JPH1055957A - 拡大投影露光方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】マスクのパターンを基板に拡大投影して転写す
る露光装置において、像歪み、倍率誤差等の光学系の誤
差を補正して、高スループットでパターンを転写する。 【構成】マスクに形成されたパターンを基板上に拡大し
て投影露光する拡大投影露光方法を、マスクと基板との
位置を相対的に移動させながらマスクに形成されたパタ
ーンを基板上に順次拡大投影露光することを特徴とする
拡大投影露光方法とした。また、マスクに形成されたパ
ターンを基板上に拡大して投影露光する拡大投影露光装
置を、マスクを載置する載置手段と、マスクに形成され
たパターンを載置手段上に載置された基板上に拡大投影
露光する拡大投影露光手段と、載置手段と拡大投影露光
手段との相対的な位置を変化させる駆動手段とを備えた
ことを特徴とする拡大投影露光装置とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の技術分野】本発明は、半導体、液晶素子等の
電子デバイスの製造工程において、マスクのパターンを
拡大して基板上に転写する拡大投影露光方法及びその装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示素子はその形状から、電子管に
比べると薄形かつ小形であり、将来有望なディスプレイ
である。液晶表示素子の内でも、画質の良さからアクテ
ィブマトリックス方式で薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を
用いたものが主流を占めつつある。

【０００３】ＴＦＴを形成するためには、半導体用装置
並みの性能を持つ露光装置が必要であり、プロキシシテ
ィ方式，１：１のミラー及びレンズプロジェクション方
式の装置が用いられている。

【０００４】一方、ディスプレイのサイズとしては、Ｃ
ＲＴと同程度大画面のものも出現する見通しであり、そ
の場合前記した現状の露光装置においては種々の問題を
生じる。

【０００５】プロキシシティ方式における大面積露光の
課題としては、大面積高精度マスクの製作、マスクと基
板間の高精度ギャップ出し、及びピッチ誤差の低減等が
ある。

【０００６】一方、プロジェクション方式は、その形式
から画面内に必ず継ぎ合せ部を生じ、継ぎ合せ部におい
て精度及び電気特性的に満足な値を得られるか、また分
割露光となる為、スループットが低く、かつその形式か
ら装置を低コストにすることが難しいという問題があ
る。

【０００７】上記した現状の露光方式の問題点を解決す
る一方式として、高精度のマスク、例えば７インチ迄の
半導体用マスクを製作する電子描画装置で描画したマス
クを投影光学系で拡大して大面積を露光する方式が考え
られる。この拡大投影露光方式の例としては、特開昭６
２−１２２１２６号がある。本例は、マスクのパターン
を投影光学系により拡大して基板上に転写するものであ
り、投影光学系は基板側において平行光としている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記した拡大投影露光
方式における光学系は、基板側において平行光としてパ
ターンを投影する構成としている。通常の半導体用縮小
投影露光装置も被投影側のウエハ側において平行光とし
ており、本方法は焦点方向のズレに対して形状誤差が起
こりにくい。

【０００９】しかしながら、投影光学系に用いるレンズ
は高精度に製作しても理想値に対して必ず誤差を生じ
る。誤差としては、像歪、倍率誤差等を生じ、拡大投影
とした場合には、その誤差の絶対値も大きくなる。

【００１０】例えば、像歪０．０１％のレンズを製作し
たとしても５００mmの画面においては、周辺部において
５０μｍの歪となり、パターンを形成する各層間の合せ
精度としては前記値よりも１桁以下の値が必要である。
またレンズの特性は各々異なっており、しかも同一のも
のは出来ないため、複数台の装置でパターンを重ね合せ
することは不可能である。ただし、像歪、倍率誤差が各
レンズ個有であっても、変動がないかあるいは極微小な
場合には、同一装置で全工程のパターンを形成すること
が考えられるが、装置と製品の関係が限定されるため、
量産性が低下するという問題がある。また、さらに大き
な面積を継ぎ合せで露光する場合は、歪により継ぎ合せ
部が重ならないという問題を生じる。

【００１１】本発明の目的は、マスクのパターンを基板
に拡大投影して転写する露光装置において、光学系の誤
差を補正してパターンを転写する高スループットの装置
を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、マスクに形成されたパターンを基板上に拡
大して投影露光する拡大投影露光方法を、マスクと基板
との位置を相対的に移動させながらマスクに形成された
パターンを基板上に順次拡大投影露光することを特徴と
する拡大投影露光方法とした。

【００１３】また、本発明は上記目的を達成するため
に、マスクに形成されたパターンを基板上に拡大して投
影露光する拡大投影露光装置を、マスクを載置する載置
手段と、マスクに形成されたパターンを載置手段上に載
置された基板上に拡大投影露光する拡大投影露光手段
と、載置手段と拡大投影露光手段との相対的な位置を変
化させる駆動手段とを備えたことを特徴とする拡大投影
露光装置とした。

【００１４】

【作用】即ち、本発明では、マスクをマスク位置決め手
段に固定、位置決めし、また基板を基板位置決め手段に
固定、位置決めして、露光照明系によりマスクを照明
し、マスクのパターンを基板側において平行光ではない
（非テレセントリック光学系）拡大投影系により基板上
に拡大して投影する。ここで、基準となるマスクのパタ
ーンを基板上に転写し、マスクパターンと転写パターン
の像形状及び倍率の差を求め、そのデータを基に基板位
置決め手段に内蔵した表面を弾性変形させる微小変位発
生手段を駆動及び全体を上下移動することにより、前記
した像形状と倍率の設計値との差を補正する。

【００１５】即ち以上の方法は拡大投影系の像歪、倍率
誤差をあらかじめ露光して求めておき、その設計値から
の誤差量を基板表面を変形及び上下移動させて補正して
露光する絶対値管理を行うものである。

【００１６】また、マスクの基板上の投影パターンと基
板のパターンの相対位置関係を位置検出・演算手段によ
り検出し、マスクパターンと基板パターンの差を求め、
そのデータを基に基板位置決め手段に内蔵した微小変位
発生手段を駆動及び全体を上下移動することにより、マ
スクパターンに基板パターンを位置合せして露光する相
対値管理を行うことが可能となる。

【００１７】また、基板表面の高さを高さ検出手段によ
り検出し、基準の高さからの差を求め、基板の厚さむら
及び絶対厚さの差によるマスクの投影パターンの歪及び
倍率誤差を基板位置決め手段により前記２方法と同様に
補正して露光することが可能となる。

【００１８】基板位置決め手段を２つ以上設け、露光照
明系、位置検出・演算手段、基板表面高さ検出手段を各
１つ以上設けることにより、基板位置決め手段上におい
て異なる作業を並列して行うことが可能であるので、露
光装置として高いスループットが得られる。

【００１９】基板位置決め手段を移動手段と移動量検出
手段により、正確な任意の距離を水平方向に移動させな
がら同一マスクのパターンを同一基板に順次露光が可能
であり、また相関のある複数のマスクを交換しながら、
かつ基板を移動させながら露光することにより、さらに
大面積のパターンを形成することが可能となる。

【００２０】マスクのパターンと基板に設けられたパタ
ーンを相対位置を検出する位置検出・演算手段により位
置合せすることができ、複数のマスクで順次重ねて露光
することが可能となる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図によって説明す
る。図１と図２に本発明の一実施例の主要部構成を示
す。マスク１とマスクホルダ２、マスク１のパターンを
拡大投影する拡大レンズ３、拡大投影されたマスク１の
パターンを投影される基板４と基板チャック５、そし
て、マスク１を照明し、拡大レンズ３を通して基板４上
のレジストを感光させる露光照明系６で構成した。また
基板チャック５には基板チャック５を駆動させるアクチ
ュエータ（後述）を接続しており、そのドライバ７、そ
してドライバ７をコントロールするコンピュータ８がイ
ンターフェース９を介して接続している。ここで、拡大
レンズ３はマスク１のパターンを基板４に対して非テレ
セントリック光学系として投影する。

【００２２】図１においては、マスク１のパターンは拡
大レンズ３に対して平行光（テレセントリック光学系）
で入射させているが、図２に示す様に絞り込ん（非テレ
セントリック光学系）で入射させても良い。この場合、
拡大レンズ３は（ａ）と比較して小型（小口径）に製作
することが可能であり、後述する拡大レンズ３の倍率誤
差をマスク１を上下することによっても補正することが
可能となる。

【００２３】尚、図１ｔｏ図２において拡大投影系とし
てレンズ系を用いたが、図３に示す様に、例えば楕円面
鏡１０の様な反射光学系を用いても良い。

【００２４】図４に基板チャック５の駆動系について説
明する。基板チャック５表面を弾性変形させる微小変位
発生手段、例えばピエゾ素子１１を複数個内蔵し、それ
ぞれのピエゾ素子１１は、基板チャック５の表面板を裏
面から支えるように先端部が表面板に押し付けられてい
る。微小変位発生手段は、基板チャック５の表面板に上
下方向の微小変位を与えるものならば何でもよい。さら
に上記したユニットは上下方向に移動可能な手段、例え
ばくさび型Ｚステージ１２をモータ１３で駆動して上下
に全体を移動させる構造としている。ここで、ピエゾ素
子１１とモータ１３はドライバ７と接続している。

【００２５】尚、上部ユニットのピエゾ素子１１の移動
ストロークが十分であれば、Ｚステージ１２を省くこと
が可能である。

【００２６】以上の構成において、拡大レンズ３はマス
ク１のパターンを基板４に投影すると、必ずしも正規の
形状及び拡大倍率とはならない。

【００２７】図５に光学レンズの代表的な誤差である糸
巻き状の歪の例を示す。これは４隅が拡大して各辺の中
央部が縮小されて結像されるものである。例えばマスク
１の格子状パターンを拡大レンズ３で基板４に投影する
と、本来誤差のない場合は波線で示した様に所定の拡大
倍率で歪がない形状で投影される。しかし実際には実線
で示した様に全体の大きさが異なる倍率誤差と像形状が
変わる像歪を生じる。

【００２８】光学的誤差を補正する方法として、投影
（出射）側の光束を平行光（テレセントリック系）とし
た縮小投影露光装置の場合は、倍率誤差に対してはレチ
クル（マスク）を縮小レンズの光軸に対して上下させて
補正し、台形形状をした歪に対してはレチクル（マス
ク）あるいは縮小レンズを傾けて補正している。平行光
となる様に構成した光学系においては、前記した形状の
歪は補正可能であるが、図５に示したような光学レンズ
の代表的な歪はレチクル（マスク）あるいは光学系を傾
けても補正できない場合がある。

【００２９】拡大投影系の場合の歪の大きさを推定して
みると、例えば、１００mmのパターン（５インチマス
ク）を拡大レンズ３で５倍に拡大投影したものとする。
ここで、拡大レンズ３の歪を０．００５％とすると基板
上で２５μｍの歪となり、対象製品がアクティブマトリ
ック形式の液晶表示素子の場合における各層間の合せ精
度に対して１桁以上粗い値となっており、歪を補正でき
ないことが製品製作上の致命的な問題点として存在す
る。

【００３０】特に、レンズにはそれぞれ個体差があるた
め歪の形状及びその量も異なり、複数の装置を使用して
パターンを重ね合せをすることは不可能に近い。

【００３１】本発明は上記した問題点を解決するもので
あり、図１〜図４に示した様に、基板４に対してマスク
１のパターンを非テレセントリック光学系として投影
し、かつ基板４の表面を変形及び上下移動を自在にした
ものである。

【００３２】本発明により、図５に示した誤差を補正す
る方法について説明する。まず基準のマスク１を用い
て、そのパターンを拡大レンズ３を通して基板４上に形
成する。ここで、本来あるべき設計値（波線で示す）と
の差を求め、パターンの全体的大きさの差ｍと各ポイン
トにおける差ｄｉｊを求める。

【００３３】差を求める手段としては、基板４上に形成
したパターンは光方式の測長器等でその絶対値を求め、
設計値との差を算出すれば良い。

【００３４】図６は図５に示した様な誤差を補正する方
法を示す。即ち、倍率が小さいことに対しては、基板チ
ャック５のＺステージ（１２：本図では図示せず）を下
降させ、糸巻き状の像歪に対しては基板チャック５に内
蔵したピエゾ素子（１１：本図では図示せず）の４隅の
方をより大きく駆動させれば良い。

【００３５】次に基板４に厚さむらがあった場合につい
ての補正方法について説明する。本発明の光学系におい
ては、異なる基板間で、基板の厚さに差がある場合は倍
率誤差、厚さむらがある場合は像歪と同じ現象を生じ
る。

【００３６】図７に基板４の厚さを測定するシステムの
例を示す。主な構成は図１〜図４に示したものと同じで
あるが、基板４の表面の高さ、即ち厚さの絶対値及び面
内におけるむらを測定する測定器、例えばエアマイクロ
メータ１４を付加し、さらに基板チャック４が、エアマ
イクロメータ１４の下を走行し、拡大レンズ３の下迄移
動する基板チャック走行系１５で構成した。前記構成に
おいて、エアマイクロメータ１４を複数個設置した下方
を基板チャック５を移動させながら、所定測定ポイント
複数個所の表面高さを測定する。

【００３７】図８に基板４の厚さを考慮した露光方法の
ブロック図を示す。基板４の複数個所における厚さｈｉ
ｊをエアマイクロメータ１４により検出し、その値を変
換器１６、例えば圧力変換器とＡ／Ｄ変換器を通してコ
ンピュータ８に入力する。そして図５に示した様に求め
た拡大レンズ３の誤差、即ち倍率誤差ｍ、像歪ｄｉｊ等
を格納したレンズデータ１７と前記基板４の厚さｈｉｊ
と互に対応する個所各々について演算して、基板４表面
高さの制御量を求める。次にこのデータを基に、基板チ
ャック４のピエゾ素子（１１：本図では図示せず）及び
Ｚステージ（１２：本図では図示せず）を駆動させるこ
とにより、基板４上に投影されるパターンは拡大レンズ
３の誤差、基板４の厚さむらの影響を除去した理想的な
ものとなる。

【００３８】以上の図１〜図８に示した方法は、設計値
を基準とした設計値（絶対値）管理の露光方法である。
次に前記方法と異なりマスク基準とした露光方法につい
て説明する。

【００３９】図９にマスク１基準位置合せ露光方法につ
いて説明する。前記方法と基本構成は同じであるが、マ
スク１と基板４の対応するパターンの相対位置を検出す
る相対位置検出系２０を設けた。

【００４０】相対位置検出系２０は、基板４上に塗布し
たレジストを感光しない波長の照明光源２１と、マスク
１と基板４のパターンを検出する検出器２２と、それら
の位置関係を保持するレンズ、ミラー類２３で構成し
た。検出器２２からの出力はインターフェース９を介し
てコンピュータ８に入力できる様にしている。

【００４１】以上の構成において、相対位置検出系２０
を移動させながらマスク１と基板４の相対するパターン
の差ｄ'ｉｊを所定ポイント複数個所について求める。
次にこの差ｄ'ｉｊがなくなる様に基板チャック５に内
蔵したピエゾ素子（１１：本図では図示せず）、Ｚステ
ージ（１２：本図では図示せず）を駆動させる。

【００４２】尚、上記したマスク１基準位置合せ露光方
法は第２層目以降の重ね合せ露光時に行うものであり、
第１層目の露光は拡大レンズの誤差は補正しないでマス
ク１のパターンを基板４上に形成する。先に示した像歪
０．００５％の場合の歪量２５μｍはディスプレイ上で
は極微小な値であり、人間の目では識別不可能なので、
補正の必要はない。

【００４３】以上説明した相対位置検出系２０と図１〜
図８に示した設計値基準露光方法と組み合せて用いるこ
とにより、液晶表示素子の各パターンを重ね合せて形成
することができる。即ち、設計値基準で重ね合せを行う
各パターンの形状及び倍率を補正した後、相対位置検出
系２０を用いて少なくとも２個所以上のマスク１と基板
４のパターンの相対位置を検出し、それが所定の関係に
なる様に基板４あるいはマスク１、ないしは両方共に移
動し合わせることにより、その他の全面にわたってマス
ク１のパターンと基板４のパターンが合うことになる。
順次マスク１を変えながら重ねて露光することにより、
液晶表示素子のパターンを完成することができる。通
常、この位置合せをする時はマスク１と基板４の各々に
アライメント用のマークを設け、それを相対位置検出系
２０を用いて検出し、そのズレ量を基板チャック５の
Ｘ，Ｙ，θステージ（図示せず）にフィードバックして
位置合せをする。

【００４４】以上の例は、マスク１のパターンを基板４
上の全面に形成する例であったが、さらに大きな基板４
にマスク１のパターンを形成する例を示す。以下の例
は、基板４だけを大面積にしてマスク１と拡大レンズ３
のサイズ、仕様は同じものとする。

【００４５】図１０にその一例を示す。ここで基板４の
大面積化に伴い基板チャック５も大きくし、さらにＸ，
Ｙ方向に移動自在にする。尚、基板チャック５の移動量
を計測するものとして、例えばレーザ測長器３０を用い
て高精度に位置決めができるものとする。本例の場合
は、同一マスクを用いて同じパターンを基板面内に複数
個形成するものである。尚、露光する前において、設計
値基準か、マスク基準のどちらかの方法で投影パターン
を補正することは前述の通りである。上記例は、基板４
上にマスク１の同一パターンを４つ形成した例である
が、基板チャック５を大きくし、移動ストロークを大き
くすれば、さらに多くの同一パターンを形成することが
可能である。

【００４６】図１１に、異なるパターンのマスク１を継
ぎ合わせて、基板４上に一つの大きな製品を作る例を示
す。ここで、まずマスクＡ３１を基板４上の左上に形成
し、次にマスクＢ３２をマスクＡ３１と交換すると共に
基板チャック５を移動させて基板４の右上が拡大レンズ
３の下に来る様にし、マスクＢ３２のパターンを形成す
る。以下、同様にマスクＣ３３、マスクＤ３４のパター
ンも基板チャック５を移動させながら基板４上に形成
し、基板４に一つの大きな製品のパターンを作ることが
できる。上記例は、基板４上に４枚のマスクＡ〜Ｄのパ
ターンを継ぎ合わせた例であるが、基板チャック５を大
きくし、さらに移動ストロークを大きくすれば、さらに
大きな一つの製品を作ることが可能である。

【００４７】図１２に装置構成の一例を示す。ロータリ
インデックステーブル４０、前記テーブル４０上の２つ
の基板チャック５、基板表面の高さを測定するエアマイ
クロメータ１４、マスク１を位置決めするマスクホルダ
２、拡大レンズ３、相対位置検出系２０、露光照明系
６、そして基板１を収納する基板カセット４１、基板カ
セット４１から基板チャック５に基板４をローディン
グ、アンローディングする搬送系４２で構成している。

【００４８】以上の構成において、基板カセット４１−
１から搬送系４２−１により基板１を基板チャック５に
移載する。次にエアマイクロメータ１４を走行させて基
板１の表面高さを測定する。以上の動作が完了するとテ
ーブル４０を１８０°回転させ基板１を搭載した基板チ
ャック５を拡大レンズ３の下に移動する。この状態にお
いて拡大レンズ３の下にない基板チャック５上に新に基
板４を基板カセット４１−１から前記と同じ方法で移載
し、同様に基板１表面の高さをエアマイクロメータ１４
により測定する。一方、拡大レンズ３の下にある基板１
については、マスク１と相対位置検出系２０により位置
合せを行った後、露光照明系６から紫外光を照射し、マ
スク１のパターンを基板４に形成する。尚、ここで露光
する前において、基板チャック５は、ピエゾ素子（１
１：本図では図示せず）及びＺステージ（１２：本図で
は図示せず）を駆動させて、形成するパターンに歪、倍
率誤差がない様に補正しておく。

【００４９】露光完了後、テーブル４０を１８０°回転
させ露光済みの基板４は搬送系４２−２により基板カセ
ット４１−２に収納する。

【００５０】以上説明した様な構成とすることにより、
基板４表面の高さ測定及び補正動作と、マスク１と基板
４の位置合せ及び露光を並列して行うことが出来る。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、マスクのパターンを拡
大して基板上に形成することができるので、比較的小さ
なマスク、例えば電子描画装置で描いたマスクまたはそ
れを複写したマスクの様に高精度のマスクを用いること
により、大面積の高精度のパターンを形成することがで
き、アクティブマトリックス形液晶表示素子の様に高精
度のデバイスも、従来よりも格段に大きなものを製作す
ることが可能となる。これに伴い、マスクコストの低
減、装置の高スループット化が実現でき、生産性が向上
するという効果がある。

【００５２】また、基板上に形成するパターンを微小な
がら任意の形状にすることができることから、投影露光
方式、特に拡大方式の場合の大きな問題点である像歪、
倍率誤差を補正することができ、装置間の互換性を取る
ことが可能となり、この点においても生産性の向上に寄
与するものである。

【００５３】また、拡大レンズを非テレセントリック光
学系となる様な構成としたことから、同一面積を投影す
る平行光（テレセントリック光学系）となる様に構成し
た拡大レンズよりも口径を小さくすることが可能とな
り、レンズ製作上も容易となり、それに伴いレンズコス
トも低くなり装置も低コストで製作することが可能とな
る。

【００５４】さらに、装置構成として基板チャックを２
つ以上、拡大レンズ、露光照明系、基板高さ検出系等を
一つ以上で構成したので、並列して複数の動作をさせる
ことができるため装置の高スループット化が実現でき、
この点においても生産性が向上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の露光装置の一実施例を示す略正面図で
ある。

【図２】本発明の露光装置の一実施例の構成を示す略正
面図である。

【図３】図１及び図２示した構成とは異なる拡大光学系
を示す略正面図である。

【図４】基板チャックを示す断面図である。

【図５】拡大レンズによる投影パターンの光学的誤差を
示す正面図である。

【図６】図５における光学的誤差を補正する方法を示す
斜視図である。

【図７】基板の表面高さ測定系を加えた構成を示す斜視
図である。

【図８】基板の表面高さを補正して露光するシステムの
略断面図である。

【図９】マスクの形状に基板を合わせて露光するシステ
ムを示す正面図である。

【図１０】同一パターンの画面を複数個継ぎ合わせて大
画面を形成する露光装置の構成の一例を示す平面図及び
正面図である。

【図１１】大画面を継ぎ合わせて形成する露光装置の構
成の一例を示す平面図及び正面図である。

【図１２】露光装置の構成の一例を示す平面図及び正面
図である。

【符号の説明】

１…マスク ３…拡大レンズ ４…基板
５…基板チャック ６…露光照明系 ８…コンピュータ １０…楕円
面鏡 １１…ピエゾ素子 １２…Ｚステージ １４…エアマイクロメータ １
７…レンズデータ ２０…相対位置検出系 ３０…レーザ測長器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中島 直人 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究内 (72)発明者 船津 隆一 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マスクに形成されたパターンを基板上に拡
   大して投影露光する拡大投影露光方法であって、前記マ
   スクと前記基板との位置を相対的に移動させながら前記
   マスクに形成されたパターンを前記基板上に順次拡大投
   影露光することを特徴とする拡大投影露光方法。
2. 【請求項２】マスクに形成されたパターンを基板上に拡
   大して投影露光する拡大投影露光装置であって、前記マ
   スクを載置する載置手段と、前記マスクに形成されたパ
   ターンを前記載置手段上に載置された前記基板上に拡大
   投影露光する拡大投影露光手段と、前記載置手段と前記
   拡大投影露光手段との相対的な位置を変化させる駆動手
   段とを備えたことを特徴とする拡大投影露光装置。