JP2022091478A - 照明光学系、露光装置、および物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で光強度分布の均一化を実現可能な照明光学系を実現する。【解決手段】光源からの光束を用いて被照明面を照明する照明光学系であって、光源からの光束を複数の光束に分割し、複数の平面を含む光学素子と、光学素子によって分割された複数の光束が重畳して照射されるマイクロレンズアレイを含み、光学素子は、光源からの光束の光強度分布の形状を変化させる。【選択図】図１

Description

本発明は、照明光学系、露光装置、および物品の製造方法に関する。

半導体集積回路における回路パターンの微細化および高集積化に伴い、短波長のレーザ光を射出するＫｒＦレーザ（２４８ｎｍ）やＡｒＦレーザ（１９３ｎｍ）などのエキシマレーザを光源として用いた露光装置が注目されている。露光装置において、原版を照射する光の強度分布を均一化することにより、露光むらを低減する技術が知られている。

特許文献１には、光源からの光束を第１マイクロレンズアレイ、コンデンサレンズ、第２マイクロレンズアレイの順に透過させることにより、光強度分布の均一化を図る技術が開示されている。

特許第３３９２０３４号公報

特許文献１に開示された照明光学系では、複数のマイクロレンズアレイを用いており、構成が複雑化するおそれがある。

本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、簡易な構成で光強度分布の均一化を実現可能な照明光学系を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の照明光学系は、光源からの光束を用いて被照明面を照明する照明光学系であって、前記光源からの光束を複数の光束に分割し、複数の平面を含む光学素子と、前記光学素子によって分割された複数の光束が重畳して照射されるマイクロレンズアレイを含み、前記光学素子は、前記光源からの光束の光強度分布の形状を変化させることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で光強度分布の均一化を実現可能な照明光学系が提供される。

露光装置の構成を示す概略図である。 プリズムの構成を示す図である。 プリズムを透過する光束を示す図である。 マイクロレンズアレイに入射する光束の光強度分布を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材ないし要素については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の露光装置１００について説明する。図１は、本実施形態の露光装置１００の構成を示す概略図である。露光装置１００は、光源１と、引き回し光学系２と、光源１からの光束を用いてマスクやレチクルなどの原版１４を照明する照明光学系ＩＬと、原版１４のパターンをウェハや液晶基板などの基板１６に投影する投影光学系１５と、制御部１７とを含む。制御部１７は、例えばＣＰＵやメモリなどを含み、露光装置１００の各部を制御する（基板を露光する処理を制御する）。本実施形態では、ステップアンドスキャン方式の露光装置を用いて説明するが、本発明は、ステップアンドリピート方式の露光装置にも適用することができる。

光源１は、例えばエキシマレーザを含み、光束を射出する。また、引き回し光学系２は、光源１と照明光学系ＩＬとの間に設けられ、光源１から射出された光束を照明光学系ＩＬに導く。

照明光学系ＩＬは、プリズム３（光学素子）と、マイクロレンズアレイ４と、回折光学素子５と、コンデンサレンズ６と、プリズムユニット８と、ズームレンズユニット９を含む。また、照明光学系ＩＬは、多光束形成部１１と、絞り１２と、コンデンサレンズ１３とを更に含みうる。本実施形態では、照明光学系ＩＬを構成する光学部材の硝材として、例えば石英ガラスが採用されうる。

プリズム３は、引き回し光学系２とマイクロレンズアレイ４との間に設けられ、光源１（引き回し光学系２）からの光束を、その光強度分布の形状を変えてマイクロレンズアレイ４に導く。具体的には、プリズム３は、光源１からの光束を、その光強度分布を均一化してマイクロレンズアレイ４に導く。プリズム３の詳細な構成については後述する。

マイクロレンズアレイ４は、プリズム３と回折光学素子５との間に設けられる。マイクロレンズアレイ４には複数のマイクロレンズが二次元状に配置されており、マイクロレンズアレイ４の形状は矩形である。マイクロレンズアレイ４に入射する光強度分布の形状は矩形であり、マイクロレンズアレイ４は、入射光束を所定の射出角で射出する。

回折光学素子５は、マイクロレンズアレイ４を透過した光束が入射する面を有し、該光束を回折してコンデンサレンズ６に導く。回折光学素子５は、被照明面である原版１４と共役な面、または照明光学系ＩＬの瞳面とフーリエ変換の関係にある面に配置されうる。回折光学素子５は、投影光学系１５の瞳面と共役な面である照明光学系ＩＬの瞳面や、照明光学系ＩＬの瞳面と共役な面に、光源１からの光束の光強度分布を回折効果により変換して所望の光強度を形成する。回折光学素子５は、回折パターン面に所望の回折パターンが得られるように計算機で設計された計算機ホログラム（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）を使用してもよい。投影光学系１５の瞳面に形成される光源形状は、有効光源形状と呼ばれる。

照明光学系ＩＬには、回折光学素子５を複数設けることができ、各回折光学素子５は、ターレット（不図示）の複数のスロットにおける対応する１つに取り付けられて搭載されている。複数の回折光学素子５は、それぞれ異なる有効光源形状を形成することができる。これらの有効光源形状は、小円形形状（比較的小さな円形形状）、大円形形状（比較的大きな円形形状）、輪帯形状、二重極、四重極その他の形状を含む。輪帯形状、二重極、四重極の有効光源形状により照明する方法は変形照明と呼ばれる。コンデンサレンズ６は、回折光学素子５とプリズムユニット８との間に設けられ、回折光学素子５で回折された光束を集光し、フーリエ変換面７に回折パターンを形成する。

プリズムユニット８およびズームレンズユニット９は、コンデンサレンズ６と多光束形成部１１（オプティカルインテグレータ）との間に設けられ、フーリエ変換面７に形成された光強度分布を拡大するズーム光学系として機能する。プリズムユニット８は、フーリエ変換面７に形成された回折パターン（光強度分布）を、輪帯率等を調整してズームレンズユニット９に導くことができる。

また、ズームレンズユニット９は、プリズムユニット８と多光束形成部１１との間に設けられる。ズームレンズユニット９は、フーリエ変換面７に形成された回折パターンを、照明光学系ＩＬのＮＡと投影光学系１５のＮＡとの比を基準としたσ値を調整して多光束形成部１１へ導くことができる。

多光束形成部１１は、ズームレンズユニット９とコンデンサレンズ１３との間に設けられ、輪帯率、開口角およびσ値が調整された回折パターンに応じて、多数の２次光源を形成してコンデンサレンズ１３に導くハエの目レンズを含みうる。但し、多光束形成部１１は、オプティカルパイプ、回折光学素子やマイクロレンズアレイなど、他のオプティカルインテグレータを含んでもよい。多光束形成部１１とコンデンサレンズ１３との間には絞り１２が設けられうる。

コンデンサレンズ１３は、多光束形成部１１と原版１４との間に設けられている。コンデンサレンズ１３は、多光束形成部１１から導かれた多数の光束を集光して原版１４を重畳的に照明する。このように構成された照明光学系ＩＬにより、原版１４を均一に照明することができる。

原版１４は、コンデンサレンズ１３と投影光学系１５との間に設けられ、基板上に転写すべき回路パターンを有する。原版１４は、不図示の原版ステージによって保持され、駆動される。投影光学系１５は、原版１４と基板１６との間に設けられ、原版１４と基板１６とを光学的に共役な関係に維持する。基板１６は、不図示の基板ステージによって保持され、駆動される。

（比較例）
光学素子としてプリズム３の代わりに凸レンズが配置された場合について説明する。この場合、マイクロレンズアレイ４に入射する光束の光強度分布は、光源から射出された光束の光強度分布に対応したものとなる。光源がレーザ光源等である場合、中央部の光強度が周辺部の光強度よりも高い光強度分布となる。マイクロレンズアレイ４よりも後段の光学部材に対しても、中央部の光強度が周辺部の光強度よりも高い光強度分布の光束が入射することになり、それらの光学部材の材質の変化や光学性能の低下を招き得る。

また、中央部の光強度が周辺部の光強度よりも高い光強度分布の光束は、光源から射出される光束の光強度分布の時間変動の影響を受けやすい。結果として、原版１４を照明する照明光の光強度分布が変動することになり、パターン形成精度の低下を招き得る。

（実施例）
本実施例では、光学素子として、複数の平面（斜面）から構成されるプリズム３を配置している。図２は、四角錐プリズムとしてのプリズム３をＺ軸方向から見た図を示している。プリズム３は４つの平面（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ）を含み、プリズム３をＸ方向とＹ方向にそれぞれ２分割している。

図３は、プリズム３を透過する光束の光路を示している。各平面（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ）は、それぞれ光軸ＯＡに対して角度αだけ傾けて配置されている。各平面には略平行光が入射し、プリズム３に入射した光束は各平面により分割される。各平面を透過した光束のそれぞれは、光軸ＯＡに対して近づく方向に屈折され、プリズム３の射出面３２から射出される。マイクロレンズアレイ４の入射面４１は、プリズム３の射出面３２から距離Ｌだけ離れたところに配置されている。プリズム３によって分割された光束は、互いに異なる方向からマイクロレンズアレイ４の入射面４１を重畳して照射する。

上述した角度αや距離Ｌは、マイクロレンズアレイ４の入射面４１に入射する光束が入射面４１の有効径に収まり、かつ、入射面４１に入射する光束の角度が、マイクロレンズアレイ４の入射角の許容角度以下となるように設定される。これにより、光量損失を低減させつつ、マイクロレンズアレイ４に入射する光束の光強度分布の均一化を実現することができる。

図４は、マイクロレンズアレイ４の入射面４１に入射する光束の光強度分布を示した図である。図４における実線は、プリズム３を配置したときの光強度分布を示し、破線は、プリズム３の代わりに凸レンズを配置したときの光強度分布を示している。縦軸は光強度分布を示しており、凸レンズを配置したときにおける最大の強度を１００％として規格化している。図４に示されるように、プリズム３を配置することにより、光強度分布の均一化が実現され、光強度の最大値も低減されていることがわかる。

図４はＸ方向における光強度分布が均一化されることを示しているが、同様にＹ方向における光強度分布も均一化される。マイクロレンズアレイ４はマイクロレンズを二次元状に複数配置した構成であるため、光源から射出される光束を矩形状に均一化することによって、マイクロレンズアレイ４を構成するマイクロレンズ全体を均一に照明することができる。

（変形例）
上述した実施形態では光学素子３として四角錐プリズムを配置した構成について説明したが、光源から射出される光束の光強度分布に応じて、八角錐プリズム等の異なる形状の光学素子を用いても良い。Ｘ方向に関しては中央部の光強度が周辺部の光強度よりも高く、Ｙ方向に関しては略均一な光強度分布である場合には、Ｘ方向にのみ平面が２分割されたルーフプリズムを用いても良い。

プリズムを構成する平面を増やすことにより、光束を多重に分割することが可能である。例えば、プリズムをＸ方向に５分割、Ｙ方向に２分割することにより、光束を１０個に分割することもできる。ただし、分割数を増やしすぎると、プリズムの境界部における光量損失が増加するため、プリズムによって分割される光束の数は１０個以下であることが好ましい。

また、上述した実施形態におけるプリズム３は、射出側に光軸に対して垂直な平面を有していたが、入射側に当該平面を有していても良い。プリズム３の代わりに、角錐形状の反射面を設けて光束を分割するように構成したミラーを用いても良い。

次に、本実施形態に代表される露光装置を利用して物品（半導体ＩＣ素子、液晶表示素子、ＭＥＭＳ等）を製造する物品製造方法を説明する。物品製造方法は、上記のような露光装置によって基板を露光する露光工程と、該露光工程で露光された基板を現像する現像工程と、該現像工程で現像された基板を処理する処理工程とを含み、該処理工程で処理された基板から物品を得ることができる。該処理工程は、例えば、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等が含まれうる。物品製造方法によれば、従来よりも高品位の物品を製造することができる。

１ 光源
３ 光学素子（プリズム）
４ マイクロレンズアレイ
ＩＬ 照明光学系

Claims (12)

1. 光源からの光束を用いて被照明面を照明する照明光学系であって、
   前記光源からの光束を複数の光束に分割し、複数の平面を含む光学素子と、
   前記光学素子によって分割された複数の光束が重畳して照射されるマイクロレンズアレイを含み、
   前記光学素子は、前記光源からの光束の光強度分布の形状を変化させることを特徴とすることを特徴とする照明光学系。
2. 前記光学素子は、前記光源からの光束を二次元状に複数の光束に分割することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記光学素子は、前記光源からの光束を１０個以下の光束に分割することを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
4. 前記光学素子は、前記光源からの光束の光強度分布を矩形に変化させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光学系。
5. 前記光源はレーザ光源であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明光学系。
6. 前記光源からの光束は、中央部の光強度が周辺部の光強度よりも高い光強度分布を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の照明光学系。
7. 前記光学素子は、角錐プリズムであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光学系。
8. 前記角錐プリズムは、複数の斜面を有することを特徴とする請求項７に記載の照明光学系。
9. 前記マイクロレンズアレイは矩形であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の照明光学系。
10. 前記光学素子によって分割された複数の光束が前記マイクロレンズアレイに入射する角度が許容角度以下となるように、前記光学素子が構成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の照明光学系。
11. 基板を露光する露光装置であって、
    光源からの光束を用いて原版を照明する請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の照明光学系と、
    前記原版のパターンを基板上に投影する投影光学系と、
    を含むことを特徴とする露光装置。
12. 請求項１１に記載の露光装置を用いて基板を露光する露光工程と、
    前記露光工程で露光された前記基板を現像する現像工程と、
    前記現像工程で現像された前記基板を処理する処理工程と、を含み、
    前記処理工程で処理された前記基板から物品を得ることを特徴とする物品の製造方法。

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