JP2006269802A - 大面積マスクレス露光方法及び露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 平板状基板の表面の傾き補正と焦点合わせを簡単且つ自動的に行うことができる大面積マスクレス方法及び露光装置を提供すること。
【解決手段】 少なくとも３つの検査用明暗パターンを空間光変調器に表示させ、検査用明暗パターンを反映し且つ露光波長領域から外れた光を、結像光学系を介して、平板状基板の表面の１つの露光領域に投影させ、露光領域からの反射光を結像光学系を介して空間光変調器に再結像させ、検査用明暗パターンの表示部からの各々の反射光を、その各々の反射光に対応し互いに独立した複数の光電面を有する光電変換部に結像させ、平板状基板の結像光学系の光軸上の位置及び傾きを変化させ、光電面の各々からの出力を同時に最大にする位置及び傾きを検出し、その位置及び傾きに平板状基板を固定した後に、所望の露光用明暗パターンを反映した、露光波長領域の光を照射するようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、大面積マスクレス投影方法及び露光装置に関するものである。

大面積マスクレス露光装置として、反射面の傾きを独立制御可能な複数のマイクロミラーを含んで構成される空間光変調器を使用し、制御コンピュータによる静電解作用によってマイクロミラーをそれぞれ回転制御し、この回転制御により、所定のパターンを空間光変調器に表示させ、この所定のパターンを平板状基板に投影する大面積マスクレス投影露光装置が考えられている（例えば、特許文献１）。この大面積マスクレス露光装置を使用し半導体基板に集積回路パターンを形成するにあたっては、露光用明暗パターンを何度も同一半導体基板の異なる領域に転写する必要があり、半導体基板の焦点合わせがその都度必要となる。そして、このような半導体基板の焦点合わせ方法は様々考えられている（例えば、特許文献２、特許文献３）。
特開２０００−２４１８９４号公報 特開２００３−１４９５４４公報 特開２００４−３３５６９２公報

しかしながら、このような大面積マスクレス露光にあたって、高解像度のパターン転写が要求される場合には、焦点合わせだけでなく、平板状基板の露光領域の傾きも問題となる。平板状基板の表面に傾きがあると、単発の露光視野内で焦点位置のずれが生じ、結果として、露光視野全面で焦点が合わなくなり、解像度が場所によってムラになるという問題がある。この影響は解像力を上げるほど（縮小率を上げるほど）顕著になる。光学系の焦点深度ｄと解像力ｒは、ｄ〜λ（ＮＡ＾２）及びｒ〜λ／ＮＡの関係で、光の波長λと対物レンズの開口数ＮＡに依存しており、一辺の画素数Ｍの空間変調素子を用いる場合、全面焦点が合うための基板の許容傾き角はθ〜ｄ／（Ｍｒ）〜１／（ＮＡ・Ｍ）で与えられる。したがって、Ｍ＝１０００では一度以下の精度での傾き調整が必要となる。このように高解像なパターン転写を要求する半導体デバイス露光では、基板の傾きは特に大きな問題となる。
一方、連続的または間欠的な基板スキャン若しくは光学像スキャン又はそれらの組み合わせによって露光位置移動を行って、基板面での空間光変調器の転写面積（１回の露光面積）を超える大面積の領域を露光する場合、基板の傾き補正と焦点合わせを、手動で行うとすれば、煩雑熟練を要する作業が必要となり、時間がかかるという問題がある。

本発明は、かかる問題点に鑑みなされたもので、平板状基板の表面の傾き補正と焦点合わせを簡単且つ自動的に行うことができる大面積マスクレス方法及び露光装置を提供することを目的とする。

本発明の大面積マスクレス露光方法は、光源（例えば図１の光源１０）、空間光変調器（例えば図１のＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）３０）、結像光学系（例えば図１の両側テレセントリック光学系４０）及び移動ステージ（例えば図１の６軸ステージ６０）を備えた大面積マスクレス露光装置を使用して行われ、露光位置移動によって１回の露光面積よりも大きな領域を露光するものである。この露光方法は、平板状基板（例えば図１の平板状基板５０）の結像光学系の光軸に垂直な面内での移動の度に以下のステップ１から５を順次実行して、平板状基板の全露光領域で、常に焦点のあった露光を自動的に行うことを特徴とする。

第１ステップでは、互いに分離された少なくとも３つの検査用明暗パターン（例えば図３のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）を空間光変調器に同時又は順次表示させる。この場合、表示させる検査用明暗パターンの全てが同一直線上に並ばないように配置されている。
第２ステップでは、第１ステップで、空間光変調器に表示された検査用明暗パターンを反映し且つ露光波長領域から外れた光を、結像光学系を介して、移動ステージ上に設置された平板状基板の表面の１つの露光領域に投影させる。
第３ステップでは、その露光領域からの反射光であって検査用明暗パターンに対応する各々の光を結像光学系を介して空間光変調器に再結像させ、上記、その各々の光に対応した複数の光電面を有する光電変換部（例えば図１の光電変換素子８０）に結像させる。
第４ステップでは、平板状基板の結像光学系の光軸上の位置及び傾きを移動ステージによって変化させ、光電面の各々からの出力（例えばＩA，ＩB，ＩC，ＩD）を同時に最大にする位置及び傾きを検出し、その位置及び傾きに基板を固定する。
第５ステップでは、空間変調器に所望の露光用明暗パターンを表示させ、露光波長領域の光を照射する。

また、本発明の大面積マスクレス露光装置は、光源、空間光変調器、結像光学系及び移動ステージを備え、露光位置移動によって１回の露光面積よりも大きな領域を露光する大面積マスクレス露光装置において、
前記平板状基板の前記結像光学系の光軸に垂直な面内での移動の度に、互いに分離された少なくとも３つの検査用明暗パターンを前記空間光変調器に同時又は順次表示させ、且つ、前記検査用明暗パターンを反映し且つ露光波長領域から外れた光を、前記結像光学系を介して、前記移動ステージ上に設置された平板状基板の表面の１つの露光領域に投影させると共に、前記露光領域からの反射光を前記空間光変調器に再結像させ、前記検査用明暗パターンの表示部からの各々の反射光を、その各々の反射光に対応し互いに独立した複数の光電面を有する光電変換部に結像させ、さらに、前記平板状基板の前記結像光学系の光軸上の位置及び傾きを前記移動ステージによって変化させ、前記光電面の各々からの出力を同時に最大にする位置及び傾きを検出し、その位置及び傾きに前記平板状基板を固定し、前記空間変調器に所望の露光用明暗パターンを表示させ、露光波長領域の光を前記露光領域に照射する、ように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、各回の露光前に、平板状基板の露光領域の傾斜補正と焦点合わせが行われるので、露光視野全面で焦点が合うことになり、解像度が場所によってムラになることはなくなる。結果として、高解像度を要求されるパターン転写に有効なものとなる。

（第１実施形態）
図１には本発明の大面積マスクレス露光装置の第１実施形態が示されている。この露光装置１００は次の通り構成されている。

この露光装置１００は、露光光学系として光源１０、リフレクタ２０、空間光変調器であるＤＭＤ（デジタル・ミラーデバイス）、及び両側テレセントリック光学系４０を備える。

光源１０としては特に制限はされないがメタルハライドランプ、ハロゲンランプ、キセノンランプ、発光ダイオード又はレーザ等が用いられる。そして、光源１０の近くにはリフレクタ２０が設置される。このリフレクタ２０は光源１０からの光を反射して集束光にして次段のＤＭＤ３０に向ける作用をなす。なお、光源１０からの光を平行光にしてＤＭＤ３０に照射するようにしてもよい。

ＤＭＤ３０にはリフレクタ２０からの光が斜方から入射する。ＤＭＤ３０は全体として方形状又は矩形状を呈しており、マイクロミラーがマトリクス状に並べられた構造となっている。マイクロミラーのそれぞれは静電気力によって回転制御され、この回転制御により、ＤＭＤ３０が所定のミラーパターンを担持できるようになっている。このミラーパターンはパターンとなる。このＤＭＤ３０での反射光は次段の両側テレセントリック光学系４０に入射する。この場合の反射光は、ＤＭＤ３０に表示されたパターンを反映した光となっている。なお、ＤＭＤ３０の代わりに液晶ライドバルブなど様々な空間光変調器を用いることもできる。

両側テレセントリック光学系４０は、ＤＭＤ３０に表示されたパターンを平板状基板５０に結像する働きをする。なお、ＤＭＤ３０などの空間光変調器に表示されたパターンを平板状基板６０に結像できるものであればよいので、両側テレセントリック光学系に限定されない。

平板状基板５０は表面が平らなもので、半導体基板がその代表的なものである。平板状基板５０は特に限定はされないが６軸ステージ６０上に設置される。この６軸ステージ ６０は、ｘ、ｙ、ｚ、θｘ、θｙ、θｚの６軸方向に精密に微移動可能に構成されている。このうち、ｘ−ｙ平面は両側テレセントリック光学系４０の光軸に対して直交する平面であり、ｚ軸は両側テレセントリック光学系４０の光軸に対して平行な軸である。また、θｘはｘ軸に平行な軸、、θｙはｙ軸に平行な軸、θｚはｚ軸に平行な軸である。

本実施形態の露光装置１００は、検査光学系として光源１０、リフレクタ２０、ＤＭＤ３０、両側テレセントリック光学系４０、ハーフミラー７０、結像レンズ９０を備える。このうち、光源１０、リフレクタ２０、ＤＭＤ３０、両側テレセントリック光学系４０は露光光学系と兼用となっている。
この検査光学系は、平板状基板５０での反射光を結像レンズ９０によって光電変換素子８０に結像させるようになっている。すなわち、この検査光学系では、平板状基板５０での反射光は前記両側テレセントリック光学系４０を通ってＤＭＤ３０に入射する。ＤＭＤ３０は両側テレセントリック光学系４０からの光を反射させ、光源１０側に向かわせる。そして、ＤＭＤ３０と光源１０との間に設けられたハーフミラー７０によってＤＭＤ３０からの光は反射され、結像レンズ９０を介して光電変換素子８０に結像する。

光電変換素子８０は、この実施形態では４分割フォトダイオードによって構成されているが、フォトダイオードの代わりにＣＭＯＳで構成されていてもよい。要は、検査用明暗パターンＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに対応して独立出力可能な４つの光電変換部を有することである。

なお、光源１０とハーフミラー７０との間には波長選択フィルタが介装可能となっている。そして、露光の場合と検査の場合とで、波長選択フィルタの切替えによって平板状基板５０に照射される光の波長を変えることができるようになっている。

図２は、本実施形態における露光装置１００の機能構成の一例を示すブロック図である。 同図において符号１０１は処理部を示す。この処理部１０１は、記憶部１０２に記憶されるプログラムやデータに基づいて、演算、露光装置１００全体の制御、露光装置１００内の各機能部への指示等の各種処理を行う。この処理部１０１の機能は、各種プロセッサ等のハードウェアや、所与のプログラムにより実現される。

記憶部１０２には、処理部１０１に露光装置１００を統合的に制御させるためのシステムプログラムや、検査、傾き補正、焦点合わせ及び露光を実行させるために必要なプログラム及びデータが格納される。プログラムには、露光用プログラムや検査用プログラムが含まれる。また、データには、露光用明暗パターンデータや検査用明暗パターンデータが含まれる。この記憶部１０２の機能は、例えばＩＣメモリやハードディスク等により実現される。

次に、ＤＭＤ３０に表示される検査用明暗パターンについて説明する。図３には検査用明暗パターンの一例が示されている。実施形態では、検査用明暗パターンとして、図３に示すように、平板状基板５０に投影した際にそれぞれ市松模様状となる４つの検査用明暗パターンＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄが用いられている。この検査用明暗パターンは市松模様状パターンとなっているが、これに限定されるものでないことは勿論である。

次に、本発明に係る露光方法を説明すれば、本発明に係る露光方法は、図４に示す順序で行われる。すなわち、本発明に係る露光方法は、基板傾斜計測用パターン（検査用明暗パターン）の生成、ＤＭＤ表示、長波長光照射、基板傾斜補正・焦点合わせ、露光用明暗パターンの生成、ＤＭＤ表示、短波長光照射及び露光位置移動の順序で、これらのステップを繰り返すことによって行われる。以下、その詳細を説明する。

検査用明暗パターンとしては、上述した市松模様状の４つの検査用明暗パターンＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを使用する。この４つの検査用明暗パターンは、図３に示すようにＤＭＤ３０の上で、次のように構成されている。すなわち、検査用明暗パターンＡ及びＢの組と検査用明暗パターンＣ及びＤの組とは、第１軸に対して線対称に表示される。また、検査用明暗パターンＡ及びＤの組と、検査用明暗パターンＢ及びＣの組とは、第１軸に直交する第２軸に対して線対称に表示される。
これら４つの検査用明暗パターンは、ＤＭＤ３０上の第１軸、第２軸がそれぞれ６軸ステージ６０のθｘ、θｙの軸に合致するように平板状基板５０に投影される。そして、４つの検査用明暗パターンの投影像は４分割された光電変換素子８０の対応光電変換部に結像される。

この検査用明暗パターンを使用してなされる傾き補正の原理を図５及び図６を用いて説明する。
図５（Ａ）には、平板状基板５０がθｙの軸だけを中心として傾いている状態が示されている。この場合、６軸ステージ６０を所定位置からＺ方向に動かし平板状基板５０を両側テレセントリック光学系の光軸方向に移動すると、平板状基板５０が所定位置からＺADだけ移動した所で検査用明暗パターンＡ、Ｄの焦点が合う（図６（Ａ）参照）。この時には、検査用明暗パターンＢ、Ｃの焦点は合っていない。さらに、６軸ステージ６０をＺ方向に動かし平板状基板５０を両側テレセントリック光学系の光軸方向に移動すると、所定位置からＺBCだけ移動した所で検査用明暗パターンＢ、Ｃの焦点が合う（図６（Ｂ）参照）。この時には、検査用明暗パターンＡ、Ｄは焦点位置からずれる。

一方、図５（Ｂ）には、６軸ステージ６０を動かし平板状基板５０をＺ方向に移動したときのＩ／ＩONの値が示されている。ここでＩは光電変換素子８０から出力される電流値であり、ＩONは検査用明暗パターンを明部だけとした場合の電流値を示している。ここでＩONは一定である。
同図からは、光電変換素子８０の光電変換部からの出力Ｉは、対応の検査用明暗パターンの焦点が合った時に最大となることが分かる。この場合の最大値ＩMAXは、検査用明暗パターンが市松模様状となっているため、ＩONのほぼ１／２である。

基板の傾斜を補正し、全面に焦点が合った状態を実現するためには、６軸ステージ６０のＺ方向の位置とｙ軸の傾斜角をＩADとＩBCが同時に最大となるように調整すればよい。具体的には、ＩAD／ＩONとＩBC／ＩONの差Δ＝（ＩAD−ＩBC）／ＩONを算出し、６軸ステージ６０により基板位置をＺ軸方向に移動してΔ＝０となる位置に基板を固定する。続いて、Δ＝０を保ちつつ、ＩADまたはＩBCが最大になるまで、６軸ステージ６０をθｙについて傾動することで、基板傾斜の補正及び焦点合わせが同時にできることになる（図７参照）。

以上が平板状基板５０の表面の１つの露光領域がθyの軸だけを中心に傾いている場合である。しかし、実際には平板状基板５０の表面の１つの露光領域はうねり等によってθx及びθy双方に対して傾いている場合が多い。
そこで、前記の手順を、ｘ軸方向の傾きに対応する、ＩABとＩCDの組み合わせに対して適用すれば、θｘに関する傾斜補正ができ、且つ基板全体について、焦点合わせが行われる。

このようにして、一度に露光すべき領域の傾き補正及び焦点合わせが終了したならば、露光用明暗パターンの生成を行い、そのＤＭＤ３０の各マイクロミラーを制御して露光用明暗パターンをＤＭＤ３０に表示させる。次いで、光源１０からの光（露光波長域にある短波長の光）をリフレクタ２０を介してＤＭＤ３０に照射する。ＤＭＤ３０によってその光を反射し、その光を両側テレセントリック光学系４０に導き、両側テレセントリック光学系４０を通じて露光用明暗パターンを平板状基板５０に投影する。そうして、１回の露光が終了したならば、露光位置移動を行い次の露光領域の傾き補正と焦点合わせを行い、その露光領域の露光を行う。このようなステップを繰り返す。

なお、前記実施形態では、ハーフミラー７０をＤＭＤ３０と光源１０との間に設けたが、ハーフミラー７０を両側テレセントリック光学系４０とＤＭＤ３０又は平板状基板５０との間に設け、そのハーフミラー７０での反射光を光電変換素子８０で検出するようにしてもよい。

（第２実施形態）
この第２実施形態は第１実施形態に使用される露光装置１００で、検査用明暗パターンを順次照射して平板状基板５０の傾き補正と焦点合わせを行うものである。この傾き補正と焦点合わせの方法を図８を用いて説明する。なお、この傾き補正と焦点あわせの際には露光波長領域から外れた光を用いることはいうまでもない。また、この場合に使用される検査用明暗パターンは同一のものであることが好ましい。

検査用明暗パターンＡ₁を移動ステージ面の座標（ｘ₁，ｙ₁）に照射し、光軸（ｚ軸）に沿って平板状基板６０を移動したときに、該基板からの反射光をＤＭＤ３０に再転写した後の反射光強度が最大となる基板位置、すなわち点（ｘ₁，ｙ₁）での基板面の焦点ｚ位置をｚ１とする。以下同様に、検査用明暗パターンＡ₁、Ａ₂、・・・、Ａ_N（Ｎ≧３）を、それぞれ基板面上の点（ｘ₁，ｙ₁）、（ｘ₂，ｙ₂）、・・・（ｘ_N，ｙ_N）に順次照射して、各照射点における焦点位置ｚ₂、ｚ₃、・・・、ｚ_Nを決定する。

一方、基板表面の形状は、ｚ₀，ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅなどを定数として
ｚ＝ｚ₀＋ａｘ＋ｂｙ＋ｃｘ²＋ｄｘｙ＋ｅｙ²＋・・・
で表される。 したがって、移動ステージによる基板の位置補正は、ｘ軸の傾斜角をθｘ＝ａ，ｙ 軸の傾斜角をθｙ＝ｂとすればよい。また、ｚ軸方向の位置はｚ０ で与えられる。

そこで、上記のとおり決定された（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）、（ｘ₂，ｙ₂，ｚ₂）、・・・、（ｘ_N，ｙ_N，ｚ_N）を用いて平面からの偏差を最小にする条件から、ｚ₀、ａ、ｂを求めることができる。
すなわち、

に対して、

から、次の連立方程式を得る。

この連立方程式をｚ₀、ａ、ｂについて解くことで、傾き補正と焦点位置が決定される。そこで、ここで決定された傾き補正と焦点位置に従って移動ステージを動かして平板状基板５０の傾き補正と焦点合わせを行う。そして、その後に、傾き補正と焦点合わせを行ったその露光領域の露光を行う。これらの作業は、平板状基板５０の結像光学系の光軸に垂直な面内での移動の度に順次実行され、平板状基板５０の全露光領域で、常に焦点のあった露光を自動的に行われる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、かかる実施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で種々変形が可能であることはいうまでもない。
例えば、第１実施形態では、傾き補正を焦点あわせに先行させたが、焦点合わせを行った後に傾き補正を行ってもよい。

第１実施形態の焦点合わせ装置の光学系の構成図である。 実施形態の露光装置の機能ブロック図である。 実施形態のＤＭＤに表示される検査用明暗パターンを示す図である。 実施形態の露光方法のフローを示す図である。 実施形態の傾き補正の方法を示す図である。 傾きがある場合の明暗パターンを示す図である。 焦点合わせの方法を示す図である。 第２実施形態の基板の傾き補正及び焦点合わせの方法を説明するための図である。

符号の説明

１０ 光源
２０ リフレクタ
３０ ＤＭＤ
４０ 両側テレセントリック光学系（結像光学系）
５０ 平板状基板
７０ ハーフミラー
８０ 光電変換素子

Claims (2)

1. 光源、空間光変調器、結像光学系及び移動ステージを備えた大面積マスクレス露光装置を使用し、露光位置移動によって１回の露光面積よりも大きな領域を露光する大面積マスクレス露光方法において、
   前記大面積マスクレス露光装置に、
   互いに分離された少なくとも３つの検査用明暗パターンを前記空間光変調器に同時又は順次表示させる第１ステップと、
   前記検査用明暗パターンを反映し且つ露光波長領域から外れた光を、前記結像光学系を介して、前記移動ステージ上に設置された平板状基板の表面の１つの露光領域に投影させる第２ステップと、
   前記１つの露光領域からの反射光であって前記検査用明暗パターンに対応する各々の光を前記結像光学系を介して前記空間光変調器に再結像させ、前記検査用明暗パターンの表示部からの各々の反射光を、その各々の反射光に対応し互いに独立した複数の光電面を有する光電変換部に結像させる第３ステップと、
   前記平板状基板の前記結像光学系の光軸上の位置及び傾きを前記移動ステージによって変化させ、前記光電面の各々からの出力を同時に最大にする位置及び傾きを検出し、その位置及び傾きに前記平板状基板を固定する第４ステップと、
   前記空間変調器に所望の露光用明暗パターンを表示させ、露光波長領域の光を照射する第５ステップとを、
   前記平板状基板の前記結像光学系の光軸に垂直な面内での移動の度に順次実行して、前記平板状基板の全露光領域で、常に焦点のあった露光を自動的に行うことを特徴とする大面積マスクレス露光方法。
2. 光源、空間光変調器、結像光学系及び移動ステージを備え、露光位置移動によって１回の露光面積よりも大きな領域を露光する大面積マスクレス露光装置において、
   前記平板状基板の前記結像光学系の光軸に垂直な面内での移動の度に、
   互いに分離された少なくとも３つの検査用明暗パターンを前記空間光変調器に同時又は順次表示させ、且つ、前記検査用明暗パターンを反映し且つ露光波長領域から外れた光を、前記結像光学系を介して、前記移動ステージ上に設置された平板状基板の表面の１つの露光領域に投影させると共に、前記露光領域からの反射光を前記空間光変調器に再結像させ、前記検査用明暗パターンの表示部からの各々の反射光を、その各々の反射光に対応し互いに独立した複数の光電面を有する光電変換部に結像させ、さらに、前記平板状基板の前記結像光学系の光軸上の位置及び傾きを前記移動ステージによって変化させ、前記光電面の各々からの出力を同時に最大にする位置及び傾きを検出し、その位置及び傾きに前記平板状基板を固定し、前記空間変調器に所望の露光用明暗パターンを表示させ、露光波長領域の光を前記露光領域に照射する、
   ように構成されていることを特徴とする大面積マスクレス露光装置。

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