JP4572406B2

JP4572406B2 - リソグラフィーマスク

Info

Publication number: JP4572406B2
Application number: JP2004334195A
Authority: JP
Inventors: 先剛羅; 照也石原
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2004-04-16
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2024-11-18
Also published as: JP2005328020A

Description

本発明は、リソグラフィーマスクおよび表面プラズモンを用いた光リソグラフィー法に関し、さらに詳細には、光の波長よりも短い微細なパターン、例えば、ナノメートルオーダーの微細なパターンをレジスト上に転写する際に用いて好適なリソグラフィーマスクおよび表面プラズモンを用いた光リソグラフィー法に関する。

従来より周知の光リソグラフィーにおいては、開口部により所望のパターンを形成したリソグラフィーマスクにおける当該開口部の最小寸法が用いる光の波長の半分以下になると、当該光が回折を生じてしまい、レジスト上にリソグラフィーマスクのパターンを正確に転写することができなくなるという問題点があることが知られている。

こうした周知の光リソグラフィーの問題点を解決するための手法として、例えば、近接場リソグラフィーが知られている。

この近接場リソグラフィーにおいては、レジストに密着させてリソグラフィーマスクを配置し、リソグラフィーマスクにパターンとして形成された光の波長よりも小さい開口部に生じるエバネッセント場を用いてレジストを感光させるものであるが、レジストとマスクとの密着位置合わせの調整が困難であるという問題点があるとともに、上記開口部から染み出す近接場光の電場強度が小さいために、レジストの露光時間が長くなるという問題点があった。

なお、本願出願人が特許出願時に知っている先行技術は、上記において説明したようなものであって文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術情報はない。

本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、近接場リソグラフィーのようにレジストとマスクとを密着させたり長時間の露光を行ったりすることなしに、光の波長の半分以下の寸法のパターンをレジストに転写することができるようにしたリソグラフィーマスクおよび表面プラズモンを用いた光リソグラフィー法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、光の波長の半分以下の寸法の微細なパターンを形成するための光リソグラフィーにおいて、光の取り込み、光の伝播および近接場の設計を分離するようにしたものである。

即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、光の入射側に表面プラズモンと該光とをカップリングして表面プラズモン共鳴を生成するための周期構造を形成し、上記周期構造と対向して周期または非周期の任意の形状の微細構造を形成するようにしたものである。また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記周期構造と上記微細構造との合計の厚さが略１５ｎｍであるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか１項に記載の発明において、上記周期構造および上記微細構造を導電性材料により構成するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記周期構造と上記微細構造との間に電場伝達層を形成し、上記電場伝達層上に上記微細構造を形成するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項４に記載の発明において、上記周期構造と上記電場伝達層と上記微細構造との合計の厚さが略１５ｎｍであるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項４または５のいずれか１項に記載の発明において、上記周期構造、上記電場伝達層および上記微細構造を導電性材料により構成するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４、５または６のいずれか１項に記載の発明において、上記微細構造を所定の形状の微小凸部または微小凹部により構成するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、本発明のうち請求項７に記載の発明において、上記微小凸部または微小凹部を円柱形状、半球形状または角柱形状に形成したものである。

また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、本発明のうち請求項７に記載の発明において、上記微小凸部または微小凹部を先端を先鋭化させた針様形状に形成したものである。

また、本発明のうち請求項１０に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９のいずれか１項に記載の発明によるリソグラフィーマスクの上記周期構造に光を入射し、上記微細構造から染み出した表面プラズモン共鳴により強度を増強された近接場光によりレジストを感光させ、上記微細構造に対応したパターンを前記レジストに転写するようにしたものである。

本発明は、光の波長の半分以下の寸法のパターンをレジストに転写することができ、その際に、近接場リソグラフィーのようにレジストとマスクとを密着させたり長時間の露光を行ったりする必要がないという優れた効果を奏する。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明によるリソグラフィーマスクおよび表面プラズモンを用いた光リソグラフィー法の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

図１には、本発明の実施の形態の一例によるリソグラフィーマスクの概念構成説明図が示されている。

即ち、このリソグラフィーマスク１０は、リソグラフィーマスク１０へ入射される光（励起光）に対して透明な材料により形成された基板１２と、基板１２に形成された周期構造１４と、周期構造１４に形成された電場伝達層１６と、電場伝達層１６に形成された微細構造１８とを有して構成されている。この微細構造１８を周期または非周期の適宜の形状に形成することにより、後述するレジスト３２に転写するための所望のパターンを形成するものである。

なお、符号２０は微細構造１８から染み出した近接場光であり、符号３０は微細構造１８により形成されたパターンの構造を作製するための基板であり、符号３２は基板３０上に塗布されたレジストである。このレジスト３２上に、微細構造１８により形成されたパターンが転写されることになる。

ここで、周期構造１４は、基板１２の励起光が入射される面とは反対側の面１２ａに周期的に凹所１２ｂを形成し、この凹所１２ｂ内に周期構造作製用小片１４ａを充填することにより構成されている。なお、この実施の形態においては、凹所１２ｂはその空間形状が四角柱形状に構成されており、周期構造作製用小片１４ａは四角柱形状の凹所１２ｂ内に隙間無く充填されるように四角柱形状に形成されている。

また、電場伝達層１６は、基板１２の面１２ａ側に形成された周期構造１４を覆うようにして平板状に形成されている。

さらに、微細構造１８は、電場伝達層１６の表面１６ａからレジスト３２側に突出する微小凸部１８ａを配設することにより構成されており、微小凸部１８ａを適宜に配置することにより所望の周期または非周期の任意のパターンを形成するようにすればよい。なお、この実施の形態においては、微小凸部１８ａの形状は、四角柱形状に構成されている。

なお、基板１２は、上記したように励起光に対して透明な材料、例えば、石英ガラス、アクリル、ＣａＦ_２あるいはＭｇＦ_２などにより構成されている。

一方、周期構造１４を構成するための周期構造作製用小片１４ａ、電場伝達層１６ならびに微細構造１８を構成するための微小凸部１８ａは、導電性材料、例えば、金や銀などの金属などにより構成されている。

また、リソグラフィーマスク１０の各種寸法は、励起光の波長や各種材料に応じて任意の値に設定することが可能であるが、例えば、励起光として波長４３６ｎｍの光を用いるとともに、基板１２として石英ガラスを用い、周期構造１４を構成するための周期構造作製用小片１４ａとしてＡｇを用い、電場伝達層１６としてＡｇを用い、微細構造１８を構成するための微小凸部１８ａとしてＡｇを用いた場合には、例えば、凹所１２ｂの深さＤは２０〜１００ｎｍに設定でき、電場伝達層１６の厚さＴは２０〜６０ｎｍに設定でき、微小凸部１８ａの高さＨは２０〜１００ｎｍに設定でき、微小凸部１８ａの先端部からレジスト３２の表面までの距離Ｌは０〜２００ｎｍに設定でき、凹所１２ｂの幅Ｗ１は２０〜３８０ｎｍに設定でき、微小凸部１８ａの幅Ｗ２は２〜３９８ｎｍに設定できる。

なお、励起光の光源としては、光リソグラフィー用の光源として既に実用化されているＨｇ−ｇ線などを用いることができ、また、レジスト３２も光リソグラフィー用のレジストとして既に実用化されているＴＭＳＲフォトレジストなどを用いることができる。

以上の構成において、上記したリソグラフィーマスク１０に励起光を照射すると、周期構造１４において励起光と表面プラズモンとがカップリングして表面プラズモン共鳴が生成される。

この表面プラズモン共鳴の生成により、微細構造１８から電場強度を増強された近接場光２０が染み出し、この近接場光２０によりレジスト３２を感光させ、微細構造１８の微小凸部１８ａの構成に対応したパターンがレジスト３２に転写されることになる。

従って、このリソグラフィーマスク１０を用いた光リソグラフィーを行うことにより、光の波長の半分以下の寸法のパターンをレジスト３２に転写することができるようになり、しかもその際に、近接場リソグラフィーのようにレジストとマスクとを密着させたり長時間の露光を行ったりする必要がない。これは、表面プラズモンの大きな波数ベクトルに起因する高い空間周波数を利用しているためである。

なお、本願発明者は、上記したリソグラフィーマスク１０を用いた光リソグラフィーたる本発明による表面プラズモンを用いた光リソグラフィー法を、「ＳｕｒｆａｃｅＰｌａｓｍｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＮａｎｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙＴｅｃｈｎｉｑｕｅ（ＳＰＲＩＮＴ）」と称することを提唱する。

次に、本願発明者が行った実験結果について説明するが、この実験においては、本発明によるリソグラフィーマスクとして、電場伝達層１６の厚さＴが０、即ち、電場伝達層１６を設けておらず、周期構造１４と微細構造１８とが同一のパターンを備えたリソグラフィーマスク１００を用いた。

即ち、図２に示すように、この実験で用いた本発明によるリソグラフィーマスク１００は、石英ガラス製の基板１２上に、周期構造１４および微細構造１８を構成する構造物として、厚さ４０ｎｍで真空蒸着した金の薄膜に電子線リソグラフィーによって周期４００ｎｍで１：１のラインアンドスペースの構造物１０４を作製したものである。

そして、このリソグラフィーマスク１００に対して、周知の光リソグラフィー用の装置を用いて励起光として水銀のｇ線（波長４３６ｎｍ）を照射し、ＴＭＳＲフォトレジストを感光させた。

図３には、現像後に撮影したＳＥＭ写真が示されているが、このＳＥＭ写真に示されているように、構造物１０４の間の開口部Ａが感光して２００ｎｍの帯状のパターンが生じるのではなく、各構造物１０４のエッジにおいて幅５０ｎｍ程度の細い溝が刻印されている。

図４には、リソグラフィーマスク１００における電場強度分布を有限要素時間領域法（ＦＤＴＤ法）で計算したものが示されている。

この図４からも、各構造物１０４のエッジにおいて電場が際立って増強されている様子がわかる。

次に、図５を参照しながら、本願発明者が行ったＦＤＴＤ法により計算したシミュレーション結果について説明するが、このシミュレーションにおいては、本発明によるリソグラフィーマスクとして、基板１２の厚さが０、即ち、基板１２を設けていないリソグラフィーマスク２００を用いるものとした。

即ち、図５に示すように、電場伝達層１６としての厚さ２０ｎｍの金属膜に対し、その金属膜の上面と下面とに周期９００ｎｍ、幅７２０ｎｍ、厚さ３０ｎｍの金属の周期構造作製用小片１４ａおよび微小凸部１８ａを配置する。このため、周期９００ｎｍ、幅１８０ｎｍ、深さ３０ｎｍの溝が形成されることになる。なお、上記した金属としては、Ａｇを用いるものとする。

こうしたリソグラフィーマスク２００に上方から励起光（水銀のｇ線（波長４３６ｎｍ））を照射すると、金属膜の他方の面（図５における下面）に形成された微細構造１８の微小凸部１８ａのエッジ部分およびこれに励起された周期的な部分に強い電場強度の集中（図５における白色部分）が見られる。即ち、金属膜の一方の面（図５における上面）に形成された周期構造１４で光を捕獲し、電場伝達層１６としての厚さ２０ｎｍの金属膜で電場を伝達し、金属膜の他方の面（図５における下面）に形成された微細構造１８で光を再分配している。

なお、計算時間の都合上、微細構造１８として周期的な構造を用いているが、金属膜の他方の面（図５における下面）で高い空間周波数をもった近接場を形成するためには周期構造の必要はなく、任意のパターンを作製することができる。

また、パラメータの設計によっては、近接場の減衰をもっと長くとることも可能であり、リソグラフィーマスク２００とレジストとを密接させる必要は全くなく、両者の位置合わせは極めて容易となる。

次に、図６および図７を参照しながら、本願発明者が行ったＦＤＴＤ法により計算した他のシミュレーション結果について説明するが、このシミュレーションにおいては、本発明によるリソグラフィーマスクとして、基板１２の厚さが０、即ち、基板１２を設けていないとともに、電場伝達層１６の厚さＴが０、即ち、電場伝達層１６を設けていないリソグラフィーマスク３００（図６参照）およびリソグラフィーマスク４００（図７参照）をそれぞれ用いるものとした。

即ち、リソグラフィーマスク３００は、図６に示すように、周期構造１４および微細構造１８を構成する構造物として、周期９００ｎｍ、幅７２０ｎｍ、厚さ５０ｎｍの構造物３０２を配置している。一方、リソグラフィーマスク４００は、図７に示すように、周期構造１４および微細構造１８を構成する構造物として、周期９００ｎｍ、幅７２０ｎｍ、厚さ１５ｎｍの構造物４０２を配置している。

上記したようにリソグラフィーマスク３００とリソグラフィーマスク４００とは、周期構造１４および微細構造１８を構成する構造物の厚さのみ異なり、他の条件は同一のものとする。また、構造物３０２、４０２は、Ａｇよりなるものとする。

こうしたリソグラフィーマスク３００、４００に上方から励起光（水銀のｇ線（波長４３６ｎｍ））を照射すると、図５に示す場合と同様に、リソグラフィーマスク３００、４００の他方の面（図６および図７における下面）に位置する構造物３０２、４０２のエッジ部分およびこれに励起された周期的な部分に強い電場強度の集中（図６および図７における白色部分）が見られる。

ここで、電場伝達層１６の厚さＴが０、即ち、電場伝達層１６を設けていない場合における周期構造１４と微細構造１８との合計の厚さあるいは周期構造１４と電場伝達層１６と微細構造１８との合計の厚さを薄くすると、表裏のプラズモンを結合させて大きな波数が実現され、表面プラズモンの波数ベクトルが大きくなる。この際に、電場伝達層１６の厚さＴが０、即ち、電場伝達層１６を設けていない場合における周期構造１４と微細構造１８との合計の厚さあるいは周期構造１４と電場伝達層１６と微細構造１８との合計の厚さが、例えば、図７に示すように１５ｎｍ程度であるならば、高い空間分解能が実現されて、微細なパターンの形成を実現することができる。

また、図６と図７とを比較すると、電場伝達層１６の厚さＴが０、即ち、電場伝達層１６を設けていない場合における周期構造１４と微細構造１８との合計の厚さあるいは周期構造１４と電場伝達層１６と微細構造１８との合計の厚さが薄いほど、より微細なパターンの形成を実現することができることがわかる。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（６）に示すように変形することができるものである。

（１）上記した実施の形態においては、基板１２の面１２ａに形成された凹所１２ｂの空間形状を四角柱形状に形成したが、これに限られるものではないことは勿論であり、凹所１２ｂはその空間形状を、例えば、円柱形状、角柱形状あるいは半球形状などの任意の形状に構成してよい。また、周期構造作製用小片１４ａも、凹所１２ｂ内に隙間無く充填されるように、円柱形状、角柱形状あるいは半球形状などの任意の形状に構成してよい。

（２）上記した実施の形態においては、微細構造１８を構成するために平板状の電場伝達層１６の表面１６ａに形成された微小凸部１８ａの形状を四角柱形状に形成したが、これに限られるものではないことは勿論であり、微小凸部１８ａはその形状を、例えば、円柱形状、角柱形状、半球形状あるいは先端を先鋭化させた針様形状などの任意の形状に構成してよい。

ここで、微小凸部１８ａの形状を先端を先鋭化させた針様形状とした場合には、微細構造１８から染み出す近接場光の電場強度が、針様形状の微小凸部１８ａの先端において最も強くなるので、レジスト３２に転写する所望のパターンを形成するために微小凸部１８ａを配置する際の配置位置を求める演算処理を簡易化することができる。

（３）上記した実施の形態においては、平板状の電場伝達層１６の表面１６ａに微小凸部１８ａを配設することにより微細構造１８を形成したが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、平板状の電場伝達層１６の表面１６ａに微小凹部を形成することにより微細構造を形成するようにしてもよい。また、この微小凹部の空間形状は、例えば、円柱形状、角柱形状、半球形状あるいは底部を先鋭化させた針様形状などの任意の形状に構成してよい。

（４）上記した実施の形態に示したリソグラフィーマスク１０においては、電場伝達層１６が所定の厚さＴを備えているが、図１２に示すように、電場伝達層１６の厚さＴを０、即ち、電場伝達層１６を設けなくてもよい。

（５）上記した実施の形態に示したリソグラフィーマスク１０においては、基板１２がが所定の厚さを備えているが、図５に示すように、基板１２の厚さを０、即ち、基板１２を設けなくてもよい。

（６）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、集積回路などの製造の際などに用いられるリソグラフィー技術に利用されるものである。

本発明の実施の形態の一例によるリソグラフィーマスクの概念構成説明図である。本願発明者が行った実験に用いた本発明によるリソグラフィーマスクの概念構成説明図である。本願発明者が行った実験結果を示すＳＥＭ写真である。本願発明者が行った実験に用いた本発明によるリソグラフィーマスクにおける電場強度分布を有限要素時間領域法（ＦＤＴＤ法）で計算した計算結果を示すグラフである。本願発明者が行ったシミュレーション結果を示す電場強度分布図である。本願発明者が行ったシミュレーション結果を示す電場強度分布図である。本願発明者が行ったシミュレーション結果を示す電場強度分布図である。

符号の説明

１０、１００、２００、３００、４００リソグラフィーマスク
１２基板
１２ａ面
１２ｂ凹所
１４周期構造
１４ａ周期構造作製用小片
１６電場伝達層
１６ａ表面
１８微細構造
１８ａ微小凸部
２０近接場光
３０基板
３２レジスト
１０４、３０２、４０２構造物

Claims

照射された励起光によりリソグラフィーを行うリソグラフィーマスクにおいて、
導電性材料から成る平板状の電場伝達層と、
該電場伝達層の励起光が入射する第一の面に形成され、導電性材料から成る周期構造作成用小片と、
前記電場伝達層の第一の面とは対向する第二の面に形成され、導電性材料から成る微小凸部とを備えたことを特徴とするリソグラフィーマスク。
前記電場伝達層と前記周期構造作成用小片と前記微小凸部とが金属より成ることを特徴とする請求項１に記載のリソグラフィーマスク。
前記周期構造作成用小片は前記電場伝達層の第一の面に周期的に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のリソグラフィーマスク。
前記周期構造作成用小片において、前記電場伝達層からの高さは２０〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のリソグラフィーマスク。
前記微小凸部において、前記電場伝達層からの高さは２０〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のリソグラフィーマスク。
前記周期構造作成用小片は、円柱形状、角柱形状または半球形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のリソグラフィーマスク。
前記微小凸部は、円柱形状、角柱形状、半球形状または針様形状であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のリソグラフィーマスク。
前記電場伝達層の第一の面と前記周期構造作成用小片との凹凸構造に嵌合するように基板が設けられ、励起光に対して透明な材料よりなる基板を備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のリソグラフィーマスク。
前周期構造作成用小片相互間の幅は２０〜３８０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のリソグラフィーマスク。
前記微小凸部の幅は２〜３９８ｎｍであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のリソグラフィーマスク。
前記電場伝達層の第一の面と前記周期構造作成用小片とで凹凸構造を形成することを特徴とする請求項１〜１０に記載のリソグラフィーマスク。
前記電場伝達層の第二の面と前記微小凸部とで凹凸構造を形成することを特徴とする請求項１〜１１に記載のリソグラフィーマスク。
前記周期構造作成用小片と前記微小凸部とはそれぞれ複数設けられていることを特徴とする請求項１〜１２に記載のリソグラフィーマスク。