JPH1154420A

JPH1154420A - レーザービーム直接描画装置

Info

Publication number: JPH1154420A
Application number: JP9219992A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Harano; 正幸原野
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 1997-07-30
Filing date: 1997-07-30
Publication date: 1999-02-26

Abstract

(57)【要約】【課題】長寿命化、低ランニングコスト化、装置の小
型低価格化を図ることが可能なレーザービーム直接描画
装置を提供することを主目的とする。【解決手段】レーザー光を出力するレーザー光出力部
と、フォトレジストが塗布された基板に対向可能に配置
されレーザー光をフォトレジストに集光するための対物
レンズ１８とを備えているレーザービーム直接描画装置
１において、レーザー光出力部は、固体レーザー３で構
成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェーハ、
半導体（ＡＳＩＣ）、半導体マスク、ハードディスクド
ライブ用薄膜ヘッド、液晶ディスプレイ、マイクロマシ
ンおよび光導波路などを微細加工する際に、フォトレジ
ストを塗布した基板上にマスクレスで数ミクロン線幅の
パターンを直接描画するためのレーザービーム直接描画
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】エレクトロニクス、オプトエレクトロニ
クス、メカトロニクスなどの分野では、微細加工プロセ
スによる集積化技術の開発が重要課題となっている。こ
の種の微細加工プロセスによってサブミクロンオーダの
半導体デバイス用フォトマスクを作成する装置として、
電子ビーム装置が従来から用いられている。ところが、
電子ビーム装置は、真空チャンバを必要とし、しかも大
容量の電源装置を必要とする結果、装置の大型化、高価
格化を招いている。加えて、真空中で描画を行う必要
上、描画面積が小さく、かつ保守点検が煩雑であるとい
う欠点もある。また、実際に半導体ウェーハ上にパター
ンを形成するためには、フォトマスクを作成した上に、
更にステッパ露光装置などによってパターンの転写露光
を行わなければならないため、作業に長時間が必要とさ
れるという欠点もある。

【０００３】このため、近年では、描画精度はやや低下
するものの、大気中での動作が可能で、しかも、操作性
に優れ、比較的安価で、描画面積が大きいという特徴を
有し、線幅が数ミクロンオーダのパターンをマスクレス
で比較的容易に直接描画可能なレーザービーム直接描画
装置が、電子ビーム装置に代わって用いられ始めてい
る。図１３は、レーザービーム直接描画装置８１（以
下、「描画装置８１」という）の構成を示している。同
図に示すように、描画装置８１は、パターニングの際に
各種制御を実行するパーソナルコンピュータ（以下、
「パソコン」ともいう）８２と、例えば波長が４４１．
６ｎｍで光出力１０ｍＷＣＷのヘリウム・カドミウムレ
ーザー光（以下、「レーザー光」ともいう）を出力する
ヘリウム・カドミウムレーザー８３と、ヘリウム・カド
ミウムレーザー８３用の電源８４と、レーザー光を減衰
させるためのＮＤフィルタ８５と、レーザー光を強度変
調するための音響光学変調器（ＡＯＭ）８６と、ビーム
エクスパンダ８７と、光路を変えるためのミラー８８〜
９２と、対物レンズ９３と、Ｘステージ９６およびＹス
テージ９５を有する基板移動機構９４と、パソコン８２
から出力される制御データをディジタル−アナログ変換
するＤ／Ａ変換部１０１と、Ｄ／Ａ変換部１０１から出
力されるアナログ電圧に応じたレーザー光強度に維持さ
れるように音響光学変調器８６を制御するドライバ１０
２と、Ｘステージ９６およびＹステージ９５を駆動する
ための駆動信号を出力するドライバ１０３とを備えてい
る。

【０００４】この描画装置８１では、パターニングに先
立ち、パターニング対象の基板と同一のダミー基板をＹ
ステージ９５に装着する。次いで、対物レンズ９３を介
してレーザー光をダミー基板の表面に照射し、その照射
スポットが最小径になるように対物レンズ９３の位置を
予め手動によって調整する。これにより、対物レンズ９
３の焦点合わせが完了する。次に、ダミー基板に代えて
パターニング対象の基板をＹステージ９５に装着する。
この場合には、ヘリウム・カドミウムレーザー８３から
出力されたレーザー光は、ＮＤフィルタ８５によって減
衰された後、音響光学変調器８６によって所定光量にな
るように光量制御される。次いで、音響光学変調器８６
から出力されたレーザー光は、ミラー８８によって反射
された後、ビームエクスパンダ８７によってビーム径を
拡大させられる。この後、レーザー光は、ミラー８９〜
９２によって反射され、対物レンズ９３まで導かれる。
次いで、レーザー光は、対物レンズ９３によって集光さ
れた後、基板上に塗布されたフォトレジストを照射する
ことにより感光させる。この際、パソコン８２は、予め
入力されている描画パターンデータに基づいて、ドライ
バ１０３を介して駆動信号を出力することにより、Ｘス
テージ９６およびＹステージ９５をＸ方向およびＹ方向
にそれぞれ移動させる。これにより、レーザー光が、所
定の軌跡を描くことにより、パターニングが行われてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この従来の
描画装置８１には、以下の問題点がある。第１に、描画
装置８１では、描画光源として、気体レーザーであるヘ
リウム・カドミウムレーザー８３が用いられている。こ
のため、２５００時間程度の使用により出力レベルが半
減してしまう結果、短寿命で、高ランニングコストにな
っているという問題点がある。第２に、レーザー光を生
成するための共振器が大型で、しかも、電源８４の電源
電圧が高電圧で、かつレーザー光への変換効率が低いた
めに電源８４が大型化する結果、装置の大型化が問題と
なっている。第３に、ヘリウム・カドミウムレーザー８
３本体や電源８４が高価のため、装置が高価格化してい
るという問題点がある。第４に、描画装置８１では、レ
ーザー光を対物レンズ９３まで導く光学系内に、複数個
のミラー８８〜９２が使用されている。このため、振動
などによって光路が微妙に変化してしまう結果、安定性
に欠け、しかも一旦光路が変化した場合の調整作業が煩
雑であるという問題点もある。さらに、複数のミラー８
８〜９２を使用しているため、他の各部の配置自由度が
制限されると共に光学部品の数が多いという問題点もあ
る。第５に、描画装置８１には、対物レンズ９３の焦点
位置合わせするために、ダミー基板に対して実際にレー
ザー光を照射している。したがって、極めて非能率的で
あるばかりでなく、パターニング中に何らかの要因で対
物レンズ９３の焦点位置がずれた場合には、均一なパタ
ーン線幅で描画することができず、低精度になってしま
うという問題点がある。

【０００６】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
ものであり、長寿命化、低ランニングコスト化、装置の
小型低価格化を図ることが可能なレーザービーム直接描
画装置を提供することを主目的とし、光路の調整が容易
で高精度のパターニングが可能なレーザービーム直接描
画装置を提供することを他の目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく請
求項１記載のレーザービーム直接描画装置は、レーザー
光を出力するレーザー光出力部と、フォトレジストが塗
布された基板に対向可能に配置されレーザー光をフォト
レジストに集光するための対物レンズとを備えているレ
ーザービーム直接描画装置において、レーザー光出力部
は、固体レーザーで構成されていることを特徴とする。

【０００８】このレーザービーム直接描画装置では、描
画光源が固体レーザーで構成されている。したがって、
気体レーザーと比較して、レーザー自体が長期間に亘っ
て動作可能なため、描画光源の交換回数を激減させるこ
とができ、低ランニングコスト化を図ることが可能とな
ると共に、レーザー光への変換効率が高いため、電源装
置が小型化できる分、装置全体として小型化を図ること
が可能となる。

【０００９】請求項２記載のレーザービーム直接描画装
置は、請求項１記載のレーザービーム直接描画装置にお
いて、レーザー光出力部は、赤外線を出力する励起光源
としての赤外線半導体レーザーと、赤外線を吸収すると
共に吸収した赤外線よりも短波長のレーザー光に変換し
て出力する波長変換部とを備えて構成されていることを
特徴とする。

【００１０】このレーザービーム直接描画装置では、波
長変換部が、赤外線半導体レーザーの赤外線を吸収し、
吸収した赤外線よりも短波長のレーザー光を出力する。
これにより、高出力の青色レーザー光を出力可能な半導
体レーザーの今後の登場を待つまでもなく、青色レーザ
ー光を基板に対して照射することにより描画が可能とな
る。

【００１１】請求項３記載のレーザービーム直接描画装
置は、請求項１または２記載のレーザービーム直接描画
装置において、レーザー光出力部および対物レンズ間に
配設されレーザー光を導光するための光ファイバを備え
ていることを特徴とする。

【００１２】このレーザービーム直接描画装置では、従
来のミラー８８〜９２によって光路を形成するのとは異
なり、光ファイバが、レーザー光を直接的に導光する。
これにより、例えば地震などによって光ファイバが位置
ずれしたような場合であっても、光ファイバの入出力端
の位置合わせを行うことにより、位置ずれを容易に修正
することが可能となる。また、光ファイバはフレキシブ
ルなため、その入出力端を他の機構部品の位置に合わせ
て自由に位置合わせすることができ、これにより、光学
部品などの機器配置の自由度を向上させることが可能と
なる。

【００１３】請求項４記載のレーザービーム直接描画装
置は、請求項１から３のいずれかに記載のレーザービー
ム直接描画装置において、対物レンズの焦点をフォトレ
ジストの表面に自動設定するための自動焦点合わせ機構
を備えていることを特徴とする。

【００１４】このレーザービーム直接描画装置では、パ
ターニング中において振動などに起因して対物レンズの
焦点が位置ずれした場合、自動焦点合わせ機構が、自動
的に作動して対物レンズの焦点を自動合わせする。した
がって、常に均一なパターンを高精度で描画することが
可能となる。

【００１５】請求項５記載のレーザービーム直接描画装
置は、請求項４記載のレーザービーム直接描画装置にお
いて、自動焦点合わせ機構は、基板の装着が可能に構成
されると共に上下動可能な基板移動機構と、装着された
基板に対し対物レンズにおける光軸を外れた対物レンズ
の所定部位を介して焦点合わせ用レーザー光を照射可能
な半導体レーザーと、基板によって反射され対物レンズ
を介して入射する反射光を受光する二素子型フォトダイ
オードと、二素子型フォトダイオードにおける各フォト
ダイオードによってそれぞれ検出された両検出信号を差
動増幅する差動増幅部と、差動増幅部から出力された差
動増幅信号に基づいて基板移動機構を上下動させる上下
動制御部とを備えて構成されていることを特徴とする。

【００１６】このレーザービーム直接描画装置では、半
導体レーザーが、対物レンズにおける光軸を外れた部位
を介して、基板移動機構に装着されている基板に対して
焦点合わせ用レーザー光を照射する。この際に、そのレ
ーザー光は基板表面で反射され、反射光が、対物レンズ
を介して二素子型フォトダイオードに入射する。この場
合、基板が対物レンズの焦点位置に位置させられている
場合と、焦点位置の上方または下方に位置させられてい
る場合とでは、二素子型フォトダイオードにおける両フ
ォトダイオードによってそれぞれ検出される両検出信号
の検出レベルが相違する。したがって、例えば、基板が
焦点位置に位置させられているときに差動増幅部から出
力される差動増幅信号の値が最小値になるように、焦点
合わせ用レーザー光の対物レンズへの入射部位などを予
め規定し、上下動制御部が差動増幅信号の値に基づいて
上下動機構を制御することにより、基板を常に対物レン
ズの焦点位置に位置させることが可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明に係るレーザービーム直接描画装置の好適な実施の形
態について説明する。

【００１８】図１に示すように、レーザービーム直接描
画装置１（以下、「描画装置１」ともいう）は、パター
ニングの際に各種処理を実行するパソコン２、本発明に
おけるレーザー光出力部に相当するＳＨＧレーザー（Se
condary harmonic generation レーザー）３、ドライバ
４、音響光学変調器５、ドライバ６、レンズ７、光ファ
イバ８、レンズ９、赤色半導体レーザー１０、ドライバ
１１、レンズ１２、１／２波長板１３、偏光ビームスプ
リッタ１４、ビームスプリッタ１５、ミラー１６，１
７、対物レンズ１８、基板移動機構１９、Ｄ／Ａ変換部
２４、フォトダイオード２５、増幅回路２６、二素子型
フォトダイオード２７、増幅回路２８ａ，２８ｂ，２
９、Ａ／Ｄ変換部３０、ドライバ３１を備えて構成され
ている。

【００１９】次に、各構成要素について具体的に説明す
る。

【００２０】ＳＨＧレーザー３は、例えば波長が４７３
ｎｍの青色レーザー光Ｒ１を出力するものであって、図
２に示すように、波長が８０９ｎｍの赤外線レーザー光
Ｒ２を出力する励起光源としての赤外線半導体レーザー
４１と共振器（本発明における波長変換部に相当する）
４５とを備えており、共振器４５は、８０９ｎｍの波長
を吸収して９４６ｎｍの赤外線Ｒ３を励起する光学結晶
４２と、光学結晶４２から出力された赤外線Ｒ３の第２
高調波を発生する第２高調波発生素子４３と、９４６ｎ
ｍの赤外線Ｒ３を全反射すると共に４７３ｎｍの青色レ
ーザー光Ｒ１を全透過させるためのコーティングが凹面
部に施された波長選択性の出力ミラー４４とを備えて構
成されている。このＳＨＧレーザー３では、光学結晶４
２が、赤外線半導体レーザー４１から出力された赤外線
Ｒ２を吸収すると共に、異なる波長の赤外線Ｒ３を第２
高調波発生素子４３に出力する。一方、第２高調波発生
素子４３は、出力ミラー４４に対して、赤外線Ｒ３と赤
外線Ｒ３の第２高調波である青色レーザー光Ｒ１とを出
力する。ここで、出力ミラー４４が赤外線Ｒ３を全反射
することにより、赤外線Ｒ３は、光学結晶４２における
赤外線半導体レーザ４１側の端面と出力ミラー４４の凹
面部との間で構成される光共振器で増幅される。この場
合、青色レーザー光Ｒ１は、赤外線Ｒ３の増幅に応じて
徐々に高レベルとなり、所定のしきい値を超えたときに
出力ミラー４４から放射される。なお、赤外線半導体レ
ーザ４１と光学結晶４２との間に集光レンズを配設し、
赤外線半導体レーザ４１から出力される赤外線ビームを
集光するのが効率向上の点から好ましい。ドライバ４
は、ＳＨＧレーザー３におけるレーザー光の出力レベル
制御や、温度コントロールを実行する。

【００２１】音響光学変調器５は、ＳＨＧレーザー３か
ら出力されるレーザー光の光強度を制御するためのもの
であって、Ｄ／Ａ変換部２４およびドライバ６を介して
入力されるパソコン２からの制御信号に基づいて、レー
ザー光に対して光強度変調することにより１次回折光を
出力する。レンズ７は、音響光学変調器５から出力され
たレーザー光を集光して光ファイバ８内に入射させる。

【００２２】光ファイバ８は、石英系のマルチモード型
光ファイバであって、入射されたレーザー光をレンズ９
まで導光する。レンズ９は、レーザー光を平行光に変換
した後、偏光ビームスプリッタ１４に出力する。

【００２３】赤色半導体レーザー１０は、例えば波長が
６５０ｎｍの赤色レーザー光を出力するものであって、
この赤色レーザー光は、後述する自動焦点合わせ処理
や、基板基準位置の検出処理の際に用いられる。ドライ
バ１１は、赤色半導体レーザー１０の出力レベル制御
や、温度コントロールを実行する。１／２波長板１３
は、レンズ１２によって平行光に変換された赤色レーザ
ー光の偏波面を調整することにより、偏光ビームスプリ
ッタ１４によって赤外線レーザー光が全反射されるよう
に制御する。なお、１／２波長板１３の代わりに１／４
波長板を用いることもできる。

【００２４】偏光ビームスプリッタ１４は、青色レーザ
ー光の一部をフォトダイオード２５側に反射すると共に
大部分をビームスプリッタ１５側に透過し、かつ、赤色
半導体レーザー１０から出力された赤色レーザー光をビ
ームスプリッタ１５側に反射させる。ビームスプリッタ
１５は、両レーザー光をミラー１６側に透過させると共
に、基板表面で反射された赤色レーザー光を二素子型フ
ォトダイオード２７側に反射させる。

【００２５】対物レンズ１８は、ミラー１６，１７によ
って導光されて入力した青色レーザー光を集光し、集光
した青色レーザー光を基板移動機構１９上に搭載されて
いる基板に照射する。なお、この描画装置１では、開口
数（ＮＡ）が０．６５で、倍率４０倍のタイプのものが
用いられている。また、対物レンズ１８は、青色レーザ
ー光と焦点合わせ用の赤色レーザー光を集光させている
が、両レーザー光の波長の違いによる焦点位置のずれを
防止するためにアクロマティックレンズによって構成さ
れている。

【００２６】基板移動機構１９は、本発明における基板
移動機構に相当するものであって、図外のステッピング
モータがそれぞれ内部に配設されたＺステージ２１、Ｙ
ステージ２２およびＸステージ２３を備えている。ここ
で、Ｚステージ２１は、図３に示す基板ホルダ５１を固
定取付け可能に構成されており、パターニングの際に
は、パソコン２の制御に従ってステッピングモータが駆
動させられることにより、基板ホルダ５１に搭載された
基板のフォトレジスト面に対物レンズ１８の焦点が位置
するように上下動させられる。なお、基板ホルダ５１
は、特に限定されないが、材料としてステンレスが用い
られており、面精度±１μｍで研磨加工が施されてい
る。また、基板ホルダ５１は、予め規定した１０箇所の
基板保持位置に長方形状の孔部５２，５２・・が形成さ
れており、この孔部５２に基板をはめ込むことにより、
例えばサイズが５×３０×０．５ｍｍの基板を高位置精
度で１０枚装着できるように構成されている。このた
め、１０枚の基板の連続的なパターニングが可能となっ
ている。Ｙステージ２２およびＸステージ２３は、それ
ぞれ、パソコン２の制御によってステッピングモータが
駆動させられることにより、基板ホルダ５１を図３に示
すＸ方向およびＹ方向に移動させる。ドライバ３１は、
パソコン２から出力される位置データに基づいて各ステ
ージ２１〜２３内のステッピングモータを駆動すると共
に、各ステージ２１〜２３の端部検出信号をパソコン２
に出力する。

【００２７】フォトダイオード２５は、偏光ビームスプ
リッタ１４によって反射されて入力した青色レーザー光
を光電変換することによりレベル制御用信号を生成す
る。増幅回路２６は、入力したレベル制御用信号を増幅
した後、Ａ／Ｄ変換部３０を介してパソコン２に出力す
る。この場合、パソコン２は、入力したレベル制御用信
号の値が所定値になるように、Ｄ／Ａ変換部２４および
ドライバ６を介して音響光学変調器５に制御信号を出力
する。これにより、青色レーザー光の光量を一定値に制
御するためのフィードバックループが形成される結果、
描画光量は常に安定に維持される。

【００２８】二素子型フォトダイオード２７、増幅回路
２８ａ，２８ｂおよび増幅回路２９は、パソコン２、赤
色半導体レーザー１０およびＺステージ２１と共に本発
明における自動焦点合わせ機構を構成する。ここで、二
素子型フォトダイオード２７は、ビームスプリッタ１５
によって反射された赤色レーザー光をそれぞれ光電変換
し１パッケージ内に近接配置された２つのフォトダイオ
ード２７ａ，２７ｂで構成されている。増幅回路２８
ａ，２８ｂは、フォトダイオード２７ａ，２７ｂによっ
て光電変換された電圧信号を増幅し、増幅回路２９は、
両増幅回路２８ａ，２８ｂからそれぞれ出力された電圧
信号を差動増幅してＡ／Ｄ変換部３０に出力する。Ａ／
Ｄ変換部３０は、増幅回路２８ａ，２８ｂによって増幅
された電圧信号、増幅回路２６によって増幅されたレベ
ル制御用信号、および増幅回路２９から出力された差動
増幅信号をアナログ−ディジタル変換し、変換したディ
ジタルデータをパソコン２に出力する。

【００２９】次いで、上記した自動焦点合わせ機構の動
作原理について、図４から６を参照して説明する。

【００３０】この描画装置１では、赤色半導体レーザー
１０から出力された赤色レーザー光Ｒ４が、対物レンズ
１８の光軸を外れた所定部位３２を介して基板ホルダ５
１に装着されている基板に照射されるようになってい
る。また、二素子型フォトダイオード２７は、図４に示
すように、対物レンズ１８の焦点面ａ₀に基板表面ＰＳ
が位置しているときに、基板表面ＰＳによって反射され
る赤色レーザー光Ｒ４が図５（ｂ）に示すように両フォ
トダイオード２７ａ，２７ｂに対して均等に入射するよ
うに配置されている。このため、基板表面ＰＳが焦点面
ａ₀よりも上方の位置ａ₁に位置する場合には、図５
（ａ）に示すように、赤色レーザー光Ｒ４の反射光は、
大部分がフォトダイオード２７ａに入射し、フォトダイ
オード２７ｂには、殆ど入射しない。一方、基板表面Ｐ
Ｓが焦点面ａ₀よりも下方の位置ａ₂に位置する場合に
は、図５（ｃ）に示すように、赤色レーザー光Ｒ４の反
射光は、大部分がフォトダイオード２７ｂに入射し、フ
ォトダイオード２７ａには、殆ど入射しない。つまり、
赤色レーザー光Ｒ４を対物レンズ１８の光軸から若干ず
らして入射すると、その反射光は焦点面ａ₀に対する基
板表面ＰＳのずれに応じて二素子型フォトダイオード２
７の中心からずれて入射し、出力電圧差となって現れ
る。この場合の基板表面ＰＳの位置と、それに対する増
幅器回路２９の差動増幅信号の電圧値との関係を図６に
示す。なお、同図では、Ｚステージ２１上の基板ホルダ
５１に基板を装着し、基板表面ＰＳが焦点面ａ₀に対し
て−２５０μｍ〜＋２５０μｍの範囲に位置するように
０．５μｍ刻みでステップ移動させたときにおける差動
増幅信号の出力電圧特性を示している。この場合、増幅
回路２９の差動増幅信号電圧の最大絶対値を値１に規格
化した相対電圧を表しており、Ｚステージ２１の位置が
焦点面ａ₀に対して下方位置にあるときには、増幅器回
路２９からマイナス電圧が出力され、上方にあるときに
は、プラス電圧が出力される。このため、パソコン２
は、下記の手順に従って自動焦点合わせ処理を実行す
る。

【００３１】パソコン２は、入力されている描画パター
ンデータに基づき、Ｙステージ２２，Ｘステージ２３を
駆動させ所定のパターンをパターニングする際、リアル
タイムで増幅器回路２９の差動増幅信号の電圧値を監視
する。この際、焦点面ａ₀ に対する基板表面ＰＳの位置
ずれに応じて、図６に示した差動増幅信号が増幅器回路
２９から出力される。パソコン２は、この差動増幅信号
の値に基づいて、この値がマイナス電圧のときは上方
に、プラス電圧のときは下方に位置するように、ドライ
バ３１を介してＺステージ２１の上下動を制御する。な
お、同図において、焦点面ａ₀に対して±５０μｍ以上
離間する位置では差動増幅信号の値がほぼ零になる。こ
のため、パソコン２は、増幅回路２８ａ，２８ｂの増幅
信号を監視して±のピーク電圧を併せて検出することに
より、焦点面ａ₀の位置を正確に検出することができ
る。この結果、対物レンズ１８の焦点面ａ₀に基板表面
ＰＳを位置させるように、自動的に焦点合わせが行わ
れ、これにより、均一なパターン幅の描画パターンを高
精度で描くことができる。

【００３２】次に、図７を参照して、パターニング処理
の全体的な動作について具体的に説明する。

【００３３】図外の電源スイッチが投入されると、パソ
コン２が各部の初期化を実行する（ステップ６１）。次
いで、パターニングの準備を行う（ステップ６２）。こ
こでは、オペレータが、基板ホルダ５１に基板を固定し
た後に基板ホルダ５１をＺステージ２１に固定する。ま
た、パソコン２は、ドライバ４を起動することにより、
ＳＨＧレーザー３を作動させる。次に、パターニング条
件の設定処理を行う（ステップ６３）。

【００３４】この設定処理では、パソコン２は、オペレ
ータによって指定されたパターン線幅でパターニングす
るためのパターニング条件、つまりＳＨＧレーザー３の
描画光強度、並びにＹステージ２２およびＸステージ２
３の移動速度（つまり、描画速度）を、オペレータとの
対話形式によって設定する。具体的には、この処理で
は、最初に、オペレータが、所望するパターン線幅をパ
ソコン２のキーボード２ａによって指定する。なお、パ
ターニングの際には、基板が、所定のフォトレジスト膜
厚および反射率で既に作成されているため、これらの値
もパターン線幅と併せて、オペレータによって入力され
る。次いで、パソコン２は、指定されたパターン線幅の
描画を可能にするために、フォトレジストの膜厚、基板
の反射率、描画光強度、描画速度の４つのパラメータを
説明変数とし、パターン線幅を目的変数とする重回帰分
析式に従って描画光強度および描画速度を演算する。

【００３５】この場合、一般的に、パターン線幅を目的
変数ｙとし、フォトレジスト膜厚、基板の反射率、描画
光強度および描画速度をそれぞれ説明変数ｘ₁〜ｘ₄と
する重回帰分析式は、下記の式で表される。ｙ＝α₀＋α₁・ｘ₁＋α₂・ｘ₂＋α₃・ｘ₃＋α₄・ｘ₄・・・・式ここで、α₀は、青色レーザー光の波長と対物レンズ１
８の開口数（例えばＮＡ＝０．６５）および倍率（例え
ば４０倍）とから定まる定数を意味する。

【００３６】この描画装置１では、上記式における定
数α₀および係数α₁〜α₄が以下のようにして予め求
められてパソコン２内の内部メモリに予め記憶されてい
る。すなわち、まず、使用する青色レーザー光の波長を
一定（λ＝４７３ｎｍ）とし、対物レンズ１８の仕様も
一定（ＮＡ＝０．６５、倍率４０倍）とする。また、例
えば、下記の表１に示すように、フォトレジスト膜厚、
基板の反射率、描画光強度および描画速度の４つのパラ
メータの設定可能な範囲を実際のパターニングに合致す
る範囲に定める。そして、その範囲内で各パラメータの
値を変化させることにより、パターン線幅に及ぼす影響
について複数の基板を用いて実験を行う。これにより、
その実験結果から上記定数α₀および係数（α₁〜
α₄）が求められる結果、表１の例では、上記式は、
下記の式で具体的に表される。ｙ＝２２．８７−４．９７・ｘ₁＋０．０７・ｘ₂＋０．０１・ｘ₃ −２９．０１・ｘ₄・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式

【００３７】

【表１】

【００３８】このため、パソコン２は、上記の式を充
足する描画光強度および描画速度を重回帰分析法に従っ
て演算し、演算結果をＣＲＴ２ｂに表示する。この際、
式を充足する描画光強度および描画速度の組み合わせ
が複数存在するため、パソコン２は、オペレータによっ
て任意の組が選択されたときに、最終的な各値を決定す
る。次いで、パソコン２は、決定した描画光強度および
描画速度に設定されるように、音響光学変調器５と、Ｙ
ステージ２２およびＸステージ２３の移動速度を制御す
る。この結果、パターン線幅、フォトレジスト膜厚およ
び基板反射率が指定されたときには、描画装置１内のパ
ターニング条件が自動的に設定されるため、オペレータ
は迅速かつ極めて容易にパターニングを開始することが
できる。

【００３９】次に、実際のパターニングが開始される。
最初に、パソコン２は、基板ホルダ５１に取り付けられ
た複数基板のうちの所定の１枚におけるほぼ中心位置に
対物レンズ１８の光軸が一致するように、ドライバ３１
を介して駆動することによりＹステージ２２およびＸス
テージ２３を移動させる（ステップ６４）。次いで、パ
ソコン２は、前述した手順で焦点位置合わせを実行する
（ステップ６５）。

【００４０】次に、パソコン２は、基板基準位置の検出
処理を実行する（ステップ６６）。この検出処理では、
パターニングの際に描画パターンデータと相俟ってＹス
テージ２２およびＸステージ２３の移動を制御するため
の移動データを生成する。具体的に、図８に示すLiNbO₃
基板を使用した光導波路基板５３をパターニングする場
合を例に挙げて説明する。まず、パソコン２は、光導波
路基板５３の中心位置５４についての絶対的な位置デー
タを検出するために、赤色半導体レーザー１０の赤色レ
ーザー光が１枚目の光導波路基板５３のほぼ中央位置
（中心位置５４の近傍位置）を照射するように、Ｙステ
ージ２２およびＸステージ２３を移動させる。次いで、
その状態で、光導波路基板５３の基準位置検出を開始す
る。

【００４１】パソコン２は、最初に、その位置から、赤
色レーザー光が光導波路基板５３の基板面から外れる位
置まで、−Ｘ方向にＸステージ２３を移動させる。この
状態では、赤色レーザー光は、図９の位置７１を照射す
る。次に、その位置７１から、赤色レーザー光が基板面
から外れる位置まで、＋Ｘ方向に０．１μｍステップず
つＸステージ２３を移動させる。この間においては、赤
色レーザー光が、位置７１から位置７４までを連続的に
照射する結果、増幅回路２８ａ（または２８ｂ）は、位
置７２から位置７３までを照射したときに、図１０
（ａ）の座標ｘ₁〜ｘ₂までの間において所定電圧の増
幅信号を出力する。この際、パソコン２は、位置７２と
位置７３の中心位置を光導波路基板５３におけるＸ座標
基準位置とする。次いで、パソコン２は、Ｙ座標基準位
置を同様にして検出する。この場合には、位置７５から
位置７８までを赤色レーザー光によって照射すれば、増
幅回路２８ａ（または２８ｂ）は、位置７６から位置７
７までを照射したときに、同図（ｂ）の座標ｙ₁〜ｙ₂
までの間において所定電圧の増幅信号を出力する。この
場合、パソコン２は、位置７６と位置７７の中心位置を
光導波路基板５３のＹ座標基準位置とする。これによ
り、パソコン２は、Ｘ座標基準位置とＹ座標基準位置と
に基づいて、中心位置５４に対応する基準位置データを
生成する。

【００４２】次に、パソコン２は、生成した基準位置デ
ータおよび描画パターンデータに基づいて、その描画パ
ターンを描画する際にＸ座標基準位置とＹ座標基準位置
とに基づく基準位置を基準としてＸステージ２３および
Ｙステージ２２を移動させるべき移動データを生成す
る。つまり、描画パターンデータを各光導波路基板５３
の基準位置に対する相対的な位置データとして形成して
おくことにより、移動データは、基準位置を基準として
両ステージ２２，２３を移動させるデータとして生成さ
れる。これにより、各光導波路基板５３には、常に、基
準位置を基準とする同一パターンが描画されることにな
る。なお、基板ホルダ５１における孔部５２の位置を高
精度で形成すれば、特定の光導波路基板５３の中心位置
５４を基準位置とし、その特定基板の孔部５２と他の光
導波路基板５３の孔部５２との相対的な位置関係、特定
の基板の基準位置データ、および描画パターンデータに
基づいてパターニングすることもできる。この場合に
は、基準位置データの検出処理を１回行うだけでよく、
この処理に要する時間を短縮することができる。

【００４３】次いで、パソコン２は、生成した移動デー
タに基づいて、Ｙステージ２２およびＸステージ２３を
移動させることによりパターニングを開始する（ステッ
プ６７）。この際には、対物レンズ１８によって集光さ
れた青色レーザー光が、基板上のフォトレジストを照射
することにより露光させる。次に、パソコン２は、指定
枚数、つまり基板ホルダ５１に装着されている枚数のパ
ターニングが完了したか否かを判別し（ステップ６
８）、完了していないと判別したときには、上記したス
テップ６４〜６７を繰り返し実行し、完了したと判別し
たときには、Ｘ，Ｙ，Ｚステージ２１，２２，２３を初
期位置に移動して（ステップ６９）、この処理を終了す
る。

【００４４】以上のように、この描画装置１によれば、
描画光源をＳＨＧレーザー３で構成した結果、気体レー
ザー光を使用する場合と比較して、レーザー自体が長期
間に亘って動作可能なため、描画光源の交換回数を激減
させることができ、低ランニングコスト化および装置の
小型化を図ることができる。

【００４５】また、自動焦点合わせ機構を採用したこと
により、均一なパターン線幅のパターンを高精度で描画
することができる。図１１に、自動焦点合わせ機構を作
動させたときの描画光強度および描画速度とパターン線
幅の関係を示し、図１２に、自動焦点合わせ機構が非作
動のときの描画光強度および描画速度とパターン線幅の
関係を示す。両図によれば、自動焦点合わせ機構を作動
させている時には、非作動のときと比較して、パターン
線幅のばらつきが押さえられ、常に最小線幅が得られる
ように動作し、しかも描画速度が異なってもほぼ一定の
パターン線幅で描画されていることが確認できる。

【００４６】さらに、各基板の基準位置を検出し、検出
した基準位置データと描画パターンデータとに基づいて
生成した移動データに従ってＹステージ２２およびＸス
テージ２３の移動を制御することにより、基板ホルダ５
１に保持されている複数の基板を連続してパターニング
することができるためＺステージ２１への基板の着脱コ
ストを低減することができる。また、基板ホルダ５１に
装着されている各基板の中心位置を基準位置とすること
により、各基板について同一パターンを高精度で描画す
ることができる。

【００４７】また、重回帰分析法に従って描画パラメー
タが演算されると共に自動的に条件設定される結果、迅
速にパターニングを開始することができる。なお、描画
パラメータとしての説明変数（ｘ₁〜ｘ₄）が互いに異
なる５つの試料について、実際にパターニングした後に
現像し、各試料についての予測パターン線幅と、実測し
たパターン線幅との比較表を表２に示す。この場合、試
料作成の際には、２００℃、３０分間でガラス基板の脱
水ベークを施し、冷却した後、ポジ型フォトレジストを
スピンナーで回転塗布することによりレジスト膜厚を所
定厚にした。この場合、試料基板としては、シリコン、
ガラス、LiNbO₃等の比較的反射率の低い基板や、金属蒸
着された比較的反射率の高い基板など、反射率が異なる
種々のタイプの基板を用いた。次いで、基板にプリベー
クを施し、直線パターンを描画して現像を行い、走査型
電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって直線パターン線幅測定を
行った。この結果、予測値と実測値とは極めて近似して
おり、重回帰分析法に従ってパターン線幅を演算するこ
との妥当性が理解できる。

【００４８】

【表２】

【００４９】なお、本発明は、上記した実施形態に限定
されない。例えば、本実施形態において示したレーザー
光の波長や、対物レンズ１８の開口数および倍率、基板
サイズなどは、この実施形態に限定されず、適宜変更が
可能である。

【００５０】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載のレーザー
ビーム直接描画装置によれば、描画光源を固体レーザー
で構成したことにより、気体レーザーと比較して、レー
ザー自体が長期間に亘って動作可能なため、描画光源の
交換回数を激減させることができ、低ランニングコスト
化を図ることが可能となると共に、レーザー光への変換
効率が高いため、電源装置が小型化できる分、装置全体
として小型化を図ることが可能となる。また、真空チャ
ンバなどを用いる必要がないため、製造価格を低減する
ことができる。

【００５１】また、請求項２記載のレーザービーム直接
描画装置によれば、レーザー光出力部が、赤外線を出力
する赤外線半導体レーザーと、赤外線を吸収すると共に
吸収した赤外線よりも短波長のレーザー光に変換して出
力する波長変換部とを備えたことにより、高出力の青色
レーザー光を出力可能な半導体レーザーの今後の登場を
待つまでもなく、青色レーザー光によって直接描画を行
うことができる。

【００５２】さらに請求項３記載のレーザービーム直接
描画装置によれば、レーザー光出力部および対物レンズ
間に光ファイバを配設したことにより、光軸合わせなど
のメンテナンスが極めて容易となると共に、光学部品な
どの配置自由度を向上させることができる。

【００５３】さらに、請求項４記載のレーザービーム直
接描画装置によれば、自動焦点合わせ機構を備えたこと
により、パターニング中に対物レンズの焦点が位置ずれ
した場合であっても、自動焦点合わせ機構が対物レンズ
の焦点合わせを自動的に行うため、常に均一なパターン
を高精度で描画することができる。

【００５４】また、請求項５記載のレーザービーム直接
描画装置によれば、簡易で高精度の自動焦点合わせ機構
を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るレーザービーム直接
描画装置の構成図である。

【図２】ＳＨＧレーザーの構成図である。

【図３】（ａ）は基板ホルダの平面図、（ｂ）は基板取
付用の孔部の拡大図である。

【図４】自動焦点合わせ機構の動作原理を説明するため
の動作原理図である。

【図５】（ａ）は基板表面が焦点面の上方に位置してい
るときにおける二素子型フォトダイオードへの反射光の
入射状態を示す説明図、（ｂ）は基板表面が焦点面に位
置しているときにおける二素子型フォトダイオードへの
反射光の入射状態を示す説明図、（ｃ）は基板表面が焦
点面の下方に位置しているときにおける二素子型フォト
ダイオードへの反射光の入射状態を示す説明図である。

【図６】焦点面に対して上下方向に基板表面を移動させ
たときに増幅器回路から出力される差動増幅信号の電圧
値と、基板表面位置との関係図である。

【図７】パターニング処理のフローチャートである。

【図８】光導波路基板の平面図である。

【図９】基板の基準位置データの検出処理を説明するた
めの説明図である。

【図１０】（ａ）は基板のＸ座標方向に対する増幅器回
路の差動増幅信号電圧の関係を示す電圧特性図、（ｂ）
は基板のＹ座標方向に対する増幅器回路の差動増幅信号
電圧の関係を示す電圧特性図である。

【図１１】自動焦点合わせ機構を作動させたときの描画
光強度および描画速度とパターン線幅との関係図であ
る。

【図１２】自動焦点合わせ機構が非作動のときの描画光
強度および描画速度とパターン線幅との関係図である。

【図１３】従来のレーザービーム直接描画装置の構成図
である。

【符号の説明】

１レーザービーム直接描画装置２パソコン３ＳＨＧレーザー８光ファイバ１０赤色半導体レーザー１８対物レンズ２１Ｚステージ２７二素子型フォトダイオード２９増幅器回路４１赤外線半導体レーザー４２光学結晶４３第２高調波発生素子４４出力ミラー４５共振器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザー光を出力するレーザー光出力部
と、フォトレジストが塗布された基板に対向可能に配置
され前記レーザー光を当該フォトレジストに集光するた
めの対物レンズとを備えているレーザービーム直接描画
装置において、前記レーザー光出力部は、固体レーザーで構成されてい
ることを特徴とするレーザービーム直接描画装置。
【請求項２】前記レーザー光出力部は、赤外線を出力
する励起光源としての赤外線半導体レーザーと、前記赤
外線を吸収すると共に当該吸収した赤外線よりも短波長
のレーザー光に変換して出力する波長変換部とを備えて
構成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ
ービーム直接描画装置。
【請求項３】前記レーザー光出力部および前記対物レ
ンズ間に配設され前記レーザー光を導光するための光フ
ァイバを備えていることを特徴とする請求項１または２
記載のレーザービーム直接描画装置。
【請求項４】前記対物レンズの焦点を前記フォトレジ
ストの表面に自動設定するための自動焦点合わせ機構を
備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか
に記載のレーザービーム直接描画装置。
【請求項５】前記自動焦点合わせ機構は、前記基板の
装着が可能に構成されると共に上下動可能な基板移動機
構と、前記装着された基板に対し前記対物レンズにおけ
る光軸を外れた当該対物レンズの所定部位を介して焦点
合わせ用レーザー光を照射可能な半導体レーザーと、前
記基板によって反射され前記対物レンズを介して入射す
る反射光を受光する二素子型フォトダイオードと、当該
二素子型フォトダイオードにおける各フォトダイオード
によってそれぞれ検出された両検出信号を差動増幅する
差動増幅部と、当該差動増幅部から出力された差動増幅
信号に基づいて前記基板移動機構を上下動させる上下動
制御部とを備えて構成されていることを特徴とする請求
項４記載のレーザービーム直接描画装置。