CN1763633A - 图形形成方法及曝光装置 - Google Patents

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Abstract

一种图形形成方法，在形成由化学增幅型抗蚀材料构成的抗蚀膜(102)之后，以向抗蚀膜(102)上提供由含有消泡剂且边进行循环边暂时被贮存于溶液贮存部内的水(折射率n：1.44)组成的溶液(103)的状态，对抗蚀膜(102)照射曝光光(104)，进行图形曝光。对已进行图形曝光的抗蚀膜(102)进行后烘之后，用碱性显影液进行显影，则可以得到由抗蚀膜(102)的未曝光部(102b)构成的具有良好截面形状的抗蚀图形(105)。根据本发明，通过减少用于浸渍光刻法的溶液中的气泡，可以使抗蚀图形的截面形状变得良好。

Description

图形形成方法及曝光装置
本申请是2003年8月29日提出的申请号为03155716.3、发明名称为图形形成方法及曝光装置的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种半导体制造等中的图形形成方法及使用它的曝光装置。
背景技术
随着半导体集成电路的大集成化及半导体元件的小型化，要求加速对光刻技术的开发。目前，在利用作为曝光光使用汞灯、KrF激元激光或ArF激元激光等的光刻法完成图形形成的同时，也探讨使用波长更短的F2激光的方法，但还存在关于曝光装置及抗蚀材料的很多问题，因此使用波长较短的曝光光的光刻法的实用化还需要等待一段时间。
从这样的状况出发，最近为了用以往的曝光光推进图形一层的微细化，提出了浸渍光刻法(immersion lithography)(M.Switkes andM.Rothschild，″Immersion lithography at157nm”，J.Vac.Sci.Technol.，B19，2353(2001))。
根据该浸渍光刻法，由于曝光装置内的投影透镜和晶片上的抗蚀膜之间的区域被折射率为n的液体所充满，因此曝光装置的NA(数值孔径)值变为n·NA，从而可以提高抗蚀膜的分辨力。
下面参照图7(a)-(d)说明使用浸渍光刻法的以往图形形成方法。
首先，准备具有以下组成的化学增幅型抗蚀材料。
聚((降冰片烯-5-亚甲基特丁基羧酸酯)-(马来酸酐))(降冰片烯-5-亚甲基特丁基羧酸酯∶马来酸酐＝50mol％∶50mol％)(基本聚合2g
trifluoro sulphonium triflate(酸发生剂)  0.04g
丙二醇单甲醚乙酸酯(溶剂)                 20g
接着，如图7(a)所示，将化学增幅型抗蚀材料涂布在基板1上，形成具有0.35微米的厚度的抗蚀膜2。
之后，如图7(b)所示，一边向抗蚀膜2上提供水3，一边通过掩膜5向抗蚀膜2照射由NA为0.65的ArF激元激光构成的曝光光4，进行图形曝光。还有，在图7(b)中，省略了将通过掩膜5的曝光光4投影于抗蚀膜2表面上的投影透镜，但实际上投影透镜和抗蚀膜2之间的区域是处于被水等溶液3所充满的状态的。由此，在抗蚀膜2的曝光部2a中会由酸发生剂产生酸，从而变成对碱性显影液呈可溶性，而另一方面，在抗蚀膜2的未曝光部2b中，因没有由酸发生剂产生酸，所以对碱性显影液仍然显示难溶性。
然后，如图7(c)所示，对于已进行图形曝光的抗蚀膜2，在110℃的温度下用电热板进行60秒钟的加热之后，用2.38wt％的氢氧化四甲胺显影液(碱性显影液)进行显影，则如图7(d)所示，可以得到由抗蚀膜2的未曝光部2b构成的抗蚀图形6。
 然而，如图7(d)所示，由以往例所得到的抗蚀图形6的形状不佳。
本发明人等对由以往例得到的抗蚀图形6的形状不佳的原因进行了探讨，结果发现当支持曝光装置的基板1的工作台发生移动时，溶液3中会产生气泡，且会因该气泡发生曝光光4的散射，结果曝光光4会到达抗蚀膜2的未曝光部2b，或者会在抗蚀膜2的曝光部2a中发生露光过度，由此在这些抗蚀图形6上会产生缺陷。
如果采用这种不良形状的抗蚀图形对被处理膜进行蚀刻，则所得图形的形状也不佳，会出现半导体器件的制造工序中的生产率及成品率下降的问题。
发明内容
鉴于以上，本发明的目的在于通过减少用于浸渍光刻法的溶液中的气泡，改善抗蚀图形的截面形状。
为了达到上述目的，本发明的第1图形形成方法具有：以向抗蚀膜上提供含消泡剂的溶液的状态，对抗蚀膜选择性地照射曝光光而进行图形曝光的工序；对已进行图形曝光的抗蚀膜进行显影而形成抗蚀图形的工序。
根据第1图形形成方法，即使在提供给抗蚀膜上的溶液中产生气泡，可用消泡剂消除所产生的气泡，因此可以抑制曝光光的散射，使抗蚀图形的形状变得良好。
本发明的第2图形形成方法，具有：以向抗蚀膜提供溶液的状态，对抗蚀膜选择性地照射曝光光而进行图形曝光的工序；对已进行图形曝光的抗蚀膜进行显影而形成抗蚀图形的工序，且进行图形曝光的工序包括一边将暂时被贮存于溶液贮存部内部的溶液提供给抗蚀膜，同时向抗蚀膜照射曝光光的工序，该溶液贮存部被设置在抗蚀膜和将曝光光投影于抗蚀膜上的透镜之间，且从溶液流入口引入溶液的同时从截面积小于所述溶液流入口的溶液流出口排出溶液。
根据第2图形形成方法，从溶液贮存部排出溶液的溶液流出口的截面积小于将溶液引入到溶液贮存部的溶液流入口的截面积，因此暂时贮存于溶液贮存部内的溶液的压力会变大，从而可以减小发生在提供给抗蚀膜上的溶液中的气泡的尺寸，同时可以迅速地消除所发生的气泡。因此，可以抑制曝光光的散射，使抗蚀图形的形状变得良好。
在第1或第2图形形成方法中，作为提供给抗蚀膜上的溶液，优选使用水。
这样，如果作为溶液采用折射率高的水，可以确实提高n·NA。
在第1或第2图形形成方法中，作为提供给抗蚀膜上溶液，优选使用全氟代聚醚。
这样，如果作为溶液采用全氟代聚醚，则即使是在抗蚀图形上形成有水溶性膜的情况下，也可以防止水溶性膜溶解于溶液中的现象。
在第2图形形成方法中，提供给抗蚀膜上的溶液优选含有消泡剂。
这样，可以更为迅速地消除发生在提供给抗蚀膜上的溶液中的气泡。
在第1或第2图形形成方法中，当提供给抗蚀膜上的溶液中含有消泡剂时，作为消泡剂优选使用硅油、脂肪酸、磷酸酯、植物性油脂、脂肪酸甘油酯、碳酸钙、碳酸镁、卵磷脂或聚醚。
这样可以确实消除溶液中的气泡。
本发明的曝光装置，具有：将通过掩膜的曝光光投影于抗蚀膜上的透镜、被设在抗蚀膜和透镜之间且暂时贮存由透镜所投影之后到达抗蚀膜的曝光光所通过的溶液的溶液贮存部、和将溶液引入溶液贮存部的溶液流入口、排出贮存于溶液贮存部内的溶液的溶液流出口。
根据本发明的曝光装置，可以用折射率为n的溶液确实充满曝光装置内的投影透镜和抗蚀膜之间的区域，使曝光装置的NA(数值孔径)值达到n·NA，因此可以提高抗蚀膜的分辨力。
在本发明的曝光装置中，溶液流出口的截面积优选小于溶液流出口的截面积。
这样，当将溶液从溶液贮存部排出的溶液流出口的截面积小于将溶液引于到溶液贮存部内的溶液流入口的截面积时，暂时被贮存于溶液贮存部内的溶液压力会变大，从而可以减小发生在提供给抗蚀膜上的溶液中的气泡的尺寸，同时可以迅速地消除所发生的气泡。因此，可以抑制曝光光的散射，使抗蚀图形的形状变得良好。
附图说明
图1是用于实施例1或2的图形形成方法中的第1曝光装置的主要部分截面图。
图2(a)～(d)是表示实施例1的图形形成方法中的各个工序的截面图。
图3(a)～(d)是表示实施例2的图形形成方法中的各个工序的截面图。
图4是用于实施例3或4的图形形成方法中的第2曝光装置的主要部分截面图。
图5(a)～(d)是表示实施例3的图形形成方法中的各个工序的截面图。
图6a)～(d)是表示实施例4的图形形成方法中的各个工序的截面图。
图7(a)～(d)是表示以往的图形形成方法中的各个工序的截面图。
图中，10-基板，11-抗蚀膜，12-投影透镜，13-溶液，14-溶液贮存部，14a-溶液流入口，14b-溶液流出口，15-曝光光，20-基板，21-抗蚀膜，22-投影透镜，23-溶液，24-溶液贮存部，24a-溶液流入口，24b-溶液流出口，25-曝光光，101-基板，102-抗蚀膜，102a-曝光部，102b-未曝光部，103-溶液，104-曝光光，105-抗蚀图形，106-投影透镜，201-基板，202-抗蚀膜，202a-曝光部，202b-未曝光部，203-溶液，204-曝光光，205-抗蚀图形，206-投影透镜，301-基板，302-抗蚀膜，302a-曝光部，302b-未曝光部，303-溶液，304-曝光光，305-抗蚀图形，306-投影透镜，401-基板，402-抗蚀膜，402a-曝光部，402b-未曝光部，403-溶液，404-曝光光，405-抗蚀图形，406-投影透镜。
具体实施方式
(实施例1)
下面参照图1说明用于实施例1的图形形成方法中的曝光装置。
如图1所示，在形成于基板10上的抗蚀膜11的上方，配置有第1曝光装置的投影透镜12，且在投影透镜12和抗蚀膜11之间设置有贮存溶液(折射率：n)13的溶液贮存部14。在溶液贮存部14上，设有溶液13所流入的溶液流入口14a和溶液13流出去的溶液流出口14b，而从溶液流入口14a流入到溶液贮存部14内的溶液13被暂时贮存于溶液贮存部14内之后，从溶液流出口14b流到外部。曝光光15通过描绘有所需图形的掩膜16之后，由投影透镜12所投影，之后，通过溶液13的内部，到达抗蚀膜11的表面上。因此，通过溶液13内部而到达抗蚀膜11表面的曝光光15的数值孔径NA的值为没有贮存有溶液13时的n倍。
下面，参照图2(a)～(d)说明实施例1的图形形成方法。
首先，准备具有以下组成的正型化学增幅型抗蚀材料。
聚((降冰片烯-5-亚甲基特丁基羧酸酯)-(马来酸酐))(其中，降冰片烯-5-亚甲基特丁基羧酸酯∶马来酸酐＝50mol％∶50mol％)(基本聚合物)2g
trifluoro sulphonium triflate(酸发生剂) 0.04g
丙二醇单甲醚乙酸酯(溶剂)                20g
接着，如图2(a)所示，在基板101上涂布所述化学增幅型抗蚀材料，形成具有0.35微米厚度的抗蚀膜102。
然后，如图2(b)所示，在把由含有100p.p.m的作为消泡剂的硅油且一边循环一边被暂时贮存于溶液贮存部14(参照图1)中的水(折射率n：1.44)组成的溶液103提供到投影透镜106和抗蚀膜102之间的状态下，通过未图示的掩膜向抗蚀膜102照射由NA为0.65的ArF激元激光构成的曝光光104，进行图形曝光。此时，由于在抗蚀膜102的曝光部102a中由酸发生剂产生酸，因此变成为可溶于碱性显影液的状态，而另一方面，在抗蚀膜102的未曝光部102b中，因没有由酸发生剂产生的酸，所以对于碱性显影液仍呈难溶性。
之后，如图2(c)所示，对已进行图形曝光的抗蚀膜102，用电热板在100℃的温度下加热60秒钟，之后利用2.38wt％的氢氧化四甲铵显影液(碱性显影液)进行显影，则如图2(d)所示，可以得到由抗蚀膜102的未曝光部102b构成的线宽为0.09微米且具有良好的截面形状的抗蚀图形105。
根据实施例1，由于溶液103中含有消泡剂，因此可以用消泡剂消除当支持基板101的工作台发生移动时所产生的气泡。因此，可以抑制曝光光104的散射，使抗蚀图形105的形状变得良好。
(实施例2)
下面，参照图1及图3(a)～(d)说明实施例2的图形形成方法。还有，实施例2的图形形成方法中，与实施例1相同，使用图1所示的曝光装置。
首先，准备具有以下组成的负型化学增幅型抗蚀材料。
聚((降冰片烯-5-亚甲基羧酸)-(马来酸酐))(其中，降冰片烯-5-亚甲基羧酸∶马来酸酐＝50mol％∶50mol％)(基本聚合物)        2g
1，3，5-N-(三羟甲基)三聚氰胺(交联剂)             0.7g
trifluoro sulphonium triflate(酸发生剂)          0.04g
丙二醇单甲醚乙酸酯(溶剂)                         20g
接着，如图3(a)所示，在基板201上涂布所述化学增幅型抗蚀材料，形成具有0.35微米厚度的抗蚀膜202。
然后，如图3(b)所示，在把由含有100p.p.m的作为消泡剂的硅油且一边循环一边暂时被贮存于溶液贮存部14(参照图1)中的水(折射率n：1.44)组成的溶液203提供到投影透镜206和抗蚀膜202之间的状态下，通过未图示的掩膜向抗蚀膜202照射由NA为0.65的ArF激元激光构成的曝光光204，进行图形曝光。此时，由于在抗蚀膜202的曝光部202a中由酸发生剂产生酸，因此通过交联剂的作用会变成为难溶于碱性显影液的状态，而另一方面，在抗蚀膜202的未曝光部202b中，因没有由酸发生剂产生的酸，所以对于碱性显影液仍呈可溶性。
之后，如图3(c)所示，对已进行图形曝光的抗蚀膜202，用电热板在120℃的温度下加热90秒钟，之后利用2.38wt％的氢氧化四甲铵显影液(碱性显影液)进行显影，则如图3(d)所示，可以得到由抗蚀膜202的曝光部202a构成的线宽为0.09微米且具有良好的截面形状的抗蚀图形205。
根据实施例2，由于溶液203中含有消泡剂，因此可以用消泡剂消除当支持基板101的工作台发生移动时所产生的气泡。因此，可以抑制曝光光204的散射，使抗蚀图形205的形状变得良好。
另外，在实施例1或实施例2的图形形成方法中，作为溶液103、203中所含有的消泡剂，可举出破泡剂、抑泡剂或脱泡剂，但并不限于此。破泡剂吸附于气泡上之后根据表面张力的作用会侵入于泡膜。之后，因破泡剂根据表面张力的作用在泡膜表面上扩张，泡膜会变薄，最终泡膜会被破坏。抑泡剂在液体中与起泡剂物质一同吸附于泡膜上。吸附抑泡剂之后泡膜的表面张力会下降，因此会引发泡膜的薄膜化。由此，气泡会变得不稳定，当浮出液面时会导致被破坏。脱泡剂在液体中吸附于泡膜上。当气泡之间在液体中互相吸附时，在吸附界面上会引发气泡的破坏，气泡间发生合并并变大。变大的气泡因其浮力的增加，上升至液面的速度会加快。
作为消泡剂可以举出硅油、脂肪酸、磷酸酯、植物性油脂、脂肪酸甘油酯、碳酸钙、碳酸镁、卵磷脂或聚醚，但并不限于这些。
通常消泡剂的添加量为几p.p.m至1％左右时，能取得充分的效果，但也可以添加其以上或其以下的量。
作为溶液103、203，根据光透过率的关系等，当作为曝光光104、204使用g线或i线等紫外线、KrF激元激光或ArF激元激光等远紫外线时，优选水(折射率n：1.44)，而当作为曝光光104、204使用F2激光等真空紫外线时，优选全氟代聚醚(折射率n：1.37)。
(实施例3)
下面参照图4说明用于本发明的实施例3的图形形成方法的第2曝光装置。
如图4所示，在形成于基板20上的抗蚀膜21的上方，配置有第2曝光装置的投影透镜22，且在投影透镜22和抗蚀膜21之间设置有贮存溶液(折射率：n)23的溶液贮存部24。在溶液贮存部24上，设有溶液23所流入的溶液流入口24a和溶液23流出去的溶液流出口24b，而从溶液流入口24a流入到溶液贮存部24内的溶液23被暂时贮存于溶液贮存部24内之后，从溶液流出口24b流到外部。因此，通过溶液23内部而到达抗蚀膜21表面的曝光光25的数值孔径：NA的值为没有贮存有溶液23时的n倍。
在第2曝光装置中，溶液流出口24b的截面积小于溶液流入口24a的截面积。因此，贮存于溶液贮存部24内的溶液23的压力大于溶液流出口14b截面积和溶液流入14a截面积相同时的第1曝光装置的溶液贮存部14内的溶液13的压力。因此，可以迅速消除当支持基板20的工作台发生移动时发生于溶液23中的气泡，从而减少溶液23中的气泡。
还有，作为使溶液流出口24b的截面积小于溶液流入口24a的截面积的方法，当溶液流出口24b和溶液流入口24a的数目相同时，使溶液流出口24b的截面积小于溶液流入口24a的截面积即可，而当各溶液流出口24b的截面积等于各溶液流入口24a的截面积时，使溶液流出口24b的截面积数目少于溶液流入口24a的数目即可。
下面，参照图5(a)～(d)说明实施例3的图形形成方法。
首先，准备具有以下组成的化学增幅型抗蚀材料。
聚((降冰片烯-5-亚甲基特丁基羧酸酯)-(马来酸酐))(其中，降冰片烯-5-亚甲基特丁基羧酸酯∶马来酸酐＝50mol％∶50mol％)(基本聚合物)    2g
trifluoro sulphonium triflate(酸发生剂)                    0.4g
丙二醇单甲醚乙酸酯(溶剂)                                   20g
接着，如图5(a)所示，在基板301上涂布所述化学增幅型抗蚀材料，形成具有0.35微米厚度的抗蚀膜302。
然后，如图5(b)所示，在把由一边进行循环一边暂时被贮存于溶液贮存部24(参照图4)的水组成的溶液303提供到投影透镜306和抗蚀膜302之间的状态下，通过未图示的掩膜向抗蚀膜302照射由NA为0.65的ArF激元激光构成的曝光光304，进行图形曝光。此时，由于在抗蚀膜302的曝光部302a中由酸发生剂产生酸，因此会变成为可溶于碱性显影液的状态，而另一方面，在抗蚀膜302的未曝光部202b中，因没有由酸发生剂产生的酸，所以对于碱性显影液仍呈难溶性。
之后，如图5(c)所示，对已进行图形曝光的抗蚀膜302，用电热板在100℃的温度下加热60秒钟，之后利用2.38wt％的氢氧化四甲铵显影液(碱性显影液)进行显影，则如图5(d)所示，可以得到由抗蚀膜302的未曝光部302b构成的线宽为0.09微米且具有良好的截面形状的抗蚀图形305。
根据实施例3，由于第2曝光装置中将溶液从溶液贮存部24排出的溶液流出口24b的截面积小于将溶液引入到溶液贮存部24的溶液流入口24a的截面积，因此暂时贮存于溶液贮存部24内的溶液303的压力变高，从而使发生于溶液303中的气泡尺寸变小，同时迅速消除气泡。因此，可以抑制曝光光304的散射，使抗蚀图形305的形状变得良好。
(实施例4)
下面参照图6(a)～(d)，说明实施例4的图形形成方法。还有，在实施例4的图形形成方法中，与实施例3相同，使用如图4所示的第2曝光装置。
首先，准备具有以下组成的负型化学增幅型抗蚀材料。
聚((降冰片烯-5-亚甲基羧酸)-(马来酸酐))(其中，降冰片烯-5-亚甲基羧酸∶马来酸酐＝50mol％∶50mol％)(基本聚合物)      2g
1，3，5-N-(三羟甲基)三聚氰胺(交联剂)           0.7g
trifluoro sulphonium triflate(酸发生剂)        0.04g
丙二醇单甲醚乙酸酯(溶剂)                       20g
接着，如图6(a)所示，在基板401上涂布所述化学增幅型抗蚀材料，形成具有0.35微米厚度的抗蚀膜402。
然后，如图6(b)所示，在把由一边进行循环一边暂时被贮存于溶液贮存部24(参照图4)的水组成的溶液403提供到投影透镜406和抗蚀膜402之间的状态下，通过未图示的掩膜向抗蚀膜402照射由NA为0.65的ArF激元激光构成的曝光光404，进行图形曝光。此时，由于在抗蚀膜402的曝光部402a中由酸发生剂产生酸，因此通过交联剂的作用会变成为难溶于碱性显影液的状态，而另一方面，在抗蚀膜402的未曝光部402b中，因没有由酸发生剂产生的酸，所以对于碱性显影液仍呈可溶性。
之后，如图6(c)所示，对已进行图形曝光的抗蚀膜402，用电热板在120℃的温度下加热90秒钟，之后利用2.38wt％的氢氧化四甲铵显影液(碱性显影液)进行显影，则如图6(d)所示，可以得到由抗蚀膜402的曝光部402a构成的线宽为0.09微米且具有良好的截面形状的抗蚀图形405。
根据实施例4，由于第2曝光装置中将溶液从溶液贮存部24排出的溶液流出口24b的截面积小于将溶液引入到溶液贮存部24的溶液流入口24a的截面积，因此暂时贮存于溶液贮存部24内的溶液403的压力变高，从而使发生于溶液403中的气泡尺寸变小，同时迅速消除气泡。因此，可以抑制曝光光404的散射，使抗蚀图形405的形状变得良好。
还有，在实施例3或实施例4中，溶液303、403中没有含有消泡剂，但也可以像实施例1或实施例2那样含有消泡剂。此时，可以进一步快速消除发生于溶液303、403中的气泡。
根据本发明的第1图形形成方法，因利用消泡剂消除在提供于抗蚀膜上的溶液中所发生的气泡，因此可以抑制曝光光的散射，使抗蚀图形的形状变得良好。
根据本发明的第2图形形成方法，因提高了暂时贮存于溶液贮存部内的溶液的压力，可使发生于溶液中的气泡尺寸减小的同时可以迅速消除气泡，从而可以抑制曝光光的散射，由此可使抗蚀图形的形态变得良好。
根据本发明的曝光装置，可使曝光装置内的投影透镜和抗蚀膜之间的区域确实被折射率为n的溶液所充满，因此可使曝光装置的NA(数值孔径)值达到n·NA，以提高抗蚀膜的分辨力。

Claims (7)

1.一种图形形成方法，其特征在于，具有：以向抗蚀膜上提供溶液的状态对所述抗蚀膜选择性地照射曝光光而进行图形曝光的工序、和对已进行曝光的所述抗蚀膜进行显影而形成抗蚀图形的工序，所述进行图形曝光的工序包括一边将暂时被贮存于溶液贮存部内部的所述溶液提供给所述抗蚀膜，一边向所述抗蚀膜照射所述曝光光的工序，该溶液贮存部被设置在所述抗蚀膜和将所述曝光光投影于所述抗蚀膜上的透镜之间，且从溶液流入口引入所述溶液的同时从截面积小于所述溶液流入口的溶液流出口排出溶液。
2.根据权利要求1所述的图形形成方法，其特征在于，所述溶液为水或全氟代聚醚。
3.根据权利要求2所述的图形形成方法，其特征在于，所述溶液中含有消泡剂。
4.根据权利要求1所述的图形形成方法，其特征在于，所述消泡剂为硅油、脂肪酸、磷酸酯、植物性油脂、脂肪酸甘油酯、碳酸钙、碳酸镁、卵磷脂或聚醚。
5.根据权利要求1所述的图形形成方法，其特征在于，所述曝光光为g线、i线、KrF激元激光、ArF激元激光、或F2激光。
6.一种曝光装置，其特征在于，具有：将通过掩膜的曝光光投影于抗蚀膜上的透镜、被设在所述抗蚀膜和所述透镜之间且暂时贮存由所述透镜投影之后到达所述抗蚀膜的所述曝光光所通过的溶液的溶液贮存部、将所述溶液引入所述溶液贮存部的溶液流入口、和排出贮存于所述溶液贮存部内的所述溶液的溶液流出口，且所述溶液流出口的截面积小于所述溶液流入口的截面积。
7.根据权利要求6所述的曝光装置，其特征在于，所述曝光光为g线、i线、KrF激元激光、ArF激元激光、或F2激光。
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