JP2007304517A - 直描方式の露光方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直描方式で露光において、マイクロレンズを用いることなく、一定の強度のスポットを維持して高精細な描画を可能とする。
【解決手段】光源からの光を個々のマイクロミラーのＯＮ／ＯＦＦ動作により反射させるＤＭＤ（１１）に照射し、該ＤＭＤより反射した光を第一光学系（１２）により結像させ、第一光学系の結像面に配置した３分割ミラー２０によりＤＭＤよりの光を描画方向に対して略垂直な方向に３分割し、分割された光を第二光学系（１６）により縮小すると共に描画面（１７）に結像することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置や配線基板を製造する際の露光工程において使用されるマスクを製造する場合、或いはこのようなマスクを用いないで回路パターンをウエハや基板上に直接形成する場合、等に使用される直描方式の露光方法及び露光装置に関する。

半導体装置を製造する場合の露光工程では、一般に、回路パターンに対応するパターンが描画されたマスクを透過したレーザ光を、例えばレジストが塗布されたウエハ上に照射し、露光された部分のレジストを現像する等によりパターン形成を行っている。

これに対し、例えば、マスクを製造する場合等に使用される直描方式での露光を行う場合は、一度に描画する幅を描画素子と同じにし、且つ、描画ドットを小さくするため、画素ごとにマイクロレンズを設けている。

具体例を挙げると、１辺１５μｍの正方形（１５μｍ□）のマイクロミラーを多数配列して構成された１０２４×７６８ドットのデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いて露光を行う場合、等倍の１５μｍ□を５μｍ○に調整し、等倍の第二光学系で５μｍドットの描画を行う。描画ピッチを小さくするには、素子を少し傾けたり、発光タイミングを変えたりする。

図１に従来の直描方式による露光装置の構成を模式的に示している。また、図２は従来の露光装置による各素子の状況を平面的に示したものである。

図１において、１１はデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）素子であって、上述のように個々のマイクロミラー素子１０は、１辺１５μｍの正方形をなる極小のミラーであって、上述のように、例えば１０２４×７６８ドットにマトリックス状に配列されている。個々のマイクロミラー素子１０がＯＮ、ＯＦＦされることにより反射光の方向を変える。なお、図２においては、便宜上、ＤＭＤ素子１１を８×６ドットのマイクロミラー素子１０の配列で示している。１２はレンズを含む第一光学系であって、例えば、ＯＮの状態にある個々のマイクロミラー素子１０から反射された光を透過させる。

また、図１において、１３は第一光学系による結像面、１４はマイクロレンズ群、１５はマイクロレンズ系の結像面である。第一光学系による結像面１３における配列は、ＤＭＤ素子１１の配列に対応して、個々の画素は正方形である。

マイクロレンズ群１４もＤＭＤ素子１１の配列に対応して、例えば、個々の微小なレンズが１０２４×７６８ドットにマトリックス状に配列されたものである。なお、図２においては、便宜上、ＤＭＤ素子の場合と同様、８×６ドットの配列で示している。マイクロレンズ系の結像面１５には、シャドウマスク（図示せず）が配置されており、正方形□の画素を円形○の画素に整形する。この従来例の場合は、図２に示すように、１５μｍ□が、５μｍ○に調整される。また、１６はレンズを含む第二光学系、１７は描画面をそれぞれ示す。図２に示すように、描画面１７には、マイクロレンズ系の結像面１５におけると同様、個々の画素は５μｍ○として表れる。

ここで、問題となるのは、マイクロレンズ自体の精度、マイクロレンズの位置、シャドウマスクの位置精度及びそれらの精度の安定性である。これらの精度の不安定さによって、描画面のスポットが歪んだり、スポットの明るさが変動し、結果的に安定した正確な描画が困難になってしまう。

直描方式の露光方法及び露光装置に関する先行技術として、特開２００５−１５９２３２号公報（特許文献１）に開示されている「パターン描画装置」がある。これによると、マイクロレンズアレイにおける各マイクロレンズの焦点距離は一般に１００ミクロン前後と短いため、その直後に配置するピンホール板を数十ミクロン程度に薄くする必要がある。ところが、その結果、ピンホール板が自重でたわむため、基板に投影される各スポットの大きさが変化することがあった。このため、この先行技術では、第１のピンホール板と縮小投影光学系との間に、第２の投影光学系と第２のピンホール板を配置したものである。この構成によれば、第２のピンホール板では、マイクロレンズの焦点距離とは無関係に厚くできるため、たわみを無視できる程度に小さくすることができる。この結果、第１のピンホール板を大きくせずに、第２の投影光学系によって第２のピンホール板を大きくできるため、スポットの大きさの変動を引き起こすことなく、描画速度を高めることができる。

特開２００５−１５９２３２号公報

上述した従来の直描方式で露光装置では、マイクロレンズが熱その他の原因で位置や焦点距離等が経時変化しやすい。そのため、一定の強度のスポットを得ることが難しい。

特許文献１に開示された「パターン描画装置」においても、第２ピンホール板を用いることにより、各スポットの大きさの変動を少なくする効果はあるものの、本質的にマイクロレンズアレイを用いているので、マイクロレンズ自体の位置や焦点距離等の経時変化を起こしやすいことには変わりはない。

そこで、本発明では、直描方式の露光方法及び露光装置において、マイクロレンズを用いることなく、したがってマイクロレンズ自体が熱その他の原因で位置や焦点距離等が経時変化等に影響されることなく、一定の強度のスポットを維持して高精細な描画を可能とする露光方法及び露光装置を得ることを課題とする。

上記の課題を達成するために、本発明によれば、光源からの光を個々のマイクロミラーのＯＮ／ＯＦＦ動作により反射させるデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）に照射し、該ＤＭＤより反射した光を第一光学系により結像させ、第一光学系の結像面に配置した光分割手段によりＤＭＤよりの光を描画方向に対して略垂直な方向に分割し、該分割された光を第二光学系により縮小すると共に描画面に結像することを特徴とする直描方式の露光方法が提供される。

また、本発明によれば、光源と、該光源からの光を個々のマイクロミラーのＯＮ／ＯＦＦ動作により反射させるデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）と、該ＤＭＤより反射した光を結像させる第一光学系と、第一光学系の結像面に配置した、ＤＭＤよりの光を描画方向に対して略垂直な方向に分割する光分割手段と、該光分割手段により分割された光を縮小すると共に描画面に結像する第二光学系と、を含むことを特徴とする直描方式の露光装置が提供される。

このように、本発明では、第一光学系の結像面に配置した光分割手段によりＤＭＤより反射した光を描画方向に対して略垂直な方向に分割し、更に、分割された光を第二光学系により縮小しているので、全体としての描画幅を元の描画幅と変えることなく、同じ解像度で描画することができる。また、本発明では、不安定なマイクロレンズを用いる必要がないので、マイクロレンズ自体の熱やその他の原因による位置や焦点距離等が経時変化等に影響は全くなくなる。

本発明の好適の実施形態では、光分割手段として、分割ミラー又は分割プリズムを用いて光分割する。このように、分割ミラー又は分割プリズムを用いることにより簡便な方法により、ＤＭＤより反射した光を複数に分割することができる。

本発明の好適の実施形態では、ＤＭＤによるマトリックス状の多数のスポットによる画像を描画方向に対して略垂直な方向に３分割し、上位置及び下位置の画像を中位置の画像に対して水平方向に互いに反対方向にずらし、ずらした上位置及び下位置の画像の縁が、中位置の画像の両端にそれぞれ整合するようにしたことを特徴とする。このように、ＤＭＤによる矩形マトリックス状の多数の画像スポットを描画方向に３分割する場合は、第二光学系により画像を１／３に縮小する。これにより、全体としての描画幅を元の描画幅と同一とし、同じ解像度で描画することができる。

また、本発明の好適な実施形態においては、ＤＭＤによるマトリックス状の多数のスポットによる画像を描画方向に対して略垂直な方向に複数に分割し、分割された領域の境界付近の画素を不使用とするべく、前記第二光学系に光遮蔽手段を設けたことを特徴とする。これにより、光分割手段を光学系の誤差や収差等の影響で分割された画像領域の境界付近では、光量不足となりがちであるが、この実施形態においては、境界付近の画素を不使用となるので、高密度な露光を維持することができる。

光分割手段によりＤＭＤよりの光を描画方向に関して垂直な方向からごく僅かずらせた方向に分割することを特徴とする。このように、描画方向に関して垂直な方向から極僅かずらせることにより、解像度を良好に保つことができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図３に本発明の直描方式による露光装置の構成を模式的に示したものである。また、図４（ａ）はＤＭＤ素子面、図４（ｂ）は実際の描画面、図４（ｃ）は画像を横一列に結像させた場合の描画面を示す。

図３において、１１はデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）素子であって、前述の場合と同様、個々のマイクロミラー素子１０は、１辺１５μｍの正方形となる極小のミラーであって、例えば１０２４×７６８ドットにマトリックス状に配列されている。図示しない光源からの光をＤＭＤに照射し、個々のマイクロミラー素子１０がＯＮ／ＯＦＦされることにより光源からの反射光の方向を変える。

ＤＭＤ素子１１は、図４（ａ）においては、図２の場合と同様、便宜上、８×６ドットのマイクロミラー素子１０の配列で示している。１２はレンズを含む第一光学系であって、例えば、ＯＮの状態にある個々のマイクロミラー素子１０から反射された光を透過させ、図３の符号１３（結像面Ｂ）の位置にて、結像させる作用をする。

図３において、第一光学系１２による結像面１３には３分割ミラー２０が配置される。３分割ミラー２０は、例えば、それぞれ角度の異なる、即ち角度を少しずつずらせた３つのミラー面２０ａ、２０ｂ、２０ｃが隣接して配置されたものである。例えば、中央のミラー２０ａを基準とすれば、一方の側のミラー２０ｂをプラス方向に所定角度、他方のミラー２ｃをマイナス方向に所定角度ずらしてある。
この際、プラス方向への所定角度とマイナス方向への所定角度とを、同一角度とする。

この３分割ミラー２０では、ＤＭＤ１１により反射した光を、後述のように、描画方向に対して略垂直な方向に３分割する。光分割手段としては、分割ミラーの他に、分割プリズムを用いても良い。この実施形態では、画像を３分割したが、３分割に限定されることはなく、任意の複数の画像に分割することができる。しかしながら、分割数が多くなると、分割ミラー等の個々のミラーによる収差等が広がることとなり、解像度を悪化させることとなるので、分割数にはある程度の制限がある。

この実施形態における３分割ミラー２０では、例えば個々のマイクロミラー素子１０が１０２４×７６８ドットにマトリックス状に配列されたＤＭＤ１１からの反射光を３つに分割する。なお、図４（ａ）では便宜上８×６ドットにマトリックスとして示してある。このような、矩形状の画像を描画方向Ａに対して３分割する。この場合に、描画方向Ａに対して、上位置の１／３の画像領域を中位置の１／３の画像領域の画像に対して水平左方向に、下位置の１／３の画像領域を中位置の１／３の画像領域の画像に対して水平右方向にそれぞれずらし、ずらした上位置及び下位置の画像の縁が、中位置の画像の両端にそれぞれ整合するようにする（図４（ｂ））。

レンズを含む第二光学系１６は、３分割ミラー２０により分割された画像を１／３に縮小すると共に、描画面１７に結像する作用をする。したがって、描画面１７における実際の画像は、３分割ミラー２０により分割したことにより３倍の画像として表れることとなるところ、第二光学系１６により画像を１／３に縮小しているので、画像の幅Ｂはもとの画像の幅と同一の幅となる。よって、もとの画像の幅と、同一の幅Ｂにおいて、画像を３倍とすることになるため、解像度を増すことができる。

したがって、図４（ａ）に示すようなＤＭＤ１１のマイクロミラー素子１０の配列に対し、ＤＭＤの領域１１ａ、１１ｂ、１１ｃのそれぞれの部分は、実際の描画面１７における画像としては、図４（ｂ）に示すように、画像領域１７ａ、１７ｂ、１７ｃとして表れる。

図４（ｃ）は実際の描画面１７における画像を描画方向Ａに対し横一列に整合させた例を示す。上述のように、ＤＭＤ１１による光を３分割ミラー２０により３分割すると共に、第二光学系１６により３分割した画像を１／３に縮小する点は、前述の実施形態と同様であるが、第二光学系１６におけるレンズ等を応用して、描画面における画像を光学的に修正することにより、同一幅Ｂで横一列の画像を得ることができる。ただし、光学的な画像の補正を追加的に行うことにより、レンズ等の収差の影響で描画精度に影響することとなるので、それほど高度な描画精度が要求されない場合に適用することができる。

図５（ａ）は、高精度描画が要求される場合に、境界付近の画素を不使用にした場合の実施形態を示す。ＤＭＤ１１による矩形マトリックス状の多数の画像スポットを描画方向Ａに３分割する場合において、分割された領域の境界付近の画素は、３分割ミラー２０や第二光学系１６のレンズ等の収差の影響で光量不足となりがちである。したがって、高精度な描画を行うためには、このような光量が不足した境界付近の画素は用いない方が良い。そこで、例えば、第二光学系１６の一部に、分割領域の境界付近に対応する位置に遮光膜等を設け、境界付近の画素が描画面には投影されないようにする。なお、図５（ａ）において、Ｃは有効領域、Ｄは不使用領域である。

図５（ｂ）は、３分割ミラー２によりＤＭＤ１１よりの光を描画方向Ａに関して垂直な方向からごく僅かずらせた方向に分割した場合の描画面での画像の状態を示す。このように、描画方向Ａに関して垂直な方向からごく僅かずらせる（傾ける）ことにより、解像度を良好に保つことができる。即ち、マトリックス状に配置された各画素が、描画方向Ａに一直線に並ぶことによる解像度への影響を避けるために、ごく僅かにずらせてある。この場合のずれの程度は、マトリックス状に配置された各画素の当該列の最後尾の画素が、次列の最先端の画素と描画方向に直線上に並ぶか或いは近接する程度が好適である。

図６は本発明により実際に直描方式の露光装置を構成した場合の具体例を示す。光源２１からの光がＤＭＤ２２に照射され、ＤＭＤ２２のＯＮ／ＯＦＦによる映像は、第１レンズ２３で３分割ミラー２４上に結像する。３分割ミラー２４により、描画方向Ａに対し、映像の上の部分の像は左にずれ、中央の部分の像はそのまま、下の部分の像は右にずれる。３分割ミラー２４により分割された映像は、光路修正ミラー２５で光路が修正されて第２レンズ２６により結像面である基板２７上に縮小されて結像される。上部のユニット（露光装置）又は下部の基板２７が連続的に相対移動することにより、ＤＭＤ２２のＯＮ／ＯＦＦによる映像パターンが高精度に基板２７面上に描画される。

以上添付図面を参照して本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神ないし範囲内において種々の形態、変形、修正等が可能である。

以上説明したように、本発明によれば、熱やその他の原因によって位置や焦点距離等につき経時変化を受け易い不安定なマイクロレンズを用いることなく、高精度にパターンを描画することができる。したがって、本発明は、半導体装置の製造に用いられるマスクを製造する場合、或いはこのようなマスクを用いないで回路パターンをウエハや基板上に直接描画する場合等に好適に使用することができる。

従来の直描方式による露光装置の構成を模式的に示す。 従来の露光装置による各素子の状況を平面的に示したものである。 本発明の直描方式による露光装置の構成を模式的に示す。 （ａ）はＤＭＤ素子面、（ｂ）は実際の描画面、（ｃ）は画像を横一列に結像させた場合の描画面を示す。 （ａ）は分割した画像の境界付近の画素を不使用にした場合の実施形態、（ｂ）は描画方向に関して垂直な方向からごく僅かずらせた方向に分割した場合の描画面での画像の状態を示す。 本発明により実際に直描方式の露光装置を構成した場合の具体例を示す。

符号の説明

１１ ＤＭＤ
１２ 第一光学系
１３ 第一光学系結像面
１６ 第二光学系
１７ 描画面

Claims (6)

1. 光源からの光を個々のマイクロミラーのＯＮ／ＯＦＦ動作により反射させるデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）に照射し、該ＤＭＤより反射した光を第一光学系により結像させ、第一光学系の結像面に配置した光分割手段によりＤＭＤよりの光を描画方向に対して略垂直な方向に分割し、該分割された光を第二光学系により縮小すると共に描画面に結像することを特徴とする直描方式の露光方法。
2. 光分割手段として、分割ミラー又は分割プリズムを用いて光分割することを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
3. ＤＭＤによるマトリックス状の多数のスポットによる画像を描画方向に対して略垂直な方向に３分割し、上位置及び下位置の画像を中位置の画像に対して水平方向に互いに反対方向にずらし、ずらした上位置及び下位置の画像の縁が、中位置の画像の両端にそれぞれ整合するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の露光方法。
4. ＤＭＤによるマトリックス状の多数のスポットによる画像を描画方向に対して略垂直な方向に複数に分割し、分割された領域の境界付近の画素を不使用とするべく、前記第二光学系に光遮蔽手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の露光方法。
5. 光分割手段によりＤＭＤよりの光を描画方向に関して垂直な方向から極く僅かずらせた方向に分割することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の露光方法。
6. 光源と、該光源からの光を個々のマイクロミラーのＯＮ／ＯＦＦ動作により反射させるデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）と、該ＤＭＤより反射した光を結像させる第一光学系と、第一光学系の結像面に配置した、ＤＭＤよりの光を描画方向に対して略垂直な方向に分割する光分割手段と、該光分割手段により分割された光を縮小すると共に描画面に結像する第二光学系と、を含むことを特徴とする直描方式の露光装置。

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