JP3937138B2

JP3937138B2 - 露光装置

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Publication number: JP3937138B2
Application number: JP2002010708A
Authority: JP
Inventors: 正人原; 義則小林; 臣友石橋
Original assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2022-01-18
Also published as: JP2003218001A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、感光性基板を露光するための露光装置に関し、特に、光源として複数の発光素子を備えた露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
露光装置では、露光ムラを防ぐために、露光対象である基板に向けて均一な光を照射することが要求される。このような要求を満たすため、従来の露光装置では、単一の超高圧水銀灯を光源として採用し、その水銀灯から発光される光を反射ミラーやコリメータ等を利用して断面積が大きく均一な平行光に変換し、その上で基板に照射していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、超高圧水銀灯は一般に寿命が短く、そのために頻繁に交換をしなければならなかった。この交換作業は新たに取り付けた超高圧水銀灯の光量調整のための作業を含むため、手間と時間がかかるものであった。このために、超高圧水銀灯の頻繁な交換は、露光装置のスループットを低下させる原因となっていた。また、超高圧水銀灯には、消費電力が多く、経済的でないなどの問題もあった。
【０００４】
上記のような問題を解決するには、例えば露光装置の光源として、超高圧水銀灯に代え、より耐久性があり、また消費電力も小さい小型の発光素子を複数用いることが考えられる。しかし、光源に複数の発光素子を用いると、基板に照射される光が不均一な強度分布を有するようになり、今度は、基板に露光ムラが生じてしまうという問題が生じる。
【０００５】
そこで、本発明は、複数の発光素子を光源として用いながら、実質的にムラなく基板を露光できる露光装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明に係る露光装置は、複数の発光素子と、走査手段と、複数の光学フィルタとを備える。走査手段は、感光性の基板を露光するために、複数の発光素子から照射される光を所定の走査方向に沿って基板上で走査させる。複数の光学フィルタは、それぞれ、複数の発光素子から照射された光の各光路上に配置されている。この複数の光学フィルタは、走査の結果、複数の発光素子から基板の表面に照射された光の光量分布における最大値及び最小値の差を縮小するように機能する。ここで、複数の光学フィルタは、光量分布の最大値及び最小値の差をδＬ、光学フィルタがない場合にえられるの光量分布の最大値をＬ_maxとした場合に、
δＬ／Ｌ_max ＜５％
が満たされるように光量分布の最大値及び最小値の差を縮小することが好ましい。これにより、基板の露光ムラを実質的な問題がない程度に解消することができるからである。もっとも、光学フィルタが、走査の結果、複数の発光素子から基板表面に照射された光量を基板上の位置によらず実質的に一定にすることがより好ましいことはいうまでもない。
【０００７】
上記の露光装置は、例えば、光学フィルタの各々において、発光素子から照射される光に対する透過率が、発光素子から照射される光の強度分布に対応した分布を有する。この場合、透過率が、走査方向に直交する方向に変化し、走査方向に一様であることが好ましい。また、例えば、透過率が走査方向に直交する方向に段階的に変化するように光学フィルタを形成してもよい。光量分布において光量が最小となる位置に対応する光学フィルタの部位が、透過する光を実質的に減衰させないように光学フィルタを形成すれば、発光素子から照射される光のエネルギーを効率よく利用して基板を露光することができる。
【０００８】
本発明に係る露光装置では、複数の発光素子が２次元配列されていることが好ましい。特に、その２次元配列では、２以上の発光素子を所定の基準線に平行な方向に第１の間隔で配列した発光素子の列を、走査方向に第２の間隔で２列以上並べており、かつ、発光素子の各列は、走査方向に隣接する他の列に対し、基準線に平行な方向に一定距離ずらされて配置されていることが好ましい。そして、発光素子が基板の表面に照射するビームスポットの径をｄ、第１の間隔をａ、発光素子の列数をｍ、一定距離をｃとしたときに、
（ｄ×ｍ）≧ａ、かつ
（ｃ×ｍ）＝ａ
が満たされることが好ましい。この条件が満たされる場合には、複数の発光素子からの光を基板上で走査させることにより、基板をくまなく露光できるようになる。
【０００９】
なお、発光素子としては、耐久性があり、低消費電力であり、かつ安価な発光ダイオードを用いることが望ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態に係る露光装置について説明する。なお、以下の説明では、露光装置に保持された基板の露光面に平行な面をｘｙ平面と呼び、ｘｙ平面内で互いに直交する２つの方向をそれぞれｘ方向およびｙ方向と呼ぶこととする。
【００１１】
図１に、本実施形態の露光装置１００の構成を模式的に示した。図１に示されるように、露光装置１００は、露光台１０２上に配置され、基板１０をｘ、ｙの２方向に移動可能に保持する基板ステージ１０４と、基板ステージ１０４の動作を制御する基板ステージ制御部１０６とを備えている。また、露光装置１００は、基板１０の露光面に平行にフォトマスク２０を保持するマスクステージ１０８を備えている。本実施形態において、マスクステージ１０８は、基板１０とフォトマスク２０との間に数ミクロンから数十ミクロンの間隔があくようにフォトマスク２０を保持する。あるいは、マスクステージ１０８は、基板１０の露光面にフォトマスク２０が密着するようにフォトマスク２０を保持する。したがって、本実施形態では、フォトマスク２０に描かれているパターンがほぼ１：１の縮尺比で基板１０に露光される。
【００１２】
また、露光装置１００は、基板１０に向けて光を照射する光源１１０と、光源１１０を予め定められた走査方向（本実施形態の場合にはｘ方向）に前後駆動する光走査機構１１２とを備えている。光走査機構１１２が光源１１０をｘ方向に移動させると、光源１１０からの光が基板１０上をｘ方向に走査される。露光装置１００は、さらに、光走査機構１１２の動作を制御する光走査制御部１１４を備えている。
【００１３】
次に、露光装置１００で用いられている光源１１０の構成についてより詳細に説明する。
図２は、基板ステージ１０４側から斜めに見た光源１１０を示す斜視図である。
光源１１０は、光源１１０の走査方向（ｘ方向）に並べられた複数のユニットＵ１、Ｕ２、・・・・・、Ｕｎを備えている。各光源ユニットは、基板１０の露光面に平行な面内に２次元配列された複数の発光素子１３６を備えている。
【００１４】
なお、本実施形態では、光源１１０が複数のユニットを備えているが、これは本願発明に必須の要件ではなく、本願発明に係る他の露光装置は、単一のユニットＵ１のみを有するように構成することもできる。そこで、以下では、説明の簡単のために、光源１１０がユニットＵ１のみを有するとして説明を行う。
【００１５】
図３は、光源ユニットＵ１の一部断面図であり、基板１０の露光面に垂直であり、かつ、ｙ方向に平行な面に沿った光源ユニットＵ１の断面の一部を示している。光源ユニットＵ１内には、プリント基板１３４が配置されており、そのプリント基板１３４に前述した複数の発光素子１３６が取り付けられている。本実施形態の場合、発光素子１３６は、紫外光を発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）である。発光ダイオードは、超高圧水銀灯に較べると、耐久性が高い、消費電力が小さい等の利点を有している。
【００１６】
発光素子１３６の基板ステージ１０４側には、レンズパネル１３８が備えられている。レンズパネル１３８は、ガラス又は光透過性のある樹脂からなり、各発光素子１３６から照射された光の通過位置にコリメータレンズ１４０が形成されている。
【００１７】
また、発光素子１３６とレンズパネル１３８との間には、光学フィルタパネル１４２が配置されている。光学フィルタパネル１４２もガラス又は光透過性のある樹脂からなり、各発光素子１３６から照射された光線の通過位置には、光学フィルタ１４４が形成されている。この光学フィルタ１４４は、発光素子１３６から照射された光の強度分布を変えるための光学フィルタである。
【００１８】
上記のように構成された光源ユニットＵ１では、各発光素子１３６から射出された光が、まず光学フィルタ１４４を通過してその光強度分布を調整され、さらにコリメータレンズ１４０によって平行光に変換され、その後、基板１０又はフォトマスク２０に照射される。
【００１９】
図４に発光素子１３６から照射される光に対する光学フィルタ１４４の透過率のｙ方向分布、つまり、光源１１０が走査される走査方向に直交する方向の分布を示した。図４において、縦軸αは光の透過率を表し、横軸Ｙはｙ方向の座標である。横軸Ｙにおいて、Ｙ＝０は光学フィルタ１４４のｙ方向の中心を示し、1/2ω及び-1/2ωはそれぞれ光学フィルタ１４４のｙ方向の端部の位置を示している。図示のように、光学フィルタ１４４の透過率αは、光学フィルタ１４４の中央（Ｙ＝０）において最小となり、そこから光学フィルタ１４４のｙ方向の端部に向けて連続的かつ緩やかに増大する分布を有する。また、光学フィルタ１４４のｙ方向端部から予め定められた幅δｙの領域では、透過率αは実質的に１００％となっている。つまり、この領域では、発光素子１３６からの光が光学フィルタ１４４を透過しても、その強度が減衰しない。
【００２０】
なお、本実施形態の光学フィルタ１４４は、透過率αがｙ方向にのみ変化し、ｘ方向、つまり光源１１０の走査方向においては一定となるように構成されている。
【００２１】
図５は、光源ユニットＵ１における発光素子１３６の配列を説明するための図である。図５において、黒点ｐは発光素子１３６の位置を表しており、破線による円形部ｑは各発光素子１３６からコリメータレンズ１４０を介して照射された光が、基板１０又はフォトマスク２０に形成するビームスポットを表している。
【００２２】
本実施形態の光源ユニットでは、等間隔ａでｙ方向に配置された発光素子１３６の列が、ｘ方向、つまり走査方向へ等間隔ｂで複数列配置されている。また、発光素子１３６の各列は、ｙ方向に互いに一定距離ｃだけずらされて配置されている。これは、光源ユニットがｘ方向に走査されたときに、１つの光源ユニット内の２つの発光素子１３６によりそれぞれ形成するビームスポットｑが走査方向において完全に重なることがないようにするためである。
【００２３】
また、ビームスポットの径をｄ、一つの光源ユニット内の発光素子１３６の列数をｍとすると、発光素子１３６は、次式が成立するように配列される；
【数１】

【数２】

式（１）、（２）が満たされている場合には、光源ユニットをｘ方向に走査させると、図５において、斜線部ｒおよびｓで示すように、相前後する列の発光素子１３６のビームスポットがそれぞれ基板１０上を通過する領域が一部において重複する。このために、光源ユニットがｘ方向に走査されたときに、基板１０の全面に光源ユニットからの光が照射され、光が照射されず、露光されない領域が残ることがない。
【００２４】
以上で説明した露光装置１００では、以下の動作で基板１０へフォトマスク２０のパターンを露光、転写する。すなわち、はじめに基板ステージ制御部１０６が基板ステージ１０４の位置を調整することで基板１０とフォトマスク２０のアライメントを行う。次に、光走査制御部１１４が光走査機構１１２を動作させることで、光源１１０を初期位置に移動させる。ここで初期位置とは、光源１１０が基板１０の上方に位置せず、光源１１０から照射された光が直接基板１０に照射されることがない位置をいう。光源１１０が初期位置に配置されると、次に点灯制御部１２６が光源１１０の発光素子１３６を点灯させる。次に、光走査制御部１１４が光走査機構１１２を制御することで、光源１１０をｘ方向に一定速度で走査させる。これにより、光源１１０が、光を基板１０へ向けて照射しながら、基板１０の上方をｘ方向の一端から他端まで通過する。これにより、基板１０が露光される。光源１１０が基板１０の上方を完全に通過し、光源１１０から照射された光が直接基板１０を露光しない位置まで光源１１０が移動すると、光走査制御部１１４が、光源１１０の走査を止める。続いて点灯制御部１２６が光源１１０の発光素子１３６を消灯させる。以上で、露光装置１００における露光処理は終了する。
【００２５】
次に、図４で示した光学フィルタ１４４の光透過率αの定め方について説明する。
図６は、露光装置１００にフォトマスクを取り付けない状態で、光源１１０をｘ方向に１回走査することにより基板１０を露光した場合に、基板１０に光源１１０から照射される（積算）光量のｙ方向分布を示している。図６において、縦軸Ｌは、（積算）光量を表し、横軸ｙはｙ座標を表す。図中、ｙ＝０は基板１０のｙ方向の中心、Ｗ／２及び−Ｗ／２は、それぞれ基板１０のｙ方向の端部の位置を示している。なお、露光装置１００では、光源１１０がｘ方向に一定速度で走査されるので、基板１０に光源１１０から照射される光量の分布はｙ方向にのみ変化し、ｘ方向には変化せず一定である。
【００２６】
図６において、曲線１５０ａ〜１５０ｇは、光源１１０に光学フィルタ１４４が備えられていない場合に、単一の発光素子１３６が基板１０に照射する光量の分布を示している。ここで、発光素子１３６から照射される光線の強度分布がガウス分布で近似できると仮定すると、各曲線１５０a〜１５０ｆは、次式で表すことができる。
【数３】

ただし、ｙ_ｃは、各発光素子１３６から照射される光線の中心軸のｙ座標、ｗ_０は、光線の半径である。光線の半径とは、光線の中心から、光線の強度が最大値の（１／ｅ^２）倍となる位置までの距離である。
【００２７】
基板１０に照射される光量のｙ方向分布は、各発光素子１３６から照射される光量の分布（曲線１５０ａ〜１５０ｇ）の和として求められ、図６では、曲線１５２で示されている。曲線１５２から分かるように、光源１１０に光学フィルタ１４４を備えず、各発光素子１３６からの光をそのまま基板１０に照射すると、基板１０が受ける光量の分布は最大値Ｌ_maxと最小値Ｌ_minとの間を上下する不均一な分布となる。なお、曲線１５２によって表される光量分布において隣り合う最大値Ｌ_maxの間隔は、図５において説明した距離ｃ、つまり、発光素子１３６の各列が互いにｙ方向にずれている距離に等しい。
【００２８】
図４において示した光学フィルタ１４４の透過率αは、曲線１５２の分布において最大値Ｌ_maxと最小値Ｌ_minが縮小されるように、好ましくは、Ｌ_max＝Ｌ_minとなるように定められる。いま、曲線１５２がｙの関数Ｌ＝Ｌ_１５２（ｙ）で表されるとすると、前述した光学フィルタ１４４の透過率αは、（ｙ_ｃ−ｃ／２）＜ｙ＜（ｙ_ｃ＋ｃ／２）の範囲内において、
【数４】

と定められる。式（４）において、（Ｌ_１５２（ｙ）−Ｌ_min）は、基板１０に照射される光量のうちＬ_minを超過する光量を表している。よって、式（４）に基づいて光学フィルタ１４４の透過率αを定めると、光学フィルタ１４４は、透過していく光線から、Ｌ_minを超過する光量分を減衰させることになる。
【００２９】
上記のように透過率αが定められた光学フィルタ１４４を光源１１０に取り付けて基板１０の露光を行うと、基板１０に照射される光量の分布は、前述した図６の直線１５６のように、ｙ方向の位置によらず一定値Ｌ_minとなる平坦な分布となる。したがって、光源１１０に光学フィルタ１４４を取り付けた場合、露光装置１００は、基板１０を一様な光量で露光できるようになる。
【００３０】
なお、光学フィルタ１４４の透過率α（ｙ）は、（ｙ_ｃ−ｃ／２）＜ｙ＜（ｙ_ｃ＋ｃ／２）を越える範囲では、α（ｙ）＝０に定められる。これは、（ｙ_ｃ−ｃ／２）＜ｙ＜（ｙ_ｃ＋ｃ／２）を越える範囲は、他の発光素子１３６によって主に露光される領域であり、他の発光素子１３６の光路上に配置された他の光学フィルタ１４４によって基板１０へ照射される光量の調整を行うことができるからである。
【００３１】
以上、露光装置１００について説明したが、露光装置１００は、本発明の一実施形態に過ぎず、本発明の技術思想の範囲内で露光装置１００を種々に変形することが可能である。
【００３２】
例えば、上記では、光学フィルタ１４４の透過率αが、基板１０に照射される光量のｙ方向分布がほぼ平坦になるように定められているが、これは、その光量分布における最大値及び最小値の差δＬが、基板１０を露光する際に実質的な不都合が生じない程度の大きさまで抑制されるように透過率αを定めることしてもよい。具体的には、例えば、光学フィルタ１４４がない場合の光量分布の最大値をＬ_maxとした場合に、
【数５】

の関係が満たされるように光学フィルタ１４４の透過率αの分布を定めてもよい。
【００３３】
また、光学フィルタ１４４の透過率αは、必ずしもｙ方向に連続的に変化する必要はなく、段階的に変化させてもよい。
図７に、透過率αが段階的に変化する光学フィルタ１４４を発光素子１３６側から見た平面図を示した。図中破線１４６で示されているのは、発光素子１３６からの光が照射されている光学フィルタ１４４上の領域である。
【００３４】
図７に示す光学フィルタ１４４では、透過率αが異なる５種類の領域１４４ａ〜１４４ｅが形成されている。各領域１４４ａ〜１４４ｅの中では、透過率αは一様である。領域１４４ａ〜１４４ｅの各々は、長辺がｘ方向に平行であり、短辺が光学フィルタ１４４のｘ方向端部に一致する長方形の領域である。光学フィルタ１４４の中央には領域１４４ａが形成されており、そこから光学フィルタのｙ方向の端部に向けて、領域１４４ｂ〜１４４ｅまでが順に配置されている。透過率αは、領域１４４ａにおいて最も低く、そこから領域１４４ｅに向けて段階的に高くなっている。領域１４４ｅの透過率αは、実質的に透過する光を減衰させないように設定されている。このような透過率αが段階的に変化する光学フィルタ１４４は、透過率αが連増的に変化する光学フィルタ１４４より例えば安価に製造できるという利点を有する。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、複数の発光素子から基板表面に照射された光の光量分布における最大値及び最小値の差を縮小する光学フィルタを露光装置に備えることとしたので、複数の発光素子を用いて基板を均一に露光する露光装置を提供することが可能になった。
【００３６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る露光装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】基板ステージ側から斜めに見た光源を示す斜視図である。
【図３】光源ユニットの一部断面図である。
【図４】光学フィルタの透過率のｙ方向分布を示す図である。
【図５】光源ユニットにおける発光素子の配列を説明するための図である。
【図６】図１の露光装置を用いて基板を露光した場合に、基板に光源から照射される光量のｙ方向分布を示す図である。
【図７】透過率が段階的に変化する光学フィルタの一例を示す平面図である。
【符号の説明】
１００露光装置
１１０光源
１１２光走査機構
１１４光走査制御部
１３６発光素子
１４２光学フィルタパネル
１４４光学フィルタ

Claims

複数の発光素子と、
感光性の基板を露光するために、前記複数の発光素子から照射される光を所定の走査方向に沿って前記基板上に走査させる走査手段と、
前記複数の発光素子から照射された光の各光路上に各々が配置されている複数の光学フィルタとを備え、
前記光学フィルタの透過率の分布は、前記光学フィルタに対応した前記発光素子から照射される光の照射範囲内における強度分布に対応し、
前記複数の光学フィルタは、前記走査の結果、前記複数の発光素子から前記基板の表面に照射された光の光量分布における最大値及び最小値の差を縮小することを特徴とする露光装置。
前記複数の光学フィルタは、前記光量分布における最大値及び最小値の差をδＬ、前記光学フィルタがない場合に得られる前記光量分布の最大値をＬmaxとした場合に、
δＬ／Ｌmax ＜５％
が満たされるように前記光量分布における最大値及び最小値の差を縮小することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
前記光学フィルタは、前記走査の結果、前記複数の発光素子から前記基板表面に照射された光量を前記基板上の位置によらず実質的に一定にすることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
前記透過率は、前記走査方向に直交する方向に変化し、前記走査方向に一様であることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
前記透過率は、前記走査方向に直交する方向に段階的に変化する、ことを特徴とする請求項４に記載の露光装置。
前記光量分布において光量が最小となる位置に対応する前記光学フィルタの部位は、透過する光を実質的に減衰させないことを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
前記複数の発光素子は、２次元配列されており、
前記２次元配列では、２以上の前記発光素子を所定の基準線に平行な方向に第１の間隔で配列した前記発光素子の列を、前記走査方向に第２の間隔で２列以上並べており、かつ、前記発光素子の各列は、前記走査方向に隣接する他の前記列に対し、前記基準線に平行な方向に一定距離ずらされて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
前記発光素子が前記基板の表面に照射するビームスポットの径をｄ、前記第１の間隔をａ、前記発光素子の列数をｍ、前記一定距離をｃとしたときに、
（ｄ×ｍ）≧ａ、かつ
（ｃ×ｍ）＝ａ
が満たされることを特徴とする請求項７に記載の露光装置。
前記発光素子は、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。