JP7492889B2

JP7492889B2 - Light source device and exposure device

Info

Publication number: JP7492889B2
Application number: JP2020156944A
Authority: JP
Inventors: 信夫金井; 一秀太田; 友彦本多
Original assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2020-09-18
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2024-05-30
Anticipated expiration: 2040-09-18
Also published as: JP2022050812A

Description

本発明は、光源装置に関し、特に、インテグレータ等の光学素子に対する照明光の入射に関する。 The present invention relates to a light source device, and in particular to the incidence of illumination light on optical elements such as integrators.

プロジェクタや露光装置などに使用される光源装置として、放電ランプとリフレクタから成るランプユニットで構成される光源装置が知られている。放電ランプから放射された光は、リフレクタに反射し、光学素子（集光レンズ、ロッドレンズ、フライアイレンズなどのインテグレータ）を含む照明光学系へ導かれる。照明光は、インテグレータによって照度均一化され、コリメータレンズによって平行光となり、ＤＭＤなどの光変調素子アレイ、ワークなどに照射される。 A light source device consisting of a lamp unit made up of a discharge lamp and a reflector is known as a light source device used in projectors, exposure devices, etc. Light emitted from the discharge lamp is reflected by the reflector and guided to an illumination optical system including optical elements (integrators such as a focusing lens, rod lens, and fly-eye lens). The illumination light has its illuminance homogenized by the integrator, and is collimated by the collimator lens, and is irradiated onto a light modulation element array such as a DMD, a workpiece, etc.

放電ランプは経年変化によって電極先端が摩耗し、点灯時間の経過とともにインテグレータに入射する光の割合が減少することで照度の低下が生じる。これを防ぐため、複数のランプユニットを備えた多灯式光源装置において、インテグレータ入射面よりも広い照射エリアをもつ光を、インテグレータに入射させる（特許文献１参照）。 As discharge lamps age, the electrode tips wear down, and as the lamp is turned on, the proportion of light that enters the integrator decreases, causing a drop in illuminance. To prevent this, in a multi-lamp light source device equipped with multiple lamp units, light with a wider illumination area than the integrator entrance surface is made to enter the integrator (see Patent Document 1).

特開２００９－３０２２１８号公報JP 2009-302218 A

プロジェクタ、露光装置などに設置される光源装置では、ハロゲンサイクルの良好な発現、交流型放電ランプを使用した場合の電極消耗の抑制などの理由により、ランプ軸が略水平方向に沿うように光源装置を設置することが要求される。そのため、リフレクタは、その開口端が略鉛直方向に沿うように保持される。 Light source devices installed in projectors, exposure devices, etc. are required to be installed so that the lamp axis is approximately horizontal for reasons such as good performance of the halogen cycle and suppression of electrode wear when using AC discharge lamps. Therefore, the reflector is held so that its open end is approximately vertical.

ランプ点灯中、リフレクタが熱膨張すると、リフレクタの保持構造などに起因して、リフレクタ中心軸が鉛直方向に沿って変動する。その結果、ランプ点灯直後と、ランプ安定点灯時などの温度環境の相違によって、インテグレータへ入射する光の光束断面（照射パターン）が変化し、照明光の一部がインテグレータ入射面に入射せず、照明効率が低下してしまう。 When the reflector thermally expands while the lamp is on, the reflector's central axis moves vertically due to factors such as the reflector's holding structure. As a result, the cross section of the light beam (irradiation pattern) entering the integrator changes due to differences in the temperature environment between immediately after the lamp is turned on and when the lamp is lit stably, and part of the illumination light does not enter the integrator entrance surface, reducing the illumination efficiency.

したがって、ランプ点灯状況に関わらず、照明効率の低下を抑制したインテグレータ入射面への照明光入射を可能にする光源装置が求められる。 Therefore, there is a need for a light source device that allows illumination light to be incident on the integrator entrance surface while suppressing a decrease in illumination efficiency, regardless of the lamp lighting status.

本発明の一態様である光源装置は、ランプと、その開口端が鉛直方向に沿うように位置合わせされ、ランプから放射された照明光を反射する凹面反射鏡とを備える。凹面反射鏡は、例えば楕円面や放物面の反射鏡で構成可能である。単一のランプで構成することや、ランプと凹面反射鏡とによってそれぞれ構成される複数のランプユニットを列状に並んで配置することも可能である。 The light source device according to one aspect of the present invention comprises a lamp and a concave reflector whose open end is aligned vertically and which reflects the illumination light emitted from the lamp. The concave reflector can be, for example, an ellipsoidal or parabolic reflector. It can be made up of a single lamp, or it can be made up of multiple lamp units, each of which is made up of a lamp and a concave reflector, arranged in a row.

照明光は、凹面反射鏡の中心軸に沿って進行し、照明光の進行方向に配置される光学素子に入射する。光学素子は、例えばインテグレータなどによって構成可能である。また、照明光は、入射面のサイズに応じた光束で入射するように構成されている。すなわち、照明光が光学素子入射面よりはるかに大きい照射エリアや、照明光が入射面のごく一部にだけ入射するような照射エリアをもつのでなく、光源からの照明光をできる限りロスしないように、光学素子入射面サイズに合わせた光束の照明光が光学素子に入射する。 The illumination light travels along the central axis of the concave reflector and enters an optical element that is positioned in the direction of travel of the illumination light. The optical element can be configured, for example, as an integrator. The illumination light is configured to enter with a luminous flux that corresponds to the size of the entrance surface. In other words, the illumination light does not have an illumination area that is much larger than the entrance surface of the optical element, or an illumination area where the illumination light is only incident on a small part of the entrance surface, but rather, the illumination light enters the optical element with a luminous flux that matches the size of the entrance surface of the optical element so as to minimize loss of illumination light from the light source.

本発明では、光学素子の入射面において、照明光の光束断面が、鉛直方向に応じたラインに沿って照射エリアが拡がるように、円状から歪んだ形になっている。歪みの程度、方向などは様々に構成可能であり、例えば、ラインの一方向側へ照射エリアが拡がるように、歪ませることができる。また、ラインの一方向側へ照射エリア端が延びるように、歪ませることができる。 In the present invention, the cross section of the illuminating light beam at the incident surface of the optical element is distorted from a circular shape so that the illuminated area expands along a line corresponding to the vertical direction. The degree and direction of the distortion can be configured in various ways. For example, the illuminated area can be distorted so that it expands to one side of the line. Also, the illuminated area can be distorted so that the end of the illuminated area extends to one side of the line.

例えば、ランプが、一対の電極を備えた放電ランプであり、凹面反射鏡が、楕円面または放物面の反射鏡である場合、電極間中心が、凹面反射鏡の焦点に対し、一方の軸に沿った方向にオフセットするとともに、凹面反射鏡の開口端とは反対側の底部側に反射鏡中心軸に沿ってオフセットするように、放電ランプが配置されている。一方の軸に沿ったオフセット量ΔＹと、反射鏡中心軸に沿ったオフセット量ΔＺは、０．２≦ΔＹ／ΔＺ≦４を満たすように定めることができる。 For example, if the lamp is a discharge lamp with a pair of electrodes and the concave reflector is an ellipsoidal or parabolic reflector, the discharge lamp is positioned so that the center between the electrodes is offset in a direction along one axis from the focal point of the concave reflector, and is offset along the reflector's central axis to the bottom side opposite the opening end of the concave reflector. The offset amount ΔY along one axis and the offset amount ΔZ along the reflector's central axis can be determined to satisfy 0.2≦ΔY/ΔZ≦4.

一方、本発明の他の態様である光源装置は、ランプと、円状の開口端を形成し、ランプから放射された照明光を、反射鏡中心に沿った方向へ導く凹面反射鏡とを備え、照明光は、光学素子の入射面に対し、入射面のサイズに応じた光束で入射する。そして、反射鏡中心軸に垂直な光学素子の入射面において、照明光の光束断面が、照明光の進行方向に沿った反射鏡中心軸との交点を通る所定のラインに沿って照射エリアが拡がるように、歪んでいる。 Meanwhile, a light source device according to another aspect of the present invention includes a lamp and a concave reflector that forms a circular opening end and directs the illumination light emitted from the lamp in a direction along the center of the reflector, and the illumination light is incident on the entrance surface of the optical element with a luminous flux according to the size of the entrance surface. Then, on the entrance surface of the optical element that is perpendicular to the central axis of the reflector, the cross section of the luminous flux of the illumination light is distorted so that the illuminated area expands along a predetermined line that passes through the intersection with the central axis of the reflector along the traveling direction of the illumination light.

本発明の一態様である露光装置は、上記光源装置と、上記光学素子を含む照明光学系とを備え、反射鏡中心軸が、水平方向に沿うように、または水平方向に対し所定角度の範囲内で傾斜するように、光源装置が設置されている。 An exposure apparatus according to one aspect of the present invention includes the above-mentioned light source device and an illumination optical system including the above-mentioned optical element, and the light source device is installed so that the central axis of the reflector is aligned along the horizontal direction or inclined within a predetermined angle range relative to the horizontal direction.

本発明によれば、ランプ点灯状況に関わらず、照明効率の低下を抑制したインテグレータ入射面への照明光入射を可能にすることができる。 The present invention makes it possible to allow illumination light to be incident on the integrator entrance surface while suppressing a decrease in illumination efficiency, regardless of the lamp lighting status.

第１の実施形態である光源装置を備えた露光装置の概略的ブロック図である。1 is a schematic block diagram of an exposure apparatus equipped with a light source device according to a first embodiment. 光源装置の概略的断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a light source device. 図２の放電ランプ付近を部分的に拡大した図である。FIG. 3 is a partially enlarged view of the vicinity of the discharge lamp in FIG. 2. インテグレータの入射面に入射する照明光の照射パターンを示した図である。4 is a diagram showing an irradiation pattern of illumination light incident on an entrance surface of an integrator. FIG. 図４とは異なる照射パターンを示した図である。FIG. 5 is a diagram showing an irradiation pattern different from that shown in FIG. 4. 放電ランプをオフセット配置しない場合の照射パターンを示した図である。FIG. 13 is a diagram showing an irradiation pattern when the discharge lamps are not arranged offset. 第２の実施形態である露光装置を示した図である。FIG. 13 is a diagram showing an exposure apparatus according to a second embodiment.

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。 Below, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、第１の実施形態である光源装置を備えた露光装置の概略的ブロック図である。 Figure 1 is a schematic block diagram of an exposure device equipped with a light source device according to the first embodiment.

露光装置１０は、ここでは、フォトマスク１４を用いてパターン光を基板Ｗに投影するコンタクト露光装置として構成されている。露光装置１０は、光源装置２０と、露光ヘッド１１を備え、コントローラ１５によって制御される光源駆動部１９によって点灯する。露光ヘッド１１は、照度を均一化するインテグレータ１３を含む照明光学系１２と、フォトマスク１４とを備える。 Here, the exposure apparatus 10 is configured as a contact exposure apparatus that projects pattern light onto the substrate W using a photomask 14. The exposure apparatus 10 includes a light source device 20 and an exposure head 11, and is turned on by a light source driver 19 controlled by a controller 15. The exposure head 11 includes an illumination optical system 12 including an integrator 13 that uniforms the illuminance, and a photomask 14.

光源装置２０から出射した光は、照明光学系１２を通り、フォトマスク１４に入射する。フォトマスク１４を通った光は、露光ステージ１８の基板Ｗに投影される。これによって、基板Ｗに所定のパターンが形成される。 The light emitted from the light source device 20 passes through the illumination optical system 12 and is incident on the photomask 14. The light that passes through the photomask 14 is projected onto the substrate W on the exposure stage 18. This forms a predetermined pattern on the substrate W.

露光装置１０では、高照度モード、低照度モードを設定可能であり、ユーザによって高照度モードが設定されると、放電ランプ３０に対して高電力が入力され、低照度モードが設定されると、低電力が入力させる。なお、露光装置１０は、マスクレス露光装置、投影露光装置として構成することも可能である。 In the exposure apparatus 10, a high-illuminance mode and a low-illuminance mode can be set. When the high-illuminance mode is set by the user, high power is input to the discharge lamp 30, and when the low-illuminance mode is set, low power is input. The exposure apparatus 10 can also be configured as a maskless exposure apparatus or a projection exposure apparatus.

図２は、光源装置２０の概略的断面図である。図３は、図２の放電ランプ３０付近を部分的に拡大した図である。 Figure 2 is a schematic cross-sectional view of the light source device 20. Figure 3 is a partially enlarged view of the vicinity of the discharge lamp 30 in Figure 2.

光源装置２０は、放電ランプ３０、凹面反射鏡４０から成るランプユニットで構成され、ここでは１つのランプユニットで構成されている。放電ランプ３０は、例えば交流型の高圧もしくは超高圧水銀ランプであり、発光管３３内に一対の電極３２、３４を備えている。放電ランプ３０の発光管３３両端には、封止管３６、３８が一体的に形成され、封止管３８が保持部材６０によって軸支または保持されている。 The light source device 20 is composed of a lamp unit consisting of a discharge lamp 30 and a concave reflector 40, and in this case is composed of one lamp unit. The discharge lamp 30 is, for example, an AC type high pressure or ultra-high pressure mercury lamp, and is provided with a pair of electrodes 32, 34 inside the light emitting tube 33. Sealing tubes 36, 38 are integrally formed on both ends of the light emitting tube 33 of the discharge lamp 30, and the sealing tube 38 is supported or held by a holding member 60.

凹面反射鏡４０は、放電ランプから放射された光（以下、照明光という）を、反射鏡中心軸Ｚに沿って照明光学系１２側へ導くリフレクタであり、ここでは断面楕円状の楕円反射鏡として構成されている。円状の開口端４０Ａから出射した照明光は、照明光学系１２のインテグレータの入射面１３Ａに入射する。 The concave reflector 40 is a reflector that guides the light emitted from the discharge lamp (hereinafter referred to as illumination light) toward the illumination optical system 12 along the reflector central axis Z, and is configured here as an elliptical reflector with an elliptical cross section. The illumination light emitted from the circular opening end 40A is incident on the entrance surface 13A of the integrator of the illumination optical system 12.

反射鏡中心軸Ｚは、照明光の光軸としてインテグレータ１３の入射面１３Ａに対し垂直であり、照明光は、入射面１３Ａに対してそのエリアサイズに相当する光束で入射する。なお、凹面反射鏡４０とインテグレータ１３との間に折り返しミラーなどを設けてもよい。また、凹面反射鏡４０は、放物面反射鏡として構成することもできる。 The reflector central axis Z is perpendicular to the incident surface 13A of the integrator 13 as the optical axis of the illumination light, and the illumination light is incident on the incident surface 13A with a luminous flux equivalent to its area size. A folding mirror or the like may be provided between the concave reflector 40 and the integrator 13. The concave reflector 40 may also be configured as a parabolic reflector.

凹面反射鏡４０は、放電ランプ３０におけるハロゲンサイクルの良好な発現、交流型放電ランプ３０の電極消耗防止などの理由により、凹面反射鏡４０の中心軸（以下、反射鏡中心軸という）Ｚが水平方向に沿うようにホルダ５０に固定されている。ホルダ５０は、開口端４０Ａ側に応じた開口部５０Ａを有し、開口端４０Ａ側を向く表面（ここでは、基準面という）５０Ｓが鉛直方向に沿うように、装置内で固定されている。 The concave reflector 40 is fixed to the holder 50 so that the central axis Z of the concave reflector 40 (hereinafter referred to as the reflector central axis) is horizontal, for reasons such as favorable expression of the halogen cycle in the discharge lamp 30 and prevention of electrode wear in the AC discharge lamp 30. The holder 50 has an opening 50A corresponding to the opening end 40A side, and is fixed within the device so that the surface (herein referred to as the reference surface) 50S facing the opening end 40A side is vertical.

凹面反射鏡４０は、その開口端４０Ａが基準面５０Ｓと当接し、基準面５０Ｓに設けられた環状凸部５２に対して嵌合し、反射鏡底部側から基準面５０Ｓ側へ作用する力を受けて固定されている。その結果、凹面反射鏡４０の開口端４０Ａは、鉛直方向に沿っている。 The concave reflector 40 has its opening end 40A in contact with the reference surface 50S, fits into the annular protrusion 52 provided on the reference surface 50S, and is fixed by a force acting from the bottom side of the reflector toward the reference surface 50S. As a result, the opening end 40A of the concave reflector 40 is aligned vertically.

ランプ点灯時に凹面反射鏡４０が熱膨張するため、環状の凸部５２の径サイズは、凹面反射鏡４０の開口端４０Ａのサイズより大きく定められている。そのため、凹面反射鏡４０をホルダ５０に嵌合したとき、開口端４０Ａは凸部５２の下側端部５２Ｂと当接する一方、凸部５２の上側端部５２Ａとの間に隙間ＳＢが生じている。 Because the concave reflector 40 thermally expands when the lamp is turned on, the diameter size of the annular protrusion 52 is set to be larger than the size of the opening end 40A of the concave reflector 40. Therefore, when the concave reflector 40 is fitted into the holder 50, the opening end 40A abuts against the lower end 52B of the protrusion 52, while a gap SB is created between the opening end 40A and the upper end 52A of the protrusion 52.

本実施形態では、放電ランプ３０の電極間中心Ｃは、凹面反射鏡４０の焦点Ｃ０に位置せず、反射鏡中心軸Ｚと、焦点Ｃ０を通る鉛直方向（基準面５０Ｓ）に沿った軸（以下、垂直方向軸という）Ｙとに対して、オフセットしている。 In this embodiment, the center C between the electrodes of the discharge lamp 30 is not located at the focal point C0 of the concave reflector 40, but is offset with respect to the reflector central axis Z and the axis Y (hereinafter referred to as the vertical axis) along the vertical direction (reference plane 50S) passing through the focal point C0.

具体的には、垂直方向軸Ｙに沿って下方側へΔＹ分だけオフセットするとともに、凹面反射鏡４０の開口端４０Ａとは逆側（底部側）に反射鏡中心軸Ｚに沿ってΔＺ分だけオフセットしている。そのため、放電ランプ３０のランプ軸Ｅは、反射鏡中心軸Ｚより下方に位置する。焦点Ｃ０を通り、垂直方向軸Ｙに垂直な（紙面に垂直な）Ｘ軸に関しては、オフセットしていない。 Specifically, it is offset downward by ΔY along the vertical axis Y, and offset by ΔZ along the reflector central axis Z to the opposite side (bottom side) of the opening end 40A of the concave reflector 40. Therefore, the lamp axis E of the discharge lamp 30 is located below the reflector central axis Z. There is no offset with respect to the X-axis that passes through the focal point C0 and is perpendicular to the vertical axis Y (perpendicular to the paper).

オフセット量ΔＹ、ΔＺは、凹面反射鏡４０の材質、サイズなどに応じて定められる。ここでは、０．２≦ΔＹ／ΔＺ≦４を満たすようにΔＹ、ΔＺが定められている。例えばΔＹ、ΔＺは、ΔＹ／ΔＺ＝１を満たす、すなわち同じオフセット量に設定される。 The offset amounts ΔY and ΔZ are determined according to the material, size, etc. of the concave reflecting mirror 40. Here, ΔY and ΔZ are determined so as to satisfy 0.2≦ΔY/ΔZ≦4. For example, ΔY and ΔZ are set to satisfy ΔY/ΔZ=1, i.e., to the same offset amount.

このような凹面反射鏡４０に対する放電ランプ３０のオフセット配置により、インテグレータ１３の入射面１３Ａに入射する照明光の光量を、高照度モード、低照度モードいずれにおいても低下させず、照度低下を抑制可能としている。以下、これについて詳述する。 By offsetting the discharge lamp 30 from the concave reflector 40 in this way, the amount of illumination light incident on the incident surface 13A of the integrator 13 is not reduced in either the high-illuminance mode or the low-illuminance mode, making it possible to suppress a reduction in illuminance. This will be described in more detail below.

図４は、インテグレータ１３の入射面１３Ａに入射する照明光の光束断面の形状（以下では、照射パターンともいう）を示した図である。図５は、図４とは異なる照射パターンを示した図である。図６は、放電ランプ３０をオフセット配置しない（電極間中心Ｃを焦点Ｃ０に一致させる）場合の照射パターンを示した図である。まず、図６の従来の放電ランプ３０の配置に基づくランプ点灯時の凹面反射鏡４０の熱膨張、および照明光の光束の歪みについて説明する。 Figure 4 shows the cross-sectional shape of the luminous flux of illumination light incident on the incident surface 13A of the integrator 13 (hereinafter also referred to as the irradiation pattern). Figure 5 shows an irradiation pattern different from that of Figure 4. Figure 6 shows an irradiation pattern when the discharge lamp 30 is not offset (the center C between the electrodes is aligned with the focal point C0). First, the thermal expansion of the concave reflector 40 when the lamp is turned on and the distortion of the luminous flux of the illumination light based on the conventional arrangement of the discharge lamp 30 in Figure 6 will be explained.

インテグレータ１３はロッドレンズなどで構成され、ここでは入射面１３Ａが方形状に形成されている。光源装置２０の円状開口端４０Ａから出射した照明光は、光束断面円状の光束としてインテグレータ１３の入射面１３Ａに入射する。したがって、インテグレータ１３の入射面１３Ａのエリア全体に対して照明光を入射させる場合、入射面１３Ａのエリア四隅１３Ｋ１～１３Ｋ４付近を含む照射パターンを形成する必要がある。 The integrator 13 is composed of a rod lens or the like, and here the incident surface 13A is formed in a square shape. The illumination light emitted from the circular opening end 40A of the light source device 20 is incident on the incident surface 13A of the integrator 13 as a light beam with a circular cross section. Therefore, when illuminating light is incident on the entire area of the incident surface 13A of the integrator 13, it is necessary to form an irradiation pattern that includes the vicinity of the four corners 13K1 to 13K4 of the area of the incident surface 13A.

その一方で、インテグレータ１３の入射面１３Ａから外れて入射しない照明光の光量が多いと、照明効率が低下し、無駄な電力消費を伴う。そのため、入射面１３Ａの中心Ａ０からエリア四隅１３Ｋ１～１３Ｋ４までを径とする光束サイズの照明光を、インテグレータ１３の入射面１３Ａに入射させるのが望ましい。したがって、凹面反射鏡４０などは、照明がインテグレータ１３の入射面１３Ａに応じたサイズの光束で入射するように設計されている。 On the other hand, if a large amount of illumination light does not enter the integrator 13 by deviating from the entrance surface 13A, the illumination efficiency decreases, resulting in unnecessary power consumption. Therefore, it is desirable to have illumination light with a luminous flux size with a diameter from the center A0 of the entrance surface 13A to the four corners 13K1 to 13K4 of the area enter the entrance surface 13A of the integrator 13. Therefore, the concave reflector 40 and the like are designed so that the illumination enters the integrator 13 with a luminous flux size according to the entrance surface 13A of the integrator 13.

ところで、ランプ点灯中、凹面反射鏡４０は熱膨張するが、開口端４０Ａが凸部５２の下端５２Ｂと当接しているため、反射鏡中心軸Ｚが上方に移動するように凹面反射鏡４０全体が全体的に変形し、開口端４０Ａは凸部５２の上端５２Ａと当接して隙間ＳＢ（図１参照）がなくなる。これは、放電ランプ３０のランプ点灯直後からランプ安定点灯時への移行時においても、同様の変形が生じる。その結果、インテグレータ１３の入射面１３Ａに入射する照明光の照射パターンも変化する。 When the lamp is lit, the concave reflector 40 thermally expands, but because the opening end 40A abuts against the lower end 52B of the convex portion 52, the entire concave reflector 40 is deformed as a whole so that the reflector central axis Z moves upward, and the opening end 40A abuts against the upper end 52A of the convex portion 52, eliminating the gap SB (see Figure 1). A similar deformation occurs when the discharge lamp 30 transitions from immediately after the lamp is lit to when the lamp is lit stably. As a result, the irradiation pattern of the illumination light incident on the entrance surface 13A of the integrator 13 also changes.

一般的に、高照度モード、ランプ安定点灯時に合わせて照明効率を最も高めるように、凹面反射鏡４０などが設計される。その場合、ランプ点灯直後、あるいは低照度モードでは、照明光の一部がインテグレータ１３の入射面１３Ａに入射せず、照度低下が生じる。 Generally, the concave reflector 40 and other components are designed to maximize the illumination efficiency in high-illuminance mode and when the lamp is lit steadily. In that case, immediately after the lamp is turned on or in low-illuminance mode, part of the illumination light does not enter the entrance surface 13A of the integrator 13, resulting in a drop in illuminance.

図６では、入射面１３Ａにおける低照度モード（ランプ点灯直後）の照射パターンＣ１と、高照度モード（ランプ安定点灯時）の照射パターンＣ２とを示している。ここでは、入射面１３Ａのエリア中心Ａ０を通り、凹面反射鏡４０の開口端４０Ａの鉛直方向に沿った軸をｙ軸とし、また、エリア中心Ａ０を通りｙ軸に垂直な軸をｘ軸としている。 Figure 6 shows an irradiation pattern C1 in low illuminance mode (immediately after the lamp is turned on) and an irradiation pattern C2 in high illuminance mode (when the lamp is stably turned on) on the incident surface 13A. Here, the axis that passes through the area center A0 of the incident surface 13A and is aligned vertically to the opening end 40A of the concave reflector 40 is the y-axis, and the axis that passes through the area center A0 and is perpendicular to the y-axis is the x-axis.

ｙ軸は、凹面反射鏡４０の焦点Ｃ０を通る鉛直方向に沿ったＹ軸に対応し、ｘ軸はＸ軸に対応する。高照度モード（ランプ安定点灯時）では、反射鏡中心軸Ｚの入射面１３Ａと交差する位置ｃが、エリア中心Ａ０の位置と略一致する。すなわち、円状の照射パターンＣ２の中心位置が、エリア中心Ａ０と略一致する。 The y-axis corresponds to the Y-axis along the vertical direction passing through the focal point C0 of the concave reflector 40, and the x-axis corresponds to the X-axis. In the high-illuminance mode (when the lamp is lit stably), the position c where the reflector central axis Z intersects with the incident surface 13A approximately coincides with the position of the area center A0. In other words, the central position of the circular irradiation pattern C2 approximately coincides with the area center A0.

一方、低照度モード（ランプ点灯直後）では、凹面反射鏡４０の熱膨張の影響が少ないため、反射鏡中心軸Ｚの入射面１３Ａでの交点となる位置ｃ’を中心とした照射パターンＣ１が形成される。照射パターンＣ１の中心は、ｙ軸に沿ってエリア中心Ａ０よりもΔｙだけ下方にシフトしている。 On the other hand, in the low-illuminance mode (immediately after the lamp is turned on), the effect of thermal expansion of the concave reflector 40 is small, so an irradiation pattern C1 is formed with its center at position c', which is the intersection point of the reflector central axis Z on the incident surface 13A. The center of the irradiation pattern C1 is shifted downward by Δy from the area center A0 along the y axis.

低照度モード（ランプ点灯直後）では、入射面１３Ａの一部（特に２つの隅１３Ｋ１、１３Ｋ４付近）において、照明光が入射しない。そのため、基板Ｗに対して必要な露光量を得るためには、低照度モードあるいはランプ点灯直後において、過度な電力供給を行って照度を挙げる必要がある。 In low-illuminance mode (immediately after the lamp is turned on), illumination light is not incident on a portion of the incident surface 13A (particularly near the two corners 13K1 and 13K4). Therefore, in order to obtain the required amount of exposure to the substrate W, it is necessary to increase the illuminance by supplying excessive power in low-illuminance mode or immediately after the lamp is turned on.

一方で、これを防ぐために照射パターンＣ１、Ｃ２の照射エリアサイズをあらかじめ拡大するように設計した場合、入射面１３Ａのエリア全体に照明光が入射するが、入射面１３Ａエリアから外れる照明光の光量が多くなり、照明効率の低下となる。 On the other hand, if the size of the illumination area of the illumination patterns C1 and C2 is designed to be enlarged in advance to prevent this, the illumination light will be incident on the entire area of the entrance surface 13A, but the amount of illumination light that falls outside the entrance surface 13A area will increase, resulting in a decrease in illumination efficiency.

図４では、本実施形態における放電ランプ３０のオフセット配置をした場合の照射パターンを示している。図４に示すように、低照度モード（ランプ点灯直後）、高照度モード（ランプ安定点灯時）いずれにおいても、照射パターンＣ’１、Ｃ’２は、入射面１３Ａのエリア全体を含むパターンとなっている。 Figure 4 shows the irradiation patterns when the discharge lamp 30 in this embodiment is offset. As shown in Figure 4, in both the low illuminance mode (immediately after the lamp is turned on) and the high illuminance mode (when the lamp is lit stably), the irradiation patterns C'1 and C'2 are patterns that include the entire area of the entrance surface 13A.

照射パターンＣ’１、Ｃ’２は、図６の照射パターンＣ１、Ｃ２と比較すると、ｙ軸の正方向に向けてその照射エリア端が拡がるように、すなわちパターン形状が＋ｙ方向へ延びるように歪んでいる。ｙ軸正方向は、凹面反射鏡４０におけるＹ軸正方向、すなわち鉛直方向に対応する。一方、ｘ軸に関し、照射パターンＣ’１、Ｃ’２に歪はなく、ｙ軸に関して対称的なパターン形状となっている。図４では、照射パターンＣ’１、Ｃ’２は卵型に近いパターン形状になっている。 Compared to irradiation patterns C1 and C2 in FIG. 6, irradiation patterns C'1 and C'2 are distorted so that the ends of their irradiation areas expand in the positive direction of the y axis, i.e., the pattern shape extends in the +y direction. The positive y axis direction corresponds to the positive Y axis direction of the concave reflector 40, i.e., the vertical direction. On the other hand, there is no distortion in irradiation patterns C'1 and C'2 with respect to the x axis, and the pattern shape is symmetrical with respect to the y axis. In FIG. 4, irradiation patterns C'1 and C'2 have a pattern shape close to an egg shape.

図５は、別の照射パターンＣ”１、Ｃ”２を示した図である。図４とは異なり、低照度モード（ランプ点灯直後）では、照射パターンＣ”１が入射面１３Ａの隅１３Ｋ１、１３Ｋ４付近の領域を含まず、照明光が入射しない。しかしながら、図６と比較すれば明らかなように、入射しない照明光の光量は抑制されている。一方で、照射パターンＣ”２は、入射面１３Ａの隅１３Ｋ１～１３Ｋ４を含む照射パターンとして形成されている。なお、照射パターンＣ”２に関しても、入射面１３Ａの隅１３Ｋ１、１３Ｋ４付近のエリアに照明光が入射しない場合でも、放電ランプ３０をオフセット配置しない場合に比べて照明効率の低下は抑制される。 Figure 5 shows other irradiation patterns C"1 and C"2. Unlike Figure 4, in the low illuminance mode (immediately after the lamp is turned on), irradiation pattern C"1 does not include the areas near corners 13K1 and 13K4 of the entrance surface 13A, and no illumination light is incident on the area. However, as is clear from a comparison with Figure 6, the amount of illumination light that is not incident is suppressed. On the other hand, irradiation pattern C"2 is formed as an irradiation pattern that includes corners 13K1 to 13K4 of the entrance surface 13A. Note that, even in the case of irradiation pattern C"2, even if no illumination light is incident on the areas near corners 13K1 and 13K4 of the entrance surface 13A, the decrease in illumination efficiency is suppressed compared to the case where the discharge lamp 30 is not offset.

このように本実施形態によれば、インテグレータ１３に照明光を入射させる光源装置２０を備えた露光装置１０において、光源装置２０は、放電ランプ３０と凹面反射鏡４０とを備えたランプユニットで構成される。そして、放電ランプ３０は、凹面反射鏡４０に対し鉛直方向に沿ったＹ軸および反射鏡中心軸Ｚの底部側に沿って、その電極間中心Ｃが焦点Ｃ０からオフセットされている。 Thus, according to this embodiment, in the exposure apparatus 10 equipped with the light source device 20 that causes illumination light to be incident on the integrator 13, the light source device 20 is composed of a lamp unit equipped with a discharge lamp 30 and a concave reflector 40. The discharge lamp 30 has its inter-electrode center C offset from the focal point C0 along the Y axis that is perpendicular to the concave reflector 40 and the bottom side of the reflector central axis Z.

これにより、インテグレータ１３の入射面１３Ａに入射する照射パターンＣ’１、Ｃ’２は、鉛直方向（装置上方向）に応じたｙ軸の＋方向に向けてその照射エリアが拡がるように、円状パターンに対し歪みをもつ照射パターンとなる。このような照射パターンによって、低照度モード（ランプ点灯直後）、高照度モード（ランプ安定点灯時）いずれにおいても、照明効率を低下させることなく、照明光を効果的にインテグレータ１３へ入射させることができる。 As a result, the irradiation patterns C'1 and C'2 incident on the incident surface 13A of the integrator 13 become irradiation patterns that are distorted relative to the circular pattern so that the irradiation area expands in the + direction of the y axis corresponding to the vertical direction (upward direction of the device). With such an irradiation pattern, the illumination light can be effectively incident on the integrator 13 without reducing the illumination efficiency in both the low-illuminance mode (immediately after the lamp is turned on) and the high-illuminance mode (when the lamp is lit stably).

上述したように、オフセット量ΔＹ、ΔＺは、０．２≦ΔＹ／ΔＺ≦４を満たすように定められている。これは、ΔＹに対してΔＺが大きすぎると、照射パターン自体が変形するだけで歪みが小さく、ΔＹに対してΔＺが小さすぎると、極端に歪んだ照射パターンになるためである。 As mentioned above, the offset amounts ΔY and ΔZ are set to satisfy 0.2≦ΔY/ΔZ≦4. This is because if ΔZ is too large relative to ΔY, the irradiation pattern itself will simply deform and the distortion will be small, whereas if ΔZ is too small relative to ΔY, the irradiation pattern will be extremely distorted.

図４～図６では、インテグレータ１３の入射面１３Ａが方形状に形成されているが、代わりに矩形状、円形状にすることも可能である。その場合でも、照射パターンがｙ軸の正方向に向けて歪むことで、同様の効果を得ることができる。 In Figures 4 to 6, the incident surface 13A of the integrator 13 is formed in a square shape, but it can also be rectangular or circular instead. Even in this case, the same effect can be obtained by distorting the irradiation pattern in the positive direction of the y axis.

照射パターンの歪みは、放電ランプ３０のオフセット配置以外によって実現してもよい。例えば、凹面反射鏡の開口端形状を円状でなく変形することによって、照射パターンを歪ませることも可能である。また、照射パターンが楕円状となるような凹面反射鏡を構成してもよい。 The distortion of the irradiation pattern may be achieved by means other than offsetting the discharge lamps 30. For example, it is possible to distort the irradiation pattern by deforming the opening end shape of the concave reflector so that it is not circular. It is also possible to configure a concave reflector so that the irradiation pattern becomes elliptical.

したがって、照射パターンの歪みを、ｙ軸の±両方向へ歪ませて楕円状にすることも可能である。また、ｙ軸に関して非対称な歪を持たせた照射パターンにすることも可能である。 Therefore, it is possible to distort the irradiation pattern in both the positive and negative directions of the y axis to make it elliptical. It is also possible to create an irradiation pattern with asymmetric distortion with respect to the y axis.

図７は、第２の実施形態である露光装置を示した図である。 Figure 7 shows an exposure apparatus according to the second embodiment.

露光装置１０’は、多灯式の光源装置２０’を備え、光源装置２０’は、凹面反射鏡４０と放電ランプ３０から成るランプユニット２０Ｎを複数備えている。複数のランプユニット２０Ｎは、鉛直方向に沿って列状に配置され、各ランプユニット２０Ｎは、第１の実施形態と同様、その開口端が鉛直方向に沿うように、ホルダによって保持されている。 The exposure device 10' is equipped with a multi-lamp light source device 20', which has multiple lamp units 20N each consisting of a concave reflector 40 and a discharge lamp 30. The multiple lamp units 20N are arranged in a row along the vertical direction, and each lamp unit 20N is held by a holder so that its open end is aligned vertically, as in the first embodiment.

光源装置２０’からの照明光は、ミラーＭ１、Ｍ２によって反射し、インテグレータ１３の入射面１３Ａに入射する。このとき、各ランプユニットの照明光がインテグレータ１３の入射面１３Ａに入射する。 The illumination light from the light source device 20' is reflected by mirrors M1 and M2 and enters the entrance surface 13A of the integrator 13. At this time, the illumination light from each lamp unit enters the entrance surface 13A of the integrator 13.

このような多灯式光源装置２０’であっても、照度モード（ランプ点灯直後）、高照度モード（ランプ安定点灯時）において、照射パターンの上端、下端付近のずれが生じる。そのため、第１の実施形態と同様に各放電ランプの電極間中心を凹面反射鏡の焦点に対してオフセットし、照射パターンを鉛直方向に応じた方向に歪ませた照射パターンを各ランプユニットで形成することによって、照明効率の低下を抑制しながらインテグレータ１３の入射面１３Ａに入射させることができる。なお、複数のランプユニット２０Ｎを鉛直方向に並べる代わりに、所定の角度（例えば±２０°の範囲）で傾斜させて固定配置させてもよい。 Even with such a multi-lamp light source device 20', in the illuminance mode (immediately after the lamp is turned on) and in the high illuminance mode (when the lamp is lit stably), there is a shift near the upper and lower ends of the irradiation pattern. Therefore, as in the first embodiment, by offsetting the center between the electrodes of each discharge lamp with respect to the focal point of the concave reflector and forming an irradiation pattern in each lamp unit in which the irradiation pattern is distorted in a direction corresponding to the vertical direction, it is possible to make the light enter the entrance surface 13A of the integrator 13 while suppressing a decrease in illumination efficiency. Note that instead of arranging multiple lamp units 20N vertically, they may be fixedly arranged at an angle (for example, in the range of ±20°) inclined.

第１、第２の実施形態で示した光源装置は、露光装置以外の装置、例えばプロジェクタに適用することも可能である。この場合、放電ランプ３０のオフセット配置方向に合わせて凹面反射鏡４０の開口端の位置決めを行い、固定すればよい。 The light source device shown in the first and second embodiments can also be applied to devices other than exposure devices, such as projectors. In this case, the opening end of the concave reflector 40 can be positioned and fixed in accordance with the offset arrangement direction of the discharge lamp 30.

１０露光装置
１３インテグレータ
２０光源装置
３０放電ランプ
４０凹面反射鏡 REFERENCE SIGNS LIST 10 Exposure device 13 Integrator 20 Light source device 30 Discharge lamp 40 Concave reflecting mirror

Claims

一対の電極を備えた放電ランプと、
その開口端が鉛直方向に沿うように位置合わせされ、前記放電ランプから放射された照明光を反射する、楕円面または放物面の凹面反射鏡とを備え、
前記照明光は、光学素子の入射面に対し、前記入射面のサイズに応じた光束で入射し、
電極間中心が、反射鏡中心軸と、前記凹面反射鏡の焦点を通る鉛直方向に沿った垂直方向軸とに対してオフセットし、
前記光学素子の入射面において、照明光の光束断面が、前記電極間中心が前記凹面反射鏡の焦点と一致している場合の円状光束断面に対して、前記垂直方向軸に応じたラインの鉛直方向に向けて照射エリアが拡がるように、歪んでいることを特徴とする光源装置。 A discharge lamp having a pair of electrodes ;
an ellipsoidal or parabolic concave reflector whose open end is aligned along a vertical direction and which reflects illumination light emitted from the discharge lamp;
the illumination light is incident on an incident surface of an optical element with a luminous flux according to the size of the incident surface;
The center between the electrodes is offset with respect to the central axis of the reflector and a vertical axis along a vertical direction passing through the focal point of the concave reflector,
A light source device characterized in that, at the incident surface of the optical element, the cross section of the illuminating light beam is distorted so that the irradiation area expands in the vertical direction of a line corresponding to the vertical axis, relative to the circular cross section of the illuminating light beam when the center between the electrodes coincides with the focus of the concave reflector .

一対の電極を備えた放電ランプと、
円状の開口端を形成し、前記放電ランプから放射された照明光を、反射鏡中心軸に沿った方向へ導く、楕円面または放物面の凹面反射鏡とを備え、
前記照明光が、光学素子の入射面に対し、前記入射面のサイズに応じた光束で入射し、
電極間中心が、反射鏡中心軸と、前記凹面反射鏡の焦点を通る前記開口端に沿った垂直方向軸とに対してオフセットし、
反射鏡中心軸に垂直な前記光学素子の入射面において、照明光の光束断面が、前記電極間中心が前記凹面反射鏡の焦点と一致している場合の円状光束断面に対して、前記垂直方向軸に応じた所定のラインの一方向側に沿って照射エリアが拡がるように、歪んでいることを特徴とする光源装置。 A discharge lamp having a pair of electrodes ;
a concave reflector having an elliptical or parabolic surface that forms a circular opening end and guides the illumination light emitted from the discharge lamp in a direction along a central axis of the reflector;
the illumination light is incident on an incident surface of an optical element with a luminous flux according to the size of the incident surface,
The center between the electrodes is offset with respect to the reflector central axis and a vertical axis along the open end that passes through the focal point of the concave reflector;
A light source device characterized in that, on the incident surface of the optical element perpendicular to the central axis of the reflector, the cross section of the illuminating light beam is distorted so that the illuminated area expands along one side of a predetermined line corresponding to the vertical axis, relative to the circular cross section of the illuminating light beam when the center between the electrodes coincides with the focal point of the concave reflector.

前記照明光の光束断面が、前記ラインに垂直であって前記入射面の中心を通る垂直ラインに関して非対称であることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。 3. The light source device according to claim 1, wherein a cross section of the luminous flux of the illumination light is asymmetric with respect to a vertical line that is perpendicular to the line and passes through the center of the incidence surface.

前記照明光の光束断面が、前記ラインの鉛直方向または一方向側へ照射エリア端が延びるように、歪んでいることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光源装置。 4. The light source device according to claim 1, wherein a cross section of the illuminating light is distorted so that an end of the illuminated area extends in a vertical direction or in one direction of the line.

前記電極間中心が、前記凹面反射鏡の焦点に対し、前記垂直方向軸の鉛直方向とは逆方向にオフセットするとともに、前記凹面反射鏡の開口端とは反対側の底部側に前記反射鏡中心軸に沿ってオフセットするように、前記放電ランプが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。 2. The light source device according to claim 1, wherein the discharge lamp is arranged so that the center between the electrodes is offset from the focal point of the concave reflector in a direction opposite to the vertical direction of the vertical axis , and is offset along the central axis of the reflector toward the bottom side opposite the opening end of the concave reflector.

オフセット量ΔＹと前記反射鏡中心軸に沿ったオフセット量ΔＺは、０．２≦ΔＹ／ΔＺ≦４を満たすように定められていることを特徴とする請求項５に記載の光源装置。 The light source device according to claim 5, characterized in that the offset amount ΔY and the offset amount ΔZ along the central axis of the reflecting mirror are determined to satisfy 0.2≦ΔY/ΔZ≦4.

前記ランプと前記凹面反射鏡とによってそれぞれ構成される複数のランプユニットが列状に並んで配置され、
前記複数のランプユニットからの照明光が、前記光学素子の入射面に入射することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光源装置。 a plurality of lamp units each including a lamp and a concave reflecting mirror are arranged in a row;
7. The light source device according to claim 1, wherein illumination light from said plurality of lamp units is incident on an incident surface of said optical element.

請求項１乃至７のいずれか記載の光源装置と、
前記光学素子を含む照明光学系とを備え、
前記反射鏡中心軸が、水平方向に沿うように、または水平方向に対し所定角度の範囲内で傾斜するように、前記光源装置が設置されていることを特徴とする露光装置。
A light source device according to any one of claims 1 to 7,
an illumination optical system including the optical element,
1 is a perspective view of an exposure apparatus according to the first embodiment of the present invention; and