JP2002208558A

JP2002208558A - レーザ描画装置

Info

Publication number: JP2002208558A
Application number: JP2001004652A
Authority: JP
Inventors: Masanori Suzuki; 雅則鈴木; Hirobumi Morita; 博文森田; Akinori Shibayama; 昭則柴山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-01-12
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2002-07-26

Abstract

(57)【要約】【課題】光ファイバからの光強度分布に依存せず、より
解像度の高いパタン描画を可能とする。【解決手段】パタンを有するマスク２と、マスク２を描
画用レーザ光により照明する描画用レーザ光源５２と、
マスク２のパタン像を描画用基板６５に結像投影する投
影光学系４と、描画用基板６５を保持し、描画用基板６
５を移動させる基板保持移動機構６６と、制御システム
５とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ描画装置に係
り、特に、半導体ウェハ、半導体装置（ＡＳＩＣ(Appli
cation Specific IC)）、半導体装置製造用フォトマス
ク、ハードディスクドライブ用薄膜ヘッド、液晶ディス
プレイ、マイクロマシン、光導波路などを微細加工する
際に、フォトレジスト膜を塗布した基板上に微細パタン
を直接描画するためのレーザ描画装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】エレクトロニクス、オプトエレクトロニ
クス、メカトロニクスなどの分野では、微細加工プロセ
スによる集積化技術の開発が重要課題となっている。

【０００３】この種の微細加工プロセスによってサブミ
クロンオーダの半導体デバイス用フォトマスクを作成す
る装置として、電子ビーム装置が従来から用いられてい
る。

【０００４】ところが、この電子ビーム装置は、真空チ
ャンバを必要とし、しかも大容量の電源装置を必要とす
るため、装置の大型化、高価格化を招いている。

【０００５】加えて、真空中で描画を行う必要上、描画
面積が小さいという課題があり、また、保守点検が煩雑
であるという課題もある。

【０００６】このため、近年では、描画精度はやや低下
するものの、大気中での動作が可能で、しかも、操作性
に優れ、比較的安価で、描画面積が大きいという特長を
有し、線幅が数ミクロンオーダのパタンをマスクを用い
ないで比較的容易に直接描画することが可能なレーザ描
画装置が、電子ビーム装置に代わって用いられ始めてい
る。

【０００７】図５は、従来のレーザ描画装置の構成を示
す図である。

【０００８】５２は描画用（すなわち、露光用）レーザ
光源、５１は制御システム、５３は音響光学変調器、５
４、５６、５９はレンズ、５５は光ファイバ、５７は偏
光ビームスプリッタ、５８は焦点合わせ用レーザ光源、
６０は１／２波長板、６１はビームスプリッタ、６２は
焦点合わせ光学系、６３はフォトダイオード、６４は対
物レンズ、６５は描画用基板（すなわち、感光基板）、
６６は基板保持移動機構である。

【０００９】図５に示すように、従来のレーザ描画装置
は、パターニングの際に各種制御を実行する制御システ
ム５１と、例えば波長が４４１．６ｎｍで光出力１０ｍ
ＷＣＷのヘリウム・カドミウムレーザ光を出力する描画
用レーザ光源５２と、レーザ光の光強度を変調するため
の音響光学変調器５３と、レーザ光を集光させるレンズ
５４と、入射したレーザ光を導光する光ファイバ５５
と、光ファイバ５５からの出射光を平行光に変換するレ
ンズ５６と、偏光ビームスプリッタ５７、焦点合わせ用
レーザ光源５８、レンズ５９、１／２波長板６０、ビー
ムスプリッタ６１、焦点合わせ光学系６２、フォトダイ
オード６３、対物レンズ６４、描画用基板６５、基板保
持移動機構６６を備えて構成されている。

【００１０】一般的に、パタン線幅の解像度は、描画用
レーザ光源５２の波長をλとし、対物レンズ６４の開口
数をＮＡとすれば、ｋ・λ／ＮＡと表すことができる。
この場合、ｋは比例定数であり、パタン線幅は描画レー
ザ光源５２の波長λに比例するので、波長λが短いほど
描画可能なパタン線幅は細くなる。また、パタン線幅は
開口数ＮＡに反比例するので、開口数ＮＡが大きいほど
描画可能なパタン線幅は細くなる。さらに、フォトレジ
スト膜の膜厚や描画速度によってもパタン線幅は変化す
る。したがって、所望のパタン線幅でパターニングする
ためには、上記の波長λ、開口数ＮＡ、フォトレジスト
膜厚、描画速度などの描画パラメータについて最も適し
た値に定める必要がある。

【００１１】従来は、描画用レーザ光源５２としてのヘ
リウム・カドミウムレーザの波長λについては、予め固
定的な定数とすることができるため、他の描画パラメー
タについて、パターニング対象基板毎に予備的にパター
ニングを何度か試行し、所望のパタン線幅に最も近いパ
タン線幅で描画されたときの描画パラメータに決定す
る。次いで、この決定した描画パラメータを制御システ
ム５１に入力すると共に、必要に応じて各部を調整す
る。この後、制御システム５１によって音響光学変調器
５３の出力光量を制御することにより、ヘリウム・カド
ミウムレーザのレーザ光源５２から出力されたレーザ光
は、音響光学変調器５３によって所定光量になるように
光量が制御される。一方、音響光学変調器５３から出力
されたレーザ光は、レンズ５４により集光されて光ファ
イバ５５に入射する。この後、レーザ光は光ファイバ５
５によって所望の位置に導かれ、光ファイバ５５からの
出射光はレンズ５６によって平行光に変換され、偏光ビ
ームスプリッタ５７、ビームスプリッタ６１を介して対
物レンズ６４まで導かれ、対物レンズ６４によって集光
された後、描画用基板６５上に塗布されたフォトレジス
ト膜を照射することにより感光させる。この場合、制御
システム５１は描画パタンデータに基づいて基板保持移
動機構６６をＸおよびＹ方向に移動制御する。この結
果、レーザ光によって所定の軌跡が描かれることによ
り、パターニングが行われている。

【００１２】焦点合わせ用レーザ光源５８は、例えば波
長が６５０ｎｍの赤色レーザ光を出力するのものであっ
て、この赤色レーザ光は、レンズ５９によって平行光に
変換され、１／２波長板６０によって赤色レーザ光の偏
波面を調整することにより、偏光ビームスプリッタ５７
によって赤色レーザ光が全反射されるように制御する。
偏光ビームスプリッタ５７は、描画用レーザ光の一部を
フォトダイオード６３側に反射させると共に、大部分を
ビームスプリッタ６１側に透過させ、かつ、焦点合わせ
用レーザ光源５８から出力された赤色レーザ光をビーム
スプリッタ６１側に反射させる。ビームスプリッタ６１
は、両レーザ光を対物レンズ６４側に透過させると共
に、描画用基板６５の表面で反射された赤色レーザ光を
焦点合わせ光学系６２側に反射させる。

【００１３】焦点合わせ光学系６２では、反射された赤
色レーザ光を光電変換し、反射光の強度変化を検出し
て、描画用基板６５のＺ方向の位置情報として制御シス
テム５１に送る。

【００１４】対物レンズ６４は、導光されて入力した描
画用レーザ光と焦点合わせ用レーザ光を集光し、集光し
た両レーザ光を基板保持移動機構６６上に搭載、保持さ
れている描画用基板６５に照射する。なお、対物レンズ
６４は両レーザ光の波長の違いによる焦点位置のずれを
防止するために例えばアクロマティックレンズによって
構成されている。

【００１５】基板保持移動機構６６は、図示されないス
テッピングモータがそれぞれの内部に配設されたＺステ
ージ、Ｙステージ、およびＸステージを備えている。こ
こで、Ｚステージは、パターニングの際に、制御システ
ム５１の制御に従ってステッピングモータが駆動させら
れることにより、描画用基板６５のフォトレジスト膜面
に対物レンズ６４の焦点が位置するように上下動させら
れる。

【００１６】フォトダイオード６３は、偏光ビームスプ
リッタ５７によって反射されて入力した描画用レーザ光
を光電変換することによりレベル制御用信号を生成し、
制御システム５１に出力する。この場合、制御システム
５１は、入力したレベル制御用信号の値が所定値になる
ように音響光学変調器５３に制御信号を出力する。これ
により、描画用レーザ光の光量を一定値に制御するため
のフィードバックループが形成される結果、描画光量は
常に安定に維持される。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
光ファイバ５５からの出射光を描画用基板６５上に結像
する従来のレーザ描画装置では、光ファイバ５５からの
出射光は、コア径に依存した光強度分布を有しているた
めに、描画用基板６５上には光強度分布の影響がそのま
ま転写されるので、コントラストを十分にとることが難
しく、細かいパタンを描画しようとした場合に限界があ
るという課題があった。

【００１８】また、解像度限界に比較して大きなパタン
を描画しようとした場合、パタンが大きくなればなるほ
どいわゆる塗りつぶしに時間を要し、パタン描画時間が
増大してマスクなどの生産性に支障を来すという課題が
あった。

【００１９】本発明は、上記のような従来技術の問題に
鑑み創案されたもので、その目的は、対物レンズの開口
数ＮＡ、描画用レーザ光の波長λに対し、微細パタンを
形成したマスクを投影露光する光学系の構成を用いるこ
とにより、光ファイバからの光強度分布に依存せず、よ
り解像度の高いパタン描画を可能としたレーザ描画装置
を提供することにある。

【００２０】さらに、本発明の別の目的は、投影露光す
るマスクのパタンを変えることにより、大きいパタン像
を描画用基板上に投影することも可能とし、大きいパタ
ンの描画を高速に処理することができ、描画時間を短縮
し、生産性の高いレーザ描画装置を提供することにあ
る。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のレーザ描画装置は、パタンを有するマスク
と、前記マスクを描画用レーザ光により照明する照明手
段と、前記マスクの前記レーザ光によるパタン像を描画
用基板に結像投影する投影光学手段と、前記描画用基板
を保持する基板保持手段と、前記描画用基板を前記レー
ザ光に対して相対的に移動させる基板移動手段とを備え
たことを特徴とする。この構成により、描画用基板上に
マスクのパタンを結像投影露光することによって、光フ
ァイバからの光強度分布に依存せず、より解像度の高い
パタン描画が可能となる。

【００２２】また、前記レーザ光の光強度を均一にする
均一照明光学手段をさらに備えたことを特徴とする。こ
の構成により、均一照明光学手段を用いてマスクを照明
するレーザ光の光強度を均一にし、結像投影されるパタ
ンの露光むらを無くして精度良くパタンの描画を行うこ
とができる。

【００２３】また、前記マスクとして位相シフトマスク
を用いたことを特徴とする。この構成により、露光強度
のコントラストが向上し、高解像度のパタンを精度良く
投影露光することができる。

【００２４】また、前記投影光学手段中に絞りをさらに
備えたことを特徴とする。この構成により、高解像度の
パタンを精度良く投影露光することができる。

【００２５】さらに、前記マスクが複数種のパタンを有
し、かつ、前記マスクを前記レーザ光に対して相対的に
移動させるマスク移動手段をさらに備えたことを特徴と
する。この構成により、マスク移動手段によってマスク
を移動し、マスク上の異なるパタンを照明することによ
り、結像投影されるパタンを変更して描画時間の短縮を
図ることができる。

【００２６】このように、本発明では、マスクを用いた
投影光学手段によって、微細パタンの露光、すなわち、
微細パタンの描画が可能となる。また、マスクパタンを
変えることにより、投影露光されるパタンの大きさを自
由に変えることが可能となり、細かいパタンと大きいパ
タンを描画に際して使い分けることにより、高速・高精
度のレーザ描画装置を実現することが可能となる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図１ないし図４を用いて本
発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下
で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を
付け、その繰り返しの説明は省略する。

【００２８】図１は、本発明の実施の形態のレーザ描画
装置の構成を示す図である。

【００２９】図１において、１は均一照明光学系、２は
パタンを有する透過−不透過マスク（または位相シフト
マスク）、３はマスク保持移動ステージ、６５は描画用
基板（すなわち、感光基板）、４はマスク２と描画用基
板６５との間に配置された投影光学系、５はステージ制
御機構を含む制御システム、５２は描画用（すなわち、
露光用）レーザ光源、５３は音響光学変調器（ＡＯＭ：
Acoustic Optical Modulator）、５４、５６、５９はレ
ンズ、５５は光ファイバ、５７は偏光ビームスプリッ
タ、５８は焦点合わせ用レーザ光源、６０は１／２波長
板、６１はビームスプリッタ、６２は焦点合わせ光学
系、６３はフォトダイオード、６４は対物レンズ、６６
は基板保持移動機構である。

【００３０】光ファイバ５５によって所望の位置に導か
れ、光ファイバ５５から出射される出射光は、レンズ５
６によって平行光に変換され、偏光ビームスプリッタ５
７、ビームスプリッタ６１を介して均一照明光学系１に
入射し、レーザビーム径内での光強度が均一に補正さ
れ、マスク２に形成されたパタンを照射する。マスク２
と描画用基板６５上に塗布されたフォトレジスト膜表面
とは投影光学系４により結像関係にあり、マスク２上の
パタンはフォトレジスト膜表面に投影露光される。ここ
で、例えば１０倍の縮小投影露光光学系を用いれば、マ
スクパタンは１／１０に縮小されてフォトレジスト膜表
面に投影露光される。また、７０μｍの正方形パタンを
縮小投影するためには、マスクパタンの大きさは７００
μｍの正方形パタンとなり、均一照明光学系１により均
一化されるレーザビームの直径は、約１ｍｍあれば良
い。

【００３１】図２は、図１のレーザ描画装置におけるレ
ーザ描画の模式図である。

【００３２】６７は縮小投影像、６８は描画パタンであ
る。

【００３３】図２に示すように、縮小されたマスクパタ
ンの投影露光と、図１の制御システム５による描画パタ
ンデータに基づいた基板保持移動機構６６のＸおよびＹ
方向の移動制御とにより所望のパタンがレーザ描画され
る。図２では、模式的にステップ送りしてパタンを描画
するように示してあるが、露光光強度と基板保持移動機
構６６のステージ移動速度を最適化してステージの連続
移動によるレーザ描画も可能なことはもちろんである。

【００３４】図３（ａ）、（ｂ）は、細かいパタンと大
きいパタンとが混在した場合のレーザ描画の様子を示す
図であり、（ａ）は細かいパタンの描画例、（ｂ）は大
きいパタンの描画例を示す。

【００３５】（ａ）、（ｂ）において、６９は図１の均
一照明光学系１からの均一照明光、Ａは細かいパタン、
Ｂは大きいパタンである。

【００３６】（ａ）に示すように、マスク２上に形成さ
れた細かいパタンＡについて、図１のマスク保持移動ス
テージ３を動かして、パタンＡを均一照明領域に設定す
ることにより、細かいパタンのレーザ描画を行う。一
方、（ｂ）に示すように、マスク２上に形成された大き
いパタンＢについて、マスク保持移動ステージ３を動か
して、パタンＢを均一照明領域に設定することにより、
大きいパタンのレーザ描画を行う。パタンＡとパタンＢ
との使い分けは、描画パタンデータに基づいて制御シス
テム５により行われる。この場合、パタンの大きさによ
り、露光光強度と基板保持移動機構６６のステージ速度
が最適化されてレーザ描画される。パタンＡとパタンＢ
との使い分けは、制御システム５により自動的に切り替
えて制御する他に、手動で切り替えて描画することも可
能である。

【００３７】また、フォトリソグラフィで適用されてい
る技術として、例えば、マスクパタンとして位相シフト
マスクを用いたり、投影光学系として絞りを組み込んだ
斜入射露光を適用したり、あるいはこれらの組み合わせ
技術を適用することにより高解像度のパタン描画が可能
である。

【００３８】図４は本発明の別の実施の形態のレーザ描
画装置における投影光学系４の構成を示す図である。本
実施の形態では、投影光学系４に絞り６を組み込んだ例
を示す。

【００３９】図４において、マスク２には投影露光する
パタンが形成されており、このパタンは、少なくとも像
側がテレセントリックな投影光学系４を介して描画用基
板６５上に投影され、露光転写される。レーザ光は例え
ば均一照明光学系１によりマスク２上のパタンを均一な
露光強度分布で照明する。マスク２のパタンを透過、回
折したレーザ光束は、投影光学系４により結像され、描
画用基板６５上にパタン像を形成する。投影光学系４の
中の瞳面、すなわち、マスク２に対する光学的フーリエ
変換面、またはその近傍に絞り６を挿入することによ
り、高解像のパタン露光が可能である。絞り６は通常の
絞りの他に輪帯状の絞りを用いても良い。

【００４０】以上のように、上記実施の形態のレーザ描
画装置は、パタン（図３に示すようなパタンＡ、Ｂ）を
有するマスク２と、マスク２を描画用レーザ光により照
明する照明手段（描画用レーザ光源５２、レンズ５４、
５６、光ファイバ５５等）と、マスク２のレーザ光によ
るパタン像を描画用基板６５に結像投影する投影光学手
段（投影光学系４）と、描画用基板６５を保持する基板
保持手段（基板保持移動機構６６）と、描画用基板６５
をレーザ光に対して相対的に移動させる基板移動手段
（基板保持移動機構６６、制御システム５）とを備えて
いる。この構成により、描画用基板６５上にマスク２の
パタン（図３のパタンＡ、Ｂ）を結像投影露光すること
によって、光ファイバ５５からの光強度分布に依存せ
ず、より解像度の高いパタン描画が可能となる。

【００４１】また、レーザ光の光強度を均一にする均一
照明光学手段（均一照明光学系１）を備えている。この
構成により、均一照明光学系１を用いてマスク２を照明
するレーザ光の光強度を均一にし、結像投影されるパタ
ンの露光むらを無くして精度良くパタンの描画を行うこ
とができる。例えば、描画用基板６５上で直径１００μ
ｍの円に含まれる１００μｍ以下の大きさに縮小投影さ
れる微細パタンを精度良く描画することができる。

【００４２】また、マスク２として位相シフトマスクを
用いることにより、露光強度のコントラストが向上し、
高解像度のパタンを精度良く投影露光することができ
る。

【００４３】また、図４に示したように、投影光学手段
（投影光学系４）中に絞り６を挿入することにより、高
解像度のパタンを精度良く投影露光することができる。

【００４４】さらに、図３（ａ）、（ｂ）に示したよう
に、マスク２が寸法（または形状でもよい）の異なる複
数種のパタン（例えば細かいパタンＡと大きいパタン
Ｂ）を有し、かつ、マスク２をレーザ光に対して相対的
に移動させるマスク移動手段（マスク保持移動機構３、
制御システム５）を備えている。この構成により、この
マスク移動手段によってマスクを移動し、マスク２上の
異なるパタンＡ、Ｂを照明することにより、結像投影さ
れるパタンを変更して描画時間の短縮を図ることができ
る。

【００４５】このように、上記実施の形態では、マスク
２を用いた投影光学系４により、光ファイバからの光強
度分布に依存せず、より解像度の高い微細パタンの露
光、すなわち、微細パタンの描画が可能となる。また、
マスクパタンを変えることにより、投影露光されるパタ
ンの大きさを自由に変えることが可能となり、細かいパ
タンＡと大きいパタンＢを描画に際して使い分けること
により、大きいパタンでの描画時間を大幅に短縮でき、
高速・高精度のレーザ描画が可能となる。また、狭い領
域を均一に縮小投影する光学系であるため、一括で大面
積の決まったパタンを投影露光するフォトステッパに用
いられているような高価な大口径縮小投影レンズや位置
歪みの小さい高精度レチクルは必要でなく経済的な効果
も大きい。

【００４６】以上本発明を実施の形態に基づいて具体的
に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変
更可能であることは勿論である。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光ファイバからの光強度分布に依存せず、より解像度の
高いパタン描画を可能としたレーザ描画装置を提供する
ことができる。また、投影露光するマスクのパタンを変
えることにより、大きいパタン像を描画用基板上に投影
することも可能とし、大きいパタンの描画を高速に処理
することができ、描画時間を短縮し、生産性の高いレー
ザ描画装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態のレーザ描画装置の構成を
示す図である。

【図２】図１のレーザ描画装置におけるレーザ描画の模
式図である。

【図３】図１のレーザ描画装置において、細かいパタン
と大きいパタンとが混在した場合のレーザ描画の様子を
示す図であり、（ａ）は細かいパタンの描画例、（ｂ）
は大きいパタンの描画例を示す。

【図４】本発明の別の実施の形態のレーザ描画装置にお
ける投影光学系の構成を示す図である。

【図５】従来のレーザ描画装置の構成を示す図である。

【符号の説明】

１…均一照明光学系、２…マスク、３…マスク保持移動
ステージ、４…投影光学系、５、５１…制御システム、
６…絞り、５２…描画用レーザ光源、５３…音響光学変
調器、５４、５６、５９…レンズ、５５…光ファイバ、
５７…偏光ビームスプリッタ、５８…焦点合わせ用レー
ザ光源、６０…１／２波長板、６１…ビームスプリッ
タ、６２…焦点合わせ光学系、６３…フォトダイオー
ド、６４…対物レンズ、６５…描画用基板、６６…基板
保持移動機構、６７…縮小投影像、６８…描画パタン、
６９…均一照明光、Ａ…細かいパタン、Ｂ…大きいパタ
ン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者柴山昭則東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 2H097 CA17 LA10 4E068 AB00 CD10 CE04 DA11 5F046 AA25 BA04 BA07 BA08 CA03 CB04 CB17 CB23 CB25 CC01 CC02 CC03 CD02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パタンを有するマスクと、前記マスクを描画用レーザ光により照明する照明手段
と、前記マスクの前記レーザ光によるパタン像を描画用基板
に結像投影する投影光学手段と、前記描画用基板を保持する基板保持手段と、前記描画用基板を前記レーザ光に対して相対的に移動さ
せる基板移動手段とを備えたことを特徴とするレーザ描
画装置。
【請求項２】前記レーザ光の光強度を均一にする均一照
明光学手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１記
載のレーザ描画装置。
【請求項３】前記マスクとして位相シフトマスクを用い
たことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ描画
装置。
【請求項４】前記投影光学手段中に絞りをさらに備えた
ことを特徴とする請求項１、２または３記載のレーザ描
画装置。
【請求項５】前記マスクが複数種のパタンを有し、か
つ、前記マスクを前記レーザ光に対して相対的に移動さ
せるマスク移動手段をさらに備えたことを特徴とする請
求項１、２、３または４記載のレーザ描画装置。