JP2000294523A

JP2000294523A - 半導体製造装置および半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2000294523A
Application number: JP11094973A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Mamine; 隆義真峯; Nobuyuki Matsuzawa; 伸行松澤; Noriyuki Kishii; 典之岸井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-04-01
Filing date: 1999-04-01
Publication date: 2000-10-20
Also published as: KR20010006932A; TW454428B; EP1041444A3; EP1041444A2; US6549608B1

Abstract

(57)【要約】【課題】アブレーションによる十分に精密なパターンの
形成が可能である半導体製造装置および半導体装置の製
造方法を提供する。【解決手段】ウェハ表面に第１の波長の光を照射する光
源と、前記第１の波長の光の少なくとも一部を透過させ
るマスクとを有し、前記ウェハの前記第１の波長の光が
照射される部分の材料をガス化して除去する半導体製造
装置であって、前記光源は、電子ビームを発生する電子
ビーム発生手段と、前記第１の波長よりも長波長である
第２の波長の光を発生する光発生手段とを有し、前記第
１の波長の光は、前記電子ビーム中の電子と前記第２の
波長の光のフォトンとの衝突により、前記電子のエネル
ギーが前記フォトンに与えられた逆コンプトン散乱光で
ある半導体製造装置、およびこれを用いた半導体装置の
製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造装置お
よび半導体装置の製造方法に関し、特に、高輝度、高エ
ネルギーでパルス幅の短い光を照射してアブレーション
を行い、ウェハ上にパターンの形成を行うことができる
半導体製造装置およびこれを用いた半導体装置の製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体装置の製造プロセスにおい
て、ウェハあるいはその上層に形成された被膜にパター
ンを形成する場合、通常、レジストをマスクとしたエッ
チングが行われる。上記のエッチングを行うには、ま
ず、エッチングされる材料の表面にレジストを塗布す
る。次に、フォトマスクを用いて露光を行い、フォトマ
スクに形成されたパターンをレジスト表面に転写する
（フォトリソグラフィ工程）。続いて、現像液を用いて
不要な部分のレジストを除去する。現像を行うことによ
り、露光部あるいは未露光部のレジストが除去される。
その後、パターニングされたレジストをマスクとして、
エッチングの対象となる材料にエッチングを行う。

【０００３】エッチングによりパターンを形成するに
は、上記の一連の工程を必要とするため、所要時間が長
くなるという欠点がある。また、レジストの現像、ある
いは各種材料のエッチングには、それぞれ異なる高価な
装置が必要となる。さらに、ドライエッチングの場合に
はエッチングガスが大量に必要であり、半導体装置の製
造コストを上昇させる要因の一つとなっている。また、
エッチングに使用した後のエッチングガスの環境負荷が
大きいという問題もある。

【０００４】上記のエッチングと異なり、高輝度光源を
用いた光照射を行い、材料をガス化させてパターンを形
成する方法（アブレーション）も知られている。アブレ
ーションにおいては、各種材料の内殻電子が光化学反応
に関与し、高精度にパターンの形成が行われる。

【０００５】アブレーションによるパターン形成が確認
された材料として、具体的には、有機材料のポリメチル
メタクリレート（ＰＭＭＡ）（Ｒ．Ｓｒｉｎｉｖａｓａ
ｎａｎｄＢｏｄｉｌＢｒａｒｅｎ，Ａｐｐｌｉｅｄ
ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，１９８８，５３，
１２３３）およびテフロン（Ｓ．Ｋｕｐｅｒａｎｄ
Ｍ．Ｓｔｕｋｅ，ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬ
ｅｔｔｅｒｓ，１９８９，５４，４）、無機材料のＳｉ
Ｏ₂、さらに、半導体材料のＧａＡｓ等が挙げられる。

【０００６】また、ウェハ上にレジストを形成せず、マ
スクを透過するレーザ光をウェハ表面に直接照射して、
アブレーションによるパターンの形成を行った例も報告
されている（杉岡幸次、田代英夫、和田智之、ＯＰＴＲ
ＯＮＩＣＳ，１９９８，９８）。

【０００７】さらに、アブレーションを利用して、例え
ばポリイミドフィルムにパターンを形成することができ
る加工装置について、特開平８−１５５６６７号公報に
開示されている。この加工装置においては、例えばパル
ス幅が２０ｎｓ程度であるレーザビームを照射すること
により、材料の加工が行われる。

【０００８】あるいは、アブレーションを利用して、合
成樹脂からなる光ディスク上に信号溝（ピット）を形成
する方法および装置について、特開平８−１２４２２６
号公報に記載されている。この光ディスク製造方法によ
れば、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザの第４高調波（波長２
６６ｎｍ）を利用して、ピット（現行では幅０．４μ
ｍ）を形成することが可能である。

【０００９】上記以外にも、アブレーションを利用して
液晶表示素子の各薄膜層にパターン形成を行う液晶表示
素子の製造方法が、特開平８−６０７０号公報に開示さ
れている。この製造方法においては紫外域のエキシマー
レーザ、例えばＫｒＦエキシマーレーザ（波長２４８ｎ
ｍ）、ＸｅＣｌエキシマーレーザ（波長３０８ｎｍ）あ
るいはＡｒＦエキシマーレーザ（波長１９３ｎｍ）を用
いてパターンの形成を行う。また、これらのレーザのパ
ルス幅は１０〜１００ｎｓ程度である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来のアブレーションによるパターン形成例によれば、
エッチングに比較すると高精度な加工が可能であるが、
半導体装置の微細化に対応した十分に精密なパターンの
形成を行うのは困難であった。従来のアブレーション方
法においては、ナノ秒のパルスを用いてパターンの形成
が行われる。したがって、それ以下の極短時間のパル
ス、すなわちピコ秒あるいはフェムト秒オーダーのパル
スを用いる場合よりも単位時間あたりのフォトン密度は
低くなる。

【００１１】フォトン密度が低い条件でアブレーション
を行う場合、材料の分子を１段目の励起状態に遷移させ
た後、さらに２段目以上の励起状態に遷移させるため
に、異なる２波長の光を同時に照射する必要がある。し
たがって、２波長の高輝度光源の結像位置を一致させ、
かつ、２波長の光の光路をそれぞれ確保しなければなら
ないといった制約があり、装置構成が複雑となる。

【００１２】アブレーションが起こる過程のメカニズム
については不明な点が多く、実際の半導体製造のプロセ
スにおいて、アブレーション過程を制御するパラメータ
や、適当なシステム構成等についても現在のところ確立
されていない。本発明は上記の問題点を鑑みてなされた
ものであり、したがって本発明は、アブレーションによ
る十分に精密なパターンの形成が可能である半導体製造
装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的
とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の半導体製造装置は、ウェハ表面に第１の波
長の光を照射する光源と、前記第１の波長の光の少なく
とも一部を透過させるマスクとを有し、前記ウェハの前
記第１の波長の光が照射される部分の材料をガス化して
除去する半導体製造装置であって、前記光源は、電子ビ
ームを発生する電子ビーム発生手段と、前記第１の波長
よりも長波長である第２の波長の光を発生する光発生手
段とを有し、前記第１の波長の光は、前記電子ビーム中
の電子と前記第２の波長の光のフォトンとの衝突によ
り、前記電子のエネルギーが前記フォトンに与えられた
逆コンプトン散乱光であることを特徴とする。

【００１４】本発明の半導体製造装置は好適には、前記
光発生手段は、レーザであることを特徴とする。本発明
の半導体製造装置は、さらに好適には、前記レーザはパ
ルス発振レーザであることを特徴とする。本発明の半導
体製造装置は好適には、前記光源は、前記第２の波長の
光を反復反射させる少なくとも１対の反射手段を有する
ことを特徴とする。

【００１５】また、上記の目的を達成するため、本発明
の半導体製造装置は、ウェハ表面にパルス光を照射する
光源と、前記パルス光の少なくとも一部を透過させるマ
スクとを有し、前記ウェハの前記パルス光が照射される
部分の材料をガス化して除去する半導体製造装置であっ
て、前記光源から射出される前記パルス光は、波長が約
３００ｎｍ以下で、パルス幅がほぼ１ｎｓ以下であるこ
とを特徴とする。

【００１６】本発明の半導体製造装置は好適には、前記
光源は、シンクロトロン放射光を射出する光源であるこ
とを特徴とする。あるいは、本発明の半導体製造装置は
好適には、前記光源は、レーザプラズマ光を射出する光
源であることを特徴とする。

【００１７】これにより、ウェハ表面の材料の内殻電子
を解離させ、光照射部の材料をガス化させることが可能
となる。本発明の半導体製造装置によれば高輝度、高エ
ネルギーかつ短パルス幅の光を照射する光源を用いるた
め、ウェハ表面に明瞭な微細パターンを形成することが
できる。

【００１８】さらに、上記の目的を達成するため、本発
明の半導体装置の製造方法は、第１の波長の光を発生さ
せる工程と、ウェハ表面に、前記第１の波長の光の少な
くとも一部を透過させるマスクを介して、前記第１の波
長の光を照射する工程と、前記ウェハの前記第１の波長
の光が照射される部分の材料をガス化して除去する工程
とを有し、前記第１の波長の光を発生させる工程は、電
子ビーム発生手段から電子ビームを発生させる工程と、
前記第１の波長よりも長波長である第２の波長の光を発
生させる工程と、前記電子ビーム中の電子と前記第２の
波長の光のフォトンとを衝突させ、前記電子のエネルギ
ーが前記フォトンに与えられた逆コンプトン散乱光を発
生させる工程とを有することを特徴とする。

【００１９】本発明の半導体装置の製造方法は、好適に
は、前記第２の波長の光はレーザ光であることを特徴と
する。本発明の半導体装置の製造方法は、さらに好適に
は、前記レーザ光はパルス光であることを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、好適には、前記第１
の波長の光を発生させる工程は、少なくとも１対の反射
手段により前記第２の波長の光を反復反射させ、前記電
子と前記フォトンとを衝突させる工程を有することを特
徴とする。

【００２０】本発明の半導体装置の製造方法は好適に
は、前記ウェハは、表面に誘電体層が形成されたウェハ
であることを特徴とする。あるいは、本発明の半導体装
置の製造方法は好適には、前記ウェハは、表面に半導体
層が形成されたウェハであることを特徴とする。あるい
は、本発明の半導体装置の製造方法は好適には、前記ウ
ェハは、表面に金属層が形成されたウェハであることを
特徴とする。

【００２１】上記の目的を達成するため、本発明の半導
体装置の製造方法は、所定波長のパルス光を、前記パル
ス光の少なくとも一部を透過させるマスクを介して、ウ
ェハ表面に照射する工程と、前記ウェハの前記パルス光
が照射される部分の材料をガス化して除去する工程とを
有し、前記パルス光は波長が約３００ｎｍ以下で、パル
ス幅がほぼ１ｎｓ以下であることを特徴とする。

【００２２】本発明の半導体装置の製造方法は、好適に
は、前記パルス光はシンクロトロン放射光であることを
特徴とする。あるいは、本発明の半導体装置の製造方法
は、好適には、前記パルス光はレーザプラズマ光である
ことを特徴とする。

【００２３】これにより、ウェハ表面の材料にアブレー
ションを行い、微細パターンを明確に形成することが可
能となる。本発明の半導体装置の製造方法によれば、従
来のエッチングの場合と異なり、レジストの露光および
現像と、レジストをマスクとしたエッチングという一連
の工程が不要となる。高輝度、高エネルギーでパルス幅
の短い光を、マスクを介してウェハ表面に照射すること
により、光照射部の材料が除去されるため、製造工程を
簡略化することが可能となる。また、本発明の半導体装
置の製造方法において、ウェハ表面にレジストを形成し
て光照射した場合、レジストのパターニングと下地のウ
ェハ材料のパターニングとを連続的に行うことも可能で
ある。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の半導体製造装置において
は、光照射による材料のガス化反応（アブレーション）
を利用して、露光部の材料を除去し、被加工面にパター
ンを形成する。アブレーションに影響を与える因子とし
ては、一般に、フォトンのエネルギー（波長）およびフ
ォトン数が挙げられる。

【００２５】前者のフォトンエネルギーは、より内殻の
電子を励起するために重要であり、波長はより短い方が
好ましい。具体的には、被加工面の材料がアクリル樹脂
あるいはフッ素樹脂等の有機材料、もしくはＳｉＯ₂等
の無機材料である場合には、波長が約３００ｎｍ以下で
ある紫外光および真空紫外光（ＶＵＶ）、さらに、軟Ｘ
線〜Ｘ線〜γ線領域の高エネルギーの光が好適である。

【００２６】高輝度光源から被加工面の材料に照射され
る光のエネルギーは、光の振動数に比例する。したがっ
て、照射されるフォトン数が少ない場合であっても、フ
ォトンエネルギーが大きければ、すなわち、短波長の光
であればアブレーションが促進される。

【００２７】後者のフォトン数については、多光子吸収
過程を促進する上で、フォトン数を増大させることが重
要であると考えられている。波長３００ｎｍ以下の紫外
光および真空紫外光の場合には、パルス強度が０．０１
Ｊ／ｃｍ²以上、さらに好適には０．１Ｊ／ｃｍ²以上
であることが望ましい。軟Ｘ線〜Ｘ線〜γ線領域の光の
場合には、パルス強度に限定された閾値が存在するか確
認されていない。

【００２８】また、アブレーションに影響を与える第３
の因子として、フォトンフラックスのパルス幅が挙げら
れる。フォトン数Ｎ、パルス幅ｔで光源から照射される
光のピークパワーに対応するフォトン数Ｎ’は、Ｎ’＝Ｎ／ｔで表される。

【００２９】レーザ・コンプトン散乱（ＬＣＳ、詳細は
後述する。）により放射されるＸ線において、容易に実
現可能であるフォトン数（Ｎ≒１０⁴）を例にとると、
ｔ≒１００ｆｓ（フェムト秒）として、Ｎ’＝１０⁴／１０^-13＝１０¹⁷（フォトン／秒）で表されるフォトンフラックスが得られる。パルス幅の
短いフォトンフラックスを生成させることにより、フォ
トン密度を増大させ、多光子吸収過程を促進させること
ができる。

【００３０】被加工面の材料がアクリル樹脂あるいはフ
ッ素樹脂等の有機材料、もしくはＳｉＯ₂等の無機材料
であり、波長３００ｎｍ以下の紫外光および真空紫外光
を用いてアブレーションを行う場合には、パルス幅が１
ｎｓであることが望ましい。軟Ｘ線〜Ｘ線〜γ線領域の
光の場合には、パルス幅の閾値について確認されていな
いが、一般に、パルス幅が短い方がアブレーションが促
進される。

【００３１】上記のアブレーションの一般的性質を前提
とし、以下に、本発明の半導体製造装置および半導体製
造方法の実施の形態について、図面を参照して説明す
る。本発明の半導体製造装置は（１）光源、（２）集光
用の光学系、（３）マスク、および（４）照明用の光学
系を基本構成とし、被加工面あるいはウェハ上にパター
ンを形成する。

【００３２】（１）の光源としては、高輝度、高エネル
ギー（短波長）、および短パルスの各条件の全て、ある
いはいずれかを満足する光源を用いる。具体的には、波
長が３００ｎｍ以下の紫外光および真空紫外光、あるい
は軟Ｘ線〜Ｘ線〜γ線領域の光を用いる。紫外光あるい
は真空紫外光の場合、パルス強度が０．０１Ｊ／ｃｍ²
であることが好ましい。また、パルス幅は１ｎｓ以下で
あることが好ましい。

【００３３】（２）の集光用の光学系は、光源から出射
される高エネルギーフォトンを集光する光学系であり、
例えば、電子レンズ等を用いる。（３）のマスクは、被加工面あるいはウェハ上に転写さ
せるパターンが形成されたマスクであり、（１）の光源
と被加工面（あるいはウェハ表面）との間に配置され
る。（４）の照明光学系は、（３）のマスクを透過したフォ
トンフラックスあるいは（３）のマスクから反射される
フォトンフラックスを、屈折または反射させ、被加工面
あるいはウェハ上に到達させる光学系である。

【００３４】以上の構成をもつ本発明の半導体製造装置
を用いて、例えば、表面にレジスト等の遮蔽材料が形成
されたウェハに高エネルギーフォトンを照射することに
より、パターンを形成することが可能となる。図１に、
０．１０μｍ世代に対応することが可能である４：１の
縮小Ｘ線露光システム例を示す。図１のシステムにおい
ては、光源からの光がマスク１で反射され（あるいは、
図示しないが透過する場合であってもよい。）、さら
に、４個のミラー（Ｍ１〜Ｍ４）で反射されてウェハ２
に到達する。

【００３５】従来のフォトリソグラフィ工程において
は、露光によりマスク上のパターンをレジスト上に転写
してから、ウェハを露光装置から搬出し、レジストの現
像を行っていた。その後、ウェハ上に選択的に残された
レジストをマスクとして、例えばＳｉＯ₂膜や金属配線
材料等のエッチングが行われていた。

【００３６】それに対し、図１に示す本発明のシステム
構成においては、有機材料、無機材料、金属等の各種材
料の一部、あるいはそれらの組み合わせをアブレーショ
ンにより連続的にパターン加工することが可能である。
従来は、アブレーションによりウェハの加工を行うため
の光源、あるいは光照射の諸条件についての検討が十分
になされておらず、そのことがアブレーションの半導体
装置製造における実用化の妨げとなっていた。

【００３７】以下に、本発明の装置に利用可能である光
源およびその照射条件を説明する。（Ａ）シンクロトロン放射光シンクロトロン放射光は、輝度の十分に高い白色光源と
みなすことができる。シンクロトロン放射の発生装置に
ウィグラーを挿入し、電子の円軌道を急に曲げることに
より、シンクロトロン放射光を１００ｋｅＶ（約０．１
Å程度）まで短波長化させることができる。あるいは、
アンデュレーターを挿入することにより、単色性がよ
く、強度の高い光（コヒーレント光）を得ることもでき
る。また、シンクロトロン放射光は基本的には連続発振
（ＣＷ；ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗａｖｅ）光源であ
り、アブレーション条件を変動させることができるパラ
メータとしては、大電流蓄積による高輝度化、あるい
は、バンドパスフィルタを透過させることによる波長選
択が挙げられる。

【００３８】（Ｂ）レーザプラズマ光レーザプラズマ光は、励起用のレーザ光をターゲットに
照射することにより発生する。励起用レーザを高出力化
させることにより、レーザプラズマ光を高輝度化させる
ことができる。また、レーザプラズマ光のパルス幅は励
起用レーザのパルス幅に依存し、サブピコ秒オーダー
（約１００ｆｓ）程度の短パルス化が可能である。

【００３９】レーザプラズマ光において、発生する高エ
ネルギーフォトンの波長はターゲット材料の特性Ｘ線に
より決定されるため、異なる波長の光を得るにはターゲ
ットを変更する必要がある。現在のところ、波長１Å以
下の高エネルギーフォトンを生成するターゲット材料は
得られていない。以上から、アブレーション条件を最適
化させるためのパラメータとしては、励起用レーザの出
力および励起用レーザのパルス幅が挙げられる。

【００４０】（Ｃ）レーザコンプトン散乱（ＬＣＳ）光電子ビームとレーザビームとを衝突させ、逆コンプトン
散乱効果により発生する短波長光を、本発明の半導体製
造装置の光源として用いることもできる。逆コンプトン
散乱効果を利用した短波長光の光源について、既に報告
されている（特願平１０−７３６４９号、あるいは特願
平９−６３２９４号）。

【００４１】図２に、レーザコンプトン散乱の概略図を
示す。図２に示すように、上記の短波長光の光源は、少
なくとも１対の凹面鏡からなる反射手段と、反射手段に
光を入射する発光手段と、発光手段から入射され反射手
段で収束かつ反復反射している光（好適にはレーザ光）
３に向けて電子ビーム４を入射する電子ビーム発生手段
とを備えている。電子ビーム４を入射することで、光３
と電子ビーム４が散乱領域５において高密度で衝突し、
散乱光６（例えばＸ線）が得られる。

【００４２】発光手段としては、ＣＷモードの各種レー
ザの他、パルス発振が可能なＱスイッチレーザを用いる
ことができる。具体的には、例えばＮｄ：ＹＡＧレー
ザ、チタンサファイアレーザや、ＸｅＣｌエキシマーレ
ーザ、ＫｒＦエキシマーレーザ、ＡｒＦエキシマーレー
ザ等の各種エキシマーレーザ、あるいはＸ線レーザが挙
げられる。

【００４３】電子ビーム発生手段としては、加速電圧が
１００ｋｅＶ以上、速度が０．５×ｃ（ｃは光の速度）
程度あるいはそれ以上である電子ビームを発生すること
ができる装置、例えば、電子銃あるいは電子線形加速器
（リニアック）を用いることができる。電子線形加速器
としては、進行波型線形加速器、低在波型線形加速器、
誘導型線形加速器、高電圧整流型加速器（例えば、コッ
ククロフト−ウォルトン型加速器）、バンデグラフ型加
速器、共振変圧器型加速器等を用いることができる。進
行波型線型加速器としてアルバレ型、総合空洞型、高周
波四重極型を挙げることができる。また、電子線形加速
器には、バンチャーと称される電子をバンチ化させる装
置が備えられていてもよい。

【００４４】逆コンプトン散乱効果を利用した光源によ
れば、電子ビームのエネルギーを変化させることによ
り、高エネルギーフォトンの波長を軟Ｘ線〜Ｘ線〜γ線
の範囲で任意に制御することが可能である。また、レー
ザコンプトン散乱においては、電子ビームとレーザビー
ムとの衝突角を調整することにより、生成される高エネ
ルギーフォトンのパルス幅を任意に制御することも可能
である。

【００４５】レーザ光は１対の凹面鏡の略中央で収束さ
れ、凹面鏡の間を反射往復するが、電子ビームとレーザ
ビームとを収束位置で的確に衝突させるため、レーザ光
のパルス幅を電子ビームのビーム径に対応させることが
好ましい。例えば、電子ビーム径を直径３０μｍまで絞
った場合には、レーザビームが電子ビームを通過するの
に要する時間は３０（μｍ）／３×１０¹⁰（ｃｍ／ｓ）
＝１００（ｆｓ）となる。したがって、この場合にはレ
ーザ光のパルス幅を１００フェムト秒とすることによ
り、電子ビームとレーザビームを高い効率で衝突させ、
高収量の散乱光を得ることが可能となる。

【００４６】レーザコンプトン散乱光を本発明の半導体
製造装置の光源に用いる場合には、アブレーション条件
を最適化させるためのパラメータとして、まず、電子ビ
ームの加速エネルギーが挙げられる。レーザビームと衝
突する電子ビームの加速エネルギーを制御することによ
り、高エネルギーフォトンの波長を制御することが可能
である。

【００４７】また、他のパラメータとしては、電子ビー
ムとレーザビームの衝突角が挙げられる。この衝突角を
制御することにより、生成するフォトンフラックスのパ
ルス幅を制御することができる。さらに、レーザ光の出
力もパラメータとなる。レーザ光を高出力化させること
により高エネルギーフォトンの高輝度化が可能となる。
本発明の半導体製造装置に用いられる光源は、波長可変
あるいはパルス幅可変であってもよい。

【００４８】逆コンプトン散乱効果における散乱光の収
量γは、 γ∝Ｎ_eＮ_pｓ／Ａ（Ｎ_e；電子数、Ｎ_p；フォトン数、ｓ；電子・フォト
ン散乱断面積、Ａ；２つのビームが衝突する領域（散乱
領域）の断面積）と表される。

【００４９】逆コンプトン散乱においては、電子とフォ
トンの全散乱断面積ｓが１０^-24ｃｍ²程度と小さいた
め、フォトンの収量γは比較的少ない。収量γを上げる
には、レーザパワーの高出力化、大電流電子線源の開
発、電子ビームおよびレーザビームの収束径の縮小等の
方法が考えられるが、これらの個別の要素の改善は現状
では限界となっている。

【００５０】通常、１Ｊ級の高出力レーザのフォトン数
が１０¹⁹個程度であるのに対し、電子ビーム中の電子数
は１０¹²個以下である。現行システムの延長で電子数Ｎ
_eあるいはフォトン数Ｎ_pを増大させるため、本実施形
態の装置においては、電子ビームとレーザビームが衝突
する散乱領域に、電子ビームを一定時間蓄積させる。図
３に、本発明の半導体製造装置の光源部分の概略図を示
す。図３に示す装置によれば、電子を一定時間蓄積させ
ることができ、散乱光の収量γを増大させることができ
る。

【００５１】図３に示す装置において、電子線源７から
出射される電子ビーム８は、電子蓄積リング９に蓄積さ
れる。一方、レーザ１０から出射されるレーザ光１１
は、ミラー１２により反射され、ミラー１２間を往復す
る。ミラー１２間の距離は、レーザコンプトン散乱光の
共振器長Ｌとなる。電子蓄積リング９における電子の円
軌道とレーザ光１１との交点が散乱領域５となり、レー
ザ光１１よりも短波長の光、例えばＸ線１３が放射され
る。Ｘ線１３の放射方向に１対のＸ線ミラー１４を配置
することにより、高エネルギーフォトンの蓄積も可能と
なり、高エネルギーフォトンの高輝度化が可能となる。

【００５２】電子蓄積リング９の半径をｒ、電子の速度
をｖ、光の速度をｃとすると、

【００５３】

【数１】

【００５４】を満たす場合、一度衝突した電子とフォト
ンは、様々な損失でビームが減衰するまで衝突を繰り返
す。例えば、ｖ／ｃ≒１、Ｌ＝１（ｍ）、ｒ＝１／πと
し、共振器を構成するミラー１２の反射率Ｒを９９．９
９％と仮定して透過ロス等が無視できる場合、共振器中
に蓄積されるフォトン数Ｎ_p’は、

【００５５】

【数２】

【００５６】となる。すなわち、電子は共振器中を約１
０⁴回往復することになり、共振器中に電子が滞留する
時間は、

【００５７】

【数３】

【００５８】となる。

【００５９】以上のように、本実施形態の半導体製造装
置の光源によれば、レーザから出射されるフォトンの１
０⁴倍のフォトンを共振器内に供給し、電子蓄積リング
内の電子と衝突させるため、レーザーコンプトン散乱光
の収量γを大幅に増大させることができる。

【００６０】（実施例１）上記の逆コンプトン散乱を利
用したレーザーコンプトン散乱光により、ウェハにアブ
レーションを行った結果について、以下の実施例１、２
および比較例１、２に示す。実施例１および実施例２
は、図４（Ａ）に示されるレーザシステムから取り出さ
れた波長２６６ｎｍのフェムト秒パルスを、図３に示す
ように電子ビームと衝突させてレーザーコンプトン散乱
光を発生させ、ウェハ上に照射した。比較例１および比
較例２は、図４（Ｂ）に示されるレーザシステムから取
り出された波長２６６ｎｍのナノ秒パルスを、図３に示
すように電子ビームと衝突させてレーザーコンプトン散
乱光を発生させ、ウェハ上に照射した。

【００６１】まず、実施例１および実施例２において、
フェムト秒パルスを発生させた方法について以下に説明
する。図４（Ａ）に示すように、ＣＷ発振のアルゴンイ
オンレーザ２１（出力１２Ｗ）によりパルス発振モード
ロックチタンサファイアレーザ２２をポンピングした。
チタンサファイアレーザ２２から出射するレーザ光は波
長８００ｎｍ、パルス幅は１００ｆｓ、パルス周波数は
８０ＭＨｚ、出力１Ｗであった。

【００６２】チタンサファイアレーザ２２からのレーザ
光はパルスストレッチャー２３に導かれ、パルスストレ
ッチャー２３においてパルス幅が２〜４桁拡大された
後、チタンサファイア増幅器２４に導かれた。チタンサ
ファイア増幅器２４としては、再生増幅器およびマルチ
パスアンプからなる３段の増幅器を用いた。パルススト
レッチャー２３からの赤外域（波長８００ｎｍ）のパル
ス光は、チタンサファイア増幅器２４により増幅され、
Ｎｄ：ＹＡＧレーザ２５の第２高調波（波長５３２ｎ
ｍ、出力１Ｊ、パルス周波数１０Ｈｚ）のポンピングに
用いられる。

【００６３】チタンサファイアレーザ２２からのレーザ
光によりポンピングされた、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ２５の
第２高調波は、回折格子等からなるパルス圧縮器２６に
導かれ、再びフェムト秒のパルスに圧縮された。このフ
ェムト秒のパルス光（２００ｍＪ）を第４高調波発生器
２７に導くことにより、フェムト秒パルス（波長２６６
ｎｍ、パルス幅２００ｆｓ、パルスエネルギー６０ｍ
Ｊ、ビーム径２ｍｍ、パルス周波数１０Ｈｚ）が得られ
た。

【００６４】次に、実施例１および比較例１に使用し
た、アブレーションの評価サンプルの作製方法について
説明する。シリコン基板上に、スピンコート法によりテ
フロンＡＦ１６００Ｓ（デュポン社製；商品名）を膜厚
約１ｍｍで塗布、成膜した。

【００６５】実施例１においては、上記の方法により作
製したウェハ表面に、０．３μｍのラインアンドスペー
スパターンのマスクを通して、前述したフェムト秒パル
スのレーザ・コンプトン散乱光を４００パルス照射し
た。その結果、レーザ・コンプトン散乱光が照射された
部分では、テフロン層が完全に除去され、アブレーショ
ンによるパターンの転写が認められた。

【００６６】（比較例１）比較例１および比較例２にお
いて、ナノ秒パルスを発生させた方法について以下に説
明する。図４（Ｂ）に示すように、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
２５の第２高調波（波長５３２ｎｍ、パルス幅８ｎｓ、
出力１Ｊ、パルス周波数１０Ｈｚ）を、第４高調波発生
器２７に導くことにより、ナノ秒パルス（波長２６６ｎ
ｍ、パルス幅８ｎｓ、パルスエネルギー１８０ｍＪ、パ
ルス周波数１０Ｈｚ）が得られた。上記のナノ秒パルス
のパルスエネルギーを、実施例１のフェムト秒パルスの
パルスエネルギーと同様にするため、ＮＤ（ｎｅｕｔｒ
ａｌｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタを用いて、パルスエネ
ルギーを６０ｍＪとした。

【００６７】比較例１においては、上記の実施例１と同
様の方法により作製したウェハ表面に、０．３μｍのラ
インアンドスペースパターンのマスクを通して、上記の
ナノ秒パルスのレーザ・コンプトン散乱光を４００パル
ス照射した。その結果、レーザ・コンプトン散乱光が照
射された部分の表面が荒れたのみで、テフロン層を除去
することはできなかった。実施例１および比較例１に示
すように、レーザ・コンプトン散乱光を発生させるため
のレーザを、パルス幅１ｎｓ以下の極短パルスとするこ
とにより、ウェハ表面（テフロン層）のアブレーション
が実現された。

【００６８】（実施例２）実施例２および比較例２にお
いては、シリコン基板上に酸化膜（ＳｉＯ₂膜）が積層
されたウェハを、アブレーションの評価サンプルとして
使用した。上記のウェハ表面に、０．３μｍのラインア
ンドスペースパターンのマスクを通して、前述した実施
例１と同様のフェムト秒パルスのレーザ・コンプトン散
乱光を、１０００パルス照射した。その結果、レーザ・
コンプトン散乱光が照射された部分では酸化膜が除去さ
れ、アブレーションによるパターンの明確な転写が認め
られた。

【００６９】（比較例２）比較例２においては、上記の
実施例２と同様のウェハ表面に、０．３μｍのラインア
ンドスペースパターンのマスクを通して、前述した比較
例１と同様のナノ秒パルスのレーザ・コンプトン散乱光
を、１０００パルス照射した。その結果、レーザ・コン
プトン散乱光が照射された部分の表面に変化が認められ
たが、酸化膜は除去されず、パターンの明確な転写は行
われなかった。実施例２および比較例２に示すように、
レーザ・コンプトン散乱光を発生させるためのレーザ
を、パルス幅１ｎｓ以下の極短パルスとすることによ
り、ウェハ表面（酸化膜）のアブレーションが実現され
た。

【００７０】上記の本発明の実施形態の半導体製造装置
によれば、ウェハ表面に高輝度、高エネルギーでパルス
幅の短い光を照射し、アブレーションによる精密なパタ
ーン形成を行うことが可能となる。上記の本発明の実施
形態の半導体装置の製造方法によれば、従来のエッチン
グによるパターニングに比較して、レジストの現像や、
レジストをマスクとしたエッチング工程が不要となるた
め、製造工程を簡略化させることが可能となる。

【００７１】本発明の半導体製造装置および半導体装置
の製造方法の実施形態は、上記の説明に限定されない。
例えば、レーザ・コンプトン散乱光を発生させるための
レーザシステムは、適宜変更することが可能である。そ
の他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が
可能である。

【００７２】

【発明の効果】本発明の半導体製造装置によれば、ウェ
ハ表面に高精度で微細パターンを形成することが可能と
なる。本発明の半導体装置の製造方法によれば、レジス
トをマスクとしてエッチングを行う場合に比較して簡略
化された工程で、ウェハ表面にパターンを形成すること
が可能となる。また、本発明の半導体装置の製造方法に
よれば、従来のアブレーション方法に比較して、より微
細なパターンを明瞭に形成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体製造装置に用いることができる
縮小Ｘ線露光システム例の概略図である。

【図２】本発明の半導体製造装置の光源部分の概略図で
ある。

【図３】本発明の半導体製造装置の光源部分の概略図で
ある。

【図４】（Ａ）は本発明の半導体製造装置の実施例１お
よび実施例２に係る光源部分の構成図であり、（Ｂ）は
比較例１および比較例２に係る光源部分の構成図であ
る。

【符号の説明】

１…マスク、２…ウェハ、３…光、４、８…電子ビー
ム、５…散乱領域、６…散乱光、７…電子線源、９…電
子蓄積リング、１０…レーザ、１１…レーザ光、１２…
ミラー、１３…Ｘ線、１４…Ｘ線ミラー、２１…アルゴ
ンイオンレーザ、２２…チタンサファイアレーザ、２３
…パルスストレッチャー、２４…チタンサファイア増幅
器、２５…Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、２６…パルス共振器、
２７…第４高調波発生器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岸井典之東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内Ｆターム(参考） 5F004 BA20 BB01 BB02 BB04 BB31 DB03 DB23 EA00 EA38 5F046 AA01 AA28 CA03 GC03 GC04 GC05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ウェハ表面に第１の波長の光を照射する光
源と、前記第１の波長の光の少なくとも一部を透過させ
るマスクとを有し、前記ウェハの前記第１の波長の光が
照射される部分の材料をガス化して除去する半導体製造
装置であって、前記光源は、電子ビームを発生する電子ビーム発生手段
と、前記第１の波長よりも長波長である第２の波長の光
を発生する光発生手段とを有し、前記第１の波長の光は、前記電子ビーム中の電子と前記
第２の波長の光のフォトンとの衝突により、前記電子の
エネルギーが前記フォトンに与えられた逆コンプトン散
乱光である半導体製造装置。
【請求項２】前記光発生手段は、レーザである請求項１
記載の半導体製造装置。
【請求項３】前記レーザはパルス発振レーザである請求
項２記載の半導体製造装置。
【請求項４】前記光源は、前記第２の波長の光を反復反
射させる少なくとも１対の反射手段を有する請求項１記
載の半導体製造装置。
【請求項５】ウェハ表面にパルス光を照射する光源と、
前記パルス光の少なくとも一部を透過させるマスクとを
有し、前記ウェハの前記パルス光が照射される部分の材
料をガス化して除去する半導体製造装置であって、前記光源から射出される前記パルス光は、波長が約３０
０ｎｍ以下で、パルス幅がほぼ１ｎｓ以下である半導体
製造装置。
【請求項６】前記光源は、シンクロトロン放射光を射出
する光源である請求項５記載の半導体製造装置。
【請求項７】前記光源は、レーザプラズマ光を射出する
光源である請求項５記載の半導体製造装置。
【請求項８】第１の波長の光を発生させる工程と、ウェハ表面に、前記第１の波長の光の少なくとも一部を
透過させるマスクを介して、前記第１の波長の光を照射
する工程と、前記ウェハの前記第１の波長の光が照射される部分の材
料をガス化して除去する工程とを有し、前記第１の波長の光を発生させる工程は、電子ビーム発
生手段から電子ビームを発生させる工程と、前記第１の波長よりも長波長である第２の波長の光を発
生させる工程と、前記電子ビーム中の電子と前記第２の波長の光のフォト
ンとを衝突させ、前記電子のエネルギーが前記フォトン
に与えられた逆コンプトン散乱光を発生させる工程とを
有する半導体装置の製造方法。
【請求項９】前記第２の波長の光は、レーザ光である請
求項８記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】前記レーザ光はパルス光である請求項９
記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】前記第１の波長の光を発生させる工程
は、少なくとも１対の反射手段により前記第２の波長の
光を反復反射させ、前記電子と前記フォトンとを衝突さ
せる工程を有する請求項８記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項１２】前記ウェハは、表面に誘電体層が形成さ
れたウェハである請求項８記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項１３】前記ウェハは、表面に半導体層が形成さ
れたウェハである請求項８記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項１４】前記ウェハは、表面に金属層が形成され
たウェハである請求項８記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】所定波長のパルス光を、前記パルス光の
少なくとも一部を透過させるマスクを介して、ウェハ表
面に照射する工程と、前記ウェハの前記パルス光が照射される部分の材料をガ
ス化して除去する工程とを有し、前記パルス光は波長が約３００ｎｍ以下で、パルス幅が
ほぼ１ｎｓ以下である半導体装置の製造方法。
【請求項１６】前記パルス光はシンクロトロン放射光で
ある請求項１５記載の半導体装置の製造装置。
【請求項１７】前記パルス光はレーザプラズマ光である
請求項１５記載の半導体装置の製造装置。