CN1078358C - 照明装置、包含它的曝光装置及曝光方法 - Google Patents

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Abstract

一种照明装置，它备有对光源来的光聚光的聚光反射部件；对经该聚光反射部件的光接收积分并射出的棒状光学积分仪；和将经过该光学积分仪的光按预定大小作成适合于点照射的平行光束的投影透镜系统。该照明装置使用可获得光强度分布均匀光束的构造简单的棒状光学积分仪，从而能高解像度曝光并能小型化。

Description

照明装置、包含它的曝光装置及曝光方法
本发明涉及使用于制造半导体装置或液晶显示装置等中适合曝光的照明装置、包含该照明装置的曝光装置及使用该照明装置的曝光方法。
作为上述装置中所用曝光方法之一，有已知的近程(proximity)曝光方法。该曝光方法一边使涂覆着感光剂的玻璃基板或晶片(下面简称为基板)和掩膜(mask)呈接近状态支持着，一边从掩膜上方发射照明光。从而将掩膜图形复印到感光剂上。该曝光方法与投影曝光方法相比，由于不需复杂的透镜系统或高精度的台架(stage)，所以其曝光装置价格低。与紧贴曝光方法相比，由于掩膜和基板未直接接触，所以不易发生因感光剂剥落形成的次品。
已有的近程曝光装置，如图4所示，水银灯51作为光源，聚光镜52将来自该光源的光聚光(集光)。冷反射镜(cold mirror)53将聚光后的光反射后，用复眼透镜(fly eye lens)54和非球面镜55积分，变成光强度分布均匀的平行光束56，适合于照明预定大小的点光。然后，通过掩膜59将该平行光束56投射到基板57被曝光面58的局部部位上。投射到该局部的光，通过照明系侧与被曝光面58和掩膜59侧的相对移动进行扫描曝光。由此，对预定区域曝光并复印掩膜图形。
但是，上述近程曝光方法的解像度(分辨率)依赖于被曝光面58和掩膜59的间隙距离60。设可解像(分辨)的最小线宽为ds，光源的波长为λ，间隙距离60为G时，则最小线宽ds用下式表示。
ds＝(2λG)
例如，在用水银灯51作光源制造液晶显示装置情况下，由于解像度ds＝3μm是必须的，所以间隙距离60必须在10μm左右。然而，基板57被曝光面58上通常有10-20μm的起伏。为了对其处理，在图4所示曝光装置中，将用平坦化夹具(chuck)61支持的基板57沿邻接于曝光台的高度测定台(未图示)移动并测量被曝光面58的高度。然后，根据该测量结果，调整平坦化夹具61内的上下动元件62，使被曝光面58平坦化。由此，使被曝光面58和掩膜59的间隙60均匀。其后，调整Z台架(stage)63，将间隙设定在10μm左右。再在曝光台上移动进行扫描曝光。
在上述扫描曝光中，不需要像一次整体曝光方式中那样的大口径聚光透镜，所以曝光装置价格低，且容易进行倍率补正。
但是，在上述已有技术的曝光装置中，由于在将水银灯51的光积分成平行光束56过程中使用复眼透镜54和非球面镜55，所以必须按特殊形状高精度制作它们。因此，照明装置造价还较高。再有，由照明装置的复眼透镜54和非球面镜55构成的积分系统的光路长度比较长，成为照明装置整体大型化的原因。而且，为使照明装置小型化必须使复眼透镜54小型化，此时复眼透镜54过于细小而无实用性。因此，虽希望有能消除这些问题的照明装置，但至今未能提供满足该要求的照明装置。
本发明者等对其进行种种研究，反复实验，认识到用小而简单的光学部件充分发挥其积分功能。
本发明的目的在于，通过将新认识的光学积分元件与常用的投影光学系统相组合，提供小型价低、具有预定大小且非常均匀光强度分布、能点照射的照明装置，包含该照明装置的曝光装置及使用该照明装置的曝光方法。
为完成上述目的，本发明的照明装置，具有：光源，对来自上述光源的光聚光的聚光反射部件，从一端接受经上述聚光反射部件的光、从另一端射出使该光强度分布均匀的光束的具有多边形截面形状的棒状光学积分仪，放大投影上述光学积分仪出射面中的像并将上述光束变为平行光束的投影透镜系统，其中，所述棒状光学积分仪的长度与所述截面形状中相对两边之间距离中的最长距离之比在2至50范围中。
本发明的曝光装置，备有照明装置，该照明装置具有：光源，对来自上述光源的光聚光的聚光反射部件，从一端接受经上述聚光反射部件的光、从另一端射出使该光强度分布均匀的光束的具有多边形截面形状的棒状光学积分仪，放大投影上述光学积分仪出射面中的像并将上述光束变为平行光束的投影透镜系统，其中，所述棒状光学积分仪的长度与所述截面形状中相对两边之间距离中的最长距离之比在2至50范围中。该曝光装置还备有使上述照明装置与基板相对移动的移动手段，和设置在照明装置中的平行光束出口附近的使掩模局部变形的掩模变形手段。
本发明的曝光方法，用照明装置通过掩膜对基板被曝光面的局部进行照明，所述照明装置包含：光源，对来自上述光源的光聚光的聚光反射部件，从一端接受经上述聚光反射部件的光、从另一端射出使该光强度分布均匀的光束的具有多边形截面形状的棒状光学积分仪，放大投影上述光学积分仪出射面中的像并将上述光束变为平行光束的投影透镜系统，其中，所述棒状光学积分仪的长度与所述截面形状中两对边之间距离中的最长距离之比在2至50范围中；通过使上述照明装置侧与上述被曝光面及上述掩膜侧相对移动对上述被曝光面预定区域进行扫描；通过对上述区域曝光，将掩膜图形复印到上述被曝光面上；在进行上述扫描曝光时，利用设置在照明装置中平行光束出口附近使掩模局部变形的掩模变形手段来调整掩模和曝光面之间的距离。
本发明的照明装置，用聚光反射部件聚光的来自照明光源的光从棒状光学积分仪的一端将其接收并从另一端射出。此时，由于光学积分仪为棒状，所以从一端接收的光至从另一端射出期间，该光一面在内表面上反复进行种种反射一面进行积分。然后，被积分的光作为具有均匀光强度分布的光束从光学积分仪的整个出射面射出。因此，仅用一个小而简单的光学部件，就能获得按预定大小适合于均匀的点光照射的照明光束。通过用投影透镜系统最终将该光束变换为按预定大小适合于点光照射的平行光束，从而实现高精度的预定局部的照明。而且能获得小型价低且不会降低性能的照明装置。
在组入本发明照明装置的曝光装置中，由于照明装置小型，所以其支持机构或驱动装置也小型，装置的整体小而价低。
在本发明的曝光方法中，用上述照明装置，将按预定大小适合点光照射的均匀平行光束经掩膜对被曝光面的局部进行照明。然后，对被曝光面的预定区域进行扫描，在预定区域的整个区域上进行均匀的局部照明曝光。因此，不管在多么大范围的被曝光面上也能通过均匀照明进行均匀曝光，从而能高精度地复印掩膜图形。
下面参照附图，具体说明本发明一较佳实施例。
图1表示用本发明一实施例的照明装置构成的曝光装置的概略结构图；
图2表示图1所示照明装置的积分系统及投影系统的剖面图；
图3表示图1所示光学积分仪剖面中光强度分布图；
图4为用已有技术照明装置构成曝光装置的概略结构图。
图1为表示照明装置及利用该照明装置的曝光装置的整体概示图。图2(a)为图1所示照明装置的积分系统及投影系统的正面剖面图，图2(b)为其平面剖面图。图3为表示光学积分仪3出射面上光强度分布图。
照明装置，如图1所示，它备有：作为聚光反射元件的椭圆反射镜2，对来自光源水银灯1的光聚光(集光)；一端接受并积分经该椭圆反射镜2的光另一端将光射出的棒状光学积分仪3；将经该光学积分仪3的光作为按预定大小适合于点光照射的平行光束10的投影透镜系统4。按照用途或各条件也可使用水银灯1以外的其它光源。
用冷反射镜(cold mirror)5和光纤6将椭圆反射镜2所聚的光入射到光学积分仪3的一端。投影透镜系统4如图1、图2所示，是由透镜组4a和透镜组4b 2组构成的放大投影系统所构成，2组之间设有反射镜7，将光路直角折曲(反射)。冷反射镜5，光纤6，及反射镜7可省略，也可用其它构件替代。但，冷反射镜5，光纤6，及反射镜7适当选择光路避开其它干涉，将所要部件集中于特定区域配置，方便使用。
椭圆反射镜2聚光的水银灯1的光，通过冷反射镜5及光纤6入射到棒状光学积分器3的一端，并从另一端射出。此时，在光学积分仪3中，由于为棒状，所以从一端接受的光至另一端射出期间在光学积分仪3的内周面中反复反射，同时被积分。也即，具有预定发散角的光束入射光学积分仪3时，该光束便在光学积分仪3内表面不断来回反射进行积分，在垂直于光轴的面内形成多个视在点光源的像。然后，在光学积分仪3的出射面上重叠着看起来像是如从多个视在点光源的像射出的光束。因此，入射光束作为光强度分布均匀的光束射出。构成光学积分仪3的反射面为平面，且相对面相互平行时，光束入射光学积分仪3时相对各光线光轴的角的绝对值，通过光学积分仪3也不会改变。因此，由投影透镜系统4形成的平行光束10具有的光强度分布角度依存性基本上相似于入射光学积分仪3的光束所具有的角度依存性。若平行光束10具有光强度分布角度依存性，则会对使用该照明装置的曝光装置的解像度(分辨率)产生不利影响。这种情况下，为了减少入射光学积分仪3的光的强度分布的角度依存性，有效的办法是设置角度分布的平滑化手段。可使用表面上具有凹凸的透射面或反射面作为这种手段。例如，可以在光学积分仪3之前设置具有凹凸表面的板使光透射。或，根据光在光纤内边反射边前进，可利用光纤原有的弯曲充当上述凹凸作用。因此，也可将具有弯曲的光纤设置在光学积分仪3之前。
通过如上所述积分功能，具有如图3所示均匀光强度分布40的光束从光学积分仪3的整个出射面射出。因此，仅使用像棒状的光学积分仪3那样的一个小而简单的光学部件，就能获得均匀的光束。然后，用投影透镜系统4将该均匀光束最终变换成具有预定大小的适合于点照射的平行光束10，从而实现高精度的预定的局部照明。用上述结构能将照明装置作成小型价低且性能不会降低的设备，有效地适用于近程曝光或其它各种局部照明。
图3所示本实施例的实验数据为光学积分仪3作成正方形断面形状情况下的数据，能获得较佳结果。但，光学积分仪3的断面形状不限定于正方形，当然也可采用断面形状为三角形或圆形等各种形状的结构。但是，为了获得更均匀的光强度分布，断面形状最好为四角形或六角形等多角形。再有，在本实施例中将断面横宽尺寸为6mm×6mm，长为150mm的石英棒用作光学积分仪。在光学积分仪3的形状中，长度与断面中相对两边之间距离中的最长距离之比最好在2至50范围中。例如，断面为6mm×6mm时，长度最好在12mm至300mm之间。光学积分仪3的长度太短，则得不到足够均匀的光强度分布，太长，则难以将光学积分仪3支撑在照明装置内。在用水银灯作光源情况下，光学积分仪3的材料最好用石英。但在用激光光源作光源情况下，也可用玻璃。
平行光束10，最后通过作为光束整形手段的孔径(aperture)8，整形成预定形状尺寸。该孔径8也可按需要设计。
图1所示曝光装置，使用其表面上涂复感光剂的玻璃制基板11，经接近于它的掩膜12对涂复该感光剂的被曝光面11a进行近程曝光，并表明将掩膜图形复印到被曝光面11a感光剂上的情况。在该曝光装置中，用照明装置通过掩膜12对被曝光面11a的局部11b进行照明。然后，通过照明装置侧与被曝光面11a及掩膜12侧的相对移动，对被曝光面11a的预定区域进行扫描曝光。
根据这种相对移动，照明装置及基板11分别支持于各支持机构上。即，照明装置支持于由设于台架上可在Y方向上移动的Y系统(未图示)，在该Y系统上可在X方向上移动的X系统14，和在该X系统14上可在Z方向上移动的Z系统15构成的支持机构上。另一方面，基板11通过石英夹具13支持于由设于台架上可作XY2方向移动的XYθ系统(未图示)，和在该系统上可作Z方向移动的Z系统(未图示)构成的支持机构上。
通过上述构成，可进行曝光各部分的位置调节，基板11的被曝光面11a与掩膜12间的间隙9的调节，及曝光扫描。
上述扫描间断进行，使得满足各局部11b所需曝光时间。借助于X系统14及Y系统的移动，使照明装置在基板11被曝光面11a的预定的整个曝光带域上进行移动扫描曝光。然后，进行这种曝光时，与照明装置同步使XYθ系统在与扫描方向相同方向上作微小移动。由此获得误差分配，并对掩膜图形进行倍率补正，复印到基板11上。
借助照明装置的间断扫描，对每个曝光局部11b进行间隙9的调节。这里对其进行说明。照明装置设有孔径8的平行光束10的出口部构成图1所示喷嘴(nozzle)。
经过空气配管21从该喷嘴喷出空气源22供给的压缩空气。由此使掩膜12局部变形。若用P表示喷嘴出口压力，用S表示喷嘴断面积，则加给掩膜12的力F为F＝PS。例如，在使用大小为360mm×465mm、厚度为4mm的掩膜，和断面积为4cm2的喷嘴情况下，使掩膜12弯挠至几十μm所需压力P为数百g/cm2。由于喷嘴压力P取决于喷嘴前端与掩膜12上面之间距离，所以一旦照明装置下降则压力P变大，掩膜12的变形量也大。
基板11的被曝光面11a与掩膜12间的间隙距离9用激光反射型间隙计测手段23测量。根据该测量结果的输出信号和设定器(未图示)设定的间隙信号，使Z台架(stage)15仅移动对应于双方偏差信号的量。由此，总是使间隙9保持设定值。所以能以高解像度(分辨率)完成整个区域的扫描曝光。
如上所述，在本实施例中，即使是大范围被曝光面11a也能借助均匀照明进行均匀稳定的曝光，能高精度地将掩膜图形复印到被曝光面11a上。而且，由于照明装置小型，所以能通过移动照明装置侧进行扫描曝光。因此，能使扫描曝光的支持机构或驱动装置小型化，消除照明装置大大超出被曝光面11a范围的问题，并使装置整体小而价格低。
在本实施例中，在照明装置喷嘴周围形成排气口(port)，并设有通过真空配管31连接于真空源32的吸引口。因此，通过该吸引口以负压状态能将平行光束10照射的掩膜12区域的周边部分吸引向上，所以掩膜12变形更限于局部，使掩膜12和被曝光面11a更接近。上述结构可获得更高解像度。也可根据需要使用上述结构。
本发明的照明装置，仅用一个小而简单的光学部件就能获得均匀的照明光束，通过投影透镜系统最终将该光束作成以预定大小点照射的平行光束，以高精度实现预定的局部照明。因此能作成性能不会下降的由照明装置构成小而价低的设备。
在装有本发明照明装置的曝光装置中，由于照明装置小，所以能通过照明装置的移动进行扫描曝光。因此，能使用于扫描曝光的支持机构或驱动装置小型化，消除照明装置大大超出曝光范围的问题，使装置整体小而价低。
若使用本发明的曝光方法，则由于预定大小适合于点照射的均匀平行光束，所以能对被曝光的预定区域作扫描曝光，并能在任意大范围的被曝光面上高精度复印掩膜图形。

Claims (6)

1.一种曝光装置，其特征在于，它备有：
照明装置，该照明装置具有：光源，对来自上述光源的光聚光的聚光反射部件，从一端接受经上述聚光反射部件的光、从另一端射出使该光强度分布均匀的光束的具有多边形截面形状的棒状光学积分仪，放大投影上述光学积分仪出射面中的像并将上述光束变为平行光束的投影透镜系统，其中，所述棒状光学积分仪的长度与所述截面形状中相对两边之间距离中的最长距离之比在2至50范围中；
使上述照明装置与基板相对移动的移动手段；
设置在照明装置中的平行光束出口附近的使掩模局部变形的掩模变形手段。
2.如权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，上述掩膜变形手段具有喷出压缩气体的喷嘴。
3.如权利要求1或2所述的曝光装置，其特征在于，上述掩膜变形手段具有配置在上述喷嘴附近并对上述掩膜附近进行局部减压的吸引口。
4.一种曝光方法，其特征在于，
用照明装置通过掩膜对基板被曝光面的局部进行照明，所述照明装置包含：光源，对来自上述光源的光聚光的聚光反射部件，从一端接受经上述聚光反射部件的光、从另一端射出使该光强度分布均匀的光束的具有多边形截面形状的棒状光学积分仪，放大投影上述光学积分仪出射面中的像并将上述光束变为平行光束的投影透镜系统，其中，所述棒状光学积分仪的长度与所述截面形状中两对边之间距离中的最长距离之比在2至50范围中；
通过使上述照明装置侧与上述被曝光面及上述掩膜侧相对移动对上述被曝光面预定区域进行扫描；
通过对上述区域曝光，将掩膜图形复印到上述被曝光面上；
在进行上述扫描曝光时，利用设置在照明装置中平行光束出口附近使掩模局部变形的掩模变形手段来调整掩模和曝光面之间的距离。
5.如权利要求4所述的曝光方法，其特征在于，上述被曝光面与上述掩膜间距离的调节是通过喷出压缩气体使上述掩膜局部变形同时进行的。
6.如权利要求4或5所述的曝光方法，其特征在于，上述被曝光面与上述掩膜间距离调节是一边对上述掩膜附近进行局部减压一边进行的。
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