JPH08162402A - 照明光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 たとえばランプの輝点移動の影響を受けて光
束のエネルギ分布が変化しても所望の照度均一性を維持
することのできる照明光学装置を提供すること。 【構成】 本発明においては、物体上を均一に照明する
ための照明光学装置において、照明光を供給する光源手
段と、前記光源手段からの照明光を集光して空間的に離
れた位置に光源像を形成する像形成手段と、前記光源像
からの照明光を集光するコレクターレンズと、前記コレ
クターレンズからの光束に基づいて複数の光源像を形成
するオプティカルインテグレータと、前記オプティカル
インテグレータにより形成された複数の光源像からの光
束を集光して前記物体上を重畳的に照明するコンデンサ
ーレンズとを備え、前記オプティカルインテグレータの
前記光源手段側の光路中には、光束のエネルギ分布を光
拡散作用により均一化するための光拡散手段が設けられ
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は照明光学装置に関し、例
えば半導体素子または液晶表示素子等を製造するための
露光装置において転写用のパターンが形成されたマスク
やレチクル等を均一な照度で照明するための照明光学装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高集積半導体素子等の製造用露光装置に
使用されるこの種の照明光学装置では、被照明物体面上
における優れた照度均一性が要求される。このため、従
来のこの種の照明光学装置では、フライアイレンズのよ
うなオプティカルインテグレータを介して重畳的に照明
する装置が採用されている。すなわち、フライアイレン
ズに入射する光束をフライアイレンズを構成する複数の
レンズエレメントにより二次元的に分割し、分割された
これらの光束を被照明物体面において重ねる。こうし
て、被照明物体面上での照度分布の均一性を数パーセン
ト以内の変動に抑えることが可能である。

【０００３】最近、パターンの微細化に伴い、マスク
（以下、レチクルを含む）に対する照度の不均一性に起
因する微細パターンの線幅のばらつきが顕在化してお
り、より高い照度均一性が要求されている。また、光源
ランプの使用時間の経過に伴う照度均一性の変動が指摘
されている。そして、この照度均一性の変動の原因とし
て、ランプの高輝度化に伴う輝点の移動が考えられてい
る。

【０００４】露光装置の高スループット化の要求によ
り、被照明物体面において求められる照度は年々増大し
続けている。しかしながら、Ｓｔｒａｕｂｅｌの定理に
より、被露光面（ウエハ等）に達する光束の開き具合す
なわち立体角と被露光面の面積との積が、光源の面積と
光源からの光束の立体角との積よりも小さい場合、光源
からの光束を介在する光学系においてすべて取り込むこ
とができないことが知られている。

【０００５】このため、露光装置において被露光面の照
度を上げるには、ランプの輝点のサイズを大きくするこ
となく且つ光源ランプからの光線の広がり角を広げるこ
となく、ランプの輝点から放出される時間当たりのエネ
ルギー量を増大させなければならない。換言すれば、被
露光面の照度を上げるために、ランプの高輝度化が要求
される。

【０００６】この種の露光装置の光源には、超高圧水銀
ランプが多く使用されている。ところで、超高圧水銀ラ
ンプでは、輝点からの光線の広がり角がランプ形状に基
づいてほぼ規定されている。したがって、超高圧水銀ラ
ンプにおいて高輝度化を図るには、輝点の大きさを変え
ることなくランプへの入力電力を増大させる必要があ
る。ただし、投影光学系の色収差補正が可能な露光波長
の輝線幅を保ったまま入力電力を上げなければならな
い。しかしながら、超高圧水銀ランプの極間の距離当た
りの電位差を大きくすると、露光波長の輝線幅が広がっ
てしまう。

【０００７】このため、例えば単に電流量を増加させる
方法が考えられる。しかしながら、この方法によると、
電極が損傷を受け易くなり、ランプの使用時間の経過に
伴う輝点移動が大きくなる。また、極間の距離を広げる
ことにより極間の距離当たりの電位差を大きくすること
なく極間の電位差を大きくし、且つ陰極の先端の面積を
小さくすることにより電流密度を高くして極間の距離を
広げることに伴う輝点の拡大を制御する方法もある。し
かしながら、この方法では、陰極のジュール熱発生によ
るダメージが大きくなる。その結果、電極が摩耗し易
く、ランプの使用時間の経過に伴う輝点移動が大きくな
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように、上述の従
来の照明光学装置では、光源ランプの使用時間の経過に
伴って輝点が大きく移動するので、フライアイレンズに
対する光線の入射経路が変化し、フライアイレンズに入
射する光束の強度分布が変わってしまう。その結果、ラ
ンプ寿命内において所望の照度均一性を維持することが
できないという不都合があった。

【０００９】なお、ランプの輝点移動の影響を軽減する
対策として、フライアイレンズを構成するレンズエレメ
ントの数を数倍に増やすことによって、フライアイレン
ズの積分効果を上げる方法も考えられる。しかしなが
ら、各レンズエレメントが小粒化（微小化）して製造が
困難になるばかりでなく、エレメント数が増えることに
より製造コストが増大してしまう。

【００１０】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、たとえばランプの輝点移動の影響を受けて光
束のエネルギ分布が変化しても所望の照度均一性を維持
することのできる照明光学装置を提供することを目的と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明においては、物体上を均一に照明するための
照明光学装置において、照明光を供給する光源手段と、
前記光源手段からの照明光を集光して空間的に離れた位
置に光源像を形成する像形成手段と、前記光源像からの
照明光を集光するコレクターレンズと、前記コレクター
レンズからの光束に基づいて複数の光源像を形成するオ
プティカルインテグレータと、前記オプティカルインテ
グレータにより形成された複数の光源像からの光束を集
光して前記物体上を重畳的に照明するコンデンサーレン
ズとを備え、前記オプティカルインテグレータの前記光
源手段側の光路中には、光束のエネルギ分布を光拡散作
用により均一化するための光拡散手段が設けられている
ことを特徴とする照明光学装置を提供する。

【００１２】本発明の好ましい態様によれば、前記光拡
散手段は、前記オプティカルインテグレータの前記光源
手段側に隣接して位置決めされている。また、前記物体
上における照明光の照度分布に応じて、前記オプティカ
ルインテグレータの光軸に対して前記光拡散手段を傾斜
させるための傾斜手段を備えているのが好ましい。

【００１３】

【作用】フライアイレンズを使用した照明光学装置にお
いては、光源からの光束をフライアイレンズにより二次
元的に矩形状に分割する。そして、矩形状に分割された
それぞれの光束をコンデンサーレンズにより被照明物体
面上に重ねることによって、被照明物体面を効率良く均
一に照明する。図２は、フライアイレンズの作用および
光束のエネルギ分布が変化したときの照度均一性の変動
を説明する図である。なお、図２においてフライアイレ
ンズの作用を明瞭に示すために、フライアイレンズを３
層状に簡素構成している。

【００１４】図２に示すように、フライアイレンズに入
射する光束は、一般に中心の強いガウス型のエネルギー
分布を有する。このようなエネルギー分布は、光源から
の光束を集光して光源像を形成するための楕円鏡の特性
に基づいている。図２（ａ）のようなエネルギ分布を有
する光束がフライアイレンズ６に入射すると、各レンズ
エレメント６ａ〜６ｃの射出端にそれぞれ光源像が形成
される。各光源像からの光は、コンデンサーレンズ９を
介して被照明物体面１０上においてそれぞれ重なる。

【００１５】すなわち、レンズエレメント６ａ〜６ｃの
光源像からの光は、被照明物体面１０上においてそれぞ
れ照度分布Ａ〜Ｃを呈する。したがって、全体として、
被照明物体面１０上における照度分布Ｄはほぼ均一にな
る。換言すれば、図２（ａ）に示すようなエネルギ分布
を有する光束に対して、レンズエレメント６ａ〜６ｃを
介した被照明物体面１０上における照度分布がほぼ均一
になるように、他の光学部品が調整されている。

【００１６】ところが、ランプの使用時間の経過に伴っ
て輝点移動が発生し、図２（ｂ）に示すように、フライ
アイレンズ６に入射する光束のエネルギー分布が変化す
ると、レンズエレメント６ａ〜６ｃの光源像からの光に
よる照度分布Ａ’〜Ｃ’もそれぞれ変化する。その結
果、全体として、被照明物体面１０上における照度分布
Ｄ’は均一性を維持することができなくなる。

【００１７】ここで、フライアイレンズを構成する各レ
ンズエレメントが無限小であれば、すなわち無限数のレ
ンズエレメントによりフライアイレンズを構成していれ
ば、どのようなエネルギ分布の光束が入射しようと、す
なわちどのようにエネルギ分布が変化しても、被照明物
体面において完全な照度均一性が得られ且つ維持される
はずである。

【００１８】しかしながら、製造コスト等の関係から、
現実のフライアイレンズは通常１００個前後のレンズエ
レメントを縦横に配列して構成されている。このため、
フライアイレンズに入射する光束のエネルギー分布が変
化すると、被照明物体面の照度分布が変化してしまう。
すなわち、ランプの輝点移動の影響を受けて照度均一性
を維持することができなくなってしまう。このため、本
発明では、たとえば光源の輝点移動に起因して光源から
の光束のエネルギ分布が大きく変化しても、フライアイ
レンズに入射する光束のエネルギー分布が実質的に変化
しないような構成を採用している。

【００１９】図３は、本発明の動作原理を説明する図で
ある。図３では、フライアイレンズの光源側に光拡散板
１１が設けられている点だけが図２と構成的に相違して
いる。本発明では、光拡散板１１によって入射光線の方
向を微小面積ごとに無作為に折り曲げることによって、
フライアイレンズ６に入射する光束のエネルギー分布を
ある程度均一化する。なお、光拡散板１１は、表面散乱
タイプでも内部拡散タイプでもよい。ただし、光量の損
失を防ぐために、光拡散板１１から放射される光線の角
度がフライアイレンズの開口数以下であるのが好まし
い。

【００２０】このように、本発明では、光拡散板１１の
作用により中心の強いエネルギ分布を有する光源からの
光束が、ある程度均一なエネルギ分布を有する光束に変
換される。すなわち、図３（ａ）に示すように、中心の
強いエネルギー分布１２を有する光束が光拡散板１１を
介してある程度均一なエネルギー分布１４を有する光束
に変換される。ある程度均一なエネルギー分布１４を有
する光束は、フライアイレンズ６を介して被照明物体面
１０をほぼ均一な照度で照明する。

【００２１】そして、ランプの使用時間の経過に伴って
輝点移動が発生し、光拡散板１１に入射する光束のエネ
ルギー分布が図３（ｂ）の参照符号１３で示すように変
化しても、フライアイレンズ６に入射する光束のエネル
ギー分布１５は図３（ａ）のエネルギ分布１４と同様に
ある程度均一である。したがって、被照明物体面１０上
における照度分布は均一性をほぼ維持することが可能に
なる。

【００２２】すなわち、本発明では、光源の輝点移動に
起因して光束のエネルギ分布が大きく変化しても、光拡
散作用によりフライアイレンズに入射する光束のエネル
ギー分布はある程度均一で変動が少ない。したがって、
光源の輝点移動の影響を実質的に受けることなく、照度
分布の均一性を維持することができる。

【００２３】また、光学部品の偏心等に起因して、被照
明物体面１０の照度分布に傾斜ムラがあるような場合、
光拡散板１１を光軸に対して適宜傾斜させて傾斜ムラを
補正することが可能である。図４は、照度分布の傾斜ム
ラを補正する動作原理を説明する図である。図４に示す
ように、光源からの光束が光軸に関して対称なエネルギ
分布１２を有する場合でも、光拡散板１１を図中時計回
りに回転させて光軸に対して適宜傾斜させることによ
り、図示のようにレンズエレメント６ａに入射する光束
のエネルギが大きくレンズエレメント６ｃに入射する光
束のエネルギが少ないような光軸に関して非対称なエネ
ルギ分布１６を得ることができる。

【００２４】このように、非対称なエネルギ分布１６を
有する光束をフライアイレンズ６に入射させることによ
り、被照明物体面１０においても光軸に関して非対称な
照度分布Ｄ''を得ることができる。換言すれば、光拡散
板１１を光軸に対して適宜傾斜させて傾斜ムラを補正す
ることが可能となる。なお、光源とフライアイレンズと
の間に平行平面板を付設し、この平行平面板を、あるい
はこの平行平面板および光拡散板を光軸に対して適宜傾
斜させて傾斜ムラを補正することも可能である。

【００２５】

【実施例】本発明の実施例を、添付図面に基づいて説明
する。図１は、本発明の実施例にかかる照明光学装置の
構成を模式的に説明する図である。図１の照明光学装置
は、たとえば水銀ランプのような光源１を備えている。
光源１は、たとえばｇ線、ｈ線、ｉ線等の輝線を有する
光束を出力する。なお、光源１の輝点２１は、後述する
楕円鏡２の第１焦点位置に位置決めされている。

【００２６】光源１より射出された光束は楕円鏡２によ
りミラー３を介して集光され、楕円鏡２の第２焦点位置
に光源像２２を形成する。光源像２２から発散する光束
は、コレクターレンズ４を介した後、バンドパスフィル
タ５に入射する。バンドパスフィルタ５では、入射光束
からたとえば露光光として水銀の輝線４３６ｎｍ（ｇ
線）、３６５ｎｍ（ｉ線）等を選択する。なお、バンド
パスフィルタ５を通過した光束は、楕円鏡２の特性によ
り中心の強いエネルギ分布を有する。

【００２７】バンドパスフィルタ５で選択された特定波
長の光束は、光散乱板１１を介してある程度均一なエネ
ルギ分布を有する光束に変換される。こうして、エネル
ギ分布がある程度均一に変換された光束は、多数のレン
ズエレメントを縦横に配列することによって構成された
フライアイレンズ６に入射する。そして、フライアイレ
ンズ６に入射した光束は集光され、その射出側面には光
源像２２の多数の二次光源像が形成される。

【００２８】フライアイレンズ６の射出側面に形成され
た複数の二次光源像からの光束は、その直後に配置され
た開口絞り７により整形される。整形された複数の光源
像からの光束は、ミラー８で反射されコンデンサーレン
ズ９で集光された後、たとえばマスクのような被照明物
体面１０を重畳的に均一照明する。なお、光散乱板１１
から放射される光線の角度がフライアイレンズ６の開口
数以下であれば、光散乱板１１以降の光学系に全ての光
束を導くことができる。このため、本実施例の構成によ
り光伝達に関する効率が低下することはない。

【００２９】なお、本実施例では、オプティカルインテ
グレータとしてフライアイレンズを用いた例を示してい
る。しかしながら、たとえば本出願人名義の特開平２−
４８６２７号に開示の内面反射型オプティカルインテグ
レータをフライアイレンズに代えて使用することもでき
る。

【００３０】

【効果】以上説明したように、本発明の照明光学装置で
は、たとえば光拡散板によってエネルギ分布をある程度
均一にした光束をフライアイレンズのようなオプティカ
ルインテグレータに入射するので、たとえば輝点移動等
に起因して光源からの光束のエネルギ分布が大きく変化
しても、被照明物体面の照度分布の均一性をほぼ維持す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかる照明光学装置の構成を
模式的に説明する図である。

【図２】フライアイレンズの作用および光束のエネルギ
分布が変化したときの照度均一性の変動を説明する図で
ある。

【図３】本発明の動作原理を説明する図である。

【図４】本発明における照度分布の傾斜ムラを補正する
動作原理を説明する図である。

【符号の説明】

１ 光源 ２ 楕円鏡 ３、８ ミラー ４ コレクターレンズ ５ バンドパスフィルタ ６ フライアイレンズ ７ 開口絞り ９ コンデンサーレンズ １０ 被照明物体面 １１ 光拡散板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体上を均一に照明するための照明光学
   装置において、 照明光を供給する光源手段と、 前記光源手段からの照明光を集光して空間的に離れた位
   置に光源像を形成する像形成手段と、 前記光源像からの照明光を集光するコレクターレンズ
   と、 前記コレクターレンズからの光束に基づいて複数の光源
   像を形成するオプティカルインテグレータと、 前記オプティカルインテグレータにより形成された複数
   の光源像からの光束を集光して前記物体上を重畳的に照
   明するコンデンサーレンズとを備え、 前記オプティカルインテグレータの前記光源手段側の光
   路中には、光束のエネルギ分布を光拡散作用により均一
   化するための光拡散手段が設けられていることを特徴と
   する照明光学装置。
2. 【請求項２】 前記光拡散手段は、前記オプティカルイ
   ンテグレータの前記光源手段側に隣接して位置決めされ
   ていることを特徴とする請求項１に記載の照明光学装
   置。
3. 【請求項３】 前記物体上における照明光の照度分布に
   応じて、前記オプティカルインテグレータの光軸に対し
   て前記光拡散手段を傾斜させるための傾斜手段を備えて
   いることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光
   学装置。