JP2003318096A - 光ビーム照射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型化した光ビーム照射装置を提供する。 【解決手段】 フォトレジスト膜が形成された基板９に
向かって光ビームを照射する光ビーム照射装置１におい
て、光ビームを出射する光源ユニット３は半導体レーザ
３１およびＬＤ温度制御部３２を有する。ＬＤ温度制御
部３２が半導体レーザ３１の温度を制御することにより
半導体レーザ３１は安定して光ビームを出射する。半導
体レーザ３１から出射された光ビームは光学系４を介し
て基板９に向かって照射され、基板９が保持されたステ
ージ２がステージ駆動部２１により移動して基板９上の
光ビームの照射位置が走査され、所望のパターンが描画
される。光源に半導体レーザ３１を用いることにより、
光ビーム照射装置１の小型化が実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、感光材料に光ビー
ムを照射する光ビーム照射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板やプリント基板、あるいは、
ＰＤＰ、ＬＣＤ、フォトマスク用のガラス基板等（以
下、「基板」という。）に形成されたフォトレジスト膜
に光ビームや電子ビームを走査させながら照射し、所望
のパターンを形成する技術が従来より知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、パター
ン描画用の光ビーム照射装置では、微細なパターンを描
くためにガスレーザや固体レーザ等の安定性の高いレー
ザが光源として用いられており、これらのレーザ光源は
大型であることから光ビーム照射装置も大型の装置とな
っている。電子ビームを照射する装置も同様に大掛かり
な装置構成となっている。

【０００４】また、近年、基板に形成されるパターンの
さらなる微細化が求められており、例えば、光ビーム照
射装置では、光源の発振波長の５倍以下のパターンの描
画精度（光ビームの照射位置を制御する最小単位であ
り、以下、「最小描画単位」という。）が要求されてい
る。

【０００５】本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
り、光ビームを感光材料に向けて照射する光ビーム照射
装置の小型化を目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、感光材料に光ビームを照射する光ビーム照射装置で
あって、波長が４５０ナノメートル以下の光ビームを出
射する半導体レーザを有する光源部と、前記光源部から
出射された光を感光材料に導く光学系と、感光材料上の
光ビームの照射位置を走査させる走査手段とを備える。

【０００７】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の光ビーム照射装置であって、前記半導体レーザの温度
を制御する温度制御手段をさらに備える。

【０００８】請求項３に記載の発明は、請求項１または
２に記載の光ビーム照射装置であって、前記光源部から
の光ビームを前記光学系が取り込む取込角が、前記光源
部から前記光学系へと向かう光ビームの広がり角の０．
２倍以上である。

【０００９】請求項４に記載の発明は、請求項１ないし
３のいずれかに記載の光ビーム照射装置であって、前記
光学系から感光材料へと向かう光ビームの集束角が、前
記光源部から前記光学系へと向かう光ビームの広がり角
の０．２倍以上である。

【００１０】請求項５に記載の発明は、請求項１ないし
４のいずれかに記載の光ビーム照射装置であって、感光
材料に照射される光ビームの光量を検出する光量検出部
と、前記光量検出部からの出力に基づいて前記半導体レ
ーザの出力光量を制御する駆動制御部とをさらに備え
る。

【００１１】請求項６に記載の発明は、請求項１ないし
５のいずれかに記載の光ビーム照射装置であって、感光
材料上の照射位置を検出する位置検出部と、前記位置検
出部からの出力に基づいて前記走査手段を制御する走査
制御部とをさらに備える。

【００１２】請求項７に記載の発明は、請求項１ないし
６のいずれかに記載の光ビーム照射装置であって、前記
光源部が複数の半導体レーザを有する。

【００１３】請求項８に記載の発明は、請求項１ないし
７のいずれかに記載の光ビーム照射装置であって、前記
走査手段が、光ビームを偏向させる偏向手段を有する。

【００１４】 ［発明の詳細な説明］

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施の形態
に係る光ビーム照射装置１の概略構成を示す図である。
光ビーム照射装置１は、フォトレジスト膜が形成された
半導体基板（以下、「基板」という。）９を保持するス
テージ２、光ビームを出射する光源ユニット３、光源ユ
ニット３から出射された光ビームを基板９に導く光学系
４、光源ユニット３および光学系４に対してステージ２
を相対的に移動させるステージ駆動部２１、並びに、光
源ユニット３およびステージ駆動部２１に接続された制
御部５を有する。

【００１５】光源ユニット３は波長が４００ｎｍの光ビ
ームを出射する半導体レーザ（ＬＤ）３１、半導体レー
ザ３１の温度を制御するＬＤ温度制御部３２、および、
半導体レーザ３１の出力を制御するＬＤ駆動制御部３３
を有する。ＬＤ温度制御部３２はファン、ペルチェ素子
および温度センサを有し、温度センサが検出する半導体
レーザ３１の温度に基づいてファンおよびペルチェ素子
が駆動され、半導体レーザ３１の温度が所定の設定温度
に対して±１℃以内に保たれる。これにより、環境温度
が大きく変化した場合であっても、出射される光ビーム
の波長の変動幅や後述する光ビームの広がり角の変動が
抑制され、半導体レーザ３１は安定して光ビームを出射
する。

【００１６】光学系４は、取込側および照射側のレンズ
群４１，４２を有し、光源ユニット３から出射された光
ビームはこれらのレンズ群４１，４２を介して集束され
つつ基板９へと導かれる。

【００１７】ステージ駆動部２１はステージ２を図１中
のＸ方向に移動させるＸ方向移動機構２２、および、Ｙ
方向に移動させるＹ方向移動機構２３を有する。Ｘ方向
移動機構２２はモータ２２１にボールねじ（図示省略）
が接続され、モータ２２１が回転することにより、Ｙ方
向移動機構２３がガイドレール２２２に沿って図１中の
Ｘ方向に移動する。Ｙ方向移動機構２３もＸ方向移動機
構２２と同様の構成となっており、モータ２３１が回転
するとボールねじ（図示省略）によりステージ２がガイ
ドレール２３２に沿ってＹ方向に移動する。

【００１８】光ビーム照射装置１による基板９への光ビ
ームの照射が行われる際には、制御部５が光源ユニット
３およびステージ駆動部２１を制御することにより、光
源ユニット３からの光ビームのＯＮ／ＯＦＦが制御され
るとともにステージ駆動部２１により基板９が移動す
る。これにより、基板９上の光ビームの照射位置が走査
され、基板９上に所望のパターンが描画される。

【００１９】基板９上に形成されたフォトレジスト膜
は、例えば、ビスアジド化合物を基本組成とする有機系
高分子であり、波長が４００ｎｍ前後の光ビームが照射
されることにより最も効率よく光架橋反応が引き起こさ
れる。光ビームによる描画後は、後工程において現像、
エッチング等が施されることにより、基板９上に所望の
レジストパターンが形成される。

【００２０】図２は光源ユニット３からの光ビームの広
がり角と光学系４との関係を説明するための図である。
図２（ａ）は光源ユニット３から光学系４へと向かう光
ビームの広がり角θ１、および、光源ユニット３からの
光ビームを光学系４が取り込む取込角θ２を示す図であ
り、図２（ｂ）は光学系４から基板９へと向かう光ビー
ムの集束角θ３を示している。

【００２１】図２（ａ）に示す広がり角θ１は、最大光
強度（単位立体角当たりの光量）に対して１／２以上の
光強度で光が出射される範囲がなす角（光軸Ｊ１に対し
て両側に広がる角度（いわゆる、半値全角））である。
ただし、光ビームの光量分布が光軸Ｊ１を中心として軸
対称でない場合には、光軸Ｊ１を含む任意の面における
広がり角のうち最大のものが広がり角θ１とされる。取
込角θ２は光軸Ｊ１を含む面において光源ユニット３か
らの光ビームのうち光学系４に取り込まれる範囲に相当
する角度（光ビームが軸対象でない場合には最大角）で
ある。また、図２（ｂ）に示すように、集束角θ３は光
軸Ｊ１を含む面において、集束される光ビームの集光点
への入射方向の範囲に相当する角度（光ビームが軸対象
でない場合には最大角）である。光ビーム照射装置１で
は、広がり角θ１が３０度、取込角θ２が１２度、集束
角θ３が１２度とされる。

【００２２】ここで、光ビーム照射装置１において広が
り角θ１、取込角θ２および集束角θ３が満たすべき条
件について説明する。温度制御が行われない半導体レー
ザでは、通常、温度の影響を受けて発光特性および光ビ
ームの広がり角θ１が変動する。例えば、通常の使用環
境として室温に対する±５℃程度の環境温度の変動を想
定した場合、環境温度の影響を受け易い半導体レーザで
は、広がり角θ１が±０．２％変化することがある。

【００２３】半導体レーザ３１の発光量（光強度）の出
射方向に対する分布は、通常、光軸Ｊ１方向で最大とな
り、光軸Ｊ１に対する角度が大きくなるにつれて小さく
なる。したがって、取り込まれる光量の変動の度合い
（相対的な変動）は取込角θ２が大きいほど小さくな
る。以上のことを考慮しつつ計測を行った結果、取込角
θ２を広がり角θ１の２０％以上とすることにより、通
常の環境温度の変化に対して光学系４に取り込まれる光
量の相対変動を１％以下に抑えられることが確認されて
いる。すなわち、光ビーム照射装置１では、（θ２≧
０．２×θ１）が満たされることが好ましい。

【００２４】一方、半導体レーザでは発光点の位置が発
振波長の１０％程度の距離だけ移動する現象が生じるた
め、パターン形成面（描画面）に発光点の移動が拡大投
影されることによる悪影響を考慮した設計が必要とな
る。光ビーム照射装置１では、最小描画単位の許容され
る変動は１０％以下であることから、最小描画単位がレ
ーザ光源の発振波長の５倍以下となる程度まで微細化を
図るには、半導体レーザ３１からの光ビームが５倍以下
の倍率で基板９に照射される必要がある。

【００２５】より具体的に説明すると、光ビームの波長
がλ（＝４００ｎｍ）であり、最小描画単位が５λ（＝
２μｍ）以下であるものとした場合、描画位置の許容さ
れる変動は０．５λ（＝０．２μｍ）以下であり、光ビ
ームの発光点の移動量は０．１λ（＝４０ｎｍ）とな
る。したがって、光学系４による拡大は５倍（＝０．５
λ／０．１λ）以下とされることが必要となる。なお、
光ビームの波長や最小描画単位は上記例に限定されるも
のではなく、実際の光ビーム照射装置１では最小描画単
位が１μｍ（波長の２．５倍であり、描画位置の許容さ
れる変動が０．１μｍ以下）とされる。

【００２６】また、光学系４による光ビームの拡大率は
経験的に取込角θ２と集束角θ３との比で近似すること
ができる。従って、光ビーム照射装置１では（θ２／θ
３≦５）、つまり、（θ３≧０．２×θ２）が満たされ
ることが好ましい。ここで、取込角θ２は広がり角θ１
と等しいとき最大となることから、（θ３≧０．２×θ
１）が満たされることにより、光ビーム照射装置１にお
いて最小描画単位の変動を１０％以下とする設計が可能
となる。

【００２７】光ビーム照射装置１では、既述のように広
がり角θ１が３０度、取込角θ２が１２度（＝０．４θ
１）、集束角θ３が１２度（＝０．４θ１）とされるこ
とから、これらの角度に関する上述の２つの条件が満た
されている。したがって、仮に半導体レーザ３１の温度
制御が行われないとしても、通常の室温レベルの環境温
度の変化であれば光ビーム照射装置１により許容範囲の
精度にて描画を行うことができる。

【００２８】以上に説明したように、光ビーム照射装置
１では半導体レーザ３１を用いることにより、ガスレー
ザや固体レーザと比較して光源ユニット３を小さくする
ことができ、さらに、半導体レーザ３１は直接変調可能
であることから外部変調器等も省略することができる。
その結果、光源ユニット３の小型化による装置の小型化
が実現される。

【００２９】また、光ビームの取込角θ２を広がり角θ
１の０．２倍以上とすることにより照射光量の相対変動
を抑えることができ、集束角θ３が広がり角θ１の０．
２倍以上とされることにより微細パターンの描画も可能
とされる。さらに、ＬＤ温度制御部３２を設けることに
より、半導体レーザ３１の温度変化を抑えることがで
き、一層安定した描画を行うことができる。

【００３０】図３は本発明の第２の実施の形態に係る光
ビーム照射装置１ａの概略構成を示す図である。図３に
示す光ビーム照射装置１ａは、光ビームの照射光量を検
出する光量検出部６１、および、光ビームの基板９上の
照射位置の変動をＰＳＤ素子により検出する位置検出部
６２が設けられ、光源ユニット３から光学系４ａに入射
した光ビームの一部が光量検出部６１および位置検出部
６２へと導かれるという点で第１の実施の形態と相違す
る。他の構成は第１の実施の形態と同様であり、同符号
を付している。

【００３１】光源ユニット３からの光ビームは、取込側
のレンズ群４１を介してビーム分岐ミラー４３へと導か
れ、ビーム分岐ミラー４３において一部が反射されてレ
ンズ４５を介して光量検出部６１へと入射する。ビーム
分岐ミラー４３を透過した光ビームは、ビーム分岐ミラ
ー４４へと向かい、ビーム分岐ミラー４４においてさら
に一部の光ビームが反射され、反射された光ビームはレ
ンズ４６を介して位置検出部６２に入射する。そして、
ビーム分岐ミラー４４を透過した光ビームは照射側のレ
ンズ群４２を介して基板９上へと集光される。

【００３２】光量検出部６１および位置検出部６２にお
いて検出された光ビームの光量および照射位置の変動は
リアルタイムで制御部５へと送信され、制御部５は光量
および照射位置の変動に基づいてＬＤ駆動制御部３３お
よびステージ駆動部２１に信号を送信する。信号を受信
したＬＤ駆動制御部３３は半導体レーザ３１を制御して
出力光量を補正し、ステージ駆動部２１は制御部５の信
号により照射位置の補正を行う。これにより、光ビーム
照射装置１ａでは、さらに安定して基板９上の所望位置
に一定光量の光ビームを照射することができる。

【００３３】なお、光量検出部６１または位置検出部６
２の少なくとも一方がステージ２上に設けられてもよ
い。その場合には、パターン描画前、または、パターン
描画中に光ビームが光量検出部６１または位置検出部６
２に照射されるようにステージ駆動部２１の制御が行わ
れる。

【００３４】図４は本発明の第３の実施の形態に係る光
ビーム照射装置１ｂの概略構成を示す図である。光ビー
ム照射装置１ｂでは、光源ユニット３ａが複数の半導体
レーザ３１を一列に配列して有する。複数の半導体レー
ザ３１から出射された光ビームは光学系４ｂに入射し、
光学系４ｂが有するレンズ群４７を介して基板９へと導
かれる。光ビーム照射装置１ｂの他の構成は図１と同様
である。

【００３５】光ビーム照射装置１ｂでは光源ユニット３
ａが複数の半導体レーザ３１から複数の光ビームを同時
に基板９上に照射することができ、高速にパターンを描
画することができる。なお、ＬＤ温度制御部３２は、各
半導体レーザ３１の温度を独立して制御してもよい。ま
た、複数の半導体レーザ３１は２次元に配列されてもよ
い。

【００３６】図５は本発明の第４の実施の形態に係る光
ビーム照射装置１ｃの概略構成を示す図である。光ビー
ム照射装置１ｃは光学系４ｃ内にポリゴンミラー６３を
有し、ポリゴンミラー６３は制御部５により制御される
モータ（図示省略）に接続される。光源ユニット３から
の光ビームは光学系４ｃのレンズ群４８を介してポリゴ
ンミラー６３へと向かい、回転するポリゴンミラー６３
により反射された光ビームは図５中のＸ方向に走査され
つつ走査レンズ群４９を介して基板９へと導かれる。こ
のとき、基板９はステージ駆動部２１により図５中のＹ
方向へと移動する。そして、制御部５がポリゴンミラー
６３のモータ、光源ユニット３およびステージ駆動部２
１を同期させることにより、基板９上の光ビームの照射
位置がＸおよびＹ方向に走査され、光ビーム照射装置１
ｃは高速にパターンの描画を行う。

【００３７】なお、光ビームに対する偏向器としてポリ
ゴンミラー６３以外のものが利用されてもよく、例え
ば、ガルバノミラーや音響光学偏向素子等が利用可能で
ある。さらに、図５中のＸ方向に光ビームを走査させる
偏向器と、Ｙ方向に走査させる偏向器とを組み合わせ
て、ＸおよびＹ方向の走査が偏向器のみにより高速に行
われてもよい。また、図５の光ビーム照射装置１ｃにお
いて、半導体レーザ３１が複数設けられてもよい。これ
により、さらに高速にパターンの描画を行うことができ
る。

【００３８】以上、本発明の実施の形態について説明し
てきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるもので
はなく様々な変形が可能である。

【００３９】光源ユニットおよび光学系とステージ２と
は相対的に移動すればよく、例えば、ステージ２が固定
され、光源ユニットおよび光学系が移動してもよい。

【００４０】上記実施の形態では、波長が４００ｎｍの
光ビームを出射する半導体レーザ３１が光源ユニットに
設けられるが、波長が４５０ｎｍ以下の光ビームを出射
する半導体レーザであれば精緻なパターン形成が可能な
有機高分子系の感光材料に利用することができる。

【００４１】ＬＤ温度制御部３２は必ずしもファン、ペ
ルチェ素子および温度センサにより構成される必要はな
く、例えば、チラーユニットと温度センサにより温度制
御が行われてもよい。

【００４２】光量検出部６１および位置検出部６２は１
つのデバイスとされてもよい。例えば、２次元の撮像デ
バイスにより、光量および照射位置の検出が同時に行わ
れてもよい。

【００４３】上記実施の形態では、フォトレジスト膜を
有する半導体基板に対してパターンの描画が行われる
が、ＰＤＰ、ＬＣＤ、有機ＥＬディスプレイ、フォトマ
スク等に用いられるガラス基板、プリント基板等に形成
された感光材料に対して光ビーム照射装置による描画が
行われてもよい。

【００４４】

【発明の効果】請求項１ないし８の発明では、光ビーム
照射装置を小型化することができる。

【００４５】また、請求項２ないし６の発明では、安定
して光ビームを出射することができる。

【００４６】また、請求項７および８の発明では、高速
にパターンの描画を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係る光ビーム照射装置の概
略構成を示す図である。

【図２】（ａ）および（ｂ）は、光源ユニットからの光
ビームの広がり角と光学系との関係を説明するための図
である。

【図３】第２の実施の形態に係る光ビーム照射装置の概
略構成を示す図である。

【図４】第３の実施の形態に係る光ビーム照射装置の概
略構成を示す図である。

【図５】第４の実施の形態に係る光ビーム照射装置の概
略構成を示す図である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ 光ビーム照射装置 ３，３ａ 光源ユニット ４，４ａ，４ｂ，４ｃ 光学系 ５ 制御部 ９ 基板 ２１ ステージ駆動部 ３１ 半導体レーザ ３２ ＬＤ温度制御部 ３３ ＬＤ駆動制御部 ６１ 光量検出部 ６２ 位置検出部 ６３ ポリゴンミラー θ１ 広がり角 θ２ 取込角 θ３ 集束角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秩父 孝夫 京都府京都市上京区堀川通寺之内上る４丁 目天神北町１番地の１ 大日本スクリーン 製造株式会社内 (72)発明者 水端 稔 京都府京都市上京区堀川通寺之内上る４丁 目天神北町１番地の１ 大日本スクリーン 製造株式会社内 Ｆターム(参考） 2H045 BA02 BA22 CA88 DA31 2H097 AA03 BA02 BB01 BB03 CA17 FA02 KA18 LA10 5F046 BA07 CA03 CB02 DA26 DC01

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 感光材料に光ビームを照射する光ビーム
   照射装置であって、 波長が４５０ナノメートル以下の光ビームを出射する半
   導体レーザを有する光源部と、 前記光源部から出射された光を感光材料に導く光学系
   と、 感光材料上の光ビームの照射位置を走査させる走査手段
   と、を備えることを特徴とする光ビーム照射装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光ビーム照射装置であ
   って、 前記半導体レーザの温度を制御する温度制御手段をさら
   に備えることを特徴とする光ビーム照射装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の光ビーム照射
   装置であって、 前記光源部からの光ビームを前記光学系が取り込む取込
   角が、前記光源部から前記光学系へと向かう光ビームの
   広がり角の０．２倍以上であることを特徴とする光ビー
   ム照射装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の光
   ビーム照射装置であって、 前記光学系から感光材料へと向かう光ビームの集束角
   が、前記光源部から前記光学系へと向かう光ビームの広
   がり角の０．２倍以上であることを特徴とする光ビーム
   照射装置。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかに記載の光
   ビーム照射装置であって、 感光材料に照射される光ビームの光量を検出する光量検
   出部と、 前記光量検出部からの出力に基づいて前記半導体レーザ
   の出力光量を制御する駆動制御部と、をさらに備えるこ
   とを特徴とする光ビーム照射装置。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかに記載の光
   ビーム照射装置であって、 感光材料上の照射位置を検出する位置検出部と、 前記位置検出部からの出力に基づいて前記走査手段を制
   御する走査制御部と、をさらに備えることを特徴とする
   光ビーム照射装置。
7. 【請求項７】 請求項１ないし６のいずれかに記載の光
   ビーム照射装置であって、 前記光源部が複数の半導体レーザを有することを特徴と
   する光ビーム照射装置。
8. 【請求項８】 請求項１ないし７のいずれかに記載の光
   ビーム照射装置であって、 前記走査手段が、光ビームを偏向させる偏向手段を有す
   ることを特徴とする光ビーム照射装置。