JPH0638411B2

JPH0638411B2 - 電子ビ−ムによるパタ−ン形成法

Info

Publication number: JPH0638411B2
Application number: JP59084975A
Authority: JP
Inventors: 祥男小宮
Original assignee: 工業技術院長
Priority date: 1984-04-26
Filing date: 1984-04-26
Publication date: 1994-05-18
Anticipated expiration: 2009-05-18
Also published as: JPS60229338A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、励起された反応性粒子と電子ビームとの相乗
効果による物質の変化により基板に所要のパターンを形
成する方法に関する。

ここで、励起された反応性粒子とは、後述のように、反
応室とは離れた位置でマイクロ波励起され、反応室まで
輸送することのできる長寿命ラジカルから成る反応性励
起粒子や、短波長電磁光波を含む広義の光化学励起反応
によって励起された反応性励起粒子を含む総称である。

従来から報告されているプラズマエッチにおいては、レ
ジストパターンを予め形成することによつて保護マスク
とし、全面プラズマ反応を行わせることによつて、パタ
ーンエッチを行つている。

また、減圧した酸素の放電（酸素のプラズマ）内で半導
体や金属の表面に酸化膜を成長させるプラズマ酸化は低
温で形成できるので、広い応用の可能性をもつ。

これらのプロセスにおいて、選択的なパターン形成はマ
スク用の遮蔽物質がないかぎり不可能であつた。光化学
反応はガス状分子を励起して、反応性励起粒子にする作
用をもつが、一方では光パターン照射しながら反応性ガ
スまたは反応性励起粒子を送れば、直接パターンを形成
できる特徴をもつている。しかしながら電子ビームによ
るパターン形成に比べると、多くの場合、微細加工性に
おいて劣つている。

一方、電子ビームによるパターン形成はレジストなどの
特殊な物質にかぎられている。

一方、上記に述べたプラズマ中の反応性励起粒子や光化
学反応による反応性励起粒子は直接、各種の物質をエッ
チ、酸化等の処理可能にできる。

本発明は、上記の実情に鑑み、基板上にレジストパター
ンまたはSiO₂膜などの遮蔽パターンを予め設置しない
で、電子ビーム自体にパターン情報を付与し、基板上で
の電子ビームと反応性励起粒子雰囲気との作用による物
質の変化を選択した場所にのみ生じさせ、電子ビームの
照射のない部分には、そうした変化をわづかしか起させ
ないか、また、適当に選択された条件で殆ど起させない
ようにすることを主目的としたものであり、電子ビーム
によるパターンの微細化を維持し、かつ、直接パターン
形成を可能とするものである。

本発明のパターン形成法を概説すると、適当に選択され
た加速エネルギーをもつ電子ビームを用いて、差動排気
などで可能になつた反応性励起粒子を含む雰囲気中にあ
る基板上に、電子光学系によつて結像させることにより
二次元パターンを描画し、もつて同一素工程で反応性励
起粒子と電子ビームとの相乗効果による反応を基板上に
合理的に行わせる反応性励起粒子の選択的処理が可能な
パターン形成法であると要約することができる。以下本
発明について実施例に基づき詳細に説明する。

第１図は、本発明の電子ビームにパターン情報を付与
し、電子光学系を介して、反応性励起粒子を含む雰囲気
中にある基板上に電子ビームを投影することにより、反
応室内の基板部において電子ビームと反応性励起粒子の
雰囲気とが基板物質に作用することによつて生じる物質
の変化をパターン化した状態で形成し得る装置の概略構
成図である。本発明の一実施例を示す第１図において、
電子光学系を上から説明すると、電子を供給する電子銃
１、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（対物レンズ）９および第３電磁レンズ９の中
に二重偏向コイル8a、スティグメータ8bが配置されてい
る。反応室へは第３絞り10を通して電子ビームが入射さ
れる。基板が設置されている反応室と電子光学系とは所
要の真空度が大巾にことなるので、複数の排気系によつ
て差動排気を行い、電子光学系への反応性励起粒子など
による汚染を防止するとともに、電子ビーム走査と制御
に必要な真空度を維持することにする。

集束された電子ビーム11は基板12に照射され、パターン
が描画される。基板には基板支持台13の上に設置され、
必要に応じて低温の加熱などの基板部の温度制御が可能
なように支持台が構成されている。

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等程度の精密位置合
わせと精密移動ができる。反応室16内の各種の材料はプ
ラズマなど反応励起粒子の雰囲気で腐触されない材料で
構成される。

第１図の実施例では電子ビーム光学系はそれぞれ排気口
17、18、19によつて差動排気されている。反応室は排気口
20によつて排気される。反応室内の圧力は、これらの排
気口19、20などからの排気能力によつて決められる。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を通して導入することが
できる。輸送管の前にはマグネトロン発振によつて発生
された2.45ＧHzのマイクロ波が導波管22aに導入され、
導波管の一部に石英管反応部23が挿入されている。導波
路の終端は整合器22bによつてインピーダンス整合が採
れている。石英管の中に導入管23aを通してCF₄＋O₂ガス
を0.1Torr程度で導入する。この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、ガスの流量の変化に対しても
整合条件はくずれない。プラズマの輸送管21はテフロン
コートにしておけば、放電部で生じた活性種は約１ｍ離
れた反応室においても、あまり減衰することなしに反応
室16に導入される。すなわち、こうした活性種は、長寿
命ラジカルである。

このような2.45ＧHzのマイクロ波励起のプラズマエッチ
法については、従来から報告されている。この方法によ
れば多結晶シリコンSiN₄,SiO₂,Nb,W,Mo，フォトレジス
ト等の各種薄膜がエッチされる。その条件はCF₄の圧力
0.12Torr程度でPr＝Po₂/PCF₄が０〜４程度までゞエッチ
が可能である。この励起法によるプラズマエッチ法の利
点は反応室16において放電用の電極を必要としないこと
である。

上記のプラズマ励起の方法において、導入ガスとしてO₂
またはN₂を用いて、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窒化も条件によつて可能と
なる。

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、既述の通り、約１ｍ離れた所で発生させても余
り減衰することなく当該反応室内に至り得る、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も、CH₃BrのガスのdeepUV励起光による反
応でエッチ可能である。本発明の一実施例として提案す
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、パターン情報を持つ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。

第１図において、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。光源よりの光束24Lはレーザなどか
らの光化学反応励起用光源からとする。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
置などを変化させるため、光束制御系25を配置する。光
束制御系25を出射した光束24Mは反射鏡26と反射鏡27、
光束透過用窓28、平面または凹筒反射鏡29をへて試料近
傍へ到達する光束24aとなる。

光化学反応用のガスはガス源31、32よりバルブ30をへて
反応室16へ導入される。光化学反応用ガスは減圧した雰
囲気の中で光束24bの位置のような反応室内の光通過空
間で光化学励起をうける。

更に試料面近傍や試料面に直接照射される光束24aは光
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励起による局部加熱と活性
化、電子−正孔励起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。また、光束24aは、基板
に対してアニール効果を持つこともある。

光束24a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可能である。機械的には26、27、29の
ミラーを微小移動制御機構で駆動してもよい。より高速
に行うには電子的光スイッチまたは光路変更デバイスを
光束制御系25中に設置することによつて可能となる。

また、幾つかの偏光によるスイッチやハーフミラー、マ
イクロレンズアレー、光ファイバーなどを用いれば、複
数個の光束の同時、並列処理ができる。これによつて複
数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。

第１図に示した光束制御系25、ミラー26、27、29などの光
学系は、一つの実施例である。この他にもいろいろの光
束制御がありうることがわかる。第１図に示すような電
子ビームパターン描画系に別途、複数の光束透過用窓を
あけ、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。または、光束は
真空と大気中とでその制御に差違がないという利点があ
る。従つて、上記に述べた各種の光束群制御系を反応室
16内へもちこむことも可能である。反応室内の基板近傍
の斜めより上記の光束群を入射させれば、基板内の特定
の場合に複数個の光束を空間的分布、時間的断続をもつ
て照射させることも可能である。

反応室内に光束制御系を設置する場合は、光束制御系が
反応性励起粒子によつて損傷を受けないように石英板、
テフロンコートの素材など保護できる収納容器などを設
ける必要がある。

以上詳細に説明したように、本発明を利用することによ
り、マイクロ波励起長寿命ラジカルによるプラズマ処理
やフォトケミカル反応性励起粒子によるフォトケミカル
処理、及びこれら二種の励起法によって励起された反応
性励起粒子を共に用いてのプロセス等に、電子ビームに
よる微細パターン描画機能を付加することができる。

更に、本発明によれば、電子ビームが当たった個所は当
該電子ビームと反応性励起粒子との基板上における反応
効果、例えば基板上の各種粒子による局部損傷、局部加
熱、アニール等によって他の部分よりも深くエッチされ
る。プラズマ長寿命ラジカル形成条件や光化学励起反応
条件などの反応の強さを変化させるパラメータを、電子
ビームを当てない時には、殆ど反応が基板上で起きない
程度にしておき、電子ビームが照射されると反応が促進
され、そこだけエッチングが起るようにも調整できる。
つまり、このような条件を見つけることによりレジスト
レスのパターン形成エッチが可能となる。場合によって
は、エッチされたウエーハの凹凸面でも、小面積であれ
ば電子ビームによっての局部加熱やアニールが可能であ
る。これには例えば、公知の手段に従い、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
速い状態でスキャンを重ねて単位面積当たりのビームエ
ネルギー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方向に僅かづつ動かす等すれ
ば良い。

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ービーム
とすることにより、電子ビームによるアニールと光エネ
ルギービームによるアニールとを基板の同一場所に重畳
させることもできる。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
場合、それを光ビームにより、所望の配分比に従って補
うことができる。

また、プラズマ酸化などの反応性励起粒子による酸化プ
ロセスに関していえば、酸化層の深さの制御とパターン
化、酸化中および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などが可能である。

なお、第１図に示した電子ビーム描画系は通常の走査型
のビーム制御系に類似するものであるが、これには可変
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。もちろん、本書に言う電子ビームとは、この種
の技術分野で定義されている通り、公知既存の電子ビー
ム加速系ないしは減速系、電子ビーム集束・走行系、そ
して電子ビーム偏向系ないし電子ビーム光学系により走
査または制御可能な文字通りの電子ビームを指す。

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
ルギー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。

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に移動させることで、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。

本発明によれば真空排気系の中で、大気に曝すことな
く、基板ウエーハへレジストレス直接プロセスでサブミ
クロンまでのパターン形成が可能であり、今後進展が予
想される直接パターン形成プロセスの一環として利用す
ることができる。これによつて、各種電子デバイス、集
積回路等の製造の能率向上、性能向上に寄与することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のプラズマ励起反応性粒子の雰囲気と光
化学励起反応性粒子の雰囲気を混合することを可能にし
た雰囲気中における電子ビーム微細パターン形成法の一
実施例を説明するための図である。図中、１は電子銃、２は絞り、４は電磁レンズ、５はブ
ランキング板、６は絞り、７は電磁レンズ、8aは二重偏
光コイル、8bはスティグメータ、９は電磁レンズ、10は
絞り、11は電子ビーム、12は基板、13は基板支持台、1
4、15はＸ、Ｙ移動機構、16は反応室、17、18、19、20は排
気口、21は輸送管、22aはマイクロ波導波管、23はガス
導入管、24は光化学反応用光束、25は光束制御系、26、2
7、29は反射鏡、28は透過窓、31、32はガス源、30はガス
導入管である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応室に対し、差動排気の可能な関係で電
子ビームの集束光学系を配置し；上記反応室内に反応性励起粒子を含む雰囲気中で、該反
応室内に収められている基板に対し、上記電子ビーム集
束光学系から、予め所定のパターン情報の付与された電
子ビームを照射し；該電子ビームと該反応性励起粒子との相乗効果による物
質の変化により、上記基板に所定のパターンを形成する
こと；を特徴とする電子ビームによる微細パターン形成法。
【請求項２】上記反応性励起粒子は、上記反応室から離
れた所で発生され、該反応室に輸送されて来た長寿命ラ
ジカルから成ること；を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の微細パター
ン形成法。
【請求項３】上記反応性励起粒子は、上記反応室の外部
から透過窓を介し、該反応室内に導入される光ビームに
より、電磁光波化学反応により励起されたものであるこ
と；を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の微細パター
ン形成法。
【請求項４】上記反応性励起粒子は、上記反応室から離
れた所で発生され、該反応室に輸送されて来た長寿命ラ
ジカルから成るものと、上記反応室の外部から透過窓を
介し、該反応室内に導入される光ビームにより、電磁光
波化学反応により励起されたものであること；を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の微細パター
ン形成法。
【請求項５】上記反応室内に導入される光ビームは複数
本あり、その中の少なくとも一本の光ビームが上記電磁
光波化学反応により反応性励起粒子を励起すること；を特徴とする特許請求の範囲第３項または第４項に記載
の微細パターン形成法。