JP3380868B2

JP3380868B2 - 投影露光装置

Info

Publication number: JP3380868B2
Application number: JP01867692A
Authority: JP
Inventors: 良忠押田; 邁田和; 行広芝田; 重美石井; 稔野口; 恒男寺沢; 誠村山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-02-04
Filing date: 1992-02-04
Publication date: 2003-02-24
Anticipated expiration: 2018-02-24
Also published as: JPH05217854A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体集積回路の回路パ
ターンの形成に用いられる投影式露光装置に係り、特に
露光するパターンの寸法や形状、或いはマスクまたはレ
チクルやウェハの種類に応じて照明光の指向性を制御
し、最適な状態でのパターン露光やパターン検出を可能
にする投影式露光装置に関する

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路のパターン微細化は光の
波長に近いパターン幅に迫る程に進んで来ている。光に
代わる露光方法として、Ｘ線或いは電子線による方法も
開発が進められているが、需要の大きいメモリ等では短
時間で多数の集積回路チップが露光できる光露光に比べ
量産性が劣り、安価なメモリーを大量に生産することが
難しい。このような状況下で、近年、従来のｉ線縮小投
影露光装置（ｉ線ステッパ）に用いるマスクあるいはレ
チクル上のパターンに位相シフト部を設け、従来使用さ
れていた通常のレチクルに比べパターンの解像度を大幅
に向上させる技術の開発が進められている。またこのよ
うな特殊なレチクルを用いなくても、特開昭６１−９１
６６２号に記載されているように、レチクルに照射する
照明光が縮小投影レンズの入射瞳上で輪帯状になるよう
にし、レチクル透過光の高い空間周波数成分が露光結像
レンズの入射瞳を通過する様にすることにより、パター
ンの解像度を向上させる技術の開発も進められている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような解像度向上
方法を用いようとするとき、従来用いていた半導体露光
装置（ｉ線ステッパ）をそのまま用いると、レチクルを
照明する照明光の照明指向性を示すいわゆるσの値（σ
＝露光結像レンズの瞳径に対する照明光のこの瞳上での
広がりの比）が上記の解像度向上方法で最適とされる照
明指向性を示すσ値と一致しないという課題を有してい
た。

【０００４】本発明の目的は、上記従来技術の課題を解
決すべく、各種の解像度向上方法に対し最適となる照明
光を容易に選択制御し、かつ露光光源から発する露光光
を無駄にすることなく利用できるようにした投影式露光
装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、露光光を発射する露光光源と、この露
光光源から発射した露光光をパターンを形成したマスク
又はレチクルに照射する照明光学系と、この照明光学系
により照射されてマスク又はレチクルを透過した光を被
露光物体上にマスク又はレチクルのパターン像として結
像する露光結像レンズ系とを備えた投影式露光装置にお
いて、露光光源は、露光光としてエキシマレーザを発射
し、照明光学系は、エキシマレーザの可干渉性を低減す
る手段と、露光光の光路を変換することにより露光結像
レンズ系の入射瞳と共役な場所での露光光の形状を１つ
の光束形状と輪帯形状又は４つ以上に分離した光束形状
の何れかとの間で切替え可能な切替え手段とを有するよ
うに構成した。

【０００６】また、本発明では、露光光を発射する露光
光源と、この露光光源から発射した露光光をパターンを
形成したマスク又はレチクルに照射する照明光学系と、
この照明光学系により照射されてマスク又はレチクルを
透過した光を被露光物体上にマスク又はレチクルのパタ
ーン像として結像する露光結像レンズ系とを備えた投影
式露光装置において、露光光源は、露光光としてエキシ
マレーザを発射し、照明光学系は、エキシマレーザの可
干渉性を低減する手段と、露光光の光路を変換すること
により露光結像レンズ系の入射瞳と共役な場所での露光
光の光束形状を切替え可能な切替え手段とを有するよう
に構成した。

【０００７】

【０００８】

【０００９】

【作用】上記の手段を用いることにより、位相シフトレ
チクルの場合に適した指向性の比較的高い、σの小さな
照明にしたり、通常のレチクルで高解像度のパターンを
得るために輪帯照明にしたり、あるいは従来の照明の指
向性にしたりすることが容易に可能となる。更に上記手
段を用いることにより光源から出射した光を高い利用効
率で被露光物体に照射させることが可能となる。また将
来パターン線幅が更に小さくなり、露光波長を小さくす
るためにエキシマレーザ等を用いるようになると、レー
ザの干渉性や指向性に伴う、照明のむらの問題を上記の
方法で容易に解決することが可能となり、エキシマレー
ザステッパにおいても上記の各種の照明を容易に、かつ
光の損失を少なく実現することができる。

【００１０】

【実施例】以下に本発明を図面に基づいて詳細に説明す
る。図４は投影式露光装置における露光照明光学系を示
した図である。水銀ランプ２４から出射したｉ線光を楕
円面鏡２５で反射させ波長選択ミラー２６、インプット
レンズ２７を通し、ロットレンズ２８に集める。ロット
レンズを出射した光はアウトプットレンズ２９で集めな
がらミラー２６’で反射させ、コンデンサレンズ２３を
通した後レチクル３に照射される。レチクル３のパター
ンを通過した光は縮小レンズ４によりウエハステージ６
上のウエハチャックに固定されたウエハ５にレチクルの
パターンの１／５倍の像を結像し、露光する。１回の露
光では２０ないし２５ｍｍ角の領域に２ないし３チップ
を同時に露光する。ウエハステージはレーザ測長機（図
示せず）のレーザビーム６０と平面ミラー６１により正
確に位置決めされ、ウエハ全面にチップのパターンが露
光される。

【００１１】この投影式露光装置で上記の例えば位相シ
フトレチクルを用いる場合、指向性を高く、即ちσを小
さくする必要があるため、露光照明系内の上記露光結像
レンズの入射瞳と共役な場所に露光光束の外周部分を遮
光する遮光板を挿入する必要がある。そこで図４（ｂ）
に示す開口を有する遮光版１９をインプットレンズ２７
の前面もしくはアウトプットレンズ２９の後方に設け遮
光版１９内の比較的小さな開口１９２を通ったｉ線を露
光に用いる。また上記の輪帯照明ではこの入射瞳と共役
な場所に露光光束の中心部を遮光する円板を挿入する必
要が生じる。この場合には図４（ｂ）に示す開口を有す
る遮光版１９内の輪帯上の開口１９３を用いる。また、
この輪帯照明の場合、照明光束の入射瞳と共役な場所で
の露光光束を従来の半導体露光装置の露光光束に比べ
１．２から１．６倍程度拡大する事が望ましい。

【００１２】このように解像度を向上するための上記各
種の方法を一台の半導体露光装置で実現しようとする
と、方法が変わるたびに、露光照明系２’の内部に各種
の遮光板を入れ替える必要があるばかりでなく、露光光
束を一部遮光することにより、露光光を無駄にすること
になり、この結果集積回路チップを露光する時間が長く
なり露光のスループットを大幅に落してしまう。例えば
位相シフトレチクルを用いるため、σを０．６から０．
４に変えようとすると、露光のエネルギーはこの比の２
乗に逆比例するため、２．２５倍露光時間がかかること
になる。

【００１３】そこで、本発明は、これらの課題を解決す
るようにしたものであり、本発明について更に図面を用
いて詳細に説明する。図１は本発明の露光照明装置２を
示す一実施例である。水銀ランプ２４から発した光は楕
円面鏡２５で反射され、所望の露光波長である例えばｉ
線を反射する波長選択ミラー２６で反射された後にレン
ズ２１を透過し、光ファイバー束１の端面Ａ−Ａ’面に
入射する。光ファイバーの入射端面Ａ−Ａ’面は多数の
光ファイバーを束ねたものであり、例えば光ファイバー
１本の径は０．２ｍｍで、束ねたものの径は３０ｍｍ程
度である。束ねられた光ファイバーは入射端から或る距
離離れた所から複数の小光ファイバー束に分岐される。
分岐された複数の小光ファイバー束の各端面の相対的位
置を制御可能にする機能を持つ小光ファイバー束相対位
置可変機構１０により、小光ファイバー束出射端面が面
Ｂ−Ｂ’内で相対的な位置を変える。Ｂ−Ｂ’面に有る
光ファイバー束の出射端はいわゆる２次光源となるた
め、小光ファイバー束相対位置可変機構１０を稼働する
ことにより２次光源の形状や大きさを変える事が可能と
なる。Ｂ−Ｂ’面上の光ファイバー束端面から出射した
露光光は通常の半導体露光装置等で用いられる照明系と
同様にアウトプットレンズ２２を通過した後コンデンサ
レンズ２３を通り被露光物体であるレチクル３を照明す
る。

【００１４】半導体露光装置の場合、図４に示す様に従
来の露光照明系２’では水銀ランプの２次光源はいわゆ
るロットレンズの出射端であり、この出射端が図１のＢ
−Ｂ’面上にある小光ファイバー束の出射端に相当す
る。この２次光源から出た露光光は上記のアウトプット
レンズとコンデンサレンズ２３を通りレチクル３を照射
する。レチクルのパターンを透過した光は縮小投影露光
レンズ４によりｘｙｚの３次元方向に粗微動可能なウエ
ハステージ６上のウエハチャック５１上に有るウエハ５
の表面にレチクルの１／５倍の像を結像、露光する。先
に説明したように従来の半導体露光装置では、露光照明
系の２次光源の縮小露光レンズの瞳４１上での像２００
の径ｄの瞳径Ｄに対する比、即ちパーシャルコヒーレン
シーσは固定であったが、本発明の露光照明系２を半導
体露光装置に搭載することにより、縮小露光レンズの瞳
４１上の２次光源の像の大きさは小光ファイバー束相対
位置可変機構１０を稼働することにより可変となる。例
えば従来の光を通すか、通さないかでパターン情報を表
すレチクルの場合にはσ＝０．６程度に、また位相シフ
トレチクルを用いる場合σ＝０．４程度にはなるように
小光ファイバー束相対位置可変機構１０を駆動制御回路
を含む制御系７を用いて駆動する。

【００１５】図２は上記の小光ファイバー束相対位置可
変機構１０の詳細を説明する本発明の１実施例である。
光ファイバー束１は分岐されフレキシブルな部分１１’
と、これに続く周囲が剛性の有る金属パイプで覆われた
部分１１からなる。この剛性の有る金属パイプで覆われ
た部分１１の端面１１０が出射端で有り、面Ｂ−Ｂ’上
に出射端が有る。金属パイプで覆われた部分１１はその
長さ方向の中間点に対してほぼ対称な形状をしており、
垂直な部分（光の進む方向の部分）１１１’と１１１及
び傾斜部分１１２’、１１２からなっている。傾斜部分
は表面が滑らかであり、傾斜穴ガイドスライド機構１
２’、１２の各傾斜穴ガイドの穴の方向に沿ってスライ
ドする。傾斜穴ガイドスライド機構１２’、１２はその
周辺にガイド棒１６（複数）を通すスライド穴が複数有
るとともに、モータ１９により歯車１５、１５’を介し
て回転駆動する左右回りネジ付き回転シャフト１４が回
転することにより互いに近付いたり、離れたりする。こ
の結果、近付くと各光ファイバー端１１０は接近し、照
明のパーシャルコヒーレンシーσは小さくなり、離れれ
ばσは大きくなる。傾斜穴ガイドスライド機構１２’、
１２の間隔の変化に伴うこのようなσの変化を示したも
のが図３である。図３の（ａ）は傾斜穴ガイドスライド
機構１２’、１２が最も接近したときの小光ファイバー
束の出射端Ｂ−Ｂ’における配列を示している。図３
（ｂ）〜（ｄ）は傾斜穴ガイドスライド機構１２’、１
２が徐々に離れていったときの配列を表している。この
ように制御系７からの指令信号にもとずき、モータ１９
を駆動する事により光源の光を損失することなく、所望
の照明の指向性σに簡単に、短時間に設定することが可
能となる。

【００１６】次に輪帯照明を実現する本発明の実施例を
図６を用いて説明する。図６の部品に付けた番号が図１
のそれと同じものは同一物を表す。水銀ランプ２４から
出射した光は光ファイバー束１の入射端に集光される。
この入射端面はその外形が円形もしくはほぼ正多角形で
ある。この入射端面の法線に対し平行な対称軸を有し、
その表面が露光光に対し高反射率を有する鏡面である柱
状鏡を、この対称軸が光ファイバー束の入射端面の外形
の中心とほぼ一致するごとく配置し、光源より出射した
光を光ファイバー束の入射端面に輪帯状に高い光の利用
効率で入射させる。このような構成にすると図７（ａ）
に示すようにもしこの柱状鏡１７がなかったとしたとき
に、光ファイバー束の中心付近に入射する光は柱状鏡１
７の表面で反射し、図７の（ｂ）の斜線で示すように光
ファイバー束の外周より内側で外周に近い部分に入射す
る。この光の入射角は柱状鏡１７が無いとしたときに光
ファイバー束の入射端に入射する光のそれとほぼ同にな
るため、光の損失を生じること無く光ファイバー束に入
射し、他端の小光ファイバー束から、輪帯状の露光照明
光が出射される。ただしこの場合入射端の光ファイバー
の位置とその光ファイバーの出射端での位置はランダム
ではなく、入射端の周辺部のファイバは出射端の周辺部
にのみつながっていることは明らかである。

【００１７】輪帯照明を実現する本発明の他の実施例を
図８を用いて説明する。図８の部品に付けた番号が図１
のそれと同じものは同一物を表す。水銀ランプ２４から
出射した光は光ファイバー束１の入射端に集光される。
この入射端面はその外形が円形もしくはほぼ正多角形で
ある。この入射端の前面近傍にこの入射端面の法線に対
し平行な回転対称軸を持ちこの法線を含む平面で切った
断面が凹状のほぼ直線となる透明物体を配置する。この
凹状透明物体を透過する光は光軸の外側に発散するので
凸レンズで各光ファイバーに入射する光束の主光線がほ
ぼ平行になるようにすれば、上記光源より出射した光を
光ファイバー束の入射端面に輪帯状に高い光の利用効率
で入射させる事が可能になる。このようにすると図９
（ａ）に示すように光ファイバー束の入射端面の中央部
には光が達せず光ファイバー束の外周より内側で外周に
近い部分に入射し、他端の小光ファイバー束から、図９
（ｂ）の斜線で示すように輪帯状の露光照明光が出射さ
れる。ただしこの場合にも入射端の光ファイバーの位置
とその光ファイバーの出射端での位置はランダムではな
く一定の関係を持っていることは明らかである。

【００１８】図１０は光ファイバー束１から出射する光
を所望の発散角にするための手段を示す１実施例であ
る。図１０（ａ）に示すように、出射端の各小光ファイ
バー束に微小な凹レンズ１２２を配置し、小光ファイバ
ー束の開口角（発散角）θを大きくし、Θにしている。
本実施例では凹レンズを出射端に配置しているが、凸レ
ンズを用いても本発明の目的を達成できることは明らか
である。

【００１９】図１１は光ファイバー束１から出射する光
を所望の発散角にするための手段を示す１実施例であ
る。図１１（ａ）（ｂ）に示すように、光ファイバー束
の入射端の径Ｄと出射端の径ｄが異なる様に徐々に光フ
ァイバー径を変化させておくと、入射側の開口角θと出
射側の開口角Θが異なるようにできる。出射側の開口角
が所望の角Θになるようにすれば、図１０の実施例の様
に凹レンズを用いなくとても所望の発散角にすることが
できる。

【００２０】図１２は光ファイバー束１の入射端の拡大
した構造を示す本発明の実施例である。図１２（ａ）は
入射端が円形の光ファイバーからなり、各光ファイバー
の間隙は反射率の高い素材および構造からなっている。
特に光源として紫外線の水銀ランプのｉ線、あるいはＫ
ｒＦやＡｒＦエキシマレーザのような遠視外線を用いる
場合にはアルミニュウムのようなこの波長域で反射率の
高い素材を用い、その表面の保護と、増反射効果を持っ
た酸化シリコンの薄膜を保護コートするとよい。このよ
うにすれば、露光光のエネルギーが高くなっても、光フ
ァイバー束の入射端面で光エネルギーを吸収して高温に
なり、光ファイバー入射端面が破損するようなことが無
くなり、照度の高い、長寿命の光ファイバー束が実現で
きる。なお図１２からも分かるように、各光ファイバー
間の間隙は面積が小さいほど光の利用効率は高くなり、
特に図１２（ｂ）に示すような入射端面ファイバ形状に
し、この間隙の面積を原理的に０にすることができるよ
うにすることが好ましい。上記の間隙に充填された高反
射材は光ファイバー束の入射端面の近傍のみにあれば本
発明の目的を十分達成できる事は明らかである。またこ
の間隙に充填された高反射材の表面の形状は平面にした
り、凹面にしたりして、この反射面で反射した光が本発
明の照明系の目標に合致するように形状を選択する。

【００２１】図１３は本発明の照明装置の光源がＫｒＦ
やＡｒＦエキシマレーザの場合の場合の１実施例であ
る。この図の部品番号と図５の部品番号が同じものは同
一物を表している。光源２４’から出射したレーザ光は
そのビーム断面は矩形であるが、そのままの形状で、こ
の矩形と同じ入射端面を有する光ファイバー束１’に入
射させる。出射端には図１０の実施例に示した様に各小
光ファイバー束に小さいレンズを配置し、出射光が所望
の発散角になるようにしている。この照明系を図５の投
影露光装置に搭載することにより、レーザ光の光利用効
率の高い投影露光装置が実現する。また本レーザ光を用
いた照明系は投影露光装置に限らず各種のレーザ光の一
様照明を必要とする装置に適用することにより、高い光
の利用効率を有し、光の指向性あるいは照明範囲を可変
にする照明を実現することが可能となる。

【００２２】図１４は本発明の投影露光装置の１実施例
である。この図の部品番号と図５の部品番号が同じもの
は同一物を表している。露光光源はＫｒＦまたはＡｒＦ
エキシマレーザである。縮小露光装置に用いられる縮小
投影レンズは合成石英のみから構成されているため、レ
ーザ光のスペクトル幅は例えば１ｐｍ程度に狭いほど、
石英ガラスの屈折率の分散に伴う色収差による解像度劣
化が無く、微細なパターンが露光できるようになる。し
かし、一般にスペクトル幅を狭くするほどモード数が少
なくなる傾向が有る。この結果図１３の光ファイバー束
の各光ファイバーの長さが総べてほぼ同一であると小光
ファイバー束から出射した光が発散され互いに重なりあ
うと、干渉が生じレチクル上の照明光にむらが発生す
る。本実施例では図１４（ａ）から（ｅ）に示すよう
に、入射端面ＡＡ’では（ｂ）に示すようにレーザ光の
ビーム形状とほぼ等しい形状をしており、ビーム形状の
長手方向には１１００から１５００の５つの部分に分割
されている。各部分は図１４（ｃ）に示すようにマトリ
ックス状に分割されている。このマトリックスの互いに
近い部分は可干渉性が強いため、各マトリックス内の光
ファイバーの長さは等しいが、互いのマトリックス間で
は光ファイバーの長さが異なる。この長さの差は可干渉
距離以上であることが望ましいが、必ずしもその長さの
差がなくても、十分効果がある。上記の５つの部分に分
割した各部分については、図１４（ｃ）に示すように、
互いに対応する場所、例えば１１１１と１２１１、１１
５１と１２５１、１１１４と１２１４は同一の光ファイ
バー長を有し、これら同一光ファイバー長を有する物は
出射側で同一の小光ファイバー端１１０の１１１１’や
１２１１’等につながっている。

【００２３】このようにすば、各小光ファイバー束から
出射するレーザ光はお互いに干渉すること無く、レチク
ル上では照明強度のバラツキはほとんど無くなり、照度
が一様で、光の利用効率が高く、所望の指向性を持った
露光照明光を実現することができる。本実施例では光フ
ァイバー束の断面積はエキシマレーザのビームの断面積
と等しく、４×２０ｍｍ程度で良いため、高出力の水銀
ランプを光源にする場合（２０〜３０ｍｍφ）に比べ、
少ない光ファイバー数で目的を達成することができ、経
済的である。

【００２４】図１５はレーザ光の可干渉性の低減とレー
ザが元もと持っている指向性を低減する機能を有する部
分と、所望の照明の指向性を付与する機能の部分とを分
離した本発明の実施例である。即ち光ファイバー束１
Ａ’は図１６（ａ）に示すように入射断面が上記のエキ
シマレーザのビームの断面形状にほぼ等しい矩形であ
り、出射端面は図１６（ｂ）に示すように円形に成って
いる。また光ファイバーの長さは出射したレーザ光が互
いに干渉しないように可干渉距離程度以上にしてある。
光ファイバー束１Ａ’の出射端にはレーザ光の高い指向
性を除去するため小レンズ群を配置し、これにより得ら
れる発散光をレンズにより、図１６（ｃ）に示す第２の
光ファイバー束１Ｂ’の入射端面に集めている。光ファ
イバー束１Ｂ’の出射端Ｂ₂Ｂ₂’は図１６（ｄ）に示す
ように小光ファイバー束相対位置可変機構１０により所
望の広がりを与えられる。小光ファイバー束出射端面か
ら後の光路は図１の実施例と構成は同じである。

【００２５】図１７は本発明の投影露光装置の露光照明
系の１実施例である。光源としては水銀ランプを用いて
も、エキシマレーザを用いてもよい。例えば図５の露光
装置に図６の光ファイバ入射端付近の構造と同じ照明系
が搭載されている。光ファイバー束１”の出射端は図１
７に示すように５つの小光ファイバー束に分離されてお
り、一つは中心に、他の４つは周辺に配置されている。
中心の小光ファイバー束は固定であり、周辺の４つは放
射状にスライド可能な機構に固定されている。通常のレ
チクルを用い、比較的広いパターン幅を露光する場合に
は周辺の４つの小光ファイバー束を比較的内側に寄せて
５つの小光ファイバー束全部の露光光を用いて露光を行
う。通常のレチクルを用い、比較的狭いパターン幅を露
光する場合には制御系７の指令により、柱状鏡１７を光
ファイバー束１の入射端の前面に挿入し、光ファイバー
束１の出射端である中心に有る小光ファイバー束に向か
う光を柱状鏡１７の側面での反射により周辺に有る４つ
の小光ファイバー束に通じる光ファイバーの入射端に向
ける。さらに周辺の４つの小光ファイバー束を小光ファ
イバー束相対位置可変機構１０により外側に寄せる。こ
のようにすることにより、光の損失を発生させずに輪帯
照明にして比較的狭いパターンを露光する。次に非常に
狭いパターンを露光する場合には、位相シフトレチクル
を用いて、制御系７の指令により周辺の４つの小光ファ
イバー束を一番内側まで寄せて、５つの小光ファイバー
束全部の露光光を用いて露光を行う。本実施例では簡単
な構成により、露光するパターンの形状、寸法に応じ
て、照明の指向性を容易に変化させ、かつ光の損失無
く、露光することが可能になる。

【００２６】図１８は本発明の投影露光装置の露光照明
系の１実施例である。光ファイバー束１”の出射端は図
に示すように９つの小光ファイバー束に分離されてお
り、一つは中心に、４つは中心の小光ファイバー束の周
辺に配置されており、この４つの小光ファイバー束の周
辺に残りの４つ小光ファイバー束が配置されている。中
心の小光ファイバー束は固定であり、その周辺の８つは
放射状にスライド可能な機構に固定されている。８つの
小光ファイバー束を図１８の（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す
ように移動し、（ｂ）の輪帯照明の時には上記図６で説
明したように、柱状鏡１７を挿入することにより、解像
度とレチクルの種類に応じて所望の露光照明光の指向性
と最大の光の利用効率を実現することが可能と成る。

【００２７】図１９は本発明の投影露光装置の露光照明
系の１実施例である。レーザ光源２４’を出射しＡ
₃Ａ₃’断面のレーザ光は図２０（ａ）に示すように、図
１９の紙面に垂直な方向には長く、紙面内の方向には短
い。この紙面内の方向にはモード数が少ないため、干渉
性が強い。シリンドリカルレンズ２６１、２６２により
図２０（ｂ）にＡ₄Ａ₄’断面を示すように、図１９の紙
面内の方向を広げる。広げられたビームは光路長差発生
プリズム２５０により光路長差の付いた６つのビームに
分割される。各分割ビームは入射端面が６つに分割され
た入射端面分割光ファイバー束１Ｃ’に入射する。この
入射端面Ａ₅Ａ₅’は図２０（ｃ）に示すような強度分布
をしている。光ファイバー束１Ｃ’の入射端は図２０
（ｃ）に示すように６つに分離した矩形の端面を有し、
中央付近の２つのファイバー端は図の矢印が示すように
移動する。移動する合計４つのファイバー端のうち図１
９、２０に示すファイバー端１０１”、１０１’はそれ
ぞれファイバー出射端１２２の中心部と周辺部につなが
っている。他の固定の入射端１０１は全て出射端１２２
の周辺部にのみつながっている。このようにすることに
より、１０１”に光が入射する状態（位置）の時には通
常の、σが可変な照明を、また１０１’に光が入射する
状態（位置）の時には輪帯照明を実現することが可能と
なる。

【００２８】図２１は本発明の投影露光装置の露光照明
系のの１実施例である。レーザ光源２４’を出射したレ
ーザ光は図１９の実施例同様シリンドリカルレンズ２６
１、２６２により所望の大きさに拡大され、光路長差発
生プリズム２５０’により光路長差の付いた６つのビー
ムに分割される。図１９と異なるのは各分割ビームのビ
ーム寸法が異なることである。周辺は寸法が大きく、中
心部は小さい。この光路長差発生プリズムを出射したビ
ームは図２２（ｃ）（ｄ）（ｅ）にその断面を示す光路
選択プリズム１２０に到る。このプリズムは１２０Ａ，
１２０Ｂの２つのプリズムからなり、この２つのプリズ
ムが一定の距離を保ち、固定され、一体となって、図２
２の（ｃ）〜（ｅ）で紙面内を左右に移動可能になって
いる。この光路選択プリズム１２０を通過した光は光フ
ァイバー束１Ｄ’の入射端に入射する。この入射端はビ
ームの寸法に応じて、周辺は大きく、中心部は小さい。
また、このファイバーの端面は図２１および図２２
（ａ）に示すように、その法線方向が周辺部では入射光
線に対し傾き、中心部では入射光線に対し平行になって
いる。光ファイバー端への入射角と出射光線の出射端面
法線に対する角度の関係を図２３を用いて説明する。周
辺部に有り、入射光線に対しθ₁傾いている光ファイバ
ー１０１ａや１０１ｆに入射した光は図２３（ａ）に示
すように、出射端１０１ａ’や１０１ｆ’からは図２３
（ｂ）に示すように、出射端の法線に対し、一定の角度
範囲を持った指向性で出射する。即ち、出射端法線に対
し出射光線のなす角度をθとすると、 θ₁−Δθ≦θ≦θ₁＋Δθ となる。一方中心部の光ファイバー１０１ｃや１０１ｄ
に垂直に入射する光は図２３（ｅ）に示すように、その
主光線が出射端にほぼ垂直に若干の広がりを持って出射
して来る。中心と周辺の中間の位置に有る光ファイバー
１０１ｂ，１０１ｅは図２３（ｃ）に示すように図の
（ａ）と（ｅ）の中間的な広がりを持って出射する。こ
のような光ファイバーの入射角度と出射光の指向性の関
係があるから、次に示すような入射端と出射端のつなが
りにすると、出射端の各場所からは所望の一様な指向性
の光が平均的に得られ、レチクルを一様に照明すること
が可能となる。即ち、図２２（ａ）に示すように光ファ
イバー束１Ｄ’の各入射端、例えば１０１ａを３つの部
分１０１ａＡ，１０１ａＢ、および１０１ａＣに分割
し、１０１ａＡは図２２（ｆ）に示すように光ファイバ
ー出射端１１０の中心と周辺の中間にある１１０Ａにつ
ながっている。同様にして１０１ａＢは１１０Ｂに、１
０１ａＣは１１０Ｃにつながっている。光ファイバーの
入射端１０１ｂについても同様に、１０１ｂＡは１１０
Ａに、１０１ｂＢは１１０Ｂに、１０１ｂＣは１１０Ｃ
にそれぞれつながっている。図２１に示す光路選択プリ
ズム１２０が図２２（ｃ）に示す状態にある時には、光
路長差発生プリズム２５０’から出射した光はファイバ
ー入射端の１０１ａＢ，１０１ｂＢ，１０１ｃＢ，１０
１ｄＢ，１０１ｅＢおよび１０１ｆＢに入射し、光ファ
イバー出射端１０１Ｂからのみ出射光が出て来る。また
この出射光の指向性は図２３を用いて説明したごとく、
ファイバー入射端への光の指向性が高いにもかかわら
ず、所望の指向性を得ることが可能となる。しかも光フ
ァイバー出射端１０１Ｂのみから光が発射するので、露
光光学系には指向性の高い、即ちσの小さな露光照明
が、位相シフトレチクル３になされる。

【００２９】レチクルが通常の線幅を有するものに変え
られた場合には光路選択プリズムを移動し、プリズム１
２０Ａが図２２（ｂ）に示すような位置に来るようにす
る。このようにすると光ファイバー入射端１０１ａＡと
１０１ａＢの２部分に同時に光が入射する。他の光ファ
イバー入射端に付いても同様に２部分に入射する。この
２部分は光ファイバー出射端１１０Ａと１１０Ｂにつな
がっているので、照明の指向性が中間程度の照明光が得
られ上記線幅のレチクルに対し最適な指向性となるよう
に小光ファイバー束相対位置可変機構１０を駆動すれ
ば、この線幅パターンに対し最適な露光が実現できる。

【００３０】位相シフトレチクルではないが、線幅が縮
小レンズの解像限界に近いパターンを含むレチクル３が
露光装置に搭載された場合には、図２２（ｅ）に示すよ
うに、光路選択プリズム１２０を移動し、プリズム１２
０Ｂが光路中に入り、光を光ファイバー入射端１０１ａ
Ｃ等に入射する様にする。このようにすれば各光ファイ
バー入射端から入った光は光ファイバー出射端の最外周
の１１０Ｃから出射することになり、輪帯照明が実現
し、解像限界に近いパターンが良好なパターン形状で解
像可能となる。

【００３１】以上の実施例では縮小露光装置に本発明の
照明系を適用したものについて説明したが、これに限ら
れる訳ではない。即ち、例えば、大面積の液晶テレビデ
ィスプレイ用の露光装置や、パターン検査装置、あるい
は各種のディスプレイ装置等、照明光がその２次光源を
変えることにより、最適な照明指向性、あるいは最適照
明照度分布を得、パターンの結像による、露光、検出あ
るいは表示等を行う対象に広く適用することが可能であ
る。またある場合には結像系の無い、露光（プロキシミ
ティ露光）や検出或いは表示等に適用できる。

【００３２】図２４は本発明の１実施例を示す図であ
る。この図の部品番号と図５及び図６のそれが等しいも
のは同一物を表している。照明系２は上記に示した実施
例のいずれであってもよい。縮小レンズ４’には入射瞳
４１’上にここを通過する光を所望の領域に限り部分的
に遮光又は透過光量を減少することが可能な可変フィル
タ４００が挿入されている。可変フィルタ４００は例え
ば図２４（ｂ）に示すように３つの部分４０１、４０
２、４０３からなり、図２４（ａ）に示すように、縮小
レンズ４の瞳に各部分が来るように移動可能である。通
常のパターン線幅のレチクルの時には小光ファイバー束
相対位置可変機構１０を駆動し、σ＝０．５になるよう
にし、可変フィルタ４００は４０１の部分が瞳上に来る
ようにする。次に細いパターン線幅の通常のレチクルを
用いて露光する場合には、光ファイバー束１の入射端に
有る柱状鏡１７を光路に挿入し、小光ファイバー束相対
位置可変機構１０を駆動して出射ファイバー端を広げ、
輪帯照明にする。さらに可変フィルタ４００の４０３の
部分が瞳上に来るようにする。４０３は輪帯照明の瞳上
の２次光源像とほぼ等しい形状と大きさであるため、４
０３が４０１に代わった単なる輪帯照明の場合に比べ、
細いパターンと太いパターンが混ざったような回路パタ
ーンに対し、両パターンを比較的解像度高く露光するこ
とが可能となる。このように縮小レンズの瞳上に可変フ
ィルタを設けることにより、更に各種のパターンに対
し、対応可能となる。

【００３３】図２５は本発明の照明系をパターン検査装
置に適用した実施例である。この図の部品番号と図５、
図６及び図２４のそれが等しいものは同一物を表してい
る。光ファイバ出射端より出射した光はコンデンサレン
ズ２３”によりハーフミラー９１で反射された後、対物
レンズ４”の瞳４１”上に光ファイバ出射端の像を結像
する。この像の外径の瞳径に対する比率σがパターン検
出における照明のパーシャルコヒーレンシになる。小光
ファイバー束相対位置可変機構１０を駆動することによ
り、光ファイバ出射端の広がりが変えられると、上記σ
を変化させることができる。例えば、表面が粒状のパタ
ーンの時にはσを１に近くし、照明光の指向性を低くす
ることにより、ノイズの小さな検出が可能となる。また
段差が小さなパターンに対しては、σを小さくすること
により、低いコントラストを高くし、信号を検出しやす
くできる。またパターンのエッジを強調して検出したい
ときには柱状鏡１７を光路に挿入することにより輪帯照
明にでき、エッジ部が強調されてくる。更に図には表し
ていないが、この対物レンズの瞳の位置に図２４の実施
例と同様に図２４（ｂ）の４０３に示すような輪帯状の
ストッパを挿入すれば、いわゆる暗視野照明となり、パ
ターンエッジ部のみが明るい暗視野像が得られる。この
ように本発明の照明装置をパターン検出系に用いること
により、制御系７’の指令により、検出パターンの種類
に応じて、最適な照明を簡単に光の損失を少なく実現す
ることが可能となる。

【００３４】本発明の小光ファイバー束相対位置可変機
構１０は図２で示した実施例に限定されるものではな
く、例えばそれを駆動することにより、図６や図８の輪
帯照明用の光学部品の搬入搬出を行わずに、その小光フ
ァイバー束相対位置可変機構のみで総ての所望の照明指
向性を実現することも可能である。またこの駆動による
小ファイバ束の位置変化は上記の実施例で示した放射状
の移動に限らず、例えば螺旋状、あるいは非線形な動き
であってもよいことは明らかである。

【００３５】

【発明の効果】以上実施例を用いて説明したように、本
発明によりパターンの露光、検査或いは表示等に用いる
照明系において、露光、検査或いは表示の対象とするパ
ターンの形状や寸法とこの露光、検査或いは表示を行う
際に用いられる光学系の関係において最適となる照明を
比較的簡単な構成で、容易に得られるのみならず、パタ
ーンの形状や寸法の変化や、光学系の変化に伴う最適照
明の変化を簡単に実現することが可能と成る。これによ
り従来固定の照明系内に照明光を部分的に遮光する必要
がなくなり、光の利用効率を低下させることなく、所望
の照明指向性あるいは照明光分布を実現することが可能
となり、スループットの大きな露光装置あるいは検査装
置が実現する。また表示装置においても明るい表示が可
能となり、同一の明るさを実現しようとする場合には、
出力の小さな光源で済む。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の投影式露光装置等に用いる水銀ランプ
を光源とする露光照明装置の光学系の実施例を示す図で
ある。

【図２】本発明の照明装置の小光ファイバー束相対位置
可変機構の実施例を示す図である。

【図３】本発明の小光ファイバー束相対位置可変機構の
小光ファイバー束端の配置を示す図である。

【図４】本発明に係る照明光学系を用いた投影式露光装
置で各種照明法を実現する場合を示す図である。

【図５】本発明の照明光学系を備えた投影式露光装置を
示す図である。

【図６】本発明の投影式露光装置等に用いられる照明装
置で輪帯照明を実現する第１の実施例を示す図である。

【図７】図６の実施例の詳細を示す図である。

【図８】本発明の投影式露光装置等に用いられる照明装
置で輪帯照明を実現する第２の実施例を示す図である。

【図９】図８の実施例の詳細を示す図である。

【図１０】本発明の投影式露光装置等に用いられる照明
装置で小光ファイバー束の出射端に光拡散光学部品を実
装した実施例を示す図である。

【図１１】光ファイバーの径を変化させる実施例を示す
図である。

【図１２】光ファイバー入射端の隣接する各ファイバー
間の部分を高反射材とする実施例を示す図である。

【図１３】光源としてレーザを用いる場合の第１の実施
例を示す図である。

【図１４】光源としてレーザを用い場合の実施例におい
て光ファイバーの入射端と出射端の関係を示す図であ
る。

【図１５】２つの光ファイバー束を用いた場合の実施例
を示す図である。

【図１６】図１５の実施例の光路の断面を示す図であ
る。

【図１７】本発明の小光ファイバー束の出射端が小光フ
ァイバー束相対位置可変機構により変化する状況を示す
図である。

【図１８】本発明の小光ファイバー束の出射端が小光フ
ァイバー束相対位置可変機構により変化する状況を示す
図である。

【図１９】光源としてレーザを用いる場合の第２の実施
例を示す図である。

【図２０】図１９の実施例で光路の断面を示す図であ
る。

【図２１】光源としてレーザを用いる場合の第３の実施
例を示す図である。

【図２２】図２１の実施例で光路の断面を示す図であ
る。

【図２３】図２１、２２の実施例の原理を示す光ファイ
バーの入射光の入射角と出射光の出射角（発散光の状
況）を示す図である。

【図２４】本発明の縮小投影露光装置の実施例で、縮小
露光レンズの入射瞳の位置に可変フィルタを実装したも
のを示す図である。

【図２５】本発明の照明装置をパターン検査装置に適用
した実施例を示す図である。

【符号の説明】

１、１’、１Ａ’、１Ｂ’、１Ｃ’、１Ｄ’…光ファイ
バー束、１０…小光ファイバー束相対位置可変機構、１
７…柱状鏡、２、２’…照明光学系、２４…水銀ランプ
光源、２４’…レーザ光源、３…レチクル、４、４’…
縮小投影（露光）レンズ、４”…対物レンズ、４００…
可変フィルタ、５…ウエハ、６…ウエハ駆動ステージ、
６０…測長用のレーザビーム、７、７’…制御系。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石井重美茨城県勝田市大字市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者野口稔神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者寺沢恒男神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者村山誠神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献特開平４−101148（ＪＰ，Ａ) 特開平４−225357（ＪＰ，Ａ) 特開平３−114218（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−77124（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−91662（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G02B 6/00 346 G02B 27/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】露光光を発射する露光光源と、該露光光源
から発射した露光光をパターンを形成したマスク又はレ
チクルに照射する照明光学系と、該照明光学系により照
射されて前記マスク又はレチクルを透過した光を被露光
物体上に前記マスク又はレチクルのパターン像として結
像する露光結像レンズ系とを備えた投影式露光装置であ
って、前記露光光源は、露光光としてエキシマレーザを
発射し、前記照明光学系は、前記エキシマレーザの可干
渉性を低減する手段と、前記露光光の光路を変換するこ
とにより前記露光結像レンズ系の入射瞳と共役な場所で
の前記露光光の形状を１つの光束形状と輪帯形状又は４
つ以上に分離した光束形状の何れかとの間で切替え可能
な切替え手段とを有することを特徴とする投影露光装
置。
【請求項２】前記エキシマレーザ光は、ＫｒＦエキシマ
レーザ又はＡｒＦエキシマレーザであることを特徴とす
る請求項１記載の投影露光装置。
【請求項３】前記エキシマレーザの可干渉性を低減する
手段は光ファイバ束であって、該光ファイバ束は光路長
の異なる複数の光ファイバを組み合わせて構成されてい
ることを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
【請求項４】露光光を発射する露光光源と、該露光光源
から発射した露光光をパターンを形成したマスク又はレ
チクルに照射する照明光学系と、該照明光学系により照
射されて前記マスク又はレチクルを透過した光を被露光
物体上に前記マスク又はレチクルのパターン像として結
像する露光結像レンズ系とを備えた投影式露光装置であ
って、前記露光光源は、露光光としてエキシマレーザを
発射し、前記照明光学系は、前記エキシマレーザの可干
渉性を低減する手段と、前記露光光の光路を変換するこ
とにより前記露光結像レンズ系の入射瞳と共役な場所で
の前記露光光の光束形状を切替え可能な切替え手段とを
有することを特徴とする投影露光装置。
【請求項５】前記エキシマレーザの可干渉性を低減する
手段は光ファイバ束であって、該光ファイバ束は光路長
の異なる複数の光ファイバを組み合わせて構成されてい
ることを特徴とする請求項４記載の投影露光装置。
【請求項６】前記切替え手段は、前記露光光の光路を変
換することにより前記露光結像レンズ系の入射瞳と共役
な場所での前記露光光の形状を、輪帯形状と４つ以上に
分離した光束形状と１つの光束形状とのうちの何れかの
形状から他の形状に切替え可能な構成を備えることを特
徴とする請求項４記載の投影露光装置。
【請求項７】前記露光光の光路を変換することを、透過
する光が前記露光光の光軸の外側に発散するように構成
された透明物体を用いた構成により行うことを特徴とす
る請求項４記載の投影露光装置。
【請求項８】前記露光光の光路を変換することを、前記
露光光の光軸の中心を通る光が該光軸の外側に発散する
ように構成された透明物体を用いた構成により行うこと
を特徴とする請求項４記載の投影露光装置。
【請求項９】前記照明光学系は、波長選択ミラーを更に
備えていることを特徴とする請求項４記載の投影露光装
置。