(57)【要約】【課題】ＵＶ発光ダイオードを効率的に用いて効率的に集光し高い照射出力を付与する。【解決手段】ＵＶ光を発光する複数のＬＥＤ光源と複数のダイクロイックミラーとを有するＬＥＤ型ＵＶ照射器を開示する。ダイクロイックミラーはＬＥＤ光源に対して配され、ＵＶ光を共通の光軸に沿って向けさせる。ライトパイプ等の光ホモジナイザは、共通の光軸に沿って配され、ＵＶ光を均質化する。ＵＶ照射器は５０％を越える集光効率を有し、８５０ｍＷ／ｍｍ2以上の照射出力を有する。ＬＥＤ型ＵＶ照射器を用いるリソグラフィシステムも開示されている。【選択図】図４
2010263218.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオード（ＬＥＤ）型紫外線（ＵＶ）照射器システムであって、
ＵＶ光を発光する複数のＬＥＤ光源と、
前記ＬＥＤ光源に対し配され、前記ＵＶ光を共通の光軸に沿って向けさせる複数のダイクロイックミラーと、
出力端を有し、前記共通の光軸に沿って配され、前記複数のＬＥＤ光源からのＵＶ光を均質化させ、前記出力端から均質化させた光を出力する光ホモジナイザと、
を備え、
前記ＵＶ照射器は５０％を越える集光効率と、８５０ｍＷ／ｍｍ2以上の照射出力を有する、
照射器システム。
【請求項２】
前記光ホモジナイザはライトパイプを有し、前記ダイクロイックミラーは前記ライトパイプの角度のついたファセット上に形成されている、
請求項１に記載の照射器システム。
【請求項３】
前記ＵＶ ＬＥＤ光源のうち少なくとも一つは、ＬＥＤ素子列を有する、
請求項１に記載の照射器システム。
【請求項４】
３６０ｎｍから３８０ｎｍのΔλ1、３９０ｎｍから４１０ｎｍのΔλ2、４２０ｎｍから４５０ｎｍのΔλ3の波長帯でそれぞれ光を出射する少なくとも第１、第２、及び第３ＵＶ ＬＥＤ光源を有する、
請求項１に記載の照射器システム。
【請求項５】
前記ダイクロイックミラーはバルク型ダイクロイックミラーである、
請求項１に記載の照射器システム。
【請求項６】
前記光ホモジナイザは、ライトパイプ、光トンネル、マイクロレンズアレイ及び反射器のうちの少なくとも一つを有する、
請求項１に記載の照射器システム。
【請求項７】
更に、ＵＶ ＬＥＤ光源毎に、ＵＶ ＬＥＤ光源を電気的に制御し冷却する電子制御／冷却部をそれぞれ有する、
請求項１に記載の照射器システム。
【請求項８】
前記ＵＶ ＬＥＤ光源はＬＥＤ発光領域を有し、
更に、前記ＵＶ ＬＥＤ光源のうちの少なくとも一つと対応するダイクロイックミラーとの間に、ＬＥＤ発光領域を拡大するレンズシステムを有する、
請求項１に記載の照射器システム。
【請求項９】
請求項１に記載の照射器システムと、
レチクルを支持し、前記照射器システムからのＵＶ光がイメージングフィールド上のレチクルを照射するように前記照射器システムに対し配されたレチクルステージと、
前記レチクルステージに隣接して配され、前記イメージングフィールド上にレチクルの像を形成する投射光学系と、
感光面を有する半導体ウエハを支持し、イメージングフィールドを受光しそこから一以上の露光フィールドを形成するウエハステージと、
を、光軸に沿って順に備える、ＵＶリソグラフィシステム。
【請求項１０】
前記レチクルステージとウエハステージとは、前記露光フィールドが前記イメージングフィールドよりも大きくなるように互いに対して可動である、
請求項９に記載のＵＶリソグラフィシステム。
【請求項１１】
ＵＶ光を発光する複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）光源を設け、
前記ＬＥＤ光源に対し配され、前記ＵＶ光を共通の光軸に沿って向けさせる対応するダイクロイックミラーに前記ＵＶ光を向けさせ、
出力端を有し、前記共通の光軸に沿って配され、前記複数のＬＥＤ光源からの前記ＵＶ光を均質化させることにより、前記出力端から均質化させた光を出力する光ホモジナイザにより前記ＵＶ光を均質化させる、
ＵＶリソグラフィシステムのためのＵＶ照射を行う方法であって、
５０％を越える集光効率と、８５０ｍＷ／ｍｍ2以上の照射出力を有する、
方法。
【請求項１２】
前記ＵＶ光を均質化させることは、ライトパイプを介して前記光を向けさせることを含み、前記ライトパイプは前記ライトパイプの角度のついたファセット上に形成されているダイクロイックミラーを有する、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数のＵＶ ＬＥＤ光源のうち少なくとも一つを、複数のＬＥＤ素子を一つのＬＥＤアレイに結合することにより形成することを含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
第１、第２、及び第３ＵＶ ＬＥＤ光源によって、３６０ｎｍから３８０ｎｍのΔλ1、３９０ｎｍから４１０ｎｍのΔλ2、４２０ｎｍから４５０ｎｍのΔλ3の波長帯のＵＶ光を生成することを含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記ＵＶ光を均質化することは、各ＵＶ ＬＥＤ光源からの前記ＵＶ光を、各レンズと前記ＵＶ光を結像させるバルク型ダイクロイックミラーとを用いて、光ホモジナイザの入力端上に向けさせることを含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
各ＵＶ ＬＥＤ光源を冷却することを更に含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記ＵＶ ＬＥＤ光源はそれぞれＬＥＤ発光領域を有し、
前記ＬＥＤ発光領域を拡大することを更に含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
アレイに配された複数のＬＥＤから一以上の前記ＵＶ ＬＥＤ光源を形成することを更に含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
一以上のＬＥＤアレイは発光領域と非発光領域とを有し、前記非発光領域は前記発光領域の５％以下である、
請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
レチクルの少なくとも一部に対しＵＶ照射を行い、
前記レチクルの前記照射された部分の像を半導体ウエハの感光面上に形成する、
ことを更に含む、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して照射器及びリソグラフィシステムに関し、特に、ＬＥＤ型ＵＶ照射器と同照射器を用いたリソグラフィシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外線（ＵＶ）波長のリソグラフィシステムの最近の照射器は、水銀（Ｈｇ）ランプやレーザ光源のいずれかを用いる。レーザ光源は、約２４８ｎｍの比較的短いＵＶ波長が必要なものを使用し、水銀ランプは一般的に約３６０から４５０ｎｍ間のＵＶ波長に用いられる。
【０００３】
水銀ランプの発光は、リソグラフィシステムに使用される光学系（投射光学系）のエタンデュに合わせなければならない。エタンデュは光源サイズ（ｍｍ2）と立体角（ステラジアン）の積であり、ｍｍ2−ステラジアンの単位を有する。この積は光源の「輝度」に関係する（Ｗ／ｍｍ2−ステラジアン）。エタンデュは、光学系を通じて維持される。光学的手段を用いて所定の光源のエタンデュを増加させることはできない。光学的手段を通じて光源を拡大したり縮小したりすることにより、光源のサイズや立体角を逆に変化させることができるが、エタンデュは一定である。
【０００４】
リソグラフィシステムのスループットを向上させるためには、光源の輝度を増加させる必要がある。これは、光源からの出力を増大させるか、エタンデュを減少させる（つまり、光源サイズを小さくする）ことにより達成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水銀ランプの出力を上げるには、通常光源サイズを大きくしなければならない。出力を倍増させるには通常は光源サイズを倍増させる必要がある。その結果、光源の有効輝度はほぼ変わらず、ウエハ面の出力密度も変わらないままである。スループット（つまり時間当たりのウエハの数）は、このようにランプを大きくすることでは改善されないのが一般的である。出力を上げてもウエハ面に伝えられず、スループットの向上に変えることはできない。発光出力を維持した状態でエタンデュを縮減することは同様に難しい。一般的には、光源サイズ（エタンデュ）を小さくすることは発光出力全体を弱める。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の観点によれば、ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）を効率的に用いて効率的に集光し高い照射出力を付与するＵＶ照射器が提供される。
【０００７】
本発明の他の観点によれば、投射光学系と本発明のＬＥＤ型ＵＶ照射器とを有するＵＶリソグラフィシステムが提供される。
【０００８】
本発明の他の観点によれば、ダイクロイックミラーを用いて、ＬＥＤ素子からなるＬＥＤアレイ等の複数のＵＶ ＬＥＤ光源によって出射されるＵＶ光（つまりＵＶ放射）を統合するＬＥＤ型ＵＶ照射器が提供される。
【０００９】
本発明の他の観点によれば、ダイクロイックミラーと、一以上のライトパイプ等の「ホモジナイザ」とを用いて、ＬＥＤアレイの複数のＵＶ ＬＥＤ光源によって発光されるＵＶ光を統合するＬＥＤ型ＵＶ照射器が提供される。
【００１０】
本発明の他の観点によれば、ＬＥＤアレイの光源サイズと分散を合わせてＬＥＤアレイによって発光されるＬＥＤ光の５０％を超える集光効率を達成するＬＥＤ型ＵＶ照射器が提供される。
【００１１】
本発明の他の観点によれば、複数の光ホモジナイザを用いてＵＶ ＬＥＤ光源を分離させることによりＵＶ ＬＥＤ光源の熱負荷を分散させるＬＥＤ型ＵＶ照射器が提供される。
【００１２】
本発明の他の観点によれば、約８５０ｍＷ／ｍｍ2を超える照射出力を提供し、それにより、レチクル面からウエハ面へかけて約７０％の透過率を有するＵＶリソグラフィシステムのウエハ面において約６００ｍＷ／ｍｍ2の照射を作り出す、ＬＥＤ型ＵＶ照射器が提供される。
【００１３】
本発明の付加的な構成及び効果は後述の詳細な説明で述べるが、当業者であれば、ある程度はその説明からすぐに理解でき、或いは後述の詳細な説明、クレーム及び添付図面を含めここに説明する本発明を実施することにより理解されるものである。
【００１４】
本発明の上記概要的説明及び後述の詳細な説明は本発明の実施例を示すものであり、特許請求の範囲に記載された本発明の本質及び特徴を理解するための概要や構成を述べることを意図したものである。添付の図面は、本発明をより理解するためのものであり、本明細書の一部をなす。図面は本発明の実施例を示すものであり、明細書と合わせて本発明の原理及び作用を説明するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のＬＥＤ型ＵＶ照射器の利用に適したＵＶリソグラフィシステムの一例を示す概略図である。
【００１６】
【図２】図１のＵＶリソグラフィシステムに関係する照射フィールドの例と露光フィールドの例を示す概略図である。
【００１７】
【図３】図１のＵＶリソグラフィシステムによって露光フィールドが形成された半導体ウエハの平面図である。
【００１８】
【図４】ＬＥＤ型ＵＶ照射器の一実施例を示す。
【００１９】
【図５】ＵＶ ＬＥＤ素子が配列された形のＵＶ ＬＥＤ光源の概略図である。
【００２０】
【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は、単独の光ホモジナイザと組み合わせたバルク型ダイクロイックミラーを有するＬＥＤ型ＵＶ照射器の一実施例の概略図である。
【００２１】
【図７】図４の照射器のうち二つを組み合わせたＵＶ照射器例の概略図である。
【００２２】
【図８】ＬＥＤの発光領域を大きくするために、レンズを介して組み合わされたＬＥＤ発光領域をそれぞれ有する二つのＵＶ ＬＥＤ光源の拡大図である。
【００２３】
【図９】図８と同様であるが、ＵＶ ＬＥＤ光源が４つの方向から組み合わせられ、統合されたＬＥＤ発光領域を形成する例を示す。
【００２４】
【図１０】ＬＥＤアレイのＬＥＤ素子の構成例と各ＬＥＤ素子の電子制御／冷却部とを示す概略図である。
【００２５】
【図１１】ＬＥＤアレイのＬＥＤ素子の構成例と各ＬＥＤ素子の電子制御／冷却部とを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
添付図面に例示されている本発明の好適な実施例について詳細に説明する。可能な限り、図面では同一又は類似の部分について同一の符号及び記号を使用する。参考のためデカルト座標Ｘ−Ｙ−Ｚを図面に示している。
【００２７】
本発明は、照射器及びリソグラフィシステムに関し、特に、ＬＥＤ型ＵＶ照射器と同照射器を用いたＵＶリソグラフィシステムに関する。まず一般的なＵＶリソグラフィシステムについて説明し、次いでかかるリソグラフィシステムにおいて使用に適するＬＥＤ型ＵＶ照射器の詳細な例について説明する。
【００２８】
米国特許第５８５２６９３号の“Low Loss Light Redirection Apparatus"をここに引用することにより本願の一部とする。
【００２９】
＜ＵＶリソグラフィシステム＞
本発明の一実施例は、本発明のＬＥＤ型ＵＶ照射器を使用するＵＶリソグラフィシステムである。本発明のＬＥＤ型ＵＶ照射器の使用に適したＵＶリソグラフィシステムの例は、米国特許第７１７７０９９号、第７１４８９５３号、第７１１６４９６号、第６８６３４０３号、第６８１３０９８号、第６３８１０７７号、及び第５４１０４３４号において記載され、これらはここに引用することにより本願の一部とする。
【００３０】
図１は、本発明のＬＥＤ型ＵＶ照射器を利用するのに適したＵＶリソグラフィシステム２００の一例の概略図である。ＵＶリソグラフィシステム２００は、光軸Ａ０に沿って、本発明のＬＥＤ型ＵＶ照射器１０と、レクチル面ＲＰのレチクルステージ２２０によって支持されるレチクル２１０（パターン形成されたマスク等）と、投射光学系２３０と、ウエハ面ＷＰのウエハステージ２５０によって支持されるウエハ２４０と、を有する。システム２００はまた、ＵＶ照射器１０とレチクルステージ２２０とウエハステージ２５０とに動作可能に接続され、システム２００の動作を制御するコントローラ２６０を有する。レチクルステージ２２０とウエハステージ２５０とは、（投射光学系２３０によってウエハ面ＷＰに形成されたレチクル２１０の照射部分の像である）イメージングフィールドＩＦがウエハ２４０の複数の部分に配されてウエハ上に複数の露光フィールドＥＦを形成するように可動である。ウエハ２４０は、ＵＶ照射器１０によって生成されるＵＶ光（「化学光」）によって活性化される感光性コーティング２４２（フォトレジスト等）を有する。
【００３１】
ＵＶ照射器１０からのＵＶ光Ｌは、レチクル２１０の一部或いは全体に照射される。次いでレチクル２１０は、投射光学系２３０を介してウエハ２４０の感光面２４２に結像される。実施例では、レチクル２１０及びウエハ２４０は、ウエハ上でイメージングフィールドＩＦを走査して図２に示すようにイメージングフィールドよりも大きい露光フィールドＥＦを形成するように、一緒に動かされる。図３を参照すると、ウエハ２４０上に形成された露光フィールドＥＦを順次使用して、標準的なフォトリソグラフィック及び半導体加工技術によって集積回路チップを形成する。
【００３２】
ＵＶリソグラフィシステム２００には所定の基本的な出力要件があり、それはイメージングフィールドＩＦの大きさに依存する。１５ｍｍ×３０ｍｍ、つまり４．５ｃｍ2の面積を有するイメージングフィールドＩＦでは、およそ７５０から１５００ｍＷ／ｍｍ2がｇ線及びｈ線の波長帯（それぞれ４０５ｎｍと４５０ｎｍ）のそれぞれのウエハ面ＷＰに伝えられ、２５０から７５０ｍＷ／ｍｍ2がｉ線の波長帯（つまり３６５〜３７５ｎｍ）について伝えられる。ＬＥＤ発光全体の４５％がウエハ面ＷＰに行くように、照射器１０がＵＶ ＬＥＤ光源からのＵＶ光Ｌの６５％を集光し、７０％の光伝送効率を得るとすると、ＵＶ ＬＥＤ光源は、ｇ線及びｈ線それぞれにおいて７．５Ｗから１５Ｗ、ｉ線において２．５Ｗから７．５Ｗ発光する必要がある。
【００３３】
ｇ線及びｈ線については、４つのＵＶ ＬＥＤ光源１２（ｇ線用に２つ、ｈ線用に二つ）を考える。各線において〜１０Ｗの出力を得るためには、各ＵＶ ＬＥＤ光源１２から約５Ｗが必要である。ｉ線については、二つのＵＶ ＬＥＤ光源１２を考える。〜５Ｗの出力を得るためには、各ＵＶ ＬＥＤ光源１２から約２．５Ｗが必要である。
【００３４】
２６ｍｍ×６８ｍｍ、つまり１７．７ｃｍ2の面積を有するイメージングフィールドＩＦでは、およそ７５０から１５００ｍＷ／ｍｍ2がｇ線及びｈ線の波長帯のそれぞれにおけるウエハ面ＷＰに伝えられ、３６５〜３７５ｎｍ放射のおよそ２５０から７５０ｍＷ／ｍｍ2を必要とする。ＬＥＤ発光全体の４５％がウエハ面ＷＰに行くようにすると、ＵＶ ＬＥＤ光源は、ｇ線及びｈ線それぞれにおいて３０Ｗから６０Ｗ、ｉ線において１０Ｗから３０Ｗを発光する必要がある。
【００３５】
ｇ線及びｈ線について、４つのＵＶ ＬＥＤ光源１２（ｇ線用に２つ、ｈ線用に二つ）を考える。約５０Ｗの出力を得るためには、各ＵＶ ＬＥＤ光源１２から約２５Ｗが必要である。ｉ線については、二つのＵＶ ＬＥＤ光源１２を考える。約２０Ｗの出力を得るためには、各ＵＶ ＬＥＤ光源１２から約１０Ｗが必要である。
【００３６】
実施例では、本発明のＵＶ照射器１０はその出力端において８５０ｍＷ／ｍｍ2以上の出力を有する。これにより、ＵＶリソグラフィシステム２００のウエハ面ＷＰにおいて約６００ｍＷ／ｍｍ2以上の照射を作り出し、これはレチクル面ＲＰからウエハ面ＷＰにおいて約７０％の透過率とする。
【００３７】
＜ＬＥＤ型ＵＶ照射器＞
ここ１０年の間、ＬＥＤの効率（ルーメン／Ｗ）は１０倍に増加し、次の５年間で２倍から４倍に増えることが期待されている。ＬＥＤ効率が改善されると、輝度も増加する。ＬＥＤは現在１Ｗ／ｍｍ2の発光に迫っている。しかし、ＬＥＤは、ＬＥＤの発光出力のワット毎に、約３〜１０Ｗ（波長による）が熱により放散されている。この熱放散のため複数のＬＥＤを密集させて配列することが難しくなる。しかし、ＵＶリソグラフィシステムの照射器のＬＥＤを使用することに関して言えば、ＬＥＤから発光された光のうちごく一部分のみが投射光学系２３０の立体角内に入る。これは、リソグラフィシステムの露光要件を満たすためには複数且つ密接させたＬＥＤが必要であることを示唆している。しかし、熱放散の問題からすると密接させて配列する複数のＬＥＤは問題がある。
【００３８】
図４は、ＬＥＤ型ＵＶ照射器（「ＵＶ照射器」）１０の一実施例を示す。ＵＶ照射器１０は光ホモジナイザ２０を有する。一例による光ホモジナイザ２０は、石英等の硬質のガラス材料からなるライトパイプと、空洞であり反射性のある内側側壁を有する光トンネルと、マイクロレンズアレイと、反射器と、その他を有する。図４の光ホモジナイザ２０は例としてライトパイプが示されている。
【００３９】
ＵＶ照射器１０はまた、ＵＶ ＬＥＤ光源１２−１、１２−２、１２−３等の複数のＵＶ ＬＥＤ光源を有し、これらの光源は、光軸Ａ１、Ａ２及びＡ３に沿って波長λ1、λ2、λ3でＵＶ ＬＥＤＬ１、Ｌ２、Ｌ３をそれぞれ発光する。実施例では、波長λ1、λ2、λ3は、ＵＶ ＬＥＤ光源１２−１、１２−２、１２−３それぞれにより発光される波長帯Δλ1、Δλ2、Δλ3の中心波長である。例によるＵＶ ＬＥＤ光源１２はＵＶ ＬＥＤアレイを有する。
【００４０】
図５は、ＵＶ ＬＥＤ素子（「ＬＥＤ」）１３が配列された形のＵＶ ＬＥＤ光源１２の概略図である。ＬＥＤ１３のサイズは異なっていてもよい。代表的なＬＥＤの大きさは１×１ｍｍから１．５×１．５ｍｍの範囲のものであるが、２×２ｍｍのものであってもよい。ＬＥＤアレイは主としてＬＥＤ１３間にいくつかの「デッドスペース」１５を有する。この「デッド」スペースの集光は非発光領域１５を構成するため、ＬＥＤ発光領域３０はＵＶリソグラフィシステム２００のウエハ面ＷＰにおいて必要な出力レベルを得るため発光を多くする必要がある。代表的なＬＥＤアレイは、配列においてＬＥＤチップ間に約１／２ｍｍのスペースがある。１×１ｍｍ平方のＬＥＤチップでは、発光領域３０に対するＬＥＤアレイ非発光領域１５の割合は約３３％である。よって、ＬＥＤ１３が配列されたＵＶ ＬＥＤ光源１２の一実施例においては、ＬＥＤは２×２ｍｍより大きく約０．１ｍｍ以下のスペースを有するため、発光領域３０に対する非発光領域１５の割合は５％未満であり、好適には３％未満である。
【００４１】
１５×３０ｍｍのイメージングフィールドＩＦと倍率５倍のＵＶ ＬＥＤ光源１２では、例示のＵＶ ＬＥＤ光源は３ｍｍ×６ｍｍのアレイサイズを有する。３×３ｍｍのＬＥＤ１３については、かかるＬＥＤを二つ組み合わせることによって３×６ｍｍのＵＶ ＬＥＤ光源を形成することができる。１×１ｍｍのＬＥＤについては、ＵＶ ＬＥＤ光源１２は、例えば３×６アレイに配された１８のＬＥＤ配列によって形成することができる。２６ｍｍ×６８ｍｍのイメージングフィールドＩＦについて、５倍率のものを使うと、ＵＶ ＬＥＤ光源１２は５．２ｍｍ×１３．６ｍｍの大きさとなる。この構成では、一例によるＵＶ ＬＥＤ光源１２は３×３配列で形成され、６ｍｍ×１５ｍｍＬＥＤアレイを形成する。ここでは、レンズ１６（後述する）により約４．５倍の倍率が与えられる。
【００４２】
実施例では、ＵＶ ＬＥＤ光源１２により次の波長帯Δλが生成される：Δλ1：３６０ｎｍ〜３８０ｎｍ；Δλ2：３９０ｎｍ〜４１０ｎｍ；Δλ3：４２０ｎｍ〜４５０ｎｍ。実施例においてはまた、ＬＥＤ波長λは、２４０ｎｍ等、３００ｎｍ未満の波長帯を一以上含む。
【００４３】
光ホモジナイザ２０は、各軸Ａ１、Ａ２、Ａ３に対し配され、（ライトパイプの角度のついたファセットＡＦ上のコーティング等により）それぞれＬＥＤ光源１２−１、１２−２、１２−３からの光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を効率的に集光し結合させるダイクロイックミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３を有する。実施例では、レンズ１６が各軸Ａ１、Ａ２、Ａ３に沿って配され、ＵＶ ＬＥＤ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を集光する。実施例では、レンズ１６は一以上のレンズ素子を含み、場合によっては関連した倍率を有する。実施例では、レンズ１６は一以上のミラーを含む。実施例では、レンズ１６を用いてＬＥＤ発光領域を所定量拡大して、所定サイズのイメージングフィールドＩＦを得る。ＵＶ ＬＥＤ光源１２がＵＶ ＬＥＤ１３アレイにより構成されている実施例では、レンズ１６はマイクロレンズアレイであるかマイクロレンズアレイを含む。レンズ１６の光学倍率の範囲は例えば２倍から１０倍の間である。
【００４４】
実施例では、ＵＶ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３はミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３によってそれぞれ集光され、共通の光軸ＯＰに沿って、例えば所定方向の軸Ａｃに沿って結合される。ＵＶ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は共通の光軸ＯＰに沿って完全に重ねられる必要はなく、実施例では共通の光軸内で「並んで」いるか、或いは共通の光軸内で一部（空間的に）重なっている。光ホモジナイザ２０はエタンデュを増やすことなく複数のＵＶ ＬＥＤ光源１２の発光を統合（つまり均一化）する。
【００４５】
波長λとＵＶ ＬＥＤ光源１２の数は光学的コーティング技術によってのみ制限される。ダイクロイックミラーＭは一つの波長帯ΔλTを透過させ別の波長帯ΔλRを反射する。例えば、ミラーＭ２は一つの波長帯Δλ1を透過させ別の波長帯Δλ2を反射する。ミラーＭにおいては各ＬＥＤ光源１２−１、１２−２…からの光Ｌ１、Ｌ２…の角拡散を考慮しなければならない。一般的には、コーティング技術は、各ＵＶ ＬＥＤ光源１２に対応する波長帯Δλ1、Δλ2、Δλ3が数ナノメートルで離れていることを必要とする。
【００４６】
実施例では、ＬＥＤ光源１２−１、１２−２、１２−３は、３６５ｎｍ〜３７５ｎｍの範囲のｉ線においては波長λ1で動作し、名目上４０５ｎｍの範囲ではλ2（ｈ線）、名目上４４０〜４５０ｎｍの範囲ではλ3（ｇ線）で動作する。より選択的なダイクロイックミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３を有するＵＶ照射器１０の例によって、ＵＶ ＬＥＤ光源と波長の数を増やすことができ、ＵＶ照射器１０は３７５ｎｍ、３９０ｎｍ、４０５ｎｍ、４２０ｎｍ及び４４０ｎｍ等の波長を含む。他の波長を追加することにより、照射器の輝度は増加するが、エタンデュは変わらない。実施例では、３００ｎｍ未満の波長、例えば名目上２４０ｎｍの波長で発光するＵＶ ＬＥＤ光１２を用いる。
【００４７】
図６（ａ）及び（ｂ）は、図１と同様のＵＶ照射器１０の例を示すが、ミラーシステムＭＳを構成するバルク型ダイクロイックミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３を利用する。この構成では、ＵＶ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３はガラスの光ホモジナイザ２０の端から端というよりフリースペースを伝播する。またこの構成では、レンズ１６は、ＵＶ ＬＥＤ光源１２アレイの出力をホモジナイザロッド２２の入力端２３に直接結像させる。均一化されたＵＶ光Ｌはホモジナイザロッド２２の出力端２３から出る。この構成は、ダイクロイックミラーＭはライトパイプ積分器の角度のついたファセットに組み込まれるのではなく、単独の構成要素とすることができるという利点がある。しかし、この構成は、ミラーシステムＭＳの出力端２１に配された別個のホモジナイザロッド２２や他の光ホモジナイザ２２を必要とするため、ミラーを光ホモジナイザと組み合わせる場合よりもＵＶ照射器１０がコンパクトにすることができない。
【００４８】
本発明のＵＶ照射器１０は、ＵＶリソグラフィシステム２００の効率的な発光を実現しつつ、ＬＥＤ熱放散に関係した熱管理問題を抑制するように、いくつか（２〜８、或いはそれ以上）のＵＶ ＬＥＤ光源１２（ＬＥＤアレイ等）の出力を統合する。実施例では、ＬＥＤからの光のうち５０％以上は集光され慎重に結合されることにより、ＵＶリソグラフィシステムに必要な輝度及び照射均一性を達成する。
【００４９】
ＵＶ照射器１０はＬＥＤ発光（つまり、ＵＶ光Ｌ）全体を複数のＵＶ ＬＥＤ光源に分割し、好適には図５に示すようなＬＥＤ１３アレイとして構成される。各ＵＶ ＬＥＤ光源１２は熱管理された大きさ及び出力を有する。各ＵＶ ＬＥＤ光源１２は、レンズ１６によって光学的に拡大され、光ホモジナイザ２０（中実又は空洞のいずれであってもよい）かダイクロイックミラーＭにより形成された共通の光軸に伝えられる。各ＵＶ ＬＥＤ光源１２の出力を拡大することにより、ＵＶ光Ｌ全体の大部分（５０％を超える）が集光される。ＵＶ照射器１０により、光源の有効エタンデュを増やすことなく、多数のＵＶ ＬＥＤ光源１２を一つの「有効光源」に結合（統合）することができる。
【００５０】
ＵＶ ＬＥＤ光源１２は代表的にはランバートパターンで発光するため、コサイン発光依存が強い。有限の開口数（ＮＡ）を有する光学系（例えばＵＶリソグラフィシステム２００の投射光学系２３０）では、投射光学系の物体側又は「レチクル側」のＮＡの範囲内で発光された光のみが集光され利用される。もし光調整光学系がＵＶ照射器１０で使用されないのであれば、投射光学系２３０の集光立体角内のＬＥＤによって発光されたＵＶ光Ｌのみが集光される。ランバート光源では、特定の立体角内で集光された光量は（ＮＡ）2にほぼ等しい。物体側ＮＡ＝０．１６の投射光学系では、ＵＶ ＬＥＤ光源１２により発光されたＵＶ光Ｌのうち２．５％しか取得されない。
【００５１】
レンズ１６を用いてＵＶ ＬＥＤ光源１２を拡大することにより、ＵＶ光ＬのＬＥＤ発光パターンは投射光学系２３０の物体側ＮＡに略合致する。発光された放射パターンは、レンズ１６の光学的倍率によって拡縮される。ＬＥＤ１３は概してＵＶリソグラフィシステム２００の露光フィールドＥＦよりもはるかに小さい発光領域を有する。ＵＶ ＬＥＤ光源１２のサイズをリソグラフィシステムのイメージングフィールドＩＦの大きさにほぼ合わせるように光学的に拡大することにより、ＵＶ ＬＥＤ光源の発光円錐角は拡大係数によって事実上縮減される。よって、同じＵＶ ＬＥＤ光源１２から、投射光学系の限定的ＮＡの範囲内でＵＶ光Ｌをより多く得ることが可能となる。例えば、ＵＶ ＬＥＤ光源を５倍拡大することにより（よって円錐角も同じ５倍縮減される）、各ＵＶ ＬＥＤ光源１２（１２−１、１２−２、…）から集光されるＵＶ光Ｌ２、Ｌ２、…の量は２．５％から６４％まで増加する。
【００５２】
ＮＡ＝０．１６でイメージングフィールドＩＦの二つの上記サイズを有する１：１リソグラフィシステムの要件例に基づき、ＵＶ照射器１０の一例を考えてみる。考えられる第１のイメージングフィールドの大きさは１５ｍｍ×３０ｍｍである。例えば、３つの異なるＬＥＤ波長の統合を考える。λ1＝３７５ｎｍ、λ2＝４０５ｎｍ、λ3＝４４０ｎｍである。これらの波長で発光するＵＶ ＬＥＤ光源１２は、日亜（日本）やＳｅｍｉＬＥＤＳ（米国）等の様々なメーカから購入できる。
【００５３】
一例では、ＵＶ ＬＥＤ光源１２は、図６の簡単なダイクロイックミラーによる手法を用いて結合（統合）され、他の例では、図４に示すようにミラーＭとして作用する角度のついたファセット上にダイクロイックコーティングを有する光ホモジナイザ２０を用いる。
【００５４】
図７は、図示のごとく、図４の照射器二つを（一方が他方に対して反射するように）横に並べた形にしたＵＶ照射器１０の一例の概略図である。図８を参照すると、各ＵＶ ＬＥＤ光源１２は対応するＬＥＤ発光領域３０を有し、これらは結合されて一つの有効なＬＥＤ発光領域３２（Ｘ−Ｚ面にある）を形成する。同１：１リソグラフィシステム照射器１０の例では、ＬＥＤ発光領域３０の大きさは、幅が１．５ｍｍくらいで長さが７ｍｍくらいである。ＵＶ ＬＥＤ光源１２の発光パターンは大体ランバートパターンである。それ自体では、発光ＵＶ光Ｌのうちわずかな部分（２．５％）だけが１：１リソグラフィシステム（図示せず）の立体角内にあるため、発光ＵＶ光Ｌのうち９７．５％は拒絶され、全く役に立たない。
【００５５】
この欠陥を解消するため、各ＬＥＤ発光領域３２は各レンズ１６の作用を介して５倍に拡大されるため、ＬＥＤ発光領域３０に対応する出射領域はおよそ７．５ｍｍ×３０ｍｍとなり、これは対応するホモジナイザ２０の断面の大きさに略匹敵する。１：１リソグラフィシステムのＮＡ内に入るこのＵＶ光Ｌの量は約６４％である。よって、各ＵＶ ＬＥＤ光源１２−１、１２−２、…からのＵＶ光Ｌ１、Ｌ２、…の６４％は集光され使用される。
【００５６】
二つの光ホモジナイザ２０を組み合わせることにより一つの光ホモジナイザアセンブリ５０を形成する。同アセンブリは、例示の１：１ＵＶリソグラフィシステム２００の３０ｍｍ×１５ｍｍイメージングフィールドＩＦの大きさに合った結合ＬＥＤ発光フィールド３２を形成する。このＵＶ照射器設計は、光源のエタンデュを増大させずに、同一及び異なる波長λの複数のＵＶ ＬＥＤ光源１２を統合することができるという点において利点がある。同時に、熱管理（つまり、ＵＶ ＬＥＤ光源１２の熱）は、各ＵＶ ＬＥＤ光源に対して動作可能に配された電子制御／冷却部６０によってそれぞれ作動され制御される複数のＵＶ ＬＥＤ光源を有することによって行われる。電子制御／冷却部６０は、ＵＶ ＬＥＤ光源１６を形成するＬＥＤ１３を動作させる電子制御部と、ＬＥＤからの熱を除去する冷却装置とを有する。
【００５７】
典型的なＬＥＤ１３を駆動する出力のおよそ５０から７５％が熱として放散される。一実施例では、電子制御／冷却部６０はヒートシンクへの伝導によって冷却し、ヒートシンク自体は低出力のＬＥＤに対しては空冷され、高出力のＬＥＤに対しては水冷される。
【００５８】
図７のＵＶ照射器１０の例は、二つの方向（＋Ｘ及び−Ｘ方向）から収束するＵＶ ＬＥＤ光源１２を有する光ホモジナイザアセンブリ５０を有する。図９は、例示の光ホモジナイザ５０の一部の概略図であり、ＵＶ ＬＥＤ光源１２が左右前後（つまり、４つの方向：＋Ｘ、−Ｘ、＋Ｙ及び−Ｙ）から収束し、ＵＶ照射器１０によって伝送される光出力量を増加させる実施例を示す。結合されたＵＶ ＬＥＤ発光フィールド３２は、Ｘ−Ｚ面に現れる図９で示す通りである。
【００５９】
４方向のＵＶ照射器の構成例を用いて、ＵＶ ＬＥＤ光源１２の光学的及び物理的特性をより効果的に合致させる。例えば、コスト的又は熱管理の問題から、ＵＶ ＬＥＤ光源１２をある程度密着して配列させて必要なＬＥＤ発光領域３０を形成するような構成をとることは難しい場合がある。かかる場合、ＵＶ ＬＥＤ光源２３を小さいユニットに分割して図９に示すように統合することがより効果的である場合がある。
【００６０】
上述のごとく、今日のリソグラフィシステム２００の１５ｍｍ×３０ｍｍのイメージングフィールドＩＦの必要な出力要件例は以下の通りである。
１）４００から４５０ｎｍの間においては１５００ｍＷ／ｍｍ2のエネルギーより大きい
２）３６５から３７５ｎｍの間においては２５０ｍＷ／ｍｍ2のエネルギーより大きい
【００６１】
１５ｍｍ×３０ｍｍのイメージングフィールドのサイズにより、１：１リソグラフィシステム２００におけるウエハ２４０に伝えられる総出力Ｐ（４００から４５０ｎｍの間においては６．７５Ｗより大きく、３６５から３７５ｎｍの間においては１．１Ｗよりも大きい）が決まる。光ホモジナイザアセンブリ５０によって集光された光の７０％がウエハ面ＷＰに伝えられる（３０％は光伝送の非効率性により失われる）とし、ＵＶ ＬＥＤ光Ｌの６４％が集光される（５倍の倍率のマイクロレンズアレイ１６による）とすると、計算では、図７の照射器の構成におけるＵＶ ＬＥＤ光源１２はおよそ５００から１０００ｍＷ／ｍｍ2の発光を要することになる。
【００６２】
２６ｍｍ×６８ｍｍのイメージングフィールドＩＦの実施例では、光ホモジナイザアセンブリ５０の各光ホモジナイザ２０はＸ−Ｚ面において１３ｍｍ×６８ｍｍの断面積を有する。各ＵＶ ＬＥＤ光源１２は２．５ｍｍ×１３ｍｍのＬＥＤ発光領域３０を有する。
【００６３】
例示の１：１リソグラフィシステム２００における１５×３０ｍｍのイメージングフィールドＩＦの場合、各ＵＶ ＬＥＤ光源１２はマイクロレンズアレイ１６を用いて５倍に拡大される。これにより、ＵＶ照射器１０はＵＶ ＬＥＤアレイの発光のおよそ６４％を集光することができる。ＬＥＤ発光領域３０は各レンズ１６により拡大されて１２．５ｍｍ×６５ｍｍとなり、これは１３ｍｍ×６８ｍｍの光ホモジナイザの部分断面積よりも僅かに小さい。光ホモジナイザのＸ−Ｚ寸法よりも小さいＵＶ ＬＥＤ光源イメージのサイズを保つことができるため光の損失はない。１５ｍｍ×３０ｍｍのイメージングフィールドＩＦについては、二つの光ホモジナイザ２０（それぞれ１３ｍｍ×６８ｍｍの大きさ）が結合されて光ホモジナイザアセンブリ５０を形成し、２６ｍｍ×６８ｍｍの寸法を有するＸ−Ｚ面の領域を照射する。
【００６４】
２６ｍｍ×６８ｍｍのイメージングフィールド対するリソグラフィの出力密度の要件は、上記１５ｍｍ×３０ｍｍイメージングフィールドと同様である。しかし、イメージングフィールドＩＦは大きくなるので、全体の出力要件は面積に応じたものとなる。４００ｎｍから４５０ｎｍの間の波長では、ウエハ面ＷＰに必要な光は２６Ｗを越える。３６５から３７５ｎｍの間の波長では、ウエハ面ＷＰに必要な出力は４．５Ｗを超える。この設計では、光源面積（つまりＬＥＤ発光領域３０）はイメージングフィールドＩＦの大きさに対応する。よって、ＵＶ ＬＥＤ光源１２からの発光要件は１５ｍｍ×３０ｍｍの場合、つまり５００〜１０００ｍＷ／ｍｍ2の場合と変わらない。
【００６５】
ＬＥＤ型ＵＶ照射器１０の実施例は、一以上の方向から、例えば１〜４方向からＬＥＤアレイを統合することを含む。実施例はまた、複数のＬＥＤ発光波長λを統合することを含む。上述したいくつかの実施例は、図示により３つのＵＶ波長しか示していないが、ＬＥＤ波長λの数はダイクロイックミラーのコーティング技術によって制限されるに過ぎない。ダイクロイックミラーの技術が改良されれば、統合する波長λの数を増やすことは可能である。
【００６６】
図１０は、各ＬＥＤ１３−１、１３−２、…１３−５と、ＬＥＤアレイとして構成されるＵＶ ＬＥＤ光源１２内の電子制御／冷却部６０−１、６０−２、…６０−５との配置関係を示す実施例の概略図である。図１１は図１０と同様であるが、４つのＬＥＤ１３−１、１３−２、１３−３、１３−４と対応する電子制御／冷却部６０−１、６０−２、６０−４、６０−４の他の構成例を示す。
【００６７】
本発明に対して、その主旨や範囲を逸脱することなく様々な変更や改良が可能であることは当業者であれば理解されるところである。従って、本発明は、解釈された特許請求の範囲及びその均等物の範囲内であれば、かかる変更や改良を含むことを意図するものである。
【００６８】
＜優先権主張＞
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき２００９年５月７日に出願された米国仮出願第６１／２１５，６１４号の優先権を主張するものであり、同出願はここに参照することにより本願の一部とする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【外国語明細書】
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