JP2010219232A - 投影露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多種のパターンを高精度に露光することが可能な投影露光装置を提供する。
【解決手段】投影露光装置１の投影光学系２０は、互いに焦点距離の異なる複数の第１対物レンズ２２ａ，２２ｂを備えた対物レンズユニット２１と、ステージ１０に支持された被露光基板５の表面に対物レンズユニット２１の任意の一つの第１対物レンズ２２ａ，２２ｂと協働して空間光変調素子１５のパターンの像を投影する第２対物レンズ２５とを有し、対物レンズユニット２１は、複数の第１対物レンズ２２ａ，２２ｂのうちいずれか一つを選択的に切り替えて光路上に挿入する切替機構４０を有し、第２対物レンズ２５は光路上に挿入された第１対物レンズに応じて決定されるパターンの投影倍率を変倍可能であり、投影光学系２０は、第２対物レンズ２５による変倍に拘わらず、投影光学系２０の瞳面２３と空間光変調素子１５との間の距離が一定となるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板表面に多種のパターンを投影して露光する投影露光装置に関する。

従来、投影露光装置による微細なパターンの転写には、レチクルと称されるマスクパターンが形成されたマスク基板が用いられる。マスクパターンは、光透過性を有する板材にクロム等の遮光部材を蒸着し、蒸着した遮光部材の一部をエッチングして光を透過させるパターンを形成することにより作られる。そして、このマスクパターンを投影光学系により被露光基板（ウェハや液晶基板等）の表面に縮小転写することで微細なパターンの焼き付けが行われる。

近年、半導体の回路パターンが微細化するのに伴い、露光波長が短くなるためマスク基板の材料として石英等の紫外線の透過性が高い材料を使う必要が生じている。また、大面積のパターンを焼き付けるために投影光学系の縮小倍率がそれほど変化することなく微細化が進んでしまったため、マスク基板上のパターンも微細なものとなり、さらには、超解像技術を導入してマスク基板上のパターンに補助パターンや位相差等を与えるようになったことから、マスク基板の製造に手間がかかりコストも高くなってきている。半導体素子のパターンが確定した量産ラインでは、このような高価なマスク基板を使っても採算がとれるが、研究開発等におけるパイロットラインや少量多品種の半導体素子（または、液晶素子やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）素子等）を作るラインでは、高価なマスク基板を使ってしまうと採算がとれないという問題が生じている。

このような問題に対して、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）や液晶素子等の空間光変調素子により形成したパターンを縮小投影するいわゆるマスクレス露光機が提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２を参照）。マスクレス露光機の場合、空間光変調素子の画素サイズが１３μｍ程度という制限から縮小投影倍率を高くして、細かいパターンを作成できるようにしている。そこで、テレセントリックな縮小投影光学系を構成するには、空間光変調素子側に焦点距離の長いレンズ群を、被露光基板側に焦点距離の短いレンズ群をそれぞれ焦点距離だけ離して配置する必要がある。

空間光変調素子の画素数は、ＸＧＡ規格の１０２４×７６８画素や、ＵＸＧＡ規格の１６００×１２００画素程度である。上述のように縮小倍率を高くすると、露光できる範囲も小さくなる。そこで、顕微鏡のように、比較的精度の低いパターンでは焦点距離の長いレンズ群に切り替えて縮小倍率を小さくして広い露光面積を露光し、細かいパターンでは焦点距離の短いレンズ群に切り替えて縮小倍率を大きくして細かいパターンを露光できるようにすることが提案されている。ところが、切り替えたレンズ群に焦点距離の誤差があると縮小倍率に誤差が生じ、投影倍率を切り替えた場合や液晶露光における画面継ぎを行う場合にパターンの繋ぎができない等の不都合が生じる。特に、被露光基板側のレンズ群（対物レンズ）は、比較的焦点距離が短く開口数が大きいので、レンズの製造時に焦点距離の誤差が生じやすいが、偏心の精度が厳しいので、倍率調整のための機構を設けることは難しい。

特表２００２−５２０８４０号公報 特開２００４−３３５６３９号公報

そこで、空間光変調素子側のレンズ群に倍率調整機構を設け、被露光基板側のレンズ群（対物レンズ）の切り替えに応じて焦点距離を調整し、投影倍率を目標の値にすることが考えられる。しかしながら、構成が簡単な凸凹の２群のレンズ構成を用いた場合、空間光変調素子から投影光学系の瞳面までの距離が変化してしまうため、空間光変調素子の周部近傍から出射した光束が被露光基板側のレンズ群（対物レンズ）に十分に入らなくなり、照度の低下を招いてしまう。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、多種のパターンを高精度に露光可能な投影露光装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る投影露光装置は、被露光基板を支持するステージと、所定のパターンを形成可能な空間光変調素子と、前記ステージに支持された前記被露光基板の表面に前記パターンの像を投影する投影光学系とを備え、前記投影光学系は、前記ステージと対向するように配設され、互いに焦点距離の異なる複数の第１対物レンズを備えた対物レンズユニットと、前記ステージに支持された前記被露光基板の表面に前記対物レンズユニットの任意の一つの前記第１対物レンズと協働して前記パターンの像を投影する第２対物レンズとを有し、前記対物レンズユニットは、前記複数の第１対物レンズのうちいずれか一つを選択的に切り替えて光路上に挿入する切替機構を有し、前記第２対物レンズは、前記光路上に挿入された前記第１対物レンズに応じて決定される前記パターンの投影倍率を変倍可能であり、前記投影光学系は、前記第２対物レンズによる前記変倍に拘わらず、前記投影光学系の瞳面と前記空間光変調素子との間の距離が一定となるように構成されている。ここで、空間光変調素子とは、例えばＤＭＤ（Digital Mirror Device）や液晶素子等、電気的な制御に応じて所定のパターンを形成可能な素子のことをいう。

なお、上述の投影露光装置において、前記第２対物レンズが３つのレンズ群から構成され、前記３つのレンズ群のうち少なくとも１つが正の屈折力を有することが好ましい。

また、上述の投影露光装置において、前記３つのレンズ群のうち最も前記瞳面に近い第１レンズ群の焦点距離をｆ₁とし、前記３つのレンズ群のうち２番目に前記瞳面に近い第２レンズ群の焦点距離をｆ₂とし、前記３つのレンズ群のうち最も前記空間光変調素子に近い第３レンズ群の焦点距離をｆ₃とし、前記第２対物レンズの合成焦点距離をＦとし、前記瞳面と前記空間光変調素子との間の距離をＴとし、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間の主点間隔をｅ₁としたとき、次式

の条件を満足し、前記第２レンズ群と前記第３レンズ群との間の主点間隔をｅ₂としたとき、次式

の条件を満足し、前記第３レンズ群と前記空間光変調素子との間の主点間隔をｅ₃としたとき、次式

の条件を満足し、前記瞳面と前記第１レンズ群との間の主点間隔をｅ₀としたとき、次式

の条件を満足することが好ましい。

また、上述の投影露光装置において、前記光路上に挿入された前記第１対物レンズに応じて前記投影倍率が所定の倍率となるように前記第２対物レンズを駆動する倍率調整部を備えることが好ましい。

また、上述の投影露光装置において、前記第２対物レンズの焦点距離が前記第１対物レンズの焦点距離よりも長いことが好ましい。

本発明によれば、多種のパターンを高精度に露光することができる。

投影露光装置の構成を示す概略図である。 （ａ）はマイクロミラーの拡大図であり、（ｂ）はマイクロミラーが一方に傾動した状態を示す図であり、（ｃ）はマイクロミラーが他方に傾動した状態を示す図である。 （ａ）は本実施形態の投影光学系の光路図であり、（ｂ）は両側テレセントリックでない投影光学系の光路図で周辺光の光束がけられている様子を示す図である。 従来考えられる変倍光学系の構成を示す図である。 本実施形態の変倍光学系（投影光学系）の構成を示す図である。 第２対物レンズの焦点距離を３００ｍｍとしたときの収差図である。 第２対物レンズの焦点距離を３１５ｍｍとしたときの収差図である。 第２対物レンズの焦点距離を２８５ｍｍとしたときの収差図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本実施形態の投影露光装置であるマスクレス露光機１を図１に示しており、このマスクレス露光機１は、被露光基板５を支持するステージ１０と、露光を行うための露光光源１１と、所定のパターンを形成可能な空間光変調素子１５と、空間光変調素子１５により形成されたパターンをステージ１０上の被露光基板５に投影する投影光学系２０と、ＴＴＬ（Through The Lens）アライメント方式の位置合わせ光学系３０とを主体に構成される。

ステージ１０は、ウェハや液晶基板等の被露光基板５を水平方向および鉛直方向へ移動可能に支持する。このとき、被露光基板５は真空吸着機構（図示せず）によりステージ１０上に真空吸着され、図示しない制御装置からの指示によりパターンの焼き付け（露光）が行われる所定の露光位置まで移動される。露光光源１１は、例えば４３６ｎｍの波長を有する露光光を発生させる。露光光源１１から発せられた露光光は、コンデンサレンズ１２で集光され、空間光変調素子１５に所定の入射角度で照射される。

本実施形態における空間光変調素子１５は、いわゆるＤＭＤ（Digital Mirror Device）であり、図２（ａ）に示すように、両端にヒンジ１５ｈを有した微小な平面状のマイクロミラー１５ｍが縦横に多数配列されて構成される。各マイクロミラー１５ｍはそれぞれ、図１に示すパターンジェネレータ１３からの制御信号によりヒンジ１５ｈを軸として所定の方向へ傾くようにできている。本実施形態において例えば、パターンジェネレータ１３からＯＮ信号を受けたときに、図２（ｂ）に示すようにマイクロミラー１５ｍが一方に傾動して、露光光源１１からの露光光を投影光学系２０の方向へ反射させるように設定される。これにより、投影光学系２０の方向へ反射させるマイクロミラー１５ｍをパターンの形状に応じて選択するようにすれば、空間光変調素子１５において所望の形状の露光パターンを得ることができる。なお、パターンジェネレータ１３からＯＦＦ信号を受けたとき、図２（ｃ）に示すようにマイクロミラー１５ｍが他方に（すなわち逆方向に）傾動し、露光光源１１からの露光光が投影光学系２０に入射しない方向へ反射するように設定される。

また、空間光変調素子１５は、投影光学系２０を構成する第２対物レンズ２５の前側合成焦点位置近傍に配置される。そのため、空間光変調素子１５上の一点から出た光束は、第２対物レンズ２５を通過することによりほぼ平行な光束となる。なお、図１において、空間光変調素子１５から第２対物レンズ２５に向かって伝播している光束は、空間光変調素子１５上の一点から出た光束を示す。

投影光学系２０は、ステージ１０と対向するように配設された対物レンズユニット２１と、ステージ１０に支持された被露光基板５の表面に、対物レンズユニット２１を介して空間光変調素子１５で得られるパターンの像を投影する第２対物レンズ２５と、対物レンズユニット２１と第２対物レンズ２５との間に設けられたダイクロイックミラー２９とを有して構成される。対物レンズユニット２１は、互いに焦点距離の異なる複数の第１対物レンズ２２ａ，２２ｂと、当該複数の第１対物レンズ２２ａ，２２ｂのうちいずれか一つを選択的に切り替えて光路上に挿入するレボルバ装置２４とを有して構成される。

第２対物レンズ２５は、被露光基板５の側から順に並んだ、正の屈折力を有する第１レンズ群２６と、正の屈折力を有する第２レンズ群２７と、負の屈折力を有する第３レンズ群２８とから構成される。そして、空間光変調素子１５のマイクロミラー１５ｍで反射して第２対物レンズ２５に達した露光光は、第３レンズ群２８、第２レンズ群２７、および第１レンズ群２６を順に透過し、ダイクロイックミラー２９に達して下方へ反射する。ダイクロイックミラー２９で反射した露光光は、光路上に挿入された（いずれかの）第１対物レンズ２２ａ，２２ｂを透過し、各第１対物レンズ２２ａ，２２ｂの焦点面近傍に配置された被露光基板５の表面に達して結像することにより、空間光変調素子１５のマイクロミラー１５ｍによるパターンの像が被露光基板５の表面に投影される。

また、光路上に挿入された第１対物レンズ２２ａ，２２ｂに応じて決定されるパターンの投影倍率を変倍できるように、倍率調整機構４０によって第１〜第３レンズ群２６〜２８がそれぞれ光軸に沿って移動するようになっている。なお、倍率調整機構４０は、いわゆるズームレンズのような円柱状の鏡筒にカムを切って移動させる方式でもよく、各レンズ群２６〜２８をリニアガイド（図示せず）に載せて所定の間隔となるように移動させる方式でもよい。

位置合わせ光学系３０は、ハロゲンランプ３１と、位置合わせ用コンデンサレンズ３２と、ハーフミラー３３と、結像レンズ３４と、撮像素子３５とを有して構成される。ハロゲンランプ３１は、位置合わせ光学系３０の光源であり、例えば４８０ｎｍよりも長い波長を有する被露光基板５を感光させない照明光を発生させる。ハロゲンランプ３１から発せられた照明光は、位置合わせ用コンデンサレンズ３２を透過してハーフミラー３３で反射され、ダイクロイックミラー２９を透過した後、対物レンズユニット２１を介してステージ１０上の被露光基板５に照射される。被露光基板５で反射した光は、再び対物レンズユニット２１を介してダイクロイックミラー２９およびハーフミラー３３を透過した後、結像レンズ３４を透過して撮像素子３５の撮像面上で結像する。このような照明光が照射される被露光基板５には位置合わせ用のマークが設けられており、このマークを撮像素子３５で検出することにより、ステージ１０の移動量が決定される。

ところで、ＤＭＤである空間光変調素子１５では、マイクロミラー１５ｍの傾斜は全て一様になっているので、各マイクロミラー１５ｍに入射して反射される光束の主光線は平行になっている必要がある。そのため、コンデンサレンズ１２の前側焦点位置に露光光源１１を配置し、空間光変調素子１５をテレセントリックに照明するようになっている。また、投影光学系２０では、図３（ａ）に示すように、第２対物レンズ２５の後側焦点位置と対物レンズユニット２１の前側焦点位置とを一致させるように配置することにより、テレセントリックな投影ができるようになっている。すなわち、投影光学系２０は両側テレセントリックな光学系となる。

本実施形態では、図３に示すように、対物レンズユニット２１の瞳面２３（すなわち、各第１対物レンズ２２ａ，２２ｂの瞳面２３ａ，２３ｂ）に開口絞りが入っていて投影光学系２０の開口数を決めている。仮に、図３（ｂ）に示すように、第２対物レンズ２５の後側焦点位置と対物レンズユニット２１の前側焦点位置とが一致していない場合（例えば、距離δだけ離れた場合）には、空間光変調素子１５の周部近傍から出射した光束は対物レンズユニット２１の瞳面２３（開口絞り）上で横ずれしてしまうため、空間光変調素子１５からの光束の一部が対物レンズユニット２１を透過できなくなってしまう。このため、空間光変調素子１５の周部に行くほど、光量および解像力が低下するという問題が生じる。

図４に示すように、２つのレンズ群２６´，２７´の間隔を変えると合成焦点距離が変わることを利用して倍率調整機構を構成することは一般的に行われている。２つのレンズ群２６´，２７´のそれぞれの焦点距離をｆ₁´，ｆ₂´とし、合成前側焦点位置ＦＰ´と第１のレンズ群２６´との間の主点間隔をｅ₀´とし、２つのレンズ群２６´，２７´同士の間隔をｅ₁´とし、第２のレンズ群２７´と合成後側焦点位置ＲＰ´との間の主点間隔をｅ₂´としたとき、合成焦点距離をＦ´とするためには、２つのレンズ群２６´，２７´同士の間隔ｅ₁´は、次の（１）式で表すことができる。

このとき、各レンズ群２６´，２７´からそれぞれの焦点位置までの距離ｅ₀´，ｅ₂´はそれぞれ、次の（２）式および（３）式のように表わされる。

そして、合成前側焦点位置ＦＰ´から合成後側焦点位置ＲＰ´までの全長Ｔ´は、各距離ｅ₀´，ｅ₁´，ｅ₂´の和となり、次の（４）式のように表わされる。

つまり、図４の場合、合成焦点距離Ｆ´を変えると全長Ｔ´が変化してしまうことがわかる。特に、マスクレス露光機のように投影光学系２０の投影倍率の縮小比が大きい場合には目標の焦点距離が長くなるため、焦点距離の変化に応じた全長の変化が大きくなって、焦点距離を調整すると周辺の光が大きくけられることになる。例えば、２つのレンズ群２６´，２７´の合成焦点距離Ｆ´を３００ｍｍとし、第１のレンズ群２６´の焦点距離ｆ₁´を２００ｍｍとし、第２のレンズ群２７´の焦点距離ｆ₂´を−３００ｍｍとしたとき、上述の（４）式に代入すると、全長Ｔ´は６５０ｍｍとなる。ここで、合成焦点距離Ｆ´を５％増やして３１５ｍｍにすると、全長Ｔ´は６７２．９７６ｍｍと２３ｍｍ近くも変化することになる。ここで、合成焦点距離Ｆ´と全長Ｔ´との関係を表１に示す。

（表１）
Ｆ´ ｆ₁´ ｆ₂´ ｅ₀´ ｅ₁´ ｅ₂´ Ｔ´
285 200 -300 390 110.5263 127.5 628.0263
300 200 -300 400 100 150 650
315 200 -300 410 90.47619 172.5 672.9762

投影光学系２０の縮小倍率を１／１５０にするには、第２対物レンズ２５の焦点距離を３００ｍｍとしたとき、対物レンズユニット２１で選択される第１対物レンズ２２ａ，２２ｂの焦点距離が２ｍｍとなる。この場合、投影光学系２０の被露光基板５側の開口数が０．９０だと、開口（瞳径）がφ３．６ｍｍ程度の大きさになる。このとき、図３（ｂ）に示すように、空間光変調素子１５の周部近傍から出射した光束は対物レンズユニット２１の瞳面２３（開口絞り）上で横ずれしてしまう。空間光変調素子１５上で５ｍｍの像高の光束の主光線は、瞳面２３上でおよそ０．９５５°（=arcsin(5/300mm)）傾斜している。第２対物レンズ２５の合成焦点距離が５％増えているとすると、（４）式の計算結果の全長の変化量を用いれば、この傾斜のために瞳面２３上では０．３８ｍｍ（=5/300*23mm）のずれとなり、これは対物レンズユニット２１の開口（瞳径）の１０％に相当しているので、光量はおよそ８０％まで低下してしまう。

そこで、本実施形態においては、前述のように、第２対物レンズ２５を３つのレンズ群２６〜２８からなる構成とし、第２対物レンズ２５による投影倍率の調整に拘わらず、投影光学系２０の瞳面２３と空間光変調素子１５との間の距離が一定となるようにした。このとき、図５に示すように、３つのレンズ群２６〜２８のうち最も瞳面２３に近い第１レンズ群２６の焦点距離をｆ₁とし、２番目に瞳面２３に近い第２レンズ群２７の焦点距離をｆ₂とし、最も空間光変調素子１５に近い第３レンズ群２８の焦点距離をｆ₃とし、第２対物レンズ２５の合成焦点距離をＦとし、瞳面２３と空間光変調素子１５との間の距離（すなわち、第２対物レンズ２５の合成前側焦点位置ＦＰから合成後側焦点位置ＲＰまでの全長）をＴとしたとき、まず、第１レンズ群２６と第２レンズ群２７との間の主点間隔ｅ₁について、次の（５）式で表すことができる。

次に、第２レンズ群２７と第３レンズ群２８との間の主点間隔ｅ₂について、次の（６）式で表すことができる。

続いて、第３レンズ群２８と空間光変調素子１５との間の主点間隔ｅ₃について、次の（７）式で表すことができる。

そして、瞳面２３と第１レンズ群２６との間の主点間隔ｅ₀について、次の（８）式で表すことができる。

このような（５）〜（８）式を用いて、前述と同様に合成焦点距離が３００ｍｍの場合にあてはめ、それぞれの主点間隔（ｅ₀〜ｅ₃）について正となる条件で変化量を求める。ここで、（５）〜（８）式を用いて求めた主点間隔（ｅ₀〜ｅ₃）の一例を表２に示す。

（表２）
Ｆ ｆ₁ ｆ₂ ｆ₃ ｅ₀ ｅ₁ ｅ₂ ｅ₃ Ｔ
285 320 240 -180 367.2654 153.7836 37.61111 91.33988 650
300 320 240 -180 374.3314 88.81761 35.55087 151.3001 650
315 320 240 -180 378.4119 12.1667 34.96632 224.4551 650

表２の条件で、第２対物レンズ２５の合成焦点距離Ｆを５％変化させても、瞳面２３と空間光変調素子１５との間の距離Ｔが一定であることがわかる。この条件でｇ線（すなわち、露光波長λ＝４３６ｎｍ）用の実際のレンズ（第２対物レンズ２５）を設計すると、例えば表３のようになる。

（表３）
レンズ曲率 レンズ面間隔 硝材
（Ｆ＝300mm） （Ｆ＝315mm） （Ｆ＝285mm）
（投影光学系瞳）
0 338.51679 342.61469 331.46819
-48.78090 4 E-LAK18
-60.55481 5
-549.34539 3 E-KZFH1
446.18329 8 E-FKH1
-75.90748 113.45572 36.78936 178.40626
112.04231 5 E-FKH1
-358.58127 3 E-KZFH1
∞ 25.85033 25.26578 27.91057
312.60741 4 E-SF8
842.18724 3 E-SK16
44.22568 5
46.63557 4 E-LAK18
74.76380 114.18697 217.34189 84.22670
（空間光変調素子）

なお、本実施形態では、図１において第１〜第３レンズ群２６〜２８をそれぞれ単レンズの構成としているが、表３からわかるように、第１〜第３レンズ群２６〜２８をそれぞれ複数のレンズから構成することも可能である。ここで、第２対物レンズ２５の合成焦点距離Ｆを３００ｍｍ、３１５ｍｍ、および２８５ｍｍとしたときの収差の状態をそれぞれ、図６、図７、および図８に示す。

以上のように投影光学系２０の第２対物レンズ２５を構成すると、複数の第１対物レンズ２２ａ，２２ｂによって投影倍率を切り替えても瞳面２３ａ，２３ｂの位置が一定である必要がある。これは、顕微鏡の対物レンズの設計で一般的に行われていることであり、設計可能である。そのため、複数の第１対物レンズ２２ａ，２２ｂによって投影倍率を切り替えることが可能である。このとき、第１対物レンズ２２ａ，２２ｂの製造誤差等で焦点距離の誤差が生じたとしても、その誤差を補正するように第２対物レンズ２５の焦点距離を変えて、所定の投影倍率にすることができる。その際、第２対物レンズ２５の第１〜第３レンズ群２６〜２８をそれぞれ、前述の主点間隔の式（（５）〜（８）式）に従って移動させればよい。

上述のような構成のマスクレス露光機１を用いて、被露光基板５の露光を行うには、まず、レボルバ装置２４により、投影倍率に応じて、複数の第１対物レンズ２２ａ，２２ｂのうちいずれか一つを選択的に切り替えて光路上に挿入する。このとき、図示しないメモリには各第１対物レンズ２２ａ，２２ｂの実際の焦点距離が記憶されており、倍率調整機構４０は、光路上に挿入された第１対物レンズの実際の焦点距離（すなわち、前述の焦点距離の誤差）に応じて第２対物レンズ２５の焦点距離を変え、所定の投影倍率に調整する。その際、第２対物レンズ２５の第１〜第３レンズ群２６〜２８はそれぞれ、前述の主点間隔の式（（５）〜（８）式）を満足するように光軸に沿って移動する。

また、パターンジェネレータ１３からの制御信号を受けて、パターンの形状に応じて選択されたマイクロミラー１５ｍがそれぞれ、露光光源１１からの露光光を投影光学系２０の方向へ反射させるように傾動する。これにより、空間光変調素子１５において所定の露光パターンが形成される。

露光パターンの形状および投影倍率が決定されると、ステージ１０上に被露光基板５が載置されて真空吸着される。ステージ１０に真空吸着された被露光基板５は、制御装置（図示せず）の指示によりパターンの焼き付け（露光）が行われる所定の露光位置まで移動される。なおこのとき、位置合わせ光学系３０によって被露光基板５に設けられた位置合わせ用のマークが検出され、ステージ１０の移動量が調整される。

所定の露光位置で被露光基板５がステージ１０に支持された状態で、露光光源１１から露光光を発生させる。露光光源１１から発せられた露光光は、コンデンサレンズ１２で集光され、空間光変調素子１５に所定の入射角度で照射される。このとき、パターンの形状に応じて選択され一方に傾動するマイクロミラー１５ｍで反射した露光光だけが第２対物レンズ２５の光軸とほぼ平行な方向に進む。

空間光変調素子１５のマイクロミラー１５ｍで反射して第２対物レンズ２５に達した露光光は、第３レンズ群２８、第２レンズ群２７、および第１レンズ群２６を順に透過し、ダイクロイックミラー２９に達して下方へ反射する。そして、ダイクロイックミラー２９で反射した露光光は、光路上に挿入された（いずれかの）第１対物レンズ２２ａ，２２ｂを透過し、各第１対物レンズ２２ａ，２２ｂの焦点面近傍に配置された被露光基板５の表面に達して結像することにより、空間光変調素子１５のマイクロミラー１５ｍによるパターンの像が被露光基板５の表面に投影される。

このように、本実施形態によれば、第２対物レンズ２５による投影倍率の調整に拘わらず、投影光学系２０の瞳面２３と空間光変調素子１５との間の距離が一定となるように構成されるため、空間光変調素子１５の周部近傍から出射した光束が対物レンズユニット２１の瞳面２３（開口絞り）上で横ずれしてしまうことがなく、照度の低下を防止することができることから、（多種の）パターン全面を高精度に露光することが可能になる。

また、複数の第１対物レンズ２２ａ，２２ｂを切り替えて倍率を可変にする場合に、製造の難しい大きな開口数を有する第１対物レンズで焦点距離の誤差があっても、第２対物レンズ２５により倍率を補正しながら使用することができるため、装置全体のコストを抑えることができる。

さらに、半導体製造工程のように、被露光基板５に薄膜を蒸着したりエッチングしたりすることにより被露光基板５が応力を受けて、被露光面が伸びたり縮んだりするような場合でも、位置合わせ光学系３０等により所定のマーク位置を測定することにより、投影倍率を調整して被露光基板５上に作られたパターンに新たなパターンを正確に重ねて転写することができる。

なお、第２対物レンズ２５が３つのレンズ群２６〜２８から構成されることで、最小限のレンズ群の構成で、投影光学系２０の瞳面２３と空間光変調素子１５との間の距離を一定にすることができる。

また、（５）〜（８）式を満足するように各レンズ群２６〜２８の主点間隔を決定すれば、確実に投影光学系２０の瞳面２３と空間光変調素子１５との間の距離を一定にすることができる。

また、光路上に挿入された第１対物レンズ２２ａ，２２ｂに応じて投影倍率が所定の倍率となるように第２対物レンズ２５を駆動する倍率調整機構４０を備えることで、第２対物レンズ２５による投影倍率の調整を自動的に行うことができる。

また、本実施形態のように、第２対物レンズ２５の焦点距離が各第１対物レンズ２２ａ，２２ｂの焦点距離よりも長い方が効果的であり、具体的には、第１対物レンズ２２ａ，２２ｂの焦点距離と第２対物レンズ２５の焦点距離との比が、１：１０〜１：２００の範囲であることが好ましい。この比が１：２００より大きくなると開口が小さくなりすぎてしまうが、１：１０より大きければ投影光学系２０の瞳面２３と空間光変調素子１５との位置関係を精度よく決めることができる。例えば、前述のように、第１対物レンズの焦点距離を２ｍｍとし、第２対物レンズの焦点距離を３００ｍｍとし、開口数を０．９０としたとき（すなわち、１：１５０のとき）、開口（瞳径）がφ３．６ｍｍ程度の大きさになる。また、第１対物レンズの焦点距離を２０ｍｍとし、第２対物レンズの焦点距離を３００ｍｍとし、開口数を０．３０としたとき（すなわち、１：１５のとき）、開口（瞳径）がφ１２ｍｍ程度の大きさになる。

なお、上述の実施形態において、空間光変調素子１５としてＤＭＤを使用しているが、これに限られるものではなく、例えば、空間光変調素子として液晶素子を使用することも可能である。

また、上述の実施形態において、露光光源１１が４３６ｎｍの波長を有する露光光を発生させているが、これに限られるものではなく、例えば、他の波長域の可視光や紫外光を用いるようにしてもよく、被露光基板５を露光可能な光を用いるようにすればよい。

また、上述の実施形態において、第１レンズ群２６、第２レンズ群２７、および第３レンズ群２８がそれぞれ、正・正・負の屈折力を有しているが、これに限られるものではなく、例えば、負・正・負の屈折力や、正・負・正の屈折力を有していてもよく、３つのレンズ群のうち少なくとも１つが正の屈折力を有していればよい。

１ マスクレス露光機（投影露光装置）
５ 被露光基板 １０ ステージ
１５ 空間光変調素子（１５ｍ マイクロミラー、１５ｈ ヒンジ）
２０ 投影光学系 ２１ 対物レンズユニット
２２ａ，２２ｂ 第１対物レンズ ２３ａ，２３ｂ 瞳面
２４ レボルバ装置（切替機構）
２５ 第２対物レンズ ２６ 第１レンズ群
２７ 第２レンズ群 ２８ 第３レンズ群
４０ 倍率調整機構（倍率調整部）

Claims (5)

1. 被露光基板を支持するステージと、
   所定のパターンを形成可能な空間光変調素子と、
   前記ステージに支持された前記被露光基板の表面に前記パターンの像を投影する投影光学系とを備え、
   前記投影光学系は、前記ステージと対向するように配設され、互いに焦点距離の異なる複数の第１対物レンズを備えた対物レンズユニットと、前記ステージに支持された前記被露光基板の表面に前記対物レンズユニットの任意の一つの前記第１対物レンズと協働して前記パターンの像を投影する第２対物レンズとを有し、
   前記対物レンズユニットは、前記複数の第１対物レンズのうちいずれか一つを選択的に切り替えて光路上に挿入する切替機構を有し、
   前記第２対物レンズは、前記光路上に挿入された前記第１対物レンズに応じて決定される前記パターンの投影倍率を変倍可能であり、
   前記投影光学系は、前記第２対物レンズによる前記変倍に拘わらず、前記投影光学系の瞳面と前記空間光変調素子との間の距離が一定となるように構成されていることを特徴とする投影露光装置。
2. 前記第２対物レンズが３つのレンズ群から構成され、前記３つのレンズ群のうち少なくとも１つが正の屈折力を有することを特徴とする請求項１に記載の投影露光装置。
3. 前記３つのレンズ群のうち最も前記瞳面に近い第１レンズ群の焦点距離をｆ₁とし、前記３つのレンズ群のうち２番目に前記瞳面に近い第２レンズ群の焦点距離をｆ₂とし、前記３つのレンズ群のうち最も前記空間光変調素子に近い第３レンズ群の焦点距離をｆ₃とし、前記第２対物レンズの合成焦点距離をＦとし、前記瞳面と前記空間光変調素子との間の距離をＴとし、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間の主点間隔をｅ₁としたとき、次式
   

   

   の条件を満足し、
   前記第２レンズ群と前記第３レンズ群との間の主点間隔をｅ₂としたとき、次式
   

   

   の条件を満足し、
   前記第３レンズ群と前記空間光変調素子との間の主点間隔をｅ₃としたとき、次式
   

   

   の条件を満足し、
   前記瞳面と前記第１レンズ群との間の主点間隔をｅ₀としたとき、次式
   

   

   の条件を満足することを特徴とする請求項２に記載の投影露光装置。
4. 前記光路上に挿入された前記第１対物レンズに応じて前記投影倍率が所定の倍率となるように前記第２対物レンズを駆動する倍率調整部を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の投影露光装置。
5. 前記第２対物レンズの焦点距離が前記第１対物レンズの焦点距離よりも長いことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の投影露光装置。

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