JP2001085308A

JP2001085308A - 照明光学装置及び露光装置

Info

Publication number: JP2001085308A
Application number: JP25812599A
Authority: JP
Inventors: Yuji Kudo; 祐司工藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2001-03-30

Abstract

(57)【要約】【課題】照明光の回転対称性を高めることができると
共に、小型化でメンテナンスが容易である照明光学装置
を提供する。【解決手段】基本波発生部１００において、例えばＤ
ＦＢ（Distributed feedback）レーザ等からの可視域か
ら赤外域のレーザ光を分岐して、光ファイバー増幅器を
有する複数の光増幅ユニットを用いて増幅して得られた
光を、光ファイバー・バンドル１９を介して波長変換部
２０に供給する。波長変換部２０で紫外光に変換された
露光光ＩＬを偏光ビームスプリッタ１０６Ａで２分割
し、分割された２光束に９０°の回転差を与えて合成し
た光をフライアイレンズ１１０に供給し、フライアイレ
ンズ１１０からの露光光でレチクルＲを照明する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば紫外域の照
明光を発生する照明光学装置に関し、特に半導体素子、
撮像素子（ＣＣＤなど）、液晶表示素子、プラズマディ
スプレイ素子、及び薄膜磁気ヘッドなどのマイクロデバ
イスを製造するためのフォトリソグラフィ工程で使用さ
れる露光装置の照明光学系に使用して好適なものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体集積回路を製造するための
フォトリソグラフィ工程で使用される露光装置は、マス
クとしてのレチクル（フォトマスク）上に精密に描かれ
た回路パターンを、基板としてのフォトレジストを塗布
したウエハ上に光学的に縮小して投影露光する。この露
光時におけるウエハ上での最小パターン寸法（解像度）
を小さくするのに最も単純かつ有効な方法の一つは、照
明光学系中の露光光源からの露光用の照明光（露光光）
の波長（露光波長）を小さくすることである。ここで露
光光の短波長化の実現と合わせて、露光光源を構成する
上で備えるべきいくつかの条件につき説明する。

【０００３】第１に、例えば数ワットの光出力が求めら
れる。これは集積回路パターンの露光、転写に要する時
間を短くして、スループットを高めるために必要であ
る。第２に、露光光が波長３００ｎｍ以下の紫外光の場
合には、投影光学系の屈折部材（レンズ）として使用で
きる光学材料が限られ、色収差の補正が難しくなってく
る。このため露光光の単色性が必要であり、露光光のス
ペクトル線幅は１ｐｍ程度以下にすることが求められ
る。

【０００４】第３に、このスペクトル線幅の狭帯化に伴
い時間的コヒーレンス（可干渉性）が高くなるため、狭
い線幅の光をそのまま照射すると、スペックルと呼ばれ
る不要な干渉パターンが生ずる。従ってこのスペックル
の発生を抑制するために、露光光源では空間的コヒーレ
ンスを低下させる必要がある。これらの条件を満たす従
来の短波長の光源の一つは、レーザの発振波長自身が短
波長であるエキシマレーザを用いた光源であり、もう一
つは赤外又は可視域のレーザの高調波発生を利用した光
源である。

【０００５】このうち、前者の短波長光源としては、Ｋ
ｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）が使用されてお
り、現在では更に短波長のＡｒＦエキシマレーザ（波長
１９３ｎｍ）を使用する露光装置の開発が進められてい
る。更に、エキシマレーザの仲間であるＦ₂レーザ（波
長１５７ｎｍ）の使用も提案されている。しかし、これ
らのエキシマレーザは大型であること、発振周波数が現
状では数ｋＨｚ程度であるため、単位時間当たりの照射
エネルギーを高めるためには１パルス当たりのエネルギ
ーを大きくする必要があり、このためにいわゆるコンパ
クション等によって光学部品の透過率変動等が生じやす
いこと、メインテナンスが煩雑でかつ費用が高額となる
ことなどの種々の問題があった。

【０００６】また後者の方法としては、非線形光学結晶
の２次の非線形光学効果を利用して、長波長の光（赤外
光、可視光）をより短波長の紫外光に変換する方法があ
る。例えば文献「¨Longitudinally diode pumped cont
inuous wave 3.5W green laser¨,L. Y. Liu, M. Oka,
W. Wiechmann and S. Kubota; Optics Letters, vol.1
9,p189(1994)」では、半導体レーザ光で励起された固体
レーザからの光を波長変換するレーザ光源が開示されて
いる。この従来例では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの発する１
０６４ｎｍのレーザ光を、非線形光学結晶を用いて波長
変換し、４倍高調波の２６６ｎｍの光を発生させる方法
が記載されている。なお、固体レーザとは、レーザ媒質
が固体であるレーザの総称である。

【０００７】また、例えば特開平８−３３４８０３号公
報では、半導体レーザを備えたレーザ光発生部と、この
レーザ光発生部からの光を非線形光学結晶により紫外光
に波長変換する波長変換部とから構成されるレーザ要素
を複数個、マトリックス状（例えば１０×１０）に束ね
たアレイレーザが提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような構成の従来
のアレイレーザでは、個々のレーザ要素の光出力を低く
抑えつつ、装置全体の光出力を高出力とすることがで
き、各非線形光学結晶への負担を軽減することができ
る。しかし、一方では、個々のレーザ要素が独立してい
ることから、露光装置への適用を考慮した場合には、レ
ーザ要素全体でその発振スペクトルを全幅で１ｐｍ程度
以下まで一致させる必要がある。

【０００９】このため、例えば、各レーザ要素に自律的
に同一波長の単一縦モード発振をさせるためには、各々
のレーザ要素の共振器長を調整し、あるいは共振器中に
波長選択素子を挿入したりする必要があった。しかし、
これらの方法は、その調整が微妙であること、構成する
レーザ要素が多くなればなるほど全体を同一波長で発振
させるのに複雑な構成が必要になること等の問題があっ
た。

【００１０】一方、これら複数のレーザを能動的に単一
波長化する方法としてインジェクションシード法がよく
知られている（例えば、「Walter Koechner; Solid-sta
te Laser Engineering, 3rd Edition, Springer Series
in Optical Science, Vol.1, Springer-Verlag, ISBN
0-387-53756-2, p246-249」参照）。これは、発振スペ
クトル線幅の狭い単一のレーザ光源からの光を複数のレ
ーザ要素に分岐し、このレーザ光を誘導波として用いる
ことにより、各レーザ要素の発振波長を同調させ、かつ
スペクトル線幅を狭帯域化するという方法である。しか
し、この方法では、シード光を各レーザ要素に分岐する
光学系や、発振波長の同調制御部を必要とするため構造
が複雑になるという問題があった。

【００１１】更に、このようなアレイレーザは、従来の
エキシマレーザに比べて装置全体を格段に小さくするこ
とが可能だが、それでもアレイ全体の出力ビーム径を数
ｃｍ以下におさえるパッケージングは困難であった。ま
た、このように構成されたアレイレーザでは、各アレイ
ごとに波長変換部が必要となるため高価となること、ア
レイを構成するレーザ要素の一部にアライメントずれが
生じた場合や構成する光学素子に損傷が発生した場合
に、このレーザ要素の調整をするためには、一度アレイ
全体を分解してこのレーザ要素を取り出し、調整した上
で再度アレイを組み立て直す必要があること、などの課
題があった。

【００１２】また、そのような光源を露光装置の照明光
学系に用いた場合には、最終的に転写される回路パター
ンの方向による線幅の差を無くすために、露光光の回転
対称性を高めることが望ましい。本発明は斯かる点に鑑
み、照明光の回転対称性を高めることができる照明光学
装置を提供することを第１の目的とする。

【００１３】更に本発明は、露光装置の照明光学系に使
用した場合に、装置を小型化でき、かつメンテナンスが
容易にできるようにすることを第２の目的とする。更に
本発明は、発振周波数を高くして、かつ空間的コヒーレ
ンスを低減できると共に、全体としての発振スペクトル
線幅を簡単な構成で狭くできるようにすることを第３の
目的とする。

【００１４】更に本発明は、そのような照明光学装置を
備えたコンパクトで自由度の高い露光装置を提供するこ
とをも目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明による照明光学装
置は、照明光を発生する光源装置（１０１）と、この光
源装置からの照明光より複数の２次光源を形成するため
のオプティカル・インテグレータ（１１０）（ホモジナ
イザー）と、その複数の２次光源からの光束を集光して
被照射面に導く集光光学系（１１６Ａ，１１６Ｂ，１２
０）とを備えた照明光学装置において、その光源装置か
ら供給される照明光の光軸に垂直な面内での照度分布は
非回転対称であり、その光源装置と、そのオプティカル
・インテグレータとの間に、その照明光の非回転対称性
を補正するための光束整形部（１０６Ａ，１０６Ｂ，１
０７Ａ，１０７Ｂ，１０８）を設けたものである。

【００１６】斯かる本発明によれば、その光束整形部に
よってその照明光の回転対称性が向上する。従って、そ
の照明光学装置を露光装置に使用することによって、転
写される回路パターンの方向による線幅差が小さくな
り、転写忠実度が向上する。この場合、その光束整形部
は、一例としてその光源装置からの照明光を第１光束及
び第２光束に分岐する分岐光学系（１０６Ａ）と、その
第２光束を光軸を中心として所定角度回転する回転光学
系（１０８）と、その第１光束とその回転光学系から射
出されるその第２光束とを合成する合成光学系（１０６
Ｂ）とを有するものである。このとき、その第１光束の
断面内の照度分布が例えば所定方向に細長い長円形であ
れば、その第２光束を例えば１８０°／Ｎだけ（Ｎは２
以上の整数）回転して、その第１光束とその第２光束と
を合成することによって、簡単な構成でそのオプティカ
ル・インテグレータに供給される照明光の断面内の照度
分布を交差する２方向に対称にできる。

【００１７】この場合、その光源装置は、一例として赤
外域から可視域までの波長範囲内で単一波長のレーザ光
を発生するレーザ光発生部（１１）と、このレーザ光発
生部から発生されたレーザ光を増幅する光ファイバー増
幅器を有する光増幅部（１８−１）と、この光増幅部に
よって増幅されたレーザ光を非線形光学結晶を用いて紫
外光に波長変換する波長変換部（２０）とを備え、その
紫外光を出力するものである。

【００１８】斯かる光源装置によれば、そのレーザ光発
生部としては、例えば発振波長が制御されたＤＦＢ（Di
stributed feedback）半導体レーザ、又はファイバーレ
ーザ等の小型で発振スペクトルの狭い光源を使用するこ
とができる。そして、そのレーザ光発生部からの単一波
長のレーザ光を光ファイバー増幅器で増幅した後、非線
形光学結晶で紫外光に変換することによって、高出力で
単一波長の狭いスペクトル幅の紫外光を得ることができ
る。従って、小型でかつメンテナンスの容易な照明光学
装置を提供できる。

【００１９】この場合、光ファイバー増幅器としては、
例えばエルビウム（Ｅｒ）・ドープ・光ファイバー増幅
器（Erbium-Doped Fiber Amplifier: ＥＤＦＡ）、イッ
テルビウム（Ｙｂ）・ドープ・光ファイバー増幅器（Ｙ
ＤＦＡ）、プラセオジム（Ｐｒ）・ドープ・光ファイバ
ー増幅器（ＰＤＦＡ）、又はツリウム（Ｔｍ）・ドープ
・光ファイバー増幅器（ＴＤＦＡ）等を使用することが
できる。また、本発明の波長変換部２０の構成について
は、複数の非線形光学結晶の２次高調波発生（ＳＨＧ）
及び／又は和周波発生（ＳＦＧ）の組み合わせによっ
て、基本波に対して任意の整数倍の周波数（波長は整数
分の１）の高調波よりなる紫外光を容易に出力すること
ができる。

【００２０】また、その光源装置は、そのレーザ光発生
部から発生するレーザ光を複数に分岐する光分岐手段
（１４，１６−１〜１６−ｍ）を更に備え、その光増幅
部はその複数に分岐されたレーザ光のそれぞれに独立に
設けられると共に、その波長変換部は、その複数の光増
幅部から出力されたレーザ光の束をまとめて波長変換す
ることが望ましい。この際に例えばその光分岐手段から
射出される複数の光束間に所定の光路差を付与しておく
ことによって、その光分岐手段から射出される複数のレ
ーザ光を束ねた光束の空間コヒーレンスは大幅に低下す
ると共に、共通のレーザ光発生部からのレーザ光を使用
しているために、スペクトル幅は狭く維持されている。

【００２１】ところが、その波長変換部で非線形光学結
晶を使用する場合には、基本波と高調波との角度のずれ
である「Walk-off」によって、射出される高調波の断面
形状が長円形に変形する場合がある。また、その光分岐
手段を用いる場合には、その波長変換部に入射するレー
ザ光は複数の光束の束であり、「Walk-off」によってそ
の個々の光束毎に断面形状が長円形に変形する。そのた
めに、個々の光束の断面形状をまとめて円形に補正する
と、入射するレーザ光の全体としての外形は長円形に変
形して、最終的に射出される照明光の断面形状が非回転
対称になり易くなる。このような場合に本発明を適用す
ることよって、その照明光の回転対称性を向上できる。

【００２２】そして、本発明の露光装置は、上記の本発
明の照明光学装置と、この照明光学装置によって照明さ
れるマスク（Ｒ）のパターンの像を基板（Ｗ）上に投影
する投影光学系（ＰＬ）とを有し、前記照明光学装置か
らの照明光のもとで前記マスクのパターンを前記基板上
に転写するものである。本発明の照明光学装置の使用に
よって、最終的にその基板上に形成される回路パターン
の方向による線幅の差が小さくなっている。また、本発
明の照明光学装置の使用によって、露光装置全体を小型
化でき、かつメンテナンスが容易になる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
につき図面を参照して説明する。本例は、投影露光装置
の照明光学系に本発明の照明光学装置を適用したもので
ある。図１（ａ）は、本例の照明光学系用の光源装置を
示し、この図１（ａ）において、レーザ光発生部として
の単一波長発振レーザ１１からスペクトル幅の狭い単一
波長の例えば連続波（ＣＷ）よりなる波長１．５４４μ
ｍのレーザ光ＬＢ１が発生する。このレーザ光ＬＢ１
は、逆向きの光を阻止するためのアイソレータＩＳ１を
介して光変調部としての光変調素子１２に入射し、ここ
でパルス光のレーザ光ＬＢ２に変換されて光分岐増幅部
４に入射する。

【００２４】光分岐増幅部４に入射したレーザ光ＬＢ２
は、先ず前段の光増幅部としての光ファイバー増幅器１
３を通過して増幅された後、アイソレータＩＳ２を介し
て第１の光分岐素子としての平面導波路型のスプリッタ
１４に入射して、ｍ本のほぼ同一強度のレーザ光に分岐
される。ｍは２以上の整数であり、本例ではｍ＝４であ
る。光ファイバー増幅器１３としては、単一波長発振レ
ーザ１１から発生されるレーザ光ＬＢ１と同じ波長域
（本例では１．５４４μｍ付近）の光を増幅するため
に、エルビウム・ドープ・光ファイバー増幅器（Erbium
-Doped Fiber Amplifier: ＥＤＦＡ）が使用されてい
る。なお、光ファイバー増幅器１３には不図示のカップ
リング用の波長分割多重素子を介して不図示の励起用の
半導体レーザからの波長９８０ｎｍ又は１４８０ｎｍの
励起光が供給されている。

【００２５】スプリッタ１４から射出されたｍ本のレー
ザ光は、互いに異なる長さの光ファイバー１５−１，１
５−２，…，１５−ｍを介してそれぞれ第２の光分岐素
子としての平面導波路型のスプリッタ１６−１，１６−
２，…，１６−ｍに入射して、それぞれほぼ同一強度の
ｎ本のレーザ光に分岐される。ｎは２以上の整数であ
り、本例ではｎ＝３２である。第１の光分岐素子（１
４）及び第２の光分岐素子（１６−１〜１６−ｍ）が本
発明の光分岐手段（光分割手段）に対応する。その結
果、単一波長発振レーザ１１から射出されるレーザ光Ｌ
Ｂ１は、全体としてｎ・ｍ本（本例では１２８本）のレ
ーザ光に分岐される。

【００２６】そして、スプリッタ１６−１から射出され
たｎ本のレーザ光ＬＢ３は、互いに異なる長さの光ファ
イバー１７−１，１７−２，…，１７−ｎを介してそれ
ぞれ後段の光増幅部としての光増幅ユニット１８−１，
１８−２，…，１８−ｎに入射して増幅される。光増幅
ユニット１８−１〜１８−ｎは、単一波長発振レーザ１
１から発生されるレーザ光ＬＢ１と同じ波長域（本例で
は１．５４４μｍ付近）の光を増幅する。同様に他のス
プリッタ１６−２〜１６−ｍから射出されたｎ本のレー
ザ光も、それぞれ互いに異なる長さの光ファイバー１７
−１〜１７−ｎを介して後段の光増幅部としての光増幅
ユニット１８−１〜１８−ｎに入射して増幅される。

【００２７】ｍ組の光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎ
で増幅されたレーザ光は、それぞれ光増幅ユニット１８
−１〜１８−ｎ内の所定の物質がドープされた光ファイ
バー（後述）の射出端の延長部を伝播し、これらの延長
部が光ファイバー・バンドル１９を構成する。光ファイ
バー・バンドル１９を構成するｍ組のｎ本の光ファイバ
ーの延長部の長さは互いにほぼ同一である。但し、光フ
ァイバー・バンドル１９をｍ・ｎ本の互いに同じ長さの
無ドープの光ファイバーを束ねて形成すると共に、光増
幅ユニット１８−１〜１８−ｎで増幅されたレーザ光を
それぞれ対応する無ドープの光ファイバーに導いてもよ
い。光ファイバー増幅器１３から光ファイバー・バンド
ル１９までの部材より光分岐増幅部４が構成されてい
る。

【００２８】光ファイバー・バンドル１９から射出され
たレーザ光ＬＢ４は、非線形光学結晶を有する波長変換
部２０に入射して紫外光よりなるレーザ光ＬＢ５に変換
され、このレーザ光ＬＢ５が露光光として外部に射出さ
れる。ｍ組の光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎがそれ
ぞれ本発明の光増幅部に対応しているが、この光増幅部
に光ファイバー・バンドル１９の光ファイバーを含める
場合もある。

【００２９】また、光ファイバー・バンドル１９の出力
端１９ａは、図１（ｂ）に示すように、ｍ・ｎ本（本例
では１２８本）の光ファイバーを密着するように、かつ
外形が円形になるように束ねたものである。実際には、
その出力端１９ａの形状及び束ねる光ファイバーの数
は、後段の波長変換部２０の構成、及び本例の光源装置
の使用条件等に応じて定められる。光ファイバー・バン
ドル１９を構成する各光ファイバーのクラッド直径は１
２５μｍ程度であることから、１２８本を円形に束ねた
場合の光ファイバー・バンドル１９の出力端１９ａの直
径ｄ１は、約２ｍｍ以下とすることができる。

【００３０】また、本例の波長変換部２０では、入射す
るレーザ光ＬＢ４を８倍高調波（波長は１／８）、又は
１０倍高調波（波長は１／１０）よりなるレーザ光ＬＢ
５に変換する。単一波長発振レーザ１１から射出される
レーザ光ＬＢ１の波長は１．５４４μｍであるため、８
倍高調波の波長はＡｒＦエキシマレーザと同じ１９３ｎ
ｍとなり、１０倍高調波の波長はＦ₂レーザ（フッ素レ
ーザ）の波長（１５７ｎｍ）とほぼ同じ１５４ｎｍとな
る。なお、レーザ光ＬＢ５の波長をよりＦ₂レーザ光の
波長に近付けたい場合には、波長変換部２０で１０倍高
調波を生成すると共に、単一波長発振レーザ１１では波
長１．５７μｍのレーザ光を発生すればよい。

【００３１】実用的には、単一波長発振レーザ１１の発
振波長を１．５４４〜１．５５２μｍ程度に規定して、
８倍波に変換することにより、ＡｒＦエキシマレーザと
実質的に同一波長（１９３〜１９４ｎｍ）の紫外光が得
られる。そして、単一波長発振レーザ１１の発振波長を
１．５７〜１．５８μｍ程度に規定して、１０倍波に変
換することによってＦ₂レーザと実質的に同一波長（１
５７〜１５８ｎｍ）の紫外光が得られる。従って、これ
らの光源装置をそれぞれＡｒＦエキシマレーザ光源、及
びＦ₂レーザ光源に代わる安価でメンテナンスの容易な
光源として使用することができる。

【００３２】なお、最終的にＡｒＦエキシマレーザ、又
はＦ₂レーザ等に近い波長域の紫外光を得る代わりに、
例えば製造対象の半導体デバイス等のパターンルールよ
り最適な露光波長（例えば１６０ｎｍ等）を決定し、こ
の理論的に最適な波長の紫外光を得るように単一波長発
振レーザ１１の発振波長や波長変換部２０における高調
波の倍率を決定するようにしてもよい。

【００３３】単一波長で発振する単一波長発振レーザ１
１としては、例えば発振波長１．５４４μｍ、連続波出
力（以下、「ＣＷ出力」ともいう）で出力が２０ｍＷの
ＩｎＧａＡｓＰ構造のＤＦＢ（Distributed feedback：
分布帰還型）半導体レーザを用いる。ここでＤＦＢ半導
体レーザとは、縦モード選択性の低いファブリーペロー
型共振器の代わりに、回折格子を半導体レーザ内に形成
したもので、どのような状況下であっても単一縦モード
発振を行うように構成されている。ＤＦＢ半導体レーザ
は、基本的に単一縦モード発振をすることから、その発
振スペクトル線幅は０．０１ｐｍ以下に抑えられる。な
お、単一波長発振レーザ１１としては、同様の波長領域
で狭帯域化されたレーザ光を発生する光源、例えばエル
ビウム（Ｅｒ）・ドープ・ファイバー・レーザ等をも使
用することができる。

【００３４】更に、本例の光源装置の出力波長は用途に
応じて特定波長に固定することが望ましい。そのため、
マスター発振器(Master Oscillator) としての単一波長
発振レーザ１１の発振波長を一定波長に制御するための
発振波長制御装置を設けている。通常、ＤＦＢ半導体レ
ーザなどはヒートシンクの上に設けられ、これらが筐体
内に収納されている。そこで本例では、単一波長発振レ
ーザ１１（ＤＦＢ半導体レーザなど）に付設されるヒー
トシンクに温度調整部５（例えばヒータ等の加熱素子、
ペルチェ素子等の吸熱素子、及びサーミスタ等の温度検
出素子よりなる）を固定し、その温度調整部５の動作を
コンピュータよりなる制御部１が制御することで、その
ヒートシンク、ひいては単一波長発振レーザ１１の温度
を高精度に制御する。

【００３５】そして、この発振波長を所定の波長に制御
する際のフィードバック制御のモニター波長としては、
ＤＦＢ半導体レーザの発振波長、あるいは後述する波長
変換部２０内での波長変換後の高調波出力（２倍波、３
倍波、４倍波等）の内から所望の波長制御を行うに当た
って必要な感度を与え、かつ最もモニターしやすい波長
を選択すればよい。

【００３６】更に、半導体レーザなどではその電流制御
を行うことで、出力光をパルス発振させることができ
る。このため、本例では単一波長発振レーザ１１（ＤＦ
Ｂ半導体レーザなど）の電力制御と光変調素子１２とを
併用してパルス光を発生させることが好ましい。このよ
うにして得たパルス光出力を、初段のエルビウム・ドー
プの光ファイバー増幅器１３に接続し、３５ｄＢ（３１
６２倍）の光増幅を行う。このときパルス光は、ピーク
出力約６３Ｗ、平均出力約６．３ｍＷとなる。なお、こ
の光ファイバー増幅器１３の代わりに複数段の光ファイ
バー増幅器を使用してもよい。

【００３７】その初段の光ファイバー増幅器１３の出力
を、スプリッタ１４でまずチャネル０〜３の４個の出力
（本例ではｍ＝４）に並列分割する。このチャネル０〜
３の各出力を、各々長さの異なる光ファイバー１５−１
〜１５−４に接続することにより、各光ファイバーから
の出力光には、光ファイバー長に対応した遅延時間が与
えられる。例えば本実施形態では、光ファイバー中の光
の伝搬速度を２×１０ ⁸ｍ／ｓであるとし、チャネル
０、１、２、３にそれぞれ０．１ｍ、１９．３ｍ、３
８．５ｍ、５７．７ｍの長さの光ファイバー１５−１〜
１５−４を接続する。この場合、各光ファイバーの出口
での隣り合うチャネル間の光の遅延は９６ｎｓとなる。

【００３８】図２は、光増幅ユニット１８を示し、この
図２において、光増幅ユニット１８は基本的に２段のそ
れぞれエルビウム・ドープ・光ファイバー増幅器（Erbi
um-Doped Fiber Amplifier：ＥＤＦＡ）よりなる光ファ
イバー増幅器２２及び２５を接続して構成されている。
そして、１段目の光ファイバー増幅器２２の両端部に
は、励起光をカップリングするための波長分割多重（Wa
velength Division Multiplexing：ＷＤＭ）素子（以
下、「ＷＤＭ素子」と言う）２１Ａ及び２１Ｂが接続さ
れ、ＷＤＭ素子２１Ａ及び２１Ｂによってそれぞれ励起
光源としての半導体レーザ２３Ａからの励起光ＥＬ１及
び半導体レーザ２３Ｂからの励起光が、光ファイバー増
幅器２２に前後から供給されている。同様に、２段目の
光ファイバー増幅器２５の両端部にも、カップリング用
のＷＤＭ素子２１Ｃ及び２１Ｄが接続され、ＷＤＭ素子
２１Ｃ及び２１Ｄによってそれぞれ半導体レーザ２３Ｃ
及び２３Ｄからの励起光が光ファイバー増幅器２５に前
後から供給されている。即ち、光ファイバー増幅器２
２，２５は共に双方向励起型である。

【００３９】ところで、前述のように二重構造のクラッ
ドを持つ光ファイバー増幅器の出力波長として１．５１
〜１．５９μｍを使用する場合には、ドープするイオン
としてエルビウム（Ｅｒ）に加えイッテルビウム（Ｙ
ｂ）を共にドープすることが好ましい。次に、図１の実
施の形態の紫外光発生装置における波長変換部２０の構
成例につき説明する。

【００４０】次に、図３は２次高調波発生と和周波発生
とを組み合わせて８倍波を得ることができる波長変換部
２０を示し、この図３において、光ファイバー・バンド
ル１９の出力端１９ａから射出された波長１．５４４μ
ｍのレーザ光ＬＢ４（基本波）は、１段目のＬｉＢ₃Ｏ
₅（ＬＢＯ）結晶よりなる非線形光学結晶６０１に入射
し、ここでの２次高調波発生により２倍波（波長７７２
ｎｍ）が発生すると共に、この中を基本波の一部がその
まま透過する。この場合、不図示の集光レンズによって
出力端１９ａの像（多数の細い光束の像）が非線形光学
結晶６０１の中央部付近に形成されており、その多数の
細い光束の像が順次後続の非線形光学結晶中にリレーさ
れている。その基本波及び２倍波は、共に直線偏光状態
で波長板（例えば１／２波長板）６０２を透過して、基
本波のみが偏光方向が９０度回転した状態で射出され
る。この基本波と２倍波とはそれぞれ集光レンズ６０３
を通って２段目のＬＢＯ結晶よりなる非線形光学結晶６
０４に入射する。

【００４１】非線形光学結晶６０４では、入射する２倍
波と基本波とから和周波発生により３倍波（波長５１５
ｎｍ）を得ると共に、基本波の一部及び２倍波の一部は
そのまま透過する。非線形光学結晶６０４で得られた３
倍波と、波長変換されずに透過した基本波及び２倍波と
は、ダイクロイック・ミラー６０５により分離されて、
ダイクロイック・ミラー６０５で反射された３倍波は、
２枚のシリンドリカルレンズよりなる非等方的な集光レ
ンズ６１０及びミラー６１１を経て出力端１９ａの像
（多数の光束の像）を形成する。この像の形成面の近傍
に各光束の像を直交する２方向で異なる倍率に変換する
ためのシリンドリカルレンズ・アレイ６１２が配置され
ている。シリンドリカルレンズ・アレイ６１２を通過し
た３倍波は、等方的な集光レンズ６１３を経てダイクロ
イック・ミラー６１４に入射する。

【００４２】一方、ダイクロイック・ミラー６０５を透
過した基本波及び２倍波は集光レンズ６０６を経て第３
のＬＢＯ結晶よりなる非線形光学結晶６０７に入射し、
ここで２倍波は２次高調波発生によって４倍波（波長３
８６ｎｍ）に変換され、４倍波及びそのまま透過した基
本波はダイクロイック・ミラー６０８で分離される。即
ち、ダイクロイック・ミラー６０８で反射された４倍波
は、２枚のシリンドリカルレンズよりなる非等方的な集
光レンズ６０９を経てダイクロイック・ミラー６１４に
入射し、ダイクロイック・ミラー６１４で同軸に合成さ
れた３倍波及び４倍波は４段目のβ−ＢａＢ₂Ｏ₄（Ｂ
ＢＯ）結晶よりなる非線形光学結晶６１５に入射して、
和周波発生により７倍波（波長２２１ｎｍ）を得る。こ
の７倍波は集光レンズ６１６を経てダイクロイック・ミ
ラー６１７に入射する。

【００４３】また、ダイクロイック・ミラー６０８を透
過した基本波は、２枚のシリンドリカルレンズよりなる
非等方的な集光レンズ６１８を経て出力端１９ａの像
（多数の光束の像）を形成する。この像の形成面の近傍
に各光束の像を直交する２方向で異なる倍率に変換する
ためのシリンドリカルレンズ・アレイ６１９が配置され
ている。シリンドリカルレンズ・アレイ６１９を通過し
た基本波は、ミラー６２０及び等方的な集光レンズ６２
１を経てダイクロイック・ミラー６１７に入射する。そ
して、ダイクロイック・ミラー６１７で同軸に合成され
た７倍波及び基本波は、例えばＳｒ₂Ｂｅ₂Ｂ₂Ｏ
₇（ＳＢＢＯ）結晶よりなる第５の非線形光学結晶６２
２に入射して、ここでの和周波発生によって８倍波（波
長１９３ｎｍ）が得られ、この８倍波が紫外光のレーザ
光ＬＢ５として射出される。この波長変換部２０では、
基本波（波長１．５４４μｍ）→２倍波（波長７７２ｎ
ｍ）→３倍波（波長５１５ｎｍ）→４倍波（波長３８６
ｎｍ）→７倍波（波長２２１ｎｍ）→８倍波（波長１９
３ｎｍ）の順に波長変換が行われている。

【００４４】本例においては、非線形光学結晶６０７で
の２倍高調波発生で発生する４倍波、及び非線形光学結
晶６１５での和周波発生で発生する７倍波は、それぞれ
入射波と高調波との角度のずれである「Walk-off」現象
によって断面形状が長円形（非等方的）に変形する。但
し、本例で入射するレーザ光ＬＢ４は、多数（本例では
１２８個）の細くそれぞれ所定の開口を有する光束の集
合であり、４倍波及び７倍波を構成する多数の光束の断
面形状がそれぞれ個別に非等方的に変形する。従って、
図３において、非線形光学結晶６０７から発生する４倍
波６６０、及び非線形光学結晶６０４から発生した３倍
波６５０の断面形状は、図４に示すように、４倍波６６
０は断面形状が長円形の光束６６０ａの集合であり、３
倍波６５０は断面形状が円形の光束６５０ａの集合であ
る。このため、非線形光学結晶６１５において単に３倍
波６５０と４倍波６６０とを重ね合わせて合成波６７０
とすると、この合成波６７０を構成する各光束６７０ａ
は重なり部の割合が小さくなって変換効率が低下する。

【００４５】そこで、本例ではその合成波の重なり部の
割合を大きくするために、図３において先ず非等方的な
集光レンズ６０９によって４倍波６６０を、図５に示す
ように長手方向に短縮して、個々の光束６６１ａの断面
形状がほぼ円形の４倍波６６１に変換する。なお、４倍
波６６０は非線形光学結晶６０７中で結像された状態を
示し、４倍波６６１は非線形光学結晶６１５中で結像さ
れた状態を示している。これと並行して、図４において
非等方的な集光レンズ６１０によって３倍波６５０を、
４倍波６６０と同じ方向に短縮して全体の断面形状を合
わせる。この結果、得られる３倍波６５１は、図６に示
すように、全体の断面形状は４倍波６６１と同じである
が、個々の光束６５１ａの形状は長円形となってしま
い、光束６６１ａとの重なり部の割合がまだ小さい。な
お、３倍波６５０は非線形光学結晶６０４中で結像され
た状態を示し、３倍波６５１は非等方的な集光レンズ６
１０によって結像された状態を示している。

【００４６】その重なり部の割合を大きくするために、
図３において、３倍波６５１の結像面の近傍でシリンド
リカルレンズ・アレイ６１２によって個々の光束の断面
形状をほぼ円形に変換している。この結果得られる３倍
波６５２は、図５に示すように、全体の断面形状が４倍
波６６１に合致すると共に、個々の光束６５２ａの断面
形状も４倍波６６１の光束６６１ａに合致する。また、
集光レンズ６１３は等方的であるため、３倍波６５２は
入射時と同じ縦横比で非線形光学結晶６１５にリレーさ
れる。この結果、非線形光学結晶６１５では最大の変換
効率で７倍波が発生する。

【００４７】更に、非線形光学結晶６１５から発生する
７倍波を構成する多数の光束の断面形状も長円形とな
る。そこで、最終段の非線形光学結晶６２２において、
７倍波と基本波との全体の断面形状、及び個々の光束の
断面形状を合わせるために、非線形光学結晶６０７を透
過する基本波を一度非等方的な集光レンズ６１８で結像
した後、各光束の像をシリンドリカルレンズ・アレイ６
１９によって変形させている。これによって、非線形光
学結晶６２２からは８倍波が最大の変換効率で発生す
る。この結果、最終的に射出される紫外光としてのレー
ザ光ＬＢ５は断面形状が非回転対称であるほぼ長円形と
なっている。この際に、単にシリンドリカルレンズ等に
よってそのレーザ光ＬＢ５を幅の短い方向に拡大して、
断面形状を円形にする方法も考えられるが、このように
すると、そのレーザ光ＬＢ５を構成する１２８個の光束
の断面形状が更に細長い長円形になってしまい、光源と
してはあまり好ましくない。そのために、本例の光源装
置を使用する際には、後述のようにその非回転対称性を
補正している。

【００４８】なお、上記の実施の形態では、交差する２
方向で倍率の異なる非等方的光学系としてシリンドリカ
ルレンズ・アレイ６１２，６１９が使用されているが、
その代わりに入射するレーザ光を構成する多数の光束と
同じ個数の非等方的なレンズエレメントよりなるマイク
ロレンズ・アレイ、又はそれと同じ個数の微小な回折格
子の集合体である回折光学素子、即ちＤＯＥ（Diffract
ive Optical Element)を使用してもよい。

【００４９】また、３段の非線形光学結晶を用いて基本
波（波長１．５４４μｍ）→２倍波（波長７７２ｎｍ）
→４倍波（波長３８６ｎｍ）→８倍波（波長１９３ｎ
ｍ）の順に波長変換を行う構成や、それ以外の構成も可
能である。更に、Ｆ₂レーザ（波長１５７ｎｍ）とほぼ
同一の波長の紫外光を得るためには、図１（ａ）の単一
波長発振レーザ１１において発生する基本波の波長を
１．５７μｍとして、波長変換部２０として１０倍波の
発生を行う波長変換部を使用すればよい。そのために
は、例えば基本波（波長１．５７μｍ）→２倍波（波長
７８５ｎｍ）→４倍波（波長３９２．５ｎｍ）→８倍波
（波長１９６．２５ｎｍ）→１０倍波（波長１５７ｎ
ｍ）の順に波長変換を行えばよい。

【００５０】また、Ｆ₂レーザ（波長１５７ｎｍ）とほ
ぼ同一波長の紫外光を得るためには、図１（ａ）の単一
波長発振レーザ１１において発生する基本波の波長を
１．０９９μｍとして、波長変換部２０として７倍波の
発生を行う波長変換部を使用する方法も考えられる。こ
の場合には例えば基本波（波長１．０９９μｍ）→２倍
波（波長５４９．５ｎｍ）→３倍波（波長３６６．３ｎ
ｍ）→４倍波（波長２７４．８ｎｍ）→７倍波（波長１
５７ｎｍ）の順に波長変換を行えばよい。そして、非線
形光学結晶を種々に組み合わせることによって、８倍
波、１０倍波、又は７倍波を得ることができるため、こ
れらの中から変換効率が高く、構成が簡素化できるもの
を使用することが望ましい。これらの場合にも、「Walk
-off」の影響によってレーザ光を構成する各光束の断面
形状が変形し、これを補正した結果、射出されるレーザ
光全体としての断面形状が非回転対称になる場合には、
後述のように本発明が適用できる。

【００５１】上記の実施の形態の光源装置によれば、図
１（ａ）の光ファイバー・バンドル１９の出力端の直径
が全チャネルを合わせても２ｍｍ程度以下であるため、
１個、又は数個の波長変換部２０ですべてのチャネルの
波長変換を行うことが可能である。しかも、出力端が柔
軟な光ファイバーを使用しているため、波長変換部、単
一波長発振レーザ、及びスプリッタ等の構成部を分けて
配置することが可能となるなど、配置の自由度が極めて
高い。従って、本例の光源装置によれば、安価でコンパ
クト、かつ単一波長でありながら空間的コヒーレンスの
低い紫外レーザ装置が提供できる。

【００５２】次に、図６は、図１の光源装置を露光光源
として備えた本例のステップ・アンド・スキャン方式の
投影露光装置を示し、この図６において、露光光源１０
１は、波長１．５４４μｍ（又は１．５７μｍ）のレー
ザ光を基本波として発生する基本波発生部１００と、そ
の基本波を伝播する可撓性を有する光ファイバー・バン
ドル１９と、この光ファイバー・バンドル１９から射出
された基本波の例えば８倍波（又は１０倍波）よりなる
波長が１９３ｎｍ（又は１５７ｎｍ）の真空紫外域の光
を露光光ＩＬとして発生する波長変換部２０とから構成
されている。その基本波発生部１００は、図１（ａ）の
単一波長発振レーザ１１から光分岐増幅部４中の光増幅
ユニット１８−１〜１８−ｎまでの部材を表している。
また、波長が１９３ｎｍ又は１５７ｎｍの光はそれぞれ
ＡｒＦエキシマレーザ又はＦ₂レーザの代わりに使用で
きるために都合が良い。更に、本例では光ファイバー・
バンドル１９の先端部は複数本の長く可撓性のある光フ
ァイバー・バンドル１３６，１３８に分かれ、光ファイ
バー・バンドル１３６，１３８の射出面にそれぞれ波長
変換部２０と同じ機能を有する小型の波長変換部１３
７，１３９が配置され、波長変換部１３７，１３９から
も露光光ＩＬと同じ波長の光が射出できるように構成さ
れている。

【００５３】露光光源１０１から射出される露光光ＩＬ
の発光タイミング、発光周波数、及びパルスエネルギー
は露光量制御系１０９によって制御されており、露光量
制御系１０９の動作は装置全体の動作を統轄制御する主
制御系１０５によって制御されている。露光光源１０１
から射出される波長１９３ｎｍ（又は１５７ｎｍ）のパ
ルス紫外光よりなる露光光ＩＬは、光路折り曲げ用のミ
ラー１０２で反射された後、第１レンズ１０３Ａ及び不
図示の波長板を経て円偏光状態で分岐光学系としての偏
光ビームスプリッタ１０６Ａに入射して、透過光（Ｐ偏
光）である第１ビームと反射光（Ｓ偏光）である第２ビ
ームとに分けられる。第１ビームはそのまま合成光学系
としての偏光ビームスプリッタ１０６Ｂに向かい、第２
ビームはミラー１０７Ａで反射されて回転光学系１０８
に入射して、光軸を中心として９０°回転した状態でミ
ラー１０７Ｂによって反射されて偏光ビームスプリッタ
１０６Ｂに入射する。ここで同軸に合成された第１ビー
ム及び第２ビームは再び不図示の波長板を経て円偏光状
態の露光光ＩＬとなって、第２レンズ１０３Ｂ及び光路
折り曲げ用のミラー９を介してオプティカル・インテグ
レータ（又はホモジナイザー）としてのフライアイレン
ズ１１０に入射する。なお、オプティカル・インテグレ
ータ（ホモジナイザー）としてはフライアイレンズの他
にロッドインテグレータ等も使用できる。光束整形部そ
の回転光学系１０８としては、例えばミラーや台形プリ
ズムを組み合わせた周知のビームローテータ等を使用す
ることができる。レンズ１０３Ａとレンズ１０３Ｂとで
挟まれた光学系が、本発明の照明光の非回転対称性を補
正するための光束整形部に対応している。

【００５４】この際に、波長変換部２０から射出される
露光光ＩＬは、図３〜図５を参照して説明したように、
波長変換部２０中の「Walk-off」を補正するために全体
としての断面形状が図７（ａ）に示すように長円形とな
っている。そのため、そのままレンズ１０３Ａ，１０３
Ｂを介してフライアイレンズ１１０に導くと、図７
（ｂ）に示すように、フライアイレンズ１１０の射出面
に形成される光源像Ｆの分布も長円形となってしまい、
特にコヒーレンスファクタ（σ値）を大きくした照明を
行おうとすると、直交する２方向によって光量の差が生
じて、最終的に転写される回路パターンの線幅に方向に
よる差が生じる。

【００５５】なお、これを避けるために単に露光光ＩＬ
を拡大すると、長手方向の光束が無駄になって全体とし
ての照度が低下する。また、既に説明したように、シリ
ンドリカルレンズを用いて単に露光光ＩＬを短軸方向に
拡大すると、露光光ＩＬを構成する多数の細い光束の断
面形状がスリット状になってしまい、露光光としては望
ましくない。

【００５６】そこで、図８（ａ）に示すように、本例で
は回転光学系１０８を用いて回転した露光光ＩＬＲと、
回転していない露光光（露光光ＩＬとする）とを合成し
て得た露光光をフライアイレンズ１１０に供給している
ため、図８（ｂ）に示すように、フライアイレンズ１１
０の射出面に形成される光源像Ｆは、ほぼその射出面の
全面に分布する。従って、σ値を大きくした場合でも、
露光光ＩＬの利用効率を低下させることなく、転写像の
方向による線幅の差を無くすことができる。

【００５７】なお、第１光束に対して９０°回転した第
２光束を合成する以外に、露光光源１０１から射出され
る露光光ＩＬをＮ分割し（Ｎは３以上の整数）、Ｎ分割
された光束間にそれぞれ１８０°／Ｎの回転角を与え、
回転後のＮ個の光束を合成してフライアイレンズ１１０
に供給するようにしてもよい。例えばＮ＝３とすると、
露光光源１０１からの露光光ＩＬが３分割され、３分割
後の露光光が順次０°、６０°、及び１２０°回転した
状態で合成される。これによって、フライアイレンズ１
１０に入射する段階での露光光ＩＬの回転対称性を高め
ることができる。

【００５８】次に、フライアイレンズ１１０の射出面に
は、照明系の開口絞り板１１１が回転自在に配置され、
開口絞り板１１１の回転軸の周りには、通常照明用の円
形の開口絞りＡ、複数の偏心した小開口よりなる変形照
明用の開口絞りＢ、輪帯照明用の開口絞りＣ、及び小さ
い円形開口よりなる小さいコヒーレンスファクタ（σ
値）用の開口絞りＤが形成されている。そして、主制御
系１０５の制御のもとで、開口絞り板１１１を駆動モー
タＥで回転することによって、フライアイレンズ１１０
の射出面に選択された照明条件に応じた照明系開口絞り
を配置できるように構成されている。

【００５９】フライアイレンズ１１０の射出面の開口絞
りを通過した露光光ＩＬの一部は、ビームスプリッタ１
１３にて反射された後、集光レンズ１１４を介して光電
検出器よりなるインテグレータセンサ１１５に入射す
る。インテグレータセンサ１１５の検出信号は露光量制
御系１０９に供給され、露光量制御系１０９中でピーク
ホールド回路及びアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器
を介してデジタルデータに変換される。本例では、予め
インテグレータセンサ１１５の検出信号のデジタルデー
タから被露光基板としてのウエハ上での露光光の単位面
積当たりのパルスエネルギーを算出するための係数（相
関係数）αを求めておき、この係数αを露光量制御系１
０９内に記憶しておく。そして、露光時にはインテグレ
ータセンサ１１５の検出信号に係数αを乗算すること
で、ウエハ上でのパルスエネルギーを間接的にモニタす
る。

【００６０】ビームスプリッタ１１３を透過した露光光
ＩＬは、第１リレーレンズ１１６Ａを経て順次固定視野
絞り（レチクルブラインド）１１７、及び可動視野絞り
１１８を通過する。固定視野絞り１１７は、レチクルＲ
上の矩形の照明領域の形状を規定する視野絞りであり、
可動視野絞り１１８は、走査露光の開始時及び終了時に
不要な部分への露光が行われないように照明領域を閉じ
るために使用される。可動視野絞り１１８は、レチクル
Ｒのパターン面との共役面上に配置され、固定視野絞り
１１７はその共役面に対して所定間隔だけデフォーカス
した位置に配置されている。

【００６１】可動視野絞り１１８を通過した露光光ＩＬ
は、第２リレーレンズ１１６Ｂ、光路折り曲げ用のミラ
ー１１９、及びコンデンサレンズ１２０を経て、レチク
ルＲのパターン面（下面）に設けられたパターン領域１
３１内の細長い矩形の照明領域ＩＲを照明する。露光光
ＩＬのもとで、レチクルＲの照明領域ＩＲ内のパターン
は、両側（又はウエハ側に片側）テレセントリックな投
影光学系ＰＬを介して、所定の投影倍率Ｍ_RW（本例では
Ｍ_RWは１／４，１／５，１／６等）でフォトレジストが
塗布されたウエハＷ上の矩形の露光領域ＩＷに縮小投影
される。ウエハ（wafer)Ｗは例えば半導体（シリコン
等）又はＳＯＩ(silicon on insulator)等の円板状の基
板である。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ
軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で走査露光時のレチクル
Ｒ及びウエハＷの走査方向に沿ってＹ軸を取り、走査方
向ＳＤに垂直な非走査方向に沿ってＸ軸を取って説明す
る。この場合、照明領域ＩＲ及び露光領域ＩＷは、それ
ぞれ非走査方向（Ｘ方向）に細長いスリット状の領域で
ある。

【００６２】また、レチクルＲはレチクルステージ１２
２上に吸着保持され、レチクルステージ１２２はレチク
ルベース１２３上にリニアモータによってＹ方向に連続
移動できるように載置されている。更に、レチクルステ
ージ１２２には、レチクルＲをＸ方向、Ｙ方向、回転方
向に微動する機構も組み込まれている。不図示のレーザ
干渉計によってレチクルステージ１２２の位置及び回転
角が計測され、この計測値及び主制御系１０５からの制
御情報に基づいて、レチクルステージ１２２の動作が制
御される。

【００６３】一方、ウエハＷはウエハホルダ１２４上に
吸着保持され、ウエハホルダ１２４はウエハＷのフォー
カス位置（Ｚ方向の位置）及び傾斜角を制御するＺチル
トステージ１２５上に固定され、Ｚチルトステージ１２
５はＸＹステージ１２６上に固定され、ＸＹステージ１
２６は例えばリニアモータ方式によって、ウエハベース
１２７上でＺチルトステージ１２５（ウエハＷ）をＹ方
向に連続移動させると共に、Ｘ方向及びＹ方向にステッ
プ移動させる。Ｚチルトステージ１２５、ＸＹステージ
１２６、及びウエハベース１２７よりウエハステージ１
２８が構成されている。不図示のレーザ干渉計によって
Ｚチルトステージ１２５の位置及び回転角が計測され、
この計測値及び主制御系１０５からの制御情報に基づい
て、ウエハステージ１２８の動作が制御される。

【００６４】走査露光時には、照明領域ＩＲに露光光Ｉ
Ｌを照射して、レチクルステージ１２２を介してレチク
ルＲを照明領域ＩＲに対して＋Ｙ方向（又は−Ｙ方向）
に速度ＶＲで走査するのと同期して、ＸＹステージ１２
６を介してウエハＷを露光領域ＩＷに対して−Ｙ方向
（又は＋Ｙ方向）に速度Ｍ_RW・ＶＲ（Ｍ_RWはレチクルＲ
からウエハＷへの投影倍率）で走査することによって、
レチクルＲのパターン領域１３１内のパターン像がウエ
ハＷ上の１つのショット領域１４２に逐次転写される。
レチクルＲとウエハＷとの走査方向が逆であるのは、投
影光学系ＰＬが反転投影を行うからであり、投影光学系
ＰＬが正立像を投影する場合には、レチクルＲとウエハ
Ｗとの走査方向は同一（＋Ｙ方向又は−Ｙ方向）とな
る。その後、ＸＹステージ１２６をステッピングさせて
ウエハＷ上の次のショット領域を走査開始位置に移動し
た後、同期走査を行うという動作がステップ・アンド・
スキャン方式で繰り返されて、ウエハＷ上の各ショット
領域への露光が行われる。その後にウエハＷ上のフォト
レジストの現像、及びエッチングやイオン注入等のパタ
ーン形成を行うことによって、当該レイヤの回路パター
ンが形成される。

【００６５】このような露光を行うに際しては予めレチ
クルＲとウエハＷとのアライメントを行っておく必要が
ある。そのため、レチクルＲにはアライメントマークＲ
ＭＡ及びＲＭＢが形成され、アライメントマークＲＭＡ
及びＲＭＢの上方にミラー１３５等を介して撮像方式
で、ＴＴＲ（スルー・ザ・レチクル）方式のアライメン
ト顕微鏡１３３及び１３４が配置され、アライメント顕
微鏡１３３の露光光ＩＬと同じ波長の照明光は、光ファ
イバー・バンドル１３６の射出部に配置された波長変換
部１３７から供給され、その照明光の一部がアライメン
ト顕微鏡１３４にも供給されている。アライメント顕微
鏡１３３，１３４の撮像信号は主制御系１０５に供給さ
れている。

【００６６】また、投影光学系ＰＬの側面に例えば可視
域の白色光を用いて撮像方式でアライメントマークの位
置を検出するオフ・アクシス方式のアライメントセンサ
１３６が固定され、このアライメントセンサ１３６の撮
像信号も主制御系１０５に供給されている。そして、試
料台としてのＺチルトステージ１２５上にはレチクルＲ
側のマークに対応した基準マーク１４３Ａ，１４３Ｂ、
及びアライメントセンサ１３６用の基準マーク１４４が
形成された基準マーク部材１３０が固定されている。こ
の基準マーク部材１３０上の基準マーク１４３Ａ〜１４
３Ｃをアライメント顕微鏡１３３，１３４及びアライメ
ントセンサ１３６で観察することによって、アライメン
トセンサ１３６のベースライン量（露光中心と検出中心
との間隔）が求められ、このベースライン量を用いてウ
エハＷ上の各ショット領域のアライメントが高精度に行
われる。

【００６７】また、Ｚチルトステージ１２５上にスリッ
ト状の開口１４０及びほぼ正方形の開口１４１が形成さ
れた基板１２９が固定され、その開口１４０の底面側に
光ファイバー・バンドル１３８及び波長変換部１３９か
ら射出される露光光と同じ波長域の照明光が導かれてい
る。開口１４０の底部には反射光を受光する第１の光電
検出器が配置され、開口１４１の底面側には広い受光面
積の第２の光電検出器が配置され、これらの光電検出器
の検出信号も主制御系１０５に供給されている。これら
の検出信号は種々の結像特性の計測に使用される。

【００６８】このような露光に際して、ウエハＷ上に塗
布されたフォトレジストには適正露光量が定められてお
り、フォトレジストに対する積算露光量の誤差が所定の
許容範囲を超えると、その後に形成される回路パターン
の線幅が許容範囲を超えて増減し、最終的に製造される
半導体デバイスの歩留りが低下する。そこで、本例の投
影露光装置においては、ウエハＷ上の各ショット領域の
全面で積算露光量の誤差がその許容範囲内に収まるよう
にインテグレータセンサ１１５の検出信号を用いて露光
量制御が行われる。

【００６９】なお、上記の実施の形態では、１段のオプ
ティカル・インテグレータ（フライアイレンズ又はロッ
ドインテグレータ）が使用されているが、オプティカル
・インテグレータを２段配置して、照度分布を更に均一
化させる場合にも本発明を適用することができる。但
し、本例のようにオプティカル・インテグレータが１段
である場合には、オプティカル・インテグレータへの入
射段階でできるだけ照度分布を均一化しておくことが望
ましいため、本発明は特に有効である。

【００７０】なお、本発明は、ステップ・アンド・スキ
ャン方式のような走査露光型の投影露光装置のみなら
ず、一括露光型（ステッパー等）の投影露光装置やプロ
キシミティ方式の露光装置等にも適用できることは明き
らかである。なお、本発明は上述の実施の形態に限定さ
れることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
構成を取り得ることは勿論である。

【００７１】

【発明の効果】本発明によれば、照明光の非回転対称性
を補正するための光束整形部を設けているため、光源か
らの照明光の断面内での照度分布が例えば長円形であっ
ても、その回転対称性を高めることができる。従って、
本発明を露光光源の照明光学系に用いた場合には、高い
照度が得られると共に、投影像の方向による線幅の差が
小さくなり、回路パターンの転写忠実度が向上し、高機
能のデバイスを高いスループットで製造できる。

【００７２】また、光源装置が光ファイバー増幅器を用
いることによって、小型化で、かつメンテナンスの容易
な照明光学装置を提供できる。そして、レーザ光発生部
から発生するレーザ光を複数に分岐する光分岐手段を更
に備え、光増幅部をその複数に分岐されたレーザ光のそ
れぞれに独立に設けると共に、波長変換部は、その複数
の光増幅部から出力されたレーザ光の束をまとめて波長
変換することによって、空間的コヒーレンスを低減でき
ると共に、全体としての発振スペクトル線幅を簡単な構
成で狭くできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例の光源装置を示す
図である。

【図２】図１中の光増幅ユニット１８−１〜１８−ｎ
の構成例を示す図である。

【図３】図１中の波長変換部２０の構成例を示す図で
ある。

【図４】波長変換部で生じる「Walk-off」の影響を補
正しない場合の２つの光束の重なりの状態を示す図であ
る。

【図５】本発明の実施の形態において、波長変換部で
生じる「Walk-off」の影響を補正する場合の２つの光束
の重なりの状態を示す図である。

【図６】本発明の実施の形態の投影露光装置を示す斜
視図である。

【図７】（ａ）は断面が長円形の露光光を示す図、
（ｂ）はその露光光によってフライアイレンズの射出面
に形成される光源像を示す図である。

【図８】（ａ）は第１ビームに対して９０°回転した
第２ビームを合成して得られる露光光を示す図、（ｂ）
はその露光光によってフライアイレンズの射出面に形成
される光源像を示す図である。

【符号の説明】

１１…単一波長発振レーザ、１２…光変調素子、１３…
光ファイバー増幅器、１４…スプリッタ、１５−１〜１
５−ｍ，１７−１〜１７−ｎ…光ファイバー（遅延素
子）、１６−１〜１６−ｍ…スプリッタ、１８−１〜１
８−ｎ…光増幅ユニット、１９…光ファイバー・バンド
ル、２０…波長変換部、２２，２５…光ファイバー増幅
器、１０１…露光光源、１０６Ａ，１０６Ｂ…偏光ビー
ムスプリッタ、１０８…回転光学系、１１０…フライア
イレンズ、Ｒ…レチクル、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエ
ハ、１３６，１３８…光ファイバー・バンドル、１３
７，１３…波長変換部

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年９月１６日（１９９９．９．１
６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５３】露光光源１０１から射出される露光光ＩＬ
の発光タイミング、発光周波数、及びパルスエネルギー
は露光量制御系１０９によって制御されており、露光量
制御系１０９の動作は装置全体の動作を統轄制御する主
制御系１０５によって制御されている。露光光源１０１
から射出される波長１９３ｎｍ（又は１５７ｎｍ）のパ
ルス紫外光よりなる露光光ＩＬは、光路折り曲げ用のミ
ラー１０２で反射された後、第１レンズ１０３Ａ及び不
図示の波長板を経て円偏光状態で分岐光学系としての偏
光ビームスプリッタ１０６Ａに入射して、透過光（Ｐ偏
光）である第１ビームと反射光（Ｓ偏光）である第２ビ
ームとに分けられる。第１ビームはそのまま合成光学系
としての偏光ビームスプリッタ１０６Ｂに向かい、第２
ビームはミラー１０７Ａで反射されて回転光学系１０８
に入射して、光軸を中心として９０°回転した状態でミ
ラー１０７Ｂによって反射されて偏光ビームスプリッタ
１０６Ｂに入射する。ここで同軸に合成された第１ビー
ム及び第２ビームは再び不図示の波長板を経て円偏光状
態の露光光ＩＬとなって、第２レンズ１０３Ｂ及び光路
折り曲げ用のミラー９を介してオプティカル・インテグ
レータ（又はホモジナイザー）としてのフライアイレン
ズ１１０に入射する。なお、オプティカル・インテグレ
ータ（ホモジナイザー）としてはフライアイレンズの他
にロッドインテグレータ等も使用できる。その回転光学
系１０８としては、例えばミラーや台形プリズムを組み
合わせた周知のビームローテータ等を使用することがで
きる。レンズ１０３Ａとレンズ１０３Ｂとで挟まれた光
学系が、本発明の照明光の非回転対称性を補正するため
の光束整形部に対応している。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】照明光を発生する光源装置と、該光源装
置からの照明光より複数の２次光源を形成するためのオ
プティカル・インテグレータと、前記複数の２次光源か
らの光束を集光して被照射面に導く集光光学系とを備え
た照明光学装置において、前記光源装置から供給される照明光の光軸に垂直な面内
での照度分布は非回転対称であり、前記光源装置と、前記オプティカル・インテグレータと
の間に、前記照明光の非回転対称性を補正するための光
束整形部を設けたことを特徴とする照明光学装置。
【請求項２】前記光束整形部は、前記光源装置からの
照明光を第１光束から第Ｎ光束（Ｎは２以上の整数）に
分岐する分岐光学系と、前記第Ｎ光束を光軸を中心とし
て所定角度回転させる回転光学系と、前記第１光束と前
記回転光学系から射出される前記第Ｎ光束とを合成する
合成光学系とを有することを特徴とする請求項１記載の
照明光学装置。
【請求項３】前記回転光学系は、前記第Ｎ光束を１８
０°／Ｎだけ（Ｎは２以上の整数）回転することを特徴
とする請求項２記載の照明光学装置。
【請求項４】前記光源装置は、赤外域から可視域までの波長範囲内で単一波長のレーザ
光を発生するレーザ光発生部と、該レーザ光発生部から発生されたレーザ光を増幅する光
ファイバー増幅器を有する光増幅部と、該光増幅部によって増幅されたレーザ光を非線形光学結
晶を用いて紫外光に波長変換する波長変換部とを備え、
前記紫外光を出力することを特徴とする請求項１、２、
又は３に記載の照明光学装置。
【請求項５】請求項１〜４の何れか一項に記載の照明
光学装置と、該照明光学装置によって照明されるマスクのパターンの
像を基板上に投影する投影光学系とを有し、前記照明光
学装置からの照明光のもとで前記マスクのパターンを前
記基板上に転写することを特徴とする露光装置。