JP5589288B2 - 電子線露光方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステンシルマスク及び電子線露光方法に関し、特に、耐熱性に優れたステンシルマスク及び電子線露光方法に関するものである。

近年、半導体の製造プロセスにおいて露光光源に電子線を用いた電子線リソグラフィ技術が試作開発や準量産のデバイスに使われている。特に線幅２２ｎｍノード以降の先端リソグラフィでは、ＥＵＶやＡｒＦ液浸、ダブル露光といった方式ではマスクや露光装置の高騰が顕著になるため、少量品のプロセスには不向きであり電子線リソグラフィの適用が期待されている。

電子線リソグラフィでは、口径を数１０μｍ〜１０ｎｍに絞った電子ビームにより回路パターンの露光をおこなうため、フォトマスクによる光リソグラフィに比べてスループットが低い。そこで、スループット向上のために、回路パターンでよく使われる図形を抽出し、抽出したパターンを貫通パターンとして形成したステンシルマスクを用いた電子線リソグラフィが研究されており、このリソグラフィ法は部分一括露光法と呼ばれている。

図９は、従来のステンシルマスクを示す概略上面図であり、図１０は、従来のステンシルマスクを示す概略断面図である。ステンシルマスクとは、シリコンのバルク領域３１内にメンブレンエッジ部３２で支持された自立薄膜（メンブレン）３３を有し、ステンシルパターン３４が形成されたマスクである。部分一括露光法では、メンブレン３３に入射した荷電粒子はメンブレン内に吸収もしくは散乱され、ステンシルパターン３４を通過した荷電粒子が被転写基板に到達してリソグラフィを行うことが可能である。

また、部分一括露光を用いると加工精度のよいステンシルマスクを用いることで、従来の電子線露光と比較してスループットの向上だけではなく、斜めパターンのエッジラフネスや矩形パターンのコーナ部の矩形性をも改善することができる。

部分一括露光法が可能な装置としてアドバンテスト社製のブロック露光装置があげられる。ブロック露光装置のステンシルマスクは、図１１に示すように、約５ｍｍ〜約６ｍｍのメンブレン領域３５内に直径４．５ｍｍの円周から成る電子線偏向領域３６を設けて、ブロックパターン領域３７と呼ばれるステンシルパターン群がその電子線偏向領域３６内に配置されている。そして、加速電圧５０ｋｅＶで放出された電子線を選択された任意のブロックパターンに照射し、通過した電子線が被転写基板にパターンを形成する（非特許文献１参照）。

本ブロックマスクでは、被転写基板にパターンを転写しない間、電子線を電子線偏向領域３６内のステンシルパターンがない領域に照射することが望まれる。しかしながらこの方法では、ステンシルマスクにより電子線を遮断するため、局所的な温度上昇やステンシルマスクの変形が問題となっていた。ステンシルマスクの温度上昇は、ステンシルマスクの変形だけでなく、ステンシルマスク上に形成した導電薄膜の膜質の変化や、突発的な温度上昇にともなうメンブレンの溶融などの問題を引き起こす。さらに、部分一括露光法ではスループットを向上させるため電流値を上げることが望まれており、電流値の上昇はステンシルマスクへ与える熱量の増加につながるため、今後、温度上昇の問題はますます顕著となる。

このような問題に対して、例えば、特許文献１には、ブロックマスク上の複数の領域に電子線照射をしない間の電子線の待機場所を設けて、マスクダメージの損傷を分散する方法が開示されている(特許文献１参照)。しかしながらこの方法では、図１１で示されるように電子線照射は一般にメンブレン上であるため、マスクの温度上昇が非常に大きい。

ここで、電子線をメンブレン上に照射した場合の到達温度について有限要素法解析した結果を図１２に示す。この解析では、電子線の加速電圧を５０ｋｅＶ、メンブレンの厚さを１０μｍ、メンブレンサイズを５．５ｍｍ、電子線の照射エリアを３２０μｍ×３２０μｍとして、ステンシルマスクに流入する電流値を１０μＡ〜３０μＡまで増加させた場合について計算した。図１２において、横軸は電流値（μＡ）を示し、縦軸はメンブレン上の到達温度の最大値（℃）を示す。到達温度は、電子線の照射開始から６秒後の温度とし、最大値は電子線の照射エリアで発生している。

なお、解析に用いたステンシルマスクの材料はＳｉとし、物性値として比熱１０３７Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）、密度２３２０ｋｇ／ｍ^３、熱伝導率は温度に依存し１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）まで変化するものとして計算をおこなった。また、電子線照射エリアへの熱の流入量は、（加速電圧）×（電流値）×（メンブレン内のエネルギー損失率）で決定される。

図１２から分かるように、１６μＡ程度で到達温度は４００℃近くになり、３０μＡでは１０００℃を超えることが分かる。また、ステンシルパターンの配置によっては伝熱性が劣化し、実際には温度がさらに上昇する可能性がある。Ｓｉの融点は約１４００℃であるので、計算結果で１０００℃以上の温度上昇は危険であると言える。また、シリコンマスク上には金属スパッタによる導電膜を形成することが多いが、４００度の温度上昇はスパッタ膜の膜質に大きく影響し、メンブレンの変形や導電性の変化が顕著になる。このようなマスクの温度上昇による問題はスループットを上げるために電流値を増加させた場合、より顕著となることは図１２より明らかである。

また、温度は電子線の照射開始から数ｍｓｅｃ程度の非常に短い時間でほぼ一定温度に到達するため、特許文献１のように複数箇所の電子線待機領域に電子線を照射しても、メンブレンの到達温度に大きな変化はなく、メンブレンに与えるダメージを極端に低減させるものではない。

特開平１１−３２９９３３号公報

Ｊ． Ｖａｃ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｂ， Ｖｏｌ．２２， Ｎｏ． ６， Ｎｏｖ／Ｄｅｃ ２００４

本発明は、部分一括露光法において電子線を偏向領域内に待機させると同時に、ステンシルマスクの急激な温度上昇を起こすことなく、耐熱性に優れたステンシルマスク及び電子線露光方法を提供することである。

本発明の請求項１に係る発明は、ステンシルマスクを用いて被照射基板に対して電子線露光をおこなう際、電子線を被照射基板上に照射しない待機時間に、電子線をステンシルマスクのバルク領域上に照射することを特徴とする電子線露光方法としたものである。

本発明の請求項２に係る発明は、ステンシルパターンが形成されるメンブレン部材と、メンブレン部材を取り囲むバルク部材とからなり、バルク部材は、メンブレン部材を保持する保持バルク領域と、メンブレン部材に隣接し照射する電子線を待機するための待機用バルク領域とを有するステンシルマスクを用いて被照射基板に対して電子線露光をおこなう場合、電子線を被照射基板上に照射しない時間は、電子線の偏向領域と待機用バルク領域とが重複する領域にある電子線待機用バルク領域上に電子線を照射させることを特徴とする電子線露光方法としたものである。

本発明によれば、部分一括露光法において電子線を偏向領域内に待機させると同時に、ステンシルマスクの急激な温度上昇を起こすことなく、耐熱性に優れたステンシルマスク及び電子線露光方法を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るステンシルマスクを示す概略上面図である。 本発明の実施の形態に係るステンシルマスクを用いて電子線照射した場合の有限要素法解析した結果を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るステンシルマスクを示す概略上面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例に係るステンシルマスクの作製工程を示す概略断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例に係るステンシルマスクの作製工程を示す概略断面図である。 本発明の実施例に係るシリコン活性層上に形成したステンシルパターン領域を示すＳＯＩ基板の概略上面図である。 本発明の実施例に係る支持シリコン基板上に形成したメンブレン開口レジストパターンを示すＳＯＩ基板の概略上面図である。 本発明の実施の形態に係るステンシルマスクを用いて、待機バルク領域上に電子線照射した場合の有限要素法解析した結果を示す図である。 従来のステンシルマスクを示す概略上面図である。 従来のステンシルマスクを示す概略断面図である。 従来のブロック露光装置のステンシルマスクを示す概略上面図である。 従来のステンシルマスクを用いて電子線照射した場合の有限要素法解析した結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ、説明する。実施の形態において、同一構成要素には同一符号を付け、実施の形態の間において重複する説明は省略する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るステンシルマスクを示す概略上面図である。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るステンシルマスクは、バルク領域５内にメンブレンエッジ部６で保持されるメンブレン領域を有している。メンブレン領域内には電子線偏向領域７内にステンシルパターン領域８が設けられており、ステンシルパターン領域８にはステンシルパターンが形成されている。

また、メンブレンエッジ部６は、直径Ｄの円周内にある電子線偏向領域７よりも外側にある矩形領域Ｌ×Ｌ上に形成されるが、一部のメンブレンエッジ部６は矩形領域の内側であり、なおかつ、バルク領域５がステンシルパターン領域８を覆わないような位置に形成されている。そして、本発明の第１の実施の形態に係るステンシルマスクでは、このようにして形成された矩形領域の内側のバルク領域５を電子線待機用バルク領域９とし、電子線待機用バルク領域９と電子線偏向領域７とが重複するエリア１０を有している。

部分一括露光では、ステンシルパターン領域８内の任意のステンシルパターンを選択して電子線照射を行い、被露光基板に電子線を照射する。本発明の第１の実施の形態に係るステンシルマスクを用いれば、電子線照射を行っていない時間は、ステンシルパターン領域８以外の電子線偏向領域内に電子線を待機させる必要があるが、電子線待機用バルク領域９と電子線偏向領域７とが重複するエリア１０に電子線を待機させることでメンブレンの温度上昇は非常に小さくすることができる。

ここで、本発明の第１の実施の形態に係るステンシルマスクを用いて電子線を電子線待機用バルク領域９と電子線偏向領域７とが重複するエリア１０に照射した場合の到達温度について、有限要素法解析した結果を図２に示す。この解析では、電子線の加速電圧を５０ｋｅＶ、メンブレンの厚さを１０μｍ、メンブレンサイズ５．５ｍｍ、電子線の照射エリアを３２０μｍ×３２０μｍとして、ステンシルマスク上に流入する電流値を１０μＡ〜３０μＡまで増加させた場合について計算した。図２において、横軸は電流値（μＡ）を示し、縦軸はメンブレン上の到達温度の最大値（℃）を示す。図２に示すように、電子線の加速電圧が５０ｋｅＶの場合、ステンシルマスクに流入する電流値が３０μＡでさえ温度上昇は５５℃程度であり、通常のステンシルマスクよりも大幅に温度上昇を抑えられることは明らかである。

図８は本発明の第１の実施の形態に係るステンシルマスクを用いて電子線を電子線待機用バルク領域１０に照射した場合において、バルク領域上の照射位置を変えたときのメンブレンの到達温度について、有限要素法解析した結果である。この解析では電子線の加速電圧を５０ｋｅＶ、メンブレンの厚さを１０μｍ、メンブレンサイズ５．５ｍｍ、電子線の照射エリアを３２０μｍ×３２０μｍ、ステンシルマスク上に流入する電流値を１６μＡとして、電子線の照射エリアとメンブレンエッジ部６までの距離を０から増加させた場合について計算した。図８に示すように、電子線の照射エリアとメンブレンエッジ部６までの距離が０の場合でも、メンブレン上の到達温度が約４８℃であり、通常のステンシルマスクに比べて温度上昇が大幅に抑えられていることが分かる。また、電子線の照射エリアをメンブレンエッジ部６から充分に離した場合（８４０μｍ）でもメンブレン上の温度が約３７℃にまで達する。

重複バルク領域１０が大きくなると、その分だけステンシルパターン領域が小さくなり、スループットの低下に繋がってしまう。そのため電子線待機バルク領域９の大きさは、重複バルク領域１０が電子線の照射エリアと同等の大きさになるように設計することが望ましい。図１に示すように、電子線待機バルク領域９をメンブレンの左下隅に配置する場合、電子線待機バルク領域９を一辺１２．０ｍｍの正方形とすれば、直径４．５ｍｍの電子線偏向領域と重複する重複バルク領域１０内に一辺３２０μｍの電子線の照射エリアを確保できる。

温度上昇の低減により、メンブレンの熱応力によるダメージ、突発的に大きなエネルギーの電子線が照射された際のメンブレン破壊、メンブレン上の導電膜構造の応力変化に伴うメンブレンの変形などが抑制されるため、電子線照射に対して非常に強いステンシルマスクを得ることができる。さらに、部分一括露光のスループットを向上するために電流値を大きくした場合、ステンシルマスク内へ流入するエネルギーが大きくなり、熱上昇が顕著になることが懸念されているが、本発明の第１の実施の形態に係るステンシルマスクを用いれば温度上昇を抑制することができる。なおここで示した有限要素法による到達温度の計算結果は、バルク領域５の境界条件やステンシルマスクの材料であるＳｉの物性値などにより異なるが、本発明を限定するものではない。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係るステンシルマスクについて説明する。なお、本発明の第２の実施の形態に係るステンシルマスクについては、前述した本発明の第１の実施の形態に係るステンシルマスクと相違する構造を説明することにする。図３は、本発明の第２の実施の形態に係るステンシルマスクを示す概略上面図である。図３に示すように、本発明の第２の実施の形態に係るステンシルマスクは、ステンシルパターン領域８以外の３箇所にバルク領域５を設けて、電子線待機用バルク領域９を増やしている。これにより、熱ダメージの影響を低減するだけでなく、メンブレン領域が狭くなるのでメンブレン剛性を高められる。メンブレンエッジ部６はステンシルパターン領域８に近いほどメンブレン剛性が高まるが、パターン不良の原因となる恐れもある。そこで、プロセスにも依存するが表裏アライメントメント露光の重ね精度を考慮して、メンブレンエッジ部６との距離を少なくとも３０μｍ以上あることが望ましい。

まず、図４（ａ）に示すように、厚さ１０μｍのシリコン活性層１１、厚さ１μｍの中間酸化膜１２、厚さ５２５μｍの支持シリコン基板１３からなる直径が１００ｍｍΦのＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１４を用意した。支持シリコン基板１３は熱浴としての役割を果たすためできるだけ厚く、例えば８インチウエハの標準的な厚さである７２５μｍなどが望ましい。また、中間酸化膜１２の厚さは厚すぎると酸化膜の圧縮応力によるメンブレン破壊の原因となるため、ドライエッチングのエッチングストッパ層として十分な厚みである範囲で薄くすることが望ましい。

次に、図４（ｂ）に示すように、シリコン活性層１１上にＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレ−ト系）の電子線感応性ポジレジスト１５（感度：３００μＣ／ｃｍ^２）を１０００ｎｍの膜厚でスピンコート法により塗布した。

次に、図４（ｃ）に示すように、ポジレジスト１５上のステンシルパターン領域にステンシルパターンを電子線照射量が３００μＣ／ｃｍ^２となるように電子線を露光し、同時に合わせ用レジストマーク１６を露光した。さらに、４−メチル−２−ペンタノンによる現像を施し、ステンシルレジストパターン１７を得た。

このときのＳＯＩ基板１４の上面図を図６に示す。図６に示すように、ステンシルレジストパターン１７はステンシルパターン領域８内に形成されており、本実施例では３×３のアレイ状に配置されている。

次に、図４（ｄ）に示すように、同レジストパターンをエッチングマスクにしてフロロカーボン系の混合ガスプラズマを用いたドライエッチングにより、中間酸化膜１２をエッチングストッパ層としてシリコン活性層１１の一部をエッチングし、酸素アッシングによるレジスト剥離を施した後、表裏合わせ用マークパターン１８及びステンシルパターン１９を得た。

次に、図５（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１４の支持シリコン基板１３の表面にフォトレジストをスピンコート法により塗布して厚さ５０μｍの感光層２０を形成し、フォトマスクを用いたパターン露光及び現像処理を行った後、メンブレン開口用レジストパターン２１を形成した。このとき、パターン露光時の基板とメンブレン開口用レジストパターンの露光用フォトマスクとの位置合わせは、表裏合わせ用マークパターン１８とフォトマスク上に予め形成されたアライメントマークを用いた。

このときのＳＯＩ基板１４の上面図を図７に示す。図７に示すように、メンブレン開口用レジストパターン２１はＳＯＩ基板１４上に３×３個配列し、各パターンには電子線待機用バルク領域９を１箇所設けたものを形成している。各パターンにおける電子線待機用バルク領域９の個数は、１箇所だけでなく複数箇所であってもよく、本発明を限定するものではない。

次に、図５（ｂ）に示すように、メンブレン開口用レジストパターン２１をエッチングマスクにしてフロロカーボン系の混合ガスプラズマを用いたドライエッチングにより、中間酸化膜１２をエッチングストッパ層として支持シリコン基板１３の一部をエッチングし、さらにＨＦ溶液に浸漬してドライエッチングにより露出した中間酸化膜１２を除去した。

次に、図５（ｃ）に示すように、酸素アッシングにより感光層２０を除去した後、ＳＯＩ基板１４のＲＣＡ洗浄を行った。

次に、図５（ｄ）に示すように、シリコン活性層１１側及び支持シリコン基板１３側からスパッタリング法によりＰｔを堆積し、電子線照射時のチャージアップ防止として導電膜２２を形成した後、ステンシルマスク２３を得ることができた。

ここで、ステンシルマスクはブロック露光装置に搭載できるような大きさに切り出しておくことが望ましく、切り出す方法としてはスクライブラインを予め形成しておいて切り出す方法や、ダイサーを用いて切り出す方法がある。

次に、作製したステンシルマスク２３をブロック露光装置に搭載し、ステンシルパターンの被露光基板への転写を行った。このとき、被露光基板へ電子線を照射しない間、電子線を電子線待機用バルク領域９に照射し、ステンシルマスク２３の温度上昇を抑えることができた。これにより、導電膜２２の膜質の変化の抑制、ステンシルマスク２３の変形の抑制を実現することができ、ステンシルマスク２３の熱耐性を大幅に高めることができた。

５…バルク領域、６…メンブレンエッジ部、７…電子線偏向領域、８…ステンシルパターン領域、９…電子線待機用バルク領域、１０…重複バルク領域、１１…シリコン活性層、１２…中間酸化膜、１３…支持シリコン基板、１４…ＳＯＩ基板、１５…ポジレジスト、１６…合わせ用レジストマーク、１７…ステンシルレジストパターン、１８…表裏合わせ用マークパターン、１９…ステンシルパターン、２０…感光層、２１…メンブレン開口用レジストパターン、２２…導電膜、２３…ステンシルマスク、３１…バルク領域、３２…メンブレンエッジ部、３３…メンブレン、３４…ステンシルパターン、３５…メンブレン領域、３６…電子線偏向領域、３７…ブロックパターン領域

Claims (2)

1. ステンシルマスクを用いて被照射基板に対して電子線露光をおこなう際、電子線を前記被照射基板上に照射しない待機時間に、前記電子線を前記ステンシルマスクのバルク領域上に照射することを特徴とする電子線露光方法。
2. ステンシルパターンが形成されるメンブレン部材と、前記メンブレン部材を取り囲むバルク部材とからなり、前記バルク部材は、前記メンブレン部材を保持する保持バルク領域と、前記メンブレン部材に隣接し照射する電子線を待機するための待機用バルク領域とを有するステンシルマスクを用いて前記被照射基板に対して電子線露光をおこなう場合、前記電子線を前記被照射基板上に照射しない時間は、前記電子線の偏向領域と前記待機用バルク領域とが重複する領域にある電子線待機用バルク領域上に前記電子線を照射させることを特徴とする電子線露光方法。