WO2004006308A1 - 照明方法並びに露光方法及びその装置 - Google Patents

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WO2004006308A1
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Yoshitada Oshida
Shigenobu Maruyama
Kazuo Kobayashi
Yoshitatu Naitou
Yoshihisa Osaka
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Hitachi, Ltd.
Hitachi Via Mechanics, Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to an illumination method for irradiating an illuminated area with uniform and efficient illumination light, an exposure method using the illumination method, and an exposure apparatus for exposing a pattern using the exposure method.
  • the present invention relates to an illumination method, an exposure method, and an exposure apparatus using a large number of semiconductor lasers.
  • the divergence angle in one direction is small, but the direction perpendicular to this direction is large, and the ratio of the divergence angle is about 1: 3 to 1: 4. Irradiate the light from each LD uniformly and efficiently to the desired illuminated area. It was impossible. In other words, there was a contradictory phenomenon that the efficiency decreased when trying to uniformly illuminate, and the uniformity deteriorated when trying to increase the efficiency.
  • An object of the present invention is to solve the above problems by using a plurality of light sources, such as semiconductor lasers, each having a small light emission energy so that an object can be irradiated with high efficiency and uniformity.
  • Another object of the present invention is to provide a lighting method and a lighting device that realize high-performance lighting with energy saving.
  • Another object of the present invention is to provide an exposure method and apparatus capable of realizing good pattern exposure with high throughput when exposing a pattern on a substrate or the like.
  • the present invention provides a method of emitting light from each of a plurality of light sources such as LDs which are separated and arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and light emitted from each of the plurality of light sources. Illuminating the illuminated area by superimposing the light from the multiple pseudo secondary light sources generated by the condenser lens on a spatial basis by spatially decomposing It is characterized.
  • a light source array a large number of light sources or secondary light sources obtained from the light sources are arranged in a substantially uniform distribution in a region substantially similar to the shape of the illuminated region. With this configuration, uniform and highly efficient illumination is realized.
  • the present invention provides a two-dimensional optical integration system in which the above-mentioned optical integration is made up of an array of a plurality of rod lenses, and the aspect ratio of the cross-sectional shape of each rod lens is substantially equal to the aspect ratio of the illuminated area.
  • the light emitted from the light source or the secondary light source arranged on a plane can be illuminated most efficiently and uniformly on the illuminated area, and the illumination optical system can be configured to be relatively small.
  • LDs are used as the light source, and the light emitted from each LD
  • the light emitted from one LD when passing through the light integration consisting of the laser beam, and the light transmitted through each load lens interferes on the irradiated object to form interference fringes. For this reason, unevenness having a high spatial frequency is generated in the illumination light. If the number of multiple LDs becomes very large, the high spatial frequency irregularities will be reduced, but not completely eliminated.
  • the present invention provides a method for changing the high spatial frequency irregularity by inserting a modulator that changes the wavefront in the optical path immediately before the light enters the optical gray scale or in the optical path immediately after the optical gray scale is emitted.
  • the time-averaged illumination light can be made almost completely uniform regardless of the spatial frequency.
  • the present invention provides a method in which the divergence angle of the light emitted from the plurality of light sources or the secondary light source obtained from the light sources is directed in any two directions in the plane toward the plane perpendicular to the optical axis of the emitted light.
  • the beam divergence angle so that it is within the ratio of 1.5, the light emitted from the light source can be effectively used as the illumination light on the entrance surface of the light integrator, which usually has a circular effective diameter.
  • the adjustment of the beam divergence angle is performed using a cylindrical lens.
  • the adjustment of the beam divergence angle is performed by arranging two types of cylindrical lenses having different focal lengths back and forth along the optical path according to the divergence angles of two axes orthogonal to each other.
  • the present invention further controls the energy of each light source so that the energy of each light emitted from the plurality of light sources is within a desired constant value. By doing so, uniformity of the illumination light can be obtained, and the illumination light intensity can be kept constant.
  • the present invention provides an illumination location by causing each of the emitted lights emitted from the plurality of light sources or the secondary light sources obtained from the light sources to enter a corresponding position on the optical integrator by a condensing optical system. It is possible to realize uniform illumination with uniform directivity regardless of the illumination.
  • Illuminance unevenness is within 10%, and for the first time, it is possible for more than 30% of the energy of light emitted from multiple light sources to reach the illuminated area.
  • the present invention uses the above-described illumination method or illumination device, and applies light emitted from a plurality of separated light sources, particularly a light source in which a plurality of semiconductor lasers are arranged, to a mask, reticle, or maskless exposure as an object to be illuminated.
  • the two-dimensional light modulator to be used that is, a liquid crystal type two-dimensional light modulator or a digital 'mirror' device is irradiated and exposed. By doing so, it is possible to obtain good exposure illumination light having a uniform intensity distribution and a desired directivity.
  • a plurality of light sources are arranged in a shape similar to, for example, a rectangular illuminated area, and light obtained from these light sources is incident on a light gray at a desired incident angle.
  • High efficiency and uniform illumination can be realized by using it as irradiation light.
  • a semiconductor laser is used as the light source, if a modulator that changes the wavefront before or after the light intensity is used, uneven interference fringes of the laser light can be removed and uniform illumination can be obtained.
  • a high throughput and good pattern can be exposed.
  • FIG. 1 is a configuration perspective view showing a first embodiment of an exposure apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a semiconductor laser light source, its beam shaping, and an optical integrator.
  • FIG. 3 is a perspective view showing beam shaping by a cylindrical lens.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the arrangement of semiconductor lasers.
  • FIG. 5 is a diagram showing an arrangement state of the aperture lens in the optical gray scale.
  • FIG. 6 (A) shows the light incident on and outgoing from the rod lens that composes the optical integrator.
  • FIG. 6 (B) is a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. 6 (A), and
  • FIG. 6 (C) is a side view for explaining the relationship with the emitted light.
  • FIG. 7 is a perspective view showing the configuration of an exposure apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the relationship between the modulator that changes the wavefront and the optical integrator.
  • FIG. 9 (A) is a front view showing the modulation for changing the wavefront in detail
  • FIG. 9 (B) is a diagram showing the shape on the CC section shown in FIG. 9 (A).
  • FIG. 10 is a configuration perspective view showing a third embodiment of the exposure apparatus according to the present invention.
  • FIG. 11 is a configuration perspective view showing an exposure apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view showing the structure of an exposure apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a perspective view showing the configuration of an exposure apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIGS. 14 (A) and (B) are diagrams for explaining different embodiments in which a plurality of light sources are arranged, respectively.
  • FIG. 15 is a diagram showing a case where a plurality of laser light sources are used as a light source array.
  • FIG. 16 is a diagram showing an arrangement when a plurality of types of light sources are used. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • the LD array 1 is a light source array in which a plurality of separated light sources are arranged one-dimensionally or two-dimensionally.
  • the light with a wavelength of around 405 nm (380 to 420 nm) outputs about 30 mW. It is configured by two-dimensionally arranging blue (purple) semiconductor lasers 11 that are emitted at the substrate. The emitted light from the individual semiconductor lasers 11 will be described later in detail with reference to FIG. 5 and FIG. .
  • the light transmitted through the optical lens 13 passes through a condenser lens (collimating lens) 14 which is an irradiation optical means, is reflected by a mirror 15 and irradiates the mask 2.
  • the mask 2 may be a normal chromium or chromium oxide mask 2a, or may be a two-dimensional light modulator 2b having a mask function, such as a liquid crystal or a digital 'Mirror' device.
  • the optical integrator 13 spatially decomposes the luminous flux from the two-dimensionally arrayed semiconductor lasers 11 condensed by the condensing lens (condensing optical system) 12 and This is an optical system that generates pseudo-secondary light sources and illuminates them in a superimposed manner.
  • Light transmitted or reflected by the mask 2a or the pattern display portion 21 (for example, formed in a rectangular shape) of the two-dimensional light modulator 2b is exposed by the projection lens 3 to the light on the substrate 5 to be exposed.
  • the pattern 21 is projected and exposed on the area 5 1.
  • the pattern is successively exposed over a desired area on the substrate 5 by moving the substrate 5 by the substrate moving mechanism 4 including a substrate chuck and an xy stage.
  • the substrate moving mechanism 4 including a substrate chuck and an xy stage.
  • the substrate moving mechanism 4 including a substrate chuck and an xy stage.
  • the control circuit 6 turns on the semiconductor laser 11 at each exposure timing, and turns off the semiconductor laser 11 when a desired exposure amount is applied to the substrate 5. That is, about 1% of the light incident on the beam splitter 17 1 provided in the optical path is taken by the photo detector 17. Rikomu.
  • the light intensity detected by the light detector 17 is integrated by the control circuit 6. Since this integrated value is the integrated exposure amount of the exposure illumination light to be exposed on the substrate 5, when this value reaches a desired set value (optimal exposure amount) stored in the control circuit 6 in advance. Turn off the semiconductor laser 11 to complete the exposure.
  • control circuit 6 sends a signal for driving and controlling the two-dimensional optical modulator 2b based on the display two-dimensional pattern information of the two-dimensional optical modulator 2b. Further, the control circuit 6 drives the substrate moving mechanism 4 to move the substrate 5 while synchronizing with the display information of the two-dimensional optical modulator 2b so that a desired pattern on the substrate is exposed to almost the entire substrate. You.
  • the control circuit 6 controls the scanning speed of the stage based on the signal intensity of the photodetector 17 that monitors the exposure.
  • the control circuit 6 performs total control of this driving and the signal of the photodetector 17 and the stage driving signal.
  • the control circuit 6 Since the plurality of semiconductor lasers 11 can be individually turned ON-OFF, it is possible to sequentially monitor the output of each laser using the photodetector 17 shown in FIG. Therefore, the control circuit 6 sends a blinking signal to each of the LDs 11 sequentially, and in synchronization with this, detects the signal intensity of the photodetector 17 so that the output decrease due to the deterioration of the LD 11 can be understood. . Therefore, the control circuit 6 controls the energy of each light source by increasing the current value to a certain value so that the output falls within a desired constant value when the output decreases. That is, the control circuit 6 controls the energy of each light source 11 so that the energy of each light emitted from the many light sources 11 is within a desired constant value. By doing so, the uniformity of the illumination light can be obtained, and the illumination light intensity can be kept constant.
  • the plurality of semiconductor lasers 11 shown in FIG. 1 are arranged with a uniform density distribution at an equal pitch.
  • the area where the light sources 11 are arranged is the mask 2a or The area is similar to the shape of the illuminated area 21 which is the pattern display section of the two-dimensional light modulator 2b. Naturally, when the illuminated area 21 is rectangular, the array area of the light sources 11 is also a similar rectangular area.
  • the divergence angle of the emitted light of the semiconductor laser 11 usually differs in the direction (X direction) in the plane of the paper of FIG. 2 and the direction perpendicular to the plane of the paper (y direction) of FIG.
  • the divergence angle of the emitted light of the semiconductor laser 11 is, for example, about 28 degrees measured from the optical axis in a direction (X direction) in the plane of the paper of FIG. About 8 degrees in different directions (y direction). For this reason, it is necessary to make the divergence angles in both directions (X direction and y direction) almost equal or to 1.5 times or less as a maximum without any problem.
  • the intensity distribution of the light from each of the semiconductor lasers incident on the optical integrator 13 becomes substantially rotationally symmetric (and, as described later, the intensity distribution of the optical integrator incident light becomes
  • the intensity distribution of the outgoing light of the light integration becomes equal to the intensity distribution of the outgoing light of the light integration
  • the outgoing position of the light integrator has an image-forming relationship with the entrance pupil of the projection exposure lens 3. Therefore, Exposure illumination that achieves a rotationally symmetric intensity distribution is realized by making the intensity distribution rotationally symmetrical on the pupil of the projection exposure lens 3 so that the pattern of the mask 2a or the two-dimensional light modulator 2b can be obtained.
  • the cylindrical lens 111 shown in FIG. 2 emits a virtual image of the light source of the semiconductor laser (LD) at the position 1 1 ′, as if it were emitted from the point light source 11 ′.
  • LD emission a laser beam that had a divergence angle of about 28 degrees from the optical axis in the plane of the paper (X direction) becomes a divergence angle of about 1 degree.
  • the cylindrical lenses 1 1 3 arranged in the direction perpendicular to the paper By imaging the virtual image of the source at the position of approximately 1 1 ', the light can be emitted from the point light source of 11', and at the time of LD emission, approximately 8 degrees from the optical axis in the direction perpendicular to the paper (y direction).
  • the laser beam having a divergence angle of about 1 degree becomes a divergence angle of about 1 degree.
  • the laser beams emitted from any of the LDs 11 achieve an almost rotationally symmetric intensity distribution by the cylindrical lenses 112 and 113.
  • the divergence angle of the light emitted from the secondary light source 11 ′ in the cylindrical lens system 100 is adjusted in any two directions in the plane (for example, the X direction and the y direction) toward the plane perpendicular to the optical axis of the emitted light.
  • the beam divergence angle so as to be within the ratio of 1: 1.5, the light emitted from the light source 11 is incident on the entrance surface of the optical integrator 13 having a generally circular effective diameter. It can be used effectively as illumination light.
  • a rotationally symmetric intensity distribution is realized on the pupil of the projection exposure lens 3, and the pattern displayed on the mask 2a or the two-dimensional light modulator 2b can be accurately exposed. it can.
  • two types of cylindrical lenses 112, 113 having different focal lengths depending on the divergence angles of the two orthogonal axes of the LD are arranged in front and rear along the optical path.
  • the beam divergence angle can be adjusted.
  • FIG. 2 is an optical integrator
  • FIG. 5 is a view of the optical integrator 13 viewed from the optical axis direction.
  • Hikari Gray 13 can be roughly classified into a glass rod type and a lens array type.
  • the optical lens 13 is of the glass opening type, it is composed of a plurality of rod lenses 13 1.
  • Each mouth lens 13 1 has the structure shown in FIG.
  • the incident side end surface 1311 is a spherical convex surface
  • the exit side end surface 1312 is also a spherical convex surface.
  • the radius of curvature of the biconvex surface is R and the refractive index of the rod lens glass is n
  • the length L of the rod lens is nR / (n-1).
  • the beam component B xy ′ incident on the rod lens 13 1 at an angle of 0 x ′ to the optical axis is due to the effect of the spherical convex lens on the entrance surface 13 1 1. It is narrowed down to the emission end face. Further The beam Bxy exiting from the exit end 1312 after being narrowed down to the optical axis (parallel to the axis of the rod lens) does not depend on the incident angle 0x 'of the incident light due to the effect of the spherical convex lens on the exit surface. Outgoing light having a principal ray parallel to.
  • the laser beams with a divergence angle of about 1 degree emitted from the virtual image position 11 ′ by the cylindrical lenses 112 and 113 enter the condenser lens 12.
  • the front focal point of the condenser lens 12 is at the virtual image position 11 ′, and the rear focal point is at the incident end of the optical integrator 13. Therefore, the laser beam emitted from each LD 11 transmitted through the condenser lens 12 becomes a parallel beam, and is incident on the optical integrator 13 and the beam component Bx y incident on the incident end of the rod lens 131 described above.
  • the angle of incidence ( ⁇ ⁇ ′, 0 y ′) of ′ on the optical gray scale 13 corresponds to the arrangement position (X, y) of the semiconductor laser 11 shown in FIGS. 3 and 4. That is, in the LD array 1, for example, the LDs 11 are arranged as shown in FIG.
  • the diameter of one LD in the X direction is D LDx
  • the diameter in the y direction is D LDy
  • the pitch in the x direction ⁇ ⁇ ⁇ is D LDy
  • the pitch in the y direction P LDy the number in the X direction m x
  • the number in the y direction When the number is n y , the length W LDAx in the X direction and the length H LDAy in the y direction can be expressed by the following equations (1) and (2).
  • W LDAX (m x -1) P LDx (1) h LDAy-( ⁇ y -1) P LD y ()
  • the condensing lens (collimating lens) 12 causes the pitch of LD 11 ( P LDx , P LDy ) correspond to the pitch (Wx, Hy) of the rod lens 131 constituting the optical integrator 13, and each emitted light from the secondary light source 1 1 ′ is transmitted to the optical integrator 13.
  • the condensing lens (collimating lens) 12 causes the pitch of LD 11 ( P LDx , P LDy ) correspond to the pitch (Wx, Hy) of the rod lens 131 constituting the optical integrator 13, and each emitted light from the secondary light source 1 1 ′ is transmitted to the optical integrator 13.
  • the beam B 'emitted from each LD 11 to the optical integrator 13 is a parallel beam, nearly rotationally symmetric, and the center of the incident surface of the optical integrator 13 (optical axis).
  • the emitted light has almost the same light intensity at any spread angle centered on the optical axis, and this spread angle is adjusted by the collimating lens 14 to the surface of the mask 2a or the modulation surface of the two-dimensional optical modulator 2b. Therefore, the surface of the mask 2a or the modulation surface of the two-dimensional optical modulator 2b is uniformly illuminated regardless of the position.
  • each rod lens has widths of Wx and Hy in the x and y directions as shown in Fig. 6 (B).
  • the position of the incident light at the rod lens end 1 3 1 1 and the output angle of the output light (6> ⁇ , ⁇ ) correspond, that is, are proportional, so the maximum spread angle of the output light 0xm, ym ym (output The angle range of the emitted light from the optical axis) is proportional to the cross-sectional dimensions (Wx, Hy) of the load lens.
  • Wx, Hy the cross-sectional dimensions
  • the optical array 13 When the optical array 13 is of a lens array type, it is composed of two lens arrays including a first lens array near the light source and a second lens array near the light source. On the first lens array, lens cells are two-dimensionally arranged to spatially divide the light beam obtained from the LD array 1. Each lens cell of the first lens array focuses a light beam on the second lens array corresponding to each cell, and the same number of secondary light sources as the number of divisions are provided on the second lens array. An image is formed. Each lens cell on the second lens array forms an image of each lens cell aperture of the corresponding first lens array on the surface of the illuminated area 21.
  • the condenser lens 14 is configured such that the center of each lens cell coincides with the center of the illuminated area 21, and the lens cells of the first lens array overlap in the illuminated area 21.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in that the illumination light is made almost completely uniform irrespective of the spatial frequency to prevent the occurrence of interference fringes. That is, a diffuser 16 which is a modulator for changing the temperature is installed.
  • a diffuser 16 which is a modulator for changing the temperature is installed.
  • the diffuser 16 is a modulator that changes the wavefront.
  • the directly coupled motor 161 is driven to rotate and the glass disk 16 is rotated. Is done.
  • the glass disk 16 is optically polished radially, and the shape of the glass surface of the CC cross section in FIG. 9 (A) has a generally sinusoidal height change as shown in FIG. 9 (B). ing.
  • the height (roughness) change amount is several / m.
  • 163 indicates the beam luminous flux incident on the Dich user 16
  • 16 2 indicates the rotation trajectory of the center of the beam luminous flux 16 3 on the Dich user 16.
  • the length of one cycle is determined by the number of revolutions of the disk 16 and the exposure time, and is changed by about one cycle on the exposure optical axis during one step exposure. In the case of performing the scanning exposure, it should be changed in one to several cycles while moving by one picture element.
  • These rotation speeds are controlled by the control circuit 6 in synchronization with the display control of the two-dimensional optical modulator 2b and the movement control of the stage 4. However, once the rotation is started, the rotation is made constant at the above-mentioned speed.
  • the modulator 16 for changing the wavefront shown in FIG. 7 is installed immediately before the light intensity 13, the same effect can be obtained by installing it immediately after the light intensity 13. .
  • the third embodiment differs from the first and second embodiments in that a plurality of LD arrays are provided to increase the amount of exposure light. Since the emitted light of the semiconductor laser 11 is linearly polarized, the LDs 11 are installed in the same direction so that the emitted light from all the N LD arrays 1a is linearly polarized in the X direction, for example.c On the other hand, in the LD array 1b, all N LDs 11 are set so that the y direction is linearly polarized light.
  • the LD array 1b is installed so that the y direction is linearly polarized light.
  • the LD array 1b can be installed so that the X direction is linearly polarized light, similarly to the LD array 1a.
  • a quarter-wave plate is installed in the optical path on the way from the LD array 1b to the polarization beam splitter 114, and the light transmitted through the quarter-wave plate is set in the y direction. May be used.
  • Semiconductor lasers and LDs are usually enclosed in small tubes with transparent windows, but the diameter of these tubes is less than 6 mm, which limits the number of two-dimensional arrays. Therefore, according to the third embodiment, the effect of doubling the limit of the number can be obtained by providing a plurality of LD arrays.
  • the laser beam that has passed through the polarizing beam splitter 114 contains polarized light components in two orthogonal directions, and includes a condenser lens 12, an optical integrator 13, a collimator lens 14, a mask 2, or a two-dimensional optical modulator 2,
  • the light passes through the projection exposure lens 3 and reaches the substrate.
  • These parts in the optical path allow the laser beam to pass through regardless of the polarization, so that the substrate can be irradiated with twice the exposure dose. As a result, the exposure time can be reduced by half, and the throughput can be increased.
  • the two-dimensional optical modulator 2b is driven based on the information on the pattern to be exposed from the control circuit 6, and the stage 2 and the LD arrays 1a and lb are driven in synchronization with the drive information.
  • the driving time of the LD 11 from the control circuit 6 is controlled so that the exposure light is optimal for the sensitivity of the substrate 5, and the LD disappears in the evening without exposure.
  • a fourth embodiment of the exposure apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
  • the fourth embodiment differs from the first to third embodiments in that the two-dimensional optical modulator 2b as the mask 2 uses a transmission type as opposed to a reflection type. To use.
  • the two-dimensional optical modulator 2b may be a transmission type or a reflection type.
  • a reflection type two-dimensional light modulator 2bb such as a reflection type liquid crystal two-dimensional light modulator is used. Then, the laser beam emitted from the LD light source 1 is split into two by a beam splitter 145 and guided to two exposure optical systems.
  • 1.44 is a field stop having a conjugate positional relationship with the display unit of the two-dimensional optical modulator. An image of this field stop is formed on the display of the two-dimensional light modulators 2 bba and 2 bbb by the lenses 142 a, 143 a and 142 b and 143, and this display is formed by the projection exposure lenses 3 a and 3 b. An image is formed on the exposure areas 151a and 151b on the substrate 5.
  • the light emitted from the semiconductor laser 11 is linearly polarized light parallel to the substrate surface in the drawing, that is, the horizontal plane. Then, after passing through the optical integrator 13, the light is converted into circularly polarized light by the 1./4 wavelength plate 105. Since the beam splitter 145 is a polarized beam splitter, the P-polarized component, which is the horizontal polarized component, of the circularly polarized light incident on the beam splitter 145 passes through the polarized beam splitter 145, and the S-polarized component is the polarized beam splitter 145. Reflected at. The reflected S-polarized component is vertical linearly polarized light, and is reflected by mirrors 151b and 152b to be horizontal linearly polarized light.
  • the two exposure beams split by the polarization beam splitter 145 in this manner become horizontal linearly polarized light, and enter the polarization beam splitters 153a and 153b.
  • the incident light is S-polarized, so that it is reflected 100% and vertically incident on the two-dimensional light modulators 2 bba and 2 bbb made of reflective liquid crystal.
  • the polarization of the reflected light is changed as it is or at a right angle. Change. Therefore, when the reflected light passes through the polarization beam splitters 15 3 a and 15 3 b again, only the picture elements whose polarization has changed to a right angle are the beam splitters 15 3 a and 15 3 b. Come through.
  • the two-dimensional light information obtained in this way is projected and projected as an exposure pattern on the substrate 5 on the substrate 5 by the projection exposure lenses 3a and 3a.
  • a digital mirror device (Digital Mirror Device) 2 b b c is used as a reflection type two-dimensional optical modulator.
  • the digital mirror device 2, bbc is configured by providing a membrane mirror driven by an electric signal for each picture element.
  • the exposure light applied to each mirror tilts the mirror by 0 when the signal is 0 N, and does not tilt at the OFF portion.
  • the exposure light is reflected by the mirror 15 4 and irradiated, and the light reflected by the tilted mirror is incident on the projection exposure lens 3 and passes through the lens 3.
  • the specular reflection at the projection exposure lens 3 deviates from the pupil of the lens 3 and does not pass through the lens 3 c.As a result, the pattern displayed by the digitizing device driving signal on the bbc Projection exposure is performed on the substrate 5 by the lens 3.
  • a sixth embodiment of the exposure apparatus will be described with reference to FIG.
  • a light source array 1 light emitted from a plurality of semiconductor lasers 11 is received by a light guide optical system such as a lens (not shown), and is guided by an optical fiber 1101 to form a secondary light source. It is configured to emit light from the emission end 1102. Light emitted from each fiber end of the optical fiber 111 is emitted with a desired spread angle by the beam shaping optical system 113.
  • the emission end 1102 serving as a secondary light source has a light-emitting area substantially similar to the display area 21 of the two-dimensional light modulator 2b. By doing so, as already explained The light emitted from the secondary light source efficiently and uniformly illuminates the two-dimensional light modulator 2b.
  • the LD array 1A shown in FIG. 14 (A) has been described so far, and the LD arrays are arranged at equal pitches in the X and Y directions.
  • the LD arrays 1B shown in Fig. 14 (B) are arranged in the closest density. That is, the LDs 11 are arranged at the vertices of the equilateral triangle.
  • P can be, for example, about 1.07 to 1.1D.
  • the densest package (B) has a higher packaging density.
  • LD mounting density of the LD array 1 A whereas a 1 / P 2, LD array 1 B in 1. 154 / P 2, and the packing density increases, i.e. light output Can be increased by about 15%.
  • Reference numeral 111 shown in FIG. 14 denotes a cooler for preventing the LDs from becoming hot due to heat generated from a large number of arranged LDs and shortening their life.
  • the cooler 111 is made of copper, which is a material with good heat conductivity, and can be driven at 25 ° C or less by passing cooling water through holes. become. Even if a Peltier device is used, the temperature can be similarly cooled to 25 ° C or less, and a long life can be realized.
  • the present invention is not limited to the embodiment of the LD array described above. That is, the present invention can be realized even if a light source having relatively high directivity, for example, a light emitting diode (LED) or a lamp having a small light emitting area is used as the light source. It can also be realized by using a plurality of laser light sources other than the semiconductor laser.
  • a light source having relatively high directivity for example, a light emitting diode (LED) or a lamp having a small light emitting area is used as the light source. It can also be realized by using a plurality of laser light sources other than the semiconductor laser.
  • FIG. 15 shows another embodiment of the light source array according to the present invention. It will be described using FIG.
  • This light source array 1 uses a normal gas laser light source or solid-state laser light source having a relatively small divergence angle, but the laser light sources themselves are not two-dimensionally arranged. That is, there is no need to emit laser light from any laser in the same direction.
  • the optical path is folded back using mirrors 115p and 115q as shown in Fig. 15 to reduce the density of multiple beams to the mounting density of the laser. It can be higher.
  • the solid line (1 P) in FIG. 15 shows the arrangement of the laser light source lip.
  • the dotted line (1 Q) shows the laser light in the cross section parallel to the paper plane and at a constant interval.
  • the beam folded at the mirror 1 1 5 ⁇ 1 1 5 q etc. advances to the left side of the figure and is distributed two-dimensionally.
  • Reference numeral 1106 denotes a microlens, and the optical axis of each microlens coincides with the center of each beam.
  • the light that has passed through the microlenses 1106 is condensed on the secondary light source surface 1105.
  • the secondary light source surface 1105 is aligned with the front focal plane of the condenser lens 12 shown in FIG. 1, FIG. 2, FIG. 7, FIG. 10 to FIG. Placed in
  • illumination including various wavelengths By arranging a plurality of types of light sources at the same time, it is possible to obtain illumination including various wavelengths. It is also possible to use such illumination composed of light of various wavelengths for illumination other than exposure, and in this case, uniform illumination with high light use efficiency can be realized. Such applications include, for example, illumination used for observation and inspection of fine patterns using a microscope.
  • the plurality of light sources 11 include, for example, a plurality of types of light sources 11A, 11B, 11C, and 11D having different wavelengths.
  • a plurality of types of light sources are used in various types in this way, as shown in Fig. 16, each type is distributed evenly. It is desirable to arrange them.
  • the light source array described above a plurality of separated light sources are two-dimensionally arranged.
  • the light source array may be arranged one-dimensionally when the illumination area is long.
  • a large number of semiconductor lasers can be arranged, and the emitted light can be efficiently used as illumination light, and the input electric energy can be used for exposing the substrate more effectively than when a conventional mercury lamp is used as a light source. It can be used, contributing to energy conservation.
  • a solid-state light source can be used, and a long life of the light source has been realized, making maintenance easy.
  • a plurality of light sources each having a small emission energy per semiconductor laser or the like can be used to irradiate an object with high efficiency and uniformity, thereby realizing high energy saving and high performance. Lighting was realized.

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Abstract

本発明は、分離した複数の光源を1次元若しくは2次元に配列した光源アレーと該光源アレーの各光源から出射した光を集光させる集光光学系と該集光光学系で集光された光を空間的に分解して多数の擬似2次光源を生成する、多数のロッドレンズの配列からなり、各ロッドレンズの光軸に垂直な断面形状の縦横比r1と上記被照明領域21の縦横比r0の比r1/r0が0.8以上1.2以下である光インテグレータと該光インテグレータによって生成された多数の擬似2次光源からの光を重ね合わせて露光すべきパターンを有する被照明領域に照明するコンデンサレンズとを有する照明光学系と、該照明光学系で照明された露光すべきパターンを透過もしくは反射した光を被露光物上の被露光領域に投影露光する投影光学系とを備えたことを特徴とする露光装置およびその方法である。

Description

明 細 書 照明方法並びに露光方法及びその装置 技術分野
本発明は、 被照明領域に均一で効率の良い照明光を照射する照明方法及び この照明法を用いた露光方法に関し、 また、 この露光方法を用いてパターン を露光する露光装置に関する。 特に半導体レーザを多数用いる照明方法、 露 光方法、 及び露光装置に関する。 背景技術
従来、 被照明物体を照明したり、 被露光物体をする露光するには水銀ラン プを光源にしたり、 エキシマレーザを用いていた。 これら光源は駆動するた めに投入するエネルギーのほとんどが熱に変わり、 非常.に効率の悪い光源で あった。 発明の開示
近年、 半導体レーザ （L D ) の短波長化が進み、 4 0 0 n m近くの発光波 長の L Dが出現し、 このため水銀ランプに代わる光源として露光に用いる可 能性がでてきた。 しかし 1個の L Dの出力には限界があり、 複数の L Dを使 わざるを得ない。 L Dを多数並べてそれそれの光源から出射する光を被照明 物体に一様に照射しょうとしても、 それそれの光源から出射する光の指向性 はガウス分布に近くなり、照射領域の中心付近が強く周辺が弱くなる。また、 L Dの出射主光線に垂直な方向の内、 1方向の広がり角は小さいが、 これと 垂直な方向は大きくなり、 この広がり角の比は 1 ： 3から 1 ： 4程度ある。 このような各 L Dからの光を所望の被照明領域に均一にかつ効率良く照射す ることは不可能であった。 即ち、 均一に照明しょうとすると、 効率が低下す るし、 効率を高く しょうとすると均一性が悪くなるという相反する現象が起 こってしまっていた。
本発明の目的は、 上記課題を解決すべく、 半導体レーザ等の 1個当りの発 光エネルギーが小さな光源を複数用いて、 高い効率で、 かつ均一に被照射物 に照射することができるようにして、 省エネルギーで高性能な照明を実現し た照明方法およびその装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、基板等にパターンを露光する際、高スループッ トで、 良好なパターン露光を実現することができる露光方法およびその装置 を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、分離して 1次元若しくは 2次元に配 列された複数の L D等の光源の各々から光を出射させ、 該複数の光源の各々 から出射された光を光ィンテグレ一夕により空間的に分解して多数の擬似 2 次光源を生成し、 該生成された多数の擬似 2次光源からの光をコンデンサレ ンズにより重ね合わせて被照明領域に照明することを特徴とする。 光源ァレ 一としては、 多数の光源または該光源から得られる 2次光源を被照明領域の 形状に概ね相似な領域内にほぼ均一な分布に配列させる。 このように構成す ることにより均一で効率の高い照明が実現する。
また、本発明は、上記光インテグレ一夕を複数のロッ ドレンズの配列から成 り立つようにし、 各ロッ ドレンズの断面形状の縦横比が被照明領域の縦横比 にほぼ等しくすることによって、 2次元平面上に並ぶ光源もしくは 2次光源 の出射光を最も効率良く被照明領域に均一に照明でき、 かつ照明光学系を比 較的小型に構成することが可能になる。
以上説明した構成によれば、 被照射物体上で空間周波数の低いむらはほと んど無くすことが可能となる。
しかし、 光源に L Dを用い、 各 L Dから出射した光が複数のロッ ドレンズ からなる光ィンテグレ一夕を通すと 1つの L Dから出射し、 各ロヅ ドレンズ を透過した光は被照射物体上で干渉し、 干渉縞を形成する。 このため、 照明 光に空間周波数の高いむらが生じる。複数の L Dの数が非常に大きくなると、 この空間周波数の高いむらは少なくなるが、 完全には無くならない。
そこで、本発明は、上記光ィンテグレー夕に入射する直前の光路または光ィ ンテグレー夕を出射する直後の光路中に波面を変化させる変調器を挿入する ことにより、 上記の空間周波数の高いむらが変化し、 時間平均した照明光は 空間周波数に依らずほぼ完全に一様にすることが可能になる。
また、本発明は、上記複数の光源または該光源から得られる 2次光源から出 射する光の発散角が出射光の光軸に垂直な面に向けて面内任意の 2方向に対 し 1対 1 . 5の比以内になるようビーム発散角を調整することにより、 通常 円形の有効径を有する光ィンテグレー夕の入射面に光源からの出射光を有効 に照明光として用いることが可能になる。即ち、上記ビーム発散角の調整は、 シリンドリカルレンズを用いて行う。具体的には、ビーム発散角の調整は、 L Dの直交する 2軸の発散角に応じて焦点距離の異なる 2種類のシリンドリカ ルレンズを光路に沿って前後に配列して行う。
また、本発明は、更に、複数の光源から出射するそれそれの光のエネルギー が所望の一定値以内になるよう個々の光源のエネルギーを制御する。 このよ うにすることにより、 照明光の一様性が得られると共に、 照明光強度を一定 に保てる。
また、 本発明は、 上記複数の光源または該光源から得られる 2次光源より 出射する各々の出射光を、 集光光学系により上記光ィンテグレー夕上の対応 する位置に入射させることにより、 照明場所に依存せず一様で指向性の均一 な照明を実現することが可能になる。
以上説明した照明方法によれば、 分離した多数の光源から一様な照明光を 得ることが可能になり、 マスクあるいは 2次元光変調器等の被照明領域内の 照度むらは士 1 0 %以内となり、 複数の光源から発する光のエネルギーの 3 0 %以上が被照明領域内に到達することが初めて可能になった。
また、本発明は、上記照明方法あるいは照明装置を用い、分離した複数の光 源、 特に複数の半導体レーザを配列した光源からの出射光を被照明物である マスク、 レチクル、 あるいはマスクレス露光に用いる 2次元光変調器、 即ち 液晶型の 2次元光変調器やディジタル ' ミラ一 'デバイス等に照射し、 露光 する。 このようにすることにより、 一様な強度分布と、 所望の指向性を備え た良好な露光照明光が得られる。
特に、複数の光源を例えば方形形状の被照明領域と相似な形状に配列し、こ れら光源から得られる光を光ィンテグレー夕に所望の入射角で入射させ.、 出 射光を被照明領域に照射する光として用いることにより、 高効率で一様な照 明を実現する。 光源として半導体レーザを用いる場合には光ィンテグレー夕 の前又は後に波面を変化させる変調器を用いれば、 レーザ光の干渉縞むらを 除去し、 一様照明を得ることができる。 この照明を基板の露光に用いること により、 スループッ トが高く、 良好なパターンが露光できる。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明に係る露光装置の第 1の実施の形態を示す構成斜視図で ある。
第 2図は、 半導体レーザ光源とそのビーム成形と光インテグレー夕部との 関係を示す図である。
第 3図は、 シリンドリカルレンズによるビーム成形を示す斜視図である。 第 4図は、 半導体レーザの配列を説明するための図である。
第 5図は、 光ィンテグレー夕における口ットレンズの配列状態を示す図で ある。
第 6図 （A ) は光インテグレー夕を構成するロッドレンズへの入射光と出 射光との関係を説明するための正面図、 第 6図 （B ) は （A ) に示す A— A 断面図、 第 6図 （C ) は側面図である。
第 7図は、 本発明に係る露光装置の第 2の実施の形態を示す構成斜視図で める。
第 8図は、 波面を変化させる変調器と光インテグレー夕との関係を説明す るための図である。
第 9図 （A ) は波面を変化させる変調を詳細に示す正面図、 第 9図 （B ) は （A ) に示す C— C断面上の形状を示す図である。 . 第 1 0図は、 本発明に係る露光装置の第 3の実施の形態を示す構成斜視図 である。
第 1 1図は、 本発明に係る露光装置の第 4の実施の形態を示す構成斜視図 である。
第 1 2図は、 本発明に係る露光装置の第 5の実施の形態を示す構成斜視図 である。
第 1 3図は、 本発明に係る露光装置の第 6の実施の形態を示す構成斜視図 である。
第 1 4図 （A ) ( B ) は、 夫々複数個光源を配列する異なる実施例を説明 するための図である。
第 1 5図は、 光源アレーとして複数のレーザ光源を用いる場合を示した図 である。
第 1 6図は、 複数の種類の光源を用いる場合の配列を示す図である。 発明を実施するための最良な形態
本発明に係る照明方法並びに露光方法及びその装置の実施の形態について 図面を用いて説明する。
まず、 本発明に係る露光装置の第 1の実施の形態を第 1図を用いて説明す る。分離した複数の光源を 1次元或いは 2次元に配列した光源アレーである、 L Dアレー 1は、 4 0 5 n m付近 （3 8 0〜 4 2 0 n m) の波長の光が 3 0 mW程度の出力で出射する青 （紫） 色半導体レーザ 1 1を基板の上に 2次元 配列して構成される。 個々の半導体レーザ 1 1からの出射光は、 集光レンズ (集光光学系） 1 2により、 後に第 5図及び第 6図を用いて詳細な説明を行 ぅ光ィンテグレー夕 1 3に入射する。光ィンテグレー夕 1 3を透過した光は、 照射光学手段であるコンデンサレンズ （コリメ一トレンズ） 1 4を通り、 ミ ラ一 1 5で反射してマスク 2に照射する。 マスク 2は、 通常のクロムまたは 酸化クロムマスク 2 aでも良いし、 マスクの機能を有する例えば液晶やディ ジタル ' ミラ一 'デバイス （Digital Mirror Device) 等の 2次元光変調器 2 bでも良い。 光インテグレー夕 1 3は、 集光レンズ （集光光学系） 1 2によ り集光された 2次元に配列された多数の半導体レーザ 1 1からの出射光束を 空間的に分解して多数の擬似 2次光源を生成して重ね合わせて照明する光学 系である。
このマスク 2 aまたは 2次元光変調器 2 bのパターン表示部 2 1 (例えば 方形形状で形成される。 ） を透過もしくは反射した光は、 投影レンズ 3によ り、 被露光基板 5上の露光エリア 5 1にパターン 2 1を投影露光する。 基板 チャック及び x yステージからなる基板移動機構 4によって基板 5が移動さ れることにより、 基板 5上の所望のエリアに亘り、 パターンを次々と露光し て行く。 通常のマスク 2 aを用いる場合にはマスク上に描画されたパターン が繰り返して露光される。 また、 2次元光変調器 2 bを用いる場合には基板 5のほぼ全体に所望のパターンが 1セッ ト、 あるいは数セッ ト露光されるこ とになる。
制御回路 6は、 半導体レーザ 1 1を露光のタイミング毎に点燈させ、 所望 の露光量が基板 5になされたら消える制御を行う。 即ち、 光路中に設けられ たビームスプリッ夕 1 7 1に入射する光の 1 %前後の光を光検出器 1 7に取 りこむ。 光検出器 1 7で検出された光強度は制御回路 6で積分される。 この 積分値は基板 5に露光する露光照明光の積算露光量になるので、 この値があ らかじめ制御回路 6に記憶させておいた所望の設定値 （最適露光量） に達し た段階で半導体レーザ 1 1を O F Fにして、 露光を終了する。
また、 制御回路 6は、 2次元光変調器 2 bの表示 2次元パターン情報に基 づき 2次元光変調器 2 bを駆動制御する信号を送る。 また、 制御回路 6は基 板移動機構 4を駆動し、 基板上に所望のパターンをほぼ基板全体に露光する ように、 基板 5を 2次元光変調器 2 bの表示情報と同期させながら移動させ る。
ステージ 4を連続移動して基板 5にスキャン露光する場合には、 制御回路 6は、 上記露光モニタしている光検出器 1 7の信号強度に基づきステージの 走査速度を制御する。 また、 2次元光変調器 2 bを用いる場合には、 制御回 路 6は、 この駆動と、 上記光検出器 1 7の信号とステージの駆動信号をト一 タル制御する。
複数の半導体レーザ 1 1は、 個別に O N— O F Fできるので、 第 1図に示 す光検出器 1 7を用いて個々のレーザ出力を順次モニタすることが可能であ る。 従って、 制御回路 6は個々の L D 1 1に順次点滅の信号を送り、 これと 同期して、 光検出器 1 7の信号強度を検出することにより、 L D 1 1の劣化 に伴う出力低下が分かる。 そこで、 制御回路 6は、 出力が低下すれば出力が 所望の一定値以内になるように電流値をある値まで上げて、 個々の光源のェ ネルギ一を制御する。即ち、制御回路 6は、多数の光源 1 1から出射するそれ それの光のエネルギーが所望の一定値以内になるよう個々の光源 1 1のエネ ルギーを制御する。 このようにすることにより、 照明光の一様性が得られる と共に、 照明光強度を一定に保てることが可能となる。
第 1図に示す複数の半導体レーザ 1 1は等ピッチの均一な密度分布で配列 されている。 またこの光源 1 1の配列しているエリアは、 マスク 2 aまたは 2次元光変調器 2 bのパターン表示部である被照明領域 2 1の形状に相似な 領域と成っている。当然、被照明領域 2 1が矩形形状の場合、光源 1 1の配列 エリアも相似の矩形領域となる。
半導体レーザ 1 1は通常その出射光の広がり角が第 2図の紙面内の方向 ( X方向） と紙面に直角な方向 （y方向） で異なる。 半導体レーザ 1 1の出 射光の広がり角は、 第 2図の紙面内の方向 （X方向） では例えば最大値に対 する半値を与える場所の方向が光軸から測り 2 8度程度、 紙面と直角な方向 ( y方向） では 8度程度になる。 このため、 この両方向 （X方向及び y方向） の広がり角をほぼ等しくするか、 支障のない最大値として 1 . 5倍以内にす る必要がある。 このようにすると後に説明するように光インテグレー夕 1 3 に入射する各半導体レーザからの光の強度分布が回転対称にほぼ等しくなる ( そして、 後述するように、 光インテグレー夕入射光の強度分布は、 光イン テグレー夕出射光の強度分布と等しくなる。 また、 光インテグレー夕出射位 置は、 投影露光レンズ 3の入射瞳と結像関係になる。 このため、 投影露光レ ンズ 3の瞳上で回転対称の強度分布になるような露光照明が実現する。 この ように投影露光レンズ 3の瞳上で強度分布を回転対称にすることにより、 マ スク 2 aもしくは 2次元光変調器 2 bのパターンの方向に依存せずほぼ等し い照明の指向性が得られる。 この結果パ夕ーンの方向に依存しない解像特性 が得られ、 基板上に歪 （いびつ） になることなく正確に露光されることにな る。 なお、 1 0 3は、 光インテグレー夕出射位置に設けられた視野絞りであ る o
このように第 2図に示すシリンドリカルレンズ 1 1 2は半導体レーザ （L D ) の光源の虚像を 1 1 ' の位置に結像することにより、 あたかも 1 1 ' の 点光源から出射するようになり、 L D出射時には紙面内 （X方向） に光軸か ら 2 8度程度の広がり角を持っていたレーザビームが 1度程度の広がり角に なる。 同様に紙面に垂直方向に並ぶシリンドリカルレンズ 1 1 3は 0の光 源の虚像をほぼ 1 1 ' の位置に結像することにより、 あたかも 1 1 ' の点光 源から出射するようになり、 L D出射時には紙面に直角方向 （y方向） に光 軸から 8度程度の広がり角を持っていたレーザビームが 1度程度の広がり角 になる。 このようにどの L D 1 1から出射したレーザビームも、 シリンドリ カルレンズ 1 1 2と 1 1 3によりほぼ回転対称の強度分布が実現する。即ち、 シリンドリカルレンズ系 1 0 0で 2次光源 1 1 ' から出射する光の発散角が、 出射光の光軸に垂直な面に向けて面内任意の 2方向（例えば、 X方向及び y方 向） に対し、 1対 1 . 5の比以内になるようビーム発散角を調整することに より、 通常円形の有効径を有する光インテグレー夕 1 3の入射面に光源 1 1 からの出射光を有効に照明光として用いることが可能になる。 その結果、 先 に説明したように投影露光レンズ 3の瞳上で回転対称の強度分布が実現し、 マスク 2 aまたは 2次元光変調器 2 bで表示されたパターンを正確に露光す ることができる。
なお、第 3図に示すように、 L Dの直交する 2軸の発散角に応じて焦点距離 の異なる 2種類のシリンドリカルレンズ 1 1 2、 1 1 3を、 光路に沿って前 後に配列することによりビーム発散角を調整することが可能となる。
第 2図に示す 1 3は光インテグレー夕であり、 第 5図は光インテグレー夕 1 3を光軸方向から見た図である。 光ィンテグレー夕 1 3は、 ガラスロッ ド 方式と、 レンズアレイ方式とに大別できる。 光ィンテグレー夕 1 3がガラス 口ッド方式の場合には、複数のロッ ドレンズ 1 3 1からなつている。各口ッ ド レンズ 1 3 1は第 6図に示す構造を持っている。 入射側の端面 1 3 1 1は球 凸面であり、 出射側の端面 1 3 1 2も同じく球凸面である。 この両凸面の曲 率半径を Rとし、 ロッ ドレンズガラスの屈折率を nとすると、 ロッ ドレンズ の長さ Lは n R/ ( n— 1 ) となる。 このようなロッ ドレンズ 1 3 1に第 6 図（A)に示すように光軸に 0 x 'の角度で入射するビーム成分 B x y 'は、 入射面 1 3 1 1の球凸レンズの効果により、 出射端面に絞り込まれる。 さら に絞り込まれた後この出射端 1312から出射するビーム Bxyは、 この出 射面の球凸レンズの効果により、 入射光の入射角 0x '依存せず、 総て光軸 (ロッドレンズの軸に平行） に平行な主光線を持つ出射光となる。
前述の通りシリンドリカルレンズ 112と 113により、 11 'の虚像位 置から出射した広がり角 1度程度のレーザビームは、 集光レンズ 12に入射 する。 この集光レンズ 12の前側焦点は虚像位置 11 'に、 後側焦点は光ィ ンテグレー夕 13の入射端にある。 従って、 この集光レンズ 12を透過した 各 LD 1 1.から-出たレーザ光は平行ビームとなり、 光インテグレー夕 13に 入射し、 かつ上記のロッ ドレンズ 131の入射端に入射するビーム成分 Bx y 'の光ィンテグレー夕 13への入射の角度 (θ χ'、 0 y' ) は、 第 3図 および第 4図に示す半導体レーザ 11の配列位置（ X、 y )に対応している。 即ち、 LDアレー 1は、例えば、第 4図に示すように LD 1 1を配列している。 この配列は、 一つの LDの X方向の径を DLDx、 y方向の径を DLDy、 x方 向のピッチ Ρ^βχ、 y方向のピッチ PLDy、 X方向の個数 mx、 y方向の個数 nyとしたとき、 X方向の長さ WLDAx、 および y方向の長さ HLDAyを次に示 す （ 1) 式及び （2) 式で表すことができる。
WLDAX= (mx- 1) PLDx (1) h LDAy— ( Π y - 1 ) P LD y ( ) このように、 集光レンズ （コリメ一卜レンズ） 12によって、 LD 1 1の ピッチ （PLDx、 PLDy) と光インテグレー夕 13を構成するロッ ドレンズ 131のピッチ（Wx、 Hy) とを対応させて、 2次光源 1 1' より出射する 各々の出射光を、 光インテグレー夕 13上の同一位置に入射させることによ り、 照明場所に依存せず一様で指向性の均一な照明を実現することが可能に なる。
このように各 LD 11から光インテグレー夕 13に照射するビーム B' は、 平行ビームで回転対称に近く光ィンテグレー夕 13の入射面の中心 （光軸） に中心を持つガウス分布となる。 光ィンテグレ一夕 13は多数の口ヅ ドレン ズ 13 1の集まりであるので、 1個のロヅドレンズ 131に入射する光はガ ウス分布の微小な一部となる。 このため、 1個のロッ ドレンズ 13 1内では ほぼ一様な強度になっている。 また、 ロッ ドレンズ入射光の入射端面 131 1での位置と出射光の出射方向が対応している。 この結果、 出射光は光軸を 中心にしたどの広がり角への光強度もほぼ等しくなり、 この広がり角がコリ メ一トレンズ 14によりマスク 2 aの面もしくは 2次元光変調器 2 bの変調 面の場所に対応するため、 マスク 2 aの面もしくは 2次元光変調器 2 bの変 調面をその場所に依らず一様に照明することになる。
更に、 各ロッ ドレンズの断面形状は第 6図 （B) に示すように x、 y方向 に Wx、 Hyの幅を持っている。 前述したように入射光のロッドレンズ端 1 3 1 1での位置と出射光の出射角度 （6>χ、 θ ) が対応、 即ち比例するた め出射光の広がり最大角度 0xm、 Θ ym (出射光の光軸からの角度範囲） はこのロヅ ドレンズ断面の寸法 （Wx、 Hy) に比例する。 即ち、 厳密に表 現すると、 次に示す （3) 式及び （4) 式の関係となる。 なお、 nはロッ ド レンズガラスの屈折率、 Lはロヅ ドレンズの長さである。
0xm=nWx/2 L (3) Θ ym=nHy/2 L (4) 光ィンテグレー夕出射面 131 2とマスク 2 a或いは 2次元光変調器 2 b は、 焦点距離 f cのコリメートレンズ 14のそれそれ前側焦点面と後側焦点 面であるため、マスク 2 a或いは 2次元光変調器 2 bを照射するビームの（X: y) 座標範囲 Wmx及び Hmyは次に示す （5) 式及び （6) 式で与えられ る。
Wmx = f c - 0xm = Wx - nf c/2 L (5) Hmy = f c - 0ym = Hy - nf c/2 L (6) 即ち、 各ロッ ドレンズの光軸に垂直な断面形状の縦横比 ( = Wx/H y ) と、 被照明領域 （2 1 ) の縦横比 r。 ( = Wmx/H m y ) の比 r i/ r 。を 1にすることにより、 マスク 2 a或いは 2次元光変調器 2 bの必要な部 分にのみ一様な光で露光することが可能になる。 上記比 r i/ r。は、 0 . 8 以上 1 . 2以下であれば、 従来の露光照明方法に比べ十分有効な光利用効率 が実現する。
光ィンテグレー夕 1 3がレンズアレイ方式の場合には、 光源に近い方を第 1のレンズアレイ、遠い方を第 2のレンズアレイからなる 2枚のレンズァレ ィで構成される。 第 1のレンズアレイ上には、 レンズセルを 2次元に配列し て L Dアレー 1から得られる光束を空間的に分割している。 第 1のレンズァ レイの各レンズセルは、 各々のセルに対応した第 2のレンズアレイに光束を 集光するようになっており、第 2のレンズアレイ上には分割数と同数の 2次 光源像が形成される。 第 2のレンズアレイ上の各レンズセルは、 対応する第 1のレンズアレイの各レンズセル開口を被照明領域 2 1の面に結像させる。 コンデンサレンズ 1 4は、 各レンズセル中心を被照明領域 2 1の中心に一致 させ、第 1のレンズアレイの各レンズセルが被照明領域 2 1で重なり合うよ うに構成される。 その結果、ガラスロッ ド方式の場合と同様に、ほぼ回転対称 に分布していた照明光束はその強度が積分され、 それそれの強度差が相殺さ れて均一な強度分布を得ることができる。
次に、本発明に係る露光装置の第 2の実施の形態について第 7図を用いて 説明する。 第 7図に示す部品番号と第 1図に示す部品番号が同じものについ ては同一の物を表す。 第 2の実施の形態において、 第 1の実施の形態と相違 する点は、照明光を空間周波数に依らずほぼ完全に一様になるようにして干 渉縞の発生を防止するために、 波面を変化させる変調器であるディフユ一ザ 1 6を設置したことにある。 この構成により、 各 L D光源 1 1から出射した 光は、 シリンドリカルレンズ 1 1 2、 1 1 3からなるシリンドリカルレンズ 系 1 0 0及び集光レンズ 1 2を通過し、 回転対称に近い強度分布を持つ平行 ビーム B ' として光ィンテグレー夕 1 3に入射する前にディヒユーザ 1 6を 通過する。
このディヒュ一ザ 1 6は、波面を変化させる変調器であり、例えば、第 8図 に示すように、 直結されたモー夕 1 6 1を回転駆動させてガラス円板 1 6を 回転させて構成される。 ガラス円板 1 6は放射状に光学研磨されており、 第 9図 （A ) の C C断面のガラス表面の形状は、 第 9図 （B ) に示すように概 ね正弦波状の高さ変化をしている。この高さ（粗さ）変化量は数// mである。 ところで、 1 6 3は、ディヒユーザ 1 6に入射するビーム光束を示し、 1 6 2 は、 上記ビーム光束 1 6 3の中心のディヒユーザ 1 6上における回転軌跡を 示す。
1周期の長さは円板 1 6の回転数と露光時間により決まり、 概ね 1ステツ プ露光の間に露光光軸上で 1周期程度変化するようにする。 また、 スキャン 露光を行う場合には、 1絵素分移動する間に 1〜数周期程度変化するように する。 これら回転速度の制御は制御回路 6により 2次元光変調器 2 bの表示 制御、 ステージ 4の移動制御と同期させて制御するが、 一旦回転を開始する と上記した速度で一定回転させる。 その結果、 マスク 2 a或いは 2次元光変 調器 2 bに対する照明光において、 空間周波数の高いむらを変化させて時間 平均させることによつて空間周波数に依らずほぼ完全に一様になるようにし て干渉縞の発生を防止することが可能となる。 なお、 第 7図に示した波面を 変化させる変調器 1 6は、光ィンテグレー夕 1 3の直前に設置されているが、 光ィンテグレー夕 1 3の直後に設置しても同様の効果が得られる。
次に、本発明に係る第 3の実施の形態について第 1 0図を用いて説明する。 第 3の実施の形態において、第 1及び第 2の実施の形態と相違する点は、 L D アレーを複数設置して露光光量を増大させるものである。 半導体レーザ 1 1 の出射光は直線偏光であるため、 例えば N個ある総ての L Dアレー 1 aから の出射光が X方向の直線偏光であるように向きを揃えて L D 1 1を設置する c 他方 LDアレー 1 bは y方向が直線偏光であるように N個ある総ての LD 1 1を設置する。 LDアレー 1 aから出射される X方向の直線偏光は、 偏光ビ 一ムスプリッ夕 1 14でほぼ 100%が透過して P偏光となる。 他方 LDァ レ一 1 bから出射される y方向の直線偏光は、 偏光ビームスプリッ夕 114 でほぼ 100%が反射して S偏光となる。 この結果、 2N個の LD 1 1から のレーザ光は総てロス無く露光光学系に導かれる。
上記説明では、 LDアレー 1 bは y方向が直線偏光であるように設置され ているが、 LDアレー 1 aと同様に X方向が直線偏光であるように設置する こともできる。 この場合には、 LDアレー 1 bから出射し、 偏光ビームスプ リツ夕 1 14に入射するまでの途中の光路に 1/4波長板を設置し、 この 1 /4波長板を透過した光が y方向の直線偏光になるようにしても良い。
半導体レーザ、 LDは通常透明な窓を有する小さい管に封じられているが、 この管の直径は 6 mm弱程度であるため、 2次元的な配列の数に限界がある。 そのため、 本第 3の実施の形態によれば、 複数の LDアレーを設けることに よって、 この数の限界を倍増させる効果が得られる。
偏光ビームスプリッ夕 1 14を通過したレーザ光は直交する 2方向の偏光 成分を含み、 集光レンズ 12、 光インテグレ一夕 13、 コリメ一夕レンズ 1 4、 マスク 2或いは 2次元光変調器 2、 投影露光レンズ 3を通り、 基板に至 る。これら光路途中の部品は偏光に係わり無く、レーザ光を通過させるので、 基板上に 2倍の露光量を照射させることができる。 この結果、 露光時間は 2 分の 1で済むことになり、 スループッ 卜の高速化が実現できる。
なお、 制御回路 6から露光するパターンの情報を元に、 2次元光変調器 2 bが駆動され、 この駆動情報に同期して、 ステージ 2及び LDアレー 1 a及 び l bが駆動される。 制御回路 6からの LD 1 1の駆動は、 露光光が基板 5 の感度に対し最適になるように点燈時間が制御され、 露光を行わない夕イミ ングでは LDが消える。 次に、本発明に係る露光装置の第 4の実施の形態について第 1 1図を用い て説明する。 第 4の実施の形態において、 第 1〜第 3の実施の形態と相違す る点は、マスク 2としての 2次元光変調器 2 bとして、透過型を用いたのに対 して反射型を用いることにある。要するに、 2次元光変調器 2 bは、透過型で も反射型でもよい。 第 4の実施の形態では、 反射型液晶 2次元光変調器等の 反射型の 2次元光変調器 2 bbを用いている。 そして、 LD光源 1から出射 したレーザビームをビームスプリッ夕 145により 2分して 2つの露光光学 系に導いている。 1.44は 2次元光変調器の表示部と共役な位置関係にある 視野絞りである。 この視野絞りの像がレンズ 142 a, 143a及び 142 b、 143わにより 2次元光変調器 2 b b a及び 2 b b bの表示部に結像し、 この表示部が投影露光レンズ 3 a及び 3 bにより、 基板 5の上の露光領域 1 51 a及び 151 bに結像する。
半導体レーザ 11を出射した光は図の基板面即ち水平面に平行な直線偏光 である。 そこで光インテグレ一夕 13を通過した後 1./4波長板 105によ り円偏光にする。 ビームスプリツ夕 145は偏光ビームスプリツ夕であるの で、 ビームスプリッ夕 145に入射する円偏光のうち水平偏光成分である P 偏光成分は偏光ビームスプリッ夕 145を通過し、 S偏光成分は偏光ビーム スプリツ夕 145で反射する。 反射した S偏光成分は垂直方向の直線偏光で あり、 ミラー 151bと 152 bで反射し、 水平な直線偏光となる。
このように偏光ビームスプリッ夕 145で分岐した 2つの露光ビームは共 に水平な直線偏光となり、 偏光ビームスプリッ夕 153 a及び 153 bに入 射する。 これらの偏光ビームスプリッ夕 153 a及び 153 bにとつて入射 光は S偏光であるので、 100%反射し、 反射型液晶からなる 2次元光変調 器 2 bba及び 2 bbbに垂直に入射する。 この反射型液晶 2次元光変調器 2 bb a及び 2 bbbの各表示絵素に表示情報に応じて電圧印加の ON, 0 F Fを行うと、 これに応じて反射光の偏光がそのまま又は直角に変化する。 従って、 反射光が再び偏光ビームスプリッ夕 1 5 3 a及び 1 5 3 bを通過さ せると、 偏光が直角に変化した絵素のみがこのビ一ムスプリッ夕 1 5 3 a及 び 1 5 3 bを通過してくる。
このようにして得られた 2次元光情報は、 投影露光レンズ 3 a及び 3 に より、 基板 5上の 1 5 1 a及び 1 5 1 b上に露光パターンとして結像投影さ れる。
次に、本発明に係る露光装置の第 5の実施の形態について第 1 2図を用い て説明する。第 5の実施の形態は、反射型 2次元光変調器としてディジ夕ル · ミラ— .デバイス （Digital Mirror Device) 2 b b cを用いたものである。 ディジタル · ミラ一 ·デバイス 2, b b cは、 各絵素に電気信号で駆動するメ ンブレンミラ一を設けて構成される。 各ミラーに照射した露光光は信号が 0 Nの部分では 0だけミラーが傾き、 O F F部ではミラーが傾かない。 例えば 露光光をミラー 1 5 4で反射させて照射し、 傾いたミラーで反射した光は投 影露光レンズ 3に入射してレンズ 3を通過するが、 傾かない絵素につ:いては ミラ一で正反射して投影露光レンズ 3の瞳から外れてレンズ 3を通過しない c この結果、 ディジ夕ル ' ミラ一 'デバイス 2 b b cにおいてディジ夕ルミラ 一デバイス駆動信号で表示されたパターンが、 投影露光レンズ 3によって基 板 5上に投影露光されることになる。
次に、 本発明に係る露光装置の第 6の実施の形態について第 1 3図を用い て説明する。 第 6の実施の形態は、 光源アレー 1として、 複数の半導体レー ザ 1 1から出射した光を図示しないレンズ等の導光光学系により受け入れ、 光ファイバ一 1 1 0 1で導いて 2次光源になる出射端 1 1 0 2から出射する ように構成するものである。 光ファイバ一 1 1 0 1の各ファイバ端から出射 した光はビーム成形光学系 1 1 0 3により、 所望の広がり角を持って出射す る。 2次光源となる出射端 1 1 0 2は 2次元光変調器 2 bの表示領域 2 1と ほぼ相似な発光領域を有する。 このようにすることにより既に説明したよう に 2次光源を出射した光は効率良く、 かつ一様に 2次元光変調器 2 bを照明 する。
次に、 本発明に係る光源アレーである LDアレイの実施例について第 14 図を用いて具体的に説明する。 これら LDアレイの実施例において、 第 14 図 （A) に示す LDアレイ 1 Aは今まで説明したものであり、 LD配列が X y方向に等ピッチで配列されている。 他方、 第 14図 （B) に示す LDァレ ィ 1 Bは最稠密配列されている。 即ち正三角形の頂点に LD 11が配列して いる。 この実施例の場合には LDパッケージの円の外径 Dに対し、 配列ビッ チを Pとすると、 Pは例えば 1. 07〜1. 1 D程度にすることが可能であ る。 第 14図 （A) と （B) の 112は LDの実装領域を描いた互いに合同 な矩形である。 最稠密実装の （B) の方が高実装密度になる。 具体的な数値 評価を行うと、 LDアレイ 1 Aの LD実装密度は 1/P2となるのに対し、 LDアレイ 1 Bでは 1. 154/P2となり、 実装密度を高く、 即ち光源の 出力を 15%程度大きくすることが可能になる。
第 14図に示す 111は、 多数配列した LDから発生する熱により LDが 高温になり、 寿命が短くなるのを防ぐための、 冷却機である。 具体的には、 冷却機 1 11は、 熱伝導が良い材料である銅等で構成し、 これに穴を貫通さ せて、 冷却水を通すことにより、 25°C以下で駆動することが可能になる。 またペルチェ素子を用いても同様に 25°C以下に冷却することができ、 長寿 命化が実現できる。
本発明は、 以上説明した LDアレイの実施例に限定されるものではない。 即ち、 用いる光源として、 比較的指向性の高い光源、 例えば発光ダイオード (LED) やそれ以外の発光面積の小さなランプを用いても、 本発明を実現 させることが可能である。 また、 半導体レーザ以外の複数のレーザ光源を用 いても実現できる。
次に、 本発明に係る光源アレーについての他の実施例について第 15図を 用いて説明する。 この光源アレー 1は、 比較的発散角の小さな、 通常のガス レーザ光源や、 固体レーザ光源を用いるものであるが、 レーザ光源そのもの は 2次元に配列しているわけではない。 即ち、 どのレーザからも同じ方向に レーザ光を発射させる必要がない。 光軸方向のレーザ断面積が大きい場合、 第 1 5図に示すようにミラ一 1 1 5 p、 1 1 5 qを用いて光路を折り返すこ とにより、 複数のビームの密度をレーザの実装密度より高くすることが可能 である。
第 1 5図の実線部 （ 1 P ) は、 紙面内の断面でのレーザ光源 l i p.の配列 であり、 点線 （ 1 Q ) は、 紙面と平行で一定の間隔にある断面でのレーザ光 源 1 1 qの配列である。 実際にはこのような面が 3面以上存在している。 ミ ラー 1 1 5 ゃ 1 1 5 q等で折り返されたビームは図の左側に進み、 2次元 分布している。 1 1 0 6はマイクロレンズであり、 各マイクロレンズの光軸 を各ビームの中心に一致させている。 このマイクロレンズ 1 1 0 6を通過し た光は、 2次光源面 1 1 0 5にそれぞれのビームが集光する。 そして、 この 2次光源面 1 1 0 5は、 第 1図、 第 2図、 第 7図、 第 1 0図〜第 1 2図に示 す集光レンズ 1 2の前側焦点面に一致するように配置される。
また、 複数の種類の光源を同時に配列することにより、 様々な波長を含む 照明を得ることが可能である。 このような様々な波長の光からなる照明を露 光以外の照明に用いることも可能であり、 この場合においても、 一様で光の 利用効率の高い照明が実現できる。 このような用途として、 例えば顕微鏡を 用いた微細パターンの観察、 検査等に用いる照明がある。
光源アレー 1 Aとして、 複数の波長の L E Dや L Dを用いる場合には、 第 1図〜第 4図或いは第 1 4図に示すように構成される。 そして、 複数の光源 1 1は、 第 1 6図に示すように、 例えば波長の異なる複数の種類の光源 1 1 A、 1 1 B、 1 1 C、 1 1 Dからなる。 このように複数の種類の光源を各種 類で複数用いる場合には第 1 6図に示すように各種類が偏りなく分布するよ う配列する事が望ましい。
以上説明した光源ァレーは、分離した複数の光源を 2次元配列しているが、 照明領域が長細い場合には 1次元に配列したしても良いことは明らかである また、 以上説明した実施の形態によれば、 多数の半導体レーザを配列し、 出射光を効率良く照明光に用いることが可能になり、 従来の水銀ランプを光 源にする場合に比べ投入電気エネルギーを有効に基板の露光に用いることが 可能になり、 省エネルギーに貢献できる。 また固体光源を用いることが可能 になり、 光源の長寿命が実現し、 メンテナンスが容易になった。 産業上の利用可能性
本発明によれば、 半導体レーザ等の 1個当りの発光エネルギーが小さな光 源を複数用いて、 高い効率で、 かつ均一に被照射物に照射することができる ようにして、 省エネルギーで高性能な照明を実現した。
また、 本発明によれば、 省エネルギーで高性能な照明を実現することによ り、基板等にパターンを露光する際、高スループットで、良好なパターン露光 を実現することができる。

Claims

請求の範囲
1 . 分離して 1次元若しくは 2次元に配列された複数の光源の各々から光を 出射させ、 該複数の光源の各々から出射された光を光ィンテグレー夕により 空間的に分解して多数の擬似 2次光源を生成し、 該生成された多数の擬似 2 次光源からの光をコンデンサレンズにより重ね合わせて被照明領域に照明す ることを特徴とする照明方法。
2 . 前記複数の光源が配列された領域または前記複数の光源から得ちれる 2 次光源の発光領域を前記被照明領域の形状に相似にしたことを特徴とする請 求項 1記載の照明方法。
3 . 前記光源は半導体レーザ光源であることを特徴とする請求項 1記載の照 明方法。
4 . 前記光インテグレー夕は複数のロッ ドレンズの配列からなり、 各ロッ ド レンズの光軸に垂直な断面形状の縦横比 r と前記被照明領域の縦横比 r。 との比 r^ Z r。が 0 . 8以上 1 . 2以下であることを特徴とする請求項 1記 載の照明方法。
5 . 前記光ィンテグレー夕に入射する光または前記ィンテグレー夕を出射す る光が、 波面を変化させる変調器を通過することを特徴とする請求項 1記載 の照明方法。
6 . 前記複数の光源の各々から出射する光束における発散角を、 該出射光束 の光軸に垂直な面に向けて面内任意の 2方向に対し 1対 1 . 5の比以内にな るように調整することを特徴とする請求項 1記載の照明方法。
7 . 前記光源から出射する光のエネルギーを制御することを特徴とする請求 項 1記載の照明方法。
8 . 前記複数の光源または 2次光源から出射する各々の出射光を、 集光光学 系により前記光ィンテグレー夕上の対応する位置に入射させることを特徴と する請求項 1記載の照明方法。
9 . 分離して 1次元若しくは 2次元に配列された複数の光源の各々から出射 された光を、 被照明領域内の照度むらが ± 1 0 %以内で、 前記各光源から発 する光のエネルギーの 3 0 %以上が被照明領域内に到達するように被照明領 域に照明することを特徴とする照明方法。
1 0 . 分離して 1次元若しくは 2次元に配列された複数の光源の各々から出 射させ、 該複数の光源の各々から出射された光を光ィンテグレー夕により空 間的に分解して多数の擬似 2次光源を生成し、 該生成された多数の擬似 2次 光源からの光をコンデンサレンズにより重ね合わせて露光すべきパターンを 有する被照明領域に照明し、
該照明された露光すべきパターンを透過もしくは反射した光を投影光学系 により被露光物上の被露光領域に投影露光することを特徴とする露光方法。
1 1 . 前記複数の光源が配列された領域または前記複数の光源から得られる 2次光源の発光領域を前記被照明領域の形状に相似にしたこ;とを特徴とする 請求項 1 0記載の露光方法。
1 2 . 前記光源は半導体レーザ光源であることを特徴とする請求項 1 0記載 の露光方法。
1 3 . 前記光インテグレ一夕は複数のロッ ドレンズの配列からなり、 各ロッ ドレンズ光軸に垂直な断面形状の縦横比 r！と上記被照明領域の縦横比 r 0 との比 r / r。が 0 . 8以上 1 . 2以下であることを特徴とする請求項 1 0 記載の露光方法。
1 4 . 前記光インテグレ一夕に入射する光または前記光インテグレー夕を出 射する光が、 波面を変化させる変調器を通過することを特徴とする請求項 1 0記載の露光方法。
1 5 . 分離した複数の光源を 1次元若しくは 2次元に配列した光源アレーと 該光源アレーの各光源から出射した光を集光させる集光光学系と該集光光学 系で集光された光を空間的に分解して多数の擬似 2次光源を生成する光ィン テグレ一夕と該光ィンテグレー夕によって生成された多数の擬似 2次光源か らの光を重ね合わせて露光すべきパターンを有する被照明領域に照明するコ ンデンサレンズとを有する照明光学系と、
該照明光学系で照明された露光すべきパターンを透過もしくは反射した光 を被露光物上の被露光領域に投影露光する投影光学系とを備えたことを特徴 とする露光装置。
1 6 . 前記照明光学系において、 前記光源アレーにおける複数の光源が配列 された領域または前記複数の光源から得られる 2次光源の発光領域を前記被 照明領域の形状に相似にしたことを特徴とする請求項 1 5記載の露光装置。
1 7 . 前記照明光学系の前記光源アレーにおいて、 前記光源が半導体レーザ 光源からなることを特徴とする請求項 1 5記載の露光装置。
1 8 . 前記照明光学系の前記光インテグレー夕は、 複数のロッドレンズの配 列からなり、 各口ッドレンズ光軸に垂直な断面形状の縦横比 r！と上記被照 明領域の縦横比 r。との比 r^/ r。が 0 . 8以上 1 . 2以下であるように構 成したことを特徴とする請求項 1 5記載の露光装置。
1 9 . 前記照明光学系において、 前記光インテグレー夕の入射側または前記 光ィンテグレー夕の出射側に光の波面を変化させる変調器を具備することを 特徴とする請求項 1 5記載の露光装置。
2 0 . 前記照明光学系において、 前記光源アレーの各光源から出射する光の 発散角を調整する発散角調整光学系を有することを特徴とする請求項 1 5記 載の露光装置。
2 1 . 前記発散角調整光学系は、 シリンドリカルレンズを含むことを特徴と する請求項 2 0記載の露光装置。
2 2 . 前記照明光学系において、 前記光源アレーの前記光源から出射する光 のエネルギーを制御する光源制御手段を具備することを特徴とする請求項 1 5記載の露光装置。
2 3 . 前記照明光学系において、 前記光源アレーの前記光源から出射する光 の強度を計測する検出器を備えたことを特徴とする請求項 1 5記載の露光装
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