(57)【要約】【課題】従来の屈折率測定法では解析が困難であったレジストパターン内の屈折率分布を解析することが可能な極めて画期的な屈折率分布の解析方法の提供。【解決手段】基板上に付着しているレジストパターンの側面に形成された波形模様を観察し、この波形模様の周期から前記レジストパターンの高さ方向の屈折率分布を求める。【選択図】図１
2008203042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に付着しているレジストパターンの側面に形成された波形模様を観察し、この波形模様の周期から前記レジストパターンの高さ方向の屈折率分布を求めることを特徴とする屈折率分布の解析方法。
【請求項２】
原子間力顕微鏡のプローブを、基板上に付着しているレジストパターンの側方から押し当てることで、このレジストパターンの底部を前記基板表面から剥離せしめて前記レジストパターンを倒壊させ、このレジストパターンの側面に形成された波形模様を観察することを特徴とする請求項１記載の屈折率分布の解析方法。
【請求項３】
前記原子間力顕微鏡のプローブを、前記基板表面に対して略平行に移動させて前記レジストパターンの上部に側方から押し当てることで、このレジストパターンの底部を前記基板表面から剥離せしめて前記レジストパターンを倒壊させることを特徴とする請求項２記載の屈折率分布の解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光リソグラフィーにおけるレジスト材料、および、光通信分野における光学材料の屈折率分布の解析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ナノテクノロジーの発展に伴って、ＭＥＭＳ(Micro Electronic Mechanical System)、フォトニクス素子、量子効果デバイスといった微小サイズの機能素子が注目されている。このような微小サイズでは、ミクロな視点に基づいた材料の凝集性や光学特性等の解析が重要となる。従来は例えば特許文献１に開示されるようなエリプソメータや分光干渉計やアッベ屈折計などを用いて、固体の屈折率を測定していた。しかしながら、これらの測定器では、測定光源のスポット径が大きく、１ミクロン以下の微小サイズの固体の屈折率分布を測定することは不可能であった。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−３８６９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上述のような現状に鑑みてなされたもので、例えば原子間力顕微鏡（atomic force microscope、以下ＡＦＭ）を用いて、基板上に付着している微小レジストパターンを剥離倒壊させてレジストパターン側面の波形模様を測定することで、この波型模様の周期から、従来の屈折率測定法では解析が困難であったレジストパターン内の屈折率分布を解析することが可能な極めて画期的な屈折率分布の解析方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。
【０００６】
基板上に付着しているレジストパターンの側面に形成された波形模様を観察し、この波形模様の周期から前記レジストパターンの高さ方向の屈折率分布を求めることを特徴とする屈折率分布の解析方法に係るものである。
【０００７】
また、原子間力顕微鏡のプローブを、基板上に付着しているレジストパターンの側方から押し当てることで、このレジストパターンの底部を前記基板表面から剥離せしめて前記レジストパターンを倒壊させ、このレジストパターンの側面に形成された波形模様を観察することを特徴とする請求項１記載の屈折率分布の解析方法に係るものである。
【０００８】
また、前記原子間力顕微鏡のプローブを、前記基板表面に対して略平行に移動させて前記レジストパターンの上部に側方から押し当てることで、このレジストパターンの底部を前記基板表面から剥離せしめて前記レジストパターンを倒壊させることを特徴とする請求項２記載の屈折率分布の解析方法に係るものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は上述のように構成したから、レジストパターンの側面の波形模様を測定することで、この波型模様の周期から、従来の屈折率測定法では解析が困難であったレジストパターン内の屈折率分布を解析することが可能な極めて画期的な屈折率分布の解析方法となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
好適と考える本発明の実施形態を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。
【００１１】
例えばＡＦＭを用いてレジストパターンを基板から剥離倒壊させ、このレジストパターンの側面の表面形状を観察し、このレジストパターン側面に形成された波型模様を解析することにより、パターン内の屈折率分布を決定することが可能となる。また、クラウジウス・モソッティの式に基づき、レジストパターン内の凝集性を考察することが可能となる。従って、本発明によれば、微小固体の光学パラメータおよび凝集性の直接解析が可能となる。
【実施例】
【００１２】
本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。
【００１３】
本実施例は、原子間力顕微鏡のプローブを用いて、基板上に付着しているレジストパターンを剥離し倒壊させて、このレジストパターン側面に形成された波形模様を観察し、この波形模様の周期から前記レジストパターンの高さ方向の屈折率分布を求めるものである。
【００１４】
具体的には、対象とするレジストの主成分は、ｍ−クレゾール／ｐ−クレゾール／キシレノール／ホルムアミドノボラック樹脂である。溶剤はＥＣＡ（エチルセルソルブアセテート）である。レジストパターンの形成方法は以下の通りである。
【００１５】
まず、スピンコート法により、レジスト膜をＳｉ（１００）単結晶基板上に形成する。スピンコートしたレジスト膜を乾燥させる目的で、ホットプレートを用いて１００℃で１分間の熱処理を行う。
【００１６】
その後、縮小投影露光装置（Nikon, NSR1505-G6E, g-line, NA=0.54）を用いて、３００ｍｓｅｃの露光時間で直径６１０ｎｍのパターン形状の露光を行う。露光波長は３６５ｎｍ（ｉ線）である。パターン露光時には、定在波効果によって、レジスト膜の深さ方向に光学強度の周期的な濃淡が形成される。これは、後述のように、レジスト膜内で、入射光と基板からの反射光が干渉するために生じる。
【００１７】
その後、レジストパターンをＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）２．３８％水溶液中に漬けて、１分間の現像処理を行う。引き続き、純水中で１分間のリンス処理を行う。パターン現像とリンス処理時の環境温度は２５℃である。
【００１８】
パターン側面に形成された波形模様は、ＡＦＭ（ＳＰＡ３００、セイコー電子工業（株）製）、および走査型電子顕微鏡（scanning electron microscope、以下ＳＥＭ、JSM-35CFII 日本電子（株）製）により観察する。ＡＦＭによる測定手法および条件は、以下の通りである。
【００１９】
まず、本実施例では、レジストパターンを剥離倒壊させて、パターン側面の波形模様を観察する。観察には、Ｓｉ３Ｎ４製のカンチレバーを使用する。カンチレバーの先端には、ＡｕコートしたＳｉ３Ｎ４製の探針が取りつけられている。カンチレバーのバネ定数および探針先端の曲率半径は、それぞれ０．０９８Ｎ／ｍおよび２０ｎｍである。探針からパターンへ加えた荷重は、カンチレバーの変位とバネ定数を掛けることで求まる。図１は、ＡＦＭによるパターン側面形状の解析方法を示している。
【００２０】
まず、ＡＦＭのコンタクトモードにより、０．０１ｎＮの低荷重下でパターン観察を行なう。この荷重下では、パターン変形および剥離は生じない。そして、深針（プローブ２）を基板４表面に対して略平行に移動させながらレジストパターン１上部の角に（側方から）この深針により３０ｎＮの荷重を加えることでパターンを倒壊させる（図１（ａ）参照）。最後に、剥離倒壊したレジストパターン３の側面形状をコンタクトモードにより精密に測定する（図１（ｂ）参照）。
【００２１】
次に、パターン側面の波形模様の形成要因となる定在波効果について説明する。定在波効果とは、入射光と基板からの反射光とがレジスト膜中で干渉し、レジスト膜の深さ方向に光学強度の濃淡が周期的に生じることである。その場合の光学強度の濃度変化の周期Ｔ（ｎｍ）は、下式で表すことができる。
【００２２】
Ｔ＝λ／２ｎ                                                      （１）
ここでλ（ｎｍ）は入射光の波長、ｎは波長λにおけるレジストの屈折率である。レジスト膜の場合、深さ方向の光学強度の濃度変化が、現像液への溶解度の差として反映される。その結果、周期的な波形模様がパターン側面に形成される。ここで、もし、レジスト膜の深さ方向に屈折率分布がある場合、パターン側面の波形模様の周期も変化すると考えられる。よって、パターン側面に形成された波形模様の周期Ｔを測定することによって、レジストパターン内の屈折率分布を求めることができる。
【００２３】
以下、更に具体的に本実施例について説明する。
【００２４】
図２（ａ）は、現像後のレジストパターンのＳＥＭ写真を示している。パターン形状は円筒形であるが、パターン上部が少し丸くなっている。パターン直径および高さは、それぞれ、６１０ｎｍおよび９５０ｎｍである。また、各パターンは、間隔１．６μｍの格子状に配置されている。この場合、上部（基板表面に対し垂直方向）からの観察であるため、パターン側面の波型形状は明確に確認できていない。図２（ｂ）は、ＡＦＭで測定したレジストパターン像を示している。ＳＥＭ写真と同様に、格子状に配置されたパターン像が確認できる。ＡＦＭ像には、測定時の探針の走査方向と探針先端の形状が反映されるため、横方向にパターン像の歪みが生じている。
【００２５】
これらのＡＦＭ像の中からパターンを１つ選択して、図１で示したように、荷重を加えて剥離倒壊させる。図３（ａ）および図３（ｂ）には、倒壊後のレジストパターンのＳＥＭ像およびＡＦＭ像をそれぞれ示している。両者ともパターン側面に波形模様が確認できる。そして、図４（ａ）には図３（ｂ）のＡＦＭ像のＡ−Ａ’面での断面形状プロファイルを示す。波形模様はパターン上部から底部にかけて形成されているが、その周期と深さは僅かに変化していることが分かる。特に、パターン底部に近いほど周期が短くなり、かつ、その凹凸は大きくなる傾向がある。
【００２６】
図４（ｂ）は、式（１）より求めたレジストパターン内の屈折率分布を示している。屈折率の値は１．５１から１．７９の範囲内で変化しており、パターン上部よりも底部の方が高くなっている。これは、図５に示すように、スピンコート法で形成したレジスト膜において、基板との界面付近の屈折率は、膜表面よりも高いことを示している。また、図４（ｂ）より、波形模様の深さはパターン底部に近いほど高くなっているため、露光時の定在波効果もパターン底部の方が顕著である。これは、レジスト膜表面よりも、基板近傍の反射光強度が高くなるためである。
【００２７】
ここで、レジストパターンの屈折率変化と凝集性との関係について説明する。一般に、物質の屈折率ｎは、誘電率εと密接な関係がある。これらは、図２のクラウジウス−モソッテイの式として、単位体積当たりの分子数（分子濃度）Ｎおよび分子分極率αの関数として表される。
【００２８】
【数１】
2008203042.tif 000003
【００２９】
この式（２）において、ΣNα＜３ε０の範囲で解が得られるため、屈折率ｎおよび誘電率εはΣNα項の増加関数となる。すなわち、レジスト膜の屈折率ｎの増加は、レジスト内の分子濃度Ｎあるいは分子分極率αの増加に起因することが分かる。
【００３０】
また、本実施例では、スピンコート後のレジスト膜に１００℃の熱処理を行っている。しかし、レジスト樹脂のクロスリンクは通常約２００℃以上で顕著になることが分かっている。よって、レジスト膜の分子構造に起因する分極率αは、１００℃の熱処理では殆ど変化しないと考えられる。一方、熱処理による溶剤蒸発により、レジストパターン内の残留溶剤の濃度分布が変化したと考えられる。これは、レジスト膜の熱処理にホットプレートを用いたため、レジスト膜が底部から加熱されて溶剤蒸発が生じることが予測される。すなわち、パターン底部は、パターン上部に比べて残留溶剤量が少なく、それに伴い、パターンの体積収縮も大きくなると考えられる。
【００３１】
よって、パターン底部では、レジスト内の単位体積当たりの分子数Ｎが増加すると考えられる。すなわち、図５に示すように、基板４上のレジスト膜５内には深さ方向に屈折率分布が生じていると考えられる。よって、現像後のパターン内にも同様の屈折率変化が生じていることが分かる。
【００３２】
すなわち、上述のように、屈折率は１．５１〜１．７９の範囲で、パターン上部から底部へ向けて徐々に高くなっていることが分かる。これは、ホットプレートを用いた熱処理により、レジストパターン底部の凝集性が高くなったことを反映していると考えられる。
【００３３】
本実施例は上述のようにするから、微小固体内の光学パラメータおよび凝集性を解析することが可能となり、レジストパターン内の凝集特性が解析できる。また、微小固体中の屈折率分布を決定できることから、フォトニクス材料のような機能素子の光学特性を解析できる。
【００３４】
尚、本発明は、本実施例に限られるものではなく、各構成要件の具体的構成は適宜設計し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】基板上の微小固体をプローブを用いて剥離倒壊せしめてレジストパターン側面形状を測定する方法の概略説明図である。（ａ）は倒壊前のレジストパターン図、（ｂ）は倒壊後のレジストパターン図である。
【図２】レジストパターンのＳＥＭ写真とＡＦＭ写真である。（ａ）はＳＥＭ写真、（ｂ）はＡＦＭ写真である。
【図３】プローブによって剥離倒壊させたレジストパターンの側面のＳＥＭ写真とＡＦＭ写真である。（ａ）はＳＥＭ写真、（ｂ）はＡＦＭ写真である。
【図４】レジストパターン側面の表面形状と本発明で得られたパターン内の屈折率分布を示す説明図である。（ａ）はレジストパターン側面の表面形状、（ｂ）はレジストパターン内の屈折率分布である。
【図５】本発明により得られたレジスト膜内の屈折率分布を示す概略説明図である。
【図１】
2008203042.tif 000004
【図４】
2008203042.tif 000005
【図２】
2008203042.tif 000006
【図３】
2008203042.tif 000007
【図５】
2008203042.tif 000008