JPH01259533A

JPH01259533A - 露光装置

Info

Publication number: JPH01259533A
Application number: JP63088453A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Ichihara; 裕市原
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1988-04-11
Filing date: 1988-04-11
Publication date: 1989-10-17
Anticipated expiration: 2012-10-15
Also published as: JP2662562B2

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、エキシマレーザ光等のような可干渉性のビー
ムを用いた半導体製造用露光装置等に使用される照明光
学装置に関するものである。

〔従来の技術〕

半導体製造用露光装置は光源からの露光光の短波長化に
よる高解像力化が行われている。現在量も有力な短波長
光源はエキシマレーザである。第２図は従来の水銀ラン
プを（光源としたときに最適に設計された）照明系にエ
キシマレーザ光源を入れた場合の光路を模式的に示した
図である。

レーザ光源からのビームＬＢは図中の左からオプチカル
・インテグレータとしてのフライアイレンズ１にほぼ平
行光束となって入射する。このフライアイレンズ１はレ
チクルＲを一様に照明するため不可欠なものである。

さてフライアイレンズ１は、ここでは３つのエレメント
レンズ１ａ、１ｂ、ＩＣで構成され、各エレメントレン
ズの射出端側の空間ａ、ｂ、ｃに２次光源（レーザ光の
集光スポット）が形成される。それら各点ａ、ｂ、ｃか
ら拡散した光は、コンデンサーレンズ２で集められ、レ
チクルＲを均一な照度分布で照明する。レチクル上のパ
ターンは投影レンズＰＬによりウェハＷへ投影露光され
る。又、２次光［ａ、ｂ、ｃは投影レンズＰＬの瞳面ｅ
ｐに結像されている。

通常フライアイレンズを構成するエレメントレンズの個
数は１０ｘｌＯ＝１００個の２次元配列をしているが、
ここではわかり易くするため３個のレンズ１ａ、１ｂ、
ＩＣを１次元配列で代表して示した。

ところがこの照明系には以下のような問題点があった。

すなわち水銀ランプの場合と異なり、レーザ光をフライ
アイレンズ１に入射すると２次光ｆｉａ、ｂ、ｃは非常
に高輝度なスポットとなる。

従ってこの２次光源が光路中の光学部品（レンズ等）に
結像（集光）すると、光学部品の破壊が生じるという問
題である。又、レンズの表面等の極く弱い反射によって
でもレチクル近傍に２次光源が結像すると、それらの光
源像がレチクルで反射されウェハ上に再結像してしまい
、ゴーストが生じるという問題もあった。

しかしながら、このような問題は、本願出瀬人が開発し
た新たな手法によって簡単に解決できることが確認され
た。それは例えば特開昭５８−１４７７０８号公報に開
示されているように、フライアイレンズを２組用いる方
法をさらに改良した方法である。この方法を第３図に示
す。図に示すように第１のフライアイレンズ３によって
できた２次光［ａ、ｂ、ｃからの光を集光レンズ４で集
光して第２のフライアイレンズ５に入射させることによ
ってフライアイレンズ５の各エレメントレンズ５−Ｌ　
５−２．５−３の各射出端側に３次光源（スポット光）
ａ＋　ｓ　ｂ＋　、Ｃ＋を作る。この３次光源は２次光
源より数が増えているので各点の強度は非常に弱くなっ
ている。

第３図において、第１のフライアイレンズ３のビームＬ
Ｂの入射側では、各エレメントレンズ（石英による四角
柱のロッド）３ａ、３ｂ、３Ｃは球面に形成され、射出
端側は平面に形成されていて、２次光１１１Ｊａ、ｂＳ
ｃを空間中に作るように定められている。集光レンズ４
は２次光源ａ、ｂ。

Ｃの夫々からの発散光を有効に第２のフライアイレンズ
５に入射させるために、フライアイレンズ５の入射端か
らレンズ４の焦点（ｆ）距離だけ離れた位置に配置され
るとともに、各２次光源ａ、ｂ、ｃが集光レンズ４の内
部に位置しないように２次光源ａ、ｂＳｃかられずかに
離して配置される。フライアイレンズ５の各エレメント
レンズ（石英による四角柱のロッド）５−１．５−２．
５−３の入射端は曲率Ｒ，の球面に形成され、射出端は
曲率Ｒ１よりも小さな曲率Ｒ２の球面に形成されており
、３次光Ｂａ＋、ｂ＋、Ｃ＋を空間中に作るように定め
られる。各３次光源ａ＋、ｂｌ、ｃ、の夫々から発散し
た光は、第２図に示したコンデンサーレンズ２を介して
レチクルＲ上で同時に重ね合わされ、均一な照度分布が
得られる。

ここで３次光ａａ＋％ｂ＋、ｃ＋が作られる面ｅＰ゛は
、投影レンズＰＬの瞳ｅｐと共役な面であり、同時に２
次光ｉｌ！ａ、ｂ、ｃが作られる面とも共役である。

第４図は第２のフライアイレンズ５の射出面側の平面図
であり、フライアイレンズ５のエレメントレンズが、例
えば３Ｘ３（９個）でマトリックス状に配列された場合
を示す。ここで仮りに第１のプライアイレンズ３も、３
Ｘ３　（９個）のエレメントレンズで構成されているも
のとすると、フライアイレンズ５の１つのエレメントレ
ンズの射出端側には９個の３次光源が作られる。そして
１つの２次光源、例えばａは、フライアイレンズ５の９
個のエレメントレンズの各射出端面上の同一位置に３次
光源ａ、として作られる。従ってフライアイレンズ５の
射出側には合計９Ｘ９（８１）個の３次光源（スポット
光）が整列することになる。この第３図に示した照度分
布均一化光学系そのものは本願発明の基礎となる技術で
あって、必ずしも公知ではない。

第３図では、１段目、２段目ともフライアイレンズのエ
レメントレンズの個数を３Ｘ３　（９個）にしたが、典
型的な例では１０Ｘ１ｏ　（１００）個程度にするとよ
い、従って２次光源の個数１００に対して３次光源の数
はｔｏｏｘｔｏｏ個にまで増え、３次光源の各スポット
の強度は１段のフライアイレンズの場合にくらべて１／
１００程度に低減される。

その結果、破壊、ゴースト等の問題を全て解決すること
ができる。

尚、第３図において、プライアイレンズ５の入射端に近
接してレンズを配置して、光の拡散による損失を最少に
することも有効である。また瞳共役面ｅｐ°　とコンデ
ンサーレンズ２の間で、３次光源ａ　１　ｓ　ｂ　＋　
ｓ　Ｃｌに近接した位置に、同様に光の発散による損失
を押えるフィールドレンズを設けることも有効である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、第３図の構成のものでは、さらに新たな問題
点が生ずることが判明した。それはスペックルと呼ばれ
る干渉縞のような細かい照明ムラが発生することである
。第２図において、各２次光１ｆｆｌａ、ｂ、ｃの夫々
から進んでレチクルＲ上で互いに重なり合う光同志は、
互いに干渉し合って干渉縞が発生する可能性がある。こ
れはフライアイレンズ１のエレメントレンズｌａ、ｌｂ
、ＩＣの配列方向のピッチとビームＬＢの可干渉性とに
よっておおよそ決まってくる。一般にエキシマレーザは
干渉性が悪く、ビーム径内である距離以上離れた光同志
は互いに干渉しないという特性がある。この距離は、フ
ライアイレンズ１のエレメントレンズｌａ、ｌｂ、ｌｃ
の配列ピッチよりも短いので、結局、第２図中の２次光
源ａ、ｂ、ｃの夫々からの光は互いに干渉しないことに
なる。

ところが、第３図に示したダブル・インチブレーク方式
では話が違ってくる。同様の考え方で、第３図中の２次
光１ｆｌｌａ、ｂ、ｃの夫々から進む光は互いに干渉し
ないが、２次光源ａから進む光は、第２のプライアイレ
ンズ５によって、各エレメントレンズ５−１．５−２．
５−３の各々に３次光′ａａ＋となって集光する。第３
図において、例えば第１、及び第２フライアイレンズ３
．５の各エレメントレンズ（ロッド）径が同一で、配列
ピッチの一方向に１０個（ＩＯＸＩＯ）が並ぶものとす
ると、２次光源ａを作るエレメントレンズ３ａを通るビ
ーム径は第２のフライアイレンズ５に達するとき、約１
０倍に拡大されることになる。このことは、先に述べた
干渉を起さない距離も約１０倍に拡大されたことを意味
する。従って、フライアイレンズ５の各エレメントレン
ズのピッチに対して、その干渉しない距離の方が大きく
なるため、各エレメントレンズ５−１．５−２．５−３
等の射出部にできる３次光［ａ＋同志は互いに干渉して
しまうことになる。現実的には、フライアイレンズ５の
うち、互いに隣り合ったエレメントレンズで作られる３
次光源ａｔ同志、３次光源ｂ１同志、あるいは３次光源
ｃ、同志が強い干渉を起こす。

その結果、レチクルＲ上にはフライアイレンズ５のエレ
メントレンズ５−１．５−２．５−３の配列方向に対応
した１次元又は２次元の干渉縞（スペックル）を生じ、
それはそのまま投影レンズＰＬを介してウェハＷ上に転
写されることになり、正確なパターン転写の妨げとなっ
た。

〔問題点を解決する為の手段〕

上記問題点を解決するために、本発明では第１段のオプ
チカル・インテグレータ（フライアイレンズ、単一のロ
ッド、又はオプチカル・ファイバー束）と第２段のオプ
チカル・インテグレータ（フライアイレンズ等）との間
に、第２段のオプチカル・インテグレータに入射する光
束を、少なくとも１方向（１次元）に振動させる搖動手
段（第１の走査ミラー等）を設けるようにした。

この搖動手段による光束の搖動角は、レチクルＲ（又は
ウェハＷ）上にできる干渉縞を１ピッチ分だけ移動させ
る程度で十分である。また可干渉性のビームがエキシマ
レーザ光のようにパルス発光するものでは、揺動角の変
化とパルス発光のタイミングとを同期させるのが効率的
である。また連続発振のレーザビームでは、ことさら同
期の必要性はないが、揺動角の変化率、すなわち被照明
体上にできる干渉縞の縞と直交する方向への移動速度を
ほぼ一定にすると均一化の精度が高まる。

本発明では、パルス発光、連続発光のビームのいずれか
を用いて、ある一定時間（パルス発光の場合は複数パル
スを必要とする時間）の間、被照明体を均一な照度分布
で照明する必要のある装置であれば、光加工装置、アラ
イメント用の照明装置等に広く利用できるものである。

〔作　用〕

先に第３図を用いて説明した様にスペックル（干渉縞）
は第２フライアイレンズ５による３次光源同志の干渉に
よって生じている。そこでレチクルＲ（又はウェハＷ）
を照明する間、第２フライアイレンズ５に入射する光束
の波面を傾けて、フライアイレンズ５の隣り合ったエレ
メントレンズにできる３次光源ａｌ　　（又はｂｌ、ｃ
ｌ）同志に２ｍπ（ｍ−１，２，３・・・・・・）の位
相差を与える。

言いかえると、隣り合ったエレメントレンズに入射する
光（波面）に２ｍπの位相差を与えること、すなわちｍ
λ（λはビームの波長）光路差を与える。スペックルは
フライアイレンズのエレメントレンズの間隔に対応した
周期的な構造をもっており、隣り合った３次光Ｂａ＋同
志からの光の位相差が変化すると、スペックルは移動し
、位相差が２π変化するたびに、スペックルはちょうど
１周期分移動し元と同じ状態になる。

すなわち物体を照明中に連続的、又は段階的に位相を２
πあるいは２ｍπ変化させると、一定時間の照明が終了
した時点でスペックルは平滑化されてしまうことになる
。

ところで実際には、エキシマレーザはパルスレーザであ
るので、位相の変化は連続的ではなく、とびとびとなる
、しかしパルスの数がある程度より多ければ連続的な変
化と同様な結果を得ることができる。このことを模式的
に描いたのが第５図である。第５１１ｍ（ａ）は、濁期
的なスペックル（干渉縞）の強度分布を１次元に模式的
に描いたものである。となりあったフライアイレンズの
エレメントレンズに２π／４ずつ位相差を増しながら、
エキシマレーザ光の４パルスを被照明体に照射したとき
に生じる各パルス毎のスペックルの重なった様子を示し
たのが第５図（ｂ）である。これを加算（積算）すると
第５図（ｃ）の様にスペックルが平滑化されて消えてし
まう。厳密には、ある！定の強度分布にリップル成分が
重畳する。

このパルス数は多ければ多い程良いが通常は数１０パル
スで十分な効果が得られる。

〔実施例〕

次に、本発明の第１の実施例を第１図を参照して説明す
る。第１図において、第３図で用いた部材と同一の機能
を存するものには同じ符号をつけである。

第１図で、エキシマレーザ光源１０を出射したビームは
、紫外用反射ミラーＭ１、Ｍｔ　、Ｍ３、Ｍ４を介して
シリンドリカルレンズを含む光学系１１に入射し、断面
形状が長方形のビームＬＢ。

からほぼ正方形なビームＬＢに整形される。そのビーム
ＬＢは紫外用反射ミラーＭ、で曲折されてビームエクス
パンダ１５に入射し、所定のビーム径に拡大された後、
第３図で示した第１のフライアイレンズ３に入射する。

さて、ここでエキシマレーザ光源ＩＯの構造と発振され
るレーザビームの特性との関係について、第６図、第７
図、第８図を参照して説明する。

エキシマレーザ光源は大別すると２つの種類に分けられ
る。１つは安定共振器型と呼ばれるもので、第６図に示
すように誘導放出を起させる放電管１００の両端に２個
の共振器用ミラー１０２ａ、１０２ｂを配置して共振器
を構成している。この共振器用ミラー（１０’２ａ、１
０２ｂ）の間を光が往復することにより、誘導放出され
た光の振幅が強められてレーザビームＬＢ、が出射され
るが、この型のレーザ光源から出射されたレーザビーム
の特徴は空間的及び時間的コヒーレンスが低いことであ
る。時間的コヒーレンスが低いということは言いかえる
と、スペクトルの半値幅が広い（Δλ”０．４ｎｍ）と
いうことであり、かかる光源を集積回路製造用の露光装
置等に用いるには、投影レンズＰＬにおいて色消しく色
収差補正）が必要となり、この波長領域で実用的なレン
ズを作ることは困難である。

もう一つのタイプのレーザ光源は、インジエクションロ
ツタ型と呼ばれるものであり、第７図のように発振器と
増幅器に分かれている。発振器において共振器用ミラー
（１０２ａ、１０２ｂ）が配置されている点は前述した
安定共振型と同様であるが、このタイプでは発振器内に
所定の領域の波長を選択するためのエタロン、回折格子
等の波長選択素子（１０６）が備えられているとともに
、放電管１００の両端にレーザビームを所定の領域で遮
断するアパーチャ　（１０４ａＳ　１０４ｂ）が配置さ
れており、発信されるレーザビームのスペクトルの半値
幅が狭く（Δλ”Ｏ，ＯＯ１ｎｓ）、即ち単色性が向上
している。さらに発振されたレーザビームはミラー（１
０Ｂ）で曲折されて増幅器に入射し、第２の放電管（１
１０）の両端に凸状面と凹状面を向きあわせて配設され
た不安定共振器用ミラー（１１２ａ、１１２ｂ）によっ
て増幅されて出射される。この型のレーザ光源から出射
されるレーザビームの特徴の一つは、発振器において単
色性が高められており時間的コヒーレンスが高く、投影
レンズＰＬにおいて色消しの必要がないということであ
る。

このため、単一の硝材（石英）のみでレンズを作ること
ができ、設計、製造とも容易であるという利点がある。

しかし、インジェクションロック型レーザ光源のもう一
つの特徴として、不安定共振器によって増幅されている
ために空間的コヒーレンスが極めて高いということがあ
り、かかるレーザ光源を用いると露光領域に強い干渉縞
が生じてしまう。

そこでそのような不都合を解決するために開発された新
しい型のレーザ光源として、第８図に示す様なものがあ
る。この型のレーザ光源は、前述した安定共振器型レー
ザ光源に例えばエタロン、プリズム、回折格子等の波長
幅狭帯化用の波長選択素子１１４を配設してあり、出射
されるレーザビームのスペクトルｌｕ狭ｌΔλ停０．　
ＯＯ３ｎｍ）している。かかるレーザ光源から出射され
るレーザビームの特徴は、波長選択素子１１４を設けた
ことによって時間的コヒーレンスが向上しており、かつ
インジェクションロッキング型に比べて空間的コヒーレ
ンスが低いことである。

以上、３つのレーザ光源を述べたが、本実施例で用いる
レーザ光１１１０は、波長選択素子、即ち時間的コヒー
レンスを高める手段を備えた第８図の安定共振型レーザ
光源とし、投影レンズＰＬの色収差補正を不要としてい
る。

また、空間的コヒーレンスはインジェクシッンロック型
に比べて低（なっているため、かかるレーザ光源から出
射されたビームにより生じるスペックルのコントラスト
は非常に低いものとなっている。

しかしながら、エキシマレーザ光源から出射されるビー
ムの断面形状は一般的に樅横比が１＝２〜１：５の矩形
をなしており、空間的コヒーレンスは等方向ではなく、
特にビーム断面の長手方向より短手方向において高（な
っている。このため、スペックルはビーム断面の短手方
向に発生しやす（、第１図に示したレーザ光源１０から
出射されるビームによって生じるスペックルパターンは
、コントラストの低い一次元の干渉パターンとなってお
り、この干渉縞のピッチ及び配列方向は先にも述べた通
り、強度分布均一化手段として照明系に配設されるフラ
イアイレンズ等のレンズエレメントの間隔及び配列方向
に対応している。

再び第１図の説明に戻り、ビームエクスパングー１５を
射出したほぼ正方形断面の平行ビームは第１図のフライ
アイレンズ３、レンズ４を介して走査ミラー１７に入射
する０本実施例のレーザ光源１０は、第８図に示したよ
うに、内部に波長選択素子を備えた安定共振器型のＫｒ
Ｆエキシマレーザ光を発振するものとしたので、ビーム
断面の短手方向に間して空間的コヒーレンスが高く、走
査ミラー１７によるビームの振動は、その短手方向に合
わせて一次元に行なわれるものとする。

従って本実施例において走査ミラー１７は、シリンドリ
カルレンズを含む光学系１１により整形される前のビー
ムＬ　Ｂ　ｏの断面の長手方向、即ち縦方向に振動中心
軸が一致するように配置され、ガルバノ、ピエゾあるい
はねじれ振動子等の振動源（偏向源）１９に接続されて
いる。

ここで、ビームが振動される方向は常にビームの短手方
向と完全に一致させておく必要はなく、ビームの長手方
向と交差する方向のうち適宜選択された一方向であれば
よい。即ち、走査ミラー１７の振動中心軸の方向は固定
的に設定されたものではなく、除去しようとするスペッ
クルパターンの状態によって、ビームＬＢ、の長手方向
と振動中心軸を相対的に４５度程度までの間で適宜傾け
ることが好ましい。

また、この実施例においてはビームを所定回数振動させ
る構成をとっているが、本実施例において除去しようと
しているスペックル（干渉縞）はコントラストがもとも
と低いので、必ずしもビームを規則的に往復するように
振動させる必要はない、即ち、１スキヤンの間にウェハ
Ｗ上に形成されたレジスト層（図示せず）の感度との兼
合いで設定される適正露光量を得るだけのパルスを打ち
終るような場合には、走査ミラー１７を一方向に所定！
揺動させただけでスペックルを消失できることも想定さ
れる。なお、ビームの振動は、レーザビームＬＢ、の発
振に同期させておこなうことが好ましく、本実施例にお
いては、例えば１スキヤンで５０パルス程度となるよう
に条件設定すると良い。

次に、走査ミラー１７によって短手方向に振られたビー
ムは、レンズ２１を通って、第２のフライ・アイレンズ
５に入射し、第３図で示したように多数の３次光源（ス
ポット光）として集光した後、発散し、集光レンズ２５
によって再度集光され、紫外用反射ミラー２７で曲折さ
れてメイン・コンデンサーレンズ２に入る。メイン・コ
ンデンサーレンズ２によって適度に集光された多数の３
次光源の夫々からの光は、レチクルＲ上ですべて重畳さ
れ、−様な照度分布となってレチクルＲを照射する。こ
れにより該レチクルＲ上の回路バクーンが、例えば石英
からなる投影レンズＰＬによってウェハＷ上に投影露光
される。

ここで、投影レンズＰＬは片側（ウェハ側）又は両側テ
レセンドリンクであり、第２のフライ・アイレンズ５の
出射面側にできる３次光源像は、集光レンズ２５、メイ
ン・コンデンサーレンズ２等によって瞳ｅｐとほぼ共役
となっている。即ち、瞳ｅｐには３次光源の点光源（ビ
ームの収束点）がフライ・アイレンズ３と５の夫々のレ
ンズエレメント数の積だけ形成されることになる。

また、レーザ光源１０で発振されたビームＬＢ。の長方
形断面の長手方向は、本実施例ではフライアイレンズ３
．５の各エレメントレンズの一方の配列方向（第１図で
光軸ＡＸを２軸とするとＹ軸方向）に−敗するように定
められている。さらに２つのフライアイレンズ３．５の
各エレメントレンズの配列も、互いにＸ方向とＹ方向と
で一致しているものとするが、必ずしもその必要はなく
、第１図に示したフライアイレンズ３とフライアイレン
ズ５とを図の状態から光軸ＡＸを中心に相対的に回転さ
せておいてもよい。

次に本実施例の作用、動作について述べる。

本実施例のレーザ光源１０の場合、ビームＬＢ。の空間
的コヒーレンスが元々低いため、先に第３図によって説
明したように、第１のフライアイレンズ３で作られる２
次光源ａ、ｂＳｃ同志が互いに干渉しないようにエレメ
ントレンズ３ａ１３ｂ、３ｃの間隔を設定しつつ実用的
な寸法及び個数でフライアイレンズを製造することがで
きる。

ところが、第２のフライアイレンズ５では、３次光源ａ
＋　　（又はｂ＋、、ＣＩ）同志が互いに干渉しないよ
うにエレメントレンズ５−１．５−２．５−３の寸法を
定めると、特にビームＬＢ、の断面の短手方向と一致し
た配列方向に間しては、極端な場合第１のフライアイレ
ンズ３の外形寸法の１０倍程度の大きさになってしまう
。このようなことは装置構成上、極めて不都合なことで
あり、そのため、３次光ｉｆ！Ｘａ、（又はｂ＋　、Ｃ
Ｉ　）同志による干渉はさけられない。そこで第１図に
示した走査ミラー１７を補動させて、フライアイレンズ
５の隣り合ったエレメントレンズで作られる３次光源ａ
ｔ　　（又はｂ＋　−ＣＩ　）同志に２ｍπの間で位相
差を与え、第５図のように干渉縞の平滑化を行なう、尚
、２次光源ａ、ｂＳｃ同志に干渉性がないとすると、フ
ライアイレンズ５の１つのエレメントレンズ内に作られ
る３次光源ａｔ、ｂ＋、ｃ、同志にも干渉性がない。

ここで、３次光源による干渉の様子を考えてみると、例
えば第９図に示すように、フライアイレンズ５の各エレ
メントレンズ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５
ｇ、５ｈがＸ、Ｙ方向に規則的に配列され、レーザ光源
１０からのレーザビームＬＢ、の断面の長手方向がＹ方
向と一致している場合、Ｙ方向に間してはビームＬＢ、
の空間的コヒーレンスが元々低いために、Ｙ方向に配列
されたエレメントレンズ、例えば５ａ、５ｄ、５ｇの夫
々にできる２次光源ａからの３次光ａＡａ、ＡｄＳＡｇ
は互いに干渉しないような条件が成り立つ。ところが、
Ｘ方向に間しては、比較的に空間的コヒーレンスが高い
ために、例えばＸ方向に並んだエレメントレンズ５ｃ、
５ｄ、５ｅ。

５ｆの夫々に２次光源ａからの光で作られた３次光ＢＡ
ｃ、Ａｄ、Ａｅ、Ａｆは互いに干渉してしまう。

この３次光源Ａｃ、Ａｄ、Ａｅ、Ａｆによる干渉も、系
の条件によって変化し、例えば隣り合った２つのエレメ
ントレンズ５ｃ、５ｄの３次光源Ａｃ、Ａｄのみが互い
に干渉し、３次光［Ａｃに対して２つ以上離れたエレメ
ントレンズ５ｅ２５ｒの３次光源Ａｅ、Ａｆの夫々の間
では全く干渉が起らない場合、あるいは３次光源Ａｃ、
Ａｄ、Ａｅの３つだけが互いに干渉する場合、さらには
Ｘ方向のエレメントレンズの同一位置にできる３次光ｆ
ｉＡｃ、Ａｄ、Ａｅ、Ａｆの全てが互いに干渉する場合
等がある。第１０図は、隣り合った２つのエレメントレ
ンズ内の同一位置にできる３次光源のみ（例えばＡｃと
Ａｄ、ＡｄとＡｅ、ＡｅとＡｆ）が互いに干渉したとき
に、レチクルＲ（又はウェハＷ）上に生じる干渉縞の強
度分布Ｆｒ１を示し、理論的には正弦波になる。

従ってこのような場合は、互いに干渉し合う３次光源の
位相差がπ（あるはに−０，１，２，３・・・・・・と
して、２にπ＋π）だけずれるように走査ミラー１７の
角度を変えて、レーザ光源１０から２パルスを発振すれ
ば、２パルス目による干渉縞の強度分布Ｆｒｘは丁度１
／２ピツチだけずれることになり、これらを重ね合わせ
たものは数学上はフラットな強度分布Ｆｒｓになる。し
かしながら一般には、Ｘ方向に並んだいくつかの３次光
源が相互に干渉し合うため、第５図（ａ）に示したよう
な複雑な強度分布になる。ところが、Ｘ方向に並んだｎ
個の３次光源同志（例えばＡｃ、Ａｄ。

Ａｅ、又はＡｄ、Ａｅ、Ａｆ等）が互いに干渉し合う場
合でも、数学的な解析によれば、ｎ個の３次光源の夫々
が２π／ｎずつ位相差を変えるように、すなわちレチク
ルＲ上の干渉縞が、１　／　ｎピッチずつ、ピッチ方向
に移動するように走査ミラー１７の角度変化に同期して
ｎパルスのビームを照射すると、重ね合わされた強度分
布をフラットにできることがわかっている。従ってフラ
イアイレンズ５のＸ方向のエレメントレンズの数をｎと
すると、例えば走査ミラー１７が半周期振動（干渉縞の
１ピツチの移動に相当）する間に同一強度でｎパルスを
照射すれば、ウェハＷ上の露光領域に生じた干渉縞によ
る露光むらは消せることになる。

ただし、この場合は、走査ミラー１７の角度変化と各パ
ルス光毎の発振トリガーのタイミングとを極めて正確に
保つ必要がある。

また別の考え方として、走査ミラー１７が半周期振動す
る間に、ｎパルスよりも十分大きなパルス数で露光を行
なうこともできる。先にも述べたようにフライアイレン
ズ５のＸ方向のエレメントレンズの数を１０とすると、
ｎ−１０であるので、走査ミラー１７の半周期の振動の
間に約５０パルス（往復では１００パルス）程度を発振
させるものである。この場合は、走査ミラー１７の角度
変化と各パルス光毎の発振トリガーとをそれ程正確に保
つ必要がなく、装置化の点で有利である。また、実験に
よって、干渉縞の平滑化のために走査ミラーの半周期中
に必要な最小パルス数Ｎｍ１ｎを求めておき、あるシッ
ットの露光に必要な総パルス数がｍ−Ｎｍ１ｎ　　（ｍ
−１，２，３・・・・・・）になるように各パルス光の
光量を調整しておけば、適正露光量の制御も容易に実現
できることになる。

以上、本実施例では、走査ミラー１７をビームＬＢｅの
断面の短手方向（長手方向と直交する方向）に合わせて
１次元のみ振動させたが、これはフライアイレンズ５に
よって作られた３次光源のＸ方向（ビームＬＢｏの短手
方向）の配列のみによって１次元の干渉縞が発生するか
らであって、もし、ビームＬＢ、の断面の長手方向（Ｙ
方向）に沿って並んだ３次光源同志によっても干渉が起
る場合は、全く同様の考え方で走査ミラー１７を２次元
に線動させればよい。この場合、３次光源の夫々は、瞳
ｅｐ上でラスター走査と同様に微小量だけ同時に位置変
化する。また１枚の走査ミラー１７を２次元振動させる
代りに、Ｘ方向用とＹ方向用に２枚の走査ミラーを設け
てビームの振動方向を分担させてもよい。

また、本実施例では、レーザ光−ｒＡｌｏから射出する
ビームＬＢ６の断面の長手方向と、各フライアイレンズ
３．５のエレメントレンズの一方の配列方向（Ｙ方向）
とを−敗させたが、これは任意の関係でよく、必須の条
件ではない、しかしながら、その関係がどのようなもの
であっても、走査ミラー１７の振動によるビームの少な
くとも一方の振動方向は、元々のビームＬ　Ｂ　ｏの断
面の長手方向と交差する方向になる。

次に本発明の第２の実施例を第１１図を参照して説明す
る。第１１図は、照度分布均一化手段のみを示し、他の
構成は第１図のものと同様である。

また第１図で示した部材と同一のものには同じ符号を付
けである。本実施例では、第１のフライアイレンズ３の
前にも、ビームを振動させるための走査ミラー１６、及
びその振動源１８を設けた点が第１の実施例と異なる。

本実施例においても、レーザ光源１０は内部に波長選択
素子を有する安定共振器エキシマレーザ（ＫｒＦ）光源
とし、発振されたビームＬＢ、の断面は長方形であり、
長手方向の空間的コヒーレンスはダブル・インテグレー
タによっても干渉縞が生じない程度に低く、短手方向の
空間的コヒーレンスはかなり高いものとして説明する。

第１の実施例では、空間中の面ＳＰｔに第１のフライア
イレンズ３で作られた多数の２次光源像（スボント光）
同志は、互いに干渉しないとしたが、条件によっては干
渉することがある。この場合、先に第４図で説明したよ
うに、第２のフライアイレンズ５の各エレメントレンズ
５−Ｌ　５−２．５−３の同一位置にできる３次光ｉ１
！ａ、（又はｂ＋　、Ｃ＋　）同志は当然互いに干渉す
るが、さらに、１つのエレメントレンズ内にできる３次
光ｇａ＋％ｂ１％ｃＩ同志も互いに干渉することになる
。

ここで第１１図（第３図でも同様）からも明らかなよう
に、２次光源像ができる面Ｓ　Ｐ　ｔと３次光源像がで
きる面ＳＰ、とは互いに共役である。

しかも、第２のフライアイレンズ５の１つのエレメント
レンズは、第１のフライアイレンズ３の射出側にできた
全ての２次光源像を再結像することになるので、比較的
大きな倍率がかかっている。

典型的な例として、フライアイレンズ３．５の各エレメ
ントレンズの径寸法が等しく、かつ配列方向の数がとも
に１０個であるとすると、倍率は１０倍になる。

従って、第１実施例のように、第９図で示した３次光源
Ａｃ、Ａｄ、Ａｅ、Ａｆ同志の干渉によるスペックルパ
ターンを平滑化するのに必要な走査ミラー１７の最小の
角度変化範囲だけでは、２次光源同志による干渉の影響
が残ってしまうことになる。

そこで走査ミラー１７の角度変化範囲を、典型的な例と
して約１０倍以上にすることが考えられる。しかしなが
ら、走査ミラー１７を大きく振ることは、フライアイレ
ンズ５に入射する光束の一部がけられる可能性を大きく
するため、あまり好ましいことではない、仮りに、走査
ミラー１７の大きな振れ角の始めと終りとでフライアイ
レンズ５に入射する光束の一部がけられると、それはそ
のままウェハＷへの適正露光量に対する誤差あるいはス
ルーブツトの低下となり、極めて不都合なことになる。

そこで本実施例では、走査ミラー１６によって第１のフ
ライアイレンズ３に入射するビームを振動させて、２次
光源同志の位相差を２ｍπの間で変化させつつ複数のパ
ルス光を照射するようにした。もちろん、走査ミラー１
７によるビームの振動も、第１実施例と同様に同時に行
なわれる。

２次光源同志による干渉によってレチクルＲ（又はウェ
ハＷ）上にできる干渉縞の様子は、先に第１０図を用い
て説明したのと全く同じであるが、第１と第２のフライ
アイレンズ間で、例えば、１０倍の倍率があるため、レ
チクルＲ上の干渉縞のピッチは、３次光？ａ　ａ　＋同
志の干渉で作られる干渉縞のピッチよりも約１０倍大き
くなる。従って、例えば第１のフライアイレンズ３の隣
り合ったエレメントレンズの２次光源のみが互いに干渉
するような場合は、第１２図に示すようにピッチの長い
正弦波状の強度分布Ｐｒｏと、ピッチの短い強度分布Ｆ
ｒ４が重畳した干渉縞が現われる。

この第１２図のような干渉縞の場合、走査ミラー１６は
互いに干渉する２つの２次光源にπの位相差を与えるよ
うに、少なくとも２つの角度位置に振ればよい。すなわ
ち走査ミラー１６がある角度位置のときに、走査ミラー
１７を半周期（又は１周期程度）だけ振動させつつ、数
十パルスの発光を行ない、次に走査ミラー１６を所定量
だけ角度変化（位相差πを与える）させた状態で、同様
に走査ミラー１７を半周期（又は１周期程度）だけ振動
させつつ、数十パルスの発光を行なえばよい。

もちろん、ビームＬＢ、の空間的コヒーレンスが高くな
れば、２次光源ａ、ｂ、ｃの３つ以上が互いに干渉し合
うことになるため、それに応じて走査ミラー１６の角度
変化の割合は細かくなる。

このため、走査ミラー１６の角度を一定量だけ変化させ
ては、走査ミラー１７を半周期（又は１周期）だけ振る
ことを繰り返すことになる。

ところで、例えば走査ミラー１７の半周期のうちに５０
パルス程度の発光を行なうものとすると、走査ミラー１
６の角度変化の回数は最低で約１０回（フライアイレン
ズ３のエレメントレンズの干渉方向の数）必要になるこ
ともあり、ウェハ上の１つの領域（１シ欝ツト）を露光
するのに最低でも５０Ｘ１０−５００パルスが必要にな
る。このことは適正露光量を考慮して、１パルスあたり
の光量を第１の実施例にくらべて１１５〜１／１０程度
に絞って露光することを意味する。エキシマレーザ光源
の一般的な繰り返し発光周波数は１００〜２００セ程度
であるため、１シヨツトの露光時間は２．５〜５秒にも
及び、スループットの大幅な低下が起り得る。そこで先
にも説明したように、走査ミラー１７の角度変化と各パ
ルス毎の発振トリガーのタイミングとをなるべく正確に
同期させ、走査ミラー１７の半周期中に照射するパルス
数を極力小さくするとともに、走査ミラー１６の角度変
化もなるべく正確に行なうようにする。こうすれば第１
図の実施例とくらべて大幅なスループットの低下は生じ
ない。

以上、本実施例によれば、空間的コヒーレンスの高いレ
ーザ光源、例えば第７図に示したインジェクションロッ
ク型レーザを用いたとしても良好にスペックルパターン
を平滑化できる。もちろん、走査ミラー１６．１７をと
もに２次元に振動させる構成にしておけば、２次元の干
渉縞又はランダムなスペックルを良好に平滑化できる。

尚、本実施例においては、振動源１８．１９及びレーザ
光源１０のトリガー回路は、適宜の制御手段によって同
時に周期制御される。

次に本発明の第３の実施例を第１３図により説明する。

第１３図は１段目のオプチカル・インテグレータに石英
による四角柱のロッド３０を用いた場合の照度分布均一
化手段の例を示す。レーザ光ａ１０からのビームＬ　Ｂ
　ｏは適宜の光学系を用いてａ光ビームＬＢ’　に変換
される。集光ビームＬＢ’　は集光点（スポット）ＳＰ
ｏかられずかに発散した位置でロッド３０の入射端に入
いる。

ビームＬＢ”　はロッド３０の内部で多重反射を操り返
し、ロッド３０の他端から発散した光となってレンズ４
に入射する。レンズ４を通った光束は走査ミラー１７で
反射され、空間中の面ＳＰ２に多数の２次光源となって
集光し、そこから再び発散してレンズ２１に入射し、各
２次光源からの光はそれぞれほぼ平行光束（互いにわず
かに角度が異なる）となって第２のオプチカル・インテ
グレータとしてのフライアイレンズ５に入射する。

この実施例では、ビームＬＢ’　のロッド３０内部での
多重反射により、１つの集光点ＳＰ０が見かけ上、多数
存在するように、面ＳＰ、に再結像される。

以上、本発明の各実施例を説明したが、オプチカル・イ
ンテグレータとしては、１段目を細いオプチカル・ファ
イバーを束ねたバンドルにし、２段目をフライアイレン
ズにした組み合わせでもよい、またフライアイレンズの
エレメントレンズはハニカム形状（正六角形）にして、
一体の石英材を加工したものにしてもよい。

また、本発明は、第１図のような縮小投影型露光装置だ
けでな（、均一な照度分布で照明を行なわなければなら
ない装置全般に、そのまま応用できるものである。

さらに、本発明の各実施例では１段目と２段目のオプチ
カル・インテグレータの間で走査ミラーを線動させるも
のとしたが、２段目のオプチカル・インテグレータの後
にも走査ミラーを設けて所定の周期で振動させてもよい
。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、オプチカル・インテグレータを
２段にして、被照明体上での照度分布を均一にするとと
もに、オプチカル・インテグレータを用いることによっ
て生じるスペ・フタルパターン（干渉縞）を良好に平滑
化することができるので、レーザ光のように可干渉性の
あるビームを用いても、ゴースト、スペックル等のない
−様な照明光を得ることができ、微細パターンの露光、
光加工（光ＣＶＤ等）、アライメント観察等が極めて高
い精度で達成される。

特に投影型露光装置に応用した場合は、投影光学系の瞳
に形成されるビームスポット像（３次光源）の数を、オ
プチカル・インテグレータの２段化によって極めて多く
することができるため、投影光学系内部の特定のレンズ
素子に極端に大きなエネルギーが集中することがなく、
投影光学系の破損が防止されるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による照明光学装置を投
影型露光装置に適用した場合の構成を示す斜視図、第２
図は従来の装置におけるフライアイレンズと投影露光系
の関係を示す図、第３図は本発明の基礎となるダブル・
フライアイレンズの構成を説明する図、第４図は第３図
の構成によって得られる光源像（スポット光）の配列を
示す平面図、第５図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ
被照明体に１パルスの照明光で生ずる干渉縞の強度分布
、多数パルスの照明光で平滑化するときの干渉縞の位置
移動、及び平滑後の強度分布を表わす図、第６図、第７
図、第８図はそれぞれレーザ光源の代表的な構造を示す
図、第９図は２段目のフライアイレンズの射出端にでき
る３次光源（スポット光）の配列を示す平面図、第１Ｏ
図は干渉縞の平滑化の様子を説明する図、第１１図は本
発明の第２の実施例による照明光学装置の構成を示す図
、第１２図は可干渉性の強いビームをダブル・フライア
イレンズに入射したときに被照明体上に生じる干渉縞の
強度分布の一例を示す図、第１３図は本発明の第３の実
施例による照明光学装置の構成を示す図である。〔主要部分の符号の説明〕１．３．５・・・フライアイレンズ、２・・・コンデンサーレンズ、１０・・・レーザ光源、
１６．１７・・・走査ミラー、３０・・・ロッド、Ｒ・
・・レチクル、ＰＬ・・・投影レンズ、Ｗ・・・ウェハ
、ＬＢ、・・・発振ビーム。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）可干渉性のビームを発生する光源と、該ビームを
入射して、被照明体に均一な照度分布の光を照射する照
度分布均一化手段とを備えた装置において、前記照度分布均一化手段は、前記光源からのビームを入
射する第１オプチカル・インテグレータと、該第１オプ
チカル・インテグレータから射出した光を入射する第２
オプチカル・インテグレータとを有し、前記第１オプチ
カル・インテグレータと第２オプチカル・インテグレー
タとの間に、該第２オプチカル・インテグレータに入射
する光を少なくとも一次元に搖動させる第１の搖動手段
を設けたことを特徴とする照明光学装置。
（２）前記照度分布均一化手段は、前記第１オプチカル
・インテグレータに入射するビームを少なくとも一次元
に搖動させる第２の搖動手段を含むことを特徴とする請
求項第１項記載の装置。
（３）前記光源は、前記ビームの断面内で所定の第１方
向に間して空間的コヒーレンスの高いパルスレーザ光を
発振するレーザ光源であり、前記第１の搖動手段の一次
元の搖動方向を、前記第１方向と直交する方向に対して
交差させたことを特徴とする請求項第１項記載の装置。