JP2006004964A - 露光装置および露光方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高い解像度で安定的にレジストパターンを形成する。
【解決手段】 露光装置100は、マスク102に光を照射する光源101と、マスク102の像をウェーハ110上に投影する投影光学系103と、投影光学系103とウェーハ110との間に媒質液109を充填する液体供給装置105と、を備える。媒質液109として、飽和環式炭化水素またはその誘導体を用いる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、液浸法を用いる露光装置および露光方法に関する。
液浸法を利用する従来の露光技術として、特許文献1に記載のものがある。特許文献1には、露光用レンズと基板との間に媒質として液体を満たすパターン形成方法が記載されている。水などの比屈折率が1より大きい液体を媒質とすることより、レジストのパターン形成における解像度を向上させることができるとされている。
特開平7−220990号公報
ところが、従来の液浸露光方法について本発明者が検討したところ、レジストパターンの安定的な形成という点で改善の余地があった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い解像度で安定的にレジストパターンを形成する技術を提供することにある。
本発明者は、液浸法を利用した露光方法においてパターニング特性を安定的に向上させるために鋭意検討を行った。その結果、飽和環式炭化水素またはその誘導体を含む液体を露光光の通過経路となる媒質とすることにより、微細なレジストパターンを安定的に形成できることを見出し、本発明に至った。
本発明によれば、マスクに光を照射する光源と、前記マスクの像を基板上に投影する投影光学系と、前記投影光学系と前記基板との間に媒質液を充填する液体供給部と、を備え、前記媒質液は、飽和環式炭化水素またはその誘導体を含むことを特徴とする露光装置が提供される。
また、本発明によれば、マスクに光を照射し、媒質液を介して前記光を基板の表面に導くことにより、前記マスクのパターンを前記基板の表面に転写する露光方法であって、前記媒質液は、飽和環式炭化水素またはその誘導体を含むことを特徴とする露光方法が提供される。
本発明においては、飽和環式炭化水素またはその誘導体を含む媒質液を通して光を基板表面に導く。このため、基板表面に設けられたレジストの液浸露光によるパターニングを高い解像度で安定的に行うことができる。
なお、上記媒質液は、飽和環式炭化水素またはその誘導体を含むものであるが、媒質液の屈折率に局所的なばらつきが生じて安定なパターニングを阻害することのない程度の量であれば、他の成分が含まれていてもよい。
本発明において、前記飽和環式炭化水素は、シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、シクロノナン、およびシクロデカンからなる群から選択される一または二以上の単環式化合物であってもよい。こうすることにより、液浸露光によるレジストのパターニングをさらに安定的に行うことができる。
本発明において、前記飽和環式炭化水素は、炭素数1以上6以下のアルキル置換基を有する構成とすることができる。こうすることにより、未置換の化合物を用いる場合に比べて媒質液の屈折率を増加させることができる。レジストのパターニングをさらに安定的に行うことができる。
本発明において、波長193nmの前記光に対する前記媒質液の屈折率が1.5以上であってもよい。こうすることにより、解像度および焦点深度をさらに確実に向上させることができる。
なお、これらの各構成の任意の組み合わせや、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた本発明の態様として有効である。
たとえば、本発明の露光装置において、前記基板を設置するチャンバを有し、前記媒質液が前記チャンバ内に供給されてもよい。こうすることにより、マスクパターンの形成をさらに安定的に行うことができる。また、露光装置をさらに安全性に優れた構成とすることができる。
また、本発明の露光装置において、前記液体供給部は、前記媒質液を脱気する脱気手段を備えてもよい。こうすることにより、レジストのパターニングをさらに安定的に行うことができる。
また、本発明の露光装置において、前記液体供給部は、前記媒質液を精製する精製手段を備えてもよい。こうすることにより、媒質液の純度を向上させることができる。このため、マスクパターンの形成をさらに安定的に行うことができる。
また、本発明によれば、液浸法による露光を行う際に用いられる媒質液であって、飽和環式炭化水素またはその誘導体を含むことを特徴とする媒質液が提供される。
以上説明したように、本発明によれば、飽和環式炭化水素またはその誘導体を主として含む媒質液を介して光を基板の表面に導くことにより、高い解像度で安定的にレジストパターンを形成する技術が実現される。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同じ構成要素には共通の符号を付し、適宜説明を省略する。
図1は、本実施形態に係る露光装置の構成を模式的に示す断面図である。図1に示した露光装置100は、マスク102に光を照射する光源101と、マスク102の像をウェーハ110上に投影する投影光学系103と、投影光学系103とウェーハ110との間に媒質液109を充填する液体供給装置105と、を備える。
さらに具体的には、露光装置100は、光源101、マスク102、投影光学系103、投影レンズ104、液体供給装置105、液体回収装置106、液体回収用配管107、液体供給用配管108、媒質液109、ウェーハ110、移動鏡111、Zステージ112、XYステージ113、精製装置114、恒温チャンバ115、排気装置116、および脱気部117を備える。
恒温チャンバ115は、温度調節手段(不図示)を備え、チャンバ内の温度制御が可能に構成されている。排気装置116は、たとえば減圧ポンプとすることができ、恒温チャンバ115に接続し、恒温チャンバ115内の気体を排出する。
恒温チャンバ115の中に、XYステージ113が設けられており、XYステージ113の上に移動鏡111およびZステージ112が設けられている。Zステージ111の上に、ウェーハ110が設置される。ウェーハ110の上面には、露光によりパターニングされるレジスト膜が設けられている。
媒質液109は、投影光学系103の一部をなす投影レンズ104とウェーハ110との間に供給され、露光光の通過経路となる媒質液である。
媒質液109は、露光後、液体供給用配管108を経由して恒温チャンバ115の外部に設けられた液体回収装置106に回収される。
ウェーハ110と投影レンズ104との間に、媒質液109が充填される。媒質液109は、精製装置114で精製されて液体供給装置105に供給され、液体供給装置105から脱気部117に供給される。脱気部117で脱気された液体は、液体回収用配管107を通って恒温チャンバ115内に導入され、ウェーハ110の表面に供給される。
光源101は、マスク102に所定の波長の光を照射する。光源101は、たとえばレーザー光源とすることができる。具体的には、波長193nmのArFエキシマレーザー光源、波長248nmのKrFエキシマレーザー光源、波長157nmのF2エキシマレーザー光源等のエキシマレーザー光源とすることができる。また、光源101とマスク102との間にレンズや反射鏡等の照明光学系が設けられていてもよい。
マスク102を通過したレーザー光は、投影光学系103および投影レンズ104をこの順に経由して、媒質である媒質液109中に導かれる。そして、媒質液109を通過した光はウェーハ110の表面に照射される。
以上のように構成された露光装置100において、ウェーハ110と投影レンズ104との間に、飽和環式炭化水素またはその誘導体を含む媒質液109が充填された状態で光照射されて露光が行われる。媒質液109は、環を構成する炭素が飽和しており、π電子を有しない環状化合物であるため、環を構成する原子が同一の直鎖化合物に比べて高い屈折率を有する。このため、露光の際の焦点深度および解像度を大きくすることができる。また、露光マージンを大きくすることができる。この理由は、以下の通りである。
液浸露光において、解像力Rは、空気中での開口率NAdryと屈折率nの液体中での開口率NAwetを用いて
R=k1・l/NAwet
=k1・l/[n・NAdry
=[1/n]・k1・l/NAdry
で示される。なお、k1は定数である。また、空気の屈折率は1である。このため、ウェーハ110と投影レンズ104との間に屈折率nを有する液体を充填することにより、実質的に光の波長を1/nとした効果が得られる。このため、最小解像寸法を1/n倍することが可能となり、解像度が向上する。
また、焦点深度DOFは、
DOF==k2・l/NA2
=k2・[l/n]/[NA/n]2
=n・k2・l/NA2
で示され、DOFについても屈折率nの媒質液109を用いることにより実質的に光の波長を1/nとした効果が得られる。なお、k2は定数である。
媒質液109として、飽和環式炭化水素を用いることにより、後述する実施例で示すように、同じ炭素数の非環状炭化水素よりも屈折率を増加させることができる。このため、ウェーハ110の表面における焦点深度を大きくすることができる。また、露光マージンを大きくすることができる。たとえば、媒質液109は、193nmにおける屈折率nが1.5以上の飽和環式炭化水素とすることができる。
また、媒質液109として、飽和環式炭化水素を用いることにより、同じ炭素数の鎖状炭化水素よりも屈折率の局所的なばらつきが小さい液体とすることができる。このため、露光によるパターン形成をさらに安定的に行うことができる。
また、媒質液109は、光源101からの出射光との反応性を実質的に有しない液体とすることができる。こうすることにより、さらに安定的に露光を行うことができる。また、ウェーハ110の表面に設けられたレジスト膜の劣化を確実に抑制することができる。媒質液109として環を構成する炭素が飽和した環状炭化水素を用いることにより、ベンゼン環等の不飽和炭素を環内に有する化合部に比べて光反応性を低下させることができる。
媒質液109は、光源101からの出射光に対して実質的に透明な液体とすることができる。こうすることにより、確実に露光を行うことができる。たとえば、光源101をArFエキシマレーザー光源とする場合、波長193nmにおける媒質液109の透過率をたとえば90%以上とするとよい。また、光源101をKrFエキシマレーザー光源とする場合、波長248nmにおける媒質液109の透過率をたとえば90%以上とするとよい。また、光源101をF2エキシマレーザー光源とする場合、波長157nmにおける媒質液109の透過率をたとえば90%以上とするとよい。媒質液109として環を構成する炭素が飽和した環状炭化水素を用いることにより、ベンゼン環等の不飽和炭素を環内に有する化合部に比べて露光光波長が短波長である場合にも、透過率を増加させることができる。
なお、媒質液109として、通常、常温(25℃)において液体であるものが用いられる。また、媒質液109は、沸点が高い液体とすることができる。具体的には、媒質液109の沸点をたとえば50℃以上、好ましくは70℃以上とすることができる。こうすることにより、露光時や作業時の媒質液109の揮発を抑制することができる。このため、液浸露光によるレジストのパターニングを安定的に行うことができる。なお、媒質液109の沸点の上限は特にないが、たとえば、300℃以下とすることができる。
また、媒質液109は、ウェーハ110の表面に設けられたレジストの溶解性の低い構成とすることができる。このような媒質液109として、レジスト材料との溶解度パラメータの差が大きいものを用いることができる。たとえば、レジスト材料としてアクリル酸系の樹脂を用いる場合、媒質液109の溶解度パラメータを5以上10以下または12以上20以下とすることができる。溶解度パラメータを10以下または12以上とすることにより、レジストを構成する樹脂材料の溶解を抑制することができる。また、溶解度パラメータを5以上または20以下とすることにより、レジスト中の低分子量成分の溶解を抑制することができる。このため、レジストのパターニング特性の低下を確実に抑制し、微細なレジストパターンを安定的に得ることができる。
また、媒質液109は、粘度の小さい液体とすることが好ましい。こうすることにより、ウェーハ110と投影レンズ104との間に気泡が形成されないようにすることができる。このため、レジストのパターニングをさらに安定的に行うことができる。
また、媒質液109の極性を適切な範囲とするのがよい。極性が高きすぎると、レジストの構成成分との相互作用が強くなり、レジストへのダメージが大きくなる懸念がある。また、極性が低すぎても、レジストの構成成分の溶解性が高くなる懸念がある。
媒質液109は、飽和環式炭化水素として、たとえばシクロアルカンもしくはビシクロアルカンまたはこれらの誘導体を含むことができる。具体的には、飽和環式炭化水素としては、
シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、シクロノナン、シクロデカン等の環を構成する炭素原子の数が3以上10以下である単環式炭化水素;
ビシクロ[2,2,0]ヘキサン、デカリン等の二環炭化水素
を用いることができる。このような化合物を用いることにより、液浸露光によるレジストのパターニングを安定的に行うことができる。
また、飽和環式炭化水素は、環を構成する前記炭素原子に、炭素数1以上6以下のアルキル置換基を有する化合物とすることができる。アルキル基は、たとえば、−Cn2n+1(nは1以上6以下の整数)で示される基とすることができる。具体的には、たとえば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基などの直鎖状のアルキル基とすることができる。また、i−プロピル基、t−ブチル基などの分岐鎖を有する基であってもよい。
また、炭素数1以上6以下のアルキル置換基を有する飽和環状化合物の誘導体として、たとえば環の側鎖に−Cn2nOH(nは1以上6以下の整数)、−Cn2nCN(nは1以上6以下の整数)、−Cn2nX(nは1以上6以下の整数、XはF、Cl、BrまたはIのハロゲン)、−Cn2n+1(XはF、Cl、BrまたはIのハロゲン)等の基を有する環状化合物が挙げられる。
また、飽和環式炭化水素は、環の側鎖に−F基、−Cl基、−Br基、または−CN基を有していてもよい。
飽和環式炭化水素としては、たとえば、シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、シクロノナン、シクロデカン等のシクロアルカンおよびその誘導体;
シクロプロピルシアニド、シクロペンチルカルボニトリル、シクロヘキシルカルボニトリル、シクロプロピルアセトニトリル等の、環の側鎖に−CNなる原子団を有する化合物およびその誘導体;
シクロブチルブロミド、シクロペンチルブロミド、シクロヘキシルブロミド、シクロブチルクロリド、シクロペンチルクロリド、シクロヘキシルクロリド、パーフルオロメチルシクロヘキサン、パーフルオロデカリン等の、環の側鎖に−Br、−Clまたは−F原子を有する化合物またはその誘導体;
シクロプロピルメタノール、シクロブタンメタノール、シクロペンタンプロパノール、シクロヘキシルメタノール、2−シクロヘキシルエタノール、4−シクロヘキシル−1−ブタノール等の、側鎖にアルキルアルコールを有する化合物またはその誘導体;
メチルシクロヘキサン、メチルシクロペンタン等の、側鎖にアルキル基を有する化合物またはその誘導体;
が挙げられる。これらの化合物を用いることにより、液浸露光による微細パターンの形成を安定的に行うことが可能となる。
なお、本発明の媒質液109として用いられる飽和環式化合物において、環を構成する一つの炭素原子の側鎖における置換基の数は一つでも二つ以上でもよい。また、環を構成する炭素のうち、側鎖に置換基を有するものの数に特に制限はない。
また、媒質液109は、本発明の一種類の化合物からなっていてもよいし、本発明に係る化合物が複数含まれていてもよい。さらに、媒質液109は、飽和環式化合物からなる構成とすることができる。また、本発明に係る化合物を主として含む構成であれば、本発明以外の化合物を含んでいてもよい。なお、主として含むとは、他の成分により液体の屈折率に局所的なばらつきが生じて安定なパターニングを阻害することのない程度の量であれば、他の成分が含まれていてもよいことを意味する。たとえば、飽和環式炭化水素またはその誘導体を98%含む液体とすることができる。
媒質液109が本発明に係る一種類の化合物からなる構成とすることにより、媒質液109中の局所的な屈折率のばらつきを抑制することができる。このため、レジストパターンをウェーハ110の表面全域でより一層安定的に形成することができる。
次に、図1に示した露光装置100を用いた露光方法を説明する。まず、排気装置116にウェーハ110を設置し、Zステージ112およびXYステージ113を調節して位置合わせを行う。また、恒温チャンバ115を所定の温度、所定の気圧になるように、排気装置116および温度調節手段(不図示)を調整する。
液体供給装置105を用い、投影レンズ104とウェーハ110との間に、脱気部117を通過した媒質液109を液体回収用配管107から充填する。マスク102に光源101から光を照射し、媒質液109を介して光をウェーハ110の表面に導く。そして、マスク102のパターンをウェーハ110の表面に転写することにより、露光が行われる。
なお、媒質液109は、精製装置114であらかじめ蒸留した後、液体供給装置105に供給してもよい。こうすれば、媒質液109の純度を向上させることができるため、屈折率のばらつきを抑制することができる。
次に、図1に示した露光装置100の効果を説明する。
図1に示した露光装置100は、ウェーハ110の表面と投影レンズ104との間に媒質液109が充填された状態で露光がなされる構成である。このため、光路の屈折率を増加させるとともに、安定的なパターニングが可能となる。よって、露光の際の解像度および焦点深度を向上させることができる。また、露光マージンを大きくすることができる。したがって、微細なレジストパターンを高い歩留まりで安定的に製造することができる。
また、露光装置100は、脱気部117を有する。このため、ウェーハ110と投影レンズ104との間にあらかじめ脱気された媒質液109を供給することができる。よって、ウェーハ110と投影レンズ104との間に気泡が生じることが抑制される。したがって、レジストのパターニングを安定的に行うことができる。
また、露光装置100は、精製装置114を有する。このため、媒質液109中の不純物を除去し、純度を向上させることができる。よって、媒質液109に屈折率分布が生じることを抑制することができる。
また、露光装置100においては、恒温チャンバ115の中にウェーハ110が設置される。このため、露光時のウェーハ110表面の温度変化を抑制することができる。このため、パターニング特性の低下を確実に抑制することができる。また、媒質液109の加熱による揮発を抑制することができる。このため、微細なパターンの作製を安定的に行うことができる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、ウェーハ110に設けられたレジスト膜の表面に、適宜保護膜を形成しておいてもよい。こうすれば、飽和環式炭化水素またはその誘導体を主として含む媒質液109に接触させた状態で露光を行った場合にも、レジスト材料の媒質液109への溶出をさらに確実に抑制することができる。このため、レジストパターンの形成をより一層安定的に行うことができる。保護膜の材料は、レジストの種類に応じて適宜選択することができる。
本実施例では、図1に示した構成の露光装置100を用いて、レジストのパターニングを行った。光源は、波長193nmのArFエキシマレーザー光源とした。ウェーハ110として、レジスト塗布面上に反射防止層が形成されたシリコンウェーハを用いた。ウェーハの表面に、アクリル酸系のポジ型レジスト組成物を用いて膜厚0.4μmのレジスト膜を形成した。レジスト組成物中の樹脂として溶解度パラメータが11.0のものを用いた。レジスト膜の表面と投影レンズとの間に充填する液体の種類を変えて、パターンの転写を行い、それぞれの液体ついてのパターニング特性を評価した。
媒質液109として、純水、n−ヘキサン、クロロベンゼン、シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキシルメタノール、シクロヘキシルクロリド、シクロヘキシルカルボニトリル、シクロデカン、パーフルオロメチルヘキサン、およびパーフルオロデカリンを用いた。
また、パターニング特性は、それぞれの液体を充填した場合について、0.1μm幅のラインパターンの形成を10枚のウェーハについて行い、SEM(走査型顕微鏡)観察することにより行った。結果を表1に示す。
Figure 2006004964
なお、表1において、パターン形成の安定性は、10回のパターニングにおいて安定的にパターン形成がされているかどうかを目視で確認し、
○・・パターン形成不良2回以下、
△・・パターン形成不良3回以上5回以下、
×・・パターン形成不良6回以上、
に分類した。
また、レジストの溶解性は、ウェーハ上に形成したレジスト膜の表面にそれぞれの液体を滴下し、乾燥させて、乾燥後の表面状態を目視観察した。そして、滴下前の表面状態からの変化がない場合、溶解性は低いと判断し、表面の外観が変化した場合、溶解性が比較的高いと判断した。
表1に示すように、シクロペンタン、シクロヘキサンおよびメチルシクロヘキサンを用いた場合には、パターン形成を特に安定的に行うことができた。また、同じ開口率NAを使用した場合、シクロヘキサンを用いた場合の焦点深度DOFは、水を用いた場合の1.1倍に向上していた。
シクロアルカン類を用いることによりレジスト形成安定性が向上する理由は明らかではないが、以下のように推察される。
液浸法を用いた露光においては、投影レンズ104とウェーハ110との間に充填された媒質液109の内部において、屈折率のゆらぎを低減することが望まれる。シクロアルカン類を用いた場合、媒質液109とレジスト表面との相互作用が比較的小さいため、上記ゆらぎを低減することができる。
n−ヘキサンは、直鎖状の化合物であり、媒質液109中で様々な立体配置をとり得るので、屈折率のゆらぎが比較的大きく、局所的な屈折率分布が発生すると考えられる。一方、シクロアルカン類の場合には、屈折率のゆらぎが比較的小さいため、局所的な屈折率分布の発生が抑制されて、安定的なレジストパターンの形成が可能である。
また、これらの液体の屈折率は、図2に示される。図2より、同じ炭素数のアルカンにおいては、直鎖状化合物よりも環状化合物の方が高屈折率であり、また、骨格炭素数が大きいほど屈折率が高いことがわかる。このことから、n−ヘキサンに比べ、シクロペンタン、シクロヘキサンおよびその誘導体のメチルシクロヘキサンを用いた場合に、解像度および焦点深度を向上させるとともに、パターニングの安定性が得られたものと考えられる。
また、シクロアルカン類は、レジスト材料中に混入している光酸発生剤や塩基性添加剤の溶解性が低く、波長193nmにおける透明性が充分に確保されているため、レジスト材料の表面に保護膜を設けることなく、純水やクロロベンゼンを用いた場合に比べて良好なパターニング特性が得られたと考えられる。
また、シクロアルカン類は、純水に比べて極性が低いため、レジスト成分との相互作用による屈折率のばらつきが抑制され、安定的なパターニングが可能と考えられる。
実施の形態に係る露光装置の構成を模式的に示す断面図である。 光の波長と液体の屈折率との関係を示す図である。
符号の説明
101 光源
102 マスク
103 投影光学系
104 投影レンズ
105 液体供給装置
106 液体回収装置
107 液体供給用配管
108 液体回収用配管
109 媒質液
110 基板
111 移動鏡
112 Zステージ
113 XYステージ
114 液体精製装置
115 恒温チャンバ
116 排気装置
117 脱気部

Claims (8)

  1. マスクに光を照射する光源と、
    前記マスクの像を基板上に投影する投影光学系と、
    前記投影光学系と前記基板との間に媒質液を充填する液体供給部と、
    を備え、
    前記媒質液は、飽和環式炭化水素またはその誘導体を含むことを特徴とする露光装置。
  2. 請求項1に記載の露光装置において、前記飽和環式炭化水素は、シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、シクロノナン、およびシクロデカンからなる群から選択される一または二以上の単環式化合物であることを特徴とする露光装置。
  3. 請求項1または2に記載の露光装置において、前記飽和環式炭化水素は、炭素数1以上6以下のアルキル置換基を有することを特徴とする露光装置。
  4. 請求項1乃至3いずれかに記載の露光装置において、波長193nmの前記光に対する前記媒質液の屈折率が1.5以上であることを特徴とする露光装置。
  5. マスクに光を照射し、媒質液を介して前記光を基板の表面に導くことにより、前記マスクのパターンを前記基板の表面に転写する露光方法であって、
    前記媒質液は、飽和環式炭化水素またはその誘導体を含むことを特徴とする露光方法。
  6. 請求項5に記載の露光方法において、前記飽和環式炭化水素は、シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、シクロノナン、およびシクロデカンからなる群から選択される一または二以上の単環式化合物であることを特徴とする露光方法。
  7. 請求項5または6に記載の露光方法において、前記飽和環式炭化水素は、炭素数1以上6以下のアルキル置換基を有することを特徴とする露光方法。
  8. 請求項5乃至7いずれかに記載の露光方法において、波長193nmの前記光に対する前記媒質液の屈折率が1.5以上であることを特徴とする露光方法。
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