KR20100099140A - 광학 유닛, 조명 광학 장치, 노광 장치, 노광 방법 및 디바이스 제조 방법 - Google Patents

광학 유닛, 조명 광학 장치, 노광 장치, 노광 방법 및 디바이스 제조 방법 Download PDF

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Abstract

광학 유닛(3)은, 이차원으로 배열되어 개별적으로 제어되는 복수의 광학 요소(36a)를 갖는 공간 광 변조기(36)가 배치될 수 있는 제 1 광로와, 표면에 사전 결정된 고정 패턴을 포함하는 각도 분포 제공 소자의 삽입을 위한 기구를 포함하는 제 2 광로와, 제 1 광로 및 제 2 광로의 모두를 통과한 광의 광로인 제 3 광로를 포함한다. 각도 분포 제공 소자(5)가 제 2 광로에 삽입되는 경우에는, 각도 분포 제공 소자(5)에 입사한 광에 근거하여 사출된 광에 각도 분포가 제공된다.

Description

광학 유닛, 조명 광학 장치, 노광 장치, 노광 방법 및 디바이스 제조 방법{OPTICAL UNIT, ILLUMINATION OPTICAL APPARATUS, EXPOSURE APPARATUS, EXPOSURE METHOD, AND DEVICE MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 광학 유닛, 조명 광학 장치, 노광 장치, 노광 방법, 및 디바이스 제조 방법에 관한 것이다. 더 자세하게는, 본 발명은 반도체 소자, 촬상 소자, 액정 표시 장치, 박막 자기 헤드 등의 디바이스를 리소그래피에 의해 제조하기 위한 노광 장치에 적용하기에 적당한 조명 광학 장치에 관한 것이다.
이러한 타입의 전형적인 노광 장치에서, 광원으로부터 방출된 광빔은, 광학 인티그레이터로서의 플라이아이 렌즈(fly's eye lens)를 통과하여, 다수의 광원으로 구성되는 실질적인 면광원으로서의 2차 광원(일반적으로는 조명 동공(illumination pupil)에서의 사전 결정된 광 강도 분포)을 형성한다. 이하, 조명 동공에서의 광 강도 분포를, 「동공 강도 분포」라고 부를 것이다. 조명 동공은, 조명 동공과 조명 목표면(노광 장치의 경우에는 마스크 또는 웨이퍼) 사이의 광학 시스템의 작용에 의해, 조명 목표면이 조명 동공의 푸리에 변환면(Fourier transform surface)으로 되는 위치로서 정의된다.
2차 광원으로부터의 빔은 콘덴서 렌즈에 의해 집광되어, 사전 결정된 패턴이 형성되는 마스크를 중첩적으로 조명한다. 마스크를 투과한 광은 투영 광학 시스템을 통과하여 웨이퍼 상에 초점을 맞추고, 이에 따라 웨이퍼 상에는 마스크 패턴이 투영(또는 전사)되어 노광되게 된다. 마스크에 형성된 패턴은 고집적화되어 있으므로, 이 미세 패턴을 웨이퍼 상에 정확하게 전사하기 위해서는 웨이퍼 상에서 균일한 조도 분포를 얻어야 한다.
노광 장치는 어떠한 이유에 의해 원하는 동공 강도 분포를 얻을 수 없고, 결국 투영 광학 시스템이 원하는 결상 성능을 달성할 수 없게 된다. 그래서, 본 출원인은 조명 동공면에 농도 필터(density filter)를 배치하여 동공 강도 분포를 보정(또는 조정)하는 기술을 제안하고 있다(일본 특허 출원 공개 제2004-247527호 참조).
상기 출원 공개 제2004-247527호에 개시된 종래 기술은 사전 결정된 농도 분포(투과율 분포)를 갖는 필터를 조명 동공면에 배치하기 때문에, 농도 필터를 다른 것으로 교환하지 않는 한 동공 강도 분포를 조정할 수 없어 불편했다.
본 발명은 상술한 불편함의 관점에서 이루어진 것이며, 본 발명의 목적은 임의의 광학 부재를 교환하지 않고 동공 강도 분포를 조정할 수 있는 조명 광학 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 동공 강도 분포를 조정할 수 있는 조명 광학 장치를 이용하여 원하는 조명 조건 하에서 양호한 노광을 실행할 수 있는 노광 장치 및 노광 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제 1 국면은, 이차원으로 배열되어 개별적으로 제어되는 복수의 광학 요소를 갖는 공간 광 변조기가 배치될 수 있는 제 1 광로와, 그 표면에 사전 결정된 고정 패턴을 갖는 각도 분포 제공 소자의 삽입을 위한 기구를 포함하는 제 2 광로와, 제 1 광로 및 상기 제 2 광로의 모두를 통과하는 광의 광로인 제 3 광로를 포함하고, 각도 분포 제공 소자가 제 2 광로에 삽입될 때에는, 각도 분포 제공 소자에 입사한 광에 근거하여 사출되는 광에 각도 분포가 제공되는 광학 유닛을 제공한다.
본 발명의 제 2 국면은 광원으로부터의 광에 근거하여 조명 목표면을 조명하는 조명 광학 장치를 제공하고, 그 조명 광학 장치는, 제 1 국면의 광학 유닛과, 공간 광 변조기 및 각도 분포 제공 소자를 통과한 광에 근거하여, 조명 광학 장치의 조명 동공에 사전 결정된 광 강도 분포를 형성하는 분포 형성 광학 시스템을 구비한다.
본 발명의 제 3 국면은, 사전 결정된 패턴을 조명하기 위한 제 2 국면의 조명 광학 장치를 구비하고, 사전 결정된 패턴을 감광성 기판에 노광하는 노광 장치를 제공한다.
본 발명의 제 4 국면은, 제 3 국면의 노광 장치를 이용하여, 사전 결정된 패턴을 감광성 기판에 노광하는 노광 단계와, 패턴이 전사된 감광성 기판을 현상하여, 패턴에 대응하는 형상의 마스크층을 감광성 기판의 표면에 형성하는 현상 단계와, 마스크층을 통해 감광성 기판의 표면을 처리하는 처리 단계를 포함하는 디바이스 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 제 5 국면은 광원으로부터의 광에 근거하여 사전 결정된 패턴을 감광성 기판에 노광하는 노광 방법을 제공하고, 그 노광 방법은, 광원으로부터의 광을 각도 분포 제공 소자로 유도하여 사전 결정된 동공 강도 분포를 조명 동공에 형성하는 제 1 단계와, 광원으로부터의 광을, 제 1 빔과, 각도 분포 제공 소자를 향하는, 제 1 빔과는 다른 제 2 빔으로 분할하는 제 2 단계와, 제 1 빔을, 이차원으로 배열되어 개별적으로 제어되는 복수의 광학 요소를 갖는 공간 광 변조기로 유도하는 제 3 단계와, 공간 광 변조기를 통과하는 제 1 빔을 조명 동공의 위치로 유도하는 제 4 단계와, 조명 동공을 통과하는 광으로 사전 결정된 패턴을 조명하는 제 5 단계와, 조명된 사전 결정된 패턴으로부터의 광에 근거하여 감광성 기판을 노광하는 제 6 단계를 포함하는 노광 방법을 제공한다.
본 발명의 제 6 국면은, 제 5 국면의 노광 방법을 이용하여, 사전 결정된 패턴을 감광성 기판에 노광하는 노광 단계와, 패턴이 전사된 감광성 기판을 현상하여, 패턴에 대응하는 형상의 마스크층을 감광성 기판의 표면에 형성하는 현상 단계와, 마스크층을 통해 감광성 기판의 표면을 처리하는 처리 단계를 포함하는 전자 디바이스 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 조명 광학 장치는, 이차원으로 배열되어 개별적으로 제어되는 복수의 광학 요소를 갖는 공간 광 변조기를 통과하는 빔과, 예컨대, 회절 광학 소자 등의 각도 분포 제공 소자를 통과하는 빔에 근거하여, 조명 동공에 사전 결정된 광 강도 분포를 형성하도록 구성된다. 따라서, 각도 분포 제공 소자에 의해 조명 동공에 고정적으로 형성된 광 강도 분포를, 공간 광 변조기에 의해 조명 동공에 가변적으로 형성된 광 강도 분포에 의해 보정함으로써 원하는 동공 강도 분포를 얻을 수 있다.
즉, 본 발명의 조명 광학 장치는 임의의 광학 부재를 교환하지 않고 동공 강도 분포를 조정할 수 있다. 또한, 본 발명의 노광 장치는, 동공 강도 분포를 조정할 수 있는 조명 광학 장치를 이용하여, 원하는 조명 조건 하에서 양호한 노광을 실행할 수 있고, 따라서 양호한 디바이스를 제조할 수 있다.
본 발명의 노광 방법에서는, 광원으로부터의 광을, 예컨대, 회절 광학 소자 등의 각도 분포 제공 소자로 유도하여 사전 결정된 동공 강도 분포를 조명 동공에 형성한다. 한편, 광원으로부터의 광은, 각도 분포 제공 소자를 향하는 제 1 빔과, 제 1 빔과는 다른 제 2 빔으로 분할되고, 이 제 2 빔은, 이차원으로 배열되어 개별적으로 제어되는 복수의 광학 요소를 갖는 공간 광 변조기로 유도된다. 공간 광 변조기를 통과하는 제 2 빔은 조명 동공의 위치로 유도되고, 사전 결정된 광 강도 분포를 조명 동공에 형성한다. 조명 동공을 통과하는 광으로 사전 결정된 패턴이 조명되고, 조명된 사전 결정된 패턴으로부터의 광에 근거하여 감광성 기판 상의 노광이 실행된다.
이런 방식으로, 각도 분포 제공 소자에 의해 조명 동공에 고정적으로 형성되는 광 강도 분포를, 공간 광 변조기에 의해 조명 동공에 가변적으로 형성되는 광 강도 분포에 의해 보정함으로써, 원하는 동공 강도 분포를 얻을 수 있다. 그 결과, 본 발명의 노광 방법은, 원하는 조명 조건 하에서 양호한 노광을 실행할 수 있고, 따라서 양호한 전자 디바이스를 제조하는 것을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 노광 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면,
도 2는 공간 광 변조 유닛의 구성을 개략적으로 나타내는 도면,
도 3은 실린드리컬(cylindrical) 마이크로 플라이아이 렌즈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도,
도 4는 본 실시예에서 형성되는 윤대 형상의 동공 강도 분포 및 그 조정을 개략적으로 나타내는 도면,
도 5(a)는 회절 광학 소자와 공간 광 변조기에 의해 4극 형상의 동공 강도 분포를 형성하는 예를 개략적으로 도시하는 도면이고, 도 5(b)는 회절 광학 소자와 공간 광 변조기에 의해 5극 형상의 동공 강도 분포를 형성하는 예를 개략적으로 도시하는 도면,
도 6은 반도체 장치의 제조 단계를 나타내는 흐름도,
도 7은 액정 표시 장치 등의 액정 장치의 제조 단계를 나타내는 흐름도,
도 8은 반사형 회절 광학 소자의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
첨부 도면에 근거하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 노광 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2는 공간 광 변조 유닛의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1에서, Z축은 감광성 기판인 웨이퍼 W의 법선 방향을 따라 설정되고, Y축은 웨이퍼 W의 면내에서 도 1의 지면에 평행한 방향을 따라 설정되고, X축은 웨이퍼 W의 면내에서 도 1의 지면에 수직인 방향을 따라 설정된다.
도 1을 참조하면, 광원(1)은 본 실시예의 노광 장치에 노광광(조명광)을 공급한다. 광원(1)은, 예컨대, 193nm의 파장에서의 광을 공급하는 ArF 엑시머 레이저 광원, 또는 248nm의 파장에서의 광을 공급하는 KrF 엑시머 레이저 광원일 수 있다. 광원(1)으로부터 방사된 광은 정형 광학 시스템(shaping optical system)(2)에 의해 필요한 단면 형상의 빔으로 확대되고, 그 후 확대된 빔은 공간 광 변조 유닛(3)으로 입사한다.
공간 광 변조 유닛(3)은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 경사면이 서로 대향하도록 배치된 한 쌍의 직각 프리즘(31, 32)과, 그 직각 프리즘쌍(31, 32)으로부터 광축 AX 방향으로 간격을 두고, 또 경사면이 서로 대향하도록 배치된 다른 한 쌍의 직각 프리즘(33, 34)과, 두 세트의 직각 프리즘쌍(31, 32) 및 직각 프리즘쌍(33, 34)에 근접하여 배치된 평행 평면판(35)과, 평행 평면판(35)에 근접하여 배치된 공간 광 변조기(36)를 구비한다.
공간 광 변조 유닛(3)에서는, 직각 프리즘(31)의 입사면(31a)에 광축 AX를 따라 입사한 광이, 직각 프리즘(31)의 내부를 전파하고, 그 후, 직각 프리즘(31, 32)의 사이에 형성된 분리막(빔 스플리터)(37)에 입사한다. 분리막(37)은 입사빔의 진폭을 반사빔과 투과빔으로 분할하는 기능을 갖는다. 분리막(37)에서 반사된 광은 직각 프리즘(31) 및 평행 평면판(35)의 내부를 전파한 후, 공간 광 변조기(36)에 입사한다.
공간 광 변조기(36)는, 이차원으로 배열된 복수의 미러 요소(일반적으로는 광학 요소)(36a)와, 복수의 미러 요소(36a)의 자세를 개별적으로 제어 및 구동하는 구동 유닛(36b)을 갖는다. 구동 유닛(36b)은 제어 유닛(4)으로부터의 명령에 따라, 복수의 미러 요소(36a)의 자세를 개별적으로 제어 및 구동한다. 공간 광 변조기(36)의 더 상세한 구성 및 작용에 관해서는 후술한다.
공간 광 변조기(36)의 복수의 미러 요소(36a)에 의해 반사된 광은, 평행 평면판(35) 및 직각 프리즘(33)의 내부를 전파한 후, 직각 프리즘(33, 34)의 사이에 형성된 분리막(38)으로 입사한다. 분리막(38)도, 분리막(37)과 마찬가지로, 입사빔의 진폭을 반사빔과 투과빔으로 분할하는 기능을 갖는다. 분리막(38)에서 반사된 광은, 직각 프리즘(33)의 내부를 전파한 후, 그 사출면(33a)으로부터 공간 광 변조 유닛(3)의 외부로 사출된다.
공간 광 변조기(36)의 모든 미러 요소(36a)의 반사면이 XY 평면에 따라 위치 결정된 기준 상태에서는, 공간 광 변조 유닛(3)으로 광축 AX를 따라 진입한 광과 공간 광 변조기(36)를 통과한 광은, 광축 AX를 따라 공간 광 변조 유닛(3)으로부터 사출된다. 공간 광 변조기(36)를 통과하고 분리막(38)에 의해 투과된 광은, 직각 프리즘(34)의 내부를 전파하고, 불필요광으로서 조명 광로의 외부로 유도된다.
한편, 직각 프리즘(31)의 입사면(31a)으로 광축 AX를 따라 진입하여 분리막(37)에 의해 투과된 광은, 직각 프리즘(32)의 내부를 전파한 후, 직각 프리즘쌍(31, 32)과 (33, 34) 사이의 조명 광로중에 배치된 회절 광학 소자(5)에 입사한다. 회절 광학 소자(5)는, 조명 광로에 대해 선택적으로 삽입되거나 추출되도록 구성되고, 먼 필드(파필드 영역)에 다른 광 강도 분포를 형성하는 다른 회절 광학 소자와 교환 가능하게 구성되어 있다.
조명 광로에 대한 회절 광학 소자(5)의 삽입/추출은 제어 유닛(4)으로부터의 명령에 따라 실행된다. 일반적으로, 회절 광학 소자는, 기판에 노광광(조명광)의 파장과 대략 동일한 피치를 갖는 레벨차를 형성함으로써 구성되고, 입사빔을 원하는 각도로 회절시키는 작용을 갖는다. 이하, 노광 장치의 기본적인 동작의 이해를 쉽게 하기 위해, 공간 광 변조기(36)의 작용을 무시하고, 회절 광학 소자(5)는 윤대형 조명용의 회절 광학 소자인 것으로 가정한다.
회절 광학 소자(5)를 통과한 광은 직각 프리즘(34)의 내부를 전파하고, 그 후, 분리막(38)으로 입사한다. 회절 광학 소자(5)를 통과하고 분리막(38)을 통과한 광은 직각 프리즘(33)의 내부를 전파하고 그 후, 그 사출면(33a)으로부터 공간 광 변조 유닛(3)의 외부로 사출된다. 즉, 광축 AX를 따라 공간 광 변조 유닛(3)으로 입사하여 회절 광학 소자(5)를 통과한 광은 공간 광 변조 유닛(3)으로부터 광축 AX를 따라 사출된다. 회절 광학 소자(5)를 통과하고 분리막(38)에 의해 반사된 광은, 직각 프리즘(34)의 내부를 전파한 후, 불필요광으로서 조명 광로의 외부로 유도된다.
상술한 바와 같이, 공간 광 변조 유닛(3)에서, 직각 프리즘(31, 32)과의 사이에 형성된 분리막(37)은 입사빔을 2개의 빔(일반적으로는 복수의 빔)으로 분할하는 광 스플리터를 구성하고 있다. 또한, 직각 프리즘(33, 34)의 사이에 형성된 분리막(38)은 공간 광 변조기(36)를 통과한 광과 각도 분포 제공 소자로서의 회절 광학 소자(5)를 통과한 광을 합성하는 광 합성기를 구성하고 있다. 그 후 공간 광 변조 유닛(3)으로부터 사출된 광은 어포컬 렌즈(afocal lens)(6)로 입사한다.
여기서, 분리막(37)으로부터 분리막(38)까지 연장되고, 공간 광 변조기(36)의 미러 요소(36a)를 통과하는 광로를 제 1 광로로 정의한다. 분리막(37)으로부터 분리막(38)까지 연장되고, 회절 광학 소자(5)의 삽입을 위한 기구를 갖는 광로를 제 2 광로로 정의한다. 분리막(38)으로부터 사출되고, 제 1 광로 및 제 2 광로의 모두를 통과한 광의 광로를 제 3 광로로 정의한다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 제 2 광로의 회절 광학 소자(5)의 삽입을 위한 기구는 회절 광학 소자(5)의 삽입을 위한 공간을 갖는다. 광로는 사용 상태에서 광이 통과하는 것이 의도되어 있는 경로를 말한다.
윤대형 조명용의 회절 광학 소자(5)는, 직사각형의 단면을 갖는 평행빔이 입사한 경우에, 이 빔의 파면을 분할하고 그 파필드(또는 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절 영역)에 윤대 형상의 광 강도 분포를 형성하는 기능을 갖는다. 어포컬 렌즈(6)는, 그 앞쪽 초점 위치가 공간 광 변조기(36)의 미러 요소(36a)의 위치 및 회절 광학 소자(5)의 위치와 거의 일치하고, 그 뒤쪽 초점 위치가 도면중 점선으로 나타내는 사전 결정된 평면(7)의 위치와 거의 일치하도록 설정된 어포컬 시스템(어포컬 옵틱)이다.
따라서, 회절 광학 소자(5)에 입사한 거의 평행빔은 어포컬 렌즈(6)의 동공면에 윤대 형상의 광 강도 분포를 형성하고, 그 후, 광은 윤대 형상의 각도 분포로 어포컬 렌즈(6)로부터 사출된다.
상술한 바와 같이, 회절 광학 소자(5)는, 표면에 사전 결정된 고정 패턴을 갖는 각도 분포 제공 소자로서 기능할 수 있다. 즉, 회절 광학 소자(5)가 제 2 광로에 삽입되었을 때에, 회절 광학 소자(5)에 입사한 광에 근거하여 사출되는 광에 각도 분포가 제공된다. 차광 패턴 또는 감광(減光) 패턴 등의 명암 패턴(light-dark pattern), 또는 표면의 단차(level-difference) 패턴 등의 위상 패턴이 회절 광학 소자의 사전 결정된 고정 패턴으로서 이용될 수 있다.
어포컬 렌즈(6)의 앞쪽 렌즈 유닛(6a)과 뒤쪽 렌즈 유닛(6b) 사이의 광로에는 어포컬 렌즈(6)의 동공면의 위치 또는 그 근방의 위치에 원추형 액시콘 시스템(8)이 배치되어 있다. 원추형 액시콘 시스템(8)의 구성 및 작용에 관해서는 후술한다.
어포컬 렌즈(6)를 통과하는 빔은, σ값(σ값=조명 광학 장치의 마스크쪽 개구수/투영 광학 시스템의 마스크쪽 개구수) 가변용의 줌 렌즈(9)를 통과한 후, 빔 스플리터(10)에 입사한다. 빔 스플리터(10)를 투과한 광은 조명 광로를 따라 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)에 입사한다. 한편, 빔 스플리터(10)에 의해 반사된 광은 조명 광로의 밖으로 유도되고, 조명 동공 분포 측정 유닛(12)에 입사한다.
조명 동공 분포 측정 유닛(12)은, 예컨대, 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 입사면과 광학적으로 공액(conjugate)인 위치에 배치된 촬상면을 갖는 CCD 촬상 유닛을 구비하고, 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 입사면에 형성되는 광 강도 분포를 모니터링한다. 즉, 조명 동공 분포 측정 유닛(12)은, 조명 동공 또는 조명 동공과 광학적으로 공액인 면에서 동공 강도 분포를 측정하는 기능을 갖는다. 조명 동공 분포 측정 유닛(12)의 측정 결과는 제어 유닛(4)에 공급된다. 조명 동공 분포 측정 유닛(12)의 상세한 구성 및 작용에 관해서는, 예컨대, 일본 특허 공개 공보 제2006-054328호나 미국 특허 공개 공보 제2008/0030707호를 참조할 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)는, 광원쪽에 배치된 제 1 플라이아이 부재(11a)와 마스크쪽에 배치된 제 2 플라이아이 부재(11b)로 구성된다. 제 1 플라이아이 부재(11a)의 광원쪽의 표면 및 제 2 플라이아이 부재(11b)의 광원쪽의 표면에는, X 방향으로 배열된 실린드리컬 렌즈 그룹(11aa 및 11ba)이 각각 피치 p1로 형성되어 있다. 제 1 플라이아이 부재(11a)의 마스크쪽의 표면 및 제 2 플라이아이 부재(11b)의 마스크쪽의 표면에는, Z 방향으로 배열된 실린드리컬 렌즈 그룹(11ab 및 11bb)이 각각 피치 p2(p2>p1)로 형성되어 있다.
실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 X 방향으로의 굴절 작용(즉, XY 평면에서의 굴절 작용)에 주목하면, 광축 AX를 따라 입사한 평행빔의 파면은, 제 1 플라이아이 부재(11a)의 광원쪽에 형성된 실린드리컬 렌즈 그룹(11aa)에 의해 X 방향을 따라 피치 p1로 분할되고, 분할된 빔은 실린드리컬 렌즈 그룹의 굴절면에 의해 집광되고, 그 후 집광된 빔은 제 2 플라이아이 부재(11b)의 광원쪽에 형성된 실린드리컬 렌즈 그룹(11ba) 중의 대응하는 실린드리컬 렌즈의 굴절면에 의해 집광되고, 집광된 빔은 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 뒤쪽 초점면 상에 집광된다.
실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 Z 방향으로의 굴절 작용(즉, YZ 평면에서의 굴절 작용)에 주목하면, 광축 AX를 따라 입사한 평행빔의 파면은, 제 1 플라이아이 부재(11a)의 마스크쪽에 형성된 실린드리컬 렌즈 그룹(11ab)에 의해 Z 방향을 따라 피치 p2로 분할되고, 분할된 빔은 그 실린드리컬 렌즈 그룹의 굴절면에 의해 집광되고 그 후, 집광된 빔은 제 2 플라이아이 부재(11b)의 마스크쪽에 형성된 실린드리컬 렌즈 그룹(11bb)의 대응하는 실린드리컬 렌즈의 굴절면에 의해 집광되고, 집광된 빔은 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 뒤쪽 초점면 상에 집광된다.
상기와 같이, 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)는 실린드리컬 렌즈 그룹이 양쪽면에 배치되는 제 1 플라이아이 부재(11a)와 제 2 플라이아이 부재(11b)로 구성되어 있는데, X 방향으로 p1의 크기이고 Z 방향으로 p2의 크기인 다수의 직사각형 형상의 마이크로 굴절면이 수평 및 수직으로 조밀하게 통합적으로 형성된 마이크로 플라이아이 렌즈와 같은 광학적 기능을 발휘한다. 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)는 마이크로 굴절면의 면형상의 편차에 의한 왜곡(distortion)의 변화를 작게 하고, 예컨대, 에칭에 의해 통합적으로 형성되는 다수의 마이크로 굴절면의 제조 오차가 휘도 분포에 미치는 영향을 적게 유지할 수 있다.
사전 결정된 평면(7)의 위치는 줌 렌즈(9)의 앞쪽 초점 위치의 근방에 배치되고, 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 입사면은 줌 렌즈(9)의 뒤쪽 초점위치의 근방에 배치된다. 즉, 줌 렌즈(9)는 사전 결정된 평면(7)과 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 입사면을 실질적으로 푸리에 변환 관계로 설정하고, 따라서 어포컬 렌즈(6)의 동공면이 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 입사면과 광학적으로 거의 공액을 유지하게 한다.
따라서, 어포컬 렌즈(6)의 동공면 상에서와 같이, 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 입사면 상에, 예컨대, 광축 AX를 중심으로 한 윤대형의 조명 필드가 형성된다. 이 윤대형 조명 필드의 전체적인 형상은 줌 렌즈(9)의 초점 거리에 따라 유사하게 변화한다. 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)에서의 파면 분할 단위로서의 직사각형 마이크로 굴절면은 마스크 M 상에서 형성되어야 할 조명 필드의 형상(따라서 웨이퍼 W 상에서 형성되어야 할 노광 영역의 형상)과 유사한 직사각형 형상이다.
실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)에 입사한 빔은 이차원으로 분할되고, 뒤쪽 초점면 또는 그 근방(따라서 조명 동공)에, 입사빔에 의해 형성된 조명 필드와 대략 동일한 광 강도 분포를 갖는 2차 광원, 즉 광축 AX를 중심으로 한 윤대 형상의 실질적인 면광원(윤대형의 동공 강도 분포)으로 구성되는 2차 광원을 형성한다. 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 뒤쪽 초점면 또는 그 근방에 형성된 2차 광원으로부터의 빔은 그 근방에 위치한 개구 조리개(13)에 입사한다.
개구 조리개(13)는 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 뒤쪽 초점면 또는 그 근방에 형성되는 윤대 형상의 2차 광원에 대응한 윤대형 개구(광 투과부)를 갖는다. 개구 조리개(13)는 조명 광로에 대하여 분리 가능하고, 또한 크기 및 형상이 다른 개구를 갖는 복수의 개구 조리개로 전환 가능하게 구성되어 있다. 개구 조리개의 전환 방식은, 예컨대, 주지의 터릿 방식이나 슬라이드 방식 등을 이용할 수 있다. 개구 조리개(13)는 후술하는 투영 광학 시스템 PL의 입사 동공면과 광학적으로 거의 공액인 위치에 배치되고, 조명에 기여하는 2차 광원의 범위를 정의한다.
개구 조리개(13)에 의해 제한된 2차 광원으로부터의 빔은 콘덴서 광학 시스템(14)을 통해 마스크 블라인드(15)를 중첩적으로 조명한다. 이런 식으로, 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 파면 분할 단위인 직사각형의 마이크로 굴절면의 형상과 초점 거리에 따른 직사각형의 조명 필드가, 조명 필드 조리개로서 마스크 블라인드(15)에 형성된다. 마스크 블라인드(15)의 직사각형 개구(광 투과부)를 통과한 빔은 결상 광학 시스템(16)에 의해 집광되고, 사전 결정된 패턴이 형성되는 마스크 M을 중첩적으로 조명한다. 즉, 결상 광학 시스템(16)은 마스크 블라인드(15)의 직사각형 개구의 이미지를 마스크 M 상에 형성한다.
마스크 스테이지 MS 상에 유지된 마스크 M을 통과한 빔은 투영 광학 시스템 PL을 통해, 웨이퍼 스테이지 WS 상에 유지된 웨이퍼(감광성 기판) W 상에 마스크 패턴의 이미지를 형성한다. 이런 식으로, 투영 광학 시스템 PL의 광축 AX에 수직인 평면(XY 평면) 내에서 웨이퍼 스테이지 WS를 이차원으로 구동 및 제어하면서, 나아가서는 웨이퍼 W를 이차원으로 구동 및 제어하면서, 일괄 노광 또는 스캔 노광을 실행함으로써, 웨이퍼 W의 각 노광 영역으로 마스크 M의 패턴이 순차적으로 전사된다.
조명 광로 중에, 윤대형 조명용의 회절 광학 소자(5)가, 예컨대, 복수극 조명용(2극 조명용, 4극 조명용, 8극 조명용 등)의 회절 광학 소자 또는 원형 조명용의 회절 광학 소자 등의, 적당한 특성을 갖는 다른 회절 광학 소자로 교체되면, 다양한 변형 조명을 구현할 수 있다. 회절 광학 소자 사이의 전환 방식은, 예컨대, 주지의 터릿 방식이나 슬라이드 방식 등을 이용할 수 있다.
원추형 액시콘 시스템(8)은 광원쪽에서부터 순서대로, 광원쪽에 평면을 갖고 마스크쪽에 오목 원추형 굴절면을 갖는 제 1 프리즘 부재(8a)와, 마스크쪽에 평면을 갖고 광원쪽에 볼록 원추형 굴절면을 갖는 제 2 프리즘 부재(8b)로 구성된다. 제 1 프리즘 부재(8a)의 오목 원추형 굴절면과 제 2 프리즘 부재(8b)의 볼록 원추형 굴절면은 서로 접촉 가능하도록 상보적으로 형성된다. 또한, 제 1 프리즘 부재(8a) 및 제 2 프리즘 부재(8b) 중 적어도 한쪽의 부재가 광축 AX를 따라 이동 가능하게 구성되고, 이에 따라, 제 1 프리즘 부재(8a)의 오목 원추형 굴절면과 제 2 프리즘 부재(8b)의 볼록 원추형 굴절면 사이의 간격이 가변으로 된다. 이해를 쉽게 하기 위해, 윤대형 또는 4극 형상의 2차 광원에 착안하여, 원추형 액시콘 시스템(8)의 작용 및 줌 렌즈(9)의 작용을 설명할 것이다.
제 1 프리즘 부재(8a)의 오목 원추형 굴절면과 제 2 프리즘 부재(8b)의 볼록 원추형 굴절면이 서로 접촉하고 있는 상태에서는, 원추형 액시콘 시스템(8)은 평행 평면판으로서 기능하고, 형성된 4극 형상 또는 윤대 형상의 2차 광원에 영향을 미치지는 않는다. 그러나 제 1 프리즘 부재(8a)의 오목 원추형 굴절면과 제 2 프리즘 부재(8b)의 볼록 원추형 굴절면이 서로 분리되는 경우, 윤대형 또는 4극 형상의 2차 광원의 폭(윤대 형상의 2차 광원의 외경과 내경 사이의 차의 1/2, 또는 4극 형상의 2차 광원에 밖에서 접하는 원의 직경(외경)과 안에서 접하는 원의 직경(내경) 사이의 차의 1/2)을 일정하게 유지하면서, 윤대형 또는 4극 형상의 2차 광원의 외경(내경)이 변한다. 즉, 윤대형 또는 4극 형상의 2차 광원의 윤대형상 비(내경/외경) 및 크기(외경)가 변한다.
줌 렌즈(9)는, 윤대형 또는 4극 형상의 2차 광원의 전체적인 형상을 유사하게(또는 등방적으로) 확대 또는 축소하는 기능을 갖는다. 예컨대, 줌 렌즈(9)의 초점 거리를 최소치로부터 사전 결정된 값으로 증가시킴으로써, 윤대형 또는 4극 형상의 2차 광원의 전체적인 형상이 유사하게 확대된다. 환언하면, 줌 렌즈(9)의 작용에 의해, 윤대형 또는 4극 형상의 2차 광원의 윤대형상 비의 변화 없이, 2차 광원의 폭과 크기(외경)가 모두 변한다. 이와 같이, 윤대형 또는 4극 형상의 2차 광원의 윤대형상 비와 크기(외경)를 원추형 액시콘 시스템(8) 및 줌 렌즈(9)의 작용에 의해 제어할 수 있다.
본 실시예에서, 사용될 공간 광 변조기(36)는, 예컨대, 이차원으로 배열된 미러 요소(36a)의 방위를 연속적으로 각각 변화시키는 것일 수 있다. 이러한 공간 광 변조기는, 예컨대, 일본 특허 출원 공개 평성 제10-503300호(PCT 출원의 번역문) 및 이것에 대응하는 유럽 특허 공개 제779530호, 일본 특허 공개 제2004-78136호 및 이것에 대응하는 미국 특허 제6,900,915호, 일본 특허 출원 공개 2006-524349호(PCT 출원의 번역문) 및 이것에 대응하는 미국 특허 제7,095,546호, 및 일본 특허 공개 제2006-113437호에 개시되는 공간 광 변조기 중에서 선택될 수 있다.
공간 광 변조기(36)에서는, 제어 유닛(4)으로부터의 제어 신호에 따라 작동하는 구동 유닛(36b)의 작용에 의해, 미러 요소(36a)의 자세가 각각 변하고, 이에 따라 각 미러 요소(36a)가 사전 결정된 방향으로 설정된다. 공간 광 변조기(36)의 미러 요소(36a)에 의해 사전 결정된 각도로 반사된 광은, 어포컬 렌즈(6)의 동공면, 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 입사면, 및 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)의 뒤쪽 초점면 또는 그 근방의 조명 동공(개구 조리개(13)가 배치되는 위치)에 사전 결정된 광 강도 분포를 형성한다.
즉, 어포컬 렌즈(6), 줌 렌즈(9), 및 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈(11)는, 공간 광 변조기(36)를 통과한 빔 및 회절 광학 소자(각도 분포 제공 소자)(5)를 통과한 빔에 근거하여, 조명 광학 장치(2~16)의 조명 동공에 사전 결정된 광 강도 분포를 형성하는 분포 형성 광학 시스템을 구성한다. 또한, 개구 조리개(13)와 광학적으로 공액인 다른 조명 동공 위치, 즉 결상 광학 시스템(16)의 동공 위치 및 투영 광학 시스템 PL의 동공 위치에도, 사전 결정된 광 강도 분포에 대응하는 광 강도 분포가 형성된다.
노광 장치에서는 마스크 M의 패턴을 웨이퍼 W에 매우 정확하고 충실히 전사하기 위해 패턴 특성에 따른 적절한 조명 조건 하에서 노광을 실행하는 것이 중요하다. 이를 위하여, 조명 광학 장치(2~16)의 조명 동공에, 나아가서는 투영 광학 시스템 PL의 동공면에, 원하는 광 강도 분포를 형성하는 것이 필요하다. 그러나 상술한 바와 같이, 노광 장치는 어떤 이유에 의해 원하는 동공 강도 분포를 얻을 수 없고, 나아가서는 투영 광학 시스템 PL이 원하는 결상 성능을 발휘할 수 없게 될 수 있다.
일례로서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 회절 광학 소자(5)에 의해 형성되는 윤대형 동공 강도 분포(41)의 형상 및 크기가 원하는 형상 및 크기지만, 단면 A-A를 따른 강도가 균일하지 않고 불균일하다. 본 실시예에서는, 조명 동공 분포 측정 유닛(12)이 회절 광학 소자(5)에 의해 형성되는 윤대형 동공 강도 분포(41)에 대응하는 광 강도 분포를 측정하고, 측정 결과(형상, 크기, 강도의 불균일성 등)를 제어 유닛(4)에 공급한다.
제어 유닛(4)은, 조명 동공 분포 측정 유닛(12)로부터의 측정 결과에 근거하여, 공간 광 변조 유닛(3) 중의 공간 광 변조기(36)를 제어하는 제어 신호를 공간 광 변조기(36)의 구동 유닛(36b)에 공급한다. 구동 유닛(36b)은 제어 유닛(4)으로부터의 명령에 따라 미러 요소(36a)의 자세를 각각 변화시켜, 각 미러 요소(36a)를 각각 사전 결정된 방향으로 설정한다. 이런 식으로, 공간 광 변조기(36)의 작용에 의해, 회절 광학 소자(5)에 의해 형성된 윤대형 동공 강도 분포(41)의 강도의 불균일성을 보정함으로써 원하는 동공 강도 분포(42)를 얻을 수 있다. 이 구성은 조명 광학 장치(2~16)의 광학 부재(광 투과 부재, 광 반사 부재)의 열화(deterioration)나 오염 등에 의한 동공 강도 분포의 불균일성의 영년 변화(secular change)나, 광원(1)으로부터의 광의 광 강도 분포의 영년 변화가 있는 경우에도, 장치가 원하는 동공 강도 분포(42)를 안정적으로 얻게 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예의 조명 광학 장치(2~16)는, 이차원으로 배열되어 개별적으로 제어되는 미러 요소(광학 요소)(36a)를 갖는 공간 광 변조기(36)를 통과한 빔과, 회절 광학 소자(각도 분포 제공 소자)(5)를 통과한 빔에 근거하여, 조명 동공에 사전 결정된 광 강도 분포를 형성한다. 따라서, 회절 광학 소자(5)에 의해 조명 동공에 형성된 광 강도 분포를, 공간 광 변조기(36)에 의해 조명 동공에 가변적으로 형성된 광 강도 분포에 의해 보정함으로써 원하는 동공 강도 분포를 얻을 수 있다.
즉, 본 실시예의 조명 광학 장치(2~16)는, 예컨대, 농도 필터를 다른 것으로 교환하는 종래 기술과는 달리, 임의의 광학 부재를 교환하지 않고, 동공 강도 분포를 원하는 상태로 조정할 수 있다. 또한, 본 실시예의 노광 장치(2~WS)는, 동공 강도 분포를 원하는 상태로 조정할 수 있는 조명 광학 장치(2~16)를 이용하여, 원하는 조명 조건 하에서 양호한 노광을 실행할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 공간 광 변조기(36)가 표준 상태에 있는 경우, 광 스플리터로서 기능하는 분리막(37)에 입사하는 빔의 진행 방향은, 광 합성기로서 기능하는 분리막(38)으로부터 사출되는 빔의 진행 방향과 평행(또는 일치)하다. 즉, 공간 광 변조기(36)의 표준 상태에서, 공간 광 변조 유닛(3)으로의 입사빔 및 공간 광 변조 유닛(3)으로부터의 사출빔의 진행 방향은 조명 광학 장치의 광축 AX와 일치(또는 평행)한다. 상기와 같이, 공간 광 변조 유닛(3)의 상류와 하류의 광로가 동축(또는 평행)이기 때문에, 예컨대, 동공 강도 분포의 형성을 위해 회절 광학 소자를 이용하는 종래의 조명 광학 장치와 광학 시스템을 공용할 수 있다.
본 실시예에서는, 공간 광 변조기(36)의 미러 요소(36a)가 평행 평면판(35)에 근접하여 배치되어 있다. 이 경우, 평행 평면판(35)이 미러 요소(36a)의 커버 부재로서 기능하고, 이것은 공간 광 변조기(36)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
실시예의 작용 효과의 이해를 쉽게 하기 위해, 상술한 설명은 회절 광학 소자(5)에 의해 형성된 동공 강도 분포(41)가 원하는 형상 및 크기를 갖는 단순한 예를 나타내고 있다. 그러나 이것에 한정되지 않고, 회절 광학 소자(5)에 의해 형성되는 동공 강도 분포의 형상, 크기, 강도의 불균일성 등을, 공간 광 변조기(36)에 의해 조명 동공에 가변적으로 형성된 광 강도 분포에 의해 보정(또는 조정)할 수 있다. 이 경우, 필요에 따라, 광 강도 분포의 형상을 적극적으로 변형시키거나, 또는 동공 강도 분포의 강도의 균일성을 적극적으로 무너뜨려 불균일하게 하거나 할 수도 있다.
상술한 설명에서는, 회절 광학 소자(5)에 의해 조명 동공에 형성된 광 강도 분포는, 공간 광 변조기(36)에 의해 조명 동공에 가변적으로 형성된 광 강도 분포에 의해 보정된다. 그러나 이것에 한정되지 않고, 회절 광학 소자(5)에 의해 조명 동공의 제 1 영역에 형성된 광 강도 분포와, 공간 광 변조기(36)에 의해 조명 동공의 제 2 영역(제 1 영역과는 다른 영역)에 형성된 광 강도 분포로 구성되는 동공 강도 분포를 형성할 수도 있다.
구체적으로는, 예컨대, 도 5(a)에 나타낸 바와 같이, 회절 광학 소자(5)에 의해 조명 동공에 형성된 2극 형상의 광 강도 분포 영역(42a, 42b)과, 공간 광 변조기(36)에 의해 조명 동공에 형성된 2극 형상의 광 강도 분포 영역(42c, 42d)으로 구성되는 4극 형상의 동공 강도 분포(42)를 형성할 수 있다. 다른 예로서, 예컨대, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 회절 광학 소자(5)에 의해 조명 동공에 형성된 4극 형상의 광 강도 분포 영역(43a~43d)과, 공간 광 변조기(36)에 의해 조명 동공에 형성된 중심 단극(center monopolar) 형상의 광 강도 분포 영역(43e)으로 구성되는 5극 형상의 동공 강도 분포(43)를 형성할 수도 있다.
여기서, 회절 광학 소자(5)에 의해 조명 동공의 제 1 영역에 형성된 광 강도 분포와, 공간 광 변조기(36)에 의해 조명 동공의 제 2 영역에 형성된 광 강도 분포는 부분적으로 겹칠 수 있음을 주의한다. 즉, 제 1 영역과 제 2 영역은 부분적으로 겹칠 수 있다.
상술한 바와 같이 공간 광 변조기(36)에 의한 동공 강도 분포의 변경은, 예컨대, 주사 노광을 실행하는 동안 마스크 M 상의 위치에 따라 변경될 수 있다. 구체적으로, 마스크 M 상에 복수의 패턴 영역이 있는 경우에, 조명은 사전 결정된 패턴 영역이, 예컨대, 도 5(a)의 동공 강도 분포(42)로 조명되고, 그 사전 결정된 패턴 영역과는 다른 패턴 영역은, 도 5(b)의 동공 강도 분포(43)로 조명되는 식으로 이루어져도 좋다. 공간 광 변조기(36)에 의한 동공 강도 분포는 극히 짧은 시간(거의 즉시)에 변경할 수 있기 때문에, 스루풋를 저하시키지 않고 마스크 M 상의 각각의 패턴 영역에 최적의 조명을 제공할 수 있다.
상술한 설명에서는, 이차원으로 배열되어 개별적으로 제어되는 복수의 광학 요소를 갖는 공간 광 변조기는, 이차원으로 배열된 반사면의 방향(각도: 경사)을 개별적으로 제어할 수 있는 것이다. 그러나 이것에 한정되지 않고, 예컨대, 이차원으로 배열된 반사면의 높이(위치)를 개별적으로 제어할 수 있는 공간 광 변조기를 이용할 수도 있다. 이러한 타입의 공간 광 변조기는, 예컨대, 일본 특허 공개 평성 제6-281869호 및 이것에 대응하는 미국 특허 제5,312,513호, 및 일본 특허 공개(PCT 출원의 번역문) 제2004-520618호 및 이것에 대응하는 미국 특허 제6,885,493호의 도 1d에 개시된 공간 광 변조기 중에서 선택될 수 있다. 이들 공간 광 변조기는, 이차원의 높이 분포를 형성함으로써 회절면과 동일한 작용을 입사광에 적용할 수 있다. 상술한 이차원으로 배열된 복수의 반사면을 갖는 공간 광 변조기를, 예컨대, 일본 특허 공개 제2006-513442호 및 이것에 대응하는 미국 특허 제6,891,655호나, 일본 특허 공개(PCT 출원의 번역문) 제2005-524112호 및 이것에 대응하는 미국 특허 공개 제2005/0095749호에 개시된 것에 따라 변경할 수도 있다.
상술한 설명에서는, 복수의 미러 요소를 갖는 반사형 공간 광 변조기가 이용되고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 예컨대, 미국 특허 제5,229,872호에 개시된 투과형 공간 광 변조기를 이용할 수도 있다.
상술한 설명에서는, 공간 광 변조 유닛(3)의 조명 광로내로 교환 가능하게 삽입된 회절 광학 소자(5)는, 광 투과성 기판의 표면에 위상형 또는 진폭형 회절 패턴이 형성되는 투과형 회절 광학 소자이다. 그러나 이것에 한정되지 않고, 투과형 회절 광학 소자는 반사형 회절 광학 소자, 투과형 굴절 광학 소자, 반사형 광학 소자 등으로 대체될 수 있다.
반사형 회절 광학 소자에서는, 기판 표면에 위상형 또는 진폭형 회절 패턴이 형성된다. 부연하면, 투과형 회절 광학 소자의 진폭형 회절 패턴은 광 투과성 기판 표면의 차광 패턴이고, 반사형 회절 광학 소자의 진폭형 회절 패턴은 기판 표면의 반사 패턴이다. 투과형 굴절 광학 소자에서는, 렌즈면이나 프리즘면 등의 사전 결정된 형상을 갖는 굴절면이 광 투과성 기판의 표면에 형성된다. 한편, 반사형 굴절 광학 소자에서는, 기판 표면에 곡면 형상이나 쐐기(wedge) 형상의 미러면이 형성된다.
도 8은 반사형 회절 광학 장치(5A)의 구성을 나타낸다. 도 8에 도시되는 바와 같이, 반사형 회절 광학 장치(5A)는 프리즘(51)과 반사형 회절 광학 소자(52)를 구비한다. 회절 광학 장치(5A)는, 예컨대, 도 1의 회절 광학 소자(5) 대신에 제 2 광로에 삽입할 수 있게 구성된다. 즉, 도 8에 도시되는 바와 같이, 분리막(37)에 의해 투과한 광이 프리즘(51)의 반사면(51a)에서 반사된 후, 반사형 회절 광학 소자(52)에 입사된다. 반사형 회절 광학 소자(52)에서 반사된 광은 프리즘(51)의 반사면(51b)에서 반사된 후 분리막(38)으로 입사된다.
상술한 실시예에서는, 공간 광 변조 유닛(3)은 2 세트의 직각 프리즘쌍(31, 32; 33, 34), 평행 평면판(35), 공간 광 변조기(36)로 구성된다. 그러나 이것에 한정되지 않고, 공간 광 변조 유닛(3)의 구체적인 구성에 대해 다양한 형태를 고려할 수 있다.
상술한 실시예에서는, 빔을 진폭 분할하는 분리막(37)이 광 스플리터로서 기능하고, 빔을 진폭 분할하도록 구현되는 분리막(38)이 광 합성기로서 기능한다. 그러나 이것에 한정되지 않고, 광 스플리터 및 광 합성기로서 편광 분리막을 이용할 수도 있다. 이 경우, 형성된 동공 강도 분포는 회절 광학 소자(5)에 의해 조명 동공에 형성된 제 1 편광 상태(예컨대, s 편광)의 제 1 광 강도 분포와, 공간 광 변조기(36)에 의해 조명 동공에 형성된 제 2 편광 상태(예컨대, p 편광)의 제 2 광 강도 분포로 구성되는 것이다.
상술한 실시예에서, 마스크는, 사전 결정된 전자 데이터에 근거하여 사전 결정된 패턴을 형성하는 가변 패턴 형성 장치로 대체될 수 있다. 이러한 가변 패턴 형성 장치의 이용은, 패턴면이 수직으로 설정된 경우에도 동기 정밀도에 미치는 영향을 최소화한다. 여기서 가변 패턴 형성 장치는, 예컨대, 사전 결정된 전자 데이터에 근거하여 구동된 복수의 반사 소자를 포함하는 DMD(Digital Micromirror Device)를 이용할 수 있다. DMD를 이용하는 노광 장치는, 예컨대, 일본 특허 공개 제2004-304135호, 국제 특허 공개 제WO2006/080285호 및 이에 대응하는 미국 특허 공개 제2007/0296936호에 개시되어 있다. DMD와 같은 비발광 타입의 반사형 공간 광 변조기 이외에, 투과형 공간 광 변조기를 이용하거나 또는, 자체발광형 화상 표시 장치를 이용하는 것도 가능하다. 패턴면이 수평으로 설정된 경우에도 가변 패턴 형성 장치를 이용할 수 있다.
상기와 같이, 본 실시예의 노광 방법에서는, 광원(1)으로부터의 광이 각도 분포 제공 소자로서의 회절 광학 소자(5)로 유도되어, 사전 결정된 동공 강도 분포를 조명 동공에 형성한다. 한편, 광원(1)으로부터의 광은 회절 광학 소자(5)로 향하는 제 1 빔과, 제 1 빔과는 다른 제 2 빔으로 나누어지고, 이 제 2 빔은, 이차원으로 배열되어 개별적으로 제어되는 미러 요소(36a)를 갖는 공간 광 변조기(36)로 유도된다. 공간 광 변조기(36)를 통과한 제 2 빔은 조명 동공의 위치로 유도되고, 사전 결정된 광 강도 분포를 조명 동공에 형성한다.
조명 동공을 통과하는 광에 의해 마스크 M의 패턴이 조명되고, 조명된 마스크 M의 패턴으로부터의 광에 근거하여 감광성 기판으로서의 웨이퍼 W 상에 노광이 이루어진다. 이런 식으로, 회절 광학 소자(5)에 의해 조명 동공에 고정적으로 형성된 광 강도 분포를, 공간 광 변조기(36)에 의해 조명 동공에 가변적으로 형성된 광 강도 분포에 의해 보정함으로써, 원하는 동공 강도 분포가 얻어진다. 그 결과, 본 실시예의 노광 방법에 의해, 원하는 조명 조건 하에서 양호한 노광이 실행된다.
본 실시예의 노광 방법에서는, 상술한 바와 같이, 조명 동공에 형성되는 사전 결정된 광 강도 분포를 측정하고, 이 측정 결과에 근거하여 공간 광 변조기(36)에 의한 광 변조를 제어할 수 있다. 또한, 감광성 기판으로서의 웨이퍼 W에 전사된 노광 패턴이 측정되고, 노광 패턴이 허용 범위 내에 있는지 여부를 판단하고, 노광 패턴이 허용 범위를 벗어난 것으로 판단되는 경우, 광 변조를 제어하는 방식으로 공간 광 변조기(36)에 의한 광 변조를 제어할 수도 있다.
이 경우, 구체적으로는, 레지스트(감광성 재료)로 코팅된 웨이퍼 W에 실제 노광이 실행되고, 노광된 웨이퍼 W가 현상되고, 현상된 레지스트 패턴이 측정된다. 이와 달리, 레지스트 패턴을 하드 마스크로 이용하여 웨이퍼 W의 표면이 처리되고, 처리된 웨이퍼 W 상의 패턴이 측정된다. 이 처리는, 예컨대, 웨이퍼 W의 표면의 에칭 및 금속막 등의 증착 중 적어도 하나가 포함된다.
그 후, 노광 패턴(레지스트 패턴 및 처리된 웨이퍼 W 상의 패턴 중 적어도 하나의 패턴)이 얻고자 하는 실제 디바이스 패턴에 대하여 허용 범위 내인지 여부가 판단된다. 여기서, 허용 범위는, 얻고자 하는 실제 디바이스 패턴과 노광 패턴 사이의 형상의 오차에 대한 허용 범위일 수도 있다. 또한, 노광 단계 후에 연속적으로 실행된 웨이퍼 W의 표면에서의 처리시의 오차 등을 고려하여 허용 범위를 결정하기 위해, 노광 패턴으로서, 처리된 웨이퍼 W 상의 패턴을 이용하는 것도 가능하다.
상술한 실시예에 따른 노광 장치는, 본 출원의 청구범위에 언급된 각 구성요소를 포함하는 각종 서브시스템을, 사전 결정된 기계적 정확도, 전기적 정확도, 광학적 정확도를 유지하도록 조립함으로써 제조된다. 이들 각종 정확도를 확보하기 위해, 이 조립의 전후에는, 각종 광학 시스템에 대한 광학적 정확도를 달성하기 위한 조정, 각종 기계 시스템에 대한 기계적 정확도를 달성하기 위한 조정, 각종 전기 시스템에 대한 전기적 정확도를 달성하기 위한 조정이 실행된다. 각종 서브시스템으로부터 노광 장치로 조립하는 단계는 각종 서브시스템 사이의 기계적 접속, 전기 회로의 배선 접속, 기압 회로의 배관 접속 등을 포함한다. 이 각종 서브시스템으로부터 노광 장치로 조립하는 단계 전에, 개별적인 서브시스템의 조립 단계가 있는 것은 물론이다. 각종 서브시스템의 노광 장치로의 조립 단계가 완료된 후에, 전체적인 조정이 실행되어, 노광 장치 전체적으로 각종 정밀도가 확보된다. 노광 장치의 제조는 온도 및 청정도 등이 제어되는 청정실에서 실행된다.
다음으로 상술한 실시예에 따른 노광 장치를 이용한 디바이스 제조 방법을 설명한다. 도 6은 반도체 장치의 제조 단계를 나타내는 흐름도이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 반도체 장치의 제조 단계는, 반도체 장치의 기판이 되는 웨이퍼 W에 금속막을 증착하고(단계 S40), 증착된 금속막 상에 감광성 재료로서 포토레지스트를 도포하는(단계 S42) 것을 포함한다. 후속 단계는, 상술한 실시예의 투영 노광 장치를 이용하여, 마스크(레티클) M에 형성된 패턴을 웨이퍼 W 상의 각 샷(shot) 영역에 전사하고(단계 S44:노광 단계), 전사가 완료된 후의 웨이퍼 W의 현상, 즉 패턴이 전사된 포토레지스트의 현상을 실행하는(단계 S46:현상 단계) 것을 포함한다. 그것에 후속하는 단계는, 단계 S46에 의해 웨이퍼 W의 표면에 생성된 레지스트 패턴을 마스크로 이용하여, 웨이퍼 W의 표면을 에칭 등에 의해 처리하는 것이다(단계 S48:처리 단계).
여기서, 레지스트 패턴은, 상술한 실시예의 투영 노광 장치에 의해 전사된 패턴에 대응하는 형상으로 요철이 형성되고, 그 오목부가 관통하는 포토레지스트층이다. 단계 S48에서는, 이 레지스트 패턴을 통해 웨이퍼 W의 표면이 처리된다. 단계 S48에서 실행된 처리는, 예컨대, 웨이퍼 W의 표면의 에칭 또는 금속막 등의 증착 중 적어도 하나를 포함한다. 단계 S44에서는, 상술한 실시예의 투영 노광 장치는, 포토레지스트로 코팅된 웨이퍼 W를 감광성 기판 또는 플레이트 P로 이용하여 패턴의 전사를 실행한다.
도 7은 액정 표시 장치 등의 액정 장치의 제조 단계를 나타내는 흐름도이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 액정 장치의 제조 단계는 순차적으로 실행하는 패턴 형성 단계(단계 S50), 컬러 필터 형성 단계(단계 S52), 셀 조립 단계(단계 S54) 및 모듈 조립 단계(단계 S56)를 포함한다.
단계 S50의 패턴 형성 단계는, 상술한 실시예의 투영 노광 장치를 이용하여 플레이트 P로서 포토레지스트가 코팅된 유리 기판 상에 회로 패턴 및 전극 패턴 등의 사전 결정된 패턴을 형성하는 것이다. 이 패턴 형성 단계는, 상술한 실시예의 투영 노광 장치에 의해 포토레지스트층에 패턴을 전사하는 노광 단계와, 패턴이 전사된 후의 플레이트 P의 현상, 즉 유리 기판 상의 포토레지스트층을 현상하여, 패턴에 대응하는 형상의 포토레지스트층을 생성하는 현상 단계와, 현상된 포토레지스트층을 통해 유리 기판의 표면을 처리하는 처리 단계를 포함한다.
단계 S52의 컬러 필터 형성 단계는, R(Red), G(Green), B(Blue)에 대응하는 3개의 도트의 다수의 세트가 매트릭스 형상으로 배열되거나, 또는 R, G, B의 3개의 스트라이프의 필터의 복수의 세트가 수평 주사 방향으로 배열된 구성의 컬러 필터를 형성하는 것이다.
단계 S54의 셀 조립 단계는, 단계 S50에서 사전 결정된 패턴이 형성된 유리 기판과, 단계 S52에서 형성된 컬러 필터를 이용하여 액정 패널(액정셀)을 조립하는 것이다. 구체적으로는, 예컨대, 유리 기판과 컬러 필터 사이에 액정을 주입함으로써 액정 패널이 형성된다. 단계 S56의 모듈 조립 단계는, 단계 S54에서 조립된 액정 패널에 대하여, 이 액정 패널의 표시 동작을 위한 전기 회로 및 백라이트 등의 각종 부품을 부착하는 것이다.
본 발명은, 반도체 장치 제조용의 노광 장치에 대한 적용으로 한정되지 않고, 예컨대, 직사각형 유리판에 형성된 액정 표시 장치 또는 플라즈마 디스플레이 등의 디스플레이 장치용 노광 장치, 촬상 장치(CCD 등), 마이크로머신, 박막 자기 헤드, 및 DNA 칩 등의 각종 장치를 제조하기 위한 노광 장치에도 널리 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은, 각종 장치의 마스크 패턴이 형성된 마스크(포토 마스크, 레티클 등)를 포토리소그래피에 의해 제조할 때의 노광 단계(노광 장치)에도 적용할 수 있다.
상술한 실시예는, 노광광으로서 ArF 엑시머 레이저광(파장: 193nm)이나 KrF 엑시머 레이저광(파장: 248nm)을 이용하고 있지만, 이것에 한정되지 않으며, 본 발명은 임의의 다른 적당한 레이저 광원, 예컨대, 파장 157nm의 레이저광을 공급하는 F2 레이저 광원 등에 대하여 적용될 수도 있다.
상술한 실시예는 노광 장치에서 마스크를 조명하는 조명 광학 장치에 대하여 본 발명을 적용하였지만, 이것에 한정되지 않고, 본 발명은 마스크 이외의 조명 목표면을 조명하는 통상 사용되는 임의의 조명 광학 장치에 대하여 적용될 수도 있다. 상술한 실시예는 회절 광학 소자를 이용하였지만, 본 발명은 회절 광학 소자에 한정되는 것이 아니고, 예컨대, 유럽 특허 공개 제1970943호에 개시된 굴절 광학 소자 등의 수단을 이용하는 것도 가능하다.
상술한 실시예에서, 투영 광학 시스템과 감광성 기판과의 사이의 광로에서 1.1보다 큰 굴절률을 갖는 매체(전형적에는 액체)로 채우는 기술인, 이른바 액체 침지법을 적용하는 것도 가능하다. 이 경우, 투영 광학 시스템과 감광성 기판 사이의 광로에 액체를 채우는 기술은, 국제 공개 WO99/49504호에 개시된 국소적으로 액체를 채우는 기술, 일본 특허 공개 제6-124873호에 개시된 노광 대상의 기판을 유지하는 스테이지를 액체 용기의 안에서 이동시키는 기술, 일본 특허 공개 제10-303114호에 개시된 스테이지 상에 사전 결정된 깊이의 액체 용기를 형성하고, 그 속에 기판을 유지하는 기술 등에서 선택될 수 있다.
상술한 실시예에서, 미국 특허 공개 제2006/0170901호 및 미국 특허 공개 제2007/0146676호에 개시된, 이른바 편광 조명 방법을 적용하는 것도 가능하다.
상기와 같이 설명한 실시예는, 본 발명의 이해를 쉽게 하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위해 기재된 것이 아니다. 따라서, 실시예에 개시된 각 요소는, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 모든 설계 변경이나 등가물을 포함하는 것을 의도한다. 또한, 상기 실시예의 각 구성요소 등은 임의의 조합 등에 적용될 수 있다.
1 : 광원 3 : 공간 광 변조 유닛
4 : 제어 유닛
5 : 회절 광학 소자(제 2 공간 광 변조기)
6 : 어포컬 렌즈 9 : 줌 렌즈
11 : 실린드리컬 마이크로 플라이아이 렌즈
12 : 조명 동공 분포 측정 유닛
14 : 콘덴서 광학 시스템 15 : 마스크 블라인드
16 : 결상 광학 시스템 31~34 : 직각 프리즘
36 : 공간 광 변조기
36a : 공간 광 변조기의 복수의 미러 요소
37, 38 : 분리막 M : 마스크
PL : 투영 광학 시스템 W : 웨이퍼

Claims (20)

  1. 이차원으로 배열되어 개별적으로 제어되는 복수의 광학 요소를 갖는 공간 광 변조기가 배치될 수 있는 제 1 광로와,
    표면에 사전 결정된 고정 패턴을 포함하는 각도 분포 제공 소자의 삽입을 위한 기구를 포함하는 제 2 광로와,
    상기 제 1 광로 및 상기 제 2 광로의 모두를 통과한 광의 광로인 제 3 광로
    를 포함하고,
    상기 각도 분포 제공 소자가 상기 제 2 광로에 삽입되는 경우에는, 상기 각도 분포 제공 소자에 입사한 광에 근거하여 사출된 광에 각도 분포가 제공되는
    광학 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 광로의 상기 기구는 상기 각도 분포 제공 소자의 삽입을 위한 공간을 포함하는 광학 유닛.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 각도 분포 제공 소자는 상기 사전 결정된 고정 패턴을 포함하는 기판을 구비하는 광학 유닛.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기는, 이차원으로 배열된 복수의 미러 요소와, 상기 미러 요소의 자세를 개별적으로 제어 및 구동하는 구동 유닛을 포함하는 광학 유닛.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 구동 유닛은 상기 미러 요소의 방향을 연속적으로 변화시키는 광학 유닛.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    입사빔을 복수의 빔으로 분할하는 광 스플리터를 더 구비하고,
    상기 제 1 광로는 상기 광 스플리터에 의해 분할된 상기 복수의 빔 중 제 1 빔의 광로이며,
    상기 제 2 광로는 상기 광 스플리터에 의해 분할된 상기 복수의 빔 중 제 2 빔의 광로인
    광학 유닛.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 빔을 합성하는 광 합성기를 더 구비하고,
    상기 제 3 광로는 상기 광 합성기에 의해 합성된 상기 제 1 및 제 2 빔의 광로인
    광학 유닛.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 광 스플리터는 상기 입사빔을, 상기 제 1 빔으로서의 반사빔과, 상기 제 2 빔으로서의 투과빔으로 분리하는 분리막을 포함하는 광학 유닛.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 합성기는, 상기 공간 광 변조기를 통과하는 상기 제 1 빔을, 필요 빔으로서의 반사빔과, 불필요빔으로서의 투과빔으로 분리하는 분리막을 포함하는 광학 유닛.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 스플리터로의 상기 입사빔의 진행 방향은 상기 광 합성기로부터 사출된 사출빔의 표준 상태에서의 진행 방향과 평행한 광학 유닛.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 유닛은, 광원으로부터의 광에 근거하여 조명 목표면을 조명하는 조명 광학 장치에 사용되고,
    상기 제 3 광로는, 상기 조명 광학 장치의 광축과 일치하거나 또는 평행한
    광학 유닛.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 광학 유닛은, 광원으로부터의 광에 근거하여 조명 목표면을 조명하는 조명 광학 장치에 사용되고,
    상기 사출빔의 상기 표준 상태에서의 진행 방향은 상기 조명 광학 장치의 광축과 일치하거나 또는 평행한
    광학 유닛.
  13. 광원으로부터의 광에 근거하여 조명 목표면을 조명하는 조명 광학 장치에 있어서,
    청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 기재된 광학 유닛과,
    상기 공간 광 변조기 및 상기 각도 분포 제공 소자를 통과하는 광에 근거하여, 상기 조명 광학 장치의 조명 동공에 사전 결정된 광 강도 분포를 형성하는 분포 형성 광학 시스템을 구비하는
    조명 광학 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 조명 동공에 형성된 상기 사전 결정된 광 강도 분포의 측정을, 상기 조명 동공 또는 상기 조명 동공과 광학적으로 공액인 면에서 실행하는 조명 동공 분포 측정 유닛과, 상기 조명 동공 분포 측정 유닛에 의한 측정 결과에 근거하여, 상기 광학 유닛의 상기 공간 광 변조기를 제어하는 제어 유닛을 더 구비하는 조명 광학 장치.
  15. 사전 결정된 패턴을 조명하기 위한 청구항 13 또는 14에 기재된 조명 광학 장치를 구비하고,
    상기 사전 결정된 패턴을 감광성 기판에 노광하는 노광 장치.
  16. 청구항 15에 기재된 노광 장치를 이용하여, 상기 사전 결정된 패턴을 상기 감광성 기판에 노광하는 노광 단계와,
    상기 패턴이 전사된 상기 감광성 기판을 현상하여, 상기 패턴에 대응하는 형상의 마스크층을 상기 감광성 기판의 표면에 형성하는 현상 단계와,
    상기 마스크층을 통해 상기 감광성 기판의 표면을 처리하는 처리 단계
    를 포함하는 디바이스 제조 방법.
  17. 광원으로부터의 광에 근거하여 사전 결정된 패턴을 감광성 기판에 노광하는 노광 방법에 있어서,
    상기 광원으로부터의 광을 각도 분포 제공 소자로 유도하여 조명 동공에 사전 결정된 동공 강도 분포를 형성하는 제 1 단계와,
    상기 광원으로부터의 광을, 제 1 빔과, 상기 각도 분포 제공 소자를 향하는, 상기 제 1 빔과는 다른 제 2 빔으로 분할하는 제 2 단계와,
    상기 제 1 빔을 이차원으로 배열되어 개별적으로 제어되는 복수의 광학 요소를 갖는 공간 광 변조기로 유도하는 제 3 단계와,
    상기 공간 광 변조기를 통과한 제 1 빔을 상기 조명 동공의 위치로 유도하는 제 4 단계와,
    상기 사전 결정된 패턴을 상기 조명 동공을 통과하는 광으로 조명하는 제 5 단계와,
    상기 조명된 상기 사전 결정된 패턴으로부터의 광에 근거하여 상기 감광성 기판을 노광하는 제 6 단계
    를 포함하는 노광 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 조명 동공에 형성된 상기 사전 결정된 동공 강도 분포를 측정하는 제 7 단계와,
    상기 제 7 단계의 측정 결과에 근거하여 상기 공간 광 변조기에 의한 광 변조를 제어하는 제 8 단계
    를 더 포함하는 노광 방법.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
    상기 감광성 기판에 전사된 노광 패턴을 측정하는 제 9 단계와,
    상기 노광 패턴이 허용 범위 내인지 여부를 판정하는 제 10 단계와,
    상기 제 10 단계에서 상기 노광 패턴이 상기 허용 범위 밖이라고 판정된 경우에, 상기 공간 광 변조기에 의한 광 변조를 제어하는 제 11 단계
    를 더 포함하는 노광 방법.
  20. 청구항 17 내지 19 중 어느 한 항에 기재된 노광 방법을 이용하여, 상기 사전 결정된 패턴을 상기 감광성 기판에 노광하는 노광 단계와,
    상기 패턴이 전사된 상기 감광성 기판을 현상하여, 상기 패턴에 대응하는 형상의 마스크층을 상기 감광성 기판의 표면에 형성하는 현상 단계와,
    상기 마스크층을 통해 상기 감광성 기판의 표면을 처리하는 처리 단계
    를 포함하는 전자 디바이스 제조 방법.
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