JP2005064117A - 近接場露光方法、近接場露光装置、および近接場露光マスク - Google Patents

Abstract

【課題】弾性変形可能な露光用マスクを被露光基板に対して変形させ近接場露光するに際して、マスクを被露光基板表面の凹凸に倣わせて、近接場露光に適した密着を得ることが可能となる近接場露光方法、近接場露光装置、および近接場露光マスクを提供する。
【解決手段】露光用マスクを被露光基板に対して変形させることにより密着状態として露光する近接場露光において、露光用マスクを被露光基板表面の凹凸に倣わせて近接場露光に適した密着を得るため、該マスクの表面と裏面の間に与える圧力差を、被露光基板の表面粗さに応じた圧力差とするように構成し、また、露光用マスクの厚さを近接場露光に適した密着を得るための適切な厚さに構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、近接場露光方法、近接場露光装置、および近接場露光マスクに関する。

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の限界は、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、短波長化が図られ、０．１μｍ程度の微細加工が可能となっている。
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。

これらを解決する一つの方法として、特許文献１に示されているような近接場光により露光する近接場露光方法が提案されている。この近接場露光方法は、弾性変形可能な露光用マスクを用い、この露光用マスクの表面と裏面の間に圧力差を与えて被露光基板に対して変形させ、これらを密着させて近接場光により露光するようにしている。より具体的には、弾性変形可能な露光用マスクが被露光基板に十分近い距離に近づけて支持されており、このマスクを弾性変形させるために、まず、マスク両面の空間のうち、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。この気圧により露光用マスクの表面と裏面の間の圧力差が徐々に大きくなるにつれ、マスクが変形して被露光基板側に凸形に膨らんだ箇所がこの被露光基板に接触し、さらに変形が進むことによって、被露光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、露光領域全体にマスクが接触した状態で露光する。

このように、マスクが変形しつつ被露光基板に接していくので、被露光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、マスクを被露光基板全体に密着させる必要がある。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。上記特許文献１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が用いられている。
特開平１１−１４５０５１号公報

ところで、上記特許文献１の近接場露光方法においては、前述したように被露光基板に凹凸がある場合、それに倣うようにマスクを変形させて被露光基板全体に密着させることが必要となるが、従来においては、近接場露光に適した密着を得るために適切な圧力として、露光用マスクの表面と裏面の間にどのような圧力差を与えるか等について、明らかにされていなかった。また、近接場露光に適した密着を得るための適切なマスクの厚さについても、明らかにされていなかった。

そこで、本発明は、上記課題を解決し、弾性変形可能な露光用マスクを被露光基板に対して変形させ近接場露光するに際して、マスクを被露光基板表面の凹凸に倣わせて、近接場露光に適した密着を得ることが可能となる近接場露光方法、近接場露光装置、および近接場露光マスクを提供することを目的としている。

本発明は、以下のように構成した近接場露光方法、近接場露光装置、および近接場露光マスクを提供するものである。
すなわち、本発明の近接場露光方法は、弾性変形可能な露光用マスクの表面と裏面の間に圧力差を与え、該露光用マスクを被露光基板に対して変形させて、該被露光基板の表面の凹凸状態に該露光用マスクの表面を倣わせ、これらを密着させて近接場光により露光する近接場露光方法であって、前記露光用マスクの表面と裏面の間に与える圧力差を、前記被露光基板の表面粗さに応じた所定の圧力差とすることを特徴としている。
また、本発明の近接場露光方法においては、前記所定の圧力差を、前記被露光基板の測定長ａにおける最大表面粗さｗに対し下記の式（１）を満足するようにして決定される最低圧力Ｐよりも、大きい圧力差とすることができる。

但し、上記式（１）において、
ｈ；薄膜マスク母材の厚さ
Ｅ；ヤング率
ν；ポアソン比
Ｐ_ｍ；第１の基板と第２の基板とを粗接触させるための圧力差
である。
また、本発明の近接場露光方法においては、前記被露光基板の表面粗さが、前記近接場光の到達深さより大きいときにのみ、前記所定の圧力差を前記最低圧力Ｐよりも、大きい圧力差とすることができる。
また、本発明の近接場露光装置は、薄膜マスクを保持する手段と、薄膜マスクの表面と裏面の間に圧力差を与えるための圧力印加が可能な圧力容器と、前記圧力差を制御する制御手段と、被露光基板を保持するステージと、光源とを有し、近接場光により露光する近接場露光装置であって、前記制御手段が、前記圧力差を前記被露光基板の表面粗さに応じた所定の圧力差に設定可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明の近接場露光装置においては、前記制御手段が、前記所定の圧力差を、前記被露光基板の測定長ａにおける最大表面粗さｗに対し上記の式（１）を満足するようにして決定される最低圧力Ｐよりも、大きい圧力差に設定可能に構成されている。また、本発明の近接場露光装置においては、前記被露光基板の表面粗さが、前記近接場光の到達深さより大きいときにのみ、前記所定の圧力差を前記最低圧力Ｐよりも、大きい圧力差に設定可能に構成されている。
また、本発明の近接場露光装置においては、前記被露光基板の表面粗さを測定する測定手段を有する構成を採ることができる。
また、本発明の近接場露光マスクは、露光時にその表面と裏面に圧力差を与えて被露光基板に対して変形させ、該被露光基板の表面の凹凸状態にその表面を倣わせて密着させ、近接場光により露光する際に用いる、透明な薄膜マスク母材とこの上に形成された遮光膜からなる近接場露光マスクであって、前記薄膜マスク母材が、前記被露光基板の表面粗さと、前記露光時におけるマスクの表面と裏面に与える圧力差とに基づいて定められる所定の厚さを有することを特徴としている。
また、本発明の近接場露光マスクにおいては、前記所定の厚さを、下記の式（２）−ａおよび式（２）−ｂをそれぞれ満足するようにして決定される最大膜厚よりも、小さい厚さとすることができる。

但し、上記の式（２）−ａおよび式（２）−ｂにおいて、
ｈ；薄膜マスク母材の厚さ
Ｅ；ヤング率
ν；ポアソン比
ΔＰ；粗接触後に付加する印加圧力
ｗ；測定長ａにおける表面粗さ
である。
また、本発明の近接場露光マスクにおいては、前記所定の厚さを、前記被露光基板に対する幾つかの異なる測定長における最大表面粗さのうち、その粗さの値が近接場光の到達距離よりも大きい値を有する基板部分のそれぞれに対して、上記式（２）−ａおよび式（２）−ｂにより定められる最大膜厚の中での最小値よりも、小さい厚さとすることができる。
また、本発明の近接場露光方法または装置は、上記したいずれかの近接場露光マスクを用いて構成することができる。

本発明によれば、弾性変形可能な露光用マスクを被露光基板に対して変形させ近接場露光するに際して、マスクを被露光基板表面の凹凸に倣わせて、近接場露光に適した密着を得ることが可能となる近接場露光方法、近接場露光装置、および近接場露光マスクを実現することができる。これにより、精度良くかつ再現性良く、レジストパターンの形成が可能となる。

以下に、本発明の実施の形態における露光用マスクを被露光基板表面の凹凸に倣わせて近接場露光に適した密着を得るため、該マスクの表面と裏面の間に与える圧力差を、被露光基板の表面粗さに応じた圧力差とする第１及び第２の実施の形態と、近接場露光に適した密着を得るための適切なマスクの厚さを得るようにする第３の実施の形態について、説明する。

［第１の実施の形態］
図１に、本発明の第１の実施形態を説明するための近接場露光装置の構成を示す。
図１において、１０９は露光用の光源、１０４は弾性変形可能な薄膜マスクである。また、１０７は被露光基板、すなわちレジスト１１４を塗布したシリコンウェハである。
薄膜マスク１０４は、チッ化シリコンなどの透明な薄膜を母材１０１とし、その上に遮光膜である金属薄膜１０２を成膜して、パターニングしたものである。また、薄膜母材１０１の周辺部には支持体１０３が形成されている。

薄膜マスク１０４の上下面に圧力差を発生させるために、透明な光導入窓１０６と薄膜マスク１０４とで密閉された圧力印加の可能な圧力容器１０５が構成されている。圧力容器内の圧力は、圧力コントローラ１１０で制御し、またバルブ１１２で封止できる構成を有している。
被露光基板１０７を平坦なウェハホルダ１０８上に吸着固定し、さらにこのウェハホルダ１０８をｘｙステージ１１３の上に固定する。また１１１は、被露光基板の表面粗さを測定する表面粗さ測定装置であり、所定の測定長での表面粗さを測定可能である。

つぎに、本実施の形態における被露光基板の表面粗さに応じた所定の圧力差を得るための解析の手順を説明する。
まず、ステージ１０８を移動させてウェハを所定の位置に停止させる。
つぎに、圧力コントローラ１１０で圧力容器内に陽圧Ｐ_ｍを印加して、マスクを膨らませて、マスクとウェハを近接させる。ここで、表面粗さの測定長ａのときの表面の最大粗さの値がｗである状態を考える。
圧力Ｐ_ｍで変形したマスクは、基板の凹部（この深さがｗである。）の上にあって、基板の微細な凸部では接触しているが、全面での接触とはなっていない。
ここでは、この状態を粗接触と定義し、この粗接触を単純化したモデルとして、直径ａの円形の領域が外部の円周で支持されていて、平坦であり、一方被露光基板は平坦なマスク面から中央部が深さｗで窪んでいるというモデルを用いて、解析を進める。

ここからさらに、マスクの中で直径ａの領域に圧力ΔＰを印加する。ΔＰの圧力印加で直径ａの円板の中央の変位量がｗ程度となるときには、マスク表面は概ねウェハ表面に従った形状になっていると考えられる。
そこで、このような変位をあたえる圧力ΔＰを知ることができれば、このΔＰの値そのもの、あるいは、これにランダムな形状での変形を考慮した
安全係数Ｃ_０（例えば１．５など）を乗じたものを、粗接触圧力Ｐ_ｍに加えて露光時の印加圧力とすればよい。

ここでは、このような変位量ｗを与える圧力差ΔＰを、以下のようにして導出した。
まず、はじめに、有限要素法によって薄膜の変形形状ｕ（ｒ）を調べて、下記の式（３）の形状が良い近似となっていることを確認した。ここで、ｒは円板の中心からの距離である。

この形状に対応した曲げの歪みエネルギーＶは、式（４）で表される。

ここで、Ｄは薄膜の曲げこわさであり、式（５）で定義される。

また、中央面の伸びによる歪みエネルギーＶ_１に対して、変分法を適用して式（６）を得た。

このように、Ｖ＋Ｖ_１で表される歪みエネルギーに、仮想変位の原理を適用して、たわみについての等式が得られる。これを解いて式（７ａ）が得られた。ここで、薄膜マスク母材の厚さをｈ、ヤング率をＥ、ポアソン比をνである。あるいは、さらに安全係数Ｃ_０を用いた式（７ｂ）を用いても良い。

マスクとウェハを近接させる圧力Ｐ_ｍもマスク母材の厚さ、材料定数に依存し、さらに、圧力印加前のマスクとウェハの距離にも依存する。この量は、計算で導くことも可能であるが、マスクとウェハの近接する様子をモニタして、その場で取得することもできる。
上記何れかの方法で定めたＰ_ｍに、式（３）から得られたΔＰを加えて、マスクに印加する圧力の下限設定値Ｐ_ｌｏｗとする。下限設定値Ｐ_ｌｏｗ以上の圧力を印加することで、マスクとウェハ間の距離を低減して良好な密着状態を達成できる。
ここで、最大表面粗さは、測定長内での基準線からの変位の最大点と変位の最小点との差である。これは測定長に依存する量であり、またウェハごとに変動する統計量である。
一方、圧力印加によるマスクの変位量ｗも、ここで考える円板の直径すなわち、粗さの測定長に依存する量である。これらは各々の複数の量のセットからなっているので、以下の、図２に示されるようなグラフを用いた比較を行って、ΔＰの選定を行うことも有効である。

はじめに、式（７）をｗに対して解いて式（８ａ）および（８ｂ）を得る。
式（８ａ）の中のＲ（ａ，ｈ，Ｐ）に、式（８ｂ）を使うのである。これを用いて、図２のように、マスク中央での変位量 ｗ_ｃをモデル円板の直径ａに対してプロットする。図２は、厚さ０．５ｎｍの窒化シリコン膜に対する計算例である。

以上の説明から、印加圧力ΔＰのときの各測定長における最大粗さｗ＋３σ（σは粗さの標準偏差）がｗ_ｃ（ａ、ｈ、ΔＰ）よりも小さければ、マスクとウェハが倣うことが可能であることが分かる。
また、幾つかの異なる測定長において得られた表面粗さを、同じ図中にプロットして全てが網掛けの領域に入っていれば、マスクとウェハは良好なコンタクトをすることが分かる。

また、近接場光は、開口のパタンに依存するが、それは数１０ｎｍの領域まで到達するので、例えば、１０ｎｍ以下の凹凸に対しては、実質的な影響を受けることなく、近接場露光を行える。そこで、表面粗さの測定長ａを小さくしていって、最大表面粗さが１０ｎｍ以下となるような長さが存在する場合には、この長さよりも狭い領域での表面粗さは、近接場露光に実質的な影響を及ぼさないので、考慮しなくて良い。

本実施例においては、圧力コントローラ１１０を制御して、以上のようにして求められた圧力差を薄膜マスクの表裏に印加し、ここでバルブ１１２を閉じて圧力を保持する。光源１０９からの光を導入窓１０６から薄膜マスク１０４に照射し、ウェハ１０７上のレジスト膜を露光する。
以上のような圧力差を与えて近接場露光するようにした本実施の形態によると、ウェハの表面粗さに応じた圧力でマスクを変形させ倣わせることができ、精度よくレジストパターンを形成することが可能となった。また、不必要に大きな圧力差をマスクに与える必要がないので、マスクの不要な変形を抑え、転写されるパターンの歪みを抑え、高いパタンの再現性が得られた。

［第２の実施の形態］
図３に、本発明の第２の実施形態における露光装置の構成を示す。
図３において、２１１は露光用の光源、２０４は弾性変形可能な薄膜マスクである。また、２０９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。
薄膜マスク２０４は、チッ化シリコンなどの透明な薄膜を母材２０１とし、その上に遮光膜である金属薄膜２０２を成膜してパターニングしたものである。また、薄膜母材２０１の周辺部には支持体２０３が形成されている。

薄膜マスク２０４の上下面に圧力差を発生させるために、薄膜マスク２０４と圧力容器２０５、容器蓋２０６とは、Ｏリング２０７、２０８を介して組み立てられている。内部は圧力印加が可能な閉じた空間になっており、容器内の圧力は、圧力コントローラ２１２で制御するとともに、バルブ２１３で封止できる。
被露光基板２０９は、ｘｙステージ２１０上の平坦なウェハホルダ２１４上に吸着固定している。ステージ２１０を移動させてウェハを所定の位置に停止させる。圧力コントローラ１１０で圧力容器内を減圧して、薄膜マスク２０４を膨らませて、マスクとウェハを近接させる。

圧力コントローラ２１２を制御し、第１の実施の形態と同様にマスクの表面粗さに応じた圧力差を薄膜マスクの表裏に印加し、バルブ２１３を閉じて圧力を保持する。この状態で、光源２１１からの光を薄膜マスク２０４に照射し、ウェハ２０９上のレジスト膜を露光する。

以上のような圧力差を与えて近接場露光するようにした本実施の形態によると、ウェハの表面粗さに応じた圧力でマスクを変形させ倣わせることができ、精度よくレジストパターンを形成することが可能となった。また、不必要に大きな圧力差をマスクに与える必要がないので、マスクの不要な変形を抑え、転写されるパタンの歪みを抑え、高いパターンの再現性が得られた。

［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態は、近接場露光マスクの厚さを、前記被露光基板の表面粗さと、前記露光時におけるマスクの表面と裏面に与える圧力差とに基づいて、近接場露光に適した密着を得るための適切な厚さに構成するようにしたものである。
近接場露光に用いる被露光基板の表面粗さと、粗接触後の密着時に印加する圧力ΔＰとが定まると、これに応じた薄膜マスク母材の膜厚を設計できることを以下に示す。
図４に、マスクの変位量ｗ_cをモデル円板直径ａに対してプロットしたマスクの変位量ｗ_cと円板の直径ａの関係を示す。ここでのパラメータは、薄膜マスク母材の膜厚であり、圧力ΔＰを１０ｋＰａとした。図４は第１の実施形態の中で用いた式（８ａ）及び（８ｂ）を用い、窒化シリコン膜に対する計算例に基づくものである。

各測定長における最大粗さｗ＋３σ（σは粗さの標準偏差）が、ｗ_c（ａ、ｈ、ΔＰ）よりも小さければ、マスクとウェハがならうことが可能である。種々の測定長に対する粗さを図４にプロットして、全てのプロット点よりも上側を通るカーブを選ぶ。その膜厚を用いれば所定の圧力ΔＰの印加でマスクとウェハが倣うことが分かる。つまり、幾つかの測定長ごとに定まる最大表面粗さの集合のうち、その値が近接場光の到達距離よりも大きい部分の集合に対して、式を参照して定める最大膜厚の集合の中で最小値を選定し、これよりも小さい厚さの膜厚を設計すればよい。
また、例えば、複数回の露光を伴うプロセスの後半において、初期よりも表面粗さが増加することがわかっている場合には、式（８ａ）及び（８ｂ）に基づいたプロット図である図４を参照して、プロセス前半に用いるマスク厚とプロセス後半に用いるマスク厚を異ならせてもよい。

本発明の第１の実施形態を説明するための近接場露光装置の構成を示す図。 本発明の第１の実施形態におけるパラメータを印加圧力とした、マスクの変位量ｗ_cと円板の直径ａの関係を示す図。 本発明の第２の実施形態を説明するための近接場露光装置の構成を示す図。 本発明の第３の実施形態におけるパラメータを膜厚とした、マスクの変位量ｗ_cと円板の直径ａの関係を示す図。

符号の説明

１０１、２０１：薄膜母材
１０２、２０２：金属薄膜
１０３、２０３：支持体
１０４、２０４：薄膜マスク
１０５、２０５：圧力容器
１０７、２０９：被露光基板
１０８：ウェハホルダ
１１３、２１０：ｘｙステージ
１０９、２１１：光源
１１０、２１２：圧力コントローラ
１１１：表面粗さ測定装置

Claims (10)

1. 弾性変形可能な露光用マスクの表面と裏面の間に圧力差を与え、該露光用マスクを被露光基板に対して変形させて、該被露光基板の表面の凹凸状態に該露光用マスクの表面を倣わせ、これらを密着させて近接場光により露光する近接場露光方法であって、
   前記露光用マスクの表面と裏面の間に与える圧力差を、前記被露光基板の表面粗さに応じた所定の圧力差とすることを特徴とする近接場露光方法。
2. 前記所定の圧力差を、前記被露光基板の測定長ａにおける最大表面粗さｗに対し下記の式（１）を満足するようにして決定される最低圧力Ｐよりも、大きい圧力差とすることを特徴とする請求項１に記載の近接場露光方法。
   

   

   但し、上記式（１）において、
   ｈ；薄膜マスク母材の厚さ
   Ｅ；ヤング率
   ν；ポアソン比
   Ｐ_ｍ；第１の基板と第２の基板とを粗接触させるための圧力差
   である。
3. 前記被露光基板の表面粗さが、前記近接場光の到達深さより大きいときにのみ、前記所定の圧力差を前記最低圧力Ｐよりも、大きい圧力差とすることを特徴とする請求項２に記載の近接場露光方法。
4. 薄膜マスクを保持する手段と、薄膜マスクの表面と裏面の間に圧力差を与えるための圧力印加が可能な圧力容器と、前記圧力差を制御する制御手段と、被露光基板を保持するステージと、光源とを有し、近接場光により露光する近接場露光装置であって、
   前記制御手段が、前記圧力差を前記被露光基板の表面粗さに応じた所定の圧力差に設定可能に構成されていることを特徴とする近接場露光装置。
5. 前記制御手段が、前記所定の圧力差を、前記被露光基板の測定長ａにおける最大表面粗さｗに対し請求項２に記載の式（１）を満足するようにして決定される最低圧力Ｐよりも、大きい圧力差に設定可能に構成されていることを特徴とする請求項４に記載の近接場露光装置。
6. 前記被露光基板の表面粗さが、前記近接場光の到達深さより大きいときにのみ、前記所定の圧力差を前記最低圧力Ｐよりも、大きい圧力差に設定可能に構成されていることを特徴とする請求項５に記載の近接場露光装置。
7. 前記被露光基板の表面粗さを測定する測定手段を有することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の近接場露光装置。
8. 露光時にその表面と裏面に圧力差を与えて被露光基板に対して変形させ、該被露光基板の表面の凹凸状態にその表面を倣わせて密着させ、近接場光により露光する際に用いる、透明な薄膜マスク母材とこの上に形成された遮光膜からなる近接場露光マスクであって、
   前記薄膜マスク母材が、前記被露光基板の表面粗さと、前記露光時におけるマスクの表面と裏面に与える圧力差とに基づいて定められる所定の厚さを有することを特徴とする近接場露光マスク。
9. 前記所定の厚さが、下記の式（２）−ａおよび式（２）−ｂをそれぞれ満足するようにして決定される最大膜厚よりも、小さい厚さとされていることを特徴とする請求項８に記載の近接場露光マスク。
   

   

   但し、上記の式（２）−ａおよび式（２）−ｂにおいて、
   ｈ；薄膜マスク母材の厚さ
   Ｅ；ヤング率
   ν；ポアソン比
   ΔＰ；粗接触後に付加する印加圧力
   ｗ；測定長ａにおける表面粗さ
   である。
10. 前記所定の厚さが、前記被露光基板に対する幾つかの異なる測定長における最大表面粗さのうち、その粗さの値が近接場光の到達距離よりも大きい値を有する基板部分のそれぞれに対して、前記式（２）−ａおよび式（２）−ｂにより定められる最大膜厚の中での最小値よりも、小さい厚さとされていることを特徴とする請求項９に記載の近接場露光マスク。

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