、ライン幅の均一性をより向上できる。

また、本発明の実施形態による微細パターン形成方法によれば、解像限界を低減可能であり、大型基板に対応可能な短波長光光源を備える露光装置の開発を待つことなく、解像限界よりも小さい幅を有し、ライン幅均一性に優れたラインを形成できる。すなわち、新たな露光装置の開発・導入が不要なため、製造コストの上昇を伴うことなく微細化が可能となるという利点が提供される。

次に、フォトレジスト膜１３の形成に好適な塗布ユニットと、減圧雰囲気下での乾燥に好適な減圧乾燥ユニット４６とについて説明する。
図６は、塗布ユニット３０と、これに組み合わされた減圧乾燥ユニット４６を示す側面図である。図示のとおり、塗布ユニット３０には、支持台８０の上に配置されるガイドレール８１と、基板Ｓを保持可能で、ガイドレール８１に沿って平行移動可能な搬送アーム８２と、塗布ユニット３０と減圧乾燥ユニット４６との間に配置される、ノズル８４を含むレジスト塗布ユニット４４とを備える。ノズル８４は、図示しないフォトレジスト液供給源に接続されており、フォトレジスト液供給源から供給されるフォトレジスト液を下方に向けて吐出するように、支持台８０に固定されたゲート８３の上部から吊り下げられている。

減圧乾燥ユニット４６は、図６および図７に示すように、上面が開口する椀状の下部チャンバ８５と、下面が開口する蓋状の上部チャンバ８６とを有している。上部チャンバ８６は、図示しない昇降機構により昇降可能である。昇降機構により上部チャンバ８６が下部チャンバ８５の上面に載置されると、図示しないシール部材により上部チャンバ８６と下部チャンバ８５が気密に密着する。

また、下部チャンバ８５には、基板Ｓが載置されるステージ８８が配置されており、上部チャンバ８６が上方に持ち上げられるとき、基板Ｓが搬入されステージ８８に載置される。また、下部チャンバ８５の底部には排気口８９が形成されており、排気口８９には配管９０の一端が接続され、配管９０の他端には真空ポンプ９１が接続されている。さらに、下部チャンバ８５の底部に、窒素ガスや希ガスなどの不活性ガスを供給する供給口９２が形成され、供給口９２には配管９６の一端が接続され、配管９６の他端には不活性ガス供給源９７が接続されている。供給口９２と排気口８９との間において、下部チャンバ８５の底面とステージ８８との間を塞ぐように整流板９３が設けられている。これにより、供給口９２から、ステージ８８に載置される基板Ｓの上方を通り、基板Ｓの裏側に回り込んで吸気口８９へ至る気流路が形成される。

上記の構成を有する塗布ユニット３０および減圧乾燥ユニット４６により、以下のように、フォトレジスト膜１３が形成され、このフォトレジスト膜１３が減圧雰囲気下で乾燥される。
まず、基板Ｓが搬送アーム８２上に載置されると、搬送アーム８２は、レール８１上をレジスト塗布ユニット４４のゲート８３に向かって移動する。搬送アーム８２上の基板Ｓの前端が、ゲート８３から吊り下げられたノズル８４の下に達すると、ノズル８４から基板Ｓに対しフォトレジスト液Ｒが吐出され、基板Ｓが更に移動するのに伴って、基板Ｓの上面にフォトレジスト液が塗布されていく。このとき、減圧乾燥ユニット４６の上部チャンバ８６は、下部ユニット８５から持ち上げられており、基板Ｓはその前端から上部チャンバ８６と下部チャンバ８５との間の空間へと移動する。基板Ｓの後端がノズル８４の下方を通り過ぎて、基板Ｓの上面全体にフォトレジスト液が塗布されると、基板Ｓはそのままステージ８８の上方に至りステージ８８上に載置される。

次いで、上部ユニット８６が下部ユニット８５上に載置され、上部ユニット８６および下部ユニット８５により気密に形成される空間が真空ポンプ９１により減圧される。また、不活性ガス供給源９７から配管９６および供給口９２を通して不活性ガスが供給されると、基板Ｓ上のフォトレジスト膜１３の表面上を流れる不活性ガスの気流が形成される。
このときの減圧乾燥ユニット４６内の圧力は、たとえば１００Ｐａであって良く、不活性ガスの流量は、たとえば１１リットル／分程度であって良い。

以上、実施形態を参照しながら本発明を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることなく、添付の特許請求の範囲に照らし種々に変更または変形することが可能である。

１１・・・エッチング対象膜、１３・・・ネガ型のフォトレジスト膜、１５・・・フォトマスク、１１Ｌ・・・ライン、３０・・・塗布ユニット、８２・・・搬送アーム、８４・・・（フォトレジスト液供給）ノズル、４６・・・減圧乾燥ユニット、８５・・・下部ユニット、８６・・・上部ユニット、８８・・・ステージ、９１・・・真空ポンプ、８９・・・排気口、９２・・・吸気口、９７・・・不活性ガス供給源、Ａ・・・露光光強度曲線、Ｍ・・・エッチングマスク。

Claims

エッチングの対象となる薄膜の上に、ネガ型のフォトレジスト膜を形成する工程と、
前記フォトレジスト膜を減圧雰囲気下で乾燥する工程と、
使用する露光装置における解像限界よりも幅が小さい露光光透過部を有するフォトマスクを用いて、乾燥された前記フォトレジスト膜に対し前記露光光を照射して当該フォトレジスト膜を露光する工程と、
露光された前記フォトレジスト膜を現像して当該フォトレジスト膜からエッチングマスクを形成する工程と、
前記エッチングマスクを用いて前記薄膜をエッチングする工程と
を含む、微細パターン形成方法。
前記乾燥する工程において、前記フォトレジスト膜に含まれる複数の溶剤の少なくとも一つの溶剤の蒸気圧よりも低い圧力にまで減圧された雰囲気に前記フォトレジスト膜が晒される、請求項１に記載の微細パターン形成方法。
前記乾燥する工程において、前記フォトレジスト膜の上方に不活性ガスが流される、請求項１または２に記載の微細パターン形成方法。
前記フォトレジスト膜を露光する工程において、前記フォトレジスト膜がオーバー露光される、請求項１から３のいずれか一項に記載の微細パターン形成方法。
エッチングマスクを形成する工程において、前記フォトレジスト膜がオーバー現像される、請求項１から４のいずれか一項に記載の微細パターン形成方法。
前記エッチングする工程において、塩素を含むガスまたはフッ素を含むガスを利用して減圧雰囲気下で前記薄膜が異方性エッチングされる、請求項１から５のいずれか一項に記載の微細パターン形成方法。