JPS59226317A - 照明装置 - 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、レーザー光のようなコヒーレント光により所
望のコヒーレンシイの照明を行ない得る照明装置に関す
る。

結像光学系においては、必要な解像力を得るため照明の
コヒーレンシイを適当な価にすることが必要であり、こ
のためにσ値（対物レンズのＮ、Ａ。

に対する照明系のＮ、　Ａ、の比）を制御することが知
られている。レーザー光のようなコヒーレントな光源を
照明光源とする場合には、光源をスポットに集光し、そ
れを結像光学系の瞳位置で適当な大きさだけ走査するこ
とによって、必要とするコヒーレンシイを得ることがで
きる。しかし、走査する面積が大きい場合には、走査す
るための光学系が大きくなり、また走査に要する時間が
長くなるという欠点がある。

本発明の目的は、コヒーレント光からインコヒーレント
照明を供給するための装置であって、コヒーレント光を
走査するための光学系が小型で走査に要する時間が短く
、高速走査が可能なインコヒーレント照明装置を提供す
ることにある。

本発明はレーザー光のようなコヒーレント光の光源と、
この光源からの光束を走査する手段と、走査される光束
から空間的に異なる位置に複数の光源像を形成し得る光
源像形成手段とを有し、走査手段と光源像形成手段とに
より、実質的に拡大されたインコヒーレント光源を形成
するものである。

く光源像形成手段として、いわゆるフライアイレンズを
用い、レチクル上のパターンをウェハ上に投影する投影
型露光装置に本発明を応用したものである。レーザー光
源（１）から供給されるコヒーレント光は走査光学装置
（２）によりスポットに集光されるとともに、走査面（
３）上で２次元的に走査される。走査面（３）上に焦点
を有するコリメーターレンズ（４）により、走査面（３
）からの光束は平行光束に変換されてフライアイレンズ
（５）に入射する。プライアイレンズ（５）は第２図の
平面図に示すごとく、四角柱が多数接合されてなり、各
四角柱の両端面はそれぞれ凸球面に形成されており、正
レンズの作用を有している。入射面（５ａ）側の凸面の
焦点距離は、この四角柱の長さ、すなわちフライアイレ
ンズの厚さにほぼ等しいため、フライアイレンズに入射
する平行光束は各四角柱レンズ要素によって射出面（５
ｂ）側の各凸面の近傍に集光されスポット像が形成され
る。従って、走査光学装置（２）によって走査面（３）
上でスポット光を走査するとフライアイレンズ（５）の
射出面（５ｂ）上では、フライアイレンズを構成する四
角柱レンズ要素の数に等しいスポット像が七にそれ走査
される。すなわち、例えば第１図Ａの走査面（３）の斜
視図に示すごとき軌跡でスポット光が走査されると、第
１図８のフライアイレンズ射出面（５ｂ）の斜視図に示
すごとく、各四角柱レンズ要素の射出面において、走査
面（３）上の軌跡と相似形状の軌跡で全てのスポット像
が走査され、プライアイレンズ（５）の射出面（５ｂ）
全体で多数のスポット像が同時に走査される。この結果
、フライアイレンズの射出面（５ｂ）に拡大された大き
なインコヒーレント光源面が形成される。ある瞬間では
フライアイレンズの射出面に形成される複数のコヒーレ
ント光源が形成されているが、実際にはフライアイレン
ズ等の光学系に収差が存在するため、次の瞬間にはそれ
らの相対位相差がかなり変化し、実質的には複数のコヒ
ーレント光源は互いにインコヒーレントなものとみなす
ことができ問題はない。

そして、コンデンサーレンズ（６）によって被照明物体
としてのレチクルの）を照明し、拡大された光源面の像
を投影対物レンズ（７）の瞳面（７ａ）上に形成するこ
とにより、いわゆるケーラー照明が達成され、この時、
レチクル（へ）上のパターンが投影対物レンズ（７）に
よってウェノ直Ｗ）上に投影される。また、フライアイ
レンズ（５）の射出面（５ｂ）の近傍に開口絞り（８）
が設けられており、この絞り径を変←ることにより照明
系のＮ、　Ａ、、すなわち、投影対物レンズの瞳面（７
ａ）上での光源像の大きさを変え、任意のσ値の照明を
行なうことができる。

走査光学装置（２）の具体的構成の例を第３図の斜視図
に示す。レーザー光源（１）からの光束はビームエキス
パンダー（２１）により光束径を拡大され、Ｙ軸方向に
回転軸を有する第１回転ミラー（２２）に入射し、ここ
での反射後アフォーカルレンズ系（２３）を通って、Ｘ
軸方向に回転軸を有する第２回転ミラー（２４）に入射
する。第２回転ミラー（２４）で反射された光束は集光
レンズ（２５）を通って、走査面（３）上に集光される
。ここで第１及び第２回転ミラーがそれぞれ回転するこ
とにより、走査面（３）上を例えば、第１図Ａに示した
ような軌跡でスポット光が走査する。第１及び第２回転
ミラー（２２，２４）はそれぞれ多面体鏡として構成す
ることもできるし、第１、第２回転ミラーの間に設けら
れるアフォーカルレンズに関して、両ミラーが共役位置
に構成されることも有効であり、二次元走査のための構
成は図示したものに限られるものではない。

走査面（３）上でスポット光が走査される領域は、上記
の例のようにＸ、Ｙ各方向での独立走査によるため、一
般には矩形にならざるを得す、光軸に関して回転対称な
光学系においては、照明効率が低下せざるを得ないとこ
ろであるが、本実施例ではフライアイレンズ（５）が多
数のレンズ要素の束として形成されるため、はぼ円形に
近い面光源を形成することができ、効率良い照明が可能
である。

フライアイレンズ（５）は上記のごとき四角柱のレンズ
要素の組合せからなる場合のみならず、六角柱や八角柱
のレンズ要素で形成することも可能である。また、例え
ば第４図Ａの断面図に示すごとく前述した柱状レンズ要
素の代りに２つのレンテイキュラーレンズ（５”＋　５
ｂ／　）によりフライアイレンズを形成することも可能
である。この場合、各レンティキーラーレンズの間隔ｄ
が入射光側のし／ティキエラーレンズ（５ａ’）の焦点
距離にほぼ等しいことが望ましく、射出光側のレンティ
キーラーレンズ（ｓｂ’）上に実質的に拡大されたイン
コヒーレント光源面が形成される。この時射出光側のレ
ンティキュラーレンズ（５ｂ′）はフィールドレンズと
しての機能を有しており、照明効率を高める役割を果た
すが、必ずしも必要なものではない。そして、これらレ
ンティキュラーレンズ（５ａ′、５ｂ′）は第４図Ｂの
平面図に示すごとくほぼ円に近い形状を有することが望
ましく、透明なプラスチックスにより容易に製造され得
るものである。

同、第１図では本発明の作用を理解し易くするために、
フライアイレンズ（５）を特に大きく示しており、相対
的に被照明物体としてのレチクル（へ）が小さく示され
ているが、フライアイレンズ（５）の大きさは面光源と
して必要な大きさに応じて任意に決定されるものであり
、フライアイレンズを構成する各レンズ要素の大きさと
それらの数も必要に応じて任意に決定されることはいう
までもない。

マタ、コリメーターレンズ（４）はフライアイレンズ（
５）に入射する光束を平行光束にするためのものである
が、走査光学装置（２）から供給される光束の開口数Ｎ
、　Ａ、が小さい場合には省略することも可能である。

第５図に示した本発明による第２実施例は、光源像形成
手段として透明物質で形成された柱状部材を用い物体面
（１０）をインコヒーレントに照明するものである。レ
ーザー光源（１）からのコヒーレント光は走査光学装置
（２０）により所定の光束径に拡大されてＸ−Ｚ平面内
で所定の角度範囲にわたって二次元的に走査され、第６
図の斜視図に示しだごとき四角柱部材（９）の入射面（
９ａ）より四角柱部材（９）内に入射する。四角柱部材
（９）の各側面には内面反射するよう反射膜が蒸着され
ており、入射する光束は走査角度θに応じて四角柱部材
（９）の側面の内面で反射されて射出面（９ｂ）より射
出する。第５図は光軸方向にＺ軸をとった場合のＸ−Ｚ
平面内での走査光束の様子を示す光路図である。第５図
に示したごとく走査光学装置（２０）により平行光束が
四角柱部材（９）の入射面（９ａ）の中央Ａ０点を回転
中心として回転し、Ｘ−Ｚ平面内で光軸となす角θが＋
θ、〜０〜−θ、の範囲で連続的に変化する。

平行光束の傾角θがいま時計方向に０〜θ、まで変化す
る場合を説明すれば、０〜θ、までは平行光束は側面で
反射されることなく直接射出面（９ｂ）に達するが、θ
、〜θ、の時には第５図中下方の側面で内面反射されて
射出面（９ｂ）に達するためこの範囲では、光束があた
かも下方側面に関してＡ０点と対称なＡ１点を中心とし
て供給されるように射出面（９ｂ）に達する。そしてさ
らに大きな角度のθ！〜θ、の時には、下方側面で反射
された後、上方側面でも反射されるため、光束はあたか
も上方側面に関してＡ、点と対称なＡ、点を中心として
供給されるように射出面に達する。他方、平行光束の傾
角θが反時計方向にＯ〜θ、まで変化する場合には、０
〜θ２では光束は直接射出面（９ｂ）に達し、θ、〜θ
。

の範囲では光束はあたかも上方側面に関してＡ１点と対
称なＡ、７点より供給されるごとくして射出面（９ｂ）
に達し、θ愈〜θ、の範囲では光束はあたかも下方側面
に関してＡＩ’点と対称なＡ、７点より供給されるよう
に射出面（９ｂ）に達する。従って、第５図に示し４ｘ
−ｚ平面図で四角柱部材（９）に入射する光束の角度が
０→＋θ、→０→−θ、→０と１周期走査されると、射
出面（９ｂ）には、あたかも順に、Ａ。

Ａ、　Ａ、　Ａ、　Ａ、　ｈ：　ｈ、’　Ａ−、／Ａ、
の各点から順次光束が供給されることとなり、四角柱部
材（９）の側面での内面反射により実質的には極めて大
きな光源より光束が供給される状態となる。この状態は
第５図に示し＋　Ｘ　−Ｚ平面と直交するＹ−Ｚ平面内
でも同様に形成されるため、四角柱部材（９）の射出面
（９ｂ）近傍の物体面（１０）は四角柱部材（９ａ）の
入射面（９ａ）を含むＸ−Ｙ平面上の極めて大きな領域
から照明されることとなり、実質的なインコヒーレント
照明がなされる。このようなインコヒーレント照明にお
いて、物体面（１０）へ達する照明光の開口数Ｎ、　Ａ
、は走査光束の最大傾斜角によって決定される。

岡、上記実施例において、実質的な拡大されたインコヒ
ーレント光源面の位置が、四角柱部材の入射面（９ａ）
に合致しているが、これは走査される光束の回転中心Ａ
、が四角柱部材の入射面（９ａ）上に位置するからであ
り、上記の配置に限られるものではない。また、Ｘ−Ｚ
平面内とＹ−Ｚ平面内とで各走査光束の回転中心の位置
が一致する必要がないことはいうまでもない。また四角
柱部材の光軸方向の長さが長いほど、内面反射の回数が
多くなり、それだけ光束の実質的供給源の数が増し、よ
り均一で面光源に近い光源を形成し得るが、反射率や透
過率の低下が避けられないため適当な長さに選定するこ
とが望ましい。

第７図は第２実施例に用いられる走査光学装置の例を示
す概略斜視図である。この装置は基本的には第３図に示
した装置の例と同一であるが、集光レンズ（２５）の代
りにいわゆるケプラー型のアフォーカルレンズ系（２６
）が用いられている点のみが異なり、同一の機能を果た
す部材には同一の番号を符した。ここで、アフォーカル
レンズ系（２６）に入射する光束は、集光されることな
く射出し、第１及び第２回転ミラー（２２，２４）の回
転に応じて所定の角度範囲で走査さ１する。

第８図は第６図に示したインコヒーレント照明系を投影
露光装置に応用した第３実施例の光学系配置図である。

この例では走査光学装置（２０’）により走査される平
行光束の回転中心Ａ０点が、四角柱部材（９）の入射面
（９ａ）から離れた位置に、ｆｌｂ　リ、Ａ、、点を含
むＸ−Ｙ平面上に実質的に拡大されたインコヒーレント
光源が形成される。そして、四角柱部材の射出面（９ｂ
）の近傍に配置された被照明物体としてのレチクル（へ
）がインコヒーレント照明され、投影対物レンズ（７勺
によりレチクル（へ）上のパターンがウェハ（Ｗ）上に
投影される。レチクルσ匂を照明する実質的な光源面が
Ａ１点にあるため、投影対物レンズ（７′）はその入射
瞳がとの４０点の近傍に形成されるものであることが望
ましい。また、四角柱部材（９）とレチクル（へ）との
間にコンテンサーレンズを挿入する場合には、このコン
デンサーレンズに関して、投影対物レンズ（７′）の入
射瞳と４０点とが共役になるよう構成することが望まし
い。

同、上記各実施例では四角柱部材により実質的な拡大さ
れたインコヒーレント光源を形成したが柱状部材であれ
ば四角柱に限られるものではない。

マタ、走査光学装置においてレーザー光源からの光束径
をビームエキスパンダーによって拡大することは必ずし
も必要ではなく、レーザー光源からの光束を角度走査す
るだけで直ちに柱状部材へ入射させることによっても十
分にインコヒーレント照明を行なうことができる。プラ
イアイレンズを用いる場合にもビームエキスパンダーは
必ずしも必要ではない。

以−ヒのごとく、本発明によれば、コヒーレント光を小
さな領域で走査するだけで、フライアイレンズセ柱状部
材の光源像形成手段により、拡大された大きなインコヒ
ーレント光源が形成されるため、走査装置が小型になり
、しかも高速での走査が可能なインコヒーレント照明装
置が達成される。

様子を示す斜視図、第２図はフライアイレンズの平面図
、第３図は第１実施例に用いられる走査光学装置の斜視
図、第４図Ａはフライアイレンズの他の例を示す断面図
、第４図Ｂはその平面図、第５図は本発明による第２実
施例の構成を示す光路図、第６図は柱状部材の斜視図、
第７図は第２実施例に用いられる走査光学装置の斜視図
、第８図は本発明による第３実施例の光学構成図である
。

〔主要部分の符号の説明〕

１・・・・・・コヒーシンｌ−光源 ２、２０．２０’・・・・・・走査光学手段出願人　日
本光学工業株式会社 代理人　渡辺隆男

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　　：７ヒ−Ｌ／ンＭ１．！：、該コヒーレント光源
   から供給されるコヒーレント光束を走査する手段と、該
   走査手段により走査される光束から空間的に異なる位置
   に複数の光源像を形成し得る光源像形成手段とを有し、
   該走査手段と該光源像形成手段とにより実質的に拡大さ
   れたインコヒーレント光源を形成することを特徴とする
   照明装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の照明装置において、前
   記光源像形成手段はフライアイレンズであることを特徴
   とする照明装置。 ３　特許請求の範囲第１項記載の照明装置において、前
   記光源像形成手段は内面反射可能な側面を有する柱状部
   材であることを特徴とする照明装置。