JPS58147708A - 照明用光学装置 - Google Patents

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】 本発明は対象物を均一に照明するための照明用光学装置
に関し、特に１Ｃ等の半導体装置を製造する露光装置に
適した照明用光学系に関する。

従来、この種の露光装置に使われている照明光学系とし
て、例えば第１図に示すようなものがあった。第１図（
ａ）は回路パターンを描−したフォトマスク、あるいは
レティクルの像全ウェハ上に縮小して焼付ける稍小投影
式露光装置の光学配置ｔｔ示す図である。このような光
学系は例えば特開昭５６−８１８１３号に開示されてい
るので、以Ｆ簡単に説明する。

第１図（ａ）において、発光ｇ１の簡輝度発光部゛°１
集光用′°楕円ｉ′−２１７）第１Ｘ焦点０近傍に配置
される。これにより、高輝度発光部１ａの光源像Ｐはほ
ぼ点光源として楕円ミラー２の第２焦点近傍に結はれる
。レンズろは、その前側焦点の位置が光源像Ｐの位置と
一蚊するように配置され、光源像Ｐからの発散光を平行
光束にする。この平行光束中にオプティカル・インテグ
レータ４が配置され、入射した平行光束を多数の光束に
分離する。これにより、オノティヵルインテグレータ４
の射出面側には複数の２次元原像が形成される。そして
レンズ５及び大口径集光レンズ６との合成光学系の後側
焦点位１１に対象物としてのレティクルＲを配置する。

このレンズ５、大口径集光レンズ６により、複数の２次
光源像から発し九光がレティクルＲ上で全て重ね合わさ
れる。投影レンズ７は、レティクルＲとウェハＷとの１
４に、光学的な共役状態で配置され、レティクルＲ上の
明暗の回路パターンをウェハＷ上に縮小投影する。尚、
大口径集光レンズ７に、第１テイカル・インテグレータ
４の後面と投影レンズ７の一面７ａとが共役になるよう
に、すなわち第１テイカル・インテグレータ４の射出面
が臆面＾に結像するように配置されている。

このような光学系において、レティクルＲ上、やウェハ
Ｗ上で照明光の強度分布を均一にするー働きについて、
さらに第１図（鴫を参照して説明する。第１図（切は、
第１図＜ａ）の光学系において、元軸と垂直な各面の元
！ｉ！Ｉｉ＆分布を模式的に表わした図である。

ここで、第１図（ａ）に小すようにｄｉｉＡは楕円ミラ
ー２の開口面を、百Ｂは光源像Ｐができる面（楕円ミラ
ー２の第２焦点面）を、ＩｆｉＣは、オプティカル・イ
ンテグレータ４の入射面を、面Ｄｉオノテイカル・イン
テグレータ４の射出面ｔ％曲Ｅはレテ１クル只のパター
ン面を、而Ｆｔよ投影レンズ７の１１１面７ａ　ｔ”　
、そして向ＧはウェハＷのワエハ面全夫々表わすものと
丁り。

第１図（Ｄ）に２いて、楕円ミラー２の中心ｉｌｓは発
光管１の皮めに穴６！！になっているので、面Ａでは元
軸ｔの近傍が弱く、周辺部が強い輪帯状の光強変分４ａ
となる。面Ｂでに楕円ミラー２によって−ｙｅｓｓｐが
できるので、光軸を上に鋭いピークｔ−伴った強度分４
ｂとなる。面Ｃでは、面Ａでの光強度分布＃１とではな
いが、同様に光軸を近傍のｆｔ、ｍ度が低い輪帯状の光
強度分布０となる。

またオプティカル・インテグレータ４の各エレメントレ
ンズの後端には、ｍｌＢの縮小像ができる。従って、向
０での光強度分布に各エレメントレンズの光強度ｔ−掛
は合わせ友ものとして、面りでの光強度分布ｄは輪帯状
になっている。

セして面Ｅには、レンズ５、大口径集光レンズ６の働き
によってオプティカル・インテグレータ４の各エレメン
トレンズからの光が全て３１１１される。このため向Ｅ
での光強度分布ｅ昧はぼ平担なものとなる。ま皮、面Ｇ
は投影レンズ７にメ４して面Ｅと共役でめるから、Ｉｆ
ｉＧＶｃｉ？いても光強度分布ｇは平担なものとなる。

ところが、面Ｆ（瞳面７ａ　）は大口径集光レンズ６に
対して１ｔｉＤと共役であるから、１ｆｉＦの光強度分
布ｆ　ｄ。

光強度分布ｄとほぼ相似なものとなる。

このように、家来の光学系においては、投影レンズ７の
焦点位置、すなわち面Ｅと向Ｇ上ではフラットな光強度
分布が得られるものの、それ以外の面、特に瞳面７色上
ではオプティカル・ィンテグレータ４の射出光の不均一
性（楕円ミラー２による輪帯状の分布）がそのまま現わ
れてしまう。このため投影レンズ７の解像力の低下及び
焦点深度の減少等を引き起すという欠点が生じていた。

そこで本発明は上述の欠点を解決して、照明対象物上で
均一な光強度分布を得るばかりでなく、対象物に達する
光路中においても光強度分布を均一にした照明用光学装
置？得ることを目的とする。

この目的を達成するために、本発明においては、高輝度
発光管等からの元ｔ′１１４円ミラーで収死して点光源
を得て、この点）を啄と照明対象物との間に４ｉ数のオ
プティカル・１ンテグレータ１に設ける。この際、鍛も
点光源側のオプティカル・インテグレータは点光源から
の光を入射して２次光源像を作るとともに、相前後する
２つ光を入射して２次光源像を作るように構成する。

仄に本発明の実施例ｔ−１２図に基づいて説明する。

第２図（ａ）は第１図で示した従来の投影式露光装置の
光学系に、本発明を適用した光学的な配置図である。第
２図（ａ）で第１図（ａ）と同じ機能を有する部材には
、同一の部番を付しておる。尚、ここでオプティカル・
インテグレータの一例としては、第６図、第４図に示す
ように、四角柱、あるいは六角柱の光学ガラス材１（１
０，１０１の両端面１００ａ　、　　１００ｂ及び１０
１ａ　、　１０１１）　＠凸レンズに７Ｊｉｌ工したも
のを１つのエレメントレンズとし−（、コのエレメント
・レンズをはちの巣状に多数束ねたものでおる。ま九は
、第５図に示すように、平根状のガラス材１０２の片肉
にブレス加工により多数の小レンズ１０２ａを形成した
フラづアイ（ハエの眼）レンズを、所定間隔で２枚配置
し几ものである。また、照明すべき帆域が短形の場合は
、その形に合わせて、′４３図のような四角柱のエレメ
ントレンズにするとよい。

さて、第２図（ａ）の説明に戻って、ここでは第１図（
ａ）に示した第１テイカル・インテグレータ４（第１の
オプティカル・インテグレータ）の１つのエレメントレ
ンズの光入射側を前側レンズｄａ、射出側を後側レンズ
ｈｏとする。ここで、オプティカル・インテグレータ４
と大口径集光レンズ６との間には、インノットレンズ１
０、後側オプティカル・インテグレータとしての第２の
オプティカル・インテグレータ１１、及びアウトプット
レンズ１２が配置される。尚、第２のオプティカル・イ
ンテグレータ１１において、１つのエレメントレンズの
光入射側を前−レンズ１１ａ。

射出９ＩＩｌｔ後側レンズ１１ｂとする。そこで、前側
の第１テイカル・インテグレータ４と第２のオプティカ
ル・インテグレータ１１との配置について述べる。

オグテイカルインテグレータ４の前側レンズ鉢と後側レ
ンズ４ｂとはほぼ等しい屈折力を有し、両者の間隔は前
側レンズ４ａの後側焦点距離に等しく、かつ後−レンズ
４ｂの前側焦点距離にも等しくなるように定められてい
る。従って、前側し／ズ４ａけ光源１欲Ｐを対向し九後
側レンズ４ｂの射出面（面りと同一）に結像する働きを
有する。

尚、レンズ６は後側レンズ４ｂに出来る光源像Ｐの像を
後側レンズ４ｂの中心に結ばせる働＠【する。さらに後
側レンズ４ｂは、前側レンズ４ａを第２のオプティカル
・インケグレータ１１０入射面に＃儂する慟さを有する
。すなわち第２のオプティカル・イ／テグレータ１１の
入射面を面Ｈとすると、面Ｈとｌ１１ｉ０とが共役にな
るよりに定められている。このとき、レンズ５はその後
側焦点が第２のオプティカル・インテグレータ１１のＺ
Ｈに位置するようなパワーを備えでいる。従って、第２
のオプティカル・インテグレータ１１は第１図（ａ）に
おいて、レディノルＲの位置に面Ｈがくるように配置し
たのと同一でめる。

さて、第２のオプティカル・インテグレータ１１の前側
レンズ１１＆はオプティカル・インテグレータ４の而り
を後側レンズ１１ｋｌの射出面に結像する。この射出面
は第２図（ａ）に示す如く而■とする。促つＣ面りと面
工とは共役になるように定められている。またインノッ
トレンズ１０は、百■に結ばれた第１テイカル・インテ
グレータ４のＤ面の像を後側レンズ１ｏｂの光軸と対象
にする作用を有する。さらに後側レンズ１１ｋｌは、こ
れに対向する前側レンズ１１ａの入射面（面Ｈと同一）
が、アウトプットレンズ１２ト大ロ径集光レンズ３を介
してレティクルＲに結像するようにパワー、曲軍半掻等
が定められる。

この時、アウトグツトレンズ１２及び大口性集光レンズ
６の合成光学系の後側焦点位置とレテタ１１から発し１
１多数の光束はレティクルＲ上で全て１ｊＬｔ２ｔＡわ
せられる。同、アウト１ツトレンズ１２の＠キｔま大口
径集光レンズ６の口径を小さくするとともに、大口僅渠
光レンズ６からレティクルＲまでの距離を短かくしてい
る仁とである。大口径集光レンズ６は、第２のオプテイ
カル・インテグレータ１１の面■を投影レンズ７のｌ＋
蝋肉面７ａ結像させるよう配置される。投影レンズ７は
レティクルＲの回路パ（−ンをウェハＷ上に結像する。

さて、以上のように２つの第１テイカル・１ンテグレー
タを直列に配置する際、光源像Ｐがらの光束を効率よく
照明対象物としてのレティクルＲＫ照射するためＫｄ、
以下の条件を満足するように各インテグレータの形状及
び配置を定めるとよい。

第１テイカル・インテグレータ４の全体の口嵯をＲ工、
第２のオグテ１カル・インテグレータティカル・インテ
グレータ１１のエレメントレンズの口径をｄ、とすれは
、面Ｃと面Ｈとが共役で４１に＠レンズ４ｂの結１戚倍
率βよがβ、−Ｒ２Ａ□を満芝１らに％各オプティカル
・インテグレータを同一形状のエレメントレンズで構成
し几場合には、β□・β２−１を満すように２つのオプ
テイカル・インテグレータを配置する。

次に、第２図（ａ）の各面における光強度分布を第２図
（Ｄ）に基づいて説明する。

第２図（ａ）における而Ａから面りまでの各光強度分布
ａ−は、第１図（”）で説明したのと同一である。さて
、７ｇ２のオフ”ティカル・インテグレータ１１の面Ｈ
には、オプテイカル・インテグレータ直の面りにできる
多数の２次元源傷が全て重ね合わされるから、向Ｈの光
強度分布りは平担なものとなる。そして光学的に後側に
位置し次第２のオフ゛ティカル・インテグレータ１１の
各エレメントレンズの射出面（ｍＩと同一）には、第１
テイカル・インテグレータ４の面りの縮小１象が結像さ
れる。すなわち重工には２次光源の２次元源像かできる
。従って重工にはその縮小傷がエレメントレンズの畝だ
けでき、面Ｉの光強度分布１は細い強度ｉがあるものの
全体的にフ、ラントな特性となり、而りの光強度分布ｄ
のように輪帯状にはならない。そして、レティクルＲ上
の光強度分布ｅは、第２のオグテイカルインテグレータ
１１の各エレメントレンズがらの射出光が全て重畳され
るから７ラツトな特性になる。このため、重工と共役な
投影レンズ７の瞳面７ａ　（面Ｆ　）ｒｌ、、光強度分
布１と相似的な光強度分布ｆ°となる。もちろん、面Ｇ
の光強度分布ｇは光強度分布ｅと相似的になるから、フ
ラットな特性になる。

次に、上述のようにオプテイカル・インテグＶ−夕を２
段に′ＩＬねることによって、被照明物上の光強度の一
様性が極めて改善されることについて簡単Ｋｌ！！明す
る。第１テイカル・インテグレータの餉きは、・その前
面に入射した不均一な光束をエレメントレンズの数だけ
細分し、オプテイカル・インテグレータの直後に、多数
の２次元源を作り、それらの２次光源による光束を被照
射面で、重ね合わせるものである。この時、２久光源の
配光特性は、元の光源の配光特性ｔ−細かく分割したも
のとなろ。そして、その分割したものそれｆれが比較的
均一で、しかもお互いの不均一性を打ち消すように重ね
合わされるから被照射面の強度分布は一様となる−０こ
の時、元の光源の配光特性が同じならば、被照射面の一
様性は２次光源の数に比例して良くなる。上記実瘤例の
光４糸で、第１のオプティカル・インテグレータ４のエ
レメントレンズの数ヲｎ□、第２のオプティカル・イン
ーテグ４レータ１１のエレメントレンズの数Ｉｎ２とす
ると、楕円ミラー２の第２焦点面での光源像Ｐが第１の
第１テイカル・インテグＶ−夕４の囲りにｎよ個でき、
第２のオプティカル・インテグレータ１１の面１には面
りが１１．ｉｖＡ投影されるので、結局囲工には光源像
Ｐが２次光源像としてｎよ×ｎ２個だけできる。

このようにオプティカル・インテグレータを直列に配置
することによって、（３）■にでさる光源１ｍ！？の２
次光源像の数が増大し、ＩＩ［１１全体として光強度分
布は一様になる。こｉｔは１つのオプティカル・づンテ
グレータで、ｎｌｘｎ２１１ｍのエレメントレンズを設
けたものと同等の一様性を実現することに他ならない。

また、上記の説明で６オグテイカル・イ／テグンータの
射出面にでさる２次光源像は、かならずしもエレメント
レンズの表面上にできる必！！はなく、その表面上の傷
やゴミの影響を考慮して、その表面から離れた位置に形
成するようにしてもよい。

以上のように本実施例によればレティクルＲ上やウェハ
Ｗ上のみを均一に照明するばかりでなく、投影レンズ７
の射出面７ａの光強度分布をも一様にしているη為ら、
投影儂の解像力が向上し、投影レンズ７の焦点深度が深
くなるという効果がめる。

次に本発明による他の実施例を第５図に眉づいて説明す
る。第５図はコンタクトま九はブロギシミテイ方式の露
光光学系を示す配慮図でめるＯ 第５図にふ・いて、発光管１、楕円ミラー２、レンズ３
、オプティカル・インテグレータ４、レンズ５．１／プ
ツトレンズ１０、第２のオプティカル・インテグレータ
１１及びアウト１ツトレンズ１２までの構成は第２図（
ａ）と同一である。このような露光装置では、マスクＭ
とウエノ１Ｗに対して平行光束を照射しなければならな
いので、コンデンサレンズ１３によって、第２のオプテ
ィカル・インテグレータ１１の射出面、すなわち面Ｉに
できる多数の２久元源像から生じる光束を平行にする。

この場合、第２の第１テイカル・インテグレータ１１の
各エレメントレンズの前側レンズ１１ａの入射面（面）
ｌと同一）はマスクＭ及びウェハＷ上に全て重ね合わせ
るように照明される。このためマスクＭ上には極めて均
一な平行光束が照射される。

このように、この実施例では第２のオプティカル・イン
テグレーメ１１の射出面で光強度分布が均一であるから
、マスク材１ウニＩ−ＷＩＩ−一様に照明すると共に、
照明の角ｌ［特性をも均一にすることができる。このｒ
ｔめフレネル回折によるリンギングを除去することや、
ボケ像を滑らかにすることができるという効果かめる。

以、ヒ、本発明の実施例ｔ　ａｔ明したが、その他の実
施例として、オプティカル・１ンテグレータを５つ以上
配ＩＩすることもできる。この際、照明対象物上に効率
より照明光を導くためには、上述の実施例のように、前
側のオプティカル・インテグレータとｔ！に１１ｉｉの
オプテイカル・インテグレータとは、それぞれの入射面
同志が共役になるとともに射出面同志が共役になるよう
に配置され、結像倍率も前述のように定められる。

以上のように本発明によれば、点光源と被照明物との間
に配置１ｊされた複数σ）オプティカル・１ンテグレー
タのうち、相前後する２つＶノオグテ１カル・イ／テグ
レータの間で、後側σ）オプティカル・インテグＶ−メ
の射出面には均一な光強度分布が得られる。しかもその
複数σ）オプティカル・インテグレータは極めて単Ｒな
共役関係で配置される力・ら、無理な収差か発生しない
という効果がり心。ま几、ｌｌａσ〕オグテイカル・イ
ンテグレータｔｉ列に配置することによって、鍾終的に
得られる２次元源１象の数は、各オプティカル・インテ
グレータσ）エレメントレンズの数の積によって定まる
。こｃ／）ため、ｊプテイカル・インテグレータσノエ
レメントレンズの形状や寸法を大きくすることができる
力・ら、加工が容易になるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の照明光学系の配置を示す図、第２図は本
発明の実施例による照明用光学装置の配置図、第６図は
第１テイカル・づンテグレータの℃レメントレンズを示
す斜視図、集４図はフライアイレンズを示す斜視図、ｓ
５図は本発明の他の実施例による照明用光学装置の配置
図でりる。 し工費部分の符号の説明〕 亀・・・発光管 ２・・・楕円ミラー ４・・・第１のオグテイカル・インテグレーメ１１・・
・第２のオグテイカル・インテグレータ出願人　日本九
字工業株式会社 代理人　渡　辺　隆　男

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　ある光源からの光を入射して２次光源像を作る第１
   テイカル・インチクレータを、点光涼と被照明物との間
   に複数配列し、該複数のオフティカル・インチクレータ
   のうち最前側に位置した第１テ１カル・インチクレータ
   は前記点光源からの光を入射して２次光源像を作る如く
   配置するとともに、光学的に相前後する２つのオフティ
   カル・インチクレータの１−では、後側のオフティカル
   ・インチクレータが前１＠＾第１テイカル・インチクレ
   ータのり ２次光源像からの光を入射して２次光源像を作る如く配
   置したことｔ″４Ｇ徴とする照明用光学装置。 ２　前記複数の第１テ１カル・インチクレータのうち、
   相前後する２つの第１テイカル・インチクレータは前記
   前側及び後側のオフティカル・インチクレータの入射面
   同志、及び射出面同志が共に光学的に共役となる如く構
   成した仁とを特徴とする特許請求の範１１１鶴１項記載
   の照明用光学装置。 ６　特奸請求範ｌ第２項記載の照明用光学装置において
   、前側のすブチ１カル・インチクレータの口径ｔＲ□、
   咳前側のオフティカル・インチクレータの１つのエレメ
   ントレンズの口径Ｉａよ、後側のオフティカル・インチ
   クレータのロ径ｖｔＲ，ｓ誼＊＠の第１テイカル・１ン
   テグレータの１つのエレメントレンズの口径をｄ２とし
   たとＳ％該ｍ’ｖａのオフティカル・１ンテグレータの
   入射向と咳４１ｋＩＩＩのオフティカル・インチクレー
   タの入射面との結像倍率がＲ，／ｄ□に、かつ該前側の
   第１テ１カル・づンテグレータの射出面とｉ＊後側のオ
   フティカル・インチクレータの射出面との結像倍率が％
   Ａ□に略等しくなるように定めたことを特徴とする照明
   用光学！！！置。