JP2013037300A - 露光装置および露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 グレイトーンマスクを用いたＴＦＴ基板の製造工程において、高画質かつ低価格の液晶パネルを高い歩留まりで生産し続けることが可能な露光装置および露光方法を提供すること。
【解決手段】 照明光学系と投影光学系を有する露光装置において、照明光学系内部に有効光源形状を変化させる有効光源形状調整手段と、投影光学系内部に静止ディストーションのばらつきを変化させる静止ディストーションばらつき調整手段と、プレートステージ上にあってマスク上のパターンを結像する２次元センサと、２次元センサが撮像した結果に基づき前記有効光源形状調整手段もしくは前記静止ディストーションばらつき調整手段のうち、少なくとも一つを調整する調整部を持つ。調整部は同一パターン内の光強度分布を調整することにより有効光源形状調整手段もしくは静止ディストーションばらつき調整手段を調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶パネルや半導体などの製造の際に用いられる露光装置および露光方法に関するものである。

現在、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：以下、ＴＦＴと称する）を備えた液晶表示デバイスが、我々の生活の中で一般的なものになりつつある。液晶表示デバイスは従来のCRT（陰極線管）と比較して、省スペース、省電力などといった利点を持っており、今後もますます発展、進化するデバイスの一つである。

ＴＦＴを備えた液晶デバイス（以下、ＴＦＴ−ＬＣＤと称する）は、マトリックス状に配列された各画素にＴＦＴが配列された構造のＴＦＴ基板と、各画素に対応して、レッド、グリーン、及びブルーの画素パターンが配列されたカラーフィルターが液晶相を挟んで重ね合わされた構造となっている。ＴＦＴ−ＬＣＤの場合、リソグラフィ技術を用いて、通常は５枚もしくは６枚程度のフォトマスクを用いて製造されている。

しかしながら、近年になって４枚のフォトマスクを用いてＴＦＴ-ＬＣＤを製造する方法が提案、実用化されている（特許文献１参照）。この方法では、通常の遮光部と透光部の他に半透光部（グレイトーン部）を有するフォトマスクを用いることにより、使用するマスク枚数を低減し、歩留まりよく安価に液晶パネルを製造するというものである。ここで半透光部は２０〜６０％程度の光強度透過率を持つ部材で構成されている場合と、透光部に解像できない微細な線幅の遮光部を配置することにより半透光部とする場合とがある。どちらの方式も透過する露光光の透過量を所定量低減させる効果があり、被転写体上のフォトレジスト膜の現像後の残膜量を所望の範囲に制御する。このような半透光部を、遮光部や透光部とともに備えているフォトマスクを総称してグレイトーンマスクという。

このグレイトーンマスクを用いたＴＦＴ基板の製造工程を以下に説明する。初めに、ガラス基板上にゲート電極用金属膜が形成され、フォトマスクを用いたリソグラフィプロセスによりゲート電極を形成する。次に、ゲート絶縁膜、第１半導体膜（ａ−Ｓｉ）、第２半導体膜（Ｎ＋ａ−Ｓｉ）、ソースドレイン用金属膜及びポジ型フォトレジスト膜を形成する。

次に、遮光部、透光部及び半透光部を有するグレイトーンマスクを用いて、ポジ型フォトレジスト膜を露光し、現像し、第１レジストパターンを形成する。第１レジストパターンは、ＴＦＴチャネル部及びソースドレイン形成領域と、データライン形成領域を覆い、かつ、チャネル部形成領域がソースドレイン形成領域よりも薄くなるように形成される。

次に、第１レジストパターンをマスクとして、ソースドレイン金属膜及び第２、第１半導体膜をエッチングする。次に、アッシングによりチャネル部形成領域の薄いレジスト膜を除去し、第２レジストパターンを形成する。次に、第２レジストパターンをマスクとしてソースドレイン用金属膜をエッチングすることにより、ソースおよびドレインを形成する。続いて第２半導体膜をエッチングし、最後に残存した第２レジストパターンを剥離させる。以上がグレイトーンマスクを用いたＴＦＴ基板の製造工程である。

グレイトーンマスクを用いたＴＦＴ基板の製造工程においては、従来より露光装置に要求される性能が高くなっており、製造の難易度が上がっている。このため露光装置が液晶パネル工場に設置された際、露光装置の調整は、あらゆる項目の調整目標を従来よりも非常に高いレベルに設定し、それを達成することで行われていた。

特開２０００−２０６５７１号公報

上記の方法によるＴＦＴ基板の製造工程のうち、第１レジストパターンにおけるチャネル部のレジスト膜厚の均一性を或る許容誤差範囲内に保つことが重要となっている。しかしながらチャネル部のレジスト膜厚は、その形状を作成する際に用いられた露光装置が持つ特性やマスク製造誤差などの要因によりばらつきやすい。近年の液晶パネルの微細化に伴い、レジスト膜厚がばらつく傾向は顕著になってきている。チャネル部の膜厚が所望の許容範囲から外れると、ディスプレイとしての表示性能が低下してしまったり、別途研磨工程が必要になるなどコストアップの要因となってしまう。

通常、露光装置を用いて感光基板の露光を行う際には、フォトマスクおよび感光基板の双方を同期スキャンさせながら露光を行う。第１レジストパターンにおけるチャネル部のレジスト膜厚は、１つの露光領域内においてある特定の分布を持ち、この分布の補正には露光量の調整が有効である。しかし同一パターン内におけるチャネル部のレジスト膜厚にばらつきがある場合には、露光量の調整は有効ではなくなってしまう。

その他、液晶パネルの今後の高精細化といった状況を考慮しても、特に同一パターンでのチャネル部の膜厚分布はますますばらつきやすい傾向にあり、膜厚分布の低減のためには露光装置の性能管理について、これまでにない高い負荷を要する状況になりつつある。

そこで本発明では、グレイトーンマスクを用いたＴＦＴ基板の製造工程において、第１レジストパターンにおけるチャネル部のレジスト膜厚の均一性を確保するための露光装置および露光方法を提案することを目的とする。

その目的を達成するために、本発明の一側面としての露光装置は、光源から発した露光光によりパターンが形成されたマスクを照明する照明光学系と、パターンが描画されたマスクを保持するマスクステージと、マスク上のパターンを感光基板上に転写露光する投影光学系と、感光基板を保持するプレートステージとを有する露光装置において、光学特性を調整する光学調整手段と、前記プレートステージ上にあってマスク上のパターンの光学強度分布を計測する２次元センサと、前記２次元センサが観察した結果に基づき前記光学調整手段のうち、少なくとも一つを調整する調整部と、を持ち、前記調整部は同一パターン内の光学強度分布の方向差を調整することにより前記有効光源形状調整手段もしくは前記静止ディストーションばらつき調整手段を調整することを特徴とする。

光学特性の調整手段としては、有効光源形状の調整手段もしくは静止ディストーションのばらつき量の調整手段を持つ。これらのうち一つもしくは両方を用いて露光装置の光学特性を調整する。

光学像強度分布の方向差を小さくすることで同一のチャネル部のレジスト膜厚分布を調整する。

レジスト膜厚分布の調整は、レジストを塗布したガラス基板などに直接露光して結果を観察・計測することを繰り返し行って調整してもよいし、マスク上のパターンを露光転写するための感光基板を設置する位置の近傍にＣＣＤなどの２次元センサを配置しておき、その受光部上に結像された光学像を用いて調整を行ってもよい。この場合は、２次元センサ上に結像されたチャネル部の光強度分布を確認し、同一チャネル内の光強度分布が均一になるように、有効光源形状もしくは静止ディストーションのばらつきを変化させて調整を行う。

また本発明の露光方法では、同一のチャネル部のレジスト膜厚分布を実露光結果の計測もしくは2次元センサを用いて光強度分布を観察した結果を用いて、有効光源形状の調節もしくは静止ディストーションのばらつきを調整することを特徴とする。

本発明により、グレイトーンマスクを用いたＴＦＴ基板の製造工程において、高画質かつ低価格の液晶パネルを高い歩留まりで生産し続けることが可能な露光装置および露光方法を提供することができる。

本発明の一形態の露光装置を示した図 図１で説明した有効光源形状調整絞り１０４の概略を説明する図 グレイトーンマスクのパターンの概要を説明する図 有効光源の形状の差が、レジスト膜厚のばらつきの原因となる理由を説明する図 静止ディストーションのばらつきの差が、レジスト膜厚のばらつきの原因となる理由を説明する図 ２次元センサ５の受光部上にグレイトーンパターンが結像した例を示す図 本発明の露光方法のフローを説明する図

図１は本発明の一実施の形態を示す露光装置の概略図である。

超高圧水銀ランプなどの紫外線を発する光源１０１から出た光束は、所定の透過率を有するＮＤフィルタ１０２により強度を調整され、その後、ハエノ目レンズ等のオプティカルインテグレータ１０３の光入射面に指向される。ハエノ目レンズは複数の微小レンズの集合からなるものであり、その光射出面近傍に複数の２次光源が形成される。これら２次光源の集合を有効光源と呼ぶ。１０４は有効光源形状調整絞りである。１０５はコンデンサレンズであり、オプティカルインテグレータ１０３の２次光源からの光束でマスキングブレード１０６をケーラー照明している。マスキングブレード１０６とマスクＭは結像レンズ１０７、ミラー１０８、滅像レンズ１０９共役な位置に配置されており、マスキングブレード１０６の開口の形状を定めることによりマスクＭにおける照明領域の形状と寸法が規定される。図１において、破線で囲まれた各部材により照明光学系１が構成されている。

２はマスクＭを保持するマスクステージであり、光軸と垂直な方向に動かすことができる。

３はマスクＭ上のパターンを感光材が塗布された基板（以下、プレートと称する）Ｐ上に投影転写するための投影光学系である。投影光学系３の一例として、本発明ではＯｆｆｎｅｒ光学系による投影光学系を用いて説明する。マスクＭを透過した光束は図１に示すように台形ミラー３０１、凹面ミラー３０２、凸面ミラー３０３、凹面ミラー３０２、台形ミラー３０１の順に反射した後にプレートＰに到達して、マスクＭ上のパターンが露光転写される。凸面ミラー３０３は不図示の駆動機構が設けられており、姿勢を高精度に調整することができるとともに、投影光学系が持つ静止ディストーションのばらつき量を変化させることが可能である。本発明では凸面ミラー３０３を用いて静止ディストーションのばらつき量を調整しているが、静止ディストーションのばらつき量の調整に用いる光学部品は上記に限らず、静止ディストーションのばらつき量の調整に有効な他の部品を用いても本発明と同様の効果を持つことは言うまでもない。

４はプレートＰを保持するプレートステージであり、マスクステージ２と同期して駆動される。また、プレートステージ４上には２次元センサ５が配置されており、その受光部はプレートＰ上にある。プレートステージ４を動作させることにより、マスクＭ上のパターンを投影した光学強度の分布を観察することが可能である。２次元センサ５へのパターンの結像には、必要に応じて不図示の拡大光学系を用いてもよい。６は調整部であり、２次元センサ５で観察された結果を元に、有効光源形状調整絞り１０４および凸面ミラー３０３の駆動量を算出して、グレイトーンマスクにおける同一チャネル部の光強度分布を均一にする。

図２は、図１で説明した有効光源形状調整絞り１０４の概略を説明するものである。この図で光束は紙面に垂直な方向に伝搬し、１０４１はオプティカルインテグレータ１０３によって形成された有効光源の概略形状を示すものである。有効光源形状調整絞り１０４内には、４つの遮光板１０４２、１０４３、１０４４、１０４５が構成されており、不図示の駆動系によってそれぞれ矢印の方向に移動することができる。これらの遮光板を動かすことにより、有効光源形状の調整、特に縦方向および横方向の有効光源形状の径を調整する。

なお本発明においては、有効光源の形状を調節する手段として４枚の遮光板を用いたが、その手段としては上記のものに限定されるものではない。例えば、有効光源形状の縦方向および横方向を独立に変化させられる機構を用いていればよく、シリンドリカルレンズなどを用いて縦方向および横方向に独立にズーム機構を備えた光学系を採用しても同様の効果をもたらすことは言うまでもない。

図３は、グレイトーンマスクのパターンの概要を説明するものである。

グレイトーンマスクを用いた製造工程では、図３のような形状のパターンがマスクＭ上に描かれている。図３に格子縞で示される領域を遮光領域（クロム部）、斜め線で示される領域をグレイトーン領域と呼ぶ。斜め線で示されるグレイトーン領域は、解像しない細線が領域に沿って描画されている、もしくは斜め線の領域全体にわたって光強度透過率２０％以上６０％以下のハーフトーン膜が成膜された領域となっている。このパターンを所定の露光量で露光すると、遮光領域のレジスト膜厚が２００００Å程度に対して、グレイトーン領域のレジスト膜が３０００Å以上７０００Å以下の厚さを保った状態のパターンを得ることができる。

チャネル部となるのは図３においてグレイトーン領域で示される領域である。チャネル部のレジストの膜厚を均一にするためには、マスクＭ上に描画されたパターンが結像する位置において、この領域内の光強度分布を或る許容範囲内にする必要がある。

図４は、有効光源の形状の差が、露光後の同一チャネル部のレジスト膜厚のばらつきを発生させる原理を説明する図である。

図４の（ａ）は図３のパターンを露光した場合のＸ−Ｘ’方向の光強度分布の断面図の一例であり、また図４の（ｂ）はＹ−Ｙ’方向の光強度分布の断面図の一例を示している。

図４の（ａ）、（ｂ）とも有効光源形状が異なる２条件での光強度分布を示しており、それぞれ照明σ＝０．７および０．５について計算したものである。なお、投影光学系のＮＡ（開口率）は０．０８５、露光波長は高圧水銀ランプのｉ線、ｈ線、ｇ線を用いて計算している。

照明σが０．７の時に比較して照明σが０．５の方がチャネル部の光強度が強くなっている。このことは同一の露光量を与えた場合、照明σが小さくなるとチャネル部の光量が多くなり、レジスト膜の厚さが薄くなることを示している。仮に図３で示されるパターンのチャネル部のレジスト膜厚に縦―横差が発生した場合、レジスト膜厚が厚くなった方向に対応する有効光源の径を小さくすることにより、同一チャネル内でのレジスト膜厚の均一性を改善することができる。

図５は、露光装置の投影光学系が持つ静止ディストーションのばらつきが変化した場合に、露光後の同一チャネル部のレジスト膜厚のばらつきを発生させる原理を説明する図である。

図５の（ａ）は図３のパターンを露光した場合のＸ−Ｘ’方向の光強度分布の断面図の一例である。（ｂ）は図３のパターンを露光した場合のＹ−Ｙ’方向の光強度分布の断面図の一例である。

図５の（ａ）、（ｂ）とも、静止ディストーションのばらつきが０μｍの場合とばらつきが１μｍの場合の２通りについて示している。静止ディストーションのばらつきが大きくなると、スキャンされながら積算露光された結果の光学像コントラストは低下し、チャネル部の光量が低下する。その結果チャネル部のレジスト膜は厚くなる。これは、同一チャネル部でのレジスト膜厚に方向差が発生した場合、レジスト膜厚が薄くなった方向に対応する静止ディストーションのばらつきを大きくすることにより、同一チャネル内のレジスト膜厚のばらつきを低下させることが可能であることを示している。

以上のように、有効光源形状の縦横の差を設けること、もしくは静止ディストーションのばらつきを変化させることで、同一チャネル内のレジスト膜厚のばらつきを調整できる事が明らかにされた。

図６は、本発明の露光装置において、２次元センサ５上にグレイトーンマスクのパターンの一部を結像した場合の一例を示したものである。図６上の点線５０１が２次元センサ５の受光領域全体であり、図３で示されている同一のパターン全体が２次元センサ５内に納まるように撮像される。

図６において、グレイトーンマスクの露光の際には、「Pos_1」「Pos_2」および「Pos_3」で示される位置の光強度分布がほぼ均一になるように露光装置の有効光源形状の縦―横の径、もしくは静止ディストーションのばらつきの方向差の調整を行う。

本発明では２次元センサを用いて同一チャネル内の光強度分布のばらつきを調整したが、センサ類を用いずに、有効光源や静止ディストーションのばらつきの条件を振って実際に露光し、その結果から最適な条件を探し出すことにより調整を行ってもよい。

次に図７を用いて本発明の露光装置を用いた露光方法について説明する。

ステップ１０１にて露光前の確認を開始する。ステップ１０２にて、実露光の前に２次元センサ５を用いてマスクパターンの光学像を取得する。ステップ１０３では、取得された光学像から同一のチャネル内の光強度分布を観察して、光強度分布が所定の許容範囲内にあるかを判断する。光強度分布が所定の許容範囲内にある場合には実際に露光しても問題無いと判断し、ステップ１０４に進み実露光を行うが、光強度分布が所定の許容範囲内にない場合にはステップ１０５に進む。

ステップ１０５にて調整により結像状態の改善が可能か判断する。有効光源形状や投影光学系内の光学部品の位置の調整を行うと、静止ディストーションの他、非点収差や像面湾曲などが発生する。これらの項目が事前に十分追い込まれて小さい値になっている場合には有効光源の形状の調整や凸面ミラーによる調整の余地があるためステップ１０６に進むが、調整の余地が無い場合はステップ１０７に進み、装置を停止させ、サービスマンによる装置調整が必要となる。

本実施例ではОｆｆｎｅｒ光学系による投影光学系を用いているが、Оｆｆｎｅｒ光学系では凸面ミラーの位置の変化に伴う結像性能の変化が著しく敏感である。そのため、凸面ミラーをわずかに移動させただけでも非点収差などの管理項目を大幅に低下させる可能性がある。したがってステップ１０６では凸面ミラーによる調整が可能か否かの判断を行い、問題無い場合にはステップ１０８に進み、２次元センサ上に結像された光学像を観察しつつ、同一チャネル内の光量ばらつきを低下させるよう凸面ミラーの位置の調整を行う。ステップ１０６で凸面ミラーによる調整が不可能と判断された場合には、ステップ１０９に進み、２次元センサ上に結像された光学像を観察しつつ、同一チャネル内の光量ばらつきを低下させるよう有効光源形状の調整を行う。

これらのフローを繰り返し、同一チャネル内の光学像強度が十分一致するまで調整を行うことで、グレイトーンマスクを用いたＴＦＴ基板の製造工程において、高画質かつ低価格の液晶パネルを高い歩留まりで生産可能な露光装置および露光方法を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

１ 照明光学系
１０１ 光源
１０２ ＮＤフィルタ
１０３ オプティカルインテグレータ
１０４ 有効光源形状調整絞り
１０５ コンデンサレンズ
１０６ マスキングブレード
１０７ 結像レンズ
１０８ ミラー
１０９ 結像レンズ
２ マスクステージ
Ｍ マスク
３ 投影光学系
３０１ 台形ミラー
３０２ 凹面ミラー
３０３ 凸面ミラー
Ｐ プレート
４ プレートステージ
５ ２次元センサ
６ 調整部

Claims (5)

1. 光源から発した露光光によりパターンが形成されたマスクを照明する照明光学系と、
   パターンが描画されたマスクを保持するマスクステージと、
   マスク上のパターンを感光基板上に転写露光する投影光学系と、
   感光基板を保持するプレートステージと
   を有する露光装置において、
   光学特性を調整する光学調整手段と、
   前記プレートステージ上にあってマスク上のパターンの光学強度分布を計測する２次元センサと、
   前記２次元センサが観察した結果に基づき前記光学調整手段のうち、少なくとも一つを調整する調整部と、
   を持ち、
   前記調整部は同一パターン内の光学強度分布の方向差を調整することにより前記有効光源形状調整手段もしくは前記静止ディストーションばらつき調整手段を調整する
   ことを特徴とする露光装置。
2. 前記光学調整手段は照明光学系内にあって有効光源の形状を変化させる有効光源形状調整手段であること
   を特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記光学調整手段は投影光学系内にあって静止ディストーションのばらつきを変化させる静止ディストーションばらつき調整手段であること
   を特徴とする請求項１に記載の露光装置。
4. 前記光学調整手段は照明光学系内にあって有効光源の形状を変化させる有効光源形状調整手段と、投影光学系内にあって静止ディストーションのばらつきを変化させる静止ディストーションばらつき調整手段の両方であること
   を特徴とする請求項１に記載の露光装置。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の露光装置を使用して基板を露光する工程を有する
   ことを特徴とする露光方法。