JP2008091793A - 露光方法及び露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表面に凹凸のある立体サンプルにパターニングを行うに際して、サンプル内の場所に応じて部分的に、入射角度、偏光方向、露光量などの条件の最適化が可能な露光方法及び露光装置を提供する。
【解決手段】表面に凹凸のある立体サンプル１にリソグラフィー加工を行う際に、レジストを塗布してパターニングを行う露光工程において、入射光２を立体サンプル１の基板面の法線方向に対して、１０°以上６０°以下の範囲で傾斜させて露光する。このとき、立体サンプル１内の場所に応じて部分的に露光量を変えてもよい。また、偏光方向４を制御した入射光２を使用してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、リソグラフィー加工における露光方法に関するもので、最近デバイスの商品化が進みつつあるＭＥＭＳなどの、表面に深い凹凸のある立体サンプルの露光方法及び露光装置に関するものである。

半導体の製造方法は、リソグラフィー加工を基盤としている。ほぼ平面のサンプル基板を使用し、露光工程において基板にほぼ直角に入射光を照射してマスクに描かれたパターンを転写し、様々なパターンを形成することが一般的に行われている。また、基板表面に微細な凹凸が存在する場合には、焦点深度を深くして露光する方法がとられているが、パターン転写可能な深さに限界があることや、パターニングの分解能低下が避けられないという問題があった。

近年、ＭＥＭＳの普及により、基板上に立体的な構造物を構築し、デバイス化する技術が進んでいる。このため、デバイス間またはデバイス内で立体構造を越える形で、配線等のパターニングが必要になると予測される。従来方式の基板にほぼ直角に入射光を照射して露光し、回路パターンを形成する方法では、立体構造物の傾斜面に入射した光が反射して不必要な部分を露光してしまい、立体的なサンプル構造物全体で均一な照射エネルギーによるパターニングが出来ないという問題がある。

半導体微細加工技術における露光工程は、一般に、ほぼ平面のサンプルを平面のマスクパターンに平行に合わせて配置し、基板に対してほぼ垂直に露光光を照射することで、マスクにかかれた微細パターンをサンプル上に転写する。近年、この生産性の高い技術を、平面だけでなく、深い凹凸が存在する立体サンプルに拡張する試みが行われている。立体サンプルを露光するには、単に影になる領域が発生するだけでなく、平面では考慮することのなかった現象を組み入れることが必要になる。

本発明の類似技術として、入射角度は限定していないが、斜めに光を入射させるための露光装置がある（特許文献１参照）。この露光装置では、斜め入射の光線を実現するための機構を主旨としており、立体サンプル表面上に入射する光の露光エネルギー密度の均一化や表面・界面反射の抑制に対する解決法は含まれていない。

また、本発明の類似技術として、斜め露光の際に生じる、パターンの平面上でのシフト量を逆算して露光装置側で補正するものがある（特許文献２参照）。これは、パターンの位置決めに関する技術であり、露光エネルギー密度の均一化や表面・界面反射の抑制に関するものではない。
なお、平面リソグラフィにおける超解像技術である位相シフトマスクを利用すると、立体サンプルにおいても微細なパターンが転写できることが分かっている（例えば、非特許文献１参照）。

特開平１０−１５４６５８号公報 特開２０００−１２２３０２号公報 佐々木実、陳俊中エドウィン、羽根一博、「位相シフトマスクを利用した立体サンプルの露光法」、電気学会論文誌E、２００６、126-E、No.6、pp.241-242

リソグラフィー加工技術を立体サンプルに拡張する際に、平面リソグラフィー用に開発された基板面に対して垂直入射することで露光を行う装置では、立体サンプル中に露光できない領域が生じる可能性だけでなく、露光エネルギー密度が均一でないために露光ムラが生じる、表面・界面反射によりデザインしていないパターンが転写されるなどの課題があった。露光条件は、微細パターンになるほど厳しくなるため、微細パターンを形成できない事実上のボトルネックとなっている。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、立体サンプルに、立体形状がもつ基板平面と斜面（曲面では代表的な方向となる面）の法線との内角になるように露光光線の入射角を合わせることで、基板面および斜面に対する入射光の条件が互いに近づき均一化されることを利用する。これにより、入射する単位面積当たりのエネルギー密度が、垂直入射の場合よりも均一化できる。また、露光光線を斜面の法線方向に近づけることは、反射光がサンプルの別の領域に入射する可能性を低くすることもできる。立体サンプルにおいては凹形状を持つことが多いが、面の立体的な向きを利用して、光の偏光方向が反射光を生じ難いように調節することもできる。

このように本発明は、立体サンプル表面で生じる光の透過、反射特性を利用した技術である。本発明は、表面に凹凸のある立体サンプルにパターニングを行うに際して、サンプル内の場所に応じて部分的に、入射角度、偏光方向、露光量などの条件の最適化が可能な露光方法及び露光装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る露光方法は、表面に凹凸のある立体サンプルにリソグラフィー加工を行う際に、レジストを塗布してパターニングを行う露光工程において、入射光をサンプルの基板面の法線方向に対して、１０°以上６０°以下の範囲で傾斜させて露光することを、特徴とする。

また、本発明に係る露光方法は、表面に凹凸のある立体サンプルにリソグラフィー加工を行う際に、レジストを塗布してパターニングを行う露光工程において、サンプル内の場所に応じて部分的に露光量を変え、入射光をサンプルの基板面の法線方向に対して、１０°以上６０°以下の範囲で傾斜させてもよい。

本発明に係る露光方法で、前記入射光は偏光方向を制御した光であってもよい。また、本発明に係る露光方法は、表面に凹凸のある立体サンプルにリソグラフィー加工を行う際に、レジストを塗布してパターニングを行う露光工程において、位相シフトマスクを使用してもよい。本発明に係る露光方法は、表面に凹凸のある立体サンプルにリソグラフィー加工を行う際に、レジストを塗布してパターニングを行う露光工程において、光吸収体を有するマスクまたは反射防止処理をしたマスクを使用してもよい。この場合、サンプルからの反射光がマスク面で更に反射して不要なサンプル位置へ再入射するのを防止することができる。

本発明に係る露光装置は、表面に凹凸のある立体サンプルにレジストを塗布してパターニングを行う露光装置であって、入射光がサンプルの表面の法線方向に対して、１０°以上６０°以下の範囲で傾斜するように、前記入射光と前記サンプルとを相対的に傾斜させる機構を備えていることを、特徴とする。

本発明によれば、表面に凹凸のある立体サンプルにパターニングを行うに際して、サンプル内の場所に応じて部分的に、入射角度、偏光方向、露光量などの条件の最適化が可能な露光方法及び露光装置を提供することができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１に示すように、完全に均一なレジスト膜３が立体サンプル１上に用意できたと想定し、立体サンプル１には結晶異方性エッチングによって得られる角度５５°の斜面が含まれる例を考える。露光に利用する光束は、完全に平行であると仮定する。

３５°傾けた入射光２によって、深い凹部と壁面とをもつ立体サンプル１に露光光を入射したときの模式図を、図１（ａ）に示す。ここでは簡単のために、紙面奥行き方向には無限に同じ形状が続くと仮定する。図１（ａ）に示すように、入射光２の照射条件によって、立体サンプル１の表面を４つの領域に分類できることが分かる。領域Ａは、マスク１３に平行な面であり、上面と下面とが該当し、入射角３５°で露光される。この面に入射した光は、例え反射しても、サンプルの別の領域に直接入射することはない。

領域Ｂは、図１（ａ）中の左側の斜面であり、入射角２０°で露光される。この入射角が領域Ａの３５°よりも小さく垂直に近いために、単位面積当たりの入射エネルギーをより高めることができる。領域Ｄは、領域Ｂからの反射によって露光される領域であり、図１（ａ）中の右側の斜面の上部が相当する。この領域は、凹部形状の寸法によって面積が変化する。凹部形状が十分左右横方向に広いものであれば、領域Ｂからの反射光は、立体サンプル１に入射することなく上部に抜ける。しかし、応用上求められるサンプル形状の寸法では、一般に領域Ｄが生じる。領域Ｃは、図１（ａ）中の右側の斜面の下部が該当し、この領域には光が入射することは無い。このように、立体サンプル１の形状が原因して露光状態が変わる。

比較例として、従来の基板面に垂直に光を照射した場合の模式図を、図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）に示すように、入射光２の照射条件によって、５つの領域に分類できる。反射によって生じる２種類の光線を考慮する必要が生じる。一つは、図１（ｂ）中の左側の斜面で反射して直接に右側の斜面領域Ｃ’に入射する光であり、左側斜面の上部に入射した光が対応する。もう一つは、斜面に入射した後、底面に入射し、更に右側の斜面領域Ｃ’およびＤ’に入射する光であり、左側斜面の下部に入射した光が対応する。

立体サンプル１の形状に依存して各領域が形成される状態は変わるが、図１（ａ）に比べて反射が複雑に影響することが分かる。例えば、左側の斜面に転写するためのパターンが、反射によって底面や別の斜面に２次的、３次的に転写される。加えて、斜面への入射角は５５°となるため、光の性質から、レジスト膜３まで透過して入射するエネルギーは抑えられ、反射光の比率が高くなる。レジスト膜３まで透過したエネルギーであっても面が斜めになる分、単位面積当たりのエネルギーは低くなる。なお、図１（ａ）および（ｂ）においては、板状のマスク１３が書かれているが、マスクレスリソグラフィにおいても斜め露光の効果は同じである。

図１（ａ）および（ｂ）に示す各領域での露光エネルギー密度の計算結果を、表１に示す。空気の屈折率を１、レジスト膜３の屈折率を１．６８と仮定した。光はどの光線であっても、ｓとｐ偏光の２つが均一に混ざっていると仮定し、エネルギー反射率、透過率は２つの平均値で求めた。入射光２に対するエネルギー密度とは、入射光２の光軸に垂直な面での単位面積当たりの光エネルギー密度を１として計算した値である。立体サンプル１面内の相対強度とは、反射光などの影響が無いマスク１３と平行な上部平面の値を１００％とした場合の、相対的な露光エネルギー密度である。この値は、露光エネルギー密度の照度ムラを表す。

表１に示すように、垂直入射の図１（ｂ）の場合は、84〜107%の光エネルギー密度の照度ムラが生じる。立体サンプル１においては、均一な適正露光が原理的に出来ない。また、斜面でのエネルギー密度が８４％と少ない。これに対し、図１（ａ）の本発明の実施の形態の露光方法では、影になる片側の斜面（領域ＣおよびＤ）には露光されないが、35°傾けて露光すると、各面に入射するエネルギー密度の照度ムラは100〜105%に改善する。特に、斜面の方がむしろエネルギー密度を上げることが可能になる。このため、斜面にパターンを転写する際に有利になる。領域ＣおよびＤにパターンが形成されない問題は、一度Ｂ面のパターニングを済ませてから、左右対称な条件で露光することで本質的に解決できる。

なお、傾斜角度が１０°未満の場合には、一般には光の反射や透過率の変化が少ないため、十分な傾斜露光の効果が得られない。傾斜角度が６０°を超える場合には、立体サンプル１の表面にはエネルギーが透過せず反射光の影響が顕著となるため、均一なパターニングはより難しくなる。

表面に凹凸のある立体サンプル１に、露光の前工程でレジスト膜３を塗布したときのレジスト断面の一般的な模式図を、図２（ａ）に示す。図２（ａ）に示すように、実際には凸の角部にこぶができ易く、従来の垂直入射光２では、こぶの下部近傍でレジスト膜３の表面形状に対して入射角がほぼ垂直になるため、露光のための光エネルギーがレジスト中に入らない。このようなこぶがある状態で、従来の垂直光で露光したときのレジスト残部を、図２（ｂ）に示す。基本的にリソグラフィーは、レジスト膜３が有る無いの違いを利用したプロセスから成るため、レジスト残部を完全に取り除く必要がある。このため、既にパターンが転写されている領域にとっては、更にオーバ露光の条件で仕上げることになる。ある限界を越えると、オーバ露光しすぎた領域では、パターンの崩れなどが発生する。

本発明の実施の形態の斜め露光方法と従来の垂直露光方法とでパターニングを行い、レジスト残部が発生するかしないかを調べた結果を、表２に示す。○印はレジスト残部が無く完全なパターンが得られた露光量であり、×印はレジスト残部が残った不完全な露光量である。表２に示すように、実際にパターンが抜けるのに必要なエネルギーを比較すると、少なくとも５倍の差が確認された。垂直入射の場合には、立体サンプル１の表面上のほとんどの領域に対してオーバ露光の条件になる。これに対して、斜め入射では、より均一な露光条件にできる。この結果から、たとえ斜め入射露光を±35°で２回行っても、垂直露光よりも均一性の良いパターニングが可能になることも分かる。

図１において影響する反射光の種類が減ることからも分かるように、斜め露光それ自体にも反射光の悪影響を減らす効果がある。更に、斜め露光時の光を偏光制御してパターニングした結果を、図３（ａ）に示す。立体サンプル１は、斜面４つで囲まれた凹型形状である。図３（ｂ）に、立体サンプル１の斜面３つと、露光光線（入射光２）の軌跡と偏光方向４（電界の方向）とを示す。マスクパターンは、平行なラインアンドスペースであり面Ａに転写することを目的とした。図３（ａ）に示す結果は、特定の電界の振動方向（面Ｂに対してｐ偏光）の光を利用した場合である。

比較のため、偏光制御しないでパターニングした結果を、図３（ｃ）に示す。偏光方向４は、ｓとｐ偏光の両方が混じっている。図３（ｄ）に示すように、互いに接する面Ｂからの反射光が、面Ａに斜めのパターンを発生させている。このため、図３（ｃ）に示すように、ラインアンドスペースのパターンが一部崩れている。これに対し、図３（ａ）に示すように、偏光制御を利用すると、反射光の悪影響をなくすことが出来る。壁面が近接して反射光の影響を受け易いのは、アスペクト比が高い構造であり、実際のデバイスで要求される構造であると考えられる。

位相シフトマスク１３ａの原理を、図４（ａ）に示す。微細なパターンほど、オーバ露光になるとパターンが崩れ易く、適正な露光条件範囲が狭くなる。このため、レジスト残部が生じることなく、微細なパターンを立体サンプル１全体にわたって得ることは難しくなる。これに対し、位相シフトマスク１３ａと斜め露光とを組み合わせると、微細なパターンであってもより均一な露光によるパターン転写が可能となる。

図４（ａ）に示すように、空気とは異なる屈折率をもつガラスなどの透明材料の段差が、位相シフトマスク１３ａ中にある。段差をはさんで隣接する光は、回折によって互いに重なり合うが、その際に位相差が１８０°生じるように段差ｄを設計できる。光は、互いに干渉して打ち消しあい暗部を形成する。互いに打ち消しあう位相条件は、光が伝搬し続けても変化することは無いため、立体サンプル１のパターニングに適する。位相シフトマスク１３ａと斜め露光とを組み合わせた模式図を、図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）においては、板状の位相シフトマスク１３ａが書かれているが、マスクレスリソグラフィにおいても斜め露光の効果は同じである。暗部を灰色点線で示す。

立体サンプル１からの反射光がマスク面で更に反射し、不要なサンプル位置へ再入射するのを防止する、光吸収体を有するマスク１３や反射防止処理をしたマスク１３を使用する露光方法の一例を、図５に示す。図５に示す例では、露光光がサンプル斜面に２回反射するとマスク面にもう一度入射する。マスク面で更に反射が生じると、図５に点線で示すように、反射光が更に立体サンプル１の別の表面に入射することになる。反射防止処理により、光が効率よく通り抜けたり吸収されたりする反射防止膜５をマスク面に施すことで、この影響を無くすことができる。

本発明の実施の形態の露光装置の構成概略図の一例を、図６に示す。図６に示すように、光照射部１１は、光源であるランプ２１とランプ２１からの光を反射する凹面ミラー２２とを備え、マスクステージ１２に保持されパターンが形成されているマスク１３を介して、ワークステージ１４に載置された立体サンプル１に光を照射する。ワークステージ１４は、傾斜機構２３を備えており、入射光が立体サンプル１の表面の法線方向に対して、１０°以上６０°以下の範囲になるように、立体サンプル１を傾斜させる。立体サンプル１には、レジストが塗布されており、入射光によりマスク１３のパターンが露光される。

なお、図６に示す例では、マスク１３と立体サンプル１との間に広いギャップが生じるが、マスク１３と立体サンプル１とを一緒に斜めに傾ける構成も可能である。また、図６に示す露光装置の構成例では、立体サンプル１の側を傾斜させるように示したが、入射光側を傾斜させるよう構成されていても良い。

（ａ）本発明の実施の形態の露光方法の、３５°傾けた入射光により、角度５５°の斜面が含まれる凹形状をもつ立体サンプルを露光する状態を示す断面図、（ｂ）従来の基板面に垂直な入射光により、角度５５°の斜面が含まれる凹形状をもつ立体サンプルを露光する状態を示す断面図である。 立体サンプルにレジストを塗布したときの状態を示す（ａ）断面図、（ｂ）従来の垂直光で露光した状態を示す斜視図である。 本発明の実施の形態の露光方法の（ａ）偏光制御して露光した状態を示す斜視図、（ｂ）（ａ）のときの露光光線の軌跡と偏光方向とを示す斜視図、（ｃ）偏光制御しないで露光した状態を示す斜視図、（ｄ）（ｃ）のときの露光光線の軌跡と偏光方向とを示す斜視図である。 （ａ）位相シフトマスクの原理を示す断面図およびグラフ、（ｂ）本発明の実施の形態の露光方法と位相シフトマスクとを組み合わせて露光する状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態の露光方法の、光吸収体を有するマスクや反射防止処理をしたマスクを使用して露光する状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態の露光装置の構成概略の一例を示す正面図である。

符号の説明

１ 立体サンプル
２ 入射光
３ レジスト膜
４ 偏光方向
５ 反射防止膜
１１ 光照射部
１２ マスクステージ
１３ マスク
１３ａ 位相シフトマスク
１４ ワークステージ
２１ ランプ
２２ 凹面ミラー
２３ 傾斜機構

Claims (6)

1. 表面に凹凸のある立体サンプルにリソグラフィー加工を行う際に、レジストを塗布してパターニングを行う露光工程において、入射光をサンプルの基板面の法線方向に対して、１０°以上６０°以下の範囲で傾斜させて露光することを、特徴とする露光方法。
2. 表面に凹凸のある立体サンプルにリソグラフィー加工を行う際に、レジストを塗布してパターニングを行う露光工程において、サンプル内の場所に応じて部分的に露光量を変え、入射光をサンプルの基板面の法線方向に対して、１０°以上６０°以下の範囲で傾斜させることを、特徴とする露光方法。
3. 前記入射光は偏光方向を制御した光であることを、特徴とする請求項１または２記載の露光方法。
4. 表面に凹凸のある立体サンプルにリソグラフィー加工を行う際に、レジストを塗布してパターニングを行う露光工程において、位相シフトマスクを使用することを、特徴とする請求項１、２または３記載の露光方法。
5. 表面に凹凸のある立体サンプルにリソグラフィー加工を行う際に、レジストを塗布してパターニングを行う露光工程において、光吸収体を有するマスクまたは反射防止処理をしたマスクを使用することを、特徴とする請求項１、２、３または４記載の露光方法。
6. 表面に凹凸のある立体サンプルにレジストを塗布してパターニングを行う露光装置であって、入射光がサンプルの表面の法線方向に対して、１０°以上６０°以下の範囲で傾斜するように、前記入射光と前記サンプルとを相対的に傾斜させる機構を備えていることを、特徴とする露光装置。