KR19990062768A

KR19990062768A - 조명광학계와 노광장치 및 반도체 디바이스의 제조방법

Info

Publication number: KR19990062768A
Application number: KR1019980052834A
Authority: KR
Inventors: 오사무 타니쯔
Original assignee: 오노 시게오; 가부시키가이샤 니콘
Priority date: 1997-12-12
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 1999-07-26
Also published as: JPH11176742A; EP0922999A3; EP0922999A2

Abstract

적은 수의 제 1 광집적기(optical integrator)에 의하여 조명효율을 일정하게 유지할 수 있는 조명광학계와 그와 같은 조명광학계를 갖춘 노광장치 및 그와 같은 노광장치를 이용하는 반도체 디바이스의 제조방법을 제공한다.

복수의 2차 광원상을 형성하는 제 1 광집적기(13)와 그 2차 광원상으로부터 나온 광속(光束)을 입사면측(C) 으로부터 입사시켜 복수의 3차원 광원을 형성하는 제 2 광집적기(15)와, 제 1 광집적기(13)와 제 2 광집적기(15)와의 사이에 배치된 릴레이 광학계(14)를 구비하고, 릴레이 광학계(14)는, 제 1 광집적기(13)의 입사면(A)과 제 2 광집적기(15)의 입사면(C)을 거의 공액관계로 하고, 제 1 광집적기(13)의 사출면(B)과 제 2 광집적기(15)의 사출면(D)을 거의 공액관계로 하도록 구성되어 있으며, 또한 릴레이 광학계(14)는 초점거리가 f1인 제 1군의 광학계 (14a)와 초점거리(f2)인 제 2군의 광학계 (14b)를 포함하여 구성되어 있고, 양 초점거리에는 f1 ≠ f2의 관계가 있으며, 릴레이 광학계(14) 전체의 초점거리가 가변(可變)인 조명광학계. 제 1 광집적기(13)와 제 2 광집적기(15)와의 조합으로 정하여지는 조명효율의 열화를 방지할 수 있다.

Description

조명광학계와 노광장치 및 반도체 디바이스의 제조방법

본 발명은, 조명광학계와 노광장치 및 반도체 디바이스의 제조방법에 관한 것으로, 특히 광집적기를 구비하고 조명효율을 거의 일정하게 유지할 수 있는 조명광학계와 노광장치 및 그와 같은 노광장치를 이용하는 반도체 디바이스의 제조방법에 관한 것이다.

반도체 디바이스 제조장치용 투영노광장치로는 종래부터 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 광원(101), 제 1 플라이아이렌즈(flyeye lens, 103), 릴레이 렌즈(104), 제 2 플라이아이렌즈(105), 콘덴서 렌즈(106), 투영광학계(PL)가, 광원(101)으로부터 나온 광속(光束)의 광로상에 이와 같은 순으로 설치되어 있고, 콘덴서 렌즈(106)와 투영광학계(PL)의 사이에는 레티클(R)을 설정할 수 있도록, 또한 투영광학계(PL)에 관하여 레티클(R)과 공액인 위치에 웨이퍼(W)가 배치되도록 구성된 것이 알려져 있다. 이상의 요소 중, 제 1 플라이아이렌즈(103), 릴레이렌즈(104), 제2 플라이아이렌즈(105), 콘덴서 렌즈(106)가 조명광학계를 구성하고 있다. 이와 같은 구성에 있어서, 제 1 및 제 2 플라이아이렌즈의 입사면 A와 C는, 릴레이렌즈(104)에 의하여 공액관계로 되어 있고, 또한 제1 플라이아이렌즈의 사출측의 상면(像面)(B)에 형성된 복수의 2차 광원상은, 제 2 플라이아이렌즈를 매개하여 제 2 플라이아이렌즈의 사출측의 상면(D)에 복수의 3차원 광원상으로 형성된다.

또한, 제 2 플라이아이렌즈(105)의 사출측의 상면(D)에는, 개구조리개(AS)가 설치되어 있고 개구조리개(AS)의 크기에 따라서, 미리 준비된 복수개의 플라이아이렌즈 중에서 제 1 플라이아이렌즈가 자동 선택되고, 개구조리개(AS)로 조여짐으로써 상면 조도의 열화를 방지하고 조명효율을 거의 일정하게 유지하도록 만들어져 있다.

그러나, 이상의 노광장치용 조명광학계에 의하면, 여러 가지 크기의 개구조리개에 대응하기 위하여 수없이 많은 제 1 플라이아이렌즈를 준비하여야 하고, 제 1 플라이아이렌즈를 자동으로 변경하는 수단이 커질 뿐 아니라, 비용면에서도 상당히 고가가 된다는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 적은 수의 제 1 광집적기에 의하여 조명효율을 일정하게 유지할 수 있는 조명광학계와 그와 같은 조명광학계를 구비한 노광장치 및 그와 같은 노광장치를 이용하는 반도체 디바이스의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 조명광학계를 포함하는 노광장치의 구성을 나타내는 구성도이다.

도 2a 및 도 2b는, 노광장치중의 조명광학계를 확대하여 도시한 사시도이다.

도 3a 내지 3c는, 본 발명의 원리를 설명하는 선도이다.

도 4는 본 발명의 실시 형태인 조명광학계의 구성을 도시한 모식도이다.

도 5는 종래의 투영노광장치의 구성을 도시한 구성도이다.

도 6은, 실시예의 계산 결과를 도시한 표이다.

도 7은, 다른 실시예의 계산 결과를 도시한 표이다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시의 형태로 이용될 수 있는 제 1 광집적기의 교환장치를 광축방향에서 본 정면도이다.

**도면의 주요부분에 대한 부호의설명**

11 광원 12 익스펜더 렌즈

13, 13a, 13b 제 1 광집적기 14 릴레이 광학계

14a 제 1군 렌즈계 14b 제 2군 렌즈계

15 제 2 광집적기 16 콘덴서 렌즈

A 제 1 광집적기의 입사측 면

B 제 1 광집적기의 사출측 면

C 제 2 광집적기의 입사측 면

D 제 2 광집적기의 사출측 면

AS 개구 조리개 PL 투영광학계

R 레티컬 W 웨이퍼

상기 목적을 달성하기 위하여, 청구항 1에 관한 발명에 의한 조명광학계는, 도 1에 도시하는 바와 같이 광속을 입사면(A)로부터 입사시켜 사출면측(B)에 복수의 2차 광원상을 형성하는 제 1 광집적기(13)와; 제 1 광집적기(13)에 의하여 형성된 2차 광원상으로부터의 광속을 입사면측(C)으로부터 입사하여 복수의 3차 광원상을 사출면측 (D)에 형성하는 제 2 광집적기(15)와; 제 1 광집적기(13)와 제2 광집적기(15)와의 사이에 배치된 릴레이 광학계(14)를 구비하고; 릴레이광학계(14)는 제 1 광집적기(13)의 입사면(A)과 제 2 광집적기(15)의 입사면(C)을 거의 공액관계로 하고, 제 1 광집적기(13)의 사출면(B)과 제2 광집적기(15)의 사출면(D)을 거의 공액관계로 하도록 구성되어 있고, 또한 릴레이 광학계(14)는 초점거리가 f1의 제1군의 광학계(14a)와 초점거리가 f2의 제2군의 광학계(14b)를 포함하여 구성되어 있으며, 양 초점거리에는 f1≠f2의 관계가 있고, 릴레이광학계(14) 전체의 초점거리가 가변인 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성하면, 릴레이광학계(14)는 초점거리가 f1인 제 1군의 광학계(14a)와 초점거리가 f2인 제2군의 광학계(14b)를 포함하여 구성되어 있고, 양 초점거리에는 f1≠f2의 관계가 있고, 릴레이 광학계(14) 전체의 초점거리가 가변이고, 제 1의 광집적기(13)와 제 2 광집적기(15)와의 조합으로 결정되는 조명효율의 성능저하를 방지할 수 있다. 특히 제 2 광집적기 (15)의 사출면(D)의 위치에 개구조리개(AS)를 설치하고, 이 크기를 여러 가지로 변경하더라도, 릴레이광학계(14) 전체의 초점거리가 가변이므로, 제 1의 광집적기(13)를 개구조리개(AS) 변경 시마다 변경하지 않아도 조명효율을 소정의 수준으로 유지할 수 있다.

또한, 청구항 제 2항에 기재되어 있는 바와 같이, 청구항 1에 기재된 조명광학계에 있어서, 제 1 광집적기(13)의 사출면 (B)과 제 2 광집적기(15)의 입사면(C)과의 거리를 TL로 할 때, TL/f1≥0.8의 관계를 가지도록 구성하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, TL/f1≥0.8의 관계를 가지므로, 본 조명광학계의 테레센트리시티(telecentricity)를 소정의 각도 범위, 예를 들면 0.6도 이내, 바람직하게는 0.5도 이내로 유지할 수 있다.

이상의 조명광학계에서는, 청구항 3의 기재와 같이, 제 1 광집적기(13)의 초점거리 ff1이 가변이 되도록 구성하더라도 무방하다.

이와 같이 구성하면, 제 2 광집적기(15)의 사출면(D)의 위치에 개구조리개(AS)를 설치하고, 그 크기를 여러 가지로 변경하더라도 릴레이 광학계(14) 전체의 초점거리(fr)가 가변이고, 또한 제 1 광집적기(13)의 초점거리(ff1)가 가변이더라도, 개구조리개(AS)의 크기에 따라 조명효율을 소정의 수준으로 유지할 수 있다.

청구항 제 4항에 기재되어 있는 바와 같이, 청구항 제 3 항에 기재된 조명광학계에 있어서, 제 1 광집적기(13)는, 서로 교환가능하고 서로 다른 초점거리(ff1)를 가지는 복수의 광집적기13a 내지 13d의 군으로부터 선택되도록 구성되어도 된다.

또한, 청구항 제 5항에 기재되어 있는 바와 같이 제 1 광집적기(13)는 초점거리(ff1)가 연속적으로 가변으로 구성되어도 된다.

청구항 제 6항에 관한 발명에 의한 노광장치는, 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나에 기재되어 있는 조명광학계와; 상기 조명광학계에 의하여 조명된 레티클 (R)상의 패턴을 감광성 기판(W)상에 투영노광하는 투영광학계(PL)를 구비한다.

청구항 제 7 항에 의한 발명에 의한 반도체 디바이스의 제조방법은, 청구항 제 6 항에 기재된 노광장치를 이용하여; 투영광학계(PL)를 매개하여 레티클(R)의 패턴을 감광성 기판(W)에 전사하는 공정을 포함한다.

실시예

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 각도에 있어서, 서로 동일 또는 상당하는 부재에는 동일부호를 붙이고, 중복되는 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 의한 조명광학계(또는 조명광학장치)를 포함하는 노광장치의 제 1 실시 형태를 도시하는 구성도이다. 도면 중 조명용 광속을 발생하는 레이저 광원(11)이 설치되고, 발생된 광속의 광로중에, 그 광속을 확대 평행 광속으로 하는 확대 렌즈(expander lens, 12)와, 그 앞에 제 1 광집적기인 제 1 플라이아이렌즈(13)가 배치되어 있다.

확대 렌즈(12)는 광원(11)측으로부터 오목 렌즈(12a)와 볼록 렌즈(12b) 순으로 배열되어 있다. 제 1 플라이아이렌즈(13)는 초점거리가 다른 플라이아이렌즈(13a)와 (13b)를 포함하고 있고, 이러한 플라이아이렌즈(13a), (13b)는 교환기구(31)에 의하여 교환할 수 있도록 구성되어 있다.

또한, 도 1에는 교환용 플라이아이렌즈가 (13a), (13b) 두 개 도시되어 있으나, 또한 도 8a 및 8b에 도시되어 있는 바와 같이, 필요에 따라 (13a), (13d)에 추가하여 3 개 이상의 플라이아이렌즈를 구비하여도 된다.

또한 상기 광로상의 제 1 플라이아이렌즈(13)의 끝에는, 릴레이 렌즈(14), 제 2 광집적기인 제 2 플라이아이렌즈(15), 콘덴서 렌즈(16), 투영광학계인 투영광학렌즈계(PL)가 순서대로 배열되어 있다.

또한 콘덴서 렌즈(16)와 투영광학계(PL)과의 사이에는, 레티클(R)을 배치할 수 있게 되어 있고, 레티클 (R)은 콘덴서 렌즈(16)를 매개한 조명광으로 균일하게 조명되도록 구성되어 있다.

투영광학계(PL)에 관하여, 레티클(R)과 공액인 위치에는 감광성 기판인 웨이퍼(W)가 배치될 수 있도록 구성되어 있다.

이상의 구성에 의하여, 먼저, 레이저 광원(11)(예를 들면, 248nm의 노광파장을 가진 광을 공급하는 KrF 엑시머 레이저, 193nm의 노광파장을 가진 광을 공급하는 ArF 엑시머 레이저, 또는 157nm의 노광파장을 가진 광을 공급하는 F₂레이저 등)으로부터 공급되는 장방형상의 빔 단면을 가진 광은, 빔 정형(整形)광학계로서의 빔 확대 렌즈(12)에 의하여 예를 들면 거의 정방형상의 빔 단면을 가진 광으로 정형된 후, 초점거리가 다른 복수의 광집적기를 가지는 제 1 다광원 형성광학계로서의 제 1 광집적기(13)에 입사한다.

제 1 광집적기(13)의 사출측에는, 제 1 광집적기를 구성하는 렌즈 소자의 수에 대응하는 다수의 광원상(또는 다수의 2차 광원)이 형성된다. 또한, 이 다수의 광원상으로부터의 광은, 릴레이광학계로서의 릴레이 렌즈(14)에 의하여 집광되고, 제 2 다광원 형성광학계로서의 제 2 광집적기(15)에 입사면이 이러한 집광 광속에 의하여 중첩되도록 조명된다.

제 2 광집적기(15)를 입사하는 광은 제 2 광집적기(15)의 작용에 의하여 그 사출측에 다수의 광원상(또는 다수의 3차 광원)을 형성한다. 즉, 제 2 광집적기(15)의 사출측에는 제 1 광집적기(13)를 구성하는 렌즈 소자의 수와 제 2 광집적기(15)를 구성하는 렌즈 소자의 수의 곱에 대응하는 다수의 광원상이 형성된다.

제 2 광집적기(15)에 의하여 형성된 다수의 3차 광원으로부터의 광은 콘덴서 광원계로서의 콘덴서 렌즈(16)에 의하여 집광되고, 소정의 패턴(회로 패턴 등)이 형성된 레티클(R)은 그러한 집광된 광에 의하여 중첩적으로 균일하게 조명된다. 또한, 레티클(R)의 패턴이 투영광학계(PL)에 의하여 감광성 기판으로서의 웨이퍼(W)상에 투영(노광)된다.

또한, 제 1 광집적기(13)의 입사면은, 릴레이 광학계(14)에 관하여 제 2 광집적기(15)의 입사면과 거의 공액인 위치에 설정되어 있고, 제 1 광집적기(13)의 사출면은, 릴레이 광학계(14)에 관하여 제 2 광집적기(15)의 사출면과 거의 공액인 위치에 설정되어 있다. 또한, 제 2 광집적기(15)의 입사면은, 레티클(R) 및 웨이퍼(W)와 거의 공액인 위치에 설정되어 있고, 제 2 광집적기(13)의 사출면은, 투영광학계(PL)의 동공(pupil)과 거의 공액인 위치에 설정되어 있다.

이상의 노광 공정(포토리소그래피 공정)을 거친 웨이퍼(W)는, 현상 공정을 거쳐, 현상한 레지스트 이외의 부분을 제거하는 에칭공정, 에칭공정후의 불필요한 레지스트를 제거하는 레지스트 제거공정을 거친다. 또한, 노광, 에칭, 레지스트 제거의 공정을 반복하여 웨이퍼 프로세스가 종료한다. 그 후, 웨이퍼 프로세스가 종료되면, 실제 조립공정에서 부착된 회로마다 웨이퍼를 절단하여 칩화하는 다이싱, 각 칩에 배선 등을 부여하는 본딩, 각 칩마다에 패키징하는 패키징 등의 각 공정을 거쳐, 최종적으로 LSI 등의 반도체 디바이스가 제조된다.

또한 이상에는, 노광장치를 이용한 웨이퍼 프로세스에서의 포토리소그래피 공정에 의하여 LSI 등의 반도체 디바이스를 제조하는 예를 제시하였으나, 노광장치를 이용한 포토리소그래피 공정에 의하여, 액정표시소자, 박막자기헤드, 촬상소자(CCD 등) 등의 반도체 디바이스도 제조할 수 있다.

릴레이 렌즈(14)는, 본 발명의 제 1군의 광학계인 제 1군 렌즈계 (14a)와 제 2군 렌즈계(14b)를 포함하여 구성되어 있다. 제 2 플라이아이렌즈(15)의 사출측의 면(D)의 위치에는 개구조리개(AS)가 배치되어 있다. 개구조리개(AS)로서는, 본 예에서는 3개의 다른 개구 지름φ1, φ2, φ3을 각각 가지는 3 종류의 조리개가 준비되어 있고, 그러한 것이 필요에 따라 교환될 수 있도록 구성되어 있다.

이는, 개구 조리개(AS)를 교환하여 조명 개구 σ값(시그마값)을 바꿈으로서, 투영노광장치의 해상도와 초점심도를 조정하여, 투영되는 패턴의 미세화에 대응하기 위해서이다. 도 1에는, 개구조리개 (AS)는, 3종류의 개구 지름을 가지는 것을 도시하고 있으나, 필요에 따라 4 이상의 개구 지름을 가지는 것으로 하여도 된다.

조명광학계는, 이상의 광학요소 중, 제 1 플라이아이렌즈(13), 릴레이렌즈(14), 제 2 플라이아이렌즈(15), 콘덴서 렌즈(16), 개구조리개(AS)를 포함하여 구성되어 있다.

도 2를 참조하여, 이상의 구성을 가지는 조명광학계의 작용을 설명한다. 도 2는, 도 1의 노광장치중의 조명광학계를 확대하여 사시도를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 플라이아이렌즈(13) (13a 또는 13b)와 제 2 플라이아이렌즈(15)는, 제 1 플라이아이렌즈(13)와 제 2 플라이아이렌즈(15)의 입사면끼리와 사출면 끼리를 서로 공액으로 배치하기 위한 릴레이렌즈(14)를 가지고 있고, 제 2 플라이아이렌즈(15)의 사출측에 배치된 개구 조리개(AS)의 크기에 맞추어, 레티클(R)의 상면상에서의 조도가 최대가 되도록, 선택하는 교환기구(31)(도 1)에 의하여, 초점거리(ff1)가 다른 복수의 제 1 플라이아이렌즈(13a), (13b)로부터 하나를 자동으로 선택한다.

또한, 제 1 플라이아이렌즈(13)와 제 2 플라이아이렌즈(15)를 공액으로 연결하는 릴레이 렌즈(14)는, 제 1군 렌즈계(14a)와 제 2군 렌즈계 (14b)(도 1)로 분리되어 있고, 그 중 1 부분, 도 1의 조명광학계에서는 제 1군 렌즈계 (14a) 또는 제 2군 렌즈계 (14b) 또는 쌍방의 군의 렌즈계가 동작 가능하게 되어 있어 초점거리(fr)를 바꿀 수 있다.

이와 같이 하여, 초점거리 ff1의 다른 제 1 플라이아이렌즈를 선택하고, 또한 릴레이렌즈(14)의 초점거리(fr)를 변화시킴으로써, 제 2의 플라이아이렌즈(15)의 입사측의 조명된 영역의 크기를 조정할 수 있다. 따라서, 조명되는 면인 레티클(R)의 상면(像面) 상에서의 조도가 최대가 되도록 할 수 있다.

작용을 수식을 이용하여 상세하게 설명한다. 도 2 중에서, 제 1 플라이아이렌즈 (13a)의 하나의 장방형(矩形)(도 2의 예에서는 정방형) 엘리먼트의 가장자리 길이를 x1, 제 1 플라이아이렌즈(13a)의 초점거리를 ff1, 릴레이렌즈(14)의 초점거리를 fr, 개구 조리개 지름을 φ으로 하면 아래의 부등식이 성립하나, 부등식을 만족하는 범위 내에서, 가능한 한 좌변의 값을 우변의 직경 φ에 근사한 값으로 하면 상면 상에서의 조도를 높게 유지할 수 있다.

x1·fr / ff1 ≥ φ

실제로는, 제 2 플라이아이렌즈도 복수의 엘리먼트로 구성되어 있고, 그 엘리먼트는 장방형(矩形, 도 2의 예에서는 정방형)으로서, 제 2의 플라이아이렌즈의 하나의 엘리먼트의 가장자리 길이를 x2, 개구조리개 AS를 커버하는 영역의 한 변에 배치된 엘리먼트의 개수를 n으로 하면, 다음 식이 성립한다.

x 1·fr / ff1 ≥ n·x2 ≥ φ

제 2 플라이아이렌즈는 좌우대칭이므로, 종 또는 횡으로 배치된 총 개수를 N으로 하면 총 개수 N이 짝수인 경우에는, 제 1 플라이아이렌즈의 종류는 N/2 종류, 홀수인 경우에는 (N-1)/2 종류이면, 거의 어떠한 지름 φ의 개구 조리개(AS)가 설정되더라도, 레티클 (R)의 상면상에서의 조도의 성능저하를 최대한으로 억제할 수 있다. 예를 들면, N =10의 경우에, 최저 n = 2까지를 사용하고자 하는 때에는, 10/2 = 5개 (종류)의 제 1 플라이아이렌즈가 필요하다.

N = 10의 경우, 예를 들면, 개구 조리개(AS)를 커버하는데 필요한 엘리먼트의 개수가 n=9개이더라도, 10개분의 10·x2를 사용할 필요가 있다. 제 2 플라이아이렌즈의 엘리먼트를 반만 사용하면, 완전한 2차 광원상(또는 3차 광원상)이 생기지 않고 조도 불균일이 발생하기 때문이다.

도 2에는 N = 9의 경우가 도시되어 있다. 도 2a에서는, 개구조리개(AS)의 직경이, 횡적으로 배열(종적 배열도 포함)된 총 9개의 제 2 플라이아이렌즈(15) 엘리먼트를 커버하고 있다. 따라서, 소정의 제 1 플라이아이렌즈(13a)를 선정하고, 또한 릴레이 렌즈(14)의 초점거리 (fr)를 조정하여 n = 9개를 커버하도록 하고 있다.

다음으로 도 2b에서는, 개구조리개(AS)의 직경은, 횡적으로 배열(종적 배열도 포함)된 총 9개의 제 2 플라이아이렌즈(15) 엘리먼트의 총수 9개 중 3개를 커버하고 있다. 제 1의 플라이아이렌즈(13a)는, 릴레이렌즈(14)의 초점거리(fr)가 (A)와 동일 초점거리이면, 제 2 플라이아이렌즈(15)의 엘리먼트 개수 n = 3개를 커버하도록 제 1 플라이아이렌즈(13b)로 교환할 필요가 있다.

이와 같이, N의 총수가 많은 경우, 제 1 플라이아이렌즈(13)의 종류(13a, 13b …)도 많아진다. 그러므로, 제 1 플라이아이렌즈(13)의 종류를 줄여 개수를 한정한다. 없어진 플라이아이렌즈가 커버하고 있었던 부분에 대하여는, 상기 식의 초점거리(fr)를 가변으로 하고, x1·fr/ff1의 값을 가능한 한 n·x2의 값에 근사한 값으로, 또한 φ의 값에 근사한 값으로 한다. 이와 같이 하여, 레티클(R)의 상면상에서의 조도를 높게 유지한다.

도 3을 참조하여, 이상의 원리를 보다 상세하게 설명한다. 도 3a는 제 2 플라이아이렌즈(15)와 그 각 엘리먼트를 파선으로 나타내고 큰 개구 지름의 개구 조리개(AS1)와 작은 개구 지름의 개구 조리개(AS2) 및, 그 때의 제 1 플라이아이렌즈(13a), (13b)의 각각의 조명영역(51, 52)을 도시한 것이다.

도 3에서는, 제 2 플라이아이렌즈(15)의 각 엘리먼트가 정방형으로, 가로 세로 모두 10개씩 배치된 예가 도시되어 있다. 개구 조리개는 최대 (AS1), 최소 (AS2)로 하면, 그 사이의 지름은 자유롭게 설정할 수 있으나, 제 2 플라이아이렌즈(15)의 엘리먼트가 10개이므로 유효 개수는 최대 10개, 최소 4개이므로, 개구조리개의 크기를 각각 변경한 때에 조도 효율을 높게 유지하기 위하여, 이 사이의 개수는 8개, 6개를 추가하면 모두 4종류의 제 1 플라이아이렌즈(13)가 필요하다.

이 4종류의 제 1 플라이아이렌즈를 준비한 때의 개구지름과 조도비를 도시한 그래프가 도 3b이다. 횡축에 개구지름을, 종축에 조도비를 표시하고, 최대 조도비는 100%이다. 원형의 개구조리개(AS)의 직경이 제 2 플라이아이렌즈의 엘리먼트의 1 행(또는 1열)의 총수 10개에 대응하는 값일 경우, 조도비가 최대 100%를 취한다고 하면, 이 때는, 제 1 플라이아이렌즈(13)는 13a가 선택되어 있고, 제 2 플라이아이렌즈(15)는 광원으로부터 나온 광이 1 행의 총 10개에 입사되고 있다.

엘리먼트의 수는 10개로 이루어진 열의 다음 열은 8개이므로, 개구 조리개 (AS)의 직경이 엘리먼트의 개수 8에서 10개분에 대응하는 직경인 구간에서는, 제 1 플라이아이렌즈는 13a를 그대로 유지하고, 즉, 제 2 플라이아이렌즈(15)에는 1 행의 총수 10개에 광원으로부터의 광이 입사하고 있다. 따라서, 이 구간에는 도 3b에 도시되는 바와 같이 조도비가 체감된다.

다음으로, 개구 조리개(AS)의 직경 φ이 제 2 플라이아이렌즈(15) 엘리먼트의 갯수 8개분에 상당하는 값이 되면, 엘리먼트 8개분을 조사하는 다음의 제 1 플라이아이렌즈로 교환할 수 있으므로, 상면상의 조도는 엘리먼트가 정방형이면, 10개일 때와 동일하게 된다. 이후 이것이 반복된다. 이 개구조리개(AS)의 직경과 조도비의 관계는 도 3b에 도시되어 있다.

그러나, 제 1 플라이아이렌즈(13)의 종류를 늘리는 것은 비용상으로도 공간적으로도 필요없는 부담이 늘어나게 한다. 따라서 제 1 플라이아이렌즈(13)를, 예를 들면 엘리먼트 10개분과 6개분의 2종류로 하면, 도 3c와 같이 도중의 지름, 즉 엘리먼트 8개분과 4개분에서 조도의 성능약화가 커지게 된다. 이 때, 릴레이렌즈(14)를 제 1군 렌즈계 14a와 제 2군 렌즈계 14b(도1)로 분리하고, 제 1군 렌즈계(14a) 또는 제 2군 렌즈계(14b), 또는 쌍방의 군의 렌즈계를 가동하고, 초점거리(fr)가 약간 변경되도록 하면, 제 1 플라이아이렌즈가 2종류이더라도 도 3b에 도시되는 바와 같은 플라이아이렌즈를 가능한 한 많이 준비한 경우와 동일한 조도비 곡선을 얻을 수 있다. 이 상태를 도 3c에서는, 파선으로 나타내고 있다.

릴레이렌즈(14)는, 제 1군 렌즈계(14a) 와 제 2군 렌즈계(14b)로 분리하고, 이 두 군의 렌즈계의 어느 하나 또는 둘 모두를 광축방향으로 이동조정가능하게 하여, 초점거리(fr)가 연속적으로 변할 수 있도록 구성되어 있다. 이와 같이 초점거리(fr) 가변 릴레이 렌즈(14)는 제 1 플라이아이가 조사하는 단속적인 영역을 보완하도록 구성되어 있다.

예를 들면, 제 2 플라이아이렌즈(15)의 엘리먼트의 1 행의 수 N이 20개일 경우에는, n = 20용과 n = 10 용의 두 개의 제 1 플라이아이렌즈(13)를 준비하고, 이 사이의 구간에 대하여는, 릴레이렌즈(14)의 초점거리(fr)를 조절함으로써 커버할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예인 노광장치로서 도 1에 도시되는 바와 같은 노광장치에서는, 광원(11)으로부터 나온 레이저광이 확대기(expander, 12)에서 확대되어, 제 1 플라이아이렌즈(13)를 조명하고, 제 1 플라이아이렌즈(13)가 릴레이렌즈(14)에 의하여 제 2 플라이아이렌즈(15)를 조명하고, 또한 제 1 플라이아이렌즈(13)의 입사면과 제 2 플라이아이렌즈(15)의 입사면은 서로공액인 관계이고, 사출면도 서로 공액인 관계가 되고, 제 1과 제 2 플라이아이렌즈 (13. 15)의 갯수의 곱으로 분할된 광원상이 제 2의 플라이아이렌즈의 사출구에 형성되고, 이 사출구에는 개구조리개(AS)가 배치되고, 복수개의 광원상은 콘덴서 렌즈(16)에 의하여 레티클 (R)을 중첩적으로 조명한다. 조명된 레티클(R)상의 미세 패턴은 투영렌즈(PL)에 의하여 웨이퍼 (W)상에 투영노광된다.

이와 같이 하여, 패턴이 웨이퍼(W)상에 전사되어 반도체 디바이스가 제조된다.

제 1 플라이아이렌즈(13)는, 원형 개구조리개 (AS)의 직경 φ1과 φ3에 대응하는 2 종류 13a와 13b가 있고, 각각의 조리개의 직경에 대하여 조도비가 100%가 되도록 설계되어 있다. 그러나, 직경 φ2의 개구조리개(AS)가 배치된 경우에는, 제 1 플라이아이렌즈(13a),(13b)중 어느 쪽을 사용하더라도, 조도의 성능약화를 면할 수 없다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는, 릴레이렌즈(14)의 일부분을 움직일 수 있게 하고, 이동수단인 교환장치(31)를 이용하여 초점거리(fr)를 변화시킴으로써, 제 1 플라이아이렌즈(13)가 φ1 대응(13a)의 경우일 때도, 직경 φ2의 개구조리개 AS에 대하여 최적인 광속 지름으로 설정할 수 있고, 레티클(R)상의 상면조도의 성능약화를 최소한으로 억제할 수 있다.

본 발명의 실시형태에서는 광원(11)을 레이저 광원으로 설명하였으나, 할로겐 램프광원이어도 된다. 또한, 본 발명의 실시예는, 웨이퍼(W)상의 조명영역을 정방형으로 하였으나, 장방형이어도 되며, 그 경우는 제 1 플라이아이렌즈(13)는 전체적으로 조명영역과 상이한 장방형의 형상이 되어, 제 2 플라이아이렌즈(15)는 하나의 엘리먼트가 조명영역과 상이한 장방형의 형상으로 전체적으로 거의 정방형이 된다.

다음으로, 도 4와 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다. 도 4는 조명광학계의 구성을 나타내는 모식도이다. 이 조명광학계는 제 1 광집적기인 제 1 플라이아이렌즈(13)와, 제 1군의 광학계인 제 1 렌즈군(14a)과 제 2군의 광학계인 제 2 렌즈군(14b)를 포함하여 구성된 릴레이 광학계로서의 릴레이렌즈계(14)와, 제 2 광집적기인 제 2 플라이아이렌즈(15), 및 제 2 플라이아이렌즈(15)의 광사출측에 구비된 개구조리개 (AS)를 가지고 있다.

제 1 플라이아이렌즈(13)의 광 입사측의 면은 A이고, 마찬가지로 사출측의 면(2차 광원이 형성된 면)은 B이고, 제 2 플라이아이렌즈(15)의 광의 입사측의 면은 C이며, 마찬가지로 사출측의 면(3차광원이 형성된 면)은 D로 도시되어 있다. 개구조리개(AS)는, 거의 면 D의 위치에 놓여있다. 원형 개구조리개의 직경은 φ으로 둔다. 제 1 렌즈군(14a)의 초점거리는 f1, 제2 렌즈군(14b)의 초점거리는 f2이다. 면B 와 렌즈군(14a)과의 거리는 d 0, 렌즈군 14a와 렌즈군 14b와의 거리는 d1, 렌즈군 14b와 면c와의 거리는 d2이고, 면B로부터 면C까지의 전체 길이는 TL이다. 따라서 TL = d0 + d1 + d2가 된다.

이와 같이, 조명광학계에 있어서, 계의 백(back) 초점거리 dBF가 일정하고, 계의 테레센트리시티(telecentricity) TELECEN을 구하는 식은 아래와 같이 된다.

fr =

d0 = TL - d1 - d2

X = -f1 -

XX = -f2 -

TELECEN =

이 때, f는 이 계의 전체초점거리, X는 렌즈군 14a의 가상적인 동공(瞳孔) 위치, XX는 렌즈군 (14b)의 가상적인 동공(瞳孔)의 위치이다.

수학식 1에 구체적인 숫자를 대입하여 계산한 계산예를 도 6의 표에 표시한다. 이 예는, 초점거리 f1 = 370mm, f2 = 310mm, 전장 TL = 380mm이다. 즉 f1≠f2이고, TL/f1 = 1.27 0.8이다. 이 조건으로, 렌즈군 14a와 14b의 광축방향의 위치를 조정하고, 계의 전체의 초점거리 fr을 300mm ∼ 200mm 정도로 변화시켰다.

그 결과, 테레센트리시티 TELECEN는, 초점거리 fr이 약 318mm 에서 약 - 0.6도, fr이 약 282mm에서 양수와 음수가 바뀌고, fr이 약 230mm에서 약 0.63도, fr이 약 210mm이며, 약 0.4도로 되어 있다. 테레센트리시티는 0.6도 이하, 바람직하게는 0.5도 이하이면, 실용상 지장이 없다. 따라서, 도 6의 예에서는, 계의 전체초점거리 fr이 200 내지 300mm(d1이 140 내지 300)정도의 범위에서 사용할 수 있다는 것을 알았다. 또한, TL/f10.8의 조건하에서 전장 TL이 길어지면 테레센트리시티 TELECEN의 변화는 적어진다.

마찬가지로, 도 4에 도시되는 조명광학계에 있어서, 테레센트리시티 TELECEN가 일정한 조건에서 계의 백(back)초점거리 dBF를 구하는 식은 이하와 같이 된다.

fr =

d2 = TL - d1 - d0

dX = f2 +

dBF = dX -d2

이 때, f는 이 계의 전체초점거리, dX는 백 초점거리의 격차이다.

수학식 2에 구체적으로 숫자를 대입하여 계산한 계산예를 도 7의 표에 도시한다. 이 예는, 초점거리 f1 = 360mm, f2 = 320mm, 전장 TL= 380mm이다. 즉 f1≠f2이고, TL/f1 = 1.056 0.8이다. 이 조건에서, 렌즈군 14a와 14b의 광축방향의 위치를 조정하고, 계의 전체의 초점거리 fr를 300mm 내지 200mm 정도로 변화시켰다.

그 결과 백 초점거리 dBF는, 초점거리 f가 320에서 약 -24.4mm, f가 약 280mm이며 양,음수가 바뀌고, f가 240mm에서 약 16.7mm, f가 약 210mm에서 약 10.0mm으로 되어 있다. 백 초점거리의 격차는, ± 10mm정도는 허용할 수 있다고 생각되므로, 도 7의 표에 의하면, 계의 전체 초점거리 f가 200 내지 300mm (d1 이 140 내지 300) 정도의 범위에서 사용할 수 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 제 3의 실시형태로서는, 2군의 줌 렌즈계인 릴레이렌즈(14)의 각 군을 광축방향으로 이동시키는 이외에, 제 1 광집적기(13)의 광축방향의 위치를 조정하면, 테레센트리시티(TELECEN)를 성능약화시키지않고, 백 초점거리 dBF도 차이나게 하지 않으며, 릴레이 렌즈(14)를 줌으로 하여 그 초점거리를 소정의 값으로 조정할 수 있다는 것을 도 7의 표에서 알 수 있다. 따라서, 도 1의 실시형태에 있어서, 미도시한 제 1 광집적기 이동기구를 제 1 광집적기에 부착하여 그 광축 방향의 위치를 이동 조정하도록 구성하면 된다.

또한, 제 3의 실시형태로서, 제 1 광집적기(13)의 초점거리를 가변으로 하여도 된다. 예를 들면, 플라이아이렌즈를 광축방향으로 2분할하고, 그 분할 간극을 넓거나 좁게 조절 가능하도록 구성하면 된다. 이와 같은 구성에 의하여, 제 1 광집적기(13)를 복수개 준비하지 않고, 제 1 실시형태에서 설명한 결과를 얻을 수 있다.

도 8을 참조하여, 제 1 광집적기(13)의 교환기구(31)의 실시형태에 대하여 설명한다. 도 8은 도 1의 노광장치에서 조명광학계 부분만을 발췌하여 도시한 것이다. 도 8a는, 터릿(turret)식 교환장치를 나타낸다. 원형의 터릿에, 본 실시예에서는 4종류의 플라이아이렌즈(13a) 내지 (13d)가 포함되어 있고, 터릿의 중심 13AX에 부착된 미도시한 터릿 구동장치에 의하여 터릿이 회전하고 플라이아이렌즈 13a내지 13d 중에서 원하는 플라이아이렌즈를 선택할 수 있게 되어 있다.

도 8b는 슬라이드식 교환장치를 도시한다. 가늘고 긴 슬라이드 커트리지에, 본 예에서는 4종류의 플라이아이렌즈 13a 내지 13d가 커트리지의 긴 방향으로 배열되어 포함되어 있고, 슬라이드 커트리지에 부착된 미도시한 슬라이드 커트리지 구동장치에 의하여 긴 방향으로, 또한 조명광학계의 광축에 직각인 방향으로 이동할 수 있게 되어 있어, 플라이아이렌즈 13a 내지 13d 중에서 원하는 플라이아이렌즈를 선택할 수 있다. 이상의 실시 형태에서는, 플라이아이렌즈는 13a 내지 13d의 4종류로 하였으나, 2종류 이상이면 되고, 또한 증가시켜 5종류 이상으로 하여도 된다.

이러한 터릿 구동장치, 슬라이드 커트리지 이동장치는, 미도시한 제어장치에 의하여, 원하는 조명개구 σ값을 부여하는 개구조리개 (AS)의 개구지름에 따라서 적절한 제 1 플라이아이렌즈를 선정하도록 제어된다. 또한 그러한 제어장치는 개구조리개(AS)의 개구지름과 선정된 제 1 플라이아이렌즈에 따라서 릴레이계(14)의 줌(zooming)도 제어한다.

또한, 다른 실시형태에서는, 청구항 3에 기재된 조명광학계에 있어서, 제 2 광집적기의 사출측에 배치된 개구조리개의 구경이 변화할 수 있도록 구성하고, 그 개구조리개의 변화된 구경에 따라, 제 1 광집적기의 초점거리를 변화시키도록 구성된 것을 특징으로 하여도 된다.

또한, 청구항 제 1항 내지 청구항 제 3항 중 어느 한 항에 기재된 조명광학계에 있어서, 제 2 광집적기의 사출측에 배치된 가변 구경 개구조리개를 구비하고, 상기 릴레이렌즈의 초점거리를 변화시키도록 구성된 것을 특징으로 하여도 된다.

또한, 청구항 제 4항 내지 제 6항 중 어느 하나에 기재된 조명광학계에 있어서, 상기 구경에 따라, 상기 릴레이렌즈의 초점거리를 변화시키도록 구성된 것을 특징으로 하여도 된다.

또한, 청구항 제 1항 내지 청구항 제 8항의 어느 한 항에 기재된 조명광학계에 있어서, 상기 제 1 광집적기는, 상기 릴레이렌즈의 광축방향으로 이동가능하게 구성된 것을 특징으로 하여도 된다.

또한, 다른 실시형태인 조명광학계의 조정방법은, 제 1 광집적기에 의하여 형성된 복수의 2차 광원상으로부터 광을 받아, 피조사면을 조명하는 복수의 광원상을 형성하는 제2의 광집적기를 제공하는 공정과; 상기 제 2 광집적기의 사출면측에 배치된 가변구경 개구조리개의 구경을 설정하는 공정과; 상기 설정된 구경을 커버하고, 또한 최소 지름의 광속(光束)을 제공하도록 복수의 제 1 광집적기의 군으로부터 소정의 제 1 광집적기를 선택하는 공정과; 상기 소정의 제 1 광집적기의 입사면측으로부터 거의 평행한 광속을 입사시켜 사출면측에 상기 복수의 2차 광원상을 형성하는 공정과; 상기 제 1 광집적기와 상기 제 2 광집적기와의 사이에 배치된 초점거리가 f1인 제 1군의 렌즈계와 초점거리가 f2인 제 2군의 렌즈계를 포함하여 구성되어 있고, f1 ≠ f2의 관계를 가지는 줌 렌즈의 배율을 피조사면상의 조도가 최대가 되도록 조정하는 공정을 구비한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 광집적기의 종류를 최소한도로 설정할 수 있고, 비용절감을 꾀할 수 있는 동시에, 광집적기의 종류가 적음에 구애되지 않고, 예를 들면 여러 가지 지름의 개구 조리개에 대하여도 언제나 조도 성능약화가 최소한으로 억제되는 조명광학계(또는 조명광학장치)를 제공하고, 처리량(throughput)을 떨어뜨리지 않으면서 조명할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 조명광학장치 또는 노광장치를 이용하면, 높은 처리능력으로 양호한 반도체 디바이스를 제조할 수 있다.

Claims

광다발을 입사면측으로부터 입사시켜 사출면측에 복수의 2차 광원상을 형성하는 제 1 광집적기와;

상기 제 1 광집적기에 의하여 형성된 2차 광원상으로부터의 광속을 입사면측으로부터 입사시켜 복수의 3차 광원상을 사출면측에 형성하는 제 2 광집적기와;

상기 제 1 광집적기와 상기 제 2 광집적기와의 사이에 배치된 릴레이 광학계를 구비하고;

상기 릴레이 광학계는 상기 제 1 광집적기의 입사면과 상기 제2 광집적기의 입사면을 거의 공액관계로 하고, 상기 제 1 광집적기의 사출면과 상기 제 2 광집적기의 사출면을 거의 공액관계가 되도록 구성하고, 또한 상기 릴레이 광학계는 초점거리가 f1인 제 1군의 광학계와 초점거리가 f2인 제 2군의 광학계를 포함하여 구성되어 있고, 상기 양초점거리에는 f1 ≠ f2의 관계가 있으며, 상기 릴레이 광학계 전체의 초점거리는 변화가능한 것을 특징으로 하는 조명광학계.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 광집적기의 사출면과 상기 제 2 광집적기의 입사면과의 거리를 TL로 할 때, TL/f1≥0.8인 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 제 1 광집적기의 초점거리가 가변인 것을 특징으로 하는 조명광학계.
제 3 항에 있어서,

상기 제 1 광집적기는, 서로 교환가능하고, 서로 상이한 초점거리를 가지는 복수의 광집적기의 군으로부터 선택되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
제 3 항에 있어서,

상기 제 1 광집적기는 초점거리가 연속적으로 변화할 수 있는 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 조명광학계.
상기 청구항 1항, 2항, 4항 및 5항중 어느 한 항에 기재된 조명광학계와;

상기 조명광학계에 의하여 조명된 레티클 상의 패턴을 감광성 기판상에 투영노광하는 투영광학계를 구비하는 것을 특징으로 하는 노광장치.
상기 청구항 3항에 기재된 조명광학계와;

상기 조명광학계에 의하여 조명된 레티클 상의 패턴을 감광성 기판상에 투영노광하는 투영광학계를 구비하는 것을 특징으로 하는 노광장치.
상기 청구항 제 6항 또는 제 7항에 기재된 노광장치를 이용하여 반도체 디바이스를 제조하는 방법에 있어서;

상기 투영광학계를 매개하여 상기 레티클 패턴을 상기 감광성 기판에 전사하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 제조방법.