JP2006228776A - 荷電粒子ビーム露光装置及び荷電粒子ビーム露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レジスト上に帯電防止膜が形成されている場合に、精度良くパターンを形成できる荷電粒子ビーム露光装置及び荷電粒子ビーム露光方法を提供すること。
【解決手段】荷電粒子ビーム露光装置は、帯電防止膜が被着されたレジスト膜に荷電粒子ビームを照射して露光を行う露光部１００と露光後のウエハを処理する露光後ウエハ処理部１６０とを有する。前記露光後ウエハ処理部１６０は、露光後に前記帯電防止膜を剥離する帯電防止膜除去手段１６２と、前記ウエハのベーク処理を行うベーク手段１６３と、露光後のウエハを前記帯電防止膜除去手段１６２に搬送し、前記帯電防止膜を除去させた後に前記ベーク手段１６３に搬送する露光後ウエハ処理制御手段２０９とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、荷電粒子ビーム露光装置及び荷電粒子ビーム露光方法に関し、特に、帯電防止膜が形成されたレジストを露光する荷電粒子ビーム露光装置及び荷電粒子ビーム露光方法に関する。

近年、半導体装置等の製造におけるリソグラフィ工程において、微細パターンを形成するために、荷電粒子ビーム露光装置が使用されるようになってきている。

荷電粒子ビーム露光装置を使用した微細パターンの形成においては、レジスト中に電荷が蓄積するチャージアップにより荷電粒子ビームが曲げられ、描画位置精度が悪化するという現象が発生する。

この現象を防止するため、一般にレジストの上又は下に導電性の帯電防止膜を形成している。帯電防止膜を形成することによって、例えば帯電防止膜の電位をアース電位とし、電子がレジストに帯電しないようにしている。

これに関する技術として、特許文献１には、チャージアップを防止するために、パターニングを行うレジストの下に帯電防止膜を形成する方法が開示されている。また、特許文献２には、チャージアップを防止するために、レジストを帯電防止膜とフッ素系樹脂膜とが積層された二重構造にする方法が開示されている。
特開平２−５４０８号公報 特開平７−７４０７６号公報

上述したように、荷電粒子ビームを使用してレジストを露光する場合には、荷電粒子ビームの直進性を確保するために、帯電防止膜の形成が不可欠である。

しかし、帯電防止膜をレジスト上に形成して、露光、現像処理を行うと、帯電防止膜を形成しない場合に比べ、レジストに形成されるパターンの解像度やエッジラフネスが劣化し、パターンの精度が悪くなってしまう場合がある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みなされたものであり、レジスト上に帯電防止膜が形成されている場合に、精度良くパターンを形成できる荷電粒子ビーム露光装置及び荷電粒子ビーム露光方法を提供することである。

上記した課題は、帯電防止膜が被着されたレジスト膜に荷電粒子ビームを照射して露光を行う露光部と露光後のウエハを処理する露光後ウエハ処理部とを有する荷電粒子ビーム露光装置であって、前記露光後ウエハ処理部は、露光後に前記帯電防止膜を剥離する帯電防止膜除去手段と、前記ウエハのベーク処理を行うベーク手段と、露光後のウエハを前記帯電防止膜除去手段に搬送し、前記帯電防止膜を除去させた後に前記ベーク手段に搬送する露光後ウエハ処理制御手段とを有することを特徴とする荷電粒子ビーム露光装置により解決する。

また、上記した課題は、荷電粒子ビームの照射により、表面に帯電防止膜を形成したレジスト膜に所望のパターンを露光する工程と、前記帯電防止膜を除去する工程と、前記帯電防止膜を除去した後にレジスト膜を加熱するベーク処理をする工程とを含むことを特徴とする荷電粒子ビーム露光方法により解決する。

本発明では、ウエハを露光した後、露光後ウエハ処理部において、レジストの上に形成した帯電防止膜を剥離し、その後ＰＥＢ(Post Exposure Bake)処理を行うようにしている。これにより、ＰＥＢ処理においてレジストの上に形成した帯電防止膜による影響がなくなり、パターン精度の悪化を防ぐことができる。

また、本発明では、荷電粒子ビーム露光装置に帯電防止膜除去及びベーク処理を行う露光後ウエハ処理部を設け、露光後すぐに帯電防止膜の除去及びベーク処理を行うようにしている。これにより、露光後のウエハの放置によるパターンの変形という現象を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

はじめに、荷電粒子ビーム露光装置の構成、露光後ウエハ処理部の構成及び各構成要素を制御する制御部について説明する。次に、本発明の特徴である荷電粒子ビーム露光装置の露光後ウエハ処理部の動作を説明する。次に、本発明に係る荷電粒子ビーム露光装置を使用することにより、帯電防止膜を被着したレジストに形成するパターンの精度を向上させる露光方法について説明する。最後に、実際に本発明に係る露光装置及び露光方法により精度良くレジストにパターンが形成される実施例を示す。

（荷電粒子ビーム露光装置の構成）
図１は、本実施形態に係る荷電粒子ビーム露光装置の構成図である。

この荷電粒子ビーム露光装置は、露光部１００と、露光後ウエハ処理部１６０と、露光部１００及び露光後ウエハ処理部１６０の各部を制御する制御部２００とに大別される。このうち、露光部１００は、荷電粒子ビーム生成部１３０、マスク偏向部１４０及び基板偏向部１５０によって構成され、その内部が減圧される。

荷電粒子ビーム生成部１３０では、電子銃１０１から生成した荷電粒子ビームＥＢが第１電磁レンズ１０２で収束作用を受けた後、ビーム整形用マスク１０３の矩形アパーチャ１０３ａを透過し、荷電粒子ビームＥＢの断面が矩形に整形される。

その後、荷電粒子ビームＥＢは、マスク偏向部１４０の第２電磁レンズ１０５によって露光マスク１１０上に結像される。そして、荷電粒子ビームＥＢは、第１、第２静電偏向器１０４、１０６により、露光マスク１１０に形成された特定のパターンＳに偏向され、その断面形状がパターンＳの形状に整形される。

なお、露光マスク１１０はマスクステージ１２３に固定されるが、そのマスクステージ１２３は水平面内において移動可能であって、第１、第２静電偏向器１０４、１０６の偏向範囲（ビーム偏向領域）を超える部分にあるパターンＳを使用する場合、マスクステージ１２３を移動することにより、そのパターンＳをビーム偏向領域内に移動させる。

露光マスク１１０の上下に配された第３、第４電磁レンズ１０８、１１１は、それらの電流量を調節することにより、荷電粒子ビームＥＢを基板Ｗ上で結像させる役割を担う。

露光マスク１１０を通った荷電粒子ビームＥＢは、第３、第４静電偏向器１１２、１１３の偏向作用によって光軸Ｃに振り戻された後、第５電磁レンズ１１４によってそのサイズが縮小される。

マスク偏向部１４０には、第１、第２補正コイル１０７、１０９が設けられており、それらにより、第１〜第４静電偏向器１０４、１０６、１１２、１１３で発生するビーム偏向収差が補正される。

その後、荷電粒子ビームＥＢは、基板偏向部１５０を構成する遮蔽板１１５のアパーチャ１１５ａを通過し、第１、第２投影用電磁レンズ１１６、１２１によって基板Ｗ上に投影される。これにより、露光マスク１１０のパターンの像が、所定の縮小率、例えば１／６０の縮小率で基板Ｗに転写されることになる。

基板偏向部１５０には、第５静電偏向器１１９と電磁偏向器１２０とが設けられており、これらの偏向器１１９、１２０によって荷電粒子ビームＥＢが偏向され、基板Ｗの所定の位置に露光マスクのパターンの像が投影される。

更に、基板偏向部１５０には、基板Ｗ上における荷電粒子ビームＥＢの偏向収差を補正するための第３、第４補正コイル１１７、１１８が設けられる。

基板Ｗは、モータ等の駆動部１２５により水平方向に移動可能なウェハステージ１２４に固定されており、ウェハステージ１２４を移動させることで、基板Ｗの全面に露光を行うことが可能となる。

（露光後ウエハ処理部の構成）
露光後ウエハ処理部１６０は露光部１００と接続されるロードロック部１６１と、帯電防止膜を剥離する帯電防止膜除去部１６２と、ＰＥＢを行うベーク部１６３と、ウエハを冷却するＣＰ（チルプレート）部１６４と、ウエハを収納するウエハキャリア部１６５とから構成される。

（制御部の説明）
一方、制御部２００は、電子銃制御部２０２、電子光学系制御部２０３、マスク偏向制御部２０４、マスクステージ制御部２０５、ブランキング制御部２０６、基板偏向制御部２０７、ウェハステージ制御部２０８及び露光後ウエハ処理制御部２０９を有する。これらのうち、電子銃制御部２０２は電子銃１０１を制御して、荷電粒子ビームＥＢの加速電圧やビーム放射条件等を制御する。また、電子光学系制御部２０３は、電磁レンズ１０２、１０５、１０８、１１１、１１４、１１６及び１２１への電流量等を制御して、これらの電磁レンズが構成される電子光学系の倍率や焦点位置等を調節する。ブランキング制御部２０６は、ブランキング電極１２７への印加電圧を制御することにより、露光開始前から発生している荷電粒子ビームＥＢを遮蔽板１１５上に偏向し、露光前に基板Ｗ上に荷電粒子ビームＥＢが照射されるのを防ぐ。

基板偏向制御部２０７は、第５静電偏向器１１９への印加電圧と、電磁偏向器１２０への電流量を制御することにより、基板Ｗの所定の位置上に荷電粒子ビームＥＢが偏向されるようにする。ウェハステージ制御部２０８は、駆動部１２５の駆動量を調節して基板Ｗを水平方向に移動させ、基板Ｗの所望の位置に荷電粒子ビームＥＢが照射されるようにする。露光後ウエハ処理制御部２０９は、露光後ウエハ処理部１６０内の各部にウエハを搬送させたり、帯電防止膜を除去する際に必要な水量を調節したり、ベークの温度を調節したりする。

上記の各部２０２〜２０９は、ワークステーション等の統合制御系２０１によって統合的に制御される。

以上のように構成された荷電粒子ビーム露光装置において、帯電防止膜除去部１６２は「帯電防止膜除去手段」に、ベーク部１６３は「ベーク手段」に、ＣＰ部１６４は「冷却手段」に、ウエハキャリア部１６５は「ウエハ格納手段」に、露光後ウエハ処理制御部２０９は「露光後ウエハ処理制御手段」にそれぞれ対応している。

（露光後ウエハ処理部の動作）
以下、帯電防止膜が被着されたレジスト膜に荷電粒子ビームを照射して露光をした後の処理を行う露光後ウエハ処理部１６０の動作について図面を参照して説明する。

露光後にロードロック部１６１を通過して露光後ウエハ処理部１６０に搬送されたウエハは、ＰＥＢをする前に帯電防止膜を剥離するために、帯電防止膜除去部１６２のカップ（載置台）に載置する。次に、ウエハを載置したカップを回転させる。ウエハが回転している状態でウエハの表面に純水を滴下又はスプレーして帯電防止膜を除去（剥離）する。帯電防止膜が剥離されたウエハはベーク部１６３に搬送されベーク処理（ＰＥＢ）を行う。ＰＥＢが行われたウエハはＣＰ部１６４に搬送され、ＰＥＢで高温になったウエハをクールダウンする。その後、ウエハはウエハキャリア部１６５に搬送される。

ここで、帯電防止膜は例えば、ポリアニリンスルホン酸（５％）と水（９５％）とからなり、水溶性である。そのため、レジスト上に形成された帯電防止膜は、純水を滴下又はスプレーすることにより容易に剥離することができる。

以上説明したように、本実施形態においてはウエハを露光した後、露光後ウエハ処理部において帯電防止膜の剥離をし、その後ＰＥＢ処理を行うようにしている。これにより、ＰＥＢ処理においてレジスト上に形成した帯電防止膜による影響がなくなり、パターン精度の悪化を防ぐことができる。

また、荷電粒子ビーム露光装置に帯電防止膜除去及びベーク処理を行う露光後ウエハ処理部を設け、露光後すぐに帯電防止膜の除去及びベーク処理を行うようにしている。これにより、露光後のウエハの放置によるパターンの変形という現象を防止することができる。

（荷電粒子ビーム露光方法の説明）
次に、上記した露光後ウエハ処理部を有する荷電粒子ビーム露光装置を使用することにより、帯電防止膜が被着されたレジストに精度良くパターンを形成する露光方法について説明する。

図２は、本実施形態に係る荷電粒子ビーム露光方法を説明するための工程を順に示す断面図である。

ここでは、ウエハ（基板）上に絶縁膜が形成され、その上に感光性のレジストが塗布される試料を対象とする。

まず、図２（ａ）に示すように、シリコンよりなるウエハ（基板）３０の上にＳｉ酸化膜３１を形成する。次に、レジスト３２をスピンコート法により塗布して約１５０ｎｍの膜厚にする。ここで、レジスト３２は、化学増幅型レジストを使用している。化学増幅型レジストは、光反応でレジスト膜の中に酸を発生させ、酸を触媒として露光後の加熱によりパターンを形成するものである。本実施形態においては化学増幅型レジストとして、感度が１５μＣ／ｃｍ²のレジストを使用している。

次に、図２（ｂ）に示すように、レジスト３２の上全面に帯電防止膜３３を形成する。帯電防止膜３３となる導電性の材料をスピンコート法により塗布して約３０ｎｍの膜厚にする。本実施形態においては帯電防止膜３３として、ポリアニリンスルホン酸が５％、水が９５％からなる導電性材料を使用している。この後、脱水のためのベーク処理を行う。

次に、図２（ｃ）に示すように、荷電粒子ビーム３４で所望のパターンの露光を行う。露光の際には、帯電防止膜３３を接地するようにして露光する。これにより、レジスト３２内部及びＳｉ酸化膜３１中に電荷が溜まることを防止できる。このため、荷電粒子ビーム３４の入射ビームの位置がレジスト３２及びＳｉ酸化膜３１の帯電によってずれるということがなくなる。また、帯電防止膜３３はその膜厚が３０ｎｍと薄く形成しているため、導電性の帯電防止膜３３において荷電粒子ビーム３４が散乱することはほとんど無く、荷電粒子ビーム３４は帯電防止膜３３を直進してレジスト３２に達する。

次に、図２（ｄ）に示すように、帯電防止膜３３を除去する。露光後の試料は、ロードロック部１６１を通り、真空の露光部１００から大気圧の露光後ウエハ処理部１６０に搬送される。そして、露光後ウエハ処理部１６０に搬送された試料は、帯電防止膜除去部１６２において、帯電防止膜３３を除去する。帯電防止膜３３の除去は、帯電防止膜除去部１６２を構成するカップに試料をセットし、カップを回転させ、試料の上から純水を滴下又はスプレーすることにより行う。上記のように帯電防止膜３３は水溶性であるため、試料の上から純水を滴下又はスプレーすることによって容易に除去することができる。また、レジスト３２は純水と反応することは無いため、帯電防止膜３３の除去に純水を使用してもレジスト３２に与える影響はない。

なお、帯電防止膜３３を除去するのに要する時間は数分である。従って、露光後、数時間放置しておくとパターンが変化してしまう場合があるが、本実施形態においては、露光後、ＰＥＢまでの時間が数分であるため、レジスト３２に形成されるパターンが変化することはほとんど無い。

次に、ベーク部１６３において、ＰＥＢ処理を行う。ＰＥＢ処理は、１００〜１３０℃で９０〜１２０秒間行う。このＰＥＢ処理を行うことにより、化学増幅型レジスト３２の樹脂が熱に反応し、パターンを得ることができる。帯電防止膜の熱による余分な反応が無いため、得られるパターンの誤差を小さくすることが可能である。

この後、ウエハはＣＰ部１６４に搬送されて冷却され、冷却されたウエハはウエハキャリア部１６５に収納される。

次に、ウエハはデベロッパー（不図示）に搬送され、現像処理が施され、図２（ｅ）に示すように、パターンが形成される。

（実施例）
以下、本実施形態の荷電粒子ビーム露光方法により実際に試料にパターンを形成した結果について説明する。ここで、化学増幅型レジストとして、富士フィルムエレクトロニクスマテリアルズ製のＦＥＰＳ−１２７Ｂを使用し、レジストの膜厚は１５０ｎｍとした。また、形成するパターンは、ライン＆スペースでパターンの幅は８０ｎｍとし、ラインとスペースの幅の比率を１：２とした。

図３（ａ）は、帯電防止膜が有る場合に、露光後に帯電防止膜を除去し、その後、ＰＥＢ処理をして得られたパターンのＳＥＭ(Scanning Electron Microscope)画像である。図３（ｂ）は、帯電防止膜が有る場合に、露光後にＰＥＢ処理をし、その後、帯電防止膜を除去したときに得られるパターンのＳＥＭ画像である。また、図３（ｃ）は帯電防止膜が無い場合に得られるパターンのＳＥＭ画像である。

図３（ａ）からわかるように、帯電防止膜を除去した後にＰＥＢ処理をした場合は、図３（ｃ）に示した帯電防止膜が無い場合に得られたパターンと同程度の解像度の良いパターンが得られた。一方、ＰＥＢ処理をした後に帯電防止膜を除去した場合は、パターンの解像度が悪く、所望のパターンが得られなかった。なお、ライン＆スペースの比率を１：１として、ＰＥＢ処理をした後に帯電防止膜を除去した場合は解像されずパターンを得ることができなかった。

図４は、パターンの幅を６０ｎｍとし、ラインとスペースの幅の比率を１：２とした場合のＳＥＭ画像であり、図４（ａ）は露光後に帯電防止膜を除去し、その後ＰＥＢ処理をした場合、図４（ｂ）は露光後にＰＥＢ処理をし、その後帯電防止膜を除去した場合、図４（ｃ）は帯電防止膜が無い場合に得られるパターンのＳＥＭ画像である。

図３の場合と同様に、露光後に帯電防止膜を除去してからＰＥＢ処理を行うと解像度の良いパターンが得られることが確認された。

以上説明したように、本実施形態の荷電粒子ビーム露光方法では、化学増幅型レジストの上に帯電防止膜を形成して所望のパターンに露光する。その後、帯電防止膜を除去してからＰＥＢ処理を行うようにしている。これにより、ＰＥＢ処理においてレジストに対する帯電防止膜の影響を無くすことができ、パターンの精度を向上させることができる。

また、帯電防止膜の除去及びＰＥＢ処理は、露光装置の一部として設けた露光後ウエハ処理部で行うようにしている。そのため、露光後、短時間でウエハのＰＥＢ処理を行うことができる。これにより、露光後にウエハを放置しておくことによってパターンが変形する前にＰＥＢ処理をすることができ、パターンの変化を防止することができる。

なお、本実施形態で説明した荷電粒子ビーム露光装置の一部である露光後ウエハ処理部を独立した露光後ウエハ処理装置とし、荷電粒子ビーム露光装置の露光部と接続して使用することも可能である。

本発明の実施形態で使用される荷電粒子ビーム露光装置の構成図である。 本発明の荷電粒子ビーム露光方法を説明する断面図である。 図３（ａ）は帯電防止膜を除去した後、ＰＥＢ処理をして現像した場合のパターンのＳＥＭ画像（その１）である。図３（ｂ）はＰＥＢ処理をした後、帯電防止膜を除去して現像した場合のパターンのＳＥＭ画像（その１）である。図３（ｃ）は帯電防止膜がない場合に現像処理をしたときのＳＥＭ画像（その１）である。 図４（ａ）は帯電防止膜を除去した後、ＰＥＢ処理をして現像した場合のパターンのＳＥＭ画像（その２）である。図４（ｂ）はＰＥＢ処理をした後、帯電防止膜を除去して現像した場合のパターンのＳＥＭ画像（その２）である。図４（ｃ）は帯電防止膜がない場合に現像処理をしたときのＳＥＭ画像（その２）である。

符号の説明

３０…ウエハ、３２…レジスト、３３…帯電防止膜、３４…荷電粒子ビーム、１００…露光部、１０１…電子銃、１０２…第１電磁レンズ、１０３…ビーム整形用マスク、１０３ａ…矩形アパーチャ、１０４…第１静電偏向器、１０５…第２電磁レンズ、１０６…第２静電偏向器、１０７…第１補正コイル、１０８…第３電磁レンズ、１０９…第２補正コイル、１１０…露光用マスク、１１１…第４電磁レンズ、１１２…第３静電偏向器、１１３…第４静電偏向器、１１４…第５電磁レンズ、１１５…遮蔽板、１１５ａ…アパーチャ、１１６…第１投影用電磁レンズ、１１７…第３補正コイル、１１８…第４補正コイル、１１９…第５静電偏向器、１２０…電磁偏向器、１２１…第２投影用電磁レンズ、１２３…マスクステージ、１２４…ウェハステージ、１２５…駆動部、１２７…ブランキング電極、１６０…露光後ウエハ処理部、１６１…ロードロック部、１６２…帯電防止膜除去部、１６３…ベーク部、１６４…ＣＰ部、１６５…ウエハキャリア部。

Claims (13)

1. 帯電防止膜が被着されたレジスト膜に荷電粒子ビームを照射して露光を行う露光部と露光後のウエハを処理する露光後ウエハ処理部とを有する荷電粒子ビーム露光装置であって、
   前記露光後ウエハ処理部は、
   露光後に前記帯電防止膜を剥離する帯電防止膜除去手段と、
   前記ウエハのベーク処理を行うベーク手段と、
   露光後のウエハを前記帯電防止膜除去手段に搬送し、前記帯電防止膜を除去させた後に前記ベーク手段に搬送する露光後ウエハ処理制御手段とを有することを特徴とする荷電粒子ビーム露光装置。
2. 前記帯電防止膜除去手段は、前記露光後のウエハを載置する載置台と、
   該ウエハに純水を滴下する滴下手段又は純水をスプレーするスプレー手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム露光装置。
3. 前記露光後ウエハ処理部は、前記露光部とロードロックを介して接続されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の荷電粒子ビーム露光装置。
4. 前記露光後ウエハ処理部は、更に、前記ベーク手段においてベークされたウエハを冷却する冷却手段を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム露光装置。
5. 前記露光後ウエハ処理部は、更に、前記冷却手段において冷却されたウエハを格納するウエハ格納手段を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム露光装置。
6. レジスト膜に被着された帯電防止膜を剥離する帯電防止膜除去手段と、
   ウエハのベーク処理を行うベーク手段と、
   露光後のウエハを前記帯電防止膜除去手段に搬送し、前記帯電防止膜を除去させた後に前記ベーク手段に搬送する露光後ウエハ処理制御手段とを有することを特徴とする露光後ウエハ処理装置。
7. 前記帯電防止膜除去手段は、前記露光後のウエハを載置する載置台と、
   該ウエハに純水を滴下する滴下手段又は純水をスプレーするスプレー手段とを有することを特徴とする請求項６に記載の露光後ウエハ処理装置。
8. 更に、前記ベーク手段においてベークされたウエハを冷却する冷却手段を有することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の露光後ウエハ処理装置。
9. 更に、前記冷却手段において冷却されたウエハを格納するウエハ格納手段を有することを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の露光後ウエハ処理装置。
10. 荷電粒子ビームの照射により、表面に帯電防止膜を形成したレジスト膜に所望のパターンを露光する工程と、
    前記帯電防止膜を除去する工程と、
    前記帯電防止膜を除去した後にレジスト膜を加熱するベーク処理をする工程と
    を含むことを特徴とする荷電粒子ビーム露光方法。
11. 前記帯電防止膜は、
    前記レジスト膜の上全面に導電性材料を塗布する工程と、
    前記材料を塗布した前記レジスト膜を加熱する露光前ベーク処理をする工程と
    により形成することを特徴とする請求項１０に記載の荷電粒子ビーム露光方法。
12. 前記導電性材料は、ポリアニリンスルホン酸と水とからなることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の荷電粒子ビーム露光方法。
13. 前記レジスト膜は、荷電粒子ビームの照射により酸を発生する化学増幅型レジスト膜であることを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム露光方法。

Images