JP2009188014A - 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、複数の光源１２ａ〜１２ｄと、ミラーＭを繰り返し傾斜させるＭＥＭＳ光スキャナと、複数の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、複数の光源からの光をＭＥＭＳ光スキャナで傾斜するミラーにより走査して被露光物上に露光する。
【選択図】図１

Description

本発明は、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。

特許文献１に記載のマスクレス露光装置は、露光ヘッドの結像光学系で結像される所望の露光パターンと被露光物の表面とを相対的に走査する走査手段を備え、かかる走査手段としてＸＹステージを用いている。また、光走査手段としては、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が知られている。また、かかる光走査光学系の代わりに２次元光変調素子を用いることが提案されている（例えば、下記特許文献２参照）。
特開２００６−２５０９８２号公報 特開２００３−１５０７７号公報

上述の光走査手段として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を用いると、装置の全体構成が大きくなってしまい、装置の小型化の障害となり、また、高価であり、応答性もよくない。また、２次元光変調素子は短寿命化や誤動作発生の問題があるといわれており、誤動作対策に特別な構成やコストが必要となってしまい（特許文献１参照）、好ましくない。

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、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装置は、複数の光源と、ミラーを繰り返し傾斜させるＭＥＭＳ光スキャナと、前記複数の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、前記複数の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走査して前記被露光物上に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複数の光源からの光を走査して複数の走査光を得て、かかる走査光により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、複数の光源から得た複数の走査光によりマルチビーム化して露光を行うことができるので、露光時のスループットが向上し、露光装置による生産性を向上できる。

上記露光装置において前記複数の光源による複数の走査光の内の少なくとも２つが前記被露光物の表面の異なる領域を露光することで、効率のよい露光を実現できる。

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複数の光源からの光により前記被露光物上にパターンを露光することで、所望のパターンを露光できる。

また、前記ステージの位置を検出する位置検出部を備え、前記ステージが駆動源としてモータを有し、前記位置検出部の検出信号に基づいて前記モータを駆動し前記ステージの位置を制御することで、フィードバック制御を行い、ステージの位置を高精度に制御できる。

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。

本発明の露光装置によれば、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となり、複数の光源を備えてマルチビーム化による露光で露光時のスループットが向上し、生産性を向上できる。

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。図１は本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ＭＥＭＳ光スキャナのミラーとレンズとの関係を説明するための模式図である。

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複数の光源１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと、各光源１２ａ〜１２ｄからそれぞれ光ファイバ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、複数の光源１２ａ〜１２ｄからの各光は、各光ファイバＦＩを介して導入されて各コリメートレンズＣａ，Ｃｂ，Ｃｃ，Ｃｄでそれぞれ平行化され、ハウジング２０ａ内に配置されたミラーｍ１，ハーフミラーｍ２，ｍ３，ｍ４を介してミラーＭに入射し、ミラーＭ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に集光されて結像するようになっている。

上述の露光光学系の内のミラーＭ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を介して各光源１２ａ〜１２ｄをオンオフ制御し、各光源１２ａ〜１２ｄからの光をオンオフするようになっている。なお、光源１２ａ〜１２ｄ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１２ａ〜１２ｄ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１２ａ〜１２ｄ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Ｍ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。

ＭＥＭＳ光スキャナ１は、図１〜図３のミラーＭの位置に配置される。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内の所定位置にミラー５がミラーＭ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１２ａ〜１２ｄからの光がコリメートレンズＣで平行光ｍになって図２，図３のようにミラーＭに入射する。ミラーＭ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４のねじり棒Ｔを中心に回動を繰り返し、図２，図３の光軸ｂに対し傾斜を繰り返す。すなわち、ミラーＭは、図２，図３のように光軸ｂを中心にしてＸ方向に傾斜角α２で傾く。

ここで、図３のように、Ｘ方向に傾斜するミラーＭで反射した光ｍ’に関し、ミラーＭとレンズＬ２との間で次式が成立する。
tan(α２)＝ｘ２／ｆ２

次に、ミラーＭで反射した光ｍ’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に集光される。

ＭＥＭＳ光スキャナ１によりミラーＭは光源１２ａ〜１２ｄからの平行光ｍを図３のＸ方向に走査し、図２の表面Ａ１上における光軸ｃからのＸ方向への走査光の走査長さ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Ｍの光軸ｂに対するＸ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１２ａ〜１２ｄからの光をミラーＭでＸ方向に走査長さｘ０で走査しながらライン照射し露光することができる。

次に、上述の露光装置１０による所定パターンの露光について説明する。ＸＹステージ１１上に被露光物Ａを載せて保持し、ＭＥＭＳ光スキャナ１を駆動し、ミラーＭを振動させることで、走査光は被露光物Ａの表面Ａ１上において走査方向Ｘに走査される。例えば、図６のように、光源１２ａ〜１２ｄによる複数の走査光がそれぞれ方向Ｙに離れた位置でラインパターンＰＡ１〜ＰＡ４を露光する。

すなわち、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１２ａ〜１２ｄをオンにし、ＭＥＭＳ光スキャナ１を駆動し、ミラーＭを振動させると、光源１２ａ〜１２ｄからの各光は、図６のように被露光物Ａの表面Ａ１上においてＹ方向に離れた位置でＸ方向に走査長さｘ０で走査されることで、ラインパターンＰＡ１〜ＰＡ４が同時に露光される。

上述の露光のとき、ＸＹステージ１１のステッピングモータ１５ｂを駆動し、ＸＹステージ１１をラインパターンＰＡ１〜ＰＡ４の方向と直交するＹ方向に等速で移動させながら複数の走査光で露光することができる。また、ＸＹステージ１１をＹ方向に移動させて所定位置で停止させてから、複数の走査光で露光することができる。このとき、光源１２ａ〜１２ｄをそれぞれオンオフ制御することで、断続的なパターンや長さの短い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、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。

さらに、複数の光源１２ａ〜１２ｄから得た複数の走査光によりマルチビーム化して露光を行い、複数の領域を同時に露光するすることで、効率よく露光でき、露光時のスループットが向上し、露光装置１０による生産性を向上できる。

また、本実施の形態において、露光可能なパターンに関し、ＸＹステージ１１の移動及び光源１２ａ〜１２ｄからの光のオンオフを制御することで、光源１２ａ〜１２ｄ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１２ａ〜１２ｄ及びＸＹステージ１１を制御することで、露光装置１０は所望のパターンによる自動露光が可能である。

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、被露光物Ａの表面Ａ１上における走査光のＸ方向の走査長さｘ０は、ミラーＭのＭＥＭＳ光スキャナ１への駆動電流を変えることによりミラー傾斜角を変えることができ、所定範囲内で調整可能である。

また、ＭＥＭＳ光スキャナ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。

また、複数の光源１２ａ〜１２ｄの一部を予備用光源とするように構成してもよく、これにより、複数の光源の一部が故障したときに露光装置の運転を停止せずに露光を継続して行うことができる。

本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ＭＥＭＳ光スキャナのミラーとレンズとの関係を説明するための模式図である。 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。

符号の説明

１ ＭＥＭＳ光スキャナ
５ ミラー
１０ 露光装置
１１ ＸＹステージ
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ 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 磁束密度
Ｃａ〜Ｃｄ コリメートレンズ
Ｄ 駆動コイル
Ｆ ローレンツ力
ＦＩ 光ファイバ
Ｊ 対物レンズ
Ｌ１，Ｌ２ レンズ
Ｍ ミラー
Ｐ１，Ｐ２ 永久磁石
ＰＡ１〜ＰＡ４ ラインパターン
Ｔ ねじり棒
Ｙ ヨーク
ｂ 光軸
ｃ 光軸
ｉ 電流
ｍ 平行光
ｍ’ 反射光
ｐ 回転中心軸
ｒ 回転方向
ｒ’回転方向ｒの逆方向

Claims (6)

1. 複数の光源と、ミラーを繰り返し傾斜させるＭＥＭＳ光スキャナと、前記複数の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、
   前記複数の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走査して前記被露光物上に露光する露光装置。
2. 前記複数の光源による複数の走査光の内の少なくとも２つが前記被露光物の表面の異なる領域を露光する請求項１に記載の露光装置。
3. 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複数の光源からの光により前記被露光物上にパターンを露光する請求項１または２に記載の露光装置。
4. 前記ステージの位置を検出する位置検出部を備え、
   前記ステージが駆動源としてモータを有し、
   前記位置検出部の検出信号に基づいて前記モータを駆動し前記ステージの位置を制御する請求項３に記載の露光装置。
5. 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１乃至４のいずれか１項に記載の露光装置。
6. 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１乃至５のいずれか１項に記載の露光装置。

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