JP3859991B2

JP3859991B2 - Pattern forming method and apparatus using near-field light

Info

Publication number: JP3859991B2
Application number: JP2001191780A
Authority: JP
Inventors: 聡河田; 康志井上
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-06-25
Filing date: 2001-06-25
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2021-06-25
Also published as: JP2003007599A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近接場光を用いて超微細加工を行う近接場光によるパターン形成方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光リソグラフィー技術は、半導体プロセスにおいては必要不可欠の要素技術である。
【０００３】
光を用いるリソグラフィーでは、光の回折限界が分解能や精度の限界となると言われている。そこで、半導体の微細化を進めるため、露光に用いる光の波長を短くすることが採られ、波長はｇ線（４３６ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）から、そしてエキシマレーザ（２４８ｎｍ，１９３ｎｍ）へと短波長化されてきたが、回折限界は波長の半分程度と言われ、エキシマを用いても分解能は、高々１００ｎｍにしかならなかった。
【０００４】
また、光以外の電子線、Ｘ線を用いるリソグラフィーは、設備が大がかりであり、スループットに、またマスクやレジスト材の開発を要する等の問題がある。
【０００５】
一方、微小孔を有する、または微細探針（プローブ）を用いる近接場顕微鏡、特に、ニアフィールド走査顕微鏡（ＮＳＯＭ）の発展が近年めざましく、分子スケールの像が観察されるようになった。ここで用いられる探針は４種類ある。すなわち、（ａ）微小開口、（ｂ）微小プローブ、（ｃ）微細光導波路、（ｄ）金属コートされた微細光導波路であり、これらを用いた近接場光による微細加工が検討されている。
【０００６】
なお、先行参照文献としては、以下のようなものが挙げられる。
【０００７】
（１）井上河田応用物理第６７巻第１２号ｐｐ１３７６−１３８２（１９９８）
（２）河田、計測と制御、第３８巻、第１２号、ｐｐ７３７−７４１（１９９９）
（３）河田東レリサーチセンター刊ＴＨＥＴＲＣＮＥＷＳＮｏ．７３（２０００）
（４）特開平４−２９１３１０号公報「金属コートファイバ型」
（５）特開平７−１０６２２９号公報「ファイバ型」
（６）特開平８−１７９４９３号公報「マスクを用いる微小開口」
（７）特開平１０−３２６７４２号公報「ファイバ型」
（８）特開平１１−１４５０５１号公報「マスク」
（９）特開平１１−２３３４２７号公報「微小開口」
（１０）特開２０００−３２１７５６号公報「マスク」
更に、本願発明者によって金属探針を用いた近接場顕微鏡に関する提案が、既に、文献：ＯｐｔｉｃｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ１８３，ｐｐ３３３−３３６（２０００）、ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，１９，ｐｐ１５９−１６１（１９９４）及び特開２０００−８１３８３号として示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したファイバ型では、微細加工のためには先端の孔部分を細くする必要があるため、入射光の半波長以下では光の利用効率が大幅に低下してしまい、極めて微弱な光しか得られず、加工に長い時間を要するという問題がある。これは、マスクを用いた方式でも同様である。そのため金属探針を用いた方式のみが可能性がある。
【０００９】
また、上記した金属探針を用いた近接場顕微鏡においては、小型で、高い解像度を有し、サイズおよび位置の正確な制御ができるものが要望されている。
【００１０】
本発明は、上記情況に鑑みて、小型で高精度な制御ができる、探針を用いた近接場顕微鏡を発展させた近接場光リソグラフィーとして構成した、近接場光によるパターン形成方法およびその装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【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に、
〔１〕光感光性レジストを塗布した面に近接場光を露光光源として照射しパターンを形成する近接場光によるパターン形成方法において、前記近接場光を発生させる先端を極細にした探針を、前記光感光性レジストの表面に配置し、前記探針の先端にレーザ光を、前記光感光性レジストの側面から前記光感光性レジストに照射・収束させることにより、電場増強された近接場光を用いることを特徴とする。
【００１２】
〔２〕上記〔１〕記載の近接場光によるパターン形成方法において、前記レーザ光を青色半導体レーザ光としたことを特徴とする。
【００１３】
〔３〕上記〔１〕記載の近接場光によるパターン形成方法において、前記探針は、先端曲率が５０ｎｍ以下のカンチレバーであることを特徴とする。
【００１４】
〔４〕上記〔１〕記載の近接場光によるパターン形成方法において、前記探針は、金属または誘電体あるいは半導体からなることを特徴とする。
【００１５】
〔５〕上記〔３〕記載の近接場光によるパターン形成方法において、シリコンのカンチレバーで、前記光感光性レジストがｇ線用のレジストを厚さ１００ｎｍ塗布し、４０５ｎｍの青色半導体レーザ光で描画することを特徴とする。
【００１６】
〔６〕上記〔５〕記載の近接場光によるパターン形成方法において、毎秒約１００μｍの描画速度で５〜１０ｍＪ／ｃｍ²の低パワーで幅１００ｎｍ、深さ１０ｎｍの複数の線を描くことを特徴とする。
【００１７】
〔７〕光感光性レジストを塗布した面に近接場光を露光光源として照射しパターンを形成する近接場光によるパターン形成装置において、前記光感光性レジストの表面に配置され、前記近接場光を発生させる先端が極細の探針と、この探針の先端に前記光感光性レジストの側面から照射・収束させるレーザ光の照射装置とを具備することを特徴とする。
【００１８】
〔８〕上記〔７〕記載の近接場光によるパターン形成装置において、前記探針は、先端曲率が５０ｎｍ以下のカンチレバーであることを特徴とする。
【００１９】
〔９〕上記〔８〕記載の近接場光によるパターン形成装置において、前記探針は、金属または誘電体あるいは半導体からなることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２１】
図１は本発明の実施例を示す近接場リソグラフィー装置の要部模式図、図２は本発明の実施例を示す近接場リソグラフィー装置の全体模式図である。
【００２２】
これらの図において、１はレーザ（４０５ｎｍ）、２はマスク、３はミラー、４は対物レンズ（開口度１．４）、５はオイル、６はＰＺＴステージ、７はスライドガラス、８はそのスライドガラス７上に形成された光感光性レジスト、９は探針（カンチレバー）、１０はＰＺＴスキャナー、１１は制御器、１２はＰＣ（パーソナルコンピュータ）、１３は集光レンズ、１４は光検出器、１５は観察装置である。
【００２３】
このように、光感光性レジスト８を塗布した面に近接場光を露光光源として照射し、面にパターンを形成する方法において、近接場光を発生する探針９は先端が５０ｎｍ以下であって、中実の金属探針または誘電体探針あるいは半導体探針である。なお、先端の曲率は５０ｎｍ以下でよい。例えば、探針９はシリコンまたはシリコンに金属をコーティングしたカンチレバーである。
【００２４】
ここで、探針９先端に照射する光の波長は４５０ｎｍ以下の青色半導体レーザが望ましい。
【００２５】
また、探針９の先端に照射する光の波長は８００ｎｍで、二光子吸収を用いて、光感光性レジスト８の吸収帯である４００ｎｍ近辺に相当させることもできる。
〔具体例〕
レジスト膜は、ｇ線（４３６ｎｍ）対応のポジ型（シップレイ社製マイクロポジットＳ１８００）ガラス基板上にスピンコートで膜厚１１０ｎｍ、プリベーク１００℃，２５分で成膜する。
【００２６】
探針先端とレジスト膜間の距離は０−１０ｎｍ（実際には０−数ｎｍ）に制御する。
【００２７】
探針はシリコン製で、先端曲率は２０ｎｍのものを用いる。市販品は１０ｎｍ以下があるので、極細を用いればより微細な加工が出来る。
【００２８】
レーザパワーは５〜２０ｍＪ／ｃｍ²で変化させ、４０５ｎｍ半導体レーザを用いる。
【００２９】
なお、二光子吸収のときは８００ｎｍレーザを、三光子吸収のときは１２００ｎｍのレーザを用いるようにしてもよい。
【００３０】
探針走査は、２５μｍ角の範囲で２．５μｍピッチで線を描画する。このとき、走査速度は、２５μｍを１４３ｍｓ（１７５μｍ／ｓ）、２２０ｍｓ（１１４μｍ／ｓ）である。
【００３１】
その詳細な説明は後述するが、図３に示すように、僅か５〜１０ｍＪ／ｃｍ²のエネルギーで１００ｎｍ幅であり、そのプロファイルが図４に示され、それらの複数本の線の写真が図５に示されている。
【００３２】
比較例として、図６に示すように、近接場光を用いない場合は、３５．７ｍＪ／ｃｍ²以上のパワーを必要とし、線幅の最小は３１２ｎｍである。
【００３３】
応用例としては、以下のようなものを挙げることができる。
【００３４】
（１）半導体プロセスでのレジスト描画
（２）低パワー青色レーザ照射による光メモリーに高密度記録を行うことができ、その場合波長４００ｎｍ近辺で光を吸収するポリシランを利用することができる。
【００３５】
（３）光ＣＶＤ
上記したように、本発明は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いた、無開口型光近接場ファブリケーションを示すものである。この技術により、ガラス基板にスピンコーティングしたポジティブフォトレジスト上に、１００ｎｍのラインを直接パターン化する。ナノ構造ファブリケーションは、４０５ｎｍのレーザ光で照射した無開口型探針のチップ先端で発生する電場増強（ＦＥ）を利用して行う。その結果、エネルギー線量が増加するにつれて、作製したラインのライン幅の増大が観察された。
【００３６】
このように、本発明では、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）上に載置した、レーザ照射をした無開口型探針（カンチレバー）の近傍にナノメートルのフォトレジストラインを作製する。この技術により、従来の走査型探針顕微鏡の限界を克服でき、ＡＦＭやＳＴＭの無開口型探針を容易に作製できる。ＡＦＭを用いると、チップ先端に発生する電場増強（ＦＥ）を利用するために、走査速度が早く、正確なサイズや位置の制御が可能となる。さらに、安価であることに加えて、他の研究者らが実証したような、直接観察やレジストパターンの修正が可能となる。ＳＴＭとは異なりＡＦＭは、望ましくない露光もなく、どんなタイプの材料でも用いることができる。
【００３７】
本発明にかかる装置は、図１に示したように、４０５ｎｍのレーザダイオード１と組み合わせたＡＦＭと、無開口型探針（カンチレバー）９に光を当てるための集光光学システムとで構成されている。ここで、用いている無開口型探針９は、数十ナノメートル（〜２０ｎｍ）のシリコンで作られており、イメージングとパターニングの両方に用いる。スライドガラス７上に光感光性レジスト８をスピンコーティングし、１００℃で２５分間余熱することにより、フィルム厚さ１１０ｎｍのポジティブなフォトレジスト（シップレイ社製マイクロポジットＳ１８００）を形成した。数ナノメートルの距離にある集光点をフォトレジストに接近させるために、ＡＦＭをタッピングモードで動作させた。これにより、ＦＥにより、ファーフィールドでの研究から得た閾値線量を局所的に超えられるので、作製を開始することができる。２５μｍ×２５μｍ、ライン間の距離２．５μｍのラスター走査によりレジストを露光した。露光線量は、ＰＣ１２によりＰＺＴステージ６の走査速度を変えることにより制御した。この方法により、単にパターンプログラムを変えるだけで、異なる微小パターンを描くことができる。露光した試料は、マイクロポジット現像液と１７ＭΩの水のそれぞれに、１分間現像した。
【００３８】
図６は近接場を用いない露光で得たフォトレジストの露光特性の典型例を示す図である。
【００３９】
この図から明らかなように、レジストの幅と深さは、露光エネルギーの増加とともに増加している。このエネルギーの増加は、走査速度を遅くすることにより行う。閾値エネルギー線量は３５．７ｍＪ／ｃｍ²である。そして、このエネルギーにおける線幅は３１２ｎｍであり、回折理論から算出した近接場を用いないスポットサイズである３５２ｎｍよりわずかに狭い。近接場を用いない３５．７ｍＪ／ｃｍ²での光重合に対する閾値線量より低い線量で露光した試料では、パターンは見られなかった。
【００４０】
本発明の近接場における実験の場合、試料を閾値線量より低い線量で露光した。チップ先端の局所ＦＥ効果のために、露光に必要な閾値線量を高めることができ、それゆえにレジストの光重合が可能である。
【００４１】
図３は近接場での露光に基づく、試料のレジストの厚さおよび深さの依存関係を、エネルギーを関数として示したものである。ここでは、実験を通してチップ先端のＦＥは一定であると仮定する。
【００４２】
この図から明らかなように、エネルギーが増加すると、線幅の増加が観察された。
【００４３】
さらに、望ましくない露光や、近接場での露光後の試料の変化は見られなかった。これらの結果から、単に走査速度（露光時間）またはレーザパワーを変更するか、もしくは走査ステージを移動させるかのいずれかの方法を用いるだけで、線幅およびパターン位置を正確に制御することができることがわかった。
【００４４】
図４は現像後の異なる露光時間において無開口型ＮＳＯＭを用いて描いた線パターンのＡＦＭ画像（２．５μｍ×２．５μｍ）である。
【００４５】
挿入した横断面図はパターンの線幅と深さをはっきりと示している。また、露光領域は、２．５μｍの間隔をおいて、１０本の平行な線で構成されており、各線の線幅はおよそ１０ｎｍの差で変化していることがわかる。
【００４６】
また、走査率（２５μｍ／１４３ｍｓｅｃ）を計算すると、およそ１７５μｍ／ｓである。このように、露光時間の減少を補償するためにレーザパワーを増大させながら、走査速度を速くすることにより、走査率を増加させることができる。
【００４７】
このような結果に基づき、描かれたパターンの表面の線幅（〜１００ｎｍ）は、無開口型探針の径の５〜１０倍広いが、計算した近接場を用いないスポットサイズより狭いことがわかった。このことは、作製したパターンが、局所的に増強した電場によるものであることを明確に示している。
【００４８】
結論として、無開口型ＮＳＯＭを用いて初めて、ポジティブフォトレジストにおけるナノ構造ファブリケーションの研究がなされ、１００ｎｍという小さい寸法のパターンを作製するための新しい方法が示された。近接場実験では、作製した線の線幅の増加も観察された。
【００４９】
以上のように、本発明は、いくつかの期待できる特徴を有している。すなわち、（１）開口型探針を用いたどの走査探針顕微鏡技術よりも安価で速い。（２）望ましくない露光がない。（３）高い解像度を有し、サイズおよび位置の正確な制御ができる。（４）直接観察および修正が可能である。（５）生産性と高い解像度を達成するために、コントラストの濃い平行な光線（ｄｅｎｓｅｐａｒａｌｌｅｌｒａｙ）での小型化が可能である。
【００５０】
さらにこの技術は、照射した無開口型金属チップの近接場におけるナノメートルサイズの光源の概念を詳細に研究し、明らかにするためにも利用することができる。
【００５１】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００５３】
小型で高精度な制御ができる、探針を用いた近接場顕微鏡を発展させた近接場光リソグラフィとして構成することができる。
【００５４】
特に、（ａ）開口型探針を用いたどの走査探針顕微鏡技術よりも安価で速い。（ｂ）望ましくない露光がない。（ｃ）高い解像度を有し、サイズおよび位置の正確な制御ができる。（ｄ）直接観察および修正が可能である。（ｅ）生産性と高い解像度を達成するために、カンチレバーアレーによる同時描画を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す近接場リソグラフィー装置の要部模式図である。
【図２】本発明の実施例を示す近接場リソグラフィー装置の全体模式図である。
【図３】近接場での露光に基づく、試料のレジストの厚さおよび深さの依存関係を、エネルギーを関数として示す図である。
【図４】図３のプロファイルを示す図である。
【図５】図３のそれらの複数本の線の写真を示す図である。
【図６】近接場を用いない露光に基づく、試料のレジストの厚さおよび深さの依存関係を、エネルギーを関数として示す図である。
【符号の説明】
１レーザ（４０５ｎｍ）
２マスク
３ミラー
４対物レンズ（開口度１．４）
５オイル
６ＰＺＴステージ
７スライドガラス
８光感光性レジスト
９探針（カンチレバー）
１０ＰＺＴスキャナー
１１制御器
１２ＰＣ（パーソナルコンピュータ）
１３集光レンズ
１４光検出器
１５観察装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pattern forming method using near-field light that performs ultrafine processing using near-field light, and an apparatus therefor.
[0002]
[Prior art]
The optical lithography technology is an indispensable element technology in the semiconductor process.
[0003]
In lithography using light, it is said that the diffraction limit of light becomes the limit of resolution and accuracy. Therefore, in order to advance the miniaturization of semiconductors, the wavelength of light used for exposure is shortened, and the wavelength is shortened from g-line (436 nm) and i-line (365 nm) to excimer laser (248 nm, 193 nm). Although the wavelength has been changed, the diffraction limit is said to be about half of the wavelength, and even if an excimer is used, the resolution can be only 100 nm at most.
[0004]
In addition, lithography using electron beams other than light and X-rays requires a large amount of equipment and has problems such as throughput and development of a mask and a resist material.
[0005]
On the other hand, the development of near-field microscopes having micropores or using fine probes (probes), particularly near-field scanning microscopes (NSOM), has been remarkable in recent years, and molecular-scale images have been observed. There are four types of probes used here. That is, (a) a minute aperture, (b) a minute probe, (c) a minute optical waveguide, and (d) a metal-coated minute optical waveguide, and microfabrication using near-field light using these is under study.
[0006]
In addition, the following is mentioned as a prior reference literature.
[0007]
(1) Inoue Kawada Applied Physics Vol.67 No.12 pp1376-1382 (1998)
(2) Kawada, Measurement and Control, Vol. 38, No. 12, pp 737-741 (1999)
(3) THE TRC NEWS No. published by Kawata Toray Research Center. 73 (2000)
(4) Japanese Patent Laid-Open No. 4-291310 “Metal Coated Fiber Type”
(5) Japanese Patent Laid-Open No. 7-106229 “Fiber Type”
(6) Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-179493 “Micro Aperture Using Mask”
(7) Japanese Patent Laid-Open No. 10-326742 “Fiber Type”
(8) Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-145051, “Mask”
(9) Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-233427, “Micro Aperture”
(10) Japanese Patent Laid-Open No. 2000-321756 “Mask”
Further, the inventor of the present application has already proposed a near-field microscope using a metal probe. References: Optics Communications 183, pp 333-336 (2000), Optics Letters, 19, pp 159-161 (1994), and Japanese Unexamined Patent Application Publication 2000-2000. It is shown as 81383.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above fiber type, it is necessary to make the hole at the tip thin for microfabrication, so that the light use efficiency is greatly reduced below the half wavelength of incident light, and only extremely weak light is used. There is a problem that a long time is required for processing. The same applies to a method using a mask. Therefore, only a method using a metal probe is possible.
[0009]
Further, the near-field microscope using the above-described metal probe is required to be small, have high resolution, and can accurately control the size and position.
[0010]
In view of the above circumstances, the present invention provides a pattern forming method using near-field light and an apparatus thereof, which is configured as a near-field optical lithography that is a developed near-field microscope using a probe that can be controlled in a small size and with high accuracy. The purpose is to provide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] The near-field light a photosensitive resist on the surface coating in the pattern forming method according to the near-field light forming the irradiation pattern as an exposure light source, a probe in which the distal end for generating a pre-SL near-field light to the extra fine The near-field light enhanced by the electric field by being arranged on the surface of the photosensitive resist and irradiating and converging the photosensitive resist from the side surface of the photosensitive resist to the tip of the probe. It is characterized by using.
[0012]
[2] In the pattern forming method according to the near-field light according to [1], characterized in that the laser beam is a blue laser beam.
[0013]
[ 3 ] The pattern forming method using near-field light according to [1], wherein the probe is a cantilever having a tip curvature of 50 nm or less.
[0014]
[ 4 ] The pattern forming method using near-field light according to [ 1 ], wherein the probe is made of a metal, a dielectric, or a semiconductor.
[0015]
[ 5 ] In the pattern forming method using near-field light described in [ 3 ] above, the photosensitive resist is coated with a 100-nm-thick g-line resist with a silicon cantilever and is drawn with a blue semiconductor laser beam of 405 nm. It is characterized by that.
[0016]
[ 6 ] The pattern forming method using near-field light according to [ 5 ] above, wherein a plurality of lines having a width of 100 nm and a depth of 10 nm are drawn at a low power of 5 to 10 mJ / cm ² at a drawing speed of about 100 μm per second. And
[0017]
[ 7 ] In a pattern forming apparatus using near-field light that irradiates a surface coated with a photosensitive resist with a near-field light as an exposure light source to form a pattern, the near-field light is disposed on the surface of the photosensitive resist. A probe having an extremely fine tip to be generated and a laser beam irradiation device for irradiating and converging the tip of the probe from the side surface of the photosensitive resist are provided.
[0018]
[ 8 ] The pattern forming apparatus using near-field light according to [ 7 ], wherein the probe is a cantilever having a tip curvature of 50 nm or less.
[0019]
[ 9 ] In the pattern forming apparatus using near-field light according to [ 8 ], the probe is made of a metal, a dielectric, or a semiconductor.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0021]
FIG. 1 is a schematic diagram of a main part of a near-field lithography apparatus showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an overall schematic view of the near-field lithography apparatus showing an embodiment of the present invention.
[0022]
In these drawings, 1 is a laser (405 nm), 2 is a mask, 3 is a mirror, 4 is an objective lens (aperture 1.4), 5 is oil, 6 is a PZT stage, 7 is a slide glass, and 8 is a slide thereof. A photosensitive resist formed on the glass 7, 9 is a probe (cantilever), 10 is a PZT scanner, 11 is a controller, 12 is a PC (personal computer), 13 is a condenser lens, 14 is a photodetector, Reference numeral 15 denotes an observation apparatus.
[0023]
Thus, in the method of irradiating the surface coated with the photosensitive resist 8 with near-field light as an exposure light source and forming a pattern on the surface, the probe 9 for generating near-field light has a tip of 50 nm or less. A solid metal probe, a dielectric probe, or a semiconductor probe. The tip curvature may be 50 nm or less. For example, the probe 9 is silicon or a cantilever obtained by coating silicon with metal.
[0024]
Here, a blue semiconductor laser having a wavelength of light of 450 nm or less is preferably applied to the tip of the probe 9.
[0025]
Further, the wavelength of the light applied to the tip of the probe 9 is 800 nm, and it can be made to correspond to the vicinity of 400 nm which is the absorption band of the photosensitive resist 8 by using two-photon absorption.
〔Concrete example〕
The resist film is formed on a positive type (Shipley Microposit S1800) glass substrate corresponding to g-line (436 nm) by spin coating at a film thickness of 110 nm and prebaked at 100 ° C. for 25 minutes.
[0026]
The distance between the probe tip and the resist film is controlled to 0-10 nm (actually 0-several nm).
[0027]
The probe is made of silicon and has a tip curvature of 20 nm. Since commercially available products have a thickness of 10 nm or less, finer processing can be performed by using ultrafine.
[0028]
The laser power is varied from 5 to ²⁰ mJ / cm ² and a 405 nm semiconductor laser is used.
[0029]
An 800 nm laser may be used for two-photon absorption, and a 1200 nm laser may be used for three-photon absorption.
[0030]
In the probe scanning, lines are drawn at a pitch of 2.5 μm within a range of 25 μm square. At this time, the scanning speed is 143 ms (175 μm / s) for 25 μm and 220 ms (114 μm / s).
[0031]
Although the detailed description will be described later, as shown in FIG. 3, the energy is only 5 to 10 mJ / cm ^{2 and} the width is 100 nm, the profile is shown in FIG. 4, and photographs of these multiple lines are shown in FIG. 5.
[0032]
As a comparative example, as shown in FIG. 6, when near-field light is not used, a power of 35.7 mJ / cm ² or more is required, and the minimum line width is 312 nm.
[0033]
Examples of applications include the following.
[0034]
(1) Resist drawing in a semiconductor process (2) High-density recording can be performed in an optical memory by low-power blue laser irradiation, and in this case, polysilane that absorbs light in the vicinity of a wavelength of 400 nm can be used.
[0035]
(3) Photo CVD
As described above, the present invention shows an apertureless optical near-field fabrication using an atomic force microscope (AFM). This technique patterns 100 nm lines directly on a positive photoresist spin-coated on a glass substrate. Nanostructure fabrication is performed using electric field enhancement (FE) generated at the tip of an apertureless probe irradiated with 405 nm laser light. As a result, an increase in the line width of the produced line was observed as the energy dose increased.
[0036]
Thus, in the present invention, a nanometer photoresist line is formed in the vicinity of a laser-irradiated non-aperture type probe (cantilever) placed on an atomic force microscope (AFM). With this technology, the limitations of the conventional scanning probe microscope can be overcome, and an AFM or STM non-aperture probe can be easily manufactured. When the AFM is used, the electric field enhancement (FE) generated at the tip of the chip is used, so that the scanning speed is fast and the size and position can be accurately controlled. Furthermore, in addition to being inexpensive, it is possible to directly observe and modify the resist pattern as demonstrated by other researchers. Unlike STM, AFM can be used with any type of material without undesirable exposure.
[0037]
As shown in FIG. 1, the apparatus according to the present invention includes an AFM combined with a 405 nm laser diode 1 and a condensing optical system for applying light to an apertureless probe (cantilever) 9. Yes. Here, the apertureless probe 9 used is made of silicon of several tens of nanometers (˜20 nm), and is used for both imaging and patterning. A photosensitive resist 8 was spin-coated on the slide glass 7 and preheated at 100 ° C. for 25 minutes to form a positive photoresist (Shipley Microposit S1800) having a film thickness of 110 nm. The AFM was operated in tapping mode to bring the focal point at a distance of a few nanometers closer to the photoresist. Thereby, the threshold dose obtained from the far field study can be locally exceeded by FE, so that the production can be started. The resist was exposed by raster scanning of 25 μm × 25 μm and a distance between lines of 2.5 μm. The exposure dose was controlled by changing the scanning speed of the PZT stage 6 by the PC 12. By this method, it is possible to draw different micro patterns simply by changing the pattern program. The exposed sample was developed for 1 minute in each of a micropositive developer and 17 MΩ water.
[0038]
FIG. 6 is a diagram showing a typical example of exposure characteristics of a photoresist obtained by exposure without using a near field.
[0039]
As is apparent from this figure, the width and depth of the resist increase as the exposure energy increases. This increase in energy is performed by slowing the scanning speed. The threshold energy dose is 35.7 mJ / cm ² . The line width at this energy is 312 nm, which is slightly narrower than the spot size 352 nm that does not use the near field calculated from the diffraction theory. No pattern was seen in samples exposed at doses below the threshold dose for photopolymerization at 35.7 mJ / cm ² without using a near field.
[0040]
In the near field experiment of the present invention, the sample was exposed at a dose below the threshold dose. Because of the local FE effect at the tip of the chip, the threshold dose required for exposure can be increased and therefore photopolymerization of the resist is possible.
[0041]
FIG. 3 shows the dependence of the resist thickness and depth of the sample on the basis of exposure in the near field as a function of energy. Here, it is assumed that the FE at the tip of the chip is constant throughout the experiment.
[0042]
As is clear from this figure, an increase in line width was observed as the energy increased.
[0043]
Furthermore, no undesirable exposure or changes in the sample after exposure in the near field were observed. From these results, the line width and pattern position can be accurately controlled by simply changing the scanning speed (exposure time), laser power, or moving the scanning stage. I understood.
[0044]
FIG. 4 is an AFM image (2.5 μm × 2.5 μm) of a line pattern drawn using an apertureless NSOM at different exposure times after development.
[0045]
The inserted cross-sectional view clearly shows the line width and depth of the pattern. The exposure area is composed of 10 parallel lines with an interval of 2.5 μm, and the line width of each line changes with a difference of about 10 nm.
[0046]
Further, when the scanning rate (25 μm / 143 msec) is calculated, it is about 175 μm / s. Thus, the scanning rate can be increased by increasing the scanning speed while increasing the laser power to compensate for the reduction in exposure time.
[0047]
Based on such results, the line width (˜100 nm) of the surface of the drawn pattern is 5 to 10 times wider than the diameter of the apertureless probe, but may be narrower than the calculated spot size without using the near field. all right. This clearly shows that the pattern produced is due to a locally enhanced electric field.
[0048]
In conclusion, for the first time using an apertureless NSOM, nanostructure fabrication studies in positive photoresists have been conducted, and a new method for producing patterns as small as 100 nm has been shown. In the near-field experiment, an increase in the line width of the fabricated line was also observed.
[0049]
As described above, the present invention has several promising features. That is, (1) it is cheaper and faster than any scanning probe microscope technique using an aperture type probe. (2) There is no undesirable exposure. (3) High resolution and accurate control of size and position. (4) Direct observation and correction are possible. (5) In order to achieve productivity and high resolution, it is possible to reduce the size with dense parallel rays (dense parallel rays).
[0050]
Furthermore, this technology can be used to study and clarify the concept of nanometer-sized light sources in the near field of irradiated apertureless metal tips.
[0051]
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0052]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0053]
It can be configured as near-field optical lithography that is a development of a near-field microscope using a probe that is small and can be controlled with high accuracy.
[0054]
In particular, (a) it is cheaper and faster than any scanning probe microscope technique using an aperture type probe. (B) There is no undesirable exposure. (C) High resolution and accurate control of size and position. (D) Direct observation and correction are possible. (E) In order to achieve productivity and high resolution, simultaneous drawing with a cantilever array is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a main part of a near-field lithography apparatus showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an overall schematic diagram of a near-field lithography apparatus showing an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing the dependence of resist thickness and depth of a sample on the basis of exposure in the near field as a function of energy.
4 is a diagram showing the profile of FIG. 3. FIG.
FIG. 5 is a view showing a photograph of the plurality of lines in FIG. 3;
FIG. 6 is a diagram showing the dependence of the resist thickness and depth of a sample on the basis of exposure without using a near field as a function of energy.
[Explanation of symbols]
1 Laser (405nm)
2 Mask 3 Mirror 4 Objective lens (Aperture 1.4)
5 Oil 6 PZT stage 7 Slide glass 8 Photosensitive resist 9 Probe (cantilever)
10 PZT scanner 11 Controller 12 PC (personal computer)
13 Condensing Lens 14 Photodetector 15 Observation Device

Claims

光感光性レジストを塗布した面に近接場光を露光光源として照射しパターンを形成する近接場光によるパターン形成方法において、
前記近接場光を発生させる先端を極細にした探針を、前記光感光性レジストの表面に配置し、前記探針の先端にレーザ光を、前記光感光性レジストの側面から前記光感光性レジストに照射・収束させることにより、電場増強された近接場光を用いることを特徴とする近接場光によるパターン形成方法。In the pattern formation method by near-field light, which forms a pattern by irradiating the surface coated with a photosensitive resist with near-field light as an exposure light source,
A probe having a very thin tip for generating near-field light is disposed on the surface of the photosensitive resist, and laser light is applied to the tip of the probe from the side surface of the photosensitive resist. A pattern forming method using near-field light, wherein near-field light enhanced by electric field is used by irradiating and converging the light.

請求項１記載の近接場光によるパターン形成方法において、前記レーザ光を青色半導体レーザ光としたことを特徴とする近接場光によるパターン形成方法。In the pattern forming method according to the near-field light according to claim 1, the pattern forming method according to the near-field light, characterized in that said laser beam is a blue laser beam.

請求項１記載の近接場光によるパターン形成方法において、前記探針は、先端曲率が５０ｎｍ以下のカンチレバーであることを特徴とする近接場光によるパターン形成方法。 2. The pattern forming method using near-field light according to claim 1, wherein the probe is a cantilever having a tip curvature of 50 nm or less.

請求項１記載の近接場光によるパターン形成方法において、前記探針は、金属または誘電体あるいは半導体からなることを特徴とする近接場光によるパターン形成方法。2. The pattern forming method using near-field light according to claim 1 , wherein the probe is made of a metal, a dielectric, or a semiconductor.

請求項３記載の近接場光によるパターン形成方法において、シリコンのカンチレバーで、前記光感光性レジストがｇ線用のレジストを厚さ１００ｎｍ塗布し、４０５ｎｍの青色半導体レーザ光で描画することを特徴とする近接場光によるパターン形成方法。4. The pattern forming method using near-field light according to claim 3 , wherein the photosensitive resist is coated with a g-line resist with a thickness of 100 nm using a silicon cantilever and is drawn with a blue semiconductor laser beam having a wavelength of 405 nm. A pattern forming method using near-field light.

請求項５記載の近接場光によるパターン形成方法において、毎秒約１００μｍの描画速度で５〜１０ｍＪ／ｃｍ²の低パワーで幅１００ｎｍ、深さ１０ｎｍの複数の線を描くことを特徴とする近接場光によるパターン形成方法。6. The pattern forming method using near-field light according to claim 5, wherein a plurality of lines having a width of 100 nm and a depth of 10 nm are drawn with a low power of 5 to 10 mJ / cm ² at a drawing speed of about 100 μm per second. Pattern formation method by light.

光感光性レジストを塗布した面に近接場光を露光光源として照射しパターンを形成する近接場光によるパターン形成装置において、
（ａ）前記光感光性レジストの表面に配置され、前記近接場光を発生させる先端が極細の探針と、
（ｂ）該探針の先端に前記光感光性レジストの側面から照射・収束させるレーザ光の照射装置とを具備することを特徴とする近接場光によるパターン形成装置。In a pattern forming apparatus using near-field light that forms a pattern by irradiating a surface coated with a photosensitive resist with near-field light as an exposure light source,
(A) a probe having a very thin tip disposed on the surface of the photosensitive resist and generating the near-field light;
(B) A pattern forming apparatus using near-field light, comprising: a laser beam irradiation device for irradiating and converging from the side surface of the photosensitive resist to the tip of the probe.

請求項７記載の近接場光によるパターン形成装置において、前記探針は、先端曲率が５０ｎｍ以下のカンチレバーであることを特徴とする近接場光によるパターン形成装置。8. The pattern forming apparatus using near-field light according to claim 7 , wherein the probe is a cantilever having a tip curvature of 50 nm or less.

請求項８記載の近接場光によるパターン形成装置において、前記探針は、金属または誘電体あるいは半導体からなることを特徴とする近接場光によるパターン形成装置。9. The pattern forming apparatus using near-field light according to claim 8 , wherein the probe is made of a metal, a dielectric, or a semiconductor.