曝光装置和曝光方法 相关申请的参考
本申请包含于 2009 年 10 月 20 日向日本专利局提交的日本优先权专利申请 JP 2009-241707 的公开内容所涉及的主题， 其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及曝光装置， 具体地， 涉及用于执行三维微细处理的曝光装置以及曝光方法。 背景技术 近年来， 越来越多地进行自由形成三维结构件的三维处理技术的开发。 例如， 日本 未审查专利申请公开第 2007-301945 号 ( 专利文献 1) 公开了使用堆叠形成方法的处理方 法。 在该方法中， 形成包含热塑树脂粉末和可溶填料粉末的混合物的粉末材料的薄层， 并且 其部分被任意选择性地利用激光烧结。 然后， 重复在其上的薄层形成及其烧结， 以连续地彼 此堆叠所烧结的薄层， 结果， 形成了整个形状。具体地， 在专利文献 1 中， 在形成之后， 利用 水洗提 ( 溶出 ) 可溶填料粉末， 以形成具有高孔隙率的结构件。
作为通过彼此堆叠薄层来形成三维结构件的方法， 提供了如在光学形成方法中那 样使用液体作为材料的方法。 在该方法中， 利用光束选择性地照射光固化树脂， 并且固化层 彼此堆叠。例如， 日本未审查专利申请第 2001-162687 号 ( 专利文献 2) 公开了一种方法， 其中， 基于二维切片数据， 沿着 X 轴、 R 轴和 θ 轴移动形成夹具， 同时朝向夹具吹动光固化 树脂， 以执行激光照射。
日本未审查专利申请第 11-42713 号 ( 专利文献 3) 公开了通过利用脉冲光选择性 地照射光形成树脂的液面来形成三维结构的方法。对于激光来说， 使用通过高频转换器将 Nd:YVO4( 波长 ： 106nm) 设为 355nm 的光， 并且利用超声换能器将激光转换为脉冲。脉冲光 使用检流计反射镜二维地扫描液面， 并选择性地固化液面的任何位置。
发明内容 上述专利文献 1 至 3 所公开的所有发明均使用了光照射部被固化的所谓的负型材 料 (negative material)。 对于负型材料， 利用光照射的材料的固化开始于其前表面侧。 因 此， 当没有到达固化部分 ( 例如， 设置材料的基板 ) 时， 固化部分浮在材料中。因此， 在通过 溶剂溶解未固化部的处理期间， 未固化部从基板剥离， 结果是失去结构件。
即， 为了从基板侧固化材料， 需要通过上述层的堆叠来渐渐地固化材料。然而， 当 通过彼此堆叠层来形成三维结构件时， 需要重复地在所形成的凝固层上设置凝固材料， 并 执行激光照射。
由于通过包括阶梯 (step) 的分层结构来限定所形成结构件的侧面形状以形成固 化表面， 所以由于形成固化表面的精度的提高而需要使层更薄且增加堆叠层的数量， 从而 增加了照射的数量。因此， 需要非常长的时间来执行处理， 因此， 该方法不适合于一次形成
大量的三维结构件。此外， 该方法可以仅使用负型材料， 即， 其不允许使用正型材料。
在专利文献 1 中， 由于通过烧结粉末来执行固化， 所以无法形成尺寸小于粉末材 料的粒径的结构件。因此， 该方法实际上受限于大约几十微米。另外， 由于使用反射镜来执 行激光扫描， 所以为了覆盖整个区域， 激光需要在一个阶段频繁地往复动作。因此， 需要执 行前向路径和返回路径的控制， 并且照射定位精度被认为在微米级。这也同样适用于专利 文献 3。即， 不能够形成纳米级的结构件。
上述专利文献 2 没有讨论精度。然而， 由于三维形状均通过机械系统来确定， 所以 机械精度本身变成三维结构件的精度。在专利文献 2 中没有公开通过机械系统以纳米级形 成结构的技术。
此外， 由于这些方法使用了诸如紫外线激光器或脉冲激光器的大功率激光器， 所 以照射系统变得昂贵。具体地， 在专利文献 2 中， 需要使用朝向激光照射部分吹动树脂的机 构， 从而增加了装置的尺寸。在专利文献 3 中， 由于在基板浸入紫外线 ( 光 ) 固化树脂等中 的同时对基板进行曝光， 所以曝光面积越大， 曝光的效率就越低。
除上述方法之外还可以使用其他方法。 一个实例是形成金属模作为三维结构的方 法。形成例如在辊印中使用的丝辊 (roll die) 的方法被大致划分为机械处理和激光处理。 在这些方法中， 通过使用例如旋转编码器的精度定位来旋转辊 ； 预先使钻、 激光等 邻接将要处理的位置 ； 以及执行图样化。然而， 该方法需要非常长的时间来执行， 并且其不 适合于处理大面积。
由于机械处理为接触方法， 所以机械处理可以处理的对象是有限的， 并且根据所 使用的钻限制了处理尺寸。 另一方面， 由于激光处理为非接触方法， 所以激光处理可以处理 的对象是没有限制的， 并且如果使光点直径 ( 光点尺寸 ) 较小， 则亚微米的处理尺寸是可能 的。
然而， 由于现有技术的激光处理基本上是使用受激准分子激光器的掩模曝光并要 求曝光掩模， 所以现有技术的激光处理是昂贵的。 此外， 当在掩模曝光中执行比掩模大的区 域的曝光时， 根据掩模的定位精度而形成了接合点。
考虑到上述问题， 根据本发明， 期望以低成本且通过一次曝光操作形成高度在相 对较宽的面积上连续变化的三维结构件。
根据本发明实施方式的曝光装置包括 ： 旋转驱动部， 旋转地驱动曝光对象 ； 光照 射部， 利用激光照射曝光对象的曝光面 ； 滑动移动部， 被固定至旋转驱动部或光照射部， 并 在横穿旋转驱动部的旋转方向的方向上沿着曝光面移动旋转驱动部或光照射部 ； 信号生成 部， 向光照射部发送模拟调制信号， 该模拟调制信号引起激光强度的改变 ； 以及控制部， 控 制旋转驱动部、 滑动移动部和光照射部的移动。信号生成部根据来自旋转驱动部的旋转同 步信号来发送调制信号。
根据本发明实施方式的曝光方法包括以下步骤 ： 旋转曝光对象 ； 以及在横穿曝光 对象的旋转方向的方向上， 使激光沿着旋转曝光对象的曝光面进行扫描， 曝光面用激光来 照射。在曝光方法中， 根据曝光对象的旋转周期来调制激光的强度。
即， 根据本发明实施方式的曝光装置和曝光方法， 在将激光的强度变为模拟形式 的同时， 利用激光直接照射诸如抗蚀剂 (resist) 的曝光对象。此外， 通过在旋转曝光对象 的同时利用激光照射曝光对象， 曝光对象根据曝光对象位置而接收不同量的激光。 此外， 由
于不使用掩模， 所以可以减少成本。
另外， 通过在横穿曝光对象的旋转方向的方向上沿着曝光面移动光照射部， 可以 利用激光扫描整个曝光面。 此外， 由于根据从旋转驱动部发射的旋转同步信号来输出激光， 所以可以精确地执行旋转曝光对象的任何位置的图样化。
根据本发明， 可以在连续改变激光强度的同时照射旋转曝光对象。 因此， 可以以低 成本且通过一次曝光处理来形成高度在相对较宽的面积上连续变化的三维结构， 而不必受 限于掩模的尺寸等。 附图说明 图 1 是根据本发明第一实施方式的曝光装置的示意性结构图 ；
图 2 是正型抗蚀剂的曝光区域的截面图 ；
图 3 是正型抗蚀剂在其显影之后的形状的截面图 ；
图 4 是根据本发明第二实施方式的曝光装置的示意性结构图 ；
图 5 示出了发射的激光的光学输出和输入信号的波形， 其中波形 A 对应于发射命 令输出， 波形 B 对应于基于波形 A 发射的激光发射波形， 波形 C 对应于通过测量用于照射曝 光对象的光所获得的实际测量输出， 而波形 D 对应于从用于形成波形 A 的信号生成器发射 的生成器输出 ；
图 6A 是利用电子显微镜从图样的上侧观察到的通过根据第一实施方式的曝光装 置形成在抗蚀剂上的图样的照片 ；
图 6B 是图 6A 的放大照片 ；
图 6C 是倾斜观察图 6A 中所示图样的放大照片 ；
图 7 示出了发射的激光的光学输出和输入信号的波形， 其中波形 A 对应于发射命 令输出， 波形 B 对应于基于波形 A 发射的激光发射波形， 波形 C 对应于通过测量用于照射曝 光对象的光所获得的实际测量输出， 而波形 D 对应于从用于形成波形 A 的信号生成器发射 的生成器输出 ；
图 8A 是利用电子显微镜倾斜观察到的通过根据第一实施方式的曝光装置形成在 抗蚀剂上的图样的照片 ；
图 8B 是图 8A 的放大照片 ；
图 8C 是图 8A 的放大照片 ；
图 9 示出了发射的激光的光学输出和输入信号的波形， 其中波形 A 对应于发射命 令输出， 波形 B 对应于基于波形 A 发射的激光发射波形， 波形 C 对应于通过测量用于照射曝 光对象的光所获得的实际测量输出， 而波形 D 对应于从用于形成波形 A 的信号生成器发射 的生成器输出 ；
图 10 是利用电子显微镜从图样的上侧观察到的通过具有图 9 所示波形的激光照 射形成在抗蚀剂上的图样的上侧照片 ；
图 11 是利用电子显微镜从图样的上侧观察到的轨迹节距为 200nm 的、 通过具有图 9 所示波形的激光照射形成在抗蚀剂上的图样的照片 ；
图 12A 至图 12D 示出了也通过改变激光的强度在轨迹方向上形成的图样， 其中图 12A 示出了激光的波形， 图 12B 是形成在正型抗蚀剂上的图样的轨迹方向的截面图， 图 12C
是形成在正型抗蚀剂上的图样的圆周方向的截面图， 图 12D 是利用电子显微镜从图样的上 侧观察到的所形成图样的照片 ；
图 13A 是利用电子显微镜倾斜观察通过改变激光的强度也在轨迹方向上形成的 图样的照片 ；
图 13B 是图 13A 的放大照片 ；
图 13C 是图 13A 的放大照片 ；
图 14 是利用电子显微镜从图样的上侧观察到的转印有通过根据本发明实施方式 的曝光装置形成在正型抗蚀剂上的图样的基板的照片 ；
图 15 是利用电子显微镜从图样的上侧观察到的转印有通过根据本发明实施方式 的曝光装置形成在正型抗蚀剂上的图样的基板的照片 ；
图 16 是转印有通过根据本发明实施方式的曝光装置形成在正型抗蚀剂上的图样 的基板的顶视图 ；
图 17 是利用电子显微镜从图样的上侧观察到的转印有通过根据本发明实施方式 的曝光装置形成在正型抗蚀剂上的图样的基板的照片 ；
图 18 是利用电子显微镜倾斜观察到的转印有通过根据本发明实施方式的曝光装 置形成在正型抗蚀剂上的图样的基板的照片 ； 图 19 是利用电子显微镜倾斜观察到的转印有通过根据本发明实施方式的曝光装 置形成在正型抗蚀剂上的图样的基板的照片 ；
图 20 是利用电子显微镜倾斜观察的转印有通过根据本发明实施方式的曝光装置 形成在正型抗蚀剂上的图样的基板的照片 ；
图 21 是利用电子显微镜倾斜观察的转印有通过根据本发明实施方式的曝光装置 形成在正型抗蚀剂上的图样的基板的照片 ；
图 22 是利用电子显微镜倾斜观察的转印有通过根据本发明实施方式的曝光装置 形成在正型抗蚀剂上的图样的基板的照片 ；
图 23 是利用电子显微镜倾斜观察的转印有通过根据本发明实施方式的曝光装置 形成在正型抗蚀剂上的图样的基板的照片 ；
图 24 是利用电子显微镜倾斜观察的转印有通过根据本发明实施方式的曝光装置 形成在正型抗蚀剂上的图样的基板的照片 ； 以及
图 25 是利用电子显微镜从图样的上侧观察的转印有通过根据本发明实施方式的 曝光装置形成在正型抗蚀剂上的图样的基板的照片。
具体实施方式
尽管以下描述了用于执行本发明的最佳模式， 但本发明不限于以下模式。将以以 下顺序给出描述 ：
1. 第一实施方式 ( 曝光装置 )
2. 第二实施方式 ( 曝光装置 )
3. 第三实施方式 ( 曝光方法 )
3-1. 激光的调制信号和结构件形状
3-2. 重叠曝光3-3. 轨迹方向上的调制
4. 实际形态
1. 第一实施方式 ( 曝光装置 )
图 1 是根据本发明第一实施方式的曝光装置 100 的示意性结构图。根据实施方式 的曝光装置 100 包括 ： 光照射部 1， 发射激光 ； 以及信号生成部 2， 向光照射部 1 发送激光的 调制信号。曝光装置 100 还包括 ： 旋转驱动部 3， 旋转激光曝光对象 6 ； 滑动移动部 4， 连接 至旋转驱动部 3， 并滑动曝光对象 6 ； 以及控制部 5， 控制光照射部 1、 旋转驱动部 3 和滑动移 动部 4 的移动。
根据本发明实施方式的曝光装置 100 可以执行直接激光照射。 在曝光装置 100 中， 期望使用基于纳米光刻的曝光技术。对于光照射部 1 的光源， 期望使用可以基于电流量高 速改变输出功率的半导体激光器， 诸如具有 405nm 波长的蓝紫色半导体激光器。光照射部 1 包括物镜 ( 未示出 )， 并且其光点会聚为大约 50nm 至 400nm。因此， 可以进行非常高分辨 率的曝光。
期望物镜能够通过例如移动机构而相对于曝光对象垂直移动， 并具有相对于曝光 面的自动聚焦功能。例如， 可通过使被曝光对象的曝光面反射的返回激光入射到例如位置 传感器上， 以及通常通过使用例如离轴方法、 刀口方法或象散方法基于位置传感器的检测 信号将物镜和曝光对象之间的距离设置为恒定距离， 来控制物镜的移动。 例如， 旋转驱动部 3 可包括固定机构， 其包括真空吸引机构或磁体。此外， 放置在 旋转驱动部 3 的顶部的曝光对象 6 可以通过例如将曝光对象 6 吸引至旋转驱动部 3 来固定 至旋转驱动部 3。 对于曝光对象， 例如， 可以使用涂有厚膜正型抗蚀剂的硅晶片或玻璃晶片。 抗蚀剂面朝向光照射部 1 定向， 并固定至旋转驱动部 3。
对于抗蚀剂， 期望使用允许涂覆厚膜的任何物质， 诸如具有 MEMS 等所需的高纵横 比的结构件。期望具有高耐性的永久抗蚀剂， 因为其本身可以用作结构材料。
作为正型抗蚀剂， 例如， 可以使用 OFER、 PMER-P-RH/RC、 PMER-P-LA/HA、 PMER-P-CA、 PMER-N-CA( 均是 Tokyo Ohka Kogyo Co.， Ltd. 的产品 ) ； PFR-GX(JSR Corporation 的产 品)； 或者 AZ-P4000(AZ Electronic Materials 的产品 )。
作 为 负 型 抗 蚀 剂， 例 如， 可 以 使 用 SU-8(microchem 的 产 品 ) 或 ORDYL、 TMMR/ TMMF( 均是 Tokyo Ohka Kogyo Co.， Ltd. 的产品 )。
当旋转驱动部 3 接收到来自控制部 5 的曝光开始信号时， 旋转驱动部 3 例如在箭 头 A1 的方向上以任何速度旋转， 并且从光照射部 1 发射的激光在圆周方向上扫描曝光对象 6。旋转的数量在大约 30rpm 到大约 6000rpm 之间可变， 并且例如可以为 1800rpm。
当旋转驱动部 3 旋转时， 旋转驱动部 3 向信号生成部 2 发送根据旋转确定部 3 的 旋转速度的旋转同步信号。参照旋转同步信号， 信号生成部 2 向光照射部 1 发送激光的调 制信号。
即， 用于照射的激光的输出的模拟调制引起曝光能量连续改变， 以控制形成的结 构件的高度。因此， 在该方法中， 不像堆叠方法中那样重复材料的曝光和布置， 使得可以通 过一次曝光处理自由形成三维结构。 因此， 与现有技术相比， 可以大大减小间歇时间。 此外， 由于不使用掩模， 所以可以减少制造掩模的成本， 从而使得可以减少成本。另外， 由于可以 连续执行曝光而不限制掩模的尺寸， 所以还不需要掩模对准， 从而使得可以更加精确地对
期望区域执行总体曝光。
当滑动移动部 4 接收到来自控制部 5 的曝光开始信号时， 在旋转驱动部 3 旋转的 同时， 滑动移动部 4 例如在箭头 A2 的方向 ( 即， 沿着例如导轴 ( 未示出 ) 的旋转半径方向 ) 上以任何速度移动。例如， 可通过线性电机执行驱动。例如， 可以利用线性标度精确地测量 其移动位置。当目标移动量为 320nm 时， 此时的移动误差量为例如小于或等于 ±3nm。
这样， 激光光点如单笔划那样扫描曝光对象的抗蚀剂。通过需要时设置滑动移动 部 4 的移动速度， 可以没有任何间隙地曝光抗蚀剂的整个表面。
由于如单笔划那样执行曝光， 所以变为目标结构件的高度方向上的信息的调制信 号可以被表示为一维数据 ( 串行数据 )。由于根据从旋转驱动部 3 发射的旋转同步信号来 输出调制信号， 所以可以在旋转曝光对象的任何位置上精确地执行图样化。 因此， 除曝光之 外， 这还可以为了任何位置的热照射而执行。
当曝光的抗蚀剂被显影时， 溶解在显影剂中的抗蚀剂的深度根据曝光能量而变 化， 从而形成根据激光的调制信号的三维结构。
例如， 如图 2 所示， 当在改变激光强度的同时对涂覆至基板 18 的正型抗蚀剂 17 执 行曝光时， 具有与抗蚀剂的接收量相对应的深度的区域被曝光， 如由虚线部分所表示的曝 光区域 19 和 20 等。由于曝光区域被溶解在显影剂中， 所以在显影之后， 在抗蚀剂 17 中形 成曝光区域被去除的结构件， 即， 具有如图 3 所示的孔 21 和 22 的结构件。此外， 由于所执 行的激光的调制为模拟调制， 所以可以形成高度平滑改变的三维结构件。 在专利文献 3 的现有的光学形成方法中， 首先， 平台 ( 基板 ) 被浸入紫外线 ( 光 ) 固化树脂中， 以执行曝光。然后， 平台被缓慢降低， 以将通过曝光固化的部分重复地浸入在 紫外线固化树脂中并执行曝光。 因此， 需要使用浸入了整个曝光对象的紫外线固化树脂， 并 且需要使用具有足够大尺寸以在其中填充紫外线固化树脂以及在其中容纳曝光对象的容 器。 因此， 随着曝光对象的面积增加， 其中浸入曝光对象的紫外线固化树脂的量以及容器的 尺寸也显著增加， 因此该方法不是高效的方法。
然而， 在根据该实施方式的曝光装置中， 由于在直接改变激光强度的同时执行曝 光， 所以厚膜抗蚀剂的涂覆仅执行一次， 所以是高效的。 即， 为了增加曝光面积， 仅增加滑动 移动部 4 的移动量， 从而利于大面积的曝光。
如上所述， 当例如利用检流计反射镜执行激光扫描时， 需要激光沿着曝光面往复 动作， 并在前向路径和返回路径上执行控制。相反， 在根据该实施方式的曝光装置 100 中， 由于通过旋转曝光对象以及在旋转半径方向上滑动曝光对象来执行激光扫描， 所以可以如 单笔划那样连续执行激光扫描， 而不需要往复运动激光。
尽管可以使用 X-Y 平台扫描曝光面， 但当如本实施方式那样在旋转曝光对象的同 时执行曝光时， 可以仅通过在从曝光面中的旋转中心位置到曝光面的外边缘的一个方向上 移动激光光点来扫描整个表面。因此， 减小了间歇时间和装置的尺寸， 这是所期望的。
如上所述， 作为负性抗蚀剂， 例如可以使用 SU-8(microchem 的产品 )、 或 TMMR、 TMMF( 均是 Tokyo Ohka Kogyo Co.， Ltd. 的产品 )。这使得通过一个涂覆步骤 ( 诸如旋涂 ) 形成至少 100μm 的厚膜。可选地， 可通过重叠涂覆抗蚀剂形成厚膜。
根据本发明的该实施方式， 当形成在基板上的结构件镀有例如 Ni 时， 其可以本身 被用作例如转印模子或模具。
明显地， 所形成的结构件可通过蚀刻 ( 诸如反应离子蚀刻 (RIE)) 被转印到基板材 料， 并被用作模子。
2. 第二实施方式 ( 曝光装置 )
图 4 是根据本发明第二实施方式的曝光装置 200 的示意性结构图。根据该实施方 式的曝光装置 200 包括 ： 光照射部 11， 发射激光 ； 信号生成部 12， 向光照射部 11 发送调制激 光的调制信号 ； 以及旋转驱动部 13， 向其布置或安装曝光对象， 或者旋转具有例如圆柱形 且为曝光对象本身的辊 16。曝光装置 200 还包括滑动移动部 14， 其连接至光照射部 11 并 垂直于辊 16 的旋转面而移动。曝光装置 200 还包括控制部 15， 其控制光照射部 11、 旋转驱 动部 13 和滑动移动部 14 的移动。
对于光照射部 11 的光源， 期望使用如第一实施方式中的蓝紫色半导体激光器。期 望光照射部 11 包括物镜 ( 未示出 )， 其将激光会聚到曝光对象的表面上， 并且具有用于执行 驱动操作以使其相对于曝光对象的距离恒定的自动聚焦功能。
在第一实施方式中， 通过旋转和滑动曝光对象来利用激光扫描曝光对象的整个表 面。相反， 在第二实施方式中， 光照射部 11 被固定至滑动移动部 14， 并且旋转驱动部 13 与 滑动移动部 14 分离。即， 当旋转曝光对象且激光沿着曝光对象的旋转轴滑动时， 曝光对象 的整个外周表面被扫描。
因此， 当开始信号从控制部 15 发送至光照射部 11、 旋转驱动部 13 和滑动移动部 14 时， 利用来自光照射部 11 的激光照射辊 16 的侧面或辊表面， 使得旋转驱动部 13 开始在 例如箭头 A3 的方向上以任何恒定速度旋转。同时， 滑动移动部 14 开始在箭头 A4 的方向上 移动， 使得在平行于辊 16 的旋转轴 C 1 的方向上执行使用激光的扫描。这样， 即使在该实 施方式中， 激光也可以如单笔划那样扫描辊 16 的表面。此外， 同时， 可以通过适当地设置滑 动移动部 14 的移动速度来彻底地曝光辊 16 的整个表面。
根据旋转驱动部 13 的旋转速度的旋转同步信号从旋转驱动部 13 发送至信号生成 部 12。当信号生成部 12 根据其旋转同步信号向光照射部 11 发送模拟调制信号时， 光照射 部 11 使得辊 16 被强度改变的激光照射。这样， 即使在第二实施方式中， 也可以形成高度在 辊 16 上连续改变的三维结构件。
其上涂有抗蚀剂的薄膜基板可以卷绕在辊 16 的表面周围或者固定至辊 16 的表 面， 或者抗蚀剂可以通过例如喷涂或浸渍法直接涂覆至辊 16， 以直接在辊 16 上形成三维结 构件。
具体地， 在该实施方式中， 可以在圆柱辊的表面上形成任何三维结构件， 使得可以 利用例如 Ni 来镀辊， 以将其用作辊压印模子。
当辊的侧面为曝光面时， 即使装置中的占用面积与第一实施方式的相同， 但也可 以提供具有大面积的曝光面， 并且可以减小装置的尺寸。
即使在根据第二实施方式的曝光装置 200 中， 也可以自由地通过一次曝光处理来 形成三维结构， 而不需要重复曝光和布置材料。因此， 与现有技术相比， 可以大大减少间歇 时间。此外， 由于不使用掩模， 所以可以减少制造掩模的成本， 从而使得可以减少成本。此 外， 由于可以连续执行曝光而不需要限制掩模的尺寸， 所以还不需要掩模对准， 从而使得可 以在期望区域上更加精确地执行总体曝光。
3. 第三实施方式 ( 曝光方法 )接下来， 将参照实际实例详细描述通过本发明任一实施方式的曝光装置所执行的 曝光方法。这里， 术语 “旋转相位” 指第一实施方式 ( 图 1) 中的旋转驱动部 3 的旋转的相 位， 其中当图 1 所示的曝光对象 6 为圆盘时， 半径方向上直线上的位置被定义为相同相位。 在图 4 所示的辊 16 中， 与辊 16 的外周表面的旋转轴平行的直线上的位置被定义为相同相 位。此外， 术语 “轨迹” 指被激光扫描的路径的区域。因此， 术语 “轨迹方向” 指扫描路径的 横向方向， 即， 滑动移动部 4 的移动方向 ； 以及指图 1 所示的实施方式中的旋转驱动部 3 的 旋转半径方向， 以及沿着图 4 所示实施方式中的辊 16 的轴的方向。术语 “轨迹节距” 指相 邻激光路径之间的间隔。
3-1. 激光的调制信号和结构件形状
图 5 示出了根据第一实施方式的曝光装置 100 中来自光源的激光输出的光学输出 以及输入至所输出的激光光源的输入信号的波形。波形 A 对应于发射命令输出， 即， 来自信 号生成部 2 的调制信号。这里， 发送锯齿波。
波形 B 对应于基于波形 A 发射的激光发射波形被检测到的光学输出。波形 C 对应 于通过测量用于照射曝光对象的光所获得的实际测量输出。 由于对于激光的输入存在阈值 直到激光实际振荡为止， 所以激光的波形 B 和 C 的上升落后于作为调制信号的波形 A 的上 升。 波形 D 对应于从用于形成波形 A 的信号生成器发射的生成器输出。具有 405nm 波 长且能够基于流动的电流量高速改变功率的蓝紫色半导体激光器被用作半导体激光器。
图 6A 是使用输出的激光执行曝光且使用扫描电子显微镜 (SEM) 从其上侧观察到 的显影正型抗蚀剂的照片。当旋转驱动部 3 在开始曝光的同时旋转时， 在箭头 A5 的方向上 利用激光光点扫描抗蚀剂。因此， 例如， 在区域 T1 中， 形成在抗蚀剂中的三个槽随着时间被 连续曝光。
当激光光点通过移动图 1 所示的曝光装置 100 的滑动移动部 4 来沿着抗蚀剂移动 一周时， 光点的位置在箭头 A6 方向上偏移一个轨迹。由于滑动移动部 4 以均匀的速度移 动， 并且信号生成部 2 根据来自旋转驱动部 3 的旋转同步信号的定时来输出激光的调制信 号， 所以即使轨迹通过滑动在箭头 A6 的方向上移动， 也可以在相同的旋转相位位置输出具 有相同相位的激光。这样， 可以理解， 在图 6A 中， 无数的槽被以行进行配置且设置。
由于旋转驱动部 3 的旋转速度恒定， 所以每单位时间在内周侧的激光扫描距离不 同于外周侧的激光扫描距离。然而， 信号生成部 2 可以改变根据扫描速度输出的信号的波 形长度。 因此， 形成在内周侧的图样和形成在外周侧的图样可以为完全相同的长度和尺寸。
信号生成部 2 可以被编程， 使得输出预先结合了在内周侧的扫描速度和外周侧的 扫描速度之间的差异的调制信号。对于第二实施方式 ( 图 4)， 用于曝光辊的表面 ( 图 4 中 的侧面 ) 的扫描速度是恒定的， 使得可以省略这种控制。
图 6B 是一个槽被放大且从槽的正上方观察到的照片。图 6C 是以 13.5 度的角度 倾斜观察曝光对象的照片。从这些图可以看出， 形成了深度根据图 5 所示激光的输出而朝 向图 6C 中的右侧变大的三维形状。
接下来， 描述了调制信号作为正弦波而输出至激光光源的情况。图 7 示出了当通 过信号生成部 2 发送正弦波时的示例性激光光学输出和输入至激光光源的输入信号。波形 A 为从信号生成部 2 发送的调制信号。波形 B 为基于波形 A 发射的激光发射波形被检测到
的光的光学输出。波形 C 为通过测量用于照射曝光对象的光所获得的实际测量波形。波形 D 对应于来自信号生成器的生成器输出。
图 8A 是使用激光执行曝光且从其上侧观察到的显影正型抗蚀剂的照片。类似地， 在图 8A 中， 当旋转驱动部 3 旋转时， 在箭头 A7 的方向上利用激光光点扫描抗蚀剂。因此， 例如， 形成在区域 T2 中的槽对应于随时间连续曝光的位置。当激光光点沿着抗蚀剂移动一 周时， 滑动移动部 4 通过旋转驱动部 3 的旋转而移动， 使得光点的位置在箭头 A8 的方向上 偏移一个轨迹。
当根据来自旋转驱动部 3 的同步信号发送激光的调制信号时， 使光点的旋转相位 位置和激光的相位彼此相对应。这样， 配置在图 8A 中箭头 A8 方向上的多个槽行可以被配 置并且形成在箭头 A8 方向上的相应位置。
图 8B 是一些槽被放大且从槽的正上方观察到的顶视图。图 8C 是以 13.5 度的角 度倾斜观察曝光对象的透视图。可以均匀地形成三维形状。三维形状是槽的深度一度变大 然后变小的形状 ； 以及为根据激光的正弦波形的形状。三维形状的高度平滑地变化。
对于引起使正型抗蚀剂溶解在显影剂中的反应的接收激光量以及用于振荡激光 的输入电流量存在阈值。 为此， 由于抗蚀剂在对应于正弦波的最小值的相位没有被曝光， 所 以槽没有彼此连接， 并且被形成为单独且分离的槽。 相反， 当最小输入电流值偏移， 且即使在最小值附近的值时也曝光抗蚀剂时， 可以 连续地连接配置在扫描方向上的槽， 以及在扫描方向上的光照射部 1 的截面中形成类似于 正弦波的形状。如同诸如三角波或锯齿波的其他波形一样， 可通过偏移输入至光源的输入 值来形成连续形状。
因此， 根据本发明实施方式的曝光方法， 由于在基于调制光改变激光强度的同时 执行曝光， 所以可以形成高度连续发生变化的形状。 可以使用现有的光刻技术， 并且其为无 掩模曝光， 使得可以减少曝光处理的成本。
3-2. 重叠曝光
在上述曝光方法中， 描述了当激光光点沿着抗蚀剂移动一周时光点扫描由于滑动 移动部 4 的移动而与原始曝光位置分离的位置的实例。因此， 所形成的是具有与一个激光 光束的光点的直径相对应的一维宽度的形状。
接下来， 将描述通过作为调节滑动移动部 4 的移动速度的结果的使光点路径彼此 重叠 ( 即， 曝光位置彼此重叠 )， 来形成具有高自由度的三维结构的曝光方法。
图 9 示出了在根据该实施方式的曝光方法中激光的示例性输出波形和输入至激 光光源的输入信号。波形 A 是从信号生成部 2 发送的调制信号。波形 B 是基于波形 A 发射 的激光发射波形被检测到的光学输出。 波形 C 是来自信号生成器的生成器输出。 如图所示， 发送输出在信号波形的一个周期内以三个阶梯发生变化的波形。
对于这种信号波形， 激光的光点直径被缩窄到 400nm， 并且在旋转驱动部 3 旋转一 周的同时滑动移动部 4 的移动量 ( 以下称为 “轨迹节距” ) 被设置为 400nm， 以执行曝光并 形成图样。在图 10 中示出了利用 SEM 从其上侧看到的显影图样的照片。在图 10 中， 当图 1 所示的曝光装置 100 的旋转驱动部 3 旋转时， 激光光点被用于在图 10 的箭头 A9 的方向上 扫描， 使得形成了具有对应于激光输出的三个不同深度的槽。
通过在图 10 的箭头 A10 的方向上移动滑动移动部 4， 为每 400nm 节距执行曝光， 使
得在箭头 A10 的方向上为每 400nm 连续形成槽。由于根据来自旋转驱动部 3 的旋转同步信 号发送激光的调制信号， 所以在箭头 A10 的方向上输出具有相同相位的激光。为此， 在箭头 A10 的方向上精确配置所形成的每个槽。
相反， 图 11 是轨迹节距为 200nm 且当激光光点路径部分彼此重叠时利用 SEM 观察 图样的照片。即使在图 11 中， 当旋转驱动部 3 旋转时， 也在箭头 A11 的方向上执行使用激 光的扫描， 并且在箭头 A12 的方向上移动滑动移动部 4。
因此， 当设置轨迹节距以使激光光点路径彼此部分重叠时， 为每个轨迹形成的槽 不仅与相邻槽重叠， 而且可以被一体形成而没有接合点 ( 如图 11 所示 )。 即， 可以基本平滑 地形成槽的底面的形状。这使得还可以自由地形成在二维表面方向上加宽的结构。
如果对于各个轨迹的激光光点的重叠量小于光点直径， 则可以在一定程度上获得 槽平滑效果。通过使槽以光点直径的一半彼此重叠， 可以平滑最底槽表面的形状。然而， 该 方法不限于此。例如根据抗蚀剂的材料和所要形成图样的形状， 重叠量可以小于光点直径 的一半 ( 诸如大约光点直径的十分之一 )。 如果重叠量为零， 则可以在一定程度上平滑槽的 形状。
3-3. 轨迹方向上的调制 上述曝光方法使得还可以形成在二维方向上加宽而没有任何接合点的结构， 使得 可以大大增加自由度。 然而， 在滑动移动部的移动方向上， 如果具有相同强度的激光被用于 照射， 则不会发生深度的变化。因此， 期望激光也在轨迹方向上被调制。
首先， 参照图 12A 至图 12D， 以下将描述通过在轨迹方向上调制激光形成三维结构 件的情况。图 12A 是在轨迹 a 至 e 上输出至激光光源的信号输出波形的示意性截面图。图 12B 是使用图 12A 中的输出的激光形成的图样的轨迹方向上的示意性截面图。图 12C 是使 用图 12A 中的输出的激光形成的图样的圆周方向上的截面图。图 12D 是利用电子显微镜从 图样的上侧观察到的使用图 12A 中的输出的激光形成的图样的照片。
例如， 当输出如图 12A 的 a 中所示的调制信号的激光时， 在显影之后， 在抗蚀剂上 形成图 12C 的 a 中所示的曝光图样。当旋转驱动部 3 和滑动移动部 4 使得利用激光沿着抗 蚀剂扫描一周， 并且激光返回到具有相同旋转相位并且通过轨迹节距 L 分离的位置时， 例 如， 发射如图 12A 的 b 中所示具有略微较大输出的激光。这使得将在该位置形成在双向箭 头 a13 的方向上较深的如图 12C 的 b 所示的图样。
类似地， 当激光光点进一步执行扫描并返回到由轨迹节距 L 分离的相同旋转相位 位置时， 例如， 发送具有较强输出的如图 12A 的 c 所示的调制信号。这样， 在显影之后， 在该 路径处形成的图样具有在双向箭头 A14 的方向上较深的形状。
然后， 当基于图 12A 的 d 所示的调制信号的激光在由轨迹节距 L 分离的位置处再 次执行曝光时， 形成了在双向箭头 A15 的方向上具有深度的图 12C 的 d 所示的图样。类似 地， 当基于图 12a 的 e 所示的调制信号且具有较小输出的激光在由轨迹节距 L 分离的位置 处执行曝光时， 形成了图 12C 的 e 中所示的且具有较小深度的图样。
因此， 当在轨迹方向上也改变激光的强度时， 如图 12B 的轨迹方向的截面图所示， 可以形成其深度也在轨迹方向上改变的形状。轨迹节距为 400nm。为了在轨迹方向上改变 激光的输出， 从信号生成部 3 输出波形随着曝光对象的每次旋转而改变的调制信号。即， 调 制信号为使得在旋转驱动部 3 的相同旋转相位发送出的输出值可以随时间而不同。
此外， 如果调制信号具有旋转驱动部 3 的相同旋转相位的输出值随时间连续的波 形， 则可以形成高度甚至在轨迹方向上也连续平滑改变的结构。
图 12D 是利用 SEM 从其上侧观察到的以这种方式形成在曝光正型抗蚀剂上的图样 的照片。在图 12D 中， 可以形成深度在中央部分最大且在轨迹方向的垂直方向上逐渐变小 的图样。在图样中看到的条状图样对应于通过为一个轨迹曝光所形成的部分。通过对每个 轨迹调节激光光点以使激光光点彼此重叠， 可以形成没有接合点的平滑表面。
因此， 当调制信号也在轨迹方向和旋转的圆周方向上改变时， 可以形成深度在抗 蚀剂的二维平面中的各个方向上改变的三维形状。 因此， 在这种情况下， 可以大大增加设计 形状的自由度， 这是目的。为此， 还可以制造诸如微流通道的非对称结构。例如， 其可以用 作用于转印至聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 的转印模子。
例如， 在图 13A 中， 通过控制激光的输出功率和轨迹数来形成许多半球状图样， 其 中没有任何接合点并且轨迹节距在图 12 所示的曝光图样中为 200nm。即， 图 12D 所示的图 样被垂直压缩。
在图 13B 中以放大形式示出半球状图样。在图 13B 中， 前侧为截面， 以及区域 T3 对应于石英玻璃基板。通过箭头 A16 表示激光通过旋转区域部 3 的旋转执行扫描的圆周方 向。通过箭头 A17 表示滑动移动部 4 的移动方向， 即， 轨迹方向。
因此， 通过在圆周方向和轨迹方向上调制激光， 可以确认还可以均匀地形成深度 在各个方向上改变的半球形状。图 13C 是图 13B 所示的截面部分的放大图。通过在不同于 轨迹方向的方向 ( 其明显地也不同于圆周方向 ) 上截取图样来形成截面。
即， 当设置轨迹节距以使激光光点的一半彼此重叠时， 可以形成深度在除激光扫 描方向和激光调制方向之外的方向上连续平滑改变而没有接合点或阶梯的曲面。
4. 实施例
图 14 至图 25 示出了作为使用根据本发明实施方式的曝光装置对正型抗蚀剂执行 曝光的结果， 在显影之后形成并通过各向异性干蚀刻转印到基板的图样以及根据形成在基 板上的图样所形成的 Ni 转印产品。对于抗蚀剂， 使用 PFR-GX， 并被涂覆至石英玻璃基板。 具有 405nm 波长的蓝紫色半导体激光器被用作激光光源， 并且利用 400nm 的光点直径来执 行曝光。
图 14 示出了形成为测试图样的碗状凹陷形状。图 15 示出了具有平板形状的孔。 在图 16 和图 17 中， 形成矩形图样。图 18 示出了交替形成凹陷和突起的情况， 未曝光部分 具有突起的矩形形状。
图 19 示出了显微透镜状部分。通过使用例如玻璃基板的光学材料， 对于基板来 说， 当光学材料从正型抗蚀剂转印到基板时， 其可以自身被用作光学部件。
图 20 示出了六边形显微透镜阵列状部分。例如， 在诸如互补金属氧化物半导体 (CMOS) 图像传感器的摄像元件中， 为了增加图像分辨率， 像素的数量增加， 使得由此减小了 像素尺寸。 因此， 设置在每个像素上的透镜的尺寸类似地减小， 从而使得可以在制造用于每 个透镜的模子的过程中使用根据本发明实施方式的曝光装置。
图 21 示出了菲涅耳透镜图样。作为形成细微三维结构的方法， 至今提供了使用例 如灰度级掩模 (gray scale mask) 的曝光方法。例如， 提供了通过在玻璃基板上的薄金属 膜中形成非常大量的开口以及通过改变开口的尺寸来调节透过掩模的光量的方法， 以及使用例如由乳剂玻璃形成的掩模的方法。然而， 在这些方法中， 由于穿过掩模的光的衍射， 难 以同时形成具有锐角峰或垂直表面的形状。随着尺寸的减小， 这变得更加困难。
然而， 在根据本发明实施方式的曝光装置中， 由于在改变激光强度的同时直接照 射抗蚀剂， 所以甚至可以精确地形成具有锐角峰的形状， 诸如菲涅耳透镜的形状。
图 22 示出了万字图样。如果在基板上形成诸如 Au 膜的金属膜并被转印到金属， 则可以形成具有旋转透射零阶光的偏光功能的光子晶体。
图 23 示出了如图 18 所示的可以从小角度三维观察到的矩形图样。图 24 和图 25 示出了图形图样。即使这种复杂的三维形状也可以清楚地形成。
尽管这里没有指出， 但本发明可用于以亚纳米级形成细微图样 ( 诸如线栅或蛾 眼 )， 或者形成旋转编码器或旋转标尺。
上面描述了根据本发明实施方式的曝光装置和曝光方法。 然而， 本发明不限于此。 可以考虑的各种形式均包括在本发明中， 只要它们不背离在权利要求中阐述的本发明的要 旨。