(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光光源像を入射面側に受ける単一のロッドインテグレータと、このロッドインテグレータの出射面からの光を受ける第１のレンズとこの第１のレンズから所定距離離れた位置に配置された第２のレンズと有し前記ロッドインテグレータの出射面を物点として露光面に共役関係で結像させ前記所定距離を変えることにより結像される前記出射面の像の周辺部分を中心部に対してより大きく縮ませる方向に歪ませる照度補正レンズ系と、前記照度補正レンズ系と前記露光面との間に配置されたかつ前記照度補正レンズ系の合成焦点位置あるいはその近傍にその焦点が配置され前記共役関係を保持する凹面鏡とを備え、前記所定の距離を調整することにより前記露光面の像内に均一な照度の露光平面を形成することを特徴とする露光装置。
【請求項２】
露光光源と、この露光光源を第１の焦点位置あるいはその近傍に配置しその像を第２の焦点位置に投影する楕円ミラーの一部を構成する集光ミラーと、前記第２の焦点位置あるいはこの近傍の前記露光光源の投影位置に入射面側が配置された断面矩形の単一のロッドインテグレータと、このロッドインテグレータの出射面を物点として露光面に共役関係で結像させる照度補正レンズ系と、前記照度補正レンズ系と前記露光面との間に配置されかつ前記照度補正レンズ系の合成焦点位置あるいはその近傍にその焦点が配置され前記共役関係を保持する凹面鏡とを備え、前記照度補正レンズ系は、前記ロッドインテグレータの出射面からの光を受ける第１のレンズ群とこの第１のレンズ群から所定距離離れた位置に配置された第２のレンズ群とからなり、前記所定距離を変えることにより結像される前記出射面の像の周辺部分を中心部に対してより大きく縮ませる方向に歪ませるものであって、前記所定の距離を調整することにより前記露光面の像内に均一な照度の露光平面を形成することを特徴とする露光装置。
【請求項３】
前記ロッドインテグレータの出射面と前記補正レンズ系との距離が調整可能であって、前記出射面が前記合成焦点の手前の焦点位置あるいはその近傍に配置され、かつ、前記所定の距離の調整において前記合成焦点の後ろの焦点位置が前記露光面の距離との関係でケーラ照明とテレセントリック照明とが維持される焦点の位置あるいはほぼケーラ照明とテレセントリック照明とが維持される前記焦点位置の近傍に配置される関係に維持されることを特徴とする請求項２記載の露光装置。
【請求項４】
前記凹面鏡に換えてコリメータレンズが用いられることを特徴とする請求項３記載の露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、露光装置に関し、詳細には、ウエハ、マスク、ＬＣＤ基板等の露光装置に適し、あるいは高精細度の写真製版用の露光機に適し、広範囲に亙り均一な露光面が得られかつ露光均一化のための照度むら補正フィルタが不必要な露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来のＬＣＤ基板の露光装置の構成を示す概要図である。
１は、光源であり、通常、水銀ランプやハロゲンランプ等が使用される。この水銀ランプは垂直状態に立てて配置される。２は、集光ミラーであり、通常楕円ミラーの一部で構成される。３ａ  ，３ｂ  は反射ミラーであり、４は、インテグレータであって、光を平滑化する。これは、通常、フライアイと呼ばれるような多数の小さな口径の棒状のレンズ群からなる。５は、照度むら補正フィルタであり、露光平面に対して照射される光のさらなる均一化を図る。６はコリメータレンズであり、７はマスク、８は露光対象のＬＣＤ基板、９は、基板載置台である。
【０００３】
図示するように、この種の露光装置では、平面的に均一の露光面を得るためのケーラ照明系と、露光面内すべての点で照明光束が垂直に入射するテレセントリック照明系を組み合わせた光学系が採られている。水銀ランプ（光源）１より発する光束は、楕円ミラー２により反射ミラー３ａ  を介して、インプットレンズ６ａ  により平行光束としてインテグレータレンズ４に入射する。入射面は、光源の瞳面に相当するため、比較的照度が均一な面にするが、中心部は高く、周辺部は低い照度分布を持つ。複数のインテグレータ入射面をインテグレータレンズ４（個々のインテグレータレンズ）とコリメータレンズ６ｂ  により露光面７と共役とし、複数の入射面を重複させ、１つの露光面に結像させる形でケーラ照明系を構成している。また、個々のインテグレータ４の出射面には、光源像が形成され、ここをコリメータレンズ６ｂ  の前側焦点位置とすることにより、露光面７のすべての面内で照明光束が垂直に入射するテレセントリック光学系を実現する。
【０００４】
しかし、光源の配向パターンにより、通常、中心部の光が強く、周辺部が弱くなる。したがって、半導体製造技術分野で使用されるこの種の露光装置にあっては、要求に応えるような平面的に均一な露光光を得るには、どうしても中心部の光の透過率を下げて弱くして、周辺にいくに従って透過率を大きくするような照度むらを補正する補正フィルタ５を設ける必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体技術では、形成パターンが高度に微細化され、従来以上に露光光の平面的な意味での均一化の要求が高くなってきている。このような状況にあっては、物理的に固定的な照度むら補正フィルタでは対応しきれなくなってきている。なぜなら、照度分布は、光源の状態や照明系の状態に対応して変化するからである。半導体製造技術分野の要求に応えるような平面的に均一な照度の露光面を得るには、光源の経年変化や光学系の調整により変化した光の分布状態に対応して照度むら補正をしなければならない。そのために、その都度、補正フィルタを作り変えるには、現在の照度部分を計測することが必要になり、また、それに対応した照度むら補正フィルタをその都度作って配置しなければならない。
補正フィルタは、露光面中心部に至る照度の高い光束を、散乱や吸収で落とす手法であるので、光量ロスという欠点も合わせ持っている。通常、１０％程度の補正をかけるために、１０％程度のロスが発生する。
このような作業は、手間のかかるものであり、過去作成したフィルタはすべて無駄になる。
【０００６】
さて、写真製版の技術は、各種方式の印刷に必要な版を製作する技術として広く用いられている。印刷技術は、大別して、凸版印刷、凹版印刷、孔版印刷、平版印刷等に区別されるが、いずれの方式においても版が必要であり、高精度の印刷を製作する技術として写真製版におけるフィルム露光工程の改善が行われてきた。
製版工程にあっては、網フィルムの網の目の細かさが、出来上がる印刷の細かさ即ち解像度を決定する。すなわち、網の目が粗いと、出来上がる印刷物には、パターンの輪郭や色合いが変わる境界部分でギザギザした網点形状が視認される。新聞紙印刷等の場合を除き、通常の印刷ではこのようなギザギザした網点形状が視認されることはないが、より高精度の印刷という点でさらに網の目の細かい網点を使用することが要請されている。特に、美術複製など高級な印刷では、スクリーン線数が２００線以上の網点を使用した高精細印刷が注目されているが、露光量の均一性の問題がここでもある。すなわち、網点が細かくなればなるほど、網点の像を忠実に転写することが困難になり、感光体フィルムの感光層が感光するパターンは、網点が細かくなるに従って網点が忠実に再現できなくなる。
【０００７】
そこで、この出願に先だって後述するこの発明と同様な技術を開発し、写真製版の技術についてすでに出願済みである。しかし、この出願にあっては、半導体製造工程で利用するほどの高精度の均一露光まで考慮されていない関係から半導体の技術分野の要求に応えるだけの露光平面の全面的な均一化を達成するだけの事実関係の分析と技術の検討が不十分であった。
この発明の目的は、この事実関係を分析してＬＣＤ基板の製造を含め、半導体製造技術に十分適用し得、かつ、露光均一化のための照度むら補正フィルタを用いなくても済む露光装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するためのこの発明の特徴は、露光光源像を入射面側に受ける単一のロッドインテグレータと、このロッドインテグレータの出射面からの光を受ける第１のレンズとこの第１のレンズから所定距離離れた位置に配置された第２のレンズと有しロッドインテグレータの出射面を物点として露光面に共役関係で結像させ所定距離を変えることにより結像される出射面の像の周辺部分を中心部に対してより大きく縮ませる方向に歪ませる照度補正レンズ系と、照度補正レンズ系と露光面との間に配置されかつ照度補正レンズ系の合成焦点位置あるいはその近傍にその焦点が配置され共役関係を保持する凹面鏡とを備えていて、所定の距離を調整することにより露光面の像内に均一な照度の露光平面を形成するものである。
【０００９】
【作用】
単一のロッドインテグレータに入射された光源像の光は、ロッドインテグレータ中を伝搬した後、出射面から出射されるが、単一のロッドインテグレータを使用しているので、その出射面では、ほぼ均一な面光源が得られる。しかし、光源の特性やレンズの特性から中心部が強く、周辺部が弱いという照度むらは多少残っている。ここでは、この多少の照度むらを照度補正レンズ系の像歪による補正で解消する。すなわち、照度補正レンズ系は、出射面を物点として露光面にこれに共役となる像を結像させるとともに、周辺部を中心部に対して縮ませる歪補正を加える。このことにより中心部に対して周辺部の照度の密度を増加させて露光面の像の内部において照度むらのない均一な露光面を実現させる。
これにより、補正フィルタが不要になるため、露光光束のロスもほとんど少なくできる。
【００１０】
【実施例】
図１は、この発明の露光装置を適用した一実施例の概略構成を示す断面図である。なお、図５と同様な構成は同一の符号を付してある。
図１では、図５のインテグレータ４に換えて単一のロッドインテグレータ１０を設け、コリメータレンズ６に換えて凹面鏡１１を設けている。さらに、照度むら補正フィルタ５に換えて照度むら補正レンズ系１２（以下補正レンズ１２）が設けられている。
ロッドインテグレータ１０は、断面矩形の単一のロッドレンズで構成されている。このレンズの入射面は、光源１が置かれた焦点に対して楕円の他方の焦点に来るように配置されている。したがって、その入射面に投影された光源像からの光は、その出射面に移送されて均一化される。しかも、この出射面の像は、ここでは１つの光源像になっている。
【００１１】
ロッドインテグレータ１０（以下インテグレータ１０）の出射面は、補正レンズ１２の合成焦点の手前側の焦点位置あるいはその近傍に配置される。凹面鏡１１は、後ろ側の合成焦点よりさらに後ろに配置されている。ここでは、インテグレータ１０の出射面の像は、凹面鏡１１の手前にある、補正レンズ１２の後ろ側の合成焦点の位置あるいはその近傍に結像する。この結像位置は、凹面鏡１１の焦点の位置あるいはその近傍になっている。この位置の結像が凹面鏡１１を経てマスク７の位置に一致する露光面に照射される。この露光面の位置は、凹面鏡１１とほぼ焦点距離ｆo に等しく、これによりテレセントリック光学系が構成され、露光面７のすべての面内で照明光束が垂直に入射するとともに、多重反射により照度均一化がなされたインテグレータ１０の出射面が補正レンズ１２と凹面鏡１１によりケーラ照明系として露光面に結像する。
【００１２】
図２は、単一のインテグレータ１０のインテグレート作用を説明する図であって、ロッドインテグレータ中を伝搬する光線の経路を示している。
光源１からの光は、インテグレータ１０の一方の端面から入射して、一部の光がロッドレンズの側面で全反射し、他方の端面から出射される。この際、ロッドレンズの入射端面のある点に入射する光線は、その入射角度に応じてインテグレータ１０の出射端面上の各点に分散する。その結果として、照度分布の均一化が図られる。
【００１３】
この点を、図２を用いてさらに詳しく説明する。図２の（Ａ）は、入射端面の中心（光軸上の点）からインテグレータ１０に入射した光線の軌跡を描いたものである。そして、図２の（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）は、（Ａ）の光線をインテグレータ１０の側面での全反射の回数に応じて分離した図である。
まず、図２（Ｂ）に示すように、入射角が所定範囲の小さなものである場合、光線は全反射することなく出射端面全体に広がり、直接出射端面から出射される。入射角が小さければ（Ｂ）のようになが、それは、言うまでもなくインテグレータ１０の長さとこれに垂直な断面積とに依存する。なお、ここでは、長さが３００ｍｍ程度で断面が２２ｍｍ×２７ｍｍ程度のロッドレンズを用いている。次に、所定の入射角度の光線を中心とし、これから入射角度がプラスマイナスに多少ずれた光線は、図２（Ｃ）のようにインテグレータ１０の側面で１回全反射する。やはりこの光線も、ロッドレンズの出射端面全体に広がって出射する。
【００１４】
（Ｃ）よりもさらに大きな入射角の光線を中心とし、その光線から所定範囲内で入射角度がプラスマイナスに多少ずれた光線は、図２（Ｄ）のようにインテグレータ１０の側面で２回全反射する。やはりこの光線も、インテグレータ１０の出射端面全体に広がって出射する。さらに、（Ｄ）よりもさらに大きな所定の入射角の光線を中心とし、その光線から入射角度が多少プラスマイナスにずれた光線は、図２（Ｅ）のようにインテグレータ１０の側面で３回全反射する。やはりこの光線も、インテグレータ１０の出射端面全体に広がって出射する。
このように、入射面の入射角が大きくなるにつれて全反射の回数が多くなり、その光は、同様にインテグレータ１０の出射面全体に広がって出射する。
【００１５】
このようにして、入射端面の中心というある一点から入射する光線は、いずれも出射端面全体に広がって分散する。この状態は、（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）を重ね合わせた（Ａ）によってさらによく理解される。
このような出射端面全面への光の分散は、入射端面の他の点から入射する光についても同様に生じる。つまり、入射端面の各点において、入射した光線が出射端面に分散する。その結果、照度分布の均一化がほぼ達成され、光源の像がそのまま均一化された形で出射面に移送される。
つまり、インテグレータ１０の入射面において照度分布があっても、各点の入射光が同様に出射面に分散する結果、出射面での照度分布が均一になる。しかし、このようなインテグレータ１０による光を集積し、平均化をしたとしても、半導体製造工程で使用する露光装置としては、いまだ、光源の中心部の強度の影響が現れ、中心から周辺部に向かって照度が低くなる照度むら現象が完全には解消されたものとはならず、露光という点からみて未だ平面的には十分に均一な露光光が得られているとは言えない。
【００１６】
ここで、重要な役割を果たすのが、補正レンズ１２である。図３に示すように、このレンズ系は、第１のレンズ群として３枚の組み合わせ凸レンズ１２ａ  ，１２ｂ  ，１２ｃ  と、これと距離ｄ１  だけ離れて配置された第２のレンズ群として２枚の凸レンズ１２ｄ  ，１２ｅ  とからなる。そして、第１のレンズ群とインテグレータ１０の出射面ＳＯ  との距離がｄ２  となっている。
なお、出射面ＳＯ  からの光は、図２の（Ａ）に示すように、中央部は中央部で、周辺部は周辺部で広がるので、補正レンズ１２を経て凹面鏡１１でこれを集光する。そして、露光面に出射面ＳＯ  の像を投影するようなっている。したがって、これらレンズ系１２と凹面鏡１１の組み合わせ光学系にとっては、インテグレータ１０の出射面ＳＯ  が物点であり、露光面が（図１では、マスク７の基板側に当たる裏面）が像点になる。そして、インテグレータ１０の出射面の像を露光面に投影していることになる。すなわち、ここでは、出射面ＳＯ  の物点像と露光面の投影像とが共役関係にある。
【００１７】
次に、照度むら補正について説明すると、第１のレンズ系と第２のレンズ系との距離ｄ１  により像の中心部に対する周辺部の歪量を調整する。そして、距離ｄ２  を調整することで、インテグレータ１０の出射面を補正レンズ１２の手前側の合成焦点の近傍とし、その像を後ろ側の合成焦点の近傍に位置付けるととも、この後ろ側の合成焦点の位置をあまり移動させないように調整する。これにより図１に示すテレセントリック系の条件をできるだけ維持できるようにして露光面での平面的な光の均一化を図る。
すなわち、距離ｄ１  ，ｄ２  を変化させることで凹面鏡１１の焦点あるいはその近傍に配置された補正レンズ１２の後ろ側の合成焦点位置あるいはその近傍にインテグレータ１０の出射面ＳＯ  の像を歪ませた状態で投影して、周辺部の光束密度を向上させてるとともに、露光面に対するケーラ照明とテレセントリック系の条件をほぼ維持できるようにして露光面の光を均一化する。
【００１８】
露光面の像の大きさは、この像が露光されるマスク面より大きくなるようにあらかじめ設計されている。そして、距離ｄ１  の距離を調整することによりこの像が中心部に対して周辺部を大きく歪ませて縮小させる。その結果、露光面に投影される像も周辺部が中心部よりも大きく縮小する歪が加わる。
この歪は、レンズの機能上からその光軸に近づくにつれてその縮小率が低下する特性になる。大きく縮小された周辺部は、単位面積あたりの光の密度が増加し、中心部に近づくにつれてその影響がなくなる。しかし、距離ｄ１  を調整すると当然のことながら、出射面の投影像も合成焦点の焦点位置から前後に移動する。この移動をできるだけ少なくして焦点位置に近傍に維持しなければケーラ照明とテレセントリック系の関係が維持できない。
すなわち、この補正レンズ１２が修正できる範囲は、ここでは、ケーラ照明とテレセントリック系を維持する条件の下で行われ、後ろの合成焦点位置の近傍に形成され出射面の像が位置付けられるようになっていなければならない。そこで、歪で調整できる範囲も多少制限を受ける。このような歪の調整制限範囲になるように、その前段で光の均一化を図る役割を果たすのがインテグレータ１０である。
【００１９】
その具体例について説明する。
インテグレータ１０の出射面ＳＯ  の面積を２２ｍｍ×２７ｍｍ、長さを３００ｍｍとする。こととき、光源１の物点としての大きさ（出射面の物点像）が約２５ｍｍφとする。第１のレンズ群の凸レンズ１２ａ  と出射面ＳＯ  との距離は２５ｍｍ，凸レンズ１２ｅ  と凹面鏡１１との距離は２０００ｍｍ，第１のレンズ群と第２のレンズ群との距離は７０ｍｍである。凸レンズ１２ａ  は、口径＝約８０ｍｍφ，曲率Ｒ１  ＝９４ｍｍ，Ｒ２  ＝２７３ｍｍ，ｎ＝１．４７４５５の石英メニスカレンズであり、凸レンズ１２ｂ  ，１２ｃ  は、それぞれ口径＝約８０ｍｍφ，曲率Ｒ１  ＝１４４，Ｒ２  ＝∞，ｎ＝１．４７４５５の石英平凸レンズである。そして、第２のレンズ群の凸レンズ１２ｄ  ，１２ｅ  は、それぞれ口径＝約１００ｍｍφ，曲率Ｒ１  ＝１４４，Ｒ２  ＝∞，ｎ＝１．４７４５５の石英平凸レンズである。最後にこれらによる補正レンズ１２の合成焦点距離は、約９３ｍｍである。
【００２０】
この例では、出射面の物点像がほぼ２０倍で露光面に投影される。この場合の周辺歪と光量との関係を露光面Ｓに対して各ブロックに分解して図示したのが図４であり、各ブロックにおけるｚ方向の高さが露光面Ｓの上半分についての各ブロックについての歪量を表している。露光面Ｓの面積とその後ろにある歪み面Ｄの各ブロック面積比が露光面Ｓでの各ブロックの光の増加量となる。
ここで、例えば、この露光面の大きさを縦横の長さが４２０×５４０ｍｍとすれば、前記の補正レンズの条件で中心部の歪量を０％として周辺部の角部分で１．４７％〜１．４８％程度、縦方向の周辺部の中央で０．３７％〜０．４５％、横方向の周辺部の中央で０．７９〜０．８３％程度になる。この歪量に応じて光量の補正がなされる。
【００２１】
前記の約２０倍程度の倍率で出射面の像を露光面に投影する場合の実際の補正レンズ１２は、凸レンズ１２ａ  と出射面との距離ｄ２  ＝１０〜３０ｍｍ，第１のレンズ群と第２のレンズ群との距離ｄ１  ＝６０〜１００ｍｍ，  合成焦点距離としてｆ＝８５〜１１５ｍｍ程度の範囲で変化するようになっている。
以上の条件は、物点の投影倍率が２０倍程度の例であり、倍率を変更することにより前記の数値は適宜選択される。また、インテグレータ１０の出射面の面積によっても前記の数値は変更され、これらは設計事項になる。
【００２２】
ところで、凹面鏡１１は、図５に示すようなコリメータレンズが用いられてもよいことはもちろんである。さらに、補正レンズと露光面との間に反射ミラーや固定的なインテグレータレンズ等を設けてもよいことはもちろんである。
また、実施例では、ケーラ照明等の条件付けをした例を挙げているが、露光光の均一の要求の度合いにより、このような条件をすべて十分に満たす必要はない。したがって、特に、均一露光について高い精度が要求されない露光の場合や写真製版の技術の場合に適用するときには、インテグレータの出射面と補正レンズとの距離を必ずしも調整するようにする必要はない。
さらに、露光光源は、楕円ミラーにより投影することも必要としない。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したことから理解できるように、この発明にあっては、単一のインテグレータを使用してほぼ均一な光源像を物点像として得て、この物点像の中心部が強く、周辺部が弱くなる多少の照度むらを、インテグレータの出射面を物点として照度むら補正レンズ系を経て露光面にこれに共役となる像を結像させるとともに、周辺部を中心部に対して縮ませる歪補正を補正レンズで加えるようにしているので、中心部に対して周辺部の照度の密度を増加させてこの像の内部において照度むらのない面を実現することができる。
その結果、従来のような補正フィルタを用いることなく、従来以上に照度が均一な露光面が得られる。しかも、補正フィルタが不要になるため、露光光束のロスもほとんど少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の露光装置を適用した一実施例の露光装置の構成の概要断面図である。
【図２】図２は、図１のインテグレータの作用の説明図である。
【図３】図３は、図１のインテグレータと補正レンズ系との関係の説明図である。
【図４】図４は、補正レンズによる露光面における歪量の説明図である。
【図５】図５は、従来の露光装置の構成の概要断面図である。
【符号の説明】
１…光源、２…集光ミラー、３…ミラー、４…インテグレータ、
５…補正フィルタ、６…コリメータレンズ、
７…マスク、８…ＬＣＤ基板、
１０…ロッドインテグレータ、１１…凹面鏡、
１２…照度むら補正レンズ系。
【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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