JPH0196929A - レーザを用いた露光用照明装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体製造用の露光装置に好適な照明装置に
関し、特に最近、この種の装置の光源として注目されつ
つあるエキシマレーザ等のレーザを光源とする露光用照
明装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、半導体集積回路はますます高集積化が進み、露光
装置の微細パターン焼付の精度に対しても高度のものが
要求されてきている。そして、より微細なパターンの露
光を行うために、従来の紫外光線として利用されてきた
超高圧水銀灯に代わって、より短波長でより大きな出力
の紫外光を発するエキシマレーザを光源とする露光装置
が開発されつつある。このようなエキシマレーザを光源
とする露光装置においては、極めて高い解像力を維持す
るために、ウェハ面に塗布されるレジストの諸条件や焼
付を必要とするパターンの状況に応じて適切な照明状態
を実現する必要がある。

Ｃ発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、エキシマレーザはパルス発光であるが故
にその発光量が不安定であり、微細パターンの焼付に必
要な正確な露光量の制御が難しいという欠点があり、実
用化に向けての大きな障害となっている。

そこで本発明は、エキシマレーザ等の出力の安定しない
レーザ光源を用いた場合においても、安定した光量で照
明を行うことが可能で微細パターンの焼付露光による転
写を極めて高精度で行うことのできる露光用照明装置を
提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による露光用照明装置は、レーザー光源と、該レ
ーザ光源から供給される光束の幅を変換するためのアフ
ォーカル変倍光学系と、該アフォーカル変倍光学系を射
出する平行光束中に配置され並列配置された複数のレン
ズ素子からなるオプティカルインテグレータと、８亥オ
ブティカルインテグレー夕からの光束を被照射面上に導
く集光光学系と、前記オブティカルインテグレータと前
記被照射面との間の光路中に配置された光！１検出手段
とを有するものであり、さらに該光量検出手段による情
報に応じて前記アフォーカル変倍光学系の倍率を変換す
る変換手段とを有するものである。

〔作用〕

上記の如き本願発明は、本１９Ａと同一出願人により先
に特願昭６２−４６７８３号として提案した手法、すな
わちレーザ光源の出力変動をアフォーカル変倍光学系の
倍率変換によって補正するという原理的手法において、
より具体的実用的な構成を提案するものである。

本発明において、オブティカルインテグレータと被照射
面との間の光路中に配置された光量検出手段により被照
射物体としてのレチクルやウェハ面上の照度が測定され
、その照度の変動に応じて、変換手段によってアフォー
カル変倍光学系の倍率を変換することができる。そして
、これによってレーザ光源からの光束径を変換し、オプ
ティカルインテグレータに入射する光束密度を変更して
照明に寄与する総光量を変化せしめ、以て被照射面上で
の照度を変更することが可能となる。従って、レチクル
やウェハ面上での照度変化に応してアフォーカル変倍光
学系の倍率を変換することにより、レーザ光源の出力変
動等に起因する照度変化を補正することができ、焼付露
光による所望のパターンの転写を安定して精密に行うこ
とが可能となる。

アフォーカル変倍光学系の倍率を、入射光束径に対する
射出光束径の比と定義するならば、レーザ光源の出力が
低下する場合にはアフォーカル変倍光学系の倍率を低め
て光束径を縮小して光束密度を高めることが必要であり
、一方、出力が基準状態より間まる時にはアフォーカル
変倍光学系の倍率を高めて光束径を拡大して光束密度を
低めることが必要となる。

〔実施例〕

第１図は本発明による露光用照明装置の原理的光学構成
を示す光路図である。レーザ光源ＩＯからの光束はアフ
ォーカル変倍光学系２０により所望の光束径に変換され
て、オプティカルインテグレータ３０に入射する。アフ
ォーカル変倍光学系２０は、固定の正レンズ２１及び光
軸上を相対的に移動可能な負レンズ２２と正レンズ２３
とで構成され、所謂アフォーカルズーム系が構成されて
いる。

オブティカルインテグレニタ３０は並列配置された複数
のレンズ素子から構成され、アフォーカル変倍光学系２
０より入射する平行光束からレンズ素子と同数の集光点
を形成し、実質的に面光源を形成する。オプティカルイ
ンテグレータ３０を構成する個々のレンズ素子３１は、
第２Ａ図の斜視図に示す如（、断面が四角形でその入射
側に凸レンズ面３１ａを有し、射出側には平面３１ｂを
存しており、第２Ｂ図の断面光路図に示す如く、このレ
ンズ素子３１の後側焦点３１Ｆは、射出側の空間内にあ
る。

従って、オプティカルインテグレータ３０によって形成
される実質的面光源は、オブティカルインテグレータの
射出側空間内の面Ａ上に存在するため、強力なレーザ光
の集光に伴う熱によってオプティカルインテグレータが
破壊されるのが防止されている。

ここでは、レーザー光源を用いているために光Ｓｔｔか
らの光束はほぼ完全にコリメートされており、面Ａ上に
形成される個々の集光点には実質的に大きさが無いと考
えられる。このため、第１オブテイカルインテグレータ
３０を構成する棒状素子３１の射出側には所謂視野レン
ズの如きレンズ作用を必要とはしない。よって、レンズ
素子３１の射出面３１ｂはここでは平面に形成されてい
る。但し、若干のレンズ作用を持たせることは可能であ
る。

尚、図示したオプティカルインテグレータ３０は、構成
を理解し易くするために３個のレンズ素子からなるもの
として示したが、実用上は数十個のレンズ素子を束ねて
構成されるものである。そして、アフォーカル変倍光学
系の倍率を縮小して光束径を最小にした状態においても
、オプテイカルインテグレータにおいては複数のレンズ
素子が存在するように構成することが必要である。

第１図に示した如く、オプティカルインテグレータ３０
によって形成される実質的面光源は、絞りＳによって所
望の光束径に制御され、この実質的面光源からの光束は
、集光光学系４０を介してレチクルＲ等の被照射物体面
に導かれる。ここで、オプティカルインテグレータ３０
の各レンズ素子３１による複数の集光点からの光束が、
レチクル８面上を重畳的に照射し、極めて均一な照明が
なされる。

上記の如き本発明の基本的光学構成において、アフォー
カル変倍光学系２０の負レンズ２２と正レンズ２３とが
正レンズ２１に対して相対的に移動することにより、ア
フォーカル変倍光学系２０としての倍率が変換され、レ
ーザ光源１０からの平行光束の径がアフォーカル変倍光
学系２０によって、任意の光束径に変換される。第１図
の（Ａ）はアフォーカル変倍光学系の倍率が最も高い状
態を示し、（Ｂ）は中間倍率状態、（Ｃ）は最低倍率状
態の光路を夫々示している。尚、第１図の（Ｂ）及び（
Ｃ）においては、オプティカルインテグレータ３０及び
絞りＳを省略し、被照射面の光軸上に集光される光線の
みを示した。

このように、アフォーカル変倍光学系２０の倍率を変換
することにより、アフォーカル変倍光学系２０を射出す
る光束径を任意に拡大縮小することができ、オブティカ
ルインテグレータ３０に入射する光束の密度を任意に変
換することが可能である。

従って、オプティカルインテグレータ３０の射出側に設
けられた開口絞り・Ｓの開口の大きさを固定として、一
定の開口数（Ｎ、Ａ、）とした状態において、アフォー
カル変倍光学系２０の倍率を変更することによって、被
照明物体に到達する総光量を制御することができる。具
体的には、アフォーカル変倍光学系の倍率を縮小した最
小の光束径が、開口絞りＳの口径と同一になるように構
成しておけば、アフォーカル変倍光学系の倍率を拡大す
るにつれて被照射面上での照度を低下させることが可能
となる。

このため、第１図の構成において、被照射面上の照度を
測定しつつ露光を行い、この露光中に照度の変動を生ず
る場合には、照度の変動量に応じてアフォーカル変倍光
学系の倍率を変換することによって、常に安定した照度
で露光を行うことが可能である。

尚、第１図に示した本発明の原理図かられかる如く、ア
フォーカル変倍光学系２０の倍率を変換して、光束径を
変更することによって、オプティカルインテグレータ３
０の射出側空間内の面Ａ上に形成される実質的面光源の
大きさを変更することができ、これによって集光光学系
４０を介して被照射面上を照射する光束の開口数、即ち
Ｎ、Ａ、を任意に変更することが可能である。一般的に
照明系のＮ。

＾、を変更するためには、開口絞りを絞って実質的面光
源の大きさを小さくすることが必要となり、このために
大半の光束を遮断して被照射面上での照度の低下を来た
し、光量の損失を生じている。

しかしながら、上記の如きアフォーカル変倍光学系によ
って光束径を変換し得る構成とすることによって、開口
絞りＳに入射する光束径を開口絞りの口径に見合った径
に変換することで、被照射面上での照度を一定に保った
状態でＮ、Ａ、を任意に変更でき、光量の損失を原理的
には無くすことが可能となる。

第３図は、本発明による露光用照明装置を、縮小投影型
露光装置に用いた一実施例の構成を示す図である。この
図において、第１図に示した原理的構成における部材と
同等の機能を有する部材には同一の番号を付した。

エキシマレーザ光源１０からの平行光束は、第１図に示
したのと同様の構成からなるアフォーカル変倍光学系２
０によって所望の光束径に変換され、第１オプテイカル
インテグレータ３０に入射し、前記と同様に、オプティ
カルインテグレータ３０の射出側空間内の面Ａ上に実質
的面光源が形成される。

この実質的面光源は、前述のとおり第１オプテイカルイ
ンテグレータ３０を構成するレンズ素子の数に等しい数
の集光点からなっている。面Ａ上の複数の集光点からの
光束は、コリメーターレンズとしての正レンズ４２によ
り平行光束に変換されて、第２オプテイカルインテグレ
ータ５０に入射する。

第２オプテイカルインテグレータ５０は、並列配置され
た複数のレンズ素子から構成されており、第４図の斜視
図に示す如く、四角柱の棒状レンズ素子５１が複数束ね
られて構成されたものであり、各棒状レンズ素子５１の
入射面５１ａ　も射出面５１ｂも共に凸レンズ面に形成
されている。そして、各棒状レンズ素子５１の入射面５
１ａ上の凸レンズ面によって、棒上レンズ素子５１の射
出面から離れた位置に光束の集光点を形成し、この点に
光源像が形成される。これら各素子は、第５図の断面光
路図に示す如く、射出側レンズ面の屈折力が該入射側レ
ンズ面の屈折力よりも太きく　　（ｌｒ＋ｌ＞１ｒｚｌ
）、また、後側焦点５１Ｆが該各レンズ素子の射出側レ
ンズ面より後方に位置するように構成されている。

このため、正レンズ４２からの平行光束は第２オプテイ
カルインテグレータ５０の各レンズ素子に入射して各レ
ンズ素子毎に、その射出面からεだけ隔たった空間上に
１つの光源像が形成される。従って、第２オプテイカル
インテグレータ５０の射出面からεだけ離れた焦点面と
しての面Ｂ上に第２オプテイカルインテグレータ５０を
構成するレンズ素子の数に等しい数の複数の光源像が形
成される。

従って、第２オブテイカルインテグレータにおいても、
強い光強度となる光源像の形成位置を、射出側空間内と
して素子内部または表面での集光を避けたため、レンズ
を破壊する恐れがない。

尚、第２オプテイカルインテグレータ５０の射出側空間
内に形成される複数の光源像の各々は、第１オプテイカ
ルイン、テ、グレータ３０による複数の集光点で構成さ
れる実質的面光源の像である。そして、第１オプテイカ
ルインテグレータ３０による複数集光点の強い集光位置
を避けるために面Ａから離れて配置された正レンズ４１
により、コリメーターレンズ４２及び第２オプテイカル
インテグレータ５０の入射面５１ａとを含めた系に関し
て、複数の集光点が形成されるＡ面と第２オプテイカル
インテグレータ５０の射出側空間内の８面とが共役に構
成されているのである。従って、第２オプテイカルイン
テグレータ５０の射出側空間内の面Ｂ上には、第１オプ
テイカルインテグレータ３０を構成する棒状素子３１の
数と、第２オプテイカルインテグレータ５０を構成する
棒状レンズ素子５１の数との積に相当する数の集光点が
形成され、この面Ｂ上に、より均一な面光源が形成され
る。

以上の如き本実施例の構成において、集光光学系４０に
おけるコンデンサーレンズ４４と被照射面としてのレチ
クルＲとの間に、有効露光領域を遮らないように、斜設
ミラー６１が配置されており、このミラー６１からの反
射光によってレチクル９面上の照度を間接的に測定する
ための光検出器６２が配置されている。このミラー６１
と光検出器６２とで光量検出手段６０が構成されている
。照明光路の一部の光束を波面分割によって抽出するミ
ラー６１の代わりに、照明光路を横切って斜設される大
きな半透過鏡を用いた振幅分割によって、所定の割合の
光を光量検出器６２に導く構成とすることも可能である
。

光量検出手段６０からの光量情報は制御手段７０に入力
されて、被照射面上での照度が所定の基準値に対する許
容範囲内であるか否かを判別し、許容範囲内から外れた
照度の変動であると判断する場合には、アフォーカル変
倍光学系の倍率変換用駆動手段８０に信号を送り、アフ
ォーカル変倍光学系２０の移動レンズ２２．２３を移動
して所定の倍率状態に変換する。これによって、エキシ
マレーザ光源ｌＯの出力変動等による被照射面上での照
度の変動を補正することができる。

また、上記の実施例の構成においては、光計検出手段６
０からの信号を積算光景検出手段７１に入力して所定時
間内の露光量の積算を行うこととし、この積算光量値を
、予め露光量設定手段７２によって設定された必要露光
量値と比較し、所定の時間内の露光量が過剰、或いは不
足することが予想される場合に、アフォーカル変倍光学
系の倍率変換用駆動手段８０に対して露光量の過不足を
補正するように倍率変換させることも有効である。そし
て、この場合エキシマレーザ光源１０の発光量制御手段
７３に対して、発光時間を一定に維持するかまたは、被
照射面上での測定照度に応じて発光時間（パルス数）を
制御することも可能である。

また、上記実施例の照明光学系においては、第１オプテ
イカルインテグレータ３０の射出側空間の面Ａ上に、口
径が可変の第１開口絞りＳｌが設けられており、第２オ
プテイカルインテグレータ５０の射出側空間内の面Ｂ上
にも口径が可変の第２開口絞りＳ２が設けられている。

この第１開口絞りＳＩの口径変化によって、σ値を一定
に保ったまま被照射物体に達する光量を制御することが
でき、また第２開口絞りＳ２の口径変化によって、σ値
を；し制御することができる。σ値とは、投影対物レン
ズのＮ、Ａ、　（開口数）に対する照明光学系のＮ、Ａ
。

の比の値として定義され、この値によって投影対物レン
ズの解像力とコントラストとのバランスを調整すること
ができる。このような２つの開口絞りＳＩ、Ｓｔの組み
合わせによって、光量の制御とσ値の制御とを独立に行
うことが可能となる。

従って、これらの調整に加えてアフォーカル変倍光学系
２０による光束径の変換を用いることにより、レーザ光
源から供給される光量の変化や、レティクルＢ上の投影
パターンの微細度、ウェハ上に塗布されるレジストの特
性等に応じて、それぞれ最適な照明状態を実現すること
が可能となる。

ところで、上述の実施例において、光ａｌＯからのレー
ザビームをほぼ等方的な所定の幅のビーム形状とするた
めのシリンドリカルレンズを有するビーム整形光学系を
組み合わせる構成とすることもできる。特に、エキシマ
レーザ−を光源とする場合、多くはビーム断面形状が矩
形（長方形）であるので、光学系に効率よく取り込む為
に、縦横比を概略１にするのがよく、そのためにシリン
ドリカルレンズによるアフォーカル変倍光学系を設ける
ことが有効である。

そして、上記実施例の如く光源からの光束を定常的にレ
チクルＲ等の物体面上に照射する場合に限らず、例えば
、特開昭５９−２２６３１７号公報や特開昭６１−２１
２８１６号公報などに開示される如く、物体面をビーム
が走査するように構成した照明装置においても本発明を
そのまま適用することが可能である。すなわち、このよ
うなビーム走査による露光装置においても、本発明の如
きアフォーカル変倍光学系の倍率変換による光束径の変
更によって、レーザ光源の発光量変動等に起因する露光
量の変化を容易に補正することができ、安定した露光を
行うことが可能となる。

因に、上記本発明の如く、変倍光学系による光束径の変
換によって光源からの光量変化を補正する構成を、従来
の超高圧水銀灯等のショートアークランプを光源した露
光装置に用いた場合について比較検討してみる。

この場合、第６図の光学構成図に示す如く、ショートア
ークランプ１の発光部分は、現実は点ではなく、ある程
度の大きさを有しており、更に楕円鏡にも収差がある為
、楕円鏡２の第２焦点３での集光状態は、実際には点で
はなく大きさをもったスポット状になっている。そして
、この様な照明系の配置では、第２焦点３とオブティカ
ルインテグレータ５の射出側面は共役になっていて、光
源像の結像倍率βは、コリメーションレンズ４の焦点距
離をｆいオブティカルインテグレータ５を構成する各７
ライアイレンズの焦点距離をｆ、とすると、 β−ｆｓ／ｆ＊ の関係が成立している。そこで、開口絞り６を絞つた場
合に適応して光束径を縮小するべく、レンズ配置、又は
コリメーションレンズのズーム化等により、実質的にコ
リメーションレンズ４の焦点距＃ｆ４を短くしたとして
も、上式よりβが大きくなってしまう、これは、フライ
アイレンズの射出面での光源像が大きべなることを意味
しており、度が過ぎるとフライアイレンズの射出面の大
きさよりも光源像が大きくなってしまう。これは、光量
の損失のみならず、フレアーを生じて照明ムラの原因と
もなる。

このため、本発明による露光用照明装置はショートアー
クランプを光源とする場合には不利であり、エキシマレ
ーザ等のレーザを光源とする場合に極めて有効となるこ
とが明らかである。

〔発明の効果〕

以上の如（本発明の露光用照明装置によれば、エキシマ
レーザ等の出力の安定しないレーザ光源を用いた場合に
おいても、安定した光量で露光を行うことが可能となり
、微細バクーンの焼付露光による転写を極めて高精度で
行うことができる。

このため、より一層集積度の高い集積回路の製造に大き
く寄与することが可能となる。また、本発明においては
、被照射面での照度を下げることなく、照度を一定に保
ったまま、被照射面でのＮ、＾。

を変えることが可能となる。しかも、本発明による如き
レーザ光束径の変換による光束密度の変更を、より積極
的に利用して、露光量を制御するのに用いることができ
る。このような光計制御は、エキシマレーザ−の様なパ
ルスレーザ−を光源とする露光装置においては特に有用
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるレーザを用いた露光用照明装置の
原理的光学構成を示す光路図、第２Ａ図及び第２Ｂ図は
オプティカルインテグレータを形成するレンズ素子の構
成を示す斜視図及び断面光路図、第３図は本発明による
一実施例の概略構成を示す構成図、第４図及び第５図は
実施例に用いられた第２オブテイカルインテグレータを
形成するレンズ素子の構成を示す斜視図及び断面光路図
、第６図は従来のショートアークランプを光源とする場
合の比較説明図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １０・・・レーザ光源 ２０・・・アフォーカル変倍光学系 ３０・・・オプティカルインテグレータ４０・・・集光
光学系 ６０・・・光量検出手段 ７０・・・制御手段 ８０・・・駆動手段 出願人　　日本光学工業株式会社 代理人　弁理士　渡　辺　隆　男 第２Ｂ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　レーザー光源と；該レーザ光源から供給される光束の
   幅を変換するためのアフォーカル変倍光学系と；該アフ
   ォーカル変倍光学系を射出する平行光束中に配置され、
   並列配置された複数のレンズ素子からなるオプティカル
   インテグレータと；該オプティカルインテグレータから
   の光束を被照射面上に導く集光光学系と；前記オプティ
   カルインテグレータと前記被照射面との間の照明光路中
   に配置された光量検出手段と；該光量検出手段による情
   報に応じて前記アフォーカル変倍光学系の倍率を変換す
   る変換手段とを有することを特徴とする露光用照明装置
   。