JPWO2015019242A1 - 照明装置 - Google Patents

Abstract

照明装置は、照明光をそれぞれ発光する複数の光源と、照明光学系と被照射領域との間に配置され、複数の光源による全体照明光の照度／強度を検出する光検出部と、複数の光源それぞれに対し、発光制御を行う照明制御部とを備え、照明制御部が、複数の光源から、複数の光源に対応したそれぞれ異なる周波数に従って照度／強度が変動する計測照明光を、それぞれ発光させ、光検出部が、それぞれ異なる周波数に基づき、各光源の計測照明光を重ねた全体計測照明光から、各光源の変動分を含まない照明光の照度／強度を得る。

Description

本発明は、露光装置などに使用可能な照明装置に関し、特に、照明装置の照度測定に関する。

露光装置には、発光強度の大きいショートアーク型放電ランプが使用される。また、発光強度を高めるため、複数の放電ランプから成る多灯式照明装置が組み入れられている（例えば、特許文献１参照）。そこでは、放電ランプとリフレクタから成る光源素子を規則的に配列してランプユニットを構成し、基板を照明する。

照度調整に関しては、基板をムラなく照明するため、定照度点灯方式が取り入れられている。基板が搭載されるステージなどに照度計が配置され、露光動作前に照明光の照度を検出する。そして、目標照度と一致するように、放電ランプの出力を調整する（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１２−２２１７２６号公報 特開２０１２−２０８３５１号公報

多灯式照明装置の場合、複数の光源からそれぞれ放射される光が、１つの照明光となって基板に照射される。したがって、ステージ上に配置された照度計は、すべての光源に基づく照度（全体照度）を検出し、各光源の照度を検出していない。

光源には個体差があり、使用経過に伴う消耗具合も異なる。したがって、各光源に対し同じ電力（供給電力）を供給しても、照度低下は光源ごとに相違する。しかしながら、特定の光源に起因して全体照度が低下すると、定照度点灯制御では、すべての光源に対し供給電力を一律に増加させる。

その結果、照度低下のほとんどない光源に対し供給電力が過度に大きくなり、消耗を早める。これは、さらなる全体照度の低下を招き、多灯式照明装置の発光効率の悪化、寿命短縮につながる。

一方、各光源の傍に複数の照度計を設置した場合、光源側で計測される照度と、基板側で計測される照度は必ずしも一致しない。これは、照明光学系の配置特性、あるいは、ステージ付近における装置外部からの照明光に起因する。したがって、光源からの放射光以外の外光が重畳されると、適切に照度を計測することができない。

したがって、照明装置において、光源の照度もしくは強度を適切に検出することが必要とされる。

本発明の照明装置は、照明光をそれぞれ発光する複数の光源と、照明光学系と被照射領域との間に配置され、複数の光源による全体照明光の照度もしくは強度（以下、照度／強度と表す）を検出する光検出部と、複数の光源それぞれに対し、発光制御を行う照明制御部とを備える。照度一定を維持する定照度点灯方式の場合、照明制御部は、各光源に対する供給電力を、一律に制御すればよい。

照明制御部は、複数の光源から、複数の光源に対応したそれぞれ異なる周波数に従って照度／強度が変動する計測照明光を、それぞれ発光させる。そして、光検出部は、それぞれ異なる周波数に基づき、各光源の計測照明光を重ねた全体計測照明光から、各光源における変動分を含まない照明光の照度／強度を得る。

照明制御部は、各光源に供給される電力の周期変動に応じて照度／強度の周期変動を生じさせる周波数に基づいて、計測照明光を発光させることが可能である。

例えば、複数の光源が、それぞれ、交流電力によって照明光を発光し、照明制御部が、各光源に対し、基本周波数とその光源に応じた特定周波数とを重ねた合成周波数をもつ交流電力を供給し、計測照明光を発光させる。

特定周波数を確実に抽出することを考慮すれば、照明制御部は、基本周波数の少なくとも２倍を超える特定周波数を、基本周波数に重ねるのがよい。また、複数の光源に応じた複数の特定周波数が、許容最少間隔以上の周波数間隔を互いにもつようにするのがよい。

例えば、照明制御部が、以下の式範囲にある特定周波数を基本周波数に重ねることが可能である。この式における上限値は、従来認識されていなかった供給電力と特定周波数との関係から経験的に導き出している。なお、ｆｍは上限値以下を満たし、あるいは下限値以上を満たす範囲にあるように定めることも可能である。
６×Ｆ≦ｆｍ≦１０／ＰＷ０
但し、ｆｍは特定周波数（ｋＨｚ）、Ｆは基本周波数（ｋＨｚ）、ＰＷ０は基本周波数Ｆをもつ矩形波の交流電力（ｋＷ）を表す。

各光源の照度を検出する構成として、例えば、光検出部が、同期検波部を設けることが可能である。

あるいは、光検出部において、全体照明光を各光源の計測照明光にそれぞれ分離するフィルタを備えることが可能であり、光検出部は、各光源の計測照明光の振幅幅から、揺らぎ照明光の照度／強度を検出する。

本発明の他の態様に於ける照明装置は、照明光を発光する単一の光源と、照明光学系と被照射領域との間に配置され、光源による全体照明光の照度／強度を検出する光検出部と、光源に対し、発光制御を行う照明制御部とを備える。照明制御部は、光源の電力波形と、光源に応じた特定周波数とを重ねた合成周波数をもつ交流電力を光源に供給することによって、光源から、合成周波数に従って変動する計測照明光を発光させ、光検出部は、合成周波数に基づき、光源の計測照明光を重ねた全体計測照明光から、光源の変動分を含まない照明光の照度／強度を得る。

本発明によれば、光源から放射される照明光の照度／強度（以下、単に照度と称す場合がある。）を適切に検知することができる。

第１の実施形態である露光装置のブロック図である。 照度計測のとき、各ランプに供給される交流電力を示した図である。 図２の電極矩形波を部分的に拡大した図である。 各ランプの照明光を合成した全体照明光から照度センサによって検出された揺らぎを示した図である。 同期検波によって検知される各放電ランプの照度を示した図である。 第２の実施形態におけるフィルタ後の照明光の時系列的変動を示した図である。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態である露光装置のブロック図である。

露光装置１０は、フォトレジストなどの感光材料を塗布あるいは貼り付けた基板Ｓに対し、照明光を投影してパターンを形成する露光装置であり、描画テーブル（図示せず）に基板Ｓが設置されている。

露光装置１０は照明デバイス２０、露光ヘッド３０、制御部５０を備え、制御部５０によって露光動作が実行、制御される。照明デバイス２０は、ここでは４つの光源ユニット２０Ａ〜２０Ｄによって構成される。光源ユニット２０Ａは、放電ランプ２８Ａとリフレクタ２９Ａを備え、他の光源ユニット２０Ｂ〜２０Ｄも、ショートアーク型放電ランプ２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄとリフレクタ２９Ｂ、２９Ｃ、２９Ｄをそれぞれ備えている。

放電ランプ２８Ａ〜２８Ｄは、ここではショートアーク型放電ランプが適用されており、水銀量が０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入されている。また、放電ランプ２８Ａ〜２８Ｄは、交流電力に基づき点灯し、ここでは、およそ０．０５〜０．２（ｋＨｚ）の周波数（基本周波数）をもつ矩形波交流電力が電源回路２２Ａ〜２２Ｄによって供給される。

放電ランプ２８Ａ〜２８Ｄからそれぞれ放射された光は、それぞれリフレクタ２９Ａ〜２９Ｄによって折り返しミラー２４で反射する。折り返しミラー２４で反射した光は、照明光学系２６に入射する。照明光学系２６は、フライアイレンズなどの光学系を有し、空間的に均一な強度をもつ光束から成る光を出射する。照明光学系２６から射出した光は、ミラー２１などを介して露光ヘッド３０内のＤＭＤ（図示せず）へ導かれる。

制御部５０は、描画テーブルに対する基板Ｓの相対位置に合わせてラスタデータをＤＭＤへ送信する。空間光変調器であるＤＭＤでは、微小矩形状マイクロミラーがマトリクス状に２次元配列されている。ＤＭＤの各マイクロミラーは、ラスタデータに基づいてＯＮ／ＯＦＦ制御される。

照度センサ４０は、テーブルの端に設置されており、露光動作開始前に露光エリアの場所に移動する。照度計測のとき、制御部５０は、電源回路２２Ａ〜２２Ｄを制御し、放電ランプ２８Ａ〜２８Ｄ各々の光出力を変動させ、個別の照明光および全体の照明光に揺らぎを生じさせる。照度測定部４５は、計測される全体の照明光から、ランプ個別の照明光の照度を検知する。

制御部５０は、定照度点灯制御を実行し、放電ランプ２８Ａ〜２８Ｄへの供給電力を一律に制御する。それとともに、制御部５０は、各放電ランプの照度を個別にモニタリングする。特定の放電ランプの照度が、あらかじめ定められた範囲を超えて低下している場合、モニタ（図示せず）に対してランプ交換を知らせるデータを送信する。あるいは、ブザー音を鳴らすように構成してもよい。

図２は、照度計測のとき、各ランプに供給される交流電力を示した図である。図３は、図２の電極矩形波を部分的に拡大した図である。図４は、各ランプの照明光を合成した全体照明光から照度センサによって検出された揺らぎを示した図である。図２〜４を用いて、照度計測時に供給される交流電力特性について説明する。

通常の露光動作においては、低周波数Ｆ（以下、基本周波数という）の矩形波をもつ交流電力ＰＷ０が放電ランプ２８Ａ〜２８Ｄに送られる。供給電力の値は、いずれの放電ランプも同じである。ここでは、基本周波数Ｆは、０．０５〜０．２（ｋＨｚ）の範囲で定められる。

一方、照度計測を行う場合、すなわち、基板取り替え時、ランプ点灯開始からの定期検査時、露光装置のシステム変更時など、パターンに基板を形成しないとき、制御部５０は、基本周波数Ｆに対して高周波数（以下、特定周波数という）ｆｍを重ねた周波数（合成周波数）の交流電力ＰＷを供給する。

図２では、振幅Ｗ、基本周波数Ｆをもつ矩形波の交流供給電力ＰＷ０と、特定周波数ｆｍ（ｍ＝１〜４）を基本周波数Ｆに重ねた合成周波数の交流供給電力ＰＷの波形を示している。また、図３には、図２の交流供給電力ＰＷの矩形波半サイクル分（Ｍ）を拡大して示している。放電ランプ２８Ａ〜２８Ｄへの供給電力は、基本周波数Ｆに特定周波数ｆ１〜ｆ４をそれぞれ重ねた周波数に基づいた交流電力波形をもつ。放電ランプ２８Ａ〜２８Ｄの供給電力波形は、それぞれ符号Ａ〜Ｄで表される。

特定周波数ｆ１〜ｆ４は、基本周波数Ｆよりも高い周波数であり、数ｋＨｚ〜数１００ｋＨの範囲に定められている。また、特定周波数ｆｍの値はランプごとに異なる。特定周波数ｆｍの下限値に関しては、基本となる交流電力ＰＷ０の矩形波形と干渉しないように定められる。例えば、基本周波数Ｆの矩形波の略半サイクル分の期間において、特定周波数ｆｍの波形が少なくとも１サイクル分現れる、すなわち基本周波数Ｆの２倍を超えるように規定すればよい。

一方、特定周波数ｆｍの上限に関しては、照明光の照度が不安定にならないように定められる。具体的には、供給電力の変動に合わせて照明光が変動する、すなわち、供給電力の周期変動に比例するように照度／強度が周期変動することが可能な範囲で上限値が定められる。

照明光の変動は、供給電力の変動に応じた電極温度および水銀蒸発量等の変動によって生じる。特に、水銀が０．１５（ｍｇ／ｍｍ^３）以上封入されたショートアーク型放電ランプの場合、照度の変動速度には限界があり、供給電力の変動に応じた照明光の変動の応答性にも限りがある。

そのため、供給電力が大きくランプの照度が高いランプでは、特定周波数が重畳されることによる供給電力の変動量が大きくなる一方、照度が供給電力の変動に追従できなくなり、正確な照度変動量を測定できなくなる。

よって、上記ショートアーク型放電ランプの場合、特定周波数は照度が供給電力の変動に追従できる最大値（特定周波数上限値ｆｍｍａｘ）以下である必要がある。本実施形態では、ランプの水銀封入量が所定範囲にある場合、特定周波数と供給電力との関係から、特定周波数の上限を定めることができることを経験的に見出した。具体的には、ランプに封入された水銀量が０．１５〜０．４（ｍｇ／ｍｍ^３）、ランプに供給される交流電力が０．０５〜０．６（ｋＷ）の場合、特定周波数上限値は、以下の式で求められる。但し、ｆｍｍａｘは特定周波数上限値（ｋＨｚ）を表す。
ｆｍｍａｘ＝１０／ＰＷ０ ・・（１）

また、ショートアーク型放電ランプの照度は、供給電力の変動のほかに、周辺の環境（例えばランプ周辺温度）によって微小に変化する可能性がある。このような照度変動の影響を受けずに特定周波数を抽出するためには、基本周波数に対してある基準を超えた高周波数でなければならない。

具体的には、供給電力の変動に応じた正確な照明光の変動量を検出するため、基本周波数Ｆの矩形波の半サイクル分の期間において、特定周波数ｆｍの波形が少なくとも３サイクル分現れる、すなわち、次式に示すように、基本周波数Ｆの６倍を超えるように特定周波数ｆｍを規定することが望ましい。
６×Ｆ≦ｆｍ≦１０／ＰＷ０ ・・（２）

さらに、特定周波数ｆ１〜ｆ４は、その周波数間隔がある一定値以上離れる（許容最少間隔以上の周波数間隔をもつ）ように定められる。これは、照度／強度の個別の検出処理を容易にするためである。ここでは、基本周波数Ｆが９０Ｈｚの場合、特定周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４は、それぞれ２．４３（ｋＨｚ）、２．６１（ｋＨｚ）、２．７９（ｋＨｚ）、２．９７（ｋＨｚ）に定められる。なお、等間隔で特定周波数を定めてもよい。

各放電ランプから放射される個別の照明光は、図３の各放電ランプに対する供給電力波形に比例するように周期的に変動する。照明センサ４０は、各ランプの照明光を合成した全体照明光を検出することから、図４に示すように、全体的な照明光の揺らぎは、不規則なものとなる。

図５は、同期検波によって検知される各放電ランプの照度を示した図である。

照度測定部４５は、同期検波によって各放電ランプの照度を求める。照度測定部４５は、制御部５０から送られてくる特定周波数ｆ１〜ｆ４に合わせたクロックパルス信号に従い、同期タイミングを取りながら各放電ランプ照度を検知する。

図５では、放電ランプ２８Ａ〜２８Ｄそれぞれの照度を、符号Ａ〜Ｄで表している。同期検波により、全体的な照明光の揺らぎから直流成分として各放電ランプの照度を検出する。制御部５０は、測定された各放電ランプの照度Ａ〜Ｄのうち、規格範囲から外れているものがあるか否かを判断する。なお、ランプ点灯開始時の照度を基準値とし、基準値をベースにした照度低下率を各放電ランプに対して測定してもよい。

そして、規定範囲外の照度低下が生じている放電ランプが存在する場合、その旨がオペレータに知らされる。オペレータが新しいランプに交換すると、再び、一律に電力調整を行う定照度点灯制御が実行される。

このように本実施形態によれば、各放電ランプの交流供給電力を、基本周波数Ｆにランプごとに異なる特定周波数ｆ１〜ｆ４を重ねた交流供給電力とし、各放電ランプの照明光を周期的に変動させる。照度センサ４０は、各放電ランプの揺らぎのある照明光を重ねあわせた合成照明光の照度を検出する。照度測定部４５は、互いに異なる特定周波数ｆ１〜ｆ４に基づき、同期検波によって揺らぎを含まない各放電ランプの照度を検出する。

放電ランプの照度を個別に検出することにより、供給電力を一律に調整する定照度点灯制御において、照度低下のない放電ランプの供給電力を過度に上げることを防ぐ。その結果、照明装置全体の寿命が延び、発光効率が向上する。

特定周波数ｆｍが基本周波数Ｆに対して十分高いため、基本周波数Ｆの電力矩形波と干渉しない。その一方、特定周波数ｆｍを過度に高くしていないため、放射光の変動が供給電力の変動に追随しないといった不安定な揺らぎを防ぐことができる。また、周波数間隔がほぼ等しいため、同期検波しやすい。

次に、図６を用いて、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、フィルタによって照明光をランプごとに分離し、照明光の振幅幅に基づいて光強度度を測定する。それ以外の構成については、第１の実施形態と同じである。

図６は、第２の実施形態におけるフィルタ後の照明光の時系列的変動を示した図である。

第２の実施形態では、照度測定部４５は、従来公知のフィルタ回路を有し、全体の照明光はフィルタ回路によって、各放電ランプの照明光に分離される。そして、以下の式に基づき、各放電ランプの照明光の照度を求める。ただし、Ｅｍ（ｍ＝１〜４）は、フィルタによって検出される各放電ランプの照度、Ｖｍは、各放電ランプの特定周波数による供給電力の振幅幅、Ｗｍは各放電ランプの照明光の振幅幅を示す。また、ｋ、Ｙは、照明光学系などの光学特性に基づく係数を示す。
Ｅｍ＝ｋ×（Ｗｍ／Ｖｍ）＋Ｙ ・・（３）

なお、複数の放電ランプの代わりに１つの放電ランプで照明装置を構成してもよい。この場合、ランプ以外の外光が照度センサに入射する場合においても、各放電ランプの照明光の照度／強度を正確に検出することができる。さらに、直流電力を供給する放電ランプも適用可能であり、放電ランプ以外の光源を使用することもできる。

以下では、上記（１）式を満たす放電ランプについて、実施例を用いて説明する。

本発明の実施例である放電ランプは、光源として単一の放電ランプで構成され、水銀封入量が０．１５〜０．４（ｍｇ／ｍｍ^３）に定められている。特定周波数と供給電力を変えながら、照度変動の追従性について確認する実験を行った。

まず、特定周波数を重畳せずに照度を測定し、次に、特定周波数を重ねて照度を検出した。そして、異なる供給電力に対して照度をそれぞれ測定した。以下の表１は、その結果である。

表１より、照度の追従性が認められる範囲での供給電力（ｋＷ）と特定周波数（ｋＨｚ）の関係性は、供給電力（ｋＷ）と特定周波数（ｋＨｚ）の積が１０以下となることが明らかである。なお、供給電力が０．０５〜０．６（ｋＷ）の間においても、それに合わせて特定周波数をいくつか用意したとき、同様の上限値が導かれる。

本発明に関しては、添付されたクレームによって定義される本発明の意図および範囲から離れることなく、様々な変更、置換、代替が可能である。さらに、本発明では、明細書に記載された特定の実施形態のプロセス、装置、製造、構成物、手段、方法およびステップに限定されることを意図していない。当業者であれば、本発明の開示から、ここに記載された実施形態がもたらす機能と同様の機能を実質的に果たし、又は同等の作用、効果を実質的にもたらす装置、手段、方法が導かれることを認識するであろう。したがって、添付した請求の範囲は、そのような装置、手段、方法の範囲に含まれることが意図されている。

本願は、日本出願（特願２０１３−１６６５５１号、２０１３年８月９日出願）を基礎出願として優先権主張する出願であり、基礎出願の明細書、図面およびクレームを含む開示内容は、参照することによって本願全体に組み入れられている。

１０ 露光装置
２０ 照明デバイス
２８Ａ〜２８Ｄ 放電ランプ
４０ 照度センサ
４５ 照度測定部
５０ 制御部

Claims (11)

1. 照明光をそれぞれ発光する複数の光源と、
   照明光学系と被照射領域との間に配置され、前記複数の光源による全体照明光の照度／強度を検出する光検出部と、
   前記複数の光源それぞれに対し、発光制御を行う照明制御部とを備え、
   前記照明制御部が、前記複数の光源から、前記複数の光源に対応したそれぞれ異なる周波数に従って照度／強度が変動する計測照明光を、それぞれ発光させ、
   前記光検出部が、それぞれ異なる周波数に基づき、各光源の計測照明光を重ねた全体計測照明光から、各光源の変動分を含まない照明光の照度／強度を得ることを特徴とする照明装置。
2. 前記照明制御部が、各光源に供給される電力の周期変動に応じて照度／強度の周期変動を生じさせる周波数に基づいて、計測照明光を発光させることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記複数の光源が、それぞれ、交流電力によって照明光を発光し、
   前記照明制御部が、各光源に対し、基本周波数とその光源に応じた特定周波数とを重ねた合成周波数をもつ交流電力を供給し、計測照明光を発光させることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記照明制御部が、基本周波数の少なくとも２倍を超える特定周波数を、基本周波数に重ねることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
5. 前記照明制御部が、以下の式の範囲にある特定周波数を基本周波数に重ねることを特徴とする請求項３乃至４のいずれかに記載の照明装置。
   ６×Ｆ≦ｆｍ≦１０／ＰＷ０
   但し、ｆｍは特定周波数（ｋＨｚ）、Ｆは基本周波数（ｋＨｚ）、ＰＷ０は 基本周波数Ｆをもつ矩形波の交流電力（ｋＷ）を表す。
6. 前記複数の光源に応じた複数の特定周波数が、許容最少間隔以上の周波数間隔を互いにもつことを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の照明装置。
7. 前記光検出部が、同期検波部を有することを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の照明装置。
8. 前記光検出部が、全体照明光を各光源の計測照明光にそれぞれ分離するフィルタを有し、
   前記光検出部が、各光源の計測照明光の振幅幅から、揺らぎ照明光の照度／強度を検出することを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の照明装置。
9. 前記照明制御部が、各光源に対する供給電力を、一律に制御することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
10. 照明光を発光する単一の光源と、
    照明光学系と被照射領域との間に配置され、前記光源による全体照明光の照度／強度を検出する光検出部と、
    前記光源に対し、発光制御を行う照明制御部とを備え、
    前記照明制御部が、前記光源の電力波形と、前記光源に応じた特定周波数とを重ねた合成周波数をもつ交流電力を前記光源に供給することによって、前記光源から、前記合成周波数に従って変動する計測照明光を発光させ、
    前記光検出部が、前記合成周波数に基づき、前記光源の計測照明光を重ねた全体計測照明光から、前記光源の変動分を含まない照明光の照度／強度を得ることを特徴とする照明装置。
11. 請求項１および１０のいずれか一方に記載された照明装置を備えた露光装置。

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