JP4220837B2 - パターン描画装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路製造時の露光工程で用いられるマスクを製造するために用いられるマスク描画装置に適用するパターン描画装置に関する。また、マスクを用いずに回路パターンをウエハ上に直接描画するマスクレス露光装置にも適用できる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路の製造時の露光工程では、回路パターンが描かれたマスク（レチクルと呼ばれることもある。）を用いてレジストが塗布されたウエハ上に回路パターンを描画させる（パターン露光と呼ばれる。）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る。
【０００３】
一方、マスクを製造するには、マスクの基板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通過させるように遮光用のクロム膜などを付ける必要がある。このクロム膜などはパターン露光によって形成され、そのパターン露光を行う装置はマスク描画装置と呼ばれる。マスク描画装置の手法には、電子ビームを用いた電子ビーム描画が一般的であり、そのための装置は電子ビーム描画装置（以下、ＥＢ描画装置と示す。）と呼ばれている。
【０００４】
ただし、マスク描画装置には、ＥＢ描画装置の他に、紫外域のレーザ光（以下、紫外レーザ光と略す。）を用いてパターン描画（すなわちレジストが塗布されたマスク基板に対してパターン露光）する手法に基づく装置（特にレーザビーム描画装置と呼ばれることがあるが、ここでは、単に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、微小なミラーを二次元配列状に多数並べたデバイス（デジタルマイクロミラーデバイスなどと呼ばれるが、ここでは、以下、ミラーデバイスと略す。）に対して、エキシマレーザから取り出されるパルス状で紫外域のレーザ光を照射し、反射光をパターン的に制御して、マスク基板上にパターン描画するものがある。このようなパターン描画装置では、回路パターンの中の一部のパターンを一括して露光できることから、処理速度が速い特徴があることが知られている。なお、これに関しては、例えば、非特許文献１あるいは、特許文献１に記載されている。これによると、ミラーデバイスを用いた従来のパターン描画装置では、およそ１００万個（約５００×約２０００個）のマイクロミラーを用いたミラーデバイスが用いられ、各マイクロミラーは１６ミクロン前後の大きさである。これを縮小投影光学系によって、マスク基板上に１／１６０の大きさに縮小投影させている。その結果、１つのマイクロミラーに対応するパターンは一辺０．１ミクロン、すなわち１００ｎｍの正方形になる。
【０００５】
ここで、従来のパターン描画装置の構成を図５を用いて説明する。従来のパターン描画装置９００における紫外光源であるエキシマレーザ９０４から、２０００Ｈｚの繰り返し数の波長２４８ｎｍのパルス状のレーザ光Ｌ１が取り出される。レーザ光Ｌ１は、マスクパターン投影部９０１内に入り、ミラー９０５で反射して、ミラーデバイス９０６に入射する。ミラーデバイス９０６は、マスクパターンデータ出力装置９０３によって、各マイクロミラーの偏向角が、エキシマレーザ９０４と同じ２０００Ｈｚのフレーム速度で、例えば、２方向に制御（すなわち、ＯＮ／ＯＦＦ制御）される。これにより、露光する画素と露光しない画素とが形成されることになる。ミラーデバイス９０６から露光する方向に進むレーザ光Ｌ２は、レンズ９０７ａ、９０７ｂを進み、マスク基板９０８上の投影パターン９０９として転写される。すなわち、レンズ９０７ａと９０７ｂとは縮小投影光学系を形成しており、ミラーデバイス９０６の面を、レジストが塗布されたマスク基板９０８上に縮小投影するようになっている。また、マスク基板９０８はＸＹステージ９０２上に載せられており、これによって、マスク基板９０８上の全域に投影パターン９０９を移動させることができ、マスク基板９０８の全面にパターン描画できるようになっている。
【０００６】
前記従来のパターン描画装置における紫外光源であるレーザ装置には、通常の露光装置（一般にエキシマステッパと呼ばれる。）に用いられるのと同様に、２０００Ｈｚ程度の繰り返しパルス動作を行うエキシマレーザが用いられる。ただし、エキシマレーザは、一般にパルスエネルギーにばらつきが大きいため、同一画素への露光に４パルス分のレーザ光を照射することで、エネルギーばらつきを軽減しており、これは４重露光（four pass writing）と呼ばれる。
【０００７】
【非特許文献１】
Proceedings of SPIE, Vol.4186, PP.16-21
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第6,428,940号明細書
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、一般にミラーデバイスには、各マイクロミラーの偏向方向の制御速度であるフレーム数が１００００Ｈｚにも達するものもあるが、前記のように２０００Ｈｚの繰り返し数によって４重露光を行う場合は、実質的に５００Ｈｚでパターンを描画することになる。したがって、従来のエキシマレーザを光源に用いた場合には、ミラーデバイスの動作性能を１／１０以下しか活用できなかった。
【００１０】
しかも、一般に産業用のエキシマレーザの繰り返し数は１００Ｈｚから５００Ｈｚ程度の低い繰り返し数であり、特にリソグラフィ用としては２０００Ｈｚから４０００Ｈｚが開発されている。しかしエキシマレーザの繰り返し数をさらに上げることは、技術上非常に困難であることが知られている。その理由の一つとしては、エキシマレーザでは、１パルスごとに、放電空間（すなわち一対の電極間の空間）に満たされたレーザガスを、放電空間の長さの数倍の長さを流す必要があるが、パルス間隔である約１ミリ秒以下の短い時間内で、レーザガスをこの程度に大量に流すことが困難なためである。
【００１１】
本発明の目的は、１００００Ｈｚ程度の高速なフレーム数でパターン描画できるパターン描画装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、光源として波長変換型固体レーザあるいは波長変換型銅蒸気レーザを複数台含み、かつ前記複数台から取り出される複数本のレーザ光の出力光を平均化して前記ミラーデバイスへ供給する手段を設けたものである。これによると固体レーザでは、例えば超音波Ｑスイッチを利用することで、５０００Ｈｚから２００００Ｈｚ程度の高い繰り返し数でパルス動作できることが知られている。一方、波長に関しては、固体レーザはＹＡＧレーザに代表されるように１回の波長変換で得られる第２高調波の波長０．５ミクロン（ＹＡＧレーザの場合は５３２ｎｍ）のレーザ光を発生できるため、さらに第３高調波の３５５ｎｍ、あるいは第４高調波の波長２６６ｎｍの紫外域のレーザ光を発生することで露光に利用できる。
【００１３】
また、銅蒸気レーザは波長５１０．６ｎｍでレーザ発振するため、第２高調波によって波長２５５ｎｍの紫外光が得られ、露光に利用できる。しかも銅蒸気レーザでは、放電管内部に満たされるレーザガスを高速に循環（すなわち、パルス間でレーザガスを交換）しなくても繰り返しパルス動作が可能であるため、５０００Ｈｚから１００００Ｈｚの高い繰り返し数で動作できる。
【００１４】
以上より、光源として波長変換型固体レーザあるいは波長変換型銅蒸気レーザを用いることで、ミラーデバイスのフレーム数である１００００Ｈｚ程度の高い繰り返し数で紫外域のパルス状レーザ光を得ることができる。
【００１５】
しかも、光源である波長変換型固体レーザあるいは波長変換型銅蒸気レーザ、およびミラーデバイスを複数台（例えばＮ台のレーザとＮ個のミラーデバイス）を含み、かつ前記Ｎ台から取り出されるＮ本のレーザ光の出力光を平均化して前記ミラーデバイスへ供給することで、パルスエネルギーばらつきを、ほぼ１／√（Ｎ）（１割るルートＮ）だけ低減できるため、多重露光することなく、前記１００００Ｈｚ程度の高い繰り返し数でパターン描画できる。なお、前記Ｎ本のレーザ光の出力光を平均化すると、Ｎ本のレーザ光が生成されるため、Ｎ台のミラーデバイスを用いることで、過不足無くミラーデバイスをパターン描画に利用できる。
【００１６】
さらにまた、前記波長変換型固体レーザにおける波長変換前のレーザ光を２回以上波長変換するパターン投影装置においては、波長変換の回数が増えるにつれて、波長変換されたレーザ光のエネルギーのばらつきが大きくなることから、前記２回以上の波長変換の最終段の波長変換の前で、前記複数台の波長変換型固体レーザから取り出されるレーザ光の出力光を平均化することで、最終段の波長変換によって生成するレーザ光のエネルギーばらつきをさらに低減できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
【００１８】
図１を参照して、第１の実施例を説明する。図１は本発明の第1の実施例としてのパターン描画装置１００を上から見た構成図である。パターン描画装置１００では、光源として２台の波長変換型レーザ装置１０４ａ、及び１０４ｂが用いられている。波長変換型レーザ装置１０４ａ、及び１０４ｂとしては、例えば、ＹＡＧレーザの第３高調波か第４高調波を発生させる装置か、あるいは、銅蒸気レーザの第２高調波である波長２５５ｎｍの紫外光を発生させる装置が、エキシマレーザよりも高い繰り返し数で動作できることから好ましい。これら２台の波長変換型レーザ装置１０４ａと１０４ｂは、同期運転により同じタイミングに、繰り返し数１００００Ｈｚで同等のエネルギーのパルスレーザ光を発生するようになっている。波長変換型レーザ装置１０４ａから取り出されるレーザ光Ｌ１１は、ミラー１０５ａで反射して、ビームスプリッタ１１０に入射する。一方、波長変換型レーザ装置１０４ｂから取り出されるレーザ光Ｌ１２もビームスプリッタ１１０に入射する。ビームスプリッタ１１０は、レーザ光Ｌ１１、及びＬ１２の４５度入射に対して、反射率も透過率もほぼ５０％になっている。したがって、ビームスプリッタ１１０から進むレーザ光Ｌ１３もＬ１４もどちらもほぼ同じ平均パワーになっている。レーザ光Ｌ１３はマスクパターン投影部１０１ａに供給され、レーザ光Ｌ１４は、ミラー１０５ｂで反射してからマスクパターン投影部１０１ｂに供給される。マスクパターン投影部１０１ａ、及び１０１ｂの構造は、図５に示した従来のマスクパターン投影部９０１と同様であるので詳細説明は省く。
【００１９】
一方、マスクパターン投影部１０１ａ、及び１０１ｂによってパターン描画される斜線で示したマスク基板１０８は、ＸＹステージ１０２におけるＹステージ台１０２ａ上に載せられており、矢印１１１で示したように、Ｙ方向にスキャン移動するようになっている。また、Ｙステージ台１０２ａはＸステ ージ台１０２ｂ上に載せられており、矢印１１２で示したように、Ｘ方向にステップ移動するようになっている。すなわち、Ｙステージ台１０２ａのスキャン移動とＸステージ台１０２ｂのステップ移動によって、マスク基板１０８の全面が描画できる。
【００２０】
本実施例の特徴としては、紫外光源に２台の波長変換型レーザ装置１０４ａ、及び１０４ｂを用いており、取り出された２本のレーザ光を、ビームスプリッタ１１０による分割と合成とによって形成される２本のレーザ光Ｌ１３、Ｌ１４が、２台のマスクパターン投影部１０１ａ及びマスクパターン投影部１０１ｂに供給される。したがって、レーザ光Ｌ１３、Ｌ１４は、２台の波長変換型レーザ装置１０４ａ、及び１０４ｂから取り出されるレーザ光Ｌ１１、Ｌ１２のパルスエネルギーが平均化されることから、レーザ光Ｌ１３、Ｌ１４のパルスエネルギーばらつきは、波長変換型レーザ装置１０４ａ、及び１０４ｂから取り出された直後のレーザ光Ｌ１１、及びＬ１２のパルスエネルギーばらつきよりも小さい。したがって均質な露光が行えるだけでなく、従来のような多重露光が不要となり、高速に描画できるようになった。
【００２１】
次に本発明の他の実施例を図２を用いて説明する。
【００２２】
図２は、パターン描画装置２００を上から見た構成図であり、３台の光源を用いた場合のレーザ光の分割、合成手法に関する構成を示してある。パターン描画装置２００では、３台の波長変換型レーザ装置２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃが光源として用いられている。これらは波長変換型固体レーザ、あるいは波長変換型銅蒸気レーザのどちらでもよい。各パルスレーザ装置２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃから取り出される紫外域のレーザ光Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３は図で点線に沿って進む。
【００２３】
レーザ光Ｌ２１はミラー２０５ａで反射して、反射率５０％のビームスプリッタ２１０ａに入射して、透過と反射に半分づつ分かれる。レーザ光Ｌ２１はビームスプリッタ２１０ａを透過すると、透過率約６６．７％のビームスプリッタ２１０ｂに入射する。これにより、レーザ光Ｌ２１の元のエネルギーの約３３．３％（＝５０％×６６．７％）がレーザ光Ｌ２４に含まれる。
【００２４】
また、ビームスプリッタ２１０ａを反射したレーザ光Ｌ２１の元のエネルギーの５０％は、ミラー２０５ｂで反射してから、反射率５０％のビームスプリッタ２１０ｃに入射する。一方、ビームスプリッタ２１０ｂを反射した、レーザ光Ｌ２１の元のエネルギーの約１６．７％（＝５０％×３３．３％）もビームスプリッタ２１０ｃに入射する。これにより、ビームスプリッタ２１０ｃから右に進むレーザ光Ｌ２５に含まれるレーザ光Ｌ２１は、元のエネルギーの３３．３％（＝１６．７％×５０％＋５０％×５０％）となる。
【００２５】
以上より、レーザ光Ｌ２４、Ｌ２５、Ｌ２６の全てにおいて、レーザ光Ｌ２１は約３３．３％含まれることになる。また同様に、レーザ光Ｌ２２、Ｌ２３も、レーザ光Ｌ２４、Ｌ２５、Ｌ２６の全てにおいて約３３．３％含まれる。したがって、レーザ光Ｌ２４、Ｌ２５、Ｌ２６における各パルスエネルギーは、レーザ光Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３の各パルスエネルギーの平均値となるため、パルスエネルギーばらつきは小さくなる。
【００２６】
次に本発明の他の実施例を図３を用いて説明する。
【００２７】
図３はパターン描画装置３００を上から見た構成図である。パターン描画装置３００で用いられている４台のパルスレーザ装置３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄから取り出されるレーザ光Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３、Ｌ３４は、光出力平均化装置４０９に入り、図のように多数のミラー３０５ａ〜３０５ｈ、及び４枚のビームスプリッタ３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄとによって、分割、合成が繰り返され、４本のレーザ光Ｌ３５、Ｌ３６、Ｌ３７、Ｌ３８が生成され、光出力平均化装置４０９から出射する。本実施例では、４枚のビームスプリッタ３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄは、全て反射率５０％（透過率５０％）となっており、レーザ光Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３、Ｌ３４は、それぞれ２回ビームスプリッタに入射するため、全てが１／４のエネルギーになって、４本のビームに分配される。したがって、４本のレーザ光Ｌ３５、Ｌ３６、Ｌ３７、Ｌ３８には、レーザ光Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３、Ｌ３４が全て１／４のエネルギーづつ含まれるようになるため、平均化されることから、レーザ光Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３、Ｌ３４におけるそれぞれのエネルギーばらつきが半分以下に低減される。
【００２８】
ところで、前述した実施例のように、複数のパルスレーザ装置から取り出される複数本のレーザ光を分割、合成する際に用いられるビームスプリッタに関しては、前述した実施例では、入射するレーザ光の偏光方向にはほとんど依存せずに、特定の割合を有する反射と透過に分かれるタイプのものが用いられている。しかし、例えば、一般に偏光ビームスプリッタと呼ばれるように、レーザ光の偏光方向に関して、反射率（あるいは透過率）が大きく異なるタイプのものを用いてもよい。特に波長変換型のレーザでは、取り出されるレーザ光が直線偏光である場合が多いため、偏光ビームスプリッタによって２本のビームを１本に合成することも可能である。これによると、２台のパルスレーザ装置から１本のレーザ光を生成できるため、マスクパターン投影部が１台の場合においても、パルスエネルギーばらつきを低減することが可能になる。同様に、４台のパルスレーザ装置によって、２台のマスクパターン投影部に２本のレーザ光を供給することもできる。
【００２９】
次に、本発明の他の実施例を図４を用いて説明する。
【００３０】
図４に示したパターン描画装置４００では、露光光として、ＹＡＧレーザの第４高調波（波長２６６ｎｍ）を用いる場合である。ただし本実施例では、光源として用いる４台の固体レーザ装置４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃ、４０４ｄからは、ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）を発生する。すなわち、固体レーザ装置４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃ、４０４ｄは、内部波長変換型の共振器構造となっている。これらから取り出される４本のレーザ光Ｌ４１ａ、Ｌ４２ａ、Ｌ４３ａ、Ｌ４４ａは、光出力平均化装置４０９ａ内に入り、分割、合成を繰り返してエネルギーばらつきが低減された４本のレーザ光Ｌ４１ｂ、Ｌ４２ｂ、Ｌ４３ｂ、Ｌ４４ｂが生成される。これらはＢＢＯなどの非線形光学結晶を備えた４台の波長変換器４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｃ、４０６ｄを通過することで、波長２６６ｎｍの紫外域の４本のレーザ光Ｌ４１ｃ、Ｌ４２ｃ、Ｌ４３ｃ、Ｌ４４ｃが発生する。これら４本のレーザ光Ｌ４１ｃ、Ｌ４２ｃ、Ｌ４３ｃ、Ｌ４４ｃは、光出力平均化装置４０９ｂ内に入り、分割、合成を繰り返してエネルギーばらつきが低減された４本のレーザ光Ｌ４１ｄ、Ｌ４２ｄ、Ｌ４３ｄ、Ｌ４４ｄが生成される。これらが４台のマスクパターン投影装置４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ、４０１ｄに供給され、パターン描画が行われる。なお、光出力平均化装置４０９ａ、４０９ｂは図３に示されたパターン描画装置３００における光出力平均化装置４０９と同様な構成になっている。
【００３１】
本実施例の特徴としては、ＹＡＧレーザの第２高調波である４本のレーザ光Ｌ４１ｃ、Ｌ４２ｃ、Ｌ４３ｃ、Ｌ４４ｃを、４本のレーザ光Ｌ４１ａ、Ｌ４２ａ、Ｌ４３ａ、Ｌ４４ａから直ぐには波長変換せずに、光出力平均化装置４０９ａにおいてエネルギーばらつきを低減させてから波長変換する点が大きな特徴である。これによると、波長変換後の４本のレーザ光Ｌ４１ｃ、Ｌ４２ｃ、Ｌ４３ｃ、Ｌ４４ｃの光出力平均化を再度行えることから、露光に利用する紫外域のレーザ光Ｌ４１ｄ、Ｌ４２ｄ、Ｌ４３ｄ、Ｌ４４ｄのエネルギーばらつきを大幅に低減できる。
【００３２】
尚、本発明で用いられる紫外域のパルスレーザとしては、前記の他に、パルス化されたアルゴンレーザを用いてもよい。すなわち、アルゴンレーザは、通常は連続発振するが、キャビティーダンピングと言われる手法により、極めて高い繰り返し数でパルス動作できるからである。
【００３３】
これにより、例えば、波長３６４ｎｍの発振ラインで動作させたアルゴンレーザを前記パルス化することで、波長３６４ｎｍの紫外域で１０ｋＨｚ以上の高繰り返しパルスレーザ光を、波長変換すること無しに発生させることができるからである。
【００３４】
また、通常の発振ラインである波長５１４ｎｍにおいて、パルス化してから第２高調波に波長変換することで、１０ｋＨｚ以上の高繰り返しで波長２５７ｎｍのパルスレーザ光を得ることもできる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のパターン描画装置によると、光源である紫外域のレーザ光のパルスエネルギーばらつきを低減できるため、多重露光が必要なくなり、ミラーデバイスにおいて動作可能な高いフレーム数でパターン描画できるようになり、描画時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例におけるパターン描画装置１００の構成図。
【図２】本発明の第２実施例におけるパターン描画装置２００の構成図。
【図３】本発明の第３実施例におけるパターン描画装置３００の構成図。
【図４】本発明の第４実施例におけるパターン描画装置４００の構成図。
【図５】従来の実施例におけるパターン描画装置９００の構成図。
【符号の説明】
１００、２００、３００、４００、９００ パターン描画装置
１０１ａ、１０１ｂ、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄ、４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ、４０１ｄ、９０１ マスクパターン投影部
１０２、９０２ ＸＹステージ
１０２ａ Ｙステージ台
１０２ｂ Ｘステージ台
１０８、２０８、３０８、９０８ マスク基板
１０４ａ、１０４ｂ、２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄ 波長変換型レーザ装置
１０５ａ、１０５ｂ、２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄ、３０５ｅ、３０５ｆ、３０５ｇ、３０５ｈ、９０５ ミラー
１１０、２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ ビームスプリッタ
１１１ スキャン方向
１１２ ステップ方向
４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃ、４０４ｄ 固体レーザ装置
９０３ マスクパターンデータ出力装置
９０４ エキシマレーザ
９０６ ミラーデバイス
９０７ａ、９０７ｂ レンズ
９０９ 投影パターン
Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ１４、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３、Ｌ２４、Ｌ２５、Ｌ２６、Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３、Ｌ３４、Ｌ３５、Ｌ３６、Ｌ３７、Ｌ３８ レーザ光

Claims (3)

1. 二次元に配列された微小ミラーを含む複数のミラーデバイスと、複数の光源を備え、前記複数の光源からの露光光をそれぞれ複数の前記ミラーデバイスに入射させ、前記ミラーデバイスから出力される複数の投影パターンを用いて、基板上にパターンを描画するパターン描画装置において、前記複数の光源は、それぞれ波長変換型固体レーザ装置によって構成され、前記波長変換型固体レーザにおける波長変換前のレーザ光を２回以上波長変換する手段と、前記２回以上の波長変換の最終段の波長変換の前で、前記複数台の波長変換型固体レーザから取り出されるレーザ光の出力光を平均化する手段を備えていることを特徴とするパターン描画装置。
2. 前記平均化する手段がビームスプリッタを有していることを特徴とする請求項１記載のパターン描画装置。
3. それぞれ波長変換型固体レーザ装置によって構成された複数の光源からのレーザ光を用いてパターンを描画するパターン描画方法において、前記複数の波長変換型固体レーザにおける波長変換前のレーザ光を２回以上波長変換し、前記２回以上の波長変換の最終段の波長変換の前で、前記複数台の波長変換型固体レーザから取り出されるレーザ光の出力光を平均化し、平均化された出力光を用いてパターン描画を行うことを特徴とするパターン描画方法。

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