JP2004311508A - 露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】弾性変形可能なマスクを被露光基板表面に密着させて露光する露光方法において、マスクのひずみが生じ、また、マスクの変形量がプロセスごとにばらつくという問題を解決する。
【解決手段】マスクの表裏両面の間に圧力差を与えてマスクを変形させる工程と、前記圧力差を保った状態で被露光基板表面とマスク表面との距離を近づけて密着させる工程と、マスク裏面から光を照射する露光工程とを有することを特徴とする露光方法。
また圧力制御を非圧縮製流体を用いることで圧力精密制御が可能。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近接場光などを用いる露光方法に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
半導体メモリの大容量化やＣＰＵの高速化や集積化の進展とともに、光リソグラフィーのさらなる微細化は必要不可欠となっている。一般に光リソグラフィー装置における微細加工限界は、光源の波長程度である。このため、光リソグラフィー装置の光源に近紫外線レーザーを用いるなど短波長化がはかられ、０．１μｍ程度の微細加工が可能となっている。
【０００３】
このように微細化が進む光リソグラフィーであるが、０．１μｍ以下の微細加工を行なうためには、光源のさらなる短波長化、その波長域でのレンズの開発等解決すべき課題も多い。
【０００４】
これを解決する一つの方法として、近接場露光法が特許文献１、特許文献２などで提案されている。
【０００５】
特許文献１では、光マスクに対してプリズムを設け、全反射の角度で光を入射させ、全反射面から滲み出るエバネッセント光を用いて光マスクのパターンをレジストに対して一括して転写するという提案がなされている。
【０００６】
特許文献１では、エバネッセント光による一括露光装置では、マスクとウェハに塗布したレジスト面との間隔を１００ｎｍ以下に設定することが必須である。これについて、マスク母材をウェハよりも柔らかい弾性体で構成し、レジスト面形状に対してならうようなマスクの弾性変形を可能にする方法が特許文献２等で提案されている。
【０００７】
特許文献２では、マスクを弾性変形させるために、マスクの両面の空間のうち、光源に面した方の気圧を、被露光基板に面した方の気圧より高くする。あらかじめ、マスクと被露光基板とを十分近い距離に近づけておくので、圧力差を徐々に大きくして行き、マスクが変形するにつれて、マスクが基板側に凸形に膨らんだ箇所が基板に接触し、さらに変形が進むと、基板との接触面積が増えていく。所定の露光領域全体にマスクが接触するまで圧力を高めて、その状態で露光する。マスクが変形しつつ基板に接していくので、基板に凹凸があっても、それに倣うようにマスクが変形し、マスクが基板全体に密着する。マスクは、近接場露光において必要な１００ｎｍ以下の密着がえられる程度に十分な弾性変形が可能でなければならない。特許文献２においては、厚さが０．１μｍないし１００μｍのチッ化シリコン薄膜などを母材にしたマスクを用いている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平０８−１７９４９３号公報
【特許文献２】
特開平１１−１４５０５１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の被露光基板表面にマスク表面を密着させて露光する露光方法では、マスクと基板をあらかじめ所定の距離にした後、マスクを変形させながら基板に接触していくので、設定した距離が少しでもずれると、密着後のマスク変形量が異なり、パタンのずれが生じる。そのため、距離をきわめて正確に設定する必要があり、高精度のステージが必要であった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、
１．被露光基板表面にマスク表面を密着させて露光する露光方法であって、マスクの表裏両面の間に圧力差を与えてマスクを変形させ、この圧力差を保った状態で被露光基板表面とマスク表面との距離を近づけて密着させ、マスク裏面から光を照射することによって露光する。
【００１１】
さらに本発明は以下のような形態であってもよい。
２．前記圧力差を与えてマスクを変形させる工程におけるマスクの変形が、圧力差を与える前の平坦形から、被露光基板に向かう凸形への変化である上記１の露光方法。
３．前記密着工程が、凸形のマスクを基板表面に押し付けて密着面を広げる工程を含む上記１または２の露光方法。
４．前記露光工程が、近接場光を用いる露光工程である上記１ないし３のいずれかの露光方法。
５．前記密着工程が、被露光基板とマスクとの密着状態をモニタしながら行なわれる上記１ないし４のいずれかの露光方法。
６．密着状態のモニタが、被露光基板との密着によるマスクの変形を検出することにより行なわれる上記５の露光方法。
７．密着によるマスクの変形が、所定の密着領域の端部に達したときに密着工程を終了する上記６の露光方法。
８．光ビームをマスク裏面の特定位置に照射して反射方向を測定することによりマスクの変形を検出する上記６の露光方法
９．光ビームの照射位置が、所定の密着領域の端部に設定される上記８の露光方法。
１０．前記密着工程が、所定重量のマスクを被露光基板に鉛直方向に近づける工程であって、該重量が被露光基板によって支持されることにより終了する上記１ないし４のいずれかの露光方法。
１１．被露光基板にマスク表面を密着させて露光する露光装置であって、
マスクの表裏両面の間に圧力差を与える手段と、
前記圧力差を保った状態で被露光基板とマスク表面との距離を近づけて密着させる手段と、
マスク裏面から光を照射する手段と
を有することを特徴とする露光装置。
１２．被露光基板とマスクとの密着状態をモニタする手段をさらに有する上記１１の露光方法。
【００１２】
【発明の実施の形態】
このような本発明は、具体的に図１〜図４に示す構成において、以下の第１と第２の実施形態と対応して実現できる。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態である露光装置を示す。
【００１４】
図１において、１０７は露光用の光源、１０１はマスク、１０８は被露光基板、すなわちレジストを塗布したシリコンウェハである。
【００１５】
マスク１０１は、あとで詳しく説明するとおり、チッ化シリコンなどの薄膜を母材とし、その上に金属薄膜をパタンニングしたものである。以下これを薄膜マスクと称するが、本発明のマスクは、圧力差によって所定の変形を生じるものであれはよく、薄膜マスク以外であってもよい。
【００１６】
薄膜マスク１０１の上下面に圧力差を発生させるために、マスクホルダ１０３部は以下のような構成となっている。薄膜マスク１０１は周辺部をマスクフレーム１０２に固定している。このフレーム付きマスクをマスクホルダ１０３で支持し、透明な光導入窓１０４とともに圧力印加の可能な圧力容器を構成している。圧力容器内の圧力は、圧力コントローラ１０６で制御し、バルブ１０５で封止できる。
【００１７】
１１１の半導体レーザ光源からの光を薄膜マスクの薄膜部に照射し、反射ビームによるスポットの位置を１１２の位置センサで検知する。スポット位置の動きをモニタすることによって、マスクの変形すなわちマスクとレジスト表面の密着を検知することができる。位置センサ１１２からの出力信号を、ｚ−ステージコントローラ１１３の制御信号として用いる。
【００１８】
レジストを塗布したウェハ１０８を平坦なウェハホルダ１０９上に吸着固定し、さらにこのウェハホルダ１０９をｚ−ステージ１１０の上に固定する。
【００１９】
この装置を用いて、以下のような手順で近接場露光を行う。
【００２０】
はじめに、レジストを塗布したウェハ１０８をウェハホルダ１０９に載せて固定する。バルブ１０５を開けて圧力コントローラ１０６によって圧力を調整して、マスク１０１の薄膜部分を膨らませる。バルブ１０５を閉じて、圧力容器内を陽圧印加状態で封止する。次に、半導体レーザ１１１を光らせて、位置センサ１１２で反射スポットをモニタし、この信号をｚ−ステージコントローラ１１３の制御信号としながらｚ−ステージ１１０を駆動して薄膜マスク１０１とウェハ１０８を接近させる。半導体レーザからのビームでモニタしている位置で、ウェハ１０８と薄膜マスク１０１が密着したときに、位置センサ１１２によってこれを検知して、ｚ−ステージ１１０を停止させる。
【００２１】
このようにして、マスクとウェハの距離を制御したあとで、再びバルブ１０５を開き、圧力コントロ−ラ１０６によって容器内の圧力をさらに高めてマスクとウェハの間をさらに押付けてもよい。
【００２２】
光源１０７からの光を導入窓１０４から薄膜マスク１０１に照射し、ウェハ１０８上のレジスト膜を露光する。
【００２３】
上記の本発明の近接場露光においては、圧力差を与えて、マスクとウェハを接触させない状態でマスクを変形させる。マスクは、圧力差を与える前には平坦形であったものが、被露光基板に向かう凸形へ変化する。この状態でマスクを基板に近づけ、凸形のマスクの頂点から基板に接触させ、さらに近づけていくことにより基板表面に押し付けて密着面を広げる。密着が所定の面積に達した時点でｚ−ステージの移動を停止するので、移動中に、密着領域、または密着面積を検出するだけでよく、精密な距離制御機構を用いる必要がない。
【００２４】
このように、まず、マスクと被露光基板が接していない状態で、圧力制御によってマスクを変形させるので、この状態でのマスク形状は、マスク両面の圧力差のみで定まる。つまり、再現性よくマスクを変形させるために圧力差という単一のパラメータの制御のみを行えばよく、制御が簡単になる。
【００２５】
さらに、マスクの変形工程と密着工程が分離されるので、それぞれの工程におけるばらつきの要因を分離して制御することができ、工程の制御が簡単になる。
【００２６】
本実施形態においては、密着状態のモニタが、圧力差によって凸形に変形したマスクが、被露光基板との密着によって基板表面に倣うように再び変形するときのマスクの変形を検出することにより行なわれる。密着の前後では、マスクが凸形から基板表面に倣う形に大きく変化するので、これにより密着した部分とそれ以外の部分を容易に区別することができる。
【００２７】
また、本実施形態では、密着によるマスクの変形が、所定の密着領域、すなわち近接場露光を行なう領域の端部に達したときに、密着工程を終了する。密着によってマスクが再変形した部分は密着領域とほぼ完全に対応するので、マスク変形をマスク全面で観察する必要はなく、所定密着領域の端部で検出するだけでよい。
【００２８】
さらに、本実施形態のように、光ビームをマスク裏面の特定位置に照射して反射方向を測定してマスクの変形を検出することにより、微小な変形も光学的に増幅されるので、検出感度を上げることができる。
【００２９】
光ビームの照射位置を、所定の密着領域の端部に設定することにより、上に述べたように、密着状態が所定密着領域に達したことを知ることができる。
【００３０】
また、ｚ−ステージ１１０の制御において、高精度のエンコーダ等を用いることなく、マスクの変形から信号を取り出しているので、装置の構成を簡単なものとし、安価に構成できる。
【００３１】
上記説明において、繰り返し露光の際に用いるＸＹ−ステージ等については、特に述べていないが、装置にこのようなステージを組み込んで、ステップアンドリピートの繰り返し露光を行うことができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、密着工程を、密着状態をモニタしながら行なう例を示した。以下、本発明による別の実施形態による近接場露光方法を示す。
【００３３】
図２は、本発明による第２の実施形態による近接場露光装置である。
【００３４】
薄膜マスク２０１の上下面に圧力差を発生させるために、薄膜マスク２０１は、露光に用いる波長の光に対して透明な窓材２０２に対して固定されている。このとき、薄膜マスク２０１と窓材２０２は圧力容器を構成する。圧力容器の内部２１０の圧力を大気圧と比べて陽圧にするために、薄膜マスク２０１と窓材２０２との接合は大気圧よりも陽圧に印加された環境で行い、接合が完了した後に、大気中に取り出す。薄膜マスク２０１は圧力差によって凸形状となる。
【００３５】
マスク２０１と窓材２０２が一体化された圧力容器の周囲にツバつきのフランジ２０３を固定した。マスクホルダ２０８は、ツバつきフランジ２０３のツバで、マスク２０１、窓材２０２およびフランジ２０３の全体（以下これをマスク部２００と称する）の重量を支えて支持する。マスクホルダ２０８は、不図示の機構によって上下に移動し、それによってマスク部２００が鉛直方向に動く。
【００３６】
マスク部２００は、被露光基板であるシリコンウェハ２０４の上方に位置している。レジストを塗布したウェハ２０４を平坦なウェハホルダ２０５上に載せて、さらにこのウェハホルダ２０５をＸＹ−ステージ２０６に固定する。
【００３７】
マスクホルダ２０８を下に移動させてウェハ２０４に近づけていく。
【００３８】
ウェハ２０４と薄膜マスク２０１が接触し、接触面積が増大するにつれて、２０１、２０２、２０３からなるマスク部の重量が、マスクホルダ２０８で支持された状態から、しだいにこの重さが薄膜マスク２０１に印加されていく。やがて、マスクホルダがフランジ２０３のツバから離れ、マスク部の全ての質量が薄膜マスクを介してウェハに支持された状態となる。すなわち、マスク部がウェハに突き当てられた状態である。
【００３９】
マスク部の重量は、この突き当て状態でマスクとウェハが所望の面積で密着するように設定されている。すなわち、マスク両面の圧力差（圧力容器内の大気圧に対する陽圧部分）と密着面積の積が、マスク部の重量に等しくなっている。あるいは、それよりいくらか重量が重くてもよい。その場合は、密着面積が所望の露光領域よりいくらか大きくなるが、露光には差支えがない。
【００４０】
このように、本発明の第２の実施形態の露光方法と露光装置においては、マスクおよびマスクに固定された圧力容器が被露光基板の鉛直上方に配置され、密着手段が、圧力容器を含むマスクを鉛直方向に保持する保持部と、支持部を鉛直方向に移動させる機構とを有し、圧力容器を含むマスクの重量を被露光基板が支持するまで前記支持部を鉛直方向に移動させることにより、被露光基板とマスク表面とを密着させる。
【００４１】
この構成により、マスクホルダ２０８の動作としては、支持部の重量が開放されるまで低下させるだけで十分であり、マスクホルダの移動に対して、高精度なエンコーダや精密なアクチュエータを持ちなくてもよく、また、ホルダ移動量や、マスクとウェハの密着状態をモニタする必要もなくなる。マスク部とウェハは、ただ突き当て状態（すなわち、マスク部の重量がすべてウェハで受けられている状態）に到達させればよい。また、第１の実施形態と同様、マスクの初期の形状は、接触していないマスク部の内側の圧力で定まる。マスクとウェハが接触し始めるときのマスクの状態は、いつも同一の変形状態となるので、最終的なマスクとウェハの密着状態について再現性が向上する。
【００４２】
以下、本発明に用いるマスクについて説明する。
【００４３】
図１の薄膜マスク１０１および、図２の薄膜マスク２０１の詳細を、図３によって示す。
【００４４】
図３（ａ）はマスクのおもて面側から見た図、図３（ｂ）は断面図である。同図において、３０１は露光波長の光に対して透明なマスク母材（ここではＳｉＮ）、３０２はこの上に形成した厚さ５０ｎｍのＣｒ遮光薄膜であり、４０ｎｍの幅の微小開口パターン３０３を形成してある。３０４はＳｉからなるマスク基板、３０５はＳｉＮのエッチングマスクである。
【００４５】
この薄膜マスクは図４に示すような工程によって作製した。
【００４６】
図４（ａ）に示すように、両面研磨された厚さ５００μｍのＳｉ（１００）基板４０１に対し、ＬＰ−ＣＶＤ法によっておもて面（図４中では上面）・裏面（図４中では下面）にそれぞれ、膜厚０．８μｍのマスク母材となるＳｉ３Ｎ４膜４０２、エッチング窓とするＳｉ３Ｎ４膜４０３を成膜する。その後、水晶振動子の膜厚モニターにより制御を行いながら、蒸着法により表面のＳｉ３Ｎ４膜４０２上に厚さ５０ｎｍのＣｒ薄膜４０４を成膜する。
【００４７】
次に、表面に電子線用のレジスト４０５を塗布し、電子線ビーム４０６で４０ｎｍ幅のパターン４０７を描画し（図４（ｂ））、現像後にＣＣｌ４でドライエッチングを行い、微小開口パターン４０８を形成する（図４（ｃ））。
【００４８】
続いて、裏面のＳｉ３Ｎ４膜４０３の一部を除去してエッチング用の窓４０９を形成した。（図４（ｃ））ＫＯＨを用いて裏面から異方性エッチングを行ってＳｉ基板４０１を除去して、Ｓｉ３Ｎ４膜４０２とＣｒ膜４０４からなるマスク４１０を形成する（図４（ｄ））。
【００４９】
本実施例では、Ｃｒ薄膜４０４に対する微小開口パターン４０８の形成に、電子線ビームによる加工法を用いた例を示したが、電子線加工以外にも集束イオンビーム加工法、Ｘ線リソグラフィ法、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）加工法を用いても良い。なかでも走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）に代表されるＳＰＭ技術を応用した加工法を用いて微小開口パターン形成を行えば、１０ｎｍ以下の極微小開口パターン形成が可能であるため、これも本発明に極めて適した加工法である。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、精度良くかつ再現性良く、マスクをレジスト表面の凹凸にならわせて近接させることのできる近接場露光装置と、これを用いた近接場露光の方法を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による露光装置
【図２】本発明の第２の実施例による露光装置
【図３】本発明の第１及び第２の実施例における薄膜マスクの構成
【図４】本発明の第１及び第２の実施例における薄膜マスクの作成方法を説明するための図
【符号の説明】
１０１、２０１ 薄膜マスク
１０３、２０８ マスクホルダ
１０４ 光導入窓
１０５ バルブ
１０６ 圧力コントローラ
１０８、２０４ ウェハ
１０９、２０５ ウェハホルダ
１１０ ｚステージ
１１１ 半導体レーザ
１１２ 位置センサ
２０６ ＸＹステージ

Claims (1)

1. 被露光基板表面にマスク表面を密着させて露光する露光方法であって、
   マスクの表裏両面の間に圧力差を与えてマスクを変形させる工程と、
   前記圧力差を保った状態で被露光基板表面とマスク表面との距離を近づけて密着させる工程と、
   マスク裏面から光を照射する露光工程と
   を有することを特徴とする露光方法。

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