JPH11282172A - 照明光学装置及び露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】微細な回路パターンの露光にも適応可能な高度
な照度分布均一性を実現する照明光学装置及び露光装置
を提供する。 【解決手段】レチクル（１０）を均一に照明する照明光
学装置において、光源（１）と多光源形成光学系（６）
との間に配置された光学素子を第１群の光学素子とし、
多光源形成光学系（６）と被照射面（１０ａ）との間に
配置された光学素子を第２群の光学素子としたとき、少
なくともいずれか一方の群の光学素子は、少なくとも有
効光束内で光軸（ａ）に関して軸対称な光学的性質を有
し、且つ光軸（ａ）に対して軸対称に配置され、前記光
源は２２０ｎｍ以下の波長を持つ光を供給したことを特
徴とする照明光学装置、及びかかる照明光学装置を照明
光学系として用いた露光装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フォトリソグラフ
ィ工程を用いて半導体素子や液晶ディスプレイ等を製造
するための照明光学装置及び露光装置に関し、特に高度
な照度均一性が要求される照明光学装置及び露光装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子や液晶ディスプレイ等の製造
は、レチクルやマスクなどの投影原版（本明細書におい
て「レチクル」と総称する。）上に形成された回路パタ
ーンを照明光学系で照明し、この回路パターンを投影光
学系でフォトレジストなどの感光剤を塗布したウエハや
ガラスプレートなどの感光性基板（本明細書において
「感光性基板」と総称する。）に結像転写することによ
って行なわれているが、近年、回路パターンの微細化に
対応すべく、感光性基板上へ照射される光の照度均一性
の要求はますます高度なものとなっている。

【０００３】従来の露光装置の断面図を図５に示す。図
５において、水銀ランプからなる光源２１から放出され
た光束は、回転楕円面からなる楕円鏡２２によって第１
折り曲げミラー２３を介して焦点Ｆに集光される。焦点
Ｆから発散した光束は、コリメートレンズ２４でほぼ平
行な光束に変換され、波長選択フィルタ２５によって水
銀の輝線４３６ｎｍ（ｇ線）、３６５ｎｍ（ｉ線）等の
波長が選択される。その際の照明光は高い照度を有し、
且つフォトレジストの感光特性に合致した波長特性を有
する光が供給される。

【０００４】波長選択フィルタ２５を透過した光束は、
多数のレンズ要素からなるフライアイレンズで形成され
たオプチカルインテグレータ２６に入射し、その射出面
２６ａ近傍に多数の２次光源像を形成する。２次光源像
から発散する光束は、オプチカルインテグレータ射出面
２６ａ近傍に配置された照明開口絞り２７により光束径
が制限された後、第２折り曲げミラー２８を挟んで配置
されたコンデンサーレンズ２９により集光されて、回路
パターンが描画されたレチクル３０を重畳的に均一照明
する。照明光によって均一照明されたレチクル３０上の
回路パターンは、投影光学系３１によって感光性基板３
２上に投影露光される。このように従来の露光装置にお
いては、露光装置の小型化のために第１折り曲げミラー
２３及び第２折り曲げミラー２８を用いて光軸を折り曲
げ、全体をコンパクトに構成していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、装置を
小型化するために用いられる第１折り曲げミラー２３及
び第２折り曲げミラー２８の反射率は一般に角度特性を
有する。すなわち、均一な照度分布を有する光線がミラ
ー面に入射しても、入射角が異なれば光線のミラー面で
の反射率も異なる。そのため、ミラー面から反射された
光線の照度分布はもはや均一性が失われ、レチクル３０
面における照度均一性を保つことが困難である。このよ
うな照度不均一性に対しては、従来はコリメートレンズ
２４を光軸ａに対して直交する面内で平行移動させてオ
プチカルインテグレータ２６に入射する光束の光量分布
を調整し、照度均一性の最適化を行っていた。しかし、
第１折り曲げミラー２３及び第２折り曲げミラー２８の
角度特性に起因する光軸非対称な照度分布は、コリメー
トレンズ２４の平行移動によっても完全に除去できず、
照度むらが残存するという不都合があった。特に近年の
回路パターンの微細化の流れの中では、従来は許容され
てきた照度むらも無視できない量になっている。

【０００６】さらに、複数の照明開口絞りを配置して選
択的に使用する露光装置においては、各照明開口絞り毎
に折り曲げミラーに入射する光束の入射位置及び入射角
度が異なるため、反射率の角度特性の影響を受けて、照
度分布の非対称成分が各照明開口絞り毎に異なって生じ
ていた。そのため、単一のコリメートレンズを平行移動
させるだけでは光軸非対称な照度むらを補正することは
不可能であった。

【０００７】また、図５に示す光源２１、楕円鏡２２、
及びコリメートレンズ２４を取り除き、光源としてパル
ス発光型のレーザ光源を用いて、そのレーザ光源からの
レーザ光を折り曲げミラー２３を介して波長選択フィル
ター２５へ導く構成が考えられる。この場合、レーザ光
源の発光時間が短く、単位時間当たりのエネルギー量が
大きいため、第１折り曲げミラー（誘電体ミラー）２３
及び第２折り曲げミラー（誘電体ミラー）２８にそれぞ
れ蒸着される誘電体膜が、耐久性の点で問題となる。さ
らに、レーザ光の偏光を考慮すると、Ｓ偏光に比べてＰ
偏光に関して特に耐久性の点で問題となる。従って、第
１折り曲げミラー２３及び第２折り曲げミラー２８の光
学特性の劣化に伴い被露光面での照度が低下した場合に
は、２つの折り曲げミラー（２３、２８）自体を交換せ
ざるを得ないという問題がある。

【０００８】特に問題となるのが、光源から供給される
波長が２２０ｎｍ以下の波長では、折り曲げミラー（２
３、２８）等の誘電体ミラーに蒸着すべき薄膜物質が制
限され、さらには、高反射率を得ることが難しいばかり
か角度特性の補正が非常に困難となる致命的な問題があ
る。そこで本発明は、微細な回路パターンの露光にも適
応可能な高度な照度分布均一性を実現する照明光学装置
及び露光装置を提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、光源（１）からの光束に基づき複数の光源
を形成する多光源形成光学系（６）と、光源（１）から
の光束を多光源形成光学系（６）へ導く送光光学系（１
７ａ、１７ｂ）と、多光源形成光学系（６）により形成
された複数の光源からの光束を集光して、被照射面（１
０ａ）を照明する集光光学系（９）とを有する照明光学
装置において、光源（１）と多光源形成光学系（６）と
の間に配置された光学素子を第１群の光学素子とし、多
光源形成光学系（６）と被照射面（１０ａ）との間に配
置された光学素子を第２群の光学素子とするとき、少な
くともいずれか一方の群の光学素子は、少なくとも有効
光束内で光軸（ａ）に関して軸対称な光学特性を有し、
且つ光軸（ａ）に対して軸対称に配置され、前記光源
（１）は、２２０ｎｍ以下の波長を持つ光を供給するこ
とを特徴とする照明光学装置である。

【００１０】本発明はまた、所定のパターンが形成され
たレチクル（１２）を照明する照明光学系と、レチクル
（１２）のパターンを感光性基板（１２）に投影する投
影光学系（１１）とを備えた露光装置において、照明光
学系は、２２０ｎｍ以下の波長を持つ光を供給する光源
（１）と、光源（１）からの光束に基づき複数の光源を
形成する多光源形成光学系（６）と、光源（１）からの
光束を多光源形成光学系（６）へ導く送光光学系（１７
ａ、１７ｂ）と、多光源形成光学系（６）により形成さ
れた複数の光源からの光束を集光して、被照射面（１０
ａ）を照明する集光光学系（９）とを有し、光源（１）
と多光源形成光学系（６）との間に配置された光学素子
を第１群の光学素子とし、多光源形成光学系（６）と被
照射面（１０ａ）との間に配置された光学素子を第２群
の光学素子とするとき、少なくともいずれか一方の群の
光学素子は、少なくとも有効光束内で光軸（ａ）に関し
て軸対称な光学特性を有し、且つ光軸（ａ）に対して軸
対称に配置されたことを特徴とする露光装置である。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の第１実施例に係る露光装
置について説明する。本実施例の露光装置の断面図を図
１に示す。図１において、例えば、１９３ｎｍの波長を
持つ光をパルス発光するＡｒＦエキシマレーザ等の光源
から放出された光束（レーザ光）は、リレー光学系（送
光光学系）を構成する２つのリレーレンズ（１７ａ、１
７ｂ）を介してオプチカルインテグレータ６に入射し、
その射出面６ａ近傍に多数の２次光源像を形成する。

【００１２】オプチカルインテグレータ射出面６ａ近傍
には、複数種類の照明開口絞りが配置された照明開口絞
り板７が設置されている。照明開口絞り板７の一実施例
を図２に示す。図２において、照明開口絞り板７上には
ほぼ等角度間隔で、通常の円形開口よりなる開口絞り８
Ａ、小さな円形開口よりなりコヒーレンスファクタであ
るσ値を小さくするための開口絞り８Ｂ、輪帯照明用の
輪帯状の開口絞り８Ｃ、及び変形光源法用に複数の開口
を偏心させて配置してなる変形開口絞り８Ｄが配置され
ている。その照明開口絞り板７を回転させることによ
り、４個の開口絞りのうちの所望の開口絞りを選択でき
る。図１では通常の開口絞り８Ａを選択した場合を示し
ている。なお、照明開口絞り板７の回転角は、回転軸７
ａに接続された駆動モータよりなる照明開口絞り駆動機
構７ｂを介して、不図示の主制御系によって制御され
る。

【００１３】照明光はオプチカルインテグレータ６から
射出された後、照明開口絞り板７から選択された開口絞
り８Ａ〜８Ｄを通過して光束径が制限された後、コンデ
ンサーレンズ９により集光され、回路パターンが描画さ
れたレチクル１０の表面１０ａを重畳的に均一照明す
る。照明光によって均一照明されたレチクル表面１０ａ
上の回路パターンは、投影光学系１１によって感光性基
板１２上に投影露光される。

【００１４】本実施例では、露光装置を構成する各光学
要素は、光源１とオプチカルインテグレータ６との間に
配置された光学素子を第１群の光学素子とし、オプチカ
ルインテグレータ６とレチクル１０との間に配置された
光学素子を第２群の光学素子とするとき、第１群の光学
素子及び第２群の光学素子の双方は、少なくとも有効光
束内においては光軸ａに関して軸対称な光学特性を有
し、且つ光軸ａに対して軸対称に配置されている。ここ
で、有効光束とは、実際に像形成に関与する光束をい
う。また光学特性とは、反射率、透過率等の光学上の物
理的性質をいう。これによって従来の折り曲げミラーを
用いた場合のように、反射率の角度特性に起因した光軸
ａに関する回転非対称な照度不均一成分は発生しない。
このためレチクル１０を照明する照明光は、照明開口絞
り板７上の４つの開口絞り８Ａ〜８Ｄのいずれを選択し
ても高度な照度分布均一性を達成できるので、超微細な
回路パターンが形成されたレチクル１０であっても常に
十分に均一な照明を行うことができ、感光性基板１２上
に対しても均一な露光を行うことが可能となる。

【００１５】なお、露光装置を構成する光学要素のうち
オプチカルインテグレータ６は、照明効率が最も高くな
るように、オプチカルインテグレータ６を構成するレン
ズエレメントの断面形状をレチクル１０上の照明領域と
相似形状に形成する必要があり、またオプチカルインテ
グレータ６は多数の２次光源像を重畳的に形成するので
照度分布は平均化され、オプチカルインテグレータ６の
形状の非対称性が照度分布の不均一化をもたらすことは
ないことから、光軸ａに関して軸対称な光学特性を有
し、且つ光軸ａに対して軸対称に配置する光学素子から
は除かれる。

【００１６】また本実施例では、コンデンサーレンズ９
の上部に折り曲げミラーを配置していないことから、ミ
ラー面の曇り等に起因するランダムな照度分布の不均一
も発生するおそれがないという利点もある。さらには、
本実施例では、１９３ｎｍ（２２０ｎｍ以下）の波長を
持つパルス状のレーザ光を用いているが、折り曲げミラ
ーにて高反射率かつ良好なる角度特性が得られない等の
問題や折り曲げミラーでの耐久性等の問題を何ら生じる
ことはない。さらに、本実施例の露光装置では直線的に
長い装置構成となるが、光軸ａが重力方向と一致するよ
うに構成することで光学素子を水平に配置できるので、
光学素子に対する重力の影響に偏りが生じるのを防止す
ることができ、安定した光軸対称配置が可能である。ま
た装置の設置面積を小さくできる利点もある。

【００１７】また、本実施例では第１群の光学素子及び
第２群の光学素子の双方について、光軸ａに関し光学的
性質が軸対称となるように形成し、且つ軸対称に配置し
ているが、光束の通過位置及び射出角度が変化するオプ
チカルインテグレータ６を通過した後に配置された第２
群の光学素子についてのみ適用してもよい。またオプチ
カルインテグレータ６に入射する光束の照度均一性を維
持するため、光源１とオプチカルインテグレータ６との
間に配置された第１群の光学素子についてのみ適用して
もよい。

【００１８】本発明の第２実施例に係る露光装置の断面
図を図３に示す。装置のコンパクト化のために折り曲げ
た構成が必要となる場合には、本実施例のように、例え
ば光ファイバー１４のような光学素子を用い、光軸ａを
折り曲げた構成とすることが可能である。光ファイバー
１４は光ファイバー１４内を光線が通過する際に照度均
一性を高める効果を有するため、光ファイバー１４を用
いることによって照度均一性を一層向上させることがで
きる。なお本実施例では装置のコンパクト化のために光
軸ａを折り曲げた構成としたが、光ファイバー１４を直
線的に用いる構成とすることも可能である。

【００１９】本発明の第３実施例に係る露光装置の断面
図を図４に示す。本実施例は、照明領域を決定する視野
絞り１５をレチクル表面１０ａと共役に配置し、視野絞
り１５の像をレチクル表面１０ａ上の回路パターン上に
結像させる結像光学系１６とを配置した露光装置に本発
明を適用したものである。視野絞り１５の開口部を変化
させると視野絞り１５を通過する光束の通過位置及び射
出角度も対応して変化するが、光軸ａに関する回転非対
称な照度不均一成分を発生させる光学素子は配置されて
いないので、視野絞り１５の開口部を変化させても均一
な照度分布を得ることが可能である。

【００２０】以上の各実施例では、光源１として、１９
３ｎｍの波長を持つ光をパルス発光するＡｒＦエキシマ
レーザを用いた例を示したが、これに限ることなく、例
えば、１５７ｎｍの波長を持つ光を供給するＦ₂レー
ザ、あるいは所定の波長の光を供給するレーザと非線型
光学素子とを用いて２２０ｎｍ以下の波長を持つ高調波
を出力するものを光源として利用することができる。さ
らには、Ｘ線レーザ等を用いることも可能である。特
に、２００ｎｍの波長を持つ光を供給する光源を用いた
場合には、照明光学系を構成する光学部材として蛍石等
を用いることが望ましい。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、２２０ｎｍ以下の光源
を用い、さらにオプチカルインテグレータを除き、照明
光学系を構成する光学要素を光軸に関し光学的性質が軸
対称となるように形成し、且つ軸対称に配置すること
で、照度分布の非対称成分が極めて低減され、超微細な
回路パターンを良好に照明することが可能となり、超微
細な回路パターン像を感光性基板上で極めて均一に露光
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る露光装置の断面図で
ある。

【図２】照明開口絞りの平面図である。

【図３】本発明の第２実施例に係る露光装置の断面図で
ある。

【図４】本発明の第３実施例に係る露光装置の断面図で
ある。

【図５】従来の露光装置の断面図である。

【符号の説明】

１…光源 ６…オプチカルイン
テグレータ ７…照明開口絞り板 ７ａ…照明開口絞り
回転軸 ７ｂ…照明開口絞り駆動機構 ８Ａ〜８Ｄ…開口絞
り ９…コンデンサーレンズ １０…レチクル １０ａ…レチクル表面 １１…投影光学系 １２…感光性基板 １４…ファイバー １５…視野絞り １６…視野絞り結像
光学系 １７ａ、１７ｂ…リレーレンズ ａ…光軸

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源からの光束に基づき複数の光源を形成
   する多光源形成光学系と、前記光源からの光束を前記多
   光源形成光学系へ導く送光光学系と、前記多光源形成光
   学系により形成された複数の光源からの光束を集光し
   て、被照射面を照明する集光光学系とを有する照明光学
   装置において、 前記光源と前記多光源形成光学系との間に配置された光
   学素子を第１群の光学素子とし、前記多光源形成光学系
   と前記被照射面との間に配置された光学素子を第２群の
   光学素子とするとき、少なくともいずれか一方の群の光
   学素子は、少なくとも有効光束内で光軸に関して軸対称
   な光学特性を有し、且つ光軸に対して軸対称に配置さ
   れ、前記光源は、２２０ｎｍ以下の波長を持つ光を供給
   することを特徴とする照明光学装置。
2. 【請求項２】前記集光光学系は、前記多光源形成光学系
   により形成された複数の光源からの光束を集光して前記
   被照射面と共役な面を照明するコンデンサー光学系と、
   前記共役な面からの光束を集光して前記被照射面を照明
   する結像光学系と、前記共役な面に配置された視野絞り
   とを有することを特徴とする請求項１記載の照明光学装
   置。
3. 【請求項３】前記多光源形成光学系の前記被照射面側近
   傍に照明開口絞りが配置され、該照明開口絞りは複数個
   の照明開口絞りから選択可能に構成された請求項１又は
   ２記載の照明光学装置。
4. 【請求項４】前記送光光学系は光ファイバを有する請求
   項１〜３のいずれか１項記載の照明光学装置。
5. 【請求項５】所定のパターンが形成されたレチクルを照
   明する照明光学系と、前記レチクルのパターンを感光性
   基板に投影する投影光学系とを備えた露光装置におい
   て、 前記照明光学系は、２２０ｎｍ以下の波長を持つ光を供
   給する光源と、該光源からの光束に基づき複数の光源を
   形成する多光源形成光学系と、前記光源からの光束を前
   記多光源形成光学系へ導く送光光学系と、前記多光源形
   成光学系により形成された複数の光源からの光束を集光
   して、被照射面を照明する集光光学系とを有し、 前記光源と前記多光源形成光学系との間に配置された光
   学素子を第１群の光学素子とし、前記多光源形成光学系
   と前記被照射面との間に配置された光学素子を第２群の
   光学素子とするとき、少なくともいずれか一方の群の光
   学素子は、少なくとも有効光束内で光軸に関して軸対称
   な光学特性を有し、且つ光軸に対して軸対称に配置され
   たことを特徴とする露光装置。
6. 【請求項６】前記集光光学系は、前記多光源形成光学系
   により形成された複数の光源からの光束を集光して前記
   被照射面と共役な面を照明するコンデンサー光学系と、
   前記共役な面からの光束を集光して前記被照射面を照明
   する結像光学系と、前記共役な面に配置された視野絞り
   とを有することを特徴とする請求項５記載の露光装置。