JP2011064829A

JP2011064829A - パターン描画装置および描画方法

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Publication number: JP2011064829A
Application number: JP2009213821A
Authority: JP
Inventors: Shigetoshi Sugawa; 成利須川; Tatsuro Morimoto; 達郎森本; Koji Kosaka; 光二小坂
Original assignee: TECH CONCIERGE KUMAMOTO KK; Tohoku University NUC
Current assignee: TECH CONCIERGE KUMAMOTO KK; Tohoku University NUC
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2011-03-31

Abstract

【課題】
微少ミラーを２次元配列したミラーデバイスを用いたパターン描画装置において、感光剤の塗布された基体上への投影像をイメージセンサで観察・測定する際に、正確かつ精細に画像データを取得する。
【解決手段】
ミラーデバイス１０３で生成された画像パターンを感光剤の塗布された基体１０７上に投影し、この投影像を撮像光学系１０９とハーフミラー１０５と投影光学系１０６によってイメージセンサ１１０に結像させる。このとき、イメージセンサ１１０の撮像面に結像した微少ミラー像のピッチとイメージセンサ１１０の撮像画素ピッチとが整数比となるような撮像光学系１０９とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトマスク、半導体集積回路、マイクロ電子デバイス、マイクロ機械デバイス、マイクロ光学デバイスおよびディスプレイデバイス等におけるパターン描画を行う装置および描画方法に関するものである。

一般に、半導体集積回路の製造時のパターニング工程では、回路パターンが描かれたフォトマスク（レチクルとも呼ぶ）を用いてレジストが塗布された基体（半導体集積回路では主にシリコンウェハ）上に回路パターンを形成する（パターン露光、パターン描画と呼ばれる）必要があり、そのための装置は露光装置あるいは露光機と呼ばれている。

一方、フォトマスクを作成するには、フォトマスクの基体となる石英板などの表面に、目的とする回路パターンに相当するパターン状に露光光を遮光するため、クロム膜などを付ける必要がある。このクロム膜はパターン描画によって形成され、そのパターン描画を行う一般的な装置には電子ビームを用いた電子ビームマスク描画装置（以下、EB描画装置と略す。）が広く用いられている。
近年、高集積化及び微細化していく半導体集積回路に対応させるため、フォトマスクの価格が高騰している。この原因の一つは、フォトマスク１枚当たり数十時間から数百時間もかけてEB描画装置によって描画しているためである。

フォトマスク製造に使われる描画装置には、EB描画装置の他に紫外域のレーザ光を用いてパターン描画する手法に基づく装置（パターン描画装置と呼ぶ）も製品化されている。その装置の従来例としては、微小ミラーを２次元配列状に多数並べた反射鏡表示素子（マイクロミラー等と呼ばれるミラーデバイス）を用いて、これに紫外域のレーザ光照射し、その反射光をパターン状に制御してフォトマスク基板上にパターン描画をするものである。このパターン描画装置では、回路パターンの一部分を一括して描画できることから、描画速度が速いという特徴がある。これに関しては、例えば特許文献１、非特許文献１あるいは特許文献２において示されている。特許文献２によると、ミラーデバイスを用いたパターン描画装置では、およそ１００万個（約５００×約２０００個）の微小ミラーを用いたミラーデバイスが用いられ、各微小ミラーは一辺が約１６μm前後の大きさである。これを縮小投影光学系によって、フォトマスク基板上に１／１６０の大きさに縮小投影させている。

これらのミラーデバイスを用いたパターン描画装置では、ミラーデバイスを用いることによって転写するパターン像生成を行っており、これは従来のフォトマスクを光が透過することによって生成されるパターン像と比較すると、投影像の面内光量均一性が悪いものとなっている。これは照明光の面内光量均一性だけでなく、ミラーデバイスの微小ミラー1つ1つの製造ばらつきや動作ばらつき・欠陥等によってパターン像の面内光量均一性が悪化する原因となっている。

このため、単純なステップアンドリピートの描画方式からスキャン型の描画方式を採用し、スキャン方向の微小ミラーばらつきを平均化しつつ、スキャン方向の列内にある微小ミラーを選定することによりスキャン方向と直角な方向でも微小ミラーばらつきの影響を抑えるといった手法が特許文献３で考案されている。この微小ミラーの使用数の制限によって積算光量値を均一化するという手法は、従来のフォトマスクを用いた露光装置において照射光量修正機構を挿入し、パターン像の面内光量均一性を向上させるといった手法と良く似ている。例えば、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７等ではスリット状の遮光ブレードを挿入することでパターン像の面内光量均一性向上を実現している。

ここで使用する微小ミラーの数を選定する方法として、特許文献８では予めテストパターンを描画しその結果をもとに選定する方法と、ステージに組み込まれたフォトセンサで投影面の光量を測定しその測定データにより選定する方法が考案されている。後者のフォトセンサで測定する方法は特許文献４や特許文献５でも用いられている方法である。フォトセンサを用いて投影面全体を測定するには時間がかかるため、ステージ上にCCDイメージセンサを組み込んで投影面全体を一括測定する方法が特許文献９で考案されている。

また、照明光学系とミラーデバイスとリレー光学系と投影光学系のセット（描画ヘッドと呼ぶ）を複数用いることにより、大面積の基体に高速で描画を行うパターン描画装置が特許文献１０で示されている。これによると、各々の描画ヘッドから出射される投影像を基体上で適正な位置となるよう、描画前に調整を行う必要がある。

特開平５−２０６００６号公報米国特許第６、４２８、９４０号特開２００１−２５５６６４号公報特開平７−３７７７４号公報特開平１１−３５４４２５号公報特開平１−２９８７１９号公報特開２０００−５８４４２号公報特開２００７−０１１２８８号公報特開２００６−０９１６５５号公報特開２００３−３４５０３０号公報

Proceedings of SPIE, Vol.４１８６、pp.１６−２１

前述したパターン描画装置の積算光量値を均一化する手法においては、スキャン方向の列内にある微小ミラーを選定するが、どの微小ミラーを選定するかが重要であり、その選定方法によって積算光量値の均一性すなわち描画精度が大きく変化する。そのため、微小ミラーの選定に必要となる投影面上での微小ミラーの投影像の情報について、その観察や測定が正確かつ精細にできることが求められている。また、描画途中に起こる微小ミラーの欠陥にも対処できるよう、描画途中でも観察・測定ができることが求められている。

フォトセンサをステージに組み込んだ特許文献４、特許文献５、あるいは特許文献８のパターン描画装置では、フォトセンサがステージに組み込まれているため、縮小投影された微小ミラーの投影像を観察・測定するには解像度が足りないという問題がある。一般にフォトセンサの受光面は1mm径程度であるが、縮小投影された微小ミラーの投影像は特許文献２では100nm径と非常に小さく、一般のパターン描画装置でも１μm〜サブμm径程度に縮小投影される。また、投影面全体を観察するためには、フォトセンサを微動させて測定するということを繰り返す必要があるため時間がかかるといった問題もある。また、描画途中に観察・測定することも不可能である。

イメージセンサをステージ上に設置した特許文献９のパターン描画装置では、投影面全体を一括して観察・測定することができるため、フォトセンサでの測定に比べて測定時間が短くなる。しかしながら、イメージセンサはステージ上に設置されているため、縮小投影された微小ミラーの投影像を観察・測定するには解像度が足りないという問題は残る。一般にイメージセンサの画素サイズは数μm角であり、縮小投影された微小ミラーの投影像よりも大きいためである。また、描画途中に観察・測定することも不可能である。

また、描画速度を上げる目的でミラーデバイスを複数用いたパターン描画装置において、特許文献１０で示されているような描画ヘッド毎の配置をすると、各々の描画ヘッドから出射される投影像の位置をサブμmオーダーといった高精度な調整をする必要がある。さらに、描画ヘッドのサイズは投影像よりも大きくなるため、描画ヘッドを隣接して配置しても投影像同士を隙間無く並べることが不可能であった。このため、従来の描画ヘッド方式では、投影像同士を一定の間隔で配置する必要があり、描画したテストパターン等の現像結果から判断して位置の調整をせざるを得なかった。このため、投影像同士の位置を正確に調整することは極めて困難なものであった。

本願発明の課題は、極微細の投影像を精細に観察・測定することが可能なパターン描画装置および描画方法を提供することである。

本願発明の別の課題は、画像データのモアレ（縞模様）を起すことなく、正確に投影像を測定することが可能なパターン描画装置および描画方法を提供することである。

本願のさらに別の課題は、イメージセンサで取得した画像データにモアレ（縞模様）を起すことなく、正確に投影像を測定することが可能なパターン描画装置および描画方法を提供することである。

本願発明のさらに別の課題は、実際の基体上での露光の積算量が均一な値となるようにしたパターン描画装置および描画方法を提供することである。

本願発明の上記の課題および別の課題は、以下に述べる本願発明の技術的思想、およびその実施の形態、実施例によって明らかにされる。

本願の主要な発明は、感光性の基体を感光する波長と強度を持った光を照射するための光源と、前記光源から照射される光を均一化するための照明光学系と、2次元配列された微小ミラーの傾きを変える事によって前記照明光学系からの光を画像パターンとして生成させるミラーデバイスと、前記ミラーデバイスで生成した画像パターンを空間像に結像させるためのリレー光学系と、前記空間像を縮小あるいは拡大して前記基体に投影するための投影光学系と、前記基体を所定の方向に移動させるステージとを有するパターン描画装置において、
前記リレー光学系と前記投影光学系の間に設置され前記基体に投影された画像が前記基体により反射して前記投影光学系を通して戻ってきた光を分岐させるためのハーフミラーと、前記ハーフミラーにより分岐した光を結像させるための撮像光学系と、前記撮像光学系で結像した像を撮像するためのイメージセンサとを有し、前記撮像光学系でイメージセンサ撮像面に結像された前記微小ミラーの像のピッチが前記イメージセンサの画素ピッチの整数比となる前記撮像光学系を有することを特徴とするパターン描画装置に関するものである。

前記パターン描画装置において、前記光源と、前記照明光学系と、前記ミラーデバイスが複数組設置され、前記複数組のミラーデバイスで生成した複数の前記画像パターンを１つの画像パターンとして合成するための合成用ハーフミラーを少なくとも１つ有するようにしてよい。

また前記パターン描画装置において、前記イメージセンサの画素配列は、前記撮像光学系により前記イメージセンサ撮像面に結像された前記ミラーデバイスの微小ミラー像の配列方向と同一の方向に配置されていてよい。また前記パターン描画装置において、前記ステージが移動する方向に対して前記イメージセンサで撮像された像の信号値の積算量が所定の値になるようにパターン描画に用いる前記微小ミラーを選定するようにしてよい。

描画方法に関する主要な発明は、光源からの光を照明光学系を通して２次元に配列された微小ミラーを有するミラーデバイスに入射し、該ミラーデバイスで画像パターンを生成し、リレー光学系と投影光学系とを通してステージ上の感光性の基体に照射してパターン描画を行なう方法において、
前記基体に投影された画像の反射光を前記投影光学系によって逆方向に戻して前記リレー光学系と前記投影光学系との間に配されたハーフミラーによって取出し、撮像光学系を通してイメージセンサに導くようにし、前記ミラーデバイスの画素ピッチが前記イメージセンサの画素ピッチの整数比となるようにしたことを特徴とするパターン描画方法に関するものである。

また、前記光源と、前記照明光学系と、前記ミラーデバイスの組を複数有し、前記複数組の画像パターンを合成用ハーフミラーで合成して前記基体に照射してよい。またステージが移動する方向に対して前記イメージセンサで撮像された信号の積算値が所定の値になるように前記パターン描画に用いる前記ミラーデバイスの微小ミラーの数を選択してよい。

本発明のパターン描画装置によると、基体上の投影面は、投影光学系と撮像光学系を通しイメージセンサに結像させて観察・測定する。従来ではフォトセンサやイメージセンサをステージに組み込んでいたため、投影された微小ミラーのピッチは投影光学系によって決定されてしまい極微細の投影像を観察・測定することが困難となっていたが、本発明のパターン描画装置により、極微細の投影像を精細に観察・測定することが可能となる。また、描画途中であっても観察・測定することが可能となる。

また、本発明のパターン描画装置によると、イメージセンサ撮像面に結像されたミラーデバイスの微小ミラーのピッチがイメージセンサの画素ピッチと整数比となる撮像光学系としている。これにより、従来の微小ミラーピッチと画素ピッチが整数比ではないパターン描画装置で発生していた画像データのモアレ（縞模様）を起こすことなく、正確に投影像を測定することが可能となる。

また、本発明のパターン描画装置によると、イメージセンサの画素配列とイメージセンサに結像されたミラーデバイスの微小ミラーの配列方向が同一の方向となるように配置されるため、イメージセンサで取得した画像データにモアレ（縞模様）を起こすことなく、正確に投影像を測定することが可能となる。

また、本発明のパターン描画装置によると、複数のミラーデバイスで生成された画像パターン同士を合成した後にリレー光学系と投影光学系に入射して基体に投影する。これにより、従来のように複数の描画ヘッドから出射される投影像同士の位置をサブμmオーダーの精度で合わせる必要がなくなる。さらに、イメージセンサからの画像データを見ながらリアルタイムで調整することが可能となる。

また、本発明のパターン描画装置によると、スキャン描画において、スキャン方向の列内にある微小ミラーの選定をおこなうことでスキャンと直角方向の微小ミラーばらつきの影響を抑える方式を実施する際に、イメージセンサで撮像された像の信号値の積算量が所定の値になるように微小ミラーを選定する。従来のパターン描画装置では、フォトセンサやイメージセンサで撮像された像は微小ミラー1つ1つを撮像することができないため、スキャン方向の微小ミラー列１本１本の積算量を正確に測定することが困難であり、実際の基体上での積算量もまた正確に均一の値とすることができなかったが、本発明のパターン描画装置では微小ミラー像を1つ1つ正確かつ精細に取得することができるため、実際の基体上での積算量も正確に均一な値とすることが可能となる。

本実施形態のパターン描画装置のシステム構成を示すブロック図である。イメージセンサの撮像画素ピッチと撮像面に結像した微小ミラー像ピッチの関係および配列方向を示した平面図である。微小ミラー像サイズが撮像画素サイズの整数倍でない場合と整数倍の場合の取得画像データの比較のための平面図である。実際の積算光量値を測定する方法について示した平面図である。基体上に塗布された感光剤に入射された実際の積算光量値を示したグラフである。スキャン描画における本発明の効果を実際の描画結果で示したパターンの平面図およびグラフである。本実施形態の２つのミラーデバイスを有したパターン描画装置のシステム構成を示すブロック図である。２つのミラーデバイスを有したパターン描画装置における接合箇所の調整方法を示した平面図である。本実施形態の複数のミラーデバイスを有したパターン描画装置のシステム構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

実施例１では、イメージセンサ撮像面に結像されたミラーデバイスの微小ミラーピッチがイメージセンサの画素ピッチと整数比となる撮像光学系を有し、ミラーデバイスの微小ミラーの配列方向がイメージセンサの画素配列と同一の方向となるよう配置したパターン描画装置を示す。パターン描画装置は、従来のミラーデバイスを用いた露光装置と撮像素子を用いた顕微鏡とを組み合わせた構成となっているが、本来別々の目的をもった微小ミラーとイメージセンサ画素とのピッチを整数比にする点が本発明の特徴である。

また、微小ミラーとイメージセンサ画素の配列方向をそろえることも本発明の特徴である。印刷の分野では印刷物を撮像素子で撮る際に配列方向をあえてそろえないことでモアレが目立たたせない方法をとるが、本発明では測定の正確さの課題を解決するため、双方の配列方向を同一にすることで測定するという特徴がある。さらに、このパターン描画装置により、イメージセンサで得られた像の信号値の積算量が所定の値となるように微小ミラーの選定をおこなってスキャン描画を行った結果を示す。所定の値とは、基体に塗布された感光剤上で積算光量値が微小ミラーの走査列毎に等しくなるように微小ミラーの選定を行うための基本値であり、これに投影面上の像と撮像面上の像との間でおこる光学系収差等を補正したものである。

実施例２および実施例３では、光源と照明光学系とミラーデバイスとを複数組有したパターン描画装置において、ミラーデバイスで生成した複数の組の画像パターンを１つの画像パターンとして合成するための合成用ハーフミラーを少なくとも1つ有したパターン描画装置の構成を示す。これにより、投影像同士を位置合わせする際に、サブμmオーダーといった高精度な調整をテストパターン描画することがなくなり、容易に投影像サイズを大きくすることができることを示す。

図１はパターン描画装置の模式図である。光源１０１から出力された光は、照明光学系１０２によって均一化および照射面積や光線角度の調整を行い、照明光としてミラーデバイス１０３に照射される。照明光はミラーデバイス１０３に対して２４°傾いた方向から入射されている。

ミラーデバイス１０３は微小ミラーが２次元配列状に並んで形成されたデバイスで、半導体の製造プロセスを応用したマイクロマシン技術によって、シリコンチップ上に正方形のかさを持ったきのこ状のマイクロミラーをマトリックス状に配列して形成される。ここでは、微小ミラーの面の角度は±１２°傾くような構造となっている。微小ミラー１つ１つの角度を外部信号によって制御する事により、＋１２°に傾いた微小ミラー領域に照射された照明光はリレー光学系１０４の方向へ反射され、−１２°に傾いた微小ミラー領域に照射された照明光はリレー光学系１０４に入射しない方向へと反射される。これにより、照明光がリレー光学系１０４方向に反射する／しない（あるいはＯＮ／ＯＦＦと呼ぶ）という２値の状態からなる画像パターンがミラーデバイス１０３によって生成される。本実施例でのミラーデバイス１０３は、横が１０２４個で縦が７６８個の微小ミラーを有し、微小ミラーのサイズは１３．６８μm角の正方形であり、ピッチも１３．６８μmである。各々の微小ミラーの角度を制御することによって、ミラーデバイス１０３からの反射光は画像パターンとなり、この画像パターンは１３．６８μm角の解像度を持った１０２４×７６８画素で構成されたものとなる。

ミラーデバイス１０３で生成された画像パターンは、リレー光学系１０４によって空間上に結像される。この空間上の結像は投影光学系１０６によって基体１０７の露光面に所望の大きさ（解像度）となるように縮小投影される。本実施例では基体１０７はシリコンウェハ、投影光学系１０６は３４．２分の１の縮小投影系であり、基体１０７上の投影面上で微小ミラー像が４００ｎｍ角の大きさとなるよう設計されている。実際には波長限界から４００ｎｍ角に投影されずに、ある分布を持ったスポット光となるが、スポット光の最大光量位置のピッチは４００ｎｍ毎となる。なお、本実施例では投影光学系１０６は縮小投影を行うよう設計されているが、目的に応じて拡大投影を行っても良い事は言うまでもない。
基体１０７上の露光面に投影された像は、基体１０７によって反射され、投影光学系１０６を今度は逆向きに通って撮像用ハーフミラー１０５によってリレー光学系１０４への光路とは別方向へと分岐される。この分岐された光は撮像光学系１０９によってイメージセンサ１１０の撮像面に結像する。撮像面に結像した画像パターンはイメージセンサ１１０の撮像画素によって電気信号に変換され、画像データとしてパソコン等に取り込まれることとなる。本実施例ではイメージセンサ１１０の撮像画素ピッチは３．６μmである。また、撮像面に結像した画像パターンを構成している微小ミラーの像のピッチが撮像画素ピッチの２倍である７．２μm角となるよう撮像光学系１０９を設計してある。したがって、微小ミラーの像のピッチと撮像画素ピッチは２：１の整数比となっている。

図２は、図１で示されたパターン描画装置に取り付けられたイメージセンサ１１０の画素配列と撮像面に結像した微小ミラーの配列との関係である。２０１はイメージセンサの撮像面の画素の２次元配列を示しており、イメージセンサの撮像画素ピッチを縦横で同じ長さaで示している。配列方向２０２は列方向をYsensorとし、それに垂直方向となる行方向をXsensorとしている。２０３は撮像面に結像した微小ミラーの配列を示しており、微小ミラー像のピッチが縦横aとなるように撮像光学系１０９を設計した例である。この場合、微小ミラー像のピッチとイメージセンサの撮像画素ピッチとが１：１の整数比となる。配列方向２０４は列方向をY_DMDとし、それに垂直方向となる行方向をX_DMDとしている。

２０５は撮像面に結像した微小ミラーの配列を示しており、微小ミラー像のピッチが縦横２aとなるように撮像光学系１０９を設計した例である。この場合、微小ミラー像のピッチとイメージセンサの撮像画素ピッチとが２：１の整数比となる。配列方向２０６は列方向をY_DMDとし、それに垂直方向となる行方向をX_DMDとしている。２０７も撮像面に結像した微小ミラーの配列を示しており、微小ミラー像のピッチが縦横３aとなるように撮像光学系１０９を設計した例である。この場合、微小ミラー像のピッチとイメージセンサの撮像画素ピッチとが３：１の整数比となる。配列方向２０８は列方向をY_DMDとし、それに垂直方向となる行方向をX_DMDとしている。実施例ではイメージセンサ１１０の撮像面の画素配列２０１に対して微小ミラー像の配列が２０５のようになっており、２：１の整数比となっている。また、それぞれの配列方向２０２と２０６は、Y方向同士およびX方向同士が同一の方向となるように設置している。

図３は図１のパターン描画装置において、イメージセンサ１１０の撮像面に結像した微小ミラーの２次元配列をイメージセンサで取得した画像データの一部を示している。

図３Ａの３０１は、微小ミラーの像のピッチがイメージセンサの撮像画素ピッチの整数倍ではない場合に得られた画像データである。撮像画素ピッチは、縦８．４μm、横９．８μmであり、微小ミラー像ピッチは縦横１３．６８μmである。微小ミラー像のピッチとイメージセンサの撮像画素ピッチとが縦横どちらも整数比とならず、取得した画像データには周期的な縦横の縞が現れ、モアレ模様が生じている事が分かる。

図３Ｂの３０２は、微小ミラーの像のピッチとイメージセンサの撮像画素ピッチとが２：１となるように撮像光学系１０９を設計して得られた画像データである。ミラーデバイス１０３上の微小ミラーは全てON（反射状態）である。撮像画素ピッチは、縦横６．７μmであり、微小ミラー像ピッチが縦横１３．４μmとなるように撮像光学系１０８の倍率を設計した。画像データ３０２には画像データ３０１のような縦横の縞が発生しておらず、モアレ模様のない正確な画像データを取得することができた。また、基板の露光面上で計算上４００ｎｍ角のサイズとなる微小ミラー像１個に対して、縦横２×２の４個の撮像画素で観察する事ができ、投影像を精細に取得できる事が示された。

図4は図1で示されたパターン描画装置を用いてステージ１０８を移動させながら描画をおこなうスキャン描画において、基体１０７上に塗布された感光剤に入射される実際の積算光量値を測定する方法について示す。４０１はミラーデバイス１０３上に表示する画像の元データを示しており、微小ミラーをＯＮ４０２とＯＦＦ４０３のように５ミラー毎にＯＮ／ＯＦＦを繰り返した縦方向のラインアンドスペースのデータとなっている。

このデータ４０１に対して、微小ミラーの選定を行った結果が４０４である。イメージセンサで撮像された像の信号値の積算量が所定の値になるように、使用しない微小ミラーを選定した部分が４０５と４０６である。４０４の情報ミラーデバイス上に表示（微小ミラーの傾きを＋１２°あるいは−１２°に設定）され、生成された画像パターンは投影光学系１０６で縮小され、微小ミラーピッチが４００ｎｍで基体１０７上に投影される。スキャン描画の結果、基体上に塗布された感光剤に積算された光量の分布を４０７に示す。ここでスキャン方向は４０８である。基体上に塗布された感光剤に積算された光量は４μmピッチで増減を繰り返している。この基体上に塗布された感光剤を現像したものが４０９であり、感光剤の特性により、ある積算光量を閾値にして感光剤が除去される。この除去された部分の幅がスペース幅４１０である。スペース幅は積算光量値が大きければ太くなり、積算光量値が小さくなると細くなる。このスペース幅を全てのスペースについて測定することで、積算光量値が均一性を測定できる。実施例では５ミラー毎にON／OFFを繰り返したが、１ミラー毎に繰り返すことでスキャン方向の微小ミラー列毎に積算光量値を測定することができる。

図5はイメージセンサで取得したデータから微小ミラーの選定を行う効果について示している。図５Ａのグラフ５０１はミラーデバイス１０３に元データ４０１をそのまま表示させ、微小ミラーの選定をおこなわずにスキャン露光を行った場合の、基体１０７に塗布された感光剤に入射された積算光量値を示している。縦軸は入射された積算光量値、横軸は基体上のスキャンと直角方向の位置を示す。ここで、微小ミラー像はその周囲の微小ミラー像の領域へ光が漏れていないと仮定する。グラフの一区画５０２の幅が１ピッチ（４００ｎｍ）分である。微小ミラーの選定をおこなわない場合、積算光量値は場所によって異なっている。これは微小ミラーのばらつきや照明光の照度ばらつき、光学系の収差等が重なった結果である。その結果、ミラーデバイス１０３上の表示データには同じ幅でラインアンドスペースが表示されているにもかかわらず、描画されたラインやスペースの幅は場所によって異なることになる。

次にイメージセンサで基体上の微小ミラーの像を撮像し、取得した信号から積算光量値が撮像面上で一定となるように微小ミラーの選定を行って描画した結果が図５Ｂの５０３のグラフである。撮像面上のデータを単純に加算して積算光量を一定にしても、実際の基体上に塗布された感光剤には積算光量が入射されていないことが分かる。これは基体１０７とイメージセンサ１１０の間に設置されている投影光学系１０６や撮像光学系１０９の収差等の影響によるもので、この影響が５０４の点線のようになだらかな曲線として描画結果に表れる。これはグラフ５０１のような微小ミラーのばらつきによるランダム性がないためである。したがって、イメージセンサ１１０が取得した信号に光学系分の補正をおこなうことによってキャンセルすることが可能である。

イメージセンサ１１０の撮像面で得られる信号に上記補正を施して、基体上に塗布された感光剤の積算光量が一定となるような所定の値を導き出し、その値から微小ミラーを選定した描画結果が図５Ｃのグラフ５０５である。その結果、実際の基体上に塗布された感光剤でも点線５０６のように積算光量が一定となる。

図６に実際に描画を行って測定した結果を示す。ミラーデバイス１０３上に表示する画像の元データが図６Ａの６０１であり、図４の４０１に対応するものである。微小ミラーの選定後の表示画像データが図６Ｂの６０２であり、図４の４０４に対応する。元データのまま表示してスキャン描画をおこなった描画結果が６０３（図６Ａ）であり、すべての位置のスペースについて幅を測定してプロットしたものである。縦軸がスペース幅、横軸がスペースの位置を示している。プロット６０３から、スペース幅は場所により異なっていることが分かり、基体上に塗布された感光剤上では積算光量値が図５の５０１のようにばらついていることが示された。一方、本発明を用いて微小ミラーの選定を行った画像データ６０２を表示してスキャン描画をおこなった描画結果が図６Ｂのプロット６０４である。プロット６０４から、すべての位置でスペース幅が一定であることが分かり、本発明のパターン描画装置によって実際の基体上に塗布された感光剤上の積算光量値が一定となることが示された。

なお、本実施例では描画パターンとしてスキャン方向のラインアンドスペースを用いて発明の効果を説明したが、他の形状の描画パターンにおいても同様に積算光量値を一定にすることができ、特定の描画パターンにのみ有効というわけではないことは言うまでもない。

図７は２つのミラーデバイスを有するパターン描画装置の模式図である。このパターン描画装置はミラーデバイスを２つ並列に使用し、図１のようなミラーデバイスを１つ用いたものと比較して２倍の描画速度を実現することができる。
１つ目の画像パターン生成部７０１は図１の１０１〜１０３と同様のもので構成されている。また、２つ目の画像パターン生成部７０２も図１の１０１〜１０３と同様のもので構成されている。さらに、７０４〜７１０は図１の１０４〜１１０と同様の機能を有するものである。

合成用ハーフミラー７０３は、１つ目の画像パターン生成部７０１内のミラーデバイスで生成された画像パターンと２つ目の画像パターン生成部７０２内のミラーデバイスで生成された画像パターンとを合成するために設置されている。この合成用ハーフミラー７０３によって画像パターン同士を光学的に接合させることにより、より大きな範囲の画像パターンを得る事ができる。描画速度を上げるためにはスキャン垂直方向に画像パターンを並列に合成して、あたかも２倍の幅のミラーデバイスが画像パターンを生成したかのようにして描画を行う。

合成用ハーフミラー７０３によって合成された画像パターンを、１つのリレー光学系７０４と１つの投影光学系７０６によって基体７０７に塗布された感光剤上に投影し、その投影像を投影光学系７０６と撮像用のハーフミラー７０５と撮像光学系７０９によって、イメージセンサ７１０の撮像面に結像させる。スキャン描画を行う際にはステージ７０８により基体７０７を移動させながら描画を行う。合成用ハーフミラー７０３によって画像パターンが拡大したため、リレー光学系７０４や投影光学系７０６、撮像用のハーフミラー７０５、撮像光学系７０９、イメージセンサ７１０は図１のものよりもその分だけ視野が広がっている。

ここで、イメージセンサ７１０の撮像面に結像している微小ミラーの像のピッチは、イメージセンサ７１０の撮像画素ピッチに対して４：１の整数比となるように撮像光学系７０９が設計されており、画像パターン生成部７０１内のミラーデバイスの微小ミラー配列方向と画像パターン生成部７０２内のミラーデバイスの微小ミラー配列方向は、イメージセンサ７１０の撮像画素配列方向と同一となるよう設置されている。

図８はイメージセンサ７１０で撮像された画像の一部を示している。画像８０１は画像パターン生成部７０１で生成された画像パターン８０２と画像パターン生成部７０２で生成された画像パターン８０３とがハーフミラー７０５上で光学的に接合された部分８０４を抜き出したものである。２つの画像パターン８０２と８０３は接合部８０４で少なくとも微小ミラーサイズ以下の精度で接合されなければ描画に支障をきたす。従来のように投影面でこの接合を行うと、縮小投影された微小ミラーサイズは１μm以下となり、接合は困難であった。本発明においては、接合箇所を拡大すると画像８０５のようになり、微小ミラーは８０６の大きさで撮像される。本実施例ではイメージセンサ７１０の撮像面に結像している微小ミラーの像のピッチは、イメージセンサ７１０の撮像画素ピッチに対して４：１の整数比となっているため、１つの微小ミラーの像は８０７のように４×４画素の合計１６画素で撮像されている。１つの画素サイズ８０８は６．７μm角であるので、１つの微少ミラーの像は２６．８μm角の大きさで結像していることになる。したがって、接合時に求められる精度は２６．８μm以下となり、従来求められていた精度よりもゆるい精度で接合調整が可能となる。さらに、イメージセンサからの画像をリアルタイムに確認しながら調整行なう事ができるため、より容易に調整作業を行なう事ができる。

図９は多数のミラーデバイスを有するパターン描画装置の模式図である。このパターン描画装置はミラーデバイスを４つ並列に使用し、図１のようなミラーデバイスを１つ用いたものと比較して４倍の描画速度を実現することができる。

１つ目の画像パターン生成部９０１は図４の４０１〜４０３と同様のもので構成されている。また、２つ目の画像パターン生成部９０２も図４の４０１〜４０３と同様のもので構成されている。さらに、９０４〜５１０は図１の１０４〜１１０と同様の機能を有するものである。

合成用ハーフミラー９０３は、１つ目の画像パターン生成部９０１内のミラーデバイスで生成されて合成された画像パターンと２つ目の画像パターン生成部９０２内のミラーデバイスで生成されて合成された画像パターンとをさらに合成するために設置されている。この合成用ハーフミラー９０３によって、画像パターン生成部内で合成された画像パターン同士をさらに合成する事ができ、さらに大きな範囲の画像パターンを得る事ができる。

本実施例では４つのミラーデバイスからの画像パターンを合成したが、ミラーデバイスの数が増えていっても、上記のように合成用ハーフミラーを多段に設置する事により、１つの画像パターンサイズとして生成する事が可能となる。

合成用ハーフミラー９０３によって合成された１枚の画像パターンを、１つのリレー光学系９０４と１つの投影光学系９０６によって基体９０７に塗布された感光剤上に投影し、その投影像を投影光学系９０６と撮像用ハーフミラー９０５と撮像光学系９０９によって、イメージセンサ９１０の撮像面に結像させる。スキャン描画を行う際にはステージ９０８により基体９０７を移動させながら描画を行う。合成用ハーフミラー９０３によって画像パターンは図７のものよりもさらに拡大したため、リレー光学系９０４や投影光学系９０６、撮像用のハーフミラー９０５、撮像光学系９０９、イメージセンサ９１０は図７のものよりもその分だけ視野が広がっている。

ここで、実施例１や実施例２と同様に、イメージセンサ９１０の撮像面に結像している微小ミラー像のピッチと、イメージセンサ９１０の撮像画素ピッチとが整数比となるように、撮像光学系９０９が設計されており、画像パターン生成部９０１内のミラーデバイスの微小ミラー配列方向と画像パターン生成部９０２内のミラーデバイスの微小ミラー配列方向は、イメージセンサ９１０の撮像画素配列方向と同一となるよう設置されている。ミラーデバイスの数が増えても、接合箇所の位置調整は実施例２と同様であり、容易に行うことができる。

本発明のパターン描画装置は、半導体集積回路製造用のフォトマスクを作成する描画装置または、半導体集積回路やマイクロ電子デバイス、マイクロ機械デバイス、マイクロ光学デバイスおよびディスプレイデバイスのパターン描画に対して用いることが出来るものである。さらに、印刷分野での露光装置にも適応する事ができる。

図１において、
１０１光源
１０２照明光学系
１０３ミラーデバイス
１０４リレー光学系
１０５ハーフミラー
１０６投影光学系
１０７基体
１０８ステージ
１０９撮像光学系
１１０イメージセンサ
図２において、
２０１イメージセンサの撮像面
２０２イメージセンサの撮像画素の配列方向
２０３撮像面に結像した画像パターン
２０４撮像面に結像した微小ミラーの像の配列方向
２０５撮像面に結像した画像パターン
２０６撮像面に結像した微小ミラーの像の配列方向
２０７撮像面に結像した画像パターン
２０８撮像面に結像した微小ミラーの像の配列方向
図３におい、
３０１微小ミラー像ピッチと撮像画素ピッチが整数比でない場合の撮像画像データ
３０２微小ミラー像ピッチと撮像画素ピッチが整数比となる場合の撮像画像データ
図４において、
４０１画像パターンの元データ
４０２５ミラー幅の微少ミラーON状態部分
４０３５ミラー幅の微少ミラーOFF状態部分
４０４微少ミラーの選定を行なった表示データ
４０５使用しない微少ミラーを選定した部分
４０６使用しない微少ミラーを選定した部分
４０７基体上に塗布された感光剤に積算された光量の分布
４０８スキャン方向
４０９基体上に塗布された感光剤を現像した結果
４１０感光剤の除去された部分の幅
図５において、
５０１微少ミラーの選定を行なわなかった場合の積算光量
５０２ある微少ミラー像の位置でのピッチ幅分の積算光量値
５０３イメージセンサの撮像面で積算光量が一定となるように微少ミラーの選定をおこなった場合の積算光量
５０４積算光量値のなだらかな不均一性
５０５イメージセンサの撮像面で積算光量が所定の値となるように微少ミラーの選定をおこなった場合の積算光量
５０６すべての位置で一定となった積算光量値
図６において、
６０１画像パターンの元データ
６０２微少ミラーの選定を行なった表示データ
６０３微少ミラーの選定を行なわなかった場合のスペース幅の分布
６０微少ミラーの選定を行った場合のスペース幅の分布
図７において、
７０１１つ目の画像パターン生成部
７０２２つ目の画像パターン生成部
７０３画像パターン合成用のハーフミラー
７０４リレー光学系
７０５撮像用のハーフミラー
７０６投影光学系
７０７基体
７０８ステージ
７０９撮像光学系
７１０イメージセンサ
図８において、
８０１イメージセンサで撮像した画像
８０２１つ目のミラーデバイスによる画像パターン
８０３２つ目のミラーデバイスによる画像パターン
８０４ミラーデバイス同士の光学的接合位置
８０５光学的接合位置の拡大画像
８０６１つの微少ミラー像のサイズ
８０７１つの微少ミラー像のサイズに対応する撮像画素
８０８１つの撮像画素のサイズ
図９において、
９０１１つ目の画像パターン生成部
９０２２つ目の画像パターン生成部
９０３画像パターン合成用のハーフミラー
９０４リレー光学系
９０５撮像用のハーフミラー
９０６投影光学系
９０７基体
９０８ステージ
９０９撮像光学系
９１０イメージセンサ

Claims

感光性の基体を感光する波長と強度を持った光を照射するための光源と、前記光源から照射される光を均一化するための照明光学系と、2次元配列された微小ミラーの傾きを変える事によって前記照明光学系からの光を画像パターンとして生成させるミラーデバイスと、前記ミラーデバイスで生成した画像パターンを空間像に結像させるためのリレー光学系と、前記空間像を縮小あるいは拡大して前記基体に投影するための投影光学系と、前記基体を所定の方向に移動させるステージとを有するパターン描画装置において、
前記リレー光学系と前記投影光学系の間に設置され前記基体に投影された画像が前記基体により反射して前記投影光学系を通して戻ってきた光を分岐させるためのハーフミラーと、前記ハーフミラーにより分岐した光を結像させるための撮像光学系と、前記撮像光学系で結像した像を撮像するためのイメージセンサとを有し、前記撮像光学系でイメージセンサ撮像面に結像された前記微小ミラーの像のピッチが前記イメージセンサの画素ピッチの整数比となる前記撮像光学系を有することを特徴とするパターン描画装置。
前記光源と、前記照明光学系と、前記ミラーデバイスの組が複数設置され、前記複数の組で生成した複数の前記画像パターンを１つの画像パターンとして合成するための合成用ハーフミラーを少なくとも１つ有することを特徴とする請求項１に記載のパターン描画装置。
前記イメージセンサの画素配列は、前記撮像光学系により前記イメージセンサ撮像面に結像された前記ミラーデバイスの微小ミラー像の配列方向と同一の方向に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のパターン描画装置。
前記ステージが移動する方向に対して前記イメージセンサで撮像された像の信号値の積算量が所定の値になるようにパターン描画に用いる前記微小ミラーを選定することを特徴とする請求項１に記載のパターン描画装置。
光源からの光を照明光学系を通して２次元に配列された微小ミラーを有するミラーデバイスに入射し、該ミラーデバイスで画像パターンを生成し、リレー光学系と投影光学系とを通してステージ上の感光性の基体に照射してパターン描画を行なう方法において、
前記基体に投影された画像の反射光を前記投影光学系によって逆方向に戻して前記リレー光学系と前記投影光学系との間に配されたハーフミラーによって取出し、撮像光学系を通してイメージセンサに導くようにし、前記ミラーデバイスの画素ピッチが前記イメージセンサの画素ピッチの整数比となるようにしたことを特徴とするパターン描画方法。
前記光源と、前記照明光学系と、前記ミラーデバイスの組を複数有し、前記複数組の画像パターンを合成用ハーフミラーで合成して前記基体に照射することを特徴とする請求項５に記載のパターン描画方法。
ステージが移動する方向に対して前記イメージセンサで撮像された信号の積算値が所定の値になるように前記パターン描画に用いる前記ミラーデバイスの微小ミラーの数を選択することを特徴とする請求項５に記載のパターン描画方法。