JP4344162B2 - パターン描画装置及びパターン描画方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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レス描画装置や、あるいは露光装置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にも適用できるパターン描画装置及びパターン描画方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。ただし、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露光機もあり、これはマスクレス露光機と呼ばれている。
【０００３】
一方、マスクを製造するには、マスクの基板となる石英板などの表面に、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。このクロム膜などは、パターン露光によって形成され、そのための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が一般的であり、そのための装置は電子ビーム描画装置（以下、ＥＢ描画装置と示す。）と呼ばれている。
【０００４】
ただし、マスク製造装置には、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対してパターン露光）する手法に基づく装置（レーザビーム描画装置と呼ばれることがある。）も製品化されている。その装置の従来例としては、微小なミラーを二次元配列状に多数並べた反射鏡表示素子（デジタルマイクロミラーなどと呼ばれるミラーデバイス）を用いて、これに紫外レーザ光を照射し、反射光をパターン的に制御して、マスク基板上にパターン描画するものである。このレーザビーム描画装置では、回路パターンの中の一部のパターンを一括して露光できることから、処理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, PP.16-21、あるいは、USP6,428,940において示されている。
【０００５】
これによると、ミラーデバイスを用いた従来のレーザビーム描画装置では、およそ１００万個（約５００×約２０００個）のマイクロミラーを用いたミラーデバイスが用いられ、各マイクロミラーは１６ミクロン前後の大きさである。これを縮小投影光学系によって、マスク基板上に１／１６０の大きさに縮小投影させている。その結果、１つのマイクロミラーに対応するパターンは一辺０．１ミクロン、すなわち１００ｎｍの正方形になる。ただし、マスクを描画する場合、一般に、設計上の最小寸法は１から４ｎｍと小さく、これは最小グリッドと呼ばれる。そこで、一辺１００ｎｍのミラー投影パターンより遥かに小さいパターン形状を実現するために、投影されるパターンに照射させる光量を変化させることが行われている。例えば、前記文献によると、光量を６４段階に変化させる（中間光量を利用する）ことで、最小グリッドとしては、１００ｎｍの１／６４である１．５６ｎｍに対応させている。
【０００６】
このように、中間光量を利用して１つのマイクロミラーの縮小投影パターンよりも小さなサイズの最小グリッドに対応させる従来手法では、ミラーデバイスにおける各マイクロミラーの偏向角度を制御し、それによって、投影されるレーザ光の強度を変化させている。なお、これに関しては、もしも最小グリッドである１．５６ｎｍごとに投影されるマイクロミラーを移動（すなわちマスク基板のスキャン）するように露光するならば、スキャンスピードが１／６４に低下し、しかも、スキャン回数も６４倍に増大するため、描画時間は６４×６４倍と極めて長くなってしまう。すなわち、中間光量を利用することが、レーザビーム描画装置において描画時間を短縮するためには不可欠であるとされている。
【０００７】
【非特許文献１】
Proceedings of SPIE, Vol.4186, PP.16-21
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第6,428,940号明細書
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、中間光量を出すためにミラーの偏向角を制御する従来手法では、各マイクロミラーに印加する電圧を正確に制御する必要がある。ところが、前記のように中間光量を６４段階に変化させるために、電圧を６４段階に細かく分割して制御する必要があり、しかもレーザの繰返し数の２０００Ｈｚに対応する０．０００５秒以下の短い時間の少なくとも数分の１の時間内に、およそ１００万個ものマイクロミラーの全ての電圧を正確に制御することが困難であった。その結果、実際に印加される電圧が正確に６４段階にならず、ばらつきを生じて実質的に光量は数段階しか制御できない場合があった。
【００１０】
本発明の目的は、ミラーデバイスを用いたパターン描画装置において、各マイクロミラーに印加する電圧の中間値を用いて制御せずに、中間光量を利用できるパターン描画装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、ミラーデバイスなどの二次元配列状の光制御素子とマイクロレンズアレイを用いることで、多数のスポットの集合体から成るパターンを投影できるパターン投影装置を含み、前記パターン投影装置から基板に投影される前記パターンにおいて、前記基板を、前記多数のスポットの並びに対して斜めに移動させることで、時間的に異なる照射による前記パターンにおけるいくつかのスポットが、前記基板上で同一地点に重なるように照射させたものである。なお、ここで基板とは、本発明によってマスクレス露光機を構成する場合はウエハのことであり、マスク描画装置を構成する場合はマスク基板のことである。
【００１２】
これによると、複数回の照射で一つのスポット位置を露光するようにできるので、重複させる照射回数の制御によって中間光量を出すことが可能になる。それによって、各マイクロミラーの制御電圧はＯＮとＯＦＦとの２段階でよく、電圧制御が困難になることはない。なお、このように基板上の同一地点への照射回数の制御で中間光量を制御できるのは、前記のようにマイクロレンズによって、スポットの直径を、スポット間隔に比べて小さくできるため、さらに基板を斜めに移動させることに起因する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
【００１４】
第１の実施例を図１と図２を用いて説明する。図１は本発明の第1の実施例としてのパターン描画装置１００による描画の説明図であり、図２は、パターン描画装置１００を構成するパターン投影装置１０の構成図である。図２に示したように、パターン投影装置１０には、二次元配列状の光制御素子としてミラーデバイス６が用いられており、図２では省略して描かれているが、ここでは２０４８×５１２個（すなわち約１００万個）のマイクロミラーが約１６ミクロンピッチで縦横に並んでいる。ミラーデバイス６から進むレーザ光Ｌ１は、マイクロレンズアレイ７を通って小さなスポットに集光された後、ピンホール板８に与えられる。更に、ピンホール板８の穴を通して出射するレーザ光Ｌ２がレンズ９ａと９ｂとを通過して、基板１上に投影される。レンズ９ａと９ｂは投影光学系を構成しており、ピンホール８の位置の光学像を基板１上に投影するようになっている。この構成により、図１に示されたように、基板１におけるミラーデバイス投影領域２には、互いに離れたスポットの集合体パターンが基板１に投影される。
【００１５】
本発明では、図１に示したように、縦横マトリックス状に並んだスポット３の集合体の外部輪郭を定めるミラーデバイス投影領域２は、基板１に対して、即ち、基板１の移動方向４に対して斜めに配置される。換言すれば、マトリックス状のスポット３の集合体パターンの行又は列が基板１の移動方向に対して斜めに配置されている。この状態で、パターン露光の際、基板１を移動方向４に沿って移動させる。この時、有効露光幅５内に位置するスポット３においては、複数個が基板１上で同じ場所に重なるようになる。すなわち、移動方向４の方向から基板１を眺めると、複数のスポット３が、横方向に関して同じ座標位置にある。図１では３個が同じ位置になる場合が描かれている。図１に描かれているスポット３の集合体は、１回の照射（１ショット）により形成された瞬間であるが、基板１を、スポット３の直径の半分程度の長さだけ移動させる度に、照射が行われると、これにより、基板１の全面を繋がったスポットで塗りつぶすことが可能になる。
【００１６】
このような照射を行った場合、図１に示された例では、３個のスポットが基板１上で同じ位置に当たる（すなわち、露光する）ように、基板１の移動速度を調整すると、基板１における有効露光幅５内では、全てのスポットが３回重なるようにできる。本発明では、このことを利用して、基板１上への各スポットの照射回数の有・無の制御（つまり、ミラーデバイス６によって、レーザ光を基板１に向わせるか、向わせないかの２つの制御）を行うだけで、各スポット位置において、露光量を３段階（照射無しを入れると４段階）に制御できるようになる。
【００１７】
ただし、実際のミラーデバイス６は、２０４８×５１２個のマイクロミラーを有するため、例えば、６４個のスポットが同じ位置に照射するように並べることができ、それにより各スポットにおいて６４段階に露光量を制御できる。なお、これを階調数として、例えば、基板における１３２×１００ｍｍの描画エリアの描画時間は、図３（ａ）に示した公式から算出される。なお（ａ）における符号の説明は（ｂ）に示した。設計例として、（ｃ）に示したように、ミラーデバイスの変調数（周波数）が２０００Ｈｚ、基板上の最小グリッドｄを１．５６ｎｍとする場合、実質的には１．５６×６４＝１００ｎｍごとにスポットがくるように基板を移動させればよく、これによって、算出結果は（ｄ）に示したようになり、描画時間は約１２時間となる。
【００１８】
これに対して、もしも中間光量を利用しないならば、描画エリア全体を最小グリッドごとにスポットがくるように基板を移動させる必要が生じ、０．１３２×０．１００／（１．５６ｎｍ＾２）＝５．４２×１０＾１５個の異なる位置にスポットが必要になる。これによると、２０４８×５１２個のマイクロミラーが２０００Ｈｚで動作しても、描画時間は７１８時間となり、中間光量を利用する場合の約６０倍の時間が掛かる。
【００１９】
以上より、本発明のパターン描画装置では、中間光量を利用するため、基板を高速に描画できるだけでなく、従来のようにマイクロミラーを電圧で制御する必要もないことから、ミラーデバイスの制御手法がシンプルになり、誤動作や調整不良が生じにくく、正確に階調を出すことが可能になった。
【００２０】
次に本発明のパターン描画装置における他の実施例を図４を用いて説明する。図４は、図示していない３台のパターン投影装置を有するパターン描画装置２００によるパターン描画の説明図である。３台のパターン投影装置から基板２０へ投影されるミラーデバイス投影領域２１ａ、２１ｂ、２１ｃの中では、基板２０を移動させることで、有効露光領域２２ａ、２２ｂ、２２ｃにおいては設定した階調数に中間光量を出せるが、それ以外の領域では設定した階調数に満たない。そこで、設定した階調数以下の露光領域を互いに重なるように、３台のパターン投影装置を配置したものである。これによって、基板２１を移動方向２４に沿って移動させると、階調数不足領域２３ａ、２３ｂにおいても、２つのミラーデバイス投影領域が重なるため、設定した階調数だけスポットを重ねることが可能になる。
【００２１】
ところで、以上のような多数のスポットの集合体から成るパターンを投影できるパターン投影装置１０によって露光する場合の問題として、スポットが丸形である場合、多数のスポットを密接させて露光すると、図５（ａ）に示したように、スポット間が露光されないことから、（ｂ）に示したように、隣接するスポットが重なるように露光する必要がある。ところが、その結果、中間光量を出さずに、全てを照射しても、スポットが重なる回数が位置によって異なるため、露光が多少不均一になる場合がある。
【００２２】
そこで、スポット形状として六角形にしてもよい。これによると、図６に示すように、六角形では密接に並べる場合に、同じスポット回数で全面を埋めることが可能である。また、同じ位置に複数ショットで露光して中間光量を出す場合に、ショット数の制御が容易になる。また、六角形のスポットを実現するには、例えば、図２に示したパターン投影装置１０におけるピンホール板８の穴を六角形にすればよい。なお、図６には六角形を示したが８角形でもよい。
【００２３】
次に、図２に示したパターン描画装置１００によって描画された基板を用いた実施例を図７を用いて説明する。図７に示したマスク描画装置３００は、パターン描画装置１００によって描画された大型マスク３０を用いて、マスク基板３１上に一般の露光装置用のマスクを描画する装置である。すなわち、通常のマスクの数倍のサイズの大型マスク３０に描画されたパターンを縮小投影光学系３２によって、マスク基板３１に転写したものである。なお、大型マスク３０は、通常のマスクよりも大きいため、自重によってたわむことを抑制するために垂直に固定されている。そこで、４５度反射鏡３３を用いており、これによって、大型マスク３０に照射されるレーザ光Ｌ３０において、大型マスク３０を通過するものは、４５度反射鏡３３で反射して、縮小投影光学系３２を通過でき、マスク基板３１を照射する。
【００２４】
本実施例のように、通常のマスクを描画するために用いる大型マスク３０の描画に、本発明のパターン描画装置を用いたものであり、その効果としては、本発明のパターン描画装置は、前述したように、中間光量の利用によって高精度でパターン描画できるだけでなく、非常に高速にパターン描画できる。したがって大型マスク３０に対しても描画時間が膨大になることはない。
【００２５】
なお、ここで本発明による中間光量を利用の有無によるパターン描画時間の違いを図８を用いて説明する。中間光量を利用しない場合は、（ａ）に示したように、設計上の最小グリッド（ｄ）ごとに露光のスポットを照射する必要があるため、描画面積をＳとすると、スポット数は、Ｓ／ｄ＾２（回）となる。これに対して、中間光量を利用すると、（ｂ）に示したように、スポット間隔が最小グリッド（ｄ）の階調数（Ｇ）倍だけ広げることができる。その結果、描画面積Ｓにおけるスポット数は、一見して、Ｓ／（Ｇ・ｄ）＾２（個）有るように見えるが、これらのスポット全てにおいて、最高Ｇ回重なっているため、スポット総数は、Ｓ／（Ｇ・ｄ）＾２×Ｇ＝Ｓ／ｄ＾２／Ｇとなる。すなわち、（ａ）に示したスポット数の１／Ｇになるため、描画時間は階調数で割った数だけ短縮できる。
【００２６】
ところで、図２に示したパターン投影装置１００におけるピンホール板８の製造法の一例を図９に示す。ここではピンホール板８に正方形の穴をレーザ光によって空ける場合を示した。図示していないエキシマレーザからのレーザ光Ｌ５０は、正方形に穴の空いている金属マスク５１に当たる。金属マスク５１の穴を通過したレーザ光Ｌ５１は、集光レンズ５２を通過して、ピンホール板８に当たる。この際に、集光レンズ５２は縮小投影光学系を形成しており、金属マスク５１の位置の像をピンホール板８に縮小投影するようになっている。これにより、ピンホール板８に照射されるレーザ光Ｌ５２は小さな正方形になり、正方形の穴が空くようになる。
【００２７】
また、ピンホール板８は、図示していないＸＹステージ上に載せられており、それによって、図でＸ方向にスキャンされ、Ｙ方向にはステップするようになっている。したがって、繰返しパルス動作を行うレーザ光Ｌ５０によって、ピンホール板８に多数の正方形の穴が空くようになる。
【００２８】
なお、本実施例では、穴加工にエキシマレーザを用いたが、その理由として、エキシマレーザは波長が短く、金属表面での反射率が低くなって金属板を加工しやすいだけでなく、パルス幅が１０ｎｓ前後と短いため、ピンホール板８を連続的に移動しながら、レーザ照射をしても、パルス幅の時間内に移動する距離が数１ｎｍ以下と小さくできるため、正方形の穴が長く延びることがない。
【００２９】
なお、利用できるレーザとしては、エキシマレーザの他に、フッ素レーザや、フェムト秒レーザなどのように金属への加工性能が良好であり、かつ繰返し動作が可能なレーザであればよい。また、上記した実施例では、基板を移動方向に対して移動させる場合について説明したが、ミラーデバイス投影領域を基板に対して斜めに移動させても良い。
【００３０】
【発明の効果】
本発明のパターン描画装置によると、ミラーデバイスに対する微妙な電圧制御を行わずに階調を出せるため、高精度で高速に描画できるだけでなく、中間光量を正確に、かつ誤動作なく発生できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施例におけるパターン投影装置１００の構成図である。
【図３】本発明による描画時間の算出の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施例の説明図である。
【図５】パターン描画の説明図である。
【図６】本発明によるパターン描画の説明図である。
【図７】本発明のパターン描画装置によって描画された大型マスクを用いたマスク描画装置の構成図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は本発明に係る中間光量を利用しない場合及び本発明に係る中間光量を利用する場合をそれぞれ示す図である。
【図９】図２に示したパターン投影装置１００に使用されるピンホール板の製造法の一例を説明する図である。
【符号の説明】
１、２０ 基板
２、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ ミラーデバイス投影領域
３ スポット
４ 移動方向
５ 有効露光幅
６ ミラーデバイス
７ マイクロレンズアレイ
８ ピンホール板
９ａ、９ｂ レンズ
１０ パターン投影装置
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ 有効露光領域
２３ａ、２３ｂ 階調数不足領域
３０ 大型マスク
３１ マスク基板
３２ 縮小投影光学系
３３ ４５度反射鏡
１００、２００ パターン描画装置
３００ マスク描画装置
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３０ レーザ光

Claims (6)

1. レーザ光を所定の変調数で変調する二次元配列状の光制御素子、マイクロレンズアレイ、及びピンホール板を用い、多数のスポットの集合体から成るパターンを基板に投影するパターン投影装置と、前記基板を前記パターン投影装置に対して相対的に移動させる手段とを含み、前記レーザ光の繰り返し周波数は前記光制御素子の変調数に対応して選定されており、且つ、投影されたパターンを構成する前記多数のスポットの並びが前記基板の移動方向に対して、斜めに配置され、且つ、前記多数のスポットの斜めの配置は、時間的に異なる照射による前記パターンにおけるスポットが、階調数に応じた回数だけ、前記基板上で同一地点に重なるように、設定された状態でパターン描画を行うと共に、前記スポットの形状を前記ピンホール板の穴の形状によって調整できることを特徴とするパターン描画装置。
2. 前記スポットが六角形又は八角形であることを特徴とする前記請求項１のパターン描画装置。
3. 前記スポットの照射の強度が、一回の照射では中間諧調であり、前記階調数に応じた回数だけ前記基板上で同一地点に重なるように照射されたときに必要な強度となることを特徴とする請求項１のパターン描画装置。
4. レーザ光を所定の変調数で変調する二次元配列状の光制御素子およびマイクロレンズアレイ、及びピンホール板を用い多数のスポットの集合体から成るパターンを前記基板に投影するパターン投影装置を用いて、マトリック状に配列されたスポットの集合体パターンと基板のいずれかを相対的に所定の移動方向に移動させることにより、前記スポットの集合体パターンを前記基板上に投影するパターン描画方法において、前記レーザ光の繰り返し周波数は前記光制御素子の変調数に対応して選定されており、前記ピンホール板の穴の形状に応じた形状を有するスポットの集合体パターンの行又は列を、時間的に異なる照射による前記パターンにおけるスポットが、階調数に応じた回数だけ、前記基板上で同一地点に重なるように、斜めにした状態で前記所定の移動方向に移動させることにより、パターン描画を行うことを特徴とするパターン描画方法。
5. 前記所定の移動方向に前記基板の移動中、前記スポットの集合体パターンを構成するスポットは前記基板の同じ位置に前記階調数に応じた回数だけ複数回投影されることを特徴とする請求項４記載のパターン描画方法。
6. 前記基板の同じ位置に複数回投影されるスポットを与える光学制御素子はオン、オフ制御されることを特徴とする請求項５記載のパターン描画方法。

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