JP2018155982A - 光照射装置及びこれを備えた露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鏡筒内に真空紫外光を放射するショートアークフラッシュランプを用いて、光利用効率が高く、照度均一性が向上した、及びこれを備えた露光装置を提供する。
【解決手段】鏡筒２内には、集光鏡４からの反射光を平行化し照度を均一化する光学系５を備え、光学系は、ランプ３と光照射窓６の間に同一光軸上に沿って直線状に配置された複数のレンズ部材５１〜５５からなり、鏡筒は複数の鏡筒ユニット２０〜２５からなり、各鏡筒ユニットには、ランプや複数のレンズ部材がそれぞれ保持され、鏡筒のランプが配置された位置の上方に不活性ガス供給口３２が設けられるとともに、鏡筒の下端面に不活性ガス排出口６２が設けられていて、鏡筒内が不活性ガスで置換される。
【選択図】図１

Description

この発明はショートアークフラッシュランプを用いた光照射装置及びこれを備えた露光装置に関するものであり、特に、ショートアークフラッシュランプからの真空紫外光を平行光として被処理物に照射して各種の処理を行う光照射装置及びこれを備えた露光装置に係わるものである。

近年、波長２００ｎｍ以下の真空紫外光（以下、ＶＵＶともいう）が様々な分野で用いられている。この波長帯の光を発光できるＬＥＤは存在せず、放電ランプが光源として用いられている。例えば、フォトレジストによるパターン形成工程を用いずにＶＵＶとマスクを用い、直接光で化学反応を引き起こして自己組織化単分子膜（以下、ＳＡＭ膜）をパターニングする技術が開発されている。
従来、このようなＶＵＶ光源としては、波長１８５ｎｍに輝線を有する低圧水銀ランプが使用されてきた。しかしながら、最近では、より短波長の光、具体的には波長１８０ｎｍ以下のＶＵＶが有効であるといわれることから、波長１７２ｎｍの真空紫外光を放射するエキシマランプを光源とした開発も行われている。ところで、これらのランプから放射される光は発散光であるために、マスクを用いた微細な選択的表面改質（パターニング）には不向きであるとされ、解像可能なパターンサイズに限界があるといわれている。具体的に述べると、ラインパターンでは１００μｍ程度が限界といわれている。

近時、より微細なパターニングに適した光源装置の開発が要請されており、このようなことから新規のＶＵＶ光源を用いた光照射装置について提案されていて、例えば、特開２０１６−１９２３４３号公報（特許文献１）にその構造が開示されている。
図８にその概略構造が示されていて、ハウジング１０１内にショートアークフラッシュランプ１０２及び反射ミラー１０３を下方に光が照射されるように配し、下方には光透過窓１０４が設けられていて、ハウジングの内部を窒素で満たしている。
反射ミラー１０３と光透過窓１０４との間には部材は配置されておらず、窓面において光はドーナツ状（円環状）の分布を示すので、その照度が高く均一である一部分にのみアパーチャ１０５を配置するものである。

この特許文献１記載の技術は、従来の発光長が長いランプ（エキシマランプ、低圧水銀ランプ）に替えて、発光長がより短いショートアークフラッシュランプを光源として採用するものである。このフラッシュランプから放射されたＶＵＶ光を、反射ミラーを用いて平行光（ないしは略平行光）として露光用光源としての光照射装置を構成するものである。

この従来技術によれば、ランプに反射ミラーとして放物面鏡を取り付け、レンズ等の光学系が無い状態で平行光を形成していた。しかしながら、ドーナツ状に放射される光の一部分のみを利用するものであるために、光利用効率が低かった。また、照射面での照度均一性も高くはなかった。
そこで、本発明者らは光利用効率の向上と照度均一性の向上のために、レンズ等の光学部品を光源（ランプ）とアパーチャの間に配置することを検討した。
しかしながら、２００ｎｍ以下の光を伝搬させるため伝搬空間に酸素が存在すると光が著しく減衰するという事情がある。
例えば、光が伝搬する空間中には酸素が１０ｐｐｍ以上存在しないことが好ましく、また光学部品も波長２００ｎｍ以下の光の透過率が高いものが好ましい。さらに言えば、光の損失が発生する折り返しミラーは光学系中に配置しないことが好ましい。

特開２０１６−１９２３４３号公報

この発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、鏡筒内に波長２００ｎｍ以下の真空紫外光を放射するショートアークフラッシュランプおよび該ランプからの光を反射する集光鏡を備え、前記鏡筒の下部には光照射窓を備えてなる光照射装置及びこれを備えた露光装置において、前記集光鏡からの光の全てを光照射窓から出射して、光利用効率が高く、照度均一性が向上した構造を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明に係るショートアークフラッシュランプを用いた光照射装置では、鏡筒内に、前記集光鏡によって反射された光を平行化し照度を均一化する光学系を備え、該光学系は、前記ランプと前記光照射窓の間に同一光軸上に沿って直線状に配置された複数のレンズ部材からなり、前記鏡筒は複数の鏡筒ユニットからなり、各鏡筒ユニットは、前記ランプや前記複数のレンズ部材をそれぞれ保持し、前記鏡筒の前記ランプが配置された位置の上方に不活性ガス供給口が設けられるとともに、前記鏡筒の下端面に不活性ガス排出口が設けられていて、前記鏡筒内が不活性ガスで置換されていることを特徴とする。
また、前記鏡筒ユニットは、ランプ鏡筒ユニットとレンズ鏡筒ユニットからなり、前記レンズ鏡筒ユニットにはレンズ部材保持部が設けられ、前記レンズ部材保持部には、前記レンズ部材の上面側から下面側へ不活性ガスを流通させる通気孔が形成されていることを特徴とする。
また、前記通気孔からの不活性ガスの流出方向を前記レンズ部材の下面に向けて変更する風向板が、前記通気孔の下方に設けられていることを特徴とする。

上記光照射装置を備えた露光装置では、光照射装置の下方に配置されたマスクステージと、該マスクステージの下方に配置されたワークステージとを備えたことを特徴とする。
また、前記光照射装置の下部に、前記マスクステージの上方を覆う被覆部材が設けられていることを特徴とする。

この発明のショートアークフラッシュランプを用いた光照射装置によれば、鏡筒内にランプと集光鏡を備え、前記鏡筒の下部には光照射窓を備えてなる光照射装置において、前記鏡筒内に、前記集光鏡によって反射された光を平行化し照度を均一化する光学系を備え、該光学系は、前記ランプと前記光照射窓の間に同一光軸上に沿って直線状に配置された複数のレンズ部材からなるので、ランプから出射し集光鏡で反射された光は、光学系により平行化され照度を均一化されて、その全てが光照射窓から出射されるので、光利用効率が極めて高くなり、かつ、照度均一性が向上する。

また、前記鏡筒は、前記ランプや前記複数のレンズ部材をそれぞれ保持する複数の鏡筒ユニットからなることにより、その構造が簡略化され、これらの鏡筒ユニットを組み立てることで容易に鏡筒全体の製造ができる。
また、鏡筒の上部に不活性ガス供給口を備え、下部に排出口を備えたことで、鏡筒内の全体を容易に不活性ガスで置換することができ、真空紫外光（ＶＵＶ）の減衰を抑制できる。
また、各レンズ鏡筒設けられたレンズ部材保持部に通気口を形成することで、鏡筒全体に亘って容易に不活性ガス雰囲気とすることができる。
また、各レンズの下面側は大気が淀んで、不活性ガスで置換することが難しいが、風向板を設けて通気口からの不活性ガスをレンズ下面に向けることで、効果的に不活性ガスで置換することができる。

本発明の光照射装置の断面図。 本発明に用いられるショートアーク型フラッシュランプの断面図。 本発明の鏡筒の上部の拡大断面図。 本発明の鏡筒の中部の拡大断面図。 本発明の鏡筒の下部の拡大断面図（Ａ）、その下面図（Ｂ）。 本発明の光照射装置を備えた露光装置。 図６の部分拡大図。 従来の光照射装置。

図１は本発明のショートアークフラッシュランプを用いた光照射装置の全体を表し、図３〜５は、その部分拡大図である。
図１において、本発明の光照射装置１は、鏡筒２と、その内部に設けられたショートアークフラシュランプ３と、これを取り囲む集光鏡４と、光学系５と、最下部に設けられた光照射窓６とを備えている。
鏡筒２は、複数の鏡筒ユニット２０〜２５からなり、これら各鏡筒ユニットにはそれぞれランプ３や、光学系５を構成する複数のレンズ部材５１〜５５が保持されている。
この光学系５は、ランプ３から出射され集光鏡４で反射された光を、平行化し照度を均一化するためのものであって、例えば、第１のレンズ部材（両凹レンズ）５１、第２のレンズ部材（平凸レンズ）５２、第３のレンズ部材（インテグレータレンズ）５３、第４のレンズ部材（凸メニスカスレンズ）５４および第５のレンズ部材（両凸レンズ）５５から構成されている。

最上部に位置するランプ鏡筒ユニット２０には、ランプ３および集光鏡４が保持されている。ここで用いられるランプ３はショートアークフラシュランプであり、図２にその概要構造が示されている。
このショートアーク型フラッシュランプ３は、発光空間を形成する発光管３０１と、その発光管３０１の一端に連続して管軸方向に沿って外方に延びる第１封止管３０２と、他端に連続して管軸方向に沿って外方に延びる第２封止管３０３を有していて、前記第２封止管３０３には封止用ガラス管３０４が挿入されており、その重なり領域において両者は溶着されている。

前記発光管３０１内には、一対の第１主電極３０５と第２主電極３０６とが対向配置されている。前記第１主電極３０５は、その芯線３０７が第１封止管３０２に段継ガラスなどの手段により封着されて外方に気密に導出されており、一方、前記第２主電極３０６は、その芯線３０８が前記封止用ガラス管３０４に段継ガラスなどの手段により封着されて外方に気密に導出されている。

そして、前記発光管３０１内の一対の主電極３０５、３０６の間には、一対の第１始動補助電極３１０と第２始動補助電極３１１が配設されていて、それぞれの内部リード３１２、３１５と外部リード３１３、３１６とが、前記第２封止管３０３と封止用ガラス管３０４との間の溶着領域において、金属箔３１４、３１７を介して電気的に接続されている。

前記始動補助電極３１０、３１１の外部リード３１３、３１６が導出される側にある第２封止管３０３にはアルミニウム製などの口金３２０が固定されている。この口金３２０と第２封止管３０３との間の空隙には、第１の接着剤３２１が充填され、仕切り部材３２３を介して、口金３２０と封止用ガラス管３０４との間の空隙には第２の接着剤３２２が充填されている。
この第２の接着剤３２２中には、第２封止管３０３から導出された外部リード３１３、３１６が埋設され、口金３２０の後方から外部に導出されている。この外部リード３１３、３１６は、その後方部において絶縁性の被覆材３１３ａ、３１６ａによって被覆されている。
なお、このようなショートアークフラシュランプ３の詳細は、特開２０１６−１３１１３５号公報に開示されている。

前記鏡筒２は、細長い筒状をなし、例えば、アルミニウムを切削した円筒状部材によって構成されている。この鏡筒２は、複数の鏡筒ユニット２０〜２５からなり、最上部に位置する鏡筒ユニットは、内部にランプ３を収容保持するランプ鏡筒ユニット２０を構成している。そして、このランプ鏡筒ユニット２０内には、ランプ３を取り囲むように集光鏡４が設けられていて、この集光鏡４は、例えば楕円集光鏡である。

図３に示すように、ランプ３の口金３２０は、ランプ保持部材３１によってランプ鏡筒ユニット２０の上部に保持されており、このランプ保持部材３１には、鏡筒２内に開口する不活性ガス供給口３２が形成されていて、不活性ガス供給管３３が接続されている。
不活性ガス供給口３２からランプ鏡筒ユニット２０内に供給される窒素ガスなどの不活性ガスは、集光鏡４とランプ３の間隙からランプに沿って下方に流下して、ランプ３を冷却し、更に下方に流れていく。

再び図１を参照して、ランプ鏡筒ユニット２０の下方には、複数のレンズ鏡筒ユニット２１〜２５が設けられていて、これらレンズ鏡筒ユニット２１〜２５には、前記ランプ３から出射されて集光鏡４によって反射された光を平行化し、また、照度を均一化する光学系５を構成する複数のレンズ部材５１〜５５がそれぞれ保持されている。
つまり、第１のレンズ鏡筒ユニット２１には第１のレンズ部材（両凹レンズ）５１が、第２のレンズ鏡筒ユニット２２には第２のレンズ部材（平凸レンズ）５２が、第３のレンズ鏡筒ユニット２３には第３のレンズ部材（インテグレータレンズ）５３が、第４のレンズ鏡筒ユニット２４には第４のレンズ部材（凸メニスカスレンズ）５４が、そして、第５のレンズ鏡筒ユニット２５には第５のレンズ部材（両凸レンズ）５５が、それぞれ保持されている。
そして、最下部に位置する第５のレンズ鏡筒ユニット２５の下端には、光照射窓６が設けられている。
なお、第1〜第５のレンズの選択及び組合せは、目的とする平行度及び照度均一性に合わせて適宜選択可能である。

こうして、ランプ鏡筒ユニット２０と複数のレンズ鏡筒ユニット２１〜２５を組み合わせることで鏡筒２が構成され、その内部に設けられた第１〜第５のレンズ部材５１〜５５は、ランプ３と光照射窓６の間に同一光軸ＯＡ上に沿って直線状に配置された光学系５を構成する。

図４、図５に示すように、各レンズ鏡筒ユニット２１〜２５にはレンズ保持部２１１〜２５１が形成されていて、それぞれ、第１〜第５のレンズ部材５１〜５５を保持している。このレンズ保持部は、レンズ鏡筒ユニットを切削加工して段部として内側に突出するフランジ部で構成することができる。
そして、このレンズ保持部２１１〜２５１には、これらを光軸方向に貫通する通気孔２１２〜２５２がそれぞれ形成されていて、各レンズ部材５１〜５５の上面側と下面側の空間を連通している。

また、図４に示すように、例えば、第２のレンズ鏡筒ユニット２２におけるレンズ保持部２２１の通気孔２２２の下方には、風向板２２３が設けられ、通気孔２２２から噴き出てくる不活性ガスを、第２のレンズ部材５２の下面側に向けて指向する。
これにより、不活性ガスによる置換時に、空気の流れが淀んで空気溜りを形成して置換しづらいレンズ部材５２の下面側が効果的に不活性ガスに置換される。
なお、この風向板は、第２のレンズ鏡筒ユニット２２だけでなく、全てのレンズ鏡筒ユニット２１〜２５に設けるようしてもよい。

そして、図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、最下段に位置する第５のレンズ鏡筒ユニット２５の下端に設けられた光照射窓６における、光取り出し部以外のフランジ領域６１に、不活性ガス排出口６２が形成されていて、不活性ガス供給口３２から鏡筒２内に供給された不活性ガスが、鏡筒２内を下方に流れて該鏡筒２内を不活性ガス雰囲気とした後に、この不活性ガス排出口６２から鏡筒２外に噴出される。
このように、ランプを冷却しつつ、鏡筒２内の酸素濃度を例えば１０ｐｐｍ（体積比）以下に抑える不活性ガス（窒素ガス）の流量は、例えば、２５Ｌ（リットル）／ｍｉｎである。

また、光学系５を構成するレンズ部材５１〜５５や、光照射窓６は、真空紫外光を効率よく利用するために、例えば２００ｎｍ以下の光を透過する材料によって構成されている。
さらに好ましくは波長２００ｎｍの光の透過率が８０％以上の材料で構成されている。具体的にそれらの性質を有するのはフッ化物であり、さらに具体的には例えばフッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、フッ化バリウム（ＢａＦ_２）である。

ところで、上記実施例では、各鏡筒ユニットには、ランプやレンズが１つずつ設けられたものとして説明したが、一つの鏡筒にこれらが複数設けられるものであってもよい。例えば、前記第１の鏡筒ユニット２１にランプ３と第１のレンズ部材５１が設けられ、あるいは、第２の鏡筒ユニット２２に第１のレンズ部材５１と第２のレンズ部材５２が設けられる構成としてもよい。

図６、７に本発明の光照射装置を用いた露光装置の例が示されている。
図６に示すように、光照射装置１は、不図示の光学ベンチ等のフレームを基礎として設けられる架台１１によって鏡筒が保持され空中に維持されている。定盤１０上にはワークステージ１２が、水平方向（ＸＹ方向）に移動可能に設けられている。このワークステージ１２の上面にはワークＷが載置支持されており、θ回転機構を設けてワークＷを回転可能としている。
一方、マスク１４はマスクステージ１３によって真空吸着により支持されており、ＸＹ方向に移動可能である。このとき、ワークＷは基板のみならず、帯状ワークなどもあり、マスク１４と密着させることはできないので、ワークＷとマスク１４の間は極力近づけて配置される。

そして、光照射装置１の下端の光照射窓もマスク１４に近接配置するが、どうしても一定の間隙が存在することになる。
本発明の光照射装置１は２００ｎｍ以下の真空紫外光を利用するものであるので、光照射窓とマスクの間の間隙に存在する酸素によって吸収が生じるが、この吸収を抑制するために、光照射装置１の下端には、板材もしくはブロック材などからなる被覆部材７が設けられていて、マスク１４およびマスクステージ１３上を覆うように近接配置される。
図７に示すように、この被覆部材７によって、光照射窓から噴出する不活性ガスをマスク１４に沿うように流し、これによって光照射窓とマスクの間の間隙の酸素を効果的にパージすることができるものである。

以上説明したように、本発明に係るショートアークフラッシュランプを用いた光照射装置では、鏡筒内にランプと集光鏡を備え、前記鏡筒の下部には光照射窓を備えてなる光照射装置において、前記鏡筒内に、前記集光鏡によって反射された光を平行化し照度を均一化する光学系を備え、該光学系は、前記ランプと前記光照射窓の間に同一光軸上に沿って直線状に配置された複数のレンズ部材からなるので、ランプから出射し集光鏡で反射された光は、光学系により平行化され照度を均一化されて、その全てが光照射窓から出射されるので、光利用効率が極めて高くなり、かつ、照度均一性が向上する。
また、前記鏡筒は複数の鏡筒ユニットからなり、各鏡筒ユニットは、前記ランプや前記複数のレンズ部材をそれぞれ保持しているので、鏡筒の全体構造が簡略化して、これらの鏡筒ユニットを組み立てることで、容易に鏡筒全体の製造ができる。

１ 光照射装置
２ 鏡筒
２０ ランプ鏡筒ユニット
２１〜２５ 第１〜第５のレンズ鏡筒ユニット
２１１〜２５１ レンズ保持部
２１２〜２５２ 通気孔
３ ショートアークフラッシュランプ
３２ 不活性ガス供給口
４ 集光鏡
５ 光学系
５１〜５５ 第１〜第５のレンズ部材
６ 光照射窓
６２ 不活性ガス排出口
７ 被覆部材
１２ ワークステージ
１３ マスクステージ
１４ マスク
Ｗ ワーク

Claims (5)

1. 鏡筒内に波長２００ｎｍ以下の真空紫外光を放射するショートアークフラッシュランプおよび該ランプからの光を反射する集光鏡を備え、前記鏡筒の下部には光照射窓を備えてなる光照射装置であって、
   前記鏡筒内には、前記集光鏡によって反射された光を平行化し照度を均一化する光学系を備え、
   該光学系は、前記ランプと前記光照射窓の間に同一光軸上に沿って直線状に配置された複数のレンズ部材からなり、
   前記鏡筒は複数の鏡筒ユニットからなり、各鏡筒ユニットには、前記ランプや前記複数のレンズ部材がそれぞれ保持され、
   前記鏡筒の前記ランプが配置された位置の上方に不活性ガス供給口が設けられるとともに、前記鏡筒の下端面に不活性ガス排出口が設けられていて、前記鏡筒内が不活性ガスで置換されていることを特徴とする光照射装置。
2. 前記鏡筒ユニットは、ランプ鏡筒ユニットとレンズ鏡筒ユニットからなり、前記レンズ鏡筒ユニットにはレンズ部材保持部が設けられ、
   前記レンズ部材保持部には、前記レンズ部材の上面側から下面側へ不活性ガスを流通させる通気孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
3. 前記通気孔からの不活性ガスの流出方向を前記レンズ部材の下面に向けて変更する風向板が、前記通気孔の下方に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の光照射装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の光照射装置と、該光照射装置の下方に配置されたマスクステージと、該マスクステージの下方に配置されたワークステージとを備えた露光装置。
5. 前記光照射装置の下部に、前記マスクステージの上方を覆う被覆部材が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の露光装置。
   
   
   

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