JP2540744B2 - レ―ザを用いた露光用照明装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体製造用の露光装置に好適な照明装置
に関し、特に最近、この種の装置の光源として注目され
つつあるエキシマレーザ等のレーザを光源とする露光用
照明装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、半導体集積回路はますます高集積化が進み、露
光装置の微細パターン焼付の精度に対しても高度のもの
が要求されてきている。そして、より微細なパターンの
露光を行うために、従来の紫外光線として利用されてき
た超高圧水銀灯に代わって、より短波長でより大きな出
力の紫外光を発するエキシマレーザを光源とする露光装
置が開発されつつある。このようなエキシマレーザを光
源とする露光装置においては、極めて高い解像力を維持
するために、ウエハ面に塗布されるレジストの諸条件や
焼付を必要とするパターンの状況に応じて適切な照明状
態を実現する必要がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、エキシマレーザはパルス発光であるが
故にその発光量が不安定であり、微細パターンの焼付に
必要な正確な露光量の制御が難しいという欠点があり、
実用化に向けての大きな障害となっている。

そこで本発明は、エキシマレーザ等の出力の安定しな
いレーザ光源を用いた場合においても、安定した光量で
照明を行うことが可能で微細パターンの焼付露光による
転写を極めて高精度で行うことのできる露光用照明装置
を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による露光用照明装置は、レーザー光源と、該
レーザ光源から供給される光束の幅を変換するためのア
フォーカル変倍光学系と、該アフォーカル変倍光学系を
射出する平行光束中に配置され並列配置された複数のレ
ンズ素子からなるオプティカルインテグレータと、該オ
プティカルインテグレータからの光束を被照射面上に導
く集光光学系と、前記オプティカルインテグレータと前
記被照射面との間の光路中に配置された光量検出手段と
を有するものであり、さらに該光量検出手段による情報
に応じて前記アフォーカル変倍光学系の倍率を変換する
変換手段とを有するものである。

〔作用〕

上記の如き本願発明は、本願と同一出願人により先に
特願昭62−46783号として提案した手法、すなわちレー
ザ光源の出力変動をアフォーカル変倍光学系の倍率変換
によって補正するという原理的手法において、より具体
的実用的な構成を提案するものである。

本発明において、オプティカルインテグレータと被照
射面との間の光路中に配置された光量検出手段により被
照射物体としてのレチクルやウエハ面上の照度が測定さ
れ、その照度の変動に応じて、変換手段によってアフォ
ーカル変倍光学系の倍率を変換することができる。そし
て、これによってレーザ光源からの光束径を変換し、オ
プティカルインテグレータに入射する光束密度を変更し
て照明に寄与する総光量を変化せしめ、以て被照射面上
での照度を変更することが可能となる。従って、レチク
ルやウエハ面上での照度変化に応じてアフォーカル変倍
光学系の倍率を変換することにより、レーザ光源の出力
変動等に起因する照度変化を補正することができ、焼付
露光による所望のパターンの転写を安定して精密に行う
ことが可能となる。アフォーカル変倍光学系の倍率を、
入射光束径に対する射出光束径の比と定義するならば、
レーザ光源の出力が低下する場合にはアフォーカル変倍
光学系の倍率を低めて光束径を縮小して光束密度を高め
ることが必要であり、一方、出力が基準状態より高まる
時にはアフォーカル変倍光学系の倍率を高めて光束径を
拡大して高速密度を低めることが必要となる。

〔実施例〕

第１図は本発明による露光用照明装置の原理的光学構
成を示す光路図である。レーザ光源10からの光束はアフ
ォーカル変倍光学系20により所望の光束径に変換され
て、オプティカルインテグレータ30に入射する。アフォ
ーカル変倍光学系20は、固定の正レンズ21及び光軸上を
相対的に移動可能な負レンズ22と正レンズ23とで構成さ
れ、所謂アフォーカルズーム系が構成されている。

オプティカルインテグレータ30は並列配置された複数
のレンズ素子から構成され、アフォーカル変倍光学系20
より入射する平行光束からレンズ素子と同数の集光点を
形成し、実質的に面光源を形成する。オプティカルイン
テグレータ30を構成する個々のレンズ素子31は、第2A図
の斜視図に示す如く、断面が四角形でその入射側に凸レ
ンズ面31aを有し、射出側には平面31bを有しており、第
2B図の断面光路図に示す如く、このレンズ素子31の後側
焦点31Fは、射出側の空間内にある。従って、オプティ
カルインテグレータ30によって形成される実質的面光源
は、オプティカルインテグレータの射出側空間内の面Ａ
上に存在するため、強力なレーザ光の集光に伴う熱によ
ってオプティカルインテグレータが破壊されるのが防止
されている。

ここでは、レーザー光源を用いているために光源11か
らの光束はほぼ完全にコリメートされており、面Ａ上に
形成される個々の集光点には実質的に大きさが無いと考
えられる。このため、第１オプティカルインテグレータ
30を構成する棒状素子31の射出側には所謂視野レンズの
如きレンズ作用を必要とはしない。よって、レンズ素子
31の射出面31bはここでは平面に形成されている。但
し、若干のレンズ作用を持たせることは可能である。

尚、図示したオプティカルインテグレータ30は、構成
を理解し易くするために３個のレンズ素子からなるもの
として示したが、実用上は数十個のレンズ素子を束ねて
構成されるものである。そして、アフォーカル変倍光学
系の倍率を縮小して光束径を最小にした状態において
も、オプティカルインテグレータにおいては複数のレン
ズ素子が存在するように構成することが必要である。

第１図に示した如く、オプティカルインテグレータ30
によって形成される実質的面光源は、絞りＳによって所
望の光束径に制御され、この実質的面光源からの光束
は、集光光学系40を介してレチクルＲ等の被照射物体面
に導かれる。ここで、オプティカルインテグレータ30の
各レンズ素子31による複数の集光点からの光束が、レチ
クルＲ面上を重畳的に照射し、極めて均一な照明がなさ
れる。

上記の如き本発明の基本的光学構成において、アフォ
ーカル変倍光学系20の負レンズ22と正レンズ23とが正レ
ンズ21に対して相対的に移動することにより、アフォー
カル変倍光学系20としての倍率が変換され、レーザ光源
10からの平行光束の径がアフォーカル変倍光学系20によ
って、任意の光束径に変換される。第１図の（Ａ）はア
フォーカル変倍光学系の倍率が最も高い状態を示し、
（Ｂ）は中間倍率状態、（Ｃ）は最低倍率状態の光路を
夫々示している。尚、第１図の（Ｂ）及び（Ｃ）におい
ては、オプティカルインテグレータ30及び絞りＳを省略
し、被照射面の光軸上に集光される光線のみを示した。

このように、アフォーカル変倍光学系20の倍率を変換
することにより、アフォーカル変倍光学系20を射出する
光束径を任意に拡大縮小することができ、オプティカル
インテグレータ30に入射する光束の密度を任意に変換す
ることが可能である。従って、オプティカルインテグレ
ータ30の射出側に設けられた開口絞りＳの開口の大きさ
を固定として、一定の開口数（N.A.）とした状態におい
て、アフォーカル変倍光学系20の倍率を変更することに
よって、被照明物体に到達する総光量を制御することが
できる。具体的には、アフォーカル変倍光学系の倍率を
縮小した最小の光束径が、開口絞りＳの口径と同一にな
るように構成しておけば、アフォーカル変倍光学系の倍
率を拡大するにつれて被照射面上での照度を低下させる
ことが可能となる。

このため、第１図の構成において、被照射面上の照度
を測定しつつ露光を行い、この露光中に照度の変動を生
ずる場合には、照度の変動量に応じてアフォーカル変倍
光学系の倍率を変換することによって、常に安定した照
度で露光を行うことが可能である。

尚、第１図に示した本発明の原理図からわかる如く、
アフォーカル変倍光学系20の倍率を変換して、光束径を
変更することによって、オプティカルインテグレータ30
の射出側空間内の面Ａ上に形成される実質的面光源の大
きさを変更することができ、これによって集光光学系40
を介して被照射面上を照射する光束の開口数、即ちN.A.
を任意に変更することが可能である。一般的に照明系の
N.A.を変更するためには、開口絞りを絞って実質的面光
源の大きさを小さくすることが必要となり、このために
大半の光束を遮断して被照射面上での照度の低下を来た
し、光量の損失を生じている。しかしながら、上記の如
きアフォーカル変倍光学系によって光束径を変換し得る
構成とすることによって、開口絞りＳに入射する光束径
を開口絞りの口径に見合った径に変換することで、被照
射面上での照度を一定に保った状態でN.A.を任意に変更
でき、光量の損失を原理的には無くすことが可能とな
る。

第３図は、本発明による露光用照明装置を、縮小投影
型露光装置に用いた一実施例の構成を示す図である。こ
の図において、第１図に示した原理的構成における部材
と同等の機能を有する部材には同一の番号を付した。

エキシマレーザ光源10からの平行光束は、第１図に示
したのと同様の構成からなるアフォーカル変倍光学系20
によって所望の光束径に変換され、第１オプティカルイ
ンテグレータ30に入射し、前記と同様に、オプティカル
インテグレータ30の射出側空間内の面Ａ上に実質的面光
源が形成される。この実質的面光源は、前述のとおり第
１オプティカルインテグレータ30を構成するレンズ素子
の数に等しい数の集光点からなっている。面Ａ上の複数
の集光点からの光束は、コリメーターレンズとしての正
レンズ42により平行光束に変換されて、第２オプティカ
ルインテグレータ50に入射する。

第２オプティカルインテグレータ50は、並列配置され
た複数のレンズ素子から構成されており、第４図の斜視
図に示す如く、四角柱の棒状レンズ素子51が複数束ねら
れて構成されたものであり、各棒状レンズ素子51の入射
面51aも射出面51bも共に凸レンズ面に形成されている。
そして、各棒状レンズ素子51の入射面51a上の凸レンズ
面によって、棒上レンズ素子51の射出面から離れた位置
に光束の集光点を形成し、この点に光源像が形成され
る。これら各素子は、第５図の断面光路図に示す如く、
射出側レンズ面の屈折力が該入射側レンズ面の屈折力よ
りも大きく（|r₁|＞|r₂|）、また、後側焦点51Fが該各
レンズ素子の射出側レンズ面より後方に位置するように
構成されている。

このため、正レンズ42からの平行光束は第２オプティ
カルインテグレータ50の各レンズ素子に入射して各レン
ズ素子毎に、その射出面からεだけ隔たった空間上に１
つの光源像が形成される。従って、第２オプティカルイ
ンテグレータ50の射出面からεだけ離れた焦点面として
の面Ｂ上に第２オプティカルインテグレータ50を構成す
るレンズ素子の数に等しい数の複数の光源像が形成され
る。従って、第２オプティカルインテグレータにおいて
も、強い光強度となる光源像の形成位置を、射出側空間
内として素子内部または表面での集光を避けたため、レ
ンズを破壊する恐れがない。

尚、第２オプティカルインテグレータ50の射出側空間
内に形成される複数の光源像の各々は、第１オプティカ
ルインテグレータ30による複数の集光点で構成される実
質的面光源の像である。そして、第１オプティカルイン
テグレータ30による複数集光点の強い集光位置を避ける
ために面Ａから離れて配置された正レンズ41により、コ
リメーターレンズ42及び第２オプティカルインテグレー
タ50の入射面51aとを含めた系に関して、複数の集光点
が形成されるＡ面と第２オプティカルインテグレータ50
の射出側空間内のＢ面とが共役に構成されているのであ
る。従って、第２オプティカルインテグレータ50の射出
側空間内の面Ｂ上には、第１オプティカルインテグレー
タ30を構成する棒状素子31の数と、第２オプティカルイ
ンテグレータ50を構成する棒状レンズ素子51の数との積
に相当する数の集光点が形成され、この面Ｂ上に、より
均一な面光源が形成される。

以上の如き本実施例の構成において、集光光学系40に
おけるコンデンサーレンズ44と被照射面としてのレチク
ルＲとの間に、有効露光領域を遮らないように、斜設ミ
ラー61が配置されており、このミラー61からの反射光に
よってレチクルＲ面上の照度を間接的に測定するための
光検出器62が配置されている。このミラー61と光検出器
62とで光量検出手段60が構成されている。照明光路の一
部の光束を波面分割によって抽出するミラー61の代わり
に、照明光路を横切って斜設される大きな半透過鏡を用
いた振幅分割によって、所定の割合の光を光量検出器62
に導く構成とすることも可能である。

光量検出手段60からの光量情報は制御手段70に入力さ
れて、被照射面上での照度が所定の基準値に対する許容
範囲内であるか否かを判別し、許容範囲内から外れた照
度の変動であると判断する場合には、アフォーカル変倍
光学系の倍率変換用駆動手段80に信号を送り、アフォー
カル変倍光学系20の移動レンズ22,23を移動して所定の
倍率状態に変換する。これによって、エキシマレーザ光
源10の出力変動等による被照射面上での照度の変動を補
正することができる。

また、上記の実施例の構成においては、光量検出手段
60からの信号を積算光量検出手段71に入力して所定時間
内の露光量の積算を行うこととし、この積算光量値を、
予め露光量設定手段72によって設定された必要露光量値
と比較し、所定の時間内の露光量が過剰、或いは不足す
ることが予想される場合に、アフォーカル変倍光学系の
倍率変換用駆動手段80に対して露光量の過不足を補正す
るように倍率変換させることも有効である。そして、こ
の場合エキシマレーザ光源10の発光量制御手段73に対し
て、発光時間を一定に維持するかまたは、被照射面上で
の測定照度に応じて発光時間（パルス数）を制御するこ
とも可能である。

また、上記実施例の照明光学系においては、第１オプ
ティカルインテグレータ30の射出側空間の面Ａ上に、口
径が可変の第１開口絞りS₁が設けられており、第２オプ
ティカルインテグレータ50の射出側空間内の面Ｂ上にも
口径が可変の第２開口絞りS₂が設けられている。この第
１開口絞りS₁の口径変化によって、σ値を一定に保った
まま被照射物体に達する光量を制御することができ、ま
た第２開口絞りS₂の口径変化によって、σ値を制御する
ことができる。σ値とは、投影対物レンズのN.A.（開口
数）に対する照明光学系のN.A.の比の値として定義さ
れ、この値によって投影対物レンズの解像力とコントラ
ストとのバランスを調整することができる。このような
２つの開口絞りS₁,S₂の組み合わせによって、光量の制
御とσ値の制御とを独立に行うことが可能となる。従っ
て、これらの調整に加えてアフォーカル変倍光学系20に
よる光束径の変換を用いることにより、レーザ光源から
供給される光量の変化や、レティクルＲ上の投影パター
ンの微細度、ウエハ上に塗布されるレジストの特性等に
応じて、それぞれ最適な照明状態を実現することが可能
となる。

ところで、上述の実施例において、光源10からのレー
ザビームをほぼ等方的な所定の幅のビーム形状とするた
めのシリンドリカルレンズを有するビーム整形光学系を
組み合わせる構成とすることもできる。特に、エキシマ
レーザーを光源とする場合、多くはビーム断面形状が矩
形（長方形）であるので、光学系に効率よく取り込む為
に、縦横比を概略１にするのがよく、そのためにシリン
ドリカルレンズによるアフォーカル変倍光学系を設ける
ことが有効である。

そして、上記実施例の如く光源からの光束を定常的に
レチクルＲ等の物体面上に照射する場合に限らず、例え
ば、特開昭59−226317号公報や特開昭61−21816号公報
などに開示される如く、物体面をビームが走査するよう
に構成した照明装置においても本発明をそのまま適用す
ることが可能である。すなわち、このようなビーム走査
による露光装置においても、本発明の如きアフォーカル
変倍光学系の倍率変換による光束径の変更によって、レ
ーザ光源の発光量変動等に起因する露光量の変化を容易
に補正することができ、安定した露光を行うことが可能
となる。

因に、上記本発明の如く、変倍光学系による光束径の
変換によって光源からの光量変化を補正する構成を、従
来の超高圧水銀灯等のショートアークランプを光源した
露光装置に用いた場合について比較検討してみる。

この場合、第６図の光学構成図に示す如く、ショート
アークランプ１の発光部分は、現実は点ではなく、ある
程度の大きさを有しており、更に楕円鏡にも収差がある
為、楕円鏡２の第２焦点３での集光状態は、実際には点
ではなく大きさをもったスポット状になっている。そし
て、この様な照明系の配置では、第２焦点３とオプティ
カルインテグレータ５の射出側面は共役になっていて、
光源像の結像倍率βは、コリメーションレンズ４の焦点
距離をf₄、オプティカルインテグレータ５を構成する各
フライアイレンズの焦点距離をf₅とすると、 β＝f₅/f₄ の関係が成立している。そこで、開口絞り６を絞った場
合に適応して光束径を縮小するべく、レンズ配換、又は
コリメーションレンズのズーム化等により、実質的にコ
リメーションレンズ４の焦点距離f₄を短くしたとして
も、上式よりβが大きくなってしまう。これは、フライ
アイレンズの射出面での光源像が大きくなることを意味
しており、度が過ぎるとフライアイレンズの射出面の大
きさよりも光源像が大きくなってしまう。これは、光量
の損失のみならず、フレアーを生じて照明ムラの原因と
もなる。

このため、本発明による露光用照明装置はショートア
ークランプを光源とする場合には不利であり、エキシマ
レーザ等のレーザを光源とする場合に極めて有効となる
ことが明らかである。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明の露光用照明装置によれば、エキシ
マレーザ等の出力の安定しないレーザ光源を用いた場合
においても、安定した光量で露光を行うことが可能とな
り、微細パターンの焼付露光による転写を極めて高精度
で行うことができる。このため、より一層集積度の高い
集積回路の製造に大きく寄与することが可能となる。ま
た、本発明においては、被照射面での照度を下げること
なく、照度を一定に保ったまま、被照射面でのN.A.を変
えることが可能となる。しかも、本発明による如きレー
ザ光束径の変換による光束密度の変更を、より積極的に
利用して、露光量を制御するのに用いることができる。
このような光量制御は、エキシマレーザーの様なパルス
レーザーを光源とする露光装置においては特に有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるレーザを用いた露光用照明装置の
原理的光学構成を示す光路図、第2A図及び第2B図はオプ
ティカルインテグレータを形成するレンズ素子の構成を
示す斜視図及び断面光路図、第３図は本発明による一実
施例の概略構成を示す構成図、第４図及び第５図は実施
例に用いられた第２オプティカルインテグレータを形成
するレンズ素子の構成を示す斜視図及び断面光路図、第
６図は従来のショートアークランプを光源とする場合の
比較説明図である。 〔主要部分の符号の説明〕 10……レーザ光源 20……アフォーカル変倍光学系 30……オプティカルインテグレータ 40……集光光学系 60……光量検出手段 70……制御手段 80……駆動手段

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザー光源と；該レーザ光源から供給さ
   れる光束の幅を変換するためのアフォーカル変倍光学系
   と；該アフォーカル変倍光学系を射出する平行光束中に
   配置され、並列配置された複数のレンズ素子からなるオ
   プティカルインテグレータと；該オプティカルインテグ
   レータからの光束を被照射面上に導く集光光学系と；前
   記オプティカルインテグレータと前記被照射面との間の
   照明光路中に配置された光量検出手段と；該光量検出手
   段による情報に応じて前記アフォーカル変倍光学系の倍
   率を変換する変換手段とを有することを特徴とする露光
   用照明装置。