JP2007286243A

JP2007286243A - 露光装置

Info

Publication number: JP2007286243A
Application number: JP2006112130A
Authority: JP
Inventors: Toshiyasu Mitsunari; 俊泰光成
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-04-14
Filing date: 2006-04-14
Publication date: 2007-11-01

Abstract

【課題】多数の開口が形成されたアパーチャを用いることなく、多数のビームスポットの形状を所望の形状に整形することが可能な露光装置を提供する。
【解決手段】空間光変調素子２が、照明光が入射する位置に２次元的に配置された複数の画素を含み、画素単位で空間的に光変調を行う。投影光学系５は、空間光変調素子２の画素を第１の像面上１６に結像させる。第１の像面１６の位置に、空間光変調素子２の画素対応に配置された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイ１５が配置されている。投影光学系５は、前段レンズ６と、前段レンズ６の後側焦平面の位置を前側焦平面とする後段レンズ８と、画素を経由して前段レンズ６を通過したすべての光線束の経路が重なる位置に開口を有する絞り７とを含む。マイクロレンズアレイ１５の各々のマイクロレンズ及び後段レンズ８は、絞り７の位置を被照射体の表面に結像させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、露光装置に関し、特に画像データに応じて空間変調された光を被照射体の表面に入射させて描画を行う露光装置に関する。

図５に、下記の特許文献１に開示された露光装置の概略図を示す。照明手段１００から出射されたレーザビームが空間光変調素子１０１に入射する。空間光変調素子１０１は、入射したレーザビームを空間的に変調する。空間光変調素子１０１によって変調されたレーザビームが、第１の光学系１０２に入射する。第１の光学系１０２の後方にマイクロレンズアレイ１０４が配置されている。第１の光学系１０２は、空間光変調素子１０１の画素部を、マイクロレンズアレイ１０４の位置に結像させる。マイクロレンズアレイ１０４は、空間光変調素子１０１の画素に対応するマイクロレンズを含む。

マイクロレンズアレイ１０５の後方に、アパーチャ１０５が配置されている。アパーチャ１０５は、マイクロレンズアレイ１０４のマイクロレンズに対応する開口を有する。マイクロレンズを透過したレーザビームが、アパーチャ１０５の対応する開口内を通過する。アパーチャ１０５の後方に第２の光学系１０６が配置されている。第２の光学系１０６は、アパーチャ１０５の開口を、被照射体１１０の表面に結像させる。

アパーチャ１０５を配置することにより、マイクロレンズアレイ１０４を透過したレーザビームの散乱光や回折光等のノイズ成分を遮光し、露光面に投影されるビームスポットを所望の形状に精度よく整形することができる。

画像データに応じて、レーザビームを空間変調することにより、被照射体１１０に所望の画像を描画することができる。

特開２００４−６２１５６号公報

特許文献１に開示された露光装置では、マイクロレンズアレイ１０４を構成する多数のマイクロレンズと、アパーチャ１０５に形成された多数の開口との位置合せを行わなければならない。また、本来ならば、マイクロレンズアレイ１０４によって形成される光源像の位置に被照射体１１０を配置してもよいが、この位置にアパーチャ１０５が配置されるために、被照射体１１０を配置することができない。従って、第２の光学系１０６を用いて、アパーチャ１０５の開口を被照射体１１０の表面に結像させている。

本発明の目的は、多数の開口が形成されたアパーチャを用いることなく、多数のビームスポットの形状を所望の形状に整形することが可能な露光装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、照明光を放射する照明手段と、前記照明手段から放射された照明光が入射する位置に２次元的に配置された複数の画素を含み、画素単位で空間的に光変調を行う空間光変調素子と、前記空間光変調素子によって変調された光が入射し、前記空間光変調素子の画素を第１の像面上に結像させる投影光学系と、前記第１の像面の位置に、前記空間光変調素子の画素対応に配置された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、被照射体を保持するステージとを有し、前記投影光学系は、前段レンズと、該前段レンズの後側焦平面の位置を前側焦平面とする後段レンズと、前記画素を経由して前記前段レンズを通過したすべての光線束の経路が重なる位置に開口を有する絞りとを含み、前記マイクロレンズアレイの各々のマイクロレンズ及び前記後段レンズは、前記絞りの位置を前記ステージに保持された被照射体の表面に結像させる露光装置が提供される。

空間光変調素子により散乱及び回折された光が、絞りによって遮光される。絞りの開口が被照射体の表面に結像されるため、被照射体の表面におけるビームスポットの形状及び寸法の精度を高めることができる。

図１Ａに、実施例による露光装置の概略図を示す。実施例による露光装置は、照明装置１、空間光変調素子２、投影光学系５、マイクロレンズアレイ１５、及びステージ１８を含む。

空間光変調素子２は、例えば透過型液晶パネル、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等で構成されており、多数の画素が２次元的に配列した構造を有する。空間光変調素子２は、画像データに基づいて、入射する光を画素単位で変調することができる。透過型液晶パネルにおいては、画素ごとに透過状態と非透過状態とを切り替えることができる。ＤＭＤにおいては、マイクロミラーによる反射光の進行方向を制御することにより、画素ごとに、後段の光学系に入射する状態と入射しない状態とを切り替えることができる。

照明装置１は、空間光変調素子２の画素が配置された面をほぼ均一に照明する。照明装置１は、光源、コリメートレンズ、均一化光学系等を含む。光源は、感光性レジスト剤を感光させる波長を持つ光を放射する。光源として、例えばレーザダイオード、発光ダイオード等を用いることができる。光源から放射された光がコリメートされ、その光強度分布が均一化されて、空間光変調素子２に入射する。均一化光学系として、カレイドスコープ、アレイレンズ、非球面レンズ等を用いることができる。

図１Ａでは、空間光変調素子２として液晶パネルを用いた場合を示しており、照明光が液晶パネルの一方の面に入射し、空間変調されて、液晶パネルの他方の面から出射する。空間光変調素子２をＤＭＤで構成する場合には、画素が配列する面が照明装置１によって照明され、各画素からの反射光によって、空間変調された光が得られる。

空間光変調素子２によって空間変調された光が、投影光学系５に入射する。投影光学系５は、前段レンズ６、絞り７、後段レンズ８、及び移動機構９を含む。前段レンズ６及び後段レンズ８は共通の光軸２０を持ち、前段レンズ６の後側焦点と後段レンズ８の前側焦点とが一致するように配置されている。空間光変調素子２の各画素を経由した光線束の中心光線が、投影光学系５の光軸と平行になるように、両者の位置が調整されている。

空間光変調素子２の多数の画素は、前段レンズ６の前側焦点を含み、かつ光軸に垂直な平面（焦平面）上に配置される。投影光学系５は、空間光変調素子２の各画素を、後段レンズ８の後側焦点を含む焦平面（第１の像面）１６上に結像させる。

前段レンズ６の後側焦点の位置、すなわち後段レンズ８の前側焦点の位置に、絞り７が配置されている。絞り７は、光軸と交わる位置に開口７Ａを有する。開口７Ａは、空間光変調素子２の画素を経由して前段レンズ６を通過したすべての光線束の経路が重なる位置に配置される。

図１Ｂに、絞り７の平面図を示す。遮光領域７Ｂ内に寸法の異なる複数の円形の開口７Ａが配置されている。絞り７を光軸に垂直な方向に移動させることにより、所望の大きさの開口７Ａを光軸上に配置することができる。すなわち、絞り７は、開口の大きさを４段階に変化させることができる。なお、変化させる段数を２〜３段階にしてもよいし、５段階以上にしてもよい。移動機構９は、絞り７を光軸に平行な方向に、ある範囲内で移動させることができる。

マイクロレンズアレイ１５は、第１の像面１６に沿って配置された多数のマイクロレンズにより構成される。多数のマイクロレンズは、それぞれ空間光変調素子２の多数の画素に対応する。空間光変調素子２の各画素を経由した光線束は、マイクロレンズアレイ１５の対応するマイクロレンズに入射する。

絞り７が後段レンズ８の前側焦点の位置に配置されている状態のときに、後段レンズ８及びマイクロレンズアレイ１５の各マイクロレンズは、絞り７の開口７Ａを第２の像面１７上に結像させる。第２の像面１７は、マイクロレンズの後側焦点の位置に画定される。

ステージ１８は、被照射体２０を、その表面が第２の像面１７と一致するように保持する。また、ステージ１８は、保持した被照射体２０を、第２の像面１７に平行な２次元方向に移動させることができる。被照射体２０は、例えば、表面に感光性レジスト膜が形成された基板である。空間光変調素子２の画素を経由した光線束が、投影光学系５及びマイクロレンズアレイ１５を経由して被照射体２０の表面に入射すると、光線束が入射した領域の感光性レジスト膜が感光し、潜像が形成される。画像データに基づいて空間光変調素子２を制御することにより、所望のパターンの潜像を形成することができる。

図２Ａに、レンズアレイを用いた照明装置１の概略図を示す。照明装置１は、光源４０、コリメートレンズ４１、アレイレンズ４２、及びコンデンサレンズ４４で構成される。光源４０から照射された光線束がコリメータレンズ４１によりコリメートされる。コリメートされた光線束がアレイレンズ４２に入射する。アレイレンズ４２は、複数の凸レンズが行列状に配置された構造を有する。複数の凸レンズを通過した光線束の各々が後側焦点の位置４３に集光される。図２Ｂに示すように、行列状に配置された仮想光源４３Ａが形成される。

仮想光源４３Ａの各々から出射した光線束が、コンデンサレンズ４４により平行光線束にされて空間光変調素子２に入射する。複数の仮想光源４３Ａから出射された光線束が空間光変調素子２の画素が配列する面上で重ねあわされる。このため、すべての画素をほぼ均一に照明することができる。

コンデンサレンズ４４及び投影光学系５の前段レンズ６により、仮想光源４３Ａが、第３の像面４５の位置に結像される。図２Ｃに、１つの画素を経由した光線束により第３の像面４５の位置に形成される像４５Ａの分布を示す。像４５Ａの分布は、仮想光源４３Ａの分布と相似の関係になる。第３の像面４５の位置に絞り７が配置されている。

図１Ａに示した後段レンズ８及びマイクロレンズアレイ１５が、絞り７の開口７Ａを第２の像面１７の位置に結像させるため、図２Ｃに示した像４５Ａと相似の像が、第２の像面１７の位置に形成される。ところが、縮小倍率が０．１倍程度であると、像４５Ａの各々が解像されず、図２Ｄに示したように、第２の像面１７の位置において、複数の像４５Ａに対応する像が重なった１つのビームスポットが得られる。

上記実施例では、空間光変調素子２により散乱及び回折された光は、絞り７により遮断される。このため、これらの散乱光や回折光に起因する描画精度の低下を防止することができる。後段レンズ８及びマイクロレンズアレイ１５が、絞り７の開口７Ａを被照射体２０の表面に結像させるため、被照射体２０の表面におけるビームスポットの形状及び寸法の精度を高めることができる。実施例においては、マイクロレンズアレイ１５と被照射体２０との間に、マイクロレンズに対応する多数の開口を有するアパーチャや、結像光学系等を配置する必要がない。

絞り７の開口７Ａの大きさを変化させることにより、被照射体２０の表面に形成されるビームスポットの大きさを変化させることができる。

絞り７の開口７Ａは、空間光変調素子２の各画素から出射された光線束の、絞り７の位置における断面よりも小さくすることが好ましい。特に、光線束の断面のうち光強度が均一な領域の大きさよりも小さくすることが好ましい。前段レンズ６の収差等により、画素から出射された光線側の経路が理想的な経路からずれる場合がある。経路がずれた場合でも、絞り７の開口７Ａが、光線束の断面内の光強度が均一な領域に内包される限り、被照射体２０の表面に形成されるビームスポットは、理想的な位置及び形状を維持する。すなわち、前段レンズ６の収差の影響を排除することができる。

次に、図１Ａに示した移動機構９により絞り７を光軸方向に移動させる効果について説明する。実施例による露光装置においては、後段レンズ８及びマイクロレンズアレイ１５によって、絞り７の開口７Ａが被照射体２０の表面に結像される。絞り７を光軸方向に移動させることにより、結像状態を得るための調整を容易に行うことができる。また、前段レンズ６の収差等によって、各画素から出射された光線束の中心光線が前段レンズ６の後側焦点からずれた位置を通過する場合、絞り７の位置を微調整することにより最適な位置を見つけることができる。

絞り７を光軸方向に移動させると、各画素を経由した光線束と絞り７の開口７Ａとの相対位置関係が変化する。絞り７の移動距離を大きくすると、光線束が開口７Ａから外れてしまうことが懸念される。以下、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、絞り７の移動距離の上限値について説明する。

図３Ａに、絞り７と、画素から出射された光線束３１との位置関係を示す。光軸３０から最も離れた画素を経由し、前段レンズ６を通過した光線束３１の伝搬方向と光軸３０とのなす角をθとする。開口７Ａの直径をｄ１とし、光軸３０に垂直な面における光線束３１の断面の直径をｄ０とする。ここで、直径ｄ０は、光線束３１の断面のうち光強度が均一な領域の直径を指すこととする。理想的な状態では、前段レンズ６の後側焦点Ｆｂの位置で、光線束３１の中心光線が光軸３０と交差する。絞り７は、後側焦点Ｆｂの位置に配置されている。

図３Ｂに、絞り７を後側焦点Ｆｂの位置から前段レンズ６側に距離Ｚだけ移動させた状態を示す。下記の式が満たされる場合には、光線束３１の断面内に開口７Ａが含まれる状態が維持される。

２×Ｚ×ｓｉｎθ≦ｄ０−ｄ１
例えば、ｓｉｎθ＝０．２である場合、上述の不等式は、
Ｚ≦（ｄ０−ｄ１）／０．４
となる。ｄ０＝５ｍｍ、ｄ１＝３ｍｍの場合、絞り７を前段レンズ２側に移動させることができる最大距離は５ｍｍになる。また、前段レンズ２から遠ざかる向きに５ｍｍだけ移動させても、光線束３１の断面内に開口７Ａが含まれる状態が維持されることは明白である。

後段レンズ８とマイクロレンズアレイ１５とで構成される結像光学系の結像倍率が０．１倍であるとき、物点に相当する絞り７を±５ｍｍの範囲内で移動させることにより、像面の位置を±５０μｍの範囲内で移動させることができる。このため、±５０μｍの範囲内で、容易にフォーカス調整を行うことができる。

図４に、上記実施例で用いた絞り７の他の構成例を示す。図４に示した絞り７においては、遮光領域７Ｂと開口７Ａとの境界に、位相シフト領域７Ｃが配置されている。位相シフト領域７Ｃは、開口７Ａを取り囲む円環状の形状を有する。位相シフト領域７Ｃは、その領域内を通過する光を減衰させる。減衰率は例えば５０％である。さらに、位相シフト領域７Ｃは、その領域内を通過する光の位相を、開口７Ａ内を通過する光の位相よりも遅らせる。例えば、位相シフト領域７Ｃ内を通過した光は、開口７Ａ内を通過した光に対して、位相が１８０°だけずれる。

位相シフト領域７Ｃを配置することにより、開口７Ａを結像させる際の解像度を高めることができる。さらに、焦点深度を深くすることができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

（１Ａ）は、実施例による露光装置の概略図であり、（１Ｂ）は、絞りの平面図である。照明装置の概略図である。絞りと光線束との位置関係を示す線図である。他の構成例の絞りの断面図である。従来の露光装置の概略図である。

符号の説明

１照明装置
２空間光変調素子
５投影光学系
６前段レンズ
７絞り
７Ａ開口
７Ｂ遮光領域
７Ｃ位相シフト領域
８後段レンズ
９移動機構
１５マイクロレンズアレイ
１６第１の像面
１７第２の像面
１８ステージ
２０被照射体
３０光軸
３１光線束
４０光源
４１コリメートレンズ
４２アレイレンズ
４３後側焦点の位置
４３Ａ仮想光源
４４コンデンサレンズ
４５第３の像面
４５Ａ像

Claims

照明光を放射する照明手段と、
前記照明手段から放射された照明光が入射する位置に２次元的に配置された複数の画素を含み、画素単位で空間的に光変調を行う空間光変調素子と、
前記空間光変調素子によって変調された光が入射し、前記空間光変調素子の画素を第１の像面上に結像させる投影光学系と、
前記第１の像面の位置に、前記空間光変調素子の画素対応に配置された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、
被照射体を保持するステージと
を有し、
前記投影光学系は、前段レンズと、該前段レンズの後側焦平面の位置を前側焦平面とする後段レンズと、前記画素を経由して前記前段レンズを通過したすべての光線束の経路が重なる位置に開口を有する絞りとを含み、前記マイクロレンズアレイの各々のマイクロレンズ及び前記後段レンズは、前記絞りの位置を前記ステージに保持された被照射体の表面に結像させる露光装置。
前記投影光学系は、さらに、前記前段レンズの後側焦点を含む範囲内で、前記絞りを光軸方向に移動させる移動機構を有する請求項１に記載の露光装置。
前記投影光学系は、前記絞りの開口の寸法を変化させることができる請求項１または２に記載の露光装置。
前記絞りは、遮光領域と開口部との境界に、開口部を透過する光に対して位相を変化させ、かつ減衰させる位相シフト領域を有する請求項１〜３のいずれかに記載の露光装置。