JPH05198496A

JPH05198496A - 薄膜除去装置及び薄膜除去方法

Info

Publication number: JPH05198496A
Application number: JP4031281A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Mogi; 清茂木; Yuji Kudo; 祐司工藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-01-23
Filing date: 1992-01-23
Publication date: 1993-08-06

Abstract

(57)【要約】【目的】エネルギー光の照射によって薄膜（レジスト
等）の所望領域を除去するにあたって、フレアによる除
去領域周辺の薄膜の変質を防止することのできる薄膜除
去装置及び除去方法を提供する。【構成】対物レンズ６とレジスト層７１との間にポリ
イミドフィルム等の不透明部材１６を配置し、ウエハ７
２を退避させた状態でレーザ光ＬＢを照射して、不透明
部材１６に開口部１６ａを形成する。次いで、ウエハ７
２上のレジスト層７１に開口部１６ａを介してレーザ光
ＬＢを照射し所定領域のレジストを除去する。このとき
大部分のフレアｆは不透明部材で遮断される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体ウェハや
ガラスプレート等の基板上に被着された薄膜（フォトレ
ジスト層）に選択的にエネルギー光を照射することによ
り、薄膜の所望の部分を除去する薄膜除去装置及び方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子製造の光リソグラフィ工程で
は、ウェハの露光領域に付随して設けられたアライメン
ト（位置合わせ）マークからの光情報を光電検出するこ
とによって、重ね合わせ露光すべきレチクルやマクスと
ウェハとを相対的に位置合わせしている。通常、ウェハ
のアライメントは、アライメントマークに光を照射し、
そのマークからの反射光、散乱光、又は回折光等を光電
検出することによって行われる。しかしながら、露光前
のウェハには必然的にレジストが被着されているため、
アライメントマークの検出はレジスト層（１〜２μｍの
厚さ）を介して行われることになる。アライメントを露
光装置の投影光学系を介して行う場合（ＴＴＬ方式：Th
rough The Lens) 、投影光学系は強い色収差を有してい
るので、アライメントの際にも露光光を使用する必要が
あるが、当然ながら露光光はレジストに吸収されるた
め、アライメントマークから発生する光情報がレジスト
層の影響で弱められてしまうという不都合が生じる。

【０００３】また、アライメントマークが微小な段差構
造をとることから、マーク周辺でレジストの膜厚が不均
一になることは避けられない。このため、薄膜固有の干
渉効果がマーク近傍で顕著になったり、あるいはマーク
両側でレジスト膜厚のムラが非対称になったりすること
等によってアライメント精度が低下してしまう。

【０００４】更に、パターンの微細化を図るために多層
レジストを使う場合等、アライメントマークそのものが
照明波長のもとで光学的に見えなくなるといった現象が
起こり得るため、アライメント精度の確保はなかなか難
しい問題となっている。

【０００５】そこで、アライメント動作に先だって、エ
キシマレーザ等の紫外域の高エネルギービームを光学系
を介してマーク上部のレジスト層に照射することでレジ
ストを部分的に除去することが考えられている。このレ
ジスト除去のメカニズムは、有機高分子材料からなるレ
ジストにエキシマレーザのような高強度の短パルス紫外
光を照射すると、レーザを吸収した照射部分のレジスト
の分子結合が切断されて、分解・飛散するアブレーショ
ン過程に基づくものと考えられる。このアブレーション
による除去においては、除去される部分の断面がシャー
プであり、照射部分の周囲に熱的な損傷・歪がない等の
利点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
高エネルギービームによる薄膜除去の技術においては、
以下に説明するような問題点があった。まず、照射され
るレーザ光の最適なエネルギー値について、図５を用い
て説明する。図５はレジスト層に照射されるパルス当り
のエネルギー密度Ｐ（横軸）とレジスト層がアブレーシ
ョン過程によって除去される深さ（縦軸）との関係を示
したものである。ここでは横軸は対数目盛である。

【０００７】この図から明らかなように、レーザ光の単
位パルス当りのエネルギー密度Ｐ(J/cm²・pulse) が閾値
Ｐ_thを越えるまでは、レーザ光が照射されてもレジスト
層は除去されないが、エネルギー密度が閾値Ｐ_thを越え
ると、レジスト層の除去深さはエネルギー密度Ｐの対数
に比例して増大する。

【０００８】この時に使用されるレーザ波長、例えばＫ
ｒＦエキシマレーザをその露光波長として設計されたレ
ジストに対してはＫｒＦエキシマレーザの波長（２４８
ｎｍ）よりも短いものが適当である。なぜならば、レジ
スト等のポリマーをアブレーション現象に於いて効率良
く除去するためには、ポリマー自身が照射エネルギー光
を効率良く吸収する必要がある。一方、レジストはその
露光波長に於いて、その吸収率が小さくなる様に設計さ
れ、また、一般にポリマーは波長の短い光ほど光吸収率
が大きくなるからである。

【０００９】例えばレーザ光源として波長が１９３ｎｍ
のＡｒＦエキシマレーザを用いた場合の閾値Ｐ_thは、一
般のレジストでは３０〜４０ｍＪ／cm²・pulse の値を示
す。実験においてパルス当りのエネルギー密度を１００
ｍＪ／cm²・pulse として、厚さ１μｍのレジストを完全
に除去するのに約３０パルスのレーザ照射が必要であ
り、合計３Ｊ／cm² を要することがわかった。

【００１０】一方、所望の除去領域にレーザ光を照射す
るための対物レンズ（照射光学系）に用いられる石英ガ
ラス等の反射防止コートは、これら紫外のレーザ光波長
に対して十分な反射防止効果を持つ物は現在得られてい
ない。このため、この反射防止コートを施した石英ガラ
スからなる対物レンズでは数％のフレアがレーザ照射領
域周囲に発生する。照射領域のエネルギー密度が３Ｊ／
cm² の場合、その周囲には数１０ｍＪ／cm² の照射が行
われることとなる。

【００１１】この時のフレアの発生の様子を図４を用い
て説明する。図において、対物レンズ６は複数のレンズ
６１，６２（図では代表して２つのレンズを示す）等で
構成され、ウエハ７２上に塗布されたレジスト層７１の
所望の除去領域にレーザ光ＬＢを集光させる。この際、
レーザ光ＬＢの一部は各レンズの表、裏各面で反射され
て、本来、レーザ光が照射されるべき領域の周囲に図
中、点線で示す様にフレアｆとして照射される。このフ
レアｆによる照射エネルギー密度はアブレーション現象
を起こすには不十分なため、レジストを除去することが
ないが、レジスト７１を感光するには十分なエネルギー
を与えることになり、後のパルス露光、現象後のレジス
トパターン形状に影響を与える不都合が生じる。例え
ば、レジスト７１がポジ型の場合には膜減り現象、ネガ
型の場合にはフレアｆによる照射がなされた部分のレジ
スト７１は全て残ってしまいパターン自身が形成されな
い場合がある。近年、開発が盛んな高感度を特徴とする
化学増幅型レジストではこの現象がより顕著になる。

【００１２】この発明は、かかる点に鑑みてなされたも
のであり、エネルギー光の照射によって薄膜（レジスト
等）の所望領域を除去するにあたって、フレアにより除
去領域周辺の薄膜が変質することを防止できる薄膜除去
装置及び除去方法を提供することを目的とするものであ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項 1の薄膜除去装置
は、所定のエネルギー光を射出する光源と、基板上に被
着された薄膜の所望の部分にエネルギー光を照射する照
射光学系とを有し、前記エネルギー光の照射によって前
記薄膜の所望の部分を除去する薄膜除去装置において、
上記の課題を達成するために、前記基板と前記照射光学
系との間に、前記エネルギー光に対して不透明であり、
かつ所定形状の開口部を有する部材が設けられているも
のである。

【００１４】請求項２の薄膜除去装置においては、前記
照射光学系は該照射光学系と前記基板との間の空間に前
記エネルギー光の集光点を形成し、該集光点上に前記不
透明部材が設けられている。

【００１５】請求項(3) の薄膜除去装置においては、前
記開口部の形状は、前記不透明部材の表面にほぼ等しい
平面と前記エネルギー光との重複領域にほぼ等しいもの
である。

【００１６】請求項５の薄膜除去方法は、基板上に被着
された薄膜に選択的にエネルギー光を照射することによ
って、前記薄膜の所望の部分を除去するにあたって、上
記の課題を達成するために、基板と照射光学系との間に
前記エネルギー光に対して不透明な部材を配置し、前記
薄膜に前記エネルギー光を照射するに先立って、前記不
透明部材に前記エネルギー光を照射することによって前
記不透明部材に前記エネルギー光が通過する開口部を設
け、しかる後、該開口部を介して前記エネルギー光を前
記薄膜に照射するものである。

【００１７】

【作用】本発明の薄膜除去装置で用いられる不透明部材
は、照射エネルギー光の波長において高い吸収率をもつ
例えばポリイミドフィルム等の部材であり、所定形状の
開口部を設ける。本発明では、薄膜除去を行なうにあた
って、不透明部材の開口部を介して薄膜にエネルギー光
を照射する。その際、エネルギー光が照射光学系のレン
ズで反射されフレアが発生するが、フレアはエネルギー
光とは異なる角度で放射されるため（図４参照）、ほと
んどのフレアは開口部を通過せず、不透明部材で遮断さ
れる。請求項２の装置では、不透明部材の開口部の形状
は不透明部材の表面にほぼ等しい平面とエネルギー光と
の重複領域にほぼ等しい形状となっているので、不透明
部材によって正規のエネルギー光の光量を低下させるこ
となく、かつ、開口部を通って薄膜上に到達するフレア
を最小限に抑えることができる。

【００１８】請求項５の薄膜除去方法では、基板と照射
光学系との間にエネルギー光に対して不透明な部材を配
置し、薄膜にエネルギー光を照射するに先立って、不透
明部材に前記エネルギー光を照射する。エネルギー光が
照射された部分の不透明部材は、アブレーション現象に
よって除去され、不透明部材にエネルギー光が通過でき
る孔（開口部）が形成される。この時にできる開口部の
形状は不透明部材の表面にほぼ等しい平面とエネルギー
光との重複領域にほぼ等しい形状、換言すれば、不透明
部材の配置位置におけるエネルギー光の断面形状にほぼ
一致する形状となり、上述したようにフレアの影響が最
小限に抑えられる。この請求項５の方法によれば、除去
領域の形状（エネルギー光の照射領域の形状）が頻繁に
変わるような場合でも、薄膜除去に先立って不透明部材
にエネルギー光を照射するだけで対応可能であり、作業
効率を落とすことなくフレアの悪影響を避けることがで
きる。

【００１９】又、請求項２の薄膜除去装置では、照射光
学系と薄膜との間の空間内にエネルギー光の集光点が形
成されるように照射光学系が構成され、集光点上に不透
明部材が設けられる。エネルギー光の密度は、集光点に
おいて最大となるため、請求５の方法のようにアブレー
ション現象によって不透明部材に開口部を形成するのに
好都合である。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。先ず、図２は本実施例による薄膜除去装置の概略
的な構成を示すブロック図である。図において、レーザ
光源１から射出した紫外域に発振波長を有するレーザ光
ＬＢは、可変絞り２によって所定のビーム形状に成形さ
れた後、その大部分がビームスプリッタ３を透過してシ
ャッター４に至る。

【００２１】シャッター４はレーザ光ＬＢを通過又は遮
断させるものであり、シャッター４を透過したレーザ光
はミラー５で反射された後、対物レンズ６に入射する。
レーザ光は対物レンズ６で集光され、可変絞り２の開口
形状となって、ウェハ７上のレジスト層（図２では図
１、図３のウエハ７２とレジスト層７１を合わせてウエ
ハ(7) として示す）を照射する。対物レンズ６とウエハ
７との間には所定形状の開口部を有する不透明部材１６
が挿脱自在に配置されており、レーザ光ＬＢは不透明部
材１６の開口部を通ってレジスト層に照射される。不透
明部材１６については、後に詳しく説明する。

【００２２】レジスト層を除去するレーザ光としては、
エキシマレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波、Ａ
ｒイオンレーザの５１４．５ｎｍの発振線の第２高調波
等のように波長域１５０ｎｍ〜３６０ｎｍに発振線をも
つものが好適である。

【００２３】ウェハ７は、ステージコントローラ８によ
り制御されてｘ方向とｙ方向とに二次元的に移動するｘ
ｙステージ９の上に載置されている。ｘｙステージ９の
位置はレーザ干渉計等によって常時検出され、ステージ
コントローラ８に位置情報としてフィードバックされ、
レーザ光ＬＢの照射位置はｘｙステージ９を動かすこと
によってウェハ７上で例えば±０．０１μｍの精度で位
置決めされる。

【００２４】一方、ビームスプリッタ３で反射したわず
かな量のレーザ光は集光レンズ１０によって照射光量計
１１の受光面に集められ、照射光量計１１はその光量
（光エネルギー）に応じた光電信号をシステムコントロ
ーラ１２に出力する。システムコントローラ１２は、ス
テージコントローラ８にウェハ７のレーザ光ＬＢに対す
る位置決めのための指令を発すると共に、レーザ光源１
の制御系１５、又はシャッター４に最適なレーザ照射光
量が得られるような制御信号を発する。

【００２５】例えばレーザ光源１がエキシマレーザ等の
ようにパルスレーザを発生するものの場合、システムコ
ントローラ１２は照射光量系１１からの光電信号に基づ
いて、最適なレーザ出力値と必要とされるパルス数とを
算出し、それに対応した制御信号をレーザ制御系１５に
出力する。

【００２６】またレーザ光源１がＣＷレーザを発生する
ものの場合、システムコントローラ１２は光電信号に基
づいて最適なレーザ照射エネルギーと必要とされる照射
時間とを算出し、出力値に関してはレーザ制御系１５に
制御信号を送り、照射時間に関してはシャッター４に制
御信号を送る。

【００２７】また、ウェハ７上に形成されたアライメン
トマークを検出するためのアライメント光学系１３が、
例えば対物レンズ６と異なる位置に設けられ、光電検出
器等を含むマーク検出器１４と共に、オフアクシス方式
でウェハ７のアライメント計測を行う。マーク検出器１
４からアライメント信号がシステムコントローラ１２に
供給される。

【００２８】このアライメント信号はウェハ７上の特定
位置に設けられたマークを検出したとき発生するもので
あり、その発生したときのｘｙステージ９の位置をシス
テムコントローラ１２が基準点として記憶することによ
り、レーザ光ＬＢの照射位置とウェハ７上の任意の点と
の対応付け（グローバルアライメント）が完了する。な
お、このグローバルアライメントの際には、マークはレ
ジストで覆われているわけであるが、レジストを除去す
る際の位置決め精度は回路パターンを露光する際に要求
される程の精度を要求されないので、問題にはならな
い。

【００２９】レーザ光ＬＢの照射位置をレジストを除去
すべきアライメントマーク上に合致させた後、不透明部
材１６の開口部を介して所定強度のレーザ光ＬＢを照射
する。照射部分のレジストは、レーザ光ＬＢのエネルギ
ーによりその分子結合が切断され、更には気体または微
粒子となってレジスト層より飛散する。この際、対物レ
ンズ６で発生したフレアのほとんどは不透明部材１６で
さえぎられ、除去領域周囲のレジスト層が感光すること
はない。

【００３０】次に、図 1(a)、(b)、(c) を参照して本実施
例におけるレジスト除去の方法について工程をおって説
明する。先ず、レジスト層７１へのレーザ光ＬＢの照射
に先だって、ウエハ７（図２）を対物レンズ６の光軸外
に退避させた状態で、対物レンズ６とレジスト層７１
（ウエハ７２）との間の空間にポリイミドフィルムなど
からなる不透明部材１６を駆動系１７により配置する。
この時、不透明部材は１６はなるべくレジスト層７１表
面に近い位置に配置することが望ましい。またフレアに
よる感光を防止するには不透明部材１６をレジスト層７
１上に密着させることも考えられるが、レジスト層７１
と接触あるいは密着させることはレジスト層７１表面を
汚染する恐れがあるためここでは不透明部材を対物レン
ズ６とレジスト層７１との間の空間に設けてある。

【００３１】この状態で、図１(a) のように、不透明部
材１６に対してレーザ光ＬＢの照射を行う。ここでこの
不透明部材１６についても前述のアブレーション現象に
よって開口部を設けることが可能であり、不透明部材１
６についても図５に示したような関係は成り立つ。この
時の不透明部材１６上におけるレーザ光ＬＢのエネルギ
ー密度は不透明部材１６をアブレーション現象によって
加工するのに十分な大きさになるようにレーザ光源１
（図２参照）の出力を調整する。換言すれば不透明部材
１６の除去が開始されるときのエネルギー密度の閾値を
Ｐ_th1 とするとレーザ光源１の出力を閾値Ｐ_th1 以上と
なるように調整する。このレーザ光ＬＢの照射は不透明
部材１６に開口部１６ａが形成されてレーザ光が不透明
部材１６を通過するまで続ける。

【００３２】次に、図１(b) の様に対物レンズ６の焦点
位置にレジスト（レジスト層７１）を塗布したウェハ７
を配置し、レーザ光ＬＢのレジスト面上におけるエネル
ギー密度がアブレーション現象によってレジストを除去
するのに適当な大きさとなるよう調整した上で、換言す
ればレジスト層７１の除去が開始されるときのエネルギ
ー密度の閾値をＰ_th2 とすると光源１の出力を閾値Ｐ
_th2 以上となるように調整した上で、レーザ光ＬＢの照
射を行う。レーザ光ＬＢは不透明部材１６の開口部１６
ａを通ってレジスト層７１に至り、照射領域のレジスト
が除去される。開口部１６ａを設ける工程は、ウエハ７
が対物レンズ６の光軸内にある場合に行ってもよい。

【００３３】一方、開口部１６ａの形状は、所定位置に
配置された不透明部材１６の表面とほぼ等しい平面とレ
ーザ光ＬＢとの重複領域にほぼ等しいため、換言すれば
不透明部材１６の配置位置におけるレーザ光ＬＢの断面
形状とほぼ一致するため、正規のレーザ光ＬＢとは異な
る角度で放射されるフレアｆはその大部分が不透明部材
１６によって遮断されレジスト層７１に達することはな
い。一部のフレア（図１(c) 中のｆ₁ で示す）は開口部
１６ａを通ってレジスト層７１表面に到達してレジスト
を感光させるが、この感光範囲はごく僅かであり（正規
のエネルギー光とほぼ同じ方向に進むフレアでなければ
開口部を通過できないので、開口部を通ったフレアは除
去領域内又はその近傍に到達する）、後のＩＣ製造工程
で問題にならない程度のものである（図１(c) ）。以上
のようにして、実質的にフレアの影響を受けずに、所望
の領域のレジストを除去することができる。図１(a) で
説明した不透明部材１６の加工（開口部１６ａの形成）
工程は、レジストを除去すべき領域の形状や大きさが変
わるごとに行えば良い。又、ウエハ交換毎に不透明部材
１６も交換し、ウエハ毎に所望の加工工程を行うように
してもよい。さらに予めウエハに合わせて加工を加えた
不透明部材を対物レンズ６とレジスト層７１との間に所
定の位置関係で配置してもよい。

【００３４】次に図３は本発明の第２実施例による薄膜
除去装置の要部構成図である。第２実施例の装置の全体
的な構成は第１実施例（図２参照）と同様であるが、対
物レンズ２６が、対物レンズ２６とレジスト層７１との
間の空間上にエネルギー光の集光点Ｐが形成されるよう
に構成され、集光点Ｐ上に不透明部材１６が配置されて
いる点が第１実施例と異なる。集光点Ｐにおいてレーザ
光ＬＢのエネルギー密度は最も高くなるので、この位置
に不透明部材１６を配置することによって、開口部を形
成する際に密度の高いエネルギー光を照射しなければな
らない材料（アブレーション現象の起こる閾値の高い材
料）を不透明部材１６として用いる場合でも容易に開口
部を形成することができる。また開口部１６ａ₁ の大き
さが図１の開口部１６ａの大きさより小さいため、レジ
スト層７１に達するフレアは開口部１６ａに比べて少な
くなる。

【００３５】さらに、集光点Ｐでのエネルギー密度をＰ
_th3 とすると、Ｐ_th3 ＞Ｐ_th1 ならば、前述の閾値Ｐ
_th1 が閾値Ｐ_th2 より小さい場合はもちろん、大きい場
合でも、レーザ光ＬＢのエネルギー密度をレジスト層７
１に合わせて、閾値Ｐ_th2 以上となるように調整するだ
けで開口部１６ａの形成とレジスト層７１の除去が可能
となる。この場合、エネルギー密度の調整は不要となる
ためウエハ７を対物レンズ６の光軸外に退避させた状態
でレーザ光ＬＢの照射を行う工程が不要となる。尚、Ｐ
_th3 ＜Ｐ_th1 の場合でもこのような配置はエネルギー密
度の調整量を小さくできるという利点がある。なお、上
記の実施例では、ウエハ上に塗布されたフォトレジスト
を部分的に除去する場合について説明したが、本発明は
感光性を有しない薄膜の部分的な除去にも適用できるこ
とは言うまでもない。

【００３６】

【発明の効果】以上の様に本発明に於いては、エネルギ
ー光の照射によって薄膜の所望の領域を除去する際に、
不透明部材に形成された所定形状の開口部を介してエネ
ルギー光を照射するので、薄膜に到達するフレアを最小
限に抑えることができ、フレアにより除去領域周辺の薄
膜が変質、例えばフォトレジストにあっては感光するこ
とを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第１実施例における薄膜除去工程を説明
する図。

【図２】本発明第１実施例の薄膜除去装置の概略的な構
成を示すブロック図。

【図３】本発明第２実施例による薄膜除去装置の要部構
成図。

【図４】従来装置における問題点を説明するための図。

【図５】エネルギー光の密度と除去深さの関係を示す
図。

【符号の説明】

６，２６…対物レンズ、７，７２…ウエハ、７１…レジ
スト層、１６…不透明部材、１６ａ…開口部、ｆ…フレ
ア、ＬＢ…レーザ光。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定のエネルギー光を射出する光源と、
基板上に被着された薄膜の所望の部分に前記エネルギー
光を照射する照射光学系とを有し、前記エネルギー光の
照射によって前記薄膜の所望の部分を除去する薄膜除去
装置において、前記基板と前記照射光学系との間の空間に、前記エネル
ギー光に対してほぼ不透明、かつ所定形状の開口部を有
する部材が設けられていることを特徴とする薄膜除去装
置。
【請求項２】前記照射光学系は該照射光学系と前記基
板との間の空間に前記エネルギー光の集光点を形成し、
該集光点上に前記不透明部材を設けたことを特徴とする
請求項１記載の薄膜除去装置。
【請求項３】前記不透明部材には所定形状の開口が設
けられており、該開口部の形状は、前記不透明部材の表
面にほぼ等しい平面と前記エネルギー光との重複領域に
ほぼ等しいことを特徴とする請求項１記載の薄膜除去装
置。
【請求項４】前記薄膜は前記エネルギー光に対して感
光性を有するレジストであることを特徴とする請求項１
に記載の薄膜除去装置。
【請求項５】基板上に被着された薄膜に選択的にエネ
ルギー光を照射することによって、前記薄膜の所望の部
分を除去する薄膜除去方法において、前記基板と前記照射光学系との間に前記エネルギー光に
対して不透明な部材を配置し、前記薄膜に前記エネルギ
ー光を照射するに先立って、前記不透明部材に前記エネ
ルギー光を照射することによって、前記不透明部材に前
記エネルギー光が通過する開口部を設け、しかる後、該
開口部を介して前記エネルギー光を前記薄膜に照射し、
前記薄膜の所望の部分を除去することを特徴とする薄膜
除去方法。