JP2020052246A

JP2020052246A - 露光装置

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Publication number: JP2020052246A
Application number: JP2018181645A
Authority: JP
Inventors: 智大濱脇; Tomohiro Hamawaki
Original assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2038-09-27
Also published as: JP7090002B2

Abstract

【課題】露光装置において、照明効率を維持しながら、迷光、回折光の発生を抑制するように、照明光を光変調素子アレイに投影する。【解決手段】ＤＭＤ２２を備えた露光装置１において、照明光学系１１は、アパーチャ１２Ａを２次元配列させたアパーチャアレイ１２を備え、アパーチャ１２Ａを通った光は分割され、分割された光はスポット光としてマイクロミラー２２Ｍに結像する。分割光の投影エリアは、マイクロミラー２２Ｍへのサイズよりも小さく、また、その投影位置はマイクロミラー２２Ｍの中心からオフセットしている。【選択図】図４

Description

本発明は、光変調素子アレイを用いてプリント配線板などの基板にパターンを投影する露光装置に関し、特に、照明光学系の構成に関する。

マスクレス露光装置では、光源から放射される光が照明光学系を通って光変調素子アレイに導かれる。ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）などの光変調素子アレイでは、複数の微小ミラー（以下、マイクロミラーという）が２次元配列し、パターンデータ（描画データ）に応じて各マイクロミラーがＯＮ／ＯＦＦ制御される。マイクロミラーがＯＮ状態の場合、照明光学系からの光が基板方向に反射し、マイクロミラーがＯＦＦ状態の場合、基板外の方向へ反射する。

隣接するマイクロミラー間には微小な隙間が存在する。この隙間に入射する照明光はパターン光に寄与せず、また、ＵＶ光である照明光によって光変調素子アレイの基板などが劣化する。照明光の効率化、寿命低下の防止を図るため、マイクロレンズアレイが照明光学系に配置される。マイクロレンズアレイでは、マイクロミラーの２次元配列に合わせてマイクロレンズが２次元配列している。これにより、マイクロレンズによって集光された光が、ミラーサイズより小さいスポット光となってマイクロミラーに結像する（特許文献１参照）。

特開２０１６−１８８９２３号公報

マイクロミラーなどの光変調素子は、ＯＮ状態とＯＦＦ状態との間でミラーの傾き角度を切り替えるが、照明光の光変調素子アレイへの入射角は一定である。そのため、光変調素子のエッジ近くで反射する一部の光は、隣り合うマイクロミラーのエッジ部分に当たる場合が生じる。これは、迷光や回折光を生じさせ、コントラスト低下に繋がる。一方、スポット光のサイズを小さくし過ぎると、露光量の低下を招き、パターン解像度に影響を与える。

したがって、照明効率を維持しながら、迷光、回折光の発生を抑制するように、照明光を光変調素子アレイに投影することが求められる。

本発明の露光装置は、光源からの光を、複数の光変調素子を２次元配列させた光変調素子アレイへ導く照明光学系と、光変調素子アレイで反射した光を基板に投影する投影光学系と、光源と光変調素子アレイとの間に配置され、複数の光変調素子の配列に合わせて、光源からの光を複数の光（以下、分割光という）に分割する分割光学系とを備える。

光変調素子アレイでは、マイクロミラーなどの光変調素子の位置（姿勢）を制御可能である。例えば、光変調素子が基板側へ光を導く姿勢（ＯＮ状態）と、基板外へ光を導く姿勢（ＯＦＦ状態）との間で光変調素子を制御することが可能である。

分割光の光変調素子における投影エリアの形状は任意であり、矩形状、円状、楕円状の投影エリアをもつ分割光を成形することが可能である。例えば分割光学系は、複数の光変調素子の配列に応じて複数のアパーチャを形成した遮光部材で構成することが可能であり、所望する投影エリアの形状に合わせてアパーチャを形成すればよい。一方、複数の光変調素子の配列に応じて複数のマイクロレンズを形成したマイクロレンズアレイ、あるいは、複数の光変調素子の配列に応じて複数のマイクロミラーを形成したマイクロミラーアレイで構成することも可能である。

本発明では、分割光学系が、光変調素子サイズよりも投影エリアの小さい光束の分割光を複数成形するとともに、各分割光の投影エリアの中心位置を、対応する光変調素子の中心位置よりも分割光の入射方向に近い方にオフセットさせる。光変調素子アレイに対して分割光が特定の入射角で入射する一方、基板側へ反射光を導く光変調素子の姿勢と基板外へ反射光を導く光変調素子の姿勢との関係から、分割光の入射方向側に投影エリアをオフセットすることで、回折光、迷光の発生が抑制される。

例えば、光変調素子は、対角線上で軸回転する矩形状素子で構成される。その場合、分割光学系は、各分割光の投影中心位置を、回転軸に沿った対角線と交差する対角線に沿ってオフセットさせればよい。

できる限り遮光領域を小さく抑えることを考慮すれば、分割光学系は、投影エリアが光変調素子を縮小したサイズとなる分割光を、複数成形するように構成することができる。例えば、光変調素子を縮小した（スケーリングさせた）サイズの投影エリアが形成される分割光を複数成形することで、できる限り遮光範囲が小さくなる投影エリアサイズおよび投影エリア中心位置をもつ分割光を成形することができる。

このような分割光を形成する場合、複数の光変調素子の配列に応じて複数のアパーチャを形成した遮光部材を適用することができる。遮光部材において、複数のアパーチャが、マイクロミラーのサイズに応じて区画される領域の中心に対してオフセットされる構成にすればよい。

本発明によれば、露光装置において、照明効率を維持しながら、迷光、回折光の発生を抑制するように、照明光を光変調素子アレイに投影することができる。

第１の実施形態による露光装置の全体構成を示すブロック図である。露光ヘッドの構成図である。アパーチャアレイを部分的に示した図である。アパーチャアレイによって分割された光のマイクロミラーにおける投影位置を示した図である。第２の実施形態における露光ヘッドの構成図である。アパーチャアレイによって分割された光のマイクロミラーにおける投影位置を示した図である。第３の実施形態における露光ヘッドの構成図である。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態による露光装置の全体構成を示すブロック図である。図２は、露光ヘッドの構成図である。

露光装置１は、フォトレジストなどの感光材料を表面に形成した基板Ｗにパターンを露光するダイレクト（マスクレス）露光装置である。露光装置１は、光源部２１と、基板Ｗにパターン光をそれぞれ投影する露光ヘッド１０を備えている。光源部２０は、ここではレーザーダイオードによって構成される。ただし、ＬＥＤ光源、放電ランプなどを用いることも可能である。

露光ヘッド１０は、ＤＭＤ２２（光変調素子アレイ）、照明光学系１１、結像光学系２３を備える。光源部２０から放射された光は、照明光学系１１によって照度が均一化され、ＤＭＤ２２へ導かれる。ＤＭＤ２２で反射した光は、結像光学系２３によって基板Ｗに結像する。

ベクタデータなどで構成されるＣＡＤ／ＣＡＭデータが露光装置１へ入力されると、ベクタデータがラスタ変換回路２６に送られて、ラスタデータに変換される。生成されたラスタデータはＤＭＤ駆動回路２４へ送られる。

ＤＭＤ２２は、微小マイクロミラーを２次元配列させた光変調素子アレイ（光変調器）であり、各マイクロミラーは、ＯＮ状態、ＯＦＦ状態の間で姿勢を切り替え可能であり、所定のタイミングで姿勢を切り替えることによって光の反射方向を選択的に切り替える。ＤＭＤ駆動回路２４によって各ミラーが姿勢制御（ＯＮ／ＯＦＦ制御）され、パターンに応じた光が、結像光学系２３を通じて基板Ｗの表面に投影されて露光される。

露光装置１の露光動作はコントローラ（露光動作制御部）３０により制御される。露光ステージ駆動機構１９は、コントローラ３０からの制御信号に従い、基板Ｗを搭載した露光ステージ１８を露光ヘッド１０に対し相対的に移動させる。位置計測部２７は、露光ステージ駆動機構１９から送られてくる信号に基づき、基板Ｗの表面の露光位置を算出する。なお、ステージの移動経路に沿った方向を主走査方向Ｘ、この移動経路に沿った方向と直交する方向を副走査方向Ｙとする。

露光動作中、露光ステージ１８は、走査方向Ｘに沿って一定速度で移動する。ＤＭＤ２２全体による投影エリア（以下、露光エリアという）は、基板Ｗの移動に伴って基板Ｗの表面を相対的に移動する。露光動作は所定の露光ピッチに従って行なわれ、露光ピッチに合わせてマイクロミラーがパターン露光の光を投影するように制御される。ＤＭＤ２２の各マイクロミラーの制御タイミングを露光エリアの相対位置に従って調整することにより、露光位置に描くべきパターンの光が順次投影され、パターンが形成される。

図２に示すように、照明光学系１１は、光の照度分布を均一化する光学系（以下、照度均一化光学系という）１３と、照度均一化された光束を分割するアパーチャアレイ１２と、分割された光束をＤＭＤ２２に照射させるリレー光学系１４とを備える。

照度均一化光学系１３は、ロッドレンズと、リレーレンズとを備え、リレーレンズは、ロッドレンズの射出面とアパーチャアレイ１２とを共役位置とするリレーレンズである。なお、ロッドレンズの代わりにフライアイレンズを設け、フライアイレンズの結像位置にアパーチャアレイを配置してもよい。

図３は、アパーチャアレイ１２を部分的に示した図である。アパーチャアレイ１２は、アパーチャ（開口部）を２次元配列させた遮光部材であり、ここでは、石英ガラス板などの紫外線透過部材にクロム等の遮光膜１２Ｂを設けたガラスマスクによって構成され、アパーチャ１２Ａが、遮光膜１２Ｂの間にマトリクス状に並んでいる。なお、金属薄板などにアパーチャを形成したメタルマスクを適用することも可能である。

アパーチャ１２Ａは、縦横所定のピッチ間隔で形成され、ＤＭＤ２２におけるマイクロミラーの配列位置に合わせて形成されている。すなわち、ＤＭＤ２２のマイクロミラーとアパーチャ１２Ａが１対１対応になっている。ただし、アパーチャ１２Ａの数は、ＤＭＤ２２の全マイクロミラーの数と同数である必要はなく、例えば、ＤＭＤ２２で露光に使用されるマイクロミラーの数だけ形成してもよい。

アパーチャアレイ１２のアパーチャ１２Ａによって分割された光束は、それぞれ対応するマイクロミラーに結像する。アパーチャ１２Ａは、ここでは矩形状に形成されている。また、アパーチャ１２Ａのサイズは、アパーチャ１２を通った光束がＤＭＤ２２のマイクロミラーに結像したときにマイクロミラーサイズ（反射面サイズ）よりも小さくなるように定められている。そしてアパーチャ１２Ａの配列位置は、後述するように、分割した光束がマイクロミラー中心位置（反射面中心位置）からオフセットした位置で結像するように構成されている。

リレー光学系１４は、アパーチャ１２ＡとＤＭＤ２２とを共役位置にする結像光学系であり、ここではアパーチャアレイ１２を通った光の像を縮小する（例えば０．５倍）縮小光学系として構成される。したがって、アパーチャアレイ１２におけるアパーチャ１２Ａのピッチは、ＤＭＤ２２におけるマイクロミラーのピッチにリレー光学系１４の縮小倍率を乗じた値に定められる。リレー光学系１４のＮＡは、アパーチャアレイ１２によって分割された光が隣り合うマイクロミラーに干渉しないように、比較的小さい値に定められている。なお、ここではリレー光学系１４を縮小投影光学系としているが、ＤＭＤ２２のマイクロミラーのサイズに応じて等倍の光学系を用いることも可能である。

図４は、アパーチャアレイ１２によって分割された光のマイクロミラーにおける投影位置を示した図である。ただし、ＤＭＤ２２の一部を示している。

ＤＭＤ２２は、上述したように、メモリセル上にマイクロミラー２２Ｍを２次元配列した構成であり、画素となるマイクロミラー２２Ｍは、数十μｍの矩形サイズを有し、隣り合うマイクロミラー２２Ｍには数μｍの隙間が存在する。

マイクロミラー２２Ｍは、その対角線ＳＬに沿って軸回転可能であり、ＤＭＤ２２の表面（平面）に対し±所定角度（例えば１５°）傾く。マイクロミラー２２ＭがＯＮ状態の場合、分割光を基板Ｗの方向へ反射させるようにマイナス側へ傾く。マイクロミラー２２ＭがＯＦＦ状態の場合、分割光を基板外へ導くようにプラス側へ傾く。

分割光の入射方向は、マイクロミラー２２ＭのＯＮ状態、ＯＦＦ状態いずれも変わらず一定である。マイクロミラー２２ＭがＯＮ状態の場合、図４に示す光線Ｌ１が、光のケラレが生じない範囲の限界（境界）となる光である。これより外側の光は、隣のマイクロミラー２２Ｍに当たる。一方、マイクロミラー２２ＭがＯＦＦ状態の場合、光線Ｌ２が、光のケラレが生じない範囲の限界となる光である。これより外側の光は、その反射光が隣のマイクロミラーの裏面に当たる。

光のケラレが生じない範囲は、その分割光の入射方向に対するマイクロミラー２２ＭのＯＮ／ＯＦＦ状態における傾斜角度の違いに起因して偏っている。具体的には、分割光の入射方向に近い側、すなわち、マイクロミラー２２ＭがＯＮ状態のときに下がる側では、マイクロミラー２２Ｍのエッジ部分２２Ｔ１近くまでその範囲が確保され、分割光の入射方向とは離れた側、すなわち、マイクロミラー２２ＭがＯＦＦ状態のときに下がる側では、マイクロミラー２２Ｍのエッジ部分２２Ｔ２近くでケラレが生じてしまう。

分割光の投影エリアＡＬは、光のケラレの生じない範囲でエリア面積を最大限確保できる位置に、その中心位置ＡＣは、マイクロミラー２２Ｍの中心位置ＭＣから、マイクロミラー２２Ｍの回転軸上にある対角線ＳＬと交差する対角線ＴＬに沿って、分割光の入射方向側にオフセットしている。

光のケラレが生じない分割光の投影エリアＡＬのサイズ（縦横の長さ）および位置は、以下の式で求められる。まず、マイクロミラー２２ＭがＯＮ状態の遮光領域をＳｈＯＮとすると、以下の式を満たすことが求められる。

ＳｈＯＮ ≧ (Ｄｐ × ｔａｎ（ＤａＯＮ))
× (ｔａｎ (Ｉｌｉｎ) ＋ｔａｎ (ＩＬＩＮＡ))
・・・・（１）

ただし、Ｄｐは、マイクロミラー２２Ｍの対角の長さ、ＤａＯＮは、マイクロミラー２２ＭがＯＮ状態のときの傾斜角、Ｉｌｉｎは、照明光学系１１からＤＭＤ２２への分割光の入射角、そしてＩＬＩＮＡは、照明光学系１１の入射ＮＡを表す。

上述したように、ＤＭＤ２２へ入射する光は所定の入射角をもつ。マイクロミラー２２ＭがＯＮ状態で分割光が入射すると、マイクロミラー２２Ｍの上がっている周辺部では反射光が回折光となる。また、隣接するマイクロミラー２２Ｍの下がっている周辺部では入射光と同じ方向に反射し、迷光になってしまう。

また、照明光学系１１を経由してリレーレンズ１４からＤＭＤ２２に入射する光はＮＡの広がりを持っているため、遮光範囲についてはＮＡの広がりを考慮した遮光領域が定められている。このような回折光、迷光が生じないようにするとともに、照明光学系１１の入射ＮＡを考慮して、上記（１）式に基づく遮光領域が定められる。

一方、マイクロミラー２２ＭがＯＦＦ状態の遮光領域をＳｈＯＦＦとすると、以下の式を満たすことが求められる。

ＳｈＯＦＦ ≧ (Ｄｐ × ｔａｎ (ＤａＯＦＦ))
× (ｔａｎ (Ｄｏｕｔ) + ｔａｎ (ＩＬＩＮＡ))
・・・・・・（２）
ただし、ＤａＯＦＦは、マイクロミラー２２がＯＦＦ状態のときの傾斜角、Ｄｏｕｔは、ＤＭＤ２２からの反射角を表す。

マイクロミラー２２ＭがＯＦＦ状態のときに分割光が入射すると、マイクロミラー２２の下がっている周辺部で反射した光は、隣接するマイクロミラーの上がっている周辺部の裏面に当たり、回折光を発生させる。結像光学系２３に入射する回折光が迷光等になってしまうため、上記（２）に式に基づく遮光領域が定められる。

そして、マイクロミラー２２Ｍにおける遮光領域ＳｈＤＭＤは、分割光の投影エリアをマイクロミラー２２Ｍの矩形状サイズを縮小（スケーリング）した投影エリアに定めることにすれば、以下の式によって求めることができる。すなわち、（１）、（２）式の遮光領域の最小値を加算した値以下となるように、遮光領域を定めることができる。（３）式で定められる遮光領域は、照明光学系１１の入射ＮＡ、ＤＭＤ２２に対する光の入射角によって変わる。

ＳｈＤＭＤ≦ＳｈＯＮ＋ＳｈＯＦＦ
・・・・・・（３）

（３）式を満たす分割光の投影エリアＡＬは、対角線ＴＬに関して対称的であり、対角線ＴＬに沿って投影中心位置ＡＣがマイクロミラー中心位置ＭＣからオフセットしている。（３）式が等式となる場合、分割光の投影エリアＡＬのサイズおよびオフセット位置ＡＣは、ケラレなどが生じない範囲で遮光範囲を最小にする位置となる。

アパーチャアレイ１２のアパーチャ１２Ａは、図４に示す投影エリアＡＬのサイズおよび投影中心位置ＡＣに従い、マイクロミラー２２Ｍのサイズおよび配列に応じてアパーチャアレイ１２に区画される領域の中心に対してオフセット形成されている。ただし、アパーチャ１２Ａをオフセット配置していないアパーチャアレイ１２を、照明光全体の光軸に対してオフセットさせるように構成してもよい。

このように本実施形態によれば、ＤＭＤ２２を備えた露光装置１において、照明光学系１１は、アパーチャ１２Ａを２次元配列させたアパーチャアレイ１２を備え、アパーチャ１２Ａを通った光は分割され、分割された光はスポット光としてマイクロミラー２２Ｍに結像する。分割光の投影エリアは、マイクロミラー２２Ｍへのサイズよりも小さく、また、その投影位置はマイクロミラー２２Ｍの中心からオフセットしている。

このように分割光をオフセット投影させることにより、光のケラレなどが生じない、すなわち回折光、迷光の生じない範囲で最大限のエリアに光を照射させることが可能となり、露光量低下を防ぎ、コントラストの高いパターンを形成することができる。また、スポット光がマイクロミラー２２Ｍの中心付近に集中しないため、マイクロミラー２２ＭすなわちＤＭＤ２２の寿命を延ばすことができる。さらに、アパーチャ１２Ａを形成したアパーチャアレイ１２を配置することで、コストを掛けずに分割光を形成することができる。

なお、上記式では最大限の投影エリアを確保できるが、分割光の投影エリアを光の入射方向側へオフセットする構成だけでも、回折光などの発生を抑制することができる。したがって、アパーチャ１２Ａは矩形状（菱形を含む）に限らず、円状、多角形状などでもよい。このような形状は、アパーチャアレイ１２を採用することで実現可能となる。

次に、図５、６を用いて、第２の実施形態である露光装置について説明する。第２の実施形態では、マイクロレンズアレイが用いられる。それ以外の構成については、第１の実施形態と実質的に同じである。

図５は、第２の実施形態における露光ヘッドの構成図である。図６は、アパーチャアレイ１２によって分割された光のマイクロミラーにおける投影位置を示した図である。

照明光学系１１０は、照度均一化光学系１３と、リレー光学系１４と、マイクロレンズアレイ１２０を備えている。マイクロレンズが２次元状に配列したマイクロレンズアレイ１２０は、光源２０からの光を分割し、各マイクロレンズによって集光された光は、ＤＭＤ２２の対応するマイクロミラー２２Ｍに結像する。

図６に示すように、分割された光束はレンズ形状に合わせて断面円状であり、投影エリアＡＬも円状になる。また、投影エリアＡＬは、対角線ＳＬに沿ってオフセットしている。このような分割光のオフセット投影によって、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、マイクロレンズアレイ１２０の前後少なくとも一方の面に隣接してピンホールアレイを設けてもよい。また、リレー光学系１４を省いてもよい。この場合、デフォーカスした像がマイクロミラー２２Ｍに形成される。

次に、図７を用いて、第３の実施形態である露光装置について説明する。第３の実施形態では、マイクロミラーアレイが用いられる。それ以外の構成については、第２の実施形態と実質的に同じである。

図７は、第３の実施形態における露光ヘッドの構成図である。照明光学系２１０は、照度均一化光学系１３と、マイクロミラーアレイ２２０とを備える。マイクロミラーアレイ２２０は、正のパワーを有する凹レンズが２次元配列した光学系であり、第２の実施形態と同様、分割光を形成する。

１露光装置
１０露光ヘッド
１１照明光学系
１２アパーチャアレイ（分割光学系）
２２ＤＭＤ（光変調素子アレイ）
２２Ｍマイクロミラー（光変調素子）
２３投影光学系

Claims

光源からの光を、複数の光変調素子を２次元配列させた光変調素子アレイへ導く照明光学系と、
前記光変調素子アレイで反射した光を基板に投影する投影光学系と、
前記光源と前記光変調素子アレイとの間に配置され、前記複数の光変調素子の配列に合わせて、前記光源からの光を複数の光（以下、分割光という）に分割する分割光学系とを備え、
前記分割光学系が、光変調素子サイズよりも投影エリアの小さい光束の分割光を複数成形するとともに、各分割光の投影エリアの中心位置を、対応する光変調素子の中心位置よりも分割光の入射方向に近い方にオフセットさせることを特徴とする露光装置。
各光変調素子が、対角線上で軸回転する矩形状素子であり、
前記分割光学系が、各分割光の投影中心位置を、回転軸に沿った対角線と交差する対角線に沿ってオフセットさせることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
前記分割光学系が、矩形状の分割光を複数成形することを特徴とする請求項１または２に記載の露光装置。
前記分割光学系が、光変調素子を縮小したサイズの投影エリアが形成される分割光を、複数成形することを特徴とする請求項３に記載の露光装置。
前記分割光学系が、前記複数の光変調素子の配列に応じて複数のアパーチャを形成した遮光部材を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の露光装置。
前記遮光部材において、前記複数のアパーチャが、マイクロミラーのサイズに応じて区画される領域の中心に対してオフセットされていることを特徴とする請求項５に記載の露光装置。
前記分割光学系が、前記複数の光変調素子の配列に応じて複数のマイクロレンズを形成したマイクロレンズアレイを有することを特徴とする請求項１または２に記載の露光装置。
前記分割光学系が、前記複数の光変調素子の配列に応じて複数のマイクロミラーを形成したマイクロミラーアレイを有することを特徴とする請求項１または２に記載の露光装置。