JP2014049611A - 照明モニタ装置およびそれを備えた露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】露光処理の間、照明光を出力低下させることなく、照度、光量を正確に検出する。
【解決手段】複数の光ファイバ２０を構成する光ファイバに対し、クラッド露出であって漏れ光が光ファイバから漏出するように構成する。光ファイバ群２０を、基台６０に形成された凹部６０Ｇには、複数の光ファイバ２０の測定領域（非シールド領域）Ｋを、１列に密接して並べる。そして、計測領域Ｋの上方には、蛍光ガラス７０を供えた光伝達部材４５を配置し、その傍に光検出器５０を配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、露光装置の照明光に関し、照度、光量の測定、調整などを行う照明装置に関し、特に、照明光のモニタリングに関する。

露光装置では、放電ランプ、レーザーなどの光源から照射される光を、光ファイバ束を通じて基板側の照明光学系へ伝達する（例えば、特許文献１参照）。複数個の光源が使用される場合、光源ごとに光ファイバ束を接続し、途中で纏め上げて出力端を１つにしている。

また、露光装置では、基板への照度、光量を一定とするため、光検出器が設けられていれる（例えば、特許文献２参照）。光ファイバ束を進行する光を抽出するため、ファイバ束の一部を光検出器側へ分岐させ、あるいはビームスプリッタを配置することによって、光源からの光を一部取り出し、照度、光量の測定および調整を行う。さらに、光ファイバ内部にグレーチング、誘電体ミラーを配置することで光を取り出すことも可能である（特許文献３参照）。

特開２００６−３４３６８４号公報 特開平７−１８３２０７号公報 米国特許出願公開第２０１０／０２０２７２６号明細書

照明光の一部を光検出用に取り出すため、その分だけ光損失が生じ、照明光を最大限利用して露光することができない。また、光ファイバ束の途中に光抽出用光学系を用いることによって、ファイバ性能しいては照度／光量測定に悪影響を与える。

したがって、光ファイバ束を用いた光伝達の過程で、光損失をできるだけ抑えながら、照度／光量を正確に測定することが求められる。

本発明の照明モニタ装置は、露光装置に適用可能な照明モニタ装置であって、光源部からの照明光を、露光装置に設けられる露光ヘッドへ伝達する複数の光ファイバを利用して照明モニタリングを行うことが可能である。なお、露光ヘッドは、照明光学系、光変調素子アレイもしくはマスク／レチクルなどを含むパターン形成デバイスを示す。

光源部としては、レーザー、放電ランプなどが適用可能である。特に、複数の光源に対して複数の光ファイバをそれぞれ接続させることが可能である。この場合、途中から纏めてファイバケーブルとして露光ヘッドまで延ばすことができる。光ファイバは、様々なタイプのファイバを適用可能であり、コアの周囲にクラッドが形成される細径光ファイバを適用することができる。

本発明では、複数の光ファイバのうち少なくとも１つの光ファイバの外周面に対し、漏れ光が出ていく非シールド領域が形成された複数の光ファイバが設けられている。非シールド領域／区画は、ファイバ特性等によって必然的にクラッドなどから漏れる光が遮断されずに外部へ射出可能な領域であり、例えば、保護膜などのシールド部材で被覆しない構成が可能である。非シールド領域は、軸方向に沿って所定幅をもつように形成してもよく、あるいは、全体を非シールド領域とすることもできる。

さらに本発明の照明モニタ装置は、漏れ光を受光する光検出器と、非シールド領域の周囲に配置され、入射する漏れ光を光検出器へ導く導光部とを備える。光出力が一定であれば、非シールド領域から漏れる光も実質的に一定となる。この漏れ光の光量／輝度値を検出することで、光出力が変動しているか否かを検知することが可能である。

導光部としては、様々な光学部材を適用可能である。受光器へ入射する光ができるだけ均一となるようにすることを考慮し、入射する漏れ光を拡散させる光学部材を設けることが可能である。ここで、光拡散とは、受光器へ入射する光が偏りなく均一化するように分散させることを表し、光の反射／散乱を含む。

光学部材としては、非シールド領域全体から漏れる光を取り込むこと、また、光の拡散（散乱、反射）スペースの確保等を考慮した形状にすればよい。例えば、非シールド領域を全体的にカバーするサイズの入射面を有する直方体形状に構成することが可能である。具体的な光学部材としては、直方体、ブロック状のアクリルまたはガラス、あるいは、シート状の拡散用フィルムを入射面とした光学部材などが適用可能である。

また、受光器の感度特性に合わせた光を伝達させる構成も可能であり、例えば、入射する漏れ光を受けて、受光器の感度特性に応じた波長の蛍光を発する蛍光体を設けることが可能である。

光検出器は、様々な場所に配置可能である。特に、光学部材が直方体形状である場合、その光学部材の側面に対向配置させることができる。例えば、光学部材を、入射面以外の導光部表面に露出しないように内部に装着させ、また、受光器が対向する側面以外の入射面、および導光部内壁と接する側面では光が反射し、光学部材内部で散乱、反射を繰り返すように構成することが可能である。これによれば、光学部材に入射した漏れ光は、対向側面を通じてすべて光検出器へ伝達される。

複数の光ファイバ各々において非シールド領域を形成する場合、導光部は、各光ファイバの非シールド領域をまとめて整列させるガイド部を設けることが可能である。漏れ光は、そのまま拡散することなく導光部へ導かれる。例えばガイド部は、複数の光ファイバを、非シールド領域において互いに密接しながらフラット状に整列させるように構成することができる。

照明モニタ装置としては、モニタリングだけでなく出力調整することも可能であり、例えば、光検出器から出力される輝度信号に基き、照明光の出力を調整する出力制御部を設けてもよい。出力制御部は、露光処理実行中、すなわち、パターン形成用に照明光を照射している最中に、出力調整を行うことができる。

例えば出力制御部は、輝度信号が一定となるように出力調整することができる。すなわち、漏れ光が一定となるように光出力を制御し、漏れ光の輝度値／光量が変化したらそれを補償するように光出力を調整すればよい。

あるいは、出力制御部は、非露光体の感度特性に応じて定められる目標値と輝度値が一致するように、出力調整することも可能である。漏れ光と光出力は略線形関係にあることが経験的に知られており、目標値に向けて光出力をアップ、ダウンさせることができる。

一方、本発明の他の局面における照明モニタ装置は、光ファイバ束の漏れ光を検出する装置であって、光源部からの照明光を、露光装置に設けられる露光ヘッドへ伝達する複数の光ファイバ束を適用する。照明モニタ装置は、少なくとも１つの光ファイバ束の外周面に、漏れ光が出ていく非シールド領域が形成された複数の光ファイバ束と、漏れ光を受光する光検出器と、非シールド領域の周囲に配置され、入射する漏れ光を光検出器へ導く導光部とを備えたことを特徴とする。

本発明の照明モニタ方法は、光源部からの照明光を、露光装置に設けられる露光ヘッドへ伝達する複数の光ファイバにおいて、少なくとも１つの光ファイバの外周面に、漏れ光が出ていく非シールド領域を形成し、非シールド領域から射出する漏れ光を光検出器へ導く。あるいは、本発明の他の局面における照明モニタ方法は、光源部からの照明光を、露光装置に設けられる露光ヘッドへ伝達する複数の光ファイバ束において、少なくとも１つの光ファイバ束の外周面に、漏れ光が出ていく非シールド領域を形成し、非シールド領域から射出する漏れ光を光検出器へ導く。

このように本発明によれば、露光処理の間、照明光を出力低下させることなく、照度、光量を正確に検出することが可能となる。

本実施形態である露光装置の概略的ブロック図である。 導光部および光検出器の模式的斜視図である。 導光部および光検出器の模式的平面図である。 制御部において実行される光出力調整のフローチャートである。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態である露光装置の概略的ブロック図である。

露光装置１０は、フォトレジストなどの感光材料を表面に形成した基板Ｓに直接パターンを形成するマスクレス露光装置であって、光源部１００、露光ヘッド３０を備えている。光源部１００は、複数の光源１００_１〜１００_Ｎによって構成されており、ここでは４０５ｎｍの波長の光を射出するレーザーが適用される。

Ｎ個の光源１００_１〜１００_Ｎには、複数の光ファイバ２０_１〜２０_Ｎが接続されており、これらは途中でまとめられて光ファイバ群を構成する（以下、「光ファイバ群」もしくは「複数の光ファイバ」いずれかを使い分けて記載する）。光源１００_１〜１００_Ｎから射出された照明光は、複数の光ファイバ２０_１〜２０_Ｎを経由して露光ヘッド３０へ送られる。

複数の光ファイバ２０各々は、ここでは石英系のマルチモード光ファイバとして構成されており、各ファイバに入射した光は、クラッドに反射しながらコア内部を進行する。一方、各光ファイバを構成する光ファイバの外周面は、保護膜等によって被覆されておらず、ファイバ性能上クラッド外周面から漏れ出る光、すなわち漏れ光は、遮断されることなくファイバ外部へ射出する。

露光ヘッド３０は、照明光学系、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）、投影光学系等を備えており、描画パターンデータに基づいてＤＭＤの各マイクロミラーがＯＮ／ＯＦＦ制御される。これにより、パターン光が基板Ｓに投影される。

基板Ｓは描画テーブル（図示せず）に搭載されており、描画テーブルが露光ヘッド３０に対して相対移動することにより、走査が行われる。１枚の基板Ｓに対する描画処理が終了すると、次の基板が搬送され、描画処理が開始される。所定数の基板が描画処理される度に、（あるいは１枚ごとに）描画処理が一時的に所定時間休止される。

光ファイバ群２０は、途中から１つにまとまって延びており、その一部分に区画された領域（以下、測定領域／非シールド領域という）の周囲には、導光部４０が設けられている。導光部４０は、各光ファイバ束からの漏れ光を、導光部４０の傍に配置された光検出器５０へ導く。

光検出器５０は、漏れ光を受光する１つもしくは複数のフォトダイオード（図示せず）を有し、輝度信号を出力する。制御部８０は、光検出器５０から送られてくる輝度信号に基き、光源部１００の光量、照度を検出し、光出力を制御する。このように、非シールド領域Ｋを形成した光ファイバ群２０、および導光部４０、光検出器５０の配置によって、光学部材等を設けることなく、光ファイバ束を進行する光の一部を検知することができる。

ここでは、描画処理の間、漏れ光をモニタリングし、照度が一定となるように各光源への入力電力を調整する。描画処理が一時的に休止状態になると、フォトダイオードを配列させた受光部９０がテーブル上方に移動する。そして、基板Ｓに対して実際に照射される光の照度／光量を検出する。

図２は、導光部および光検出器の模式的斜視図である。図３は、導光部および光検出器の模式的平面図である。ただし、図３では、光ファイバ、導光部、光検出器を便宜上ハッチングによって示している。

図２に示すように、導光部４０は、直方体／ブロック状の光伝達部材４５と、光伝達部材４５を支持する基台６０とを備える。基台６０には、長手方向に延在する凹部６０Ｇが形成されており、光ファイバ群２０の測定領域Ｋは、密集かつ整列した状態で凹部６０Ｇにフラット状態で搭載されている。

すなわち、複数の光ファイバ束２０_１〜２０_Ｎは、ファイバの並び方向をガイドする凹部６０Ｇの底面上において密接しながら横一列に並べられており、配列方向に垂直な縦方向に重なっていない。なお、光ファイバ群２０の測定領域Ｋについては、束縛あるいは接着し、一体化させてもよい。

図３に示すように、光伝達部材４５は、光ファイバ群２０の測定領域Ｋ上方に配置され、基台６０に取り付けられている。測定領域Ｋの長さは、光伝達部材４５の長手方向長さに従って規定される。光伝達部材４５は、ここでは蛍光体フォルダとして構成されており、内部に板状の蛍光ガラス７０が内包されている。

蛍光ガラス７０は、光ファイバ群２０の測定領域Ｋの幅よりも大きな幅Ｄ１のサイズをもち、光ファイバ群２０の測定領域Ｋが蛍光ガラス７０と基台６０との間に挟まれるように、測定領域Ｋを全体的に覆う。測定領域Ｋから各光ファイバの外部に出て行く漏れ光は、蛍光ガラス７０の入射面７０Ｓに入射する。

蛍光ガラス７０は、４００ｎｍ近傍に励起スペクトルピークをもち、６１０ｎｍをピーク波長とする蛍光体を内在する。４０５ｎｍの波長をもつ漏れ光が入射面７０Ｓに入射すると、６１０ｎｍをピーク波長とする光が蛍光体から発光される。蛍光体は蛍光ガラス７０に散在し、それに漏れ光が当たる。そのため、照明光から蛍光への変換と合わせて、光の拡散が生じる。

さらに、蛍光ガラス７０の内部では、光が散乱／反射し、光伝達部材４０内部との境界面（入射面７０Ｓも含む）では光が反射される。なお、光伝達部材４０は、漏れ光以外の光が蛍光ガラス７０にまで到達しないように構成されている。これにより、蛍光ガラス内の漏れ光あるいは蛍光は散乱、反射し、ガラス内部で拡散される。

蛍光ガラス７０の１つの側面７０Ｄには、光検出器５０が接触配置されている。光検出器５０は、蛍光ガラス７０の幅Ｄ１よりも大きい幅Ｄ２をもち、側面７０Ｄ全体をカバーするサイズを有する。そして、側面７０Ｄに対向するようにフォトダイオードが水平方向に並列している。フォトダイオードは、６１０ｎｍ付近の感度が４０５ｎｍ付近よりも２倍ある。

上述したように、蛍光ガラス７０の蛍光は、側面７０Ｄ以外では境界面で反射、ガラス内部で散乱し、拡散しながら最終的に光検出器５０のフォトダイオードに到達する。その結果、光ファイバ群２０から蛍光ガラス７０に入射する漏れ光に光量ムラがあっても、フォトダイオード入射時には光量が均一化される。

図４は、制御部において実行される光出力調整のフローチャートである。ここでは、所定時間間隔で行われる。

本実施形態では、漏れ光に基く光出力調整は、描画処理中に行われる。描画処理中、すなわち基板に対するパターン形成処理が行われていると判断されると（Ｓ１０１）、光検出器５０から送られてくる漏れ光に応じた輝度信号を検出する（Ｓ１０２）。

そして、輝度レベルが常に一定となるように入力電力が調整される（Ｓ１０３）。制御部８０は、各光源１００_１〜１００_Ｎに対し、同じ値あるいは同じ割合だけ入力電力を上昇、あるいは降下させる。

一方、描画処理が終了している場合、受光部９０をテーブル側へ移動させる。そして、受光部９０によって検出される輝度信号に基き、光出力が行われる（Ｓ１０５）。基板Ｓの感度特性が変更される等によって露光量を変更する場合、その目標値と検出される輝度信号が一致するように、入力電力が調整される。

このように本実施形態によれば、複数の光ファイバ２０各々から漏れ光が漏出するように構成されている。すなわち、基台６０に形成された凹部６０Ｇには、複数の光ファイバ２０の測定領域（非シールド領域）Ｋが、１列に密接して並べられる。そして、測定領域Ｋの上方には、蛍光ガラス７０を供えた光伝達部材４５が配置され、その傍には光検出器５０が配置される。

蛍光ガラス７０では、漏れ光を吸収して蛍光が発光する。入射する漏れ光、蛍光は、蛍光ガラス７０の境界面、内部において反射、散乱しながら光検出器５０のフォトダイオードに入射する。光出力調整処理では、描画処理中の照度が一定となるように、検出される光量／輝度レベルに応じて各光源への入力電力が調整される。

一般に、光ファイバには、レイリー散乱、ファイバ構造の不均一さに起因する光損失が存在する。ファイバ内部で吸収されなかった損失光の一部は、クラッド外側へ放射される。この漏れ光は、光ファイバを使用するときに必ず発生する。

本実施形態では、この漏れ光を利用して照明光の出力レベルを検知するため、光学デバイスを用いて照明光の一部を取り出すことに起因する光損失が発生することがなく、描画処理中の照度、光量を検知することができる。

また、蛍光ガラスによって、光のスペクトル特性をフォトダイオードの感度特性に合わせたスペクトル特性に変換し、かつ、蛍光ガラス内で光を拡散させて光量を均一化させた光を光検出器５０へ入射させることにより、正確な照度、光量を検出することができる。

特に、ブロック状の蛍光ガラス７０を、入射面７０Ｓ以外は露出しないように光伝達部材４５内部に収容し、側面７０Ｄに光検出器５０を配置する。これによって、漏れ光は反射／散乱によって分散され、均一化された光が光検出器５０へ導かれる。

光源としては、放電ランプ、ＬＥＤなどレーザー以外の光源であってもよい。また、光のスペクトル特性も任意であり、複数のピーク波長をもってもよい。光ファイバの材質、伝播モードも任意である。

各光ファイバについては、一部の範囲だけ漏れ光を遮断しないクラッド露出領域（非シールド領域）を形成し、それ以外は保護膜で被覆するようにしてもよい。この場合、蛍光ガラス７０が非シールド領域全体をカバーできるように、同じ位置に非シールド領域を形成するのがよい。さらに、すべての光ファイバではなく、一部の光ファイバのみ非シールド領域を形成してもよい。

蛍光体としては蛍光ガラスに限るものではなく、蛍光アクリルなどを使用してもよい。また、蛍光ガラスの入射面、あるいは境界面に対し、光を散乱させるフィルム（高分子フィルムなど）など、シート状光拡散部材を貼り付けてもよい。この場合、フィルムに入射することで光が均一化させるため、拡散が不十分な蛍光体を用いた場合に適している。

あるいは、蛍光ガラス、蛍光アクリルなどの蛍光体を使用せず、漏れ光をそのまま光検出器へ導くように構成してもよい。この場合、光検出器のフォトダイオード、フォトセンサが、漏れ光のピーク波長付近に対し相対的に大きな感度をもつように構成される。あるいは、描画を行う光出力がフォトダイオードの性能に対して十分に高い場合は、フォトダイオードが当該波長に低感度であっても問題ない。

そして、蛍光ガラス以外のガラス部材を使用する場合、入射面にすりガラス状の面を形成するなど、入射面、あるいはその内部で光が散乱、反射し、拡散した光が光検出器に入射するようにすればよい。

なお、本実施形態では、漏れ光の出力値が一定を維持するように各光源への入力電力を調整するが、基板の感度特性、あるいはオペレータの意向に従い、所望の露光量となるように目標値を定め、検出される漏れ光の出力値が目標値と一致するように光量調整することも可能である。

光ファイバ群２０から射出される光、すなわち基板Ｓに照射される光の出力と、漏れ光の出力は、実質的に線形性を有することは、経験的に知られている。したがって、光ファイバ群の出力端から出射する光の光量と、漏れ光の光量との比をあらかじめ演算し、その比に基いて目標値を決定することが可能である。

具体的には、１ｍｍ当たりの漏れ光量、ＰＤ（フォトダイオード）電流比、ファイバ束本数を乗じた値が漏れ光の総光量となることから、上述した比に基いて目標値を設定することが可能である。ＰＤ電流比は、蛍光体の発光効率、蛍光体とＰＤとの受光長比、蛍光体の臨界比、蛍光体とＰＤとの出射（受光）面積比、蛍光体とＰＤとの受光感度比をそれぞれ乗じることによって求められる。

このような光量調整を行うことによって、描画対象である基板の感度特性などに従った目標値を設定し、露光開始直前、基板の種類変更時など、目標値と一致させるように光出力をフィードバック制御することが可能となる。

本実施形態では、マスクレス露光装置において光出力を調整しているが、それ以外のマスク／レチクルを利用する露光装置にも適用可能である。

さらには、１つの光源に対して複数の細径光ファイバを束ねた光ファイバ束を用意し、複数の光ファイバ束群を配設させた構成も可能である。この場合、光ファイバ束に対し、漏れ光が射出するような保護膜を形成しない非シールド領域を形成することが可能である。

１０ 露光装置
２０ 複数の光ファイバ
４０ 導光部
４５ 光伝達部材
５０ 光検出器
６０Ｇ 凹部（ガイド部）
７０ 蛍光ガラス
７０Ｄ 側面
７０Ｓ 入射面
８０ 制御部
１００ 光源部
Ｋ 測定領域（非シールド領域）

Claims (15)

1. 光源部からの照明光を、露光装置に設けられる露光ヘッドへ伝達する複数の光ファイバであって、少なくとも１つの光ファイバの外周面に、漏れ光が出ていく非シールド領域が形成された複数の光ファイバと、
   漏れ光を受光する光検出器と、
   前記非シールド領域の周囲に配置され、入射する漏れ光を前記光検出器へ導く導光部と
   を備えたことを特徴とする照明モニタ装置。
2. 前記導光部が、入射する漏れ光を拡散させる光学部材を有することを特徴とする請求項１に記載の照明モニタ装置。
3. 前記光学部材が、前記非シールド領域をカバーするサイズの入射面を有する直方体形状であることを特徴とする請求項２に記載のモニタ照明装置。
4. 前記光検出器が、前記光学部材の側面に対向配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の照明モニタ装置。
5. 前記複数の光ファイバ各々が、前記非シールド領域を有し、
   前記導光部が、各光ファイバの非シールド領域をまとめて整列させるガイド部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の照明モニタ装置。
6. 前記ガイド部が、前記複数の光ファイバを、非シールド領域において互いに密接しながらフラット状に整列させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の照明モニタ装置。
7. 前記光検出器から出力される輝度信号に基き、照明光の出力を調整する出力制御部をさらに有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の照明モニタ装置。
8. 前記出力制御部が、輝度信号が一定となるように出力調整することを特徴とする請求項７に記載の照明モニタ装置。
9. 前記出力制御部が、輝度信号が非露光体の感度特性に応じて定められる目標値と一致するように、出力調整することを特徴とする請求項７に記載の照明モニタ装置。
10. 前記出力制御部が、露光処理実行中に出力調整を行うことを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の照明モニタ装置。
11. 前記光学部材が、入射する漏れ光によって蛍光を発する蛍光体を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の照明モニタ装置。
12. 請求項１に記載された照明モニタ装置を備えた露光装置。
13. 光源部からの照明光を、露光装置に設けられる露光ヘッドへ伝達する複数の光ファイバ束であって、少なくとも１つの光ファイバ束の外周面に、漏れ光が出ていく非シールド領域が形成された複数の光ファイバ束と、
    漏れ光を受光する光検出器と、
    前記非シールド領域の周囲に配置され、入射する漏れ光を前記光検出器へ導く導光部と
    を備えたことを特徴とする照明モニタ装置。
    
14. 光源部からの照明光を、露光装置に設けられる露光ヘッドへ伝達する複数の光ファイバにおいて、少なくとも１つの光ファイバの外周面に、漏れ光が出ていく非シールド領域を形成し、
    前記非シールド領域から射出する漏れ光を光検出器へ導くことを特徴とする照明モニタ方法。
15. 光源部からの照明光を、露光装置に設けられる露光ヘッドへ伝達する複数の光ファイバ束において、少なくとも１つの光ファイバ束の外周面に、漏れ光が出ていく非シールド領域を形成し、
    前記非シールド領域から射出する漏れ光を光検出器へ導くことを特徴とする照明モニタ方法。

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