JP5639745B2 - レーザ露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光の光軸に略直交する面内に複数の集光レンズを並べて配置したフライアイレンズを備えて成るレーザ露光装置に関し、詳しくは、フライアイレンズにより生じるレーザ光の干渉縞を平均化すると共に、レーザ光の照度ムラを低減して均一な露光を可能にするレーザ露光装置に係るものである。

従来のレーザ露光装置は、レーザ光を被露光体に均一に照射させるために、レーザ光の径を拡大するビームエキスパンダ、及び径が拡大されたレーザ光の強度分布を均一化するためのフライアイレンズ等のオプティカルインテグレータ等が用いられている。更に、レーザ光のコヒーレンシー（可干渉性）によりフライアイレンズの透過光が干渉して発生する干渉縞を低減させるために、ビームエキスパンダとフライアイレンズとの間に光路差調整部材を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１２７５７号公報

しかし、このような従来のレーザ露光装置においては、光路差調整部材がビームエキスパンダとフライアイレンズとの間だけに設けられているため、フライアイレンズの透過光による干渉縞を完全には除去することができず、僅かに残った干渉縞により被露光体上に照度ムラが発生して微細なパターンの形成を困難にしていた。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、フライアイレンズにより生じるレーザ光の干渉縞を平均化すると共に、レーザ光の照度ムラを低減して均一な露光を可能にするレーザ露光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるレーザ露光装置は、レーザ光を放射するレーザ光源と、前記レーザ光の光軸に略直交する面内に複数のレンズが並べて配置され、射出光を一旦集光した後、放射状に発散させてレーザ光の断面形状を拡大する第１のフライアイレンズと、前記第１のフライアイレンズのレーザ光の入射側に配置され、前記第１のフライアイレンズの各集光レンズに夫々入射するレーザ光に位相差を生じさせる第１の位相差生起手段と、前記第１のフライアイレンズを射出し断面形状が拡大されたレーザ光を平行光にするコンデンサーレンズと、前記コンデンサーレンズの光軸に略直交する面内に複数のレンズが並べて配置され、レーザ光によるフォトマスクの照明領域内の光強度分布を均一化する第２のフライアイレンズと、前記第２のフライアイレンズのレーザ光の入射側に配置され、前記第２のフライアイレンズの各集光レンズに夫々入射するレーザ光に位相差を生じさせる第２の位相差生起手段と、を備え、前記コンデンサーレンズのレーザ光の入射側に、光軸に対して傾いて配置され、光軸を中心に回転して前記照明領域を微動させる透明な平行平面回転板をさらに設けたものである。

このような構成により、レーザ光源からレーザ光を放射し、そのビーム径を拡大せずに第１のフライアイレンズのレーザ光の入射側に配置された第１の位相差生起手段に入射させ、該第１の位相差生起手段で第１のフライアイレンズの光軸に略直交する面内に並べて配置された複数の集光レンズに夫々入射するレーザ光に位相差を生じさせて第１のフライアイレンズを射出するレーザ光のコヒーレンシーを低下させ、第１のフライアイレンズで各集光レンズの射出光を一旦集光した後、放射状に発散させてレーザ光の断面形状を拡大し、コンデンサーレンズでこの断面形状が拡大されたレーザ光を平行光にし、第２のフライアイレンズのレーザ光の入射側に配置された第２の位相差生起手段で第２のフライアイレンズの光軸に略直交する面内に並べて配置された複数の集光レンズに夫々入射するレーザ光に位相差を生じさせて第２のフライアイレンズを射出するレーザ光のコヒーレンシーを再度低下させ、第２のフライアイレンズで光強度分布を均一化してフォトマスクに照射させる。同時に、コンデンサーレンズのレーザ光の入射側に、光軸に対して傾いて配置された透明な平行平面回転板を、光軸を中心に回転してフォトマスク上の照明領域を微動させる。

また、前記第２の位相差生起手段は、光軸方向の長さが異なり、光軸と直交する面内にて第１の方向に長い複数の板状の透明部材を前記第１の方向と直交する第２の方向に重ね合せて構成したものである。

本発明のレーザ露光装置によれば、第１及び第２の二つの位相差生起手段で第１及び第２のライアイレンズの各集光レンズに夫々入射するレーザ光に位相差を生じさせて、第１及び第２のフライアイレンズを射出するレーザ光のコヒーレンシーを低減させているので、照明領域に発生する干渉縞を従来技術に増して低減することができる。また、一つのフライアイレンズを使用した場合に比べて、レーザ光の強度分布をより均一化して照度ムラをより低減することができる。したがって、フォトマスクを均一に照明して均一な露光を可能にし、被露光体に微細なパターンの露光を容易に行なうことができる。また、第１のフライアイレンズは、レーザ光の均一化機能とビーム径拡大機能の両方を有しているので、別にビームエキスパンダを備える必要が無く、部品点数を減らすことができる。さらに、第２のフライアイレンズに入射するレーザ光の入射角度を露光中に変化させて、レーザ光によるフォトマスク上の照明領域を微動させることができる。これにより、フォトマスク上に発生するレーザ光の干渉縞を平均化して目立たなくし、レーザ光の照度ムラをより一層低減することができる。それ故、被露光体をより均一に露光することができる。

本発明によるレーザ露光装置の第１の実施形態を示す正面図である。 上記レーザ露光装置の平行平面回転板の位置と、第２のフライアイレンズに入射するレーザ光の入射角度及びフォトマスク上の照明領域の変化との関係を示す説明図である。 本発明によるレーザ露光装置の第２の実施形態を示す正面図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明によるレーザ露光装置の第１の実施形態を示す正面図である。このレーザ露光装置は、フォトマスクを介して被露光体にレーザ光を照射して露光するもので、レーザ光源１と、第１のフライアイレンズ２と、第１の光路差調整部材３と、第１のコンデンサーレンズ４と、平行平面回転板５と、第２のフライアイレンズ６と、第２の光路差調整部材７と、第２のコンデンサーレンズ８とを備えて成る。

上記レーザ光源１は、紫外線パルスレーザ発振器であり、エキシマレーザ又はＹＡＧレーザ等を使用することができる。

上記レーザ光源１のレーザ光の放射方向前方には、第１のフライアイレンズ２が設けられている。この第１のフライアイレンズ２は、レーザ光源１から放射されたレーザ光を一旦集光した後、放射状に発散させてレーザ光の断面形状を拡大するビームエキスパンダの機能を果たすと共に、後述の第２のフライアイレンズ６の入射側面内における光強度分布を均一化するもので、レーザ光の光軸に略直交する面内に複数の集光レンズ２ａを例えば縦３個×横３個のマトリクス状に並べて配置したものである。

上記第１のフライアイレンズ２のレーザ光の入射側には、第１の光路差調整部材３が設けられている。この第１の光路差調整部材３は、第１のフライアイレンズ２を射出したレーザ光のコヒーレンシーを低減して、第１のフライアイレンズ２の各集光レンズ２ａを射出したレーザ光が第２のフライアイレンズ６の入射側面上で干渉するのを抑制するためのものであり、第１のフライアイレンズ２の各集光レンズ２ａに夫々入射するレーザ光に位相差を生じさせる第１の位相差生起手段となるものである。

具体的には、第１の光路差調整部材３は、第１のフライアイレンズ２の各集光レンズ２ａに対応して、光軸に平行な軸方向の長さが夫々異なり屈折率が１よりも大きいロッド状の透明部材３ａ、例えば石英ガラスや透明ガラス等を設けたものであり、第１のフライアイレンズ２の各集光レンズ２ａに夫々入射するレーザ光の光学的光路長を変える機能を果たしている。

上記レーザ光の進行方向にて第１のフライアイレンズ２の下流側には、第１のコンデンサーレンズ４が設けられている。この第１のコンデンサーレンズ４は、第１のフライアイレンズ２を射出した放射状のレーザ光を平行光にするためのものであり、光の入射側が平らな平凸レンズで、その前焦点位置を第１のフライアイレンズ２の後焦点位置に略合致させて配置されている。

上記第１のフライアイレンズ２と第１のコンデンサーレンズ４との間の光路上には、平行平面回転板５が設けられている。この平行平面回転板５は、後述の第２のフライアイレンズ６に入射するレーザ光の入射角度を変えるためのものであり、透明な例えばガラスの円板が光軸に対して傾けて設けられ、これが光軸を中心に回転するようになっている。これにより、フォトマスク９上のレーザ光の照明領域を微動させて、フォトマスク９上に発生する第２のフライアイレンズ６によるレーザ光の干渉縞を平均化して目立たなくしている。また、第１の光路差調整部材３を経て第１のフライアイレンズ３から放射されるレーザ光の照度ムラを低減させている。

図２は平行平面回転板５の位置と、第２のフライアイレンズ６に入射するレーザ光の入射角度及びフォトマスク９上の照明領域の変化との関係を示す説明図である。平行平面回転板５が光軸を中心に回転したとき、平行平面回転板５は、図２（ａ）の正面図において矢印で示すように往復移動する。この場合、平行平面回転板５が同図（ａ）に実線で示す位置にあるときは、レーザ光は、この平行平面回転板５により実線で示すように屈折されて、一定の入射角度で第２のフライアイレンズ６の集光レンズ６ａに入射する。

一方、平行平面回転板５が回転して、図２（ａ）に破線で示す位置に達したときには、レーザ光は、この平行平面回転板５により破線で示すように屈折されて、上記と異なる入射角度で上記集光レンズ６ａに入射することになる。その結果、第２のフライアイレンズ６を射出したレーザ光により照明されるフォトマスク９上の照明領域１０は、同図（ｂ）に実線で示す領域から破線で示す領域に移動する。このように、平行平面回転板５を回転して第２のフライアイレンズ６に入射するレーザ光の入射角度を変化させることにより、第１のフライアイレンズ２を射出したレーザ光の強度ムラを平均化すると共に、フォトマスク９上の照明領域１０を微動させて、第２のフライアイレンズ６を射出したレーザ光によりフォトマスク９上に発生する干渉縞の明暗模様及び照度ムラを平均化させ、目立たなくすることができる。

上記レーザ光の進行方向にて第１のコンデンサーレンズ４の下流側には、第２のフライアイレンズ６が設けられている。この第２のフライアイレンズ６は、フォトマスク９の照明領域１０内における光強度分布を均一化するもので、第１のコンデンサーレンズ４の光軸に略直交する面内に複数の集光レンズ６ａを例えば縦１２個×横４個のマトリクス状に並べて配置したもので、同じフライアイレンズを二つ組み合わせたダブルフライアイレンズである。

上記第２のフライアイレンズ６のレーザ光の入射側には、第２の光路差調整部材７が設けられている。この第２の光路差調整部材７は、第２のフライアイレンズ６を射出したレーザ光のコヒーレンシーを低減して、第２のフライアイレンズ６の各集光レンズ６ａを射出したレーザ光がフォトマスク９上で干渉するのを抑制するためのものであり、第２のフライアイレンズ６の各集光レンズ６ａに夫々入射するレーザ光に位相差を生じさせる第２の位相差生起手段となるものである。

具体的には、第２の光路差調整部材７は、第２のフライアイレンズ６の縦４列の集光レンズ６ａに夫々対応して、光軸に平行な軸方向の長さが夫々異なり屈折率が１よりも大きい板状の透明部材７ａ、例えば石英ガラスや透明ガラス等を横方向に重ね合わせて形成され、第２のフライアイレンズ６の各集光レンズ６ａに夫々入射するレーザ光の列間の光学的光路長を変える機能を果たすものである。

上記レーザ光の進行方向にて第２のフライアイレンズ６の下流側には、第２のコンデンサーレンズ８が設けられている。この第２のコンデンサーレンズ８は、第２のフライアイレンズ６を射出したレーザ光を平行光にして、フォトマスク９に垂直に入射させるためのものであり、光の入射側が平らな二枚の平凸レンズを組み合わせて構成され、その前焦点位置を第２のフライアイレンズ６の後焦点位置に略合致させて配置されている。なお、図１において、符号１１，１２，１３は、光路を折り曲げる平面反射ミラーである。

次に、このように構成されたレーザ露光装置の動作について説明する。
レーザ光源１から放射されたレーザ光は、二つの反射ミラー１１，１２で反射されて、第１の光路差調整部材３に入射する。この第１の光路差調整部材３は、第１のフライアイレンズ２の各集光レンズ２ａに対応して、光軸に平行な軸方向の長さが夫々異なり屈折率が１よりも大きい複数の透明部材３ａを組み合わせて構成したものであるため、第１の光路差調整部材３の複数の透明部材３ａを射出するレーザ光は、互いに位相がずれたものとなっている。

第１の光路差調整部材３の複数の透明部材３ａを射出した複数のレーザ光は、第１のフライアイレンズ２の対応する集光レンズ２ａに夫々入射する。そして、第１のフライアイレンズ２の各集光レンズ２ａを射出した複数のレーザ光は、夫々各集光レンズ３ａの後焦点に集光した後、放射状に発散する。この場合、第１のフライアイレンズ２の各集光レンズ２ａに入射する各レーザ光は、互いに位相がずれているため、第１のフライアイレンズ２を射出するレーザ光のコヒーレンシーが低減される。したがって、各集光レンズ２ａを射出したレーザ光によって照明される第２のフライアイレンズ６上では、各レーザ光の干渉が抑制されて干渉縞の発生が抑制され、第２のフライアイレンズ６が略均一に照明されることになる。

第１のフライアイレンズ３を射出した放射状のレーザ光は、第１のコンデンサーレンズ４により平行光にされた後、第２の光路差調整部材７を経て第２のフライアイレンズ６に入射する。このとき、第１のコンデンサーレンズ４のレーザ光の入射側には、透明な例えばガラスの円板を光軸に対して傾けて配置した平行平面回転板５が設けられ、これが光軸を中心に回転しているため、平行平面回転板５で屈折してこれを射出するレーザ光の第１のコンデンサーレンズ４に入射する位置は、図２（ａ）に示すように第１のコンデンサーレンズ４の半径方向に変化することになる。これにより、同図（ａ）に示すように、第２のフライアイレンズ６に入射するレーザ光の角度が変化する。同時に、第２のフライアイレンズ６に入射するレーザ光の照度ムラが平均化される。

一方、第１のコンデンサーレンズ４を射出したレーザ光は、光軸に平行な軸方向の長さが夫々異なり屈折率が１よりも大きい複数の透明部材７ａを組み合わせて構成した第２の光路差調整部材７において、複数のレーザ光に分割されて第２のフライアイレンズ６を照明する。このとき、第２の光路差調整部材７の各透明部材７ａを通過する各レーザ光の光学的光路長が異なるために、第２の光路差調整部材７を射出するレーザ光間には、位相差が生じている。したがって、第２のフライアイレンズ６を射出するレーザ光のコヒーレンシーが低減され、第２のフライアイレンズ６の各集光レンズ６ａを射出してフォトマスク９に照射する各レーザ光の干渉が抑制されることになる。

第２のフライアイレンズ６の各集光レンズ６ａを射出したレーザ光は、夫々各集光レンズ６ａの焦点に一旦集光した後、放射状に発散して平面反射ミラー１３に入射する。そして、レーザ光は、平面反射ミラー１３で反射された後、第２のコンデンサーレンズ８によって平行光にされてフォトマスク９に略垂直に入射し、フォトマスク９上を均一に照明する。

ここで、上記第１の実施形態においては、第２の光路差調整部材７が光軸方向の長さが異なり縦方向に長い板状の透明部材７ａを横方向に重ね合わせて構成され、第２のフライアイレンズ６の縦方向に並んだ各集光レンズ６ａに対しては、同位相のレーザ光が入射するようにし、横方向に並んだ各集光レンズ６ａに対しては、位相の異なったレーザ光が入射するようにしているため、フォトマスク９上の照明領域１０には、第２のフライアイレンズ６の縦方向に並んだ各集光レンズ６ａから射出した同位相のレーザ光による干渉縞が僅かながら発生するおそれがある。しかし、上記第１の実施形態においては、第１のコンデンサーレンズ４の入射側に平行平面回転板５を設けて、これをその光軸を中心に回転するようにしているので、第２のフライアイレンズ６に入射するレーザ光の入射角度が変化する。そのため、図２（ｂ）に示すようにフォトマスク９上のレーザ光による照明領域１０が微動して、上記干渉縞の明暗模様が平均化されて目立たなくなると共にレーザ光の照度ムラが平均化され、均一な露光を行うことができる。

図３は本発明によるレーザ露光装置の第２の実施形態を示す正面図である。この第２の実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、第２のコンデンサレンズ８に替えて平面反射ミラー１３の位置にコリメーションミラー１４を配置したものである。この場合、コリメーションミラー１４の前焦点位置を第２のフライアイレンズ６の後焦点位置に略合致させる。これにより、第２のフライアイレンズ６を射出したレーザ光を平行光にして、フォトマスク９に垂直に入射させることができる。

なお、上記第１及び第２の実施形態においては、第２の光路差調整部材７が第２のフライアイレンズ６の縦４列の集光レンズ６ａに夫々対応して、光軸に平行な軸方向の長さが夫々異なる板状の透明部材７ａを横方向に重ね合わせて形成したものである場合について説明したが、本発明はこれに限られず、第２のフライアイレンズ６の各集光レンズ６ａに対応して光軸に平行な軸方向の長さが夫々異なるロッド状の透明部材を組み合わせて形成したものであってもよい。この場合、第２のフライアイレンズ６の各集光レンズ６ａを射出する各レーザ光の位相が全て異なるため、各レーザ光がフォトマスク９上で干渉するおそれは少なくなる。

また、上記実施形態においては、位相差生起手段が光路差調整部材である場合について説明したが、本発明はこれに限られず、フライアイレンズの各集光レンズに対応して設けた位相板であってもよい。

１…レーザ光源
２…第１のフライアイレンズ（フライアイレンズ）
２ａ…第１のフライアイレンズの集光レンズ
３…第１の光路差調整部材（第１の位相差生起手段）
３ａ…第１の光路差調整部材の透明部材
４…第１のコンデンサーレンズ
５…平行平面回転板
６…第２のフライアイレンズ
６ａ…第２のフライアイレンズの集光レンズ
７…第２の光路差調整部材（第２の位相差生起手段）
７ａ…第２の光路差調整部材の透明部材
８…第２のコンデンサーレンズ
９…フォトマスク
１０…フォトマスク上の照明領域

Claims (2)

1. レーザ光を放射するレーザ光源と、
   前記レーザ光の光軸に略直交する面内に複数のレンズが並べて配置され、射出光を一旦集光した後、放射状に発散させてレーザ光の断面形状を拡大する第１のフライアイレンズと、
   前記第１のフライアイレンズのレーザ光の入射側に配置され、前記第１のフライアイレンズの各集光レンズに夫々入射するレーザ光に位相差を生じさせる第１の位相差生起手段と、
   前記第１のフライアイレンズを射出し断面形状が拡大されたレーザ光を平行光にするコンデンサーレンズと、
   前記コンデンサーレンズの光軸に略直交する面内に複数のレンズが並べて配置され、レーザ光によるフォトマスクの照明領域内の光強度分布を均一化する第２のフライアイレンズと、
   前記第２のフライアイレンズのレーザ光の入射側に配置され、前記第２のフライアイレンズの各集光レンズに夫々入射するレーザ光に位相差を生じさせる第２の位相差生起手段と、
   を備え、
   前記コンデンサーレンズのレーザ光の入射側に、光軸に対して傾いて配置され、光軸を中心に回転して前記照明領域を微動させる透明な平行平面回転板をさらに設けたことを特徴とするレーザ露光装置。
2. 前記第２の位相差生起手段は、光軸方向の長さが異なり、光軸と直交する面内にて第１の方向に長い複数の板状の透明部材を前記第１の方向と直交する第２の方向に重ね合せて構成したものであることを特徴とする請求項１記載のレーザ露光装置。