JPH1154419A

JPH1154419A - レーザービーム直接描画装置

Info

Publication number: JPH1154419A
Application number: JP9219931A
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】任意のパターン線幅のパターンを高精度でし
かも容易に描画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】複数の描画パラメータを所定値に設定し
た後に描画対象の基板に対してレーザー光を照射するこ
とにより、基板に塗布されたフォトレジスト上に所定の
パターン線幅で所定パターンを描画可能に構成されたレ
ーザービーム直接描画装置１において、複数の描画パラ
メータを説明変数とすると共にパターン線幅を目的変数
とする重回帰分析法における説明変数の係数を予め記憶
する説明変数記憶部２と、パターン線幅が所定値に指定
されたときに記憶されている係数に基づき重回帰分析法
に従って描画パラメータを演算する描画パラメータ演算
部２とを備えている。

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９５およびＹス
テージ９６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９５およびＹステージ９６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】一般的に、レーザービーム直接描画装置が
所定のパターン線幅でパターニングするための描画パラ
メータとして、描画光源の波長（λ）、対物レンズの開
口数（ＮＡ）および倍率、フォトレジストの膜厚、描画
光強度、並びに描画速度が考えられる。つまり、パター
ン線幅の解像度は、描画光源の波長をλとし、対物レン
ズの開口数をＮＡとすれば、ｋ・ＮＡ／λと表すことが
できる。この場合、ｋは比例定数とする。これによれ
ば、パターン線幅は描画光源の波長λに比例するので、
波長が短いほど描画可能なパターン線幅は細くなる。ま
た、パターン線幅は開口数ＮＡに反比例するので、開口
数が大きいほど描画可能なパターン線幅は細くなる。更
に、フォトレジストの膜厚については、ポジ型のフォト
レジストを使用した場合、膜厚が厚いほど線幅が細くな
る。また、描画光強度については、光強度が弱いほど線
幅が細くなり、描画速度については、速度が速いほど線
幅が細くなる。このように、上記した描画パラメータと
パターン線幅とには、密接な関係があり、しかも、パタ
ーン線幅が基板の性能を左右することがあるため、所望
のパターン線幅でパターニングするためには、上記した
５つの描画パラメータのすべてについて最も適した値に
定める必要がある。

【０００５】この場合、従来は、描画光源としてのヘリ
ウム・カドミウムレーザー８３の波長（λ）については
予め固定的な定数とすることができるため、他の描画パ
ラメータについて、パターニング対象基板毎に予備的に
パターニングを何度か試行し、所望するパターン線幅に
最も近いパターン線幅で描画された描画パラメータに決
定する。次いで、決定した描画パラメータをパソコン８
２に入力すると共に、必要に応じて各部を調整する。こ
の後、パソコン２が、ドライバ１０２を介して音響光学
変調器８６の出力光量を制御することにより、両ヘリウ
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。一方、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
た後に対物レンズ９３まで導かれ、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。この場合、描画装置
８１は、描画パターンデータに基づいて両ステージ９
５，９６をＸおよびＹ方向に移動制御する。この結果、
レーザー光によって所定の軌跡が描かれることにより、
パターニングが行われている。

【０００６】

【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。すなわち、従
来のレーザービーム描画装置では、予め描画パラメータ
を決定した後に、その描画パラメータをパソコン８２に
入力したり、描画パラメータに基づいて各部を調整した
りする必要がある。この場合、描画パラメータを決定す
る際には、パターニング対象基板毎に試行錯誤によって
各描画パラメータを決定している。このため、描画パラ
メータの決定に至るまでに多大な労力、時間およびコス
トがかかっているという問題点がある。また、実際に
は、描画パラメータには、上記した描画パラメータ以外
にも、シリコン、ガラス、ニオブ酸リチウム（LiNbO₃）
など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、種々のタイプの基板をパター
ニングする場合には、これらの基板における反射率など
を描画パラメータとしなければならない。このため、描
画パラメータの種類が多ければ、各描画パラメータ値の
組み合わせが膨大な数になるため、任意のパターン線幅
によるパターニングが非常に困難であるという問題点が
ある。

【０００７】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
ものであり、任意のパターン線幅のパターンを高精度で
しかも容易に描画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。

【０００８】

【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、複数の描
画パラメータを所定値に設定した後に描画対象の基板に
対してレーザー光を照射することにより、基板に塗布さ
れたフォトレジスト上に所定のパターン線幅で所定パタ
ーンを描画可能に構成されたレーザービーム直接描画装
置において、複数の描画パラメータを説明変数とすると
共にパターン線幅を目的変数とする重回帰分析法におけ
る説明変数の係数を予め記憶する説明変数記憶部と、パ
ターン線幅が所定値に指定されたときに記憶されている
係数に基づき重回帰分析法に従って描画パラメータを演
算する描画パラメータ演算部とを備えていることを特徴
とする。

【０００９】このレーザービーム直接描画装置では、複
数の描画パラメータを説明変数とした場合の係数が説明
変数記憶部に予め記憶されており、任意のパターン線幅
が指定された際には、描画パラメータ演算部が、指定さ
れたパターン線幅で描画可能な描画パラメータを、記憶
されている係数および指定されたパターン線幅に基づ
き、重回帰分析法に従って演算する。このため、試行錯
誤によって描画パラメータを求めるという煩雑な作業を
行うことなく、迅速かつ正確に描画パラメータを求める
ことができる。

【００１０】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、基板に対向可能に配置されレーザー光をフォトレ
ジストに集光する対物レンズの開口数および倍率、並び
にレーザー光の波長を重回帰分析法における固定的な定
数とし、少なくともレーザー光の描画光強度および描画
速度を描画パラメータとすることを特徴とする。

【００１１】一般的に、パターニングする際には、レー
ザー光の描画光強度と描画速度とが重要な描画パラメー
タとなる。その一方、対物レンズの開口数および倍率、
並びにレーザー光の波長は装置のタイプによって予め決
定される。したがって、予め決定されている描画パラメ
ータを固定的な定数として取り扱うことにより、指定さ
れた任意のパターン線幅で描画可能な描画パラメータ
を、より迅速かつ正確に演算することが可能となる。

【００１２】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、パターン線幅が所定値に指定されたとき
にパラメータ演算部によって演算された各描画パラメー
タのそれぞれの値の組を複数表示するための表示部を備
えていることを特徴とする。

【００１３】パターン線幅に対する各描画パラメータの
値は必ずしも一義的に定まるものではない。このため、
このレーザービーム直接描画装置では、表示部が、パラ
メータ演算部によって演算された各描画パラメータのそ
れぞれの値の組を複数表示する。これにより、オペレー
タは、各自の経験を加えて各描画パラメータを最終的に
決定し、かつレーザービーム直接描画装置の各部を設定
および調整することが可能となる。

【００１４】請求項４記載のレーザービーム直接描画装
置は、請求項３記載のレーザービーム直接描画装置にお
いて、表示部に表示された複数の組から任意の組を選択
するための選択部と、選択部によって選択された組に従
って描画パラメータを自動設定する描画パラメータ設定
部とを備えていることを特徴とする。

【００１５】描画パラメータが決定されると、オペレー
タは、手動によりレーザービーム直接描画装置の各部を
設定および調整することもできる。一方、このレーザー
ビーム直接描画装置では、選択部を介してオペレータに
よって各描画パラメータが最終的に決定されれば、描画
パラメータ設定部がレーザービーム直接描画装置の各部
における描画パラメータを自動設定する。これにより、
迅速かつ容易にパターニングを開始することが可能とな
る。

【００１６】請求項５記載のレーザービーム直接描画装
置は、請求項１から４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、説明変数記憶部に記憶されて
いる係数は実験によって予め決定されていることを特徴
とする。

【００１７】説明変数の係数は計算値を用いることも可
能ではあるが、実際には、描画パラメータには数多くの
要素が含まれている。したがって、計算上のパターン線
幅と、実際にパターニングして確認したパターン線幅と
では、若干の相違が生じることがある。このレーザービ
ーム直接描画装置では、予め実験によって説明変数の係
数を決定してあるため、指定したパターン線幅が得られ
る各描画パラメータを正確に演算することが可能とな
る。また、実験を行って係数を決定した後は、そのとき
の描画パラメータの種類が変更されない限り、その係数
を継続して使用することができる。このため、種類が異
なる基板毎に試行錯誤して描画パラメータを決定する場
合と比較して、そのための時間および労力を激減させる
ことが可能となる。

【００１８】

【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。

【００１９】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、本発明
における描画パラメータ演算部に相当しパターニングの
際に各種処理を実行するパソコン２、ＳＨＧレーザー
（Secondary 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，
１７、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。

【００２０】次に、各構成要素について具体的に説明す
る。

【００２１】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４５とを備えており、共振器４５は、８０
９ｎｍ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、９４６ｎｍの赤外線Ｒ３を全反射すると共に４７３
ｎｍ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４２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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】基板移動機構１９は、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。

【００２８】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。

【００２９】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２８ａ，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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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）。

【００３５】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（本発明における選択部に相当す
る）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。

【００３６】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。

【００３７】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

【００３８】

【表１】

【００３９】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ＣＲＴ（本発明における表示部に
相当する）２ｂ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。

【００４０】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）。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】

【表２】

【００５０】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。

【００５１】

【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、描画パラメータが、パタ
ーン線幅が所定値に指定されたときに、説明変数記憶部
によって記憶されている係数に基づき重回帰分析法に従
って描画パラメータを演算することにより、迅速かつ正
確に描画パラメータを求めることができる。

【００５２】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、対物レンズの開口数および倍率、並
びにレーザー光の波長を重回帰分析法における固定的な
定数とし、少なくともレーザー光の描画光強度および描
画速度を描画パラメータとすることにより、指定された
任意のパターン線幅で描画可能な描画パラメータを、よ
り迅速かつ正確に演算することができる。

【００５３】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、パターン線幅が所定値に指定された
ときにパラメータ演算部によって演算された各描画パラ
メータのそれぞれの値の組を複数表示するための表示部
を備えたことにより、オペレータが、各自の経験を加え
て各描画パラメータを最終的に決定し、かつレーザービ
ーム直接描画装置の各部を設定および調整することがで
きる。

【００５４】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、描画パラメータ設定部が選択部に
よって選択された組に従って描画パラメータを自動設定
することにより、迅速かつ容易にパターニングを開始す
ることができる。

【００５５】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、説明変数記憶部に記憶されている係
数を実験によって予め決定することにより、指定された
パターン線幅が得られる各描画パラメータを正確に演算
することができる。また、その描画パラメータの種類が
変更されない限り、その係数を継続して使用することが
できるため、種類が異なる基板毎に試行錯誤して描画パ
ラメータを決定する場合と比較して、そのための時間お
よび労力を激減させることができる。

【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２ａキーボード２ｂＣＲＴ３ＳＨＧレーザー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の描画パラメータを所定値に設定し
た後に描画対象の基板に対してレーザー光を照射するこ
とにより、前記基板に塗布されたフォトレジスト上に所
定のパターン線幅で所定パターンを描画可能に構成され
たレーザービーム直接描画装置において、前記複数の描画パラメータを説明変数とすると共に前記
パターン線幅を目的変数とする重回帰分析法における前
記説明変数の係数を予め記憶する説明変数記憶部と、前
記パターン線幅が所定値に指定されたときに前記記憶さ
れている係数に基づき前記重回帰分析法に従って前記描
画パラメータを演算する描画パラメータ演算部とを備え
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】前記基板に対向可能に配置され前記レー
ザー光を前記フォトレジストに集光する対物レンズの開
口数および倍率、並びに前記レーザー光の波長を前記重
回帰分析法における固定的な定数とし、少なくとも前記
レーザー光の描画光強度および描画速度を前記描画パラ
メータとす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】前記パターン線幅が所定値に指定された
ときに前記パラメータ演算部によって演算された前記各
描画パラメータのそれぞれの値の組を複数表示するため
の表示部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】前記表示部に表示された前記複数の組か
ら任意の組を選択するための選択部と、当該選択部によ
って選択された組に従って前記描画パラメータを自動設
定する描画パラメータ設定部とを備えていることを特徴
とする請求項３記載のレーザービーム直接描画装置。
【請求項５】前記説明変数記憶部に記憶されている係
数は実験によって予め決定されていることを特徴とする
請求項１から４のいずれかに記載のレーザービーム直接
描画装置。