DE69837358T2

DE69837358T2 - Beleuchtungssystem und Belichtungsapparat

Info

Publication number: DE69837358T2
Application number: DE69837358T
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Ohta-ku Tsuji
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-03-24
Filing date: 1998-03-20
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2018-03-21
Also published as: JP3005203B2; TW396397B; EP0867772A2; KR100305657B1; JPH10270312A; EP0867772A3; EP0867772B1; KR19980080521A; DE69837358D1; US6285855B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG UND VERWANDTER STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem, eine Belichtungsvorrichtung und ein Bauelementherstellungsverfahren. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Beleuchtungssystem, eine Belichtungsvorrichtung und ein Bauelementherstellungsverfahren, wobei ein Excimer-Laser zum Emittieren von Licht aus einem Ultraviolettbereich als eine Lichtquelle verwendet wird, um die Oberfläche eines Wafers oder die Oberfläche eines Reticle bzw. Fadenkreuzes, wo ein feines Muster wie ein elektronisches Schaltungsmuster ausgebildet wird, gleichmäßig zu beleuchten.
In einem Halbleiter-Chip-Herstellungsprozeß werden feine Muster bzw. Strukturen, die auf verschiedenen Masken ausgebildet sind, sequentiell auf die Oberfläche eines Wafers bzw. einer Scheibe übertragen und überlagert. Zu diesem Zweck beleuchtet ein Beleuchtungssystem einer Belichtungsvorrichtung eine Maske oder ein Reticle, welche/welches an einer Position angeordnet ist, die zu der Oberfläche eines Wafers optisch konjugiert ist, wobei ein Muster bzw. eine Struktur der Maske auf die Wafer-Oberfläche über eine Projektionslinse projiziert und übertragen wird.
Die Qualität eines auf den Wafer übertragenen Bilds wird in hohem Maße von der Güte des Beleuchtungssystems beeinflußt, z.B. die Gleichmäßigkeit der Beleuchtungsverteilung auf der Maskenoberfläche oder Wafer-Oberfläche.
Die japanische offengelegte Patentanmeldung, Offenlegung Nr. 913/1989, Nr. 295215/1989, Nr. 271718/1989 oder Nr. 48627/1990 schlägt ein Beleuchtungssystem vor, wobei die Gleichmäßigkeit der Beleuchtungsverteilung durch Verwendung eines Integrators vom Innenreflexionstyp und eines Integrators vom Wellenfrontteilungstyp verbessert wird.
EP-A-0687956 offenbart ein Beleuchtungssystem, in welchem ein optischer Innenreflexionsintegrator und ein Fliegenaugen-Integrator mit Laserlicht verwendet werden, und ein optisches Zoom-System ist zwischen dem Innenreflexionsintegrator und dem Fliegenaugen-Integrator positioniert. Das in 4b dargestellte Beleuchtungssystem dieser Druckschrift wird als der nächste Stand der Technik für die vorliegende Erfindung angesehen.
US-A-5392094 offenbart ein Beleuchtungssystem, in welchem ein einstellbares Fliegenaugen-Element angeordnet ist, um einen zweiten Fliegenaugen-Integrator über ein optisches Zoom-System zu eliminieren.
13 ist eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Beleuchtungssystems, das einen Integrator vom Innenreflexionstyp und einen Integrator vom Wellenfrontteilungstyp verwendet.
In 13 wird das Laserstrahlenbündel, das von einer Laserlichtquelle 101 emittiert wird, einmal von einem Linsensystem 107 bei einer Position gebündelt, welche nahe der Lichteintrittsfläche eines optischen Rohrs (Integrator vom Innenreflexionstyp) 110 ist, und es wird dann so divergiert, daß es in das optische Rohr 110 mit einem vorbestimmten Divergenzwinkel eintritt, welcher bezüglich der Innenreflexionsfläche des optischen Rohrs 110 definiert ist.
Das auf das optische Rohr divergent einfallende Laserstrahlenbündel wird innerhalb des optischen Rohrs 110 ausgebreitet, während es von dessen Innenfläche reflektiert wird. Somit dient das optische Rohr 110 funktional dazu, eine Vielzahl virtueller Bilder bezüglich der Laserlichtquelle 101 auf einer Ebene (z.B. Ebene 113) zu bilden, welche senkrecht zu der optischen Achse verläuft.
Auf der Lichtaustrittsfläche 110' des optischen Rohrs 110 sind mehrere Laser-Lichtströme, welche von den virtuellen Bildern zu kommen scheinen, das bedeutet, als würden sie von mehreren vermeintlichen oder scheinbaren Lichtquellen emittiert, einander überlagert. Als eine Folge davon wird eine Oberflächenlichtquelle, welche eine gleichmäßige Lichtintensitätsverteilung aufweist, auf der Lichtaustrittsfläche 110' des optischen Rohrs 110 definiert.
Mittels einer Kondensorlinse 105, einer Aperturblende 111 und einer Feldlinse 112 sind die Lichtaustrittsfläche 110' des optischen Rohrs 110 und eine Lichteintrittsfläche 106 einer Fliegenaugen-Linse (Integrator vom Wellenfrontteilungstyp) in einer optisch zugeordneten Beziehung zueinander angeordnet. Somit wird die Oberflächenlichtquelle mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung an der Lichtaustrittsfläche 110' auf der Lichteintrittsfläche 106 der Fliegenaugen-Linse abgebildet. Folglich tritt derartiges Licht, als würde es eine gleichmäßige Schnitt-Intensitätsverteilung aufweisen, in die Fliegenaugen-Linse ein. Die Fliegenaugen-Linse dient dazu, mehrere Lichtquellen (sekundäre Lichtquellen) an deren Lichtaustrittsfläche zu definieren. Lichtstrahlenbündel von diesen sekundären Lichtquellen werden von einer Kondensorlinse (nicht dargestellt) einander überlagert und zwar auf der Oberfläche eines Reticle, was nicht dargestellt ist. Somit wird das Muster bzw. die Struktur des Reticle als Ganzes mit gleichmäßiger Intensität beleuchtet.
Das Beleuchtungssystem von 13 ist mit einer Aperturblende versehen, welche gleich nach der Fliegenaugen-Linse angeordnet ist und eine feste Form und einen festen Durchmesser aufweist. Somit ist die numerische Apertur des Beleuchtungssystems (die Größe der sekundären Lichtquelle) fixiert und demgemäß ist der Zustand der Beleuchtung unveränderbar mit der Größe des kleinsten Musters des Reticle.
Ferner kann in dem Beleuchtungssystem von 13, falls die Laserlichtquelle 101 eine derartige Lichtquelle aufweist (wie eine bestimmte Art von Excimer-Laser), wobei sich der Weg des Laserstrahlenbündels LB in einer senkrecht zu der optischen Achse AX verlaufenden Richtung verschiebt, eine geringe Änderung des optischen Wegs eine Änderung der Intensitätsverteilung von auf jeweiligen Punkten 106 auf der Lichteintrittsfläche der Fliegenaugen-Linse auftreffenden Lichtströmen LF bewirken. Dies führt zu einer Änderung der Beleuchtungsverteilung auf dem Reticle.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Beleuchtungssystem mit einem Integrator vom Innenreflexionstyp und einem Integrator vom Wellenfrontteilungstyp vorzusehen, wie in Anspruch 1 definiert ist.
Ein Beleuchtungssystem gemäß der Erfindung umfaßt ein optisches Abbildungssystem von variabler Vergrößerung, welches vor einem Integrator vom Wellenfrontteilungstyp angeordnet ist. Jedoch ändert sich, falls sich die Abbildungsvergrößerung ändert, der offene Winkel NA des Lichtstroms LF. Insbe sondere kann, wenn die Vergrößerung abnimmt, der offene Winkel NA des Lichtstroms größer werden und zwar übermäßig über den Bereich hinaus, der durch die Linsen der Fliegenaugen-Linse erlaubt ist. Bei jener Gelegenheit wird ein Abschnitt des in das Linsenelement gelangenden Lichts innerhalb des Linsenelements abgedunkelt, so daß einiges Licht nicht auf den erforderlichen Bereich (Richtung) zu emittiert. Dies bewirkt eine Reduktion der Lichtmenge zum Beleuchten des Reticle. Die Erfindung löst dieses Problem.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind ebenso eine Belichtungsvorrichtung und ein Bauelementherstellungsverfahren auf der Basis eines Beleuchtungssystems vorgesehen, das oben beschrieben wurde, und sind in Ansprüchen 8 und 9 jeweils definiert. Die Belichtungsvorrichtung kann eine Reduktionsprojektionsbelichtungsvorrichtung vom Step-and-Repeat-Typ bzw. Schritt-und-Repetier-Typ oder eine Projektionsbelichtungsvorrichtung vom Step-and-Scan-Typ bzw. Schritt-und-Abtast-Typ sein, welche eine Auflösung aufweist, die höher als 0.5 Mikron ist. Ein Bauelement, das mit einer derartigen Belichtungsvorrichtung hergestellt werden kann, kann ein Halbleiter-Chip wie LSI oder VLSI, ein CCD, ein magnetischer Sensor oder ein Flüssigkristall-Bauelement sein.
Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch ersichtlicher werden bei Berücksichtigung der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform des Beleuchtungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
2A und 2B sind jeweils schematische Ansichten, welche jeweils zwei Beispiele eines optischen Emissionswinkelhalteelements zeigen.
3A und 3B sind jeweils schematische Ansichten zur Erläuterung des Schaltvorgangs des Emissionswinkelhalteelements.
4 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Funktion eines Integrators vom Innenreflexionstyp.
5 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung virtueller Bildgruppen wie sie durch den Integrator 4 vom Innenreflexionstyp der Beispiele von 1 – 4 definiert sind.
6 ist eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Belichtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Beleuchtungssystem von 1 inkorporiert ist.
7A und 7B sind jeweils schematische Ansichten einer zweiten Ausführungsform des Beleuchtungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit der für einen kleinen σ-Zustand angeordneten Struktur.
8A und 8B sind jeweils schematische Ansichten der zweiten Ausführungsform des Beleuchtungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit der für einen großen σ-Zustand angeordneten Struktur.
9 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung virtueller Bildgruppen wie sie durch den in 7A – 8B verwendeten Integrator vom Innenreflexionstyp definiert sind.
10 ist eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Belichtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das in 7A – 8B dargestellte Beleuchtungssystem inkorporiert ist.
11 ist ein Flußdiagramm von Bauelementherstellungsprozessen, wobei die Belichtungsvorrichtungen der ersten und zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf den Wafer-Prozeß anwendbar sind.
12 ist ein Flußdiagramm zur Erläuterung von Einzelheiten des Wafer-Prozesses, wobei die Belichtungsvorrichtungen der ersten und zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf den Belichtungsschritt anwendbar sind.
13 ist eine schematische Ansicht eines bekannten Typs von Beleuchtungssystem.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die auf ein Beleuchtungssystem zum Gebrauch in einer Projektionsbelichtungsvorrichtung vom Step-and-Repeat-Typ bzw. Schritt-und-Repetier-Typ oder Step-and-Scan-Typ bzw. Schritt-und-Abtast-Typ zur Herstellung von Bauelementen wie beispielsweise Halbleiter-Chips (z.B. LSI oder VLSI), CCDs, magnetischen Sensoren und Flüssigkristallbauelementen angewendet wird.
In 1 ist mit 1 eine Laser-Lichtquelle wie beispielsweise ein ArF-Excimer-Laser (Wellenlänge: ungefähr 193 nm) oder ein KrF-Excimer-Laser (Wellenlänge: ungefähr 248 nm) bezeichnet. Mit 2 ist ein optisches Emissionswinkelhalteelement bezeichnet, welches eine derartige Funktion aufweist, daß der Emissionswinkel (Divergenzwinkel oder Konvergenzwinkel) von zu emittierendem Licht unverändert ist (bleibt) ungeachtet einer Änderung des Einfallslichts. Mit 3 ist ein optisches Bündelungs- oder Sammelsystem bezeichnet und mit 4 ist ein Lichtmischungsmittel bezeichnet. Mit 5 ist ein optisches Zoom-System bezeichnet und mit 7 ist ein Vielstrom-Lichtstrahlenbündelerzeugungsmittel bezeichnet. Mit 8 ist ein anderes optisches Bündelungssystem bezeichnet und mit 9 ist ein zu beleuchtendes Objekt bezeichnet, wie eine Maske oder ein Reticle, auf der/dem ein Bauelementmuster bzw. eine Bauelementstruktur ausgebildet wird. Mit AX ist eine optische Achse des Beleuchtungssystems bezeichnet.
Im wesentlichen weisen das optische Bündelungssystem 8 und das optische Zoom-System eine Vielzahl von Linsenelementen auf. In einigen Fällen weisen sie zumindest einen Spiegel zum Ablenken des Lichtwegs auf. Es kann einen Fall geben, wo diese optischen Komponenten jeweils ein einzelnes Linsenelement beinhalten.
Ein vorbestimmtes Linsenelement oder Elemente des optischen Zoom-Systems 5 sind bewegbar entlang der optischen Achse AX ausgebildet und zwar durch einen Antriebsmechanismus (nicht dargestellt). Indem die Linsenelemente in einer vorbestimmten Beziehung entlang der optischen Achsenrichtung bewegt werden, wird die Brennweite geändert und wird somit die Bildvergrößerung geändert, wobei die Position der Abbildungsebene fixiert gehalten wird.
Das Lichtmischungsmittel 4 weist ein einzelnes optisches Rohr oder ein Bündel von mehreren optischen Rohren auf. Das optische Rohr kann einen festen Glas-Stab von polygonaler Prismenform oder polygonaler Pyramidenform aufweisen, wobei dessen Oberseite weggeschnitten ist, und es kann aus einem Glasmaterial (beispielsweise Quarz oder Fluorit) hergestellt sein, das eine gute Transmissionsfähigkeit für das Laserstrahlenbündel aus der Laserlichtquelle 1 aufweist. Alternativ kann das optische Rohr ein hohles optisches Element wie ein Kaleidoskop aufweisen, wie es durch drei oder mehr flache Spiegel, die zu einer zylindrischen Form angeordnet sind, vorgesehen werden kann, wobei deren Reflexionsflächen entgegengesetzt sind. Ein derart hohles optisches Element kann eine Außenform eines polygonalen Prismas oder einer polygonalen Pyramide aufweisen, wobei dessen Oberseite weggeschnitten ist.
Die Reflexionsfläche an der Seitenfläche des optischen Rohrs (d.h. die Grenzfläche mit der Luft in dem Fall des Glas-Stabs und die Innenreflexionsfläche in dem Fall des hohlen optischen Elements) ist flach und sie weist einen hohen Reflexionsfaktor auf. Das Lichtmischungsmittel 4 arbeitet wie folgt: es breitet das empfangene Licht aus, während zumindest ein Abschnitt des empfangenen Lichts von der Reflexionsfläche an dessen Seitenfläche reflektiert wird, und Lichtstrahlen des empfangenen Lichts werden miteinander gemischt, wobei eine Oberflächenlichtquelle (Licht) mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung an dessen oder angrenzend zu dessen Lichtaustrittsfläche 4' gebildet wird. In dieser Patentschrift wird das Lichtmischungsmittel 4 oder ein Element, welches dieselbe Funktion wie das Lichtmischungsmittel 4 aufweist, als „Integrator vom Innenreflexionstyp" bezeichnet.
Ein Vielstromlichterzeugungsmittel 7 weist beispielsweise eine Fliegenaugen-Linse, welche eine Anzahl kleiner Linsen aufweist, eine linsenförmige Linse oder ein Bündel von optischen Fasern auf. Es dient funktional dazu, die Wellenfront des empfangenen Lichts, das auf seine Lichteintrittsfläche 7' einfällt, in mehrere Abschnitte aufzuteilen und eine Oberflächenlichtquelle (Licht), welche aus mehreren Punktlichtquellen besteht, an dessen oder angrenzend zu dessen Lichtaustrittsfläche 7'' zu bilden. Die Lichtstrahlen von diesen vielen Punktlichtquellen werden einander überlagert mittels des optischen Bündelungssystems 8, wobei eine Oberflächenlichtquelle (Licht) mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung auf einer vorbestimmten Ebene erzeugt wird. In dieser Patentschrift wird das Vielstromlichterzeugungsmittel 7 oder ein Element, welches dieselbe Funktion wie das Vielstromlichterzeugungsmittel aufweist, als „Integrator vom Wellenfrontteilungstyp" bezeichnet.
Das von der Laserlichtquelle 1 emittierte Laserlicht läuft über ein optisches Lichtrichtungssystem, welches einen Spiegel oder eine Relaislinse (nicht dargestellt) aufweist, und es gelangt in das optische Emissionswinkelhalteelement 2. Wie am besten aus 2A ersichtlich ist, weist das optische Emissionswinkelhalteelement 2 ein Aperturelement 21 und ein Linsensystem 22 auf. Das optische Emissionswinkelhalteelement weist eine Funktion auf, daß, auch wenn sich das projizierte Licht innerhalb eines bestimmten Bereichs in einer Richtung verschiebt, die senkrecht zu oder im wesentlichen senkrecht zu der optischen Achse AX ist, das bedeutet, falls es sich von dem Zustand, wie durch das Licht 27 (2A) veranschaulicht ist, zu dem Zustand, wie durch das Licht 28 veranschaulicht ist, ändert, der Emissionswinkel (offener Winkel) ε des von dem optischen Emissionswinkelhalteelement 2 emittierten Lichts konstant gehalten wird.
Das optische Emissionswinkelhalteelement 2 kann mit einer Fliegenaugenlinsenstruktur versehen sein, wie in 2B dargestellt ist, welche eine Vielzahl von kleinen Linsen 23 aufweist. Bei jener Gelegenheit hängt der Emissionswinkel ε von der Form der kleinen Linse ab. Ebenso wird in dem Fall des in 2B dargestellten optischen Elements 2, auch wenn sich das projizierte Licht innerhalb eines bestimmten Bereichs in einer senkrecht zu der optischen Achse AX verlaufenden Richtung verschiebt, so daß es sich von dem Zustand, wie mittels des Lichts 27 veranschaulicht ist, zu dem Zustand, wie mittels des Lichts 28 veranschaulicht ist, ändert, der Emissionswinkel (offener Winkel) ε des von dem optischen Emissionswinkelhalteelement 2 emittierten Lichts konstant gehalten. Es sollte angemerkt werden, daß ein Integrator vom Wellenfrontteilungstyp anders als eine Fliegenaugenlinse ebenso verwendet werden kann als das optische Emissionswinkelhalteelement 2.
Das mit einem Emissionswinkel ε von dem optischen Emissionswinkelhalteelement 2 emittierte Licht (es weist Vielstromlicht auf, wenn eine Fliegenaugenlinse verwendet wird), wird einmal durch das optische Bündelungssystem 3 an einer Position vor dem Integrator vom Innenreflexionstyp gebündelt. Dann tritt es in den Integrator 4 vom Innenreflexionstyp in einem divergenten Zustand ein. Das divergente Lichtstrahlenbündel, welches auf den Integrator 4 vom Innenreflexionstyp einfällt, läuft dort durch, während es von dessen Innenreflexionsfläche vielfach reflektiert wird, und eine Vielzahl virtueller Bilder der Laserlichtquelle 1 (vermeintliche oder scheinbare Lichtquellenbilder) werden auf einer senkrecht zu der optischen Achse AX verlaufenden Ebene definiert. Somit werden an der Lichtaustrittsfläche 4' des Integrators 4 vom Innenrefle xionstyp mehrfache Lichtstrahlenbündel, die scheinbar von diesen virtuellen Bildern emittiert worden sind, einander überlagert und folglich wird eine gleichmäßige Intensitätsverteilung an der Lichtaustrittsfläche 4' erzeugt. Dieses Phänomen wird später im einzelnen beschrieben werden und zwar unter Bezugnahme auf 4.
Die Form des Integrators 4 vom Innenreflexionstyp kann bestimmt werden, während (i) der Divergenzwinkel von Laserlicht in Betracht gezogen wird, wenn es in den Integrator 4 vom Innenreflexionstyp eintritt (wobei der Winkel abhängig von dem optischen Emissionswinkelhalteelement 2 und dem optischen Bündelungssystem 3 ist), und (ii) die Länge und Breite (Durchmesser) des Integrators 4 vom Innenreflexionstyp berücksichtigt wird. Danach kann der optische Weglängenunterschied von individuellem Laserlicht, welches von den virtuellen Bildern kommt und auf das zu beleuchtende Objekt 9 auftrifft, länger gemacht werden als die Kohärenzlänge, die dem Laserlicht zu eigen ist. Somit kann die Kohärenz von Laserlicht bezüglich der Zeit niedriger gemacht werden und die Fleckenerzeugung auf dem beleuchteten Objekt 9 kann reduziert werden.
Unter Bezugnahme auf 1 wird die Oberflächenlichtquelle (Licht), die an der Lichtaustrittsfläche 4' der Integrators 4 vom Innenreflexionstyp ausgebildet ist und eine gleichmäßige Beleuchtungsverteilung (Lichtintensitätsverteilung) aufweist, durch das optische Zoomsystem 5 vergrößert und auf die Lichteintrittsfläche 7' des Integrators 7 vom Wellenfrontteilungstyp bei einer gewünschten Vergrößerung abgebildet. Dadurch wird ein gleichmäßiges Lichtquellenbild 6 auf der Lichteintrittsfläche 7' definiert.
Wenn ein gleichmäßiges Lichtquellenbild 6 auf der Lichteintrittsfläche 7' gebildet wird, wird die Lichtintensitätsverteilung auf der Lichteintrittsfläche 7' direkt auf die Lichtaustrittsfläche 7'' des Integrators 7 vom Wellenfrontteilungstyp übertragen. Somit wird an der oder angrenzend zu der Lichtaustrittsfläche 7'' eine Oberflächenlichtquelle, welche eine Anzahl von Punktlichtquellen von im wesentlichen derselben Intensität aufweist, und welche eine gleichmäßige Intensitätsverteilung aufweist, erzeugt.
Mit der Funktion des optischen Bündelungssystems 8 beleuchten die aus der großen Anzahl von Punktlichtquellen an der oder angrenzend zu der Lichtaustrittsfläche 7'' emittierten Lichtströme das Objekt 9, während sie miteinander überlagert werden. Demgemäß wird die Beleuchtungsverteilung über dem Objekt 9 als Ganzes gleichmäßig werden.
Die oben erwähnten Worte „gewünschte Vergrößerung" entsprechen der Vergrößerung, mit welcher die Größe der gleichmäßigen Lichtquelle 6 bestimmt wird, um den offenen Winkel α (Emissionswinkel) des auf das Objekt 9 auftreffenden Beleuchtungslichts auf einen Wert einzustellen, der für die Belichtung am besten geeignet ist. Wo das Objekt eine Maske oder ein Reticle mit einem feinen Muster bzw. einer feinen Struktur darauf ist, kann die „gewünschte Vergrößerung" entsprechend dem Typ des Maskenmusters (d.h. die Größe der kleinsten Muster- bzw. Strukturlinienbreite) modifiziert werden.
Wenn die „gewünschte Vergrößerung" mit m bezeichnet wird und falls die lichteintrittsseitige numerische Apertur des optischen Zoomsystems 5, welche von dem offenen Winkel β (Emissionswinkel) des von dem Integrator 4 vom Innenreflexionstyp emittierten Lichts abhängt, mit NA' bezeichnet wird, während die lichtaustrittsseitige numerische Apertur des optischen Zoomsystems 5, welche von dem offenen Winkel θ (Emissionswinkel) des auf den Integrator 7 vom Wellenfrontteilungstyp einfallenden Lichts abhängt, mit NA'' bezeichnet wird, ist dann eine Beziehung NA' = m·NA'' erfüllt. Hier sollte vom Standpunkt einer effizienten Ausnutzung des Beleuchtungslichts die Größe des Winkels θ in gewünschter Weise innerhalb eines Bereichs sein, der die lichteintrittsseitige numerische Apertur NA des Integrators 7 vom Wellenfrontteilungstyp nicht überschreitet, und sie sollte ebenso in gewünschter Weise so nahe wie möglich an dieser numerischen Apertur NA sein.
Somit wird in dem Beleuchtungssystem dieser Ausführungsform der Wert des Winkels θ konstant eingestellt, um bei einem optimalen Winkel gehalten zu werden, der für die eintrittsseitige numerische Apertur des Integrators 7 vom Wellenfrontteilungstyp ungeachtet von Änderungen in dem Wert der Vergrößerung m geeignet ist.
Falls sich die Belichtungsbedingung wie der Masken-Typ ändert und somit der Wert der optimalen Vergrößerung m des optischen Zoomsystems 5 in einem Ausmaß geändert werden sollte, was nicht ignoriert werden kann, wird nämlich der Wert des offenen Winkels β von aus dem Integrator 4 vom Innenreflexionstyp zu emittierendem Licht ebenso geändert, um eine Abnahme der Ausbeuteeffizienz des Beleuchtungslichts zu verhindern.
Ist einmal eine optimale Vergrößerung m für den Belichtungsprozeß unter einer bestimmten Bedingung bestimmt, kann ein optimaler Winkel für den offenen Winkel β (Emissionswinkel β) von aus dem Integrator 4 vom Innenreflexionstyp emittiertem Licht in geeigneter Weise bestimmt werden.
Das Beleuchtungssystem dieser Ausführungsform basiert darauf: der Wert des Winkels β ist gleich dem Einfallswinkel ϕ von auf den Integrator 4 vom Innenreflexionstyp auftreffendem Licht und ebenso ist der Einfallswinkel ϕ abhängig von dem offenen Winkel (Emissionswinkel) ε von Licht aus dem optischen Emissionswinkelhalteelement 2. Somit wird entsprechend der Belichtungsbedingung das optische Emissionswinkelhalteelement 2 durch ein anderes geändert, das einen unterschiedlichen Emissionswinkel ε aufweist, und dadurch kann der Wert des Winkels θ konstant oder im wesentlichen konstant gehalten werden. Als Folge davon wird die eintrittsseitige numerische Apertur des Integrators vom Wellenfrontteilungstyp im wesentlichen konstant gehalten.
Das Schalten des optischen Emissionswinkelhalteelements 2 wird im einzelnen unter Bezugnahme auf 3A und 3B beschrieben werden.
In 3A und 3B ist mit 2a ein optisches Emissionswinkelhalteelement bezeichnet, das einen kleineren Emissionswinkel ε (= εa) aufweist, und mit 2b ist ein anderes optisches Emissionswinkelhalteelement bezeichnet, das einen größeren Emissionswinkel ε (= εb) aufweist. Die übrigen Bezugszeichen wie jene in 1 sind korrespondierenden Elementen zugeordnet.
Im allgemeinen ist es in einem Beleuchtungssystem einer Halbleiterchipherstellungsprojektionsbelichtungsvorrichtung erforderlich, daß der offene Winkel (Einfallswinkel) α von Licht, das auf die mustertragende bzw. strukturtragende Oberfläche einer Maske oder eines Reticle (welche dem zu beleuchtenden Objekt 9 entspricht) einfällt, auf einen optimalen Winkel eingestellt wird und daß ebenso eine hohe Lichtausbeuteeffizienz (Lichtmenge) für das projizierte Licht aufrecht erhalten wird. Unter Berücksichtigung dessen werden in dem Beleuchtungssystem dieser Ausführungsform ein optisches Zoomsystem und eine Vielzahl von optischen Emissionswinkelhalteelementen 2 präpariert und Zoom- und optische Elemente werden soweit erforderlich geschaltet wie beispielsweise in Reaktion auf eine Änderung des Typs der verwendeten Maske.
3A veranschaulicht einen Fall, wo der Einfallswinkel α des auf die Maske 9 einfallenden Lichts relativ klein ist (dies wird als „kleinerer σ-Zustand" bezeichnet). Das entspricht einem Fall, wo die kleinste Linienbreite eines Schaltungsmusters bzw. einer Schaltungsstruktur der Maske 9 relativ groß ist, obgleich sie innerhalb des Submikron-Bereichs ist. Hier bedeutet σ das Verhältnis zwischen der lichtaustrittsseitigen numerischen Apertur Ni des optischen Beleuchtungssystems und der lichteintrittsseitigen numerischen Apertur Np des optischen Projektionssystems, das heißt, es entspricht dem Verhältnis Ni/Np.
Um den Zustand für ein kleineres σ zu verwirklichen, sollte die Lichtaustrittsfläche 4' des Integrators vom Innenreflexionstyp 4 (oder die Oberflächenlichtquelle an oder angrenzend zu ihr) bei einer kleinen Vergrößerung auf die Lichteintrittsfläche 7' des Integrators 7 vom Wellenfrontteilungstyp abgebildet werden. Während dies verwirklicht werden kann, indem die Vergrößerung des optischen Zoomsystems 5 kleiner gemacht wird, wie oben beschrieben wurde, muß der Einfallswinkel θ bei einem optimalen Winkel gehalten werden, welcher von der Struktur des Integrators 4 vom Wellenfrontteilungstyp abhängig ist. Somit wird, wenn das System in den kleineren σ-Zustand zu ändern ist, die Vergrößerung des optischen Zoom-Systems zu einer geändert, welche dem Wert des Einfallswinkels α entspricht, und zusätzlich wird, um sicherzustellen, daß der Einfallswinkel θ auf einem optimalen Wert gehalten wird, das optische Emissionswinkelhalteelement 2b, welches einen Emissionswinkel εb (> εa) aufweist, durch das optische Emissionswinkelhalteelement 2a, welches einen Emissionswinkel εa aufweist, ersetzt.
3B zeigt einen Fall, wo der Einfallswinkel α von auf die Maske 9 einfallendem Licht relativ groß ist (dies wird als „größerer σ-Zustand" bezeichnet). Es entspricht einem Fall, wo die minimale Linienbreite des Schaltungsmusters der Maske 9 relativ klein innerhalb des Submikron-Bereichs ist. Um den Zustand für ein größeres σ vorzusehen, sollte die Lichtaustrittsfläche 4' des Integrators 4 vom Innenreflexionstyp (oder die Oberflächenlichtquelle an oder angrenzend zu ihr) mit einer großen Vergrößerung auf die Lichteintrittsfläche 7' des Integrators 7 vom Wellenfrontteilungstyp abgebildet werden. Während dies verwirklicht werden kann, indem die Vergrößerung des optischen Zoom-Systems 5 größer gemacht wird, wie oben beschrieben wurde, muß der Einfallswinkel θ bei einem optimalen Winkel aufrechterhalten werden, welcher von der Struktur des Integrators 4 vom Wellenfrontteilungstyp abhängig ist. Somit wird, wenn das System in den größeren σ-Zustand zu ändern ist, die Vergrößerung des optischen Zoom-Systems zu einer geändert, welche dem Wert des Einfallswinkels α entspricht, und zusätzlich wird, um sicherzustellen, daß der Einfallswinkel θ auf einem optimalen Wert gehalten wird, das optische Emissionswinkelhalteelement 2a, welches einen Emissionswinkel εa (> εb) aufweist, durch das optische Emissionswinkelhalteelement 2b, welches einen Emissionswinkel αb aufweist, ersetzt.
Obgleich in dem oben beschriebenen Beispiel die Abbildungsvergrößerung des optischen Zoom-Systems und die optischen Emissionswinkelhalteelemente durch zwei Schritte geschaltet oder geändert werden, kann die Struktur modifiziert werden, so daß die Abbildungsvergrößerung des optischen Zoom-Systems und die optischen Emissionswinkelhalteelemente durch drei Schritte oder mehr geändert werden. Da die Vergrößerung des optischen Zoom-Systems kontinuierlich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs geändert werden kann, ist eine Änderung der Vergrößerung durch drei oder mehr Schritte leicht. Somit kann es ohne Modifikation verwendet werden. Ferner können hinsichtlich der optischen Emissionswinkelhalteelemente drei oder mehr optische Emissionswinkelhalteelemente, welche gegenseitig unterschiedliche Brennweiten aufweisen, präpariert werden. Es sollte hier vermerkt werden, daß die Struktur derart ist, daß unabhängig von einem Austausch der optischen Emissionswinkelhalteelemente die Position der Konvergenz des Laserlichts (in dieser Ausführungsform entspricht sie der absoluten Position eines reellen Bilds oder virtuellen Bilds des Lichtemissionsabschnitts, welcher im Unendlichen ist) konstant gehalten wird.
Hinsichtlich des optischen Zoom-Systems können verschiedene Typen von optischen Abbildungssystemen, welche verschiedene Abbildungsvergrößerungen (Brennweiten) aufweisen, präpariert werden, und eines von ihnen kann selektiv zwischen den zwei Integratoren 4 und 7 angeordnet werden. Andererseits kann hinsichtlich der Emissionswinkelhalteelemente ein optisches Zoom-System, welches entlang der optischen Achsenrichtung bewegbare Linsenelemente aufweist, verwendet werden.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 4 erläutert werden, wie die Beleuchtungsverteilung auf der Lichtaustritts fläche 4' des Integrators 4 vom Innenreflexionstyp gleichmäßig gemacht wird.
Es wird angenommen, daß in dem Beispiel von 4 der Integrator 4 vom Innenreflexionstyp einen Glasstab von hexagonaler Prismenform aufweist. 4 ist eine Seitenschnittansicht, welche die optische Achse AX enthält.
Laserlicht von dem optischen Bündelungssystem 3, welches nicht in dieser Zeichnung dargestellt ist, wird einmal an einem Brennpunkt P₀ gebündelt (abgebildet). Von dort läuft es als divergentes Licht vorwärts, welches einen Divergenzwinkel ϕ aufweist, vorwärts. Hier wird, falls das Laserlicht ein Excimer-Laserlicht aufweist, da die Intensität im allgemeinen hoch ist, eine enorme Energiedichte in der Nachbarschaft des Brennpunkts P₀ erzeugt. Es gibt eine Möglichkeit, daß es das Beschichtungsmaterial (Antireflexionsfilm) auf der Lichteintrittsfläche des Innenreflexionstyp-Integrators 4 oder das Glasmaterial des Integrators 4 an sich beschädigt oder zerbricht. In einem solchen Fall wird demgemäß der Integrator 4 vom Innenreflexionstyp bei einem kleinen Abstand von dem Brennpunkt P₀ angeordnet, wie veranschaulicht ist.
Das auf den Integrator 4 vom Innenreflexionstyp auftreffende divergente Licht läuft dort hindurch, während es wiederholt von der Innenreflexionsfläche reflektiert wird (es kann eine Totalreflexion sein). Danach geht das Licht aus dem Integrator vom Innenreflexionstyp 4 heraus, während es denselben Divergenzwinkel 41 aufrechterhält als wäre es einfallend. Hier definieren, da das Lichtstrahlenbündel, das an jeweiligen Abschnitten der Innenreflexionsfläche des Integrators 4 vom Innenreflexionstyp reflektiert wurde, noch divergent ist, nachdem es reflektiert wurde, die von jeweiligen Abschnitten reflektierten Lichtströme virtuelle Bilder P₁, P₂, P₃, P₄, P₅, P₆, P₇, P₈, P₉ und P₁₀ hinter ihm, wie durch gestrichelte Linien veranschaulicht ist. Obgleich nicht in der Zeichnung dargestellt gibt es im Falle des hexagonalen Prismen-Glasstabs tatsächlich ähnliche virtuelle Bildgruppen, welche zusätzlich durch die Funktion der verbleibenden zwei Paare von Innenreflexionsflächen definiert sind.
Somit werden an der Lichtaustrittsfläche 4' des Integrators 4 vom Innenreflexionstyp eine große Anzahl von Lichtströmen, welche scheinbar als von einer großen Anzahl virtueller Bilder emittiert erscheinen, einander überlagert, wodurch die Beleuchtungsverteilung gleichmäßig gemacht wird.
5 zeigt eine Anordnung von virtuellen Bildgruppen (scheinbar Lichtquellen-Bildgruppen), wie sie von dem Integrator vom Innenreflexionstyp von 4 erzeugt wurde, wie dies beispielsweise in der Anordnung von 3A von der Lichtaustrittsfläche einer kleinen Linse aus gesehen wird, welche den Integrator 7 vom Wellenfrontteilungstyp bildet. In 5 ist mit 51 eine kleine Linse des Integrators 7 vom Wellenfrontteilungstyp bezeichnet und mit P₁ – P₁₀ sind virtuelle Bilder von 4 bezeichnet. Wie aus 5 ersichtlich ist, weisen, wenn der Integrator 4 vom Innenreflexionstyp ein optisches Rohr von hexagonaler Prismenform aufweist, die Gruppen von virtuellen Bildern eine wabenähnliche Anordnung auf. Wenn andererseits der Integrator vom Innenreflexionstyp ein optisches Rohr von rechteckiger Prismenform aufweist, weisen die Gruppen von virtuellen Bildern eine rechteckige gitterähnliche Anordnung auf. Diese virtuellen Bilder sind Bilder von konvergenten Punkten (Punktlichtquellen) von Laserlicht, wie es zwischen dem optischen Bündelungssystem 3 und dem Integrator 4 vom Innenreflexionstyp gebildet wird.
Jedes der optischen Emissionswinkelhalteelemente 2a und 2b des Beleuchtungssystems dieser Ausführungsform weist eine Fliegenaugenlinse auf, welche kleine Linsen von einer Anzahl „m × n" (m ≥ 2 und n ≥ 2) aufweist. Somit wird ein individuelles virtuelles Bild in den virtuellen Bildgruppen durch mehrere Bilder vorgesehen, welche in einer Anzahl von ungefähr „m × n" aufgeteilt sind. Demgemäß werden virtuelle Bilder gesehen, wie sie von der Waben-Anordnung dieser aufgeteilten Bilder vorgesehen sind, und sie korrespondieren mit einer einzelnen kleinen Linse des Integrators 7 vom Wellenfrontteilungstyp.
Somit wird in dem Beleuchtungssystem dieser Ausführungsform, wenn die Lichtströme von den mehrfachen Punktlichtquellen (effektive Lichtquellen), wie sie an oder angrenzend zu der Lichtaustrittsfläche 7'' des Integrators 7 vom Wellenfrontteilungstyp gebildet werden, mittels des optischen Bündelungssystems 8 einander überlagert werden, um das Objekt 9 zu beleuchten, die Anzahl von derartigen Punktlichtquellen (effektive Lichtquellen) ziemlich groß gemacht. Dies ermöglicht zum Beleuchten des Objekts 9 das Vorsehen einer gleichmäßigeren Beleuchtungsverteilung über das ganze Objekt 9.
Ferner kann, wie unter Bezugnahme auf 2B beschrieben wurde, auch wenn sich das Licht aus der Laserlichtquelle 1 geringfügig wegen äußerer Störung verschiebt, der Emissionswinkel ε von Licht aus dem optischen Emissionswinkelhalteelement 2a und 2b konstant gehalten werden. Lediglich jedes der in 5 dargestellten aufgeteilten Bilder verschiebt sich geringfügig und es gibt keine Änderung in den virtuellen Bildgruppen, welche die Waben-Anordnung bilden. Somit gibt es, wenn die gesamten virtuellen Bilder innerhalb der kleinen Linsen 51 des Integrators 7 vom Wellenfrontteilungstyp makroskopisch betrachtet werden, im wesentlichen keine Änderung. Demgemäß ist der Effekt auf die Beleuchtungsverteilung auf dem zu beleuchtenden Objekt 9 sehr klein und er kann außer Betracht gelassen werden.
Zusammenfassend kann das Beleuchtungssystem dieser Ausführungsform als ein System mit konstant stabiler Güte angesehen werden und zwar unabhängig von einer Verschiebung des Laserlichts aus der Laserlichtquelle 1.
6 zeigt eine Ausführungsform, wobei das Beleuchtungssystem der oben beschriebenen Ausführungsform in einer Projektionsbelichtungsvorrichtung vom Step-and-Repeat-Typ oder Step-and-Scan-Typ zur Herstellung von Halbleiterbauelementen wie beispielsweise LSI oder VLSI, CCDs, magnetischen Sensoren oder Flüssigkristallbauelementen inkorporiert ist.
In 6 ist mit 91 ein optisches Strahlenbündelformungssystem zum Korrigieren parallelen Lichts aus einer Laserlichtquelle 1, die beispielsweise einen ArF-Excimerlaser oder KrF-Excimerlaser aufweist, zu einer gewünschten Strahlenbündelform bezeichnet. Mit 92 ist ein optisches Inkohärenztransformationssystem zum Transformieren von kohärentem Laserlicht in inkohärentes Licht bezeichnet. Mit 93 ist ein optisches Projektionssystem zum Projizieren eines Einheitsvergrößerungsbilds des reduzierten Bilds eines Schaltungsmusters einer Maske 9 bezeichnet. Mit 94 ist ein Wafer bezeichnet, der ein Substrat (Silizium oder Glas) aufweist, das ein darauf aufgebrachtes photoempfindliches Material aufweist. Die Elemente, die jenen entsprechen, welche in 1 dargestellt sind, sind durch ähnliche Bezugsziffern bezeichnet und ein doppelte Erläuterung dafür wird weggelassen werden.
Was das Laserlicht aus der Laserlichtquelle 1 betrifft, kann, wenn das optische Projektionssystem 93 eines ist, das nicht chromatisch fehlerkorrigiert wurde, die spektrale Halbwerts breite auf etwa 1 – 3 pm bandverschmälert werden. Wo das optische Projektionssystem 93 eines ist, das chromatisch fehlerkorrigiert worden ist, kann die spektrale Halbwertsbreite auf einen bestimmten Wert, der nicht weniger als 10 pm ist, bandverschmälert werden. Wenn das optische Projektionssystem 93 eines ist, das chromatisch fehlerkorrigiert worden ist, kann in einigen Fällen das Laserlicht, welches nicht bandverschmälert ist, verwendet werden.
Was das optische Projektionssystem 93 betrifft, kann ein optisches System, das lediglich mit Linsenelementen versehen ist, ein optisches System, das mit Linsenelementen und zumindest einem konkaven Spiegel versehen ist, oder ein optisches System, das mit Linsenelementen und zumindest einem diffraktiven optischen Element wie Kinofarm versehen ist, verwendet werden. Zur Korrektur der chromatischen Aberration können Linsenelemente, die aus Glasmaterialien mit unterschiedlichem Dispersionsvermögen (Abbesche Konstanten) hergestellt sind, verwendet werden oder alternativ kann das oben beschriebene diffraktive optische Element angeordnet werden, um eine Dispersion in der entgegengesetzten Richtung zu den Linsenelementen zu erzeugen.
Das von der Laserlichtquelle 1 emittierte Laserlicht läuft entlang eines optischen Lichtlenkungssystems, welches einen Spiegel oder eine Relais- bzw. Zwischenlinse (nicht dargestellt) aufweist, und es trifft auf das optische Lichtformungssystem 91. Dieses optische Formungssystem 91 weist beispielsweise mehrere zylindrische Linsen oder einen Strahlaufweiter auf und es dient funktional dazu, das Lateral-Longitudinal-Verhältnis in der Größe der Schnittform des Laserlichts (senkrecht zu der optischen Achse AX) in einen gewünschten Wert zu transformieren.
Das Licht, welches seine von dem optischen Formungssystem 91 korrigierte Schnittform aufweist, tritt in das optische Inkohärenztransformationssystem 92 ein, um eine Interferenz von Licht auf dem Wafer 94 zu verhindern, was zur Fleckenerzeugung führt. Durch dieses optische System 92 wird das Licht in inkohärentes Licht transformiert, womit Flecken nicht leicht erzeugt werden.
Das optische Inkohärenztransformationssystem 92 kann eines sein, wie es in der japanischen offengelegten Patentanmeldung, Offenlegung Nr. 215930/1991 dargestellt ist, das bedeutet, ein optisches System, das zumindest ein Rücklaufsystem beinhaltet, das so angeordnet ist, daß: an einer Lichtaufteilungsfläche das empfangene Licht in wenigstens zwei Lichtstrahlenbündel aufgeteilt wird (z. B. P-polarisiertes Licht und S-polarisiertes Licht) und danach eine optische Weglängendifferenz, welche größer als die Kohärenzlänge des Laserlichts ist, auf eines der aufgeteilten Lichtstrahlenbündel angewendet wird; dann wird das eine Lichtstrahlenbündel erneut ausgerichtet, um mit dem anderen Lichtstrahlenbündel überlagert zu werden, und danach werden diese Lichtstrahlenbündel emittiert.
Das inkohärent transformierte Licht von dem optischen System 92 tritt in das optische Emissionswinkelhalteelement 2 ein. Anschließend werden entsprechend der Prozedur, wie sie unter Bezugnahme auf 1 – 5 beschrieben worden ist, Lichtströme, welche aus kleinen Bereichen (kleine Linsen) des Integrators 7 vom Wellenfrontteilungstyp emittiert wurden, einander überlagert mittels des optischen Bündelungssystems 8, um die Maske 9 zu beleuchten, so daß die Maske 9 gleichmäßig mit einer gleichmäßigen Beleuchtungsverteilung beleuchtet wird, die über das gesamte zu projizierende Schaltungsmuster der Maske 9 erzeugt wird. Somit wird das Schaltungsmuster der Maske 9 auf den Wafer 94 von dem optischen Projektionssystem 94 projiziert und abgebildet und das Schaltungsmuster (Bild) wird auf dem photoempfindlichen Material des Wafers 94 gedruckt. Der Wafer 94 wird fixiert auf einem bewegbaren X-Y-Z-Tisch (nicht dargestellt) beispielsweise durch Vakuumanziehung gehalten. Der bewegbare X-Y-Z-Tisch weist eine Funktion zur Translationsbewegung in Aufwärts/Abwärts-Richtungen wie auch in Links/Rechts-Richtungen, wie in der Zeichnung gesehen wird, auf und diese Bewegung wird durch Verwendung von Abstandsmeßmitteln wie durch ein nicht dargestelltes Laserinterferometer gesteuert. Da dies in dem Stand der Technik wohlbekannt ist, wird eine ausführliche Beschreibung dafür weggelassen werden.
In 6 gibt es keine Aperturblende zur Beleuchtung in dem Lichtweg auf der Lichtaustrittsseite des Integrators 7 vom Wellenfrontteilungstyp. Jedoch können mehrere Aperturblenden, welche verschiedenen σ-Werten entsprechen, in einem Scheibenelement (Turm) vorgesehen werden, welches in Verbindung mit dem Zoomen des optischen Zoom-Systems und einem Austausch von optischen Emissionswinkelhalteelemente rotiert werden kann, so daß eine Aperturblende von gewünschtem σ-Wert in den Lichtweg auf der Lichtaustrittseite des Integrators 7 vom Wellenfrontteilungstyp eingefügt werden kann.
Hinsichtlich der Formen von derartigen Aperturblendenelementen können gewöhnliche kreisförmige Öffnungen oder ringähnliche Öffnungen oder eine Kombination von vier Öffnungen außerhalb der optischen Achse, wie in der japanischen offengelegten Patentanmeldung, Offenlegung Nr. 329623/1992 offenbart ist, verwendet werden.
Eine andere Ausführungsform des Beleuchtungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 7A – 8B beschrieben werden.
7A – 8B sind jeweils schematische Ansichten eines Beleuchtungssystems, das in geeigneter Weise in einer Projektionsbelichtungsvorrichtung vom Schritt-und-Scan-Typ zur Herstellung von Bauelementen wie beispielsweise Halbleiterchips (z.B. LSI oder VLSI), CCDs, magnetischen Sensoren und Flüssigkristallbauelementen verwendbar ist.
7A und 7B zeigen einen Fall, wo das Beleuchtungssystem dieser Ausführungsform in dem kleineren σ-Zustand ist, wie beschrieben wurde. 7A zeigt das Beleuchtungssystem, wie es in der Scan- bzw. Abtastrichtung (nachstehend „z-Richtung") gesehen wird, und 7B zeigt das Beleuchtungssystem, wie es in einer Richtung senkrecht zu der Abtastrichtung (nachstehend „y-Richtung") gesehen wird. 8A und 8B zeigen einen Fall, wo das Beleuchtungssystem dieser Ausführungsform in dem größeren σ-Zustand ist, wie beschrieben wurde. 8A zeigt das Beleuchtungssystem in der z-Richtung und 8B zeigt das Beleuchtungssystem, wie es in der y-Richtung gesehen wird. In 7A – 8B wird der Abschnitt, welcher die optische Achse AX und eine sich in der y-Richtung von der optischen Achse AX erstreckende Achse enthält, als „x-z-Abschnitt" bezeichnet und der Abschnitt, welcher die optische Achse AX und eine sich in der z-Richtung von der optischen Achse AX erstreckende Achse enthält, wird als „x-z-Abschnitt" bezeichnet.
In 7A – 8B sind mit 20a und 20b optische Emissionswinkelhalteelemente bezeichnet, welche verschiedene offene Winkel (Emissionswinkel) von emittiertem Licht aufweisen. Mit 40 ist ein Integrator vom Innenreflexionstyp bezeichnet und mit 40' ist die Lichtaustrittsfläche dieses Integrators vom Innenreflexionstyp bezeichnet. Mit 70 ist ein Integrator vom Wellenfrontteilungstyp bezeichnet und mit 70' und 70'' sind Lichteintrittsflächen dieses Integrators vom Wellenfrontteilungstyp bezeichnet. Mit 200y ist die Länge eines Beleuchtungsbereichs auf der Maske in der y-Richtung bezeichnet. Mit 200z ist die Länge des Beleuchtungsbereichs der Maske in der z-Richtung bezeichnet. Die Elemente dieser Ausführungsform, welche jenen entsprechen, die in 1 – 6 dargestellt sind, sind durch ähnliche Bezugsziffern wie in 3 bezeichnet.
Die grundlegende Struktur und Funktion des Beleuchtungssystems dieser Ausführungsform, die in 7A – 8B dargestellt ist, sind im wesentlichen dieselben wie jene des Beleuchtungssystems der vorhergehenden Ausführungsform, welche in 1 – 6 dargestellt ist. Das Beleuchtungssystem dieser Ausführungsform unterscheidet sich von jenem der vorhergehenden Ausführungsform von 1 – 6 in der Struktur und Funktion des optischen Emissionswinkelhaltesystems, des Integrators vom Innenreflexionstyp und des Integrators vom Wellenfrontteilungstyp. Somit wird lediglich der Unterschied dieser Ausführungsform über die vorhergehende Ausführungsform unten erläutert werden.
In der Projektionsbelichtungsvorrichtung vom Step-und-Scan-Typ sollte ein Beleuchtungsbereich von rechteckiger schlitzähnlicher Form, der sich in der y-Richtung (Länge ist größer in der y-Richtung als in der z-Richtung) erstreckt, effektiv auf der Maske 9 definiert werden.
Unter Berücksichtigung dessen werden in dieser Ausführungsform, soweit es die optischen Emissionswinkelhalteelemente betrifft, jene Elemente 20a und 20b, die jeweils eine Fliegenaugen-Linse mit kleinen Linsen, die eine rechteckige Form aufweisen, in einem senkrecht zu der optischen Achse verlaufenden Abschnitt (y-z-Abschnitt) aufweisen, welche Form in der y-Richtung verlängert ist, verwendet. Was den Integrator vom Innenreflexionstyp betrifft, so wird der Integrator 40 verwendet, der ein rechteckiges optisches Prismen-Rohr mit einer Form in einem senkrecht zu der optischen Achse verlaufenden Abschnitt (y-z-Abschnitt) aufweist, welche Form von einem Paar gerader Linien, die sich in der y-Richtung erstrecken, ebenso wie von einem Paar gerader Linien, die sich in der z-Richtung erstrecken, dargestellt wird. Ferner wird, was den Integrator vom Wellenfrontteilungstyp betrifft, der Integrator 70 verwendet, der eine Fliegenaugenlinse mit kleinen Linsen aufweist, die in einem y-z-Abschnitt eine rechteckige Form aufweisen, welche in der y-Richtung verlängert ist.
Die kleinen Linsen bilden die optischen Emissionswinkelhalteelemente 20a und 20b, wobei jedes eine numerische Apertur in dem x-y-Abschnitt aufweist, die größer als die numerische Apertur in dem x-z-Abschnitt ist. Somit sind, was die Beziehung des offenen Winkels (Emissionswinkel) von Licht zwischen diesen Abschnitten betrifft, die Emissionswinkel ε_ay und ε_by in dem x-y-Abschnitt größer als die Emissionswinkel ε_az und ε_bz in dem x-z-Abschnitt. Demgemäß gibt es bezüglich der offenen Winkel (Emissionswinkel oder Einfallswinkel) ϕy, ϕz, βy, βz, θy, θz, γy, γz, αy und αz von Licht, wie veranschaulicht ist, Beziehungen ϕy > ϕz, βy > βz, θy > θz, γy > γz und αy > αz. Hier wird, da γy >γz ist, auf der Maske 9 ein Beleuchtungsbereich von rechteckiger schlitzähnlicher Form, die in der y-Richtung verlängert ist, erzeugt.
Ferner gibt es ähnlich wie bei der vorhergehenden Ausführungsform in Abhängigkeit von der Größe von σ Beziehungen ε_ay < ε_by und ε_az < ε_bz. Ebenso gibt es in Abhängigkeit von der Eigenschaft des optischen Rohres von prismenähnlicher Form Beziehungen ϕy = βy und ϕz = βz.
Was die optischen Emissionswinkelhalteelemente 20a und 20b betrifft, kann eine Fliegenaugenlinse mit kleinen Linsen, welche eine Brennweite in dem x-y-Abschnitt aufweisen, die kleiner als die Brennweite im x-z-Abschnitt ist, und zweidimensional entlang dem y-z-Abschnitt angeordnet sind, verwendet werden. Ferner kann hinsichtlich der in 2A dargestellten Blende 21 ein Element, welches eine sich in der y-Richtung erstreckende Schlitzöffnung aufweist, verwendet werden. Es sollte vermerkt werden, daß die kleinen Linsen, welche die Fliegenaugenlinse bilden, durch gewöhnliche Linsen oder durch ein diffraktives optisches Element (z.B. Fresnel-Linse) vorgesehen werden können.
9 veranschaulicht eine Anordnung von virtuellen Bildgruppen (scheinbare Lichtquellen-Bildgruppen), welche von dem Integrator 40 vom Innenreflexionstyp erzeugt werden, wie von der Lichtaustrittsfläche aus einer einzelnen kleinen Linse des Integrators 70 vom Wellenfrontteilungstyp gesehen wird. In 9 ist mit 220 eine kleine Linse des Integrators 70 vom Wellenfrontteilungstyp bezeichnet und mit Y1 – Y12 und Z1 – Z12 sind virtuelle Bilder bezeichnet.
Wie anhand 9 ersichtlich ist, sind, da der Integrator 40 vom Innenreflexionstyp ein optisches Rohr von rechteckiger Prismenform aufweist, die virtuellen Bildgruppen zu einem Gitter entlang der y-Richtung und z-Richtung angeordnet. Da sich der Einfallswinkel von divergentem Licht, welches auf den Integrator 40 vom Innenreflexionstyp auftrifft, zwischen dem x-y-Abschnitt und dem x-z-Abschnitt unterscheidet, unterscheidet sich die Reflexionszahl an der Innenreflexionsfläche zwischen dem x-y-Abschnitt und dem x-z-Abschnitt. Folglich unterscheidet sich die Anzahl von virtuellen Bildern zwischen der y-Richtung und der z-Richtung. Es sollte vermerkt werden, daß diese virtuellen Bilder Bilder von Konvergenzpunkten (Punktlichtquellen) von Laserlicht sind, wie es zwischen dem optischen Bündelungssystem 3 und dem Integrator 40 vom Innenreflexionstyp gebildet wird.
In dem Beleuchtungssystem dieser Ausführungsform weist jedes der optischen Emissionswinkelhalteelemente 20a und 20b, welche in 7A – 8B dargestellt sind, eine Fliegenaugenlinse auf, welche kleine Linsen von einer Anzahl „m × n" (m ≥ 2 und n ≥ 2) aufweist. Somit ist ein individuelles virtuelles Bild in den virtuellen Bildgruppen von mehreren Bildern vorgesehen, welche zu einer Anzahl von ungefähr „m × n" aufgeteilt sind. Demgemäß werden virtuelle Bilder gesehen, wie sie von einer Gitteranordnung dieser aufgeteilten Bilder vorgesehen sind, und sie entsprechen einer einzelnen kleinen Linse des Integrators 70 vom Wellenfrontteilungstyp.
Somit wird ebenso in dem Beleuchtungssystem dieser Ausführungsform, wenn die Lichtströme von den mehrfachen Punktlichtquellen (effektive Lichtquellen), wie sie an oder angrenzend zu der Lichtaustrittsfläche 70'' des Integrators 70 vom Wellenfrontteilungstyp gebildet werden, mittels des optischen Bündelungssystems 8 einander überlagert werden, um das Objekt 9 zu beleuchten, die Anzahl von derartigen Punktlichtquellen (effektive Lichtquellen) ziemlich groß gemacht. Dies ermöglicht zur Beleuchtung des Objekts 9 das Vorsehen einer gleichmäßigeren Beleuchtungsverteilung über dem gesamten Objekt 9.
Wie in der vorhergehenden Ausführungsform wird in dem Beleuchtungssystem dieser Ausführungsform, wenn der kleinere σ-Zustand oder der größere σ-Zustand entsprechend dem Typ der verwendeten Maske 9 herzustellen ist, die Abbildungsvergrößerung des optischen Zoom-Systems 5 zwischen einem größeren Wert und einem kleineren Wert umgeschaltet und zusätzlich werden die optischen Emissionswinkelhalteelemente 20a und 20b ausgetauscht. Dies ermöglicht eine Änderung der Werte von Winkeln αy und αz (= αy), während die Werte von Winkeln θy und θz konstant gehalten oder im wesentlichen konstant gehalten werden. Somit kann der Wert σ ohne Verlust bzw. Minderung der Lichtausbeuteeffizienz geändert werden. Ferner wird nicht, auch wenn sich das Laserlicht aus der Laserlichtquelle verschiebt, eine Ungleichmäßigkeit der Beleuchtung auf der Maskenoberfläche 9 erzeugt.
10 zeigt eine Ausführungsform, worin das in 7A – 9 dargestellte Beleuchtungssystem beispielsweise in eine Projektionsbelichtungsvorrichtung vom Step-und-Scan-Typ zur Herstellung von Halbleiterbauelementen wie beispielsweise LSI oder VLSI, CCDs, magnetischen Sensoren oder Flüssigkristallbauelementen inkorporiert ist.
In 10 ist mit 91 ein optisches Strahlenbündelformungssystem zum Korrigieren von parallelem Licht aus einer Laserlichtquelle 1, welche beispielsweise einen ArF-Excimer-Laser oder KrF-Excimer-Laser aufweist, in eine gewünschte Strahlenbündelform bezeichnet. Mit 92 ist ein optisches Inkohärenztransformationssystem zum Transformieren von kohärentem Laserlicht in inkohärentes Licht bezeichnet. Mit 93 ist ein optisches Projektionssystem zum Projizieren eines Einheitsvergrößerungsbilds eines reduzierten Bilds eines Schaltungsmusters einer Maske 9 bezeichnet. Mit 94 ist ein Wafer bezeich net, welcher ein Substrat (Silizium oder Glas) aufweist, das ein darauf aufgebrachtes photoempfindliches Material aufweist. Die Elemente, welche denjenigen entsprechen, die in 7 – 9 dargestellt sind, werden mit ähnlichen Bezugsziffern bezeichnet und eine doppelte Erläuterung dafür wird weggelassen werden.
Das von der Laserlichtquelle 1 emittierte Laserlicht läuft entlang eines optischen Lichtlenkungssystems, welches einen Spiegel oder eine Relaislinse (nicht dargestellt) aufweist, und es trifft auf das optische Lichtformungssystem 91. Dieses optische Formungssystem 91 weist beispielsweise mehrere zylindrische Linsen oder einen Strahlaufweiter auf und es dient funktional dazu, das Lateral-Longitudinal-Verhältnis in der Größe der Schnittform des Laserlichts (senkrecht zu der optischen Achse AX) in einen gewünschten Wert zu transformieren.
Das Licht, das seine Schnittform aufweist, welche durch das optische Formungssystem 91 korrigiert ist, tritt in das optische Inkohärenztransformationssystem 92 ein, um die Interferenz von Licht auf dem Wafer 94 zu verhindern, was zur Fleckenerzeugung führt. Durch dieses optische System 92 wird das Licht in inkohärentes Licht transformiert, womit Flecken nicht leicht erzeugt werden.
Das optische Inkohärenztransformationssystem 92 kann eines sein, wie es in der japanischen offengelegten Patentanmeldung, Offenlegung Nr. 215930/1991 dargestellt ist, was hierin zuvor beschrieben wurde.
Das inkohärent transformierte Licht aus dem optischen System 92 tritt in das optische Emissionswinkelhalteelement 20a oder 20b ein. Anschließend werden entsprechend der Prozedur, wie sie unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform bezüglich
1 – 5 beschrieben worden ist, Lichtströme, die aus kleinen Bereichen (kleine Linsen) des Integrators 70 vom Wellenfrontteilungstyp emittiert werden, einander überlagert mittels des optischen Bündelungssystems 8, um die Maske 9 zu beleuchten, so daß die Maske 9 gleichmäßig mit einer gleichmäßigen Beleuchtungsverteilung beleuchtet wird, die über das gesamte Schaltungsmuster der zu projizierenden Maske 9 erzeugt wird. Hier wird ein Beleuchtungsbereich (Licht) von rechteckiger schlitzähnlicher Form auf der Maske 9 gebildet. Dann wird das Schaltungsmuster bzw. die Schaltungsstruktur der Maske 9 auf den Wafer 94 mittels des optischen Projektionssystems 93 projiziert und abgebildet und das Schaltungsmuster (Bild) wird auf dem photoempfindlichen Material des Wafers 94 gedruckt.
Der Wafer 94 wird fixiert auf einem bewegbaren X-Y-Z-Tisch (nicht dargestellt) gehalten, welcher in x-, y- und z-Richtung beispielsweise durch Vakuumanziehung bewegbar ist. Ebenso wird die Maske 9 fixiert auf einem anderen bewegbaren x-y-z-Tisch (nicht dargestellt) gehalten, welcher in x-, y-, und z-Richtung beispielsweise durch Vakuumanziehung bewegbar ist. Die Bewegung dieser Tische wird durch Verwendung von Abstandsmeßmitteln wie durch ein Laserinterferometer, welches nicht dargestellt ist, gesteuert. Diese x-y-z-Tische werden mit einem rechteckigen schlitzähnlichen Beleuchtungsbereich, welcher an einem Endabschnitt des Schaltungsmusters der Maske 9 definiert ist, bewegt, so daß die Maske 9 in der z-Richtung abgetastet bzw. gescannt wird, während der Wafer 94 in der – z-Richtung abgetastet bzw. gescannt wird. Dadurch wird das gesamte Schaltungsmuster der Maske 9 auf den Wafer 94 projiziert und das gesamte Schaltungsmuster wird auf den Wafer 94 übertragen und gedruckt. Es sollte vermerkt werden, daß, wenn das optische Projektionssystem 93 eine Projektionsvergrößerung M aufweist und die Scan- bzw. Abtastgeschwindigkeit der Maske 9 gleich V ist, die Abtastgeschwindigkeit des Wafers 94 „–M × V" sein sollte.
11 ist ein Flußdiagramm zu Erläuterung der Prozesse zur Herstellung von Bauelementen wie beispielsweise LSI oder VLSI (Halbleiterchips) durch Verwendung von einer der Belichtungsvorrichtungen, wie vorstehend beschrieben wurde. Die Belichtungsvorrichtung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen wird für den „Wafer-Prozeß" bei Schritt 4 verwendet.
12 ist ein Flußdiagramm zu Erläuterung von Einzelheiten des Wafer-Prozesses von 11. Die Belichtungsvorrichtung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen wird in dem Prozeß „Belichtung" bei Schritt 16 verwendet.
Gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben wurde, ist ein Beleuchtungssystem mit einem Integrator vom Innenreflexionstyp und einem Integrator vom Wellenfrontteilungstyp vorgesehen, wodurch der Beleuchtungszustand geändert werden kann.
Ebenso ist gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben wurde, ein Beleuchtungssystem mit einem Integrator vom Wellenfrontteilungstyp vorgesehen, wodurch im wesentlichen keine Abnahme in der Lichtmenge auftritt, wobei ein Objekt wie eine Maske oder ein Reticle bestrahlt wird, auch wenn der Beleuchtungszustand geändert wird.
Ferner ist gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben wurde, ein Beleuchtungssystem mit einem Integrator vom Innenreflexionstyp und einem Integrator vom Wellenfrontteilungstyp vorgesehen, wodurch keine Änderung in der Beleuchtungsverteilung auf der Oberfläche ei nes Objekts wie einer Maske oder eines Reticle auftritt, auch wenn sich der Weg des Laserlichts aus einer Laserlichtquelle verschiebt.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf die hierin offenbarten Strukturen beschrieben worden ist, ist sie nicht auf die dargelegten Einzelheiten beschränkt und diese Anmeldung soll derartige Modifikationen oder Änderungen abdecken, wie sie innerhalb des Umfangs der nachfolgenden Ansprüche auftreten können.

Claims

Beleuchtungssystem (2 – 5, 7, 8), welches folgendes aufweist: einen optischen Integrator (7) vom Wellenfrontteilungstyp zum Aufteilen der Wellenfront von empfangenem Licht und zum Definieren einer Vielzahl von Lichtquellen an oder angrenzend zu einer Lichtaustrittsfläche (7'') davon; ein optisches Lichtprojektionssystem (2 – 5) von variabler Brennweite zum Projizieren von Licht aus einer Lichtquelle (1) auf eine Lichteintrittsfläche (7') des optischen Integrators (7) vom Wellenfrontteilungstyp, wobei eine Änderung der Brennweite des optischen Lichtprojektionssystems (2 – 5) eine Änderung von zumindest der Größe oder der Intensitätsverteilung des auf die Lichteintrittsfläche des optischen Integrators vom Wellenfrontteilungstyp einfallenden Lichts aus der Lichtquelle (1) bewirkt; e in optisches Sammelsystem (8), um Lichtstrahlen aus der Vielzahl von Lichtquellen auf einer zu beleuchtenden Oberfläche (9) einander zu überlagern; wobei das optische Lichtprojektionssystem (2 – 5) einen optischen Integrator (4) vom Innenreflexionstyp, um zumindest einen Abschnitt von empfangenem Licht an einer Innenfläche davon zu reflektieren und um eine Oberflächenlichtquelle an oder angrenzend zu einer Lichtaustrittsfläche (4') davon zu definieren, und ein optisches Abbildungssystem (5) von variabler Brennweite beinhaltet, um die Oberflächenlichtquelle an oder angrenzend zu der Lichteintrittsfläche (7') des optischen Integrators (7) vom Wellenfrontteilungstyp abzubilden, und wobei eine Änderung der Brennweite des optischen Abbildungssystems (5) eine Änderung der Abbildungsvergrößerung des optischen Abbildungssystems bewirkt; dadurch gekennzeichnet, daß das optische Lichtprojektionssystem (2 – 5) Mittel (2) aufweist, die betriebsfähig sind, um eine Änderung einer numerischen Apertur von auf dem optischen Integrator (7) vom Wellenfrontteilungstyp auftreffendem Licht aufgrund der Änderung der Brennweite zu korrigieren.
System nach Anspruch 1, wobei das optische Abbildungssystem (5) eine Vielzahl von optischen Systemen (5) aufweist, welche verschiedene Abbildungsvergrößerungen aufweisen, und wobei die Vielzahl von optischen Systemen selektiv zwischen dem optischen Integrator (7) vom Wellenfrontteilungstyp und dem optischen Integrator (4) vom Innenreflexionstyp positionierbar ist, um verschiedene Abbildungsvergrößerungen selektiv vorzusehen.
System nach Anspruch 1, wobei das optische Lichtprojektionssystem ein optisches Bauelement (2) von variabler Brennweite beinhaltet, welches zwischen der Lichtquelle (1) und dem optischen Integrator (4) vom Innenreflexionstyp angeordnet ist, und wobei die Brennweite des optischen Bauelements (2) entsprechend einer Änderung der Brennweite des optischen Abbildungssystems variabel ist, um eine Änderung der numerischen Apertur von auf der Lichteintrittsfläche (7') des optischen Integrators (7) vom Wellenfrontteilungstyp auftreffendem Licht zu korrigieren.
System nach Anspruch 3, wobei das optische Bauelement (2) eine Vielzahl von optischen Elementen (2a, 2b) beinhaltet, um Licht mit verschiedenen Divergenzwinkeln oder Konvergenzwinkeln zu emittieren, wobei eines der optischen Elemente (2a, 2b) entlang eines Lichtwegs zwischen der Lichtquelle (1) und dem optischen Integrator (4) vom Innenreflexionstyp selektiv positionierbar ist, und das System ferner Mittel beinhaltet, um eines aus der Vielzahl von optischen Elementen (2a, 2b) auf dem Lichtweg entsprechend einer Änderung der Brennweite des optischen Abbildungssystems (5) selektiv zu positionieren, um eine Änderung der numerischen Apertur von auf dem optischen Integrator (7) vom Wellenfrontteilungstyp auftreffendem Licht zu korrigieren.
System nach Anspruch 4, wobei das optische Bauelement (2) eine Vielzahl von optischen Integratoren (2a, 2b) vom Wellenfrontteilungstyp beinhaltet, um eine Wellenfront von empfangenem Licht aufzuteilen und eine Vielzahl von Lichtquellen an oder angrenzend zu einer Lichtaustrittsfläche davon zu definieren.
System nach Anspruch 3, wobei das optische Bauelement (2) eine Vielzahl von optischen Elementen (2a, 2b) beinhaltet, welche verschiebbar sind, um eine Brennweite davon zu ändern, und das System Mittel aufweist, um die Brennweite des optischen Bauelements (2) entsprechend einer Änderung der Brennweite des optischen Abbildungssystems (5) zu ändern, um eine Änderung der numerischen Apertur von auf dem optischen Integrator (7) vom Wellenfrontteilungstyp auftreffendem Licht zu korrigieren.
System nach Anspruch 3, wobei das optische Bauelement (2) dazu dient, Licht mit verschiedenen Divergenzwinkeln oder Konvergenzwinkeln bezüglich zwei orthogonalen Schnittebenen zu emittieren.
Belichtungsvorrichtung zum Übertragen eines Musters einer Maske (9) auf einen Wafer (94) durch Belichtung, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: ein Beleuchtungssystem (2 – 5, 7, 8) nach einem der Ansprüche 1 – 7 zum Beleuchten der Maske (9); und ein optisches Projektionssystem (93) zum Projizieren eines Musters der beleuchteten Maske (9) auf einen Wafer (94), wobei das Muster der Maske auf den Wafer übertragen wird.
Halbleiterbauelementherstellungsverfahren mit folgenden Schritten: Aufbringen eines Resists auf einen Wafer; Übertragen eines Musters einer Maske auf den Wafer durch Belichtung mittels einer Belichtungsvorrichtung nach Anspruch 8; Entwickeln des belichteten Wafers; und Fertigen eines Halbleiterbauelements aus dem belichteten Wafer.