JPH0448714A

JPH0448714A - 露光装置

Info

Publication number: JPH0448714A
Application number: JP2157218A
Authority: JP
Inventors: Takanaga Shiozawa; 崇永塩澤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-06-15
Filing date: 1990-06-15
Publication date: 1992-02-18

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、半導体製造用として好適な露光装置
に関する。

（従来の技術）近年、半導体素子、ＬＳＩ素子の回路パターンの線巾は
ますます微細化され、これに伴い、半導体製造用の露光
装置の分野では、エキシマレーザ−等の遠紫外領域の光
を発する光源を用いるものが注目を集めている。エキシ
マレーザ−は、遠紫外域の大強度の光を発する光源とし
て知られているか、このレーザーはパルス発光するもの
であり、半導体製造用の露光装置に用いられる場合、半
導体ウェハに対する露光は数個がら数百側のパルス光を
用いて行われる。従って、従来このような露光装置にお
ける露光量制御の１つ方法として、主としてパルス光の
数（パルス数）の制御により行うものかあった。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、上記従来例のようなパルス数の制御によ
る露光量制御においては、１パルス当たりのエネルギー
に比例する、離散的な露光量制御しか行えず、露光量の
量子化による残留誤差が発生してしまう。例えば、必要
露光量を１００ｍ　Ｊ　／　ｃ　ｍ　２．１パルス当た
りの像面露光量を３　ｍ　Ｊ　／　ｃ　ｍ　２の場合を
考えると、３３パルスの露光では、必要露光量に対して
１ｍＪ／ｃｍ２即ち一１％不足することになる。

方、もう１パルス露光すると今度は２ｍＪ／ｃｍ２．即
ち２％オーバー露光することになってしまう。このよう
な現象はパルス露光特有のもので、このような量子化に
よる残留誤差は、露光に必要とされるパルス数が少ない
ほど影響が大きい。

従って、少ないパルス数で露光を行う場合においても精
度のよい露光量制御を可能とするために、１パルスの露
光量（パルス光の光量）が可変となるような露光量調整
装置を備えた露光装置が望まれている。

（問題点を解決するための手段）本発明の露光装置は、光源と、該光源からのパルス光を
オプティカルインテグレーターに指向するリレー光学系
と、該オプティカルインテグレーターにより形成した複
数個の２次光源からの光束を、フォトパターン上で互い
に重ね合せて該フォトパターンを照明する集光光学系と
、該フォトパターンからの光で露光される被露光基板を
載置するステージと、該リレー光学系を伝播するパルス
光の一部を遮光することにより該パルス光の光量を調整
せしめる絞り機構とを有する露光装置において、前記リ
レー光学系が、その焦点位置に前記パルス光を集光せし
める集光手段を有し、前記絞り機構の開口部を該焦点位
置近傍に設定したことを特徴としている。

特に本発明においては、（イ）光源はパルス発光するレーザー、例えば多数の横
モードを備えたエキシマレーザ−又は連続波を発するレ
ーザーと、該連続波を断続的に遮光してパルス光を生じ
せしめる手段とから成フている。

（ロ）集光手段はレンズ系より成っている。

（ハ）オプティカルインテグレーターは、集光光学系の
光軸とほぼ直交する方向に沿ってバーレンズを複数個配
列したバーレンズの集合体又は光ファイバーを束ねたフ
ァイバー束より成っている。

（ニ）集光光学系により照明されたフォトパターンの像
を被露光基板上に投影するレンズ系又はミラー系より成
る投影光学系を備えている。

（ホ）リレー光学系とオプティカルインテグレーターは
、焦点位置と複数個の２次光源が分布する平面とが互い
に共役になるよう配列されている。

又リレー光学系は、光源としてパルス発振するレーザー
を用いたとき、該レーザーの光射出口とオプティカルイ
ンテグレーターの光入射面とを互いに共役にするよう配
列されている。又、リレー光学系は、絞り機構の開口部
を通過したパルス光を複数の光束に分割して、該複数の
光束間に該パルス光の可干渉距離以上の光路長差を与え
た後、該複数の光束をオプティカルインテグレーターに
照射する照射手段を有する。このときの照射手段は、複
数の光束を生じせしめるべくパルス光の波面を分割する
分割器、又はパルス光を振幅分割する分割器を備えてい
る。

（へ）パルス光の強度を検出する光検出器と、該光検出
器からの出力信号に応じて、開口部の大きさを変更する
よう絞り機構を制御する手段とを有する。又光検出器は
、複数個の２次光源からの各光束を受光するよう配置せ
しめられている。

（ト）開口部は、パルス光を透過せしめる部材、例えば
穴、又はパルス光を反射せしめる部材より成っている。

（実施例）第１図は本発明の一実施例である投影露光装置を示して
いる。

図中１は、パルス発光する光源で、ＫｒＦエキシマレー
ザ−より成る。２及び３は集光レンズ系である。集光レ
ンズ系２と３は互いに組み合わさって、光源１からのパ
ルスレーザ−光（パルス光）を照明ユニット４に導くリ
レー系の役割を果たしている。１１か本発明の特徴であ
る絞り機構で、光源１の直後に配置され、光源１からの
ほぼ平行なパルス光を集光せしめる集光レンズ系２の後
側焦点面にその開口が位置するように配置されている。

絞り機構１１の作用については、後述する。

照明ユニット４は、光源ｌからのパルス光を回路パター
ン（フォトパターン）が形成されているマスク面６に導
く作用をするものである。照明ユニット４の中にはオプ
ティカルインテグレーター４ａやコンデンサ４ｂが含ま
れている。５は照明ユニット４とマスク面６の間に設け
たハーフミラ−で、照明ユニット４からの一部の光を振
幅分割し、取り出して検出手段９に導き、検出手段９の
光検出器でパルス光の光量のモニターを行う為に配置し
である。照明ユニット４からの光の大部分はハーフミラ
−５て反射されてマスクステージ６０に支持されたマス
クのマスク面６を照明し、その結果、マスク面上の回路
パターンの像が縮小投影レンズ系７により、可動ウェハ
ステージ８０上に載置されたウェハ８上に投影され、ウ
ニ八８が露光される。

オプティカルインテグレーター４ａは、図示する通り、
バーレンズをコンデンサーレンズ４ｂの光軸と直交する
方向に沿って２次元的に配列したバーレンズの集合体で
構成されている。又、集光レンズ系３はその前側焦点位
置と絞り機構１１の開口とが一致するように配置してあ
り、開口から射出するパルス光は、集光レンズ系３によ
りほぼ平行な光に変換されて、オプティカルインテグレ
ーター４ａの光入射面へ指向される。オプティカルイン
テグレーター４ａは、パルス光で、複数個の２次光源を
形成する。

この複数個の２次光源からの光束は、コンデンサーレン
ズ４ｂの作用で、マスク面６上て互いに重ね合せられる
ので、マスク面６が、これらの光束で多方向から照明さ
れる。

本実施例で光源１として使用するにｒＦエキシマレーザ
−は、比較的空間的コヒーレンスが低い、即ち横モード
数が多いままバンド巾を狭帯域化されたコヒーレントな
光が使用される。このような場合、光源１は、通常、全
角で１〜数ｍｒａｄ程度のビーム広がり角を持フており
、しかも光［１の射出口近傍の光軸に直交する断面内に
おいては、どの部分（点）をとフでもパルス光の角度分
布はほぼ一定である。

本実施例は、ＫｒＦレーザーのこのような性質を利用し
た即ち、第１図に示すように集光レンズ系２の後側焦点
面に、パルス光の一部を遮光する、遮光部材と開口部を
備えた絞り機構１１を配置した場合を考える。絞り機構
１１によるパルス光の一部の遮光の結果、照明ユニット
４に入射するパルス光の光量（強度）は小さくなるが、
光源１の射出口近傍でのパルス光の角度分布の一様性よ
り、光源１の射出口とほぼ共役な関係にある位置での光
束の強度分布形状はほとんど変化を受けない。そこで、
本実施例ではリレー系（２，３）により光源１の射出口
とオプティカルインテグレーター４ｂの光入射面とを互
いに共役にしている。

第２図は、本実施例におけるパルス光の伝播状態を詳細
に図示したものである。

説明を分かりやすくするため、パルス光の広がり角は実
際より拡大して示されている。ここて、第２図（Ａ）は
集光レンズ２系の後側焦点面にある開口を開放にした場
合、第２図（Ｂ）は、この開口を絞り、パルス光の一部
を遮光した場合を示している。図に示したように、光源
１の射出口なＡ、絞り機構１１の開口の平面をＢ、オプ
ティカルインテグレーター４ａの光入射面をＣ、オプテ
ィカルインテグレーター４８の焦点面、即ち複数個の２
次光源Ｓが形成される平面をＤ、マスク面をＥとし、各
面における光強度分布を考える。

第３図（＾）　、　（Ｂ）は、それぞれ第２図（Ａ）　
、　（Ｂ）に示す各面Ａ−Ｅにおけるパルス光の強度分
布を示したものである。ここで平面りの位置では各バー
レンズによりパルス光か集光され、２次光源を分布せし
めるので、この平面が本露光装置の有効光源面となる。

特に、エキシマレーザ−のように指向性の強いパルス光
を発する光源を用いると、有効光源は、第３図（Ａ）　
、　（Ｂ）に示されるようにとびとびの離散性の強い光
強度分布をもつことになる。平面りにおける光強度分布
の鋭い３つのピークは、それぞれ、オプティカルインテ
グレーター４８を構成する、図示しである３つのバーレ
ンズによって形成された２次光源に対応している。オプ
ティカルインテグレーター４ａで平面りに作られる有効
光源の各２次光源の強度分布は、第３図（Ａ）に示す場
合、即ち、絞り機構１１の開口を開放にした場合でも、
パルス光の数ｍｒａｄの角度分布に対応して、あまり大
きな広がりを持たない。

第３図（Ｂ）のように絞り機構１１の開口を絞ることに
よりパルス光の一部を遮光した場合も、パルス光の角度
分布が、開放のときに比べて小さくなるので個々の２次
光源の強度分布については広がりが小さくなるものの、
有効光源全体の強度分布の様子は第３図（Ａ）と大きな
違いはない。

従って、本露光装置の有効光源はオプティカルインテグ
レーター４ａ全体の大きさによって決定される。

第３図（Ａ）　、　（Ｂ）中に示した平面りの位置での
巾Δｄがそれに当たる。巾Δｄの値はレーザーの角度分
布を拡大して描いであることを考慮しても分かるように
第３図（Ａ）と（Ｂ）で殆ど変わらない。従って、絞り
機構１１の開口の大きさの変化は有効光源の大きさに対
して殆ど影響を与えないことが分かる。

一方、平面Ｃの位置での光強度分布は第３図（Ａ）と第
３図（Ｂ）で、高さが異なっている。

これは遮光部材１１によって、通過するパルス光の光強
度（光量）が変化していることを示している。

又、集光レンズ系２は、焦点距離が長いほど、集光点の
ある絞り機構１１の開口の位置でのスポットサイズか大
きくなり、光量制御が容易となる。従って、集光レンズ
系２の焦点距離は、露光装置が大きくなりすぎない範囲
で、大きくすることが好ましい。

この結果、本発明の第１実施例のように、パルス光の一
部を絞り機構１１で遮光することにより、有効光源の大
きさやマスク面上での照度分布などの露光装置の光学性
能を劣化させることなく、１パルス当たりの露光量を小
さくすることができる。このため、従来のパルス露光の
際、問題となったような量子化に伴なう誤差が低減され
、精度のよい露光量制御が可能となる。

第４図は第１図に示した絞り機構１１の一例を示す概略
図である。図中、２２はパルス光を遮光する部分、２１
はパルス光を通過せしめるピンホール部分（空気層）で
ある。絞り機構１１は点２０を回転中心として不図示の
モーターによって回転できるように不図示の支持部材で
支持され円板を備えており、回転させたときに互いに径
が異なる各ピンホール２１の中心付近を光学系の光軸２
６が通るように配置される。

第５図及び第６図は、それぞれ、第４図の絞り機構１１
における最も大きなピンホールＰ１と最も小さなピンホ
ールＰ２を用いた場合の、パルス光の所定平面における
断面光の強度分布を示す。

Ａ、Ｂ、Ｃの符号は第１図、第２図及び第３図に示した
各平面を示す符号である。

第５図が第３図（Ａ）、第６図が第３図（Ｂ）に相当し
、夫々絞り機構１１をパルス光が殆ど通過する場合と、
−都道光され角度分布が制限される場合を各々示してい
る。平面Ｃの位置で強度分布の高さが異なるのは、遮光
による光強度の減少を意味している。

第５図及び第６図が示す光強度分布の意味については、
既に第３図の説明で述べた通りで、このようにピンホー
ルのアパーチャ径を変えても平面Ｃの位置での相対的な
強度分布は変わらないため、照明ユニット４に入射する
パルス光の径を変えずにパルス光の光量を変えることが
できる。

第１図の露光装置での露光量制御は、検出手段９の光検
出器からの出力信号により、あと１パルス露光すると予
め決めた露光量を越えてしまうときに、制御手段１０を
用いてその１パルスのみ絞り機構１１の開口の径を変え
て、この露光量になるようにパルス光の光量を調整した
り、複数のパルス光に対して開口の径を変えて全体とし
ての露光量か予め決めた露光量の許容範囲内になるよう
に各パルス光の光量を調整する方法等を挙げることかで
きる。

第４図の絞り機構１１を例に取ると、先ず露光の初期状
態では絞り機構１１はピンホールＰ１の中心を光軸が通
る位置に円板を静止させておき、パルス光の光量調整が
必要になった時点で、円板を回転させて必要などンホー
ルに切り替えて露光を行うという方法が考えられる。

又、別の方法として円板を回転させた時の各どンホール
の切り換え周期と光源１の発光周期が同期するようにし
て、パルス光の光量を調整してもよい。光１ｉ１の発振
周波数を１００Ｈ２とすれば、円板は、第４図のように
各どンホールな対称に配置した場合、５０ｒｐｓで回転
させればよい。従フて、初期露光の段階では光源１がパ
ルス光を発した瞬間に、光軸２６にどンホールＰ１の中
心が来るようにして露光を行ないつつ、パルス光の光量
調整が必要になった時、光源１の発振周波数を変え、必
要な径をもつピンホールの中心が光軸２６上にきた瞬間
に光源１を発振させることによって、照度のよい露光量
制御を行うことができる。

第４図の、絞り機構１１の円板のピンホールＰ１は、露
光時間を短くする関係から、全パルス光が通るのに十分
な径を持っていればよい。その他のピンホールＰ２．Ｐ
３・・・・の径は、ピンホールが位置する平面Ｂの部分
でのパルス光の径の例えば１０％、２０％、４０％、６
０％、８０％透過する径を設けて、それにあったピンホ
ールを作るのが一つの方法である。

又、適当な径のピンホールを作り実験的に透過率を求め
、その値に応してピンホールを選択しても良い。

第７図、第８図及び第９図は、各々第１図に示す絞り機
構１１の他の実施例を示す概略図である。

第７図は、第４図の場合と同様、円板に開口部を形成し
た場合の一例である。第７図の例では第４図のように離
散的に多数個のどンホールを設けるのと異なり、円板の
径方向の幅が徐々に変化する連続的な開口部を設けるこ
とによって通過光量の制御を行う。絞り機構１１を通過
させるパルス光の光量はスリット状の開口部２７と、こ
の開口部２７の所定位置に入射するパルス光の大きさに
よって決められるので、任意の透過率を得ることができ
るという特徴を持っている。

第８図は単一のどンホールの径の大きさが可変な絞り機
構の一例である。この例では開口部２８はカメラのシャ
ッタの絞り羽根のように構成されており、不図示のアク
チュエータで絞り量か調整される。従フてこれまでの実
施例のように、絞り機構１１の円板自体を回転すること
無しに、露光量を調整することかできる。開口部２８の
大きさの制御法によっては、ピンホールの径を連続的に
調整することも可能であり、第７図の機構と同様の効果
を実現することも可能である。

第９図はナイフェツジ２９を用いて遮光を行う絞り機構
の例である。パルス光の光量は、ナイフェツジを光路中
に挿入する量を不図示のアクチュエーターにより調整す
ることがてきる。この場合にも露光量を連続的に変化さ
せることか可能である。

本発明の別の応用としては、絞り機構１１の機能を最初
から利用し、これまでの例のように露光の途中に光量を
制御する代わりに、予め絞り機構の開口径やナイフェツ
ジの挿入量を定め、常に一定の強度のパルス光を複数個
用いて露光するようにすることも可能である。特に照度
ムラや有効光源の面から多くのパルスが必要とされる場
合がある。このような時に、！パルス光たりの光量を小
さくし、１０パルスで露光量が十分なものを故意に例え
ば１００パルスで露光するように制御することも、本発
明を応用すれば容易に実現することかできる。パルス光
の光量制御は前述のように検圧手段９と制御手段１０を
用いて行なえる。又、本発明はエキシマレーザ−のよう
なパルス発光する光源たけてなく、連続波を発する光源
からの光をシャッター等で断続的に遮光して形成したパ
ルス光を用いるときにも適用される。

又、上記実施例では投影レンズ系によりフォトパターン
の像をウェハ上に投影する露光装置を示しているが、投
影ミラー系でフォトパターンの像をウェハ上に投影する
タイプ、プロキシミティ方式やコンタクト方式の露光装
置にも、本発明は適用される。又光源としてレーザーを
使用する場合、マスクやウェハ上でスペックルパターン
などの干渉パターンか生じ、均一な露光を妨害してしま
う。この時にはこれらの干渉パターンの発生を抑制する
光学ユニットを、第１図に示す集光レンズ系３とオプテ
ィカルインテグレーター４ａの間に設けるといい。この
光学ユニットは、絞り機構１１の開口部を通過したパル
スレーザ−光を、複数個の光束に、波面分割又は振幅分
割する分割器を備え、更にこれらの複数個の光束に互い
にパルスレーザ−光の可干渉距離以上の光路長差を与え
た後に、これらの複数個の光束をオプティカルインテグ
レーターの光入射面に向けるよう配列される。オプティ
カルインテグレーターは、そこに入射した光を波面分割
して、互いにほぼインコヒーレントな複数のコヒーレン
トな２次光源を形成することになる。

更に、この光学ユニットとしては、絞り機構１１の開口
からのパルスレーザ−光のオプティカルインテグレータ
ーへの入射角を変化せしめる光学スキャナ（例えばガル
バノミラ−や回転プリズム）が適用される。

又、オプティカルインテグレーターとしては、バーレン
ズの集合体の他に光フアイバー束等も使用できる。

（発明の効果）以上、本発明では、従来の装置では達成できなかフた高
精度な、露光量制御と露光を行うことができる露光装置
を達成することができる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の一実施例を示す概略図、第２図は第１
図の光学系中のパルス光の光路図であり、第２図（Ａ）
は遮光板が開放の場合、第２図（Ｂ）は遮光板によって
光束が一部遮光される場合、第３図は第２図に対応する
各部分での光量分布を示す図であり、第３図（Ａ）は第
２図（Ａ）に対応する光量分布、第３図（Ｂ）は第２図
（Ｂ）に対応する光量分布、第４図は絞り機構の一実施
例、第５図は第４図の回転遮光板のピンホールＰ１に対
応する各部の光量分布、第６図は第４図の回転遮光板の
どンホールＰ２に対応する各部の光量分布、第７図は絞
り機構の第２実施例、第８図は絞り機構の第３実施例、
第９図は絞り機構の第４実施例である。図中、１はレーザー等の光源、２は集光レンズ系、３は
リレーレンズ系、４は照明光学系、５はハーフミラ−６
はマスク、７は縮小投影レンズ、８はウェハ、９は光量
検出器、１ｏはピンホール制御装置、１１は遮光板、１
２は光源からの光束、２０は回転遮光板の回転中心、２
１はピンホール、２２は遮光板の遮光部、２６は光学系
の光軸、２７．２８は回転遮光板の透過部、２９はエツ
ジ遮光板である。第図第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光源と、該光源からのパルス光をオプティカルイ
ンテグレーターに指向するリレー光学系と、該オプティ
カルインテグレーターにより形成した複数個の２次光源
からの光束を、フォトパターン上で互いに重ね合せて該
フォトパターンを照明する集光光学系と、該フォトパタ
ーンからの光で露光される被露光基板を載置するステー
ジと、該リレー光学系を伝播するパルス光の一部を遮光
することにより該パルス光の光量を調整せしめる絞り機
構とを有する露光装置において、前記リレー光学系が、
その焦点位置に前記パルス光を集光せしめる集光手段を
有し、前記絞り機構の開口部を該焦点位置近傍に設定し
たことを特徴とする露光装置。
（２）前記集光手段はレンズ系より成ることを特徴とす
る請求項１記載の露光装置。
（３）前記光源はパルス発光するレーザーより成ること
を特徴とする請求項１記載の露光装置。
（４）前記レーザーは多数の横モードを備えたエキシマ
レーザーより成ることを特徴とする請求項３記載の露光
装置。
（５）前記オプティカルインテグレーターは、前記集光
光学系の光軸とほぼ直交する方向に沿ってバーレンズを
複数個配列したバーレンズの集合体より成ることを特徴
とする請求項１記載の露光装置。
（６）前記オプティカルインテグレーターは光ファイバ
ーを束ねたファイバー束より成ることを特徴とする請求
項１記載の露光装置。
（７）前記集光光学系により照明された前記フォトパタ
ーンの像を前記被露光基板上に投影する投影光学系を備
えることを特徴とする請求項１記載の露光装置。
（８）前記投影光学系はレンズ系より成ることを特徴と
する請求項７記載の露光装置。
（９）前記投影光学系はミラー系より成ることを特徴と
する請求項７記載の露光装置。
（１０）前記リレー光学系は、前記レーザーの光射出口
と前記オプティカルインテグレーターの光入射面とを互
いに共役にするよう配列されていることを特徴とする請
求項２記載の露光装置。
（１１）前記リレー光学系は、前記絞り機構の開口部を
通過したパルス光を複数の光束に分割して、該複数の光
束間に該パルス光の可干渉距離以上の光路長差を与えた
後、該複数の光束を前記オプティカルインテグレーター
に照射する照射手段を有することを特徴とする請求項１
０記載の露光装置。
（１２）前記照射手段は、前記複数の光束を生じせしめ
るべく前記パルス光の波面を分割する分割器を備えるこ
とを特徴とする請求項１１記載の露光装置。
（１３）前記照射手段は、前記複数の光束を生じせしめ
るべく前記パルス光を振幅分割する分割器を備えること
を特徴とする請求項１１記載の露光装置。
（１４）前記パルス光の強度を検出する光検出器と、該
光検出器からの出力信号に応じて、前記開口部の大きさ
を変更するよう前記絞り機構を制御する手段とを有する
ことを特徴とする請求項１記載の露光装置。
（１５）前記光検出器は、前記複数個の２次光源からの
各光束を受光するよう配置せしめられていることを特徴
とする請求項１４記載の露光装置。
（１６）前記開口部は、前記パルス光を透過せしめる部
材より成ることを特徴とする請求項１記載の露光装置。
（１７）前記開口部は穴であることを特徴とする請求項
１記載の露光装置。
（１８）前記開口部は、前記パルス光を反射せしめる部
材より成ることを特徴とする請求項１記載の露光装置。
（１９）前記リレー光学系とオプティカルインテグレー
ターは、前記焦点位置と前記複数個の２次光源が分布す
る平面とが互いに共役になるよう配列されていることを
特徴とする請求項１記載の露光装置。
（２０）前記光源は連続波を発するレーザーと、該連続
波を断続的に遮光して前記パルス光を生じせしめる手段
とを備えることを特徴とする請求項１記載の露光装置。