JPH0744141B2

JPH0744141B2 - 照明光学装置

Info

Publication number: JPH0744141B2
Application number: JP62238225A
Authority: JP
Inventors: 宏一松本; 祐司工藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1987-09-22
Filing date: 1987-09-22
Publication date: 1995-05-15
Anticipated expiration: 2010-05-15
Also published as: JPS6481222A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、レーザーのようなコリメートされた光源を使
って対象物を均一に照明するための照明用光学装置に関
し、特にIC等の半導体素子を製造するための露光装置に
適した照明光学装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、IC等の半導体素子を製造するための露光装置に適
した照明光学装置としては、例えば特開昭56-81813号公
報に開示されているように、楕円鏡と１個の多数光源像
形成手段としてのオプティカルイングレータを用いたも
のや、照明の均一性をより高めるために特開昭58-14770
8号公報に開示される如く、直列配置された２個のオプ
ティカルイングレータを用いたものが知られている。し
かし、これらの照明光学装置においては光源として、超
高圧水銀灯を用いており、短波長域での発光特性が不十
分で光量も小さなものしか得ることが出来ないという欠
点があった。このため、超高圧水銀灯に代わる短波長用
の高出力光源としてレーザーを用いることが提案されて
きている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記のような照明光学装置の光源とし
て、ある種のレーザー（例えば、エキシマレーザー、YA
Gレーザーなと）を用いる場合、レーザーのパワーが非
常に強いため、レンズそのものを破壊したり、レンズ内
部の反射により、ウェハ上にゴースト光が現れる恐れが
あった。

とりわけ両等凸正レンズの組み合わせからなるオプティ
カルインテグレーターを用いた照明光学系においては、
集光点において発する強い熱のためにレンズそのものが
破損する危険性が高かった。即ち、オプティカルイング
レータが、両等凸正レンズの集合体であって、各正レン
ズの後側焦点が射出側レンズ面に一致するように構成さ
れている場合には、射出側レンズ面上に集光点が形成さ
れることになる。このため、光源として大出力のレーザ
ーを用いた場合、オプティカルインテグレータのレンズ
面の破壊を起こす恐れがある。

そこで本発明の目的は、これらの問題点を解消し、レー
ザーのような光強度が非常に強い光源を使用しても、レ
ンズ等の光源素子を破壊する恐れがなく、また照射物体
上で効率よくしかも均一な光強度分布を得ることのでき
る照明光学装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、一実施例の構成を示す第１図に示した如く、
ほぼ平行な光束を供給する光源手段10と、該光源手段か
ら供給される光束から複数の光源像を形成する為の光源
像形成手段１と、前記光源像形成手段からの光束によっ
て所定の物体面を均一照射するためのコンデンサーレン
ズ３とを有する照明光学装置において、前記光源像形成
手段を並列配置された複数のレンズ要素からなるオプテ
ィカルインテグレータで構成したものである。そして、
このオプティカルインテグレータ１の各レンズ要素101
は、その入射側に正の屈折力を有するレンズ面101aを有
すると共に射出側にも正の屈折力を有するレンズ面101b
を有し、該射出側レンズ面の屈折力が該入射側レンズ面
の屈折力よりも大きくなる様に構成し、かつ各レンズ要
素の後側焦点Ｆが該各レンズ要素の射出側レンズ面より
後方に位置するように構成され、その各レンズ要素は、
光源手段からの光束をそれぞれ集光して、各レンズ要素
から前記コンデンサーレンズまでの間の光学部材以外の
外部空間中に、それぞれ光源像を形成する構成としたも
のである。

〔作用〕

このような本発明の構成により、オプティカルインテグ
レータ１に入射する光源手段10からのほぼ平行光束は、
オプティカルインテグレータ１の各レンズ要素の入射側
レンズ面の収斂作用により集光されるが、各レンズ要素
の後側焦点Ｆが該各レンズ要素の射出側レンズ面より後
方に位置するように構成されたものであるため、集光点
は射出レンズ面の後方空間中に位置することになり、集
光点で発する熱のために各レンズ要素を破損する恐れが
ない。また、射出側レンズ面の屈折力が該入射側レンズ
面の屈折力よりも大きくなる様に構成されているため、
光源に大きさがある場合に射出側レンズ面のフィールド
レンズとしての機能が十分に発揮され、後続のコンデン
サーレンズでの照明光のケラレを防止しつつ効率良い照
明を行うことが可能となる。

上記の如き本発明によるオプティカルインテグレータの
個々のレンズ要素の構成について、第２図の断面光路図
に基づいて詳述する。

オプティカルインテグレータを構成する各レンズ要素の
機能としては、まず、入射面に入ってくる平行光束を射
出側にて集光さることが挙げられる。いま、オプティカ
ルインテグレーターを構成する各レンズ要素の第１面の
曲率半径をr₁、第２面の曲率半径をr₂、中心厚をｄ、屈
折率をｎ、焦点距離をｆとすると、容易な幾何光学よ
り、射出側のバックスフォーカスbf₁と入射側のバック
フォーカスbf₂はそれぞれ、となる。

本発明の場合、オプティカルインテグレータの各レンズ
要素の集光点を空気中に出し、射出面への集光を防ぐの
で、（１）式において、bf₁がある有限の正の値εをと
ることを意味する。

また、オプティカルインテグレータを構成する各レンズ
要素の入射側レンズ面の頂点が、該各レンズ要素の射出
側レンズ面の入射側焦点にほぼ一致するように構成する
ことによって、オプティカルインテグレータの射出側で
テレセントリックであるように構成することができ、こ
れによってオプティカルインテグレータに後続するコン
デンサーレンズ等の光学素子でのケラレを防止して、小
型な構成であって照明の効率を高めることができる。こ
の場合、（２）式においてbf₂＝０となることが必要で
ある。従って、と求められる。故に、オプティカルインテグレータの射
出側においてテレセントリックに構成するためには、曲
率半径の絶対値は、｜r₁｜＞｜r₂｜てあることが必要となる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明による照明光学装置を、投影型露光装置
の照明装置として用いた場合の一実施例の概略構成を示
す展開光路図である。

光源としてのレーザ光源11から供給されるコリメートさ
れた光束は、面光源形成用オプティカルインテグレータ
12の作用を受けてその射出側空間の面Ａ上に複数の集光
点12aとして集光される。この複数の集光点12aからの光
束は、コリメーターレンズとしての正レンズ13により平
行光束に変換されて、光源像形成手段としての主オプテ
ィカルインテグレータ４に入射する。

主オプティカルインテグレータ１は、並列配置された複
数のレンズ要素から構成されており、各レンズ要素は、
第３図の斜視図に示す如く、四角柱の棒状素子11が複数
束ねられて構成されたものであり、各棒状素子101の入
射面101aも射出面101bも共に凸レンズ面に形成されてい
る。そして、各棒状素子101の入射面101a上の凸レンズ
面によって、棒上素子101の射出面から離れた位置に光
束の集光点を形成し、この点に光源像が形成される。

このような各レンズ要素は、前述した第２図にて説明し
たとおり、（ｉ）入射面に正の屈折力を有するレンズ面r₁を有する
と共に射出側にも正の屈折力を有するレンズ面r₂を有
し、（ii）射出側レンズ面の屈折力が該入射側レンズ面の屈
折力よりも大きく（｜r₁｜＞｜r₂｜）、（iii）そして、後側焦点Ｆが該各レンズ要素の射出側
レンズ面よりも後方に位置するように構成されている。

このため、光源手段10からの平行光束は主オプティカル
インテグレータ１の各レンズ要素に入射して各レンズ要
素毎に、その射出面からε＝bf₁だけ隔たった空間上に
１つの光源像から形成される。従って、主オプティカル
インテグレータ１の射出面からεだけ離れた面Ｂ上に主
オプティカルインテグレータを構成するレンズ要素の数
に等しい数の複数の光源像が形成される。尚、ここに形
成される各光源像とは、光源手段10における面光源形成
用オプティカルインテグレータ12による複数の集光点て
構成される実質的面光源の像である。

このようにして主オプティカルインテグレータ１の射出
面から隔たった面Ｂ上に形成される複数の光源像からの
光束は、アウトプットレンズ２を通って、コンデンサー
レンズ３によって収斂され、被照射物体としてのレティ
クルＲ上を照明する。そして、投影対物レンズＬによ
り、レティクルＲ上の所定のパターンがウエハＷ上に転
写される。ここで、コンデンサーレンズ３によって投影
対物レンズＬの入射瞳Laに相当する面Ｃ上に、主オプテ
ィカルインテグレータ１の射出側空間の面Ｂ上に成形さ
れる複数の光源像が再結像され、所謂ケーラー照明が達
成される。尚、アウトプットレンズ２は主オプティカル
インテグレータ１の射出側の各正レンズ面と同様に、視
野レンズとして機能しているため、必ずしも必要ではな
く除去することも可能である。

次に、上記実施例における光源手段10について詳述す
る。

面光源形成用オプティカルインテグレータ12は、第4A図
の斜視図に示す如く、四角柱の棒状素子102が複数束ね
られて構成されたものであり、各棒状素子102の入射面1
02aは凸レンズ面に形成されている。各棒状素子102の入
射面102a上の凸レンズ面によって、棒上素子102の射出
面102bから離れた空間の面Ａ上に光束の集光点が形成さ
れる。そして、この面Ａ上には面光源形成用のオプティ
カルインテグレータを構成する棒状素子102の数に等し
い数の集光点が形成され、これら複数の集光点によっ
て、この面Ａ上に実質的な面光源が形成される。従っ
て、光源11と面光源形成用オプティカルインテグレータ
12とにより面光源形成部材が構成されている。

ここでは、レーザー光源を用いているために光源11から
の光束はほぼ完全にコリメートされており、面Ａ上に形
成される個々の集光点には実質的に大きさが無いと考え
られる。このため、面光源形成用オプティカルインテグ
レータ12を構成する棒状素子102の射出側には所謂視野
レンズの如きレンズ作用を必要とはしない。従って、棒
状素子102の射出面102bはここでは平面に形成されてい
る。但し、若干のレンズ作用を持たせることは可能であ
る。

そして、面光源形成用オプティカルインテグレータ12に
よる複数集光点の強い集光位置を避けるために面Ａから
離れて配置された正レンズ14により、コリメートレンズ
13及び主オプティカルインテグレータ１の入射面101aと
を含めた系に関して、複数の集光点が形成されるＡ面と
主オプティカルインテグレータ１の射出側空間内のＢ面
とが共役に構成されている。従って、主オプティカルイ
ンテグレータ１の射出側空間内の面Ｂ上には、面光源形
成用オプティカルインテグレータ12を構成する棒状素子
102の数と、主オプティカルインテグレータ１を構成す
る棒状素子101の数との積に相当する数の集光点が形成
され、この面Ｂ上により均一な実質的面光源が形成され
る。

尚、面光源形成用オプティカルインテグレータ12の射出
側に配置される正レンズ14のレンズの焦点距離は、この
正レンズ14と主オプティカルインテグレータ１の入射面
との距離にほぼ等しく配置されている。また、コリメー
ターレンズ13の光源側焦点は前記複数の集光点が形成さ
れるＡ面上にほぼ一致しており、Ａ面からの光束を平行
光束に変換している。

また、本実施例においては、面光源形成用オプティカル
インテグレータ12の射出側空間の面Ａ上に、口径が可変
の第１開口絞りS₁が設けられており、主オプティカルイ
ンテグレータ１の射出側空間内の面Ｂ上にも口径が可変
の第２開口絞りS₂が設けられている。この第１開口絞り
S₁の口径変化によって、σ値を一定に保ったまま被照射
物体に達する光量を制御することができ、また第２開口
絞りS₂の口径変化によって、σ値を制御することができ
る。σ値とは、投影対物レンズのN.A.（開口数）に対す
る照明光学系のN.A.の比の値として定義され、この値に
よって投影対物レンズの解像力とコントラストとのバラ
ンスを調整することができる。このような２つの開口絞
りS₁，S₂の組み合わせによって、光量の制御とσ値の制
御とを独立に行うことが可能となり、光源から供給され
る光量の変化や、レティクルＲ上の投影パタンの微細
度、ウエハ上に塗布されるレジストの特性等に応じて、
それぞれ最適な照明状態を実現することが可能となる。

ところで、上述の実施例において、光源11としてはレー
ザビームをほぼ等方的な所定の幅のビーム形状とするた
めのビーム整形光学系及びビームエキスパンダー光学系
を含む構成とすることはいうまでもない。そして、上記
実施例の如く光源からの光束を定常的にレチクルＲ等の
物体面上に照射する場合に限らず、例えば、特開昭59−
226317号公報や特開昭61−212816号公報などに開示され
る如く、物体面をビームが走査するように構成した照明
装置においても本発明をそのまま適用することが可能で
ある。

第５図は本発明による第２実施例の光学構成図であり、
物体面上でビームを走査するように構成することによっ
て、レーザ光の持つ干渉性に起因するスペックルパター
ン等の照明ムラを除くことを可能としたものである。第
５図において、前記第１図に示した各部材とほぼ同様の
機能を有する部材に同一の記号を付して示した。

光源11から供給されるレーザ光束は回動鏡30で角度走査
されて、２つの正レンズ41,42からなるアフォーカルコ
ンバーター40に入射する。アフォーカルコンバータ40を
射出する平行光束は、前記第２図及び第３図に示した如
き複数のレンズ要素からなるオプティカルインテグレー
タ１に入射する。

ここで、アフォータルコンバーター40は光源11からのレ
ーザ後側の幅を所望の倍率で拡大又は縮小するものであ
り、またアフォーカルコンバータ40により、回動鏡30と
オプティカルインテグレータ１の入射面とがほぼ共役に
構成されている。このため、回動鏡30の回動に伴って、
オプティカルインテグレータ１の入射面に入射する平行
光束の角度が所望の範囲で連続的に変化し、オプティカ
ルインテグレータ１の射出側空間内の面Ｄ上に形成され
る複数の集光点がこの面内で連続的に移動する。このと
き、オプティカルインテグレータ１を構成する１つのレ
ンズ要素の射出側空間の面Ｄ上において、１つの集光点
が連続に移動し、該レンズ要素に対応する面Ｄ上の射出
側空間を走査する。このようにして、オプティカルイン
テグレータ１の射出側空間内のＤ面上に実質的な面光源
が形成される。この実質的な面光源からの光束はコンデ
ンサーレンズ３により被照射物体としてのレチクルＲ上
に導かれ、レチクルＲ面は複数の集光点からの光束によ
っ所定の時間内に重畳的に均一照明される。そして、図
示なき投影対物レンズによってレチクルＲ上の所望のパ
ターンがウエハ面上に転写されるのである。

このようなビーム走査によってオプティカルインテグレ
ータへの入射角を種々変化させ、結果としてウェハ面上
に発生するレーザスペックルを低減する構成において
も、本発明の如きオプティカルインテグレータの構成に
より、オプティカルインテグレータの射出面に物理的破
壊を生じてしまう危険性を軽減することができる。

尚、上記の各実施例は投影型露光装置の照明光学装置で
あったが、本発明はこれに限られるものではなく、種々
の露光装置の照明光学装置としても有効である。また、
図示した構成は、分り易くするために展開光路図とした
ものであり、実際の装置においては、所望の鋳造に反射
部材を設けて光路を折り曲げ、装置全体を小型に構成す
ることが望ましいことはいうまでもない。

〔発明の効果〕

以上の如く、本発明によれば、強い光強度となる光源像
形成手段による多数光源像の形成位置を、該多数光源像
形成手段の外部の空間として素子内部または表面での集
光を避けたため、レーザーのような光強度が非常に強い
光源を使用しても、レンズ等の光学素子を破壊する恐れ
がない。そして、照射物体上で均一な光強度分布を効率
よく得ることのできる照明光学装置が実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による第１実施例の概略構成を示す展開
光路図、第２図は主オプティカルインテグレータを構成
する棒状素子の作用を示す断面光路図、第３図はその形
状を例示する斜視図、第4A図は光源手段の中に用いられ
る面光源形成用オプティカルインテグレータを構成する
棒状素子の形状を示す斜視図、第4B図はその作用を示す
断面光路図、第５図は本発明による第２実施例の概略構
成を示す光路図である。〔主要部分の符号の説明〕１…オプティカルインテグレータ（光源像形成手段）３…コンデンサーレンズ 10…光源手段 11…光源 12…面光源形成用オプティカルインテグレータ（面光源形成部材） R,W…被照射物体Ｌ…投影対物レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ほぼ平行な光束を供給する光源手段と、該
光源手段から供給される光束から複数の光源像を形成す
る為の光源像形成手段と、前記光源形成手段からの光束
によって所定の物体面を均一照射するためのコンデンサ
ーレンズとを有する照明光学装置において、前記光源像
形成手段は並列配置された複数のレンズ要素からなるオ
プティカルインテグレータで構成され、該オプティカル
インテグレータの各レンズ要素は、その入射面に正の屈
折力を有するレンズ面を有すると共に射出面にも正の屈
折力を有するレンズ面を有し、該各レンズ要素の射出側
レンズ面の屈折力が該入射側レンズ面の屈折力よりも大
きく、かつ該各レンズ要素の後側焦点が該各レンズ要素
の射出側レンズ面より後方に位置するように構成され、
該各レンズ要素は、前記光源手段からの光束をそれぞれ
集光して、前記各レンズ要素から前記コンデンサーレン
ズまでの間の光学部材以外の外部空間中に、それぞれ光
源像を形成することを特徴とする照明光学装置。
【請求項２】前記オプティカルインテグレータを構成す
る各レンズ要素の入射側レンズ面の頂点が、該各レンズ
要素の射出側レンズ面の入射側焦点にほぼ一致するよう
に構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の照明光学装置。
【請求項３】前記光源手段は、実質的な面光源を形成す
る部材と該部材により形成される実質的面光源からの光
束をほぼ平行光束に変換する正レンズ成分とを有するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の照明光学装
置。
【請求項４】前記実質的な面光源を形成する部材は、ほ
ぼコリメートされた光束を発する光源と、該コリメート
された光束中に配置され多数の集光点を形成するための
他のオプティカルインテグレーターを有することを特徴
とする特許請求の範囲第３項記載の照明光学装置。
【請求項５】前記実質的面光源を形成するための部材を
構成するオプティカルインテグレーターは、入射側に正
レンズ面と該正レンズ面の射出光側焦点よりも入射光側
に位置する射出面を有することを特徴とする特許請求の
範囲第４項記載の照明光学装置。
【請求項６】前記光学手段は、前記オプティカルインテ
グレータに入射する平行光束の角度を変更するための走
査部材を有することを特徴とする特許請求の範囲第２項
記載の照明光学装置。