JP2007080953A - 照明装置及び露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 平面状に配置された複数のＬＤから出射される出射光の出射光軸の角度がずれていても、光の利用効率を向上させることができ、かつ、照明の指向性を高めることができる照明装置及び露光装置を提供すること。
【解決手段】 ２次元配列させた複数のＬＤ１１１１から出力される拡散光をシリンドリカルレンズ１１２１、１１３２により広がり角が円周方向に一様で指向性が高いビームとする。このとき、ＬＤ１１１１の発光の中心がシリンドリカルレンズ１１２１、１１３２の光軸に一致しないことに起因する光軸の傾きを楔ガラス１１５１によって補正し、ＬＤ１１１１から出力された光の各光軸をインテグレータ１３の入射面における光軸に一致させる。
【選択図】 図２

Description

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装置及びこのような照明装置を備える露光装置に関する。

従来、被照明物体を照明したり被露光物体を露光するための光源として、水銀ランプやエキシマレーザが使用されていた。しかし、これらの光源の場合、投入するエネルギのほとんどが熱に変わるため、効率が悪かった。

そこで、被照射物を発光エネルギが小さい複数の光源で照明することにより、省エネルギで高性能な照明を実現した照明方法およびその装置の技術が開示されている（特許文献１）。この特許文献１では、光源として半導体レーザ（以下、ＬＤという。）を採用し、２種類のシリンドリカルレンズにより、ＬＤから出射される発散角の大きな光をほぼ平行な光に変換し、集光光学系によりインテグレータに集光させている。
特開２００４−３９８７１号公報

ところで、ＬＤはキャンタイプ（通常、円形）のパッケージになっており、キャンの基準外形の中心（以下、キャンの中心という）に対して発光の中心が数十μｍ、最大８０μｍ程度偏芯している。このため、外形基準でＬＤを実装すると、発光の中心がシリンドリカルレンズの光軸から外れる場合がある。発光の中心がシリンドリカルレンズの光軸から外れている場合、ＬＤから出射された光は設計上の光軸に対してΔθ傾いて進み、図７の点線で示すようにインテグレータの中心からｆΔθ（ただし、ｆは集光光学系の焦点距離である。）だけ外れた位置に入射する。

照明の指向性を高めるためは、集光光学系の焦点距離ｆを長くすることが有効である。しかし、発光の中心がキャンの中心に対して偏芯している場合、集光光学系の焦点距離ｆを長くするとＬＤから出力された光がインテグレータから外れる程度が大きくなるため、光の利用効率が低下した。一方、集光光学系の焦点距離ｆを短くすると照明の指向性を高めることができなかった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、平面状に配置された複数のＬＤから出射される出射光の出射光軸の角度がずれていても、光の利用効率を向上させることができ、かつ、照明の指向性を高めることができる照明装置及び露光装置を提供するにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１の手段は、２次元配列させた複数の光源と、前記光源のそれぞれから出力される光を指向性の高い光ビームに変換するビーム変換手段と、前記ビーム変換手段により変換された前記指向性の高い各光ビームの光軸をインテグレータの入射面の光軸に位置決めする集光光学系とを備え、前記インテグレータから出力された出射光を被照射領域に照射させるようにした照明装置において、前記光ビーム毎に前記光ビームの光路を偏向させる偏向手段を設け、前記光ビームの各光軸を前記インテグレータの入射面の光軸に入射させることを特徴とする。

また、本発明の第２の手段は、２次元配列させた複数の光源と、前記光源のそれぞれから出力される光を指向性の高い光ビームに変換するビーム変換手段と、前記ビーム変換手段により変換された前記指向性の高い各光ビームの光軸をインテグレータの入射面の光軸に位置決めする集光光学系と、インテグレータと、前記インテグレータを通過した光を前記パターン表示手段に照射させる光学系と、露光すべきパターンを表示するパターン表示手段と、前記パターン表示手段を透過もしくは反射した光を被露光物体に投影露光する投影光学系と、被露光物体を搭載するステージと、前記複数の光源、前記パターン表示手段および前記ステージを駆動制御する制御回路と、からなる露光装置において、前記光ビームの光路を偏向させる偏向手段を前記光ビーム毎に設け、前記光ビームの各光軸を前記光インテグレータの入射面の光軸に入射させることを特徴とする。

光源から出力される光の利用効率を向上させることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明を説明する。
図１は、本発明に係る露光装置の全体図、図２は光源系の詳細図である。
まず、全体構成について説明する。複数のＬＤからなる光源系１１の中心光の光軸Ｏ上には、第１の集光レンズ１２、ガラス円板１５、インテグレータ１３、第２の集光レンズ１４、ビームスプリッタ１６が配置されている。ビームスプリッタ１６の反射側にはマスク、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ＤＭＤ（ディジタル・ミラー・デバイス）等の変調面２（ここでは、２次元光変調器である。以下、これらをまとめて「マスク」という。）、投影レンズ３が配置され、透過側には光検出器１７が配置されている。テーブル４は投影レンズ３と対向する位置に配置され、直交する２軸方向に移動自在である。被露光基板５はテーブル４上に固定されている。
制御回路６は光源系１１、モータ１５ａ、マスク２および光検出器１７を制御する。

次に、各構成要素について説明する。
光源系１１は、図２に示すように、青（紫）色ＬＤ１１１１を２次元状に配列した光源群１１１と、複数のシリンドリカルレンズ１１２１、シリンドリカルレンズ１１３１および楔ガラス１１５１とから構成されている。個々の青（紫）色ＬＤ１１１１は、４０５ｎｍの波長の光を６０ｍＷ程度の出力で出射する。複数のシリンドリカルレンズ１１２１、シリンドリカルレンズ１１３１および楔ガラス１１５１の機能については後述する。

第１の集光レンズ１２の前側焦点は後述するシリンドリカルレンズ１１２１と１１３１によるＬＤの虚像位置１１´に、また、後側焦点はインテグレータ１３の入射端にある。

ガラス円板１５は透明なガラスで形成され、表面には数μｍの凹凸がｍｍ単位の周期で円周方向に形成されている。ガラス円板１５は光軸Ｏと交差するように配置され、光軸Ｏに平行な軸線の回りに回転する。モータ１５ａはガラス円板１５を回転させる。

インテグレータ１３は、特許文献１の場合と同様に、断面が方形で長さＬの複数のロッドレンズ１３１を光軸Ｏと直角な２方向に積層したものであり、各ロッドレンズ１３１の入射側及び出射側の端面はそれぞれ曲率半径がＲの球凸面である。ロッドレンズ１３１を構成するガラスの屈折率をｎとすると、ロッドレンズ１３１の長さＬはＬ＝ｎＲ／（ｎ−１）に定められている。
前端面（光が入射する面）が第１の集光レンズ１２の後側焦点面に位置決めされたインテグレータ１３の後端面（光が出射する面）は、集光レンズ１４の前側焦点に位置決めされている。
また、インテグレータ１３の後端面（出射位置）は、集光レンズ１４を介して投影レンズ３の入射瞳と結像関係にある。すなわち、インテグレータ１３の後端面は集光レンズ１４の前側焦点であり、集光レンズ１４の後側焦点は投影レンズ３の前側焦点の位置に位置決めされている。

ビームスプリッタ１６は、入射する光の１％を透過させ、残りを反射する。

マスク２は、通常のクロムまたは酸化クロムマスクあるいはマスクの機能を有する例えば液晶やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）等の２次元光変調器である。

次に、光源系１１について更に詳しく説明する。
複数のＬＤ１１１１は、外形を基準にして等ピッチの均一な密度分布で図示を省略するプレートに直角な２方向に配列され（ここでは各方向に８個、合計６４個）、光源群１１１を構成している。光源群１１１のエリアはマスク２または２次元光変調器のパターン表示部である被照明領域の形状に概ね相似な領域になっている。

次に、ＬＤ１１１１から出射された出射光の外形を制御する方法について説明する。
図３はＬＤ１１１１の出射光の広がり角を示す図、図４は光学系の動作説明図であり、（ａ）はＬＤから集光レンズ１４までの入射光と出射光の関係を示す図、（ｂ）は１本のロッドレンズ１３１を集光レンズ１４側から見た図、（ｃ）は（ｂ）のＫ矢視図である。
図３に示すように、通常、ＬＤ１１１１から出射される出射光の広がり角はｘとｙ方向とで異なり、例えば最大値に対する半値を与える場所が光軸を中心にｙ方向では２２度、ｘ方向では８度程度になる。このため、両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。

図４（ａ）に示すように、シリンドリカルレンズ１１２１は光源の虚像を虚像位置１１´に結像する。すなわち、ＬＤ１１１１から出射された光は虚像位置１１´に配置された点光源（以下、点光源１１´という場合がある。）から出射される光と等価になり、ＬＤ出射時にはｙ方向に２２度の広がり角を持っていたレーザビームがシリンドリカルレンズ１１２１を透過することにより１度程度の広がり角になる。
同様にｘ方向に並ぶシリンドリカルレンズ１１３１（なお、シリンドリカルレンズ１１３１の焦点距離はシリンドリカルレンズ１１２１の焦点距離よりも長い）も光源の虚像をほぼ虚像位置１１´に結像する。すなわち、点光源１１´から出射するようになり、ＬＤ出射時にはｘ方向に光軸から８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。

したがって、ＬＤの発光の中心がシリンドリカルレンズ１１２１、１１３１の中心に一致している場合、シリンドリカルレンズ１１２１、１１３１により、１個１個のＬＤがそれぞれ点対称の強度分布になり、それぞれの光軸が光軸Ｏと平行、広がり角１度程度で広がりながら第１の集光レンズ１２に入射し、ほぼ平行ビームになって第１の集光レンズ１２から出射する。そして、ほぼ平行ビームの状態でガラス円板１５を透過してインテグレータ１３に入射する。この場合、インテグレータ１３へ入射する平行ビームの角度は図２に示すＬＤ１１１１の配列１１１の位置（ｘ、ｙ）に対応している。このように各ＬＤからインテグレータ１３に入射するビームは平行ビームで回転対称に近くインテグレータ１３の入射面の中心（光軸Ｏ）に中心を持つガウス分布となる。

図７に示したように、各ロッドレンズ１３１には総てのＬＤからの出射光が入射する。ロッドレンズ１３１に入射したビームは入射面の球凸レンズの効果により、出射端面に絞り込まれる。すなわち、図４（ｂ）に示すように、ロッドレンズ１３１の出射側の端面には、光源群１１１を構成する総てのＬＤがＬＤの配置に合わせて絞り込まれる（結像される）。なお、図４（ａ）では、図中上段のＬＤの出射光を実線で、下段のＬＤの出射光を破線で、それぞれ記載し、中間のＬＤについては図示を省略している。

ロッドレンズ１３１の出射端面から出射するビームは出射面の球凸レンズの効果により、入射光の入射角に依存せず、総て光軸（ロッドレンズ１３１の軸に平行）に平行な主光線を持つ出射光となる。そして、図４（ｃ）に示すように、出射端面から出射するビームの広がり角度は、ロッドレンズ１３１に入射する角度の最大値がθｘ´、θｙ´（ただし、添え字ｘはｘ方向の角度を、ｙはｙ方向の角度である。）になる。

そして、インテグレータ１３から出射した出射光は第２の集光レンズ１４に入射し、ほぼ平行ビームになって集光レンズ１４から出射し、ほぼ平行ビームの状態でマスク２に入射する。すなわち、インテグレータを構成する各ロッドレンズから出射するどの光もマスク２の表示領域全体を照明する。このため、マスク２の表示領域は一様に照明される。

ここで、シリンドリカルレンズとしては焦点距離が短く、開口ＮＡが大きなレンズにする必要があるが、材質を屈折率が小さいものにすると、球面収差によりＬＤから出射される光の直径をインテグレータ端面（入射面）の開口径に近づけることができない。そこで、この実施形態では、シリンドリカルレンズ１１２１の材質を屈折率が大きな硝材（屈折率１．６以上）を採用することにより、発散角が大きな光線であってもインテグレータ１３の開口径内に取り込めるようにしている。

ところで、例えば、ＬＤ１１１１の発光の中心がキャンの中心から外れている場合、ＬＤ１１１１の発光の中心はシリンドリカルレンズ１１２１、１１３１の中心から外れる。このような場合、ＬＤ１１１１を出射した光は光軸Ｏに対して角度Δθ傾いて進み、平行ビームの光軸がインテグレータの前端の光軸Ｏに一致する位置（図７において実線で示す目標位置）１０３に対して、光軸Ｏから外れた点線で示す１０３１〜１０３４の位置に入射する。

本発明ではこの課題を解決するため、図２に示すように、各ＬＤ１１１１に対して楔ガラス１１５１を設けている。

図５は、本発明に係る楔ガラス１１５１の詳細図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。
楔ガラス１１５１は円形で、板厚方向に極僅かの傾きΔθが設けてある。傾き角Δθは例えば１分間隔で５〜６分まで複数種用意されている。そして、ＬＤ１１１１から出力された光の中心がインテグレータ１３の中心から外れる場合は、照射ずれ（角度ずれ）を補正することができる楔ガラス１１５１を選択し、楔ガラス１１５１の角度の方向（図５（ａ）に矢印で示す方向）を光の傾きの方向に合わせて、ホルダ１１５０に固定する（図２の最下段のＬＤに対応する楔ガラス１１５１対して表示した矢印を参照）。そして、このようにすると、ＬＤ１１１１出射光の９０％程度以上のエネルギをインテグレータ１３に入射させることが可能になる。

次に、本発明の動作を説明する。
ＬＤ１１１１から出力された光は、シリンドリカルレンズ１１２１およびシリンドリカルレンズ１１３１により広がり角度が円周方向にほぼ等しい光に変換され、楔ガラス１１５１によりそれぞれの光軸が光軸Ｏと平行になって第１の集光レンズ１２に入射し、ガラス円板１５を透過してインテグレータ１３の前面の中心に一致する位置にほぼ平行光で入射する。このとき、各平行ビームの角度は図１に示すＬＤ１１１１の配列１１１の位置（ｘ、ｙ）に対応する。ガラス円板１５が回転している場合、露光時間内における各平行ビームの位相が２π以上変えられる。このため、干渉性が高い（スペクトル幅が狭い）ＬＤ１１１１からの出力光であっても、光束間で生じる干渉縞の位置が高速に変化し、露光時間内で平均化されてその存在がほとんど目立たなくなる。なお、ガラス円板１５が回転している場合の各平行ビームの光路の傾きは実用上無視できる程度である。

インテグレータ１３を透過した各光（すなわち、各ＬＤ１１１１から出力された各光）は、インテグレータ１３に入射した角度に依存せず、どのＬＤからの光も同じ広がり角度でインテグレータ１３から出射され、第２の集光レンズ１４に入射し、集光レンズ１４により平行ビームに変換され、大部分はビームスプリッタ１６に反射されてマスク２に入射する。どのＬＤから出射する光もマスク２の表示部にほぼ一様に照射するため、総てのＬＤで照明されるマスク状の表示部の強度分布は±１％程度に一様になる。マスク２のＯＮ状態の絵素部で反射した光は投影レンズ３に入射し、被露光基板５上の露光エリア５１にマスク２のパターンを投影露光する。

露光エリア５１の露光が終了したら、テーブル４を露光方向と直角の方向に移動させ、次の露光エリア５１を投影レンズ３に対して位置決めする。

ここで、制御回路６は２次元表示パターン情報に基づきマスク２である２次元光変調器を駆動制御すると共に、テーブル４を駆動する。

なお、光検出器１７は、露光時間の設定に使用される。すなわち、制御回路６は光検出器１７で検出された光強度を積分し、積分値があらかじめ指定された（記憶されている）所望の設定値（最適露光量）に達した段階でＬＤ１１１１をＯＦＦし、露光を終了する。

被露光基板５上の露光エリア５１にマスク２のパターンを投影露光し、当該露光エリア５１の露光が終了したら、テーブル４を移動させ、次の露光エリア５１を投影レンズ３に対して位置決めする。

この実施形態では、瞳上の光の強度分布が回転対称であるので、ＤＭＤ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、パタ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。

なお、通常のマスクを用いる場合には、マスク上に描画されたパターンが繰り返し、露光されるし、２次元光変調器を用いる場合には基板５のほぼ全体に所望のパターンを１セット、あるいは数セット露光することになる。

また、２次元空間変調器を用いる場合には任意のパターンが表示できるので複数の露光光学系をｘ方向に並べてｙ方向に走査することにより広い露光領域を一度に露光することが可能になる。）

ところで、ＬＤ１１１１の出力が十分大きな場合にはＬＤの数が少なくて済み、ＬＤ１１１１の配列ピッチを大きく取ることが可能になる。
このような場合には、図６に示すように、ＬＤ１１１１を保持するホルダにＬＤ１１１１そのものを２軸方向に移動させる手段を設け、ＬＤ１１１１の位置を２軸方向に移動させて当該光軸をシリンドリカルレンズ１１２１及びシリンドリカルレンズ１１３１の光軸に位置決めするように構成してもよい。

また、同図に示すように、シリンドリカルレンズ１１２１及びシリンドリカルレンズ１１３１に代えて、ＬＤ１１１１から出力される光の広がり角を円周方向に一様にする非球面レンズ１１２１´を採用することもできる。ただし、この場合にはこの相対位置を微調整する機構を光源の数だけ多数設ける必要があるので、光源の実装密度が高くない場合、光源の数が少ない場合、あるいは上記の指向性の高い光ビームにする手段が光源ごとに独立に設けることができる場合に適用することが実用的である。

なお、ガラス円板１５はインテグレータ１３と集光レンズ１４の間に配置してもよい。

本発明に係る露光装置の全体図である。 本発明に係る光源系の詳細図である。 半導体レーザの出射光の広がり角を説明する図である。 本発明に係る光学系の動作説明図である。 本発明に係る楔ガラスの詳細図である。 本発明の変型例を説明する図である。 従来技術の説明図である。

符号の説明

１３ インテグレータ
１１１１ ＬＤ（半導体レーザ）
１１２１ シリンドリカルレンズ
１１３１ シリンドリカルレンズ
１１５１ 楔ガラス

Claims (5)

1. ２次元配列させた複数の光源と、前記光源のそれぞれから出力される光を指向性の高い光ビームに変換するビーム変換手段と、前記ビーム変換手段により変換された前記指向性の高い各光ビームの光軸をインテグレータの入射面の光軸に位置決めする集光光学系とを備え、前記インテグレータから出力された出射光を被照射領域に照射させるようにした照明装置において、
   前記光ビーム毎に前記光ビームの光路を偏向させる偏向手段を設け、前記光ビームの各光軸を前記インテグレータの入射面の光軸に入射させることを特徴とする照明装置。
2. 前記偏向手段を楔ガラスとして前記ビーム変換手段と前記インテグレータとの間に配置し、前記楔ガラスにより前記ビーム変換手段で変換された指向性の高い光ビームの光路を偏向することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記偏向手段に代えて、前記光源の保持位置を変更する手段を設け、前記光源の前記ビーム変換手段に対する位置をそれぞれ変更可能に構成することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記ビーム変換手段を、前記光源に対向して配置され、前記光源から出射された光の第１の方向の広がり角を規制する第１のシリンドリカルレンズと、この第１のシリンドリカルレンズに対向して直角に配置され、前記光源から出射された光の第２の方向の広がり角を規制する第２のシリンドリカルレンズと、から構成し、前記第１のシリンドリカルレンズの屈折率１.６以上とすることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
5. ２次元配列させた複数の光源と、前記光源のそれぞれから出力される光を指向性の高い光ビームに変換するビーム変換手段と、前記ビーム変換手段により変換された前記指向性の高い各光ビームの光軸をインテグレータの入射面の光軸に位置決めする集光光学系と、インテグレータと、
   前記インテグレータを通過した光を前記パターン表示手段に照射させる光学系と、
   露光すべきパターンを表示するパターン表示手段と、前記パターン表示手段を透過もしくは反射した光を被露光物体に投影露光する投影光学系と、被露光物体を搭載するステージと、前記複数の光源、前記パターン表示手段および前記ステージを駆動制御する制御回路と、からなる露光装置において、
   前記光ビームの光路を偏向させる偏向手段を前記光ビーム毎に設け、前記光ビームの各光軸を前記光インテグレータの入射面の光軸に入射させることを特徴とする露光装置。

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