JP2013201356A - 露光方法及びパターン形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガイドを精度良く形成し、所望のミクロ相分離パターンが得られるパターン形成方法を提供する。
【解決手段】本実施形態のパターン形成方法は、照明光を、開口の中心が二次元六方格子で記述できる周期パターンが形成されているフォトマスクに照射し、投影光学系を介して前記フォトマスクからの回折光を基板上に投影して露光する。前記照明は第１〜第３発光領域を有し、前記フォトマスクには、第１開口と、前記第１開口を中心とした正六角形の頂点位置に中心位置を持つ第２〜第７開口とが設けられている。照明光がフォトマスクに入射する方向は、前記第１開口、前記第２、第４、第６開口、及び光軸で定まる３つの平面上にあって、前記光軸に対して角度ｓｉｎ^−１（２λ／３Ｐｎ）をなす方向を含む。λは光の波長、Ｐは前記第１開口の中心と前記第２〜第７開口の中心との間隔の基板上換算値、ｎは投影光学系と基板との間の媒質の屈折率である。
【選択図】図１３

Description

本発明の実施形態は、露光方法及びパターン形成方法に関する。

半導体素子の製造工程中のリソグラフィ技術として、ＡｒＦ液浸露光によるダブルパターニング技術、ＥＵＶリソグラフィ、ナノインプリント等が知られている。従来のリソグラフィ技術は、パターンの微細化に伴い、コストの増加、スループットの低下など、様々な問題を含んでいた。

このような状況下で、リソグラフィ技術への自己組織化（DSA: Directed Self-assembly）の適用が期待されている。自己組織化は、エネルギー安定という自発的な挙動によって発生することから、寸法精度の高いパターンを形成できる。特に、高分子ブロック共重合体のミクロ相分離を利用する技術は、簡便な塗布とアニールプロセスで、数〜数百ｎｍの種々の形状の周期構造を形成できる。高分子ブロック共重合体のブロックの組成比によって球状（スフィア）、柱状（シリンダー）、層状（ラメラ）等に形態を変え、分子量によってサイズを変えることにより、様々な寸法のドットパターン、ホール又はピラーパターン、ラインパターン等を形成することができる。

ＤＳＡを用いて所望のパターンを広範囲に形成するためには、自己組織化により形成されるポリマー相の発生位置を制御するガイドを設ける必要がある。ガイドとしては、凹凸構造を有し、凹部にミクロ相分離パターンを形成する物理ガイド（grapho-epitaxy）と、ＤＳＡ材料の下層に形成され、その表面エネルギーの違いに基づいてミクロ相分離パターンの形成位置を制御する化学ガイド（chemical-guide）とが知られている。

しかし、ガイドの形成位置や大きさが所望の位置やサイズからずれると、ミクロ相分離パターンのポリマー相の発生位置がずれたり、ミクロ相分離パターンの周期が乱れたりして、所望のパターンが得られないという問題があった。

N. Shiraishi et al., Proc. of SPIE, vol. 1674, pp.741 (1992) M. Noguchi et al., Proc. of SPIE, vol. 1674, pp.92 (1992)

本発明は、ブロックコポリマーを規則配列させるためのガイドを精度良く形成し、所望のミクロ相分離パターンが得られる露光方法及びパターン形成方法を提供することを目的とする。

本実施形態によれば、パターン形成方法は、照明光源面からの照明光を、開口の中心が二次元六方格子で記述できる周期パターンが形成されているフォトマスクに照射し、投影光学系を介して前記フォトマスクからの回折光を基板上に投影して露光することで、六方格子上にパターン中心が存在する周期パターンを基板上に形成するものである。このパターン形成方法では、前記照明は発光する第１〜第３発光領域を有し、前記フォトマスクの開口の１つを第１開口とし、前記第１開口を中心とした正六角形の頂点位置に中心位置を持つ開口を順に第２〜第７開口とすると、前記第１〜第３発光領域からの光が前記フォトマスクへ入射する方向は、前記第１開口の中心、前記第２開口の中心、及び光軸で定まる第１平面上と、前記第１開口の中心、前記第４開口の中心、及び前記光軸で定まる第２平面上と、前記第１開口の中心、前記第６開口の中心、及び前記光軸で定まる第３平面上にあって、光の波長をλ、前記第１開口の中心と前記第２〜第７開口の中心との間隔を基板上の寸法に換算した寸法をＰ、前記投影光学系と前記基板との間の媒質の屈折率をｎとしたとき、前記光軸に対して角度ｓｉｎ^−１（２λ／３Ｐｎ）をなす方向を含んでいる。

化学ガイドを用いて、自己組織化材料のミクロ相分離パターンを形成する方法の一例を説明する工程断面図である。 化学ガイド及びミクロ相分離パターンの一例を示す図である。 通常照明を用いて、一次元Ｌ＆Ｓパターンからなるマスクに照明光が照射される際の露光装置内での光束を示す図である。 通常照明形状の一例を示す図である。 通常照明の場合の、投影レンズ瞳に相当する面での回折光の分布の一例を示す図である。 斜入射照明（二重極照明）を用いて、一次元Ｌ＆Ｓパターンからなるマスクに照明光が照射される際の露光装置内での光束を示す概略構成図である。 二重極照明形状の一例を示す図である。 二重極照明の場合の、投影レンズの瞳面での回折光の分布の一例を示す図である。 四重極照明形状の一例を示す図である。 開口の中心が二次元六方格子上にある周期パターンをもったフォトマスクの一例を示す図である。 図９の照明と図１０のマスクを使用した場合の、投影レンズの瞳面での回折光の分布の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る露光方法の露光装置内での光束を示す図である。 第１の実施形態による照明形状を示す図である。 第１の実施形態によるフォトマスクを示す図である。 第１の実施形態による投影レンズの瞳面での回折光の分布を示す図である。 シミュレーションに用いたマスクのユニットを示す図である。 第１の実施形態における、ウェーハ上での光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 第１の実施形態における、マージンカーブを示すグラフである。 比較例における、ウェーハ上での光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 比較例における、マージンカーブを示すグラフである。 第２の実施形態による照明形状を示す図である。 投影レンズの瞳面での回折光の分布を示す図である。 第２の実施形態における、ウェーハ上での光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 第２の実施形態における、マージンカーブを示すグラフである。 第３の実施形態によるパターン形成方法を説明する工程断面図である。 第４の実施形態によるパターン形成方法を説明する工程断面図である。 第５の実施形態によるパターン形成方法を説明する工程断面図である。 第５の実施形態によるパターン形成方法を説明する工程断面図である。 第５の実施形態の変形例によるパターン形成方法を説明する工程断面図である。 第６の実施形態によるパターン形成方法を説明する工程断面図である。 第６の実施形態によるパターン形成方法を説明する上面図である。 第７の実施形態によるパターン形成方法を説明する工程断面図である。 第７の実施形態によるパターン形成方法を説明する上面図である。 第８の実施形態によるパターン形成方法を説明する工程断面図である。 第８の実施形態によるパターン形成方法を説明する上面図である。 第８の実施形態によるパターン形成方法を説明する工程断面図である。 第８の実施形態によるパターン形成方法を説明する工程断面図である。 第８の実施形態によるパターン形成方法を説明する工程断面図である。 第８の実施形態によるパターン形成方法を説明する上面図である。

図１、２を用いて、六方格子からなる化学ガイドパターンを形成し、ブロックコポリマーのミクロ相分離パターンを形成する方法の一例について説明する。図２中に記載したＡ−Ａ’断面が図１である。

図１（ａ）に示すように、基板１０１上に中性化膜１０２を形成し、中性化膜１０２上に反射防止膜１０３及びレジスト膜１０４を順に形成する。中性化膜１０２は、後の工程で塗布されるブロックポリマーを構成するポリマーの中間の表面エネルギーを有している。反射防止膜１０３は、中性化膜１０２や基板１０１からの反射が十分低ければ、省略してもよい。

次に、図１（ｂ）に示すように、リソグラフィーによりレジスト膜１０４で所望のパターンを形成する。

次に、図１（ｃ）に示すように、レジスト膜１０４をマスクにして反射防止膜１０３及び中性化膜１０２をエッチングし、中性化膜１０２にレジストパターンを転写する。そして、レジスト膜１０４及び反射防止膜１０３を除去する。これにより、基板１０１及び中性化膜１０２からなる化学ガイドが得られる。

このときの上面図が図２（ａ）である。シリンダーを垂直配列させる場合やスフィアを１層形成する場合は、ブロックコポリマーパターンは六方格子が安定である。このため、化学ガイドは６０°回転対象の必要がある。図２（ａ）に示すように、基板１０１の表面が露出した領域（ピニング層）の中心は、二次元六方格子上にのった周期パターンとなる。（言い換えれば、ピニング層の中心は、正六角形の中心および頂点にあり、それが繰り返された周期パターンとなる。）
また、規則配列させるためには、ガイドパターン周期Ｐはブロックコポリマーのミクロ相分離パターン周期ｐの整数倍になる必要がある。ここではガイドパターン周期Ｐがミクロ相分離パターン周期ｐの２倍になるように設定した。また、ピニング層の径はミクロ相分離パターンの半周期と略同一である。

次に、図１（ｄ）に示すように、基板１０１及び中性化膜１０２上にブロックコポリマー１０５を塗布する。塗布するブロックコポリマーは、例えば、第１ポリマーブロック鎖及び第２ポリマーブロック鎖が結合したジブロックコポリマーを用いる。ジブロックコポリマーとしては、例えば、ポリスチレン（ＰＳ）とポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）のブロック共重合体を使用することができる。ＰＳとＰＭＭＡの組成を調整することで、シリンダー構造をとることができる。ＰＳ−ＰＭＭＡの場合は体積分率でＰＳが約７０％で、シリンダー構造をとる。

次に、図１（ｅ）、図２（ｂ）に示すように、ブロックコポリマー１０５を加熱して、ミクロ相分離パターン１０６を形成する。ミクロ相分離パターン１０６は、第１ポリマーブロック鎖からなる第１ポリマー部１０６ａと第２ポリマーブロック鎖からなる第２ポリマー部１０６ｂとが相分離して、シリンダーパターンを形成する。この例では、基板１０１と第１ポリマーブロック鎖の親和性が、基板１０１と第２ポリマーブロック鎖の親和性より高く、基板１０１が第１ポリマー部１０６ａを固定（ピニング）するピニング層となる。このため、基板１０１上に第１ポリマー部１０６ａが形成される。また、化学ガイドのパターン周期が、ミクロ相分離パターン１０６のパターン周期の２倍になるように設定している。これにより、図２（ｂ）に示すように、固定された第１ポリマー部１０６ａ＿１の間の中性化膜１０２上に、第１ポリマー部１０６ａ＿２が補間的に形成される。この結果、ミクロ相分離パターンは６０°回転対称で、第１ポリマー部１０６ａの中心が二次元六方格子上にのるように、周期的に配列する。

例えば、ブロックコポリマー１０５がポリスチレン（ＰＳ）とポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）のブロック共重合体であり、基板１０１がシリコン基板の場合、シリコン基板は表面エネルギーが高く、ＰＭＭＡとの親和性が高い。このため、ＰＭＭＡはミクロ相分離の際、基板１０１上に選択的に形成される。つまり、第１ポリマー部１０６ａがＰＭＭＡに対応し、第２ポリマー部１０６ｂがＰＳに対応する。

このようなミクロ相分離パターン１０６を得るには、図１（ｂ）に示す工程において、図２（ａ）に示すような化学ガイドに対応するレジストパターンを形成する必要がある。レジスト膜１０４のパターニングには、紫外光や、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ（extreme ultraviolet）光を用いた露光装置、ＥＢ描画装置が用いられている。露光装置は高価であり、リソグラフィのコストに大きな影響を及ぼす。より微細なパターンを形成するためにはより高価な露光装置が必要となる。上記に述べたように、ブロックコポリマーパターンは露光装置の解像性能の１／整数の解像性能が得られる。露光装置の解像性能を最大限に利用して、安価な露光装置を用いてガイドパターンが形成できれば、ブロックコポリマーを使うことで低コストのパターニングが可能である。

安価な露光のためには光露光装置（紫外光やＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ光を用いた露光装置）を用いることが望ましい。特に、解像性能を向上させるために、斜入射照明が使われており、二光束干渉を利用した二重極照明や四重極照明が使われている。これを、説明を簡単にするため、一次元周期パターンであるラインアンドスペース（Ｌ＆Ｓ）パターンを使って説明する。

図３は、通常照明の場合の露光装置の模式図である。図中にはＬ＆Ｓパターンを持つマスクを通常照明で照明した場合の照明光および回折光の光束を示している。露光装置は、パターンが形成されたフォトマスク１１２に照明光学系１１１を介して光を照射する照明１１０と、フォトマスク１１２のパターンから発生した光が入射し、このパターンの像をウェーハ１１４のレジスト膜上に結像投影する投影光学系（投影レンズ）１１３とを備えている。

図３に示す露光装置の照明１１０は、図４に示すように、照明１１０の中心部に発光領域１１０ａが設けられた通常照明である。そのため、図３に示すように、照明光学系１１１を通過した照明光は、光軸１１５に沿った（光軸１１５と０°の角度をなす）垂直照明光としてフォトマスク１１２に入射する。

照明光はフォトマスク１１２のマスクパターンにより回折される。Ｌ＆Ｓパターンはラインの走る方向とは垂直の方向に１次元の周期性をもつ（図３に単位格子を記載）ので、Ｌ＆Ｓパターンのラインの走る方向とは垂直な方向に±１次光が出る。回折光が投影光学系１１３の瞳面を通過し、ウェーハ１１４上で結像して干渉パターンを形成する。フォトマスク１１２に限界解像付近のラインアンドスペースパターンが形成されているので、投影レンズの瞳面での回折光は、図５に示すような分布を示す。すなわち、０次回折光、＋１次回折光、及び−１次回折光が瞳面を通過し、ウェーハ１１４上で干渉パターンを形成する。すなわち、０次回折光、＋１次回折光、及び−１次回折光による３光束干渉となる。投影レンズ瞳の半径（σ値）を１に規格化すると、０次回折光と±１次回折光との距離はλ／（Ｐ×ＮＡ）となる。ここで、λは照明光の波長、Ｐはパターン間隔の基板上寸法（ウェーハ上に形成されるラインアンドスペースパターンの間隔）、ＮＡは投影レンズの開口数である。光の干渉を起こしてウェーハ１１４上で像を形成するには、０次回折光だけでなく、±１次回折光も投影レンズ瞳の有効領域（図５の単位円）内に収める必要があるため、λ／（Ｐ×ＮＡ）≦１とする必要がある。従って、図４のような照明形状では、パターン間隔の基板上寸法Ｐがλ／ＮＡより小さくなると、結像できなくなる。

図６は斜入射照明の場合の、露光装置内での光束を示す。図６に示す露光装置は、照明１２０以外は図４に示す露光装置と同じであるため、同じ参照番号を付して説明を省略する。

斜入射照明の発光領域は、照明の中心（光軸）から偏心した位置に設けられている。斜入射照明の一例が、図７に示すような、２つの発光領域１２０ａ、１２０ｂを有する二重極照明である。発光領域１２０ａと発光領域１２０ｂとは、照明１２０の中心に対して互いに対称となる位置に設けられている。

この場合は、照明光を光軸からθ’の角度からフォトマスクに斜めに入射させる。１次元の周期性を持つＬ＆Ｓパターンにおいては、通常照明同様の回折光が得られるが、マスク面に対して照明光が斜めに入射するために、回折光は移動する。図８は投影レンズの瞳面上での回折光を示している。０次光と１次光の間隔は通常照明と同じであるが、瞳と回折光の相対位置がずれることがわかる。回折光のずれ量はフォトマスクへの照明光の入射角θ’、照明の発光領域の位置で決まる。対象性を得るためにはθ’がsin^-1（λ/（２P×n））である必要がある。ｎは投影光学系１１３とウェーハ１１４との間の媒質の屈折率である。また、発光領域の位置は照明の径を１とすると、照明の中心からλ/（２P×NA）の位置にある必要がある。

このような斜入射照明では、図８に示すように、０次回折光と、＋１次回折光及び−１次回折光のうちいずれか一方との２つの回折光が瞳面を通過する２光束干渉となる。上述したように、投影レンズ瞳の半径（σ値）を１に規格化すると、０次回折光と±１次回折光の距離はλ／（Ｐ×ＮＡ）である。従って、０次回折光と、＋１次回折光又は−１次回折光とを投影レンズ瞳の有効領域（図８の単位円）内に収めるには、λ／（２Ｐ×ＮＡ）≦１とすればよい。すなわち、図６〜図８に示す斜入射照明は、図３〜図５に示す通常照明と比較して、半分の寸法まで結像させることができる。

図示していないが、発光領域１２０ｂからの照明光は、フォトマスク１１２に対して、光軸１１５と角度θ’をなして入射し、０次回折光と−１次回折光が投影光学系１１３の瞳面を通過する。ウェーハ１１４上では、発光領域１２０ａからの照明光により形成された干渉パターンと、発光領域１２０ｂからの照明光により形成された干渉パターンとが重ね合わされて、像が形成される。

二重極照明以外の斜入射照明としては、輪帯照明や四重極照明が知られている。輪帯照明では任意方向に回転したパターンに対して２光束干渉を実現できる。また、四重極照明はＸＹ方向のパターンに対して用いられる。

図９に示すように、四重極照明１３０は、４つの発光領域１３０ａ〜１３０ｄを有している。照明１３０を円形とした場合、発光領域１３０ａ〜１３０ｄは、同一円周上に等間隔（９０°間隔）に設けられている。このように四重極照明１３０は、４つの発光領域１３０ａ〜１３０ｄがＸＹ軸（直交する２軸）上に設けられており、ＸＹ方向に周期性をもつパターンの結像に適している。

次に、四重極照明１３０を用いて、図２（ａ）のようなパターンを露光する場合の問題点について説明する。図２（ａ）のようなパターンを露光する場合に使用されるフォトマスクの一例を図１０に示す。図１０に示すように、フォトマスク１３２は、二次元六方格子上に開口の中心を持つ６０°回転対象の周期パターンである。開口の１つ、開口１３２ａを中心とした六角形（正六角形）の頂点位置に中心を持つ開口１３２ｂ〜１３２ｇが存在する。開口１３２ａ〜１３２ｇは、遮光領域（非透明領域）１３２ｈによって囲まれている。遮光領域１３２ｈは、例えばクロム膜が形成された遮光領域、あるいは、例えばモリブデンシリサイド膜が形成された半透明のハーフトーン位相シフト領域である。開口１３２ａ〜１３２ｇは互いに同一形状、同一寸法である。

四重極照明１３０からの照明光が、フォトマスク１３２に照射されると、マスク上の六方格子の単位格子(互いに１２０°の角度をなす)を９０°回転させた方向に回折格子がとび、回折光の最短距離は2λ/（√3×P×NA）になる。上記でＬ＆Ｓパターンマスクを使って二重極照明の場合を考えたのと同様に、照明光をマスク面に対して斜めに入射させることで、回折光は偏向する。このときの投影レンズの瞳面での回折光と瞳の関係は、図１１に示すようになる。露光パターンの間隔が微小な場合、図１１に示すように、投影レンズ瞳の有効領域１４１、１４２内には２つの回折光が含まれるが、有効領域１４３、１４４内には回折光が１つしか含まれない。すなわち、横方向は結像するが、縦方向は結像しないか、結像したとしても寸法が横方向と変わって歪んでしまったり、横方向と比較して露光マージンが極めて小さくなったりする。このことは、露光パターンの間隔を大きくしたり、露光装置のＮＡ（開口数）を大きくしたりすることで回避できる。しかし、露光パターンの間隔を大きくすると、デバイス占有面積が大きくなり、コストが増加する。また、露光装置には装置固有の最大ＮＡが決まっているため、ＮＡを大きくすることで、高価な露光装置を新たに準備する必要が生じ、コストが増加する。

以下の実施形態においては、上記のような課題を解決することができる。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）本実施形態に係る露光方法は、図１０に示すようなフォトマスク１３２を用いて図２（ａ）のようなパターンを露光するにあたり、３光束干渉を使用する。３光束干渉は、３つの回折光を使ってウェーハ上に干渉パターンを形成するものである。

図１２は、本実施形態に係る照明を用いた場合の光束を示している。露光装置は、パターンが形成されたフォトマスク２１２に照明光学系２１１を介して光を照射する照明２１０と、フォトマスク２１２のパターンから発生した光が入射し、このパターンの像をウェーハ２１４のレジスト膜上に結像投影する投影光学系（投影レンズ）２１３とを備えている。この露光装置は、図１（ｂ）に示す工程で使用される。ウェーハ２１４は図１の基板１０１に対応している。

図１２に示す露光装置の照明２１０は、図１３に示すように、３つの発光領域２１０ａ〜２１０ｃを有した三重極照明である。発光領域２１０ａ〜２１０ｃは、照明２１０の中心点を中心とした円周上に１２０°間隔で設けられている。照明の径を１とすると、照明の中心と発光領域の中心の距離は２λ/（３Ｐ×ＮＡ）である。

図１４に、フォトマスク２１２の概略構成を示す。フォトマスク２１２は、二次元六方格子上に開口の中心を持つ６０°回転対象の周期パターンである。開口の１つである開口２１２ａと、開口２１２ａを中心とした六角形（正六角形）の頂点位置に中心位置を持つ開口２１２ｂ〜２１２ｇが存在している。すなわち、開口２１２ｃは、開口２１２ａを中心に開口２１２ｂを６０°回転させた位置に設けられている。また、開口２１２ｄは、開口２１２ａを中心に開口２１２ｃを６０°回転させた位置に設けられている。また、開口２１２ｅは、開口２１２ａを中心に開口２１２ｄを６０°回転させた位置に設けられている。また、開口２１２ｆは、開口２１２ａを中心に開口２１２ｅを６０°回転させた位置に設けられている。また、開口２１２ｇは、開口２１２ａを中心に開口２１２ｆを６０°回転させた位置に設けられている。また、開口２１２ｂは、開口２１２ａを中心に開口２１２ｇを６０°回転させた位置に設けられている。このように、開口２１２ｂ〜２１２ｇは、開口２１２ａを中心とした円周上に等間隔に（６０°間隔で）設けられている。

開口２１２ａ〜２１２ｇは、遮光領域（非透明領域）２１２ｈによって囲まれている。遮光領域２１２ｈは、例えばクロム膜が形成された遮光領域、あるいは、例えばモリブデンシリサイド膜が形成された半透明のハーフトーン位相シフト領域である。フォトマスク２１２は例えばクオーツ基板からなり、開口２１２ａ〜２１２ｇは遮光領域２１２ｈとなるクロム膜やモリブデンシリサイド膜が形成されていない領域に対応する。開口２１２ａ〜２１２ｇは互いに同一形状、同一寸法である。開口２１２ａ〜２１２ｇの寸法は、プロセス条件や露光条件により最適な値を選択する。

開口２１２ａの中心と開口２１２ｂ〜２１２ｇの中心との間隔をｄ、露光装置の倍率を１／ｍ（一般に露光装置は縮小光学系であり、ｍは１より大きい整数）とすると、図１（ｃ）及び図２（ａ）に示す化学ガイドのパターンピッチＰはｄ／ｍとなる。また、化学ガイドのパターンピッチＰは、図１（ｅ）及び図２（ｂ）に示すミクロ相分離パターン１０６のパターンピッチｐのｋ倍となる。例えば図１（ｅ）及び図２（ｂ）に示す例ではｋ＝２である。

照明光が、フォトマスク２１２に照射されると、フォトマスク上の六方格子の単位格子(互いに１２０°の角度をなす)を９０°回転させた方向に回折格子がとび、回折光の最短距離は２λ/（（√３）×Ｐ×ＮＡ）になる。これを図１５に示す。回折光の位置は図１１と同じである。回折光の位置はフォトマスク上で開口の周期が同じであれば、開口のサイズには依存しない。

本実施形態では、発光領域２１０ａ〜２１０ｃからの照明光がフォトマスクに入射する方向は、開口２１２ａの中心、開口２１２ｂの中心、及び光軸２１５で定まる平面上と、開口２１２ａの中心、開口２１２ｄの中心、及び光軸２１５で定まる平面上と、開口２１２ａの中心、開口２１２ｆの中心、及び光軸２１５で定まる平面上にあって、光軸２１５に対して角度θをなす方向を含む。すなわち、発光領域２１０ａ〜２１０ｃからの照明光が、開口２１２ａの中心と、開口２１２ａを中心とした円周上に１２０°間隔に設けられた開口２１２ｂ、２１２ｄ、及び２１２ｆの中心と、光軸２１５で定まる３平面上にあり、光軸２１５に対して角度θをなしてフォトマスク２１２に入射するようにする。ここで、角度θはθ＝ｓｉｎ^−１（２λ／３Ｐｎ）を満たす。ｎは、投影光学系２１３とウェーハ２１４との間の媒質の屈折率であり、λは照明光の波長である。

また、このとき、図１３に示すように、発光領域２１０ａ〜２１０ｃは、照明２１０の中心から２λ／（３Ｐ・ＮＡ）に位置している。ＮＡは露光装置の（投影レンズの）開口数である。

このような照明２１０からの照明光が、上述した３平面上において、光軸２１５に対して角度θをなしてフォトマスク２１２に入射すると、照明光はフォトマスク２１２のマスクパターンにより回折され、回折光が投影光学系２１３の瞳面を通過する。

図１５は、投影レンズの瞳面での回折光の分布を示す。回折光は２λ／（３Ｐ・ＮＡ）だけ偏向されており、投影レンズ瞳の有効領域２４１〜２４３内に３つの回折光を位置させることができる。投影レンズ瞳の有効領域２４１〜２４３は、それぞれ発光領域２１０ａ〜２１０ｃに対応している。これら３つの回折光干渉周期パターンが重ねあわされて、ウェーハ２１４上の光学像となり、ウェーハ２１４上のレジスト（図１（ｂ）のレジスト膜１０４）が露光される。

本実施形態による露光装置を用いて形成される光学像のシミュレーションを行った。フォトマスク２１２は、６%のハーフトーン位相シフトマスクとし、化学ガイドのパターンピッチＰを１０６ｎｍ、レジスト膜１０４に形成されるホールの１辺の長さを５３ｎｍとした。なお、露光装置の倍率を１／４（すなわちｍ＝４）としたので、フォトマスク２１２における開口２１２ａの中心と開口２１２ｂ〜２１２ｇの中心との間隔ｄは４２４ｎｍ、開口２１２ａ〜２１２ｇの１辺の長さは２１２ｎｍとなる。

図１６はシミュレーションに用いたマスクのユニットを示している。長方形のマスクユニット１７０の対角線がマスクパターンの２周期に相当し、マスクユニット１７０の縦の辺がマスクパターンの１周期に相当する。このマスクユニット１７０を繰り返すことで、フォトマスク２１２に対応したマスクデータを作成できる。

また、露光装置のＮＡを１．３５、発光領域２１０ａ〜２１０ｃは円形で、照明２１０の径を１とした場合の、発光領域２１０ａ〜２１０ｃの径を０．１とした。また、発光領域２１０ａ〜２１０ｃの中心位置は、照明２１０の中心から、０．９０とした。これは上述した２λ／（３Ｐ・ＮＡ）から求めたものである。円形の発光領域２１０ａ〜２１０ｃの径が０．１であるため、回折光は中心位置から０．１の広がりを持つ。これらは、すべての回折光が投影レンズ瞳を通過する限界条件である。

図１７は、マスクユニット１７０に対応したウェーハ上での光強度分布のシミュレーション結果を示している。図１７から分かるように、本実施形態によれば、縦方向と横方向とで寸法差がほとんどなく、結像させることができる。

図１８は、ターゲット寸法の２０％を許容寸法として、許容される露光量余裕度と焦点位置をそれぞれｘ軸、ｙ軸にとってグラフ化し、露光量余裕度に対して焦点深度がいくつ取れるか計算したものをプロットしたマージンカーブを示している。ｘ軸、ｙ軸、及びマージンカーブに囲まれた面積が広いほど、露光マージンが広い。マージンカーブの＃１、＃２、＃３はそれぞれ図１７の＃１、＃２、＃３の方向に対応している。本実施形態によれば、０．１μｍの焦点深度を取るのに、露光量余裕度は８％程度あり、レジストのパターニングが十分可能であることが分かる。

次に、比較例として、図９に示すような四重極照明１３０を使用して露光を行った場合のウェーハ上での光強度分布のシミュレーション結果を図１９に示す。発光領域１３０ａ〜１３０ｄの中心位置は、照明の中心から、０．７８とした。これは、λ／（（√３）Ｐ・ＮＡ）に相当する。その他の条件は上述したものと同じである。この場合、図１１の上側と下側の回折光は、瞳の中心から０．９７の位置にあり、回折光が０．１の径をもって広がっているため、回折光の一部は瞳を通過しない。そのため、図１９に示すように、横方向で幅が狭く、縦方向で幅が広くなり、レジストパターンが縦方向と横方向とで寸法が変わり、歪んでいることがわかる。

図２０は、四重極照明１３０を使用した場合のマージンカーブを示している。図２０から、露光マージンに異方性があり、縦方向では０．１μｍの焦点深度を取る場合に、露光量余裕度がほとんどないことが分かる。

このように、本実施形態によれば、三重極照明２１０の発光領域２１０ａ〜２１０ｃからの照明光は、開口２１２ａの中心と、開口２１２ａを中心とした円周上に１２０°間隔に設けられた開口２１２ｂ、２１２ｄ、及び２１２ｆの中心と、光軸２１５で定まる３平面上にあり、光軸２１５に対して角度ｓｉｎ^−１（２λ／（３Ｐｎ））をなす方向を含むようにフォトマスク２１２に入射させることで、投影レンズ瞳面に３つの回折光を通過させ、３光束干渉を利用して、レジスト膜に、図２（ａ）に対応するパターンを露光することができる。そのため、図２（ａ）に示すような化学ガイドを精度良く形成でき、図２（ｂ）に示すミクロ相分離パターンを得ることができる。また、化学ガイドのパターン間隔を大きくしたり、露光装置のＮＡを大きくしたりする必要がないため、図２（ａ）に対応する化学ガイドを低コストに形成することができる。

本実施形態では、図１３に示すように、三重極照明２１０を利用し、３方向からの入射光により形成された回折光を使ってウェーハ上で結像させていた。しかし、これ以外の入射光をさらにフォトマスク２１２に照射しても、バックグラウンドが上がってコントラストが下がるが、結像は可能である。したがって、フォトマスク２１２へは上述した３方向からの入射光が含まれていれば、他の入射光があってもよい。同様に、照明２１０に発光領域２１０ａ〜２１０ｃ以外の発光領域が設けられていてもよい。

上記実施形態において、図１３に示す発光領域２１０ａ〜２１０ｃの位置を照明２１０の中心点を中心に１８０°回転した位置にすることも可能である。この場合には、発光領域からの照明光が、開口２１２ａの中心と、開口２１２ａを中心とした円周上に１２０°間隔に設けられた開口２１２ｃ、２１２ｅ、及び２１２ｇの中心と、光軸２１５とで定まる３平面上において、光軸２１５に対して角度θをなしてフォトマスク２１２に入射するようにする。

上記実施形態では図１４に示すフォトマスクパターンを使用した。しかし、ネガレジストでパターンを形成する場合や、後述するようにピラーパターンをポジレジストで形成する場合には図１４に示したフォトマスクの開口と遮光膜（ハーフトーン膜）部分を反転したマスクを使用する。

（第２の実施形態）上記第１の実施形態は三重極照明を用いた３光束干渉によりウェーハ上に光学像を得ていたが、図２１に示すような六重極照明を用いた２光束干渉によりウェーハ上に光学像を得るようにしてもよい。なお、本実施形態に係る露光装置は、照明が六重極照明である点を除いては、図１２に示す上記第１の実施形態に係る露光装置と同様の構成となっている。また、フォトマスクの概略構成は図１４に示した第１の実施形態と同様で、二次元六方格子上に開口の中心を持つ６０°回転対象の周期パターンである。

図２１に示すように、照明３１０は、６つの発光領域３１０ａ〜３１０ｆを有している。発光領域３１０ａ〜３１０ｆは、照明３１０の中心点を中心とした円周上に６０°間隔で設けられている。

本実施形態では、発光領域３１０ａ〜３１０ｆからの照明光のフォトマスクへの入射方向が、図１４に示すフォトマスク２１２の開口の１つである開口２１２ａの中心と、各開口２１２ｂ〜２１２ｇの中心、及び図１２に示す光軸２１５で定まる６つの平面を、光軸２１５を中心に９０°回転させた６平面上にあり、光軸２１５に対して角度δをなす方向を含む。ここで、角度δはδ＝ｓｉｎ^−１（λ／（√３）Ｐｎ）を満たす。Ｐは図３（ａ）に示す化学ガイドのパターンピッチＰであり、ｎは投影光学系２１３とウェーハ２１４との間の媒質の屈折率であり、λは照明光の波長である。

また、このとき、図２１に示すように、発光領域３１０ａ〜３１０ｆは、照明３１０の中心からλ／（（√３）Ｐ・ＮＡ）に位置している。ＮＡは露光装置の開口数である。

このような照明３１０からの照明光が、上述した６平面上において、光軸２１５に対して角度δをなしてフォトマスク２１２に入射すると、照明光はフォトマスク２１２のマスクパターンにより回折され、回折光が投影光学系２１３の瞳面を通過する。

図２２は、投影レンズの瞳面での回折光の分布を示す。回折光はλ／（（√３Ｐ）・ＮＡ）だけ偏向されており、投影レンズ瞳の有効領域３４１〜３４６内に２つの回折光を位置させることができる。投影レンズ瞳の有効領域３４１〜３４６は、それぞれ発光領域３１０ａ〜３１０ｆに対応している。これら６つの回折光干渉周期パターンが重ねあわされて、ウェーハ２１４上の光学像となり、ウェーハ２１４上のレジスト（図１（ｂ）のレジスト膜１０４）が露光される。

本実施形態による露光装置を用いて形成される光学像のシミュレーションを行った。露光装置のＮＡを１．３５、発光領域３１０ａ〜３１０ｆは円形で、照明３１０の径を１とした場合の、発光領域３１０ａ〜３１０ｆの径を０．１とした。また、発光領域３１０ａ〜３１０ｆの中心位置は、照明２１０の中心から、０．７８とした。これは上述したλ／（（√３）Ｐ・ＮＡ）から求めたものである。円形の発光領域３１０ａ〜３１０ｆの径が０．１であるため、回折光は中心位置から０．１の広がりを持つ。この条件では、すべての回折光が投影レンズ瞳を通過する。その他のシミュレーション条件は上記第１の実施形態と同じである。

図２３は、図１６のマスクユニット１７０に対応したウェーハ上での光強度分布のシミュレーション結果を示している。図２３から分かるように、本実施形態によれば、縦方向と横方向とで寸法差がほとんどなく、結像させることができる。

図２４は、マージンカーブを示している。ｘ軸、ｙ軸、及びマージンカーブに囲まれた面積が広いほど、露光マージンが広い。本実施形態によれば、０．１μｍの焦点深度を取るのに、露光量余裕度は５％程度あり、レジストのパターニングが十分可能であることが分かる。

このように、本実施形態によれば、六重極照明３１０の発光領域３１０ａ〜３１０ｆからの照明光がフォトマスクへ入射する方向が、開口２１２ａの中心と、開口２１２ａを中心とした円周上に６０°間隔に設けられた開口２１２ｂ〜２１２ｇの中心と、光軸２１５で定まる６平面を光軸２１５を中心に９０°回転させた６平面にあり、光軸２１５に対して角度ｓｉｎ^−１（λ／（（√３）Ｐｎ））をなす方向を含むことで、投影レンズ瞳面に２つの回折光を通過させ、２光束干渉を利用して、レジスト膜に、図２（ａ）に対応するパターンを露光することができる。そのため、図２（ａ）に対応する化学ガイドを精度良く形成でき、図２（ｂ）に示すミクロ相分離パターンを得ることができる。また、化学ガイドのパターン間隔を大きくしたり、露光装置のＮＡを大きくしたりする必要がないため、図２（ａ）に対応する化学ガイドを低コストに形成することができる。

本実施形態における光学像シミュレーションにおいては、上記第１の実施形態の光学像シミュレーションと条件を合わせた。しかし、２光束干渉を利用した場合には、さらに化学ガイドのパターンピッチＰが小さくても、回折光が瞳を通過することができる。その際、発光領域３１０ａ〜３１０ｆはパターンピッチＰに応じて、照明３１０の中心からλ／（（√３）Ｐ・ＮＡ）の位置に設ければよい。このように、本実施形態によれば、３光束干渉を利用した上記第１の実施形態よりも、小さい周期のパターンを形成できる。

ただし、上記第１の実施形態では３つの干渉パターンの重ね合わせであるのに対し、本実施形態では６つの干渉パターンの重ね合わせとなっている。重ね合わせの数が多いほどバックグラウンドはあがるので、解像できた場合のプロセス余裕度は上記第１の実施形態の方が広い。このように、第１の実施形態の照明と第２の実施形態の照明は、プロセスマージンを優先させるか、解像度を優先させるかで選択される。

次に、照明光のマスク面への入射角の幅、及び照明形状の発光領域の大きさについて述べる。上述したように、回折光の中心位置が瞳面を通過すればウェーハ上で結像する。そして結像条件は照明光のマスク面への入射角、及び照明形状の発光領域の位置で決まる。実際には、照明光のマスク面への入射角の幅は無限小にはできない。発光領域の大きさを無限小にできないのも同じである。

照明光のマスク面への入射角の幅が広がり、照明形状の発光領域が大きくなるということは、図１５、図２２に示した回折光の大きさが大きくなることを意味する。回折光が瞳面にすべて入ることが結像条件の１つとなる。

上記第１、第２実施形態では、発光領域の形状を円形としたが、発光領域の形状の形成手法は露光装置によって異なる。アパーチャーで発光領域を形成したり、回折によりビームを成形したり、種々の方法がある。この場合も、回折光が瞳面にすべて入るよう、照明光のマスク面への入射角、角度範囲、照明形状の発光領域の位置、大きさを調整することが必要である。

また、回折光の大きさが大きくなるということは、干渉しない成分が増えるということであり、バックグラウンドがあがることにもなる。しかし、一方では、照明光のマスク面への入射角の幅が狭く、照明形状の発光領域が小さくなると光量が減少する。このため、光量とバックグラウンドとのトレードオフとなる。発光領域の大きさは概ね、０．０５〜０．３の範囲であるが、必要とする仕様にあわせて発光領域の大きさは適宜選択される。

上記実施形態では図１４に示すフォトマスクパターンを使用した。しかし、ネガレジストでパターンを形成する場合や、後述するようにピラーパターンをポジレジストで形成する場合には図１４に示したフォトマスクの開口と遮光膜（ハーフトーン膜）部分を反転したマスクを使用する。

（第３の実施形態）上記第１又は第２の実施形態に係る露光方法を用いて形成されたミクロ相分離パターン１０６をマスクとして被加工膜を加工することができる。

まず、下層膜４０１上に被加工膜４０２を形成する（図２５（ａ）参照）。そして、被加工膜４０２上に図１（ａ）〜（ｅ）と同様の方法で、図２（ｂ）に示すような、シリンダー状の第１ポリマー部１０６ａ及び第１ポリマー部１０６ａを囲む第２ポリマー部１０６ｂを含むミクロ相分離パターン１０６を形成する。なお、図１（ｂ）におけるレジスト膜１０４の露光には、上記第１又は第２の実施形態による露光方法を用いる。

次に、図２５（ｂ）に示すように、シリンダー形状の第１ポリマー部１０６ａを選択的に除去し、ホール部４０３を形成する。第１ポリマー部１０６ａがＰＭＭＡで第２ポリマー部１０６ｂがＰＳである場合、酸素を用いたドライエッチングにより、ＰＭＭＡを選択的に除去することができる。

次に、図２５（ｃ）に示すように、中性化膜１０２のうち、ホール部４０３を介して表面が露出した部分を除去する。中性化膜１０２が有機膜である場合、酸素を用いたドライエッチングにより除去できる。また、中性化膜１０２がシリコンを含有している場合は、ＣＦ_４やＣＨＦ_３等のフッ素系のガスを用いることができる。

次に、図２５（ｄ）に示すように、第２ポリマー部１０６ｂをマスクとして、ドライエッチングにより被加工膜４０２を加工する。ドライエッチングの際のガスは、被加工膜４０２の材料と第２ポリマー部１０６ｂのエッチング選択比に応じて選択する。

次に、図２５（ｅ）に示すように、第２ポリマー部１０６ｂ及び第２ポリマー部１０６ｂの下方の中性化膜１０２を除去する。

これにより、被加工膜４０２に、シリンダー形状の第１ポリマー部１０６ａに対応するホールパターンを転写することができる。

第１ポリマー部１０６ａは、ドライエッチングでなく、ウェットエッチング、真空中でのアブレーション、光露光により所望ポリマーブロックを可溶にして溶媒現像するといった方法で除去してもよい。

また、本実施形態では、第２ポリマー部１０６をマスクにして被加工膜４０２を加工したが、第２ポリマー部１０６及び中性化膜１０２と、被加工膜４０２との間にパターン転写用の中間膜を設け、第２ポリマー部１０６をマスクにして中間膜を加工し、この中間膜をマスクにして被加工膜４０２を加工してもよい。このような中間膜を設けることで、加工マージンが広げることができる。

（第４の実施形態）上記第３の実施形態では、被加工膜４０２上に中性化膜１０２を形成し、この中性化膜１０２上にレジスト膜１０４を形成し、リソグラフィによりパターン形成したレジスト膜１０４をマスクに中性化膜１０２を加工して化学ガイドを形成していた。しかし、中性化膜１０２が光照射により表面状態の変化する感光性材料で構成される場合は、レジストパターンを形成する必要はなく、上記第１又は第２の実施形態による露光方法により中性化膜１０２を露光することで、化学ガイドを形成できる。

例えば、まず、図２６（ａ）に示すように、被加工膜４０２上に中性化膜１０２を形成する。

次に、図２６（ｂ）に示すように、中性化膜１０２を露光し、露光部（改質層）１０２ａと未露光部１０２ｂでの特性の違いにより表面エネルギーを変える。露光は、上記第１又は第２の実施形態による露光方法を用いる。これにより、露光部１０２ａがピニング層となる化学ガイドが得られる。

感光性の中性化膜１０２の材料としては、例えば、ｎ−ブチルトリクロロシランを用いることができる。ｎ−ブチルトリクロロシランを被加工膜４０２（例えばシリコン基板）表面と反応させて、薄膜を形成する。ｎ−ブチルトリクロロシランは露光領域の表面エネルギーが高くなるため、露光領域がピニング層、未露光領域が中性化膜の化学ガイドとなる。

また、シランカップリング剤をシリコン表面に形成した後、ポリマーを塗布し、光露光によりシランカップリング剤の有機基部分とポリマーを接着させるという方法もある。

中性化膜１０２と被加工膜４０２との間に反射防止膜を形成し、中性化膜１０２下の被加工膜４０２からの反射を抑えるようにしてもよい。

本実施形態では未露光部が中性化膜で、露光部がピニング層となる場合を例にとったが、未露光部がピニング層で、露光部が中性化膜となるような材料を使用することも可能である。この場合には、図２６（ｂ）の露光部と未露光部が逆となる。

（第５の実施形態）図１に示す例では、基板１０１がピニング層となるため、中性化膜１０２をリソグラフィによりパターニングした。これに対し、中性化膜の機能を持つような材料からなる基板１０１を準備し、この基板１０１上にピニングの機能を持つ材料からなるピニング膜を形成してもよい。この場合、リソグラフィにより形成されるピニング膜のパターンは、図２（ａ）に示す中性化膜１０２のパターンを反転したものになる。

また、基板１０１がピニング層や中性化膜として適当な表面エネルギーを持たない場合には、中性化膜とピニング層を積層しても良い。

例えば、図２７（ａ）に示すように、基板１０１上にピニング層としての機能を有するピニング膜５０１を形成し、ピニング膜５０１上に中性化膜５０２を形成する。さらに、中性化膜５０２上に反射防止膜５０３を形成し、反射防止膜５０３上にレジスト膜５０４を形成する。

次に、図２７（ｂ）に示すように、リソグラフィによりレジスト膜５０４をパターニングする。レジスト膜５０４の露光には、上記第１又は第２の実施形態による露光方法を使用する。

次に、図２７（ｃ）に示すように、レジスト膜５０４をマスクとして反射防止膜５０３及び中性化膜５０２を加工する。そして、レジスト膜５０４及び反射防止膜５０３を除去することで化学ガイドが得られる。

また、図２８を用いて、化学ガイドの形成方法の別の例を説明する。

まず、図２８（ａ）に示すように、基板１０１上にピニング層としての機能を有するピニング膜５０１を形成する。ピニング膜５０１には光酸発生剤を添加しておく。そして、ピニング膜５０１上に反射防止膜５０３及びレジスト膜５０４を順に形成する。反射防止膜５０３は、レジスト膜５０４−反射防止膜５０３の界面からの反射光と、反射防止膜５０３−ピニング膜５０２界面からの反射光の位相を反転させることで反射を抑えるものを用いる。

次に、図２８（ｂ）に示すように、リソグラフィによりレジスト膜５０４をパターニングする。このパターンは、図２７（ｂ）に示すレジスト膜５０４のパターンを反転したものである。レジスト膜５０４の露光には、上記第１又は第２の実施形態による露光方法を使用する。露光の際、光がピニング膜５０１に到達し、ピニング膜５０１中の光酸発生剤が分解して酸を発生する。

次に、図２８（ｃ）に示すように、レジスト膜５０４をマスクとして反射防止膜５０３を加工する。これにより、レジスト膜５０４以外の領域において、ピニング膜５０１の表面が露出される。

次に、図２８（ｄ）に示すように、中性化膜としての機能を有し、かつ酸を触媒として架橋する樹脂を塗布して加熱する。ピニング膜５０１では図２８（ｂ）に示す工程における露光処理の際に酸が発生しているため、ピニング膜５０１の表面部分に樹脂が架橋し、中性化膜５０２が形成される。そして、未架橋の樹脂を除去する。

次に、図２８（ｅ）に示すように、レジスト膜５０４及びレジスト膜５０４下方の反射防止膜５０３を除去することで化学ガイドが得られる。

ピニング膜５０１に光酸発生剤を添加せず、図２８（ｃ）の工程の後、図２９に示すように中性化膜５０２をピニング膜５０１及びレジスト膜５０４を覆うように形成してもよい。その後、レジスト膜５０４をリフトオフすることで、図２８（ｅ）と同様の構成の化学ガイドを得ることができる。

また、ピニング膜５０１に光酸発生剤を添加せず、図２８（ｃ）の工程の後、図２８（ｃ）のスペース部のピニング層上のみに選択的に薄膜を形成して中性化膜としても良い。選択的な薄膜形成材料としては、シランカップリング剤等のSelf Assembled Monolayer (ＳＡＭ)を用いることができる。

図２７、図２８に示す例では、ピニング膜５０１と中性化膜５０２の形成位置・順序を入れ替えてもよい。その場合、リソグラフィによるパターニングの形状は反転する。

（第６の実施形態）上記実施形態では化学ガイドを形成していたが、物理ガイドを形成してもよい。物理ガイドの形成方法を図３０及び図３１を用いて説明する。図３０は断面図であり、図３１は上面図である。

まず、図３０（ａ）に示すように、基板６０１上に反射防止膜６０３及びレジスト膜６０４を順に形成する。レジスト膜６０４はネガレジストである。

次に、図３０（ｂ）及び図３１（ａ）に示すように、リソグラフィによりレジスト膜６０４を、２次元六方格子上に位置するピラー状にパターニングする。レジスト膜６０４の露光には、上記第１又は第２の実施形態による露光方法を使用する。レジスト膜６０４はネガレジストなので、露光領域が現像後に残存する。

次に、図３０（ｃ）に示すように、反射防止膜６０３及びレジスト膜６０４を覆うようにポリマーブラシ６１０を形成し、凹凸形状の物理ガイドを得る。

次に、図３０（ｄ）に示すように、物理ガイドの凹部にブロックポリマー６０５を塗布する。ブロックポリマー６０５には、第１ポリマーブロック鎖及び第２ポリマーブロック鎖が結合し、ミクロ相分離によりスフィアパターンが得られるジブロックコポリマーを用いる。例えば第１ポリマーブロック鎖がミクロ相分離によりスフィア形状となる。スフィアの場合には、物理ガイドの表面エネルギーと親和性の高いポリマーブロックが、物理ガイド表面にウェット層を形成した後、ミクロ相分離する。そのため、ポリマーブラシ６１０の表面エネルギーを、第２ポリマーブロック鎖にあわせる。例えば、第１ポリマーブロック鎖としてポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、第２ポリマーブロック鎖としてポリスチレン（ＰＳ）が結合したジブロックコポリマーを用いることができる。

次に、図３０（ｅ）に示すように、加熱等を行い、ブロックポリマー６０５をミクロ相分離させ、ミクロ相分離パターン６０６を形成する。ミクロ相分離パターン６０６は、第１ポリマーブロック鎖を含むスフィア形状の第１ポリマー部６０６ａと、第２ポリマーブロック鎖を含み第１ポリマー部６０６ｃを囲む第２ポリマー部６０６ｂと、第１ポリマーブロック鎖を含む表層部６０６ｃとを有している。

次に、図３０（ｆ）及び図３１（ｂ）に示すように、表層部６０６ｃをフッ素系のガスを使ってＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等で除去し、続いて、酸素ガスを使って第２ポリマー部６０６ｂを選択的に除去する。これにより、ピラー状のレジスト６０４の間に、スフィアパターン（第１ポリマー部６０６ａ）を形成することができる。

その後の工程では、レジスト６０４及び第１ポリマー部６０６ａをマスクとして、下層の基板６０１等を加工する。

（第７の実施形態）上記第６の実施形態では、レジストパターンを物理ガイドとして利用していたが、レジストパターンをマスクに物理ガイド材料をエッチングして、物理ガイドを形成しても良い。このような物理ガイドの形成方法を図３２及び図３３を用いて説明する。図３２は断面図であり、図３３は上面図である。

まず、図３２（ａ）に示すように、基板７０１上に物理ガイドの材料からなる物理ガイド材料膜７０２を形成する。そして、物理ガイド材料膜７０２上に、反射防止膜７０３及びレジスト膜７０４を順に形成する。基板７０１及び物理ガイドの材料には、後の工程で塗布されるジブロックコポリマーのポリマーブロック鎖の一方と親和性の高い材料を用いる。また、レジスト膜７０４はネガレジストである。

次に、図３２（ｂ）及び図３３（ａ）に示すように、リソグラフィによりレジスト膜７０４を、２次元六方格子上に位置するピラー状にパターニングする。レジスト膜７０４の露光には、上記第１又は第２の実施形態による露光方法を使用する。レジスト膜７０４はネガレジストなので、露光領域が現像後に残存する。

次に、図３２（ｃ）に示すように、レジスト膜７０４をマスクに反射防止膜７０３及び物理ガイド材料膜７０２を加工する。そして、レジスト膜７０４及び反射防止膜７０３を除去する。これにより、図３２（ｃ）及び図３３（ｂ）に示すような物理ガイドが得られる。その後の工程は図３０（ｄ）、（ｅ）に示す工程と同様であるため、説明を省略する。

なお、物理ガイド（物理ガイド材料膜７０２）とジブロックコポリマーのポリマーブロック鎖の一方とが高い親和性を持ち、基板７０１とジブロックコポリマーを構成する２つのポリマーブロック鎖がほぼ同等の親和性を持つ場合には、図３０（ｅ）のウェット層６０６ａが省略されたものと同様のパターンが得られる。

（第８の実施形態）上記実施形態では、レジスト膜のパターニングの際に本発明の実施形態による露光方法を使用したが、ミクロ相分離パターンのパターニングに本発明の実施形態による露光方法を用いてもよい。このような露光は、例えば、微細なホールパターンと共に、太い配線と接続するコンタクトプラグのための寸法の大きいホールパターンを形成する際に行われる。ただし、寸法の異なるホールパターンの形成はプロセス上困難な場合があるので、ここでは、３つの微細なホールパターンを一纏めにして大寸法のホールパターンとする。このような寸法の異なるホールパターンの形成方法を図３４〜図３９を用いて説明する。なお、図３４、図３６〜図３８は断面図であり、図３５及び図３９は上面図である。

まず、図３４（ａ）に示すように、被加工膜８０１上に中性化膜８０２を形成する。さらに、中性化膜８０２上に図示しない物理ガイドを形成する。

次に、図３４（ｂ）に示すように、ブロックポリマー８０５を塗布する。ブロックポリマーはミクロ相分離によりシリンダー形状のパターンが得られるジブロックコポリマーを用いる。このジブロックコポリマーには、ジブロックコポリマーを構成するポリマーと架橋する架橋剤と、光酸発生剤とが添加されている。また、ミクロ相分離によりシリンダー形状となるポリマーブロック鎖は、ポリα-メチルスチレンのように光照射により主鎖切断される材料とする。

次に、図３４（ｃ）に示すように、加熱等を行い、ブロックポリマー８０５をミクロ相分離させ、ミクロ相分離パターン８０６を形成する。ミクロ相分離パターン８０６は、図３４（ｃ）及び図３５（ａ）に示すように、シリンダー形状の第１ポリマー部８０６ａと、第１ポリマー部８０６ａを囲む第２ポリマー部８０６ｂとを有している。

その後の工程を図３６〜図３８を用いて説明する。なお、図３６〜図３８に示す工程断面図において、（ａ）は微細なホールパターンを形成する領域Ｒ１に対応し、（ｂ）は大寸法のホールパターンを形成する領域Ｒ２に対応している。また、各図の（ｂ）の断面は、図３５（ｂ）のＡ−Ａ線に沿った断面を示していている。

図３６（ａ）及び（ｂ）に示すように、ミクロ相分離パターン８０６に対して露光を行う。露光には、上記第１又は第２の実施形態による露光方法を使用する。このとき使用されるフォトマスクには、領域Ｒ１を露光する開口がなく、領域Ｒ２において図３５（ｂ）の破線で示される露光領域８１０を露光する開口が設けられている。図３５（ｂ）から分かるように、開口は２次元六方格子上に設けられる。

すなわち、本工程では、領域Ｒ１のミクロ相分離パターン８０６は露光せず、領域Ｒ２の露光領域８１０のミクロ相分離パターン８０６のみを露光する。露光領域８１０のミクロ相分離パターン８０６では、酸が発生して架橋反応が起こる。

次に、図３７（ａ）及び（ｂ）に示すように、現像液を用いて第１ポリマー部８０６ａを選択的に除去する。露光領域８１０の第１ポリマー部８０６ａは、露光処理に伴う架橋反応により現像液に対して不溶となっているため、除去されずに残存する。

次に、図３８（ａ）及び（ｂ）に示すように、残存した第１ポリマー部８０６ａ及び第２ポリマー部８０６ｂをマスクとして中性化膜８０２及び被加工膜８０１を加工し、被加工膜８０１にホール８０８を形成する。その後、中性化膜８０２を除去する。図３９は領域Ｒ２の上面を示しており、図３８（ｂ）は、図３９のＡ−Ａ線に沿った断面を示している。

このようにして、領域Ｒ１に微細なホールパターンを形成すると共に、領域Ｒ２にトリプルホールパターンを形成することができる。

本実施形態では、トリプルホールパターンを形成したが、ホール数は３つでなく、２つ以下でもよいし、４つ以上でもよい。また、露光により一部のポリマーを現像液に対して不溶化したが、可溶化してもよい。

上述した複数の実施形態では、ブロック共重合体として、ＰＳ−ｂ−ＰＭＭＡを用いていたが、ＰＳ−ｂ−ポリ２−ビニルピリジン、ＰＳ−ｂ−ポリイソプレン（ＰＩ）、ＰＳ−ｂ−ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）、ＰＳ−ｂ−ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ＰＩ−ｂ−ＰＥＯ、ポリブタジエン（ＰＢ）−ｂ−ポリヘキサフルオロピロピレンオキサイド、ポリペンタフルオロスチレン−ｂ−ＰＭＭＡ、ＰＳ−ｂ−ポリ｛１１-[４-(４-ブチルフェニルアゾ)フェノキシ]-アンデシル-メタクリレート](ＰＭＭＡｚｏ)、ＰＥＯ−ｂ−ＰＭＭＡｚｏ、ＰＳ−ｂ−ポリヘドラルオリゴメリックシルセスキオキサンメタクリレート（ＰＭＡＰＯＳＳ）、ＰＭＭＡ−ＰＭＭＡＰＯＳＳ等、ミクロ相分離するのに十分なΧパラメーターを有するポリマーの組み合わせであれば、使用することができる。エッチング耐性、所望のサイズ等目的に合わせてブロック共重合体を選択し、本実施形態によるパターン形成方法を用いることができる。

また、ブロックコポリマーはジブロックコポリマーに限定されず、３種類のポリマーから構成されるトリブロックコポリマーであってもよい。３種類のポリマーのうち１つがマトリックスとなり、残り２つがシリンダーとなる。３種類のポリマーをＰａ、Ｐｂ、Ｐｃとし、ポリマーＰａをマトリックスとする場合、ピニング層と、ポリマーＰｂ、ポリマーＰｃの表面エネルギーが略同一になるように調整すればよい。トリブロックコポリマーの例としては、ＰＳ−ｂ−ＰＢ−ｂ−ＰＭＭＡ、ＰＳ−ｂ−（ポリエチレン-ｃｏ-ポリブチレン）−ｂ−ＰＭＭＡ等がある。BCP同様トリブロックポリマーでも、目的に合わせてトリブロックポリマーの種類を選択して、本方法を用いることは可能である。

上記実施形態では、加熱してブロックコポリマーのミクロ相分離を行った。この加熱は、フォーミングガス、真空中、窒素中で行っても良い。また、加熱ではなく、有機溶媒雰囲気下にブロックコポリマーを塗布したケミカルガイド付き基板を置くことで、ポリマーを移動させてミクロ相分離させても良い（ソルベントアニール）。また、ブロックコポリマーをミクロ相分離させられれば、他の手法を用いることも可能である。

上記実施形態における露光は、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）に限定されず、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４３ｎｍ）、水銀ランプのｉ線（波長３６５ｎｍ）、g線（波長４３６ｎｍ）、紫外光であってもよい。また、ＥＵＶ光であってもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０１ 基板
１０２ 中性化膜
１０３ 反射防止膜
１０４ レジスト膜
１０５ ブロックポリマー
１０６ ミクロ相分離パターン
１１０、１２０、２１０ 照明
１１１、２１１ 照明光学系
１１２、２１２ フォトマスク
１１３、２１３ 投影光学系
１１４、２１４ ウェーハ

Claims (11)

1. 照明光源面からの照明光を、開口の中心が二次元六方格子で記述できる周期パターンが形成されているフォトマスクに照射し、投影光学系を介して前記フォトマスクからの回折光を基板上に投影して露光することで、六方格子上にパターン中心が存在する周期パターンを基板上に形成するパターン形成方法であって、
   前記照明は発光する第１〜第３発光領域を有し、
   前記フォトマスクの開口の１つを第１開口とし、前記第１開口を中心とした正六角形の頂点位置に中心位置を持つ開口を順に第２〜第７開口とすると、
   前記第１〜第３発光領域からの光が前記フォトマスクへ入射する方向は、前記第１開口の中心、前記第２開口の中心、及び光軸で定まる第１平面上と、前記第１開口の中心、前記第４開口の中心、及び前記光軸で定まる第２平面上と、前記第１開口の中心、前記第６開口の中心、及び前記光軸で定まる第３平面上にあって、光の波長をλ、前記第１開口の中心と前記第２〜第７開口の中心との間隔を基板上の寸法に換算した寸法をＰ、前記投影光学系と前記基板との間の媒質の屈折率をｎとしたとき、前記光軸に対して角度ｓｉｎ^−１（２λ／３Ｐｎ）をなす方向を含んでいることを特徴とするパターン形成方法。
2. 照明光源面からの照明光を開口の中心が二次元六方格子で記述できる周期パターンが形成されているフォトマスクに照射し、投影光学系を介して前記フォトマスクからの回折光を基板上に投影して露光することで、六方格子上にパターン中心が存在する周期パターンを基板上に形成するパターン形成方法であって、
   前記照明は発光する第１〜第３発光領域を有し、
   投影レンズの開口数をＮＡ、光の波長をλ、前記第１開口の中心と前記第２〜第７開口の中心との間隔を基板上の寸法に換算した寸法をＰとしたとき、
   前記第１〜第３発光領域と、前記照明の中心点との間隔は２λ／（３Ｐ・ＮＡ）であり、
   前記第１〜第３発光領域は同一円周上に等間隔に設けられていることを特徴とするパターン形成方法。
3. 照明光源面からの照明光を、開口の中心が二次元六方格子で記述できる周期パターンが形成されているフォトマスクに照射し、投影光学系を介して前記フォトマスクからの回折光を基板上に投影して露光することで、六方格子上にパターン中心が存在する周期パターンを基板上に形成するパターン形成方法であって、
   前記照明は発光する第１〜第６発光領域を有し、
   前記フォトマスクの開口の一つを第１開口とし、前記第１開口を中心とした正六角形の頂点位置に中心位置を持つ開口を順に第２〜第７開口とすると、
   前記第１〜第６発光領域からの光が前記フォトマスクへ入射する方向は、前記第１開口の中心、前記第２〜第７開口の各々の中心、及び光軸で定まる６つの平面を、前記光軸を中心に９０°回転させた６平面上にあって、光の波長をλ、前記第１開口の中心と前記第２〜第７開口の中心との間隔を基板上の寸法に換算した寸法をＰ、前記投影光学系と前記基板との間の媒質の屈折率をｎとしたとき、前記光軸に対して角度ｓｉｎ^−１（λ／（√３）Ｐｎ）をなす方向を含んでいることを特徴とするパターン形成方法。
4. 照明光源面からの照明光を開口の中心が二次元六方格子で記述できる周期パターンが形成されているフォトマスクに照射し、投影光学系を介して前記フォトマスクからの回折光を基板上に投影して露光することで、六方格子上にパターン中心が存在する周期パターンを基板上に形成するパターン形成方法であって、
   前記照明は発光する第１〜第６発光領域を有し、
   投影レンズの開口数をＮＡ、光の波長をλ、前記第１開口の中心と前記第２〜第７開口の中心との間隔を基板上の寸法に換算した寸法をＰとしたとき、
   前記第１〜第６発光領域と、前記照明の中心点との間隔はλ／（（√３）Ｐ・ＮＡ）であり、
   前記第１〜第６発光領域は同一円周上に等間隔に設けられていることを特徴とするパターン形成方法。
5. 被加工膜上に第一の膜を形成し、
   前記第一の膜上にレジスト膜を形成し、
   前記レジスト膜を請求項１乃至４のいずれかの方法により露光し、現像することでレジストパターンを形成し、
   前記レジストパターンをマスクとして前記第一の膜を加工し、
   前記第一の膜の加工後、前記レジストパターンを除去し、
   前記加工された第一の膜上にブロックコポリマーを塗布し、
   前記ブロックコポリマーを加熱してミクロ相分離させて、ブロックコポリマーパターンを形成することを特徴とするパターン形成方法。
6. 被加工膜上に第一の膜を形成し、
   前記第一の膜を請求項１乃至４のいずれかの方法により露光し、
   前記第一の膜上にブロックコポリマーを塗布し、
   前記ブロックコポリマーを加熱してミクロ相分離させて、ブロックコポリマーパターンを形成することを特徴とするパターン形成方法。
7. 被加工膜上にブロックコポリマーを塗布し、
   前記ブロックコポリマーを加熱してミクロ相分離させ、
   前記第一の膜を請求項１乃至４のいずれかの方法により露光し、加熱、現像することで、
   ブロックコポリマーパターンを形成することを特徴とするパターン形成方法。
8. 照明光源面からの照明光を開口の中心が二次元六方格子で記述できる周期パターンが形成されているフォトマスクに照射し、投影光学系を介して前記フォトマスクからの回折光を基板上に投影する露光方法であって、
   前記照明は発光する第１〜第３発光領域を有し、
   前記フォトマスクの開口の一つを第１開口とし、前記第１開口を中心とした正六角形の頂点位置に中心位置を持つ開口を順に第２〜第７開口とすると、
   前記第１〜第３発光領域からの光が前記フォトマスクへ入射する方向は、前記第１開口、前記第２開口、及び光軸で定まる第１平面上と、前記第１開口、前記第４開口、及び前記光軸で定まる第２平面上と、前記第１開口、前記第６開口、及び前記光軸で定まる第３平面上にあって、光の波長をλ、前記第１開口の中心と前記第２〜第７開口の中心との間隔を基板上の寸法に換算した寸法をＰ、前記投影光学系と前記基板との間の媒質の屈折率をｎとしたとき、前記光軸に対して角度ｓｉｎ^−１（２λ／３Ｐｎ）をなす方向を含んでいることを特徴とする露光方法。
9. 照明光源面からの照明光を開口の中心が二次元六方格子で記述できる周期パターンが形成されているフォトマスクに照射し、投影光学系を介して前記フォトマスクからの回折光を基板上に投影する露光方法であって、
   前記照明は発光する第１〜第３発光領域を有し、
   投影レンズの開口数をＮＡ、光の波長をλ、前記第１開口の中心と前記第２〜第７開口の中心との間隔を基板上の寸法に換算した寸法をＰとしたとき、
   前記第１〜第３発光領域と、前記照明の中心点との間隔は２λ／（３Ｐ・ＮＡ）であり、
   前記第１〜第３発光領域は同一円周上に等間隔に設けられていることを特徴とする露光方法。
10. 照明光源面からの照明光を、開口の中心が二次元六方格子で記述できる周期パターンが形成されているフォトマスクに照射し、投影光学系を介して前記フォトマスクからの回折光を基板上に投影する露光方法であって、
    前記照明は発光する第１〜第６発光領域を有し、
    前記フォトマスクの開口の一つを第１開口とし、前記第１開口を中心とした正六角形の頂点位置に中心位置を持つ開口を順に第２〜第７開口とすると、
    前記第１〜第６発光領域からの光が前記フォトマスクへ入射する方向は、前記第１開口、前記第２〜第７開口の各々、及び光軸で定まる６つの平面を、前記光軸を中心に９０°回転させた６平面上にあって、光の波長をλ、前記第１開口の中心と前記第２〜第７開口の中心との間隔を基板上の寸法に換算した寸法をＰ、前記投影光学系と前記基板との間の媒質の屈折率をｎとしたとき、前記光軸に対して角度ｓｉｎ^−１（λ／（√３）Ｐｎ）をなす方向を含んでいることを特徴とする露光方法。
11. 照明光源面からの照明光を開口の中心が二次元六方格子で記述できる周期パターンが形成されているフォトマスクに照射し、投影光学系を介して前記フォトマスクからの回折光を基板上に投影して露光することで、六方格子上にパターン中心が存在する周期パターンを基板上に形成するパターン形成方法であって、
    前記照明は発光する第１〜第６発光領域を有し、
    投影レンズの開口数をＮＡ、光の波長をλ、前記第１開口の中心と前記第２〜第７開口の中心との間隔を基板上の寸法に換算した寸法をＰとしたとき、
    前記第１〜第６発光領域と、前記照明の中心点との間隔はλ／（（√３）Ｐ・ＮＡ）であり、
    前記第１〜第６発光領域は同一円周上に等間隔に設けられていることを特徴とする露光方法。