JP4250052B2

JP4250052B2 - パターン描画方法、及びパターン描画装置

Info

Publication number: JP4250052B2
Application number: JP2003353433A
Authority: JP
Inventors: 忠弘大見; 公雄柳田; 成利須川; 究武久
Original assignee: Foundation for Advancement of International Science
Current assignee: Foundation for Advancement of International Science
Priority date: 2003-10-14
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2023-10-14
Also published as: JP2005123234A

Description

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方法、及び、パターン描画装置に関する。また、本発明は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パターン描画方法、及びパターン描画装置である。

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。

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。

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（レーザビーム描画装置と呼ばれることがある。）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。）を用いて、これにパルス状の紫外レーザ光を照射し、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である。このレーザビーム描画装置では、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、Proceedings of SPIE, Vol.4186, PP.16-21（非特許文献１）、あるいは、USP6,428,940（特許文献１）において示されている。

これによると、ミラーデバイスを用いた従来のレーザビーム描画装置では、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投影パターンは一辺０．１ミクロン、すなわち１００ｎｍの正方形になる。ただし、特にマスクを描画する場合は、設計上の最小寸法（これは最小グリッドと呼ばれる。）は１から４ｎｍと、マイクロミラーの縮小投影サイズよりも遥かに小さい。そこで、実際に現像後のレジストにおいて、一辺１００ｎｍの投影サイズよりも小さいパターンを形成させるために、投影されるパターンに照射させる光量を変化させることが行われている。例えば、前記文献によると、光量を６４段階に変化させる（グレースケールを利用する）ことで、最小グリッドとしては、１００ｎｍの１／６４である１．５６ｎｍに対応させている。

このように、グレースケールを利用して１つのマイクロミラーの縮小投影パターンよりも小さなサイズの最小グリッドに対応させる従来手法では、ミラーデバイスにおける各マイクロミラーの偏向角度を制御し、それによって、投影されるレーザ光の強度を変化させている。なお、このグレースケールの手法を、以下、ミラー偏向量調整法と呼ぶ。

上記した従来のレーザビーム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、エキシマレーザではパルスエネルギーにばらつきが、±１０％前後と大きいため、各マイクロミラーが投影されるそれぞれの投影スポットでの露光量にばらつきを生じる。その結果、前述したように、６４段階に光量を変化させても、実際には目的通りの光量段階が得られなくなってしまう。

そこで、従来のレーザビーム描画装置では、同一の投影スポットを少なくとも二重に露光する（各マイクロミラーが投影される各場所に２ショット照射する。）ことが行われることがあった。即ち、図６（ａ）に示したように、エキシマレーザからの１ショット目を、目標のエネルギー値よりも低めに設定し、それぞれのパルスエネルギーが目標値よりも小さくなるようにして、照射すると共に、それぞれのパルスエネルギーを測定する。一方、図６（ｂ）に示したように、２ショット目には、目標エネルギー値と測定された各パルスエネルギーの差に相当するエネルギーのパルスレーザ光を照射するようにする。その結果、図６（ｃ）に示したように、ほぼ均一なエネルギー（すなわち露光量）が得られる。

なお、以上に関しては、例えば、特表２００２−５０６２３３（特願２０００−５３４９１８）（特許文献２）において述べられている。ただし、実際にはこのような二重露光よりも、さらに露光量を均一化するために、四重露光が行われる場合が多い。

前記従来のミラー偏向量調整法では、基板に対して、各マイクロミラーからの投影像の光量を６４段階にも変化させていたが、これによると、各マイクロミラーの偏向量を常に極めて正確に制御する必要があるが、実際には何日も動作させていくと、各マイクロミラーに印加する電圧に対する偏向量の値が少しづつ変化していくことがあり、これが問題であった。

そこで、本発明者では、各マイクロミラーの偏向量を微妙に調整せずに、単にＯＮ、ＯＦＦ動作のみを行うことで、中間光量（グレースケール）を実現する手法を、特願２００３−１４８３６２（特許文献３）において提案した。これによると、パルス光源からのパルス状の露光光が照射させる度に、ミラーデバイスの投影像を少しづつ重なるように、マスク基板を移動させることで、各マイクロミラーが投影される位置に、複数回の露光を与えることができ、これによってグレースケールを実現できる。なお、このグレースケールの手法を、以下、多重スポット方式と呼ぶ。

この多重スポット方式の技術に関して図３を用いて説明する。即ち、一辺が１００ｎｍ程度と露光波長の２４８ｎｍよりも小さい解像限界程度のサイズに縮小すると、各マイクロミラーからの投影パターンは境界線がぼけてしまうため、例えば、５個並んだマイクロミラーからの投影パターンであるスポットは図３（ａ）に示したように、隣接するスポットがオーバーラップする。多重スポット方式では、各スポットに多数回紫外光が照射されるため、露光量は図３（ｂ）に示されたようになっている。この図では、全てのスポットが５回づつかさなっている。これによる現像後のレジストパターンは図３（ｃ）に示したようになる。

グレースケールを再現するには、例えば、レジストパターンの境界位置を広げる場合は、図４（ａ）に示したように、境界位置でのスポットの重なり回数を増やして露光量を増加させる。その結果、レジストが現像する閾値の露光量を与える位置が外側に移動することから、レジストパターンが広がる。また、逆に、図４（ｂ）に示したように、レジストパターンの境界位置を狭める場合は、境界位置でのスポットの重なり回数を減らせばよい。
Proceedings of SPIE, Vol.4186, PP.16-21 USP6,428,940 特表２００２−５０６２３３号公報特願２００３−１４８３６２号

前記多重スポット方式のレーザビーム描画装置において、光源のパルスレーザ光のエネルギーばらつきが大きい場合、やはり前述したミラー偏向量調整方式と同様に、二重に露光することで、エネルギーを均一化することも可能である。

ところが、二重あるいは四重などの多重露光を行うと、描画時間が長くなることが問題である。例えば、二重露光は、露光に掛かる正味の時間が２倍になってしまう。

本発明の目的は、多重スポット方式によるレーザビーム描画装置において、描画時間が長くならずに、均一な露光量を得ることが可能なパターン描画方法、及びパターン描画装置を提供することである。

前記目的を達成するために、ミラーデバイスから出力される投影パターンを直接または縮小投影して基板上のパターン投影領域の実質的に全面を複数回オーバーラップさせて露光し、かつパルス状の露光光のエネルギー値に基づいて、基板上のパターン投影領域における前記各微小ミラーが投影される各領域を露光する前記パルス状の露光光の重なる回数を制御したものである。

これによると、グレースケールを再現するための重ね合わせスポットによって、エネルギーばらつきを相殺するための多重露光を兼ねることができるため、グレースケールの各レベルを正確に再現するために均一な露光量を得るためだけの多重露光が不要になる。

ただし、もしもグレースケールにおいて最も低い露光量の場合はスポットは１重（１ショット）になって、スポットの重ね合わせによるエネルギーばらつきの補正ができないが、１つのスポットのエネルギーばらつきは、目標とするエネルギーの±数％（すなわち光源のパルス光のばらつき）以内であるため、最小グリッドの精度の±数％以内となることから、レジストパターンの位置ずれが、最小グリッドの２倍以上になることはない。

すなわち、逆に言うと、エネルギーばらつきの積算によって、最小グリッドの２倍以上のパターン位置ずれが生じるような場合は、スポットの重なり回数が少なくとも数回以上となるため、本発明のように、スポットの重なり回数を補正することで、パターン位置ずれを抑制できる。

本発明のパターン描画方法、及びパターン描画装置によると、グレースケールを再現する際に、パルスエネルギーばらつきがあっても、同じ位置にミラーデバイスを投影させる多重露光が不要になるため、描画時間を１／２から１／４にも短縮できるようになった。また、その結果、露光光源であるパルス紫外レーザ装置においても、パルスエネルギーばらつきが比較的大きいものを利用することができるようになり、例えば、ＹＡＧレーザよりもエネルギーばらつきが数倍も大きなＡｒＦエキシマレーザを光源に利用できるようになった。その結果、露光波長を短くすることができ、解像度が向上した。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

本発明の実施例を図１、図２、及び図５を用いて説明する。図１は本発明の実施例としてのパターン描画装置１００の構成図である。

図１に示したパターン描画装置１００は、大別して、ミラーデバイス１、縮小投影光学系２、ＸＹステージ３、及び紫外光源である紫外パルスレーザ装置５とで構成されている。紫外パルスレーザ装置５は、ここでは、１００００Ｈｚの繰り返しパルス動作を行うＹＡＧレーザの第３高調波が用いられており、波長３５５ｎｍのパルス状の紫外光Ｌ１が取り出される。紫外光Ｌ１は、ミラー６ａ、６ｂを通り、整形光学系７を通ってビーム系が拡大され、ハーフミラー８に当る。ハーフミラー８では、約９８％を反射させて、紫外光Ｌ２をミラーデバイス１に当てるようになっている。

ミラーデバイス１はここでは１０２４×７６８個（すなわち約８０万個）のマイクロミラーが約１４ミクロンピッチで縦横に並んでいる。ミラーデバイス１に当った紫外光の内、反射し、露光に利用する方向に進むもの（すなわち、ミラーデバイス１においてＯＮ動作を行うマイクロミラーに当って反射するもの）が紫外光Ｌ３となる。紫外光Ｌ３は、多数のレンズで構成される縮小投影光学系２を通り、ＸＹステージ３上に載せられているマスク基板４上に照射される。すなわち、縮小投影光学系２によって、ミラーデバイス１の面を、ｉ線用レジストが塗布されたマスク基板４上に縮小投影するようになっている。また、マスク基板４はＸＹステージ３上に載せられており、Ｘ方向のスキャンとＹ方向のステップによって、マスク基板４上の全域に、ミラーデバイス１からのＯＮのマイクロミラーで構成される投影パターンを有する紫外光Ｌ４の照射位置を移動させることができ、マスク基板４の全面にパターン描画できる。

ミラーデバイス１上でＯＮとなるパターンをマスク基板４上に転写させる際に、本実施例では図２に示したようなグレースケールを用いている。図２では、図１のＸＹステージ３におけるスキャン方向（Ｘ方向）にマスク基板４が移動していくことで、紫外光Ｌ４が、ショットごとにマスク基板４上で少しづつずれた位置に照射される様子を示している。パターン描画装置１００では、前述したように１００００Ｈｚのフレーム数でミラーデバイス１上のパターンが制御されるため、０．１ｍｓごとに新しいパターンがマスク基板４上に投影される。そこで、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、及び（ｅ）には、０．１ｍｓの時間ごとの投影パターンの位置（順次、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ）が示されている。

この例では、０．１ｍｓごとにパルス状の紫外光Ｌ１の発生によって、マスク基板４上に投影されるパターンが、投影パターンのサイズ（Ｘ方向の幅）の１／４づつ移動している。すなわち、本実施例では、各投影パターンが、フレーム間で３／４の面積が重なることから、投影パターンは、マスク基板４の全面において４回オーバーラップするようになる。したがって、４段階の階調を出すことができるようになっている。ただし、本実施例では説明しやすいように４階調の場合を図示したが、実際にはフレーム間で、例えば、９９／１００の面積が重なるような１００階調程度を行うのが好ましい。この手法によれば、最小グリッドを１ｎｍ程度に小さくできる。

従来装置では、紫外光Ｌ４が紫外パルスレーザ装置５からのパルスレーザ光であるため、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、及び（ｅ）で示された各露光パターンの露光量にはばらつきがあり、正確には等しくできず、グレースケールを正確に再現することは困難であった。そこで、本発明では、図１に示したように、紫外光Ｌ２を、ハーフミラー８を僅かに透過させて、そのエネルギーを光検出器９によって測定している。これによって、各パルスごとのエネルギーのデータが取得でき、エネルギーのばらつきを考慮するように、グレースケールにおける重ね合わせるスポットの回数を補正している。すなわち、光検出器からのエネルギー値の信号は、信号線１１ａによって、グレースケール補正装置１０に伝わり、ここにおいて、エネルギーばらつきを補正するようなグレースケールを計算し、計算結果に基づき、信号線１１ｂによって、ミラーデバイス１における各マイクロミラーのＯＮ、ＯＦＦ動作を制御している。

より具体的に説明すると、図５に示したように、紫外光の各パルスエネルギーがショットごとに異なっている場合を想定する。この場合、パルスのエネルギー値を随時測定することで、例えば、エネルギー値が目標値よりも少なめになっているパルス列が生じれば、グレースケールを再現する際の重ね合わせのスポット回数を多めに補正し、また、エネルギー値が目標値よりも多めになっているパルス列が生じれば、グレースケールを再現する際の重ね合わせのスポット回数を少なくなるように補正する。

なお、本発明のように最小グリッドで１ｎｍ程度に対応するようなグレースケールを実現しているが、この程度の精度でマスク基板４の位置制御をＸＹステージ３によって行うことは非常に困難である。そこで、本実施例ではミラーデバイス１を圧電素子によって、数ｎｍの微小な位置制御を行っており、それによるマスク基板４上に投影されるパターン位置を制御している。その理由は、マスク基板４上に投影されるパターン位置の移動量はミラーデバイス１の移動量に比べて、縮小投影光学系２の縮小倍率だけ小さくなることから、パターン位置を微小に制御できるからである。

本発明の実施例におけるパターン描画装置１００の構成図。グレースケールを適用するための多重露光の説明図。解像限界におけるスポット露光の説明図。グレースケールによるレジストパターン制御の説明図。本発明のグレースケールにおける多重度算出の説明図。従来のミラー偏向量調整法における露光量均一化法の説明図。

符号の説明

１ミラーデバイス
２縮小投影光学系
３ＸＹステージ
４マスク基板
５紫外パルスレーザ装置
６ａ、６ｂミラー
７整形光学系
８ハーフミラー
９光検出器
１０グレースケール補正装置
１１ａ、１１ｂ信号線
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅデジタルミラー投影パターン
１００パターン描画装置
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４紫外光

Claims

二次元に配列された微小ミラーを含むミラーデバイスにパルス光源からのパルス状の露光光を入射し、前記ミラーデバイスから出力される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方法において、前記ミラーデバイスから出力される投影パターンを直接または縮小投影して前記基板上のパターン投影領域の実質的に全面を複数回オーバーラップさせて露光し、かつ前記パルス状の露光光のエネルギー値に基づいて、前記基板上のパターン投影領域における前記各微小ミラーが投影される各領域を露光する前記パルス状の露光光の重なる回数を制御することを特徴とするパターン描画方法。
請求項１において、前記ミラーデバイスに入射する露光光の一部を検出することにより、前記露光光のエネルギー値を測定し、測定結果に基づいて、各投影パターンを構成する各微小ミラーにおけるエネルギーばらつきを検出し、当該エネルギーばらつきを補正するように、前記微小ミラーをＯＮ、ＯＦＦ制御することを特徴とするパターン描画方法。