JP2720870B2

JP2720870B2 - 照明光学装置および露光装置ならびに露光方法

Info

Publication number: JP2720870B2
Application number: JP8168944A
Authority: JP
Inventors: 裕市原
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1996-06-28
Publication date: 1998-03-04
Anticipated expiration: 2013-03-04
Also published as: JPH08330225A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、照明光学装置およ
び露光装置ならびに露光方法に関し、特に、エキシマレ
ーザ光等のような可干渉性のビームを用いて好適な照明
光学装置および露光装置ならびに露光方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造用露光装置は光源からの露光
光の短波長化による高解像力化が行われている。現在最
も有力な短波長光源はエキシマレーザである。図２は従
来の水銀ランプを（光源としたときに最適に設計され
た）照明系にエキシマレーザ光源を入れた場合の光路を
模式的に示した図である。レーザ光源からのビームＬＢ
は図中の左からオプチカル・インテグレータとしてのフ
ライアイレンズ１にほぼ平行光束となって入射する。こ
のフライアイレンズ１はレチクルＲを一様に照明するた
め不可欠なものである。

【０００３】さてフライアイレンズ１は、ここでは３つ
のエレメントレンズ１ａ、１ｂ、１ｃで構成され、各エ
レメントレンズの射出端側の空間ａ、ｂ、ｃに２次光源
（レーザ光の集光スポット）が形成される。それら各点
ａ、ｂ、ｃから拡散した光は、コンデンサーレンズ２で
集められ、レチクルＲを均一な照度分布で照明する。レ
チクル上のパターンは投影レンズＰＬによりウェハＷへ
投影露光される。又、２次光源ａ、ｂ、ｃは投影レンズ
ＰＬの瞳面ｅｐに結像されている。

【０００４】通常フライアイレンズを構成するエレメン
トレンズの個数は１０×１０＝１００個の２次元配列を
しているが、ここではわかり易くするため３個のレンズ
１ａ、１ｂ、１ｃを１次元配列で代表して示した。とこ
ろがこの照明系には以下のような問題点があった。すな
わち水銀ランプの場合と異なり、レーザ光をフライアイ
レンズ１に入射すると２次光源ａ、ｂ、ｃは非常に高輝
度なスポットとなる。従ってこの２次光源が光路中の光
学部品（レンズ等）に結像（集光）すると、光学部品の
破壊が生じるという問題である。又、レンズの表面等の
極く弱い反射によってでもレチクル近傍に２次光源が結
像すると、それらの光源像がレチクルで反射されウェハ
上に再結像してしまい、ゴーストが生じるという問題も
あった。

【０００５】しかしながら、このような問題は、本願出
願人が開発した新たな手法によって簡単に解決できるこ
とが確認された。それは例えば特開昭５８−１４７７０
８号公報に開示されているように、フライアイレンズを
２組用いる方法をさらに改良した方法である。この方法
を図３に示す。図に示すように第１のフライアイレンズ
３によってできた２次光源ａ、ｂ、ｃからの光を集光レ
ンズ４で集光して第２のフライアイレンズ５に入射させ
ることによってフライアイレンズ５の各エレメントレン
ズ５−１、５−２、５−３の各射出端側に３次光源（ス
ポット光）ａ1、ｂ1 、ｃ1 を作る。この３次光源は２
次光源より数が増えているので各点の強度は非常に弱く
なっている。

【０００６】図３において、第１のフライアイレンズ３
のビームＬＢの入射側では、各エレメントレンズ（石英
による四角柱のロッド）３ａ、３ｂ、３ｃは球面に形成
され、射出端側は平面に形成されていて、２次光源ａ、
ｂ、ｃを空間中に作るように定められている。集光レン
ズ４は２次光源ａ、ｂ、ｃの夫々からの発散光を有効に
第２のフライアイレンズ５に入射させるために、フライ
アイレンズ５の入射端からレンズ４の焦点（ｆ）距離だ
け離れた位置に配置されるとともに、各２次光源ａ、
ｂ、ｃが集光レンズ４の内部に位置しないように２次光
源ａ、ｂ、ｃからわずかに離して配置される。フライア
イレンズ５の各エレメントレンズ（石英による四角柱の
ロッド）５−１、５−２、５−３の入射端は曲率Ｒ1 の
球面に形成され、射出端は曲率Ｒ1 よりも小さな曲率Ｒ
2 の球面に形成されており、３次光源ａ1 、ｂ1 、ｃ1
を空間中に作るように定められる。各３次光源ａ1 、ｂ
1 、ｃ1 の夫々から発散した光は、図２に示したコンデ
ンサーレンズ２を介してレチクルＲ上で同時に重ね合わ
され、均一な照度分布が得られる。ここで３次光源ａ1
、ｂ1 、ｃ1 が作られる面ｅｐ’は、投影レンズＰＬ
の瞳ｅｐと共役な面であり、同時に２次光源ａ、ｂ、ｃ
が作られる面とも共役である。

【０００７】図４は第２のフライアイレンズ５の射出面
側の平面図であり、フライアイレンズ５のエレメントレ
ンズが、例えば３×３（９個）でマトリックス状に配列
された場合を示す。ここで仮りに第１のフライアイレン
ズ３も、３×３（９個）のエレメントレンズで構成され
ているものとすると、フライアイレンズ５の１つのエレ
メントレンズの射出端側には９個の３次光源が作られ
る。そして１つの２次光源、例えばａは、フライアイレ
ンズ５の９個のエレメントレンズの各射出端面上の同一
位置に３次光源ａ1 として作られる。従ってフライアイ
レンズ５の射出側には合計９×９（８１）個の３次光源
（スポット光）が整列することになる。この図３に示し
た照度分布均一化光学系そのものは本願発明の基礎とな
る技術であって、必ずしも公知ではない。

【０００８】図３では、１段目、２段目ともフライアイ
レンズのエレメントレンズの個数を３×３（９個）にし
たが、典型的な例では１０×１０（１００）個程度にす
るとよい。従って２次光源の個数１００に対して３次光
源の数は１００×１００個にまで増え、３次光源の各ス
ポットの強度は１段のフライアイレンズの場合にくらべ
て１／１００程度に低減される。

【０００９】その結果、破壊、ゴースト等の問題を全て
解決することができる。尚、図３において、フライアイ
レンズ５の入射端に近接してレンズを配置して、光の拡
散による損失を最少にすることも有効である。また瞳共
役面ｅｐ’とコンデンサーレンズ２の間で、３次光源ａ
1 、ｂ1 、ｃ1 に近接した位置に、同様に光の発散によ
る損失を押えるフィールドレンズを設けることも有効で
ある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図３の構成
のものでは、さらに新たな問題点が生ずることが判明し
た。それはスペックルと呼ばれる干渉縞のような細かい
照明ムラが発生することである。図２において、各２次
光源ａ、ｂ、ｃの夫々から進んでレチクルＲ上で互いに
重なり合う光同志は、互いに干渉し合って干渉縞が発生
する可能性がある。これはフライアイレンズ１のエレメ
ントレンズ１ａ、１ｂ、１ｃの配列方向のピッチとビー
ムＬＢの可干渉性とによっておおよそ決まってくる。一
般にエキシマレーザは干渉性が悪く、ビーム径内である
距離以上離れた光同志は互いに干渉しないという特性が
ある。この距離は、フライアイレンズ１のエレメントレ
ンズ１ａ、１ｂ、１ｃの配列ピッチよりも短いので、結
局、図２中の２次光源ａ、ｂ、ｃの夫々からの光は互い
に干渉しないことになる。

【００１１】ところが、図３に示したダブル・インテグ
レータ方式では話が違ってくる。同様の考え方で、図３
中の２次光源ａ、ｂ、ｃの夫々から進む光は互いに干渉
しないが、２次光源ａから進む光は、第２のフライアイ
レンズ５によって、各エレメントレンズ５−１、５−
２、５−３の各々に３次光源ａ1 となって集光する。図
３において、例えば第１、及び第２フライアイレンズ
３、５の各エレメントレンズ（ロッド）径が同一で、配
列ピッチの一方向に１０個（１０×１０）が並ぶものと
すると、２次光源ａを作るエレメントレンズ３ａを通る
ビーム径は第２のフライアイレンズ５に達するとき、約
１０倍に拡大されることになる。このことは、先に述べ
た干渉を起さない距離も約１０倍に拡大されたことを意
味する。従って、フライアイレンズ５の各エレメントレ
ンズのピッチに対して、その干渉しない距離の方が大き
くなるため、各エレメントレンズ５−１、５−２、５−
３等の射出部にできる３次光源ａ1 同志は互いに干渉し
てしまうことになる。現実的には、フライアイレンズ５
のうち、互いに隣り合ったエレメントレンズで作られる
３次光源ａ1 同志、３次光源ｂ1 同志、あるいは３次光
源ｃ1 同志が強い干渉を起こす。

【００１２】その結果、レチクルＲ上にはフライアイレ
ンズ５のエレメントレンズ５−１、５−２、５−３の配
列方向に対応した１次元又は２次元の干渉縞（スペック
ル）を生じ、それはそのまま投影レンズＰＬを介してウ
ェハＷ上に転写されることになり、正確なパターン転写
の妨げとなった。

【００１３】

【問題点を解決する為の手段】上記問題点を解決するた
めに、請求項１記載の露光装置は、回路パターンが形成
されたレチクルをパルス光で照明するための光源装置
と、該光源装置からのパルス光を入射して２次元に分布
する複数の点光源を生成する第１オプチカル・インテグ
レータと、該第１オプチカル・インテグレータから射出
したパルス光を入射して２次元に分布する複数の点光源
を生成する第２オプチカル・インテグレータと、該第２
オプチカル・インテグレータにより生成された複数の点
光源の各々からの光をパルス照明光として前記レチクル
上に重畳照射する集光光学系とを有し、前記照明された
レチクルの回路パターンの像を感光基板上に投影する露
光装置であって、前記第２オプチカル・インテグレータ
は２次元的に配列された複数の光学エレメントで構成さ
れ、該複数の光学エレメントのうち特定の１方向に並ん
だ光学エレメントの個数をｎ（ｎは整数）、前記の回路
パターンの像を感光基板上に露光するのに必要な前記光
源装置からのパルス光の最小パルス数をｎ以上のＮとし
たとき、前記第２オプチカル・インテグレータに入射す
る前記複数の光束を前記パルス数Ｎの照射の間に半周期
以上揺動させる光学部材を前記第１オプチカル・インテ
グレータと前記第２オプチカル・インテグレータとの間
に設けている。

【００１４】請求項２記載の露光装置は、前記第１オプ
チカル・インテグレータが２次元的に配列された複数の
光学エレメントで構成され、前記第１オプチカル・イン
テグレータの前記複数の光学エレメントと前記第２オプ
チカル・インテグレータの前記複数の光学エレメントと
の配列方向を異ならせている。請求項３記載の照明光学
装置は、可干渉性のビームを発生する光源と、該ビーム
を入射して、被照明体に均一な照明分布の光を照射する
照度分布均一化手段とを備えた照明光学装置であって、
前記光源は、前記ビームの断面内の所定の第１方向の空
間的コヒーレンスが前記第１方向とほぼ直交する第２方
向の空間的コヒーレンスより高いビームを発生し、前記
照度分布均一化手段は、前記光源からのビームを入射す
る第１オプチカル・インテグレータと、該第１オプチカ
ル・インテグレータから射出したビームを入射する第２
オプチカル・インテグレータとを有し、前記第１オプチ
カル・インテグレータと前記第２オプチカル・インテグ
レータとの間に、該第２オプチカル・インテグレータに
入射するビームを少なくとも前記第２方向と交差する方
向に揺動させる第１揺動手段を設けている。

【００１５】請求項４記載の露光方法は、複数の点光源
を生成する第１および第２オプチカル・インテグレータ
からの光束でマスクを照明し、該マスクのパターン像を
基板に露光する露光方法であって、ビームの断面内の所
定の第１方向の空間的コヒーレンスが前記第１方向とほ
ぼ直交する第２方向の空間的コヒーレンスより高い可干
渉性のビームを前記第１オプチカル・インテグレータへ
照射するステップと、前記第１オプチカル・インテグレ
ータと前記第２オプチカル・インテグレータとの間で、
該第２オプチカル・インテグレータに入射するビームを
少なくとも前記第２方向と交差する方向に揺動させるス
テップとを含んでいる。

【００１６】前述の光学部材または第１揺動手段による
光束の揺動角は、レチクルＲ（又はウェハＷ）上にでき
る干渉縞を１ピッチ分だけ移動させる程度で十分であ
る。また可干渉性のビームがエキシマレーザ光のように
パルス発光するものでは、揺動角の変化とパルス発光の
タイミングとを同期させるのが効率的である。また連続
発振のレーザビームでは、ことさら同期の必要性はない
が、揺動角の変化率、すなわち被照明体上にできる干渉
縞の縞と直交する方向への移動速度をほぼ一定にすると
均一化の精度が高まる。

【００１７】本発明では、パルス発光、連続発光のビー
ムのいずれかを用いて、ある一定時間（パルス発光の場
合は複数パルスを必要とする時間）の間、被照明体を均
一な照度分布で照明する必要のある装置であれば、光加
工装置、アライメント用の照明装置等に広く利用できる
ものである。先に図３を用いて説明した様にスペックル
（干渉縞）は第２フライアイレンズ５による３次光源同
志の干渉によって生じている。そこでレチクルＲ（又は
ウェハＷ）を照明する間、第２フライアイレンズ５に入
射する光束の波面を傾けて、フライアイレンズ５の隣り
合ったエレメントレンズにできる３次光源ａ1 （又はｂ
1 、ｃ1 ）同志に２ｍπ（ｍ＝１、２、３……）の位相
差を与える。言いかえると、隣り合ったエレメントレン
ズに入射する光（波面）に２ｍπの位相差を与えるこ
と、すなわちｍλ（λはビームの波長）光路差を与え
る。スペックルはフライアイレンズのエレメントレンズ
の間隔に対応した周期的な構造をもっており、隣り合っ
た３次光源ａ1 同志からの光の位相差が変化すると、ス
ペックルは移動し、位相差が２π変化するたびに、スペ
ックルはちょうど１周期分移動し元と同じ状態になる。

【００１８】すなわち物体を照明中に連続的、又は段階
的に位相を２πあるいは２ｍπ変化させると、一定時間
の照明が終了した時点でスペックルは平滑化されてしま
うことになる。ところで実際には、エキシマレーザはパ
ルスレーザであるので、位相の変化は連続的ではなく、
とびとびとなる。しかしパルスの数がある程度より多け
れば連続的な変化と同様な結果を得ることができる。こ
のことを模式的に描いたのが図５である。図５（ａ）
は、周期的なスペックル（干渉縞）の強度分布を１次元
に模式的に描いたものである。となりあったフライアイ
レンズのエレメントレンズに２π／４ずつ位相差を増し
ながら、エキシマレーザ光の４パルスを被照明体に照射
したときに生じる各パルス毎のスペックルの重なった様
子を示したのが図５（ｂ）である。これを加算（積算）
すると図５（ｃ）の様にスペックルが平滑化されて消え
てしまう。厳密には、ある一定の強度分布にリップル成
分が重畳する。このパルス数は多ければ多い程良いが通
常は数１０パルスで十分な効果が得られる。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の第１の実施例を図
１を参照して説明する。図１において、図３で用いた部
材と同一の機能を有するものには同じ符号をつけてあ
る。図１で、エキシマレーザ光源１０を出射したビーム
は、紫外用反射ミラーＭ1 、Ｍ2 、Ｍ3、Ｍ4 を介して
シリンドリカルレンズを含む光学系１１に入射し、断面
形状が長方形のビームＬＢ0 からほぼ正方形なビームＬ
Ｂに整形される。そのビームＬＢは紫外用反射ミラーＭ
5 で曲折されてビームエクスパンダ１５に入射し、所定
のビーム径に拡大された後、図３で示した第１のフライ
アイレンズ３に入射する。

【００２０】さて、ここでエキシマレーザ光源１０の構
造と発振されるレーザビームの特性との関係について、
図６、図７、図８を参照して説明する。エキシマレーザ
光源は大別すると２つの種類に分けられる。１つは安定
共振器型と呼ばれるもので、図６に示すように誘導放出
を起させる放電管１００の両端に２個の共振器用ミラー
１０２ａ、１０２ｂを配置して共振器を構成している。
この共振器用ミラー（１０２ａ、１０２ｂ）の間を光が
往復することにより、誘導放出された光の振幅が強めら
れてレーザビームＬＢ0 が出射されるが、この型のレー
ザ光源から出射されたレーザビームの特徴は空間的及び
時間的コヒーレンスが低いことである。時間的コヒーレ
ンスが低いということは言いかえると、スペクトルの半
値幅が広い（Δλ≒０．４ｎｍ）ということであり、か
かる光源を集積回路製造用の露光装置等に用いるには、
投影レンズＰＬにおいて色消し（色収差補正）が必要と
なり、この波長領域で実用的なレンズを作ることは困難
である。

【００２１】もう一つのタイプのレーザ光源は、インジ
ェクションロック型と呼ばれるものであり、図７のよう
に発振器と増幅器に分かれている。発振器において共振
器用ミラー（１０２ａ、１０２ｂ）が配置されている点
は前述した安定共振型と同様であるが、このタイプでは
発振器内に所定の領域の波長を選択するためのエタロ
ン、回折格子等の波長選択素子（１０６）が備えられて
いるとともに、放電管１００の両端にレーザビームを所
定の領域で遮断するアパーチャー（１０４ａ、１０４
ｂ）が配置されており、発信されるレーザビームのスペ
クトルの半値幅が狭く（Δλ≒０．００１ｎｍ）、即ち
単色性が向上している。さらに発振されたレーザビーム
はミラー（１０８）で曲折されて増幅器に入射し、第２
の放電管（１１０）の両端に凸状面と凹状面を向きあわ
せて配設された不安定共振器用ミラー（１１２ａ、１１
２ｂ）によって増幅されて出射される。この型のレーザ
光源から出射されるレーザビームの特徴の一つは、発振
器において単色性が高められており時間的コヒーレンス
が高く、投影レンズＰＬにおいて色消しの必要がないと
いうことである。

【００２２】このため、単一の硝材（石英）のみでレン
ズを作ることができ、設計、製造とも容易であるという
利点がある。しかし、インジェクションロック型レーザ
光源のもう一つの特徴として、不安定共振器によって増
幅されているために空間的コヒーレンスが極めて高いと
いうことがあり、かかるレーザ光源を用いると露光領域
に強い干渉縞が生じてしまう。

【００２３】そこでそのような不都合を解決するために
開発された新しい型のレーザ光源として、図８に示す様
なものがある。この型のレーザ光源は、前述した安定共
振器型レーザ光源に例えばエタロン、プリズム、回折格
子等の波長幅狭帯化用の波長選択素子１１４を配設して
あり、出射されるレーザビームのスペクトル幅を狭く
（Δλ≒０．００３ｎｍ）している。かかるレーザ光源
から出射されるレーザビームの特徴は、波長選択素子１
１４を設けたことによって時間的コヒーレンスが向上し
ており、かつインジェクションロッキング型に比べて空
間的コヒーレンスが低いことである。

【００２４】以上、３つのレーザ光源を述べたが、本実
施例で用いるレーザ光源１０は、波長選択素子、即ち時
間的コヒーレンスを高める手段を備えた図８の安定共振
型レーザ光源とし、投影レンズＰＬの色収差補正を不要
としている。また、空間的コヒーレンスはインジェクシ
ョンロック型に比べて低くなっているため、かかるレー
ザ光源から出射されたビームにより生じるスペックルの
コントラストは非常に低いものとなっている。

【００２５】しかしながら、エキシマレーザ光源から出
射されるビームの断面形状は一般的に縦横比が１：２〜
１：５の矩形をなしており、空間的コヒーレンスは等方
的ではなく、特にビーム断面の長手方向より短手方向に
おいて高くなっている。このため、スペックルはビーム
断面の短手方向に発生しやすく、図１に示したレーザ光
源１０から出射されるビームによって生じるスペックル
パターンは、コントラストの低い一次元の干渉パターン
となっており、この干渉縞のピッチ及び配列方向は先に
も述べた通り、強度分布均一化手段として照明系に配設
されるフライアイレンズ等のレンズエレメントの間隔及
び配列方向に対応している。

【００２６】再び図１の説明に戻り、ビームエクスパン
ダー１５を射出したほぼ正方形断面の平行ビームは図１
のフライアイレンズ３、レンズ４を介して走査ミラー１
７に入射する。本実施例のレーザ光源１０は、図８に示
したように、内部に波長選択素子を備えた安定共振器型
のＫｒＦエキシマレーザ光を発振するものとしたので、
ビーム断面の短手方向に関して空間的コヒーレンスが高
く、走査ミラー１７によるビームの揺動は、その短手方
向に合わせて一次元に行なわれるものとする。従って本
実施例において走査ミラー１７は、シリンドリカルレン
ズを含む光学系１１により整形される前のビームＬＢ0
の断面の長手方向、即ち縦方向に振動中心軸が一致する
ように配置され、ガルバノ、ピエゾあるいはねじれ振動
子等の振動源（偏向源）１９に接続されている。

【００２７】ここで、ビームが振動される方向は常にビ
ームの短手方向と完全に一致させておく必要はなく、ビ
ームの長手方向と交差する方向のうち適宜選択された一
方向であればよい。即ち、走査ミラー１７の振動中心軸
の方向は固定的に設定されたものではなく、除去しよう
とするスペックルパターンの状態によって、ビームＬＢ
0 の長手方向と振動中心軸を相対的に４５度程度までの
間で適宜傾けることが好ましい。

【００２８】また、この実施例においてはビームを所定
回数振動させる構成をとっているが、本実施例において
除去しようとしているスペックル（干渉縞）はコントラ
ストがもともと低いので、必ずしもビームを規則的に往
復するように振動させる必要はない。即ち、１スキャン
の間にウェハＷ上に形成されたレジスト層（図示せず）
の感度との兼合いで設定される適正露光量を得るだけの
パルスを打ち終るような場合には、走査ミラー１７を一
方向に所定量揺動させただけでスペックルを消失できる
ことも想定される。なお、ビームの振動は、レーザビー
ムＬＢ0 の発振に同期させておこなうことが好ましく、
本実施例においては、例えば１スキャンで５０パルス程
度となるように条件設定すると良い。

【００２９】次に、走査ミラー１７によって短手方向に
振られたビームは、レンズ２１を通って、第２のフライ
アイレンズ５に入射し、図３で示したように多数の３次
光源（スポット光）として集光した後、発散し、集光レ
ンズ２５によって再度集光さ、紫外用反射ミラー２７で
曲折されてメイン・コンデンサーレンズ２に入る。メイ
ン・コンデンサーレンズ２によって適度に集光された多
数の３次光源の夫々からの光は、レチクルＲ上ですべて
重畳され、一様な照度分布となってレチクルＲを照射す
る。これにより該レチクルＲ上の回路パターンが、例え
ば石英からなる投影レンズＰＬによってウェハＷ上に投
影露光される。

【００３０】ここで、投影レンズＰＬは片側（ウェハ
側）又は両側テレセントリックであり、第２のフライア
イレンズ５の出射面側にできる３次光源像は、集光レン
ズ２５、メイン・コンデンサーレンズ２等によって瞳ｅ
ｐとほぼ共役となっている。即ち、瞳ｅｐには３次光源
の点光源（ビームの収束点）がフライアイレンズ３と５
の夫々のレンズエレメント数の積だけ形成されることに
なる。

【００３１】また、レーザ光源１０で発振されたビーム
ＬＢ0 の長方形断面の長手方向は、本実施例ではフライ
アイレンズ３、５の各エレメントレンズの一方の配列方
向（図１で光軸ＡＸをＺ軸とするとＹ軸方向）に一致す
るように定められている。さらに２つのフライアイレン
ズ３、５の各エレメントレンズの配列も、互いにＸ方向
とＹ方向とで一致しているものとするが、必ずしもその
必要はなく、図１に示したフライアイレンズ３とフライ
アイレンズ５とを図の状態から光軸ＡＸを中心に相対的
に回転させておいてもよい。

【００３２】次に本実施例の作用、動作について述べ
る。本実施例のレーザ光源１０の場合、ビームＬＢ0 の
空間的コヒーレンスが元々低いため、先に図３によって
説明したように、第１のフライアイレンズ３で作られる
２次光源ａ、ｂ、ｃ同志が互いに干渉しないようにエレ
メントレンズ３ａ、３ｂ、３ｃの間隔を設定しつつ実用
的な寸法及び個数でフライアイレンズを製造することが
できる。ところが、第２のフライアイレンズ５では、３
次光源ａ1 （又はｂ1 、ｃ1 ）同志が互いに干渉しない
ようにエレメントレンズ５−１、５−２、５−３の寸法
を定めると、特にビームＬＢ0 の断面の短手方向と一致
した配列方向に関しては、極端な場合第１のフライアイ
レンズ３の外形寸法の１０倍程度の大きさになってしま
う。このようなことは装置構成上、極めて不都合なこと
であり、そのため、３次光源ａ1 （又はｂ1 、ｃ1 ）同
志による干渉はさけられない。そこで図１に示した走査
ミラー１７を揺動させて、フライアイレンズ５の隣り合
ったエレメントレンズで作られる３次光源ａ1 （又はｂ
1 、ｃ1 ）同志に２ｍπの間で位相差を与え、図５のよ
うに干渉縞の平滑化を行なう。尚、２次光源ａ、ｂ、ｃ
同志に干渉性がないとすると、フライアイレンズ５の１
つのエレメントレンズ内に作られる３次光源ａ1 、ｂ1
、ｃ1 同志にも干渉性がない。ここで、３次光源に
よる干渉の様子を考えてみると、例えば図９に示すよう
に、フライアイレンズ５の各エレメントレンズ５ａ、５
ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈがＸ、Ｙ方向
に規則的に配列され、レーザ光源１０からのレーザビー
ムＬＢ0 の断面の長手方向がＹ方向と一致している場
合、Ｙ方向に関してはビームＬＢ0 の空間的コヒーレン
スが元々低いために、Ｙ方向に配列されたエレメントレ
ンズ、例えば５ａ、５ｄ、５ｇの夫々にできる２次光源
ａからの３次光源Ａａ、Ａｄ、Ａｇは互いに干渉しない
ような条件が成り立つ。ところが、Ｘ方向に関しては、
比較的に空間的コヒーレンスが高いために、例えばＸ方
向に並んだエレメントレンズ５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆの
夫々に２次光源ａからの光で作られた３次光源Ａｃ、Ａ
ｄ、Ａｅ、Ａｆは互いに干渉してしまう。

【００３３】この３次光源Ａｃ、Ａｄ、Ａｅ、Ａｆによ
る干渉も、系の条件によって変化し、例えば隣り合った
２つのエレメントレンズ５ｃ、５ｄの３次光源Ａｃ、Ａ
ｄのみが互いに干渉し、３次光源Ａｃに対して２つ以上
離れたエレメントレンズ５ｅ、５ｆの３次光源Ａｅ、Ａ
ｆの夫々の間では全く干渉が起らない場合、あるいは３
次光源Ａｃ、Ａｄ、Ａｅの３つだけが互いに干渉する場
合、さらにはＸ方向のエレメントレンズの同一位置にで
きる３次光源Ａｃ、Ａｄ、Ａｅ、Ａｆの全てが互いに干
渉する場合等がある。図１０は、隣り合った２つのエレ
メントレンズ内の同一位置にできる３次光源のみ（例え
ばＡｃとＡｄ、ＡｄとＡｅ、ＡｅとＡｆ）が互いに干渉
したときに、レチクルＲ（又はウェハＷ）上に生じる干
渉縞の強度分布Ｆｒ1 を示し、理論的には正弦波にな
る。

【００３４】従ってこのような場合は、互いに干渉し合
う３次光源の位相差がπ（あるいはＫ＝０、１、２、３
……として、２Ｋπ＋π）だけずれるように走査ミラー
１７の角度を変えて、レーザ光源１０から２パルスを発
振すれば、２パルス目による干渉縞の強度分布Ｆｒ2 は
丁度１／２ピッチだけずれることになり、これらを重ね
合わせたものは数学上はフラットな強度分布Ｆｒ3 にな
る。しかしながら一般には、Ｘ方向に並んだいくつかの
３次光源が相互に干渉し合うため、図５（ａ）に示した
ような複雑な強度分布になる。ところが、Ｘ方向に並ん
だｎ個の３次光源同志（例えばＡｃ、Ａｄ、Ａｅ、又は
Ａｄ、Ａｅ、Ａｆ等）が互いに干渉し合う場合でも、数
学的な解析によれば、ｎ個の３次光源の夫々が２π／ｎ
ずつ位相差を変えるように、すなわちレチクルＲ上の干
渉縞が、１／ｎピッチずつ、ピッチ方向に移動するよう
に走査ミラー１７の角度変化に同期してｎパルスのビー
ムを照射すると、重ね合わされた強度分布をフラットに
できることがわかっている。従ってフライアイレンズ５
のＸ方向のエレメントレンズの数をｎとすると、例えば
走査ミラー１７が半周期振動（干渉縞の１ピッチの移動
に相当）する間に同一強度でｎパルスを照射すれば、ウ
ェハＷ上の露光領域に生じた干渉縞による露光むらは消
せることになる。

【００３５】ただし、この場合は、走査ミラー１７の角
度変化と各パルス光毎の発振トリガーのタイミングとを
極めて正確に保つ必要がある。また別の考え方として、
走査ミラー１７が半周期振動する間に、ｎパルスよりも
十分大きなパルス数で露光を行なうこともできる。先に
も述べたようにフライアイレンズ５のＸ方向のエレメン
トレンズの数を１０とすると、ｎ＝１０であるので、走
査ミラー１７の半周期の振動の間に約５０パルス（往復
では１００パルス）程度を発振させるものである。この
場合は、走査ミラー１７の角度変化と各パルス光毎の発
振トリガーとをそれ程正確に保つ必要がなく、装置化の
点で有利である。また、実験によって、干渉縞の平滑化
のために走査ミラーの半周期中に必要な最小パルス数Ｎ
ｍｉｎを求めておき、あるショットの露光に必要な総パ
ルス数がｍ・Ｎｍｉｎ（ｍ＝１、２、３……）になるよ
うに各パルス光の光量を調整しておけば、適正露光量の
制御も容易に実現できることになる。

【００３６】以上、本実施例では、走査ミラー１７をビ
ームＬＢ0 の断面の短手方向（長手方向と直交する方
向）に合わせて１次元のみ振動させたが、これはフライ
アイレンズ５によって作られた３次光源のＸ方向（ビー
ムＬＢ0 の短手方向）の配列のみによって１次元の干渉
縞が発生するからであって、もし、ビームＬＢ0 の断面
の長手方向（Ｙ方向）に沿って並んだ３次光源同志によ
っても干渉が起る場合は、全く同様の考え方で走査ミラ
ー１７を２次元に揺動させればよい。この場合、３次光
源の夫々は、瞳ｅｐ上でラスター走査と同様に微小量だ
け同時に位置変化する。また１枚の走査ミラー１７を２
次元振動させる代りに、Ｘ方向用とＹ方向用に２枚の走
査ミラーを設けてビームの振動方向を分担させてもよ
い。

【００３７】また、本実施例では、レーザ光源１０から
射出するビームＬＢ0 の断面の長手方向と、各フライア
イレンズ３、５のエレメントレンズの一方の配列方向
（Ｙ方向）とを一致させたが、これは任意の関係でよ
く、必須の条件ではない。しかしながら、その関係がど
のようなものであっても、走査ミラー１７の振動による
ビームの少なくとも一方の揺動方向は、元々のビームＬ
Ｂ0 の断面の長手方向と交差する方向になる。

【００３８】次に本発明の第２の実施例を図１１を参照
して説明する。図１１は、照度分布均一化手段のみを示
し、他の構成は図１のものと同様である。また図１で示
した部材と同一のものには同じ符号を付けてある。本実
施例では、第１のフライアイレンズ３の前にも、ビーム
を揺動させるための走査ミラー１６、及びその振動源１
８を設けた点が第１の実施例と異なる。

【００３９】本実施例においても、レーザ光源１０は内
部に波長選択素子を有する安定共振器エキシマレーザ
（ＫｒＦ）光源とし、発振されたビームＬＢ0 の断面は
長方形であり、長手方向の空間的コヒーレンスはダブル
・インテグレータによっても干渉縞が生じない程度に低
く、短手方向の空間的コヒーレンスはかなり高いものと
して説明する。

【００４０】第１の実施例では、空間中の面ＳＰ2 に第
１のフライアイレンズ３で作られた多数の２次光源像
（スポット光）同志は、互いに干渉しないとしたが、条
件によっては干渉することがある。この場合、先に図４
で説明したように、第２のフライアイレンズ５の各エレ
メントレンズ５−１、５−２、５−３の同一位置にでき
る３次光源ａ1 （又はｂ1 、ｃ1 ）同志は当然互いに干
渉するが、さらに、１つのエレメントレンズ内にできる
３次光源ａ1 、ｂ1 、ｃ1 同志も互いに干渉することに
なる。

【００４１】ここで図１１（図３でも同様）からも明ら
かなように、２次光源像ができる面ＳＰ2 と３次光源像
ができる面ＳＰ3 とは互いに共役である。しかも、第２
のフライアイレンズ５の１つのエレメントレンズは、第
１のフライアイレンズ３の射出側にできた全ての２次光
源像を再結像することになるので、比較的大きな倍率が
かかっている。典型的な例として、フライアイレンズ
３、５の各エレメントレンズの径寸法が等しく、かつ配
列方向の数がともに１０個であるとすると、倍率は１０
倍になる。

【００４２】従って、第１実施例のように、図９で示し
た３次光源Ａｃ、Ａｄ、Ａｅ、Ａｆ同志の干渉によるス
ペックルパターンを平滑化するのに必要な走査ミラー１
７の最小の角度変化範囲だけでは、２次光源同志による
干渉の影響が残ってしまうことになる。そこで走査ミラ
ー１７の角度変化範囲を、典型的な例として約１０倍以
上にすることが考えられる。しかしながら、走査ミラー
１７を大きく振ることは、フライアイレンズ５に入射す
る光束の一部がけられる可能性を大きくするため、あま
り好ましいことではない。仮りに、走査ミラー１７の大
きな振れ角の始めと終りとでフライアイレンズ５に入射
する光束の一部がけられると、それはそのままウェハＷ
への適正露光量に対する誤差あるいはスループットの低
下となり、極めて不都合なことになる。

【００４３】そこで本実施例では、走査ミラー１６によ
って第１のフライアイレンズ３に入射するビームを揺動
させて、２次光源同志の位相差を２ｍπの間で変化させ
つつ複数のパルス光を照射するようにした。もちろん、
走査ミラー１７によるビームの揺動も、第１実施例と同
様に同時に行なわれる。２次光源同志による干渉によっ
てレチクルＲ（又はウェハＷ）上にできる干渉縞の様子
は、先に図１０を用いて説明したのと全く同じである
が、第１と第２のフライアイレンズ間で、例えば、１０
倍の倍率があるため、レチクルＲ上の干渉縞のピッチ
は、３次光源ａ1 同志の干渉で作られる干渉縞のピッチ
よりも約１０倍大きくなる。従って、例えば第１のフラ
イアイレンズ３の隣り合ったエレメントレンズの２次光
源のみが互いに干渉するような場合は、図１２に示すよ
うにピッチの長い正弦波状の強度分布Ｆｒ0 と、ピッチ
の短い強度分布Ｆｒ4 が重畳した干渉縞が現われる。

【００４４】この図１２のような干渉縞の場合、走査ミ
ラー１６は互いに干渉する２つの２次光源にπの位相差
を与えるように、少なくとも２つの角度位置に振ればよ
い。すなわち走査ミラー１６がある角度位置のときに、
走査ミラー１７を半周期（又は１周期程度）だけ揺動さ
せつつ、数十パルスの発光を行ない、次に走査ミラー１
６を所定量だけ角度変化（位相差πを与える）させた状
態で、同様に走査ミラー１７を半周期（又は１周期程
度）だけ揺動させつつ、数十パルスの発光を行なえばよ
い。

【００４５】もちろん、ビームＬＢ0 の空間的コヒーレ
ンスが高くなれば、２次光源ａ、ｂ、ｃの３つ以上が互
いに干渉し合うことになるため、それに応じて走査ミラ
ー１６の角度変化の割合は細かくなる。このため、走査
ミラー１６の角度を一定量だけ変化させては、走査ミラ
ー１７を半周期（又は１周期）だけ振ることを繰り返す
ことになる。

【００４６】ところで、例えば走査ミラー１７の半周期
のうちに５０パルス程度の発光を行なうものとすると、
走査ミラー１６の角度変化の回数は最低で約１０回（フ
ライアイレンズ３のエレメントレンズの干渉方向の数）
必要になることもあり、ウェハ上の１つの領域（１ショ
ット）を露光するのに最低でも５０×１０＝５００パル
スが必要になる。このことは適正露光量を考慮して、１
パルスあたりの光量を第１の実施例にくらべて１／５〜
１／１０程度に絞って露光することを意味する。エキシ
マレーザ光源の一般的な繰り返し発光周波数は１００〜
２００Ｈｚ程度であるため、１ショットの露光時間は
２．５〜５秒にも及び、スループットの大幅な低下が起
り得る。そこで先にも説明したように、走査ミラー１７
の角度変化と各パルス毎の発振トリガーのタイミングと
をなるべく正確に同期させ、走査ミラー１７の半周期中
に照射するパルス数を極力小さくするとともに、走査ミ
ラー１６の角度変化もなるべく正確に行なうようにす
る。こうすれば図１の実施例とくらべて大幅なスループ
ットの低下は生じない。

【００４７】以上、本実施例によれば、空間的コヒーレ
ンスの高いレーザ光源、例えば図７に示したインジェク
ションロック型レーザを用いたとしても良好にスペック
ルパターンを平滑化できる。もちろん、走査ミラー１
６、１７をともに２次元に振動させる構成にしておけ
ば、２次元の干渉縞又はランダムなスペックルを良好に
平滑化できる。

【００４８】尚、本実施例においては、振動源１８、１
９及びレーザ光源１０のトリガー回路は、適宜の制御手
段によって同時に周期制御される。次に本発明の第３の
実施例を図１３により説明する。図１３は１段目のオプ
チカル・インテグレータに石英による四角柱のロッド３
０を用いた場合の照度分布均一化手段の例を示す。レー
ザ光源１０からのビームＬＢ0 は適宜の光学系を用いて
集光ビームＬＢ’に変換される。集光ビームＬＢ’は集
光点（スポット）ＳＰ0 からわずかに発散した位置でロ
ッド３０の入射端に入る。ビームＬＢ’はロッド３０の
内部で多重反射を繰り返し、ロッド３０の他端から発散
した光となってレンズ４に入射する。レンズ４を通った
光束は走査ミラー１７で反射され、空間中の面ＳＰ2 に
多数の２次光源となって集光し、そこから再び発散して
レンズ２１に入射し、各２次光源からの光はそれぞれほ
ぼ平行光束（互いにわずかに角度が異なる）となって第
２のオプチカル・インテグレータとしてのフライアイレ
ンズ５に入射する。この実施例では、ビームＬＢ’のロ
ッド３０内部での多重反射により、１つの集光点ＳＰ0
が見かけ上、多数存在するように、面ＳＰ2 に再結像さ
れる。

【００４９】以上、本発明の各実施例を説明したが、オ
プチカル・インテグレータとしては、１段目を細いオプ
チカル・ファイバーを束ねたバンドルにし、２段目をフ
ライアイレンズにした組み合わせでもよい。またフライ
アイレンズのエレメントレンズはハニカム形状（正六角
形）にして、一体の石英材を加工したものにしてもよ
い。また、本発明は、図１のような縮小投影型露光装
置だけでなく、均一な照度分布で照明を行なわなければ
ならない装置全般に、そのまま応用できるものである。
さらに、本発明の各実施例では１段目と２段目のオプ
チカル・インテグレータの間で走査ミラーを揺動させる
ものとしたが、２段目のオプチカル・インテグレータの
後にも走査ミラーを設けて所定の周期で振動させてもよ
い。

【００５０】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１および請
求項２記載の発明によれば、光学部材の角度変化と各パ
ルスの発振トリガーとを精密に制御する必要がないの
で、制御が簡単であるという効果を有している。また、
請求項１および請求項２記載の発明によれば、投影光学
系の瞳に形成されるビームスポット像（３次光源）の数
を、オプチカル・インテグレータの２段化によって極め
て多くすることができるため、投影光学系内部の特定の
レンズ素子に極端に大きなエネルギーが集中することが
なく、投影光学系の破損が防止されるという効果もあ
る。請求項３記載の発明によれば、オプチカル・インテ
グレータを２段にして、被照明体上での照度分布を均一
にするとともに、オプチカル・インテグレータを用いる
ことによって生じるスペックルパターン（干渉縞）を良
好に平滑化することができるので、レーザ光のように可
干渉性のあるビームを用いても、ゴースト、スペックル
等のない一様な照明光を得ることができ、微細パターン
の露光、光加工（光ＣＶＤ等）、アライメント観察等が
極めて高い精度で達成される。

【００５１】請求項４記載の発明によれば、１オプチカ
ル・インテグレータと第２オプチカル・インテグレータ
との間で、該第２オプチカル・インテグレータに入射す
るビームを少なくとも第２方向と交差する方向に揺動さ
せているので、スペックルが生じることがなく、ウエハ
のパターンを正確に基板に露光することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による照明光学装置を投
影型露光装置に適用した場合の構成を示す斜視図。

【図２】従来の装置におけるフライアイレンズと投影露
光系の関係を示す図。

【図３】本発明の基礎となるダブル・フライアイレンズ
の構成を説明する図。

【図４】図３の構成によって得られる光源像（スポット
光）の配列を示す平面図。

【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ被照明体に
１パルスの照明光で生ずる干渉縞の強度分布、多数パル
スの照明光で平滑化するときの干渉縞の位置移動、及び
平滑後の強度分布を表わす図。

【図６】レーザ光源の代表的な構造を示す図。

【図７】レーザ光源の代表的な構造を示す図。

【図８】レーザ光源の代表的な構造を示す図。

【図９】２段目のフライアイレンズの射出端にできる３
次光源（スポット光）の配列を示す平面図。

【図１０】干渉縞の平滑化の様子を説明する図。

【図１１】本発明の第２の実施例による照明光学装置の
構成を示す図。

【図１２】可干渉性の強いビームをダブル・フライアイ
レンズに入射したときに被照明体上に生じる干渉縞の強
度分布の一例を示す図。

【図１３】本発明の第３の実施例による照明光学装置の
構成を示す図。

【主要部分の符号の説明】

１、３、５・・・フライアイレンズ、２・・・コンデン
サーレンズ、１０・・・レーザ光源、１６、１７・・・
走査ミラー、３０・・・ロッド、Ｒ・・・レチクル、Ｐ
Ｌ・・・投影レンズ、Ｗ・・・ウェハ、ＬＢ0 ・・・発
振ビーム

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】回路パターンが形成されたレチクルをパル
ス光で照明するための光源装置と、該光源装置からのパ
ルス光を入射して２次元に分布する複数の点光源を生成
する第１オプチカル・インテグレータと、該第１オプチ
カル・インテグレータから射出したパルス光を入射して
２次元に分布する複数の点光源を生成する第２オプチカ
ル・インテグレータと、該第２オプチカル・インテグレ
ータにより生成された複数の点光源の各々からの光をパ
ルス照明光として前記レチクル上に重畳照射する集光光
学系とを有し、前記照明されたレチクルの回路パターン
の像を感光基板上に投影する露光装置において、前記第
２オプチカル・インテグレータは２次元的に配列された
複数の光学エレメントで構成され、該複数の光学エレメ
ントのうち特定の１方向に並んだ光学エレメントの個数
をｎ（ｎは整数）、前記の回路パターンの像を感光基板
上に露光するのに必要な前記光源装置からのパルス光の
最小パルス数をｎ以上のＮとしたとき、前記第２オプチ
カル・インテグレータに入射する前記複数の光束を前記
パルス数Ｎの照射の間に半周期以上揺動させる光学部材
を前記第１オプチカル・インテグレータと前記第２オプ
チカル・インテグレータとの間に設けたことを特徴とす
る露光装置。
【請求項２】前記第１オプチカル・インテグレータは２
次元的に配列された複数の光学エレメントで構成され、
前記第１オプチカル・インテグレータの前記複数の光学
エレメントと前記第２オプチカル・インテグレータの前
記複数の光学エレメントとの配列方向を異ならせたこと
を特徴とする請求項１記載の露光装置。
【請求項３】可干渉性のビームを発生する光源と、該ビ
ームを入射して、被照明体に均一な照明分布の光を照射
する照度分布均一化手段とを備えた照明光学装置におい
て、前記光源は、前記ビームの断面内の所定の第１方向
の空間的コヒーレンスが前記第１方向とほぼ直交する第
２方向の空間的コヒーレンスより高いビームを発生し、
前記照度分布均一化手段は、前記光源からのビームを入
射する第１オプチカル・インテグレータと、該第１オプ
チカル・インテグレータから射出したビームを入射する
第２オプチカル・インテグレータとを有し、前記第１オ
プチカル・インテグレータと前記第２オプチカル・イン
テグレータとの間に、該第２オプチカル・インテグレー
タに入射するビームを少なくとも前記第２方向と交差す
る方向に揺動させる第１揺動手段を設けたことを特徴と
する照明光学装置。
【請求項４】複数の点光源を生成する第１および第２オ
プチカル・インテグレータからの光束でマスクを照明
し、該マスクのパターン像を基板に露光する露光方法に
おいて、ビームの断面内の所定の第１方向の空間的コヒ
ーレンスが前記第１方向とほぼ直交する第２方向の空間
的コヒーレンスより高い可干渉性のビームを前記第１オ
プチカル・インテグレータへ照射するステップと、前記
第１オプチカル・インテグレータと前記第２オプチカル
・インテグレータとの間で、該第２オプチカル・インテ
グレータに入射するビームを少なくとも前記第２方向と
交差する方向に揺動させるステップとを含んでいること
を特徴とする露光方法。