KR20170089952A - 조명 광학계, 노광 장치 및 노광 방법 - Google Patents

조명 광학계, 노광 장치 및 노광 방법 Download PDF

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Abstract

펄스 발광되는 조명광의 이용 효율을 높게 유지하여, 구성을 복잡화하지 않고 조명광의 공간 코히런시(coherency)에 기인하는 조도 불균일의 영향을 경감할 수 있는 조명 광학 장치이다. 펄스 발광되는 조명광(IL)을 이용하여 피조사면을 조명하는 조명 광학계(ILS)에 있어서, 조명광(IL)이 입사하는 위치에 따라서 조명광(IL)에 공간적인 변조를 가하는 복수의 미러 요소(3)를 포함하는 공간 광변조기(13)와, 조명광(IL)이 적어도 하나 펄스 발광될 때마다, 조명광(IL)의 각각의 강도 분포가 소정면에서 실질적으로 대략 동일한 강도 분포가 되도록 복수의 미러 요소(3)에 의해서 조명광(IL)에 서로 다른 공간적인 변조를 가하는 변조 제어부(31)를 구비한다.

Description

조명 광학계, 노광 장치 및 노광 방법{ILLUMINATION OPTICAL SYSTEM, EXPOSURE DEVICE AND EXPOSURE METHOD}
본 발명은 각각 광에 공간적인 변조를 가하는 것이 가능한 복수의 광학 소자를 이용하여 피조사면을 조명하는 조명 기술, 이 조명 기술을 이용하는 노광 기술, 및 이 노광 기술을 이용하는 디바이스 제조 기술에 관한 것이다.
예를 들어 반도체 소자 또는 액정 표시 소자 등의 디바이스(전자 디바이스, 마이크로 디바이스)를 제조하기 위한 리소그래피 공정 중에서, 레티클(또는 포토 마스크 등)의 패턴을 투영 광학계를 거쳐 웨이퍼(또는 유리 플레이트 등) 상에 전사하기 위해서, 스테퍼(stepper) 등의 일괄 노광형의 투영 노광 장치 또는 스캐닝 스테퍼 등의 주사 노광형의 투영 노광 장치 등의 노광 장치가 사용되고 있다. 이들 노광 장치에 있어서는 해상도를 높이기 위해서 노광 파장이 단파장화되어 오고 있고, 최근에는 노광 광으로서 KrF(파장 248nm) 또는 ArF(파장 193nm) 등의 엑시머 레이저광이 사용되고 있다. 또한, 노광광으로서 F2 레이저(파장 157nm) 등의 사용도 검토되고 있다.
또한, 최근의 노광 장치의 조명 광학계에서는 미세한 패턴을 웨이퍼 상에 정확하게 전사하기 위해서 레티클 패턴(또는 마스크 패턴 등)을 최적의 광 강도 분포(강도 분포)로 조명하는 것이 불가결하다. 예를 들어, 조명 광학계의 조명 동면(瞳面)에서 고리 띠 형상(輪帶狀)이나 다극 형상(예를 들어, 2극 형상이나 4극 형상)의 광 강도 분포를 형성하기 위한 변형 조명을 행하여, 투영 광학계의 초점 심도나 해상력을 향상시키는 기술이 주목받고 있다. 그 기술의 하나로서, 예를 들어 광원으로부터의 광속을 조명 광학계의 조명 동면에서 고리 띠 형상이나 다극 형상의 광 강도 분포를 갖는 광속으로 변환하기 위해서, 2차원의 어레이 형상으로 배열된 다수의 미소한 미러 요소를 갖는 공간 광변조기(예를 들어, DMD)를 구비하고, 미러 요소의 각각의 경사각 및 경사 방향을 변화시킴으로써 조명 광학계의 조명 동면 또는 그 조명 동면과 공역(共役)인 면에서 소정의 광 강도 분포를 형성하는 노광 장치가 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
1 : 일본공개특허공보 제 2002-353105 호
그런데, 상술한 노광 장치에서는 광원으로서 주로 레이저 광원을 이용하고 있으나, 레이저 광원으로부터 사출되는 레이저광에는, 예를 들어 레이저광의 높은 공간 코히런시(coherency)로부터 발생하는 스펙클 패턴(speckle pattern)이나 레이저광의 광속 단면 내에서의 광 강도 분포의 불균일 등이 존재한다. 따라서, 레이저 광원으로부터 사출되는 레이저광에 기인하여, 이른바 조도 불균일이 발생한다는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여, 상술한 바와 같은 조도 불균일의 영향을 경감할 수 있는 조명 기술 및 이 조명 기술을 이용하는 노광 기술 및 디바이스 제조 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 조명 광학 장치는 펄스광을 이용하여 피조사면을 조명하는 조명 광학 장치에 있어서, 그 피조사면보다 상류(펄스광이 공급되는 측)에 배치되어, 그 펄스광이 입사하는 위치에 따라서 상기 펄스광에 공간적인 변조를 가하는 복수의 광학 소자를 포함하는 광학 디바이스와; 적어도 하나의 그 펄스광이 발광될 때마다 그 복수의 광학 소자에 의해서 그 펄스광에 서로 다른 공간적인 변조를 가하고 또한 그 복수의 광학 소자에 의해서 공간적으로 변조된 그 펄스광의 각각의 강도 분포가 소정면에서 실질적으로 대략 동일한 강도 분포가 되도록 그 복수의 광학 소자를 제어하는 조명 제어계를 구비하는 것이다.
또한, 본 발명에 의한 노광 장치는 제 1 면의 패턴의 상을 제 2 면에 투영하는 노광 장치에 있어서, 그 제 1 면을 펄스광으로 조명하는 본 발명의 조명 광학 장치와, 그 조명 광학 장치에 의해서 그 제 1 면 상에 형성되는 조명 영역으로부터의 광에 기초하여, 그 제 1 면의 패턴의 상을 그 제 2 면 상에 형성하는 투영 광학계를 구비하는 것이다.
또한, 본 발명에 의한 디바이스 제조 방법은 본 발명의 노광 장치를 이용하여 물체를 노광하는 공정과 그 노광된 물체를 처리하는 공정을 포함하는 것이다.
본 발명에 의하면, 펄스광이 적어도 1개만 발광될 때마다 복수의 광학 소자에 의해 펄스광에 다른 공간적인 변조를 가해 감으로써(또는 복수의 광학 소자를 각각 개별적으로 제어함으로써) 조도 불균일의 영향을 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태의 일례의 노광 장치의 개략 구성을 도시하는 도면,
도 2의 (a)는 도 1의 공간 광변조기(13)의 일부를 도시하는 확대 사시도, 도 2의 (b)는 도 1의 미러 요소(3)의 구동 기구를 도시하는 확대 사시도, 도 2의 (c)는 오목면의 미러 요소를 도시하는 확대 사시도,
도 3의 (a)는 2극 조명시의 도 1의 공간 광변조기(13)의 미러 요소의 경사각 상태를 도시하는 도면, 도 3의 (b)는 2극 조명시의 2차 광원을 도시하는 도면, 도 3의 (c)는 도 3의 (a)와 다른 경사각 분포의 미러 요소로부터의 광속으로 2극 조명을 행하는 상태를 도시하는 도면, 도 3의 (d)는 2극 조명시의 2차 광원의 강도 분포를 도시하는 도면, 도 3의 (e)는 도 3의 (a) 및 도 3의 (c)와 다른 경사각 분포의 미러 요소로부터의 광속으로 2극 조명을 행하는 상태를 도시하는 도면,
도 4의 (a)는 2극 조명시의 다른 2차 광원을 도시하는 도면, 도 4의 (b)는 통상 조명시의 2차 광원을 도시하는 도면, 도 4의 (c)는 고리 띠 조명시의 2차 광원을 도시하는 도면, 도 4의 (d)는 4극 조명시의 2차 광원을 도시하는 도면,
도 5의 (a)는 도 1의 레티클(R)의 조명 영역(26)을 도시하는 주요부의 도면, 도 5의 (b)는 도 5의 (a)의 B부 내의 간섭 줄무늬를 나타내는 확대도, 도 5의 (c)는 도 5의 (a)의 B부 내의 다른 간섭 줄무늬를 도시하는 확대도,
도 6의 (a)는 광전 센서(23)를 조명광(IL)의 광로에 설치한 상태를 도시하는 도면, 도 6의 (b)는 도 1의 공간 광변조기(13)의 다수의 미러 요소(3)에 입사하는 조명광(IL)의 광량 분포의 일례를 도시하는 도면,
도 7의 (a)는 로드형 인테그레이터(50)를 이용한 조명 광학계의 구성예를 도시하는 도면, 도 7의 (b)는 프리즘을 이용하지 않는 조명 광학계의 구성예의 주요부를 도시하는 도면,
도 8은 디바이스를 제조하는 공정의 일례를 도시하는 플로우 차트.
이하에 본 발명의 바람직한 실시형태의 일례에 대해 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 실시형태의 스캐닝 스테퍼로 이루어지는 주사 노광형의 노광 장치(투영 노광 장치)(100)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 도 1에서 노광 장치(100)는 펄스 발광을 행하는 노광용의 광원(7)과, 광원(7)으로부터의 노광용의 조명광(노광광)(IL)으로 레티클(R)(마스크)의 패턴면(피조사면)을 조명하는 조명 광학계(ILS)와, 레티클(R)의 위치 결정 및 이동을 행하는 레티클 스테이지(RST)와, 레티클(R)의 패턴의 상을 웨이퍼(W)(감광성 기판) 상에 투영하는 투영 광학계(PL)와, 웨이퍼(W)의 위치 결정 및 이동을 행하는 웨이퍼 스테이지(WST)와, 장치 전체의 동작을 통괄 제어하는 컴퓨터로 이루어지는 주 제어계(30)와, 각종 제어계 등을 구비하고 있다. 도 1에서, 웨이퍼 스테이지(WST)의 가이드면(도시하지 않음)에 수직으로 Z축을 설정하고, Z축에 수직인 평면 내에서 도 1의 지면에 평행한 방향으로 Y축을, 도 1의 지면에 수직인 방향으로 X축을 각각 설정한다. 본 실시형태에서는 노광시에 레티클(R) 및 웨이퍼(W)는 Y방향(주사 방향)으로 주사된다.
도 1의 광원(7)으로서는 파장 193nm이고 펄스폭 50ns 정도의 대략 직선 편광의 레이저광을 4 내지 6kHz 정도의 주파수로 펄스 발광하는 ArF 엑시머 레이저 광원이 사용되고 있다. 또한, 광원(7)으로서, 파장 248nm의 펄스광을 공급하는 KrF 엑시머 레이저 광원, 파장 157nm의 펄스광을 공급하는 F2 레이저 광원 또는 펄스 점등되는 발광 다이오드 등도 사용 가능하다. 또한, 광원(7)으로서는, YAG 레이저 또는 반도체 레이저 등으로부터 출력되는 레이저광의 고조파를 생성하는 고체 펄스 레이저 광원이나 반도체 레이저광을 파이버 앰프로 증폭시킨 광의 고조파를 생성하는 고체 펄스 레이저 광원도 사용할 수 있다. 고체 펄스 레이저 광원은 예를 들어 파장 193nm(이 이외의 여러 가지의 파장이 가능)이고 펄스폭 1ns 정도의 레이저광을 1 내지 2MHz 정도의 주파수로 펄스 발광 가능하다.
본 실시형태에서는 광원(7)에는 전원 제어부(32)가 연결되어 있다. 그리고, 노광 장치(100)의 주 제어계(30)가, 펄스 발광의 타이밍 및 광량(펄스 에너지)을 지시하는 발광 트리거(trigger) 펄스(TP)를 전원 제어부(32)에 공급한다. 그 발광 트리거 펄스(TP)에 동기하여 전원 제어부(32)는 지시받은 타이밍 및 광량으로 광원(7)에 펄스 발광을 행하게 한다.
광원(7)으로부터 사출된 광속 단면의 강도 분포가 직사각형이고 대략 평행 광속의 펄스 레이저광으로 이루어지는 직선 편광의 조명광(IL)은 한 쌍의 오목 렌즈 및 볼록 렌즈로 이루어지는 비임 익스팬더(beam expander)(8)에 입사하여 확대된다. 비임 익스팬더(8)로부터 사출된 조명광(IL)은, 광축(AXI)을 갖는 조명 광학계(ILS)에서, 조명광(IL)의 편광 방향을 소정의 복수의 각도만큼 회전하기 위한 1/2 파장판(9)(편광 제어 부재) 및 조명광(IL)을 랜덤 편광(비편광)으로 변환하는 디폴라라이저(depolarizer)(10)로 이루어지는 편광 광학계를 통과한다. 디폴라라이저(10)는 복굴절성 재료(예를 들어, 수정)로 이루어지는 쐐기형의 제 1 프리즘(10a)과, 이것과 상보형의 형상으로 복굴절성을 갖지 않는 재료(예를 들어, 석영)로 이루어지는 제 2 프리즘(10b)으로 구성되어 있다.
일례로서, 1/2 파장판(9)에 입사하는 조명광(IL)의 편광 방향은 X방향이고, 초기 상태에서의 1/2 파장판(9)의 결정축의 방향은 X방향이며, 디폴라라이저(10)의 제 1 프리즘(10a)의 직교하는 2개의 결정축 중 제 1 결정축의 방향은 X방향이다. 이 경우, 1/2 파장판(9)을 초기 상태에 대하여 광축(AXI)의 둘레를 0°또는 45°(편광 방향은 90°회전함)회전함으로써, 디폴라라이저(10)를 통과한 조명광(IL)은 X방향 또는 Y방향의 직선 편광이 된다. 또한, 1/2 파장판(9)을 초기 상태에 대하여 광축(AXI)의 둘레를 22.5°(편광 방향은 45°회전함)회전함으로써, 디폴라라이저(10)를 통과한 조명광(IL)은 비편광이 된다. 이러한 1/2 파장판(9) 및 디폴라라이저(10)를 포함하는 편광 광학계의 상세한 구성 및 그 동작에 대해서는 국제공개 제 2004/051717 호 팜플렛에 개시되어 있다.
그래서, 본 실시형태에서는 조명광(IL)의 소정의 k 펄스(k는 1 이상의 정수)의 발광마다 1/2 파장판(9)이 초기 상태에 대하여 광축(AXI)의 둘레를 0°, 22.5°및 45°만큼 회전한 상태가 되도록 1/2 파장판(9)을 고속으로 회동하는 구동부(33)가 장착되어 있다. 구동부(33)는 예를 들어 1/2 파장판(9)을 보지(保持)하는 회동 가능한 보지 부재와, 이 보지 부재를 고속으로 0°, ±22.5° 또는 ±45°만큼 회전하는 가동 코일형의 모터를 포함하여 구성할 수 있다. 주 제어계(30)가 구동부(33)를 거쳐 1/2 파장판(9)의 회전각을 제어함으로써, 조명광(IL)의 k 펄스의 발광마다, 디폴라라이저(10)로부터 사출되는 조명광(IL)의 편광 상태, 나아가서는 레티클(R)[웨이퍼(W)]에 조사되는 조명광(IL)의 편광 상태를 편광 방향이 X방향 또는 Y방향인 직선 편광, 또는 비편광으로 제어할 수 있다.
디폴라라이저(10)를 통과한 조명광(IL)은 광로 절곡(折曲)용의 미러(11)에 의해서 +Y방향으로 반사된 후, 광축(AXI)을 따라 광축(AXI)에 수직인 입사면(12d) 및 사출면(12e)을 갖는 프리즘(12)의 입사면(12d)에 입사한다. 프리즘(12)은 조명광(IL)을 투과하는 형석(CaF2) 또는 석영 등의 광학 재료로 형성되어 있다. 또한, 프리즘(12)은 일례로서 입사면(12d)에 대하여 X축에 평행한 축을 중심으로 하여 시계 방향으로 대략 60°로 교차하는 제 1 반사면(12a)과, 이 제 1 반사면(12a)과 XZ평면에 평행한 면에 대하여 대략 대칭인 제 2 반사면(12b)과, XY평면에 평행이고 입사면(12d)[사출면(12e)]에 대하여 직교하는 투과면(12c)을 갖고 있다.
또한, 프리즘(12)의 근방에, 2차원의 어레이 형상으로 배열된 각각 경사각이 가변인 미소한 미러인 다수의 미러 요소(3)와, 이들 미러 요소(3)를 구동하는 구동부(4)를 갖는 공간 광변조기(13)가 설치되어 있다. 공간 광변조기(13)의 다수의 미러 요소(3)는 전체적으로 투과면(12c)에 대략 평행으로 또한 근접하여 배치되어 있다. 또한, 각 미러 요소(3)는 각각 X축 및 Y축에 평행한 축(직교하는 2축)의 둘레의 반사면의 경사각이 소정의 가변 범위 내에서 대략 연속적으로 제어 가능하다. 일례로서, 그 가변 범위 내의 중앙에서는 각 미러 요소(3)의 반사면은 투과면(12c)에 대략 평행이다. 주 제어계(30)가 변조 제어부(31)에 조명 조건의 정보 및 조명광(IL)의 발광 타이밍의 정보를 공급한다. 변조 제어부(31)에서는 조명광(IL)이 적어도 1펄스 발광될 때마다 그 조명 조건이 유지된다는 조건 하에서, 다수의 미러 요소(3)의 2축의 둘레의 경사각의 분포를 주기적으로 복수 상태로 순서대로 전환하도록 구동부(4)를 제어한다(상세한 것은 후술). 여기서, 공간 광변조기(13)는 그 먼 시야에 원하는 동(瞳) 휘도 분포를 형성한다.
이 경우, 광축(AXI)에 평행 또는 대략 평행으로 프리즘(12)의 입사면(12d)에 입사한 조명광(IL)은 제 1 반사면(12a)에서 전반사된 후, 투과면(12c)을 투과하여 공간 광변조기(13)의 다수의 미러 요소(3)에 입사한다. 그리고, 다수의 미러 요소(3)에 의해 반사된 조명광(IL)은 다시 투과면(12c)에 입사한 후, 제 2 반사면(12b)에서 전반사되어 사출면(12e)으로부터 사출된다. 따라서, 제 1 반사면(12a)의 입사면(12d)에 대한 각도는 입사면(12d)에 수직으로 입사한 광속이 제 1 반사면(12a)에서 전반사하는 동시에, 제 1 반사면(12a)에서 전반사된 광속이 투과면(12c)을 투과하는 범위이면 된다. 이 때에는 임의의 미러 요소(3)의 반사면이 투과면(12c)에 대략 평행이면, 그 미러 요소(3)에 의해 반사된 조명광(IL)은 투과면(12c)을 투과하여 제 2 반사면(12b)에서 전반사된 후, 사출면(12e)을 거쳐 광축(AXI)에 대략 평행으로 사출된다. 따라서, 각 미러 요소(3)의 2축의 둘레의 경사각을 제어하는 것에 의해서, 그 미러 요소(3)에 의해 반사되어 프리즘(12)으로부터 사출되는 조명광(IL)의 광축(AXI)에 대한 직교하는 2방향의 각도를 제어할 수 있다. 이와 같이 조명광(IL)의 광축(AXI)에 대한 각도를 제어하는 것이 본 실시형태의 각 미러 요소(3)에 의한 공간적인 변조이고, 각 미러 요소(3)로부터의 조명광(IL)의 광축(AXI)에 대한 각도의 분포가 하나의 조명 제어 패턴에 대응한다.
이와 같이 프리즘(12)의 반사면(12a, 12b)은 전반사를 이용하고 있으나, 그 반사면(12a, 12b)에 반사막을 형성하여 이 반사막으로 조명광(IL)을 반사해도 된다.
그리고, 프리즘(12)으로부터 사출된 조명광(IL)은 릴레이 광학계(14)를 거쳐 플라이 아이 렌즈(15)[옵티컬 인테그레이터(optical integrator)]에 입사한다. 여기에서는 릴레이 광학계(14)의 대략 전측 초점면에 각 미러 요소(3)의 반사면이 배치되고, 릴레이 광학계(14)의 대략 후측 초점면에 플라이 아이 렌즈(15)의 입사면이 배치되어 있으나, 반드시 이 배치에 한정되지 않는다.
도 3의 (a)는 도 1의 프리즘(12)으로부터 플라이 아이 렌즈(15)까지의 광학계를 도시한다. 도 3의 (a)에서 릴레이 광학계(14)에 입사하는 광속의 광축(AXI)에 대한 경사각을 θ, 릴레이 광학계(14)의 후측 초점 거리를 f로 하면, 일례로서 플라이 아이 렌즈(15)의 입사면에서 그 광속이 집광되는 위치의 광축(AXI)으로부터의 높이(h)는 다음과 같이 된다.
h=f·tanθ …(1)
따라서, 도 1에서 릴레이 광학계(14)는 각 미러 요소(3)에 의해서 반사된 조명광(IL)을 그 광축(AXI)에 대한 직교하는 2방향의 각도에 따라서 정해지는 플라이 아이 렌즈(15)의 입사면 상의 X방향 및 Z방향의 위치에 집광하는 각도·위치 변환 기능을 구비하고 있다.
바꾸어 말하면, 프리즘(12)을 거쳐 공간 광변조기(13)에 입사한 조명광(IL)은 미러 요소(3)를 단위로 하여 분할되고, 각 미러 요소(3)의 경사 방향 및 경사각에 따라 소정 방향으로 소정 각도를 갖고 편향(반사)된다. 그리고, 각 미러 요소(3)로부터의 반사광은 프리즘(12) 및 릴레이 광학계(14)에 의해서 그 방향과 각도에 따른 플라이 아이 렌즈(15)의 입사면 상의 임의의 위치에 집광 가능하다.
플라이 아이 렌즈(15)에 입사한 조명광(IL)은 다수의 렌즈 요소에 의해 2차원적으로 분할되고, 각 렌즈 요소의 후측 초점면에는 각각 광원이 형성된다. 이렇게 하여, 플라이 아이 렌즈(15)의 후측 초점면인 조명 광학계(ILS)의 동면(瞳面)[조명 동면(22)]에는 플라이 아이 렌즈(15)로의 입사 광속에 의해서 형성되는 조명 영역과 대략 동일한 강도 분포를 갖는 2차 광원, 즉 실질적인 면 광원으로 이루어지는 2차 광원이 형성된다. 본 실시형태에서는 공간 광변조기(13)의 각 미러 요소(3)의 반사면의 경사 방향 및 경사각을 개별적으로 제어하는 것에 의해서, 플라이 아이 렌즈(15)의 입사면 상의 광 강도 분포, 나아가서는 조명 동면(22)에서의 2차 광원의 강도 분포를 대략 임의의 분포로 제어하는 것이 가능하다.
예를 들어, 도 1의 레티클(R)의 패턴면(레티클면)에서, Y방향(또는 X방향)으로 해상 한계에 가까운 피치로 배열된 라인 앤드 스페이스 패턴을 주로 노광하는 경우에는, 조명 동면(22)에서의 2차 광원은 도 3의 (b)의 Z방향(레티클면의 Y방향에 대응함)으로 2극의 2차 광원(24A, 24B)[또는 도 4의 (a)의 X방향으로 2극의 2차 광원(24C, 24D)]으로 설정된다. 마찬가지로, 공간 광변조기(13)에 의해서 조명 동면(22) 상의 2차 광원을 도 4의 (b)의 통상 조명용의 원형의 2차 광원(28A), 도 4의 (c)의 고리 띠 조명용의 2차 광원(28B) 및 도 4의 (d)의 4극 조명용의 4극의 2차 광원(24E 내지 24H) 등의 임의의 강도 분포로 설정 가능하다. 또한, 공간 광변조기(13)에 의해서, 예를 들어 도 3의 (b)에서 2차 광원(24A, 24B)의 간격 및/또는 2차 광원(24A, 24B)의 각각의 크기를 임의의 값으로 변경하는 것도 가능하다.
여기서, 본 실시형태에서는 피조사면에 배치되는 레티클(R)(마스크)을 쾰러 조명하고 있기 때문에, 상술한 2차 광원이 형성되는 면은 투영 광학계(PL)의 개구 조리개(도시하지 않음)와 공역(共役)인 면이 되고, 조명 광학계(ILS)의 조명 동면(22)이라고 할 수 있다. 전형적으로는 조명 동면(22)에 대하여 피조사면[레티클(R)이 배치되는 면 또는 웨이퍼(W)가 배치되는 면]이 광학적인 푸리에(Fourier) 변환면이 된다. 또한, 동 휘도 분포란 조명 광학계(ILS)의 조명 동면(22) 또는 그 조명 동면(22)과 공역인 면에서의 휘도 분포이나, 플라이 아이 렌즈(15)에 의한 파면 분할수가 큰 경우에는, 플라이 아이 렌즈(15)의 입사면에 형성되는 대국적인 휘도 분포와 2차 광원 전체의 대국적인 휘도 분포(동 휘도 분포)가 높은 상관을 나타내기 때문에, 플라이 아이 렌즈(15)의 입사면 및 그 입사면과 공역인 면에서의 휘도 분포에 대해서도 동 휘도 분포라고 할 수 있다.
또한, 플라이 아이 렌즈(15) 대신에 마이크로 렌즈 어레이 등도 사용 가능하다.
도 1에서, 조명 동면(22)에 형성된 2차 광원으로부터의 조명광(IL)은 제 1 릴레이 렌즈(16), 레티클 블라인드(시야 조리개)(17), 제 2 릴레이 렌즈(18), 광로 절곡용의 미러(19) 및 콘덴서 광학계(20)를 거쳐 레티클(R)의 패턴면(하면)의 X방향으로 가늘고 긴 직사각형의 조명 영역(26)을 균일한 조도 분포가 얻어지도록 중첩하여 조명한다. 예를 들어, 이 때에 조명광(IL)은 공간 코히런시가 높은 레이저광이기 때문에, 조명 영역(26) 내에는 조명광(IL)에 의한 스펙클 패턴 등의 미세 피치의 랜덤한 간섭 줄무늬가 형성되어 조도 불균일이 된다. 이 조도 불균일의 대책에 대해서는 후술한다. 비임 익스팬더(8)로부터 콘덴서 광학계(20)까지의 광학 부재를 포함하여 조명 광학계(ILS)가 구성되어 있다. 조명 광학계(ILS)의 공간 광변조기(13)를 포함하는 각 광학 부재는 도시하지 않은 프레임에 지지되어 있다.
또한, 도 1의 미러(11)와 프리즘(12) 사이의 조명광(IL)의 광로에 삽탈 가능하게, 조명광(IL)의 단면을 덮을 수 있는 수광면을 갖는 2차원의 CCD형 또는 CMOS형의 촬상 소자, 또는 2차원의 포토 다이오드 어레이 등으로 이루어지는 광전 센서(23)가 배치되어 있다. 광전 센서(23)는 예를 들어 상기의 프레임에 이동 가능하게 지지된 슬라이더(도시하지 않음)에 고정되어 있고, 광전 센서(23)의 검출 신호는 변조 제어부(31)에 공급되어 있다. 조명광(IL)의 광로에 광전 센서(23)를 설치한 상태에서 조명광(IL)을 펄스 발광하여 광전 센서(23)의 각 화소(각 수광 소자)의 검출 신호를 받아들임으로써, 변조 제어부(31)는 조명광(IL)의 단면 내의 강도 분포, 나아가서는 공간 광변조기(13)의 각 미러 요소(3)에 입사하는 조명광(IL)의 강도비[예를 들어, 중앙의 미러 요소(3)의 입사광의 강도를 1로 했을 경우의 강도]를 계측할 수 있다. 이 강도비를 이용하여 조명 동면(22)의 2차 광원의 강도 분포의 설정 정밀도를 향상할 수 있다(상세한 것은 후술).
레티클(R)의 조명 영역(26) 내의 패턴은 양측(또는 웨이퍼측에 편측) 텔레센트릭 투영 광학계(PL)를 거쳐 레지스트(감광 재료)가 도포된 웨이퍼(W)의 하나의 쇼트 영역 상의 노광 영역(27)에 소정의 투영 배율(예를 들어 1/4, 1/5 등)로 투영된다.
또한, 레티클(R)은 레티클 스테이지(RST) 상에 흡착 보지되고, 레티클 스테이지(RST)는 도시하지 않은 레티클 베이스의 가이드면 상에 Y방향으로 일정 속도로 이동 가능하게, 또한 적어도 X방향, Y방향, Z축의 둘레의 회전 방향으로 이동 가능하게 탑재되어 있다. 레티클 스테이지(RST)의 2차원적인 위치는 도시하지 않은 레이저 간섭계에 의해서 계측되고, 이 계측 정보에 기초하여 주 제어계(30)가 리니어 모터 등의 구동계(도시하지 않음)를 거쳐 레티클 스테이지(RST)의 위치 및 속도를 제어한다.
한편, 웨이퍼(W)는 웨이퍼 홀더(도시하지 않음)를 거쳐 웨이퍼 스테이지(WST) 상에 흡착 보지되고, 웨이퍼 스테이지(WST)는 도시하지 않은 가이드면 상에서 X방향, Y방향으로 스텝 이동을 행하는 동시에 Y방향으로 일정 속도로 이동 가능하다. 웨이퍼 스테이지(WST)의 가이드면 상에서의 2차원적인 위치는 도시하지 않은 레이저 간섭계에 의해서 계측되고, 이 계측 정보에 기초하여 주 제어계(30)가 리니어 모터 등의 구동계(도시하지 않음)를 거쳐 웨이퍼 스테이지(WST)의 위치 및 속도를 제어한다. 또한, 웨이퍼(W)의 얼라인먼트를 행하기 위해서, 웨이퍼(W) 상의 얼라인먼트 마크의 위치를 검출하는 얼라인먼트계(도시하지 않음) 등도 구비되어 있다.
노광 장치(100)에 의한 웨이퍼(W)의 노광시에, 주 제어계(30)는 레티클(R)의 패턴에 따라 조명 조건[예를 들어, 조명 동면(22) 상의 2차 광원의 강도 분포]을 선택하고, 선택한 조명 조건을 변조 제어부(31)에 설정한다. 이것에 따라서 변조 제어부(31)는 공간 광변조기(13)의 각 미러 요소(3)의 경사 방향 및 경사각을 개별적으로 제어하여 조명 동면(22) 상의 2차 광원의 강도 분포를 설정한다. 계속해서, 웨이퍼 스테이지(WST)의 스텝 이동에 의해서 웨이퍼(W)가 주사 개시 위치로 이동한다. 그 후, 광원(7)의 펄스 발광을 개시하여 레티클 스테이지(RST)를 거쳐 레티클(R)을 조명 영역(26)에 대하여 Y방향으로 이동하는 것에 동기하여 웨이퍼 스테이지(WST)를 거쳐 웨이퍼(W)를 노광 영역(27)에 대하여 대응하는 방향으로 투영 배율을 속도비로 하여 이동함으로써, 웨이퍼(W)의 하나의 쇼트 영역이 주사 노광된다. 이와 같이 웨이퍼(W)의 스텝 이동과 주사 노광을 반복하는 스텝 앤드 스캔 동작에 의해서 웨이퍼(W) 상의 전부의 쇼트 영역에 레티클(R)의 패턴의 상이 노광된다.
이 노광시에 상술한 바와 같이 레티클(R)의 조명 영역(26), 나아가서는 조명 영역(26)과 투영 광학계(PL)에 관해서 공역인 웨이퍼(W) 상의 노광 영역(27)에는, 조명광(IL)에 의한 스펙클 패턴 등의 미세 피치의 랜덤한 간섭 줄무늬가 형성된다. 이 간섭 줄무늬는 레티클(R)의 조명 영역(26) 내의 조도 불균일의 하나의 요인이 된다. 또한, 웨이퍼(W)의 노광량 불균일(각 쇼트 영역의 주사 노광후의 적산 노광량의 불균일)의 하나의 요인이 된다.
그래서, 본 실시형태에서는 조명광(IL)이 적어도 1펄스 발광될 때마다, 즉 여기에서는 조명광(IL)이 소정의 m펄스(m은 1 이상의 정수)만큼 발광될 때마다, 도 1의 조명 광학계(ILS) 중의 공간 광변조기(13)의 다수의 미러 요소(3)의 경사 방향 및 경사각의 분포를 복수의 서로 다른 분포로 주기적으로 제어한다. 또한, 그 정수 m은 1회의 주사 노광중에 점차 변화해도 된다.
이하에 도 1의 공간 광변조기(13)의 구성예 및 그 동작에 대해 설명한다.
도 2의 (a)는 공간 광변조기(13)의 일부를 도시하는 확대 사시도이다. 도 2의 (a)에서 공간 광변조기(13)는 X방향, Y방향으로 일정 피치로 거의 밀착되도록 배열된 다수의 미러 요소(3)와, 이 다수의 미러 요소(3)의 반사면의 각도를 개별적으로 제어하는 구동부(4)를 포함하고 있다. X방향, Z방향의 미러 요소(3)의 배열수는 예를 들어 수천이다.
도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이, 일례로서, 미러 요소(3)의 구동 기구는 미러 요소(3)를 지지하는 힌지 부재(37)와, 힌지 부재(37)에 돌출하여 설치된 4개의 전극(35)과, 지지 기판(38)과, 지지 기판(38) 상에 힌지 부재(37)를 지지하는 1쌍의 지주 부재(36)와, 4개의 전극(35)에 대향하도록 지지 기판(38) 상에 형성된 4개의 전극(39)을 구비하고 있다. 이 구성예에서는 대응하는 4세트의 전극(35)과 전극(39) 사이의 전위 차이를 제어하여 전극간에 작용하는 정전력을 제어함으로써, 힌지 부재(37)를 요동 및 경사시킬 수 있다. 이것에 의해서, 힌지 부재(37)에 지지된 미러 요소(3)의 반사면의 직교하는 2축의 둘레의 경사각을 소정의 가변 범위 내에서 연속적으로 제어할 수 있다. 공간 광변조기(13)의 보다 상세한 구성은, 예를 들어 일본공개특허공보 제 2002-353105 호에 개시되어 있다.
또한, 미러 요소(3)의 구동 기구는 본 실시형태의 구성에는 한정되지 않고, 다른 임의의 기구를 사용할 수 있다. 또한, 미러 요소(3)는 대략 정방형의 평면 미러이나, 그 형상은 직사각형 등의 임의의 형상이더라도 상관없다. 다만, 광의 이용 효율의 관점에서는 간극 없이 배열 가능한 형상이 바람직하다. 또한, 인접하는 미러 요소(3)의 간격은 필요 최소한으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 현 상황에서는 미러 요소(3)의 형상은 예를 들어 10㎛ 각 내지 수십㎛ 각 정도이나, 조명 조건의 세세한 변경을 가능하게 하기 위해서 미러 요소(3)는 가능한 한 작은 것이 바람직하다.
또한, 미러 요소(3) 대신에, 도 2의 (c)에 도시하는 바와 같이 오목면의 미러 요소(3') 또는 볼록면의 미러 요소(도시하지 않음)를 사용하는 것도 가능하다.
또한, 상기의 공간 광변조기(13)로서는, 예를 들어 일본공표특허공보 제 1998-503300 호 및 이것에 대응하는 유럽공개특허공보 제 779530 호, 일본공개특허공보 제 2004-78136 호 및 이것에 대응하는 미국특허공보 제 6,900,915 호와, 일본공표특허공보 제 2006-524349 호 및 이것에 대응하는 미국특허공보 제 7,095,546 호, 및 일본공개특허공보 제 2006-113437 호에 개시되는 공간 광변조기를 이용할 수 있다. 이들 공간 광변조기를 조명 광학계(ILS)에 이용했을 경우에는 공간 광변조기의 개별의 반사면을 거친 각각의 광이 소정의 각도로 강도 분포 형성 광학계[릴레이 광학계(14)]에 입사하고, 복수의 미러 요소(반사 요소)로의 제어 신호에 따른 소정의 광강도 분포를 조명 동면에서 형성할 수 있다.
또한, 공간 광변조기(13)로서는, 예를 들어 2차원적으로 배열되어서 반사면의 높이를 개별적으로 제어 가능한 공간 광변조기를 이용할 수도 있다. 이러한 공간 광변조기로서는, 예를 들어 일본공개특허공보 제 1994-281869 호 및 이것에 대응하는 미국특허공보 제 5,312,513 호, 및 일본공표특허공보 제 2004-520618 호 및 이것에 대응하는 미국특허공보 제 6,885,493 호의 도 1d에 개시되는 공간 광변조기를 이용할 수 있다. 이들 공간 광변조기에서는 복수의 위상 요소(광학 소자)에 의해서 2차원적인 높이 분포를 형성함으로써 위상형의 회절 격자와 동일한 작용을 입사광에 부여할 수 있다.
또한, 상술한 2차원적으로 배열된 복수의 반사면을 갖는 공간 광변조기를, 예를 들어 일본공표특허공보 제 2006-513442 호 및 이것에 대응하는 미국특허공보 제 6,891,655 호, 또는 일본공표특허공보 제 2005-524112 호 및 이것에 대응하는 미국특허공개공보 제 2005/0095749 호의 개시에 따라서 변형해도 된다.
다음으로, 조명 동면(22) 상에서 도 3의 (b)의 Z방향으로 떨어진 2극의 2차 광원(24A, 24B)을 생성하여 조명 조건을 2극 조명으로 설정하는 경우를 예로 들어 공간 광변조기(13)의 동작의 일례를 설명한다. 도 3의 (a), 도 3의 (c), 도 3의 (e)는 일례로서 각각 도 1의 공간 광변조기(13)의 Y방향으로 배열된 일렬의 수천개의 미러 요소(3)로부터 대표적으로 선택된 복수개의 미러 요소(3A 내지 3G)로부터의 반사광을 도시하고 있다. 예를 들어, 도 3의 (b)의 2극의 2차 광원(24A, 24B)을 형성하기 위해서는 도 3의 (a), 도 3의 (c), 도 3의 (e)의 플라이 아이 렌즈(15)의 입사면의 대응하는 2개소의 거의 원형의 영역(25A, 25B)에 조명광(IL)을 집광할 필요가 있다. 또한, 도 3의 (d)는 도 3의 (b)의 조명 동면(22)에서의 2차 광원(24A, 24B)의 광축을 통과하여 Z축에 평행한 직선 상에서의 광 강도 S(Z)의 분포의 일례를 도시하고 있다.
먼저, 도 3의 (a)에 도시하는 바와 같이, 공간 광변조기(13)의 각 미러 요소(3A 내지 3G)의 경사각(실제로는 2축의 둘레의 경사각, 이하 동일)을 설정하여 그들로부터의 반사광을 프리즘(12)의 제 2 반사면(12b) 및 릴레이 광학계(14)를 거쳐 플라이 아이 렌즈(15)의 입사면의 2개의 영역(25A, 25B)에 집광시킨다. 이것에 의해서, 도 3의 (b)에 도시하는 Z방향으로 2극의 2차 광원(24A, 24B)이 생성된다. 도 3의 (a)에서, 미러(3A 내지 3C)의 경사각은 동일하기 때문에, 이들 미러(3A 내지 3C)로부터의 반사광은 공통으로 영역(25A)에 집광되어 있다. 한편, 미러(3D 내지 3G)의 경사각은 동일하고 또한 미러(3A 내지 3C)와 대칭이기 때문에, 미러(3D 내지 3G)로부터의 반사광은 공통으로 영역(25A)과 대칭인 영역(25B)에 집광된다. 공간 광변조기(13)의 동일 열 내의 다른 미러 요소(3) 및 다른 열의 미러 요소(3)의 2축의 둘레의 경사각도, 그 반사광이 영역(25A, 25B) 중 어느 하나에 집광되도록 설정된다.
본 실시형태에서는 도 3의 (a)의 상태에서 m펄스의 조명광(IL)을 조사한 후, 도 3의 (c)에 도시하는 바와 같이 공간 광변조기(13)의 미러 요소(3A 내지 3G)의 경사각의 분포를 변경하여 미러 요소(3A 내지 3C)로부터의 조명광(IL)으로 영역(25B)을 조사하고, 미러 요소(3D 내지 3G)로부터의 조명광(IL)으로 영역(25A)을 조사한다. 이 경우에는, 조명 동면(22) 상의 2차 광원(24A, 24B)의 강도 분포는 대략 동일하고, 즉 소정의 허용 범위 내(예를 들어, 특정 피치의 X방향의 라인 앤드 스페이스 패턴의 투영상을 해상할 수 있는 범위 내)에서 동일한 강도 분포이고, 영역(25A, 25B)에 집광되는 조명광(IL)을 반사하는 미러 요소(3A 내지 3G)의 조합이 다르다. 그리고, 이 상태에서 m펄스의 조명광(IL)을 조사한 후, 도 3의 (e)에 도시하는 바와 같이 공간 광변조기(13)의 미러 요소(3A 내지 3G)의 경사각의 분포를 변경하여, 양측의 미러 요소(3A, 3B, 3F, 3G)로부터의 조명광(IL)으로 영역(25B)을 조사하고, 중앙의 미러 요소(3C 내지 3E)로부터의 조명광(IL)으로 영역(25A)을 조사한다. 이 경우에도 조명 동면(22) 상의 2차 광원(24A, 24B)의 강도 분포는 대략 동일하다.
이와 같이 하여, m펄스의 조명광(IL)을 조사할 때마다 2차 광원(24A, 24B)의 강도 분포를 대략 동일하게 유지하면서, 2차 광원(24A, 24B)에 대응하는 영역(25A, 25B)에 집광되는 조명광(IL)을 반사하는 미러 요소(3A 내지 3G)의 조합, 나아가서는 미러 요소(3A 내지 3G)에 의해 반사된 조명광(IL)의 광축(AXI)에 대한 각도의 분포(조명 제어 패턴)를 점차 바꾸어 간다. 그리고, 소정의 조합을 전부 사용한 후, 미러 요소(3A 내지 3G)의 경사각의 분포를 다시 도 3의 (a), 도 3의 (c), 도 3의 (e), …와 같이 주기적으로 변화시킨다.
도 5의 (a)는 도 1의 레티클(R)을 조명 영역(26)에 대하여 주사 방향(SD)(여기에서는 -Y방향)으로 주사하는 상태를 도시한다. 도 5의 (a)에서, 조명 영역(26)의 Y방향의 폭을 DY로 하고, 레티클(R)의 패턴면의 임의의 점(41)이 조명광(IL)의 펄스 발광 동안에 위치(41A)까지 이동할 때의 이동량을 δY로 한다. 이때, 점(41)에 대한 조명광(IL)의 조사 펄스수(노광 펄스수)(N)(N은 2 이상의 정수)는 대략 다음과 같이 된다. 이 조사 펄스수(N)는 예를 들어 수십이다.
N=DY/δY…(2)
또한, 도 3의 (a)의 공간 광변조기(13)의 미러 요소(3A 내지 3G)의 경사각의 분포의 조합은 조명광(IL)이 m펄스 발광될 때마다 변화하기 때문에, 미러 요소(3A 내지 3G)의 경사각의 분포의 조합에 대응하는 조명 제어 패턴의 개수(M)는 다음과 같이 적어도 N/m 이상의 최소의 정수이면 된다.
M=N/m 이상의 최소의 정수…(3)
또한, 조명광(IL)이 1펄스 발광될 때마다 조명 제어 패턴을 전환하는 경우에는 그 조명 제어 패턴의 개수(M)는 적어도 N이 된다.
도 1의 공간 광변조기(13)의 각 열의 미러 요소(3)의 개수는 실제로는 수천이기 때문에, 가령 미러 요소(3)를 X방향 및 Y방향으로 100개씩의 블록으로 나누어, 100×100의 각 블록마다 미러 요소(3)의 경사 방향 및 경사각을 대략 동일한 상태로 제어했다고 하더라도, 미러 요소(3)의 경사 방향 및 경사각이 다른 분포의 개수[개수(M)]는 대략 10000의 계승이라는 방대한 수가 가능하다. 이것에 대하여 m=1이더라도 N/m은 수십이기 때문에, 식 (3)의 조건은 여유를 갖고 만족시킬 수 있다.
이 결과, 도 5의 (a)의 레티클(R) 상의 임의의 점(41)에 대해서는 조명광(IL)을 전부 N펄스 조사하는 동안에 조명광(IL)이 m펄스 조사될 때마다 순서대로 공간 광변조기(13)의 서로 다른 조합의 경사각의 분포의 미러 요소(3)로부터의 반사각을 이용하여, 대략 동일한 2차 광원(24A, 24B)에 의해서 2극 조명을 행할 수 있다. 이 결과, 예를 들어 도 5의 (a)의 B부의 확대도인 도 5의 (b) 및 도 5의 (c)에 도시하는 바와 같이, 레티클(R)의 조명 영역(26) 내의 동일한 부분[나아가서는 도 1의 웨이퍼(W) 상의 노광 영역(27) 내의 대응하는 부분]에서는 조명광(IL)이 m펄스 조사될 때마다 그 부분에 형성되는 조명광(IL)의 미세한 간섭 줄무늬의 패턴이 패턴 42A, 42B, …으로 순차적으로 다른 패턴이 된다. 따라서, 레티클(R) 상의 임의의 점(41)에 대하여 조명광(IL)을 N펄스 조사한 후에는, 평균화 효과에 의해서 조명 영역(26) 내에서의 간섭 줄무늬의 영향(조도 불균일)은 저감된다. 또한, 레티클(R)에 대응하는 웨이퍼(W) 상의 점에서의 노광량(적산 노광량)은 적정 노광량이 되어 노광량 불균일이 대폭 저감된다.
또한, 실제로는 도 3의 (b)의 2차 광원(24A, 24B)을 형성할 때에는 예를 들어 그 광 강도 분포가 도 3의 (d)의 점선의 곡선(29A)으로 도시하는 바와 같이, 목표로 하는 영역에서 균일하게 되고, 그 외의 영역에서 거의 0이 되도록 미러 요소(3A 내지 3G)의 경사각 분포를 제어하는 것이 바람직하다.
그러나, 광원(7)으로부터의 조명광(IL)의 단면 내의 강도 분포는 일정하지 않고 경시적으로 점차 변화할 우려가 있다. 이와 같이 조명광(IL)의 강도 분포가 변화하면, 도 3의 (b)의 2차 광원(24A, 24B)의 강도 분포는 예를 들어 도 3의 (d)의 실선의 곡선(29B)으로 도시하는 바와 같이 변화하여 2극 조명의 균형이 약간 무너진다. 이것에 의해서, 조명 동면(22)에서[나아가서는 조명 영역(26)에서] 조도 불균일이 된다. 그래서, 본 실시형태의 노광 장치(100)에서는 예를 들어 도 6의 (a)에 도시하는 바와 같이 미러(11)와 프리즘(12) 사이의 조명광(IL)의 광로 상에 광전 센서(23)를 설치하여 조명광(IL)을 펄스 발광시켜서 조명광(IL)의 단면 내의 강도 분포를 계측하고, 공간 광변조기(13)의 미러 요소(3)에 입사하는 조명광(IL)의 강도비의 정보를 정기적으로 갱신한다. 이 때, 도 1의 공간 광변조기(13)의 X방향으로 j번째(j=1, 2, …, J)이고 Y방향으로 i번째(i=1, 2, …, I)의 미러 요소(3)에 입사하는 조명광(IL)의 광량을 I(Xj, Yi)로 한다. 그리고, 광전 센서(23)로부터의 검출 신호를 처리함으로써, 도 1의 변조 제어부(31)에서는 도 6의 (b)에 도시하는 바와 같이 각 미러 요소(3)에 입사하는 광량 I(Xj, Yi)의 분포, 나아가서는 각 미러 요소(3)에 입사하는 조명광(IL)의 강도비를 구하고, 이 강도비의 정보를 내부의 기억부에 기억해 둔다. 그 후에는 그 갱신된 강도비를 이용하여, 공간 광변조기(13)의 미러 요소(3)의 경사각의 분포의 가능한 조합 중에서 2차 광원의 강도 분포가 도 3의 (d)의 곡선(29A)에 가깝게 되는 조명 제어 패턴을 선택하고, 상술한 바와 같이 조명광(IL)이 m펄스 발광될 때마다 공간 광변조기(13)의 각 미러 요소(3)를 각각 제어한다. 이것에 의해서, 조도 불균일이 저감된 고정밀도의 2극 조명을 행할 수 있다.
마찬가지로, 도 4의 (a)의 X방향의 2극 조명, 도 4의 (b)의 통상 조명, 도 4의 (c)의 고리 띠 조명, 도 4의 (d)의 4극 조명 등을 행하는 경우에도 변조 제어부(31)는 조명광(IL)이 m펄스 발광될 때마다 조명 동면(22) 상의 2차 광원의 각 부분에 집광되는 조명광(IL)을 반사하는 공간 광변조기(13)의 미러 요소(3)의 조합을 점차 다른 조합으로 변화시킨다. 그 결과, 조명광(IL)에 의해서 조명 영역(26)[노광 영역(27)]에 형성되는 미세한 간섭 줄무늬의 패턴이 점차 변화하기 때문에, 주사 노광 후의 웨이퍼(W) 상의 각 점의 노광량 불균일이 저감된다.
본 실시형태의 작용 효과는 이하와 같다.
(1) 본 실시형태의 도 1의 노광 장치(100)에 구비된 조명 광학계(ILS)는 펄스 발광되는 조명광(IL)을 이용하여 레티클면(피조사면)을 조명하는 조명 광학 장치로서, 레티클면보다 상류[조명광(IL)이 공급되는 측]에 배치되어, 조명광(IL)이 입사하는 위치에 따라서 조명광(IL)의 광축(AXI)에 대한 각도를 제어하는(공간적인 변조를 부여하는) 복수의 미러 요소(3)(광학 소자)를 포함하는 공간 광변조기(13)(광학 디바이스)와, 조명광(IL)이 적어도 하나 펄스 발광될 때마다 복수의 미러 요소(3)에 의해서 조명광(IL)에 서로 다른 각도를 부여하고 또한 복수의 미러 요소(3)에 의해서 각도가 제어된 조명광(IL)의 각각의 강도 분포가 조명 동면(22)(소정면)에서 실질적으로 대략 동일한 강도 분포가 되도록 복수의 미러 요소(3)를 제어하는 변조 제어부(31)(조명 제어계)를 구비하고 있다.
본 실시형태에 의하면, 공간 광변조기(13)의 복수의 미러 요소(3)에 의해서 조명광(IL)의 각도를 개별적으로 제어함으로써(공간적으로 변조를 부여함으로써) 조명광(IL)의 이용 효율을 높게 유지하여, 플라이 아이 렌즈(15)의 입사면에서의 조명광(IL)의 강도 분포, 나아가서는 플라이 아이 렌즈(15)의 사출면인 조명 동면(22)에서의 광 강도 분포를 제어하여 조명 조건을 제어할 수 있다. 또한, 1회의 주사 노광중에 그 조명광(IL)이 적어도 1펄스 발광될 때마다 조명 동면(22)에서의 강도 분포를 대략 동일한 분포로 유지하면서 복수의 미러 요소(3)로부터의 광의 각도를 다른 각도의 조합으로 전환해 감으로써, 평균화 효과에 의해서, 레이저 광원으로부터 사출되는 레이저광[조명광(IL)]에 기인하는 조도 불균일의 영향을 경감할 수 있다. 또한, 이와 같이 공간 광변조기(13)는 광 강도 분포 형성 부재와 조도 불균일의 경감 부재를 겸용하고 있기 때문에, 조명 광학계(ILS)의 구성이 복잡화되지 않는다.
(2) 또한, 도 1의 실시형태에서는 조명 동면(22)을 소정면으로 하여 조명 동면(22)에서의 조명광(IL)의 강도 분포를 제어하고 있기 때문에, 조명 조건을 정확하게 제어할 수 있다. 그러나, 조명 동면(22)과 공역인 면을 소정면으로 해도 된다. 또한, 조명 동면(22)의 근방의 면, 또는 조명 동면(22)과의 공역면(共役面)의 근방의 면을 그 소정면으로 간주하여 이들 면에서의 광 강도 분포를 제어해도 된다.
또한, 플라이 아이 렌즈(15)를 이용하는 경우에는 플라이 아이 렌즈(15)의 입사면의 광 강도 분포가 그 사출면[조명 동면(22)]의 광 강도 분포와 대략 동일한 분포가 된다. 따라서, 그 플라이 아이 렌즈(15)의 입사면 또는 이 근방의 면을 소정면으로 간주하는 것도 가능하다.
(3) 또한, 도 1의 실시형태에 있어서는 복수의 광학 요소를 포함하는 광학 디바이스로서, 조명광(IL)을 반사하는 경사각이 가변의 반사면을 포함하는 복수의 미러 요소(3)(반사 요소)를 구비하는 공간 광변조기(13)가 사용되고 있다. 이와 같이 반사면을 이용하는 경우에는 조명광(IL)의 이용 효율이 높다.
(4) 또한, 도 1의 공간 광변조기(13)의 각 미러 요소(3)의 반사면은 직교하는 2축의 둘레의 경사각이 가변이기 때문에, 각 미러 요소(3)로부터의 반사광을 프리즘(12) 및 릴레이 광학계(14)를 거쳐 플라이 아이 렌즈(15)의 입사면, 나아가서는 조명 동면(22) 상의 2차원적인 임의의 위치로 유도할 수 있다. 따라서, 조명광(IL)의 이용 효율을 대략 100%로 유지하여 임의의 조명 조건을 고정밀도로 설정할 수 있다.
또한, 각 미러 요소(3)의 경사각은 적어도 1축(예를 들어, 도 1의 X축에 평행한 축)의 둘레의 경사각을 제어할 수 있을 뿐이더라도 상관없다. 1축의 둘레의 경사각만을 제어할 수 있는 경우에는 공간 광변조기(13)의 각 열의 복수의 미러 요소(3)로부터의 반사광을, 플라이 아이 렌즈(15)의 입사면 상의 대응하는 1열의 영역 중 어느 하나에 집광시키면 된다. 또한, 대응하는 1열의 영역에서 조명광(IL)을 집광하는 부분이 없는 경우에는 그 열에 대응하는 미러 요소(3)의 경사각은 반사광이 플라이 아이 렌즈(15)의 입사면으로부터 빗나가도록 설정하면 된다. 이 경우에는 조명광(IL)의 이용 효율은 다소 저하되나, 공간 광변조기(13)의 제어가 간단하게 된다.
(5) 또한, 공간 광변조기(13) 대신에, 각각 투과광의 광량을 제어하는 복수의 화소(투과 요소)를 포함하는 액정 셀을 이용하는 것도 가능하다. 이 경우에는 각 화소를 통과하는 광에 대한 투과율을 제어하는 것이 공간적인 변조가 된다.
(6) 또한, 공간 광변조기(13) 대신에, 각각 통과광의 위상을 제어하는 복수의 위상 요소(가변 단차 요소 등)를 포함하는 상기의 공간 광변조기를 이용하는 것도 가능하다. 이 위상 요소를 포함하는 공간 광변조기는 회절 패턴이 가변인 회절 광학 소자로서 사용할 수 있다.
(7) 또한, 도 1의 조명 광학계(ILS)는 공간 광변조기(13)의 근방에 배치되어, 조명광(IL)을 복수의 미러 요소(3)에 입사시키는 방향[또는 복수의 미러 요소(3)측]으로 편향하는 제 1 반사면(12a)(제 1 면)과, 복수의 미러 요소(3)를 거친 반사광을 피조사면(레티클면)에 입사시키는 방향으로 편향하는 제 2 반사면(12b)(제 2 면)을 포함하는 프리즘(12)(광학 부재)을 구비하고 있다.
따라서, 조명 광학계(ILS)를 구성하는 각 광학 부재를 동일한 직선, 또는 도중에 90°구부러진 꺾은선을 따라서 배치할 수 있기 때문에, 조명 광학계(ILS)의 설계, 제조가 용이하다.
(8) 또한, 도 1의 조명 광학계(ILS)는 복수의 미러 요소(3)에 입사하는 조명광(IL)의 강도 분포를 계측하는 광전 센서(23)를 구비하고, 변조 제어부(31)는 광전 센서(23)로 계측되는 강도 분포에 기초하여 상기의 소정면에서의 조명광(IL)의 강도 분포가 소정의 균일성을 만족시키는 조건 하에서 복수의 미러 요소(3)로부터의 광의 각도 상태를 전환하고 있다. 따라서, 조명광(IL)의 단면 내의 강도 분포가 변동하더라도, 조명 동면(22)에서의 조도 불균일, 나아가서는 레티클면에서의 조도 불균일을 저감할 수 있다.
(9) 또한, 조명 광학계(ILS)에는 공간 광변조기(13)에 대한 입사측에 배치되어, 소정수(k)의 조명광(IL)의 펄스 발광마다 조명광(IL)의 편광 상태를 제어 가능하고 회동 가능한 1/2 파장판(9) 및 디폴라라이저(10)(편광 제어 광학계)를 구비하고 있다. 따라서, 예를 들어 도 1의 레티클(R) 대신에 공간 광변조기(13)와 동일한 공간 광변조기를 이용하여, 전사 대상의 패턴을 소정수의 조명광(IL)의 펄스 발광마다 고속으로 전환하는 경우에, 그 전환된 패턴에 따라 공간 광변조기(13)에 의해서 2차 광원의 강도 분포를 전환하는 동시에, 편광 조명의 상태도 순서대로 고속으로 전환할 수 있다. 따라서, 1회의 노광에 의해서 여러 가지의 패턴을 각각 최적의 조명 조건(여기에서는 2차 광원의 강도 분포 및 편광 조명)으로 웨이퍼 상에 노광할 수 있다.
(10) 또한, 그 1/2 파장판(9)에 공급되는 조명광(IL)이 대략 직선 편광이고, 그 1/2 파장판(9)의 광축(AXI)[광축(AXI)에 평행한 축이어도 됨]의 둘레의 회전각(회동각)이 가변이기 때문에, 그 1/2 파장판(9)의 회전각을 제어하는 것만으로 레티클면[웨이퍼(W)의 상면]에서의 조명광(IL)의 편광 상태를 X방향 또는 Y방향의 직선 편광, 또는 경사 방향의 직선 편광으로 설정할 수 있다. 또한, 디폴라라이저(10)를 이용하고 있기 때문에, 그 조명광(IL)의 편광 상태를 비편광으로도 설정할 수 있다.
(11) 또한, 상기의 실시형태에서는 예를 들어 레티클면의 각 점에 대한 조명광(IL)의 조사 펄스수를 N(N은 2 이상의 정수)으로 하여, 조명광(IL)이 m펄스(m은 1 이상의 정수) 발광될 때마다 복수의 미러 요소(3)의 경사각의 조합, 나아가서는 복수의 미러 요소(3)로부터의 조명광(IL)의 각도의 분포(조명 제어 패턴)를 식 (3)에서 규정되는 M가지로 전환하고 있다. 이 경우에는 공간 광변조기(13)의 복수의 미러 요소(3)의 경사각의 조합을 그 M가지의 조명 제어 패턴의 어느 하나에 대응시켜 주기적으로 설정하는 것만으로, 레티클면의 임의의 점에서, 1회의 주사 노광중에 조명광(IL)이 m펄스 조사될 때마다 형성되는 미세한 간섭 줄무늬의 패턴이 전부 다른 패턴이 된다. 따라서, 효율적으로 그 간섭 줄무늬에 기인하는 조도 불균일, 나아가서는 노광량 불균일을 저감할 수 있다.
또한, 복수의 미러 요소(3)의 경사각의 조합(나아가서는 조명 제어 패턴)의 개수를 N가지로 해도 된다. 이 경우에는 조명광(IL)이 1펄스 발광될 때마다 복수의 미러 요소(3)의 경사각의 조합을 그 N가지의 조합 중 어느 하나에 주기적으로 전환함으로써, 레티클면의 임의의 점에서 1회의 주사 노광중에 조명광(IL)이 1펄스 조사될 때마다 형성되는 미세한 간섭 줄무늬의 패턴이 전부 다른 패턴이 된다. 따라서, 그 간섭 줄무늬에 기인하는 조도 불균일, 나아가서는 노광량 불균일을 가장 크게 저감할 수 있다.
(12) 또한, 도 1의 조명 광학계(ILS)는 조명 동면(22)으로부터의 조명광(IL)으로 레티클면을 중첩하여 조명하는 플라이 아이 렌즈(15)(옵티컬 인테그레이터)를 구비하고 있기 때문에, 레티클면에서의 조도 분포의 균일성이 향상한다.
(13) 또한, 조명 광학계(ILS)에 조명광(IL)을 공급하는 광원(7), 전원 제어부(32) 및 주 제어계(30)가 구비되어 있다. 따라서, 광원(7)의 펄스 발광의 타이밍을 용이하게 고정밀도로 제어 가능하다.
(14) 또한, 상기의 실시형태의 노광 장치(100)는 레티클면(제 1 면)의 상(像)을 웨이퍼(W)의 상면(제 2 면)에 투영하는 노광 장치에 있어서, 그 레티클면을 펄스 발광되는 조명광(IL)으로 조명하는 조명 광학계(ILS)와, 조명 광학계(ILS)에 의해서 레티클면 상에 형성되는 조명 영역(26)으로부터의 광에 기초하여 레티클면의 상을 웨이퍼(W) 상에 형성하는 투영 광학계(PL)를 구비하고 있다. 이 경우, 조명 광학계(ILS)로부터 레티클면에 조사되는 조명광(IL)에 의해서 형성되는 미세한 간섭 줄무늬의 패턴은, 예를 들어 m펄스의 조명광(IL)의 발광마다 점차 다른 패턴으로 변화한다. 따라서, 노광 후의 웨이퍼(W) 상의 노광량 불균일(적산 노광량의 불균일)이 저감되어, 최종적인 디바이스를 고정밀도로 제조할 수 있다.
다음으로, 상기의 실시형태에서는 다음과 같은 변형이 가능하다.
(1) 상기의 실시형태의 노광 장치(100)는 주사 노광형이기 때문에, 주사 노광에 의해서도 조명광(IL)에 의해서 형성되는 간섭 줄무늬의 조도 불균일의 영향이 경감된다. 또한, 상기의 실시형태의 조명 광학계(ILS)를 스테퍼 등의 스텝 앤드 리피트 방식의 노광 장치에 적용해도 된다. 이 경우에는 도 1의 웨이퍼 스테이지(WST)는 X방향, Y방향으로 스텝 이동하는 기능을 구비하고 있으면 된다. 이와 같이 스텝 앤드 리피트 방식으로 노광을 행하는 경우에는 주사 노광에 의한 조도 불균일의 영향의 저감 효과가 얻어지지 않는다. 이 경우에도 상기의 조명 광학계(ILS)에 의해서 m펄스의 조명광(IL)의 조사마다 레티클면에 조사되는 조명광(IL)의 미세한 간섭 줄무늬의 패턴을 다른 패턴으로 점차 변화시킴으로써, 레티클 상(피조사면)의 조도 불균일, 나아가서는 웨이퍼(W) 상의 노광량의 불균일(적산 노광량의 불균일)을 대폭 저감할 수 있기 때문에, 본 발명의 효과가 특히 크다.
(2) 또한, 도 1의 파면 분할형의 인테그레이터인 플라이 아이 렌즈(15) 대신에, 내면 반사형의 옵티컬 인테그레이터로서의 로드형 인테그레이터를 이용할 수도 있다.
이 경우, 도 7의 (a)의 조명 광학계(ILSA)에서 도시하는 바와 같이, 릴레이 광학계(14)보다도 레티클(R)측에 집광 광학계(51)를 추가하여 공간 광변조기(13)의 반사면[미러 요소(3)의 반사면]의 공역면을 형성하고, 이 공역면 근방에 입사단이 위치 결정되도록 로드형 인테그레이터(50)를 배치한다.
또한, 이 로드형 인테그레이터(50)의 사출 단면 또는 사출 단면 근방에 배치되는 레티클 블라인드(17)(시야 조리개)의 상을 레티클(R)의 패턴면(레티클면) 상에 형성하기 위한 릴레이 광학계[릴레이 렌즈(18), 미러(19) 및 콘덴서 광학계(20)]를 배치한다. 이 외의 조명 광학계(ILSA)의 구성은 도 1의 조명 광학계(ILS)와 마찬가지이다. 도 7의 (a)의 구성의 경우, 2차 광원은 릴레이 광학계(14) 및 집광 광학계(51)의 동면(22)에 형성된다[2차 광원의 허상은 로드형 인테그레이터(50)의 입사단 근방에 형성된다].
(3) 또한, 도 1의 조명 광학계(ILS)에서는 프리즘(12)이 사용되고 있으나, 프리즘(12) 대신에, 반사면(12a, 12b)을 갖는 미러를 조명광(IL)의 광로 상에 설치해도 된다. 또한, 도 7의 (b)에 도시하는 바와 같이 프리즘(12)을 생략해도 된다. 도 7의 (b)의 구성에서는 공간 광변조기(13)의 다수의 미러 요소(3)에 대하여 경사 방향으로부터 조명광(IL)을 조사하고, 다수의 미러 요소(3)에 의해 반사된 조명광(IL)을 광축(AXI)을 따라서 릴레이 광학계(14)를 거쳐 도시하지 않은 플라이 아이 렌즈에 공급하고 있다.
또한, 상기의 실시형태의 노광 장치를 이용하여 반도체 디바이스 등의 디바이스(전자 디바이스, 마이크로 디바이스)를 제조하는 경우, 이 디바이스는 도 8에 도시하는 바와 같이 디바이스의 기능·성능 설계를 행하는 단계 221, 이 설계 단계에 기초한 마스크(레티클)를 제작하는 단계 222, 디바이스의 기재인 기판(웨이퍼)을 제조하는 단계 223, 상술한 실시형태의 노광 장치(100)(투영 노광 장치)에 의해 마스크의 패턴을 기판에 노광하는 공정, 노광한 기판을 현상하는 공정, 현상한 기판의 가열[큐어(cure)] 및 에칭 공정 등을 포함하는 기판 처리 단계 224, 디바이스 조립 단계(다이싱 공정, 본딩 공정, 패키지 공정 등의 가공 프로세스를 포함) 225 및 검사 단계 226 등을 거쳐 제조된다.
바꾸어 말하면, 상기의 디바이스의 제조 방법은 상기의 실시형태의 노광 장치(100)를 이용하여 웨이퍼(W)를 노광하는 공정과, 노광된 웨이퍼(W)를 처리하는 공정(단계 224)을 포함하고 있다.
또한, 그 디바이스 제조 방법은, 리소그래피 공정을 포함하는 디바이스 제조 방법이고, 그 리소그래피 공정에서 상기의 실시형태의 노광 장치(100)를 이용하고 있다. 이들 디바이스 제조 방법에 의하면 노광량 불균일이 저감되어 있기 때문에 디바이스를 고정밀도로 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 예를 들어 국제공개 제 99/49504 호 팜플렛, 국제공개 제 2004/019128 호 팜플렛 등에 개시되는 액침형의 노광 장치에도 적용할 수 있고, 본 발명의 조명 광학 장치는 투영 광학계를 이용하지 않는 프록시미티 방식의 노광 장치 등에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은 반도체 디바이스의 제조 프로세스에의 적용에 한정되지 않고, 예를 들어 액정 표시 소자, 플라즈마 디스플레이 등의 제조 프로세스나 촬상 소자(CMOS형, CCD 등), 마이크로 머신, MEMS(Microelectromechanical Systems : 미소 전기 기계 시스템), 박막 자기 헤드 및 DNA칩 등의 각종 디바이스(전자 디바이스)의 제조 프로세스에도 널리 적용할 수 있다.
또한, 상기의 실시형태의 조명 광학계(조명 광학 장치)는 본 발명의 청구의 범위의 기재에 대응하는 구성 요소를 조명 광학계의 경통 또는 프레임에 편성하여 광학 조정을 하여 배선 등을 행하고, 또한 전기 조정 등을 함으로써 제조할 수 있다. 또한, 상기의 실시형태의 노광 장치는 그 조명 광학계 및 투영 광학계를 노광 장치 본체에 편성하여 광학 조정을 하여, 다수의 기계 부품으로 이루어지는 레티클 스테이지나 웨이퍼 스테이지를 노광 장치 본체에 설치하여 배선이나 배관을 접속하고, 또한 종합 조정(전기 조정, 동작 확인 등)을 함으로써 제조할 수 있다. 또한, 그 노광 장치의 제조는 온도 및 청정도 등이 관리된 클린룸에서 행하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 구성을 취할 수 있다. 또한, 명세서, 특허청구의 범위, 도면 및 요약을 포함하는 2007년 11월 6일자 제출의 일본특허출원 제 2007-289089 호의 모든 개시 내용은 전부 그대로 인용하여 본 발명에 포함되어 있다.
ILS : 조명 광학계 R : 레티클
PL : 투영 광학계 W : 웨이퍼
3 : 미러 요소 7 : 광원
9 : 1/2 파장판 10 : 디폴라라이저
12 : 프리즘 13 : 공간 광변조기
14 : 릴레이 광학계 15 : 플라이 아이 렌즈
30 : 주 제어계 31 : 변조 제어부
50 : 로드형 인테그레이터 100 : 노광 장치

Claims (13)

  1. 광원으로부터의 조명광으로 피조사면을 조명하는 조명광학계로서,
    상기 조명광의 광로를 횡단하는 면을 따라 배치된 복수의 가동반사면을 구비하는 공간 광변조기와,
    상기 공간 광변조기의 상기 복수의 반사면에서 반사된 광을 집광하는 제 1 집광 광학계와,
    상기 제 1 집광 광학계의 후측 초점면에 입사면이 위치하는 플라이아이 광학계와,
    상기 플라이아이 광학계를 거친 광을 집광하여 상기 피조사면을 조명하는 제 2 집광 광학계와,
    상기 공간 광변조기에 입사하는 조명광의 강도분포에 관한 제 1 정보를 이용해서, 상기 공간 광변조기의 상기 복수의 가동반사면의 상태를 제어하는 제어부를 구비하는
    조명광학계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제 1 정보와, 상기 조명광학계의 조명동공면에 형성될 광 강도분포에 관한 제 2 정보를 이용해서, 상기 공간 광변조기의 상기 복수의 가동반사면의 상태를 제어하는
    조명광학계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공간 광변조기의 상기 복수의 반사면은, 상기 제 1 집광 광학계의 전측 초점면에 위치하는
    조명광학계.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제 1 정보를 이용해서, 상기 조명동공면에 형성되는 광 강도분포를 산출하는
    조명광학계.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제 1 정보, 상기 제 2 정보 및 산출된 상기 광 강도분포를 이용해서, 상기 공간 광변조기의 상기 복수의 가동반사면의 상태를 제어하는
    조명광학계.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원으로부터 상기 공간 광변조기를 향하는 광의 강도분포를 검출하는 센서를 더 구비하는
    조명광학계.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 센서가 검출하는 상기 강도분포로부터 상기 제 1 정보를 구하는
    조명광학계.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 센서는, 상기 광원으로부터 상기 공간 광변조기를 향하는 상기 광의 광로에 삽탈가능한
    조명광학계.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공간 광변조기의 상기 복수의 가동반사면은, 상기 제 1 집광 광학계의 전측 초점위치에 배치되는
    조명광학계.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 가동반사면은, 각각이 경사가능한
    조명광학계.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 조명광학계를 구비하고,
    상기 피조사면에 배치되는 패턴을 상기 조명광학계를 이용해서 조명하고, 상기 패턴을 거친 광으로 감광성 기판을 노광하는
    노광장치.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 조명광학계를 이용해서, 상기 피조사면에 배치되는 패턴을 조명하고, 상기 패턴을 거친 광으로 감광성 기판을 노광하는
    노광방법.
  13. 제 12 항에 기재된 노광방법을 이용해서 워크피스를 노광하는 것과,
    노광된 상기 워크피스를 처리하는 것을 포함하는
    디바이스 제조방법.
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