JPH0831645B2

JPH0831645B2 - 照明装置

Info

Publication number: JPH0831645B2
Application number: JP63060299A
Authority: JP
Inventors: 裕市原
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1988-03-16
Filing date: 1988-03-16
Publication date: 1996-03-27
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH01235289A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、レーザを光源とした照明装置にかかるもの
であり、特に集積回路製造用露光装置等に好適な照明装
置に関するものである。

［従来の技術］従来、集積回路の製造に使用されている露光装置の光
源としては、主として超高圧水銀ランプが用いられてき
た。しかし、近年の集積回路の高集積化は著しく、従来
以上の線幅精度が要求されるに至っている。このため、
上述した超高圧水銀ランプに代って、エキシマレーザ等
の短波長高出力レーザが露光用光源として用いられ始め
ている。

ここで、エキシマレーザ光源は大別すると２つの種類
に分けられる。１つは安定共振器型と呼ばれるもので、
第４図に示すように誘導放出を起させる放電管12の両端
に２個の共振器用ミラー10,10′を配置して共振器を構
成している。この共振器用ミラー10,10′の間を光が往
復することにより、誘導放出された光の振幅が強められ
てレーザビームLBが出射されるが、この型のレーザ光源
から出射されたレーザビームの特徴は空間的及び時間的
コヒーレンスが低いことである。時間的コヒーレンスが
低いということは言いかえると、スペクトル半値幅が広
い（△λ0.4nm）ということであり、かかる光源を集
積回路製造用の露光装置等に用いるには、投影レンズに
おいて色消し（色収差補正）が必要となり、この波長領
域で実用的なレンズを作ることは困難である。

もう一つのタイプのレーザ光源は、インジェクション
ロック型と呼ばれるものであり、第５図のように発振器
と増幅器に分かれている。発振器において共振器用ミラ
ー10,10′が配置されている点は前述した安定共振型と
同様であるが、このタイプでは発振器内に所定の領域の
波長を選択するためのエタロン、回折格子等の波長選択
素子14が備えられているとともに、放電管12の両端にレ
ーザビームを所定の領域で遮断するアパーチャー16が配
置されており、発振されるレーザビームのスペクトルの
半値幅が狭く（△λ0.001nm）、即ち単色性が向上し
ている。さらに発振されたレーザビームはミラー20で曲
折されて増幅器に入射し、第２の放電管12′の両端に凸
状面と凹状面を向きあわせて配設された不安定共振器用
ミラー18,18′によって増幅されて出射される。この型
のレーザ光源から出射されるレーザビームの特徴の一つ
は、発振器において単色性が高められており時間的コヒ
ーレスが高く、投影レンズにおいて色消しの必要がない
ということである。このため、単一の硝材（石英）のみ
でレンズを作ることができ、設計、製造とも容易である
という利点がある。しかし、インジェクションロック型
レーザ光源のもう一つの特徴として、不安定共振器によ
って増幅されているために空間的コヒーレンスが高いと
いうことがあり、かかるレーザ光源を用いると露光領域
に干渉による斑点状の露光むら（以下スペックルとい
う）を生じてしまう。

このスペックルを除去するための方法として、先に提
案されたものとしては、照明系の光路中に回転ミラー等
を配設して、ビームを二次元的に走査することによっ
て、空間的コヒーレンスを落としてスペックルを低減す
る方法がある。（特開昭58−226317号に詳しい。）又、時間的にも空間的にもコヒーレンスが高いビーム
を出射するインジェクションロック型レーザを用いた場
合に発生するスペックルを、ビームを振動させることに
よって効果的に消失させるには、レーザの発光パルスに
同期して、かつ照明系においてビームの強度分布を均一
化するために配設される例えばフライアイレンズ等のレ
ンズ素子のレンズエレメントの配列に対応した回数だけ
二次元的にビームを振る必要があることが提案されてい
る。（特願昭61−306360号に詳しい。）ところで、上記のような方法によってスペックルを除
去するには、振動ミラー等によって二次元的に相当回数
ビームを振ることが必要であるため、適正露光量を短時
間に得ることが困難であり、適正露光量を確保するため
にはスループットを大幅に低下させなければならないと
いう欠点がある。

この欠点を解決するために開発された新しい型のレー
ザ光源として、第６図に示す様なものがある。この型の
レーザ光源は、前述した安定共振器型レーザ光源に例え
ばエタロン、プリズム、回折格子等の波長選択素子14を
配設してあり、出射されるレーザビームのスペクトル幅
を狭く（△λ0.003nm）している。かかるレーザ光源
から出射されるレーザビームの特徴は、波長選択素子14
を設けたことによって時間的コヒーレンスが向上してお
り、かつインジェクションロッキング型に比べて空間的
コヒーレンスが低いことである。

［発明が解決しようとする課題］上記のような、波長選択素子を備えた安定共振型レー
ザ光源は、単色性に優れて色収差補正の必要がなく、か
つ空間的コヒーレンスも低いことからスペックルの発生
がなく、集積回路製造用の露光装置等に用いるのに好適
であると考えられていた。しかし、実際には僅かではあ
るが、スペックル（干渉縞）が発生しており、増々高密
度化が進んでいる集積回路の微細パターンの形成の妨げ
となるという問題点を有している。

この発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、
スループットを落とすことなく、容易にスペックルを消
失させることができる照明装置を提供することを目的と
したものである。

［課題を解決するための手段］この発明においては、レーザ光源から出射された縦横
の長さの異なる断面形状のビームを、該ビームの断面に
おける強度分布をほぼ均一に整える強度分布均一化手段
を介して照明対象に照射する照明装置において、前記レ
ーザ光源が波長選択素子を備えた安定共振型レーザ光源
とし、かつ前記強度分布均一化手段の入射側又は出射側
の少なくとも一方に、ビーム断面の長手方向と交差する
方向にビームを一次元に偏向させる偏向手段を備えたこ
とによって、上記の課題を達成している。

［作用］この発明にかかる照明装置のレーザ光源は、波長選択
素子、即ち時間的コヒーレンスを高める手段を備えた安
定共振型レーザ光源であるので、色収差補正の必要がな
い。また、空間的コヒーレンスはインジェクションロッ
クレーザ型に比べて低くなっているため、かかるレーザ
光源から出射されたビームにより生じるスペックルのコ
ントラストは非常に低いものとなっている。

さらに、エキシマレーザ光源から出射されるビームの
断面形状は一般的に縦横比が1:2〜1:5の矩形をなしてお
り、空間的コヒーレンスは等方的ではなく、ビーム断面
の長手方向より短手方向において高くなっている。この
ため、スペックルはビーム断面の短手方向に発生しやす
く、本発明にかかるレーザ光源から出射されるビームに
生じるスペックルパターンは、コントラストの低い一次
元の正弦波状すなわち、格子状の干渉パターンとなって
おり、この格子のピッチ及び配列方向は、強度分布均一
化手段として照明系に配設されるフライアイレンズ等の
レンズエレメントの間隔及び配列方向に対応している。

ここで、スペックルの生じる原因とその消し方ににつ
いて考えてみる。第７図はレーザ光源からのビームLBを
一定の大きさに拡大するビームエクスパンダー（レンズ
100,102）と、強度分布均一化手段としてのフライアイ
レンズ103、コンデンサーレンズ104、及びレチクルＲの
配置を模式的に表わしたものである。第８図はフライア
イレンズ103の構造を示す斜視図であって、複数のエレ
メントレンズ103aがX,Y方向にピッチｄで配列されてい
る。レンズ102からの平行なビームはフライアイレンズ1
03のほぼ全面に入射し、射出側にはエレメントレンズ10
3aの数だけ２次光源（集光点）群P₁,P₂,P₃,P₄,…が形成
される。この２次光源群P₁,P₂,P₃,P₄,…の各々からの光
は、コンデンサーレンズ104によってレチクルＲ上で重
ね合わされ、照度の均一化が行なわれる。このとき、２
次光源群P₁,P₂,P₃,P₄,…の夫々からレチクルＲに進んだ
光は、同時にレチクルＲ上で互いに干渉し合うことにな
り、スペックル（干渉縞）を作る。ここで、レーザ発振
器で発振される元々のビームLBが十分に広い（空間的コ
ヒーレンスが低い）ものであれば、各２次光源群P₁,P₂,
P₃,P₄,…は互いにインコヒーレント（非可干渉性）とな
り、スペックルは生じない。逆に元々のビームLBが非常
に細いものであると、各２次光源群P₁,P₂,P₃,P₄,…は全
て互いに干渉し合い、レチクルＲ上ではコントラストの
高い複雑な干渉パターン（明暗縞）が生じる。また元々
のビームLBが、ある程度の大きさをもてば、各２次光源
群の干渉性は弱くなり、例えば２次光源群P₁,P₂,P₃,P₄,
…のうちピッチｄで並んだ隣同志のみが干渉し合い、そ
の結果スペックルはコントラストの低い正弦波状の強度
分布をもつ干渉パターンとなる。そこで、第８図に示し
た構造、及び配列のフライアイレンズ103に、各種の形
状のビームを通したときに生じるスペックル（干渉）パ
ターンについて、第９図を参照して説明する。

第９図（Ａ）は元々のビームLB₀の断面が縦横（X,Y）
とも極めて小さい場合であり、このようなビームのとき
はフライアイレンズ103のエレメントレンズ103aの配列
方向（X,Y）に対応して、レチクルＲ上では縦方向と横
方向に極めてコントラストの高い干渉縞FP₁が生じる。
この干渉縞FP₁は、フライアイレンズ103に入射するビー
ムを偏向しない限り、すなわち２次光源群P₁,P₂,P₃,P₄,
…を光軸と直交する面内で位置変化させない限り、レチ
クルＲ上では静止している。そこでエキシマレーザのよ
うにパルス発光するものにおいては、複数のパルス発光
の間に、２次光源群P₁,P₂,P₃,P₄,…をX,Y方向の２次元
に振動させることで、レチクルＲ上では各パルス発光毎
に干渉縞FP₁が全体的に位置変化し、所定の数のパルス
発光を終えた時点では、感光基板のレジストに露光させ
る干渉縞が平均化され、あたかも干渉縞が消されたかの
ようにレチクルパターンの転写が行なわれる。しかしな
がら第９図（Ａ）のようにビームLB₀の断面がX,Y方向に
極めて小さい場合、干渉縞FP₁のコントラストが高くな
るため、２次光源群P₁,P₂,P₃,P₄,…の振動幅を十分大き
く取り、なおかつ多数のパルス発光を行なう必要があ
る。

第９図（Ｂ）は元々のビームLB₀の断面が、フライア
イレンズ103に対してＹ方向に長い長方形（スリット
状）の場合を示し、レチクルＲ上ではＹ方向の明暗の縞
が伸びた縦縞の干渉縞FP₂が生じる。この干渉縞FP₂を消
去（レジスト上の積算による平滑化）するためにはビー
ムLB₀を横方向（Ｘ方向）に揺動させればよい。この場
合も干渉縞FP₂のコントラストは比較的強く生じるが、
一次元のビーム振動のみで良好にスペックル消去が行な
われる。

同様に、第９図（Ｃ）は横長のビームLB₀をフライア
イレンズ103に入射したときの干渉縞FP₃を表わし、レチ
クルＲ上では横縞となり、これを消去するためにはビー
ムLB₀をＹ方向に揺動させればよい。

第９図（Ｄ）は、元々長方形の断面で発振するビーム
LB₀をフライアイレンズ103に対して斜めに傾けた場合の
干渉縞FP₄を示し、例えばビームLB₀の長手方向をX,Y方
向に対して約45゜だけ傾けた様子を示す。この場合も干
渉縞PF₄は、エレメントレンズ103aの最も短いピッチｄ
によって決まる配列方向に沿って、X,Y方向の両方に縦
縞と横縞が同程度に生じるが、第９図（Ｂ），（Ｃ）よ
りはコントラストが低くなるといった利点がある。従っ
てスペックル消去のためには、第９図（Ｂ），（Ｃ）と
同様にビームLB₀を短手方向（長手方向と交差する方
向）に揺動させればよい。

第９図（Ｅ）は元々のビームLB₀は縦長ではあるが、
第９図（Ｂ）と比較すると縦横比が小さく、縦方向の寸
法がわずかに短い場合の干渉縞FP₅の様子を表わす。こ
のような場合、干渉縞FP₅は縦縞のみでなく、ごくわず
かにコントラストの低い横縞が重畳される。従ってビー
ムLB₀は真横（Ｘ方向）ではなく、真横から少し傾いた
斜め方向（図中右上がり、又は左上がりのいずれか一
方）に揺動させると、両方の縞を消すことができる。

尚、第９図（Ｂ），（Ｃ）の場合にもＸ又はＹ方向か
ら斜めに傾いた方向にビームLB₀を斜め（約45゜）に揺
動するだけでは、斜め方向のスペックルが残ってしま
う。

以上、第９図（Ａ）〜（Ｅ）のうち、第９図（Ｂ）〜
（Ｅ）のいずれもが本発明に対応するものであり、特に
フライアイレンズのエレメントレンズの配列方向との関
係を考慮すると、第９図（Ｄ）の配置が最もスペックル
の消去率が高く、揺動幅、発光パルス数を最小に押えら
れるといった効果がある。

このように本発明において除去しようとしているスペ
ックル（干渉縞）はコントラストの低い一次元（又は２
次元）のパターンであるので、フライアイレンズ等の強
度分布均一化手段の入射側又は出射側の何れか一方でビ
ームを一次元的に偏向することで容易にスペックルを消
失させる（すなわち複数のパルス光を積算することによ
る平均化を行なう）ことができる。

本発明においては、インジェクションロック型の光源
を用いた場合のように、ビームを二次元的に相当回数振
る必要がないため、スループットを低下させずに非常に
微細なパターンを形成することが可能である。

［実施例］第１図は集積回路製造用露光装置に本発明にかかる照
明装置を適用した実施例を示す斜視図である。１はエタ
ロン、回折格子もしくはプリズム等の波長選択素子（図
示せず）を備えた安定共振型のKrFエキシマレーザ光源
であり、出射されたビームの断面形状は、本実施例では
縦長の長方形となっている。このレーザビームは3,5,7,
9の紫外用反射ミラーによって曲折されて、シリンドリ
カルレンズ11に入射し、断面形状が長方形から正方形に
整形される。続いてビームは紫外用反射ミラー13によっ
て曲折されて、ビームエクスパンダー15に入り、所定の
ビーム径に拡大されて走査ミラー17に向けて出射され
る。

前述したように、ビームの空間的コヒーレンスはビー
ム断面の短手方向において相対的に高くなっていること
から、この実施例において走査ミラー17は、シリンドリ
カルレンズ11により整形される前のビーム断面の長手方
向、即ち縦方向に振動中心軸が一致するように配置さ
れ、ガルバノ、ピエゾあるいはねじれ振動子等の振動源
（偏向源）19に接続されている。

ここで、ビームが振動される方向は常にビームの短手
方向と完全に一致させておく必要はなく、本発明におけ
る振動方向は、ビームの長手方向と交差する方向のうち
適宜選択された一方向であればよい。即ち、走査ミラー
17の振動中心軸の方向は固定的に設定されたものではな
く、除去しようとするスペックルパターンの状態によっ
て、振動中心軸を45度程度までの間で適宜傾けることが
好ましい。

また、この実施例においてはビームを所定回数振動さ
せる構成をとっているが、本発明において除去しようと
しているスペックルはコントラストがもともと低いの
で、必ずしもビームを規則的に往復するように振動させ
る必要はない。即ち、１スキャンの間にウエハＷ上に形
成されたレジスト層（図示せず）の感度との兼合いで設
定される適正露光量を得るだけのパルスを打ち終るよう
な場合には、走査ミラー17を一方向に所定量揺動させた
だけでスペックルを消失できることも想定される。な
お、ビームの振動は、レーザビームの発振に同期させて
おこなうことが好ましく、本実施例においては、例えば
１スキャンで50パルス程度となるように条件設定すると
良い。

次に、走査ミラー17によって短手方向に振られたビー
ムは、後述するフライ・アイレンズ23に入射して強度分
布の均一化が図られた後、集光レンズ25よって集光さ
れ、紫外用反射ミラー27で曲折されてメイン・コンデン
サーレンズ29に入る。ビームはメイン・コンデンサーレ
ンズ29によって適度に集光され、レチクルＲを一様に照
射し、これにより該レチクルＲ上の回路パターンが、例
えば石英からなる投影レンズPLによってウエハＷ上に投
影露光される。

ここで、投影レンズPLは片側（ウェハ側）又は両側テ
レセントリックであり、フライ・アイレンズ23の出射面
（二次光源像）は、集光レンズ25、メイン・コンデンサ
ーレンズ29等によって瞳epとほぼ共役となっている。即
ち、瞳epには二次光源の点光源（ビームの収束点）がフ
ライ・アイレンズ23のレンズエレメント分だけ形成され
ることになる。

次に、走査ミラー17によって振動されたビームのフラ
イ・アイレンズ23におけるふるまいについて説明する。
この実施例において、ビームの強度分布均一化手段とし
て働くフライ・アイレンズ23は四角柱が多数結合されて
なり、各四角柱の両端面はそれぞれ凸球面に形成されて
おり、入射面側の凸面の焦点距離は、この四角柱の長
さ、即ちフライ・アイレンズの厚さにほぼ等しくなって
いる。

第２図はフライ・アイレンズ23におけるビームの光路
を示す光路図である。フライ・アイレンズ23の入射端に
は、ほぼ平行なビームが走査ミラー17によって入射角を
変えて照射される。第２図においては、簡単のためフラ
イ・アイレンズ23を構成するエレメントレンズのうち６
個を代表して示してあり、両端のエレメントレンズでは
ビームが光軸AXと平行に入射したときにできる二次光源
像P_aを表わし、図中右から２番目のエレメントレンズで
は、ビームが光軸AXから右に一定角度だけ傾いて入射し
たときの光束LB_bによってできる二次光源像P_bを表わ
し、図中左から２番目のエレメントレンズでは、ビーム
が光軸AXから左に一定角度だけ傾いて入射したときの光
束LB_cによってできる二次光源像P_cを表わしている。こ
れら点光源像P_a,P_b,P_cは平行光束がともにエレメントレ
ンズの出射端、あるいは射出端からわずかに外側の空間
で収束したものである。

なお、第２図では、説明のためLB_c,LB_bは１つのエレ
メントレンズに対してのみ入射しているように示してあ
るが、実際は全てのエレメントレンズに同じ条件で入射
していることは言うまでもない。

以上から明らかなように、走査ミラー17を振動させる
と、各エレメントレンズ出射端の点光源像はP_b→P_a→P_c
→P_a→P_bの順に一次元（第２図においてはＸ方向）に移
動することになる。

更に、第３図は投影レンズPLの瞳（出射瞳）epからウ
エハＷまでのレンズ系PL_aにおけるビームの光路図であ
る。第３図において光束LB_b,LB_cは第２図に対応し、点
光源像Ｐ′_a,P′_b,P′_ｃもそれぞれ第２図におけるP_a,P
_b,P_cに対応しており、l₁,l₂はＰ′_ａを通り光軸AXと平
行な主光線を表わしている。ここでも、走査ミラー17の
振動によって、点光源像はＰ′_ｂ→Ｐ′_ａ→Ｐ′_ｃ→
Ｐ′_ａ→Ｐ′_ｂの順に移動し、Ｐ′_ｃＰ′_ｂの移動に
よりウエハＷ面に達するビームは△θの範囲内で入射角
が微小変化する。これによりウエハＷ面におけるビーム
の空間的コヒーレンスは積算効果によって低下して、干
渉によるスペックル（干渉縞）が低減される。

ここで、スペックルの低減は、ビームのふれ角、即ち
前述したエレメントレンズの出射端の点光源像の移動量
とエレメントレンズの実効的な数（瞳epできる点光源像
の数）によって決るので、より効果的にスペックルを除
去するにはこれらを考慮した条件で走査ミラー17を振動
させることが望ましい。もちろん、レーザ光源１からの
ビームが連続発光の場合でも同様である。

なお、第３図では、簡単のためep面で２つの点光源像
のみしか示していないが、実際にはもっと多く、しかも
Ｐ′_ｃＰ′_ｂの移動量の瞳epの直径に対して図示した
よりもずっと小さいものとなっている。

尚、第１図に示したフライアイレンズ23の各エレメン
トレンズは、例えばX,Y方向にマトリックス状に配列さ
れたものであり、レーザ光源１から出射される長方形断
面のビームの長手方向は、エレメントレンズの一方向の
配列方向に一致しているが、この関係は第９図（Ｄ）に
も示したように任意のものでよい。

［発明の効果］以上のように本発明にかかる照明装置においては、波
長選択素子を備えた安定共振型レーザ光源を用いている
ので、時間的コヒーレンスは高いが、空間的コヒーレン
スは低いというビームが得られ、もともとのスペックル
のコントラストが低いことから、ビーム断面の長手方向
と交差する方向にビームを一次元に偏向させるだけで容
易にスペックルを消去して、極めて均一な露光を得こと
ができる。かかる照明装置においては、インジェクショ
ンロッキング型レーザ光源を用いた場合のようにビーム
を二次元にかつフライ・アイレンズを構成するエレメン
トレンズの配列に対応した相当な回数振動させる必要が
ないため、適正露光量を確保するためにスループットを
落とすこともない。

以上のように優れた効果を有した本発明による照明装
置は、増々高集積化が進む集積回路製造用の露光装置光
CVD装置又はアライメン観察装置等に極めて好適なもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す斜視図、第２図および第
３図は実施例におけるビームのふるまいを説明する光路
図、第４図は安定共振器型レーザ光源の模式図、第５図
はインジェクションロッキング型レーザ光源の模式図、
第６図は波長選択素子を備えた安定共振型レーザ光源の
模式図、第７図は本発明の原理を説明する模式的な光学
配置図、第８図はフライアイレンズの構造を示す斜視
図、第９図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）は
レチクル上のスペックルパターンの様子とレーザビーム
断面との関係を示す図である。［主要部の符号の説明］ 1:レーザ光源 11:シリンドリカルレンズ 15:ビームエクスパンダー 17:走査ミラー（偏向手段） 19:振動源 23,103:フライアイレンズ（強度分布均一化手段） 25:集光レンズ 29,104:メインコンデンサーレンズ PL:投影レンズ ep:投影レンズの瞳 LB:レーザビーム AX:光軸 R:レチクル W:ウエハ 10,10′：共振器用ミラー 12:放電管 14:波長選択素子 16:アパーチャー 18,18′：不安定共振器用ミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源から出射された縦横の長さの異
なる断面形状のビームを、該ビームの断面における強度
分布をほぼ均一に整える強度分布均一化手段を介して照
明対象に照射する照明装置において、前記レーザ光源が
波長選択素子を備えた安定共振型レーザ光源であり、か
つ前記強度分布均一化手段の入射側又は出射側の少なく
とも一方に、ビーム断面の長手方向と交差する方向にビ
ームを一次元に偏向させる偏向手段を備えたことを特徴
とする照明装置。