JP3950553B2 - 照明光学系及びそれを有する露光装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は照明光学系に関し、特に半導体デバイス等の製造に用いられる露光装置に好適な照明光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
微細な半導体デバイス、あるいは液晶フラットパネル等を量産する工程の一つにリソグラフィー工程がある。これは、水銀ランプ等の光源からの光束を用いて照明光学系で回路原版（マスク）を照明し、高解像度の投影光学系で原版上の回路パターンを感光性の基板（ウエハー）に露光するものである。このリソグラフィー工程に用いられる露光装置には大別して、露光と基板の繰り返しステップを行うステッパー（逐次露光方式）と、原版と基板とを繰り返し同期操作するスキャナーとがある。特に液晶フラットパネルの量産工程には高スループットを狙った装置としての等倍の一括型走査露光装置が従来利用されている。
【０００３】
図１１に上述の液晶フラットパネル製造用の一括型走査露光装置の概略構成図を示す。図１１の装置においては、ｉ線（３６５ｎｍ）、ｈ線（４０５ｎｍ）、ｇ線（４３６ｎｍ）を主スペクトルとして発光する超高圧水銀ランプ１０１を光源とし、その光束を楕円ミラー１０２で一旦ライトインテグレーター１０３の入射面に集光する。ライトインテグレーター１０３は具体的には複数の凸レンズ群で構成されたハエの目レンズである。ライトインテグレーター１０３から発した紫外光束はコリメーター１０４の作用で一旦照射面１０５を照明する。照射面１０５上には図１２のような照明範囲を制限する円弧状の開口を有したスリット板が配置されている。結像光学系１０６は円弧状のスリット板を物体面として以降のマスク１０７上に円弧状の照明領域を形成する。以上が照明光学系の構成である。さて、マスク１０７上には回路パターンの原画がクロム等金属のぬきのこしで既に形成されているが、この面を物体面として光束は等倍型ミラー一括投影露光光学系１１５に入る。投影光学系１１５は基本的には凹面鏡１１１と凸面鏡１１２の二枚鏡で構成されていて、平面鏡１１０と１１３はマスク１０７と感光性レジストを塗布したガラスプレート（ウエハー）１１４とを同じ方向（図中矢印方向）に同期走査するために光路を折り曲げている。マスク１０７上の一点から発した光束はミラー１１０、１１１、１１２、１１１、１１３の順で反射されプレート１１４上に集光する。そして、投影系１１５の光軸００′に回転対称な円弧状の良像域の一部（先述の照明領域）を利用してマスク７上の回路パターンの転写をおこなっている。
【０００４】
ところが図１１に示した装置では、図１２に示したようにハエの目レンズの照明領域１０９（正方形か矩形状）から円弧状の範囲１０８を切り出しているので照明効率が悪いという欠点がある。
【０００５】
この欠点を解決するために光ファイバーを用いて直接に円弧状の照明領域を形成する光学システムが特公平０５−０６８８４６号公報に提案されている。図１３はこの公報に開示された光学系の一つであり、水銀ランプ２０１の光束を集光レンズ２１０でファイバー束２０４の入射面に集光している。ファイバー束２０４は入射面が円形ないしは矩形（正方形）の形状をしていて、その射出面は投影光学系にあうよう円弧状に束ねられている。２０５は集光光学系であり、円弧の結像面２０６は図１１では照射面１０５かマスク１０７に相当する。しかしながら、図１３の光学系ではランプの光束のうち、集光レンズ２１０の開口面の分しか捕獲されないので照明効率が非常に悪い。
【０００６】
図１４は同じく特公平０５−０６８８４６号公報に開示されている光学系である。この場合、ランプ３０１の発光点を楕円ミラー３０２の第１焦点に配置してその光束を同ミラー３０２で漏れなく捕獲し、第２焦点を含む面（第２焦点面３０３）に入射面を配したファイバー束３０４に導いている。そして、それ以降は図１３の光学系と同様にファイバー束３０４で円弧状の照明領域を形成し、効率的に照明を行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一見効率的にみえる従来例（図１４）においても以下に説明するような決定的な欠点がある。
【０００８】
図１５は超高圧水銀ランプの発光分布である。ランプの発光中心を通り、ランプの長さ方向に垂直な平面ＰＬを想定し、この面ＰＬから離れる方向に角度（ＮＡ）をふっていくと、図１５に示したようにランプの長さ方向の軸に回転対称なドーナツ状（同図では左右２方向にふくらみを持った）配光分布を有する。すなわち、平面ＰＬ上で最も発光強度が強く、ＮＡが大きくなるほど発光強度が弱くなっていくような分布である。このランプを図１４のように楕円ミラーと組み合わせて構成すると、第２焦点に集光した光束の配光分布は、楕円ミラー３０２の中抜けも作用して図１６の実線で示すような中抜け（ＮＡが０近傍の配光強度が０に近い）の配光特性を持ってしまう。
【０００９】
一方、波長４００ｎｍ以下を効率良く伝達する紫外線光ファイバーなるものは、石英ガラスで生成された中心のコア部とこれに微量の不純物をまぜることで屈折率をわずかに下げた周辺のクラッド部から成り立っており、ファイバー内部で全反射させることにより入射端から射出端へ光を伝達している。このような紫外線光ファイバーを形成するための材質が現在では石英に限定されていることからファイバーの開口数（ファイバーの光軸に対して透過しうる最大の配光角度）は高々０．２〜０．２５である。図１６の点線はこのようなファイバーの受光配光特性を示している。
【００１０】
したがって、図１４の光学系の場合、ファイバーを実際に透過しうる全光量は図１６の２つの曲線を掛け合わせ、そのＮＡに対する積分値に等しく、ファイバーを透過する光束の光量が大幅に減衰し、やはり照明効率が悪いという欠点があった。
【００１１】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、例えば光ファイバー等の全反射型の光伝達素子を用いた系において、高い照明効率を実現する照明光学系を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面としての照明光学系は、光源からの光束を用いて光源像を形成する光源像形成手段と、前記光源像の照度分布を所定面における配光分布に変換する配光分布変換光学系と、前記所定面を実質的な入射面とする全反射型の光伝達素子と、前記光伝達素子からの光束を用いて被照射面上に照明領域を形成する集光光学系と、を備え、前記配光分布変換光学系は、焦点距離の等しい第１のレンズユニットと第２のレンズユニットを有し、２つのレンズユニットの主点間距離が該焦点距離と等しくなるよう配置するとともに、前記第１のレンズユニットの入射瞳を前記光源像に、前記第２のレンズユニットの射出瞳を前記所定面に実質的に一致させたことを特徴としている。
また、本発明の別の一側面としての照明光学系は、光源からの光束を用いて光源像を形成する光源像形成手段と、前記光源像の照度分布を所定面における配光分布に変換する配光分布変換光学系と、前記所定面を実質的な入射面とする全反射型の光伝達素子と、前記光伝達素子からの光束を用いて被照射面上に照明領域を形成する集光光学系と、を備え、前記配光分布変換光学系は、オプチカルロッドとレンズユニットを有し、前記オプチカルロッドの入射面を前記光源像に、前記レンズユニットの一方の焦点位置を前記オプチカルロッドの射出面に、他方の焦点位置を前記所定面に実質的に一致させたことを特徴としている。
【００１３】
更に、本発明の別の一側面としての照明光学系は、光源からの光束を用いて光源像を形成する光源像形成手段と、前記光源像の照度分布を所定面における配光分布に変換する配光分布変換光学系と、前記所定面を実質的な入射面とする光ファイバー束と、前記光ファイバー束からの光束を用いて被照射面上に照明領域を形成する集光光学系と、を備え、前記配光分布変換光学系は、焦点距離の等しい第１のレンズユニットと第２のレンズユニットを有し、２つのレンズユニットの主点間距離が該焦点距離と等しくなるよう配置するとともに、前記第１のレンズユニットの入射瞳を前記光源像に、前記第２のレンズユニットの射出瞳を前記所定面に実質的に一致させたことを特徴としている。
更に、本発明の別の一側面としての照明光学系は、光源からの光束を用いて光源像を形成する光源像形成手段と、前記光源像の照度分布を所定面における配光分布に変換する配光分布変換光学系と、前記所定面を実質的な入射面とする光ファイバー束と、前記光ファイバー束からの光束を用いて被照射面上に照明領域を形成する集光光学系と、を備え、前記配光分布変換光学系は、オプチカルロッドとレンズユニットを有し、前記オプチカルロッドの入射面を前記光源像に、前記レンズユニットの一方の焦点位置を前記オプチカルロッドの射出面に、他方の焦点位置を前記所定面に実質的に一致させたことを特徴としている。
【００１４】
更に、本発明の別の一側面としての照明光学系は、異なる角度で入射する複数の光束の配光分布を所定面における照度分布に変換する配光分布変換光学系と、該所定面を実質的な入射面とする全反射型の光伝達素子と、該光伝達素子からの光束を用いて被照射面上に照明領域を形成する集光光学系とを有することを特徴としている。
【００１５】
更に、本発明の別の一側面としての露光装置は、上述の照明光学系と、上述の照明光学系によって照明される原板のパターンを基板上に投影する投影光学系と、を有することを特徴としている。
【００１６】
更に、本発明の別の一側面としてのデバイス製造方法は、上述の露光装置を用いて基板を露光する工程を有することを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態の照明光学系の概略構成図であり、図２は図１中の配光分布変換光学系の詳細を説明するための図である。
【００１８】
図１で、水銀ランプ１はその発光点を楕円ミラー２の第１焦点に配するように置かれる。ランプ１から発した光束は同ミラー２の作用でその第２焦点に集光する。楕円ミラー２はランプ１の電極を取り出す必要上後方にも開口を有しており、また、そうでなくても図１５のようなランプ自身の配光特性からこの後方の開口部分には光はほとんど来ない。したがって、第２焦点面３には、照度分布としてはミラー２の収差によってガウス状分布（周辺に比して光軸近傍に強度が大きい（照度が高い分布）が形成され、配光分布としては中抜けの分布（光軸方向に比して光軸と直交する方向に強度が大きい分布）を持った光束が集光することになる。なお、配光分布の最大値は楕円ミラー２の開口径で決定される。
【００１９】
第２焦点面３の近傍には本発明の最も特徴的な部分である配光分布変換光学系１２が配置される。変換光学系１２はフィールドレンズ１０とコリメーターレンズ１１の２つのレンズユニットから成り立っていて、これらは図２に示すように同一の焦点距離ｆをもち、かつ主点がｆだけ離れた位置に置かれている。この配置はいわゆるフーリエ変換の関係であって、フィールドレンズ１０の入射瞳（第２焦点面３）上の照度分布がコリメータレンズ１１の射出瞳（ファイバー入射面２０）での配向分布に変換されている。また逆に、フィールドレンズ１０の入射瞳上の配向分布（中抜け）がコリメータレンズ１１の射出瞳（ファイバー入射面２０）での照度分布に変換されている。そして、互いの瞳面上での光束径は原理的には等しい（光束は広がらない）。複数の光ファイバーを束ねたファイバー束４は円弧照明に用いるために本実施形態では射出端を円弧状に成形し、これに続く集光光学系５によって結像面６（被照射面）上に結像される。ファイバー束４は基本的に配光特性を変えないので、結像面６上ではファイバー束４に入射したままの均一な配光特性が得られる。
【００２０】
図３において点線はファイバー束４の受光配光特性であり、実線は本実施形態におけるファイバー束４への入射配光分布である。変換光学系１２の作用によって、ファイバー束４への入射配光分布はガウス状となるので、ファイバー束４の実質透過光量（実線と点線の積の積分値）は従来の図１６の場合に比べて格段に増加し、ランプ１から発した光束の利用効率（照明効率）が向上する。本実施形態において、ファイバー束４は入射端、射出端の形状により矩形状の光束を円弧状に成形しているが、入射端と射出端とが同じ形状であっても上述した本実施形態による効果を得ることができる。
【００２１】
（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態とは異なる形態の変換光学系を開示し、それ以外の構成は第１の実施形態と同様である。図４は本実施形態の配光分布変換光学系の概略構成図である。本実施形態では、図１のフィールドレンズ１０の代わりにオプチカルロッド２１を用いている。オプチカルロッド２１の入射面は楕円ミラー２の第２焦点面３の近傍に置かれ、射出面はコリメーターレンズ１１の前側焦点面１７に置かれている。このような配置をとることによりロッド２１の入射面ではガウス状の照度分布であってもその射出面ではロッド２１の均一化効果で平坦な照度分布が得られる（ロッドの長さにより平坦度は加減できる）。したがって、ファイバー束４への入射配光分布を平坦にすることができる。
【００２２】
図５において実線は本実施形態の場合の平坦な入射配光分布を示している。図３と同様にファイバー束４の受光配光特性（点線）と掛け合わせる事により、ファイバー束４の実質透過光量は図１６の場合に比べて格段に増加し、照明効率が向上する。
【００２３】
（第３の実施形態）
図６は第３の実施形態の照明光学系の概略構成図である。本実施形態が図１に示した第１の実施形態と異なる点は配光分布変換光学系１２とファイバー束４との間にオプチカルロッド２２を挿入した点にある。
【００２４】
第１の実施形態では図２に示すように、ファイバー入射面２０での照度分布が中抜けとなってしまうので射出端では照度むらが発生しやすくなる。この照度むらは、結像面６上での照度むらにそのままつながるので、図１の照明光学系を露光装置に用いた際には、最終的に露光される回路パターンの線幅が不均一になり、高精細な露光が行えなくなるおそれがあった。これは、ファイバーの束ね方をランダムにすることで幾分は回避できるが、本実施形態ではこの点をより積極的に改善したものである。本実施形態ではオプチカルロッド２２の作用により均一な照度分布の光束をファイバー束に伝達することができ、その結果、結像面６での照度むらを大幅に低減することができる。
【００２５】
なお、本実施形態の変換光学系１２は第１の実施形態におけるそれと同じ構成であるが、図４に示した第２の実施形態の配光分布変換光学系と同じ構成でもよい。
【００２６】
（第４の実施形態）
図７は第４の実施形態の照明光学系の概略構成図である。これまでの実施形態では、光源として水銀ランプと楕円ミラーの組み合わせを取り上げたが、本実施形態では２つのレーザー４０、４１を光源として、それらによって供給される光束をオプチカルロッドに斜入射で導く光学システムに第１の実施形態の配光分布変換光学系を用いている。
【００２７】
オプチカルロッドは全反射により光を伝達する光学部材であるが、入射する光束のＮＡが大きすぎると全反射せずに光がロッド側面から漏れ出してしまう。これを避けるため、配向分布変換光学系１２をロッド４２の入射側に配置し、ロッド４２に入射する光束のＮＡを中心よりに変換する。本実施形態の場合、配光分布変換光学系１２を構成するフィールドレンズ１０とコリメーターレンズ１１の距離は互いの焦点距離から多少ずれても入射光がロッドを全反射で伝達する範囲なら許容しうる。
【００２８】
（第５の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態とは異なる形態の配光分布変換光学系を開示し、それ以外の構成は第１の実施形態と同様である。図１７は本実施形態の配光分布変換光学系の概略構成図である。
【００２９】
本実施形態の配光分布変換光学系が第１の実施形態と異なる点は、楕円ミラー２の第２焦点面位置３に公知のハエの目レンズ３１を配した点である。このハエの目レンズ３１の射出面をその後方に配されたコンデンサーレンズ３２の前側焦点面に配置し、コンデンサーレンズ３２の後側焦点面にファイバー入射面２０を配置している。このような構成により、第２焦点面３とファイバー入射面２０上で、図１７に示すような照度分布と配光分布を得ることができる。すなわち、ハエの目レンズ３１の入射面（第２焦点面３）でガウス状を呈していた照度分布ａはハエの目レンズ３１の作用によりファイバー入射面２０上では均一な分布ｂに変換される。同時にハエの目レンズ３１の入射面（第２焦点面３）で中抜け状を呈していた配光分布ｃはファイバー入射面２０上ではガウス状分布ｂに変換され、本発明の目的が達成される。
【００３０】
（第６の実施形態）
図８は第６の実施形態を説明するための図である。本実施形態は、第１〜第５の実施形態に示した照明光学系を半導体デバイス等製造用の露光装置に搭載したシステムである。図８において、３０は前述の照明光学系であり結像面６、もしくはその共役面に置かれたマスク３１を均一に照明する。３２は投影光学系であり、マスク３１上に形成された回路パターンをレジストが塗布されたウエハー３２に露光転写する。
【００３１】
本実施形態において、投影光学系３２には図１１に示した等倍型ミラー走査光学系を用いてもよいし、ステッパー用縮小投影レンズでも良い。また縮小型ステップアンドスキャン方式の露光装置の照明光学系に適用してもよい。
【００３２】
このように、本発明の照明光学系を露光装置に適用した場合、以下のような長所がある。図３に示した照明光の配光分布は保存されながら照明光学系３０を射出し、マスク３１面上を照明する。そして、マスク３１面上を通過して（光束の一部がマスク回折光となって）、投影光学系３２の瞳面３３に達する。この瞳面３３上では、マスク３１面上の配光分布がそのまま照度分布となる。この分布を通称有効光源と呼ぶ。この有効光源形状が焼き付けパターンの解像性能を大きく左右することは広く知られている。そして、図３のようにガウス状で投影光学系３２の光軸（ＮＡ＝０）付近に光強度が強い分布（小シグマ）の場合、パターンによっては解像深度が広がる傾向にある。むろん、照明光学系３０が持つ高い照明効率が維持されるのは言うまでもない。
【００３３】
これまでの実施形態において照明光の仕様波長としてはｉ線、ｈ線、ｇ線といった３５０〜４５０ｎｍ付近の波長を取り上げ、ファイバーの硝材はこれらの波長に対して透過率の高い石英材を用いていた。しかしながら、本発明の及ぶ所はこれに限らず、可視光や赤外線のようなより長波長の光で、ファイバー自体も多成分ガラスで生成されていても良い。この場合、ファイバーの伝播特性としては全反射型に限らず、分布屈折率型のものも使用できるが、やはり全反射型のファイバーと同様の課題が存在する。なぜなら、伝播配向角に限界があるという点では全反射型のファイバーとなら相違ないからである。また、２００ｎｍ以下の遠紫外光に対しても同様である。
【００３４】
（第７の実施形態）
次に第６の実施形態で説明した露光装置を利用した半導体デバイスの製造方法の実施形態を説明する。図９は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＥ等の半導体チップ、あるいは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造のフローを示す。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む、ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【００３５】
図１０は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では上記説明した露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジすと剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【００３６】
本実施形態の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを製造することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光源からの光束を有効に利用した照明光学系が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の照明光学系の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態の配光分布変換光学系の詳細を説明するための図である。
【図３】第１の実施形態においてファイバー束への入射配光分布を示した図である。
【図４】第２の実施形態の配光分布変換光学系の概略構成図である。
【図５】第２の実施形態においてファイバー束への入射配光分布を示した図である。
【図６】第３の実施形態の照明光学系の概略構成図である。
【図７】第４の実施形態の照明光学系の概略構成図である。
【図８】第６の実施形態の露光装置の概略構成図である。
【図９】半導体デバイスの製造工程を示す図である。
【図１０】図９の工程中のウエハプロセスの詳細を示す図である。
【図１１】従来の一括型走査露光装置の概略構成図である。
【図１２】図１１の装置の照明領域の説明図である。
【図１３】従来のファイバー束を用いた照明光学系の概略構成図である。
【図１４】従来のファイバー束を用いた照明光学系の概略構成図である。
【図１５】超高圧水銀ランプの配光分布を示した図である。
【図１６】従来のファイバー束への入射配光分布を示した図である。
【図１７】第５の実施形態の配向分布変換光学系の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 水銀ランプ
２ 楕円ランプ
３ 第２焦点面
４ ファイバー束
５ 集光光学系
６ 結像面
１０ フィールドレンズ
１１ コリメーターレンズ
１２ 配光分布変換光学系
【発明の属する技術分野】
本発明は照明光学系に関し、特に半導体デバイス等の製造に用いられる露光装置に好適な照明光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
微細な半導体デバイス、あるいは液晶フラットパネル等を量産する工程の一つにリソグラフィー工程がある。これは、水銀ランプ等の光源からの光束を用いて照明光学系で回路原版（マスク）を照明し、高解像度の投影光学系で原版上の回路パターンを感光性の基板（ウエハー）に露光するものである。このリソグラフィー工程に用いられる露光装置には大別して、露光と基板の繰り返しステップを行うステッパー（逐次露光方式）と、原版と基板とを繰り返し同期操作するスキャナーとがある。特に液晶フラットパネルの量産工程には高スループットを狙った装置としての等倍の一括型走査露光装置が従来利用されている。
【０００３】
図１１に上述の液晶フラットパネル製造用の一括型走査露光装置の概略構成図を示す。図１１の装置においては、ｉ線（３６５ｎｍ）、ｈ線（４０５ｎｍ）、ｇ線（４３６ｎｍ）を主スペクトルとして発光する超高圧水銀ランプ１０１を光源とし、その光束を楕円ミラー１０２で一旦ライトインテグレーター１０３の入射面に集光する。ライトインテグレーター１０３は具体的には複数の凸レンズ群で構成されたハエの目レンズである。ライトインテグレーター１０３から発した紫外光束はコリメーター１０４の作用で一旦照射面１０５を照明する。照射面１０５上には図１２のような照明範囲を制限する円弧状の開口を有したスリット板が配置されている。結像光学系１０６は円弧状のスリット板を物体面として以降のマスク１０７上に円弧状の照明領域を形成する。以上が照明光学系の構成である。さて、マスク１０７上には回路パターンの原画がクロム等金属のぬきのこしで既に形成されているが、この面を物体面として光束は等倍型ミラー一括投影露光光学系１１５に入る。投影光学系１１５は基本的には凹面鏡１１１と凸面鏡１１２の二枚鏡で構成されていて、平面鏡１１０と１１３はマスク１０７と感光性レジストを塗布したガラスプレート（ウエハー）１１４とを同じ方向（図中矢印方向）に同期走査するために光路を折り曲げている。マスク１０７上の一点から発した光束はミラー１１０、１１１、１１２、１１１、１１３の順で反射されプレート１１４上に集光する。そして、投影系１１５の光軸００′に回転対称な円弧状の良像域の一部（先述の照明領域）を利用してマスク７上の回路パターンの転写をおこなっている。
【０００４】
ところが図１１に示した装置では、図１２に示したようにハエの目レンズの照明領域１０９（正方形か矩形状）から円弧状の範囲１０８を切り出しているので照明効率が悪いという欠点がある。
【０００５】
この欠点を解決するために光ファイバーを用いて直接に円弧状の照明領域を形成する光学システムが特公平０５−０６８８４６号公報に提案されている。図１３はこの公報に開示された光学系の一つであり、水銀ランプ２０１の光束を集光レンズ２１０でファイバー束２０４の入射面に集光している。ファイバー束２０４は入射面が円形ないしは矩形（正方形）の形状をしていて、その射出面は投影光学系にあうよう円弧状に束ねられている。２０５は集光光学系であり、円弧の結像面２０６は図１１では照射面１０５かマスク１０７に相当する。しかしながら、図１３の光学系ではランプの光束のうち、集光レンズ２１０の開口面の分しか捕獲されないので照明効率が非常に悪い。
【０００６】
図１４は同じく特公平０５−０６８８４６号公報に開示されている光学系である。この場合、ランプ３０１の発光点を楕円ミラー３０２の第１焦点に配置してその光束を同ミラー３０２で漏れなく捕獲し、第２焦点を含む面（第２焦点面３０３）に入射面を配したファイバー束３０４に導いている。そして、それ以降は図１３の光学系と同様にファイバー束３０４で円弧状の照明領域を形成し、効率的に照明を行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一見効率的にみえる従来例（図１４）においても以下に説明するような決定的な欠点がある。
【０００８】
図１５は超高圧水銀ランプの発光分布である。ランプの発光中心を通り、ランプの長さ方向に垂直な平面ＰＬを想定し、この面ＰＬから離れる方向に角度（ＮＡ）をふっていくと、図１５に示したようにランプの長さ方向の軸に回転対称なドーナツ状（同図では左右２方向にふくらみを持った）配光分布を有する。すなわち、平面ＰＬ上で最も発光強度が強く、ＮＡが大きくなるほど発光強度が弱くなっていくような分布である。このランプを図１４のように楕円ミラーと組み合わせて構成すると、第２焦点に集光した光束の配光分布は、楕円ミラー３０２の中抜けも作用して図１６の実線で示すような中抜け（ＮＡが０近傍の配光強度が０に近い）の配光特性を持ってしまう。
【０００９】
一方、波長４００ｎｍ以下を効率良く伝達する紫外線光ファイバーなるものは、石英ガラスで生成された中心のコア部とこれに微量の不純物をまぜることで屈折率をわずかに下げた周辺のクラッド部から成り立っており、ファイバー内部で全反射させることにより入射端から射出端へ光を伝達している。このような紫外線光ファイバーを形成するための材質が現在では石英に限定されていることからファイバーの開口数（ファイバーの光軸に対して透過しうる最大の配光角度）は高々０．２〜０．２５である。図１６の点線はこのようなファイバーの受光配光特性を示している。
【００１０】
したがって、図１４の光学系の場合、ファイバーを実際に透過しうる全光量は図１６の２つの曲線を掛け合わせ、そのＮＡに対する積分値に等しく、ファイバーを透過する光束の光量が大幅に減衰し、やはり照明効率が悪いという欠点があった。
【００１１】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、例えば光ファイバー等の全反射型の光伝達素子を用いた系において、高い照明効率を実現する照明光学系を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面としての照明光学系は、光源からの光束を用いて光源像を形成する光源像形成手段と、前記光源像の照度分布を所定面における配光分布に変換する配光分布変換光学系と、前記所定面を実質的な入射面とする全反射型の光伝達素子と、前記光伝達素子からの光束を用いて被照射面上に照明領域を形成する集光光学系と、を備え、前記配光分布変換光学系は、焦点距離の等しい第１のレンズユニットと第２のレンズユニットを有し、２つのレンズユニットの主点間距離が該焦点距離と等しくなるよう配置するとともに、前記第１のレンズユニットの入射瞳を前記光源像に、前記第２のレンズユニットの射出瞳を前記所定面に実質的に一致させたことを特徴としている。
また、本発明の別の一側面としての照明光学系は、光源からの光束を用いて光源像を形成する光源像形成手段と、前記光源像の照度分布を所定面における配光分布に変換する配光分布変換光学系と、前記所定面を実質的な入射面とする全反射型の光伝達素子と、前記光伝達素子からの光束を用いて被照射面上に照明領域を形成する集光光学系と、を備え、前記配光分布変換光学系は、オプチカルロッドとレンズユニットを有し、前記オプチカルロッドの入射面を前記光源像に、前記レンズユニットの一方の焦点位置を前記オプチカルロッドの射出面に、他方の焦点位置を前記所定面に実質的に一致させたことを特徴としている。
【００１３】
更に、本発明の別の一側面としての照明光学系は、光源からの光束を用いて光源像を形成する光源像形成手段と、前記光源像の照度分布を所定面における配光分布に変換する配光分布変換光学系と、前記所定面を実質的な入射面とする光ファイバー束と、前記光ファイバー束からの光束を用いて被照射面上に照明領域を形成する集光光学系と、を備え、前記配光分布変換光学系は、焦点距離の等しい第１のレンズユニットと第２のレンズユニットを有し、２つのレンズユニットの主点間距離が該焦点距離と等しくなるよう配置するとともに、前記第１のレンズユニットの入射瞳を前記光源像に、前記第２のレンズユニットの射出瞳を前記所定面に実質的に一致させたことを特徴としている。
更に、本発明の別の一側面としての照明光学系は、光源からの光束を用いて光源像を形成する光源像形成手段と、前記光源像の照度分布を所定面における配光分布に変換する配光分布変換光学系と、前記所定面を実質的な入射面とする光ファイバー束と、前記光ファイバー束からの光束を用いて被照射面上に照明領域を形成する集光光学系と、を備え、前記配光分布変換光学系は、オプチカルロッドとレンズユニットを有し、前記オプチカルロッドの入射面を前記光源像に、前記レンズユニットの一方の焦点位置を前記オプチカルロッドの射出面に、他方の焦点位置を前記所定面に実質的に一致させたことを特徴としている。
【００１４】
更に、本発明の別の一側面としての照明光学系は、異なる角度で入射する複数の光束の配光分布を所定面における照度分布に変換する配光分布変換光学系と、該所定面を実質的な入射面とする全反射型の光伝達素子と、該光伝達素子からの光束を用いて被照射面上に照明領域を形成する集光光学系とを有することを特徴としている。
【００１５】
更に、本発明の別の一側面としての露光装置は、上述の照明光学系と、上述の照明光学系によって照明される原板のパターンを基板上に投影する投影光学系と、を有することを特徴としている。
【００１６】
更に、本発明の別の一側面としてのデバイス製造方法は、上述の露光装置を用いて基板を露光する工程を有することを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態の照明光学系の概略構成図であり、図２は図１中の配光分布変換光学系の詳細を説明するための図である。
【００１８】
図１で、水銀ランプ１はその発光点を楕円ミラー２の第１焦点に配するように置かれる。ランプ１から発した光束は同ミラー２の作用でその第２焦点に集光する。楕円ミラー２はランプ１の電極を取り出す必要上後方にも開口を有しており、また、そうでなくても図１５のようなランプ自身の配光特性からこの後方の開口部分には光はほとんど来ない。したがって、第２焦点面３には、照度分布としてはミラー２の収差によってガウス状分布（周辺に比して光軸近傍に強度が大きい（照度が高い分布）が形成され、配光分布としては中抜けの分布（光軸方向に比して光軸と直交する方向に強度が大きい分布）を持った光束が集光することになる。なお、配光分布の最大値は楕円ミラー２の開口径で決定される。
【００１９】
第２焦点面３の近傍には本発明の最も特徴的な部分である配光分布変換光学系１２が配置される。変換光学系１２はフィールドレンズ１０とコリメーターレンズ１１の２つのレンズユニットから成り立っていて、これらは図２に示すように同一の焦点距離ｆをもち、かつ主点がｆだけ離れた位置に置かれている。この配置はいわゆるフーリエ変換の関係であって、フィールドレンズ１０の入射瞳（第２焦点面３）上の照度分布がコリメータレンズ１１の射出瞳（ファイバー入射面２０）での配向分布に変換されている。また逆に、フィールドレンズ１０の入射瞳上の配向分布（中抜け）がコリメータレンズ１１の射出瞳（ファイバー入射面２０）での照度分布に変換されている。そして、互いの瞳面上での光束径は原理的には等しい（光束は広がらない）。複数の光ファイバーを束ねたファイバー束４は円弧照明に用いるために本実施形態では射出端を円弧状に成形し、これに続く集光光学系５によって結像面６（被照射面）上に結像される。ファイバー束４は基本的に配光特性を変えないので、結像面６上ではファイバー束４に入射したままの均一な配光特性が得られる。
【００２０】
図３において点線はファイバー束４の受光配光特性であり、実線は本実施形態におけるファイバー束４への入射配光分布である。変換光学系１２の作用によって、ファイバー束４への入射配光分布はガウス状となるので、ファイバー束４の実質透過光量（実線と点線の積の積分値）は従来の図１６の場合に比べて格段に増加し、ランプ１から発した光束の利用効率（照明効率）が向上する。本実施形態において、ファイバー束４は入射端、射出端の形状により矩形状の光束を円弧状に成形しているが、入射端と射出端とが同じ形状であっても上述した本実施形態による効果を得ることができる。
【００２１】
（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態とは異なる形態の変換光学系を開示し、それ以外の構成は第１の実施形態と同様である。図４は本実施形態の配光分布変換光学系の概略構成図である。本実施形態では、図１のフィールドレンズ１０の代わりにオプチカルロッド２１を用いている。オプチカルロッド２１の入射面は楕円ミラー２の第２焦点面３の近傍に置かれ、射出面はコリメーターレンズ１１の前側焦点面１７に置かれている。このような配置をとることによりロッド２１の入射面ではガウス状の照度分布であってもその射出面ではロッド２１の均一化効果で平坦な照度分布が得られる（ロッドの長さにより平坦度は加減できる）。したがって、ファイバー束４への入射配光分布を平坦にすることができる。
【００２２】
図５において実線は本実施形態の場合の平坦な入射配光分布を示している。図３と同様にファイバー束４の受光配光特性（点線）と掛け合わせる事により、ファイバー束４の実質透過光量は図１６の場合に比べて格段に増加し、照明効率が向上する。
【００２３】
（第３の実施形態）
図６は第３の実施形態の照明光学系の概略構成図である。本実施形態が図１に示した第１の実施形態と異なる点は配光分布変換光学系１２とファイバー束４との間にオプチカルロッド２２を挿入した点にある。
【００２４】
第１の実施形態では図２に示すように、ファイバー入射面２０での照度分布が中抜けとなってしまうので射出端では照度むらが発生しやすくなる。この照度むらは、結像面６上での照度むらにそのままつながるので、図１の照明光学系を露光装置に用いた際には、最終的に露光される回路パターンの線幅が不均一になり、高精細な露光が行えなくなるおそれがあった。これは、ファイバーの束ね方をランダムにすることで幾分は回避できるが、本実施形態ではこの点をより積極的に改善したものである。本実施形態ではオプチカルロッド２２の作用により均一な照度分布の光束をファイバー束に伝達することができ、その結果、結像面６での照度むらを大幅に低減することができる。
【００２５】
なお、本実施形態の変換光学系１２は第１の実施形態におけるそれと同じ構成であるが、図４に示した第２の実施形態の配光分布変換光学系と同じ構成でもよい。
【００２６】
（第４の実施形態）
図７は第４の実施形態の照明光学系の概略構成図である。これまでの実施形態では、光源として水銀ランプと楕円ミラーの組み合わせを取り上げたが、本実施形態では２つのレーザー４０、４１を光源として、それらによって供給される光束をオプチカルロッドに斜入射で導く光学システムに第１の実施形態の配光分布変換光学系を用いている。
【００２７】
オプチカルロッドは全反射により光を伝達する光学部材であるが、入射する光束のＮＡが大きすぎると全反射せずに光がロッド側面から漏れ出してしまう。これを避けるため、配向分布変換光学系１２をロッド４２の入射側に配置し、ロッド４２に入射する光束のＮＡを中心よりに変換する。本実施形態の場合、配光分布変換光学系１２を構成するフィールドレンズ１０とコリメーターレンズ１１の距離は互いの焦点距離から多少ずれても入射光がロッドを全反射で伝達する範囲なら許容しうる。
【００２８】
（第５の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態とは異なる形態の配光分布変換光学系を開示し、それ以外の構成は第１の実施形態と同様である。図１７は本実施形態の配光分布変換光学系の概略構成図である。
【００２９】
本実施形態の配光分布変換光学系が第１の実施形態と異なる点は、楕円ミラー２の第２焦点面位置３に公知のハエの目レンズ３１を配した点である。このハエの目レンズ３１の射出面をその後方に配されたコンデンサーレンズ３２の前側焦点面に配置し、コンデンサーレンズ３２の後側焦点面にファイバー入射面２０を配置している。このような構成により、第２焦点面３とファイバー入射面２０上で、図１７に示すような照度分布と配光分布を得ることができる。すなわち、ハエの目レンズ３１の入射面（第２焦点面３）でガウス状を呈していた照度分布ａはハエの目レンズ３１の作用によりファイバー入射面２０上では均一な分布ｂに変換される。同時にハエの目レンズ３１の入射面（第２焦点面３）で中抜け状を呈していた配光分布ｃはファイバー入射面２０上ではガウス状分布ｂに変換され、本発明の目的が達成される。
【００３０】
（第６の実施形態）
図８は第６の実施形態を説明するための図である。本実施形態は、第１〜第５の実施形態に示した照明光学系を半導体デバイス等製造用の露光装置に搭載したシステムである。図８において、３０は前述の照明光学系であり結像面６、もしくはその共役面に置かれたマスク３１を均一に照明する。３２は投影光学系であり、マスク３１上に形成された回路パターンをレジストが塗布されたウエハー３２に露光転写する。
【００３１】
本実施形態において、投影光学系３２には図１１に示した等倍型ミラー走査光学系を用いてもよいし、ステッパー用縮小投影レンズでも良い。また縮小型ステップアンドスキャン方式の露光装置の照明光学系に適用してもよい。
【００３２】
このように、本発明の照明光学系を露光装置に適用した場合、以下のような長所がある。図３に示した照明光の配光分布は保存されながら照明光学系３０を射出し、マスク３１面上を照明する。そして、マスク３１面上を通過して（光束の一部がマスク回折光となって）、投影光学系３２の瞳面３３に達する。この瞳面３３上では、マスク３１面上の配光分布がそのまま照度分布となる。この分布を通称有効光源と呼ぶ。この有効光源形状が焼き付けパターンの解像性能を大きく左右することは広く知られている。そして、図３のようにガウス状で投影光学系３２の光軸（ＮＡ＝０）付近に光強度が強い分布（小シグマ）の場合、パターンによっては解像深度が広がる傾向にある。むろん、照明光学系３０が持つ高い照明効率が維持されるのは言うまでもない。
【００３３】
これまでの実施形態において照明光の仕様波長としてはｉ線、ｈ線、ｇ線といった３５０〜４５０ｎｍ付近の波長を取り上げ、ファイバーの硝材はこれらの波長に対して透過率の高い石英材を用いていた。しかしながら、本発明の及ぶ所はこれに限らず、可視光や赤外線のようなより長波長の光で、ファイバー自体も多成分ガラスで生成されていても良い。この場合、ファイバーの伝播特性としては全反射型に限らず、分布屈折率型のものも使用できるが、やはり全反射型のファイバーと同様の課題が存在する。なぜなら、伝播配向角に限界があるという点では全反射型のファイバーとなら相違ないからである。また、２００ｎｍ以下の遠紫外光に対しても同様である。
【００３４】
（第７の実施形態）
次に第６の実施形態で説明した露光装置を利用した半導体デバイスの製造方法の実施形態を説明する。図９は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＥ等の半導体チップ、あるいは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造のフローを示す。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む、ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【００３５】
図１０は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では上記説明した露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジすと剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【００３６】
本実施形態の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを製造することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光源からの光束を有効に利用した照明光学系が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の照明光学系の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態の配光分布変換光学系の詳細を説明するための図である。
【図３】第１の実施形態においてファイバー束への入射配光分布を示した図である。
【図４】第２の実施形態の配光分布変換光学系の概略構成図である。
【図５】第２の実施形態においてファイバー束への入射配光分布を示した図である。
【図６】第３の実施形態の照明光学系の概略構成図である。
【図７】第４の実施形態の照明光学系の概略構成図である。
【図８】第６の実施形態の露光装置の概略構成図である。
【図９】半導体デバイスの製造工程を示す図である。
【図１０】図９の工程中のウエハプロセスの詳細を示す図である。
【図１１】従来の一括型走査露光装置の概略構成図である。
【図１２】図１１の装置の照明領域の説明図である。
【図１３】従来のファイバー束を用いた照明光学系の概略構成図である。
【図１４】従来のファイバー束を用いた照明光学系の概略構成図である。
【図１５】超高圧水銀ランプの配光分布を示した図である。
【図１６】従来のファイバー束への入射配光分布を示した図である。
【図１７】第５の実施形態の配向分布変換光学系の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 水銀ランプ
２ 楕円ランプ
３ 第２焦点面
４ ファイバー束
５ 集光光学系
６ 結像面
１０ フィールドレンズ
１１ コリメーターレンズ
１２ 配光分布変換光学系
Claims (15)
- 光源からの光束を用いて光源像を形成する光源像形成手段と、前記光源像の照度分布を所定面における配光分布に変換する配光分布変換光学系と、前記所定面を実質的な入射面とする全反射型の光伝達素子と、前記光伝達素子からの光束を用いて被照射面上に照明領域を形成する集光光学系と、を備え、
前記配光分布変換光学系は、焦点距離の等しい第１のレンズユニットと第２のレンズユニットを有し、２つのレンズユニットの主点間距離が該焦点距離と等しくなるよう配置するとともに、前記第１のレンズユニットの入射瞳を前記光源像に、前記第２のレンズユニットの射出瞳を前記所定面に実質的に一致させたことを特徴とする照明光学系。 - 光源からの光束を用いて光源像を形成する光源像形成手段と、前記光源像の照度分布を所定面における配光分布に変換する配光分布変換光学系と、前記所定面を実質的な入射面とする全反射型の光伝達素子と、前記光伝達素子からの光束を用いて被照射面上に照明領域を形成する集光光学系と、を備え、
前記配光分布変換光学系は、オプチカルロッドとレンズユニットを有し、前記オプチカルロッドの入射面を前記光源像に、前記レンズユニットの一方の焦点位置を前記オプチカルロッドの射出面に、他方の焦点位置を前記所定面に実質的に一致させたことを特徴とする照明光学系。 - 前記光源像の照度分布は、周辺に比して光軸近傍の強度が大きいことを特徴とする請求項１又は２記載の照明光学系。
- 前記光伝達素子は光ファイバー束であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の照明光学系。
- 前記光ファイバー束は、入射面が正方形又は矩形、射出面が円弧形状であることを特徴とする請求項４記載の照明光学系。
- 光源からの光束を用いて光源像を形成する光源像形成手段と、前記光源像の照度分布を所定面における配光分布に変換する配光分布変換光学系と、前記所定面を実質的な入射面とする光ファイバー束と、前記光ファイバー束からの光束を用いて被照射面上に照明領域を形成する集光光学系と、を備え、
前記配光分布変換光学系は、焦点距離の等しい第１のレンズユニットと第２のレンズユニットを有し、２つのレンズユニットの主点間距離が該焦点距離と等しくなるよう配置するとともに、前記第１のレンズユニットの入射瞳を前記光源像に、前記第２のレンズユニットの射出瞳を前記所定面に実質的に一致させたことを特徴とする照明光学系。 - 光源からの光束を用いて光源像を形成する光源像形成手段と、前記光源像の照度分布を所定面における配光分布に変換する配光分布変換光学系と、前記所定面を実質的な入射面とする光ファイバー束と、前記光ファイバー束からの光束を用いて被照射面上に照明領域を形成する集光光学系と、を備え、
前記配光分布変換光学系は、オプチカルロッドとレンズユニットを有し、前記オプチカルロッドの入射面を前記光源像に、前記レンズユニットの一方の焦点位置を前記オプチカルロッドの射出面に、他方の焦点位置を前記所定面に実質的に一致させたことを特徴とする照明光学系。 - 前記光源像の照度分布は、周辺に比して光軸近傍の強度が大きいことを特徴とする請求項６又は７記載の照明光学系。
- 前記光ファイバー束は、入射面が正方形又は矩形、射出面が円弧形状であることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項記載の照明光学系。
- 前記光ファイバー束は、全反射型又は分布屈折率型の光ファイバー束であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか一項記載の照明光学系。
- 異なる角度で入射する複数の光束の配光分布を所定面における照度分布に変換する配光分布変換光学系と、該所定面を実質的な入射面とする全反射型の光伝達素子と、該光伝達素子からの光束を用いて被照射面上に照明領域を形成する集光光学系とを有することを特徴とする照明光学系。
- 前記光伝達素子はオプチカルロッドであることを特徴とする請求項１１記載の照明光学系。
- 前記複数の光束は複数のレーザー光源によって供給されることを特徴とする請求項１１又は１２記載の照明光学系。
- 請求項１乃至１３のいずれか一項記載の照明光学系と、前記照明光学系によって照明される原板のパターンを基板上に投影する投影光学系と、を有することを特徴とする露光装置。
- 請求項１４記載の露光装置を用いて基板を露光する工程を有することを特徴とするデバイス製造方法。
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