JP2004184994A - 露光方法および露光装置ならびに処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】この発明は、被露光用基板上に露光領域を連続的あるいは逐次的に移動させながら所定のパターンを露光する露光装置に関し、被露光用基板の板厚変動が特定の一方向に大きく生じる方向に沿って露光領域を移動させる基板ステージ15と、被露光用基板面の変位を検知する凹凸状態検知装置10と、被露光用基板面の傾きと高さを制御するアクチュエータ16を有し、検知した変位に応じて被露光用基板面の傾きと高さを制御し、露光時には常時、露光の結像面を被露光用基板面に概ね一致させるものである。
【選択図】図1
Description
リソグラフィー技術は、被加工材料上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト層を形成し、このレジスト層(表面)に露光パターンを形成し、レジスト層を現像した後、非現像部分のレジスト層を除去して得られた(残された)部分に対して、選択的にエッチングや堆積等の加工を行い、回路やトランジスタなどを形成するものである。この露光の代表的なものは、レンズプロジェクション露光、ミラープロジェクション露光などの投影露光方式である。この露光方式は、原版(マスク)の像(露光パターン)を、レジスト層が塗布された被加工物表面に投影し、上記レジスト層に(露光パターンを結像させて)露光パターンに対応する像を形成する方式である。
なお、露光装置としては、ステップ・アンド・リピート方式やステップ・アンド・スキャン方式がある。
このように、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置では、露光フィールドfと呼ばれる一定領域が、基板Sに対して相対的に走査されて露光される。
しかし、レジスト層表面すなわち露光面が微視的に凹凸を含む場合がある。このレジスト層表面の凹凸は、レジスト層が形成される基板の厚みムラや基板の屈曲や基板が載置されるステージの平坦度などが要因で発生する。
また、半導体分野では一般にシリコン基板を加工材料として用いるが、LCDパネルを製造する際には、透過性が望まれることやコストなどの点から、通常はガラス基板が用いられる。後述するように、ガラス基板には特徴的な板厚分布が存在することが確認されているが(例えば特許文献1参照)これまでは、ガラス基板に固有の凹凸の影響を考慮することなく露光がなされている。
DOF=±k2/k1 2×R2/λ ・・・(1)
露光時、基板面は露光フィールドの全領域において、(1)式で決まる焦点深度の範囲内に収める必要がある。もし基板面が焦点深度の範囲から外れると、完全な結像が得られないので、適正なレジストパターンが形成されない。
現在、液晶表示装置の製造に用いられる量産用露光装置では、超高圧水銀ランプのi線で1.5μmが最高の解像度である。この時の焦点深度は、解像度R=1.5μm、露光波長λ=0.365μm(i線)、k1=0.6、k2=0.5とすると(k1とk2はi線使用時に一般的とされる値)、(1)式より、DOF=±8.6μmとなり、焦点深度の幅として17.2μmである。一般に、収差などの影響を見込んだ露光装置側の余裕度として半分の8.6μmが必要であるので、基板に要求される平坦性の目安は8.6μm以下となる。
また、解像度R=0.5μm、露光波長λ=0.248μm(KrFエキシマレーザ)、k1=0.5、k2=0.5とすると(k1とk2はKrFエキシマレーザ使用時に一般的とされる値)、DOF=±2.0μmとなり、焦点深度の幅として4.0μmである。したがって、基板に対する平坦性の目安は2.0μm以下となる。
以上をまとめると、解像度1.5μmで基板平坦性8.6μm以下、解像度1.0μmで3.8μm以下、解像度0.5μmで2.0μm以下が期待される。
例えば、露光フィールドを70mm×20mmの長方形とした場合、特定の一方向には7から8μm程度の板厚変動が予想され、上記の解像度1.5μm(基板平坦性8.6μm)が限界であり、解像度1.0μm(基板平坦性3.8μm)や0.5μm(基板平坦性2.0μm)は実現不可能と判断される。
ガラス基板の平坦性は徐々に改善されてきているが、短期間で大幅な成果は望めず、露光装置の工夫により焦点深度に起因する課題を解決することが好ましい。
ところが、本出願人の分析結果によると、ガラス基板の板厚変動が大きいのは、製造時の引き出し方向とほぼ直交する方向であり、むしろ引き出し方向には板厚変動が小さいことが確認された。
また、上述の公報には、フォーカス合わせの方法が開示されておらず、板厚変動の大きなガラス基板を一様に露光することは、確立されていない。
この発明の目的は、大型の液晶表示装置に用いられるガラス基板の全域において、正確にパターンを形成可能な露光方法および露光装置ならびにパターン形成方法およびその装置を提供することである。
図1に、本発明を実施した対象物の露光面のうねりもしくは厚みムラの影響を除去可能な露光装置の構成の一例を示す。
露光装置1は、光源11の光軸上に照明光学系12、マスクステージ13、投影光学系14、基板ステージ15が順番に配置され、マスクステージ13と基板ステージ15には、それぞれ、マスクMとガラス基板Sが保持される構成である。
光源11は、露光用エネルギーを出力するもので、例えば高圧水銀灯やレーザ装置である。高圧水銀灯は、例えばg線(436nm)やi線(365nm)を発する。また、レーザ装置としては、例えばキセノン塩素エキシマレーザ装置(308nm)、クリプトンフッ素エキシマレーザ装置(248nm)、アルゴンフッ素エキシマレーザ装置(193nm)などがある。
このような光源11からの出射光路には、リレーレンズを含む照明光学系12、マスクM、投影光学系14からなる光学系6が設けられている。投影光学系14の結像位置には、被露光用基板、例えば液晶表示装置用ガラス基板Sが設けられている。このガラス基板SとマスクMとは、共役関係に設けられている。マスクMは、A−A方向に直線移動可能なマスクステージ13の予め定められた設置位置に設けられている。ガラス基板Sは、上記A−A方向と同一方向に直線移動可能な基板ステージ15の予め定められた位置に設けられている。
CPU71は、被露光表面の凹凸状態検知装置10による測定結果をRAM72から読み出した凹凸情報から露光領域情報およびこの露光領域の走査方向情報Xを算出し、当該位置情報に関連付けてRAM72に記憶させる。CPU71は、このような位置情報と露光領域情報およびこの露光領域の走査方向情報Xを関連付けて母線9に接続された表示装置77に表示させ、監視できるように構成されている。このようにして露光装置1が構成されている。
マスクステージ13と基板ステージ15の矢印Aで示した方向の移動は、例えばステップ・アンド・スキャン方式で移動させることができる。CPU71は、露光装置1を制御して、露光領域(フィールド)fと呼ばれる一定領域をガラス基板Sに対して相対的に走査させ、露光ステップを実行する。
すなわち、基板ステージ15は、マスクMに含まれる露光パターンが投影されて定義される平面領域(投影面)の広がり方向に対して、互いに直交する任意の方向およびそれらの方向により関連づけられる対角線方向のいずれかの方向に対して所定の角度に傾けられることができる(チルティング)。また、基板ステージ15は、上述した投影面に対して平行に上下移動可能である(レベリングもしくは垂直移動)。なお、これらのチルティングとレベリングは、以下に説明する制御装置により同時に制御可能である。
マスクステージ13と基板ステージ15を、投影光学系14に対して、相対的に、同時に移動させながら露光フィールド内の変位測定と走査露光を繰り返す。なお、ガラス基板Sを基板ステージ15に載せるに先だって、圧電素子(アクチュエータ)16に印加する初期電圧を0V(または予め求められたキャリブレーション値)に設定し、すべてのアクチュエータ16を同じ高さにする。
次に、半導体レーザ18のレーザ光をガラス基板Sの露光面に照射して露光フィールド内の複数箇所における各変位を測定する。
続いて、これらの変位差を擬似的に低減させるため、検出されたガラス基板Sの露光面の変位(凹凸)に応じて傾きを補正するチルティングとガラス基板SとマスクMとの間の間隔を調整するための高さ方向の移動であるレベリングにより、マスクMに含まれる露光パターンが投影されて定義される平面領域(投影面)の広がり方向に対して、互いに直交する任意の方向およびそれらの方向により関連づけられる対角線方向のいずれかの方向に対して所定の角度に傾けるとともに、高さを調整する。
なお、ガラス基板のうねりもしくは厚みムラの特徴が図2に示すように、ガラス基板の製造方法に起因してほぼ1次元的であることが知られているので、ガラス基板Sの露光面のうねりもしくは厚みムラの検知は、厚みムラが基板Sの一方向例えば長さ方向のみに発生し、基板Sの幅方向例えば直交する方向には発生しないという前提に基づいて1次元についてのみ行えば良い。
なお、透明体の厚さおよび表面変位を測定することができる(容易に入手可能な)市販のレーザフォーカス変位計を用いることで、レーザビームで基板Sの露光面を走査して照射し、この結果発生する反射光を受光して信号処理する上述の測定方法によれば、例えば分解能0.1μmの精度で、基板Sのうねりもしくは厚みムラの方向と変位量を検知することができる。
また、フォーカス調整は露光フィールドfの走査に合わせて、変位の測定と基板ステージ15の制御をほぼ実時間で同時に行うことが好ましいが、露光前にガラス基板Sの全体の凹凸を一度に測定し、この情報を基に制御することも可能である。
また、一方向に板厚変動が大きい基板として代表的にはガラス基板が挙げられるが、これに限定するものではなく、例えばプラスチック基板などでも同様な特性があれば、本発明の露光方法を用いることが可能である。
図2は、平均厚さ0.7mm厚のガラス基板を特定の一方向に沿って板厚を測ったものである。100から200mmの周期で、ピーク・トゥ・ピークで10μm程度の変動が見られる。なお、板厚の変動は、図示する方向にはあるが、これと直交する方向にはほとんどないことが確認された。また、このようなガラス基板Sをステージ15に置いた場合、板厚の変動がほぼそのまま反映され、ガラス基板面の変位は、図3に示すように、そのまま現れることが確認されている。なお、図3においては、ガラス基板Sの露光面の変動が大きく現れる方向をX、ほぼ均一な方向をYとし、変位の軸をZとしている。
ガラス基板の製造方法は、フュージョン法やフロート法があるが、少なくともこの両方法に関しては、同様の特徴を有していることを確認されている。これらの方法では、溶融状態のガラス材を一定方向に引き出す(もしくは押し出す)ことで、概ね一定厚さのガラス基板を得ているが、上述した板厚の変動が大きく呈される方向は、ガラス基板が製造される際の引き出し方向とほぼ直交する方向であることが知られている。すなわち、図3において、Y方向がガラス基板Sを製造する際の引き出し方向である。
従って、同一面積の長方形の露光フィールドを用いてガラス基板Sの露光面を露光する場合、その短辺bをX方向に合わせた図4(b)の方が、その長辺aをX方向に合わせた図4(a)の場合よりも変位差dが小さくなる。すなわち、ガラス基板の板厚分布、あるいはそれに起因するガラス基板Sの露光面の変位の特徴を考慮すると、短辺bをX方向に合わせてX方向に走査する図6に相当する方法が焦点深度の点ではるかに有利である。
図7から明らかなように、ガラス基板S面の変位、すなわち凹凸の状態に合わせて、露光フィールドfが常に最適なフォーカスを保つように、チルティングとレベリングを行う。なお、図には示していないが、露光フィールドは、一度の走査(スキャン)が完了すると、それと直交した方向に一定量だけ移動(ステップ)して、再び同様な走査を行う。このように、露光フィールドのスキャンとステップを繰り返し行い、基板全面を露光する。通常、ステップ中には露光を行わない。
なお、基板ステージ15のアクチュエータ16を動かす代わりに、マスクステージ13の支持部17をアクチュエータに変更して、これらを動かしても良い。また、アクチュエータ16としては、この他、ソレノイドなどの磁気を利用するもの、静電気を利用するもの等が使用できる。
なお、図5に示した例では、例えば70mm×20mmの長方形の露光フィールドfをY方向に走査した場合の変位差の最大値は7.5μmであったのに対し、図6に示した例では、本発明によるX方向に走査した場合の変位差の最大値は4.8μmであり、明確な違いが見られた。ここで、露光フィールドの幅(図6に、aで示されている)が長いほど一度に露光できる範囲が広がり生産性が高まるが、実際には、投影光学系14におけるレンズの製造限界によって、露光フィールドの形状と大きさは制限される。
本実施例のように、露光フィールドを長方形とした場合は、その長辺が概ね50から100mmであり、短辺は長辺の1/5から1/3程度が望ましい。細くスリット状に整形することも可能であるが、光源からの光を有効に利用するためには絞り込む必要があり、このための光学系が複雑になる。なお、露光フィールドを長楕円形とすることは、光学系の負担が少なく有効である。
図9(a)は、露光フィールドfの回転軸rをY方向とした1軸のチルティング(レベリングを含む)の結果を、図9(b)は、露光フィールドfの回転軸r1をX方向、r2をY方向とした2軸のチルティングとレベリングによる結果を、それぞれ示している。また、各図に示したフォーカス調整により得られた露光面の凹凸の大きさの変化を、図10(a)および(b)に示す。
図10(a)より、ガラス基板Sの全面にわたり、投影光学系14によりマスクMのパターンが投影される投影面に対する凹凸の分布すなわちうねりまたは厚みムラの大きさが、2.0μm以下の分布に抑えられている。変位差の最大値は、上述の4.8μmから2.0μmに低減され、これにより、チルト、レベリングのフォーカス調整の有効性が認められた。
また、図10(b)から、図10(a)に示した状態に比べて1.0μm以下の領域が拡大し、変位差の最大値も1.9μmまでに低減可能であることが確認できる。従って、図9(b)に示した2軸チルト(チルティングとレベリング)により、実際のガラス基板Sの露光面の凹凸の加工精度を、必要以上に高めることなく、ガラス基板Sの全域において高い精度で露光パターンを露光できる。すなわち、今日、入手可能な一般的な平面度のガラス基板Sに対して、通常では、うねりもしくは厚みムラの影響により全域では解像度の低いパターン露光部分が生じるはずであるが、焦点ぼけのない完全なレジストパターンを露光面の全域で得ることができる。
より詳細には、露光面のすべての点がDOFの範囲内に収まるように、うねりの方向と変位量および圧電素子16の位置に応じて設定される個々の圧電素子16の伸縮方向と伸縮量が計算され、電圧設定部34により伸縮方向と伸縮量に応じた極性と大きさの電圧が各圧電素子16に出力される。
S11において求められた露光フィールド内の変位分布から、直線(平面)近似例えば最小自乗法により、補正量z、
z=ax+b
のa、bが特定される(S12)。
S12において求められた補正量z(a、b)に基づいて保持手段1に保持されているガラス基板Sを局所的に変形させるためのチルティング量とレベリング量が求められる(S13)。
S13において求められたチルティング量とレベリング量に基づいて、ステージ15上に所定の配列で配置されている圧電素子16のそれぞれに対する動作方向、すなわち伸長/圧縮とその制御量(伸長量/圧縮量)が求められる(S14)。
このようにして求められた個々の圧電素子16の動作方向(伸長または圧縮)とその量(伸長量/圧縮量)は、例えばD/A変換器である電圧設定部(アクチュエータ駆動部)34により、圧電素子16に供給されるべき極性および大きさの電圧に変換される。
このように、本発明の露光装置においては、基板を保持する基板ステージが、被露光用基板の露光面があたかも平坦化されるように、上下および左右方向に、独立に移動されることによって、液晶ディスプレイのガラス基板など、うねりもしくは厚みムラ特に厚みムラの大きな基板に対し、結像光学系の焦点深度(DOF)の範囲内で、露光パターンを正確に形成できる。すなわち、基板表面すなわち露光面に、ぼけのない露光パターンを確実に形成できる。
図13に示すレーザ結晶化装置51は、エキシマレーザ光源52、基板ステージ55、マスクステージ53、ステージ駆動部54、走査光学系56、アライメント検出部57、基板検出部58、および制御部59等を含む。
エキシマレーザ光源52は、図示しないアニールチャンバの外部に配置され、波長λ=248nmのKrFエキシマレーザを発生する。
エキシマレーザは、エキシマレーザ光源52から図示しないアニールチャンバの内部に導かれる。アニールチャンバ内では、基板ステージ55が薄膜半導体基板Sを載置して水平な二次元平面内で移動可能である。
マスクステージ53は基板ステージ55の上方に配置され、位相シフタMを載置して水平な二次元平面内で移動可能である。マスクステージ53は、位相シフタMを透過するエキシマレーザを遮らないように、位相シフタMの外縁にだけ接触するように構成されている。
ステージ駆動部54は、基板ステージ55およびマスクステージ53の位置を調整するとともに、これらを薄膜半導体基板Sの長さ方向に掃引する。
走査光学系56は、エキシマレーザ光源52からのエキシマレーザの照射方向をミラー56Aで変化させ、位相シフタMによる詳述しない位相シフトパターンを介して薄膜半導体基板Sの露光面に入射させる。基板Sは、走査光学系56からのエキシマレーザにより幅方向に走査される。
アライメント検出部57は、位相シフタM側の詳述しない照準パターンと基板S側のアライメントマークとのアライメント状態を検出する光学エリアセンサである。
基板検出部58は、図示しないアニールチャンバに設けられる図示しないトランスファアームによって基板ステージ55に載置された基板Sの載置状態を検出するために、表面において露出するように基板ステージ55に埋め込まれる複数の光学センサで構成される。
制御部59は、基板検出部58およびアライメント検出部57からの信号に基づいて、ステージ駆動部54、走査光学系56、エキシマレーザ光源52を制御する。なお、図13では省略されているが、基板ステージ55およびマスクステージ53は、制御部59の制御に従ってステージ駆動部54により駆動され、基板Sと位相シフタMとをほぼ水平に設定する傾き調整機構すなわち図1により前に説明した基板ステージ15およびアクチュエータ(圧電素子)16を含んでいる。
基板Sが図示しないトランスファアームにより基板ステージ55に載置されると、この基板Sのステージ55上での載置状態が、基板検出部58から制御部59に通知される。これに伴い、制御部59はステージ駆動部54を制御し、この制御によりステージ駆動部54は、基板Sが位相シフタMにほぼ対向するように基板ステージ55を移動させる。
ここで、制御部59は、ステージ駆動部54を制御し、この制御によりステージ駆動部54は、アライメント検出部57を横切るように基板ステージ55およびマスクステージ53を基板Sの長さ方向に掃引させる。
制御部59は、同時にアライメント検出部57によって検出される基板S側のアライメントマークMK(図14参照)と位相シフタM側の照準パターンRP(図14参照)とのアライメント状態を参照してステージ駆動部54を制御する。この制御において、ステージ駆動部54は、図14に示すように、各アライメントマークMKが対応照準パターンRPの中央に設定されるように基板ステージ55の位置を調整する。また、アライメントマークMKまたは照準パターンRPが歪んでいる場合には、傾き調整機構により薄膜半導体基板Sまたは位相シフタMの傾きが修正される。
位相シフタMと基板Sとのアライメントの調整が完了すると、制御部59の制御により、エキシマレーザ光源52および走査光学系56が制御され、位相シフタMの位相シフトパターンに従って、エキシマレーザ光が基板Sの露光面に照射される。同時に(または所定のタイミングで)、ステージ駆動部54が走査光学系56を横切るように基板ステージ55およびマスクステージ53の位置(長さ方向)が変化される。これにより、基板Sの露光面が、順次、結晶化される。
図15に示すレーザアニール装置においては、制御部59は、動作において次の制御を行うように変更されている。
すなわち、基板Sが図示しないトランスファアームにより基板ステージ55に載置されると、この基板Sのテーブル55に対する載置状態が基板検出部58から制御部59に通知される。これに伴い、制御部59によるステージ駆動部54の制御に基づいてステージ駆動部54により、基板ステージ55が移動される。
この後、制御部59により、エキシマレーザ光源52および走査光学系56が制御される。
すなわち、エキシマレーザが基板Sの露光面に照射されるとともに、ステージ駆動部54により走査光学系56を横切るように、基板ステージ55が基板Sの長さ方向に移動される。
これにより、露光面のアニールが、基板(処理対象)の処理領域(基板表面すなわち露光面)に、均一な深さに、行われる。
Claims (18)
- 被露光用基板の被露光面に存在する凹凸の大きな方向に沿って露光領域を移動させることにより、被露光用基板上の露光領域を連続的あるいは逐次的に移動させながら所定のパターンを露光する露光方法。
- 前記基板の被露光面に存在する凹凸は、板厚変動であることを特徴とする請求項1記載の露光方法。
- 前記露光領域は、移動方向より移動方向に直交する方向の方が長いことを特徴とする請求項1記載の露光方法。
- 前記被露光用基板はガラス基板であり、このガラス基板の板厚変動は特定の一方向に大きく、この板厚変動の大きな方向は、前記ガラス基板製造時の引き出し方向とほぼ直交する方向であることを特徴とする請求項1記載の露光方法。
- 前記露光方法は、
前記被露光用基板の被露光面の変位を検知する検知工程と、
前記検知した変位に応じて被露光用基板面の傾きと高さを制御する制御工程と、
傾きと高さが制御された基板の被露光面に存在する凹凸の大きな方向に沿って露光領域を移動させる移動工程と、
を含むことを特徴とする請求項1記載の露光方法。 - 前記検知工程は、前記被露光用基板表面に照射した光の反射光を受光して前記被露光用基板表面のうねりもしくは凹凸状態を計測するものであることを特徴とする請求項5記載の露光方法。
- 被露光用基板上に露光領域を連続的あるいは逐次的に移動させながら所定のパターンを露光する露光装置において、
前記被露光用基板の被露光面に存在する凹凸の大きな方向に沿って露光領域を移動させる機構を設けたことを特徴とする露光装置。 - 被露光用基板上に露光領域を連続的あるいは逐次的に移動させながら所定のパターンを露光する露光装置において、
被露光用基板の被露光面の変位を検知する検知手段と、
前記基板面の傾きと高さを制御する制御手段と、
基板の板厚変動が特定の一方向に大きく生じる方向に沿って露光領域を移動させる移動手段とを備え、
検知した変位に応じて被露光用基板面の傾きと高さを制御し、露光時には常時、露光の結像面を基板面に略一致させることを特徴とする露光装置。 - 前記被露光用基板面の傾きの制御は、板厚変動の大きな方向と、それに直交する方向の少なくもいずれか一方を軸とすることを特徴とする請求項8記載の露光装置。
- 前記被露光用基板面の傾きと高さの制御は、マスクを載置するステージまたは/および基板を載置するステージの四隅を上下させることを特徴とする請求項8記載の露光装置。
- 被露光用基板上に露光領域を連続的あるいは逐次的に移動させながら所定のパターンを露光する露光装置において、
前記被露光用基板の板厚変動が特定の一方向に大きく生じる方向に沿って露光領域を移動させる移動手段を有することを特徴とする露光装置。 - 前記露光領域は、移動方向より移動方向に直交する方向の方が長いことを特徴とする請求項11記載の露光装置。
- 前記被露光用基板面の変位を検知する検知手段と、
前記被露光用基板面の傾きと高さを制御する制御手段とを、さらに有し、
検知した変位に応じて被露光用基板面の傾きと高さを制御し、露光時には常時、露光の結像面を被露光用基板面に略一致させることを特徴とする請求項11記載の露光装置。 - 前記被露光用基板面の傾きの制御は、板厚変動の大きな方向と、それに直交する方向の少なくもいずれか一方を軸とすることを特徴とする請求項13記載の露光装置。
- 前記被露光用基板面の傾きと高さの制御は、マスクを載置するステージまたは/および基板を載置するステージの四隅を上下させることを特徴とする請求項13記載の露光装置。
- 被処理対象物をステージ上に保持する保持手段と、
被処理対象物表面のうねりもしくは厚みムラを検知する検知手段と、
前記被処理対象物の面の広がり方向に対して直交する方向に変位可能な変位機構を前記保持手段の少なくとも4隅に複数個設けられ、前記検知手段により検知された変位を打ち消す方向に独立に変位される変位手段と、
前記保持手段に含まれる変位機構の移動量を制御する制御手段と、
を有し、ステージ上に設けられた被処理対象物を加工する処理装置。 - 前記制御手段は、前記変位機構の移動量を前記保持手段の所定の一軸方向に関して制御することを特徴とする請求項16記載の処理装置。
- 前記制御手段は、前記変位機構の移動量を、前記保持手段の面方向と相互に直交する2軸方向と関連づけて制御することを特徴とする請求項16記載の処理装置。
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