JPH0837139A

JPH0837139A - 露光照明装置

Info

Publication number: JPH0837139A
Application number: JP6169778A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Suganuma; 洋菅沼
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-07-21
Filing date: 1994-07-21
Publication date: 1996-02-06
Also published as: US5662410A

Abstract

(57)【要約】【構成】移動散乱媒体２はレーザ光源１から出射され
たレーザビームを散乱する。集光レンズ３は移動散乱媒
体２により散乱されたレーザビームを適当な径の光束に
集光する。重ね合わせ用プリズム４は集光レンズ３で集
光されたレーザビームをフライアイレンズ５の入射面に
所定長角の矩形として集める。フライアイレンズ５は重
ね合わせ用プリズム４とこの重ね合わせ用プリズム４を
介したレーザビームの強度分布を均一化する。コンデン
サーレンズ６はフライアイレンズ５を介することによっ
て強度分布の均一化が図られたレーザビームを露光パタ
ーンが形成されている露光用マスク７に露光照明光とし
て照射する。対物レンズ８は露光パターンに応じた透過
光をウェハ９上に結像する。【効果】小型で安価な光源を用いることができ、しか
も均一でむらが無く、スペックルも生じさせず、かつ高
い光源利用率を達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、露光光源からの出射光
を露光部に供給して被露光対象を照明する露光照明装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体や液晶のデバイス作成は、リソグ
ラフィー超微細加工により行われている。このリソグラ
フィー超微細加工を行うのがリソグラフィー装置であ
る。リソグラフィー装置は、その量産性と低コストの故
に広く用いられている。さらに、このリソグラフィー装
置は、デバイスの小型化、集積化への要望が高まるにつ
れて、増々必要とされるようになっている。

【０００３】このリソグラフィー装置において、加工対
象物に記録するパターンを照明するのが露光照明装置で
ある。この露光照明装置の光源としては、従来、波長３
６５ｎｍの水源ランプのｉ線が用いられてきた。

【０００４】リソグラフィー装置の加工限界は、露光照
明装置の光源から出射される光の波長に比例する。ま
た、この場合、焦点深度の確保が必要となってくる。

【０００５】いずれにしても、従来から、露光照明装置
の光源には、様々な条件が要求されてきた。例えば、露
光照明装置が使用する光源の出射光は、光学特性として
単色性に優れ、かつ可干渉性を持たない光であることが
求められてきた。また、この出射光が短波長の光である
と、高解像度の露光パターンにも対応した露光を行うこ
とができるので、上記出射光の短波長化が進められてき
ている。さらに、露光照明装置の高スループット化を達
成するために、光源は、高出力であることが要求され
る。

【０００６】これらの条件を満足する光源としては、例
えばエキシマレーザがある。このエキシマレーザは、単
色性及び指向性に優れていると共に、多モード発振のコ
ヒーレンシーの低いレーザ光を出射する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このエキシ
マレーザは、このレーザ発生装置自体が大型である。実
際にこのエキシマレーザを発生させるためには、冷却水
設備等の大きなスペースをとる設備が必要であったり、
毒性を持ったガス設備等の危険性の高い設備が必要であ
った。このため、設備、運用及び保守について高額のコ
ストが必要とされた。また、色収差を避けるため、エキ
シマレーザのスペクトル幅は狭帯化されているので、ス
ペックルが生じやすくなっている。また、エキシマレー
ザの空間的な強度分布は不均一であり、そのままでは露
光むらが生じてしまう。

【０００８】一方、その他の光源としては、例えば、Ｙ
ＡＧ、ＹＶＯ₄、Ｎｄ−ＧｌＡＳＳ等の高出力固体レー
ザや例えばアルゴンイオンレーザのような高出力ガスレ
ーザを非線形光学を用いた波長変換技術により、短波長
化した光源が考えられる。しかし、波長変換技術により
得た短波長化レーザ光は、これまでワット級の高出力が
得られ無かった。このため、このような光源を露光照明
装置に使うと露光時間が長くかかり、デバイスの大量生
産には向かないとされていた。

【０００９】さらに、これらの波長変換技術により短波
長化した光源は、円形ガウシアン分布をしているものが
多い。半導体露光装置の多くは位置合わせと露光を繰り
返す方式であり、そのためには照明領域は矩形であるこ
とが効率の点から望ましい。しかし、上記光源の強度分
布は、円形ガウシアンであり、単純にそのまま露光しよ
うとすれば、一部の光を蹴ることになり効率が悪かっ
た。

【００１０】例えば、従来エキシマレーザを用いた露光
照明装置の照明光学系においては、図１１に示すように
フライアイレンズ５５を用いて強度分布の均一化が図ら
れてきた。すなわち、この従来のエキシマレーザを用い
た露光照明装置は、エキシマレーザ５１と、ビームエキ
スパンダ５２と、ピエゾ付ミラー５３と、折り返しミラ
ー５４と、フライアイレンズ５５と、コンデンサーレン
ズ５６と、露光パターンが形成されている露光用マスク
５７と、露光パターンに応じた透過光をウェハ５９上に
結像する対物レンズ５８とを有してなり、エキシマレー
ザの空間的な強度分布の均一化が図られてきた。しか
し、このフライアイレンズ５５を用いた均一化は、エキ
シマレーザの矩形強度分布等の特性に適合するようにな
されたものであり、そのままガウシアン分布などの回転
対称性の高い強度分布を持つビームに適用しても、効果
が不十分であり、効率が悪かった。

【００１１】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、特に小型で安価な光源を用いることができ、し
かも均一でむらが無く、スペックルも生じさせず、かつ
高い光源利用率を達成できる露光照明装置の提供を目的
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る露光照明装
置は、光源からの出射光を露光部に導く照明光学系を有
する露光照明装置において、上記光源と上記露光部間の
光路中に配され、散乱状態が変化する移動散乱媒体と、
上記移動散乱媒体からの散乱光を集光する集光手段と、
上記集光手段で集光された光の強度分布を均一化する強
度分布均一化手段とを有することにより上記課題を解決
する。

【００１３】この場合、上記強度分布均一化手段は、上
記集光手段で集光された光の周辺部を屈折させる複数の
プリズムと、上記複数のプリズムにより屈折された光と
該複数のプリズムを透過した光とが入射面で重ね合わさ
れて入射するフライアイレンズとからなる。

【００１４】また、上記フライアイレンズは、同形のロ
ッドレンズを多数集積化してなる。

【００１５】

【作用】光源からの出射光は移動散乱媒体によって散乱
される。この散乱された光は、集光手段により集光され
る。よって、光の波面は、ランダムな散乱を受ける。こ
のランダムな散乱を受けた光は、光源から出射された時
点で高いコヒーレンスを有していても、スペックルを防
ぐことができる。また、強度分布均一化手段が、上記移
動散乱媒体からの散乱光を一旦集光した光の強度分布を
均一化する。このため、本発明の露光照明装置は、特に
小型で安価な光源を用いることができ、しかも均一でむ
らが無く、スペックルも生じさせず、かつ高い光源利用
率を達成できる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明に係る露光照明装置の実施例に
ついて、図面を参照しながら説明する。ここで、本発明
では、可干渉性の高い光源でも用いることができる構成
にしているので、多種多用なレーザを露光光源として使
用できる。特に、実施例では、光電変換効率が高く、狭
スペクトルで可干渉性の高いレーザ光源を露光光源とし
て用いている。

【００１７】本実施例の露光照明装置は、図１に示すよ
うに、光電変換効率が高く、狭スペクトルで可干渉性の
高いレーザ光源１と、レーザ光源１から出射されたレー
ザビームを散乱する移動散乱媒体２と、この移動散乱媒
体２により散乱されたレーザビームを適当な径の光束に
集光する集光レンズ３と、この集光レンズ３で集光され
たレーザビームを後述するフライアイレンズ５の入射面
に所定長角の矩形として集める重ね合わせ用プリズム４
と、この重ね合わせ用プリズム４を介したレーザビーム
の強度分布を均一化するフライアイレンズ５と、このフ
ライアイレンズ５を介することによって強度分布の均一
化が図られたレーザビームを露光パターンが形成されて
いる露光用マスク７に露光照明光として照射するコンデ
ンサーレンズ６と、露光用マスク７に形成されている露
光パターンに応じた透過光をウェハ９上に結像する対物
レンズ８とを有して構成されている。

【００１８】先ず、レーザ光源１を出射したレーザビー
ムは、移動散乱媒体２によって散乱される。散乱された
レーザビームは、集光レンズ３により適当な径の光束に
集光される。これによって、レーザビームの波面は、ラ
ンダムな散乱を受ける。したがって、このレーザビーム
を用いた光学系は、光源が高いコヒーレンスを有してい
ても、スペックルパターンの平均化作用を有し、露光な
どの時間的積分効果を持つ記録に対して、良好な結像が
可能になる。

【００１９】移動散乱媒体２は、具体的には磨りガラス
などの不均一性を持つ位相物体を図示しないモータから
の回転駆動力によって回転させるなどの手段により実現
可能である。散乱の効果は、透過光に対するものでも、
反射に対するものでも構わない。ビームの波面に対し
て、もしくはその偏光状態に対して、ランダムな散乱を
空間的に与える効果があればよい。

【００２０】また、レーザビームの出射径が細いもので
あっても、この移動散乱媒体２によって散乱を受けて、
適当な大きさに広がった後で集光してやれば、任意の径
のビームを作ることができる。そのため、従来はビーム
の径を広げるためにビームエキスパンダ光学系が必要で
あったが、この移動散乱媒体２と集光レンズ３により、
簡便な構成でその機能を兼ね備えることができる。

【００２１】また、この散乱の効果により、ビームの強
度分布の空間周波数成分がローパスフィルタリングされ
る。つまり、光源の不均一性を補正する効果がある。

【００２２】集光レンズ３で集光されたレーザビーム
は、ガウシアン分布など、中心が強く周辺部が弱い強度
分布をしている。しかも、光軸方向に垂直な面内で、回
転対称性が高い分布をとる。そこで、これを均一化する
必要が生じる。この均一性は、露光量に関わるので、高
い均一性が必要である。従来、エキシマレーザを用いた
露光照明装置では、フライアイレンズによりエキシマレ
ーザの矩形強度分布等の特性に適合するようにしていた
が、ガウシアン分布のように大域的に強度差を持つ分布
では、効果が不十分である。

【００２３】そこで、この実施例の露光照明装置は、重
ね合わせ用プリズム４とフライアイレンズ５とを用いて
ガウシアン分布のような大域的な強度分布に備えてい
る。先ず、重ね合わせ用プリズム４は、図２に示すよう
にレーザビーム１０の周辺部に配されたプリズム１１、
１２、１３及び１４よりなる。これによって、レーザビ
ーム１０の周辺部のビームだけが屈折される。この屈折
された周辺部のビームは、この重ね合わせ用プリズム４
による照明領域、すなわち、フライアイレンズ５の入射
面５ａで中心部の光と重ね合わされる。これをビームの
四方から行ってやれば、フライアイレンズ５の入射面５
ａで図３の（Ｃ）に実線で示すように矩形のビーム断面
が得られる。しかも、重ね合わせによる強度の平均化が
同時に行われる。この図３の（Ｃ）の破線は、ガウシア
ン分布を示す。また、図３の（Ａ）は入射光のガウシア
ン強度分布を示し、図３の（Ｂ）はプリズムへの入射位
置を示している。

【００２４】ここで、重ね合わせ用プリズム４のビーム
内側のエッジが中心強度の約半分（５０±５％以内）に
なるような位置にあれば、重ね合わせの効果が最大にな
る。

【００２５】次に、フライアイレンズ５は、図４に示す
ように、同形のロッドレンズを多数集積した形状であ
る。そのロッドレンズである各エレメンツの面形状がコ
ンデンサーレンズ６により拡大もしくは縮小され重ね合
わせられて照明領域を構成するので、各要素は矩形をし
ていることが望ましい。なぜなら、露光の単位照明領域
は、繰り返し露光やデバイス形状からの要請に応えるた
めには、矩形であることを求められることが多いからで
ある。それには、フライアイレンズ５に対する照明形状
も、矩形であることが理想である。

【００２６】この点で、上記重ね合わせ用プリズム４に
よるビームの矩形化が有効である。また、この重ね合わ
せ用プリズム４とフライアイレンズ５との構成によっ
て、光ビームの大部分が該フライアイレンズ５に入射す
るため、大変効率がよくなる。

【００２７】また、フライアイレンズ５の各入射面５
ａ、５ｂ、５ｃ・・は、露光用マスク７である被照明物
体と共役像の位置関係にある。すなわち、フライアイレ
ンズ５の各エレメンツの入射面の像が重ね合わされて、
露光用マスク７を照明する。また、フライアイレンズ５
とコンデンサーレンズ６を合わせた部分は、ほぼ両テレ
セントリックな光学系になっている。つまり、平行な入
射光を平行に射出する。

【００２８】図５は、重ね合わせ用プリズム４と、フラ
イアイレンズ５と、コンデンサーレンズ６と、露光用マ
スク７で構成される光学系の拡大図である。また、図６
及び７は、図５に破線で示したＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥの
位置におけるビーム状態を示す図である。

【００２９】すなわち、レーザビーム１０は、重ね合わ
せ用プリズム４に入射する前の破線Ａにおいて、図６の
（Ａ）に模式的に示すような状態で分布しているが、プ
リズム１１及び１２と、プリズム１３及び１４との間の
破線Ｂでは、図６の（Ｂ）に示すような状態で分布す
る。さらに、この重ね合わせ用プリズム４から出射され
たレーザビームは、破線Ｃの位置で図６の（Ｃ）に示す
ような状態で分布する。そして、上述したように、共役
像の位置関係にあるフライアイレンズ５の各入射面と、
露光用マスク７の位置（破線Ｄと破線Ｅ）では、図７に
示すように、フライアイレンズ５の各エレメンツの入射
面の像が重ね合わせられて、露光用マスク７を照明す
る。

【００３０】このため、この露光照明装置は、図８の
（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、±１％以内の強度分布
の均一性を照明領域全体にわたって達成することができ
る。ここで、図８は強度分布の均一化を示す図である。
この図８において、底面座標はビームの断面での位置で
あり、その強度分布を高さ方向に示す。特に、図８の
（Ａ）は入射光の強度分布を示し、図８の（Ｂ）及び図
８の（Ｃ）はフライアイレンズとプリズムによる均一化
後の照明領域の強度分布を示している。なお、図８の
（Ｂ）は、強度分布の表示範囲を９．７〜９．８５と
し、図８の（Ｃ）は強度分布の表示範囲を０〜１０とし
て示している。

【００３１】以上より、本実施例の露光装置は、移動散
乱媒体２、集光レンズ３、重ね合わせ用プリズム４及び
フライアイレンズ５とを用いることで、小型で安価な光
源を使用することができ、しかも、強度分布が均一でむ
らが無く、スペックルも生じさせず、かつ高い光源利用
率を達成することができる。

【００３２】なお、重ね合わせ用プリズム４とフライア
イレンズ５によって重ね合わされる各ビームが干渉する
と、スペックルが生じてしまい、結像性能に劣化をきた
すので、重ね合わされる各ビーム間の距離、すなわちフ
ライアイレンズの各エレメンツの大きさは、後述する具
体例で説明するように、空間的コヒーレンスが十分低く
なる程度に離れている必要がある。

【００３３】次に、上記実施例の露光照明装置の具体例
を説明する。

【００３４】この具体例は、図９に示すような構成とさ
れる。すなわち、レーザビームのビーム径が充分に細く
拡がり角が狭ければ不要だが、この設計例では平行光の
入射を想定して、集光レンズ２１を配している。この集
光レンズ２１によって、レーザビームは、移動拡散媒体
２２上に集められる。この移動拡散媒体２２からの散乱
光は、集光レンズ２３により集光され、径５０ｍｍのレ
ーザビームになる。このレーザビームは、プリズム２４
及び２５により、フライアイレンズ２６の入射面に２５
ｍｍ角の矩形として集められる。このプリズム２４及び
２５は、内部もガラスでできている。しかし、ここを透
過するレーザビームは、集光レンズ２３により平行光に
なっているので、上述した重ね合わせ用プリズム４の機
能と何ら変わることがない。

【００３５】フライアイレンズ２６は、ロッドレンズの
ようなエレメンツレンズを多数集積した形状である。こ
のエレメンツレンズの径の決定について以下に説明す
る。

【００３６】エレメント間に干渉性が残っていると、干
渉が生じてしまうので、各要素の間の距離は、十分離さ
なければならない。そこで、拡散板上の散乱粒子各点を
相関性を持たない光源と考える。顕微鏡観察をすると、
拡散板の各粒子の大きさは、数〜数十μｍのオーダーで
ある。１ｍｍのビームを焦点距離１３８ｍｍのレンズで
拡散板上に絞ると、４４μｍのスポットが得られる。焦
点深度がかなり深いので、拡散板のぶれは影響が少な
い。このスポットを半径ａの光源として、コリメートさ
れた光束の断面２点（ｘ，ｘ’）の間の複素コヒーレン
ス度μ（ｘ，ｘ’）は、次式で与えられる。

【００３７】

【数１】

【００３８】ここで、ζ₀は、照明の開口数である。

【００３９】この（ｘ，ｘ’）の２点間の距離と空間的
コヒーレンス度の関係を図１０に示す。この図１０から
も明かなように、空間的なコヒーレンス度は、２点間の
距離が４ｍｍの場合ほとんど零に収束するので、図８に
示した具体例では、フライアイレンズ２６のエレメンツ
レンズの径を４ｍｍと決定した。

【００４０】フライアイレンズ２６を介したレーザビー
ムは、コンデンサーレンズ２７に入射する。このコンデ
ンサーレンズ２７は、フライアイレンズ２６の４ｍｍ角
の各エレメンツ入射面を４倍に拡大して、レーザビーム
を露光用マスク２８に２４ｍｍ角の矩形として結像す
る。そして、露光用マスク２８に形成されている露光パ
ターンに応じた透過光は、図示しない対物レンズを介し
てウェハ上に結像される。ここで、プリズム２４及び２
５により屈折した光は、フライアイレンズ２６の内部で
蹴られることがないように配慮されている。

【００４１】以上より、この具体例も、移動散乱媒体２
２、集光レンズ２３、プリズム２４及び２５、フライア
イレンズ２６とを用いることで、小型で安価な光源を使
用することができ、しかも、強度分布が均一でむらが無
く、スペックルも生じさせず、かつ高い光源利用率を達
成することができる。

【００４２】なお、本発明に係る露光照明装置は、上記
実施例とその具体例にのみ限定されるものでないことは
いうまでもなく、例えば、結像光学系に照明光に対し入
射角依存性があれば、必要に応じて、被照明物体の近辺
にフィールドレンズを配し、その照明物体透過時の光軸
に対する角度を調整することもできる。

【００４３】

【発明の効果】本発明に係る露光照明装置は、光源から
の出射光を露光部に導く照明光学系を有する露光照明装
置において、上記光源と上記露光部間の光路中に配さ
れ、散乱状態が変化する移動散乱媒体と、上記移動散乱
媒体からの散乱光を集光する集光手段と、上記集光手段
で集光された光の強度分布を均一化する強度分布均一化
手段とを有するので、小型で安価な光源を用いることが
でき、しかも均一でむらが無く、スペックルも生じさせ
ず、かつ高い光源利用率を達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の露光照明装置の概略構成図で
ある。

【図２】図１に示した露光照明装置の重ね合わせ用プリ
ズムの構成図である。

【図３】レーザビームの強度分布の変化を示す図であ
る。

【図４】フライアイレンズの形状を示す図である。

【図５】重ね合わせ用プリズムと、フライアイレンズ
と、コンデンサーレンズと、露光用マスクで構成される
光学系の拡大図である。

【図６】重ね合わせ用プリズムとフライアイレンズを用
いた強度分布の均一化を説明するための図である。

【図７】重ね合わせ用プリズムとフライアイレンズを用
いた強度分布の均一化を説明するための図である。

【図８】強度分布の均一化を示す図である。

【図９】実施例の露光照明装置の具体例の概略構成図で
ある。

【図１０】２点間の距離に対する空間的コヒーレンス度
の変化を示す特性図である。

【図１１】従来のエキシマレーザを用いた露光照明装置
の概略構成図である。

【符号の説明】

１レーザ光源２移動散乱媒体３集光レンズ４重ね合わせ用プリズム５フライアイレンズ６コンデンサーレンズ７露光用マスク８対物レンズ９ウェハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０３Ｆ 7/20 ５２１

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの出射光を露光部に導く照明光
学系を有する露光照明装置において、上記光源と上記露光部間の光路中に配され、散乱状態が
変化する移動散乱媒体と、上記移動散乱媒体からの散乱光を集光する集光手段と、上記集光手段で集光された光の強度分布を均一化する強
度分布均一化手段とを有することを特徴とする露光照明
装置。
【請求項２】上記強度分布均一化手段は、上記集光手
段で集光された光の周辺部を屈折させる複数のプリズム
と、上記複数のプリズムにより屈折された光と該複数の
プリズムを透過した光が入射面で重ね合わされて入射す
るフライアイレンズとからなることを特徴とする請求項
１記載の露光照明装置。
【請求項３】上記フライアイレンズは、同形のロッド
レンズを多数集積化してなることを特徴とする請求項２
記載の露光照明装置。