JPH10326746A - マスクパターンの形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多光束干渉型露光において、多光束干渉露光
に特有の光学系の揺らぎ等に起因するコントラスト不足
によって、レジスト形状が矩形とならなかったり、周期
的なフォトレジストパターンのデューティあるいはサイ
ズを精密に制御することが難しいという問題があった。 【解決手段】 本発明では、基板上に周期的に配列され
たパターンを形成するためのマスクパターン形成方法に
おいて、前記基板上にフォトレジスト膜を形成する工程
と、該フォトレジスト上にフォトブリーチ性を有する層
を形成する工程と、コヒーレント光源からの光束を分岐
し、干渉させて前記基板を露光する工程を有するマスク
パターンの形成方法を採用することによって、レジスト
形状及びパターンの制御性のよいマスクパターン形成方
法を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エッチングや選択
成長に用いるマスクパターンの形成方法に関し、特に波
長選択性等の機能を実現する光学素子あるいはオプトエ
レクトロニクス素子の周期的に配列されたパターンを形
成するためのマスクパターンの形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体あるいは誘電体等からなる基板上
に、周期的に配列されたパターンを形成した様々なオプ
トデバイスが実現されている。このようなオプトデバイ
スの代表的なものとして、素子内部に回折格子を有する
ことで波長選択性を得ることができる分布帰還型レーザ
が挙げられる。一般的な回折格子の製造工程を以下に説
明する。まず、基板上にフォトレジストを塗布し、露光
工程、現像工程を経て周期的に配列されたレジストパタ
ーンが形成される。これをマスクとして基板をエッチン
グすることによって、基板上に回折格子が転写、印刻さ
れる。この時、回折格子のピッチΛは、所望の光の波長
λのｍ／２ｎ倍（ｍは正整数で回折次数を表わし、ｎは
等価屈折率）で決められ、例えばｎ＝３．５の半導体基
板を用いてλ＝７８０ｎｍに適応する回折格子を作製す
る場合、回折格子のピッチΛは（０．１１×ｍ）μmと
なる。

【０００３】上記の式から分かるように、回折次数を小
さく設計した場合には回折格子のピッチを小さくする必
要がある。逆に、回折次数を大きく設計した場合には回
折格子のピッチは大きくすることができるが、デューテ
ィ（ライン幅／回折格子のピッチ）を小さくする必要が
生じる場合がある。この点について具体的に吸収性回折
格子を用いた利得結合分布帰還型レーザで報告されてい
ることについて説明する。図５にＨ．Ｌ．Ｃａｏ等によ
る文献、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏ
ｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，４（１９９２）１０９９の
第２図を示す。横軸はデューティを示し、縦軸は規格化
結合係数を示す。図５に示されるように３次（ｍ＝３）
の吸収性回折格子の場合、デューティが０．３付近では
規格化結合係数κＬ（Ｌは共振器長）が０に近付く。こ
の時には利得結合型帰還レーザにおいて分布帰還が生じ
ない。

【０００４】また、図６に上記文献の第３図を示す。横
軸はデューティを示し、縦軸は付加的な導波損失を示
す。図６に示されているように、吸収性回折格子による
付加的な導波損失αｏがデューティの増加に伴って単調
に増加し、デューティが０．３以上ではレーザの特性は
著しく劣化する。従って、３次の吸収性回折格子のデュ
ーティは約０．１〜０．２の範囲内であることが要求さ
れ、具体的には７８０ｎｍ帯のＡｌＧａＡｓ系分布帰還
型レーザの場合、約３５００Åのピッチに対して約３５
０〜７００Å幅以内の吸収層を形成する必要がある。こ
のように、回折格子のピッチ及びデューティを精密に制
御した極微細なパターン加工が求められている。

【０００５】従来よりこのような精密な微細加工を実現
する手段として、フォトレジストを用いた２光束干渉型
露光や電子線レジストを用いた直接ＥＢ露光などがあ
る。周期的なパターン形成に有力な２光束干渉型露光
は、コヒーレント光源からの光束を複数に分岐し干渉さ
せてレジストを露光し、現像工程を経て周期的に配列さ
れたフォトレジストパターンを形成していた。

【０００６】また、精密な加工を行う方法として、特開
昭６３−１３６６２５号公報には、レジスト膜厚や露光
量のわずかな変動によって変化する、現像工程とエッチ
ング工程の各処理時間の最適値を、各工程中に求める手
法が開示されている。すなわち、各工程中にビームを基
板上面から投射し回折光強度の時間変化をモニターする
ことによって、現像工程における基板上のレジストパタ
ーンの形状変化、あるいはエッチング工程で転写形成さ
れる回折格子の形状変化を把握できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、多光束
干渉型露光の技術では、例えば光学系に極微小な揺れが
あると、時間平均としての上記干渉パターンのコントラ
ストが落ちて、現像時間あるいはその後の工程を最適化
しても目標とするパターンの形状やデューティが得られ
ない、あるいは再現性良く製造できないという問題点が
ある。これは、サブμmピッチでライン アンド スペ
ースを周期的に形成するのみならず、特に、そのデュー
ティが特性上決定的な役割を果たすようなデバイスにお
いては、露光光のコントラスト低下が製造工程中で致命
的であることを意味する。

【０００８】また、特開昭６３−１３６６２５号公報に
示された手法は、現像工程、エッチング工程の最適化は
図れるが、露光工程の最適化を図ることができなかっ
た。特に、多光束干渉型露光のように露光工程が重要で
あるような方法では露光工程の最適化が必要である。

【０００９】本発明の目的は、多光束干渉型の露光にお
いて、多光束干渉型露光に特有の光学系の揺らぎ等に起
因するコントラスト不足を改善するとともに、周期的な
フォトレジストパターンのデューティあるいはサイズを
精密に制御し、さらに再現性良く安定して製造する手法
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明では、課題を解決
するための手段として、基板上に周期的に配列されたパ
ターンを形成するためのマスクパターン形成方法におい
て、前記基板上にフォトレジスト膜を形成する工程と、
該フォトレジスト上にフォトブリーチ性を持つ層、特に
以下で説明するＣＥＬと呼ばれる層、を形成する工程
と、コヒーレント光源からの光束を分岐し、干渉させて
前記基板を露光する工程と、前記フォトブリーチ層を剥
離、乾燥する工程と、露出したフォトレジスト膜を現像
処理する工程を有するマスクパターンの形成方法を提供
する。

【００１１】また、前記コヒーレント光源からの光束を
分岐し、前記基板を露光する工程において、前記基板に
投射光を入射し、前記基板からの投射光の回折光強度を
検出することによって、前記回折光強度のピーク値発生
に基づき露光時間を設定するマスクパターンの形成方法
を提供する。

【００１２】フォトブリーチ性をもつ物質は、照射光量
の増加に伴って透明になる特徴を有し、レジスト上に成
膜すると、露光中に密着マスクのように振る舞い露光光
のコントラストを実効的に上げて、レジストの断面形状
を鋭くできる。このような光ブリーチ性を有する物質を
用いたフォトリソグラフィー法は、ＣＥＬ（Ｃｏｎｔｒ
ａｓｔ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）
と呼ばれている。

【００１３】そして、複数の光束を干渉させる多光束干
渉型露光の露光光は、通常のＶＬＳＩプロセス等とは異
なり、本質的に正弦波状の強度分布を持つので、ＣＥＬ
を用いることによって、単に解像度が上がり微細なピッ
チが描けるだけでなく、デューティの設定自由度が飛躍
的に向上する。

【００１４】ここで、ＣＥＬ層の替わりに比較的吸光度
が高くフォトブリーチ性を有する低感度のレジストを実
際にマスクとなる層の上に設けることによっても、ある
程度は同様の効果が期待できるが、先に説明したような
吸収性回折格子による利得結合分布帰還型レーザにおい
て要求される精度を満たすことは困難である。

【００１５】以下、図面を用いて、フォトブリーチ性を
有する層として、低感度レジストを用いた場合とＣＥＬ
層を用いた場合の、それぞれの露光の状態を説明する。
図７（ａ）（ｂ）はフォトレジスト層上に低感度レジス
トを積層した場合の露光後の潜像を示し、図８（ａ）
（ｂ）はフォトレジスト層上にＣＥＬ層を積層した場合
の露光後の潜像を示す。

【００１６】図７（ａ）図８（ａ）の如く、露光量のよ
り少ない、高デューティのマスクパターンを形成する場
合においても、フォトブリーチ性を有する層として、低
感度レジストを用いた場合とＣＥＬ層を用いた場合とで
は、現像後のレジストプロファイルに差異が生じる。こ
れは低感度レジストの場合は低感度とはいえ吸光度はそ
れほど大きくはなく、干渉縞のコントラストがさほど高
くない（図中では、最大強度Ｉｍａｘ＝１、最小強度Ｉ
ｍｉｎ＝０．３とし、（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍ
ａｘ＋Ｉｍｉｎ）＝５４％の例を示している。）場合、
下層のレジストに潜像が形成される時点においては、既
に低感度のレジストがほとんど感光しており、実質的に
は露光光のコントラストが若干改善されるに過ぎないた
めである。

【００１７】このことは、低デューティのマスクパター
ン形成時、すなわち、露光量が大きい場合により顕著と
なり、図８（ｂ）に示す如く、初期の吸光度の非常に大
きいＣＥＬ層では下層のレジストに潜像が形成されるに
至っても依然不透明な領域が残り、下層レジストはほぼ
矩形のプロファイルが得られるのに対して、低感度レジ
ストの場合は、図７（ｂ）に示す如く、その時点では下
層のレジスト自体も体積の大部分が露光されており、現
像後のプロファイルとしては高さの不十分なスカム（現
像後の残渣）の影響を受けやすいものしか得られない。

【００１８】また、我々がＣＥＬを用いて種々の実験を
行った結果、ＣＥＬ自体が回折格子として作用すること
を見出した。すなわち、露光中であっても、ＣＥＬから
の回折光を観測することができる。回折光強度は、ＣＥ
Ｌのブリーチングの進行に応じて変化し、ある時点でピ
ーク値を迎える。これに基づき露光時間を設定すること
で、フォトレジストに対して所望のデューティが得られ
るとともに、その制御を精密に行なうことが可能にな
る。従って、これに引き続く現像処理工程等でのパラメ
ータのばらつきの大きさの許容程度（以下、トレランス
と記す。）も大きく緩和されることとなる。

【００１９】

【発明の実施の形態】

（実例１）図１に多光束干渉型露光の光学系の概略図を
示す。本実施の形態は、波長３５１１ÅのＡｒレーザに
よる２光束干渉法で露光する場合である。まず、基板上
にレジストを単層で５００〜１５００Å程度に薄層化し
て形成する。

【００２０】例えば高解像度のｉ線用レジストであるＰ
ＦＩ３８（住友化学工業製）をスピンコートし、９０℃
のホットプレート上で１分間のソフトベークを行って膜
厚１１００Åとする。その上にフォトブリーチ性を有す
る水溶性のｉ線用ＣＥＬ（信越化学工業製ＡＣＥＭ３６
５ｉ）を膜厚１７００Åとなるようスピンコート成膜
し、基体１００とする。

【００２１】Ａｒレーザからの露光光１０１をシャッタ
ーを通してピンホールに照射する。ピンホールを通過す
ることによってエキスパンドした光を、ハーフミラーに
よって２光束に分岐する。分岐された光をミラーを調整
することによって、基体１００面上での２光束干渉パタ
ーンが所望のピッチΛとなる角度で交差させる。

【００２２】このような方法で露光し、基体１００を流
水中でリンスすることによりＡＣＥＭ３６５ｉを剥離し
乾燥した後に、標準的な現像工程（住友化学工業製ＳＯ
ＰＤ、２０℃、２０秒ディップ）を施した結果、ＣＥＬ
を用いない場合の２〜３倍程度の露光量で、レジストの
断面形状はほぼ矩型のものが得られた。露光量とは、一
定の露光光強度と露光時間の積であり、ここでは回折光
の時間変化に対応する。この場合のレジスト形状の断面
図を図４（ｂ）に示す。

【００２３】なお、ＣＥＬの種類によって、現像前に純
水リンスで剥離するもの、有機洗浄で剥離するものなど
様々なものが開発されているが、実際に下層のレジスト
が現像される前に、一旦ＣＥＬ層全体を剥離する工程が
行われる。

【００２４】さらに、露光量を増減することにより、レ
ジストの断面形状を保ったまま、デューティを０．１〜
０．７程度の範囲にわたって制御し、かつ面内分布を平
均値±０．０２５以内に抑えることができた。

【００２５】比較として、ｉ線用レジストのＰＦＩ３８
のみを用いて露光し、かつ現像工程の処理条件を種々に
変えても、レジスト断面の形状は裾を引き、デューティ
を再現性良く制御すること、あるいは、０．２以下の低
デューティを得ることは困難であった。この場合の形成
された回折格子の断面図を図４（ａ）に示す。これは、
光学系の振動によって露光光の干渉縞がならされ、その
振幅が小さくなると同時に全面均一なバイアス成分が生
じて、コントラストが低下しているためと解釈できる。

【００２６】（実例２）高解像度、高γ値のレジストと
ＣＥＬの組み合わせでは、レジスト形状が改善され面内
分布を抑えたうえで広範囲のデューティを設定できる様
になるものの、若干の露光量のばらつきでレジストパタ
ーンが抜けない場合があるなど、最適露光条件がＣＥＬ
やレジストの膜厚あるいは光学系等を変更する度に変動
し、トレランスは小さくなる。

【００２７】一方、解像度の比較的低い、低γ値のレジ
ストを用いればトレランスは拡大されるが、レジスト形
状が裾を引く傾向にある。所望のデューティや線幅との
かねあいから、ＣＥＬとレジスト相互の特性のマッチン
グを考慮した組み合わせを適宜選定することが望まれ
る。また、露光光が常に高いコントラストを保つ安定し
た光学系が構築できれば、高解像度レジストの方が一段
と望ましいのは言うまでもない。

【００２８】また、レジスト上層にＣＥＬと同様の効果
を期待して、比較的低感度のレジストを設けた場合、デ
ューティ０．４以下、特に０．２〜０．３程度において
は種々に各パラメータを変えて実験してもレジスト現像
後の矩形プロファイルを得ることはできなかった。

【００２９】すなわち、厚さ１１００Å程度の高感度レ
ジスト（例えばマイクロポジットｓ１４００−１７）上
に低感度、高γ値のレジスト（例えば住友化学工業製Ｐ
ＦＩ３８）を５００〜３０００Åの範囲で厚さを変えて
塗布し、露光量さらには現像時間を種々に変えてレジス
トプロファイルを調べた結果、デューティ０．５以下で
は裾引き形状のマスクしか得られなかったが、デューテ
ィ０．５より大きいでは裾引きの度合いは減少した。し
かしながら、デューティ０．５の場合でも面内分布は、
０．５±０．１以下にはならず、マスク線幅の制御性と
しては不十分であった。これは、レジストは本来吸光度
をできるだけ低減するのが望ましく、密着型のマスクと
なるように設計されているものではないからである。

【００３０】ここで、本発明の実施の形態１のようにＣ
ＥＬを用いた場合には現像前の段階で基体から回折光が
観測されることを、発明者らは見出した。すなわち、露
光中に形成されるＣＥＬの透明部と不透明部からなる回
折格子は充分な回折効率を持っている。この回折光強度
をリアルタイムで検出する手段を具備することにより、
現像後のフォトレジストのデューティを露光処理時間等
と対応させて厳密に制御することが可能になる。従っ
て、レジストの解像度やＣＥＬ膜厚の揺らぎ等には依存
しない、再現性のある露光プロセスが実現できる。

【００３１】実例１と同様、膜厚１１００Åのレジスト
ＰＦＩ３８上に膜厚１７００Åのｉ線用ＣＥＬ、ＡＣＥ
Ｍ３６５ｉを成膜した基体１００露光する。

【００３２】図２に本実施の形態で用いた光学系を示
す。なお、実施の形態１と同一部材は同一符号で表し
た。Ａｒレーザからの光を２つに分岐し干渉させる光束
１０１とは別に、ビームスプリッタ１０５で分岐し、ｎ
ｅｕｔｒａｌ ｄｅｎｓｉｔｙｆｉｌｔｅｒ（ＮＤフィ
ルタ）１０６を通して強度を適当に落とし、ビームスポ
ットを１ｍｍにした投射光１０２を基体周辺の一部のみ
に照射した。なお、露光光１０１及び投射光１０２は同
時に照射を開始した。

【００３３】投射光１０２が基体法線に対して角度θｐ
をなすときに、ｓｉｎθｄ＋ｓｉｎθｐ＝ｍλ／Λ（た
だし、mは正整数）により決まる回折角θｄの方向から
光検出器１０３により回折光１０４を測定した。

【００３４】図３に、露光量のによる回折光１０４の強
度変化とデューティの相関を示す。露光量とは、一定の
露光光強度と露光時間の積であり、ここでは回折光の時
間変化に対応する。露光の進行に伴い回折光１０４の強
度は増大し、極大値を過ぎて滑らかに減少し、消滅す
る。

【００３５】さらに図３中の各ポイントで露光を終了し
て露光量を変えた複数のサンプルに、ＡＣＥＭ３６５ｉ
の流水リンス、乾燥工程及び標準的な条件での現像工程
（住友化学工業製現像液ＳＯＰＤ、２０℃、２０秒ディ
ップ）を一律に施してフォトレジストのデューティを測
定した。各サンプルでの平均値と最大及び最小値を図３
に重ねてプロットした。面内分布は平均値に対して±
０．０２５以内、実際のレジストマスクの線幅で約±１
００Å以下に収めることができた。

【００３６】図３に示す露光量に対するデューティ、回
折光強度との相関関係は、光学系の変更等で横軸の露光
量の値が若干シフトするが、回折光強度とデューティと
の相対的な変化は常に変わらなかった。従って、所望の
デューティに対して回折光強度の極大値に対する回折光
強度の比から露光時間を露光中に決定し、適切な時間に
制御装置を通じてシャッターを閉じ、露光を終了するこ
とによって、デューティを制御して作製することができ
る。

【００３７】また、図３から露光中のＣＥＬからの回折
光１０４の強度ピーク値は、現像後に形成されるレジス
トマスクのデューティが０．５となるよりも若干少ない
露光量において発生することがわかる。これは投射光１
０２により回折光１０４を観察すること自体がＣＥＬの
ブリーチングを早め、投射しない部分との露光量に差が
出るためである。本実施の形態のように露光光１０１と
同程度の波長の光を投射した場合、このオフセットは不
可避であるが、回折光１０４のピーク値に基づいて露光
時間を設定することでデューティの精密な制御が可能で
ある。

【００３８】本実施の形態では、基板の一部に投射光を
投射したが、投射光１０２の強度をさらに弱めて被露光
基体全面に一様に照射しても回折光の観測が可能である
のは言うまでもなく、この場合には上記基体１００の一
部に投射光を当てた場合とは異なりオフセットは殆ど生
じないが、図３と同様に露光量とデューティ及び回折光
強度の相関を予め取ることによりデューティの精密な制
御が可能である。

【００３９】また、投射光１０２の光源としては、実施
の形態２のように露光光１０１自体を分岐して用いても
良いし、露光光１０１とは別に、ＣＥＬがブリーチング
特性を示す波長範囲の中でも吸光度があまり大きくはな
い波長領域の光源を適宜選択して基体１００上に投射し
ても良い。これらの場合、投射光１０２は必ずしも露光
光１０１の照射開始と同時に投射する必要はなく、ある
程度露光が進行してからでも良い。

【００４０】さらには、用いる露光光の波長λと所望の
回折格子のピッチΛの関係、すなわち分岐した光束の交
差角度によっては、露光光自体の２次の回折光がより基
体表面に近い角度（θｄが大きい角度）で観察される場
合がある。この時には投射光は必要ないので、更に容易
に回折光を観測することができる。

【００４１】本実施の形態では２光束干渉型露光による
回折格子の製造について説明したが、これに限定される
ものではなく、例えば、量子細線の製造、さらには複数
の光束を干渉させた２次元面内の周期的ドットパターン
による量子ドットの製造など、デューティの精密な制御
が求められる全ての干渉型フォトリソグラフィに適用で
きる。この際、マスクの寸法精度を極めて精密に制御で
きるとともに、それらを高密度にかつ周期的に配列させ
られるので量子効果を一段と高めることができる。さら
には本発明を用いて３次元的に周期構造を集積し、フォ
トニックバンドを形成することも可能である。

【００４２】以上説明したように、極微細なパターン加
工が要求される高度の機能を備えた光学素子あるいはオ
プトエレクトロニクス素子の製造において、本発明は利
用できる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、多光束干渉型の露光に
より周期的に配列されるフォトレジストパターンの製造
において、光ブリーチ性の物質をレジストの上に積層す
ることにより、多光束干渉型露光に特有の正弦波状の露
光光強度分布のコントラスト低下を改善してデューティ
の制御性を著しく高める効果がある。

【００４４】さらに、露光中に形成されるＣＥＬによる
周期パターンによる回折光強度をモニターしながら露光
量を調整して、より精密にレジストマスクのデューティ
あるいはサイズの制御を行い、線幅を高精度で制御する
ことも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における光学系の概略図
である。

【図２】本発明の実施の形態２における光学系の概略図
である。

【図３】露光量に対する回折光強度及びフォトレジスト
のデューティの関係を示す図である。

【図４】本発明の実施の形態におけるレジストの断面形
状を示す図である。

【図５】３次の吸収性回折格子の場合のデューティと結
合係数κの関係を示す図である。

【図６】３次の吸収性回折格子の場合のデューティと平
均化損失αｏの関係を示す図である。

【図７】フォトブリーチ性を有する層として低感度レジ
ストを用いた場合における、（ａ）高デューティ比のマ
スクパターンを形成するための露光後の潜像の様子を
（ｂ）低デューティ比のマスクパターンを形成するため
の露光後の潜像の様子を、それぞれ説明するための図で
ある。

【図８】フォトブリーチ性を有する層としてＣＥＬ層を
用いた場合における、（ａ）高デューティ比のマスクパ
ターンを形成するための露光後の潜像の様子を（ｂ）低
デューティ比のマスクパターンを形成するための露光後
の潜像の様子を、それぞれ説明するための図である。

【符号の説明】

１００ 基体 １０１ 露光光 １０２ 投射光 １０３ 光検出器 １０４ 回折光 １０５ ビームスプリッタ １０６ フィルタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に周期的に配列されたパターンを
   形成するためのマスクパターン形成方法において、前記
   基板上にフォトレジスト膜を形成する工程と、該フォト
   レジスト上にフォトブリーチ性を有する層を形成する工
   程と、コヒーレント光源からの光束を分岐し、干渉させ
   て前記基板を露光する工程を有することを特徴とするマ
   スクパターンの形成方法。
2. 【請求項２】 前記コヒーレント光源からの光束を分岐
   し、干渉させて前記基板を露光する工程において、前記
   基板に投射光を入射し、前記基板からの投射光の回折光
   強度を検出することによって、前記回折光強度のピーク
   値に基づき露光時間を設定することを特徴とする請求項
   １に記載のマスクパターンの形成方法。
3. 【請求項３】 前記コヒーレント光源からの光束を分岐
   し、干渉させて前記基板を露光する工程において、前記
   基板からの回折光強度を検出することによって、前記回
   折光強度のピーク値に基づき露光時間を設定することを
   特徴とする請求項１に記載のマスクパターンの形成方
   法。