JP2006253529A - 照明光学装置、露光装置、および露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 オプティカルインテグレータの直後に開口絞りを配置することなく、テレセントリシティの良好な照明光で被照射面を照明することのできる照明光学装置。
【解決手段】 光源（１）と被照射面（Ｍ；Ｗ）との間の光路中に並列的に配置された複数の光学要素からなる波面分割型のオプティカルインテグレータ（５）と、オプティカルインテグレータと被照射面の間の光路中に配置されたコンデンサー光学系（６）とを備えている。コンデンサー光学系は、その前側焦点位置が各光学要素の後側主平面位置とほぼ一致するように位置決めされている。
【選択図】 図１

Description

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ものである。

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、波面分割型のオプティカルインテグレータとしてのフライアイレンズを介して、多数の光源からなる実質的な面光源としての二次光源を形成する。二次光源からの光束は、コンデンサーレンズにより集光された後、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（感光性基板）上に結像する。

ここで、フライアイレンズの各レンズエレメントの後側焦点位置に開口絞りを配置し、且つコンデンサーレンズの入射瞳位置を開口絞り位置に一致させることにより、ウェハ上のどの位置から見た瞳像（二次光源像）も同じように形成することが可能である。しかしながら、最近ではユーザーが要求する照明条件が多種に亘っており、開口絞りの開口形状で全ての照明条件を設定することが困難になっているため、開口絞りを利用した照明条件の設定を行わない傾向にある。

しかしながら、フライアイレンズの直後への開口絞りの配置を単に省略すると、後述するように、フライアイレンズの後側焦点位置に開口絞りを配置する従来技術に比して、マスク（ひいてはウェハ）に達する照明光のテレセントリシティが相対的に悪化してしまう。ウェハへの照明光のテレセントリシティが悪化すると、デフォーカス露光時に結像倍率等が変化して、忠実で高精度なパターン転写を行うことができなくなる。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、オプティカルインテグレータの直後に開口絞りを配置することなく、テレセントリシティの良好な照明光で被照射面を照明する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。テレセントリシティの良好な照明光で被照射面としてのマスクを照明する照明光学装置を用いて、マスクパターンを忠実に且つ高精度で感光性基板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。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、光源からの光束に基づいて被照射面上の照明領域を照明する照明光学装置において、
前記光源と前記被照射面との間の光路中に並列的に配置された複数の光学要素からなる波面分割型のオプティカルインテグレータと、
前記オプティカルインテグレータと前記被照射面の間の光路中に配置されたコンデンサー光学系とを備え、
前記コンデンサー光学系の前側焦点位置は、各々の前記光学要素の後側主平面位置と各々の前記光学要素の後側焦点位置との間の光路中に位置するように位置決めされていることを特徴とする照明光学装置を提供する。

本発明の第２形態では、第１形態の照明光学装置を備え、所定のパターンを感光性基板上に露光することを特徴とする露光装置を提供する。

本発明の第３形態では、第１形態の照明光学装置を用いて、所定のパターンを感光性基板上に露光することを特徴とする露光方法を提供する。

本発明の典型的な態様にしたがう照明光学装置では、コンデンサー光学系の前側焦点位置がマイクロフライアイレンズ（波面分割型のオプティカルインテグレータ）の各レンズ要素（各光学要素）の後側主平面位置とほぼ一致するように構成されている。その結果、マイクロフライアイレンズの直後に開口絞りを配置することなく、テレセントリシティの良好な照明光で被照射面を照明することができる。

また、本発明の露光装置および露光方法では、テレセントリシティの良好な照明光で被照射面としてのマスクを照明する照明光学装置を用いているので、マスクパターンを忠実に且つ高精度で感光性基板に転写することができ、ひいては高精度なデバイスを製造することができる。

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において、感光性基板であるウェハＷの表面の法線方向に沿ってＹ軸を、ウェハＷの表面に平行な面内において互いに直交する２つの方向に沿ってＸ軸およびＺ軸をそれぞれ設定している。なお、図１では、照明光学装置が通常の円形照明を行うように設定されている。

本実施形態の露光装置は、露光光（照明光）を供給するためのレーザ光源１を備えている。レーザ光源１として、たとえば２４８ｎｍの波長の光を供給するＫｒＦエキシマレーザー光源や１９３ｎｍの波長の光を供給するＡｒＦエキシマレーザー光源などを用いることができる。レーザ光源１から射出されたほぼ平行な光束は、ビームエキスパンダー２により所定の矩形状の断面を有する光束に整形され、円形照明用の回折光学素子３を介して、ズームレンズ４に入射する。

ズームレンズ４の後側焦点面またはその近傍には、マイクロフライアイレンズ（またはフライアイレンズ）５の入射面が位置決めされている。一般に、回折光学素子は、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する。具体的に、回折光学素子３は、光軸ＡＸに沿って入射した矩形状の平行光束を、円形状の断面を有する発散光束に変換する。

回折光学素子３は、照明光路に対して挿脱自在に構成され、且つ輪帯照明用の回折光学素子（不図示）や４極照明用の回折光学素子（不図示）などと切り換え可能に構成されている。マイクロフライアイレンズ５は、縦横に且つ稠密に配列された多数の微小レンズ５ａ（図１では不図示）からなる光学素子である。一般に、マイクロフライアイレンズは、たとえば平行平面板にエッチング処理を施して微小レンズ群（一般には並列的に配置された光学要素群）を形成することによって構成される。

ここで、マイクロフライアイレンズ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、マイクロフライアイレンズは、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、レンズ要素が縦横に配置されている点でマイクロフライアイレンズはフライアイレンズと同じ波面分割型のオプティカルインテグレータである。

こうして、回折光学素子３を介した光束は、ズームレンズ４を介して、マイクロフライアイレンズ５の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とする円形状の照野を形成する。マイクロフライアイレンズ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、光束が入射した各微小レンズの後側焦点面またはその近傍には光源がそれぞれ形成される。その結果、マイクロフライアイレンズ５の後側焦点面またはその近傍には、マイクロフライアイレンズ５への入射光束によって形成される円形状の照野とほぼ同じ光強度分布を有する円形状の実質的な面光源（以下、「二次光源」という）が形成される。

ここで、形成される円形状の二次光源の大きさ（すなわちその直径）は、ズームレンズ４の焦点距離に依存して相似的に変化する。マイクロフライアイレンズ５の後側焦点面またはその近傍に形成された円形状の二次光源からの光束は、コンデンサー光学系６の集光作用を受けた後、マスクＭ（ひいてはウェハＷ）と光学的に共役な位置に配置されたマスクブラインド７を重畳的に照明する。

こうして、マスクブラインド７には、マイクロフライアイレンズ５を構成する各微小レンズの形状と相似な矩形状の照野が形成される。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、所定のパターンが形成されたマスクＭを重畳的に照明する。このように、結像光学系８は、マスクブラインド７の矩形状の開口部の像を、マスクステージＭＳにより支持されたマスクＭ上に形成することになる。

マスクＭには転写すべきパターンが形成されており、矩形状のパターン領域の全体または一部が照明される。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Ｍのパターン像を形成する。こうして、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと直交する平面（ＸＺ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。

なお、円形照明用の回折光学素子３に代えて輪帯照明用の回折光学素子を照明光路中に設定することによって輪帯照明を行うことができる。輪帯照明用の回折光学素子は、光軸ＡＸに沿って入射した矩形状の平行光束を、輪帯状の断面を有する発散光束に変換する。したがって、輪帯照明用の回折光学素子を介した光束は、マイクロフライアイレンズ５の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした輪帯状の照野を形成する。その結果、マイクロフライアイレンズ５の後側焦点面またはその近傍にも、その入射面に形成された輪帯状の照野とほぼ同じ光強度分布を有する輪帯状の二次光源が形成される。

また、円形照明用の回折光学素子３に代えて４極照明用（一般には２極、８極などを含む複数極照明用）の回折光学素子を照明光路中に設定することによって４極照明（または２極照明、８極照明などを含む複数極照明）を行うことができる。４極照明用の回折光学素子は、光軸ＡＸに沿って入射した矩形状の平行光束を、４極状の断面を有する発散光束に変換する。したがって、４極照明用の回折光学素子を介した光束は、マイクロフライアイレンズ５の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした４極状の照野を形成する。その結果、マイクロフライアイレンズ５の後側焦点面またはその近傍にも、その入射面に形成された４極状の照野とほぼ同じ光強度分布を有する４極状の二次光源が形成される。

本実施形態では、マイクロフライアイレンズ５の後側焦点面またはその近傍に開口絞りを配置していないが、一般にフライアイレンズの直後への開口絞りの配置を省略するには、３つの条件を満たすことが必要になるものと考えられる。第１の条件は、自明なことであるが、フライアイレンズに入射する光束の形状を、照明条件（円形照明、輪帯照明、複数極照明など）に応じた所要の形状（円形状、輪帯状、複数極状など）に予め形成することである。第２の条件は、フライアイレンズの入射面上において光束が部分的にしか入射しない照野境界線上のレンズエレメントの影響により発生するウェハ上での照度ムラを小さく抑えるために、各レンズエレメントの入射面積を小さくする（波面分割数を大きくする）ことである。

本実施形態の照明光学装置（１〜８）では、回折光学素子３（またはこれに代えて照明光路中に設定可能な他の回折光学素子）の作用により、マイクロフライアイレンズ５に入射する光束の形状が照明条件に応じた所要の形状に予め形成されるので、マイクロフライアイレンズ５の直後に開口絞りを配置しなくても、所望形状の二次光源（ひいては所望形状の瞳強度分布）を形成することができる。また、オプティカルインテグレータとして波面分割数の大きいマイクロフライアイレンズ５を用いているので、その入射面上において光束が部分的にしか入射しない照野境界線上の微小レンズ５ａの影響により発生するマスクＭ上（ひいてはウェハＷ上）での照度ムラを小さく抑えることができる。

しかしながら、マイクロフライアイレンズ５とコンデンサー光学系６との位置関係について特段の配慮を行うことなく、従来技術においてフライアイレンズの後側焦点位置またはその近傍に配置されていた開口絞りを単に省略すると、マスクＭ（ひいてはウェハＷ）に達する照明光のテレセントリシティが従来技術に比して相対的に悪化してしまう。以下、図２および図３を参照して、開口絞りの配置を省略することによりテレセントリシティが悪化する点について説明する。

図２では、従来技術にしたがってフライアイレンズ２１を構成する焦点距離ｆのレンズエレメント２１ａの後側焦点位置に開口絞り２２を配置し、焦点距離Ｆのコンデンサー光学系２３の前側焦点位置とレンズエレメント２１ａの後側焦点位置とを一致させている。すなわち、開口絞り２２の位置は、フライアイレンズ２１による集光点位置およびコンデンサー光学系２３の入射瞳位置と一致している。また、コンデンサー光学系２３の後側焦点面２３ａが、ウェハと光学的に共役な面（ひいてはマスク面またはマスクと光学的に共役な面）になる。

図２の構成では、コンデンサー光学系２３の入射瞳位置に配置された開口絞り２２の中心を通る光線、すなわち開口絞り２２の位置で光軸ＡＸと交差する主光線Ｌ１は、ウェハ共役面２３ａに垂直入射する。そして、ウェハ上の所定の位置から見た瞳像２４ａは、コンデンサー光学系２３の入射瞳位置に光軸ＡＸを中心として存在しているように見える。すなわち、図２の構成では、マスク（ひいてはウェハ）に達する照明光のテレセントリシティは良好である。

一方、図３の構成では、図２の状態から開口絞り２２を単に取り除いているので、実効的な開口絞り２５がレンズエレメント２１ａの後側主平面位置に存在することになる。したがって、コンデンサー光学系２３の入射瞳位置よりも後側にある実効的な開口絞り２５の中心を通る光線、すなわち実効的な開口絞り２５の位置で光軸ＡＸと交差する主光線Ｌ２は、ウェハ共役面２３ａの法線に対して角度θで斜め入射する。そして、ウェハ上の所定の位置から見た瞳像２４ｂは、コンデンサー光学系２３の入射瞳位置に光軸ＡＸから偏心して存在しているように見える。

その結果、図３の構成では、主光線Ｌ２の傾き角度θが光軸ＡＸからの距離（ウェハ上での像高に対応）に応じて線形的に変化し、いわゆる倍率テレセン収差が発生する。ウェハへの照明光のテレセントリシティが悪化すると、デフォーカス露光時に結像倍率等が変化して、忠実で高精度なパターン転写を行うことができなくなる。すなわち、本実施形態では、マイクロフライアイレンズ５の直後への開口絞りの配置を省略するために、上述の第１の条件および第２の条件に加えて、テレセントリシティの悪化を回避するための第３の条件を満たすことが必要である。

図４は、本実施形態の照明光学装置における特徴的な要部構成を概略的に示す図である。本実施形態の照明光学装置（１〜８）では、図４に示すように、焦点距離Ｆのコンデンサー光学系６の前側焦点位置が、マイクロフライアイレンズ５を構成する焦点距離ｆの各レンズ要素（光学要素）５ａの後側主平面位置と一致するように位置決めされている。また、コンデンサー光学系６の後側焦点位置に、マスクＭ（ひいてはウェハＷ）と光学的に共役なマスクブラインド７が配置されている。

本実施形態では、マイクロフライアイレンズ５の直後に開口絞りが配置されていないので、実効的な開口絞り２５が各レンズ要素５ａの後側主平面位置に存在することになる。したがって、コンデンサー光学系６の入射瞳位置にある実効的な開口絞り２５の中心を通る光線、すなわち実効的な開口絞り２５の位置で光軸ＡＸと交差する主光線Ｌ３は、ウェハＷの共役面に配置されたマスクブラインド７に垂直入射する。そして、ウェハＷ上の所定の位置から見た瞳像２４ｃは、コンデンサー光学系６の入射瞳位置に光軸ＡＸを中心として存在しているように見える。すなわち、本実施形態の構成では、マスクＭ（ひいてはウェハＷ）に達する照明光のテレセントリシティは良好である。

以上のように、本実施形態の照明光学装置（１〜８）では、コンデンサー光学系６の前側焦点位置をマイクロフライアイレンズ５の各レンズ要素５ａの後側主平面位置と一致させるとともに、コンデンサー光学系６の後側焦点位置をマスクＭ（ひいてはウェハＷ）と光学的に共役に配置している。その結果、マイクロフライアイレンズ５の直後に開口絞りを配置することなく、テレセントリシティの良好な照明光で被照射面としてのマスクＭ（ひいてはウェハＷ）を照明することができる。また、本実施形態の露光装置（１〜ＷＳ）では、テレセントリシティの良好な照明光で被照射面としてのマスクＭを照明する照明光学装置（１〜８）を用いているので、マスクパターンを忠実に且つ高精度でウェハＷに転写することができる。

なお、上述の説明では、コンデンサー光学系６の前側焦点位置を、マイクロフライアイレンズ５の各レンズ要素５ａの後側主平面位置と一致させている。しかしながら、これに限定されることなく、コンデンサー光学系６の前側焦点位置を、各レンズ要素５ａの後側主平面位置と各レンズ要素５ａの後側焦点位置との間の光路中の適当な位置に位置決めすることにより、開口絞りの省略に起因するテレセントリシティの悪化をある程度抑え、良好な照明光で被照射面としてのマスクＭ（ひいてはウェハＷ）を照明することができる。

また、上述の説明では、波面分割型のオプティカルインテグレータとしてマイクロフライアイレンズ５を用いているが、これに限定されることなく、たとえば波面分割数の十分に大きい（各レンズエレメントの入射面積が十分に小さい）フライアイレンズを用いることもできる。また、マイクロフライアイレンズ５に代えて、たとえば特開２００４−４５８８５号公報に開示されたシリンドリカルマイクロフライアイレンズを用いる変形例も可能である。

図５は、第１変形例にかかるシリンドリカルマイクロフライアイレンズの構成を概略的に示す斜視図である。図５を参照すると、第１変形例にかかるシリンドリカルマイクロフライアイレンズ８１は、光源側に配置された第１フライアイ部材（第１光学部材）８１ａとマスク側に配置された第２フライアイ部材（第２光学部材）８１ｂとから構成されている。第１フライアイ部材８１ａの光源側の面および第２フライアイ部材８１ｂの光源側の面には、Ｘ方向に沿って配列されたシリンドリカルレンズ群８２ａおよび８２ｂがそれぞれピッチｐ１で形成されている。

一方、第１フライアイ部材８１ａのマスク側の面および第２フライアイ部材８１ｂのマスク側の面には、Ｚ方向に沿って配列されたシリンドリカルレンズ群８３ａおよび８３ｂがそれぞれピッチｐ２（ｐ２＞ｐ１）で形成されている。シリンドリカルマイクロフライアイレンズ８１のＸ方向に関する屈折作用（すなわちＸＹ平面に関する屈折作用）に着目すると、光軸ＡＸに沿って入射した平行光束は、第１フライアイ部材８１ａの光源側に形成されたシリンドリカルレンズ群８２ａによってＸ方向に沿ってピッチｐ１で波面分割され、その屈折面で集光作用を受けた後、第２フライアイ部材８１ｂの光源側に形成されたシリンドリカルレンズ群８２ｂのうちの対応するシリンドリカルレンズの屈折面で集光作用を受け、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ８１の後側焦点面上に集光する。

一方、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ８１のＺ方向に関する屈折作用（すなわちＹＺ平面に関する屈折作用）に着目すると、光軸ＡＸに沿って入射した平行光束は、第１フライアイ部材８１ａのマスク側に形成されたシリンドリカルレンズ群８３ａによってＺ方向に沿ってピッチｐ２で波面分割され、その屈折面で集光作用を受けた後、第２フライアイ部材８１ｂのマスク側に形成されたシリンドリカルレンズ群８３ｂのうちの対応するシリンドリカルレンズの屈折面で集光作用を受け、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ８１の後側焦点面上に集光する。

このように、第１変形例のシリンドリカルマイクロフライアイレンズ８１は、シリンドリカルレンズ群が両側面に配置された第１フライアイ部材８１ａと第２フライアイ部材８１ｂとにより構成されているが、Ｘ方向にｐ１のサイズを有しＺ方向にｐ２のサイズを有する多数の矩形状の微小屈折面（ひいては矩形状の入射面を有する多数の光学要素）が縦横に且つ一体的に形成されたマイクロフライアイレンズと同様の光学的機能を発揮する。そして、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ８１では、微小屈折面の面形状のばらつきに起因する歪曲収差の変化を小さく抑え、たとえばエッチング加工により一体的に形成される多数の微小屈折面の製造誤差が照度分布に与える影響を小さく抑えることができる。

図６および図７は、第１変形例にかかるシリンドリカルマイクロフライアイレンズに本発明を適用したときの要部構成を概略的に示す図である。図６および図７を参照すると、第１変形例にかかるシリンドリカルマイクロフライアイレンズ８１では、各光学要素（波面分割の単位領域に対応する各要素）のＸＹ平面上の後側主平面８５ａがＹＺ平面上の後側主平面８５ｂよりも後側に位置する。また、各光学要素のＸＹ平面上の焦点距離（ウェハＷ上の矩形状の静止露光領域の短手方向に関する各光学要素の焦点距離）ｆ１は、ＹＺ平面上の焦点距離（ウェハＷ上の矩形状の静止露光領域の長手方向に関する各光学要素の焦点距離）ｆ２よりも長い。

ＸＹ平面に沿った要部構成を示す図６を参照すると、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ８１の直後に開口絞りが配置されていないので、実効的な開口絞り８６ａが各光学要素の後側主平面８５ａの位置に存在することになる。したがって、たとえばコンデンサー光学系６の入射瞳位置よりも後側にある実効的な開口絞り８６ａの中心を通る光線、すなわち実効的な開口絞り８６ａの位置で光軸ＡＸと交差する主光線Ｌａは、ウェハ共役面に配置されたマスクブラインド７の設置面の法線に対して角度θａで斜め入射する。そして、ウェハ上の所定の位置から見た瞳像８７ａは、コンデンサー光学系６の入射瞳位置に光軸ＡＸから偏心して存在しているように見える。

ＹＺ平面に沿った要部構成を示す図７を参照すると、実効的な開口絞り８６ｂが各光学要素の後側主平面８５ｂの位置に存在することになるため、たとえばコンデンサー光学系６の入射瞳位置よりも前側にある実効的な開口絞り８６ｂの中心を通る光線、すなわち実効的な開口絞り８６ｂの位置で光軸ＡＸと交差する主光線Ｌｂは、ウェハ共役面に配置されたマスクブラインド７の設置面の法線に対して角度θｂで斜め入射する。そして、ウェハ上の所定の位置から見た瞳像８７ｂは、コンデンサー光学系６の入射瞳位置に光軸ＡＸから偏心して存在しているように見える。

図８は、コンデンサー光学系の入射瞳位置とウェハ上での主光線の光軸に対する角度との関係を模式的に示す図である。図８において、横軸はコンデンサー光学系６の入射瞳位置（ひいては前側焦点位置）の光軸ＡＸに沿った位置を示し、縦軸はウェハＷに達する主光線（Ｌａ，Ｌｂに対応）の光軸ＡＸに対する角度θを示している。図８を参照すると、矢印Ｆ１で示す光軸方向位置にコンデンサー光学系６の入射瞳位置を設定した場合、ＹＺ平面上の主光線はウェハＷに垂直入射し、ＸＹ平面上の主光線はウェハＷの表面の法線に対して（ひいては光軸ＡＸに対して）角度θ１で入射する。すなわち、矢印Ｆ１で示す光軸方向位置は、ＹＺ平面における各光学要素の後側主平面８５ｂの位置（図７を参照）に他ならない。

一方、矢印Ｆ２で示す光軸方向位置にコンデンサー光学系６の入射瞳位置を設定した場合、ＸＹ平面上の主光線はウェハＷに垂直入射し、ＹＺ平面上の主光線は大きな入射角度（不図示）でウェハＷに達する。すなわち、矢印Ｆ２で示す光軸方向位置は、ＸＹ平面における各光学要素の後側主平面８５ａの位置（図６を参照）に他ならない。このように、第１変形例では、コンデンサー光学系６の入射瞳位置を光軸に沿ったどの位置に設定しても、ＸＹ平面上の主光線およびＹＺ平面上の主光線の双方をウェハＷに垂直入射させることはできない。

したがって、第１変形例では、ＸＹ平面において各光学要素の後側主平面８５ａの位置で光軸ＡＸと交差しコンデンサー光学系６を介してウェハＷに入射する光線（すなわちＸＹ平面上の主光線）が光軸ＡＸとなす第１角度（θａに対応する角度）、およびＹＺ平面において各光学要素の後側主平面８５ｂの位置で光軸ＡＸと交差しコンデンサー光学系６を介してウェハＷに入射する光線（すなわちＹＺ平面上の主光線）が光軸ＡＸとなす第２角度（θｂに対応する角度）がともに所定の角度範囲内に収まるように、コンデンサー光学系６を位置決めすることが重要である。

上述の第１角度および第２角度がともに所定の角度範囲内に収まるようにコンデンサー光学系６の前側焦点位置（ひいては入射瞳位置）を位置決めすることにより、開口絞りの省略に起因するテレセントリシティの悪化をある程度抑え、良好な照明光で被照射面としてのマスクＭ（ひいてはウェハＷ）を照明することができる。この観点によれば、コンデンサー光学系６の前側焦点位置を矢印Ｆ２で示す光軸方向位置に設定するよりも矢印Ｆ１で示す光軸方向位置に設定する方が良いことは明らかである。

また、コンデンサー光学系６の前側焦点位置を矢印Ｆ１で示す位置よりもある程度光源側の矢印Ｆ３で示す光軸方向位置に設定しても、ＸＹ平面上の主光線は上述の角度θ１よりも小さい入射角度θ２でウェハＷに達し、ＹＺ平面上の主光線も比較的小さい角度θ３でウェハＷに入射することになり、第１角度θ２および第２角度θ３をともに所定の角度範囲内に収めることができる。同様に、コンデンサー光学系６の前側焦点位置を矢印Ｆ１で示す位置よりもある程度マスク側の矢印Ｆ４で示す光軸方向位置に設定しても、ＸＹ平面上の主光線は比較的小さい角度θ４でウェハＷに入射し、ＹＺ平面上の主光線も比較的小さい角度θ５でウェハＷに入射することになり、第１角度θ４および第２角度θ５をともに所定の角度範囲内に収めることができる。

また、別の観点によれば、第１変形例では、図６および図７に示すように、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ８１によるＸＹ平面上での集光点位置（後側主平面８５ａから焦点距離ｆ１だけ後側の位置）と、ＹＺ平面上での集光点位置（後側主平面８５ｂから焦点距離ｆ２だけ後側の位置）とが、光軸方向において互いに異なる。したがって、開口絞りの省略に起因するテレセントリシティの悪化をある程度抑えることができるように、ＸＹ平面上とＹＺ平面上とでの集光点位置の違いを考慮してコンデンサー光学系６の前側焦点位置を設定することが好ましい。

なお、第１変形例では、第１光学部材８１ａが、ＸＹ平面に関して所定の屈折力を有し且つＹＺ平面に関してほぼ無屈折力の複数の入射面８２ａと、ＹＺ平面に関して所定の屈折力を有し且つＸＹ平面に関してほぼ無屈折力の複数の射出面８３ａとを備え、第２光学部材８１ｂが、ＸＹ平面に関して所定の屈折力を有し且つＹＺ平面に関してほぼ無屈折力の複数の入射面８２ｂと、ＹＺ平面に関して所定の屈折力を有し且つＸＹ平面に関してほぼ無屈折力の複数の射出面８３ｂとを備えている。しかしながら、これに限定されることなく、図９に示す第２変形例のシリンドリカルマイクロフライアイレンズ９２に対しても、第１変形例と同様に本発明を適用することができる。

図９を参照すると、第２変形例のシリンドリカルマイクロフライアイレンズ９２は、光源側に配置された第１フライアイ部材（第１光学部材）９２ａとマスク側（被照射面側）に配置された第２フライアイ部材（第２光学部材）９２ｂとにより構成されている。第１フライアイ部材９２ａの光源側の面およびマスク側の面には、Ｘ方向に沿って所定のピッチで配列されたシリンドリカルレンズ面群９２ａａおよび９２ａｂがそれぞれピッチｐ１で形成されている。

一方、第２フライアイ部材９２ｂの光源側の面およびマスク側の面には、Ｚ方向に沿って所定のピッチで配列されたシリンドリカルレンズ面群９２ｂａおよび９２ｂｂがそれぞれピッチｐ２（ｐ２＞ｐ１）で形成されている。シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９２のＸ方向に関する屈折作用（すなわちＸＹ平面に関する屈折作用）に着目すると、光軸ＡＸに沿って入射した平行光束は、第１フライアイ部材９２ａの光源側に形成されたシリンドリカルレンズ面群９２ａａによってＸ方向に沿ってピッチｐ１で波面分割され、その各屈折面で集光作用を受けた後、第１フライアイ部材９２ａのマスク側に形成されたシリンドリカルレンズ面群９２ａｂのうちの対応する屈折面で集光作用を受け、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９２よりも後側に集光する。

一方、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ８のＺ方向に関する屈折作用（すなわちＹＺ平面に関する屈折作用）に着目すると、光軸ＡＸに沿って入射した平行光束は、第２フライアイ部材９２ｂの光源側に形成されたシリンドリカルレンズ面群９２ｂａによってＸ方向に沿ってピッチｐ２で波面分割され、その各屈折面で集光作用を受けた後、第２フライアイ部材９２ｂのマスク側に形成されたシリンドリカルレンズ面群９２ｂｂのうちの対応する屈折面で集光作用を受け、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９２よりも後側に集光する。

このように、第２変形例のシリンドリカルマイクロフライアイレンズ９２は、シリンドリカルレンズ面群が両側（光入射側（光源側）および光射出側（マスク側））に配置された第１フライアイ部材９２ａと第２フライアイ部材９２ｂとにより構成されている。一方、波面分割の各単位領域に着目すると、シリンドリカルマイクロフライアイレンズ９２は、短辺がｐ１で長辺がｐ２の矩形状の断面を有する第１光学要素と第２光学要素との組からなる各光学要素（波面分割の単位領域に対応する各要素）を縦横に且つ稠密に配置することにより構成されていることと光学的に等価である。

すなわち、第２変形例では第１変形例とは異なり、第１光学部材９２ａが、ＸＹ平面に関して所定の屈折力を有し且つＹＺ平面に関してほぼ無屈折力の複数の入射面９２ａａと、ＸＹ平面に関して所定の屈折力を有し且つＹＺ平面に関してほぼ無屈折力の複数の射出面９２ａｂとを備え、第２光学部材９２ｂが、ＹＺ平面に関して所定の屈折力を有し且つＸＹ平面に関してほぼ無屈折力の複数の入射面９２ｂａと、ＹＺ平面に関して所定の屈折力を有し且つＸＹ平面に関してほぼ無屈折力の複数の射出面９２ｂｂとを備えている。

その結果、一対のフライアイ部材９２ａと９２ｂとの間に光軸ＡＸ方向に沿った間隔の誤差が発生しても、この間隔誤差に起因して照明ムラが発生し難く、照明フィールドの形状も変化し難い。また、一対のフライアイ部材９２ａと９２ｂとの間に光軸ＡＸと直交する方向に沿ったシフト誤差が発生しても、このシフト誤差に起因して照明ムラが発生することはほとんどなく、照明フィールドの形状もほとんど変化しない。換言すると、第２変形例のシリンドリカルマイクロフライアイレンズ９２は、一対のフライアイ部材（光学部材）９２ａと９２ｂとの相対的な位置決め誤差がウェハＷ上の照度分布やマスクＭ上の照明フィールドの形状に与える影響を小さく抑える特性を有する。

ところで、上述の実施形態および各変形例では、マイクロフライアイレンズ（５，８１，９２）の直後への開口絞りの配置を省略しているが、マイクロフライアイレンズ（５，８１，９２）とコンデンサー光学系６との間の光路中に選択的に配置可能な照明開口絞り９（図１において破線で示す）をさらに備える構成も可能である。この構成において、照明開口絞り９がマイクロフライアイレンズ（５，８１，９２）とコンデンサー光学系６との間の光路中に位置するときには、コンデンサー光学系６の前側焦点位置を照明開口絞り９の位置に位置決めすることにより、テレセントリシティの良好な照明光でマスクＭ（ひいてはウェハＷ）を照明することができる。このような構成および位置決めを容易に実現するには、マイクロフライアイレンズ（５，８１，９２）が光軸ＡＸの方向に沿って移動可能であることが好ましい。

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１０のフローチャートを参照して説明する。

先ず、図１０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１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３０３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。

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１１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１１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。

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。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。

なお、上述の実施形態では、露光光としてＫｒＦエキシマレーザー光（波長：２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザー光（波長：１９３ｎｍ）を用いているが、これに限定されることなく、他の適当なレーザ光源、たとえば波長１５７ｎｍのレーザ光を供給するＦ₂レーザ光源や、レーザ光源以外の光源、例えばｉ線やｇ線、ｈ線等の紫外光を供給するランプ光源に対して本発明を適用することもできる。

また、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。

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。 従来技術にしたがってフライアイレンズの後側焦点位置に開口絞りを配置したときの照明光のテレセントリシティを説明する図である。 図２の状態から開口絞りを単に取り除いたときの照明光のテレセントリシティを説明する図である。 本実施形態の照明光学装置における特徴的な要部構成を概略的に示す図である。 第１変形例にかかるシリンドリカルマイクロフライアイレンズの構成を概略的に示す斜視図である。 第１変形例にかかるシリンドリカルマイクロフライアイレンズに本発明を適用したときの要部構成をＸＹ平面に沿って概略的に示す図である。 第１変形例にかかるシリンドリカルマイクロフライアイレンズに本発明を適用したときの要部構成をＹＺ平面に沿って概略的に示す図である。 コンデンサー光学系の入射瞳位置とウェハ上での主光線の光軸に対する角度との関係を模式的に示す図である。 第２変形例にかかるシリンドリカルマイクロフライアイレンズの構成を概略的に示す斜視図である。 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。 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
３ 回折光学素子
４ ズームレンズ
５ マイクロフライアイレンズ
６ コンデンサー光学系
７ マスクブラインド
８ 結像光学系
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 (11)

1. 光源からの光束に基づいて被照射面上の照明領域を照明する照明光学装置において、
   前記光源と前記被照射面との間の光路中に並列的に配置された複数の光学要素からなる波面分割型のオプティカルインテグレータと、
   前記オプティカルインテグレータと前記被照射面の間の光路中に配置されたコンデンサー光学系とを備え、
   前記コンデンサー光学系の前側焦点位置は、各々の前記光学要素の後側主平面位置と各々の前記光学要素の後側焦点位置との間の光路中に位置するように位置決めされていることを特徴とする照明光学装置。
2. 前記コンデンサー光学系は、その前側焦点位置が各々の前記光学要素の後側主平面位置とほぼ一致するように位置決めされていることを特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
3. 前記複数の光学要素の各々は、前記照明光学装置の光軸を含む第１平面上の第１後側主平面位置を有し、前記光軸を含んで前記第１平面と直交する第２平面上の前記第１後側主平面位置よりも後側に位置する第２後側主平面位置を有し、
   前記第１平面において前記第１後側主平面位置で前記光軸と交差し前記コンデンサー光学系を介して前記被照射面に入射する光線が前記光軸となす第１角度、および前記第２平面において前記第２後側主平面位置で前記光軸と交差し前記コンデンサー光学系を介して前記被照射面に入射する光線が前記光軸となす第２角度がともに所定の角度範囲内に収まるように、前記コンデンサー光学系が位置決めされていることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学装置。
4. 前記オプティカルインテグレータは、光の入射側から順に第１光学部材と第２光学部材とを備え、
   前記第１光学部材は、前記第１平面に関して所定の屈折力を有し且つ前記第２平面に関してほぼ無屈折力の複数の第１入射面と、該複数の第１入射面に対応するように形成されて前記第１平面に関して所定の屈折力を有し且つ前記第２平面に関してほぼ無屈折力の複数の第１射出面とを備え、
   前記第２光学部材は、前記複数の第１入射面に対応するように形成されて前記第２平面に関して所定の屈折力を有し且つ前記第１平面に関してほぼ無屈折力の複数の第２入射面と、前記複数の第１入射面に対応するように形成されて前記第２平面に関して所定の屈折力を有し且つ前記第１平面に関してほぼ無屈折力の複数の第２射出面とを備えていることを特徴とする請求項３に記載の照明光学装置。
5. 前記オプティカルインテグレータは、光の入射側から順に第１光学部材と第２光学部材とを備え、
   前記第１光学部材は、前記第１平面に関して所定の屈折力を有し且つ前記第２平面に関してほぼ無屈折力の複数の第１入射面と、該複数の第１入射面に対応するように形成されて前記第２平面に関して所定の屈折力を有し且つ前記第１平面に関してほぼ無屈折力の複数の第１射出面とを備え、
   前記第２光学部材は、前記複数の第１入射面に対応するように形成されて前記第１平面に関して所定の屈折力を有し且つ前記第２平面に関してほぼ無屈折力の複数の第２入射面と、前記複数の第１入射面に対応するように形成されて前記第２平面に関して所定の屈折力を有し且つ前記第１平面に関してほぼ無屈折力の複数の第２射出面とを備えていることを特徴とする請求項３に記載の照明光学装置。
6. 前記第１平面上での前記オプティカルインテグレータによる集光点位置と、前記第２平面上での前記オプティカルインテグレータによる集光点位置とは、光軸方向において互いに異なることを特徴とする請求項４または５に記載の照明光学装置。
7. 前記コンデンサー光学系の前側焦点位置は、前記第１および第２平面上での前記集光点位置の違いを考慮して設定されることを特徴とする請求項６に記載の照明光学装置。
8. 前記オプティカルインテグレータと前記コンデンサー光学系との間の光路中に選択的に配置可能な照明開口絞りをさらに備え、
   前記照明開口絞りが前記オプティカルインテグレータと前記コンデンサー光学系との間の光路中に位置するときには、前記コンデンサー光学系の前側焦点位置は、前記照明開口絞りの位置に位置決めされてい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。
9. 前記オプティカルインテグレータは前記光軸方向に移動可能であることを特徴とする請求項８に記載の照明光学装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の照明光学装置を備え、所定のパターンを感光性基板上に露光することを特徴とする露光装置。
11. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の照明光学装置を用いて、所定のパターンを感光性基板上に露光することを特徴とする露光方法。

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