JP4522068B2 - Structure for generating near-field light, method for generating near-field light, and near-field exposure apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、近接場光を発生させる構造体、近接場光の発生方法、及び、近接場露光装置に関するものである。 The present invention, structure for generating near-field light, the method generating the near-field light, and is relates to proximity field exposure equipment.
半導体メモリの大容量化やＣＰＵプロセッサの高速化・大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のものとなっている。一般に光リソグラフィー装置における微細加工限界は、用いる光の波長程度である。このため、光リソグラフィー装置に用いる光の短波長化が進み、現在は近紫外線レーザが用いられ、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うためには、レーザのさらなる短波長化、その波長域でのレンズ開発等解決しなければならない課題も多い。
一方、光による０．１μｍ以下の微細加工を可能にする手段として、近接場光学顕微鏡（以下ＳＮＯＭと略す）の構成を用いた微細加工装置が提案されている。例えば、１００ｎｍ以下の大きさの微小スリットから滲み出る近接場を用いてレジストに対し、光波長限界を越える局所的な露光を行う装置である。
しかしながら、これらのＳＮＯＭ構成のリソグラフィー装置では、いずれも１本（または数本）の加工プローブで一筆書きのように微細加工を行っていく構成であるため、あまりスループットが向上しないという問題点を有していた。
これを解決する一つの方法として、例えば、特許文献１のような、光波長以下の開口パターンを有する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。
Although photolithography is progressing in this way, there are many problems that need to be solved, such as further shortening the wavelength of the laser and developing a lens in that wavelength region, in order to perform microfabrication of 0.1 μm or less.
On the other hand, a microfabrication apparatus using a configuration of a near-field optical microscope (hereinafter abbreviated as SNOM) has been proposed as means for enabling microfabrication of 0.1 μm or less by light. For example, it is an apparatus that performs local exposure exceeding the optical wavelength limit on a resist using a near field that oozes out from a minute slit having a size of 100 nm or less.
However, these SNOM lithographic apparatuses have a problem that throughput is not improved so much because they are configured to perform microfabrication with a single (or several) processing probe as in a single stroke. Was.
As one method for solving this problem, for example, a prism is provided on an optical mask having an aperture pattern with a wavelength equal to or smaller than that of Patent Document 1 so that light is incident at an angle of total reflection, and bleeding occurs from the total reflection surface. There has been a proposal to collectively transfer the pattern of the optical mask to the resist using the evanescent light emitted.
ところで、上記した微小な開口を用いて近接場光を発生させる場合、その発生効率の更なる向上が望まれており、また、所望の位置に強電場を発生させることが困難であるために所望の露光パターンを得る上で、必ずしも満足の行くものではなかった。
そこで、本発明は上記課題を解決し、高効率に近接場光を発生させることができ、また、所望の位置に強い近接場光を発生させることが可能となる近接場光を発生させる構造体、近接場光の発生方法、及び、近接場露光装置を提供することを目的とするものである。
By the way, when near-field light is generated using the above-described minute aperture, further improvement in the generation efficiency is desired, and it is difficult to generate a strong electric field at a desired position. However, it was not always satisfactory in obtaining the exposure pattern.
Accordingly, the present invention is to solve the above problems, a high efficiency near-field light can be generated in, also, the structure for generating near-field light becomes possible to generate strong near-field light to a desired position the method generates near-field light, and it is an object to provide a proximity field exposure equipment.
本発明は、以下のように構成した近接場光を発生させる構造体、近接場光の発生方法、及び、近接場露光装置を提供するものである。
すなわち、本発明の近接場光を発生させる構造体は、基板表面上に形成された金属からなる遮光層を備え、該遮光層に光を入射させて近接場光を発生させる構造体であって、
前記遮光層は、前記入射させる光の波長以下のサイズの微細構造体、または前記光の波長以下のサイズの微小開口を有する構造体を構成し、
前記入射させる光の偏光方向に平行で、前記微細構造体の前記基板表面と垂直な方向の断面、または前記入射させる光の偏光方向に平行で、前記微小開口を有する構造体の前記基板表面と垂直な方向の断面が、
前記断面における前記基板表面に垂直な任意の軸に対して非対称な断面形状を有していると共に、
前記光の入射により生ずる表面プラズモンポラリトンの、前記遮光層の前記光の入射面側の第一の頂点と、前記遮光層の前記光の出射面側の頂点と、の間の実効的伝搬距離と、
前記第一の頂点の反対側に位置する前記遮光層の入射面側の第二の頂点と、前記出射面側の頂点と、の間の実効的伝搬距離と、
の差が前記表面プラズモンポラリトンの波長の略半波長の奇数倍となっていることを特徴としている。
また、本発明の近接場光を発生させる構造体は、該構造体の第一の面側から前記光を入射させ、第二の面側から光電場を発生させる構成を備え、
前記構造体の非対称な断面形状における前記第二の面側近傍に、少なくとも１つの先鋭な頂点を有するように構成することができる。
また、本発明の近接場光を発生させる構造体は、前記非対称な断面形状が、略三角形、または略四角形、略平行四辺形を含む略多角形とすることができる。また、上記の略三角形とするに際しては、第一〜第三の頂点を有する三角形において、第一の頂点の内角または第二の頂点の内角の一方を、９０度以上とする構成を採ることができる。
また、本発明の近接場光の発生方法は、上記したいずれかに記載の近接場光を発生させる構造体を用い、前記断面形状における非対称な系内で、前記表面プラズモンポラリトンの干渉を発生させることによって、前記構造体の非対称な断面形状における先鋭な頂点近傍に、強い近接場光を発生させることを特徴としている。
また、本発明の近接場露光装置は、上記したいずれかに記載の近接場光を発生させる構造体を露光用マスクとして備え、被露光物と、露光用光源と、を有することを特徴としている。
The present invention provides a structure for generating near-field light, a method for generating near-field light, and a near-field exposure apparatus configured as follows.
That is, the structure for generating near-field light according to the present invention is a structure that includes a light-shielding layer made of metal formed on the surface of a substrate, and generates near-field light by making light incident on the light-shielding layer. ,
The light shielding layer constitutes a fine structure having a size equal to or smaller than the wavelength of the incident light, or a structure having a minute opening having a size equal to or smaller than the wavelength of the light,
A cross-section in a direction perpendicular to the substrate surface of the fine structure parallel to the polarization direction of the incident light, or the substrate surface of the structure parallel to the polarization direction of the incident light and having the minute opening The cross section in the vertical direction
Having a cross-sectional shape asymmetric with respect to an arbitrary axis perpendicular to the substrate surface in the cross-section ;
An effective propagation distance between a first vertex on the light incident surface side of the light shielding layer and a vertex on the light emission surface side of the light shielding layer of the surface plasmon polariton generated by the incidence of the light; ,
An effective propagation distance between the second vertex on the incident surface side of the light shielding layer located on the opposite side of the first vertex and the vertex on the exit surface side;
Is the odd multiple of approximately half the wavelength of the surface plasmon polariton .
Further, the structure for generating near-field light according to the present invention has a configuration in which the light is incident from the first surface side of the structure and a photoelectric field is generated from the second surface side,
The structure may be configured to have at least one sharp apex in the vicinity of the second surface side in the asymmetric cross-sectional shape of the structure .
Also, the structure for generating near-field light of the present invention, the asymmetrical cross-sectional shape may be a substantially polygonal shape including a substantially triangular or substantially rectangular, substantially parallelogram. In addition, when the above-described substantially triangular shape is used, in the triangle having the first to third vertices, one of the internal angle of the first vertex or the internal angle of the second vertex may be 90 degrees or more. it can.
Further, a method of generating near-field light of the present invention uses a structure for generating near-field light according to any one of the above, the in asymmetric system in cross section, generates the interference of the surface plasmon polariton By doing so, strong near-field light is generated in the vicinity of a sharp apex in the asymmetric cross-sectional shape of the structure .
Also, the near-field exposure apparatus of the present invention comprises as an exposure mask structure for generating near-field light according to any one of the above, as characterized by having a exposure object, an exposure light source, a Yes.
本発明によれば、高効率に近接場光を発生させることができ、また、所望の位置に強い近接場光を発生させることが可能となる近接場光を発生させる構造体、近接場光の発生方法、及び、近接場露光装置を実現することができ、また、近接場光発生領域の横方向の広がりを小さく抑えることができる。したがって、高解像な露光を短時間で行うことが可能となる。 According to the present invention, it is possible to generate near-field light with high efficiency, also, the structure for generating near-field light becomes possible to generate strong near-field light to a desired position, the near-field light generating method, and can achieve a proximity field exposure equipment, also, it is possible to reduce the lateral extent of the near-field light generating region. Therefore, high-resolution exposure can be performed in a short time.
つぎに、本発明の実施の形態における近接場光の発生方法について説明する。ここでは、近接場光を所望の位置に発生させ、更に近接場光強度を増大するために、主に、〈１〉電界集中、〈２〉表面プラズモンポラリトンの干渉、〈３〉金属中の自由電子のプラズマ振動という３つの現象を用いた。
それは、これらを入射光に対して「非対称」な系内で発生させることにより、強い近接場光を所望の場所に、特に金属微細構造体や微小開口の出射面側に存在する頂点近傍に発生させることができるという、本発明者らの鋭意検討した結果、初めて見出された知見に基づくものである。
Next, a method for generating near-field light in the embodiment of the present invention will be described. Here, in order to generate near-field light at a desired position and further increase the near-field light intensity, mainly <1> electric field concentration, <2> surface plasmon polariton interference, and <3> free in metal Three phenomena of electron plasma oscillation were used.
By generating these in a system that is “asymmetric” with respect to the incident light, strong near-field light is generated at the desired location, particularly near the top of the metal microstructure or the exit surface of the minute aperture. This is based on the knowledge found for the first time as a result of intensive studies by the present inventors.
以下に、上記の現象が微細構造体もしくは微小開口内で発生することにより、微細構造体の表面近傍の所望の位置での近接場光強度が増大する原理について説明する。まず、上記〈１〉〜〈３〉の現象について説明する。
上記〈１〉の電界集中であるが、これは物質が電場中に置かれた場合、この物質の形状が頂点などの角を持つ場合その部分に電界が集中する現象であり、電磁気学でよく知られた現象なので詳細は割愛する。この効果は上記頂点が電場方向に対して突出し、その先端がとがっているほどその効果が大きく、逆に電場方向と直交する方向に頂点が突出していても電界集中効果はほとんど生じないことに注意が必要である。
The principle of increasing the near-field light intensity at a desired position near the surface of the fine structure when the above phenomenon occurs in the fine structure or the minute opening will be described below. First, the above phenomena <1> to <3> will be described.
The electric field concentration of <1> above is a phenomenon in which, when a substance is placed in an electric field, the electric field concentrates on that part when the shape of the substance has corners such as vertices. Since it is a known phenomenon, details are omitted. Note that this effect increases as the apex protrudes with respect to the electric field direction and the tip of the apex is sharp, and conversely, even if the apex protrudes in a direction perpendicular to the electric field direction, the electric field concentration effect hardly occurs. is required.
つぎに、上記〈２〉の表面プラズモンポラリトンの干渉について説明する。
表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）は金属と誘電体の界面で生じる電荷密度波である。ＳＰＰは通常の伝播光とは結合できないが、エバネッセント波との結合や散乱体を用いた伝播光との結合が可能である。
ここで図１（ａ）を用いて説明する。
本図は本発明の一例である。図１において、母材の表面に金属で出来た微細構造体が形成されているものとする。この微細構造体に光を入射する。この光の偏光は図中に示す通りである。ここで偏光方向は光電場ベクトルの向きである。図中の金属微細構造体は周囲の空気と金属空気界面をなしており、ここに光が入射すると、頂点ＡおよびＢが散乱体として機能し、金属微細構造体の表面にＳＰＰが発生する。
Next, the interference of the surface plasmon polariton of <2> will be described.
Surface plasmon polariton (SPP) is a charge density wave generated at the interface between a metal and a dielectric. SPP cannot be coupled with ordinary propagating light, but can be coupled with evanescent waves or with propagating light using a scatterer.
Here, a description will be given with reference to FIG.
This figure is an example of the present invention. In FIG. 1, it is assumed that a fine structure made of metal is formed on the surface of a base material. Light enters this fine structure. The polarization of this light is as shown in the figure. Here, the polarization direction is the direction of the photoelectric field vector. The metal microstructure in the figure forms a metal-air interface with the surrounding air. When light is incident on the metal microstructure, vertices A and B function as scatterers, and SPP is generated on the surface of the metal microstructure.
ここで、このＳＰＰの位相について説明する。光電場のある時刻での向きを図中のＥでしめす。このとき、頂点Ａ及びＢに加わる光電場Ｅは、頂点Ａに対してはＥは金属微細構造体の内側に向かって印加され、反対に頂点Ｂに対しては金属微細構造体の外側に向かって印加される。つまり同時刻に頂点ＡとＢに印加される光電場は金属微細構造体の表面に対してその向きが逆であり、これは頂点ＡとＢに逆位相の電場が印加されていることと同等である。したがって、この印加電場により頂点Ａ及びＢから発生するＳＰＰは互いに逆位相となる。 Here, the phase of this SPP will be described. The direction of the photoelectric field at a certain time is indicated by E in the figure. At this time, the photoelectric field E applied to the vertices A and B is applied to the vertex A toward the inside of the metal microstructure, and conversely to the vertex B toward the outside of the metal microstructure. Applied. In other words, the photoelectric fields applied to the vertices A and B at the same time have opposite directions with respect to the surface of the metal microstructure, which is equivalent to the application of an antiphase electric field to the vertices A and B. It is. Therefore, the SPP generated from the apexes A and B by this applied electric field is in opposite phase.
つぎに、これらのＳＰＰが頂点Ｃまで伝播することを考える。頂点Ａから頂点Ｃに伝播してきたＳＰＰと頂点Ｂから頂点Ｃに伝播してきたＳＰＰは頂点Ｃで干渉する。頂点Ｃ及びその近傍に近接場光を発生させるためには、頂点Ｃで両者が同位相で干渉する必要がある。そのためには頂点Ａから頂点Ｃまでの伝播距離ａと頂点Ｂから頂点Ｃまでの伝播距離ｂとの差がＳＰＰ波長の半波長の奇数倍である必要がある。また逆に金属微細構造体を上述のような形状に作製しておくことで頂点Ｃ近傍に強い近接場光を発生させることが出来る。ここで、伝播距離ａとｂはともに金属微細構造体の幾何的な形状によってのみ決定されるものではなく、界面での有効屈折率等を考慮した、実効的な伝播距離を指している。このため、例えばこの金属微細構造体がアレイ状に並んでいてその間隔が光の波長と比較して非常に小さい場合（図２（ａ））もしくは金属微細構造体表面に別の高屈折率な誘電体などが形成されている場合などは界面での有効屈折率が変化しているため、これらのことを考慮して伝播距離を決定する必要がある。 Next, consider that these SPPs propagate to the vertex C. The SPP propagated from the vertex A to the vertex C and the SPP propagated from the vertex B to the vertex C interfere with each other at the vertex C. In order to generate near-field light at the vertex C and its vicinity, it is necessary for the vertex C to interfere with each other in the same phase. For this purpose, the difference between the propagation distance a from the vertex A to the vertex C and the propagation distance b from the vertex B to the vertex C needs to be an odd multiple of a half wavelength of the SPP wavelength. On the contrary, strong near-field light can be generated in the vicinity of the vertex C by forming the metal microstructure in the shape as described above. Here, the propagation distances a and b are not determined only by the geometric shape of the metal microstructure, but are effective propagation distances taking into consideration the effective refractive index at the interface. Therefore, for example, when the metal microstructures are arranged in an array and the interval is very small compared to the wavelength of light (FIG. 2 (a)), or the surface of the metal microstructure has another high refractive index. When a dielectric or the like is formed, the effective refractive index at the interface changes. Therefore, it is necessary to determine the propagation distance in consideration of these points.
最後に、上記〈３〉の金属中の自由電子のプラズマ振動について説明する。
金属に光が照射されると、金属の表面近傍の自由電子が振動し光電場の振動に追随する。これにより光電場は金属のごく表面近傍（１０ｎｍ程度）の深さで打ち消され金属内部には染み込まない。ところが金属の大きさ自体が数１０ｎｍ以下になってくると、この光電場の染み込みにより、金属中のほとんど全ての自由電子が光電場に影響され、光電場に略等しい周波数で振動するようになる。金属微細構造と入射光が共鳴すれば金属中の自由電子全体がプラズマ振動を起こす。
Finally, plasma oscillation of free electrons in the metal <3> will be described.
When the metal is irradiated with light, free electrons near the surface of the metal vibrate and follow the vibration of the photoelectric field. As a result, the photoelectric field is canceled at a depth in the vicinity of the very surface of the metal (about 10 nm) and does not penetrate into the metal. However, when the size of the metal itself becomes several tens of nm or less, almost all free electrons in the metal are affected by the photoelectric field due to the penetration of the photoelectric field, and oscillate at a frequency substantially equal to the photoelectric field. . If the metal microstructure and the incident light resonate, the entire free electrons in the metal will cause plasma oscillation.
この結果、金属微細構造体内に電荷密度分布が生じる。そしてこの電荷密度分布により金属微細構造体近傍に電場が発生し、この電場が近接場光となる。この電荷密度分布は金属微細構造体の形状や誘電率、光の振動数などにより変化する。ただ傾向としては、金属内の自由電子は入射する光電場ベクトルと平行に力を受けるため、金属微細構造の頂点のうち光電場の振動方向に突出している頂点近傍に近接場光が発生する。例えば図１（ｂ）のような状況ならば、強い近接場光が発生するのは頂点Ａと頂点Ｃである。
なお、上記〈２〉の表面プラズモンポラリトンの干渉と上記〈３〉のプラズマ振動は同時に発生しうるが、上記〈２〉の表面プラズモンポラリトンの干渉は比較的大きい粒子（直径数ミクロン〜１００ｎｍ程度）で効果が顕著であり、上記〈３〉のプラズマ振動は比較的小さい粒子（直径数１０ｎｍ〜数ｎｍ程度）において顕著である。また、上記〈１〉の電界集中効果は金属微細構造の大きさにかかわらず発生する。これらの現象の相乗効果により、さらに強い近接場光を発生させることが望ましい。
This results in a charge density distribution within the metal microstructure. This electric charge density distribution generates an electric field in the vicinity of the metal microstructure, and this electric field becomes near-field light. This charge density distribution varies depending on the shape, dielectric constant, light frequency, etc. of the metal microstructure. However, as a tendency, since free electrons in the metal receive a force parallel to the incident photoelectric field vector, near-field light is generated in the vicinity of the apex of the metal microstructure that protrudes in the oscillation direction of the photoelectric field. For example, in the situation as shown in FIG. 1B, strong near-field light is generated at vertex A and vertex C.
The surface plasmon polariton interference of <2> and the plasma oscillation of <3> can occur simultaneously, but the interference of the surface plasmon polariton of <2> is relatively large (diameter of about several microns to 100 nm). The above-mentioned <3> plasma vibration is remarkable in relatively small particles (diameter of about several tens of nm to several nm). Further, the electric field concentration effect <1> occurs regardless of the size of the metal microstructure. It is desirable to generate stronger near-field light due to the synergistic effect of these phenomena.
ここでは、上記〈１〉〜〈３〉を用いて近接場光を発生するが、これらを用いる上で重要なことは、「系の非対称性」である。例えば上記〈２〉の表面プラズモンポラリトンの干渉により図１（ａ）中の頂点Ｃ近傍に近接場光を発生させる場合には、ＳＰＰの伝播距離ａとｂに所定の差をつける必要があるため、金属微細構造体及びその周囲の環境が入射光に対して非対称性を有する必要がある。
また上記〈３〉のプラズマ振動による場合でも、もし仮に図１（ｂ）において金属微細構造体が入射光に対して左右対称である場合には頂点Ｃ近傍には近接場光がほとんど発生しない。頂点Ｃ近傍に近接場光を発生させるには少しでも金属微細構造体が入射光に対して左右非対称である必要がある。さらに好ましくは図１（ｂ）で言うならば頂点Ｃが頂点Ｂよりも更に図中右側に突出していることである。
Here, near-field light is generated using <1> to <3> described above, but what is important in using these is "system asymmetry". For example, when near-field light is generated in the vicinity of the vertex C in FIG. 1A due to the interference of the surface plasmon polariton in <2> above, it is necessary to make a predetermined difference between the propagation distances a and b of the SPP. The metal microstructure and the surrounding environment need to be asymmetric with respect to incident light.
Even in the case of <3> plasma vibration, if the metal microstructure is symmetrical with respect to the incident light in FIG. 1B, almost no near-field light is generated in the vicinity of the vertex C. In order to generate near-field light in the vicinity of the vertex C, the metal microstructure needs to be asymmetrical with respect to the incident light as much as possible. More preferably, in FIG. 1B, the vertex C protrudes further to the right in the drawing than the vertex B.
上記〈１〉から〈３〉の現象は金属微細構造に発生するだけでなく微小開口でも同様に現れる。例えば図２（ｂ）のような系では上述の理由により、頂点ＢとＤの近傍に選択的に近接場光を発生させることが出来る。もしも仮にこの系が左右対称な図２（ｃ）のような状況の場合には頂点ＡからＤまでが皆同じようにその近傍に近接場光を発生させてしまい、所望の頂点近傍に選択的に近接場光を発生させることが出来なくなってしまう。また近接場光を発生させる位置として先鋭な頂点近傍を選択できない場合には発生する近接場光強度が弱まってしまう。 つまり、強い近接場光を所望の位置（特に金属微細構造体や微小開口の出射面側頂点近傍）に発生させるためには「非対称な系」に1)から3)の効果を発現させることが重要となる。
そして上述のような手法により所望の場所に発生させた近接場光の発生領域の横方向の広がりは非常に狭いので、例えばこれを用いてフォトレジストを感光させることで微細パターン潜像を所望の位置に形成することが出来る。
The above phenomena <1> to <3> occur not only in the metal microstructure but also in the minute aperture. For example, in the system as shown in FIG. 2B, near-field light can be selectively generated in the vicinity of the vertices B and D for the reasons described above. If the system is symmetrical as shown in FIG. 2 (c), near-field light is generated in the vicinity of vertices A to D in the same manner, and selective to the vicinity of the desired vertex. It will not be possible to generate near-field light. In addition, when the vicinity of a sharp vertex cannot be selected as a position for generating near-field light, the generated near-field light intensity is weakened. In other words, in order to generate strong near-field light at a desired position (especially near the top of the exit surface side of the metal microstructure or microscopic aperture), the effects of 1) to 3) can be expressed in the “asymmetric system”. It becomes important.
Then, the lateral spread of the near-field light generation region generated at a desired location by the above-described method is very narrow. For example, by using this to expose a photoresist, a fine pattern latent image can be obtained as desired. Can be formed at the position.
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図３に、本発明の実施例１における近接場露光用マスクの作製方法を説明するための工程図を示す。
まず、（１００）面を出してあるＳｉウェハである基板３０１を用意する。この基板表面に膜厚５００ｎｍの窒化シリコンを成膜し、母材３０２を形成する（図３（ａ））。
次に、出射面側の母材にバックエッチ孔３０３をフォトリソグラフィーによりパターニングする。さらに、出射面側の母材に膜厚５０ｎｍのＣｒを遮光金属層３０４として成膜する（図３（ｂ））。
Examples of the present invention will be described below.
[Example 1]
FIG. 3 is a process diagram for explaining a method for producing a near-field exposure mask in Example 1 of the present invention.
First, a substrate 301 that is a Si wafer with a (100) plane is prepared. A silicon nitride film having a thickness of 500 nm is formed on the surface of the substrate to form a base material 302 (FIG. 3A).
Next, the back etch hole 303 is patterned in the base material on the emission surface side by photolithography. Further, a 50 nm thick Cr film is formed as a light shielding
次に、遮光金属層にエッチングマスク層を成膜したのちＥＢ描画装置及びドライエッチング装置を用いてエッチングマスク層をスリットアレイ状にパターニングしその後、微細パターン３０５を形成してエッチングマスク層を除去する（図３（ｃ））。但しパターニング手法はこの限りではない。リフトオフやその他の手法も含め所望の形状を作るためにこれらの手法を単独及び複合で用いても良い。エッチングマスク層はＳｉＯ2やＳｉＮ、フォトレジストなどが好ましいがこの限りではない。微細パターンはその遮光金属層の幅を１１０ｎｍ程度に形成しておく。 Next, after forming an etching mask layer on the light-shielding metal layer, the etching mask layer is patterned into a slit array using an EB drawing apparatus and a dry etching apparatus, and then a fine pattern 305 is formed to remove the etching mask layer. (FIG. 3C). However, the patterning method is not limited to this. These methods may be used singly or in combination to produce a desired shape including lift-off and other methods. The etching mask layer is preferably SiO 2 , SiN, photoresist or the like, but is not limited thereto. The fine pattern is formed so that the width of the light shielding metal layer is about 110 nm.
次に、出射面側に補助層３０６としてＳｉＯ2をスパッタ成膜する（図３（ｄ））。さらに補助層表面を研磨して遮光金属層３０４と面一にしてから金属層３０７としてＡｌを２０ｎｍ成膜し、微細パターン３０５の開口部を覆うようにパターニングする。そしてＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いて斜めにエッチングする（図３（ｅ））。但しこの加工はＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いた手法に限るものではない。
次に、金属層３０７を除去し、さらに補助層３０６を除去する。そして、高屈折率層３０８として窒化シリコンを５０ｎｍ成膜したあとＥＢ描画装置等を用いてパターニングを行い、微細パターン３０５上に窒化シリコンを形成する。次に、ＫＯＨ水溶液に異方性エッチングを行い、母材と遮光金属層をメンブレン化しマスクが完成する（図３（ｆ））。
Next, SiO 2 is sputter-deposited as the
Next, the
本実施例ではマスクをメンブレン化したが、基板３０１を露光波長に対して透明な物質で構成すれば、マスクのメンブレン化は必ずしも必要ではない。
ここでこの近接場光発生マスクに光を入射する。入射光を水銀ランプからの光（波長４３６ｎｍ）とする。遮光金属層表面にＳＰＰ（波長は略４００ｎｍ）が発生する。このマスクの構成により、マスクの入射面側の第一の頂点から出射面側の頂点までのＳＰＰの伝播距離とマスクの入射面側の第二の頂点から出射面側の第三の頂点までのＳＰＰの伝播距離との差が１００ｎｍとなり、実効的な屈折率を考慮すると伝播距離の差は２００ｎｍであり略ＳＰＰ波長の半分であるので第三の頂点近傍で近接場光が発生する。
本実施例の近接場光露光マスクにより、入射光のエネルギーを効率よく近接場光に変換できる。また遮光金属層の形状により、近接場光が強く発生する領域を小さくすることができる。
また高屈折率層の存在により、容易に遮光金属層表面で所望のＳＰＰの伝播距離の差を生じさせることが可能となる。
In this embodiment, the mask is made into a membrane, but if the substrate 301 is made of a material that is transparent to the exposure wavelength, the mask is not necessarily made into a membrane.
Here, light is incident on the near-field light generating mask. The incident light is light from a mercury lamp (wavelength 436 nm). SPP (wavelength is approximately 400 nm) is generated on the surface of the light shielding metal layer. With this mask configuration, the propagation distance of the SPP from the first vertex on the entrance surface side of the mask to the vertex on the exit surface side and the second vertex on the entrance surface side of the mask to the third vertex on the exit surface side The difference from the propagation distance of SPP is 100 nm, and considering the effective refractive index, the difference in propagation distance is 200 nm, which is substantially half of the SPP wavelength, so near-field light is generated near the third vertex.
The near-field light exposure mask of this embodiment can efficiently convert the energy of incident light into near-field light. In addition, the region where strong near-field light is generated can be reduced by the shape of the light shielding metal layer.
In addition, the presence of the high refractive index layer makes it possible to easily cause a difference in the desired SPP propagation distance on the surface of the light shielding metal layer.
本実施例では遮光金属層の断面形状は略三角形としたが、この形状は比較的簡便に作製することができることから、好ましい形状である。また、この三角形の頂点のうち入射面側の頂点の一方を鈍角に形成すれば、発生する近接場光強度が増大するためより好ましい。但し、本発明において、遮光金属層の断面形状は、これらの形状に限られるものではなく、例えば上記工程を図３（ｅ）の工程で形成される平行四辺形などの形状にしてもよい。平行四辺形の場合はマスクの出射面側が比較的平面的に構成されるのでマスク表面の強度が維持できる。さらには非対称な多角形やその角が丸まった形状などでも良い。この形状は例えば多角形の頂点が多くなるほど一つの頂点あたりでのＳＰＰの伝播損失が低減するため、高効率に出射側頂点までＳＰＰを伝播することができる。
また、ＳＰＰの位相差が高屈折率層が無くても、遮光金属層の断面形状だけで所望の値に調整できるならば、より簡便な工程で本発明の近接場光露光マスクを作製することができる。
また本実施例では、金属微細構造体の形成を行なったが、略同様の手法を用いて微小開口部を所望の形状に形成することも可能である。
In this embodiment, the cross-sectional shape of the light shielding metal layer is substantially triangular, but this shape is a preferable shape because it can be manufactured relatively easily. Further, it is more preferable that one of the apexes on the incident surface side of the triangle is formed at an obtuse angle because the near-field light intensity generated is increased. However, in the present invention, the cross-sectional shape of the light shielding metal layer is not limited to these shapes, and for example, the above process may be a parallelogram formed in the process of FIG. In the case of the parallelogram, the strength of the mask surface can be maintained because the exit surface side of the mask is relatively planar. Furthermore, an asymmetric polygon or a shape with rounded corners may be used. In this shape, for example, as the number of vertexes of the polygon increases, the propagation loss of the SPP per vertex is reduced, so that the SPP can be propagated to the output side vertex with high efficiency.
In addition, if the SPP phase difference can be adjusted to a desired value only by the cross-sectional shape of the light-shielding metal layer even without the high refractive index layer, the near-field light exposure mask of the present invention can be produced by a simpler process. Can do.
In this embodiment, the metal microstructure is formed. However, it is also possible to form the minute opening into a desired shape by using a substantially similar method.
［実施例２］
図４に、本発明の実施例２における近接場露光用マスクの作製方法を説明するための工程図を示す。
まず（１００）面を出してあるＳｉウェハである基板４０１を用意する。この基板表面に膜厚５００ｎｍの窒化シリコンを成膜し、母材４０２を形成する（図４ａ）。
次に、入射面側の母材にバックエッチ孔４０３をフォトリソグラフィーによりパターニングする。さらに、出射面側の母材に膜厚５０ｎｍのＣｒを遮光金属層４０４として成膜する（図４ｂ）。
[Example 2]
FIG. 4 is a process diagram for explaining a method for producing a near-field exposure mask in Embodiment 2 of the present invention.
First, a substrate 401, which is a Si wafer with a (100) plane, is prepared. A silicon nitride film having a thickness of 500 nm is formed on the surface of the substrate to form a base material 402 (FIG. 4a).
Next, the back etch hole 403 is patterned in the base material on the incident surface side by photolithography. Further, Cr having a film thickness of 50 nm is formed as a light shielding metal layer 404 on the base material on the emission surface side (FIG. 4b).
次に、遮光金属層を集束イオンビーム４０６を用いてパターニングする。このとき、基板に対して集束イオンビーム４０６を斜めから照射することで遮光金属層の形状を非対称な形状に作製する。次にＫＯＨ水溶液により異方性エッチングを行い、母材と遮光金属層をメンブレン化する（図４ｃ）。
ここで近接場光露光マスクに光を入射する。入射光を水銀ランプ（波長４３６ｎｍ）とし、グレーティングピッチを略１００ｎｍ程度に作製しておく。
遮光金属層には金属自由電子によるプラズマ振動が発生する。その結果遮光金属層の出射面側頂点近傍に近接場光が発生する。発生領域の大きさは遮光金属層の出射面側頂点及びそのごく近傍に限られる。
Next, the light shielding metal layer is patterned using the focused ion beam 406. At this time, the shape of the light shielding metal layer is made asymmetric by irradiating the substrate with the focused ion beam 406 obliquely. Next, anisotropic etching is performed with a KOH aqueous solution to form a base material and a light shielding metal layer as a membrane (FIG. 4c).
Here, light is incident on the near-field light exposure mask. The incident light is a mercury lamp (wavelength 436 nm), and the grating pitch is made approximately 100 nm.
Plasma vibration due to metal free electrons occurs in the light shielding metal layer. As a result, near-field light is generated in the vicinity of the exit surface side apex of the light shielding metal layer. The size of the generation area is limited to the apex of the light-shielding metal layer and the vicinity thereof.
本実施例の近接場光露光マスクにより、入射光のエネルギーを効率よく近接場光に変換できる。また遮光金属層の形状により、近接場光が強く発生する領域を小さくすることができる。
本実施例では遮光金属層の断面形状は出射側にある二つの頂点の曲率半径が異なる非対称な四角形としたが、これに限るものではなく、平行四辺形や非対称な多角形の角が丸まった形状などでも良い。またその大きさは本実施例と同様に１辺が１００ｎｍ以下程度であることが好ましい。
また、集束イオンビームの強度分布を、その進行方向に対して左右非対称にしておけば遮光金属層に対して斜め照射でなく垂直に照射しても良い。
また本実施例では、遮光金属層の形成を行なったが略同様の手段を用いて微小開口部を所望の形状に形成することも可能である。
The near-field light exposure mask of this embodiment can efficiently convert the energy of incident light into near-field light. In addition, the region where strong near-field light is generated can be reduced by the shape of the light shielding metal layer.
In this embodiment, the cross-sectional shape of the light-shielding metal layer is an asymmetric quadrilateral with different radii of curvature at the two vertices on the exit side, but this is not restrictive, and the corners of a parallelogram or asymmetric polygon are rounded. It may be a shape. The size is preferably about 100 nm or less on one side as in the present embodiment.
Further, if the intensity distribution of the focused ion beam is asymmetrical with respect to the traveling direction, the light shielding metal layer may be irradiated vertically instead of obliquely.
In this embodiment, the light shielding metal layer is formed. However, it is possible to form the minute opening into a desired shape by using substantially the same means.
［実施例３］
図６に、本発明の実施例３における近接場露光用マスクの作製方法を説明するための工程図を示す。
まず、（１００）面を出してあるＳｉウェハである基板６０１を用意する。この基板表面に膜厚５００ｎｍの窒化シリコンを成膜し、母材６０２を形成する（図６ａ）。
次に、入射面側の母材にバックエッチ孔６０３をフォトリソグラフィーによりパターニングする。さらに、出射面側の母材に膜厚５０ｎｍのＣｒを遮光金属層６０４として成膜する（図６ｂ）。
[Example 3]
FIG. 6 is a process diagram for explaining a method for producing a near-field exposure mask in Example 3 of the present invention.
First, a
Next, a back etch hole 603 is patterned in the base material on the incident surface side by photolithography. Further, Cr having a film thickness of 50 nm is formed as a light shielding metal layer 604 on the base material on the exit surface side (FIG. 6b).
次に、遮光金属層６０４にフォトレジスト６０５を塗布しパターニングする（図６ｃ）。このときフォトレジストは基板に対して斜めに露光し、次工程のドライエッチングを斜めに行なうときの角度にあわせておくことが好ましい。次に、基板に対してＩＣＰ−ＲＩＥ装置等を用いてドライエッチングする。このとき基板に対して斜めからドライエッチングすることで金属遮光層の形状を非対称な形状に作製する。次にＫＯＨ水溶液により異方性エッチングを行い、母材と遮光金属層をメンブレン化する（図６ｄ）。
ここで近接場光露光マスクに光を入射する。入射光を水銀ランプ（波長４３６ｎｍ）とする。遮光金属には金属自由電子によるプラズマ振動が発生する。遮光金属は図の様に平行四辺形に形成されており、その結果遮光金属層の出射面側頂点のうち鋭角の方の頂点近傍により強い近接場光が発生する。発生領域の大きさは遮光金属層の出射面側頂点及びそのごく近傍に限られる。
Next, a
Here, light is incident on the near-field light exposure mask. The incident light is a mercury lamp (wavelength 436 nm). Plasma vibration due to metal free electrons occurs in the light shielding metal. As shown in the figure, the light shielding metal is formed in a parallelogram, and as a result, a stronger near-field light is generated in the vicinity of the apex of the acute angle among the vertices on the exit surface side of the light shielding metal layer. The size of the generation area is limited to the apex of the light-shielding metal layer and the vicinity thereof.
本実施例の近接場光露光マスクにより、入射光のエネルギーを効率よく近接場光に変換できる。また遮光金属層の形状により、近接場光が強く発生する領域を小さくすることができる。
本実施例では遮光金属層の断面形状として平行四辺形としたがこれに限るものではなく、非対称な多角形の角が丸まった形状などでも良い。
また本実施例ではエッチングマスク層を斜めに露光した後に金属遮光層も斜めにドライエッチングを行なったが、この限りではなく、斜めから露光を行なった後、垂直にドライエッチングを行なっても良い。この場合でも、斜めからの露光によりフォトレジストの膜厚に分布が生じているため、これを垂直にドライエッチングを行なっても遮光金属層を非対称に形成できる。この斜め露光には例えば多重露光を用いても良いし、近接場露光マスクを斜めに照明する露光法により非対称な近接場分布を発生させ、これを用いてエッチングマスク層を非対称に露光及びパターニングしても良い。
The near-field light exposure mask of this embodiment can efficiently convert the energy of incident light into near-field light. In addition, the region where strong near-field light is generated can be reduced by the shape of the light shielding metal layer.
In this embodiment, the cross-sectional shape of the light-shielding metal layer is a parallelogram, but is not limited to this, and may be a shape in which the corners of an asymmetric polygon are rounded.
In this embodiment, the metal light shielding layer is also obliquely dry etched after the etching mask layer is obliquely exposed. However, the present invention is not limited thereto, and the etching may be performed vertically and then dry etching may be performed. Even in this case, since the distribution of the thickness of the photoresist is caused by the oblique exposure, the light shielding metal layer can be formed asymmetrically even if this is vertically etched. For this oblique exposure, for example, multiple exposure may be used, or an asymmetric near-field distribution is generated by an exposure method in which the near-field exposure mask is obliquely illuminated, and this is used to asymmetrically expose and pattern the etching mask layer. May be.
［実施例４］
図５に、本発明の実施例４における本発明の近接場光露光マスクを露光装置に適用した構成を示す。
近接場光露光マスク５０１から発生させた近接場光を基板上のレジスト５０２に照射し、レジスト５０２への露光（潜像形成）を行う。ここで、露光用の光源５０３としては、レジスト５０２を露光する波長の光を発生するものを用いる。
位置合わせ／露光制御コンピュータ５０４を用いて、近接場光露光マスク５０１に対するレジスト５０２の位置合わせを行う。
このように本発明の近接場光露光マスクを露光装置に適用した本実施例によれば、高効率な近接場光を発生させることができるため、短時間で露光することが可能となる。また近接場光発生領域が微小な範囲であるため、高解像な露光ができる。
[Example 4]
FIG. 5 shows a configuration in which the near-field light exposure mask of the present invention in Example 4 of the present invention is applied to an exposure apparatus.
The near field light generated from the near field light exposure mask 501 is irradiated onto the resist 502 on the substrate, and exposure (latent image formation) is performed on the resist 502. Here, as the
An alignment /
As described above, according to the present embodiment in which the near-field light exposure mask of the present invention is applied to an exposure apparatus, highly efficient near-field light can be generated, and therefore, exposure can be performed in a short time. In addition, since the near-field light generation region is a minute range, high-resolution exposure can be performed.
［実施例５］
図７に、本発明の実施例５における微小素子の作製方法を説明するための図を示す。
[Example 5]
FIG. 7 is a diagram for explaining a method for manufacturing a microelement in Example 5 of the present invention.
本実施例においては、本発明の近接場光露光マスクを用いた近接場露光装置（または露光方法）によって、図７に示すような反射防止構造素子を作製した。
すなわち、本発明の近接場光露光マスクを用いた近接場露光装置（または露光方法）には、サブ波長構造（＝ＳＷＳ）を有する光素子の作製に適しており、サブ波長構造では、１００ｎｍ以下の構造を広い範囲に作製することが必要であるため、具体的デバイスの一例としては、図７に示すような反射防止構造素子が挙げられる。
図７に示した反射防止構造素子は、石英基板７０１上に形成された石英円錐状構造７０２の２次元アレイから構成されている。ここで、石英円錐状構造７０２のピッチは、基板に対して入射させる光の波長よりも小さくしておくと、この構造が入射光に対する無反射機能を有する。また、第１の例と同様、必要に応じて石英円錐状構造の一部に欠陥を導入し、部分的に反射（散乱）機能を持たせるようにしても良い。
In this example, an antireflection structural element as shown in FIG. 7 was produced by a near-field exposure apparatus (or exposure method) using the near-field light exposure mask of the present invention.
That is, the near-field exposure apparatus (or exposure method) using the near-field light exposure mask of the present invention is suitable for manufacturing an optical element having a sub-wavelength structure (= SWS). Therefore, an example of a specific device is an antireflection structural element as shown in FIG.
The antireflection structural element shown in FIG. 7 is composed of a two-dimensional array of quartz
このような反射防止構造素子の作製方法は以下のとおりである。
まず、石英基板に対して、上記した露光装置を用いて、ネガ型フォトレジスト塗布→露光→現像のプロセスを行い、所定の２次元ドットアレイ形状にレジストをパターニングする。
次に、この２次元ドットアレイ形状のフォトレジストパターンをマスクとして、石英のエッチングを行うことで、図７に示すように、先端が尖鋭で、裾が広がった円錐状構造を形成される。
本実施例によれば、従来の自己組織的な手法を用いて作製する上記のような素子における構造に比べ、作製する構造は周期やサイズの規則性が向上するため、デバイス性能を格段に向上させることが可能となる。
The manufacturing method of such an antireflection structural element is as follows.
First, a negative photoresist coating → exposure → development process is performed on the quartz substrate using the above-described exposure apparatus, and the resist is patterned into a predetermined two-dimensional dot array shape.
Next, by using this two-dimensional dot array-shaped photoresist pattern as a mask, quartz is etched to form a conical structure with a sharp tip and wide skirt as shown in FIG.
According to this example, compared with the structure of the above-described element manufactured using a conventional self-organizing method, the structure to be manufactured improves the regularity of the period and size, so that the device performance is greatly improved. It becomes possible to make it.
３０１：基板
３０２：母材
３０３：バックエッチ孔
３０４：遮光金属層
３０５：微細パターン
３０６：補助層
３０７：金属層
３０８：高屈折率層
４０１：基板
４０２：母材
４０３：バックエッチ孔
４０４：遮光金属層
４０５：微細パターン
４０６：集束イオンビーム
５０１：近接場光露光マスク
５０２：レジスト
５０３：光源
５０４：位置合わせ／露光制御コンピュータ
５０５：光
６０１：基板
６０２：母材
６０３：バックエッチ孔
６０４：遮光金属層
６０５：フォトレジスト
６０６：微細パターン
７０１：石英基板
７０２：石英円錐状構造
301: Substrate 302: Base material 303: Back etch hole 304: Light shielding metal layer 305: Fine pattern 306: Auxiliary layer 307: Metal layer 308: High refractive index layer 401: Substrate 402: Base material 403: Back etch hole 404: Light shielding Metal layer 405: Fine pattern 406: Focused ion beam 501: Near-field light exposure mask 502: Resist 503: Light source 504: Positioning / exposure control computer 505: Light 601: Substrate 602: Base material 603: Back etch hole 604: Light shielding Metal layer 605: Photoresist 606: Fine pattern 701: Quartz substrate 702: Quartz cone structure
Claims (5)
前記遮光層は、前記入射させる光の波長以下のサイズの微細構造体、または前記光の波長以下のサイズの微小開口を有する構造体を構成し、
前記入射させる光の偏光方向に平行で、前記微細構造体の前記基板表面と垂直な方向の断面、または前記入射させる光の偏光方向に平行で、前記微小開口を有する構造体の前記基板表面と垂直な方向の断面が、
前記断面における前記基板表面に垂直な任意の軸に対して非対称な断面形状を有していると共に、
前記光の入射により生ずる表面プラズモンポラリトンの、前記遮光層の前記光の入射面側の第一の頂点と、前記遮光層の前記光の出射面側の頂点と、の間の実効的伝搬距離と、
前記第一の頂点の反対側に位置する前記遮光層の入射面側の第二の頂点と、前記出射面側の頂点と、の間の実効的伝搬距離と、
の差が前記表面プラズモンポラリトンの波長の略半波長の奇数倍となっていることを特徴とする近接場光を発生させる構造体。 A structure that includes a light shielding layer made of metal formed on a substrate surface, and generates near-field light by making light incident on the light shielding layer,
The light shielding layer constitutes a fine structure having a size equal to or smaller than the wavelength of the incident light, or a structure having a minute opening having a size equal to or smaller than the wavelength of the light,
A cross-section in a direction perpendicular to the substrate surface of the fine structure parallel to the polarization direction of the incident light, or the substrate surface of the structure parallel to the polarization direction of the incident light and having the minute opening The cross section in the vertical direction
Having a cross-sectional shape asymmetric with respect to an arbitrary axis perpendicular to the substrate surface in the cross-section ;
An effective propagation distance between a first vertex on the light incident surface side of the light shielding layer and a vertex on the light emission surface side of the light shielding layer of the surface plasmon polariton generated by the incidence of the light; ,
An effective propagation distance between the second vertex on the incident surface side of the light shielding layer located on the opposite side of the first vertex and the vertex on the exit surface side;
A structure for generating near-field light, characterized in that the difference is an odd multiple of approximately half the wavelength of the surface plasmon polariton .
前記構造体の非対称な断面形状における前記第二の面側近傍に、少なくとも１つの先鋭な頂点を有することを特徴とする請求項１に記載の近接場光を発生させる構造体。 The structure includes a configuration in which the light is incident from the first surface side of the structure and a photoelectric field is generated from the second surface side.
The structure for generating near-field light according to claim 1, wherein the structure has at least one sharp apex in the vicinity of the second surface side in the asymmetric cross-sectional shape of the structure.
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