JP4511502B2 - 基板露光装置 - Google Patents

Description

本発明は基板露光装置および照明装置に関する。

プリント基板、液晶ディスプレイのＴＦＴ基板或いはカラーフィルタ基板或いはプラズマディスプレーの基板にパターンを露光するため、従来はパターンの原版となるマスクを製作し、このマスク原版を用いたマスク露光装置で基板を露光していた。しかし、基板毎にマスクを制作すると、製品化までに要する時間が長くなる等の問題があった。この問題を解決するため、近年、液晶ディスプレーやＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）等の光を２次元状に変調することができる２次元光空間変調器を用いて、所望のパターンを基板に直接描画（露光）する露光装置（Ｄｉｒｅｃｔ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｍａｃｈｉｎｅ。以下、「ＤＥ」という。）が普及し始めている（特許文献１）。特許文献１に開示された露光装置では、複数の光源からそれぞれ出力された光を断面が円形の光にして複数のロッドレンズからなるインテグレータに入射させ、インテグレータから出射した光を２次元光空間変調器であるＤＭＤに照射させた状態でＤＭＤを変調させながら基板を一方向に移動させることにより、基板に所望のパターンを露光する。
特開２００４−０３９８７１号公報

図１１は、２次元空間変調器の平面図である。
ＤＭＤには、正方形の表示絵素（マイクロミラー。以下、「ミラー」という。）が横方向（ｘ方向）にＮｘ個、縦方向（ｙ方向）にＮｙ個、配列されている。なお、通常、ＮｘとＮｙの比率はＮｘ：Ｎｙ＝４：３程度である。
従来は光変調面（隣接するミラーの間隔を無視し、ミラーの単位長さを１とするとＮｘ×Ｎｙの領域。以下、光変調面もＤＭＤという。）の全域に光を当てておき、描画しようとするパターンに応じてミラーを動作（オンオフ）させていた。

近年、ＤＭＤの特性から、供給する光のエネルギを同じにする場合、Ｎｘ／Ｎｙ＝４：３であるＤＭＤの全域を照射するよりも、照射領域を基板が移動する方向を短辺とする長方形（Ｈｘ×Ｈｙ）とし、かつＨｘ／Ｈｙの値を大きくすればするほど、露光速度を速くすることができることが分かってきた。すなわち、ミラーがＮｘ×Ｎｙ配置されているＤＭＤであっても、図示のＨｘ×Ｈｙの領域のミラーだけを動作させる方が露光速度を速くできる。なお、Ｎｘ×ＮｙのＤＭＤを採用する場合、Ｈｘ＝Ｎｘであるので、以下、Ｎｘに代えてＨｘという。なお、ＤＭＤに照射する光の強度を均一にするためには、インテグレータの１辺に少なくとも５個（好ましくは７個）のロッドレンズを配置する必要がある。

照射領域をＨｘ×Ｈｙとする場合、例えば、ロッドレンズの縦横比を照射領域と相似のＨｘ／Ｈｙにすると共にインテグレータの断面が照射領域と相似形になるようにロッドレンズを束ねておき（すなわち、ｘ、ｙ方向に同数束ねる）。このインテグレータに入射させる光の断面を略円にして、各ロッドレンズから出射した光を回転対称の集光レンズによりＤＭＤに集光させると、領域Ｈｘ×Ｈｙを均一に照射することができるが、多数のロッドレンズが必要になる。

しかも、照射領域Ｈｘ×Ｈｙに照射する光の発散角が大きく異なるため、例えば、同一幅の線であっても、ｘ方向の線とｙ方向の線とでは線幅が異なってしまい、品質に優れる露光することができない。なお、従来の場合は、インテグレータに入射させる光を楕円形状にすることで、発散角をほぼ同じ値にすることで対処できたが、ほぼ調整できる範囲の限界であった。

本発明の目的は、２次元空間変調器の光変調面の横Ｈｘと縦Ｈｙ（ただし、縦方向は露光基板の移動方向）の比Ｈｘ／Ｈｙを例えば１．５以上とする場合であっても、品質に優れる露光ができると共に、作業速度を向上することができる照明装置および露光装置を提供するにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１の手段は、露光光源と該露光光源より出射した光を指向性の高い光ビームに形成するビーム形成手段と、上記指向性の高いビームをインテグレータに導く第１の光学系と、インテグレータと、該インテグレータ出射光を２次元光空間変調器に照射せしめる第２の光学系と、２次元光空間変調器と、該２次元光空間変調器を反射もしくは透過した光を投影光学系により露光基板上に投影露光する投影光学系と、露光基板を搭載し、少なくとも１方向に走査するステージとからなる基板露光装置であって、上記第２の光学系は光軸に直交するｘｙ２方向の焦点距離が異なる光学系であることを特徴とする。

また、本発明の第２の手段は、光源と該光源より出射した光を指向性の高い光ビームに形成するビーム形成手段と、上記指向性の高いビームをインテグレータに導く第１の光学系と、インテグレータと、該インテグレータ出射光を被照射物に照射せしめる第２の光学系とからなる照明装置において、上記第２の光学系は光軸に直交するｘｙ２方向の焦点距離が異なる光学系であることを特徴とする。

２次元空間変調器の光変調面の横Ｈｘと縦Ｈｙ（ただし、縦方向は露光基板の移動方向）の比Ｈｘ／Ｈｙを例えば１．５以上とする場合であっても、品質に優れる露光ができると共に、作業速度を向上することができる。

図１は本発明に係る露光装置の構成図である。
先ず、全体構成を説明する。
光源部１００から、主光線が中心軸Ｏに平行なＮ本のレーザ光が出力される。ここでは、光源１００を１つの光源と仮定したときに、光源１００から出力される光の中心軸を中心軸Ｏという。中心軸Ｏ上には、光学系１２、インテグレータ１３、第２の光学系１５、ミラー１６、２次元光空間変調器２および投影系３が配置されている。投影系３の出射側には、ステージ４に搭載された露光基板５が配置されている。
次に、各部について順に説明する。

始めに、光源部１００について説明する。
図２は、光源部１００の斜視図である。光源部１００は、半導体レーザアレー１１１と、ビーム成形手段１１と、から構成されている。半導体レーザアレー１１１には、波長が４０７ｎｍ（或いは３７５ｎｍ）の半導体レーザ（以下、「ＬＤ」という。）１１１１がｘｙ方向に等ピッチで複数配列されている。ＬＤ出射光の発散角は、図２の垂直方向は２２°水平方向は８°である。ビーム形成手段１１は、シリンドリカルレンズアレー１１２とシリンドリカルレンズアレー１１３とから構成されている。シリンドリカルレンズアレー１１２はシリンドリカルレンズ１１２１を垂直方向に配列したものである。シリンドリカルレンズ１１２１は焦点距離が短く（７ｍｍ）、２２°の発散角のビームを垂直方向にほぼ平行なビームにする。また、シリンドリカルレンズアレー１１３はシリンドリカルレンズ１１３１を水平方向に配列したものである。シリンドリカルレンズ１１３１は焦点距離が長く（２３ｍｍ）、８°の発散角のビームを水平方向にほぼ平行なビームにする。以上の構成であるから、多数のＬＤ１１１１から出射されたレーザ光は、主光線がほぼ互いに平行な平行ビーム（すなわち、指向性が高い）に形成される。

光学系１２は、例えば、集光レンズで構成されており、ビーム成形手段１１から出力されたＮ本のレーザ光の主光線をインテグレータ１３の入射面の中心に、かつ、各ＬＤから出たビームが、それぞれインテグレータ１３の外形になるようにしている（例えば、インテグレータ１３に外接する直径のビームにしている）。

次に、インテグレータ１３について説明する。
図３は、インテグレータ１３の入射面の平面図である。
インテグレータ１３はロッドレンズ１３１がｘ方向にＪ個、ｙ方向にＫ個、配列したものである。各ロッドレンズ１３１のｘ方向の寸法はｄｘ、ｙ方向の寸法はｄｙである。従ってインテグレータのｘ及びｙ方向の外形寸法Ｄｘ及びＤｙはそれぞれＪｄｘ及びＫｄｙである。
ロッドレンズ１３１の長さをＬ、屈折率をｎとするとロッドレンズ１３１の入射及び出射側の曲率Ｒは（ｎ―１）Ｌ／ｎである。このようなロッドレンズ１３１から構成されるインテグレータ１３の出射面１３Ａを出射する光はどのロッドレンズ１３１から出た光もその主光線は中心軸Ｏに平行になる。ロッドレンズ１３１から出た光のｘｙ方向の広がり角度（発散角）θｘ、θｙは式１，２で表される。
θｘ＝ｎｄｘ／２Ｌ ・・・式１
θｙ＝ｎｄｙ／２Ｌ ・・・式２
式１，２に示されているように、ロッドレンズ１３１出射光のｘｙ方向の発散角はロッドレンズ１３１の入出射端面の横と縦の長さに比例する。

次に、第２の光学系１５について説明する。
図１に示すように、第２の光学系１５は、球面レンズ１５１、１５６とシリンドリカルレンズ１５２〜１５５とから構成されてる。そして、球面レンズ１５１とｘ方向にパワーを有するシリンドリカルレンズ１５３と球面レンズ１５６により、ｘ方向の焦点距離はｆｘである。また、球面レンズ１５１とｙ方向にパワーのあるシリンドリカルレンズ１５２,１５４と１５５と球面レンズ１５６により、ｙ方向の焦点距離はｆｙである。

図４は、本発明に係る第２の光学系１５の前側焦点と後ろ側焦点の関係を示す図であり、（ａ）はｘ方向を、（ｂ）はｙ方向を、それぞれ示している。
同図（ａ）に示すように、ｘ方向の前側焦点にはインテグレータ１３の出射面１３Ａが、後ろ側焦点には２次元光空間変調器２の光変調面２１Ｂが配置される。また、同図（ｂ）に示すように、ｙ方向の前側焦点にはインテグレータ１３の出射面１３Ａが、後ろ側焦点には２次元光空間変調器２の光変調面２１Ｂが配置される。なお、図中のＰｆは前側主点の位置、Ｐｂは後ろ側主点の位置である。また、ＷＤは第２の光学系１５から２次元空間変調器２までの距離ＷＤである。同図に示されているように、焦点距離ｆｘは焦点距離ｆｙよりも長い。

インテグレータ１３を構成する各ロッドレンズ１３１から出射する光のｘ方向の発散角をθｘ、ｙ方向の発散角をθｙとすると、２次元空間変調器２の光変調面２１Ｂに照射する照明光の広がりＷｘ及びＷｙは式３，４で与えられる。
Ｗｘ＝ｆｘ・θｘ＝ｆｘ・ｎｄｘ／２Ｌ ・・・式３
Ｗｙ＝ｆｙ・θｙ＝ｆｙ・ｎｄｙ／２Ｌ ・・・式４
この照明領域Ｗｘ×Ｗｙを２次元空間変調器の表示領域Ｈｘ×Ｈｙにできるだけ近付けることにより光の利用効率を大きくすることができる。

次に、投影系３について説明する。
図５は、投影系３の中心軸Ｏ方向の構成図である。また、図６は、マイクロレンズアレーの構成図、図７はピンホールアレーの構成図であり、それぞれ、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。また、図８は、マイクロレンズアレー３３１とピンホールアレー３３２の関係を示す図である。
この実施形態における投影結像レンズ３は光軸方向に配置された第１の投影結像レンズ３１と、マイクロレンズユニット３３と、第２の投影結像レンズ３２と、から構成されている。マイクロレンズユニット３３は、スペーサ３３３を挟んで対向して配置されたマイクロレンズアレー３３１と、開口径がｗのピンホール３３２１が形成されたピンホールアレー３３２と、から構成されている。

２次元空間変調器２の光変調面２１Ｂで変調された光（各表示絵素）は、第１の投影結像レンズ３１によりマイクロレンズアレー３３１上の各マイクロレンズ３３１１上に結像され、ピンホール３３２１に集光する。なお、各マイクロレンズ３３１１の焦点距離は３００μｍで、この焦点位置にピンホール３３２１が開口している。各マイクロレンズ３３１１とピンホール３３２１を通過した光は第２の投影結像レンズ３２によりステージ４に搭載された露光基板５の感光層にピンホールの像として結像する。
次に、ｘｙ方向の照明指向性ＮＡσｘ及びＮＡσｙをほぼ等しくする必要があることを説明する。

図９は、マイクロレンズ３３１１に入射する光とピンホール３３２１の関係を示す図である。なお、図中Ｌｃは主光線の中心軸であり、Ｌｄは最外周の入射光の中心軸である。
上述したように、インテグレータ１３を出射した照明光はｘｙ方向の指向性ＮＡσｘ及びＮＡσｙで２次元空間変調器を照明する。いま、第１の投影結像レンズ３１の結像倍率をＭ１とすると、図９に示すマイクロレンズ３３１１に入射する主光線Ｌｃに対し、マイクロレンズに入射する光線の最外周の光線Ｌｄは主光線からΔθ傾いており、Δθのｘｙ方向の値Δθｘ、Δθｙは式５，６で与えられる。
Δθｘ＝ＮＡσｘ／Ｍ１ ・・・式５
Δθｙ＝ＮＡσｙ／Ｍ１ ・・・式６
この最外周の光線束はマイクロレンズ３３１１を通過後ピンホール３３２１の中心からΔｗ離れた位置に集光する。いま、Δｗのｘ成分をΔｗｘ、Δｗのｙ成分をΔｗｙとすると、マイクロレンズの焦点距離ｆＭＬに対して、Δｗｘ、Δｗｙは式７，８で表される。
Δｗｘ＝ｆＭＬΔθｘ＝ｆＭＬＮＡσｘ／Ｍ１ ・・・式７
Δｗｙ＝ｆＭＬΔθｙ＝ｆＭＬＮＡσｙ／Ｍ１ ・・・式８
この集光位置がピンホールの開口外に外れると、ピンホールから外れた光は露光に寄与しないため、光利用効率を低下させることになる。ピンホール３３２１は円であるので、最外周光束成分であるΔθｘ、Δθｙ傾いた光束がピンホール３３２１に入るためにはＮＡσｘ及びＮＡσｙが等しくなることが望ましい。

マイクロレンズアレー３３１及びピンホールアレー３３２を透過した光は第２の投影結像レンズ３２を透過後図１０に示すように、露光基板５上にピンホールアレー３３２の像を作る。ピンホールアレー像７のピッチに対するピンホール像７１の広がり（大きさ）は通常１／１０〜１／２になっている。したがって、ピンホールアレー７の配列方向にステージ４を走査すると、露光できない部分が生じる。そこで、図１０の矢印に示す方向にステージ４を走査することにより、走査方向とピンホールアレー像７の配列方向をΔφ傾ける。このようにすると、７１Ａと７１Ｂの像は走査により重なる（すなわち、基板上の同じ位置を重ねて露光する）ことになる。また、図示の場合、７１Ａと７１Ｂの間には１８ピッチ分の行が入るため、ピンホールアレー像の１ピッチ分間隔Ｐiの１／１８ピッチ、即ちＰi／１８の分解能で露光することが可能になる。このようにもともとの２次元空間変調器２の開口の像に比べて小さなピンホール像を結像しているため、解像度が高くなるだけでなく、このピンホールピッチの１／１８の分解能で露光できることになる。

なお、分解能は小さすぎても実効的に効果が無いし、大きすぎるとパタンが斜めになったときパターンエッジがギザギザになり、滑らかさが無くなる。従って分解能をピンホールアレー像の１ピッチ分間隔Ｐiの１／６０〜１／７（Δφ＝０．５°〜８°）にすることが望ましい。

次に、インテグレータ１３と、ロッドレンズ１３１と、照射領域Ｈｘ×Ｈｙの関係について説明する。
上記したように、インテグレータのｘ、ｙ方向の寸法はＤｘ及びＤｙである。また、ロッドレンズ１３１のｘ、ｙ方向の寸法はｄｘ及びｄｙ、ロッドレンズ１３１から出た光のｘｙ方向の広がり角度（発散角）はθｘ、θｙである。また、第２の光学系の焦点距離はｆｘ、ｆｙであり、２次元空間変調器の光変調面のｘ、ｙ方向の寸法はＨｘ及びＨｙである。

いま、２次元空間変調器を照明する（第２の光学系を出射した）光のｘ、ｙ方向の指向性をＮＡσｘ及びＮＡσｙとすると、ＮＡσｘ及びＮＡσｙは式９，１０で表される。
ＮＡσｘ＝Ｄｘ／２ｆｘ ・・・式９
ＮＡσｙ＝Ｄｙ／２ｆｙ ・・・式１０
ここで、ｘ、ｙ方向の指向性を同一（ＮＡσｘ＝ＮＡσｙ）にするためには、式９，１０から式１１を満足させる必要がある。
Ｄｘ／Ｄｙ＝Ｊ・ｄｘ／（Ｋ・ｄｙ）＝ｆｘ／ｆｙ
・・・式１１
また、ロッドレンズ１３１の発散角がθｘ、θｙである場合、２次元空間変調器２の光変調面２１Ｂに照射する照明光の広がりＷｘ及びＷｙは式１２，１３で与えられる。
Ｗｘ＝ｆｘ・θｘ＝ｆｘ・ｎｄｘ／２Ｌ
・・・式１２
Ｗｙ＝ｆｙ・θｙ＝ｆｙ・ｎｄｙ／２Ｌ
・・・式１３
式１２、１３から、Ｗｘ＝Ｈｘ、Ｗｙ＝Ｈｙとし、Ｈｘ／Ｈｙを決め、
（１）θｘ／θｙを決めると、式１２、１３からｆｘ／ｆｙが定まり、
（２）ｆｘ／ｆｙが定まると、式１１からＤｘ／Ｄｙ＝Ｊ・ｄｘ／（Ｋ・ｄｙ）を定めることができる。

次に、具体例として、例えば、Ｈｘ／Ｈｙ＝２．５とする場合について説明する。
いま、θｘ：θｙ＝１．６：１とすると、式１２、１３から、ｆｘ／ｆｙ＝１．６となる。ｆｘ／ｆｙ＝１．６を式１１に代入すると、Ｄｘ／Ｄｙ＝１．６になる。
Ｄｘ／Ｄｙ＝θｘ／θｙ＝１．６であるから、ロッドレンズ１３１ｘ、ｙ方向に同数積み重ねたインテグレータにすればよい。
すなわち、ｆｘ：ｆｙ＝１．６：１の第２の光学系１５であれば、Ｄｘ：Ｄｙ＝１．６：１のインテグレータ１３であっても、２次元光空間変調器の光変調面２１Ｂを２．５：１にすることができる。また、１個のロッドレンズのｄｘ：ｄｙを１．６：１という１に近い形状にすることができる。
換言すると、第２の光学系のｘｙ方向の焦点距離をｆｘ：ｆｙ＝１．６：１にすることにより、ロッドレンズ１３１の開口比Ｋｒが１．６：１であっても、光変調面２１Ｂの開口比Ｋｈを２．５：１にすることができる。

なお、実際の装置では、この値に限られることはなく、各関係に±２５％程度の範囲を設けることができる。すなわち、例えば、ＮＡσｘ／ＮＡσｙを０．７５〜１．２５にすることができる。このようにすると、例えば、Ｈｘ／Ｈｙを３．５以上にすることが可能であることを確認した。

以上説明したように、本発明に依れば、光源を出射した光を効率よく開口比が大きい２次元空間変調器にむらなく一様に照明することができるので、露光速度を速くすることができる。

なお、上記実施例では光源として半導体レーザ（ＬＤ）を用いたが、ＬＤに代えて、半導体レーザ以外のレーザ、水銀ランプ、比較的指向性を高めた発光ダイオード等を用いてもよい。

また、第２の光学系におけるシリンドリカルレンズは、ｘ方向またはｙ方向にパワーを有するシリンドリカルレンズを１つだけ用いるようにしてもよいし、ｘｙ方向で異なるパワーを有するトロイダルレンズを用いてもよい。

また、上記実施例で説明した照明装置はマスクレス露光に限らず、正方形から外れた横長の照明領域を一様に効率よく照明しようとする場合に広く適用できる。例えばパターン検査装置でステージを高速で走査しながら走査方向と直角な方向に広い範囲で検出しようとする場合にも適用できる。

本発明に係る露光装置の構成図である。 本発明に係る光源部の斜視図である。 インテグレータの入射面の平面図である。 本発明に係る第２の光学系の前側焦点と後ろ側焦点の関係を示す図である。 投影系の中心軸Ｏ方向の構成図である。 マイクロレンズアレーの構成図である。 ピンホールアレーの構成図である。 マイクロレンズアレーとピンホールアレーの関係を示す図である。 マイクロレンズに入射する光とピンホールの関係を示す図である。 露光基板上に形成されるピンホールアレーの像を示す図である。 ２次元空間変調器の平面図である。

符号の説明

１３ インテグレータ
１５ 第２の光学系
２１ ２次元空間変調器
１３ インテグレータ
１３１ ロッドレンズ
ｆｘ 第２の光学系１５のｘ方向の焦点距離
ｆｙ 第２の光学系１５のｙ方向の焦点距離
Ｈｘ ２次元空間変調器の照射領域のｘ方向の幅
Ｈｙ ２次元空間変調器の照射領域のｙ方向の幅

Claims (1)

1. 露光光源と該露光光源より出射した光を指向性の高い光ビームに形成するビーム形成手段と、
   上記指向性の高いビームをインテグレータに導く第１の光学系と、
   ｘ、ｙ方向の寸法がそれぞれｄｘ、ｄｙ、発散角がそれぞれθｘ、θｙで、長さがＬ、屈折率がｎのロッドレンズをｘ方向にＪ個、ｙ方向にＫ個配列したインテグレータと、
   光変調面のｘ、ｙ方向の寸法がＨｘ、Ｈｙである2次元空間変調器と、
   ｘ、ｙ方向の焦点距離がｆｘ、ｆｙであり、該インテグレータ出射光を該２次元空間変調器の横がＷｘ、縦がＷｙの領域に照射せしめる第２の光学系と、
   マイクロレンズアレーとピンホールアレーから構成されるマイクロレンズユニットを備え、該２次元空間変調器を反射もしくは透過した光を投影光学系により露光基板上に投影露光する投影光学系と、
   露光基板を搭載し、少なくとも１方向に走査するステージとからなる基板露光装置であって、
   Ｗｘ＝Ｈｘ、Ｗｙ＝Ｈｙとし、Ｗｘ、Ｗｙ、ｄｘ、ｄｙ、Ｊ、Ｋ、ｆｘ、ｆｙの間に式１１、１２、１３を満たす関係を有すること、
   を特徴とする基板露光装置。
   Ｊ・ｄｘ／（Ｋ・ｄｙ）＝ｆｘ／ｆｙ ・・・式１１
   Ｗｘ＝ｆｘ・θｘ＝ｆｘ・ｎｄｘ／２Ｌ ・・・式１２
   Ｗｙ＝ｆｙ・θｙ＝ｆｙ・ｎｄｙ／２Ｌ ・・・式１３
   

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