JPH11317345A

JPH11317345A - 微細パターンの転写加工方法

Info

Publication number: JPH11317345A
Application number: JP10136146A
Authority: JP
Inventors: Masaki Hatakeyama; 雅規畠山; Katsunori Ichiki; 克則一木; Toru Satake; 徹佐竹; Yotaro Hatamura; 洋太郎畑村; Masayuki Nakao; 政之中尾
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 1999-11-16

Abstract

(57)【要約】【課題】光の波長以下の微細な線幅の二次元的なパタ
ーンを、高いアスペクト比で形成可能な微細パターンの
転写加工方法を提供する。【解決手段】加工対象の基板１１に２層以上の材料１
２，１３をコーティングして、最上層の材料１２は光１
７の波長以下の膜厚の感光性材料であり、近接場露光パ
ターン１５を有するマスク１６を感光性材料と密着する
か又は光の波長以下に近接して配置することによりエバ
ネッセント場１８を利用した露光を行い、現像によりマ
スク１６の近接場露光パターン１５の転写パターン１２
ａを感光性材料により形成し、感光性材料の転写パター
ンをマスク１６として下層の材料の加工を行い、下層の
材料による転写パターン１３ａを形成し、更に下層の材
料の転写パターンをマスク１６として加工対象の基板１
１の加工を行い、基板１１に近接場露光パターン１５の
転写パターン１１ａを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微細パターンの転
写加工方法に係り、特にエバネッセント場（近接場）を
利用して、光の波長限界以下の微細パターンを二次元的
に感光性材料に転写して、該転写パターンに基ずいて、
加工対象の基板の加工を行う微細パターンの転写加工方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】微細加工の代表例として、半導体基板上
に微細パターンを形成するには、通常以下に述べる方法
が一般的に用いられている。即ち、半導体基板上に感光
性材料（ホトレジスト）を塗布し、縮小投影露光法によ
りマスクパターンに従った投影パターンの光線を感光性
材料上に照射して露光する。このような露光方法によれ
ば、最小線幅は光の回折現象により制限され、光の波長
程度までの寸法の転写パターンを形成することが限界で
ある。このため、パターンの微細化には使用する光線の
波長を短波長化することが必要であり、現在水銀ランプ
等によるｇ線（波長：４３６ｎｍ）、ｉ線（波長：３６
５ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長：２４８ｎ
ｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長：１９３ｎｍ）等
が用いられ、微細な線幅の要求に従って使用する光の波
長が短くなる傾向に進んでいる。しかしながら、このよ
うな光露光法を用いる限りにおいては、光の波長以下の
寸法の線幅のパターンを転写することは、上述したよう
に原理的に困難である。

【０００３】そこで、最近エバネッセント場（近接場）
を利用した微細パターンの形成方法が研究されている。
エバネッセント場とは、光を透過する材料の表面に光の
波長以下の微細な凹凸を設け、この凹凸表面に例えば感
光性材料を塗布した基板を、その表面が前述の凹凸パタ
ーンの凸部に対して光の波長以下の位置に近接して配置
することにより、その部分にエバネッセント場と呼ばれ
る電磁場が形成され、この電磁場を介して光が伝達され
る。このエバネッセント場は、凹凸部の表面から光の波
長程度以上に離れると指数関数的に急激に弱くなるの
で、凹凸の段差を例えば数十ｎｍ程度にしておくことに
より、主として凹凸パターンの凸部のみから感光性材料
に光を伝達し、その光の伝達部分を露光することができ
る。このようなエバネッセント場によれば、露光される
感光性材料の線幅はマスクに設けられた凹凸部である近
接場露光パターンの寸法により決まってきて、光の波長
に依存しない。このため、光の波長の限界を超えた微細
なパターンを転写することが可能となる。

【０００４】このようなエバネッセント場を利用した微
細パターンの形成方法として、光ファイバの先端部を光
の波長以下に尖鋭化したものを用いることが知られてい
る。先端を光の波長以下に尖鋭化した光ファイバにレー
ザ光線を供給し、その先端を感光性材料を塗布した基板
の表面に密着又は光の波長以下に極めて近接して配置す
ることにより、その部分に近接場が生じ、光がその近接
場を通して伝達し、感光性材料が露光される。従って、
光ファイバの先端部を光の波長以下の寸法に予め加工し
ておくことにより、光の波長以下の線幅のパターンを基
板表面の感光性材料に露光することができる。そして感
光性材料を現像して、感光性材料の露光部分をマスクと
してエッチングすることにより、基板上に光の波長以下
の線幅の線を形成することが可能である。

【０００５】しかしながら、係る加工方法によれば、近
接場が形成されるのは光ファイバのプローブの先端部の
みの点であるので、その露光パターンは一筆書きとなら
ざるを得ない。このため、半導体集積回路等に使用され
る二次元パターンの形成に応用しようとすると、プロー
ブの先端を走査する必要があり、膨大な時間と複雑な機
構を必要とすることになり、実質的に不可能である。

【０００６】このため、近接場露光パターンを有するマ
スクを用いて、二次元パターンを転写することが試みら
れている。即ち、ガラス材等の光透過性材料からなるプ
リズムを用いて、その下面に光の波長以下の微細な凹凸
を有する近接場露光パターンを形成したマスクを装着す
る。そして、この近接場露光パターンのマスク部分のプ
リズム下面で光線が全反射するような角度で光を入射さ
せ、プリズム下面により光を反射させる。そして、この
近接場露光パターンに光の波長以下に極めて近接して感
光性材料を表面に塗布した基板を配置することにより、
エバネッセント場が形成され、近接場露光パターンに従
った二次元パターンの露光を行うことができる。即ち、
レーザ光をプリズムの一斜面から入射して、近接場露光
パターンを有する面で入射光を全反射させ、プリズムの
もう一つの斜面からレーザ光を大気中に取り出すように
構成した光照射系を備え、この近接場露光パターン面に
基板表面の感光性材料を密着し、これによりエバネッセ
ント場を生じさせ、露光パターンに従った光線を感光性
材料に伝搬させて、光の波長以下の微細パターンを形成
するようにしたものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述の方法によれば、
エバネッセント場を利用して光の波長以下の微細パター
ンを二次元的に基板の感光性材料に転写することが可能
となる。しかしながら、近接場露光パターンによりエバ
ネッセント場を介して伝達される光は極めて微弱であ
り、パターン転写の深度が浅く、又露光領域がすぐに広
がってしまうので、垂直なアスペクト比の高い露光パタ
ーンの形成が難しいという問題がある。

【０００８】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、光の波長以下の微細な線幅の二次元的なパターン
を、高いアスペクト比で形成可能な微細パターンの転写
加工方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、加工対象の基板に２層以上の材料をコーティングし
て、最上層の材料は光の波長以下の膜厚の感光性材料で
あり、近接場露光パターンを有するマスクを前記感光性
材料と密着するか又は光の波長以下に近接して配置する
ことによりエバネッセント場を利用した露光を行い、現
像により前記マスクの近接場露光パターンの転写パター
ンを前記感光性材料により形成し、該感光性材料の転写
パターンをマスクとして下層の材料の加工を行い、該下
層の材料による転写パターンを形成し、更に該下層の材
料の転写パターンをマスクとして前記加工対象の基板の
加工を行い、前記基板に前記近接場露光パターンの転写
パターンを形成することを特徴とする微細パターンの転
写加工方法である。

【００１０】請求項２に記載の発明は、加工対象の基板
に光の波長以下の膜厚の感光性材料をコーティングし、
近接場露光パターンを有するマクスを前記感光性材料を
密着するか又は光の波長以下に近接して配置することに
よりエバネッセント場を利用した露光を行い、現像によ
り前記マスクの近接場露光パターンの転写パターンを形
成し、その後に前記感光性材料の転写パターン上に被膜
を形成し、該感光性材料の転写パターンをリフトオフす
ることにより、前記被膜による転写パターンを形成し、
該被膜の転写パターンをマスクとして前記加工対象の基
板の加工を行い、該基板に前記近接場露光パターンの転
写パターンを形成することを特徴とする微細パターンの
転写加工方法である。

【００１１】上記本発明によれば、光の波長以下の膜厚
の感光性材料に、近接場露光パターンを有するマスクを
密着するか又は光の波長以下に近接して配置して露光す
ることにより、前記感光性材料にシャープな露光像を形
成することができる。即ち、エパネッセント場を利用し
た露光においては、パターン転写の深度が浅く、露光領
域がすぐに広がってしまうので、光の波長以下の極めて
薄い膜厚の感光性材料を用いることにより、上述したよ
うにシャープな露光像を形成することができる。そし
て、この感光性材料のパターンをマスクとして他の材料
にパターンの転写加工を行うことによって、膜厚の厚い
材料に転写パターンを形成できる。この膜厚の厚い転写
パターンを用いて加工対象の基板のエッチング等の加工
を行うことにより、膜厚の厚い転写パターンは加工耐性
が高いため、光の波長限界を超えた微細パターンを、良
好なアスペクト比で基板に形成することができる。

【００１２】ここに、感光性材料の膜厚は、近接場露光
パターンの最少寸法程度の厚さであることが好ましい。
これにより、最少寸法のパターンをシャープに、精度よ
く転写することが可能となる。又、基板等の加工は、高
速原子線を用いて行うことが好ましい。直進性に優れ、
且つチャージアップの問題の生じない高速原子線によ
り、基板等に微細なパターンを形成することで、基板等
に光の波長限界以下のサイズのアスペクト比の高い加工
を容易に行うことができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面を参照しながら説明する。

【００１４】図１は、本発明の第１実施形態の微細パタ
ーンの転写加工方法を示す。（ａ）に示すように、加工
対象の基板１１を準備し、その表面に第１のレジスト１
１及び第２のレジスト１２を塗布する。ここで基板１１
は、例えばＳｉ、ＧａＡｓ等の半導体基板、又はＳｉＯ
₂等の絶縁膜である。そして、第２のレジスト１３は、
例えば厚さ５００ｎｍ程度に十分に厚く形成しておく。
これに対して上層の第１のレジスト１２は、光の波長以
下、好ましくは近接場露光パターンの最小寸法に合わせ
た厚さ３０〜５０ｎｍ程度の厚さで、且つエバネッセン
ト場を介して伝達される光に対して十分な感光性を有す
る感光性材料で構成されている。例えばレジスト１２は
ポリミド系のホトレジストであり、レジスト１３は通常
の高分子ホトレジストである。

【００１５】そして、次に（ｂ）に示すように露光を行
う。即ち、近接場露光パターン１５を有するマスク１６
を第１のレジスト１２に密着させるか、又は光の波長以
下に極めて近接して配置する。そして、マスク１６の近
接場露光パターン１５の反対面側から全反射条件で光１
７を入射する。近接場露光パターン１５とレジスト１２
との間にエバネッセント場１８が形成され、この部分か
ら光１７が伝達し、最上層のレジスト１２のエバネッセ
ント場１８が形成された部分が露光される。この時、近
接場露光パターン１５の幅を例えば数十ｎｍ程度に形成
しておくことによって、レジスト１２には近接場露光パ
ターン１５の線幅に対応したパターンが転写される。従
って、この線幅を光の波長よりも短い寸法に設定してお
くことにより、入射する光の波長よりも短い線幅のパタ
ーンを光により転写することができる。

【００１６】上述したようにエバネッセント場を介して
伝達される光は微弱で且つ拡がり易いものであるが、レ
ジスト１２は近接場露光パターンの最小寸法に合わせて
その膜厚が設定されているので、レジスト１２の深さ方
向に完全に露光され、且つ横方向に光が拡散することが
ない。このため、マスク１６に設けられたパターンがぼ
やけることなく正確に転写される。尚、下層のレジスト
１３は予め熱処理等により感光性のない状態にしておく
ので、エバネッセント場を介した光が上層のレジスト１
２を通り越して下層のレジスト１３を感光させることが
ない。

【００１７】次に、（ｃ）に示すように上層のレジスト
１２の現像を行う。これによりレジスト１２の露光され
た部分１２ａが残り、レジスト１２の露光されていない
部分が除去され、ここにレジストパターン１２ａが形成
される。このレジストパターン１２ａは、膜厚が極めて
薄く、且つ深さ方向に均一に露光されているので、マス
クの近接場露光パターンに対応したシャープなパターン
である。上述したようにレジスト１３は予め熱処理をさ
れているので、レジスト１２の現像によるパターン形成
に対して、レジスト１３は反応しないようになってい
る。

【００１８】次に、（ｄ）に示すように高速原子線１９
を照射してレジストパターン１２ａをマスクとして、厚
い下層のレジスト１３のエッチングを行う。これは例え
ばＳＦ₆，ＣＨＦ₃等のガスから構成した高速原子線を照
射することにより行う。これにより上記高速原子線によ
り上層のレジストパタ−ン１３ａはエッチングされ難
く、下層の厚いレジスト１２はエッチングされ易いの
で、図示するようにマスクされていない部分の厚いレジ
スト１３を選択的にエッチングすることが可能である。
高速原子線は電気的に中性の粒子からなり、電荷の反発
力が作用せず直進性が高い。又、絶縁物に対してチャー
ジアップするという問題がないため、エッチングが縦方
向に進行し横方向に広がることがない。このため薄いレ
ジストパターン１２ａをマスクとして、厚いレジスト１
２を高いアスペクト比でエッチングすることが可能であ
る。

【００１９】次に（ｅ）に示すように、レジスト１３か
ら形成されたレジストパターン１３ａをマスクとして、
再び高速原子線１９ａを用いて基板１１のエッチング加
工を行う。この時用いる高速原子線１９ａは、エッチン
グ対象の基板の材料に対してエッチング速度が高く、且
つレジストパターン１３ａに対してエッチング速度が低
いガス種を選択して用いる必要がある。これによりレジ
ストパターン１３ａがほとんどエッチングされず、マス
クされていない基板１１のみエッチングを選択的に進行
させることができる。

【００２０】上述したように、高速原子線は直進性が高
く、且つ基板のチャージアップの問題を生じないので、
深さ方向にのみエッチングが進行し、横方向にほとんど
エッチングが進行せず、高いアスペクト比のエッチング
を行うことができる。従って、上層のレジスト１２に例
えば数十ｎｍのパターンがエバネッセント場を利用して
露光されると、そのままのパターン幅で厚いレジストパ
ターン１３ａが形成され、又そのままのパターン幅で基
板に溝パターン１１ａが転写される。

【００２１】図２は、図１の変形実施例を示すもので、
基板上の膜構造を三層としたものである。即ち、第１の
レジスト１２を厚さ数十ｎｍ程度の感光性のホトレジス
トで構成し、第２のレジスト１３を厚さ５００ｎｍ程度
の非感光性、非現像性のレジストで構成している。そし
て、更に第３の膜１４として、厚さ１００ｎｍ程度のＣ
ｒ、Ｎｉ、Ａｌ等の金属薄膜で構成している。尚、加工
対象の基板１１は前述と同様にＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＯ
₂等である。そして（ｂ）に示すように、近接場露光パ
ターン１５を有するマスク１６を用いて、エバネッセン
ト場を介して最上層のレジスト１２の露光を行う。最上
層のレジスト１２は、光の波長以下、好ましくは近接場
露光パターンの最小寸法と同程度の厚さであるので、露
光に対してパターンのぼやけという問題が無く、シャー
プな露光パターンを形成することができる。

【００２２】そして（ｃ）に示すように、現像により第
１のレジストパターン１２ａを形成する。次に（ｄ）に
示すように、第１のレジストパターン１２ａに対してエ
ッチング速度が低く、第２のレジスト１３に対してエッ
チング速度が高いガス種の高速原子線１９を用いて第２
のレジスト１３のエッチングを行う。この場合には上述
したように例えばＳＦ₆による高速原子線等が好適であ
る。そして次に（ｅ）に示すように、第２のレジストパ
ターン１３ａをマスクとして金属膜１４のエッチングを
行う。このエッチングも同様に高速原子線でレジストパ
ターン１３ａに対しエッチング速度が遅く、金属膜１４
に対してエッチング速度の高いガス種の高速原子線１９
ｂを用いて行う。例えば、Ｃｌ₂ガス等による高速原子
線が好適である。

【００２３】そして（ｆ）に示すように、形成された金
属膜のパターン１４ａをマスクとして基板のエッチング
加工を行う。このエッチングも上述と同様に高速原子線
１９ａを用いてもよく、又プラズマエッチング等を用い
てもよい。このように本実施例の場合にはエッチング耐
性の高い金属膜１４ａを基板１１のエッチングの際のマ
スクとして用いることができるので、よりアスペクト比
の高い加工が可能となる。

【００２４】図３は、本発明の第２実施形態の微細パタ
ーンの転写加工方法を示す。これは薄いレジストパター
ンとリフトオフとを組み合わせたものである。（ａ）に
示すように、加工対象のＧａＡｓ、Ｓｉ、ＳｉＯ₂、ガ
ラス等の基板を準備し、この表面に厚さ３０〜５０ｎｍ
の薄いホトレジスト１２を塗布する。そして（ｂ）に示
すように、近接場露光パターン１５を有するマスク１６
をレジスト１２に密着させるか光の波長よりも短い距離
範囲に極めて近接して配置する。そしてマスク１６の裏
面側から光を照射することにより、近接場露光パターン
１５とレジスト１２との間にエバネッセント場１８が形
成され、これにより光が伝達し、レジスト１２が選択的
に露光される。上述と同様に、このレジストは近接場露
光パターンの最小寸法と同程度であるので、光の波長以
下の微細パターンに対して極めてシャープな露光像が形
成される。

【００２５】そして（ｃ）に示すように現像を行い、露
光されていない部分のレジストを除去し、露光された部
分のレジストパタ−ン１２ａを形成する。そしてリンス
及びポストベイクの工程を経て、（ｄ）に示すように、
金属膜１４の成膜を行う。これは例えばＣｒ、Ａｌ、Ｎ
ｉ、Ｗ等であり、厚さは３０〜５０ｎｍ程度が好適であ
る。この金属膜の成膜は、蒸着が一般的であるが、メッ
キ、スパッタ、ＣＶＤ、ＭＢＥ等で行うことも可能であ
る。

【００２６】そして（ｅ）に示すように、レジストパタ
ーン１２ａを溶解させると、そのレジストパターン１２
ａ上の金属膜もリフトオフにより除去され、金属膜パタ
ーン１４ａが形成される。そして（ｆ）に示すように、
金属膜パターン１４ａに対してエッチング速度が低く、
基板の材料に対してエッチング速度が高いガス種の高速
原子線１９ｃを用いてエッチングを行う。このガス種と
しては、例えばＣｌ₂、ＳＦ₆、ＣＨＦ₃、及びこれらと
Ａｒとの混合ガス等が好適である。これにより金属膜パ
ターン１４ａはエッチングされ難く、基板１１を構成す
る半導体材料等に対して高いエッチング速度が得られ、
高速原子線の有する直進性からアスペクト比の高い基板
のエッチング加工を行うことができる。

【００２７】この実施例においても、エバネッセント場
を利用した露光を薄いレジストに対して行うことで、シ
ャープな露光パターンを形成でき、リフトオフを用いる
ことによりこのシャープなレジストパターンを金属膜に
転写し、高速原子線に対してエッチング耐性の高い金属
膜パターンをマスクとして、基板に対して深いエッチン
グ加工を行うようにしたものである。これによりエバネ
ッセント場を利用した光の波長限界以下の微細パターン
を、シリコン等の基板に高いアスペクト比で転写するこ
とが可能となる。

【００２８】尚、上述の各実施形態において、エバネッ
セント場の露光を行う薄いレジストの上層に、熱硬化性
を有する材料（熱硬化性樹脂等）を薄く塗布するように
してもよい。これにより、現像後のレジストパターンの
高速原子線等の照射に対して、エッチング耐性が向上し
て、よりエッチングの選択比を高めることができる。

【００２９】又、微細パターンの転写対象として、Ｓ
ｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＯ₂等に限らず、各種のセラミク
ス、ガラス、合金等にも同様に本発明の趣旨を適用可能
であることは勿論である。又、薄いレジストパターンを
転写し、加工対象の基板に対してマスクとなる材料も、
レジスト、又は金属膜に限らず、この転写特性とエッチ
ング耐性を有する各種の樹脂材又は無機材料等を利用し
てもよいことも勿論である。

【００３０】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
光の波長限界以下の微細なパターンを加工対象の基板に
高いアスペクト比で転写することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の微細パターンの転写加
工方法を示す図である。

【図２】図１の変形例を示す図である。

【図３】本発明の第２実施形態の微細パターンの転写加
工方法を示す図である。

【符号の説明】

１１基板１１ａ基板に転写加工された凹部１２第１のレジスト１２ａレジストパターン１３第２のレジスト１３ａレジストパターン１４金属膜１４ａ金属膜パターン１５近接場露光パターン１６マスク１７光１８エバネッセント場１９，１９ａ，１９ｂ，１９ｃ高速原子線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 21/30 ５７３ 21/302 Ｈ (72)発明者佐竹徹神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号株式会社荏原総合研究所内 (72)発明者畑村洋太郎東京都文京区小日向２−12−11 (72)発明者中尾政之千葉県松戸市新松戸４−272 Ｄ−805

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加工対象の基板に２層以上の材料をコー
ティングして、最上層の材料は光の波長以下の膜厚の感
光性材料であり、近接場露光パターンを有するマスクを
前記感光性材料と密着するか又は光の波長以下に近接し
て配置することによりエバネッセント場を利用した露光
を行い、現像により前記マスクの近接場露光パターンの
転写パターンを前記感光性材料により形成し、該感光性
材料の転写パターンをマスクとして下層の材料の加工を
行い、該下層の材料による転写パターンを形成し、更に
該下層の材料の転写パターンをマスクとして前記加工対
象の基板の加工を行い、前記基板に前記近接場露光パタ
ーンの転写パターンを形成することを特徴とする微細パ
ターンの転写加工方法。
【請求項２】加工対象の基板に光の波長以下の膜厚の
感光性材料をコーティングし、近接場露光パターンを有
するマクスを前記感光性材料を密着するか又は光の波長
以下に近接して配置することによりエバネッセント場を
利用した露光を行い、現像により前記マスクの近接場露
光パターンの転写パターンを形成し、その後に前記感光
性材料の転写パターン上に被膜を形成し、該感光性材料
の転写パターンをリフトオフすることにより、前記被膜
による転写パターンを形成し、該被膜の転写パターンを
マスクとして前記加工対象の基板の加工を行い、該基板
に前記近接場露光パターンの転写パターンを形成するこ
とを特徴とする微細パターンの転写加工方法。
【請求項３】前記感光性材料の膜厚は、前記近接場露
光パターンの最少寸法程度の厚さであることを特徴とす
る請求項１又は２に記載の微細パターンの転写加工方
法。
【請求項４】前記基板の加工又は下層の材料の加工
は、高速原子線を用いて行うものであることを特徴とす
る請求項１又は２に記載の微細パターンの転写加工方
法。