JP5806261B2 - 高集光効率を有するｌｅｄ型フォトリソグラフィー照明器 - Google Patents

高集光効率を有するｌｅｄ型フォトリソグラフィー照明器 Download PDF

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Description

本開示は、一般的にフォトリソグラフィーシステム、特に高集光効率を有するＬＥＤ型フォトリソグラフィー照明器に関する。
フォトリソグラフィーシステムは、基本構成要素として、光源付照明器、パターンレチクル、投影結像レンズ及び感光性（フォトレジスト被覆）ウェハを備える。照明器は、光源から生じる光をレチクルに向かって照射する。レチクルを透過した又はレチクルで反射された光は、投影結像レンズによって感光性ウェハ上に結像される。そして、感光性ウェハが処理されることにより、ウェハ上にパターンが形成される。異なる多数のレチクルを用いてフォトリソグラフィー露光プロセスと露光後プロセスとを繰り返すことによって、ウェハ上に、集積回路を規定する半導体構造が形成される。
リソグラフィー機器において照明システムでは、光源として水銀ランプが採用される。しかしながら、水銀ランプでは発光にかなりの不均性がある。フォトリソグラフィーに求められる均質な露光を得るためには、水銀ランプから生じる光をホモジナイザーロッドに通せばよい。このためには、水銀ランプをホモジナイザーロッドに近接させるか、水銀ランプからの光をレンズで集光してホモジナイザーロッドの入口表面上にその光を結像させる。
ホモジナイザーロッドに入った光は、全反射により長手方向表面の間を跳ね返り、最後には反対端から出る。ホモジナイザーロッドの全長は、出口から出る光がかなり均一になるように選択される。ホモジナイザーロッドの全長は、ホモジナイザーロッドの断面積、ホモジナイザーロッドを通過する光の角拡散、内部反射回数の必要回数、特定用途に必要な均一性等の多数の因子によって決定される。
通常、光はホモジナイザーロッドの対向壁の間を少なくとも５回反射する必要がある。入口から出口までの反射回数が多いほど、出口での照明がより均質になる。より典型的な実施態様では、光源からの光を集光してホモジナイザーロッドの入口表面上に結像するために集光レンズが使用される。
米国特許第７，１７７，０９９号明細書 米国特許第７，１４８，９５３号明細書 米国特許第７，１１６，４９６号明細書 米国特許第６，８６３，４０３号明細書 米国特許第６，８１３，０９８号明細書 米国特許第６，３８１，０７７号明細書 米国特許第５，４１０，４３４号明細書
残念ながら、水銀アークランプは、寿命が短く、通常、数週間、数か月しかもたない。また、水銀アークランプは、所望の光学スペクトル内において実際に発する入力が僅か数パーセントに過ぎず、非効率的である。さらに、水銀は規制上の要件に従い注意して廃棄しなければならず、水銀アークランプを廃棄するに際しては環境問題が懸念される。
また、水銀アークランプは、出力に限界がある。リソグラフィー機器のスループットを向上させるためには、ホモジナイザーロッドの出口面から生じる出力を増大させることが不可欠である。光源の大きさや角放出はホモジナイザーロッドの物理的物性や、角放出（光源をホモジナイザーにカップリングするレンズによって決められる）によって規定されるため、光源エタンデュが決められる。ホモジナイザーロッドの出口から生じる出力の増大は、光源の輝度の増大に等しい。
水銀光源の出力を向上させようとすれば、通常、光源サイズが増大してしまう。出力を２倍にしようとすれば、通常、光源サイズも２倍にする必要がある。その結果、光源の有効輝度はおよそ一定になり、ウェハ面での出力密度も一定になる。
したがって、スループットは、通常、ランプサイズを大きくしても改善されることがない。より大きな出力がウェハ面まで伝達されないからである。水銀アークランプからの出力量を維持しながらシステムのエタンデュを低下させるのは、同様に困難である。
本開示は、５０％以上の高集光効率を有するＬＥＤ型フォトリソグラフィー照明器に関する。このような照明器は、ＬＥＤ光源の仮想配列群を創造することによって部分的に実現される。ここで「仮想」の用語は、仮想像の概念と厳密に関連している訳ではなく、ＬＥＤ光源のＬＥＤダイの実像が有効な光源として機能することに関連する。この照明器を用いることにより、必要開口数（ＮＡ）を増やすことなく、ＬＥＤ群からホモジナイザーロッドまでの光を有効にカップリングさせることができる。
ＬＥＤ群をホモジナイザーロッドにカップリングするために適切なマイクロレンズ群を設計して組み上げることにより、仮想の（有効な）ＬＥＤ光源付の照明器を作り出すことができる。このような照明器は、どの程度の照明光が投影結像レンズに実際にカップリングするかとの観点から見ると、投影結像レンズに対する適合性がかなり高い。集光効率は、例えば、ＬＥＤ群の発光量の５０％超である。また、他の例では、集光効率は、７５％超である。これらの照明効率（照明スループットとも言う）の値は、より多量の光をレチクル、最終的にはウェハ面に供給するというフォトリソグラフィー活用の益々の要求を満たすのにより適している。
本開示の第１局面は、フォトリソグラフィーシステムの照明器である。このフォトリソグラフィーシステムの照明器は、第１面に配列される複数の発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」と略する）を含む光源を、照明器軸に沿って備える。各ＬＥＤは、化学光を発するＬＥＤダイと、軸と、ＬＤの寸法で規定される第１領域とを有する。ここで、ＬＥＤダイは、寸法ＬＨで規定される第２領域を有する非発光放熱板によって支持されている。また、寸法ＬＨは、前記寸法ＬＤよりも大きい。また、この照明器は、第１面と実質的に平行である第２面に配列される複数のマイクロレンズを有する。各マイクロレンズは、複数のＬＥＤダイのうち対応する一つと略同軸のマイクロレンズ軸を有すると共に、２倍から２０倍の倍率を有する。この照明器は、入力端および出力端を有するホモジナイザーロッドを含む。各マイクロレンズは、ホモジナイザーロッドの入力端上に、対応するＬＥＤダイの像を形成して、実質的に入力端全体を覆う複数のＬＥＤダイ像を形成し、その結果、複数の仮想ＬＥＤ光源を入力端上に規定すると共に出力端において＋／−２％の範囲内の照明均質性を規定する。
この照明器において、ホモジナイザーロッドは、好ましくは先細形状を呈する。
この照明器において、照明器は、好ましくは５０％超の集光効率を有する。また、照明器は、より好ましくは７５％超の集光効率を有する。
この照明器において、マイクロレンズ群中の各マイクロレンズは、（０．５）・ＬＨ／ＬＤ≦Ｍ≦（１．１）・ＬＨ／ＬＤの条件を満たす倍率Ｍを有する。
この照明器において、化学光は、好ましくは３６０ｎｍから４５０ｎｍの波長を有する。
この照明器において、フォトリソグラフィーシステムは、好ましくはレチクルを含む。この照明器は、好ましくはリレー光学システムをさらに有する。リレー光学システムは、ホモジナイザーロッドの出力端から照射される均質化された化学光を受光してレチクルを照らすように構成される。
本開示の他の局面は、フィールド長を有する投影結像システムを有するフォトリソグラフィーシステムの照明器である。この照明器は、第１面に配列される複数の発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」と略する）を含む光源を含む。各ＬＥＤは、６００ｍＷ/ｍｍ２超の放射輝度の化学光を発するＬＥＤダイと、軸と、ＬＤの寸法で規定される第１領域とを有する。ＬＥＤダイは、寸法ＬＨで規定される第２領域を有する非発光放熱板によって支持されている。また、寸法ＬＨは、寸法ＬＤよりも大きい。この照明器は、第１面と実質的に平行である第２面に配列される複数のマイクロレンズを有する。各マイクロレンズは、複数のＬＥＤダイのうち対応する一つと略同軸のマイクロレンズ軸を有すると共に、（０．５）・ＬＨ／ＬＤ≦Ｍ≦（１．１）・ＬＨ／ＬＤの条件を満たす倍率Ｍを有する。この照明器は、入力端および出力端を有するホモジナイザーロッドを含む。ここで、出力端は、投影結像システムのフィールド長と実質的に一致する。各マイクロレンズは、前記ホモジナイザーロッドの入力端上に、対応するＬＥＤダイの像を形成して、実質的に前記入力端全体を覆う複数のＬＥＤダイ像を形成し、その結果、複数の仮想ＬＥＤ光源を前記入力端上に規定すると共に出力端において＋／−２％の範囲内の照明均質性を規定する。また、この照明器は、５０％超の集光効率を有する
この照明器において、集光効率は、好ましくは７５％超である。
この照明器において、化学光は、好ましくは３６０ｎｍから４５０ｎｍの波長を有する。
この照明器において、ホモジナイザーロッドは、好ましくは先細形状を呈する。また、出力端は、入力端よりも大きな面積を有する。
この照明器において、フォトリソグラフィーシステムは、好ましくはレチクルを含む。この照明器は、好ましくはリレー光学システムをさらに有する。リレー光学システムは、ホモジナイザーロッドの出力端から照射される均質化された化学光を受光してレチクルを照らすように構成される。
本開示のさらなる特徴および利点は、下記の詳細な説明（発明を実施するための形態）に明記されている。また、それらの一部は詳細な説明の記載内容から当業者にとって直ちに明白となるか、下記の詳細な説明、特許請求の範囲、添付図面を含む、ここに記載された発明を実施することによって認識される。特許請求の範囲の記載は、発明の詳細な説明に組み込まれると共にその一部を構成する。
上記の背景技術等に関する記載及び下記の詳細な説明に関する記載は、特許請求の範囲に記載されている本開示の本質および特徴を理解するための概略または枠組みを提供するものであることを理解すべきである。
添付の図面は、本開示のさらなる理解のために示されており、本明細書に組み込まれると共にその一部を構成する。図面は、本開示の様々な実施形態を図示するものであり、本明細書の記載とともに、本開示の原則および実施を説明するための一助となる。
本開示の照明器の使用に適切なＵＶリソグラフィーシステムの一例の概略図である。 レチクル野を規定するレチクルパターンおよび走査照明野の一例を示すレチクルの一例の概略正面図である。 走査照明野の一例、および、その走査照明野に関連する露光野の一例の概略図である。 図２Ａに類似する図面であって、全フィールド照射野の一例を示す。 図２Ｂに類似する図面であって、対応する露光野とサイズ的に対応する全フィールド画像野の一例を示す。 半導体ウェハ、および、図１のリソグラフィーシステムによってその半導体ウェハ上に形成される露光野の平面図である。 ＬＥＤ群の一例の正面図である。この図には、各ＬＥＤダイに必要とされる放熱板に付随するＬＥＤの非発光領域によってＬＥＤダイがどのように離間配置されているかが示されている。 ＬＥＤ群の一例の側面図である。この図には、各ＬＥＤダイに必要とされる放熱板に付随するＬＥＤの非発光領域によってＬＥＤダイがどのように離間配置されているかが示されている。 本開示の照明器の一例の一実施形態を示す概略図である。なお、ここでは、ホモジナイザーロッドは、円筒形状を呈している。 図５Ａに類似する図面であって、ホモジナイザーロッドが先細形状を呈し、出力端の面積が入力端の面積よりも大きい場合の一実施形態を示す。 ８つのＬＥＤと長方形のホモジナイザーロッドを採用した場合の光線を示す光線追跡シミュレーションである。 ２×４のＬＥＤ群の光照射のコンピュータシミュレーションである。 ホモジナイザーロッドの入力端上に形成されるＬＥＤダイ像のコンピュータシミュレーションである。 ホモジナイザーロッドの出力端のコンピュータシミュレーションである。 光ホモジナイザーロッドのＹ−座標（ｍｍ）に対する強度（任意の単位）のプロット図である。また、この図には、図７Ｃのデータに基づくホモジナイザーロッドの出力端からの光照射の均質性も示されている。
以降、本開示の好ましい実施形態、および、添付の図面に示される複数の例について詳述する。可能な限り、同一または類似の部分の図では、同一の参照番号および参照符号が用いられる。
米国特許出願１２／４６２，６７８「フォトリソグラフィーシステムの照明器」の出願の内容が本願に参照として組み込まれる。
下記の特許請求の範囲は、発明の詳細な説明に組み込まれると共に、発明の詳細な説明の一部を構成する。
本開示は、マイクロレンズ群を利用したＬＥＤ型フォトリソグラフィー照明器に関する。先ず、フォトリソグラフィーシステムの一例を説明し、続いて、そのフォトリソグラフィーシステムの例に用いられるのに適した照明器の例を詳細に説明する。
フォトリソグラフィーシステム
本開示の一実施形態は、本開示の照明器を利用したフォトリソグラフィーシステムである。本願で開示される照明器を適用することができるフォトリソグラフィーシステムとしては、例えば、米国特許７，１７７，０９９、７，１４８，９５３、７，１１６，４９６、６，８６３，４０３、６，８１３，０９８、６，３８１，０７７および５，４１０，４３４が挙げられる。これらの特許は、本願に参照として組み込まれる。
図１は、本開示のＬＥＤ型照明器の使用に適切なフォトリソグラフィーシステム２００の一例の概略図である。フォトリソグラフィーシステム２００は、光軸Ａ０に沿って順に、以下でより詳細に説明するＬＥＤ型照明器（以下、単に「照明器」という）１０、レチクルステージのレチクル面ＲＰで支持されるレチクル２１０（すなわち、パターン化マスク）、投影結像レンズ２３０、およびウェハステージ２５０のウェハ面ＷＰで支持されるウェハ２４０を備える。レチクル２１０は、パターン化領域２１１を含む。そのパターン化領域２１１は、複数のパターン素子２１２を含むと共にレチクル野ＲＦを規定する。ウェハ２４０は、外縁２４１を含む（図３参照）。
ウェハ２４０は、感光性被膜２４２（すなわちフォトレジスト）を含む。感光性被膜２４２は、ウェハ表面に設けられており、光（すなわち「化学光」）３２０によって活性化される。なお、光３２０は、照明器１０内の光源３１０によって生じる。光源３１０は、例えば、ＬＥＤ３１２の群３１４によって構成される。光３２０の波長は、フォトリソグラフィーにおいて典型的な紫外線および深紫外線の波長領域内に属する。光３２０は、例えば、３６０ｎｍから４５０ｎｍの波長を有する。照明器１０は、開口絞り３３０を含むものとして示されている。
また、フォトリソグラフィーシステム２００は、制御装置２６０を含む。制御装置２６０は、照明器１０、レチクルステージ２２０およびウェハステージ２５０に操作可能に接続されている。制御装置２６０は、フォトリソグラフィーシステム２００の操作を制御するように構成されている。制御装置２６０には、例えば、パーソナルコンピュータやワークステーションのようなコンピュータが含まれる。制御装置２６０には、例えば、機器制御ソフトウェアが含まれる。この機器制御ソフトウェアには、コンピュータ読取可能な記憶媒体に具現化される指令群が含まれている。また、指令群によってフォトリソグラフィーシステム２００の種々の構成要素が制御される。
照明器１０は、レチクル面ＲＰに対応する照明面において照明野ＩＬＦ（図２Ａおよび図２Ｃ参照）を生じさせるように構成される。照明野ＩＬＦは、均質化光３２０’を含んでおり、レチクル野露光時間でレチクル野ＲＦの少なくとも一部を照射する。その結果、投影結像レンズ２３０によって、対応するウェハ露光時間でウェハ面ＷＰに、対応する画像野ＩＦが形成される。ウェハステージ２５０は、可動することができる（すなわち制御装置２６０から制御信号ＳＣＷを介して）。このため、ウェハ２４０の異なる部分に画像野ＩＦを置くことができる。この結果、ウェハ２４０上、特に感光性被膜（すなわちフォトレジスト）２４２内に、種々の露光野ＥＦが形成される。レチクルステージ２２０は、例えば、制御装置２６０から送信される制御信号ＳＣＲによって可動することができる。
このように、照明器１０からの均質化光３２０’は、レチクル野ＲＦを規定するパターン化領域２１１の少なくとも一部を照らすために使用される。そして、レチクル野ＲＦの被照明部分は、投影結像レンズ２３０を介してウェハ２４０の感光性被膜２４２上で結像される。一実施形態では、図１の矢印ＡＲで示され且つ図２Ａおよび図２Ｂで模式的に示されるように、照明野ＩＬＦをレチクル野ＲＦ上で走査させる際、ウェハ２４０上で画像野ＩＦを走査するようにレチクル２１０およびウェハ２４０を共に移動させる。この操作によって、走査露光野ＥＦが形成される。走査露光野ＥＦは、照明野ＩＬＦ又は画像野ＩＦのいずれよりも大きい。そして、ウェハ２４０の異なる（未露光）領域でこの工程が繰り返し行われる。このような印刷方式は、本技術分野において「ステップ アンド スキャン」と称される。
他の例では、照明野ＩＬＦは、レチクル野ＲＦの全領域を一度に照らす。このため、単発の露光で一つの露光野ＥＦが形成される。そして、ウェハ２４０が移動させられて、単発の静的露光が繰り返し行われる。このような印刷方式は、「ステップ アンド リピート」と称される。図２Ｃは、図２Ａに類似する図面であって、ステップ−アンド−リピート印刷方式による全フィールド照射野ＩＬＦの一例を示す。図２Ｄは、図２Ｂに類似する図面であって、ステップ−アンド−リピート印刷方式を用いた場合における対応する露光野ＥＦとサイズ的に対応する全フィールド画像野ＩＦの一例を示す。
図３では、感光性被膜（すなわちフォトレジスト）２４２の領域内でウェハ２４０上に形成されている露光野ＥＦが順に使用され、通常のフォトリソグラフィー技術と半導体加工技術によって集積回路チップが形成されている。
ＬＥＤ型照明器
照明器１０には、多数の重要な設計思想が内在している。ＬＥＤ３１２の群３１４から発せられる収集光は、フォトリソグラフィーシステム２００で使用されている投影結像レンズ２３０のエタンデュに適合しなければならない。エタンデュとは、光源サイズ（ｍｍ２）と立体角（ステラジアン）の積であって、ｍｍ２−ステラジアンの単位で表される。この積は、光源３１０の輝度（ｗａｔｔｓ／ｍｍ２−ステラジアン）に反比例する。エタンデュは、光学系において保存される。このように、ある光源サイズでは、光学系によって集光される光３２０の角放出量が光学系のエタンデュによって決定される。既存のレンズやミラーを使用してエタンデュを小さくすることによって、光源の輝度を更に高めることはできない。光学を駆使して光源３１０の寸法を拡大したり縮小したりすることができ、また、光源寸法と立体角を反比例的に変化させることもできるが、エタンデュは一定に保たれる。
フォトリソグラフィー照明器にホモジナイザーロッド付の水銀アークランプ光源が採用される場合、水銀アークランプの像はホモジナイザーロッドの入力側表面に投影される。水銀アークランプ像を集光レンズで拡大するか縮小すれば、ホモジナイザーロッドの入力端で水銀アークランプ像の寸法を変更することができる。仮に集光レンズがＮＡの開口数を有し、ホモジナイザーロッドへの入力においてＭの倍率で水銀アークランプ像が拡大されたとすると、ホモジナイザーロッドの入力端での開口数はＮＡ／Ｍで与えられる。長方形のホモジナイザーロッドは、通過する光線の角度を保持する。このため、照明システムのエタンデュは、ホモジナイザーロッドの入力端の立体角（ＮＡ／Ｍで決定される）およびホモジナイザーロッド（円筒形のロッドと仮定する）の出力面積（または入力面積）から計算することができる。
仮に照明器のエタンデュがフォトリソグラフィーシステム２００の投影結像レンズ２３０のエタンデュよりも大きかったとすると、フォトリソグラフィーシステム２００が照明器１０からの全ての光３２０を利用することができず、照明の不整合が生じる。光源３１０のエタンデュは、光源の開口数ＮＡ（すなわち角放出または集光レンズＮＡ）を少なくするか、ホモジナイザーロッドの面積を小さくことによって低下させられなければならないであろう。この結果、フォトリソグラフィー２００で利用可能な光が少なくなる。
フォトリソグラフィーシステム２００の照明スループット（すなわち光源３１０からウェハ２４０に到達する光３２０の量）を向上させるためには、ホモジナイザーロッドの出力表面から放出される出力を増加させることが必須となる。光源３１０の許容寸法および許容角放出はホモジナイザーロッドの物理的特性および角放出（ホモジナイザーロッドに光源３１０をカップリングするレンズによって決定される）によって規定されるため、これらの因子が光源のエタンデュを決定づける。ホモジナイザーロッドの出力端から放出される出力が増大することは、光源輝度が増大することに等しい。
上述の通り、水銀アークランプの出力を増大させるためには、通常、光源の寸法を増大させる必要がある。出力を二倍にするためには、光源寸法を二倍にする必要がある。その結果、光源３１０の有効輝度はおよそ一定に保たれ、ウェハ面ＷＰでの出力密度は一定に保たれる。したがって、通常、スループットはこの種の大寸法ランプでは改善されない。大きな出力は、ウェハ面ＷＰに伝達されず、高いスループットに変換されることもない。
このように、光源３１０の輝度は適度なものである必要がある（すなわちエタンデュが適合しなければならない）。また、光源３１０には、十分な全出力が求められなければならない。また、光源３１０がフォトリソグラフィー用途に最適化されるためには、光源３１０の信頼性や操作性の要件を満たさなければならない。
本願で開示されるように、光源３１０には、ＬＥＤ３１２の上記群３１４が含まれる。ＬＥＤ３１２は、益々、効率的になってきており、ＬＥＤ技術が開発されるに従ってその性能が改善され続けている。過去１０年間でＬＥＤの効率（放射強度／入力強度）は１０倍も向上しており、これからの５年間で更に２倍から４倍に向上すると期待されている。ＬＥＤ３１２の効率が向上すれば、その輝度も向上する。ＬＥＤ３１２の発光能力は、現在、ＵＶ−ＬＥＤで１ｗａｔｔ／ｍｍ２に近づいており、可視光ＬＥＤでさらに高くなっている。ＬＥＤの発光効率の向上の結果、ＬＥＤの輝度（ｗａｔｔｓ／ｃｍ２−ステラジアン）は、既存の水銀アークランプの輝度と同等かそれよりも高くなっている。また、ＬＥＤ３１２には、環境的に危険な物質（例えば水銀）が使用されていない。また、ＬＥＤ３１２は、水銀アークランプよりも電気的に効率的である。
ただし、ＬＥＤ３１２には、まだやや不十分な点が残されている。ＬＥＤの出力が１ワット放出される度に、数ワット分が熱で消失する。現在、ＬＥＤ３１２の発光効率は約１０％−３０％であるが、より効率的になっている。ＬＥＤ３１２の発光効率が３０％以上になることが期待される一方、ＬＥＤの動作の熱的管理を継続して行っていく必要があるであろうと予測される。
図４ＡはＬＥＤ３１２の群３１４の一例の正面図であり、図４ＢはＬＥＤ３１２の群３１４の一例の側面図である。各ＬＥＤ３１２には、ＬＥＤダイ３１６が含まれている。なお、このＬＥＤダイ３１６は、放熱板３１８に搭載されている。ＬＥＤダイ３１６は寸法ＬＤを有し、放熱板３１８は寸法ＬＨを有する。本例では、ＬＥＤダイ３１６および放熱板３１８は、共に四角形とされている。例えば、寸法ＬＤは名目で１ｍｍから３ｍｍの範囲内であり、寸法ＬＨは名目で５ｍｍから１０ｍｍの範囲内である。各ＬＥＤダイ３１６は発光軸ＡＬを有する。この発光軸ＡＬは、通常、光３２０の発光パターンの中心に位置している（図４Ｂ参照）。例えば、ＬＥＤ群３１４中の各ＬＥＤ３１２は、６００ｍＷ／ｍｍ２超の輝度の光を放出する。
放熱板３１８は、対応するＬＥＤダイ３１６から余分な熱を取り除くために必要となる。ＬＥＤダイ３１６を互いに近接して配置することにより、かなり高い（局所的な）熱負荷（ｗａｔｔ／ｃｍ２）がかかり、ＬＥＤの接合点の温度が上昇しやすくなる。ＬＥＤの接合点の温度が高くなるのは望ましくない。発光量の減少、波長のズレおよびＬＥＤの短寿命化につながるからである。したがって、放熱板３１８が必須となる。放熱板３１８は、熱の発散のみならず、群３１４中の各ＬＥＤダイ３１６を十分に離間して配置させる役目も担っている。その結果、隣接するＬＥＤ３１２からの熱によるＬＥＤダイ３１６への悪影響を軽減する。
本フォトリソグラフィーシステム２００に適する高輝度高出力のＬＥＤ光源３１０を形成するために、放熱板３１８の寸法をＬＥＤダイ３１６の寸法よりもやや大き目にすることが望ましいが、各ダイを近接配置させることが不可能でない場合に極めて問題である。単純にＬＥＤ３１２を（その筐体内で）近接配置させると、ＬＥＤダイ３１６間の隙間で発光しない光源３１０ができあがる。放熱板３１８は、ＬＥＤダイ３１６の領域において生じる熱を分散させるように設計される。放熱板３１８は、通常、銅や導電性セラミックのような高熱伝導物質から形成されている。
したがって、放熱板３１８は、半導体物性を示さず、化学光波長を有する光３２０を生ずるようにも形成されていない。すなわち、放熱板３１８は、非発光体である。このため、ＬＥＤ３１２の群３１４によって形成される光源３１０は、非発光放熱板３１８の分画領域によって減光され、平均的な輝度を示す。すなわち、光源３１０からの光３２０は本質的に不均質である。これは、光源３１０には、高発光領域（ＬＥＤダイ３１６）のみならず、その周囲に非発光領域（放熱板３１８）が形成されているからである。この種の光源３１０は、ホモジナイザーとの有効なカップリングが難しい。各ＬＥＤ３１２による発光輝度および発光出力は高い可能性がある一方、光源３１０の平均輝度および出力は、発光領域の面積を非発光領域の面積で割った比によって決定されており、かなり低減されている。
光源３１０をホモジナイザーロッドの端に近接配置させて光源３１０を直接的にホモジナイザーロッドにカップリングさせると、問題が生じる。長方形のホモジナイザーロッドは、光源３１０によって照射される光３２０の角スペクトルを保持する。特に、入力端の開口数は、ホモジナイザーロッドの出力端の開口数と同じである。ホモジナイザーロッドの役割は、不均質な光源３１０からの光３２０を入力端で受光して、その光３２０を内部反射させて、出力端において均質な発光領域を生成することである。
出力端でのホモジナイザーロッドの出力が均質であると可能性がある一方、放出角は極めて高い。比較的少ない開口数（すなわち０．５未満）を有する投影結像レンズ２３０では、ホモジナイザーロッドからの角出力が高く、その結果、ホモジナイザーロッドの出力端に存在する多数の光線が投影結像レンズ開口数の範囲内に収まっている。さらに、高角光線の多くが、全反射によってホモジナイザーロッドの内部で捕捉されず、ホモジナイザーロッドの脇を抜けて、消失している（すなわち、集光されていない）。
ダイ群３１４とホモジナイザーロッドの入力端の間に単一レンズを配置し、その単一レンズで光源発光を拡大することによって、照明器１０および投影結像レンズ開口数をより厳密に適合させることができる。しかしながら、かかる場合、ホモジナイザーロッドの入出力端の両方の寸法を増大させる必要がある。ホモジナイザーロッドの出力端は光源の寸法を決定づけるため、投影結像レンズのエタンデュ要件は、光源寸法に制約を強いることなる。
開口数の不適合問題に対処する一方法としては、ＬＥＤ光源３１０とホモジナイザーロッドとの間に集光レンズを配設して、ＬＥＤ群３１４をホモジナイザーロッドの入力端上において拡大することが考えられる。残念ながら、放熱板３１８による広範囲な発光領域のため、ＬＥＤ群３１４の像は、ホモジナイザーロッドの入力端でかなり大きくなってしまう。このため、ホモジナイザーロッドを同様に大きくする必要がある。例えば、ＬＥＤダイ３１６が２ｍｍ×２ｍｍのサイズであって６ｍｍ間隔（すなわちＬＨ＝６ｍｍ）で設けられている場合、ＬＥＤ群３１４を３×３ｍｍとするには、ＬＥＤ光源群３１４の寸法を１４ｍｍ×１４ｍｍとする。
通常の集光レンズは、０．９程度の開口数を有しており、光源３１０をホモジナイザーロッドの入力端に結像する際、３×３の群３１４を拡大することができる。このような条件下で、ホモジナイザーロッドは少なくとも４２ｍｍ×４２ｍｍの寸法を有する必要がある。よって、ホモジナイザーロッドの入力端へ入射してホモジナイザーロッドから出力される光３２０の開口数は、０．９／３＝０．３となる。エタンデュは、およそ（開口数）２（面積）＝１５９ｍｍ２−開口数２となる。投影結像レンズ２３０（すなわち、ウルトラテック製ＡＰ−３００，開口数＝０．１６，８８４ｍｍ２）のエタンデュは、２３ｍｍ２−開口数２となる。これは極めて大きな不適合であり、光源３１０からの光３２０のおよそ１４％しか、投影結像レンズ２３０で集光されていないことになる。光源３１０からの光３２０のほぼ８６％近くは、投影結像レンズ２３０の集光能力外となっていることになる。
図５Ａは、本開示に係る照明器１０の一例の断面図である。照明器１０は光軸Ａ１を有している。そして、この照明器１０では、光軸Ａ１に沿って光源３１０が配設されている。光源３１０には、ＬＥＤ群３１４（すなわち、図４Ａに示されているようなもの）およびホモジナイザーロッド４５０が含まれている。なお、ホモジナイザーロッド４５０は、入力端４５２および出力端４５４を有している。マイクロレンズ群４１４は、光源３１０とホモジナイザーロッド４５０の入力端４５２との間において光軸Ａ１に沿うように配設されている。このマイクロレンズ群４１４には、複数のマイクロレンズ要素（マイクロレンズ）４１６が含まれており、各マクロレンズはマイクロレンズ軸Ａ３、オブジェクト面ＯＰおよび画像面ＩＰを有している。ＬＥＤ群３１４は、通常、オブジェクト面ＯＰに配設されており、ホモジナイザーロッド４５０の入力端４５２は、通常、画像面ＩＰに配設されている。
ホモジナイザーロッド４５０は、図５Ａに示されるように、円筒形状を呈しており、その断面積は全長に亘って一定である。図５Ｂは、図５Ａに類似する図面であって、ホモジナイザーロッド４５０が先細形状を呈する場合の一実施形態を示す。なお、この実施形態に係るホモジナイザーロッド４５０では、入力端４５２から出力端４５４へ向かって寸法が大きくなり、その結果、出力端４５４の面積が入力端４５２の面積よりも大きくなっている。しかしながら、ホモジナイザーロッド４５０は断面が四角形状を呈していてもかまわない。
また、照明器１０は、リレー光学システム４７０を含む。リレー光学システム４７０は、ホモジナイザーロッド４５０の出力端４５４近傍に配設されている。リレー光学システム４７０は、出力端４５４をレチクル２１０に結像する役割を担うものであって、投影結像レンズ２３０と共に作動して所望の瞳孔充填を規定するように構成されている。
各マイクロレンズ４１６は、対応するＬＥＤ３１２に対して操作可能に配置されており、マイクロレンズ軸Ａ３はＬＥＤダイ軸Ａ２と実質的に同軸の関係にある。マイクロレンズ４１６は、できるだけ多量のＬＥＤ光３２０を捕光するように構成されており、約１超の集光レンズ開口数を有することができる。マイクロレンズ４１６の構成素材としては、例えば、紫外線波長に対して良好な光透過性を示す石英ガラスや石英が挙げられる。
各マイクロレンズ４１６は、対応するＬＥＤダイ３１６のＬＥＤダイ像３１６’を形成するように構成されている。光３２０の光線は、一のマイクロレンズＬＥＤ対として示されている。集束光の束は、参照符号３２０ＲＢで示されており、マイクロレンズ４１６の画像側開口数を規定している。そして、その開口数は、ホモジナイザーロッド４５０の入力側開口数に対応している。
マイクロレンズ４１６の倍率Ｍは、例えば、倍率Ｍ＝ＬＨ/ＬＤで規定されている。リソグラフィー機器とって必要であれば、倍率Ｍは、ＬＨ/ＬＤと異なっていてもかまわない。例えば、仮にＬＥＤダイ３１６がＬＤ＝２ｍｍの寸法を有し且つ放熱板３１８がＬＨ＝６ｍｍの寸法を有していれば、最大倍率比Ｒは３となり、マイクロレンズ４１６は、隣接するダイ像間に隙間がない６ｍｍ×６ｍｍのＬＥＤダイ像３１６’の仮想群３１４’をつくり出す。言い換えると、放熱板３１８に関連するＬＥＤ群３１４の非発光部分は、マイクロレンズ４１６により形成された画像に含まれていない。その結果、ホモジナイザーロッド４５０の入力端４５２では、実質的に照明内に隙間が生じることがない（すなわち、図７ＢのＬＥＤダイ像３１６’には、実質的に隙間がないものと思われる。その一方、図７Ａの像には実質的に隙間がある。図７Ａおよび図７Ｂにつき以下で説明すると共に考察する）。この結像工程では、ＬＥＤダイ像３１６’の仮想群３１４’がつくり出される。仮想群３１４’は、拡大されていると共に入力端４５２に位置している。例えば、各マイクロレンズ４１６は、２倍から２０倍の倍率を有している。
マイクロレンズ４１６の倍率Ｍは、例えば、（０．５）・ＬＨ／ＬＤ≦Ｍ≦（１．１）・ＬＨ／ＬＤの条件を満たす。この範囲の上限では、ホモジナイザーロッド４５０の入力端４５２が過剰充填気味になり、さらに過剰充填になると照明器１０の全体の集光効率が低下する。また、この範囲の下限では、入力端４５２が充填不足になって集光効率は低下しないが、入力端４５２が過不足なく充填された場合に比べると、より長いホモジナイザーロッド４５０が必要とされる可能性がある。
仮想群３１４’は、空間放出および角放出の両方においてＬＥＤ群３１４よりもかなり均質であり、簡便にホモジナイザーロッド４５０に対して直接的にカップリングさせることができる。上記例のホモジナイザーロッド４５０の入力端４５２の寸法は、１８ｍｍ×１８ｍｍである。ホモジナイザーロッド４５０に入射する光線束３２０ＲＢの開口数は、倍率比Ｒによって減少する。例えば、マイクロレンズ４１６が０．９の開口数を有している場合、ホモジナイザーロッド４５０の入力端４５２に入射する光線束３２０ＲＢは０．３の開口数を有している。これは、ホモジナイザーロッド４５０の出力開口数に対応する。この開口数は、ホモジナイザーロッド４５０が全ての光３２０を捕捉するのに十分に小さい。また、実質的に、全ての光３２０は、ホモジナイザーロッド４５０内で全反射する。その結果、ホモジナイザーロッド４５０の壁を透過する光の損失は実質的にない。例えば、ホモジナイザーロッド４５０の入力端４５２の寸法は、仮想群３１４’の面積と実質的に同一の面積を有するように決められる。
ＬＥＤ群３１４、マイクロレンズ４１６およびホモジナイザーロッド４５０によって規定される照明器１０の一例のエタンデュは、上述の数値を用いると２９ｍｍ２−ＮＡ２となる。これは、通常のフォトリソグラフィーシステムのエタンデュとかなり適合している。例えば、照明器１０の一例は、投影結像レンズ２３０を２０％程度だけ過剰充填するエタンデュを有している。その結果、光源３１０からの光３２０の８０％を結像系で活用することができる。なお、従来の結像方法が用いられる場合、通常、１４％程度の光が活用されるだけである。
図６は、光線追跡シミュレーションの全体図である。ＬＥＤ群３１４の光線追跡シミュレーションは、ＬＥＤ３１２の数を８つにして、ＺＥＥＭＡＸレンズ設計ソフトウェアを用いて行った。図５Ａに示されるように、各ＬＥＤ３１２は、対応するマイクロレンズ４１６にカップリングされた。図６には、ホモジナイザーロッド４５０の入力端４５２および８つのＬＥＤ３１２のうちの４つが示されている。
図７Ａは、２×４のＬＥＤ群３１４の光照射のシミュレーション像である。また、図７Ｂは、ホモジナイザーロッド４５０の入力端４５２におけるシミュレーション配光である。図７Ｃには、ホモジナイザーロッド４５０の出力端４５４における計算放出照度が示されており、照明均質性が優良であることがわかる。
図８は、光ホモジナイザーロッド４５０の出力端４５４の位置（Ｙ−座標値）に対する強度のプロット図であると共に、図７のデータのＹ断面図である。この図から照明均質性が優良であることがわかる。一実施形態では、ホモジナイザーロッド４５０の出力端４５４における均質化化学光３２０’の照明均質性は、＋／−２％の範囲内である。
マイクロレンズの倍率Ｍを変更すれば、異なる結果を得ることができる。例えば、仮にホモジナイザーロッド４５０の出力端４５４から０．５の出力開口数を有するのが望ましいとすると、マイクロレンズ倍率を２．０に変更すると共にマイクロレンズ集光（オブジェクト側）開口数を１．０に変更することができる可能性がある。そして、ホモジナイザーロッド４５０は、出力端４５４において適切な開口数および寸法で均質な出力を生成する可能性がある。
ホモジナイザーロッド４５０の出力端４５４にリレー光学システムを導入して、下流側の投影結像レンズ２３０のフィールド長および開口数を適合させてもよい。先の例では、ホモジナイザーロッド４５０の出力端４５４は、１８ｍｍ×１８ｍｍ（３２４ｍｍ２）であり、０．３の開口数を有する。望ましい面積および開口数はそれぞれ８８４ｍｍ２および０．１６であると思われる。リレー光学システム４７０、先細形状のホモジナイザーロッド４５０またはそれらの組合せを用いると、光源寸法を各方向に１．７倍にまで拡大することができ、９３６ｍｍ２の有効光源寸法、０．１７６の開口数を得ることができる。この有効光源は、投影結像レンズ２３０を過剰充填気味にするが、実際のところ、投影結像レンズ開口数を理想的に適合させようとするよりは望ましい。
上述の通り、ホモジナイザーロッド４５０の形状を先細形状としてもよい。上記例で考察した長方形のホモジナイザーロッド４５０を、入口開口１８ｍｍ×１８ｍｍ（３２４ｍｍ２）、出力開口３０．６ｍｍ×３０．６ｍｍ（９３６ｍｍ２）の先細形状のホモジナイザーロッド４５０に置き換えると、結像系に適した修正フィールド長および修正開口数を両方有する光源がつくり出される。このため、照明システムの複雑性が低下して、効率が向上する。いくつかの例では、逆先細形状のホモジナイザーロッド４５０を有するのが望ましい可能性がある。このようなホモジナイザーロッド４５０では、出力端４５４の断面積が入力端４５２の断面積よりも小さくなる。
当業者には明白であるが、本開示の精神および範囲を逸脱することなく、本開示に対して様々な修正および変更を加えることができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその均等範囲内において本開示の修正および変更を包含する。

Claims (11)

  1. 照明器軸に沿って、
    第１面に配列される複数の発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」と略する）を含む光源と、
    前記第１面と実質的に平行である第２面に配列される複数のマイクロレンズと、
    入力端および出力端を有するホモジナイザーロッドと
    を備え、
    各ＬＥＤは、化学光を発するＬＥＤダイと、軸と、ＬＤの寸法で規定される第１領域とを有し、６００ｍＷ/ｍｍ ２ 超の放射輝度で発光し、
    前記ＬＥＤダイは、寸法ＬＨで規定される第２領域を有すると共に１つの前記ＬＥＤダイに対して１つ設けられる非発光放熱板によって支持されており、
    前記寸法ＬＨは、前記寸法ＬＤよりも大きく、
    各マイクロレンズは、複数のＬＥＤダイのうち対応する一つと略同軸のマイクロレンズ軸を有すると共に、２倍から２０倍の倍率Ｍを有すると共に（０．５）・Ｌ Ｈ ／Ｌ Ｄ ≦Ｍ≦（１．１）・Ｌ Ｈ ／Ｌ Ｄ の条件を満し、
    各マイクロレンズは、前記ホモジナイザーロッドの入力端上に、対応するＬＥＤダイの像を形成して、実質的に前記入力端全体を覆う複数のＬＥＤダイ像を形成し、その結果、複数の仮想ＬＥＤ光源を前記入力端上に規定すると共に出力端において＋／−２％の範囲内の照明均質性を規定する
    フォトリソグラフィーシステムの照明器。
  2. 前記ホモジナイザーロッドは、先細形状を呈する
    請求項１に記載のフォトリソグラフィーシステムの照明器。
  3. 前記照明器は、５０％超の集光効率を有する
    請求項１又は２に記載のフォトリソグラフィーシステムの照明器。
  4. 前記照明器は、７５％超の集光効率を有する
    請求項３に記載のフォトリソグラフィーシステムの照明器。
  5. 前記化学光は、３６０ｎｍから４５０ｎｍの波長を有する
    請求項１から４のいずれかに記載のフォトリソグラフィーシステムの照明器。
  6. 前記フォトリソグラフィーシステムは、レチクルを含み、
    前記照明器は、リレー光学システムをさらに有し、
    前記リレー光学システムは、前記ホモジナイザーロッドの出力端から照射される均質化された化学光を受光して前記レチクルを照らすように構成される
    請求項１から５のいずれかに記載のフォトリソグラフィーシステムの照明器。
  7. フィールド長を有する投影結像システムを有するフォトリソグラフィーシステムの照明器であって、
    第１面に配列される複数の発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」と略する）を含む光源と、
    前記第１面と実質的に平行である第２面に配列される複数のマイクロレンズと、
    入力端および出力端を有するホモジナイザーロッドと
    を備え、
    各ＬＥＤは、６００ｍＷ/ｍｍ ２ 超の放射輝度の化学光を発するＬＥＤダイと、軸と、ＬＤの寸法で規定される第１領域とを有し、
    前記ＬＥＤダイは、寸法ＬＨで規定される第２領域を有すると共に１つの前記ＬＥＤダイに対して１つ設けられる非発光放熱板によって支持されており、
    前記寸法ＬＨは、前記寸法ＬＤよりも大きく、
    各マイクロレンズは、複数のＬＥＤダイのうち対応する一つと略同軸のマイクロレンズ軸を有すると共に、（０．５）・ＬＨ／ＬＤ≦Ｍ≦（１．１）・ＬＨ／ＬＤの条件を満たす倍率Ｍを有し、
    前記出力端は、前記投影結像システムの前記フィールド長と実質的に一致し、
    各マイクロレンズは、前記ホモジナイザーロッドの入力端上に、対応するＬＥＤダイの像を形成して、実質的に前記入力端全体を覆う複数のＬＥＤダイ像を形成し、その結果、複数の仮想ＬＥＤ光源を前記入力端上に規定すると共に出力端において＋／−２％の範囲内の照明均質性を規定し、
    前記照明器は、５０％超の集光効率を有する
    フォトリソグラフィーシステムの照明器。
  8. 前記集光効率は、７５％超である
    請求項７に記載のフォトリソグラフィーシステムの照明器。
  9. 前記化学光は、３６０ｎｍから４５０ｎｍの波長を有する
    請求項７又は８に記載のフォトリソグラフィーシステムの照明器。
  10. 前記ホモジナイザーロッドは、先細形状を呈し、
    前記出力端は、前記入力端よりも大きな面積を有する
    請求項７から９のいずれかに記載のフォトリソグラフィーシステムの照明器。
  11. 前記フォトリソグラフィーシステムは、レチクルを含み、
    前記照明器は、リレー光学システムをさらに有し、
    前記リレー光学システムは、前記ホモジナイザーロッドの出力端から照射される均質化された化学光を受光して前記レチクルを照らすように構成される
    請求項７から１０のいずれかに記載のフォトリソグラフィーシステムの照明器。
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