JPH0372173B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、シンクロトロン放射光を用いたＸ
線リソグラフイのようなＸ線の工業的利用に用い
られるＸ線発生装置に関するものである。

以下、Ｘ線リソグラフイ技術を例にとつて説明
する。

従来、微細構造を有するLSI素子の作成におい
て、レジスタ膜へのパターン転写にはフオトリソ
グラフイの技術が用いられてきた。

しかし、光の回析現象のため、転写し得るパタ
ーン幅は光の波長と同程度の約1μｍが限界であ
る。さらに微細化を進めるためにサブミクロンで
のパターンの大量転写に用いられ得るリソグラフ
イ技術が必要とされており、そのひとつに回折効
果の少ないＸ線リソグラフイ技術がある。

ここではＸ線源としては、従来、固体ターゲツ
トに電子線を照射して得られる特性Ｘ線が用いら
れてきたが、その波長は10Å以下であるので、次
のような問題がある。すなわちこの波長域のＸ線
では全ての物質で透過率が高いので、レジストへ
の吸収効率が低く露光時間が長くなるとともに、
十分なマスク・コントラストを得るためには吸収
体膜が厚くなり過ぎる。また、波長が短いため、
レジスト膜や基板中で発生する光電子のエネルギ
ーが高く、二次光電子が拡散して解像度が低くな
る。さらに、半影ぼやけ幾何学的な歪みの効果を
避けるためには、Ｘ線源とウエハ間の距離を十分
離す必要があるが、この種のＸ線源は発散源であ
るため、ウエハ間の距離を離すとビームの利用効
率が悪くなり、実用上十分なビーム強度を得るた
めには非常に強力なＸ線源が必要となつて、現状
では技術的に困難である。

上記の問題点を解決する技術として、シンクロ
トロン放射光の軟Ｘ線が注目されている。第１図
ａに示すように、シンクロトロン放射光２は、磁
場Ｈによつて電子軌道１を曲げられた時に電子ｅ
が放出する電磁波である。その拡がりは電子ｅに
進行方向に集中した円錐状となつている。電子ｅ
は電子軌道１上を進行してゆくので、第１図ｂの
ような通常用いられる鉛直方向の静磁場H_Sの場
合には、電子軌道１上の発光点の重ね合わせによ
り、横方向（軌道面内方向）に一様で縦方向（軌
道面垂直方向）に狭い拡がり角の分布になつてい
る。そのため、無駄に散逸するビームが無く、す
べてのビームをウエハ面上に集中させて露光に利
用することができる。

また、シンクロトロン放射光２は、第２図に示
すようなＸ線からマイクロ波におよぶ連続スペク
トルであるが、電子ｅの運動エネルギーを選ぶこ
とにより、短波長のＸ線成分の少ない、リソグラ
フイにふさわしい10Åから100Åの軟Ｘ線を主成
分としたビームを得ることができる。

なお、軌道半径Ｒ＝２ｍ、電流Ｉ＝100ｍＡ、
発光点とウエハ間の距離Ｌ＝10ｍ、軌道面からの
仰角θ＝0radの場合を第２図に示した。

以上のごとく、ウエハ面上で露光に利用できる
シンクロトロン放射光２の強度は非常に強く、短
い露光時間でパターン転写が可能である。

その強度を生かすためには、半影ぼけや幾何学
的歪みの影響が出ない範囲で、発光点とウエハ間
の距離を短くすることが望ましく、５〜10ｍ程度
の距離にとどめる必要がある。

第３図に示すように放射光の縦方向の拡がりに
は波長依存性があり、軟Ｘ線は可視光より狭くな
つている。ここで第３図では、軌道面からの仰角
による放射光強度の変化を、電子エネルギー
60MeV、軌道半径Ｒ＝２ｍ、電流Ｉ＝100ｍＡ、
発光点とウエハ間の距離Ｌ＝10ｍの場合について
示した。この図からも認められるように、発光点
からウエハまでの距離を10ｍとした場合、リソグ
ラフイに有効な軟Ｘ線成分の強度がほぼ一様にな
るのは５mm程度の幅である。

このことは、ビームが集中していて無駄なく使
用できる放射光の特徴であるが、LSIパターンを
露光することを考えた場合、縦方向のビームの拡
がりが１チツプの寸法にも満たないという欠点に
もなつている。この拡がり角は電子ｅのエネルギ
ーを変えてもほとんど変化せず、軌道半径Ｒを小
さくすることでわずかに増大させることができる
が、十分な幅には程遠い。

従つて１乃至数チツプを包含する１フイールド
を露光するのに必要な１〜５cm四方程度の一様な
露光領域を縦方向においても実現するためには、
何らかの方法で軟Ｘ線の光路を変えてやる必要が
ある。この光路変更のために以下の第４図ａ〜ｄ
に示すいくつかの装置が提案されている。

なお、第４図で、１は電子軌道、２はシンクロ
トロン放射光、３はマスク、４は露光されるウエ
ハ、５は平面鏡、６は凸面鏡または凹面鏡、７は
平面鏡または凹面鏡を示す。以下、第４図ａ〜ｄ
を順次説明する。

(1) ウエハ４それ自体を縦方向に移動する装置
（第４図ａ参照）。

(2) 平面鏡５を用いてシンクロトロン放射光２を
反射させ、その平面鏡５を適当な速さで振動さ
せることで上下方向に放射光を振る装置（第４
図ｂ参照）。

(3) 凸面鏡または凹面鏡６を用いてシンクロトロ
ン反射光２を反射させ、広い面積に一様な強度
を得る装置（第４図ｃ参照）。

(4) 何枚かの平面鏡または凹面鏡７を組み合わせ
て、ウエハ４の左右の不要な放射光を反射さ
せ、縦方向への一様な拡がりを増大させる装置
（第４図ｄ参照）。

これらのうち(1)は何枚ものマスク３を次々にウ
エハ４上に正確に位置決めしたり、大量のウエハ
４を処理したりするための複雑な機構をもつウエ
ハ・アライナーにさらに移動機構の自由度をもう
ひとつ要求することにより、実用上技術的困難が
予想される。

(2)、(3)、(4)はいずれも鏡５または６を用いてい
るが、この場合には、第１にその鏡面の材質の反
射率によつて、有効な軟Ｘ線のスペクトル強度が
異なり、露光時間の予測が面倒になる。第２に光
照射によつて引き起こされた不純物の吸着などに
より、反射率が徐々に低下するため、鏡の交換と
いう保守作業を要し、また、露光時にたえず軟Ｘ
線強度を確認しなければならない。さらに、その
劣化は必ずしも鏡面上一様に進むとは限らず、露
光むらが発生するおそれがある。

この発明は、上記のような従来の光路変更装置
の欠点を有さず、しかも前述のような一様な照射
が可能なＸ線発生装置を提案するものである。以
下この発明の一実施例を図面を用いて説明する。

ある瞬間の電子ｅの位置から出るシンクロトロ
ン放射光２を一定距離離れた地点で観測すると第
１図ａのように、円形スポツト状の拡がりを有し
ている（第５図ａのスポツトＳ参照）。

このため一様な静磁場中で曲線軌道に沿つて有
限距離を走る電子ｅからのシンクロトロン放射光
２は、第１図ｂのように上記円形を横方向に順次
重ね合わせて得られる長方形形状となる（第５図
ｂ参照）。これらのことからわかる通り、たとえ
ば広い正方形形状に一様な照射を行うためには、
円形のスポツトがさらに縦方向にも並んだ、たと
えば第５図ｃのようなスポツトＳの配列を実現す
る電子軌道をつくつてやる必要がある。

そこで、第６図ａのように磁場を配置すると、
電子ｅは左右方向に蛇行しつつ、しかもゆるやか
に上方へ曲がつてゆく。

第６図ａにおいて、６，６′は上下対向して配
置された水平蛇行用磁石群で全長はｌであり、隣
接する磁極の磁性が交互になつており、個々の磁
石の長さはl₁、磁石間の距離はl₂、両磁石群６，
６′の距離はｄとなつており、かつ、両磁石群６，
６′の空間を介して対向する磁極の極性は互に異
極になるように配置されている。これによつて、
電子は水平面内で蛇行運動を行いつつ放射光を発
する。また、７，７′は対向して配置され、対向
する極性が互に異極になるように配置された垂直
偏向用磁石である。電子ｅは上記各磁石群６，
６′および各磁石７，７′で上下、左右が囲まれた
空間を通る。第６図ｂはこのよな電子ｅの電子軌
道１を水平面、垂直面に投影して表わしたもので
あり、第６図ｃは第６図ｂの試料面の拡大図であ
る。座標のとり方は第６図ａ中に示されている。
シンクロトロン放射光２は常に電子軌道１の接線
方向に放射されるから、第６図ａ，ｂのような電
子軌道１では、左右方向の蛇行に伴つて放出され
るシンクロトロン放射光２の方向は、発光点Ａか
らは第６図ｃのA′点へ、発光点ＢからはB′点へ、
発光点ＣからはC′点へというように変化してお
り、したがつて、試料面上の露光領域は第６図ｃ
に示すように、スポツトＳの二次元的な配列で決
定されるのでほぼ一様な正方形状の露光が可能に
なる。厳密には電子ｅはいくつかの塊に分かれて
通過するが、通常の蓄積リングからの放射光と同
じく、その時間間隔は5nsec程度であつて、リソ
グラフイのような目的には放射光は時間的に連続
とみなしてよく、したがつて、上記の正方形領域
は前面が定常的に一様強度のＸ線で照射されると
みなしてよい。

電子エネルギーをＥ〔GeV〕、水平蛇行用磁石
群６，６′の作る磁場をB₁〔KG〕、その個々の磁
石の長さをl₁〔cm〕、磁石間距離をl₂〔cm〕、その対
の数をｎ〔組〕、両磁石群６，６′の全長をｌ〔cm〕、
小型磁石による各々の曲率半径をR₁〔ｍ〕、この
小型磁石に必要なギヤツプ長をｇ〔cm〕、垂直偏向
用磁石７，７′の作る磁場をB₂〔Ｇ〕、それによる
曲率半径をB₂〔ｍ〕、Ｘ線発生装置と露光装置と
の距離をＬ〔ｍ〕、得られる一様露光領域の横幅を
Ｗ〔cm〕、縦幅をＨ〔cm〕、ピーク強度が得られる波
長をλ_P〔Å〕とすると、 λ_P〔Å〕＝1.92R₁〔ｍ〕／E³〔GeV〕 ……(1) R₁〔ｍ〕＝33.36E〔GeV〕／B₁〔KG〕 ……(2) Ｗ〔cm〕＝Ｌ〔ｍ〕l₁〔cm〕／R₁〔ｍ〕 ……(3) ｌ〔cm〕＝ｎ（l₁〔cm〕＋／l₂〔cm〕 ……(4) Ｈ〔cm〕＝Ｌ〔ｍ〕ｌ〔cm〕／R₂〔ｍ〕 ……(5) R₂〔ｍ〕＝3.336×10⁴E〔GeV〕／B₂〔Ｇ〕 ……(6) ｇ〔cm〕＝ｌ〔cm〕Ｈ〔cm〕／100L〔ｍ〕 ……(7) となる。

たとえば、Ｑ＝0.63GeV、B₁＝6KG、l₁＝3.5
cm、l₂＝0.5cm、ｎ＝30組、B₂＝180Gの時、λ_P＝
27Å、R₁＝3.5ｍ、Ｗ＝10cm、ｌ＝120cm、Ｈ＝10
cm、R₂＝120ｍ、ｇ＝1.5cmとなり、10cm四方の一
様露光領域が得られる（第７図参照）。

放射光強度としては、１つだけの水平偏向磁石
から得られる放射光を縦方向に10cmの範囲に広げ
た場合と比べて、約ｎ倍（上の例でｎ＝30）にな
る。また、垂直偏向用磁石７，７′の磁場の強さ
を下げてやれば、必要な露光面積に応じて、一様
露光領域の縦幅をせばめることができ、これに反
比例してシンクロトロン放射光２の輝度が高まる
ので、露光時間を短縮することができる。

なお、この方式は干渉性放射光源のいわゆるア
ンデユレータに水平蛇行用磁石の配列の点で一見
類似しているが、その配列の長さ定数（l₁，l₂な
ど）や、垂直偏向用磁石７，７′を有する点およ
びその設計定数などの点で全く異なるものであ
り、これはその意図する目的が全く異なることか
らくる当然の帰結である。さらに、より協力で小
型の磁石が使用可能であるならばアンデユレータ
の干渉条件をも満たし、上記の広面積一様露光の
条件をも満たすような、水平蛇行用磁石の配列設
計が可能となり、この場合には、準干渉性放射光
源として、前述のｎ倍よりも強く、n²倍までの放
射光強度を得ることができる。

このＸ線発生装置は、電子ビームの有効利用の
点から現在の電子蓄積リングのような周回加速・
蓄積装置の途中に数個所設定するのが良い。その
場合、第７図の条件では磁石系を通過したあと約
10ｍrad電子軌道１が上向いているが、この復元
にはいくつかの方法がある。すなわち、垂直偏
向用の磁石をさらに磁石系の前後に設ける方法。
周回軌道上に複数のＸ線発生装置を設ける垂直
偏向の方向を交互に上向き、下向きとし、電子軌
道１が一方向へ累積的に外れて行かないようにす
る方法。通常の発散・収束用電磁石を用いて電
子軌道１を修正する方法などである。

いずれによつても容易に電子軌道１を水平方向
に戻すことができ、他の目的に使用されるビーム
ダクトを持つ電子蓄積リングにおいても、他のダ
クトに何ら影響をおよぼすことなく設置が可能で
ある。

さらに、このような磁石系の配列は、縦横を入
れかえて設置しても何らさしつかえない。この場
合には約10ｍradの緩やかな水平偏向があること
になるから、これを周回軌道の一部に取り入れれ
ばよく、電子軌道の復元用に新たな磁石を用意し
なくてもさしつかえない。

上記した方法によれば、すべてのシンクロトロ
ン放射光が露光に利用され発光点とウエハの間に
光学素子が全くないことから、第１に強度と一様
性の非常に高いシンクロトロン放射光を広い面積
に得ることができ、第２のシンクロトロン放射光
固有の連続スペクトルを用いるため、必要露光時
間の予測設定が容易であり、第３に一定の電子電
流で常に同一光量の軟Ｘ線を得ることができるの
で、露光時間の制御が容易である。また、電子は
一定の軌道を進行し、シンクロトロン放射光は定
常的に同一方向へ放射されているから、露光時間
の設定が容易であると同時に、蓄積電流の安定性
がよい。

なお、上記の実施例では水平蛇行用磁石群６，
６′と垂直偏向用磁石７，７′を用いたが、上記に
おける水平、垂直は相対的なものであり、両者を
入れかえてもよく、また、必ずしも水平、垂直で
なく斜めであつても原理的には全く支障がない。

以上詳細に述べたように、この発明は、シンク
ロトロン放射光の難Ｘ線をレジスト膜のパターン
転写に用いるＸ線発生装置において、放射光を発
生させるために極性の交互に異なる磁石を電子軌
道の方向に沿つてこの電子軌道をはさんでそれぞ
れ一列に、かつ両列の対向する磁石の極性をそれ
ぞれ異ならせて配列して前記電子軌道に対して垂
直な方向に周期状の磁場領域を作り電子を軌道面
内で蛇行運動させる蛇行用磁石群と、前記周期状
の磁場領域を包含し前記蛇行用磁石群による磁場
の方向および電子の蛇行軸方向の双方に垂直な方
向に前記磁場よりも弱い一様磁場を作り放射光の
照射領域を電子軌道面と垂直な方向に拡大する少
くとも１組の垂直偏向用磁石とを前記電子軌道中
に設けたので、シンクロトロン放射光のもつ優れ
た特徴を損なうことなくその欠点を解消し、広い
面積に一様かつ安定なＸ線照射を実現させるもの
で、これによつて例えば、高いスループツトを持
つ軟Ｘ線リソグラフイを可能とするものであつて
工業上重要な価値を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは磁場中の電子がある瞬間に出すシン
クロトロン放射光の分布を示す模式図、第１図ｂ
は鉛直方向の一様な静磁場中を運動してゆく電子
が出すシンクロトロン放射光の分布を示す模式
図、第２図は電子蓄積リングから出る放射光強度
の波長に対する分布を示す特性図、第３図は縦方
向（軌道面垂直方向）への放射光の強度分布をい
くつかの波長について示した特性図、第４図ａ〜
ｄは縦方向に一様な露光を行うために提案されて
いる種々の装置の模式図、第５図ａ〜ｃは発光点
から一定の距離離れた所でウエハ上に得られる放
射光分布の模式図、第６図ａ〜ｃはこの発明の一
実施例を示すＸ線発生装置を示す模式図、電子の
軌道とシンクロトロン放射光を示す模説明図およ
びこの装置から得られる一様露光面積の放射光分
布の模式図、第７図はこの発明の一具体例を示す
模式図である。 図中、１は電子軌道、２はシンクロトロン放射
光、３はマスク、４は露光されるウエハ、５は平
面鏡、６，６′は水平蛇行用磁石群、７，７′は垂
直偏向用磁石である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シンクロトロン放射光の軟Ｘ線をレジスト膜
   のパターン転写に用いるＸ線発生装置において、 放射光を発生させるために極性の交互に異なる
   磁石を電子軌道の方向に沿つてこの電子軌道をは
   さんでそれぞれ一列に、かつ両列の対向する磁石
   の極性をそれぞれ異ならせて配列して前記電子軌
   道に対して垂直な方向に周期状の磁場領域を作り
   電子を軌道面内で蛇行運動させる蛇行用磁石群
   と、 前記周期状の磁場領域を包含し前記蛇行用磁石
   群による磁場の方向および電子の蛇行軸方向の双
   方に垂直な方向に前記磁場よりも弱い一様磁場を
   作り放射光の照射領域を電子軌道面と垂直な方向
   に拡大する少くとも１組の垂直偏向用磁石とを前
   記電子軌道中に設けたことを特徴とするＸ線発生
   装置。