JP2011166158A - マイクロリソグラフィ投影露光装置の光学ラスタ要素、光学インテグレータ、及び照明系 - Google Patents

Abstract

【課題】光学ラスタ要素と、光学ラスタ要素を含む光学インテグレータと、マイクロリソグラフィ投影露光装置の照明系とを提供する。
【解決手段】マイクロリソグラフィ投影露光装置の照明系のための光学ラスタ要素は、平面又は曲面上に延びる屈折光学要素のアレイを含む。光学要素の少なくとも２つは、基準方向に沿って２ｍｍよりも短いピッチで並んで配置される。これらは、上述の面に対して垂直に５０μｍよりも低い高さと、中心区画、中心区画に隣接する２つの移行区画、及び移行区画に隣接する２つの端部区画を含む基準方向（ｘ）に沿った面プロフィールとを有する。２つの移行区画における曲率は、中心区画及び端部区画における曲率よりも大きい。光学ラスタ要素は、光学インテグレータ内の第１のチャンネル板として用いるように意図され、第２のチャンネル板内又はその背後で発生する最大光強度を低減する。
【選択図】図６

Description

本発明は、一般的に、光学ラスタ要素と、光学ラスタ要素を含む光学インテグレータと、マイクロミラーアレイを含むマイクロリソグラフィ投影露光装置の照明系とに関する。

マイクロリソグラフィ（フォトリソグラフィ又は単純にリソグラフィとも呼ばれる）は、集積回路、液晶ディスプレイ、及び他の微細構造デバイスの製作のための技術である。マイクロリソグラフィの工程は、エッチング処理と共に基板、例えば、シリコンウェーハ上に形成された薄膜積層体内に特徴部をパターン形成するのに用いられる。製作の各層では、ウェーハは、最初に、深紫外（ＤＵＶ）光又は極紫外（ＥＵＶ）光のような放射線に敏感な材料であるフォトレジストで被覆される。次に、上部にフォトレジストを有するウェーハは、投影露光装置内で投影光に露光される。この装置は、パターンを含むマスクをフォトレジスト上に、フォトレジストが、マスクパターンによって決められるある一定の位置でのみ露光されるように投影する。露光の後に、フォトレジストは現像され、マスクパターンに対応する像が生成される。次に、エッチング処理が、パターンをウェーハ上の薄膜積層体内に転写する。最終的にフォトレジストが除去される。異なるマスクを用いるこの工程の繰返しにより、多層微細構造構成要素がもたらされる。

一般的に、投影露光装置は、マスクを照明するための照明系、マスクを整列させるためのマスク台、投影対物系、及びフォトレジストで被覆されたウェーハを整列させるためのウェーハ整列台を含む。照明系は、例えば、矩形又は湾曲したスリットの形状を有することができる視野をマスク上で照明する。

理想的には、照明系は、マスク上の照明視野の各点を明確に定められた強度分布及び角度分布を有する投影光で照明する。角度分布という用語は、マスク上の特定の点に対して収束する光束の全光エネルギが、光束を構成する光線の様々な方向の間で如何に配分されるかを表している。

マスク上に入射する投影光の角度分布は、通常、フォトレジスト上に投影されるパターンの種類に適合される。例えば、比較的大きいサイズの特徴部は、小さいサイズの特徴部とは異なる角度分布を必要とする可能性がある。投影光の最も一般的に、用いられる角度分布は、従来照明設定、環状照明設定、二重極照明設定、及び四重極照明設定と呼ばれる。これらの用語は、照明設定のシステム瞳面内の強度分布を意味する。例えば、環状照明設定では、システム瞳面内で環状領域のみが照明される。従って、投影光の角度分布には僅かな角度範囲しか存在せず、それによって全ての光線は、類似の角度でマスク上に傾斜して入射する。

当業技術では、望ましい照明設定を得るように、マスク平面内の投影光の角度分布を修正する様々な手段は公知である。マスク平面に異なる角度分布を生成するのに最大の柔軟性を得るために、瞳面を照明するミラーアレイを用いることが提案されている。

ＥＰ １ ２６２ ８３６ Ａ１では、ミラーアレイは、１０００個よりも多くの微細なミラーを含むマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）として達成される。ミラーの各々は、２つの直交する傾斜軸の回りに傾斜させることができる。それによってそのようなミラーデバイス上に入射する放射線を半球のほぼあらゆる望ましい方向に反射することができる。ミラーアレイと瞳面の間に配置されたコンデンサーレンズは、ミラーによって生成される反射角を瞳面内の位置に変換する。この公知の照明系は、各々が１つの特定のミラーに関連付けられ、このミラーを傾斜させることによって瞳面にわたって自由に移動させることができる複数のスポットで瞳面を照明することを可能にする。

類似の照明系が、ＵＳ ２００６／００８７６３４ Ａ１、ＵＳ ７，０６１，５８２ Ｂ２、及びＷＯ ２００５／０２６８４３ Ａ２から公知である。

理想的には、瞳面内の各スポットは同じ強度を有する。これは、ミラーアレイのミラー（又は先行するマイクロレンズアレイのマイクロレンズ）も同様に等しい強度で照明されることを必要とする。しかし、そのような照明系において一般的に用いられる光源によって生成される光ビームの強度は、ビームの断面にわたって大きく変化する。従って、光源とミラーアレイの間に何らかの種類の光混合要素が必要である。

ＷＯ ２００９／０８０２７９ Ａ１は、上述の特定の目的で光混合要素として用いることができる様々なデバイスを解説している。一実施形態では、ハニカムコンデンサーとして構成される光学インテグレータが、光混合要素として用いられる。光学インテグレータは、各々が球面マイクロレンズのアレイを含む２つの光学ラスタ要素（多くの場合にチャンネル板と呼ばれる）を含む。第１のチャンネル板のマイクロレンズをより均一に照明するのに役立つ付加的なデバイス、例えば、振動ミラーが提案されている。このデバイスは、これらのマイクロレンズ内で発生する時間平均光強度を低減する。照明系のこの部分では高エネルギ投影光が依然として小さい断面及び小さい発散を有するので、過度に高い光強度によってチャンネル板内にもたらされる損傷は問題である。特に、正の屈折力を有するマイクロレンズ内、又はその後方では、光エネルギは、多くの場合に、非常に小さい空間領域内に凝集される。この場合、これらの空間領域内にある光学材料は、少なくとも長期的には、影響を受ける光学要素の光学特性に悪影響を及ぼす材料劣化を受ける可能性がある。

この問題は、光強度を約１．５倍だけ高めることになる次の段階の投影光源の導入によってより一層重大になる。そのような高い光強度では、特に光学インテグレータの第２の光学ラスタ要素が、投影光による損傷を受け易いことが見出されている。

ＥＰ １ ２６２ ８３６ Ａ１ ＵＳ ２００６／００８７６３４ Ａ１ ＵＳ ７，０６１，５８２ Ｂ２ ＷＯ ２００５／０２６８４３ Ａ２ ＷＯ ２００９／０８０２７９ Ａ１ ＷＯ ２００７／０９３４３６ ＵＳ ２００９／００２１８３９ Ａ ＷＯ ２００９／０８０２７９ ＷＯ ２００５／０７８５２２ Ａ ＵＳ ２００４／００３６９７７ Ａ１ ＵＳ ２００５／００１８２９４ Ａ１

従って、本発明の目的は、マイクロリソグラフィ投影露光装置の照明系内に含まれ、ミラーアレイ又はミラーアレイに先行するマイクロレンズアレイを均一に照明するために光を混合する光学インテグレータ内の第１のチャンネル板として用いられるのに適する光学ラスタ要素を提供することである。この光学ラスタ要素は、そうでなければ第２のチャンネル板及び／又は第２のチャンネル板の直後に配置された光学要素の光学特性に悪影響を及ぼすことになる材料劣化が阻止されるように、第２のチャンネル板及び／又はその後の光学要素内に発生する最大光強度を低減することになる。

本発明によると、上述の目的は、平面又は曲面上に延びる屈折光学要素のアレイを含む光学ラスタ要素によって達成される。光学要素のうちの少なくとも２つは、２ｍｍよりも短いピッチで基準方向に沿って並んで配置される。更に、少なくとも２つの光学要素は、上述の面に対して垂直に５０μｍよりも低い高さを有する。基準方向に沿った少なくとも２つの光学要素の面プロフィールは、中心区画と、中心区画に隣接する２つの移行区画と、移行区画に隣接する２つの端部区画とを含む。２つの移行区画内の曲率は、中心区画及び端部区画内の曲率よりも大きい。

そのような光学ラスタ要素は、光学インテグレータ内の第１のチャンネル板として用いられた場合に、第２のチャンネル板内、又はその直後に発生する最大光強度を大幅に低減することが見出された。次の段階の高出力投影光源の場合であっても、材料劣化を阻止することができる。それにも関わらず、第１のチャンネル板の機能、すなわち、全ての入射光を第２のチャンネル板の関連付けられたマイクロレンズ上に誘導することを完全に維持することができる。最大光強度のこの低減は、幾何光学だけに基づいて説明することはできず、上述の条件の下で有意になる投影光の波動特性に対処することによってのみ説明することができる。

シミュレーションは、少なくとも小さい発散を有する投影光において最大強度を２／３倍程度低減することができることを示している。発散が増大すると、最大光強度に対するそのような面プロフィールの正の効果は減少する。

光学ラスタ要素は、チャンネル板が非常に長い距離だけ分離される光学インテグレータ内の第１のチャンネル板として用いられるように意図したものであるから、少なくとも２つの光学要素の高さは、５０μｍよりも低く、好ましくは、２５μｍよりも低く、依然としてより好ましくは、１０μｍよりも低い。

少なくとも２つの光学要素の非常に低い高さの結果として、平坦な中心区画は、研磨布又は磁性流体を用いて円弧プロフィールを研磨することによっては製造することができない。そのような方法は、マスク平面の中心において光エネルギの集中を提供するように、第２のチャンネル板上のマイクロレンズの頂点ゾーンを平坦化することに対してＷＯ ２００７／０９３４３６に説明されている。代替的に、光学ラスタ要素の光学要素は、フライカット（ＵＳ ２００９／００２１８３９ Ａを参照されたい）又はグレートーンリソグラフィ製造技術を用いて製造することができる。少なくともある一定の状況下では、例えば、溶融シリカを材料として用いる場合には、イオンビームエッチング及び成形を適用可能にすることができる。

中心区画及び／又は端部区画内の曲率がゼロである場合には、これらの区画内のプロフィールは直線になる。移行区画におけるものを除く全ての曲率がゼロである場合には、移行区画の曲率が大きくなる程、プロフィールは二等辺台形の形状に近づく。移行区画内に非常に大きい曲率を有する場合には、面プロフィールは、少なくとも実質的に二等辺台形の形状を有することになる。

一実施形態では、中心区画内の曲率は、端部区画内の曲率に等しいか又はそれよりも大きい。光学要素の高さがかなり高い場合には、そのようなプロフィールは、頂点ゾーンを平坦化することによっては円弧プロフィールから製造することができないことに注意されたい。

別の実施形態では、面プロフィールは、更に低い高さを有する複数のフレネルゾーン要素へと再分割される。

同じく本発明の主題は、上述の光学ラスタ要素と、第２のチャンネル板として用いられ、更に別の平面又は曲面上に延びる更に別の屈折光学要素の更に別のアレイを含み、かつ光伝播方向に沿って上述の光学ラスタ要素の背後に配置された更に別の光学ラスタ要素とを含む光学インテグレータである。

同じく本発明の主題は、光伝播方向に沿って上述の光学インテグレータと、集光光学系と、ミラーアレイとを含むマイクロリソグラフィ投影露光装置の照明系である。

集光光学系は、屈折光学要素の更に別のアレイに隣接することができる第１の面と、第２の面、例えば、ミラーアレイ又はミラーアレイを照明するマイクロレンズアレイとの間にフーリエ関係を確立する。

照明系は、ミラーアレイの背後に更に別の集光光学系及び更に別の光学インテグレータを含むことができる。

同じく本発明の主題は、上述の光学ラスタ要素と同じ遠視野強度分布を生成するように構成されたホログラフィック回折光学要素である。

そのようなホログラフィック回折光学要素は、光学ラスタ要素を含む光学インテグレータの第１のチャンネル板として用いることができ、光学ラスタ要素は、平面又は曲面上に延びる屈折光学要素のアレイを含み、光伝播方向に沿って回折光学要素の背後に配置され、従って、光学インテグレータの第２のチャンネル板を形成する。

本発明の様々な特徴及び利点は、以下の詳細説明を添付図面と併せて参照することによってより容易に理解することができるであろう。

本発明による投影露光装置の大幅に簡略化した斜視図である。 図１に示す装置の一部である照明系を通る子午断面図である。 図２に示す照明系内に含まれるミラーアレイに関する斜視図である。 図２に示す照明系内に含まれる第１の光学インテグレータの斜視図である。 図４に示す第１の光学インテグレータの第１のインテグレータ構成要素を通る部分断面図である。 図５に示す第１のインテグレータ構成要素である２つの隣接するマイクロレンズの面プロフィールの図である。 光学インテグレータの第２のインテグレータ構成要素であるマイクロレンズを通る子午断面図である。 従来技術の第１のインテグレータ構成要素である付加的な球面マイクロレンズを有する図７と類似の子午断面の図である。 本発明による第１のインテグレータ構成要素である付加的な非球面マイクロレンズを有する図８と類似の子午断面の図である。 端部区画が中心区画よりも小さい曲率を有する実施形態による２つの隣接するマイクロレンズの面プロフィールの図である。 端部区画及び中心区画が放物線に実施形態による２つの隣接するマイクロレンズの面プロフィールの図である。 端部区画及び中心区画が直線に実施形態による２つの隣接するマイクロレンズの面プロフィールの図である。 図１２と類似の２つの隣接するマイクロレンズの面プロフィールであるが、より強く湾曲した移行区画を有する面プロフィールの図である。 回転対称マイクロレンズのアレイを含む第１のインテグレータ構成要素に関する平面図である。 図１４に示す第１のインテグレータ構成要素を通る線ＸＶ−ＸＶに沿った断面図である。 複数のフレネルゾーン要素に分割された図１４と類似の面プロフィールの図である。 複数のホログラフィック回折光学要素を含む第１のインテグレータ構成要素に関する平面図である。 図１７に示す第１のインテグレータ構成要素を含む第１の光学インテグレータの斜視図である。 従来技術の面プロフィールを用いた場合に第２のインテグレータ構成要素上で発生する強度を示す２つのグラフである。 本発明による面プロフィールを用いた場合に第２のインテグレータ構成要素上で発生する強度を示す２つのグラフである。

Ｉ．投影露光装置の一般的な構成
図１は、投影光ビームを生成する照明系１２を含む投影露光装置１０の大幅に簡略化した斜視図である。投影光ビームは、微小構造１８を含むマスク１６上の照明視野１４を照明する。この実施形態では、照明視野１４は、リングセグメントの形状を有する。しかし、照明視野１４の他の形状、例えば、矩形も考えられている。

投影対物系２０は、照明視野１４内の構造１８を基板２４によって支持される感光層２２、例えば、フォトレジスト上に結像する。シリコンウェーハによって形成することができる基板２４は、感光層２２の上面が、投影対物系２０の像平面に厳密に位置するように、ウェーハ台（図示せず）上に配置される。マスク１６は、マスク台（図示せず）を用いて、投影対物系２０の物体平面に位置決めされる。投影対物系２０は、｜β｜＜１である倍率βを有するので、照明視野１４内の構造１８の縮小像１４’が感光層２２上に投影される。

投影中に、マスク１６及び基板２４は、図１に示しているＹ方向に一致する走査方向に沿って移動する。この場合、照明視野１４は、照明視野１４よりも大きい構造区域を連続的に投影することができるように、マスク１６にわたって走査する。そのような種類の投影露光装置は、多くの場合に「ステップアンドスキャンツール」又は単純に「スキャナ」と呼ばれる。基板２４の速度とマスク１６の速度の間の比は、投影対物系２０の倍率βに等しい。投影対物系２０が像を反転する場合は（β＜０）、マスク１６と基板２４とは、図１に矢印Ａ１とＡ２とで示しているように反対方向に移動する。その一方で本発明は、マスク１６と基板２４とがマスクの投影中に移動しないステッパツールに対して用いることができる。

ＩＩ．照明系の一般的な構成
図２は、図１に示している照明系１２を通る子午断面である。図２の図は、明瞭化の目的で大幅に簡略化したものであり、正確な縮尺のものではない。これは特に、異なる光学ユニットを１つ又はごく少数の光学要素だけで表していることを意味する。現実にはこれらのユニットは、有意に多数のレンズ及び他の光学要素を含むことができる。

照明系１２は、ハウジング２８、及び図示の実施形態ではエキシマレーザ３０として達成される光源を含む。エキシマレーザ３０は、約１９３ｎｍの波長を有する投影光を放出する。他の種類の光源及び他の波長、例えば、２４８ｎｍ又は１５７ｎｍが同様に考えられている。

図示の実施形態では、エキシマレーザ３０によって放出される投影光はビーム拡大ユニット３２に入射し、その中で光ビームは幾何学的光束を変化させることなく拡大される。ビーム拡大ユニット３２は、図２に示しているようにいくつかのレンズを含むことができ、又は例えばミラー装置として達成することができる。投影光は、ビーム拡大ユニット３２から小さい発散を有するビーム３４として射出する。本明細書における発散という用語は、基準方向、例えば、光学要素に関連する表面法線、又はこの状況では照明系の光軸ＯＡに対して光線がなす最大角を表している。ビーム３４の強度は、その断面にわたって均一ではなく、大きく変化する。

ビーム３４は、複数の２次光源を生成する第１の光学インテグレータ３６上に入射する。第１の光学インテグレータ３６は、各々が少なくとも１つのマイクロレンズアレイを含む２つの光学ラスタ要素から構成される。ビーム３４の発散は、第１の光学インテグレータ３６によって僅かな量だけ、一般的に、最大でも数ミリラジアンだけ増大される。第１の光学インテグレータ３６に対しては、下記の第ＩＩＩ節でより詳細に以下に説明する。

第１の光学インテグレータ３６から射出したビーム３４は、この実施形態では複数の光学要素を含む第１のコンデンサー３８に入射し、図２にはこれらの光学要素のうちから２つのレンズ３８ａ及び３８ｂ、並びに平面折り返しミラー３８ｃのみを示している。第１のコンデンサー３８は、第１の光学インテグレータ３６の近くにある平面と、マイクロレンズ４２のアレイ４０が配置された平面４１との間にフーリエ関係を確立する。それによって第１の光学インテグレータ３６によって生成される各２次光源は、マイクロレンズ４２の完全なアレイ４０を照明するが、図２に実線と破線とによって表す２つの光束に対して示しているように異なる方向から照明する。このようにして、マイクロレンズ４２のアレイ４０が配置された平面４１は、ビーム３４によって均一に照明される。

ビーム３４の発散は、第１の光学インテグレータ３６によって殆ど増大することにはならないので、第１のコンデンサー３８の焦点距離は非常に長いはずである。この理由から、照明系１２の全体の寸法を小さく保つのに役立つ１つ又はそれよりも多くの折り返しミラー３８ｃを設けることができる。

照明系１２の上述の部分は、更に別の光学構成要素、例えば、空間干渉を低減するのに役立つデバイスを含むことができる。照明系１２のこの部分の様々な構成がより詳細に説明されているＷＯ ２００９／０８０２７９を参照されたい。

ミラーアレイ４６は、マイクロレンズ４２の後側焦点面内、又はその直近に配置される。ミラーアレイ４６は、好ましくは、互いに対して垂直に整列した２つの傾斜軸によって互いに独立して傾斜させることができる複数の小さい個別ミラーＭ_ijを含む。ミラーＭ_ijの合計数は、１００又は更には数１０００を超えるとすることができる。この実施形態では、ミラーＭ_ijの数は、第１の光学インテグレータ３４によって生成される２次光源によって均一に照明されるマイクロレンズアレイ４０のマイクロレンズ４２の数に等しい。従って、各マイクロレンズ４０は、等しい強度及び小さい発散の収束光ビームをミラーアレイ４６のそれぞれのマイクロレンズ４０に関連付けられたミラーＭ_ij上に誘導する。

個別ミラーＭ_ijの傾斜移動は、照明系１２の全システム制御器５２に接続したミラー制御ユニット５０によって制御される。ミラーＭ_ijの望ましい傾斜角を設定するのに用いられるアクチュエータは、各個別ミラーＭ_ijが、入射光線を制御信号に応じて変更することができる反射角で反射することができるように、ミラー制御ユニット５０から制御信号を受け取る。図示の実施形態では、個別ミラーＭ_ijを配置することができる傾斜角の連続範囲が存在する。他の実施形態では、アクチュエータは、限られた数の離散傾斜角のみを設定することができるように構成される。

図３は、簡略化の目的で８・８＝６４個のミラーＭ_ijのみを含むミラーアレイ４６の斜視図である。ミラーアレイ４６上に入射する光ビーム５４ａは、ミラーＭ_ijの傾斜角に依存して異なる方向に反射される。この概略図では、光ビーム５４ｂ、５４ｂ’が、Ｍ₃₅とＭ₇₇とによって異なる方向に反射されるように、特定のミラーＭ₃₅が、別のミラーＭ₇₇に対して２つの傾斜軸５６ｘ、５６ｙの回りに傾斜されると仮定している。

再度図２を参照すると、ミラーＭ_ijから反射された光ビームは第２のコンデンサー５８上に入射し、第２のコンデンサー５８は、僅かに発散する光ビームが、複数の２次光源を同様に生成する第２の光学インテグレータ７２上に、この時点では少なくとも実質的に平行な光ビームとして入射することを保証する。第２の光学インテグレータ７２は、ここでもまた、発散を増大させるが、今回は少なくとも走査方向Ｙに対して垂直なＸ方向に沿ってより大きく増大させる。

この実施形態では、第２の光学インテグレータ７２も同様に２つの光学ラスタ要素７４、７６を含み、これらの光学ラスタ要素はフライアイレンズとして達成される。各光学ラスタ要素７４、７６は、平行な円柱マイクロレンズの２つの直交アレイを含む。第２の光学インテグレータの他の設定、例えば、回転対称面を有するが、矩形の境界を有するマイクロレンズのアレイを含むインテグレータが同様に考えられている。第２の光学インテグレータ７２として用いるのに適する光学インテグレータを説明しているＷＯ ２００５／０７８５２２ Ａ、ＵＳ ２００４／００３６９７７ Ａ１、及びＵＳ ２００５／００１８２９４ Ａ１を参照されたい。

参照番号７０は、マスク１４上に入射する光の角度分布を実質的に定める照明系１２のシステム瞳面を表している。システム瞳面７０は、通常は平面又はごく弱い曲面であり、第２の光学インテグレータ７２内、又はその直近に配置される。システム瞳面７０内の角度光分散は、その後の視野平面内の強度分布へと直接変換され、従って、第２の光学インテグレータ７２は、マスク１６上の照明視野１４の基本幾何学形状を実質的に決められる。第２の光学インテグレータ７２は、発散を走査方向ＹよりもＸ方向に大幅に増大させるので、照明視野１４は、走査方向Ｙに沿ってよりもＸ方向に沿って大きい寸法を有する。

第２の光学インテグレータ７２によって生成された２次光源から射出する投影光は、図２には簡略化の目的で単一のレンズだけによって表している第３のコンデンサー７８に入射する。第２のコンデンサー７８は、システム瞳面７０と、視野絞り８２が配置されたその後の中間視野平面８０との間のフーリエ関係を保証する。２次光源によって生成された光束を第２のコンデンサー７８を用いて中間像平面８０内で重なることにより、中間視野平面８０の非常に均一な照明が提供される。視野絞り８２は、複数の可動ブレードを含むことができ、マスク１６上の照明視野１４の鮮明な縁部を保証する（望ましい程度に）。

視野絞り対物系８４は、中間視野平面８０と、マスク１６が配置されたマスク平面８６との間に光学的な共役性を与える。従って、視野絞り８２は、視野絞り対物系８４によってマスク１６上に鮮明に結像される。

ＩＩＩ．第１の光学インテグレータ
図４は、第１の光学インテグレータ３６の略斜視図である。この実施形態の第１の光学インテグレータ３６は、光軸ＯＡに沿って距離ｂだけ分離した第１の光学ラスタ要素９０と第２の光学ラスタ要素９２とを含む。第１の光学ラスタ要素９０の一方の面は、Ｘ方向に沿って整列した平行な縦軸を有する円柱マイクロレンズ９０Ｙの第１のアレイによって形成される。

この関連では、「マイクロレンズ」又は「レンズ」という用語は、曲面プロフィールを有する光学要素を指す。「円柱」という用語は、マイクロレンズが、直線又は曲線の縦軸であり、この縦軸に沿って面プロフィールが一定である縦軸を有することを意味する。「面プロフィール」という用語は、円柱マイクロレンズの縦軸に対して垂直な断面内、又は回転対称マイクロレンズの場合には回転対称軸を含む断面内の面の形状を指す。面プロフィールは、主にマイクロレンズの光学特性を決める。例えば、円柱マイクロレンズが、円形の曲面プロフィールを有する場合には、円柱マイクロレンズは、ＸＺ平面内で球面レンズの効果を有する。曲面プロフィールが円形ではない場合には、円柱マイクロレンズは、上述の平面内で非球面レンズの効果を有する。

第１の光学ラスタ要素９０の反対の面は、Ｘ方向に対して垂直なＹ方向に沿って整列した平行な縦軸を有する円柱マイクロレンズ９０Ｘのアレイによって形成される。縦軸は、Ｘ方向又はＹ方向のいずれかと平行であるから、マイクロレンズ９０Ｙは、Ｙ方向だけに沿って屈折力を有し、マイクロレンズ９０Ｘは、Ｘ方向だけに沿って屈折力を有する。

第２の光学ラスタ要素９２は、類似の構成を有するが、この実施形態では、Ｘ軸又はＹ軸の回りの１８０°の回転の後に装着される。

各マイクロレンズ９０Ｘ、９０Ｙ、９２Ｘ、９２Ｙは、その縦軸、幅、及び曲面プロフィールによって幾何学的に定められる。通常は、隣接するマイクロレンズ間にはいかなる間隙も存在しない。従って、マイクロレンズ９０Ｘ、９０Ｙ、９２Ｘ、９２Ｙの幅は、それぞれのアレイのピッチに等しい。一般的に、マイクロレンズアレイのピッチは、５ｍｍよりも短く、又はより好ましくは、２ｍｍよりも小さくなければならない。図示の実施形態では、ピッチは、数マイクロメートルから数百マイクロメートル、例えば、１０００μｍまでの範囲にある。通常は第１の光学インテグレータ３６を通じて伝播する光の波長よりも、例えば、５０倍又は１００倍だけ大きいピッチを有することが好ましい。

この実施形態では、第２の光学ラスタ要素上のマイクロレンズ９２Ｘ、９２Ｙは、各々円弧プロフィールを有する。光学インテグレータは、ビーム３４の発散を過度に増大させてはならないので、マイクロレンズ９２Ｘ、９２Ｙの面プロフィールの曲率は小さくなければならない。例えば、曲率半径は、３００ｍｍ程度の大きさとすることができる。第１の光学ラスタ要素９０と第２の光学ラスタ要素９２との間の距離ｂは、第１の光学ラスタ要素９０上のマイクロレンズ９０Ｘが、マイクロレンズ９２Ｘの前側焦点面に配置されるように、マイクロレンズ９２Ｘの焦点距離にほぼ等しい。同様に、第１の光学ラスタ要素９０上のマイクロレンズ９０Ｙは、第２の光学ラスタ要素９２上のマイクロレンズ９２Ｙの前側焦点面に配置される。それによって第１の光学ラスタ要素９０上のマイクロレンズと第２の光学ラスタ要素９２上のマイクロレンズとの間で、Ｙ方向に沿って屈折力を有するマイクロレンズ９０Ｙと９２Ｙの対が互いに関連付けられ、同様に、Ｘ方向に沿って屈折力を有するマイクロレンズ９０Ｘと９２Ｘとの対が互いに関連付けられるような光学関係が確立される。

第１の光学ラスタ要素９０上のマイクロレンズ９０Ｘ、９０Ｙは、図５及び図６を参照して以下でより詳細に説明するように円形の面プロフィールを持たない。

図５は、第１の光学ラスタ要素９０を通るＸＹ平面における部分断面図である。第１の光学ラスタ要素９０は、上部にマイクロレンズ９０Ｘ、９０Ｙが形成された対向側面を有する基板９５を含む。各マイクロレンズ９０Ｙ、９０Ｘは、その頂点線９６と、湾曲した第１及び第２のマイクロレンズ９０Ｙ、９０Ｘが上部に付加された地面と考えることができる（仮想）基部面９８との間で測定された高さｈを有する。通常、マイクロレンズは、材料を追加することによってではなく、材料を除去することによって（例えば、エッチングにより）形成されることになるために、高さｈは、最大除去深さに等しい。基部面９８は、隣接するマイクロレンズ９０Ｘ、９０Ｙの間の境界線が内部に配置された面として定めることができる。

この実施形態では、マイクロレンズ９０Ｘ、９０Ｙは、各マイクロレンズ９０Ｘ、９０Ｙの頂点線９６を通じて延びる対称平面に関して鏡面対称な非常に類似の（又は同じでさえある）面プロフィール１００を有する。

図６は、２つの隣接するマイクロレンズ９０Ｙの面プロフィール１００を示している。右の面プロフィール１００において垂直な破線１０２を用いて示しているように、各面プロフィールは、中心区画１０４、中心区画１０４に隣接する２つの移行区画１０６、及び移行区画１０６に隣接する２つの端部区画１０８を含む。明瞭化の目的で、移行区画１０６を右手側の面プロフィール１００において点線で示している。

左手側に示している同等の面プロフィール１００から明らかなように、２つの移行区画１０６の曲率は、中心区画１０４における曲率及び端部区画１０８における曲率よりも大きい。通常、点Ｐ₀における曲線の曲率ｃは、点Ｐ₀において曲線自体と同じタンジェンシャルを有する円においてＲ＝１／ｃを有する半径Ｒによって定められる。図５及び図６に示す実施形態では、中心区画１０４及び端部区画１０８は、破線１１０と１１２とによってそれぞれ示しているように円弧プロフィールである。更に、これらの円１１０、１１２の半径は等しく、従って、中心区画１０４の曲率と端部区画１０８の曲率も同じく等しい。また、移行区画１０６のプロフィールも円弧プロフィールであるが、この円弧プロフィールを定める円１１４の半径は、中心区画１０４及び端部区画１０８のプロフィールを定める円１１０、１１２の半径よりも大幅に小さい。

図５及び図６に示している面プロフィール１００は、明瞭化の目的で正確な縮尺のものではないことに注意されたい。例えば、中心区画１０４の１００ｍｍの曲率半径及びピッチｐ＝２ｍｍを仮定すると、第１及び第２のマイクロレンズ９０Ｙ、Ｘの高さｈは約５μｍになる。言い換えれば、マイクロレンズ９０Ｘ、９０Ｙの面は、曲率における差分がもはや感知することができない程に非常に平坦である。

次に、図７から図９を参照して、光学インテグレータ３６の機能に対して以下に説明する。

図７は、第２の光学ラスタ要素９２のマイクロレンズ９２Ｘのうちの１つを子午断面内に示している。マイクロレンズ９２Ｘは、マイクロレンズ９２Ｘの焦点距離ｆに等しい距離の位置に前側焦点面１１５を有する。発散光束が、前側焦点面１１５内でマイクロレンズ９２Ｘの光軸１１８上に位置する点１１６から射出する場合には、この光束は、図７に実線で示しているように、光軸１１８と平行に平行化された光束としてマイクロレンズ９２Ｘを射出することになる。

同様に、発散光束が、前側焦点面１１５内の近軸点１２０から射出し、マイクロレンズ９２Ｘを通過する場合には、この光束は、ここでもまた、平行化された光束としてではあるが（破線を参照されたい）、この場合、光軸１１８とある角度を構成してマイクロレンズ９２Ｘを射出することになる。この角度は、光軸１１８からの点１２０の距離の増大と共に増大する。

各平行化された光束は、遠視野内である一定の区域を均一に照明する。この均一性は、前側焦点面１１５内で元は点１１６、１２０から射出した平行化された光束を重なることによって更に改善される。この重ね合わせを助け、マイクロレンズ９２Ｘと、光束の可能な最良の重ね合わせが発生する区域との間の距離を短縮するために、マイクロレンズ９２Ｘの背後に配置されたコンデンサーを用いることができる。

しかし、近軸点１２０と光軸１１８の間の距離が更に増大すると、最終的に、光束の光線がマイクロレンズ９２Ｘ上に入射することができなくなる距離が現れることになる。図７ではこれを破線によって表す周辺光線１２４に対して示している。この周辺光線１２４は、隣接するマイクロレンズ９２Ｘ上に入射することはできるが、その後、図７に示しているマイクロレンズ９２Ｘを通じて伝播した光線と平行にこの隣接するマイクロレンズ９２Ｘを射出することにはならない。従って、隣接するマイクロレンズ上に入射する周辺光線１２４は、遠視野内の照明の均一性を外乱する。

上述の理由から、従来の光学インテグレータは、通常、球面マイクロレンズ９０Ｘ’を有する付加的な第１の光学ラスタ要素を含む。各マイクロレンズ９０Ｘ’は、図８に示しているように、第２の光学ラスタ要素の関連付けられたマイクロレンズ９２Ｘの前側焦点面１１４内、又はその直近に配置される。球面マイクロレンズ９０Ｘ’は、関連付けられたマイクロレンズ９２Ｘと同じ焦点距離を有する。従って、マイクロレンズ９０Ｘ’上に同じ角度の下に、すなわち、互いと平行に入射する全ての光線は、第２の光学ラスタ要素の関連付けられたマイクロレンズ９２Ｘ上の単一の点、又はマイクロレンズ９２Ｘの範囲で出会う。軸外点１２２から射出する周辺光線１２４は、この場合、マイクロレンズ９２Ｘ上に入射することができ、更に遠視野内の均一な照明に寄与することができるような程度に屈折される。

共通の光軸１１８上に配置された２つのレンズ９０Ｘ’、９２Ｘは、通常、光学インテグレータの「チャンネル」と呼ばれる。このチャンネルは、その前ファセット（すなわち、マイクロレンズ９０Ｘ’の前面）上に入射する全ての光が、関連付けられたマイクロレンズ９２Ｘから射出するが、通常、マイクロレンズ９０Ｘ’、９２Ｘの（等しい）焦点距離ｆによって決められる異なる発散で射出するという特性を有する。更に、隣接するマイクロレンズ９２Ｘから射出する光束の間には小さい間隙が残り、従って、マイクロレンズ９２Ｘの後面上で光軸１１８に沿って視線を定める観察者は、各チャンネルにおいて直径Ｄを有する小さい円形の高輝度スポットを見ることになる。これらの高輝度スポットは、多くの実光源と類似の放出特性（すなわち、放出角度に対する放射発散度の依存性）を有するので、多くの場合に「２次光源」と呼ばれる。

入射光の発散が減少する場合には、２次光源の直径Ｄも減少し、その結果、２次光源を形成する高輝度スポット内の光強度は増大する。しかし、マイクロレンズ９２Ｘ内の投影光の強度がある一定の閾値を超える場合には、長期的に、マイクロレンズ９２Ｘの光学特性を許容不能な方式で損ねる望ましくない材料劣化が発生することになる。特に長い焦点距離ｆでは、マイクロレンズ９２Ｘの後方の光学要素も、非常に高い光強度によって類似の方式で劣化を被る可能性がある。

図９は、本発明による光学インテグレータ３６の単一のチャンネルを示している。第２のマイクロレンズ９０Ｘ’が少なくとも１つの円弧面プロフィールを有する図８に示している従来技術の方式とは対照的に、第１の光学ラスタ要素９０のマイクロレンズ９０Ｘは、図５及び図６を参照して上述した３つの区画を含む面プロフィール１００を有する。この特定の面プロフィール１００の結果として、マイクロレンズ９０Ｘ上に入射する平行光線は、図９で分るように、第２の光学ラスタ要素９２のマイクロレンズ９２Ｘ内の単一の点、又はマイクロレンズ９２Ｘ上に集束されず、光軸１１８に対して垂直な方向に実質的に分散する。従って、この特定のチャンネルに関連付けられた２次光源の直径Ｄも同様に拡大され、その結果、高い光強度によってもたらされる材料劣化の危険性が低減する。しかし、この効果は、遠視野内で重ね合わされる平行化された光束を生成する望ましい効果を損なうことなく得られることに注意されたい。

図９には、マイクロレンズ９２Ｘ内の光強度の低減を幾何光学だけに基づいて例示している。しかし、現実に発生することになる強度は、光学インテグレータ３６上に入射する光の波の性質に対処したシミュレーションに基づいて計算する必要があることを理解すべきである。そのようなシミュレーションの結果に対しては、図１４及び図１５を参照して以下に説明する。

同様に、第２の光学ラスタ要素９２の後方の光学要素内で発生する強度も、第１の光学ラスタ要素９０上のマイクロレンズ９０Ｘが、交替する曲率を有する５つの区画を有する面プロフィール１００を有する場合に大幅に低減することが分る。この低減は、波の光学効果のより良い利用に起因する。

本発明によると、２つの移行区画１０６内の曲率は、面プロフィール１００の中心区画１０４及び端部区画１０８内の曲率よりも大きい。しかし、この条件を満たす全ての面プロフィールが、第２のインテグレータ構成要素９２の関連付けられたマイクロレンズ９２Ｘ上の全ての入射光を誘導することができるわけではない。この誘導を提供するためには、面プロフィール１００を説明する面プロフィール関数ｐ（ｘ）が以下の条件を満たさなければならない。
Δ−（ｐ＋２ｘ）／２≦（ｎ−１）・ｐ’（ｘ）≦（ｐ−２ｘ）／２ａ−Δ

上述の不等式において、Δは光の発散を表し、ｐはピッチであり、ｎはマイクロレンズ９０Ｘの屈折率であり、ｂは第１のインテグレータ構成要素９０と第２のインテグレータ構成要素９２の間の距離であり、ｐ’（ｘ）は面プロフィール関数ｐ（ｘ）の１次導関数である。

上述では、新しい面プロフィール１００の機能をマイクロレンズ９０Ｘ及び９２Ｘのみを参照して説明した。当然ながら、Ｙ方向に沿ってのみ屈折力を有する関連付けられたマイクロレンズ９０Ｙ、９２Ｙの他方の対に対しても同じ考察が相応に適用される。

ＩＶ．代替的実施形態
上述の実施形態では、中心区画１０４の曲率と端部区画１０８の曲率とが全く等しく、従って、円１００、１１２が同じ半径を有することを仮定した。しかし、図１０に示しているように、これらの曲率が異なる場合にも、強度最大値の類似の低減を得ることができる。この場合、中心区画１０４の曲率半径（円１１２を参照されたい）は、端部区画１０８の曲率半径（円１１０を参照されたい）の曲率半径よりも小さい。

更に、区画１０４、１０６、１０８の各々内の曲率が一定である必要はない。図１１は、中心区画１０４及び端部区画１０８が、移行区画１０６を形成する円形の曲線によって接続した放物曲線によって形成される実施形態を示している。

また、中心区画１０４及び端部区画１０８の曲率をゼロまで増大させることができ、これは、関連付けられた曲率半径が無限大であることを意味する。この場合、図１２に示しているように、これらの区画内の面プロフィール１００は直線である。２つの移行区画１０６のみが（円形の）曲線によって形成される。

図１３に示しているように、移行区画１０６の曲率半径が減少すると、面プロフィール１００は、二等辺台形の形状により一層近似することになる。移行区画１０６内の曲率半径がゼロに近づくと、幾何学的二等辺台形が得られ、従って、マイクロレンズ９０Ｘ、９０Ｙはプリズムへと変形する。

上述では、光学ラスタ要素９０、９２が、それぞれ円柱レンズ９０Ｘ、９０Ｙ、及び９２Ｘ、９２Ｙの２つのアレイを含むと仮定した。当然ながら、これらのアレイを回転対称面を有するマイクロレンズのアレイで置換することができる。図１４は、回転対称面を有する６×６のマイクロレンズ９０ＸＹを含む第１の光学ラスタ要素９０に関する略平面図である。各マイクロレンズ９０ＸＹは、正方形の外周が得られるように切削段階を受けた円形の外周を有する回転対称レンズから製造されるものと考えることができる。そのような構成は、多くの場合に、より厳密な意味でハニカムコンデンサーと呼ばれる。

図１５は、図１４に示している第１の光学ラスタ要素９０を通る線ＸＶ−ＸＶに沿った断面図である。マイクロレンズ９０ＸＹは、Ｘ方向とＹ方向の両方に沿って屈折力を有するので、基板９５の片側だけがマイクロレンズ９０ＸＹを支持し、それに対して反対側１２６はいかなる光学要素も支持せず、好ましくは、平面である。

図１６に略示しているように、第１の光学ラスタ要素９０上のマイクロレンズ９０Ｘ、９０Ｙは、複数のフレネルゾーン要素１２８へと再分割することができる。フレネルゾーン要素１２８の光学有効部分、すなわち、基部面９８に対して垂直に延びない部分が、図１３を参照して上述したものと同じ区画を有するプロフィール１００に加わる。

図１７は、マイクロレンズアレイが、ホログラフィック回折光学要素１９２（コンピュータ生成ホログラムＣＧＨとも呼ばれる）のアレイで置換された第１の光学ラスタ要素に関する平面図である。各回折光学要素１９２は、回折光学要素１９２が、図１４及び図１５に示しているマイクロレンズ９０ＸＹの一方と同じ効果を有するように、計算によって設計された微小回折構造を含む。当然ながら回折光学要素１９２は、図４から図１３に示している円柱マイクロレンズ９０Ｘ、９０Ｙの一方と同じ効果を有するように設計することができる。この場合、回折光学要素１９２の２つのアレイは、第１の光学ラスタ要素９０の基板上の対向する側面上に付加することができる。

図１８は、図１７に示している第１の光学ラスタ要素１９０と、図４に示しているようなマイクロレンズ９２Ｘ、９２Ｙの２つの直交アレイを含む従来の第２の光学ラスタ要素９２とで構成された光学インテグレータ１３６に関する斜視図である。

Ｖ．シミュレーション結果
図１９及び図２０は、第１の光学インテグレータ３６及び第１のコンデンサー３８の第１のレンズ３８ａ内で発生する強度が光学波動解析アルゴリズムに基づいて計算されたシミュレーションの結果を示している。本発明によって得られる利益は、波動光学解析によってのみ説明することができ、幾何光学単独でのいかなる適用によっても、間違った結論がもたらされることになることに再度注意されたい。

各グラフの横座標は、複数のマイクロレンズ９０Ｘが並んで配置されるＸ方向又はＹ方向に対応する。縦座標はＺ座標を示し、原点は、第１の光学インテグレータ３６の前方のある距離の位置に存在する。第１の光学ラスタ要素９０及び第２の光学ラスタ要素９２のＺ座標は、水平線で示している。最上部の水平線は、最初に続くレンズ３８ａのＺ位置を示している。

グラフ内の細線は、等しい強度が発生する位置を示している。黒色区域は、強度が非常に高いが、長期的にも依然として許容可能である位置を示している。点ハッチング区域１３０は、少なくとも長期的には強度を許容することができない領域を表している。

図１９にある２つのグラフは、比較目的で、第１の光学ラスタ要素９０が、円弧プロフィールを有するマイクロレンズ（球面レンズ）を有する光学インテグレータ内で得られる強度を示している。図１９に示している２つのグラフは、シミュレーションを実施する時に仮定した発散において互いに異なる。２つのグラフの上側では、２つのグラフのうちの下側におけるものよりも大きい発散を仮定している。

図１９の上側のグラフで分るように、第２の光学ラスタ要素９２内の強度は高いが、依然として許容可能である。しかし、第１のコンデンサー３８の最初に続くレンズ３８ａ内では、長期的に強度を許容することができない区域１３０が存在する。入射光の小さい発散を仮定した場合にも類似の結果が得られる（図１９の下側のグラフ）。この場合、強度が許容不能な区域１３０は小さいが、依然として存在する。

図２０は、第１の光学ラスタ要素９０の第２のマイクロレンズ９０Ｘが、図１３に示しているように二等辺台形の形状を少なくとも実質的に有する面プロフィール１００を有する第１の光学インテグレータ３８に関する類似のグラフを示している。非常に高い強度を示す黒色区域は、かなり小さく、第２の光学ラスタ要素９２の外側に完全に移動していることが分る。最高強度は、最初に続くレンズ３８ａにおいて依然として発生するが、長期的に強度を許容することができないいかなる区域１３０も存在しない。

好ましい実施形態の以上の説明は例示的に提供したものである。当業者は、提供した開示内容から、本発明及びそれに伴う利点を理解するだけでなく、開示した構造及び方法に対する明らかな様々な変形及び修正も見出すであろう。従って、本出願人は、全てのそのような変形及び修正を特許請求の範囲及びその均等物によって定められる本発明の精神及び範囲に含めることを求めるものである。

９８ 平面又は曲面
１００ 面プロフィール
１０４ 中心区画
１０６ 移行区画
１０８ 端部区画

Claims (10)

1. マイクロリソグラフィ投影露光装置の照明系のための光学ラスタ要素であって、
   平面又は曲面（９８）上に延びる屈折光学要素（９０Ｘ，９０Ｙ）のアレイ、
   を含み、
   前記光学要素の少なくとも２つが、
   ａ）基準方向に沿って２ｍｍよりも短いピッチで並んで配置され、
   ｂ）前記面に対して垂直に５０μｍよりも低い高さ（ｈ）を有し、かつ
   ｃ）ｉ）中心区画（１０４）、
   ｉｉ）前記中心区画（１０４）に隣接する２つの移行区画（１０６）、及び
   ｉｉｉ）前記移行区画（１０６）に隣接する２つの端部区画（１０８）、
   を含み、該２つの移行区画（１０６）における曲率が、該中心区画（１０４）及び該端部区画（１０８）における曲率よりも大きい前記基準方向（ｘ）に沿った面プロフィール（１００）を有する、
   ことを特徴とする光学ラスタ要素。
2. 前記中心区画（１０４）及び／又は前記端部区画（１０８）における前記曲率は、ゼロであることを特徴とする請求項１に記載の光学ラスタ要素。
3. 前記面プロフィールは、少なくとも実質的に二等辺台形の形状を有することを特徴とする請求項２に記載の光学ラスタ要素。
4. 前記中心区画（１０６）における前記曲率は、前記端部区画（１０８）における前記曲率に等しいか又はそれよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光学ラスタ要素。
5. 前記面プロフィールは、複数のフレネルゾーン（１２８）に再分割されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光学ラスタ要素。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光学ラスタ要素（９０）と、
   ａ）更に別の平面又は曲面上に延びる更に別の屈折光学要素（９２Ｘ，９２Ｙ）の更に別のアレイを含み、かつ
   ｂ）光伝播方向に沿って前記光学ラスタ要素（９０）の背後に配置される、
   更に別の光学ラスタ要素（９２）と、
   を含むことを特徴とする光学インテグレータ（３６）。
7. マイクロリソグラフィ投影露光装置の照明系であって、
   光伝播方向に沿って、
   ａ）請求項６に記載の光学インテグレータ（３６）、
   ｂ）集光光学系（３８）、及び
   ｃ）ミラーのアレイ（４６）、
   を含むことを特徴とする照明系。
8. 前記ミラーのアレイ（４６）の背後に更に別の集光光学系（５８）及び更に別の光学インテグレータ（７２）を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の照明系。
9. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光学ラスタ要素（９０）と同じ遠視野強度分布を生成するように構成されたホログラフィック回折光学要素（１９０）。
10. 請求項９に記載の回折光学要素（１９０）と、
    ａ）平面又は曲面上に延びる屈折光学要素（９２Ｘ，９２Ｙ）のアレイを含み、かつ
    ｂ）光伝播方向に沿って前記回折光学要素（１９０）の背後に配置される、
    光学ラスタ要素（９２）と、
    を含むことを特徴とする光学インテグレータ。

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