JP2662562B2

JP2662562B2 - 露光装置

Info

Publication number: JP2662562B2
Application number: JP63088453A
Authority: JP
Inventors: 裕市原
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1988-04-11
Filing date: 1988-04-11
Publication date: 1997-10-15
Anticipated expiration: 2012-10-15
Also published as: JPH01259533A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、露光装置に関し、特に、エキシマレーザ光
等のような可干渉性のビームを用いた露光装置に関す
る。

〔従来の技術〕

半導体製造用露光装置は光源からの露光光の短波長化
による高解像力化が行われている。現在最も有力な短波
長光源はエキシマレーザである。第２図は従来の水銀ラ
ンプを（光源としたときに最適に設計された）照明系に
エキシマレーザ光源を入れた場合の光路を模式的に示し
た図である。レーザ光源からのビームLBは図中の左から
オプチカル・インテグレータとしてのフライアイレンズ
１にほぼ平行光束となって入射する。このフライアイレ
ンズ１はレチクルＲを一様に照明するため不可欠なもの
である。

さてフライアイレンズ１は、ここでは３つのエレメン
トレンズ1a、1b、1cで構成され、各エレメントレンズの
射出端側の空間ａ、ｂ、ｃに２次光源（レーザ光の集光
スポット）が形成される。それら各点ａ、ｂ、ｃから拡
散した光は、コンデンサーレンズ２で集められ、レチク
ルＲを均一な照度分布で照明する。レチクル上のパター
ンは投影レンズPLによりウェハＷへ投影露光される。
又、２次光源ａ、ｂ、ｃは投影レンズPLの瞳面epに結像
されている。

通常フライアイレンズを構成するエレメントレンズの
個数は10×10＝100個の２次元配列をしているが、ここ
ではわかり易くするため３個のレンズ1a、1b、1cを１次
元配列で代表して示した。

ところがこの照明系には以下のような問題点があっ
た。すなわち水銀ランプの場合と異なり、レーザ光をフ
ライアイレンズ１に入射すると２次光源ａ、ｂ、ｃは非
常に高輝度なスポットとなる。従ってこの２次光源が光
路中の光学部品（レンズ等）に結像（集光）すると、光
学部品の破壊が生じるという問題である。又、レンズの
表面等の極く弱い反射によってでもレチクル近傍に２次
光源が結像すると、それらの光源像がレチクルで反射さ
れウェハ上に再結像してしまい、ゴーストが生じるとい
う問題もあった。

しかしながら、このような問題は、本願出願人が開発
した新たな手法によって簡単に解決できることが確認さ
れた。それは例えば特開昭58−147708号公報に開示され
ているように、フライアイレンズを２組用いる方法をさ
らに改良した方法である。この方法を第３図に示す。図
に示すように第１のフライアイレンズ３によってできた
２次光源ａ、ｂ、ｃからの光を集光レンズ４で集光して
第２のフライアイレンズ５に入射させることによってフ
ライアイレンズ５の各エレメントレンズ５−１、５−
２、５−３の各射出端側に３次光源（スポット光）a₁、
b₁、c₁を作る。この３次光源は２次光源より数が増えて
いるので各点の強度は非常に弱くなっている。

第３図において、第１のフライアイレンズ３のビーム
LBの入射側では、各エレメントレンズ（石英による四角
柱のロッド）3a、3b、3cは球面に形成され、射出端側は
平面に形成されていて、２次光源ａ、ｂ、ｃを空間中に
作るように定められている。集光レンズ４は２次光源
ａ、ｂ、ｃの夫々からの発散光を有効に第２のフライア
イレンズ５に入射させるために、フライアイレンズ５の
入射端からレンズ４の焦点（ｆ）距離だけ離れた位置に
配置されるとともに、各２次光源ａ、ｂ、ｃが集光レン
ズ４の内部に位置しないように２次光源ａ、ｂ、ｃから
わずかに離して配置される。フライアイレンズ５の各エ
レメントレンズ（石英による四角柱のロッド）５−１、
５−２、５−３の入射端は曲率R₁の球面に形成され、射
出端は曲率R₁よりも小さな曲率R₂の球面に形成されてお
り、３次光源a₁、b₁、c₁を空間中に作るように定められ
る。各３次光源a₁、b₁、c₁の夫々から発散した光は、第
２図に示したコンデンサーレンズ２を介してレチクルＲ
上で同時に重ね合わされ、均一な照度分布が得られる。
ここで３次光源a₁、b₁、c₁が作られる面ep′は、投影レ
ンズPLの瞳epと共役な面であり、同時に２次光源ａ、
ｂ、ｃが作られる面とも共役である。

第４図は第２のフライアイレンズ５の射出面側の平面
図であり、フライアイレンズ５のエレメントレンズが、
例えば３×３（９個）でマトリックス状に配列された場
合を示す。ここで仮りに第１のフライアイレンズ３も、
３×３（９個）のエレメントレンズで構成されているも
のとすると、フライアイレンズ５の１つのエレメントレ
ンズの射出端側には９個の３次光源が作られる。そして
１つの２次光源、例えばａは、フライアイレンズ５の９
個のエレメントレンズの各射出端面上の同一位置に３次
光源a₁として作られる。従ってフライアイレンズ５の射
出側には合計９×９（81）個の３次光源（スポット光）
が整列することになる。この第３図に示した照度分布均
一化光学系そのものは本願発明の基礎となる技術であっ
て、必ずしも公知ではない。

第３図では、１段目、２段目ともフライアイレンズの
エレメントレンズの個数を３×３（９個）にしたが、典
型的な例では10×10（100）個程度にするとよい。従っ
て２次光源の個数100に対して３次光源の数は100×100
個にまで増え、３次光源の各スポットの強度は１段のフ
ライアイレンズの場合にくらべて1/100程度に低減され
る。

その結果、破壊、ゴースト等の問題を全て解決するこ
とができる。

尚、第３図において、フライアイレンズ５の入射端に
近接してレンズを配置して、光の拡散による損失を最少
にすることも有効である。また瞳共役面ep′とコンデン
サーレンズ２の間で、３次光源a₁、b₁、c₁に近接した位
置に、同様に光の発散による損失を押えるフィールドレ
ンズを設けることも有効である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、第３図の構成のものでは、さらに新たな問
題点が生ずることが判明した。それはスペックルと呼ば
れる干渉縞のような細かい照明ムラが発生することであ
る。第２図において、各２次光源ａ、ｂ、ｃの夫々から
進んでレチクルＲ上で互いに重なり合う光同志は、互い
に干渉し合って干渉縞が発生する可能性がある。これは
フライアイレンズ１のエレメントレンズ1a、1b、1cの配
列方向のピッチとビームLBの可干渉性とによっておおよ
そ決まってくる。一般にエキシマレーザは干渉性が悪
く、ビーム径内である距離以上離れた光同志は互いに干
渉しないという特性がある。この距離は、フライアイレ
ンズ１のエレメントレンズ1a、1b、1cの配列ピッチより
も短いので、結局、第２図中の２次光源ａ、ｂ、ｃの夫
々からの光は互いに干渉しないことになる。

ところが、第３図に示したダブル・インテグレータ方
式では話が違ってくる。同様の考え方で、第３図中の２
次光源ａ、ｂ、ｃの夫々から進む光は互いに干渉しない
が、２次光源ａから進む光は、第２のフライアイレンズ
５によって、各エレメントレンズ５−１、５−２、５−
３の各々に３次光源a₁となって集光する。第３図におい
て、例えば第１、及び第２フライアイレンズ３、５の各
エレメントレンズ（ロッド）径が同一で、配列ピッチの
一方向に10個（10×10）が並ぶものとすると、２次光源
ａを作るエレメントレンズ3aを通るビーム径は第２のフ
ライアイレンズ５に達するとき、約10倍に拡大されるこ
とになる。このことは、先に述べた干渉を起さない距離
も約10倍に拡大されたことを意味する。従って、フライ
アイレンズ５の各エレメントレンズのピッチに対して、
その干渉しない距離の方が大きくなるため、各エレメン
トレンズ５−１、５−２、５−３等の射出部にできる３
次光源a₁同志は互いに干渉してしまうことになる。現実
的には、フライアイレンズ５のうち、互いに隣り合った
エレメントレンズで作られる３次光源a₁同志、３次光源
b₁同志、あるいは３次光源c₁同志が強い干渉を起こす。

その結果、レチクルＲ上にはフライアイレンズ５のエ
レメントレンズ５−１、５−２、５−３の配列方向に対
応した１次元又は２次元の干渉縞（スペックル）を生
じ、それはそのまま投影レンズPLを介してウェハＷ上に
転写されることになり、正確なパターン転写の妨げとな
った。

〔問題点を解決する為の手段〕

上記問題点を解決するために、本発明では第１段のオ
プチカル・インテグレータ（フライアイレンズ、単一の
ロッド、又はオプチカル・ファイバー束）と第２段のオ
プチカル・インテグレータ（フライアイレンズ等）との
間に、第２段のオプチカル・インテグレータに入射する
光束を、少なくとも１方向（１次元）に揺動させる揺動
手段（第１の走査ミラー等）を設けるようにした。

この揺動手段による光束の揺動角は、レチクルＲ（又
はウェハＷ）上にできる干渉縞を１ピッチ分だけ移動さ
せる程度で十分である。また可干渉性のビームがエキシ
マレーザ光のようにパルス発光するものでは、揺動角の
変化とパルス発光のタイミングとを同期させるのが効率
的である。

〔作用〕

先に第３図を用いて説明した様にスペックル（干渉
縞）は第２フライアイレンズ５による３次光源同志の干
渉によって生じている。そこでレチクルＲ（又はウェハ
Ｗ）を照明する間、第２フライアイレンズ５に入射する
光束の波面を傾けて、フライアイレンズ５の隣り合った
エレメントレンズにできる３次光源a₁（又はb₁、c₁）同
志に2mπ（ｍ＝１、２、３……）の位相差を与える。言
いかえると、隣り合ったエレメントレンズに入射する光
（波面）に2mπの位相差を与えること、すなわちｍλ
（λはビームの波長）光路差を与える。スペックルはフ
ライアイレンズのエレメントレンズの間隔に対応した周
期的な構造をもっており、隣り合った３次光源a₁同志か
らの光の位相差が変化すると、スペックルは移動し、位
相差が２π変化するたびに、スペックルはちょうど１周
期分移動し元と同じ状態になる。

すなわち物体を照明中に連続的、又は段階的に位相を
２πあるいは2mπ変化させると、一定時間の照明が終了
した時点でスペックルは平滑化されてしまうことにな
る。

ところで実際には、エキシマレーザはパルスレーザで
あるので、位相の変化は連続的ではなく、とびとびとな
る。しかしパルスの数がある程度より多ければ連続的な
変化と同様な結果を得ることができる。このことを模式
的に描いたのが第５図である。第５図（ａ）は、周期的
なスペックル（干渉縞）の強度分布を１次元に模式的に
描いたものである。となりあったフライアイレンズのエ
レメントレンズに２π/4ずつ位相差を増しながら、エキ
シマレーザ光の４パルスを被照明体に照射したときに生
じる各パルス毎のスペックルの重なった様子を示したの
が第５図（ｂ）である。これを加算（積算）すると第５
図（ｃ）の様にスペックルが平滑化されて消えてしま
う。厳密には、ある一定の強度分布にリップル成分が重
畳する。このパルス数は多ければ多い程良いが通常は数
10パルスで十分な効果が得られる。

〔実施例〕

次に、本発明の第１の実施例を第１図を参照して説明
する。第１図において、第３図で用いた部材と同一の機
能を有するものには同じ符号をつけてある。

第１図で、エキシマレーザ光源10を出射したビーム
は、紫外用反射ミラーM₁、M₂、M₃、M₄を介してシリンド
リカルレンズを含む光学系11に入射し、断面形状が長方
形のビームLB₀からほぼ正方形なビームLBに整形され
る。そのビームLBは紫外用反射ミラーM₅で曲折されてビ
ームエクスパンダ15に入射し、所定のビーム径に拡大さ
れた後、第３図で示した第１のフライアイレンズ３に入
射する。

さて、ここでエキシマレーザ光源10の構造と発振され
るレーザビームの特性との関係について、第６図、第７
図、第８図を参照して説明する。

エキシマレーザ光源は大別すると２つの種類に分けら
れる。１つは安定共振器型と呼ばれるもので、第６図に
示すように誘導放出を起させる放電管100の両端に２個
の共振器用ミラー102a、102bを配置して共振器を構成し
ている。この共振器用ミラー（102a、102b）の間を光が
往復することにより、誘導放出された光の振幅が強めら
れてレーザビームLB₀が出射されるが、この型のレーザ
光源から出射されたレーザビームの特徴は空間的及び時
間的コヒーレンスが低いことである。時間的コヒーレン
スが低いということは言いかえると、スペクトルの半値
幅が広い（Δλ0.4nm）ということであり、かかる光
源を集積回路製造用の露光装置等に用いるには、投影レ
ンズPLにおいて色消し（色収差補正）が必要となり、こ
の波長領域で実用的なレンズを作ることは困難である。

もう一つのタイプのレーザ光源は、インジェクション
ロック型と呼ばれるものであり、第７図のように発振器
と増幅器に分かれている。発振器において共振器用ミラ
ー（102a、102b）が配置されている点は前述した安定共
振型と同様であるが、このタイプでは発振器内に所定の
領域の波長を選択するためのエタロン、回折格子等の波
長選択素子（106）が備えられているとともに、放電管1
00の両端にレーザビームを所定の領域で遮断するアパー
チャー（104a、104b）が配置されており、発信されるレ
ーザビームのスペクトルの半値幅が狭く（Δλ0.001n
m）、即ち単色性が向上している。さらに発振されたレ
ーザビームはミラー（108）で曲折されて増幅器に入射
し、第２の放電管（110）の両端に凸状面と凹状面を向
きあわせて配設された不安定共振器用ミラー（112a、11
2b）によって増幅されて出射される。この型のレーザ光
源から出射されるレーザビームの特徴の一つは、発振器
において単色性が高められており時間的コヒーレンスが
高く、投影レンズPLにおいて色消しの必要がないという
ことである。

このため、単一の硝材（石英）のみでレンズを作るこ
とができ、設計、製造とも容易であるという利点があ
る。しかし、インジェクションロック型レーザ光源のも
う一つの特徴として、不安定共振器によって増幅されて
いるために空間的コヒーレンスが極めて高いということ
があり、かかるレーザ光源を用いると露光領域に強い干
渉縞が生じてしまう。

そこでそのような不都合を解決するために開発された
新しい型のレーザ光源として、第８図に示す様なものが
ある。この型のレーザ光源は、前述した安定共振器型レ
ーザ光源に例えばエタロン、プリズム、回折格子等の波
長幅狭帯化用の波長選択素子114を配設してあり、出射
されるレーザビームのスペクトル幅を狭く（Δλ0.00
3nm）している。かかるレーザ光源から出射されるレー
ザビームの特徴は、波長選択素子114を設けたことによ
って時間的コヒーレンスが向上しており、かつインジェ
クションロッキング型に比べて空間的コヒーレンスが低
いことである。

以上、３つのレーザ光源を述べたが、本実施例で用い
るレーザ光源10は、波長選択素子、即ち時間的コヒーレ
ンスを高める手段を備えた第８図の安定共振型レーザ光
源とし、投影レンズPLの色収差補正を不要としている。

また、空間的コヒーレンスはインジェクションロック
型に比べて低くなっているため、かかるレーザ光源から
出射されたビームにより生じるスペックルのコントラス
トは非常に低いものとなっている。

しかしながら、エキシマレーザ光源から出射されるビ
ームの断面形状は一般的に縦横比が1:2〜1:5の矩形をな
しており、空間的コヒーレンスは等方的ではなく、特に
ビーム断面の長手方向より短手方向において高くなって
いる。このため、スペックルはビーム断面の短手方向に
発生しやすく、第１図に示したレーザ光源10から出射さ
れるビームによって生じるスペックルパターンは、コン
トラストの低い一次元の干渉パターンとなっており、こ
の干渉縞のピッチ及び配列方向は先にも述べた通り、強
度分布均一化手段として照明系に配設されるフライアイ
レンズ等のレンズエレメントの間隔及び配列方向に対応
している。

再び第１図の説明に戻り、ビームエクスパンダー15を
出射したほぼ正方形断面の平行ビームは第１図のフライ
アイレンズ３、レンズ４を介して走査ミラー17に入射す
る。本実施例のレーザ光源10は、第８図に示したよう
に、内部に波長選択素子を備えた安定共振器型のKrFエ
キシマレーザ光を発振するものとしたので、ビーム断面
の短手方向に関して空間的コヒーレンスが高く、走査ミ
ラー17によるビームの揺動は、その短手方向に合わせて
一次元に行なわれるものとする。従って本実施例におい
て走査ミラー17は、シリンドリカルレンズを含む光学系
11により整形される前のビームLB₀の断面の長手方向、
即ち縦方向に振動中心軸が一致するように配置され、ガ
ルバノ、ピエゾあるいはねじれ振動子等の振動源（偏向
源）19に接続されている。

ここで、ビームが振動される方向は常にビームの短手
方向と完全に一致させておく必要はなく、ビームの長手
方向と交差する方向のうち適宜選択された一方向であれ
ばよい。即ち、走査ミラー17の振動中心軸の方向は固定
的に設定されたものではなく、除去しようとするスペッ
クルパターンの状態によって、ビームLB₀の長手方向と
振動中心軸を相対的に45度程度までの間で適宜傾けるこ
とが好ましい。

また、この実施例においてはビームを所定回数振動さ
せる構成をとっているが、本実施例において除去しよう
としているスペックル（干渉縞）はコントラストがもと
もと低いので、必ずしもビームを規則的に往復するよう
に振動させる必要はない。即ち、１スキャンの間にウェ
ハＷ上に形成されたレジスト層（図示せず）の感度との
兼合いで設定される適正露光量を得るだけのパルスを打
ち終るような場合には、走査ミラー17を一方向に所定量
揺動させただけでスペックルを消失できることも想定さ
れる。なお、ビームの振動は、レーザビームLB₀の発振
に同期させておこなうことが好ましく、本実施例におい
ては、例えば１スキャンで50パルス程度となるように条
件設定すると良い。

次に、走査ミラー17によって短手方向に振られたビー
ムは、レンズ21を通って、第２のフライ・アイレンズ５
に入射し、第３図で示したように多数の３次光源（スポ
ット光）として集光した後、発散し、集光レンズ25によ
って再度集光され、紫外用反射ミラー27で曲折されてメ
イン・コンデンサーレンズ２に入る。メイン・コンデン
サーレンズ２によって適度に集光された多数の３次光源
の夫々からの光は、レチクルＲ上ですべて重畳され、一
様な照度分布となってレチクルＲを照射する。これによ
り該レチクルＲ上の回路パターンが、例えば石英からな
る投影レンズPLによってウェハＷ上に投影露光される。

ここで、投影レンズPLは片側（ウェハ側）又は両側テ
レセントリックであり、第２のフライ・アイレンズ５の
出射面側にできる３次光源像は、集光レンズ25、メイン
・コンデンサーレンズ２等によって瞳epとほぼ共役とな
っている。即ち、瞳epには３次光源の点光源（ビームの
収束点）がフライ・アイレンズ３と５の夫々のレンズエ
レメント数の積だけ形成されることになる。

また、レーザ光源10で発振されたビームLB₀の長方形
断面の長手方向は、本実施例ではフライアイレンズ３、
５の各エレメントレンズの一方の配列方向（第１図で光
軸AXをＺ軸とするとＹ軸方向）に一致するように定めら
れている。さらに２つのフライアイレンズ３、５の各エ
レメントレンズの配列も、互いにＸ方向とＹ方向とで一
致しているものとするが、必ずしもその必要はなく、第
１図に示したフライアイレンズ３とフライアイレンズ５
とを図の状態から光軸AXを中心に相対的に回転させてお
いてもよい。

次に本実施例の作用、動作について述べる。

本実施例のレーザ光源10の場合、ビームLB₀の空間的
コヒーレンスが元々低いため、先に第３図によって説明
したように、第１のフライアイレンズ３で作られる２光
源ａ、ｂ、ｃ同志が互いに干渉しないようにエレメント
レンズ3a、3b、3cの間隔を設定しつつ実用的な寸法及び
個数でフライアイレンズを製造することができる。とこ
ろが、第２のフライアイレンズ５では、３次光源a₁（又
はb₁、c₁）同志が互いに干渉しないようにエレメントレ
ンズ５−１、５−２、５−３の寸法を定めると、特にビ
ームLB₀の断面の短手方向と一致した配列方向に関して
は、極端な場合第１のフライアイレンズ３の外形寸法の
10倍程度の大きさになってしまう。このようなことは装
置構成上、極めて不都合なことであり、そのため、３次
光源a₁（又はb₁、c₁）同志による干渉はさけられない。
そこで第１図に示した走査ミラー17を揺動させて、フラ
イアイレンズ５の隣り合ったエレメントレンズで作られ
る３次光源a₁（又はb₁、c₁）同志に2mπの間で位相差を
与え、第５図のように干渉縞の平滑化を行なう。尚、２
次光源ａ、ｂ、ｃ同志に干渉性がないとすると、フライ
アイレンズ５の１つのエレメントレンズ内に作られる３
次光源a₁、b₁、c₁同志にも干渉性がない。

ここで、３次光源による干渉の様子を考えてみると、
例えば第９図に示すように、フライアイレンズ５の各エ
レメントレンズ5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5hがＸ、
Ｙ方向に規則的に配列され、レーザ光源10からのレーザ
ビームLB₀の断面の長手方向がＹ方向と一致している場
合、Ｙ方向に関してはビームLB₀の空間的コヒーレンス
が元々低いために、Ｙ方向に配列されたエレメントレン
ズ、例えば5a、5d、5gの夫々にできる２次光源ａからの
３次光源Aa、Ad、Agは互いに干渉しないような条件が成
り立つ。ところが、Ｘ方向に関しては、比較的に空間的
コヒーレンスが高いために、例えばＸ方向に並んだエレ
メントレンズ5c、5d、5e、5fの夫々に２次光源ａからの
光で作られた３次光源Ac、Ad、Ae、Afは互いに干渉して
しまう。

この３次光源Ac、Ad、Ae、Afによる干渉も、系の条件
によって変化し、例えば隣り合った２つのエレメントレ
ンズ5c、5dの３次光源Ac、Adのみが互いに干渉し、３次
光源Acに対して２つ以上離れたエレメントレンズ5e、5f
の３次光源Ae、Afの夫々の間では全く干渉が起らない場
合、あるいは３次光源Ac、Ad、Aeの３つだけが互いに干
渉する場合、さらにはＸ方向のエレメントレンズの同一
位置にできる３次光源Ac、Ad、Ae、Afの全てが互いに干
渉する場合等がある。第10図は、隣り合った２つのエレ
メントレンズ内の同一位置にできる３次光源のみ（例え
ばAcとAd、AdとAe、AeとAf）が互いに干渉したときに、
レチクルＲ（又はウェハＷ）上に生じる干渉縞の強度分
布Fr₁を示し、理論的には正弦波になる。

従ってこのような場合は、互いに干渉し合う３次光源
の位相差がπ（あるいはＫ＝０、１、２、３……とし
て、2Kπ＋π）だけずれるように走査ミラー17の角度を
変えて、レーザ光源10から２パルスを発振すれば、２パ
ルス目による干渉縞の強度分布Fr₂は丁度1/2ピッチだけ
ずれることになり、これらを重ね合わせたものは数学上
はフラットな強度分布Fr₃になる。しかしながら一般に
は、Ｘ方向に並んだいくつかの３次光源が相互に干渉し
合うため、第５図（ａ）に示したような複雑な強度分布
になる。ところが、Ｘ方向に並んだｎ個の３次光源同志
（例えばAc、Ad、Ae、又はAd、Ae、Af等）が互いに干渉
し合う場合でも、数学的な解析によれば、ｎ個の３次光
源の夫々が２π/nずつ位相差を変えるように、すなわち
レチクルＲ上の干渉縞が、1/nピッチずつ、ピッチ方向
に移動するように走査ミラー17の角度変化に同期してｎ
パルスのビームを照射すると、重ね合わされた強度分布
をフラットにできることがわかっている。従ってフライ
アイレンズ５のＸ方向のエレメントレンズの数をｎとす
ると、例えば走査ミラー17が半周期振動（干渉縞の１ピ
ッチの移動に相当）する間に同一強度でｎパルスを照射
すれば、ウェハＷ上の露光領域に生じた干渉縞による露
光むらは消せることになる。

ただし、この場合は、走査ミラー17の角度変化と各パ
ルス光毎の発振トリガーのタイミングとを極めて正確に
保つ必要がある。

また別の考え方として、走査ミラー17が半周期振動す
る間に、ｎパルスよりも十分大きなパルス数で露光を行
なうこともできる。先にも述べたようにフライアイレン
ズ５のＸ方向のエレメトレンズの数を10とすると、ｎ＝
10であるので、走査ミラー17の半周期の振動の間に約50
パルス（往復では100パルス）程度を発振させるもので
ある。この場合は、走査ミラー17の角度変化と各パルス
光毎の発振トリガーとをそれ程正確に保つ必要がなく、
装置化の点で有利である。また、実験によって、干渉縞
の平滑化のために走査ミラーの半周期中に必要な最小パ
ルス数N_minを求めておき、あるショットの露光に必要な
総パルス数がｍ・N_min（ｍ＝１、２、３……）になるよ
うに各パルス光の光量を調整しておけば、適正露光量の
制御も容易に実現できることになる。

以上、本実施例では、走査ミラー17をビームLB₀の断
面の短手方向（長手方向と直交する方向）に合わせて１
次元のみ振動させたが、これはフライアイレンズ５によ
って作られた３次光源のＸ方向（ビームLB₀の短手方
向）の配列のみによって１次元の干渉縞が発生するから
であって、もし、ビームLB₀の断面の長手方向（Ｙ方
向）に沿って並んだ３次光源同志によっても干渉が起る
場合は、全く同様の考え方で走査ミラー17を２次元に揺
動させればよい。この場合、３次光源の夫々は、瞳ep上
でラスター走査と同様に微小量だけ同時に位置変化す
る。また１枚の走査ミラー17を２次元振動させる代り
に、Ｘ方向用とＹ方向用に２枚の走査ミラーを設けてビ
ームの振動方向を分担させてもよい。

また、本実施例では、レーザ光源10から射出するビー
ムLB₀の断面の長手方向と、各フライアイレンズ３、５
のエレメントレンズの一方の配列方向（Ｙ方向）とを一
致させたが、これは任意の関係でよく、必須の条件では
ない。しかしながら、その関係がどのようなものであっ
ても、走査ミラー17の振動によるビームの少なくとも一
方の揺動方向は、元々のビームLB₀の断面の長手方向と
交差する方向になる。

次に本発明の第２の実施例を第11図を参照して説明す
る。第11図は、照度分布均一化手段のみを示し、他の構
成は第１図のものと同様である。また第１図で示した部
材と同一のものには同じ符号を付けてある。本実施例で
は、第１のフライアイレンズ３の前にも、ビームを揺動
させるための走査ミラー16、及びその振動源18を設けた
点が第１の実施例と異なる。

本実施例においても、レーザ光源10は内部に波長選択
素子を有する安定共振器エキシマレーザ（KrF）光源と
し、発振されたビームLB₀の断面は長方形であり、長手
方向の空間的コヒーレンスはダブル・インテグレータに
よっても干渉縞が生じない程度に低く、短手方向の空間
的コヒーレンスはかなり高いものとして説明する。

第１の実施例では、空間中の面SP₂に第１のフライア
イレンズ３で作られた多数の２次光源像（スポット光）
同志は、互いに干渉しないとしたが、条件によっては干
渉することがある。この場合、先に第４図で説明したよ
うに、第２のフライアイレンズ５の各エレメントレンズ
５−１、５−２、５−３の同一位置にできる３次光源a₁
（又はb₁、c₁）同志は当然互いに干渉するが、さらに、
１つのエレメントレンズ内にできる３次光源a₁、b₁、c₁
同志も互いに干渉することになる。

ここで第11図（第３図でも同様）からも明らかなよう
に、２次光源像ができる面SP₂と３次光源像ができる面S
P₃とは互いに共役である。しかも、第２のフライアイレ
ンズ５の１つのエレメントレンズは、第１のフライアイ
レンズ３の射出側にできた全ての２次光源像を再結像す
ることになるので、比較的大きな倍率がかかっている。
典型的な例として、フライアイレンズ３、５の各エレメ
ントレンズの径寸法が等しく、かつ配列方向の数がとも
に10個であるとすると、倍率は10倍になる。

従って、第１実施例のように、第９図で示した３次光
源Ac、Ad、Ae、Af同志の干渉によるスペックルパターン
を平滑化するのに必要な走査ミラー17の最小の角度変化
範囲だけでは、２次光源同志による干渉の影響が残って
しまうことになる。

そこで走査ミラー17の角度変化範囲を、典型的な例と
して約10倍以上にすることが考えられる。しかしなが
ら、走査ミラー17を大きく振ることは、フライアイレン
ズ５に入射する光束の一部がけられる可能性を大きくす
るため、あまり好ましいことではない。仮りに、走査ミ
ラー17の大きな振れ角の始めと終りとでフライアイレン
ズ５に入射する光束の一部がけられると、それはそのま
まウェハＷへの適正露光量に対する誤差があるいはスル
ープットの低下となり、極めて不都合なことになる。

そこで本実施例では、走査ミラー16によって第１のフ
ライアイレンズ３に入射するビームを揺動させて、２次
光源同志の位相差を2mπの間で変化させつつ複数のパル
ス光を照射するようにした。もちろん、走査ミラー17に
よるビームの揺動も、第１実施例と同様に同時に行なわ
れる。

２次光源同志による干渉によってレチクルＲ（又はウ
ェハＷ）上にできる干渉縞の様子は、先に第10図を用い
て説明したのと全く同じであるが、第１と第２のフライ
アイレンズ間で、例えば、10倍の倍率があるため、レチ
クルＲ上の干渉縞のピッチは、３次光源a₁同志の干渉で
作られる干渉縞のピッチよりも約10倍大きくなる。従っ
て、例えば第１のフライアイレンズ３の隣り合ったエレ
メントレンズの２次光源のみが互いに干渉するような場
合は、第12図に示すようにピッチの長い正弦波状の強度
分布Fr₀と、ピッチの短い強度分布Fr₄が重畳した干渉縞
が現われる。

この第12図のような干渉縞の場合、走査ミラー16は互
いに干渉する２つの２次光源にπの位相差を与えるよう
に、少なくとも２つの角度位置に振ればよい。すなわち
走査ミラー16がある角度位置のときに、走査ミラー17を
半周期（又は１周期程度）だけ揺動させつつ、数十パル
スの発光を行ない、次に走査ミラー16を所定量だけ角度
変化（位相差πを与える）させた状態で、同様に走査ミ
ラー17を半周期（又は１周期程度）だけ揺動させつつ、
数十パルスの発光を行なえばよい。

もちろん、ビームLB₀の空間的コヒーレンスが高くな
れば、２次光源ａ、ｂ、ｃの３つ以上が互いに干渉し合
うことになるため、それに応じて走査ミラー16の角度変
化の割合は細かくなる。このため、走査ミラー16の角度
を一定量だけ変化させては、走査ミラー17を半周期（又
は１周期）だけ振ることを繰り返すことになる。

ところで、例えば走査ミラー17の半周期のうちに50パ
ルス程度の発光を行なうものとすると、走査ミラー16の
角度変化の回数は最低で約10回（フライアイレンズ３の
エレメントレンズの干渉方向の数）必要になることもあ
り、ウェハ上の１つの領域（１ショット）を露光するの
に最低でも50×10＝500パルスが必要になる。このこと
は適正露光量を考慮して、１パルスあたりの光量を第１
の実施例にくらべて1/5〜1/10程度に絞って露光するこ
とを意味する。エキシマレーザ光源の一般的な繰り返し
発光周波数は100〜200Hz程度であるため、１ショットの
露光時間は2.5〜５秒にも及び、スループットの大幅な
低下が起り得る。そこで先にも説明したように、走査ミ
ラー17の角度変化と各パルス毎の発振トリガーのタイミ
ングとをなるべく正確に同期させ、走査ミラー17の半周
期中に照射するパルス数を極力小さくするとともに、走
査ミラー16の角度変化もなるべく正確に行なうようにす
る。こうすれば第１図の実施例とくらべて大幅なスルー
プットの低下は生じない。

以上、本実施例によれば、空間的コヒーレンスの高い
レーザ光源、例えば第７図に示したインジェクションロ
ック型レーザを用いたとしても良好にスペックルパター
ンを平滑化できる。もちろん、走査ミラー16、17をとも
に２次元に振動させる構成にしておけば、２次元の干渉
縞又はランダムなスペックルを良好に平滑化できる。

尚、本実施例においては、振動源18、19及びレーザ光
源10のトリガー回路は、適宜の制御手段によって同時に
周期制御される。

次に本発明の第３の実施例を第13図により説明する。
第13図は１段目のオプチカル・インテグレータに石英に
よる四角柱のロッド30を用いた場合の照度分布均一化手
段の例を示す。レーザ光源10からのビームLB₀は適宜の
光学系を用いて集光ビームLB′に変換される。集光ビー
ムLB′は集光点（スポット）SP₀からわずかに発散した
位置でロッド30の入射端に入いる。

ビームLB′はロッド30の内部で多重反射を繰り返し、
ロッド30の他端から発散した光となってレンズ４に入射
する。レンズ４を通った光束は走査ミラー17で反射さ
れ、空間中の面SP₂に多数の２次光源となって集光し、
そこから再び発散してレンズ21に入射し、各２次光源か
らの光はそれぞれほぼ平行光束（互いにわずかに角度が
異なる）となって第２のオプチカル・インテグレータと
してのフライアイレンズ５に入射する。この実施例で
は、ビームLB′のロッド30内部での多重反射により、１
つの集光点SP₀が見かけ上、多数存在するように、面SP₂
に再結像される。

以上、本発明の各実施例を説明したが、オプチカル・
インテグレータとしては、１段目を細いオプチカル・フ
ァイバーを束ねたバンドルにし、２段目をフライアイレ
ンズにした組み合わせでもよい。またフライアイレンズ
のエレメントレンズはハニカム形状（正六角形）にし
て、一体の石英材を加工したものにしてもよい。

また、本発明は、第１図のような縮小投影型露光装置
だけでなく、均一な照度分布で照明を行なわなければな
らない装置全般に、そのまま応用できるものである。

さらに、本発明の各実施例では１段目と２段目のオプ
チカル・インテグレータの間で走査ミラーを揺動させる
ものとしたが、２段目のオプチカル・インテグレータの
後にも走査ミラーを設けて所定の周期で振動させてもよ
い。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明は、第１オプチカル・インテグ
レータと第２オプチカル・インテグレータとの間に揺動
手段を配設しているので、複雑な制御をすることなくこ
の揺動手段を用いてスペックルパターン（干渉縞）を平
滑化することができる。

また、第１オプチカル・インテグレータと第２オプチ
カル・インテグレータとを用いているので、投影光学系
の瞳に形成されるビームスポット像（３次光源）の数を
極めて多くすることができるため、投影光学系内部の特
定のレンズ素子に極端に大きなエネルギーが集中するこ
とがなく、投影光学系の破損が防止されるという効果も
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による照明光学装置を投
影型露光装置に適用した場合の構成を示す斜視図、第２
図は従来の装置におけるフライアイレンズと投影露光系
の関係を示す図、第３図は本発明の基礎となるダブル・
フライアイレンズの構成を説明する図、第４図は第３図
の構成によって得られる光源像（スポット光）の配列を
示す平面図、第５図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ
被照明体に１パルスの照明光で生ずる干渉縞の強度分
布、多数パルスの照明光で平滑化するときの干渉縞の位
置移動、及び平滑後の強度分布を表わす図、第６図、第
７図、第８図はそれぞれレーザ光源の代表的な構造を示
す図、第９図は２段目のフライアイレンズの射出端にで
きる３次光源（スポット光）の配列を示す平面図、第10
図は干渉縞の平滑化の様子を説明する図、第11図は本発
明の第２の実施例による照明光学装置の構成を示す図、
第12図は可干渉性の強いビームをダブル・フライアイレ
ンズに入射したときに被照明体上に生じる干渉縞の強度
分布の一例を示す図、第13図は本発明の第３の実施例に
よる照明光学装置の構成を示す図である。〔主要部分の符号の説明〕１、３、５……フライアイレンズ、２……コンデンサーレンズ、10……レーザ光源、 16、17……走査ミラー、30……ロッド、Ｒ……レチクル、PL……投影レンズ、Ｗ……ウェハ、 LB₀……発振ビーム。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】パルス光を放射する光源装置と、前記光源装置からのパルス光を入射させて複数の第１点
光源を生成する第１オプチカル・インテグレータと、前記複数の第１点光源から射出されるパルス光を入射さ
せて複数の第２点光源を生成する第２オプチカル・イン
テグレータと、前記複数の第２点光源から射出されるパルス光を入射さ
せてマスクをほぼ均一な照度で照明する集光光学系と、前記マスクの像を感光基板上に投影する投影光学系とを
備えた露光装置において、前記第１オプチカル・インテグレータと前記第２オプチ
カル・インテグレータとの間の所定の拡大倍率の関係に
よって生成される前記複数の第２点光源間での干渉を低
減するために、前記第１オプチカル・インテグレータと
前記第２オプチカル・インテグレータとの間において、
前記複数の第１点光源の各々の点光源から射出される各
パルス光を各々少なくとも１次元に揺動させる揺動手段
を設けたことを特徴とする露光装置。
【請求項２】前記第１オプチカル・インテグレータは、
ロッド型のオプチカル・インテグレータであることを特
徴とする請求項第１項記載の露光装置。
【請求項３】前記複数の第１点光源は、前記第１オプチ
カル・インテグレータと前記第２オプチカル・インテグ
レータとの間に形成されていることを特徴とする請求項
第１項記載の露光装置。
【請求項４】前記複数の第２点光源は、前記第２オプチ
カル・インテグレータと前記集光光学系との間に形成さ
れていることを特徴とする請求項第１項記載の露光装
置。
【請求項５】前記光源装置は、波長選択素子を備えた安
定共振型レーザ光源であることを特徴とする請求項第１
項記載の露光装置。