JP2004501384A - 空間光変調器を利用したパターン形成システム - Google Patents

Abstract

極紫外線から赤外線までの波長範囲の光パルス放出源と、少なくとも１個の放出光パルスの照射を受けるように適合された少なくとも１つの変調要素（ピクセル）を有する空間光変調器（ＳＬＭ）と、変調器のイメージを加工物上にもたらす投影システムとを備える、例えばフォトマスクやディスプレイ・パネルや微小光学デバイスのような、光放射感受性を有する加工物上にパターンを作成するシステム。さらに、本システムは、各個別パルスの出力パルス・エネルギーを検出し各個別パルスについて個別パルスの出力パルス・エネルギーに対応する信号を生成する高速パルス検出器と各パルスの一部分を遮断するためのナノ秒またはサブ・ナノ秒範囲の応答時間を有するスイッチとを備え、このスイッチは、高速パルス検出器からの信号によって制御されるように構成されており、個別パルスの出力パルス・エネルギーの測定に基づいて各個別パルスのエネルギー出力を制御して近似的に所望のエネルギー出力にする。

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、ディスプレイや半導体デバイス用のフォトマスクなどの光感受性表面上に極めて高精度にパターンを焼付けすることに関する。より詳細には、本発明は、極紫外線から赤外線までの波長範囲の光パルス放出源と、少なくとも１個の放出光パルスの照射を受けるようにされた少なくとも１つの変調要素（ピクセル）を有する空間光変調器（ＳＬＭ）と、変調器のイメージを加工物上に生じさせる投影システムとを備える、加工物上にパターンを作成するシステムに関する。
【０００２】
（発明の背景）
パターン生成器に空間光変調器（ＳＬＭ）を用いることは、たとえば同じ出願人によるＷＯ９９／４５４３９により既知である。これは、ＳＬＭが超並列デバイスであって１秒当たりに書き込み可能なピクセルの数が非常に多いことなど、走査レーザ・スポットを用いるより普及した方法と比較していくつかの利点がある。レーザ・スキャナではビーム経路全体が高精度で構築されなければならないのに対して、ＳＬＭの照射は決定的なものではないという意味において、光学系もより単純である。特に電気−光学的スキャナおよび音響−光学的スキャナなどをはじめとするいくつかのタイプのスキャナと比較して、マイクロ・ミラー式ＳＬＭは、純然たる反射性のデバイスであるがゆえに、より短い波長で使用可能である。このようなパターン生成器は、光パルスの放出源と、放出された光パルスで照射されるようにされた変調要素（ピクセル）を有するＳＬＭと、変調器のイメージを加工物上にもたらす投影システムとを備える。
【０００３】
しかし、パターン生成器でのＳＬＭ使用における問題点として、加工物上の各フィーチャは、現実的な理由から一または少なくとも非常に少数の光パルスで形成されなければならない、ということがある。その結果、システムは、フラッシュ間エネルギー変動およびフラッシュ−フラッシュ時間変動に対して非常に敏感になる。これらの問題点は、通常使用されるエキシマ・レーザをはじめとする気体放電レーザでは特に重大である。従来のエキシマ・レーザは、５％のフラッシュ−フラッシュ・エネルギー変動および１００ナノ秒のフラッシュ−フラッシュ時間変動を有する。これらの変動は、ゲイン・メディアでの変動や放電プロセスでの変動など種々の要因による。リソグラフィに使用される通常のエキシマ・レーザのレーザ・パルス持続時間は、約１０〜２０ナノ秒であり、パルス周波数は約１，０００ヘルツ程度である。この問題点は、加工物上の各フィーチャ毎に２回の露光を使用することによってある程度は緩和されるが、完全に解消されるわけではない。
【０００４】
集積回路リソグラフィなど従来のマイクロ・リソグラフィ、すなわち、光のフラッシュを使用したウェハ・ステッパやウェハ・スキャナでは、加工物上の各フィーチャは通常５０個またはそれ以上の光パルスで作成可能であろうから、必要とされる光パルス精度は低いものでよい。したがって、加工物エリアの各部分上における露光の積分値は、光パルス変動に対する敏感さはより低くなる。しかし、この場合でさえ、フラッシュ間変動は困難を伴う。この目的で、米国特許第５８５２６２１号では、パルス・エネルギーを表わす電気的信号をトリガ回路に提供するナノ秒またはサブ−ナノ秒範囲の応答時間を有する高速パルス・エネルギー検出器を使用することにより、レーザ・パルスのエネルギーを制御することが提案されている。トリガ回路は、信号を積分し、信号の積分が所定水準に達したとき、例えばポッケルス・セルである電気光学スイッチを始動する。電気光学スイッチの動作は、その結果得られるパルス・エネルギーがばらつきのない水準に維持されるように、パルス・エネルギーの一部分をトリミングする。
【０００５】
（発明の概要）
したがって本発明の目的は、精密パターンを焼付けするための改良されたＳＬＭパターン生成器を提供することである。
【０００６】
この目的は、本願の特許請求の範囲に従うシステムによって達成される。
【０００７】
本発明は、とりわけディスプレイや半導体デバイス用のフォトマスクの焼付けに関するが、半導体デバイス・パターンの直接書き込みやディスプレイ・パネル、集積光学デバイスおよび電子的に相互接続された構造にも関連する、ということに留意されたい。また、他のタイプの精密焼付け、例えば証券印刷にも適用可能である。焼付けという用語は、広い意味で解釈されるべきであり、フォトレジストの露光や写真乳剤を意味するだけでなく、熱または光によって活発化されるアブレーションまたは化学的プロセスによる、ドライプロセス紙など他の光感受性を有するメディア上の光の作用も意味する。光は可視光に限定されず、赤外線から極紫外線までの広範囲の波長である。
【０００８】
例示の目的において、本発明は、添付の図面に例示された諸実施形態に則して以下においてより詳細に説明される。
【０００９】
（好ましい実施形態の説明）
図１を参照すると、本発明によるパターン生成器は、好ましくは個別且つ多値ピクセル・アドレッシングを備えるＳＬＭ１と、照射源２と、イメージング光学システム３と、ＳＬＭ用のハードウェアおよびソフトウェア・データ処理システム４とを備える。また、システムは、干渉計式位置制御システム６等を備えた高精度の位置調整性を有する基板台５を備えることが好ましい。
【００１０】
ＳＬＭ１は、電子的信号を使用して変形が可能なように、微細加工された鏡いわゆるマイクロ・ミラーを備えて、または連続的なミラー表面を支持基板上に備えて構築することが可能である。しかし他の仕組み、例えば変調メカニズムとしてＬＣＤ液晶や電気光学材料に依存する透過型ＳＬＭや反射型ＳＬＭ、或いは圧電駆動または電歪駆動を使用したマイクロ・メカニカルＳＬＭも同様に可能である。
【００１１】
極紫外線範囲の光については変形可能なミラー要素を備えたブラッグ・ミラー、またはマイクロ・メカニカル・シャッタをＳＬＭとして使用することができよう。
【００１２】
パターン生成器における照射は、ＫｒＦエキシマ・レーザで、エキシマ・レーザの固有幅に対応する帯域幅かつＵＶ領域における２４８ナノメートルの波長で１０〜２０ナノ秒の長さの光フラッシュを与えることにより行われるのが好ましい。基板上のパターンのゆがみが生じるのを防止するため、エキシマ・レーザからの光はＳＬＭ表面上に均等に分散され、また、基板上にレーザ・スペックルを生じることがないようにするため、その光は充分短い可干渉距離を有する。これら２つの意図を実現するため、好ましくはビーム・スクランブラが使用される。
【００１３】
好ましくは、パターン生成器は、干渉計式位置制御システムを備えた高精度位置調整性基板台を有する。台は、１つの方向ｙにおいてサーボ・システムによって固定位置に保たれ、他の方向ｘにおいては、連続的な速度で移動する。干渉計式位置測定システムは、ｘ方向で、基板上のＳＬＭの各イメージ間の位置を均等にするように露光レーザ・フラッシュを始動するために使用される。ＳＬＭイメージの１行全部が基板上で露光されたとき、台は、基板上のＳＬＭイメージの他の１行を露光するために、ｘ方向で元の位置に戻りｙ方向では１つのＳＬＭイメージ増分だけ移動する。この手順は、全基板が露光されるまで繰り返される。表面は、誤差を平均しならすために、幾度かの通過で書き込まれる。
【００１４】
また、本発明によるシステムは、各個別パルスの出力パルス・エネルギーを検出し各前記個別パルスについて前記個別パルスの出力パルス・エネルギーに対応する信号を生成する高速パルス検出器７を備える。検出器は、各パルスの一部分を遮断するためのナノ秒またはサブ・ナノ秒範囲の応答時間を有するスイッチ８に接続され、前記スイッチは、前記高速パルス検出器からの前記信号によって制御されるように構成されている。これによって、前記個別パルスの前記出力パルス・エネルギーの測定に基づいて各個別パルスのエネルギー出力を制御して近似的に所望のエネルギー出力にすることができよう。光検出器７の前にビーム・スプリッタ１２を配置し、それによってビームの分割された１パートだけが検出されるようにすることが好ましい。スイッチも、好ましくはビームが再び再結合された後に配置可能であろうが、スイッチをビームの一区分パートにのみ作用するように配置することもまた可能である。
【００１５】
システムのスイッチは、例えば、いくつかの小さな反射ミラーを備えるマイクロ・メカニカル変調器とすることが可能である。それらのミラーは、入射してくる光を個別のミラーに印加される電圧に応じて種々の方向に反射または回折するために、電気的に操作可能である。そのようなミラー要素は、例えば、図２ａに示したような下側電極２１を配置された反射性膜２０を備えることが可能である。膜と電極の間に電圧が印加されたとき、膜は、たとえば図２ｂに示したように電極の方に引き寄せられる。相互に関係してまたは個別に、膜の形状または膜の電気的アドレッシングを適当に選択することにより、変調器によって回折表面を形成することができる。
【００１６】
膜は、例えば細片様形状を有することが可能である。全ての膜が平坦なとき、すなわち、電圧がそれらに全く印加されていないとき、それらが１枚の平坦な反射表面を画成する。変調器の配置は、入射してくる光が平坦な前記表面で反射され、後続の光学システムの光学軸に一致する方向に進むようになされる。膜細片について１つおきに電圧を印加すると、１つのバイナリ反射回折格子がもたらされる。格子は、入射してくる光を１次およびより高次に回折する。１次回折の角度は、格子のピッチに依存し、１次およびより高次の回折のものが後続の光学システムの開口を通して伝送されないように選択される。したがって、変調器は光スイッチのような働きをする。この種のデバイスは、たとえば、Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｌｉｇｈｔ　Ｍａｃｈｉｎｅｓ社によって製造され、約１０ナノ秒の切換時間を有している。回折構造のリリーフ高さが入射光波長の半分のモジュラスｎであるとき、ｎが整数であれば、非回折のゼロ次となる光は全くなく、したがってスイッチは全入射光を後続の光学システムに入らないように遮断する。
【００１７】
マイクロ・メカニカル変調器は、各サブ領域が平行なミラー膜細片からなり各サブ領域がスイッチを構成するような、小さなサブ領域に再分割可能である。それらのサブ領域は、互いに関して種々の相対配置に配列可能であり、全ての膜を他のサブ領域に関して平行にまたは回転させた配置で有することができる。サブ領域は個別に制御され、したがって、ビームの一部分を回折しつつビームの残りの部分を反射させずに通過させることが可能になっている。したがって、各要素が二値（オン／オフ）駆動であっても、変調器の透過率総計は、アナログ的に設定可能である。ビームを完全に遮断するためには、全てのサブ領域についてアドレッシングを行い回折が行われる。
【００１８】
各膜を回折性の構造にすることも可能である。膜の中央部分だけが電極に引き寄せられるので、各膜はそれ自体で周期的な構造をもたらす。それらの膜を適切に設計することで、一表面を埋め塞ぐアレイが作成され（図３ａ〜ｄを参照）、これは全要素がアドレッシングされたときは光を通さない表面をもたらす。したがって、変調器の透過率は、膜のクラスタまたはアドレッシングされる膜の相対的個数によって設定可能である。
【００１９】
回折光に対する非回折光の相対量を制御する一別法としては、格子のリリーフ深さを制御することが可能である。電極への引力によって各膜が引き寄せられるその深さが印加電圧に連続的に依存するようにできる場合、これが可能である。したがって、格子のリリーフ高さが印加電圧値で制御され、よって印加電圧値が１次および高次の回折に対してゼロ次にある光量を制御するということが可能である。
【００２０】
図３ａに、細長いマイクロ・メカニカル変調器の第１の好ましい配列を示した。この実施形態では、細長い変調器は、諸縦列をなして隣合って配列される。図３ｂに、細長いマイクロ・メカニカル変調器の第２の好ましい配列を示した。この実施形態では、細長い変調器は、平行な変調器ごとにグループ分けして配列されるが、それらのグループは、互いに直角な関係に配置される。図３ｃは、細長いマイクロ・メカニカル変調器の第３の好ましい配列を示した。この実施形態では、細長い変調器は、直角をなす２つの変調器からなるグループをある角度に配置して配列され、それらのグループのいくつかは、互いに変位を有した隣接関係に配置されている。図３ｄは、細長いマイクロ・メカニカル変調器の第４の好ましい配列を示した。この実施形態では、細長い変調器は、長さ方向に順次互いをつなげて配置された変調器の列を平行にして配列され、但し列同士は互いに変位を有した関係にある。
【００２１】
しかし、スイッチは、ポッケルス・セルのような電気光学スイッチ８とすることも可能である。この場合、光検出器７の出力は、その信号を積分しその信号積分値を所望のパルス・エネルギーに対応する所定の遮断値と比較する電気光学セル・トリガに接続される。遮断値に到達したとき、トリガはトリガ信号を発生し、これはポッケルス・セル３に高電圧を始動させる。このような適当なポッケルス・セルの１つは、米国のＥｎｅｒｇｙ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社またはドイツのＧｓａｎｇｅｒ社より入手可能である。ポッケルス・セルに高電圧を印加すると、レーザ・ビームの偏光が最高９０度までの幅で変更され、ポッケルス・セルを横切るビームの一部分を偏光フィルタにより除去することが可能となる。
【００２２】
本発明によるシステムは、所定のパルス・エネルギー積分値でパルスを遮断することにより、パルス・エネルギーのパルス間安定性が増大する。パルスを遮断するための手段は、ポッケルス・セルのような電気光学スイッチをはじめとする超高速スイッチ、または、上述したようなマイクロ・メカニカル変調器である。システムがパルスを遮断するように設定されるパルス・エネルギーの水準が変更されると、スイッチは、当然そのパルス・エネルギー設定の変更に応じて少し早いまたは少し遅い時点でパルスを遮断する。約１０〜２０ナノ秒という非常に短いパルス持続時間を考慮すると、かなりスイッチ速度の限界によるところもあり、クリッピングの時間を変更するのは困難かもしれない。したがって、システムは、透過エネルギー線量の選択値には無関係に、同じ時定数で動作する。ポッケルス・セル式スイッチの場合および上述したマイクロ・メカニカル変調器を使用したスイッチの場合の双方について、スイッチの透過率は、連続的に変更可能である。
【００２３】
ポッケルス・セル式スイッチの透過率は、入射光の偏光によって制御される。また、セルの分極回転の量を制御しポッケルス・セル式スイッチの第２の偏光子によって透過される光の量を調節するようにポッケルス・セルに印加される電圧によっても制御可能である。ポッケルス・セルで使用される高電力を考慮すると、２つのポッケルス・セル式スイッチを、１つめをオン／オフのクリッピング用とし、他方をより細かな透過率変調用として連係させて使用すると便利である。
【００２４】
非常に短いパルスのクリッピングを容易にするために、検出器の前にパルス・ストレッチャ９を使用可能である。したがって、パルス持続時間を増大させて後続のパルス・トリマの限界切換時間による臨界性を減らし、パルスをより正確にクリッピング可能とすることができる。
【００２５】
パルス・ストレッチャ９は、たとえば、反射係数が１未満である２つの平行なミラーを備えることが可能である。その場合２つのミラーは、光学共振器を構成する。第１のミラーを通して光を導入する。ミラーの制限された透過率により、光は光学共振器内を数回往復し、各行程ごとにいくらかの光が第２のミラーを通り抜けていく。したがってパルス持続時間が増大される。パルス持続時間は、光学共振器の光子寿命に依存する。光子寿命は、ミラーの反射率および共振器長さに依存する。
【００２６】
パルス・エネルギーを検出しそれによってスイッチを制御するために充分な時間を得るためには、パルスを遅延させるために検出器とスイッチの間に配置された遅延ユニット１０を使用する必要もありえる。これは、ビーム経路に反射器を配置し、経路長を増大させることで実現可能である。経路長を１メートル増大させるとその結果として約３〜４ナノ秒のパルス遅延が実現される。遅延時間も調節可能にすることが好ましい。しかし、他のタイプの遅延手段も同様に使用可能である。
【００２７】
マイクロ・リソグラフィで使用される普通のパルス・エネルギー出力が通常１０〜２０Ｗの範囲であるのと比較すると、ＳＬＭを使用する高精度パターン形成システムについては、必要とされる平均ビーム・パルス出力は非常に小さく、通常約１０〜１００ｍＷである。高出力ビームを使用することにおける問題点は、レーザをねらって配置される構成部材が、高いパルス・エネルギーに曝されて損傷しやすい、ということである。したがって本発明のシステムでは、出力制限された光源を使用することが好ましい。あるいは、従来のレーザやそれに同様なものを使用してもよいが、その場合、各個別パルスのパルス・エネルギーを減衰させるための減衰器１１をパルス検出器の前に配置することが可能である。
【００２８】
本発明のシステムは、精密に制御された中央部分を残してパルス両端を制御的に切り取ることで時間変動も制御可能である。この目的では、上述したタイプの２つのスイッチを直列に使用できる。一方が、パルスの放出後ある制御された時間後に開とされ、そのスイッチが開とされた後である制御された時間後に他方が閉とされる、といったふうである。
【００２９】
上記のパターン形成システムは、いくつかの具体的な実施形態に則して説明してきたが、種々の適合化や修正が可能であることが理解されるべきである。たとえば、システムの上述した構成要素のうちのいくつかを、例えば他のタイプのレーザや光源例えばフラッシュ放電管或いは極紫外線用にはプラズマ光源、他のタイプの遅延回路、他のタイプの切換手段、他のタイプの検出器例えば光電子増倍器など、同等機能の構成要素を使用して置き換えることも可能である。したがって本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらと法的に均等な範囲によってのみ制限されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明によるＳＬＭを使用したパターン生成器の略図である。
【図２】
図２ａおよび図２ｂは、本発明の一実施形態によるマイクロ・メカニカル変調器の２つの異なる動作条件を示す略図である。
【図３】
図３ａ〜図３ｄは、マイクロ・メカニカル変調器を形成する細片の種々の好ましい割付を例示する説明図である。

Claims (23)

1. フォトマスクやディスプレイ・パネルや微小光学デバイスなどの光放射感受性を有する加工物上にパターンを作成するためのシステムにおいて、
   極紫外線から赤外線までの波長範囲の光パルス放出源と、少なくとも１個の放出光パルスによって照射されるようにされた少なくとも１つの変調要素（ピクセル）を有する空間光変調器（ＳＬＭ）と、前記変調器のイメージを前記加工物上に作成する投影システムとを備えるシステムであって、各個別パルスの出力パルス・エネルギーを検出し前記各個別パルスについて前記個別パルスの前記出力パルス・エネルギーに対応する信号を生成する高速パルス検出器と、各パルスの一部分を遮断するためのナノ秒またはサブ・ナノ秒範囲の応答時間を有するスイッチとを備え、前記スイッチは、前記個別パルスの出力パルス・エネルギーの測定に基づいて各個別パルスのエネルギー出力を制御して近似的に所望のエネルギー出力にするために前記高速パルス検出器からの前記信号によって制御されるように構成されていることを特徴とするシステム。
2. 前記スイッチが、前記放出光パルスのパルス間ジッターを低減しパルス間安定を高めるように制御される請求項１に記載のシステム。
3. 前記スイッチが、前記加工物上に必要とされる照射に従ってさらに制御される請求項１または請求項２に記載のシステム。
4. さらに、前記光パルスを少なくとも２つのパートに分割するためのビーム・スプリッタとその後で前記パルス・パートを再結合するための再結合ユニットとを備え、前記スイッチは、それらのパートのうちの１つだけについてエネルギー出力を制御するようにされている前記請求項のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記光パルス源が、レーザ、好ましくはエキシマ・レーザである前記請求項のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記高速パルス・エネルギー検出器が、光ダイオードである前記請求項のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記スイッチが、電気光学スイッチであり、好ましくはポッケルス・セルおよび少なくとも１つの偏光ビーム・スプリッタを備える前記請求項のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記スイッチが、マイクロ・メカニカル変調器を備える請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記マイクロ・メカニカル変調器が、制御可能な反射要素のアレイを備える請求項８に記載のシステム。
10. 前記反射要素が、細長い反射表面を備える請求項９に記載のシステム。
11. 前記反射要素が、本質的に平行な伸長方向で割付されている請求項１０に記載のシステム。
12. 前記反射要素が、少なくとも２つの異なる伸長方向を備え、前記２つの伸長方向は、互いにある角度をなしており、好ましくは本質的に直交している請求項１０に記載のシステム。
13. 前記反射要素が、電気的に制御可能な請求項９から請求項１２までのいずれか一項に記載のシステム。
14. 前記マイクロ・メカニカル変調器が、少なくとも１枚の変位可能な反射膜を備える請求項８から請求項１３までのいずれか一項に記載のシステム。
15. 光遅延ユニットをさらに備える前記請求項のいずれか一項に記載のシステム。
16. 前記スイッチが、前記パルス・エネルギーの積分目標値でパルスを遮断するように構成される前記請求項のいずれか一項に記載のシステム。
17. 前記スイッチが、各個別パルスの時間中に使用される透過特性を変更するように構成される請求項１から請求項１５までのいずれか一項に記載のシステム。
18. 各個別パルスの持続時間を長くするために前記パルス・スイッチの前に配置されるパルス・ストレッチャをさらに備える前記請求項のいずれか一項に記載のシステム。
19. それぞれ４個未満、好ましくは１個の光パルスで作成される少数の投影イメージの重ね合わせとして、前記加工物上に書き込まれる各フィーチャが書き込まれる、前記請求項のいずれか一項に記載のシステム。
20. 前記空間変調器が、変調要素の二次元アレイであり、前記変調要素への値は時分割多重化で読み込まれ、読み込まれた前記値は各要素で格納される前記請求項のいずれかに記載のシステム。
21. 前記空間光変調器が、マイクロ・メカニカル要素のアレイ、好ましくは、マイクロ・ミラーのアレイを備える前記請求項のいずれか一項に記載のシステム。
22. 各個別パルスの前記パルス・エネルギーを減衰させるために、前記パルス検出器の前に配置されたパルス・エネルギー減衰器をさらに備える前記請求項のいずれか一項に記載のシステム。
23. パルスの開始端を精密に制御するために、最初は閉となるように、かつパルスが放出されてからのある制御時間経過後に開となるように制御される第２のスイッチを備える前記請求項のいずれか一項に記載のシステム。