JP3695430B2 - Lattice pattern exposure method and exposure apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はフォトレジストの露光方法に関し、特に光学露光装置を用いてフォトレジストに格子パターンを露光する露光方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の製造過程の中に大きく分けて成膜、エッチング、リソグラフィーがある。この内、リソグラフィーは、基板にフォトレジストと呼ばれる有機膜を形成し、通常、ステッパーと呼ばれる露光装置により、遮光物質でパターンを形成した露光マスクを通して光やX線を照射し、照射した部分のみ、あるいは逆に照射されなかった部分のみ有機膜を現像液で取り除き、基板上に露光マスクと同じパターンあるいはその縮小パターンを形成する技術である。この他、電子線を一筆書きの要領で基板上の有機膜に照射し、その後現像してパターンを形成する方法もある。ここでは光やX線の照射と電子線の照射を含めて「露光」と呼ぶ。
【0003】
このようなリソグラフィーの技術を用いて、基板上に円や四角などの微細なパターンを格子状に規則的に並べた格子パターンを形成したい場合がある。特に微細な格子パターンを要する光学素子として2次元周期構造フォトニック結晶があるが、これはサブミクロンの円や四角の誘電体柱を図10のような正方格子1や図11のような六方格子2、あるいは図12のような蜂の巣状格子3の構造のもので、その作製にはこれらの格子状のフォトレジストパターンを必要とする。
【0004】
この種の微細な格子パターンの露光方法では、できるだけ微細なフォトレジストパターンを寸法精度良く形成することが重要な要素の一つとなっている。
【0005】
フォトレジストの格子パターンを形成する方法として半導体装置の製造分野で最もよく用いられるg線(波長486nm)やi線(波長356nm)を利用する光学露光装置(ここでは「ステッパー」と同意)を用いる場合は、単純に所望の格子パターンあるいはその拡大パターンを有する露光マスクを通して露光し、直接フォトレジストをパターニングする。これらの光学露光装置を用いる場合、パターンニングできるフォトレジスト格子パターンの格子点最小寸法は、「抜き」(現像後フォトレジストが除去されるとういう意)または「残し」(現像後フォトレジストが残るという意)のどちらであっても、用いられる光の波長によって制限される。用いられる光の波長が短い程、微細な格子パターンを形成でき、g線よりもi線を用いる方が微細な格子パターンの形成が可能である。i線ステッパーで更に微細な格子パターンを形成したい場合は位相シフトマスクを用いるなどの超解像技術を併用することができる。光学露光方式で更に微細な格子パターンを形成したい場合は、露光波長が更に短い波長249nmのKrFエキシマレーザー露光機が用いられることもある。
【0006】
しかしながら、g線、i線およびKrFエキシマレーザーを用いるこれらの光学露光法で露光マスク上の格子パターンを単純に転写する方法では、形成できる格子点の最小サイズに限界があり、先に述べたフォトニック結晶用の微細な格子パターンを形成するには不十分である。抜きおよび残しのパターン共に、実際に形成できる格子点の最小寸法はg線で0.7ミクロン程度、i線で0.5ミクロン程度、KrFエキシマレーザーで0.45ミクロン程度である。i線と位相シフトマスクを併用すると、KrFエキシマレーザーと同じ0.45ミクロン程度の格子点パターンとなる。KrFエキシマレーザー用の位相シフトマスクは技術的困難が多く現時点で実用化されていない。これら従来技術により解像できる最小寸法に対して例えば、図11のような六方格子を形成する円柱形格子点のフォトニック結晶の場合、円柱の直径は0.25ミクロンから0.4ミクロン程度と光学露光できる最小寸法よりも小さい。
【0007】
そこで、例えば「電子情報通信学会誌 Vol.77 No.11pp1092−1108 1994年11月」の特集記事「リソグラフィー」にまとめられているように、X線を用いたX線露光や電子線を用いた電子線露光が用いることが開示されている。X線露光や電子線露光では露光に用いるX線の波長(1nm程度)や加速電子線のド・ブロイ波長が、光露光で用いられるg線やi線やKrFエキシマレーザーの波長に比べて十分小さいので、X線露光の場合で最小0.1ミクロン径の円からなるフォトレジスト格子パターンまで、また、電子線露光の場合は0.1ミクロン以下の径の円からなるフォトレジスト格子パターンをも形成でき、2次元周期構造フォトニック結晶用微細格子フォトレジストパターン形成において一応の効果を奏している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の格子パターンの露光方法のうち、X線露光は、露光に用いるX線マスクの作製が困難であるという問題を新たにもたらしている。X線マスクは厚さ2ミクロン程度のSiなどでできた薄膜上に厚さ1ミクロン程度のAuなどの重金属でパターンを形成したものである。その薄さのためにパターンの歪みを制御するのが困難であり、X線マスクの作製を技術的に困難なものにしている。自ずとX線マスクの作製費用は光学露光マスクに比べて桁違いに高額である。また、強力なX線源としてシンクロトロン放射光源(SOR)が使われるが、それ自体、極めて大規模で高価な光源であるため、X線露光システムは光学露光装置(ステッパー)に比べて入手、設置が格段に困難である。従って、X線露光技術を用いて微細な格子パターンを露光するだけで製造コストが大幅に上昇してしまうという問題を発生する。
【0009】
他方、電子線露光は、X線露光のようなマスク作製や設備の入手といった点に問題は生じないものの、大面積の露光ができないという問題を新たにもたらしている。電子線を用いて一回の電子線走査で露光できる面積はせいぜい数百ミクロン角程度である。それ以上の面積を露光したい場合は、露光したい面積を数百ミクロン角以下の面積に小分けにし、一回の小面積露光が終わる毎に基板を載せたステージを動かして次の領域の露光をするといった手順を繰り返し、露光領域を繋ぎ合わせなければならない。繋ぎ合わされた境界では、ステージの移動精度の誤差やパターン自体の歪みのために一般にパターンが不連続になる。このことは、規則正しい格子点の配置が重要な格子パターンの形成には致命的である。従って、格子パターンの露光を行う場合には数百ミクロン角以下のパターンしか形成できない。光学露光ならば格子パターンでも十数ミリ角以上の大面積が露光できることに比べると、僅か1/1000から1/100程度の面積の格子パターンしか露光できないことになる。
【0010】
また、電子線露光は、電子線で一筆書きのようにしてパターンを書いていくので、露光に要する時間が全面一括で露光する光学露光に比べて格段に長いという欠点がある。これは微細格子パターンを有する素子の製造スループットを極端に低下させ、素子の製造に要する期間(TAT:Turn Around Time)を増大させると共に、製造コストをも増加させる原因となる。
【0011】
更に付け加えるならば、電子線露光用のフォトレジストは光学露光用のフォトレジストに比べて一般にドライエッチング耐性が低いという欠点を有する。
【0012】
本発明の主な目的の一つは汎用的に用いられる光学露光装置を用いて、従来の露光方法では達成できなかった微細な格子点寸法を有するフォトレジスト格子パターンを形成する新たな方法を提供することにある。
【0013】
本発明の主な他の目的は、上記の新たな方法を用いる場合に、格子パターンを整形する方法、および格子パターンに格子欠陥を意識的に導入する方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の格子パターンの露光方法は、光学露光装置を用いてフォトレジストに格子パターンを露光する露光方法において、異なるパターンの少なくとも2回以上の多重露光によって格子パターンをパターニングする。
【0015】
異なるパターンの多重露光を行い、多重露光部の現像液への高い溶解特性または非露光部の現像液への非溶解性を利用して格子パターンをフォトレジストにパターニングすることができるので、電子線露光法に比べて露光が高速に行えると同時に、光学露光法の解像限界に達する微細パターン解像特性が得られる。
【0016】
異なるパターンは、それぞれライン・アンド・スペース・パターンであってよい。多重露光の各回の露光量が全てフォトレジストの現像液への溶解に必要な臨界露光量以上であってよい。
【0017】
多重露光の各回の露光量が全て臨界露光量未満で、少なくとも2回以上の重複露光部分の露光量が臨界露光量以上であってよい。
【0018】
2つのライン・アンド・スペース・パターンを互いに90°傾けて露光して正方格子パターンをパターニングしてもよい。
【0019】
2つのライン・アンド・スペース・パターンを互いに60°または30°傾けて露光して六方格子パターンをパターニングしてもよい。
【0020】
周期的に分断された形状のスペース・パターンを有するライン・アンド・スペース・パターンを60°または30°傾けて多重露光して蜂の巣状格子パターンをパターニングしてもよい。
【0021】
部分的に分断された形状のスペース・パターンを有するライン・アンド・スペース・パターンを多重露光して格子欠陥を含んだ格子パターンをパターニングしてもよい。
【0022】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0023】
図1は本発明の格子パターンの露光方法の一実施形態の手順を示し、図2は図1の格子パターンの露光方法が適用された露光装置のステップ1における状態を示し、図3は同じくステップ2における同露光装置の状態を示す。
【0024】
本実施形態の格子パターン露光方法は、図1および2に示すように、まず、等間隔の平行な線パターンから成るライン・アンド・スペース・パターン(以下L/Sパターンと称する)15を有する露光マスク14を用いて、基板18上に塗布したフォトレジスト23に第1の露光を行う(ステップS1)。ここで、図2のフォトレジスト23にはL/Sパターン15が縮小投影され、露光領域17のように転写される。次に、図1および3に示すように、露光マスク14上のL/Sパターン15の線方向とゼロより大きい角度θを成すL/Sパターン20を有する露光マスク21を用いて、フォトレジスト23の露光領域17に重ねて第2の露光を行う(ステップS2)。このように2重露光により、最終的に露光領域22ができる。図4はフォトレジスト23上の第1の露光による露光パターン7を示し、図5はフォトレジスト23上の露光パターン7と同じ位置におけるθ=90°としたときの第2の露光による露光パターン8を示し、図6の9は露光パターン7と露光パターン8が重ねられた露光パターンを示している。
【0025】
第1の露光における露光光6の光量をE1、第2の露光における露光光19の露光量をE2とすると、図6において第1の露光と第2の露光両方で光が照射された部分10と、第1の露光のみ光が照射された部分11と、第2の露光のみ光が照射された部分12と、第1の露光と第2の露光の両方で光が照射されなかった部分13の全露光量はそれぞれ、部分10がE1+E2、部分11がE1、部分12がE2、部分13が0となる。さて、フォトレジストの現像液への溶解度はポジ形フォトレジストの場合、露光量に対して図7に示すような非線型の溶解度特性を有する。今、フォトレジスト23の現像液への溶解に必要な臨界露光量を図7からE01とすると、E1>E01かつE2>E01のとき、第1の露光で光が照射された部分と第2の露光で光が照射された部分の全ては感光に必要な臨界露光量E01を超える露光量を受けるので、図8(a)の斜線で示した感光部4が現像液に溶解し、残りの非感光部5が残った格子パターンが形成される。フォトレジスト23がネガ型の場合は、図9に示すように、臨界露光量E02を超える露光量を照射された部分の現像液への溶解度が急激に低下する。したがって、E1>E02かつE2>E02であれば、図8(b)の斜線で示した非感光部24が現像液に溶解し、残りの感光部25が残った格子パターンが形成される。
【0026】
フォトレジスト23がポジ型で、E1+E2>E01かつE01>E1かつE01>E2の関係にある場合には、第1の露光と第2の露光の両方で光が照射された部分10のみ十分な露光量を得て感光することになる。したがって、現像によって図6の部分10のフォトレジストが溶解して無くなり、それ以外の部分11と部分12と部分13が残った格子パターンが形成される。フォトレジスト23がネガ型であれば、現像によって部分10が残り、他の部分が抜けた格子パターンが形成される。なお、E1とE2の値は同じでも異なっていてもよい。
【0027】
θ=90°であれば、上記の方法によって形成されるフォトレジストパターンは正方格子で、図10の正方格子1と格子点の配置が同じである。言うまでもなく角度θを90°に限る必要は無い。例えばθ=60°とし、ポジ型レジストで露光量をE1+E2>E01かつE01>E1かつE01>E2の条件とすると、図13のように、ひし形の格子点から成る六方格子(三角格子と呼ばれることもある)ができる。第1の露光パターン26と第2の露光パターン27が互いに60°をなし、両方の露光で2重露光された領域が六方格子の格子点28を成している。これは、図11の六方格子2と格子点の配置が同じである。図12の蜂の巣状格子3格子点のような配置に露光するには、例えば、図14のように、第1の露光パターン29と第2の露光パターン30を、ポジ型レジストの場合、E1+E2>E01かつE01>E1かつE01>E2の条件で露光すれば蜂の巣状格子パターン31が得られる。
【0028】
露光条件をE1+E2>E01かつE01>E1かつE01>E2の代わりに、 E1>E01かつE2>E01にしてもよいし、ポジ形フォトレジストの代わりにネガ形フォトレジストを用いてもよいことは言うまでもない。後者の場合、現像液への溶解に必要な臨界露光量はE02とする。
【0029】
蜂の巣状格子3は六方格子2から格子点を部分的に取り除いたパターンと見なすことができる。言い換えれば、蜂の巣状格子3は六方格子2の一部分に格子点の存在しない部分、すなわち格子欠陥が導入されたものである。
したがって、図14に示された蜂の巣状格子パターンの多重露光方法は格子パターンに格子欠陥を導入する方法を与えている。すなわち、格子欠陥を形成したい部分におけるL/Sパターンのライン(L)またはスペース(S)を欠陥部で分断しておく。この方法を用いれば、格子パターンの任意の部位に格子欠陥を導入することができる。格子点一つが欠落している格子欠陥は点欠陥といわれるが、点欠陥が連続して並んだ線欠陥や、ある領域内の格子点が無いような格子欠陥も同様に形成できる。図17は正方格子中にL形格子欠陥37を導入するときに用いられる、重ねられた2つのL/Sパターンの例36を示している。なお、「ラインの分断」とは、分断部分をスペースで埋めることを意味し、「スペースの分断」とは、分断部分をラインで埋めることである。
【0030】
第1の露光と第2の露光の2回に分けた2重露光で格子パターンを形成することにより、露光マスクのパターンを格子パターンからL/Sパターンに分解することができるが、これによって以下のような利点が生じる。すなわち、格子パターンを1回で直接フォトレジストに転写する場合に比べて、より微細な格子パターンを形成することができる。同じ強度のi線を用いて、図15(a)のように、一辺0.35ミクロンの四角が繰り返し周期0.7ミクロンで並んでいる周期四角パターン32を露光する場合の線A−A’に沿った光強度分布と、図15(a)のように、幅0.35ミクロンの開口線が繰り返し周期0.7ミクロンで並んでいるL/Sパターン33の線B−B’に沿った光強度分布を同時に図16に示す。図16から、周期四角パターン32の場合の光強度35のピーク値が、L/Sパターン33の場合の光強度34のピーク値に比べて1/3程度に小さいのに、すそ引きは逆に大きいことが分かる。その結果、周期四角パターン32の場合は四角の開口部分と非開口部分との光強度のコントラストが殆ど無くなり、フォトレジストにはパターンが転写されない。それに対して、L/Sパターンの場合は開口部と非開口部の光強度のコントラストが大きく、フォトレジストにパターンが転写される。この両者の違いは、転写しようとするパターンの形状から生じる。パターンサイズが波長程度に小さくなると、光の回折により、非開口部にも光がもれるために、開口部と非開口部の光強度のコントラストが小さくなり始める。図15(b)のL/Sパターン33の場合は、最小寸法が光の波長程度になっているのがx方向のみでy方向は余裕があるが、図15(a)の周期四角パターン32の場合は、x方向とy方向の両方で波長程度に小さい寸法であるため、コントラストの低下はx方向とy方向の2重に作用する。すなわち、L/Sパターン33の場合のコントラスト低下を1/k(k>1)とすると、周期四角パターン32の場合のコントラスト低下は1/(k×k)となる。そのため、微細な格子パターンを直接フォトレジストに転写しようとすると、解像できる最小寸法は波長の大きさよりも大きくなってしまう。それに対して、格子パターンをL/Sパターンの多重露光で形成すれば、波長限界、すなわちi線では0.35ミクロン程度の格子パターンを転写することができ、2次元周期構造フォトニック結晶作製に必要な格子パターンを転写することが可能となる。上述のパターンサイズとi線の組み合わせの場合、 kの値は2程度で、1/k=0.5、また、1/(k×k)=0.25である。 i線ステッパーが利用できるということは、電子線露光では困難な高速の大面積格子パターンの作製が行えることを意味し、生産性が飛躍的に高まる。また、電子線露光用フォトレジストよりもドライエッチング耐性の優れる光学露光用フォトレジストマスクを利用できることになる。
【0031】
波長限界以上の解像度を得るのに利用される位相シフトマスクをこの方法に併用すると、波長限界を破って、さらに微細な格子パターンが形成できる。i線を用いる場合、格子点の大きさが0.25ミクロン角、繰り返し周期0.5ミクロン程度まで可能となり、波長1ミクロンの光に対応したより微細な格子パターンのフォトニック結晶が作製可能になる。また、繰り返し周期が0.7〜0.8ミクロンの1.55ミクロン波長用のフォトニック結晶用のパターニングを、本発明と位相シフトマスクの併用により作製すれば、パターニング精度に余裕を持たせることができる。なお、位相シフトマスクは波長限界以上の解像度を得るための超解像技術の一つである。本発明は、輪帯照明法などの他の超解像技術とも併用することができる。
【0032】
これまでの実施の形態では、2重露光によって格子パターンを形成する方法について述べたが、3重以上の露光を行ってもよい。3重以上の露光を行うと、格子点の形状を円形に近づけることができる。図18はL/Sパターンの3重露光によって六方格子パターンを転写する例を示す。 L/Sパターン38とL/Sパターン39とL/Sパターン40を連続して露光し、ポジ形フォトレジストを用いて3重露光された部分41だけ現像液に溶解する露光強度に設定すれば、格子点の形を六角形にすることができる。フォトレジストがポジ形であるか、ネガ形であるかの選択、および、これまで説明したものも含めて色々な露光強度の設定条件の組み合わせが可能で、それに応じて格子点の抜きや残しの選択、格子点形状の選択、例えば正方形やひし形や六角形などの選択が可能であることは言うまでもない。
【0033】
2重露光での格子点形成の利点の一つに、2回の露光の位置合わせが多少ずれても完全な格子パターンが形成できることが挙げられる。他方、3重以上の多重露光による格子点形成の利点は、フォトレジスト上で多重露光された部分と、そうでない部分の積算光強度比大きくとることが可能なことである。すなわち、格子点部分の光強度とその周囲の光強度のコントラストを多重露光の回数分だけ倍化することができ、より微細な格子点パターンを解像できるという利点がある。
【0034】
現像処理は多重露光後に行うのが最も解像度が良いが、多重露光の合間に現像処理やベーク処理を挿入してもよい。
【0035】
本発明は上記実施態様に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、適宜変更され得ることは言うまでもない。
【0036】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、光を用いて異なる格子パターンを多重露光することにより、多重露光部の現像液への高い溶解特性または非露光部の現像液への非溶解性を利用して格子パターンをフォトレジストにパターニングすることができるので、電子線露光法に比べて露光が高速に行えると同時に、微細な格子点を複数のL/Sパターンへ分解することにより、光学露光法の解像限界に達する微細パターン解像特性が得られる、すなはち、従来不可能であった波長程度のパターンサイズ、例えば、i線を用いる場合は1辺0.35ミクロン、または直径0.35ミクロンの格子点を形成できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の格子パターンの露光方法の手順を示すフローチャートである。
【図2】図1の格子パターンの露光方法が適用された露光装置のステップ1における状態を示す模式斜視図である。
【図3】図2の露光装置のステップ2における状態を示す模式斜視図である。
【図4】図2の状態で露光されたフォトレジスト23上の露光パターンを示す図である。
【図5】図3の状態でフォトレジスト23上の露光パターン7と同じ位置におけるθ=90°としたときの露光による露光パターンを示す図である。
【図6】図4の露光パターン7と図5の露光パターン8が重ねられた露光パターンを示す図である。
【図7】ポジ型フォトレジストの溶解度−露光量特性を示すグラフである。
【図8】 (a)は第1の露光の露光量と第2の露光の露光量の一状態における現像後のフォトレジスト23を示す図、(b)は(a)と異なる状態における現像後のフォトレジスト23を示す図である。
【図9】ネガ型フォトレジストの溶解度−露光量特性を示すグラフである。
【図10】正方格子を示す模式図である。
【図11】六方格子を示す模式図である。
【図12】蜂の巣状格子を示す模式図である。
【図13】六方格子の多重露光法を説明する模式図である。
【図14】蜂の巣状格子の露光法を説明する模式図である。
【図15】 (a)は周期四角パターンの一例の模式図、(b)はL/Sパターンの一例の模式図である。
【図16】本発明と従来の方法の違いを説明するグラフである。
【図17】正方格子中にL形格子欠陥を導入するときに用いられる、重ねられた2つのL/Sパターンの例を示す図である。
【図18】L/Sパターンの3重露光によって六方格子パターンを転写する例を説明する図である。
【符号の説明】
1 正方格子
2 六方格子
3 蜂の巣状格子
4、25 感光部
5、24 非感光部
6、19 露光光
7、8、9 露光パターン
10,11,12,13、41 部分
14、21 露光マスク
15、20、33 L/Sパターン
16 縮小光学レンズ
17、22 露光領域
18 基板
23 フォトレジスト
26、29 第1の露光パターン
27、30 第2の露光パターン
28 六方格子の格子点
31 蜂の巣状格子の格子点
32 周期四角パターン
34 L/Sパタ−ン光強度
35 周期四角パターン光強度
36 2つのL/Sパタ−ン
37 L形格子欠陥
38,39,40 L/Sパタ−ン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoresist exposure method, and more particularly to an exposure method for exposing a lattice pattern to a photoresist using an optical exposure apparatus.
[0002]
[Prior art]
The semiconductor device manufacturing process is roughly divided into film formation, etching, and lithography. Among these, lithography forms an organic film called a photoresist on a substrate, and is usually irradiated with light or X-rays through an exposure mask formed with a light shielding material by an exposure device called a stepper. Or, conversely, the organic film is removed only with a developer by a developer, and the same pattern as the exposure mask or a reduced pattern thereof is formed on the substrate. In addition, there is also a method of forming a pattern by irradiating an organic film on a substrate with an electron beam in the manner of one stroke writing and then developing. Here, the light and X-ray irradiation and the electron beam irradiation are referred to as “exposure”.
[0003]
In some cases, using such a lithography technique, it is desired to form a lattice pattern in which fine patterns such as circles and squares are regularly arranged in a lattice shape on a substrate. There is a two-dimensional periodic structure photonic crystal as an optical element that particularly requires a fine lattice pattern. This is because a submicron circle or square dielectric column is replaced with a
[0004]
In this kind of fine lattice pattern exposure method, it is one of the important elements to form a photoresist pattern as fine as possible with high dimensional accuracy.
[0005]
As a method for forming a lattice pattern of a photoresist, an optical exposure apparatus (here, agreed with “stepper”) using g-line (wavelength 486 nm) or i-line (wavelength 356 nm), which is most often used in the field of manufacturing semiconductor devices, is used. In this case, the exposure is simply performed through an exposure mask having a desired lattice pattern or an enlarged pattern thereof, and the photoresist is directly patterned. When these optical exposure apparatuses are used, the minimum lattice point dimension of the photoresist lattice pattern that can be patterned is “extract” (means that the photoresist is removed after development) or “remains” (the photoresist remains after development). In either case, it is limited by the wavelength of light used. As the wavelength of light used is shorter, a finer lattice pattern can be formed, and a finer lattice pattern can be formed using i-line than g-line. When it is desired to form a finer grating pattern with an i-line stepper, a super-resolution technique such as using a phase shift mask can be used in combination. When it is desired to form a finer lattice pattern by the optical exposure method, a KrF excimer laser exposure machine having a shorter exposure wavelength of 249 nm may be used.
[0006]
However, these optical exposure methods using g-line, i-line, and KrF excimer lasers have a limitation in the minimum size of the lattice points that can be formed by the method of simply transferring the lattice pattern on the exposure mask. It is not sufficient to form a fine lattice pattern for a nick crystal. For both the blank pattern and the remaining pattern, the minimum size of the lattice point that can be actually formed is about 0.7 micron for g-line, about 0.5 micron for i-line, and about 0.45 micron for KrF excimer laser. When the i-line and the phase shift mask are used in combination, a lattice point pattern of about 0.45 microns is obtained as in the case of the KrF excimer laser. A phase shift mask for a KrF excimer laser has many technical difficulties and has not been put into practical use at present. For example, in the case of a photonic crystal having a cylindrical lattice point that forms a hexagonal lattice as shown in FIG. 11, the diameter of the cylinder is about 0.25 to 0.4 microns. It is smaller than the minimum dimension that can be optically exposed.
[0007]
Therefore, for example, as summarized in the special article “Lithography” in “Journal of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, Vol. 77 No. 11pp1092-1108, November 1994”, X-ray exposure using X-rays and electron beams were used. The use of electron beam exposure is disclosed. In X-ray exposure and electron beam exposure, the X-ray wavelength (about 1 nm) used for exposure and the de Broglie wavelength of the accelerated electron beam are sufficient compared to the wavelengths of g-line, i-line and KrF excimer laser used in light exposure. Since it is small, it has a photoresist lattice pattern consisting of a circle having a minimum diameter of 0.1 microns in the case of X-ray exposure, and a photoresist lattice pattern consisting of a circle having a diameter of 0.1 microns or less in the case of electron beam exposure. It can be formed and has a temporary effect in forming a fine lattice photoresist pattern for a two-dimensional periodic structure photonic crystal.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Of the conventional lattice pattern exposure methods described above, X-ray exposure newly introduces the problem that it is difficult to produce an X-ray mask used for exposure. The X-ray mask is obtained by forming a pattern with a heavy metal such as Au having a thickness of about 1 micron on a thin film made of Si having a thickness of about 2 microns. Due to its thinness, it is difficult to control the distortion of the pattern, which makes it difficult to manufacture an X-ray mask technically. The production cost of the X-ray mask is naturally much higher than that of the optical exposure mask. A synchrotron radiation source (SOR) is used as a powerful X-ray source. However, since it is an extremely large and expensive light source, an X-ray exposure system is obtained in comparison with an optical exposure apparatus (stepper). Installation is much more difficult. Accordingly, there arises a problem that the manufacturing cost is significantly increased only by exposing a fine lattice pattern using the X-ray exposure technique.
[0009]
On the other hand, although electron beam exposure does not cause a problem in terms of mask production and equipment acquisition like X-ray exposure, it newly introduces a problem that large area exposure cannot be performed. The area that can be exposed by one electron beam scanning using an electron beam is at most about several hundred microns square. If you want to expose an area larger than that, subdivide the area you want to expose into an area of several hundred microns square or less, and move the stage on which the substrate is placed after each small area exposure to expose the next area. This procedure must be repeated to connect the exposure areas. At the joined boundary, the pattern is generally discontinuous due to errors in stage movement accuracy and distortion of the pattern itself. This is fatal for forming a lattice pattern in which regular arrangement of lattice points is important. Therefore, when a lattice pattern is exposed, only a pattern of several hundred microns square or less can be formed. In the case of optical exposure, a lattice pattern having an area of only about 1/1000 to 1/100 can be exposed as compared with a case where a large area of more than a dozen millimeters square can be exposed even with a lattice pattern.
[0010]
Also, electron beam exposure has a drawback that the time required for exposure is much longer than optical exposure in which exposure is performed on the entire surface because the pattern is written with an electron beam like a single stroke. This drastically reduces the manufacturing throughput of the device having the fine lattice pattern, increases the time required for manufacturing the device (TAT: Turn Around Time), and increases the manufacturing cost.
[0011]
In addition, a photoresist for electron beam exposure generally has a drawback that it has lower dry etching resistance than a photoresist for optical exposure.
[0012]
One of the main objects of the present invention is to provide a new method for forming a photoresist lattice pattern having a fine lattice point size that cannot be achieved by a conventional exposure method using a general-purpose optical exposure apparatus. There is to do.
[0013]
Another main object of the present invention is to provide a method for shaping a lattice pattern and a method for consciously introducing lattice defects into the lattice pattern when the above-described new method is used.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The method for exposing a lattice pattern of the present invention is an exposure method in which a lattice pattern is exposed on a photoresist using an optical exposure apparatus, and the lattice pattern is patterned by multiple exposure of at least two different patterns.
[0015]
Multiple patterns of different exposures can be performed, and the lattice pattern can be patterned into a photoresist using the high solubility of the multiple exposure part in the developer or the insolubility of the non-exposed part in the developer. Compared with the exposure method, exposure can be performed at a high speed, and at the same time, fine pattern resolution characteristics reaching the resolution limit of the optical exposure method can be obtained.
[0016]
Each different pattern may be a line and space pattern. The exposure amount of each multiple exposure may be greater than or equal to the critical exposure amount necessary for dissolving the photoresist in the developer.
[0017]
The exposure amount of each time of multiple exposure may be less than the critical exposure amount, and the exposure amount of at least two overlapping exposure portions may be more than the critical exposure amount.
[0018]
The square lattice pattern may be patterned by exposing two line and space patterns at an angle of 90 ° to each other.
[0019]
The hexagonal lattice pattern may be patterned by exposing two line and space patterns at an angle of 60 ° or 30 ° to each other.
[0020]
A honeycomb lattice pattern may be patterned by subjecting a line-and-space pattern having a space pattern having a periodically divided shape to multiple exposure by inclining by 60 ° or 30 °.
[0021]
A lattice pattern including lattice defects may be patterned by multiple exposure of a line and space pattern having a space pattern with a partially divided shape.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0023]
FIG. 1 shows the procedure of one embodiment of the grid pattern exposure method of the present invention, FIG. 2 shows the state in
[0024]
As shown in FIGS. 1 and 2, the lattice pattern exposure method of the present embodiment first has an exposure having a line-and-space pattern (hereinafter referred to as an L / S pattern) 15 composed of parallel line patterns at equal intervals. First exposure is performed on the photoresist 23 applied on the substrate 18 by using the mask 14 (step S1). Here, the L / S pattern 15 is reduced and projected onto the photoresist 23 in FIG. Next, as shown in FIGS. 1 and 3, using an exposure mask 21 having an L / S pattern 20 that forms an angle θ larger than zero with the line direction of the L / S pattern 15 on the exposure mask 14, a photoresist 23 is used. The second exposure is performed so as to overlap the exposure area 17 (step S2). Thus, the exposure area 22 is finally formed by double exposure. FIG. 4 shows an
[0025]
Assuming that the amount of exposure light 6 in the first exposure is E1, and the exposure amount of the exposure light 19 in the second exposure is E2, the portion 10 irradiated with light in both the first exposure and the second exposure in FIG. A portion 11 irradiated with light only in the first exposure, a portion 12 irradiated with light only in the second exposure, and a portion 13 not irradiated with light in both the first exposure and the second exposure. The total exposure amounts of the portion 10 are E1 + E2, the portion 11 is E1, the portion 12 is E2, and the portion 13 is 0. In the case of a positive photoresist, the solubility of the photoresist in the developer has a nonlinear solubility characteristic as shown in FIG. 7 with respect to the exposure amount. Now, assuming that the critical exposure amount necessary for dissolving the photoresist 23 in the developer is E01 from FIG. 7, when E1> E01 and E2> E01, the portion irradiated with light in the first exposure and the second exposure Since all the portions irradiated with light are exposed to an exposure amount exceeding the critical exposure amount E01 necessary for exposure, the photosensitive portion 4 shown by the oblique lines in FIG. A lattice pattern in which the photosensitive portion 5 remains is formed. When the photoresist 23 is a negative type, as shown in FIG. 9, the solubility in a developing solution of a portion irradiated with an exposure dose exceeding the critical exposure dose E02 is drastically lowered. Therefore, if E1> E02 and E2> E02, the non-photosensitive portion 24 shown by hatching in FIG. 8B is dissolved in the developer, and a lattice pattern is formed in which the remaining photosensitive portion 25 remains.
[0026]
When the photoresist 23 is positive and has a relationship of E1 + E2> E01 and E01> E1 and E01> E2, only the portion 10 irradiated with light in both the first exposure and the second exposure is sufficiently exposed. The amount is obtained and exposed. Therefore, the photoresist in the portion 10 of FIG. 6 is dissolved and disappears by development, and a lattice pattern is formed in which the remaining portions 11, 12 and 13 remain. If the photoresist 23 is a negative type, a portion 10 remains and a lattice pattern in which other portions are omitted is formed by development. Note that the values of E1 and E2 may be the same or different.
[0027]
If θ = 90 °, the photoresist pattern formed by the above method is a square lattice, and the arrangement of lattice points is the same as that of the
[0028]
It goes without saying that the exposure conditions may be E1> E01 and E2> E01 instead of E1 + E2> E01 and E01> E1 and E01> E2, or a negative photoresist may be used instead of a positive photoresist. Yes. In the latter case, the critical exposure required for dissolution in the developer is E02.
[0029]
The
Therefore, the multiple exposure method of the honeycomb lattice pattern shown in FIG. 14 provides a method for introducing lattice defects into the lattice pattern. That is, the line (L) or space (S) of the L / S pattern in the portion where the lattice defect is to be formed is divided at the defect portion. If this method is used, a lattice defect can be introduced into an arbitrary portion of the lattice pattern. A lattice defect in which one lattice point is missing is called a point defect, but a line defect in which point defects are continuously arranged or a lattice defect in which there is no lattice point in a certain region can be formed in the same manner. FIG. 17 shows an example 36 of two superimposed L / S patterns used when introducing an L-shaped lattice defect 37 into a square lattice. Note that “dividing the line” means filling the divided portion with a space, and “dividing the space” means filling the divided portion with a line.
[0030]
By forming a lattice pattern by double exposure divided into two times of the first exposure and the second exposure, the pattern of the exposure mask can be decomposed from the lattice pattern to the L / S pattern. The following advantages arise. That is, a finer lattice pattern can be formed as compared with a case where the lattice pattern is directly transferred to the photoresist once. As shown in FIG. 15 (a), a line AA ′ in the case of exposing a periodic square pattern 32 in which squares having a side of 0.35 microns are arranged with a repetition period of 0.7 microns as shown in FIG. Along the line BB ′ of the L / S pattern 33 in which aperture lines having a width of 0.35 microns are arranged with a repetition period of 0.7 microns as shown in FIG. The light intensity distribution is simultaneously shown in FIG. From FIG. 16, the peak value of the
[0031]
When a phase shift mask used for obtaining a resolution higher than the wavelength limit is used in combination with this method, a finer grating pattern can be formed by breaking the wavelength limit. When i-line is used, the size of the lattice point can be up to 0.25 micron square and the repetition period is about 0.5 micron, making it possible to produce a photonic crystal with a finer lattice pattern corresponding to light with a wavelength of 1 micron. Become. Moreover, if patterning for a 1.55 micron wavelength photonic crystal having a repetition period of 0.7 to 0.8 microns is made by using the present invention and a phase shift mask in combination, there is a margin in patterning accuracy. Can do. Note that the phase shift mask is one of super-resolution techniques for obtaining a resolution exceeding the wavelength limit. The present invention can be used in combination with other super-resolution techniques such as annular illumination.
[0032]
In the embodiments described so far, the method of forming a lattice pattern by double exposure has been described, but triple exposure or more may be performed. When triple exposure or more is performed, the shape of the lattice points can be made close to a circle. FIG. 18 shows an example in which a hexagonal lattice pattern is transferred by triple exposure of an L / S pattern. If the L / S pattern 38, the L /
[0033]
One advantage of forming lattice points in double exposure is that a complete lattice pattern can be formed even if the alignment of the two exposures is slightly shifted. On the other hand, the advantage of grid point formation by multiple exposure of three or more layers is that it is possible to take a large integrated light intensity ratio between a portion subjected to multiple exposure on the photoresist and a portion not so. That is, there is an advantage that the contrast between the light intensity at the lattice point portion and the surrounding light intensity can be doubled by the number of multiple exposures, and a finer lattice point pattern can be resolved.
[0034]
The development process is best performed after multiple exposure, but the development process or baking process may be inserted between multiple exposures.
[0035]
It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately changed within the scope of the technical idea of the present invention.
[0036]
【The invention's effect】
As described above, the present invention makes use of the high solubility characteristic of the multiple exposure portion in the developer or the non-exposure property of the non-exposed portion in the developer by multiple exposure of different lattice patterns using light. Since the lattice pattern can be patterned into a photoresist, exposure can be performed at a higher speed than the electron beam exposure method, and at the same time, the fine lattice points can be decomposed into a plurality of L / S patterns to solve the optical exposure method. Fine pattern resolution that reaches the image limit can be obtained, that is, a pattern size of a wavelength that has been impossible in the past, for example, when using i-line, 0.35 microns on a side, or 0.35 microns in diameter The effect that the lattice points can be formed is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a procedure of a method for exposing a lattice pattern according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic perspective view showing a state in
3 is a schematic perspective view showing a state in
4 is a view showing an exposure pattern on a photoresist 23 exposed in the state of FIG. 2; FIG.
5 is a view showing an exposure pattern by exposure when θ = 90 ° at the same position as the
6 is a view showing an exposure pattern in which the
FIG. 7 is a graph showing the solubility-exposure amount characteristics of a positive photoresist.
8A is a view showing a photoresist 23 after development in one state of the exposure amount of the first exposure and the exposure amount of the second exposure, and FIG. 8B is a view after development in a state different from FIG. 8A. It is a figure which shows the photoresist 23 of.
FIG. 9 is a graph showing the solubility-exposure amount characteristics of a negative photoresist.
FIG. 10 is a schematic diagram showing a square lattice.
FIG. 11 is a schematic diagram showing a hexagonal lattice.
FIG. 12 is a schematic diagram showing a honeycomb lattice.
FIG. 13 is a schematic diagram for explaining a hexagonal lattice multiple exposure method.
FIG. 14 is a schematic diagram illustrating a method for exposing a honeycomb lattice.
15A is a schematic diagram of an example of a periodic square pattern, and FIG. 15B is a schematic diagram of an example of an L / S pattern.
FIG. 16 is a graph illustrating a difference between the present invention and a conventional method.
FIG. 17 is a diagram showing an example of two superimposed L / S patterns used when introducing L-type lattice defects into a square lattice.
FIG. 18 is a diagram illustrating an example in which a hexagonal lattice pattern is transferred by triple exposure of an L / S pattern.
[Explanation of symbols]
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