JP2005142235A

JP2005142235A - パターン描画装置

Info

Publication number: JP2005142235A
Application number: JP2003374846A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Omi; 忠弘大見; Shigetoshi Sugawa; 成利須川; Kimio Yanagida; 公雄柳田; Kiwamu Takehisa; 究武久
Original assignee: Ball Semiconductor Inc
Current assignee: Ball Semiconductor Inc
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2005-06-02

Abstract

【課題】パターン描画装置において、連続光源を用いてもスポットが最小グリッド程度の数ｎｍ以上に引き伸びることがなく、しかも紫外光の利用効率を高くできる装置を提供することである。
【解決手段】ピンホール板１０６を長方形形状にし、Ｙ方向の片側に圧電素子１２０ａが、またＸ方向の片側に圧電素子１２０ｂが取り付けられている。圧電素子は、電圧の印加によって、マイクロ秒のオーダーで瞬時に伸び縮みができる。したがって、圧電素子１２０ａによって、ピンホール板１０６をＹ方向に沿って数千Ｈｚの周波数で微振動させることができる。これにより、ＤＭＤのＯＮ時間の間に、スポットと基板との相対的に停止させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体集積回路製造時の露光工程で用いられるマスクを製造するために用いられるマスク描画装置として利用でき、さらに、マスクを用いずに回路パターンをウエハ上に直接描画するマスクレス露光装置にも適用できるパターン描画装置及び描画方法に関する。なお、パターン描画する対象であるマスクやウエハを、以下特に区別しない場合は、基板と呼ぶ。

一般に、半導体集積回路の製造時の露光工程では、回路パターンが描かれたマスク（レチクルと呼ばれることもある。）を用いてレジストが塗布されたウエハ上に回路パターンを描画させる（パターン露光と呼ばれる。）必要があり、そのための装置は露光装置あるいは露光機と呼ばれる。

一方、マスクを製造するには、マスクの基板となる石英ガラスなどの表面に、目的とする回路パターンに相当するパターン状に露光光を通過させるように遮光用のクロム膜などを付ける必要がある。このクロム膜はパターン露光によって形成され、そのパターン露光を行う装置はマスク描画装置と呼ばれる。マスク描画装置の手法には、電子ビームを用いた電子ビーム描画装置（以下、ＥＢ描画装置と示す。）が広く利用されている。

ただし、マスク描画装置には、ＥＢ描画装置の他に、紫外域のレーザ光（以下、紫外レーザ光と略す。）を用いてパターン描画（すなわちレジストが塗布されたマスク基板にパターン露光）する手法に基づくレーザビーム描画装置も製品化されている。その装置の従来例としては、微小なマイクロミラーを二次元配列状に多数並べたミラーデバイス（空間光変調器、あるいはＳＬＭと呼ばれる。）を用いて、これにパルス状の紫外レーザ光を照射し、各マイクロミラーごとに制御されたＳＬＭからの反射光をマスク基板に照射して露光するものである。このレーザビーム描画装置は、ＥＢ描画装置よりも描画速度が速い特徴があることが知られている。なお、これに関しては、例えば、Proceedings of SPIE, Vol.4186, 第１６〜２１頁（非特許文献１）、あるいは、USP6,428,940（特許文献１）において示されている。

一方、前記ＳＬＭとは異なり、マイクロミラーがデジタル的にＯＮ／ＯＦＦ動作のみを行うデジタルミラーデバイス（以下、ＤＭＤと示す。）を用いたパターン描画装置が、マスクレス露光装置などとして用いられることがある。そのおもな構成は、図１に示した本発明のパターン描画装置１００と同等であるため、図１を用いて従来装置の構成を説明する。

露光光である紫外光Ｌ１２をＤＭＤ１０１に照射させ、描画に利用する紫外光だけが、紫外光Ｌ１３としてＤＭＤ１０１を反射し、縮小投影光学系１０４によってマイクロレンズアレイ１０５上に投影される。マイクロレンズアレイ１０５によって、紫外光Ｌ１４は多数の細い光線に分割され、ピンホール板１０６における各ピンホールにそれぞれが集光する。ピンホール板１０６の各ピンホールの出射面での光の像が、縮小投影光学系１０８によって、基板１０９上にピンホール板１０６での像（すなわち、スポットの集合体）がパターン投影される。

ただし、従来のパターン描画装置では、ピンホール板は、図３に示されたピンホール板４００のように、各ピンホールの並びが、Ｘ、Ｙ方向から僅かに傾けられたように斜めになっている。その結果、図４に示したように、描画中は基板１０９をＹ方向にスキャンさせているため、１回目のＤＭＤのＯＮ動作で投影されるパターンであるスポット集合体における隣接するスポット間にも、その後のＤＭＤのＯＮ動作によって露光されるようになる。以上のようなパターン描画装置に関しては、例えば、USP 6,473,237（特許文献２）において示されている。

なお、以上に述べたようなミラーデバイスを用いたレーザビーム描画装置では、ＤＭＤ１０１の全面に紫外光を照射させることから、従来のレーザビーム描画装置のように、レーザ光を細く集光して基板に照射させる必要がないため、水銀ランプなども露光光源として利用できる特徴がある。
Proceedings of SPIE, Vol.4186, 第１６〜２１頁 USP6,428,940 USP 6,473,237

ＤＭＤを用いた従来のパターン描画装置においては下記の２つの課題があることが判明した。

第一の課題としては、基板上にスポットを形成してパターン描画する場合、露光光源として水銀ランプを用いると、水銀ランプは連続的に発光するため、基板がステージ上でスキャンされる際に、投影される各スポットが長く引き伸ばされることである。特に、マスク描画に利用する場合、マスク上では、４ｎｍ以下の小さい寸法（一般に最小グリッドと呼ばれる。）で形づくられたパターンを露光する必要がある。その結果、基板に投影されるスポットが、所定の位置から４ｎｍ程度以上伸びると、設計通りのパターンが形成できなくなる。

そこで、光源をチョッパなどでＯＮ／ＯＦＦ動作させる場合もあったが、スキャン速度は通常１ｍｍ／ｓ秒以上であるため、その場合にスポット形状の伸びを４ｎｍ以下に抑えるには、ＯＮ時間を４マイクロ秒以下にする必要があった。これによると、ＤＭＤでは数千から１００００Ｈｚ（すなわち周期１００マイクロ秒）で動作できるため、１００００Ｈｚの場合、ＯＮ時間の割合を４％以下にしなければならず、紫外光の利用効率が４％以下となり、９６％以上もの紫外光のエネルギーが無駄になることが問題であった。

第二の課題としては、図３に示したような、従来のパターン描画装置で用いられるピンホール板４００を用いてパターン描画する場合、離散的なスポットの間にも紫外光が当たるようになり、連続的に露光された領域が形成される。ところが、マスクなどの描画パターンのデータは、通常、直交する正方形マトリクスの並びでデータが作られる。したがって、描画によるパターン形成時に、ＤＭＤにおける各マイクロミラーのＯＮ／ＯＦＦ制御に関する順序とタイミングを算出するアルゴリズムが複雑になることが問題であった。

本発明の第一の目的は、前記パターン描画装置において、連続光源を用いてもスポットが最小グリッド程度の数ｎｍ以上に引き伸びることがなく、しかも紫外光の利用効率を高くできる装置を提供することである。

また、本発明の第二の目的は、前記パターン描画装置において、ＤＭＤの各マイクロミラーのＯＮ／ＯＦＦ制御を単純化できる装置を提供することである。

前記第一の目的を達成するために、本発明では、ピンホール板に圧電素子が設けられる。圧電素子は、印加する電圧を微調整することで、数ｎｍの精度で数ミクロン程度の長さを調整できることが知られている。そこで、圧電素子をピンホール板に備えれば、ピンホール板自体を数ｎｍの精度で数ミクロンの移動を、ＤＭＤの動作速度に追従できるような瞬時に行える。このようにピンホール板を移動させると、基板に投影されるスポットも移動することから、基板のスキャン方向と反対方向にスポットが移動するように、ピンホール板を移動させることで、基板上に投影されるスポットを、基板に対して数十マイクロ秒の間、止める（すなわち、投影されるスポットと基板との相対速度を０にする）ことができる。

また、前記第二の目的を達成するために、ミラーデバイスの表面における垂線が、縮小投影光学系の光軸から斜めになるように、ミラーデバイスを取り付け、かつ前記ピンホール板における描画に利用されるピンホールの並びは、基板のスキャン方向（Ｙ方向）と直交する方向（Ｘ方向）に平行に並べたものとなる。これによると、ピンホールの並びのうち、Ｙ方向の並びに関しては、少しづつずれて並ぶようになるため、従来と同様、基板のスキャンによって、ピンホールの間を埋めるように、露光させることができる。しかも、Ｘ方向にピンホールが平行に並ぶため、それらに対応するマイクロミラーのＯＮ／ＯＦＦ制御の順序とタイミングを算出するアルゴリズムが極めて単純化される。

本発明のパターン描画装置は、以上に述べた構成になっているため、連続光源を利用した場合でも、紫外光の利用効率を従来の４％以下から２５％程度まで向上できるようになった。さらに、スポットの投影位置を数ｎｍの精度で微調整できるようになった。

また、ＤＭＤのＯＮ／ＯＦＦ制御のアルゴリズムを大幅に単純化できるようになった。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

本発明の第一実施例を図１、図２、図４、及び、図５を用いて説明する。図１は本発明のパターン描画装置１００の構成図である。パターン描画装置１００では、露光光である紫外光Ｌ１１をミラー１０２に入射させ、反射した紫外光Ｌ１２をＤＭＤ１０１の表面に入射させる。ここでは、ＤＭＤ１０１における各マイクロミラーのサイズは、１辺１４ミクロンになっている。ＤＭＤ１０１で反射した（描画に利用する）紫外光Ｌ１３は、レンズ１０３ａ、１０３ｂとで構成される投影光学系１０４を通り、約１．４３倍に拡大され、約２０ミクロンのピッチでマイクロレンズが並んでいるマイクロレンズアレイ１０５上に投影される。なお、投影光学系１０４としては、単に２枚のレンズの構成で示してあるが、実際には収差を抑制するために、多数のレンズで構成させる方が好ましく、例えば、ｉ線露光装置用の倍率１／５の縮小投影光学系を用いることが好ましい。マイクロレンズアレイ１０５によって、紫外光Ｌ１４は多数の細い光線に分割され、ピンホール板１０６における各ピンホールにそれぞれが集光する。ただし、ピンホール板１０６としては、実際に穴を有する板でなくてもよく、照射されたレーザ光を多数の光線に分割できるように、ガラス板上にＣｒ等の遮光膜を付け、当該遮光膜に多数の穴を設けたものであり、本発明では、これらを単にピンホール板と呼ぶ。ピンホール板１０６の各ピンホールの出射面での光の像が、レンズ１０７ａ、１０７ｂとで構成される縮小投影光学系１０８によって、基板１０９上にパターン投影される。

縮小投影光学系１０８の倍率は、ここでは１／５となっている。したがって、基板１０９上に投影されるスポット集合体における各スポットの中心間隔は０．４ミクロンになる。図４に示したように、ここでは基板１０９は−Ｙ方向に１ｍｍ／ｓの速度でスキャンしているため、ピンホール板１０６の投影領域１２１が基板１０９上でＹ方向に１ｍｍ／ｓで移動し、露光された領域１２２がパターン描画されたことになる。

本発明では、図２に示したように、ピンホール板１０６が長方形であり、Ｙ方向の片側に圧電素子１２０ａが、またＸ方向の片側に圧電素子１２０ｂが取り付けられている。圧電素子は、電圧の印加によって、マイクロ秒のオーダーで瞬時に伸び縮みができる。したがって、圧電素子１２０ａによって、ピンホール板１０６をＹ方向に沿って数千Ｈｚの周波数で微振動させることができる。

本実施例におけるＤＭＤ１０１とピンホール板１０６の動作を図５に示した。図５（ａ）に示したように、ピンホール板１０６を、振幅２５０ｎｍで、ＤＭＤ１０１の動作周波数と同じ１００００Ｈｚで往復移動（正確には、等速度往復移動）させている。その結果、倍率１／５の縮小投影光学系１０８によって、基板１０９上でのピンホール板１０６の投影領域１２１における各スポットは、振幅５０ｎｍでＹ方向に往復移動することになる。一方、往復移動の周期は、ＤＭＤ１０１の周期と同じ１００マイクロ秒であるため、半周期の５０マイクロ秒では、基板１０９は５０ｎｍ移動する。

一方、図５（ｂ）に示したように、ＤＭＤ１０１では、ＯＮからＯＦＦへの変化にそれぞれ２５マイクロ秒掛かるため、ＯＮ時間は２５マイクロ秒となっている。したがって、その間に基板１０９は２５ｎｍ移動することになる。これに対して、前述のように、各スポットは、ＤＭＤ１０１の動作の半周期の５０マイクロ秒近くが、一方向に移動することから、ＯＮ時間の２５マイクロ秒の間でスポットが反転することはない。

以上のように、本発明ではＤＭＤの動作周波数と同じ周波数でピンホール板を往復移動させるため、ＤＭＤのＯＮ時間の間は、基板と、基板に投影されるスポットとが相対的に止まるようになる。したがって、ＤＭＤのＯＮ時間の間は露光できるようになり、光源に連続光を用いても、紫外光の利用効率は２５％に向上するようになった。

ところで、特にマスク描画に利用する場合に、広くレーザビーム描画装置に対して共通する課題であるが、マスク描画では、マスク上で４ｎｍ程度の最小グリッドで形成された形状をパターン露光する必要がある。ＥＢ描画装置では、電子ビームを偏向器によって瞬時に数ｎｍの高い精度で位置制御できるのに対して、光によって露光するパターン描画装置では、光線自体を曲げることが困難であるため、露光対象であるマスクなどの基板をステージで微動させる必要がある。ところが、ステージは一般に重いため、スポットを露光する時間に対して無視できる程度の１マイクロ秒以下の瞬時に移動させることが困難であった。これに対して、本実施例ではピンホール板１０６に２つの圧電素子１２０ａ、１２０ｂが取り付けられており、それぞれＹ方向、Ｘ方向に微動できる。基板１０９へのピンホール板１０６の投影領域１２１の投影位置もＸ方向とＹ方向の両方に対して、数ｎｍの精度で微調整できる。しかもピンホール板１０６はステージに比べると桁違いに軽いことから、この微調整を１マイクロ秒以下の瞬時に行えるようになった。

次に、本発明の第二実施例として、図１に示したパターン描画装置１００をさらに改良した構成を、図６、図７、及び図８を用いて説明する。

第二実施例では、図６（ａ）に示したように、ＤＭＤ２０１は水平面（ＸＹ平面）から傾けて取り付けてある。即ち、ＤＭＤ２０１は、そのデバイス面の垂線が、光学系の光軸とは斜めになるように、配置されている。また、ＤＭＤ２０１を上から（Ｚ方向）から見た場合を図６（ｂ）に示す。すなわち、通常の水平面（ＸＹ面）内の装着状態から斜めにする際に、その回転軸２１５を、水平装着時２１４の形状（形状とは、最も外側に配置されたマイクロミラーで囲まれた形状）の辺（長辺、短辺のどちらでもよい。）に対して、４５度の角度に配置したものである。その結果、斜め装着時２１３のＤＭＤ２０１の形状は平行四辺形になる。したがって、この平行四辺形の長辺がＸ軸に平行となるように装着すればよい。

これによると、ＤＭＤ２０１が、図１に示された縮小投影光学系１０４によってマイクロレンズアレイ１０５上に投影される際も、各マイクロレンズの並びの形状（最も外側に配置されたマイクロレンズで囲まれた形状）も平行四辺形になっている。したがって、正確には図１で示されたマイクロレンズアレイ１０５とは異なっているため、ここでは、マイクロレンズアレイ１０５’とする。さらに、そのマイクロレンズアレイ１０５’の各マイクロレンズから出射した紫外光が集光されるピンホール板も、ピンホール板１０６とは異なり、本実施例では、図７に示したピンホール板２２０のようになっている。すなわち、ピンホールにおける最も外側に配置されたピンホールで囲まれた形状が平行四辺形であり、且つ、各ピンホールの形状は基板のスキャン方向に直交する方向が長辺となるような長方形形状になっている。尚、各ピンホールの形状はスキャン方向に直交する方向が長辺となるような長円形状であっても良い。

したがって、このピンホール板２２０を投影して描画する場合のピンホール板２２０の投影領域は、図８に示したようになり、基板１０９においてＸ方向とＹ方向に直交した方向に分割されたパターンデータにそって、ＤＭＤ２０１をＯＮ／ＯＦＦ制御すればよい。

上に述べた第一及び第二実施例は個別の実施例として説明したが、２つの実施例を組み合わせることも可能である。

本発明は連続光源、微小ミラー、及び、ピンホール板を用いたパターン描画装置におけるスポットの投影位置の精度を向上させることができ、且つ、微小ミラーの制御を単純なアルゴリズムで簡単に行うことができる。

本発明のパターン描画装置１００の構成図である。ピンホール板１０６の構成図である。従来のピンホール板４００の構成図である。パターン描画装置１００による描画を説明する図である。ピンホール板１０６とＤＭＤ１０１の動作を説明する図である。（ａ）及び（ｂ）はＤＭＤ２０１の装着及びその構成を説明する図である。ピンホール板２２０の構成を示す図である。図７に示されたピンホール板２２０を用いた場合における描画を説明する図である。

符号の説明

１００パターン描画装置
１０１、２０１ＤＭＤ
１０２ミラー
１０３ａ、１０３ｂ、１０７ａ、１０７ｂレンズ
１０４、１０８縮小投影光学系
１０５、１０５’ マイクロレンズアレイ
１０６、２２０、４００ピンホール板
１０９基板
１２０ａ、１２０ｂ圧電素子
１２１ピンホール板１０６の投影領域
１２２露光された領域
２１１ベース
２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃマイクロミラー
２１３斜め装着時のＤＭＤ２１０の形状
２１４水平装着時のＤＭＤ２１０の形状
２１５回転軸
２２１ピンホール板２２０の投影領域
２２２露光された領域
Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ１４、Ｌ１５紫外光

Claims

紫外光発生部、二次元配列状の微小ミラー、マイクロレンズアレイ、及び照射された紫外光を多数の細い光線に分割できるピンホール板、及びピンホール板での像を描画対象の基板に転写する縮小投影光学系とを含むパターン描画装置において、前記ピンホール板に圧電素子を備えたことを特徴とするパターン描画装置。
紫外光発生部、二次元配列状の微小ミラー、マイクロレンズアレイ、及び照射された紫外光を多数の細い光線に分割できるピンホール板、及びピンホール板での像を描画対象の基板に転写する縮小投影光学系とを含むパターン描画装置において、前記ピンホール板における各ピンホールの形状が前記基板のスキャン方向に直交する方向が長辺となる長方形状あるいは長円形状であることを特徴とするパターン描画装置。
紫外光発生部、二次元配列状の微小ミラー、マイクロレンズアレイ、及び照射された紫外光を多数の細い光線に分割できるピンホール板、及びピンホール板での像を描画対象の基板に転写する縮小投影光学系とを含むパターン描画装置において、前記二次元配列状の微小ミラーのデバイス面の垂線が、前記縮小投影光学系の光軸から斜めになるように、前記二次元配列状の微小ミラーを取り付け、かつ前記ピンホール板における描画に利用されるピンホールの並びにおいて、基板のスキャン方向と直交する方向に平行に並べたことを特徴とするパターン描画装置。
微小ミラーデバイス及びピンホール板を介して与えられる像を描画対象の基板を所定のスキャン方向にスキャンしながら転写するパターン描画方法において、前記ピンホール板からのスポットの移動速度と前記スキャン方向に対するスキャン速度とを実質的に等しくして描画を行う工程、及び、前記微小ミラーデバイスのデバイス面の垂線が当該微小ミラーデバイスと前記ピンホール板との間に配置される光学系の光軸に対して斜めになるように、取り付けられた前記微小ミラーデバイスを使用して描画を行う工程のうち、少なくとも一方の工程を用いて描画を行うことを特徴とするパターン描画方法。
請求項４において、前記ピンホール板上のピンホールは前記基板のスキャン方向に対して直交する方向に並行に配列されていることを特徴とするパターン描画方法。