KR20240010018A - 조명 광학계 및 노광 장치 - Google Patents

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오사무 오사와
고이치 이토
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우시오덴키 가부시키가이샤
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Abstract

복수의 발광 소자로부터의 광을 높은 효율로 이용한다. 조명 광학계(1)의 일 양태는, 각각이 발광면으로부터 광을 발하는 복수의 발광 소자(11)가, 당해 발광면이 펼쳐지는 방향으로 서로 늘어서 있는 광원(10)과, 상기 발광 소자가 발한 광의 배광 분포를 조도 분포로 변환함과 더불어, 상기 복수의 발광 소자에 대응한 복수의 당해 조도 분포를 중첩면 상에서 서로 겹치게 하는 릴레이 광학계(20)와, 상기 중첩면 상에서 중첩되는 광을 파면 분할하여 복수의 광속으로서 전달하는 복수의 파면 분할 요소가 서로 병렬적으로 배치된 옵티컬 인테그레이터(30)와, 상기 복수의 광속을 피조사면에서 중첩시키는 콘덴서 광학계(50)를 구비한다.

Description

조명 광학계 및 노광 장치
본 발명은, 조명 광학계 및 노광 장치에 관한 것이다.
반도체 소자, 플랫 패널 디스플레이, MEMS(마이크로 일렉트로 메커니컬 시스템스) 등의 제조 공정에서 이용하는 노광 장치 및 조명 광학계가 알려져 있다.
종래, 노광 장치의 광원으로서, 초고압 수은 램프, 메탈 할라이드 램프 등의 고휘도의 방전 램프가 이용되고 있었다. 이에 대하여, 최근의 LED, LD 등의 발광 소자의 기술의 진보에 수반하여, 복수의 LED를 노광 장치의 광원에 이용하는 기술이 제안되고 있다.
LED는, 노광용 광원으로서는 1칩당 방사광량이 적다. 이 때문에, 피조사면에 있어서 필요한 높은 조도를 얻기 위해서는, 복수의 칩으로부터의 광을 조명 광학계로 합성하여 피조사면으로 이끌 것이 요구된다.
예를 들면 특허문헌 1에는, 복수의 LED에 있어서의 각 발광면의 상(像)이, 플라이 아이 렌즈의 입사 측의 면의 유효 영역을 덮는 크기까지 확대되고, 확대된 상이 플라이 아이 렌즈의 입사 측에서 서로 겹치도록 투영되는 조명 광학계 및 노광 장치가 개시되어 있다.
일본국 특허공개 2016-188878호 공보
그러나, 특허문헌 1에 기재된 조명 광학계 및 노광 장치를 실제로 조립하면(실제로 사용해 보면), 발광 소자로부터 발해진 광 중 피조사면에 도달하는 광의 비율(광의 이용 효율)이 낮다. 이 때문에, 노광하는 패턴 사이즈에 따라 노광 해상도를 높이기 위하여 개구 조리개를 좁힌 경우에는 피조사면에서의 조도가 부족하여, 노광 시간이 장시간화하게 된다.
이에, 본 발명은, 복수의 발광 소자로부터의 광을 높은 효율로 이용하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 조명 광학계의 일 양태는, 각각이 발광면으로부터 광을 발하는 복수의 발광 소자가, 당해 발광면이 펼쳐지는 방향으로 서로 늘어서 있는 광원과, 상기 발광 소자가 발한 광의 배광 분포를 조도 분포로 변환함과 더불어, 상기 복수의 발광 소자에 대응한 복수의 당해 조도 분포를 중첩면 상에서 서로 겹치게 하는 릴레이 광학계와, 상기 릴레이 광학계에 의한 조사광을 파면(波面) 분할하여 복수의 광속(光束)으로서 전달하는 복수의 파면 분할 요소가 서로 병렬적으로 배치된 옵티컬 인테그레이터와, 상기 복수의 광속을 피조사면에서 중첩시키는 콘덴서 광학계를 구비한다.
상기 조명 광학계에 의하면, 각 발광 소자로부터의 광이 중첩면 상에 둥근 형상의 조도 분포가 되어 서로 겹쳐지게 되고, 둥근 형상의 개구 조리개를 통과한 광이 콘덴서 광학계로 이끌어지는 효율이 높아, 광원으로부터 발해지는 광의 이용 효율이 높다.
상기 조명 광학계에 있어서, 상기 릴레이 광학계가, 상기 복수의 발광 소자에 대응한 복수의 제1 렌즈 요소를 갖고, 각 제1 렌즈가 각 발광 소자로부터의 광을 집광하는 집광 렌즈군과, 상기 복수의 제1 렌즈 요소에 대응한 복수의 제2 렌즈 요소를 갖고, 각 발광 소자로부터의 광의 배광 분포에 상당하는 조도 분포의 조사광이 각 제1 렌즈에 의하여 각 제2 렌즈 요소의 입사면에 조사되는 렌즈 어레이와, 상기 렌즈 어레이의 각 제2 렌즈 요소의 출사면과 광학적으로 협동하여, 각 제2 렌즈 요소의 입사면에 조사된 각 조사광을 상기 중첩면 상으로 이끌어 서로 겹치게 하는 릴레이 렌즈를 구비하는 것이 바람직하다.
집광 렌즈군, 렌즈 어레이, 및 릴레이 렌즈에 의하여 릴레이 광학계의 기능이 분담되어, 릴레이 광학계가 용이하게 실현된다.
상기 조명 광학계에 있어서, 상기 릴레이 렌즈부터 상기 옵티컬 인테그레이터의 입사면까지의 거리는, 당해 릴레이 렌즈부터 상기 중첩면까지의 거리보다 짧은 것이 바람직하다. 옵티컬 인테그레이터의 입사면이 이 거리에 위치하더라도 광의 이용 효율은 거의 변함이 없어 개구 조리개의 면에서 주변까지 플랫한 조도 분포가 되기 때문에 보다 미세한 패턴의 노광에 적합하다.
상기 조명 광학계에 있어서, 상기 렌즈 어레이는, 상기 복수의 제2 렌즈 요소 각각이, 광축을 따른 방향으로 보았을 때 사각형의 외형을 갖고, 당해 복수의 제2 렌즈 요소가 묶인 것도 바람직하다. 사각형의 제2 렌즈 요소가 이용됨으로써, 둥근 제2 렌즈 요소가 이용되는 경우에 비하여 광의 이용 효율이 향상된다.
상기 조명 광학계에 있어서, 상기 집광 렌즈군은, 상기 복수의 제1 렌즈 요소 각각의 출사 측이, 광축을 따른 방향으로 보았을 때 사각형의 외형을 갖고, 당해 복수의 제1 렌즈 요소가 묶인 것도 바람직하다. 출사 측이 사각형인 제1 렌즈 요소가 이용됨으로써, 둥근 제1 렌즈 요소가 이용되는 경우에 비하여 광의 이용 효율이 향상된다.
출사 측이 사각형인 제1 렌즈 요소가 이용되는 경우, 상기 집광 렌즈군은, 상기 복수의 제1 렌즈 요소 각각이, 상기 발광 소자 측에 위치하는 전 요소와 상기 렌즈 어레이 측에 위치하는 후 요소를 갖고, 당해 전 요소는 광축을 따른 방향으로 보았을 때 둥근 외형을 갖고, 당해 후 요소는 광축을 따른 방향으로 보았을 때 사각형의 외형을 갖는 것이 더욱 바람직하다. 둥근 외형의 전 요소와 사각형의 외형의 후 요소의 조합에 의하여 광의 이용 효율이 더욱 향상된다.
또, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 노광 장치의 일 양태는, 상기 조명 광학계로 상기 피조사면에 배치된 패턴을 조사하고, 당해 패턴을 노광 대상물에 노광한다. 상기 노광 장치에 의하면, 효율적인 광 조사에 의하여 패턴 노광의 노광 시간의 단축화가 도모된다.
상기 노광 장치에 있어서, 상기 조명 광학계에 의하여 조사된 상기 패턴의 상을 상기 노광 대상물에 투영하는 투영 광학계를 구비해도 된다.
본 발명에 의하면, 복수의 발광 소자로부터의 광을 높은 효율로 이용할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 조명 광학계의 일 실시 형태를 나타내는 도면이다.
도 2는, 본 발명의 노광 장치의 일 실시 형태를 나타내는 도면이다.
도 3은, 발광 소자와 집광 렌즈와 렌즈 요소의 위치 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는, 조합 렌즈의 집광 렌즈를 나타내는 도면이다.
도 5는, 발광 소자의 배광 특성을 나타내는 도면이다.
도 6은, 비교예의 조명 광학계에 있어서의 옵티컬 인테그레이터의 입사면에 있어서의 조도 분포를 나타내는 도면이다.
도 7은, 비교예의 조명 광학계에 있어서의 개구 조리개의 위치에 있어서의 조도 분포를 나타내는 도면이다.
도 8은, 도 1에 나타내는 조명 광학계에 있어서의 옵티컬 인테그레이터의 입사면에 있어서의 조도 분포를 나타내는 도면이다.
도 9는, 도 1에 나타내는 조명 광학계에 있어서의 개구 조리개의 위치에 있어서의 조도 분포를 나타내는 도면이다.
도 10은, 발광 소자, 집광 렌즈, 및 렌즈 요소의 배치에 관한 제1 변형예를 나타내는 도면이다.
도 11은, 발광 소자, 집광 렌즈, 및 렌즈 요소의 배치에 관한 제2 변형예를 나타내는 도면이다.
도 12는, 렌즈 어레이의 구조가 상이한 변형예를 나타내는 도면이다.
도 13은, 릴레이 광학계와 옵티컬 인테그레이터의 거리가 상이한 변형예를 나타내는 도면이다.
도 14는, 도 13에 나타내는 조명 광학계에 있어서의 옵티컬 인테그레이터의 입사면에 있어서의 조도 분포를 나타내는 도면이다.
도 15는, 도 13에 나타내는 조명 광학계에 있어서의 개구 조리개의 위치에 있어서의 조도 분포를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 의거하여 설명한다. 단, 이하의 설명이 불필요하게 장황해지는 것을 피하고, 당업자의 이해를 용이하게 하기 위하여, 필요 이상으로 상세한 설명은 생략하는 경우가 있다. 예를 들면, 이미 잘 알려진 사항의 상세 설명이나 실질적으로 동일한 구성에 대한 중복 설명을 생략하는 경우가 있다. 또, 앞서 설명한 도면에 기재된 요소에 대해서는, 뒤의 도면의 설명에 있어서 적절히 참조하는 경우가 있다.
도 1은, 본 발명의 조명 광학계의 일 실시 형태를 나타내는 도면이다.
도 1에 나타내는 조명 광학계(1)는, 마스크(M)에 광을 조사하는 광학계이다. 마스크(M)에는, 조사된 광을 투과시키는 패턴이 형성되어 있고, 마스크(M)는 피조사면에 배치된다.
조명 광학계(1)는, 광원(10)과, 릴레이 광학계(20)와, 옵티컬 인테그레이터(30)와, 개구 조리개(40)와, 콘덴서 렌즈(50)를 구비하고 있다. 조명 광학계(1)의 광축(AX)은 도면의 상하 방향을 향하고 있다. 이하의 설명에서는, 광축(AX)의 방향을 기준으로서 이용하고, 광축(AX)을 따르는 방향을 Z방향이라고 칭하고, 광축(AX)에 수직인 2차원 방향을 XY방향이라고 칭하는 경우가 있다.
광원(10)은 복수의 발광 소자(11)를 갖고, 발광 소자(11)로서는 예를 들면 LED가 이용된다. 발광 소자(11)는 발광면으로부터 광을 발하는 것이고, LED에 한정되지 않는다. 발광 소자(11)는, 예를 들면, 반도체 레이저의 광이 광섬유 등으로 이끌어져 발광면으로부터 발해지는 것이어도 된다.
릴레이 광학계(20)는, 광원(10)의 각 발광 소자(11)로부터 발해지는 광을 겹치게 하여 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31)으로 이끈다. 릴레이 광학계(20)의 상세한 구조와 작용에 대해서는 후술한다.
옵티컬 인테그레이터(30)는, 입사면(31)에 입사하는 광의 파면을 복수의 파면 분할 요소(32)로 파면 분할하여 출사면(33) 측으로 전달한다. 또한, 옵티컬 인테그레이터(30)에 있어서의 파면 분할 요소(32)의 수는, 광원(10)의 발광 소자(11)의 수에 의존하지 않는다.
개구 조리개(40)는, 옵티컬 인테그레이터(30)의 출사면(33)으로부터 출사되는 광을 줄인다. 개구 조리개(40)는 개폐 가능한 것이어도 되지만, 본 실시 형태에 있어서의 개구 조리개(40)는, 마스크(M)에 형성된 패턴의 세밀함(거친 패턴인지 미세한 패턴인지)에 맞춘 고정의 개구경을 갖는다. 개구 조리개(40)의 사이즈는 조명 광학계의 NA(개구 수)에 상당하고 개구 조리개(40)의 사이즈나 개구 조리개면에 있어서의 조도 분포는 투영 광학계의 NA와의 관계에서 노광의 각 패턴 사이즈에 대한 해상 성능에 영향을 준다.
콘덴서 렌즈(50)는, 본 발명에서 말하는 콘덴서 광학계의 일례에 상당하고, 개구 조리개(40)를 통과한 광을 피조사면 상에(즉 마스크(M) 상에) 조사한다. 콘덴서 렌즈(50)는, 복수의 렌즈가 조합된 조합 렌즈여도 된다.
도 2는, 본 발명의 노광 장치의 일 실시 형태를 나타내는 도면이다.
노광 장치(100)에는, 조명 광학계(1)와, 마스크 스테이지(110)와, 투영 광학계(120)와, 워크 스테이지(130)가 구비되어 있다.
마스크 스테이지(110)는 마스크(M)를 유지하고, 그 마스크(M)에는 조명 광학계(1)에 의하여 광이 조사된다.
워크 스테이지(130)에는, 예를 들면 유리 기판이나 반도체 기판 등과 같은 노광 대상이 되는 워크(W)가 유지된다.
투영 광학계(120)는, 마스크(M)를 투과한 광을 워크(W) 상에 투영하여 워크(W)를 패턴 노광한다.
노광 장치(100)는, 투영 광학계(120)를 갖지 않고, 워크(W)가 마스크(M)에 근접 혹은 접촉하여 유지되는 방식의 것이어도 된다.
도 1로 되돌아와, 릴레이 광학계(20)의 상세에 대하여 설명한다.
릴레이 광학계(20)는, 일례로서, 집광 렌즈군(21)과, 렌즈 어레이(22)와, 릴레이 렌즈(23)를 갖는다.
집광 렌즈군(21)은, 광원(10)의 복수의 발광 소자(11)에 대응한 복수의 집광 렌즈(211)를 갖고, 렌즈 어레이(22)는, 복수의 집광 렌즈(211)에 대응한 복수의 렌즈 요소(221)를 갖는다. 집광 렌즈군(21)의 집광 렌즈(211)는 본 발명에서 말하는 제1 렌즈 요소의 일례에 상당하고, 렌즈 어레이(22)의 렌즈 요소(221)는 본 발명에서 말하는 제2 렌즈 요소의 일례에 상당한다.
각 집광 렌즈(211)는, 대응하는 각 발광 소자(11)로부터 발해진 광을, 대응하는 렌즈 요소(221)의 입사 측에 집광한다. 구체적으로는, 발광 소자(11)로부터 발해진 광의 평행 광속 성분은, 집광 렌즈(211)에 의하여, 평행 광속의 방향에 따른 개소에 집광된다. 또, 발광 소자(11) 상의 1점으로부터 발해진 발산 광속 성분은, 집광 렌즈(211)에 의하여, 평행 광속으로서, 혹은 평행 광속에 가까운 각도의 광속으로서 렌즈 요소(221)에 입사된다.
렌즈 어레이(22)의 각 렌즈 요소(221)는, 입사 측으로부터 출사 측으로 광을 전달하고, 본 실시 형태에서는, 입사 측의 1점에 집광된 광은 평행 광속, 혹은 평행 광속에 가까운 각도의 광속으로서 출사되고, 입사 측에서 평행 광속, 혹은 평행 광속에 가까운 각도의 광속으로서 입사된 광은 출사 측의 1점으로부터 발산 광속으로서 출사된다.
도 3은, 발광 소자(11)와 집광 렌즈(211)와 렌즈 요소(221)의 위치 관계를 나타내는 도면이다.
도 3에는, 광원(10)과 집광 렌즈군(21)과 렌즈 어레이(22)를 Z방향으로 본 경우의 발광 소자(11)와 집광 렌즈(211)와 렌즈 요소(221)의 위치 관계가 나타내어져 있다. 또한, 도 3에 나타내어진 위치 관계는 마스크(M)(면)에서의 조사 형상이 정방형인 경우에 있어서의 위치 관계이다.
복수의 발광 소자(11)는 XY방향으로 배열되어 있고, 각 발광 소자(11)는 네모난 발광면을 갖고 있다.
각 발광 소자(11)에 대응하여 각 집광 렌즈(211)와 각 렌즈 요소(221)가 배비되어 있다. 집광 렌즈(211)의 외형은 사각형으로 되어 있고, 집광 렌즈군(21)은 사각형의 집광 렌즈(211)가 XY방향으로 묶인 것으로 되어 있다. 마찬가지로, 렌즈 요소(221)의 외형은 사각형으로 되어 있고, 렌즈 어레이(22)는 사각형의 렌즈 요소(221)가 XY방향으로 묶인 것으로 되어 있다. 본 실시 형태의 경우, 집광 렌즈군(21) 및 렌즈 어레이(22)의 외형도 사각형으로 되어 있다.
상술한 바와 같이, 집광 렌즈(211)는 본 발명에서 말하는 제1 렌즈 요소의 일례에 상당하고, 본 발명에서 말하는 제1 렌즈 요소는 둥근 외형의 것이어도 되지만, 네모난 외형의 집광 렌즈(211)가 묶인 집광 렌즈군(21)에 의하면, 광원(10)의 각 발광 소자(11)로부터 발해지는 광이 효율적으로 집광되므로 광의 이용 효율이 높다.
또, 렌즈 요소(221)는 본 발명에서 말하는 제2 렌즈 요소의 일례에 상당하고, 본 발명에서 말하는 제2 렌즈 요소는 둥근 외형의 것이어도 되지만, 네모난 외형의 렌즈 요소(221)가 묶인 렌즈 어레이(22)에 의하면, 광원(10)의 각 발광 소자(11)로부터 발해지는 광이 효율적으로 입사되어 전달되므로 광의 이용 효율이 높다.
집광 렌즈군(21)의 집광 렌즈(211)는, 도 1에 나타내는 이른바 단일 렌즈여도 되지만, 예를 들면 2장의 렌즈에 의한 조합 렌즈여도 된다.
도 4는, 조합 렌즈의 집광 렌즈(211)를 나타내는 도면이다.
도 4에는, 측면도 (A)와 정면도 (B)가 나타내어져 있다.
조합 렌즈의 집광 렌즈(211)는, 발광 소자(11) 측의 전 렌즈(212)와, 렌즈 어레이(22) 측의 후 렌즈(213)의 조합으로 이루어진다. 정면도 (B)에 나타내어져 있는 바와 같이, 전 렌즈(212)의 외형은 둥글고, 후 렌즈(213)의 외형은 네모나다. 집광 렌즈(211)가 조합 렌즈인 경우에는, 둥근 전 렌즈(212)와 네모난 후 렌즈(213)의 조합에 의하여 광의 이용 효율이 향상된다. 전 렌즈(212)는, 본 발명에서 말하는 전 요소의 일례에 상당하고, 후 렌즈(213)는, 본 발명에서 말하는 후 요소의 일례에 상당한다.
도 4에 나타내는 집광 렌즈(211)로 이루어지는 집광 렌즈군(21)이 도 3에 나타내는 렌즈 어레이(22)와 조합됨으로써, 도 4에 나타내는 집광 렌즈(211)로 이루어지는 집광 렌즈군(21)이 도 3에 나타내는 렌즈 어레이(22)와 조합되지 않는 경우(후술하는 비교예)와 비교하여 광의 이용 효율이 10% 정도 향상될 것이 기대된다.
다시 도 1로 되돌아와 설명을 계속한다.
릴레이 렌즈(23)는, 렌즈 어레이(22)의 각 렌즈 요소(221)로부터 출사된 광을 서로 겹치게 하여 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31)에 입사시킨다. 구체적으로는, 렌즈 어레이(22)의 출사 측의 1점으로부터 출사된 발산 광속 성분은, 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31)에 평행 광속, 혹은 평행 광속에 가까운 각도의 광속으로서 입사되고, 렌즈 어레이(22)로부터 출사된 평행 광속 성분, 혹은 평행 광속에 가까운 각도의 성분은, 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31) 상의 중앙에 집광된다.
본 실시 형태에서는, 렌즈 어레이(22)의 입사면과, 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31)이 광학적인 공액 관계로 되어 있고, 각 발광 소자(11)의 배광 분포에 상당하는 조도 분포를 갖는 상이 입사면(31) 상에서 서로 중첩된다.
도 5는, 발광 소자(11)의 배광 특성을 나타내는 도면이다.
도 5에는, Z방향을 0°로 한 극좌표가 나타내어지고, 발광 소자(11)의 배광 특성이 실선으로 나타내어져 있다. 도 5에 점선으로 나타내어진 배광 특성은, 광원이 램버시안 배광인 경우의 배광 특성이다. 실선도 점선도 0° 방향을 1로 한 상대값으로 표시되어 있고, 점선으로 나타내어진 램버시안 배광과 비교하면 발광 소자(11)에서는, 큰 각도에 대하여 광속이 약하게 되어 있는 만큼, 작은 각도에서 보다 강한 광속으로 되어 있다. 렌즈 어레이(22)의 각 렌즈 요소(221)의 입사면에는 배광 특성에 상당하는 광 중, 렌즈 요소(211)로 포착된 예를 들면 -50°~+50°의 범위의 광이 조사되어 있다. 렌즈 요소(221)가 네모난 외형인 경우, 그 입사면에 조사되어 있는 광은 사각형의 내접원보다 넓은 범위가 되지만, 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31) 상에 중첩되는 광은 동그라미에 가까운 형상의 광이 되고, 이에 의하여, 피조사면 상의 마스크(M)에 높은 이용 효율로 광이 조사되게 된다.
여기서, 도 1에 나타내는 실시 형태에 있어서의 조도 분포를 비교예와 비교하여 설명한다.
비교예로서는, 도 1에 나타내는 렌즈 어레이(22)가 없고, 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31) 상에서 발광 소자(11)의 발광면의 상이 겹쳐지는 조명 광학계가 이용된다.
도 6은, 비교예의 조명 광학계에 있어서의 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31)에 있어서의 조도 분포를 나타내는 도면이고, 도 7은, 비교예의 조명 광학계에 있어서의 개구 조리개(40)의 위치에 있어서의 조도 분포를 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7에는, XY방향에 있어서의 2차원적인 조도 분포를 나타내는 조도 분포도(301, 401)와, 조도 분포도(301, 401)의 중심을 통과하는 X방향(도면의 가로 방향)의 직선 상에 있어서의 조도 분포를 나타내는 조도 그래프(301a, 401a)와, 조도 분포도(301, 401)의 중심을 통과하는 Y방향(도면의 세로 방향)의 직선 상에 있어서의 조도 분포를 나타내는 조도 그래프(301b, 401b)가 나타내어져 있다.(이하, 조도 분포의 도면에 있어서 동일.)
도 6의 조도 분포도(301)에 나타내어지는 바와 같이, 비교예에서는 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31)에 네모난 형상으로 광이 조사된다. 또, 조도 그래프(301a, 301b)에 나타내어지는 바와 같이, 광이 조사된 범위 내에 있어서 균일에 가까운 조도 분포로 되어 있다.
비교예에 있어서의 조도 분포는, 피조사면에 있어서 광의 이용 효율이 가장 양호해지도록 설계된 경우의 조도 분포이다.
옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31) 전체에서의 합계 광량은, 광원(10)에 있어서의 발광량을 기준으로 한 상대값으로 756.2로 되어 있다.
균일에 가까운 조도 분포의 광이 네모난 형상으로 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31)에 조사된 결과, 도 7의 조도 분포도(401)에 나타내어지는 바와 같이, 둥근 형상의 개구 조리개(40)에 의하여 조도 분포의 4귀퉁이에서 광이 차단된다. 그 결과, 비교예에서는, 개구 조리개(40)를 통과하는 합계 광량이 상기 상대값으로 507.0이 된다. 또, 도 7의 조도 그래프(401a, 401b)에 나타내어지는 바와 같이, 개구 조리개(40)를 통과하는 광은 상하 좌우 방향의 주변부에서 조도가 크게 저하한다. 미세한 패턴에 대해서는 이 영역의 조도가 저하하지 않도록 조명 범위가 넓어지도록 설계하는 편이 좋다. 이 경우는 개구 조리개(40)에 의하여 차단되는 광이 증가하고, 합계 광량이 상기 상대값으로 454.1이 되어, 광의 이용 효율이 더욱 낮아진다.
도 8은, 도 1에 나타내는 조명 광학계(1)에 있어서의 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31)에 있어서의 조도 분포를 나타내는 도면이고, 도 9는, 도 1에 나타내는 조명 광학계(1)에 있어서의 개구 조리개(40)의 위치에 있어서의 조도 분포를 나타내는 도면이다.
도 8의 조도 분포도(302)에 나타내어지는 바와 같이, 도 1에 나타내는 실시 형태의 조명 광학계(1)에서는, 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31)에 둥근 형상으로 광이 조사된다. 또, 조도 그래프(302a, 302b)에 나타내어지는 바와 같이, 광이 조사된 범위 내에 있어서 균일에 가까운 조도 분포가 되고, 조사 범위의 외연에서는 조도가 약간 높게 되어 있다. 본 실시 형태의 조명 광학계(1)에 있어서, 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31) 전체에서의 합계 광량은, 상기 상대값으로 729.2로 되어 있다.
균일에 가까운 조도 분포의 광이 둥근 형상으로 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31)에 조사된 결과, 도 9의 조도 분포도(402)에 나타내어지는 바와 같이, 개구 조리개(40)의 개구 전체를 광이 통과한다. 또, 도 9의 조도 그래프(402a, 402b)에 나타내어지는 바와 같이, 개구 조리개(40)를 통과하는 광은 개구의 범위에서 균일에 가까운 조도 분포가 된다. 그 결과, 제1 실시 형태의 조명 광학계(1)에서는, 개구 조리개(40)를 통과하는 합계 광량이 상기 상대값으로 558.1이 되어, 도 6 및 도 7에 나타내는 비교예에 대하여 광의 이용 효율이 높다.
다음으로, 본 실시 형태의 조명 광학계(1)에 대한 변형예에 대하여 설명한다.
도 10 및 도 11은, 발광 소자(11), 집광 렌즈(211), 및 렌즈 요소(221)의 배치에 관한 변형예를 나타내는 도면이고, 마스크(M)(면)에서의 조사 형상이 원형인 경우의 예이다.
도 10에 나타내는 변형예에서는, 광원(10)의 발광 소자(11)가 점선으로 나타내어진 둥근 범위 내에 가로세로로 늘어서서 배열된다. 도 10에 나타내는 변형예에서도, 집광 렌즈(211) 및 렌즈 요소(221)는, 각각이 네모난 외형을 갖고, 각 집광 렌즈(211) 및 각 렌즈 요소(221)가, 각 발광 소자(11)에 대응하여 배비된다.
도 10에 나타내는 둥근 배치이더라도, 각 집광 렌즈(211) 및 각 렌즈 요소(221)가 네모난 외형을 가짐으로써 광의 이용 효율이 향상된다.
도 11에 나타내는 변형예에서는, 광원(10)의 발광 소자(11)가 점선으로 나타내어진 둥근 범위 내에 들어가는 6각형 형상으로 배치되고, 발광 소자(11)의 배열은, 서로 60° 상이한 3방향의 열이 교차한 배열로 되어 있다. 또, 도 11에 나타내는 변형예에서는, 집광 렌즈(211) 및 렌즈 요소(221)는, 각각이 둥근 외형을 갖고, 각 집광 렌즈(211) 및 각 렌즈 요소(221)가, 각 발광 소자(11)에 대응하여 배비된다. 또한, 각 집광 렌즈(211) 및 렌즈 요소(221)는 각각이 육각형의 외형을 갖고 있어도 된다.
각 집광 렌즈(211) 및 각 렌즈 요소(221)가 둥근 외형을 갖는 변형예에서는, 도 3 및 도 10에 나타내는 배치와 비교하면 광의 이용 효율이 낮지만, 발광 소자(11)를 점선으로 나타낸 둥근 범위 내에 많이 배치할 수 있다. 또 개구 조리개(40)면에서 플랫한 조도 분포가 되기 때문에 도 6, 도 7의 비교예에서 개구 조리개(40)의 면에서 주변까지 플랫한 조도 분포가 되도록 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면에서 조사 범위를 넓게 설계한 경우와 비교하면 광의 이용 효율이 높아진다.
도 12는, 렌즈 어레이(22)의 구조가 상이한 변형예를 나타내는 도면이다.
도 12에 나타내는 변형예의 조명 광학계(2)에서는, 렌즈 어레이(22)의 각 렌즈 요소(221)가 제1 렌즈(222)와 제2 렌즈(223)로 구성되어 있다. 즉, 렌즈 어레이(22)가, 제1 렌즈(222)의 렌즈 어레이와 제2 렌즈(223)의 렌즈 어레이의 한 쌍으로 구성되어 있다. 렌즈 어레이(22)가 한 쌍의 렌즈 어레이로 구성됨으로써 렌즈 어레이(22)의 경량화가 도모된다. 제1 렌즈(222)와 제2 렌즈(223)의 쌍으로 구성된 렌즈 요소(221)도, 본 발명에서 말하는 제2 렌즈 요소의 일례에 상당한다.
도 13은, 릴레이 광학계(20)와 옵티컬 인테그레이터(30)의 거리가 상이한 변형예를 나타내는 도면이다.
도 13에 나타내는 변형예의 조명 광학계(3)에서는, 광원(10) 및 릴레이 광학계(20)의 구조와, 옵티컬 인테그레이터(30)로부터 콘덴서 렌즈(50)에 이르는 구조는, 도 1에 나타내는 조명 광학계(1)와 동일하지만, 릴레이 광학계(20)로부터 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31)에 이르는 거리가 변형예의 조명 광학계(3)와 도 1에 나타내는 조명 광학계(1)에서는 상이하다. 구체적으로는, 도 1에 나타내는 조명 광학계(1)에서의 거리에 대하여, 도 13에 나타내는 변형예의 조명 광학계(3)에서의 거리는 짧게 되어 있다. 그 결과, 릴레이 광학계(20)의 릴레이 렌즈(23)에 의하여 상이 겹쳐지는 중첩면(P)에 대하여 릴레이 렌즈(23) 측에 가까운 면에서 광이 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31)에 입사하게 된다. 이에 의하여, 중첩면(P)과는 상이한 면에서 조사광이 옵티컬 인테그레이터(30)에 입사하지만, 결과적으로 광의 이용 효율은 중첩면(P)에서 입사한 경우와 거의 변함이 없다.
도 14는, 도 13에 나타내는 조명 광학계(3)에 있어서의 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31)에 있어서의 조도 분포를 나타내는 도면이고, 도 15는, 도 13에 나타내는 조명 광학계(3)에 있어서의 개구 조리개(40)의 위치에 있어서의 조도 분포를 나타내는 도면이다.
도 14의 조도 분포도(303)에 나타내어지는 바와 같이, 도 13에 나타내는 변형예의 조명 광학계(3)에서도, 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31)에 둥근 형상으로 광이 조사된다. 또, 조도 그래프(303a, 303b)에 나타내어지는 바와 같이, 광이 조사된 범위 내에 있어서 균일에 가까운 조도 분포로 되어 있다. 조도 분포의 균일함은, 도 13에 나타내는 조명 광학계(3)가, 도 1에 나타내는 조명 광학계(1)보다 양호하고, 도 13에 나타내는 조명 광학계(3)에 있어서, 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31) 전체에서의 합계 광량은, 상기 상대값으로 729.1로 되어 있다.
균일성이 양호한 조도 분포의 광이 둥근 형상으로 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면(31)에 조사된 결과, 도 15의 조도 분포도(403)에 나타내어지는 바와 같이, 개구 조리개(40)의 개구 전체를 광이 통과한다. 또, 도 15의 조도 그래프(403a, 403b)에 나타내어지는 바와 같이, 개구 조리개(40)를 통과하는 광은 개구의 범위에서 더욱 균일에 가까운 조도 분포가 된다. 그 결과, 도 13에 나타내는 조명 광학계(3)에서는, 개구 조리개(40)를 통과하는 합계 광량이 상기 상대값으로 563.5가 되어, 광의 이용 효율은, 도 1의 조명 광학계(1)에 나타낸 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면을 중첩면(P)에 배치한 경우와 거의 변함이 없지만, 조도를 떨어뜨리지 않고 개구 조리개(40)의 면에서 주변까지 균일한 조도 분포로 할 수 있기 때문에, 보다 미세한 패턴의 노광에 접합하여 도 6, 도 7에서 나타낸 비교예나 도 8, 도 9의 예에 대하여 우위성이 있다. 또, 중첩면(P)에 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면을 배치한 경우와 조도가 거의 변함이 없다고 하는 것은 중첩면(P)에 대하여 릴레이 렌즈(23)로부터의 거리가 멀어지도록 옵티컬 인테그레이터(30)의 입사면을 배치해도 상관없다.
또한, 상기에서는 조명 광학계가 패턴 노광의 노광 장치에 적용되는 예가 나타내어져 있지만, 본 발명의 조명 광학계는, 노광 대상을 균일하게 전체면 노광하는 노광 장치에 적용되어도 되고, 노광 이외의 조명에 적용되어도 된다.
1, 2, 3: 조명 광학계 10: 광원
11: 발광 소자 20: 릴레이 광학계
21: 집광 렌즈군 211: 집광 렌즈
212: 전 렌즈 213: 후 렌즈
22: 렌즈 어레이 221: 렌즈 요소
23: 릴레이 렌즈 30: 옵티컬 인테그레이터
31: 입사면 32: 파면 분할 요소
33: 출사면 40: 개구 조리개
50: 콘덴서 렌즈 100: 노광 장치
110: 마스크 스테이지 120: 투영 광학계
130: 워크 스테이지

Claims (8)

  1. 각각이 발광면으로부터 광을 발하는 복수의 발광 소자가, 당해 발광면이 펼쳐지는 방향으로 서로 늘어서 있는 광원과,
    상기 발광 소자가 발한 광의 배광 분포를 조도 분포로 변환함과 더불어, 상기 복수의 발광 소자에 대응한 복수의 당해 조도 분포를 중첩면 상에서 서로 겹치게 하는 릴레이 광학계와,
    상기 릴레이 광학계에 의한 조사광을 파면(波面) 분할하여 복수의 광속(光束)으로서 전달하는 복수의 파면 분할 요소가 서로 병렬적으로 배치된 옵티컬 인테그레이터와,
    상기 복수의 광속을 피조사면에서 중첩시키는 콘덴서 광학계
    를 구비한 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 릴레이 광학계가,
    상기 복수의 발광 소자에 대응한 복수의 제1 렌즈 요소를 갖고, 각 제1 렌즈가 각 발광 소자로부터의 광을 집광하는 집광 렌즈군과,
    상기 복수의 제1 렌즈 요소에 대응한 복수의 제2 렌즈 요소를 갖고, 각 발광 소자로부터의 광의 배광 분포에 상당하는 조도 분포의 조사광이 각 제1 렌즈에 의하여 각 제2 렌즈 요소의 입사면에 조사되는 렌즈 어레이와,
    상기 렌즈 어레이의 각 제2 렌즈 요소의 출사면과 광학적으로 협동하여, 각 제2 렌즈 요소의 입사면에 조사된 각 조사광을 상기 중첩면 상으로 이끌어 서로 겹치게 하는 릴레이 렌즈
    를 구비한 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 릴레이 렌즈부터 상기 옵티컬 인테그레이터의 입사면까지의 거리는, 당해 릴레이 렌즈부터 상기 중첩면까지의 거리보다 짧은 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 렌즈 어레이는, 상기 복수의 제2 렌즈 요소 각각이, 광축을 따른 방향으로 보았을 때 사각형의 외형을 갖고, 당해 복수의 제2 렌즈 요소가 묶인 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  5. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 집광 렌즈군은, 상기 복수의 제1 렌즈 요소 각각의 출사 측이, 광축을 따른 방향으로 보았을 때 사각형의 외형을 갖고, 당해 복수의 제1 렌즈 요소가 묶인 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 집광 렌즈군은, 상기 복수의 제1 렌즈 요소 각각이, 상기 발광 소자 측에 위치하는 전 요소와 상기 렌즈 어레이 측에 위치하는 후 요소를 갖고, 당해 전 요소는 광축을 따른 방향으로 보았을 때 둥근 외형을 갖고, 당해 후 요소는 광축을 따른 방향으로 보았을 때 사각형의 외형을 갖는 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 조명 광학계로 상기 피조사면에 배치된 패턴을 조사하고, 당해 패턴을 노광 대상물에 노광하는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 조명 광학계에 의하여 조사된 상기 패턴의 상(像)을 상기 노광 대상물에 투영하는 투영 광학계를 구비한 것을 특징으로 하는 노광 장치.
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