JP2014511574A - マイクロリソグラフィ投影露光装置の照明系 - Google Patents

Abstract

マイクロリソグラフィ投影露光装置（１０）の照明系は、投影光（ＰＬ）を生成するように構成された光源（３０）と、瞳平面（８４）と、瞳平面（８４）内の投影光（ＰＬ）の放射照度分布が投影光（ＰＬ）によって回折光学要素（４８）上に照明される視野（９６ａ，９６ｂ，９６ｃ）の位置に依存するように光源（３０）と瞳平面（８４）の間に配置された回折光学要素（４８）とを含む。更に、照明系は、光源（３０）と回折光学要素（４８）の間に配置された光学結像系（３４、１３４、２３４、３３４）を含む。光学結像系は、光源（３０）によって放出される投影光（ＰＬ）の方向及び発散の変化が、投影光（ＰＬ）によって回折光学要素（４８）上に照明される視野の位置及びサイズに対して実質的な影響を持たないことを保証する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、一般的に、マイクロリソグラフィ露光装置においてマスクを照明するための照明系、特に、瞳平面に放射照度分布を定めるために位置依存の回折効果を有する回折光学要素が使用されるそのような照明系に関する。

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処理は、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化するのにエッチング処理と共に使用される。製作の各層では、最初に、ウェーハは、深紫外（ＤＵＶ）光又は真空紫外（ＶＵＶ）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、フォトレジストを上に有するウェーハは、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定されるある一定の場所において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、エッチング処理は、パターンをウェーハ上の薄膜積層体内に転写する。最後に、フォトレジストが除去される。異なるマスクを用いたこの工程の繰返しにより、多層微細構造化構成要素がもたらされる。

投影露光装置は、一般的に、マスクを照明するための照明系と、マスクを位置合わせするためのマスク台と、投影対物系と、フォトレジストで被覆されたウェーハを位置合わせするためのウェーハアラインメント台とを含む。照明系は、例えば、矩形又は湾曲スリットの形状を有することができるマスク上の視野を照明する。

現在の投影露光装置では、２つの異なる種類の装置の間で区別を付けることができる。１つの種類では、ウェーハ上の各ターゲット部分は、マスクパターン全体をターゲット部分の上に１回で露光することによって照射される。そのような装置は、一般的にウェーハステッパと呼ばれる。ステップアンドスキャン装置又はスキャナと呼ばれる他方の種類の装置では、一般的に、各ターゲット部分は、マスクパターンを投影ビームの下で走査方向に沿って徐々に走査し、同時に基板をこの方向と平行又は反平行に移動することによって照明される。

微細構造デバイスを製造するための技術が進歩すると、照明系に対しても絶えず高まる要求が存在する。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空間放射照度分布及び角度放射照度分布を有する投影光で照明する。角度放射照度分布という用語は、マスク平面内の特定の点に向けて収束する光束の合計光エネルギが、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放射照度分布は、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応される。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放射照度分布を必要とする場合がある。最も一般的に使用される投影光角度放射照度分布は、従来照明設定、輪帯照明設定、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、照明系の系瞳平面内の空間放射照度分布を意味する。例えば、輪帯照明設定では、瞳平面内の環状領域しか照明されない。この場合、投影光角度放射照度分布において小さい角度範囲しか存在せず、これは、全ての光線が、マスク上に類似の開口角で傾斜して入射することを意味する。

当業技術では、望ましい照明設定を得るためにマスク平面内の投影光角度放射照度分布を修正する異なる手段が公知である。最も単純な場合には、照明系の瞳平面に１つ又はそれよりも多くの開口を含む絞り（ダイヤフラム）が位置決めされる。瞳平面内の場所は、マスク平面又は別のフーリエ関係にある視野平面内の角度に変換されるので、瞳平面内の開口のサイズ、形状、及び場所は、マスク平面内の角度放射照度分布を決定する。しかし、照明設定のいずれの変更も、絞りの入れ替えを必要とする。それによって僅かに異なるサイズ、形状、又は場所を有する開口を有する非常に多数の絞りを必要とすることになるので、照明設定を微調節することが困難になる。更に、絞りの使用は、光失損を余儀なくもたらし、従って、装置の収量が低下する。

絞りによってもたらされる光失損は、回折光学要素を用いて照明系の瞳平面に特定の放射照度分布が生成される場合に回避される。放射照度分布は、回折光学要素と瞳平面の間に配置されたズームレンズ又はアキシコン要素対のような調節可能な光学要素により、少なくともある一定の程度まで修正することができる。

瞳平面に異なる放射照度分布を生成する際の最も高い柔軟性は、回折光学要素の代わりにミラーアレイが使用される場合に得られる。例えば、ＥＰ １ ２６２ ８３６ Ａ１は、１０００個よりも多い微小ミラーを含むマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）として達成されたミラーアレイの使用を提案している。これらのミラーの各々は、互いに対して垂直な２つの異なる平面内で傾斜させることができる。従って、そのようなミラーデバイス上に入射する放射線は、（実質的に）あらゆる望ましい半球方向に反射することができる。ミラーアレイと瞳平面の間に配置されたコンデンサーレンズが、これらのミラーによって生成された反射角を瞳平面内の位置に変換する。この従来技術の照明系は、各々が１つの特定の微小ミラーに関連付けられており、このミラーを傾斜させることによって瞳平面にわたって自由に移動可能な複数のスポットで瞳平面を照明することを可能にする。

類似の照明系は、ＵＳ ２００６／００８７６３４ Ａ１、ＵＳ ７，０６１，５８２ Ｂ２、ＷＯ ２００５／０２６８４３ Ａ２、及びＷＯ ２０１０／００６６８７から公知である。

しかし、ミラーアレイの使用は技術的に厳しいものであり、光学的、機械的、及び計算による高度な解決法を必要とする。

瞳平面に連続して変更可能な空間放射照度分布を生成するより簡単な手法は、位置依存の回折効果を有する回折光学要素の使用である。投影光がこの要素上に入射する位置に基づいて瞳平面に異なる空間放射照度分布が生成される。投影光ビームは、通常は固定状態に保たれることになり、回折光学要素が、投影光ビームが要素上に入射する位置を変更するために変位機構を用いて変位される。この種の回折光学要素は、例えば、米国サンノゼ所在の「Ｔｅｓｓｅｒａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．」から市販で入手可能である。

しかし、回折光学要素によって生成される回折効果が、投影光がこの要素上に入射する位置に依存する場合には、この位置が設定された状態で（例えば、回折光学要素を変位させることにより）以降変化しないことが必須である。回折光学要素上の光視野の位置が安定せず、短期的又は長期的に僅かに変化することが可能な場合には、回折光学要素によって生成される回折効果も変化することになる。更に、この変化は、投影光がマスク上に入射するときの投影光の角度放射照度分布の望ましくない変化をもたらすことになる。マスクの結像は、角度放射照度分布に非常に敏感に依存するので、回折光学要素上の光視野位置の変化は、最終的に１つの同じマスク構造が感光層上に異なる結像品質を伴って結像されることになるという影響を有する場合がある。

通常はレーザとして達成される光源は、多くの場合に、照明系の残りの構成要素から数メートルから約２５メートルまでの距離だけ分離されるので、回折光学要素上の光視野の位置の安定化は問題点である。光源によって生成された投影光ビームは、通常、チューブ又は別の種類の封入体内で案内され、光源から照明系の残りの部分に平面折り返しミラーを用いて向けられる。通常、ビーム送出部と呼ぶ照明系のこの部分の全長及び構成は、多くの場合に、半導体製作工場内で優勢な局所条件に依存する。この理由から、ビーム送出部の長さ及び構成をこれらの局所条件に適応させることができなければならない。

ビーム送出部の有意な長さに起因して、レーザ光源によって放出される投影光ビームの方向の微小な変化（例えば、０．１ｍｒａｄよりも小さい）は、回折光学要素上に照明される光視野を数ミリメートルだけシフトさせることになる。更に、レーザ光源によって放出される投影光の発散もまた、日々の単位の変化を受けるが（特に、ガス注入の後に）、同じく経年変化効果の結果としてより長い時間単位でも変化を受ける。発散の変化も、回折光学要素上に照明される光視野の位置及びサイズ、従って、最終的に投影露光装置の結像品質に影響を及ぼすことになる。

ＵＳ ２００７／０１６００９６ Ａ１は、薄膜トランジスタの製造中に半導体膜をレーザアニーリングするための装置を開示している。レーザ光源とビーム拡大器の間に光学結像系が配置される。

レーザピーニング装置及びレーザアニーリング装置それぞれに関して、ＵＳ ２００６／０１０２６０４ Ａ１及びＵＳ ２００５／００３５１０３ Ａ１も参照されたい。

ＥＰ １ ２６２ ８３６ Ａ１ ＵＳ ２００６／００８７６３４ Ａ１ ＵＳ ７，０６１，５８２ Ｂ２ ＷＯ ２００５／０２６８４３ Ａ２ ＷＯ ２０１０／００６６８７ ＵＳ ２００７／０１６００９６ Ａ１ ＵＳ ２００６／０１０２６０４ Ａ１ ＵＳ ２００５／００３５１０３ Ａ１

Ｅ．Ｄｅｌａｎｏ著「１次設計及びy,y(バー付)図」、応用光学、１９６３年、第２巻第１２号、１２５１〜１２５６ページ

本発明の目的は、位置依存の回折効果を有する回折光学要素を用いてマスクレベルで角度放射照度分布を連続的かつ柔軟に変更することを可能にし、一方、装置のオペレータによって角度放射照度分布が定められた状態で角度放射照度分布が安定することを保証するマイクロリソグラフィ投影露光装置の照明系を提供することである。

本発明により、この目的は、投影光を生成するように構成された光源と、瞳平面と、回折光学要素とを含むマイクロリソグラフィ投影露光装置の照明系によって達成される。回折光学要素は、瞳平面内の投影光の放射照度分布が、投影光によって回折光学要素上に照明される視野の位置に依存するように、光源と瞳平面の間に配置される。更に、照明系は、光源と回折光学要素の間に配置された光学結像系を含む。

光学結像系は、回折光学要素が実際に光源の像によって照明されるという効果を有する。この像と回折光学要素の間の距離は小さく、又は更にゼロであるので、光源によって放出される投影光ビームの方向及び発散の変化は、投影光によって回折光学要素上に照明される視野部分に対して影響を持たないか、又は少なくとも有意な影響を持たない。

光源の光射出窓が物体平面に配置され、回折光学要素が光学結像系の像平面に配置される場合には、光源の光射出窓は、回折光学要素上に厳密に結像されることになる。その結果、投影光の方向及び発散の変化は、投影光によって回折光学要素上に照明される視野の位置に対して影響を全く持たないことになる。

しかし、多くの場合に、投影光によって回折光学要素上に照明される視野内でより均一な放射照度分布を得るために、回折光学要素は、僅かにデフォーカスされた軸上位置に配置されることが望ましいものになる。デフォーカスは、回折光学要素を光学結像系の像平面を外して配置すること、光源の光射出窓を光学結像系の物体平面を外して配置すること、又は両方の構成要素を像平面及び物体平面それぞれを外して配置することのいずれかによって達成することができる。

多くの場合に、物体側と、更に像側とでテレセントリックである光学結像系を有することが好ましい。付加的な制約条件として、屈折パワー又は反射パワーを有し、かつビーム送出部に配置される光学要素を光学結像系が含んではならないことが追加される場合には、光学結像系は、少なくとも、屈折パワー又は反射パワーを有する３つの光学要素を備えなければならないことを見ることができる。３つよりも少ない光学要素のみを有する場合には、テレセントリック性を達成すること、及びビーム送出部内へのそのような光学要素の配列を回避することは可能ではない。

例えば、光学結像系は、２つの正のレンズと、これらの２つの正のレンズの間に配置された負のレンズとを含むことができる。そのような光学結像系は、小さい追加容積しか必要とせず、照明系の残りの構成要素、特にビーム送出部を実質的に修正する必要なく光源とビーム送出部の間に配置することができる。

上述したように、ビーム送出部の全長は、多くの場合に、半導体製作工場における局所条件に依存する。従って、光学結像系は、異なる長さのビーム送出部に迅速かつ簡単に適応させることができるように構成すべきである。光学結像系は、その物体側と像側でテレセントリックである場合には、余儀なく無限焦点のものである。この場合、テレセントリック性が維持されるように自由物体距離を変更することにより、自由像距離を変更することができる。

光学結像系の物体長を簡単な方式で変更することを可能にするために、照明は、光源と光学結像系の間に配置された多重ビーム折り返し系を含むことができる。そのような多重ビーム折り返し系は、例えば、複数のプリズム又は平面ミラーを含むことができ、かつプリズム又は平面ミラーのうちの１つ又はそれよりも多くを変位させることにより、多重ビーム折り返し系内の光路長を簡単に調節することができるように構成することができる。例えば、少なくとも１つのプリズム又はミラーは、案内レールに沿った異なる位置に固定することができるように案内レール上に装着することができる。

一部の実施形態において、光源と回折光学要素の間の軸上距離は、２ｍと２５ｍの間、特に５ｍと２０ｍの間にある。

光学結像系は、｜β｜＞１、好ましくは｜β｜≧２である横倍率βを有することができる。自由像距離の増加Δｄ_iは、自由物体距離の増加Δｄ_o＝Δｄ_i／β²を必要とすることになるので、｜β｜＞１という条件は、自由物体距離の増加Δｄ_oが自由像距離の増加よりも常に小さくなることを保証する。実際に、ビーム送出部長さに対応するある一定の自由像距離を得るべき場合には、｜β｜が大きい程、自由物体距離の調節は小さくなる。

更に、｜β｜＞１である横倍率βは、自由物体距離が自由像距離よりも小さくなることを保証する。これは、その場合に光学結像系内に含まれる全ての光学要素を光源と照明系のビーム送出部の間に配置することができることから有利である。

最後に、１つ重要な点を追加すると、｜β｜＞１である横倍率βは、回折光学要素上に照明される視野が、通常望ましいこととして投影光が光源によって放出される時の投影光のビーム断面よりも大きいという効果を有する。

しかし、横倍率が非常に大きい場合には、回折光学要素上に照明される視野のサイズが最終的に大き過ぎる場合がある。この場合、光学結像系と回折光学要素の間に補助的なビーム縮小ユニットを配置することができる。このユニットは、光学結像系から射出する平行な光ビームの直径を縮小するように構成される。

照明系は、回折光学要素を光学軸と平行ではない変位方向に沿って変位させるように構成された変位機構を含むことができる。この場合、回折光学要素を変位方向に沿って変位させることにより、回折光学要素によって生成される回折効果を光視野の位置に依存して変更することができる。

投影光に対して回折光学要素を変位させる代わりに、固定された回折光学要素に対して投影光ビームを移動すること、又は更に両方の手段を組み合わせることを考えることができる。投影光ビームを移動するために、ビームステアリングデバイスを使用することができ、これは、回折光学要素が一時的に静止する場合に光視野の位置を変更するように構成される。

定義
本明細書では「光」という用語をあらゆる電磁放射線、特に、可視光、ＵＶ光、ＤＵＶ光、及びＶＵＶ光を表す上に使用する。

本明細書では「光線」という用語を線によって表すことができる伝播経路を有する光を表す上に使用する。

本明細書では「光束」という用語を視野平面に共通の起点を有する複数の光線を表す上に使用する。

本明細書では「光ビーム」という用語を特定のレンズ又は別の光学要素を通過する光を表す上に使用する。

本明細書では「位置」という用語を３次元空間内でのエンティティ又は無形物体（光等）の基準点の場所を表す上に使用する。通常は位置を３つの直交座標の組によって示している。従って、向き及び位置は、３次元空間内でのエンティティの配置を完全に説明する。

本明細書では「方向」という用語を直線の空間的な向きを表す上に使用する。従って、特定の方向に沿った物体の移動は、この物体がこの線上の２つの反対の向きに移動することが許されることを意味する。

本明細書では「面」という用語を３次元空間内でのあらゆる平面又は曲面を表す上に使用する。面は、エンティティの一部とすることができ、又は通常は視野又は瞳平面においてそうであるように、エンティティとは完全に別個のものとすることができる。

本明細書では「視野平面」という用語をマスク平面と光学的に共役な平面を表す上に使用する。

本明細書では「共役平面」という用語を間に結像関係が確立される平面を表す上に使用する。共役平面の概念に関する更に別の情報は、「１次設計及び

図」という名称のＥ．Ｄｅｌａｎｏの論文、応用光学、１９６３年、第２巻第１２号、１２５１〜１２５６ページに説明されている。

本明細書では「瞳平面」という用語をマスク平面内の異なる点を通過する周辺光線が交わる平面を表す上に使用する。数学的な意味で平面ではなく、若干湾曲した面を指し、従って、厳密な意味では瞳面と呼ぶべき場合にも、「瞳平面」という用語を使用する。

本明細書では「光学ラスター要素」という用語を各光学ラスター要素が複数の隣接する光学チャンネルのうちの１つに関連付けられるように他の同一又は類似の光学ラスター要素と共に配置されたあらゆる光学要素、例えば、レンズ、プリズム、又は回折光学要素を表す上に使用する。

本明細書では「テレセントリック」という用語を視野平面から射出した光束の主光線が光学軸と平行に伝播することを表す上に使用する。

本明細書では「光学インテグレーター」という用語をＮＡが開口数であってａが照明視野内で照明される面積である時に積ＮＡ・ａを増大させる光学系を表す上に使用する。

本明細書では「コンデンサー」という用語を２つの平面の間、例えば、視野平面と瞳平面の間にフーリエ関係を確立する（少なくとも近似的に）光学要素又は光学系を表す上に使用する。

本明細書では「自由物体距離」という用語を光学結像系の最初の物体側光学要素の頂点と物体平面の間の軸上距離を表す上に使用する。

本明細書では「自由像距離」という用語を光学結像系の最後の像側光学要素の頂点と像平面の間の軸上距離を表す上に使用する。

本明細書では「空間放射照度分布」という用語を光が入射する実面又は虚面にわたって合計放射照度が如何に変化するかを表す上に使用する。通常、空間放射照度分布は、ｘ，ｙが面上の点の空間座標である時に、関数Ｉ_s（ｘ，ｙ）によって表すことができる。

本明細書では「角度放射照度分布」という用語を光束の放射照度が光束を構成する光線の角度に依存して如何に変化するかを表す上に使用する。通常、角度放射照度分布は、α、βが光線の方向を表す角度座標である時に、関数Ｉ_a（α，β）によって表すことができる。

本発明の様々な特徴及び利点は、以下に続く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。

本発明による投影露光装置の略斜視図である。 図１に示す装置の第１の実施形態によ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回折光学要素の上面図を上部に示し、回折光学要素上の異なる位置において視野が照明される場合に回折光学要素によって遠視野内に生成される３つの放射照度分布を下部に示す図である。 光学結像系が単一の正のレンズのみを含む図２に示す照明系内に使用することができる光学結像系の実施形態を通る子午断面図である。 光学結像系がビーム送出部を外して配置することができる２つのレンズを含む図２に示す照明系内に使用することができる光学結像系の実施形態を通る子午断面図である。 図２に示す光学結像系を通る子午断面図である。 ２番目のレンズ上により広い範囲にわたる放射照度分布が生成される図２に示す照明系内に使用することができる光学結像系の更に別の実施形態を通る子午断面図である。 図７に示す結像系であるが、修正された自由物体距離及び自由像距離を有する結像系を通る子午断面図である。 光源と光学結像系の間に多重ビーム折り返し系が配置された別の実施形態による図２に示す照明系の一部分の図である。 図９の実施形態であるが、修正された自由物体距離及び自由像距離を有する実施形態の図である。 照明系が多重ビーム折り返し系とビーム縮小ユニットとを含む更に別の実施形態を通る子午断面図である。

Ｉ．投影露光装置の一般的な構成
図１は、本発明による投影露光装置１０の大幅に簡略化した斜視図である。装置１０は、投影光ビーム（図示せず）を生成する照明系１２を含む。照明系１２は、図１に細線として略示す複数の小さい特徴部１９によって形成されたパターン１８を含むマスク１６上に視野１４を照明する。この実施形態において、照明視野１４は、リングセグメントの形状を有する。しかし、他の形状、例えば、矩形の照明視野１４も考えられている。

投影対物系２０は、照明視野１４内のパターン１８を基板２４によって支持された感光層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、投影対物系２０の物体平面内にマスク台（図示せず）を用いて位置決めされる。投影対物系２０は、｜Ｍ｜＜１である拡大率Ｍを有し、照明視野１４内のパターン１８の縮小像１８’が感光層２２上に投影される。

この実施形態において、投影対物系２０の設計は、照明視野１４が投影対物系２０の光学軸２６を外して位置決めされることを必要とする。他の種類の投影対物系では、照明視野１４は、光学軸２６を中心とすることができる。

投影中に、マスク１６及び基板２４は、図１に示すＹ方向に対応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よりも大きいパターン化区域を連続して結像することができるようにマスク１６にわたって走査される。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の拡大率Ｍに等しい。投影対物系２０が、像を反転させる場合には（Ｍ＜０）、図１に矢印Ａ１とＡ２とに示すように、マスク１６と基板２４は反対方向に移動する。一方、本発明は、マスクの投影中にマスク１６及び基板２４が移動しないステッパツールに対して使用することができる。

ＩＩ．照明系の一般的な構成
図２は、図１に示す照明系１２を通る子午断面図である。明瞭化の目的で、図２の図は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つ又は非常に少数の光学要素だけによって表すことを意味する。実際に、これらのユニットは、有意に多く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と、図示の実施形態では光射出窓３２を有するエキシマレーザとして達成される光源３０とを含む。光源３０は、約１９３ｎｍの波長（ＶＵＶ）を有する投影光ＰＬを放出する。他の種類の光源３０及び他の波長、例えば、２４８ｎｍ（ＤＵＶ）又は１５７ｎｍも考えられている。

図示の実施形態において、投影光ＰＬは、光射出窓３２を射出し、３つのレンズＬ１、Ｌ２、及びＬ３を含む光学結像系３４に入射する。光学結像系３４は、光源３０の光射出窓３２が配置された物体平面３６と像平面３８とを有する。

光学結像系３４から射出した投影光ＰＬは、第１の平面ビーム経路折り返しミラー４２と第２の平面ビーム経路折り返しミラー４４とが配置されたビーム送出部４０を通過する。ビーム送出部４０の全長は、２ｍと２５ｍの間の範囲にあるとすることができる。次に、投影光ＰＬは、次の瞳平面に変更可能な空間放射照度分布を生成するのに使用される瞳定義ユニット４６に入射する。この目的のために、瞳定義ユニット４６は、照明系１２の光学軸ＯＡに実質的に直交する平面内で延びる回折光学要素４８を含む。

拡大抜粋図５０で最も明快に分るように、回折光学要素４８は、平面基板５４上に形成された複数の微小回折構造５２を含む。回折光学要素４８は、当業技術で一般に知られているように、コンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）として達成することができる。回折光学要素４８の光学特性に対しては、図３を参照して以下に更に説明する。

更に、瞳定義ユニット４６は、回折光学要素４８をＸ方向（双方向矢印Ａ３を参照されたい）に沿って変位させるように構成された変位機構５６を含む。この目的のために、変位機構５６は、回折光学要素４８に歯車６０によって結合されたサーボモータ５８を含む。サーボモータ５８は、全体系制御器６４に連結した制御ユニット６２によって制御される。

更に、瞳定義ユニット４６は、第１のアクチュエータ７０を用いて光学軸ＯＡに沿って（双方向矢印Ａ４を参照されたい）変位させることができるズームコリメータレンズ６８と、相補的な円錐面を有する第１及び第２のアキシコン要素７２、７４とを含む。アキシコン要素７２、７４の間の光学軸ＯＡに沿った距離は、双方向矢印Ａ５に示すように、第２のアクチュエータ７６を用いて変更することができる。この実施形態において、第２のアクチュエータ７６は、第２のアキシコン要素７４だけに結合され、２つのアキシコン要素７２、７４の間の距離を変更するための他の構成も利用可能である。アキシコン要素７２、７４は、第１のアキシコン要素７２の入射面における放射照度分布が半径方向に外向きにシフトされるという効果を有する。半径方向シフトの量は、第１のアキシコン要素７２と第２のアキシコン要素７４の間の距離に依存する。

アキシコン要素７２、７４を通過した光は、図示の実施形態では２つの光学ラスター要素アレイ８０、８２を含む光学インテグレーター７８上に入射する。各光学ラスター要素は、当業技術で一般に知られているように、２つの円柱レンズを交差させることによって形成される。光学ラスター要素は、例えば、矩形の境界線を有する回転対称レンズによって形成することができる。光学インテグレーター７８は、瞳平面８４内に複数の２次光源を生成する。各２次光源は、同じＸ座標とＹ座標とを有するアレイ８０、８２の２つの光学ラスター要素によって定められる光学チャンネルに関連付けられる。

コンデンサー８６は、２次光源によって生成された角度光分布を次の中間視野平面８８における空間放射照度分布に変換する。全ての２次光源は、実質的に同じ角度放射照度分布を生成するので、中間視野平面８８内の空間放射照度分布も非常に類似する。これらの放射照度分布の重ね合わせは、中間視野平面８８内での視野の非常に均一な照明をもたらす。

中間視野平面８８は、視野絞り９０と共に、視野絞り対物系９２により、マスク１６が配置されたマスク平面９４上に結像される。従って、マスク１６上に照明される視野１４は、複数の２次光源によって中間視野平面８８内に照明されて視野絞り９０によって遮蔽される視野像である。

ＩＩＩ．回折光学要素の光学特性
以下では、図３を参照して回折光学要素４８の光学特性をより詳細に説明する。

図３は、その上部に回折光学要素４８の上面図を示している。簡略化の目的で図３には示していない回折光学要素４８の回折構造５２は、回折光学要素４８によって生成される回折効果が投影光ＰＬによって回折光学要素４８上に照明される光視野の位置に依存するように設計される。

図３には、そのような光視野の第１、第２、及び第３の位置を示しており、これらをそれぞれ９６ａ、９６ｂ、及び９６ｃで表している。３つの位置９６ａ、９６ｂ、９６ｃは、Ｘ方向に沿ったこれらの場所に関してのみ互いに異なる。

投影光ＰＬが、第１の回折光学要素４２上の第１の位置９６ａにある視野を照明する場合には、第１の回折光学要素４２は、この実施形態において、遠視野内に（又は同じことであるが、ズームコリメータレンズ６８によるフーリエ変換の後に）、図３に９８ａで表す第１の空間放射照度分布に対応する角度光分布を生成すると仮定する。この第１の空間放射照度分布９８ａでは、Ｘ方向に沿って分離された２つの小さい極Ｐ１、Ｐ２のみが照明される。各極Ｐ１、Ｐ２は、外側半径ｒ_poと内側半径ｒ_piとを有するリングのセグメントの形状を有する。以下で角度αを有する極と呼ぶリングセグメントの角度広がりは、両方の極Ｐ１、Ｐ２において同一である。

投影光ＰＬが、第１の回折光学要素４２上の第２の位置９６ｂにある視野を照明する場合には、遠視野内に、極Ｐ１、Ｐ２がより大きい極幅角度αを有する同様の空間放射照度分布が生成されることになる。光視野の第３の位置９６ｃでは、極幅角度αは最大値を有する。

光視野の全ての中間位置において、極幅角度αが図３に３つの位置９６ａ、９６ｂ、及び９６ｃにおいて示すものの間の値を有する同様の極Ｐ１、Ｐ２が生成されることになることを理解すべきである。

この実施形態において、図３に示す異なる位置９６ａ、９６ｂ、９６ｃは、固定された回折光学要素４２にわたって投影光ＰＬを移動することによってではなく、変位機構５６を用いて回折光学要素４８を固定された投影光ＰＬのビームに対して変位させることによって生成される。

ＩＶ．機能
光学結像系３４は、光源３０の光射出窓３２を回折光学要素４８の前の短い距離の位置に配置された像平面３８上に結像する。像平面３８に対して僅かにデフォーカスされた回折光学要素４８の配列は、回折光学要素４８上により均一な放射照度分布をもたらす。

従って、回折光学要素４８は、実際に光源３０の光射出窓３２の像によって照明される。この像と回折光学要素４８の間の距離が小さいので、光源３０の光射出窓３２において放出された投影光の方向及び発散の変化は、投影光ＰＬによって回折光学要素４８上に照明される視野の位置に対して影響を持たないか、又は少なくとも実質的な影響を持たない。これは、光学結像系３４の不在の場合には異なることになり、これは、その場合には光射出窓３２から射出する投影光ビームの方向及び発散の小さい変化が長いビーム送出部４０によって大きく「増幅」され、従って、回折光学要素４８上に照明される視野の位置及びサイズが数ミリメートル又は更に数センチメートルだけ変化することになるからである。

光学結像系３４を設けることにより、回折光学要素４８上に照明される視野の位置は、専ら変位機構５６によって決定される。高精度機構を使用することにより、１ｍｍを大幅に下回る精度でこの位置を設定することができる。このようにして、回折光学要素４８上の照明視野の位置、従って、瞳平面８４内の放射照度分布を作動条件及び光源３０内で発生する短期又は長期のドリフト効果に関係なく厳密に設定して一定に保つことができる。

瞳平面８４内の放射照度分布は、アクチュエータ７０、７６を用いてズームコリメータレンズ６８及びアキシコン要素７４の軸上位置を変更することによって更に変更することができる。

Ｖ．光学結像系の代替の実施形態
以下では、光学結像系３４の様々な代替の実施形態を図４から図１１を参照して説明する。

図４は、単一の正のレンズＬ１１のみを含む光学結像系１３４を通る子午断面図である。光学結像系１３４も、回折光学要素４８上に照明される視野の安定した位置を保証するが、通常は様々な理由から望ましくないレンズＬ１１をビーム送出部に配置することを必要とするという欠点を有する。更に、光学結像系１３４は、その物体側においても、かつ像側においてもテレセントリックではない。多くの場合に、テレセントリック性は必須であり、これは、そうでなければ回折光学要素４８が望ましい遠視野空間放射照度分布を生成することができない場合があるからである。

図５は、物体平面３６の非常に近くに配置されていることにより、ビーム送出部４０内に配列されて装着しなくてもよい２つのレンズＬ２１、Ｌ２２を含む光学結像系２３４を通る子午断面図である。しかし、光学結像系２３４は、依然として望ましいテレセントリック性を持たない。

図６は、図２に示す光学結像系３４を通る拡大子午断面図である。物体平面３６の直後に配置されたレンズＬ１は、物体平面３６から射出する光束が光学軸に向けて傾斜されることを保証する。それによって望ましいテレセントリック性を得ることが可能になり、すなわち、光学結像系３４は、物体側と像側の両方でテレセントリックである。

図６に示す光学結像系３４では、投影光ＰＬは、負のレンズＬ２上の比較的小さい区域上に集中される。例えば、レンズＬ２内で材料劣化の危険性があるのでこの集中化が回避される場合には、図７の子午断面図に代替の光学結像系３３４に示すように、３つのレンズＬ３１、Ｌ３２、Ｌ３３の修正配列を使用することができる。この場合、負のレンズＬ３２上で照射される区域が大きくなるように、レンズＬ３１、Ｌ３２、Ｌ３３の距離及び屈折パワーが修正される。

図６及び図７に示すテレセントリック光学結像系３４及び３３４は、テレセントリック性を損なうことなしに物体平面３６と最初のレンズＬ１又はＬ３１それぞれとの間の自由物体距離ｄ_Oを変更することにより、最後のレンズＬ３又はＬ３３それぞれと像平面３８の間の自由像距離ｄ_iを変更することを可能にする。これを図７に示す配列と比較してΔｄ_oだけ増加された自由物体距離ｄ_oを備えた図７に示す光学結像系３３４を通る子午断面図である図８に例示している。この増加は、図７に示す配列と比較してΔｄ_iだけ短縮された自由像距離ｄ_iをもたらす。光学結像系が横倍率βを有する場合には、Δｄ_iとΔｄ_oの間の関係は、Δｄ_i＝β²・Δｄ_oによって与えられる。従って、光学結像系３３４の横倍率βが大きい程、ある一定の自由像距離変化Δｄ_iを得るのに必要な自由物体距離ｄ_oの調節は小さい。

そのような変化に対する要求は、多くの場合に、光源３０が照明系１２の残りの構成要素から分離した有意な距離の位置に配置される場合にもたらされる。この場合、図８に示す自由像距離ｄ_iに対応するビーム送出部４０の全長を投影露光装置１０が設置される場所における特定の要件に対して調節することができなければならない。原理的に、可変自由像距離ｄ_iは、ズーム光学結像系を用いて得ることができるが、この使用は、光学結像系の複雑さを有意に増大させる。

図９及び図１０は、光源３０と光学結像系３３４の間に配置された多重ビーム折り返し系１００を用いて自由物体距離ｄ_oの変化が得られる実施形態を示している。多重ビーム折り返し系１００は、２つの固定プリズム１０２、１０４と、案内レール１０８に沿った異なる長手位置に固定することができる変位可能プリズム１０６とを含む。変位可能プリズム１０６の位置が距離ｘだけ変更された場合は（図１０を参照されたい）、図８に示す自由物体距離ｄ_oは、Δｄ_o＝２ｘだけ変化し、それによって自由像距離ｄ_i、すなわち、ビーム送出部４０の長さの変化Δｄ_i＝β²・２ｘをもたらす。例えば、案内レール１０８が１ｍの長さを有し、光学結像系３３４がβ＝２の横倍率を有する場合には、約８ｍの範囲にわたって自由像距離ｄ_iを変更することができる。

可能な自由像距離ｄ_iの範囲が上述の範囲よりも大きくなる場合には、より長い案内レール１０８を使用することができる。代替として、図１１に示すように、より大きい横倍率β、例えば、β＝４を有する光学結像系３３４’を使用することができる。この場合、１ｍの案内レール１０８を用いて、３２ｍまでの自由像距離ｄ_iの変更を提供することができる。しかし、大きい横倍率βに起因して、回折光学要素４８上に照明される視野は、その時に過度に大きくなる場合がある。

以上の理由から、図１１に示す実施形態は、この特定的な実施形態では正のレンズと負のレンズで構成される補助的なビーム縮小ユニット１１０を含む。ビーム縮小ユニットは、光学結像系３３４’と回折光学要素４８の間に配置され、光学結像系３３４’から射出する実質的に平行化された投影光ビームの直径を望ましい値まで縮小する。ビーム縮小ユニット１１０は、ビーム送出部４０を反射パワー又は屈折パワーを有するいずれの光学要素も存在しない状態を保つことができるように、回折光学要素４８の直前に配置することができる。

１２ 照明系
３０ 光源
３４ 光学結像系
４８ 回折光学要素
８４ 瞳平面
ＰＬ 投影光

Claims (13)

1. マイクロリソグラフィ投影露光装置（１０）の照明系であって、
   ａ）投影光（ＰＬ）を生成するように構成された光源（３０）と、
   ｂ）瞳平面（８４）と、
   ｃ）前記瞳平面（８４）内の投影光（ＰＬ）の放射照度分布が、該投影光（ＰＬ）によって回折光学要素（４８）上に照明される視野（９６ａ、９６ｂ、９６ｃ）の位置に依存するように、前記光源（３０）と該瞳平面（８４）の間に配置された回折光学要素（４８）と、
   ｄ）前記光源（３０）と前記回折光学要素（４８）の間に配置された光学結像系（３４、１３４、２３４、３３４）と、
   を含むことを特徴とする照明系。
2. 前記光学結像系（３４、１３４、２３４、３３４）は、物体平面（３６）と該物体平面（３６）が結像される像平面（３８）とを有し、
   前記光源（３０）の光射出窓（３２）が、前記物体平面（３６３）に配置され、
   前記回折光学要素（４８）は、前記像平面（３８）に配置される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の照明系。
3. 前記光学結像系（３４、３３４）は、その物体側及びその像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に記載の照明系。
4. 前記光学結像系（３４、３３４）は、屈折パワー又は反射パワーを有する少なくとも３つの光学要素（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）を備えることを特徴とする請求項３に記載の照明系。
5. 前記光学結像系（３４、３３４）は、２つの正のレンズ（Ｌ１、Ｌ３）と該２つの正のレンズの間に配置された負のレンズ（Ｌ２）とを備えることを特徴とする請求項４に記載の照明系。
6. 前記光源（３０）と前記光学結像系（３３４）の間に配置された多重ビーム折り返し系（１００）を備えることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の照明系。
7. 前記多重ビーム折り返し系（１００）は、複数のプリズム（１０２、１０４、１０６）又は平面ミラーを備えることを特徴とする請求項６に記載の照明系。
8. 少なくとも１つのプリズム（１０６）又はミラーが、案内レール（１０８）上にそれを該案内レールに沿った異なる位置に固定することができるように装着されることを特徴とする請求項７に記載の照明系。
9. 前記光学結像系（３４、１３４、２３４、３３４）は、｜β｜＞１である横倍率βを有す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. 前記光学結像系（３４、１３４、２３４、３３４）は、｜β｜＞３である横倍率βを有することを特徴とする請求項９に記載の照明系。
11. 前記光学結像系（３３４）と前記回折光学要素（４８）の間に配置され、かつ該光学結像系（３３４）から射出する平行光ビームの直径を縮小するように構成されたビーム縮小ユニット（１１０）を備えることを特徴とする請求項１０に記載の照明系。
12. 前記光学結像系の全ての光学要素が、前記光源と照明系のビーム送出部と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１１のいずれか１項に記載の照明系。
13. 前記回折光学要素（４８）を照明系（１２）の光学軸（ＯＡ）と平行ではない変位方向（Ｘ）に沿って変位させるように構成された変位機構（５６）を備え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。

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