JP2003347242A - レーザ加工方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
方法において、欠陥を除去した部分の基板に掘れこみが
起こり、加工品質を低下させる問題を解決することが課
題であった。 【解決手段】フォトマスクの残留欠陥をレーザ加工法に
よって除去するレーザ加工方法において、被加工面を下
向きにして、下方からレーザ光を照射する構成として、
ハロゲン化炭化水素ガス(一例として沃化エチルガス)
を含む雰囲気中でレーザ光を照射して、残留欠陥の除去
を行う。
Description
液晶基板等のパタ−ン欠陥を修正するレーザ加工装置に
関する。
欠陥を修正するレーザ加工装置の従来技術に関しては、
特開2002−62637に被加工面を下向きにした状
態でレーザ光を照射し、レーザ蒸散法により基板上の欠
陥を除去するレーザ修正方法が報告されている。この方
法においては、レーザ照射観察光学系の解像度の劣化を
起こすことなく、蒸散により生じた微粒子が基板に重力
により落下させることにより、高精度なパターン形成
と、基板への微粒子の再付着を最小限に抑えることがで
きることが報告されている。また、特開平1−5021
49には、同心円状のドーナッツ状のガス吹き出し口と
吸い込み口を設けた局所的なガスウインドウ部を設け、
これにより、ガスの切り替え並びにガスの吹き出しと吸
い込みの方向を切り替えることを可能にし、レーザCV
Dによるパターン膜形成と、レーザ蒸散法によるパター
ン膜の除去の両方の工程を1台の装置で行うことができ
るレーザ加工装置が報告されている。
レーザ蒸散法を用いるレーザ修正方法では、除去すべき
パターン膜の温度をレーザ照射によって瞬間的に数千度
の高温にする必要があることから、除去するパターン膜
が密着している基板(例えば石英)面が掘れてしまう欠
点があった。例えば、半導体用Crマスクの場合、レー
ザパワーやパルス幅などの加工条件を最適化しても、深
さ10nm程度の「掘れこみ」が生じ、実際の露光工程
において、この掘れこみによって光位相の変化が生じ、
この影響によって、現像するパターン幅が所定値になら
ない場合があるなどの問題点を生じていた。また、掘れ
こみを減らすために、レーザパワーを最適条件より弱く
すると、加工部のエッジ形状の直線性が低下するなど、
加工エッジ形状と、掘れこみの特性にトレードオフが生
じてしまう問題点があった。これらの問題を解決するた
めに、エッチングガス雰囲気中でレーザ光を照射して、
パターンをエッチング除去する方法が望まれていたが、
化学的にも熱的にも耐久性の高いCrを通常パターン材
料として用いるフォトマスクでは、取り扱いの容易さ、
十分な反応速度、蒸気圧の高い反応生成物を作ることが
できる等の修正用途に必要な特性を有する適当なエッチ
ングガスが提案されていなかった。
形成するためには、レーザ照射部を中心として同心円状
で中心対称に吸い込み口と吹き出し口が設けられた局所
的なガスウインドウ部を使う必要がある。しかしなが
ら、通常1mm程度しかない対物レンズの作動距離から
決まる厚みの範囲にガスウインドウ部内に、レーザ照射
部を中心として同心円状に2重のガス流路を構成するこ
とがきわめて困難で、ガスウインドウ部の製作コストが
高くかつ組み立ての歩留まりも低いこと、さらに解像度
の高い短作動距離の対物レンズでは作動距離の制限のた
めにガスウインドウ部を製作できなくなるため、高精度
の加工装置には適用できない問題点があった。さらに、
同心円状の吹き出し、吸い込みポートを用いる場合に
は、加工部の原料濃度を高めるためや、加工部で発生す
る微粒子の基板への付着を低減するために、細いノズル
からの原料ガスの吹き出しなどによって、レーザ照射部
の原料ガス流速を高めると、流れの吹き出す方向の同心
円状のガス吸い込み口や吹き出し口のシールド効果が破
れ、原料ガスの周囲へのリークや、空気の混入などの問
題が起こる欠点があった。
ものであって、その目的とするところは、基板の変形を
来すことなく低いレーザパワーで欠陥を加工除去するこ
とができる新たなエッチングガスと、このエッチング原
料ガス雰囲気を加工する基板表面に局所的にかつ効果的
に形成するためのガスシールド機能をもったガスウイン
ドウを備えた、白欠陥並びに黒欠陥いずれか又は両方の
修正が可能なレーザ加工方法並びに装置を提供すること
にある。
め、本発明は、原料ガス雰囲気中でレーザ光を基板に照
射して、基板上の所望部分を除去するレーザ加工方法に
おいて、原料ガスにハロゲン化炭化水素を含有するガス
を用いてレーザ光を照射することを特徴とするレーザ加
工方法、さらに、基板の被加工面を下方にしたことを特
徴とするレーザ加工方法を提供する。また、ハロゲン化
炭化水素が、沃素、塩素、臭素のいずれか一つのハロゲ
ン基と、メチル基、エチル基、プロパン基のいずれか1
つの炭化水素基とが結合した化合物であることを特徴と
する。また、基板が、クロムマスク基板であることを特
徴とする。また別の本発明は、レーザ光の照射及びX−
Yステージ上に保持する基板上の被加工部の光学的観察
を行うレーザ照射観察系と、基板上の被加工面と接触す
ることなく被加工面との間に微小な間隙を形成した状態
で、被加工部に局所的なエッチング原料ガス雰囲気もし
くはCVD原料ガス雰囲気を形成するガスウインドウ部
と、原料ガスをガスウインドウ部に供給し、ガスウイン
ドウから排気する原料供給排気ユニットを備えたチャン
バレスのレーザ加工装置であって、基板は、被加工面が
下向きに配置され、レーザ照射観察光学系は、基板の所
望部位への光学的観察とレーザ光の照射を下方から行う
ように配設され、ガスウインドウ部は、基板上の被加工
部であるレーザ光照射位置に原料ガスを吹き付けるノズ
ルと、水平面内でレーザ照射部を挟んでノズルと対称な
位置に開口の中心を有する三日月状の吸い込み口と、吸
い込み口に近い開口部分でのパージガスの吹き出し量
が、ノズルに遠い開口部分でのパージガスの吹き出し量
より大きくなるよう開口幅を変化させたドーナッツ状の
パージガス吹き出し口を備え、たことを特徴とするレー
ザ加工装置を提供する。さらに別の本発明は、レーザ光
の照射及びX−Yステージ上に保持する基板上の被加工
部の光学的観察を行うレーザ照射観察系と、基板上の被
加工面と接触することなく被加工面との間に微小な間隙
を形成した状態で、被加工部に局所的なエッチング原料
ガス雰囲気もしくはCVD原料ガス雰囲気を形成するガ
スウインドウ部と、原料ガスをガスウインドウ部に供給
し、ガスウインドウから排気する原料供給排気ユニット
を備えたチャンバレスのレーザ加工装置であって、基板
は、被加工面が上向きに配置され、レーザ照射観察光学
系は、基板の所望部位への光学的観察とレーザ光の照射
を上方から行うように配設され、ガスウインドウ部は、
基板上の被加工部であるレーザ光照射位置に原料ガスを
吹き付けるノズルと、水平面内でレーザ照射部を挟んで
ノズルと対称な位置に開口の中心を有する三日月状の吸
い込み口と、吸い込み口に近い開口部分でのパージガス
の吹き出し量が、ノズルに遠い開口部分でのパージガス
の吹き出し量より大きくなるよう開口幅を変化させたド
ーナッツ状のパージガス吹き出し口を備え、たことを特
徴とするレーザ加工装置を提供する。また、上記の2つ
のレーザ加工装置では、吸い込み口に近い部分でのパー
ジガスの吹き出し量が、ノズルに近い部分でのパージガ
スの吹き出し量の1.5倍から3.5倍の吹き出し量で
あり、エッチングガスが、沃素、塩素、臭素のいずれか
一つのハロゲン基と、メチル基、エチル基、プロパン基
のいずれか1つの炭化水素基とが結合したハロゲン化炭
化水素化合物を含有する原料ガスを用いることを特徴と
し、基板が、クロムマスク基板であり、また、原料ガス
供給排気ユニットが、修正する欠陥の種類に応じてエッ
チング原料ガスとCVD原料ガスを切り替える機構を備
えたことを特徴とする。
実施形態を説明する。図1は、半導体フォトマスクの白
欠陥および黒欠陥を修正できる欠陥修正に本発明を適用
した場合の装置構成を示す一実施例の構成を示す模式図
である。図において、フォトマスクからなる基板1は、
X−Yステージ9に設けた吸着パッド10により被加工
面2を下向きにして保持されている。基板1の下面のパ
ターンを観察したり、レーザ光を照射することは、X−
Yステージ9の移動により先端に対物レンズ4を設けた
レーザ照射観察光学系5を用いて行うことができる。レ
ーザ照射観察光学系5と基板1の間にはレーザ光の導入
と、原料ガスの導入排気を行うためのガスウインドウ部
3が配置されている。対物レンズ4はガスウインドウ3
と一体となっている。ガスウインドウ部3には、ガス供
給排気ユニット11より原料ガスとパージガスの供給を
行うための、原料ガス配管7と、パージガス配管6と、
排気ガスの吸引を行う排気ガス配管8が接続されてい
る。またウインドウ部3のパージガス吹き出し口13の
根元に差圧センサ19が配置され、基板1とガスウイン
ドウ部3との間隙厚をチェックできる構成となってい
る。制御ユニット12は、レーザ照射観察光学系5のレ
ーザ出射タイミング、観察倍率や照明の切り替え、焦点
位置調整機能の制御と、X−Yステージ9の移動動作、
原料ガスの切り替え操作などを制御する構成となってい
る。
リアガスとして、沃化エチルガスを用いる。従来、Cr
などの化学的に不活性な材料をガスエッチングする方法
には、塩素やフッ素などの反応性の強いハロゲンガスを
高温で反応させるか、プラズマ反応で行うことしか知ら
れていなかった。今回本発明者は、レーザエッチング材
料として、沃化エチルが、ハロゲン系列、炭化水素系列
の組み合わせの中で、腐食性、毒性、可燃性の全ての点
で他の材料に比べ、利点が各段に大きいことを見出し
た。さらに、パルス光照射によるレーザエッチングによ
り、実用的なエッチングレートが得られることを実験的
に初めて明らかにした。沃化エチルガスは、室温、空気
中で安定であり、光及び熱により沃素を遊離し、フォト
マスクのパターン膜のCrと反応して沃化クロムを生成
する。沃化クロムは、室温では蒸気圧が低く、気相に蒸
発できないが、レーザエッチングを行うことにより、パ
ルスレーザ光照射時には瞬間的な温度上昇により、レー
ザ光照射以前に吸着したヨウ化エチルガスが熱分解し、
同時に基板のCrと反応し、ヨウ化Crガスとして気相
に蒸発し、パルス光の照射が終わると気相中のヨウ化C
rは冷えて凝縮し、微粒子となり、被加工面を下方とし
た配置を採ることによって、微粒子は下方に落下する独
特の反応メカニズムによりエッチング反応が進むと考え
られる。落下した微粒子は、高速の水平方向のガス流に
より、下方の対物レンズ4側に落下せずに、原料ガス吹
き出しノズル14の吹きだし方向の対向側にある吸い込
み口15に取り込むことができる。これら、原料ガスの
選定、反応メカニズム、エッチング反応の確認は、従
来、レーザ加工技術として検討されたことがなく、今
回、発明者は初めて実用的なレーザ加工方法および装置
を実現できることを明らかにした。
側から見た場合の原料ガス吹き出しノズル、原料ガス吹
き出しノズルと吸い込み口の配置及び、開口形状を示す
図である。図において、十字線で示すレーザ光照射部1
8の右横の原料ガス吹き出しノズル14から出た原料ガ
スは、レ−ザ光照射部の左側に設けた三日月状の開口か
らなる吸い込み口15に速やかに吸い込まれる構成にな
っている。一方パージガス吹き出し口13は、吸い込み
口15に近い部分と反対側で3倍吸い込み量が異なるよ
う吸い込み量に差を持たせている。原料ガス、パージガ
スのそれぞれの、ガスウインドウ部と基板との間隙部で
の水平面内のガスの流れ方は、原料ガス流れ方向16
(白矢印)、パージガス流れ方向17(黒矢印)として
図示している。原料ガス濃度は、原料吹きだしノズル1
4から吸い込み口15の間で高くなり、かつ、レーザ光
照射部18での流速も、原料吹きだしノズル14からの
吹きだし量の調整により最適化できる構成となってい
る。一方、パージガスの内側への吹き出しの流れによ
り、ガスウインドウ部3の周囲へのガスのリークが防止
される。吸い込み口15に近い部分のパージガス吹きだ
し量が強化されているので、レーザ照射部の流速を高め
るために原料ガスの吹き出しを強力にしても、ガスシー
ルド効果が破れることはない。同時に、パージガスの外
側への流れは、レーザ照射部への空気の混入を防止する
構成になっている。
ッチングによる黒欠陥の修正における修正品質に関し
て、従来の蒸散法による修正品質を比較しながら詳細に
説明する。レーザ光源には、Nd:YAGレーザの第3
高調波光源(波長355nm、パルス幅20ps、繰り
返し1kHz)を用い、ガスの流量は、原料ガスにアル
ゴンガスをキャリアとして0.5%濃度の沃化エチル含
有ガスを10sccm(standard cubic
centimeter per minute:1気
圧で1分間に流れるccで表した流量)、窒素ガスのパ
ージガスには20L(リットル)/s、吸い込み流量は
10L/sとしてエッチング加工を行った。対物レンズ
には作動距離2mm、NA0.8の高解像度紫外線レン
ズを使用した。パージガス吹きだし口13の外径は20
mmで、幅の広い吹き出し口幅W1=6mm、幅の狭い
吹き出し口幅W2=6mmと、開口部の広さは最小部と
最大部で3倍の違いを設けた。また原料ガス吹きだしノ
ズルの直径は0.5mm、三日月型の吸い込み口15の
大きさは、図に示すように短軸の長さがa=3mm、長
軸の長さがb=8mmとした。
た。被加工部でのレーザ照射径を1μm角として、通常
の蒸散法と本発明のエッチング法を比較したところ、蒸
散法における加工閾値のレーザ強度のおよそ30%から
80%のレーザ強度でエッチング反応が観測された。レ
ーザ強度が蒸散法での加工閾値の60%強度のとき、1
μm角の加工を行うに要した時間は3分間で、Crパタ
ーン底の石英基板の掘れこみは、測定装置の感度限界の
2nm以下であった。一方蒸散加工の場合には、照射強
度を最適化した場合でも掘れ込み深さは10nm程度と
大きかった。また、蒸散加工では、加工部エッジのCr
パターンに100nm程度の盛り上がりが観測された
が、沃化エチルのエッチング反応を利用した場合には、
盛り上がりは観測されなかった。また、加工により生成
した反応生成物が、基板上の加工部周辺に付着すること
もなかった。原料吹きだしノズル14からの流量が5s
ccm未満では、反応生成物が対物レンズ4にわずかに
降り積もる現象が観測されたが、5sccm以上では、
反応生成物の降り積もりは観測されなかった。
化エチルの場合を述べたが、ハロゲン元素を臭素(B
r)や塩素(cl)に置換したガスであっても有効であ
る。また、炭化水素基は、エチル基に限らず、メチル基
やプロパン基であっても有効である。すなわち本発明で
用いることができるエッチングガスは、CnHm−R
(Rはハロゲン基、nは、1、2、3、mは、3、5、
7の正整数)と表されるハロゲン化炭化水素であってよ
い。
D用のクロムカルボニルを適用した場合の白欠陥修正に
おけるガスシールド効果の評価結果を、内側の同心円が
吸い込み口、外側の同心円がパージガス吹きだし口の2
重の同心円状構造を持つ従来の構造の場合と、本発明の
おける上記実施例でのガスウインドウ部構造の場合につ
いて、ガスシールド効果の差を比較した結果を示す。ガ
スウインドウ部と基板との間隙幅を0.5mm、パージ
ガス流量と吸い込み流量をそれぞれ20L/分と10L
/分とした場合に、原料吹きだしノズル14からの吹き
だし量を5から100sccmにまで変化させた。従来
型の同心円状のガスウインドウ部では、吹きだし流量が
50sccmを超えると、ガスウインドウ部の周囲での
原料ガスのリークと、レーザ照射部への空気の混入が観
測されたが、本発明のガスウインドウ構成では、原料ガ
スの吹きだし量が100sccmの場合にも、原料ガス
のリークも、レーザ照射部への空気の混入も観測されな
かった。
場合に、ガスウインドウ部3と基板1の間隙幅を変え
て、原料ガスのリーク状態を比べたところ、従来構成で
は、間隙幅は0.6mm以上でリークが発生するのに対
し、本発明のガスウインドウ部では1.5mmまで原料
ガスのリークが観測されなかった。間隙を広くできるこ
とは、基板1とガスウインドウ部3の衝突による事故発
生を避ける上できわめて有効である。このようなガスウ
インドウ部を備え、CVD原料ガスを導入することによ
って、レーザCVDにおいても有効な白欠陥修正が得ら
れた。なお、上記の説明では、パージガス吹き出し口1
3からのガス吹き出し量は、吸い込み口15に最も近い
開口部位と、最も遠い開口部位とで3倍の量の違いを持
たせる場合について説明したが、吹き出し量の違いを
1.5倍から3.5倍の範囲で変化させても、ガスシー
ルド効果を維持することができた。
では、レーザエッチング反応とレーザCVD反応を個別
に行った場合について述べたが、原料ガス供給ユニット
にCVD用原料ガスと、エッチング用原料ガスを供給で
きる構成として、修正すべき欠陥の種類に応じて、ガス
を切り替えて、加工方法を切り替えることができる。こ
の場合、1台の装置で、成膜、除去の両方の加工を行う
ことができるので、修正に要するトータルのスループッ
トを高速にできるので、実用性をさらに高められる利点
がある。
ーザCVDによる成膜反応を行う装置として、図2に示
すガスウインドウ部の構造を用いて、基板の被加工面を
上向きにし、レーザ光を上方から照射する構成を用いる
ことができる。この場合、基板を上向きに保持するの
で、X−Yステージに基板を保持することが容易である
利点があり、従来の2重の同心円状の吸い込み用開口と
パージガス吹きだし用開口を備えるガスウインドウ部に
比べ、レーザ照射部のガス流速を高速化しても、原料の
周囲へのリークを起こすことがなく、原料ガス流速の高
速化により、CVD膜周囲に降り積もり状の微粒子の付
着を抑制でき、修正品質を向上することができる。ま
た、この構成において、第一の実施形態で述べたレーザ
エッチングを導入することも可能であり、また、従来知
られているレーザ蒸散反応による膜除去加工プロセスを
加えて、膜形成と膜除去の両方の機能を持つ加工装置を
構成できることは言うまでもない。
化エチルで代表されるハロゲン化炭化水素をエッチング
ガスとして、また、基板を下方にする構成を用いるエッ
チング方法を用いることにより、腐食性、毒性、可燃性
などの点でガスの安全性が高いので、複雑で高価となる
部品選択が必要ないことで装置導入コストとメンテナン
スコストのいずれも低価格にすることができ、加工品質
に関しても、基板掘れ込みをきわめて小さくおさえるこ
とができかつ、加工エッジの盛り上がりのない高品質の
修正が可能なレーザエッチング方法を提供することがで
きる。また、本発明によるガスウインドウ部の構造をレ
ーザエッチング加工やレーザCVD加工装置に適用する
ことで、装置の製造コストを低減でき、かつレーザ光照
射部の流量を高速化する範囲を拡大することで、加工条
件を広い範囲で最適化することができ、かつ、ガスウイ
ンドウ部と基板の間隙幅を従来方法に比べ大幅に広げる
ことが可能となり、被加工面に傷をつける事故の確率を
大幅に低減できることで実用性の高いレーザ加工装置を
提供することができる。
である。
Claims (10)
- 【請求項1】 原料ガス雰囲気中でレーザ光を基板に照
射して、前記基板上の所望部分を除去するレーザ加工方
法において、前記原料ガスにハロゲン化炭化水素を含有
するガスを用いてレーザ光を照射することを特徴とする
レーザ加工方法。 - 【請求項2】 さらに、前記基板の被加工面を下方にし
たことを特徴とする前記請求項1記載のレーザ加工方
法。 - 【請求項3】 前記ハロゲン化炭化水素が、沃素、塩
素、臭素のいずれか一つのハロゲン基と、メチル基、エ
チル基、プロパン基のいずれか一つの炭化水素基とが結
合した化合物であることを特徴とする前記請求項1乃至
2記載のレーザ加工方法。 - 【請求項4】 前記基板が、クロムマスク基板であるこ
とを特徴とする前記請求項1乃至3記載のレーザ加工方
法。 - 【請求項5】 レーザ光の照射及びX−Yステージ上に
保持する基板上の被加工部の光学的観察を行うレーザ照
射観察系と、前記基板上の被加工面と接触することなく
前記被加工面との間に微小な間隙を形成した状態で、前
記被加工部に局所的なエッチング原料ガス雰囲気もしく
はCVD原料ガス雰囲気を形成するガスウインドウ部
と、前記原料ガスを前記ガスウインドウ部に供給し、前
記ガスウインドウから排気する原料供給排気ユニットを
備えたチャンバレスのレーザ加工装置であって、前記基
板は、前記被加工面が下向きに配置され、前記レーザ照
射観察光学系は、前記基板の所望部位への前記光学的観
察と前記レーザ光の照射を下方から行うように配設さ
れ、前記ガスウインドウ部は、前記基板上の被加工部で
あるレーザ光照射位置に前記原料ガスを吹き付けるノズ
ルと、水平面内でレーザ照射部を挟んで前記ノズルと対
称な位置に開口の中心を有する三日月状の吸い込み口
と、前記吸い込み口に近い開口部分でのパージガスの吹
き出し量が、前記ノズルに遠い開口部分でのパージガス
の吹き出し量より大きくなるよう開口幅を変化させたド
ーナッツ状のパージガス吹き出し口を備え、たことを特
徴とするレーザ加工装置。 - 【請求項6】 レーザ光の照射及びX−Yステージ上に
保持する基板上の被加工部の光学的観察を行うレーザ照
射観察系と、前記基板上の被加工面と接触することなく
前記被加工面との間に微小な間隙を形成した状態で、前
記被加工部に局所的なエッチング原料ガス雰囲気もしく
はCVD原料ガス雰囲気を形成するガスウインドウ部
と、前記原料ガスを前記ガスウインドウ部に供給し、前
記ガスウインドウから排気する原料供給排気ユニットを
備えたチャンバレスのレーザ加工装置であって、前記基
板は、前記被加工面が上向きに配置され、前記レーザ照
射観察光学系は、前記基板の所望部位への前記光学的観
察と前記レーザ光の照射を上方から行うように配設さ
れ、前記ガスウインドウ部は、前記基板上の被加工部で
あるレーザ光照射位置に前記原料ガスを吹き付けるノズ
ルと、水平面内でレーザ照射部を挟んで前記ノズルと対
称な位置に開口の中心を有する三日月状の吸い込み口
と、前記吸い込み口に近い開口部分でのパージガスの吹
き出し量が、前記ノズルに遠い開口部分でのパージガス
の吹き出し量より大きくなるよう開口幅を変化させたド
ーナッツ状のパージガス吹き出し口を備え、たことを特
徴とするレーザ加工装置。 - 【請求項7】 前記エッチングガスが、沃素、塩素、臭
素のいずれか一つのハロゲン基と、メチル基、エチル
基、プロパン基のいずれか1つの炭化水素基とが結合し
たハロゲン化炭化水素化合物を含有する原料ガスを用い
ることを特徴とする請求項5または6記載のレーザ加工
装置。 - 【請求項8】 前記基板が、クロムマスク基板であるこ
とを特徴とする前記請求項5または6記載のレーザ加工
方法。 - 【請求項9】 前記原料ガス供給排気ユニットが、修正
する欠陥の種類に応じて前記エッチング原料ガスと前記
CVD原料ガスを切り替える機構を備えたことを特徴と
する請求項5のレーザ加工装置。 - 【請求項10】 前記吸い込み口に近い部分でのパージ
ガスの吹き出し量が、前記ノズルに近い部分でのパージ
ガスの吹き出し量の1.5倍から3.5倍の吹き出し量
であることを特徴とする請求項5のレーザ加工装置。
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