KR100703110B1 - 조명 방법, 노광 장치 및 변조기 - Google Patents

조명 방법, 노광 장치 및 변조기 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 분리한 복수의 광원을 1차원 혹은 2차원으로 배열한 광원 어레이와 상기 광원 어레이의 각 광원으로부터 출사한 빛을 집광시키는 집광 광학계와 상기 집광 광학계에서 집광된 빛을 공간적으로 분해하여 다수의 의사 2차 광원을 생성하는 다수의 로드 렌즈의 배열로 이루어지고, 각 로드 렌즈의 광축에 수직인 단면 형상의 종횡비(r1)와 상기 피조명 영역(21)의 종횡비(r0)의 비(r1/r 0)가 0.8 이상 1.2 이하인 광 적분기와 상기 광 적분기에 의해 생성된 다수의 의사 2차 광원으로부터의 빛을 중합시켜 노광해야 할 패턴을 갖는 피조명 영역에 조명하는 컨덴서 렌즈를 갖는 조명 광학계와, 상기 조명 광학계에서 조명된 노광해야 할 패턴을 투과 혹은 반사한 빛을 피노광물 상의 피노광 영역에 투영 노광하는 투영 광학계를 구비한 것을 특징으로 하는 노광 장치 및 그 방법이다.
광 적분기, 컨덴서 렌즈, 미러, 마스크, 패턴 표시부, 기판

Description

조명 방법, 노광 장치 및 변조기 {ILLUMINATING METHOD, EXPOSING DEVICE AND MODULATOR}
본 발명은, 피조명 영역에 균일하면서 효율적인 조명광을 조사하는 조명 방법 및 이 조명법을 이용한 노광 방법에 관한 것으로, 또 이 노광 방법을 이용하여 패턴을 노광하는 노광 장치에 관한 것이다. 특히 반도체 레이저를 다수 이용하는 조명 방법, 노광 방법 및 노광 장치에 관한 것이다.
종래, 피조명 물체를 조명하거나 피노광 물체를 노광하기 위해서는 수은 램프를 광원으로 하거나 엑시머 레이저를 이용하고 있었다. 이들 광원은 구동하기 위해 투입되는 에너지의 대부분이 열로 변하여 효율이 매우 악화된 광원이었다.
최근, 반도체 레이저(LD)의 단파장화가 진행되어 400 ㎚ 근처의 발광 파장의 LD가 나타나고, 이로 인해 수은 램프에 대신하는 광원으로서 노광에 이용하는 가능성이 생겼다. 그러나 1개의 LD의 출력으로는 한계가 있어 복수의 LD를 사용하지 않을 수 없다. LD를 다수 열거하여 각각의 광원으로부터 출사하는 빛을 피조명 물체에 한결같이 조사하고자 해도, 각각의 광원으로부터 출사하는 빛의 지향성은 가우스 분포에 근접해지고, 조사 영역의 중심 부근이 강해 주변이 약해진다. 또한, LD의 출사 주광선에 수직인 방향 내 1 방향의 확장각은 작지만, 이와 수직인 방향은 커져 이 확장각의 비는 1 : 3 내지 1 : 4 정도이다. 이러한 각 LD로부터의 빛을 원하는 피조명 영역에 균일하면서 효율적으로 조사하는 것은 불가능하였다. 즉, 균일하게 조명하고자 하면 효율이 저하되고, 효율을 높게 하고자 하면 균일성이 악화된다는 상반되는 현상이 발생되어 버리고 있었다.
본 발명의 목적은, 상기 과제를 해결하기 위해 반도체 레이저 등의 1개당의 발광 에너지가 작은 광원을 복수 이용하고, 높은 효율이면서 균일하게 피조사물에 조사하는 것을 할 수 있게 하여 에너지 절약으로 고성능인 조명을 실현한 조명 방법 및 그 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 기판 등에 패턴을 노광할 때, 고처리량이면서 양호한 패턴 노광을 실현할 수 있는 노광 방법 및 그 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 분리하여 1차원 혹은 2차원으로 배열된 복수의 LD 등의 광원 각각으로부터 빛을 출사시키고, 상기 복수의 광원 각각으로부터 출사된 빛을 광 적분기에 의해 공간적으로 분해하여 다수의 의사 2차 광원을 생성하고, 상기 생성된 다수의 의사 2차 광원으로부터의 빛을 컨덴서 렌즈에 의해 중합시켜 피조명 영역에 조명하는 것을 특징으로 한다. 광원 어레이로서는, 다수의 광원 또는 상기 광원으로부터 얻어지는 2차 광원을 피조명 영역의 형상으로 대강 서로 비슷한 영역 내에 거의 균일한 분포로 배열시킨다. 이와 같이 구성함으로써 균일하면서 효율이 높은 조명이 실현된다.
또한, 본 발명은 상기 광 적분기를 복수의 로드 렌즈의 배열로 성립하도록 하고, 각 로드 렌즈의 단면 형상의 종횡비가 피조명 영역의 종횡비에 거의 동등해짐으로써, 2차원 평면상에 늘어서는 광원 혹은 2차 광원의 출사광을 가장 효율적으로 피조명 영역에 균일하게 조명할 수 있고, 또한 조명 광학계를 비교적 소형으로 구성하는 것이 가능해진다.
이상 설명한 구성에 따르면, 피조사 물체 상에서 공간 주파수가 낮은 불균일은 거의 없애는 것이 가능해진다.
그러나, 광원에 LD를 이용하여, 각 LD로부터 출사한 빛이 복수의 로드 렌즈로 이루어지는 적분기를 통하면 1개의 LD로부터 출사하고, 각 로드 렌즈를 투과한 빛은 피조사 물체 상에서 간섭하여 간섭 무늬를 형성한다. 이로 인해, 조명광에 공간 주파수가 높은 불균일이 생긴다. 복수의 LD의 수가 매우 커지면 이 공간 주파수가 높은 불균일은 적어지지만, 완전하게는 없어지지 않는다.
그래서, 본 발명은 상기 광 적분기에 입사하기 직전의 광로 또는 광 적분기를 출사하는 직후의 광로 중에 파면을 변화시키는 변조기를 삽입함으로써, 상기한 공간 주파수가 높은 불균일이 변화되고, 시간 평균한 조명광은 공간 주파수에 따르지 않고 거의 완전하게 한결같이 하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명은 상기 복수의 광원 또는 상기 광원으로부터 얻어지는 2차 광원으로부터 출사하는 빛의 발산각이 출사광의 광축에 수직인 면을 향해 면내 임의의 2 방향에 대해 1 : 1.5의 비 이내가 되도록 빔 발산각을 조정함으로써, 통상 원형의 유효 직경을 갖는 광 적분기의 입사면에 광원으로부터의 출사광을 유효하게 조명광으로서 이용하는 것이 가능해진다. 즉, 상기 빔 발산각의 조정은 원통형 렌 즈를 이용하여 행한다. 구체적으로는, 빔 발산각의 조정은 LD의 직교하는 2축의 발산각에 따라서 초점 거리가 다른 두 가지의 원통형 렌즈를 광로에 따라서 전후로 배열하여 행한다.
또한, 본 발명은 복수의 광원으로부터 출사하는 각각의 광 에너지가 원하는 일정치 이내가 되도록 개개의 광원의 에너지를 제어한다. 이와 같이 함으로써, 조명광의 동일성이 얻어지는 동시에, 조명광 강도를 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 복수의 광원 또는 상기 광원으로부터 얻어지는 2차 광원보다 출사하는 각각의 출사광을, 집광 광학계에 의해 상기 광 적분기 상에 대응하는 위치에 입사시킴으로써, 조명 장소에 의존하지 않고 한결같이 지향성이 균일한 조명을 실현하는 것이 가능해진다.
이상 설명한 조명 방법에 따르면, 분리한 다수의 광원으로부터 한결같은 조명광을 얻는 것이 가능해지고, 마스크 혹은 2차원 광 변조기 등의 피조명 영역 내의 조도 불균일은 ± 10 ％ 이내가 되고, 복수의 광원으로부터 발하는 광 에너지의 30 ％ 이상이 피조명 영역 내에 도달하는 것이 비로소 가능해졌다.
또한, 본 발명은 상기 조명 방법 혹은 조명 장치를 이용하여 분리한 복수의 광원, 특히 복수의 반도체 레이저를 배열한 광원으로부터의 출사광을 피조명물인 마스크, 레티클 혹은 마스크가 없는 노광에 이용하는 2차원 광 변조기, 즉 액정형의 2차원 광 변조기나 디지털ㆍ미러ㆍ디바이스 등에 조사하여 노광한다. 이와 같이 함으로써, 한결같은 강도 분포와 원하는 지향성을 구비한 양호한 노광 조명광을 얻을 수 있다.
특히, 복수의 광원을 예를 들어 사각형 형상의 피조명 영역과 서로 비슷한 형상으로 배열하고, 이들 광원으로부터 얻어지는 빛을 광 적분기에 원하는 입사각으로 입사시키고, 출사광을 피조명 영역에 조사하는 빛으로서 이용함으로써, 고효율적으로 한결같은 조명을 실현한다. 광원으로서 반도체 레이저를 이용하는 경우에는 광 적분기 전 또는 후에 파면을 변화시키는 변조기를 이용하면, 레이저광의 간섭 무늬 불균일을 제거하여 한결같은 조명을 얻을 수 있다. 이 조명을 기판의 노광에 이용함으로써, 처리량이 높고 양호한 패턴을 노광할 수 있다.
도1은 본 발명에 관한 노광 장치의 제1 실시 형태를 도시하는 구성 사시도이다.
도2는 반도체 레이저 광원과 그 빔 성형과 광 적분기부와의 관계를 도시하는 도면이다.
도3은 원통형 렌즈에 의한 빔 성형을 도시하는 사시도이다.
도4는 반도체 레이저의 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도5는 광 적분기에 있어서의 로드 렌즈의 배열 상태를 도시하는 도면이다.
도6의 (A)는 광 적분기를 구성하는 로드 렌즈에의 입사광과 출사광과의 관계를 설명하기 위한 정면도, 도6의 (B)는 (A)에 도시하는 A-A 단면도, 도6의 (C)는 측면도이다.
도7은 본 발명에 관한 노광 장치의 제2 실시 형태를 도시하는 구성 사시도이다.
도8은 파면을 변화시키는 변조기와 광 적분기와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도9의 (A)는 파면을 변화시키는 변조를 상세하게 도시하는 정면도, 도9의 (B)는 (A)에 도시하는 C-C 단면 상의 형상을 나타내는 도면이다.
도10은 본 발명에 관한 노광 장치의 제3 실시 형태를 도시하는 구성 사시도이다.
도11은 본 발명에 관한 노광 장치의 제4 실시 형태를 도시하는 구성 사시도이다.
도12는 본 발명에 관한 노광 장치의 제5 실시 형태를 도시하는 구성 사시도이다.
도13은 본 발명에 관한 노광 장치의 제6 실시 형태를 도시하는 구성 사시도이다.
도14의 (A), (B)는 각각 복수개 광원을 배열하는 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도15는 광원 어레이로서 복수의 레이저 광원을 이용하는 경우를 도시한 도면이다.
도16은 복수의 종류의 광원을 이용하는 경우의 배열을 도시하는 도면이다.
본 발명에 관한 조명 방법 및 노광 방법 및 그 장치의 실시 형태에 대해 도면을 이용하여 설명한다.
우선, 본 발명에 관한 노광 장치의 제1 실시 형태를 도1을 이용하여 설명한다. 분리한 복수의 광원을 1차원 혹은 2차원으로 배열한 광원 어레이인 LD 어레이(1)는, 405 ㎚ 부근(380 내지 420 ㎚)의 파장의 빛이 30 ㎽ 정도의 출력으로 출사하는 청(자)색 반도체 레이저(11)를 기판 상에 2차원 배열하여 구성된다. 개개의 반도체 레이저(11)로부터의 출사광은 집광 렌즈(집광 광학계)(12)에 의해, 다음에 도5 및 도6을 이용하여 상세한 설명을 행하는 광 적분기(13)에 입사한다. 광 적분기(13)를 투과한 빛은, 조사 광학 수단인 컨덴서 렌즈(콜리메이트 렌즈)(14)를 통해 미러(15)로 반사하여 마스크(2)에 조사한다. 마스크(2)는, 통상의 크롬 또는 산화 크롬 마스크(2a)라도 좋고, 마스크의 기능을 갖는 예를 들어 액정이나 디지털ㆍ미러ㆍ디바이스(Digital Mirror Device) 등의 2차원 광 변조기(2b)라도 좋다. 광 적분기(13)는 집광 렌즈(집광 광학계)(12)에 의해 집광된 2차원으로 배열된 다수의 반도체 레이저(11)로부터의 출사 광속을 공간적으로 분해하여 다수의 의사 2차 광원을 생성하여 중합하여 조명하는 광학계이다.
이 마스크(2a) 또는 2차원 광 변조기(2b)의 패턴 표시부(21)(예를 들어 사각형 형상으로 형성됨)를 투과 혹은 반사한 빛은 투영 렌즈(3)에 의해, 피노광 기판(5) 상의 노광 영역(51)에 패턴(21)을 투영 노광한다. 기판 척 및 xy 스테이지로 이루어지는 기판 이동 기구(4)에 의해 기판(5)이 이동됨으로써, 기판(5) 상의 원하는 영역에 걸쳐 패턴을 차례로 노광해 간다. 통상의 마스크(2a)를 이용하는 경우에는 마스크 상에 묘화된 패턴이 반복하여 노광된다. 또한, 2차원 광 변조기(2b)를 이용하는 경우에는 기판(5)의 대부분 전체에 원하는 패턴이 1 세트, 혹은 수세 트 노광되게 된다.
제어 회로(6)는 반도체 레이저(11)를 노광의 타이밍마다 점등시키고, 원하는 노광량이 기판(5)에 이루어지면 소멸시키는 제어를 행한다. 즉, 광로 중에 설치된 빔 분할기(171)에 입사하는 빛의 1 ％ 전후의 빛을 광 검출기(17)에 취입한다. 광 검출기(17)에서 검출된 광 강도는 제어 회로(6)로 적분된다. 이 적분치는 기판(5)에 노광하는 노광 조명광의 적산 노광량이 되기 때문에, 이 값이 미리 제어 회로(6)에 기억시켜 둔 원하는 설정치(최적 노광량)에 도달한 단계에서 반도체 레이저(11)를 OFF로 하여 노광을 종료한다.
또한, 제어 회로(6)는 2차원 광 변조기(2b)의 표시 2차원 패턴 정보를 기초로 하는 2차원 광 변조기(2b)를 구동 제어하는 신호를 이송한다. 또한, 제어 회로(6)는 기판 이동 기구(4)를 구동하여 기판 상에 원하는 패턴을 거의 기판 전체에 노광하도록, 기판(5)을 2차원 광 변조기(2b)의 표시 정보와 동기시키면서 이동시킨다.
스테이지(4)를 연속 이동하여 기판(5)에 스캔 노광하는 경우에는 제어 회로(6)는 상기 노광 모니터하고 있는 광 검출기(17)의 신호 강도를 기초로 하여 스테이지의 주사 속도를 제어한다. 또한, 2차원 광 변조기(2b)를 이용하는 경우에는 제어 회로(6)는 이 구동과, 상기 광 검출기(17)의 신호와 스테이지의 구동 신호를 토탈 제어한다.
복수의 반도체 레이저(11)는 개별로 ON - OFF할 수 있으므로, 도1에 도시하는 광 검출기(17)를 이용하여 개개의 레이저 출력을 차례로 모니터하는 것이 가능 하다. 따라서, 제어 회로(6)는 개개의 LD(11)에 차례로 점감의 신호를 이송하고, 이와 동기하여 광 검출기(17)의 신호 강도를 검출함으로써, LD(11)의 열화에 수반하는 출력 저하를 알 수 있다. 그래서, 제어 회로(6)는 출력이 저하되면 출력이 원하는 일정치 이내가 되도록 전류치를 일정치까지 올려, 개개의 광원의 에너지를 제어한다. 즉, 제어 회로(6)는 다수의 광원(11)으로부터 출사하는 각각의 광 에너지가 원하는 일정치 이내가 되도록 개개의 광원(11)의 에너지를 제어한다. 이와 같이 함으로써, 조명광의 동일성이 얻어지는 동시에 조명광 강도를 일정하게 유지할 수 있는 것이 가능해진다.
도1에 도시하는 복수의 반도체 레이저(11)는 등 피치의 균일한 밀도 분포로 배열되어 있다. 또한 이 광원(11)에 배열하고 있는 영역은, 마스크(2a) 또는 2차원 광 변조기(2b)의 패턴 표시부인 피조명 영역(21)의 형상으로 서로 비슷한 영역으로 이루어지고 있다. 당연, 피조명 영역(21)이 직사각형 형상인 경우, 광원(11)의 배열 영역도 서로 비슷한 직사각형 영역이 된다.
반도체 레이저(11)는 통상 그 출사광의 확장각이 도2의 지면 내의 방향(x 방향)과 지면에 직각인 방향(y 방향)으로 서로 다르다. 반도체 레이저(11)의 출사광의 확장각은, 도2의 지면 내의 방향(x 방향)에서는 예를 들어 최대치에 대한 절반치를 공급하는 장소의 방향이 광축으로부터 측정하여 28도 정도, 지면과 직각인 방향(y 방향)에서는 8도 정도가 된다. 이로 인해, 이 양 방향(x 방향 및 y 방향)의 확장각을 거의 같게 하거나, 지장이 없는 최대치로서 1.5배 이내로 할 필요가 있다. 이와 같이 하면 다음에 설명한 바와 같이 광 적분기(13)에 입사하는 각 반도 체 레이저로부터의 빛의 강도 분포가 회전 대칭에 거의 같게 된다.
그리고, 후술하는 바와 같이 광 적분기 입사광의 강도 분포는, 광 적분기 출사광의 강도 분포와 같게 된다. 또한, 광 적분기 출사 위치는 투영 노광 렌즈(3)의 입사 동공과 결상 관계가 된다. 이로 인해, 투영 노광 렌즈(3)의 동공 상에서 회전 대칭의 강도 분포가 되는 노광 조명이 실현된다. 이와 같이 투영 노광 렌즈(3)의 동공 상에서 강도 분포를 회전 대칭으로 함으로써, 마스크(2a) 혹은 2차원 광 변조기(2b)의 패턴의 방향에 의존하지 않고 거의 동일한 조명의 지향성을 얻을 수 있다. 이 결과 패턴의 방향에 의존하지 않는 해상 특성을 얻을 수 있어, 기판 상에 왜곡이 되는 일 없이 정확하게 노광되게 된다. 또, 부호 103은 광 적분기 출사 위치에 설치된 시야 조리개이다.
이와 같이 도2에 도시하는 원통형 렌즈(112)는 반도체 레이저(LD)의 광원의 허상을 11'의 위치에 결상함으로써, 마치 11'의 점 광원으로부터 출사하도록 이루어지고, LD 출사시에는 지면 내(x 방향)에 광축으로부터 28도 정도의 확장각을 갖고 있었던 레이저 빔이 1도 정도의 확장각이 된다. 마찬가지로 지면에 수직 방향으로 늘어서는 원통형 렌즈(113)는 LD의 광원의 허상을 거의 11'의 위치에 결상함으로써, 마치 11'의 점 광원으로부터 출사하도록 되고, LD 출사시에는 지면에 직각 방향(y 방향)으로 광축으로부터 8도 정도의 확장각을 갖고 있었던 레이저 빔이 1도 정도의 확장각이 된다. 이와 같이 어느 LD(11)로부터 출사한 레이저 빔도 원통형 렌즈(112, 113)에 의해 거의 회전 대칭의 강도 분포가 실현된다. 즉, 원통형 렌즈계(100)에서 2차 광원(11')으로부터 출사하는 빛의 발산각이 출사광의 광축에 수직 인 면을 향해 면내 임의의 2 방향(예를 들어, x 방향 및 y 방향)에 대해, 1 : 1.5의 비 이내가 되도록 빔 발산각을 조정함으로써, 통상 원형의 유효 직경을 갖는 광 적분기(13)의 입사면에 광원(11)으로부터의 출사광을 유효하게 조명광으로서 이용하는 것이 가능해진다. 그 결과, 앞서 설명한 바와 같이 투영 노광 렌즈(3)의 동공 상에서 회전 대칭의 강도 분포가 실현되고, 마스크(2a) 또는 2차원 광 변조기(2b)에서 표시된 패턴을 정확하게 노광할 수 있다.
또, 도3에 도시한 바와 같이 LD의 직교하는 2축의 발산각에 따라서 초점 거리가 다른 두 가지의 원통형 렌즈(112, 113)를 광로에 따라서 전후로 배열함으로써 빔 발산각을 조정하는 것이 가능해진다.
도2에 도시하는 부호 13은 광 적분기이며, 도5는 광 적분기(13)를 광축 방향으로부터 본 도면이다. 광 적분기(13)는 유리 로드 방식과, 렌즈 어레이 방식으로 크게 구별할 수 있다. 광 적분기(13)가 유리 로드 방식인 경우에는, 복수의 로드 렌즈(131)로 되어 있다. 각 로드 렌즈(131)는 도6에 도시하는 구조를 갖고 있다. 입사측의 단부면(1311)은 구볼록면이며, 출사측의 단부면(1312)도 동일하게 구볼록면이다. 이 양 볼록면의 곡률 반경을 R로 하고, 로드 렌즈 유리의 굴절율을 n이라고 하면, 로드 렌즈의 길이(L)는 nR/(n - 1)이 된다. 이러한 로드 렌즈(131)에 도6의 (A)에 도시한 바와 같이 광축에 θx'의 각도로 입사하는 빔 성분(Bxy')은 입사면(1311)의 구볼록 렌즈의 효과에 의해, 출사 단부면에 교축된다. 또한 교축된 후 이 출사 단부(1312)로부터 출사하는 빔(Bxy)은 이 출사면의 구볼록 렌즈의 효과에 의해, 입사광의 입사각(θx')에 의존하지 않고, 전부 광축(로드 렌즈의 축으로 평 행)에 평행한 주광선을 갖는 출사광이 된다.
전술한 대로 원통형 렌즈(112, 113)에 의해, 11'의 허상 위치로부터 출사한 확장각 1도 정도의 레이저 빔은 집광 렌즈(12)에 입사한다. 이 집광 렌즈(12)의 전방측 초점은 허상 위치(11')에 후방측 초점은 광 적분기(13)의 입사 단부에 있다. 따라서, 이 집광 렌즈(12)를 투과한 각 LD(11)로부터 나온 레이저광은 평행 빔이 되어 광 적분기(13)에 입사하고, 또한 상기한 로드 렌즈(131)의 입사 단부에 입사하는 빔 성분(Bxy')의 광 적분기(13)로의 입사의 각도(θx',θy')는, 도3 및 도4에 도시하는 반도체 레이저(11)의 배열 위치(x, y)에 대응하고 있다. 즉, LD 어레이(1)는, 예를 들어 도4에 도시한 바와 같이 LD(11)를 배열하고 있다. 이 배열은, 하나의 LD의 x 방향의 직경을 DLDx, y 방향의 직경을 DLDy, x 방향의 피치를 PLDx, y 방향의 피치를 PLDy, x 방향의 개수를 mx, y 방향의 개수를 n y라 하였을 때, x 방향의 길이 WLDAx 및 y 방향의 길이 HLDAy를 다음에 나타내는 식 (1) 및 식 (2)로 나타낼 수 있다.
WLDAx = (mx - 1) PLDx (1)
HLDAy = (ny - 1) PLDy (2)
이와 같이, 집광 렌즈(콜리메이트 렌즈)(12)에 의해, LD(11)의 피치(PLDx, PLDy)와 광 적분기(13)를 구성하는 로드 렌즈(131)의 피치(Wx, Hy)를 대응시키고, 2차 광원(11')으로부터 출사하는 각각의 출사광을 광 적분기(13) 상의 동일 위치에 입사시킴으로써, 조명 장소에 의존하지 않고 한결같이 지향성이 균일한 조명을 실현하는 것이 가능해진다.
이와 같이 각 LD(11)로부터 광 적분기(13)에 조사하는 빔(B')은, 평행 빔으로 회전 대칭에 근접하는 광 적분기(13)의 입사면의 중심(광축)에 중심을 갖는 가우스 분포가 된다. 광 적분기(13)는 다수의 로드 렌즈(131)의 집합이기 때문에, 1개의 로드 렌즈(131)에 입사하는 빛은 가우스 분포가 미소한 일부가 된다. 이로 인해, 1개의 로드 렌즈(131) 내에서는 거의 한결같은 강도로 되어 있다. 또한, 로드 렌즈 입사광의 입사 단부면(1311)에서의 위치와 출사광의 출사 방향이 대응하고 있다. 이 결과, 출사광은 광축을 중심으로 한 어느 확장각으로의 광 강도도 거의 같게 되고, 이 확장각이 콜리메이트 렌즈(14)에 의해 마스크(2a)의 면 혹은 2차원 광 변조기(2b)의 변조면의 장소에 대응하기 때문에, 마스크(2a)의 면 혹은 2차원 광 변조기(2b)의 변조면을 그 장소에 따르지 않고 한결같이 조명하게 된다.
또한, 각 로드 렌즈의 단면 형상은 도6의 (B)에 도시한 바와 같이 x, y 방향에 Wx, Hy의 폭을 갖고 있다. 전술한 바와 같이 입사광의 로드 렌즈 단부(1311)에서의 위치와 출사광의 출사 각도(θx, θy)가 대응, 즉 비례하기 때문에 출사광의 확장 최대 각도 θxm, θym(출사광의 광축으로부터의 각도 범위)은 이 로드 렌즈 단면의 치수(Wx, Hy)에 비례한다. 즉, 엄밀히 표현하면, 다음에 나타내는 식 (3) 및 식 (4)의 관계가 된다. 또, n은 로드 렌즈 유리의 굴절율, L은 로드 렌즈의 길이이다.
θxm = nWx/2L (3)
θym = nHy/2L (4)
광 적분기 출사면(1312)과 마스크(2a) 혹은 2차원 광 변조기(2b)는, 초점 거리(fc)의 콜리메이트 렌즈(14)의 각각 전방측 초점면과 후방측 초점면이기 때문에, 마스크(2a) 혹은 2차원 광 변조기(2b)를 조사하는 빔의 (x, y) 좌표 범위 Wmx 및 Hmy는 다음에 나타내는 식 (5) 및 식 (6)으로 부여된다.
Wmx = fcㆍθxm = Wxㆍnfc/2L (5)
Hmy = fcㆍθym = Hyㆍnfc/2L (6)
즉, 각 로드 렌즈의 광축에 수직인 단면 형상의 종횡비(r1)(= Wx/Hy)와, 피조명 영역(21)의 종횡비(r0)(= Wmx/Hmy)의 비(r1/r0)를 1로 함으로써, 마스크(2a) 혹은 2차원 광 변조기(2b)가 필요한 부분에만 한결같은 빛으로 노광하는 것이 가능해진다. 상기 비(r1/r0)는 0.8 이상 1.2 이하이면, 종래의 노광 조명 방법에 비해 충분히 유효한 광 이용 효율이 실현된다.
광 적분기(13)가 렌즈 어레이 방식의 경우에는 광원에 가까운 쪽을 제1 렌즈 어레이, 먼 쪽을 제2 렌즈 어레이로 이루어지는 2매의 렌즈 어레이로 구성된다. 제1 렌즈 어레이 상에는, 렌즈 셀을 2차원으로 배열하여 LD 어레이(1)로부터 얻어지는 광속을 공간적으로 분할하고 있다. 제1 렌즈 어레이의 각 렌즈 셀은, 각각의 셀에 대응한 제2 렌즈 어레이에 광속을 집광하도록 되어 있고, 제2 렌즈 어레이 상에는 분할수와 동일수의 2차 광원 상이 형성된다. 제2 렌즈 어레이 상의 각 렌즈 셀은, 대응하는 제1 렌즈 어레이의 각 렌즈 셀 개구를 피조명 영역(21)의 면에 결 상시킨다. 컨덴서 렌즈(14)는, 각 렌즈 셀 중심을 피조명 영역(21)의 중심에 일치시키고, 제1 렌즈 어레이의 각 렌즈 셀이 피조명 영역(21)으로 중합하도록 구성된다. 그 결과, 유리 로드 방식인 경우와 같이 거의 회전 대칭에 분포하고 있었던 조명 광속은 그 강도가 적분되고, 각각의 강도 차가 상쇄되어 균일한 강도 분포를 얻을 수 있다.
다음에, 본 발명에 관한 노광 장치의 제2 실시 형태에 대해 도7을 이용하여 설명한다. 도7에 도시하는 부품 번호와 도1에 도시하는 부품 번호가 같은 것에 대해서는 동일한 것을 나타낸다. 제2 실시 형태에 있어서, 제1 실시 형태와 서로 다른 점은 조명광을 공간 주파수에 따르지 않고 거의 완전하게 한결같이 되도록 하여 간섭 무늬의 발생을 방지하기 위해, 파면을 변화시키는 변조기인 디퓨저(16)를 설치한 데 있다. 이 구성에 의해, 각 LD 광원(11)으로부터 출사한 빛은 원통형 렌즈(112, 113)로 이루어지는 원통형 렌즈계(100) 및 집광 렌즈(12)를 통과하고, 회전 대칭에 가까운 강도 분포를 갖는 평행 빔(B')으로서 광 적분기(13)에 입사하기 전에 디퓨저(16)를 통과한다.
이 디퓨저(16)는 파면을 변화시키는 변조기이며, 예를 들어 도8에 도시한 바와 같이 직결된 모터(161)를 회전 구동시켜 유리 원판(16)을 회전시켜 구성된다. 유리 원판(16)은 방사형으로 광학 연마되어 있고, 도9의 (A)의 CC 단면의 유리 표면의 형상은 도9의 (B)에 도시한 바와 같이 대강 정현파형의 높이 변화를 하고 있다. 이 높이(거칠기) 변화량은 수 ㎛이다. 그런데, 부호 163은 디퓨저(16)에 입사하는 빔 광속을 나타내고, 162는 상기 빔 광속(163)의 중심의 디퓨저(16) 상에 있어서의 회전 궤적을 나타낸다.
1 주기의 길이는 원판(16)의 회전수와 노광 시간에 의해 결정하고, 대강 1 스텝 노광 사이에 노광 광축 상에서 1 주기 정도 변화하도록 한다. 또한, 스캔 노광을 행하는 경우에는 1 회소분 이동하는 사이에 1 내지 수주기 정도 변화하도록 한다. 이들 회전 속도의 제어는 제어 회로(6)에 의해 2차원 광 변조기(2b)의 표시 제어, 스테이지(4)의 이동 제어와 동기시켜 제어하거나 일단 회전을 개시하면 상기한 속도로 일정 회전시킨다. 그 결과, 마스크(2a) 혹은 2차원 광 변조기(2b)에 대한 조명광에 있어서, 공간 주파수가 높은 불균일을 변화시켜 시간 평균시킴으로써 공간 주파수에 따르지 않고 거의 완전하게 한결같이 되도록 하여 간섭 무늬의 발생을 방지하는 것이 가능해진다. 또, 도7에 도시한 파면을 변화시키는 변조기(16)는 광 적분기(13)의 직전에 설치되어 있지만, 광 적분기(13)의 직후에 설치해도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
다음에, 본 발명에 관한 제3 실시 형태에 대해 도10을 이용하여 설명한다. 제3 실시 형태에 있어서, 제1 및 제2 실시 형태와 서로 다른 점은 LD 어레이를 복수 설치하여 노광 광량을 증대시키는 것이다. 반도체 레이저(11)의 출사광은 직선 편광이기 때문에, 예를 들어 N개가 있는 모든 LD 어레이(1a)로부터의 출사광이 x 방향의 직선 편광이도록 방향을 정렬하여 LD(11)를 설치한다. 한편 LD 어레이(1b)는 y 방향이 직선 편광이도록 N개가 있는 모든 LD(11)를 설치한다. LD 어레이(1a)로부터 출사되는 x 방향의 직선 편광은, 편광 빔 분할기(114)에서 거의 100 ％가 투과되어 P 편광이 된다. 한편 LD 어레이(1b)로부터 출사되는 y 방향의 직선 편광 은, 편광 빔 분할기(114)에서 거의 100 ％가 반사되어 S 편광이 된다. 이 결과, 2N개의 LD(11)로부터의 레이저광은 전부 손실 없이 노광 광학계에 유도된다.
상기 설명에서는, LD 어레이(1b)는 y 방향이 직선 편광이도록 설치되어 있지만, LD 어레이(1a)와 같이 x 방향이 직선 편광이도록 설치할 수도 있다. 이 경우에는 LD 어레이(1b)로부터 출사하고, 편광 빔 분할기(114)에 입사하기까지의 도중의 광로에 1/2 파장판을 설치하고, 이 1/2 파장판을 투과한 빛이 y 방향의 직선 편광이 되도록 해도 된다.
반도체 레이저 및 LD는 통상 투명한 창을 갖는 작은 관에 밀봉되어 있지만, 이 관의 직경은 6 ㎜ 약 정도이기 때문에, 2차원적인 배열의 수에 한계가 있다. 그로 인해, 본 제3 실시 형태에 따르면 복수의 LD 어레이를 설치함으로써, 이 수의 한계를 배증시키는 효과를 얻을 수 있다.
편광 빔 분할기(114)를 통과한 레이저광은 직교하는 2 방향의 편광 성분을 포함하고, 집광 렌즈(12), 광 적분기(13), 콜리메이터 렌즈(14), 마스크(2) 혹은 2차원 광 변조기(2), 투영 노광 렌즈(3)를 통해 기판에 이른다. 이들 광로 도중의 부품은 편광에 관계없이 레이저광을 통과시키기 때문에, 기판 상에 2배의 노광량을 조사시킬 수 있다. 이 결과, 노광 시간은 2분의 1로 종료되게 되어 처리량의 고속화가 실현된다.
또, 제어 회로(6)로부터 노광하는 패턴의 정보를 바탕으로, 2차원 광 변조기(2b)가 구동되고, 이 구동 정보에 동기하여 스테이지(2) 및 LD 어레이(1a, 1b)가 구동된다. 제어 회로(6)로부터의 LD(11)의 구동은, 노광광이 기판(5)의 감도에 대 해 가장 적절하게 되도록 점등 시간이 제어되고, 노광을 행하지 않는 타이밍에서는 LD가 소멸된다.
다음에, 본 발명에 관한 노광 장치의 제4 실시 형태에 대해 도11을 이용하여 설명한다. 제4 실시 형태에 있어서, 제1 내지 제3 실시 형태와 서로 다른 점은 마스크(2)로서의 2차원 광 변조기(2b)로서, 투과형을 이용한 데 반해 반사형을 이용하는 것에 있다. 결국, 2차원 광 변조기(2b)는 투과형이나 반사형이라도 좋다. 제4 실시 형태에서는, 반사형 액정 2차원 광 변조기 등의 반사형의 2차원 광 변조기(2bb)를 이용하고 있다. 그리고, LD 광원(1)으로부터 출사한 레이저 빔을 빔 분할기(145)에 의해 2분 지나 2개의 노광 광학계에 유도하고 있다. 부호 144는 2차원 광 변조기의 표시부와 공역인 위치 관계에 있는 시야 조리개이다. 이 시야 조리개의 상이 렌즈(142a, 143a 및 142b, 143b)에 의해 2차원 광 변조기(2bba 및 2bbb)의 표시부에 결상하고, 이 표시부가 투영 노광 렌즈(3a 및 3b)에 의해 기판(5) 상의 노광 영역(151a 및 151b)에 결상한다.
반도체 레이저(11)를 출사한 빛은 도면의 기판면 즉 수평면에 평행한 직선 편광이다. 그래서 광 적분기(13)를 통과한 후 1/4 파장판(105)에 의해 원 편광으로 한다. 빔 분할기(145)는 편광 빔 분할기이므로, 빔 분할기(145)에 입사하는 원 편광 중 수평 편광 성분인 P 편광 성분은 편광 빔 분할기(145)를 통과하고, S 편광 성분은 편광 빔 분할기(145)로 반사한다. 반사한 S 편광 성분은 수직 방향의 직선 편광이며, 미러(151b, 152b)에서 반사하여 수평한 직선 편광이 된다.
이와 같이 편광 빔 분할기(145)로 분기한 2개의 노광 빔은 동시에 수평한 직 선 편광이 되어, 편광 빔 분할기(153a, 153b)에 입사한다. 이러한 편광 빔 분할기(153a, 153b)에 있어서 입사광은 S 편광이기 때문에, 100 ％ 반사하여 반사형 액정으로 이루어지는 2차원 광 변조기(2bba, 2bbb)에 수직으로 입사한다. 이 반사형 액정 2차원 광 변조기(2bba, 2bbb)의 각 표시 회소에 표시 정보에 따라서 전압 인가의 ON, OFF를 행하면, 이에 따라 반사광의 편광이 그대로 또는 직각으로 변화한다. 따라서, 반사광이 다시 편광 빔 분할기(153a, 153b)를 통과시키면, 편광이 직각으로 변화된 회소만이 빔 분할기(153a, 153b)를 통과하여 온다.
이와 같이 하여 얻어진 2차원광 정보는, 투영 노광 렌즈(3a, 3b)에 의해 기판(5) 상의 151a 및 151b 상에 노광 패턴으로서 결상 투영된다.
다음에, 본 발명에 관한 노광 장치의 제5 실시 형태에 대해 도12를 이용하여 설명한다. 제5 실시 형태는, 반사형 2차원 광 변조기로서 디지털ㆍ미러ㆍ디바이스(2bbc)를 이용한 것이다. 디지털ㆍ미러ㆍ디바이스(2bbc)는, 각 회소에 전기 신호로 구동하는 멤브레인 미러를 설치하여 구성된다. 각 미러에 조사한 노광광은 신호가 0N의 부분에서는 θ만큼 미러가 기울고, OFF부에서는 미러가 기울어지지 않는다. 예를 들어 노광광을 미러(154)로 반사시켜 조사하고, 기울어진 미러로 반사한 빛은 투영 노광 렌즈(3)에 입사하여 렌즈(3)를 통과하지만, 기울어지지 않는 회소에 대해서는 미러로 정반사하여 투영 노광 렌즈(3)의 동공으로부터 떨어져 렌즈(3)를 통과하지 않는다. 이 결과, 디지털ㆍ미러ㆍ디바이스(2bbc)에 있어서 디지털 미러 디바이스 구동 신호로 표시된 패턴이 투영 노광 렌즈(3)에 의해 기판(5) 상에 투영 노광되게 된다.
다음에, 본 발명에 관한 노광 장치의 제6 실시 형태에 대해 도13을 이용하여 설명한다. 제6 실시 형태는, 광원 어레이(1)로서 복수의 반도체 레이저(11)로부터 출사한 빛을 도시하지 않은 렌즈 등의 도광 광학계에 의해 받아들이고, 광섬유(1101)에 유도하여 2차 광원이 되는 출사 단부(1102)로부터 출사하도록 구성하는 것이다. 광섬유(1101)의 각 섬유 단부로부터 출사한 빛은 빔 성형 광학계(1103)에 의해, 원하는 확장각을 갖고 출사한다. 2차 광원이 되는 출사 단부(1102)는 2차원 광 변조기(2b)의 표시 영역(21)과 거의 서로 비슷한 발광 영역을 갖는다. 이와 같이 함으로써 이미 설명한 바와 같이 2차 광원을 출사한 빛은 효율적이면서 한결같이 2차원 광 변조기(2b)를 조명한다.
다음에, 본 발명에 관한 광원 어레이인 LD 어레이의 실시예에 대해 도14를 이용하여 구체적으로 설명한다. 이들 LD 어레이의 실시예에 있어서, 도14의 (A)에 도시하는 LD 어레이(1A)는 지금까지 설명한 것이며, LD 배열이 xy 방향으로 등피치로 배열되어 있다. 한편, 도14의 (B)에 도시하는 LD 어레이(1B)는 최조밀 배열되어 있다. 즉 정삼각형의 정점에 LD(11)가 배열되어 있다. 본 실시예인 경우에는 LD 패키지의 원의 외경(D)에 대해 배열 피치를 P라고 하면, P는 예를 들어 1.07 내지 1.1D 정도로 하는 것이 가능하다. 도14의 (A)와 (B)의 부호 112는 LD의 실장 영역을 그린 서로 합동인 직사각형이다. 최조밀 실장의 (B)쪽이 고실장 밀도가 된다. 구체적인 수치 평가를 행하면, LD 어레이(1A)의 LD 실장 밀도는 1/P2이 되는 데 반해, LD 어레이(1B)에서는 1.154/P2이 되어 실장 밀도를 높게, 즉 광원의 출력 을 15 ％ 정도 크게 하는 것이 가능해진다.
도14에 도시하는 부호 111은, 다수 배열한 LD로부터 발생하는 열에 의해 LD가 고온이 되어, 수명이 짧아지는 것을 방지하기 위한 냉각기이다. 구체적으로는, 냉각기(111)는 열전도가 좋은 재료인 구리 등으로 구성하고, 이에 구멍을 관통시켜 냉각수를 통과시킴으로써, 25 ℃ 이하로 구동하는 것이 가능해진다. 또한 펠티어 소자를 이용해도 마찬가지로 25 ℃ 이하로 냉각할 수 있어 장기 수명화가 실현된다.
본 발명은, 이상 설명한 LD 어레이의 실시예로 한정되는 것이 아니다. 즉, 이용하는 광원으로서 비교적 지향성이 높은 광원, 예를 들어 발광 다이오드(LED)나 그 이외의 발광 면적이 작은 램프를 이용해도, 본 발명을 실현시키는 것이 가능하다. 또한, 반도체 레이저 이외의 복수의 레이저 광원을 이용해도 실현할 수 있다.
다음에, 본 발명에 관한 광원 어레이에 대한 다른 실시예에 대해 도15를 이용하여 설명한다. 이 광원 어레이(1)는 비교적 발산각이 작은 통상의 가스 레이저 광원이나 고체 레이저 광원을 이용하는 것이지만, 레이저 광원 그 자체는 2차원으로 배열하고 있는 것은 아니다. 즉, 어느 레이저로부터도 동일한 방향으로 레이저광을 발사시킬 필요가 없다. 광축 방향의 레이저 단면적이 큰 경우, 도15에 도시한 바와 같이 미러(115p, 115q)를 이용하여 광로를 되접히게 함으로써, 복수의 빔의 밀도를 레이저의 실장 밀도보다 높게 하는 것이 가능하다.
도15의 실선부(1P)는 지면 내의 단면에서의 레이저 광원(11p)의 배열이며, 점선(1Q)은 지면과 평행하여 일정한 간격에 있는 단면에서의 레이저 광원(11q)의 배열이다. 실제로는 이러한 면이 3면 이상 존재되어 있다. 미러(115p, 115q) 등으로 되접혀진 빔은 도면의 좌측으로 진행하여 2차원 분포하고 있다. 부호 1106은 마이크로 렌즈이며, 각 마이크로 렌즈의 광축을 각 빔의 중심에 일치시키고 있다. 이 마이크로 렌즈(1106)를 통과한 빛은 2차 광원면(1105)에 각각의 빔이 집광된다. 그리고, 이 2차 광원면(1105)은 도1, 도2, 도7, 도10 내지 도12에 도시하는 집광 렌즈(12)의 전방측 초점면에 일치하도록 배치된다.
또한, 복수의 종류의 광원을 동시에 배열함으로써, 여러 가지 파장을 포함하는 조명을 얻는 것이 가능하다. 이러한 여러 가지 파장의 빛으로 이루어지는 조명을 노광 이외의 조명에 이용하는 것도 가능하고, 이 경우에 있어서도 한결같이 광 이용 효율이 높은 조명이 실현된다. 이러한 용도로서, 예를 들어 현미경을 이용한 미세 패턴의 관찰 및 검사 등에 이용하는 조명이 있다.
광원 어레이(1A)로서 복수의 파장의 LED나 LD를 이용하는 경우에는, 도1 내지 도4 혹은 도14에 도시한 바와 같이 구성된다. 그리고, 복수의 광원(11)은 도16에 도시한 바와 같이, 예를 들어 파장이 다른 복수의 종류의 광원(11A, 11B, 11C, 11D)으로 이루어진다. 이와 같이 복수의 종류의 광원을 각 종류로 복수 이용하는 경우에는 도16에 도시한 바와 같이 각 종류가 치우치는 일 없이 분포하도록 배열하는 일이 바람직하다.
이상 설명한 광원 어레이는, 분리된 복수의 광원을 2차원 배열하고 있지만, 조명 영역이 가늘고 긴 경우에는 1차원으로 배열하였다고 해도 좋다는 것은 명백하다.
또한, 이상 설명한 실시 형태에 따르면, 다수의 반도체 레이저를 배열하여 출사광을 효율적으로 조명광에 이용하는 것이 가능해지고, 종래의 수은 램프를 광원으로 하는 경우에 비해 투입 전기 에너지를 유효하게 기판의 노광에 이용하는 것이 가능해져 에너지 절약에 공헌할 수 있다. 또한 고체 광원을 이용하는 것이 가능해져 광원의 긴 수명이 실현되고 보수가 용이하게 되었다.
본 발명에 따르면, 반도체 레이저 등의 1개당의 발광 에너지가 작은 광원을 복수 이용하고, 높은 효율이면서 균일하게 피조사물에 조사할 수 있게 하여 에너지 절약으로 고성능인 조명을 실현하였다.
또한, 본 발명에 따르면 에너지 절약으로 고성능인 조명을 실현함으로써, 기판 등에 패턴을 노광할 때 높은 처리량으로 양호한 패턴 노광을 실현할 수 있다.

Claims (23)

1차원 혹은 2차원으로 배열된 복수의 반도체 레이저 광원의 각각으로부터 빛을 출사시키고,
상기 복수의 광원 각각으로부터 출사된 빛을 광 적분기에 의해 공간적으로 분해하여 다수의 의사 2차 광원을 생성하고,
상기 생성된 다수의 의사 2차 광원으로부터의 빛을 컨덴서 렌즈에 의해 중합시켜 피조명 영역에 조명하는 것을 특징으로 하는 조명 방법.
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제1항에 있어서, 상기 광 적분기에 입사하는 빛 또는 상기 적분기를 출사하는 빛이 단면이 대강 정현파형의 높이 변화를 하도록 방사형으로 가공되고, 또한 회전 구동된 변조기를 통과하는 것을 특징으로 하는 조명 방법.
제1항에 있어서, 상기 복수의 광원 각각으로부터 출사하는 광속에 있어서의 발산각을, 상기 출사 광속의 광축에 수직인 면을 향해 면내 임의의 2 방향에 대해 1 : 1.5의 비 이내가 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 조명 방법.
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복수의 반도체 레이저 광원을 1차원 혹은 2차원으로 배열한 광원 어레이와 상기 광원 어레이의 각 광원으로부터 출사한 빛을 집광시키는 집광 광학계와,
상기 집광 광학계에서 집광된 빛을 공간적으로 분해하여 다수의 의사 2차 광원을 생성하는 광 적분기와,
상기 광 적분기에 의해 생성된 다수의 의사 2차원 광원으로부터의 빛을 중합시켜 노광해야 할 패턴을 갖는 피조명 영역에 조명하는 컨덴서 렌즈를 갖는 조명 광학계와,
상기 조명 광학계에서 조명된 노광해야 할 패턴을 투과 혹은 반사한 빛을 피노광물 상의 피노광 영역에 투영 노광하는 투영 광학계를 구비하는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
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제15항에 있어서, 상기 조명 광학계에 있어서, 상기 광 적분기의 입사측 또는 상기 광 적분기의 출사측에 단면이 대강 정현파형의 높이 변화를 하도록 방사형으로 가공되고, 또한 회전 구동된 변조기를 구비하는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
제15항에 있어서, 상기 조명 광학계에 있어서, 상기 광원 어레이의 각 광원으로부터 출사하는 빛의 발산각을 조정하는 발산각 조정 광학계를 갖는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
입사광의 파면을 변화시키는 변조기이며,
단면이 대강 정현파형의 높이 변화를 하도록 방사형으로 가공되고, 또한 회전 구동된 것을 특징으로 하는 변조기.
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