JP2009116237A - 露光方法及び露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能でかつ安定した動作でマスクレス露光が可能な露光装置を提供する。
【解決手段】この露光装置１０は、光源１２と、ミラーＭ１，Ｍ２を繰り返し傾斜させるＭＥＭＳ光スキャナと、光源からの光をミラーを介して被露光物上に露光する露光光学系と、を備え、光源からの光をＭＥＭＳ光スキャナで傾斜するミラーにより被露光物上で異なる２方向に走査することで第１走査光及び第２走査光を得て２次元的に走査して被露光物上に照射する際に、第１走査光及び前記第２走査光の周期及び位相の少なくとも一方を制御することで被露光物上に所定のパターンを露光する。
【選択図】図１

Description

本発明は、２次元的な走査による露光方法及び２次元的な走査によるマスクレス露光が可能な露光装置に関する。

従来、半導体集積回路や液晶デバイス等の製造工程では回路パターン形成のためにフォトリソグラフィ工程が多用されている。フォトリソグラフィは、所定のパターンが形成されたフォトマスクを用い、このフォトマスクを介してフォトレジストの塗布されたシリコンなどの基板上に露光することで、フォトマスクのパターンを基板上に転写してから、現像工程、エッチング工程等を経ることにより基板上にパターンを形成するものである。

上述のようなフォトリソグラフィ工程の代わりに、フォトマスクを用いずにレーザ光等を用いて所望のパターンを基板等に直接形成するマスクレス露光（直接露光）装置が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。かかるマスクレス露光によれば、フォトマスクが不要でありコスト的に有利であり、また、高精度露光が可能であるとされている。また、ＤＭＤ(Digital Micromirror Device）を用いたマスクレス露光装置も提案されている。

また、パターンの形成は、通常、ベクタースキャンやラスタースキャン等による光照射法によって行われる。
特開２００６−２５０９８２号公報

しかし、上記光照射法によれば、細く長いパターンの露光を行う場合等に非効率になってしまい、生産性が低下してしまう。例えば、細胞等の微小物を流す流路チップに形成される細く長いマイクロ流路を形成する場合、流路長が長いうえにチップ基板に対する流路の面積比が小さいため無駄な露光が多くなってしまう。また、ビーム径をリアルタイムに変化させるような露光をすることができない。

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、細く長いパターン等の様々なパターンの露光を効率よく行うことができる露光方法及びかかる露光が可能であり、小型化が可能でかつ安定した動作でマスクレス露光が可能な露光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本実施形態による露光方法は、光源からの光を第１方向に繰り返して走査しかつ第２方向に繰り返して走査することにより被露光物上で２次元的に走査する際に、前記第１方向への第１走査光及び前記第２方向への第２走査光の周期及び位相の少なくとも一方を制御することで前記被露光物上に所定のパターンを露光するものである。

この露光方法によれば、異なる方向へ走査される第１走査光及び第２走査光の周期及び位相の少なくとも一方を制御することで、リサージュ図形等による様々なパターンを露光することができ、例えば、周期を同一とし、位相差をゼロとすることで直線状のパターンを露光でき、位相差を９０度とすることで円形状のパターンを露光でき、位相差をゼロを超えて９０度未満とすることで楕円状のパターンを露光できる。また、第１走査光と第２走査光とにより効率的な露光を実現できる。

上記露光方法において前記第１走査光及び前記第２走査光の前記被露光物上における走査長さをさらに制御することで、パターンの大きさ、例えば、上述の円形状パターンの径を変えて露光することができ、これにより、円形状のパターンの径をリアルタイムに変化させるような露光が可能となる。

また、前記被露光物を移動させて所定のパターンを露光することで、細く長いパターンの露光を効率よく行うことができる。

本実施形態による露光装置は、光源と、ミラーを繰り返し傾斜させるＭＥＭＳ光スキャナと、前記光源からの光を前記ミラーを介して前記被露光物上に露光する露光光学系と、を備え、前記光源からの光を前記ＭＥＭＳ光スキャナで傾斜するミラーにより前記被露光物上で異なる２方向に走査することで第１走査光及び第２走査光を得て２次元的に走査して前記被露光物上に照射する際に、前記第１走査光及び前記第２走査光の周期及び位相の少なくとも一方を制御することで前記被露光物上に所定のパターンを露光するものである。

この露光装置によれば、ＭＥＭＳ（メムス）光スキャナによりミラーを繰り返し傾斜させて光源からの光を異なる２方向に走査して第１走査光及び第２走査光を得て、所望のパターンを被露光物上に直接露光できる。ＭＥＭＳ（メムス）とは、微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems）の略で、機械要素部品を極小サイズで作製した小型デバイスである。ＭＥＭＳ光スキャナは、アクチュエータによりミラーを駆動して光を走査するＭＥＭＳ（メムス）光デバイスであり、小型に構成され信頼性が高く動作が安定している。このように、ＭＥＭＳ光スキャナを光走査に用いることによって、装置を小型化できかつ安定した動作でマスクレス露光が可能な露光装置を実現できる。

さらに、異なる方向へ走査される第１走査光及び第２走査光の周期及び位相の少なくとも一方を制御することで、リサージュ図形等による様々なパターンを露光することができ、例えば、周期を同一とし、位相差をゼロとすることで直線状のパターンを露光でき、位相差を９０度とすることで円形状のパターンを露光でき、位相差をゼロを超えて９０度未満とすることで楕円状のパターンを露光できる。また、第１走査光と第２走査光とにより効率的な露光を実現できる。

上記露光装置において前記ＭＥＭＳ光スキャナは、１次元的に光を走査し、前記露光光学系に２個配置されることで、前記第１走査光及び前記第２走査光が得られる。また、前記ＭＥＭＳ光スキャナは単体で２次元的に光を走査することで、前記第１走査光及び前記第２走査光が得られる。

また、前記第１走査光及び前記第２走査光の前記被露光物上における走査長さをさらに制御することで、パターンの大きさ、例えば、上述の円形状パターンの径を変えて露光することができ、これにより、円形状のパターンの径をリアルタイムに変化させるような露光が可能となる。

また、前記被露光物を載置して移動可能なステージを備え、前記ステージの移動を制御することで前記被露光物上に所定のパターンを露光することで、所望のパターンを被露光物上に直接露光できる。

また、前記光源からの光のオンオフを制御することで前記被露光物上にパターンを露光することにより、例えば、走査方向に断続的なパターンや走査方向と直交する方向に間欠的なパターン等の所望のパターンを露光できる。

また、前記露光光学系が対物レンズを含み、前記対物レンズを前記被露光物に対し駆動し自動的に合焦させるオートフォーカス機構を備えることで、露光中に自動的に合焦させることができるので、被露光物の表面に凹凸があっても高精度な露光が可能となる。

本発明の露光方法及び露光装置によれば、細く長いパターンやリサージュ図形等の様々なパターンの露光を効率よく行うことができる。また、小型化が可能でかつ安定した動作でマスクレス露光が可能な露光装置を実現できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。

〈第１の実施の形態〉
図１は第１の実施の形態による露光装置の全体の概略的構成を示す図である。図２は図１の露光光学系を説明するための図である。図３は図２の露光光学系の一部（図２の破線で囲んだ範囲III）の上面図である。

図１に示すように、露光装置１０は、被露光物Ａを載置し保持してＸＹ方向に移動可能なＸＹステージ１１と、半導体レーザからなる光源１２と、光源１２から光ファイバＦＩで導かれた光により被露光物Ａに対し露光する露光光学系と、露光を行う際に露光光学系の鏡筒３１内の対物レンズをＸＹステージ１１上の被露光物Ａに対し図の上下方向に駆動し自動的に合焦させるオートフォーカス機構と、ＸＹステージ１１上の被露光物Ａを観察するための観察光学系と、ＸＹステージ１１及び光源１２を制御する制御装置１３と、を備えている。

露光光学系は、図１〜図３のように、光源１２からの光が光ファイバＦＩを介して導入されてコリメートレンズＣで平行化されてミラーＭ２で反射し、レンズＬ４，Ｌ３を介してミラーＭ１で反射し、レンズＬ２，ミラー１９，レンズＬ１，ビームスプリッタ２９を介して鏡筒３１内の対物レンズＪでステージ１１上の被露光物Ａの表面Ａ１に集光されて結像しスポット照射するようになっている。

上述の露光光学系の内のコリメートレンズＣからレンズＬ１までの各光学要素はハウジング２０内に配置され収容されている。

オートフォーカス機構は、図１のように、オートフォーカス用レーザ光源２２からの光がビームスプリッタ２７，２８，２９を介して鏡筒３１内の対物レンズＪ（図２）でＸＹステージ１１上の被露光物Ａの表面Ａ１に集光され、その反射光が対物レンズＪ、ビームスプリッタ２９，２８，２７，チューブレンズ３２，ビームスプリッタ２６を介してフォトダイオード（ＰＤ）からなる受光素子２１に入射し、その入射光信号に基づいて公知のピエゾ素子からなるアクチュエータ２３で鏡筒３１を光軸方向に駆動して鏡筒３１内の対物レンズＪ（図２）を移動させて合焦させるようになっている。

上述のビームスプリッタ２６，２７，２８，２９及びチューブレンズ３２はハウジング３０内に配置され収容されている。

観察光学系は、照明光を光導入部２５から導入してＸＹステージ１１上の被露光物Ａに照射してその反射光をＣＣＤカメラ２４で撮像して被露光物Ａを観察できるようになっている。

図１のように、ハウジング３０には、受光素子２１，オートフォーカス用レーザ光源２２，ＣＣＤカメラ２４及び光導入部２５が取り付けられており、ハウジング３０の下端にアクチュエータ２３が配置され、さらにアクチュエータ２３の下方に鏡筒３１が配置されている。

ＸＹステージ１１には、図１のステッピングモータ１５ａ，１５ｂとステッピングモータ１５ａ，１５ｂによる各回転運動をＸ方向及びＹ方向への直線運動に変換する公知のボールねじ等から構成された直動機構とが内蔵されている。ステッピングモータ１５ａ，１５ｂの各等速回転によりＸＹステージ１１は図１の横方向（Ｘ方向）及び図１の紙面垂直方向（Ｙ方向）に等速で移動可能になっている。

制御装置１３は、モータドライバ１６を介してステッピングモータ１５ａ，１５ｂを制御する。また、露光装置１０はＸＹステージ１１のＸ方向及びＹ方向の各位置を検出するエンコーダ等から構成された位置検出部１４を備えている。

制御装置１３は、ＸＹステージ１１のＸ方向及びＹ方向の各移動量を制御するが、このとき、位置検出部１４から入力した位置検出信号に基づいてステッピングモータ１５ａ，１５ｂをフィードバック制御することで、ＸＹステージ１１を高精度に制御できる。

また、制御装置１３は、ドライバ１７を介して光源１２をオンオフ制御し、光源１２からの光をオンオフするようになっている。なお、光源１２に対し公知の電動シャッタを後置し、この電動シャッタを制御装置１３が制御することにより、光源１２からの光をオンオフするようにしてもよい。

また、制御装置１３は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）を備え、ＣＰＵにより光源１２及びＸＹステージ１１を所定のシーケンスで制御し、所定パターンの露光が可能となっている。

図１〜図３に示すミラーＭ１，Ｍ２は、ＭＥＭＳ光スキャナの一部を構成するものであるが、かかるＭＥＭＳ光スキャナについて図４、図５を参照して説明する。

図４は図１〜図３の露光装置で使用可能なＭＥＭＳ光スキャナの基本構造及び動作原理を説明するための概略図である。図５は図１〜図３の露光装置で使用可能なＭＥＭＳ光スキャナの具体例を示す上面図（ａ）、b-b線方向に切断してみた断面図（ｂ）及び下面図（ｃ）である。

図４に示すＭＥＭＳ光スキャナは、矩形状のヨークＹ内に矩形平面状のミラーＭを一対のねじり棒Ｔ，ＴでヨークＹと連結するように形成し、ミラーＭの外周に沿って駆動コイルＤを形成し、ヨークＹの外側に対向するように一対の永久磁石Ｐ１，Ｐ２を配置するものであり、電磁駆動アクチュエータによりミラーを駆動する電磁駆動式の共振型である。

ＭＥＭＳ光スキャナは、図４のように、永久磁石Ｐ１，Ｐ２により磁束密度Ｂの磁界がねじり棒Ｔ，Ｔに直交する方向に生じ、駆動コイルＤに電流ｉを流すと、ローレンツ力Ｆによる回転トルクでねじり棒Ｔ，Ｔがその弾性復元力に抗して回動してミラーＭが傾く。電流ｉを交流電流とすることにより、ねじり棒Ｔ，Ｔが回転方向ｒとその逆方向ｒ’に共振して回動することでミラーＭが共振して傾斜を繰り返す。ここで、Ｆ∝ｉ・Ｂであるので、電流量を変化させることで、ミラーＭの傾きを変えることができる。ミラーＭは回転方向ｒ，ｒ’に傾斜し、ミラーＭに入射して反射する光の方向を一方向において変えるので、図４のＭＥＭＳ光スキャナは１次元可動タイプである。

ＭＥＭＳ光スキャナ１は、具体的には、図５（ａ）〜（ｃ）のように、基板６の基準面６ａ側にヨーク４を設け、ヨーク４の内側に永久磁石２，３を対向させて配置し、永久磁石２，３の間にシリコンチップ７を設け、ミラー５をシリコンチップ７で包囲するようにして配置し、図４のように駆動コイルを形成し、この駆動コイルにコネクタ８を介して外部から交流電流を流すことで、図５（ｂ）、（ｃ）のようにミラー５が回転中心軸ｐを中心にして回転方向ｒ、その逆方向ｒ’に共振して傾斜を繰り返すようになっており、１次元可動タイプの電磁駆動式共振型に構成されている。

図５（ａ）〜（ｃ）のＭＥＭＳ光スキャナ１では、基板６の基準面６ａの反対面６ｂ側において入射光ｎがミラーＭで反射するとき、その反射光ｎ’の基準面６ａに対する反射角度がミラー５の傾斜角に応じて変化する。なお、ＭＥＭＳ光スキャナ１には、図４のねじり棒Ｔと同様のねじり棒が回転中心軸ｐ上に設けられている。

図５（ａ）〜（ｃ）のＭＥＭＳ光スキャナ１は、各部品が微小に構成されており、その全体寸法が、例えば、３０ｍｍ×２２ｍｍ×５ｍｍ（厚さ）であり、ミラー５の平面寸法が４ｍｍ×４ｍｍである。このようなＭＥＭＳ光スキャナは、例えば、日本信号株式会社から商品名「ECO SCAN:ESS115B」として販売されている。

２つのＭＥＭＳ光スキャナ１は、図１〜図３のミラーＭ１，Ｍ２の位置にそれぞれ配置され、ミラーＭ１，Ｍ２による各走査光が互いに直交する方向に反射するように配置される。すなわち、ＭＥＭＳ光スキャナ１は、基板６の四隅に取付孔６ｃを有し、基準面６ａを基準にして図１の露光装置１０のハウジング２０内の２箇所の各所定位置に各ミラー５がミラーＭ１，Ｍ２の機能を発揮するように取付孔６ｃで取り付けられる。また、各ＭＥＭＳ光スキャナ１は、図１のように、制御装置１３により制御される。

次に、図１〜図３の露光装置１０の露光動作について図１〜図６を参照して説明する。図６は図１の被露光物の表面に露光されるパターンの一例を説明するための模式図である。

最初に、露光装置１０による露光について説明する。まず、光源１２からの光がコリメートレンズＣで平行光ｍになって図３のようにミラーＭ２に入射する。ミラーＭ２は、図５（ａ）〜（ｃ）のＭＥＭＳ光スキャナ１のミラー５に相当し、ＭＥＭＳ光スキャナ１に図４の駆動コイルＤのように交流電流を流すことで、図２のミラー回転軸１８（図４のねじり棒Ｔに対応し、図５の回転中心軸ｐと同軸である。）を中心に回動を繰り返し、図３のように光軸ａに対し傾斜角β２で傾く。

次に、ミラーＭ２で反射した光は、焦点距離ｆ４のレンズＬ４，焦点距離ｆ３のレンズＬ３を介して平行光になってミラーＭ１に入射する。ミラーＭ１は、ミラーＭ２と同様にＭＥＭＳ光スキャナ１のミラー５に相当し、ＭＥＭＳ光スキャナ１に図４の駆動コイルＤのように交流電流を流すことで、図４のねじり棒Ｔに対応するミラー回転軸（図２の紙面垂直方向に延びる。）を中心に回動を繰り返し、図２のように光軸ｂに対し傾斜角α２で傾く。

次に、ミラーＭ１で反射した光は、焦点距離ｆ２のレンズＬ２，ミラー１９（図１），焦点距離ｆ１のレンズＬ１，ビームスプリッタ２９（図１）を介して焦点距離ｆ０の対物レンズＪにより図１の被露光物Ａの表面Ａ１に集光されてスポット照射する。

ＭＥＭＳ光スキャナ１によりミラーＭ１は光源からの光を図１，図２，図６の横方向（Ｘ方向）に走査し第１走査光を得る。表面Ａ１上における光軸ｃ（図２）からＸ方向への第１走査光の走査長さｘ０は、次式（１）により表すことができる。
ｘ０＝ｆ０・(ｆ２／ｆ１)・tan(α２) ・・・（１）
ただし、α２：ミラーＭ１の光軸ｂに対するＸ方向への傾斜角（振れ角）

また、ＭＥＭＳ光スキャナ１によりミラーＭ２は光源１２からの光を図１，図２の紙面垂直方向（図６のＹ方向）に走査し第２走査光を得る。表面Ａ１上における光軸ｃからＹ方向への第２走査光の走査長さｙ０は、次式（２）により表すことができる。
ｙ０＝ｆ０・(ｆ２／ｆ１)・(ｆ４／ｆ３)・tan(β２) ・・・（２）
ただし、β２：ミラーＭ２の光軸ａに対するＹ方向への傾斜角（振れ角）

上述のようにして、図１のＸＹステージ１１に載置されて保持された被露光物Ａの表面Ａ１に対し、光源１２からの光をミラーＭ１，Ｍ２でＸＹ方向の互いに直交する２方向に走査することで第１走査光と第２走査光として照射し露光できる。このとき、例えば、図６のようなパターンＰＡ，ＰＡ１を次のようにして露光することができる。

図１のＸＹステージ１１上に被露光物Ａを載せて保持し、ＸＹステージ１１を所定位置に移動させてから、光源１２をオンにし、ＭＥＭＳ光スキャナ１を駆動し、ミラーＭ１，Ｍ２を振動させると、光源１２からの光は、図６のように被露光物Ａの表面Ａ１上において第１走査光がＸ方向に走査長さｘ０で走査されるとともに、第２走査光がＹ方向に走査長さｙ０で走査され、かかる第１及び第２走査光により図６のような略円形状または略楕円状の小パターンＰＡを表面Ａ１に露光できる。

次に、例えば、ＸＹステージ１１のステッピングモータ１５ｂを駆動すると、ＸＹステージ１１がＹ方向に等速で移動し、所定時間駆動することで被露光物Ａの表面Ａ１上に走査長さｘ０に対応した所定幅で所定長さの破線で示す細長形状のパターンＰＡ１を露光できる。

上述のようにして、比較的幅の大きい所定幅のパターンを露光することが可能となる。また、ＸＹステージ１１のＹ方向への等速移動中に、光源１２をオフにすることで、間欠的なパターンを形成できる。

また、上記露光の際に、図１のオートフォーカス機構を作動させると、レーザ光源２２から光が対物レンズＪ（図２）を介して被露光物Ａの表面Ａ１に集光され、その反射光が受光素子２１に入射し、その入射光信号に基づいてアクチュエータ２３で鏡筒３１内の対物レンズＪを光軸方向に駆動して自動的に合焦させる。オートフォーカス機構は、光源１２からの光による露光の間に継続して作動させることで、被露光物Ａの表面Ａ１に凹凸があっても高精度に露光を行うことができる。また、必要に応じて、ＣＣＤカメラ２４で被露光物Ａの表面Ａ１を観察する。

以上のように、ＭＥＭＳ光スキャナは、電磁駆動アクチュエータによりミラーを共振させ光を走査するＭＥＭＳ（メムス）光デバイスであり、小型に構成されて信頼性が高く動作が安定しているので、ＭＥＭＳ光スキャナを露光装置１０の光走査に用いることによって、装置を小型化できかつ安定した動作でマスクレス露光が可能な露光装置を実現できる。

従来の光走査手段であるポリゴンミラーやガルバノミラーとレンズ光学系を用いた光走査光学系によれば、装置の全体構成が大きく、高価であり、応答性もよくなかったのに対し、本実施の形態のようにＭＥＭＳ光スキャナを用いることで、安価でかつ小型化が可能となり、応答性のよい露光装置１０の光走査が可能となり、さらに従来構成よりも省電力になる。また、従来の別の光走査手段である２次元光変調素子には短寿命化や誤動作発生の問題があったのに対し、ＭＥＭＳ光スキャナを用いることで、信頼性が高く安定した露光が可能となる。

また、光源１２からの光をＭＥＭＳ光スキャナ１で振動するミラーＭ１，Ｍ２により走査することで、被露光物Ａ上で互いに直交する２方向にそれぞれ走査する第１走査光及び第２走査光を得ることができる。かかる２次元露光により２方向において所定の走査長さで露光できる。

〈第２の実施の形態〉
図７は第２の実施の形態による露光装置の全体の概略的構成を示す図である。図８は図７の露光光学系を説明するための図である。図９は図８の露光光学系のミラーとレンズの関係を説明するため模式的に示す図である。

図７に示す露光装置５０は、露光光学系のミラーＭ３のＭＥＭＳ光スキャナを２次元可動タイプとした以外は、図１の露光装置１０と同様の構成であるので、同一部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。

露光装置５０の露光光学系は、図７〜図９のように、光源１２からの光が光ファイバＦＩを介して導入されてコリメートレンズＣで平行化されてミラーＭ３で反射し、レンズＬ２，ミラー１９，レンズＬ１，ビームスプリッタ２９を介して鏡筒３１内の対物レンズＪでステージ１１上の被露光物Ａの表面Ａ１に集光されて結像しスポット照射するようになっている。

図１０は図７〜図９の露光装置で使用可能な２次元可動タイプのＭＥＭＳ光スキャナの基本構造及び動作原理を説明するための概略図である。図１１は図７〜図９の露光装置で使用可能な２次元可動タイプのＭＥＭＳ光スキャナの具体例を示す上面図（ａ）、bb-bb線方向に切断してみた断面図（ｂ）及び下面図（ｃ）である。

図１０に示すＭＥＭＳ光スキャナは、矩形状のヨークＹ内に矩形状のコイル配線部Ｈを一対のねじり棒Ｔ２，Ｔ２でヨークＹと連結するように形成し、さらにコイル配線部Ｈ内に矩形平面状のミラーＭを一対のねじり棒Ｔ１，Ｔ１でコイル配線部Ｈと連結するように形成し、ねじり棒Ｔ１，Ｔ１とねじり棒Ｔ２，Ｔ２とが互いに直交するように配置し、コイル配線部ＨからミラーＭの外周に沿って駆動コイルＤ１，Ｄ２をそれぞれ形成し、ヨークＹの外側に対向するように一対の永久磁石Ｐ１，Ｐ２及びもう一対の永久磁石Ｐ３，Ｐ４をそれぞれ配置するものであり、図４と同様の電磁駆動アクチュエータによりミラーを駆動する電磁駆動式の共振型である。

ＭＥＭＳ光スキャナは、図１０のように、永久磁石Ｐ１，Ｐ２により磁束密度ＢＡの磁界がねじり棒Ｔ１，Ｔ１に直交する方向に生じ、駆動コイルＤ１に電流ｉＡを流すと、ローレンツ力ＦＡによる回転トルクでねじり棒Ｔ１，Ｔ１がその弾性復元力に抗して回動してミラーＭが一方向に傾き、また、永久磁石Ｐ３，Ｐ４により磁束密度ＢＢの磁界がねじり棒Ｔ２，Ｔ２に直交する方向に生じ、駆動コイルＤ２に電流ｉＢを流すと、ローレンツ力ＦＢによる回転トルクでねじり棒Ｔ２，Ｔ２がその弾性復元力に抗して回動してミラーＭが上記一方向と直交する方向にＴ１，Ｔ１傾く。

電流ｉＡ，ｉＢを交流電流とすることにより、ねじり棒Ｔ１，Ｔ１が回転方向ｒとその逆方向ｒ’に共振して回動するとともにねじり棒Ｔ２，Ｔ２が回転方向ｓとその逆方向ｓ’に共振して回動することで、ミラーＭが共振して二方向に傾斜を繰り返す。ここで、Ｆ∝ｉ・Ｂであるので、電流量を変化させることで、ミラーＭの傾きを変えることができる。ミラーＭは回転方向ｒ，ｒ’及びｓ、ｓ’に傾斜し、ミラーＭに入射して反射する光の方向を二方向において変えるので、図１０のＭＥＭＳ光スキャナは２次元可動タイプである。

ＭＥＭＳ光スキャナ９は、具体的には、図１１（ａ）〜（ｃ）のように、基本的には図５（ａ）〜（ｃ）と同様の構造であり、基板６の基準面６ａ側にヨーク４を設け、ヨーク４の内側に永久磁石２Ａ，３Ａ及び永久磁石２Ｂ，３Ｂをそれぞれ対向させて配置し、永久磁石２Ａ，３Ａ，永久磁石２Ｂ，３Ｂの内側にシリコンチップ７を配置し、ミラー５をシリコンチップ７で包囲するようにして配置し、図１０のように駆動コイルを形成し、各駆動コイルにコネクタ８を介して外部からそれぞれ交流電流を流すことで、ミラー５が図１０のように二方向に共振して傾斜を繰り返すようになっており、２次元可動タイプの電磁駆動式共振型に構成されている。

図１１（ａ）〜（ｃ）のＭＥＭＳ光スキャナ９では、基板６の基準面６ａの反対面６ｂ側において入射光がミラーＭで反射するとき、その反射光の基準面６ａに対する反射角度がミラー５の傾斜角に応じて変化する。なお、ＭＥＭＳ光スキャナ９には、図１０のねじり棒Ｔ２，Ｔ１と同様の各ねじり棒が回転中心軸ｐ上及びその直交方向の軸上にそれぞれ設けられている。

図１１（ａ）〜（ｃ）のＭＥＭＳ光スキャナ９は、各部品が微小に構成されており、その全体寸法が、例えば、５０ｍｍ×３５ｍｍ×９ｍｍ（厚さ）であり、ミラー５の平面寸法が４ｍｍ×３ｍｍである。このような２次元可動タイプのＭＥＭＳ光スキャナは、例えば、日本信号株式会社から商品名「ECO SCAN:ESS212B」として販売されている。

ＭＥＭＳ光スキャナ９が図７〜図９のミラーＭ３の位置に配置される。すなわち、ＭＥＭＳ光スキャナ９は、基板６の四隅に取付孔６ｃを有し、基準面６ａを基準にして図７の露光装置５０のハウジング２０内の所定位置にミラー５がミラーＭ３の機能を発揮するように取付孔６ｃで取り付けられる。また、ＭＥＭＳ光スキャナ９は、図７のように、制御装置１３により制御される。

次に、図７〜図９の露光装置５０による露光についてさらに説明する。まず、光源１２からの光がコリメートレンズＣで平行光ｍになって図８のようにミラーＭ３に入射する。ミラーＭ３は、図１１（ａ）〜（ｃ）のＭＥＭＳ光スキャナ９のミラー５に相当し、ＭＥＭＳ光スキャナ９に図１０の駆動コイルＤ１，Ｄ２のように交流電流を流すことで、図１０のねじり棒Ｔ１及びＴ２を中心に回動を繰り返し、図８の光軸ｂに対し２次元的に傾斜を繰り返す。すなわち、ミラーＭ３は、図９のようにＸ方向に傾斜角α２で傾くとともに、Ｘ方向に直交するＹ方向に傾斜角γ２で傾く。

ここで、図９のように、Ｘ方向及びＹ方向に傾斜するミラーＭ３で反射した光ｍ’に関し、ミラーＭ３とレンズＬ２との間で次式が成立する。
tan(α２)＝ｘ２／ｆ２
tan(γ２)＝ｙ２／ｆ２

次に、ミラーＭ３で反射した光ｍ’は、焦点距離ｆ２のレンズＬ２，ミラー１９（図７），焦点距離ｆ１のレンズＬ１，ビームスプリッタ２９（図７）を介して焦点距離ｆ０の対物レンズＪにより図７の被露光物Ａの表面Ａ１に集光されてスポット照射する。

ＭＥＭＳ光スキャナ９によりミラーＭ３は光源１２からの平行光ｍを図９のＸ方向及びＹ方向に走査し、図８の表面Ａ１上における光軸ｃからのＸ方向への第１走査光の走査長さｘ０は、次式（１）により表すことができ、同じくＹ方向（図８の紙面垂直方向）への第２走査光の走査長さｙ０は、次式（３）により表すことができる。
ｘ０＝ｆ０・(ｆ２／ｆ１)・tan(α２) ・・・（１）
ｙ０＝ｆ０・(ｆ２／ｆ１)・tan(γ２) ・・・（３）
ただし、α２：ミラーＭ３の光軸ｂに対するＸ方向への傾斜角（振れ角）
γ２：ミラーＭ３の光軸ｂに対するＹ方向への傾斜角（振れ角）

上述のようにして、図７のＸＹステージ１１に載置されて保持された被露光物Ａの表面Ａ１に対し、光源１２からの光をミラーＭ３でＸＹ方向の互いに直交する２方向に走査することで第１走査光と第２走査光として照射し露光できる。これにより、例えば、図６のようなパターンＰＡ，ＰＡ１を上述と同様の制御で露光することができる。

以上のように、ＭＥＭＳ光スキャナ９は、電磁駆動アクチュエータによりミラー５を共振させ光を走査するＭＥＭＳ（メムス）光デバイスであり、小型に構成されて信頼性が高く動作が安定しているので、ＭＥＭＳ光スキャナ９を露光装置５０の光走査に用いることによって、装置を小型化できかつ安定した動作でマスクレス露光が可能な露光装置を実現できる。

従来の光走査手段であるポリゴンミラーやガルバノミラーとレンズ光学系を用いた光走査光学系によれば、装置の全体構成が大きく、高価であり、応答性もよくなかったのに対し、本実施の形態のようにＭＥＭＳ光スキャナを用いることで、安価でかつ小型化が可能となり、応答性のよい露光装置５０の光走査が可能となり、さらに従来構成よりも省電力になる。また、従来の別の光走査手段である２次元光変調素子には短寿命化や誤動作発生の問題があったのに対し、ＭＥＭＳ光スキャナを用いることで、信頼性が高く安定した露光が可能となる。

また、光源１２からの光をＭＥＭＳ光スキャナ９で振動するミラーＭ３により走査することで、被露光物Ａ上で互いに直交する２方向にそれぞれ走査する第１走査光及び第２走査光を得ることができる。かかる２次元露光により２方向において所定の走査長さで露光できる。

さらに、図１〜図３の露光光学系では１次元可動タイプのＭＥＭＳ光スキャナ１を２つ用い、２つのミラーＭ１，Ｍ２を配置したのに対し、図７〜図９の露光光学系によれば、２次元可動タイプのＭＥＭＳ光スキャナを用いることで１つのミラーＭ３を配置するだけでよく、図１〜図３のミラーＭ２，レンズＬ３，Ｌ４を省略できるので、露光光学系の構成を簡略化できる。

上記各実施の形態において、露光可能なパターンに関し、光源１２からの光のオンオフ及びＸＹステージ１１の移動を制御することで、光源１２からの光により任意のパターンを被露光物Ａの表面Ａ１上に露光することができる。例えば、制御装置１３は、装置内部または外部のハードディスク記憶装置等の記憶装置から、所望のパターンで露光するプログラムをＣＰＵに読み取らせ、そのプログラムに従って光源１２及びＸＹステージ１１を制御することで、露光装置１０，５０は所望のパターンによる自動露光が可能である。

次に、上述の露光装置１０，５０による様々なパターンの露光方法について図１２，図１３を参照して説明する。図１２は２次元露光における第１走査光と第２走査光との周期を同一にしかつ位相差を０°（ａ）、３０°（ｂ）、６０°（ｃ）、９０°（ｄ）とした場合の各露光パターンを模式的に示す図である。図１３は、図１２（ｄ）の円形状パターンの径を変化させて行う露光を説明するための平面図である。

上述のＭＥＭＳ光スキャナによるミラーＭ１，Ｍ２の各振動またはミラーＭ３のＸＹ方向への各振動の周期、位相を制御することで第１走査光及び第２走査光の周期、位相差を変えることができ、これにより、様々なリサージュ図形によるパターンを被露光物Ａの表面Ａ１に露光できる。

例えば、第１走査光の走査長さｘ０と第２走査光の走査長さｙ０とを等しくし、第１走査光と第２走査光との周期を同一にしかつ位相差を０°とすることで図１２（ａ）のような直線状のパターンを得ることができる。また、位相差を３０°とすることで図１２（ｂ）のようにやや扁平状の楕円形状のパターンを得ることができ、位相差を６０°とすることで図１２（ｃ）のようにやや膨らんだ楕円形状のパターンを得ることができる。さらに、位相差を９０°とすることで図１２（ｄ）のように円形状のパターンを得ることができる。なお、上記各パターンは線状のパターンとなる。また、第１走査光と第２走査光との周期比を１から変えることで、さらに複雑なリサージュ図形によるパターンを得ることができる。

なお、被露光物Ａの表面Ａ１上における第１走査光のＸ方向の走査長さｘ０及び第２走査光のＹ方向の走査長さｙ０は、それぞれミラーＭ１，Ｍ２またはＭ３の各ＭＥＭＳ光スキャナ１，９への駆動電流量を変えることによりミラー傾斜角を変えることで制御できる。また、第１及び第２走査光の周期は各ＭＥＭＳ光スキャナ１，９への駆動電流の交流周波数（周期は周波数の逆数）を変えることで制御でき、また、位相差は図１，図５の制御装置１３で制御できる。したがって、第１及び第２走査光の走査長さ、周期及び位相差は、リアルタイムに制御して変えることができる。

図１３のように、第１走査光の走査長さｘ０と第２走査光の走査長さｙ０とを、ｘ０＝ｙ０を維持しながら変えることで、図１２（ｄ）の円形状のパターンの径を変えて径の異なる円形状のパターンを露光できる。すなわち、第１及び第２走査光の走査長さを上述のように制御することで、図１３のように、径が順に大から小になる円形状のパターンＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５をリアルタイムに変えるとともにＸＹステージ１１上の被露光物Ａを横方向Ｈに移動させながら被露光物Ａに露光し、このとき、円形状のパターンＣ１〜Ｃ５が図１３のような傾斜した直線部Ｒ１，Ｒ２に接して沿うようにして露光する。径の異なる円形状のパターンの数を充分に多くすることで、直線部Ｒ１，Ｒ２に囲まれた傾斜パターンＰＡ２を露光できる。

また、上記露光に続いて小さな径の円形状のパターンＣ６により被露光物Ａを横方向Ｈに移動させて被露光物Ａに露光することで、細長いパターンＰＡ３を露光できる。

上述の露光方法によれば、図１３のような傾斜パターンＰＡ２や細長いパターンＰＡ３だけを光照射するフォトリソグラフィやレーザ加工と比べると、効率よく露光を行うことができる。

上述の傾斜パターンＰＡ２と細長いパターンＰＡ３とを組み合わせることで、例えば、細胞等の微小物を溶液とともに、傾斜パターンＰＡ２から細長いパターンＰＡ３へと流すことのできるマイクロ流路を基板上に効率よく形成することができ、かかるマイクロ流路が形成された流路チップを簡単で確実にかつ生産性よく作製することができる。

以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、図１２や図１３のような露光方法は、本実施の形態のＭＥＭＳ光スキャナ以外に、ガルバノミラーやＡＯＤを用いて光源からの光を２次元的に走査することで実行可能である。

例えば、図１４は光源からの光を２次元的に走査する場合の制御系を示すブロック図である。図１４のように、制御装置１３Ａは、第１走査光を得るためにＸ軸スキャナドライバＤＡを介してＸ軸スキャナ１Ａを制御するとともに、第２走査光を得るためにＹ軸スキャナドライバＤＢを介してＹ軸スキャナ１Ｂを制御することで、ＭＥＭＳ光スキャナも含めて、ガルバノミラーやＡＯＤにより、周期、振幅及び位相差を制御しながら２次元的光走査を実行できる。

また、ＭＥＭＳ光スキャナ１，９は交流電流により変位する共振タイプから構成したが、直流電流で変位するＭＥＭＳ光スキャナであってもよい。

第１の実施の形態による露光装置の全体の概略的構成を示す図である。 図１の露光光学系を説明するための図である。 図２の露光光学系の一部（図２の破線で囲んだ範囲III）の上面図である。 図１〜図３の露光装置で使用可能なＭＥＭＳ光スキャナの基本構造及び動作原理を説明するための概略図である。 図１〜図３の露光装置で使用可能なＭＥＭＳ光スキャナの具体例を示す上面図（ａ）、b-b線方向に切断してみた断面図（ｂ）及び下面図（ｃ）である。 図１の被露光物の表面に露光されるパターンの一例を説明するための模式図である。 第２の実施の形態による露光装置の全体の概略的構成を示す図である。 図７の露光光学系を説明するための図である。 図８の露光光学系のミラーとレンズの関係を説明するため模式的に示す図である。 図７〜図９の露光装置で使用可能な２次元可動タイプのＭＥＭＳ光スキャナの基本構造及び動作原理を説明するための概略図である。 図７〜図９の露光装置で使用可能な２次元可動タイプのＭＥＭＳ光スキャナの具体例を示す上面図（ａ）、bb-bb線方向に切断してみた断面図（ｂ）及び下面図（ｃ）である。 ２次元露光における第１走査光と第２走査光との周期を同一にしかつ位相差を０°（ａ）、３０°（ｂ）、６０°（ｃ）、９０°（ｄ）とした場合の各露光パターンを模式的に示す図である。 図１２（ｄ）の円形状パターンの径を変化させて行う露光を説明するための平面図である。 光源からの光を２次元的に走査する場合の制御系を示すブロック図である。

符号の説明

１，９ ＭＥＭＳ光スキャナ
５ ミラー
１０，５０ 露光装置
１１ ＸＹステージ
１２ 光源
１３ 制御装置
１４ 位置検出部
１５ａ，１５ｂ ステッピングモータ
２１ 受光素子
２２ オートフォーカス用レーザ光源
２３ アクチュエータ
２４ ＣＣＤカメラ
２５ 光導入部
２６〜２９ ビームスプリッタ
２０，３０ ハウジング
３１ 鏡筒
３２ チューブレンズ
Ａ 被露光物
Ａ１ 表面
Ｂ，ＢＡ，ＢＢ 磁束密度
Ｃ コリメートレンズ
Ｄ，Ｄ１，Ｄ２ 駆動コイル
Ｆ，ＦＡ，ＦＢ ローレンツ力
ＦＩ 光ファイバ
Ｈ コイル配線部
Ｊ 対物レンズ
Ｌ１〜Ｌ４ レンズ
Ｍ ミラー
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ ミラー
Ｐ１，Ｐ２ 永久磁石
Ｐ３，Ｐ４ 永久磁石
ＰＡ，ＰＡ１〜ＰＡ３ パターン
Ｔ，Ｔ２，Ｔ１ ねじり棒
Ｙ ヨーク
ａ 光軸
ｂ 光軸
ｃ 光軸
ｆ０ 焦点距離
ｆ１ 焦点距離
ｆ２ 焦点距離
ｆ３ 焦点距離
ｆ４ 焦点距離
ｉ，ｉＡ，ｉＢ 電流
ｍ 平行光
ｍ’ 反射光
ｎ 入射光
ｎ 反射光
ｐ 回転中心軸
ｒ，ｓ 回転方向
ｒ’，ｓ’ 回転方向ｒ、ｓの逆方向

Claims (10)

1. 光源からの光を第１方向に繰り返して走査しかつ第２方向に繰り返して走査することにより被露光物上で２次元的に走査する際に、前記第１方向への第１走査光及び前記第２方向への第２走査光の周期及び位相の少なくとも一方を制御することで前記被露光物上に所定のパターンを露光する露光方法。
2. 前記第１走査光及び前記第２走査光の前記被露光物上における走査長さをさらに制御する請求項１に記載の露光方法。
3. 前記被露光物を移動させて所定のパターンを露光する請求項１または２に記載の露光方法。
4. 光源と、ミラーを繰り返し傾斜させるＭＥＭＳ光スキャナと、前記光源からの光を前記ミラーを介して前記被露光物上に露光する露光光学系と、を備え、
   前記光源からの光を前記ＭＥＭＳ光スキャナで傾斜するミラーにより前記被露光物上で異なる２方向に走査することで第１走査光及び第２走査光を得て２次元的に走査して前記被露光物上に照射する際に、前記第１走査光及び前記第２走査光の周期及び位相の少なくとも一方を制御することで前記被露光物上に所定のパターンを露光する露光装置。
5. 前記ＭＥＭＳ光スキャナは、１次元的に光を走査し、前記露光光学系に２個配置されることで、前記第１走査光及び前記第２走査光が得られる請求項４に記載の露光装置。
6. 前記ＭＥＭＳ光スキャナは単体で２次元的に光を走査することで、前記第１走査光及び前記第２走査光が得られる請求項４に記載の露光装置。
7. 前記第１走査光及び前記第２走査光の前記被露光物上における走査長さをさらに制御する請求項４乃至６のいずれか１項に記載の露光装置。
8. 前記被露光物を載置して移動可能なステージを備え、
   前記ステージの移動を制御することで前記被露光物上に所定のパターンを露光する請求項４乃至７のいずれか１項に記載の露光装置。
9. 前記光源からの光のオンオフを制御することで前記被露光物上にパターンを露光する請求項４乃至８のいずれか１項に記載の露光装置。
10. 前記露光光学系が対物レンズを含み、
    前記対物レンズを前記被露光物に対し駆動し自動的に合焦させるオートフォーカス機構を備える請求項４乃至９のいずれか１項に記載の露光装置。

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