JP4522840B2

JP4522840B2 - フォトマスク、露光装置及び露光方法

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Publication number: JP4522840B2
Application number: JP2004370548A
Authority: JP
Inventors: 元一大津; 忠川添; 貴之鈴木
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; Ushio Denki KK; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Ushio Denki KK; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2024-12-22
Also published as: JP2006178133A

Description

本発明は、特にナノスケールの光通信ネットワーク、光計測等の分野に適用されるデバイスを作製する上で必要となるフォトマスク、露光装置及び露光方法に関するものである。

近年の半導体微細加工技術の発展により、量子力学的効果が顕著に現れるサイズまでに微細な構造をもつ半導体素子が実現されている。これに伴い、半導体基板上に形成される回路パターンの微細化も急速に進んできている。

このような回路パターンを形成させるためには、フォトリソグラフィ技術が基本技術として広く認識されるところ、今日に至るまで数多くの開発、改良がなされてきているが、このパターン回路の解像度向上への要求は今後ともさらに強いものとなると考えられている。

このリソグラフィ技術とは、半導体基板上に塗布されたフォトレジストにマスク上のパターンを転写し、その転写されたフォトレジストにつき現像処理を施すことにより、半導体基板そのものをパターニングする技術である。この現像処理において、光の照射された領域のフォトレジストを除去する手法をポジ型といい、マスクパターンにより光が遮蔽された領域にあるフォトレジストを除去する手法をネガ型という。一般にポジ型の方が解像度が高いため、微細加工において頻繁に用いられる。

ところで、露光装置の原理的な解像度Ｒは以下の（１）式で表される。

Ｒ＝ｍλ／ＮＡ・・・・・・・・・・・・・・・（１）
ここで、λは露光装置における光源の波長であり、ＮＡはレンズの開口数であり、ｍはレジストプロセスに依存する定数である。

このような（１）式から、解像度Ｒをより向上させるためには、ｍとλを小さくするとともに、ＮＡの値を大きくする方法が考えられる。つまり、レジストプロセスに依存する定数ｍを小さくするとともに、露光装置の光源の短波長化を図り、さらにはレンズの高ＮＡ化を図ることにより、より解像度の高いパターン回路を作製しようとするものである。

しかしながら、光源やレンズの改良は技術的に難しく、また短波長化及びレンズの高ＮＡ化を進めることにより、光の焦点深度が浅くなり、却って解像度の低下を招くといった問題点が生じる。

そこで、光源やレンズの改良を図るのではなく、フォトマスクを改良することにより高解像のパターンを作製する研究が特に近年において行われている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１において提案されているフォトマスクでは、波長オーダーの微細なパターンで構成されるＣｒ層等の金属薄膜を遮光層として、これを透過性に優れたガラス等で構成されたフォトマスク基板上に被覆し、かかる遮光層上に所定の物性からなる保護層を積層させることにより、形成させるパターンの高解像度化を図ることを目的の一つとしている。

特開２００３−１０７６７７号公報

しかしながら、光源からフォトマスクへ照射される光は、この透過性に優れた透明のフォトマスク基板内を通過するとともに表面に被覆された金属薄膜により散乱される。この散乱された光は、互いに干渉することになり、これがパターニングの精度や再現性を悪化させるという問題点があった。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、金属薄膜により散乱された光の干渉を抑えることにより、より微細なパターニングを行う上での精度や再現性を向上させることが可能なフォトマスク、並びにかかるフォトマスクを使用する露光装置及び露光方法を提供することにある。

本発明者は、ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出し、量子ドットが含められてなるフォトマスク基板に対して所望のパターンに応じた遮光膜を成膜させたフォトマスクを発明した。

即ち、本発明は、フォトマスクであって、光を吸収して光を放出する量子ドットが含められてなるフォトマスク基板と、転写すべき所望のパターンに応じて上記フォトマスク基板上に成膜された遮光膜とを備え、光源から入射される光を吸収して上記量子ドットが放出する光を上記遮光膜を介して出射することを特徴とする。

また、本発明は、フォトマスクであって、光を吸収して光を放出する量子ドットが転写すべき所望のパターンに応じて局所的に含められてなるフォトマスク基板を備え、光源から入射される光を吸収して上記量子ドットが放出する光を出射することを特徴とする。

また、本発明は、光源からの光をフォトマスクを介して被露光体に照射する露光装置において、上記フォトマスクは、光を吸収して光を放出する量子ドットが含められてなるフォトマスク基板と、転写すべき所望のパターンに応じて上記フォトマスク基板上に成膜された遮光膜とを備え、上記光源から入射される光を吸収して上記量子ドットが放出する光を上記遮光膜を介して出射し、上記量子ドットが放出する光を上記遮光膜を介して上記被露光体に照射することを特徴とする。

また、本発明は、光源からの光をフォトマスクを介して被露光体に照射する露光装置において、上記フォトマスクは、光を吸収して光を放出する量子ドットが転写すべき所望のパターンに応じて局所的に含められてなるフォトマスク基板を備え、上記光源から入射される光を吸収して上記量子ドットが放出する光を出射し、上記量子ドットが放出する光を上記被露光体に照射することを特徴とする露光装置。

また、本発明は、光源からの光をフォトマスクを介して被露光体に照射する露光方法において、光を吸収して光を放出する量子ドットが含められてなるフォトマスク基板を有し、転写すべき所望のパターンに応じて遮光膜が上記フォトマスク基板上に成膜されたフォトマスクに上記光源からの光を入射し、上記光源から入射された光を吸収して上記量子ドットが放出する光を上記遮光膜を介して出射して上記被露光体に照射することを特徴とする。

さらに、本発明は、光源からの光をフォトマスクを介して被露光体に照射する露光方法において、光を吸収して光を放出する量子ドットが転写すべき所望のパターンに応じて局所的に含められてなるフォトマスク基板を有するフォトマスクに上記光源からの光を入射し、上記光源から入射された光を吸収して上記量子ドットが放出する光を出射して上記被露光体に照射することを特徴とする。

本発明では、量子ドットが含められてなるフォトマスク基板に対して所望のパターンに応じた遮光膜を成膜させる。これにより、本発明では、フォトマスク基板内を伝搬する光の干渉を防ぐことができるため、パターニングの精度や再現性を向上させることが可能となる。更には、光の干渉を誘発する遮光膜自身を形成することなく、該フォトマスク基板内に量子ドットを局所的に存在させることで、光の干渉が無くなり、精度の高いパターニングや確実な再現性を実現することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明は、半導体基板２上において微細なパターンを形成させる図１に示すような露光装置１に適用される。この露光装置１は、フォトマスク１３に対して光を出射する光源１１と、光源１１から出射された光をフォトマスク１３へ導くための照明光学系１２と、フォトマスク１３から出射された光を半導体基板２上へ集光させる投影光学系１４とを備えている。

光源１１は、波長λの光を出射するランプ等で構成される。この光源１１において、例えばλ＝４３６ｎｍ（ｇ線）や、λ＝３６５ｎｍ（ｉ線）の光を出射する場合には、これを水銀ランプで構成するようにしてもよい。また、更に高解像度を得るために、λ＝２４８ｎｍであるＫｒＦエキシマレーザや、λ＝１９３ｎｍであるＡｒＦエキシマレーザを光源１１として構成するようにしてもよい。以下の説明においては、光源１１から紫外光を出射する。

照明光学系１２は、光源１１から出射された光をレンズにより捉えるとともに、これを所望のスポット径となるように制御しつつフォトマスク１３上に照射する。

フォトマスク１３は、図示しない保持機構により、半導体基板２の表面と略平行となるように配設され、照明光学系からの光を後述する量子ドットにより吸収するとともに、当該量子ドットから放出された出力光を投影光学系１４へ出射する。

投影光学系１４は、フォトマスク１３から供給される出力光を半導体基板２上に縮小投影するためのレンズ等により構成される。

このような構成からなる露光装置１において、光源１１から出射された光は、照明光学系１２による制御に基づいてフォトマスク１３上に照射され、当該フォトマスク１３から出射された出力光は、投影光学系１４により縮小投影された上で、半導体基板２上に塗布されたフォトレジスト上に照射されることになる。これにより、フォトマスク１３に設けられた所望のパターンをフォトレジスト上に転写することができ、当該転写されたフォトレジストにつき現像処理を施すことにより、半導体基板２そのものを微細にパターニングすることができる。

次に、このフォトマスク１３の構成につき更に詳細に説明する。

フォトマスク１３は、図２に示すように、大小様々な量子ドット３１がランダムに含められてなるフォトマスク基板２１と、転写すべき所望のパターンに応じてフォトマスク基板２１上に成膜された遮光膜２２とを備えている。

ここで、ガラス中に量子ドットをランダムに含めるには、ガラスを形成する母材からなる粉末材料（例えばＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３等）と量子ドットを形成する材料を粉末にしたもの（例えばＣｕＣｌ）とを充分に混合し、例えば電気炉等で加熱溶融させ、一定時間保持後に自然冷却することで、（マクロ的にはほぼ均一に）量子ドットをガラス中にランダムに分散させることができる。

また、その他の方法にゾル・ゲル反応を用いたゾル・ゲル法によるガラス生成（ガラス工学ハンドブック：朝倉書店、山根正之・安井至・和田正道・国分可紀・寺井良平・近藤敬・小川晋永［編］）時に、化学的にＣｕＣｌや他の化合物半導体（ＧａＡｓ，ＣｄＳｅ，ＣｄＳなど）の量子ドットを分散導入することが可能である。

フォトマスク基板２１は、ＧａＡｓやＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等をドープしたガラス等で構成されている。ちなみに、このフォトマスク基板２１はガラスに限定されるものではなく、例えばＮａＣｌ基板を用いてもよい。遮光膜２２は、例えばＣｒ等の金属性の薄膜で構成されており、波長オーダーの微細なパターンで構成されていてもよい。

量子ドット３１は、ＣｕＣｌ等の材料系で構成され、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。これら量子ドット３１では、図３に示すように励起子の閉じ込め系によりキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。また、この量子ドット３１におけるエネルギー準位は、下位において比較的離散的に存在しているが、上位になるにつれて連続して存在することとなり、次第に帯状になる。この連続して存在するエネルギー準位を以下、連続帯という。

このような量子ドット３１に光源１１からの光を照射すると、例えば図３に示すように、連続帯において存在する下位のエネルギー準位にある励起子をより上位のエネルギー準位へ励起させることができる。この励起された励起子は、次第にエネルギー失い、その後下位の離散的に存在しているエネルギー準位へ遷移するとともに出力光を放出する。この出力光の波長は、励起子が下位のエネルギー準位へ遷移する際のエネルギー差に依存するが、かかる波長に基づいて半導体基板２上に塗布されたフォトレジストを感光させる。ちなみに、量子ドット３１により光が吸収されてから出力光が放出されるまでの時間は、励起された励起子の寿命に依存するが、一般的には、ナノ秒単位であるため、露光時間に及ぼされる影響は殆ど無い。

量子ドット３１に対して供給される光の波長が異なれば、これを吸収するエネルギー準位も異なり、これに応じて励起された励起子が下位のエネルギー準位へ遷移する際のエネルギー差も異なるため、放出する光の波長も互いに異なることになる。

特に、このフォトマスク１３においては、大小様々な量子ドット３１をフォトマスク基板２１内に含めているため、光を吸収するエネルギー準位もこれに応じて異なり、また励起された励起子の遷移により放出される光の波長も異なってくる。

このため、量子ドット３１から放出される光の波長は互いに異なるものが殆どであり、フォトマスク基板２１内には、このような波長にばらつきのある光が伝搬していることになる。量子ドット３１から放出された出力光は、このフォトマスク基板２１内を伝搬しながら、さらに別の量子ドット３１に吸収され、これに応じて励起された励起子の遷移に基づく出力光が当該別の量子ドット３１から放出されることになる。ちなみに、量子ドット３１における連続帯においては細かいエネルギー差でエネルギー準位が連続しているため、フォトマスク基板２１内を伝搬するほぼ全ての波長の光を吸収することができる。このような動作がフォトマスク基板２１内において延々と繰り返された上で、一部は遮光膜２２により反射され、他の一部は、そのまま投影光学系１４へと出射されることになる。

ちなみに、この量子ドット３１をフォトマスク基板２１内において高密度に含めたフォトマスク１３においては、フォトマスク基板２１内において遮光膜２２により散乱された光をも吸収することができる。

ここで、量子ドット密度は、導入する光源からの直接光が反射・干渉を起こすマスク部位に届く前に十分減衰させる程度であれば良い。直接光を減衰させる方法には、吸収・発光過程、あるいはミー散乱等の方法が考えられる。例えば、前者の方法を用い量子効率１０％（ガラス中のＣｕＣｌは室温において１０−３０％程度）の材料を用いた場合、量子ドットからの発光に対し直接光を１０％以下まで十分に減衰させる必要がある。その為にはマスク厚にもよるが、マスク厚が０．２ｍｍでＣｕＣｌを用いた場合、例えば量子ドットサイズを半径５ｎｍの球と仮定すると１０^１６個／ｃｍ^３オーダーが必要となる。

例えば図４に示すように、フォトマスク基板２１内を伝搬した光Ｌａが遮光膜２２により散乱された場合には、当該光Ｌａはその近傍に存在する量子ドット３１ａにより吸収されることになる。同様に、フォトマスク基板２１内を伝搬した光Ｌｂが遮光膜２２により散乱された場合には、当該光Ｌｂはその近傍に存在する量子ドット３１ｂにより吸収されることになる。仮にこの量子ドット３１ａ，３１ｂが存在しなかった場合には、光Ｌａ，光Ｌｂは、フォトマスク基板２１内におけるＡ領域において干渉縞を作ることになり、この干渉はパターニングの精度や再現性を悪化させてしまうことになるが、これらを量子ドット３１により吸収させることができるフォトマスク２１においては、光Ｌａと光Ｌｂとの間における干渉を防ぐことができる。その結果、パターニングの精度や再現性を向上させることが可能となる。

また、このフォトマスク２１においては、光源からの出射波長λを持つ光を、この遮光膜２２に至るまでに量子ドット３１により吸収することもできる。また、量子ドット３１により吸収された結果、新たに放出された出力光は、出射波長λとは異なる波長からなるため、実際に他の量子ドット３１から放出された異なる波長の出力光との間で干渉を起こすこともなく、パターニング精度に悪影響を及ぼすこともなくなる。

なお、このフォトマスク２１を備える露光装置１では、量子ドット３１から放出される波長のばらつきのある光を用いてレジストを感光させることになるが、仮にｇ線用のレジストであれば、５００ｎｍ程度の波長であっても十分感光するため、その影響を受けることはない。

ちなみに、本発明を適用したフォトマスク２１は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば図５に示すようなフォトマスク４１に適用してもよい。

このフォトマスク４１においては、大小様々な量子ドット３１がランダムに含められてなるフォトマスク基板２１を備えている。フォトマスク基板２１は、転写すべき所望のパターンに応じて量子ドット３１が局所的に含められてなる。従って、この量子ドット３１から放出された光を半導体基板２上に塗布されたフォトレジスト上に照射することにより、所望のパターンをこれに転写することができる。このため、遮光膜２２を被覆することなく、パターニングの精度や再現性を向上させることが可能となる。

ここで、局所的に該量子ドットを含める方法としては、量子ドットをランダムに含むガラスの表面に高エネルギー線として例えばＳＯＲ光や電子ビーム、ＥＵＶ光等を形成したいマスクパターンに沿って照射することにより、最表面に形成された量子ドットを蒸発、または飛散させることで局所的に量子ドットの無い部分を形成することができる。また、量子ドットを含まないガラスの表面にレジストを塗り、予め露光してパターンを形成し、該露光面上に量子ドット形成材料であるＣｕＣｌ等を塗布し加熱により該量子ドット形成材料を該ガラス中に分散させることでも、該量子ドットを局所的に形成することができる。

このフォトマスク４１においては、量子ドット３１と同サイズ（一般に１０ｎｍ程度）のパターンを局所的に作製することが可能となるため、かかるオーダーに基づくより微細なパターンを半導体基板２に形成させることも可能となる。

本発明を適用した露光装置の構成につき説明するための図である。本発明を適用したフォトマスクの構成につき説明するための図である。量子ドットによる光の吸収、放出を説明するためのバンド図である。光の干渉を抑えるメカニズムにつき説明するための図である。本発明を適用したフォトマスクの他の構成につき説明するための図である。

符号の説明

１露光装置、２半導体基板、１１光源、１２照明光学系、１３フォトマスク、１４投影光学系、２１フォトマスク基板、２２遮光膜、３１量子ドット

Claims

光を吸収して光を放出する量子ドットが含められてなるフォトマスク基板と、
転写すべき所望のパターンに応じて上記フォトマスク基板上に成膜された遮光膜とを備え、
光源から入射される光を吸収して上記量子ドットが放出する光を上記遮光膜を介して出射するフォトマスク。
光を吸収して光を放出する量子ドットが転写すべき所望のパターンに応じて局所的に含められてなるフォトマスク基板を備え、
光源から入射される光を吸収して上記量子ドットが放出する光を出射するフォトマスク。
光源からの光をフォトマスクを介して被露光体に照射する露光装置において、
上記フォトマスクは、光を吸収して光を放出する量子ドットが含められてなるフォトマスク基板と、転写すべき所望のパターンに応じて上記フォトマスク基板上に成膜された遮光膜とを備え、上記光源から入射される光を吸収して上記量子ドットが放出する光を上記遮光膜を介して出射し、
上記量子ドットが放出する光を上記遮光膜を介して上記被露光体に照射することを特徴とする露光装置。
光源からの光をフォトマスクを介して被露光体に照射する露光装置において、
上記フォトマスクは、光を吸収して光を放出する量子ドットが転写すべき所望のパターンに応じて局所的に含められてなるフォトマスク基板を備え、上記光源から入射される光を吸収して上記量子ドットが放出する光を出射し、
上記量子ドットが放出する光を上記被露光体に照射することを特徴とする露光装置。
光源からの光をフォトマスクを介して被露光体に照射する露光方法において、
光を吸収して光を放出する量子ドットが含められてなるフォトマスク基板を有し、転写すべき所望のパターンに応じて遮光膜が上記フォトマスク基板上に成膜されたフォトマスクに上記光源からの光を入射し、
上記光源から入射された光を吸収して上記量子ドットが放出する光を上記遮光膜を介して出射して上記被露光体に照射することを特徴とする露光方法。
光源からの光をフォトマスクを介して被露光体に照射する露光方法において、
光を吸収して光を放出する量子ドットが転写すべき所望のパターンに応じて局所的に含められてなるフォトマスク基板を有するフォトマスクに上記光源からの光を入射し、
上記光源から入射された光を吸収して上記量子ドットが放出する光を出射して上記被露光体に照射することを特徴とする露光方法。