JPH0794383A

JPH0794383A - 画像形成方法

Info

Publication number: JPH0794383A
Application number: JP5212080A
Authority: JP
Inventors: Tatsumi Hiramoto; 立躬平本; Ryushi Igarashi; 龍志五十嵐; Hiromitsu Matsuno; 博光松野
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 1993-08-05
Filing date: 1993-08-05
Publication date: 1995-04-07

Abstract

(57)【要約】【目的】画像形成のためのリソグラフィ露光方法にお
いて、主に反射系を主体とする投影光学系の解像度を向
上した、フォトレジスト露光方法を提供する。【構成】キセノン、クリプトン、アルゴンから選択さ
れた少なくとも一種のガスを誘電体容器内部に入れ、容
器外部に設けた電極で該容器を通して該容器内部に電流
を流して前記ガスを励起し、該励起ガスから放射される
エキシマ発光を利用する誘電体バリヤ放電ランプを用い
て、フォトレジストを露光する。もしくは、クリプトン
と塩素と、前記二者以外のガスをバッファガスとして誘
電体容器内部に入れ、容器外部に設けた電極で該容器を
通して該容器内部に電流を流してクリプトンと塩素とを
励起し、クリプトン塩素エキシマから放射されるエキシ
マ発光を利用する誘電体バリヤ放電ランプを用いて、フ
ォトレジストを露光する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置を生産する
工程に現れるフォトレジストの露光方法、すなわち画像
形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】微細加工用リソグラフィ露光装置の光学
系は、現在では投影方式といわれるマクスと被照射体で
あるフォトレジストを塗布したウエハとの間の距離が大
きい光学系が主流である。その光学系の解像度Ｒと焦点
深度ＤＯＦは、Ｋ₁，Ｋ₂を定数として、それぞれ次式
で表される。Ｒ＝（Ｋ₁λ）／（ＮＡ）ＤＯＦ＝（Ｋ₂λ）／（ＮＡ）²＝（Ｋ₂／Ｋ₁ ²）×（Ｒ²／λ）ここでλは露光で使用する光の波長、ＮＡは投影レンズ
の開口数である。

【０００３】レンズまたはミラーのＮＡを大きくするに
は、設計上問題があり、むやみに１に近づけることは出
来ない。現状では、０．５〜０．６が限度である。従っ
て解像度を良くするには波長の短い光を使用せざるを得
ない。しかし、露光用の光の短波長化にも従来問題があ
った。それは、短波長になるにつれ、光を吸収なく透過
する物質、ガラス材の数が制限され色収差をなくすこと
が困難となる。その解決策として、レンズ系を主体にし
た光学系から反射系を主体とした光学系いわゆるミラー
光学系の投影方式の露光装置が既に商品化されている。
しかし強い紫外線を放射する光源がない。ＡｒＦレー
ザ、Ｆ₂レーザなどが研究されているが，まだ商品とし
て半導体装置の生産工程で使用できるレベルに達してい
ない。他方、フォトレジストについては既に真空紫外域
での評価はなされており、従来のフォトレジストの中で
短波長の光でも使用可能なものがいくつか見出されてい
る。結局短波長の光を強く放射する光源がないというこ
とで、Ｒとしては０．３μｍ程度がランプおよびレーザ
としての限界と考えられている。

【０００４】他方、リソグラフィ露光装置としてはプロ
キシミティ露光装置と称される装置もあり、液晶表示パ
ネルなどの量産用に使用されている。縮小投影露光方式
に比べ解像度は劣るが、生産性は高いためサブミクロン
クラスのリソグラフが要求されない場合には充分使用す
るメリットはある。しかし、この装置に対しても、要求
される解像度が高くなってきている。つまりＲの値を小
さくすることが要求されている。一般にこの場合のＲ
は、波長λと、マスクとフォトレジスト面とのギャップ
ｄとの積の平方根に比例する。すなわち、Ｋ₃を定数と
して、Ｒ＝Ｋ₃×（λ×ｄ）^1/2である。したがって現
状のショートアーク型の水銀灯から放射される波長４３
６ｎｍより、例えば波長１７２ｎｍに変更することによ
って、現状の分解能約３μｍが約２μｍと上昇すること
になる。

【０００５】一般的に、リソグラフィ露光装置として解
像度を上げるためには光学的な色収差はできるだけ小さ
くしなければならない。インコヒーレント光源の場合に
はスペクトル線の波長巾は光の強度をある程度強く保つ
ためにも１ｎｍあるいはそれ以上の値が不可欠である。
しかしこの場合、屈折系光学系で装置の光学系を設計す
ることは色収差の除去の点で不可能となる。そのため、
従来の光は、ショートアーク型の水銀ランプから放射さ
れる波長３６５ｎｍの光を使用し、光学系としては、色
消しを施した屈折系光学系、もしくは屈折系と反射系と
を組み合わせた混合系光学系、もしくはミラー光学系を
使用し、色収差の発生をある程度許容するか完全に除去
した装置が使用されてきた。そして、露光用の光とし
て、屈折系では波長３６５ｎｍの光、反射系では波２４
０ｎｍ付近の波長巾の広い放射光が使用されてきた。ま
た、前記のプロキシミティ露光装置では、露光用の光と
して、ショートアーク型水銀ランプから放射されるＧ
線、Ｈ線などが使用されている。何れも光源としてはシ
ョートアーク型の水銀ランプ、キセノンマーキュリーラ
ンプが使用されてきた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、画像
形成のためのリソグラフィ露光方法において、主に、反
射系を主体とする投影光学系の解像度を向上した、フォ
トレジスト露光方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、露光方
法において次の工程を含むことによって達成される。キ
セノン、クリプトン、アルゴンから選択された少なくと
も一種のガスを誘電体容器内部に入れ、容器外部に設け
た電極で該容器を通して該容器内部に電流を流して前記
ガスを励起し、該励起ガスから放射されるエキシマ発光
を利用する誘電体バリヤ放電ランプを用いて、フォトレ
ジストを露光する。もしくは、クリプトンと塩素と、前
記二者以外のガスをバッファガスとして誘電体容器内部
に入れ、容器外部に設けた電極で該容器を通して該容器
内部に電流を流してクリプトンと塩素とを励起し、クリ
プトン塩素エキシマから放射されるエキシマ発光を利用
する誘電体バリヤ放電ランプを用いて，フォトレジスト
を露光する。

【０００８】そして、誘電体バリヤ放電ランプの構造
は、誘電体容器が、円環状の内部空間を有する竹輪状で
あって、容器外面のうち、外側の外周面と内側の外周面
に、反射膜を兼ねたアルミニウム膜電極を設け、容器の
端面の少なくとも一方からエキシマ光を取り出す構造と
する。または、誘電体容器が、円環状の内部空間を有す
る竹輪状であって、該空間を、該容器の長手方向に沿っ
て切断した時の断面形状が三角形もしくは台形であり、
容器外面のうち、外側の外周面と内側の外周面に、反射
膜を兼ねたアルミニウム膜電極を設け、容器の端面の
内、面積の広い方からエキシマ光を取り出す構造とす
る。

【０００９】更に、エキシマ光を取り出す端面もしくは
その前方に、エキシマ光を点状もしくは直線状、もしく
は円環の一部の形に整形するマスク手段を設ける。また
は、エキシマ光を取り出す端面もしくはその前方に、集
光手段を設ける。

【００１０】

【作用】オゾナイザ放電（「放電ハンドブック」平成１
年６月１日再版７刷発行、編集兼発行者電気学会、第２
６３頁〜、参照）を利用して、誘電体容器中のキセノ
ン、クリプトン、アルゴンを励起せしめ、それらのエキ
シマからの放射光を取り出すと、波長帯域として、キセ
ノンからはピーク波長を１７２ｎｍとする１６０ｎｍ〜
１９０ｎｍ、クリプトンからはピーク波長を１４６ｎｍ
とする１４０ｎｍ〜１６０ｎｍ、アルゴンからはピーク
波長を１２６ｎｍとする１０７ｎｍ〜１６５ｎｍの極短
波長の光が得られる。また、クリプトン塩素のエキシマ
からは、ピーク波長を２２２ｎｍとする波長帯域２００
ｎｍ〜２４０ｎｍの紫外線が得られる。そして、オゾナ
イザ放電を利用した誘電体バリヤ放電ランプの構造を、
ビーム光や平行光などに整形しやすい光が取り出せるよ
うに設計してあるので、フォトレジストの露光に適す
る。上記のとうり、露光用の光は極短波長なので、屈折
系の光学系の光学素子としては、石英、アルカリ金属の
ハライド、アルカリ土類金属のハライドを利用し、反射
系の光学系のミラーとしてはアルミニウム等とする。よ
って、例えばキセノンエキシマから放射される波長１７
２ｎｍの光を、反射系を主体として縮小投影露光装置に
適用してフォトマスクを通してフォトレジストを露光す
ると、０．２５μｍ程度の微細加工ができる。

【００１１】

【実施例】図１は、本発明に用いる誘電体バリヤ放電ラ
ンプの構造の説明図である。図から理解できるように、
誘電体容器全体の外観形状は、円環状の内部空間１を有
する「竹輪」状になっている。誘電体容器は高純度合成
石英ガラスから作られており、容器外面のうち、外側の
外周面２と内側の外周面３に、それぞれ反射膜を兼ねた
アルミニウム膜電極４，５が設けられている。この電極
４，５を交流電源６に接続する。円環状の内部空間１が
放電空間であり、この中に、キセノン、アルゴン、クリ
プトン、もしくはクリプトンと塩素の混合ガスを充填し
ておき、交流電源６で放電励起せしめると、放電空間内
でオゾナイザ放電が生じ、充填ガスからのエキシマ光が
得られる。図１の場合、一方の端面７からエキシマ光を
取り出すので、他方の外端面８にはアルミニウムの反射
膜９を設ける。したがって、該ランプから得られる光の
形状はリング状である。尚、図からは省略してあるが、
いずれのアルミニウム膜も保護用の二酸化硅素の膜でお
おってある。また、反射膜９は、他方の内端面１０に設
けても良い。

【００１２】図１から理解されるように、エキシマ光を
一方から取り出して利用する場合は、図２および図３に
示すように、放電空間をその長手方向に沿って切断した
時の断面形状が、三角形、もしくは台形であって、端面
の面積の広い方からエキシマ光を取り出す構造の方が、
放電空間内からの反射光の利用を考慮すると好都合であ
る。

【００１３】前記のとうり、図１〜図３の構造のランプ
から得られるエキシマ光の形状はリング状であるが、画
像形成のためのフォトレジストを露光する場合、光の形
状が「点状」、「方形」、「弧状」の方が都合が良かっ
たり、既存の露光装置の光学系との適合性を考慮して、
光の形状を整形した方が良い場合がある。この場合、整
形方法には二通りある。一つは、光を取り出す方の端面
の誘電体そのものに、残したい形状の部分以外に金属膜
を蒸着してしまうものである。図４は、リング状の端面
の半分に金属膜１１をかぶせ、光の取り出し面として
「円弧１２」を残した場合の説明図である。他の方法
は、図５に示すように、「円弧１３」の孔のあいた不透
明金属板１４を、ランプのリング状の端面の近傍に配置
する。以上のようにして、エキシマ光の形状は、点状、
棒状、弧状等必要に応じ整形できる。

【００１４】また、図１から図３の構造のランプの端部
から取り出せるエキシマ光は、一般的には、大なり少な
り発散光となるが、この場合も集光手段を利用すること
によってエキシマ光は利用しやすくなる。集光手段とし
ては、図６に示すように、エキシマ光を取り出す側の端
部の誘電体を集光レンズ１５にしてしまうことである。
もしくは、図７に示すように、エキシマ光を取り出す端
面の近傍に集光レンズ１６を配置することである。そし
て当然ながら、整形手段と集光手段を適宜組み合わせて
も良い。

【００１５】図８は、電極１７が放電空所に配置されて
いて、この場合も、結果的には、「円環状の放電空間」
となり、電極４と電極１７とを交流電源に接続して内部
ガスを放電励起せしめると、オゾナイザ放電が生じ、キ
セノン等からエキシマ光が得られる。

【００１６】図９は、他の構造の誘電体バリヤ放電ラン
プの説明図である。後述するように画像形成のためのフ
ォトレジスト露光では、光の形状が「円弧」が好まれる
ので、ランプの構造を、初めから、「円弧」のエキシマ
光が得られるようにする。すなわち、図９は、円環状の
内部空間を有する竹輪状の誘電体容器を、空間の長手方
向に沿って切断し、その長手方向から見たランプの構造
の説明図となっている。前期のとうり、４，５は一対の
電極であり、交流電源に接続して空間１の内部のキセノ
ン等のガスを放電励起せしめれば、キセノン等からのエ
キシマ光が弧状で得られる。

【００１７】ところでフォトレジストを露光する装置も
しくは方法については、例えば、（社）電気学会発行の
電気学会技術報告（２部）第２５７号、「リソグラフィ
用線源・装置の技術動向」（昭和６２年９月）の第１２
頁にも見られるとうり、フォトマスクもしくはレチクル
とウエハとの位置関係、光学系の点から種々分類されて
いる。前期の誘電体バリヤ放電ランプからのエキシマ光
は、「点状」、「方形」、「弧状」の形状でフォトマス
クもしくはレチクルに導かれ、マスクの所定の位置を走
査するように照射する。反射光源系を主体とした四分の
一縮小投影露光の光路や走査方法の例としては、例え
ば、Ｊ．Ｖａｃ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ７（６），Ｎｏｖ
／Ｄｅｃ１９８９，第１６０７頁〜１６１２頁に掲載の
論文「Ｓｔｅｐ−ａｎｄ−ｓｃａｎｌｉｔｈｏｇｒａ
ｐｈｙｕｓｉｎｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｐｔｉｃ
ｓ」やＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
／Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ１９８４第１５９頁〜１６６
頁に掲載の論文「ＴｈｅＦｕｔｕｒｅａｎｄＰｏ
ｔｅｎｔｉａｌｏｆＯｐｔｉｃａｌＳｃａｎｎｉ
ｎｇＳｙｓｔｅｍｓ」等にも紹介されている。

【００１８】図１０は、図１記載の誘電体バリヤ放電ラ
ンプからフォトマスクへのエキシマ光の導き方の一例の
説明図であって、１００はランプ、１０１は集光レン
ズ、１０２は光ファイバ、１０３がフォトマスクであ
る。光ファイバ１０２もしくはマスク１０３のどちらか
を走行されたり、或は、ウエハも走行させたりして、マ
スク全域を照射する。光ファイバの入射端１０４におけ
る照度分布ムラは、光ファイバを構成する素線のより合
せを変更して出射端１０５にもってくるので、光ファイ
バの出射端１０５では照度分布ムラは改善されている。
このような光ファイバは「ユニフォーマー」と呼ばれて
知られているものである。また、エキシマ光のピークと
その近傍の紫外線を数ｎｍ〜１ｎｍ以下の波長巾に絞っ
て取り出したい場合は、多層反射膜よりなる狭帯域フィ
ルターを挿入し、これによって、屈折系光学系における
色消しは達成できる。

【００１９】上記ランプにおいて、長さ５０ｃｍ、放電
ギャップ０．５ｃｍ、内容積２９．５ｃｍ³の円環状空
間１に、クリプトンを５×１０²Ｐａ，塩素を０．１ｍ
ｇ、バッファガスとしてヘリウムを６×１０⁴Ｐａ充填
し、３ＫＨｚ、１０ＫＶの交流電源６で８０ｍＡの電流
を流し込むと、クリプトン塩素のエキシマから、波長２
２２ｎｍのエキシマ光が効率良く得られる。このエキシ
マ光を用いて、プロキシミティ露光装置において光開始
剤としてカルバゾール１０モル％含むフォトレジストＰ
ＭＭＡの塗布されたシリコンウエハを照射する。この時
の照射強度は、フォトレジスト面上で１８Ｗ／２０ｃｍ
²であり、０．４秒の照射時間で、１．６μｍの「ライ
ンアンドスペース」の画像形成ができた。このランプの
特徴は、既に文献等で紹介されているように、ランプが
アークランプに比べ低温度で作動すること、オゾナイザ
放電中に生成するエキシマからのエキシマ光が自己吸収
されることがないなどであり、そのため、露光装置に与
える熱的影響が少ないこと、および、上記のように棒状
に非常に長いランプ構造にしてその端部から強いエキシ
マ光が取り出せるので、このように，誘電体バリヤ放電
（別名オゾナイザ放電）を利用した棒状のエキシマラン
プであって、その端部からエキシマ光を取り出す構造の
上記ランプは特に、画像形成のためのフォトレジスト露
光用としてすぐれている。

【００２０】反射系を主体とした縮小投影露光装置で
は、キセノンエキシマ光を用いて画像形成を行った。図
１記載の構造のランプにおいて、長さ５０ｃｍ、放電ギ
ャップ０．５ｃｍ、内容積２９．５ｃｍ³の円環状空間
１に、キセノンを７．４×１０⁴Ｐａ充填し、１ＫＨ
ｚ，１０ＫＶの交流電源６で１５０ｍＡの電流を流し込
むと、キセノンエキシマから、波長１７２ｎｍのエキシ
マ光が効率良く得られた。このエキシマ光を用いて、反
射系を主体とした縮小投影露光装置において、光開始剤
としてカルバゾール１０モル％含むフォトレジストＰＭ
ＭＡの塗布されたシリコンウエハを照射する。照射エネ
ルギーがフォトレジスト面上で２５ミリジュール／ｃｍ
²で０．２５μｍの線巾の画像形成ができた。同様に、
クリプトンやアルゴンからのエキシマ光を用いると、線
巾０．１５μｍまでの画像形成が可能であることが分か
った。放電用ガスとして、クリプトン、アルゴンを用い
ると、前記のとうり、ピーク波長を含む放射帯域は、更
に短波長になるので、屈折光学系の素子としては、フッ
化リチウム、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウムな
どの材料で作られたものがよい。またミラーなどは、石
英ガラスにアルミニウムの蒸着を施し、その上に、二酸
化硅素、フッ化リチウム、フッ化カルシウム、フッ化マ
グネシウムなどの保護膜をかぶせる。

【００２１】

【発明の効果】以上の実施例の説明からも理解できるよ
うに、誘電体バリヤ放電を利用したエキシマランプを用
いることによって、フォトレジスト露光装置に熱的影響
を与えずに、極短波長の紫外線を強くフォトレジストに
照射でき、高い解像度の画像形成を可能ならしめる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いる誘電体バリヤ放電ランプの説明
図である。

【図２】本発明に用いる他の誘電体バリヤ放電ランプの
要部の説明図である。

【図３】本発明に用いる他の誘電体バリヤ放電ランプの
要部の説明図である。

【図４】エキシマ光の整形手段の説明図である。

【図５】エキシマ光の整形手段の説明図である。

【図６】エキシマ光の集光手段の説明図である。

【図７】エキシマ光の集光手段の説明図である。

【図８】本発明に用いる他の誘電体バリヤ放電ランプの
説明図である。

【図９】本発明に用いる他の誘電体バリヤ放電ランプの
説明図である。

【図１０】エキシマ光をフォトマスクへ導く方法の説明
図である。

【符号の説明】

１００誘電体バリヤ放電ランプ１０１集光レンズ１０２光ファイバ１０３フォトマスク１円環状空間４，５電極１７電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】キセノン、クリプトン、アルゴンから選
択された少なくとも一種のガスを誘電体容器内部に入
れ、容器外部に設けた電極で該容器を通して該容器内部
に電流を流して前記ガスを励起し、該励起ガスから放射
されるエキシマ発光を利用する誘電体バリヤ放電ランプ
を用いて、フォトレジストを露光する工程を含むことを
特徴とする画像形成方法。
【請求項２】クリプトンと塩素と、前記二者以外のガ
スをバッファガスとして誘電体容器内部に入れ、容器外
部に設けた電極で該容器を通して該容器内部に電流を流
してクリプトンと塩素とを励起し、クリプトン塩素エキ
シマから放射されるエキシマ発光を利用する誘電体バリ
ヤ放電ランプを用いて、フォトレジストを露光する工程
を含むことを特徴とする画像形成方法。
【請求項３】誘電体バリヤ放電ランプの構造におい
て、誘電体容器が、円環状の内部空間を有する竹輪状で
あって、容器外面のうち、外側の外周面と内側の外周面
に、反射膜を兼ねたアルミニウム膜電極を設け、容器の
端面の少なくとも一方からエキシマ光を取り出す構造と
した誘電体バリヤ放電ランプであることを特徴とする請
求項１もしくは請求項２記載の画像形成方法。
【請求項４】誘電体バリヤ放電ランプの構造におい
て、誘電体容器が、円環状の内部空間を有する竹輪状で
あって、該空間を、該容器の長手方向に沿って切断した
時の断面形状が三角形もしくは台形であり、容器外面の
うち、外側の外周面と内側の外周面に、反射膜を兼ねた
アルミニウム膜電極を設け、容器の端面の内、面積の広
い方からエキシマ光を取り出す構造とした誘電体バリヤ
放電ランプであることを特徴とする請求項１もしくは請
求項２記載の画像形成方法。
【請求項５】誘電体バリヤ放電ランプのエキシマ光
を取り出す端面もしくはその前方に、エキシマ光を点状
もしくは直線状もしくは円環の一部の形に整形するマス
ク手段を設けてなることを特徴とする請求項３もしくは
請求項４記載の画像形成方法。
【請求項６】誘電体バリヤ放電ランプのエキシマ光
を取り出す端面もしくはその前方に、集光手段を設けて
なることを特徴とする請求項３もしくは請求項４記載の
画像形成方法。