JP5403933B2 - 露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、パターンマスクを使用することなく空間的光変調器（Digital Micromirror
Device−以下、「ＤＭＤ」という。）を用いてプリント基板、半導体、液晶表面の感光性
ドライフィルムまたは液状レジスト等の露光対象物（以下、「基板」という。）に紫外光
等の光により電気回路等を露光（描画）するマスクレス露光装置に関する。

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
マディスプレイ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、ＤＭＤ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。

図３は、従来の露光装置の構成図である。

複数のＬＤからなる光源系１１の中心光の光軸Ｏ上には、第１の集光レンズ１２、ガラス円板１３、インテグレータ１４、第２の集光レンズ１５、ミラー１６及びＤＭＤ３が配置されている。ＤＭＤ３の図示を省略するミラーＭの反射側にはレンズ８１、８２から構成される拡大投影系８０、マイクロレンズアレイ９１、ピンホールアレイ９２及びレンズ１０１と１０２とから構成される結像光学系１００が配置されている。そして、拡大投影系８０、マイクロレンズアレイ９１、ピンホールアレイ９２及び結像光学系１００により投影結像レンズ３０を構成している。

テーブル７は直線案内装置２０によりベース２１上を直交する２軸方向に移動自在である。テーブル７には図示を省略するリニアスケールが取り付けられている。基板６はテーブル７に設けられた図示を省略する吸着穴により真空吸着されて、テーブル７上に固定されている。

次に、各構成要素について説明する。

光源系１１には、青（紫）色のレーザダイオード（以下、「ＬＤ」という。）が２次元状に配列されている。ＬＤの配置領域はＤＭＤ３のミラーＭの配置領域とほぼ相似形である。個々のＬＤは４０５ｎｍの波長の光を６０ｍＷ程度の出力で出射する。第１の集光レンズ１２の前側焦点はＬＤの虚像位置、後側焦点はインテグレータ１４の入射端である。ガラス円板１３は透明なガラスで形成され、表面には数μｍの凹凸がｍｍ単位の周期で円周方向に形成されている。ガラス円板１３は光源系１１の中心軸である光軸Ｏと交差するように配置され、光軸Ｏに平行な軸線の回りに回転する。モータ３１はガラス円板１３を回転させる。

インテグレータ１４は、断面が方形で長さＬの複数のロッドレンズを光軸Ｏと直角な２方向に積層したものであり、各ロッドレンズの入射側及び出射側の端面はそれぞれ曲率半径がＲの球凸面である。ロッドレンズを構成するガラスの屈折率をｎとすると、ロッドレンズ１３１の長さＬは
Ｌ＝ｎＲ／（ｎ−１）
に定められている。

前端面（光が入射する面）が第１の集光レンズ１２の後側焦点面に位置決めされたインテグレータ１４の後端面（光が出射する面）は、集光レンズ１５の前側焦点に位置決めされている。

また、インテグレータ１４の後端面（出射位置）は、集光レンズ１５を介して投影結像レンズ３０の入射瞳と結像関係にある。すなわち、インテグレータ１４の後端面は集光レンズ１４の前側焦点であり、集光レンズ１４の後側焦点は投影結像レンズ３０の前側焦点の位置に位置決めされている。

ＤＭＤ３には反射面の１辺が１３μｍである正方形の微小なミラーＭが横方向にｍ個、縦方向にｎ列（例えば、１０２４×７６８個）配列されている。隣接するミラーＭ間には１μｍの隙間が設けられている。それぞれのミラーＭは、対角線方向の１対の端部を支点とし、他方の端部が１０度程度回転可能である。ＤＭＤ３の各ミラーＭは個別にオンオフ制御（回転制御）される。そして、ミラーＭがオンの場合、ミラーＭに入射した光は拡大投影系８０に向けて反射され、オフの場合は拡大投影系８０から離れた位置に入射する。なお、市販されているＤＭＤ３は、ミラーＭが直交方向に整列されて配列されているので、通常、ＤＭＤ３をＹ方向に傾けて配置する。

次に、従来の露光装置の動作を説明する。

光源系１１のＬＤから出力された光はそれぞれの光軸が光軸Ｏと平行、広がり角１度程度で広がりながら第１の集光レンズ１２に入射し、ほぼ平行ビームになって第１の集光レンズ１２から出射する。そして、ほぼ平行ビームの状態でガラス円板１３を透過してインテグレータ１４の前面の中心に一致する位置にほぼ平行光で入射する。ガラス円板１３が回転している場合、露光時間内における各平行ビームの位相が２π以上変えられる。このため、干渉性が高い（スペクトル幅が狭い）ＬＤからの出力光であっても、光束間で生じる干渉縞の位置が高速に変化し、露光時間内で平均化されてその存在がほとんど目立たなくなる。なお、ガラス円板１３が回転している場合の各平行ビームの光路の傾きは実用上無視できる程度である。

インテグレータ１４のロッドレンズに入射したビームは入射面の球凸レンズの効果により、出射端面に絞り込まれる。すなわち、ロッドレンズの出射側の端面には、光源系１１を構成する総てのＬＤがＬＤの配置に合わせて絞り込まれる（結像される）。ロッドレンズの出射端面から出射するビームは出射面の球凸レンズの効果により、入射光の入射角に依存せず、総て光軸（ロッドレンズの軸に平行）に平行な主光線を持つ出射光となる。

そして、インテグレータ１４から出射した出射光は第２の集光レンズ１５に入射し、ほぼ平行ビームになって集光レンズ１５から出射し、ほぼ平行ビームの状態でＤＭＤ３に入射する。すなわち、インテグレータ１４を構成する各ロッドレンズから出射するどの光もＤＭＤ３の表示領域全体を照明する。

ＤＭＤ３の各ミラーＭで反射された光は、拡大光学系８０で拡大され（ここでは３倍）、それぞれ位置が対応するマイクロレンズ９１ａ上に結像する。そして、マイクロレンズ９１ａで集光された光は光軸Ｏ上のピンホールＰが配置された位置に円形に結像する。ピンホールアレイ９２を通過した光は投影レンズ１００を透過し、基板６上で結像する。露光エリア５１の露光が終了したら、テーブル２０を露光方向と直角の方向に移動させ、次の露光エリア５１を投影レンズ３に対して位置決めする（特許文献１）。また、以下においては、光源系１１から光源系１１に対応する投影結像レンズ３０までをまとめて、「照射系」と呼ぶ。

ところで、照射系が１組の場合、露光できる巾すなわち露光巾は６０〜７０ｍｍ程度である。そこで、１台の露光装置に照射系を複数組設け、作業能率を向上させるようにしている。

図４は、ホルダの側面図であり、図５は照射系を４組設けた場合の投影結像レンズ３０近傍の平面図である。

投影結像レンズ３０は筒状のホルダ５０に収納されている。ホルダ５０の材質はアルミニウムである。ホルダ５０は側面に設けられた座部５０ａを介して図示を省略するボルトによりサポート６０の内面側に固定されている。図中のＡ０は投影結像レンズ３０の瞳の位置であり、投影結像レンズ３０の光軸（中心軸）上にある。そして、点Ｂに垂直に入射した光は瞳Ａ０を通り、点Ｃから垂直に入射する。

ホルダ５０の外形は露光領域のＸ方向の巾より大きい（外径は露光巾の１．５倍程度である）ので、隣接するホルダ５０をＹ方向にずらせて配置することにより、隣接する２つの露光領域のＸ方向に隙間ができないようにしている。サポート６０は断面が四角の角パイプ状であり、両端に設けられた左右の取り付け座５１に設けられた穴５２を用いて図示を省略するボルトにより装置本体に固定されている。サポート６０の材質は、線膨張係数が極めて小さい（例えば、１×１０^−６〔１／°Ｃ〕程度）材質の材料で形成されている。 露光精度を維持するため、露光装置は通常、周囲温度が変化しないように温度管理がされた環境で使用される。

特開２００４−０３９８７１号公報

しかし、周囲温度の許容温度巾を小さくすればするほど、管理が面倒になる。

また、例えば、ホルダ５０の外形が８０ｍｍの場合、温度が１度Ｃ変化しただけで、露光精度が２μｍ程度低下する場合があった。

本発明の目的は、周囲温度が変化しても露光精度を維持することができる露光装置を提供するにある。

本発明者は、露光精度が低下する原因が、後述するように、ホルダ５０の延びに起因するものであることを見出した。

以上の知見から、本発明は、入射光の断面積を予め定める倍率で拡大または縮小させて出射させる投影結像レンズをホルダに保持させると共に、投影結像レンズを保持した前記ホルダを被露光対象物の移動方向と直角の方向に複数個並べてサポートに支持させ、前記サポートを装置本体に保持させた露光装置において、前記サポートを線膨張係数が極めて小さい第１のサポートと線膨張係数がβの第２のサポートとで構成し、前記ホルダを前記第１のサポートに保持させると共に前記被露光対象物の移動方向と直角の方向配置し、前記被露光対象物の移動方向に配置した前記第２のサポートで前記第１のサポートを支持させると共に前記第２のサポートを装置本体に固定するようにしておき、前記ホルダの線膨張係数をα、前記投影結像レンズの瞳の前記第１のサポートからの距離をｃ、前記第２のサポートの前記装置本体固定位置から前記第１のサポート支持位置までの長さｎとするとき、前記α、β、ｃ、ｎが式ｃα≒ｎβを満たすようにしたことを特徴とする。

周囲温度が変化しても、露光精度を維持することができる。また、周囲温度の許容巾を大きくできるので、温度管理が容易になる。

図１は本発明に係る露光装置におけるサポートの平面図であり、図２は本発明の原理を説明する図である。

始めに、図２により、本発明の原理を説明する。

投影結像レンズ３０の上端（入射側）から瞳Ａ０の光軸方向の距離はａ、瞳Ａ０から投影結像レンズ３０の下端（出射側）間での距離はｂである。

今、周囲温度が変化することにより、瞳Ａ０が点Ａ１に移動したとする。瞳Ａ０と点Ａ１の距離をｍ、点Ｂから点Ｃまの距離をＫとすると、距離Ｋは式１により求められる。 Ｋ＝（ａ＋ｂ）ｍ／ａ ・・・（式１）

すなわち、例えば、投影結像レンズ３０が３倍の拡大レンズ系（ｂ＝３ａ）であり、サポート６０から 瞳Ａ０間での距離ｃが４０ｍｍ、ホルダ５０の材質がアルミニウムである場合に、周囲温度が１°Ｃ上昇したとする。いま、アルミニウムの線膨張係数αａｌが２０×１０^−６〔１／°Ｃ〕であるとすると、Ｋは２．４μｍになる。ホルダ５０の配置が図５に示すものである場合、隣接するホルダ５０の瞳は互いに逆方向に移動する。この結果、隣接する露光領域のＹ方向の露光結果は一方を基準にして他方は５μｍ程度ずれる。なお、Ｘ方向に関してはサポート６０が延びないので、隣接する露光領域が重複することはない。

次に、本発明について説明する。
図１において、サポート６０は１対のサポート６０Ａと、１対のサポート６０Ｂとから構成されており、図示を省略するボルトにより互いに固定されている。穴５２はサポート６０Ｂの中央に位置決めされている。サポート６０Ａの材質は線膨張係数が極めて小さい（１×１０^−６〔１／°Ｃ〕程度）材質の材料で形成されている。一方、サポート６０Ｂの材質は鉄で形成されている。

いま、ホルダ５０の材質が線膨張係数αａｌ＝２０×１０^−６〔１／°Ｃ〕のアルミニウム、サポート６０Ｂの線膨張係数αｆｅがαｆｅ＝１０×１０^−６〔１／°Ｃ〕、距離ｃが４０ｍｍであるとする。また、サポート６０Ｂの全長は１６０ｍｍ（すなわち、ｎ＝８０ｍｍ）であるとして、周囲温度が１°Ｃ上昇したとする。
ここで、ホルダ５０Ａに着目すると、瞳Ａ０は０．８μｍ図の下方に移動する。一方、サポート６０Ａの端部はサポート６０Ｂが温度上昇に伴って延びることにより穴５２を基準として０．８μｍ図の上方に移動する。この結果、周囲温度が１°Ｃ上昇しても、瞳Ａ０の位置が変化することはない。この場合、周囲温度の変化量が他の温度ｔ°Ｃの場合も、瞳Ａ０の位置が変化しないことは明らかである。
また、例えば、Ｌの長さを８８ｍｍにするとしても、ずれ量を従来の１／１０にすることができる。

なお、一般に、瞳Ａ０のサポートＡからの距離がｃ、ホルダ５０の線膨張係数をα、また、サポートＢの装置固定点からサポートＡまでの長さｎを、サポートＢの線膨張係数をβとするとき、ｃ、α、ｎ、βは式２の関係がある。

ｃα＝ｎβ ・・・（式２）

したがって、式２におけるｃ、α、ｎ、βのいずれか３つの値を決めれば、残り１つ値を決定することができる。

本発明に係る露光装置におけるサポートの平面図である。 本発明の原理を説明する図である。 従来の露光装置の構成図である。 ホルダの側面図である。従来技術の説明図である。 従来技術の説明図である。

符号の説明

６ 基板（被露光対象物）
３０ 投影結像レンズ
５０ ホルダ
６０Ａ 第１のサポート
６０Ｂ 第２のサポート
Ａ０ 投影結像レンズの瞳
ｃ 距離
ｎ 第２のサポートの装置本体固定位置から第１のサポート支持位置までの長さ
α ホルダ５０の線膨張係数
β 第２のサポートの線膨張係数

Claims (1)

1. 入射光の断面積を予め定める倍率で拡大または縮小させて出射させる投影結像レンズをホルダに保持させると共に、投影結像レンズを保持した前記ホルダを被露光対象物の移動方向と直角の方向に複数個並べてサポートに支持させ、前記サポートを装置本体に保持させた露光装置において、
   前記サポートを線膨張係数が１×１０ ^−６ （１／°Ｃ）程度の極めて小さい第１のサポートと線膨張係数がβの第２のサポートとで構成し、
   前記ホルダを前記第１のサポートに保持させると共に前記被露光対象物の移動方向と直角の方向に配置し、
   前記被露光対象物の移動方向に配置した前記第２のサポートで前記第１のサポートを支持させると共に前記第２のサポートを装置全体に固定するようにしておき、
   前記ホルダの線膨張係数をα、前記投影結像レンズの瞳の前記第１のサポートからの距離をｃ、前記第２のサポートの前記装置本体固定位置から前記第１のサポート支持位置までの長さｎとするとき、前記α、β、ｃ、ｎが式ｃα≒ｎβを満たすようにしたことを特徴とする露光装置。

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