(57)【特許請求の範囲】
【請求項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近接場光によるパターン形成方法。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項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、
（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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【発明の詳細な説明】
【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  ＴＨＥ  ＴＲＣ  ＮＥＷＳ  Ｎｏ．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：Ｏｐｔｉｃｓ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  １８３，ｐｐ３３３−３３６（２０００）、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，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（ｄｅｎｓｅ  ｐａｒａｌｌｅｌ  ｒａｙ）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
６    ＰＺＴ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）
１０    ＰＺＴスキャナー
１１    制御器
１２    ＰＣ（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
【図１】
0003859991.tif 000002
【図２】
0003859991.tif 000003
【図３】
0003859991.tif 000004
【図４】
0003859991.tif 000005
【図５】
0003859991.tif 000006
【図６】
0003859991.tif 000007