KR101782672B1 - 프리즘 광학계, 조명 광학계, 노광 장치 및 소자 제조 방법 - Google Patents

Abstract

광속의 단면 형상을 변화시키도록 구성되는 프리즘 광학계는 광 입사면, 광 출사면 및 외측면을 포함한다. 광 입사면은 오목 추면을 포함하고, 광 출사면은 볼록 추면을 포함하며, 외측면은 광 입사면으로부터 외측면에 입사되는 광을 반사하는 반사면을 포함한다.

Description

프리즘 광학계, 조명 광학계, 노광 장치 및 소자 제조 방법{PRISM OPTICAL SYSTEM, ILLUMINATION OPTICAL SYSTEM, EXPOSURE APPARATUS, AND DEVICE MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 프리즘 광학계, 조명 광학계, 노광 장치 및 소자 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 소자, 액정 디스플레이 소자 및 다른 소자를 제조할 때, 리소그래피 단계에서는, 조명 광학계로 마스크(레티클)를 조명하고 투영 광학계를 통해 기판에 마스크 패턴의 화상을 투영하는 노광 장치가 사용된다. 기판에는 포토레지스트층이 형성된다. 이런 노광 장치에서는, 고해상도를 유지하면서 초점 심도를 확보하기 위해 마스크 패턴에 따라 유효 광원 분포(조명 조건)가 최적화된다. 유효 광원 분포는 조명 광학계의 동공면의 광 강도 분포이고, 조명 광학계의 마스크(조명 대상 평면)에 입사되는 광의 각도 분포이기도 하다.

일본 특허 출원 공개 제2002-343715호는 원추 프리즘 또는 피라미드형 프리즘을 사용함으로써 광속(light flux)의 단면 형상을 변경하여 윤대 유효 광원 분포를 형성하는 방법을 논의한다. 일본 특허 출원 공개 제11-271619호는 한 쌍의 원추 프리즘 또는 한 쌍의 피라미드형 프리즘을 사용하여 윤대 조명 또는 사중(quadruple) 조명을 형성하는 방법을 논의한다.

또한, 국제공개(PCT 출원) 제99-25009호는 균일한 광 강도 분포를 갖는 윤대 조명을 형성하기 위해 원추 프리즘에서 방출되는 광을 조명광 균일화 광학계로 안내하는 방법을 논의한다. 조명광 균일화 광학계는 기둥형 반사 부재와 원통형 반사 부재를 포함한다.

도 13은 예컨대 일본 특허 출원 공개 제2002-343715호와 일본 특허 출원 공개 제11-271619호에서 설명하는 바와 같은 프리즘을 사용하는 조명 광학계를 갖춘 노광 장치를 도시한다. 노광 장치는 조명 광학계(IL)와 투영 광학계(PO)를 포함한다. 광원(1)은 회전 대칭형 광 분포를 갖는 광을 방출하는 광원이다. 광원(1)에서 방출되는 광은 광학계(2), 원추 프리즘(3) 및 광학계(4)를 통과하여 마스크(M)에 입사된다. 마스크(M)에서 출사되는 회절 광은 투영 광학계(PO)에 입사되고 개구 다이아프램(NA 다이아프램)(5)을 통과하여 기판(P)에 화상을 형성한다. 원추 프리즘(3)은 마스크(M)에 대해 푸리에 변환 평면에 배치된다. 유효 광원 분포는 원형 형상에서 윤대 형상으로 변화한다. 이 방식은 실선과 점선을 사용하여 도시되어 있다. 점선은 원추 프리즘(3)이 마련되지 않는 경우에 통과 광의 상태를 도시한다. 실선은 원추 프리즘(3)이 마련되는 경우에 통과 광의 상태를 도시한다. 물론 광속은 원추 프리즘(3)의 작용으로 인해 확산되며, 광은 점선으로 도시된 입사각보다 큰 입사각으로 마스크(M)에 입사된다. 그 결과, 광의 일부가 투영 광학계(PO)의 개구 다이아프램(5)에 의해 차단되어 기판(P)의 노광량이 감소한다. 즉, 조명 광학계(IL)에서 나오는 광의 일부가 사용되지 않는데, 이는 광 이용 효율의 저하를 의미한다.

상술한 바와 같이, 종래의 원추 프리즘(3)에서는 광속이 확산되고 광의 일부가 원추 프리즘(3) 뒤에 배치되는 광 차폐 부재에 의해 차단되어 광의 일부가 원추 프리즘(3) 뒤에 배치되는 광학 요소에 입사되지 못한다. 이는 광 이용 효율의 감소를 초래한다.

또한, 국제공개(PCT 출원) 제99/25009호에서 논의하는 조명 광 균일화 광학계를 사용하는 경우에는, 광학계에서 방출되는 광의 각도 분포가 광학계에 입사되는 광의 각도 분포보다 넓다. 이는 광의 일부가 후속 광학계에 입사되지 못하도록 하여 광 이용 효율의 감소를 초래한다.

본 발명의 목적은 광속의 단면 형상을 변화시키는 프리즘으로부터 나오는 광에 기판이 노출될 때 광 이용 효율의 감소를 억제할 수 있는 조명 광학계를 제공하는 것이다.

본 발명의 양태에 따르면, 조명 광학계는 광속의 단면 형상을 변화시키도록 구성되는 프리즘을 포함하며, 조명 광학계는 조명 대상 평면을 조명하도록 구성된다. 프리즘은 광 입사면과, 광 출사면과, 광 입사면 측에서 광 출사면 측으로 연장되는 외측면을 포함한다. 광 입사면은 오목 추면을 포함하고 광 출사면은 볼록 추면을 포함하며 외측면은 광 입사면으로부터 외측면으로 입사되는 광을 반사하는 반사면을 포함한다.

본 발명의 추가적인 특징은 첨부 도면을 참조하여 예시적인 실시예의 후술하는 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 제1 예시적인 실시예에 따른 조명 광학계를 도시하는 개략적인 구조도.
도 2는 플라이-아이 광학계를 도시하는 개략적인 구조도.
도 3은 필드 스톱을 도시하는 개략적인 구조도.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 제1 예시적인 실시예에 따른 프리즘을 도시하는 도면.
도 5a, 도 5b, 도 5c 및 도 5d는 제1 예시적인 실시예에 따른 프리즘의 효과를 도시하는 도면.
도 6은 제2 예시적인 실시예에 따른 프리즘을 도시하는 도면.
도 7은 제3 예시적인 실시예에 따른 프리즘을 도시하는 도면.
도 8은 제4 예시적인 실시예에 따른 프리즘을 도시하는 도면.
도 9는 제2 예시적인 실시예에 따른 노광 장치를 도시하는 개략적인 구조도.
도 10은 육각형 광학 로드를 도시하는 도면.
도 11a와 도 11b는 제2 예시적인 실시예에 따른 프리즘을 도시하는 도면.
도 12는 σ 다이아프램 교환기의 개략적인 구조도.
도 13은 종래 프리즘의 문제를 도시하는 도면.
도 14는 제5 예시적인 실시예에 따른 프리즘을 도시하는 도면.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 예시적인 실시예와 특징과 양태를 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 제1 예시적인 실시예에 따른 조명 광학계의 구조를 설명한다.

예시적인 실시예에 따른 조명 광학계는 예컨대 노광 장치에 사용된다. 조명 광학계는 광원에서 방출되는 광을 조명 대상 표적인 마스크(레티클)로 안내하는 장치이다. 패턴이 마스크에 형성된다. 노광 장치는 마스크 패턴으로부터의 회절광을 사용하여 투영 광학계로 화상을 형성하고, 마스크 패턴의 화상을 기판(예컨대 웨이퍼와 유리판)에 투영하여 기판을 광에 노출한다.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 조명 광학계를 도시하는 개략적인 구조도이다. 광원 유닛(120)은 광원(101)과 타원형 미러(102)를 포함한다. 조명 광학계는 프리즘(광학계)(104), 제1 광학계(105), 편향 미러(107), 제2 광학계(140), 플라이-아이 광학계(109), σ 다이아프램(110), 제3 광학계(150), 필드 스톱(111) 및 제4 광학계(160)를 포함한다. 조명 광학계는 조명 대상 평면 상의 마스크(M)를 조명한다.

광원(101)은 고압 수은등이다. 대안으로서, 예컨대 크세논 램프와 엑시머 레이저가 광원(101)으로서 사용될 수 있다. 타원형 미러(102)는 광원(101)에서 방출되는 광을 모으는 집광 광학계이다. 타원형 미러(102)는 타원 일부의 형상을 취한다. 광원(101)은 타원의 두 초점 위치 중 하나에 배치된다.

광원(101)에서 방출되어 타원형 미러(102)에 의해 반사되는 광은 타원의 타측 초점 위치 가까이에 배치되는 프리즘(104)에 집광된다. 프리즘(104)은 입사광을 투과시키고 입사광의 광속의 단면 형상을 변화시켜 광을 방출한다. 프리즘(104)을 통과한 광은 제1 광학계(105)에 의해 편향 미러(107)로 안내되고 편향 미러(107)에 의해 반사된다.

본 예시적인 실시예에서는, 두 개의 광원 유닛(120)이 마련되고 편향 미러(107)가 각각의 광원 유닛마다 배열된다. 광원의 개수에 따라 편향 미러의 배열이 달라진다. 광원의 개수는 하나이거나 셋 이상일 수도 있다.

평면(108)은 프리즘(104)의 출사면에 대해 실질적으로 푸리에 변환 관계에 있는 위치를 점유하도록 설정된다. 그 결과, 프리즘(104)의 출사면 상의 윤대 광 강도 분포가 평면(108)에 입사되는 광의 각도 분포가 된다. 도 1은 프리즘(104)의 출사면에서 출사되는 광에 대해 소정 각도 분포(평면(108)의 광 강도 분포)를 이루는 광선을 도시한다. 평면(108)에서 나오는 광은 제2 광학계(140)에 의해 플라이-아이 광학계(109)로 안내된다. 제2 광학계(140)에서, 플라이-아이 광학계(109)의 입사면은 평면(108)에 대해 실질적으로 푸리에 변환 관계에 있는 위치를 점유하도록 설정된다.

도 2는 플라이-아이 광학계(109)를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 플라이-아이 광학계(109)는 평평한 상태로 접합되는 많은 평-볼록 렌즈를 갖는 두 개의 렌즈 유닛(131, 132)을 포함한다. 렌즈 유닛(131, 132)을 구성하는 각각의 평-볼록 렌즈의 초점 위치에, 대응하는 평-볼록 렌즈가 둘씩 짝을 지어 배치되도록 이들 렌즈의 곡면은 서로 대면하도록 배치된다. 플라이-아이 광학계(109)의 사용은 플라이-아이 광학계(109)의 출사면 측에 이차적인 광원 분포(유효 광원 분포)를 형성한다.

플라이-아이 광학계(109)의 출사면에서 방출되는 광속은 제3 광학계(150)에 의해 σ 다이아프램(110)을 통해 필드 스톱(111)으로 안내된다. σ 다이아프램(110)은 개구 형상에 의해 유효 광원 분포의 형상을 조정한다. 제3 광학계(150)에서, 필드 스톱(111)의 위치는 플라이-아이 광학계(109)의 출사면(110)에 대해 실질적으로 푸리에 변환 관계에 있도록 설정된다. 플라이-아이 광학계(109)의 출사면에 이차적인 광원 분포가 형성되기 때문에, 필드 스톱(111) 상에서는 균일한 광 강도 분포를 얻을 수 있다.

도 3은 필드 스톱(111)을 도시하는 구조도이다. 필드 스톱(111) 상에는 원호 형상 슬릿(개구)(23)이 형성되며, 슬릿(23) 이외의 곳으로 입사되는 광은 차단된다. 제3 광학계(160)는 슬릿(23)을 통해 전달되는 원호 형상 광속으로 마스크(M)를 균일하게 조명한다. 필드 스톱(111)의 슬릿의 형상은 원호 형상이다. 대안으로서, 다른 형상, 예컨대 직사각형 형상이 사용될 수 있다.

프리즘(104)의 예시적인 실시예를 설명한다.

도 4a, 도 4b 및 도 4c는 제1 예시적인 실시예에 따른 프리즘(104A)을 도시한다. 도 4a는 프리즘(104A)을 도시하는 사시도이다. 도 4b는 프리즘(104A)의 광축을 포함하는 평면을 따라 취한 단면도와, 우측에서 바라본 측면도이다. 프리즘(104A)에서는, 기둥형 광학 로드를 기본으로 하여, 일측 중앙부 주위의 부분은 표면(104A1)으로서 도시된 바와 같은 오목 추면을 형성하도록 구성되고, 타측 중앙부 주위의 부분은 표면(104A3)으로서 도시된 바와 같은 볼록 추면을 형성하도록 구성된다. 오목 추면(104A1)의 꼭지점과 볼록 추면(104A3)의 꼭지점을 연결하는 축은 광축이다.

조명 광학계에서, 프리즘(104A)의 오목 추면(104A1)은 광원 측에 배치되고 볼록 추면(104A2)은 광원의 반대측에 배열된다. 프리즘(104A)의 광 입사면, 광 출사면 및 외측면은 하나의 광학 요소로서 형성된다. 프리즘(104A)의 광 입사면은 오목 추면(104A1)과, 오목 추면(104A1) 주위에 형성되는 윤대 편평면(104A2)(제1 표면)을 포함한다. 구체적으로, 광 입사면에는 제1 표면(104A2)이 오목 추면(104A1)의 중심축에서 볼 때 외측에 배치된다. 오목 추면(104A1)은 꼭지점을 통과하는 중심축(광축)에 대해 회전 대칭이다. 광 출사면은 볼록 추면(104A3)과, 볼록 추면(104A3) 주위에 형성되는 윤대면(104A4)(제2 표면)을 포함한다. 구체적으로, 광 출사면에는 제2 표면(104A4)이 볼록 추면(104A3)의 중심축에서 볼 때 외측에 배치된다. 볼록 추면(104A3)은 꼭지점을 통과하는 중심축(광축)에 대해 회전 대칭이다. 광 출사면은 볼록 추면(104A3)과 표면(104A4) 사이에 기둥형 내측면(104A5)을 포함한다. 내측면(104A5)은 볼록 추면(104A3)의 중심축에서 볼 때 최외측 주연부와 제2 표면(104A4)의 내주부를 연결하도록 형성된다. 내측면(104A5)은 볼록 추면(104A3)을 둘러싸도록 배치되는 기둥형 측면이다. 프리즘(104A)은 광 입사면 측에서 광 출사면 측으로 연장되는 외측면(104A6)을 추가로 포함한다. 외측면(104A6)은 광 입사면의 제1 표면(104A2)의 외주부와 광 출사면의 제2 표면(104A4)의 외주부를 연결하도록 형성된다.

도 4c는 광원에서 나오는 각각의 광선이 프리즘(104A)의 내부를 통과하는 방식을 도시한다. 광선(1)은 제1 표면(104A2)에 입사되고 외측면(104A6)에 의해 전반사된다. 이어서, 광은 제2 표면(104A4)에서 출사된다. 광선(2)은 오목 추면(104A1)에 입사되고 볼록 추면(104A3)에서 출사된다. 광선(3)은 오목 추면(104A1)에 입사되고 볼록 추면(104A3)에서 출사되어 내측면(104A5)에 의해 반사된다.

상술한 바와 같이, 광 입사면에서 외측면(104A6)으로 입사되는 광은 외측면(104A6)에 의해 전반사된다. 반사막이 외측면(104A6)에 형성되어 반사면을 형성할 수 있다. 즉, 외측면(104A6)은 광 입사면에서 외측면으로 입사되는 광을 반사하는 반사면을 포함한다. 그 결과, 광 입사면으로부터 입사되는 광의 방출과 외부로의 확산이 저감될 수 있으며, 입사 측 광속의 외경과 출사 측 광속의 외경이 동일할 수 있다. 그 결과, 프리즘(104A)에서 나와 투영 광학계의 동공면의 다이아프램에 의해 차단되는 광의 양이 저감될 수 있거나, 후속 광학 요소에 입사되지 못하고 거부되는 광의 양이 저감될 수 있다. 즉, 기판이 프리즘(104A)에서 나오는 광에 노출될 때 광 이용 효율의 저하가 억제될 수 있다. 오목 추면(104A1)과 볼록 추면(104A3)의 형상이 유사하고 제1 표면과 제2 표면이 서로 평행하다면, 광축에 대한 입사광의 각도와 출사광의 각도는 동일하며, 원래대로 유지된다. 예컨대 광축에 평행하게 입사되는 광은 광축에 평행하게 출사된다.

내측면(104A5)은 예컨대 볼록 추면(104A3)에서 출사되는 광을 반사하는 반사막으로 형성되는 반사면이다. 내측면(104A5)의 반사막은 생략될 수 있다. 그러나, 반사막을 형성함으로써, 볼록 추면(104A3)에서 출사되는 광은 내측면(104A5)에 의해 반사되며, 프리즘(104A)에서 출사되는 광의 광축에 대한 각도를 유지하면서 광의 속도가 저감될 수 있다.

반사막이 내측면(104A5)에 형성되면, 프리즘(104A)에서 출사되는 광의 속도는 프리즘(104A)에 입사되는 광의 속도에 비해 저감될 수 있다. 그 결과, 프리즘(104A) 뒤에 있는 광학계에서는, 차단된 광의 양이 저감될 수 있고 광 이용 효율의 저하가 더욱 억제될 수 있다. 프리즘(104A)의 치수는 ro=17.5, ri=17.5, t=35 및 d=52.5(mm 단위의 치수)이고, 글래스 재료는 합성 실리카이다.

예컨대, 도 5a에 도시된 강도 분포를 갖는 광이 광원 측으로부터 프리즘(104A)의 입사면으로 입사되고, 광축의 방향은 종이의 평면을 향해 도 5a의 좌표 원점을 수직으로 통과하는 방향인 것으로 가정한다. 이런 조건에서, 프리즘(104A)의 출사면 상의 광 강도 분포는 도 5b에 도시된 바와 같이 윤대 형상이다.

프리즘(104A)이 사용되지 않는다면, 윤대 광 강도 분포를 생성하기 위해서는 도 5a에 도시된 강도 분포를 예컨대 개구 다이아프램에 의해 윤대 형상으로 절단하고 획득된 광 강도 분포를 사용하는 것이 필요하다. 도 5c는 예컨대 개구 다이아프램에 의해 도 5a의 강도 분포로부터 윤대 형상으로 절단된 광 강도 분포를 도시한다.

도 5d는 도 5b와 도 5c의 파선을 따라 절단한 단면으로 에너지 분포를 도시한다. 도 5d의 실선은 도 5b의 경우를 도시하고 도 5d의 점선은 도 5c의 경우를 도시한다. 선을 비교해 보면, (프리즘(104A)을 사용한) 도 5b의 경우에 축적된 광 에너지가 도 5c의 경우보다 약 60%만큼 높다.

프리즘(104)의 제2 예시적인 실시예를 설명한다. 본 예시적인 실시예에 따른 프리즘(104)은 제1 예시적인 실시예에 사용되는 분할 프리즘(104A)을 포함하는 광학 요소 그룹(104B)이다.

도 6은 광축을 포함하는 광학 요소 그룹(104B)을 도시하는 단면도이다. 광학 요소 그룹(104B)은 두 개의 광학 요소(104B1, 104B2)를 포함한다. 글래스 재료로는 예컨대 합성 실리카가 사용된다. 광학 요소(제1 광학 요소)(104B1)는 기둥형 광학 로드의 중심부 주위를 공동화(hollowing)함으로써 형성되는 형상을 가진다. 광학 요소(104B1)는 프리즘(104A)의 편평면(104A2)(제1 표면)과 편평면(104A4)(제2 표면)을 저면과 상면으로서 각각 갖는 중공 기둥형 광학 로드이고, 외측면(104A6)을 가진다. 광학 요소(104B2)(제2 광학 요소)는 일측에 오목 추면을 가지고 타측에 볼록 추면을 갖는 원추 프리즘이다. 광학 요소(104B2)의 오목 추면은 오목 추면(104A1)과 유사하고, 광학 요소(104B2)의 볼록 추면은 볼록 추면(104A3)과 유사하다. 광학 요소(104B2)는 광학 요소(104B1)의 중공부에 배치된다.

광학 요소 그룹(104B)은 프리즘(104A)과 유사한 방식으로 조명 광학계(100)에 배열될 수 있고, 유사한 효과를 기대할 수 있다.

프리즘(104A)의 제조에 있어서는, 볼록 추면과 오목 추면을 가공하는 것이 어렵다. 또한, 프리즘(104A)에서는, 평면 부분과 원추면 부분에 투과막을 도포하는 것이 바람직하지만 투과막을 균일하게 도포하기가 어렵다. 한편, 광학 요소 그룹(104B)에서는, 광학 요소(104B1)와 광학 요소(104B2)가 별도로 제조되어 조립되며, 이로써 상기 문제를 해결할 수 있다. 그 결과, 광학 요소 그룹(104B)의 제조가 프리즘(104A)의 제조보다 용이하여 제조 수율을 증가시킬 수 있다.

또한, 광학 요소(104B1)와 광학 요소(104B2)를 접합하여 광학 요소 그룹(104B)을 제조하는 것이 바람직하다. 제조 공정에서, 광학 요소(104B1)와 광학 요소(104B2)의 접합면에는 합성 실리카보다 낮은 굴절률을 갖는 유전체막이 사용 대상 광의 파장과 유사한 두께로 형성될 수 있다. 이런 경우에는, 광학 요소(104B1)와 광학 요소(104B2) 사이의 경계 영역에서 광이 전반사되어, 광 에너지가 유지될 수 있다.

프리즘(104)의 제3 예시적인 실시예를 설명한다. 본 실시예에 따른 프리즘(104)은 제1 예시적인 실시예에 사용되는 분할 프리즘(104A)을 포함하는 광학 요소 그룹(104C)이다. 분할 방법은 광학 요소 그룹(104B)과 다르다.

도 7은 광축을 포함하는 광학 요소 그룹(104C)을 도시하는 단면도이다. 광학 요소 그룹(104C)은 두 개의 광학 요소(104C1, 104C2)를 포함한다. 글래스 재료로는 예컨대 합성 실리카가 사용된다. 광학 요소(제4 광학 요소)(104C1)는 기둥형 광학 로드의 중심부 주위를 공동화함으로써 형성되는 형상을 가진다. 광학 요소(104C1)는 광 출사면 측에 프리즘(104A)의 편평면(104A4)(제2 표면)을 가지며 외측면(104A6)의 일부를 갖는 중공 기둥형 로드이다. 광학 요소(제3 광학 요소)(104C2)는 오목 추면(104A1), 편평면(104A2)(제1 표면), 볼록 추면(104A3) 및 프리즘(104A)의 외측면(104A6)의 일부를 갖는 프리즘이다. 광학 요소(104C1)는 광학 요소(104C1)의 중공부에 광학 요소(104C2)의 볼록 추면(104A3)을 가진다.

광학 요소 그룹(104C)은 프리즘(104A)와 유사한 방식으로 조명 광학계(100)에 배열될 수 있고, 유사한 효과를 기대할 수 있다. 제2 예시적인 실시예와 마찬가지로, 광학 요소 그룹(104C)의 제조는 프리즘(104A)의 제조보다 용이하다.

프리즘(104A)의 내측면(104A5)와 마찬가지로, 반사막이 광학 요소(104C1)의 내측면에 형성된다면, 광학 요소 그룹(104C)이 복수의 광학 요소를 포함하기 때문에 광학 요소(104C1)의 내측면 상의 반사막을 증발시키는 것이 프리즘(104A)보다 용이하다. 또한, 광학 요소(104B1)의 내측면의 일부에 형성된 막을 증발시키는 것에 비해, 광학 요소(104C1)의 내측면 전체에 형성된 막을 증발시키는 것이 보다 용이하다.

프리즘(104)의 제4 예시적인 실시예를 설명한다. 본 예시적인 실시예에 따른 프리즘(104)은 제1 예시적인 실시예에 사용되는 분할 프리즘(104A)을 포함하는 광학 요소 그룹(104D)이다.

도 8은 광축을 포함하는 광학 요소 그룹(104D)을 도시하는 단면도이다. 광학 요소 그룹(104D)은 세 개의 광학 요소(104C1, 104B2, 104D1)를 포함한다.

광학 요소(104C1)는 제3 예시적인 실시예에서 설명한 광학 요소이다. 광학 요소(104B2)는 제2 예시적인 실시예에서 설명한 광학 요소이다. 광학 요소(104D1)은 편평면(104A2)(제1 표면)과, 프리즘(104A)의 외측면(104A6)의 일부를 갖는 중공 기둥형 광학 로드이다.

프리즘(104)의 광학 요소 그룹의 다른 예로서, 본 발명은 기둥의 광축을 통과하는 단면에 의해 광학 요소(104C1)를 둘 또는 넷으로 분할하거나, 다양한 다른 분할 방법에 의해 광학 요소(104C1)를 분할함으로써 얻어지는 광학 요소 그룹에 적용될 수 있다.

이런 프리즘과 광학 요소 그룹을 포함하는 프리즘(104)은 윤대 조명과 같은 오프-축 조명시에도 광 이용 효율의 저하와 조명 대상 평면의 휘도 감소를 억제할 수 있다.

본 예시적인 실시예에서는, 원추면이 프리즘(104)에 사용된다. 대안으로서, 직사각 원통면이 사용될 수 있다. 이런 경우에는, 원형 또는 직사각형 원통 오목면과 볼록면이 사용될 수 있다. 본 예시적인 실시예에서, 프리즘(104)의 측면은 기둥이다. 그러나, 대안으로서, 직사각기둥이 사용될 수 있다.

또한, 예컨대, 투영 광학계에 의해 포착되는 광의 양을 증가시키기 위해, 동공면의 개구 다이아프램의 개구의 직경을 증가시킬 수 있다. 그러나, 개구 다이아프램(5)의 개구의 직경이 증가하면 투영 광학계의 개구수(NA)도 증가하고 초점 심도가 감소하여 노광 장치에서 공정 마진이 상실된다.

프리즘(104)의 제5 예시적인 실시예를 설명한다. 도 14는 프리즘(104E)의 광축을 포함하는 평면을 따라 취한 단면도와, 프리즘(104E)의 우측에서 바라본 측면도이다. 프리즘(104E)은 광학 요소(104E1)와 광학 요소(104E2)를 포함한다. 광학 요소(104E1)는 원형 오목 추면(104E11)과, 원형 볼록 추면(104E12)과, 원형 오목 추면(104E11)의 외주부와 원형 볼록 추면(104E12)의 외주부를 연결하는 외측면(104E13)을 포함한다. 광학 요소(104E2)는 중공 기둥형 부재이며, 내측면(104E22)을 포함한다. 내측면(104E22)에는 반사막이 마련된다. 내측면(104E22)은 원형 볼록 추면(104E12)을 둘러싸도록 배치되는 기둥형 측면이다. 광선(1E)은 원형 오목 추면(104E11)에 입사되고 광학 요소(104E1)를 통해 이동하여 원형 볼록 추면(104E12)에서 출사된다. 광선(2E)은 원형 오목 추면(104E11)에 입사되고 광학 요소(104E1)를 통해 이동하여 원형 볼록 추면(104E12)에서 출사된다. 또한, 광선은 내측면(104E22)에 의해 반사되고 프리즘(104E)으로부터 출사된다. 즉, 광선(2E)은 광축에 대해 외측 방향을 향해 소정 각도로 원형 오목 추면(104E11)에 입사되고, 원형 볼록 추면(104E12)으로부터 출사된다. 이어서, 광선은 내측면(104E22)에 의해 반사되고 내측 방향으로 출사된다. 광선(3E)은 원형 오목 추면(104E11)에 입사되며, 광학 요소(104E1)를 통해 이동하는 도중에 외측면(104E13)에 의해 전반사된다. 이어서, 광선은 원형 볼록 추면(104E12)으로부터 출사된다. 상술한 바와 같이, 외측면(104E13)은 광을 전반사하는 반사면의 기능을 가진다. 광선(3E)은 외측 방향으로 원형 오목 추면(104E11)에 의해 굴절되고 외측면(104E13)에 의해 전반사되며, 따라서 광선(3E)은 내측 방향으로 진행된다. 그 결과, 외측면(104E13)과 내측면(104E22)은 프리즘(104E)에서 출사되는 광의 확산을 저감한다. 원형 오목 추면(104E11)과 원형 볼록 추면(104E12)의 원추면은 유사한 형상을 가지며, 외측면(104E13)과 내측면(104E22)은 광축에 평행하다. 출사광은 입사광의 각도와 유사한 각도로 출사된다.

도 9를 참조하여 본 발명의 제2 예시적인 실시예에 따른 투영 노광 장치를 설명한다. 도면에 사용되는 동일한 참조번호는 마찬가지로 적용되며, 설명의 일부는 생략한다.

조명 광학계는 제1 예시적인 실시예에 따른 프리즘(104A)과, 도 10에 도시된 육각형 광학 로드(114)와, 도 11에 도시된 프리즘(106)을 포함한다. 조명 광학계는 광로에 하나의 광학 부재를 선별적으로 제공하기 위해 이들 광학 요소를 광로에 집어넣고 광로에서 꺼내는 프리즘 교환기(112)를 추가로 포함한다.

프리즘(106)은, 도 11a에 도시된 바와 같이, 외측 볼록 추면(1061)과 내측 볼록 추면(1062)을 광 입사면에 포함한다. 조명 광학계는 광 출사면에 오목 추면(1063)을 추가로 포함하며 중심부는 중공형이다. 도 11b는 프리즘(106)을 통과하는 광선을 도시한다. 볼록 추면이 입사면에 배치되고 오목 추면이 출사면에 배치되면, 광선(4)은 볼록 추면(1061)에 입사되고 광축(O)에 보다 가까워진다. 그러나, 도면에 도시된 바와 같이, 굴절면이 마련되지 않은 상태에서 중공 영역을 통과하는 광선(5)과 광선(6)의 경우에, 광 이동로는 영향을 받지 않는다. 그 결과, 프리즘(106)이 사용되는 경우에는 출사 광속의 직경이 입사 광속의 직경보다 작을 수 있다.

조명 광학계의 동공면에 형성되는 광 강도 분포(유효 광원 분포)의 확산을 저감하기 위해서는, 예컨대 σ 다이아프램으로 유효 광원 분포의 외주부를 절단하는 것이 필요하다. 그러나, 이런 경우에는 광 이용 효율이 저하된다. 그러나, 프리즘(106)을 사용함으로써 유효 광원 형상이 협소화될 수 있고 광 이용 효율의 저하가 억제될 수 있다.

조명 광학계는 개구 형상이 각기 다른 복수의 σ 다이아프램을 선별 배치할 수 있는 다이아프램 교환기(113)를 플라이-아이 광학계(109)의 출사면 주위에 포함한다.

도 12는 σ 다이아프램 교환기(113)의 개략적인 구조도이다. 예컨대, 프리즘 교환기(112)가 광로에 광학 로드(114)를 배치하도록 구동될 때, σ 다이아프램 교환기(113)는 σ 다이아프램(113A)이 플라이-아이 광학계(109)의 출사면 주위에 배치되도록 구동된다. 프리즘 교환기(112)가 광로에 프리즘(104)을 배치하도록 구동될 때, σ 다이아프램 교환기(113)는 σ 다이아프램(113B)이 플라이-아이 광학계(109)의 출사면 주위에 배치되도록 구동된다. 프리즘 교환기(112)가 광로에 프리즘(106)을 배치하기 위해 구동될 때, σ 다이아프램 교환기(113)는 σ 다이아프램(113C)이 플라이-아이 광학계(109)의 출사면 주위에 배치되도록 구동된다.

예시적인 실시예에 따른 투영 노광 장치는 프리즘 교환기(112)와 σ 다이아프램 교환기(113)를 사용하여 복수 유형의 유효 광원 분포(조명 조건)를 형성할 수 있다. 그 결과, 마스크(M)의 패턴에 따라, 유효 광원 분포가 마스크(M)를 조명하기 위해 선택된다. 투영 노광 장치는 투영 광학계(PO)를 통해 마스크(M)의 패턴을 기판(P)에 투영하여 기판(P)을 광에 노출한다. 예시적인 실시예에 따른 투영 노광 장치에서는, 마스크(M)의 패턴에 따라, 높은 패턴 해상도를 갖는 유효 광원 분포가 마스크(M)를 조명하여 기판을 광에 노출하기 위해 선택될 수 있다. 그 결과, 생산성이 증가할 수 있다.

예시적인 실시예에 따른 투영 노광 장치는 기판(P)에 입사되는 광의 각도 분포(유효 광원 분포)를 측정하는 측정 소자(JS)를 포함한다. 측정 소자(JS)는 기판을 유지하는 기판 스테이지(PS)에 배치되어 이동한다. 측정 소자(JS)는 직경이 1 mm 이하인 핀홀이 형성되는 핀홀판과, 약 100 mm만큼 핀홀에서 이격된 위치에 있는 전하 결합 소자(CCD) 카메라를 포함한다. 기판(P)에 입사되는 광의 각도 분포를 측정시, 측정 소자(JS)는 화상 평면에 핀홀을 배치하기 위해 노광 영역으로 이동하며 핀홀을 통해 전달되는 광의 광 분포 화상을 CCD 카메라로 포착한다. CCD 카메라에 의해 포착되는 화상 데이터를 사용하여, 기판(P)에 입사되는 광의 각도 분포를 산출할 수 있다. 이어서, 기판(P)에 입사되는 광의 각도 분포가 바람직한 각도 분포가 되도록, 산출된 각도 분포를 사용하여 프리즘(104)의 위치와 배향을 조정한다. 측정 소자(JS)는 투영 광학계의 텔레센트릭 조정을 위해서도 사용될 수 있다.

이하, 제3 예시적인 실시예를 설명한다. 상술한 노광 장치를 사용하여 소자(반도체 집적 회로 소자, 액정 디스플레이 소자 등)를 제조하는 방법을 설명한다. 소자는, 상술한 노광 장치를 사용하여, 감광성 재료가 도포되는 기판(예컨대 웨이퍼와 유리 기판)을 광에 노출하는 단계와, 기판(감광성 재료)을 현상하는 단계와, 다른 공지된 단계를 밟아 제조된다. 다른 공지된 단계는 예컨대 식각, 레지스트 박리, 다이싱, 접합 및 패키징을 포함한다. 본 소자 제조 방법에 따르면, 공지된 소자보다 우수한 품질을 갖는 소자가 제조될 수 있다.

상술한 예시적인 실시예에 따르면, 광속의 단면 형상을 변화시키는 프리즘에서 나오는 광을 사용하여 기판을 광에 노출할 때 광 이용 효율의 저하가 억제될 수 있다.

예시적인 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하긴 했지만, 물론 본 발명은 개시된 예시적인 실시예에 한정되지 않는다. 하기 특허청구범위의 범위는 이런 일체의 변경과, 균등한 구조 및 기능을 망라하도록 광의의 해석을 따라야 한다.

Claims (17)

1. 광속의 단면 형상을 변경하기 위한 프리즘을 구비하도록 구성된 광학계를 포함하는, 조명 대상 평면을 조명하는 조명 광학계로서,
   상기 프리즘은, 광 입사면과, 광 출사면과, 광 입사면측으로부터 광 출사면측으로 연장되는 외측면을 포함하고,
   상기 광 입사면은 오목 추면(concave conical surface)을 포함하고,
   상기 광 출사면은 볼록 추면(convex conical surface)을 포함하고,
   상기 외측면은 상기 광 입사면으로부터 상기 외측면에 입사하는 광을 반사하는 반사면을 포함하고,
   상기 광 입사면은 상기 오목 추면의 꼭지점(vertex)을 통과하는 중심축에 대해 상기 오목 추면의 외측에 배치되는 제1 표면을 포함하고,
   상기 광 출사면은 상기 볼록 추면의 꼭지점을 통과하는 중심축에 대해 상기 볼록 추면의 외측에 배치되는 제2 표면을 포함하는, 조명 광학계.
2. 제1항에 있어서, 상기 조명 광학계는 광을 상기 광 입사면의 상기 오목 추면과 상기 제1 표면에 입사하도록 안내하는, 조명 광학계.
3. 제1항에 있어서, 상기 반사면은 상기 광 입사면으로부터 입사하는 광을 전반사하는, 조명 광학계.
4. 제1항에 있어서, 상기 반사면은 반사막이 형성되는 표면인, 조명 광학계.
5. 제1항에 있어서, 상기 프리즘은 복수의 광학 요소를 접합함으로써 형성되고, 상기 광학 요소들의 접합면 상에는 상기 광학 요소들의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 막이 형성되는, 조명 광학계.
6. 제1항에 있어서, 상기 프리즘은, 상기 제1 표면과 상기 제2 표면을 저면(bottom face)과 상면(top face)으로서 각각 갖고 상기 외측면을 갖는 중공 기둥형 광학 요소, 및 상기 중공 기둥형 광학 요소의 중공부에 상기 오목 추면과 상기 볼록 추면을 갖는 광학 요소를 포함하는, 조명 광학계.
7. 제1항에 있어서, 상기 프리즘은,
   상기 오목 추면, 상기 제1 표면, 상기 볼록 추면, 및 상기 외측면을 갖는 광학 요소, 및
   상기 제2 표면과 상기 외측면을 갖는 중공 기둥형 광학 요소를 포함하고,
   상기 볼록 추면은 상기 중공 기둥형 광학 요소의 중공부에 배치되는, 조명 광학계.
8. 광속의 단면 형상을 변경하기 위한 프리즘을 구비하도록 구성된 광학계를 포함하는, 조명 대상 평면을 조명하는 조명 광학계로서,
   상기 프리즘을 구비하는 상기 광학계는 중공 기둥형 광학 요소를 포함하고,
   상기 프리즘은, 광 입사면과, 광 출사면과, 광 입사면측으로부터 광 출사면측으로 연장되는 외측면을 포함하고,
   상기 광 입사면은 오목 추면을 포함하고,
   상기 광 출사면은 볼록 추면을 포함하고,
   상기 외측면은 상기 광 입사면으로부터 상기 외측면에 입사하는 광을 반사하는 반사면을 포함하고,
   상기 중공 기둥형 광학 요소는, 내측면 상에 형성된, 상기 볼록 추면으로부터 출사하는 광을 반사하는 반사면을 포함하는, 조명 광학계.
9. 광속의 단면 형상을 변경하기 위한 프리즘을 구비하도록 구성된 광학계를 포함하는, 조명 대상 평면을 조명하는 조명 광학계로서,
   상기 프리즘은, 광 입사면과, 광 출사면과, 광 입사면측으로부터 광 출사면측으로 연장되는 외측면을 포함하고,
   상기 광 입사면은 오목 추면을 포함하고,
   상기 광 출사면은 볼록 추면을 포함하고,
   상기 외측면은 상기 광 입사면으로부터 상기 외측면에 입사하는 광을 반사하는 반사면을 포함하고,
   상기 프리즘을 구비하는 상기 광학계는 상기 볼록 추면으로부터 출사하는 광을 반사하는 반사면을 포함하는, 조명 광학계.
10. 제9항에 있어서, 상기 프리즘을 구비하는 상기 광학계는 상기 볼록 추면을 둘러싸도록 배치된 기둥형 측면을 포함하고,
    상기 볼록 추면으로부터 출사하는 광을 반사하는 반사면은 상기 기둥형 측면 상에 형성되는, 조명 광학계.
11. 제9항에 있어서, 상기 프리즘을 구비하는 상기 광학계는 상기 볼록 추면으로부터 출사하는 광을 반사하는 반사면을 갖는 광학 요소를 포함하는, 조명 광학계.
12. 노광 장치로서,
    마스크를 조명하는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 조명 광학계와,
    기판에 마스크의 패턴 화상을 투영하는 투영 광학계를 포함하는, 노광 장치.
13. 소자 제조 방법으로서,
    제12항에 따른 노광 장치를 사용하여 상기 기판을 노광하는 단계,
    노광된 상기 기판을 현상하는 단계, 및
    현상된 상기 기판을 가공함으로써 소자를 제조하는 단계를 포함하는, 소자 제조 방법.
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