KR20230153245A - 조명 광학계, 노광 장치, 및 물품의 제조 방법 - Google Patents

조명 광학계, 노광 장치, 및 물품의 제조 방법 Download PDF

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KR20230153245A
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켄 미노다
다이스케 코바야시
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캐논 가부시끼가이샤
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Abstract

[과제] 피조명면에서의 조도 균일성의 향상에 유리한 기술을 제안한다.
[해결 수단] 광원으로부터의 광속을 사용해서 피조명면을 조명하는 조명 광학계는, 제1방향으로 주기적으로 배열된 복수의 제1광학요소를 포함하고, 상기 광원으로부터의 광속으로 복수의 이차 광원을 형성하는 인터그레이터와, 상기 복수의 이차 광원으로부터의 광속을 사용해서 상기 피조명면을 조명하기 위한 렌즈와, 제2방향으로 주기적으로 배열된 복수의 제2광학요소를 포함하고, 상기 복수의 제2광학요소의 각각에 의해 상기 광원으로부터의 광속을 발산시켜서 상기 인터그레이터에 입사시키도록, 상기 광원과 상기 인터그레이터와의 사이의 광로상에 배치된 광발산 부재를, 구비하고, 상기 제1방향과 상기 제2방향이 이루는 각도가 0도보다 크고 45도보다 작다.

Description

조명 광학계, 노광 장치, 및 물품의 제조 방법{ILLUMINATION OPTICAL SYSTEM, EXPOSURE APPARATUS, AND ARTICLE MANUFACTURING METHOD}
본 발명은, 조명 광학계, 노광 장치, 및 물품의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 등의 디바이스를 제조하는 포토리소그래피 공정에서는, 일반적으로, 원판(마스크 또는 레티클)에 형성된 패턴을, 감광제를 도포한 기판(실리콘 기판이나 유리 기판)에 전사하는 노광 장치가 사용되고 있다. 노광 장치에서는, 기판에 전사하는 패턴의 미세화가 진행하고, 노광 조건의 약간의 변화이여도, 불량률을 증가시켜, 수율을 저하시키는 요인이 된다. 그 때문에, 원판을 피조명면으로서 조명하는 조명 광학계에 있어서는, 피조명면(조명 영역)에서의 불균일한 조도분포에 기인하여, 기판에 형성되는 패턴의 선폭이 불균일해지는 것을 저감하기 위해서, 양호한 조도 균일성을 달성하는 것이 바람직하다. 이것을 달성하기 위해서, 노광 장치에서는, 로드 렌즈(혹은 라이트 파이프)나 플라이 아이 렌즈라고 한 옵티컬 인터그레이터를 구비한 조명 광학계가 사용될 수 있다.
특허문헌 1에는, 원통형 마이크로 렌즈의 어레이를 포함하는 광 결합기(옵티컬 인터그레이터)를 가지는 조명 광학계가 개시되어 있다. 광 결합기에 입사한 광은, 복수의 광속으로 분할되어, 그 사출면에 복수의 이차 광원을 형성한다. 그리고, 복수의 이차 광원으로부터의 광속은, 콘덴서 렌즈에 의해 집광되어, 원판의 피조명면을 중첩적으로 조명한다. 이에 따라, 피조명면에서의 조도 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 특허문헌 1에 기재된 조명 광학계에서는, 광 결합기의 입사면 근방에, 미소 요소를 배열한 광 산란판이 배치되어 있다. 광 결합기에 입사하는 광속의 각도를 광 산란판에 의해 증대시킴으로써, 피조명면에서의 조도 균일성을 더욱 향상시킬 수 있다. 한편, 광 산란판을 설치하면, 광 결합기와 광 산란판과의 사이의 상호작용에 의해 피조명면에서의 조도 균일성이 저하하는 경우가 있다. 특허문헌 1에서는, 그러한 조도 균일성의 저하를 피하기 위해서, 광 결합기에 있어서의 마이크로 렌즈의 배열 주기를 광 산란판의 미소 요소의 배열 주기의 소수로 하거나, 광 결합기와 광 산란판과의 거리를 광 산란판의 탤봇 거리와 다르게 하거나 한 제안이 이루어져 있다.
특허 제4933671호 공보
최근, 노광 장치에서는, 기판상에 전사하는 패턴의 추가의 미세화등에 따르고, 조명 광학계에 있어서, 피조명면에서의 조도 균일성의 추가의 향상이 요구되고 있다.
그래서, 본 발명은, 피조명면에서의 조도 균일성의 향상에 유리한 기술을 제안하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 측면으로서의 조명 광학계는, 광원으로부터의 광속을 사용하여 피조명면을 조명하는 조명 광학계이며, 제1방향으로 주기적으로 배열된 복수의 제1광학요소를 포함하고, 상기 광원으로부터의 광속으로 복수의 이차 광원을 형성하는 인터그레이터와, 상기 복수의 이차 광원으로부터의 광속을 사용하여 상기 피조명면을 조명하기 위한 렌즈와, 제2방향으로 주기적으로 배열된 복수의 제2광학요소를 포함하고, 상기 복수의 제2광학요소의 각각에 의해 상기 광원으로부터의 광속을 발산시켜서 상기 인터그레이터에 입사시키도록, 상기 광원과 상기 인터그레이터와의 사이의 광로상에 배치된 광발산 부재를, 구비하고, 상기 제1방향과 상기 제2방향이 이루는 각도가 0도보다 크고 45도보다 작은, 것을 특징으로 한다.
본 발명의 추가의 목적 또는 기타의 측면은, 이하, 첨부 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 형태에 의해 밝혀질 것이다.
본 발명에 의하면, 예를 들면, 피조명면에서의 조도 균일성의 향상에 유리한 기술을 제안할 수 있다.
[도1] 노광 장치의 구성 예를 도시한 개략도
[도2] 옵티컬 인터그레이터의 구성 예를 도시한 개략 단면도(ＸＺ평면)
[도3] 옵티컬 인터그레이터의 구성 예를 도시한 개략 단면도(ＸＹ평면)
[도4] 광발산 부재 및 옵티컬 인터그레이터의 구성 예를 도시한 개략 단면도
[도5] 광발산 부재의 발산 각도 분포의 일례를 도시한 도면
[도6] 광발산 부재에 사용되는 ＣＧＨ의 일례를 도시한 도면
[도7] 광발산 부재와 옵티컬 인터그레이터와의 사이의 광전파를 모식적으로 도시한 도면
[도8] 옵티컬 인터그레이터에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 일차원 광발산 부재에 있어서의 광학요소의 배열 방향이 평행한 예를 도시한 도면
[도9] 옵티컬 인터그레이터에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 일차원 광발산 부재에 있어서의 광학요소의 배열 방향이 비평행한 예를 도시한 도면
[도10] 옵티컬 인터그레이터에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 이차원 광발산 부재에 있어서의 광학요소의 배열 방향이 평행한 예를 도시한 도면
[도11] 옵티컬 인터그레이터에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 이차원 광발산 부재에 있어서의 광학요소의 배열 방향이 비평행한 예를 도시한 도면
[도12] 각도θ를 변화시켰을 때의 피조명면상에 있어서의 적산 조도분포의 ＰＶ값의 변화에 관한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면
[도13] 옵티컬 인터그레이터에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 광발산 부재에 있어서의 광학요소의 배열 방향이 비평행한 예를 도시한 도면
[도14] 제2실시 형태의 옵티컬 인터그레이터의 구성 예를 도시한 개략 단면도(ＸＺ평면)
[도15] 제2실시 형태의 옵티컬 인터그레이터의 구성 예를 도시한 개략 단면도(ＸＹ평면)
[도16] 제2실시 형태에 있어서, 옵티컬 인터그레이터에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 이차원 광발산 부재에 있어서의 광학요소의 배열 방향이 평행한 예를 도시한 도면
[도17] 제2실시 형태에 있어서, 옵티컬 인터그레이터에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 이차원 광발산 부재에 있어서의 광학요소의 배열 방향이 비평행한 예를 도시한 도면
이하, 첨부 도면을 참조하여 실시 형태를 상세히 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태는 특허청구의 범위에 관계되는 발명을 한정하는 것이 아니다. 실시 형태에는 복수의 특징이 기재되어 있지만, 이것들의 복수의 특징의 모두가 발명에 필수적인 것이라고는 할 수 없고, 또한, 복수의 특징은 임의로 조합되어도 좋다. 더욱이, 첨부 도면에 있어서는, 동일 또는 마찬가지의 구성에 동일한 참조 번호를 첨부하여, 중복된 설명은 생략한다.
본 명세서 및 첨부 도면에서는, 기판의 표면(상면)에 평행한 방향을 ＸＹ평면으로 하는 ＸＹＺ좌표계로 방향을 나타낸다. ＸＹＺ좌표계에 있어서의 X축, Y축 및 Z축의 각각에 평행한 방향을 X방향, Y방향 및 Z방향이라고 하고, X축주변의 회전, Y축주변의 회전 및 Z축주변의 회전의 각각을, θX, θY 및 θZ라고 한다. X축, Y축, Z축에 관한 제어 및 구동(이동)은, 각각, X축에 평행한 방향, Y축에 평행한 방향, Z축에 평행한 방향에 관한 제어 또는 구동(이동)을 의미한다. 또한, θX축, θY축, θZ축에 관한 제어 또는 구동은, 각각, X축에 평행한 축주변의 회전, Y축에 평행한 축주변의 회전, Z축에 평행한 축주변의 회전에 관한 제어 또는 구동을 의미한다.
<제1실시 형태>
본 발명에 관계되는 제1실시 형태에 대해서 설명한다. 도1은, 본 실시 형태의 노광 장치ＥＸ의 구성 예를 도시한 개략도다. 노광 장치ＥＸ는, 반도체 소자 등의 디바이스의 제조 공정에 사용되고, 기판상에 패턴을 형성하는 리소그래피 장치다. 노광 장치ＥＸ는, 본 실시 형태에서는, 원판(18)과 기판(21)을 주사 방향으로 이동시키면서 기판(21)을 노광(주사 노광)하고, 원판(18)의 패턴을 기판상에 전사하는 스텝·앤드·스캔 방식의 노광 장치(스캐너)이다. 단, 노광 장치ＥＸ는, 스텝·앤드·리피트 방식이나 그 밖의 노광 방식을 채용하는 것도 가능하다.
노광 장치ＥＸ는, 도1에 도시한 바와 같이, 광원(1)으로부터의 광으로 원판(18)(레티클 또는 마스크)을 조명하는 조명 광학계ＩＬ과, 원판(18)의 패턴을 기판(21)(웨이퍼 또는 유리 플레이트)에 투영하는 투영 광학계(20)를 가진다. 또한, 노광 장치ＥＸ는, 원판(18)을 보유하여 이동하는 원판 스테이지(19)와, 기판(21)을 보유하여 이동하는 기판 스테이지(22)와, 제어부ＣＮＴ를, 가진다.
광원(1)은, 예를 들면, 파장 약 193ｎｍ의 ＡｒＦ엑시머 레이저나 파장 약 248ｎｍ의 ＫｒＦ엑시머 레이저 등을 포함하고, 원판(18)을 조명하기 위한 광(노광 광)을 사출한다. 또한, 광원(1)은 초고압 수은 램프나 ＬＥＤ(발광 다이오드)이여도 좋다.
조명 광학계ＩＬ은, 인도 광학계(2)와, 사출각도 보존 광학소자(4)와, 회절광학 소자(5)와, 콘덴서 렌즈(6)와, 프리즘 유닛(8)과, 줌렌즈 유닛(9)을 포함한다. 또한, 조명 광학계ＩＬ은, 옵티컬 인터그레이터(100)(인터그레이터)와, 개구조리개(11)와, 콘덴서 렌즈(12)와, 시야조리개(13)와, 마스킹 유닛(15)과, 결상광학계(16)와, 절곡 미러(17)를 포함한다.
인도 광학계(2)는, 광원(1)으로부터의 광을, 절곡 미러(3)를 통하여, 사출각도 보존 광학소자(4)에 인도한다. 사출각도 보존 광학소자(4)는, 회절광학 소자(5)의 광원측에 설치되고, 플라이 아이 렌즈, 마이크로렌즈 어레이나 파이버 다발 등의 옵티컬 인터그레이터를 포함한다. 사출각도 보존 광학소자(4)는, 광원(1)으로부터의 광을, 그 발산 각도를 일정하게 유지하면서 회절광학 소자(5)에 인도한다. 사출각도 보존 광학소자(4)는, 광원(1)의 출력 변동이 회절광학 소자(5)에 의해 형성되는 광강도 분포(패턴 분포)에 미치는 영향을 저감한다.
회절광학 소자(5)는, 조명 광학계ＩＬ의 동공면과 푸리에 변환의 관계에 있는 면에 배치되어 있다. 회절광학 소자(5)는, 투영 광학계(20)의 동공면과 공역한 면인 조명 광학계ＩＬ의 동공면이나 조명 광학계ＩＬ의 동공면과 공역한 면에, 광원(1)으로부터의 광의 광강도 분포를 회절 작용에 의해 변환해서 원하는 광강도 분포를 형성한다. 회절광학 소자(5)는, 회절 패턴면에 원하는 회절 패턴이 얻어지도록 계산기로 설계된 계산기 생성 홀로그램(ＣＧＨ:Computer Generated Hologram)으로 구성되어 있어도 좋다. 본 실시 형태에서는, 투영 광학계(20)의 동공면에 형성되는 광원형상을 유효광원 형상이라고 칭한다. 또한, 「유효광원」이란, 피조명면 및 피조명면의 공역면에 있어서의 광강도 분포 또는 광각도 분포를 의미한다.
조명 광학계ＩＬ에는, 복수의 회절광학 소자(5)가 설치되어도 좋다. 예를 들면, 복수의 회절광학 소자(5)의 각각은 터렛(도시되지 않음)의 복수의 슬롯에 대응하는 1개에 부착되어(탑재되어), 임의의 회절광학 소자(5)를 조명 광학계ＩＬ의 광로에 배치한다. 복수의 회절광학 소자(5)는, 각각, 다른 유효광원 형상을 형성한다. 이것들의 유효광원 형상은, 소원형 형상(비교적 작은 원형형상), 대원형 형상(비교적 큰 원형형상), 윤대형상, 2중극 형상, 4중극 형상, 그 밖의 형상을 포함한다. 윤대형상, 2중극 형상 또는 4중극 형상의 유효광원 형상으로 피조명면을 조명하는 방법은, 변형 조명이라고 불린다.
사출각도 보존 광학소자(4)로부터의 광은, 회절광학 소자(5)에서 회절되어, 콘덴서 렌즈(6)에 인도된다. 콘덴서 렌즈(6)는, 회절광학 소자(5)에서 회절된 광을 집광하여, 회절면(7)에 회절 패턴(광강도 분포)을 형성한다. 회절면(7)은, 회절광학 소자(5)와 광학적으로 푸리에 변환의 관계에 있는 면이다. 조명 광학계ＩＬ의 광로에 배치되는 회절광학 소자(5)를 교환함으로써, 회절면(7)에 형성되는 광강도 분포의 형상을 변경할 수 있다.
회절면(7)에 형성된 광강도 분포는, 프리즘 유닛(8) 및 줌렌즈 유닛(9)을 통과하고, 절곡 미러(10)를 통하여, 옵티컬 인터그레이터(100)에 인도된다. 프리즘 유닛(8)은, 회절면(7)에 형성된 광강도 분포를, 윤대율 등을 조정하여 줌렌즈 유닛(9)에 인도한다. 줌렌즈 유닛(9)은, 회절면(7)에 형성된 광강도 분포를, 거의 상사형을 유지하면서 확대 또는 축소하여 옵티컬 인터그레이터(100)에 인도한다. 옵티컬 인터그레이터(100)는, 광원(1)(구체적으로는 줌렌즈 유닛(9))으로부터의 광속을 분할해서 사출하고, 그 사출면에 복수(다수)의 이차 광원을 형성한다.
또한, 본 실시 형태의 조명 광학계ＩＬ에서는, 광원(1)(구체적으로는 줌렌즈 유닛(9))과 옵티컬 인터그레이터(100)와의 사이의 광로상에 광발산 부재(200)가 배치된다. 광발산 부재(200)는, 옵티컬 인터그레이터(100)의 입사면 근방에 배치되어 있고, 광원(1)(구체적으로는 줌렌즈 유닛(9))으로부터의 광속을 발산시켜서 옵티컬 인터그레이터(100)에 입사시킨다. 옵티컬 인터그레이터(100) 및 광발산 부재(200)의 상세한 구성에 대해서는 후술한다. 또한, 「광속의 발산」이란, 광속의 산란 혹은 확산으로서 이해되어도 좋고, 이 경우, 광발산 부재(200)는, 광 산란 부재 혹은 광확산 부재로서 이해되어도 좋다.
개구조리개(11)는, 옵티컬 인터그레이터(100)의 사출면의 근방, 다시 말해, 조명 광학계ＩＬ의 동공면에 배치되어 있다. 콘덴서 렌즈(12)는, 옵티컬 인터그레이터(100)에 의해 형성된 복수의 이차 광원으로부터의 광속을 집광하고, 콘덴서 렌즈(12)의 피조명면인 중간 조명면(14)을 중첩적으로 조명한다. 광속을 옵티컬 인터그레이터(100)에 입사해서 콘덴서 렌즈(12)로 집광하면, 중간 조명면(14)은, 거의 직사각형 형상의 광강도 분포로 조명된다. 또한, 결상광학계(16)는, 복수의 렌즈를 포함하고, 중간 조명면(14)에 형성된 광강도 분포를, 절곡 미러(17)를 통하여, 조명 광학계ＩＬ의 피조명면인 원판(18)에 투영한다. 즉, 콘덴서 렌즈(12) 및 결상광학계(16)는, 옵티컬 인터그레이터(100)에 의해 형성된 복수의 이차 광원으로부터의 광속을 사용하여 원판(18)(피조명면)을 조명하기 위한 렌즈(렌즈 군)를 구성한다. 또한, 원판(18)과 중간 조명면(14)은, 광학적으로 공역한 관계로 되어 있다.
마스킹 유닛(15)은, 중간 조명면(14)에 배치되어 있다. 마스킹 유닛(15)은, 원판 스테이지(19)에 보유된 원판(18)의 조명 범위를 규정하기 위해서 배치되어, 원판 스테이지(19) 및 기판 스테이지(22)에 동기해서 주사된다. 도1에 있어서, 마스킹 유닛(15)의 주사 방향은, Z방향이며, 원판(18) 및 기판(21)의 주사 방향은, X방향이다.
시야조리개(13)는, 중간 조명면(14) 및 마스킹 유닛(15)으로부터 조명 광학계ＩＬ의 광축방향(X방향)으로 떨어진 위치에 설치되어 있다. 시야조리개(13)는, 콘덴서 렌즈(12)의 피조명면인 중간 조명면(14)의 주사 방향(시야조리개(13)의 위치에 있어서의 Ｚ방향)의 조명 범위를 규정한다. 시야조리개(13)는, 중간 조명면(14)으로부터 조명 광학계ＩＬ의 광축방향으로 떨어진 위치에 설치되기 때문에, 시야조리개(13)에 의해 일부가 차광된 광은, 중간 조명면(14)에 있어서, 주사 방향으로 대략 사다리꼴 형상의 광강도 분포를 가진다. 이에 따라, 노광 장치ＥＸ에 있어서, 광원(1)이 펄스 광원일 경우에, 주사 속도 또는 펄스 발진의 타이밍이 어긋났을 경우에 생기는 노광 불균일의 영향을 저감할 수 있다.
여기에서, 본 실시 형태에서는, 시야조리개(13)는, 중간 조명면(14)의 근방에 배치되어 있지만, 피조명면인 원판(18)의 근방에 배치되어 있어도 좋다. 또한, 본 실시 형태에서는, 시야조리개(13)는, 중간 조명면(14)보다 광원측에 배치되어 있지만, 이것에 한정되는 것이 아니고, 중간 조명면(14)보다 원판(18)측에 배치되어 있어도 좋다. 더욱이, 시야조리개(13)는, 주사 방향의 개구 폭을, 주사 방향에 직교하는 방향(비주사 방향(Y방향))마다 변경 가능한 가변 시야조리개이여도 좋다. 시야조리개(13)의 주사 방향의 개구 폭을 변경함으로써, 조명 영역에 형성되는 광강도 분포의 주사 방향의 길이를 변경할 수 있다. 이에 따라, 주사 노광시의 비주사 방향에 관한 적산 노광량의 불균일을 보정할 수 있다.
투영 광학계(20)는, 복수의 광학부재(렌즈나 미러 등의 광학소자)를 포함하고, 원판(18)의 패턴을 기판(21)에 투영한다. 원판(18)의 패턴의 해상력은, 투영 광학계(20)의 개구수(ＮＡ) 및 유효광원 형상에 의존한다. 원판(18)은, 투영 광학계(20)의 물체면에 배치되고, 기판(21)은, 투영 광학계(20)의 상(象)면에 배치되어 있다. 또한, 제어부ＣＮＴ는, 예를 들면 ＣＰＵ(Central Processing Unit)등의 처리부와, 메모리 등의 기억부를 가지는 컴퓨터에 의해 구성되어, 노광 장치(100)의 각 부를 제어함으로써, 기판(21)의 주사 노광을 제어한다.
상기한 바와 같이 구성된 노광 장치ＥＸ에서는, 주사 노광에 있어서, 광원(1)으로부터 사출된 광은, 조명 광학계ＩＬ에 의해, 원판 스테이지(19)에 보유된 원판(18)을 조명한다. 그리고, 조명 광학계ＩＬ에 의해 조명된 원판(18)의 패턴은, 투영 광학계(20)에 의해, 기판 스테이지(22)에 보유된 기판(21)에 결상된다. 이때, 원판(18)과 기판(21)을 투영 광학계(20)의 결상 배율비에 따른 속도비로 주사함으로써, 원판(18)의 패턴을 기판(21)에 전사할 수 있다.
[옵티컬 인터그레이터의 구성]
이하, 조명 광학계ＩＬ에 있어서의 옵티컬 인터그레이터(100)의 구성 예에 대해서 설명한다. 도2∼도3은, 옵티컬 인터그레이터(100)의 구성 예를 도시한 개략 단면도다. 도2는, ＸＺ평면에 있어서의 옵티컬 인터그레이터(100)의 단면을 도시하고, 도3은, ＸＹ평면에 있어서의 옵티컬 인터그레이터(100)의 단면을 도시하고 있다.
옵티컬 인터그레이터(100)는, 주사 방향(Z방향, 제3방향)과 비주사 방향(Y방향, 제1방향)으로 주기적으로 배열된 복수의 광학요소(제1광학요소)를 포함한다. 비주사 방향은, 주사 방향(Z방향)에 교차하는 방향일 수 있지만, 본 실시 형태에서는, 주사 방향(Z방향)에 직교하는 방향(Y방향)으로서 규정될 수 있다. 또한, 본 실시 형태의 옵티컬 인터그레이터(100)는, 도2∼도3에 도시한 바와 같이, 입사측 광학소자인 입사측 인터그레이터 101∼102와, 사출측 광학소자인 사출측 인터그레이터 103∼104로 구성되어 있다.
입사측 인터그레이터(101)와 사출측 인터그레이터(103)로 이루어지는 조는, 주사 방향(Z방향)으로 주기적으로 배열된 복수의 광학요소(제1광학요소)를 포함하는 인터그레이터로서 구성된다. 입사측 인터그레이터(101) 및 사출측 인터그레이터(103)는, 주사 방향(Z방향)으로만 곡률을 가지는 복수의 실린드리칼 요소 렌즈 101e 및 103e가 복수의 광학요소로서 주사 방향으로 배열된 실린드리칼 렌즈 어레이다. 입사측 인터그레이터(101)의 각 실린드리칼 요소 렌즈 101e와, 사출측 인터그레이터(103)의 각 실린드리칼 요소 렌즈 103e는, 각각 대응 관계에 있다.
한편, 입사측 인터그레이터(102)와 사출측 인터그레이터(104)로 이루어지는 조는, 비주사 방향(Y방향)으로 주기적으로 배열된 복수의 광학요소(제1광학요소)를 포함하는 인터그레이터로서 구성된다. 입사측 인터그레이터(102) 및 사출측 인터그레이터(104)는, 비주사 방향(Y방향)으로만 곡률을 가지는 복수의 실린드리칼 요소 렌즈 102e 및 104e가 복수의 광학요소로서 비주사 방향으로 배열된 실린드리칼 렌즈 어레이다. 입사측 인터그레이터(102)의 각 실린드리칼 요소 렌즈 102e와, 사출측 인터그레이터(104)의 각 실린드리칼 요소 렌즈 104e는, 각각 대응 관계에 있다. 또한, 이하에서는, 옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 실린드리칼 요소 렌즈를, 간단히 "요소 렌즈"라고 표기하는 경우가 있다.
옵티컬 인터그레이터(100)에 입사한 입사 광속은, 입사측 인터그레이터 101∼102에 의해, 각각 주사 방향과 비주사 방향으로, 복수(다수)의 광속으로 분할된다. 구체적으로는, 해당 입사 광속은, 입사측 인터그레이터 101∼102의 각 요소 렌즈 101e∼102e에 의해, 각 요소 렌즈 101e∼102e에 입사한 위치에 따른 각도를 가지고서 집광, 사출된다. 그리고, 각 요소 렌즈 101e∼102e에 각각 대응하는 사출측 인터그레이터 103∼104의 각 요소 렌즈 103e∼104e에 입사한다. 사출측 인터그레이터 103∼104의 작용에 의해, 입사측 인터그레이터 101∼102에의 입사 각도에 상관없이, 입사측 인터그레이터의 각 요소 렌즈의 같은 위치에 입사한 광은, 사출측 인터그레이터로부터 동일한 각도로 사출한다. 이렇게 하여, 옵티컬 인터그레이터(100)의 사출면(의 근방)에는, 복수의 (다수)의 이차 광원이 형성된다. 다시 말해, 옵티컬 인터그레이터(100)는, 파면분할형 옵티컬 인터그레이터로서 기능한다.
옵티컬 인터그레이터(100)(사출측 인터그레이터(104))의 사출면의 근방에는, 개구조리개(11)가 배치되어 있다. 개구조리개(11)의 위치는, 콘덴서 렌즈(12)의 동공면에 상당한다. 옵티컬 인터그레이터(100)를 사출하여 개구조리개(11)를 통과한 광속은, 도1에 도시한 바와 같이, 콘덴서 렌즈(12)에서 집광되어, 중간 조명면(14)을 중첩적으로 조명하고, 쾰러 조명을 구성한다. 이것에 의해, 중간 조명면(14)에는 높은 조도 균일성을 가지는 조명 분포가 형성된다.
스텝·앤드·스캔 방식의 노광 장치에 있어서는, 투영 광학계(20)의 양호 상영역을 작게 해서 투영 광학계(20)의 설계 및 제조 난이도나 가격을 저감하기 위해서, 원판(18)을 직사각형의 조명 영역에서 조명한다. 원판(18)의 공역면인 중간 조명면(14)에 형성되는 조명 영역의 크기는, 옵티컬 인터그레이터(100)의 사출면에 형성되는 이차 광원으로부터 발산되는 광의 최대각도로 결정된다. 따라서, 중간 조명면(14)에 직사각형의 조명 영역을 형성하기 위해서는, 전술의 이차 광원으로부터의 광속의 발산각을 주사 방향과 비주사 방향에서 다르게 하는 것이 필요하다.
본 실시 형태에서는, 옵티컬 인터그레이터(100)의 주사 방향의 초점거리와 비주사 방향의 초점거리를 다르게 하고 있다. 구체적으로는, 옵티컬 인터그레이터(100)의 주사 방향의 초점거리ｆｓ를 비주사 방향의 초점거리ｆｎ보다도 길게 하고 있다. 스텝·앤드·스캔 방식의 노광 장치에 있어서의 직사각형의 조명 영역의 주사 방향과 비주사 방향과의 애스펙트비는, 전형적으로는 1:2 내지 1:10의 사이이지만, 적절히 적합한 애스펙트비가 선택될 수 있다.
여기에서, 직사각형의 조명 영역을 형성하기 위한 구성은, 각 요소 렌즈의 초점거리를 주사 방향과 비주사 방향에서 다르게 하는 구성에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 입사측 인터그레이터 101∼102의 각 요소 렌즈의 폭을 주사 방향과 비주사 방향에서 다르게 하는 구성으로 하여도 좋고, 각 요소 렌즈의 폭 및 초점거리의 양쪽을 주사 방향과 비주사 방향에서 다르게 하는 구성으로 하여도 좋다. 또한, 도2∼도3에 도시한 옵티컬 인터그레이터(100)는, 실린드리칼 요소 렌즈를 배열한 실린드리칼 렌즈 어레이로 구성되어 있지만, 이것에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 1매의 기판에 복수의 원통면이 일체적으로 형성된 실린드리칼 렌즈 어레이로 구성되어도 좋다. 원통면은, 비구면 형상이여도 좋고, 원통면과 같은 굴절력을 가지는 회절면이여도 좋다.
[광발산 부재의 구성/기능]
이하, 조명 광학계ＩＬ에 있어서의 광발산 부재(200)의 구성 및 기능에 대해서, 도4를 참조하면서 설명한다. 도4는, 광발산 부재(200) 및 옵티컬 인터그레이터(100)의 구성 예를 도시한 개략 단면도이며, ＸＺ평면에 있어서의 단면을 도시하고 있다.
광발산 부재(200)는, 주기적으로 배열된 복수의 광학요소(제2광학요소)(201)를 포함하고, 복수의 광학요소(201)의 각각에 의해 줌렌즈 유닛(9)으로부터의 광속의 각도분포를 넓혀서(즉, 발산시켜서) 옵티컬 인터그레이터(100)에 입사시킨다. 광발산 부재(200)에 있어서의 복수의 광학요소(201)는, 복수의 미소 요소로서, 일방향(제2방향)과 해당 일방향에 교차(직교)하는 방향(제4방향)으로 주기적으로 배열되어 있다. 여기에서, 도4의 예에서는, 광발산 부재(200)는, 옵티컬 인터그레이터(100)의 입사면 근방에 배치되어 있지만, 이것에 한정되지 않고, 결상계를 통해 옵티컬 인터그레이터(100)의 입사면 혹은 그 근방과 공역한 면에 배치되어 있어도 좋다.
광발산 부재(200)를 설치하는 제1 목적은, 옵티컬 인터그레이터(100)를 구성하는 재료를 파괴할 가능성이 있는 높은 광 에너지 밀도가 사출측 인터그레이터 103∼104에 생기는 것을 회피하는 것이다. 도2∼도3을 사용하여 상술한 바와 같이, 옵티컬 인터그레이터(100)에서는, 입사측 인터그레이터 101∼102에 의해 집광된 광속이 사출측 인터그레이터 103∼104의 근방 또는 내부에 초점을 맺는다. 이것에 의해 사출측 인터그레이터 103∼104에는 높은 광 에너지 밀도가 발생하게 된다. 옵티컬 인터그레이터(100)에 입사하는 광속의 각도분포가 커지면, 그것에 따라, 사출측 인터그레이터 103∼104에서의 광속이 넓혀지기 때문에, 사출측 인터그레이터 103∼104에서의 광 에너지 밀도를 저감할 수 있다.
광발산 부재(200)를 설치하는 제2 목적은, 옵티컬 인터그레이터(100)에 의한 중첩 효과를 향상시키고, 피조명면에서 보다 조도 균일성이 높은 조명 분포를 형성하는 것이다. 옵티컬 인터그레이터(100)에 입사하는 광속의 각도분포가 작을 경우, 옵티컬 인터그레이터(100)에 입사한 광속은, 옵티컬 인터그레이터(100)의 각 요소 렌즈의 거의 같은 위치를 통과해서 사출된다. 이때, 각 요소 렌즈의 제조 오차 등에 의해, 면형상의 미세한 어긋남이나 약간의 흠 등이 있으면, 중간 조명면(14)에 형성되는 조도분포는, 그것들을 반영한 분포로 되어버린다. 옵티컬 인터그레이터(100)에 입사하는 광속의 각도분포가 커지면, 옵티컬 인터그레이터(100)의 각 요소 렌즈에 있어서의 여러 가지 위치를 통과해서 광속이 사출된다. 즉, 옵티컬 인터그레이터(100)의 각 요소 렌즈에 있어서의 광속의 통과 범위가 넓어진다. 그 결과, 전술한 제조 오차의 영향이 평균화되어서, 중간 조명면(14)에 형성되는 조도분포에 있어서 높은 조도 균일성을 얻을 수 있다.
이상적으로는, 광발산 부재(200)는, 입사측 인터그레이터 101∼102의 각 요소 렌즈 101e∼102e를 사출한 광속이, 사출측 인터그레이터 103∼104의 대응하는 각 요소 렌즈 103e∼104e의 전체면을 비추도록 구성되면 좋다. 즉, 입사측 인터그레이터 101∼102의 각 요소 렌즈로부터 사출된 광속이, 사출측 인터그레이터 103∼104의 대응하는 각 요소 렌즈의 전체면에 입사하도록, 광발산 부재(200)의 발산 각도(산란 각도, 개구수)가 결정 또는 선택되면 좋다.
한편으로, 옵티컬 인터그레이터(100)에 입사하는 광속의 각도가 지나치게 커지면, 입사측 인터그레이터 101∼102의 각 요소 렌즈를 사출한 광이, 사출측 인터그레이터 103∼104의 대응하지 않는 요소 렌즈에 입사해버린다. 그 결과, 피조명면에 있어서의 조도 균일성의 저하를 초래하거나, 조명 효율을 저하시키거나 할 가능성이 있다.
여기에서, 광발산 부재(200)에 있어서의 광속의 발산 각도에 대해서 설명한다. 입사측 인터그레이터 101∼102의 각 요소 렌즈를 사출한 광속을, 사출측 인터그레이터 103∼104의 대응하는 각 요소 렌즈의 전체면에 입사시킬 수 있는 상한의 개구수를 입사 허용 ＮＡ라고 규정한다. 해당 개구수는, 옵티컬 인터그레이터(100)에 입사하는 광속의 각도를 나타내는 지표다. 이때, 옵티컬 인터그레이터(100)의 각 요소 렌즈의 지름(폭)을 D, 입사측 인터그레이터 101∼102의 각 요소 렌즈의 초점거리를 f라고 하면, 입사 허용 ＮＡ=D/2×1/f가 된다.
옵티컬 인터그레이터(100)에 입사하는 광속의 개구수는, 입사측 인터그레이터의 각 요소 렌즈를 사출한 광이 사출측 인터그레이터의 대응하는 각 요소 렌즈의 될 수 있는 한 넓은 범위를 비추면서, 입사 허용 ＮＡ를 초과하지 않도록 설정되는 것이 바람직하다. 따라서, 광발산 부재(200)에 입사하는 광속의 개구수를 ＮＡｉ라고 했을 때, 광발산 부재(200)의 발산 개구수ＮＡｓｃ은, 이하의 (식1)을 충족시키도록 설정되면 좋다. 발산 개구수ＮＡｓｃ은, 광발산 부재(200)에 있어서의 광속의 발산 각도를 나타내는 지표다.
0.5×D/2×1/f-ＮＡｉ <ＮＡｓｃ <D/2×1/f-ＮＡｉ (식1)
전술한 대로, 직사각형의 조명 영역을 형성하기 위해서는, 옵티컬 인터그레이터(100)의 요소 렌즈의 초점거리를 주사 방향과 비주사 방향에서 다르게 하든가, 요소 렌즈의 지름(폭)을 주사 방향과 비주사 방향에서 다르게 하든가, 혹은 그 양쪽이 필요해진다. 즉, (식1)에 있어서의 지름D 및/또는 초점거리f가 주사 방향과 비주사 방향에서 다르도록, 광발산 부재(200)의 개구수ＮＡｓｃ을 주사 방향과 비주사 방향에서 다르게 하면 좋다.
도5는, 본 실시 형태의 광발산 부재(200)의 발산 각도분포(산란 각도분포)를 도시하고 있다. 본 실시 형태의 광발산 부재(200)는, 도5에 도시한 바와 같이, 실질적으로 직사각형의 발산 각도분포를 가지고 있다.
종래에서는, 광발산 부재(광 산란 부재)의 제작 방법으로서, 예를 들면, 연삭 혹은 황삭, 혹은 에칭 등에 의해 랜덤한 표면을 형성하는 방식이나, 내부에 산란 재료를 분산시키는 방식이 사용되고 있다. 그렇지만, 이러한 종래의 제작 방법에서는, 통상, 등방적으로 큰 발산 각도분포를 생성하기 때문에, 도5에 도시한 것 같은 직사각형의 발산 각도분포를 형성하는 것은 곤란하다.
그 때문에, 본 실시 형태의 광발산 부재(200)는, 예를 들면 도4에 도시한 바와 같이, 복수의 광학요소(201)로서, 미소 요소인 복수의 오목면 마이크로 렌즈의 주기적인 배열을 1매의 기판(플레이트)에 일체적으로 형성함으로써 구성될 수 있다. 오목면 마이크로 렌즈의 주기는, 예를 들면 0.1mm 내지 1mm의 사이이며, 연삭이나 에칭 등의 기술을 사용해서 형성될 수 있다. 또한, 도5와 같은 직사각형의 발산 각도분포를 형성하기 위해서는, 서로 교차(예를 들면, 직교)하는 2개의 방향(제2방향, 제4방향)으로 복수의 오목면 마이크로 렌즈가 주기적으로 배열하고 있을 필요가 있다. 그리고, 복수의 오목면 마이크로 렌즈에 있어서의 초점거리 및/또는 지름(폭)이 해당 2개의 방향에서 다를 필요가 있다.
여기에서, 광발산 부재(200)에 있어서의 복수의 광학요소(201)로서는, 복수의 오목면 마이크로 렌즈에 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 복수의 볼록면 마이크로 렌즈가 사용되어도 좋다. 이 경우에는, 각 볼록면 마이크로 렌즈의 초점에 있어서 광강도 분포가 이산적으로 되어 버리기 때문에, 각 볼록면 마이크로 렌즈의 초점보다 충분히 떨어진 위치에 옵티컬 인터그레이터(100)를 배치하는 것이 바람직하다. 광발산 부재(200)는, 입사한 광속을 회절하는 것으로 발산시키는 회절광학 소자이여도 좋다.
또한, 본 실시 형태의 광발산 부재(200)에 ＣＧＨ(Computer Generated Hologram)가 사용되어도 좋다. ＣＧＨ는, 예를 들면 도6에 도시한 것 같은 위상분포를 가지는 단위회절 셀(202)을 각 광학요소(201)로서 규칙적으로 배열한 홀로그램 소자이며, 도5에 도시한 것 같은 직사각형의 발산 각도분포를 생성할 수 있다. ＣＧＨ의 단위회절 셀의 크기(배열 주기)는, 예를 들면 0.1mm 내지 수mm정도이며, 석영 등의 기판상에 기지의 몰딩 기술이나 리소그래피 기술 등을 사용해서 위상분포가 형성된다. 위상분포의 픽셀 사이즈는, 예를 들면 0.1μm 내지 수μm이다.
더욱이, 광발산 부재(200)의 발산 각도분포는, 도5에 도시한 것 같은 직사각형의 발산 각도분포에 한정되지 않고, 일방향으로만 발산 각도분포를 가지는 것이여도 좋다. 스텝·앤드·스캔 방식의 노광 장치에 있어서는, 주사 방향의 조도분포는 주사 노광에 의해 평균화되기 때문에, 특히 비주사 방향의 조도분포의 균일성이 중요해진다. 따라서, 광발산 부재(200)는, 비주사 방향으로만 광을 발산시키는 것이여도 좋다. 그 구체적인 구성으로서는, 비주사 방향으로 곡률을 가지는 마이크로 실린드리칼 렌즈 어레이나, 비주사 방향으로만 광을 회절시키는 일차원ＣＧＨ가 있지만, 이것들에 한정되지 않고, 적절히 적합한 발산 수단이 사용될 수 있다.
그런데, 상술한 바와 같이 단위구조가 일정 주기로 배열된 광발산 부재(200)를 사용할 경우, 요소 렌즈가 일정 주기로 배열된 옵티컬 인터그레이터(100)와의 상호작용에 의해, 피조명면에서의 조도 불균일이 저하하는 경우가 있다.
도7은, 광발산 부재(200)의 각 광학요소(201)와 옵티컬 인터그레이터(100)의 입사측 인터그레이터(101) 사이의 광전파를 모식적으로 도시한 도다. 도7에서는, 광발산 부재(200)의 각 광학요소(201)로서, 오목면 마이크로 렌즈가 사용되고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 상술한 바와 같이, 볼록면 마이크로 렌즈가 사용되어도 좋고, ＣＧＨ의 단위회절 셀이 사용되어도 좋다. 또한, 광발산 부재(200)로서 회절광학 소자가 사용되어도 좋다.
광발산 부재(200)에 있어서의 복수의 광학요소(201)는, 도7에 파선으로 도시한 바와 같이, 서로 상이한 발산 광속(산란 광속)을 생성한다. 도7에서는, 옵티컬 인터그레이터(100)(입사측 인터그레이터(102))에 있어서의 요소 렌즈(제1광학요소)의 배열 주기(P1)를 Ｐｆｉ로 도시하고, 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)(제2광학요소)의 배열 주기(P2)를 Ｐｓｃ로 도시하고 있다. 입사측 인터그레이터(102)의 입사면에는, 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 주기Ｐｓｃ에 따라서 명부와 암부가 주기적으로 반복되는 조도분포(이하, 주기적인 조도분포라고 표기하는 경우가 있다)가 생성된다.
옵티컬 인터그레이터(100)의 입사면에 생성되는 주기적인 조도분포는, 옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 요소 렌즈의 배열 주기로 분할되어서 피조명면상에 중첩되게 된다. 그 때문에, 배열 주기Ｐｓｃ와 배열 주기Ｐｆｉ와의 비를 표현하는 Ｐｓｃ/Ｐｆｉ(즉, P1/P2)이 1/2, 1/3, 2/5와 같은 유리수로 되는 경우에는, 피조명면상에 같은 조도분포가 반복해 중첩된다. 즉, 피조명면상에 주기적인 조도분포가 형성되기 쉬워진다. 여기에서, 기약분수로 했을 때의 Ｐｓｃ/Ｐｆｉ의 분자는, 입사측 인터그레이터(101)의 입사면상에서 몇 개의 요소 렌즈(101e)마다 같은 조도분포가 반복하는가를 의미하고 있다. 그 때문에, Ｐｓｃ/Ｐｆｉ의 기약분수형에 있어서의 분자가 될 수 있는 한 커지도록, Ｐｓｃ와 Ｐｆｉ가 선택되는 것이 바람직하다. 바람직하게는 Ｐｓｃ/Ｐｆｉ의 기약분수형에 있어서의 분자는 10이상이다.
한편, Ｐｓｃ/Ｐｆｉ가 무리수로 되는 경우에는, 어느 쪽의 요소 렌즈(101e)에 있어서도 같은 조도분포가 반복되지 않는다. 그 때문에, 보다 바람직하게는 Ｐｓｃ/Ｐｆｉ가 무리수이면 좋다. 단, Ｐｓｃ/Ｐｆｉ를 무리수라고 했다고 한들, Ｐｓｃ와 Ｐｆｉ가 가까운 값일 경우에는, 광발산 부재(200)에 의해 형성되는 조도분포가 옵티컬 인터그레이터(100)에 의해 충분히 분할되어서 중첩되지 않고 피조명면에 불균일이 생기는 경우가 있다. 따라서, 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 주기Ｐｓｃ는, 옵티컬 인터그레이터(100)의 요소 렌즈의 배열 주기Ｐｆｉ보다도 작은 것이 바람직하다. 바람직하게는 Ｐｓｃ는, Ｐｆｉ의 5분의 1이하이며, 보다 바람직하게는 Ｐｆｉ의 10분의 1이하다.
여기까지 광발산 부재(200)가 입사측 인터그레이터 101∼102의 광원측에 배치되어 있는 경우에 대해서 설명했다. 단, 광발산 부재(200)가 입사측 인터그레이터 101∼102의 피조명면측에 배치되어 있는 경우에 있어서도 마찬가지로, 피조명면에 있어서 주기적인 조도분포를 발생시키게 된다. 이것에 대해서 설명한다. 입사측 인터그레이터 101∼102의 요소 렌즈에 입사한 광은, 요소 렌즈상의 입사 위치에 의해 결정된 각도로 사출된다. 다시 말해, 요소 렌즈상의 조도분포가 각도분포로 변환되어 사출된다. 입사측 인터그레이터 101∼102의 요소 렌즈로부터 사출된 광의 각도분포는, 사출측 인터그레이터 103∼104 및 콘덴서 렌즈(12)에 의해, 다시 피조명면상에서의 조도분포로 변환된다. 입사측 인터그레이터 101∼102의 피조명면측에 광발산 부재(200)가 배치되어 있을 경우, 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 주기에 따른 주기에서, 입사측 인터그레이터 101∼102로부터 사출된 광의 각도분포로 변조를 초래한다. 따라서, 입사측 인터그레이터 101∼102의 피조명면측에 광발산 부재(200)가 배치되어 있는 경우에 있어서도, 마찬가지로, 피조명면상에 있어서 주기적인 조도분포를 발생시킬 수 있다.
광발산 부재(200)와 옵티컬 인터그레이터(100)와의 상호작용에 의해 피조명면에 생기는 주기적인 조도분포를 억제하기 위한 하나의 방법으로서는, 광발산 부재(200)의 광학요소(201)의 배열에 불규칙성을 도입하는 것이다. 예를 들면, 광발산 부재(200)의 광학요소(201)가 마이크로 렌즈일 경우에는, 그 광학요소(201)의 배열 주기를 불규칙으로 하거나, 곡률을 불규칙으로 하거나, 하는 것이 생각된다. 또한, 광발산 부재(200)의 광학요소(201)가 ＣＧＨ일 경우에는, 서로 상이한 구성을 가지는 복수종류의 단위회절 셀을 불규칙하게 배치하는 것이 생각된다. 그렇지만, 광발산 부재(200)에 이러한 불규칙성을 도입하는 것은, 광발산 부재(200)의 제조성을 저하시키게 될 수 있다.
그래서, 본 실시 형태의 조명 광학계ＩＬ에서는, 옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향을 비평행으로 하고 있다. 구체적으로는, 옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향(제1방향)과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향(제2방향)이 이루는 각도가, 0도보다 크고 45도보다 작다는 조건을 충족시킨다. 이에 따라, 단일종류의 광학요소(201)의 주기적인 배열로 구성된 광발산 부재(200)를 사용했다고 한들, 옵티컬 인터그레이터(100)와 광발산 부재(200)와의 상호작용에 의해 피조명면에 생성되는 주기적인 조도분포를 저감할 수 있다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 「2개의 방향을 평행하게 한다」는, 「2개의 방향이 이루는 각도를 0도로 한다」라고 하는 의미로서 정의된다. 또한, 「2개의 방향을 비평행하게 한다」는, 「2개의 방향이 이루는 각도를 0도보다 크고 45도보다 작은 각도로 한다」라고 하는 의미로서 정의된다.
[일차원 광발산 부재를 사용하는 예]
이하, 광발산 부재(200)로서, 일방향(제2방향)으로만 광을 발산(산란)시키는 일차원 광발산 부재를 사용하는 예를 설명한다. 이하, 옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향을 비평행하게 함으로써, 피조명면에 발생되는 주기적인 조도분포가 저감되는 것에 대해서, 도8∼도9를 참조하면서 설명한다.
도8은, 입사측 인터그레이터(102)에 있어서의 요소 렌즈(102e)의 배열 방향(Y방향)과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향이 「평행」인 예를 도시하고 있다. 한편, 도9는, 입사측 인터그레이터(102)에 있어서의 요소 렌즈(102e)의 배열 방향(Y방향)과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향이 「비평행」인 예를 도시하고 있다. 도8∼도9의 (a)는, 옵티컬 인터그레이터(100)(입사측 인터그레이터 101∼102)를 광발산 부재(200)측(-Z방향측)으로부터 본 도를 도시하고 있다. 또한, 도8∼도9의 (b)는, 피조명면상에 형성되는 조도분포 300을 도시하고 있고, 도8∼도9의 (c)는, 피조명면상에 형성되는 조도분포의 적산 조도분포 301을 도시하고 있다.
여기에서는, 상술한 바와 같이, 광발산 부재(200)로서, 일방향(제2방향)으로만 광을 발산시키는 일차원 광발산 부재가 사용된다. 이러한 광발산 부재(200)에서는, 해당 일방향에 직교하는 방향을 따라서 신장하는 형상을 각각 가지는 복수의 광학요소(201)가, 해당 일방향으로 배열 주기Ｐｓｃ에서 주기적으로 배열될 수 있다. 그리고, 이러한 광발산 부재(200)을 사용할 경우, 입사측 인터그레이터(101)의 입사면에 있어서의 광속(광속지름φ)의 광강도 분포(202)에는, 해당 일방향으로 주기Ｐｓｃ에서 명부와 암부가 반복되는 주기적인 조도 불균일성(203)이 형성된다.
입사측 인터그레이터(102)에 있어서의 요소 렌즈(102e)의 배열 방향(Y방향)과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향을 평행하게 하면, 도8(a)에 도시한 바와 같이, 조도 불균일성(203)의 주기방향이 요소 렌즈(102e)의 배열 방향에 일치한다. 이때, 피조명면상에 형성되는 조도분포(300)는, 옵티컬 인터그레이터(100)에 의해 광강도 분포(202)를 분할·중첩한 것이기 때문에, 도8(b)에 도시한 바와 같이, 광강도 분포(202)에 있어서의 주기적인 조도 불균일성(203)을 반영한 분포로 된다.
상술한 바와 같이, 스텝·앤드·스캔 방식의 노광 장치에 있어서는, 주사 방향의 조도분포는 주사 노광에 의해 평균화되기 때문에, 주사 방향의 조도분포(구체적으로는, 주사 방향의 적산 조도에 관한 비주사 방향의 분포(적산 조도분포))의 균일성이 중요해진다. 도8(c)는, 피조명면상의 적산 조도분포(301)를 도시하고 있다. 입사측 인터그레이터(102)에 있어서의 요소 렌즈(102e)의 배열 방향과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향이 평행할 경우, 적산 조도분포(301)는, 광강도 분포(202)에 있어서의 주기적인 조도 불균일성(203)을 반영한 불균일한 분포로 된다.
그것에 대하여, 입사측 인터그레이터(102)에 있어서의 요소 렌즈(102e)의 배열 방향과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향을 비평행하게 하면, 조도 불균일성(203)의 주기방향은, 요소 렌즈(102e)의 배열 방향(Y방향)에 대하여 비평행으로 된다. 구체적으로는, 입사측 인터그레이터(102)에 대하여 광발산 부재(200)를 각도θ만큼 회전시키면, 도9(a)에 도시한 바와 같이, 조도 불균일성(203)의 주기방향이, 요소 렌즈(102e)의 배열 방향(Y방향)에 대하여 각도θ만큼 회전한다. 이 경우, 주기적인 조도 불균일성(203)이 형성되는 요소 렌즈상의 위치가, 입사측 인터그레이터(102)에 있어서의 복수의 요소 렌즈(102e)에서 서로 상이해지게 된다. 그 때문에, 광강도 분포(202)를 분할·중첩한 것인 피조명면상의 조도분포(300)에서는, 광강도 분포(202)에 있어서의 주기적인 조도 불균일성(203)이 조금씩 어긋나서 중첩되는 것으로 평균화되어, 도9(b)에 도시한 바와 같이 조도가 거의 균일해진다. 그 결과, 도9(c)에 도시한 바와 같이, 비주사 방향에 있어서 적산 조도가 거의 균일한 적산 조도분포(301)를 얻을 수 있다. 여기에서, 각도θ는, 전술한 대로, 0도보다 크고 45도보다 작은 각도다.
그 다음에, 광강도 분포(202)에 있어서의 주기적인 조도 불균일성(203)을 비주사 방향에 걸쳐 충분히 평균화하고, 피조명면상에서의 조도 균일성을 더욱 향상시키기 위한 추가 조건에 대해서 설명한다. 추가 조건은, 입사측 인터그레이터(102)에 있어서의 요소 렌즈(102e)의 배열 방향 (제1방향, Y방향)과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향(제2방향)이 이루는 각도θ가, ａｒｃｔａｎ(Ｐｆｉｙ/φ)이상인 것을 포함할 수 있다. 「Ｐｆｉｙ」는, 입사측 인터그레이터(102)에 있어서의 요소 렌즈(102e)의 배열 주기(Y방향)를 나타내고 있고, Ｐｆｉｙ를 P1로 표현할 경우에는, 추가 조건은, 각도θ가 ａｒｃｔａｎ(P1/φ)이상인 것을 포함할 수 있다. 이 추가 조건은, 도9(a)에 도시한 바와 같이, 광강도 분포(202)(즉, 광속(광속지름φ))에 있어서의 단부A와 단부B와의 비주사 방향(Y방향)의 거리d가, 입사측 인터그레이터(102)에 있어서의 요소 렌즈(102e)의 배열 주기Ｐｆｉ이상인 것을 의미한다. 단부A 및 단부B는, 조도 불균일성(203)의 주기방향과 직교하는 방향에 있어서의 광강도 분포(202)의 양단부로서 규정된다. 이 추가 조건에 의해, 피조명면상에서의 조도 균일성을 더욱 향상시킬 수 있다.
[이차원 광발산 부재를 사용하는 예]
이하, 광발산 부재(200)로서, 서로 교차(직교)하는 2개의 방향으로 광을 발산시키는 이차원 광발산 부재를 사용하는 예를 설명한다. 광발산 부재(200)로서 이차원 발산 부재를 사용하는 경우, 기본적으로는, 일차원 광발산 부재를 사용하는 경우와 같은 기능·효과가 해당 2개의 방향의 각각에서 얻어진다. 그 때문에, 이하에서 설명하는 사항이외는, 일차원 광발산 부재를 사용하는 예에서의 상기 설명이 이어받아질 수 있다.
도10은, 옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향이 「평행」인 예를 도시하고 있다. 한편, 도11은, 옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향이 「비평행」인 예를 도시하고 있다. 도10∼도11의 (a)는, 옵티컬 인터그레이터(100)(입사측 인터그레이터 101∼102)를 광발산 부재(200)측(-Z방향측)으로부터 본 도를 도시하고 있다. 또한, 도10∼도11의 (b)는, 피조명면상에 형성되는 조도분포(302)를 도시하고 있고, 도10∼도11의 (c)는, 피조명면상에 형성되는 조도분포의 적산 조도분포(303)를 도시하고 있다.
여기에서는, 상술한 바와 같이, 광발산 부재(200)로서, 서로 교차(직교)하는 2개의 방향으로 광을 발산시키는 이차원 광발산 부재가 사용된다. 이러한 광발산 부재(200)에서는, 일방향(제2방향)과 해당 일방향에 직교하는 방향(제4방향)으로 복수의 광학요소(201)가 주기적으로 배열될 수 있다. 해당 일방향에 있어서의 광학요소(201)의 배열 주기(P2)는 Ｐｓｃ1이며, 해당 일방향에 직교하는 방향에 있어서의 광학요소(201)의 배열 주기(P4)는 Ｐｓｃ2이다. 이 경우, 옵티컬 인터그레이터(100)의 입사면에 있어서의 광속(광속지름φ)의 광강도 분포에는, 해당 일방향으로 주기 Ｐｓｃ1, 해당 일방향에 수직한 방향으로 주기Ｐｓｃ2에서, 명부가 이차원적으로 배치되는 주기적인 조도 불균일성(204)이 형성된다. 또한, 도10∼도11에서는, 조도 불균일성(204)을 직사각형의 배열로 모식적으로 도시하고 있지만, 실제의 조도 불균일성(204)은, 광발산 부재(200)의 구체적인 구성이나 설계 값, 광발산 부재(200)와 옵티컬 인터그레이터(100)와의 거리 등에 따라서 상이할 수 있다.
또한, 옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 요소 렌즈의 배열 주기는, 비주사 방향(제1방향, Y방향)으로 Ｐｆｉｙ, 주사 방향(제3방향, Z방향)으로 Ｐｆｉｚ다. 즉, 입사측 인터그레이터(102)에 있어서의 요소 렌즈(102e)의 배열 주기(P1)가 Ｐｆｉｙ이며, 입사측 인터그레이터(101)에 있어서의 요소 렌즈(101e)의 배열 주기(P3)가 Ｐｆｉｚ다.
옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향을 평행하게 하면, 도10(a)에 도시한 바와 같이, 조도 불균일성(204)의 주기방향이 요소 렌즈 배열 방향에 일치한다. 이때, 피조명면상에 있어서의 조도분포(302)는, 옵티컬 인터그레이터(100)의 입사면에서의 광강도 분포(202)를 분할·중첩한 것이기 때문에, 도10(b)에 도시한 바와 같이, 광강도 분포(202)에 있어서의 주기적인 조도 불균일성(204)을 반영한 분포로 된다. 그 결과, 적산 조도분포(303)도, 비주사 방향(Y방향)에 있어서 불균일한 분포로 될 수 있다.
그것에 대하여, 옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향을 비평행하게 하면, 조도 불균일성(204)의 주기방향은, 요소 렌즈의 배열 방향에 대하여 비평행해진다. 구체적으로는, 옵티컬 인터그레이터(100)에 대하여 광발산 부재(200)를 각도θ만큼 회전시키면, 도11(a)에 도시한 바와 같이, 조도 불균일성(204)의 주기방향이, 옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향에 대하여 각도θ만큼 회전한다. 이 경우, 주기적인 조도 불균일성(204)이 형성되는 요소 렌즈상의 위치가, 옵티컬 인터그레이터에 있어서의 복수의 요소 렌즈에서 서로 상이하게 된다. 그 때문에, 피조명면상의 조도분포(302)에서는, 도11(b)에 도시한 바와 같이, 광강도 분포(202)에 있어서의 주기적인 조도 불균일성(204)이 조금씩 어긋나서 중첩되는 것에 의해 평균화된다. 그 결과, 도11(c)에 도시한 바와 같이, 비주사 방향에 있어서 적산 조도가 거의 균일한 적산 조도분포(303)를 얻을 수 있다. 여기에서, 각도θ는, 전술한 대로, 0도보다 크고 45도보다 작은 각도다.
그 다음에, 광강도 분포(202)에 있어서의 주기적인 조도 불균일성(204)을 비주사 방향에 걸쳐 충분히 평균화하고, 피조명면상에서의 조도 균일성을 더욱 향상시키기 위한 추가 조건에 대해서 설명한다. 추가 조건은, 입사측 인터그레이터(102)에 있어서의 요소 렌즈(102e)의 배열 방향 (제1방향, Y방향)과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향(제2방향)이 이루는 각도θ가, ａｒｃｔａｎ(Ｐｆｉｙ/φ)이상인 것을 포함한다. Ｐｆｉｙ는, 입사측 인터그레이터(102)에 있어서의 요소 렌즈(102e)의 배열 주기(Y방향)이며, Ｐｆｉｙ를 P1로 표현할 경우에는, 추가 조건은, 각도θ가 ａｒｃｔａｎ(P1/φ)이상인 것을 포함할 수 있다.
또한, 추가 조건은, 각도θ가, ａｒｃｔａｎ(Ｐｆｉｚ/φ)이상인 것을 포함해도 좋다. 각도θ는, 사측 인터그레이터(101)에 있어서의 요소 렌즈(101e)의 배열 방향(제3방향, Z방향)과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향(제4방향)이 이루는 각도로서 이해되어도 좋다. Ｐｆｉｚ는, 입사측 인터그레이터(101)에 있어서의 요소 렌즈(101e)의 배열 주기(Z방향)이며, Ｐｆｉｚ를 P3으로 표현할 경우에는, 추가 조건은, 각도θ가 ａｒｃｔａｎ(P3/φ)이상인 것을 포함할 수 있다.
더욱이, 추가 조건은, 상기 대신에, 각도θ가 ａｒｃｔａｎ(ＰＬ/φ)이상인 것을 포함해도 좋다. ＰＬ은, 입사측 인터그레이터(101)에 있어서의 요소 렌즈(101e)의 배열 주기, 및, 입사측 인터그레이터(102)에 있어서의 요소 렌즈(102e)의 배열 주기 중 큰 쪽의 배열 주기를 나타내고 있다.
[다른 추가 조건]
그 다음에, 피조명면상에서의 조도 균일성을 더욱 향상시키기 위한 다른 추가 조건에 대해서 설명한다. 도12는, 각도θ를 변화시켰을 때의 피조명면상에 있어서의 적산 조도분포의 ＰＶ(Peak to Valley)값의 변화에 관한 시뮬레이션 결과를 도시하고 있다. 도12는, 종축이 상용 대수인 편대수 그래프이며, 횡축이 각도θ, 종축이 적산 조도분포의 ＰＶ값이다. 각도θ는, 이차원 광발산 부재로서 구성된 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소의 2개의 배열 방향이, 입사측 인터그레이터(102)에 있어서의 요소 렌즈(102e)의 배열 방향(비주사 방향)과 각각 이루는 2개의 각도 중 작은 쪽의 각도로서 정의될 수 있다. 또한, 도12의 시뮬레이션 조건은, 광속지름φ을 50mm, 광발산 부재(200)에 있어서의 Ｙ방향, Z방향의 광학요소(201)의 배열 주기를 함께 0.5mm, 입사측 인터그레이터 101∼102에 있어서의 요소 렌즈의 배열 주기를 함께 3.9mm로 했다. 이 조건에 있어서의 ａｒｃｔａｎ(Ｐｆｉ/φ)은 4.5도이며, 도12의 예에서는, 각도θ가 4.5도이상일 경우에, 피조명면상에 있어서의 적산 조도분포의 ＰＶ값이 최소값 부근까지 저감하고 있는 것을 알 수 있다.
여기에서, 도12의 예에서는, 각도θ가 7.1도, 14.0도 및 18.4도일 때에, 각도θ가 ａｒｃｔａｎ(Ｐｆｉ/φ)이상인 것에도 관계없이, 적산 조도분포의 ＰＶ값이 극대값으로 되어 있다. 이렇게 적산 조도분포의 ＰＶ값이 극대값이 되는 각도θ에서는, ｔａｎθ가 유리수로 되어 있고, 각도θ가 7.1도, 14.0도 및 18.4도일 때, ｔａｎθ는 각각 1/8, 1/4 및 1/3로 된다. ｔａｎθ가 유리수이고 또한 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 2개의 배열 주기Ｐｓｃ1 및 Ｐｓｃ2이 같은 경우, 광강도 분포(202)의 주기적인 조도 불균일성(204)을 Z방향 또는 Y방향으로 평행 이동시켰다고 한들 같은 조도분포가 반복해 나타난다. 즉, 피조명면상에 있어서의 적산 조도분포의 균일성을 저하시켜버린다. 따라서, 각도θ는, ｔａｎθ가 무리수로 되도록 결정되면 좋다. 한편, ｔａｎθ가 유리수인 경우이여도, ｔａｎθ가 작은 경우에는, 같은 조도분포가 나타나는 반복 주기가 커지기 때문에, 피조명면상에 있어서의 적산 조도분포의 균일성을 저하시키기 어렵다. 예를 들면, ｔａｎθ는 1/10이하라면 좋다.
또한, 비주사 방향에 관해서, m 및 n의 각각을 제로를 제외하는 정수로 했을 때, m×Ｐｓｃ1÷ｃｏｓθ=n×Ｐｆｉｙ±α를 충족시킬 경우에는, 피조명면상에 있어서의 적산 조도분포의 균일성을 저하시켜버린다. 다시 말해, 옵티컬 인터그레이터(100)의 입사면에 있어서, 입사측 인터그레이터(102)의 요소 렌즈(102e)의 Ｙ방향의 배열 n개 걸러, 요소 렌즈(102e)와 주기적인 조도 불균일성(204)과의 상대적인 관계가 Y방향으로 반복하게 된다. 그 결과, 피조명면상의 같은 위치에 반복해 불균일한 조도분포가 중첩되어, 피조명면상에 있어서의 적산 조도분포의 균일성을 저하시키게 된다. 따라서, m×Ｐｓｃ1÷ｃｏｓθ가 n×Ｐｆｉｙ±α의 범위외라는 조건을 충족시키도록 각도θ가 결정되면 좋다. Ｐｆｉｙ를 P1로 표현하고, Ｐｓｃ1을 P2로 표현할 경우에는, m×P2÷ｃｏｓθ가 n×P1±α의 범위외라는 조건을 충족시키도록 각도θ가 결정되면 좋다. 여기에서, 「α」는, 「n×Ｐｆｉｙ」의 근방에 있어서의 제외 범위를 규정하기 위한 값이며, 임의의 값으로 사전에 설정될 수 있다. 예를 들면, 「α」는, 0∼2의 범위내의 미리 결정된 값(예를 들면 0.5, 1, 2등)으로 설정될 수 있다.
마찬가지로, 주사 방향에 관해서, m' 및 n'의 각각을 제로를 제외하는 정수로 했을 때, m'×Ｐｓｃ2÷ｃｏｓθ=n'×Ｐｆｉｚ±β를 충족시킬 경우에는, 피조명면상에 있어서의 적산 조도분포의 균일성을 저하시켜버린다. 따라서, m'×Ｐｓｃ2÷ｃｏｓθ가 n'×Ｐｆｉｚ±β의 범위외라는 조건을 충족시키도록 각도θ가 결정되면 좋다. Ｐｆｉｚ를 P3으로 표현하고, Ｐｓｃ2를 P4로 표현할 경우에는, m'×P4÷ｃｏｓθ가 n'×P3±β의 범위외라는 조건을 충족시키도록 각도θ가 결정되면 좋다. 여기에서, 「β」는, 「n×Ｐｆｉｚ」의 근방에 있어서의 제외 범위를 규정하기 위한 값이며, 임의의 값으로 사전에 설정될 수 있다. 예를 들면, 「β」는, 0∼2의 범위내의 미리 결정된 값(예를 들면 0.5, 1, 2등)으로 설정될 수 있다.
그런데, 광발산 부재(200)가 이차원 광발산 부재일 경우, 그 발산 각도분포는, 예를 들면 도5에 도시한 것 같은 직사각형의 발산 각도분포인 것은 전술한 대로다. 그리고, 직사각형의 발산 각도분포를 구성하는 복수의 변 중 적어도 1개의 변이 연장되는 방향이, 광발산 부재(200)의 광학요소(201)의 배열 방향(제2방향 또는 제4방향)과 평행하는 경우를 상정한다. 이 경우, 실제로 옵티컬 인터그레이터(100)로부터 사출되는 광속의 각도분포는, 직사각형을 각도θ만큼 회전시킨 분포로 되어 버린다. 그 때문에, 주사 방향 및 비주사 방향으로의 발산 각도가 커져 버리게 되어, 옵티컬 인터그레이터(100)의 입사 허용ＮＡ에 대한 여유가 적어져 버리거나, 혹은 입사 허용ＮＡ를 초과해버릴 가능성이 있다. 그 결과, 피조명면상에 있어서의 적산 조도분포의 균일성을 저하시키거나, 조명 효율을 저하시키거나 해버린다.
따라서, 광발산 부재(200)에 있어서의 직사각형의 발산 각도분포를 구성하는 복수의 변 중 적어도 1개의 변이 연장되는 방향이, 옵티컬 인터그레이터(100)의 요소 렌즈의 배열 방향(제1방향 또는 제3방향)과 평행하면 좋다. 다시 말해, 광발산 부재(200)에 있어서의 직사각형의 발산 각도분포는, 그것을 구성하는 복수의 변 중 적어도 1개의 변이 연장되는 방향과, 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향이, 각도-θ를 이루도록 설계되면 좋다.
도13은, 광발산 부재(200)에 있어서의 직사각형의 발산 각도분포의 적어도 1개의 변이 연장되는 방향과, 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향이 각도-θ를 이루도록 설계한 예를 도시하고 있다. 도13에서는, 옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향이 비평행한 경우를 도시하고 있다. 또한, 도13에서는, 설명을 이해하기 쉽게 하기 위해서, 직사각형의 발산 각도분포의 적어도 1개의 변이 연장되는 변이, 광학요소(201)의 배열 방향에 대하여 각도-θ만큼 회전하고 있는 예를 모식적으로 도시하고 있지만, 실제의 조도 불균일성(204)은 도13의 예와 상이한 것이 있다. 예를 들면, 실제의 조도 불균일성(204)은, 광발산 부재(200)의 구체적인 구성이나 설계 값, 광발산 부재(200)와 입사측 인터그레이터 101∼102와의 거리 등에 의해, 도13의 예와 상이할 수 있다.
도13에서는, 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 2개의 배열 방향 중, 비주사 방향(Y방향)과 이루는 각이 작은 방향이, 비주사 방향에 대하여 각도θ를 이루는 배열 방향으로 되어 있다. 즉, 광발산 부재(200)에 있어서의 직사각형의 발산 각도분포의 적어도 1개의 변이 연장되는 방향이 주사 방향(Z방향) 또는 비주사 방향(Y방향)과 평행이 된다. 그렇지만, 광강도 분포(202)에 있어서의 주기적인 조도 불균일성(204)의 배열 방향은, 옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 비평행하다. 그 때문에, 광강도 분포(202)를 입사측 인터그레이터 101∼102에 의해 분할·중첩한 결과인 피조명면상의 조도분포는, 광강도 분포(202)의 주기적인 조도 불균일성(204)이 조금씩 어긋나서 중첩된다. 따라서, 직사각형의 발산 각도분포의 적어도 1개의 변이 연장되는 방향이 주사 방향(Z방향) 또는 비주사 방향(Y방향)과 평행하여도, 도11(c)를 사용해서 설명한 바와 같이, 피조명면(원판 18)상에 있어서의 적산 조도분포의 균일성을 향상시킬 수 있다.
상술한 것 같이, 본 실시 형태의 조명 광학계ＩＬ은, 옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향이 이루는 각도가 0도보다 크고 45도보다 작다는 조건을 충족시키도록 구성된다. 이에 따라, 비조명면(예를 들면 원판(18))상에서의 조도 균일성을 향상시킬 수 있다.
<제2실시 형태>
본 발명에 관계되는 제2실시 형태에 대해서 설명한다. 상기한 제1실시 형태에서는, 노광 장치ＥＸ가, 스텝·앤드·스캔 방식의 노광 장치일 경우에 대해서 설명했지만, 스텝·앤드·리피트 방식의 노광 장치이여도, 기본적인 사고방식은 마찬가지다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 스텝·앤드·리피트 방식의 노광 장치ＥＸ(조명 광학계ＩＬ)의 구성에 대해서 설명한다. 또한, 본 실시 형태는, 제1실시 형태를 기본적으로 이어받는 것이며, 이하에서 언급하는 사항이외는, 제1실시 형태에서 설명한 대로다. 노광 장치ＥＸ의 장치구성에 대해서도 제1실시 형태에서 설명한 대로다.
도14∼도15는, 스텝·앤드·리피트 방식의 노광 장치ＥＸ에 사용될 수 있는 옵티컬 인터그레이터(100)의 구성 예를 도시한 개략 단면도다. 도14는, ＸＺ평면에 있어서의 옵티컬 인터그레이터(100)의 단면을 도시하고, 도15는, ＸＹ평면에 있어서의 옵티컬 인터그레이터(100)의 단면을 도시하고 있다. 본 실시 형태의 옵티컬 인터그레이터(100)는, 광축에 수직한 면에 있어서 직사각형의 단면을 가지는 복수의 각기둥 요소 렌즈(100e)(복수의 제1광학요소)가 주기적으로 배열된 렌즈 어레이다. 복수의 각기둥 요소 렌즈(100e)는, Z방향과 Y방향으로, 각각 주기Ｐｆｚ 및 주기Ｐｆｙ에서 주기적으로 배열된다. 본 실시 형태의 옵티컬 인터그레이터(100)의 작용은, 실린드리칼 렌즈 어레이로 구성된 제1실시 형태의 옵티컬 인터그레이터(100)와 기본적으로 같다. 또한, 이하에서는, 각기둥 요소 렌즈(100e)를, 간단히 요소 렌즈(100e)라고 표기하는 경우가 있다.
본 실시 형태의 옵티컬 인터그레이터(100)에서는, Z방향의 초점거리와 Y방향의 초점거리가 동일하기 때문에, 각 요소 렌즈(100e)의 입사면의 형상은, 피조명면에 있어서의 조명 영역의 형상과 서로 닮게 된다. 스텝·앤드·리피트 방식의 노광 장치ＥＸ에 있어서의 노광 영역은, 전형적으로는 직사각형 형상이기 때문에, 본 실시 형태에서는, 옵티컬 인터그레이터(100)의 각 요소 렌즈(100e)에 있어서의 Ｚ방향의 폭을 Y방향의 폭보다도 길게 하고 있다. 여기에서, 본 실시 형태의 노광 장치ＥＸ(조명 광학계ＩＬ)에서는, 반드시 복수의 각기둥 요소 렌즈로 구성된 옵티컬 인터그레이터가 사용될 필요는 없고, 실린드리칼 렌즈 어레이로 구성된 옵티컬 인터그레이터가 사용되어도 좋다.
도16은, 옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향이 「평행」인 예를 도시하고 있다. 한편, 도17은, 옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향이 「비평행」인 예를 도시하고 있다. 도16∼도17의 (a)는, 옵티컬 인터그레이터(100)를 광발산 부재(200)측(-Z방향측)으로부터 본 도를 도시하고 있다. 또한, 도16∼도17의 (b)는, 피조명면상에 형성되는 조도분포(304)를 도시하고 있다.
본 실시 형태에서는, 광발산 부재(200)로서, 서로 교차(직교)하는 2개의 방향으로 광을 발산시키는 이차원 광발산 부재가 사용된다. 이러한 광발산 부재(200)에서는, 일방향(제2방향)과 해당 일방향에 직교하는 방향(제4방향)으로 복수의 광학요소(201)가 주기적으로 배열될 수 있다. 해당 일방향에 있어서의 광학요소(201)의 배열 주기(P2)는 Ｐｓｃ1이며, 해당 일방향에 직교하는 방향에 있어서의 광학요소(201)의 배열 주기(P4)는 Ｐｓｃ2이다. 이 경우, 옵티컬 인터그레이터(100)의 입사면에 있어서의 광속(광속지름φ)의 광강도 분포에는, 해당 일방향으로 주기Ｐｓｃ1, 해당 일방향에 수직한 방향으로 주기Ｐｓｃ2에서, 명부가 이차원적으로 배치되는 주기적인 조도 불균일성(205)이 형성된다. 도16∼도17에서는, 주기적인 조도 불균일성(205)을 직사각형의 배열로 모식적으로 도시하고 있다.
옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 요소 렌즈(100e)의 배열 방향과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향을 평행하게 하면, 도16(a)에 도시한 바와 같이, 조도 불균일성(205)의 주기방향이 요소 렌즈(100e)의 배열 방향에 일치한다. 이때, 피조명면상에 형성되는 조도분포(304)는, 옵티컬 인터그레이터(100)에 의해 광강도 분포(202)를 분할·중첩한 것이므로, 도16(b)에 도시한 바와 같이, 광강도 분포(202)에 있어서의 주기적인 조도 불균일성(204)을 반영한 분포가 된다.
그것에 대하여, 옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 요소 렌즈(100e)의 배열 방향과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향을 비평행하게 하면, 조도 불균일성(205)의 주기방향이, 요소 렌즈(100e)의 배열 방향에 대하여 비평행해진다. 구체적으로는, 옵티컬 인터그레이터(100)에 대하여 광발산 부재(200)를 각도θ만큼 회전시키면, 도17(a)에 도시한 바와 같이, 조도 불균일성(205)의 주기방향이, 요소 렌즈(100e)의 배열 방향에 대하여 각도θ만큼 회전한다. 이 경우, 주기적인 조도 불균일성(205)이 형성되는 요소 렌즈상의 위치가, 복수의 요소 렌즈(100e)에서 서로 상이하게 된다. 그 때문에, 광강도 분포(202)를 분할·중첩한 것인 피조명면상의 조도분포(304)에서는, 광강도 분포(202)에 있어서의 주기적인 조도 불균일성(205)이 조금씩 어긋나서 중첩되는 것에 의해 평균화되어, 도17(b)에 도시한 바와 같이 조도가 거의 균일해진다. 여기에서, 각도θ는, 제1실시 형태에서 설명한 대로, 0도보다 크고 45도보다 작은 각도다.
그 다음에, 광강도 분포(202)에 있어서의 주기적인 조도 불균일성(205)을 피조명면상에서 충분히 분산·평균화하고, 피조명면상에서의 조도 균일성을 더욱 향상시키기 위한 추가 조건에 대해서 설명한다. 추가 조건은, 옵티컬 인터그레이터(100)의 요소 렌즈(100e)의 배열 방향(제1방향)과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향(제2방향)이 이루는 각도θ가, ａｒｃｔａｎ(Ｐｆｚ/φ)이상인 것을 포함할 수 있다. 「Ｐｆｚ」는, 피조명면에 있어서의 직사각형의 조명 영역의 길이 방향에 대응하는 Ｚ방향에 있어서의 요소 렌즈(100e)의 배열 주기(Z방향)를 나타내고 있고, Ｐｆ를 P1로 표현하는 경우에는, 추가 조건은, 각도θ가 ａｒｃｔａｎ(P1/φ)이상인 것을 포함할 수 있다. 이 추가 조건은, 광강도 분포(202)(즉, 광속(광속지름φ))에 있어서의 양단부의 Ｚ방향의 거리가, 요소 렌즈(100e)의 배열 주기Ｐｆｚ이상인 것을 의미한다. 해당 양단부는, 조도 불균일성(203)의 주기Ｐｓｃ1의 방향에 있어서의 광강도 분포(202)의 양단부로서 규정된다. 이 추가 조건에 의해, 피조명면상에서의 조도 균일성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, ｔａｎθ가 유리수이고 또한 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 2개의 배열 주기Ｐｓｃ1 및 Ｐｓｃ2가 같은 경우, 광강도 분포(202)의 주기적인 조도 불균일성(205)을 Z방향 또는 Y방향으로 평행 이동시켰다고 한들 같은 조도분포가 반복해 나타난다. 즉, 피조명면상에 있어서의 조도분포의 균일성을 저하시켜버린다. 따라서, 각도θ는, ｔａｎθ가 무리수가 되도록 결정되면 좋다. 한편, ｔａｎθ가 유리수의 경우이여도, ｔａｎθ가 작은 경우에는, 같은 조도분포가 나타나는 반복 주기가 커지기 때문에, 피조명면상에 있어서의 조도분포의 조도 균일성을 저하시키기 어렵다. 예를 들면, ｔａｎθ는 1/10이하라면 좋다.
또한, m, n, m' 및 n'의 각각을 제로를 제외하는 정수로 했을 때, m×Ｐｓｃ1÷ｃｏｓθ=n×Ｐｆｙ±α, 또는, m'×Ｐｓｃ2÷ｃｏｓθ=n'×Ｐｆｚ±β를 충족시킬 경우에는, 피조명면상에 있어서의 조도분포의 균일성을 저하시켜버린다. 다시 말해, 옵티컬 인터그레이터(100)의 입사면에 있어서, 요소 렌즈(100e)의 Ｙ방향 혹은 Z방향의 배열 n개 걸러, 요소 렌즈(100e)와 주기적인 조도 불균일성(205)과의 상대적인 관계가 Y방향 혹은 Z방향으로 반복하게 된다. 그 결과, 피조명면상의 같은 위치에 반복해 불균일한 조도분포가 중첩되어, 피조명면상에 있어서의 조도분포의 균일성을 저하시키게 된다.
따라서, m×Ｐｓｃ1÷ｃｏｓθ가 n×Ｐｆｙ±α의 범위외라는 조건을 충족시키도록 각도θ가 결정되면 좋다. Ｐｆｙ를 P1로 표현하고, Ｐｓｃ1을 P2로 표현할 경우에는, m×P2÷ｃｏｓθ가 n×P1±α의 범위외라는 조건을 충족시키도록 각도θ가 결정되면 좋다. 마찬가지로, m'×Ｐｓｃ3÷ｃｏｓθ가 n'×Ｐｆｚ±β의 범위외라는 조건을 충족시키도록 각도θ가 결정되면 좋다. Ｐｆｚ를 P3로 표현하고, Ｐｓｃ2를 P4로 표현할 경우에는, m'×P4÷ｃｏｓθ가 n'×P3±β의 범위외라는 조건을 충족시키도록 각도θ가 결정되면 좋다. 여기에서, 「α」는, 「n×Ｐｆｙ」의 근방에 있어서의 제외 범위를 규정하기 위한 값이며, 임의의 값으로 사전에 설정될 수 있다. 마찬가지로, 「β」는, 「n×Ｐｆｚ」의 근방에 있어서의 제외 범위를 규정하기 위한 값이며, 임의의 값으로 사전에 설정될 수 있다. 예를 들면, 「α」 및 「β」의 각각은, 0∼2의 범위내의 미리 결정된 값(예를 들면 0.5, 1, 2등)으로 설정될 수 있다.
상술한 것 같이, 본 실시 형태에서는, 노광 장치ＥＸ가 스텝·앤드·리피트 방식으로서 구성된 경우에 대해서 설명했다. 이러한 노광 장치ＥＸ의 조명 광학계ＩＬ에 있어서도, 옵티컬 인터그레이터(100)에 있어서의 요소 렌즈의 배열 방향과 광발산 부재(200)에 있어서의 광학요소(201)의 배열 방향이 이루는 각도가 0도보다 크고 45도보다 작다는 조건을 충족시키도록 구성된다. 이에 따라, 비조명면(예를 들면, 원판(18))상에서의 조도 균일성을 향상시킬 수 있다.
<물품의 제조 방법의 실시 형태>
본 발명의 실시 형태에 관계되는 물품의 제조 방법은, 예를 들면, 반도체 디바이스 등의 마이크로 디바이스나 미세구조를 가지는 소자 등의 물품을 제조하는 데 적합하다. 본 실시 형태의 물품의 제조 방법은, 기판에 도포된 감광제에 상기한 노광 장치를 사용해서 잠상 패턴을 형성하는 공정(기판을 노광하는 공정)과, 잠상 패턴이 형성된 기판을 가공(현상)하는 공정과, 가공된 기판으로부터 물품을 제조하는 공정을 포함한다. 더욱이, 이러한 제조 방법은, 다른 주지의 공정(산화, 성막, 증착, 도핑, 평탄화, 에칭, 레지스트 박리, 다이싱, 본딩, 패키징 등)을 포함한다. 본 실시 형태의 물품의 제조 방법은, 종래의 방법에 비교하여, 물품의 성능·품질·생산성·생산 코스트 중 적어도 1개에 있어서 유리하다.
발명은 상기 실시 형태에 제한되는 것이 아니고, 발명의 정신 및 범위로부터 이탈하지 않고, 여러 가지의 변경 및 변형이 가능하다. 따라서, 발명의 범위를 밝히기 위해서 청구항을 첨부한다.
ＩＬ: 조명 광학계, 100: 옵티컬 인터그레이터, 101∼102: 입사측 인터그레이터, 103∼104: 사출측 인터그레이터, 101e∼104e: 요소 렌즈(제1광학요소), 200: 광발산 부재, 201: 광학요소(제2광학요소)

Claims (15)

  1. 광원으로부터의 광속을 사용해서 피조명면을 조명하는 조명 광학계로서,
    제1방향으로 주기적으로 배열된 복수의 제1광학요소를 포함하고, 상기 광원으로부터의 광속으로 복수의 이차 광원을 형성하는 인터그레이터와,
    상기 복수의 이차 광원으로부터의 광속을 사용해서 상기 피조명면을 조명하기 위한 렌즈와,
    제2방향으로 주기적으로 배열된 복수의 제2광학요소를 포함하고, 상기 복수의 제2광학요소의 각각에 의해 상기 광원으로부터의 광속을 발산시켜서 상기 인터그레이터에 입사시키도록, 상기 광원과 상기 인터그레이터와의 사이의 광로상에 배치된 광발산 부재를,
    구비하고,
    상기 제1방향과 상기 제2방향이 이루는 각도가 0도보다 크고 45도보다 작은, 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1광학요소에 있어서의 상기 제1방향의 배열 주기를 P1, 상기 인터그레이터에 입사하는 광속의 지름을 φ로 했을 때, 상기 제1방향과 상기 제2방향이 이루는 상기 각도가 ａｒｃｔａｎ(P1/φ)이상인, 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1광학요소에 있어서의 상기 제1방향의 배열 주기를 P1, 상기 복수의 제2광학요소에 있어서의 상기 제2방향의 배열 주기를 P2라고 했을 때, P1/P2가 무리수인, 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1방향과 상기 제2방향이 이루는 상기 각도를 θ로 했을 때, ｔａｎθ가 무리수인, 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1광학요소에 있어서의 상기 제1방향의 배열 주기를 P1, 상기 복수의 제2광학요소에 있어서의 상기 제2방향의 배열 주기를 P2, 상기 제1방향과 상기 제2방향이 이루는 상기 각도를 θ로 하고, m 및 n의 각각을 제로를 제외하는 정수, α를 0∼2의 미리 결정된 값으로 했을 때, m×P2÷ｃｏｓθ가 n×P1±α의 범위외인, 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1광학요소에 있어서의 상기 제1방향의 배열 주기는, 상기 복수의 제2광학요소에 있어서의 상기 제2방향의 배열 주기보다 큰, 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 제1광학요소는, 상기 제1방향과, 상기 제1방향에 교차하는 제3방향으로 주기적으로 배열되고,
    상기 복수의 제2광학요소는, 상기 제2방향과, 상기 제2방향에 교차하는 제4방향으로 주기적으로 배열되어 있는, 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 제1광학요소에 있어서의 상기 제3방향의 배열 주기를 P3, 상기 인터그레이터에 입사하는 광속의 지름을 φ로 했을 때, 상기 제1방향과 상기 제2방향이 이루는 상기 각도가 ａｒｃｔａｎ(P3/φ)이상인, 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 제1광학요소에 있어서의 상기 제1방향의 배열 주기 및 상기 제2방향의 배열 주기의 동안 큰 쪽의 배열 주기를 ＰＬ, 상기 인터그레이터에 입사하는 광속의 지름을 φ로 했을 때, 상기 제1방향과 상기 제2방향이 이루는 상기 각도가 ａｒｃｔａｎ(ＰＬ/φ)이상인, 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 제1광학요소에 있어서의 상기 제3방향의 배열 주기를 P3, 상기 복수의 제2광학요소에 있어서의 상기 제4방향의 배열 주기를 P2, 상기 제1방향과 상기 제2방향이 이루는 상기 각도를 θ로 하고, m' 및 n'의 각각을 제로를 제외하는 정수, β를 0∼2의 미리 결정된 값으로 했을 때, m'×P4÷ｃｏｓθ가 n'×P3±β의 범위외인, 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광발산 부재는, 회절광학 소자인, 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광발산 부재는, 직사각형의 발산 각도분포를 가지는, 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 광발산 부재에 있어서의 상기 직사각형의 발산 각도분포를 구성하는 복수의 변 중 적어도 1개의 변이 연장되는 방향은, 상기 제1방향과 평행한, 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  14. 기판을 노광하는 노광 장치로서,
    원판을 피조명면으로서 조명하는 청구항 1에 기재된 조명 광학계와,
    상기 조명 광학계에 의해 조명된 상기 원판의 패턴의 상을 상기 기판상에 투영하는 투영 광학계를,
    구비하는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  15. 청구항 14에 기재된 노광 장치를 사용해서 기판을 노광하는 노광 공정과,
    상기 노광 공정으로 노광된 상기 기판을 가공하는 가공 공정과,
    상기 가공 공정으로 가공된 상기 기판으로부터 물품을 제조하는 제조 공정을,
    포함하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조 방법.
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