JP2007329214A - 近接場露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凹凸を有する基板の影響による露光状態のばらつきを抑制することが可能となる近接場露光方法を提供する。
【解決手段】凹凸を有する基板上にフォトレジスト層を形成し、該フォトレジスト層に露光光の波長サイズ以下の微小開口を備えた遮光膜を有する露光用マスクを密着させて露光をする近接場露光方法において、
前記露光用マスクを前記フォトレジスト層に密着させて露光する際、前記露光用マスクの遮光膜と前記フォトレジスト層との間に、
前記遮光膜と前記フォトレジスト層が接触している接触領域と、前記遮光膜と前記フォトレジスト層間の間隙に液体が満されている液体領域と、を共存させて露光する工程を有する構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、近接場露光方法に関するものである。特に、露光用マスクを被露光基板に近接させ、該露光用マスクの微小開口から滲み出る近接場光を用いて前記被露光基板を露光する近接場露光方法に関するものである。

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。

近年において、これらを解決する一つの方法として、近接場露光方法が提案されている。
例えば、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。
また、特許文献２、特許文献３等では、マスクを弾性体で構成し、レジスト面形状に対してならうようにマスクを弾性変形させることにより、マスク全面をレジスト面に密着させ、光近接場を用いて露光を行う方法が提案されている。
また、特許文献４では、純水膜を介してクロム膜と上層レジストとを接触させる近接場露光の方法が提案されている。
特開平０８−１７９４９３号公報 特開平１１−１４５０５１号公報 特開平１１−１８４０９４号公報 特開２００４−２９７０３２号公報

しかしながら、上記特許文献１〜４等における従来例のものは、つぎのような問題を有している。
すなわち、非平坦な基板に対してレジスト膜を形成し近接場露光を行う場合に、レジスト膜表面が、完全には平坦にならない場合があり、露光状態のばらつきを抑制することが困難な場合を生じる。
さらに、特許文献２、３等のものでは、基板の凹凸の周期が小さい場合に、マスクの弾性変形によってマスク全面をレジスト面に密着させるためには、大きな力を加える必要が生じることになる。そのため、装置構成を複雑化し、また変形による加工精度の低下を招くこととなる。

本発明は、上記課題に鑑み、凹凸を有する基板の影響による露光状態のばらつきを抑制することが可能となる近接場露光方法を提供することを目的とするものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のように構成した近接場露光方法を提供するものである。
本発明の近接場露光方法は、凹凸を有する基板上にフォトレジスト層を形成し、該フォトレジスト層に露光光の波長サイズ以下の微小開口を備えた遮光膜を有する露光用マスクを密着させ、露光光源から光を照射し、
前記露光用マスクの微小開口から滲み出る近接場光を用いて露光を行う近接場露光方法において、
前記露光用マスクを前記フォトレジスト層に密着させて露光する際、前記露光用マスクの遮光膜と前記フォトレジスト層との間に、
前記遮光膜と前記フォトレジスト層が接触している接触領域と、前記遮光膜と前記フォトレジスト層間の間隙に液体が満されている液体領域と、を共存させて露光する工程を有することを特徴とする。
また、本発明の近接場露光方法は、前記接触領域と液体領域とを共存させて露光する工程が、
前記フォトレジスト層上に液体による膜を形成する工程と、
前記液体膜を排除して前記遮光膜の一部が前記フォトレジスト層に直接接触するまで該遮光膜を近接させる一方、該遮光膜の近接によって前記遮光膜と前記フォトレジスト層間における残された間隙に前記液体による膜を閉じ込める工程と、
を含むことを特徴とする。
また、本発明の近接場露光方法は、前記基板の凹凸が、該基板表面の高さ１０ｎｍから１μｍの範囲における凹凸であることを特徴とする。
また、本発明の近接場露光方法は、前記基板上のフォトレジスト層が、前記基板の凹凸を埋める形状緩衝層と、該形状緩衝層上に形成された感光性レジスト層とによって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の近接場露光方法は、前記形状緩衝層による前記基板の凹凸の埋め込みによって、前記基板の凹凸の高低差を、上限値において露光マスクからの近接場の到達深さの１／２以下とすることを特徴とする。
また、本発明の近接場露光方法は、前記液体は、透明な液体であることを特徴とする。
また、本発明は、素子の製造方法において、上記したいずれかに記載の近接場露光方法を用いる露光工程と、
前記露光工程によって感光されたレジスト層を現像して転写マスクを形成する工程と、
前記レジスト層を現像して形成された転写マスクを用い、基板の加工を行う工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、凹凸を有する基板の影響による露光状態のばらつきを抑制することが可能となる近接場露光方法を実現することができる。

つぎに、本発明の実施の形態における近接場露光方法について説明する。
図１に、本実施の形態の近接場露光方法を説明するための図を示す。
図１（ａ）において、１０１は被加工基板であり、この被加工基板１０１にはここに至る加工プロセスの影響によって、その表面には僅かながらも凹凸が形成されたものとなっている。
本発明では、この凹凸は被加工基板１０１の表面に高さ１０ｎｍから１μｍの程度の凹凸が形成されているものを対象としている。
その際、この被加工基板１０１は、多層膜で形成されているものであっても、あるいは各種材料によるデバイス構造形成の途中のものであってもよい。

近接場露光方法を実施するに際しては、まず、このような凹凸を有する基板上に、図１（ｂ）に示すように、フォトレジスト層を形成する。
このような凹凸を有する被加工基板１０１に対しては、２層、３層などの多層レジスト法が好適である。
すなわち、被加工基板１０１上に塗布されたドライエッチングにより除去可能な下層レジスト層の上に、酸素ドライエッチング耐性を有する上層レジストが塗布された構成による２層レジスト法を用いることができる。
また、基板上に塗布されたドライエッチングにより除去可能な下層レジスト層、その上に酸素プラズマエッチング耐性層、さらにその上に感光レジスト層が塗布された構成による３層レジスト法を用いることが好ましい。

ここでは、３層レジスト法による実施形態について説明する。
１０２は非感光性の形状緩衝層である。この形状緩衝層１０２の塗布は任意の基板上に、スピンコータ、ディップコータ、ローラコータなどのような公知の塗布装置、方法を使用して行うことができる。
膜厚は用途によって自由に設定できるが、通常、ベーク後で０．１〜５μｍとなるように塗布するのが望ましい。
この形状緩衝層１０２の塗布膜は、９０〜５００℃、好ましくは１５０〜３００℃でベークされる。
なお、これらのベークには、ホットプレート、熱風乾燥機などの加熱手段を用いることができる。

このように形状緩衝層１０２を形成することで、もともとの基板表面の凹凸を埋めて高低差を小さくして、１０ｎｍ以下の高低差となるようにする。
ここで、形状緩衝層１０２の高低差の上限値は、概ね露光マスクからの近接場の到達深さの１／２以下とすることが望ましい。
近接場光の到達深さは、パターンのピッチ等によって定まるので、露光するパターンに合わせて形状緩衝層１０２の表面凹凸の上限値以下までの平坦化を行う。

次に、この形状緩衝層１０２上に、中間層１０３として酸素ドライエッチングに耐性を有する膜を形成する。
例えば、スピン・オン・グラス（ＳＯＧ）やゾルゲルプロセスによる金属酸化膜、真空製膜技術によって形成するＳｉＯｘなどが挙げられる。この層の典型的な厚さは５から５０ｎｍである。
さらに、この中間層１０３上に、感光層１０４を１０から１００ｎｍ厚で形成する。この感光層１０４には、露光に使用する波長に感度を有するフォトレジスト膜を用いる。
このフォトレジスト膜の塗布は、中間層１０３上に、スピンコータ、ディップコータ、ローラコータなどのような公知の塗布装置、方法を使用して行うことができる。

引き続いて、図１（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜上に、液体膜１０５を形成する。
液体は、フォトレジスト膜を溶かさず、またマスクを腐食させないことが必要である。
例えば、純水、液浸投影露光に用いられる高屈折率液体などが適用可能である。この液体膜の塗布には、スピンコータ、ディップコータ、ローラコータなどのような公知の塗布装置、方法を使用して行うことができる。
また、露光装置に設けた吐出装置から、液体をフォトレジスト膜上に供給してもよい。

次に、以上のようにフォトレジスト膜上に形成された液体膜１０５に対して、近接場露光マスク１０７を近づけて行く。
近接場露光マスク１０７は、少なくとも透明な母材１０８とその下面に形成された遮光膜１０９により構成されている。
遮光膜１０９には、所望のパターン形状に応じた露光波長以下のサイズの微小開口が形成されている。

図１（ｄ）に示すように、近接場露光マスク１０７をフォトレジスト膜の上部に接触させる。
図１（ｄ）に示すように、少なくともレジスト膜の高さがその周囲よりも高い部分においては、液体膜１０５を排除し、マスクとフォトレジスト膜とが直接接触するまで、近接場露光マスク１０７を、フォトレジストに近づける。
これは、例えば、近接場露光マスク１０７を取り付けた圧力容器内の圧力を増大させることによって行われる。この接触した後の様子は、図１（ｄ）Ｂ−Ｂ’上に示されている。
このとき、レジスト膜の高さがその周囲よりも低い部分では、液体膜１０５を排除しきることはできないので、近接場露光マスク１０７とフォトレジスト膜との間に液体が残されることとなる。つまり、遮光膜１０９とフォトレジスト膜との間の間隙に液体が閉じ込められた状態となる。
この様子は、図１（ｄ）Ａ−Ａ’上に示されている。１０６は、マスクとフォトレジストの間隙に閉じ込められた液体である。
この状態で、光源からの光を近接場露光マスク１０７に照射し、フォトレジスト膜に光潜像を形成する。

その後、露光された感光層１０４をＴＭＡＨ ２．３８％の水溶液にてディップ現像しパターンを形成する。
この上層レジストをエッチングマスクとして、ＳＦ₆とＣＨＦ３の混合ガスによってドライエッチングを行い、中間層１０３のＳｉＯ₂層にパターンを転写する。
さらに、この中間層をエッチングマスクとして、酸素とアルゴンの混合ガスによって、非感光性の形状緩衝層１０２をエッチングしてパターンを転写する。
上記の工程を行うことで、凹凸を有した基板に近接場露光マスクのパターンを全面に均一に形成することができる。

このような状況で露光を行ったときに、レジスト膜中で得られる光コントラストを以下のようなモデルによって解析を行った。
まず、モデルＡにおいて、Ａ−Ａ’の接触状況に対応して、つぎのように解析を行った。
すなわち、上側からマスク母材であるＳｉＮ膜、開口部を有する遮光膜であるＣｒ膜、中間にはさまれた液体層、フォトレジスト膜（１３０ｎｍ厚）、下地のシリコン基板という多層構造のモデルＡにおいて、微小開口近傍の電磁界解析を行った。
ここでは液体層の厚さを例えば１０ｎｍとした。
また、Ｂ−Ｂ’では中間に液体を介さないという接触の状況に対応して、モデルＡから中間の液体層の厚さをゼロとしたモデルＢについても解析を行った。
さらに、比較のために、中間に液体が存在せず、レジストとマスクのギャップが空気で満たされている場合（モデルＣ）についても解析した。

図２に、これらのモデルによる近接場の解析結果を示す。
ここでは、周期６４ｎｍ、開口幅１６ｎｍの微小開口がＣｒ膜に形成されているマスクを用いた露光例によるものである。
レジスト中でのマスクからの距離に対して、その深さでのコントラストをプロットしたものである。
ここで、ある深さでのコントラストＣは、その深さでの光強度の最大値Ｉ_ｍａｘと光強度の最小値Ｉ_ｍｉｎを用いて、
Ｃ＝（Ｉ_ｍａｘ−Ｉ_ｍｉｎ）／（Ｉ_ｍａｘ＋Ｉ_ｍｉｎ）
と定義される量である。
液体としては、波長３６５ｎｍの光に対して屈折率１．３４２の純水を想定している。また、フォトレジストの屈折率は１．６２８としている。
ここで、実線はモデルＡ、一点鎖線はモデルＢに対応する。一方、破線はモデルＣに対応する。
ギャップが空気に満たされているモデルＣと比べて、ギャップを水で満たした場合には、深くまでコントラストが維持されて、例えば深さ２０ｎｍにおいてもコントラスト０．５が達成されていることがわかる。
このような構成によって、近接場露光を行うことで、マスク近接場の作り出すコントラストを、レジスト中の深くまで維持することができる。これにより、現像時に溶解・非溶解の中間となる領域を小さくして、ラインエッジラフネスの小さなレジストパタンを得ることができる。

このように作製したレジストパタンを様々な材料の基板に転写することにより、１００ｎｍ以下のサイズの種々の形状の構造を形成することが可能である。
このような１００ｎｍ以下のサイズの構造の製造技術を、例えば、つぎのような（１）〜（５）の具体的素子製造等に応用することができる。
（１）５０ｎｍサイズのＧａＡｓ量子ドットを５０ｎｍ間隔で２次元で並べた構造製造に用いることによる量子ドットレーザ素子。
（２）５０ｎｍサイズの円錐状ＳｉＯ₂構造をＳｉＯ₂基板上に５０ｎｍ間隔で２次元に並べた構造製造に用いることによる光反射防止機能を有するサブ波長素子（ＳＷＳ）構造。
（３）ＧａＮや金属からなる１００ｎｍサイズの構造を１００ｎｍ間隔で２次元に周期的に並べた構造製造に用いることによるフォトニック結晶光学デバイス、プラズモン光学デバイス。
（４）５０ｎｍサイズのＡｕ微粒子をプラスティック基板上５０ｎｍ間隔で２次元に並べた構造製造に用いることによる局在プラズモン共鳴（ＬＰＲ）や表面増強ラマン分光（ＳＥＲＳ）を利用したバイオセンサやマイクロトータル解析システム（μＴＡＳ）。
（５）トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、近接場光学顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に用いられる５０ｎｍ以下のサイズの尖鋭な構造製造に用いることによるＳＰＭプローブ等のナノエレクトロメカニカルシステム（ＮＥＭＳ）素子。

以下に、本発明の実施例について説明する。
本実施例においては、基板とマスクの隙間に挟む液体層としては、水よりも屈折率が高く、感光層のレジストに近い屈折率を有する高屈折率液体を用いても良い。
図３に、屈折率１．６３の高屈折率液体を介してマスクとレジストを接触させた場合の、コントラストの解析結果を示す。
レジスト厚は１３０ｎｍとしている。
グラフ中に実線で示すように、液体が水の場合（図２の実線）と比べて、コントラスト０．５が維持される深さがさらに改善している。
また、深さ０から１５ｎｍまでの浅い領域でのコントラストが改善し、図３の１点鎖線で示す直接コンタクトの場合のコントラストのプロファイルと近づいたものとなる。

このような構成として、近接場露光を行うことで、マスク近接場の作り出すコントラストを、レジスト中の深くまで維持することができる。
また、直接接触している部位と間に液体を介した部位でのコントラストのプロファイルの差異も小さくおさえることができるので、接触状態についての制約を緩めて、プロセスの余裕度を高めることができる。

本発明の実施形態における近接場露光方法を説明する図。 本発明の実施形態における近接場露光方法による露光コントラストの解析結果を示す図。 本発明の実施例における露光コントラストの解析結果を示す図。

符号の説明

１０１：被加工基板
１０２：形状緩衝層（下層レジスト）
１０３：中間層
１０４：感光層
１０５：液体膜
１０６：閉じ込められた液体
１０７：近接場露光マスク
１０８：マスク母材
１０９：遮光膜

Claims (7)

1. 凹凸を有する基板上にフォトレジスト層を形成し、該フォトレジスト層に露光光の波長サイズ以下の微小開口を備えた遮光膜を有する露光用マスクを密着させ、露光光源から光を照射し、
   前記露光用マスクの微小開口から滲み出る近接場光を用いて露光を行う近接場露光方法において、
   前記露光用マスクを前記フォトレジスト層に密着させて露光する際、前記露光用マスクの遮光膜と前記フォトレジスト層との間に、
   前記遮光膜と前記フォトレジスト層が接触している接触領域と、前記遮光膜と前記フォトレジスト層間の間隙に液体が満されている液体領域と、を共存させて露光する工程を有することを特徴とする近接場露光方法。
2. 前記接触領域と液体領域とを共存させて露光する工程が、
   前記フォトレジスト層上に液体による膜を形成する工程と、
   前記液体膜を排除して前記遮光膜の一部が前記フォトレジスト層に直接接触するまで該遮光膜を近接させる一方、該遮光膜の近接によって前記遮光膜と前記フォトレジスト層間における残された間隙に前記液体による膜を閉じ込める工程と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の近接場露光方法。
3. 前記基板の凹凸が、該基板表面の高さ１０ｎｍから１μｍの範囲における凹凸であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の近接場露光方法。
4. 前記基板上のフォトレジスト層は、前記基板の凹凸を埋める形状緩衝層と、該形状緩衝層上に形成された感光性レジスト層とによって構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の近接場露光方法。
5. 前記形状緩衝層による前記基板の凹凸の埋め込みによって、前記基板の凹凸の高低差を、上限値において露光マスクからの近接場の到達深さの１／２以下とすることを特徴とする請求項３に記載の近接場露光方法。
6. 前記液体は、透明な液体であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の近接場露光方法。
7. 素子の製造方法において、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の近接場露光方法を用いる露光工程と、
   前記露光工程によって感光されたレジスト層を現像して転写マスクを形成する工程と、
   前記レジスト層を現像して形成された転写マスクを用い、基板の加工を行う工程と、
   を有することを特徴とする素子の製造方法。

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