JP4674105B2

JP4674105B2 - 回路パターン転写装置及び方法

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Publication number: JP4674105B2
Application number: JP2005088861A
Authority: JP
Inventors: 元一大津; 忠川添
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: JP2006269936A

Description

本発明は、基板表面に塗布されたレジスト膜上に回路パターンを転写する回路パターン転写装置及び方法につき、特にナノメータサイズのパターニングを実現することに好適な回路パターン転写装置及び方法に関する。

近年において、集積回路（ＩＣ）の出現から、大規模集積回路（ＬＳＩ）へと集積度の向上が進み、回路パターンにおける設計寸法につき更なる制約が課され、半導体製造プロセスにおける微細加工の研究が盛んに行われている。

光リソグラフィは、かかる微細加工の一手段であり、シリコン酸化膜等の基板表面にレジスト膜を形成し、集積回路パターンの描かれたマスクを介して露光することにより当該パターンを転写し、さらにこれを現像して得られたレジストパターンに基づき基板にエッチング等の加工を行う方法である（例えば、非特許文献１参照。）。

図５は、光リソグラフィの概略を説明するための図である。先ずステップＳ５１において、被加工膜７２を形成した基板７１上にレジスト等の有機感光樹脂をスピンナーを用いて塗布し、均一なレジスト膜７３を形成する。このレジスト膜７３を加熱乾燥させた後に、ステップＳ５２へ移行し、集積回路パターンが描かれたマスク７４を基板７１に重ね合わせる。

次にステップＳ５３へ移行し、後述する露光装置を用いて、上記フォトマスク７４に描かれた集積回路パターンを基板７１上のレジスト膜７３へ転写する。すなわち、集積回路パターンの描かれたマスクを介して露光することにより、レジスト膜７３に対して光化学反応を起こさせる。

次に、ステップＳ５４へ移行し、レジスト膜７３を現像液を用いて現像することにより、レジストパターンを形成する。上記レジスト膜７３が、アルカリ水溶液からなる現像液に対して感光部が可溶化するポジ型のレジスト膜である場合には、かかる感光部につき現像液を用いて取り除くことができる。

このようにして形成したレジストパターンを、次のステップＳ５５において、いわゆるエッチングマスクとして被加工膜７２をエッチングし、さらにステップＳ５６においてレジスト膜７３を剥離することにより、一連のリソグラフィ工程が終了することになる。

また図６は、集積回路パターンの転写に用いる露光装置の原理的な構成図である。

この露光装置８は、光を出射する光源８１と、光源８１から出射された光を集光する照明光学系８２と、集積回路パターンが描かれたフォトマスク８３と、フォトマスク８３を透過した光を基板７１に結像させる投影光学系８４とを備えている。

フォトマスク８３に描かれた集積回路パターンは、照明光学系８２を介して照明され、その透過光のみが投影光学系８４により結像される。その結果、基板７１上に形成されているレジスト膜７３は、かかる集積回路パターンの像に対応して感光することになる。
特開２００４−２３５５７４号公報 N.Shiraishi,et al.:Proc. SPIE, Vol.1674,p.741(1992)

ところで、近年進んでいる光情報通信の大容量化に伴い、半導体デバイスの更なる高集積化、高密度化を図るべく、ナノメータサイズの集積回路パターンを形成する必要がある。通常、このような超微細なパターニングを実現するためには、上述した光源８１の代替として真空紫外光源やＸ線光源を用いることにより、短波長の光をレジスト膜７３上に照射する必要がある。

しかしながら、真空紫外光源やＸ線光源を用いる場合には、既存の光リソグラフィに用いる露光装置に新たな光源や光部品を付加する必要があるため、ユーザの労力の負担が増大し、またシステム全体のコストを抑えることができないという問題点があった。

このため、特に近年において、近接場光を利用したレジストパターンの形成方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）

この特許文献１における開示技術では、例えば図７に示すステップＳ６１において、基板１２１上にレジスト膜１２２を塗布し、かかるレジスト膜１２２を構成する分子間の共鳴エネルギーに相当する光の波長よりも長いいわゆる非共鳴光をフォトマスク１１３に対して上から照射する。例えば幅１０μｍのＣｒ薄膜が形成されたフォトマスク１１３に非共鳴光を照射すると、かかるＣｒ薄膜のエッジ部分においてそれぞれ近接場光が発生することになる。その発生させた近接場光によりレジスト膜１２２を感光させることにより、回路パターンをレジスト膜１２２上に転写してステップＳ６２に示すようなレジストパターンを形成する。

このようにして形成したレジストパターンを、次のステップＳ６３において、いわゆるエッチングマスクとして基板１２１をエッチングし、さらにステップＳ６４においてレジスト膜１２２を剥離すると、最終的に、幅約３０〜５０ｎｍ、深さ約５０ｎｍ程度の溝１２５を基板１２１上に形成することが可能となる。即ち，発生させた近接場光に応じてナノメータサイズのレジストパターンを形成することができ、基板の超微細加工も可能となる。

しかしながら、かかる特許文献１における開示技術では、あくまでフォトマスク１１３を用いて回路パターンを転写する構成であるところ、上述したパターニング動作を繰返し実行するとフォトマスク１１３が劣化してしまう。また、この特許文献１における開示技術では、１枚のフォトマスク１１３から１枚の基板１２１のみに対して回路パターンを転写する構成であるところ、デバイスの大量生産時において対応が困難になるという問題点もあった。さらに、特許文献１の開示技術では、あくまでフォトマスク１１３における回路パターンのエッジ部において近接場光を発生させるものであるため、これにより形成されるレジストパターンもその回路パターンのエッジ部に沿って形成される。このため、回路パターン全体につきエッチングしたい場合であっても、そのエッジ部のみにしかエッチングされないため、所望のパターニングを実現することができないという問題点もあった。

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、その目的とするところは、マスクパターンを不要とすることでその劣化に関する問題をクリアしつつ、大量生産時にも容易に対応することができ、さらには回路パターンを忠実に転写することが可能な回路パターン転写装置及び方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明者は、転写元の基板における、凸部上面が平面状とされた凹凸で表現される回路パターンが予め形成されたパターニング面に転写先の基板表面に形成されたレジスト膜を互いに近接させつつ各基板を配置し、転写先の基板を透過可能であるとともに上記レジスト膜に感光しない波長の光を転写先の基板裏面から照射し、その照射されて転写先の基板を透過した光に基づき、転写元の基板のパターニング面に形成された回路パターンに応じた局所領域に近接場光を発生させ、その発生させた近接場光により当該パターニング面に近接されたレジスト膜を感光させる回路パターン転写装置及び方法を発明した。

即ち、本発明を適用した回路パターン転写装置は、転写元の基板に予め形成された回路パターンを転写先の基板表面に塗布されたレジスト膜上に転写する回路パターン転写装置において、上記転写元の基板における、凸部上面が平面状とされた凹凸で表現される上記回路パターンが予め形成されたパターニング面に、上記転写先の基板表面に形成されたレジスト膜を互いに近接させつつ、上記各基板を配置する基板配置手段と、上記基板配置手段により配置された上記転写先の基板裏面から、当該転写先の基板を透過可能であるとともに上記レジスト膜に感光しない波長の光を照射する光照射手段とを備え、上記光照射手段により照射されて上記転写先の基板を透過した光に基づき、上記転写元の基板の上記パターニング面に形成された上記回路パターンに応じた局所領域に近接場光を発生させ、その発生させた近接場光により当該パターニング面に近接された上記レジスト膜を感光させることを特徴とする。

また、本発明を適用した回路パターン転写方法は、転写元の基板に予め形成された回路パターンを転写先の基板表面に塗布されたレジスト膜上に転写する回路パターン転写方法において、上記転写元の基板における、凸部上面が平面状とされた凹凸で表現される上記回路パターンが予め形成されたパターニング面に、上記転写先の基板表面に形成されたレジスト膜を互いに近接させつつ、上記各基板を配置し、上記転写先の基板を透過可能であるとともに上記レジスト膜に感光しない波長の光を、上記転写先の基板裏面から照射し、上記照射されて上記転写先の基板を透過した光に基づき、上記転写元の基板の上記パターニング面に形成された上記回路パターンに応じた局所領域に近接場光を発生させ、その発生させた近接場光により当該パターニング面に近接された上記レジスト膜を感光させることを特徴とする。

本発明では、従来技術の如くフォトマスクを用いることなく、光リソグラフィを行うことが可能となることから、フォトマスクの劣化に関する問題を解消することが可能となる。また、本発明では、従来技術の如く回路パターンのエッジ部のみに近接場光を発生させるのではなく、あくまで回路パターン全体に亘って近接場光を発生させるものである。このため、回路パターンにつきエッジ部分に限定されるものではなく、全体に亘ってレジスト膜上に忠実に再現することが可能となり、所望のパターニングを実現することが可能となる。

特に、このパターニングに関しては、ナノオーダまで微細化させて実行することも可能となることから、転写先の基板における超微細加工も可能となる。また、レジスト膜は、光源から出射される光には感光することなく、この発生された近接場光のみに反応することになるため、転写されるパターンをより高精細に仕上げることが可能となる。

特に本発明では、既存の光リソグラフィに用いる露光装置を、光源の波長を変えることでそのまま適用することができるため、他光源と交換する必要もなく、ユーザの労力の負担を解消することができ、システム全体のコストを大幅に削減することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、ナノメータサイズのパターニングを実現する回路パターン転写装置につき、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、回路パターン転写装置１の断面構成図を示している。この回路パターン転写装置１は、転写元の基板１３に予め形成された回路パターン１５を転写先の基板２１表面に塗布されたレジスト膜２２上に転写するものであって、光を出射するための光源１１と、光源１１から出射された光を集光する照明光学系１２と、これら転写元の基板１３並びに転写先の基板２１をそれぞれ配置するための基板配置部１７とを備えている。

光源１１は、図示しない駆動電源による制御に基づき、例えばＧ線としての約４３５ｎｍの波長の光を出射するパルス光源である。この光源１１は、基板設置部１７により設置された転写先の基板２１における裏面２１ａから光を照射する。ちなみに、この光の波長は、転写先の基板２１を透過可能であるとともにレジスト膜２２に感光しない波長であれば、いかなるものであってもよい。仮に、上述の如く４３５ｎｍの波長の光を出射する場合には、これに対する透過性を確保すべく、転写先基板２１の材質につきサファイアを適用するようにしてもよい。また、１μｍ程度の波長の赤外光をこの光源１１から出射する場合には、これに対する透過性を確保すべく、転写先基板２１につきシリコン基板を適用するようにしてもよい。

照明光学系１２は、偏光レンズを有し、光源１１から出射された光の偏光方向を、集積回路パターンの座標や方向に基づき制御する。また、この照明光学系１２は、焦束レンズを有し、基板２１上に照射するビーム径やビーム形状を制御する。また照明光学系１２は、光源１１から出射される光の基板２１に対する入射角度を制御する。

基板配置部１７は、転写元の基板１３における回路パターン１５が予め形成されたパターニング面１５ａに、転写先の基板２１の表面２１ｂに形成されたレジスト膜２２を互いに近接させつつ、各基板１３,２１を配置する。このパターニング面１５ａとレジスト膜２２表面との間隔は、光源から出射された光の波長の数分の一程度としてもよい。この基板配置部１７には、このパターニング面１５ａとレジスト膜２２表面との間隔を高精度に調整するための高精度ステージの機能が付加されていてもよい。

レジスト膜２２は、近接場光に感応して化学反応を起こす有機感光樹脂である。以下、この近接場光に関しては、エバネセント光をも含む趣旨である。このレジスト膜２２として、光の照射された領域につき、重合,架橋して現像液に不溶になるネガ型、又は、光の照射された領域につき分解して現像液に対して可溶になるポジ型のいずれを適用してもよい。ちなみに、このレジスト膜２２は、上述の如く、光源１１からの光に対して感光しないことが条件となることから、例えば光源１１から波長４３５ｎｍのＧ線を出射する場合には、感光性の小さい水銀Ｉ線（３６５ｎｍ）用レジスト（ＴＤＭＲ−ＡＲ８７）等を用いるようにしてもよい。

次に本発明を適用したレジストパターン形成方法を含む光リソグラフィ工程につき図２を用いて詳細に説明をする。

先ずステップＳ１１において、予め前処理が施された基板２１上にレジスト膜２２を形成する。このレジスト膜２２の形成には、例えばスピンナー法を採用してもよい。このスピンナー法では、レジストの粘度、固形分含有量及び溶剤の蒸発速度を参照しつつ、スピンナーの回転数を制御することにより、所望の膜厚を得ることができる。ちなみに、レジスト膜２２の形成後、膜中に含まれている溶剤を除去すべくプリベークを行う。

次にステップＳ１２に移行し、転写先の基板２１に対する転写元の基板１３の重ね合わせを実行する。このステップＳ１２において、レジスト膜２２が塗布された転写先の基板２１と転写元の基板１３とが近接するように基板配置部１７を制御する。なお、このステップＳ１２において、パターニング面１５ａとレジスト膜２２表面との間隔につき、照射するの波長に基づき決定してもよい。

次にステップＳ１３へ移行し、光源１１から光を発生する。この光源から発生された光は、照明光学系１２を介して転写先の基板２１の裏面２１ａから入射される。そして、この転写先の基板２１の裏面２１ａへ入射した光は基板２１を透過し、レジスト膜２２を介して転写元の基板１３へ照射されることになる。ちなみに、この基板２１を透過した光はレジスト膜２２に感光することはない。その結果、かかる転写元の基板１３に照射された光に基づき、その表面に形成された回路パターン１５におけるパターニング面１５ａから近接場光が発生することになる。そして、この近接場光にレジスト膜２２が感応する結果、当該回路パターン１５に応じた局所領域において化学反応が進行することになる。

図３は、転写元の基板１３における回路パターン１５と、転写先の基板２１に塗布されたレジスト膜２２との界面を拡大した図である。この図３に示すように転写元の基板１３表面には、回路パターン１５に応じた凹凸が形成されている。このため、発生する近接場光は、その回路パターン１５に応じた凹凸に応じて互いに異なる高さに発生することになる。例えば高さＤにおいては、この回路パターン１５が形成されている凸部分において発生した近接場光が滲出しているが、回路パターン１５が形成されていない凹部分に関しては近接場光が滲出することはない。このような状態においてこの高さＤ付近に至るまでレジスト膜２２表面を近接させると、この凸部分に発生された近接場光にのみによって感光することになる。その結果、この凹凸を形成している回路パターン１５に応じた局所領域のみレジスト膜２２上において感光させることが可能となる。ちなみに、この近接場光の発生領域や強度は、この回路パターン１５を構成する材質の差異によって変化する。かかる現象に基づき、所望のパターニングを行う際において、予め回路パターン１５を構成する材質を異ならせておくようにしてもよい。また、回路パターン１５については、凹凸で形成される場合に限定されるものではなく、回路パターン１５に応じて材質のみを異ならせ、表面は平滑な状態で仕上げるようにしてもよい。

次にステップＳ１４へ移行し、レジスト膜２２を現像液を用いて現像することにより、レジストパターンを形成する。レジスト膜２２が、仮にポジ型である場合には、かかる近接場光に感応した領域につき現像液を用いて取り除くことができる。ちなみに、現像を終了させた後に、レジスト膜２２と基板２１との密着性を向上させるべく、ポストベークを行うようにしてもよい。ちなみに図４は、このステップＳ１４において形成したレジストパターンを示している。この図４に示すように転写元の基板１３表面に予め形成しておいたＬＳＩの回路パターン１５が、ナノメータサイズに至るまでレジスト膜上に忠実に再現されていることを確認することができる。

このようにして形成したレジストパターンを、次のステップＳ１５において、いわゆるエッチングマスクとして基板２１をエッチングし、さらにステップＳ１６においてレジスト膜２２を剥離することにより、一連の光リソグラフィ工程が終了することになる。

このように、本発明を適用した回路パターン転写装置１では、従来技術の如くフォトマスクを用いることなく、光リソグラフィを行うことが可能となることから、フォトマスクの劣化に関する問題を解消することが可能となる。また、この回路パターン転写装置１では、従来技術の如く回路パターンのエッジ部のみに近接場光を発生させるのではなく、あくまで回路パターン１５に応じた凸部分全体に亘って近接場光を発生させるものである。このため、回路パターン１５につきエッジ部分に限定されるものではなく、全体に亘ってレジスト膜２２上に忠実に再現することが可能となり、所望のパターニングを実現することが可能となる。

特に、このパターニングに関しては、ナノオーダまで微細化させて実行することも可能となることから、転写先の基板２１における超微細加工も可能となる。また、レジスト膜２２は、光源１１から出射される光には感光することなく、この発生された近接場光のみに反応することになるため、転写されるパターンをより高精細に仕上げることが可能となる。

なお、上述した転写元の基板１３において、上記パターニング面１５ａに金属製薄膜を積層させるようにしてもよい。これにより、このパターニング面１５ａに発生された近接場光によるレジスト膜２２上への感光効率を向上させることが可能となる。

また、本発明では、この転写先の基板２１に回路パターンを形成させた後、これを転写元の基板１３とすることができ、次の基板２１におけるパターン形成に利用することが可能となる。即ち、この転写元の基板１３として、以前パターニングした転写先の基板２１を使い回しすることにより、フォトマスクを利用する場合と比較して、デバイスの量産化に対して柔軟に対応することも可能となる。

本発明を適用した回路パターン転写装置における構成につき説明するための図である。本発明を適用した回路パターン転写方法を示すフローチャートである。転写元の基板における回路パターンと、転写先の基板に塗布されたレジスト膜との界面を拡大した図である。ステップＳ１４において形成したレジストパターンを示す図である。光リソグラフィの概略を説明するための図である。集積回路パターンの転写に用いる露光装置の原理的な構成図である。従来における近接場光を利用したレジストパターンの形成方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１回路パターン転写装置
１１光源
１２照明光学系
１３転写元の基板
１５回路パターン
１７基板配置部
２１転写先の基板

Claims

転写元の基板に予め形成された回路パターンを転写先の基板表面に塗布されたレジスト膜上に転写する回路パターン転写装置において、
上記転写元の基板における、凸部上面が平面状とされた凹凸で表現される上記回路パターンが予め形成されたパターニング面に、上記転写先の基板表面に形成されたレジスト膜を互いに近接させつつ、上記各基板を配置する基板配置手段と、
上記基板配置手段により配置された上記転写先の基板裏面から、当該転写先の基板を透過可能であるとともに上記レジスト膜に感光しない波長の光を照射する光照射手段とを備え、
上記光照射手段により照射されて上記転写先の基板を透過した光に基づき、上記転写元の基板の上記パターニング面に形成された上記回路パターンに応じた局所領域に近接場光を発生させ、その発生させた近接場光により当該パターニング面に近接された上記レジスト膜を感光させること
を特徴とする回路パターン転写装置。
上記基板配置手段は、上記パターニング面に積層された金属製薄膜で構成される回路パターンが予め形成された上記転写元の基板を配置すること
を特徴とする請求項１記載の回路パターン転写装置。
転写元の基板に予め形成された回路パターンを転写先の基板表面に塗布されたレジスト膜上に転写する回路パターン転写方法において、
上記転写元の基板における、凸部上面が平面状とされた凹凸で表現される上記回路パターンが予め形成されたパターニング面に、上記転写先の基板表面に形成されたレジスト膜を互いに近接させつつ、上記各基板を配置し、
上記転写先の基板を透過可能であるとともに上記レジスト膜に感光しない波長の光を、上記転写先の基板裏面から照射し、
上記照射されて上記転写先の基板を透過した光に基づき、上記転写元の基板の上記パターニング面に形成された上記回路パターンに応じた局所領域に近接場光を発生させ、その発生させた近接場光により当該パターニング面に近接された上記レジスト膜を感光させること
を特徴とする回路パターン転写方法。
上記パターニング面に積層された金属製薄膜で構成される回路パターンが予め形成された上記転写元の基板を配置すること
を特徴とする請求項３記載の回路パターン転写方法。