JP2000223396A

JP2000223396A - 照明光学装置および該照明光学装置を備えた露光装置

Info

Publication number: JP2000223396A
Application number: JP11021591A
Authority: JP
Inventors: Osamu Tanitsu; 修谷津
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2000-08-11

Abstract

(57)【要約】【課題】コヒーレント光源を用いた場合でもコヒーレ
ンシーの低減を十分に行うことができ、振動に対する安
定性が高く光学調整が容易な照明光学装置。【解決手段】光源（１）から基準光軸（ＡＸ）に沿っ
て入射する光束を透過光束と反射光束とに分割するビー
ムスプリッタ（３０）と、該ビームスプリッタからの反
射光束を偶数回に亘って偏向させた後にビームスプリッ
タへ向けるように形成された遅延光路（３１〜３４）と
を有する。遅延光路は、基準光軸に対してほぼ平行に位
置ずれした状態で入射する光束に対してもビームスプリ
ッタから射出される複数の光束をほぼ同じ光軸に沿って
射出させるために、分割された反射光束を基準光軸から
位置ずれした元の入射位置へ戻すように形成されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は照明光学装置および
該照明光学装置を備えた露光装置に関し、特に半導体素
子などをフォトリソグラフィー工程で製造するための露
光装置に好適な照明光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の露光装置に使用される従来の照
明光学装置として、例えば特開平１−１９８７５９号公
報に開示された照明光学装置が知られている。図８は、
特開平１−１９８７５９号公報に開示された従来の照明
光学装置の構成を概略的に示す図である。図８の照明光
学装置では、レーザー光源１００からの光束が光遅延素
子としての三角プリズム１０１に入射する。三角プリズ
ム１０１に入射した光束の一部はその内部へ入射するこ
となく反射され、残部はその内部へ入射して三角形状の
遅延光路を経た後に元の入射位置へ戻る。

【０００３】三角プリズム１０１への入射位置へ戻った
光束の一部は、三角プリズム１０１の内部へ入射するこ
となく反射された光束と同じ光路に沿って射出され、残
部は三角形状の遅延光路を再び経た後に元の入射位置へ
再び戻ることになる。こうして、光遅延素子１０１で
は、レーザー光源１００からの光束を時間的に複数の光
束（理論的には無限数の光束）に分割し、時間的に連続
する２つの光束の間に三角形状の遅延光路の光路長に等
しい光路長差を付与する。なお、この三角形状の遅延光
路の光路長は、レーザー光源１００からの光束の時間的
可干渉距離（コヒーレンス長）以上になるように設定さ
れている。

【０００４】光遅延素子１０１を介した光束は、第２の
光遅延素子としての三角プリズム１０２に入射する。三
角プリズム１０２は、第１の光遅延素子である三角プリ
ズム１０１と類似の構成を有するが、三角形状の遅延光
路の光路長が第１の光遅延素子の２倍に設定されている
点だけが基本的に相違する。したがって、第２の光遅延
素子１０２では、第１の光遅延素子１０１を介した光束
を時間的に複数の光束に分割し、時間的に連続する２つ
の光束の間に第１の光遅延素子の光路長差の２倍の光路
長差を付与する。

【０００５】第１の光遅延素子１０１および第２の光遅
延素子１０２を介した光束は、フライアイレンズ１０３
に入射し、その後側焦点面に多数の光源像からなる二次
光源を形成する。二次光源からの光束は、コンデンサー
レンズ１０４を介して、被照明面に設定されたマスク１
０５を重畳的に照明する。以上のように、図８に示す従
来の照明光学装置では、第１の光遅延素子１０１および
第２の光遅延素子１０２を介して順次生成される一連の
光束にコヒーレンス長以上の光路長差を付与することに
より、コヒーレント光源を用いた場合でも可干渉性（コ
ヒーレンシー）の低減を行うことができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来の照明光学装置では、光遅延素子の遅延光路
が三角形状に形成されているので、たとえば装置の振動
などの影響により光遅延素子への入射光束が基準光路か
ら平行に位置ずれすると、光遅延素子の内部へ入射した
光束は元の入射位置へ戻らない。その結果、光遅延素子
の内部へ入射することなく反射される射出光束の光路と
光遅延素子の内部へ入射して遅延光路を１回だけ経て射
出される光束の光路とは一致しなくなり、ひいては２つ
の光遅延素子を介して順次生成される一連の光束の光路
が互いに一致することなく基準光路から次第に離れてし
まう。すなわち、上述のような従来の照明光学装置で
は、振動に対する安定性が低く、結果として装置の光学
調整も困難であるという不都合があった。

【０００７】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、コヒーレント光源を用いた場合でもコヒーレ
ンシーの低減を十分に行うことができ、さらに振動に対
する安定性が高く光学調整が容易な照明光学装置および
該照明光学装置を備えた露光装置を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の第１発明では、コヒーレントな光束を供給
する光源と、前記光源から基準光軸に沿って入射する光
束の一部を前記基準光軸とほぼ一致する第１の光軸に沿
って第１光束として射出させつつ前記基準光軸に沿って
入射する光束の一部を前記基準光軸とは異なる方向の第
２の光軸に沿って第２光束として射出するためのビーム
スプリッタと、該ビームスプリッタからの前記第２光束
を偶数回に亘って偏向させた後に前記ビームスプリッタ
へ向けるように形成され前記光源からの光束の時間的可
干渉距離以上に設定された光路長を有する遅延光路とを
有する分割遅延手段とを備え、前記遅延光路は、前記基
準光軸に対してほぼ平行に位置ずれした状態で入射する
光束に対しても前記第１光束と前記第２光束とをほぼ同
じ光軸に沿って射出させるために、前記第２の光軸に沿
って分割された前記第２光束を前記基準光軸から位置ず
れした元の入射位置へ戻すように形成されていることを
特徴とする照明光学装置を提供する。

【０００９】第１発明の好ましい態様によれば、前記分
割遅延手段は、前記遅延光路の光路中に配置された偶数
個の反射部材を有し、前記ビームスプリッタで前記第２
の光軸に沿って分割された前記第２光束は、前記偶数個
の反射部材で順次反射された後に前記ビームスプリッタ
に戻る。この場合、前記偶数個の反射部材の各々は、光
束がＳ偏光状態で入射するように配置された反射ミラー
であることが好ましい。また、この場合、前記反射ミラ
ーは、前記光源からの光束を反射するための表面反射面
と、前記光源からの光束とは実質的に異なる所定の波長
の光束を反射するための裏面反射面とを有することが好
ましい。

【００１０】また、第１発明の好ましい態様によれば、
前記分割遅延手段は、第１段目の分割遅延部から第ｎ段
目（ｎは１よりも大きい整数）の分割遅延部までの複数
の分割遅延部を備え、前記第１段目の分割遅延部は、前
記光源から入射する光束を２つの光束に分割し、該２つ
の光束に第１の光路長差を付与するように構成され、前
記第ｎ段目の分割遅延部は、第（ｎ−１）段目の分割遅
延部を介して入射する光束を２つの光束に分割し、該２
つの光束に前記第１の光路長差のｎ倍の光路長差を付与
するように構成されている。また、第１発明の好ましい
態様によれば、前記時間的可干渉距離は、前記光源の空
間分解能内での波長分布に基づく時間的可干渉距離であ
ることが好ましい。

【００１１】また、本発明の第２発明では、第１発明の
照明光学装置と、該照明光学装置の被照明面上に配置さ
れたマスクのパターンを感光性基板に投影露光するため
の投影光学系とを備え、前記照明光学装置は、前記分割
遅延手段を介した光束に基づいて多数の光源像を形成す
るためのオプティカルインテグレータと、該オプティカ
ルインテグレータからの光束を前記マスクへ導くための
集光光学系とを備えていることを特徴とする露光装置を
提供する。さらに、本発明の別の局面によれば、第１発
明の照明光学装置を用いて、該照明光学装置の被照明面
上に配置されたマスクのパターンを感光性基板上に露光
することを特徴とする露光方法を提供する。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明では、ビームスプリッタ
と、該ビームスプリッタで基準光軸とは異なる方向に射
出された第２光束（ビームスプリッタにおける最初の反
射光束および２回目以降の透過光束）を再びビームスプ
リッタへ導く遅延光路とからなる分割遅延手段を備えて
いる。この分割遅延手段により、基準光軸に沿って入射
する光束は、時間的に複数の光束に分割され、時間的に
連続する２つの光束の間には遅延光路の光路長と等しい
光路長差が付与される。ここで、付与される光路長差
は、光源からの光束の時間的可干渉距離以上に設定され
ている。したがって、分割遅延手段により分割される波
連においてコヒーレンシー（可干渉性）を低減すること
ができ、被照明面における干渉縞やスペックルの発生を
良好に抑えることができる。

【００１３】また、本発明の遅延光路は、ビームスプリ
ッタからの第２光束を偶数回に亘って偏向させた後にビ
ームスプリッタへ向けるように形成されている。加え
て、基準光軸に対してほぼ平行に位置ずれした状態で入
射する光束に対しても、第２光束を基準光軸から位置ず
れした元の入射位置へ戻すように形成されている。した
がって、装置の振動などの影響により光源からビームス
プリッタへの入射光束が基準光軸に対してほぼ平行に位
置ずれしても、分割遅延手段を介して生成される一連の
光束の光路が基準光路からは外れるが互いに位置ずれす
ることはない。その結果、本発明の照明光学装置では、
振動に対する安定性が高く、結果として光学調整も容易
である。

【００１４】したがって、本発明の照明光学装置を組み
込んだ露光装置では、干渉に起因する照明むらが少なく
且つ振動の影響を受け難い良好な照明条件のもとで、良
好な投影露光を行うことができる。また、本発明の照明
光学装置を用いて被照明面上に配置されたマスクのパタ
ンを感光性基板上に露光する露光方法では、良好な照明
条件のもとで投影露光を行うことができるので、良好な
半導体デバイスを製造することができる。

【００１５】本発明の実施例を、添付図面に基づいて説
明する。図１は、本発明の実施例にかかる照明光学装置
を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。ま
た、図２は、図１の光源と照明光学系とからなる照明光
学装置の内部構成を概略的に示す斜視図である。なお、
図１において、投影光学系６の光軸ＡＸに平行にＺ軸
を、光軸ＡＸに垂直な面内において図１の紙面に平行に
Ｘ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を設定している。図１
の投影露光装置は、露光光（照明光）を供給するための
光源１として、２４８ｎｍの波長の光を供給するＫｒＦ
エキシマレーザー光源を備えている。光源１から射出さ
れた光は、照明光学系２に入射する。

【００１６】ここで、図２を参照すると、照明光学系２
では、光源１から光軸ＡＸに沿って供給された光束が整
形光学系１２に入射する。整形光学系１２は、たとえば
一対のレンズからなるエキスパンダーと、一対のシリン
ドリカルレンズからなるシリンドリカルエキスパンダー
とから構成されている。整形光学系１２を介して所望の
断面形状に整形された光束は、第１の分割遅延部１３〜
第３の分割遅延部１５を介した後、オプティカルインテ
グレータとしてのフライアイレンズ１６に入射する。な
お、第１の分割遅延部１３〜第３の分割遅延部１５の構
成および作用については後述する。

【００１７】フライアイレンズ１６は、たとえば断面が
矩形形状で正の屈折力を有する多数のレンズエレメント
をその中心軸線が光軸ＡＸに平行になるように縦横配列
することによって構成されている。したがって、フライ
アイレンズ１６に入射した光束は多数のレンズエレメン
トにより二次元的に分割され、その後側焦点面には多数
の光源像からなる二次光源が形成される。フライアイレ
ンズ１６の後側焦点面に形成された二次光源からの光束
は、コンデンサーレンズ１７を介した後、転写すべき所
定のパターンが形成されたマスク３を重畳的に照明す
る。

【００１８】再び図１を参照すると、マスク３は、マス
クホルダ４を介して、マスクステージ５上においてＸＹ
平面に平行に保持されている。マスク３に形成されたパ
ターンからの光は、投影光学系６を介して、感光性基板
であるウエハ７上にマスクパターン像を形成する。ウエ
ハ７は、ウエハホルダ８を介して、ウエハステージ９上
においてＸＹ平面に平行に保持されている。ウエハステ
ージ９は、図示を省略した駆動系の作用によりウエハ面
（すなわちＸＹ平面）に沿って二次元的に移動可能であ
り、その位置座標は移動鏡を用いた干渉計１０によって
計測され且つ位置制御されるように構成されている。

【００１９】こうして、投影光学系６の光軸ＡＸと直交
する平面（ＸＹ平面）内において駆動系および干渉計
（１０）などを用いてウエハ７を二次元的に駆動制御す
ることにより、ウエハ７の各露光領域にマスク３のパタ
ーンが逐次露光される。あるいは、投影光学系６に対し
てマスク３およびウエハ７を走査方向に沿って相対的に
移動させつつウエハ７の各露光領域にマスク３のパター
ンが走査露光される。

【００２０】図３は、第１の分割遅延部の構成を拡大し
て示す斜視図である。また、図４は、第１の分割遅延部
における遅延光路の作用を説明する図である。図３に示
すように、第１の分割遅延部１３は、光軸ＡＸに対して
４５度に斜設されたハーフミラー３０を備えている。し
たがって、光軸ＡＸに沿ってハーフミラー３０に入射し
た光束は、ハーフミラー３０を透過する光束とハーフミ
ラー３０で＋Ｘ方向に反射される光束とに分割される。
ハーフミラー３０を透過した光束は、光軸ＡＸに沿って
第２の分割遅延部１４に入射する。

【００２１】一方、ハーフミラー３０で＋Ｘ方向に反射
された光束は、第１の反射ミラー３１で−Ｙ方向に反射
され、第２の反射ミラー３２で−Ｘ方向に反射され、第
３の反射ミラー３３で＋Ｙ方向に反射され、第４の反射
ミラー３４で＋Ｘ方向に反射された後に、ハーフミラー
３０に戻る。ハーフミラー３０に戻った光束は、ハーフ
ミラー３０を透過する光束とハーフミラー３０で−Ｚ方
向に反射される光束とに分割される。ハーフミラー３０
で−Ｚ方向に反射された光束は、光軸ＡＸに沿って第２
の分割遅延部１４に入射する。一方、ハーフミラー３０
を透過した光束は、第１の反射ミラー３１〜第４の反射
ミラー３４を介した後に、ハーフミラー３０に再び戻
る。

【００２２】以上のように、基準光軸である光軸ＡＸに
沿って第１の分割遅延部１３に入射した光束は、ビーム
スプリッタとしてのハーフミラー３０を透過する光束Ｐ
0 とハーフミラー３０で反射される光束とに分割され
る。ハーフミラー３０で反射された光束は、矩形形状の
遅延光路を形成するように配置された４つの反射ミラー
３１〜３４において順次偏向された後に、ハーフミラー
３０に戻る。このとき、図４において実線で示すよう
に、光軸ＡＸに沿ってハーフミラー３０に入射する光束
の入射位置と矩形形状の遅延光路を介してハーフミラー
３０に戻る光束のハーフミラー３０への再入射位置とが
一致するように、４つの反射ミラー３１〜３４が配置さ
れている。

【００２３】したがって、遅延光路を１回経た後にハー
フミラー３０で−Ｚ方向に反射された光束Ｐ1 は、遅延
光路を経ることなくハーフミラー３０を透過した光束Ｐ
0 と同じ光軸ＡＸに沿って射出され、光束Ｐ0 と光束Ｐ
1 との間には遅延光路の光路長に等しい光路長差が付与
される。同様に、遅延光路を２回経た後にハーフミラー
３０で反射された光束Ｐ2 は、光束Ｐ0 や光束Ｐ1 と同
じ光軸ＡＸに沿って射出される。このとき、光束Ｐ0 と
光束Ｐ2 との間には遅延光路の光路長の２倍に等しい光
路長差が付与され、光束Ｐ1 と光束Ｐ2 との間には遅延
光路の光路長に等しい光路長差が付与される。すなわ
ち、第１の分割遅延部１３は、光軸ＡＸに沿って入射す
る光束を時間的に複数の光束（理論的には無限数の光束
であるが、後述するようにエネルギの小さい光束の影響
を無視すれば実用的には有限数の光束）に分割し、時間
的に連続する２つの光束の間に遅延光路の光路長に等し
い光路長差を付与する。

【００２４】なお、第１の分割遅延部１３では、上述し
たように、遅延光路が４個の反射ミラー３１〜３４を用
いて矩形形状に構成されている。したがって、第１の分
割遅延部１３では、図４において破線および一点鎖線で
示すように、光軸ＡＸに対して平行に位置ずれした状態
でＺ方向に沿って入射する光束に対しても、Ｚ方向に沿
ってハーフミラー３０に最初に入射する光束の入射位置
と、矩形形状の遅延光路を介してハーフミラー３０に再
度入射する光束の再入射位置とが一致する。その結果、
たとえば装置の振動などの影響により第１の分割遅延部
１３への入射光束が光軸ＡＸから平行に位置ずれして
も、第１の分割遅延部１３を介して順次生成される一連
の光束の光路は光軸ＡＸからは外れるが互いに位置ずれ
することがない。

【００２５】因みに、図５に示す比較例の分割遅延部で
は、遅延光路が３個の反射ミラー１１１〜１１３を用い
て三角形状に構成されている。この場合、図５において
破線および一点鎖線で示すように、光軸ＡＸに対してほ
ぼ平行に位置ずれした状態で光束がハーフミラー１１０
に入射すると、三角形状の遅延光路を介した光束は元の
入射位置には戻らない。その結果、遅延光路が三角形状
に構成された比較例の場合、分割遅延部を介して順次生
成される一連の光束の経路が互いに一致することなく基
準光軸から次第に離れてしまうことになる。この点は、
遅延光路が三角形状に形成された光遅延素子を有する図
８の従来の照明光学装置においても同様である。

【００２６】なお、一般に、反射ミラーの反射率はＰ偏
光入射とＳ偏光入射とでは異なり、Ｓ偏光入射の方がＰ
偏光入射よりも高い反射率を確保することができる。し
たがって、第１の分割遅延部１３では、遅延光路におけ
る光損失を回避するために、４個の反射ミラー３１〜３
４に対してＳ偏光状態で光束が入射するように構成する
ことが好ましい。本実施例の第１の分割遅延部１３の場
合、図３に示すように、ハーフミラー３０に対してＰ偏
光状態で光束を入射させることにより、４個の反射ミラ
ー３１〜３４に対してＳ偏光入射が可能となる。以下、
後述する第２の分割遅延部１４および第３の分割遅延部
１５の場合も同様である。

【００２７】図２を参照すると、第１の分割遅延部１３
を介した光束は、光軸ＡＸに沿って第２の分割遅延部１
４に入射する。第２の分割遅延部１４は、第１の分割遅
延部１３の同様の構成を有するが、遅延光路の光路長が
第１の分割遅延部１３における遅延光路の光路長ｄの２
倍に設定されている点だけが第１の分割遅延部１３と相
違している。したがって、第２の分割遅延部１４は、光
軸ＡＸに沿って入射する光束を時間的に複数の光束に分
割し、時間的に連続する２つの光束の間に遅延光路の光
路長２ｄに等しい光路長差を付与する。

【００２８】また、第２の分割遅延部１４を介した光束
は、光軸ＡＸに沿って第３の分割遅延部１５に入射す
る。第３の分割遅延部１５は、第１の分割遅延部１３の
同様の構成を有するが、遅延光路の光路長が第１の分割
遅延部１３における遅延光路の光路長ｄの３倍に設定さ
れている点だけが第１の分割遅延部１３と相違してい
る。したがって、第３の分割遅延部１５は、光軸ＡＸに
沿って入射する光束を時間的に複数の光束に分割し、時
間的に連続する２つの光束の間に遅延光路の光路長３ｄ
に等しい光路長差を付与する。

【００２９】以下、第１の分割遅延部１３〜第３の分割
遅延部１５からなる分割遅延手段全体としての作用につ
いて具体的に説明する。なお、以下の説明において、各
分割遅延部におけるハーフミラーの反射率および透過率
をともに５０％とし、各反射ミラーの反射率を１００％
とする。まず、第１の分割遅延部１３〜第３の分割遅延
部１５の遅延光路を全く経ることなく通過した光束Ｐ00
0 が、時間的に最も早くフライアイレンズ１６に達す
る。この光束Ｐ000 のエネルギは、第１の分割遅延部１
３への入射光束のエネルギの１２．５％である。

【００３０】次に、第１の分割遅延部１３の遅延光路だ
けを１回経た光束Ｐ100 が、光束Ｐ000 に対して光路長
差ｄが付与された状態でフライアイレンズ１６に達す
る。この光束Ｐ100 のエネルギは、第１の分割遅延部１
３への入射光束のエネルギの６．２５％となる。次に、
第１の分割遅延部１３の遅延光路だけを２回経た光束Ｐ
200 および第２の分割遅延部１４の遅延光路だけを１回
経た光束Ｐ010 が、光束Ｐ000 に対して光路長差２ｄが
付与された状態でフライアイレンズ１６に達する。この
場合、光束Ｐ200 のエネルギは約３．１３％となり、光
束Ｐ010 のエネルギは６．２５％となる。すなわち、光
束Ｐ000 に対して光路長差２ｄが付与される光束の合計
エネルギは、約９．３８％となる。

【００３１】次に、第１の分割遅延部１３の遅延光路だ
けを３回経た光束Ｐ300 、第１の分割遅延部１３の遅延
光路を１回経るとともに第２の分割遅延部１４の遅延光
路を１回経た光束Ｐ110 、および第３の分割遅延部１５
の遅延光路だけを１回経た光束Ｐ001 が、光束Ｐ000 に
対して光路長差３ｄが付与された状態でフライアイレン
ズ１６に達する。この場合、光束Ｐ300 のエネルギは約
１．５６％となり、光束Ｐ110 のエネルギは約３．１３
％となり、光束Ｐ001 のエネルギは６．２５％となる。
すなわち、光束Ｐ000 に対して光路長差３ｄが付与され
る光束の合計エネルギは、約１０．９４％となる。

【００３２】次に、第１の分割遅延部１３の遅延光路だ
けを４回経た光束Ｐ400 、第１の分割遅延部１３の遅延
光路を２回経るとともに第２の分割遅延部１４の遅延光
路を１回経た光束Ｐ210 、第２の分割遅延部１４の遅延
光路だけを２回経た光束Ｐ020 、および第１の分割遅延
部１３の遅延光路を１回経るとともに第３の分割遅延部
１５の遅延光路を１回経た光束Ｐ101 が、光束Ｐ000 に
対して光路長差４ｄが付与された状態でフライアイレン
ズ１６に達する。この場合、光束Ｐ400 のエネルギは約
０．７８％となり、光束Ｐ210 のエネルギは約１．５６
％となり、光束Ｐ020 のエネルギは約３．１３％とな
り、光束Ｐ101 のエネルギは３．１３％となる。以下、
第１の分割遅延部１３への入射光束のエネルギの１％以
下になる光束の影響を無視する。したがって、光束Ｐ00
0 に対して光路長差４ｄが付与される光束は、光束Ｐ21
0 と光束Ｐ020 と光束Ｐ101 とであり、その合計エネル
ギは約７．８２％となる。

【００３３】次に、第１の分割遅延部１３の遅延光路を
１回経るとともに第２の分割遅延部１４の遅延光路を２
回経た光束Ｐ120 、第１の分割遅延部１３の遅延光路を
２回経るとともに第３の分割遅延部１５の遅延光路を１
回経た光束Ｐ201 、および第２の分割遅延部１４の遅延
光路を１回経るとともに第３の分割遅延部１５の遅延光
路を１回経た光束Ｐ011 が、光束Ｐ000 に対して光路長
差５ｄが付与された状態でフライアイレンズ１６に達す
る。この場合、光束Ｐ120 のエネルギは約１．５６％と
なり、光束Ｐ201 のエネルギは約１．５６％となり、光
束Ｐ011 のエネルギは３．１３％となる。すなわち、光
束Ｐ000 に対して光路長差５ｄが付与される光束の合計
エネルギは、約６．２５％となる。

【００３４】次に、第２の分割遅延部１４の遅延光路だ
けを３回経た光束Ｐ030 、第３の分割遅延部１５の遅延
光路だけを２回経た光束Ｐ002 、および第１の分割遅延
部１３〜第３の分割遅延部１５の遅延光路をそれぞれ１
回ずつ経た光束Ｐ111 が、光束Ｐ000 に対して光路長差
６ｄが付与された状態でフライアイレンズ１６に達す
る。この場合、光束Ｐ030 のエネルギは約１．５６％と
なり、光束Ｐ002 のエネルギは３．１３％となり、光束
Ｐ111 のエネルギは約１．５６％となる。すなわち、光
束Ｐ000 に対して光路長差６ｄが付与される光束の合計
エネルギは、約６．２５％となる。

【００３５】次に、第２の分割遅延部１４の遅延光路を
２回経るとともに第３の分割遅延部１５の遅延光路を１
回経た光束Ｐ021 、および第１の分割遅延部１３の遅延
光路を１回経るとともに第３の分割遅延部１５の遅延光
路を２回経た光束Ｐ102 が、光束Ｐ000 に対して光路長
差７ｄが付与された状態でフライアイレンズ１６に達す
る。この場合、光束Ｐ021 のエネルギは約１．５６％と
なり、光束Ｐ102 のエネルギも１．５６％となる。すな
わち、光束Ｐ000 に対して光路長差７ｄが付与される光
束の合計エネルギは、約３．１３％となる。

【００３６】次に、第２の分割遅延部１４の遅延光路を
１回経るとともに第３の分割遅延部１５の遅延光路を２
回経た光束Ｐ012 が、光束Ｐ000 に対して光路長差８ｄ
が付与された状態でフライアイレンズ１６に達する。こ
の場合、光束Ｐ012 のエネルギは約１．５６％となる。
次に、第３の分割遅延部１５の遅延光路だけを３回経た
光束Ｐ003 が、光束Ｐ000 に対して光路長差９ｄが付与
された状態でフライアイレンズ１６に達する。この場
合、光束Ｐ003 のエネルギは約１．５６％となる。

【００３７】以上のように、分割遅延部１３〜第３の分
割遅延部１５を介して分割された光束のうち１％以上の
エネルギを有する光束にだけ着目すると、第１の分割遅
延部１３〜第３の分割遅延部１５は、光軸ＡＸに沿って
第１の分割遅延部１３に入射する光束を時間的に１０個
の光束Ｐ０〜Ｐ９に分割し、時間的に連続する２つの光
束の間に光路長差ｄを付与する。すなわち、時間的に分
割された１０個の光束Ｐ０〜Ｐ９の光束成分およびその
合計エネルギ、並びに基準となる光束Ｐ０に対して各光
束に付与される光路長差は、次の表（１）に示す通りと
なる。

【００３８】

【表１】光束成分合計エネルギ光路長差光束Ｐ０Ｐ000 12.5％０光束Ｐ１Ｐ100 6.25％ｄ光束Ｐ２Ｐ200 ＋Ｐ010 9.38％２ｄ光束Ｐ３Ｐ300 ＋Ｐ110 ＋Ｐ001 10.94％３ｄ光束Ｐ４Ｐ210 ＋Ｐ020 ＋Ｐ101 7.82％４ｄ光束Ｐ５Ｐ120 ＋Ｐ011 ＋Ｐ201 6.25％５ｄ光束Ｐ６Ｐ030 ＋Ｐ002 ＋Ｐ111 6.25％６ｄ光束Ｐ７Ｐ021 ＋Ｐ102 3.13％７ｄ光束Ｐ８Ｐ012 1.56％８ｄ光束Ｐ９Ｐ003 1.56％９ｄ

【００３９】なお、上述の説明では、分割遅延部１３〜
第３の分割遅延部１５を介して分割された光束のうち１
％以上のエネルギを有する光束にだけ着目している。し
かしながら、たとえば０．１％以上のエネルギを有する
光束に着目すれば、第１の分割遅延部１３〜第３の分割
遅延部１５は、光軸ＡＸに沿って第１の分割遅延部１３
に入射する光束を時間的にさらに多数の光束に分割して
いることはいうまでもない。また、上述の説明では、ハ
ーフミラーの反射率を５０％と仮定しているが、たとえ
ば３３％〜５０％程度に設定するのが一般的である。

【００４０】本実施例では、時間的に連続する２つの光
束の間に付与される光路長差ｄ、すなわち第１の分割遅
延部１３の遅延光路の光路長ｄは、光源１からの光束の
時間的可干渉距離以上に設定されている。以下、本実施
例で採用すべき時間的可干渉距離について説明する。一
般に、光束の時間的可干渉距離Ｌc は、次の式（１）で
表される。Ｌc ＝λ²／Δλ （１）ここで、λは光源全体の波長分布における中心波長であ
り、Δλは光源全体の波長分布における半値全幅（以
下、「半値幅」という）である。

【００４１】ただし、エキシマレーザー光源では、スペ
クトル分布の半値幅を狭くするために回折格子を含む狭
帯化装置を用いているので、分光部分の射出スリット上
に波長分布が生じる。すなわち、分光部分の射出スリッ
ト上に形成された微小な光源にスペクトル分布が多数集
まって、光源全体のスペクトル分布が形成されている。
このように、微小なコヒーレント素光源が多数集まって
形成されていると考えられるコヒーレント光源の場合、
隣合う微小な素光源が分離して観察できる空間分解能
（これはエキシマレーザービームの発散全角ωから概ね
λ／ωと推定することができる）が射出スリット幅より
も細かい（小さい）ときには、この空間分解能内での波
長分布における半値幅Δλｐに基づく時間的可干渉距離
Ｌcpを考える必要がある。

【００４２】この時間的可干渉距離Ｌcpは、次の式
（２）で表される。Ｌcp＝λ²／Δλｐ（２）因みに、中心波長λが２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレー
ザーでは、光源全体の波長分布に基づく半値幅Δλが
０．８ｐｍの場合、時間的可干渉距離Ｌc は７７ｍｍ程
度である。この場合、空間分解能内での波長分布に基づ
く半値幅Δλｐは０．４ｐｍ程度であり、時間的可干渉
距離Ｌcpは１５４ｍｍ程度となる。一方、光源全体の波
長分布に基づく半値幅Δλが０．６ｐｍの場合、時間的
可干渉距離Ｌc は１０３ｍｍ程度である。この場合、空
間分解能内での波長分布に基づく半値幅Δλｐは０．３
ｐｍ程度であり、時間的可干渉距離Ｌcpは２０６ｍｍ程
度となる。なお、理想的には、分光部分の射出スリット
位置での空間分解能内の波長分布に基づいて時間的可干
渉距離Ｌcpを求めることが望ましいが、被照明面と共役
な光源近傍の位置での空間分解能内の波長分布に基づい
て時間的可干渉距離Ｌcpを求めてもよい。

【００４３】本実施例においては、時間的可干渉距離と
して、光源全体の波長分布に基づく時間的可干渉距離Ｌ
c ではなく、空間分解能内での波長分布に基づく時間的
可干渉距離Ｌcpを採用し、第１の分割遅延部１３の矩形
形状の遅延光路の光路長ｄを時間的可干渉距離Ｌcp以上
に設定している。本実施例において時間的可干渉距離Ｌ
cpを採用する理由は、フライアイレンズの後側焦点面に
多数の射出スリット像（光源像）が形成されるが、付与
される光路長差ｄが光源全体の波長分布に基づく時間的
可干渉距離Ｌc に等しいような場合には、各スリット像
の任意の空間分解能サイズからの光が互いに干渉し、こ
の干渉に起因して被照明面であるマスク面およびウエハ
面上に干渉縞やスペックルが発生するからである。

【００４４】以上のように、本実施例では、第１の分割
遅延部１３〜第３の分割遅延部１５からなる分割遅延手
段により、時間的に分割された複数の光束を生成し、時
間的に連続する２つの光束の間に時間的可干渉距離Ｌcp
以上に設定された光路長差ｄを付与する。したがって、
第１の分割遅延部１３〜第３の分割遅延部１５からなる
分割遅延手段により分割された波連においてコヒーレン
シー（可干渉性）を低減することができ、被照明面であ
るマスク面およびウエハ面上における干渉縞やスペック
ルの発生を良好に抑えることができる。

【００４５】また、本実施例では、各分割遅延部におい
て遅延光路が偶数個（すなわち４個）の反射ミラーによ
り矩形形状に形成されているので、光軸ＡＸに対して平
行に位置ずれした状態で光束が入射しても、順次生成さ
れる一連の光束の光路は互いに位置ずれすることなく常
に一定である。したがって、たとえば装置の振動などの
影響により第１の分割遅延部１３への入射光束が光軸Ａ
Ｘから平行に位置ずれしても、第１の分割遅延部１３〜
第３の分割遅延部１５からなる分割遅延手段により順次
生成される一連の光束の光路が互いに位置ずれすること
がない。その結果、本実施例の照明光学装置では、振動
に対する安定性が高く、結果として光学調整も容易であ
る。

【００４６】なお、上述の実施例の各分割遅延部におい
て、遅延光路の始端としてのハーフミラーの分割面と遅
延光路の終端としてのハーフミラーの分割面とを光学的
に共役に結ぶリレー光学系を遅延光路中に配置すること
により、ハーフミラーへの入射光束の基準光軸に対する
角度ずれが性能に大きな影響を与え難い光学系を構成す
ることができる。

【００４７】また、上述の実施例の各分割遅延部におい
て、遅延光路が矩形形状に形成されているが、ハーフミ
ラーの厚さ（ハーフミラーにおける屈折作用）に起因し
て、順次生成される一連の光束の光路がわずかに位置ず
れする。このため、第４の反射ミラーとハーフミラーと
の間の光路中に、ハーフミラーの厚さに起因する位置ず
れを補償するためのコンペンセータとして、ハーフミラ
ーと同じ厚さを有する平行平面板をハーフミラーと直交
するように配置することが望ましい。

【００４８】さらに、上述の実施例の各分割遅延部にお
いて、遅延光路の光路長をｄ、２ｄおよび３ｄと変化さ
せているが、この変化形態に限定されることなく、たと
えば第２の分割遅延部および第３の分割遅延部に対して
ｄの適当な整数倍の光路長を設定することもできる。ま
た、上述の実施例において、３つの分割遅延部で分割遅
延手段を構成しているが、この数に限定されることなく
１つまたは複数の分割遅延部で分割遅延手段を構成する
ことができる。

【００４９】さらに、上述の実施例の各分割遅延部にお
いて、４つの反射ミラーで矩形形状の遅延光路を形成し
ている。しかしながら、後述する変形例にも示すよう
に、２つ以上の反射部材を用いて矩形形状の以外の遅延
光路を形成しても、本発明の効果を奏することができ
る。また、たとえば６つの反射ミラーで立体的な形状の
遅延光路を形成しても、本発明の効果を奏することがで
きる。すなわち、本発明において、分割遅延手段を介し
て順次生成される一連の光束の光路が装置の振動などの
影響により互いに位置ずれしないように構成するには、
遅延光路において偶数回に亘って光束を偏向させること
が必要である。

【００５０】図６は、本実施例の照明光学装置における
各分割遅延部の変形例の構成を概略的に示す図である。
図６に示すように、変形例の分割遅延部は、光軸ＡＸに
対して４５度に斜設された偏光ビームスプリッターミラ
ー６０を備えている。したがって、光軸ＡＸに沿って偏
光ビームスプリッターミラー６０に入射する直線偏光の
光束は、偏光ビームスプリッターミラー６０を透過する
Ｐ偏光の光束と偏光ビームスプリッターミラー６０で＋
Ｘ方向に反射されるＳ偏光の光束とに分割される。ここ
で、Ｐ偏光の透過光束とＳ偏光の反射光束との強度比が
所望の値になるように、偏光ビームスプリッターミラー
６０への入射光束の偏光方位が設定されていることはい
うまでもない。

【００５１】偏光ビームスプリッターミラー６０を透過
したＰ偏光の光束は、光軸ＡＸに沿って分割遅延部から
射出される。一方、偏光ビームスプリッターミラー６０
で＋Ｘ方向に反射されたＳ偏光の光束は、第１の１／４
波長板６１を介して、ＹＺ面に平行な反射面を有する第
１の反射ミラー６２に入射する。第１の反射ミラー６２
で−Ｘ方向に反射された光束は、第１の１／４波長板６
１を介してＰ偏光となり、偏光ビームスプリッターミラ
ー６０に入射する。Ｐ偏光状態で偏光ビームスプリッタ
ーミラー６０を透過した光束は、第２の１／４波長板６
３を介して、ＹＺ面に平行な反射面を有する第２の反射
ミラー６４に入射する。第２の反射ミラー６４で＋Ｘ方
向に反射された光束は、第２の１／４波長板６３を介し
てＳ偏光となり、偏光ビームスプリッターミラー６０に
入射する。偏光ビームスプリッターミラー６０で反射さ
れたＳ偏光の光束は、光軸ＡＸに沿って分割遅延部から
射出される。

【００５２】このように、変形例の分割遅延部における
遅延光路は、２つの反射ミラー６２および６４によって
規定される直線状の往復光路である。すなわち、この遅
延光路は、偏光ビームスプリッターミラー６０から第１
の反射ミラー６２までの直線光路と、第１の反射ミラー
６２から第２の反射ミラー６４までの直線光路と、第２
の反射ミラー６４から偏光ビームスプリッターミラー６
０までの直線光路から構成されている。こうして、変形
例の分割遅延部では、光軸ＡＸに沿って入射した光束を
時間的に２つの光束に分割し、この２つの光束の間に遅
延光路の光路長に等しい光路長差を付与することができ
る。

【００５３】また、図６において破線および一点鎖線で
示すように、変形例の分割遅延部では、光軸ＡＸに対し
て平行に位置ずれした状態でＺ方向に沿って光束が入射
しても、Ｚ方向に沿って偏光ビームスプリッターミラー
６０に最初に入射する光束の入射位置と、遅延光路を介
して偏光ビームスプリッターミラー６０に最終的に入射
する光束の入射位置とが一致する。その結果、たとえば
装置の振動などの影響により分割遅延部への入射光束が
光軸ＡＸから平行に位置ずれしても、分割遅延部を介し
て順次生成される２つの光束の光路が互いに位置ずれす
ることがない。

【００５４】したがって、上述の実施例において、各分
割遅延部１３〜１５に代えて、変形例の分割遅延部と基
本的に同じ構成を有する３つの分割遅延部（遅延光路の
光路長は実施例に準じて設定）を用いても、上述の実施
例と同様の効果を得ることができる。ただし、変形例に
したがう３つの分割遅延部では、上述の実施例の場合と
は異なり、光軸ＡＸに沿って入射した光束が時間的に６
つの光束に分割される。

【００５５】ところで、上述の実施例の各分割遅延部に
おける反射ミラーおよび上述の変形例の各分割遅延部に
おける反射ミラーの表面反射面には、エキシマレーザー
光を反射する薄膜が蒸着されている。しかしながら、こ
の表面反射面では、可視光を所望の反射率で反射するこ
とができない。したがって、たとえば可視光を使用する
オートコリメーターを利用して各反射ミラーの偏角など
を調整する際には、実際の反射ミラーを振って調整する
ことはできず、可視光を反射する調整用ミラーを用いて
調整した後に調整用ミラーと実際の反射ミラーとを交換
しなければならない。この交換の際に、調整された調整
用ミラーの偏角と交換された実際の反射ミラーの偏角と
の間に誤差が発生し易い。そこで、上述の実施例および
変形例において各反射ミラーの裏面反射面に、たとえば
緑色などの可視光を主に反射する薄膜を蒸着することが
望ましい。この場合、照明光路中に可視光を導光するだ
けで、実際の反射ミラーを調整用ミラーと交換すること
なく、光学調整をさらに容易に行うことができる。

【００５６】また、上述の実施例では、光源としてＫｒ
Ｆエキシマレーザーを用いているが、たとえばＡｒＦエ
キシマレーザーなどの他のコヒーレント光源を用いるこ
とができる。ただし、ＡｒＦエキシマレーザーやそれよ
りも短波長の光源を使用する場合には、反射ミラーの反
射率がある程度低下する。したがって、図７に示すよう
に、たとえば上述の実施例の第１の各分割遅延部の反射
ミラー３１〜３４に代えて蛍石や石英からなる４５度プ
リズム７１〜７４を用い、全反射を利用して遅延光路を
折り曲げる方が光損失の観点から有利である。

【００５７】上述の実施例の露光装置による露光の工程
（フォトリソグラフィ工程）を経たウエハは、現像する
工程を経てから、現像したレジスト以外の部分を除去す
るエッチングの工程、エッチングの工程後の不要なレジ
ストを除去するレジスト除去の工程等を経てウエハプロ
セスが終了する。そして、ウエハプロセスが終了する
と、実際の組立工程にて、焼き付けられた回路毎にウエ
ハを切断してチップ化するダイシング、各チップに配線
等を付与するボンディング、各チップ毎にパッケージン
グするパッケージング等の各工程を経て、最終的にデバ
イスとしての半導体装置（ＬＳＩ等）が製造される。

【００５８】なお、以上の説明では、投影露光装置を用
いたウエハプロセスでのフォトリソグラフィ工程により
半導体素子を製造する例を示したが、露光装置を用いた
フォトリソグラフィ工程によって、半導体デバイスとし
て、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤ
等）を製造することができる。こうして、本発明の照明
光学装置を用いて半導体デバイスを製造する露光方法の
場合、干渉に起因する照明むらが少なく且つ振動の影響
を受け難い良好な照明条件のもとで投影露光を行うこと
ができるので、良好な半導体デバイスを製造することが
できる。

【００５９】また、上述の実施例では、照明光学装置を
備えた投影露光装置を例にとって本発明を説明したが、
マスク以外の被照明面を均一照明するための一般的な照
明光学装置に本発明を適用することができることは明ら
かである。さらに、以上の実施例および変形例では、２
４８ｎｍの波長光を供給するＫｒＦエキシマレーザや１
９３ｎｍの波長光を供給するＡｒＦエキシマレーザ等を
光源として用いた例を示したが、例えばＦ₂レーザ光源
などのこれ以外のコヒーレント光源を備えた装置にも本
発明を適用できることは言うまでもない。

【００６０】なお、上述の実施例では、オプティカルイ
ンテグレータとして、複数のレンズ素子をマトリックス
状に配列してなるフライアイレンズを用いたが、本発明
のオプティカルインテグレータとしては、フライアイレ
ンズに限定されることなく、例えば内面反射型のロッド
型インテグレータを適用しても良い。この場合、本発明
における分割遅延手段は、光源とロッド型インテグレー
タとの間の光路中に配置されることが好ましい。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の照明光学
装置では、コヒーレント光源を用いた場合でもコヒーレ
ンシーの低減を十分に行うことができ、さらに振動に対
する安定性が高く、光学調整が容易である。したがっ
て、本発明の照明光学装置を組み込んだ露光装置では、
干渉に起因する照明むらが少なく且つ振動の影響を受け
難い良好な照明条件のもとで、良好な投影露光を行うこ
とができる。また、本発明の照明光学装置を用いて被照
明面上に配置されたマスクのパタンを感光性基板上に露
光する露光方法では、良好な照明条件のもとで投影露光
を行うことができるので、良好な半導体デバイスを製造
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかる照明光学装置を備えた
露光装置の構成を概略的に示す図である。

【図２】図１の光源と照明光学系とからなる照明光学装
置の内部構成を概略的に示す斜視図である。

【図３】第１の分割遅延部の構成を拡大して示す斜視図
である。

【図４】第１の分割遅延部における遅延光路の作用を説
明する図である。

【図５】比較例の分割遅延部において３個の反射ミラー
を用いて三角形状に構成された遅延光路の欠点を説明す
る図である。

【図６】本実施例の照明光学装置における各分割遅延部
の変形例の構成を概略的に示す図である。

【図７】各分割遅延部の反射ミラーに代えて蛍石や石英
からなる４５度プリズムを用いた変形例を示す図であ
る。

【図８】特開平１−１９８７５９号公報に開示された従
来の照明光学装置の構成を概略的に示す図である。

【符号の説明】

１光源２照明光学系３マスク４マスクホルダ５マスクステージ６投影光学系７ウエハ８ウエハホルダ９ウエハステージ１０干渉計１２整形光学系１３第１の分割遅延部１４第２の分割遅延部１５第３の分割遅延部１６フライアイレンズ１７コンデンサーレンズ３０ハーフミラー３１〜３４反射ミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コヒーレントな光束を供給する光源と、前記光源から基準光軸に沿って入射する光束の一部を前
記基準光軸とほぼ一致する第１の光軸に沿って第１光束
として射出させつつ前記基準光軸に沿って入射する光束
の一部を前記基準光軸とは異なる方向の第２の光軸に沿
って第２光束として射出するためのビームスプリッタ
と、該ビームスプリッタからの前記第２光束を偶数回に
亘って偏向させた後に前記ビームスプリッタへ向けるよ
うに形成され前記光源からの光束の時間的可干渉距離以
上に設定された光路長を有する遅延光路とを有する分割
遅延手段とを備え、前記遅延光路は、前記基準光軸に対してほぼ平行に位置
ずれした状態で入射する光束に対しても前記第１光束と
前記第２光束とをほぼ同じ光軸に沿って射出させるため
に、前記第２の光軸に沿って分割された前記第２光束を
前記基準光軸から位置ずれした元の入射位置へ戻すよう
に形成されていることを特徴とする照明光学装置。
【請求項２】前記分割遅延手段は、前記遅延光路の光
路中に配置された偶数個の反射部材を有し、前記ビームスプリッタで前記第２の光軸に沿って分割さ
れた前記第２光束は、前記偶数個の反射部材で順次反射
された後に前記ビームスプリッタに戻ることを特徴とす
る請求項１に記載の照明光学装置。
【請求項３】前記偶数個の反射部材の各々は、光束が
Ｓ偏光状態で入射するように配置された反射ミラーであ
ることを特徴とする請求項２に記載の照明光学装置。
【請求項４】前記分割遅延手段は、第１段目の分割遅
延部から第ｎ段目（ｎは１よりも大きい整数）の分割遅
延部までの複数の分割遅延部を備え、前記第１段目の分割遅延部は、前記光源から入射する光
束を２つの光束に分割し、該２つの光束に第１の光路長
差を付与するように構成され、前記第ｎ段目の分割遅延部は、第（ｎ−１）段目の分割
遅延部を介して入射する光束を２つの光束に分割し、該
２つの光束に前記第１の光路長差のｎ倍の光路長差を付
与するように構成されていることを特徴とする請求項１
乃至３のいずれか１項に記載の照明光学装置。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれか１項に記載の
照明光学装置と、該照明光学装置の被照明面上に配置さ
れたマスクのパターンを感光性基板に投影露光するため
の投影光学系とを備え、前記照明光学装置は、前記分割遅延手段を介した光束に
基づいて多数の光源像を形成するためのオプティカルイ
ンテグレータと、該オプティカルインテグレータからの
光束を前記マスクへ導くための集光光学系とを備えてい
るていることを特徴とする露光装置。