JP2011165784A - 光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 第２の光源の光を、第1の光源からの光が存在しない領域に導入し、第1の光源からの光と合成する光照射装置において、第１の光源から出射した光の量を減らさないように、第２の光源からの光を合成すること。
【解決手段】 第１の光源からの光をインテグレータの方向に反射する平面ミラーの、第１の光源からの光が照射される領域に囲まれた放射強度の弱い領域に貫通孔を形成し、この貫通孔から第２の光源からの光を導入する。第２の光源は、例えばレーザダイオードであり、レーザダイオードからの光はファイバを用いて平面ミラーの裏面側から貫通孔を介して導入する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体集積回路や液晶表示素子などの製造に用いられる露光装置の光源装置である、光照射装置に関する。

図４は、従来技術に係る露光装置の光源装置に用いられる光照射装置の構成を示す図である。
光照射装置１は、紫外線を含む光を放射するランプ２、ランプ２から出射した光を集光する断面が楕円の集光鏡３、光路を折り返す平面ミラー４、光を照射する面（光照射面）１１において照度分布を均一するためのインテグレータレンズ（フライアイレンズともいう）５、インテグレータレンズから出射した光の光路を折り返すとともに入射した光を平行光化して出射するコリメータミラー６等から構成されている。なお、コリメータミラーの代わりにコリメータレンズを使用する構成にしても良い。

光照射面１１にマスク１０が置かれていると、マスク１０に形成されたマスクパターンが、投影レンズ１２を介して、レジストが塗布された基板１３上に投影されて露光される。なお、露光装置には、投影レンズを用いず、マスクと基板とを近接または密着させて露光を行うものもある。

ランプ２は、例えばキセノンランプや超高圧水銀ランプなどのショートアーク型の放電ランプである。集光鏡３は、上記したように断面形状は楕円形であり、ランプ２の発光部の輝点が集光鏡３の第１焦点に位置し、インテグレータレンズ５の光入射面が集光鏡３の第２焦点に位置する。

このような光照射装置においては、集光鏡３の頂点付近には貫通孔３１が形成されており、ランプ２はこの貫通孔３１に挿通された状態で不図示の保持部材に固定されている。そのため、この集光鏡３の貫通孔３１が形成された部分には反射光が存在しないか、存在しても散乱光などの弱い光しか存在しない。
そのため、図４において斜線部で示すように、インテグレータレンズ５の入射する光には、集光鏡３による反射光が照射される領域の内側（中央部付近）に、周囲に比べて放射照度の低い領域が生じる。なお、このような現象を「光の中抜け」と呼ぶことがあり、以下、集光鏡３による反射光が照射される領域の内側の、周囲に比べて放射照度の弱い領域のことを、光の中抜け領域７と呼ぶ。
このような光の中抜けは、光照射面での照度低下をもたらす。

このような光の中抜けによる照度低下の問題を解決するために、特許文献１には、照明光学装置において、第１の光源であるランプに加え、第２の光源であるレーザ光源を備え、このレーザ光源からの光を、第１の光源からの光が存在しない領域に導入し、第１の光源からの光と合成することが示されている。

同公報においては、第２の光源からの光を第１の光源からの光と合成するための手段として、第２の光源からの光を反射する反射鏡（同公報図２、図４、図１０）や第２の光源からの光を伝達する光ファイバ（同公報図６）、また、第２の光源からの光が通過する開口を楕円集光鏡の一部に設ける（同公報図８）、第１の光源の大きさが小さい場合は、楕円集光鏡の頂部に形成されている貫通孔から第２の光源からの光を入射する（同公報図９）、第１の光源の光路内に第２の光源を配置する（図１１）などの例が示されている。

特開２００５−２３４１２０号公報

特許文献１に記載されたように光照射装置を構成すれば、従来の装置において生じていた光が存在しない領域が生じるのを防ぐことができる。
しかし、同公報に示されたような構成では、以下に示すように、従来に比べて、インテグレータに入射する第１の光源（ランプ）からの光の量が減り、その分光照射面での照度が低下するという問題が生じる。

上記したように、光の中抜け領域は、集光鏡による反射光が照射される領域の内側に生じる。そのため、第２の光源からの光を反射鏡やファイバを用いて光の中抜け領域を導入すると、反射鏡の支持部材やファイバ自体が、集光鏡により反射されている第１の光源（ランプ）からの光を横切るため、インテグレータレンズの入射面にその影が投影され、その結果光照射面での照度が低下する。
また、集光鏡の一部に開口を設けこの開口から第２の光源からの光を導入すると、集光鏡のランプからの光を反射する面に孔を開けることになり、集光鏡により反射されるランプからの光の量が減るため、光照射面での照度が低下する。

また、第1の光源の光路内に第2の光源を配置すると、第２の光源自体が集光鏡に反射されたランプからの光を遮るので、その分光照射面での照度が低下する。
また、集光鏡の頂部に形成されている貫通孔から第2の光源からの光を入射すると、本来であれば集光鏡に形成する貫通孔の径を小さくして反射効率を上げられるにもかかわらず、第2の光源からの光を入射するために貫通孔の径を小さくできない。したがって集光鏡により反射されるランプからの光の量が減り、光照射面での照度が低下する。さらに、集光鏡のすぐ近くに第2の光源を配置することになるが、このことは、発光時高温になる第1の光源（ランプ）の近くに第2の光源を配置することになり、したがって、第2の光源を冷却するための大掛かりなシステムが必要になり実現性に乏しい。

本発明は、上記の問題点に鑑み、第２の光源の光を、第1の光源からの光が存在しない領域に導入し、第1の光源からの光と合成する光照射装置において、第１の光源から出射した光の量を減らさないように、第２の光源からの光を合成することを目的とする。

本発明においては、上記課題を次のようにして解決する。
第１の光源からの光をインテグレータレンズの方向に反射する平面ミラーの、第１の光源からの光が照射される領域に囲まれた放射照度の弱い光の中抜け領域に貫通孔を形成し、この貫通孔から第２の光源からの光を導入する。
なお、第２の光源は、例えばレーザダイオードであり、レーザダイオードからの光はファイバを用いて平面ミラーの裏面側から貫通孔を介して導入する。

本発明において、以下の効果を得ることができる。
第２の光源を平面ミラーの裏面側に配置するので、第２の光源本体やその支持部材、また第２の光源からの光を第１の光源（ランプ）からの光に合成するためのファイバなどが、集光鏡に反射されたランプからの光を遮ることはない。
平面ミラーに貫通孔を形成するが、その部分は放射照度の弱い中抜け領域なので、ランプからの光の反射効率を低下させることはない。

また、集光鏡の貫通孔を大きくする必要がなく、集光鏡により反射される第１の光源（ランプ）からの光の量が減ることはない。
したがって、インテグレータに入射する第１の光源（ランプ）からの光の量を減らすことなく、第２の光源からの光を合成でき、光照射面での照度の低下を防ぐことができる。
さらに、第2の光源は、発光時高温になる第1の光源から遠い位置に配置することになり、第2の光源を冷却するための大掛かりな冷却システムも不要である。

露光装置の光源装置に用いられる本発明の光照射装置の構成を示す図である。 本発明の光照射装置の平面ミラー付近の拡大図である。 本発明の変形例を示す図である。 従来技術に係る露光装置の光源装置に用いられる光照射装置の構成を示す図である。

図１に、露光装置の光源装置に用いられる本発明の光照射装置の構成を示す。
本発明の光照射装置は、光路を折り返す平面ミラー４と、その裏面側に配置した第２の光源を除いて、基本的には図４の構成と同じである。
光照射装置１は、紫外線を含む光を放射するランプ２、ランプ２から出射した光を集光する断面が楕円の集光鏡３、光路を折り返す平面ミラー４、光を照射する面（光照射面）１１において照度分布を均一するためのインテグレータレンズ（フライアイレンズ）７、インテグレータレンズ５から出射した光の光路を折り返すとともに入射した光を平行光化して出射するコリメータミラー６等から構成されている。

ランプ２は、例えばキセノンランプや超高圧水銀ランプなどのショートアーク型の放電ランプである。集光鏡３は、上記したように断面形状は楕円形であり、ランプ２の発光部の輝点が集光鏡３の第１焦点に位置し、インテグレータレンズ５の光入射面が集光鏡３の第２焦点に位置する。ここで、ランプ２とランプ２から出射する光を反射する集光鏡３が第1の光源に相当する。
集光鏡３の頂点付近には貫通孔３１が形成されており、ランプ２はこの貫通孔３１に挿通された状態で不図示の保持部材に固定されている。そのため、この集光鏡３の貫通孔３１が形成された部分には反射光が存在しないか、存在しても散乱光などの弱い光しか存在しない。

図２に、平面ミラー４の付近の拡大図を示す。
平面ミラー４は、集光鏡３に反射された光をインテグレータレンズ５の方向に反射する平面反射鏡である。大きさは例えば３００ｍｍ×２５０ｍｍである。
この平面ミラー４に集光鏡３に反射された光が照射されたとき、平面ミラー４上には、従来と同様に光の中抜けが生じたリング状の光照射領域が形成される。そこで、平面ミラー４の、集光鏡３の反射光によるリング状の光照射領域に囲まれた放射照度の弱い領域、即ち光が中抜けしている領域７に、中抜けの領域よりも大きさが小さい、例えば直径２ｍｍ程度の貫通孔４１を形成する。

そして、平面ミラー４の裏面側にレーザダイオードＬＤを配置する。レーザダイオードＬＤは、紫外線領域（例えば波長３７５ｎｍや４０５ｎｍ）の光を出射するものがあるので、それを適宜選択する。
レーザダイオードＬＤの光出射側には、多数の細いファイバを束ねたバンドルファイバＦの光入射端を取り付ける。バンドルファイバＦの光出射端は平面ミラー４の貫通孔４１に平面ミラー４の裏面側から接近させて、レーザダイオードＬＤからの光がインテグレータ７に向かうように配置する。ここで、レーザダイオードＬＤとレーザダイオードＬＤからの光を出射するファイバFが第2の光源に相当する。
なお、バンドルファイバＦの光出射端は、貫通孔４１の中に挿入しても良いが、出射端の先端は、平面ミラー４の表面から突き出ないようにする。バンドルファイバＦの光出射端に、散乱光が照射され更なる迷光を生じないようにするためである。

レーザダイオードＬＤからの光は、バンドルファイバFにより平面ミラー４の貫通孔４１にまで導かれ出射する。出射したレーザダイオードＬＤからの光８は、インテグレータレンズ７に向かうにしたがって広がって進む。
そして、インテグレータレンズ５の光入射面Ｓにおいて、レーザダイオードＬＤからの光８は、集光鏡３による反射光による光照射領域に囲まれた、光が中抜けした領域７を埋める。したがって、インテグレータレンズ５には、放射照度の弱い領域のない光が入射する。
インテグレータレンズ５により光照射面１１での照度分布が均一になるように調整された光は、コリメータミラー６で中心光線が平行になって光照射面１１に置かれたマスク１０に照射される。そして、マスク１０に形成されたマスクパターンは、投影レンズ１２を介して基板１３上に投影される。

第2の光源としてレーザダイオードを使用する理由は、レーザダイオードから出射する光は輝度が高く、細いファイバで放射照度の強い光を取り出すことができ、したがって、平面ミラー４に形成する貫通孔４１の径が小さくても、強い光を導入することができるからである。上記したように、平面ミラー４に形成する貫通孔４１の径は、中抜けの領域７の大きさよりも小さくなくてはならない。

なお、レーザダイオードＬＤから出射する光は干渉性が高く、光照射面１１でスペックルと呼ばれる斑点模様の照度分布が生じやすく、そのため露光結果としてもムラが発生する。
このスペックルは光学系部品の表面に生じる微小な凸凹等による散乱光の干渉によるものであり、レーザのようなコヒーレンスの高くて干渉性の高い光で生じやすい。そしてスペックルが生じると露光ムラが生じる。
これを防ぐためには、図３に示すように、独立したレーザダイオードＬＤを複数（同図では3台）用い、各ＬＤに接続したファイバＦを束ねて、平面ミラー４の貫通孔４１に挿入する。このように構成すれば、各レーザダイオードＬＤから出射する光はそれぞれのスペックルが重なり合い平均化されるので、露光ムラが軽減される。

また、図３のように複数のレーザダイオードＬＤを組み合わせる場合、各レーザダイオードＬＤから出射する光の波長が異なるものとすることもできる。そのようすれば、光照射面における光の分光分布を変化させることができ、例えば感度波長が異なる複数の種類のレジストを露光することもできる。

１ 光照射装置
２ ランプ
３ 集光鏡
４ 平面ミラー
５ インテグレータレンズ
６ コリメータミラー
７ 光の中抜け領域
８ レーザダイオードＬＤからの光８
１０ マスク
１１ 光照射面
１２ 投影レンズ
１３ 基板
３１ 集光鏡に形成された貫通孔
４１ 平面ミラーに形成された貫通孔
Ｆ ファイバ
ＬＤ レーザダイオード
Ｓ インテグレータレンズの光入射面

Claims (2)

1. 紫外線を含む光を放射するランプと、
   上記ランプから放射される光を反射して集光する、頂点付近にランプが通る貫通孔が形成された楕円集光鏡と、
   上記楕円集光鏡により集光された光を入射し光照射面における照度分布を均一化するインテグレータと、
   上記楕円集光鏡により反射した光を上記インテグレータの方向に反射する平面ミラーとを備えた光照射装置において、
   上記平面ミラーには、楕円集光鏡からの反射光が照射される領域に囲まれた放射照度の低い領域に貫通孔が形成され、
   上記平面ミラーの裏面側に設けたレーザダイオードからの光が、上記貫通孔を介して出射することを特徴とする光照射装置。
2. 上記レーザダイオードは、独立した複数のレーザダイオードから構成されていることを特徴とする請求項1に記載の光照射装置。

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