JP2004039871A

JP2004039871A - 照明方法並びに露光方法及びその装置

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Publication number: JP2004039871A
Application number: JP2002195086A
Authority: JP
Inventors: Yoshitada Oshida; 押田　良忠; Shigenobu Maruyama; 丸山　重信; Kazuo Kobayashi; 小林　和夫; Yoshitatsu Naito; 内藤　芳達; Yoshihisa Osaka; 大坂　義久
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Via Mechanics Ltd
Priority date: 2002-07-03
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2022-07-03
Also published as: WO2004006308A1; KR100703110B1; KR20040099311A; EP1646073A1; EP1646073A4; TWI247972B; JP4546019B2; CN100355022C; CN1639845A; CN101075099A; US20050219493A1; HK1078680A1; TW200402608A

Abstract

【課題】半導体レーザ等の１個当りの発光エネルギーが小さな光源を複数用いて、高い効率で、かつ均一に被照射物に照射することができるようにして、省エネルギーで高性能な照明を実現し、その結果、基板等にパターンを露光する際、高スループットで、良好なパターン露光を実現することができる。
【解決手段】複数の光源１１を２次元配列し、これら光源１１から出射した光を光インテグレータ１３に導く。この光インテグレータ１３は多数のロッドレンズ１３１の配列からなり、各ロッドレンズ１３１の光軸に垂直な断面形状の縦横比ｒ_１と上記被照明領域２１の縦横比ｒ_０の比ｒ_１／ｒ_０は０．８以上１．２以下である。上記光源１１が半導体レーザ等コヒーレントな光の場合、光インテグレータに入射または出射する光を、波面を変化させる変調器１６を通過させる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被照明領域に均一で効率の良い照明光を照射する照明方法及びこの照明法を用いた露光方法に関し、また、この露光方法を用いてパターンを露光する露光装置に関する。特に半導体レーザを多数用いる照明方法、露光方法、及び露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被照明物体を照明したり、被露光物体をする露光するには水銀ランプを光源にしたり、エキシマレーザを用いていた。これら光源は駆動するために投入するエネルギーのほとんどが熱に変わり、非常に効率の悪い光源であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体レーザ（ＬＤ）の短波長化が進み、４００ｎｍ近くの発光波長のＬＤが出現し、このため水銀ランプに代わる光源として露光に用いる可能性がでてきた。しかし１個のＬＤの出力には限界があり、複数のＬＤを使わざるを得ない。ＬＤを多数並べてそれぞれの光源から出射する光を被照明物体に一様に照射しようとしても、それぞれの光源から出射する光の指向性はガウス分布に近くなり、照射領域の中心付近が強く周辺が弱くなる。また、ＬＤの出射主光線に垂直な方向の内、１方向の広がり角は小さいが、これと垂直な方向は大きくなり、この広がり角の比は１：３から１：４程度ある。このような各ＬＤからの光を所望の被照明領域に均一にかつ効率良く照射することは不可能であった。即ち、均一に照明しようとすると、効率が低下するし、効率を高くしようとすると均一性が悪くなるという相反する現象が起こってしまっていた。
【０００４】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、半導体レーザ等の１個当りの発光エネルギーが小さな光源を複数用いて、高い効率で、かつ均一に被照射物に照射することができるようにして、省エネルギーで高性能な照明を実現した照明方法およびその装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、基板等にパターンを露光する際、高スループットで、良好なパターン露光を実現することができる露光方法およびその装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、分離して１次元若しくは２次元に配列された複数のＬＤ等の光源の各々から光を出射させ、該複数の光源の各々から出射された光を光インテグレータにより空間的に分解して多数の擬似２次光源を生成し、該生成された多数の擬似２次光源からの光をコンデンサレンズにより重ね合わせて被照明領域に照明することを特徴とする。光源アレーとしては、多数の光源または該光源から得られる２次光源を被照明領域の形状に概ね相似な領域内にほぼ均一な分布に配列させる。このように構成することにより均一で効率の高い照明が実現する。
【０００６】
また、本発明は、上記光インテグレータを複数のロッドレンズの配列から成り立つようにし、各ロッドレンズの断面形状の縦横比が被照明領域の縦横比にほぼ等しくすることによって、２次元平面上に並ぶ光源もしくは２次光源の出射光を最も効率良く被照明領域に均一に照明でき、かつ照明光学系を比較的小型に構成することが可能になる。
以上説明した構成によれば、被照射物体上で空間周波数の低いむらはほとんど無くすことが可能となる。
【０００７】
しかし、光源にＬＤを用い、各ＬＤから出射した光が複数のロッドレンズからなる光インテグレータを通すと１つのＬＤから出射し、各ロッドレンズを透過した光は被照射物体上で干渉し、干渉縞を形成する。このため、照明光に空間周波数の高いむらが生じる。複数のＬＤの数が非常に大きくなると、この空間周波数の高いむらは少なくなるが、完全には無くならない。
【０００８】
そこで、本発明は、上記光インテグレータに入射する直前の光路または光インテグレータを出射する直後の光路中に波面を変化させる変調器を挿入することにより、上記の空間周波数の高いむらが変化し、時間平均した照明光は空間周波数に依らずほぼ完全に一様にすることが可能になる。
【０００９】
また、本発明は、上記複数の光源または該光源から得られる２次光源から出射する光の発散角が出射光の光軸に垂直な面に向けて面内任意の２方向に対し１対１．５の比以内になるようビーム発散角を調整することにより、通常円形の有効径を有する光インテグレータの入射面に光源からの出射光を有効に照明光として用いることが可能になる。即ち、上記ビーム発散角の調整は、シリンドリカルレンズを用いて行う。具体的には、ビーム発散角の調整は、ＬＤの直交する２軸の発散角に応じて焦点距離の異なる２種類のシリンドリカルレンズを光路に沿って前後に配列して行う。
【００１０】
また、本発明は、更に、複数の光源から出射するそれぞれの光のエネルギーが所望の一定値以内になるよう個々の光源のエネルギーを制御する。このようにすることにより、照明光の一様性が得られると共に、照明光強度を一定に保てる。また、本発明は、上記複数の光源または該光源から得られる２次光源より出射する各々の出射光を、集光光学系により上記光インテグレータ上の対応する位置に入射させることにより、照明場所に依存せず一様で指向性の均一な照明を実現することが可能になる。
【００１１】
以上説明した照明方法によれば、分離した多数の光源から一様な照明光を得ることが可能になり、マスクあるいは２次元光変調器等の被照明領域内の照度むらは±１０％以内となり、複数の光源から発する光のエネルギーの３０％以上が被照明領域内に到達することが初めて可能になった。
【００１２】
また、本発明は、上記照明方法あるいは照明装置を用い、分離した複数の光源、特に複数の半導体レーザを配列した光源からの出射光を被照明物であるマスク、レチクル、あるいはマスクレス露光に用いる２次元光変調器、即ち液晶型の２次元光変調器やディジタル・ミラー・デバイス等に照射し、露光する。このようにすることにより、一様な強度分布と、所望の指向性を備えた良好な露光照明光が得られる。
【００１３】
特に、複数の光源を例えば方形形状の被照明領域と相似な形状に配列し、これら光源から得られる光を光インテグレータに所望の入射角で入射させ、出射光を被照明領域に照射する光として用いることにより、高効率で一様な照明を実現する。光源として半導体レーザを用いる場合には光インテグレータの前又は後に波面を変化させる変調器を用いれば、レーザ光の干渉縞むらを除去し、一様照明を得ることができる。この照明を基板の露光に用いることにより、スループットが高く、良好なパターンが露光できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る照明方法並びに露光方法及びその装置の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１５】
まず、本発明に係る露光装置の第１の実施の形態を図１を用いて説明する。分離した複数の光源を１次元或いは２次元に配列した光源アレーである、ＬＤアレー１は、４０５ｎｍ付近（３８０〜４２０ｎｍ）の波長の光が３０ｍＷ程度の出力で出射する青（紫）色半導体レーザ１１を基板の上に２次元配列して構成される。個々の半導体レーザ１１からの出射光は、集光レンズ（集光光学系）１２により、後に図５及び図６を用いて詳細な説明を行う光インテグレータ１３に入射する。光インテグレータ１３を透過した光は、照射光学手段であるコンデンサレンズ（コリメートレンズ）１４を通り、ミラー１５で反射してマスク２に照射する。マスク２は、通常のクロムまたは酸化クロムマスク２ａでも良いし、マスクの機能を有する例えば液晶やディジタル・ミラー・デバイス（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）等の２次元光変調器２ｂでも良い。光インテグレータ１３は、集光レンズ（集光光学系）１２により集光された２次元に配列された多数の半導体レーザ１１からの出射光束を空間的に分解して多数の擬似２次光源を生成して重ね合わせて照明する光学系である。
【００１６】
このマスク２ａまたは２次元光変調器２ｂのパターン表示部２１（例えば方形形状で形成される。）を透過もしくは反射した光は、投影レンズ３により、被露光基板５上の露光エリア５１にパターン２１を投影露光する。基板チャック及びｘｙステージからなる基板移動機構４によって基板５が移動されることにより、基板５上の所望のエリアに亘り、パターンを次々と露光して行く。通常のマスク２ａを用いる場合にはマスク上に描画されたパターンが繰り返して露光される。また、２次元光変調器２ｂを用いる場合には基板５のほぼ全体に所望のパターンが１セット、あるいは数セット露光されることになる。
【００１７】
制御回路６は、半導体レーザ１１を露光のタイミング毎に点燈させ、所望の露光量が基板５になされたら消える制御を行う。即ち、光路中に設けられたビームスプリッタ１７１に入射する光の１％前後の光を光検出器１７に取りこむ。光検出器１７で検出された光強度は制御回路６で積分される。この積分値は基板５に露光する露光照明光の積算露光量になるので、この値があらかじめ制御回路６に記憶させておいた所望の設定値（最適露光量）に達した段階で半導体レーザ１１をＯＦＦにして、露光を終了する。
【００１８】
また、制御回路６は、２次元光変調器２ｂの表示２次元パターン情報に基づき２次元光変調器２ｂを駆動制御する信号を送る。また、制御回路６は基板移動機構４を駆動し、基板上に所望のパターンをほぼ基板全体に露光するように、基板５を２次元光変調器２ｂの表示情報と同期させながら移動させる。
【００１９】
ステージ４を連続移動して基板５にスキャン露光する場合には、制御回路６は、上記露光モニタしている光検出器１７の信号強度に基づきステージの走査速度を制御する。また、２次元光変調器２ｂを用いる場合には、制御回路６は、この駆動と、上記光検出器１７の信号とステージの駆動信号をトータル制御する。
【００２０】
複数の半導体レーザ１１は、個別にＯＮ−ＯＦＦできるので、図１に示す光検出器１７を用いて個々のレーザ出力を順次モニタすることが可能である。従って、制御回路６は個々のＬＤ１１に順次点滅の信号を送り、これと同期して、光検出器１７の信号強度を検出することにより、ＬＤ１１の劣化に伴う出力低下が分かる。そこで、制御回路６は、出力が低下すれば出力が所望の一定値以内になるように電流値をある値まで上げて、個々の光源のエネルギーを制御する。即ち、制御回路６は、多数の光源１１から出射するそれぞれの光のエネルギーが所望の一定値以内になるよう個々の光源１１のエネルギーを制御する。このようにすることにより、照明光の一様性が得られると共に、照明光強度を一定に保てることが可能となる。
【００２１】
図１に示す複数の半導体レーザ１１は等ピッチの均一な密度分布で配列されている。またこの光源１１の配列しているエリアは、マスク２ａまたは２次元光変調器２ｂのパターン表示部である被照明領域２１の形状に相似な領域と成っている。当然、被照明領域２１が矩形形状の場合、光源１１の配列エリアも相似の矩形領域となる。
【００２２】
半導体レーザ１１は通常その出射光の広がり角が図２の紙面内の方向（ｘ方向）と紙面に直角な方向（ｙ方向）で異なる。半導体レーザ１１の出射光の広がり角は、図２の紙面内の方向（ｘ方向）では例えば最大値に対する半値を与える場所の方向が光軸から測り２８度程度、紙面と直角な方向（ｙ方向）では８度程度になる。このため、この両方向（ｘ方向及びｙ方向）の広がり角をほぼ等しくするか、支障のない最大値として１．５倍以内にする必要がある。このようにすると後に説明するように光インテグレータ１３に入射する各半導体レーザからの光の強度分布が回転対称にほぼ等しくなる。
【００２３】
そして、後述するように、光インテグレータ入射光の強度分布は、光インテグレータ出射光の強度分布と等しくなる。また、光インテグレータ出射位置は、投影露光レンズ３の入射瞳と結像関係になる。このため、投影露光レンズ３の瞳上で回転対称の強度分布になるような露光照明が実現する。このように投影露光レンズ３の瞳上で強度分布を回転対称にすることにより、マスク２ａもしくは２次元光変調器２ｂのパターンの方向に依存せずほぼ等しい照明の指向性が得られる。この結果パターンの方向に依存しない解像特性が得られ、基板上に歪（いびつ）になることなく正確に露光されることになる。なお、１０３は、光インテグレータ出射位置に設けられた視野絞りである。
【００２４】
このように図２に示すシリンドリカルレンズ１１２は半導体レーザ（ＬＤ）の光源の虚像を１１′の位置に結像することにより、あたかも１１′の点光源から出射するようになり、ＬＤ出射時には紙面内（ｘ方向）に光軸から２８度程度の広がり角を持っていたレーザビームが１度程度の広がり角になる。同様に紙面に垂直方向に並ぶシリンドリカルレンズ１１３はＬＤの光源の虚像をほぼ１１′の位置に結像することにより、あたかも１１′の点光源から出射するようになり、ＬＤ出射時には紙面に直角方向（ｙ方向）に光軸から８度程度の広がり角を持っていたレーザビームが１度程度の広がり角になる。このようにどのＬＤ１１から出射したレーザビームも、シリンドリカルレンズ１１２と１１３によりほぼ回転対称の強度分布が実現する。即ち、シリンドリカルレンズ系１００で２次光源１１′から出射する光の発散角が、出射光の光軸に垂直な面に向けて面内任意の２方向（例えば、ｘ方向及びｙ方向）に対し、１対１．５の比以内になるようビーム発散角を調整することにより、通常円形の有効径を有する光インテグレータ１３の入射面に光源１１からの出射光を有効に照明光として用いることが可能になる。その結果、先に説明したように投影露光レンズ３の瞳上で回転対称の強度分布が実現し、マスク２ａまたは２次元光変調器２ｂで表示されたパターンを正確に露光することができる。
なお、図３に示すように、ＬＤの直交する２軸の発散角に応じて焦点距離の異なる２種類のシリンドリカルレンズ１１２、１１３を、光路に沿って前後に配列することによりビーム発散角を調整することが可能となる。
【００２５】
図２に示す１３は光インテグレータであり、図５は光インテグレータ１３を光軸方向から見た図である。光インテグレータ１３は、ガラスロッド方式と、レンズアレイ方式とに大別できる。光インテグレータ１３がガラスロッド方式の場合には、複数のロッドレンズ１３１からなっている。各ロッドレンズ１３１は図６に示す構造を持っている。入射側の端面１３１１は球凸面であり、出射側の端面１３１２も同じく球凸面である。この両凸面の曲率半径をＲとし、ロッドレンズガラスの屈折率をｎとすると、ロッドレンズの長さＬはｎＲ／（ｎ−１）となる。このようなロッドレンズ１３１に図６（Ａ）に示すように光軸にθｘ´の角度で入射するビーム成分Ｂｘｙ´は、入射面１３１１の球凸レンズの効果により、出射端面に絞り込まれる。さらに絞り込まれた後この出射端１３１２から出射するビームＢｘｙは、この出射面の球凸レンズの効果により、入射光の入射角θｘ´依存せず、総て光軸（ロッドレンズの軸に平行）に平行な主光線を持つ出射光となる。
【００２６】
前述の通りシリンドリカルレンズ１１２と１１３により、１１´の虚像位置から出射した広がり角１度程度のレーザビームは、集光レンズ１２に入射する。この集光レンズ１２の前側焦点は虚像位置１１´に、後側焦点は光インテグレータ１３の入射端にある。従って、この集光レンズ１２を透過した各ＬＤ１１から出たレーザ光は平行ビームとなり、光インテグレータ１３に入射し、かつ上記のロッドレンズ１３１の入射端に入射するビーム成分Ｂｘｙ´の光インテグレータ１３への入射の角度（θｘ′、θｙ′）は、図３および図４に示す半導体レーザ１１の配列位置（ｘ、ｙ）に対応している。即ち、ＬＤアレー１は、例えば、図４に示すようにＬＤ１１を配列している。この配列は、一つのＬＤのｘ方向の径をＤ_ＬＤｘ、ｙ方向の径をＤ_ＬＤｙ、ｘ方向のピッチＰ_ＬＤｘ、ｙ方向のピッチＰ_ＬＤｙ、ｘ方向の個数ｍ_ｘ、ｙ方向の個数ｎ_ｙとしたとき、ｘ方向の長さＷ_ＬＤＡｘ、およびｙ方向の長さＨ_ＬＤＡｙを次に示す（１）式及び（２）式で表すことができる。
【００２７】
Ｗ_ＬＤＡｘ＝（ｍ_ｘ−１）Ｐ_ＬＤｘ　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
Ｈ_ＬＤＡｙ＝（ｎ_ｙ−１）Ｐ_ＬＤｙ　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
このように、集光レンズ（コリメートレンズ）１２によって、ＬＤ１１のピッチ（Ｐ_ＬＤｘ、Ｐ_ＬＤｙ）と光インテグレータ１３を構成するロッドレンズ１３１のピッチ（Ｗｘ、Ｈｙ）とを対応させて、２次光源１１′より出射する各々の出射光を、光インテグレータ１３上の同一位置に入射させることにより、照明場所に依存せず一様で指向性の均一な照明を実現することが可能になる。
【００２８】
このように各ＬＤ１１から光インテグレータ１３に照射するビームＢ′は、平行ビームで回転対称に近く光インテグレータ１３の入射面の中心（光軸）に中心を持つガウス分布となる。光インテグレータ１３は多数のロッドレンズ１３１の集まりであるので、１個のロッドレンズ１３１に入射する光はガウス分布の微小な一部となる。このため、１個のロッドレンズ１３１内ではほぼ一様な強度になっている。また、ロッドレンズ入射光の入射端面１３１１での位置と出射光の出射方向が対応している。この結果、出射光は光軸を中心にしたどの広がり角への光強度もほぼ等しくなり、この広がり角がコリメートレンズ１４によりマスク２ａの面もしくは２次元光変調器２ｂの変調面の場所に対応するため、マスク２ａの面もしくは２次元光変調器２ｂの変調面をその場所に依らず一様に照明することになる。
【００２９】
更に、各ロッドレンズの断面形状は図６（Ｂ）に示すようにｘ、ｙ方向にＷｘ、Ｈｙの幅を持っている。前述したように入射光のロッドレンズ端１３１１での位置と出射光の出射角度（θｘ、θｙ）が対応、即ち比例するため出射光の広がり最大角度θｘｍ、θｙｍ（出射光の光軸からの角度範囲）はこのロッドレンズ断面の寸法（Ｗｘ、Ｈｙ）に比例する。即ち、厳密に表現すると、次に示す（３）式及び（４）式の関係となる。なお、ｎはロッドレンズガラスの屈折率、Ｌはロッドレンズの長さである。
【００３０】
θｘｍ＝ｎＷｘ／２Ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
θｙｍ＝ｎＨｙ／２Ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）
光インテグレータ出射面１３１２とマスク２ａ或いは２次元光変調器２ｂは、焦点距離ｆｃのコリメートレンズ１４のそれぞれ前側焦点面と後側焦点面であるため、マスク２ａ或いは２次元光変調器２ｂを照射するビームの（ｘ，ｙ）座標範囲Ｗｍｘ及びＨｍｙは次に示す（５）式及び（６）式で与えられる。
【００３１】
Ｗｍｘ＝ｆｃ・θｘｍ＝Ｗｘ・ｎｆｃ／２Ｌ　　　　　　　　　（５）
Ｈｍｙ＝ｆｃ・θｙｍ＝Ｈｙ・ｎｆｃ／２Ｌ　　　　　　　　　（６）
即ち、各ロッドレンズの光軸に垂直な断面形状の縦横比ｒ_１（＝Ｗｘ／Ｈｙ）と、被照明領域（２１）の縦横比ｒ_０（＝Ｗｍｘ／Ｈｍｙ）の比ｒ_１／ｒ_０を１にすることにより、マスク２ａ或いは２次元光変調器２ｂの必要な部分にのみ一様な光で露光することが可能になる。上記比ｒ_１／ｒ_０は、０．８以上１．２以下であれば、従来の露光照明方法に比べ十分有効な光利用効率が実現する。
【００３２】
光インテグレータ１３がレンズアレイ方式の場合には、光源に近い方を第１のレンズアレイ、遠い方を第２のレンズアレイからなる２枚のレンズアレイで構成される。第１のレンズアレイ上には、レンズセルを２次元に配列してＬＤアレー１から得られる光束を空間的に分割している。第１のレンズアレイの各レンズセルは、各々のセルに対応した第２のレンズアレイに光束を集光するようになっており、第２のレンズアレイ上には分割数と同数の２次光源像が形成される。第２のレンズアレイ上の各レンズセルは、対応する第１のレンズアレイの各レンズセル開口を被照明領域２１の面に結像させる。コンデンサレンズ１４は、各レンズセル中心を被照明領域２１の中心に一致させ、第１のレンズアレイの各レンズセルが被照明領域２１で重なり合うように構成される。その結果、ガラスロッド方式の場合と同様に、ほぼ回転対称に分布していた照明光束はその強度が積分され、それぞれの強度差が相殺されて均一な強度分布を得ることができる。
【００３３】
次に、本発明に係る露光装置の第２の実施の形態について図７を用いて説明する。図７に示す部品番号と図１に示す部品番号が同じものについては同一の物を表す。第２の実施の形態において、第１の実施の形態と相違する点は、照明光を空間周波数に依らずほぼ完全に一様になるようにして干渉縞の発生を防止するために、波面を変化させる変調器であるディフューザ１６を設置したことにある。この構成により、各ＬＤ光源１１から出射した光は、シリンドリカルレンズ１１２、１１３からなるシリンドリカルレンズ系１００及び集光レンズ１２を通過し、回転対称に近い強度分布を持つ平行ビームＢ′として光インテグレータ１３に入射する前にディヒューザ１６を通過する。
【００３４】
このディヒューザ１６は、波面を変化させる変調器であり、例えば、図８に示すように、直結されたモータ１６１を回転駆動させてガラス円板１６を回転させて構成される。ガラス円板１６は放射状に光学研磨されており、図９（Ａ）のＣＣ断面のガラス表面の形状は、図９（Ｂ）に示すように概ね正弦波状の高さ変化をしている。この高さ（粗さ）変化量は数μｍである。ところで、１６３は、ディヒューザ１６に入射するビーム光束を示し、１６２は、上記ビーム光束１６３の中心のディヒューザ１６上における回転軌跡を示す。
【００３５】
１周期の長さは円板１６の回転数と露光時間により決まり、概ね１ステップ露光の間に露光光軸上で１周期程度変化するようにする。また、スキャン露光を行う場合には、１絵素分移動する間に１〜数周期程度変化するようにする。これら回転速度の制御は制御回路６により２次元光変調器２ｂの表示制御、ステージ４の移動制御と同期させて制御するが、一旦回転を開始すると上記した速度で一定回転させる。その結果、マスク２ａ或いは２次元光変調器２ｂに対する照明光において、空間周波数の高いむらを変化させて時間平均させることによって空間周波数に依らずほぼ完全に一様になるようにして干渉縞の発生を防止することが可能となる。なお、図７に示した波面を変化させる変調器１６は、光インテグレータ１３の直前に設置されているが、光インテグレータ１３の直後に設置しても同様の効果が得られる。
【００３６】
次に、本発明に係る第３の実施の形態について図１０を用いて説明する。第３の実施の形態において、第１及び第２の実施の形態と相違する点は、ＬＤアレーを複数設置して露光光量を増大させるものである。半導体レーザ１１の出射光は直線偏光であるため、例えばＮ個ある総てのＬＤアレー１ａからの出射光がｘ方向の直線偏光であるように向きを揃えてＬＤ１１を設置する。他方ＬＤアレー１ｂはｙ方向が直線偏光であるようにＮ個ある総てのＬＤ１１を設置する。ＬＤアレー１ａから出射されるｘ方向の直線偏光は、偏光ビームスプリッタ１１４でほぼ１００％が透過してＰ偏光となる。他方ＬＤアレー１ｂから出射されるｙ方向の直線偏光は、偏光ビームスプリッタ１１４でほぼ１００％が反射してＳ偏光となる。この結果、２Ｎ個のＬＤ１１からのレーザ光は総てロス無く露光光学系に導かれる。
【００３７】
上記説明では、ＬＤアレー１ｂはｙ方向が直線偏光であるように設置されているが、ＬＤアレー１ａと同様にｘ方向が直線偏光であるように設置することもできる。この場合には、ＬＤアレー１ｂから出射し、偏光ビームスプリッタ１１４に入射するまでの途中の光路に１／４波長板を設置し、この１／４波長板を透過した光がｙ方向の直線偏光になるようにしても良い。
【００３８】
半導体レーザ、ＬＤは通常透明な窓を有する小さい管に封じられているが、この管の直径は６ｍｍ弱程度であるため、２次元的な配列の数に限界がある。そのため、本第３の実施の形態によれば、複数のＬＤアレーを設けることによって、この数の限界を倍増させる効果が得られる。
【００３９】
偏光ビームスプリッタ１１４を通過したレーザ光は直交する２方向の偏光成分を含み、集光レンズ１２、光インテグレータ１３、コリメータレンズ１４、マスク２或いは２次元光変調器２、投影露光レンズ３を通り、基板に至る。これら光路途中の部品は偏光に係わり無く、レーザ光を通過させるので、基板上に２倍の露光量を照射させることができる。この結果、露光時間は２分の１で済むことになり、スループットの高速化が実現できる。
【００４０】
なお、制御回路６から露光するパターンの情報を元に、２次元光変調器２ｂが駆動され、この駆動情報に同期して、ステージ２及びＬＤアレー１ａ及び１ｂが駆動される。制御回路６からのＬＤ１１の駆動は、露光光が基板５の感度に対し最適になるように点燈時間が制御され、露光を行わないタイミングではＬＤが消える。
【００４１】
次に、本発明に係る露光装置の第４の実施の形態について図１１を用いて説明する。第４の実施の形態において、第１〜第３の実施の形態と相違する点は、マスク２としての２次元光変調器２ｂとして、透過型を用いたのに対して反射型を用いることにある。要するに、２次元光変調器２ｂは、透過型でも反射型でもよい。第４の実施の形態では、反射型液晶２次元光変調器等の反射型の２次元光変調器２ｂｂを用いている。そして、ＬＤ光源１から出射したレーザビームをビームスプリッタ１４５により２分して２つの露光光学系に導いている。１４４は２次元光変調器の表示部と共役な位置関係にある視野絞りである。この視野絞りの像がレンズ１４２ａ，１４３ａ及び１４２ｂ、１４３ｂにより２次元光変調器２ｂｂａ及び２ｂｂｂの表示部に結像し、この表示部が投影露光レンズ３ａ及び３ｂにより、基板５の上の露光領域１５１ａ及び１５１ｂに結像する。
【００４２】
半導体レーザ１１を出射した光は図の基板面即ち水平面に平行な直線偏光である。そこで光インテグレータ１３を通過した後１／４波長板１０５により円偏光にする。ビームスプリッタ１４５は偏光ビームスプリッタであるので、ビームスプリッタ１４５に入射する円偏光のうち水平偏光成分であるＰ偏光成分は偏光ビームスプリッタ１４５を通過し、Ｓ偏光成分は偏光ビームスプリッタ１４５で反射する。反射したＳ偏光成分は垂直方向の直線偏光であり、ミラー１５１ｂと１５２ｂで反射し、水平な直線偏光となる。
【００４３】
このように偏光ビームスプリッタ１４５で分岐した２つの露光ビームは共に水平な直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ１５３ａ及び１５３ｂに入射する。これらの偏光ビームスプリッタ１５３ａ及び１５３ｂにとって入射光はＳ偏光であるので、１００％反射し、反射型液晶からなる２次元光変調器２ｂｂａ及び２ｂｂｂに垂直に入射する。この反射型液晶２次元光変調器２ｂｂａ及び２ｂｂｂの各表示絵素に表示情報に応じて電圧印加のＯＮ，ＯＦＦを行うと、これに応じて反射光の偏光がそのまま又は直角に変化する。従って、反射光が再び偏光ビームスプリッタ１５３ａ及び１５３ｂを通過させると、偏光が直角に変化した絵素のみがこのビームスプリッタ１５３ａ及び１５３ｂを通過してくる。
このようにして得られた２次元光情報は、投影露光レンズ３ａ及び３ｂにより、基板５上の１５１ａ及び１５１ｂ上に露光パターンとして結像投影される。
【００４４】
次に、本発明に係る露光装置の第５の実施の形態について図１２を用いて説明する。第５の実施の形態は、反射型２次元光変調器としてディジタル・ミラー・デバイス（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）２ｂｂｃを用いたものである。ディジタル・ミラー・デバイス２ｂｂｃは、各絵素に電気信号で駆動するメンブレンミラーを設けて構成される。各ミラーに照射した露光光は信号がＯＮの部分ではθだけミラーが傾き、ＯＦＦ部ではミラーが傾かない。例えば露光光をミラー１５４で反射させて照射し、傾いたミラーで反射した光は投影露光レンズ３に入射してレンズ３を通過するが、傾かない絵素についてはミラーで正反射して投影露光レンズ３の瞳から外れてレンズ３を通過しない。この結果、ディジタル・ミラー・デバイス２ｂｂｃにおいてディジタルミラーデバイス駆動信号で表示されたパターンが、投影露光レンズ３によって基板５上に投影露光されることになる。
【００４５】
次に、本発明に係る露光装置の第６の実施の形態について図１３を用いて説明する。第６の実施の形態は、光源アレー１として、複数の半導体レーザ１１から出射した光を図示しないレンズ等の導光光学系により受け入れ、光ファイバー１１０１で導いて２次光源になる出射端１１０２から出射するように構成するものである。光ファイバー１１０１の各ファイバ端から出射した光はビーム成形光学系１１０３により、所望の広がり角を持って出射する。２次光源となる出射端１１０２は２次元光変調器２ｂの表示領域２１とほぼ相似な発光領域を有する。このようにすることにより既に説明したように２次光源を出射した光は効率良く、かつ一様に２次元光変調器２ｂを照明する。
【００４６】
次に、本発明に係る光源アレーであるＬＤアレイの実施例について図１４を用いて具体的に説明する。これらＬＤアレイの実施例において、図１４（Ａ）に示すＬＤアレイ１Ａは今まで説明したものであり、ＬＤ配列がｘｙ方向に等ピッチで配列されている。他方、図１４（Ｂ）に示すＬＤアレイ１Ｂは最稠密配列されている。即ち正三角形の頂点にＬＤ１１が配列している。この実施例の場合にはＬＤパッケージの円の外径Ｄに対し、配列ピッチをＰとすると、Ｐは例えば１．０７〜１．１Ｄ程度にすることが可能である。図１４（Ａ）と（Ｂ）の１１２はＬＤの実装領域を描いた互いに合同な矩形である。最稠密実装の（Ｂ）の方が高実装密度になる。具体的な数値評価を行うと、ＬＤアレイ１ＡのＬＤ実装密度は１／Ｐ^２となるのに対し、ＬＤアレイ１Ｂでは１．１５４／Ｐ^２となり、実装密度を高く、即ち光源の出力を１５％程度大きくすることが可能になる。
【００４７】
図１４に示す１１１は、多数配列したＬＤから発生する熱によりＬＤが高温になり、寿命が短くなるのを防ぐための、冷却機である。具体的には、冷却機１１１は、熱伝導が良い材料である銅等で構成し、これに穴を貫通させて、冷却水を通すことにより、２５℃以下で駆動することが可能になる。またペルチエ素子を用いても同様に２５℃以下に冷却することができ、長寿命化が実現できる。
【００４８】
本発明は、以上説明したＬＤアレイの実施例に限定されるものではない。即ち、用いる光源として、比較的指向性の高い光源、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）やそれ以外の発光面積の小さなランプを用いても、本発明を実現させることが可能である。また、半導体レーザ以外の複数のレーザ光源を用いても実現できる。
【００４９】
次に、本発明に係る光源アレーについての他の実施例について図１５を用いて説明する。この光源アレー１は、比較的発散角の小さな、通常のガスレーザ光源や、固体レーザ光源を用いるものであるが、レーザ光源そのものは２次元に配列しているわけではない。即ち、どのレーザからも同じ方向にレーザ光を発射させる必要がない。光軸方向のレーザ断面積が大きい場合、図１５に示すようにミラー１１５ｐ、１１５ｑを用いて光路を折り返すことにより、複数のビームの密度をレーザの実装密度より高くすることが可能である。
【００５０】
図１５の実線部（１Ｐ）は、紙面内の断面でのレーザ光源１１ｐの配列であり、点線（１Ｑ）は、紙面と平行で一定の間隔にある断面でのレーザ光源１１ｑの配列である。実際にはこのような面が３面以上存在している。ミラー１１５ｐや１１５ｑ等で折り返されたビームは図の左側に進み、２次元分布している。１１０６はマイクロレンズであり、各マイクロレンズの光軸を各ビームの中心に一致させている。このマイクロレンズ１１０６を通過した光は、２次光源面１１０５にそれぞれのビームが集光する。そして、この２次光源面１１０５は、図１、図２、図７、図１０〜図１２に示す集光レンズ１２の前側焦点面に一致するように配置される。
【００５１】
また、複数の種類の光源を同時に配列することにより、様々な波長を含む照明を得ることが可能である。このような様々な波長の光からなる照明を露光以外の照明に用いることも可能であり、この場合においても、一様で光の利用効率の高い照明が実現できる。このような用途として、例えば顕微鏡を用いた微細パターンの観察、検査等に用いる照明がある。
【００５２】
光源アレー１Ａとして、複数の波長のＬＥＤやＬＤを用いる場合には、図１〜図４或いは図１４に示すように構成される。そして、複数の光源１１は、図１６に示すように、例えば波長の異なる複数の種類の光源１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄからなる。このように複数の種類の光源を各種類で複数用いる場合には図１６に示すように各種類が偏りなく分布するよう配列する事が望ましい。
【００５３】
以上説明した光源アレーは、分離した複数の光源を２次元配列しているが、照明領域が長細い場合には１次元に配列したしても良いことは明らかである。
【００５４】
また、以上説明した実施の形態によれば、多数の半導体レーザを配列し、出射光を効率良く照明光に用いることが可能になり、従来の水銀ランプを光源にする場合に比べ投入電気エネルギーを有効に基板の露光に用いることが可能になり、省エネルギ−に貢献できる。また固体光源を用いることが可能になり、光源の長寿命が実現し、メンテナンスが容易になった。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体レーザ等の１個当りの発光エネルギーが小さな光源を複数用いて、高い効率で、かつ均一に被照射物に照射することができるようにして、省エネルギーで高性能な照明を実現した効果を奏する。
また、本発明によれば、省エネルギーで高性能な照明を実現することにより、基板等にパターンを露光する際、高スループットで、良好なパターン露光を実現することができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る露光装置の第１の実施の形態を示す構成斜視図である。
【図２】半導体レーザ光源とそのビーム成形と光インテグレータ部との関係を示す図である。
【図３】シリンドリカルレンズによるビーム成形を示す斜視図である。
【図４】半導体レーザの配列を説明するための図である。
【図５】光インテグレータにおけるロットレンズの配列状態を示す図である。
【図６】光インテグレータを構成するロッドレンズへの入射光と出射光との関係を説明するための図である。
【図７】本発明に係る露光装置の第２の実施の形態を示す構成斜視図である。
【図８】波面を変化させる変調器と光インテグレータとの関係を説明するための図である。
【図９】波面を変化させる変調器の詳細説明図。
【図１０】本発明に係る露光装置の第３の実施の形態を示す構成斜視図である。
【図１１】本発明に係る露光装置の第４の実施の形態を示す構成斜視図である。
【図１２】本発明に係る露光装置の第５の実施の形態を示す構成斜視図である。
【図１３】本発明に係る露光装置の第６の実施の形態を示す構成斜視図である。
【図１４】複数個光源を配列する実施例を説明するための図である。
【図１５】光源アレーとして複数のレーザ光源を用いる場合を示した図である。
【図１６】複数の種類の光源を用いる場合の配列を示す図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ、１Ａ…光源アレー（ＬＤアレー）、２…マスク、２ａ…クロムマスク、２ｂ…２次元光変調器、２ｂａ…透過型２次元光変調器、２ｂｂ、２ｂｂａ、２ｂｂｂ…反射型２次元光変調器、２ｂｂｃ…ＤＭＤ、３、３ａ、３ｂ…投影露光レンズ、４…ステージ（基板移動機構）、５…基板、６…制御回路、１１…光源（ＬＤ）、１１’…２次光源（光源の虚像）、１１ｐ、１１ｑ…レーザ光源、１２…集光レンズ（集光光学系）、１３…光インテグレータ、１４…コンデンサレンズ（コリメートレンズ）、１５…ミラー、１６…波面を変化させる変調器、１７…光検出器、２１…パターン領域、５１…露光エリア、１００…シリンドリカルレンズ系、１０３…視野絞り、１０５…１／４波長板、１１２、１１３…シリンドリカルレンズ、１１４、１４５…偏光ビームスプリッタ、１１５ｐ、１１５ｑ…ミラー、１３１…ロッドレンズ、１４４…視野絞り、１５３ａ、１５３ｂ…偏光ビームスプリッタ、１５４…ミラー、１７１…ビームスプリッタ、１１０１…光ファイバー、１１０３…ビーム成形光学系、１１０５…２次光源面、１１０６…マイクロレンズ。

Claims

分離して１次元若しくは２次元に配列された複数の光源の各々から光を出射させ、該複数の光源の各々から出射された光を光インテグレータにより空間的に分解して多数の擬似２次光源を生成し、該生成された多数の擬似２次光源からの光をコンデンサレンズにより重ね合わせて被照明領域に照明することを特徴とする照明方法。
前記複数の光源が配列された領域または前記複数の光源から得られる２次光源の発光領域を前記被照明領域の形状に相似にしたことを特徴とする請求項１記載の照明方法。
前記光源は半導体レーザ光源であることを特徴とする請求項１記載の照明方法。
前記光インテグレータは複数のロッドレンズの配列からなり、各ロッドレンズの光軸に垂直な断面形状の縦横比ｒ_１と前記被照明領域の縦横比ｒ_０との比ｒ_１／ｒ_０が０．８以上１．２以下であることを特徴とする請求項１記載の照明方法。
前記光インテグレータに入射する光または前記インテグレータを出射する光が、波面を変化させる変調器を通過することを特徴とする請求項１記載の照明方法。
前記複数の光源の各々から出射する光束における発散角を、該出射光束の光軸に垂直な面に向けて面内任意の２方向に対し１対１．５の比以内になるように調整することを特徴とする請求項１記載の照明方法。
前記光源から出射する光のエネルギーを制御することを特徴とする請求項１記載の照明方法。
前記複数の光源または２次光源から出射する各々の出射光を、集光光学系により前記光インテグレータ上の対応する位置に入射させることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の照明方法。
分離して１次元若しくは２次元に配列された複数の光源の各々から出射された光を、被照明領域内の照度むらが±１０％以内で、前記各光源から発する光のエネルギーの３０％以上が被照明領域内に到達するように被照明領域に照明することを特徴とする照明方法。
分離して１次元若しくは２次元に配列された複数の光源の各々から出射させ、該複数の光源の各々から出射された光を光インテグレータにより空間的に分解して多数の擬似２次光源を生成し、該生成された多数の擬似２次光源からの光をコンデンサレンズにより重ね合わせて露光すべきパターンを有する被照明領域に照明し、
該照明された露光すべきパターンを透過もしくは反射した光を投影光学系により被露光物上の被露光領域に投影露光することを特徴とする露光方法。
前記複数の光源が配列された領域または前記複数の光源から得られる２次光源の発光領域を前記被照明領域の形状に相似にしたことを特徴とする請求項１１記載の露光方法。
前記光源は半導体レーザ光源であることを特徴とする請求項１１記載の露光方法。
前記光インテグレータは複数のロッドレンズの配列からなり、各ロッドレンズ光軸に垂直な断面形状の縦横比ｒ_１と上記被照明領域の縦横比ｒ_０との比ｒ_１／ｒ_０が０．８以上１．２以下であることを特徴とする請求項１１記載の露光方法。
前記光インテグレータに入射する光または前記光インテグレータを出射する光が、波面を変化させる変調器を通過することを特徴とする請求項１１記載の露光方法。
分離した複数の光源を１次元若しくは２次元に配列した光源アレーと該光源アレーの各光源から出射した光を集光させる集光光学系と該集光光学系で集光された光を空間的に分解して多数の擬似２次光源を生成する光インテグレータと該光インテグレータによって生成された多数の擬似２次光源からの光を重ね合わせて露光すべきパターンを有する被照明領域に照明するコンデンサレンズとを有する照明光学系と、
該照明光学系で照明された露光すべきパターンを透過もしくは反射した光を被露光物上の被露光領域に投影露光する投影光学系とを備えたことを特徴とする露光装置。
前記照明光学系において、前記光源アレーにおける複数の光源が配列された領域または前記複数の光源から得られる２次光源の発光領域を前記被照明領域の形状に相似にしたことを特徴とする請求項１５記載の露光装置。
前記照明光学系の前記光源アレーにおいて、前記光源が半導体レーザ光源からなることを特徴とする請求項１５記載の露光装置。
前記照明光学系の前記光インテグレータは、複数のロッドレンズの配列からなり、各ロッドレンズ光軸に垂直な断面形状の縦横比ｒ_１と上記被照明領域の縦横比ｒ_０との比ｒ_１／ｒ_０が０．８以上１．２以下であるように構成したことを特徴とする請求項１５記載の露光装置。
前記照明光学系において、前記光インテグレータの入射側または前記光インテグレータの出射側に光の波面を変化させる変調器を具備することを特徴とする請求項１５記載の露光装置。
前記照明光学系において、前記光源アレーの各光源から出射する光の発散角を調整する発散角調整光学系を有することを特徴とする請求項１５記載の露光装置。
前記発散角調整光学系は、シリンドリカルレンズを含むことを特徴とする請求項２０記載の露光装置。
前記照明光学系において、前記光源アレーの前記光源から出射する光のエネルギーを制御する光源制御手段を具備することを特徴とする請求項１５記載の露光装置。
前記照明光学系において、前記光源アレーの前記光源から出射する光の強度を計測する検出器を備えたことを特徴とする請求項１５記載の露光装置。