JP2003178952A

JP2003178952A - 照明光学装置、露光装置および露光方法

Info

Publication number: JP2003178952A
Application number: JP2001378063A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Toyoda; 光紀豊田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2001-12-12
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2003-06-27

Abstract

(57)【要約】【課題】照明光路における光吸収による光量損失を良
好に抑えつつ、輪帯照明や４極照明のような変形照明を
行うことのできる照明光学装置。【解決手段】光源手段（１）からの光束を光軸（Ａ
Ｘ）に対して所定の発散角を有する光束に変換する角度
光束形成手段（２）と、第２の所定面上に所定の照野を
形成するための回折光学素子を含む照野形成手段（３）
と、所定の照野とほぼ同じ光強度分布を有する二次光源
を形成するためのオプティカルインテグレータ（５）
と、照野形成手段とオプティカルインテグレータとの間
に配置された変倍光学系（４）とを備えている。角度光
束形成手段は、所定の発散角を可変にするように構成さ
れている。複数の単位素子と回折光学素子とは隣接して
配置されている。

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、露
光装置および露光方法に関し、特に半導体素子、撮像素
子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等のマイクロデバイ
スを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】この種の典型的な露光装置においては、
光源から射出された光束がフライアイレンズに入射し、
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、フライアイレンズの後側
焦点面の近傍に配置された開口絞りを介して制限された
後、コンデンサーレンズに入射する。開口絞りは、所望
の照明条件（露光条件）に応じて、二次光源の形状また
は大きさを所望の形状または大きさに制限する。

【０００３】コンデンサーレンズにより集光された光束
は、所定のパターンが形成されたマスクを重畳的に照明
する。マスクのパターンを透過した光は、投影光学系を
介してウェハ上に結像する。こうして、ウェハ上には、
マスクパターンが投影露光（転写）される。なお、マス
クに形成されたパターンは高集積化されており、この微
細パターンをウェハ上に正確に転写するにはウェハ上に
おいて均一な照度分布を得ることが不可欠である。

【０００４】近年においては、フライアイレンズの射出
側に配置された開口絞りの開口部（光透過部）の大きさ
を変化させることにより、フライアイレンズにより形成
される二次光源の大きさを変化させて、照明のコヒーレ
ンシィσ（σ値＝開口絞り径／投影光学系の瞳径、ある
いはσ値＝照明光学系の射出側開口数／投影光学系の入
射側開口数）を変化させる技術が注目されている。ま
た、フライアイレンズの射出側に配置された開口絞りの
開口部の形状を輪帯状や四つ穴状（すなわち４極状）に
設定することにより、フライアイレンズにより形成され
る二次光源の形状を輪帯状や４極状に制限して、投影光
学系の焦点深度や解像力を向上させる技術が注目されて
いる。

【０００５】一方、半導体素子等の集積度が向上するに
つれて、露光装置の投影光学系に要求される解像力（解
像度）が益々高まっており、投影光学系の解像力に対す
る要求を満足するために、照明光（露光光）の波長を短
くする必要がある。しかしながら、照明光の波長が短く
なると、光透過部材による光の吸収が顕著になる。ま
た、照明光の波長が短くなると、空気（酸素）による光
の吸収が起こるので、照明光路をパージして光吸収率の
低い気体で置換するか、あるいはほぼ真空状態に保持す
る必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、二次光源の
形状を輪帯状や４極状に制限して変形照明（輪帯照明や
４極照明）を行うために、フライアイレンズにより形成
された比較的大きな二次光源からの光束を輪帯状や４極
状の開口部を有する開口絞りによって単に制限すると、
二次光源からの光束の相当部分が開口絞りで遮蔽され、
照明（露光）に寄与することがない。その結果、開口絞
りにおける光量損失により、マスクおよびウェハ上での
照度が低下し、露光装置としてのスループットも低下す
る。

【０００７】そこで、開口絞りにおける光量損失を低減
するために、回折光学素子などを含む比較的複雑な構成
を有する光学系を介して輪帯状や４極状に変換した光束
をフライアイレンズに入射させ、その射出側に輪帯状ま
たは４極状の二次光源を形成する構成が提案されてい
る。しかしながら、比較的複雑な構成を有する照明光学
装置では、光透過部材の点数が多くなり且つ照明光路が
長くなるので、パージすべき空間が大きくなるだけでな
く、照明光路における光吸収による光量損失が発生し易
い。

【０００８】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、部材点数が少なく且つ照明光路の短い簡素な
構成にしたがってコンパクト化を達成することにより、
照明光路における光吸収による光量損失を良好に抑えつ
つ、輪帯照明や４極照明のような変形照明を行うことの
できる照明光学装置を提供することを目的とする。

【０００９】また、本発明は、簡素な構成にしたがって
光量損失を良好に抑えつつ輪帯照明や４極照明のような
変形照明を行うことのできる照明光学装置を用いて、マ
スクに最適な照明条件のもとで、感光性基板上にマスク
パターンを忠実に転写することのできる露光装置および
露光方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【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、被照射面を照明する照明光
学装置において、光束を供給する光源手段と、二次元状
に配列された複数の単位素子を有する光学部材を備え、
前記光源手段からの光束を光軸に対して所定の発散角を
有する光束に変換して第１の所定面へ入射させる角度光
束形成手段と、前記第１の所定面に入射した前記所定の
発散角を有する光束に基づいて、第２の所定面上に所定
の照野を形成するための回折光学素子を含む照野形成手
段と、前記第２の所定面上に形成された前記所定の照野
からの光束に基づいて、前記所定の照野とほぼ同じ光強
度分布を有する二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、前記照野形成手段と前記オプティカ
ルインテグレータとの間の光路中に配置された変倍光学
系とを備え、前記角度光束形成手段は、前記所定の発散
角を可変にし、前記第２の所定面上の前記所定の照野
は、前記光軸を中心とする４つの照野、前記光軸を中心
とする２つの照野、および輪帯状の照野のうちの少なく
とも１つを含み、前記複数の単位素子と前記回折光学素
子とは隣接して配置されることを特徴とする照明光学装
置を提供する。

【００１１】第１発明の好ましい態様によれば、前記角
度光束形成手段による前記所定の発散角は連続的に可変
である。この場合、前記角度光束形成手段の前記光学部
材は、マイクロレンズアレイまたはフライアイレンズを
有することが好ましい。また、この場合、前記角度光束
形成手段の前記光学部材は、間隔可変の複数のマイクロ
レンズアレイまたはフライアイレンズを有することが好
ましい。

【００１２】あるいは、第１発明の好ましい態様によれ
ば、前記角度光束形成手段による前記所定の発散角は離
散的に可変である。この場合、前記角度光束形成手段
は、発散角が互いに異なり且つ交換可能な複数の光学部
材を備えていることが好ましい。また、この場合、前記
角度光束形成手段の前記複数の光学部材の各々は、マイ
クロレンズアレイ、フライアイレンズまたは回折光学素
子を有することが好ましい。

【００１３】また、第１発明の好ましい態様によれば、
前記照野形成手段の前記回折光学素子は、通常円形照明
に際して照明光路外に退避する。また、前記照野形成手
段の前記回折光学素子は、前記光軸にほぼ平行な第１軸
線を中心として回転可能に構成された第１回折光学部材
と、前記光軸にほぼ平行な第２軸線を中心として回転可
能に構成され且つ前記光軸との直交面に沿って前記第１
回折光学部材と隣り合うように配置された第２回折光学
部材とを備えていることが好ましい。この場合、前記直
交面において、前記第１軸線と前記第２軸線とは前記光
軸に関してほぼ対称な位置関係を有することが好まし
い。

【００１４】さらに、第１発明の好ましい態様によれ
ば、前記光軸にほぼ平行な第３軸線を中心として回転可
能に構成され且つ前記直交面に沿って前記第１回折光学
部材または前記第２回折光学部材と隣り合うように配置
された第３回折光学部材と、前記光軸にほぼ平行な第４
軸線を中心として回転可能に構成され且つ前記直交面に
沿って前記第３回折光学部材と隣り合い且つ前記第２回
折光学部材または前記第１回折光学部材と隣り合うよう
に配置された第４回折光学部材とをさらに備えている。
この場合、前記直交面において前記第１軸線と前記第２
軸線と前記第３軸線と前記第４軸線とを結ぶ四角形は前
記光軸を中心としたほぼ正方形を形成することが好まし
い。

【００１５】また、第１発明の好ましい態様によれば、
前記照野形成手段の前記回折光学素子は、前記光軸にほ
ぼ平行な所定の軸線を中心として回転可能に構成された
第１回折光学部材と、前記所定の軸線を中心として回転
可能に構成された第２回折光学部材とを備え、前記第１
回折光学部材および前記第２回折光学部材には、複数の
同心円によって規定された円形状および円環状の領域の
少なくとも一部が互いにほぼ同じように形成され、前記
第１回折光学部材では、前記円形状または円環状の領域
のうち、中心から奇数番目の領域に回折作用面が形成さ
れ、前記第２回折光学部材では、前記円形状または円環
状の領域のうち、中心から偶数番目の領域に回折作用面
が形成されている。この場合、前記円形状の領域の半径
の寸法と前記円環状の各領域の半径方向の寸法とは互い
にほぼ等しいことが好ましい。また、前記第１回折光学
部材と前記第２回折光学部材とは前記所定の軸線に沿っ
て互いに隣り合うように配置されていることが好まし
い。また、前記所定の軸線は、前記照明光学系の光軸と
共軸であることが好ましい。

【００１６】また、前記第１回折光学部材および前記第
２回折光学部材には、複数の同心円によって規定された
円形状または円環状の領域の全部がほぼ同じように形成
されることが好ましい。あるいは、前記第１回折光学部
材および前記第２回折光学部材には、複数の同心円によ
って規定された円形状または円環状の領域の一部が形成
され、前記第１回折光学部材および前記第２回折光学部
材のうちの少なくとも一方における前記円形状または円
環状の領域とは異なる箇所には、前記入射光束を所定の
光束に変換するための回折面または屈折面が形成されて
いることが好ましい。

【００１７】さらに、第１発明の好ましい態様によれ
ば、前記変倍光学系は所定の焦点距離を有し、その物体
面近傍に前記角度光束形成手段の前記光学部材が配置さ
れ、その射出瞳面に前記第２の所定面が位置する。ま
た、前記オプティカルインテグレータは、マイクロレン
ズアレイまたはフライアイレンズを有することが好まし
い。あるいは、前記オプティカルインテグレータは、内
面反射型のロッドインテグレータと、前記第２の所定面
からの光を前記ロッドインテグレータの入射端近傍に集
光させる集光光学系とを有することが好ましい。

【００１８】また、第１発明の好ましい態様によれば、
前記オプティカルインテグレータによる前記二次光源が
形成される二次光源形成面と、該二次光源形成面と光学
的に共役な面のうち前記二次光源形成面よりも前記光源
手段側で隣り合う前記共役な面との間の光路中に前記照
野形成手段が配置されている。

【００１９】本発明の第２発明では、第１発明の照明光
学装置と、前記被照射面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
ていることを特徴とする露光装置を提供する。

【００２０】本発明の第３発明では、第１発明の照明光
学装置を介してマスクを照明し、照明された前記マスク
に形成されたパターンの像を感光性基板上に投影露光す
ることを特徴とする露光方法を提供する。

【００２１】本発明の第４発明では、被照射面を照明す
る照明光学装置において、光束を供給する光源と、二次
元状に配列された複数の単位素子を有する光学部材を備
え、前記光源手段からの光束を光軸に対して所定の発散
角を有する光束に変換して第１の所定面へ入射させる角
度光束形成手段と、前記第１の所定面に入射した前記所
定の発散角を有する光束に基づいて、第２の所定面上に
所定の照野を形成するための屈折光学素子を含む照野形
成手段と、前記第２の所定面上に形成された前記所定の
照野からの光束に基づいて、前記所定の照野とほぼ同じ
光強度分布を有する二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、前記照野形成手段と前記オプテ
ィカルインテグレータとの間の光路中に配置された変倍
光学系とを備え、前記角度形成手段は、前記所定の発散
角を連続的に可変にし、前記第２の所定面上の前記所定
の照野は、前記光軸を中心とする４つの照野、前記光軸
を中心とする２つの照野、および輪帯状の照野のうちの
少なくとも１つを含み、前記複数の単位素子と前記屈折
光学素子とは隣接して配置されることを特徴とする照明
光学装置を提供する。

【００２２】第４発明の好ましい態様では、前記照野形
成手段の前記屈折光学素子は、二次元状に配列された複
数の屈折面を有する。また、第４発明の好ましい態様で
は、前記角度光束形成手段の前記光学部材は、間隔可変
のマイクロレンズアレイまたはフライアイレンズを有す
る。

【００２３】本発明の第５発明では、被照射面を照明す
る照明光学装置において、光束を供給する光源と、二次
元状に配列された複数の単位素子を有する光学部材を備
え、前記光源手段からの光束を光軸に対して所定の発散
角を有する光束に変換して第１の所定面へ入射させる角
度光束形成手段と、前記第１の所定面に入射した前記所
定の発散角を有する光束に基づいて、第２の所定面上に
所定の照野を形成するための屈折光学素子を含む照野形
成手段と、前記第２の所定面上に形成された前記所定の
照野からの光束に基づいて、前記所定の照野とほぼ同じ
光強度分布を有する二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、前記照野形成手段と前記オプテ
ィカルインテグレータとの間の光路中に配置された変倍
光学系とを備え、前記角度形成手段は、前記所定の発散
角を可変にし、前記第２の所定面上の前記所定の照野
は、前記光軸を中心とする４つの照野、前記光軸を中心
とする２つの照野、および輪帯状の照野のうちの少なく
とも１つを含み、前記照野形成手段の前記屈折光学素子
は、前記光軸にほぼ平行な第１軸線を中心として回転可
能に構成された第１屈折光学部材と、前記光軸にほぼ平
行な第２軸線を中心として回転可能に構成され且つ前記
光軸との直交面に沿って前記第１屈折光学部材と隣り合
うように配置された第２屈折光学部材とを備え、前記複
数の単位素子と前記屈折光学素子とは隣接して配置され
ることを特徴とする照明光学装置を提供する。

【００２４】この場合、前記直交面において、前記第１
軸線と前記第２軸線とは前記光軸に関してほぼ対称な位
置関係を有することが好ましい。さらに、第５発明の好
ましい態様によれば、前記光軸にほぼ平行な第３軸線を
中心として回転可能に構成され且つ前記直交面に沿って
前記第１屈折光学部材または前記第２屈折光学部材と隣
り合うように配置された第３屈折光学部材と、前記光軸
にほぼ平行な第４軸線を中心として回転可能に構成され
且つ前記直交面に沿って前記第３屈折光学部材と隣り合
い且つ前記第２屈折光学部材または前記第１屈折光学部
材と隣り合うように配置された第４屈折光学部材とをさ
らに備えている。この場合、前記直交面において前記第
１軸線と前記第２軸線と前記第３軸線と前記第４軸線と
を結ぶ四角形は前記光軸を中心としたほぼ正方形を形成
することが好ましい。

【００２５】本発明の第６発明では、被照射面を照明す
る照明光学装置において、光束を供給する光源と、二次
元状に配列された複数の単位素子を有する光学部材を備
え、前記光源手段からの光束を光軸に対して所定の発散
角を有する光束に変換して第１の所定面へ入射させる角
度光束形成手段と、前記第１の所定面に入射した前記所
定の発散角を有する光束に基づいて、第２の所定面上に
所定の照野を形成するための屈折光学素子を含む照野形
成手段と、前記第２の所定面上に形成された前記所定の
照野からの光束に基づいて、前記所定の照野とほぼ同じ
光強度分布を有する二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、前記照野形成手段と前記オプテ
ィカルインテグレータとの間の光路中に配置された変倍
光学系とを備え、前記角度形成手段は、前記所定の発散
角を可変にし、前記第２の所定面上の前記所定の照野
は、前記光軸を中心とする４つの照野、前記光軸を中心
とする２つの照野、および輪帯状の照野のうちの少なく
とも１つを含み、前記照野形成手段の前記屈折光学素子
は、前記光軸にほぼ平行な所定の軸線を中心として回転
可能に構成された第１屈折光学部材と、前記所定の軸線
を中心として回転可能に構成された第２屈折光学部材と
を備え、前記第１屈折光学部材および前記第２屈折光学
部材には、複数の同心円によって規定された円形状およ
び円環状の領域の少なくとも一部が互いにほぼ同じよう
に形成され、前記第１屈折光学部材では、前記円形状ま
たは円環状の領域のうち、中心から奇数番目の領域に屈
折作用面が形成され、前記第２屈折光学部材では、前記
円形状または円環状の領域のうち、中心から偶数番目の
領域に屈折作用面が形成され、前記複数の単位素子と前
記屈折光学素子とは隣接して配置されることを特徴とす
る照明光学装置を提供する。

【００２６】この場合、前記円形状の領域の半径の寸法
と前記円環状の各領域の半径方向の寸法とは互いにほぼ
等しいことが好ましい。また、前記第１屈折光学部材と
前記第２屈折光学部材とは前記所定の軸線に沿って互い
に隣り合うように配置されていることが好ましい。ま
た、前記所定の軸線は、前記照明光学系の光軸と共軸で
あることが好ましい。

【００２７】また、第６発明の好ましい態様では、前記
第１屈折光学部材および前記第２屈折光学部材には、複
数の同心円によって規定された円形状または円環状の領
域の全部がほぼ同じように形成されている。また、第６
発明の好ましい態様では、前記第１屈折光学部材および
前記第２屈折光学部材には、複数の同心円によって規定
された円形状または円環状の領域の一部が形成され、前
記第１屈折光学部材および前記第２屈折光学部材のうち
の少なくとも一方における前記円形状または前記円環状
の領域と異なる箇所には、前記入射光束を所定の光束に
変換するための回折面または屈折面が形成されている。

【００２８】

【発明の実施の形態】本発明では、二次元状に配列され
た複数の単位素子を有する光学部材を備えた角度光束形
成手段により、光源手段からの光束を光軸に対して所定
の発散角を有する光束に変換して第１の所定面へ入射さ
せる。そして、回折光学素子を含む照野形成手段と変倍
光学系とにより、第１の所定面に入射した所定の発散角
を有する光束に基づいて、第２の所定面上に所定の照野
を形成する。さらに、オプティカルインテグレータによ
り、第２の所定面上に形成された所定の照野からの光束
に基づいて、所定の照野とほぼ同じ光強度分布を有する
二次光源を形成する。なお、本発明では、角度光束形成
手段が所定の発散角を可変にするように構成され、複数
の単位素子と回折光学素子とは隣接して配置される。

【００２９】したがって、本発明の典型的な形態によれ
ば、照野形成手段において、たとえば輪帯照明用の回折
光学素子や４極照明用の回折光学素子などを照明光路中
に位置決めする。また、オプティカルインテグレータに
より所望の大きさ（外径）および形状（輪帯比）を有す
る輪帯状や４極状の二次光源を得るために、角度光束形
成手段による発散角を設定し、変倍光学系の焦点距離を
設定する。こうして、光源手段からの光束に基づいて、
実質的に光量損失することなく、輪帯状や４極状の二次
光源を形成することができる。

【００３０】さらに、必要に応じて、角度光束形成手段
による発散角を変化させたり、変倍光学系の焦点距離を
変化させたりすることにより、オプティカルインテグレ
ータにより形成される輪帯状や４極状の二次光源の大き
さおよび輪帯比を適宜変更することができる。こうし
て、輪帯状や４極状の二次光源の形成およびその制限に
おいてほとんど光量損失することなく、輪帯状や４極状
の二次光源の大きさおよび輪帯比を適宜変化させて多様
な変形照明を行うことができる。

【００３１】特に、本発明では、角度光束形成手段が、
たとえば間隔の可変なマイクロレンズアレイ群で構成さ
れ、このマイクロレンズアレイ群と照野形成手段（回折
光学素子）との間には光学系が全く介在しない。したが
って、角度光束形成手段および照野形成手段において、
光透過部材の点数の低減および照明光路の短縮化を図る
ことができる。その結果、照明光学装置全体としても、
光透過部材の点数が少なくなり且つ照明光路が短くなる
ので、パージすべき空間が小さくなるだけでなく、照明
光路における光吸収による光量損失を良好に回避するこ
とができる。

【００３２】こうして、本発明の照明光学装置では、部
材点数が少なく且つ照明光路の短い簡素な構成にしたが
ってコンパクト化を達成することにより、照明光路にお
ける光吸収による光量損失を良好に抑えつつ、輪帯照明
や４極照明のような多様な変形照明を行うことができ
る。

【００３３】また、本発明の照明光学装置が組み込まれ
た露光装置および本発明の照明光学装置を用いた露光方
法では、照明光路における光吸収による光量損失を良好
に抑えつつ、輪帯照明や４極照明のような多様な変形照
明を行うことのできる照明光学装置を用いて、マスクに
最適な照明条件のもとで、感光性基板上にマスクパター
ンを忠実に転写することができる。さらに、感光性基板
上にマスクパターンを忠実に転写することのできる本発
明の露光装置および露光方法を用いて、良好なマイクロ
デバイスを製造することができる。

【００３４】本発明の実施形態を、添付図面に基づいて
説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる照明光学
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１を参照すると、本実施形態の露光装置は、露光光
（照明光）を供給するための光源部１を備えている。光
源部１は、たとえば１９３ｎｍの波長の光を供給するＡ
ｒＦエキシマレーザー光源と、必要に応じて、光源から
射出された平行光束を所定の矩形状の断面を有する光束
に整形するためのビームエキスパンダーとから構成され
ている。

【００３５】なお、光源として、２４８ｎｍの波長の光
を供給するＫｒＦエキシマレーザー光源や１５７ｎｍの
波長の光を供給するＦ₂レーザー光源などを用いること
もできる。また、光源として、ｇ線（４３６ｎｍ）やｉ
線（３６５ｎｍ）の光を供給する水銀ランプなどを用い
ることもできる。水銀ランプを用いる場合、光源部１
は、水銀ランプと楕円鏡とコリメータレンズとを有する
構成となる。光源部１から光軸ＡＸに沿って供給された
平行光束は、角度光束形成部２に入射する。

【００３６】図２は、本実施形態における角度光束形成
部の内部構成を概略的に示す図である。図２を参照する
と、角度光束形成部２は、正屈折力の微小レンズ（また
はレンズエレメント）からなる第１マイクロレンズアレ
イ（または第１フライアイレンズ）２０ａと正屈折力の
微小レンズからなる第２マイクロレンズアレイ（または
第２フライアイレンズ）２０ｂとで構成されたマイクロ
レンズアレイ群（またはフライアイレンズ群）２０を有
する。マイクロレンズアレイ２０ａおよび２０ｂを構成
する各微小レンズはともに正六角形状（または正方形
状）の断面を有し、そのサイズは同じである。

【００３７】マイクロレンズアレイは、縦横に且つ稠密
に配列された多数の正屈折力を有する微小レンズからな
る光学素子である。一般に、マイクロレンズアレイは、
たとえば平行平面ガラス板にエッチング処理を施して微
小レンズ群を形成することによって構成される。マイク
ロレンズアレイを構成する各微小レンズは、フライアイ
レンズを構成する各レンズエレメントよりも微小であ
る。また、マイクロレンズアレイは、互いに隔絶された
レンズエレメントからなるフライアイレンズとは異な
り、多数の微小レンズが互いに隔絶されることなく一体
的に形成されている。しかしながら、正屈折力を有する
レンズ要素が縦横に配置されている点でマイクロレンズ
アレイはフライアイレンズと同じである。なお、図２で
は、図面の明瞭化のために、マイクロレンズアレイを構
成する微小レンズの数を実際よりも非常に少なく表して
いる。

【００３８】また、マイクロレンズアレイ２０ａおよび
２０ｂは、マイクロレンズアレイ群２０の後側焦点面２
０ｃが実質的に変動しないように、光軸ＡＸに沿ってそ
れぞれ移動可能に構成されている。換言すれば、第１マ
イクロレンズアレイ２０ａと第２マイクロレンズアレイ
２０ｂとの間隔は連続的に可変であり、マイクロレンズ
アレイ群２０は焦点距離が連続的に可変の波面分割型オ
プティカルインテグレータを構成している。マイクロレ
ンズアレイ群２０の焦点距離の変化は、制御系９１から
の指令に基づいて動作する第１駆動系９２により行われ
る。また、変倍光学系（ズームレンズ）４の焦点距離と
比べて間隔の変化による焦点面２０ｃの変動が小さく許
容できる場合には、第１マイクロレンズアレイ２０ａお
よび第２マイクロレンズアレイのうちの何れか一方のみ
を移動させて、マイクロレンズアレイ群２０の焦点距離
を可変にしても良い。

【００３９】マイクロレンズアレイ群２０に入射した矩
形状の平行光束は多数の微小レンズによって二次元的に
波面分割され、その後側焦点面２０ｃに矩形状の実質的
な面光源（多数の光源からなる全体的に矩形状の面光
源）が形成される。第１マイクロレンズアレイ２０ａと
第２マイクロレンズアレイ２０ｂとの間隔を変化させ
て、マイクロレンズアレイ群２０の焦点距離を変化させ
ることにより、マイクロレンズアレイ群２０から射出さ
れる光束の発散角を連続的に変化させることができる。

【００４０】マイクロレンズアレイ群２０の後側焦点面
２０ｃの位置またはその近傍には、照野形成部（厳密に
は照野形成部３の入射面）３が配置されている。このよ
うに、マイクロレンズアレイ群２０は、二次元状に配列
された複数の単位素子を有する光学部材であって、光源
部１からの光束を光軸ＡＸに対して所定の発散角を有す
る光束に変換して、照野形成部３の入射面（第１の所定
面）へ入射させる角度光束形成手段を構成している。

【００４１】照野形成部３は、照明光路に対して交換可
能に設けられた複数の回折光学素子（ＤＯＥ）を有す
る。この種の回折光学素子として、たとえば特開２００
１−８５２９３号公報に開示された輪帯照明用の回折光
学素子や４極照明用の回折光学素子、特願２０００−２
０７６４２号明細書および図面で提案された２極照明用
の回折光学素子などを用いることができる。輪帯照明用
の回折光学素子は、入射した平行光束を回折してファー
フィールドにリング状（幅の無い円環状）の光束を形成
する機能を有する。また、４極照明用の回折光学素子や
２極照明用の回折光学素子は、入射した平行光束を回折
してファーフィールドに４点状や２点状の光束を形成す
る機能を有する。

【００４２】なお、特開２００１−１７６７６６号明細
書および図面に開示されているように、入射した平行光
束に基づいて幅の有る円環状（輪帯状）の光束をファー
フィールドに形成する輪帯照明用の回折光学素子や、入
射した平行光束に基づいて各極が所定の大きさを有する
４極状（または２極状）の光束をファーフィールドに形
成する４極照明用（または２極照明用）の回折光学素子
を組み合わせて用いることもできる。また、互いに異な
る形状のリング状または円環状の光束をファーフィール
ドに形成する複数の輪帯照明用の回折光学素子や、互い
に異なる形状の４点状（または２点状）または４極状
（または２極状）の光束をファーフィールドに形成する
４極照明用（または２極照明用）回折光学素子を組み合
わせて用いることもできる。

【００４３】これら複数の回折光学素子は、たとえば光
軸ＡＸと平行な軸線を中心として回転可能なターレット
に円周状に設けられている。また、このターレットに
は、通常の円形照明のために、１つの単なる開口部（光
透過部）が設けられている。なお、互いに異なる形状の
リング状または円環状の光束や互いに異なる形状の４点
状（または２点状）または４極状（または２極状）の光
束をファーフィールドに形成する複数の回折光学素子を
組み合わせて用いることにより、角度光束形成部２にお
ける発散角度の可変範囲を狭めることができる。

【００４４】このように、各回折光学素子は、その入射
面（第１の所定面）に入射した所定の発散角を有する光
束に基づいて、ファーフィールド（第２の所定面）上に
所定の照野を形成するための照野形成手段を構成してい
る。なお、照野形成部３において照明光路に対する複数
の回折光学素子の交換は、制御系９１からの指令に基づ
いて動作する第２駆動系９３により行われる。

【００４５】再び図１を参照すると、照野形成部３の回
折光学素子を介した光束は、変倍光学系（ズームレン
ズ）４を介して、オプティカルインテグレータとしての
マイクロレンズアレイ（またはフライアイレンズ）５を
照明する。なお、変倍光学系４は、所定の範囲で焦点距
離を連続的に変化させることのできるσ値可変用のズー
ムレンズであって、照野形成部３の回折光学素子とマイ
クロレンズアレイ４の入射面とを実質的にフーリエ変換
の関係に結んでいる。換言すれば、変倍光学系４の物体
面の近傍に照野形成部３の回折光学素子が（ひいてはマ
イクロレンズアレイ群２０が）配置され、その射出瞳面
に照野形成部３の回折光学素子のファーフィールド（第
２の所定面）が位置することになる。

【００４６】図３は、本実施形態における変倍光学系の
内部構成を概略的に示す図である。図３を参照すると、
変倍光学系４は、光源側（図中左側）から順に、正屈折
力の第１レンズ群Ｇ１と、負屈折力の第２レンズ群Ｇ２
と、正屈折力の第３レンズ群Ｇ３と、正屈折力の第４レ
ンズ群Ｇ４とから構成されている。ここで、第１レンズ
群Ｇ１は光軸ＡＸに沿って固定であるが、第２レンズ群
Ｇ２〜第４レンズ群Ｇ４は変倍光学系４の後側焦点面４
ａが実質的に変動しないように光軸ＡＸに沿ってそれぞ
れ移動する。

【００４７】したがって、照野形成部３の回折光学素子
を介した光束は、変倍光学系４の後側焦点面（ひいては
マイクロレンズアレイ（またはフライアイレンズ）５の
入射面）に、所定の光強度分布を有する照野を形成す
る。具体的には、照野形成部３において輪帯照明用の回
折光学素子が照明光路に設定された場合、正六角形（ま
たは正方形）とリング状または円環状とのコンボリュー
ションに基づく光強度分布、すなわち光軸ＡＸを中心と
した輪帯状の照野が形成される。

【００４８】また、照野形成部３において４極照明用の
回折光学素子が照明光路に設定された場合、正六角形
（または正方形）と４点状または４極状とのコンボリュ
ーションに基づく光強度分布、すなわち光軸ＡＸを中心
とした４つの正六角形状（または正方形状）の照野から
なる４極状の照野が形成される。また、照野形成部３に
おいて２極照明用の回折光学素子が照明光路に設定され
た場合、正六角形（または正方形）と２点状または２極
状とのコンボリューションに基づく光強度分布、すなわ
ち光軸ＡＸを中心とした２つの正六角形状（または正方
形状）の照野からなる２極状の照野が形成される。

【００４９】また、照野形成部３において円形照明用の
開口部が照明光路に設定された場合、光軸ＡＸを中心と
した１つの正六角形状（または正方形状）の照野が形成
される。この輪帯状、４極状、２極状または円形状の照
野の全体的な大きさは、変倍光学系４の焦点距離に依存
して連続的に変化する。変倍光学系４の焦点距離の変化
は、すなわち変倍光学系４における第２レンズ群Ｇ２〜
第４レンズ群Ｇ４の光軸ＡＸに沿った移動は、制御系９
１からの指令に基づいて動作する第３駆動系９４により
行われる。

【００５０】マイクロレンズアレイ５は、縦横に且つ稠
密に配列された多数の正屈折力を有する微小レンズから
なる光学素子である。マイクロレンズアレイ５を構成す
る各微小レンズは、マスクＭ上において形成すべき照野
の形状（ひいてはウェハＷ上において形成すべき露光領
域の形状）と相似な矩形状の断面を有する。図１では、
図面の明瞭化のために、マイクロレンズアレイ５を構成
する微小レンズの数を実際よりも非常に少なく表してい
る。

【００５１】したがって、マイクロレンズアレイ５に入
射した光束は多数の微小レンズにより二次元的に分割さ
れ、各微小レンズの後側焦点面には多数の光源がそれぞ
れ形成される。こうして、マイクロレンズアレイ５の後
側焦点面には、マイクロレンズアレイ５への入射光束に
よって形成される照野とほぼ同じ光強度分布を有する二
次光源が形成される。具体的には、照野形成部３におい
て輪帯照明用の回折光学素子が照明光路に設定された場
合、光軸ＡＸを中心とした輪帯状の二次光源が形成され
る。

【００５２】また、照野形成部３において４極照明用の
回折光学素子が照明光路に設定された場合、光軸ＡＸを
中心とした４つの正六角形状（または正方形状）の実質
的な面光源からなる４極状の二次光源が形成される。ま
た、照野形成部３において２極照明用の回折光学素子が
照明光路に設定された場合、光軸ＡＸを中心とした２つ
の正六角形状（または正方形状）の実質的な面光源から
なる２極状の二次光源が形成される。また、照野形成部
３において円形照明用の開口部が照明光路に設定された
場合、光軸ＡＸを中心とした１つの正六角形状（または
正方形状）の二次光源が形成される

【００５３】このように、マイクロレンズアレイ５は、
その入射面（第２の所定面）上に形成された照野からの
光束に基づいて、照野とほぼ同じ光強度分布を有する二
次光源を形成するためのオプティカルインテグレータを
構成している。マイクロレンズアレイ５の後側焦点面に
形成された二次光源からの光束は、必要に応じて所定形
状の光透過部を有する開口絞り（不図示）を介して制限
された後、コンデンサー光学系６の集光作用を受けた
後、照明視野絞りとしてのマスクブラインド７を重畳的
に照明する。マスクブラインド７の矩形状の開口部（光
透過部）を介した光束は、結像光学系８の集光作用を受
けた後、マスクＭを重畳的に照明する。

【００５４】マスクＭは、二次元的に移動可能なマスク
ステージＭＳ上に支持されている。マスクＭのパターン
を透過した光束は、投影光学系ＰＬを介して、感光性基
板であるウェハＷ上にマスクパターンの像を形成する。
ウェハＷは、二次元的に移動可能なウェハステージＷＳ
上に支持されている。こうして、投影光学系ＰＬの光軸
ＡＸと直交する平面（ＸＹ平面）内においてウェハＷを
二次元的に駆動制御しながら一括露光またはスキャン露
光を行うことにより、ウェハＷの各露光領域にはマスク
Ｍのパターンが逐次露光される。

【００５５】なお、一括露光では、いわゆるステップ・
アンド・リピート方式にしたがって、ウェハの各露光領
域に対してマスクパターンを一括的に露光する。この場
合、マスクＭ上での照明領域の形状は正方形に近い矩形
状であり、マイクロレンズアレイ５の各微小レンズの断
面形状も正方形に近い矩形状となる。一方、スキャン露
光では、いわゆるステップ・アンド・スキャン方式にし
たがって、マスクおよびウェハを投影光学系に対して相
対移動させながらウェハの各露光領域に対してマスクパ
ターンをスキャン露光する。この場合、マスクＭ上での
照明領域の形状は短辺と長辺との比がたとえば１：３の
矩形状であり、マイクロレンズアレイ５の各微小レンズ
の断面形状もこれと相似な矩形状となる。

【００５６】以下、本実施形態における照明の切り換え
動作などについて具体的に説明する。まず、ステップ・
アンド・リピート方式またはステップ・アンド・スキャ
ン方式にしたがって順次露光すべき各種のマスクに関す
る情報などが、キーボードなどの入力部９０を介して制
御系９１に入力される。制御系９１は、各種のマスクに
関する最適な線幅（解像度）、焦点深度等の情報を内部
のメモリー部に記憶しており、入力部９０からの入力に
応答して第１駆動系９２〜第３駆動系９４に適当な制御
信号を供給する。

【００５７】すなわち、最適な解像度および焦点深度の
もとで輪帯照明する場合、第２駆動系９３は、制御系９
１からの指令に基づいてターレットを回転させ、照野形
成部３において輪帯照明用の回折光学素子を照明光路中
に位置決めする。そして、マイクロレンズアレイ５の後
側焦点面において所望の大きさ（外径）および形状（輪
帯比）を有する輪帯状の二次光源を得るために、第１駆
動系９２は制御系９１からの指令に基づいて角度光束形
成部２においてマイクロレンズアレイ群２０の焦点距離
を設定し、第３駆動系９４は制御系９１からの指令に基
づいて変倍光学系４の焦点距離を設定する。こうして、
光源部１からの光束に基づいて、実質的に光量損失する
ことなく、輪帯状の二次光源を形成することができる。

【００５８】さらに、必要に応じて、第１駆動系９２に
よりマイクロレンズアレイ群２０の焦点距離を変化させ
たり、第３駆動系９４により変倍光学系４の焦点距離を
変化させたり、第２駆動系９３により形状の異なる別の
輪帯照明用の回折光学素子に交換したりすることによ
り、マイクロレンズアレイ５の後側焦点面に形成される
輪帯状の二次光源の大きさおよび輪帯比を適宜変更する
ことができる。こうして、輪帯状の二次光源の形成およ
びその制限においてほとんど光量損失することなく、輪
帯状の二次光源の大きさおよび輪帯比を適宜変化させて
多様な輪帯照明を行うことができる。

【００５９】また、最適な解像度および焦点深度のもと
で４極照明（または２極照明）する場合、第２駆動系９
３は、制御系９１からの指令に基づいてターレットを回
転させ、照野形成部３において４極照明用（または２極
照明用）の回折光学素子を照明光路中に位置決めする。
そして、マイクロレンズアレイ５の後側焦点面において
所望の大きさ（外径）および形状（輪帯比）を有する４
極状（または２極状）の二次光源を得るために、第１駆
動系９２は制御系９１からの指令に基づいて角度光束形
成部２においてマイクロレンズアレイ群２０の焦点距離
を設定し、第３駆動系９４は制御系９１からの指令に基
づいて変倍光学系４の焦点距離を設定する。こうして、
光源部１からの光束に基づいて、実質的に光量損失する
ことなく、４極状（または２極状）の二次光源を形成す
ることができる。

【００６０】さらに、必要に応じて、第１駆動系９２に
よりマイクロレンズアレイ群２０の焦点距離を変化させ
たり、第３駆動系９４により変倍光学系４の焦点距離を
変化させたり、第２駆動系９３により形状の異なる別の
４極照明用（または２極照明用）の回折光学素子に交換
したりすることにより、マイクロレンズアレイ５の後側
焦点面に形成される４極状（または２極状）の二次光源
の大きさおよび輪帯比を適宜変更することができる。こ
うして、４極状（または２極状）の二次光源の形成およ
びその制限においてほとんど光量損失することなく、４
極状（または２極状）の二次光源の大きさおよび輪帯比
を適宜変化させて多様な４極照明（または２極照明）を
行うことができる。

【００６１】また、最適な解像度および焦点深度のもと
で通常の円形照明をする場合、第２駆動系９３は、制御
系９１からの指令に基づいてターレットを回転させ、照
野形成部３において回折光学素子を照明光路から退避さ
せて円形照明用の開口部を照明光路中に位置決めする。
そして、マイクロレンズアレイ５の後側焦点面において
所望の大きさ（外径）を有する正六角形状（または正方
形状）の二次光源を得るために、第１駆動系９２は制御
系９１からの指令に基づいて角度光束形成部２において
マイクロレンズアレイ群２０の焦点距離を設定したり、
第３駆動系９４は制御系９１からの指令に基づいて変倍
光学系４の焦点距離を設定したりする。マイクロレンズ
アレイ５の後側焦点面に形成された正六角形状（または
正方形状）の二次光源は、必要に応じて、たとえば虹彩
絞りのような円形開口絞りにより制限される。

【００６２】こうして、光源部１からの光束に基づい
て、実質的に光量損失することなく、円形状の二次光源
を形成することができる。さらに、必要に応じて、第１
駆動系９２によりマイクロレンズアレイ群２０の焦点距
離を変化させたり、第３駆動系９４により変倍光学系４
の焦点距離を変化させたりすることにより、マイクロレ
ンズアレイ５の後側焦点面に形成される正六角形状（ま
たは正方形状）の二次光源の大きさを適宜変更すること
ができる。こうして、円形状の二次光源の形成およびそ
の制限において光量損失を良好に抑えつつ、σ値を適宜
変化させて多様な通常円形照明を行うことができる。

【００６３】なお、上述の動作説明では、入力部９０か
らのマスクのパターン情報に基づいて、角度光束形成部
２、照野形成部３および変倍光学系４を制御している。
しかしながら、これに限定されることなく、たとえばマ
スク搬送路中に配置されたバーコードリーダの読み取り
結果（マスクのパターン情報）に基づいて、角度光束形
成部２、照野形成部３および変倍光学系４を制御するこ
ともできる。

【００６４】以上のように、本実施形態では、光量損失
を良好に抑えつつ、輪帯照明や４極照明や２極照明のよ
うな変形照明および通常円形照明を行うことができる。
また、マイクロレンズアレイ群２０や変形光学系４の焦
点距離を変化させるという簡単な操作により、光量損失
を良好に抑えつつ変形照明や通常円形照明のパラメータ
を変化させることができ、輪帯照明や４極照明や２極照
明のような多様な変形照明および多様な円形照明を行う
ことができる。

【００６５】さらに、本実施形態では、角度光束形成部
２のマイクロレンズアレイ群２０と照野形成部２の回折
光学素子との間には光学系が全く介在しないので、角度
光束形成部２および照野形成部３において、光透過部材
の点数が非常に少なく、照明光路も非常に短い。その結
果、照明光学装置全体としても、光透過部材の点数が少
なくなり且つ照明光路が短くなるので、パージすべき空
間が小さくなるだけでなく、照明光路における光吸収に
よる光量損失を良好に回避することができる。こうし
て、本実施形態では、部材点数が少なく且つ照明光路の
短い簡素な構成にしたがってコンパクト化を達成するこ
とにより、照明光路における光吸収による光量損失を良
好に抑えつつ、輪帯照明や４極照明や２極照明のような
多様な変形照明および多様な円形照明を行うことができ
る。

【００６６】なお、上述の実施形態では、角度光束形成
部２として、正屈折力の微小レンズからなる第１マイク
ロレンズアレイ２０ａと正屈折力の微小レンズからなる
第２マイクロレンズアレイ２０ｂとで構成されたマイク
ロレンズアレイ群２０を用いている。しかしながら、角
度光束形成部２の構成については、様々な変形例が可能
である。

【００６７】図４は、角度光束形成部の第１変形例を概
略的に示す図である。図４を参照すると、第１変形例で
は、角度光束形成部２として、正屈折力の微小レンズか
らなる第１マイクロレンズアレイ（または第１フライア
イレンズ）２１ａと負屈折力の微小レンズからなる第２
マイクロレンズアレイ（または第２フライアイレンズ）
２１ｂとで構成されたマイクロレンズアレイ群（または
フライアイレンズ群）２１を用いている。また、マイク
ロレンズアレイ２１ａおよび２１ｂは、マイクロレンズ
アレイ群２１の後側焦点面２１ｃが実質的に変動しない
ように、光軸ＡＸに沿ってそれぞれ移動可能に構成され
ている。

【００６８】以上のように、上述の実施形態では、第１
マイクロレンズアレイおよび第２マイクロレンズアレイ
がともに正屈折力の微小レンズから構成されているが、
いずれか一方のマイクロレンズアレイを負屈折力の微小
レンズで構成することもできる。さらに、上述の実施形
態および第１変形例では、２つのマイクロレンズアレイ
によりマイクロレンズアレイ群を構成しているが、３つ
以上のマイクロレンズアレイで焦点距離が可変のマイク
ロレンズアレイ群を構成することもできる。

【００６９】図５は、角度光束形成部の第２変形例を概
略的に示す図である。また、図６は、第２変形例の角度
光束形成部の作用を説明する図である。図５および図６
を参照すると、第２変形例では、互いに焦点距離の異な
る２つのマイクロレンズアレイ（またはフライアイレン
ズ）２２ａおよび２２ｂが、光軸ＡＸに平行な回転軸線
２２ｃを中心として回転可能なターレット２２ｄに取り
付けられている。そして、第１マイクロレンズアレイ２
２ａの後側焦点面と第２マイクロレンズアレイ２２ｂの
後側焦点面とが図中破線２２ｅで示す面にほぼ一致する
ように、第１マイクロレンズアレイ２２ａと第２マイク
ロレンズアレイ２２ｂとが光軸ＡＸに沿って互いに異な
る位置に取り付けられている。

【００７０】上述の実施形態および第１変形例では角度
光束形成部２による発散角の変化が連続的であるが、第
２変形例では角度光束形成部２による発散角の変化が離
散的である。なお、第２変形例では互いに焦点距離の異
なる２つのマイクロレンズアレイをターレットに取り付
けているが、マイクロレンズアレイの数は２つに限定さ
れることなく、３つ以上のマイクロレンズアレイ（また
はフライアイレンズ）をターレットに取り付けることも
できる。

【００７１】図７は、角度光束形成部の第３変形例を概
略的に示す図である。また、図８は、第３変形例の角度
光束形成部の構成および作用を説明する図であって、
（ａ）は各回折光学素子の平面図であり、（ｂ）は各回
折光学素子を構成する単位素子の断面図であり、（ｃ）
は各回折光学素子の機能を説明する図である。図７を参
照すると、互いに発散角（回折角）の異なる２つの回折
光学素子２３ａおよび２３ｂが、光軸ＡＸに平行な回転
軸線２３ｃを中心として回転可能なターレット２３ｄに
取り付けられている。

【００７２】各回折光学素子２３ａおよび２３ｂは、図
８（ａ）に示すように、二次元マトリックス状に並べら
れた複数の単位素子を有する光学部材である。各単位素
子は、図８（ｂ）に示すように、リング状の回折作用面
を形成する断面を有する。こうして、各回折光学素子２
３ａおよび２３ｂは、図８（ｃ）に示すように、光軸Ａ
Ｘに沿って入射した矩形状の平行光束を回折してファー
フィールドに円形状の光束を形成する機能を有する。換
言すれば、各単位素子の機能は、正レンズまたは負レン
ズと同等である。

【００７３】なお、第３変形例では、各単位素子が位相
型の２段の回折素子として構成されているが、振幅型の
回折素子であっても良いし、また素子の段数（レベル）
は４段でも８段でも良い。また、各単位素子をフレネル
レンズ（ブレーズ化された（鋸歯状の断面を持つ）回折
光学素子）として構成しても良い。第３変形例では第２
変形例と同様に、角度光束形成部２による発散角の変化
が離散的である。なお、第３変形例では互いに発散角の
異なる２つの回折光学素子をターレットに取り付けてい
るが、回折光学素子の数は２つに限定されることなく、
３つ以上の回折光学素子をターレットに取り付けること
もできる。

【００７４】また、上述の実施形態では、光源側から順
に正・負・正・正の屈折力配置を有する変倍光学系４を
用いているが、変倍光学系の構成については様々な変形
例が可能である。図９は、変倍光学系の第１変形例を概
略的に示す図である。図９を参照すると、第１変形例の
変倍光学系４０は、光源側（図中左側）から順に、正屈
折力の第１レンズ群Ｇ１０と、負屈折力の第２レンズ群
Ｇ２０と、正屈折力の第３レンズ群Ｇ３０と、負屈折力
の第４レンズ群Ｇ４０とから構成されている。

【００７５】ここで、第１レンズ群Ｇ１０は光軸ＡＸに
沿って固定であるが、第２レンズ群Ｇ２０〜第４レンズ
群Ｇ４０は変倍光学系４０の後側焦点面４０ａが実質的
に変動しないように光軸ＡＸに沿ってそれぞれ移動す
る。第１変形例の変倍光学系４０では、上述の実施形態
の変倍光学系４と同様に、焦点距離を連続的に変化させ
ることができる。

【００７６】図１０は、変倍光学系の第２変形例を概略
的に示す図である。図１０を参照すると、第２変形例の
変倍光学系４１は、光路中に固定された一対のレンズ群
として、光源側（図中左側）から順に、正屈折力の第１
レンズ群Ｇ１１と、正屈折力の第４レンズ群Ｇ４１とを
備えている。また、変倍光学系４１は、光路に対して挿
脱可能な第１組の一対のレンズ群として、光源側から順
に、正屈折力の第２レンズ群Ｇ２１と、負屈折力の第３
レンズ群Ｇ３１とを備えている。さらに、変倍光学系４
１は、光路に対して挿脱可能な第２組の一対のレンズ群
として、光源側から順に、負屈折力の第２レンズ群Ｇ２
２と、正屈折力の第３レンズ群Ｇ３２とを備えている。

【００７７】したがって、第２変形例では、第１組の一
対のレンズ群Ｇ２１およびＧ３１を、第１レンズ群Ｇ１
１と第４レンズ群Ｇ４１との間の光路中に挿入すること
により、第１の焦点距離を有する変倍光学系を形成する
ことができる。また、第２組の一対のレンズ群Ｇ２２お
よびＧ３２を、第１レンズ群Ｇ１１と第４レンズ群Ｇ４
１との間の光路中に挿入することにより、第１の焦点距
離とは異なる第２の焦点距離を有する変倍光学系を形成
することができる。

【００７８】すなわち、第２変形例の変倍光学系４１で
は、上述の実施形態の変倍光学系４および第１変形例の
変倍光学系４０とは異なり、焦点距離が離散的に変化す
ることになる。なお、第２変形例では、一部のレンズ群
だけを光路に対して挿脱可能に構成しているが、互いに
焦点距離の異なる複数の光学系を光路に対して交換可能
に設定することにより、焦点距離が離散的に可変の変倍
光学系を構成することができる。

【００７９】また、上述の実施形態においては、二次光
源を形成するためのオプティカルインテグレータとして
マイクロレンズアレイ（またはフライアイレンズ）５を
用いているが、波面分割型のインテグレータであるマイ
クロレンズアレイ５に代えて、内面反射型のオプティカ
ルインテグレータとしてのロッド型インテグレータを用
いることもできる。この場合、変倍光学系４よりもマス
クＭ側に集光光学系を追加して照野形成部３の回折光学
素子の共役面を形成し、この共役面近傍に入射端が位置
決めされるようにロッド型インテグレータを配置する。

【００８０】また、このロッド型インテグレータの射出
端面または射出端面近傍に配置される照明視野絞りの像
をマスクＭ上に形成するためのリレー光学系を配置す
る。この構成の場合、第２の所定面は変倍光学系４と上
記集光光学系との合成光学系の瞳面となり、二次光源は
リレー光学系の瞳面に形成される（二次光源の虚像はロ
ッド型インテグレータの入射端近傍に形成される）。ま
た、ロッド型インテグレータからの光束をマスクＭへ導
くためのリレー光学系が導光光学系となる。

【００８１】ところで、上述の実施形態では、マイクロ
レンズアレイ５の後側焦点面に形成される４極状の二次
光源は、図１１に示すように、４つの正六角形状（また
は正方形状）の面光源３１〜３４から構成されている。
ここで、各面光源３１〜３４の中心３１ａ〜３４ａは光
軸ＡＸから同じ距離ｒだけ離れており、各面光源３１〜
３４は互いに同じ大きさ（外接する円の直径）φを有す
る。また、４つの中心３１ａ〜３４ａを結んで形成され
る四角形は、光軸ＡＸを中心としてＸ方向およびＺ方向
に平行な辺を有する矩形である。

【００８２】ここで、光軸ＡＸからの距離ｒは、変倍光
学系４の焦点距離と照野形成部３における４極照明用の
回折光学素子の回折角とに依存する。また、大きさφ
は、マイクロレンズアレイ群２０による発散角（ひいて
はその焦点距離）と変倍光学系４の焦点距離とに依存す
る。さらに、面光源３１の中心３１ａと光軸ＡＸとを結
ぶ線分が＋Ｘ軸となす角度θ_Aおよび面光源３２の中心
３２ａと光軸ＡＸとを結ぶ線分が＋Ｘ軸となす角度θ_B
は、４極照明用の回折光学素子の回折特性に依存する。

【００８３】したがって、上述の実施形態では、マイク
ロレンズアレイ群２０の焦点距離および変倍光学系４の
焦点距離を変化させることにより、各面光源の光軸ＡＸ
からの距離ｒおよび各面光源の大きさφを連続的に変化
させることは可能であるが、各面光源の角度位置θ_Aお
よびθ_Bを連続的に変化させることはできない。すなわ
ち、特性の異なる４極照明用の回折光学素子を交換する
ことにより、各面光源の角度位置θ_Aおよびθ_Bを離散的
に変化させることはできても、連続的に変化させること
はできない。

【００８４】そこで、照野形成部３の変形例として、マ
イクロレンズアレイ５の後側焦点面に形成される４極状
の二次光源を構成する各面光源の角度位置θ_Aおよびθ_B
を連続的に変化させることが可能な回折光学装置（回折
光学素子）をターレットに付設することができる。図１
２は、照野形成部の第１変形例にかかる回折光学装置の
構成を概略的に示す図である。図１２（ａ）を参照する
と、第１変形例の回折光学装置６０は、光軸ＡＸに平行
な第１軸線ＡＸ１を中心として回転可能に構成された第
１回折光学部材６０ａと、光軸ＡＸに平行な第２軸線Ａ
Ｘ２を中心として回転可能に構成された第２回折光学部
材６０ｂとを備えている。

【００８５】ここで、第１軸線ＡＸ１と第２軸線ＡＸ２
とはＸ軸に沿って配置され光軸ＡＸに関して対称な位置
関係を有し、光軸ＡＸとの直交面（ＸＺ面）において第
１回折光学部材６０ａと第２回折光学部材６０ｂとはＸ
方向に沿って隣接するように配置されている。また、第
１回折光学部材６０ａと第２回折光学部材６０ｂとは、
互いに同じ構成を有する円形状の基板であって、その片
側の面には図１２（ｂ）に示すような形状の回折作用面
が形成されている。

【００８６】具体的には、第１回折光学部材６０ａおよ
び第２回折光学部材６０ｂに求められる回折角に対応す
る開口数（ひいては回折光学装置６０に求められる回折
角に対応する開口数）ＮＡと、露光光の波長λ（本実施
形態では１９３ｎｍ）とにより、回折作用面のピッチｄ
＝λ／ＮＡが、たとえば２．８μｍに設定される。この
場合、回折作用面の凸部の幅ａおよび凹部の幅ｂはとも
に、たとえば１．４μｍに設定される。そして、たとえ
ば石英（または蛍石など）で形成された基板の露光光に
対する屈折率をｎとすると、段差Δ＝λ／｛２（ｎ−
１）｝が、たとえば１７２ｎｍに設定される。

【００８７】図１２（ａ）に示すように、回折光学装置
６０には、マイクロレンズアレイ群２０への入射光束と
相似な矩形状の光束３５が入射する。そして、回折方向
が＋Ｘ軸に対してθ_Aの角度をなすように設定された第
１回折光学部材６０ａに入射した光束は、図１１におい
て光軸ＡＸに関して対称な一対の面光源３１および３３
を形成する。一方、回折方向が＋Ｘ軸に対してθ_Bの角
度をなすように設定された第２回折光学部材６０ｂに入
射した光束は、図１１において光軸ＡＸに関して対称な
一対の面光源３２および３４を形成する。

【００８８】したがって、第１変形例の回折光学装置６
０では、第１軸線ＡＸ１を中心として第１回折光学部材
６０ａを回転させることにより、面光源３１の角度位置
θ_Aおよび面光源３３の角度位置（θ_A＋１８０度）を連
続的に変化させることができる。同様に、第２軸線ＡＸ
２を中心として第２回折光学部材６０ｂを回転させるこ
とにより、面光源３２の角度位置θ_Bおよび面光源３４
の角度位置（θ_B＋１８０度）を連続的に変化させるこ
とができる。すなわち、第１回折光学部材６０ａおよび
第２回折光学部材６０ｂをそれぞれ回転させることによ
り、マイクロレンズアレイ５の後側焦点面（すなわち照
明瞳面）に形成される４極状の二次光源を構成する各面
光源の角度位置θ_Aおよびθ_Bを独立的に且つ連続的に変
化させることができる。

【００８９】なお、露光装置では、マスクパターンに方
向性があって、マスク上の直交する二方向でそれぞれ照
明条件を設定するのが一般的である。したがって、第１
変形例では、回折光学装置６０の作用によりマイクロレ
ンズアレイ５の後側焦点面に形成される４極状の二次光
源を構成する各面光源の角度位置θ_Aおよびθ_Bを独立的
に且つ連続的に変化させ、θ_A＋θ_B＝１８０度の関係を
維持しながら光軸ＡＸに関して２回回転対称の形態を有
する多様な４極状の二次光源を形成し、被照射面上の直
交する二方向で互いに異なる照明条件を実現することが
できる。

【００９０】すなわち、第１変形例では、マイクロレン
ズアレイ群２０の焦点距離を変化させることにより、４
つの面光源の各中心と光軸ＡＸとの距離ｒを変化させる
ことなく、各面光源の大きさφを変化させることができ
る。また、変倍光学系４の焦点距離を変化させることに
より、距離ｒおよび大きさφをともに変化させて、４極
状の二次光源を相似的に拡大または縮小させることがで
きる。さらに、第１回折光学部材６０ａおよび第２回折
光学部材６０ｂの回転角度をそれぞれ変化させることに
より、各面光源の角度位置θ_Aおよびθ_Bを独立的に且つ
連続的に変化させることができる。こうして、第１変形
例では、４極状の二次光源を構成する各面光源の角度位
置θ_Aおよびθ_Bを独立的に且つ連続的に変化させ、θ_A
＋θ_B＝１８０度の関係を維持しながら光軸ＡＸに関し
て２回回転対称の形態を有する多様な４極状の二次光源
を形成し、被照射面上の直交する二方向で最適な照明条
件を実現することができる。

【００９１】ところで、第１変形例では、図１２（ａ）
に示すように、回折光学装置６０への矩形状の入射光束
３５のうちの一部分が、第１回折光学部材６０ａにも第
２回折光学部材６０ｂにも入射することなく（すなわち
照明に寄与することなく）失われる。換言すれば、回折
光学装置６０において、ある程度の光量損失が発生す
る。また、第１変形例では、第１回折光学部材６０ａと
第２回折光学部材６０ｂとが一方向に沿って配置されて
いるので、マイクロレンズアレイ５への入射光束のテレ
セントリシティが崩れ、マイクロレンズアレイ５の収差
に起因してマスクＭ上において（ひいてはウェハＷ上に
おいて）照明むらが発生する。

【００９２】図１３は、照野形成部の第２変形例にかか
る回折光学装置の構成を概略的に示す図である。図１３
に示すように、第２変形例の回折光学装置６１では、第
１実施形態の回折光学装置６０に対して、第３回折光学
部材６０ｃおよび第４回折光学部材６０ｄを付設してい
る。ここで、第３回折光学部材６０ｃおよび第４回折光
学部材６０ｄは、第１回折光学部材６０ａや第２回折光
学部材６０ｂと同じ構成を有し、光軸ＡＸに平行な第３
軸線ＡＸ３および第４軸線ＡＸ４を中心としてそれぞれ
回転可能に構成されている。

【００９３】ここで、第１軸線ＡＸ１と第２軸線ＡＸ２
および第３軸線ＡＸ３と第４軸線ＡＸ４とはそれぞれＸ
方向に沿って配置され、光軸ＡＸとの直交面（ＸＺ面）
において第１軸線ＡＸ１と第２軸線ＡＸ２と第３軸線Ａ
Ｘ３と第４軸線ＡＸ４とを結ぶ四角形は光軸ＡＸを中心
とした正方形を形成している。すなわち、第３回折光学
部材６０ｃは第２回折光学部材６０ｂとＺ方向に沿って
隣接するように配置され、第４回折光学部材６０ｄは第
３回折光学部材６０ｃとＸ方向に沿って隣接し且つ第１
回折光学部材６０ａとＺ方向に沿って隣接するように配
置されている。

【００９４】図１３に示すように、回折光学装置６１に
は、マイクロレンズアレイ群２０への入射光束と相似な
正方形状の光束３６が入射する。そして、回折方向が＋
Ｘ軸に対してθ_Aの角度をなすように設定された第１回
折光学部材６０ａおよび第３回折光学部材６０ｃに入射
した光束は、図１１において光軸ＡＸに関して対称な一
対の面光源３１および３３を形成する。一方、回折方向
が＋Ｘ軸に対してθ_Bの角度をなすように設定された第
２回折光学部材６０ｂおよび第４回折光学部材６０ｄに
入射した光束は、図１１において光軸ＡＸに関して対称
な一対の面光源３２および３４を形成する。

【００９５】したがって、第２変形例にかかる回折光学
装置６１では、第１軸線ＡＸ１および第３軸線ＡＸ３を
中心として第１回折光学部材６０ａおよび第３回折光学
部材６０ｃを回折方向が互いに一致するようにそれぞれ
回転させることにより、面光源３１の角度位置θ_Aおよ
び面光源３３の角度位置（θ_A＋１８０度）を連続的に
変化させることができる。同様に、第２軸線ＡＸ２およ
び第４軸線ＡＸ４を中心として第２回折光学部材６０ｂ
および第４回折光学部材６０ｄを回折方向が互いに一致
するようにそれぞれ回転させることにより、面光源３２
の角度位置θ_Bおよび面光源３４の角度位置（θ_B＋１８
０度）を連続的に変化させることができる。

【００９６】すなわち、第１回折光学部材６０ａ〜第４
回折光学部材６０ｄをそれぞれ回転させることにより、
マイクロレンズアレイ５の後側焦点面に形成される４極
状の二次光源を構成する各面光源の角度位置θ_Aおよび
θ_Bを独立的に且つ連続的に変化させることができる。
第２変形例では、回折光学装置６１においてある程度の
光量損失は発生するが、第１回折光学部材６０ａ〜第４
回折光学部材６０ｄが直交する二方向に沿って二次元的
に配置されているので、マイクロレンズアレイ５への入
射光束のテレセントリシティが実質的に崩れることな
く、マスクＭ上における（ひいてはウェハＷ上におけ
る）照明むらの発生を防止することができる。

【００９７】図１４は、照野形成部の第３変形例にかか
る回折光学装置の構成を概略的に示す図である。図１４
に示すように、第３変形例の回折光学装置６２は、光軸
ＡＸを中心として回転可能に構成された第１回折光学部
材６２ａと、同じく光軸ＡＸを中心として回転可能に構
成され且つ光軸ＡＸに沿って第１回折光学部材６２ａと
近接して配置された第２回折光学部材６２ｂとから構成
されている。第１回折光学部材６２ａと第２回折光学部
材６２ｂとは、基本的に同じ構成を有する円形状の基板
であって、その片側の面には複数（図１４では９個）の
同心円によって規定された円形状および円環状の領域が
形成されている。

【００９８】ここで、円形状の領域の半径の寸法と円環
状の各領域の半径方向の寸法とは互いに等しく、たとえ
ばＬ＝０．５ｍｍ程度に設定されている。ただし、第１
回折光学部材６２ａでは、円形状または円環状の領域の
うち、中心から奇数番目の領域に回折作用面が形成され
ている。一方、第２回折光学部材６２ｂでは、円形状ま
たは円環状の領域のうち、中心から偶数番目の領域に回
折作用面が形成されている。なお、第１回折光学部材６
２ａおよび第２回折光学部材６２ｂには、第１実施形態
の回折光学装置６０と同じ構成を有する回折作用面が形
成されている。すなわち、回折光学装置６２は、図１５
に示すように、第１回折光学部材６２ａと第２回折光学
部材６２ｂとを光学的に合成した形態を有することにな
る。

【００９９】図１４に示すように、回折光学装置６２に
は、ひいては第１回折光学部材６２ａおよび第２回折光
学部材６２ｂには、マイクロレンズアレイ群２０への入
射光束と相似な正方形状の光束３７が入射する。そし
て、回折方向が＋Ｘ軸に対してθ_Aの角度をなすように
設定された第１回折光学部材６２ａの回折作用面に入射
した光束は、図１１において光軸ＡＸに関して対称な一
対の面光源３１および３３を形成する。一方、回折方向
が＋Ｘ軸に対してθ_Bの角度をなすように設定された第
２回折光学部材６２ｂの回折作用面に入射した光束は、
図１１において光軸ＡＸに関して対称な一対の面光源３
２および３４を形成する。

【０１００】したがって、第３変形例にかかる回折光学
装置６２では、光軸ＡＸを中心として第１回折光学部材
６２ａを回転させることにより、面光源３１の角度位置
θ_Aおよび面光源３３の角度位置（θ_A＋１８０度）を連
続的に変化させることができる。同様に、光軸ＡＸを中
心として第２回折光学部材６２ｂを回転させることによ
り、面光源３２の角度位置θ_Bおよび面光源３４の角度
位置（θ_B＋１８０度）を連続的に変化させることがで
きる。すなわち、第１回折光学部材６２ａおよび第２回
折光学部材６２ｂをそれぞれ回転させることにより、マ
イクロレンズアレイ５の後側焦点面に形成される４極状
の二次光源を構成する各面光源の角度位置θ_Aおよびθ_B
を独立的に且つ連続的に変化させることができる。

【０１０１】第３変形例では、図１４に示すように、回
折作用に起因する光量損失を除き、回折光学装置６２に
おける光量損失を実質的に回避することができる。ま
た、第１回折光学部材６２ａおよび第２回折光学部材６
２ｂにおける回折作用面が同心円的に（二次元的に）配
置されているので、マイクロレンズアレイ５への入射光
束のテレセントリシティが実質的に崩れることなく、マ
スクＭ上における（ひいてはウェハＷ上における）照明
むらの発生を防止することができる。

【０１０２】なお、第３変形例では、第１回折光学部材
６２ａの中心軸線および第２回折光学部材６２ｂの中心
軸線を光軸ＡＸとほぼ一致させることが必要である。具
体的には、第１回折光学部材６２ａと第２回折光学部材
６２ｂとのアライメント誤差（芯出し誤差）を、Ｌ／２
０よりも小さく抑えることが好ましい。そして、第１回
折光学部材６２ａと前記第２回折光学部材とのアライメ
ント誤差（芯出し誤差）を、Ｌ／１００よりも小さく抑
えることがさらに好ましい。また、回折光学装置６２に
おける光量損失をできるだけ回避するために、第１回折
光学部材６２ａの回折作用面と第２回折光学部材６２ｂ
の回折作用面とを対向させ、その光軸ＡＸに沿った間隔
を、（１／ＮＡ）×（Ｌ／２０）よりも小さく抑えるこ
とが好ましい。そして、この間隔を、（１／ＮＡ）×
（Ｌ／１００）よりも小さく抑えることがさらに好まし
い。ここで、上述したように、Ｌは円形状の領域の半径
の寸法または円環状の各領域の半径方向の寸法であり、
ＮＡは回折光学装置６２における回折角に対応する開口
数である。

【０１０３】なお、上述の各変形例では、４極状の二次
光源を構成する各面光源の角度位置θ_Aおよびθ_Bを独立
的に且つ連続的に変化させ、θ_A＋θ_B＝１８０度の関係
を維持しながら光軸ＡＸに関して２回回転対称の形態を
有する多様な４極状の二次光源を形成しているが、θ_B
＝θ_A＝９０度に設定することにより、Ｚ方向に沿った
一対の面光源からなる２極状の二次光源を形成すること
もできる。また、θ_B＝θ_A＝０度（または１８０度）に
設定することにより、Ｘ方向に沿った一対の面光源から
なる２極状の二次光源を形成することもできる。

【０１０４】また、上述の第１変形例乃至第３変形例で
は、入射光束を４つの光束に変換してファーフィールド
に４点状または４極状の光束を形成するための回折光学
部材を用いたが、屈折光学部材を用いることも可能であ
る。この場合、第１変形例乃至第３変形例の回折光学部
材における回折作用面を、図１６に示す形状の屈折作用
面とすれば良い。図１６は、第４変形例の屈折光学部材
の構成を示す図であり、図１６（ａ）は屈折作用面の断
面図、図１６（ｂ）は屈折作用面の一部の斜視図であ
る。

【０１０５】図１６に示すように、第４変形例の屈折光
学部材の屈折作用面は、回折光学部材の回折作用面の溝
方向と同じ方向に延びた稜線を持つ屋根型プリズムを、
当該溝方向と直交する１次元方向に稠密に配置した屋根
型プリズムアレイの形状を有している。このような屋根
型プリズムアレイは、マイクロレンズアレイや回折光学
素子と同様に、たとえば光透過性基板（石英、蛍石な
ど）をエッチングすることにより得られる。

【０１０６】図１６（ａ）に示すように、屋根型プリズ
ムアレイの斜面と光軸直交面とのなす角度をαとし、屋
根型プリズムアレイが形成されている光透過性基板の屈
折率をｎとするとき、屋根型プリズムアレイにより屈折
される光線の屈折角θは、おおむねθ≒（ｎ−１）αの
関係を満足する。

【０１０７】一例を挙げると、露光光の波長λが１９３
ｎｍである場合、屋根型プリズムアレイのピッチｄ＝
０．１ｍｍ、光透過性基板の屈折率ｎ＝１．５６、屋根
型プリズムアレイの角度α＝７°、屋根型プリズムアレ
イの段差（サグ量）Δ＝６．２μｍに設定すると、屈折
角θ＝４°が得られる。なお、屋根型プリズムアレイの
頂角は１８０−２αであることは言うまでもない。

【０１０８】このように、上述の第１乃至第３変形例に
おける回折光学装置の回折作用面をたとえば屋根型プリ
ズムアレイからなる屈折作用面として屈折光学装置とす
ると、光利用効率が高いという利点がある。例えば、回
折光学装置の回折作用面をバイナリー近似された位相型
回折光学素子とする場合には、製造誤差による光量ロス
を無視しても約８０％程度の回折効率しか得られない
が、上述のような屈折光学装置とすれば（光透過部材の
材料内部や反射防止コートの吸収や屈折光学装置の屈折
面での表面反射の影響、製造誤差による影響を除くと）
ほぼ１００％の光利用効率を得られる。

【０１０９】さて、上述の第３変形例では、第１回折光
学部材６２ａと第２回折光学部材６２ｂとが照明光学装
置の光軸ＡＸを中心として回転可能に設けられている
が、これら第１回折光学部材および第２回折光学部材の
回転軸は光軸ＡＸと異なっていても良い。

【０１１０】図１７は、照野形成部の第５変形例にかか
る回折光学装置の構成を概略的に示す図である。図１７
に示すように、第５変形例の回折光学装置６３は、光軸
ＡＸと平行な回転軸ＡＸ６を中心として回転可能に構成
された第１回折光学部材６３ａと、同じく回転軸ＡＸ６
を中心として回転可能に構成され且つ回転軸ＡＸ６に沿
って第１回折光学部材と近接して配置された第２回折光
学部材６３ｂとから構成されている。

【０１１１】図１７に斜線で示す通り、第１回折光学部
材６３ａは、第３変形例における第１回折光学部材６２
ａの複数の円形状および円環状の領域内に位置する回折
作用面を扇形に切り取った形状の回折作用面を有する。
第２回折光学部材６３ｂは、第３変形例における第２回
折光学部材６２ｂの複数の円形状および円環状の領域内
に位置する回折作用面を扇形に切り取った形状の回折作
用面を有する。第３変形例と同様に、第１回折光学部材
６３ａでは中心から奇数番目の領域に回折作用面が形成
されており、第２回折光学部材では中心から偶数番目の
領域に回折作用面が形成されている。図１８に示すよう
に、回折光学装置６３は、第１回折光学部材６３ａと第
２回折光学部材６３ｂとを光学的に合成した形態を有す
る。

【０１１２】図１７に戻って、回折光学装置６３には、
ひいては第１回折光学部材６３ａおよび第２回折光学部
材６３ｂには、長方形状の光束３８が入射する。そし
て、第３変形例と同様に、回折方向が＋Ｘ軸に対してθ
_Aの角度をなすように設定された第１回折光学部材６３
ａの回折作用面に入射した光束は、図１１において光軸
ＡＸに対してほぼ対称な一対の面光源３１および３３を
形成する。一方、回折方向がＸ軸に対してθ_Bをなすよ
うに設定された第２回折光学部材６２ｂの回折作用面に
入射した光束は、図１１において光軸ＡＸに関して対称
な一対の面光源２３および３４を形成する。

【０１１３】さて、４極照明では、一般的に光軸ＡＸに
関して２回回転対称の形態を有する４極状の二次光源を
形成するため、図１１における面光源３１乃至３４の角
度位置θ_A、θ_B、（θ_A＋１８０度）、（θ_B＋１８０
度）は、それぞれ０°＜θ_A＜９０°、９０°＜θ_B＜１
８０°であれば良い。したがって、第１回折光学部材６
３ａと第２回折光学部材６３ｂとに要求される回転角は
ともに９０度となる。

【０１１４】図１８（ａ）には、第１回折光学部材６３
ａの回転角θ_Aと第２回折光学部材６３ｂの回転角θ_Bと
が９０°をなす状態、すなわち第１回折光学部材６３ａ
の扇形の回折作用面と第２回折光学部材６３ｂの回折作
用面とが重なった状態を示し、図１８（ｂ）には、第１
回折光学部材６３ａの回転角θ_Aと第２回折光学部材６
３ｂの回転角θ_Bとが同方向である状態を示す。

【０１１５】図１７および図１８に示したように、回折
光学部材の回転軸ＡＸ６を光軸ＡＸに対して平行移動さ
せることにより、中心角が（９０°＋γ度）の扇形の領
域内のみに各回折光学部材６３ａおよび６３ｂの回折作
用面を形成すれば良いことが分かる。なお、上記角度γ
は、入射光束３８の大きさや形状、および回転軸ＡＸ６
に対する入射光束の偏心量（回転軸ＡＸ６と光軸ＡＸと
の距離に対応）に応じて求まる。

【０１１６】このように、第５変形例にかかる回折光学
装置６３においても、回転軸ＡＸ６を中心として第１回
折光学部材６３ａを回転させることにより、図１１の面
光源３１の角度位置θ_Aおよび面光源３３の角度位置
（θ_A＋１８０度）を連続的に変化させることができ
る。同様に、回転軸ＡＸ６を中心として第２回折光学部
材６３ｂを回転させることにより、図１１の面光源３２
の角度位置θ_Bおよび面光源３４の角度位置（θ_B＋１８
０度）を連続的に変化させることができる。すなわち、
マイクロレンズアレイ５の後側焦点面に形成される４極
状の二次光源を構成する各面光源の角度位置θ_Aおよび
θ_Bを独立的に且つ連続的に変化させることができる。
このとき、図１７および図１８からも明らかな通り、回
折光学装置６３における光量損失を実質的に回避するこ
とができる。

【０１１７】図１７に戻って、第５変形例の第１回折光
学部材６３ａおよび第２回折光学部材６３ｂの扇形領域
以外の領域には、別の照明条件用の回折光学素子または
屈折光学素子を設けることができる。たとえば図１７
（ａ）に示す第１回折光学部材６３ａには、光透過部６
４ａと複数の回折光学素子（屈折光学素子）６５ａ〜６
５ｄとが設けられており、図１７（ｂ）に示す第２回折
光学部材６３ｂには、光透過部６４ｂと複数の回折光学
素子（屈折光学素子）６５ｅ〜６５ｈとが設けられてい
る。ここで、回折光学素子としては、入射光束を回折さ
せて回折光学素子のファーフィールドにおいて２点状や
４点状などの多点状、リング状に変換するものを用いる
ことが可能である。

【０１１８】ここで、回折光学素子４によって回折光学
装置６３に所定の角度分布を持つ光束が入射するため、
入射光束を２点状に変換する回折光学素子が照明光路に
設定された場合には、マイクロレンズアレイ５の入射面
において２極状の照野が形成され、入射光束を４点状に
変換する回折光学素子が照明光路に設定された場合に
は、マイクロレンズアレイ５の入射面において４極状の
照野が形成され、入射光束をリング状に変換する回折光
学素子が照明光路に設定された場合には、マイクロレン
ズアレイ５の入射面において輪帯状の照野が形成され
る。

【０１１９】このとき、第１回折光学部材６３ａに設け
られた回折光学素子（屈折光学素子）６５ａ〜６５ｄの
何れかを用いる（何れかを照明光路に設定する）場合、
第２回折光学部材６３ｂにおいては光透過部６４ｂが照
明光路に設定される。また、第２回折光学部材６３ｂに
設けられた回折光学素子（屈折光学素子）６５ｅ〜６５
ｈの何れかを用いる（何れかを照明光路に設定する）場
合には、第１回折光学部材６３ａの光透過部６４ａが照
明光路に設定される。そして、第１回折光学部材６３ａ
の光透過部６４ａおよび第２回折光学部材６３ｂの光透
過部６４ｂを照明光路に設定すれば、回折作用を無効
に、すなわち素抜けにできる。この場合には、マイクロ
レンズアレイ５の入射面において円形状の照野が形成さ
れ、マイクロレンズアレイ５が円形状の二次光源を形成
して、通常の円形照明を行うことができる。

【０１２０】なお、図１８から明らかな通り、第１回折
光学部材６３ａにおける最も中心側の回折作用面と、第
２回折光学部材６３ｂにおける最も中心側の回折作用面
とに関しては、入射光束３８が通過する領域と重複しな
いため、これらの回折作用面を設けなくとも良い。ま
た、図１７および図１８に示した第５変形例の回折光学
装置６３においては、回折光学装置６３に長方形状の光
束３８が入射するとしたが、この入射光束は長方形には
限られず、前述の実施形態のように正方形であっても良
いし、どのような形状であっても良い。

【０１２１】なお、図１７および図１８に示した第５変
形例の回折光学装置６３においても、図１６に示した第
４変形例と同様に、屈折作用面を有する屈折光学装置に
変形しても良い。また、図１７および図１８に示した第
５変形例の回折光学装置６３では、各回折光学部材６３
ａ、６３ｂの１つの扇形領域内に回折作用面を設けた
が、各々の回折光学部材６３ａ、６３ｂに複数の回折作
用面を含む扇形領域を設けることも可能である。この場
合には、それぞれの回折光学部材６３ａ、６３ｂにおけ
る扇形領域毎に回折作用面のピッチが異なるもの（屈折
光学部材の場合は光線の屈折角が異なるもの）を設けて
おくことが好ましい。

【０１２２】上述の実施形態にかかる露光装置では、照
明光学装置によってマスク（レチクル）を照明し（照明
工程）、投影光学系を用いてマスクに形成された転写用
のパターンを感光性基板に露光する（露光工程）ことに
より、マイクロデバイス（半導体素子、撮像素子、液晶
表示素子、薄膜磁気ヘッド等）を製造することができ
る。以下、上述の実施形態の露光装置を用いて感光性基
板としてのウェハ等に所定の回路パターンを形成するこ
とによって、マイクロデバイスとしての半導体デバイス
を得る際の手法の一例につき図１９のフローチャートを
参照して説明する。

【０１２３】先ず、図１９のステップ３０１において、
１ロットのウェハ上に金属膜が蒸着される。次のステッ
プ３０２において、そのｌロットのウェハ上の金属膜上
にフォトレジストが塗布される。その後、ステップ３０
３において、上述の実施形態の露光装置を用いて、マス
ク上のパターンの像がその投影光学系を介して、その１
ロットのウェハ上の各ショット領域に順次露光転写され
る。その後、ステップ３０４において、その１ロットの
ウェハ上のフォトレジストの現像が行われた後、ステッ
プ３０５において、その１ロットのウェハ上でレジスト
パターンをマスクとしてエッチングを行うことによっ
て、マスク上のパターンに対応する回路パターンが、各
ウェハ上の各ショット領域に形成される。その後、更に
上のレイヤの回路パターンの形成等を行うことによっ
て、半導体素子等のデバイスが製造される。上述の半導
体デバイス製造方法によれば、極めて微細な回路パター
ンを有する半導体デバイスをスループット良く得ること
ができる。

【０１２４】また、上述の実施形態の露光装置では、プ
レート（ガラス基板）上に所定のパターン（回路パター
ン、電極パターン等）を形成することによって、マイク
ロデバイスとしての液晶表示素子を得ることもできる。
以下、図２０のフローチャートを参照して、このときの
手法の一例につき説明する。図２０において、パターン
形成工程４０１では、上述の実施形態の露光装置を用い
てマスクのパターンを感光性基板（レジストが塗布され
たガラス基板等）に転写露光する、所謂光リソグラフィ
ー工程が実行される。この光リソグラフィー工程によっ
て、感光性基板上には多数の電極等を含む所定パターン
が形成される。その後、露光された基板は、現像工程、
エッチング工程、レジスト剥離工程等の各工程を経るこ
とによって、基板上に所定のパターンが形成され、次の
カラーフィルター形成工程４０２へ移行する。

【０１２５】次に、カラーフィルター形成工程４０２で
は、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応した３
つのドットの組がマトリックス状に多数配列されたり、
またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルターの組
を複数水平走査線方向に配列したカラーフィルターを形
成する。そして、カラーフィルター形成工程４０２の後
に、セル組み立て工程４０３が実行される。セル組み立
て工程４０３では、パターン形成工程４０１にて得られ
た所定パターンを有する基板、およびカラーフィルター
形成工程４０２にて得られたカラーフィルター等を用い
て液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。セル組み立て
工程４０３では、例えば、パターン形成工程４０１にて
得られた所定パターンを有する基板とカラーフィルター
形成工程４０２にて得られたカラーフィルターとの間に
液晶を注入して、液晶パネル（液晶セル）を製造する。

【０１２６】その後、モジュール組み立て工程４０４に
て、組み立てられた液晶パネル（液晶セル）の表示動作
を行わせる電気回路、バックライト等の各部品を取り付
けて液晶表示素子として完成させる。上述の液晶表示素
子の製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有
する液晶表示素子をスループット良く得ることができ
る。

【０１２７】なお、上述の実施形態では、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、マスク以外の被照射面を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。

【０１２８】

【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、角度光束形成手段が、たとえば間隔の可変な
マイクロレンズアレイ群で構成され、このマイクロレン
ズアレイ群と照野形成手段（回折光学素子）との間には
光学系が全く介在しないので、角度光束形成手段および
照野形成手段において、光透過部材の点数の低減および
照明光路の短縮化を図ることができる。その結果、照明
光学装置全体としても、光透過部材の点数が少なくなり
且つ照明光路が短くなるので、パージすべき空間が小さ
くなるだけでなく、照明光路における光吸収による光量
損失を良好に回避することができる。

【０１２９】こうして、本発明では、部材点数が少なく
且つ照明光路の短い簡素な構成にしたがってコンパクト
化を達成することにより、照明光路における光吸収によ
る光量損失を良好に抑えつつ、輪帯照明や４極照明のよ
うな多様な変形照明を行うことができる。また、本発明
の照明光学装置が組み込まれた露光装置および本発明の
照明光学装置を用いた露光方法では、照明光路における
光吸収による光量損失を良好に抑えつつ、輪帯照明や４
極照明のような多様な変形照明を行うことのできる照明
光学装置を用いて、マスクに最適な照明条件のもとで、
感光性基板上にマスクパターンを忠実に転写することが
できる。さらに、感光性基板上にマスクパターンを忠実
に転写することのできる本発明の露光装置および露光方
法を用いて、良好なマイクロ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】本発明の実施形態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】本実施形態における角度光束形成部の内部構成
を概略的に示す図である。

【図３】本実施形態における変倍光学系の内部構成を概
略的に示す図である。

【図４】角度光束形成部の第１変形例を概略的に示す図
である。

【図５】角度光束形成部の第２変形例を概略的に示す図
である。

【図６】第２変形例の角度光束形成部の作用を説明する
図である。

【図７】角度光束形成部の第３変形例を概略的に示す図
である。

【図８】第３変形例の角度光束形成部の構成および作用
を説明する図であって、（ａ）は各回折光学素子の平面
図であり、（ｂ）は各回折光学素子を構成する単位素子
の断面図であり、（ｃ）は各回折光学素子の機能を説明
する図である。

【図９】変倍光学系の第１変形例を概略的に示す図であ
る。

【図１０】変倍光学系の第２変形例を概略的に示す図で
ある。

【図１１】マイクロレンズアレイの後側焦点面に形成さ
れる４極状の二次光源の構成を概略的に示す図である。

【図１２】照野形成部の第１変形例にかかる回折光学装
置の構成を概略的に示す図である。

【図１３】照野形成部の第２変形例にかかる回折光学装
置の構成を概略的に示す図である。

【図１４】照野形成部の第３変形例にかかる回折光学装
置の構成を概略的に示す図である。

【図１５】第３変形例にかかる回折光学装置において第
１回折光学部材と第２回折光学部材とを光学的に合成し
た形態を示す図である。

【図１６】照野形成部の回折光学装置を屈折光学装置と
した際の第４変形例の構成を概略的に示す図である。

【図１７】第５変形例にかかる回折光学装置の構成を概
略的に示す図である。

【図１８】第５変形例にかかる回折光学装置において第
１回折光学部材と第２回折光学部材とを光学的に合成し
た形態を示す図である。

【図１９】マイクロデバイスとしての半導体デバイスを
得る際の手法のフローチャートである。

【図２０】マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得
る際の手法のフローチャートである。

【符号の説明】

１光源部２角度光束形成部３照野形成部４変倍光学系（ズームレンズ）５マイクロレンズアレイ６コンデンサー光学系７照明視野絞り８結像光学系２０マイクロレンズアレイ群９０入力部９１制御系９２〜９４駆動系ＭマスクＭＳマスクステージＰＬ投影光学系ＷウェハＷＳウェハステージ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被照射面を照明する照明光学装置におい
て、光束を供給する光源手段と、二次元状に配列された複数の単位素子を有する光学部材
を備え、前記光源手段からの光束を光軸に対して所定の
発散角を有する光束に変換して第１の所定面へ入射させ
る角度光束形成手段と、前記第１の所定面に入射した前記所定の発散角を有する
光束に基づいて、第２の所定面上に所定の照野を形成す
るための回折光学素子を含む照野形成手段と、前記第２の所定面上に形成された前記所定の照野からの
光束に基づいて、前記所定の照野とほぼ同じ光強度分布
を有する二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、前記照野形成手段と前記オプティカルインテグレータと
の間の光路中に配置された変倍光学系とを備え、前記角度光束形成手段は、前記所定の発散角を可変に
し、前記第２の所定面上の前記所定の照野は、前記光軸を中
心とする４つの照野、前記光軸を中心とする２つの照
野、および輪帯状の照野のうちの少なくとも１つを含
み、前記複数の単位素子と前記回折光学素子とは隣接して配
置されることを特徴とする照明光学装置。
【請求項２】前記角度光束形成手段による前記所定の
発散角は連続的に可変であ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】前記角度光束形成手段の前記光学部材
は、マイクロレンズアレイまたはフライアイレンズを有
す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】前記角度光束形成手段の前記光学部材
は、間隔可変の複数のマイクロレンズアレイまたはフラ
イアイレンズを有することを特徴とする請求項３に記載
の照明光学装置。
【請求項５】前記角度光束形成手段による前記所定の
発散角は離散的に可変であ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６】前記角度光束形成手段は、発散角が互い
に異なり且つ交換可能な複数の光学部材を備えているこ
とを特徴とする請求項５に記載の照明光学装置。
【請求項７】前記角度光束形成手段の前記複数の光学
部材の各々は、マイクロレンズアレイ、フライアイレン
ズまたは回折光学素子を有することを特徴とする請求項
６に記載の照明光学装置。
【請求項８】前記照野形成手段の前記回折光学素子
は、通常円形照明に際して照明光路外に退避することを
特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の照明
光学装置。
【請求項９】前記照野形成手段の前記回折光学素子
は、前記光軸にほぼ平行な第１軸線を中心として回転可
能に構成された第１回折光学部材と、前記光軸にほぼ平
行な第２軸線を中心として回転可能に構成され且つ前記
光軸との直交面に沿って前記第１回折光学部材と隣り合
うように配置された第２回折光学部材とを備えているこ
とを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の
照明光学装置。
【請求項１０】前記直交面において、前記第１軸線と
前記第２軸線とは前記光軸に関してほぼ対称な位置関係
を有することを特徴とする請求項９に記載の照明光学装
置。
【請求項１１】前記光軸にほぼ平行な第３軸線を中心
として回転可能に構成され且つ前記直交面に沿って前記
第１回折光学部材または前記第２回折光学部材と隣り合
うように配置された第３回折光学部材と、前記光軸にほ
ぼ平行な第４軸線を中心として回転可能に構成され且つ
前記直交面に沿って前記第３回折光学部材と隣り合い且
つ前記第２回折光学部材または前記第１回折光学部材と
隣り合うように配置された第４回折光学部材とをさらに
備えていることを特徴とする請求項９または１０に記載
の照明光学装置。
【請求項１２】前記直交面において前記第１軸線と前
記第２軸線と前記第３軸線と前記第４軸線とを結ぶ四角
形は前記光軸を中心としたほぼ正方形を形成することを
特徴とする請求項１１に記載の照明光学装置。
【請求項１３】前記照野形成手段の前記回折光学素子
は、前記光軸にほぼ平行な所定の軸線を中心として回転
可能に構成された第１回折光学部材と、前記所定の軸線
を中心として回転可能に構成された第２回折光学部材と
を備え、前記第１回折光学部材および前記第２回折光学部材に
は、複数の同心円によって規定された円形状および円環
状の領域の少なくとも一部が互いにほぼ同じように形成
され、前記第１回折光学部材では、前記円形状または円環状の
領域のうち、中心から奇数番目の領域に回折作用面が形
成され、前記第２回折光学部材では、前記円形状または円環状の
領域のうち、中心から偶数番目の領域に回折作用面が形
成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれ
か１項に記載の照明光学装置。
【請求項１４】前記円形状の領域の半径の寸法と前記
円環状の各領域の半径方向の寸法とは互いにほぼ等しい
ことを特徴とする請求項１３に記載の照明光学装置。
【請求項１５】前記変倍光学系は所定の焦点距離を有
し、その物体面近傍に前記角度光束形成手段の前記光学
部材が配置され、その射出瞳面に前記第２の所定面が位
置することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１
項に記載の照明光学装置。
【請求項１６】前記オプティカルインテグレータは、
マイクロレンズアレイまたはフライアイレンズを有する
ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記
載の照明光学装置。
【請求項１７】前記オプティカルインテグレータは、
内面反射型のロッドインテグレータと、前記第２の所定
面からの光を前記ロッドインテグレータの入射端近傍に
集光させる集光光学系とを有することを特徴とする請求
項１乃至１５のいずれか１項に記載の照明光学装置。
【請求項１８】前記オプティカルインテグレータによ
る前記二次光源が形成される二次光源形成面と、該二次
光源形成面と光学的に共役な面のうち前記二次光源形成
面よりも前記光源手段側で隣り合う前記共役な面との間
の光路中に前記照野形成手段が配置されていることを特
徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の照明
光学装置。
【請求項１９】請求項１乃至１８のいずれか１項に記
載の照明光学装置と、前記被照射面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
系とを備えていることを特徴とする露光装置。
【請求項２０】請求項１乃至１８のいずれか１項に記
載の照明光学装置を介してマスクを照明し、照明された
前記マスクに形成されたパターンの像を感光性基板上に
投影露光することを特徴とする露光方法。