JPH01109720A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明はレチクル等の物体を照明する照明装置に関し、
特にコヒーレントな光を供給する光源を照明用光源とす
る時に有用な照明装置に関する。この種の照明装置は、
例えばエキシマレーザからの光を用いてレチクルのパタ
ーンをウェハ上へ投影露光する露光システムの照明装置
に使用される。

〔従来技術〕

従来から、投影露光システムのパターン転写用の結像光
学系では、必要な解像力を得る為にパターンを照明する
照明系のコヒーレンシイを適当な値にする必要がある。

このコヒーレンシイの制御を行う時のパラメータとして
、結像光学系のＮＡ（開口数）に対する照明系のＮＡの
比を表わすσ値が良く知られている。

従って、従来の水銀ランプ等の光源を使用する照明装置
では、上記のσ値が所望の値になる様に適宜照明光学系
の設計を行っている。

一方、レーザ等の指向性の良い光を供給する光源を使用
する照明装置では、光源からの光を集光して所定の光ス
ポットを形成し、この光スポットを走査装置により結像
光学系の瞳の位置で走査する方式を用いる場合がある。

この光スポットの走査により上記のσ値を所望の値に設
定し、必要とするコヒーレンシイを得ている。

第８図は上述のレーザを光源として使用する照明装置の
従来例を示す模式図である。この種の装置はＵＳＰ４．
３７３．７４４、公表公報ＷＯ３６１００４２７号等に
開示されている。

第８図に示す装置は近年注目を浴びているレーザステッ
パー用の照明装置で、図中、ｌはエキシマレーザ等のレ
ーザ光源、Ｌ、及びＬ２は夫々レンズで正のパワーを有
する。２はピンホール、Ｍｒは回動もしくは回転可能な
反射鏡、Ｌ３及びＬ４も夫々レンズで正のパワーを有す
る。又、ＡはレンズＬ４の瞳面であり、レンズＬ４の前
側焦点位置に存する。

Ｂは被照射面であり、レンズＬ４の後側焦点位置に存す
る。具体的にはレンズＬ４の焦点距離をｆ４とすると、
瞳面Ａと被照射面ＢはレンズＬ４の前側及び後側主平面
からｆ４だけ離れた位置に存在していることになる。

第８図に於いて、レーザ光源１から出射した平行光束は
レンズＬ１によりピンホール２に一旦集光し、。

その後発散光束となってレンズＬ２に入射する。レンズ
Ｌ２は所謂コリメータレンズとしての機能を有しており
、発散光を平行光束に変換し反射鏡Ｍｒに指向する。反
射鏡Ｍｒで反射された光束はレンズＬ３によって瞳面Ａ
に集光され、反射鏡Ｍｒを矢印方向に回動もしくは回転
させることによって集光された光束のスポットは瞳面Ａ
上をＸ方向に走査される。更に、瞳面Ａに集光された走
査光束はレンズＬ４へ発散光束として入射し、レンズＬ
４により順次平行光束に変換されて被照射面Ｂの同一照
明域を照明する。この装置によれば、レーザ光源１から
出射した光束を瞳面Ａに集光し反射鏡Ｍｒで偏向、走査
することにより、必要とするコヒーレンシイを得ること
が出来る。

しかしながら、第８図に示す照明装置では、所望のコヒ
ーレンシイを得る場合に走査面積が大きくなり、走査す
る為の走査光学系が大型化したり、走査時間が長（なる
等の欠点を有している。

従って、この種の照明装置を、上述のエキシマレーザを
使用するステッパー等の半導体製造装置に用いる場合、
走査時間が長くなり、製造装置のスルーブツトを劣化さ
せる要因となる為に好ましくない。

一方、ＵＳＰ４，６１９，５０８には、ＦＩＧ、１に示
す照明装置を更に改良した照明装置が開示しである。

このＵＳＰの照明装置は、所定の光束径を有する走査レ
ーザ光束をフライアイレンズと呼称するレンズアレイに
対して走査し、このレンズアレイの個々のレンズニレメ
ン斗からの光を被照射面上で重ね合わせるものである。

しかしながら、上記ＵＳＰの照明装置も走査面積の小型
化には不向きであり、走査時間が長くなって、半導体製
造装置に適用した場合にスループットが劣化する。

又、レーザからの光は通常コヒーレントな光であり、レ
ーザを照明用光源とした投影露光システムでは、コヒー
レント光が形成する干渉パターンが転写性能を劣化させ
る。

上述のＦＩＧ、１或いはＵＳＰ４．３７３．　７４４、
ＵＳＰ４゜６１９、５０８ではレーザからの光を走査す
ることにより時間的コヒーレント光を減少させているが
、この方式では干渉パターンの影響を小さく抑えること
ができなかった。

〔発明の概要〕

本発明は上記従来の照明装置の欠点に鑑みてなされたも
のである。そして、本発明の目的は、照明用光源からの
光を高速走査して、短時間でレチクル等の物体を照明す
ることが可能な照明装置を提供することにある。

又、本発明の他の目的は、コヒーレント光により生じる
干渉パターンの影響を小さ（抑えて、露光システムの転
写性能を向上させることが可能な、露光システム用の照
明装置を提供することにある。

上記目的を達成する為に、本発明に係る照明装置は、コ
ヒーレント光を供給する光源と前記コヒーレント光を互
いにインコヒーレントな複数の光束に分割する手段と、
該分割手段からの複数の光束の光路中に配設され、該複
数の光束をほぼ同時に走査する走査手段と、該走査手段
が形成する複数の走査光束を被照明面上で重ね合わせる
為の光学手段を有することを特徴とする。

本発明の更なる特徴、作用効果は以下に示す実施例に記
載されている。

〔実施例〕

第１図は本発明に係る照明光学装置の更なる実施例を示
す概略構成図であり、従来の照明装置を更に改良したシ
ステムを構成している。

同図において、１１はエキシマレーザから成るコヒーレ
ント光束を供給する光源、１２は光束分割装置、１３は
複数のレンズエレメントから成るフライアイレンズで、
複数のレンズエレメントは光軸Ｏに垂直な面に規則正し
く分布している。１４はコンデンサレンズで、フライア
イレンズ１３による光束の集光点とコンデンサレンズ１
４の前側焦点位置が一致している（図中矢印Ｐで示す位
置）。７１及び７２は光軸０を回転軸として回転可能な
楔形の透明光学部材であり、コンデンサレンズ１４の後
側焦点位置と２つの透明光学部材７１．７２の中点（図
中矢印Ｑで示す位置）とが一致している。１６は集光光
学系で、楔形の透明光学部材により偏向した光束を不図
示の結像光学系の入射瞳と共役な位置に配した絞りＡ２
の位置に集光し、光スポット（光源像）を形成する。１
７は′！Ｊ２の集光光学系であり、絞りＡ２に集光され
た光束をレチクルやマスクの回路パターン面等の被照射
面１８に指向する。又、本実施例によれば、絞りＡ２の
位置と被照射面１８の位置は、夫々第２の集光光学系の
前側焦点位置と後側焦点位置に対応する位置であり、こ
の関係で配列することにより、絞りＡ２の光軸と直交す
る面内に分布した複数の光スポットからの光を被照射面
１８上で効率良く重ね合わせている。

尚、図中の矢印Ｐで示す位置と絞りＡ２、及び不図示の
結像光学系の入射瞳とが光学的に共役であり、図中の矢
印Ｑで示す位置と被照射面１８とが光学的に共役である
。

又、楔形の透明光学部材７１．７２は夫々不図示の保持
部材で別個に保持されており、不図示の回転駆動手段に
より保持部材と共に回転せしめられ、該手段より回転方
向や回転速度を制御される。

本実施例の照明装置を構成する要素の中で、透光性の各
種光学要素、例えばレンズやプリズムの材料は全て５ｉ
０２を使用している。これによって、エキシマレーザか
ら成る光源１１が供給するコヒーレント光を有効に利用
して、照明光強度を上げている。

光源１１から出射したコヒーレント光は光束分割装置１
２に入射し、このコヒーレント光は光束分割装置１２に
よって複数の光束に分割され、且つ又、光束分割装置１
２により互いに所定の光路長差を与えられて、複数の光
束の夫々が互いにインコヒーレントな光となって、光束
分割装置１２から平行光束として出射される。尚、この
光束分割装置１２の具体的な構成は後で図面を用いて詳
述する。

光束分割装置１２から出射した互いにインコヒーレント
な複数の平行光束はフライアイレンズ１３に入射する。

フライアイレンズ１３を構成する複数のレンズエレント
と複数の平行光束は１：１に対応しており、対応する各
レンズエレメントに入射した各々の光束はフライアイレ
ンズ１３によつてフライアイレンズ１３の後側焦点に集
光される。尚、ここでは光束分割装置１２から出射した
複数の光束が平行光束であった為にフライアイレンズ１
３の後側焦点に集光されているが、この集光位置Ｐは任
意の位置で構わない。例えば光束分割装置１２から収れ
ん、或いは発散の状態で出射した光束であればフライア
イレンズ１３の焦点に集光することはない。

又、図示するフライアイレンズ１３は正の屈折力を有す
るレンズエレメントから成るものであるが、負の屈折力
を有する凹レンズ等のレンズエレメントから成るものを
用いても構わない。

さて、フライアイレンズ１３の後側焦点、即ち上述の複
数の光束の集光位置Ｐはコンデンサレンズ１４の前側焦
点と一致している為、−旦フライアイレンズ１３の焦点
に集光した複数の光束は発散光束としてコンデンサレン
ズ１４に入射し、コンデンサレンズ１４を介して夫々平
行光束となる。但し、このコンデンサレンズ１４で得ら
れる複数の平行光束は光軸Ｏに対して互いに異なる角度
で傾いており、複数の平行光束は楔形の光学部材７１．
７２に異なる角度で入射する。

楔形の光学部材７１．７２の各々により屈折され偏向さ
れた複数の平行光束は、その後、集光光学系１６に指向
されて、集光光学系１６の後例焦点位置、即ち絞りＡ２
の位置に集光される。そして、絞りＡ２の光軸０に垂直
な面内（絞り面と称す）に複数の光スポットが分布して
形成される。この光スポットの各々の絞り面上の位置は
、各スポットを形成した平行光束の集光光学系１６に対
する入射角度に応じて決まる。

以上述べた過程を経て、光束分割装置１３により供給さ
れた互いにインコヒーレントな複数の光束を使用して、
絞りＡ２の絞り面上に複数の互いにインコヒーレントな
光スポット（光源像）が形成される。

ここで、不図示の回転駆動手段により楔形の光学部材７
１．７２を各々異なる回転数で回転させて、楔形の光学
部材に入射する複数の平行光束を同時に偏向して走査す
る。この走査に伴って、絞りＡ２の絞り面上に形成され
た複数の光スポットは絞り面上を２次元的に同時に走査
される。

この時の光スポットの走査の様子は第２図で示す通りで
あり、各記号は異なる時刻Ｔ。４１　＋Ｔ２　ｆＴ３．
Ｔ４における光スポットの位置を示す。異なる時刻にお
ける光スポツト同志は互いにインコヒーレントであり、
且つ上述した様に同時刻における光スポツト同志もイン
コヒーレントである。従って、所定時間内に絞りＡ２の
絞り面上に形成される全ての光スポットは互いにインコ
ヒーレントな光束で形成されることになる。

この様に、絞りＡ２の絞り面上に、所定時間内、例えば
ウェハ上の１シヨツトを露光する時間又はエキシマレー
ザから所定の複数のパルス光が供給される時間に、互い
にインコヒーレントな多数個の光スポットが形成出来、
しかも多数個の光スポットが高速にて走査可能な為、拡
がりのあるインコヒーレント光源を容易に形成すること
が可能である。

従って、所望のコヒーレント光を備えた照明系を提供で
き、且つ不図示の結像光学系の結像性能を向上できる。

又、第２図から理解出来る様に、絞りＡ２の絞り一面上
の複数の光スポットを狭い範囲で走査すれば良い為、大
面積のインコヒー、レント光源を形成する必要がある場
合でも極めて短時間にて走査を完了できる。

又、第１図に示す通り、楔形の光学部材又はプリズム等
の透光性部材を回転させるだけで走査が可能であり、揺
動ミラー等に比べて走査を行う為の駆動、制御が簡単で
ある。

第１図に戻り、絞りＡ２の絞り面上に形成した互いにイ
ンコヒーレントな複数の光スポットからの光は、発散光
束として各々第２の集光光学系１７に入射する。第２の
集光光学系１７は各インコヒーレント光束を収斂し、夫
々の光束を平行光束に変換して被照射面１８上で重ね合
わせることにより、被照射面１８を照明する。

絞りＡ２は第１図に示す光学系の入射瞳に相当しており
、本実施例において、被照射面１８はケーラ照明される
。従って、絞りＡ２の絞り面の光スポットの輝度分布に
より生ずる、被照射面１８上での照度分布の不均一性を
回避できる。又、先に述べた様に、本照明装置が投影露
光システムのレチクル照明用として使用される時、絞り
Ａ２は投影露光用のレクチルの回路パターンをウェハ上
に投影する結像光学系の入射瞳と共役関係になる様に設
定される。従って、ウェハに関しても、上記のレクチル
等の被照射面１８と同様の効果を付与できる。

第３図（Ａ）、（Ｂ）は第１図に示す光束分割装置１２
の具体的な構成例を示す図であり、第３図（Ｂ）は第３
図（Ａ）の光束分割装置を第３図（Ａ）中の矢印入方向
から視た図である。

又、第４図（Ａ）、（Ｂ）は光束分割装置１２に入射し
て、分割・インコヒーレント化された複数個の光束の分
布状態を示す説明図である。

第３図（Ａ）、（Ｂ）において、１０１〜１１２は光源
１１からのコヒーレント光束を複数の光束に分割する為
のミラーであり、コヒーレント光束の進行方向に沿って
夫々分布している。そして、ミラー１０１〜１０６から
成るＹ部とミラー１０７〜１１２から成るＸ部とに本光
束分割装置は分けることが出来、Ｘ部及びＹ部は互いに
直交する面内で光束の光路を折り曲げ、且つ互いに直交
する面内で光束の分割を行う。又、Ｙ部はミラーｌＯ１
と１０４の組、ミラー１０２と１０５ノ組、ミラー１０
４と１０６（７）組に分かれており、各組により光路を
規定される各光束は互いに所定の光路長差を有する。Ｘ
部はミラー１０７と１１０の組、ミラー１０８と１１１
の組、ミラー１０９と１１２の組に分かれており、各組
はＹ部の場合同様の作用を各光束に与える。

第４図（Ａ）、（Ｂ）において、２４０は光束分割装置
１２に入射するコヒーレント光束、２５０は光束分割装
置１２のＹ部から射出しＸ部へ入射する互いにインコヒ
ーレントな３本の平行光束、２６０はＸ部を経て光束分
割装置１２から射出した互いにインコヒーレントな９本
の平行光束を示している。そして、ｈ、に、　１は上記
３本の光束２５０を構成する各コヒーレント光束、ｈ１
〜ｈ３、ｋ、〜に３、！１〜Ｉ！３は上記９本の光束２
６０を構成する各コヒーレント光束を示す。

以下に、第３図（Ａ）乃至第４図（Ｂ）を用いて、光束
分割装置１２の機能を説明する。

光源１１（第１図参照）が供給するコヒーレント光束の
コヒーレンス長にもとづいて、分割した光束間の光路長
差を△ｊとする。即ち、△ｊ〉コヒーレンス長なる△ｊ
を設定し、各ミラー１０１〜１１２の構成配置を△ｊを
考慮して定める。

光源１１からの平行なコヒーレント光束は光分割装置１
２のＹ部に入射し、ミラー１０１と１０４、ミラー１０
２と１０５、ミラー１０３と１０６の、各ミラーの組に
より光路を３分割されて、ｈ　　、に、　Ｉ！の３光束
に分割される。この時、ｈ、　ｋ、　ｆの各光束間には
各々Ｌ、　（Ｌ、　＞△ｊ）の光路長差が付与される。

Ｙ部を経た３光束り、　ｋ、　ｌはＸ部に入射し、各光
束り、　ｋ、　　ｌは各光束毎に、Ｘ部のミラー１０７
と１１０、ミラー１０８と１１１、ミラー１０９と１１
２の各ミラーの組により光路を３分割されて、夫々ｈ１
〜ｈ３、ｋ、〜に３．！！１〜１３の３光束に更に分割
される。そして、光束ｈ１〜ｈ３、光束に、〜に３、光
束１１〜Ｉ！３の各々は３光束同志の光路長差がＬ２　
（Ｌ２≧△ｊ）になる様に分割されている。

ここで、Ｌ２≧△ｊ、Ｌｌ＞３Ｌ２なる関係を満たす様
に、各ミラー１０１〜１１２が配設することにより、Ｘ
部を経て光束分割装置１２から射出した光束２６０を構
成する、各光束ｈ１〜ｈ３＋ｋｌ〜に３゜ｌ、〜Ｉ！３
を互いにインコヒーレントな光束にしている。

又、本光束分割装置１２では、第４図（Ｂ）に示す様に
、分割インコヒーレント化した各光束り、〜ｆｉ３、ｋ
ｌ〜に３．Ｉ１１〜１３を互いに間隔りだけ離して、光
束分割装置１２から射出させている。この理由は、第１
図に示す照明装置において、光束分割装置１２からの光
束を受ける。後段に配設されたフライアイレンズ１３の
個々のレンズエレメントに各分割光束が重畳して入射し
ない様にする為である。

尚、間隔りの大きさは、各ミラー１０１〜１１２の配置
により適宜設定できるし、又、フライアイレンズのレン
ズエレメントが互いに密着してフライアイレンズが単一
の部材として構成されている時は、間隔Ｄ＝０として各
ミラー１０１〜１１２の配置を設定する。

本実施例及び既に説明した実施例では、コヒーレント光
束を９分割する例を示しているが、この光束分割数はミ
ラーの数と配置により適宜設定できる。

光束分割数が増えれば、第１図に示す照明装置において
絞りＡ２の位置に形成される互いにインコヒーレントな
光スポットを密に分布できる為、走査時間の更なる短縮
化が図れる。逆に多数のミラーが必要になる為に光束分
割装置１２自体が複雑になり、好ましい結果を生じない
かもしれない。従って、光束分割装置１２により分割す
る光束の数は、上述の作用、構成上の問題点や他の要因
を考慮して適宜設定すべきである。

又、本実施例では、光束分割装置１２により各９本の光
束ｈ１〜ｈ３、ｋ、〜に３＋ｊ！Ｉ〜Ｉ！３の間に夫々
へｊ以上の光路長差を付与しているが、光源１１の空間
的コヒーレンス長が悪（、例えば第４図（Ａ）。

（Ｂ）に示す光束りとｋが最初から互いにインコヒーレ
ントとみなせる場合には、光束りと１１光束にと１に対
しては夫々所定の光路長差を付与する必要があるが、光
束りとｋに関しては特にインコヒーレント化の為に光路
長差を付与する必要はない。

第５図は第１図に示す照明装置の、一対の楔形光学部材
７１．７２から成る走査光学系の拡大構成図である。

フライアイレンズ１３の１個のレンズエレメントにより
矢印Ｐの位置に集光された光束は、ここで光スポットを
形成する。光スポットからの発散光２７はコンデンサレ
ンズ１４により平行光束に変換されて、楔形光学部材７
１．７２に指向される。楔形光学部材７１．７２は夫々
光軸０を回転軸として互いに異なる回転速度で回転し、
入射平行光束を所定の範囲、走査軌跡で走査する。従っ
て楔形光学部材７１．７２からの平行光束を受ける集光
光学系１６により、絞りＡ２の絞り面上に形成されてい
る光スポットは絞り面上で所定の軌跡で走査される。

ここで、フライアイレンズ１３の残りレンズエレメント
によって多数個の光スポットが形成されている為、これ
らの光スポットからの光もコンデンサレンズ１４、楔形
光学部材７１．７２、集光光学系１６を介して絞りＡ２
の絞り面上に夫々光スポットを形成している。従って、
楔形光学部材７１．　７２の回転により、絞り面上にお
いて多数個の光スポットが走査されている。

第７図は絞りＡ２の絞り面上における多数個の光スポッ
トの走査により生ずる走査軌跡を示している。ここでは
、楔形光学部材７１．７２の回転速度の比を３ニアに設
定し、楔形光学部材７１．７２を回転させた時の走査軌
跡を示す。

絞り面上での個々の光スポットの走査軌跡或いは走査形
状は、楔形光学部材７１．７２の回転速度比を種々設定
することにより容易に制御できる。例えば、第６図（Ａ
）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す如き走査が可能である。

第６図（Ａ）は、一対の楔形光学部材７１．７２の回転
速度（回転数）の比を３＝７とした場合の１つの光束の
絞り面上での走査軌跡を示しており、第６図（Ｂ）、（
Ｃ）は夫々回転速度の比を３＝８及び５：１１とした場
合を示している。

又、楔形光学部材７１．７２の各楔角と屈折率を適宜設
定することにより、個々の光スポットの走査範囲を所望
の大きさにしたり、或いは走査形状を変えることができ
る。

従って、上述の如き制御方法を用いて、絞りＡ２の絞り
面における所定時間内での光スポットの分布状態を適切
な状態に設定し、所望のコヒーレンシイの照明を行うこ
とができる。又、これにより、本照明装置を投影露光シ
ステムに用いた時には、結像光学系の結像性能を向上で
きる。

又、絞りＡ２の絞り面上に分布した多数個の光スポット
は、前述した通り互いにインコヒーレントな光束により
形成されたものであり、光スポットの走査により更に時
間的なインコヒーレント化を達成できる為、これらの光
スポットからの光による被照射面上での有害な干渉パタ
ーンの悪影響を小さく抑えることができる。

従って、被照射面を均一な照度分布で照明することがで
きる。

本実施例では２つの透過性の楔状の光学部材７１゜７２
を互いに接近させて双方を回転させて走査している為に
、従来のように少な（とも１つの回転ミラーを用いて走
査する場合に比べて、装置全体の小型化が容易となる。

尚、本実施例において楔状の光学部材を３つ以上用いて
、それらを互いに異なった回転数で回転させても所定の
走査形状の第２次光源面を形成することができる。

又、２つの楔形の光学部材を異なった材質より構成し、
色収差等の影響を考慮して構成しても良い。

上記実施例では空間的に形成された２次光源面からの光
を集光レンズを介してレチクル等の被照射面に指向して
いた。

一方、２次光源面からの光を一旦フライアイレンズ、フ
ァイバー束等の多光束発生系に入射させ、この多光束発
生系を介して被照射面にコヒーレント光束を指向しても
良い。この様な多光束発生系を有する照明系によれば、
極めて均一に被照射面の照明を行える。尚、フライアイ
レンズ等の複眼光学系を光束方向に複数個並べて配置す
ることにより更に均一な照明が行える。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、光源からの光を複数の光束に分
割し、所定の走査手段で個々の光束を同時に走査するこ
とにより、これらの光束が絞り面（瞳面）に形成した複
数個の光スポットで、高速に絞り面を走査できる為、レ
チクル等の被照射面を所望のコヒーレント光で短時間に
照明できる。

又、コヒーレント光を互いにインコヒーレントな複数の
光束に分割した後、更にこれらの複数光束を走査して時
間的にインコヒーレントな状態を生じせしめる為、コヒ
ーレント光により生ずる干渉パターンの影響を、従来よ
りはるかに小さ（抑えることができる。

従って、投影露光システムのレチクル照明用の照明装置
として好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の係る照明装置の一実施例を示す概略構
成図。 第２図は絞り面上での光スポットの様子を示す説明図。 第３図（Ａ）、（Ｂ）及び第４図（Ａ）、（Ｂ）は光束
分割装置１２の概略構成図と機能説明図。 第５図は走査光学系の拡大構成図。 第６図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び第７図は絞り面上で
の光スポットの軌跡を示す模式図。 第８図は従来の照明装置の概略構成図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　コヒーレント光を供給する光源と、前記コヒーレント
   光を互いにインコヒーレントな複数の光束に分割する手
   段と、該分割手段からの複数の光束の光路中に配設され
   、該複数の光束をほぼ同時に走査する走査手段と、該走
   査手段が形成する複数の走査光束を被照明面上で重ね合
   わせる為の光学手段を有することを特徴とする照明装置
   。