JP5756242B1 - 露光装置の設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のランプが最適に配置された露光装置を提供する。【解決手段】複数のランプ１２で構成されたランプ群１１と、複数のランプ１２からの光を受けて、当該光の均一性を高めるインテグレータ１４とを備える露光装置１０において、以下の条件式１および２を満足させることにより、上記課題を解決できる。条件式１ ａ ≰ ｔａｎθ1?Ｌ?２条件式２ θ1−θ2＝ θ3但し、ａ ：ランプ群の縦方向寸法および横方向寸法Ｌ ：ランプ群の出光位置からインテグレータの入射位置までの距離θ1：各ランプの光軸とインテグレータの中心軸とが成す角度の内、最大の値θ2：個々のランプからの光の開き角θ3：インテグレータ入射角【選択図】図６

Description

本発明は、例えば半導体製造の際に使用される露光装置および当該露光装置の設計方法に関する。

半導体等を製造する際に使用される露光装置の照明には例えば紫外線が用いられる。このため、露光装置の照明には、高圧放電ランプに代表されるランプが複数個組み合わせて使用されている。また、複数のランプからの光を受けて、当該光の均一性を高めるレンズ体であるインテグレータが使用されている。

このようなランプは、露光装置において求められる光量に応じた能力のものが採用されるが、当該能力を１つのランプで満たすようにした場合（つまり、「１灯式の場合」）、万一、トラブル等によって当該ランプから出光できなくなると露光作業自体を中断しなければならない。このため、比較的容量が小さい複数のランプを用いて露光装置に求められる光量を供給できるようにすることが一般に行われている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−７２５７１号公報

従来、複数のランプで構成されたランプ群を露光装置に用いる場合、当該ランプ群の上下端あるいは左右端に近いランプほど、インテグレータの中心軸に対するランプの光軸の角度が大きくなるように当該ランプの配設角度を考慮すれば、露光に必要な光量に応じてランプの数をいくらでも増加させることができる、すなわち、ランプ群の縦方向寸法および横方向寸法はいくらでも大きくできる、と考えられていた。

しかしながら、発明者らは、インテグレータの中心軸に対するランプの光軸の角度が大きくなると、ある角度よりも外側に位置するランプからの光は、露光に寄与する有効な光にはならないという知見を得た。つまり、複数のランプを用いた露光装置は一般的であるが、これら複数のランプをどのようにして配置するべきかについては、未だ改善の余地があった。

したがって、本発明の目的は、複数のランプが最適に配置された露光装置、および、複数のランプを最適に配置する露光装置の設計方法を提供することにある。

本発明の一局面によれば、
複数のランプで構成されたランプ群と、
前記複数のランプからの光を受けて、前記光の均一性を高めるインテグレータとを備えており、かつ、
以下の条件式１および２を満足することを特徴とする露光装置の設計方法が提供される。
条件式１ ａ ≦ ｔａｎθ₁×Ｌ×２
条件式２ θ₁−θ₂ ＝ θ₃
但し、
ａ ：ランプ群の縦方向寸法および横方向寸法
Ｌ ：ランプ群の出光位置からインテグレータの入射位置までの距離
θ₁ ：各ランプの光軸とインテグレータの中心軸とが成す角度の内、最大の値
θ₂ ：個々のランプからの光の開き角
θ₃ ：インテグレータ入射角
である。

本発明によれば、複数のランプが最適に配置された露光装置、および、複数のランプを最適に配置する露光装置の設計方法を提供できた。

一の実施例にかかる露光装置１０を示す図である。 ランプ１２の一例を示す図である。 ランプ本体２０の一例を示す図である。 ランプ群１１の縦方向寸法Ｖおよび横方向寸法Ｈを示す、（ａ）縦断面図、（ｂ）正面図である。 「インテグレータ入射角θ₃」について説明する図である。 ランプ群１１とインテグレータ１４との位置関係を示す図である。 インテグレータ１４の中心軸ＣＬおよびランプ１２の光軸ＬＣＬが成す角度θと、露光対象物Ｘの露光に寄与する光の量との関係を示すグラフである。 他の実施例にかかるランプ群１１とインテグレータ１４との位置関係を示す図である。 図８に示す実施例における、インテグレータ１４周辺の拡大図である。 さらに別の実施例にかかるランプ群１１とインテグレータ１４との位置関係を示す図である。

図１は本発明が適用された一の実施例にかかる露光装置１０を示す。露光装置１０は、大略、ランプ群１１と、インテグレータ１４と、凹面鏡１６と、照射面１８とを有している。

ランプ群１１は、複数のランプ１２で構成されている。ランプ１２は、露光対象物Ｘの露光に適した波長を含む光を放射するものである。ランプ１２の種類は特に限定されるものではないが、本明細書では、ランプ１２として高圧放電ランプを使用する場合を例にして説明を行う。

個々のランプ１２は、図２に示すように、大略、ランプ本体２０と、リフレクター２２とを備えている。

ランプ本体２０には、上述したように、一例として高圧放電ランプが使用されている。ランプ本体２０は、図３に示すように、石英ガラスで一体的に形成された、発光管部１０２と当該発光管部１０２から延出する一対の封止部１０４とを有しており、発光管部１０２内には封止部１０４によって密閉された内部空間１０６が形成されている。また、各封止部１０４内にはモリブデン製の箔１０８が埋設されている。

さらに、一端が箔１０８の一方端部に接続されているとともに他端が内部空間１０６内に配置されたタングステン製の一対の電極１１０と、一端が箔１０８の他方端部に接続されているとともに他端が封止部１０４から外部へ延出する一対のリード棒１１２とがそれぞれ設けられている。また、内部空間１０６には、所定量の水銀１１４およびハロゲン（例えば臭素）が封入されている。

ランプ本体２０に設けられた一対のリード棒１１２に所定の高電圧を印加すると、発光管部１０２の内部空間１０６に設けられた一対の電極１１０間で開始したグロー放電がアーク放電に移行し、このアークによって蒸発/励起された水銀１１４によって光（本実施例の場合、主に紫外線）が放射される。

図２に戻って、リフレクター２２は、椀状の反射面２４をその内側表面に有しており、当該反射面２４の内側に発光管部１０２が位置するように配設されたランプ本体２０からの光の一部を反射させる。本実施例では、この反射面２４は回転放物面で規定されており、ランプ本体２０における発光点（概略、内部空間１０６における一対の電極１１０の中間位置）は当該回転放物面の焦点に一致している。これにより、ランプ本体２０の発光点から放射され、当該反射面２４で反射した後、リフレクター２２の出光面２５から出た光は、ほぼ平行光となる。もちろん、反射面２４の形状はこれに限定されるものではなく、回転放物面やその他の回転面、あるいは回転面以外の形状であってもよい。

ランプ本体２０にリフレクター２２を組み合わせることにより、ランプ本体２０から放射された光は、光軸ＬＣＬを中心として所定の角度（以下、「開き角θ₂」という）をもった範囲内でリフレクター２２の前方に進むようになる。

ランプ群１１は、図４に示すように、縦方向寸法Ｖおよび横方向寸法Ｈを有している。ランプ群１１の縦方向寸法Ｖとは、鉛直方向最上段のランプ１２におけるリフレクター２２（より正確には、当該リフレクター２２の反射面２４）の中心から、鉛直方向最下段のランプ１２におけるリフレクター２２（より正確には、当該リフレクター２２の反射面２４）の中心まで距離をいう。また、ランプ群１１の横方向寸法Ｈとは、水平方向最右端のランプ１２におけるリフレクター２２（より正確には、当該リフレクター２２の反射面２４）の中心から、鉛直方向最左段のランプ１２におけるリフレクター２２（より正確には、当該リフレクター２２の反射面２４）の中心まで距離をいう。

図１に戻って、インテグレータ１４は、複数のランプ１２からの光を受け入れる入射面２６、および、受け入れた光の均一性を高めたうえで当該光を出射する出射面２８を有している。入射面２６および出射面２８には、それぞれ、複数のフライアイレンズ３０が形成されている。

図５に示すように、インテグレータ１４には、フライアイレンズ３０の形状等の要素に基づいて決定されるインテグレータ入射角θ₃が存在する。インテグレータ１４を構成するフライアイレンズ３０の中央を通過する中心軸ＦＣＬ上にある当該フライアイレンズ３０の焦点Ｆと、当該フライアイレンズ３０の最外端とを結ぶ直線を直線Ｇとする。このとき、インテグレータ入射角θ₃は、当該直線Ｇと中心軸ＦＣＬとが成す角度として定義される。なお、インテグレータ１４の中心軸ＣＬと、フライアイレンズ３０の中心軸ＦＣＬとは、一般的に、互いに平行になっている。

インテグレータ１４の入射面２６に向かうランプ１２からの光と、インテグレータ１４の中心軸ＣＬとが成す角度がこのインテグレータ入射角θ₃内に入っている場合、当該光は、インテグレータ１４の出射面２８から所望の角度で出射され、露光対象物Ｘを露光する。換言すれば、インテグレータ入射角θ₃よりも大きな角度でインテグレータ１４の入射面２６を照らす光は出射面２８から有効に出射されず、露光対象物Ｘの露光に寄与しない光となる。

図１に戻って、凹面鏡１６は、その内側に反射凹面３２が形成されており、インテグレータ１４から出射された光を当該反射凹面３２で反射させて平行光にする。

照射面１８は、凹面鏡１６からの平行光を受ける面であり、当該平行光に対して略直交する向きに配置されている。この照射面１８には、露光対象物Ｘが載置される。露光対象物Ｘの表面には、例えば感光剤が塗布されており、凹面鏡１６からの平行光が露光対象物Ｘの所望する領域を照射することにより、露光対象物Ｘの表面に所望の回路パターン等を形成できるようになっている。

本実施例において、複数のランプ１２で構成されたランプ群１１とインテグレータ１４との位置関係は、以下の条件式１および２を満足するようになっている（図６参照）。
条件式１ ａ ≦ ｔａｎθ₁×Ｌ×２
条件式２ θ₁−θ₂ ＝ θ₃
ここで、
ａ ：ランプ群１１の縦方向寸法Ｖおよび横方向寸法Ｈ
Ｌ ：ランプ１２の出光位置Ｓからインテグレータ１４の入射位置Ｒまでの距離
θ₁ ：各ランプ１２の光軸ＬＣＬとインテグレータ１４の中心軸ＣＬとが成す角度θの内、最大の値
θ₂ ：個々のランプ１２からの光の開き角
θ₃ ：インテグレータ入射角
である。

従来、露光装置１０に複数のランプ１２で構成されたランプ群１１を用いる場合、当該ランプ群１１の上下端あるいは左右端に近いランプ１２ほど、当該ランプ１２の光軸ＬＣＬに対するインテグレータ１４の中心軸ＣＬの角度θが大きくなるようにランプ１２の配設角度を考慮すれば、露光に必要な光量に応じてランプ１２の数をいくらでも増加させることができる、すなわち、ランプ群１１の縦方向寸法Ｖおよび横方向寸法Ｈはいくらでも大きくできる、と考えられていた。

しかしながら、ランプ１２の配置角度に起因して、当該ランプ１２の光軸ＬＣＬとインテグレータ１４の中心軸ＣＬとが成す角度θが大きくなり、ランプ１２からの光とインテグレータ１４の中心軸ＣＬとが成す角度がインテグレータ入射角θ₃よりも大きくなると、当該光は露光に寄与する有効な光ではなくなってしまうことがわかった。

これについて説明すると、図７は、インテグレータ１４の中心軸ＣＬとランプ１２の光軸ＬＣＬとが成す角度θを横軸にとり、その一方で、各角度θにおいて、インテグレータ１４の出射面２８から有効に出射されて露光対象物Ｘの露光に寄与する光の量を縦軸にとったグラフである。なお、本グラフにおいて、インテグレータ入射角θ₃は６°であり、ランプ１２の開き角θ₂は２°である。

すると、角度θが「ゼロ」から「インテグレータ入射角θ₃−開き角θ₂」までの間（すなわち、０°から４°までの間）は、ランプ１２からの光がほぼすべて露光に寄与しているが、角度θが「インテグレータ入射角θ₃−開き角θ₂」よりも大きくなると（すなわち、４°よりも大きくなると）、露光に寄与する光の量は減少していく。さらに、角度θが「インテグレータ入射角θ₃＋開き角θ₂」よりも大きくなると（すなわち、８°よりも大きくなると）、ランプ１２からのほぼ全ての光が露光に寄与できなくなる。つまり、「θ₃＋開き角θ₂ ≧ 角度θ」であれば、当該ランプ１２から放射される光の少なくとも一部は露光対象物Ｘの露光に寄与することになる。

以上の知見に基づく「θ₃ ＝ θ−θ₂」が成立する前提のうえで、図６に戻って、ランプ群１１の出光位置Ｓからインテグレータ１４の入射位置Ｒまでの距離Ｌとするとともに、各ランプ１２の光軸ＬＣＬとインテグレータ１４の中心軸ＣＬとが成す角度θの内、最大の値をθ₁（通常、角度θの値が最大となるのは、ランプ群１１の中心から最も遠い位置に配置されたランプ１２［以下、「最遠位置ランプＤ」という］である。）とする。すなわち、「θ₃ ＝ θ₁−θ₂」（条件式２）である。

そして、ランプ群１１の縦方向寸法Ｖおよび横方向寸法Ｈを「ｔａｎθ₁×Ｌ×２」にて算出される寸法ａ以内に設定する。つまり、「ａ≦ｔａｎθ₁×Ｌ×２」（条件式１）とする。これにより、各ランプ１２の光軸ＬＣＬとインテグレータ１４の中心軸ＣＬとが成す角度θの内、最大の値θ₁を有する最遠位置ランプＤ（一般的な場合）から放射された光の内、少なくとも一部は、インテグレータ入射角θ₃以内でインテグレータ１４に入射することになり、露光に寄与する光となる。換言すれば、上記寸法ａよりも外側に配置されたランプ１２からの光は、露光に寄与しない無駄な光になるということである。

なお、ランプ群１１の出光位置Ｓとは、当該ランプ群１１を構成する一対の最外側のランプ１２におけるリフレクター２２の中心同士を結ぶ直線Ｊと、インテグレータ１４の中心軸ＣＬとが交わる位置をいう。また、インテグレータ１４の入射位置Ｒとは、インテグレータ１４を構成する各フライアイレンズ３０の頂点に接する平面とインテグレータ１４の中心軸ＣＬとが交わる位置をいう。なお、インテグレータ１４の高さＡは、寸法ａや距離Ｌと比較して十分に小さい（つまり、ａ＞＞Ａ、および、Ｌ＞＞Ａ）。

したがって、本実施例の露光装置１０によれば、放射したすべての光が露光に寄与しない無駄な光となってしまうようなランプ１２が生じるのを回避して、すべてのランプ１２を露光に寄与させることができる。

（変形例）
（１）
一対の電極１１０の離間距離（すなわち、ランプ１２の「電極間隔」）は、０．８ｍｍ以上１．５ｍｍ以下に設定するのが好適である。なお、電極間隔は、ランプ１２の開き角θ₂と関連性を有している。電極間隔が狭くなると、ランプ１２の開き角θ₂は小さくなる。逆に、電極間隔が広くなると、ランプ１２の開き角θ₂は大きくなる。したがって、ランプ群１１におけるランプ１２の配置状態に鑑み、必要に応じて各ランプ１２の電極間隔を変化させて、上記条件式（１）および（２）を満たすようにするのが好ましい。

（２）
上述した実施例にかかる露光装置１０に対して、図８および図９に示すように、更に凸レンズ５０を追加してもよい。この凸レンズ５０は、インテグレータ１４におけるランプ群１１に向かう面、すなわち、入射面２６側に配設される。凸レンズ５０は、図示するように、そのレンズ中心５２が各フライアイレンズ３０の頂点に接する平面に含まれるような位置に配設される（さらに言えば、レンズ中心５２の位置とインテグレータ１４の入射位置Ｒとを互いに一致させる。）のが好適であるが、当該平面からやや離れた位置に配設されてもよい。

このような凸レンズ５０を設けることにより、各ランプ１２からの光は、凸レンズ５０によってインテグレータ１４の中心軸ＣＬと成す角度が小さくなるように屈折される。換言すると、露光対象物Ｘの露光に寄与する光、すなわち、中心軸ＣＬと成す角度がθ₁でインテグレータ１４の入射面２６に入射する光は、θ₁＋α（「α」は凸レンズ５０によって決まる角度である。）で凸レンズ５０に入射すればよいということになる。この結果、ランプ群１１の縦方向寸法Ｖおよび横方向寸法Ｈの値ａを更に大きくすることが可能となり（＝ａ＋β）、より多くのランプ１２をランプ群１１に含めて、露光対象物Ｘの露光に寄与する光を増加させることができる。したがって、ランプ群１１におけるランプ１２の配置状態に鑑み、必要に応じて凸レンズ５０の曲率を変化させて、上記条件式（１）および（２）を満たすようにするのが好ましい。

（３）
上記変形例（２）とは別に、図１０に示すように、露光装置１０に対して更にランプ前面レンズ６０を追加してもよい。このランプ前面レンズ６０は、ランプ１２におけるインテグレータ１４に向かう面側、すなわち、出光面２５側に配設される。ランプ前面レンズ６０は、ランプ１２からの光の広がりを小さくする役割を有しており、図示するように、各ランプ１２に対してそれぞれランプ前面レンズ６０を設けてもよいし、１つのランプ群１１に対して１つのランプ前面レンズ６０を設けてもよい。また、ランプ前面レンズ６０は、上述のようにランプ１２からの光の広がりを小さくできるものであれば、凸レンズ、フレネルレンズ、あるいはその他の種類のレンズを使用することができる。

このようなランプ前面レンズ６０を設けることにより、各ランプ１２からの光は、ランプ前面レンズ６０により、インテグレータ１４の中心軸ＣＬと成す角度が小さくなるように屈折される。換言すると、ランプ群１１の縦方向寸法Ｖおよび横方向寸法Ｈの値「ａ」が同じである場合は、開き角θ₂がより大きなランプ１２を使用することが可能となる。逆に、開き角θ₂が同じランプ１２を使用する場合は、図示するように、ランプ群１１の縦方向寸法Ｖおよび横方向寸法Ｈの値ａを更に大きくすることが可能となり（＝ａ＋β）、より多くのランプ１２をランプ群１１に含めて、露光対象物Ｘの露光に寄与する光を増加させることができる。したがって、ランプ群１１におけるランプ１２の配置状態に鑑み、必要に応じてランプ前面レンズ６０の曲率を変化させて、上記条件式（１）および（２）を満たすようにするのが好ましい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０…露光装置、１１…ランプ群、１２…ランプ、１４…インテグレータ、１６…凹面鏡、１８…照射面、２０…ランプ本体、２２…リフレクター、２４…反射面、２５…出光面、２６…入射面、２８…出射面、３０…フライアイレンズ、５０…凸レンズ、５２…（凸レンズの）レンズ中心、６０…ランプ前面レンズ、１０２…発光管部、１０４…封止部、１０６…内部空間、１０８…箔、１１０…電極、１１２…リード棒、１１４…水銀、Ｘ…露光対象物、θ₁…（インテグレータの）有効入射角、ＣＬ…（インテグレータの）中心軸、ＬＣＬ…（ランプの）光軸、Ｖ…（ランプ群の）縦方向寸法Ｖ…（ランプ群の）横方向寸法、θ…インテグレータの中心軸とランプの光軸とが成す角度、Ｌ…ランプ１２の出光面２５からインテグレータ１４の入射面２６までの距離、Ｆ…インテグレータの焦点、Ｇ…直線、Ｓ…（ランプ群の）出光位置、Ｒ…(インテグレータの)入射位置、Ｄ…ランプ群１１の中心から最も遠い位置に配置されたランプ１２、Ａ…インテグレータ１４の高さ

Claims (1)

1. 複数のランプで構成されたランプ群と、
   前記複数のランプからの光を受けて、前記光の均一性を高めるインテグレータとを用いており、かつ、
   以下の条件式１および２を満足することを特徴とする露光装置の設計方法。
   条件式１ ａ ≦ ｔａｎθ₁×Ｌ×２
   条件式２ θ₁−θ₂ ＝ θ₃
   但し、
   ａ ：ランプ群の縦方向寸法および横方向寸法
   Ｌ ：ランプ群の出光位置からインテグレータの入射位置までの距離
   θ₁ ：各ランプの光軸とインテグレータの中心軸とが成す角度の内、最大の値
   θ₂ ：個々のランプからの光の開き角
   θ₃ ：インテグレータ入射角
   である。

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