JPH076941A - レーザ直接書込による集積回路の製造方法及び装置 - Google Patents

レーザ直接書込による集積回路の製造方法及び装置

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JPH076941A
JPH076941A JP3128835A JP12883591A JPH076941A JP H076941 A JPH076941 A JP H076941A JP 3128835 A JP3128835 A JP 3128835A JP 12883591 A JP12883591 A JP 12883591A JP H076941 A JPH076941 A JP H076941A
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JP
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laser
laser beam
scanning
modulator
focusing
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JP3128835A
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Albert M Leung
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SF UNIVENTURES CORP
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は特注品のＩＣ製造用のレーザ直接書
込システムに関し、ＩＣパターン書込のためのレーザ走
査を高精度に且つ高効率に行えるようにすることで、短
時間に低コストで特注品ＩＣが製作できるようにするこ
とを目的とする。 【構成】 レーザビームを走査する工程、ビーム拡大器
にビームを通過させる工程、及びビームを表面上に集束
する工程を備える。又はＩＣ製造用のレーザ直接書込装
置であって、レーザ発生器、レーザビーム変調器、第一
の方向にビームを走査するレーザビーム走査手段、ビー
ム拡大器、第一の方向に垂直な方向に移動可能な面上に
拡大されたレーザビームを集束する集束手段、及びレー
ザビーム変調器と移動可能面の移動を制御するコンピュ
ータを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】本発明は、個別の特別仕様（以下
特注と称する。）又は半特注の集積回路（以下ＩＣと称
する。）のウェーハを製造するためのレーザ直接書込装
置及び方法に関する。更に本発明は、集束されるレーザ
スポットの高精度走査を行う光システムに関する。
【０００１】
【従来の技術】レーザ走査は多くの分野で使用されてい
る。レーザプリンタ、バーコード読取器及び光テープデ
ータレコーダは、レーザ走査の応用例である。レーザ走
査は半導体産業においても重要であり、走査型レーザ顕
微鏡、半導体プロセス、及びウェーハステッパ用目盛
（ｒｅｔｉｃｌｅ）を製作するレーザパターン発生器に
使用されている。これまでもっとも広く利用されている
レーザ走査装置は、ほとんどすべてのレーザプリンタで
使用されている回転多面鏡（以下回転ポリゴンミラと称
する。）である。典型的なレーザプリンタにおける光シ
ステムは、レーザ光源、音響光学変調器（ａｃｏｕｓｔ
ｉｏ−ｏｐｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、以下ＡＯ変調
器と称す。）、ビーム拡大器、回転ポリゴンミラ及びシ
リンドリカル集光レンズを備える。レーザビームはＡＯ
変調器により非常な高速で変調され、その後所望の径に
拡大される。拡大されたレーザビームは、次に走査及び
集束されて、数千に分解できるスポットより成る数十ｃ
ｍの長さの走査線を形成する。代表的なレーザプリンタ
の集束点（以下スポットと称する。）の大きさは、数十
μｍの程度である。
【０００２】この技術分野に関連するＩＣプロセスにつ
いて二つの文献が開示されている。一つは１９６７年９
月のＩＢＭ Ｊｏｕｒｎａｌの５２０ページから５２６
ページである。ＩＢＭ Ｊｏｕｒｎａｌの記事で開示さ
れているシステムでは、機械的に移動されるウェーハ上
の感光性樹脂（以下フォトレジストと称する。）の露光
に紫外線光又は電子ビーム光が使用されている。この方
法には、コンピュータが生成した配線指示を半導体ウェ
ーハ上の金属導体に変換する工程が含まれている。紫外
線光及び電子ビーム光の両方の実施例において、ウェー
ハは所定のＸ−Ｙ移動を行うようにステッピングモータ
により駆動される台に付属したエネルギ源により移動さ
れる。フォトレジストの露光部分は次に現像により洗い
流される。紫外線光又は電子ビーム光は、コンピュータ
プログラムにより順に制御される電磁シャッタにより点
滅するように制御される。
【０００３】もう一つの文献は、１９８５年２月４日付
のＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｗｅｅｋの２１ページから
２４ページである。この文献に述べられているレーザ光
線プロセスは、正確に案内されたレーザビーム及び従来
からのエッチング方法を、生産個数の少ない特注ＩＣを
短い所要時間で生産するのに使用する装置及び方法につ
いて開示している。この方法は、あらかじめ作られたウ
ェーハを使用しており、顧客の特注のマスクは含まれて
いない。ウェーハは１μｍずつ線を描くようにレーザ銃
の下を移動され、このレーザ銃はスポット径２μｍに集
束される青い光の固定ビームを作る。このビームはコン
ピュータ制御により点滅される。次にウェーハの露光部
分がエッチングされる。
【０００４】レーザ直接書込システムの基本操作を図５
で説明する。レーザビーム１１は、ヘリウムカドミウム
レーザ発生器１０により発生される。レーザビーム１１
はＡＯ変調器１２を通過する。このＡＯ変調器１２は、
制御コンピュータ６により順番に制御される無線周波数
（以下ＲＦと称する。）ドライバ８により制御される。
変調されたビーム１３は走査ミラ１４に入射されて偏向
される。偏向されたビーム１６は顕微鏡対物レンズ２５
に入射し、フォトレジストがコートされたＩＣウェーハ
４上にスポット２６になるように集束される。ＩＣウェ
ーハ４は、制御コンピュータ６により制御されるモータ
駆動式Ｘ−Ｙ軸移動台２の上に取り付けられている。集
束されるレーザスポット２６は、顕微鏡対物レンズ２５
を通過してフォトレジストがコートされたＩＣウェーハ
４上に投影されるときに、直径が０．７μｍ程度であ
る。ＩＣウェーハ４の集束されたレーザスポット２６に
対する相対位置を変化させるモータ駆動方式のＸ−Ｙ台
２とレーザビーム１６は、両方共にコンピュータ制御の
もとにあり、制御コンピュータ６に記憶された情報に従
って選択的にフォトレジストが露光される。この技術に
よりＩＣの相互接続パターンは、コンピュータに記憶さ
れたデータからＩＣウェーハ４のフォトレジスト層に直
接変換することができる。レーザ走査ミラ１４は、ビー
ム１６及び集束スポット２６をＹ軸に沿って移動させる
ことでシステムの処理能力を向上させる。台２は一定量
の慣性力を有しており、この慣性力により台２がＸ軸及
びＹ軸の両軸の方向に移動する速度が制限される。台の
Ｘ軸方向の移動とレーザビーム１６のＹ軸方向の動きを
組み合わせることにより、全体の生産速度を大幅に向上
できる。走査ミラ１４はレーザビーム１６を偏向して、
２５６μｍの長さのＹ軸方向の走査線を生成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】この方法において使用
される回転ポリゴンミラのような機械的走査装置１４を
用いることで、二つの大きな問題が生じる。平均的なモ
ータ駆動式の回転ポリゴンミラ１４を使用したのでは、
走査精度は角度にして３０秒程度である。レーザスポッ
ト２６をＩＣウェーハ表面４上に集束するのに焦点距離
５ｍｍの５０倍の顕微鏡対物レンズを使用した場合に
は、角度にして４１秒で隣接する二点が１μｍ離れる。
従って平均的な回転ポリゴンミラ１４を使用したので
は、直接書込システムの精度は約０．８μｍに制限さ
れ、不充分である。
【０００６】回転ポリゴンミラ１４を使用する他の問題
点は、たとえポリゴンミラが非常に広い走査角、例えば
８面のポリゴンミラとして各面は最大９０°の走査角を
有するとしても、レーザ直接書込システムの投影光学系
（顕微鏡対物レンズ２５）は、入射レーザビーム１６の
１．５゜の偏向角範囲だけを受けることができることで
ある。そのためレーザ出力のうち利用できるのは非常に
小さい比率であり処理能力が著しく低下することにな
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明に基づく装置及び
方法は、特注又は半特注のＩＣを非常に短い所要時間で
提供するためのレーザ直接書込方法に使用される。本発
明の発明者は、半特注ＩＣウェーハ上のフォトレジスト
層をマスク無しに露光するための高い生産性のレーザ直
接書込システムを発明した。このマスク不用の方法は、
マスク製作用の工具を不用にし、半特注のＩＣを少量、
例えば５００個でも低コストで少ない所要時間で製作す
ることを可能にする。
【０００８】上記のことを可能にするため、本発明は高
精度のレーザ走査及び集束システムを用いる。このシス
テムは、レーザビーム走査工程、このビームのビーム拡
大器の通過工程、及びビームの表面上への集束工程を備
えている。ビーム拡大器はレーザビームの径を拡大する
が、これは拡大されたレーザビームはレンズにより表面
上に小さなスポットとして集束することができるためで
ある。拡大されたレーザビームは顕微鏡対物レンズに投
影され、この対物レンズがビームを表面上に集束する。
【０００９】ここに示したシステムでは、表面とはフォ
トレジストをコートしたＩＣウェーハである。ＩＣウェ
ーハの集束レーザスポットに対する位置は、ウェーハが
載置されている移動可能な表面により制御することがで
きる。このシステムにおいては、レーザビームはヘリウ
ムカドミウムレーザ光源から発生することができ、ビー
ムはＡＯ変調器により点滅することができる。点滅動作
時に点灯したレーザビームは、ビーム拡大器の入口に配
置された共振ミラ又は回転ポリゴンミラにより走査する
ことができる。
【００１０】更に本発明は、レーザ直接書込の特注又は
半特注ＩＣ製造装置にも関し、この装置には、（ａ）レ
ーザビームを放射するレーザ発生器、（ｂ）放射された
レーザビームを変調するレーザビーム変調器、（ｃ）変
調されたレーザビームを第一の方向に走査するレーザビ
ーム走査器、（ｄ）走査されたレーザビームの径を拡大
するビーム拡大器、（ｅ）拡大されたレーザビームを、
第一の方向に対して垂直な方向に移動可能な表面上に集
束する集束手段、及び（ｆ）レーザビーム変調器及び表
面の移動を制御するためのプログラム式コンピュータを
備える。
【００１１】装置においては、レーザ発生器はヘリウム
カドミウムレーザ光源であれば良い。変調器はＡＯ変調
器であれば良い。走査手段は、多面の回転ポリゴンミラ
であれば良い。集束手段は、顕微鏡対物レンズであれば
良い。移動可能表面は、コンピュータにより制御される
モータ駆動式台であれば良く、この台がフォトレジスト
をコートしたＩＣウェーハを運ぶ。
【００１２】
【作用】走査手段により走査されたレーザビームは、走
査誤差が大きく集束点での位置精度が不充分である。更
に顕微鏡対物レンズの受光角度範囲に比べて走査角が大
き過ぎるため、走査に使用できる割合が小さく効率が悪
い。しかし走査されたレーザビームがビーム拡大器を通
過することにより、走査誤差はビーム拡大器の倍率分だ
け小さくなり、更に走査角はビーム拡大器の倍率分だけ
小さくなる。そこでこのビーム拡大器の倍率を例えば１
０とすれば、走査誤差と走査角は共に１／１０になる。
また集束点でのビームスポット径も１／１０になる。
【００１３】
【実施例】レーザ直接書込による特注又は半特注集積回
路（ＩＣ）生産システムには、レーザ発生器、顕微鏡、
プログラム制御方式コンピュータ及びフォトレジストが
コートされたＩＣウェーハが載置されるＸ−Ｙモータ駆
動式台が含まれる。レーザビームは走査され、次にビー
ム拡大器を通過した後に半特注ＩＣウェーハの表面上に
投影される。この技術により二つの好ましい結果が同時
に得られる。一つは半特注ＩＣウェーハ上で小さなスポ
ットになるように焦点を結ばせることができる大きな径
のレーザビームが得られることである。もう一つは走査
されるレーザビームの角度距離が圧縮され、これにより
走査誤差が減少することである。
【００１４】本実施例では、図１に関連して説明される
走査システムを用いる。図１は走査されるレーザビーム
の光路の細部を示している。レーザ光源１０は、波長４
４２ｎｍで１０ｍＷの出力を有するヘリウムカドミウム
レーザである。このレーザビーム１１は、ＡＯ変調器１
２で点滅される。次に変調されたレーザビーム１３は、
８面の回転ポリゴンミラ１４により偏向される。この回
転ポリゴンミラは、典型的にはピークツーピークで３０
°の走査角度１５を有している。同様の走査機能が、共
振ミラ（例えば米国マサチューセッツ州Ｗａｔｅｒｌｏ
ｗｎのＧｅｎｅｒａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ社製の共振走
査器である。）のような他の型式の機械的走査器によっ
ても可能であることは、当業者には容易に理解される。
【００１５】図２に詳細が示されるビーム拡大器１７
は、少なくとも二個のレンズで構成されている。入射側
レンズ１８は焦点距離ｆｉ２０であり、出射側レンズ１
９は焦点距離ｆｅ２１を有している。出射ビームの径と
入射ビームの径の比である拡大率は、ｆｅ／ｆｉであ
る。再び図１を参照して、ビーム拡大器１７の出口での
拡大された走査レーザビーム２４の径は、約３ｍｍであ
る。同時にビーム拡大器１７の出口での走査角度は、ｆ
ｅ／ｆｉすなわちビーム拡大率だけ小さくなる。従って
機械走査システムの誤差は、この割合だけ小さくなる。
この割合の典型的な値は、１０である。
【００１６】ビーム拡大器１７の出口での走査レーザビ
ーム２４は、焦点距離５ｍｍの５０倍の顕微鏡対物レン
ズを通って集束される。これによりＩＣウェーハ４の表
面上に２５６μｍの長さで０．１μｍの位置精度の走査
線が生成される。この直接書込システムでのレーザビー
ムの走査は、非常に高い解像力と精度を有する。このシ
ステムならば、半特注のＩＣ上に位置精度０．１μｍで
サブミクロンのレーザスポットを作れる。この精度は、
代表的なレーザプリンタへの応用において必要とする精
度よりはるかに高い。
【００１７】レーザ直接書込システムにより作られたフ
ォトレジストのテストパターンの顕微鏡写真を図にした
ものを図３に示す。このテストパターンは、１μｍ厚の
フォトレジスト上に１μｍ幅の線と空間を交互に形成し
たものであり、本発明のレーザ直接書込システムにより
非常に鮮明なフォトレジストパターンを作ることができ
ることを示している。このレーザ直接書込システムによ
り相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）ゲートアレイ上
に作った相互接続のフォトレジストパターンの顕微鏡写
真を図にしたものを、図４に示す。このようにして作ら
れたフォトレジストパターンの下の相互接続金属部分
は、続いて行われる金属被膜エッチング工程の後でも残
される。
【００１８】開示した技術の主たる利点は、回転ポリゴ
ンミラのようなあまり高価でない機械的走査装置を使用
して、レーザビームを０．１μｍの位置精度で集束でき
ることである。他のすべてのレーザ走査システムとの差
異は、このシステムではレーザビームをビーム拡大器の
入口で走査していることである。このような配置によ
り、回転ポリゴンミラのような機械的走査装置での走査
角及び誤差を低減できることである。ビーム拡大器の出
口で走査角が小さくなることは、レーザ直接書込システ
ムの投影光学系に適しており、走査誤差の減少により半
特注のＩＣ表面上に集束されるレーザスポットの位置精
度が向上する。
【００１９】本実施例のレーザ走査システムは、ヘリウ
ムカドミウムレーザ光源を使用しており、その出力はＡ
Ｏ変調器により高速で点滅される。点滅されたレーザビ
ームは、共振ミラ又は回転ポリゴンミラのいずれかによ
り１０倍のビーム拡大器の入口のところで走査される。
ビーム拡大器の出口では、レーザビームの径は拡大率
（１０倍）だけ増加し、走査角は同じだけ減少する。従
って代表的にはピークツーピークで３°という小さな走
査角だけが直接書込用投影光学系には有効であるから、
このような配置によりビーム拡大器は次の二つの非常に
重要な役割をはたすことになる。一つは顕微鏡を通過し
て集束される前にレーザビームを拡大するので、更に小
さなレーザスポットが作られる。もう一つは出射される
レーザビームの走査角を減少させることにより、ビーム
拡大器は機械的走査装器により発生される角度誤差を減
少させ、その結果出射されたレーザビームが顕微鏡対物
レンズを通った後にはより短いがより正確な走査線にな
る。これまでの説明から当業者には明白であるが、実際
に行う場合には本発明の範囲内で多くの改良及び変型が
可能である。
【００２０】
【発明の効果】本発明により、特注又は半特注のＩＣを
低コストで短い所要時間で作るために必要なレーザ露光
方法及び装置が、レーザ走査の走査誤差の低減と走査レ
ーザ光の利用効率の向上により実現できる。
【００２１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ直接書込システムのビーム走査
要素の概略図である。
【図２】レーザ直接書込システムのビーム拡大要素の光
学系の詳細図である。
【図３】本発明のレーザ直接書込システムで作った高分
解能フォトレジストパターンの例を示す顕微鏡写真を図
にしたものである。
【図４】半特注ＩＣであるＣＭＯＳゲートアレイ上に作
られた相互接続フォトレジストパターンの例を示す顕微
鏡写真を図にしたものである。
【図５】特注又は半特注ＩＣのレーザ直接書込生産シス
テムの基本要素の概略図を示す図である。
【符号の説明】
２…モータ駆動式台 ４…表面 ６…制御用コンピュータ ８…ＲＦドライバ １０…レーザ光源 １２…ＡＯ変調器 １４…走査ミラ １７…ビーム拡大器 ２５…顕微鏡対物レンズ
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成３年４月２３日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１７】 レーザ直接書込システムにより作られた
フォトレジストのテストパターンの顕微鏡写真を図３に
示す。このテストパターンは、１μｍ厚のフォトレジス
ト上に１μｍ幅の線と空間を交互に形成したものであ
り、本発明のレーザ直接書込システムにより非常に鮮明
なフォトレジストパターンを作ることができることを示
している。このレーザ直接書込システムにより相補型金
属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）ゲートアレイ上に作った相
互接続のフォトレジストパターンの顕微鏡写真を図４に
示す。このようにして作られたフォトレジストパターン
の下の相互接続金属部分は、続いて行われる金属被膜エ
ッチング工程の後でも残される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ直接書込システムのビーム走査
要素の概略図である。
【図２】レーザ直接書込システムのビーム拡大要素の光
学系の詳細図である。
【図３】本発明のレーザ直接書込システムで作った高分
解能フォトレジストパターンの例を示す顕微鏡写真であ
る。
【図４】半特注ＩＣであるＣＭＯＳゲートアレイ上に作
られた相互接続フォトレジストパターンの例を示す顕微
鏡写真である。
【図５】特注又は半特注ＩＣのレーザ直接書込生産シス
テムの基本要素の概略図を示す図である。
【符号の説明】 ２…モータ駆動式台 ４…表面 ６…制御用コンピュータ ８…ＲＦドライバ １０…レーザ光源 １２…ＡＯ変調器 １４…走査ミラ １７…ビーム拡大器 ２５…顕微鏡対物レンズ
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３】
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正内容】
【図４】

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザビームを走査する工程、 ビーム拡大器に該ビームを通過させる工程、及び該ビー
    ムを表面上に集束する工程を備える高精度レーザ走査及
    び集束のための方法。
  2. 【請求項２】 該ビーム拡大器は、該レーザビームがレ
    ンズにより該表面上に小さなスポット（点）として集束
    されるように該レーザビームの径を拡大するものである
    請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 該拡大されたレーザビームは、顕微鏡対
    物レンズを通過するように投影され、該表面上に集束さ
    れる請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 該表面はフォトレジスト（感光性樹脂）
    がコート（被覆）された集積回路用ウェーハである請求
    項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 該集積回路用ウェーハの該集束されるレ
    ーザスポットに対する位置は、該ウェーハが載置される
    移動可能表面により制御される請求項４に記載の方法。
  6. 【請求項６】 該レーザビームはヘリウム−カドミウム
    （Ｈｅ−Ｃｄ）レーザ光源から発生され、該ビームは音
    響光学変調器（ａｃｏｕｓｔｉｏ−ｏｐｔｉｃ ｍｏｄ
    ｕｌａｔｏｒ）により点滅される請求項５に記載の方
    法。
  7. 【請求項７】 該点滅されるレーザビームは、共振ミラ
    により走査される請求項６に記載の方法。
  8. 【請求項８】 該点滅されるレーザビームは、該ビーム
    拡大器の入口に配置される回転多面鏡（ポリゴンミラ）
    により走査される請求項６に記載の方法。
  9. 【請求項９】 レーザ直接書込による集積回路の製造装
    置であって、 （ａ）レーザビームを放射するレーザ発生器、 （ｂ）該放射されたレーザビームを変調するレーザビー
    ム変調器、 （ｃ）該変調されたレーザビームを第一の方向に走査す
    るレーザビーム走査手段、 （ｄ）走査された該レーザビームの径を拡大するビーム
    拡大器、 （ｅ）該第一の方向に対して垂直な方向に移動可能であ
    る表面上に、該拡大されたレーザビームを集束する集束
    手段、及び （ｆ）該レーザビーム変調器及び該表面の移動を制御す
    るプログラム方式コンピュータを備えるレーザ直接書込
    による集積回路の製造装置。
  10. 【請求項１０】 該レーザ発生器は、ヘリウムカドミウ
    ムレーザ（Ｈｅ−Ｃｄレーザ）である請求項９に記載の
    装置。
  11. 【請求項１１】 該変調器は、音響光学変調器である請
    求項１０に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 該走査手段は、多数の反射面を有する
    回転ポリゴンミラである請求項１１に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 該走査手段は、八面の回転ポリゴンミ
    ラである請求項１１に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 該集束手段は、顕微鏡対物レンズであ
    る請求項１２に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 該表面は、該コンピュータにより制御
    されるモータ駆動式台である請求項１４に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 該モータ駆動式台は、フォトレジスト
    をコートした集積回路用ウェーハを運ぶようになってい
    る請求項１５に記載の装置。
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