JP2005115128A - 照明光学装置およびそれを用いた投影露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の光源を用いた照明光学系において高照度を達成すること。
【解決手段】 片方の光源の集光点と、他方の光源のフーリエ変換面で合成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の、超高圧水銀ランプ、ＥＵＶ光源などの発散光源を光源として利用し、被照明面を照明する照明光学装置に関する。

特に、本発明の照明光学装置は、半導体素子，液晶表示素子，撮像素子（ＣＣＤ等）または薄膜磁気ヘッド等を製造するためのリソグラフィ工程中に使用される投影露光装置に用いられる照明光学装置として好適なものである。

半導体素子製造工程のリソグラフィ工程において、投影露光装置が使用されている。リソグラフィ工程とは、半導体素子の回路パターンを半導体素子となる基板（シリコン基板等）上に投影転写する工程のことであり、半導体素子の性能に影響する重要な工程である。

半導体素子は大量生産によるコストダウン効果が非常に大きい素子であり、半導体素子製造企業は、半導体素子の生産性を向上し、コストダウンによる利益拡大を常に模索している。

半導体素子の生産性向上のためにはリソグラフィ工程の生産性向上が不可欠であり、リソグラフィ工程の生産性向上のために、投影露光装置の単位時間あたりに投影転写する基板数（スループット）を増やすことへの要求が強い。

投影露光装置のスループットを向上する方法としては、各転写領域の露光時間を短くする方法、次の転写領域に移動する時間（ステップ時間）を短くする方法、露光終了した基板を搬出し、未露光基板の搬入をする時間（ウエハ交換時間）を短くする方法などがある。このうち、各転写領域の露光時間を短くする方法は、感光剤自身を高感度化して少ない露光量で感光するようにして、露光時間を短くする方法か、露光領域の単位時間あたりの露光量（照度）を高め、露光時間を短くする方法のいずれかである。感光剤を高感度化する際には、感光剤の解像度の悪化や、感光剤を現像した後のプロファイルの悪化が伴うため、むやみに高感度化できない。そのため、投影露光装置を高照度化する方法の方が、実際的かつ実用的であり、投影露光装置の高照度化が強く求められている。

従来より、投影露光装置を高照度化するために、光源に入力する電力を上げて、光源からの放射強度を上げる事がされてきた。この方法の利点は、従来からの投影露光装置の微小変更で高照度化が達成できることであり、例えば超高圧水銀ランプの場合、入力電力が２．０ｋＷのランプから４．５ｋＷのランプに変更することにより、２倍以上の高照度化が達成できる。しかし、電力を上げることにより、ランプの電極にかかるエネルギーが増えるため、ランプの耐久性が悪化してしまう。よって、ランプ入力電力を上げていくと、ランプ寿命が短くなって維持コストが増大し、究極的には点灯後ランプが破裂してしまうという問題がある為、ランプに投入する電力をむやみに上げることはできず、この方法による、高照度化にも限界がある。

そこで、従来から提案されている別の高照度化の方法として、複数の光源を用いて合成して被照射面を照明する方法が提案されており、ハエノ目レンズに対して３灯のランプを入力する方法も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

図２を用いて、従来の複数のランプを用いた投影露光装置を説明する。１は超高圧水銀ランプであり、バルブより光を発散している。実際には電極を鉛直方向に配置する必要があるためミラーによって偏向する等の必要があるが、図では簡単のため水平方向に配置している。２は集光ミラーであり、通常は楕円ミラーが用いられる。楕円ミラーの他にも、集光点の集光度を高めるよう最適化したファセットミラーなどを用いても良い。２つのランプからの光は６のハエノ目レンズ上で合成されるようになっている。ハエノ目レンズ６の代わりにシリンドリカルレンズアレイを用いても構わない。ハエノ目レンズ６は入射面の光束に対して波面分割を行い、射出面に２次光源を作り出す。７はコンデンサー光学系であり、ハエノ目レンズ６で波面分割された光束を被照明面で重畳的に重ね合わせる。これにより、被照明面で均一な照度分布を達成することができる。８はコンデンサー光学系７の被照明面に配置されたマスキングブレードである。マスキングブレード８は開口可変な絞りであり、照明光学装置の被照明面である１０のレチクルでの照明領域を制御する。９はリレー光学系であり、マスキングブレード８の位置に形成された均一な照度分布をレチクル１０上に投影する。１０は転写したい回路パターンが描画されているレチクルである。レチクル１０は石英基板にＣｒで回路パターンが描画されたものが使われている。１１はレチクル１０上に描画されたパターンを、感光剤の塗布された基板１２に投影結像するための投影光学系である。本図では省略したが、光路内におかれたシャッターによって、基板上へ所定の露光量だけ光を照射することによって、基板上の感光剤にレチクル１０のパターンが縮小、もしくは拡大転写され、それを現像し、基板をエッチングすることによって、基板にレチクルのパターンが転写される。以上のような２つの光源からの光を合成して、被照明面を高照度で照明する照明光学系が、従来より提案されていた。
特開平５−４５６０５号公報

しかし、従来の実施例においては、２つの光源からの光を並べて合成するために、１つの光源からの時に比べ、合成面でのヘルムホルツ＝ラグランジェ量が増えていたという問題があった。ヘルムホルツ＝ラグランジェ量とは光軸からの高さと光軸のなす角のことであり、光学におけるヘルムホルツ＝ラグランジェの法則と呼ばれるものによって光学系において減少しない量である。照明光学装置においては、被照明面の大きさと被照明面へ入射する光線の最大角が定まっているので、被照明面におけるヘルムホルツ＝ラグランジェ量は決まっている。前述のようにヘルムホルツ＝ラグランジェ量は光学系によって減少することがなく、変化しないか、もしくは増大するのみであるので、光学系内のある場所で、被照明面におけるヘルムホルツ＝ラグランジェ量を超えた場合には、その後の光学系内のいずれかの場所で光線が蹴られて、光量ロスが発生する。

図５は、ハエノ目レンズの位置での光線を示す。被照明領域の大きさが決まっているために、ハエノ目レンズから射出する最大角度ａ１はある値となる。例えば、被照明領域の幅を２Ｘとし、ハエノ目レンズ以降の照明光学系の焦点距離をｆとすると、ａ１＝Ｘ÷ｆとなる。また照明光学系の被照明面におけるＮＡは前記σ値によってハエノ目レンズにおける光束の径Ｌ１はある値となる。例えば、被照明領域でのＮＡをαとすると、Ｌ１＝２×α×ｆとなる。ハエノ目レンズにおける光束径は入射面と射出面で変わらないので、ハエノ目レンズの入射面の光束径Ｌ２はＬ１と等しい。ハエノ目レンズから射出可能な光線の最大角度ａ２はヘルムホルツ＝ラグランジェの関係より、ａ１より小さい。よって、二つの光源からの光を合成したとしても、ハエノ目レンズへの入射角度が増えてａ１を超えてしまうと、ハエノ目レンズの側面にあたって蹴られてしまい、光量ロスとなってしまう。

よって、従来例では、角度が、１灯の時の２倍以上になっているので、ランプを２灯にしたとしても、光量ロスが発生する。そのため光利用効率が低下し、被照明面での照度は、ランプを２灯にしても、２倍にはならない。

本発明は、以上を鑑みて、２つの光源からの光を合成した際の、ハエノ目レンズへの入射角度を２倍に増やさない方法を提案し、２つの光源からの光を用いた照明装置の光利用効率を向上し、被照明面の照度を高めることを課題とする。

請求項１に記載の発明は、２つ以上の発散光源を用いて被照明領域を照明する照明光学装置において、一方の光源の略共役位置と、他方の光源の略フーリエ変換位置とで光を合成することを特徴とする照明光学装置である。

請求項２に記載の発明は、２つ以上の発散光源を用いて被照明領域を照明する照明光学装置において、一方の光源を楕円ミラーで集光した集光位置近傍もしくは集光位置と略共役な位置と、他方の光源を楕円ミラーで集光し、コリメート光学系を用いて楕円ミラーの開口と略共役な位置とで光を合成することを特徴とする照明光学装置である。

請求項３に記載の発明は、２つ以上の発散光源を用いて被照明領域を照明する照明光学装置において、一方の光源を楕円ミラーで集光した集光位置近傍もしくは集光位置と略共役な位置と、他方の光源を楕円ミラーで集光し、コリメート光学系を用いて楕円ミラーのミラー面と略共役な位置とで光を合成することを特徴とする照明光学装置である。

請求項４に記載の発明は、２つ以上の発散光源を用いて被照明領域を照明する照明光学装置において、一方の光源を楕円ミラーで集光した集光位置近傍もしくは集光位置と略共役な位置と、他方の光源を放物面ミラーでコリメートし、放物面ミラーの開口近傍、もしくはミラーの開口と略共役な位置とで光を合成することを特徴とする照明光学装置である。

請求項５に記載の発明は、２つ以上の発散光源を用いて被照明領域を照明する照明光学装置において、一方の光源を放物面ミラーでコリメートした光をコンデンサー光学系で集光した集光位置近傍もしくは集光位置と略共役な位置と、他方の光源を放物面ミラーでコリメートし、放物面ミラーの開口近傍、もしくはミラーの開口と略共役な位置とで光を合成することを特徴とする照明光学装置である。

請求項６に記載の発明は、パターンの描画されたレチクルを照明する照明光学装置と、レチクルのパターンを感光剤の塗布された基板上に投影する投影光学装置とを備えた投影露光装置において、前記照明光学装置が請求項１から５のいずれかであることを特徴とする投影露光装置である。

上記、所定位置近傍とは、所定位置との間に、実質的なパワーをもったレンズの入っていない場所のことをしめす。

本発明においては、集光ミラーからの光に、バルブや電極によって蹴られるために、必ず中ヌケがあることを利用し、一方の光源からの光の中ヌケ部分に、他方の光源からの光を入れて、光を合成することによって、２つの光源からの光を合成しても、ハエノ目レンズへの入射角度を２倍に増やさず、２つの光源からの光を用いた照明装置の光利用効率を向上し、被照明面の照度を高めることを特徴とする。

より具体的には、光源からの光を楕円ミラーで集光された光は、図６に示すように、バルブや電極によって蹴られるために０度の方向からは光が来ず、ある角度ｂ１から楕円ミラーの開口で決まる最大角度ｂ２の間の角度を持って集光する。フーリエ変換レンズ（コリメータレンズ）を用いて形成した集光点のフーリエ変換像は、中心が中ヌケした輪帯状の分布となる。本発明はこの中ヌケ部分に他の光源からの光を入れるように光を合成するものである。

２つ以上の光源を合成する場合には、２つの光源を本発明の方法により合成した後、それらをさらに合成することによって、従来方法によって合成したときに比べ、ハエノ目レンズ入射面での入射角度を小さくすることができる。なお、本発明の実施例においては、２つの光源の合成例について説明するが、３つ以上の光源を合成する際には、前記のように合成することにより、光利用効率を上げ、被照明面で高照度を得ることができる。

本発明により、２つの光源からの光を合成しても、ハエノ目レンズへの入射角度を２倍に増やさず、２つの光源からの光を用いた照明装置の光利用効率を向上し、被照明面の照度を高めることができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

図１を用いて、本発明の第１の実施例を説明する。１は超高圧水銀ランプであり、バルブより光を発散している。実際には電極を鉛直方向に配置する必要があるが、図では簡単のため片方は、水平方向に配置している。２は集光ミラーであり、通常は楕円ミラーが用いられる。楕円ミラーの他にも、集光点の集光度を高めるよう最適化したファセットミラーなどを用いてもよい。３はフーリエ変換光学系であり、集光点のフーリエ変換像がＡで示した二つのランプの合成位置にできるようにしている。フーリエ変換光学系の収差（像面湾曲）を制御することにより、フーリエ変換像の共役位置を変えることができ、収差を０にした場合には、楕円ミラーの開口と共役となり、収差を所定量発生させた場合には、楕円ミラーのミラー面と共役となる。４は合成ミラーであり、中心部の光束を透過し、周辺部の光を反射する中ヌケのミラーとなっており、下側光源からの光がミラーの中心部の透過部を透過し、右側光源の光がミラーの周辺の反射部で反射され、合成されるようになっている。なお、合成ミラーの中心部が反射で、周辺部が透過となっていて、下側光源の集光点のフーリエ変換像と、右側光源からの集光点で合成するような構成になっていても構わない。本発明は、Ａの位置での２つの光源からの合成方法についてのものであり、以降の照明光学系、投影光学系として、いかなるものを持ってきても構わない。以降では例として、代表的なものを示す。５は変倍リレー光学系である。投影露光装置においては、転写するパターンに応じて、投影光学系の結像性能を最適化するために、コヒーレンスファクター（σ値）を変える必要がある。σ値とは、（照明光学系のＮＡ）÷（投影光学系のＮＡ）であって、照明光学系のＮＡを決めているハエノ目レンズ６上の光束径を変える事によって、σ値を変える事ができる。変倍リレー光学系５はズーム機構をもち、ハエノ目レンズ６上の光束径を変える事ができる。ハエノ目レンズ６の代わりにシリンドリカルレンズアレイを用いても構わない。ハエノ目レンズ６は入射面の光束に対して波面分割を行い、射出面に２次光源を作り出す。７はコンデンサー光学系であり、ハエノ目レンズ６で波面分割された光束を被照明面で重畳的に重ね合わせる。これにより、被照明面で均一な照度分布を達成することができる。８はコンデンサー光学系７の被照明面に配置されたマスキングブレードである。マスキングブレード８は開口可変な絞りであり、照明光学装置の被照明面である１０のレチクルでの照明領域を制御する。９はリレー光学系であり、マスキングブレード８の位置に形成された均一な照度分布をレチクル１０上に投影する。１０は転写したい回路パターンが描画されているレチクルである。１１はレチクル上に描画されたパターンを、感光剤の塗布された基板１２に投影結像するための投影光学系である。本図では省略したが、光路内におかれたシャッターによって、基板１２上へ所定の露光量だけ光を照射することによって、基板１２上の感光剤にレチクル１０のパターンが縮小、もしくは拡大転写され、それを現像し、基板１２をエッチングすることによって、基板にレチクル１０のパターンが転写される。

以上の構成により、一方の光源からの光の中ヌケ部分に、他方の光源からの光を入れて、光を合成することができ、２つの光源からの光を合成しても、ハエノ目レンズ６への入射角度を２倍に増やさず、２つの光源からの光を用いた照明装置の光利用効率を向上し、被照明面の照度を高めることができる。

その他のＡで示した合成位置以降の照明光学系として、図７にしめしたような、内面反射部材とハエノ目レンズを備えたダブルインテグレータの照明光学系が考えられる。１５が内面反射部材であって、入射面で非均一であった照度分布を射出面において略均一にする光学部材である。このようにすることによって、ハエノ目レンズ６入射面の照度分布が略均一になり、ハエノ目レンズ６射出面上に形成される２次光源の分布が均一になるので、投影露光装置の照明光学系として望ましい。ダブルインテグレータの照明光学系として、他に、ハエノ目レンズを２つ使った照明光学系、内面反射部材を２つ使った照明光学系などがあるが、本発明はＡで示した位置での合成方法に関するものであって、いずれの照明光学系を採用したとしても、本発明の請求範囲内である。

図３を用いて、本発明の第２の実施例を説明する。１は超高圧水銀ランプであり、バルブより光を発散している。実際には電極を鉛直方向に配置する必要があるが、図では簡単のため片方は、水平方向に配置している。２は集光ミラーであり、通常は楕円ミラーが用いられる。楕円ミラーの他にも、集光点の集光度を高めるよう最適化したファセットミラーなどが用いられる。１３は放物面ミラーであり、光源からの光をコリメートし、光源の角度分布で光を射出する。４は合成ミラーであり、中心部の光束を透過し、周辺部の光を反射する中ヌケのミラーになっており、下側光源からの集光点がミラーの中心部の透過部を透過し、右側光源からコリメートされた、光源の角度分布がミラーの周辺の反射部で反射され、合成されるようになっている。なお、合成ミラー４の中心部が反射で、周辺部が透過となっていて、下側光源の角度分布と、右側光源からの集光点で合成するような構成になっていても構わない。本発明は、Ａの位置での２つの光源からの合成方法についてのものであり、以降の照明光学系、投影光学系としては、いかなるものを持ってきても構わない。図３の以降の構成は、第１の実施例と同じである。

以上の構成により、一方の光源からの光の中ヌケ部分に、他方の光源からの光を入れて、光を合成することができ、２つの光源からの光を合成しても、ハエノ目レンズ６への入射角度を２倍に増やさず、２つの光源からの光を用いた照明装置の光利用効率を向上し、被照明面の照度を高めることができる。

図４を用いて、本発明の第３の実施例を説明する。１は超高圧水銀ランプであり、バルブより光を発散している。実際には電極を鉛直方向に配置する必要があるが、図では簡単のため片方は、水平方向に配置している。１３は放物面ミラーであり、光源からの光をコリメートし、光源の角度分布で光を射出する。１４はコンデンサー光学系であり、１３の放物面ミラーからの光を集光してＡで示した位置に光源の像を形成し集光点をつくる。４は合成ミラーであり、中心部の光束を透過し、周辺部の光を反射する中ヌケのミラーになっており、下側光源からの集光点がミラーの中心部の透過部を透過し、右側光源からコリメートされた、光源の角度分布がミラーの周辺の反射部で反射され、合成されるようになっている。なお、合成ミラーの中心部が反射で、周辺部が透過となっていて、下側光源の角度分布と、右側光源からの集光点で合成するような構成になっていても構わない。本発明は、Ａの位置での２つの光源からの合成方法についてのものであり、以降の照明光学系、投影光学系としては、いかなるものを持ってきても構わない。図４の以降の構成は、第１の実施例と同じである。

以上の構成により、一方の光源からの光の中ヌケ部分に、他方の光源からの光を入れて、光を合成することができ、２つの光源からの光を合成しても、ハエノ目レンズ６への入射角度を２倍に増やさず、２つの光源からの光を用いた照明装置の光利用効率を向上し、被照明面の照度を高めることができる。

本発明の実施例の光源として、超高圧水銀ランプを用いたが、本発明は、発散光源に対して有効であり、光源は超高圧水銀ランプには限らない。

例えば、ＥＵＶ光源の場合には、ＭｏＳｉ膜のミラーにより光を集光、もしくはコリメートし、光学系として、ミラー光学系を用いればよい。

また他にも、キセノンランプ等の発散光源に対しても有効である。

本発明の第１の実施例を示す図 従来例を示す図 本発明の第２の実施例を示す図 本発明の第３の実施例を示す図 ハエノ目レンズ部での射出光束と入射光束の関係の説明図 集光ミラーからの光束の中ヌケの説明図 本発明の第１の実施例をダブルインテグレータ照明系に採用した例を示す図

符号の説明

１ 発散光源（高圧水銀ランプ）
２ 集光ミラー（楕円ミラー）
３ コリメーター光学系
４ 合成ミラー（中空ミラー）
５ 変倍リレー光学系
６ ハエノ目レンズ、もしくはシリンドリカルレンズアレイ
７ コンデンサー光学系
８ マスキングブレード
９ リレー光学系
１０ レチクル
１１ 投影光学系
１２ ウエハ
１３ 放物面ミラー
１４ コンデンサー光学系
１５ 内面反射部材

Claims (6)

1. ２つ以上の発散光源を用いて被照明領域を照明する照明光学装置において、一方の光源の略共役位置と、他方の光源の略フーリエ変換位置とで光を合成することを特徴とする照明光学装置。
2. ２つ以上の発散光源を用いて被照明領域を照明する照明光学装置において、一方の光源を楕円ミラーで集光した集光位置近傍もしくは集光位置と略共役な位置と、他方の光源を楕円ミラーで集光し、コリメート光学系を用いて形成した楕円ミラーの開口と略共役な位置とで光を合成することを特徴とする照明光学装置。
3. ２つ以上の発散光源を用いて被照明領域を照明する照明光学装置において、一方の光源を楕円ミラーで集光した集光位置近傍もしくは集光位置と略共役な位置と、他方の光源を楕円ミラーで集光し、コリメート光学系を用いて形成した楕円ミラーのミラー面と略共役な位置とで光を合成することを特徴とする照明光学装置。
4. ２つ以上の発散光源を用いて被照明領域を照明する照明光学装置において、一方の光源を楕円ミラーで集光した集光位置近傍もしくは集光位置と略共役な位置と、他方の光源を放物面ミラーでコリメートし、放物面ミラーの開口近傍、もしくはミラーの開口と略共役な位置とで光を合成することを特徴とする照明光学装置。
5. ２つ以上の発散光源を用いて被照明領域を照明する照明光学装置において、一方の光源を放物面ミラーでコリメートした光をコンデンサー光学系で集光した集光位置近傍もしくは集光位置と略共役な位置と、他方の光源を放物面ミラーでコリメートし、放物面ミラーの開口近傍、もしくはミラーの開口と略共役な位置とで光を合成することを特徴とする照明光学装置。
6. パターンの描画されたレチクルを照明する照明光学装置と、レチクルのパターンを感光剤の塗布された基板上に投影する投影光学装置とを備えた投影露光装置において、前記照明光学装置が請求項１から５のいずれかであることを特徴とする投影露光装置。

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