JP5054889B2 - 露光方法および露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ上に形成した感光材料の露光方法および露光装置、特にラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂にフォトリソパターン（カラーフィルター）を形成する際の露光に適用して好適な技術に関する。

ラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂を露光すると、ラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂は、ラジカル重合反応して硬化する。この硬化の際に、ラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂の皮膜中に、紫外線を吸収し発生する熱エネルギーによる熱ダメージや、ラジカル濃度分布が生じる。図９（ａ）はラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂に所定の露光量を一括露光した場合の熱ダメージの皮膜中の分布を示す。横軸は熱ダメージの大きさ、縦軸は皮膜の厚さを表す。皮膜下層では熱ダメージは小さいが、皮膜中層、皮膜上層のように表面側になるほど熱ダメージが大きくなる。また図９（ｂ）はラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂に一括露光した場合の皮膜中のラジカル濃度分布を示す。横軸はラジカル濃度の高さ、縦軸は皮膜の厚さを表す。皮膜下層ではラジカル濃度は低いが、皮膜中層、皮膜上層のように表面側になるほどラジカル濃度が高くなる。熱ダメージが大きくなる傾向、ラジカル濃度が高くなる傾向は、露光量が大きくなるほど、また皮膜上層ほど強くなる。
このように熱ダメージが大きく、ラジカル濃度が高くなると、フォトリソグラフィーで形成される回路パターンプロファイルの性能が悪くなり、所定の微細な回路パターンが形成できない。特にラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂が、適当な照度のときに最適のフォトリソパターンプロファイル性能を有する場合、適当な照度よりも高照度の露光機を使用すると、最適性能が得られない。したがってラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂のような感光体はその感光体が有する最適条件で露光するのが望ましい。

例えば特許文献１は、１回あたりの露光を所定の露光量よりも低露光量で行い、露光を複数回繰り返すことで所定の露光量を得る技術を開示している。特許文献１は、露光中にレンズの温度が上昇して、露光装置の光学系に悪影響が生じるのを防止するために、露光途中に中断時間をとり、露光を間欠的に複数回繰り返し行うものである。このように特許文献１は半導体ウエハの同一箇所に露光を間欠的に複数回繰り返し行い、上記同一箇所に必要量の露光を行う。
特開平１−２７０２２５号公報

上記のようにラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂を一括露光すると、図９に示すように熱ダメージが大きく、またラジカル濃度が高くなる。また特許文献１のように同一箇所をＮ回繰り返して露光する場合は、図６に示すように露光ごとに露光中断時間ｔ４をとるので、半導体ウエハ全部をステップアンドリピートする露光の処理時間Ｔ１は、次式
Ｔ１＝〔ｔ３・Ｎ＋ｔ４・（Ｎ−１）〕・Ｘ＋ｔ２（Ｘ−１）
となる。ここで、ｔ２はショット間のステージ移動時間、ｔ３は１ショットの露光時間、ｔ４は中断時間、Ｘはショット回数、Ｎは繰り返し回数である。
半導体ウエハをステップアンドリピートにより、露光する露光時間Ｓｒは（Ｓｒ＝ｔ３・Ｎ・Ｘ）であり、ステージの移動時間Ｓｄは（Ｓｄ＝ｔ２（Ｘ−１））である。露光中断時間Ｓｔは（Ｓｔ＝ｔ４・（Ｎ−１）・Ｘ）である。したがって特許文献１は、露光中断時間だけ長くなる。
本発明は、以上の問題に鑑みて、熱ダメージが小さく、ラジカル濃度が低く、更に露光時間の短い露光方法および露光装置を提供するものである。

本発明の露光方法は、半導体ウエハ上にＵＶ光源から放射される光を１つのレティクルを透過して結像し、半導体ウエハを載置するウエハステージを移動させて、露光ショット１から露光ショットＸまで露光を行なって、露光１へ戻るステップアンドリピート露光をＮ回繰り返し行う露光方法であって、適当な露光時間、あるいは適当な照度のとき、最適のフォトリソパターンプロファイル性能を有するラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂よりなる感光体を塗布した半導体ウエハに、前記感光体を露光する各１回の露光ショットが最適の露光時間、最適の照度、又は露光時間と照度の両方を調整することにより、所定露光量の１／Ｎで露光する露光工程を備え、
半導体ウエハ１枚あたりの露光時間Ｔｏが次式の通りであることを特徴とし、前記課題を解決する。
Ｔｏ＝〔ｔ３・Ｘ＋ｔ２・（Ｘ−１）〕・Ｎ＋ｔ５・（Ｎ−１）
ここで、ｔ３は、露光ショットの時間
Ｘは、露光ショット回数
ｔ２は、ステップアンドリピートの際のウエハステージの移動時間
ｔ５は、ウエハステージを最初の位置に戻すための時間
また本発明の露光方法は、前記露光時間は、シャッターの開口時間を調整することにより、所定露光量の１／Ｎで露光することを特徴とする。
また本発明の露光方法は、前記照度は、ＵＶ光源の電圧調整、ＵＶ光源と半導体ウエハ間の距離調整または露光量調整板の挿入により、所定露光量の１／Ｎで露光することを特徴とする。
また本発明の露光方法は、感光体がアクリル基またはメタクリル基などの不飽和基を有するプリポリマー、不飽和ポリエステルにスチレンなどのビニルモノマーを溶解した系、またはチオールーオレフィン樹脂系のようなラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂(光ラジカル重合開始剤：ベンゾフェノン系、ベンゾインエーテル系、アセトフェノン系、チオキサントン系など)であることを特徴とする。
また本発明の露光方法は、前記Ｎが２以上１０以下であることを特徴とする。
また本発明の露光方法は、前記露光工程の露光量は、初めは所定露光量の１／Ｎより小さく、終わりは所定露光量の１／Ｎより大きくすることを特徴とする。
また本発明の露光装置は、前記のような投影露光方法を実施する制御部を備えることを特徴とする。

本発明の露光方法は、半導体ウエハを必要露光量の１／Ｎで露光するので、ラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂の皮膜表層への熱ダメージや皮膜中に発生するラジカルの濃度分布の偏りを小さくすることができ、そのため、露光機の紫外線露光照度に関係なく良好なパターンプロファイルや線幅特性を得ることができる。そして、紫外線照度の大きく異なる露光機同士においても同じラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂を用いて、性能の良いフォトリソパターンを形成することができ、ラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂が同じ線幅特性を得ることができる。また本発明を使用すれば、適当な照度のときに最適のフォトリソパターンプロファイル性能を有するラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂を使用する場合、その最適の照度により露光することができる。また、ひとたび導入したラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂に対し、その組成や添加物等を変える手間なく、パターンプロファイルの性能をコントロール（向上）することができる。
また本発明は、ステップアンドリピートをＮ回繰り返して露光することにより、自ずから露光中断時間がとれるので、わざわざ露光中断時間をとる従来技術の間欠露光方法を用いた露光方法に比べ、処理時間を大幅に短くすることができる。
また本発明の露光装置は、前記露光時間（露光シャッター開口時間）を１／Ｎにすることにより、あるいは、前記露光量１／Ｎの照度のＵＶ光源を使用することにより、露光量の調整を行うことができる。

本発明の露光方法は、図１に示すように縮小投影露光装置を使用して構成される。露光装置は、超高圧水銀灯のようなＵＶ光源１から放射される光２をコンデンサレンズ３で集光し、この光を所定の回路パターンが形成されたレティクル４を透過して、さらに縮小レンズ５により半導体ウエハ６に結像する構成である。これによりレティクル４に形成された回路パターンが半導体ウエハ６上に縮小投影され、半導体ウエハ上に塗布した感光層（ラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂）を露光する。この半導体ウエハ６はＸ、Ｙ方向に移動可能なウエハステージ７に載置され、このウエハステージ７をＸ、Ｙ方向に移動させることにより、ステップアンドリピート露光が行われる。光源として、ｉ線、ｇ線、ＫｒＦ、ＡｒＦ、Ｆ２,ＫＲ２エキシマレーザ、電子ビームを使用してもよい。また感光層として、アクリル基またはメタクリル基などの不飽和基を有するプリポリマー、不飽和ポリエステルにスチレンなどのビニルモノマーを溶解した系、チオールーオレフィン樹脂系のようなラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂(光ラジカル重合開始剤：ベンゾフェノン系、ベンゾインエーテル系、アセトフェノン系、チオキサントン系など)が使用できる。またレティクルに代えて、位相差板を使用してもよい。

本発明の半導体ウエハ上の露光工程は、図２（ａ）の説明図に示すように、半導体ウエハ６上をレティクルごとに順次露光ショット１、露光ショット２、・・・、露光ショットＸまでステップアンドリピート露光を行う。このときの各露光ショットの露光量は所定露光量Ｅの１／Ｎである。露光量は光源の照度の大きさと露光時間の積であるから、光源の照度は変化させずに露光時間を１／Ｎにするか、露光時間は変化させずに光源の照度を１／Ｎにするか、または露光時間と照度の両方を変えて露光量が１／Ｎになるようにすればよい。露光時間の調整は、露光シャッターの開口時間を１／Ｎに設定する。照度の調整は、ＵＶ光源の電圧を調整する方法、ＵＶ光源の位置を変えて半導体ウエハ表面からの距離を調整する方法、光源と半導体ウエハの間に露光量調整板を挿入する方法がある。特に感光層（ラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂）が適当な露光時間（露光シャッター開口時間）、あるいは、適当な照度のときに最適のフォトリソパターンプロファイル性能を有する場合(上述の光ラジカル重合開始剤)、その最適の露光時間（露光シャッター開口時間）、あるいは、最適の照度により露光する。本発明ではこのステップアンドリピートをＮ回繰り返す。
図２（ｂ）は本発明において、ＵＶ光源の照度は変えず、露光時間（露光シャッター開口時間）を１／Ｎにして露光する場合の露光シーケンスを示し、露光量Ｅ／Ｎで露光ショット１、露光ショット２、・・・、露光ショットＸまでステップアンドリピートを行う。
１ショットの露光時間はｔ３である。露光ショットごとのステージ移動時間はｔ２である。次に繰り返し露光を行うためにウエハステージ７を最初の位置に戻す。この最初の位置に戻る時間はｔ５である。そして２回目の露光を行う。この露光をＮ回行う。これにより、所定の露光量Ｅを半導体ウエハ上に照射する。

本発明は各露光ショットの露光量を所定露光量Ｅの１／Ｎとすることにより、１回あたりの露光量をＥ／Ｎとすることができる。本発明において、ＵＶ光源の照度は変えず、露光時間（露光シャッター開口時間）を１／Ｎにして露光する場合、半導体ウエハ上の同一チップ（または同一チップ群）の１回目の露光ショットから２回目の露光ショットの間隔は、半導体ウエハの１枚あたりのステップアンドリピート時間となり、露光を行っていない時間のみを計算すると、ステージ移動時間が０．３秒、ウエハステージを最初の位置に戻すための時間が３秒、露光ショット回数が１００回した場合、３２．７秒である。これに露光に要する時間も加わり、これにより十分な露光中断時間をとることができる。本発明は露光中断時間を十分にとるので、熱ダメージは図３（ａ）に示すように、皮膜下層から皮膜上層までほぼ均一に少なくなる。またラジカル濃度は図３（ｂ）に示すように、皮膜下層から皮膜上層までほぼ均一に低くなる。

今、一例として、カラーレジストＳが紫外線照度Ａ[mW/cm2]の露光機で紫外線露光量Ｅ[mJ/cm2]の一括露光によって図４（形状Ａ）のようなパターンプロファイル及び線幅特性が得られるとする。これを高照度Ｂ[mW/cm2]（例えばＢ＞Ａ×２）の露光機で同様に行うと、図４（形状Ｂ−１）のようにパターンプロファイルが劣化し、線幅特性も悪くなる。これに対して、本発明のように分割露光方法を用い、高照度Ｂ[mW/cm2]の露光機において、カラーレジストに必要な紫外線露光量Ｅ[mJ/cm2]をＮ分割し、紫外線露光量Ｅ／Ｎ[mJ/cm2]をＮ回、同一箇所に分割露光する。ここで、分割回数Ｎを２、４、８とすると、図４（形状Ｂ−２、Ｂ−４、Ｂ−８）のように、分割回数Ｎが増えるにつれてパターンプロファイルが改善される。分割回数Nが８の時にパターンプロファイルは照度Ａ[mW/cm2]の露光機のものよりも良好になり、さらに照度Ａ[mW/cm2]の露光機と同じ線幅特性となり、カラーレジストの表層への熱ダメージや皮膜中に発生するラジカルの濃度分布の偏りが小さくなり、パターンプロファイルへの悪影響を防止、改善していることがわかる。分割回数は感光体の特性、回路パターンの形状、製造工程上の制約等を勘案して決めればよいが、通常２〜１０が適当である。２以下では熱ダメージ、ラジカル濃度が大きくなり、１０以上では製造時間が長くなる。

ここで、カラーレジストＳにおいて、特許文献１の分割露光方法を用いた場合、分割回数Ｎが８のときの本発明と同じ線幅特性になる露光中断時間ｔ４を求めると、図５に示すように、３．５秒になる。図５の横軸は露光中断時間、縦軸は線幅ターゲットからのシフト量、即ちパターン残し部の余分な大きさ(μｍ)である。つまり露光中断時間が０秒ではパターン残し部の余分な大きさは０．１６μｍである。露光中断時間が０．３秒ではパターン残し部の大きさは０．０５μｍである。露光中断時間が３．５秒以上ではパターン残し部の余分な大きさが０になる。このようにカラーレジストＳが良好なパターンを得るためには露光中断時間は３．５秒以上必要であることが分かる。本発明の実施例ではウエハステージ７が最初の位置に戻る時間は、露光時間を除いても３２．７秒、露光時間をいれるとそれ以上であるから、十分に露光中断時間をとることができる。

以上、本発明の実施例について具体的に説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、必要な露光を何回に分けて行うかとか、どのような分け方にするかなど、対象となる被照射物の組成や露光機の照度、線幅寸法などの必要に応じて決めることが可能である。つまり、分割した個々の露光量は毎回同じ露光量であっても、そうでなくても良い。また初めの露光量は１／Ｎより少なく、終わりの露光量は１／Ｎよりを大きくしてもよい。また紫外線露光量Ｅ／Ｎ[mW/cm2]をＮ±α回、分割露光を増減するなどして、パターンプロファイルと線幅寸法のバランスをとることも可能である。
ところで、上述の照度Ａ[mW/cm2]の露光機においても本発明技術を用いれば、より良好なパターンプロファイルを得ることが可能であり、その時の線幅寸法の調整はマスクパターンをリサイズすれば良い。

本発明において、ＵＶ光源の照度は変えず、露光時間（露光シャッター開口時間）を１／Ｎにする露光シーケンスを図２（ｂ）に示す。ここでＵＶ光源の照度を変えずとは、具体的には図９に示すように一括露光する場合の照度と同じであることを意味している。この実施例の場合の半導体ウエハ１枚あたりの露光時間Ｔｏは、次のように計算できる。露光ショットの時間ｔ３、露光ショット回数Ｘ、ステップアンドリピートの際のステージ移動時間ｔ２、繰り返し回数Ｎ、ウエハステージを最初の位置に戻すための時間ｔ５とすると、
Ｔｏ＝〔ｔ３・Ｘ＋ｔ２・（Ｘ−１）〕・Ｎ＋ｔ５・（Ｎ−１）
となる。ここで、露光ショットの合計時間ｔ１を
ｔ１＝ｔ３・Ｎ
とすると、
Ｔｏ＝ｔ１・Ｘ＋ｔ２・（Ｘ−１）・Ｎ＋ｔ５・（Ｎ−１）
である。
露光時間ｔ１・Ｘを除き、露光を行っていない時間Ｓｏのみを計算すると、ｔ２が０．３秒、ｔ５が３秒、Ｘが１００回、Ｎが８回とすると、
Ｓｏ＝ｔ２・（Ｘ−１）・Ｎ＋ｔ５・（Ｎ−１）
＝０．３×（１００−１）×８＋３×（８−１）
＝２３７．６＋２１≒２５９（秒）
となる。
（比較例）

特許文献１に記載のように露光中断時間を設けた間欠露光を図６に示す。図６(ａ)は半導体ウエハ上の露光ショットの説明図であり、露光ショット１、露光ショット２・・・・が順次行われる。図６（ｂ）に露光シーケンスを示すように、１つの露光ショット中に、露光中断時間ｔ４がある。この比較例の場合、１回あたりの露光照度は露光回数をＮとすると、１／Ｎにすることができるので、この場合の熱ダメージは図７（ａ）に示すように本発明と同程度に低減することができる。またラジカル濃度は図７（ｂ）に示すように本発明と同程度になる。

この比較例の半導体ウエハ上の露光工程は、図６（ａ）の説明図に示すように、半導体ウエハ６上のチップ（またはチップ群）に露光ショット１において、露光と中断をＮ回繰り返す。１つのチップ（またはチップ群）で露光ショットが済むと、次のチップ（またはチップ群）にステージを移動して露光ショット２において露光と中断をＮ回繰り返す。この露光シーケンスを図６（ｂ）に示す。
この半導体ウエハ１枚あたりの露光時間Ｔ１は、前述のように
Ｔ１＝〔ｔ３・Ｎ＋ｔ４・（Ｎ−１）〕・Ｘ＋ｔ２（Ｘ−１）
である。露光時間Ｓｒは（Ｓｒ＝ｔ３・Ｎ・Ｘ＝ｔ１・Ｘ）であり、ステージの移動時間Ｓｄは（Ｓｄ＝ｔ２（Ｘ−１））ある。露光中断時間Ｓｔは（Ｓｔ＝ｔ４・（Ｎ−１）・Ｘ）である。露光時間Ｓｒを除き、露光を行っていない時間Ｓｄ＋Ｓｔのみを計算すると、ｔ２が０．３秒、ｔ４が３．５秒、Ｘが１００回、Ｎが８回とすると、
Ｓｄ＋Ｓｔ＝ｔ２・（Ｘ−１）＋ｔ４・（Ｎ−１）・Ｘ
＝０．３×（１００−１）＋３．５×（８−１）×１００
＝２９．７＋２４５０≒２４８０（秒）
となる。本発明に比べて約９倍以上の時間である。
（参考例）

参考例として、一括露光の場合を図８に示す。図８（ａ）は半導体ウエハ上の露光工程の説明図を示し、図８（ｂ）は露光シーケンスを示す。各露光ショットは必要露光量で露光が行われる。図８の露光時間Ｔ２は
Ｔ２＝ｔ１・Ｘ＋ｔ２・（Ｘ−１）
である。ｔ１・Ｘは露光時間、ｔ２・（Ｘ−１）はステージ移動時間の合計である。ｔ２が０．３秒、ショット数Ｘが１００とすると、ステージ移動時間は２９．７秒である。一括露光の場合、大きい露光量で露光されるので、この場合の熱ダメージは図９（ａ）に示すように大きくなり、またラジカル濃度は図９（ｂ）に示すように大きくなる。

縮小投影露光装置の構成を説明する図である。 本発明の半導体ウエハ上の露光工程の説明図と、露光シーケンス(ＵＶ光源の照度は変えず、露光時間（露光シャッター開口時間）を１／Ｎにした場合)の説明図である。 本発明の露光装置で露光した場合の熱ダメージと、ラジカル濃度の変化を説明する図である。 パターンプロファイルの説明図である。 露光中断時間と線幅ターゲットからのシフト量の関係を説明する図である。 比較例の半導体ウエハ上の露光工程の説明図と、露光シーケンスの説明図である。 比較例の露光装置で露光した場合の熱ダメージと、ラジカル濃度の変化を説明する図である。 参考例の半導体ウエハ上の露光工程の説明図と、露光シーケンスの説明図である。 参考例の露光装置で露光した場合の熱ダメージと、ラジカル濃度の変化を説明する図である。

符号の説明

１ 光源
３ コンデンサレンズ
４ レティクル
５ 縮小レンズ
６ 半導体ウエハ
７ ウエハステージ

Claims (7)

1. 半導体ウエハ上にＵＶ光源から放射される光を１つのレティクルを透過して結像し、半導体ウエハを載置するウエハステージを移動させて、露光ショット１から露光ショットＸまで露光を行なって、露光ショット１へ戻るステップアンドリピート露光をＮ回繰り返し行う露光方法であって、
   適当な露光時間、あるいは適当な照度のとき、最適のフォトリソパターンプロファイル性能を有するラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂よりなる感光体を塗布した半導体ウエハに、前記感光体を露光する各１回の露光ショットが最適の露光時間、最適の照度、又は露光時間と照度の両方を調整することにより、所定露光量の１／Ｎで露光する露光工程を備え、
   半導体ウエハ１枚あたりの露光時間Ｔｏが次式の通りであることを特徴とする露光方法。
   Ｔｏ＝〔ｔ３・Ｘ＋ｔ２・（Ｘ−１）〕・Ｎ＋ｔ５・（Ｎ−１）
   ここで、ｔ３は、露光ショットの時間
   Ｘは、露光ショット回数
   ｔ２は、ステップアンドリピートの際のウエハステージの移動時間
   ｔ５は、ウエハステージを最初の位置に戻すための時間
2. 前記露光時間は、シャッターの開口時間を調整することにより、所定露光量の１／Ｎで露光することを特徴とする請求項１記載の露光方法。
3. 前記照度は、ＵＶ光源の電圧調整、ＵＶ光源と半導体ウエハ間の距離調整または露光量調整板の挿入により、所定露光量の１／Ｎで露光することを特徴とする請求項１記載の露光方法。
4. 前記感光体は、アクリル基またはメタクリル基などの不飽和基を有するプリポリマー、不飽和ポリエステルにスチレンなどのビニルモノマーを溶解した系、またはチオールーオレフィン樹脂系のようなラジカル重合型ＵＶ硬化樹脂(光ラジカル重合開始剤：ベンゾフェノン系、ベンゾインエーテル系、アセトフェノン系、チオキサントン系など)であることを特徴とする請求項１記載の露光方法。
5. 前記Ｎが２以上１０以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の投影露光方法。
6. 前記露光工程の露光量は、初めは所定露光量の１／Ｎより小さく、終わりは所定露光量の１／Ｎより大きくすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の投影露光方法。
7. 前記請求項１乃至６のいずれか１項に記載の投影露光方法を実施する制御部を備える露光装置。

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