JPH0786647B2

JPH0786647B2 - 照明装置

Info

Publication number: JPH0786647B2
Application number: JP61306360A
Authority: JP
Inventors: 裕市原
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1986-12-24
Filing date: 1986-12-24
Publication date: 1995-09-20
Anticipated expiration: 2010-09-20
Also published as: JPS63159837A; US4851978A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、レーザを光源とする照明装置にかかるもの
であり、特に、集積回路の製造に用いられる露光装置な
どに好適な照明装置に関するものである。

［従来の技術］従来、集積回路の製造に使用されている露光装置の光源
としては、主として超高圧水銀ランプが用いられてき
た。

しかし最近では、集積回路の集積度が増々向上してお
り、従来以上の線幅精度が要求されるに至っている。

このため、上述した超高圧水銀ランプに代って、エキシ
マレーザ等の短波長高出力レーザが露用光源として用い
られ始めている。

ところが、特にインジェクションロッキングを用いたレ
ーザなどの波長幅が狭いレーザを用いると、干渉により
スペツクルが発生し、微細パターン形成の妨げとなる。

従来、このようなスペツクルの発生を防ぐため、第２図
に示すような照明装置が使用されている。

第２図において、レーザ光源10から出力されたレーザ光
LBは、レンズ12,14を各々透過して、偏向ミラーないし
振動ミラー16に入射し、ここで曲折されてレンズ18を透
過し、位置PAにスポットを形成する。

更にレーザ光LBは、コンデンサレンズ20によって集光さ
れて、レチクルＲに入射し、これを透過して、例えば両
側テレセントリックな投影光学系22に入射する。

この投影光学系22は、前群投影レンズ22Aと、後群投影
レンズ22Bとを有しており、これらを透過したレーザ光L
Bは、ウエハＷに入射される。これによって、レチクル
Ｒ上の回路パターンがウエハＷ上に露光投影されること
となる。

以上のような装置について、更に説明すると、レーザ光
LBは、レンズ12,14によって、径が広げられたのち、振
動ミラー16に入射するが、露光中この振動ミラー16を振
ることによって、位置PAに広がった二次光源が形成され
る。

この二次光源の像は、さらにコンデンサレンズ20と、投
影光学系22中の前群投影レンズ22Aとによって、投影光
学系22中の瞳位置22Pに結像される。

以上のような二次光源の各集光点からの光は、インコヒ
ーレントとみなすことができるので、ウエハＷ上にはス
ペツクルは発生しない。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、以上のような照明装置では、レチクルＲ
及びウエハＷ上の光強度分布が均一とならず、ガウス分
布ないしそれに近似する分布となる。

そこで、通常かかる光強度分布の均一性を確保するた
め、位置PAの二次光源とコンデンサレンズ20との間に、
コリメータレンズとフライアイレンズ（図示せず）とを
各々挿入し、このフライアイレンズによる光源像群を投
影光学系22の瞳位置22Pに結像することとしている。

ところが、この瞳位置22Pの光は、振動ミラー16を振動
させても、一般的にはインコヒーレントとはならず、互
いに干渉してウエハＷ上にスペツクルが発生することと
なる。

この発明は、以上のような問題点を解決し、光源がレー
ザ光であっても、均一で、かつ、スペツクルを生じない
照明装置を提供することを、その目的とするものであ
る。

［問題点を解決するための手段］本発明は、パルスレーザのレーザビームを振ることによ
って形成される二次光源の強度分布（ないし光源像の大
きさ）、および、複数のレンズ素子の少なくとも空間的
可干渉領域に含まれるレンズ素子配列構成を、レーザ光
の波長および照明対象に対する必要照明量を考慮して定
めることにより、上記問題点を解決しようとするもので
ある。

すなわち、この発明は、パルスレーザの波長のλ、振動
ミラーによって形成される二次光源のスポット数Ｎ×
Ｎ′（２次元配列として）、二次光源から複数のレンズ
素子へ入射するレーザ光の振れ角θ_ｏ、複数のレンズ素
子の間隔ｄ、これらのレンズ素子のうち、少なくとも空
間的可干渉領域に含まれるレンズ素子の一次元方向の配
列個数Ｍ、適当な整数ｍに対して、ｄ＝ｍ（λ／θ_ｏ）Ｎ（λ／θ_ｏ）＞Md となるように各部分を構成するとともに、これらの条件
を満たすパルス数のレーザ光の全光量が照明対象の必要
光量となるように、前記パルスレーザの照明対象に対す
る光量を調整する光量調整手段を備えたことを技術的要
点とするものである。

［作用］この発明によれば、少なくとも空間的可干渉領域に含ま
れるレンズ素子が、二次光源の強度分布のフーリエ変換
が零となる位置に配列されるため、ファン・シッターツ
ェルニケ（Van Cittert-Zernike）の定理によりそれら
のレンズ素子を透過するレーザ光間で干渉が実際上生じ
ない。

また、全体としての照明光量が、光量調整手段によって
調整され、照明対象には、必要な量の照明光が送られ
る。

［実施例］以下、本発明の実施例を、添付図面を参照しながら詳細
に説明する。なお、上述した従来技術と同様の部分に
は、同一の符号を用いることとする。

第１図には、この発明にかかる照明装置の一実施例が示
さている。この図において、上述したレーザ光源10から
出力されるパルスレーザ光LBは、減光フィルタ24、レン
ズ12,14を各々透過して、振動ミラー16に入射するよう
になっている。

次に、この振動ミラー16によって光軸が曲折されたレー
ザ光LBは、レンズ18を透過してコリメータレンズ26に入
射するようになっており、これによって平行光束化され
たレーザ光LBは、複数のレンズ素子を有するフライアイ
レンズ28に入射するようになっている。

更に、このフライアイレンズ28を透過したレーザ光LB
は、上述したようにコンデンサレンズ20によって集光さ
れ、これによって、レチクルＲの回路パターンの露光投
影が、投影光学系22によってウエハＷに行なわれるよう
になっている。

一般的には、以上のような光学系では、上述したように
スペツクルを生じるが、レーザ光LBの露光パルス数およ
び振動ミラー16の振れ角によって定められる二次光源Ｑ
の強度分布と、フライアイレンズ28を構成するレンズ素
子の配列構成との関係を適当に調整制御することによ
り、スペツクルを低減するとともに、光量分布の均一化
を図ることができる。

以下、この実施例における上記条件について、詳細に説
明する。

一般に、ファン・シッターツェルニケ（Van Cittert-Ze
rnike）の定理によれば、２点間における光の干渉性の
程度を表わす複素コヒーレンス係数は、光源の強度分布
のフーリエ変換で表される。

ところで、上記実施例では、位置PAに二次光減Ｑが形成
される。

そこで、フライアイレンズ28から二次光源Ｑを見たとき
の該二次光源Ｑの強度分布と、そのフーリエ変換とを示
すと、第３図および第４図のようになる。

第３図には、二次光源Ｑの強度分布が各々示されてお
り、第４図には、それらのフーリエ変換が各々示されて
いる。

なお、これらの図の例は、いずれも一次元モデルである
が、これらを二次元に拡張することは容易である。

第３図および第４図中、（Ａ）は、二次光源Ｑの強度分
布が一様な分布を有する場合、（Ｂ）ないし（Ｅ）は、
二次光源Ｑの強度分布が離散的に分布している場合で、
例えばパルスレーザをレーザ光源として用いた場合に
は、このような分布となる。なお、第３図において、
「θ_ｏ」は、フライアンレンズ28に入射するレーザ光の
入射角の変動角度（以下、振れ角と称する）である。
尚、第３図（Ｂ）〜（Ｅ）に示した矢印の夫々はパルス
レーザの発生を意味し、振れ角θ_ｏの範囲で最後に発生
すべきパルスを省略する必要がある。

これらのうち、第４図（Ｂ）ないし（Ｅ）を参照すると
明らかなように、Ｎ個の等間隔（θ_ｏ/N）な二次光源ス
ポットに対し、フーリエ面（すなわちフライアイレンズ
面では、同じく等間隔（λ／θ_ｏ）でＮ−１個の零点が
ある。なお、「λ」は、レーザ光LBの波長である。

かかる零点の位置では、上述したファン・シッターツェ
ルニケの定理により、複素コヒーレンス係数は「０」と
なる。

従って、二次光源Ｑのスポット数Ｎに対し、同数個以
下、すなわちＮ個以下の個数のレンズを、かかる間隔ｄ
（λ／θ_ｏ）で配列するようにすれば、これらの各レン
ズを通過したレーザ光LBは、互いに干渉しなくなる。

なお、逆に、フライアイレンズ28を構成する各レンズ素
子の間隔ｄが決っているときは、これに応じた振れ角度
θ_ｏで入射レーザ光LBを振動させるようにすればよい。

まとめると、レーザ光LBの波長をλ、振動ミラー16によ
って振動するレーザ光のフライアンレンズ28上での振れ
角度をθ_ｏ、フライアイレンズ28の構成レンズ素子の間
隔を一次元方向にｄとすると、ｄ＝λ／θ_ｏ ……（１）の関係が満たされたときに、スペックルの生じない均一
な照明を行うことができる。

なお、第５図を参照しながら説明するように、上述した
（１）式は、適宜の整数ｍに対して、ｄ＝ｍ（λ／θ_ｏ） ……（２）に拡張して考えることができる。

第５図（Ａ）には、二次光源Ｑのスポット数Ｎが４の場
合の強度分布が示されており、同図（Ｂ）には、スポッ
ト数Ｎが12の場合が示されている。これらのフーリエ変
換は、同図（Ｃ）および（Ｄ）に各々示されている。

これらの図から明らかなように、フーリエ面における零
点位置の間隔は異るものの、間隔ｄではいずれも零点と
なる。

ここで、同図（Ａ）における振動ミラー16により振動す
るレーザ光のフライアンレンズ28上での振れ角をθ_oaと
し、同図（Ｂ）の振れ角をθ_obとすると、ｄ＝λ／θ_oa＝３λ／θ_ob となる。従って、一般的には、適宜の整数ｍに対して
（２）式が成り立つ。

次に、以上のようなレーザ光LBが互いに干渉しない条件
について、更に詳細に説明する。

上述した間隔ｄのフライアイレンズ28の各構成レンズの
配列個数を所定の配列方向でＭとすると、Ｎ（λ／θ_ｏ）＞Ｍ・ｄ ……（３）を満たすようにしてやれば良い。

これらの（２）、（３）式を書きなおすと、 θ_ｏ＝（ｍ・λ）/d ……（４）となり、また、Ｎ＞ｍ・Ｍ ……（６）となる。

従って、フライアンレンズ28へ入射するレーザ光の振れ
角の振幅（最大値）は、で表わされることとなる。

また、二次光源Ｑのスポット間隔に対応した振れ角は、 θ_ｏ/N＜λ/M・ｄ ……（８）の関係となる。

次に、最終的な振動ミラー16の振角は、レンズ18とコリ
メータレンズ26との倍率によって補正する。

すなわち、レンズ18と、コリメータレンズ26の焦点距離
が、各々fa,fbであるとすると、振動ミラー16の振角
が、フライアンレンズ28の入射光束の振れ角の（fb/f
a）/2倍となるようにすればよい。

以上のように、レーザ光LBの波長λに対し、二次光源の
スポット数および分布幅、フライアイレンズ28のレンズ
素子の配列個数および素子間隔を、各々決定することに
より、良好にレーザ光LBのスペックルを基本的には除去
することができる。

しかしながら、実際の露光作業では、露光パルス数、す
なわち二次光源Ｑのスポット数Ｎを任意に選ぶことはで
きない。というのは、露光パルス数Ｅは、ウエハＷ上に
形成されたレジスト層の感光の程度との兼合いで定めら
れ、最適露光量によって決定されるからである。

今、最適露光量をI_o、レーザ光LBの１パルス当りの露光
量をI_pとすると、露光パルス数ＥはI_o／I_pとなる。

これが、上述した二次光源Ｑのスポット数Ｎの整数倍と
一致しなければならない。すなわち、かかる整数をｎと
すると、Ｅ＝nN＝I_o／I_p ……（９）となることが必要である。

一方、露光装置用のフライアイレンズ28は、二次元状の
平面パターンの投影露光を行うため、通常直交方向に、
全体でM_X×M_Y個のレンズ素子が等間隔に並べられてい
る。すなわち、直交するＸ方向にM_X個、Ｙ方向にM_Y個の
レンズ素子が各々配列されており、通常はM_X＝M_Yであ
る。

このような場合の露光パルス数Ｅは、上述した（６）式
の条件から、M_X×M_Yより大きくなければならない。

すなわち、 I_o／I_p＞M_XM_Y ……（10）の条件を満たす必要がある。

例えば、M_X＝M_Y＝10の場合、露光パルス数は、100以上
でなければならない。

従って、この条件を満たすため、まず、レーザ光LB1パ
ルス当りの露光量I_pがあらかじめ測定される。そして、
その条件を満たさない場合には、減光フイルタ24の挿入
あるいはレーザ光源10の電源（図示せず）の調整によ
り、１パルス当りの露光量I_pを低減して上記条件を満た
すようにする。

更に、フライアイレンズ28の配列方向に対応した二次光
源スポツト数をS_X×S_Yとすると、I_o／I_pはS_X×S_Yの整数
倍であって、かつ、m_x、m_yを整数として、 S_X＞m_xM_X ……（11） S_Y＞m_yM_Y ……（12）でなければならない。

通常M_X＝M_Yであるから(I_o/I_p)^1/2に最も近く、かつ、M_X
より大きい値を、二次光源Ｑのスポット数S_Xとする。

また、 S_X（S_Y−１）＜I_o／I_p≦S_XS_Y ……（13）を満たすS_Yを求める。

さらに、 I_o／I_p≦S_XS_Y ……（14）であるので、 I_o／I_p＝S_XS_Y ……（15）となるように前記と同様な手段でI_pを減らす。

これらの計算の基礎となるI_p（及びI_o）は、これらの露
光以前の１回以上の露光時にI_pをモニターし、その値か
ら算出したものを用いる。

以上のようにして、各構成部分の条件が定めされる。

次に、上記実施例の作用について説明する。レーザ光源
10から出力されるレーザ光LBは、上述したように、最適
露光量I_oが考慮されて、１パルス当りの露光量I_pが設定
され、減光フィルタ24によって光量調節が行われる。

次に、かかるレーザ光LBは、レンズ12,14によって、そ
のビーム径が拡大され、振動ミラー16に入射する。この
振動ミラー16の振動より、上述した（１）ないし（３）
式に示す条件を満たすように定められた振れ角θ_ｏでレ
ーザ光LBが振られることとなる。

このレーザ光LBは、コリメータレンズ26、フライアイレ
ンズ28を透過するため、レチクルＲ上では、レーザ光が
均一に光量分布することとなる。

また、二次光源Ｑのスポット数とその分布幅、フライア
イレンズ28のレンズ素子配列個数とその間隔とが、上述
したように設定されているので、フライアイレンズ28を
構成する各レンズ素子を各々透過したレーザ光LBが干渉
してスペックルが発生するという不都合も生じない。

なお、本発明は何ら上記実施例に限定されるものではな
く、例えば、フライアイレンズのレンズ素子の二次元配
列個数は直交する方向で一致する必要はなく、異ってい
てもよい。

また、実際には、レーザ光源（例えばエキシマレーザ）
の可干渉性（空間的コヒーレンス度）は、上述した数式
が適用されるほど良好ではない。すなわち、フライアイ
レンズ全体を透過する光が干渉するのではなく、あるレ
ンズ素子を透過したレーザ光と干渉するのは、そのレン
ズ素子近傍の数個のレンズ素子を透過したレーザ光のみ
である。

従って、上述した実施例においてフライアイレンズを構
成するすべてのレンズ素子個数を示すM_X×M_Yのかわり
に、フライアイレンズ面での空間的な可干渉領域に含ま
れるレンズ素子の個数を用いるようにしても、実用的に
は、充分な効果を得ることができる。

具体的には、空間的な可干渉距離をｌとすると、フライ
アイレンズの構成レンズ素子の間隔ｄに対して、l/dよ
りも大きい数のうち、最も小さい整数を上記M_X×M_Yのか
わりに適用すればよい。

更に、上記実施例は、露光装置に適用した場合である
が、その他の装置に対しても本発明は適用されるもので
ある。

［発明の効果］以上のように本発明によれば、光源であるパルスレーザ
の波長に対し、照明対象の必要照明量を考慮しつつ、レ
ーザ光の振動によって形成される二次光源の強度分布、
フライアイレンズを構成するレンズ素子の配置構成、特
に少なくとも空間的可干渉領域に含まれるレンズ素子の
配置構成を定めることとしたので、照明の均一性を確保
しつつ良好にスペツクルの低減を図ることができるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成説明図、第２図は
従来装置の一例を示す構成説明図、第３図二次光源の強
度分布を示す線図、第４図は第３図の強度分布に対応す
るフーリエ変換の関係を示す線図、第５図は（２）式を
説明するための線図である。［主要部分の符号の説明］ 10……レーザ光源、16……振動ミラー、20……コンデン
サレンズ、22……投影光学系、24……減光フイルタ、26
……コリメータレンズ、28……フライアイレンズ、Ｑ…
…二次光源、Ｒ……レチクル、Ｗ……ウエハ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パルスレーザを光源とし、これから出力さ
れた波長λのレーザ光を振動ミラーによって振動させる
ことによりスポット数Ｎの二次光源を形成し、このレー
ザ光を、間隔ｄの複数のレンズ素子に対して振れ角θ_ｏ
で入射させ、該複数のレンズ素子を介したレーザ光を照
明対象に照射する照明装置において、前記複数のレンズ素子のうち、少なくとも空間的可干渉
領域に含まれるレンズ素子の所定の配列方向の個数Ｍ、
適当な整数ｍに対して、ほぼｄ＝ｍ（λ／θ_ｏ）Ｎ（λ／θ_ｏ）＞Md を満足するように構成すると共に、この条件を満たすパルス数のレーザ光の全光量が照明対
象の必要光量となるように、前記パルスレーザの照明対
象に対する光量を調整する光量調整手段を備えたことを
特徴とする照明装置。