JP2005277209A

JP2005277209A - パターン露光装置および二次元光像発生装置

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Publication number: JP2005277209A
Application number: JP2004090051A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Omi; 忠弘大見; Shigetoshi Sugawa; 成利須川; Kimio Yanagida; 公雄柳田; Kiwamu Takehisa; 究武久
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: JP4541010B2

Abstract

【課題】ポイントアレイスキャニングによるパターン露光が可能なパターン露光装置を提供する。
【解決手段】露光装置１００の光源として、シャワービーム型レーザ１を備え、当該レーザ１は全反射鏡３とピンホール付き出力鏡４とでレーザ共振器を構成している。ピンホール付き出力鏡４には、直径０．３ミクロンの穴が約１３．７ミクロンピッチで約７８６，４３２個空いている。ピンホール付き出力鏡４から取り出される紫外光線Ｌ２は、レンズ７ａとレンズ７ｂとで構成された転写光学系８ａ、及び偏光ビームスプリッタ６を通過してミラーデバイス１１に当たる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体集積回路製造時の露光工程において、マスクを用いずに回路パターンをウエハ上に直接描画するパターン露光装置（マスクレス露光装置とも呼ばれる。）に関する。

一般に、半導体集積回路の製造時の露光工程では、回路パターンが描かれたマスク（レチクルと呼ばれることもある。）を用いてレジストが塗布されたウエハ上に回路パターンを露光させる（パターン描画とも呼ばれる。）必要があり、そのために利用される装置は露光装置あるいは露光機と呼ばれる。

一方、マスクの製造工程で用いられるパターン露光を行うマスク描画装置と呼ばれる装置では、電子ビームを用いた電子ビーム描画装置が広く利用されているが、紫外域のレーザ光を用いてパターン露光する手法に基づくマスク描画装置も製品化されている。その装置の例としては、１辺１６ミクロンの正方形である微小なミラー（マイクロミラー）を二次元配列状に多数並べたミラーデバイス（空間光変調器、あるいはＳＬＭと呼ばれる。）を用いて、これにパルス状の紫外レーザ光を照射し、各マイクロミラーごとに制御されたミラーデバイスからの反射光をマスク基板に照射して露光するものであり、ミラーデバイスのミラー面を基板上に単純に縮小投影する構成になっている。なお、これに関しては、例えば、Proceedings of SPIE, Vol.4186, 第１６〜２１頁（非特許文献１）、あるいは、USP6,428,940（特許文献１）において示されている。

これに対して、前記マスク描画装置とは異なり、ミラーデバイスのパターンを単純に縮小しない方式のパターン露光装置が、プリント基板などへのパターン露光用として用いられることがある。その構成例を図４に示した従来のパターン露光装置２００を用いて説明する。露光光である紫外光Ｌ２１はミラー２０２で反射し、紫外光Ｌ２２がミラーデバイス２０１に照射され、パターン露光に利用する紫外光Ｌ２３がミラーデバイス２０１で反射して下方に進み、レンズ２０３ａと２０３ｂとで構成された投影光学系２０４によってマイクロレンズアレイ２０５上に投影される。マイクロレンズアレイ２０５によって、紫外光Ｌ２４は多数の細い光線に分割され、ピンホール板２０６における各ピンホールにそれぞれが集光する。ピンホール板２０６の各ピンホールの出射面での光の像が、縮小投影光学系２０８によって、基板２０９上に、多数の離散スポットの集合体となって、パターン投影される。パターン露光装置２００におけるピンホール板２０６を上から見ると、図５に示されたように、各ピンホールの並びが、Ｘ、Ｙ方向から僅かに傾けられたように斜めに取り付けられている。その結果、図６に示したように、描画中は基板２０９をスキャンさせるため、ミラーデバイスの１回のＯＮ動作（すなわち、入射された紫外光を基板の方向へ進ませるように反射させる。）で露光されるピンホール板２０６の投影領域２１０を形成する多数の離散スポットの集合体における隣接するスポット間にも、基板２０９のスキャンによって次第に露光されていくようになる。

以上のようなパターン露光装置による描画手法は、Point Array Scanning（ポイントアレイスキャニング）と呼ばれ、これに関しては、例えば、USP 6,473,237（特許文献２）、特願２００３年第１０７７７６号（特許文献３）、特願２００３年第１６３８５１号（特許文献４）、特願２００３年第１７４０１７号（特許文献５）、特願２００３年第３７４８４６号（特許文献６）、特願２００３年第４１４７６３号（特許文献７）などにおいて示されている。また、前記ミラーデバイスにおいて市販されている製品のサイズとしては、例えば、１個のマイクロミラーの寸法が一辺約１３．７ミクロンであり、画素数としては、例えば、１０２４×７６８個の場合、ミラーデバイスのミラー面は、長辺方向が約１４ｍｍで短辺方向が約１０．５ｍｍ（以下、１４×１０．５ｍｍと示す。）となっている。

Proceedings of SPIE, Vol.4186, 第１６〜２１頁 USP 6,428,940 USP 6,473,237 特願２００３年第１０７７７６号公報特願２００３年第１６３８５１号公報特願２００３年第１７４０１７号公報特願２００３年第３７４８４６号公報特願２００３年第４１４７６３号公報

前述したポイントアレイスキャニングによるパターン露光装置を構成する際の課題としては、光源の波長において０．４ミクロン以下の紫外光を用いることが困難であった。その理由としては、マイクロレンズアレイは通常樹脂で製作されていたが、樹脂で利用できる光源波長は約０．４ミクロン以上であり、それより短波長の紫外光の照射によって劣化するからである。一方、紫外光で透過率の高い石英などの紫外用光学材でマイクロレンズアレイを製作することも困難である。

本発明の目的は、マイクロレンズアレイを用いずに、ポイントアレイスキャニングによるパターン露光が可能なパターン露光装置を提供することである。

前記目的を達成するために、本発明のパターン露光装置では、多数の紫外光線の発生部を光源として用い、また、転写光学系を用いることで、ミラーデバイスの各マイクロミラーに対して、多数の紫外光線の発生部からの紫外光線を前記転写光学系によって投影させ、かつ、マイクロミラーで反射させた紫外光線によってパターン露光したものである。

また、前記多数の紫外光線の発生部を実現する一例としては、多数のピンホールを有する反射鏡を出力鏡に用いてレーザを構成すればよい。これによると、出力鏡におけるレーザビームのビーム断面積に対して、ピンホールの穴の総面積をいくらでも小さくできるため、ピンホールにより、レーザ発振しなくなることはない。例えば、レーザの利得が小さいとされているイオンレーザの場合は、レーザの１パスの利得が１０％以下と小さいが、ピンホールの穴の開口率を利得よりも小さくすることが容易であり、レーザ発振させることができ、その結果、多数のピンホールから紫外光線が取り出される。

本発明のパターン露光装置では、マイクロレンズアレイを用いずにポイントアレイスキャニングによるパターン露光が実現できるため、光源に波長０．４ミクロン以下の紫外光を利用できる。したがって、描画パターンの解像度が高められる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

本発明の第１の実施例を図１を用いて説明する。図１は本発明のパターン露光装置１００の構成図である。パターン露光装置１００では、多数の紫外光線の発生部として、シャワービーム型レーザ１が用いられている。ここでは、波長３５１ｎｍのイオンレーザをベースとして改造したものである。レーザ管２の両側には全反射鏡３とピンホール付き出力鏡４とでレーザ共振器が組まれている。ただし、内部で発生したレーザ光Ｌ１（細点線で示されている。）は、ビーム径は約１ｍｍと細いため、ビーム拡大器５によって、ビーム径が２０倍に広げられて、ピンホール付き出力鏡４に当たっている。ピンホール付き出力鏡４には、１４ｍｍ×１０．５ｍｍの領域に直径０．３ミクロンの穴が約１３．７ミクロンピッチで縦横に、１０２４×７６８＝７８６，４３２個空いている。したがって、ピンホールの穴の総面積は０．０５５６平方ｍｍであり、直径２０ｍｍのビーム断面積は３１４平方ｍｍであるため、ピンホール径による損失は０．０１８％と非常に小さくなり、十分レーザ発振するだけでなく、光強度の高い紫外光線Ｌ２がシャワーのように多数発生する。なお、紫外光線Ｌ２は、紙面に平行な方向に偏光している。

太点線で示されたシャワービーム状の紫外光線Ｌ２は、レンズ７ａとレンズ７ｂとで構成された転写光学系８ａ、及び偏光ビームスプリッタ６を通過して、λ／４波長板１０を通って、ミラーデバイス１１に当たる。なお、紫外光線Ｌ２はλ／４波長板１０を通過することで円偏光に変わる。なお、レンズ７ａとレンズ７ｂとはほぼ同じ焦点距離であり、転写光学系８ａは１対１に投影する作用を有する。すなわち、転写光学系８ａの作用としては、ピンホール付き出力鏡４における像（すなわち、多数の離散スポット）を、ミラーデバイス１１の表面近傍に投影させたものである。これにより、ピンホール付き出力鏡４から出射する紫外光線Ｌ２の各細いビームが、ミラーデバイス１１の各マイクロミラーに１対１で当たるようになる。

円偏光になった紫外光線Ｌ２は、１０２４×７６８＝７８６，４３２個のマイクロミラーを有するミラーデバイス１１に入射する。基板１２でパターン描画する紫外光線は、ミラーデバイス１１の各イクロミラーで正反対に反射する。したがって、再びλ／４波長板１０を通過し、偏光方向が直線偏光に戻されるが、今度は紙面に垂直な方向になるため、偏光ビームスプリッタ６で高く反射して下方に進む。これにより、レンズ７ｃとレンズ７ｄとで構成された転写光学系８ｂを通過し、ＸＹステージ１３上の基板１２に当たる。

一方、基板１２でパターン描画しない紫外光線は、ミラーデバイス１１における各マイクロミラーによる反射方向が変わる。すなわち、正反対からずれた角度で戻されるため、レンズ７ｃを通過後、ピンホール板９の中心部の穴を通過できず、ここでカットされる。

転写光学系８ｂの作用としては、ミラーデバイス１１の表面近傍の像を基板１２上に投影させたものである。また、前述したように、転写光学系８ａによって、ミラーデバイス１１の表面近傍の像としては、多数の離散スポットの像が投影されているため、基板１２上に多数の離散スポットが投影（転写）されるようになる。

以上のように、本発明では、光源である多数の細い紫外線から成る紫外光線Ｌ２を用いており、この紫外光線Ｌ２を形成しているピンホール付き出力鏡４の像が、結果的に基板１２に投影されることになり、基板１２上に多数の離散スポットを投影でき、基板１２をスキャンすることで、ポイントアレイスキャニングによるパターン露光が可能になる。

次に、以上で説明した本発明のパターン露光装置１００とほぼ同様の構成であるが、転写光学系を１個用いた装置を図２を用いて説明する。図２は本発明の第２実施例としてのパターン露光装置１５０の構成図である。図１に示したパターン露光装置１００と共通の部品等に関しては説明を省略する。

パターン露光装置１５０では、パターン露光装置１００における転写光学系８ｂを省略し、転写光学系８ｂと同等の作用（すなわち、ミラーデバイス１１近傍の像を基板１２に投影する作用）を転写光学系８ａが併用したものである。そのため、転写光学系８ａを構成するレンズ７ａとレンズ７ｂとの間に、露光しない光線をカットするためのピンホール板９を配置してある。

パターン露光装置１５０では、基板１２でパターン描画する紫外光線は、ミラーデバイス１１で反射した後、再びλ／４波長板１０を通過して、偏光方向が直線偏光に戻され、転写光学系８ａを通過後、偏光ビームスプリッタ６で高く反射して、ＸＹステージ１３上の基板１２へ向かう。また、基板１２でパターン描画しない紫外光線は、ミラーデバイス１１における各マイクロミラーによる反射方向が変わる。すなわち、正反対からずれた角度で戻されるため、レンズ７ｂを通過後、ピンホール板９でカットされる。

本実施例の転写光学系８ａは、ピンホール付き出力鏡４における像を、ミラーデバイス１１の表面近傍に投影させる作用と、ミラーデバイス１１の表面近傍の像を、基板１２上に投影させる作用の２つの作用を有している。また、基板１２の位置としては、偏光ビームスプリッタ６に対して、ピンホール付き出力鏡４と等しい距離になるように設定されている。以上より、基板１２上には、ミラーデバイス１１の表面近傍に投影された多数の離散スポットが投影されるようになる。

次に、パターン露光装置１００及び１５０で用いられているピンホール付き出力鏡４の構造の一例を図３を用いて説明する。ピンホール付き出力鏡４は、石英基板３１の片側の面に反射膜３２が付けられている。この面がシャワービーム型レーザ１の内側を向いている。一方、反対側の面には反射防止膜３３が付けられている。なお、反射膜３２には、保護膜付きのアルミ膜か、誘電体多層膜が好ましい。この反射膜３２に多数のピンホールが空いている。ピンホールの形成には、電子ビーム描画装置などによる露光、現像、及びエッチング加工によって形成することで正確な穴が形成できる。

なお、前記第１実施例、及び第２実施例で用いられたシャワービーム型レーザ１として、エキシマレーザを用いてもよい。エキシマレーザは、紫外域で直接高出力動作するため、本発明に適している。ただし、繰り返し数が数ｋＨｚ程度までであるため、より高い繰り返し数の光源が必要な場合は、例えば、波長２５５ｎｍである銅蒸気レーザの第２高調波を用いてもよい。銅蒸気レーザは１０ｋＨｚ程度の繰り返し動作が容易であるだけでなく、第２高調波の場合は、内部波長変換が行えるため、出力鏡には、図３に示したようなピンホール付き出力鏡３を利用できる。

また、前記第１実施例、及び第２実施例では、光源としてシャワービーム型レーザ１を利用したが、本発明では特にレーザに限らない。例えば、プラズマディスプレイなどのような二次元配列状の多数の自発光デバイスを用いてもよい。

なお、本発明を構成する転写光学系としては、前記第１実施例、及び第２実施例では、２枚のレンズで構成されたものを示したが、特にこの構成に限定するものではなく、さらに多数のレンズを用いて収差を低減させたレンズ系を用いてもよいし、あるいは収差の少ない１枚のレンズでもよい。さらにはレンズだけではなく、凹面鏡を含む光学系を利用してもよく、これによると色収差を大幅に低減できるため、狭帯域な光源が不要になり、広帯域なエキシマレーザや紫外ランプを利用できる。

本発明の第１の実施例に係るパターン露光装置１００の構成を示す図である。本発明の第２の実施例に係るパターン露光装置１５０の構成を示す図である。図１及び２で使用されるピンホール付き出力鏡４を具体的構成を示す断面図である。先に提案されているパターン露光装置２００の構成を示す図である。図４のパターン露光装置に使用されるピンホール板２０６の構成を示す平面図である。図４に示されたパターン露光装置２００による描画を説明する図である。

符号の説明

１シャワービーム型レーザ
２レーザ管
３全反射鏡
４ピンホール付き出力鏡
５ビーム拡大器
６偏光ビームスプリッタ
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、２０３ａ、２０３ｂレンズ
８ａ、８ｂ転写光学系
９ピンホール板
１０ λ／４波長板
１１、２０１ミラーデバイス
１２、２０９基板
１３ＸＹステージ
３１石英基板
３２反射板
３３反射防止膜
１００、２００パターン露光装置
２０２ミラー
２０４投影光学系
２０５マイクロレンズアレイ
２０６ピンホール板
２１０ピンホール板２０６の投影領域
２１１露光された領域
Ｌ１レーザ光
Ｌ２紫外光線
Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３、Ｌ２４紫外光

Claims

二次元配列状の微小ミラーによってパターンを形成するパターン露光装置において、多数の紫外光線の発生部を光源として用い、かつ転写光学系を用いて、前記二次元配列状の微小ミラーに対して、前記多数の紫外光線の発生部からの紫外光線を前記転写光学系によって投影させ、かつ前記二次元配列状の微小ミラーで反射した紫外光線によって基板をパターン露光することを特徴とするパターン露光装置。
前記多数の紫外光線の発生部が、多数のピンホールを有する反射鏡を出力鏡に用いたレーザを含むことを特徴とする前記請求項１のパターン露光装置。
二次元配列状の微小ミラーによってパターンを形成する二次元光像発生装置において、多数の紫外光線の発生部を光源として用い、かつ転写光学系を用いて、前記二次元配列状の微小ミラーに対して、前記多数の紫外光線の発生部からの紫外光線を前記転写光学系によって投影させ、かつ前記二次元配列状の微小ミラーで反射した紫外光線によって二次元光像を出力することを特徴とする二次元光像発生装置。
前記多数の紫外光線の発生部が、多数のピンホールを有する反射鏡を出力鏡に用いたレーザを含むことを特徴とする前記請求項３の二次元光像発生装置。
レーザ共振器を含むレーザにおいて、前記レーザ共振器は全反射鏡と、ピンホール付き出力鏡とによって構成されていることを特徴とするレーザ。
請求項５において、前記ピンホール付き出力鏡は基板と、当該基板の一表面上に形成され、ピンホールを規定する反射膜と、前記基板の他方の表面に形成された反射防止膜とを有していることを特徴とするレーザ。
請求項６において、前記反射膜に形成されたピンホールの総面積は、全反射鏡との間で内部的に発生されるビームの断面積に比較して、レーザ発振を行なえる程度に小さいことを特徴とするレーザ。
請求項７において、前記レーザは前記ピンホール付き出力鏡から、前記ビームよりも細い複数のビームを発生することを特徴とするレーザ。
レーザ共振器に使用される反射鏡において、複数のピンホールを備えたことを特徴とする反射鏡。
請求項９において、基板と、当該基板の一表面上に形成され、ピンホールを規定する反射膜と、前記基板の他方の表面に形成された反射防止膜とを有することを特徴とする反射鏡。