JP2010182989A - 光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のフィルタ板をフレームとその桟により保持するフィルタを備える光照射装置において、光照射面での照度分布の均一度の低下を防ぐこと。
【解決手段】光源Ｈから出射した光は、第１の反射鏡３で反射して、フィルタ１０を介して、矩形の複数のレンズを並べて配置したインテグレータレンズ４に入射する。フィルタ１０は矩形状の複数のフィルタ板を、フレーム（保持枠）とこのフレームに縦横に形成した桟により保持したものである。このため、この桟が光源Ｈからの光を遮光し、インテグレータ４上に線状の影ができ被照射面における照度分布を不均一にする。そこで、フィルタ１０を、フィルタ１０の桟がインテグレータレンズ４の各レンズの辺に対して斜めになるように、かつ、各レンズの対角線とは平行にならないように配置する。これにより、桟１０ｃが作る影による被照射面における照度分布の均一度の低下を防ぐことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子やプリント基板、液晶基板などの製造用の露光装置に用いる光照射装置に関する。

図１２に、従来の露光装置等の光源装置として用いられる光照射装置の構成例を示す。 同図において、ランプ１から出射した光は、集光鏡２によって集光され、第１の反射鏡３により光路を折り返し、波長選択フィルタ１０やシャッタ２０を介して、インテグレータレンズ４に入射する。
インテグレータレンズ４は、該レンズ４に入射した光の照度分布を被照射面において均一にする機能を有する。
インテグレータレンズ４から出射した光は、第２の反射鏡５により反射され、コリメータレンズ６に入射する。コリメータレンズ６から出射する光は平行光となり、被照射面８に照射される。

図１２に示す装置の場合、被照射面８にはマスクＭが置かれ、マスクＭに形成されたマスクパターン（不図示）が、投影レンズ７を介して、レジストなどの感光材を塗布した基板Ｗ上に投影され露光される。なお、投影レンズ７を用いず、マスクＭと基板Ｗを密着または近接し、マスクパターンを基板Ｗ上に露光する装置についても、同様の構成の光照射装置が使用される。
また、被照射面８に、マスクＭではなく被処理物を配置し、光を照射して、光化学反応により被処理物の表面改質等を行なう場合もある。そのような例として、液晶表示素子用の光配向膜の光配向処理がある。
以下、基板や配向膜など光照射装置からの光を照射する対象物をワークと呼ぶ。

インテグレータレンズ（フライアイレンズとも言う）は、十数〜百程度のレンズを縦横方向に並列配置したものである。該各レンズが入射光を分割し、分割された光が照射面で重ね合わされることにより、照度分布を均一にする。即ち、インテグレータレンズに入射する光の照度分布が不均一であり、各レンズに入射する光の強さが異なっても、その出射光が同一照射面を重ねて照射することにより、均一な照度分布となる。上記のようなインテグレータレンズを用いることにより、被照射面の照度分布を±５％程度にすることができる。

図１３にインテグレータレンズによる上記照度分布の均一化の様子を示す。なお、同図では説明を容易にするため、３つのレンズから構成されるインテグレータレンズを示しているが、実際には十数〜数十のレンズが設けられている。
図１３において、図示しないランプからの光が集光され、同図の上方からインテグレータレンズ４に入射し、インテグレータレンズ４から出射した光は、コリメータレンズ６を介して、同図下方の被照射面８の照射領域に照射される。
インテグレータレンズ４は、第１のレンズＬ１、第２のレンズＬ２、第３のレンズＬ３から構成され、インテグレータレンズ４に入射する光の、図面左右方向の照度分布は、図中グラフ１に示すような中心部の照度が高く周辺部が低い形状であるとする。

インテグレータレンズ４は、個々のレンズＬに入射した光を、照射領域全体に投影する。第１のレンズＬ１には、グラフ１のＡの照度分布を有する光が入射し、照射領域全体に、グラフ２のＡ’のような照度分布を有する光として投影される。
同様に、第２のレンズＬ２には、グラフ１のＢの照度分布を有する光が入射し、照射領域全体に、グラフ２のＢ’のような照度分布を有する光として投影される。第３のレンズＬ３には、グラフ１のＣの照度分布を有する光が入射し、照射領域全体に、グラフ２のＣ’のような照度分布を有する光として投影される。
照射領域において、上記Ａ’、Ｂ’、Ｃ’の照度分布が足し合わされる。これにより照射領域の照度分布は、グラフ３に示すようになる。グラフ１に比べ、グラフ３は照度分布が均一化されている。
インテグレータレンズを構成するレンズの数を増やせば、このような照度分布の均一の効果があがる。このように、インテグレータレンズを使用することにより、被照射面８の光照射領域の照度分布を±５％以下にすることができる。

液晶基板やプリント基板などの矩形状のワークを露光する場合、光照射装置から照射される光の形状を、ワークの形状に合わせて矩形状にする。そのような場合、インテグレータレンズ４を構成する個々のレンズの、光軸に対して垂直方向の断面形状を矩形状にすれば、照射領域の形状が矩形状になる。このような、各レンズの断面が矩形状のインテグレータレンズを用いた例として、例えば特許文献１に記載された光照射装置がある。
また、このような光照射装置において、ランプ１から放射される光から露光に必要な波長の光のみを取り出すために、インテグレータレンズ４の光入射側に波長を選択する手段、いわゆる波長選択フィルタ１０を配置することも、例えば特許文献２の照明光学装置に記載されているように、以前より知られている。
なお、インテグレータレンズ４の光入射側に配置するフィルタとしては、必要とする波長より短い波長の光を遮断するためのものが多い。

特開２００２−２３７４４２号公報 特開昭６１−１８０４３５号公報 特開２００４−２４５９１２号公報

上記の波長選択フィルタ（以下単にフィルタと呼ぶ）は、石英やガラスといった透明基板上に、無機多層膜を蒸着して形成される。形成する膜は、遮断したい（透過させたい）光の波長に応じて材質や膜厚が設定され形成される。
近年、液晶表示基板やプリント基板の大面積化が進み、それに伴って露光装置においても光照射領域の拡大が望まれている。その対策として、例えば特許文献３に記載された光照射装置のように、複数のランプと集光鏡を組み合わせることも提案されており、光源も大型化している。
光源が大型化すると、インテグレータレンズに入射する光（光芒）も大きくなり、インテグレータの入射側に配置するフィルタも大型のものが必要になる。例えば、４本のランプを並べて使用する光照射装置の場合、光芒の直径は約７００ｍｍとなる。

しかし、フィルタは、上記したようにガラス板等（以下総称してガラス板と呼ぶ）に無機蒸着膜を形成したものである。現実問題として、遮断したい（透過させたい）波長がシフトしないように、均一な特性の蒸着膜を大面積のガラス板の全面に渡って形成することは困難であり、現状では２５０ｍｍ〜３００ｍｍ角程度までである。そのため、大型の光照射装置において使用するフィルタは、一枚のガラス板から製作することが難しい。
この問題に対して、われわれは、鋭意検討の結果、複数の小さなフィルタ板をフレーム（保持枠）上その桟によって保持し、ひとつの大きなフィルタとして用いることを考えた。しかし、フレームとその桟は、耐久性やコストの点から通常金属で製作する。そうするとフレームや桟は不透明となり、桟の太さも５ｍｍ〜１０ｍｍ程度になる。このようなフィルタを光路に配置すると、フレームの外枠は光芒の外になるように配置したとしても、桟が光を遮光して影が生じ、光照射面での照度分布の均一度を低下させてしまう。
本発明は上記従来の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、複数のフィルタ板をフレームとその桟により保持するフィルタを備える光照射装置において、光照射面での照度分布の均一度の低下を防ぐことである。

上記課題を解決するため、本発明においては、光源と、光の入／出射面が矩形（すなわち光軸に対して垂直方向の断面が矩形）の複数のレンズが並べて配置され、上記光源からの光を入射して光照射面での照度分布を均一にするインテグレータレンズと、上記光源から放射される光のうち特定の波長範囲の光のみを透過するフィルタとを備え、該フィルタが複数のフィルタ板がフレームと該フレームの桟により保持して構成された光照射装置において、上記フィルタに光が照射される領域における上記フィルタのフレームの桟が伸びる方向を、インテグレータレンズの上記矩形を構成する各辺の方向に対して斜めになるように（平行にならないように）、かつ上記インテグレータレンズの上記矩形の対角線とは平行とならないように配置する。
ここで、上記フィルタ及びインテグレータレンズに入射する光の照度は、光芒の中心部分（光軸の近傍）が強いので、この部分にフィルタの桟がかからないように配置すれば、桟の影の影響をより小さくすることができ、照度分布の均一度の低下を防ぐことができる。すなわち、光軸が通過するレンズ及びそれに隣接するレンズ上に桟が配置されないようにするのが望ましい。
また、上記フィルタに光が照射される領域において、上記フィルタの全ての桟が、上記インテグレータレンズの辺に対して斜めに、かつ、上記レンズの対角線に対して平行にならないように配置するのが望ましく、このようにすれば効果的に桟の影の影響を小さくすることができる。

本発明においては、フィルタのフレームの桟が伸びる方向を、インテグレータレンズの各辺の方向に対して斜めになるように、かつインテグレータレンズの矩形の対角線とは平行とならないように配置したので、上記桟の部分の影が、インテグレータレンズの作用により被照射面の照射領域において足し合わされることがなく、フレームの桟による影が、光照射面において分散され、照度分布の均一度の低下を防ぐことができる。

本発明の実施例の光照射装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施例のフィルタの構造を示す図である。 インテグレータレンズを光入射側から見た図である。 本発明の実施例のインテグレータレンズに対するフィルタの配置例を示す図（光入射側から見た図）である。 本発明の実施例のインテグレータレンズに対するフィルタの配置例を示す図（斜視図）である。 本発明において照度分布の低下を防ぐことができる理由を説明する図（１）である。 本発明において照度分布の低下を防ぐことができる理由を説明する図（２）である。 インテグレータレンズの各レンズが正方形である場合におけるフィルタの配置を説明する図である。 インテグレータレンズの各レンズに対するフィルタの桟の好ましい配置例を説明する図である。 本発明のフィルタをインテグレータレンズの出射側に配置した場合の構成例を示す図である。 インテグレータレンズ４を光入射側のレンズ群４ａと光出射側のレンズ群４ｂで構成した場合において、本発明のフィルタをインテグレータレンズの光入射側と光出射側のレンズ群の間に配置した場合の構成例を示す図である。 従来の露光装置等の光源装置として用いられる光照射装置の構成例を示す図である。 インテグレータレンズによる照度分布の均一化の様子を示す図である。

図１は、本発明の実施例の光照射装置の概略構成を示す図である。図１２と同じ構成のものについては同じ番号を付している。
本実施例においては、光源Ｈは、被照射面８において広い面積の照射領域が得られるように、２個のランプ１ａ，１ｂと、各ランプからの光を反射して集光する２個の集光鏡２ａ，２ｂとから構成されている。構成については従来の光照射装置と基本的には同じであるので、省略する。
光源Ｈから出射した光は、第１の反射鏡３により光路が折り返され、波長選択のためのフィルタ１０やシャッタ２０を介して、インテグレータレンズ４に入射する。
インテグレータレンズ４から出射した光は、第２の反射鏡５により反射され、コリメータレンズ６で平行光とされ、被照射面８に照射される。

図２は、本実施例のフィルタ１０の構造であり、９枚の矩形状のフィルタ板１０ａを、矩形状のフレーム（保持枠）１０ｂとそのフレーム１０ｂに縦横に形成した４本の桟１０ｃにより保持したフィルタを示している。図２（ａ）はフィルタ１０を光入射側から見た平面図であり、図２（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
フィルタ１０は、複数のフィルタ板１０ａと、各フィルタ板１０ａを保持するフレーム（保持枠）１０ｂと、このフレーム１０ｂに対して互いに平行に配置された桟１０ｃから構成される。
フィルタ板１０ａは、上記したように石英やガラス等の透明基板に無機多層膜が蒸着されたものであり、例えば１辺が２５０ｍｍ〜３００ｍｍの正方形である。
フィルタ板１０ａを保持するフレーム（保持枠）１０ｂとその桟１０ｃは、アルミニウム製であり、フレーム１０ｂの桟１０ｃの幅は５ｍｍ〜１０ｍｍであり、内側には凹部が形成され、各フィルタ板１０ａこの凹部にはめ込まれて保持される。

図３は、インテグレータレンズ４を光入射側から見た図である。同図においては、光照射領域の形状に合わせて形成された、光軸に対して垂直方向の断面が矩形状のレンズＬが３×６＝１８個配置されている。実際の光照射装置において使用されるインテグレータレンズ４のレンズＬの数は、８０個〜１００個になる。
図４と図５は、図３に示したインテグレータレンズ４の光入射側に、図２に示したフィルタ１０を配置する際の、本発明の実施例の構成を示す図である。図４はインテグレータレンズ４とフィルタ１０を光入射側から見た図であり、図５はその斜視図である。

図４に示すように、フィルタ１０は、そのフレーム１０ｂの桟１０ｃがインテグレータレンズ４の各レンズＬの辺に対して斜めになるように（各レンズＬの並ぶ方向に対してフレーム１０ｂが斜めになるように）、ただし各レンズの対角線とは平行にならないように配置する。
すなわち、各レンズＬの光入射面上に、各フレーム１０ｂの桟１０ｃを光軸方向に投影させたとき、各桟１０ｃの線状の影の方向が矩形状の各レンズＬの各辺と平行にならないように、かつ、各レンズの上記矩形の対角線と平行にならないように配置する。
このようにフレームの桟１０ｃを配置することで、フレームの桟１０ｃが作る影による被照射面における照度分布の均一度の低下を防ぐことができる。
なお、図４においては、分かりやすいように、インテグレータレンズ４の大きさに対して、フィルタ１０のフレーム１０ｂを極端に太く示している。実際にはもう少し細く、インテグレータレンズの入射面に投影されるフレームの桟１０ｃの影も細い。

フィルタ１０のフレーム１０ｂの桟１０ｃを上記のようにインテグレータレンズ４の各辺の方向に対して斜めになるように配置すると、照度分布の低下を防ぐことができる理由を、図６と図７を使って説明する。
図６（ａ）は、インテグレータレンズ４を光入射側から見た図である。インテグレータレンズ４は、Ｌ１〜Ｌ９の番号で示した９個の、断面が正方形のレンズで構成されているものとする。そして、このインテグレータレンズには、円形の光照射エリア（光芒）として示した光が入射しているものとする。
図６（ｂ）と（ｃ）は、このインテグレータレンズ４の光入射側にフィルタ１０を配置した図である。
説明を簡単にするために、ここでは、フィルタ１０は２枚のフィルタ板１０ａをフレーム（フィルタ枠）１０ｂで保持したものとし、２枚のフィルタ板１０ａの間にある１本の桟１０ｃがインテグレータレンズ４の光入射面に影を落とすものとする。
図６（ｂ）は、フィルタ１０のフレーム１０ｂの桟１０ｃを、インテグレータレンズ４の各レンズＬの辺と平行に、（フレーム１０ｂを矩形のレンズの辺と平行に）配置した場合である。図６（ｃ）は、フィルタ１０のフレーム１０ｂの桟１０ｃを、インテグレータレンズの各レンズが並ぶ方向に対して斜めに（フレーム１０ｂを矩形のレンズの辺に対して斜めに）配置した場合である。

図７は、図６に示したようにインテグレータレンズ４の光入射側にフィルタ１０を配置した場合の、照度分布を示す図である。なお、同図は、前記図１３と同様のイメージで作成している。
図７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、図６（ｂ）の場合の照度分布であり、図７（ｄ）（ｅ）（ｆ）は、図６（ｃ）の場合の照度分布である。
図７（ａ）（ｄ）は、各レンズから出射する光の照度分布、図７（ｂ）（ｅ）はそれらを足し合わせた照度分布、図７（ｃ）（ｆ）は被照射面の光照射領域全体の照度分布イメージを示している。
上記したように、インテグレータレンズ４は、個々のレンズに入射した光を被照射面の照射領域全体に投影する。しかし、図６（ｂ）の場合は、フレームの桟の影はインテグレータレンズのレンズＬ２とＬ５とＬ８の中央を上下に横切っている。
そのため、図７（ａ）に示すように、レンズＬ５が照射領域に投影する光の照度分布は、中央の部分の照度が低下したものとなる。同様に、レンズＬ２とＬ８が投影する光の照度分布も、中央の部分の照度が低下したものとなる。

これらの照度分布が、インテグレータレンズの作用により被照射面の照射領域において足し合わされると、図７（ｂ）に示すように、レンズＬ２とＬ５とＬ８の照度の低い部分も足し合わされることになる。したがって、足し合わされた照度分布は、他の部分に比べて中央の部分の照度が極端に低い（暗い）ものとなる。
その結果、図７（ｃ）に示すように、被照射面の照射領域を、照度の極端に低い（暗い）領域が横切ることになる。そのため、光照射領域において、所望の照度分布の均一度（例えば±５％）を得ることができない。
これに対して、図６（ｃ）の場合は、フレームの桟の影は各レンズが並ぶ方向に対して斜めであり、フレームの影はレンズＬ２とＬ５とＬ８を横切っているが、その場所は、レンズＬ２は右側、レンズＬ５は中央付近、レンズＬ８は左側と、それぞれ場所が異なる。 そのため、図７（ｄ）に示すように、レンズＬ５が照射領域に投影する光の照度分布は、中央の部分の照度が低下したものとなるが、レンズＬ２が投影する光の照度分布は、右側の部分の照度が低下したものとなり、レンズＬ８が投影する光の照度分布は、左側の部分の照度が低下したものとなり、各々の照度の低い部分は一致しない。

したがって、これらの照度分布が、被照射面の照射領域において足し合わされると、図７（ｅ）に示すように、レンズＬ２とＬ５とＬ８の照度の低い部分は照射領域の中で重ならずに分散し、フレームの影の影響はあるものの、照度が極端に低い（暗い）領域は生じない。
その結果、図７（ｆ）に示すように、被照射面の照射領域を、やや照度の低い（暗い）領城が３ケ所横切ることにはなるが、その部分の照度低下は少ない。したがって、光照射領域において、所望の照度分布の均一度（例えば±５％）を得ることができる。
なお、図４においては、フィルタ１０のフレーム１０ｂが、インテグレータレンズ４の各レンズＬの辺の方向（各レンズが並ぶ方向）に対して約４５°で交差するように配置しているが、必ずしも４５°が最適であるとは限らない。要は、各レンズＬの同じ位置が暗くならないようにすることが重要である。
したがって、フレーム１０ｂの桟１０ｃをインテグレータレンズ４の各レンズＬの辺の方向に対して斜めに配置する時、各レンズの対角線とは平行とならないように（一致しないように）配置する必要がある。

例えば、図８（ａ）に示すように、インテグレータレンズ４の各レンズＬの光軸に垂直な平面で切ったときの断面が正方形である場合、フレーム１０ｂの桟１０ｃを各レンズＬが並ぶ方向に対して４５°で配置すると、フレームの桟の影はインテグレータレンズの各レンズの対角線と一致する（平行になる）ため、レンズＬ３、Ｌ５、Ｌ７には同じ位置にフレームの桟の影が投影される。したがって、図７において説明したように、照度の低い部分が足し合わされ、照度の極端に低い部分が光照射領域を斜めに横切ることになる。
そのため、このような場合は、図８（ｂ）に示すように、フィルタ１０の桟１０ｃの各レンズＬの辺の方向に対する角度を調整して、桟１０ｃの影が各レンズＬに投影される位置を異ならせるようにする。

ここで、インテグレータレンズ４に入射する光の照度は、光芒の中心部分（光軸の近傍）が強いので、この部分上にフィルタ１０の桟１０ｃが配置されると、桟１０ｃの影の影響が大きく現れる。
例えば、前記図６（ｂ）（ｃ）に示したようにフィルタ１０の桟１０ｃがインテグレータレンズ４の中央部分を通過している場合、図７に示すように、照度が大きい光が入射するインテグレータレンズ４の中央部分のレンズＬ５を通過する光に桟１０ｃの影の影響が強く現れる。
したがって、インテグレータレンズの、光芒の中心部分に配置されたレンズ上にフィルタ１０の桟１０ｃが配置されないようにすれば、上記桟１０ｃの影の影響を小さくすることができる。図６の例ではインテグレータレンズ４の中央部分のレンズＬ５、すなわち、光芒の光軸が通過するレンズ（及び／または光軸に隣接するレンズ）上にフィルタ１０の桟１０ｃを配置しないことが望ましい。
図６ではレンズＬが９個配置されている場合を示したが、前述したように実際の光照射装置において使用されるインテグレータレンズのレンズの数はもっと多い。例えば、図９に示すように、インテグレータ４のレンズＬが６６個で、光軸がレンズＬ３０、Ｌ３１、Ｌ４２、Ｌ４３の間を通過している場合には、光軸に隣接するレンズＬ３０、Ｌ３１、Ｌ４２、Ｌ４３の上にフィルタ１０の桟１０ｃがかからないようにする。
以上のように、光芒の光軸が通過するレンズ（及び／または光軸に隣接するレンズ）上にフィルタ１０の桟１０ｃが配置されないようにすることで、桟１０ｃの影の影響を小さくすることができる。

上記実施例においては、フィルタをインテグレータレンズの光入射側に配置する例を示したが、本発明は、他の場合にも適用できる。
図１０は、フィルタ１０をインテグレータレンズ４の出射側に配置した例である。その他の構成は図１に示したものと同様であり、図１と同じ構成のものについては同じ番号を付している。
本発明のフィルタ１０をインテグレータレンズ４の出射側に配置するとき、インテグレータレンズ４からの距離が遠いと、フィルタ１０のフレーム１０ｂの桟１０ｃの影がそのまま被照射面に投影されてしまう。しかし、インテグレータレンズ４の出射側に近く、各レンズから出射した光が重なり合う位置の前（インテグレータレンズ４に近い側）であれば、フィルタ１０の桟１０ｃが、各レンズＬの辺の方向に対して斜めであり、かつ上記レンズの対角線とは平行とならないように配置することで、上記実施例において示した同様の効果をあげることができる。
すなわち、インテグレータレンズ４の出射側の近くに、フィルタ１０を配置し、各レンズＬの光入出射面上に光軸方向に上記桟１０ｃを投影させたとき、各桟１０ｃの影の方向が矩形状の各レンズＬの各辺と平行にならないように、かつ、各レンズの上記矩形の対角線と平行にならないように配置することで、フレームの桟１０ｃが作る影による被照射面における照度分布の均一度の低下を防ぐことができる。

図１１は、インテグレータレンズ４を光入射側のレンズ群４ａと光出射側のレンズ群４ｂで構成した場合において、本発明のフィルタ１０を両レンズ群４ａ，４ｂの間に配置した例である。
大型の光照射装置においては、インテグレータレンズ４が大型化することによるコストの上昇を防ぐために、インテグレータレンズ４を、同図に示したように、光入射側のレンズ群４ａと光出射側のレンズ群４ｂに分けて構成する場合がある。そのような場合は、フィルタ１０を両レンズ群の間に配置することが考えられる。そのような場合も、フィルタ１０の桟１０ｃが、インテグレータレンズを構成する各レンズＬの辺の方向（各レンズＬの並ぶ方向）に対して斜めであり、かつ上記レンズＬの対角線とは平行とならないように配置することで、上記実施例において示したものと同様の効果をあげることができる。

１ａ，１ｂ ランプ
２ａ，２ｂ 集光鏡
３ 第１の反射鏡
４ インテグレータレンズ
５ 第２の反射鏡
６ コリメータレンズ
８ 被照射面
１０ フィルタ
１０ａ フィルタ板
１０ｂ フレーム
１０ｃ 桟
２０ シャッタ
Ｌ１〜Ｌ９ レンズ
Ｈ 光源

Claims (1)

1. 光源と、複数の矩形のレンズを並べて配置し、上記光源からの光を入射して光照射面での照度分布を均一にするインテグレータレンズと、上記光源から放射される光のうち特定の波長範囲の光のみを透過するフィルタとを備えた光照射装置において、
   上記フィルタは、複数のフィルタ板がフレームと該フレームの桟により保持して構成され、
   上記桟は、上記インテグレータレンズの上記複数のレンズの辺の方向に対して斜めであり、かつ上記レンズの対角線とは平行とならないように配置されていることを特徴とする光照射装置。

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