JP4463537B2 - パターン露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路製造時の露光工程において、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パターン露光装置（マスクレス露光装置とも呼ばれる。）に関する。

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露光させる（パターン描画とも呼ばれる。）必要があり、そのために利用される装置は露光装置あるいは露光機と呼ばれる。

露光装置には、ウエハを載せて移動させるステージの構成上、ステッパとスキャナとに大別できる。ステッパとは、ウエハ上に並んだ多数の半導体チップ（以下、単にチップと呼ぶ。）を露光する際に、ウエハを停止させて、１回の露光（１ショット）で１チップ分全てをパターン露光する。一方、スキャナ（正式には、スキャン型露光装置と呼ばれる。）では、チップの一部分のパターンを転写させながら、ウエハとマスクとを移動（スキャン）させていき、チップ全体をパターン露光する。したがって、スキャナでは、露光中にチップ上にレーザ光が照射される領域（以下、レーザ光照射領域と呼ぶ。）は、チップの一部分であり、スリット状の細長い領域になっており、その細長い領域の長辺方向に直交する方向にウエハをスキャンさせている。ウエハ上の露光領域は、通常、スキャン方向に３３ｍｍ、スキャンと直交する方向（以下、ステップ方向と呼ぶ。）に２６ｍｍであり、レーザ光照射領域のサイズは、ステップ方向に２６ｍｍ、スキャン方向には７〜８ｍｍ（これは露光装置のメーカや機種によって多少異なる。）になっている。したがって、マスク上でのレーザ光照射領域は、この４倍であるため、ステップ方向に１０４ｍｍ、スキャン方向に３０ｍｍ程度になっている。これは、スキャナの縮小投影光学系のレンズの有効径等で決まってしまい、この寸法より大きくなると、一度に転写できなくなる。

なお、スキャナに関しては、例えば、精密工学会誌、Ｖｏｌ．６１，Ｎｏ．１２，１９９５年、第１６７６頁から第１６８０頁において説明されている。

一方、マスクの製造工程で用いられるパターン露光を行うマスク描画装置と呼ばれる装置では、電子ビームを用いた電子ビーム描画装置が広く利用されているが、紫外域のレーザ光を用いてパターン露光する手法に基づくマスク描画装置も製品化されている。その装置の例としては、１辺１６ミクロンの正方形である微小なミラー（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ミラーデバイス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り、ミラーデバイスのミラー面を基板上に単純に縮小投影する構成になっている。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。

これに対して、前記マスク描画装置とは異なり、ミラーデバイスのパターンを単純に縮小しない方式のパターン露光装置が、プリント基板などへのパターン露光用として用いられることがある。この形式のパターン露光装置２００の構成例が図３に示されている。露光光である紫外光Ｌ２１はミラー２０２で反射し、紫外光Ｌ２２がミラーデバイス２０１に照射され、パターン露光に利用する紫外光Ｌ２３がミラーデバイス２０１で反射して下方に進み、レンズ２０３ａと２０３ｂとで構成された投影光学系２０４によってマイクロレンズアレイ２０５上に投影される。マイクロレンズアレイ２０５によって、紫外光Ｌ２４は多数の細い光線に分割され、ピンホール板２０６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２０６の各ピンホールの出射面での光の像が、縮小投影光学系２０８によって、基板２０９上に、多数の離散スポットの集合体となって、パターン投影される。

ただし、ピンホール板２０６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、ガラス板などの下面に、多数の穴を有するＣｒ等の遮光膜が付けられたものであればよく、本発明では、これらを単にピンホール板と呼ぶ。

パターン露光装置２００におけるピンホール板２０６を上から見ると、図４に示されたように、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取り付けられている。その結果、図５に示したように、描画中は基板２０９をスキャンさせるため、ミラーデバイスの１回のＯＮ動作（すなわち、入射された紫外光を基板の方向へ進ませるように反射させる。）で露光されるピンホール板２０６の投影領域２１０を形成する多数の離散スポットの集合体における隣接するスポット間にも、基板２０９のスキャンによって次第に露光されていくようになる。ただし、基板２０９の全面をパターン露光する場合は、投影領域２１０を何回もスキャンする必要がある。

以上のようなパターン露光装置は、例えば、USP 6,473,237（特許文献２）、特願２００３年第１０７７７６号（特許文献３）等において開示されている。また、前記ミラーデバイスとして市販されている製品のサイズとしては、例えば、１個のマイクロミラーの寸法が一辺約１３．７ミクロンであり、画素数としては、例えば、１０２４×７６８個の場合、ミラーデバイスのミラー面は、長辺方向が１４ｍｍで短辺方向が１０．５ｍｍ（以下、１４×１０．５ｍｍと示す。）になっている。
精密工学会誌、Ｖｏｌ．６１，Ｎｏ．１２，１９９５年、第１６７６頁から第１６８０頁 Proceedings of SPIE, Vol.4186, 第１６〜２１頁、 USP6,428,940 USP 6,473,237 特願２００３−１０７７７６

前述したようなミラーデバイスを単純に縮小投影する方式のパターン露光装置によって、ウエハ上のチップをパターン露光する場合、前記のようにウエハを何度もスキャンさせる必要があるが、その結果、スキャンによる細長い露光領域と、その隣接する露光領域との間で繋ぎ合わせ露光が必要である。そのため、ウエハを移動させるステージに対して、１ｎｍ前後の極めて高い位置精度が要求されるが、このような高い位置精度でウエハを移動させることはほとんど不可能であった。したがって各スキャンによる隣接する２つのパターンの接合部で不整合が生じ易く、不良チップが製造されることが多かった。

本発明の目的は、ウエハ上にチップのパターン露光を行うためのミラーデバイスを用いたパターン露光装置において、繋ぎ合わせ露光を不要にできる装置を提供することである。

前記目的を達成するために、ミラーデバイスを単純に縮小投影せずに、ミラーデバイス、マイクロレンズアレイ、ピンホール板、及び縮小投影光学系とを含むパターン露光装置において、ミラーデバイスを複数用い、ウエハをスキャン移動できるステージを含み、前記複数のミラーデバイスとピンホール板との間に第２の縮小投影光学系を配置し、前記複数のミラーデバイスを、スキャン方向には２段以上で、かつミラーデバイス全体の配置として、ステップ方向に長い形状の長方形領域内に入るように並べたものである。

これによると、複数のミラーデバイスをステップ方向に長い領域に並べることで、スキャン方向に２段に並べて、しかも各ミラーデバイスの向きとして、スキャン方向に沿ってミラーデバイスの有効領域が長い方向になっても、前記第２の縮小投影光学系を用いることで、ピンホール板における有効領域（すなわち、実際にパターン露光に利用されるピンホール穴が並ぶ領域）の幅を３０ｍｍ以下にできる。したがって、通常のスキャナで利用されている縮小率１／４の縮小投影光学系やスキャン型のウエハステージをそのまま利用して装置を構成できる。

しかも、ミラーデバイスを２段以上に並べることで、これらの２段におけるミラーデバイスを、スキャン方向に互いにずらして千鳥状に配置できる。その結果、ミラーデバイス全体がウエハ上でスキャンされる際に、ステップ方向に関して、隣接するミラーデバイスによって露光される領域同士を繋げることができる。したがって、１回のスキャンによって、ウエハ上で１チップ分のパターン露光（すなわち、ステップ方向に２６ｍｍの幅でパターン露光）を行うことが可能になる。

本発明のパターン露光装置では、１回のスキャンで１チップ分のパターン露光が行えるため、繋ぎ合わせ露光が不要となり、高精度でパターン露光ができる。その結果、従来頻繁に生じていた繋ぎ合わせ部でのパターンの不整合などの異常は全く発生しなくなった。

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は本発明のパターン露光装置１００の構成図である。パターン露光装置１００では、図示されていない光源であるＡｒＦエキシマレーザからの波長１９３ｎｍの紫外光を、多数のミラーデバイスが並べられたミラーデバイスアレイ１の表面に入射させる。ミラーデバイスアレイ１で反射した（露光に利用する）紫外光は、レンズ２ａ、２ｂとで構成される等倍の投影光学系３を通り、マイクロレンズアレイ４上に投影される。マイクロレンズアレイ４によって形成される多数のスポットはレンズ２ｃ、２ｄとで構成される縮小投影光学系５（これが本発明の第２の縮小投影光学系である。）によって、ピンホール板６上に約０．７倍に投影される。なお、マイクロレンズアレイ４の各マイクロレンズで集光される焦点位置にもピンホール板を配置してもよい。なお、ピンホール板６は、石英板の下面に、多数の穴を有するクロム膜が遮光膜として付けられたマスクと同等のものであり、図中で斜線が付けられた細長い領域のみに穴を有しており、これをピンホール板６の有効領域と呼ぶ。

ピンホール板６の下面の穴の位置での光の像が、多数のレンズで構成された縮小投影光学系７（これが本発明の第１の縮小投影光学系である。）によって、ウエハ８上にパターン投影される。縮小投影光学系７の縮小率は１／４であり、下記で説明するが、通常のＡｒＦ露光装置（ＡｒＦスキャナ）で利用されている縮小投影光学系が用いられている。

ウエハ８は、ウエハステージ９におけるステージ台１０の上に載せられており、ステージ台１０はスキャンステージガイド１１内でＹ方向に往復移動できるようになっている。スキャンステージガイド１１は、ステップステージガイド１２内でＸ方向にステップ移動できるようになっている。以上より、ウエハ８のスキャン移動とステップ移動によって、ウエハ８内の全面にレーザ光照射領域１３を移動させることができ、ウエハ８内の全てのチップが露光できるようになっている。なお、ウエハステージ９も、下記で説明するように、通常のＡｒＦスキャナ用のウエハステージを利用できる。

また、図２に示したように、ミラーデバイスアレイ１では、ミラーデバイスが１４個用いられており、斜線で示された部分（例えば、ミラーデバイス１ａ）が各ミラーデバイスのミラー面となっている。すなわち、ステップ方向（Ｘ方向）に長い領域内に複数のミラーデバイスが、１個のミラーデバイスのミラー面の幅と同じ間隔で並べられており、スキャン方向（Ｙ方向）には２段に配列されている。図示されているように、各段のミラーデバイス１ａはスキャン方向に対して千鳥状に配列されており、また、各段のミラーデバイス１ａのステップ方向の間隔は他の段のミラーデバイスのステップ方向の間隔と互いに等しくなっている。各ミラーデバイスのミラー面のサイズは、前述した市販品と同様、１４×１０．５ｍｍになっている。したがって、全ミラーデバイスのミラー面を含む長方形領域（全ミラー領域と呼ぶ。）の寸法は、１４７×４０ｍｍになっている。

一方、図１に示したように、ミラーデバイスアレイ１は等倍でマイクロレンズアレイ４に投影され、マイクロレンズアレイ４は０．７倍でピンホール板６に投影されることから、ピンホール板６に投影されるミラーデバイスアレイ１の全ミラー領域は、約１０３×２８ｍｍとなる。これは前述したように、一般のスキャナにおけるマスク上でのレーザ光照射領域より僅かに小さくなることから、縮小投影光学系７とウエハステージ９に対して、一般のＡｒＦスキャナ用のものをそのまま利用することが可能になった。

なお、本実施例では、図１における縮小投影光学系５を使用しているが、本発明の第２の縮小投影光学系としては、投影光学系３を本発明の第２の縮小投影光学系としてもよい。すなわち、ピンホール板６に投影されるミラーデバイスアレイ１におけるミラー面のサイズが小さくなればよい。

また、図２に示されたように、ミラーデバイスアレイ１では、２段に並べられたミラーデバイスのＸ方向の並びに関して、Ｙ方向に互い違いにずらして並べられており、ミラーデバイスのミラー面の幅と、隣接するミラーデバイスのミラー面との間隔がどちらも１０．５ｍｍになるように配置されている。これによって、Ｙ方向にスキャンすることで、ウエハ８上では、１４個のミラーデバイスによる投影領域がＸ方向で繋がることになる。したがって、ウエハ８上のレーザ光照射領域１３のＸ方向の長さは約２５．７ｍｍとなり、露光対象であるチップの幅が２５．７ｍｍ以内であれば、１回のスキャンで露光できる。これは一般のスキャナの露光フィールドの幅にほぼ匹敵するサイズであるため、一般に製造されるほとんどのチップを１回のスキャンで露光できることになる。

なお、前述したように、パターン露光装置１００の光源としては、図示されていないＡｒＦエキシマレーザであるが、ミラーデバイスとして、例えば、１０，０００Ｈｚ程度の高い周波数で動作できるデジタルミラーデバイスを用いる場合、５，０００Ｈｚで動作できるＡｒＦエキシマレーザを２台用いて、交互に動作させて、取り出されたレーザ光を重ね合わせればよい。これにより１０，０００Ｈｚのレーザ光が生成できる。あるいは、２，５００Ｈｚで動作するＡｒＦエキシマレーザを４台用いて、それぞれタイミングをずらして動作させ、取り出されたレーザ光を全て重ね合わせることでも、１０，０００Ｈｚのレーザ光を生成できる。

本発明のパターン露光装置の構成を示す図である。 図１に示されたパターン露光装置に使用されるミラーデバイスアレイ１の具体的構成を示す図である。 提案されているパターン露光装置の構成を示す図である。 ピンホール板の構成を示す図である。 図３に示されたパターン露光装置による描画を説明する図である。

符号の説明

１ ミラーデバイスアレイ
１ａ ミラーデバイス
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ レンズ
３、２０４ 投影光学系
４、２０５ マイクロレンズアレイ
５、２０８ 縮小投影光学系
６、２０６ ピンホール板
８ ウエハ
９ ウエハステージ
１０ ステージ台
１１ スキャンステージガイド
１２ ステップステージガイド
１３ レーザ光照射領域
１００、２００ パターン露光装置
２０２ ミラー
２０９ 基板
２１０ ピンホール板２０６の投影領域
２１１ 露光された領域
Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３、Ｌ２４ 紫外光

Claims (5)

1. 紫外光発生部、複数の二次元配列状の微小ミラーを含むミラーデバイスアレイ、マイクロレンズアレイ、ピンホール板、前記ピンホール板のピンホールからの光を描画対象の基板に投影する第１の縮小投影光学系、及び前記基板をスキャン方向に移動させることができるステージを含むパターン露光装置において、
   前記ミラーデバイスアレイと前記ピンホール板との間に第２の縮小投影光学系を配置し、かつ前記複数の二次元配列状の微小ミラーの配列として、前記スキャン方向に２段以上で、かつ前記複数の二次元配列状の微小ミラーの全体の配置として、前記スキャン移動の方向と直交するステップ方向に長い形状の長方形領域内に並べたことを特徴とするパターン露光装置。
2. 前記複数の二次元配列状の微小ミラーは、各段毎に、前記ステップ方向に互いに所定の間隔を置いて配列されていることを特徴とする請求項１に記載のパターン露光装置。
3. 複数段の前記微小ミラーデバイスは、互いに千鳥状となるように前記ステップ方向に間隔をおいて配置されていることを特徴とする請求項２に記載のパターン露光装置。
4. 各段の前記微小ミラーデバイスの前記ステップ方向の所定の間隔は、互いに等しいことを特徴とする請求項３に記載のパターン露光装置。
5. 前記マイクロレンズアレイは、前記ミラーデバイスアレイと前記第２の縮小投影光学系との間に配置され、当該ミラーデバイスアレイからの光を受光できるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のパターン露光装置。

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