JPH11312631A

JPH11312631A - 照明光学装置および露光装置

Info

Publication number: JPH11312631A
Application number: JP10117434A
Authority: JP
Inventors: Masato Shibuya; 眞人渋谷; Osamu Tanitsu; 修谷津
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-04-27
Filing date: 1998-04-27
Publication date: 1999-11-09

Abstract

(57)【要約】【課題】エキシマレーザー光源を使用した場合でも、十
分なコヒーレンシーの低減を行うことのできる照明光学
装置及びそれを用いた露光装置を提供する。【解決手段】微小コヒーレント素光源が多数集まって形
成されたコヒーレント光源と、該コヒーレント光源から
の光束を分割し、分割された一方の光束を遅延光路に廻
し、再び分割した光路に戻す光遅延素子と、を有する照
明光学系において、前記光遅延素子の遅延光路の光路長
を、前記微小コヒーレント素光源の可干渉長以上に設定
する事を特徴とする照明光学装置を提供する。また、こ
の照明光学装置を備えた露光装置及び露光方法を提供す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子を製造
する露光装置に関し、特に露光装置に用いられる照明光
学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の照明光学装置は、例えば、特開平
１−１９８７５９号公報に開示されたものがある。一般
に、レーザー光源の半値幅をΔλ、波長をλとすると、
時間的可干渉長（コヒーレンス長）ｔｃは、ｔｃ＝λ²／Δλ で与えられる。波長λ＝２４８ｎｍで半値幅Δλ＝０．
８ｐｍの場合は時間的コヒーレンス長ｔｃ＝７７ｍｍと
なり、波長λ＝２４８ｎｍで半値幅Δλ＝０．６ｐｍの
場合は時間的コヒーレンス長ｔｃ＝１０３ｍｍになる。
そこで、従来では、図１０に示されるように、光路中
に、ハーフミラー及び反射部材からなる光遅延素子を挿
入することで、コヒーレンス長以上の光路差を設け、可
干渉性（コヒーレンシー）の低減をはかっていた。光遅
延素子は、原理的には遅延光路中を無限回廻って光が出
てくるが、ハーフミラーの反射率や反射部材の反射率等
から、ハーフミラー反射率をを３３％から５０％程度に
設定することが一般的である。この様な反射率に設定す
ることで、１パーセント程度の光エネルギーまで取る
と、光遅延素子をおおむね２回から３回廻って出てくる
光まで使用することが出来る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述の様に、従来で
は、コヒーレンス長として、光源全体のスペクトル分布
から求めた値を用いていた。しかしながら、エキシマレ
ーザー光源を用い、一様な照明を得ようとした場合、上
述の様なコヒーレンシー低減手段を用いても、期待通り
の一様な照明が得られないことが判明した。

【０００４】本発明は、上記の問題点に鑑み、エキシマ
レーザー光源を使用した場合でも、十分なコヒーレンシ
ーの低減を行うことのできる照明光学装置及びそれを用
いた露光装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記目的を
達成するために、微小コヒーレント素光源が多数集まっ
て形成されたコヒーレント光源と、該コヒーレント光源
からの光束を分割し、分割された一方の光束を遅延光路
に廻し、再び分割した光路に戻す光遅延素子と、を有す
る照明光学系において、前記光遅延素子の遅延光路の光
路長を、前記微小コヒーレント素光源の可干渉長以上に
設定する事を特徴とする照明光学装置を提供する。ま
た、この照明光学装置を備えた露光装置及び露光方法を
提供する。

【０００６】更に、本発明では、コヒーレント光源と、
該コヒーレント光源からの光束を分割し、分割された一
方の光束を遅延光路に廻し、再び分割した光路に戻す光
遅延素子と、を有する照明光学系において、前記光遅延
素子は、光束を分割するための光束分割部材と、該光束
分割部材からの光束が入射する反射部材と、を有し、前
記光束分割部材の入射面は、前記反射部材の入射面に対
し直交するように配置されることを特徴とする照明光学
装置をも提供する。

【０００７】

【発明の実施の形態】エキシマレーザーは、スペクトル
分布の半値幅を狭くする為に、回折格子（グレーティン
グ）Ｇを用いている。この様に、グレーティングＧを内
部に有しているレーザー光源の場合には、図９に示すよ
うに、分光部分の射出スリットＳ上（例えば、図９
（ａ）の＋ｐ／２、０、−ｐ／２位置）に、波長分布が
生じる。つまり、分光部分の射出スリット上に形成され
た微小な光源のスペクトル分布が多数集まって、光源全
体のスペクトル分布が形成されている。

【０００８】この様に、微小な素光源が多数集まって形
成されていると考えられる光源の場合で、隣合う微小な
光源が分離して観察できる空間分解能ｐ（これはエキシ
マレーザーの発散角ωからおおよそ推定でき、ｐ〜λ／
ωである）がスリット幅Ｐよりも細かい（小さい）とき
には、可干渉長を、この空間分解能内での波長分布Δλ
ｐから求まる可干渉長ｔｃｐｔｃｐ＝λ²／Δλｐで考える必要がある。（ここで、ｔｃ＜ｔｃｐであ
る。）その理由は、遅延素子によって、このスリットの
像が多数生成されると、遅延の光路長がスリットの全波
長分布から決まる可干渉長ｔｃでしかない場合、各スリ
ット像の任意の空間分解能サイズからの光は互いに干渉
するからである。そしてこの干渉に因って被照射面上に
干渉縞やスペックルを発生する事になる。

【０００９】例えば、従来の技術のところで述べたエキ
シマレーザーの場合、半値幅Δλ＝０．８ｐｍの場合は
ｔｃｐ＝１５４ｍｍとなり、半値幅Δλ＝０．６ｐｍの
場合はｔｃｐ＝２０６ｍｍになる。本発明では、光遅延
素子の遅延光路の光路長を、コヒーレント光源のスリッ
トの空間分解能内の光の波長分布で決まる可干渉長ｔｃ
ｐより長くする事により、または被照射面であるレチク
ルと共役な光源近傍の位置での空間分解能内の光の波長
分布で決まる可干渉長ｔｃｐより長くする事により、照
明むらを無くすことが出来る。

【００１０】尚、上記説明では、分光部分の射出スリッ
ト上に波長分布が生じる、と説明したが、射出光束が波
長分布を生じるような特性となっいればよい。また、上
記説明では、エキシマレーザーを例に採ったが、エキシ
マレーザーのみならず、微視的にコヒーレント素光源が
多数集まって形成された特性のコヒーレント光源であれ
ば、本発明を適用することが有効であり、コヒーレンス
の低減を行うことができる。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明による照明光学装置の基本的
配置の実施例を、図１を参照しながら説明する。ここに
示す実施例の照明光学装置は、光路順に、エキシマレー
ザー１、デポラライザー３、第１の光遅延素子４、第２
の光遅延素子５及びフライアイオプティカルインテグレ
ータ７を配置している。尚、これらの素子の間には、照
明光学装置のチャンバー内の空間を有効に活用するた
め、幾つかミラーが配置されており、光路は折り曲げら
れている。

【００１２】デポラライザー３は、図２に示すように、
偏光ビームスプリッタ３１、３４及び反射ミラー３２、
３３からなっている。偏光ビームスプリッタ３１は入射
光線を、Ｐ偏光及びＳ偏光に分離して射出する。そし
て、Ｐ偏光は、偏光ビームスプリッタ３１、偏光ビーム
スプリッタ３４の順に進行し、Ｓ偏光は、偏光ビームス
プリッタ３１、反射ミラー３２、反射ミラー３３、偏光
ビームスプリッタ３１の順に進行する。ここで、偏光ビ
ームスプリッタ３１及び３４は、石英基板等に薄膜を施
し、入射角がほぼブリュースターアングル５６．５度か
ら、薄膜の設計によっては６５度近傍までなるように傾
けて使用し、主にＳ偏光を反射させＰ偏光を透過させ
る。さらに、反射したＳ偏光を、反射ミラー３１で光路
を光路長が前記のスリットの空間分解能内の波長分布で
きまるコヒーレンス長ｔｃｐ＝１５４ｍｍ以上になる距
離分だけ離してある。そして、Ｓ及びＰの両偏光は、ビ
ームスプリッタ３４で再び同一光路に戻る。

【００１３】このデポラライザー３の働きでＰ偏光とＳ
偏光とは振幅の干渉作用が無くなるが、Ｐ偏光、Ｓ偏光
からそれぞれ派生した円偏光同士、楕円偏光同士も振幅
の干渉が無くなる。そのため、不図示のウエハ上でもデ
ポラライズされた状態が達成できる。デポラライザー３
の調整は、一般には、単体ではオートコリメータを使用
して、角度を合わせている。そのため反射ミラーの表面
にはエキシマ光を反射する反射膜を蒸着し、裏面には可
視光を反射する反射膜を蒸着する。この様な反射膜を蒸
着した反射ミラーを用いることで、従来のように、デポ
ラライザー部分を抜き出して調整し、再び光路中へ戻す
といった工程を無くすことができる。この様に、本実施
例中のデポラライザー３の調整は、光路に配置したまま
オートコリメータによる調整を行うことができる。偏光
度の調整は全体を光軸回りに回転させることで調整す
る。

【００１４】光遅延素子４は、図３（ａ）に示すよう
に、ハーフミラー４１及び３枚の反射ミラー４１、４
２、４３で構成され、ハーフミラー４０を反射した光と
透過した光とで２ｄの光路差が生じるように配置されて
いる。このようにすれば、分割された波連において偏光
を除去でき、コヒーレンシーを低減できるようになるか
らである。また、本実施例では、ハーフミラー４１を最
初に透過する光線を基本光線としている。ここで、ハー
フミラー４１の反射率は、平均で３３％から５０％程度
である。

【００１５】さらに、第２の光遅延素子５は、図３
（ｂ）に示すように、ハーフミラー５１及び３枚の反射
ミラー５２、５３、５３で構成され、６ｄの光路差が生
じるように設定してある。また、第１の光遅延素子４同
様に、ハーフミラー５１を最初に透過する光線を基本光
線としている。このように、第１の光遅延素子４の遅延
光路長と第２の光遅延素子５の遅延光路長とを設定すれ
ば、表２に示すように、９つの分割光において光路差が
同一とならないように出来る。このように、ほぼ光を時
間的に、１パーセント以上の光なら、９分割することで
コヒーレンシーの低減がはかれる。０．１パーセント以
上の光なら、１８分割することが好ましい。

【００１６】

【表１】

【００１７】さらに、図４に示すように、両光遅延素子
の光入射方位を第１と第２とで直交させ、しかも、一回
中を通るたびに角度θが付く様に設定すると、フライア
イ６に入射する光束は、ほぼ１パーセント以上で９つの
光に分割される。これによりエネルギーが低減されるだ
けでなく、ウエハ上でのスペックルをシフトさせる効果
がある。

【００１８】また、ハーフミラーの反射率はＰ偏光入射
とＳ偏光入射とでは異なるため、図５に示す様に、方位
を直交させることで、第１と第２の合成の反射率はＰ偏
光とＳ偏光とでほぼ同じになる。従って、フライアイに
入射する光束の偏光状態はあまり変化しないという効果
もある。さらに、図６に示す様に、直接光ｂと反射光ｃ
及びｄとで光のプロファイルが反転するようにしてある
ので、レーザー光のプロファイルを平均化する効果もあ
る。

【００１９】第１の光遅延素子４及び第２の光遅延素子
５の反射ミラーは、表面に主波長であるエキシマ光を反
射し、裏面には例えば緑色などの可視光を主に反射する
薄膜が蒸着されている。これは、偏角を調整する時にオ
ートコリメーターを使用して調整するようにするため
で、調整時におのおののミラーを振って調整するが、調
整用の工具ミラーなどを用いると、交換する時にずれが
生じ、偏角が狂う恐れがある。エキシマ光と可視光を反
射するミラーを用いることで、交換する必要が無くな
る。

【００２０】また、ＫｒＦエキシマレーザーの場合は、
本願出願時点で、反射ミラーを使用できるが、ＡｒＦレ
ーザーやそれ以下の波長の光源の場合、反射率があまり
高くないので、ミラーを使用できない可能性がある。そ
の場合は、図７に示すように、ミラーの代わりに、蛍石
などの４５度プリズム４５、４６、４７、４８、５５、
５６、５７及び、５８を用いて、全反射を利用して光路
を曲げてやればよい。ここで、図７（ｂ）に示すよう
に、光遅延素子の中にリレーレンズ６１及び６２を配置
すると、角度ずれが生じても性能に大きな影響を与えな
い光学系を構成することができる。また、リレーレンズ
の代わりに、ミラー自身を凹面鏡にして、入り口、出口
を共役にしてやれば、同様に、角度ずれが生じても性能
に大きな影響を与えない光学系を構成することができ
る。

【００２１】更に、詳細な、半導体素子を製造する露光
光装置全体の実施例を以下に示す。図９に示すように、
投影露光装置に配置された照明光学装置の基本配置は前
述の実施例の通りであるが、さらに詳しくは、デポララ
イーザー３と第１の光遅延素子４との間にリレーレンズ
２を設け、第２の光遅延素子６とフライアイオプティカ
ルインテグレータ７との間にエキスパンダー光学系６を
有し、フライアイオプティカルインテグレータ７の射出
側にはコンデンサーレンズ８が配置されている。

【００２２】ここで、エキスパンダー光学系６は、シリ
ンドリカルエキスパンダー及びエキスパンダーから構成
されており、エキシマレーザー１の矩形形状を正方形形
状にしている。また、フライアイオプティカルインテグ
レータ７は、第１フライアイ７１と第２フライアイ７２
とから構成されている。第１フライアイ７１は長方形形
状のフライアイレンズ素子が規則的に配置されたもの
で、第２フライアイ７２は、長方形形状のフライアイレ
ンズ素子が不規則的に配置されたものである。フライア
イオプティカルインテグレータ７を射出した光束は、コ
ンデンサーレンズ８によって、被照射面であるレチクル
９を均一にケーラー照明することになる。そして、投影
対物レンズ１０を介して、露光面であるウエハ１１がレ
チクル９と共役になっており、レチクル９のパターンが
ウエハ１１面上に転写される。そのときの、倍率は、１
／４または１／５が好ましく、実際の露光は、レチクル
９及びウエハ１１を走査して行う。

【００２３】ここで、理想的には、スリットの空間分解
能内の光の波長分布で決まる可干渉長ｔｃｐより長くす
る事が望ましいが、被照射面と共役な光源近傍の位置で
の空間分解能内の光の波長分布で決まる可干渉長ｔｃｐ
より長くする事でも良い。というのは、この共役面での
光源像が遅延素子によって重畳されるので、ここでの可
干渉距離ｔｃｐより長ければ、不要な干渉縞やスペック
ルは発生しないからである。また、ここでの可干渉距離
は、一般にはスリット上での可干渉距離よりも短いと考
えられ、より実際的な構成が達成できる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、本発明により、簡単な構
成でコヒーレンシーの低減を十分にに行える事が出来
る。また、エネルギー密度の低減も十分におこなえるこ
とになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による照明光学装置を示す図で
ある。

【図２】図２は、本発明によるデポーラライザーを説明
した図である。

【図３】図３は、本発明による光遅延素子を説明した図
である。

【図４】図４は、本発明による光遅延素子の作用を説明
した図である。

【図５】図５は、本発明によるハーフミラーを示した図
である。

【図６】図６は、本発明による光遅延素子の作用を説明
した図である。

【図７】図７は、４５度プリズムを用いた実施例を示し
た図である。

【図８】図８は、本発明による露光装置を示した図であ
る。

【図９】図９は、エキシマレーザーの射出光分布を示し
た図である。

【図１０】図１０は、従来例の図である。

【符号の説明】

１エキシマレーザー２リレーレンズ３デポラライザ４第１の光遅延素子５第２の光遅延素子６エキスパンダー光学系７フライアイオプティカルインテグレータ８コンデンサーレンズ９レチクル１０投影対物レンズ１１ウエハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微小コヒーレント素光源が多数集まって形
成されたコヒーレント光源と、該コヒーレント光源からの光束を分割し、分割された一
方の光束を遅延光路に廻し、再び分割した光路に戻す光
遅延素子と、を有する照明光学系において、前記光遅延素子の遅延光路の光路長を、前記微小コヒー
レント素光源の可干渉長以上に設定する事を特徴とする
照明光学装置。
【請求項２】前記光遅延素子は、光束が前記遅延光路を
一周する毎に、射出される光束の偏角を変化させること
を特徴とする請求項１記載の照明光学装置。
【請求項３】前記第１の光遅延素子から射出された光束
の偏角の方向と、前記第２の光遅延素子から射出された
光束の偏角の方向とが、異なることを特徴とする請求項
２記載の照明光学装置。
【請求項４】前記光遅延素子は、偏光ビームスプリッタ
ー及び複数の反射ミラーを有することを特徴とする請求
項１乃至３記載の照明光学装置。
【請求項５】前記デポラライザーのＳ偏光遅延距離をＬ
とすると、前記第１の光遅延素子は２ｎ×Ｌ、第２の光
遅延素子が６ｎ×Ｌ、第ｍ番目の光遅延素子が２×ｍ＾
２×Ｌの遅延光路を有することを特徴とする請求項１乃
至４記載の照明光学装置。
【請求項６】前記第１の光遅延素子は、光束を分割する
ための第１の光束分割部材と、該第１の光束分割部材か
らの光束が入射する第１の反射部材を有し、前記第２の光遅延素子は、光束を分割するための第２の
光束分割部材と、該第２の光束分割部材からの光束が入
射する第２の反射部材を有し、前記第１の光束分割部材の入射面は、前記第１の反射部
材の入射面に対し直交するように配置され、前記第２の光束分割部材の入射面は、前記第２の反射部
材の入射面に対し直交するように配置されることを特徴
とする請求項１乃至５記載の照明光学装置。
【請求項７】前記第１の光束分割部材は、第１のハーフ
ミラーであり、前記第２の光束分割部材は、第２のハー
フミラーであり、前記第１のハーフミラーと前記第２の
ハーフミラーとは、互いに直交するように設置されるこ
とを特徴とする請求項６記載の照明光学装置。
【請求項８】前記偏光ビームスプリッター及び複数の反
射ミラーを有する光遅延素子全体を光軸に対して所望の
角度だけ傾けることにより、Ｐ及びＳ偏光を分離するこ
とを特徴とする請求項１乃至７記載の照明光学装置。
【請求項９】前記反射ミラーは、光線が入射する表面側
に、前記コヒーレント光源の使用波長を主に反射する薄
膜が形成され、裏面側に、別の波長を主に反射する薄膜
が形成されることを特徴とする請求項１乃至８記載の照
明光学装置。
【請求項１０】前記光遅延素子は、石英または蛍石のプ
リズムを有し、全反射を利用して光路を曲げることを特
徴とする請求項１乃至９記載の照明光学装置。
【請求項１１】請求項１乃至１０記載の照明光学装置
と、投影対物レンズと、物体と、基板と、を有すること
を特徴とする露光装置。
【請求項１２】請求項１乃至１０記載の照明光学装置に
よりマスクを照明し、前記マスクを投影光学系を用いて
ウエハ上に投影露光することを特徴とする露光方法。
【請求項１３】紫外線を放射する光源と、該光源からの
光束を折り曲げて、被照射面上へ光束を導くための反射
ミラーを有する照明光学装置の光路調整方法において、前記光源から放射される波長と異なる第２の光源を用
い、前記反射ミラーを微動調整し、微動調整の終了後、前記第２の光源を取り外し、前記紫
外線を放射する光源に置き換え、前記反射ミラーは、光線が入射する表面側に、前記光源
の使用波長を主に反射する薄膜が形成され、裏面側に、
別の波長を主に反射する薄膜が形成されていることを特
徴とする照明光学装置の光路調整方法。
【請求項１４】コヒーレント光源と、該コヒーレント光源からの光束を分割し、分割された一
方の光束を遅延光路に廻し、再び分割した光路に戻す光
遅延素子と、を有する照明光学系において、前記光遅延素子は、光束を分割するための光束分割部材
と、該光束分割部材からの光束が入射する反射部材と、
を有し、前記光束分割部材の入射面は、前記反射部材の入射面に
対し直交するように配置されることを特徴とする照明光
学装置。
【請求項１５】前記光遅延素子は、複数個配置されるこ
とを特徴とする請求項１４記載の照明光学装置。