(57)【要約】【課題】本発明は、確実に高いコントラストで画像を投影することのできる位相変調型の画像投影装置を提供する。また、その画像投影装置に好適な画像表示素子を提供する。【解決手段】本発明の画像投影装置は、射出光の位相を制御可能な画素列を配置した表示素子（１５）と、有限の空間的可干渉性を有した照明光束で前記画素列を照明する照明光学系（１２,１４）と、前記画素列からの射出光を被投影面上に結像する投影光学系（１４）と、前記被投影面上に形成される前記画素列の像をその短手方向に移動させる走査手段（１６）とを備え、前記表示素子は、前記照明光束の空間的可干渉領域の幅以上の範囲に亘り前記画素列を複数列並べて配置していることを特徴とする。よって、表示素子からの射出光の位相が制御可能である。しかも、その画素列は、照明光束の空間的可干渉領域の幅以上の範囲に亘り複数列並べて配置される。これらを利用すれば、被投影面に形成される像のコントラストを最大に高めることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
射出光の位相を制御可能な画素列を配置した表示素子と、
有限の空間的可干渉性を有した照明光束で前記画素列を照明する照明光学系と、
前記画素列からの射出光を被投影面上に結像する投影光学系と、
前記被投影面上に形成される前記画素列の像をその短手方向に移動させる走査手段とを備え、
前記表示素子は、
前記照明光束の空間的可干渉領域の幅以上の範囲に亘り前記画素列を複数列並べて配置している
ことを特徴とする画像投影装置。
【請求項２】
請求項１に記載の画像投影装置において、
前記表示素子は、
前記照明光束の空間的可干渉領域の幅と同等の範囲に亘り前記画素列を複数列並べて配置している
ことを特徴とする画像投影装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の画像投影装置において、
前記被投影面は、
感光性膜の形成された半導体ウエハの表面であり、
前記投影光学系は、
半導体回路パターン投影用の縮小投影光学系である
ことを特徴とする画像投影装置。
【請求項４】
射出光の強度を制御可能な２列以上の画素列を基板上に設けてなる画像表示素子において、
前記画素列からの射出光の位相を画素毎に変化させる位相変化手段を備えた
ことを特徴とする画像表示素子。
【請求項５】
請求項４に記載の画像表示素子において、
前記画素列は、
反射条件可変の反射面群からなるブロックを単位画素として列状に配置してなり、
前記位相変化手段は、
前記基板に対する前記反射面群の高さをブロック毎に変化させるものである
ことを特徴とする画像表示素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造用の投影露光装置やプロジェクションテレビなどの画像投影装置に関する。また、本発明は、画像投影装置などに適用される画像表示素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造用の投影露光装置には、半導体ウエハに投影すべきパターンなどに応じて、バイナリーマスク、グレースケールマスクなどの各種の原版（フォトマスク、レチクルなどと呼ばれる。）が使い分けられる（特許文献１など）。
一方、プロジェクションテレビでは、ＧＬＶ（Grating Light Valve）からなる表示素子、やＤＭＤ(Digital Micro mirror Device)などの表示素子が使用される（特許文献２など）。
【０００３】
なお、これらの表示素子は、ライン状に配置された複数の画素（画素列）からなる一次元表示素子である。プロジェクションテレビは、その表示素子のライン状の像をラインに対し垂直な方向に微小距離ずつ移動させながら、表示素子に表示するパターンを変化させることで、二次元画像を高解像度で表示する。
将来、製造技術の向上などによりこの表示素子内の画素の配置密度が高まれば、表示素子を上述した投影露光装置の原版に応用できると考えられる。
【０００４】
その場合、投影パターンが自在に変更可能になるので、複数の原版を用意したりそれらを交換したりする手間が省け、半導体製造の工期短縮とコスト低減に役立つ。
【特許文献１】特開２００１−９２１０３号公報
【特許文献２】特開２００３−２１７９４号公報
【特許文献３】特公昭６２−５０８１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、現在、投影露光装置の原版として使用されているマスクの中には、バイナリーマスク、グレースケールマスクの他に、高密度なパターンをコントラスト高く投影することで知られた位相変調型マスク（＝渋谷−レベンソン型位相シフトマスク）がある（特許文献３など）。
しかし、上述した表示素子をそのまま利用しただけでは、仮に画素の配置密度が高まったとしてもこの位相変調型マスクの効果は得られないことが分かった。
【０００６】
そこで本発明は、確実に高いコントラストで画像を投影することのできる位相変調型の画像投影装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、その画像投影装置に好適な画像表示素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の画像投影装置は、射出光の位相を制御可能な画素列を配置した表示素子と、有限の空間的可干渉性を有した照明光束で前記画素列を照明する照明光学系と、前記画素列からの射出光を被投影面上に結像する投影光学系と、前記被投影面上に形成される前記画素列の像をその短手方向に移動させる走査手段とを備え、前記表示素子は、前記照明光束の空間的可干渉領域の幅以上の範囲に亘り前記画素列を複数列並べて配置していることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の画像投影装置は、請求項１に記載の画像投影装置において、前記表示素子は、前記照明光束の空間的可干渉領域の幅と同等の範囲に亘り前記画素列を複数列並べて配置していることを特徴とする。
請求項３に記載の画像投影装置は、請求項１又は請求項２に記載の画像投影装置において、前記被投影面は、感光性膜の形成された半導体ウエハの表面であり、前記投影光学系は、半導体回路パターン投影用の縮小投影光学系であることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の画像表示素子は、射出光の強度を制御可能な２列以上の画素列を基板上に設けてなる画像表示素子において、前記画素列からの射出光の位相を画素毎に変化させる位相変化手段を備えたことを特徴とする。
請求項５に記載の画像表示素子は、請求項４に記載の画像表示素子において、前記画素列は、反射条件可変の反射面群からなるブロックを単位画素として列状に配置してなり、前記位相変化手段は、前記基板に対する前記反射面群の高さをブロック毎に変化させるものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の画像投影装置は、表示素子からの射出光の位相が制御可能である。しかも、その画素列は、照明光束の空間的可干渉領域の幅以上の範囲に亘り複数列並べて配置される。よって、これを利用すれば、被投影面に形成される像のコントラストを最大に高めることができる。その結果、確実に高いコントラストで画像を投影することのできる位相変調型の画像投影装置が実現する。
【００１１】
また、本発明の画像表示素子は、各画素からの射出光の位相を制御することが可能である。よって、この画像表示素子は、本発明の画像投影装置に好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図１、図２、図３、図４を参照して本発明の実施形態について説明する。
本実施形態は、半導体製造用の投影露光装置の実施形態である。この投影露光装置には、図１に示すように、光源１１、照明用レンズ１２、ハーフミラー１３、投影光学系（半導体回路パターン投影用の縮小投影光学系）１４、表示素子（反射型の表示素子）１５、表示素子１５を支持するステージ１６、半導体ウエハ（レジストの塗布された半導体ウエハ）１７を支持するステージ１８、表示素子１５を駆動制御する制御装置１９などが備えられる。
【００１３】
光源１１から射出した照明光束は、照明用レンズ１２を経て、面Ｉ’をケーラー照明する。
この面Ｉ’は、投影光学系１４に関し投影光学系１４の物体面Ｏと共役関係にある。表示素子１５は、その物体面Ｏにその表面を一致させている。
よって、この投影露光装置では照明用レンズ１２と投影光学系１４とが照明光学系の役割を果たし、照明光学系から射出する照明光束によって表示素子１５の表面がケーラー照明される。
【００１４】
このとき、投影光学系１４の瞳上には、光源１１の像が形成される。その像の瞳に対するサイズの比は、表示素子１５の表面を照明する照明光束の空間的可干渉領域（空間的コヒーレンスな領域）の幅Ｌ（後述）が確保されるよう、小さく抑えられている。
このような照明光束によって照明された表示素子１５の表面では反射光が生起し、その反射光は投影光学系１４を物体面Ｏから面Ｉ’の方向へと通過する。ハーフミラー１３は、面Ｉ’と投影光学系１４との間に挿入される。
【００１５】
投影光学系１４を通過した反射光は、そのハーフミラー１３によって面Ｉ’とは異なる方向に偏向され、面Ｉに表示素子１５の像を結ぶ。その面Ｉが投影光学系１４の像面である。半導体ウエハ１７は、その面Ｉにその表面を一致させている。よって、半導体ウエハ１７の表面に、表示素子１５の像が形成される。
次に、表示素子１５の構成について説明する。
【００１６】
表示素子１５は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、表示素子１５を照明する照明光束の空間的可干渉領域の幅Ｌ以上の範囲に亘り、ＧＬＶからなる画素列１５１（詳細は後述）を複数列並べて配置している。
ここでは、画素列１５１の列数を、図２（ｂ）に示すように、必要最小限、つまり幅Ｌをカバーするのに必要最小数とする（図では、画素列１５１の列数は、「５」となっている。）。
【００１７】
因みに、照明光束の空間的可干渉領域の幅Ｌは、照明領域における２点間距離−可干渉性の曲線（空間コヒーレンス分布）（図２（ａ）参照）から求まる。
この空間コヒーレンス分布（図２（ａ）参照）は、照明光束に寄与する光学系（ここでは、光源１１、照明用レンズ１２、投影光学系１４）の設計データから求まる。
具体的に、空間コヒーレンス分布（図２（ａ）参照）は、Van Cittert-Zernikeの定理に基づき、表示素子１５の表面から見た光源の広がり（ここでは、投影光学系１４の瞳上に形成される光源１１の像の広がり）をフーリエ変換したものである。
【００１８】
特に、その光源が円形かつ一様な強度であるとき、その空間コヒーレンス分布は、無収差レンズの点像振幅分布と等しくなる。その無収差レンズの開口数ＮＡｅは、光源の大きさで決まる。
例えば、照明光学系の最終照明レンズ（図１の構成では、投影光学系１４）の表示素子１５側の開口数がＮＡｐであり、最終照明レンズの瞳上の光源の像の半径がその瞳の半径のＦ倍であるとき、ＮＡｅ＝ＮＡｐ×Ｆである（但し、１＞Ｆ）。
【００１９】
次に、ステージ１６，１８，制御装置１９の動作について説明する。
上述した表示素子１５は、投影光学系１４の視野の一部にしか存在しないので、ステージ１６は、表示素子１５が投影光学系１４の視野を走査するような方向（＝画素列１５１の短手方向）Ｄに表示素子１５を移動させる。
その走査中に、制御装置１９は、必要に応じて表示素子１５からの正反射光の強度や位相を後述するようにして制御し、表示素子１５の表示パターンを変化させる。
【００２０】
これらステージ１６及び制御装置１９の動作の結果、投影すべきパターンの全部を半導体ウエハ１７の表面に投影することができる。
また、工業製品である半導体ウエハ１７の表面には、同じパターンを並べて複数個投影する必要があるので、パターンの投影位置をずらすべく、ステージ１８は、投影光学系１４に対する半導体ウエハ１７の位置を移動させる。
【００２１】
次に、画素列１５１の構造について説明する。
画素列１５１は、図２（ｃ）に拡大して示すように、基板１５２上に圧電素子１５３を形成し、その圧電素子１５３上に帯状の導電膜１５４を形成し、さらに圧電素子１５３上に、導電膜１５４を跨ぐブリッジ状の可動リボン１５１ｍ及び固定リボン１５１ｆを導電膜１５４の長手方向に繰り返し並べて形成したものである。
【００２２】
可動リボン１５１ｍ及び固定リボン１５１ｆの表面は、照明光束の波長λを反射する性質を有する。
また、可動リボン１５１ｍ又は固定リボン１５１ｆと導電膜１５４との間隙は、λ／４に設定されている。
また、各可動リボン１５１ｍ及び導電膜１５４は、不図示の電圧印加用の端子を介してそれぞれ制御装置１９（図１参照）に接続され、両者の間に電位差が与えられるようになっている。
【００２３】
このような可動リボン１５１ｍと固定リボン１５１ｆとのペアを所定個数含む方形のブロックＰ1，Ｐ2，・・・が、それぞれ表示素子１５の画素を成す（以下、各画素を画素Ｐ1，Ｐ2，・・・と称す。）。なお、現行の同様の表示素子が１画素に含むペアの数は「３」であるが、図では、簡単のため「２」としてある。
圧電素子１５３は、画素Ｐ1，Ｐ2，・・・毎に個別に形成される（圧電素子１５３1，１５３2，・・・）。図２（ｃ）において符号１５３1，１５３2で示すのが、画素Ｐ1の圧電素子，画素Ｐ2の圧電素子である。
【００２４】
圧電素子１５３1，１５３2，・・・それぞれの伸縮方向は、基板１５２の厚さ方向である。また、圧電素子１５３1，１５３2，・・・それぞれの圧縮量（最も伸張した状態からの圧縮量）の範囲は、０〜λ／４である。
また、圧電素子１５３1，１５３2，・・・は、それぞれ不図示の電圧印加用の端子を介して制御装置１９（図１参照）に接続され、電圧が与えられるようになっている。
【００２５】
次に、表示素子１５の動作について説明する。
表示素子１５において可動リボン１５１ｍと導電膜１５４との間に電位差が与えられると、両者の間に静電引力が発生するので、可動リボン１５１ｍの表面が、０〜λ／４の範囲内でその静電引力の大きさに応じた距離だけ下降する。
例えば、図２（ｃ）の画素Ｐ1，Ｐ2のように、その画素Ｐ1，Ｐ2に含まれる２つの可動リボン１５１ｍが何ら下降していない状態では、画素Ｐ1，Ｐ2の表面は鏡面の作用を示し、正反射光の強度が最大となる。
【００２６】
一方、図３（ａ）の画素Ｐ1，Ｐ2のように、画素Ｐ1，Ｐ2に含まれる２つの可動リボン１５１ｍがλ／４だけ下降した状態では、画素Ｐ1，Ｐ2の表面は位相差１８０°の位相回折格子の作用を示し、正反射光の強度が最小となる。
よって、制御装置１９は、可動リボン１５１ｍと導電膜１５４との電位差を制御することで、各画素Ｐ1，Ｐ2，・・・からの正反射光の強度を制御することができる。
【００２７】
このようにして各画素Ｐ1，Ｐ2，・・・からの正反射光の強度をそれぞれ制御すれば、この表示素子１５を、表示パターンが可変のバイナリーマスク又はグレースケールマスクとして利用することができる。
また、表示素子１５において圧電素子１５３1に電圧が印加されると、圧電素子１５３1が基板１５２の厚さ方向に圧縮されるので、０〜λ／４の範囲内でその圧縮量に応じた量だけ画素Ｐ1が下降する。
【００２８】
例えば、図３（ｂ）の画素Ｐ1のように圧電素子１５３1が圧縮した状態では、画素Ｐ1は凹部となる。
一方、図３（ｂ）の画素Ｐ2のように圧電素子１５３2が伸張した状態では、画素Ｐ2は凸部となる。
よって、制御装置１９は、圧電素子１５３1，１５３2，・・・に印加する電圧を制御することで、各画素Ｐ1，Ｐ2，・・・からの正反射光の位相を制御することができる。
【００２９】
このようにして各画素Ｐ1，Ｐ2，・・・からの正反射光の位相をそれぞれ制御すれば、この表示素子１５を、表示パターンが可変の位相変調型マスクとして利用することができる。
次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態の表示素子１５は、図２（ｂ）に示すように画素列１５１を複数列（ここでは、５列）並べて配置している。
【００３０】
よって、同一の画素列１５１内の複数の画素からの射出光がコヒーレント結像するだけでなく、走査の方向Ｄに並ぶ複数の画素からの射出光もコヒーレント結像する。
しかも、画素列１５１の列数は、照明光束の空間的可干渉領域の幅Ｌの範囲をカバーする列数（ここでは、５）に選定されているので、最大数の画素をそのコヒーレント結像に寄与させることができる。
【００３１】
因みに、表示素子１５が単数の画素列１５１のみからなるとしても、その表示素子１５を走査の方向Ｄに移動させれば、本実施形態と類似した状況が設定されるが、各走査位置における画素列１５１への照明光の入射のタイミングがずれるので、各走査位置における画素列１５１からの射出光同士は、インコヒーレント結像しかしない。
また、表示素子１５内の画素列１５１の列数が不足しているとき（照明光束の空間的可干渉領域の幅Ｌの範囲をカバーできないような列数が選定されたとき）には、最大数の画素をコヒーレント結像に寄与させることができない。
【００３２】
以上の効果は、特に、表示素子１５を位相変調型マスクとして利用したときに得られる。
以下、その具体的効果を、図４に示す模式図に基づいて説明する。
この位相変調型マスクは、図４（ａ）に示すように、複数の画素列１５１の配置方向に刻線を配した位相変調型マスクである。
【００３３】
以下、位相変調型マスクの凹部となった画素列（以下、「凹部」という。）１５１を符号１５１ｄで示し、凸部となった画素列（以下、「凸部」という）を符号１５１ｂで示す。
因みに、この位相変調型マスクは、図４（ｂ）に示すように、凹部１５１ｄ及び凸部１５１ｂの出現ピッチの２倍相当の高いピッチで暗部及び明部が出現するようなストライプパターンを、半導体ウエハ１７の表面に投影する。
【００３４】
この位相変調型マスクにおいては、照明光束の空間的可干渉領域の幅Ｌ内に凹部１５１ｄと凸部１５１ｂとが存在する。
また、それら凹部１５１ｄと凸部１５１ｂとの段差はλ／４に設定される。
このとき、それらの凹部１５１ｄと凸部１５１ｂとには、同位相で照明光が入射し、それら凹部１５１ｄからの正反射光と凸部１５１ｂとからの正反射光との間には１８０°の位相差が生じる。
【００３５】
したがって、凹部１５１ｄからの正反射光Ｌ０ｄと凸部１５１ｂからの正反射光Ｌ０ｂとは干渉の結果、相殺される。そして、それら正反射光以外の光のみ、つまり凹部１５１ｄと凸部１５１ｂとにおいて生起した回折光（実線矢印）のみが、半導体ウエハ１７の表面に結像する。
このような回折光のみが形成する像（ここではストライプパターンの像）のコントラストは、正反射光を含む光が形成する像よりも高くなる。
【００３６】
しかも、画素列１５１の列数は照明光束の空間的可干渉領域の幅Ｌの範囲をカバーする列数（ここでは、５）に選定されているので、その結像には最大数の凹部１５１ｄ及び凸部１５１ｂ、つまり最大量の回折光が寄与する。
その結果、半導体ウエハ１７の表面に形成されるストライプパターンの像のコントラストは、最大に高まる。つまり、この表示素子１５の位相変調型マスクとしての機能は、最大に引き出される。
【００３７】
因みに、表示素子１５内の画素列１５１の列数が単数であったとしても、その表示素子１５を走査の方向Ｄに移動させれば、本実施形態と類似した状況が設定されるが、各走査位置における画素列１５１への照明光の入射のタイミングがずれるので、前記した回折光のみによる結像は実現せず、位相変調型マスクとしての機能は、何ら得られない。
また、表示素子１５内の画素列１５１の列数が不足しているとき（照明光束の空間的可干渉領域の幅Ｌの範囲をカバーできないような列数が選定されたとき）には、最大数の凹部１５１ｄ及び凸部１５１ｂ、つまり最大量の回折光を上述した結像に寄与させることができないので、この表示素子１５の位相変調型マスクとしての機能は、十分に引き出されない。
【００３８】
（その他）
なお、本実施形態では、表示素子１５をバイナリーマスク又はグレースケールマスクとして利用する場合と、表示素子１５を位相変調型マスクとして利用する場合とを個別に説明したが、表示素子１５の各画素Ｐ1，Ｐ2，・・・からの正反射光の強度と位相とは同時に制御可能なので、それらマスクの利点を兼ね備えたマスクとして表示素子１５を利用することもできる。
【００３９】
また、本実施形態では、各画素からの正反射光の位相の制御に、各画素に圧電素子を設ける方法が採られたが、他の方法が採られてもよい。
例えば、画素内の全ての固定リボンを可動リボンにすると共に、その画素内の全リボンを同時に下降又は上昇させても、その画素からの正反射光の位相を制御することができる。
【００４０】
また、本実施形態の投影露光装置には、ＧＬＶからなる表示素子を利用したが、ＤＭＤからなる表示素子を利用することもできる。
因みに、ＤＭＤの各画素からの正反射光の位相を制御する方法としては、例えば、上述した実施形態と同様、各画素に圧電素子を設ける方法がある。
また、図１に示した投影露光装置では、照明光学系の一部に投影光学系１４が利用されているが、照明光学系が投影光学系１４と独立していてもよい。
【００４１】
また、本実施形態では、本発明が適用された投影露光装置を説明したが、本発明が適用されたプロジェクションテレビ（つまり、位相変調型のプロジェクションテレビ）を構成することもできる。
【実施例１】
【００４２】
以下、本発明の実施例について説明する。
本実施例は、上述した実施形態の投影露光装置の実施例である。
本実施例の投影露光装置の各部の値は、以下のとおりである。
・投影光学系１４の表示素子１５側の開口数ＮＡｐ＝０．２
・投影光学系１４の瞳上に形成される光源１１の像の瞳に対するサイズ比Ｆ＝０．５
・光源１１の波長λ＝３５０ｎｍ
これらＮＡｐ＝０．２，Ｆ＝０．５から、照明光束の空間コヒーレンス分布は、開口数ＮＡｅ＝０．１の無収差レンズの点像振幅分布と同じになる。
【００４３】
このような空間コヒーレンス分布における原点から第１ゼロ点の間隔は、０．６１×λ／０．１＝２．１μｍである。ここでは、照明光束の空間的可干渉領域の幅Ｌを２．１μｍとみなせる。
そこで、本実施形態の表示素子１５の各部の値を、以下のとおりとした。なお、隣接する画素列１５１同士の間隙は、略０とした。
【００４４】
・画素列１５１の画素幅Ｌ’＝０．４μｍ
・画素列１５１の数＝１０
このとき、画素列１５１の配置される幅は、４．０μｍとなる。したがって、照明光束の空間的可干渉領域の幅Ｌ＝２．０μｍを十分に余裕をもって（略２倍の余裕をもって）カバーできた。
【００４５】
なお、画素列１５１の画素幅Ｌ’は、表示素子１５から回折限界の性能を引き出すために、ナイキスト周波数に対応する値以下とした。
具体的にその画素幅Ｌ’は、投影光学系１４の表示素子１５側の開口数ＮＡｐを用い、Ｌ’＜λ／（４×ＮＡｐ）で表される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】投影露光装置の構成図である。
【図２】表示素子１５の構成を説明する図である。
【図３】表示素子１５の動作を説明する図である。
【図４】本実施形態の効果を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００４７】
１１  光源
１２  照明用レンズ
１３  ハーフミラー
１４  投影光学系
１５  表示素子
１６，１８  ステージ
１７  半導体ウエハ
１９  制御装置
１５１  画素列
１５１ｍ  可動リボン
１５１ｆ  固定リボン
Ｐ  画素
１５３  圧電素子
１５４  導電膜
【図１】
2005116609.tif 000003
【図２】
2005116609.tif 000004
【図３】
2005116609.tif 000005
【図４】
2005116609.tif 000006