JP2016188878A - 照明光学系、露光装置、およびデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 照明領域における照度均一性および照射角度特性の均一性を実現しつつ、高い照度を得ることのできる照明光学系。
【解決手段】 被照射面を照明する照明光学系には、第１発光面から第１照明光を射出する第１発光部と、第１発光面から間隔を隔てて配置された第２発光面から第２照明光を射出する第２発光部と、第１発光面からの第１照明光を集光する第１集光部および第２発光面からの第２照明光を集光する第２集光部を有する集光部材と、第１集光部を経た第１照明光と第２集光部を経た第２照明光との少なくとも一部を、被照射面と光学的に共役な共役面または被照射面で重畳させるリレー光学系とを備えている。
【選択図】 図２

Description

照明光学系、露光装置、およびデバイス製造方法に関する。

半導体素子、フラットパネルディスプレイ、ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステムス)などの製造工程で用いる露光装置が知られている。

近年、窒化ガリウムなどを用いた固体紫外光源が開発され、この種の固体紫外光源を露光装置の照明装置に適用することが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。固体紫外光源では、個々のチップが放射する光量の絶対値はそれほど大きくない。このため、被照射面において所要の高い照度を得るために、複数のチップからの光を合成して照明装置に導く必要がある。このとき、照明装置では、照明光が通過する所定面上の領域の全体に亘って高い照度均一性が求められる。

米国特許出願公開第２００５／０２１９４９３Ａ１号明細書

第１形態では、被照射面を照明する照明光学系において、
第１発光面から第１照明光を射出する第１発光部と、
前記第１発光面から間隔を隔てて配置された第２発光面から第２照明光を射出する第２発光部と、
前記第１発光面からの前記第１照明光を集光する第１集光部および前記第２発光面からの前記第２照明光を集光する第２集光部を有する集光部材と、
前記第１集光部を経た前記第１照明光と前記第２集光部を経た前記第２照明光との少なくとも一部を、前記被照射面と光学的に共役な共役面または前記被照射面で重畳させるリレー光学系とを備えていることを特徴とする照明光学系を提供する。

第２形態では、前記被照射面に設置された所定のパターンを照明するための第１形態の照明光学系を備え、前記所定のパターンを基板に露光することを特徴とする露光装置を提供する。

第３形態では、第２形態の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記基板に露光することと、
前記所定のパターンが転写された前記基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記基板の表面に形成することと、
前記マスク層を介して前記基板の表面を加工することと、を含むことを特徴とするデバイス製造方法を提供する。

実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。 図１の照明光学系の内部構成を概略的に示す図である。 レンズエレメントの出射端の近傍に複数の発光面の像が形成される様子を示す図である。 ＬＥＤ光源の放射角度特性を示す図である。 チップおよびコレクタレンズをレンズエレメントの出射端から見た様子を示している。 複数のコレクタレンズをほぼ稠密に配置した数値例を示す図である。 レンズアレイを用いる変形例を概略的に示す図である。 光源からの光をライトガイドで導く変形例を概略的に示す図である。 回折光学素子を用いて変形照明を行う変形例を概略的に示す図である。 フライアイレンズを省略した変形例を概略的に示す図である。 複数のチップが円形状に点灯した様子を示す図である。 複数のチップが輪帯状に点灯した様子を示す図である。 半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。 液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。

以下、実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。図１では、投影光学系ＰＬの像面の法線方向（すなわち投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの方向：図１の紙面における鉛直方向）にＺ軸を、投影光学系ＰＬの像面内において図１の紙面に平行にＸ軸を、投影光学系ＰＬの像面内において図１の紙面に垂直にＹ軸を設定している。

図１を参照すると、本実施形態の露光装置は、転写すべきパターンが形成されたマスク（レチクル）Ｍを照明する照明光学系ＩＬを備えている。照明光学系ＩＬの内部構成については、図２を参照して後述する。照明光学系ＩＬは、例えばマスクＭの矩形状のパターン領域全体、あるいはパターン領域全体のうちＸ方向に沿って細長いスリット状の領域（例えば矩形状の領域）を照明する。

マスクＭのパターンからの光は、投影光学系ＰＬを介して、感光性のレジストが塗布された基板Ｗの単位露光領域にマスクＭのパターン像を形成する。すなわち、マスクＭ上での照明領域に光学的に対応するように、基板Ｗの単位露光領域において、マスクＭのパターン領域全体と相似な矩形状の領域、あるいはＸ方向に細長い矩形状の領域（静止露光領域）にマスクパターン像が形成される。

基板Ｗは、半導体露光装置の場合にはシリコンなどの単結晶ウェハであり、液晶露光装置の場合にはプレートと呼ばれるガラスの板である。マスクＭは光透過性の部材からなり、その面上に形成されたパターンは半導体素子や液晶表示素子を形成するために必要な形状をしている。特に光近接効果などを利用する場合には、基板Ｗ上に形成される像とマスクＭ上に形成されたパターンとは、必ずしも投影光学系ＰＬの倍率に応じた相似形をしているわけではない。

マスクＭは、マスクステージＭＳ上においてＸＹ平面とほぼ平行に保持されている。マスクステージＭＳには、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ軸廻りの回転方向などにマスクＭを移動させる機構が組み込まれている。基板Ｗは、基板ステージＷＳ上においてＸＹ平面とほぼ平行に保持されている。基板ステージＷＳには、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、Ｘ軸廻りの回転方向、Ｙ軸廻りの回転方向およびＺ軸廻りの回転方向に、基板ステージＷＳ（ひいては基板Ｗ）を移動させる機構が組み込まれている。

ステップ・アンド・リピート方式では、基板Ｗ上に縦横に設定された複数の単位露光領域のうちの１つの単位露光領域に、マスクＭのパターン像を一括的に露光する。その後、制御系ＣＲが、基板ステージＷＳをＸＹ平面に沿ってステップ移動させることにより、基板Ｗの別の単位露光領域を投影光学系ＰＬに対して位置決めする。こうして、マスクＭのパターン像を基板Ｗの単位露光領域に一括露光する動作を繰り返す。

ステップ・アンド・スキャン方式では、制御系ＣＲは、投影光学系ＰＬの投影倍率に応じた速度比でマスクステージＭＳおよび基板ステージＷＳをＹ方向に移動させつつ、マスクＭのパターン像を基板Ｗの１つの単位露光領域に走査露光する。その後、制御系ＣＲは、基板ステージＷＳをＸＹ平面に沿ってステップ移動させることにより、基板Ｗの別の単位露光領域を投影光学系ＰＬに対して位置決めする。こうして、マスクＭのパターン像を基板Ｗの単位露光領域に走査露光する動作を繰り返す。

すなわち、ステップ・アンド・スキャン方式では、矩形状（一般にはスリット状）の静止露光領域の短辺方向であるＹ方向に沿って、マスクステージＭＳと基板ステージＷＳとを、ひいてはマスクＭと基板Ｗとを同期的に移動（走査）させることにより、基板Ｗ上には静止露光領域の長辺に等しい幅を有し且つ基板Ｗの走査量（移動量）に応じた長さを有する領域に対してマスクパターンが走査露光される。

図２を参照すると、本実施形態の照明光学系ＩＬは、固体発光光源としてのＬＥＤ（Light Emission Diode）光源１を備えている。ＬＥＤ光源１は、縦横に間隔を隔てて配置された複数の発光部を備える。それぞれの発光部は、発光面から照明光を射出する固体発光素子１ａを有する。以下の説明では、発光面を有する固体発光素子１ａをチップ１ａと称する。ただし、図２およびこれに関連する図では、説明の理解を容易にするとともに図面の明瞭化を図るために、ＬＥＤ光源１は、Ｘ方向に２列でＹ方向に３列の合計６つのチップ１ａを有し、その発光面は円形状であるものとする。なお、本実施形態における発光面とは、チップ１ａにおいて光が射出される面とすることができる。

６つのチップ１ａの発光面から射出された照明光は、それぞれのチップ１ａと対応するように配置された６つのコレクタレンズ２により集光された後に、リレーレンズ３を介してフライアイレンズ４に入射する。各コレクタレンズ２は、その前側焦点位置が対応するチップ１ａの発光面の位置とほぼ一致するように配置されている。また、各コレクタレンズ２の後側焦点位置が位置する面に、リレーレンズ３の前側焦点位置がほぼ一致している。各コレクタレンズ２は、その光軸がリレーレンズ３の光軸（ひいては照明光学系ＩＬの光軸ＡＸｉ）とほぼ平行になるように配置されている。

フライアイレンズ４は、並列的に配置された多数のレンズエレメント（波面分割要素）４ａを有するオプティカルインテグレータである。図２およびこれに関連する図では、説明の理解を容易にするとともに図面の明瞭化を図るために、フライアイレンズ４は、図３に示すようにＸ方向に５列でＹ方向に３列の合計１５個のレンズエレメント４ａを有し、各レンズ要素４ａの断面はＸ方向に細長い矩形状であるものとする。また、１５個のレンズエレメント４ａは稠密に配置され、フライアイレンズ４の断面はほぼ正方形状であるものとする。

したがって、図２において細い実線で示すように、各チップ１ａの発光面の中心から射出された光は、対応するコレクタレンズ２を経てほぼ平行な光束になり、光軸ＡＸｉとほぼ平行な経路に沿ってリレーレンズ３に入射する。リレーレンズ３に入射した６つのほぼ平行な光束は、その後側焦点位置の近傍に位置するフライアイレンズ４の入射側の面に集光する。

図２において破線で示すように、各チップ１ａの発光面の端からコレクタレンズ２の光軸とほぼ平行（ひいては照明光学系ＩＬの光軸ＡＸｉとほぼ平行）に射出された光は、コレクタレンズ２の後側焦点位置の近傍に集光した後、リレーレンズ３の作用により、その後側焦点面の近傍に位置するフライアイレンズ４の入射側の面に投影される。こうして、各チップ１ａからの照明光は、対応するコレクタレンズ２およびリレーレンズ３を経て、フライアイレンズ４の入射側の面で重畳される。

すなわち、ＬＥＤ光源１の各チップ１ａの円形状の発光面の像が、フライアイレンズ４の入射側の面でほぼ重なり合うように形成される。このとき、ＬＥＤ光源１の各チップ１ａの発光面は、コレクタレンズ２およびリレーレンズ３の作用により、フライアイレンズ４の入射側の面の有効領域を覆う大きさまで拡大されて投影される。

各レンズエレメント４ａは、その入射側の面による焦点位置が出射面の位置とほぼ一致し、出射面による焦点位置が入射側の面とほぼ一致するように構成されている。また、各レンズエレメント４ａは、その光軸が照明光学系ＩＬの光軸ＡＸｉとほぼ平行になるように配置されている。フライアイレンズ４に入射した光束は複数のレンズエレメント４ａにより波面分割され、各レンズエレメント４ａの出射端の近傍の位置には、図３に示すように６つの小光源２１、すなわち６つのチップ１ａの発光面の像２１が形成される。

なお、図３では、図示した１５個のレンズエレメント４ａの入射側の面の全体を覆う領域に亘って、各チップ１ａからの照明光が重畳されるものとしている。実際には、上述したように、フライアイレンズ４のほぼ正方形状の入射側の面には、その内側において光軸ＡＸｉを中心とする円形状の照野が形成される。そして、入射側の面に形成された円形状の照野に対応するように、フライアイレンズ４の出射端には光軸ＡＸｉを中心とする円形状の領域内で分布する多数の小光源２１が形成される。

フライアイレンズ４の複数のレンズエレメント４ａを経た光束は、その出射端の近傍に配置された開口絞り５、およびコンデンサレンズ６を介して、マスクＭを照明する。コンデンサレンズ６は、その前側焦点位置がフライアイレンズ４の出射端の位置とほぼ一致し、後側焦点位置がマスクＭのパターン面の位置とほぼ一致するように配置されている。すなわち、各レンズエレメント４ａの入射側の面とマスクＭのパターン面とは、光学的にほぼ共役に配置されている。開口絞り５には、例えば光軸ＡＸｉを中心とした円形状の開口部（光透過部）が形成されている。ここで、開口絞り５が配置されている面は、投影光学系ＰＬの開口数を決定するための投影開口絞り（不図示）が配置されている面と光学的に共役な関係である。

また、照明光学系ＩＬの射出側から見た開口絞り５の像が照明光学系の射出瞳であり、この照明光学系の射出瞳と光学的に共役な位置である、開口絞り５が配置されている面を照明瞳と称することができる。そして、この照明瞳には、フライアイレンズの複数のレンズエレメント４ａによって、多数の発光部位からなる実質的な面光源としての二次光源（一般には照明瞳における所定の光強度分布）が形成される。言い換えると、フライアイレンズ４の複数のレンズエレメント４ａからの光が照明瞳に分布される。また、照明瞳とは、照明瞳と被照射面（露光装置の場合にはマスクまたはウェハ）との間の光学系の作用によって、被照射面が照明瞳のフーリエ変換面となるような位置として定義されてもよい。

また、フライアイレンズ４による波面分割数（レンズエレメント４ａの個数）が比較的大きい場合、フライアイレンズ４の入射面に形成される大局的な光強度分布と、二次光源全体の大局的な光強度分布（瞳強度分布）とが高い相関を示す。このため、フライアイレンズ４の入射面および当該入射面と光学的に共役な面における光強度分布についても瞳強度分布と称してもよい。

フライアイレンズ４の複数のレンズエレメント４ａからの光束は、開口絞り５の開口部により制限された後、コンデンサレンズ６を介してマスクＭを重畳的に照明する。その結果、マスクＭのパターン面（被照射面）には、Ｘ方向に沿って細長い矩形状の照明領域が形成される。このように、フライアイレンズ４の入射側の面で分割された光は、コンデンサレンズ６を介して、それぞれマスクＭの照明領域でほぼ重なり合うように投影され、照明領域における照度の平均化が行われる。

本実施形態において近傍と表現している範囲は、光の波長をλとするとき、結像光束の開口数ＮＡによる焦点深度（１／２）×（λ／ＮＡ^２）を示しているわけではなく、照明光束の広がりによる光量の低下が無視できる程度の範囲、およそ２×（λ／ＮＡ^２）の範囲を示している。ＬＥＤ光源１の場合、発光部としての各チップ１ａは、図４に示すように、ほぼ完全拡散光源と考えられる。図４において、半径方向が光の放射強度に、方位角（原点を中心とした回転方向）が光の放射角度に対応している。

このため、各チップ１ａから角度θの斜め方向に進む光の照度は、各チップ１ａの発光面から角度０で法線方向に進む光の照度のcosθ倍になる。つまり、各チップ１ａからの光をできるだけ効率良く取り込むには、各チップ１ａの発光面の法線から大きく傾いた光をコレクタレンズ２で取り込む必要がある。しかしながら、大きく傾いた光をコレクタレンズ２で取り込むと、コレクタレンズ２を経た光束の周辺光量が中心光量に比してcosθだけ減衰してしまう。

例えば米国特許出願公開第２００５／０２１９４９３Ａ１号明細書に開示された従来技術にしたがってフライアイレンズ４の入射側の面をケーラー照明するように構成すると、フライアイレンズ４の入射側の面で周辺光量が中心光量に比してcosθだけ減衰した不均一な照度分布が形成される。この場合、フライアイレンズ４では入射光束を複数のレンズエレメント４ａにより分割して被照射面で重ね合わせるので、フライアイレンズ４への入射光束の照度分布が不均一であっても、被照射面上ではほぼ均一な照度分布が得られる。

しかしながら、フライアイレンズ４で分割された光束は、各レンズエレメント４ａを透過して、フライアイレンズ４の出射端に達する。フライアイレンズ４の出射端はコンデンサレンズ６の前側焦点位置の近傍に配置されているので、フライアイレンズ４の出射端での光量分布の状態と、マスクＭを照明する光束の角度方向の光量分布の状態とが対応することになる。換言すると、フライアイレンズ４の出射端において周辺光量が中心光量よりも小さい不均一な光量分布に起因して、マスクＭを照明する光束において、入射角度が０度で垂直入射する光よりも入射角度の大きい光の方が強度の小さい不均一な照射角度特性が得られることになる。ここで、照射角度特性とは、照明光の入射角度に関する光強度の均一性ということができる。

露光装置では、フライアイレンズ４の出射端の近傍に、照明光束の角度範囲を制限するための開口絞り５が設けられている。より細かいパターンを解像するには、より回折角の大きな回折光を投影光学系ＰＬに取り込む必要がある。照明光束の周辺からの光による回折光の回折角が取り込める最大の回折角になるので、照明光の角度分布の周辺の光（入射角度の大きい光）の強度が弱いと、細かいパターンの回折光の強度が弱く十分なコントラストが得られなくなってしまうという問題がある。

さらに、変形照明を行う際に、照明瞳における光強度分布を輪帯状にするために開口絞り５の開口部を輪帯形状にすることもある。この場合も、光量低下を最小限に抑えるために、被照射面への照明光の照射角度特性は均一であることが望ましい。本実施形態では、ほぼ完全拡散光源と考えられる各チップ１ａの発光面の像を、フライアイレンズ４の入射側の面の近傍にほぼ重なり合うように投影することにより、フライアイレンズ４に入射する光束の光量分布をほぼ均一にすることができ、ひいては被照射面への照明光の照射角度特性をほぼ均一にすることができる。

特別な場合を除いて、露光装置でパターンを形成する際に、パターンの方向により解像度が異なるのは望ましくない。そこで、照明光束の角度範囲が方位依存性を持たないように、開口絞り５の開口部は光軸ＡＸｉを中心とした回転対称になっていることが望ましい。ここで、照明光束の角度範囲の方位依存性がないとは、照明光束の主光線を含む面（メリジオナル面）での角度範囲が、当該主光線を軸としてメリジオナル面を回転させた際にどの角度でも一定であることと言うことができる。所定の開口角に照明光束を限定する通常照明の場合には、開口絞り５の開口部は円形になっている。各チップ１ａの発光面が矩形状である場合、開口絞り５は円形状の開口部がフライアイレンズ４の出射端に形成される矩形状の照野にほぼ内接するように配置されることになる。

ここで、円形状の開口部の外側に入射する光は開口絞り５を通過することができないため、開口絞り５により遮られる光は照明に寄与することなく光量損失になってしまう。円形状の開口部が正方形状の照野に完全に内接するように配置しても、２０％以上の光は開口絞り５を通過することができない。ＬＥＤ光源１の発光部であるチップ１ａの発光面を光軸ＡＸｉ方向から見た形状が円形である場合には、開口絞り５の開口部の円形と相似になり、各チップ１ａから射出される光の損失を最小限に抑えることができる。

ＬＥＤ光源１のチップ１ａとコレクタレンズ２との組の数を増やすことにより、被照射面であるマスクＭのパターン面（ひいては基板１の露光面）における照度を高めることができる。しかしながら、フライアイレンズ４では、光が入射したレンズエレメント４ａと異なる（例えば隣の）レンズエレメント４ａから出射した光は大きく曲げられて、コンデンサレンズ６に取り込まれないか、あるいは取り込まれても照明領域以外に到達してしまう。このため、フライアイレンズ４のレンズエレメント４ａの出射面内に、ＬＥＤ光源１のチップ１ａから出射された光が入っている必要がある。

つまり、図５に示すように、ＬＥＤ光源１の各チップ１ａの発光面および各コレクタレンズ２は、フライアイレンズ４のレンズエレメント４ａの出射端がフライアイレンズ４とリレーレンズ３とにより投影される範囲内に配置されている必要がある。図５では、ＬＥＤ光源１の各チップ１ａおよび各コレクタレンズ２を、レンズエレメント４ａの出射端から見た様子を示している。

図５において、二点鎖線で示す矩形状の領域４ａａは、フライアイエレメント４の出射端がフライアイレンズ４とリレーレンズ７とにより投影される範囲を示している。矩形状の領域４ａａの範囲内に、ＬＥＤ光源１の各チップ１ａおよび各コレクタレンズ２が含まれている必要がある。より厳密には、各コレクタレンズ２の後側焦点位置に形成される各チップ１ａの発光面からの光による各スポットが、フライアイエレメント４の出射端がフライアイレンズ４とリレーレンズ７とにより投影される範囲４ａａに入っている必要がある。

ＬＥＤ光源１の各チップ１ａからの光を有効に取り込むために、各コレクタレンズ２の有効径は各チップ１ａの有効径よりも大きくなっている。ＬＥＤ光源１において、複数のチップ１ａは互いに接していない。その結果、ＬＥＤ光源１の各チップ１ａを冷却するための冷却媒体（冷却液体）を、チップ１ａの裏面側だけでなく表面側の発光面以外の部分にも通すことにより、より良い冷却効率を得ることが可能である。

以下、投影光学系ＰＬの像側開口数０．８、照明のコヒーレンスファクター（σ値）０．８で、基板Ｗ上の３０ｍｍ×１０ｍｍの矩形状の単位露光領域へ、マスクＭのパターンを１／４の倍率で縮小露光する露光装置の照明光学系ＩＬに適用した場合の数値例を示す。１／４の倍率で縮小露光するため、マスクＭ上では、単位露光領域の４倍の寸法を有する照明領域、すなわち１２０ｍｍ×４０ｍｍの矩形状の照明領域が必要になる。マスクＭ上のパターン領域は、マスクＭの設置誤差などを考慮し、照明領域よりもやや小さく設定される。

照明のコヒーレンスファクターが０．８であるため、基板Ｗ上の開口数である０．８に倍率１／４および照明のコヒーレンスファクター０．８をかけて得られる値である開口数０．１６（角度に換算すると９．２°）の角度範囲で強度の均一な光がマスクＭの照明領域に照射される必要がある。一例として、コレクタレンズ２の焦点距離を４００ｍｍとし、開口絞り５の円形状の開口部の内径（直径）を１２８ｍｍφとすることができる。

フライアイレンズ４の焦点距離を２０ｍｍとし、レンズエレメント４ａの断面形状を６ｍｍ×２ｍｍの矩形状とすることができる。レンズエレメント４ａの断面サイズ６ｍｍ×２ｍｍは、マスクＭ上の１２０ｍｍ×４０ｍｍの照明領域を、リレーレンズ６とフライアイレンズ４とにより投影した大きさに他ならない。フライアイレンズ４は、開口絞り５の円形状の開口部の内側領域を少なくとも埋めている必要があるため、例えば２２段×６４段のレンズエレメント４ａにより構成される。

コンデンサレンズ３の焦点距離を４００ｍｍとし、コレクタレンズ２の焦点距離を３ｍｍとし、ＬＥＤ光源１において直径１ｍｍφの円形状の発光面を有するチップ１ａからの光を、フライアイレンズ４の入射側の面において直径１３３ｍｍφの円形状の領域に拡大投影する。このとき、フライアイレンズ４では、開口絞り５の円形状の開口部の最外周に相当するレンズエレメント４ａの全面に亘って照明光が当たっている必要がある。開口絞り５の円形状の開口部の外側に対応するレンズエレメント４ａの部分領域に入射する光は、照明に寄与することなく光量損失になるが、照明光の照射角度特性の均一性を保つために必要な損失である。

チップ１ａからの光のうち、開口数換算で０．８までの範囲の光（角度換算で５３．１°までの範囲の光）をコレクタレンズ２で取り込もうとすると、コレクタレンズ２では少なくとも５．８ｍｍφの直径が必要になる。実際には、コレクタレンズ２において、収差補正のため、８ｍｍφ程度の直径が必要である。チップ１ａとコレクタレンズ２との組は、６ｍｍ×２ｍｍのレンズエレメント４ａの出射端をフライアイレンズ４とリレーレンズ３とにより投影した１２０ｍｍ×４０ｍｍの範囲４ａａに入っている必要がある。

図６に示すように、１２０ｍｍ×４０ｍｍの投影範囲４ａａに、直径が８ｍｍφのコレクタレンズ２を最大で７３個配置することができる。１つのチップ１ａ当たりの出力が１Ｗである場合、ＬＥＤ光源１の７３個のチップ１ａからの光出力は７３Ｗになる。コレクタレンズ２の取り込み角が開口数換算で０．８であるため、その取り込み効率は０．８を二乗して６４％となる。

フライアイレンズ４の入射側の面に形成される照野に対する開口絞り５の開口部の面積比および取り込み効率６４％を光出力７３Ｗにかけて照明領域の面積で割ると、照明光学系ＩＬの光学面での反射や硝材の光吸収などの影響を無視した照度が求まる。以上の計算を実行すると、基板Ｗの単位露光領域で１４．３５Ｗ／ｃｍ^２の照度が得られる。照明光学系ＩＬおよび投影光学系ＰＬの光学面での反射や硝材の吸収による光量損失を７０％程度とすると、基板Ｗの単位露光領域で１０Ｗ／ｃｍ^２の照度が得られる。

以上のように、本実施形態の照明光学系ＩＬでは、複数のチップ１ａの発光面からの光を、互いにほぼ平行な光軸を有する複数のコレクタレンズ２によりそれぞれ集光している。そして、複数のコレクタレンズ２を経た光束を、リレーレンズ３により、被照射面であるマスクＭのパターン面と光学的にほぼ共役な位置にあるフライアイレンズ４の入射側の面で重ね合わせるとともに、複数のチップ１ａの発光面からの光束の合成を行っている。

換言すると、各チップ１ａの発光面の像を、フライアイレンズ４の入射側の面にほぼ重なり合うように投影している。その結果、フライアイレンズ４に入射する光束の光量分布をほぼ均一にすることができる。なお、フライアイレンズ４の入射側の面を照明光が通過する所定面上の領域と見なすことができる。

そして、被照射面であるマスクＭのパターン面に入射する照明光の照度分布をほぼ均一にでき、且つ当該パターン面に入射する照明光の照射角度特性をほぼ均一にすることができる。すなわち、本実施形態では、マスクＭ上の照明領域における照度均一性および照射角度特性の均一性を実現しつつ、複数のチップ１ａの発光面からの光束の合成により照明領域において高い照度を得ることができる。

上述の実施形態では、間隔を隔てて配置された複数のチップ１ａに対応するように、チップ１ａと同数のコレクタレンズ２を個別に配置している。しかしながら、これに限定されることなく、個別に配置された複数のコレクタレンズ２に代えて、図７に示すように一枚の光透過性の基板に複数のレンズ１２ａを形成したレンズアレイ１２を用いてもよい。すなわち、図２の実施形態における複数のコレクタレンズ２を一体に形成する変形例が可能である。

一般に、図２の実施形態におけるコレクタレンズ２は、対応するチップ１ａの発光面からの照明光を集光する集光部として機能している。この集光部として、屈折作用を有するレンズだけでなく、反射作用を有するミラー、回折作用を有する回折光学素子などを用いることができる。また、複数の集光部が個別に設けられた集光部材、あるいは複数の集光部が一体に形成された集光部材を用いることができる。

発光部であるチップ１ａは半導体プロセスにより基板上に形成されるため、その位置精度は非常に高い。これに対して、合成されるチップ１ａの数が多くなった場合、多数のコレクタレンズ２をその光軸を位置合わせしながら配置するのは困難である。そこで、レンズアレイ１２のように複数の集光部が一体に形成された集光部材も半導体プロセスを用いて高い精度で作成し、ＬＥＤ光源１およびレンズアレイ１２の双方に位置合わせ用のマークを設け、これらの位置合わせマークを重ね合わせることにより、多数のチップ１ａに対する多数の集光部の位置決め作業が容易になるという利点がある。

上述の実施形態では、各チップ１ａからの照明光を、対応するコレクタレンズ２およびリレーレンズ３を介して、被照射面であるマスクＭのパターン面と光学的にほぼ共役に配置されたフライアイレンズ４の入射側の面で重畳させている。すなわち、被照射面であるマスクＭのパターン面と光学的に共役な共役面が、フライアイレンズ４の複数のレンズエレメント４ａの入射側の面とほぼ一致している。しかしながら、これに限定されることなく、上記共役面をリレーレンズ（リレー光学系）とコンデンサレンズ（コンデンサー光学系）との間に位置決めして、複数の発光面からの照明光が上記共役面で少なくとも部分的に重なり合うように構成しても良い。

言い換えると、各コレクタレンズ２およびリレーレンズ３からなる光学系に関して各チップ１ａの発光面と光学的に共役な関係になる共役面と、フライアイレンズ４の複数のレンズエレメント４ａの入射側の面との光軸方向における位置関係を一致させないようにしても良い。このとき、フライアイレンズ４の複数のレンズエレメント４ａの入射側の面では、複数の発光面からの照明光が部分的に重なり合うことになる。ここで、上記位置関係を変更することにより、フライアイレンズ４の複数のレンズエレメント４ａの入射側の面における照度分布を変更することができる。

上述の実施形態では、光源としてＬＥＤ光源１を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、間隔を隔てて配置された複数の発光部を有する光源、例えば半導体レーザアレイなどを用いることができる。また、図８に示すように、半導体レーザ（レーザダイオード）２１からの光をインプットレンズ２２により光ファイバー（ライトガイド）２３へ入射させて誘導する変形例も可能である。図８の変形例では、複数の光ファイバー２３の射出面２３ａを二次光源として、コレクタレンズ２の前側焦点位置の近傍に配置している。すなわち、図８の変形例における複数の光ファイバー２３の射出面２３ａが、図２の実施形態における複数のチップ１ａの発光面に対応している。発光面としての射出面２３ａは、必要に応じて、円形、矩形、多角形などの形状を有する。なお、複数の光ファイバー２３の射出面２３ａにおけるファイバーコアの部分、すなわち光が射出される部分を発光面としても良い。

図８では、半導体レーザ２１からの光をインプットレンズ２２により光ファイバー２３に導いている例を示しているが、半導体レーザ２１の光を光ファイバー２３へ導く具体的な構成については様々な形態が可能である。また、図８の変形例における光源２１は、半導体レーザに限定されることなく、ファイバーレーザやＬＥＤのような固体発光素子を用いることができる。光ファイバー（ライトガイド）を用いる場合、光ファイバーの前側に配置される光源を任意の距離だけ離して自由に配置することができるため、その発光部に対して十分な冷却対策を施すことができるという利点がある。

上述の実施形態のように、固体紫外光源を用いる場合、従来の超高圧水銀ランプに比べて寿命が長い利点がある。また、ランプ交換の際に冷却してからしか交換作業を行うことができないという問題が生じないため、装置の稼働時間を長くすることができる利点がある。また、固体紫外光源は、水銀ランプに比して光への変換効率が高く、使用する電力を抑えることができる利点がある。

さて、上述の実施形態では、複数のチップ１ａの円形状の発光面からの光をフライアイレンズ４の入射側の面で重畳させて円形状の照野を形成している。しかしながら、これに限定されることなく、図９に示すように、複数のコレクタレンズ２とリレーレンズ３との間の光路に挿入可能に回折光学素子２４を配置する変形例も可能である。図９では、入射光の角度を変化させて射出する偏向部材としての回折光学素子２４をリレーレンズ３の前側焦点位置の近傍に配置することにより、フライアイレンズ４の入射側の面に任意の形状の照野（光量分布）を形成する例を示している。

一例として、回折光学素子２４は、リレーレンズ３の前側焦点位置の近傍に配置され、発光部であるチップ１ａの円形状の発光面からの光を、リレーレンズ３の後側焦点位置の近傍において、ひいてはフライアイレンズ４の入射側の面において輪帯形状や他の所望の断面形状の光束に変換する。回折光学素子２４上のパターンはフーリエ変換によって形成されているので位置依存性がなく、コレクタレンズ２の光軸の位置を意識することなく回折光学素子２４を配置すれば良い。つまり、光路に挿入される回折光学素子２４を交換することにより、照明光の角度分布を任意の形に変化させることができる。すなわち、不図示の出し入れ機構を用いて所要の特性を有する回折光学素子を光路に挿入することにより、必要に応じて照明光の角度分布を選ぶことができる。なお、回折光学素子２４は透過型でも反射型でも良い。また、回折光学素子２４に代えて、或いは加えて、アキシコンプリズム等の屈折光学素子やアキシコンミラー等の反射光学素子を用いても良い。

上述の実施形態では、並列的に配置された多数のレンズエレメント４ａを有するフライアイレンズ４を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、図１０に示すように、フライアイレンズ４およびコンデンサレンズ６を省略した変形例も可能である。図１０の変形例では、図１１に示すように、ＬＥＤ光源３１の複数のチップ３１ａが、マスクＭ上の照明領域と相似（ひいては基板Ｗ上の単位露光領域と相似）な矩形状の発光面を有する。また、円形状の開口部３２ａを有する開口絞り３２がリレーレンズ３の前側焦点位置の近傍に配置され、マスクＭのパターン面がリレーレンズ３の後側焦点位置の近傍に配置されている。

ステップ・アンド・リピート方式の露光装置（ステッパー露光機）の場合には、投影光学系ＰＬの視野は円形であることが多く、チップ３１ａの発光面は円形状の視野に内接する正方形または正方形に近い矩形状と相似である。ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置（スキャン型露光機）では、投影光学系ＰＬの視野は長方形であることが多く、チップ３１ａの発光面は視野の長方形と相似である。ＬＥＤ光源３１の各チップ３１ａの発光面は対応するコレクタレンズ２の前側焦点位置の近傍に配置され、発光面上の一点から放射された光はコレクタレンズ２でほぼ平行な光束に変換される。各コレクタレンズ２を経た光束は、開口絞り３２およびリレーレンズ３を介して、マスクＭに照射される。

コレクタレンズ２の後側焦点位置の近傍に開口絞り３２が配置されているので、チップ３１ａとコレクタレンズ２との組は、図１１に示すように開口絞り３２の円形状の開口部３２ａの内側に配置されている必要がある。図１１では、チップ３１ａが長方形の発光面を有する例を示している。図１０の変形例では、複数のチップ３１ａを選択的に点灯させることにより、照明光の角度分布を選択することができる。図１１に示すように、開口絞り３２の円形状の開口部３２ａの内側に配置されたすべてのチップ３１ａを点灯させた場合には、所定の開口でほぼ一様の通常照明（円形照明）を行うことができる。

一方、図１２に示すように、開口部３２ａの内側において周辺のチップ３１ａだけを輪帯状に点灯させた場合には、輪帯照明を行うことができる。図１２では、点灯しているチップを参照符号３１ａａで示し、消灯しているチップにはハッチングを施すとともに参照符号３１ａｂで示している。実際には、図１１および１２よりも多数のチップ３１ａとコレクタレンズ２との組を設けることにより、より細かい輪帯状のパターンを作ることができる。さらに、チップ３１ａとコレクタレンズ２との間にアナモルフィックプリズムを入れたり、コレクタレンズ２の光学面をトーリック面にしたりすることにより、チップ３１ａの発光面の形状が正方形であってもマスクＭ上の長方形の照明領域に転写することができる。

本実施形態では、マスク上の照明領域を照明光が通過する所定面上の領域と見なすことができる。そして、この所定面上には、各チップ３１ａの発光面の像がほぼ重なり合うように投影されているため、この所定面上の領域（マスクＭ上の照明領域）における照明光の照度分布をほぼ均一にできる。

なお、上述の実施形態において、チップ１ａにおいて光が射出される面を発光面としたが、チップ１ａの上面に所定形状の開口を持つ遮光部材を設ける場合には、この開口が光を射出する領域を決定するため、開口の領域を発光面と見なしても良い。

なお、上述の各実施形態において、複数の発光面からの光を、互いにほぼ平行な光軸を有する複数のコレクタレンズ２によりそれぞれ集光しているが、複数のコレクタレンズ２のそれぞれの光軸は互いに平行でなくても良い。複数のコレクタレンズ２のそれぞれの光軸が互いに平行である場合には、複数の発光面からの光の所定面における重畳度合いを高めることができるが、所定面における照度分布を均一でない分布にする場合には、複数のコレクタレンズ２のそれぞれの光軸を互いに非平行にしても良い。

また、複数のコレクタレンズ２の光軸のそれぞれを複数の発光面の中心位置から外れるように設けても良い。また、上述の各実施形態におけるレンズは、単レンズに限定されず、複数のレンズからなるレンズ群としても良い。また、レンズのような屈折光学部材に限定されず、光を回折する回折光学素子や、光を反射する反射光学素子であっても良い。また、上述の各実施形態において、フライアイレンズ４は、複数のレンズエレメントを並列的に配置したものとしたが、これら複数のレンズエレメントが一体的に設けられたものであっても良い。

また、上述の各実施形態においては、開口絞り５を照明瞳面に配置したが、この開口絞り５を省いても良い。また、図８に示した実施形態において、固体発光素子に代えて、ランプを用いても良い。この場合、ランプの輝点の像を光ファイバーの入射端に形成すれば良い。また、ランプ輝点の像を光ファイバーの入射端におけるファイバーコアの部分に形成しても良い。

上述の実施形態の露光装置は、本願特許請求の範囲に挙げられた各構成要素を含む各種サブシステムを、所定の機械的精度、電気的精度、光学的精度を保つように、組み立てることで製造される。これら各種精度を確保するために、この組み立ての前後には、各種光学系については光学的精度を達成するための調整、各種機械系については機械的精度を達成するための調整、各種電気系については電気的精度を達成するための調整が行われる。各種サブシステムから露光装置への組み立て工程は、各種サブシステム相互の、機械的接続、電気回路の配線接続、気圧回路の配管接続等が含まれる。この各種サブシステムから露光装置への組み立て工程の前に、各サブシステム個々の組み立て工程があることはいうまでもない。各種サブシステムの露光装置への組み立て工程が終了したら、総合調整が行われ、露光装置全体としての各種精度が確保される。なお、露光装置の製造は温度およびクリーン度等が管理されたクリーンルームで行っても良い。

次に、上述の実施形態にかかる露光装置を用いたデバイス製造方法について説明する。図１３は、半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図１３に示すように、半導体デバイスの製造工程では、半導体デバイスの基板となるウェハＷに金属膜を蒸着し（ステップＳ４０）、この蒸着した金属膜上に感光性材料であるフォトレジストを塗布する（ステップＳ４２）。つづいて、上述の実施形態の投影露光装置を用い、マスク（レチクル）Ｍに形成されたパターンをウェハＷ上の各ショット領域に転写し（ステップＳ４４：露光工程）、この転写が終了したウェハＷの現像、つまりパターンが転写されたフォトレジストの現像を行う（ステップＳ４６：現像工程）。

その後、ステップＳ４６によってウェハＷの表面に生成されたレジストパターンをマスクとし、ウェハＷの表面に対してエッチング等の加工を行う（ステップＳ４８：加工工程）。ここで、レジストパターンとは、上述の実施形態の投影露光装置によって転写されたパターンに対応する形状の凹凸が生成されたフォトレジスト層であって、その凹部がフォトレジスト層を貫通しているものである。ステップＳ４８では、このレジストパターンを介してウェハＷの表面の加工を行う。ステップＳ４８で行われる加工には、例えばウェハＷの表面のエッチングまたは金属膜等の成膜の少なくとも一方が含まれる。なお、ステップＳ４４では、上述の実施形態の投影露光装置は、フォトレジストが塗布されたウェハＷを感光性基板としてパターンの転写を行う。

図１４は、液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図１４に示すように、液晶デバイスの製造工程では、パターン形成工程（ステップＳ５０）、カラーフィルタ形成工程（ステップＳ５２）、セル組立工程（ステップＳ５４）およびモジュール組立工程（ステップＳ５６）を順次行う。ステップＳ５０のパターン形成工程では、プレートＰとしてフォトレジストが塗布されたガラス基板上に、上述の実施形態の投影露光装置を用いて回路パターンおよび電極パターン等の所定のパターンを形成する。このパターン形成工程には、上述の実施形態の投影露光装置を用いてフォトレジスト層にパターンを転写する露光工程と、パターンが転写されたプレートＰの現像、つまりガラス基板上のフォトレジスト層の現像を行い、パターンに対応する形状のフォトレジスト層を生成する現像工程と、この現像されたフォトレジスト層を介してガラス基板の表面を加工する加工工程とが含まれている。

ステップＳ５２のカラーフィルタ形成工程では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応する３つのドットの組をマトリックス状に多数配列するか、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルタの組を水平走査方向に複数配列したカラーフィルタを形成する。ステップＳ５４のセル組立工程では、ステップＳ５０によって所定パターンが形成されたガラス基板と、ステップＳ５２によって形成されたカラーフィルタとを用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。具体的には、例えばガラス基板とカラーフィルタとの間に液晶を注入することで液晶パネルを形成する。ステップＳ５６のモジュール組立工程では、ステップＳ５４によって組み立てられた液晶パネルに対し、この液晶パネルの表示動作を行わせる電気回路およびバックライト等の各種部品を取り付ける。

また、上述の実施形態は、半導体デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートやシート状の可撓体に形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、上述の実施形態は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。

１ ＬＥＤ光源
１ａ チップ（発光部）
２ コレクタレンズ
３ リレーレンズ
４ フライアイレンズ
４ａ レンズエレメント
５ 開口絞り
６ コンデンサレンズ
ＩＬ 照明光学系
Ｍ マスク
ＭＳ マスクステージ
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ
ＷＳ ウェハステージ
ＣＲ 制御系

Claims (13)

1. 被照射面を照明する照明光学系において、
   第１発光面から第１照明光を射出する第１発光部と、
   前記第１発光面から間隔を隔てて配置された第２発光面から第２照明光を射出する第２発光部と、
   前記第１発光面からの前記第１照明光を集光する第１集光部および前記第２発光面からの前記第２照明光を集光する第２集光部を有する集光部材と、
   前記第１集光部を経た前記第１照明光と前記第２集光部を経た前記第２照明光との少なくとも一部を、前記被照射面と光学的に共役な共役面または前記被照射面で重畳させるリレー光学系とを備えていることを特徴とする照明光学系。
2. 前記リレー光学系と前記被照射面との間の光路中に並列的に配置された複数の波面分割要素を有するオプティカルインテグレータと、
   前記オプティカルインテグレータにより波面分割された複数の光束を前記被照射面で重畳させるコンデンサー光学系とを備え、
   前記共役面は、前記リレー光学系と前記コンデンサー光学系との間に位置することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記共役面は、前記複数の波面分割要素の入射側の面と一致していることを特徴とする請求項２に記載の照明光学系。
4. 前記集光部材と前記リレー光学系との間の光路に挿入可能に配置されて、入射光の角度を変化させて射出する偏向部材を備えていることを特徴とする請求項２または３に記載の照明光学系。
5. 前記集光部材の前記第１集光部は第１レンズを有し、前記集光部材の前記第２集光部は第２レンズを有し、
   前記第１レンズの光軸と前記第２レンズの光軸とは互いに平行であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明光学系。
6. 前記第１レンズと前記第２レンズとは一体に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の照明光学系。
7. 前記第１発光部を有する第１固体発光素子と、前記第２発光部を有する第２固体発光素子とを備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光学系。
8. 前記第１発光部は第１光源からの光を伝搬する第１ライトガイドを備え、前記第２発光部は第２光源からの光を伝搬する第２ライトガイドを備え、
   前記第１発光面は前記第１ライトガイドの射出面であり、前記第２発光面は前記第２ライトガイドの射出面であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光学系。
9. 前記第１発光面および前記第２発光面は円形状であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の照明光学系。
10. 前記第１発光面および前記第２発光面は、前記被照射面に形成される照明領域と相似の形状を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の照明光学系。
11. 前記被照射面に設置された所定のパターンを照明するための請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の照明光学系を備え、前記所定のパターンを基板に露光することを特徴とする露光装置。
12. 前記所定のパターンの像を前記基板上に形成する投影光学系をさらに備えていることを特徴とする請求項１１に記載の露光装置。
13. 請求項１１または１２に記載の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記基板に露光することと、
    前記所定のパターンが転写された前記基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記基板の表面に形成することと、
    前記マスク層を介して前記基板の表面を加工することと、を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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