JP2004047786A - 照明光学装置，露光装置および露光方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光量損失を良好に抑えつつ照明均一性を確保可能な照明光学装置，該照明光学装置を備えた露光装置および該照明光学装置を用いた露光方法を提供すること。
【解決手段】光源１からの光束は，光束変換手段である回折光学素子４により，リレーレンズ５を介してフライアイレンズ６の入射面に所定の強度パターンを発生する。フライアイレンズ６の入射面には，光軸に近づくに従い光強度が増加する領域を有する光強度分布が形成される。リレーレンズ５の焦点位置は，フライアイレンズ６の入射面よりウエハ側に位置するようデフォーカスして設定されている。
【選択図】 図１
【解決手段】光源１からの光束は，光束変換手段である回折光学素子４により，リレーレンズ５を介してフライアイレンズ６の入射面に所定の強度パターンを発生する。フライアイレンズ６の入射面には，光軸に近づくに従い光強度が増加する領域を有する光強度分布が形成される。リレーレンズ５の焦点位置は，フライアイレンズ６の入射面よりウエハ側に位置するようデフォーカスして設定されている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，照明光学装置並びに該照明光学装置を備えた露光装置および該照明光学装置を用いた露光方法に係り，特に半導体素子，液晶表示素子，撮像素子，ＣＣＤ素子，薄膜磁気ヘッド等のマイクロデバイスをフォトリソグラフィ工程で製造する際に用いられるのに好適な照明光学装置，該照明光学装置を備えた露光装置および該照明光学装置を用いた露光方法に関するものである。
【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エハ上に結像する。こうして，ウエハ上には，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エハ上に正確に転写するにはウエ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（以下，σ絞りという）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，σ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】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように，従来技術では，瞳での光分布形状を制御するため，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σ絞りによって制限している。そのため，光量損失が発生していた。特に，従来技術における輪帯変形照明や４極変形照明では，二次光源からの光束の相当部分がσ絞りで遮蔽され，照明（露光）に寄与することがない。このようなσ絞りにおける光量損失により，マスクおよびウエ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という不都合があった。また，単にσ絞りを取り外しただけでは，光量損失は解消されるが，照明均一性が低減するという問題が発生する。
【０００６】
本発明は，前述の課題に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，光量損失を良好に抑えつつ照明均一性を確保可能な照明光学装置，該照明光学装置を備えた露光装置および該照明光学装置を用いた露光方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために，本発明の第１発明は，被照射面を照明するための照明光学装置であって，光源からの光束に基づいて実質的な面光源を形成するオプティカルインテグレータを備え，前記照明光学装置が備えるオプティカルインテグレータのうち最も前記被照射面側に配置される最終オプティカルインテグレータの入射面内において，光軸に近づくに従い光強度が増加する所定領域が形成されていることを特徴とする照明光学装置を提供する。
【０００８】
かかる構成によれば，σ絞りを用いない場合でも，最終オプティカルインテグレータ射出後の照明ムラを改善し，被照射面において照明均一性を確保できる。σ絞りが不要になるため，光量損失を良好に抑制できる。
【０００９】
第１発明の好ましい態様においては，前記光源と前記最終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，前記光源からの光束の光強度分布を変換し，前記最終オプティカルインテグレータの入射面内において前記所定領域を形成する光束変換手段を含む。その際に，前記光束変換手段は，複数のオプティカルインテグレータの組み合わせからなるように構成してもよく，前記複数のオプティカルインテグレータは回折型光学素子および波面分割型インテグレータを含むように構成してもよい。
【００１０】
また，前記光源と前記最終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，前記オプティカルインテグレータの入射面と所定距離だけ間隔を隔てた所定位置に照野を形成し，前記最終オプティカルインテグレータの入射面内において前記所定領域を形成する導光手段を含むように構成してもよい。
【００１１】
本発明の第２発明によれば，被照射面を照明するための照明光学装置であって，光源からの光束に基づいて実質的な面光源を形成するオプティカルインテグレータと，前記光源と前記最終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，前記光源からの光束の光強度分布を変換する光束変換手段と，前記光束変換手段と前記最終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，前記オプティカルインテグレータの入射面と所定距離だけ間隔を隔てた所定位置に照野を形成する導光手段と，を備え，前記照明光学装置が備えるオプティカルインテグレータのうち最も前記被照射面側に配置される最終オプティカルインテグレータの入射面内において，光軸に近づくに従い光強度が増加する所定領域が形成されていることを特徴とする照明光学装置が提供される。
【００１２】
かかる構成によれば，σ絞りを用いない場合でも，最終オプティカルインテグレータ射出後の照明ムラを改善し，被照射面において照明均一性を確保できる。σ絞りが不要になるため，光量損失を良好に抑制できる。
【００１３】
第２発明の好ましい態様においては，前記光束変換手段は，複数のオプティカルインテグレータの組み合わせからなり，前記複数のオプティカルインテグレータは回折型光学素子および波面分割型インテグレータを含む。また，前記最終オプティカルインテグレータの射出面における光強度分布の均一性を高めるように前記光束変換手段が形成する光強度分布を最適化することが好ましい。
【００１４】
第２発明の好ましい態様においては，前記最終オプティカルインテグレータが多数の光学要素から構成される場合は，前記所定距離は前記光学要素の焦点距離とほぼ等しいか，あるいは，前記所定距離は前記光学要素の焦点距離以上であり，前記所定領域の長さは前記光学要素の有効径長の０．５倍以上である。また，前記所定面は前記オプティカルインテグレータの入射面よりも被照射面側に位置することが好ましい。
【００１５】
本発明の第３発明によれば，マスク上に形成された所定のパターンを感光性基板へ転写する露光装置において，上記記載の照明光学装置を用いて前記被照射面に設定された前記マスクを照明することを特徴とする露光装置が提供される。
かかる構成によれば，良好な照明条件で露光可能な露光装置を提供できる。
【００１６】
本発明の第４発明によれば，マスク上に形成された所定のパターンを感光性基板に転写する露光方法において，上記記載の照明光学装置を用いて前記被照射面に設定された前記マスクを照明し，前記マスク上の前記所定のパターンを前記感光性基板に転写することを特徴とする露光方法が提供される。かかる構成によれば，良好な照明条件でパターンを露光できるので，良好なデバイスを製造することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下，図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお，以下の説明及び添付図面において，略同一の機能及び構成を有する構成要素については，同一符号を付すことにより，重複説明を省略する。図１は，本発明の第１の実施の形態に係る照明光学装置を備えた露光装置の構成図である。
【００１８】
パルス発光光源１からの紫外光束はビーム整形光学系２によって所定の大きさ及び所定の形状の断面を有する光束になるようビーム整形される。その後，光束は振動ミラー３によって反射された後，回折光学素子４に入射する。一般に，回折光学素子は，ガラス基板に露光光（照明光）の波長程度のピッチを有する段差を形成することによって構成され，入射ビームを所望の角度に回折する作用を有し，光束変換手段としての機能を有する。
【００１９】
回折光学素子４は導光手段としてのリレーレンズ５を介してフライアイレンズ６の入射面に所定の強度パターンを発生する。ここでは，回折光学素子４は，照明光路に対して挿脱自在に構成され，複数種類の回折光学素子４０と切り換え可能に構成されている。図１では，複数種類の回折光学素子をまとめて回折光学素子４０として表している。回折光学素子４を通常円形照明用とし，回折光学素子４０を，輪帯や４極等の変形照明用とすれば，これらの回折光学素子を切り替えることにより，フライアイレンズ６近傍に円形，輪帯，４極等の通常照明や変形照明に対応した強度分布を発生させることが可能になる。これらの複数の回折光学素子は，回転可能なターレット上に支持されてターレットの回転により切り換えるようにしてもよく，あるいはカセット内に配置して切り換えるようにしてもよい。制御系１６からの指令に基づいて動作する駆動系１８により，これらの回折光学素子の切り換えが行われる。
【００２０】
本実施の形態では，リレーレンズ５の焦点位置は図１に示すように，フライアイレンズ６の入射面よりウエハ側に位置している。すなわち，デフォーカスして設定している。また，フライアイレンズ６の入射面内における光強度分布は一様ではなく，光軸に近づくに従い光強度が増加する所定領域が形成されるよう設計されている。この構成については後で詳述する。
【００２１】
フライアイレンズ６は，本照明光学装置が備えるオプティカルインテグレータのうち最も被照射面側に配置される最終オプティカルインテグレータである。フライアイレンズ６は，波面分割型のオプティカルインテグレータであり，正の屈折力を有する多数のレンズエレメントを稠密に且つ縦横配列することによって構成されている。したがって，フライアイレンズ６に入射した光束は，多数のレンズエレメントにより二次元的に分割され，これにより面光源を形成する二次光源像が形成される。また，フライアイレンズ６の中央部分には０次光を遮断するための遮蔽部が設けられている。図１では，図面表記の都合上，フライアイレンズ６を構成するレンズエレメントの数を実際よりも減じて図示している。なお，従来使用していたσ絞りは配置していないので，瞳における光強度分布は回折光学素子４の発散特性によって決定される。
【００２２】
フライアイレンズ６からの光はリレーレンズ７を透過した後，可動ブラインド８上に導かれる。可動ブラインド８はマスク１１とウエハ１３の走査と同期して走査される走査型視野絞りであり，走査を通じた全体の露光領域を規定する。可動ブラインド８の像はコンデンサレンズ９ａ，９ｂによってマスク１１上に結像される。コンデンサレンズ９ａ，９ｂの間には光路を折り返すためのミラー１０が配置されている。コンデンサレンズ９ａ，９ｂを透過した光によって被照射面としてのマスク１１が重畳的に均一に照明され，マスク１１上に描画されている回路パターンに回折光が発生し，投影レンズ１２を介してレジストを塗布したウエハ１３上に回路パターンの像が結像される。この配置において，露光を通じて可動ブラインド８，マスク１１，ウエハ１３を同期して走査し，マスク１１上の所定の領域がウエハ１３上に走査露光される。
【００２３】
次に，本照明光学装置における照明均一性の原理について図２を参照しながら説明する。図２（ａ）は，上記装置の要部である回折光学素子４からフライアイレンズ６までの構成を示す。本装置では，最終オプティカルインテグレータであるフライアイレンズ６の入射面に生成される光強度分布を制御することによって照明均一性を向上する。本実施の形態では，光強度分布の制御は，光束変換手段である回折光学素子４の発散特性を所定のものに設定することと，リレーレンズ５の焦点面をフライアイレンズ６の入射面からデフォーカスすることによって行われる。
【００２４】
図２（ａ）において，ＳＡはフライアイレンズ６の入射面であり，ＳＢはリレーレンズ５の焦点面である。図２（ａ）に示すように，リレーレンズ５の焦点面ＳＢは，フライアイレンズ６の入射面ＳＡより距離ｄｅｆだけウエハ側にデフォーカスした位置に設定されている。距離ｄｅｆはフライアイレンズ６を構成するレンズエレメントの焦点距離と同じに設定することが望ましい。このように距離ｄｅｆを設定することにより，フライアイレンズ６の射出面での光強度分布を良好にすることができる。
【００２５】
図３は，距離ｄｅｆをフライアイレンズ６を構成するレンズエレメントの焦点距離と同じにした場合のフライアイレンズ６の射出面での光強度分布のシミュレーション結果である。図３では２次光源の形状がきれいな円形になっていることがわかる。
【００２６】
図２（ｂ）は光軸ＡＸに垂直な面における光強度分布を示す図である。図２（ｂ）において，縦軸のｒは光軸ＡＸを中心として光軸ＡＸに垂直な面における半径方向の位置であり，横軸Ｉは位置ｒにおける光強度Ｉである。図２（ｂ）に実線で示される光強度ＩＢは，光源からの光束が回折光学素子４により変換され，リレーレンズ５を透過した後，リレーレンズ５の焦点面ＳＢに形成する光強度を示す。光強度ＩＢは，周辺部近傍に光軸ＡＸに近づくに従い光強度が増加する領域を有し，この領域では縦軸および横軸に対して傾斜した略直線を示す。光強度ＩＢは，光軸ＡＸ近傍でほぼ一定であり，縦軸に対して平行な略直線を示す。したがって，光強度ＩＢと縦軸により形成される図形は図２（ｂ）に示すように略台形状となる。以後，光強度が光軸ＡＸに近づくに従い増加する領域を傾斜部と呼ぶ。また，光強度ＩＢにおける傾斜部のｒ方向の幅をｗｂとする。
【００２７】
図２（ａ）および図２（ｂ）に，光強度ＩＡとしてフライアイレンズ６の入射面ＳＡにおける光強度を点線で示す。光強度ＩＡは，リレーレンズ５の焦点面ＳＢにおける光強度ＩＢをフライアイレンズ６の入射面ＳＡにデフォーカスしたものと考えられる。光強度ＩＡと縦軸により形成される図形もまた，図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように略台形状となるが，光強度ＩＡの傾斜部のｒ方向の幅ｗａは，上述のデフォーカスのために光強度ＩＢの傾斜部の幅ｗｂよりも大きい。光強度ＩＡにおける光軸ＡＸ近傍の光強度がほぼ一定の位置ｒは，光強度ＩＢのものとほぼ同じである。
【００２８】
幅ｗａは，フライアイレンズ６を構成するレンズエレメントの有効径φｆの０．５〜１倍となるように設定すると，以下に述べる理由により照明均一性が格段に向上する。フライアイレンズとコンデンサレンズとを用いて，フライアイレンズに入射する光束を波面分割して被照射面を重畳的に照明する際に，フライアイレンズの最周縁のレンズエレメントにおいては，その入射面の一部しか照明されないことがある。この一部しか照明されないレンズエレメントからの光束は，被照射面上の一部にしか到達せず（全部が照明されたレンズエレメントからの光束は被照射面上の全部に到達），被照射面上での照度ムラに寄与する。ここで，フライアイレンズに入射する光束の断面方向での光強度分布を台形状とし，その傾斜部の幅をフライアイレンズのレンズエレメントの０．５倍以上とすることにより，フライアイレンズの最周縁のレンズエレメントから被照射面へ向かう光束の被照射面上での照度ムラへの寄与の度合いを小さくすることができ，ひいては照明均一性を向上できる。
【００２９】
図２（ｂ）に示すように，光強度ＩＡの傾斜部の幅ｗａは，光強度ＩＢの傾斜部の幅ｗｂと，これらの差分ｗｄとの和として考えられる。差分ｗｄは，デフォーカスにより発生するものであるから，次式により幾何学的に求めることができる。
ｗｄ＝ｔａｎ（φｉ／ｆ）・ｄｅｆ
ここで，φｉは回折光学素子４への有効入射径であり，ｆはリレーレンズ５の焦点距離であり，ｄｅｆは前述のようにデフォーカス量である。ただし，リレーレンズ５はｆｓｉｎθ型を想定している。リレーレンズ５が他の型の場合も幾何学的にｗｄを求めることができる。
【００３０】
よって，フライアイレンズ６の入射面ＳＡにおける傾斜部の幅ｗａは
で与えられる。通常はφｉはあまり大きくとれず，また，ｆをあまり小さくできないため，デフォーカスに起因する上式の第２項はフライアイレンズ６を構成するレンズエレメントの有効径φｆより小さくなる。そこで光学系を設計するときは，この不足分を回折光学素子４による幅ｗｂで補い，合計の幅ｗａがφｆの０．５〜１倍となるように設計する。なお，フライアイレンズを構成するレンズエレメントが長方形の場合には，長辺をφｆとして上記原理を適用すればよい。
【００３１】
上記構成によれば，σ絞りを用いない場合でも，被照射面上での照度ムラを軽減することができ，ひいては照明均一性を向上できる。また，σ絞りが不要になるため，従来発生していた光量損失を抑制でき，高い光効率での照明が可能になる。
【００３２】
次に，図４を参照しながら，本発明の第２の実施の形態に係る露光装置について説明する。図４（ａ）は，本実施の形態の要部である回折光学素子４からフライアイレンズ６までの構成を示す図であり，図４（ｂ）は光軸ＡＸに垂直な面における光強度分布図であり，図４は第１の実施の形態の図２に相当するものである。本実施の形態は，回折光学素子の発散特性と，リレーレンズ５の焦点面のデフォーカス量が第１の実施の形態と異なる。以下，この点に注目して説明を行い，第１の実施の形態と同様の構成については重複説明を省略する。
【００３３】
本実施の形態における回折光学素子４は，第１の実施の形態の回折光学素子４とは異なる発散特性を有する。この回折光学素子４により，リレーレンズ５の焦点面ＳＢに形成される光強度ＩＢは，図４（ｂ）に実線で示すように，傾斜部が無い。光強度ＩＢと縦軸により形成される図形は略矩形状となる。すなわち，本実施の形態では，ｗｂ＝０である。
【００３４】
また，フライアイレンズ６の入射面ＳＡに対するリレーレンズ５の焦点面ＳＢのデフォーカス量ｄｅｆは，図２（ａ）に示す第１の実施の形態の場合の量より大きい。本実施の形態では，デフォーカス量ｄｅｆは，フライアイレンズ６を構成するレンズエレメントの焦点距離以上大きくとっており，すなわち，前述のｗｄがレンズエレメントの有効径φｆと等しくなるまで，デフォーカス量ｄｅｆを大きくしている。
【００３５】
上記構成により得られるフライアイレンズ６の入射面ＳＡでの光強度ＩＡは，図４（ａ）および図４（ｂ）に点線で示すように傾斜部を有する台形状の分布を有し，図２（ｂ）のものと同様となる。よって，本実施の形態においても，第１の実施の形態と同様に照明均一性を向上し，光量損失を抑制することができる。
【００３６】
なお，本実施の形態では，デフォーカス量ｄｅｆがフライアイレンズ６を構成するレンズエレメントの焦点距離以上大きいため，２次光源の強度分布の均一性，特にその歪具合が若干低下することがある。そこで，この均一性を補正するように，あらかじめ回折光学素子の発散特性を設定しておくことが好ましい。これは，光学シミュレーションによって瞳の強度分布計算を行い，回折光学素子の最適な発散特性を求めることにより行うことができる。
【００３７】
図５は，本実施の形態におけるフライアイレンズ６の射出面での光強度分布のシミュレーション結果である。図５に示す例では２次光源は±４５°方向がへこむような形状になる。そこで，±４５°方向が膨らむようなファーフィールドパターンを形成するように回折光学素子の発散特性を設定しておけば，この２次光源の歪みを補正することが可能になる。
【００３８】
上記第１の実施の形態および第２の実施の形態は，ＥＰ１０１４１９６Ａ２号の図４３に示される照明光学装置に適用することができる。但し，上記第１の実施の形態または第２の実施の形態をＥＰ１０１４１９６Ａ２号の図４３に適用した場合には，照明開口絞り１００９は不要となる。なお，ＥＰ１０１４１９６Ａ２号の図４３に示される照明光学装置に本件実施例を適用した場合，凹円錐プリズム１００５Ｂ及び凸円錐プリズム１００５Ｃに代えて，或いは加えて，凹Ｖ溝プリズム及び凸Ｖ溝プリズムを配置しても良い。ここで，凹Ｖ溝プリズムは光軸直交方向に稜線を有するように配置された２つの平面状の屈折面を有し，これら２つの平面状屈折面が下流側に凹面を向けるように形成されている。凸Ｖ溝プリズムは凹Ｖ溝プリズムの稜線と平行な方向に稜線を有するように配置された２つの平面状の屈折面を有し，これら２つの平面状屈折面が上流側（光源側）に凸面を向けるように形成されている。
【００３９】
なお，これら２つのＶ溝プリズムのうちの少なくとも一方は光軸に沿って移動可能に構成され，凹Ｖ溝プリズムの凹状屈折面と凸Ｖ溝プリズムの凸状屈折面との間隔が可変となっている。また，円錐プリズムの対１００５及びＶ溝プリズムの対が照明光路中に配置される構成において，さらにＶ溝プリズムの対を設けても良い。この場合，２組目のＶ溝プリズムの対の稜線は，１組目のＶ溝プリズムの対の稜線と直交する。また，このような円錐プリズムの対１００５及び２組のＶ溝プリズムの対が配置される構成か，円錐プリズムの対１００５を省略する構成も可能である。
【００４０】
次に，本発明の第３の実施の形態に係る露光装置について，図６を参照しながら説明する。図６は，本発明の第３の実施の形態に係る照明光学装置を備えた露光装置の構成図である。光源１から射出された光束はビーム整形光学系２，振動ミラー３を経由した後，回折光学素子４に入射する。本実施の形態においても第１の実施の形態と同様に，回折光学素子４と複数種類の回折光学素子４０が切り替え可能かつ光路に対して挿脱自在に構成されている。切り換えは，制御系２０からの指令に基づいて動作する駆動系２２により行われる。
【００４１】
回折光学素子４を透過した光束はアフォーカルズームレンズ３５に入射する。アフォーカルズームレンズ３５は，回折光学素子４の回折面と後述するマイクロレンズアレイ３６の入射面とを光学的にほぼ共役な関係に維持し，且つアフォーカル系（無焦点光学系）を維持しながら，所定の範囲で倍率を連続的に変化させることができるように構成されている。アフォーカルズームレンズ３５の倍率変化は，制御系２０からの指令に基づいて動作する駆動系２３により行われる。
【００４２】
アフォーカルズームレンズ３５から射出された平行光束はマイクロレンズアレイ３６に入射する。マイクロレンズアレイ３６は波面分割型のオプティカルインテグレータであり，正の屈折力を有する多数のレンズエレメントを稠密に且つ縦横配列することによって構成されている。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。
【００４３】
ここで，マイクロレンズアレイを構成する各レンズエレメントは，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，多数のレンズエレメント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。したがって，マイクロレンズアレイ３６に入射した光束は，多数のレンズエレメントにより二次元的に分割され，各レンズエレメントの後側焦点面にはそれぞれ１つの光源が形成される。このように，マイクロレンズアレイ３６は，光源１からの光束に基づいて多数の光源からなる第１多数光源を形成するための第１オプティカルインテグレータを構成している。なお，図６では，図面表記の都合上，マイクロレンズアレイ３６とフライアイレンズ６を構成するレンズエレメントの数を実際よりも減じて図示している。
【００４４】
なお，マイクロレンズアレイ３６は，照明光路に対して挿脱自在に構成され，且つレンズエレメントの焦点距離がマイクロレンズアレイ３６とは異なる複数種類のマイクロレンズアレイ３６０と切り換え可能に構成されている。図６では，複数種類のマイクロレンズアレイをまとめてマイクロレンズアレイ３６０として表している。マイクロレンズアレイ６とマイクロレンズアレイ３６０との間の切り換えは，制御系２０からの指令に基づいて動作する駆動系２４により行われる。
【００４５】
マイクロレンズアレイ３６の後側焦点面に形成された多数の光源からの光束は，ズームレンズ３７を介して，フライアイレンズ６を重畳的に照明する。ズームレンズ３７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リレー光学系である。フライアイレンズ６の入射面に形成される照野の大きさは，ズームレンズ３７の焦点距離に依存して変化する。なお，ズームレンズ３７の焦点距離の変化は，制御系２０からの指令に基づいて動作する駆動系２５により行われる。
【００４６】
フライアイレンズ６は，第２オプティカルインテグレータとして機能し，本照明光学装置が備えるオプティカルインテグレータのうち最も被照射面側に配置される最終オプティカルインテグレータである。フライアイレンズ６からの光は，コンデンサー光学系３８の集光作用を受けた後，折り返し用のミラー１０で反射された後，マスク１１を照明する。マスク１１，投影レンズ１２，ウエハ１３の構成，動作に関しては図１に示すものと同様であるため，重複説明を省略する。なお，本実施の形態においても，従来使用していたσ絞りは配置していない。
【００４７】
上記構成において，回折光学素子４の特性を所定のものに設定することによって，ズームレンズ３７の射出側に形成される光強度分布を所望のものに設定できる。ズームレンズ３７の射出側に形成される光強度分布は，特開２００２−５７０８１号公報に開示されているように，回折光学素子４とマイクロレンズアレイ３６のコンボリューションにより形成されるものとなり，フライアイレンズ６の入射面に所定の強度パターンを発生する。
【００４８】
そこで，ズームレンズ３７の後側焦点位置に図２（ｂ）に示す光強度ＩＢと同様の略台形状，あるいは図４（ｂ）に示す光強度ＩＢと同様の略矩形状の光強度分布を形成するよう回折光学素子４の特性を設定する。そして，ズームレンズ３７の焦点位置を，フライアイレンズ６の入射面よりウエハ側にデフォーカスして設定する。このような構成により，前述の第１の実施の形態や第２の実施の形態と同様に，フライアイレンズ６の入射面内における光強度ＩＡの傾斜部のｒ方向の幅ｗａが，フライアイレンズ６を構成するレンズエレメントの有効径φｆの０．５倍以上となるようにする。
【００４９】
上記構成により，前述の実施の形態と同様に，照明均一性を向上し，光量損失を抑制することができる。
【００５０】
次に，第４の実施の形態について説明する。上記の第３の実施の形態のように，マイクロレンズアレイと回折光学素子との協動によりフライアイレンズの入射面に所定の光強度分布を形成しようとする場合には，マイクロレンズアレイを構成する多数のレンズ面の開口に起因する回折作用によって，上記所定の光強度分布のエッジがぼけることがある。本実施の形態は，このぼけの分まで考慮して回折光学素子の発散特性を，上記所定の光強度分布のエッジが所望のぼけ方となるように設定したものである。この場合には，例えば第２フライアイレンズの射出面に形成される２次光源の光強度分布をシミュレーションにより求め，このシミュレーションされた２次光源の光強度分布が均一或いは所望の分布となるように，回折光学素子の発散特性を変更すれば良い。
【００５１】
本実施の形態においても，第３の実施の形態と同様の効果が得られ，さらに照明光の強度分布の最適化を図ることができる。
【００５２】
上記第３の実施の形態および第４の実施の形態は，特開２００１−８５２９３号公報の図１に示される照明光学装置に適用することができる。この装置の構成は，図６に示す第３の実施の形態および第４の実施の形態において，回折光学素子４とマイクロレンズアレイ３６の逆転配置したものである。この場合には，特開２００１−８５２９３号公報の図１におけるマイクロレンズアレイ４，４０と回折光学素子６，６０，６１とによって，ズームレンズ７の後側焦点位置に台形状光量分布を形成し，フライアイレンズ８の入射面をズームレンズ７の後側焦点位置よりもズームレンズ７側に設定して台形状の光量分布のエッジを，フライアイレンズ８を構成するレンズエレメントの大きさの０．５倍以上ぼかす。但し，上記第３の実施の形態および第４の実施の形態を特開２００１−８５２９３号公報の図１に適用した場合は，照明開口絞り９（９ａ，９ｂ）は不要となる。
【００５３】
上記第１〜第４の実施の形態では，オプティカルインテグレータとして波面分割型インテグレータであるフライアイレンズ６を用いているが，その代わりに内面反射型のロッド型インテグレータを用いることもできる。図７にこの場合の要部構成図を示す。図７に示すインプットレンズ５０とロッド型インテグレータ５２の組み合わせが，図１のフライアイレンズ６とリレーレンズ７の組み合わせと等価であり置換可能である。
【００５４】
図７において，面ＳＣはロッド型インテグレータ５２の射出面ＳＤをインプットレンズ５０を介して逆方向に光線追跡したときに射出面ＳＤが結像する位置である。なお，図７は，簡単のため，ロッド型インテグレータ５２端面での屈折作用を無視した概念図を示す。面ＳＣには，それぞれがロッド型インテグレータ５２の射出面ＳＤと共役な複数の領域が存在する。すなわち，ロッド型インテグレータ５２に入射する光束は，これらの複数の領域ごとに分割され，ロッド型インテグレータ５２の射出面ＳＤにおいてこれらの複数の領域からの光が重畳する。この複数の領域のそれぞれを分割単位として，この分割単位をフライアイレンズを構成するレンズエレメントと同様に考えることができる。
【００５５】
リレーレンズ５（図７では不図示）の後側焦点位置からのディフォーカス量と面ＳＣでの光強度分布の傾斜部の幅との関係は，シミュレーションにより求めることができる。そこで，面ＳＣでの光強度分布の傾斜部の幅が面ＳＣでの分割単位の０．５〜１倍となるように，リレーレンズ５の後側焦点位置と面ＳＣを設定すればよい。
【００５６】
よって，最終オプティカルインテグレータとして内面反射型のロッド型インテグレータを用いた場合でも，前述の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００５７】
上記例では通常円形照明の場合について説明したが，輪帯，４極照明等の変形照明の場合についても，本発明は適用可能である。図８は，変形照明の場合の一例を示し，図２（ａ）に対応するものである。図８にフライアイレンズ６の入射面に形成される光強度分布ＩＡを点線で示す。この場合も上記例と同様の原理を用い，周辺近傍の傾斜部の幅を最適化することにより，同様の効果が得られる。
【００５８】
上記実施の形態において，回折光学素子４の発散特性はコンピュータシミュレーションによって厳密な回折計算を行い，光強度ＩＢの傾斜部の幅ｗｂを最適化することが望ましい。上記例では光強度ＩＡの形状を概略台形状としたが，必ずしも来れに限定するものではなく，照明均一性，瞳での光強度分布均一性，テレセントリック性等が最適になるように定めることが望ましい。
【００５９】
上記実施の形態において，光源１から回折光学素子４までの間に光遅延光学系を挿入する構成を採用することができる。また，フライアイレンズ６の代わりにエッチングによって微小レンズをインテグレートしたマイクロレンズアレイを使用してもよい。
【００６０】
上記実施の形態におけるパルス光光源としてはＫｒＦレーザ，ＡｒＦレーザ，Ｆ２レーザを使用できる。光源としては，ＤＵＶ（Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）固体レーザを用いてもよい。ｉ線等のランプを光源とする露光装置にも本発明は適用可能である。また，スキャン型ではない露光装置についても本発明は適用可能である。
【００６１】
以上，添付図面を参照しながら本発明にかかる好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００６２】
【発明の効果】
以上，詳細に説明したように本発明によれば，光量損失を良好に抑えつつ照明均一性を確保可能な照明光学装置を提供できる。また，本発明の別の観点によれば，良好な照明均一性とともに高い光効率で露光可能であり，スループットの向上が可能な露光装置および露光方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る露光装置の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る照明均一性の原理について説明する図であり，図２（ａ）は，回折光学素子からフライアイレンズまでの構成図であり，図２（ｂ）は光軸ＡＸに垂直な面における光強度分布を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るフライアイレンズの射出面での光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る照明均一性の原理について説明する図であり，図４（ａ）は，回折光学素子からフライアイレンズまでの構成図であり，図４（ｂ）は光軸ＡＸに垂直な面における光強度分布を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るフライアイレンズの射出面での光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る露光装置の構成図である。
【図７】ロッド型インテグレータを用いた場合の要部構成図である。
【図８】変形照明の場合の要部構成図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ ビーム整形光学
３ 振動ミラー
４，４０ 回折光学素子
５ リレーレンズ
６ フライアイレンズ
７ リレーレンズ
８ 可動ブラインド
９ａ，９ｂ コンデンサレンズ
１０ ミラー
１１ マスク
１２ 投影レンズ
１３ ウエハ
１６，２０ 制御系
１８，２２，２３，２４，２５ 駆動系
３５ アフォーカルズームレンズ
３６，３６０ マイクロレンズアレイ
３７ ズームレンズ
３８ コンデンサー光学系
５０ インプットレンズ
５２ ロッド型インテグレータ
【発明の属する技術分野】
本発明は，照明光学装置並びに該照明光学装置を備えた露光装置および該照明光学装置を用いた露光方法に係り，特に半導体素子，液晶表示素子，撮像素子，ＣＣＤ素子，薄膜磁気ヘッド等のマイクロデバイスをフォトリソグラフィ工程で製造する際に用いられるのに好適な照明光学装置，該照明光学装置を備えた露光装置および該照明光学装置を用いた露光方法に関するものである。
【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エハ上に結像する。こうして，ウエハ上には，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エハ上に正確に転写するにはウエ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（以下，σ絞りという）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，σ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】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように，従来技術では，瞳での光分布形状を制御するため，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σ絞りによって制限している。そのため，光量損失が発生していた。特に，従来技術における輪帯変形照明や４極変形照明では，二次光源からの光束の相当部分がσ絞りで遮蔽され，照明（露光）に寄与することがない。このようなσ絞りにおける光量損失により，マスクおよびウエ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という不都合があった。また，単にσ絞りを取り外しただけでは，光量損失は解消されるが，照明均一性が低減するという問題が発生する。
【０００６】
本発明は，前述の課題に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，光量損失を良好に抑えつつ照明均一性を確保可能な照明光学装置，該照明光学装置を備えた露光装置および該照明光学装置を用いた露光方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために，本発明の第１発明は，被照射面を照明するための照明光学装置であって，光源からの光束に基づいて実質的な面光源を形成するオプティカルインテグレータを備え，前記照明光学装置が備えるオプティカルインテグレータのうち最も前記被照射面側に配置される最終オプティカルインテグレータの入射面内において，光軸に近づくに従い光強度が増加する所定領域が形成されていることを特徴とする照明光学装置を提供する。
【０００８】
かかる構成によれば，σ絞りを用いない場合でも，最終オプティカルインテグレータ射出後の照明ムラを改善し，被照射面において照明均一性を確保できる。σ絞りが不要になるため，光量損失を良好に抑制できる。
【０００９】
第１発明の好ましい態様においては，前記光源と前記最終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，前記光源からの光束の光強度分布を変換し，前記最終オプティカルインテグレータの入射面内において前記所定領域を形成する光束変換手段を含む。その際に，前記光束変換手段は，複数のオプティカルインテグレータの組み合わせからなるように構成してもよく，前記複数のオプティカルインテグレータは回折型光学素子および波面分割型インテグレータを含むように構成してもよい。
【００１０】
また，前記光源と前記最終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，前記オプティカルインテグレータの入射面と所定距離だけ間隔を隔てた所定位置に照野を形成し，前記最終オプティカルインテグレータの入射面内において前記所定領域を形成する導光手段を含むように構成してもよい。
【００１１】
本発明の第２発明によれば，被照射面を照明するための照明光学装置であって，光源からの光束に基づいて実質的な面光源を形成するオプティカルインテグレータと，前記光源と前記最終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，前記光源からの光束の光強度分布を変換する光束変換手段と，前記光束変換手段と前記最終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，前記オプティカルインテグレータの入射面と所定距離だけ間隔を隔てた所定位置に照野を形成する導光手段と，を備え，前記照明光学装置が備えるオプティカルインテグレータのうち最も前記被照射面側に配置される最終オプティカルインテグレータの入射面内において，光軸に近づくに従い光強度が増加する所定領域が形成されていることを特徴とする照明光学装置が提供される。
【００１２】
かかる構成によれば，σ絞りを用いない場合でも，最終オプティカルインテグレータ射出後の照明ムラを改善し，被照射面において照明均一性を確保できる。σ絞りが不要になるため，光量損失を良好に抑制できる。
【００１３】
第２発明の好ましい態様においては，前記光束変換手段は，複数のオプティカルインテグレータの組み合わせからなり，前記複数のオプティカルインテグレータは回折型光学素子および波面分割型インテグレータを含む。また，前記最終オプティカルインテグレータの射出面における光強度分布の均一性を高めるように前記光束変換手段が形成する光強度分布を最適化することが好ましい。
【００１４】
第２発明の好ましい態様においては，前記最終オプティカルインテグレータが多数の光学要素から構成される場合は，前記所定距離は前記光学要素の焦点距離とほぼ等しいか，あるいは，前記所定距離は前記光学要素の焦点距離以上であり，前記所定領域の長さは前記光学要素の有効径長の０．５倍以上である。また，前記所定面は前記オプティカルインテグレータの入射面よりも被照射面側に位置することが好ましい。
【００１５】
本発明の第３発明によれば，マスク上に形成された所定のパターンを感光性基板へ転写する露光装置において，上記記載の照明光学装置を用いて前記被照射面に設定された前記マスクを照明することを特徴とする露光装置が提供される。
かかる構成によれば，良好な照明条件で露光可能な露光装置を提供できる。
【００１６】
本発明の第４発明によれば，マスク上に形成された所定のパターンを感光性基板に転写する露光方法において，上記記載の照明光学装置を用いて前記被照射面に設定された前記マスクを照明し，前記マスク上の前記所定のパターンを前記感光性基板に転写することを特徴とする露光方法が提供される。かかる構成によれば，良好な照明条件でパターンを露光できるので，良好なデバイスを製造することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下，図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお，以下の説明及び添付図面において，略同一の機能及び構成を有する構成要素については，同一符号を付すことにより，重複説明を省略する。図１は，本発明の第１の実施の形態に係る照明光学装置を備えた露光装置の構成図である。
【００１８】
パルス発光光源１からの紫外光束はビーム整形光学系２によって所定の大きさ及び所定の形状の断面を有する光束になるようビーム整形される。その後，光束は振動ミラー３によって反射された後，回折光学素子４に入射する。一般に，回折光学素子は，ガラス基板に露光光（照明光）の波長程度のピッチを有する段差を形成することによって構成され，入射ビームを所望の角度に回折する作用を有し，光束変換手段としての機能を有する。
【００１９】
回折光学素子４は導光手段としてのリレーレンズ５を介してフライアイレンズ６の入射面に所定の強度パターンを発生する。ここでは，回折光学素子４は，照明光路に対して挿脱自在に構成され，複数種類の回折光学素子４０と切り換え可能に構成されている。図１では，複数種類の回折光学素子をまとめて回折光学素子４０として表している。回折光学素子４を通常円形照明用とし，回折光学素子４０を，輪帯や４極等の変形照明用とすれば，これらの回折光学素子を切り替えることにより，フライアイレンズ６近傍に円形，輪帯，４極等の通常照明や変形照明に対応した強度分布を発生させることが可能になる。これらの複数の回折光学素子は，回転可能なターレット上に支持されてターレットの回転により切り換えるようにしてもよく，あるいはカセット内に配置して切り換えるようにしてもよい。制御系１６からの指令に基づいて動作する駆動系１８により，これらの回折光学素子の切り換えが行われる。
【００２０】
本実施の形態では，リレーレンズ５の焦点位置は図１に示すように，フライアイレンズ６の入射面よりウエハ側に位置している。すなわち，デフォーカスして設定している。また，フライアイレンズ６の入射面内における光強度分布は一様ではなく，光軸に近づくに従い光強度が増加する所定領域が形成されるよう設計されている。この構成については後で詳述する。
【００２１】
フライアイレンズ６は，本照明光学装置が備えるオプティカルインテグレータのうち最も被照射面側に配置される最終オプティカルインテグレータである。フライアイレンズ６は，波面分割型のオプティカルインテグレータであり，正の屈折力を有する多数のレンズエレメントを稠密に且つ縦横配列することによって構成されている。したがって，フライアイレンズ６に入射した光束は，多数のレンズエレメントにより二次元的に分割され，これにより面光源を形成する二次光源像が形成される。また，フライアイレンズ６の中央部分には０次光を遮断するための遮蔽部が設けられている。図１では，図面表記の都合上，フライアイレンズ６を構成するレンズエレメントの数を実際よりも減じて図示している。なお，従来使用していたσ絞りは配置していないので，瞳における光強度分布は回折光学素子４の発散特性によって決定される。
【００２２】
フライアイレンズ６からの光はリレーレンズ７を透過した後，可動ブラインド８上に導かれる。可動ブラインド８はマスク１１とウエハ１３の走査と同期して走査される走査型視野絞りであり，走査を通じた全体の露光領域を規定する。可動ブラインド８の像はコンデンサレンズ９ａ，９ｂによってマスク１１上に結像される。コンデンサレンズ９ａ，９ｂの間には光路を折り返すためのミラー１０が配置されている。コンデンサレンズ９ａ，９ｂを透過した光によって被照射面としてのマスク１１が重畳的に均一に照明され，マスク１１上に描画されている回路パターンに回折光が発生し，投影レンズ１２を介してレジストを塗布したウエハ１３上に回路パターンの像が結像される。この配置において，露光を通じて可動ブラインド８，マスク１１，ウエハ１３を同期して走査し，マスク１１上の所定の領域がウエハ１３上に走査露光される。
【００２３】
次に，本照明光学装置における照明均一性の原理について図２を参照しながら説明する。図２（ａ）は，上記装置の要部である回折光学素子４からフライアイレンズ６までの構成を示す。本装置では，最終オプティカルインテグレータであるフライアイレンズ６の入射面に生成される光強度分布を制御することによって照明均一性を向上する。本実施の形態では，光強度分布の制御は，光束変換手段である回折光学素子４の発散特性を所定のものに設定することと，リレーレンズ５の焦点面をフライアイレンズ６の入射面からデフォーカスすることによって行われる。
【００２４】
図２（ａ）において，ＳＡはフライアイレンズ６の入射面であり，ＳＢはリレーレンズ５の焦点面である。図２（ａ）に示すように，リレーレンズ５の焦点面ＳＢは，フライアイレンズ６の入射面ＳＡより距離ｄｅｆだけウエハ側にデフォーカスした位置に設定されている。距離ｄｅｆはフライアイレンズ６を構成するレンズエレメントの焦点距離と同じに設定することが望ましい。このように距離ｄｅｆを設定することにより，フライアイレンズ６の射出面での光強度分布を良好にすることができる。
【００２５】
図３は，距離ｄｅｆをフライアイレンズ６を構成するレンズエレメントの焦点距離と同じにした場合のフライアイレンズ６の射出面での光強度分布のシミュレーション結果である。図３では２次光源の形状がきれいな円形になっていることがわかる。
【００２６】
図２（ｂ）は光軸ＡＸに垂直な面における光強度分布を示す図である。図２（ｂ）において，縦軸のｒは光軸ＡＸを中心として光軸ＡＸに垂直な面における半径方向の位置であり，横軸Ｉは位置ｒにおける光強度Ｉである。図２（ｂ）に実線で示される光強度ＩＢは，光源からの光束が回折光学素子４により変換され，リレーレンズ５を透過した後，リレーレンズ５の焦点面ＳＢに形成する光強度を示す。光強度ＩＢは，周辺部近傍に光軸ＡＸに近づくに従い光強度が増加する領域を有し，この領域では縦軸および横軸に対して傾斜した略直線を示す。光強度ＩＢは，光軸ＡＸ近傍でほぼ一定であり，縦軸に対して平行な略直線を示す。したがって，光強度ＩＢと縦軸により形成される図形は図２（ｂ）に示すように略台形状となる。以後，光強度が光軸ＡＸに近づくに従い増加する領域を傾斜部と呼ぶ。また，光強度ＩＢにおける傾斜部のｒ方向の幅をｗｂとする。
【００２７】
図２（ａ）および図２（ｂ）に，光強度ＩＡとしてフライアイレンズ６の入射面ＳＡにおける光強度を点線で示す。光強度ＩＡは，リレーレンズ５の焦点面ＳＢにおける光強度ＩＢをフライアイレンズ６の入射面ＳＡにデフォーカスしたものと考えられる。光強度ＩＡと縦軸により形成される図形もまた，図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように略台形状となるが，光強度ＩＡの傾斜部のｒ方向の幅ｗａは，上述のデフォーカスのために光強度ＩＢの傾斜部の幅ｗｂよりも大きい。光強度ＩＡにおける光軸ＡＸ近傍の光強度がほぼ一定の位置ｒは，光強度ＩＢのものとほぼ同じである。
【００２８】
幅ｗａは，フライアイレンズ６を構成するレンズエレメントの有効径φｆの０．５〜１倍となるように設定すると，以下に述べる理由により照明均一性が格段に向上する。フライアイレンズとコンデンサレンズとを用いて，フライアイレンズに入射する光束を波面分割して被照射面を重畳的に照明する際に，フライアイレンズの最周縁のレンズエレメントにおいては，その入射面の一部しか照明されないことがある。この一部しか照明されないレンズエレメントからの光束は，被照射面上の一部にしか到達せず（全部が照明されたレンズエレメントからの光束は被照射面上の全部に到達），被照射面上での照度ムラに寄与する。ここで，フライアイレンズに入射する光束の断面方向での光強度分布を台形状とし，その傾斜部の幅をフライアイレンズのレンズエレメントの０．５倍以上とすることにより，フライアイレンズの最周縁のレンズエレメントから被照射面へ向かう光束の被照射面上での照度ムラへの寄与の度合いを小さくすることができ，ひいては照明均一性を向上できる。
【００２９】
図２（ｂ）に示すように，光強度ＩＡの傾斜部の幅ｗａは，光強度ＩＢの傾斜部の幅ｗｂと，これらの差分ｗｄとの和として考えられる。差分ｗｄは，デフォーカスにより発生するものであるから，次式により幾何学的に求めることができる。
ｗｄ＝ｔａｎ（φｉ／ｆ）・ｄｅｆ
ここで，φｉは回折光学素子４への有効入射径であり，ｆはリレーレンズ５の焦点距離であり，ｄｅｆは前述のようにデフォーカス量である。ただし，リレーレンズ５はｆｓｉｎθ型を想定している。リレーレンズ５が他の型の場合も幾何学的にｗｄを求めることができる。
【００３０】
よって，フライアイレンズ６の入射面ＳＡにおける傾斜部の幅ｗａは
【００３１】
上記構成によれば，σ絞りを用いない場合でも，被照射面上での照度ムラを軽減することができ，ひいては照明均一性を向上できる。また，σ絞りが不要になるため，従来発生していた光量損失を抑制でき，高い光効率での照明が可能になる。
【００３２】
次に，図４を参照しながら，本発明の第２の実施の形態に係る露光装置について説明する。図４（ａ）は，本実施の形態の要部である回折光学素子４からフライアイレンズ６までの構成を示す図であり，図４（ｂ）は光軸ＡＸに垂直な面における光強度分布図であり，図４は第１の実施の形態の図２に相当するものである。本実施の形態は，回折光学素子の発散特性と，リレーレンズ５の焦点面のデフォーカス量が第１の実施の形態と異なる。以下，この点に注目して説明を行い，第１の実施の形態と同様の構成については重複説明を省略する。
【００３３】
本実施の形態における回折光学素子４は，第１の実施の形態の回折光学素子４とは異なる発散特性を有する。この回折光学素子４により，リレーレンズ５の焦点面ＳＢに形成される光強度ＩＢは，図４（ｂ）に実線で示すように，傾斜部が無い。光強度ＩＢと縦軸により形成される図形は略矩形状となる。すなわち，本実施の形態では，ｗｂ＝０である。
【００３４】
また，フライアイレンズ６の入射面ＳＡに対するリレーレンズ５の焦点面ＳＢのデフォーカス量ｄｅｆは，図２（ａ）に示す第１の実施の形態の場合の量より大きい。本実施の形態では，デフォーカス量ｄｅｆは，フライアイレンズ６を構成するレンズエレメントの焦点距離以上大きくとっており，すなわち，前述のｗｄがレンズエレメントの有効径φｆと等しくなるまで，デフォーカス量ｄｅｆを大きくしている。
【００３５】
上記構成により得られるフライアイレンズ６の入射面ＳＡでの光強度ＩＡは，図４（ａ）および図４（ｂ）に点線で示すように傾斜部を有する台形状の分布を有し，図２（ｂ）のものと同様となる。よって，本実施の形態においても，第１の実施の形態と同様に照明均一性を向上し，光量損失を抑制することができる。
【００３６】
なお，本実施の形態では，デフォーカス量ｄｅｆがフライアイレンズ６を構成するレンズエレメントの焦点距離以上大きいため，２次光源の強度分布の均一性，特にその歪具合が若干低下することがある。そこで，この均一性を補正するように，あらかじめ回折光学素子の発散特性を設定しておくことが好ましい。これは，光学シミュレーションによって瞳の強度分布計算を行い，回折光学素子の最適な発散特性を求めることにより行うことができる。
【００３７】
図５は，本実施の形態におけるフライアイレンズ６の射出面での光強度分布のシミュレーション結果である。図５に示す例では２次光源は±４５°方向がへこむような形状になる。そこで，±４５°方向が膨らむようなファーフィールドパターンを形成するように回折光学素子の発散特性を設定しておけば，この２次光源の歪みを補正することが可能になる。
【００３８】
上記第１の実施の形態および第２の実施の形態は，ＥＰ１０１４１９６Ａ２号の図４３に示される照明光学装置に適用することができる。但し，上記第１の実施の形態または第２の実施の形態をＥＰ１０１４１９６Ａ２号の図４３に適用した場合には，照明開口絞り１００９は不要となる。なお，ＥＰ１０１４１９６Ａ２号の図４３に示される照明光学装置に本件実施例を適用した場合，凹円錐プリズム１００５Ｂ及び凸円錐プリズム１００５Ｃに代えて，或いは加えて，凹Ｖ溝プリズム及び凸Ｖ溝プリズムを配置しても良い。ここで，凹Ｖ溝プリズムは光軸直交方向に稜線を有するように配置された２つの平面状の屈折面を有し，これら２つの平面状屈折面が下流側に凹面を向けるように形成されている。凸Ｖ溝プリズムは凹Ｖ溝プリズムの稜線と平行な方向に稜線を有するように配置された２つの平面状の屈折面を有し，これら２つの平面状屈折面が上流側（光源側）に凸面を向けるように形成されている。
【００３９】
なお，これら２つのＶ溝プリズムのうちの少なくとも一方は光軸に沿って移動可能に構成され，凹Ｖ溝プリズムの凹状屈折面と凸Ｖ溝プリズムの凸状屈折面との間隔が可変となっている。また，円錐プリズムの対１００５及びＶ溝プリズムの対が照明光路中に配置される構成において，さらにＶ溝プリズムの対を設けても良い。この場合，２組目のＶ溝プリズムの対の稜線は，１組目のＶ溝プリズムの対の稜線と直交する。また，このような円錐プリズムの対１００５及び２組のＶ溝プリズムの対が配置される構成か，円錐プリズムの対１００５を省略する構成も可能である。
【００４０】
次に，本発明の第３の実施の形態に係る露光装置について，図６を参照しながら説明する。図６は，本発明の第３の実施の形態に係る照明光学装置を備えた露光装置の構成図である。光源１から射出された光束はビーム整形光学系２，振動ミラー３を経由した後，回折光学素子４に入射する。本実施の形態においても第１の実施の形態と同様に，回折光学素子４と複数種類の回折光学素子４０が切り替え可能かつ光路に対して挿脱自在に構成されている。切り換えは，制御系２０からの指令に基づいて動作する駆動系２２により行われる。
【００４１】
回折光学素子４を透過した光束はアフォーカルズームレンズ３５に入射する。アフォーカルズームレンズ３５は，回折光学素子４の回折面と後述するマイクロレンズアレイ３６の入射面とを光学的にほぼ共役な関係に維持し，且つアフォーカル系（無焦点光学系）を維持しながら，所定の範囲で倍率を連続的に変化させることができるように構成されている。アフォーカルズームレンズ３５の倍率変化は，制御系２０からの指令に基づいて動作する駆動系２３により行われる。
【００４２】
アフォーカルズームレンズ３５から射出された平行光束はマイクロレンズアレイ３６に入射する。マイクロレンズアレイ３６は波面分割型のオプティカルインテグレータであり，正の屈折力を有する多数のレンズエレメントを稠密に且つ縦横配列することによって構成されている。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。
【００４３】
ここで，マイクロレンズアレイを構成する各レンズエレメントは，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，多数のレンズエレメント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。したがって，マイクロレンズアレイ３６に入射した光束は，多数のレンズエレメントにより二次元的に分割され，各レンズエレメントの後側焦点面にはそれぞれ１つの光源が形成される。このように，マイクロレンズアレイ３６は，光源１からの光束に基づいて多数の光源からなる第１多数光源を形成するための第１オプティカルインテグレータを構成している。なお，図６では，図面表記の都合上，マイクロレンズアレイ３６とフライアイレンズ６を構成するレンズエレメントの数を実際よりも減じて図示している。
【００４４】
なお，マイクロレンズアレイ３６は，照明光路に対して挿脱自在に構成され，且つレンズエレメントの焦点距離がマイクロレンズアレイ３６とは異なる複数種類のマイクロレンズアレイ３６０と切り換え可能に構成されている。図６では，複数種類のマイクロレンズアレイをまとめてマイクロレンズアレイ３６０として表している。マイクロレンズアレイ６とマイクロレンズアレイ３６０との間の切り換えは，制御系２０からの指令に基づいて動作する駆動系２４により行われる。
【００４５】
マイクロレンズアレイ３６の後側焦点面に形成された多数の光源からの光束は，ズームレンズ３７を介して，フライアイレンズ６を重畳的に照明する。ズームレンズ３７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リレー光学系である。フライアイレンズ６の入射面に形成される照野の大きさは，ズームレンズ３７の焦点距離に依存して変化する。なお，ズームレンズ３７の焦点距離の変化は，制御系２０からの指令に基づいて動作する駆動系２５により行われる。
【００４６】
フライアイレンズ６は，第２オプティカルインテグレータとして機能し，本照明光学装置が備えるオプティカルインテグレータのうち最も被照射面側に配置される最終オプティカルインテグレータである。フライアイレンズ６からの光は，コンデンサー光学系３８の集光作用を受けた後，折り返し用のミラー１０で反射された後，マスク１１を照明する。マスク１１，投影レンズ１２，ウエハ１３の構成，動作に関しては図１に示すものと同様であるため，重複説明を省略する。なお，本実施の形態においても，従来使用していたσ絞りは配置していない。
【００４７】
上記構成において，回折光学素子４の特性を所定のものに設定することによって，ズームレンズ３７の射出側に形成される光強度分布を所望のものに設定できる。ズームレンズ３７の射出側に形成される光強度分布は，特開２００２−５７０８１号公報に開示されているように，回折光学素子４とマイクロレンズアレイ３６のコンボリューションにより形成されるものとなり，フライアイレンズ６の入射面に所定の強度パターンを発生する。
【００４８】
そこで，ズームレンズ３７の後側焦点位置に図２（ｂ）に示す光強度ＩＢと同様の略台形状，あるいは図４（ｂ）に示す光強度ＩＢと同様の略矩形状の光強度分布を形成するよう回折光学素子４の特性を設定する。そして，ズームレンズ３７の焦点位置を，フライアイレンズ６の入射面よりウエハ側にデフォーカスして設定する。このような構成により，前述の第１の実施の形態や第２の実施の形態と同様に，フライアイレンズ６の入射面内における光強度ＩＡの傾斜部のｒ方向の幅ｗａが，フライアイレンズ６を構成するレンズエレメントの有効径φｆの０．５倍以上となるようにする。
【００４９】
上記構成により，前述の実施の形態と同様に，照明均一性を向上し，光量損失を抑制することができる。
【００５０】
次に，第４の実施の形態について説明する。上記の第３の実施の形態のように，マイクロレンズアレイと回折光学素子との協動によりフライアイレンズの入射面に所定の光強度分布を形成しようとする場合には，マイクロレンズアレイを構成する多数のレンズ面の開口に起因する回折作用によって，上記所定の光強度分布のエッジがぼけることがある。本実施の形態は，このぼけの分まで考慮して回折光学素子の発散特性を，上記所定の光強度分布のエッジが所望のぼけ方となるように設定したものである。この場合には，例えば第２フライアイレンズの射出面に形成される２次光源の光強度分布をシミュレーションにより求め，このシミュレーションされた２次光源の光強度分布が均一或いは所望の分布となるように，回折光学素子の発散特性を変更すれば良い。
【００５１】
本実施の形態においても，第３の実施の形態と同様の効果が得られ，さらに照明光の強度分布の最適化を図ることができる。
【００５２】
上記第３の実施の形態および第４の実施の形態は，特開２００１−８５２９３号公報の図１に示される照明光学装置に適用することができる。この装置の構成は，図６に示す第３の実施の形態および第４の実施の形態において，回折光学素子４とマイクロレンズアレイ３６の逆転配置したものである。この場合には，特開２００１−８５２９３号公報の図１におけるマイクロレンズアレイ４，４０と回折光学素子６，６０，６１とによって，ズームレンズ７の後側焦点位置に台形状光量分布を形成し，フライアイレンズ８の入射面をズームレンズ７の後側焦点位置よりもズームレンズ７側に設定して台形状の光量分布のエッジを，フライアイレンズ８を構成するレンズエレメントの大きさの０．５倍以上ぼかす。但し，上記第３の実施の形態および第４の実施の形態を特開２００１−８５２９３号公報の図１に適用した場合は，照明開口絞り９（９ａ，９ｂ）は不要となる。
【００５３】
上記第１〜第４の実施の形態では，オプティカルインテグレータとして波面分割型インテグレータであるフライアイレンズ６を用いているが，その代わりに内面反射型のロッド型インテグレータを用いることもできる。図７にこの場合の要部構成図を示す。図７に示すインプットレンズ５０とロッド型インテグレータ５２の組み合わせが，図１のフライアイレンズ６とリレーレンズ７の組み合わせと等価であり置換可能である。
【００５４】
図７において，面ＳＣはロッド型インテグレータ５２の射出面ＳＤをインプットレンズ５０を介して逆方向に光線追跡したときに射出面ＳＤが結像する位置である。なお，図７は，簡単のため，ロッド型インテグレータ５２端面での屈折作用を無視した概念図を示す。面ＳＣには，それぞれがロッド型インテグレータ５２の射出面ＳＤと共役な複数の領域が存在する。すなわち，ロッド型インテグレータ５２に入射する光束は，これらの複数の領域ごとに分割され，ロッド型インテグレータ５２の射出面ＳＤにおいてこれらの複数の領域からの光が重畳する。この複数の領域のそれぞれを分割単位として，この分割単位をフライアイレンズを構成するレンズエレメントと同様に考えることができる。
【００５５】
リレーレンズ５（図７では不図示）の後側焦点位置からのディフォーカス量と面ＳＣでの光強度分布の傾斜部の幅との関係は，シミュレーションにより求めることができる。そこで，面ＳＣでの光強度分布の傾斜部の幅が面ＳＣでの分割単位の０．５〜１倍となるように，リレーレンズ５の後側焦点位置と面ＳＣを設定すればよい。
【００５６】
よって，最終オプティカルインテグレータとして内面反射型のロッド型インテグレータを用いた場合でも，前述の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００５７】
上記例では通常円形照明の場合について説明したが，輪帯，４極照明等の変形照明の場合についても，本発明は適用可能である。図８は，変形照明の場合の一例を示し，図２（ａ）に対応するものである。図８にフライアイレンズ６の入射面に形成される光強度分布ＩＡを点線で示す。この場合も上記例と同様の原理を用い，周辺近傍の傾斜部の幅を最適化することにより，同様の効果が得られる。
【００５８】
上記実施の形態において，回折光学素子４の発散特性はコンピュータシミュレーションによって厳密な回折計算を行い，光強度ＩＢの傾斜部の幅ｗｂを最適化することが望ましい。上記例では光強度ＩＡの形状を概略台形状としたが，必ずしも来れに限定するものではなく，照明均一性，瞳での光強度分布均一性，テレセントリック性等が最適になるように定めることが望ましい。
【００５９】
上記実施の形態において，光源１から回折光学素子４までの間に光遅延光学系を挿入する構成を採用することができる。また，フライアイレンズ６の代わりにエッチングによって微小レンズをインテグレートしたマイクロレンズアレイを使用してもよい。
【００６０】
上記実施の形態におけるパルス光光源としてはＫｒＦレーザ，ＡｒＦレーザ，Ｆ２レーザを使用できる。光源としては，ＤＵＶ（Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）固体レーザを用いてもよい。ｉ線等のランプを光源とする露光装置にも本発明は適用可能である。また，スキャン型ではない露光装置についても本発明は適用可能である。
【００６１】
以上，添付図面を参照しながら本発明にかかる好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００６２】
【発明の効果】
以上，詳細に説明したように本発明によれば，光量損失を良好に抑えつつ照明均一性を確保可能な照明光学装置を提供できる。また，本発明の別の観点によれば，良好な照明均一性とともに高い光効率で露光可能であり，スループットの向上が可能な露光装置および露光方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る露光装置の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る照明均一性の原理について説明する図であり，図２（ａ）は，回折光学素子からフライアイレンズまでの構成図であり，図２（ｂ）は光軸ＡＸに垂直な面における光強度分布を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るフライアイレンズの射出面での光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る照明均一性の原理について説明する図であり，図４（ａ）は，回折光学素子からフライアイレンズまでの構成図であり，図４（ｂ）は光軸ＡＸに垂直な面における光強度分布を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るフライアイレンズの射出面での光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る露光装置の構成図である。
【図７】ロッド型インテグレータを用いた場合の要部構成図である。
【図８】変形照明の場合の要部構成図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ ビーム整形光学
３ 振動ミラー
４，４０ 回折光学素子
５ リレーレンズ
６ フライアイレンズ
７ リレーレンズ
８ 可動ブラインド
９ａ，９ｂ コンデンサレンズ
１０ ミラー
１１ マスク
１２ 投影レンズ
１３ ウエハ
１６，２０ 制御系
１８，２２，２３，２４，２５ 駆動系
３５ アフォーカルズームレンズ
３６，３６０ マイクロレンズアレイ
３７ ズームレンズ
３８ コンデンサー光学系
５０ インプットレンズ
５２ ロッド型インテグレータ
Claims (15)
- 被照射面を照明するための照明光学装置であって，
光源からの光束に基づいて実質的な面光源を形成するオプティカルインテグレータを備え，
前記照明光学装置が備えるオプティカルインテグレータのうち最も前記被照射面側に配置される最終オプティカルインテグレータの入射面内において，光軸に近づくに従い光強度が増加する所定領域が形成されていることを特徴とする照明光学装置。 - 前記光源と前記最終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，前記光源からの光束の光強度分布を変換し，前記最終オプティカルインテグレータの入射面内において前記所定領域を形成する光束変換手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
- 前記光束変換手段は，複数のオプティカルインテグレータの組み合わせからなることを特徴とする請求項２に記載の照明光学装置。
- 前記複数のオプティカルインテグレータは回折型光学素子および波面分割型インテグレータを含むことを特徴とする請求項３に記載の照明光学装置。
- 前記光源と前記最終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，前記オプティカルインテグレータの入射面と所定距離だけ間隔を隔てた所定位置に照野を形成し，前記最終オプティカルインテグレータの入射面内において前記所定領域を形成する導光手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
- 被照射面を照明するための照明光学装置であって，
光源からの光束に基づいて実質的な面光源を形成するオプティカルインテグレータと，
前記光源と前記最終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，前記光源からの光束の光強度分布を変換する光束変換手段と，
前記光束変換手段と前記最終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，前記オプティカルインテグレータの入射面と所定距離だけ間隔を隔てた所定位置に照野を形成する導光手段と，を備え，
前記照明光学装置が備えるオプティカルインテグレータのうち最も前記被照射面側に配置される最終オプティカルインテグレータの入射面内において，光軸に近づくに従い光強度が増加する所定領域が形成されていることを特徴とする照明光学装置。 - 前記光束変換手段は，複数のオプティカルインテグレータの組み合わせからなることを特徴とする請求項６に記載の照明光学装置。
- 前記複数のオプティカルインテグレータは回折型光学素子および波面分割型インテグレータを含むことを特徴とする請求項７に記載の照明光学装置。
- 前記最終オプティカルインテグレータの射出面における光強度分布の均一性を高めるように前記光束変換手段が形成する光強度分布を最適化したことを特徴とする請求項６から８の何れか一項に記載の照明光学装置。
- 前記最終オプティカルインテグレータが多数の光学要素から構成される場合は，前記所定距離は前記光学要素の焦点距離とほぼ等しいことを特徴とする請求項５から９の何れか一項に記載の照明光学装置。
- 前記最終オプティカルインテグレータが多数の光学要素から構成される場合は，前記所定距離は前記光学要素の焦点距離以上であることを特徴とする請求項５から９の何れか一項に記載の照明光学装置。
- 前記所定面は前記オプティカルインテグレータの入射面よりも被照射面側に位置することを特徴とする請求項５から１１の何れか一項に記載の照明光学装置。
- 前記最終オプティカルインテグレータが多数の光学要素から構成される場合は，前記所定領域の長さは前記光学要素の有効径長の０．５倍以上であることを特徴とする請求項１から１２の何れか一項に記載の照明光学装置。
- マスク上に形成された所定のパターンを感光性基板へ転写する露光装置において，
請求項１から１３の何れか一項に記載の照明光学装置を用いて前記被照射面に設定された前記マスクを照明することを特徴とする露光装置。 - マスク上に形成された所定のパターンを感光性基板に転写する露光方法において，
請求項１から１３の何れか一項に記載の照明光学装置を用いて前記被照射面に設定された前記マスクを照明し，前記マスク上の前記所定のパターンを前記感光性基板に転写することを特徴とする露光方法。
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-
2002
- 2002-07-12 JP JP2002204022A patent/JP2004047786A/ja not_active Withdrawn
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