JP2005503018A

JP2005503018A - Spatial coherent beam equalization and pattern printing and inspection on the workpiece

Info

Publication number: JP2005503018A
Application number: JP2003527781A
Authority: JP
Inventors: サンドストレーム、トールビョルン; ホルマー、アンナ−カリン; ヴィルヘルムソン、ケネス
Original assignee: Micronic MyData AB; Mycronic AB
Current assignee: Mycronic AB
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2002-09-09
Publication date: 2005-01-27
Also published as: EP1425783A1; WO2003023833A1; SE0103006D0

Abstract

本発明は、空間的にコヒーレントな放射ビーム（１１）の空間強度分布を均等化するためのデバイスに関する。このデバイスは、空間的にコヒーレントな放射ビームの伝播経路内に配置させた回折格子（１３）であって、コヒーレント・ビームを回折させ、これによって放射ビームの伝播方向と直交する方向における回折させた放射ビームのコヒーレンス長をその直交方向における放射ビームの幅に対して減少させるための回折格子（１３）と、回折させた放射ビームを空間的に分離された各部分に分割しかつこの空間的に分離された各部分を重ね合わせこれによって均等化した空間強度分布を有する放射ビームを形成するために回折させた放射ビームの伝播経路内に配置された放射分割／方向指定用配列（１５、１７、１９）と、を含んでいる。The invention relates to a device for equalizing the spatial intensity distribution of a spatially coherent radiation beam (11). This device is a diffraction grating (13) placed in the propagation path of a spatially coherent radiation beam, which diffracts the coherent beam and thereby diffracts it in a direction perpendicular to the propagation direction of the radiation beam. A diffraction grating (13) for reducing the coherence length of the radiation beam with respect to the width of the radiation beam in its orthogonal direction, and dividing the diffracted radiation beam into spatially separated parts and Radiation splitting / directing arrangements (15, 17,...) Arranged in the propagation path of the diffracted radiation beam to form a radiation beam having a spatial intensity distribution which is superposed by overlapping the separated parts. 19).

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には空間的にコヒーレントな放射ビームの空間強度分布の均等化に関する。本発明はさらに、半導体デバイスおよびディスプレイ用のフォトマスクなど被工作物の感光性表面上へのパターンの高精度プリントに関する。本発明はさらに、パターンや表面欠陥を検査するためにパターンを読み出すための被工作物に対する照射にも適用される。
【背景技術】
【０００２】
現在の技術では、マイクロミラー・タイプ（ネルソン（Ｎｅｌｓｏｎ）１９８８、クック（Ｋｕｃｋ）１９９０）のマイクロミラー空間的光変調器（ＳＬＭ）の投影を用いて精密パターン発生器を製造することが知られている。パターン発生器においてＳＬＭを使用することは、レーザ・スポットの走査を使用する広範な方法と比較して多くの利点を有しており、ＳＬＭは超並列デバイスであり、１秒あたり書き込み可能な画素数が極めて大きい。
【０００３】
こうした発生器は多くの場合、光源としてエキシマ・レーザを使用しており、また典型的には、そのレーザからの放射出力は、その光強度をＳＬＭ表面の全体にわたって均等に分布させるように放射ビーム・スクランブル化照射器を通過させている。この照射器は図１に概略を示しているビーム均等化器を含んでいる。この均等化器は、その各々が結像用レンズ２と協働してレーザビーム５のそれぞれ横方向に分離された部分３をＳＬＭ表面７の全体にわたって分布させ、これによりＳＬＭ表面７に関する均等な統合照射を提供するようにアレイ状としたレンズ１を含んだレンズ系からなる。アレイ３で使用するレンズの数が多いほど、それだけＳＬＭ表面７に関するより均等な照射が達成される。
【０００４】
この点に関する重大な制約の１つはレーザ発生源の空間的コヒーレンスである。エキシマ・レーザは時間的コヒーレンス長と空間的コヒーレンス長（すなわちレーザビームのプロフィールの全体に及ぶコヒーレンス長）とを有することが知られている。幾つかのレーザでは、そのビーム幅全体、あるいは少なくともその大部分にわたって、空間的にコヒーレントであることがある。時間的コヒーレンス長は、そのレーザ設計に応じてさまざまであり、またたとえば０．１５ｍｍであることがある。コヒーレンスに関する文献については（非特許文献１）、（非特許文献２）および（非特許文献３）を参照されたい。
【特許文献１】
米国特許第６，２８５，４８８号
【特許文献２】
米国特許出願第０９／７６５０８４号
【非特許文献１】
ボルン（Ｂｏｒｎ）およびウルフ（Ｗｏｌｆ），“ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆＯｐｔｉｃｓ”
【非特許文献２】
シーグマン（Ｓｉｅｇｍａｎ），“Ｌａｓａｒｓ”
【非特許文献３】
グッドマン（Ｇｏｏｄｍａｎ），“ＳｔａｔｉｓｔｉｃａｌＯｐｔｉｃｓ”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
アレイ３のレンズの幅Ｄがレーザ発生源の空間的コヒーレンス長ｌ_sより小さいときは、隣接するレンズ３からの光束は明らかにコヒーレントであり、またこのためこれらの光束は互いに干渉し合って、ＳＬＭ表面７の照射中に、図１のＳＬＭ表面７の右側に鍔つきの「シルクハット様」光分布によって模式的に示しているような干渉パターンを発生させることがある。
【０００６】
レーザビームの空間的コヒーレンス長によって、均等化器で使用可能なレンズ数に関して、またこれにより均等化の品質に関して明らかに制約が設けられる。ビーム直径に対する分数値とした相対コヒーレンス長は、ビームを拡大させてもそのビームについては不変である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
したがって、干渉パターンに関する上述の問題や放射ビームの均等化の不良を克服して、空間的にコヒーレントな放射ビームの空間強度分布を均等化するデバイスを提供することが本発明の目的の１つである。
【０００８】
この目的は、とりわけ、本発明の第１の態様に従った回折格子および放射分割／方向指定用配列からなるデバイスによって達成されるものである。回折格子は、空間的にコヒーレントな放射ビームの伝播経路内に配置され、このコヒーレント・ビームを回折させると共に、これによってこの放射ビームの伝播方向と直交する方向における回折させた放射ビームのコヒーレンス長を、当該直交方向でのこの放射ビームの幅と比較して低減させている。放射分割／方向指定用配列は、回折させた放射ビームの伝播経路内に配置され、回折させた放射ビームを空間的に分離された各部分に分割すると共にこの空間的に分離された各部分を重ね合わせ、これによって均等化した空間強度分布を有する放射ビームを形成している。
【０００９】
この空間的に分離された各部分のそれぞれは、放射ビームの元の空間的コヒーレンス長と比べると短いが、回折させた放射ビームの直交方向における空間的コヒーレンス長と比べると長い（好ましくは、かなり長い）ような断面幅を有するようにし、これによって、隣接する各部分が重ね合わされる際に互いに干渉し合うことを防止することが好ましい。
【００１０】
このコヒーレントな放射ビームは、時間的にコヒーレントであり、さらにその空間的コヒーレンス長と比べてより短い（あるいは、かなり短い）時間的コヒーレンス長を有することがある。この状態は、実際のケースにおいてビームの伸張によって生成される可能性がある。
【００１１】
回折格子は、透過型や反射型の回折格子とすることがあり、また後者のケースでは、リトロー（Ｌｉｔｔｒｏｗ）構成で配置することがある。別法として、その放射ビームが矩形の断面を有している場合では、放射ビームを１つの方向で拡大し実質的に２次的断面をもつ回折させた放射ビームが得られるように回折格子を配置することがある。
【００１２】
分割／方向指定用配列は、その各々が空間的に分離された各部分のうちの対応する１つを集束させているレンズ（好ましくは、シリンドリカル・レンズ）からなる１つまたは幾つかのアレイと、この空間的に分離された各部分を互いの上に結像させるためのレンズ配列と、を含むことがある。
【００１３】
本発明の別の目的は、放射ビーム・コンディショニング・デバイスと、被工作物の感光性表面上、特に半導体デバイスおよびディスプレイ用のフォトマスク上に表面パターンを高精度プリントするための装置とを提供し、第１の本発明の態様に従ったデバイスを利用できるようにすることである。これらのレンズは屈折性、反射性、または回折性とすることが可能である。
【００１４】
したがって、本発明の第２の態様では、空間的にコヒーレントな放射ビームを使用して被工作物の感光性表面上、特に半導体デバイスおよびディスプレイ用のフォトマスク上で表面パターンを高精度プリントまたは検査するための装置で使用するための放射ビーム・コンディショニング・デバイスを提供する。このコンディショニング・デバイスは、空間的にコヒーレントな放射ビームの空間強度分布を均等化するための第１の本発明の態様に従った放射ビーム均等化器からなる。
【００１５】
さらに、本発明の第３の態様では、被工作物の感光性表面上、特に半導体デバイスおよびディスプレイ用のフォトマスク上で表面パターンを高精度プリントまたは検査するための装置を提供する。この装置は、空間的にコヒーレントな放射ビームを放出するための発生源と、放射ビームの空間強度分布を整形および均等化するための放射ビーム・コンディショニング・デバイスと、コンディショニングした放射ビームによって照射を受ける多数の変調素子を有する空間的光変調器と、被工作物の感光性表面上に空間的光変調器の像を作成するための投影システムと、からなる。検査の場合では、ＣＣＤ、ＣＩＤまたはＭＯＳカメラなどの結像取り込みデバイスが存在する。放射ビーム・コンディショニング・デバイスは、空間的にコヒーレントな放射ビームの空間強度分布を均等化するための第１の本発明の態様に従ったデバイスを含んでいる。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、干渉パターンの問題や放射ビームの均等化の不良を克服しているような空間的にコヒーレントな放射ビームの空間強度分布を均等化するための方法を提供すること、並びにこの均等化方法を利用できるようにしている、被工作物の感光性表面上、特に半導体デバイスおよびディスプレイ用のフォトマスク上で表面パターンを高精度にプリントまたは検査するための方法を提供することにある。
【００１７】
したがって、本発明の第４の態様では、空間的にコヒーレントな放射ビームの空間強度分布を均等化するための方法であって、（ｉ）コヒーレント・ビームを回折させこれによって回折させた放射ビームのこの放射ビームの伝播方向と直交する方向におけるコヒーレンス長を、当該直交方向におけるこの放射ビームの幅を基準として低減する動作と、（ｉｉ）回折させた放射ビームを空間的に分離された各部分に分割する動作と、（ｉｉｉ）空間的に分離された各部分を重ね合わせこれによって均等化した空間強度分布を有する放射ビームを形成する動作と、からなる方法を提供する。
【００１８】
本発明の第５の態様では、被工作物の感光性表面上、特に半導体デバイスおよびディスプレイ用のフォトマスク上で表面パターンを高精度にプリントまたは検査するための方法であって、（ｉ）空間的にコヒーレントな放射ビームを放出する動作と、（ｉｉ）この放射ビームの空間強度分布を均等化する動作と、（ｉｉｉ）この均等化させた放射ビームで多数の変調素子を有する空間的光変調器を照射する動作と、（ｉｖ）投影システムによってこの被工作物の感光性表面上に空間的光変調器の像を生成させる動作と、からなる方法を提供する。均等化の工程は本発明の第４の態様に従って実行させる。
【００１９】
さらに、本発明の第６の態様では、空間的にコヒーレントな放射ビームの空間強度分布を均等化するためのデバイスであって、コヒーレント・ビームを偏向させ、これによって偏向させた放射ビームのこの放射ビームの伝播方向と直交する方向における空間的コヒーレンス長を、当該直交方向におけるこの放射ビームの幅を基準として低減するために、空間的にコヒーレントな放射ビームの伝播経路内に配置させた偏向デバイスと、偏向させた放射ビームを空間的に分離された各部分に分割しかつこの空間的に分離された各部分を重ね合わせこれによって均等化した空間強度分布を有する放射ビームを形成するために、偏向させた放射ビームの伝播経路内に配置させた放射分割／方向指定用配列と、からなるデバイスを提供する。
【００２０】
この偏向デバイスは、セグメント式ミラー、すなわちマイクロミラーのアレイとすることが好ましく、あるいは、この偏向デバイスを屈折性光学機器によって実現させることもある。
【００２１】
さらに、この偏向デバイスは２つの直交する方向でこのビームの全体にわたって同時に空間的コヒーレンス長を低減させるように２次元的とすることがある。
さらに、本発明の特徴並びに本発明の利点は、単なる一例であり本発明を限定するものではないような以下に記載する本発明の好ましい実施形態に関する詳細な記述、並びに添付の図２乃至８から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図２は、本発明に従って空間的にコヒーレントな放射ビーム１１を均等化するためのデバイスの第１の実施形態を概略上面図で表している。
空間的にコヒーレントな放射ビーム１１は、典型的には矩形の断面（たとえば、３ｍｍ×６ｍｍ）をした広帯域のレーザビームを発生させるエキシマ・レーザであるような放射源から発生している。こうしたレーザの時間的コヒーレンス特性は、レーザのスペクトルライン幅Δνによって次式に従って決定される。
【００２３】
ｌ_t＝ｃ／Δν （式１）
上式において、ｌ_tは時間的コヒーレンス長であり、またｃは光速度である。空間的コヒーレンス長ｌ_s、すなわちレーザビームの横断方向のコヒーレンス長は、典型的には、時間的コヒーレンス長と比べてより長い、あるいはかなり長い。さらに、空間的コヒーレンス特性は、ビームを横断する各直交方向で異なることがある。一例として、広帯域のレーザでは時間的コヒーレンス長ｌ_tが約０．１ｍｍであり、また空間的コヒーレンス長ｌ_sが未伸張のビームに関して一方向では約１．５ｍｍであり、かつ他の方向で０．３ｍｍであることがある。
【００２４】
本発明は、その空間的コヒーレンス長が時間的コヒーレンス長と比べてより長いような状況に適用可能であり、また本発明によって、レーザビームの横断方向（すなわち伝播方向と直交する方向）でのコヒーレンス長を時間的コヒーレンス長とほぼ同じ規模まで低減させることが可能であることが実証されよう。
【００２５】
本発明の均等化デバイスは、回折格子１３と、レンズからなる第１の２次元アレイまたはレンズレット・アレイ１５およびレンズからなる第２の２次元アレイまたはレンズレット・アレイ１７と、結像用レンズ１９と、からなる。
【００２６】
回折格子１３は空間的にコヒーレントな放射ビーム１１の経路内にこの放射ビームを回折させるように配置されており、次いでこの回折させた放射ビーム（好ましくは、１次的回折）をレンズ１５、１７および１９によって均等化させている。
【００２７】
回折格子の目的は、レーザのビームを横断するように差分的な伝播ラグ（すなわち、遅延）を導入し、これによってその空間的コヒーレンス長を回折させたレーザビームの伝播方向と直交する面から外れるように傾けることにある。回折させたレーザビームの伝播方向と直交する面内における回折させたレーザビームのコヒーレンス長は、この面上への空間的コヒーレンス長の投影として観察することが可能である。差分的伝播ラグの詳細については、図３および４を参照しながら以下に検討する。
【００２８】
第１のアレイ状のレンズ１５は、回折させたレーザビーム１１の経路内に配置され、その各々が焦点面ｆ内のそれぞれの焦点の位置に集束されている空間的に分離された各部分または各ビームレットとなる（すなわち回折させたレーザビームの伝播方向と直交する面内から外れる）ようにこのビームを分割している。結像用レンズ１９は、空間的に分離すると共に個々に集束させた各部分を、結像平面２１内で互いの上に結像させている。こうした方式では、均等化させた空間強度分布を有するような放射ビームが形成される。
【００２９】
回折格子によってレーザビームの横断方向の空間的コヒーレンス長が小さくなるため、分離された各ビーム部分の隣接する部分間で干渉を生じさせることなくアレイ１５内でより多くのレンズを使用することが可能となり、このため結像面２１内でより均等なビーム強度分布を実現することが可能となる。コヒーレンス長の大幅な低減により並びに１つの大きなアレイ状としたレンズの使用により、図２で結像面２１の右側にある強度プロフィールによって模式的に示しているようなほとんど「シルクハット様（ｔｏｐ−ｈａｔ）」の光分布が得られる。一例として、アレイは１０×１０のレンズを収容可能である。
【００３０】
アレイ１５のレンズの各々は、放射ビームの空間的コヒーレンス長ｌ_sと比べては小さいが、その直交方向における回折させた放射ビームのコヒーレンス長と比べては長い（好ましくは、かなり長い）ような幅Ｄを有しており、これによって隣接する各部分が重ね合わされる際に互いに干渉し合うのが防止されるので好ましい。
【００３１】
第２のアレイ状のレンズ１７の目的は、ほとんど理想的なフラットな照射を受けるエリアを生成させるように第１のアレイ１５のレンズのエッジからの回折パターンを防止し、かつ照射を受けるエリアのエッジをより鋭利にすることである。第２のアレイ状のレンズ１７は、第１のレンズアレイ１５の焦点面ｆの近傍に配置され、第１のレンズアレイ１５を結像面２１上に結像させている。
【００３２】
レンズアレイ１５および１７は、球面レンズからなることがあるが、本発明のアレイ１５および１７の代替的な好ましいタイプは、それぞれのビームレットを水平方向に屈折させかつレーザビームをその方向において均等化させるシリンドリカル・レンズからなる。垂直方向でも同様にビーム均等化を実現するには、シリンドリカル・レンズからなる１対のアレイをレーザビーム１１の伝播経路内に挿入し、これによってビームを垂直方向（図示せず）だけで屈折させている。場合によっては、別の結像用レンズ（いずれも図示せず）を結像面２１上へのビームレットの結像のために使用している。水平方向の屈折および垂直方向の屈折に関してそれぞれ異なる焦点距離をもつレンズアレイを使用しており、これによってレーザビームのサイズを柔軟な方式で制御することが可能である、すなわちレーザビームの高さおよび幅を個々に制御可能である。
【００３３】
均等化レンズ配列の設計は、光学設計者には容易に明らかであるような複数の方法で達成可能であり、またこうした設計については本明細書ではこれ以上取り扱わないことにする。
【００３４】
ここで、本発明に従って空間的コヒーレンス長を低減させる原理を表している図３および４に戻ると、２つの点ＡおよびＢの光学的位相は相互関連するものと仮定している、すなわち点ＡおよびＢの光は相互関連している。ビーム１１の経路に沿って点ＡおよびＢの光を追うと、２つの点からの光は長手方向で（すなわち、ビーム１１の伝播方向で）離されるようにずらされること、並びに回折格子１３による回折の後にビーム１１内での点Ｂの光の位置（すなわち、点Ｂ’）が、点Ａからの光（ここでは、点Ａ’）と比べてさらに前方側となること、が理解できよう。Ｂ’の光は、Ｂ’の光と比べてより前にレーザ発生源から放出された点Ｃの光と同時に伝播している。
【００３５】
時間的コヒーレンス長は不変のまま（ただし、回折させたビームの伝播方向でのコヒーレンス長は増加する）でありながら、空間的コヒーレンス長（すなわち回折させたレーザビームを横断するもの）は明らかに低減されている。時間的コヒーレンス長と比較して横断方向のビームラグが長い場合、回折させたビームの横断方向の空間的コヒーレンス長は回折させたビームの時間的コヒーレンス長に近づくことになる。
【００３６】
ここで、そのレーザビームが図１に従って回折格子上に入射しており、その入射角がαで表され、かつ回折角がβで表されると仮定する。さらに、入射するレーザビームが全体幅（コヒーレンス長ｌ_s）にわたって空間的にコヒーレントであり、かつ時間的コヒーレンス長がｌ_tであると仮定すると、コヒーレンス・セルが側面ｌ_sおよびｌ_tを有するものと規定することが可能である。
【００３７】
この回折格子によって、ビームを横切るように図３のΔで示すような横断方向のタイムラグ、すなわち、遅延が導入される。このラグの大きさは、回折格子の特性、並びに入射および射出（回折）角により次式に従って決定される。
【００３８】
Δ＝ｂ（ｓｉｎα−ｓｉｎβ）／ｃｏｓα （式２）
上式においてｂは入射ビーム幅である。
角αおよびβは、次の回折格子の式によって関連させている。
【００３９】
ｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝λ／ｄ（式３）
上式において、λはレーザビーム光の波長であり、またｄは回折格子の溝間隔である。
出力ビーム幅ｗは次式で与えられる。
【００４０】
ｗ＝ｂ（ｃｏｓβ／ｃｏｓα）（式５）
ビーム幅の拡大率Ｍは次式で与えられる。
Ｍ＝ｗ／ｂ（式６）
ここでラグΔは次式のように記述することが可能である。
【００４１】
Δ＝ｗλ／（ｄｃｏｓβ）（式７）
ビームが回折格子１３から回折されたときのコヒーレンス特性に関する予期される変化のおおよその見積もりは以下のようになる。このコヒーレンス・セルは回折させたビームの伝播方向を基準として傾けられる。「ねじれ（ｓｋｅｗ）」角θは次式のように定義することが可能である（図４参照）。
【００４２】
ｔａｎθ＝Δ／ｗ（式８）
しかし、この角はコヒーレンス長の形で表現することもできる。
ｔａｎθ＝ｌ_t／ｌ_s （式９）
したがって、本発明者らは次式を得た。
【００４３】
ｌ_s／ｌ_t＝ｗ／Δ＝（ｓｉｎα−ｓｉｎβ）／ｃｏｓα （式１０）
回折させたレーザビームを横断するコヒーレンス長は、レーザビーム入射角および射出角、並びに初めの時間的コヒーレンス長によって決定される。
【００４４】
回折格子によりコヒーレンス長の低減を誘導するというこの考え方は、４種類のＫｒＦエキシマ・レーザに基づいて実験的に検証した。回折格子を用いることによって、回折させたビームを横断するコヒーレンス長はそのレーザの時間的コヒーレンス長と同じ程度まで低減されることが分かった。
【００４５】
図５ａ，５ｂでは、ラムダ・フィジック社（ＬａｍｂｄａＰｈｙｓｉｋ）のＮｏｖａＬｉｎｅＣｏｍｐａｃｔレーザによる矩形レーザビームの短尺方向での干渉じま鮮明度関数について、ビームを横断するコヒーレンス長を低減させるために回折格子を使用する場合と使用しない場合について表している。この干渉じま鮮明度関数は、空間的コヒーレンスの１つの尺度であり、干渉計を用いて計測される。ビームは、分割し、ずらし（ｓｈｅａｒｅｄ）、さらに再結合させている。ずれが小さいと干渉しまが強い、すなわち干渉じま鮮明度は大きい。ずれが大きければ、全干渉じまの鮮明度をカバーすることができる。このずれ（シフト）に対する鮮明度によってビームの空間的コヒーレンス長を表している。これらのトレースは、ビームを横断した５つの連続した計測値を表している。図５ａと５ｂを比較すると、回折格子を使用した場合に空間的コヒーレンス長が著しく小さくなることが分かる。
【００４６】
さらに、本発明では幾つかの回折格子構成設計を用いることがある。回折効率に関して最も効率がよい構成は、回折格子をリトロー（Ｌｉｔｔｒｏｗ）構成で使用すること、すなわちそのビームを入射するビームの方向に回折して戻すことである。しかし、こうした構成は実際的ではないが、入射したビームと回折させたビームとの間の角度が小さい（たとえば、２０度未満）場合では極めて高い効率を達成することが可能である。こうしたケースでは、ビームに若干の歪像性拡大率が存在することになる。１ｍｍあたりの溝数が３６００である適当な回折格子は、スペクトロゴン社（Ｓｐｅｃｔｒｏｇｏｎ）［スウェーデン所在］から市販されている。しかし、その入射レーザビームの断面が、長尺側の辺が短尺側の辺の２倍の長さを有するような矩形であり、かつ、回折させたビームが２次的断面を有するような場合では、この拡大率は不十分であり、したがって別の歪像性の構成要素が必要となる。
【００４７】
歪像性拡大率が２であると共にかなり高い効率を提供するような別の構成では、反復溝数が極めて高い（たとえば、１ｍｍあたりの溝数が４２００の）回折格子を使用することになる。
【００４８】
図２，３の反射型回折格子の１つの代替形態として透過型回折格子を使用することがあることを理解されたい。上述した検討は、必要な修正を加えると透過型回折格子に関しても成り立つ。
【００４９】
さらに、図２のレンズの１つの代替形態として反射型光学機器を使用することもあることを理解されたい。アレイ状としたレンズ１５はアレイ状としたミラーによって実現させることが可能である。
【００５０】
さらに別の代替形態は、屈折性や反射性の光学機器を使用せずに、あるいはこれらに対する補完として、均等化器にフレネル回折素子を使用することである。
透過型回折格子をアレイ状としたフレネルレンズと一緒に使用するケースでは、これらの素子を単一の基板の相対する表面上に設けることが可能である。
【００５１】
本発明について、ここまで、レーザビームを横断する１つの方向だけ（水平方向）でコヒーレンス長を低減させるものとして記載してきたが、これの直交方向では全く低減が得られていない。典型的なケースの１つでは、この動作は受容可能である。コヒーレンス長は、短尺方向が重要な方向であるならば短尺方向で短縮させており、ビーム幅を基準とした空間的コヒーレンス長はかなり大きくなる。しかしながら、レーザビームを横断する２つの直交方向でコヒーレンス長を低減させなければならないような用途も存在することがある。この低減については、次の態様のいずれかによって達成可能である。
【００５２】
レーザビーム経路の均等化器の上流側に第２の回折格子を設け、第２の回折格子を、図２の回折格子がビームを回折させている面（水平面）と直交する面（垂直面）においてビームが回折されるような向きとすることも可能である。第２の回折格子は第１の回折格子を基準としてフーリエ面の近傍に配置させると有利である。したがって、この２つの回折格子の間には結像用光学機器を適宜に配置している。
【００５３】
別法では、そのビームをビーム分割器や同等の機器によって２つの部分に分割し、しかる後にこの２つのビームを相直交する面内で回折させ、その後に重ね合わせている。この２つのビームの経路長は異なっていることが好ましい。
【００５４】
次に図６を参照すると、パターン発生器１００は、個々にかつ多値式に画素アドレス付けした多数の変調素子を有するＳＬＭ３０と、照射源１０と、照射ビーム・スクランブル化デバイス２０と、結像用光学系４０、７０、５０と、干渉計位置制御システムおよびＳＬＭ向けのハードウェア／ソフトウェア・データ処理システム（明瞭には図示せず）を伴う精密位置決め基板台６０と、からなる。フォトマスクなどの感光性表面を有する被工作物はパターン発生させる前に基板上に配置させている。
【００５５】
パターン発生器内の照射源１０は、ＵＶ領域内で２４８ナノメートルの波長の１０〜２０ナノ秒の長さの光学的閃光を提供するＫｒＦエキシマ・レーザであり、その帯域幅はエキシマ・レーザの固有ライン幅に対応している。基板上でのパターン歪みを回避するために、エキシマ・レーザからの光がＳＬＭ表面全体にわたって均等に分布するようにし、またその光は、基板上にレーザの斑点が生成されることがないように十分に短いコヒーレンス長を有するようにする。
【００５６】
これら２つの目的を達成させるためには、ビーム・スクランブラまたはコンディショナー２０を用いている。ビーム・スクランブラまたはコンディショナー２０は、エキシマ・レーザからのビームをその経路長が異なる幾つかのビーム経路に分割し、次いで空間的コヒーレンス長を低減させるためにこれらを互いに足し合わせている。ビーム・スクランブラはさらに、あるいはその代わりとして、「シルクハット」様の光分布を提供している図２に示すようなデバイスから構成されるコヒーレンス低減器およびビーム均等化器を含んでいる。別法として、そのパターン発生器１００内に、上述したような本発明の均等化器の別の実施形態のいずれかを利用することも可能である。
【００５７】
ビーム・スクランブラまたはコンディショナー２０は、たとえば散光器などの別の光学機器と、たとえばビーム伸張器などのビーム整形具と、視野絞りアパーチャ４５０と、照射器絞りアパーチャを有する照射器絞りと、中継レンズと、から構成することが可能である。
【００５８】
ＳＬＭからの光は、被工作物上の基板まで中継されて結像される。この動作はシュリーレン（Ｓｃｈｌｉｅｒｅｎ）光学投影システムを用いて実行している（そのすべてについて本願明細書に援用するサンドストロム（Ｓａｎｄｓｔｒｏｍ）による（特許文献１）並びにその中の文献を参照されたい）。
【００５９】
電子的データ送達システムは、プリントさせようとするパターンに関するディジタル式記述のロードを受けること、このディジタル式パターン記述から一連の部分的パターンの抽出すること、この部分的パターンを変調器信号に変換すること、並びにこの信号を変調器に供給すること、を行っている。精密機械システムは投影システムを基準として被工作物を移動させており、また電子式制御システムは被工作物の移動、変調器への信号の供給、および放出された放射を連携動作させ、これによって一連の部分的パターンによって生成される部分像から１つの大きなパターンを結び合わせている。
【００６０】
この種のパターン発生器に関するさらに詳しい内容については、上述の（特許文献１）および本願明細書に援用する（特許文献２）を参照されたい。
図７は、図６と同様であるが被工作物６０上の表面パターンを検査するために配置された装置１００の概略上面図を表している。図７の装置は、空間的にコヒーレントな放射ビームを放出するように構成された発生源１０と、放射ビームの空間強度分布を整形しかつ均等化するように構成された放射ビーム・コンディショニング・デバイス２０と、コンディショニングされた放射ビームによる照射を受けている多数の変調素子を有する空間的光変調器３０と、被工作物６０の感光性表面上に空間的光変調器の像を生成するための投影システム４０、７０、５０と、からなる。
【００６１】
この装置はさらに、被工作物６０の表面上に生成されるような空間的光変調器の像の検査に適した結像用光学機器９０を備えたカメラ８０からなる。
放射ビーム・コンディショニング・デバイス６０は、上述のような本発明の実施形態のいずれかに従って空間的にコヒーレントな放射ビームを均等化するためのデバイスを含んでいる。
【００６２】
次に、本発明に従って空間的にコヒーレントな放射ビームを均等化するためのデバイスの別の実施形態について、図８ａ乃至８ｅを参照しながら記載する。
ビームの空間的コヒーレンスはマイクロミラー・アレイを使用することによって低減することが可能である。マイクロミラー・アレイは、多くの数の小さい反射性表面をこれより大きな基板上に製作したデバイスであり、このマイクロミラーの各表面の法線は基板表面の法線に対してある角度だけ傾けている。マイクロミラーの幅ｄは基板の幅と比べてかなり小さい。
【００６３】
到来するビームはマイクロミラーの表面上で反射（回折ではない）を受けると、さらに小さいサブビームに分割されることになり、この際、隣接するサブビーム間において到来するビームに対して波面ラグＸが導入される。この波面ラグＸは次式で記述される。
【００６４】
Ｘ＝ｄ／ｔａｎ（φ）（式１１）
上式において、φはマイクロミラーの傾斜角であり、またｄはマイクロミラーの幅である（図８ａ参照）。したがって、反射されたビームの空間的コヒーレンスは、到来するビームの空間的コヒーレンス長がｄより大きい場合であっても、マイクロミラーの幅ｄまでに制限されることになる。
【００６５】
マイクロミラー・アレイ・デバイスは、そのマイクロミラーがその表面上であるパターンの形に配置され、かつ到来ビーム断面の２つの直交方向における空間的コヒーレンスの低減が可能であるようにある共通の反射方向に向くようにして製作することが可能である。この考え方を図８ｅに模式的に図示している。
【００６６】
こうしたデバイスは、ダイヤモンド機械加工、プラスチックの高温プレス、小さいプリズムの組み上げ、結晶性シリコンの選択エッチングなど多くの方法で生産することが可能である。
【００６７】
適切に設計された方法の１つは、シリコンまたは同様の結晶性材料の優先的エッチングによっている。１−１−１の配向を有するシリコン・ウェハは、優先的エッチングを提供する溶液内でエッチングを受ける際に正方形の構造を生成させる。こうした溶液の一例は水酸化カリウムであるが、当技術分野で周知の別のエッチング剤も等しく適用可能である。ある領域を保護し、別の領域をエッチング剤に曝露させるようなフォトレジスト・パターンが生成される。レジストのパターンに関する設計方法は当技術分野において周知である。
【００６８】
図８ｂ乃至ｄは、１−１−１配向を有するシリコンに対する優先的エッチングによって生成したパターンを表している。この切子面は、その結晶の結晶方向によって決定されており、したがって、平坦でありかつ互いに平行である。この切子面は、その隣り合う面を基準とした両方向で変位している。適正に設計されたデバイスでは、任意の切子面は伝播方向においてその隣り合う面から、時間的コヒーレンス長の半分、また好ましくはそれ以上の長さだけ変位している。伝播方向におけるコヒーレンス長の半分の変位によって１コヒーレンス長の遅延が付加される。これにより、１つの切子面から反射される光と、隣り合う切子面から反射される光との干渉は弱くなるか、全く無くなることになる。
【００６９】
互いに近傍にないような切子面は、入射するビームにおいてこれらがコヒーレントでないため同じ遅延を有することが可能である。反射性構成とした２次元デバイスは、入射面と平行な方向の方が、この面と直交する面に対する動作と比べてより良好に動作する。したがって、最も効率のよい方向は、コヒーレンスの消滅の必要性が最も大きいビーム方向に向けることが好ましい。
【００７０】
マイクロミラー・アレイに関する上述の検討は、必要な修正を加えて、屈折性光学機器に関しても等しく有効である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】従来技術による放射ビーム均等化器の概略上面図。
【図２】本発明の好ましい実施の形態に従った空間的にコヒーレントな放射ビームを均等化するためのデバイスの概略上面図。
【図３】図２のデバイス内に含まれるような回折格子の概略上面像を表すと共に本発明に従った空間的コヒーレンス長低減の原理を視覚化している図。
【図４】図３の回折格子によって回折させた放射ビームの時間的および空間的コヒーレンス長の図。
【図５ａ】回折格子によって得られる空間的コヒーレンス長低減を容易に観察できるようにした、矩形の断面を有するレーザビームの短尺方向での干渉じま鮮明度関数の回折格子による回折前の図。
【図５ｂ】回折格子によって得られる空間的コヒーレンス長低減を容易に観察できるようにした、矩形の断面を有するレーザビームの短尺方向での干渉じま鮮明度関数の回折格子による回折後の図。
【図６】放射ビームの均等化に関する本発明のデバイスからなるような、半導体デバイスおよびディスプレイ用のフォトマスクなどの被工作物の感光性表面上の表面パターンを高精度プリントするための装置の概略上面図。
【図７】図６と同様の装置を検査向けに配置させて示す概略上面図。
【図８ａ】本発明の別の実施形態に従って空間的にコヒーレントな放射ビームを均等化するためのデバイス内に含まれるようなマイクロミラーのアレイの使用を表した側面図。
【図８ｂ】本発明の別の実施形態に従って空間的にコヒーレントな放射ビームを均等化するためのデバイス内に含まれるような２次元マイクロミラーのアレイの使用を表した側面図。
【図８ｃ】本発明の別の実施形態に従って空間的にコヒーレントな放射ビームを均等化するためのデバイス内に含まれるような２次元マイクロミラーのアレイの使用を表した上面図。
【図８ｄ】本発明の別の実施形態に従って空間的にコヒーレントな放射ビームを均等化するためのデバイス内に含まれるような２次元マイクロミラーのアレイの使用を表した入射光の角度からの図。
【図８ｅ】本発明の別の実施形態に従って空間的にコヒーレントな放射ビームを均等化するためのデバイス内に含まれるような２次元マイクロミラーのアレイの使用を表した斜視図。【Technical field】
[0001]
The present invention relates generally to equalizing the spatial intensity distribution of a spatially coherent radiation beam. The invention further relates to high-precision printing of patterns on a photosensitive surface of a workpiece, such as a photomask for semiconductor devices and displays. The invention is further applied to irradiation of a workpiece for reading a pattern to inspect the pattern and surface defects.
[Background]
[0002]
It is known in the current art to produce precision pattern generators using micromirror spatial light modulator (SLM) projections of the micromirror type (Nelson 1988, Cook 1990). Yes. The use of an SLM in a pattern generator has many advantages over a wide range of methods using laser spot scanning, and the SLM is a massively parallel device that can write pixels per second. The number is extremely large.
[0003]
Such generators often use an excimer laser as the light source, and typically the radiation output from the laser is a radiation beam so that the light intensity is evenly distributed throughout the SLM surface. -The scrambled irradiator is passed. The irradiator includes a beam equalizer as schematically shown in FIG. This equalizer, in cooperation with the imaging lens 2, distributes each laterally separated portion 3 of the laser beam 5 over the entire SLM surface 7, so that an equality with respect to the SLM surface 7 is achieved. It consists of a lens system that includes an array of lenses 1 to provide integrated illumination. The more lenses used in the array 3, the more uniform illumination on the SLM surface 7 is achieved.
[0004]
One significant limitation in this regard is the spatial coherence of the laser source. Excimer lasers are known to have a temporal coherence length and a spatial coherence length (ie, a coherence length that spans the entire profile of the laser beam). Some lasers may be spatially coherent over the entire beam width, or at least over most of it. The temporal coherence length varies depending on the laser design and may be, for example, 0.15 mm. Refer to (Non-Patent Document 1), (Non-Patent Document 2), and (Non-Patent Document 3) for documents relating to coherence.
[Patent Document 1]
US Pat. No. 6,285,488
[Patent Document 2]
US patent application Ser. No. 09/765084
[Non-Patent Document 1]
Born and Wolf, “Principles of Optics”
[Non-Patent Document 2]
Siegman, “Lasars”
[Non-Patent Document 3]
Goodman, “Statistical Optics”
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0005]
The lens width D of the array 3 is the spatial coherence length l of the laser source. _s When smaller, the luminous flux from the adjacent lens 3 is clearly coherent, and therefore these luminous fluxes interfere with each other and appear on the right side of the SLM surface 7 in FIG. An interference pattern as schematically shown by the “top hat-like” light distribution may be generated.
[0006]
The spatial coherence length of the laser beam places a clear constraint on the number of lenses that can be used in the equalizer and thereby on the quality of the equalization. The relative coherence length, which is a fractional value for the beam diameter, does not change for the beam even when the beam is expanded.
[Means for Solving the Problems]
[0007]
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a device that equalizes the spatial intensity distribution of a spatially coherent radiation beam overcoming the above-mentioned problems with interference patterns and poor radiation beam equalization. is there.
[0008]
This object is achieved, inter alia, by a device comprising a diffraction grating and a radiation splitting / orientation arrangement according to the first aspect of the invention. The diffraction grating is disposed in the propagation path of the spatially coherent radiation beam and diffracts the coherent beam, thereby reducing the coherence length of the diffracted radiation beam in a direction perpendicular to the direction of propagation of the radiation beam. Compared to the width of this radiation beam in the orthogonal direction. The radiation splitting / orientation array is disposed in the propagation path of the diffracted radiation beam and divides the diffracted radiation beam into spatially separated parts and separates the spatially separated parts. A radiation beam having a spatial intensity distribution that is superposed and thereby equalized is formed.
[0009]
Each of these spatially separated parts is short compared to the original spatial coherence length of the radiation beam, but long compared to the spatial coherence length in the orthogonal direction of the diffracted radiation beam (preferably quite It is preferable to have a cross-sectional width that is long), thereby preventing the adjacent portions from interfering with each other when they are superimposed.
[0010]
This coherent beam of radiation is temporally coherent and may have a shorter (or much shorter) temporal coherence length compared to its spatial coherence length. This condition can be generated by beam stretching in the actual case.
[0011]
The diffraction grating may be a transmission type or a reflection type diffraction grating. In the latter case, the diffraction grating may be arranged in a Littrow configuration. Alternatively, if the radiation beam has a rectangular cross section, the diffraction grating can be used to expand the radiation beam in one direction to obtain a diffracted radiation beam having a substantially secondary cross section. May be placed.
[0012]
The segmentation / orientation array includes one or several arrays of lenses (preferably cylindrical lenses) each focusing a corresponding one of the spatially separated portions. A lens arrangement for imaging the spatially separated portions on top of each other.
[0013]
Another object of the present invention is to provide a radiation beam conditioning device and an apparatus for high precision printing of surface patterns on a photosensitive surface of a workpiece, particularly on a semiconductor device and a photomask for a display. It is to make available a device according to the first aspect of the invention. These lenses can be refractive, reflective, or diffractive.
[0014]
Accordingly, in a second aspect of the invention, a spatial pattern is used to accurately print or inspect a surface pattern on a photosensitive surface of a workpiece, particularly on a photomask for semiconductor devices and displays, using a spatially coherent beam of radiation. A radiation beam conditioning device is provided for use in an apparatus for performing. The conditioning device comprises a radiation beam equalizer according to the first aspect of the invention for equalizing the spatial intensity distribution of a spatially coherent radiation beam.
[0015]
Furthermore, a third aspect of the present invention provides an apparatus for high precision printing or inspection of surface patterns on a photosensitive surface of a workpiece, particularly on a photomask for semiconductor devices and displays. The apparatus is illuminated by a source for emitting a spatially coherent radiation beam, a radiation beam conditioning device for shaping and equalizing the spatial intensity distribution of the radiation beam, and a conditioned radiation beam A spatial light modulator having a number of modulation elements and a projection system for creating an image of the spatial light modulator on a photosensitive surface of a workpiece. In the case of inspection, there are imaging capture devices such as CCD, CID or MOS cameras. The radiation beam conditioning device includes a device according to a first aspect of the invention for equalizing the spatial intensity distribution of a spatially coherent radiation beam.
[0016]
Yet another object of the present invention is to provide a method for equalizing the spatial intensity distribution of a spatially coherent radiation beam that overcomes the problems of interference patterns and poor radiation beam equalization. And a method for printing or inspecting a surface pattern with high accuracy on a photosensitive surface of a workpiece, in particular on a photomask for semiconductor devices and displays, which makes it possible to use this equalization method. There is.
[0017]
Accordingly, in a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for equalizing the spatial intensity distribution of a spatially coherent radiation beam, comprising: (i) diffracting the coherent beam and thereby diffracting the radiation beam. An operation of reducing the coherence length in a direction orthogonal to the propagation direction of the radiation beam with reference to the width of the radiation beam in the orthogonal direction; and (ii) each of the spatially separated portions of the diffracted radiation beam There is provided a method comprising: an operation of splitting; and (iii) an operation of superimposing spatially separated portions to form a radiation beam having an equalized spatial intensity distribution.
[0018]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for printing or inspecting a surface pattern with high precision on a photosensitive surface of a workpiece, particularly on a photomask for a semiconductor device and a display, comprising: (i) space An operation for emitting a coherent radiation beam, (ii) an operation for equalizing the spatial intensity distribution of the radiation beam, and (iii) a spatial light modulation having a number of modulation elements with the equalized radiation beam And (iv) generating an image of the spatial light modulator on the photosensitive surface of the workpiece by the projection system. The equalization step is performed according to the fourth aspect of the present invention.
[0019]
Furthermore, in a sixth aspect of the present invention, there is provided a device for equalizing the spatial intensity distribution of a spatially coherent radiation beam, the deflection of the coherent beam and thereby the radiation of the radiation beam deflected thereby. A deflection device arranged in the propagation path of the spatially coherent radiation beam in order to reduce the spatial coherence length in the direction orthogonal to the propagation direction of the beam with respect to the width of this radiation beam in the orthogonal direction; To deflect the deflected radiation beam into spatially separated parts and superimpose the spatially separated parts to form a radiation beam having a uniform spatial intensity distribution And a radiation splitting / orientation array disposed in the propagation path of the directed radiation beam.
[0020]
The deflection device is preferably a segmented mirror, ie an array of micromirrors, or the deflection device may be realized by a refractive optical instrument.
[0021]
Furthermore, the deflection device may be two-dimensional so as to reduce the spatial coherence length simultaneously across the beam in two orthogonal directions.
Furthermore, the features of the present invention and the advantages of the present invention will be understood from the following detailed description of the preferred embodiments of the present invention, which are given by way of example only and are not intended to limit the present invention, and the accompanying FIGS. It will be clear.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0022]
FIG. 2 represents in schematic top view a first embodiment of a device for equalizing a spatially coherent radiation beam 11 according to the invention.
The spatially coherent radiation beam 11 is generated from a radiation source, typically an excimer laser that generates a broadband laser beam having a rectangular cross-section (eg, 3 mm × 6 mm). The temporal coherence characteristics of such a laser are determined according to the following equation by the spectral line width Δν of the laser.
[0023]
l _t = C / Δν (Formula 1)
Where l _t Is the temporal coherence length and c is the speed of light. Spatial coherence length l _s That is, the coherence length in the transverse direction of the laser beam is typically longer or considerably longer than the temporal coherence length. Furthermore, the spatial coherence characteristics may be different in each orthogonal direction across the beam. As an example, for a broadband laser, the temporal coherence length l _t Is about 0.1 mm and the spatial coherence length l _s May be about 1.5 mm in one direction with respect to the unstretched beam and 0.3 mm in the other direction.
[0024]
The present invention is applicable to the situation where the spatial coherence length is longer than the temporal coherence length, and according to the present invention, the coherence in the transverse direction of the laser beam (that is, the direction orthogonal to the propagation direction). It will be demonstrated that the length can be reduced to approximately the same scale as the temporal coherence length.
[0025]
The equalizing device of the present invention includes a diffraction grating 13, a first two-dimensional array or lenslet array 15 made of lenses, a second two-dimensional array or lenslet array 17 made of lenses, and an imaging lens. 19 and.
[0026]
The diffraction grating 13 is arranged to diffract this radiation beam in the path of the spatially coherent radiation beam 11, and then this diffracted radiation beam (preferably first order diffraction) is lens 15, 17. And 19 for equalization.
[0027]
The purpose of the diffraction grating is to introduce a differential propagation lag (ie, a delay) across the laser beam, thereby deviating its spatial coherence length from the plane perpendicular to the direction of propagation of the diffracted laser beam. Like to tilt. The coherence length of the diffracted laser beam in a plane perpendicular to the direction of propagation of the diffracted laser beam can be observed as a projection of the spatial coherence length on this plane. Details of the differential propagation lag are discussed below with reference to FIGS.
[0028]
The first array of lenses 15 are arranged in the path of the diffracted laser beam 11 and are each spatially separated portions or each of which is focused at the position of the respective focal point in the focal plane f. This beam is divided so as to be each beamlet (that is, out of the plane perpendicular to the propagation direction of the diffracted laser beam). The imaging lens 19 images the portions that are spatially separated and individually focused on each other in the imaging plane 21. In such a system, a radiation beam having a uniform spatial intensity distribution is formed.
[0029]
Since the diffraction grating reduces the spatial coherence length in the transverse direction of the laser beam, more lenses can be used in the array 15 without causing interference between adjacent portions of each separated beam portion. Therefore, a more uniform beam intensity distribution can be realized in the imaging plane 21. Due to the significant reduction in coherence length and the use of one large array of lenses, almost “top-hat-like” as schematically illustrated by the intensity profile on the right side of the imaging plane 21 in FIG. hat) "light distribution. As an example, the array can accommodate 10 × 10 lenses.
[0030]
Each lens of the array 15 has a spatial coherence length l of the radiation beam. _s But has a width D that is long (preferably quite long) compared to the coherence length of the diffracted radiation beam in its orthogonal direction, so that adjacent portions are superimposed. This is preferable because they are prevented from interfering with each other.
[0031]
The purpose of the second array of lenses 17 is to prevent diffraction patterns from the edges of the lenses of the first array 15 so as to produce an almost ideal flat illuminated area, and for the area to be illuminated. It is to make the edge sharper. The second array-shaped lens 17 is disposed in the vicinity of the focal plane f of the first lens array 15, and images the first lens array 15 on the imaging plane 21.
[0032]
Although lens arrays 15 and 17 may consist of spherical lenses, an alternative preferred type of arrays 15 and 17 of the present invention refracts the respective beamlet horizontally and equalizes the laser beam in that direction. It consists of a cylindrical lens. To achieve beam equalization in the vertical direction as well, a pair of arrays of cylindrical lenses are inserted into the propagation path of the laser beam 11 so that the beam is refracted only in the vertical direction (not shown). ing. In some cases, another imaging lens (none of which is shown) is used for imaging the beamlet onto the imaging surface 21. It uses lens arrays with different focal lengths for horizontal refraction and vertical refraction so that the size of the laser beam can be controlled in a flexible manner, i.e. the height of the laser beam and The width can be individually controlled.
[0033]
The design of the equalizing lens array can be accomplished in a number of ways as would be readily apparent to the optical designer, and such design will not be further dealt with herein.
[0034]
Returning now to FIGS. 3 and 4, which illustrate the principle of reducing the spatial coherence length according to the present invention, it is assumed that the optical phases of the two points A and B are interrelated, ie point A And B light are interrelated. Following the light at points A and B along the path of the beam 11, the light from the two points is shifted apart in the longitudinal direction (ie in the propagation direction of the beam 11) and by the diffraction grating 13. It will be understood that the position of the light at point B in the beam 11 after diffraction (ie, point B ′) is further forward than the light from point A (here, point A ′). . The light of B ′ is propagated simultaneously with the light of point C emitted from the laser source earlier than the light of B ′.
[0035]
The temporal coherence length remains unchanged (however, the coherence length in the direction of propagation of the diffracted beam increases), while the spatial coherence length (ie across the diffracted laser beam) is clearly reduced. Has been. If the transverse beam lag is long compared to the temporal coherence length, the transverse spatial coherence length of the diffracted beam will approach the temporal coherence length of the diffracted beam.
[0036]
Here, it is assumed that the laser beam is incident on the diffraction grating according to FIG. 1, the incident angle is represented by α, and the diffraction angle is represented by β. Furthermore, the incident laser beam has an overall width (coherence length l _s ) Spatially coherent and temporal coherence length l _t Assuming that the coherence cell is _s And l _t Can be defined as having.
[0037]
This diffraction grating introduces a transverse time lag, ie a delay, as indicated by Δ in FIG. 3 across the beam. The size of this lug is determined according to the following equation by the characteristics of the diffraction grating and the incident and exit (diffraction) angles.
[0038]
Δ = b (sin α−sin β) / cos α (Formula 2)
In the above equation, b is the incident beam width.
The angles α and β are related by the following diffraction grating equation:
[0039]
sin α + sin β = λ / d (Formula 3)
In the above equation, λ is the wavelength of the laser beam, and d is the groove spacing of the diffraction grating.
The output beam width w is given by
[0040]
w = b (cos β / cos α) (Formula 5)
The beam width magnification factor M is given by the following equation.
M = w / b (Formula 6)
Here, the lag Δ can be described as follows.
[0041]
Δ = wλ / (dcosβ) (Formula 7)
An approximate estimate of the expected change in coherence characteristics when the beam is diffracted from the diffraction grating 13 is as follows. The coherence cell is tilted with respect to the direction of propagation of the diffracted beam. The “skew” angle θ can be defined as follows (see FIG. 4):
[0042]
tan θ = Δ / w (Formula 8)
However, this angle can also be expressed in the form of a coherence length.
tan θ = l _t / L _s (Formula 9)
Therefore, the inventors obtained the following formula.
[0043]
l _s / L _t = W / Δ = (sin α−sin β) / cos α (Equation 10)
The coherence length across the diffracted laser beam is determined by the laser beam incident and exit angles and the initial temporal coherence length.
[0044]
This idea of inducing a reduction in coherence length with a diffraction grating was experimentally verified based on four types of KrF excimer lasers. It has been found that by using a diffraction grating, the coherence length across the diffracted beam is reduced to the same degree as the temporal coherence length of the laser.
[0045]
In FIGS. 5a and 5b, the diffraction grating is used to reduce the coherence length across the beam for the interference fringe sharpness function in the short direction of the rectangular laser beam by the Lambda Physik Nova Line Compact laser. It represents the case where it is used and the case where it is not used. This interference fringe definition function is a measure of spatial coherence and is measured using an interferometer. The beam is split, sheared, and recombined. If the deviation is small, the interference is strong, that is, the interference sharpness is large. If the deviation is large, the clearness of all interference fringes can be covered. The spatial coherence length of the beam is represented by the sharpness with respect to this shift. These traces represent five consecutive measurements across the beam. Comparing FIGS. 5a and 5b, it can be seen that the spatial coherence length is significantly reduced when a diffraction grating is used.
[0046]
In addition, the present invention may use several diffraction grating configuration designs. The most efficient configuration with respect to diffraction efficiency is to use the diffraction grating in a Littrow configuration, ie to diffract the beam back in the direction of the incident beam. However, such a configuration is not practical, but extremely high efficiencies can be achieved when the angle between the incident beam and the diffracted beam is small (eg, less than 20 degrees). In such a case, there will be some distortion magnification in the beam. A suitable diffraction grating with 3600 grooves per mm is commercially available from Spectrogon [Sweden]. However, when the cross section of the incident laser beam is rectangular such that the long side has a length twice that of the short side, and the diffracted beam has a secondary cross section. In this case, the enlargement ratio is insufficient, and therefore another distortion component is required.
[0047]
Another configuration that has a distortion magnification factor of 2 and provides fairly high efficiency would use a diffraction grating with a very high number of repeating grooves (eg, 4200 grooves per mm).
[0048]
It should be understood that a transmissive diffraction grating may be used as an alternative to the reflective diffraction grating of FIGS. The above-described study can be applied to a transmissive diffraction grating when necessary modifications are made.
[0049]
In addition, it should be understood that reflective optics may be used as an alternative to the lens of FIG. The arrayed lens 15 can be realized by an arrayed mirror.
[0050]
Yet another alternative is to use a Fresnel diffractive element in the equalizer without using or as a complement to refractive or reflective optics.
In cases where a transmissive diffraction grating is used with an array of Fresnel lenses, these elements can be provided on opposite surfaces of a single substrate.
[0051]
Although the present invention has been described so far as reducing the coherence length in only one direction (horizontal direction) across the laser beam, no reduction has been obtained in the orthogonal direction. In one typical case, this action is acceptable. The coherence length is shortened in the short direction if the short direction is an important direction, and the spatial coherence length based on the beam width becomes considerably large. However, there may be applications where the coherence length must be reduced in two orthogonal directions across the laser beam. This reduction can be achieved by any of the following aspects.
[0052]
A second diffraction grating is provided on the upstream side of the laser beam path equalizer, and the second diffraction grating is a surface (vertical surface) orthogonal to the surface (horizontal plane) on which the diffraction grating of FIG. 2 diffracts the beam. It is also possible to set the orientation so that the beam is diffracted at. The second diffraction grating is advantageously arranged in the vicinity of the Fourier plane with respect to the first diffraction grating. Therefore, an imaging optical device is appropriately arranged between the two diffraction gratings.
[0053]
Alternatively, the beam is split into two parts by a beam splitter or equivalent device, after which the two beams are diffracted in mutually orthogonal planes and then superimposed. The path lengths of the two beams are preferably different.
[0054]
Referring now to FIG. 6, the pattern generator 100 includes an SLM 30 having a number of modulation elements individually and multi-valued pixel addressed, an illumination source 10, an illumination beam scrambling device 20, an imaging device. Optical system 40, 70, 50 and a precision positioning board base 60 with interferometer position control system and hardware / software data processing system (not explicitly shown) for the SLM. A workpiece having a photosensitive surface such as a photomask is placed on the substrate before the pattern is generated.
[0055]
The illumination source 10 in the pattern generator is a KrF excimer laser that provides an optical flash length of 10 to 20 nanoseconds at a wavelength of 248 nanometers in the UV region, and its bandwidth is that of the excimer laser. It corresponds to the unique line width. To avoid pattern distortion on the substrate, ensure that the light from the excimer laser is evenly distributed across the SLM surface and that the light does not produce laser spots on the substrate. It has a sufficiently short coherence length.
[0056]
In order to achieve these two objectives, a beam scrambler or conditioner 20 is used. The beam scrambler or conditioner 20 splits the beam from the excimer laser into several beam paths with different path lengths and then adds them together to reduce the spatial coherence length. The beam scrambler additionally or alternatively includes a coherence reducer and beam equalizer composed of a device as shown in FIG. 2 providing a “top hat” like light distribution. Alternatively, any of the other embodiments of the equalizer of the present invention as described above can be utilized in the pattern generator 100.
[0057]
The beam scrambler or conditioner 20 includes another optical device such as a diffuser, a beam shaper such as a beam expander, a field stop aperture 450, an irradiator stop having an irradiator stop aperture, and a relay lens. It is possible to configure
[0058]
Light from the SLM is relayed to the substrate on the workpiece and imaged. This operation is performed using a Schlieren optical projection system (see Sandstrom, which is hereby incorporated by reference in its entirety), as well as references therein.
[0059]
The electronic data delivery system receives a digital description of the pattern to be printed, extracts a series of partial patterns from the digital pattern description, and converts the partial pattern into a modulator signal And supplying this signal to the modulator. The precision mechanical system moves the workpiece relative to the projection system, and the electronic control system coordinates the movement of the workpiece, the supply of signals to the modulator, and the emitted radiation. One large pattern is combined from partial images generated by a series of partial patterns.
[0060]
For further details regarding this type of pattern generator, refer to the above-mentioned (Patent Document 1) and (Patent Document 2) incorporated in this specification.
FIG. 7 shows a schematic top view of an apparatus 100 similar to FIG. 6 but arranged for inspecting a surface pattern on the workpiece 60. The apparatus of FIG. 7 includes a source 10 configured to emit a spatially coherent radiation beam, and a radiation beam conditioning device configured to shape and equalize the spatial intensity distribution of the radiation beam. 20, a spatial light modulator 30 having a number of modulating elements that are irradiated by a conditioned radiation beam, and an image of the spatial light modulator on the photosensitive surface of the workpiece 60. And projection systems 40, 70, 50.
[0061]
The apparatus further comprises a camera 80 with imaging optics 90 suitable for inspecting the image of the spatial light modulator as produced on the surface of the workpiece 60.
Radiation beam conditioning device 60 includes a device for equalizing a spatially coherent radiation beam according to any of the embodiments of the invention as described above.
[0062]
Next, another embodiment of a device for equalizing a spatially coherent beam of radiation according to the present invention will be described with reference to FIGS. 8a to 8e.
The spatial coherence of the beam can be reduced by using a micromirror array. A micromirror array is a device in which a large number of small reflective surfaces are fabricated on a larger substrate, and the normal of each surface of the micromirror is tilted at an angle with respect to the normal of the substrate surface. Yes. The width d of the micromirror is considerably smaller than the width of the substrate.
[0063]
When the incoming beam is reflected (not diffracted) on the surface of the micromirror, it will be split into smaller sub-beams, introducing a wavefront lag X to the incoming beam between adjacent sub-beams. Is done. This wavefront lug X is described by the following equation.
[0064]
X = d / tan (φ) (Formula 11)
In the above equation, φ is the tilt angle of the micromirror, and d is the width of the micromirror (see FIG. 8a). Therefore, the spatial coherence of the reflected beam will be limited to the micromirror width d, even if the spatial coherence length of the incoming beam is greater than d.
[0065]
A micromirror array device has a common reflection direction so that the micromirrors are arranged in a pattern on its surface and can reduce spatial coherence in two orthogonal directions of the incoming beam cross section It is possible to make it so that it faces. This idea is schematically illustrated in FIG. 8e.
[0066]
Such devices can be produced in many ways, such as diamond machining, high temperature pressing of plastics, assembly of small prisms, selective etching of crystalline silicon.
[0067]
One well-designed method relies on preferential etching of silicon or similar crystalline material. A silicon wafer having an 1-1-1 orientation produces a square structure when subjected to etching in a solution that provides preferential etching. An example of such a solution is potassium hydroxide, but other etchants well known in the art are equally applicable. A photoresist pattern is created that protects one area and exposes another area to the etchant. Design methods for resist patterns are well known in the art.
[0068]
FIGS. 8b-d represent patterns produced by preferential etching for silicon with 1-1-1 orientation. The facets are determined by the crystal orientation of the crystal and are therefore flat and parallel to each other. The facets are displaced in both directions with reference to the adjacent surfaces. In a properly designed device, any facet is displaced from its adjacent face in the propagation direction by half the temporal coherence length, and preferably more. A displacement of one coherence length is added by a displacement of half the coherence length in the propagation direction. Thereby, the interference between the light reflected from one facet and the light reflected from the adjacent facet is weakened or completely eliminated.
[0069]
Facets that are not close to each other can have the same delay because they are not coherent in the incident beam. A two-dimensional device having a reflective configuration operates better in a direction parallel to the incident surface than in an operation perpendicular to the surface. Therefore, the most efficient direction is preferably directed to the beam direction in which the necessity of extinction of coherence is greatest.
[0070]
The above discussion on micromirror arrays is equally valid for refractive optics, with the necessary modifications.
[Brief description of the drawings]
[0071]
FIG. 1 is a schematic top view of a radiation beam equalizer according to the prior art.
FIG. 2 is a schematic top view of a device for equalizing a spatially coherent beam of radiation according to a preferred embodiment of the present invention.
3 represents a schematic top view of a diffraction grating as included in the device of FIG. 2 and visualizes the principle of spatial coherence length reduction according to the present invention.
4 is a diagram of temporal and spatial coherence lengths of a radiation beam diffracted by the diffraction grating of FIG.
FIG. 5a is a diagram before diffraction by a diffraction grating of an interference fringe sharpness function in a short direction of a laser beam having a rectangular cross section so that the spatial coherence length reduction obtained by the diffraction grating can be easily observed.
FIG. 5b is a diagram after diffraction by the diffraction grating of an interference fringe sharpness function in the short direction of a laser beam having a rectangular cross section, which makes it possible to easily observe the reduction of the spatial coherence length obtained by the diffraction grating.
FIG. 6 is a schematic of an apparatus for high precision printing of a surface pattern on a photosensitive surface of a workpiece, such as a semiconductor device and a photomask for a display, comprising a device of the present invention relating to radiation beam equalization Top view.
7 is a schematic top view showing an apparatus similar to FIG. 6 arranged for inspection. FIG.
FIG. 8a is a side view illustrating the use of an array of micromirrors as included in a device for equalizing a spatially coherent beam of radiation according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8b is a side view illustrating the use of an array of two-dimensional micromirrors as included in a device for equalizing a spatially coherent beam of radiation according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8c is a top view illustrating the use of an array of two-dimensional micromirrors as included in a device for equalizing a spatially coherent beam of radiation according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8d is an incident light angle diagram illustrating the use of an array of two-dimensional micromirrors as included in a device for equalizing a spatially coherent beam of radiation according to another embodiment of the present invention. .
FIG. 8e is a perspective view illustrating the use of an array of two-dimensional micromirrors as included in a device for equalizing a spatially coherent beam of radiation according to another embodiment of the present invention.

Claims

A device for equalizing the spatial intensity distribution of a spatially coherent radiation beam (11) comprising:
In order to diffract the coherent beam and reduce the spatial coherence length of the diffracted radiation beam in a direction orthogonal to the propagation direction of the radiation beam with respect to the width of the radiation beam in the orthogonal direction, A diffraction grating (13) disposed in the propagation path of the spatially coherent radiation beam;
To divide the diffracted radiation beam into spatially separated parts and superimpose the spatially separated parts, thereby forming a radiation beam having a uniform spatial intensity distribution And a radiation splitting / orientation array (15, 17, 19) disposed in the propagation path of the diffracted radiation beam.

The device of claim 1, wherein each of the spatially separated portions has a shorter cross-sectional width (D) compared to a spatial coherence length (l _s ) of the radiation beam.

Each of the spatially separated portions has a cross-sectional width (D) that is longer, preferably considerably longer, in the orthogonal direction compared to the spatial coherence length of the diffracted radiation beam. 3. A device according to claim 1 or 2, which prevents adjacent parts from interfering with each other when they are superimposed.

The spatially coherent radiation beam is temporally coherent and has a shorter temporal coherence length (l _t ) compared to the spatial coherence length (l _s ) at the position of the diffraction grating. The device according to any one of claims 1 to 3.

The device of claim 4, wherein the diffraction grating reduces a coherence length of the diffracted radiation beam in the orthogonal direction to approximately the same magnitude as a temporal coherence length of the diffracted radiation beam.

6. A device according to any one of the preceding claims, wherein the diffracted radiation beam is first order.

The device according to claim 1, wherein the diffraction grating is a transmission diffraction grating.

The device according to claim 1, wherein the diffraction grating is a reflective diffraction grating.

The device of claim 8, wherein the diffraction grating is arranged in a Littrow configuration.

The radiation beam has a rectangular cross section, and the diffraction grating is arranged to expand the radiation beam in one direction, thereby diffracted radiation having a substantially secondary cross section. 9. A device according to any one of the preceding claims, obtaining a beam.

The split / orientation array includes an array of lenses each refracting a corresponding one of the spatially separated portions and the spatially separated portions to each other. 11. A device according to any one of the preceding claims, comprising a lens array for imaging on top of each other.

The segmentation / direction designating arrangement includes first and second cylindrical lenses, each of the lenses of the first array corresponding to one of the spatially separated portions. One of the second array of lenses is refracted in a first direction, and each of the lenses of the second array has a second corresponding one of the spatially separated portions orthogonal to the first direction. 12. The device of claim 11, wherein the device is refracted in a direction, thereby allowing different magnifications in the first and second directions for each of the spatially separated portions.

The split / orientation array includes third and fourth cylindrical lenses, each of the second array of lenses corresponding to one of the spatially separated portions. One refracting in the first direction, and each of the lenses of the fourth array refracting a corresponding one of the spatially separated portions in the second direction. The lenses of the third array are located in or near the focal plane of the lenses of the first array and the lenses of the fourth array are the focal points of the lenses of the second array 13. The device of claim 12, wherein the device is located in or near the focal plane, thereby avoiding diffraction patterns from the edges of the lenses of the first and second arrays.

11. The division / direction designating array according to any one of claims 1 to 10, including an array of mirror elements each reflecting a corresponding one of the spatially separated portions. The device described.

11. A device according to any one of the preceding claims, wherein the split / direction designating arrangement comprises a Fresnel diffractive element.

16. The device according to any one of claims 1 to 15, wherein the device further comprises a radiation beam stretcher disposed in the propagation path of the radiation beam upstream of the diffraction grating for stretching the radiation beam. device.

For use in an apparatus (100) for high-precision printing or inspection of surface patterns using a spatially coherent beam of radiation (11) on a photosensitive surface of a workpiece, in particular on a photomask for semiconductor devices and displays A radiation beam conditioning device for performing the conditioning, wherein the conditioning device is:
A radiation beam equalizer for equalizing a spatial intensity distribution of the spatially coherent radiation beam, the equalizer comprising:
In order to reduce the coherence length of the radiation beam diffracted by the coherent beam in a direction perpendicular to the propagation direction of the radiation beam with respect to the width of the radiation beam in the orthogonal direction, the space A diffraction grating (13) disposed in the propagation path of a coherent beam of radiation,
In order to divide the diffracted radiation beam into spatially separated parts and superimpose the spatially separated parts to form a radiation beam having a spatial intensity distribution equalized thereby. A radiation splitting / orientation array (15, 17, 19; 20) disposed in the propagation path of the diffracted radiation beam;
A device comprising:

Each of the spatially separated portions has a cross-sectional width (D) that is longer, preferably considerably longer, in the orthogonal direction compared to the coherence length of the diffracted radiation beam, thereby adjacent The device according to claim 17, wherein the parts to be prevented from interfering with each other when superimposed.

An apparatus (100) for high precision printing or inspection of a surface pattern on a photosensitive surface of a workpiece, in particular on a photomask for semiconductor devices and displays,
A source (10) configured to emit a spatially coherent beam of radiation;
A radiation beam conditioning device (20) configured to shape and equalize a spatial intensity distribution of the radiation beam;
A spatial light modulator (30) having a number of modulating elements arranged to be illuminated by the conditioned radiation beam;
A projection system (40, 50) configured to generate an image of a spatial light modulator on a photosensitive surface of a workpiece, said radiation beam conditioning device comprising:
In order to reduce the coherence length of the radiation beam diffracted by the coherent beam in a direction orthogonal to the propagation direction of the radiation beam with respect to the width of the radiation beam in the orthogonal direction, the space A diffraction grating (13) arranged in the propagation path of a coherent beam of radiation,
To divide the diffracted radiation beam into spatially separated parts and superimpose the spatially separated parts, thereby forming a radiation beam having a uniform spatial intensity distribution A radiation splitting / orientation array (15, 17, 19) disposed in the propagation path of the diffracted radiation beam;
A device (100), comprising:

Accepting a digital description of a pattern to be printed or inspected, extracting a series of partial patterns from the digital pattern description, converting the partial pattern into a modulator signal, and modulating the signal An electronic data delivery system configured to:
A precision machine system configured to move the workpiece relative to the projection system;
The movement of the workpiece, the supply of signals to the modulator, and the emitted radiation are coordinated, thereby combining the partial images generated by the series of partial patterns together into one large pattern. An electronic control system configured to obtain;
The apparatus of claim 19.

A method for equalizing the spatial intensity distribution of a spatially coherent radiation beam,
Diffracting the coherent beam, and reducing the coherence length of the diffracted radiation beam in a direction orthogonal to the propagation direction of the radiation beam with reference to the width of the radiation beam in the orthogonal direction;
Splitting the diffracted radiation beam into spatially separated parts;
Superimposing the spatially separated portions to form a radiation beam having a uniform spatial intensity distribution;
A method characterized by comprising:

A method for high precision printing or inspection of a surface pattern on a photosensitive surface of a workpiece, in particular on a photomask for semiconductor devices and displays, comprising:
Emitting a spatially coherent beam of radiation;
Equalizing the spatial intensity distribution of the radiation beam;
Illuminating a spatial light modulator having a number of modulation elements with the equalized radiation beam;
Generating an image of a spatial light modulator on the photosensitive surface of the workpiece by a projection system, and the step of equalization comprises:
Diffracting the coherent beam, and reducing the coherence length of the diffracted radiation beam in a direction perpendicular to the propagation direction of the radiation beam with reference to the width of the radiation beam in the orthogonal direction;
Splitting the diffracted radiation beam into spatially separated parts;
Forming a radiation beam having a spatial intensity distribution that is superposed by overlapping the spatially separated portions;
A method comprising the steps of:

A device for equalizing the spatial intensity distribution of a spatially coherent radiation beam,
In order to reduce the spatial coherence length in a direction orthogonal to the propagation direction of the radiation beam by deflecting the coherent beam and deflected thereby, with reference to the width of the radiation beam in the orthogonal direction, A deflection device disposed in a propagation path of the spatially coherent radiation beam;
To divide the deflected radiation beam into spatially separated parts and superimpose the spatially separated parts, thereby forming a radiation beam having a uniform spatial intensity distribution A radiation splitting / orientation arrangement disposed in the propagation path of the deflected radiation beam.

24. The device of claim 23, wherein the deflection device comprises a segmented mirror or micromirror array.

24. The device of claim 23, wherein the deflection device comprises refractive optics.

The deflection device is a two-dimensional array of optical instruments, each including a two-dimensional array of optical instruments that are displaced relative to its adjacent optical instruments, and the beam in two orthogonal directions. 26. A device according to any one of claims 23 to 25 configured to reduce the overall spatial coherence length.