JP2011521445A - フーリエ光学系を含む照明系 - Google Patents

Abstract

１次光源からの光で照明視野を照明するためのマイクロリソグラフィ投影露光装置のための照明系、及びそのような照明系を含むマイクロリソグラフィ投影露光装置、更に、例えば、マイクロリソグラフィ投影露光装置の照明系の一部として用いることができるフーリエ光学系を提供する。照明視野（１６５）を１次光源（１０２）からの光で照明するためのマイクロリソグラフィ投影露光装置（１００）のための照明系（１９０）は、１次光源（１０２）からの光を受光し、照明系の瞳成形面（１１０）内に可変的に調節可能な２次元強度分布を発生させるための可変的に調節可能な瞳成形ユニット（１５０）を有する。瞳成形ユニット（１５０）は、フーリエ光学系の入射平面を通じて入射する入射ビーム束（１０５）をフーリエ光学系の射出平面から射出する射出ビーム束へと変換するためのフーリエ光学系（５００）を有する。フーリエ光学系は、焦点距離ｆ_FOSと、入射側の先頭の系の面と射出側の最後の系の面の間で光軸に沿って測定された構造長Ｌとを有し、条件（Ｌ／ｆ_FOS）＜１／６が成り立つ。
【選択図】図１

Description

本発明は、１次光源からの光で照明視野を照明するためのマイクロリソグラフィ投影露光装置のための照明系、及びそのような照明系を含むマイクロリソグラフィ投影露光装置に関する。更に、本発明は、例えば、マイクロリソグラフィ投影露光装置の照明系の一部として用いることができるフーリエ光学系に関する。

現在、マイクロリソグラフィ投影露光法は、主に半導体構成要素及び他の微細構造構成要素を製造するのに用いられている。マイクロリソグラフィ投影露光法は、結像される構造のパターン、例えば、半導体構成要素の層の線パターンを保持するマスク（レチクル）を用いる段階を含む。マスクは、投影露光装置内で照明系と投影対物系の間の投影対物系の物体平面の領域に位置決めされ、照明系によって供給される照明放射線で照明される。マスク及びパターンによって変更された放射線は、投影放射線として投影対物系内を通過し、投影対物系は、マスクパターンを通常は感放射線層（フォトレジスト）を保持する露光される基板上に結像する。

投影マイクロリソグラフィの場合には、マスクは、照明系を用いて照明され、照明系は、１次光源からの光、特に、レーザからマスク上に誘導され、かつ特定の照明パラメータによって定められる照明放射線を成形する。照明放射線は、照明視野（所定の形状及びサイズを有する区域、例えば、矩形視野又は湾曲リング視野）内でマスク上に入射し、照明視野の形状及びサイズは、一般的に、一定であり、すなわち、可変ではない。一般的に、照明視野内では、可能な限り均一な強度分布が求められ、この目的で、照明系内に均一化デバイス、例えば、フライアイコンデンサー及び／又はロッドインテグレーターのような光混合要素を設けることができる。

更に、結像される構造の種類によっては、多くの場合に、異なる照明モード（いわゆる「照明設定」）が必要とされ、これらの照明モードは、照明系の瞳面内の照明放射線の異なる局所強度分布によって特徴付けることができる。この関連において、場合によっては、この照明を「構造化照明」、「照明瞳の構造化」、又は２次光源の構造化と呼ぶ。照明放射線の基本特性が、この強度分布を用いて「成形」されるので、本出願では、特定の定義可能な２次元強度分布（２次光源）が存在することが目論まれる照明系の瞳面を「瞳成形面」とも呼ぶ。照明設定は、例えば、従来照明設定の場合には、照明系の光軸を中心とし、異なる直径（一般的に、照明の干渉度σを用いて定められる）を有する円形照明スポットを含み、非従来照明、すなわち、軸外の照明の場合には、リング照明（又は環状照明）及び同じく極強度分布、例えば、二重極照明又は四重極照明を含む。変形（斜方）照明を生成するための非従来照明設定は、特に、２ビーム干渉によって焦点深度を深めるために、かつ解像度を高めるために機能することができる。

マイクロリソグラフィ投影露光装置内に組み込まれる照明系の場合には、望ましい２次元強度分布（２次光源）が存在することが計画される、照明系の「瞳成形面」は、下流の投影対物系の瞳平面に対して光学的に共役な位置、又はその近くに置くことができる。一般的に、瞳成形面は、照明系の瞳面に対応するか又はその近くに位置することができる。介在光学構成要素が、光線角度分布を変化させず、すなわち、角度維持方式で作動する場合には、マスクパターン上に入射する照明放射線の角度分布は、照明系の瞳成形面内の空間的強度分布によって判断される。更に、介在光学構成要素が角度維持方式で作動する場合には、投影対物系の瞳内の空間的強度分布は、照明系の瞳成形面内の空間的強度分布（空間的分布）によって判断される。

１次光源、例えば、レーザ又は水銀蒸気ランプからの光を受光し、照明系の「瞳成形面」内に望ましい２次元強度分布（２次光源）を受光光から生成するために設けられた照明系の光学構成要素及びアセンブリは、一般的に可変的に調節可能でなければならない瞳成形ユニットを共同で形成する。

本出願人名義のＵＳ２００７／０１６５２０２Ａ１（ＷＯ２００５／０２６８４３Ａ２に対応する）は、１次光源からの光を受光して照明系の瞳成形面内に可変的に調節可能な２次元強度分布を発生させるための瞳成形ユニットが、瞳成形面内に望ましい照明強度分布が生じるようにミラー要素上に入射する放射線の角度分布をターゲット方式で変更することができる個別に駆動可能な個別ミラーを有する多ミラーアレイ（ＭＭＡ）を含む照明系を開示している。

結像されるマスク構造に依存する方式で照明系の瞳成形面内の強度分布の最適な構造化を計算する方法が、例えば、ＵＳ６，５６３，５５６又はＵＳ２００４／０２６５７０７に開示されている。

ＵＳ２００７／０１６５２０２Ａ１ ＷＯ２００５／０２６８４３Ａ２ ＵＳ６，５６３，５５６ ＵＳ２００４／０２６５７０７ ＵＳ５，３４３，４８９ 米国特許仮出願出願番号第６１／０１５９１８号

Ｅ．Ｄｅｌａｎｏ著「１次設計及びｙ−ｙｂａｒ図」、応用光学、第２巻、第１２号、１９６３年１２月

本発明の１つの目的は、異なる照明モード間で迅速に変更することを可能にするマイクロリソグラフィ投影露光装置のための照明系を提供することである。

本発明の別の目的は、マイクロリソグラフィ投影露光装置のための照明系内に統合するのに適し、小さい幾何学的フラックスの場合に実質的に幾何学的フラックスの導入なしに光混合を達成することができる小型光混合系を提供することである。

上記及び他の目的を達成するために、本発明は、請求項１の特徴を含む照明系、及び請求項２４の特徴を含むフーリエ光学系を提供する。更に、請求項２６の特徴を含む光混合系、及び請求項２８の特徴を含む投影露光装置を提供する。

従属請求項には、有利な発展を指定している。全ての請求項の文言は、引用によって本明細書の内容に組み込まれている。

本発明の一態様は、１次光源からの光で照明視野を照明するためのマイクロリソグラフィ投影露光装置のための照明系を提供する。照明系は、１次光源からの光を受光し、照明系の瞳成形面内に可変的に調節可能な２次元強度分布を発生させるための可変的に調節可能な瞳成形ユニットを有する。瞳成形ユニットは、フーリエ光学系の入射平面を通じて入射する入射ビーム束をフーリエ光学系の射出平面から射出する射出ビーム束へと変換するためのフーリエ光学系を有し、フーリエ光学系は、焦点距離ｆ_FOSと、入射側の先頭の系の面と射出側の最後の系の面の間で光軸に沿って測定された構造長Ｌとを有し、条件（Ｌ／ｆ_FOS）＜１／６が成り立つ。

本明細書では、「フーリエ光学系」という表現は、フーリエ光学系の入射平面に存在する放射線パワー分布をこのフーリエ光学系を通過する放射線の幾何学的フラックス（エタンデュ）を維持しながら射出平面に変換する光学系を表している。この場合、射出平面は、入射平面に対してフーリエ変換された平面である。この場合、通過するビーム束は、入射平面に特定の形状及びサイズを有する入射面、例えば、円形入射面、又は正方形又は他のいずれかの方式の矩形である入射面を形成する。ビーム束は、フーリエ変換された射出平面に入射平面内の放射線の角度分布によって判断される形状及びサイズを有する射出面を形成する。この場合、入射面の幾何学形状は、通過する光線の光線高さによって定められる。入射面の幾何学形状は、フーリエ光学系によって射出平面内の対応する角度分布（光線角度の分布）へと変換される。本明細書では、「入射面」及び「射出面」は、通過するビーム束と入射平面及び射出平面それぞれとの交差区域として定め、従って、各々は、特定の面区域を収容する。入射平面と射出平面との間で発生するフーリエ変換中には、射出面にわたる入射面内の各個別面要素のパワー分布は、局所的発散に従って射出面にわたって分配される。この場合、射出側で受光される全ての面要素は、少なくとも１つの次元において加算的に重ね合わされる。

実際の光学系内のビーム束は、異なる伝播方向を有する複数の光線を含む。ビーム束の光線の角度分布は、ビーム束内の光線の間の最大角度差を表すビーム束の発散ＤＩＶによって表すことができる。代替として、本出願では発散角の半分の正弦に対応するビーム束の開口数ＮＡによる表現を与えることができる。従って、近軸光学系、すなわち、光学系の光軸に対して小さい光線角度の場合には、開口数ＮＡは、発散の半分に対応し、すなわち、ＮＡ＝ＤＩＶ／２である。所定の入力発散（入射側の発散）を伴って通過するビーム束に対するフーリエ光学系の効果は、入力側の光線の各光線角度ＲＡ_Eに射出側の光線角度に比例する光線高さＲＨ_Aが割り当てられるように簡易形式で表すことができる。本明細書では、光線高さを所定の軸上の位置の光軸に対する垂直距離として定める。入射側の光線角度と射出側の光線高さの間の比率は、ＲＨ_A＝ｆ_FOS ^*ｓｉｎ（ＲＡ_E）に従うフーリエ光学系の焦点距離ｆ_FOSによって定められる。

それに応じてフーリエ光学系は、その入射側の光線角度をフーリエ光学系の焦点距離に従ってその射出側の光線高さへと変換するので、大きい焦点距離を有するフーリエ光学系は、例えば、所定の小さい入力発散を有する入力ビーム束から相応に大きい断面積を有する射出ビーム束を成形することができ、フーリエ光学系の所定の焦点距離において、入射面と射出面の間のサイズ関係は、入力発散に依存し、入力発散が大きくなる程小さい。

レーザを１次光源として作動させる照明系では、レーザ放射線の空間干渉に従って一般的に１次放射線は比較的小さいビーム断面を有するビーム束で非常に小さい発散しか伴わずに存在する。一方、照明系では、通過する放射線が比較的大きいビーム断面を有する少なくとも１つの領域を照明系内に有するという要件が存在する。入射ビーム束に存在する放射線の角度分布を可変的に調節するために、大きいビーム断面の領域内では、例えば、光変調デバイスが用いられ、この光変調デバイスが、比較的大きいビーム直径を有する領域内に置かれ、各々が、入射ビーム束の部分ビームを角度変更形式で影響する多数の個別に駆動可能な個別要素を有するアレイを収容する場合には、可変調節の空間解像度を改善することができる。光変調デバイスの位置におけるビーム直径が大きい程、角度調節の高い空間解像度を可能にするために、光変調デバイスの十分に多くの個数の制御可能な個別要素を設けることが容易になる。

入射ビーム束の比較的小さい発散にも関わらず、比較的大きいビーム断面を有するビームを生成するのに比較的大きい焦点距離を有するフーリエ光学系を用いることができる。一方、照明系では、瞳成形ユニットのサブ光学系のための構造空間は、一般的に、限られた範囲でしか利用可能ではない。本発明によるフーリエ光学系の使用により、相反する小さい発散を有する入力ビーム束の有効なビーム拡大への一方の要求と比較的小さい構造空間という他方の要件とを調整することができる。

好ましくは、テレファクタＴＦ＝Ｌ／ｆ_FOSにおいて、条件（Ｌ／ｆ_FOS）＜０．１６６が成り立つ。テレファクタは、例えば、０．１２５又はそれ未満、０．１又はそれ未満、又は０．０７５又はそれ未満とすることができる。

一部の実施形態では、フーリエ光学系の焦点距離ｆ_FOSは、１０ｍ又はそれよりも大きく（例えば、１５ｍ又はそれよりも大きく、２０ｍ又はそれよりも大きく、又は５０ｍ又はそれよりも大きく）、構造長Ｌは、４ｍ未満、例えば、３．５ｍ又はそれ未満、又は３ｍ又はそれ未満である。

フーリエ光学系は、奇数回のフーリエ変換を引き起こし、例えば、３回又は５回のフーリエ変換を引き起こすことができる。好ましくは、入射面と射出面の間でフーリエ変換が１回しか発生せず、それによって短い構造長が助長される。

焦点距離と比較して相対的に短い構造長を有するフーリエ光学系は、一般的に、少なくとも３つのレンズを有する。一部の実施形態では、フーリエ光学系は、入射側の第１のレンズと射出側の第２のレンズとを有する第１のレンズ群、及び同じく第１のレンズ群の下流に配置され、入射側の第１のレンズと射出側の第２のレンズとを有する第２のレンズ群を含み、第１のレンズ群の射出側の最後の系の面と、第２のレンズ群の入射側の先頭の系の面との間には、群距離ｄ_Gが存在する。従って、この構成では、少なくとも４つのレンズが設けられる。個別のレンズが関わることができ、これらのレンズのうちの１つ又はそれよりも多くを分割レンズ又はレンズ群として構成することができる。群距離は、一般的に、第１及び第２のレンズ群の構造長よりも大きい。

一部の実施形態では、群距離ｄ_Gにおいて、条件ｄ_G＞０．６０^*Ｌが成り立つ。従って、群距離は、全構造長Ｌのかなりの部分を占める可能性がある。条件ｄ_G＞０．６５^*Ｌ又はｄ_G＞０．７^*Ｌも成り立つとすることができる。従って、互いに対面する第１のレンズ群のレンズと第２のレンズ群のレンズとは、比較的大きい距離の位置になければならず、これは、例えば、これらのレンズのエネルギ負荷に関して有利である。

群距離は、焦点距離と比較して相対的に小さいとすることができる。一部の例示的な実施形態では、条件ｄ_G＜０．１２^*ｆ_FOSが成り立つ。特に、ｄ_G＜０．１０^*ｆ_FOS、ｄ_G＜０．０８^*ｆ_FOS、又はｄ_G＜０．０６^*ｆ_FOSが成り立つとすることができる。

レンズ要素の放射線負荷に関して最適化されたフーリエ光学系の構成に対する構成原理を例示的な実施形態に関連して十分に説明する。

幾何学的フラックスをＨとし、Ｐ_Aを第１のレンズ群の射出側の第２のレンズの予め決めることができる最大エネルギ負荷とし、Ｐ_Bを第２のレンズ群の入射側の第１のレンズの予め決めることができる最大エネルギ負荷とする時に、フーリエ光学系が、単位時間当たりの放射線エネルギＥを伝達するように設計される場合には、一部の例示的な実施形態では、第１のレンズ群の射出側の最後の系の面と第２のレンズ群の入射側の先頭の系の面との間の群距離ｄ_Gは、最小群距離ｄ_G ^minよりも小さくないという条件が定められ、次式が、最小群距離に関して成り立つ。
ｄ_G ^min＝ｎ／Ｈ^*Ｅ／（Ｐ_aＰ_b）^1/2

この条件が満たされる場合に達成することができることは、放射線負荷によって特に危険に露出されるレンズに過度に負荷がかからないことであり、その結果、レンズの劣化のない連続作動が可能である。

一方、全構造長Ｌを適度に保つために、群距離ｄ_Gが、ｄ_G ^minと３^*ｄ_G ^minの間にあるという条件を定めることができる。

一部の実施形態では、瞳成形ユニットは、フーリエ光学系の上流に配置された光混合デバイスを有する。従って、この光混合デバイスは、１次光源とフーリエ光学系の間に配置される。光混合デバイスが、角度領域において実質的に均一な分布が存在するように入射放射線を混合する場合には、この分布は、下流に配置されたフーリエ光学系により、射出面の領域内の空間領域における均一な光分布、すなわち、殆ど均一な射出面照明へと変換される。光混合デバイスは、少なくとも１つのフライアイコンデンサーを含むことができる。フーリエ光学系に対面するフライアイコンデンサーの後側焦点面は、フーリエ光学系の入射面と実質的に一致することができ、又はこの入射面に対して若干変位させることができる。角度領域において均一化効果を有する光混合デバイスと下流に配置されたフーリエ光学系との組合せにより、比較的低い幾何学的フラックスを有する入力光、例えば、レーザビームからの光を実質的に幾何学的フラックスの導入なしに混合又は均一化することができる。

１つの変形では、フーリエ光学系は、第１の曲率平面内で湾曲した少なくとも１つの第１の円柱面を有する第１の円柱レンズ系と、第２の曲率面内で湾曲した少なくとも１つの第２の円柱面を有する第２の円柱レンズ系とを有する少なくとも１対の交差円柱レンズ系を有し、第１の曲率平面と第２の曲率平面とは、互いに対して垂直である。ある一定の負荷条件の下では、負荷に最適化されたフーリエ光学系の構造長は、回転対称レンズの使用場合よりも交差円柱レンズ系の使用場合に小さいとすることができる。

異なって配向された曲率平面を有する円柱レンズを交互配置することができ、すなわち、交替順序で配置することができる。異なって配向された円柱レンズを「純粋」サブ系へとグループ分けすることも可能である。１つの変形では、フーリエ光学系は、複数の第１の円柱レンズを有する第１の円柱レンズ群と、その下流に配置されて、直交する向きの曲率平面を有する複数の第２の円柱レンズを有する第２の円柱レンズ群とを有する。

本発明は、フーリエ光学系の入射平面を通じて入射する入射ビーム束をフーリエ光学系の射出平面から射出する射出ビーム束へと変換し、焦点距離ｆ_FOSと、入射側の先頭の系の面と射出側の最後の系の面の間で光軸に沿って測定された構造長Ｌとを有し、かつ条件（Ｌ／ｆ_FOS）＜１／６が成り立つフーリエ光学系にも関する。

フーリエ光学系は、上述のマイクロリソグラフィのための投影露光装置の照明系又は他のどこにでも用いることができる。代替として、フーリエ光学系は、例えば、レーザ製作機における他の放射線誘導系内に用いることができる。

本発明は、１次光源からの光を受光して照明面内に実質的に均一な２次元強度分布を生成し、言及した種類のフーリエ光学系を有し、かつ角度領域において有効な光混合デバイスがフーリエ光学系の上流に配置される光混合系にも関する。それによって適度の構造空間要件を有する小型の光混合系を設けることができ、この光混合系は、小さい幾何学的フラックスの場合に、実質的に幾何学的フラックスの導入なしに光混合を引き起こすことができる。

本発明は、投影対物系の像面の領域に配置された感放射線基板を投影対物系の物体平面の領域に配置されたマスクパターンの少なくとも１つの像で露光し、１次光源と、１次光源からの光を受光してマスクのパターン上に誘導される照明放射線を成形するための照明系と、マスクの構造を感光基板上に結像するための投影対物系とを含み、かつ照明系が本出願に説明する種類の少なくとも１つのフーリエ光学系を含むマイクロリソグラフィ投影露光装置にも関する。

本出願の意味の範囲内で「放射線」及び「光」という表現は、広義に解釈すべきであり、特に、深紫外範囲からの例えば約３６５ｎｍ、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、１５７ｎｍ、又は１２６ｎｍの波長における電磁放射線を網羅することを意図している。

上述の特徴及び更に別の特徴は、特許請求の範囲からだけではなく、本明細書及び図面からも明らかであり、個々の特徴は、各場合にこれらの特徴自体で又は本発明の実施形態及び他の分野における実施形態における部分結合の形態にある複数のものとして達成することができ、有利かつ本質的に保護対象の実施形態を表すことができる。

瞳成形ユニットを有するマイクロリソグラフィ投影露光装置の概略図である。 瞳成形ユニットの必須構成要素を略示する概観図である。 瞳成形ユニットの必須構成要素であって瞳成形ユニット内に用いられる多ミラーアレイの概略図である。 瞳成形ユニットの必須構成要素であって瞳成形ユニット内に用いられる多ミラーアレイの概略図である。 フライアイコンデンサー及びその下流に配置されたフーリエ光学系を有する光混合系の図である。 フライアイコンデンサー及びその下流に配置されたフーリエ光学系を有する光混合系を示す図である。 フライアイコンデンサー及びその下流に配置された折り返しフーリエ光学系の概略図である。 異なる光混合デバイス及びその下流に配置された折り返しフーリエ光学系を有する瞳成形ユニットの概略図である。 瞳成形ユニット内に用いることができる実施形態のフーリエ光学系を通る子午レンズ断面を示す図である。 フーリエ光学系を通る近軸光線経路の概略図である。 光学系を通る近軸光線経路の図及び関連のＤｅｌａｎｏ図を示す概略図である。 Ｄｅｌａｎｏ図内の２つの点の間の距離Ｄの図である。 光学系の光学要素に関するエネルギ負荷モデルの図である。 レンズ及び屈折力ｂを１つだけ有するフーリエ光学系に関するＤｅｌａｎｏ図である。 ３つの屈折力を有するフーリエ光学系に関するＤｅｌａｎｏ図である。 ４つのレンズ及び屈折力を有するフーリエ光学系のＤｅｌａｎｏ図である。 フーリエ光学系の際立った面に対する面積関連の放射線パワー密度Ｓの準定量的な図である。 ４つの個別レンズ及びｐｐｐｐという屈折力順序を有するフーリエ光学系に関する略Ｄｅｌａｎｏ図である。 ４つの個別レンズ及びｐｎｐｐという屈折力順序を有するフーリエ光学系に関する略Ｄｅｌａｎｏ図である。 ４つの個別レンズ及びｐｐｎｐという屈折力順序を有するフーリエ光学系に関する略Ｄｅｌａｎｏ図である。 円柱レンズを有するフーリエ光学系の略斜視図である。 関連の入力視野と出力視野とを有するフーリエ光学系の概略図である。 負荷に最適化されたレンズ配列を示すための図１２と類似の略Ｄｅｌａｎｏ図である。 ４つのレンズ及びｐｎｎｐというレンズ順序を有する回転対称フーリエ光学系のＤｅｌａｎｏ図である。 照射方向に第２の円柱レンズ群（図２０）の前に配置された長い出力頂点焦点距離を有する第１の円柱レンズ群のＤｅｌａｎｏ図である。 照射方向に第１の円柱レンズ群（図１９）の後に配置された第２の円柱レンズ群のＤｅｌａｎｏ図である。

数分の１マイクロメートルまで細かい解像度を得るために深紫外範囲（ＤＵＶ）からの光又は電磁放射線で作動して半導体構成要素及び他の微細構造構成要素の製造に対して用いることができるマイクロリソグラフィ投影露光装置１００の例を示している。約１９３ｎｍの作動波長を有するＡｒＦエキシマレーザが、１次光源１０２として機能し、このレーザの直線偏光レーザビームが、照明系１９０の光軸１０３に関して同軸に照明系内に結合される。他のＵＶ光源、例えば、１５７ｎｍの作動波長を有するＦ₂レーザ、２４８ｎｍの作動波長を有するＡｒＦエキシマレーザ、又は例えば３６８ｎｍ又は４３６ｎｍの作動波長を有する水銀蒸気ランプ、並びに１５７ｎｍよりも短い波長を有する１次光源も同様に可能である。

光源１０２からの偏光光は、最初に、ビーム断面の干渉を低減してビーム断面を拡大するためなどに機能する例えばＵＳ５，３４３，４８９によるミラーアレイとして実施することができるビーム拡大器１０４に入射する。

拡大されたレーザビームは、例えば、１００ｍｍ²と１０００ｍｍ²の間の範囲の面積、及び特定の断面形状、例えば、正方形断面形状を含む特定の断面区域を有する。拡大されたレーザビームの発散は、ビーム拡大前のレーザビームの非常に小さい発散よりも全体的に小さい。発散は、例えば、約１ｍｒａｄと約３ｍｒａｄの間とすることができる。

拡大されたレーザビームは、下流にある照明系１９０の瞳成形面１１０内に場合によっては２次光源又は「照明瞳」とも呼ぶ所定の局所（２次元）照明強度分布を発生させるように設計された複数の光学構成要素及び光学構成要素群を含む瞳成形ユニット１５０内に入射する。瞳成形面１１０は、照明系の瞳面である。

瞳成形ユニット１５０は、異なる局所照明強度分布（すなわち、異なって構造化された２次光源）を瞳成形ユニットの駆動に依存して設定することができるように可変的に調節可能である。図１は、一例として円形照明瞳の様々な照明、すなわち、中心に位置した円形照明スポットを有する従来設定ＣＯＮ、二重極照明ＤＩＰ、又は四重極照明ＱＵＡＤを略示している。

瞳成形面１１０の直近には、光学ラスタ要素１０９が配置される。光学ラスタ要素１０９の下流に配置された結合光学ユニット１２５は、調節可能な視野絞りとして機能するレチクル／マスク系（ＲＥＭＡ）１２２が配置された中間視野平面１２１上に光を伝達する。

光学ラスタ要素１０９は、回折又は屈折光学要素の２次元配列を有し、複数の機能を有する。最初にラスタ要素は、入射放射線が、下流にある結合光学ユニット１２５を通過した後に視野平面１２１の領域内で矩形照明視野を照明するように入射放射線を成形する。矩形放出特性を有する視野定義要素（ＦＤＥ）とも呼ぶラスタ要素１０９は、この場合、幾何学的フラックスの主な部分を生成し、これをマスク平面１６５に対して光学的に共役な視野平面１２１内の望ましい視野サイズ及び視野形状に適応させる。ラスタ要素１０９は、視野平面１２１を必要に応じて照明するために、２次元アレイで配置された個別プリズムが局所的に特定の角度を導入するプリズムアレイとして具現化することができる。結合光学ユニット１２５によって生成されるフーリエ変換は、ラスタ要素の射出口における各特定の角度が視野平面１２１内の位置に対応し、同時にラスタ要素の位置、すなわち、光軸１０３に対するその位置が、視野平面１２１内の照明角度を決めるという効果を有する。この場合、個別ラスタ要素から出射するビーム束は、視野平面１２１内で重ね合わされる。視野定義要素をマイクロ円柱レンズ及び拡散スクリーンを有する多段フライアイコンデンサー方式で構成することができる。ラスタ要素１０９又は個別要素の適切な設計によって達成することができることは、視野平面１２１内の矩形視野を実質的に均一に照明することである。従って、ラスタ層１０９は、視野成形及び均一化要素として、視野照明を均一化する役割も達成し、その結果、別々の光混合要素、例えば、複数の内部反射を用いて機能するインテグレーターロッド又はフライアイコンデンサーを不要にすることができる。その結果、光学構造は、この領域内で軸線方向に特に小型になる。

下流にある結像対物系１４０（ＲＥＭＡ対物系とも呼ぶ）は、視野絞り１２２を有する中間視野平面１２１をレチクル１６０（マスク、リソグラフィ独自の）上に２：１と１：５の間にあるとすることができる例えばこの実施形態では約１：１のスケールで結像する。結像は、中間像なしに行われ、従って、照明系の射出平面１６５に対してフーリエ変換された面である厳密に１つの瞳面１４５が、結像対物系１４０の物体平面に対応する中間視野平面１２１と、この物体平面に対して光学的に共役であり、照明系の射出平面及び同時に下流にある投影対物系１７０の物体平面に対応する結像対物系の像平面１６５との間に位置する。他の実施形態では、結像対物系内に少なくとも１つの中間像が生成される。上述の瞳面１４５と像面の間に配置され、光軸１０３に対して４５°だけ傾斜した偏向ミラー１４６は、比較的大きい照明系（数メートルの長さ）を水平に組込み、レチクル１６０を水平に装着することを可能にする。放射線影響要素、例えば、照明放射線の所定の偏光状態を設定するための偏光影響要素を中間視野平面１２１と結像対物系の像平面１６５の間に配置することができる。

レーザ１０２から光を受光し、レチクル１６０上に誘導される照明放射線をこの光から成形する光学構成要素は、投影露光装置の照明系１９０に属する。照明系の下流には、レチクル上に配置されたパターンが、投影対物系１７０の物体平面１６５内に位置し、スキャナ作動においてこのパターンをこの平面内で光軸１０３（ｚ方向）に対して垂直な走査方向（ｙ方向）に走査駆動体を用いて移動させることができるように、レチクル１６０を保持して操作するためのデバイス１７１が配置される。

レチクル平面１６５の下流には、縮小対物系として機能し、マスク１６０上に配置されたパターンの像を縮小スケール、例えば、１：４又は１：５のスケールでフォトレジスト層で被覆されたウェーハ１８０上に結像する投影対物系１７０が続き、このウェーハの感光面は、投影対物系１７０の像平面１７５内に位置する。屈折、反射屈折、又は反射投影対物系が可能である。他の縮小スケール、例えば、１：２０又は１：２００に至る大幅な縮小が可能である。

この例の場合は半導体ウェーハ１８０である露光される基板は、光軸に対して垂直にレチクル１６０と同期してウェーハを移動させるために、スキャナ駆動体を含むデバイス１８１によって保持される。投影対物系１７０の設計（例えば、屈折、反射屈折、又は反射、中間像を有する又は中間像を持たない、折り返し又は非折り返し）によっては、これらの移動は、互いに対して平行又は非平行な方式で起こすことができる。「ウェーハ台」とも呼ぶデバイス１８１及び「レチクル台」とも呼ぶデバイス１７１は、走査制御デバイスを用いて制御されるスキャナデバイスの一部である。

瞳成形面１１０は、最も近い下流の瞳面１４５、及び投影対物系１７０の像側瞳面１７２に対して光学的に共役な位置、又はその近くに位置する。その結果、投影対物系の瞳１７２内の空間（局所）光分布は、照明系の瞳成形面１１０内の空間光分布（空間分布）によって決められる。瞳面１１０、１４５、１７２の間には、それぞれの瞳面に対してフーリエ変換された面である視野面が、光学ビーム経路内にそれぞれ位置する。これは、特に、瞳成形面１１０内の照明強度の所定の空間分布が、下流にある視野面１２１の領域内に照明放射線の特定の角度分布を生成し、更に、この角度分布が、レチクル１６０上に入射する照明放射線の特定の角度分布に対応することを意味する。

図２は、実施形態の瞳成形ユニット１５０の必須構成要素を略示している。入射する拡大されたレーザ放射フラックス１０５は、平面偏向ミラー１５１によってフライアイコンデンサー（フライアイレンズ）１５２の方向に偏向され、フライアイコンデンサー１５２は、到着する放射フラックスを部分照明ビーム束に分解し、この後、部分照明ビーム束は、フーリエ光学系５００によってレンズアレイ１５５、すなわち、レンズ系の２次元アレイ配列上へと伝達される。レンズアレイ１５５は、部分照明ビーム束１５６を図２Ｂ及び図２Ｃに関連してより詳細に以下に説明する多ミラーアレイ３００（ＭＭＡ）の個別に駆動可能なミラー要素上に集中させる。この場合、多ミラーアレイは、光変調デバイス上に入射する放射フラックスの角度分布を制御可能に変更するための反射光変調デバイスとして作動され、その個別ミラー１０２の向きにより、多ミラーアレイを用いて定めることができる照明角度分布を形成し、この照明角度分布は、瞳成形面１１０内で重ね合わされてこの瞳面内で強度分布が形成される。共通の支持体要素３０１上に取り付けられた多ミラーアレイの個別ミラー３０２は、入射部分照明ビーム束１５６の伝播角を変更するために、１つ又はそれよりも多くの軸の回りに傾斜させることができる。個別ミラー３０２から出射する部分照明ビーム束は、拡散スクリーン１５７を通過し、下流にあるコンデンサー光学ユニット１５８を用いて瞳成形面１１０へと結像される。基本的にレンズアレイ１５５及び／又はマイクロミラーアレイ３００は、本出願人名義のＵＳ２００７／０１６５２０２Ａ１に説明されている方式で構成することができる。この点に関して上述した特許出願の開示内容は、引用によって本明細書の内容に組み込まれている。透過性の光変調デバイスも可能である。

図３Ａ、図３Ｂは、瞳成形ユニット１５０の任意的な偏向ミラーと多ミラーアレイ３００の間に置かれた一部のアセンブリを略示している。任意的なレンズアレイ１５５の図は省略した。図３Ａは、フライアイコンデンサー１５２のチャンネルを通じて誘導される個別部分照明ビーム束が、フライアイコンデンサー及びその下流にあるフーリエ光学系５００を用いて多ミラーアレイ３００上に如何に結像されるかを示している。この場合、フーリエ光学系は、コンデンサーとして作動され、かつフライアイコンデンサーの第２のフライアイチャンネルプレート１５２Ａがフーリエ光学系５００の入射側（前側）焦点面内に置かれ、多ミラーアレイ３００が射出側（後側）焦点面内に置かれるように配置される。例示目的で、部分照明ビーム束の代表的な光線の光線経路を実線及び破線の形式で例示しており、光軸１０３は一点鎖線である。実線は、部分照明ビーム束の可能な最大角度でフライアイコンデンサー１５２の対応するフライアイチャンネル上に入射する光線を表している。それとは対照的に、破線は、光軸に対して平行に、従って、可能な最小角度で個別フライアイチャンネル上に入射する光線を表している。従って、フライアイコンデンサーの上流の部分照明ビーム束の発散は、実線の結像光線経路の間の最大開口角によって与えられる。図３Ａでは、入射側発散ＤＩＶ_Eを部分照明ビーム束の発散の尺度であることを意図した塗り潰し面積を有する塗り潰し円で象徴的に表している。

通過放射線方向にフライアイコンデンサー１５２の下流で、すなわち、フライアイコンデンサーの後では、部分照明ビーム束の発散を決めるのは、破線の結像光線経路である。そこでこの射出側発散ＤＩＶ_Aは、入射側発散を表す円のものよりも大きい面積を有する塗り潰し円の形態で象徴的に表しており、その結果、フライアイコンデンサー１５２の発散増大効果を示している。

図３Ｂは、図３Ａとは対照的に、フライアイコンデンサーの異なるフライアイチャンネルを通過する２つの部分照明ビーム束の図を示している。両方の部分照明ビーム経路が、光軸に対して平行に進む照明光線、及び従ってフライアイコンデンサー上に垂直に入射する照明光線の結像光線経路を表している。異なるフライアイチャンネルを通過する部分露光ビーム束は、フーリエ光学系５００を用いて多ミラーアレイ３００の領域内で重ね合わされることが分る。結像光線経路は、２つの異なるフライアイチャンネルから発するが、多ミラーアレイ３００上の同じ位置に重ね合わされる。

例示している２つの部分照明ビーム束が、互いに対して空間干渉を有し、空間干渉が高い場合には、多ミラーアレイ上の重ね合わせによって多ミラーアレイにわたって周期的な強度変動が発生するという効果を有する可能性があり、これを強度関数３１０によって略示している。従って、ビーム経路内のフライアイコンデンサーの領域内に１つ又は複数の干渉低減要素、例えば、適切な位相要素１５３を挿入することができる。位相要素は、フライアイコンデンサーの領域内で異なる部分露光ビーム束の相対位相に個別に影響を与え、従って、これらのビーム束を互いに対して位相シフトさせるように設計することができ、その結果、多ミラーアレイにおける重ね合わせ領域内に多くの周期関数の重ね合わせが発生し、それによって全体的に多ミラーアレイ領域内の強度変動幅の有意な縮小が引き起こされる。

位相要素の使用は、例えば、２００７年１２月２１日に出願され、開示内容が引用によって本明細書の内容に組み込まれている本出願人名義の米国特許仮出願出願番号第６１／０１５９１８号に説明されている。

リソグラフィ工程を最適化するために、照明系の瞳成形面内に２次元強度分布を高精度及び高空間解像度で設定することが一般的に望ましい。照明瞳が、入射放射線の角度分布を変更するのに用いることができる個別に駆動可能な個別要素の２次元アレイ配列（例えば、多ミラーアレイ３００等）を有する光変調デバイスを用いて構造化される場合には、この空間解像度を相応に多数の適応的な作用特性を有する個別要素によって得ることができる。この場合、一例として多ミラーアレイは、５００個よりも多く、１０００個よりも多く、２０００個よりも多く、又は４０００個よりも多い駆動可能な個別要素を含むことができる。一方、構造が複雑になり、構造サイズが大きくなる程、より多くの個別要素を収容することになり、従って、実用上の理由から、個別要素の個数に関する上限値は、多くの場合に数万個の個別要素、例えば、８０，０００個よりも少なく、６０，０００個よりも少なく、又は４０，０００個よりも少ない個別要素である。従って、高い空間解像度を有する光変調デバイスは、一般的に、少なくとも１つ又は複数の平方センチメートル、例えば、約２ｃｍ²と８０ｃｍ²から１００ｍ²又はそれよりも大きいものの間の区域延長を有する。

従って、使用に向けて準備された光変調デバイスの全ての個別要素の完全な照明を提供するためには、照明ビーム束の断面を照明される光変調デバイスの断面区域に適応させる必要がある。従って、瞳成形ユニット内に入射し、１０ｍｍ²から１００ｍｍ²の一般的な断面積を有するレーザビーム束の場合には、例えば、照明される光変調デバイスのサイズへのビーム断面の適応が必要である。上述の実施形態では、フーリエ光学系５００がこの役割を負い、このフーリエ光学系に関して以下により詳細に説明する。

この点に関して、図４は、フライアイコンデンサー１５２、フーリエ光学系５００、レンズアレイ１５５、及びマイクロミラーアレイ３００を有する瞳成形ユニットの概略図を図４Ａに示している。フーリエ光学系は、構造空間の理由からＺ形の方式で折り返され、この目的で、平面反射偏向ミラー面を有する２つの偏向プリズム５０１、５０２がビーム経路に配置される。図４Ｂは、フライアイコンデンサーが、例えば、ロッドインテグレーター、光ファイバ、又は対応する光ファイバ束を含むことができる異なる光混合デバイス１５２Ａによって置換された変形を示している。フーリエ光学系５００は、小さい発散を有する入力ビーム束を比較的大きい断面を有するビーム束へと変換することができるように設計される。この目的で、比較的小さい入力側光線角度が、フーリエ光学系の射出側における光線高さへと変換される。

図５のフーリエ光学系５００の例示的な実施形態に基づいて、マイクロリソグラフィ投影露光装置の照明系におけるビーム適応系としての使用に向けて設計されたフーリエ光学系５００の構造及び機能のより詳細説明を以下に提供する。フーリエ光学系は、フーリエ光学系の入射平面５１０又は透過平面に非常に小さい幾何学的フラックス及び高パワーを有して存在する放射線パワー分布を、この幾何学的フラックスを維持しながら入射平面に対してフーリエ変換されて受光平面とも呼ぶことができる射出平面５２０内に変換する。照明系内に組み込まれたフーリエ光学系の場合には、受光平面５２０は、例えば、レンズアレイ１５５の近くに位置することができる。この場合、通過するビーム束は、入射平面内の入射面５１１と、フーリエ変換を通じて入射面に関連付けられた射出平面内の射出面５２１とを形成する。この場合、入射面５１１内の各個別面要素の局所放射線パワー分布は、射出面の面にわたって分配され、その結果、入射側の面要素から発する放射線パワーは、各場合に射出面内で加算的に重ね合わされる。それによって局所放射線パワーの均一化が生じる。

以下で簡易的に「Ｆ光学ユニット」とも呼ぶフーリエ光学系５００は、５つのレンズを有し、屈折力を有する更に別の光学要素を持たず、すなわち、純屈折で構成される。レンズは、互いから分離する２つのレンズ群ＬＧ１、ＬＧ２に配置される。入射側の第１のレンズ群ＬＧ１は、両凸レンズの形態で正の屈折力を有する入射側の第１のレンズＬ１−１（正のレンズ、Ｐ−レンズ）、及び射出側が凹である負のメニスカスレンズの形態で負の屈折力を有する射出側の第２のレンズＬ１−２（負のレンズ、Ｎ−レンズ）を有する。第１のレンズ群ＬＧ１の下流の大きい距離ｄの位置に配置された第２のレンズ群ＬＧ２は、両凹レンズの形態で負の屈折力を有する入射側の第１のレンズＬ２−１、並びに２つの射出側の第２のレンズ、すなわち、入射側に凹である正のメニスカスレンズＬ２−２、及びその下流のフーリエ光学系の射出側の最後のレンズを形成する両凸の正のレンズＬ２−３を有する。

系のデータを表Ａに指定する。「半径」という列は、それぞれの面の曲率半径を表し、「厚み」という列は、光軸上の中心の厚みを表している。

（表Ａ）

僅かに正の第１のレンズＬ１−１の入射側の第１の系の面Ｓ１の頂点と、射出側の正のレンズの射出側の最後の系の面Ｓ１０の頂点との間には、フーリエ光学系の物理的構造長を決める距離Ｌが存在する。第１のレンズ群ＬＧ−１の射出側の最後の系の面Ｓ４と、第２のレンズ群の入射側の第１の系の面Ｓ５との間には、レンズ群ＬＧ−１及び第２のレンズ群ＬＧ−２の相応に所定の群構造長よりもある一定の倍数だけ大きい群距離ｄ_Gが存在する。

フーリエ光学系５００の場合には、入射平面又は透過平面５１０は、フーリエ光学変換器５００の前側焦点に置かれ、それに対して射出平面又は受光平面５２０は、変換器５００の後側焦点に置かれる。従って、入射平面と射出平面の間の距離は、光学系の焦点面距離に対応する。

例示的な実施形態は、焦点面距離Ａ＝１７５０ｍｍ及び構造長Ｌ＝１６６５ｍｍを有する。レンズ群ＬＧ１、ＬＧ２の間の群距離ｄ_Gは１２５４ｍｍである。フーリエ光学系は、２５０００ｍｍの焦点距離ｆ_FOSを有する。単位ジオプトリー［ｍ^-1］でＬ１−１：２．０、Ｌ１−２：−４．０、Ｌ２−１：−３０、Ｌ２−２：２．５０、Ｌ２−３：２．５０という屈折力分布が成り立ち、合計屈折力は０．０４０である。

これらの値は、この種類のフーリエ光学系の第１の特性を例示的に表している。公知のように、肉薄な正のレンズは、焦点距離ｆを有するその前側焦点面と後側焦点面との間でフーリエ変換を実施し、この場合、前側焦点面と後側焦点面の間の距離は、焦点距離の２倍、すなわち、２ｆという焦点面距離に対応する。２５０００ｍｍの焦点距離の場合には（フーリエ光学系５００の実施形態におけるように）、５００００ｍｍの焦点面距離が生じることになる。例示的な実施形態における焦点面距離Ａ＝１７５０ｍｍは、上述の焦点面距離と比較するとある一定の倍数だけ小さく、従って、フーリエ光学系は、大きい焦点距離との比較で軸線方向に非常に小型に構成される。これは、そのようなフーリエ光学系を投影露光装置の照明系内に統合することを可能にする前提条件のうちの１つである。

フーリエ光学系の設計において算入される更に別の境界条件は、マイクロリソグラフィ投影露光装置の照明系内のフーリエ光学系が、高エネルギレーザ放射線のためのビーム誘導系として作動することを意図したものであるということから生じる。フーリエ光学系内では、伝達されるパワーは、比較的小さい面積を有する光学要素を通じて誘導され、その結果、高い局所放射線パワーが生じる。しかし、レンズに用いられる光学材料は、放射線負荷の下で材料特異の限界値が超過された時に劣化する場合がある。レンズの劣化を回避するためには、例えば、エネルギ密度として単位［ｍＪ／ｃｍ²］で測定されるレンズのエネルギ負荷を可能な限り低く保たなければならないか、又は各レンズにおける材料特異の閾値よりも低く収まらなければならない。それとは対照的に、高い放射線負荷に永続的に露光される構成要素は、光学系の寿命中にある一定の状況下で交換することが必要になる。

放射線に依存するレンズ劣化を回避するために、光学要素がエネルギ流の最も幅狭な収縮部に置かれないように系を構成することができ、これをそれぞれのレンズ上の照射面が過度に小さくなってはならないという要件として定式化することができる。原理的には、透過平面と受光平面の間の距離が大きい程、すなわち、構造空間が大きい程、照射断面を大きくすることが可能になり、このようにして、閾値を超える負荷が回避される。しかし、上述のように、透過平面と受光平面の間の距離、従って、フーリエ光学系によって必要とされる構造空間は、可能な限り小さく保たなければならず、小さい構造空間は、個別レンズの高放射線負荷の危険性を高める。その結果、フーリエ光学系の構造長と高エネルギ放射線を用いた作動におけるこのフーリエ光学変換器の寿命とは、互いに相反する要件を表している。従って、フーリエ光学系の前側焦点と後側焦点の間の限られた構造空間内での屈折力配列であって、同時に局所放射線パワーを材料特異の限界値よりも小さい値に制限する配列を提供するための特殊な考慮が必要である。

放射線負荷に対する系に特定の閾値に対処した屈折力空間配列を判断する方法を以下により詳細に説明する。この場合、光学系は、いわゆるＤｅｌａｎｏによる図（Ｄｅｌａｎｏ図）内のパラメータを用いて説明され、この説明は、放射線負荷に対処した負荷モデルと組み合わされる。Ｄｅｌａｎｏ図を用いた光学系の説明は、それ自体公知であり、これに対して、図６から図８に関連して本出願に関して有利であると考えられる範囲で以下に説明する。Ｄｅｌａｎｏ図に関する原理は、技術論文、例えば、Ｅ．Ｄｅｌａｎｏ著「１次設計及びｙ−ｙｂａｒ図」、応用光学、第２巻、第１２号、１９６３年１２月から得ることができる。

一般的に、Ｄｅｌａｎｏ図は、２つの選択された光線、すなわち、開口光線と視野光線との光線高さ又は光線角度を示す。開口光線は、例えば、絞り周辺光線（簡易的には周辺光線）とすることができ、視野光線は、例えば、絞り中心光線とすることができる。開口絞りが主面上に位置する場合には、絞り中心光線は、主光線（主要光線）に対応し、この場合、主面は同時に入射瞳及び射出瞳である。それとは対照的に、開口絞りが前側焦点面内に位置する場合には、絞り中心光線は焦点光線である。この場合、射出瞳は無限遠に存在する。

図６は、入射瞳ＥＰと受光平面ＩＭとの間で焦点距離ｆを有するレンズＬを通るビーム束の基準光線ＲＲ及び周辺光線ＭＲの近軸光線経路を略示している。本明細書に用いる基準光線は、物体視野又はそれに対して光学的に共役な受光視野の縁部点から延び、入射瞳又はそれに対して光学的に共役な瞳平面の領域内で光軸と交わる光線である。周辺光線は、物体平面又はそれに対して光学的に共役な像平面と光軸との交点から開口絞りの外縁、又は図６の図では入射瞳の外縁へと通過する。これらの光線の光軸からの垂直距離は、それぞれ基準光線高さ及び周辺光線高さと呼ぶ対応する光線高さをもたらす。Ｄｅｌａｎｏ図では、平面図内に（近軸）主光線高さが、（近軸）周辺光線高さに対してプロットされ、この場合、主光線高さは、ｘ方向（横座標）にプロットされ、周辺光線高さは、ｙ方向（縦座標）にプロットされる。これを図７Ａ及び図７Ｂでより詳細に説明する。従来、縦座標（周辺光線高さ）は、パラメータ「ｙ」によって表され、横座標（ｘ方向）は、パラメータ（ｙｂａｒ）によって表される。破線で示している光線Ａは、基準光線と周辺光線とのベクトル和に対応し、本明細書では、これを「Ｄｅｌａｎｏ光線」と呼ぶ。この光線は、光軸に対して垂直な各平面内で、Ｄｅｌａｎｏ図の平面内のある点に対応する。この光線のｙ−ｙｂａｒ平面への投影は、Ｄｅｌａｎｏ図（図７Ｂ）に対応する。

Ｄｅｌａｎｏ図からは、光学系の一部の特性を直接読み取るか、又は比較的簡単に計算することができる。物体平面又は像平面では、基準光線高さは最大であり、周辺光線高さはゼロに等しいので、これらの平面は、それぞれ、ｙｂａｒとの交点に対応する。瞳平面では基準光線高さがゼロであるから、瞳平面は、ｙとの交点に対応する。レンズ直径、すなわち、レンズ（又はミラーの）の光学的自由直径は、マグニチュードの和｜ｙ｜＋｜ｙｂａｒ｜に対応する。レンズ又はミラーの光学面の屈折力は、方向変化に対応する（図７Ａを参照されたい）２つのレンズ間の軸線方向距離ｄは、Ｄｅｌａｎｏ図の原点と、レンズによって定められる点の間にわたる三角形の面積に対応する（図８を参照されたい）。

それ自体公知であるこれらの特性に加えて、レンズ又は光学要素の放射線負荷をＤｅｌａｎｏ図で表すことができ、これらに関しても、図９以降に関連してより詳細に説明する。光学系内で負荷に最適化されるレンズ配列では、レンズ間の軸線方向距離及びレンズのエネルギ負荷が基本パラメータであり、更にこれらの組合せに関して以下により詳細に説明する。

図８は、Ｄｅｌａｎｏ図において直線で連結された２つの点（ｙ₁，ｙｂａｒ₁）と（ｙ₂，ｙｂａｒ₂）の間の幾何学的軸線方向距離ｄが、これらの点と原点の間にわたる三角形の面積に比例することを示している。軸線方向距離ｄは、次式のように判断することができる。

この式では、Ｈは、幾何学的フラックスＬＬＷ（エタンデュ）に対応するラグランジュの不変量であり、ｎは、点の間の屈折率であり、ｙ_i及びｙｂａｒ_iは、対応する面のＤｅｌａｎｏ図内の座標である。この行列の行列式は、三角形の面積に対応する。

均一なエネルギ源を仮定すると、系の光学要素に関する負荷モデルが、基準光線及び周辺光線における光線高さから導出される。これに関して、図９以降を参照してより詳細に説明する。最初に、例えば、円柱レンズを有する（１つの平面内だけに曲率を有する）系に対応する１次元の場合（１Ｄ）における導出を以下に説明する。任意のｚ位置、すなわち、光軸に沿った任意の位置における積分パワーは、主光線高さと周辺光線高さとの畳み込みに比例する。トップハット形の２つの負荷から出発し、畳み込みは、最大値Ｍａｘ（｜ｙ｜，｜ｙｂａｒ｜）によって与えられる５０％幅を有する台形負荷を生成する。幾何学的フラックスＬＬＷの保存で表すことができるこの場合に仮定する系内のエネルギの保存に起因して、台形面積は、Ｚ位置に非依存であり、すなわち、Ａ１＝Ａ２＝．．．＝Ａｎである。台形区域の５０％幅Ｂ及びそれぞれの台形高さから、台形面積がＢ^*ｈとして計算される。Ｂ＝Ｍａｘ（｜ｙ｜，｜ｙｂａｒ｜）及びｈ＝Ｐである場合には、全てのｚ位置においてＰ^*Ｍａｘ（｜ｙ｜，｜ｙｂａｒ｜）＝一定である。この場合、ｈ＝Ｐは、対応する面のピーク負荷に対応する。２次元の場合、すなわち、複数の方向に曲率を有する系の面の場合（球面光学系におけるように）には、２つの次元が独立しているので、Ｐ^*（Ｍａｘ（｜ｙ｜，｜ｙｂａｒ｜））²＝一定である。

Ｄｅｌａｎｏ図では、一定の負荷は原点の回りの正方形として表される（図９Ｂ）。負荷は、正方形の内側で高く、外側で低い。従って、例えば、辺長又は半辺長を用いてパラメータ化することができる正方形のサイズは、負荷モデル内に算入される負荷閾値であり、系の面のいかなるものにおいても超過してはならない負荷閾値の尺度である。この場合、負荷モデルは、従来照明設定に対して導出されるが、他の設定へと拡張することができる。同様に、このモデルは、例えば、ガウス分布のような他の強度分布へと拡張することができる。

構造長及び屈折力数に対する放射線負荷の影響を以下の例に基づいて例示する。例示的に、焦点距離ｆ＝２５，０００ｍｍ、入射瞳直径ＥＰＤ＝３６ｍｍ、入射側開口数ＮＡ_O＝０．００１８、構造長Ｌ＝１．８００ｍｍ、及びレンズ材料によって判断される放射線負荷＜２０ｍＪ／ｃｍ²の負荷閾値を有するフーリエ光学系を求めることにする。従って、Ｈが入射瞳の半径ＥＰＤ／２と、入射側開口数ＮＡ_Oと、入射側屈折率との積である場合に、フーリエ光学系は、幾何学的フラックスＨ＝ＥＰＤ／２^*ＮＡ_O ^*ｎ_o＝０．０３３ｍｍに対して設計される。

図１０は、屈折力（ＲＰ）を１つしか持たないＦ光学ユニットの対応するＤｅｌａｎｏ図である。入射瞳は位置ａにあり、屈折力ＲＰは位置ｂにあり、像平面は位置ｄにある。外側の正方形は、２Ｄモデルにおける２０ｍＪ／ｃｍ²の負荷閾値を示しており、内側正方形は、１Ｄモデルにおける負荷閾値である。屈折力を１つしか持たないこのフーリエ光学系の構造長は５０，０００ｍｍであり、これは焦点距離の２倍に対応する。

図８に関連して上述したように、原点に向うＤｅｌａｎｏ光線が取り囲む区域は、系の構造長を可能な限り短くすることを試みる場合には、可能な限り小さいことが目論まれる。２つの屈折力を有し、すなわち、図１０の位置ａ及びｄにおいてレンズを有するフーリエ光学系は、構造長を半分にすることにしかならない。

図１１は、構造長を大きく短縮するためには少なくとも３つの屈折力が必要であることを説明している。この点に関して、図１１は、正の屈折力−負の屈折力−正の屈折力（ｐｎｐ）という順序で３つの屈折力を有するフーリエ光学系（３−ＲＰ光学ユニット）のＤｅｌａｎｏ図を示している。このＤｅｌａｎｏ図では、短い構造長と低いピーク負荷とが互いに阻害し合うことが明らかになる。ピーク負荷を超過すべきではない場合にはレンズ面のうちのいかなるものも外側の正方形２Ｄに配列すべきではないので、ハッチングされた三角形内に含まれる面積に比例する最小距離が生じる。

図１２は、入射瞳と像平面との間で正−負−負−正という屈折力順序で４つのレンズを有するフーリエ光学系（４−ＲＰ光学ユニット）のＤｅｌａｎｏ図を略示している。このｐｎｎｐ系は、１，６００ｍｍの構造長しか持たず、これは、原点とＤｅｌａｎｏ光線の投影の間のハッチングされた三角形の面積が、図１１又は図１０におけるものよりも有意に小さいことから判別することができる。

フーリエ光学系が、ある幾何学的フラックスによって単位時間当たりに放射線エネルギＥを伝達させるように設計され、レンズ面上のピークエネルギ負荷Ｐを超過すべきでない場合には、図８に関連して説明したレンズ間の距離ｄに関する距離計算式は、負荷モデルとの組合せで、瞳に近い屈折力ａと視野に近い屈折力ｂの間にどのような最小距離が少なくとも存在すべきであるかを導出するのに用いることができる。本明細書では、ｎがレンズ間の媒体内の屈折率であり、Ｈが、Ｈ＝ＥＰＤ／２^*ＮＡ_O ^*ｎ_o［ｍｍ］に従う幾何学的フラックスを示すラグランジュの不変量であり、Ｅが、光学系を通じて伝達される単位［Ｊ］のエネルギであり、Ｐが、２次元の場合（２Ｄ）に単位［Ｊ／ｍｍ²］にあり、１次元の場合（１Ｄ）に単位［Ｊ／ｍｍ］にあるレンズ上ピーク負荷であるとする。この場合、２次元負荷モデルに対して次式が生じる。
ｄ＝ｎ／Ｈ^*Ｅ／（Ｐ_aＰ_b）^1/2 （Ａ２）
１次元負荷モデルに対して（例えば、円柱レンズに対して）は次式が生じる。
ｄ＝ｎ／Ｈ^*Ｅ²／（ｘ_aＰ_aｘ_bＰ_b） （Ａ３）
式（Ａ３）では、パラメータｘ_a及びｘ_bは、それぞれ非折り返し方向の光線範囲を示している。

距離ｄは、第１のレンズ群の射出側の最後の系の面と、第２のレンズ群の入射側の先頭の系の面との間の上記に定めた群距離ｄ_Gに対応することができる（図５を参照されたい）。負荷に最適化されたフーリエ光学系は、例えば、エネルギ的に特に危険に露出されるレンズ（レンズａは、入射側レンズ群ＬＧ１の最後のレンズに対応し、レンズｂは、射出側レンズ群ＬＧ２の先頭のレンズに対応する）上の負荷がほぼ均一に分配され、Ｐ_aがほぼＰ_bになるように設計することができる。個々の負荷が閾値を上回らない限り、２つのレンズの不均一負荷も可能である。群距離ｄ_Gが、第１のレンズ群ＬＧ１の視野に近い屈折力と、第２のレンズ群ＬＧ２の瞳に近い屈折力との間の軸線方向距離を表すことを考慮に入れた場合には、非常に長い焦点距離と、それとは対照的に非常に短い構造長とを有するフーリエ光学系を基本的に上述したレンズ群間の可能な最小群距離を設定することによって作成することができる。短い距離は、２つの高い負荷がそのようなレンズのうちの少なくとも一方で必ず高い負荷をもたらすことになり、それによって対応するレンズの過度に高い放射線負荷危険性及びそれに関連するレンズの劣化が増大する。

マイクロリソグラフィ投影露光装置の照明系における用途のためのフーリエ光学系の設計では、上述のパラメータは、例えば、以下の範囲にあるとすることができる。フーリエ光学系を通じて伝達されるエネルギＥは、例えば、２ｍＪと２０ｍＪの間の範囲内、特に、５ｍＪと１０ｍＪの間の範囲にあるとすることができ、例えば、約７ｍＪから８ｍＪとすることができる。ラグランジュの不変量Ｈは、例えば、０．０１ｍｍと０．２ｍｍとの間、特に、０．０２ｍｍと０．１ｍｍの間の範囲内、例えば、０．０３ｍｍから０．０５ｍｍ前後の範囲にあるとすることができる。

フーリエ光学系の入射側における伝達される放射線の非常に小さい発散に関して、ラグランジュの不変量は、周辺光線高さ及び基準光線高さ、並びに周辺光線角度及び基準光線角度を用いてパラメータ化することができる。この場合、Ｈ＝ｎ^*（ｙ^*ｓｉｎ（ｕｂａｒ）−ｙｂａｒ^*ｓｉｎ（ｕ））が成り立ち、ｎは屈折率であり、ｙは周辺光線高さであり、ｙｂａｒは基準光線高さであり、ｕは周辺光線角度であり、ｕｂａｒは基準光線角度である。

材料特異のピーク負荷Ｐは、レンズ材料としてフッ化カルシウム（ＣａＦ₂）が用いられる場合には、例えば、５ｍＪ／ｃｍ²の間の範囲内、特に、約１０ｍＪ／ｃｍ²前後の範囲にあるとすることができ、合成溶融シリカが用いられる場合には、例えば、０．２ｍＪ／ｃｍ²と１．５ｍＪ／ｃｍ²の間の範囲内、特に、約０．５ｍＪ／ｃｍ²前後の範囲にあるとすることができる。一部の場合、例えば、現在の材料特性が改善された時には、ピーク負荷は、より高いとすることができる。例示的に、フッ化カルシウムの許容ピーク負荷範囲は、例えば約２０ｍＪ／ｃｍ²前後の範囲、約４０ｍＪ／ｃｍ²前後の範囲、又は約８０ｍＪ／ｃｍ²前後の範囲まで高い値にシフトさせることを可能にすることができる。

図５の実施形態の負荷に最適化した構造を得るために、上述のＤｅｌａｎｏ図を用いた方法を用いる。この例示的な実施形態の重要なデータは、以下のように要約することができる。

フーリエ光学系の前側焦点にある透過平面
入射面の直径：３５ｍｍ
先頭の要素Ｌ１−１までの距離：７５ｍｍ
フーリエ光学系の後側焦点にある受光平面
射出面の直径：１００ｍｍ
最後の要素Ｌ２−３までの距離：１０ｍｍ
透過面と受光面の間の距離Ａ（焦点面距離に対応する）：１７５０ｍｍ
群距離ｄ_G：１２５４ｍｍ
焦点距離ｆ_FOS：２５，０００ｍｍ
焦点面距離Ａに対する構造長Ｌの比：０．９５０
群距離／焦点距離比（ｄ_G／ｆ_FOS）：０．０５０
構造長／焦点距離比（Ｌ／ｆ_FOS）：０．０７５

面積関係及び負荷比は、下記の表Ｂにまとめられる。

（表Ｂ）

例示目的で、図１３は、面積に関連した単位［Ｗ／ｍ²］の放射線パワー密度Ｓが、系の様々な際立った面に対して棒グラフにプロットされた準定量的な図を示している。この図は、特に、放射線パワー密度が入射平面（透過平面）内で入射平面に対してフーリエ変換された射出平面（受光平面）５２０内よりも２倍だけ高いことを明らかにしており、これは、放射線が通過する面積が、ビーム拡大に起因して入射平面内のものよりも相応に大きいからである。最も高い放射線負荷は、第２のレンズ群ＬＧ２の入射側の負のレンズＬ２−１において発生し、このレンズ上には、第１のレンズ群のレンズによって放射フラックスが集束される。しかし、非常に小さい構造長にも関わらず、最も高い負荷を有するレンズＬ２−１における放射線パワー密度は、入射面内の面積関連の放射線パワー密度のマグニチュードの９倍未満であり、約８．０ｍＪ／ｃｍ²という値を有し、用いられる合成溶融シリカの約１０Ｊ／ｃｍ²という材料特異の破壊閾値を大きく下回る。

同等のテレファクタＴＦ＝（Ｌ／ｆ_FOS）を有するフーリエ光学系を構成するのにｐｎｎｐという屈折力順序が唯一の可能性というわけではない。類似の構造長を有する更に別の変形が、ｐｐｐｐ、ｐｎｐｐ、又はｐｐｎｐという屈折力順序で可能である。

図１４は、対応するＤｅｌａｎｏ図を示している。全ての例は、ｆ_FOS＝２５，０００ｍｍ、ＥＰＤ＝３６ｍｍ、ＮＡ_O＝０．００１８、及び第２のレンズ群の２５０ｍｍ未満の構造長という境界条件の下に計算され、２０２０ｍＪ／ｃｍ²の最大負荷に対して設計されたものである。図１４Ａは、ｐｐｐｐという屈折力順序を有する４レンズ系の例示的な実施形態のＤｅｌａｎｏ図を示している。全構造長は１５２６ｍｍである。図１４Ｂは、ｐｎｐｐという屈折力順序及び１５７６ｍｍの構造長を有する４レンズ系に関するＤｅｌａｎｏ図を示している。図１４Ｂは、ｐｐｎｐという屈折力順序及び１５７６ｍｍの構造長を有する４レンズ系に関するＤｅｌａｎｏ図を示している。各場合に、レンズは、個別レンズである。

公知のように、一部の場合には、個別レンズを２つ又はそれよりも多くのレンズに分割することを適切なものとすることができ、この場合、生じる多レンズレンズ群の屈折力は、個別レンズの屈折力に実質的に対応することができる。それによって例えば収差補正において付加的な自由度が可能になる。更に別の変形は、５、６、又はそれよりも多くのレンズを有し、対応する屈折力の組合せが相応に同様に可能である。しかし、４つの個別レンズを有する系は、比較的小さいテレファクタＴＦ＝Ｌ／ｆ_FOS、例えば、１／６、１／８、又は１／１０未満のテレファクタと共に長い焦点距離を有する軸線方向に小型の系を構成するのに代表的な基本形態を構成する。

フーリエ光学系５００は、その入力側（透過側）とその出力側（受光側）においてテレセントリックである。特に、放射線が射出平面（受光平面）を実質的に垂直に通過することを可能にするために、第２のレンズ群ＬＧ２内に３つのレンズが設けられ、射出側の最後のレンズＬ２−３は、射出側のテレセントリック性を実質的に可能にする。

例示的な実施形態では、全てのレンズ面は球面である。他の実施形態では、レンズのうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの非球面形のレンズ面を有する。特に、射出側テレセントリック性に有効に寄与するために、射出平面に最も近い射出側レンズ面Ｓ１０は、非球面形状を有することができる。

射出平面内で局所放射線パワーの均一な重ね合わせを得るために、アッベ正弦条件が少なくとも近似的に満たされるべきである。この正弦条件からの判別可能な偏位があった場合には、射出平面内で局所放射照度の変動、及び従って不完全な均一化が発生する可能性がある。第２のレンズ群の入射側のレンズ要素、すなわち、レンズＬ２−１の屈折力が、２つ又はそれよりも多くのレンズ要素の間で分配される場合には、この正弦条件への準拠を簡略化することができることが見出されている。それに応じてそのような例示的な実施形態では、第２のレンズ群は、４つ又は５つのレンズ要素を有することができる。

下記では、更に別の例示的な実施形態に基づいて、互いに対して直角に配向された少なくとも１対の２つの円柱レンズ系を用いることにより、構造長に対する上述の下限値を更に低減することができることを説明する。この点に関して、図１５は、直列に配置された２つの円柱光学系Ｚ１及びＺ２を含むフーリエ光学系１５００の斜視図を示している。入射面１５１０の直後にある第１の円柱光学系Ｚ１は、ｘ方向に有限の曲率半径（従って、ｘ−ｚ平面内の屈折力）を有するが、直交するｙ方向には湾曲せず、従って、ｙ方向（すなわち、ｙ−ｚ平面内）にはいかなる屈折力も持たない円柱レンズだけから成る。本明細書では、これらの円柱レンズを「ｘレンズ」とも呼ぶ。その下流に配置された第２の円柱レンズ系Ｚ２は、ｙ方向に有限の曲率半径を有し、ｘ方向には無限の曲率半径を有するレンズ（ｙレンズ）のみを有する。ｘレンズで構成された第１の円柱レンズ系は、互いから分離した２つのレンズ群ＬＧＸ１、ＬＧＸ２を有し、これらのレンズ群の間には、レンズ群ＬＧＸ１及びＬＧＸ２それぞれの部分構造長よりも大きい距離が存在する。入射側の第１のレンズ群ＬＧＸ１は、正の屈折力を有する入射側の第１のレンズＬ１Ｘ−１及び負の屈折力を有する射出側の第２の円柱レンズＬ１Ｘ−２を有する。第１のレンズ群の下流の大きい距離の位置に配置された第２のレンズ群ＬＧＸ２は、２つのレンズ要素の間で分割された屈折力を有する入射側の第１のレンズＬ２Ｘ−１、及び正の屈折力を有する２つの直列する円柱メニスカスレンズの間で分割された屈折力を有する射出側の第２のレンズＬ２Ｘ−２を有する。各場合に、分割されたレンズの代わりに個別のレンズを設けることができる。ｙ方向に作用する第２の円柱レンズ系Ｚ２は、入射側の第１のレンズ群ＬＧＹ１及び射出側の第２のレンズ群ＬＧＹ２、並びにｐｎｎｐという屈折力順序を有する対応する構成を有する。第１の円柱レンズ系Ｚ１は、入射ビーム束の屈折力のｘ方向だけにおける収縮を引き起こし、それに対してその下流に配置された第２の円柱レンズ系は、ｘ方向に対して直交するｙ方向にのみ作用する。１次元の屈折力は、入射側の正方形の入力視野の場合には、出力も再び正方形であるように互い対して適応される。下記では、多数の円柱レンズを有するそのような構成が、その個数にも関わらず、回転対称なレンズを有する構成よりも軸線方向に負荷態様に関して小型のフーリエ光学系をもたらす理由に関する説明を提供する。

この点に関して、図１６は、フーリエ光学系ＦＯＳにより、左に示している正方形の断面区域を有する入力視野が右に示している出力視野へと変換される概略図を示している。入力ビーム束が、辺長２ａを有する正方形断面、及びビーム束の開口数ＮＡの２倍に対応する発散ＤＩＶ（ＤＩＶ＝２ＮＡ）を有することを仮定することにする。上述のように、Ｄｅｌａｎｏ図を用いて放射線負荷態様に関する最小許容構造長を判断することができる。図５は、ｐｎｎｐ構成及び５つのレンズを有するそのようなフーリエ光学系の簡単な例である。この場合、ｐは、正の屈折力を有するレンズに対応し、ｎは、負の屈折力を有するレンズに対応する。（ある一定の状況下での写真対物系の場合におけるように、出力視野のテレセントリック性が重要でない場合には、正の屈折力を有する出力側の最後のレンズを不要にすることができ、それによってｐｎｎ構成が生じる）。

図１７は、４つのレンズ（ｐｎｎｐ）を有する図１５に記載の要件を有するフーリエ光学系に関する略Ｄｅｌａｎｏ図を示している。ハッチング領域内のレンズは、ξＩ_oよりも大きく、又はそれに等しいエネルギ負荷を「見る」。従って、ξというパラメータは、レンズ材料が有する材料特異の負荷の上限値を表すパラメータである。系を通じて伝達される全パワーＰが一定であり、Ｉ₀＝Ｐ／４ａ²が成り立つことを仮定することとする。

簡略化の理由から、下記では、均一な強度分布Ｉ₀を有する等方性入力放射線視野を仮定することとし、すなわち、入射面の各面要素は、同じ強度Ｉ₀を「見る」。更に、トップハット型の角度分布を仮定することとし、これは、基本的に、最小光線角度と最大光線角度の間に均一な光線角度分布が存在することを意味する。これらの仮定の下で、回転対称光学系に対して以下の式（Ｂ１）に従って光軸に沿った各平面内の最大強度を計算することができる。

この場合、

は、Ｄｅｌａｎｏ図内の２つの座標の最大値であり、光線範囲の尺度を表している。負荷の上限が、Ｉ_max＝ξＩ_oによって与えられる入力光線の強度で表される場合には、Ｄｅｌａｎｏ図内への式（Ｂ１）の挿入後の結果は、レンズにおいて禁止され、かつ正方形形状及び原点の回りに半辺長ａ／√ξを有する領域である（図１７のハッチング領域を参照されたい）。この場合、Ｄｅｌａｎｏ図内に例示している光学ユニットの構造長を次式（Ｂ２）によって表すことができる。

ここで、添え字ｉは、Ｄｅｌａｎｏ図内のノード及び従って全てのレンズにわたって推移する。従って、一例として、最も小さい構造長を有する４つのレンズを有するフーリエ光学系は、Ｄｅｌａｎｏ図内で（０，ａ／√ξ）及び（ａ／√ξ，０）にそのノードを有する。従って、そのような理想的な光学系は、第１のレンズ群の射出側の最後のレンズと第２のレンズ群の入射側のレンズとの間の構造空間しか必要とせず、この構造空間は、式（Ｂ２）に従って次式として生じる。

この距離ｄは、最小群距離ｄ_Gに対応する。図１５に略示しているもののような円柱光学ユニットで構成された光学系の場合には、上述の例に従って４つのレンズを有する系の場合の光線経路は、１次元でしか収縮されない。その結果、放射線負荷は、光線収縮と共に線形にしか増大しない。この場合、Ｄｅｌａｎｏ座標で表現された光軸に沿った最大エネルギ負荷は、次式として計算することができる。

式（Ｂ１）との比較は、この場合、辺長ａが、２次関数的にではなく、線形にしかに影響を持たないことを示している。その結果、Ｄｅｌａｎｏ図においてエネルギの理由から「禁止された」領域であり、半辺長σ／ξ、及び従って次式の距離の下限値を有する領域が生じる。

しかし、円柱光学ユニットを用いて互いに対して直交する両方の方向にビーム束を相応に成形するために、縦列で配置され、直交して配向された曲率面を有する円柱光学ユニットを設けることができる。放射フラックスは、一方の方向に既に成形済みであるから、負荷限界値は、第２の円柱光学ユニットにおいてＤｅｌａｎｏ図内でａ²／ｂξへと変化する。それによって次式に従う最小構造長が生じる。

上記から、従来の回転対称光学ユニットの構造長（最小群距離ｄ又はｄ_Gによって示す）と２つの互いに直交する円柱光学ユニットによる構造長（ｄ⁽¹⁾ _Cylinder＋ｄ⁽²⁾ _Cylinderによって示す）との次式の比が生じる。

上記により、円柱光学ユニットが用いられる場合は、２つの空間方向（ｘ方向とｙ方向）に２つのフーリエ光学系を連続して配列すべきであるにも関わらず、大きいξ値、すなわち、大きい負荷上限値に対する全構造長は、回転対称フーリエ光学系の場合におけるものよりも短いという結果がもたらされる。例示的に入力視野と出力視野とが同じサイズを有する場合は（ａ＝ｂ）、円柱光学ユニットによる系は、ξ＞２に対してより短い。

一般的に、全構造長は、本明細書に単純化仮定の下に例示する関係よりも幾分大きくなる。この場合、最初にレンズ群内のレンズ間（すなわち、例えば、レンズＬ１−１とＬ１−２との間、及び同じくＬ２−１とＬ２−２との間）にもある程度の構造空間が必要であることが意味を有する。また、各円柱光学系が、これらの直交光学系の構造長に対応する入力頂点焦点距離及び出力頂点焦点距離それぞれを必要とすることも算入すべきである。それにも関わらず、一連の少なくとも２対の直交配向された円柱光学系を有するフーリエ光学系は、同じ全焦点距離を有する場合に、ある一定の状況下では、同じ焦点距離を有する円形光学系（回転対称系）よりも軸線方向に短く設計することができる。

この関係を明らかにするために、図１８から図２０に関連して比較事例を定量的に説明する。この例では、ａ＝１８ｍｍ、ＮＡ＝０．００１８、ｂ＝１８ｍｍ、及びξ＝３が成り立つことを仮定することとする。図１８は、４つのレンズ及びｐｎｎｐというレンズ順序を有する回転対称フーリエ光学系の対応するＤｅｌａｎｏ図を示している。この系は、３６９２ｍｍの全構造長を有する。円柱光学ユニットを有する全体的な構成の事例では、以下の全体像が生じる。図１９は、照射方向に第２の円柱光学ユニット（図２０）の上流に配置された長い出力頂点焦点距離を有する第１の円柱光学ユニットのＤｅｌａｎｏ図を示している。第１の円柱光学ユニットは、１３８３ｍｍの構造長及び１４６９ｍｍの出力頂点焦点距離を有する。Ｄｅｌａｎｏ図を図２０に例示している第２の円柱光学ユニットは、１３８６ｍｍの構造長及び１４６６ｍｍの入力頂点焦点距離を有する。その結果、円柱光学ユニットで構成されたフーリエ光学系では、２８５２ｍｍの全構造長が生じ、従って、これは、同じ屈折力を有する回転対称光学ユニットよりも約１．３倍短い。

縦列で配置された２つの「純粋な」円柱レンズ系（すなわち、ｘレンズのみ又はｙレンズのみで構成された系）への分割は必須ではない。円柱レンズは、ｘレンズとｙレンズとが場合によっては複数回交替することができるように交互配置形式で配置することができる。その結果、場合によって構造長を更に短縮することができる。例示的に、ｐ＿ｘ／ｎ＿ｘ／ｎ＿ｘ／ｐ＿ｙ／ｐ＿ｘ／ｎ＿ｙ／ｎ＿ｙ／ｐ＿ｙという屈折力順序を有する構造が可能であり、この場合、例えば、ｐ＿ｙは、正の屈折力を有するｙレンズを表している。

下記では、図２１から図２４を参照して回転対称レンズを有するフーリエ光学系の更に別の例示的な実施形態を説明する。

図２１のフーリエ光学系２１００は、互いから距離ｄ_Gの位置に配置された２つのレンズ群ＬＧ１、ＬＧ２に配置された厳密に６つのレンズを有する。入射側の第１のレンズ群ＬＧ１は、非球面の入射面を有する正の両凸レンズの形態にある入射側の第１のレンズＬ１−１、及び２つの射出側の第２のレンズ、すなわち、入射側で凹であり、射出側で平面である負のレンズＬ１−２、及び両側で凹である負のレンズＬ１−３をこの順序で有する。第１のレンズ群ＬＧ１の下流の大きい距離ｄ_Gの位置に配置された第２のレンズ群ＬＧ２は、正の屈折力を有する入射側の第１のレンズ（両凸レンズ）Ｌ２−１、並びに２つの射出側の第２のレンズ、すなわち、正の両凸レンズＬ２−２、及びフーリエ光学系の射出側の最後のレンズを形成する射出側の正の両凸レンズＬ２−３を有する。

入射平面の直後にある第１のレンズＬ１−１は、合成溶融シリカ（ＳｉＯ₂）で構成され、それに対して全ての他のレンズは、放射線に対してより高い耐性を有するフッ化カルシウム（ＣａＦ₂）から成る。このレンズの非球面の入射面は、基本的に球面収差を補正するように設計される。第２のレンズ群の正の両凸レンズＬ２−１とＬ２−２の間には、中間像ＩＭＩが形成される。Ｌ１−２及びＬ１−３が各場合に負のレンズであり、それに対してレンズＬ２−１及びＬ２−２が各場合に正のレンズであることを考慮すると、この系では、ｐｎｐｐという屈折力順序が生じる。フーリエ光学系５００の場合と同様に、入射平面又は透過平面は、フーリエ光学変換器２１００の前側焦点に置かれ、それに対して射出平面又は受光平面は、変換器の後側焦点に置かれる。この系は、構造長Ｌ＝１６１７．４ｍｍ、及びレンズ群ＬＧ１とＬＧ２の間に１１８０ｍｍの群距離ｄ_Gを有する。フーリエ光学系は、１０，０００ｍｍの焦点距離ｆ_FOSを有する。系のデータを表Ａにおける表示と同様に表Ｃに示している。

（表Ｃ）

表Ｃの下部は、レンズＬ１−１の非球面の入射面の非球面データを示している。本出願では、非球面を次式の仕様に従って計算する。
ｐ（ｈ）＝［（（１／ｒ）ｈ²）／（１＋ＳＱＲＴ（１−（１＋Ｋ）（１／ｒ）²ｈ²））］＋Ｃ４^*ｈ⁴＋Ｃ６^*ｈ⁶＋．．．
この場合、半径の逆数（１／ｒ）は、面の曲率を示し、ｈは、光軸からの面の点の距離（すなわち、光線高さ）を示している。その結果、ｐ（ｈ）は、いわゆるサジッタ、すなわち、面の頂点から面の点までのｚ方向（光軸方向）の距離を示している。

表Ｄは、フーリエ光学系２１００の更に別の特徴付けのための重要なパラメータを要約している。この表から、特に、ＴＦ＝０．１６１７のテレファクタＴＦ＝Ｌ／ｆ_FOSが、第１の例示的な実施形態（図５）におけるものの２倍を超えることが明らかであり、構造長が基本的に同程度のマグニチュードのものであるから、これは、基本的に、この例と比較して焦点距離が２．５倍だけ短縮されたことに起因する。

（表Ｄ）

表Ｃに例示している例示的な実施形態は、入射側と射出側とでテレセントリックであり、従って、実質的に平行な光線を有する入力ビーム束を更に実質的に平行な光線を有する出力ビーム束へと変換するように設計される。しかし、本出願で言及する種類のフーリエ光学系は、入射側の収束ビーム束又は入射側の発散ビーム束が、射出側の収束ビーム束、発散ビーム束、又は平行ビーム束へと変換されるか、又は入射側の平行ビーム束が、射出側の収束ビーム束又は発散ビーム束へと変換されるように設計することができる。これを例に基づいて以下に説明する。

正（負）の屈折力を有するレンズが、例えば、射出面の直後に配置された場合には、射出側の平行ビーム束は、このレンズが正の屈折力を有する場合に収束ビーム束に、かつ負の屈折力を有する場合に発散ビーム束になる。この付加的なレンズの屈折力は、フーリエ光学系の射出側の最後の光学要素（この場合はＬ２−３）へと統合することができる。フーリエ光学系２１００の修正の場合には、例えば、射出側の最後の面（Ｓ１２）の半径が、２９５．２１ｍｍから１８６．３６ｍｍへと短縮された場合に、１０００ｍｍの焦点距離を有するレンズに対応する収束ビーム束が射出面の後方で得られる。対応する方式で、射出側の最後の面Ｓ１２の半径が、２９５．２１ｍｍから７１６．５３ｍｍへと拡大された場合に、−１０００ｍｍの焦点距離を有するレンズに対応する発散ビーム束を射出面の後方で得ることができる。

同様に、入射側の第１のレンズＬ１−１に、入射ビーム束の収束するもの又は発散するものを補償する付加的な屈折力を与えることにより、フーリエ光学系を収束入射ビーム束又は発散入射ビーム束に適応させることができる。その結果、本明細書に説明する種類のフーリエ光学系は、収束、及び同じく平行又は発散の入力ビーム束に向けて、更にまた、収束、平行、又は発散の出力ビーム束に向けてあらゆる望ましい組合せで設計することができる。発散及び／又は収束の入力ビーム束及び／又は出力ビーム束を有するフーリエ光学系の焦点距離は、入射面及び射出面内で平行なビーム束を有する対応する補償されたフーリエ光学系のものと同様に理解すべきである。

フーリエ光学系２１００もまた、第１の例示的な実施形態と類似の方式で、放射線によって特に危険に露出される内側レンズの放射線負荷に関して、これらのレンズの放射線負荷がフッ化カルシウムに対して算入される放射線負荷閾値よりも低く留まるように最適化される。例示目的で、図２２は、系の様々なレンズ面Ｓ１からＳ１２における面積関連の放射線パワー密度を棒グラフでプロットした準定量的な図を示している。絶対値ではなく、入射側の先頭のレンズ面Ｓ１の放射線負荷に正規化された値がプロットされている。この図から、内向きに一番奥に位置するレンズＬ１−３及びＬ２−１のレンズ面Ｓ５からＳ８でさえも、最大で入射面の放射線負荷の約３倍に対応する放射線負荷にしか露光されないことが分る。レンズＬ１−３、Ｌ２−１、及びＬ２−２の比較的均一で、同時に比較的低い負荷が特に顕著である。

次に、非常に長い焦点距離（５０ｍ）を有する例示的な実施形態を図２３及び図２４を参照して以下に説明する。図２３のフーリエ光学系２３００は、互いから距離を置いた２つのレンズ群ＬＧ１、ＬＧ２に配置された厳密に４つのレンズを有する。入射側の第１のレンズ群ＬＧ１は、凸面の非球面入射面と凸面の射出面とを有する入射側の第１のレンズＬ１−１（正のレンズ）、及び同じく負の屈折力を有する射出側の第２のレンズＬ１−２を有し、更に、入射側の非球面両凹レンズを含む。第１のレンズ群ＬＧ１の下流の大きい群距離ｄ_Gの位置に配置された第２のレンズ群ＬＧ２は、負の両凹レンズの形態にある入射側の第１のレンズＬ２−１及び平面入射面と非球面射出面とを有する射出側の平凸レンズを有する。全てのレンズは、放射線耐性を有するフッ化カルシウムから成る。系のデータを表Ｃにおける表示と同様に表Ｅに示している。

（表Ｅ）

非球面の非球面形状は、基本的に球面収差の補正及びコマ収差及び歪曲の補正に向けて設計される。

表Ｆは、フーリエ光学系２３００の更に別の特徴付けのための重要なパラメータを要約している。この表は、特に、ＴＦ＝０．０４６２６６という値のテレファクタＴＦ＝Ｌ／ｆ_FOSが、第１の例示的な実施形態（図５）におけるものの約６５％のマグニチュードしか持たないことを明らかにしており、これは、基本的に、この例と比較すると焦点距離が２倍だけ大きく、それに対して構造長（２３１３．３ｍｍ）が、第１の例示的な実施形態におけるものよりも約４３％しか大きくないことに起因する。

（表Ｆ）

図２４は、各場合に、入射側の先頭のレンズ面Ｓ１の放射線負荷に正規化された系の個別面の放射線負荷を図２３と同様に示している。入射面と比較して、第１のレンズ群ＬＧ１の射出側の負のレンズＬ１−２の放射線負荷が約７．４倍だけ増大しており、第２のレンズ群ＬＧ２の入射側の負のレンズＬ２−１の放射線負荷が約５．４倍だけ増大していることが明らかである。それにも関わらず、レンズ材料として放射線耐性を有するフッ化カルシウムを選択することにより、レンズは、材料特異の負荷限界値よりも低く留まる。

表Ｇは、３つの例示的な実施形態の基本データを明瞭な概要に要約したものである。

（表Ｇ）

１００ マイクロリソグラフィ投影露光装置
１０２ １次光源
１１０ 瞳成形面
１５０ 瞳成形ユニット
１６５ 照明視野
１９０ 照明系

Claims (28)

1. １次光源からの光で照明視野を照明するためのマイクロリソグラフィ投影露光装置のための照明系であって、
   １次光源からの光を受光し、かつ照明系の瞳成形面に可変的に調節可能な２次元強度分布を発生させるための可変的に調節可能な瞳成形ユニット、
   を含み、
   前記瞳成形ユニットは、フーリエ光学系の入射平面を通じて入射する入射ビーム束をフーリエ光学系の射出平面から射出する射出ビーム束へと変換するためのフーリエ光学系を有し、
   前記フーリエ光学系は、焦点距離ｆ_FOSと、入射側の先頭の系の面と射出側の最後の系の面の間で光軸に沿って測定された構造長Ｌとを有し、かつ条件（Ｌ／ｆ_FOS）＜１／６が成り立つ、
   ことを特徴とする照明系。
2. 条件（Ｌ／ｆ_FOS）＜０．１が成り立つことを特徴とする請求項１に記載の照明系。
3. 前記フーリエ光学系の前記焦点距離ｆ_FOSは、１０ｍ又はそれよりも大きく、前記構造長Ｌは、４ｍ未満であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の照明系。
4. 前記フーリエ光学系は、入射側の第１のレンズと射出側の第２のレンズとを有する第１のレンズ群と、該第１のレンズ群の下流に配置され、入射側の第１のレンズと射出側の第２のレンズとを有する第２のレンズ群も含み、
   前記第１のレンズ群の射出側の最後の系の面と前記第２のレンズ群の入射側の先頭の系の面との間に群距離ｄ_Gが存在する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の照明系。
5. 前記第１のレンズ群の前記射出側の最後の系の面と前記第２のレンズ群の前記入射側の先頭の系の面との間で条件ｄ_G＞０．６^*Ｌが成り立つ群距離ｄ_Gが存在することを特徴とする請求項４に記載の照明系。
6. 前記第１のレンズ群の前記射出側の最後の系の面と前記第２のレンズ群の前記入射側の先頭の系の面との間で条件ｄ_G＜０．１２^*ｆ_FOSが成り立つ群距離ｄ_Gが存在することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の照明系。
7. 前記フーリエ光学系は、幾何学的フラックスＨが与えられた時に単位時間当たりに放射線エネルギＥを伝達させるように設計され、Ｐ_Aが、前記第１のレンズ群の前記射出側の第２のレンズの予め決めることができる最大エネルギ負荷であり、Ｐ_Bが、前記第２のレンズ群の前記入射側の第１のレンズの予め決めることができる最大エネルギ負荷であり、該第１のレンズ群の射出側の最後の系の面と該第２のレンズ群の入射側の先頭の系の面との間の群距離ｄ_Gが、最小群距離ｄ_G ^minよりも小さくなく、該最小群距離に対して次式：
   ｄ_G ^min＝ｎ／Ｈ^*Ｅ／（Ｐ_aＰ_b）^1/2
   が成り立つことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の照明系。
8. 前記群距離ｄ_Gは、ｄ_G ^minと３^*ｄ_G ^minの間にあることを特徴とする請求項７に記載の照明系。
9. 前記フーリエ光学系は、０．０１ｍｍ≦Ｈ≦０．２ｍｍの幾何学的フラックスに対して設計され、Ｈは、入射瞳の半径ＥＰＤ／２と、入射側開口数ＮＡ_Oと、入射側屈折率ｎ_oとの積であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の照明系。
10. 前記フーリエ光学系は、４つ、５つ、又は６つのレンズを有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の照明系。
11. 前記入射側の第１のレンズ群は、厳密に２つのレンズを有することを特徴とする請求項４から請求項１０のいずれか１項に記載の照明系。
12. 前記フーリエ光学系は、少なくとも１つの非球面形レンズ面を有する少なくとも１つのレンズを有することを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の照明系。
13. 前記フーリエ光学系の前記射出平面に最も近い射出側レンズ面が、非球面形状を有することを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の照明系。
14. 前記フーリエ光学系は、入力側と出力側でテレセントリックであることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の照明系。
15. 前記フーリエ光学系は、少なくとも１つの平面偏向ミラーを含むことを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の照明系。
16. 前記フーリエ光学系は、ｚ字形方式で折り返されることを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の照明系。
17. 前記フーリエ光学系は、少なくとも１対の交差円柱レンズ系を有し、
    １対の交差円柱レンズ系が、第１の曲率平面内で湾曲した少なくとも１つの第１の円柱面を有する第１の円柱レンズ系と、第２の曲率面内で湾曲した少なくとも１つの第２の円柱面を有する第２の円柱レンズ系とを有し、
    前記第１及び前記第２の曲率平面は、互いに垂直である、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の照明系。
18. 前記フーリエ光学系は、複数の第１の円柱レンズを有する第１の円柱レンズ群と、下流に配置されて複数の第２の円柱レンズを有する第２の円柱レンズ群とを有することを特徴とする請求項１７に記載の照明系。
19. 前記瞳成形ユニットは、前記フーリエ光学系の上流に配置された光混合デバイスを有することを特徴とする請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載の照明系。
20. 前記光混合デバイスは、フライアイコンデンサーを含むことを特徴とする請求項１９に記載の照明系。
21. 前記瞳成形ユニットは、光変調デバイス上に入射する光束の角度分布を制御可能に変更するための光変調デバイスを有し、前記フーリエ光学系は、前記１次光源と該光変調デバイスの間に配置されることを特徴とする請求項１から請求項２０のいずれか１項に記載の照明系。
22. 前記光変調デバイスは、前記入射放射線の前記角度分布を変更するのに用いることができる個別に駆動可能な個別要素の２次元アレイ配列を含むことを特徴とする請求項２１に記載の照明系。
23. 前記光変調デバイスは、多くの個別に駆動可能な個別ミラーを有する多ミラーアレイ（ＭＭＡ）を含むことを特徴とする請求項２１又は請求項２２に記載の照明系。
24. フーリエ光学系の入射平面を通じて入射する入射ビーム束をフーリエ光学系の射出平面から射出する射出ビーム束へと変換するためのフーリエ光学系であって、
    焦点距離ｆ_FOSと、入射側の先頭の系の面と射出側の最後の系の面の間で光軸に沿って測定された構造長Ｌとを有し、かつ条件（Ｌ／ｆ_FOS）＜１／６が成り立つ、
    ことを特徴とする光学系。
25. 請求項２から請求項１８のいずれか１項の特徴付け部分に記載の特徴を特徴とする請求項２４に記載のフーリエ光学系。
26. １次光源からの光を受光し、かつ照明面に実質的に均一な２次元強度分布を発生させるための光混合系であって、
    請求項２４及び請求項２５のいずれか１項に記載のフーリエ光学系を有し、角度領域において有効な光混合デバイスが、該フーリエ光学系の上流に配置される、
    ことを特徴とする光混合系。
27. 前記光混合デバイスは、フライアイコンデンサーを含むことを特徴とする請求項２６に記載の光混合系。
28. 投影対物系の像面の領域に配置された感放射線基板を該投影対物系の物体面の領域に配置されたマスクパターンの少なくとも１つの像で露光するためのマイクロリソグラフィ投影露光装置であって、
    １次光源と、
    前記１次光源からの光を受光し、かつマスクのパターン上に誘導される照明放射線を成形するための照明系と、
    前記マスクの構造を感光基板上に結像するための投影対物系と、
    を含み、
    前記照明系は、請求項１から請求項２３のいずれか１項に記載の方式で構成される、
    ことを特徴とする装置。

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