JPH05175176A

JPH05175176A - 微細パターン形成方法

Info

Publication number: JPH05175176A
Application number: JP4146712A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Komiya; 祥男小宮
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1992-05-12
Filing date: 1992-05-12
Publication date: 1993-07-13
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: JPH0777208B2

Abstract

(57)【要約】【目的】電子ビームにより、基板に直接にパターンを
描画するに際し、より効率的で、多様な処理の可能な手
法を提案する。【構成】反応室１６内に収めた基板１２に対してほぼ
垂直に、パターン情報を持った電子ビーム１１を照射す
る。これと同時に、電子ビーム１１の照射方向とは斜め
な方向から基板１２に対し光学的手段（２５，２６，２
７，２８，２９）により光エネルギビーム２４ａを照射
する。基板１２上にあって上記のパターン情報に応じた
部分にのみ、電子ビーム１１と光エネルギビーム２４ａ
との反応効果による物質の変化を起こす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は基板上に微細なパターン
を形成する方法に関し、特に、所要のパターン情報が付
与された電子ビームと光エネルギビームとの反応効果に
よるか、または所要のパターン情報が付与された電子ビ
ームと光エネルギビームに加え、反応性励起粒子との間
での反応効果をも利用し、当該基板に微細なパターンを
形成する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、基板上に微細パターンを形成する
場合、当該基板上にレジストマスク等を設けることが普
通であったが、このようなマスクを用いることなく、直
接描画により、所望の微細パターンを形成する手法も考
えられてはいた。例えば光化学反応によりガス状分子を
励起して反応性励起粒子とし、基板をこの反応性励起粒
子に曝しながら光パターンを照射する方法がある。これ
に対し、アニールを利用しての微細パターン形成法とし
ては、電子ビーム単独でのアニール法や、光エネルギビ
ーム単独でのアニール法等も提案されてはいる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、プラズマ励
起された反応性励起粒子や光化学反応による反応性励起
粒子を利用し、光パターンを照射する方法は、電子ビー
ムによる描画等に比べると多くの場合、微細加工性にお
いて劣っている。また、電子ビーム単独での微細パター
ン形成法（アニール法）も、処理対象基板の結晶性や結
晶の均一性につき、問題が残っている。対してレーザ光
束等の光エネルギビーム単独による場合も、結晶粒界や
不均一性の問題がある。そして、これら電子ビーム単独
または光エネルギビーム単独の場合には、パターン描画
に関する諸パラメータの設定自由度にも制約が多く、パ
ターン描画時の微妙な調整等にも難点がある。本発明は
このような実情に鑑み、微細パターンの直接描画法とし
て、これまでに提案されたことのない新たなる手法を提
示し、微細パターン形成に関する技術の豊富化を計るも
のであり、電子ビームによる微細パターンの直接形成能
力を生かしながら、より広範囲かつ高能率で、あるいは
また、より正確、より細かな制御によって微細パターン
を描ける手法を提案せんとするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、反応室内に収めた基板に対し、ほぼ垂直に所
定のパターン情報を持った電子ビームを照射すると同時
に、光学的手段により当該電子ビームの照射方向とは斜
めな方向から光エネルギビームを照射することにより、
基板上にあって当該パターン情報に応じた部分にのみ、
電子ビームと光エネルギビームとの反応効果による物質
の変化を生じさせるという、微細パターンの直接形成手
法を提案する。すなわち、光エネルギビームの介在の
下、所定パターン情報に応じて電子ビームの照射されて
いる基板表面部分と照射されていない部分とで物質の変
化の生ずる程度を大幅に変更させることにより、所定パ
ターンを基板上に直接描画するのである。そのため、物
質の変化が例えばアニールであるならば、本発明では用
いる光ビームが光エネルギビームであるので、電子ビー
ムのエネルギ密度が不足であっても、当該光エネルギビ
ームにより、所望の配分比でその不足分を補うというよ
うな新たな手法を提供することができる。さらに、電子
ビームを用いる場合の諸パラメータと光エネルギビーム
を用いる場合の諸パラメータは本来的にはそれぞれ独立
であっても、本発明ではそれらの相乗効果で所定パター
ンを描画するので、結果として微妙な調整が可能とな
る。本発明ではまた、上記の主たる構成に加え、基板の
収められた反応室から離れた部位にて発生され、輸送管
によって輸送されてくる長寿命ラジカルから成る反応性
励起粒子をも反応室内に導入し、基板上に上記電子ビー
ム、光エネルギビームと当該反応性励起粒子との反応効
果による物質の変化をも生ずる手法も提案する。反応性
励起粒子は、上記の長寿命ラジカルに代え、反応室内に
導入されている所定の減圧雰囲気中のガス分子と光エネ
ルギビームとの電磁光波化学反応により励起されたもの
であっても良いし、また、反応室内に導入される上記の
光エネルギビームは複数本あって、その中の少なくとも
一本が、当該電磁光波化学反応を生起する光エネルギビ
ームとなっていても良い。

【０００５】

【実施例】図１には、本発明の一実施例を実施するため
の装置構成例が示されている。図中、中央に示されてい
る電子光学系に関し、上から説明すると、電子を供給す
る電子銃１があり、その下に順次、第１絞り２、アライ
ナ３、第１電磁レンズ４、ブランキング板５、第２絞り
６、第２電磁レンズ７、第３電磁レンズ９が続いてい
る。第３電磁レンズ９の中には二重偏向コイル８ａ、ス
ティグメータ８ｂが配置されている。このような装置系
により出射される電子ビームは、第２絞り１０を介して
反応室１６内に入射する。

【０００６】基板１２が設置されている反応室１６と、
上記した電子ビーム光学系とは所要の真空度が大幅に異
なるので、複数の排気系によって差動排気を行い、電子
ビーム光学系が反応室内に存在する反応性励起粒子によ
り汚染されるのを防止しながら、電子ビーム走査と制御
に必要な真空度を確保する。

【０００７】電子ビーム光学系により集束された電子ビ
ーム１１は基板１２に照射され、所定のパターンが描画
される。基板１２は支持台１３の上に設置され、この支
持台１３はまた、必要に応じて低温加熱等、基板温度の
制御が可能なように構成される。支持台１３はＸ−Ｙ移
動機構１４，１５の上に設置されており、通常の電子ビ
ーム描画装置と同程度の精密位置合わせと精密移動がで
きる。反応室１６内の各種の材料は、後述する反応性励
起粒子で腐食されない材料で構成される。

【０００８】図示実施例では、電子ビーム光学系はそれ
ぞれの排気口１７，１８，１９により上記の差動排気が
行われ、反応室１６は排気口２０によって排気される。
反応室１６内の圧力は、上記の排気口１９，２０等から
の排気能力によって決められる。

【０００９】一方、反応性励起粒子の中で一つの重要な
要素である電界励起されたプラズマは、輸送管２１を通
して導入される。輸送管２１の前には、マグネトロン発
振によって発生された２４．５ＧＨｚのマイクロ波が導
波管２２ａに導入され、導波管２２ａの一部に石英管反
応部２３が挿入されている。導波管２２ａの終端は整合
器２２ｂによってインピーダンス整合が取られている。
導入管２３ａを介し、ＣＦ₄ ＋Ｏ₂ ガスを０．１Ｔｏｒ
ｒ程度の圧力で導入すると、発生したプラズマは電力の
増大に対しても殆ど広がらず、安定な状態となり、ガス
流量の変化に対しても整合条件は崩れない。そこで、プ
ラズマの輸送管２１をテフロンコートしておけば、放電
部で生じた活性種は約１ｍ離れた反応室１６内にも余り
減衰することなく導入でき、換言すれば、そのようなプ
ラズマにおいて特に長寿命ラジカルを反応室１６内に導
入できる。

【００１０】このような２．４５ＧＨｚのマイクロ波励
起の長寿命ラジカルによるプラズマエッチ法それ自体に
ついてならば、従来からも報告がある。すなわち、この
方法によれば、多結晶シリコン，Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，ＳｉＯ
₂ ，Ｎｂ，Ｗ，Ｍｏ，フォトレジスト等の各種薄膜をエ
ッチ可能である。その条件は、ＣＦ₄ の圧力を０．１２
Ｔｏｒｒ程度としたとき、Ｐｒ＝Ｐ_o2／Ｐ_CF4 が０〜４
程度までである。この励起法によるプラズマエッチの利
点は、反応室１６内において放電用の電極を必要としな
いことである。また、同様のプラズマ励起法において導
入ガスとしてＯ₂かＮ₂ を用いれば、条件により、プラ
ズマ活性化された酸素または窒素によるプラズマ酸化ま
たはプラズマ窒化も可能となる。

【００１１】以上の説明においては、反応室１６内にお
ける反応性励起粒子は、既述した通り、約１ｍ離れたと
ころで発生させても余り減衰することなく当該反応室１
６内に至り得る、プラズマ励起されたいわゆる長寿命ラ
ジカルである。しかし、反応室１６内に反応性励起粒子
を形成できる手段は上述の励起法に限らない。最近で
は、赤外光、可視光、紫外線やｄｅｅｐＵＶ（遠紫外
線）光等の光励起反応による反応性ガス粒子の報告も数
多くある。また、場合によっては、上述のｄｅｅｐＵＶ
光からさらにＸ線に至る短波長の電磁光波によっても、
電磁光波化学反応により、気相粒子の励起は行える。光
化学反応プロセスとしては、例えば、ＳｉはＣｌ₂ やＢ
ｒ₂ のガスを４８８０Åや２５７０Åのレーザ光で光励
起することにより、ドライエッチし得ることが知られて
いる。また、ＧａＡｓやＩｎＰについても、ＣＨ₃ Ｂｒ
のガスのｄｅｅｐＵＶ励起光による反応でエッチ可能で
ある。本発明は、先に述べたように、また本実施例に関
して後述のように、光ビームと電子ビームとの反応効果
による物質の変化により、基板上に所定の微細パターン
を形成する点に主眼があるが、さらにその下位の一実施
態様としてこの実施例で提案する、電磁光波光化学反応
による反応性ガス粒子の効果をも取り入れた電子ビーム
描画によるパターン形成法は、上述した各種反応の報告
の知見に基づいている。

【００１２】さて、図１の装置構成中、光ビーム２４は
走査可能な光化学反応励起用の光束である。光源（図示
せず）より発せられた光束２４Ｌを時間的にスイッチす
るため、または空間的に光束の方向、位置等を変化させ
るため、光束制御系２５を設ける。光束制御系２５を出
射した光束２４Ｍは、反射鏡２６と２７、光束透過用窓
２８を介して反応室１６内に導入され、当該反応室１６
内に設けてある平面または凹面反射鏡２９を経て試料
（基板１２）に到達する光束２４ａとなる。励起される
べき光化学反応用のガスは、ガス源３１，３２よりバル
ブ３０を経て反応室１６内に導入される。導入された光
化学反応用ガスは、光束２４にあって反応室内の部分２
４ｂに示されるような光の通過空間で、減圧雰囲気の
下、光化学励起を受ける。さらに、試料面近傍や試料に
直接照射される光束２４ａは、当該光化学反応に対して
より強力に作用する。特に試料面に直接照射されると、
試料面の光照射による局部加熱効果や活性化効果、電子
−正孔励起効果等が加味されるから、多要素の反応機構
が付加されることになる。もちろんこの光束２４ａは、
本発明に従い、試料（基板）に対してアニール効果を持
つ程に強度の高い光束とする。

【００１３】局部加熱、アニール効果については電子ビ
ームにも認められる。電子ビームのスポットサイズ等の
集束条件や走査条件等の関連パラメータを適当なるよう
選択し、基板部の熱的応答時間より速い状態でｘ方向の
スキャンを重ねて単位面積当たりのビームエネルギ密度
を所望の値に向上させ、加熱または溶融部分をスキャン
幅と直交するｙ方向に僅かづつ動かす等すれば良い。

【００１４】さらに、光ビームについても、導入される
一本または複数本の光ビームの少なくとも一つを光エネ
ルギビームとすることにより、電子ビームによるアニー
ルと光エネルギビームによるアニールとを基板の同一場
所に重畳させることができ、このようにすれば、電子ビ
ームだけによるアニールとするにはエネルギ密度に不足
があるような場合にも、それを光エネルギビームによ
り、所望の配分比に従って補う等、新たなプロセス形態
に従うアニール法を提供できる。

【００１５】もっとも、本発明の要旨構成における物質
の変化とは、基板または基板上の半導体層に対するパタ
ーン情報に応じての局部アニールの外、場合によりエネ
ルギ密度がパターン部分でより強力であれば蒸発をも含
むので、その意味で直接微細加工プロセスも提供でき
る。そして、いずれの場合にも、従来技術におけるよう
に、電子ビーム単独または光エネルギビーム単独であっ
た場合には、パターン描画に関する諸パラメータの設定
自由度にも制約が多く、パターン描画時の微妙な調整等
にも難点があったのに対し、本発明によると、より細か
な制御が可能となる。

【００１６】これに加え、長寿命プラズマラジカルか、
または電磁光励起反応による反応性励起粒子を基板近傍
に導入し、基板上にあって所望のパターン情報に応じた
部分にのみ、電子ビーム、光エネルギビームとこの反応
性励起粒子との反応効果による物質の変化を起こすこと
もできる。この場合、パターン化の結果は、反応性励起
粒子の性質によって様々で、エッチパターン、プラズマ
酸化領域パターン、微細デポジションパターン等を得る
ことができる。

【００１７】光束２４を走査可能にして、試料面で光照
射の均一性、制御性を増すこともできる。機械的にはミ
ラー２６，２７，２９を微小移動機構で駆動しても良
い。より高速に行うには、電子的光スイッチとか光路変
更デバイスを光束制御系２５中に設ければ良い。また、
幾つかの偏光による光スイッチやハーフミラー、マイク
ロレンズアレイ、光ファイバ等を用いれば、複数本の光
束の同時、並列処理が行える。これにより、複数本の光
束のそれぞれ独自の時間的断続、空間的な配置が可能に
なる。図示されている光束制御系２５、ミラー２６，２
７，２９等の光学系は、あくまで一つの例である。この
他にもいろいろな光束群制御手法があることは、公知既
存の技術からして明らかである。

【００１８】図示のような電子ビームパターン描画系と
類似の構成に、別途、複数の光束透過用窓を開け、各光
束透過用窓に複数の光束群を空間的、時間的に断続させ
て入射させることもできる。光束は、真空中と大気中と
でその制御に差異がないという利点があるので、上記の
各種光束群の制御系を反応室１６内に持ち込むことも可
能である。ただし、一本であろうと複数本であろうと、
反応室内の基板近傍の斜め上方よりそうした光束を入射
させることが良い。また、反応室内に光束制御系を設け
る場合には、当該制御系が反応性励起粒子によって損傷
を受けないように、石英板、テフロンコート等の素材に
より、それら制御系を保護する収容容器を備える必要が
ある。

【００１９】以上のように、本発明に従えば、電子ビー
ムと光エネルギビームとの相乗効果によるパターンアニ
ールという新たなる手法を提供できる。

【００２０】さらに、電子ビームと光エネルギビームと
の相乗効果に加え、反応性励起粒子を含む雰囲気による
作用をも付加した本発明の一態様によれば、マイクロ波
プラズマ励起による長寿命ラジカルでのプラズマ処理
や、光化学反応性励起粒子によるフォトケミカル処理、
さらにそれら二種の反応性励起粒子の存在の下でのプロ
セスをも併せて組込みながら所定のパターン情報に応じ
た所望のパターンを直接プロセスで形成することができ
る。

【００２１】また、酸素の長寿命ラジカル等の反応性励
起粒子による酸化プロセスに関して言えば、酸化層の深
さの制御とパターン化や、酸化後におけるパターンビー
ムアニールによる膜質の改質とそのパターン化にも有効
である。

【００２２】なお、本発明における電子ビームとは、こ
の種の技術分野で定義されている通り、電子光学工学技
術に基づき、公知既存の電子ビーム加速系ないし減速
系、電子ビーム集束・走行系、電子ビーム偏向系ないし
電子ビーム光学系により、操作または制御可能な文字通
りの電子ビームを指す。したがって、図１には通常の走
査型電子ビーム制御系に類似の装置系が示されている
が、可変成形ビーム描画系等、公知既存の他の電子ビー
ム描画系や、適当な条件設定の下であれば公知の電子ビ
ーム転写系等と類似の電子ビーム集束制御系を持つ装置
であっても良い。

【００２３】また、このような電子ビームを制御、駆動
する電子ビーム光学集束系においては、関連する諸パラ
メータを可変制御または変更制御することにより、電子
ビームのエネルギや当該ビーム束の空間分布等に関し、
適当なるパラメータを選択することができ、本発明の適
用用途であるレジストレスパターン直接形成技術に対
し、ある程度の範囲で設計自由度を与えることができ
る。

【００２４】一方、光化学励起用ビームとしては、遠紫
外域から赤外域にある各種レーザ光を利用することがで
きる。また、描画モードとしては、例えば１フレーム内
は電子ビームの走査または転写を行い、１フレームの終
了後、ステップアンドリピートで繰返しを行う。これに
対し、従来からも、荷電粒子または光ビームによるリソ
グラフィ等、各種ビームによるパターン描画技術とし
て、基板が設置されている移動台を精密移動させること
で、言わば筆書きの要領で基板上に所要のパターンを形
成する技術があるが、こうした周知慣用技術もまた、本
発明に適用可能である。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、真空排気系の中で大気
に曝すことなく、基板に対するレジストレス直接プロセ
スにより、新しい機構に基づくパターンアニールとかパ
ターンエッチ等、微細パターン形成が可能となり、今後
進展が予想される、微細パターン直接パターン形成プロ
セスの一環として有利に利用することができる。当然こ
れは、各種電子デバイス、集積回路の製造能率、性能の
向上に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の微細パターン形成方法の一実施例を実
施するために使用し得る装置構成の概略構成図である。

【符号の説明】

１電子銃，１１電子ビーム，１２基板，１３支持台，１４，１５Ｘ−Ｙ移動機構，１６反応室，１７，１８，１９排気口，２０排気口，２１プラズマ輸送管，２２ａマイクロ波導波管，２３石英反応管，２４光ビーム，２５光束制御系，２６，２７反射鏡，２８透過窓，２９反射鏡，３１ガス源，３２ガス源．

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応室内に収めた基板に対してほぼ垂直
に、パターン情報を持った電子ビームを照射し；同時
に、光学的手段により該電子ビームの照射方向とは斜め
な方向から上記基板に対し光エネルギビームを照射する
ことで；上記基板上にあって上記パターン情報に応じた
部分にのみ、上記電子ビームと上記光エネルギビームと
の反応効果による物質の変化を起こすこと；を特徴とす
る微細パターン形成方法。
【請求項２】反応室内に収めた基板に対してほぼ垂直
に、パターン情報を持った電子ビームを照射し；同時
に、光学的手段により該電子ビームの照射方向とは斜め
な方向から上記基板に対し光エネルギビームを照射する
と共に；上記反応室とは離れた部位にて発生させた長寿
命ラジカルから成る反応性励起粒子を輸送手段により該
反応室内に導入することで；上記基板上にあって上記パ
ターン情報に応じた部分にのみ、上記電子ビームと上記
光エネルギビームと上記反応性励起粒子との反応効果に
よる物質の変化を起こすこと；を特徴とする微細パター
ン形成方法。
【請求項３】請求項２記載の微細パターン形成方法で
あって；上記反応性励起粒子は、上記長寿命ラジカルに
代え、上記反応室内に所定の減圧雰囲気中でガス分子を
導入し、該ガス分子と上記光エネルギビームとの電磁光
波化学反応により励起されたものであること；を特徴と
する微細パターン形成方法。
【請求項４】請求項３記載の微細パターン形成方法で
あって；上記光エネルギビームは複数本あり、上記電磁
光波化学反応を起こす光エネルギビームはその中の少な
くとも一本であること；を特徴とする微細パターン形成
方法。