JP5100636B2 - 光応答性基板上へのマスクレスパターン転写のためのリソグラフィ方法 - Google Patents

光応答性基板上へのマスクレスパターン転写のためのリソグラフィ方法 Download PDF

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Description

関連出願
本出願は、パリ条約に基づき、先行出願である2005年5月2日出願の米国特許仮出願60/677019(これに基づいて本出願は国際PCT特許出願となる)の利益を主張する。
発明の分野
本発明は、放射線結像ならびにそのための装置およびプロセスの分野に関する。より詳細には、本発明は、放射線が化学反応を起こす受光部で機能付き構造の画像を形成することに関し、さらにより詳細には、空間光変調器(SLM)を使用する光応答性基板の上へのパターンのマスクレス転写に関する。
発明の背景
マイクロ電子工学装置の製造では、フォトリソグラフィ方法を使用してパターンを光応答性基板の上に転写し、集積回路を製造する。マスクレスフォトリソグラフィのパターン転写に適切な装置は、例えばTexas Instrumentsの「デジタルミラーデバイス」(DMD)である。DMDは、約100万の個別に調節可能なミラー素子を有するマイクロミラーアレイを備える。ミラーアレイのミラー素子を傾けると、放射および非放射のミラー素子のパターンが生成され、このパターンは投影光学機器または放射線トラップ手段を使用して光応答性基板上に結像される。コンピュータ制御下では、様々なパターンが製造可能であり、基板にマスクレスフォトリソグラフィを使用して転写可能である。1対1の再生率で、約10×14mmの基板表面が露光される。
マスクレスリソグラフィ転写についてのDMDの使用における最先端技術では、より大きい基板表面を露光するために2つの原則法、(1)静的なステップアンドリピート法、および(2)スクロール法を使用する。ステップアンドリピート法(1)では、基板全体の画像情報が約10×14mmの部分的領域に分割され、この領域は正確なエッジで基板上に照明光学機器を用いて連続して転写される。連続的なスクロール法(2)は、ミラー素子による基板表面素子(画素)の露光として述べることができる。ミラー素子および基板表面素子は、厳密に制御された速度で互いに対して相対的に移動する。
フォトリソグラフィを使用して製造した基板で表面素子がミラー素子と同じ長さ(1対1の倍率で)を有するためには、相対的移動が有してよい長さは正確にミラー素子1つ分の長さのみである。この条件は、最後の画像がミラー素子上のパターンとしてまだ維持されている一方で、新しい画像情報を読み込むことができるというミラーアレイの特性によって実現される。このため、ミラー素子1つ分で形成(set back)されたパターンが読み込まれ、ミラーアレイと基板とが互いに対してミラー素子1つ分の長さだけ相対的に移動した後に交代される場合、ミラーパターンが基板に対して配置されているように見えるスクロール法が行われる。しかし、各エッジで画素幅の不鮮明な状態が発生する。
両方の方法は欠点を有する。ステップアンドリピート法を使用すると、何千回ものミクロン精度の配置が実行されなければならず、より複雑な機構および長い待ち時間をもたらすことになる。スクロール法は均一の送り動作を実現するが、「スミアな(smeared)」エッジ遷移という欠点を伴い、また走査速度がミラースイッチング頻度によって制限され、例えば結像比1対1で約135mm/秒となる。記載したスクロール法は、厳密に制御された速度をさらに要し、したがって、安価な歯付ベルトドライブは使用できない。露光の間に基板の上での加速および減速は不可能である。
当技術分野の最新技術は主に米国特許第5672464号および米国特許出願2005/0041229A、2002/0012110A1、および2005/0046819A1によって定義され、その内容は参照により本明細書に組み込まれ、依拠される。
発明の概要
本発明は「サブピクセルスクロール法」であり、この方法はDMDと投影光学機器の間の追加の45度ミラーを使用して、それぞれ1個分のサブピクセルサイズで投影軸に対するミラー素子の位置を光学的にシフトする。好適な実施形態では、45度ミラーは、制御可能なアクチュエータによってミラー素子の幅の4分の1だけシフトされる。この位置変位の大きさおよび時点は、(標準的なスクロール法と同様に)ミラー素子が基板表面素子に対して配置して見えるような形で走査スレッドの位置インジケータ信号によって同期化される。標準的なスクロール法を使用するのと異なるのはリセットであり、しかしこれは10kHzのDMDスイッチング速度に束縛されてはいない。そのより高い解像度のために、本発明はエッジ遷移での不鮮明さを低減し、より高い走査速度を可能にし、これによって走査速度はアクチュエータの動作、UV光源の効果的なUVパワー、および光応答性ポリマーの感度によって変えられるようになる。本発明のさらに好都合な機能は、ミラー素子のサイズによって与えられた解像度より高い解像度でのパターン転写が可能であることである。X(走査方向)およびY(走査方向に垂直)での解像度の向上のために、XおよびYで機能する2つのミラーアクチュエータが必要である。
発明の詳細説明
ここで図面を参照して、本発明の好適な実施形態の詳細を図を使用し、概略的に示す。図面の同様の要素は同じ番号によって表され、任意の同様の要素は、異なる小文字の添え字を伴う同じ番号によって表される。
ここで図1を参照して、本発明が開示するサブピクセルスクロール法を実行するマスクレスリソグラフィシステムを示す。このリソグラフィシステムは、UV放射光源103、UV集光器104、空間光変調器(SLM)101、(この実施形態では、SLMはデジタルミラーデバイス(DMD)であり、例えばTexas InstrumentsのDiscovery1100(商標)を参照のこと)、UV投影レンズシステム105、および45度ミラーアクチュエータ102を含む。SLM101によって反射された光束は、45度ミラーアクチュエータ102によって制御される投影軸208に沿って光学的にシフトされる。加えて、図1はデジタル信号処理システム(DSP)およびプログラム自在ロジックアレイ(FPLA)の制御システム111を示し、この制御システムはリソグラフィシステムのすべての機能を制御する。コンピュータシステム(PC)114で、画素パターンのレイアウトデータが準備される。
好適な基板の形式600×500mmおよび一画素につき12.7ミクロンの好適な解像度について、準備されたデータのサイズは約275メガバイトである。この量のデータが、高速通信手段112を経由してRAM113へ転送される。投影光学機器105から基板110までの正確な距離dは、DSP/FPLA111の距離基板投影機能106によって測定され、一定に調整される。露光の開始前に、新しい基板110のそれぞれは、ミクロン精度で測定され、DSP/FPLA111の基板位置合わせ機能107によって走査スレッド108の走査方向に位置合わせされる。リニア測定システム109は、SLM101のすべてのスイッチング処理のミクロン精度の同期化、およびミラーアクチュエータ102によって反射されたUV光束200の光学的変位のために、トリガー信号を供給する。
位置インジケータ信号のみによるすべてのスイッチング処理の同期化により、パターンのミクロン精度でのリソグラフィを使用した転写は、基板に対する投影光学機器の速度に無関係となる。走査方向の反転の箇所近くでの低速で、UVエネルギーはミラー素子201のオンオフ関係の変更によって制御される。
図2aから図2fは、3つのミラー素子による基板表面素子の露光を伴う本発明のサブピクセルスクロール法のプロセスを示す。この例では、45度ミラーアクチュエータによる補正の各ステップは、0.5画素分(6.35ミクロン)に相当する。図に例示された実施形態では、45度ミラーアクチュエータは合計2画素分の補正能力を有する。すなわち、それぞれ0.5画素分の補正のステップ4つの後で、45度ミラーアクチュエータはゼロ値に戻される(リセットされる)必要がある。しかし、任意の数の補正ステップが、適切なプロセス制御およびアクチュエータミラー102のスケーリングにより、本発明において実施されてよい。サブピクセルスクロール法は図2aから図2fを用いて述べる。
図2aは、3つのミラー素子201を備える例示のSLM101を示す。オン位置のミラー素子201a(斜線部)は、UV光線束200を、45度ミラーアクチュエータ202を介し、投影光学機器205を経由して、関連する基板表面素子210上に反射する。図2aは、露光プロセスの開始ステップを示す。45度ミラーアクチュエータ202が開始位置にある状態で、基板210および投影光学機器205は互いに対して移動する。進んだ経路はリニア位置インジケータ209で、ミクロン精度で測定される。0.5×画素長=6.35ミクロンの経路の部分が残される場合、補正信号がFPLA/DSP制御システム111によって45度ミラーアクチュエータ202に与えられる。45度ミラーアクチュエータ202の移動は、基板210と投影光学機器205の間のサイクル2aに累積されるシフトを補償する。0.5画素分の相対的な移動の間、基板表面素子の表面には、約0.5画素分のスミアが発生した。
図2bは、補正の第1ステップ後の状態を示しており、ミラーアクチュエータ202は2分の1画素分だけミラー素子201aのUV光線束200をシフトしてある。光線束200は、図2aに示したプロセスの開始のステップのように基板210の同じ位置に入射する。
図2cは補正の第2ステップ後の状態を示しており、プロセスは図2aおよび図2bに示したプロセスと同様であり、光線束200はプロセスの開始のステップのように基板210の同じ位置に入射する。
図2dは補正のn番目のステップ後の状態を示しており、そのプロセスは図2a、図2b、および図2cに示すプロセスと同様であった。補正の追加のステップは、好適なプロセス制御およびアクチュエータミラー102のスケーリングにより、行うことが可能である。
しかし、この例では、ミラーアクチュエータ202aは、合計2.0画素分のみの補正能力を有する。最大4つの補正ステップ(図2dのn番目の補正ステップ)を実行した後、ミラーアクチュエータをゼロ位置に戻さなければならない。図2eは、このゼロリセット段階の順序を述べる。補正のn番目のステップの終了後、すべてのミラー素子201は、DMDのクリア機能によってスイッチオフされる。ミラー素子201aをスイッチオフした後、ミラーアクチュエータ202は基板の迷光露光なしにゼロのところまで動かすことができる。同時に、次のミラー素子パターン(例えば図2fのパターン)がSLM101のロジック領域内で準備される。
図2fで、ミラーアクチュエータ202がゼロ位置に到達した後、リニア測定システム109は、2画素長(25.4ミクロン)後に2fのミラー素子パターンの交代をエッジに関して正確に引き起こす。次いで基板画素210についての露光の手順それ自体が繰り返される。
図2aから図2fによる説明によって以下のことが示される:
サブピクセルスクロール法が、基板110の基板表面素子210を露光する一方で、露光光学機器および基板は互いに対して移動する。基板表面素子のエッジの不鮮明度は、基板表面素子ごとの補正ステップの回数によって変わり、したがって基板表面素子幅の10分の1(1/20mil)の量になり得る。
露光システムの速度は、既知のスクロール法のように、スイッチ頻度×基板表面素子幅に限定されない。最高走査速度および、したがって全基板についての露光時間は、ミラーアクチュエータの補正能力、DMD中の新しいパターンの読み込みに関するスイッチ時間、レジスト感度、および基板に対する有効UVパワーによって変わる。
図3は、サブピクセルスクロール法のさらに有利な機能、すなわちX/Yの偏向能力を有するミラーアクチュエータの使用による画素パターンの解像度の向上を示す。基板表面素子2つ分よりも大きく、0.5×基板表面素子幅のラスタにあるエッジを有する基板表面301が露光されることになる。既知のマスクレスリソグラフィ手順について、解像度はミラー素子のサイズによって固定され、したがって、最小のラスタは、1×基板表面素子幅である。
図3aは、基板表面301およびミラー素子302を示しており、後者は、ゼロ位置で偏向ミラーで基板表面素子303を露光し、X/Yに偏向された偏向ミラーで基板表面素子304を露光する。
図3bでは、画素の処理についてのプログラムは、表面基板301を基板表面素子303で可能な限り露光するミラーパターンを生成する。
図3cでは、基板表面の露光されていない部分の表面について、この表面を基板表面素子304で可能な限り露光するミラーパターンが次いでプログラムによって生成される。角部では、0.5×基板表面素子幅のエッジ長の表面正方形部分が露光されないまま残ることができる。
図3dは、図3bおよび図3cに例示した露光後の基板表面の露光エネルギーの分布を示す。
不必要な走査経路を避けるために、図3bおよび図3cに例示したプロセスステップは、基板表面の露光の間、図2のサイクルを実行した後に交互に行われるべきである。この方法のより高い解像度は、露光時間を倍にすることにより得られる。さらなる分割ステップおよび露光経路を導入することにより、解像度は潜在的に任意に向上できる。
複数の変更および修正形態が、本明細書に記載された本発明の実施形態では可能である。本発明の特定の例示の実施形態が本明細書では示され記載されているが、幅広い範囲での修正、変更および代替が前述の開示では意図される。いくつかの例では、本発明のいくつかの機能を、他の機能に対応して使用することなく使用することができる。したがって、前述の記述は、説明および例示のみの目的で与えられ、本発明の精神および範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるとして、広く解釈され理解されることが適切である。
本発明によって開示されるサブピクセルスクロール法を実行するマスクレスフォトリソグラフィシステムの概略図である。 3つのミラー素子による基板表面素子の露光を伴うサブピクセルスクロール法の順序の図であり、3つのミラー素子を備える空間光変調器を示す図である。 3つのミラー素子による基板表面素子の露光を伴うサブピクセルスクロール法の順序の図であり、補正の第1ステップ後の状態を示す図である。ミラーアクチュエータ202が、2分の1画素分だけミラー素子201aのUV光線束200をシフトしてある。しかし、UV光線束200は図2aのように基板表面素子210に対して同じ位置を有する。 3つのミラー素子による基板表面素子の露光を伴うサブピクセルスクロール法の順序の図であり、補正の第2ステップ後の状態を示す図である。順序は図2aおよび図2bの順序と同様とした。 3つのミラー素子による基板表面素子の露光を伴うサブピクセルスクロール法の順序の図であり、補正の第3ステップ後の状態を示す図である。順序は図2a、図2b、および図2cの順序と同様とした。 3つのミラー素子による基板表面素子の露光を伴うサブピクセルスクロール法の順序の図であり、順序のリセットステップ(ゼロリセット段階)を示す図である 3つのミラー素子による基板表面素子の露光を伴うサブピクセルスクロール法の順序の図であり、ミラー素子パターンを示す図である。 図3a〜図3dは、解像度の改良についての方法を示す図であり、これは、サブピクセルスクロール法のさらに好都合な機能であり、X/Yでの偏向能力を備えるミラーアクチュエータの使用による画素パターンの解像度の向上である。図3aは、基板表面301およびミラー素子302を示しており、後者は、ゼロ位置の偏向ミラーで基板表面素子303を露光し、X/Yで偏向された偏向ミラーで基板表面素子304を露光する。 画素の処理についてのプログラムが301を基板表面素子303で可能な限り露光するミラーパターンを形成する基板表面の図である。 基板表面の露光されていない部分的な表面について、この表面を基板表面素子304で可能な限り露光するミラーパターンが次いでプログラムによって形成される、さらに別の基板表面の図である。 露光3bおよび3cの後の基板表面の露光の分布の図である。

Claims (18)

  1. 光応答性基板上へパターンをマスクレス転写するためのリソグラフィ方法であって、
    偏向ミラーおよび投影光学機器を用いてデジタルミラーアレイの少なくとも1つのミラー素子の放射表面を前記基板上に結像するステップであって、前記偏向ミラーが走査方向に移動可能であるステップと、
    前記少なくとも1つのミラー素子、投影光学機器、および前記偏向ミラーによって露光される基板表面素子を、前記少なくとも1つのミラー素子、前記投影光学機器および前記基板表面素子の位置が変更されるように、前記基板に対して移動させるステップと、
    測定システムにより、その位置変更を連続して測定するステップと、
    規定された位置変更を到達した後にトリガー信号を生成するステップと、
    光線経路における前記偏向ミラーの位置を変更することにより、前記露光された基板表面素子を基板開始位置にリセットするステップであって、前記リセット動作が前記トリガー信号によって引き起こされるステップと、
    前記偏向ミラーのリセット能力が尽きるまで前記手順を繰り返すステップと、
    前記デジタルミラーアレイの全てのミラー素子をスイッチオフするステップであって、前記スイッチオフが前記基板表面素子の露光を妨げるステップと、
    前記偏向ミラーをミラー開始位置にリセットするステップと、
    前記基板表面素子の前記露光の継続の為に前記走査方向に前記ミラー素子を準備するステップと、
    前記準備されたミラー素子と前記基板表面素子の間で目標位置を測定し、所望の目標に到達するときに第2のトリガー信号を生成するステップと、
    前記トリガー信号及び前記露光の継続によって、前記準備されたミラー素子をスイッチオンするステップと
    を含む、リソグラフィ方法。
  2. 前記光線経路における前記偏向ミラーの前記位置がピエゾアクチュエータによって変更される、請求項1に記載のリソグラフィ方法。
  3. 前記露光された基板表面素子を前記走査方向に垂直にシフトするステップをさらに含む、請求項1に記載のリソグラフィ方法。
  4. 前記露光した基板表面素子の前記シフトが、前記走査方向に垂直な前記光線経路における前記偏向ミラーの前記位置を変更することによって行われる、請求項3に記載のリソグラフィ方法。
  5. この変更がピエゾアクチュエータによって行われる、請求項4に記載のリソグラフィ方法。
  6. 前記走査方向における、前記走査方向に対しては垂直な前記基板表面素子のシフトが、前記基板表面素子の一辺の長さの1/2をファクタとする、請求項1に記載のリソグラフィ方法。
  7. 前記ファクタが任意の値を有する、請求項6に記載のリソグラフィ方法。
  8. 新たな基板表面が露光され、前記新たな基板表面は基板表面素子2つ分より大きい、請求項7に記載のリソグラフィ方法。
  9. 前記新たな基板表面のエッジが、前記基板表面素子の一辺の長さの1/2をファクタとするグリッド上にある、請求項8に記載のリソグラフィ方法。
  10. 第1の露光サイクル中、前記基板表面素子が前記ミラー素子によって前記新たな基板表面内で露光され、その前記基板上への投影が、前記走査方向にも前記走査方向に垂直にも変位されない前記偏向ミラーによって行われる、請求項9に記載のリソグラフィ方法。
  11. 第2の露光サイクル中、前記新たな基板表面のまだ露光されていない部分が、基板表面素子を露光する前記ミラー素子によって露光され、その基板表面素子の位置が、前記基板表面素子の辺の長さに1/2を乗じた積のファクタだけそれぞれの場合に前記走査方向にあり前記走査方向に対しては垂直な前記偏向ミラーの偏向によってシフトされる、請求項10に記載のリソグラフィ方法。
  12. 請求項10および11に記載の前記基板表面素子の前記露光部分が、前記偏向ミラーの各リセット後に変えられる、請求項11に記載のリソグラフィ方法。
  13. 光応答性基板上へ画素パターンをマスクレス転写するためのフォトリソグラフィ方法を実行するための装置であって、
    デジタル信号プロセッサ、ロジックアレイおよびランダムアクセスメモリと通信するコンピュータシステムであって、前記光応答性基板上へ転写されるように画素パターンのレイアウトデータを処理および通信するように構成された前記コンピュータシステムと、
    前記コンピュータシステム、前記ランダムアクセスメモリと通信し、および空間光変調器、走査スレッドおよびリニア測定システムと通信する前記デジタル信号プロセッサおよびプログラム自在ロジックアレイであって、投影レンズシステムの投影光学機器から前記光応答性基板までの正確な距離を測定し前記距離を調整するように配置される投影基板距離測定手段と協働し、前記走査スレッドの走査方向に沿って露光されるように各基板を正確に測定し位置合わせするように配置される基板位置合わせ手段と協働する、前記信号プロセッサおよびロジックアレイと、
    紫外光源の集光器から45度ミラーアクチュエータに向けて、紫外光線束の方向を変える前記空間光変調器と、
    前記信号プロセッサおよびロジックアレイの制御下で、適切な投影軸経路に沿って、前記UV光線束を前記投影レンズシステムを介して、前記光応答性基板上に光学的にシフトするように配置される前記45度ミラーアクチュエータと、
    前記光応答性基板がその上に実装され、前記紫外光線束の前記投影軸経路に配置される移動可能なスレッドであって、前記スレッドの上に実装される前記光応答性基板が、前記投影光学機器に対する前記基板の配置および移動速度が前記信号プロセッサおよびロジックアレイと通信する、投影基板距離手段、基板位置合わせ手段およびリニア測定システム手段への信号およびそれらからの信号によって決定される状態で、前記信号プロセッサおよびロジックアレイの制御下で前記投影レンズシステムの前記投影光学機器に対して移動可能である、前記移動可能な走査スレッドと
    を備える、リソグラフィ方法を実行するための装置。
  14. 前記空間光変調器が、デジタルミラーデバイスを備え、デジタルミラーアレイを有する、請求項13に記載のリソグラフィ方法を実行するための装置。
  15. 前記光応答性基板上への画素パターンのマスクレス転写を実行するためのフォトリソグラフィ方法であって、この方法は請求項13に記載の前記リソグラフィ方法を実行するための装置上で実行され、
    偏向ミラーおよび投影光学機器を用いてデジタルミラーアレイの少なくとも1つのミラー素子の放射表面を前記基板上に結像するステップであって、前記偏向ミラーが走査方向に移動可能であるステップと、
    前記少なくとも1つのミラー素子、結像光学機器、および前記ミラー素子によって露光される基板表面素子を、前記少なくとも1つのミラー素子、前記結像光学機器および前記基板表面素子の位置が変更されるように、前記基板に対して移動させるステップと、
    測定システムによりその位置変更を連続して測定するステップと、
    規定された位置変更を達した後にトリガー信号を生成するステップと、
    光線経路における前記偏向ミラーの位置を変更することにより、前記露光された基板表面素子を基板開始位置にリセットするステップであって、前記リセット動作が前記トリガー信号によって引き起こされるステップと、
    前記偏向ミラーのリセット能力が尽きるまで前記手順を繰り返すステップと、
    前記デジタルミラーアレイのすべてのミラー素子をスイッチオフするステップであって、前記スイッチオフが前記基板表面素子の露光を妨げるステップと、
    前記偏向ミラーをミラー開始位置にリセットするステップと、
    前記基板表面素子の露光の間に前記走査方向に前記ミラー素子を準備するステップと、
    前記準備されたミラー素子と前記基板表面素子の間で目標位置を測定し、所望の目標に到達するときにトリガー信号を生成するステップと、
    露光の間に前記トリガー信号によって、前記準備されたミラー素子をスイッチオンするステップと
    を含み、これらのステップの組合せが前記光応答性基板上への前記パターンの前記マスクレス転写を可能にする、フォトリソグラフィ方法。
  16. 光応答性基板上へパターンをマスクレス転写する装置であって、
    所定の角度に反射ミラーを配置するためのミラーアクチュエータと、
    複数のミラー素子の第1のミラー素子が、前記反射ミラー上およびさらに前記光応答性基板の所定の位置上へUV光線束を反射する前記複数のミラー素子と、
    前記反射ミラーと前記光応答性基板の間に配置され、前記UV光線束が通過する投影光学機器と
    を備える装置であって、
    前記ミラーアクチュエータおよび前記光応答性基板が同時に移動され、前記ミラーアクチュエータがサブピクセルの量だけ前記複数のミラー素子に対して前記反射ミラーを移動させ、前記光応答性基板は、前記UV光線束が前記所定の位置で受光されるように移動する、装置。
  17. 前記サブピクセル量が2分の1画素である、請求項16に記載の装置。
  18. 前記サブピクセルの量だけ前記光応答性基板を移動するための手段をさらに備える、請求項16に記載の装置。
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