JP2002025885A - 近接場光を用いたパターン形成方法および露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レジスト膜上に形成された膜の透過率変化に
よる近接場光を用いて前記レジスト膜にパターンを形成
する方法であって、レジスト膜上に形成された膜の透過
率変化を高感度で可逆的に生じさせるとともに、汚染源
の混入を引き起こさないパターン形成方法を提供する。 【解決手段】 基板上に形成されたレジスト膜上に、照
射される光のビーム径を絞る超解像膜を形成する工程
と、前記超解像膜を介して前記レジスト膜に対して光を
照射し、パターン露光を行なう工程と、前記パターン露
光が行なわれた前記レジスト膜を現像する工程とを備え
るパターン形成方法である。前記超解像膜は有機薄膜よ
りなり、前記超解像膜の光の透過率は、光の照射の有無
に応じて可逆的に変化し、かつその光の照射光強度に対
して非線形に変化するものであることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微細パターン形成
方法、および近接場光を用いた露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の加速度的な情報化社会において、
半導体高密度実装技術の果たす役割はより大きくなって
いる。例えば、モバイル端末あるいはウェアラブルコン
ピュータなどの携帯端末機器において画像処理等のより
高度な処理を行なうためには、従来よりもさらに進んだ
個々のデバイスの小型化および高機能化が不可欠であ
る。こうした技術を支えるのが半導体高密度実装技術で
あり、これまでに種々の技術が開発されてきた。

【０００３】現在、半導体高密度実装技術に必要な微細
加工工程は、レジスト露光による方法を採ることが主流
となっている。ところが、このような加工技術には、光
源を決定するとレジスト膜上のパターンのサイズに不可
避な下限（回折限界）が存在しているので、より微細な
加工を行なううえでの障害となっている。このことは、
微細加工技術開発を光源の短波長化という方向に移行せ
しめることとなり、かつての高圧水銀灯による露光か
ら、エキシマレーザー（ＫｒＦ、ＡｒＦ等）、さらには
放射光等を用いたＸ線へと光源を変化させることとなっ
ている。このような新たな光源を開発するには、大きな
投資が必要とされる。しかも、露光制御を行なうための
光学系およびその材料や、用いられる光に対応した感度
特性を有するレジスト材料の開発も必要となるため、非
常なコストを要求される。このような技術開発は、微細
化が進むごとに必ず行なわなければならず、現在の技術
サイクルから考えると短期間でコスト回収を行なうこと
を迫られており、困難が大きい。

【０００４】上に述べた状況の一方において、極限計測
技術の発達に伴って近接場光の利用が現実となりつつあ
る。近接場光は、光を照射された物体の表面近くのみに
存在する光であり、光ファイバーによる検出を行なうこ
とによって、顕微鏡としての利用が可能であることが知
られている。この近接場光は、回折限界によって分解能
に限界があった光学顕微鏡に対する代替手段としての利
用や、高密度記録技術への応用が提案されている。

【０００５】このような近接場光の性質を用いて、微細
加工あるいはパターン形成を行なう方法が提案されてい
る。例えば、特開平７−１０６２２９号公報には、プロ
ーブ光による近接場微細加工技術が提案されている。こ
れは、光ファイバーを通った光がその開口部周辺で近接
場光を発生し、それによってレジスト膜の露光を行なう
という原理を用いるものである。しかしながら、このよ
うなプローブを用いる方法は、個々のパターンを逐次転
写する方法になることから、全パターンの露光に長時間
を要する。したがって、高スループットを要求される大
量生産技術に用いることは困難である。

【０００６】これに対し、いわゆる超解像膜を用いたパ
ターン形成方法が、特開平９−７９３５号公報や、Ｊａ
ｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ
Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．３８，Ｌ１０７９−Ｌ１０
８１（１９９９）に提案されている。特開平９−７９３
５号公報においては、レジスト膜上にＴｅＯ₂等の薄膜
を形成し、この薄膜に光スポットを照射する。光スポッ
トの中心近傍は強い強度の部分を有しており、これに対
応する薄膜部分のみが熱によって変性し、その結果、光
透過率の大きな変化が局所的に誘起される。これによっ
て、照射した光スポットよりも狭い領域のレジスト膜に
のみ露光を行なう。この方法の特徴は、光を照射してＴ
ｅＯ₂薄膜を融解する過程が不可逆であること、すなわ
ち、光照射によりいったん融解したＴｅＯ₂薄膜の部分
は、光照射を停止しても元には戻らない点である。

【０００７】一方、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．３
８，Ｌ１０７９（１９９９）に記載されている方法は、
レジスト膜上に形成されたＳｂ膜の透過率変化を用いる
ものである。この方法においては、波長６３５ｎｍの半
導体レーザー光をＳｂ膜上に照射して、光スポットの中
心近傍の強度の強い部分にのみ、Ｓｂ膜の光透過率変化
を誘起する。それと同時に、レジスト露光用の波長３６
５ｎｍの光（光源は高圧水銀灯）を照射して、この水銀
ランプ光がＳｂ膜上に形成するスポットよりも小さなス
ポットをレジスト膜上に形成する。この方法は、熱によ
るＳｂ膜の非晶質化を利用した現象であるが、半導体レ
ーザー照射を停止すると、１μｓｅｃ程度の時間でＳｂ
膜が再び結晶化して、この膜の光透過率はレーザー光照
射以前のものに戻る。この点が、上述の特開平９−７９
３５号公報に記載されている方法とは異なっている。

【０００８】このように、近接場光を用いたパターン形
成方法としては、高スループットという点でレジスト膜
上に設けた膜の光学応答変化を利用する方法が有力であ
り、この方法においては、露光に用いられる光よりも微
細なスポットによって、レジスト膜上にパターンが形成
される。

【０００９】しかしながら、これらの技術が共通に有す
る問題として、次のようなものが挙げられる。すなわ
ち、光照射による融解や非晶質化によって光透過率変化
を誘起するために高強度の光源を必要とするか、または
長時間の露光が必要であるので、高効率なパターン形成
方法としては不十分であるという点である。

【００１０】また現状では、マスクと基板とを掃引しな
がら基板上のレジスト膜にパターンを形成するスキャン
型の露光が主流とされているので、上述したような膜の
光学応答が不可逆なものである場合には、レジスト膜上
にいったん形成されたスポットが、次の掃引時にも再び
露光に寄与してしまう。こうした不都合を避けるため
に、レジスト膜上に設けた膜の光学応答変化は可逆であ
ることが要求される。

【００１１】また、微細スポット形成用の薄膜材料が、
後工程において汚染源として混入することは当然避けな
ければならず、薄膜材料としてはそのようなおそれのな
いものを選択することが要求される。例えば、上述した
Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉ
ｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．３８，Ｌ１０７９（１
９９９）に記載されている方法では、微小スポットを形
成するための膜材料として用いられているのはＳｂであ
り、このＳｂは、露光後の工程においてＳｉ基板中に混
入することがほぼ不可避である。Ｓｂは汚染源となるの
で、電気伝導率等のデバイス特性に決定的要素をもつ物
性に大きな悪影響をもたらす。

【００１２】こうした条件は、いずれも近接場光による
露光方式にとって極めて重要なものであるにもかかわら
ず、これら全ての条件を満たす方法は、未だ得られてい
ないのが現状である。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、レジ
スト膜上に形成された膜の透過率変化による近接場光を
用いて前記レジスト膜にパターンを形成する方法であっ
て、レジスト膜上に形成された膜の透過率変化を高感度
で可逆的に生じさせるとともに、汚染源の混入を引き起
こさないパターン形成方法を提供することを目的とす
る。

【００１４】また本発明は、レジスト膜上に形成された
膜の透過率変化による近接場光を用いて前記レジスト膜
を露光する露光装置であって、前記レジスト膜上の膜の
透過率変化を、高い感度で可逆的に生じさせることが可
能な露光装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、基板上に形成されたレジスト膜上に、照
射される光のビーム径を絞る超解像膜を形成する工程
と、前記超解像膜を介して前記レジスト膜に対して光を
照射し、パターン露光を行なう工程と、前記パターン露
光が行なわれた前記レジスト膜を現像する工程とを備え
るパターン形成方法であって、前記超解像膜は有機薄膜
よりなり、前記超解像膜の光の透過率は、光の照射の有
無に応じて可逆的に変化し、かつその光の照射光強度に
対して非線形に変化するものであることを特徴とするパ
ターン形成方法を提供する。

【００１６】また本発明は、レジスト膜上に形成された
膜の透過率変化による近接場光を用いる露光装置であっ
て、露光面の温度を、室温に対して±２５Ｋ以上の範囲
に調整可能な温度調整手段を具備することを特徴とする
露光装置を提供する。

【００１７】本発明においては、光透過率変化を誘起し
て照射光の形成するスポットよりも微細なスポットをレ
ジスト膜に形成するための超解像膜として、有機材料か
らなる薄膜を利用する。

【００１８】本発明においては、超解像膜４１を、図１
に示されるように半導体基板（図示せず）上のレジスト
膜４３上に形成する。レンズによって集光された光４２
を超解像膜に４１対して照射すると、超解像膜４１上の
光４２が照射された領域においては透過率の減少が起こ
る。レンズによって集光された光４２は、超解像膜４１
の面方向に図１に曲線ａで示される強度分布をもつ。し
たがって、照射光４２の強度を調整することにより、光
４２の形成するスポット４３の中心近傍では超解像膜４
１の透過率変化が誘起され、それよりも離れた領域では
誘起されないようにすることが可能である。こうして、
入射された光は、レジスト面においては図１中に曲線ｂ
で示されるような強度分布を有する。

【００１９】この薄膜に用いられる有機材料は、入射光
強度に対して非線形な依存性をもつ透過率の減少が生じ
る。微弱な光照射によって光透過率の大きな減少を誘起
することが可能となる。また、照射光の除去によって透
過率変化が消滅する、すなわち透過率変化が可逆的であ
るという材料を使用する。それにより、レジスト膜上に
いったん形成されたスポットは、次の掃引時に再び露光
に寄与することはない。

【００２０】すなわち、透過率変化量が、照射光強度に
対して非線形な依存性をもつ照射光強度領域を有する。

【００２１】また有機材料は、重金属以外の元素から構
成される物質であることから、露光後の工程において混
入したところで汚染源とはならない。したがって、デバ
イス特性の低下等の問題を引き起こすこともない。

【００２２】前記レジスト膜にパターンを形成するため
に照射される前記第２の光は、前記有機薄膜の透過率変
化を誘起するために照射される前記第１の光と同一とす
ることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。

【００２４】本発明において用いられる超解像膜として
の有機材料は有機分子または有機高分子から構成され、
有機材料の光透過率の変化は、こうした分子または高分
子の光反応により生じる。本発明においては、この光反
応に関与する分子数（高分子の場合には、その繰り返し
単位数）ｍは、照射された光の光子数ｎに等しいか、そ
れよりも多いことが好ましい。すなわち、光の照射によ
り誘起される光透過率の変化過程において、見かけの量
子効率ｑ＝ｍ／ｎが１以上となることが好ましい。

【００２５】上述したような性質を有する有機材料とし
ては、例えば、サリチリジン−２−クロロアニリン、ポ
リスチレン、１−ベンゾチアゾリル−５−ｎ−ニトロフ
ェニルフォルマゼン、Ｎ−ヘキサデシル−Ｐ−シアノピ
リジウム、ローダミンＢ、２，４，６，−ジオルガノ−
１，３，５，７−テトラオキサ−２，６−ジボラ−４，
８−オクタルインジオン、ジメチルアミノベンゾニトリ
ル、シアニンオキソノール、メロシアニン、スピロピレ
ン、ポリシラン、フェニルエチルアミン、ポリジアセチ
レン、ポリチオフェン、テトラチオフルバレン−クロロ
アニル、およびそれらの誘導体その他が挙げられる。

【００２６】これらの有機材料は、重金属以外の元素か
ら構成される物質であることから、露光後の工程におい
て混入したところで汚染源とはならない。したがって、
デバイス特性の低下等の問題を引き起こすこともない。

【００２７】超解像膜を形成するための材料は、温度変
化による光透過率の変化も誘起可能であることが望まし
く、この温度変化による光透過率変化は、材料の一次相
転移が主因となっていることが好ましい。ここで、一次
相転移とは、材料の自由エネルギーが転移前後で不連続
になるという特徴を有する相転移現象であり、その特徴
としては、履歴特性を示すこと、および潜熱を有するこ
となどが挙げられる。さらに、一次相転移のヒステリシ
ス領域が、摂氏０℃から摂氏３００℃の領域内に含まれ
ることが望ましい。また、光照射を停止した後、この透
過率変化が消失するまでの時間は、１ｍｓｅｃ以上６０
ｓｅｃ以下であることが望ましく、さらに１０ｍｓｅｃ
以上１０ｓｅｃ以下であることがより望ましい。

【００２８】上述した有機材料のなかでも、とりわけ、
ＥＴＣＤポリジアセチレン（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖ
ｉｅｗ Ｂ，Ｖｏｌ．５２，６２６５（１９９５））、
ポリチオフェン（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌ
ｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８２，１６７２（１９９
９））、テトラチオフルバレン−クロロアニル（Ｐｈｙ
ｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ，Ｖｏｌ．４２，６８５
３（１９９０））は、これらの条件を満たしており、よ
り好ましい材料である。

【００２９】例えば、ＥＴＣＤポリジアセチレンおよび
その誘導体である４Ｕｎポリジアセチレン（ｎ＝１，
２，３，・・・）（以下、これらを総称してポリジアセ
チレンと呼ぶ）は、温度変化によってＡ相とＢ相との間
で一次相転移を示すことが知られている。温度変化によ
る相転移にともなって、高分子鎖の結合交代に下記化１
に示されるような変化が生じる。

【００３０】

【化１】

【００３１】こうした高分子鎖の結合交代の結果、図２
に示すように、材料の光学特性に変化が生じる。

【００３２】ポリジアセチレンのもつこのような性質は
以前から知られていたが、温度変化と同様の変化が照射
光によって誘起される、光誘起相転移現象が最近の研究
により発見された（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ
Ｂ，Ｖｏｌ．５２，６２６５（１９９５））。この新た
に発見された現象は、光照射による熱的効果ではなく、
いわゆるフォトンモードによる相転移誘起であるとされ
ている。特に、ポリアジセチレンの温度を一次相転移の
ヒステリシス領域に保持することによって、より高効率
な光学応答特性変化を誘起可能であることがわかってい
る。このときには、光学応答変化を誘起されるポリジア
セチレン主鎖の炭素原子４個からなる繰り返し単位数
と、照射光の光子数との比として定義される見かけの量
子効率が１より大きくなる。

【００３３】さらに、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ
Ｂ，Ｖｏｌ．５２，６２６５（１９９５）によると、
この光学応答変化は、照射光強度に対して図３に示すよ
うな閾値的振舞を示すことや、光照射を停止することに
よって１０ミリ秒程度の時間で変化前の状態に戻ること
も示されている。

【００３４】ＥＴＣＤポリジアセチレンのこのような光
透過率変化特性を考慮して光学像シミュレーションを行
なった結果、パターン形成光波長の１／２程度の光学像
サイズを得ることが可能であることが示された。さら
に、シミュレーションおよび実験結果によれば、光学像
の焦点深度は、有機薄膜の存在によって向上する傾向に
あり、かつ光学サイズのマスクパターンサイズに対する
依存性はほぼ線形である。これらの性質は、いずれも微
細加工の程度が進むにつれて必然的に生じる機器精度向
上という技術課題が、有機薄膜の存在によって、より容
易に克服できる可能性があることを示しており、本発明
の大きな利点となっている。

【００３５】また、本発明において用いられる超解像膜
の光透過率変化の照射光強度依存性が図３のグラフに示
したように閾値的振舞を示す場合には、超解像膜上にお
ける透過率変化の空間分布が急峻になる。その結果とし
て、よりコントラストの高い微小スポットがレジスト膜
上に形成されるため、超解像膜材料はこのような性質を
もつことが望ましい。とりわけ、透過率（Ｔ）の照射光
子数密度（Ｄ）変化に対する変化率（｜ｄＴ／ｄＤ｜）
の最大値が１０^-22ｃｍ³以上である場合には、上述した
ような微小スポットが、非常に効率よくレジスト膜に形
成される。

【００３６】本発明においては、照射光パワーＰの許容
変化量（マージンΔＰ）を、最小のスポットサイズに対
して＋１５％のスポットサイズを与えるパワー偏差とし
て定義した場合、下記数式で表わされる関係が満たされ
ることが好ましい。

【００３７】

【数２】 （上記数式中、ΔＰ／Ｐは、前記有機薄膜の透過率変化
を誘起する第１の光の照射光パワーＰの相対マージンで
あり、Ａ_maxは、前記有機薄膜の透過率Ｔの前記第１の
光の照射光強度Ｄに対する変化率｜ｄＴ／ｄＤ｜（ｃｍ
³）の最大値である。）

【００３８】また、本発明においては、光吸収過程その
ものを利用した光透過率変化（いわゆるフォトンモー
ド）を用いることが望ましい。フォトンモードとは光照
射による熱的効果を介さない光透過率変化である。それ
により、高強度光源は必要とされない。したがって、本
発明においては、透過率変化を誘起するために超解像膜
に照射される光として、２ｍＪ／ｐｕｌｓｅ以下のエネ
ルギーを有するパルス光を用いることができる。従来
は、１００ｍＪという高いエネルギーが必要とされてい
たのに対し、本発明は、極めて微弱な光を照射すること
によって、効率よく透過率変化を誘起することが可能と
なった。それにより露光装置が簡略化される。ただし、
超解像膜の透過率変化を誘起するためには、照射光は、
少なくとも０．５ｍＪ／ｐｕｌｓｅ程度のエネルギーを
有していることが望まれる。

【００３９】なお、上述したようなレジスト膜上に形成
された膜の透過率変化による近接場を用いる露光を行な
う本発明の露光装置は、露光面の温度を、室温に対して
±２５Ｋ以上の範囲に調整可能な温度調整手段を具備す
る。超解像膜としての有機薄膜に所望の透過率変化を誘
起するためには、露光面の温度を、室温に対して±２５
Ｋ以上の範囲に調整することが必要である。

【００４０】温度調整手段としては、例えば、ＰＩＤ制
御、ＯＮ／ＯＦＦ制御等を用いることができる。

【００４１】また本発明の露光装置は、前記有機薄膜の
透過率変化を誘起する前記第１の光を照射するための第
１の光源と、前記レジスト膜にパターンを形成する前記
第２の光を照射するための第２の光源と、フォトマスク
および基板を掃引する機構とを具備することができる。

【００４２】あるいは、本発明の露光装置は、前記有機
薄膜の透過率変化を誘起する前記第１の光を照射するた
めの第１の光源と、前記レジスト膜にパターンを形成す
る前記第２の光を照射するための第２の光源と、光学系
によって基板上に形成される光を走査する機構とを具備
することができる。

【００４３】なお、本発明における超解像膜を形成する
ための材料は、照射光の波長や使用されるレジストの種
類等に応じて、適宜選択することができる。超解像膜の
膜厚は特に限定されないが、超解像膜としての効果を十
分に得つつ、レジスト膜面上での光強度の過度な低下を
防ぐためには、０．７〜１．５μｍ程度とすることが好
ましい。

【００４４】さらに、本発明において用いられるレジス
トの種類やレジスト膜の膜厚は、何等限定されるもので
はない。既存の任意のレジストを用いたパターン形成方
法に対して、本発明を適用することが可能であり、いず
れの場合にも本発明の効果を得ることができる。

【００４５】以下、具体例を示して本発明を詳細に説明
する。

【００４６】（実施例１）本実施例においては、ポリジ
アセチレンを超解像膜として用いたパターン形成方法を
説明する。

【００４７】図４に示すように、基板５１上に形成され
たレジスト膜５２上に、有機薄膜５３として、４Ｕ４ポ
リジアセチレン膜（厚さ１μｍ）を形成した。ここで
は、ポリジアセチレン膜は、エチルアセテート溶媒に溶
解したモノマーをレジスト膜５２上に塗布した後に溶媒
を揮発させ、さらに紫外線（波長２５０ｎｍ）を照射し
て重合を行なうことによって形成した。

【００４８】レジスト膜５２および有機薄膜５３が形成
された基板５１を、いったん摂氏１３０℃に昇温した
後、摂氏９０℃にして温度を保持し、次いで、有機薄膜
５３に対して波長４００ｎｍ（ビーム径約４００ｎｍ）
のパルス光５４を照射した。昇温および温度の保持に
は、ＰＩＤ制御方式（図示せず）を用いた。図５中に
は、照射されたパルス光５４により形成されたスポット
を５５として示し、レジスト膜５２に形成されたスポッ
トを５６として示してある。

【００４９】レジスト膜５２にスポットを形成した後、
有機薄膜５３を除去し、引き続き現像を行なってパター
ンを形成した。

【００５０】このとき、有機薄膜５３に照射されたパル
ス光５４の強度は１．８ｍＪであり、レジスト膜５２に
は、幅約２００ｎｍのパターンが形成された。有機薄膜
５３上の照射光スポットの焦点を膜の厚さ方向に０．５
μｍずらしたところ、パターン幅は約１５ｎｍ増加し
た。

【００５１】本実施例においては、有機薄膜５３の透過
率Ｔの照射光子密度Ｄに対する変化率は、最大で５×１
０^-22ｃｍ³であり、照射光エネルギーを２ｍＪにしたと
ころ、パターン幅は約２５ｎｍ増加した。

【００５２】（実施例２）本実施例においては、ポリチ
オフェン膜を超解像膜として用いたパターン形成方法を
説明する。

【００５３】図４に示すように、基板５１上に形成され
たレジスト膜５２上に、有機薄膜５３として、ポリチオ
フェン膜５３（厚さ１μｍ）を形成した。ここでは、ポ
リチオフェン膜は、エチルアセテート溶媒に溶解したも
のを、スピンキャスト法によって形成した。

【００５４】レジスト膜５２および有機薄膜５３が形成
された基板５１を、いったん摂氏１８０℃に昇温した
後、摂氏１２０℃にして温度を保持し、次いで、有機薄
膜５３に波長４３０ｎｍ（ビーム径約４３０ｎｍ）のパ
ルス光５４を照射した。昇温および温度の保持には、Ｐ
ＩＤ制御方式（図示せず）を用いた。ここで照射したパ
ルス光５４のパルス当たりのエネルギーは２ｍＪであ
る。図５中には、照射されたパルス光５４により形成さ
れたスポットを５５として示し、レジスト膜５２に形成
されたスポットを５６として示してある。

【００５５】レジスト膜５２にスポット５６を形成した
後、有機薄膜５３を除去し、引き続き現像を行なったと
ころ、幅約２３０ｎｍのパターンがレジスト膜５２に形
成された。

【００５６】（実施例３）本実施例においては、テトラ
チオフルバレン・クロロアニル膜を超解像膜として用い
たパターン形成方法を説明する。

【００５７】図４に示すように、基板５１上に形成され
たレジスト膜５２上に、有機薄膜５３としてテトラチオ
フルバレン・クロロアニル膜（厚さ５００ｎｍ）を分子
線エピタキシー法によって形成した。

【００５８】レジスト膜５２および有機薄膜５３が形成
された基板５１を、液体窒素によって７７Ｋに冷却した
後、８４Ｋにして温度を保持し、次いで、波長４１５ｎ
ｍ（ビーム径約４１５ｎｍ）のパルス光５４を照射し
た。昇温および温度の保持には、ＰＩＤ制御方式（図示
せず）を用いた。ここで照射したパルス光５４のパルス
当たりのエネルギーは、２ｍＪである。図５中には、照
射されたパルス光５４により形成されたスポットを５５
として示し、レジスト膜５２に形成されたスポットを５
６として示してある。

【００５９】レジスト膜５２にスポット５６を形成した
後、有機薄膜５３を除去し、引き続き現像を行なったと
ころ、幅約２６０ｎｍのパターンがレジスト膜５２に形
成された。

【００６０】（比較例１）基板５１上に形成されたレジ
スト膜５２上に、超解像膜としてＳｂ膜を１００ｎｍの
膜厚となるようにスパッター法により蒸着した。この材
料における透過率Ｔの照射光子密度Ｄに対する変化率
は、最大で１０^-25ｃｍ³であった。

【００６１】このレジスト膜を波長４００ｎｍ（ビーム
径約４００ｎｍ）の光で露光することによって、幅約２
１０ｎｍのパターンを形成することができたが、照射光
は１０ｍＪのパルス光強度が必要であった。また、パタ
ーン幅の偏差を１５％以内に収めるためには、パルス光
強度の偏差を±１．５ｍＪにする必要があることが確認
された。

【００６２】このように、有機薄膜ではなくＳｂ膜を超
解像膜として形成した場合には、透過率Ｔの照射光子密
度Ｄに対する変化率を高めることができず、照射光は大
きなパルス強度が必要とされることが明らかである。

【００６３】（実施例４）図５を参照して、本実施例を
説明する。

【００６４】図示する例においては、半導体基板６５上
にレジスト膜６６および有機薄膜６７が形成されてい
る。ここでは、有機薄膜６７として４Ｕ４ポリジアセチ
レン膜（厚さ１μｍ）を形成した。こうした半導体基板
６５の有機薄膜６７側には、レジスト膜６６にパターン
を形成するための光源６１、光学系６２、レチクル６３
および集光レンズ６４が配置されている。一方、基板６
５側には、有機薄膜６７の透過率変化を誘起するための
レーザー光源６９、その制御装置６１０およびレンズ６
１１が配置されている。

【００６５】光源６１からは、ＫｒＦレーザーによる２
４８ｎｍの波長（ビーム径約２４８ｎｍ）をもったパル
ス光６８が照射される。光源６１から照射された光は、
光学系６２によって二次元的に走査された後、レチクル
６３および集光レンズ６４を通過して、半導体基板６５
上のレジスト膜６６上に形成された４Ｕ４ポリジアセチ
レン膜６７上に微小なスポットを形成するよう構成され
ている。

【００６６】光学系６２において二次元的に照射光６８
を走査する機構は、ポリゴンミラーを用いることによっ
て実現される。また、基板は、露光前に一度摂氏１３０
℃にまで昇温した後、摂氏９０℃に温度を下げて保持す
る。昇温および温度の保持には、ＰＩＤ制御方式（図示
せず）を用いる。

【００６７】一方、レーザー光源６９からは、前述の光
源６１からのパルス光と立ち上がりを同期させて、波長
４００ｎｍ（ビーム径約４００ｎｍ）のパルス光が照射
される。このレーザー光は、レンズ６１１によって集光
された後に、前述の光６８によるスポットと有機薄膜６
７上の同位置にスポットを形成しながら薄膜上を走査す
る。

【００６８】ポリジアセチレン膜からなる有機薄膜６７
は、光源６９から照射されたレーザー光によって、図４
に示したような強度依存性をもった透過率変化を起こ
し、その結果、レジスト膜６６上に微小スポットが形成
された。

【００６９】ここで、集光レンズ６４の方向から観測し
た基板６５の平面図を、図６に示す。レジスト膜６６面
上の光６８によるスポット７１は、光学系６２によって
図６に示すように走査される。これによって、レジスト
膜６６上にレチクル６３により与えられるパターンを形
成することができた。有機薄膜６７はポリジアセチレン
膜で形成されているので、透過率が変化した領域は、ス
ポットが通過した後、約１０ｍｓｅｃで元の状態に復元
される。このため、図６に示すような走査方式を採用し
た場合においても、各走査線がその近傍にある走査線上
において露光が行なわれることはなかった。

【００７０】また、レジスト膜６６上に形成される微小
スポットは、上述したような有機薄膜６７の光透過率変
化によって発生する近接場光によって生ずるため、照射
された光６８の波長による回折限界によるパターンサイ
ズの下限は存在しない。このため、本実施例においては
約１３０ｎｍの幅をもったパターンがレジスト膜６６に
形成された。

【００７１】（実施例５）図７を参照して、本実施例を
説明する。

【００７２】図示する例においては、半導体基板８５上
にレジスト膜８６および有機薄膜８７が形成されてい
る。ここでは、有機薄膜８７として４Ｕ４ポリジアセチ
レン膜（厚さ１μｍ）を形成した。こうした半導体基板
８５の有機薄膜８７側には、レジスト膜８６にパターン
を形成するための光源８１、光学系８２、レチクル８３
および集光レンズ８４が配置されている。一方、基板８
５側には、有機薄膜８７の透過率変化を誘起するための
レーザー光源８９、その制御装置８１０およびレンズ８
１１が配置されている。本実施例においては、いずれの
光源および光学系も固定した。

【００７３】ここで用いられる光源８１および８９から
照射されるパルス光の波長は、実施例４の場合と同様で
ある。基板温度についても、実施例４と同様の制御が行
なわれる。

【００７４】また、基板８５およびレチクル８３は、可
動機構８８によって同期しながら二次元的に動き、光源
８１および８９から照射された光スポットが、基板８５
上の全領域を走査することが可能となっており、かつレ
チクル８３上のパターンの各点と基板８５上のレジスト
膜８６に形成されるパターンの各点とが一対一に対応す
るように制御されている。

【００７５】このような構成を採ると、光学系が固定さ
れていることにより実施例４と比して光学系の調整が容
易となるので、基板８５上での光スポット強度のばらつ
きを抑制することが可能となった。このため、本実施例
においては、約１００ｎｍの幅をもったパターンがレジ
スト膜８６上に形成された。

【００７６】（実施例６）図８を参照して、本実施例を
示す。

【００７７】図示する例においては、半導体基板９１上
にレジスト膜９６および有機薄膜９７が形成されてい
る。ここでは、有機薄膜９７として４Ｕ４ポリジアセチ
レン膜（厚さ１μｍ）を形成した。こうした半導体基板
９１の有機薄膜９７側には、光源９２、光学系９３、レ
チクル９４および集光レンズ９５が配置されている。本
実施例においては、有機薄膜９７の光透過率変化と、レ
ジスト膜９６へのパターン形成とは、同一の光を用いて
行なわれる。

【００７８】なお、基板温度は、実施例４と同様の制御
が行なわれる。

【００７９】本実施例においては、光源９２として高圧
水銀灯を用い、光学系９３によって波長３６５ｎｍ（ビ
ーム径約３６５ｎｍ）の光を選択的に取り出し、超解像
膜としての有機薄膜９７上に集光した。これによって、
超解像膜９７上のスポットよりも微細なスポットをレジ
スト膜９６上に照射して露光を行なった。

【００８０】光学系９３には、実施例４と同様にポリゴ
ンミラーを用いた二次元的走査機構が含まれており、超
解像膜９７上に集光された光スポットは、図６に示した
ように基板９１上の全領域を走査する。こうして、レチ
クル９４上のパターンをレジスト膜９６に転写すること
ができた。このときのパターン幅は、約２００ｎｍであ
った。本実施例においては、単一の光源が用いられるた
めに前述の実施例４，５に比べて機構が単純かつ容易で
あるという利点を有する。

【００８１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
レジスト膜上に形成された膜の透過率変化による近接場
光を用いて前記レジスト膜にパターンを形成する方法で
あって、レジスト膜上に形成された膜の透過率変化を高
感度で可逆的に生じさせるとともに、汚染源の混入を引
き起こさないパターン形成方法が提供される。また本発
明によれば、レジスト膜上に形成された膜の透過率変化
による近接場光を用いて前記レジスト膜を露光する露光
装置であって、前記レジスト膜上の膜の透過率変化を、
高い感度で可逆的に生じさせることが可能な露光装置が
提供される。

【００８２】本発明においては、従来よりも高感度な超
解像膜が用いられるので、従来よりも微細なパターンを
形成することが可能となる。また、超解像現象を支配す
る光学特性変化が可逆的に誘起されることから、本発明
のパターン形成方法はスキャン型露光装置に対して非常
に有利である。さらに、有機材料を超解像膜に用いるこ
とにより、後工程において汚染源の混入を防止すること
が可能となる。しかもこうした有機薄膜の存在によっ
て、焦点深度がより向上し、かつ光学サイズはマスクパ
ターンサイズにほぼ線形に依存するため、精密な機器調
整がより容易となる。

【００８３】本発明は、半導体素子を高密度に実装する
ための微細加工に極めて有効に用いられ、その工業的価
値は絶大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】有機超解像膜を用いたレジスト膜のパターン形
成方法を表わす概念図。

【図２】ＥＴＣＤポリジアセチレンの相転移前後におけ
る光吸収率変化を表わすグラフ図。

【図３】ＥＴＣＤポリジアセチレンにおける反射係数の
照射光強度依存性を示すグラフ図。

【図４】実施例１、２および３のパターン形成方法を説
明する概略図。

【図５】実施例４のパターン形成方法を説明する概略
図。

【図６】実施例４における光スポットの走査法を説明す
る概略図。

【図７】実施例５のパターン形成方法を説明する概略
図。

【図８】実施例６のパターン形成方法を説明する概略
図。

【符号の説明】

４１…超解像膜 ４２…レンズによって集光された光 ４３…レジスト膜 ５１…基板 ５２…レジスト膜 ５３…超解像膜 ５４…パルス光 ５５…パルス光が形成するスポット ５６…レジスト膜に形成されるスポット ６１…光源 ６２…光学系 ６３…レチクル ６４…集光レンズ ６５…半導体基板 ６６…レジスト膜 ６７…有機薄膜 ６９…光源 ６１０…制御装置 ６１１…レンズ ７１…スポット ８１…光源 ８２…光学系 ８３…レチクル ８４…集光レンズ ８５…半導体基板 ８６…レジスト膜 ８７…有機薄膜 ８８…可動機構 ８９…レーザー光源 ８１０…制御装置 ８１１…レンズ ９１…基板 ９２…光源 ９３…光学系 ９４…レチクル ９５…集光レンズ ９６…レジスト膜 ９７…有機薄膜

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成されたレジスト膜上に、照
   射される光のビーム径を絞る超解像膜を形成する工程
   と、 前記超解像膜を介して前記レジスト膜に対して光を照射
   し、パターン露光を行なう工程と、 前記パターン露光が行なわれた前記レジスト膜を現像す
   る工程とを備えるパターン形成方法であって、 前記超解像膜は有機薄膜よりなり、 前記超解像膜の光の透過率は、光の照射の有無に応じて
   可逆的に変化し、かつその光の照射光強度に対して非線
   形に変化するものであることを特徴とするパターン形成
   方法。
2. 【請求項２】 前記有機薄膜の透過率変化を誘起するた
   めに照射される前記第１の光は、２ｍＪ／ｐｕｌｓｅ以
   下のエネルギーを有するパルス光である請求項１に記載
   のパターン形成方法。
3. 【請求項３】 前記有機薄膜の透過率変化は、この有機
   薄膜を構成する有機分子の光反応により生じ、前記光反
   応に関与する有機分子の見かけの量子効率は１を越える
   請求項１または２に記載のパターン形成方法。
4. 【請求項４】 下記数式（１）で表わされる関係を満た
   すことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に
   記載のパターン形成方法。 【数１】 （上記数式中、 ΔＰ／Ｐは、前記有機薄膜の透過率変化を誘起する第１
   の光の照射光パワーＰの相対マージンであり、 Ａ_maxは、前記有機薄膜の透過率Ｔの前記第１の光の照
   射光強度Ｄに対する変化率｜ｄＴ／ｄＤ｜（ｃｍ³）の
   最大値である。）
5. 【請求項５】 レジスト膜上に形成された膜の透過率変
   化による近接場光を用いる露光を行なう装置であって、
   露光面の温度を、室温に対して±２５Ｋ以上の範囲に調
   整可能な温度調整手段を具備することを特徴とする露光
   装置。