JP4455027B2 - パターン描画装置 - Google Patents

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として利用でき、さらに、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装置の構造に関する。なお、パターン描画する対象であるマスクやウエハを本発明では区別しないため、以下、単に基板と呼ぶ。

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ガラスなどの表面に、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装置（以下、ＥＢ描画装置と示す。）が広く利用されている。

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パターン露光）する手法に基づくレーザビーム描画装置も製品化されている。その装置の従来例としては、１辺１０〜２０ミクロンの正方形である微小なマイクロミラーを二次元配列状に多数並べたミラーデバイス（空間光変調器、あるいはＳＬＭと呼ばれる。）を用いて、これにパルス状の紫外レーザ光を照射し、各マイクロミラーごとに制御されたＳＬＭからの反射光をマスク基板に照射して露光するものである。このレーザビーム描画装置は、ＥＢ描画装置よりも描画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, 第１６〜２１頁（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。

一方、前記ＳＬＭとは異なり、マイクロミラーがデジタル的にＯＮ／ＯＦＦ動作のみを行うデジタルミラーデバイス（以下、ＤＭＤと示す。）を用いたパターン描画装置が、マスクレス露光装置などとして用いられることがある。そのおもな構成を図３に示した従来のパターン描画装置２００を用いて説明する。露光光である紫外光Ｌ２１はミラー２０２で反射し、紫外光Ｌ２２がＤＭＤ２０１に照射され、パターン描画に利用する紫外光Ｌ２３がＤＭＤ２０１で反射して下方に進み、レンズ２０３ａと２０３ｂとで構成された投影光学系２０４によってマイクロレンズアレイ２０５上に投影される。マイクロレンズアレイ２０５によって、紫外光Ｌ２４は多数の細い光線に分割され、ピンホール板２０６における各ピンホールにそれぞれが集光する。ピンホール板２０６の各ピンホールの出射面での光の像が、縮小投影光学系２０８によって、基板２０９上に、多数の離散スポットの集合体となって、パターン投影される。

ただし、ピンホール板２０６は、実際に穴を有する板でなくてもよく、照射されたレーザ光を多数の光線に分割できるように、ガラス板などの下面に、多数の穴を有するＣｒ等の遮光膜が付けられたものであればよく、本発明では、これらを単にピンホール板と呼ぶ。

パターン描画装置２００におけるピンホール板２０６を上から見ると、図４に示されたように、各ピンホールの並びが、Ｘ、Ｙ方向から僅かに傾けられたように斜めに取り付けられている。その結果、図５に示したように、描画中は基板２０９をスキャンさせるため、ＤＭＤの１回のＯＮ動作で露光されるピンホール板２０６の投影領域２１０を形成する多数の離散スポットの集合体における隣接するスポット間にも、基板２０９のスキャンによって次第に露光されていくようになる。

以上のようなパターン描画装置に関しては、例えば、USP 6,473,237（特許文献２）及び本発明者等の出願に係る特願２００３年第１０７７７６号明細書（特許文献３）、特願２００３年第１６３８５１号明細書（特許文献４）、特願２００３年第１７４０１７号明細書（特許文献５）、特願２００３年第３７４８４６号明細書（特許文献６）などにおいても示されている。
Proceedings of SPIE, Vol.4186, 第１６〜２１頁、 USP6,428,940 USP 6,473,237 特願２００３年第１０７７７６号公報（明細書） 特願２００３年第１６３８５１号公報（明細書） 特願２００３年第１７４０１７号公報（明細書） 特願２００３年第３７４８４６号公報（明細書）

図３に示された従来のパターン描画装置２００において、ＤＭＤ２０１における各マイクロミラーから反射する細い光線に対応させるため、マイクロレンズアレイ２０５の各マイクロレンズの直径は１０〜２０ミクロン程度である。その結果、各マイクロレンズの焦点距離は１００ミクロン前後になることから、その焦点位置にピンホール板２０６のピンホールを配置するには、ピンホール板２０６自体を数十ミクロン程度に薄くする必要があった。なお、図では判りやすくするために、各マイクロレンズの大きさや焦点距離を実際よりも極めて大きめに描いてある。

ところが、ピンホール板２０６が１００ミクロン程度に薄いと、自重で大きくたわむことがあり、縮小投影光学系２０８で基板２０９に投影される際の焦点位置が変化して、投影される各スポットの大きさが変化することがあった。あるいはまた、紫外光の照射による加熱によって、ピンホール板２０６が温度上昇することで、平面方向に膨張することがあり、その結果、投影される各スポットの位置が変化することがあった。

特に、投影光学系２０４によって、ビームを拡大しようとすると、マイクロレンズアレイ２０５とピンホール板２０６が大きくなるため、ピンホール板２０６はさらにたわみ易くなるため、スポットの大きさの変化が大きかった。

本発明の目的は、紫外光の離散スポットの投影によってパターン描画する前記構成のパターン描画装置において、投影される各スポットの大きさや位置が変動が少ない装置を提供することである。

前記目的を達成するために、本発明のパターン描画装置では、従来装置におけるピンホール板と縮小投影光学系との間に、第２の投影光学系と第２のピンホール板を配置したものである。

この構成によれば、第２のピンホール板は、マイクロレンズの焦点距離とは無関係に厚くできるため、たわみが無視できる程度に小さくすることができる。しかも第２の投影光学系によってビームを拡大することで、第１のピンホール板を大きくせずに、第２のピンホール板を大きくすることができる。

なお、第２のピンホール板における穴の大きさとしては、第１のピンホール板が第２のピンホール板の上面に投影させた際に形成されるスポットが第２のピンホール板の穴を常にカバーするように、多少小さくすればよい。これによると、第２のピンホール板の上面に投影されたスポットの位置が多少変化しても、第２のピンホール板の穴から出射する光線の径や光量が変化せず、基板に投影されるスポットの大きさや位置が変化することはない。

また、本発明によると、第１のピンホール板が大きくたわむ場合は、第２のピンホール板の上面に当たるスポットの大きさが変化する場合もある。ところが、第２のピンホール板がたわまないことから、第２のピンホール板の穴から出射する光線の径や光量が変わらないため、基板に投影されるスポットの大きさが変化することはない。

本発明のパターン描画装置では、基板上に投影させる離散スポットを形成させる第２のピンホール板を、たわみを無視できる程度に厚くできる。したがって、各スポットの大きさが変動することがなく、高精度なパターン描画が行える。しかも、第２の投影光学系によって、第２のピンホール板をたわませずに大きくすることができる。その結果、描画速度を高めることも可能になった。その理由としては、第２のピンホール板を大きくすると、基板への投影領域を大きくできるため、スキャン幅を広くとれるからである。

さらにまた、マイクロレンズアレイの集光率をそれ程高くできなくても、第２のピンホール板の穴を（カットする紫外光による加熱で生じる膨張が無視できるため）十分小さくすることができ、基板に投影されるスポットの径を十分小さくでき、微細なパターンを描画することも可能になった。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

本発明の第１の実施例を図１と図２を用いて説明する。図１は本発明のパターン描画装置１００の構成図である。パターン描画装置１００では、図示されていない光源である水銀ランプから放射された波長３６５ｎｍの紫外光Ｌ１１をミラー１０２に入射させ、反射した紫外光Ｌ１２をＤＭＤ１０１の表面に入射させる。ＤＭＤ１０１で反射した（描画に利用する）紫外光Ｌ１３は、レンズ１０３ａ、１０３ｂとで構成される第１の投影光学系１０４ａを通り、マイクロレンズアレイ１０５上に投影される。マイクロレンズアレイ１０５の各マイクロレンズで集光される紫外光Ｌ１４の焦点位置に、第１のピンホール板であるピンホール板１０６ａが配置されている。ピンホール板１０６ａを通過した紫外光Ｌ１５は、レンズ１０３ｃ、１０３ｄとで構成される第２の投影光学系１０４ｂを通過する。すなわち、ピンホール板１０６ａの下側の面が、第２のピンホール板であるピンホール板１０６ｂに拡大投影される。

ピンホール板１０６ｂは、図２に示したように、石英板１１０の下面に、多数の穴を有するクロム膜１１１が遮光膜として付けられたものである。クロム膜１１１に空けられた多数の穴１１４は、エッチングによって形成されたものであり、一般的なフォトマスクの製作と同様の工程で容易に製作することができる。また、ピンホール板１０６ｂのクロム膜１１１をカバーするように、薄いポリマーの膜から成るペリクル１１３が配置されている。これは、クロム膜１１１内の多数の穴１１４にゴミ等が付かないようにするためである。

ピンホール板１０６ｂにおけるクロム膜１１１内の穴１１４の位置での光の像が、多数のレンズで構成された縮小投影光学系１０８によって、基板１０９上にパターン投影される。縮小投影光学系１０８の倍率は１／５となっている。なお、縮小投影光学系１０８には、例えば、ｉ線露光装置用の倍率１／５の縮小投影光学系を用いることが好ましい。

以上のように、パターン描画装置１００では、基板１０９上に投影される多数の離散スポットとして、ピンホール板１０６ｂの像が投影されたものである。したがって、基板である石英板１１０を適当に厚くすれば、ピンホール板１０６ｂのたわみが無視できるようになる。なお、石英板１１０の厚みとしては、６ｍｍ程度が好ましく、一般に６インチレチクル（一辺が６インチの正方形のマスク）と同等であれば、一辺６インチ程度まで大きなものを用いることができる。これにより、基板１０９上での投影領域を大きくでき、描画速度を高めることができる。

また、本発明では、ピンホール板１０６ａが紫外光Ｌ１４の照射によって加熱され、平面（ＸＹ面）内で多少膨張して、ピンホール板１０６ｂ上に投影されるスポットの位置が変化することがあっても、そのスポットの大きさよりも、ピンホール板１０６ｂの穴を十分小さくすることで、ピンホール板１０６ｂの穴から下方に進む光線の径や光量は変化しないようにできるため、基板１０９上に投影されるスポットの位置や大きさは変化しない。

なお、このようにピンホール板１０６ｂ上に投影されるスポットの大きさを、ピンホール板１０６ｂの穴よりも大きくすると、ピンホール板１０６ｂに紫外光が当たる割合が増加して加熱されるが、ピンホール板１０６ｂには十分厚い基板を用いることができるため、膨張によって平面内で伸びる大きさを小さくできる。これは、同じ熱量で加熱される場合、基板の厚みが大きい程、体積が増すことから、単位体積当たりに加わる熱量を低下でき、その結果、膨張する長さを低減できるからである。

本発明によれば、半導体集積回路製造時において、マスクを製造するために用いられるマスク描画装置として利用でき、さらに、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装置が得られる。更に、本発明において使用されるピンホール板は２つに限定されることなく、必要に応じて数を増加させても良い。

本発明のパターン描画装置１００の構成を概略的に示す図である。 図１に示されたピンホール板１０６ｂの断面図である。 従来のパターン描画装置２００の構成を示す図である。 ピンホール板２０６の構成を示す平面図である。 パターン描画装置２００による描画を説明する図である。

符号の説明

１００、２００ パターン描画装置
１０１、２０１ ＤＭＤ
１０２、２０２ ミラー
１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、２０３ａ、２０３ｂ レンズ
１０４ａ、１０４ｂ、２０４ 投影光学系
１０５、２０５ マイクロレンズアレイ
１０６ａ、１０６ｂ、２０６ ピンホール板
１０８、２０８ 縮小投影光学系
１０９、２０９ 基板
１１０ 石英板
１１１ クロム膜
１１３ ペリクル
１１４ クロム膜１１１に形成された穴
２１０ ピンホール板２０６の投影領域
２１１ 露光された領域
Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ１４、Ｌ１５、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３、Ｌ２４ 紫外光

Claims (2)

1. 紫外光発生部と、二次元配列状の微小ミラーと、マイクロレンズアレイと、前記二次元配列状の微小ミラーからの光を前記マイクロレンズアレイに投影する第１の投影光学系と、前記マイクロレンズアレイによる紫外光の集光点近傍に配置した第１のピンホール板と、前記第１のピンホール板からの光を描画対象の基板に投影する縮小投影光学系とを含むパターン描画装置において、
   前記第１のピンホール板と前記縮小投影光学系との間に配置した第２のピンホール板と、前記第１のピンホール板と前記第２のピンホール板との間に配置した第２の投影光学系とをさらに有し、
   前記第２のピンホール板の厚さは、前記第１のピンホール板の厚さよりも大きいことを特徴とするパターン描画装置。
2. 前記第２のピンホール板における穴が前記第１のピンホール板の穴よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のパターン描画装置。

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