JP2002015996A

JP2002015996A - 投影露光装置及び方法

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Publication number: JP2002015996A
Application number: JP2001167641A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Shiraishi; 直正白石
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2001-06-04
Filing date: 2001-06-04
Publication date: 2002-01-18
Anticipated expiration: 2017-07-02
Also published as: JP3298585B2

Abstract

(57)【要約】【目的】マスクのパターンを高解像度、大焦点深度で
基板上に転写可能とする。【構成】マスクのパターンに対して所定の入射角ψで
光束を照射するために、照明光学系内でマスクのパター
ン面に対して実質的にフーリエ変換の関係となる所定面
（照明光学系の瞳面）上での照明光の光量分布を、照明
光学系の光軸から偏心し、その光軸との距離がほぼ等し
く、かつパターンに応じて所定面上での位置が設定され
る複数の領域内でそれぞれ高めるとともに、その複数の
領域から射出される光束の各強度をほぼ等しくし、照明
光学系の光軸に沿って相対移動可能な一対のプリズムを
用いて、照明光学系の光軸と複数の領域との距離を設定
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は投影露光装置に関し、特
に半導体集積素子等の回路パターン、又は液晶素子のパ
ターンの転写に使用される投影露光装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等の回路パターン形成には、
一般にフォトリソグラフ技術と呼ばれる工程が必要であ
る。この工程には通常、レチクル（マスク）のパターン
を半導体ウェハ等の試料基板上に転写する方法が採用さ
れる。試料基板上には感光性のフォトレジストが塗布さ
れており、照射光像、即ちレチクルパターンの透明部分
のパターン形状に応じて、フォトレジストに回路パター
ンが転写される。投影露光装置では、レチクル上に描画
された転写すべき回路パターンが、投影光学系を介して
試料基板（ウェハ）上に投影、結像される。

【０００３】また、レチクルを照明するための照明光学
系中には、フライアイレンズ、ファイバーなどのオプチ
カルインテグレーターが使用され、レチクル上に照射さ
れる照明光の強度分布が均一化される。その均一化を最
適に行なうために、フライアイレンズを用いた場合、フ
ライアイレンズのレチクル側焦点面とレチクルのパター
ン面とはほぼフーリエ変換の関係で結ばれており、ま
た、レチクル側焦点面と光源側焦点面ともフーリエ変換
の関係で結ばれている。

【０００４】従って、レチクルのパターン面と、フライ
アイレンズの光源側焦点面（正確にはフライアイレンズ
の個々のレンズの光源側焦点面）とは、結像関係（共役
関係）で結ばれている。このため、レチクル上では、フ
ライアイレンズの各エレメント（２次光源像）からの照
明光がそれぞれ加算（重畳）されることで平均化され、
レチクル上の照度均一性を良好とすることが可能となっ
ている。

【０００５】従来の投影型露光装置では、上述のフライ
アイレンズ等のオプチカルインテグレーターの入射面に
入射する照明光束の光量分布を、照明光学系の光軸を中
心とするほぼ円形内（あるいは矩形内）でほぼ一様にな
るようにしていた。図９は、上述の従来の投影型露光装
置のオプチカルインテグレータからウェハまでの構成を
模式的に示す図である。照明光束Ｌ１３０は、照明光学
系中のフライアイレンズ１１、空間フィルター１２、及
びコンデンサーレンズ１５を介してレチクル１６のレチ
クルパターン１７を照明する。

【０００６】ここで、空間フィルター１２はフライアイ
レンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂ、即ちレチクル１
６に対するフーリエ変換面（以後、瞳面と略す）、若し
くはその近傍に配置され、投影光学系の光軸ＡＸを中心
としたほぼ円形領域の開口を有し、瞳面内にできる２次
光源（面光源）像を円形に制限する。このとき、照明光
学系１１，１２，１５の開口数と投影光学系１８のレチ
クル側開口数との比、所謂σ値は開口絞り（例えば空間
フィルター１２の開口径）により決定され、その値は0.
３〜0.６程度が一般的である。

【０００７】照明光束Ｌ１３０はレチクル１６にパター
ニングされたパターン１７により回折され、パターン１
７からは０次回折光Ｄo、＋１次回折光Ｄp、−１次回折
光Ｄmが発生する。夫々の回折光Ｄo、Ｄm、Ｄpは投影光
学系１８により集光され、ウェハ２０上に干渉縞を発生
させる。この干渉縞がパターン１７の像である。このと
き、０次回折光Ｄoと±１次回折光Ｄp、Ｄmとのなす角
θ（レチクル側）はｓｉｎθ＝λ／Ｐ（λ：露光波長、
Ｐ：パターンピッチ）により決まる。ここで、光束を表
す実線は１点から出た光の主光線を表している。

【０００８】パターンピッチが微細化するとｓｉｎθが
大きくなり、ｓｉｎθが投影光学系１８のレチクル側開
口数（ＮＡ_R) より大きくなると、±１次回折光Ｄp、Ｄ
mは投影光学系を透過できなくなる。すると、ウェハ２
０上には０次回折光Ｄoのみしか到達せず、干渉縞は生
じない。つまり、ｓｉｎθ＞ＮＡ_Rとなる場合にはパタ
ーン１７の像は得られず、パターン１７をウェハ２０上
に転写することができなくなってしまう。

【０００９】以上のことから、従来の露光装置において
は、ｓｉｎθ＝λ／Ｐ≒ＮＡ_Rとなり、ピッチＰは次式
で与えられていた。Ｐ≒λ／ＮＡ_R …（１）１：１ラインアンドスペースパターンの場合、最小パタ
ーンサイズはピッチＰの半分であるから、最小パターン
サイズは0.５・λ／ＮＡ_R程度となるが、実際のフォト
リソグラフィーにおいてはウェハの湾曲や、プロセスに
よるウェハの段差等の影響、又はフォトレジスト自体の
厚さのために、ある程度の焦点深度が必要となる。この
ため、実用的な最小解像パターンサイズは、ｋ・λ／Ｎ
Ａとして表される。ここで、ｋはプロセス係数と呼ばれ
0.６〜0.８程度となる。

【００１０】また、投影光学系のレチクル側開口数ＮＡ
_Rとウェハ側開口数ＮＡ_Wとの比は投影光学系の投影倍率
と同じであるので、レチクル上における最小解像パター
ンサイズはｋ・λ／ＮＡ_Rとなり、ウェハ上の最小パタ
ーンサイズはｋ・λ／ＮＡ_W＝ｋ・λ／Ｍ・ＮＡ_R（但
し、Ｍは投影倍率（縮小率））となる。

【００１１】従って、より微細なパターンを転写するた
めには、より短い波長の露光光源を使用するか、あるい
はより開口数の大きな投影光学系を使用するかを選択す
る必要があった。もちろん、波長と開口数の両方を最適
化する努力も考えられる。また、レチクルの回路パター
ンの透過部分のうち、特定の部分からの透過光の位相
を、他の透過部分からの透過光の位相よりπだけずら
す、いわゆる位相シフトレチクルが特公昭６２−５０８
１１号公報等で提案されている。この位相シフトレチク
ルを使用すると、従来よりも微細なパターンの転写が可
能となる。

【００１２】さらに、レチクルを所定の角度だけ傾いた
光で照明する傾斜照明法も提案されている。この傾斜照
明法は１９９１年秋期応用物理学会等で発表されたレチ
クルパターンのフーリエ変換相当面、若しくはその近傍
面での２次光源形状を制限する方式（以下「変形光源
法」という）と原理的には等価である。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の露
光装置においては、照明光源を現在より短波長化（例え
ば２００ｎｍ以下）することは、透過光学部材として使
用可能な適当な光学材料が存在しない等の理由により現
時点では困難である。

【００１４】さらに、投影光学系の開口数は、現状でも
すでに理論的限界に近く、これ以上の大開口化はほぼ望
めない状態である。もし現状以上の大開口化が可能であ
るとしても、±λ／２ＮＡ²で表わされる焦点深度は開
口数の増加に伴なって急激に減少し、実使用に必要な焦
点深度がますます少なくなるという問題が顕著になって
くる。

【００１５】一方、位相シフトレチクルについては、そ
の製造工程が複雑になる分コストも高く、また検査及び
修正方法も未だ確立されていないなど、多くの問題が残
されている。また、変形光源法は所定開口部を備えた遮
光板をレチクルパターンのフーリエ変換相当面、若しく
はその近傍（特にフライアイレンズの射出端側）に設け
ることにより２次光源形状を制限しているため、光量損
失や照度均一化の劣化という問題点があった。

【００１６】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で、通常のレチクルを使用しても、光量損失や照度均一
化の劣化なく高解像度、且つ大焦点深度が得られる投影
露光装置及び方法を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の投影露光装置に
おいては、原理的に図８に示すように構成される。図８
において従来（図９）と同じ部材には同一の符号をつけ
てある。図８において、オプチカルインテグレータとし
てのフライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂは、そのレチクル
側焦点面１１ｂがレチクル１６上の回路パターン（レチ
クルパターン）１７に対してほぼフーリエ変換面となる
位置（投影光学系１８の瞳面１９と共役な位置）に配置
され、且つ、上記のフライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂ
は、複数のフライアイレンズに分散して配列される。

【００１８】また、フライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂの
レチクル側焦点面１１ｂにおける照明光量分布を、上記
複数のフライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂの個々のフライ
アイレンズ位置以外でほぼ零とするために、フライアイ
レンズの光源側に遮光板１２を設ける。このため、フラ
イアイレンズ１１Ａ，１１Ｂのレチクル側焦点面１１ｂ
における照明光量分布は各フライアイレンズ１１Ａ、１
１Ｂの位置でのみ存在し、それ以外ではほぼ零となる。

【００１９】フライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂのレチク
ル側焦点面１１ｂはレチクルパターン１７に対するフー
リエ変換面にほぼ等しいので、フライアイレンズ１１
Ａ，１１Ｂのレチクル側焦点面１１ｂでの光量分布（光
束の位置座標）は、レチクルパターン１７に対する照明
光束の入射角度ψに対応することになる。従って、フラ
イアイレンズ１１Ａ、１１Ｂの個々の位置（光軸に垂直
な面内での位置）を調整することによって、レチクルパ
ターン１７に入射する照明光束の入射角を決定すること
ができる。ここで、フライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂは
光軸ＡＸと対称に配置するのが望ましい。

【００２０】さて、本発明の請求項１に記載した投影露
光装置は、光源（１）からの照明光をマスク（１６）に
照射する照明光学系と、マスクのパターン（１７）の像
を基板（２０）上に投影する投影光学系（１８）とを備
える。そして、照明光学系内でマスクのパターンに対し
て実質的にフーリエ変換の関係となる所定面（照明光学
系の瞳面）上での照明光の光量分布を、照明光学系の光
軸（ＡＸ）から偏心し、光軸との距離が等しく、かつパ
ターンに応じて所定面上での位置が設定される複数の領
域で高めるとともに、複数の領域から射出される光束の
各強度をほぼ等しくする照明光生成手段（５、６、９）
を備え、照明光生成手段は、照明光学系の光軸に沿って
相対移動可能な一対のプリズム（５ａ、５ｂ）を含むも
のである。なお、照明光学系の光軸と複数の領域との距
離に応じて一対のプリズムの間隔が調整されることとし
てもよい。

【００２１】また、本発明の請求項３０に記載した投影
露光方法は、照明光学系を通して光源（１）からの照明
光をマスク（１６）に照射するとともに、投影光学系
（１８）を介して照明光で基板（２０）を露光する。そ
して、照明光学系内でマスクのパターンに対して実質的
にフーリエ変換の関係となる所定面（照明光学系の瞳
面）上での照明光の光量分布を、照明光学系の光軸（Ａ
Ｘ）から偏心し、光軸との距離が等しく、かつパターン
に応じて所定面上での位置が設定される複数の領域で高
めるとともに、複数の領域から射出される光束の各強度
をほぼ等しくし、照明光学系の光軸に沿って相対移動可
能な一対のプリズム（５ａ、５ｂ）を用いて、照明光学
系の光軸と複数の領域との距離を設定するものである。

【００２２】従って、請求項１、３０に係る発明では、
高解像度かつ大焦点深度でマスクのパターンを基板上に
転写できるとともに、照明光の光量分布の設定に伴う光
量損失を大幅に低減することが可能となっている。な
お、照明光学系の光軸と複数の領域との距離を可変とす
る、所定面上で照明光学系の光軸を中心とした放射方向
に複数の領域を移動する、あるいは基板上に転写すべき
パターンに応じて光量分布を変更するために、一対のプ
リズムの間隔が調整されることとしてもよい。

【００２３】また、一対のプリズムのうち照明光が入射
する第１プリズム（５ａ）はその射出面が凸型であると
ともに、照明光を射出する第２プリズム（６５ｂ）はそ
の入射面が凹型であることとしてもよい。さらに、第１
プリズムの入射面及び第２プリズムの射出面はそれぞれ
照明光学系の光軸とほぼ垂直な平面としてもよいし、第
１プリズムは照明光学系の光軸と垂直な方向に移動可能
としてもよい。なお、一対のプリズムはそれぞれ多面体
プリズムとしてもよいし、照明光学系内で所定面とほぼ
共役に配置してもよい。また、一対のプリズムは光源と
照明光学系内のオプチカルインテグレータとの間に配置
されることが望ましい。さらに、レンズ系（９）を用い
て、一対のプリズムから射出する照明光をオプチカルイ
ンテグレータの入射面上に集光させてもよい。

【００２４】本発明では、高解像度、大焦点深度でパタ
ーンを基板上に転写することができる。以下、この理由
について簡単に説明する。レチクル（マスク）上に描画
された回路パターン（１７）は、一般に周期的なパター
ンを多く含んでいる。従って、照明光学系内のフーリエ
変換面（瞳面）上で光量分布が高められる複数の領域の
１つ、例えば図８に示した１つのフライアイレンズ１１
Ａから射出される照明光が照射されたレチクルパターン
１７からは０次回折光成分Ｄo、±１次回折光成分Ｄp，
Ｄm、及びより高次の回折光成分が、パターンの微細度
（ピッチ）に応じた回折角の方向に発生する。このと
き、図８に示すように照明光束（主光線）Ｌ１２０は光
軸に対して傾いた角度ψでレチクル１６に入射するか
ら、発生した各次数の回折光成分も、垂直に照明された
場合に比べて傾き（角度ずれ）をもってレチクルパター
ン１７から発生する。

【００２５】照明光Ｌ１２０はレチクルパターン１７に
より回折され、光軸ＡＸに対してψだけ傾いた方向に進
む０次回折光Ｄo、０次回折光Ｄoに対してθpだけ傾い
た＋１次回折光Ｄp、及び０次回折光Ｄoに対してθmだ
け傾いた−１次回折光Ｄmを発生する。従って、＋１次
回折光Ｄpは光軸ＡＸに対して角度（θp＋ψ）の方向に
進行し、−１次回折光Ｄmは光軸ＡＸに対して角度（θm
−ψ）の方向に進行する。

【００２６】このとき、回折角θp、θmはそれぞれ sin(θp＋ψ)−sinψ＝λ／Ｐ …（２） sin(θm−ψ)＋sinψ＝λ／Ｐ …（３）で表される。

【００２７】ここでは、＋１次回折光Ｄp、−１次回折
光Ｄmの両方が投影光学系１８の瞳１９を透過している
ものとする。レチクルパターン１７の微細化に伴って回
折角が増大すると、先ず角度（θp＋ψ）の方向に進行
する＋１次回折光Ｄpが投影光学系１８の瞳１９を透過
できなくなる。即ちｓｉｎ(θp＋ψ)＞ＮＡ_Rの関係にな
ってくる。しかし、照明光Ｌ１２０が光軸ＡＸに対して
傾いて入射しているため、回折角が大きくなっても−１
次回折光Ｄmは投影光学系１８に入射可能となる。即
ち、ｓｉｎ(θm−ψ)＜ＮＡ_Rの関係になる。よって、ウ
ェハ２０上には０次回折光Ｄoと−１次回折光Ｄmの２光
束による干渉縞が生じる。この干渉縞はレチクルパター
ン１７の像であり、レチクルパターン１７が１：１のラ
インアンドスペースの時、ウェハ２０上に塗布されたレ
ジストには約９０％のコントラストでレチクルパターン
１７の像をパターニングすることが可能となる。

【００２８】尚、このときの解像限界は、 sin(θm−ψ)＝ＮＡ_R …（４）となるときであり、従ってＮＡ_R＋sinψ＝λ／ＰＰ＝λ／(ＮＡ_R＋sinψ) …（５）が転写可能な最小パターンのレチクル側でのピッチＰで
ある。

【００２９】例えば、ｓｉｎψを0.５×ＮＡ_R程度に定
めるとすれば、転写可能なレチクル上のパターンの最小
ピッチは、Ｐ＝λ／(ＮＡ_R＋0.５ＮＡ_R)＝２λ／３ＮＡ_R …（６）となる。

【００３０】一方、図９に示したように、レチクル１６
の瞳面上での照明光の分布が投影光学系１８の光軸ＡＸ
を中心とする円形領域である従来の露光装置の場合、解
像限界は式（１）に示したようにＰ≒λ／ＮＡ_Rであっ
た。以上のことから、従来の露光装置より高い解像度が
実現できることがわかる。

【００３１】次に、レチクルパターンに対して特定の入
射方向と入射角で光束を照射し、０次回折光成分と１次
回折光成分とを用いてウェハ上に結像パターンを形成す
る方法によって、焦点深度が大きくなる理由について説
明する。図８のようにウェハ２０が投影光学系１８の焦
点位置（最良結像面）に一致している場合には、レチク
ルパターン１７中の１点を出てウェハ２０上の一点に達
する各回折光は、投影光学系１８のどの部分を通るもの
であっても全て等しい光路長を有する。このため、従来
のように０次回折光成分が投影光学系１８の瞳面１９の
ほぼ中心（光軸近傍）を通過する場合でも、０次回折光
成分とその他の回折光成分とで光路長は相等しく、相互
の波面収差も零である。

【００３２】しかし、ウェハ２０が投影光学系１８の焦
点位置に一致していないデフォーカス状態の場合、図９
に示すような従来の装置では、投影光学系に対して斜め
に入射する高次の回折光の光路長は、光軸近傍を通る０
次回折光に対して焦点前方（投影光学系１８から遠ざか
る方）では短く、焦点後方（投影光学系１８に近づく
方）では長くなり、その差は入射角の差に応じたものと
なる。従って、各回折光は相互に波面収差を形成し、焦
点位置の前後にボケを生じることとなる。

【００３３】前述のデフォーカスによる波面収差は、ウ
ェハ２０の焦点位置からのデフォーカス量をΔＦ、各回
折光がウェハに入射するときの入射角θ_W の正弦をｒ
（ｒ＝ｓｉｎθ_W）とすると、ΔＦｒ²／２で与えられる
量である。このとき、ｒは各回折光の、瞳面１９での光
軸ＡＸからの距離を表わす。図９に示した従来の投影型
露光装置では０次回折光Ｄoは光軸ＡＸの近傍を通るの
で、ｒ＝０となり、±１次回折光Ｄp，Ｄmは、ｒ＝Ｍ・
λ／Ｐとなる（Ｍは投影光学系の倍率）。

【００３４】従って、０次回折光Ｄoと±１次回折光Ｄ
p，Ｄmとのデフォーカスによる波面収差は、ΔＦ・Ｍ
²(λ／Ｐ)²／２となる。一方、本発明における投影露光
装置では、図８に示すように０次回折光成分Ｄoは光軸
ＡＸから角度ψだけ傾いた方向に発生するから、瞳面１
９における０次回折光成分の光軸ＡＸからの距離はｒ＝
Ｍ・ｓｉｎψである。また、−１次回折光成分Ｄm の瞳
面における光軸からの距離はｒ＝Ｍ・ｓｉｎ(θm−ψ)
となる。そしてこのとき、ｓｉｎψ＝ｓｉｎ(θm−ψ)
となれば、０次回折光成分Ｄoと−１次回折光成分Ｄmの
デフォーカスによる相対的な波面収差は零となり、ウェ
ハ２０が焦点位置より光軸方向に若干ずれても、パター
ン１７の像ボケは従来程大きく生じないことになる。即
ち、焦点深度が増大することになる。また、式（３）の
ように、ｓｉｎ(θm−ψ)＋ｓｉｎψ＝λ／Ｐであるか
ら、照明光束Ｌ１２０のレチクル１６への入射角ψが、
パターンのピッチＰに対してｓｉｎψ＝λ／２Ｐの関係
にあれば、焦点深度を増大することが可能である。

【００３５】ところで、本発明の原理説明に用いた図８
では、２個のフライアイレンズが光軸ＡＸに対して位置
的に対称性を保った状態を示している。このようにフラ
イアイレンズの位置の対称性が保たれていたとしても、
この２個のフライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂより射出さ
れる光量は必ずしも等しいとは限らない。従って、フラ
イアイレンズの位置とその位置からの光束の光量とを考
慮した対称性を保つには、両フライアイレンズからの光
束の光量も等しくしておく必要がある。この対称性が保
たれないと、ウェハ共役面における照明光束の方向重心
（投影光学系の瞳面における光軸から各光束への位置ベ
クトルに各光束の光量を乗じたものの総和）が光軸から
外れることとなる。即ち、投影光学系のウェハ側のテレ
セントリシティーが保たれないこととなり、デフォーカ
ス時にパターン像の横ずれ（所謂テレセンずれ）が生じ
ることとなる。

【００３６】そこで、例えば光源とオプチカルインテグ
レータ（フライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂ）との間に配
置される一対のプリズム（光束分割部材とも呼ぶ）のう
ち、光源側に配置される第１プリズム（５ａ）を照明光
学系の光軸とほぼ垂直な方向に移動可能とし、光源から
の照明光と第１プリズムとの相対移動によって、一対の
プリズムから射出される各光束の強度を調整可能として
もよい。これにより、照明光学系内のフーリエ変換面上
で光量分布が高められる各領域（図８では各フライアイ
レンズ）から射出される光束の強度をほぼ等しくするこ
とができる。このとき、各フライアイレンズからの光束
の強度を計測する照度計（２１）を設け、この計測結果
に基づいて各光束の強度を調整するようにしてもよい。

【００３７】

【実施例】図１は本発明の実施例による投影型露光装置
（ステッパー）の概略的な構成を示す図である。この構
成において、フライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂの夫々の
光源側焦点面１１ａの所定の領域に照明光の光量分布を
集中せしめる光学部材（光束分割部材の一部）として、
多面体プリズム５を設けることとした。

【００３８】水銀ランプ１より発生した照明光束は、楕
円鏡２の第２焦点ｆ₀に集光した後、ミラー３、リレー
系等のレンズ系４を介して多面体プリズム５に照射され
る。このときの照明方法は、ケーラー照明法であっても
クリチカル照明であっても良い。多面体プリズム５から
発生した光束は、リレーレンズ９によりフライアイレン
ズ１１Ａ，１１Ｂの夫々に集中して入射する。このと
き、フライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂの光源側焦点面１
１ａと、多面体プリズム５とは、リレーレンズ９を介し
て、ほぼフーリエ変換の関係となっている。尚、図１で
は、多面体プリズム５への照明光を平行光束として図示
したが、実際は発散光束となっているため、フライアイ
レンズ１１Ａ，１１Ｂへの入射光束はある大きさ（面
積）を持っている。

【００３９】一方、フライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂの
レチクル側焦点面１１ｂは、レチクルパターン１７のフ
ーリエ変換面（瞳共役面）とほぼ一致するように、光軸
ＡＸと垂直な面内の方向に配置されている。また、個々
のフライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂは光軸ＡＸと垂直な
面内の方向に夫々独立に可動であり、且つ、そのための
可動部材に保持されているが、その詳細は後述する。個
々のフライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂは同一の形状、同
一の材質（屈折率）のものであることが望ましい。

【００４０】また、図１に示した個々のフライアイレン
ズ１１Ａ，１１Ｂの各レンズエレメントは、両凸レンズ
とし、且つ光源側焦点面１１ａと入射面、レチクル側焦
点面１１ｂと射出面がそれぞれ一致する場合の例であっ
たが、フライアイレンズのレンズエレメントはこの関係
を厳密に満たさなくても良く、また平凸レンズや、凸平
レンズ或いは平凹レンズであってもよい。

【００４１】尚、フライアイレンズの光源側焦点面１１
ａとレチクル側焦点面１１ｂとは、当然ながらフーリエ
変換の関係である。従って、図１の例の場合、フライア
イレンズのレチクル側焦点面１１ｂ、即ちフライアイレ
ンズ１１Ａ，１１Ｂの射出面は、多面体プリズム５と結
像関係（共役）になっている。

【００４２】図２は、投影型露光装置のフライアイレン
ズ１１Ａ、１１Ｂから投影光学系１８までの構成を模式
的に表す図であり、フライアイレンズのレチクル側焦点
面１１ｂが、レチクルパターン１７のフーリエ変換面１
２ｃと一致している。またこのとき、レチクル側焦点面
１１ｂとレチクルパターン１７とをフーリエ変換の関係
とならしめる光学系を一枚のレンズ１５ａとして表わし
てある。さらに、レンズ１５ａのフライアイレンズ側主
点Ｈからフライアイレンズ１１Ａ，Ｂのレチクル側焦点
面１１ｂまでの距離と、レンズ１５ａのレチクル側主点
Ｈ′からレチクルパターン１７までの距離は共にｆであ
るとする。

【００４３】さて、フライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂの
レチクル側焦点面１１ｂより射出される光束は、コンデ
ンサーレンズ１３，１５、及びミラー１４を介して、レ
チクル１６を均一な照度分布で照明する。遮光板１２
Ａ，１２Ｂは、それぞれフライアイレンズ１１Ａ，１１
Ｂの各位置に対応し、可動となっている。このため、フ
ライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂからの照明光束を夫々任
意に遮光、透光することが可能である。このため、レチ
クルパターン１７に照明される照明光を、フライアイレ
ンズ１１Ａ，１１Ｂのうちいずれか一方からの光束（２
次光源像からの光束）のみとすることができ、従って、
例えばウェハ２０表面との共役面にその受光面を持った
後述の照度計２１を用いて光束の強度を計測する際、各
フライアイレンズからの光束の強度を独立して計測する
ことができる。

【００４４】この照度計は、ウェハ共役面に配置される
ものに限定されず、例えば、ミラー１４の裏面にフライ
アイレンズのレチクル側焦点面１１ｂと共役な面を作
り、そこに２つのセンサーを配置して計測してもよい。
その場合、フライアイレンズ１１Ａ、１１Ｂからの各々
の光束の強度を同時に計測することができ、遮光板１２
Ａは必要ない。

【００４５】こうして照明されたレチクル１６上のレチ
クルパターン１７から発生した回折光は、図８で説明し
たのと同様に、テレセントリックな投影光学系１８によ
り集光、結像され、ウェハ２０上にレチクルパターン１
７の像を転写する。前述の多面体プリズム５を使って照
明光束を分割して、その光束をフライアイレンズ１１
Ａ，１１Ｂの光源側焦点面内の特定位置（フライアイレ
ンズ）に集中させる際、その集中位置は、多面体プリズ
ム５の傾斜角や方向性によって変化する。従って、各フ
ライアイレンズ１１Ａ、１１Ｂの位置に照明光を集中さ
せるべく、多面体プリズム５の傾斜角や方向性を決定す
る。

【００４６】上記実施例では、多面体プリズム５とフラ
イアイレンズ１１Ａ，１１Ｂの光源側焦点面とをフーリ
エ変換の関係としたが、結像関係としてもよい。但し、
フーリエ変換の関係とした方が、多面体プリズム５上の
ゴミ等によるレチクル１６上の照度均一性の悪化を防ぐ
ことができる。また、図中では多面体プリズム５により
照明光束を２光束に分割するものとしたが、多面体プリ
ズムの面数を増すことでより多くの光束に分割すること
ができる。

【００４７】さて、図１中多面体プリズム５は、能動部
材６に保持されており、光軸ＡＸとほぼ垂直な方向（紙
面上下方向）に可動となっている（詳細後述）。このと
き、多面体プリズム５を光軸ＡＸとほぼ垂直な方向に移
動すると、多面体プリズム５に入射する光束の分割位置
（多面体プリズム５と入射光束との相対位置）が変わる
ため、分割後の複数の光束の光量比を光量損失なく変え
ることができる。このとき、能動部材６は駆動系５１に
よって制御される。また、駆動系５１は、前述の遮光板
１２Ａ，１２Ｂの各光路（各フライアイレンズ射出面近
傍）への出し入れも制御するものとする。さらに、各フ
ライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂが可動であれば、各フラ
イアイレンズの移動も行うものとする。

【００４８】図１中、ウェハ２０を保持するウェハホル
ダー２２は、ウェハステージ２３によって光軸ＡＸと垂
直な面内に可動である。また、ウェハステージ２３上に
は照度計２１が設けられている。照度計２１は投影フィ
ールド内全体を一括に受光するセンサーであり、その受
光面はウェハ表面とほぼ一致する平面内に設けられてい
る。この照度計２１により、ウェハ上の像面と共役な位
置での照明光強度を計測することができる。従って、前
述の遮光板１２Ａ，１２Ｂを操作し、各フライアイレン
ズ１１Ａ，１１Ｂのうちの１つを残してそれ以外からの
照明光束を全て遮光することで、１つのフライアイレン
ズからの光束の強度を計測することができる。この計測
を各フライアイレンズについて夫々行うことにより、各
フライアイレンズからの光束の強度を知ることができ
る。強度計測時にはレチクル１６は装填されていない方
が好ましいが、レチクルの入った状態で計測をしてもよ
い。

【００４９】計測した各光束の計測値は主制御系２１で
比較される。主制御系２１には照明光の強度と能動部材
６の駆動量との関係が予めテーブル値として登録されて
おり、主制御系２１は各光束の強度を等しくするように
能動部材６を操作する。これによって各フライアイレン
ズからの光束の強度を等しくすることができる。

【００５０】また、各フライアイレンズの配置は、光軸
ＡＸに対して対称とする。このため、前述の投影光学系
の瞳面における光軸から各光束への位置ベクトルに各光
束の光量を乗じたものの総和（方向重心）が零となり、
前述のテレセンずれを零とすることができる。

【００５１】ところで、光源である水銀ランプ１には使
用時間の限界（寿命）があり、現在のところ約６００時
間毎に新品と交換して使用している。水銀ランプには、
製造段階で生じる個体差があり、光量の配向特性等がラ
ンプ毎に異なる。従って、以前のランプ使用時には各々
のフライアイレンズからの光束の強度が等しかった場合
でも、ランプを交換することによってそれに伴う配向特
性等の変化が生じ、各フライアイレンズからの光束の強
度が等しくならない可能性がある。またこのことは、１
個の水銀ランプを使用中の経時変化によっても発生し得
るものである。従って、上記の光束分割手段の調整は、
ランプ交換毎、或いはランプ使用中の例えば１００時間
毎に行うと良い。

【００５２】ところで、フライアイレンズのレチクル側
焦点面内での２次光源像の位置は、使用するレチクルの
パターンのピッチ（周期性）に応じて変更できることが
望ましい。以下に、フライアイレンズを可動とする実施
例について説明する。図３はフライアイレンズの可動部
を光軸方向から見た図であり、図４は光軸と垂直な方向
から見た図である。複数のフライアイレンズとして図３
では４個のフライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，
１１Ｄを光軸からほぼ等距離に配置している。また、フ
ライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄの夫々
は、図３には３２個のレンズエレメントで構成されるよ
うに示しているが、これに限定されるものではなく、極
端な場合１個のレンズエレメントで構成されたフライア
イレンズとしてもよい。

【００５３】さて、図３、図４において、フライアイレ
ンズ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄは夫々治具８０
Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄにより保持され、これら治
具８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄはさらに支持棒７０
Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄを介して可動部材７１Ａ，
７１Ｂ，７１Ｃ，７１Ｄにより夫々支持されている。こ
の支持棒７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄは、可動部材
７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ，７１Ｄに含まれるモーター及
びギア等の駆動素子により、光軸ＡＸを中心とした放射
方向に伸縮可能となっている。また、可動部材７１Ａ，
７１Ｂ，７１Ｃ，７１Ｄ自体も、固定ガイド７２Ａ，７
２Ｂ，７２Ｃ，７２Ｄに沿って移動可能であり、従って
個々のフライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１
Ｄは光軸ＡＸと垂直な面内の任意の位置に夫々独立に移
動可能である。

【００５４】また、遮光板１２Ａ，１２Ｂもフライアイ
レンズ１１Ａ，１１Ｂの移動に応じて移動可能であり、
フライアイレンズ１１Ａ，１１Ｂの位置に係わらず、任
意のフライアイレンズからの光束のみを透過させ、他の
光束全てを遮光することができる。さらに、各フライア
イレンズ１１Ａ，１１Ｂを保持する治具８０Ａ，８０Ｂ
が夫々遮光羽根８１Ａ，８１Ｂを有していれば、図８に
示すような遮光板１２の開口部はフライアイレンズの径
よりかなり大きくて良くなる。また、各遮光羽根８１
Ａ，８１Ｂは、光軸方向にわずかずつずれていると、各
フライアイレンズの移動範囲に与える制限が減少され
る。

【００５５】次に、多面体プリズム５の構成について図
５を参照して説明する。多面体プリズム５は２つの多面
体プリズム５ａ，５ｂで構成されており、少なくとも凹
型の多面体プリズム５ａは、光軸ＡＸに垂直な面内方向
に移動可能である。プリズム５ａは保持具７ａを介して
能動部材６ａに設けられており、さらに、能動部材６ａ
は固定具８に設けられている。能動部材６はプリズム５
ａを光軸ＡＸと垂直な面内方向に移動する。一方、プリ
ズム５ｂは保持具７ｂを介して固定具８に設けられてい
る。プリズム５ａとプリズム５ｂとの夫々は、固定具８
内に設けられた駆動部により光軸ＡＸ方向に移動可能で
あり、プリズム５ａとプリズム５ｂとの光軸ＡＸ方向の
間隔を可変とすることができる。

【００５６】前述の如く各照明光束の強度を等しくする
場合は、少なくともプリズム５ａを光軸ＡＸと垂直な面
内方向に所定量だけ移動する。凹型プリズム５ａが複数
の光学素子で構成される場合は少なくともその一部を移
動可能としてもよい。尚、図中の点線はプリズム５ａが
移動した場合を示しており、この時２つの光束が光軸Ａ
Ｘから大きくシフトする場合は、プリズム５ｂとレンズ
９ａとの間の各々の光路中に平行平板ガラスを設け、各
光束の光軸ＡＸからのシフト量を補正すればよい。

【００５７】ところで、上述の如くフライアイレンズ１
１Ａ〜Ｄが移動する場合、多面体プリズム等の光束分割
部材から射出される光束の通過する位置（光軸ＡＸを中
心として光軸と垂直な面内の位置）もフライアイレンズ
の移動に応じて変更する必要がある。この場合、プリズ
ム５ａとプリズム５ｂの間隔を変更することにより、分
割された各光束の光軸からの距離を変更することができ
る。また、このプリズム５ａ，５ｂを光軸ＡＸについて
回転することで、光軸を中心とした円周方向の光束の位
置も変更できる。

【００５８】さて、図３、及び図４に示したフライアイ
レンズ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄの各位置（光軸
と垂直な面内での位置）は、転写すべきレチクルパター
ンに応じて決定（変更）するのが良い。つまり、作用の
項で述べたように各フライアイレンズからの照明光束
が、転写すべきパターンの微細度（ピッチ）に対して最
適な解像度、及び焦点深度の向上効果を得られるような
入射角ψでレチクルパターンに入射するようにすればよ
い。

【００５９】次に、各フライアイレンズの位置決定の具
体例について、図６を用いて説明する。図６（Ａ），
（Ｃ）は、共にレチクルパターン１７中に形成される一
部分のパターンの例を示す図である。図６（Ｂ）は、図
６（Ａ）に示すようなパターンを照明するのに最適な、
レチクルパターンのフーリエ変換面（又は投影光学系の
瞳面）での各フライアイレンズの中心の位置（本発明で
いうフーリエ変換面内での、光量分布の極大値の位置に
相当する）を示し、同様に図６（Ｄ）は、図６（Ｃ）に
示すようなパターンを照明するのに最適な、各フライア
イレンズの中心の位置を示す図である。

【００６０】図６（Ａ）は、所謂１次元ラインアンドス
ペースパターンであって、Ｙ方向に帯状に延びた透過部
と遮光部とが等しい幅で、且つＸ方向にピッチＰで規則
的に並んでいる。このとき、個々のフライアイレンズの
最適位置は図６（Ｂ）に示すようにフーリエ変換面１２
ｃ内に仮定したＹ方向の線分Ｌα上、及び線分Ｌβ上の
任意の位置となる。図６（Ｂ）はレチクルパターン１７
に対するフーリエ変換面１２ｃ（フライアイレンズのレ
チクル側焦点面１１ｂ）を光軸ＡＸ方向から見た図であ
り、且つ、面１２ｃ内の座標系Ｘ，Ｙは、同一方向から
レチクルパターン１７を見た図６（Ａ）と同一にしてあ
る。

【００６１】さて、図６（Ｂ）において光軸ＡＸが通る
中心Ｃから、各線分Ｌα、Ｌβまでの距離α、βはα＝
βであり、露光波長をλとしたとき、α＝β＝ｆ・λ／
２Ｐに等しい。この距離α，βをｆ・ｓｉｎψと表わせ
れば、ｓｉｎψ＝λ／２Ｐであり、これは作用の項で述
べた数値と一致している。従って各フライアイレンズの
各中心（各フライアイレンズの夫々によって作られる２
次光源像の光量分布の各重心）位置が線分Ｌα、Ｌβ上
にあれば、図６（Ａ）に示す如きラインアンドスペース
パターンに対して、各フライアイレンズからの光束を照
射した際に発生する±１次回折光のうちのどちらか一方
と０次回折光との２つの回折光は、投影光学系瞳面１９
において光軸ＡＸからほぼ等距離となる位置を通る。従
って、前述の如くラインアンドスペースパターン（図６
（Ａ））に対する焦点深度を最大とすることができ、且
つ高解像度を得ることができる。

【００６２】次に、図６（Ｃ）は、レチクルパターンが
所謂２次元島状パターンである場合であり、且つ、パタ
ーンのＸ方向のピッチがＰｘ、Ｙ方向のピッチがＰｙと
なっている。図６（Ｄ）はこのようなパターンを照明す
る場合の各フライアイレンズの最適位置を表わす図であ
り、図６（Ｃ）の座標系Ｘ，Ｙの関係は図６（Ａ），
（Ｂ）の関係と同じである。図６（Ｃ）の如き２次元パ
ターンに照明光が入射すると、パターンの２次元方向の
周期性（Ｘ方向はＰｘ、Ｙ方向はＰｙ）に応じた２次元
方向に回折光が発生する。この場合も、回折光中の±１
次回折光のうちのいずれか一方と０次回折光とが投影光
学系瞳面１９において光軸ＡＸからほぼ等距離となるよ
うにすれば、焦点深度を最大とすることができる。つま
り、図６（Ｃ）のパターンのＸ方向のピッチはＰｘであ
るから、図６（Ｄ）に示すようにα＝β＝ｆ・λ／２Ｐ
ｘとなる線分Ｌα、Ｌβ上に各フライアイレンズの中心
があれば、パターンのＸ方向成分について焦点深度を最
大とすることができる。同様に、γ＝ε＝ｆ・λ／２Ｐ
ｙとなる線分Ｌγ、Ｌε上に各フライアイレンズの中心
があれば、パターンＹ方向成分について焦点深度を最大
とすることができる。

【００６３】以上、図６（Ｂ）、又は（Ｄ）に示した各
位置に配置したフライアイレンズからの照明光束がレチ
クルパターン１７に入射すると、＋１次回折光成分Ｄ
p、又は−１次回折光成分Ｄmのいずれか一方と０次光回
折光成分Ｄoとが、投影光学系１８内の瞳面１９で光軸
ＡＸからほぼ等距離となる光路を通る。従って、作用の
項で述べたとおり、高解像及び大焦点深度の投影型露光
装置が実現できる。

【００６４】以上、レチクルパターン１７として図６
（Ａ）、又は（Ｃ）に示した２例のみを考えたが、他の
パターンであってもその周期性（微細度）に着目し、そ
のパターンからの＋１次回折光成分、又は−１次回折光
成分のいずれか一方と０次回折光成分との２光束が、投
影光学系内の瞳面１９では光軸ＡＸからほぼ等距離にな
る光路を通る様な位置に各フライアイレンズの中心を配
置すればよい。

【００６５】また、図６（Ａ）、（Ｃ）のパターン例
は、遮光部と透過部との比（デューティ比）が１：１の
パターンであったため、発生する回折光中では±１次回
折光が強くなる。このため、±１次回折光のうちの一方
と０次回折光との関係のみに着目した。しかし、デュー
ティ比が１：１から異なるパターンの場合等では他の回
折光、例えば±２次回折光のうちの一方と０次回折光と
の位置関係が、投影光学系瞳面１９において光軸ＡＸか
らほぼ等距離となるようにしてもよい。

【００６６】さらに、レチクルパターン１７が図６
（Ｃ）の如く２次元の周期性パターンを含む場合、特定
の１つの０次回折光成分に着目したとき、投影光学系の
瞳面１９上ではその１つの０次回折光成分を中心として
Ｘ方向に分布する１次以上の高次回折光成分と、Ｙ方向
に分布する１次以上の高次回折光成分とが存在し得る。

【００６７】そこで、特定の１つの０次回折光成分に対
して２次元のパターンの結像を良好に行うものとする
と、Ｘ方向に分布する高次回折光成分の１つと、Ｙ方向
に分布する高次回折光成分の１つ、及び特定の０次回折
光成分との３つの回折光成分が、瞳面１９上で光軸ＡＸ
からほぼ等距離に分布するように、特定の０次回折光成
分（１つのフライアイレンズ）の位置を調節すればよ
い。例えば、図６（Ｄ）中でフライアイレンズ中心位置
を点Ｐζ、Ｐη、Ｐκ、Ｐμのいずれかと一致させると
よい。点Ｐζ、Ｐη、Ｐκ、Ｐμはいずれも線分Ｌαま
たはＬβ（Ｘ方向の周期性について最適な位置、即ちＸ
方向の±１次回折光の一方と０次回折光とが投影光学系
瞳面１９上で光軸からほぼ等距離となる位置）と線分Ｌ
γまたはＬε（Ｙ方向の周期性について最適な位置）と
の交点であるため、Ｘ方向、Ｙ方向のいずれのパターン
方向についても最適な光源位置である。

【００６８】以上の実施例においては、２次元パターン
としてレチクル上の同一箇所に２次元の方向性を有する
パターンを仮定したが、同一レチクルパターン中の異な
る位置に異なる方向性を有する複数のパターンが存在す
る場合にも上記の方法を適用することが出来る。

【００６９】レチクル上のパターンが複数の方向性又は
微細度を有している場合、フライアイレンズの最適位置
は、上述の様にパターンの各方向性及び微細度に応じた
ものとなる。或いは各最適位置の平均位置にフライアイ
レンズを配置してもよい。また、この平均位置は、パタ
ーンの微細度や重要度に応じた重みを加味した加重平均
としてもよい。尚、上記のようにフライアイレンズを移
動した際は、照度計２１で各フライアイレンズからの光
束の強度を計測し、夫々所定の強度になっているかを確
認するのが望ましい。

【００７０】以上のようにレチクルパターンの周期の方
向性を考慮する場合、上記の各情報は、図１中のキーボ
ード５２から入力可能とする。入力する情報がパターン
の方向性である場合、それに応じた各フライアイレンズ
の位置を主制御系５０で決定すればよい。

【００７１】ところで、各フライアイレンズ夫々からレ
チクルへ照射される光束の開口数は、σ値として0.１か
ら0.３程度であるとよい。σ値が小さすぎると、照度の
低下や照度むらを生じやすく、大きすぎると本発明によ
る高解像度、大焦点深度の効果が低下する以上の実施例
においては、光源として水銀ランプ１を用いたが、他の
輝線ランプやレーザー（ＫｒＦ等）光源、或るいは連続
スペクトルの光源であっても良い。また、照明光学系中
の光学部材の大部分をレンズとしたが、ミラー（凹面
鏡、凸面鏡）であっても構わない。さらに、投影光学系
としては屈折系であっても、反射系、或るいは反射屈折
系であってもよい。

【００７２】また、以上の実施例においては両側テレセ
ントリックな投影光学系を使用したが、片側テレセント
リック系でも、非テレセントリック系でも同様である。
その他、光源から発生する照明光のうち、特定の波長の
光のみを利用するために、照明光学系中に干渉フィルタ
ー等の単色化手段を設けてもよい。

【００７３】照明光の均一化については、フライアイレ
ンズ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄの光源側焦点面１
１ａ近傍に、拡散板や光ファイバー束等の光散乱部材を
用いることで、照明光の均一化を行なっても良い。或る
いは本発明の実施例で使用されたフライアイレンズ１１
Ａ，１１Ｂとは別に、さらにフライアイレンズ（以後、
別フライアイレンズと称する）等のオプチカルインテグ
レーターを用いて、照明光の均一化を行なっても良い。
このとき、別フライアイレンズは、上記フライアイレン
ズ１１Ａ，１１Ｂの光源側焦点面１１ａ近傍での照明光
量分布を可変とする光学部材（即ち、インプット光学
系）、例えば図１に示した多面体プリズム５等よりも光
源側であることが望ましい。或いは、上記の各フライア
イレンズ１１Ａ、１１Ｂよりもレチクル側にそれぞれ独
立したフライアイレンズ群を別に設けてもよい。このよ
うに、２つの照明光を各々２つのフライアイレンズで均
一化することにより、より一層の均一化が図れる。

【００７４】尚、以上の実施例では光束分割部材として
ピラミッドプリズムを用いたが、これに限定されるもの
ではない。例えば、複数個のレンズを並べたレンズアレ
イとしてもよく、多面ミラーを用いて分割してもよい。
この場合も、レンズアレイや多面ミラーを光軸ＡＸと垂
直な面内で移動させて、各光束の強度を調整すればよ
い。

【００７５】また、以上では光束分割部材の少なくとも
一部を移動させて、照明光束の光束分割位置（照明光束
と光束分割部材との相対位置）を可変としていたが、図
１のレンズ系４と光束分割部材５との間に平行平板ガラ
スを設け、この平行平板ガラスの傾きを変えることによ
り、照明光束の分割位置を可変としてもよい。

【００７６】さらに、特開昭６０−７８４５４号公報に
開示されているように、ピンホール付センサーや２次元
ＣＣＤセンサーを照度計２１の代わりにステージ上に設
けて、図３に示すような４つのフライアイレンズのう
ち、１つのフライアイレンズによる照明光の像面内での
照度ムラを、各フライアイレンズ毎に計測して評価して
もよい。

【００７７】また、フライアイレンズ１１に入射する複
数の光束に、前述のプリズム５ａの移動で補正できない
程の強度差がある場合は、図１中フライアイレンズ１１
Ａ、１１Ｂの光源側に吸光性フィルター（又は金網等）
を設け、プリズム５ａの移動と併用すればよい。例え
ば、プリズム５で照明光を４つに分割し、各々の光束を
４つのフライアイレンズに入射する場合について考えて
みる。４つのフライアイレンズの中心が図６（Ｄ）の点
Ｐζ、Ｐη、Ｐκ、Ｐμにあるとしたとき、ＰζとＰκ
の位置にあるフライアイレンズからの照明光の強度が等
しくなるようにプリズムを移動し、Ｐη、Ｐμからの照
明光の強度が等しくなるようにフィルターで補正する。

【００７８】また、プリズム５とフィルターとの少なく
とも１つを使って複数の光束の強度を、レチクルパター
ンの周期性に応じて積極的に異ならせるようにしてもよ
い。これを図７を参照して説明する。図７（Ａ）はＸ、
Ｙの２次元方向とＸ、Ｙ方向に対して４５度方向のパタ
ーンの２種類のパターンが混在しているレチクルパター
ンを示しており、図７（Ｂ）はフーリエ変換面での照明
光の領域（フライアイレンズの位置）を示しており、そ
の位置関係は図６（Ｄ）に示すものと同様である。強度
の異ならせ方の一例としては、図７（Ｂ）で領域１１０
ｇ、１１０ｈからの光束の強度をプリズムで調整し、領
域１１０ｉ、１１０ｊからの光束の強度をフィルターで
弱くする。

【００７９】このとき、本実施例の露光装置が特開昭６
０−７８４５４号公報に開示されているような、投影レ
ンズの結像特性を制御する手段（投影レンズエレメント
間の圧力制御を行う方式等）を有している場合、各照明
光間の光量比が大きく変わることにより制御量に誤差が
生じる場合がある。これを防止するため、各光束間の光
量比に応じて、この制御量を求めるためのパラメータを
変化させるようにしてもよい。

【００８０】また、以上の実施例では、分割されたフラ
イアイレンズ群の各々に照明光を入射させることとした
が、分割されていない大型の１つのフライアイレンズ内
で照明される領域が光軸ＡＸから偏心した離散的な領域
となるように照明光を入射させるようにしてもよい。

【００８１】

【発明の効果】以上の様に本発明によれば、通常のマス
クを使用しながら、従来よりも高解像度、大焦点深度の
投影露光装置を実現することが可能である。しかも本発
明によれば、すでに半導体生産現場で稼働中の投影露光
装置の照明系部分、及び主制御系の一部分を替えるだけ
でよく、稼働中の装置の投影光学系をそのまま利用し
て，それまで以上の高解像力化が可能となる。また、露
光装置のランプ交換、或いはレーザ交換等に伴って、光
源の配向特性、或いは位置が変化した場合にもこれを光
量損失なく補償することができ、安定した露光装置を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による投影型露光装置の概略的
な構成を示す図

【図２】本発明の実施例による投影型露光装置における
フライアイレンズから投影光学系までの構成を模式的に
表す図

【図３】本発明の実施例による投影露光装置におけるフ
ライアイレンズの配置とその可動部材との構成を光軸方
向からみた図

【図４】本発明の実施例による投影露光装置におけるフ
ライアイレンズの配置とその可動部材との構成を光軸と
垂直な方向からみた図

【図５】インプット光学系の他の構成を示す図

【図６】（Ａ），（Ｃ）は、マスク上に形成されたレチ
クルパターンの一例を示す図（Ｂ），（Ｄ）は、図６
（Ａ），（Ｃ）に示すようなパターンを照明するのに最
適な、レチクルパターンのフーリエ変換面でのフライア
イレンズの位置を示す図

【図７】（Ａ）は、本発明の実施例による投影型露光装
置に使用するレチクルパターンの他の例を示す図（Ｂ）
は、図７（Ａ）に示すパターンを照明するのに最適な、
レチクルパターンのフーリエ変換面におけるフライアイ
レンズの位置と照明強度を示す図

【図８】本発明の原理を説明する図

【図９】従来の投影型露光装置の構成を示す図

【符号の説明】

５ａ、５ｂ多面体プリズム６ａ、６ｂ能動部材９レンズ系 10 吸光性フィルター 11A,11B,11C,11D フライアイレンズ 12,12A,12B 遮光板（空間フィルター） 12c レチクルパターンのフーリエ変換面 21 照度計 50 主制御系 70A,70B,70C,70D 支持棒 71A,71B,71C,71D 可動部材 72A,72B,72C,72D 固定ガイド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの照明光をマスクに照射する照
明光学系と、前記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備えた投影露光装置において、前記照明光学系内で前記マスクのパターンに対して実質
的にフーリエ変換の関係となる所定面上での前記照明光
の光量分布を、前記照明光学系の光軸から偏心し、前記
光軸との距離が等しく、かつ前記パターンに応じて前記
所定面上での位置が設定される複数の領域で高めるとと
もに、前記複数の領域から射出される光束の各強度をほ
ぼ等しくする照明光生成手段を備え、前記照明光生成手
段は、前記照明光学系の光軸に沿って相対移動可能な一
対のプリズムを含むことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記照明光学系の光軸と前記複数の領域
との距離に応じて前記一対のプリズムの間隔が調整され
ることを特徴とする請求項１に記載の投影露光装置。
【請求項３】前記照明光学系の光軸と前記複数の領域
との距離を可変とするために、前記一対のプリズムの間
隔が調整されることを特徴とする請求項１又は２に記載
の投影露光装置。
【請求項４】前記所定面上で前記照明光学系の光軸を
中心とした放射方向に前記複数の領域を移動するため
に、前記一対のプリズムの間隔が調整されることを特徴
とする請求項１又は２に記載の投影露光装置。
【請求項５】前記基板上に転写すべきパターンに応じ
て前記光量分布を変更するために、前記一対のプリズム
の間隔が調整されることを特徴とする請求項１又は２に
記載の投影露光装置。
【請求項６】前記一対のプリズムのうち前記照明光が
入射する第１プリズムはその射出面が凸型であるととも
に、前記照明光を射出する第２プリズムはその入射面が
凹型であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一
項に記載の投影露光装置。
【請求項７】前記第１プリズムの入射面及び前記第２
プリズムの射出面はそれぞれ前記照明光学系の光軸とほ
ぼ垂直な平面であることを特徴とする請求項６に記載の
投影露光装置。
【請求項８】前記第１プリズムは、前記照明光学系の
光軸と垂直な方向に移動可能であることを特徴とする請
求項６又は７に記載の投影露光装置。
【請求項９】前記一対のプリズムはそれぞれ多面体プ
リズムであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか
一項に記載の投影露光装置。
【請求項１０】前記一対のプリズムは、前記光源と前
記照明光学系内のオプチカルインテグレータとの間に配
置されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項
に記載の投影露光装置。
【請求項１１】前記照明光生成手段は、前記一対のプ
リズムから射出する照明光を前記オプチカルインテグレ
ータの入射面上に集光するレンズ系を含むことを特徴と
する請求項１０に記載の投影露光装置。
【請求項１２】前記一対のプリズムは、前記照明光学
系内で前記所定面とほぼ共役に配置されることを特徴と
する請求項１〜１１のいずれか一項に記載の投影露光装
置。
【請求項１３】前記複数の領域は、前記基板上に転写
すべきパターンの微細度に応じて前記照明光学系の光軸
との距離が決定されることを特徴とする請求項１〜１２
のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項１４】前記パターンが第１及び第２方向にそ
れぞれ延びるとき、前記複数の領域は互いに前記第１方
向に関する前記光軸との第１距離がほぼ等しく、かつ前
記第２方向に関する前記光軸との第２距離がほぼ等しい
ことを特徴とする請求項１３に記載の投影露光装置。
【請求項１５】前記複数の領域は、前記パターンの前
記第１方向に関する微細度に応じて前記第１距離が定め
られ、かつ前記パターンの前記第２方向に関する微細度
に応じて前記第２距離が定められることを特徴とする請
求項１４に記載の投影露光装置。
【請求項１６】前記パターンが少なくとも第１方向に
延びるとき、前記複数の領域は、前記第１方向とほぼ平
行で、かつ前記第１方向と直交する第２方向に関して前
記照明光学系の光軸から前記パターンの前記第２方向に
関する微細度に応じた距離だけ離れた一対の第１線分上
に配置されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれ
か一項に記載の投影露光装置。
【請求項１７】前記パターンが前記第１方向と直交す
る第２方向にも延びるとき、前記複数の領域は、前記第
２方向とほぼ平行で、かつ前記第１方向に関して前記照
明光学系の光軸から前記パターンの前記第１方向に関す
る微細度に応じた距離だけ離れた一対の第２線分、及び
前記一対の第１線分の各線分上に配置されることを特徴
とする請求項１６に記載の投影露光装置。
【請求項１８】前記複数の領域は、前記一対の第１線
分と前記一対の第２線分との交点上に配置されることを
特徴とする請求項１７に記載の投影露光装置。
【請求項１９】前記各領域から射出される光束の照射
によって前記パターンから発生する次数が異なる２つの
回折光が、前記投影光学系の瞳面上で光軸からほぼ等距
離となる位置を通過するように、前記各領域の位置を決
定することを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一項
に記載の投影露光装置。
【請求項２０】前記２つの回折光は±ｎ次回折光の一
方と０次回折光とであることを特徴とする請求項１９に
記載の投影露光装置。
【請求項２１】前記各領域から射出される光束の前記
マスクへの入射角をψ、前記パターンから発生する±ｎ
次回折光の回折角をθ、前記投影光学系のマスク側開口
数をＮＡ_Rとすると、前記±ｎ次回折光の一方でｓｉｎ
(θ−ψ)＝ＮＡ_Rなる関係が満たされるときを前記投影
光学系の解像限界とすることを特徴とする請求項１〜２
０のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項２２】前記関係を満たす一方の回折光は、前
記投影光学系の光軸に関して前記パターンから発生する
０次回折光とほぼ対称になることを特徴とする請求項２
１に記載の投影露光装置。
【請求項２３】前記照明光の波長をλ、前記パターン
のピッチをＰとして、前記各領域から射出される光束の
前記マスクへの入射角ψがｓｉｎψ＝λ／２Ｐなる関係
を満たすように、前記各領域の位置を決定することを特
徴とする請求項１〜２２のいずれか一項に記載の投影露
光装置。
【請求項２４】前記各領域から射出される光束の前記
マスクへの入射角をψ、前記照明光の波長をλ、前記投
影光学系の前記マスク側開口数をＮＡ_Rとして、前記基
板上に転写可能なパターンの最小ピッチがλ／(ＮＡ_R＋
ｓｉｎψ)であることを特徴とする請求項１〜２３のい
ずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項２５】前記照明光の波長をλ、前記投影光学
系の前記マスク側の開口数をＮＡ_Rとして、前記パター
ンはピッチがλ／ＮＡ_Rよりも小さい周期構造を有する
ことを特徴とする請求項１〜２４のいずれか一項に記載
の投影露光装置。
【請求項２６】前記パターンが第１及び第２方向にそ
れぞれ延びるとき、前記各領域から射出される光束の照
射によって前記パターンから発生する０次回折光、前記
０次回折光を中心として前記第１方向に分布する高次回
折光の１つ、及び前記０次回折光を中心として前記第２
方向に分布する高次回折光の１つが、前記投影光学系の
瞳面上で光軸からほぼ等距離に分布するように、前記各
領域の位置を決定することを特徴とする請求項１〜２５
のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項２７】前記第１及び第２方向にそれぞれ分布
する前記１つの高次回折光は次数が等しいことを特徴と
する請求項２６に記載の投影露光装置。
【請求項２８】前記複数の領域は、前記所定面上で前
記照明光学系の光軸に対してほぼ対称に配置されること
を特徴とする請求項１〜２７のいずれか一項に記載の投
影露光装置。
【請求項２９】前記各領域から射出される光束の開口
数と前記投影光学系のマスク側開口数との比を０．１〜
０．３程度に設定することを特徴とする請求項１〜２８
のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項３０】照明光学系を通して光源からの照明光
をマスクに照射するとともに、投影光学系を介して前記
照明光で基板を露光する投影露光方法において、前記照明光学系内で前記マスクのパターンに対して実質
的にフーリエ変換の関係となる所定面上での前記照明光
の光量分布を、前記照明光学系の光軸から偏心し、前記
光軸との距離が等しく、かつ前記パターンに応じて前記
所定面上での位置が設定される複数の領域で高めるとと
もに、前記複数の領域から射出される光束の各強度をほ
ぼ等しくし、前記照明光学系の光軸に沿って相対移動可
能な一対のプリズムを用いて、前記照明光学系の光軸と
前記複数の領域との距離を設定することを特徴とする投
影露光方法。
【請求項３１】前記一対のプリズムの間隔を調整し
て、前記照明光学系の光軸と前記複数の領域との距離を
変更することを特徴とする請求項３０に記載の投影露光
方法。
【請求項３２】前記基板上に転写すべきパターンに応
じて前記光量分布を変更するために、前記一対のプリズ
ムの間隔を調整することを特徴とする請求項３０又は３
１に記載の投影露光方法。
【請求項３３】前記複数の領域は、前記基板上に転写
すべきパターンの微細度に応じて前記照明光学系の光軸
との距離が決定されることを特徴とする請求項３０〜３
２のいずれか一項に記載の投影露光方法。
【請求項３４】前記パターンが第１及び第２方向にそ
れぞれ延びるとき、前記複数の領域は互いに前記第１方
向に関する前記光軸との第１距離がほぼ等しく、かつ前
記第２方向に関する前記光軸との第２距離がほぼ等しい
ことを特徴とする請求項３３に記載の投影露光方法。
【請求項３５】前記複数の領域は、前記パターンの前
記第１方向に関する微細度に応じて前記第１距離が定め
られ、かつ前記パターンの前記第２方向に関する微細度
に応じて前記第２距離が定められることを特徴とする請
求項３４に記載の投影露光方法。
【請求項３６】前記パターンが少なくとも第１方向に
延びるとき、前記複数の領域は、前記第１方向とほぼ平
行で、かつ前記第１方向と直交する第２方向に関して前
記照明光学系の光軸から前記パターンの前記第２方向に
関する微細度に応じた距離だけ離れた一対の第１線分上
に配置されることを特徴とする請求項３０〜３３のいず
れか一項に記載の投影露光方法。
【請求項３７】前記パターンが前記第１方向と直交す
る第２方向にも延びるとき、前記複数の領域は、前記第
２方向とほぼ平行で、かつ前記第１方向に関して前記照
明光学系の光軸から前記パターンの前記第１方向に関す
る微細度に応じた距離だけ離れた一対の第２線分、及び
前記一対の第１線分の各線分上に配置されることを特徴
とする請求項３６に記載の投影露光方法。
【請求項３８】前記複数の領域は、前記一対の第１線
分と前記一対の第２線分との交点上に配置されることを
特徴とする請求項３７に記載の投影露光方法。
【請求項３９】前記各領域から射出される光束の前記
マスクへの入射角をψ、前記パターンから発生する±ｎ
次回折光の回折角をθ、前記投影光学系のマスク側開口
数をＮＡ_Rとすると、前記±ｎ次回折光の一方でｓｉｎ
(θ−ψ)＝ＮＡ_Rなる関係が満たされるときを前記投影
光学系の解像限界とすることを特徴とする請求項３０〜
３８のいずれか一項に記載の投影露光方法。
【請求項４０】前記照明光の波長をλ、前記パターン
のピッチをＰとして、前記各領域から射出される光束の
前記マスクへの入射角ψがｓｉｎψ＝λ／２Ｐなる関係
を満たすように、前記各領域の位置を決定することを特
徴とする請求項３０〜３９のいずれか一項に記載の投影
露光方法。
【請求項４１】前記各領域から射出される光束の前記
マスクへの入射角をψ、前記照明光の波長をλ、前記投
影光学系の前記マスク側開口数をＮＡ_Rとして、前記基
板上に転写可能なパターンの最小ピッチがλ／(ＮＡ_R＋
ｓｉｎψ)であることを特徴とする請求項３０〜４０の
いずれか一項に記載の投影露光方法。
【請求項４２】前記照明光の波長をλ、前記投影光学
系の前記マスク側の開口数をＮＡ_Rとして、前記パター
ンはピッチがλ／ＮＡ_Rよりも小さい周期構造を有する
ことを特徴とする請求項３０〜４１のいずれか一項に記
載の投影露光方法。
【請求項４３】前記パターンが第１及び第２方向にそ
れぞれ延びるとき、前記各領域から射出される光束の照
射によって前記パターンから発生する０次回折光、前記
０次回折光を中心として前記第１方向に分布する高次回
折光の１つ、及び前記０次回折光を中心として前記第２
方向に分布する高次回折光の１つが、前記投影光学系の
瞳面上で光軸からほぼ等距離に分布するように、前記各
領域の位置を決定することを特徴とする請求項３０〜４
２のいずれか一項に記載の投影露光方法。
【請求項４４】前記複数の領域は、前記所定面上で前
記照明光学系の光軸に対してほぼ対称に配置されること
を特徴とする請求項３０〜４３のいずれか一項に記載の
投影露光方法。
【請求項４５】前記各領域から射出される光束の開口
数と前記投影光学系のマスク側開口数との比を０．１〜
０．３程度に設定することを特徴とする請求項３０〜４
４のいずれか一項に記載の投影露光方法。