JP2679337B2 - Illumination optical device, exposure apparatus including the same, and exposure method - Google Patents

Illumination optical device, exposure apparatus including the same, and exposure method

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、レーザ光源を用いて高輝度の実質的に干渉
模様が消失した一様な照明を得るための照明光学装置に
関するものであり、特に、VLSIなどの半導体集積回路の
製造に好適な照明光学装置又は露光装置並びに露光方法
に関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an illumination optical apparatus for obtaining uniform illumination with high brightness and substantially no interference pattern using a laser light source, In particular, the present invention relates to an illumination optical apparatus or exposure apparatus and an exposure method suitable for manufacturing a semiconductor integrated circuit such as VLSI.

[従来の技術] VLSIなどの半導体集積回路の製造に使用されるフォト
リソグラフィを行なうための露光装置では、高輝度で一
様な照明を行なうことが必要であり、一般的には超高圧
水銀ランプがそのような照明に屡々使用されてきた。し
かしながら、VLSIの集積度がより一層高くなるに従っ
て、近年のフォトリソグラフィには従来以上の線幅精度
が要求されるようになってきている。このため、露光用
光源としては、上述した超高圧水銀ランプに代って、エ
キシマレーザ等の短波長高出力レーザが用いられ始めて
いる。
[Prior Art] An exposure apparatus for performing photolithography, which is used for manufacturing semiconductor integrated circuits such as VLSI, needs to perform uniform illumination with high brightness. Have often been used for such lighting. However, as the degree of integration of VLSI is further increased, photolithography in recent years is required to have higher line width accuracy than ever. Therefore, as a light source for exposure, a short-wavelength high-power laser such as an excimer laser has begun to be used instead of the above-mentioned ultra-high pressure mercury lamp.

このエキシマレーザ光源としては、時間的及び空間的
コヒーレンシーが比較的低いレーザ光を射出する安定共
振型と呼ばれるものや、安定共振型に比べて時間的及び
空間的コヒーレンシーが高いレーザ光を照射するインジ
ェクションロック型と呼ばれるもの、あるいはこれらを
改良したものなど、種々のタイプがある。しかし、何れ
のタイプのレーザ光源を用いても、程度の差はあるもの
のレーザ光の干渉による斑点状の照明むら(干渉パター
ン)が生じてしまう。
The excimer laser light source is called a stable resonance type that emits a laser beam having a relatively low temporal and spatial coherency, and an injection that emits a laser beam having a higher temporal and spatial coherency than a stable resonance type. There are various types such as a so-called lock type or an improved version thereof. However, no matter which type of laser light source is used, spot-like illumination unevenness (interference pattern) is generated due to the interference of the laser light, although the degree of difference varies.

この干渉パターンを除去するために、米国特許第4,61
9,508号明細書には、照明系の光路中に配した回転ミラ
ー等でビームを二次元的に走査し、ビームの空間的コヒ
ーレンシーを実質的に低下させることにより干渉パター
ンによる照度むらを低減する方法が述べられている。
In order to eliminate this interference pattern, US Pat.
No. 9,508 describes a method of reducing illuminance unevenness due to an interference pattern by two-dimensionally scanning a beam with a rotating mirror or the like arranged in the optical path of an illumination system and substantially reducing the spatial coherency of the beam. Is stated.

また米国特許第4,851,978号明細書には、時間的にも
空間的にもコヒーレンシーが高いレーザビームを出射す
るインジェクションロック型の光源を用いる場合に、照
明対象面内に発生する干渉パターンによる照度むらをビ
ームの振動によって効果的になくすには、レーザー発光
パルスに同期して、照明系においてビームの強度分布を
均一化するために配設される例えばフライアイレンズ等
の複数のレンズエレメントの配列数に対応した回数だけ
二次元的にビームを振る必要があることが述べられてい
る。
Further, U.S. Pat.No. 4,851,978 describes illuminance unevenness due to an interference pattern generated in an illumination target surface when using an injection lock type light source that emits a laser beam having high coherency both temporally and spatially. In order to eliminate it effectively by vibrating the beam, the number of arrayed lens elements such as a fly's eye lens, etc., which is arranged in order to make the beam intensity distribution uniform in the illumination system in synchronization with the laser emission pulse, is used. It is stated that it is necessary to swing the beam two-dimensionally a corresponding number of times.

[発明が解決しようとする課題] しかしながら、いずれにせよ前記のようにレーザービ
ームを空間的に振動させることによって干渉パターンに
よる照度むらを消失するには、露光中に振動ミラー等に
よって二次元的に相当な回数にわたりビームを振る必要
があるため、露光時間をかなり長くしなければならず、
半導体装置の生産効率が大幅に低下するという欠点があ
った。
[Problems to be Solved by the Invention] However, in any case, in order to eliminate the uneven illuminance due to the interference pattern by spatially vibrating the laser beam as described above, it is possible to two-dimensionally use a vibrating mirror or the like during exposure. Since the beam has to be shaken a considerable number of times, the exposure time must be lengthened considerably,
There is a drawback that the production efficiency of semiconductor devices is significantly reduced.

その上、従来の方法ではビームを相当な回数にわたっ
て振ったとしても完全には干渉パターンによる照度むら
を消失させることができず、ますます高集積化が進んで
いる集積回路の微細パターンの形成の妨げとなってい
た。
Moreover, the conventional method cannot completely eliminate the illuminance unevenness due to the interference pattern even if the beam is shaken a considerable number of times. It was an obstacle.

更に、照明対象面の積算露光量を制御する方式として
第9図に示したような光学系の構成が知られているが、
この場合にも光源からの光ビームが特定の方向に比較的
強い偏光成分をもっていると露光量の制御精度が低下す
る問題が生じる。すなわち第9図において、図示しない
光源からの光ビームは、一対のレンズ301と302かならる
ビームエキスパンダによりビーム径を拡大され、次いで
フライアイレンズ303により複数の部分光束に分割され
る。これら複数の分割光束は、一方でハーフミラー304
を透過してコンデンサーレンズ305により照明対象面306
上に重ね合わせられ、これにより均一な照明が達成され
ると共に、他方でハーフミラー304により一部が反射さ
れて、別のコンデンサーレンズ307により光量検出面308
上に重ね合わされる。このようにして照明対象面306と
光量検出面308とにおける光量に比を予め測定しておく
ことにより、露光中に同時に光量検出を可能としている
が、ハーフミラー304は特定の偏光特性を有するため、
光源からの光ビームの偏光状態が変化した場合、ハーフ
ミラー304の反射率も変化してしまうので、照明対象面3
06と光量検出面308とにおける光の強度の比率が変化
し、結果として正確な露光量制御ができなくなる。
Further, a configuration of an optical system as shown in FIG. 9 is known as a method for controlling the integrated exposure amount of the illumination target surface.
Also in this case, if the light beam from the light source has a relatively strong polarization component in a specific direction, the problem that the exposure amount control accuracy deteriorates occurs. That is, in FIG. 9, a light beam from a light source (not shown) has its beam diameter expanded by a beam expander consisting of a pair of lenses 301 and 302, and then divided into a plurality of partial light beams by a fly-eye lens 303. On the other hand, the plurality of split luminous fluxes are transmitted to the half mirror 304.
Through the condenser lens 305 and the illumination target surface 306
On the other hand, uniform illumination is achieved by this, and on the other hand, a part of the light is reflected by the half mirror 304 and the light amount detection surface 308 by another condenser lens 307.
Overlaid on top. In this way, by measuring the ratio of the amount of light on the illumination target surface 306 and the amount of light on the light amount detection surface 308 in advance, it is possible to detect the amount of light at the same time during exposure, but the half mirror 304 has a specific polarization characteristic. ,
When the polarization state of the light beam from the light source changes, the reflectance of the half mirror 304 also changes, so the illumination target surface 3
The ratio of the light intensity between 06 and the light amount detection surface 308 changes, and as a result, accurate exposure amount control cannot be performed.

この発明の目的は、レーザーのようなコヒーレント光
源を用いた照明光学装置及びそれを備えた露光装置並び
に露光方法、特にレーザビームを二次元的に振動させな
くても容易に照明対象面から干渉パターンによる照度む
らを消失させることができ、しかも光源からの光ビーム
の偏光状態が変化しても光学系中のハーフミラーの反射
率が変化せずに常に正確な露光量検出を行なうことがで
きる照明光学装置を提供することである。
An object of the present invention is to provide an illumination optical apparatus using a coherent light source such as a laser, an exposure apparatus and an exposure method including the same, and particularly, an interference pattern from an illumination target surface easily without oscillating a laser beam two-dimensionally. Illumination that can eliminate the uneven illuminance due to the light source and can always perform accurate exposure detection without changing the reflectance of the half mirror in the optical system even if the polarization state of the light beam from the light source changes. An optical device is provided.

[課題を解決するための手段] 請求項1に記載の発明に係る照明光学装置は、光源か
ら射出されるコヒーレント光ビームからビーム光軸と直
角な平面内で空間的に周期的に分布した複数の実または
虚の二次光源の群を形成するオプティカルインテグレー
タと、各二次光源からの光束を一つの照明対象面上に重
ね合わせるレンズ手段と、前記コヒーレント光ビームか
ら互いの偏光ベクトルの内積が零になるような二つの偏
光光束を形成すると共に各偏光光束による干渉パターン
が前記照明対象面上で相対的に位置ずれを生じるように
前記オプティカルインテグレータへ入射される前記各偏
光光束に互いに異なる偏角を与える光学手段とを備えて
おり、特に前述目的を達成するために、 前記オプティカルインテグレータを、直角四辺形の入
出射面を有する正または負の複数のレンズ要素を並列配
置したフライアイレンズによって構成し、 また前記光学手段は、前記直角四辺形の隣り合う二辺
の長さ寸法を夫々a,b(但しa≦b)とするとき、前記
二つの偏光光束の偏角の差θとして、θ=λ{[(n+
1/2)/a]+[(m+1/2)/b]1/2 (但しλは波長、n,mは整数)を与え、且つ前記偏角差
が前記フライアイレンズを前記光軸方向からみたときに
前記寸法bの辺に対して、 Ψ=tan-1{[(n+1/2)/a]/[(m+1/2)/b]} の角度をなして形成されるように光学的構造パラメータ
が定められていることを特徴とするものである。
[Means for Solving the Problems] The illumination optical device according to the invention described in claim 1 is a plurality of spatially periodically distributed from a coherent light beam emitted from a light source in a plane perpendicular to the beam optical axis. , An optical integrator forming a group of real or imaginary secondary light sources, lens means for superimposing the light flux from each secondary light source on one illumination target surface, and the inner product of the mutual polarization vectors from the coherent light beam is Two polarized light fluxes that are zero are formed, and the polarized light fluxes that are incident on the optical integrator have different polarizations so that the interference patterns of the polarized light fluxes are relatively displaced on the illumination target surface. In order to achieve the above-mentioned object, the optical integrator is provided with a rectangular quadrangle. A fly-eye lens having a plurality of positive or negative lens elements arranged in parallel with each other, and the optical means has lengths of two adjacent sides of the right-angled quadrangle a, b (where a ≦ b ), The difference θ between the two polarized light beams is θ = λ {[(n +
1/2) / a] 2 + [(m + 1/2 ) / b] 2 } 1/2 (where λ is the wavelength and n and m are integers), and the difference in declination is that of the fly-eye lens described above. It is formed at an angle of Ψ = tan −1 {[(n + 1/2) / a] / [(m + 1/2) / b]} with respect to the side of the dimension b when viewed from the optical axis direction. The optical structure parameter is defined as described above.

請求項2に記載の発明では、前記光学手段を、光路中
に挿入された含屈折性光学材料からなる偏角プリズムを
含むものとしている。
According to a second aspect of the present invention, the optical means includes a deflection angle prism made of a refractive optical material inserted in the optical path.

請求項3に記載の発明では、請求項2による照明光学
装置において、前記コヒーレント光ビームが偏光特性を
有する場合に、前記偏角プリズムを前記偏光コヒーレン
ト光ビームの偏光方向に対して光軸方向からみたときに
45度の角度をなす光学軸を有する複屈折性光学材料によ
って構成するものである。
According to a third aspect of the present invention, in the illumination optical device according to the second aspect, when the coherent light beam has a polarization characteristic, the deflection prism is arranged in an optical axis direction with respect to a polarization direction of the polarized coherent light beam. When I saw
It is made of a birefringent optical material having an optical axis forming an angle of 45 degrees.

また、請求項4に記載の発明では、光源から照射され
るコヒーレント光ビームからビーム光軸と直角な平面内
で空間的に周期的に分布した複数の実又は虚の二次光源
の群を形成するオプティカルインテグレータと、各二次
光源からの光束をレチクル上に重ね合わせるレンズ手段
とを有し、前記レチクル上のパターンをウェハ上に転写
する露光装置において、 前記コヒーレント光ビームから互いの偏光ベクトルの
内積が零になるような二つの偏光光束を形成すると共に
各偏光光束による干渉パターンが前記レチクル上で相対
的に位置ずれを生じるように前記オプティカルインテグ
レータへ入射される前記各偏光光束に互いに異なる偏角
を与える光学手段を有し、前記オプティカルインテグレ
ータは、直角四辺形の入出射面を有する正または負の複
数のレンズ要素を並列配置したフライアイレンズからな
り、前記光学手段は、前記直角四辺形の隣り合う二辺の
長さ寸法を夫々a,b(但しa≦b)とするとき、前記二
つの偏光光束の偏角の差θとして、 θ=λ{[(n+1/2)/a]+[(m+1/2)/b]
1/2(但しλは波長、n,mは整数)を与え、且つ前記偏角
差が前記フライアイレンズを前記光軸方向からみたとき
に前記寸法bの辺に対して、 Ψ=tan-1{[(n+1/2)/a]/[(m+1/2)/b]}
の角度Ψをなして形成されるように光学的構造パラメー
タが定められていることを特徴とするものである。
In the invention according to claim 4, a group of a plurality of real or imaginary secondary light sources spatially periodically distributed in a plane perpendicular to the beam optical axis is formed from the coherent light beam emitted from the light source. An optical integrator having an optical integrator and a lens unit that superimposes the light flux from each secondary light source on a reticle, and in an exposure apparatus that transfers the pattern on the reticle onto a wafer, the mutual polarization vectors of the coherent light beams Two polarized light beams having an inner product of zero are formed, and the polarized light beams incident on the optical integrator have different polarizations so that an interference pattern due to each polarized light beam causes a relative displacement on the reticle. The optical integrator has an optical means for providing an angle, and the optical integrator has a positive or negative side having a rectangular-parallelepiped input / output surface. The optical means is composed of a fly-eye lens in which a plurality of lens elements are arranged in parallel. When the lengths of two adjacent sides of the right-angled quadrangle are a and b (provided that a ≦ b), the two optical elements are provided. As the deviation θ of the polarized light flux, θ = λ {[(n + 1/2) / a] 2 + [(m + 1/2) / b] 2 }
1/2 (where λ is a wavelength and n and m are integers), and the deviation angle is Ψ = tan − with respect to the side of the dimension b when the fly-eye lens is viewed from the optical axis direction. 1 {[(n + 1/2) / a] / [(m + 1/2) / b]}
It is characterized in that the optical structure parameters are determined so that the optical structure parameters are formed at an angle Ψ of.

更に請求項5に記載の発明では、光源から照射された
コヒーレント光ビームを、オプティカルインテグレータ
によってビーム光軸と直角な平面内で空間的に周期的に
分布した複数の実または虚の二次光源の群に形成し、前
記各二次光源からの光束を重ね合わせてレチクルを照明
することにより、前記レチクル上のパターンをウェハ上
に転写する露光方法において、 前記コヒーレント光ビームから互いの偏光ベクトルの
内積が零となる二つの偏光光束に形成する工程と、前記
二つの偏光光束による干渉パターンが前記レチクル上で
相対的に位置ずれを生じるように前記二つの偏光光束に
互いに異なる偏角を与える工程とを含み、前記オプティ
カルインテグレータとして、直角四辺形の入出射面を有
する正または負の複数のレンズ要素を並列配置したフラ
イアイレンズを用い、前記二つの偏光光束は、前記直角
四辺形の隣り合う二辺の長さ寸法をそれぞれa,b(但
し、a≦b)とするとき、前記二つの偏光光束の偏角の
差θが、θ=λ{[(n+1/2)/a]+[(m+1/2)
/b]1/2(但し、λは波長、n,mは整数)を満たし、
且つ、前記フライアイレンズを前記光軸方向からみた時
に前記寸法bの辺に対して偏角差θのなす角度Ψが、 Ψ=tan-1{[(n+1/2)/a]/[(m+1/2)/b]}
を満たすことを特徴とするものである。
Further, in the invention according to claim 5, a coherent light beam emitted from the light source is emitted from a plurality of real or imaginary secondary light sources spatially periodically distributed in a plane orthogonal to the beam optical axis by an optical integrator. In an exposure method of forming a group and illuminating a reticle by superimposing light fluxes from each of the secondary light sources, a pattern on the reticle is transferred onto a wafer, and inner products of mutual polarization vectors from the coherent light beams are formed. Of the two polarized light beams having a value of zero, and a step of giving different deflection angles to the two polarized light beams so that an interference pattern due to the two polarized light beams causes a relative displacement on the reticle. As the optical integrator, a plurality of positive or negative lens elements having a right-angled quadrilateral input / output surface are arranged in parallel. When the length dimensions of two adjacent sides of the right-angled quadrangle are a and b (where a ≦ b), the two polarized light beams are polarized by using the fly-eye lens described above. The angle difference θ is θ = λ {[(n + 1/2) / a] 2 + [(m + 1/2)
/ b] 2 } 1/2 (where λ is the wavelength and n and m are integers),
Moreover, when the fly-eye lens is viewed from the optical axis direction, the angle Ψ formed by the deviation angle θ with respect to the side of the dimension b is Ψ = tan −1 {[(n + 1/2) / a] / [( m + 1/2) / b]}
It is characterized by satisfying.

[作 用」 本発明においては、照明対象面での干渉パターンが照
明系中の照度分布均一化手段の構造に対応する周期的構
造を有することを利用して、レーザービームを例えば二
つの互いに直交する直線または楕円偏光ビーム、或いは
互いに左右逆回りの二つの円偏光ビームに分離するとと
もに、それぞれの偏光ビームによる照射対象面での干渉
パターンの周期を互いにN+1/2周期(Nは整数)だけ
所定方向にずらすことにより干渉パターン同志で互いの
光強度分布を相補的に平滑化させ、結果として照明対象
面での干渉による照度むらをほぼ消失させるものであ
る。
[Operation] In the present invention, by utilizing the fact that the interference pattern on the illumination target surface has a periodic structure corresponding to the structure of the illuminance distribution uniformizing means in the illumination system, the laser beam is made orthogonal to each other, for example. The linearly or elliptically polarized beam, or the two circularly polarized beams that are reverse to each other in right and left directions are separated, and the period of the interference pattern on the irradiation target surface by each polarized beam is predetermined by N + 1/2 period (N is an integer). By shifting in the direction, the light intensity distributions of the interference patterns are complementarily smoothed by each other, and as a result, the uneven illuminance due to the interference on the illumination target surface is almost eliminated.

即ち、前記オプティカルインテグレータは、隣り合う
二辺の長さを夫々a,b(但しa≦b)とする直角四辺形
の入出射面を有する正または負の複数のレンズ要素を並
列配置したフライアイレンズによって構成されており、
前記光学手段の光学的構造パラメータは、前記照明対象
面での光強度分布の相補的な平滑化を最適にする条件と
しての前記二つの偏光光束の偏角の差θおよび前記偏角
差θのなす方向(前記フライアイレンズを前記光軸方向
からみたときに前記寸法bの辺に対してなす角度Ψ)
を、光路中に配置された前記フライアイレンズの構造パ
ラメータと使用ビーム波長λとによって基いて下式、 θ=λ{[(n+1/2)/a] +[(m+1/2)/b]1/2 (但しa,b(a≦b)はフライアイレンズのレンズ要素
の入出射面をなす直角四辺形の隣り合う二辺の長さ寸
法、λは使用ビーム波長、n,mは整数)、および Ψ=tan-1{[(n+1/2)/a]/[(m+1/2)/b]} を満足するように定められている。
That is, the optical integrator is a fly-eye in which a plurality of positive or negative lens elements having a right-angled quadrangular entrance / exit surface with adjacent two sides having lengths a and b (where a ≦ b) are arranged in parallel. It is composed of a lens,
The optical structure parameters of the optical means include a deviation angle difference θ and a deviation angle difference θ between the two polarized light beams as conditions for optimizing complementary smoothing of the light intensity distribution on the illumination target surface. Direction (angle Ψ formed with respect to the side of the dimension b when the fly-eye lens is viewed from the optical axis direction)
Based on the structural parameters of the fly-eye lens arranged in the optical path and the beam wavelength λ used, θ = λ {[(n + 1/2) / a] 2 + [(m + 1/2) / b ] 2 } 1/2 (where a, b (a ≦ b) are the lengths of two adjacent sides of a right-angled quadrangle that form the entrance and exit surfaces of the lens element of the fly-eye lens, λ is the beam wavelength used, and n, m is an integer), and Ψ = tan −1 {[(n + 1/2) / a] / [(m + 1/2) / b]}.

前記光学手段は、例えば光路中に所定形状の複屈折性
光学材料からなる偏角プリズムを配置するだけで実現可
能であり、レーザービームを振動させることなく実質的
にほぼ完全に照明対象面での干渉パターンを消去するこ
とができる。特に光源からのコヒーレント光るビームが
偏光特性を有する場合、その偏光方向に対して45度の角
度なす光学軸をもつ複屈折性光学結晶材料で構成した偏
角プリズムを用いることにより、この偏角プリズムに光
源光ビームの偏光を解消させる機能をもたせることがで
きる。すなわち、複屈折性結晶を通過する光は、偏光の
常光線と異常光線とに対して位相差を与えるため、所謂
波長板として作用する。この場合の偏角プリズムは、厚
みが全面で一様でなく、光の通過する場所によって厚み
が異なるため、通過してきた光ビームは通過場所によっ
て偏光状態が異なったものとなり、入射光ビームの偏光
方向(楕円偏光の場合は長軸の向き)に対して45度の角
度をなす光学軸をもつ結晶偏角プリズムの場合には、入
射光ビームが疑似的に偏光解消効果を受けることにな
る。
The optical means can be realized, for example, simply by arranging a deflection prism made of a birefringent optical material having a predetermined shape in the optical path, and substantially substantially completely illuminating the target surface without vibrating the laser beam. The interference pattern can be erased. Especially when the coherent light beam from the light source has a polarization characteristic, by using a deflection prism made of a birefringent optical crystal material having an optical axis that makes an angle of 45 degrees with respect to the polarization direction, this deflection prism Can have a function of depolarizing the light beam of the light source. That is, the light passing through the birefringent crystal gives a phase difference between the ordinary ray and the extraordinary ray of polarized light, and thus acts as a so-called wave plate. In this case, the deflection prism has a non-uniform thickness over the entire surface and the thickness varies depending on where the light passes, so the polarization state of the passing light beam differs depending on the passing location, and the polarization of the incident light beam is changed. In the case of a crystal declination prism having an optical axis that makes an angle of 45 degrees with respect to the direction (the direction of the long axis in the case of elliptically polarized light), the incident light beam is artificially depolarized.

また光源光のコヒーレンシーがかなり高い場合には、
振動ミラー等によるレーザービームの振動を付加的に併
用することにより、より効果的に、またはより少ないビ
ーム振動回数で、照明対象面での干渉による照度むらを
ほぼ消失させることが可能である。
If the coherency of the light source is quite high,
By additionally using the vibration of the laser beam by a vibrating mirror or the like, it is possible to more effectively eliminate the illuminance unevenness due to the interference on the illumination target surface with a smaller number of beam vibrations.

この発明の目的と特徴及び力点を理解し易くするため
に、本発明の好適な実施例を添付図面と共に説明すれば
以下の通りである。
In order to make it easy to understand the objects, features, and emphasis points of the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

[実施例] 第1図には、レチクル上のパターンを半導体ウエハ上
に露光するための投影露光装置に適用した本発明の実施
例に係る照明光学装置が示されている。
[Embodiment] FIG. 1 shows an illumination optical apparatus according to an embodiment of the present invention applied to a projection exposure apparatus for exposing a pattern on a reticle onto a semiconductor wafer.

まず、本実施例におけるレーザ光源1は、第2図に模
式的に示したように、誘導放出を起こさせる放電管12の
両端に2個の共振器ミラー10,10′を配置し、さらにエ
タロン、回折格子もしくはプリズム等の波長選択素子14
を放電管12と共振器ミラー10の間に備えた、所謂安定共
振型のスペクトル狭帯域化KrFエキシマレーザ光源であ
る。このような光源1から射出されるレーザビームの特
徴は、波長選択素子14を設けたことによってスペクトル
幅が狭くなっており(時間的コヒーレンシーが向上)、
かつインジェクションロッキング型に比べて空間的コヒ
ーレンシーが低くなっていることである。本発明におけ
る光源は特に限定されるものではないが、露光装置の投
影レンズPLにおける色収差補正の必要がなく、また生じ
る干渉パターンのコントラストがもともと低いので干渉
による照度むらを完全に消去しやすいという点で、第2
図に示したような構成の光源を用いることが好ましい。
First, in the laser light source 1 according to the present embodiment, as schematically shown in FIG. 2, two resonator mirrors 10 and 10 'are arranged at both ends of a discharge tube 12 which causes stimulated emission, and further, an etalon. , Wavelength grating 14 such as diffraction grating or prism
This is a so-called stable resonance type spectrum narrowing band KrF excimer laser light source provided with a discharge tube 12 and a resonator mirror 10. The characteristic of the laser beam emitted from the light source 1 is that the wavelength selection element 14 is provided so that the spectrum width is narrowed (temporal coherency is improved).
Moreover, the spatial coherency is lower than that of the injection locking type. The light source in the present invention is not particularly limited, but it is not necessary to correct chromatic aberration in the projection lens PL of the exposure apparatus, and since the contrast of the interference pattern that occurs is originally low, it is easy to completely eliminate illuminance unevenness due to interference. And second
It is preferable to use a light source having a structure as shown in the figure.

さて、レーザ光源1から射出されたレーザビームLB
は、M1,M2,M3,M4の紫外用反射ミラーによって光路を曲
折されてシリンドリカルレンズ11に入射し、ここでビー
ムの断面形状が成形されて細幅の長方形から正方形に近
づけられる。
Now, the laser beam LB emitted from the laser light source 1
Is incident on the cylindrical lens 11 after being bent in the optical path by the ultraviolet reflecting mirrors of M 1 , M 2 , M 3 , and M 4 , where the cross-sectional shape of the beam is shaped to make it closer to a square from a narrow rectangle. .

その後、ビームLBは紫外用反射ミラーM5によって光路
を曲折されてビームエクスパンダー15に入り、そこで所
定のビーム径に拡大される。
Thereafter, the beam LB is bent in the optical path by the ultraviolet reflection mirror M 5 and enters the beam expander 15, where it is expanded to a predetermined beam diameter.

ビームエキスパンダー15から出た拡大ビームは、本発
明の光学手段の偏角プリズムを構成する複屈折性水晶プ
リズム7に入射される。この水晶プリズム7は、その稜
線が自身の結晶光学軸と同一平面にある頂角1゜ 35′
のウエッジ形状をしており、入射ビームは、この水晶プ
リズム7によって、波面が互いに約64″傾いた2種類の
偏光成分に分離されてプリズム7から出て行く。水晶プ
リズム7の前記頂角は、後述のように、レーザービーム
LBの波長と、後段のフライアイレンズ3,5のピッチと、
レンズ4,21による倍率などに応じて適宜設定される。
The expanded beam emitted from the beam expander 15 is made incident on the birefringent crystal prism 7 which constitutes the deflection prism of the optical means of the present invention. The crystal prism 7 has an apex angle of 1 ° 35 'with its ridge line flush with the crystal optical axis of the crystal prism 7.
The incident beam is separated into two kinds of polarization components whose wavefronts are inclined by about 64 ″ from each other by the crystal prism 7 and exits from the prism 7. The apex angle of the crystal prism 7 is , The laser beam, as described below
The wavelength of LB and the pitch of the fly-eye lenses 3 and 5 in the latter stage,
It is appropriately set according to the magnification by the lenses 4 and 21.

続いて、この二種類の偏光ビームは、水晶プリズム7
と斜面同士で対面するように配置された頂角1゜ 50′
(この値も前段に配置される頂角プリズム7でのビーム
の屈折の程度に応じて適宜設定される)の補正用の石英
ガラスプリズム9に入射し、ここで、2つの偏光ビーム
の進行方向が照明系の光軸AXを中心としてそれぞれ光軸
AXから約32″(=64″/2)の角度をなすように補正され
る。
Subsequently, the two types of polarized beams are transmitted to the crystal prism 7
And the apex angle of 1 ° 50 'arranged so that the slopes face each other.
(This value is also set appropriately according to the degree of refraction of the beam at the apex angle prism 7 arranged in the preceding stage) is incident on the correcting quartz glass prism 9, and here the traveling directions of the two polarized beams Are the optical axes around the optical axis AX of the illumination system
It is corrected to make an angle of about 32 "(= 64" / 2) from AX.

その後、二つの偏光ビームは、一段目のフライアイレ
ンズ3を透過してフライアイレンズ3の出射側に複数の
互いに分離された二次光源の群を形成する。各二次光源
からの光は、凸レンズ4を介して各々振動ミラー17(後
述のように第2図に示された光源を用いる場合は振動さ
せずに静止したままで良い)で曲折されたのち、別の凸
レンズ21を介して二段目のフライアイレンズ5に重ね合
わされて入射する。この重ね合わされたビームはフライ
アイレンズ5で再度照度分布均一化のために複数のビー
ムに分離された後、レンズ25で再び集光され、ミラー27
で曲折されてメインコンデンサーレンズ2に入る。この
ようにして照度均一化作用を受けた前記二種類の偏光成
分からなるビームは、メインコンデンサーレンズ2によ
って適度に集光され、その後、レチクルRを一様に照射
する。これによりレチクルR上の回路パターンが投影レ
ンズPLによってウエハW上に投影され、露光が行なわれ
る。
After that, the two polarized beams pass through the first-stage fly-eye lens 3 to form a group of a plurality of separated secondary light sources on the emission side of the fly-eye lens 3. The light from each secondary light source is bent via a convex lens 4 by an oscillating mirror 17 (when the light source shown in FIG. 2 is used as will be described later, it may remain stationary without vibrating). , Is incident on the second-stage fly-eye lens 5 through another convex lens 21 in a superimposed manner. The superposed beam is separated into a plurality of beams by the fly-eye lens 5 to make the illuminance distribution uniform again, and then condensed again by the lens 25, and then the mirror 27.
It is bent and enters the main condenser lens 2. The beam composed of the two types of polarization components thus subjected to the illuminance uniforming action is appropriately condensed by the main condenser lens 2, and then the reticle R is uniformly irradiated. As a result, the circuit pattern on the reticle R is projected onto the wafer W by the projection lens PL, and exposure is performed.

ここで、もし水晶プリズム7からなる光学的偏角手段
が配置されていないとすれば、前述したようにフライア
イレンズ3,5により照明対象であるレチクルR上に干渉
パターンが生じ、この干渉パターンは投影レンズPLによ
ってウエハW上にレチクルRの回路パターンと共に転写
され、良好なパターン転写の妨げとなる。
Here, if the optical deflection means composed of the quartz prism 7 is not arranged, as described above, the fly-eye lenses 3 and 5 generate an interference pattern on the reticle R to be illuminated, and this interference pattern is generated. Is transferred together with the circuit pattern of the reticle R onto the wafer W by the projection lens PL, which hinders good pattern transfer.

本発明では、偏角プリズム(実施例では水晶プリズム
7)により、光源1から射出されたコヒーレント光ビー
ムを所定の角度をなす2つの偏光ビームに分離してレチ
クルRを照明しているため、それぞれの偏光ビームによ
って明暗の周期が半周期だけずれた干渉パターンが生成
し、2つの干渉パターンが互いの光強度分布の山と谷を
埋め合って、結果として干渉パターンがほぼ消失する。
In the present invention, since the coherent light beam emitted from the light source 1 is separated into two polarized beams forming a predetermined angle by the deflection angle prism (the crystal prism 7 in the embodiment), the reticle R is illuminated respectively. The polarized beam causes the interference pattern in which the light and dark periods are shifted by a half period, and the two interference patterns fill up the peaks and valleys of the light intensity distributions of each other, and as a result, the interference pattern almost disappears.

なお、上記の実施例では空間的コヒーレンシーの比較
的低い(干渉パターンのコントラストがもともと低い)
レーザ光ビームを出射する第2図のような光源を用いた
場合について述べたが、コヒーレンシーの程度は光源に
よって様々で、同じ方式の光源でも製造メーカによって
コヒーレンシーがかなり高い場合もある。このような場
合は、偏角プリズム7を配置するだけで干渉パターンを
完全に消失させるのは困難であるので、第1図に示した
振動ミラー17を露光中に振動させることにより干渉パタ
ーンを照明対象面上で往復移動させて照度の平均化を図
り、積算効果によって干渉パターンを消去すれば良い。
このような場合においても、偏角プリズムを配置するこ
とにより、ビームの振動だけを行なう場合に比較して、
より効率的に(少ない振動数で)干渉による照度むらを
消失させることができ、フォトリソグラフィ工程の生産
効率を向上させるという点で非常に有利である。
In the above embodiment, the spatial coherency is relatively low (the contrast of the interference pattern is originally low).
The case of using the light source as shown in FIG. 2 for emitting the laser light beam has been described, but the degree of coherency varies depending on the light source, and even the light source of the same system may have a considerably high coherency depending on the manufacturer. In such a case, it is difficult to completely eliminate the interference pattern only by disposing the deflection angle prism 7, so that the vibration mirror 17 shown in FIG. 1 is vibrated during exposure to illuminate the interference pattern. It is only necessary to reciprocate on the target surface to average the illuminance and erase the interference pattern by the integration effect.
Even in such a case, by arranging the deflection angle prism, compared with the case where only the beam is oscillated,
This is very advantageous in that the uneven illuminance due to interference can be eliminated more efficiently (with a small frequency), and the production efficiency of the photolithography process is improved.

光学的偏角プリズムが設けられていない場合に照明対
象面に干渉パターンが生じる原因について第3図及び第
4図を用いて説明する。
The cause of the interference pattern on the illumination target surface when the optical deflection prism is not provided will be described with reference to FIGS. 3 and 4.

第3図は、レーザ光源からのビームLBを一定の大きさ
に拡大するビームエクスパンダー(レンズ100,102)
と、照度分布を均一化させるためのフライアイレンズ10
3、コンデンサーレンズ104、及びレチクルRの配置を模
式的に表したものである。また、第4図は、フライアイ
レンズ103の構造を示す斜視図であって、複数のエレメ
ントレンズ103aがX,Y方向にピッチa,bで配列されてい
る。ここでピッチa,bはa≦bである。
Figure 3 shows a beam expander (lenses 100 and 102) that expands the beam LB from the laser light source to a certain size.
And a fly-eye lens 10 to make the illuminance distribution uniform
3 schematically shows the arrangement of the condenser lens 104 and the reticle R. FIG. 4 is a perspective view showing the structure of the fly-eye lens 103, in which a plurality of element lenses 103a are arranged at pitches a and b in the X and Y directions. Here, the pitches a and b are a ≦ b.

ビームエキスパンダーの出射レンズ102から出てくる
平行拡大ビームは、フライアイレンズ103のほぼ全面に
入射する。フライアイレンズ103の射出側には、エレメ
ントレンズ103aの数だけ2次光源(集光点)群P1,P2,
P3,P4,…が形成される。2次光源群P1,P2,P3,P4,…の夫
々からの光ビームは、コンデンサーレンズ104によって
レチクルR上で重ね合わされ、照度の均一化が行われ
る。ところがこのとき、2次光源群P1,P2,P3,P4,…の夫
々からレチクルRに進んだ光は、同時にレチクルR上で
互いに干渉し合うことになり、干渉パターンを作る。
The parallel expanded beam emitted from the exit lens 102 of the beam expander is incident on almost the entire surface of the fly-eye lens 103. On the exit side of the fly-eye lens 103, there are as many secondary light source (focus point) groups P 1 , P 2 ,
P 3 , P 4 , ... Are formed. The light beams from each of the secondary light source groups P 1 , P 2 , P 3 , P 4 , ... Are superposed on the reticle R by the condenser lens 104 to make the illuminance uniform. However, at this time, the lights traveling from each of the secondary light source groups P 1 , P 2 , P 3 , P 4 , ... To the reticle R simultaneously interfere with each other on the reticle R to form an interference pattern.

ここで、レーザ発振器から射出される元々のビームLB
が十分に広い幅(空間的コヒーレンシーが低い)のもの
であれば、各2次光源群P1,P2,P3,P4,…からの各ビーム
は互いにインコヒーレンシー(非可干渉性)となり、問
題となるような干渉パターンは生じない。逆に元々のビ
ームLBが非常に細い幅(空間的コヒーレンシーが高い)
のものであると、各2次光源群P1,P2,P3,P4,…からの各
ビームは全て互いに干渉し合い、レチクルR上ではコン
トラストの高い複雑な干渉パターン(明暗縞)が生じ
る。また元々のビームLBがある程度の大きさをもてば各
2次光源群の相互干渉性は弱くなり、例えば2次光源群
P1,P2,P3,P4,…のうちピッチa,bで並んだ隣り同志のみ
が干渉し合い、その結果、干渉パターンは、ピッチaま
たはb或いはその両方向に関してコントラストの低い正
弦波状の強度分布をもつ干渉パターンとなる。
Here, the original beam LB emitted from the laser oscillator
Is sufficiently wide (low spatial coherency), the beams from the respective secondary light source groups P 1 , P 2 , P 3 , P 4 , ... are incoherent to each other (incoherent). Therefore, a problematic interference pattern does not occur. Conversely, the original beam LB has a very narrow width (high spatial coherency)
, All the beams from the respective secondary light source groups P 1 , P 2 , P 3 , P 4 , ... Interfere with each other, and on the reticle R, a complicated interference pattern (bright and dark fringes) with high contrast is obtained. Occurs. Also, if the original beam LB has a certain size, the mutual coherence between the respective secondary light source groups becomes weaker.
Of the P 1 , P 2 , P 3 , P 4 , ..., only adjacent ones arranged at the pitches a and b interfere with each other, and as a result, the interference pattern has a sine wave shape with low contrast in the pitches a or b or both directions. The interference pattern has an intensity distribution of.

次にこの正弦波の周期について説明する。第3図にお
いて、考えやすくするためにコンデンサーレンズ104の
焦点距離をfとし、2次光源P1,P2,…及びレチクルR面
はレンズ104の各々前側焦点面及び後側焦点面にあると
する。P1,P2,…の間隔はフライアイレンズの間隔に等し
くx方向にa、y方向にbである。2次光源P1,P2,…の
隣り合う光源同士の干渉のみを考えると、レチクルR上
での干渉パターンのピッチは、ビームの波長をλとする
とx方向にはλ・f/a、y方向にはλ・f/bとなり、ウエ
ハ面上ではさらに投影レンズの縮小倍率分だけ縮小され
た干渉パターンとなる。即ち、被照射面上に生じる干渉
パターンは照度分布均一化のために配設されるフライア
イレンズの構造パラメータに対応する周期的構造を有し
ている。
Next, the period of this sine wave will be described. In FIG. 3, the focal length of the condenser lens 104 is f to make it easier to think, and it is assumed that the secondary light sources P 1 , P 2 , ... And the reticle R surface are on the front and rear focal planes of the lens 104, respectively. To do. The distance between P 1 , P 2 , ... Is equal to the distance between the fly-eye lenses and is a in the x direction and b in the y direction. Considering only interference between adjacent light sources of the secondary light sources P 1 , P 2 , ..., The pitch of the interference pattern on the reticle R is λ · f / a in the x direction, where λ is the wavelength of the beam, In the y direction, λ · f / b, and the interference pattern is further reduced on the wafer surface by the reduction magnification of the projection lens. That is, the interference pattern generated on the surface to be illuminated has a periodic structure corresponding to the structural parameters of the fly-eye lens arranged for uniforming the illuminance distribution.

このため、隣り合う2次光源の位相差がxまたはy方
向にπだけずれたと仮定すると、干渉パターンは半周期
(x方向ではλ・f/2a、y方向ではλ・f/2b)ずれるこ
となり、元々の干渉パターンと位相差がπラジアンだけ
ずれた干渉パターンをこれに重ね合わせれば、照明対象
面では干渉パターン同士が互いに照度分布の山と谷を埋
めあって一様な明るさとなる。即ち、同じ周期性の干渉
パターン同士を半周期ずらして生成させて重ね合わせれ
ば、照明対象面では干渉による照度むらを消失させるこ
とができる。
Therefore, assuming that the phase difference between adjacent secondary light sources shifts by π in the x or y direction, the interference pattern shifts by half a period (λ · f / 2a in the x direction and λ · f / 2b in the y direction). Then, if an interference pattern having a phase difference of π radian from the original interference pattern is superposed on the interference pattern, the interference patterns mutually fill the peaks and valleys of the illuminance distribution on the surface to be illuminated, resulting in uniform brightness. That is, if the interference patterns having the same periodicity are generated by being shifted by a half cycle and overlapped, it is possible to eliminate the illuminance unevenness due to the interference on the illumination target surface.

今、ピッチa方向について述べれば、隣り合う2次光
源の位相差をπラジアンだけずらすには、フライアイレ
ンズに入射する二つの光ビームのうちの一方の入射波面
を他方に対して傾けてやれば良く、両ビーム間の角度θ
は、フライアイレンズの間隔をaとすると θ=1/2λ/a=λ/2a となる。
Now, regarding the pitch a direction, in order to shift the phase difference between adjacent secondary light sources by π radians, one of the two light beams incident on the fly-eye lens should be inclined with respect to the other. The angle θ between both beams
Is θ = 1 / 2λ / a = λ / 2a, where a is the distance between the fly-eye lenses.

次に、2つのビームの波面をλ/2aだけ互いに傾ける
方法について説明する。ここで注意すべきは、傾けた波
面同志が互いに干渉しないことである。もし干渉する
と、新らたに別の干渉パターンを生じることになる。こ
の条件を満たすためには例えば互いに直交する直線偏光
のように偏光状態の異なる2種の偏光ビームを利用すれ
ば良い。
Next, a method of tilting the wavefronts of the two beams by λ / 2a will be described. Note that the tilted wavefronts do not interfere with each other. If they interfere, they will cause another interference pattern. In order to satisfy this condition, for example, two kinds of polarized beams having different polarization states such as linearly polarized lights orthogonal to each other may be used.

互いに直交する方向に偏光し、かつ互いに傾いた波面
をもつ二つの偏光ビーム作るには種々の方法が考えられ
るが、最も簡単で安定している方法は副屈折性光学結晶
のプリズムを用いることである。すなわち、例えば、水
晶、MgF2、ADP(NH4H2PO4)、方解石、等の異方性結晶
の結晶光学軸と同一平面にある直線を稜線とするウェッ
ジ状の偏角プリズムを用いれば良い。
Although various methods can be considered to make two polarized beams having wavefronts that are polarized in directions orthogonal to each other and inclined with respect to each other, the simplest and stable method is to use a prism of a subrefractive optical crystal. is there. That is, for example, if a wedge-shaped declination prism having a straight line in the same plane as the crystal optical axis of an anisotropic crystal such as quartz, MgF 2 , ADP (NH 4 H 2 PO 4 ) and calcite is used, good.

ここで、水晶(一軸性結晶)を用いた偏角プリズムに
ついて第5図によって説明する。
Here, a deflection prism using quartz (uniaxial crystal) will be described with reference to FIG.

第5図において、(a),(b),(c)は何れも光
学軸108a,108b,108cと偏角プリズムの稜線107a,107b,10
7cとが同一平面にあり、入射ビームを互いに直交する二
つの直線偏光ビームに分離して出射する機能をもつ偏角
プリズムの例である。これに対し、(d)は、光学軸10
8dが稜線107dと同じ平面上になく、入射したビームを2
つの互いに直交する直線偏光成分に分離することはでき
ないが、右回りと左回りの互いに逆方向の二つの円偏光
成分に分離して、これらの間の所定の偏角の角度差をも
たせて出射する機能をもつ偏角プリズムの例である。
In FIG. 5, (a), (b) and (c) are optical axes 108a, 108b and 108c and ridgelines 107a, 107b and 10 of the deflection prism.
7c is an example of a deflection prism having the function of separating the incident beam into two linearly polarized beams that are orthogonal to each other and emitting the same on the same plane as 7c. On the other hand, (d) shows the optical axis 10
8d is not on the same plane as ridge 107d,
It is not possible to separate into two mutually orthogonal linearly polarized light components, but it is separated into two clockwise and counterclockwise circularly polarized light components with mutually opposite directions, and there is a predetermined declination angle difference between them, and they are emitted. It is an example of a deflection prism having a function to do.

本発明においては、これらの偏角プリズムは入射光を
互いに干渉しない二つの偏光光束に分離しつつ、両偏光
光束の出射角度を互いに所定角度だけ異ならしめる機能
をもてばよく、一般的には偏光方向が互いに直交する二
つの直線偏光が好適であるが、長軸の向きが互いに直交
する二つの楕円偏光や、偏光の回転方向が互いに逆向き
の二つの円偏光に分離するものであってもよい。すなわ
ち本発明における偏光プリズムから出射される二つの偏
光光束は、光強度がほぼ等しく且つ互いに干渉を生じな
い二つの偏光成分であり、一般的には二つの偏光成分の
偏光ベクトルの内積が零となるような偏光、換言すれ
ば、二つの偏光成分の偏光ベクトルを夫々(Ax・Ay)、
(Bx・By)と成分表示するとき、 Ax ・Bx+Ax・Bx +Ay ・By+Ay・By =0 を満たすような二つの偏光成分である(*は複素共役を
表わす)。
In the present invention, these declination prisms may have a function of separating the incident light into two polarized light beams which do not interfere with each other and differentiating the emission angles of both polarized light beams by a predetermined angle, and generally, Two linearly polarized lights whose polarization directions are orthogonal to each other are preferable, but two elliptically polarized lights whose major axes are orthogonal to each other and two circularly polarized lights whose rotation directions are opposite to each other. Good. That is, two polarized light beams emitted from the polarizing prism in the present invention are two polarized light components having substantially equal light intensities and causing no interference with each other, and generally, the inner product of the polarization vectors of the two polarized light components is zero. Such that the polarization vector of the two polarization components is (A x · A y ),
When the component is expressed as (B x · B y ), there are two polarization components that satisfy A x * · B x + A x · B x * + A y * · B y + A y · B y * = 0 ( * Represents a complex conjugate).

この条件を満足する光学偏光素子としては、第5図
(a),(b),(c)に示した二つの直線偏光に分離
するものや、第5図(d)に示したような二つの円偏光
に分離するものなどがあり、また、互いに直交する二つ
の楕円偏光など、強度的に干渉しない二光束に分離する
ものも入手可能である。尚、二つの互いに逆向きの円偏
光に分離するものとしては、コルニューシュードデポラ
ライザとして知られている右水晶と左水晶とを組合わせ
た素子を用いることも可能であり、この場合は偏角プリ
ズムを通過した光ビームは右回り円偏光と左回り円偏光
との二光束に分離され、しかも二光束間に偏角の差がつ
くため、前述と同様に照明対象面での干渉縞の低減に寄
与することができる。
Optical polarization elements that satisfy this condition include those that split into two linearly polarized light shown in FIGS. 5 (a), (b), and (c), and those shown in FIG. 5 (d). For example, two circularly polarized lights can be separated, and two elliptically polarized lights orthogonal to each other such as two elliptically polarized lights that can be separated into two light beams that do not interfere in intensity are also available. Incidentally, as a device for separating two circularly polarized lights in opposite directions, it is also possible to use an element in which a right crystal and a left crystal are combined, which is known as a cornu pseudodepolarizer. The light beam that has passed through the prism is split into two light beams, a right-handed circularly polarized light and a left-handed circularly polarized light, and there is a difference in declination between the two light beams. It can contribute to the reduction.

これらの素子は、一般的に偏光解消素子として用いら
れているものであるが、前述のように互いに直交または
回転方向が逆の二偏光の偏角の差を適切に設定すること
により、フライアイレンズ等の波面分割型オプティカル
インテグレータによる干渉縞の発生を低減して、均一な
照明を可能とする。複屈折性結晶を通過する光は、偏光
の常光線と異常光線とに対して位相差を与えるため、所
謂波長板として作用する。この場合の偏角プリズムは、
厚みが全面で一様でなく、光の通過する場所によって厚
みが異なるため、通過してきた光ビームは通過場所によ
って偏光状態が異なったものとなり、入射光ビームが疑
似的に偏光解消効果を受けることになる。勿論、この場
合、入射光ビームが直線偏光であれば、その偏光方向に
対して偏角プリズムの結晶光学軸が45度の角度をなすよ
うにし、入射光ビームが楕円偏光であれば、その楕円の
長軸方向に対して偏角プリズムの結晶光学軸が45度の角
度をなすようにする必要があることは述べるまでもな
い。このように入射光ビームが疑似的に偏光解消効果を
受けることになると、第9図で述べたようなハーフミラ
ーを含む露光量検出系による露光量制御の精度が光源か
らの光ビームの偏光特性の変化で影響を受けるというこ
とがなくなる。
These elements are generally used as depolarization elements, but as described above, by appropriately setting the difference in the angle of deviation between two polarizations that are orthogonal to each other or rotate in opposite directions, The generation of interference fringes due to a wavefront division type optical integrator such as a lens is reduced to enable uniform illumination. The light passing through the birefringent crystal gives a phase difference between the ordinary ray and the extraordinary ray of polarized light, and thus acts as a so-called wave plate. The deflection prism in this case is
Since the thickness is not uniform over the entire surface and the thickness varies depending on the place where light passes, the polarization state of the passing light beam differs depending on the passing place, and the incident light beam is artificially depolarized. become. Of course, in this case, if the incident light beam is linearly polarized light, the crystal optical axis of the deflection prism should be at an angle of 45 degrees with respect to the polarization direction. It goes without saying that it is necessary to make the crystal optical axis of the deflection prism at an angle of 45 degrees with respect to the major axis direction of. As described above, when the incident light beam is artificially depolarized, the accuracy of the exposure amount control by the exposure amount detection system including the half mirror as shown in FIG. 9 depends on the polarization characteristic of the light beam from the light source. Will not be affected by changes in.

例えば第5図(a),(b),(c)に示されたよう
な偏角プリズムに、偏光方向が異なる光の合成光、或い
は結晶光学軸の方向とおよそ45゜をなす直線偏光、或い
は主軸が45゜をなす楕円偏光、或いは円偏光を入射する
と、偏角プリズムを通過したビームは第6図に示される
ように2方向へ屈折する。
For example, in a deflection prism as shown in FIGS. 5 (a), (b), and (c), synthetic light of lights having different polarization directions, or linearly polarized light having an angle of about 45 ° with the direction of the crystal optical axis, Alternatively, when elliptically polarized light having a principal axis of 45 ° or circularly polarized light is incident, the beam passing through the deflection prism is refracted in two directions as shown in FIG.

この際の屈折角は、o偏光(常光線:光の偏光方向
(振動方向)が光学軸と直角な光)に対しては(n0
1)α、e偏光(異常光線:光学軸と平行方向に偏光
(振動)している光)に対しては(ne−1)αである。
ただし、n0は、o偏光の屈折率(n0=1.6032)、neはe
偏光の屈折率(ne=1.6144)、αは偏角プリズムの頂角
である。即ち、稜線が結晶光学軸と同一平面にある第5
図(a),(b),(c)のような複屈折性結晶偏角プ
リズムによって分離された0偏光とe偏光は、互いの波
面が(ne−n0)αの角度をなし、かつ互いに干渉しな
い。
The refraction angle at this time is (n 0 − for ordinary light: light whose polarization direction (vibration direction) is perpendicular to the optical axis).
1) α, for e-polarized light (extraordinary ray: light polarized (vibrated) in the direction parallel to the optical axis), it is (n e -1) α.
Where n 0 is the refractive index of o-polarized light (n 0 = 1.6032), and n e is e
The refractive index of polarized light (n e = 1.6144), α is the apex angle of the deflection prism. That is, the fifth line whose ridge is in the same plane as the crystal optical axis
The wavefronts of the 0-polarized light and the e-polarized light separated by the birefringent crystal deflection prism as shown in FIGS. (A), (b) and (c) form an angle of (n e −n 0 ) α, And do not interfere with each other.

次にかかる偏角プリズムの頂角の求め方について説明
する。
Next, how to obtain the apex angle of the deflection prism will be described.

o偏光とe偏光のそれぞれによって生じる干渉パター
ンの周期を照明対象面で半周期ずらすための条件は次の
(1)式で与えられる(但しピッチa方向についてのみ
考える)。
The condition for shifting the cycle of the interference pattern generated by each of the o-polarized light and the e-polarized light by a half cycle on the illumination target surface is given by the following expression (1) (however, only the pitch a direction is considered).

(ne−n0)α=λ/2a ……(1) (1)式において、波長λ=248nm,フライアイレンズ
を構成するエレメントレンズの間隔a=b=4mmとする
と、 λ/2a=(248×10-9)/(2×4×10-3) =31μrad≒6.4″ となるから、 α=(λ/2a)/(ne−n0) =(31×10-6)/(1.6144−1.6032) ∴α≒2.768mrad≒0.1586゜≒9.5′ よって、頂角9.5′の水晶偏角プリズムを用いれば良
いことになる。
(N e −n 0 ) α = λ / 2a (1) In the formula (1), if the wavelength λ = 248 nm and the distance a = b = 4 mm between the element lenses forming the fly-eye lens, then λ / 2a = (248 × 10 -9 ) / (2 × 4 × 10 -3 ) = 31 μrad≈6.4 ″, so α = (λ / 2a) / (n e −n 0 ) = (31 × 10 -6 ) / (1.6144-1.6032) ∴α ≒ 2.768mrad ≒ 0.1586 ° ≒ 9.5 'Therefore, it is sufficient to use a crystal deflection angle prism with an apex angle of 9.5'.

なお、上記の例では偏角プリズムをフライアイレンズ
の入射側に配置する場合について説明したが、本発明に
おける偏角プリズムは必ずしもオプティカルインテグレ
ータの入射側に配置する必要はない。即ち、干渉パター
ンの周期は前述したように波長λとフライアイレンズの
ピッチa,bによって一義的に決まるので、偏角プリズム
の頂角を適宜選択すれば偏角プリズムは光路中のどこに
配置しても良い。
In the above example, the case where the deviation prism is arranged on the incident side of the fly-eye lens has been described, but the deviation prism in the present invention does not necessarily have to be arranged on the incident side of the optical integrator. That is, since the cycle of the interference pattern is uniquely determined by the wavelength λ and the pitches a and b of the fly-eye lens as described above, if the apex angle of the deflection angle prism is appropriately selected, the deflection angle prism can be placed anywhere in the optical path. May be.

ここで、レーザビームによる照明の一様性をより向上
させるためにフライアイレンズを2組用いる場合(第1
図の実施例の場合に対応する)の偏角プリズムの頂角の
決め方について第7図を用いて説明する。
Here, when two sets of fly-eye lenses are used to further improve the uniformity of illumination by the laser beam (first
How to determine the apex angle of the deflection prism (corresponding to the case of the embodiment in the drawing) will be described with reference to FIG.

まず2段目のフライアイレンズ205の前(入射側)に
水晶偏角プリズムを置く場合は、前述したのと同様に頂
角9.5′(λ=248nm,a=4mm)の水晶偏角プリズムを用
いれば良い。
First, when placing a crystal deflection prism in front of the second-stage fly-eye lens 205 (on the incident side), use a crystal deflection prism with an apex angle of 9.5 '(λ = 248 nm, a = 4 mm) as described above. You can use it.

一方、第7図に示されるように、第1段目のフライア
イレンズ203の前に偏角プリズムを置く場合は、波面の
傾きは第1段のフライアイレンズ203と次の凸レンズ204
による倍率の逆数だけ小さくなる。したがって、偏角プ
リズムの頂角はこの倍率分だけ大きくする必要がある。
一般にこの倍率は10倍程度であるので、水晶偏角プリズ
ムの頂角は9.5′×10=95′=1゜ 35′となり、これ
でo偏光とe偏光の分離角は約64″となる。
On the other hand, as shown in FIG. 7, when a deflection prism is placed in front of the first-stage fly-eye lens 203, the wavefront inclination is such that the first-stage fly-eye lens 203 and the next convex lens 204
It becomes smaller by the reciprocal of the magnification. Therefore, the apex angle of the deflection prism must be increased by this magnification.
Generally, since this magnification is about 10 times, the apex angle of the quartz deflection prism becomes 9.5 '× 10 = 95' = 1 ° 35 ', and the separation angle between the o-polarized light and the e-polarized light becomes about 64 ".

この際、ビーム全体の進行方向は、水晶偏角プリズム
207に入射する前の進行方向に対しておよそ95′×(1.6
−1)=57′だけずれるので、第7図のように例えば合
成石英製の光路補正プリズム209(屈折率約1.51,頂角1
゜ 50′)を必要に応じて偏角プリズム207に並べて配
置し、第8図に示されるようにビームの進行方向を光路
の両側へ等しい角度でそれぞれ傾くように補正すると良
い。このようにすれば補正プリズム209を通過したo偏
光とe偏光のなす角の二等分線が偏角プリズム207に入
射する前のビームの進行方向に一致するようになる。
尚、第8図では補正プリズム209を合成石英性の補正プ
リズムとしているが、偏角プリズム207と光学軸を直交
させた複屈折性偏角プリズムに代えてもよい。
At this time, the direction of travel of the entire beam is
About 95 '× (1.6
-1) = 57 ', so as shown in FIG. 7, for example, an optical path correction prism 209 made of synthetic quartz (refractive index of about 1.51, apex angle of 1
It is advisable to arrange (.degree.50 ') side by side with the deflection prism 207 as necessary and correct the beam traveling directions so that they are inclined at equal angles to both sides of the optical path, as shown in FIG. In this way, the bisector of the angle between the o-polarized light and the e-polarized light that has passed through the correction prism 209 matches the traveling direction of the beam before entering the deflection prism 207.
Although the correction prism 209 is a synthetic silica correction prism in FIG. 8, it may be replaced with a birefringent deflection prism whose optical axis is orthogonal to that of the deflection prism 207.

また、前述実施例ではフライアイレンズを2組用いる
場合について説明したが、これに限らず、フライアイレ
ンズと偏角プリズムとの間に光学的な倍率がかっている
場合には、同様に偏角プリズムの角度をその倍率分だけ
大きくしなければならないことは言うまでもない。
Further, although the case where two sets of fly-eye lenses are used has been described in the above embodiment, the present invention is not limited to this, and when the optical magnification is set between the fly-eye lens and the deflection prism, the deflection angle is similarly changed. It goes without saying that the prism angle must be increased by the magnification.

このように、複屈折性光学結晶材料からなる偏角プリ
ズムには、干渉性を低減させる効果と、偏光解消効果と
の二つの効果があり、且つ双方が両立することが明らか
である。
As described above, it is apparent that the deflecting prism made of the birefringent optical crystal material has two effects, that is, the effect of reducing the coherence and the effect of depolarizing, and they are compatible with each other.

以上の説明では、偏角プリズムによる偏角の方向をフ
ライアイレンズのレンズエレメントの一方のピッチa方
向についてのみ説明したが、ピッチb方向についても同
様であり、実際には両ピッチa,bの大きさに応じた合成
方向に偏角を向けることになる。以下に二次元配列のフ
ライアイレンズと偏光特性をもつレーザビームとを用い
た場合について、二つの偏光光束の偏角の差をフライア
イレンズのレンズエレメントの出射面の対角線方向につ
けるやり方を説明する。
In the above description, the direction of the declination by the declination prism has been described only for one pitch a direction of the lens elements of the fly-eye lens, but the same is true for the pitch b direction. The declination angle will be directed to the composite direction according to the size. In the case of using a two-dimensional array fly-eye lens and a laser beam having a polarization characteristic, a method of setting a difference in deviation angle between two polarized light beams in the diagonal direction of the exit surface of the lens element of the fly-eye lens is described below. To do.

第10図は、本発明に係る照明光学装置内のオプティカ
ルインテグレータとしてのフライアイレンズ401と偏角
プリズム402の重なりを光軸方向から見た模式図であ
る。このフライアイレンズ401は、入出射面が長方形を
したレンズエレネントを複数束ねた構成を有し、個々の
レンズ要素の入出射面の長方形の辺の長さは、第10図に
示したxy直角座標上でx軸に沿った短辺がa、y軸に沿
った長辺がbであり、この長方形の対角線はy軸に対し
てΨ′の角度をなしている。
FIG. 10 is a schematic view of an overlap of a fly-eye lens 401 as an optical integrator and a deviation prism 402 in the illumination optical device according to the present invention, as seen from the optical axis direction. This fly-eye lens 401 has a configuration in which a plurality of lens elements having a rectangular entrance / exit surface are bundled, and the length of the side of the rectangle of the entrance / exit surface of each lens element is xy shown in FIG. On the Cartesian coordinates, the short side along the x-axis is a and the long side along the y-axis is b, and the diagonal line of this rectangle forms an angle Ψ ′ with the y-axis.

第11図は、光軸方向からみた入射レーザビームの偏光
方向403aと、偏角プリズム402による出射光の目標偏角
方向403bと、偏角プリズム402の結晶光学軸方向403cと
の関係を第10図と同じxy座標で示している。
FIG. 11 shows the relationship between the polarization direction 403a of the incident laser beam viewed from the optical axis direction, the target declination direction 403b of the emitted light by the deflection prism 402, and the crystal optical axis direction 403c of the deflection prism 402. It is shown in the same xy coordinates as the figure.

入射レーザビームの干渉性がx方向とy方向の両方共
に強く、照明対象面上で格子状の干渉縞が発生する場合
には、第11図に示すように目標偏角方向403bがx軸とy
軸のどちらにも一致しないようにして、偏角プリズム40
2から出射される二つの分離された偏光ビームによる格
子状の干渉縞同士が照明対象面上で互いにx軸方向およ
びy軸方向の両方向にずれるようにする必要がある。
尚、入射レーザビームの干渉性がx軸またはy軸の何れ
か一方に強い場合は、原理的には干渉性の強い一方の軸
方向に関して目標偏角方向403bを定めればよいが、この
場合に他方の軸方向にも偏角を与えて目標偏角方向403b
がx軸とy軸のどちらにも一致しないように設定するこ
とは有効であり、結果として得られる照明対象面上での
干渉縞同士のずれは互いの光強度分布の山と谷を埋め合
って、照度の均一化に寄与することにかわりはない。
When the coherence of the incident laser beam is strong in both the x direction and the y direction and a lattice-shaped interference fringe is generated on the surface to be illuminated, as shown in FIG. 11, the target declination direction 403b is the x axis. y
Deflection prism 40 with no alignment to either of the axes
It is necessary that the lattice-shaped interference fringes formed by the two separated polarized beams emitted from 2 are displaced from each other on the illumination target surface in both the x-axis direction and the y-axis direction.
If the coherence of the incident laser beam is strong in either the x-axis or the y-axis, in principle, the target declination direction 403b may be determined with respect to the axial direction in which the coherence is strong. To the target declination direction 403b
Is effective so that it does not match both the x-axis and the y-axis, and the resulting misalignment of the interference fringes on the illumination target surface compensates for the peaks and valleys of each other's light intensity distribution. However, there is no change in contributing to making the illuminance uniform.

このように、目標偏角方向403bがx軸とy軸のどちら
にも一致しないようにするには、偏角プリズム402の結
晶光学軸方向403cが入射レーザビームの偏光方向403aに
対して例えば45度の角度をなすようにする必要がある。
尚、入射レーザビームが楕円偏光である場合は、前記偏
光方向403aは楕円の長軸の方向を意味することは述べる
までもない。
In this way, in order to prevent the target declination direction 403b from matching both the x-axis and the y-axis, the crystal optical axis direction 403c of the declination prism 402 is, for example, 45 with respect to the polarization direction 403a of the incident laser beam. It is necessary to make an angle of degrees.
Needless to say, when the incident laser beam is elliptically polarized, the polarization direction 403a means the direction of the major axis of the ellipse.

偏角プリズム402として第6図で述べた例と同様に水
晶偏角プリズムを使用する場合、そのe偏光に対する屈
折率neとo偏光に対する屈折率noとの差がne−no=0.01
12であると仮定すれば、フライアイレンズ401の入射面
上にて必要とされるo偏光とe偏光の偏角の角度差は微
小角であり、それぞれ x方向について:θ=λ(n+1/2)/a y方向について:θ=λ(m+1/2)/b (但しn,mは整数) と表わすことができる。従って、一般にx,y方向の合成
角度差θは、 θ=λ{[(n+1/2)/a] +[(m+1/2)/b]1/2 (但しλは入射レーザビームの波長) となり、このときの偏角方向は、前記偏角差が前記フラ
イアイレンズ402を前記光軸方向からみたときに前記寸
法bの長辺に対して、 Ψ=tan-1{[(n+1/2)/a]/[(m+1/2)/b]} の角度をなす方向となる。
When a crystal deflection prism is used as the deflection prism 402 as in the example described in FIG. 6, the difference between the refractive index n e for e-polarized light and the refractive index n o for o-polarized light is n e −n o = 0.01
Assuming that the angle is 12, the angle difference between the o-polarization and the e-polarization declination required on the incident surface of the fly-eye lens 401 is a minute angle, and for each x direction: θ x = λ (n + 1 / 2) / a y direction: It can be expressed as θ y = λ (m + 1/2) / b (where n and m are integers). Therefore, in general, the combined angle difference θ in the x and y directions is θ = λ {[(n + 1/2) / a] 2 + [(m + 1/2 ) / b] 2 } 1/2 (where λ is the incident laser beam Of the long side of the dimension b when the fly-eye lens 402 is viewed from the optical axis direction, the deviation angle direction is Ψ = tan −1 {[(( n + 1/2) / a] / [(m + 1/2) / b]}.

上記においてn,mのとりかたは任意であり、例えばn
=m=0の場合を考えると、 θ=λ{[1/a]+[1/b]1/2/2 Ψ=tan-1(b/a) となる。ここでΨ=tan-1(b/a)であるから、第10図に
示した前記Ψ′は、Ψ+Ψ′=90の関係となる。
In the above, the method of choosing n and m is arbitrary, for example, n
= Considering the case of m = 0, theta = lambda become {[1 / a] 2 + [1 / b] 2} 1/2 / 2 Ψ = tan -1 (b / a). Since Ψ = tan −1 (b / a), the Ψ ′ shown in FIG. 10 has a relationship of Ψ + Ψ ′ = 90.

従って、フライアイレンズ401のレンズエレメントの
対角線方向がy軸となす角がΨ′のときは、偏角プリズ
ム402による偏角方向403aはy軸に対して角度Ψ、つま
りx軸に対してΨ′の角度をなすことになる。
Therefore, when the angle formed by the diagonal direction of the lens element of the fly-eye lens 401 and the y-axis is Ψ ′, the deviation direction 403a by the deviation prism 402 is an angle Ψ with respect to the y-axis, that is, Ψ with respect to the x-axis. It makes an angle of ′.

但し、入射レーザビームの可干渉性がxまたはy方向
の何れか一方にのみ強く、他方が低いために照明対象面
上での干渉縞が縦縞または横縞だけとなる場合は、xま
たはy方向の可干渉性の強い方向にのみに偏角を与えれ
ばよいことは前述した通りである。
However, when the coherence of the incident laser beam is strong only in one of the x and y directions and the other is low and the interference fringes on the illumination target surface are only vertical stripes or horizontal stripes, the As described above, the declination may be given only to the direction having strong coherence.

フライアイレンズ401は、レンズエレメントの入出射
面が長方形のものを例に掲げたが、六角形の入出射面形
状を有するフライアイレンズを用いることもでき、この
場合の偏角方向について第12図と共に以下に説明する。
The fly-eye lens 401 exemplifies the one in which the entrance / exit surface of the lens element is rectangular, but a fly-eye lens having a hexagonal entrance / exit surface shape can also be used. It will be described below with reference to the drawings.

第12図は、六角柱のレンズエレメントを束ねてなるフ
ライアイレンズを光軸方向からみた模式図である。この
ようなフライアイレンズを用いた場合、照明対象面上で
は主として120度の角度の差をもつ三方向(u,v,w)の干
渉縞が観測される。u方向の干渉縞は例えば二次光源a
−a1間またはa−a1′間の干渉により発生し、v方向の
干渉縞は例えば二次光源a−a2間またはa−a2′間の干
渉により発生し、w方向の干渉縞は例えば二次光源a−
a3間またはa−a3′間の干渉により発生する。この場
合、干渉縞を除去するためには、三方向の干渉縞が全て
互いに(n+1/2)周期ずれるようにしなければならな
いが、そのためには、a−a1間と、a−a2間と、a−a3
間との光束に各々πの位相差がつくように波面を傾けな
ければならず、数学的にそのような解は存在しない。従
って六角柱レンズエレメントからなるフライアイレンズ
を用いる場合には、複屈折性偏角プリズムによる干渉縞
の完全な除去はできない。そこで、完全な除去ではな
く、照明対象面での光強度分布の均一化という観点に立
って考えると、a−a1間、a−a2間およびa−a3間がす
べて2π/3の位相差をもつようにするか、或いは三方向
の干渉縞のうち、一方向については干渉縞が生じるのを
許容して、残り二方向の干渉縞について除去するような
構成が考えられる。後者は、例えばa−a2間およびa−
a3間にπの位相差がつくような構成である。エキシマレ
ーザ等では、ビーム断面内で縦方向と横方向の可干渉性
が異なることが多いので、可干渉性の低い方向を前記許
容方向に一致させると効果的である。
FIG. 12 is a schematic view of a fly-eye lens formed by bundling hexagonal prismatic lens elements as seen from the optical axis direction. When such a fly-eye lens is used, interference fringes in three directions (u, v, w) having an angle difference of 120 degrees are mainly observed on the illumination target surface. The interference fringes in the u direction are, for example, the secondary light source a
-A 1 or a-a 1 ′, and v-direction interference fringes are generated by, for example, secondary light sources a-a 2 or a-a 2 ′ interference, and w-direction interference fringes. Is, for example, the secondary light source a−
generated by interference between between a 3 or a-a 3 '. In this case, in order to remove the interference fringes, it is necessary that all the interference fringes in the three directions be shifted from each other by (n + 1/2) cycles. For that purpose, between aa 1 and aa 2 And a-a 3
The wavefront must be tilted so that the luminous fluxes between and have a phase difference of π, and mathematically no such solution exists. Therefore, when a fly-eye lens composed of hexagonal prism lens elements is used, interference fringes cannot be completely removed by the birefringent deflection prism. Therefore, rather than a complete removal, when considered in the perspective of uniformity of the light intensity distribution on the illumination target surface, a-a between 1, between a-a 2 and between a-a 3 are all 2 [pi / 3 A configuration is considered in which there is a phase difference, or among interference fringes in three directions, interference fringes are allowed to occur in one direction and interference fringes in the remaining two directions are removed. The latter is, for example, between a-a 2 and a-
The structure is such that there is a phase difference of π between a 3 . In an excimer laser or the like, the coherence in the vertical direction and the coherence in the horizontal direction are often different in the beam cross section, so it is effective to match the direction with low coherence with the allowable direction.

以上に述べた各実施例は本発明の単なる例示であっ
て、本発明は特許請求の範囲の各請求項の記載範囲内に
おいて種々の変形が可能であることは述べるまでもな
い。
It goes without saying that the embodiments described above are merely examples of the present invention, and the present invention can be variously modified within the scope of the claims.

[発明の効果] 以上に述べたように、本発明においては、照明対象面
に現われる干渉パターンが照明光学系内のオプティカル
インテグレータの構造パラメータに起因する周期的構造
を有することを積極利用し、照明ビームを互いに干渉し
合うことのない二つの偏光光束に分離してそれらに所定
の偏角を与えることにより、照明対象面での両偏光光束
による干渉パターン同士を半周期ずらすものであり、オ
プティカルインテグレータの構造と使用波長によって特
定された構造パラメータをもつ偏角プリズム等の光学手
段を光路中に配置することにより、原則的にはビームを
空間的に振動させるための振動ミラー等の可動要素を設
ける必要なく、照明対象面での干渉パターンによる照度
むらを解消することができ、また光源の可干渉性が強い
場合に振動ミラー等を併用する場合でも、より効果的
に、換言すれば少ない振動回数で照明対象面における干
渉による照度むらを解消することが可能である。
[Effects of the Invention] As described above, in the present invention, the interference pattern appearing on the illumination target surface has a periodic structure due to the structural parameters of the optical integrator in the illumination optical system, and the By separating the beam into two polarized light beams that do not interfere with each other and giving them a predetermined declination, the interference patterns of both polarized light beams on the illumination target surface are shifted by a half cycle. In principle, a movable element such as an oscillating mirror for oscillating the beam spatially is provided by arranging an optical means such as a deflection prism having a structural parameter specified by the structure and the wavelength used in the optical path in the optical path. When there is no need, it is possible to eliminate uneven illuminance due to the interference pattern on the illumination target surface, and when the coherence of the light source is strong. Even when a vibrating mirror or the like is used together, it is possible to more effectively eliminate the uneven illuminance due to interference on the illumination target surface with a small number of vibrations.

かかる照明光学装置を例えば集積回路製造用の露光装
置に用いれば、生産効率を低下させることなく、一層の
微細回路を形成することができ、非常に有益である。
If such an illumination optical device is used in, for example, an exposure apparatus for manufacturing an integrated circuit, it is possible to form a finer circuit without lowering the production efficiency, which is very useful.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は、本発明の一実施例に係る投影露光装置の光学
的構成を示す斜視図、 第2図は、第1図の実施例における光源の構成を示す模
式図、 第3図は、干渉パターンの発生を説明する光路図、 第4図は、フライアイレンズの斜視図、 第5図(a)(b)(c)(d)は、複屈折性結晶プリ
ズムの種々の例を示す斜視図、 第6図は、複屈折性結晶プリズムによるビームの分離を
示す光路図、 第7図は、2組のフライアイレンズを用いる場合の要部
の光路図、 第8図は、複屈折性結晶プリズム通過後のビームの進行
方向の補正を説明する光路図、 第9図は、露光量制御を行なう場合の光学系の要部を示
す光路図、 第10図は、本発明に係る照明光学装置以内のオプティカ
ルインテグレータとしてのフライアイレンズと偏角プリ
ズムの重なりを光軸方向から見た模式図、 第11図は、光軸方向からみた入射レーザビームの偏光方
向と、偏角プリズムによる出射光の目標偏角方向と、偏
角プリズムの結晶光学軸方向との関係を示す説明図、 第12図は、六角柱のレンズエレメントを束ねてなるフラ
イアイレンズを光軸方向からみた模式図である。 (主要部分の符号の説明) 1……レーザ光源、3,5,103,203,303,401……フライア
イレンズ(オプティカルインテグレータ)、 4,21,25,104,204,305……レンズ(レンズ手段)、 7,107,207,402……偏角プリズム(光学手段)、 9,109……補正プリズム、R……レチクル(照明対象
面)、PL……投影レンズ、W……ウエハ、17……振動ミ
ラー。
FIG. 1 is a perspective view showing an optical configuration of a projection exposure apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of a light source in the embodiment of FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a perspective view of a fly-eye lens, and FIGS. 5 (a), (b), (c), and (d) show various examples of birefringent crystal prisms. FIG. 6 is a perspective view, FIG. 6 is an optical path diagram showing separation of beams by a birefringent crystal prism, FIG. 7 is an optical path diagram of a main part when two sets of fly-eye lenses are used, and FIG. FIG. 9 is an optical path diagram for explaining the correction of the traveling direction of the beam after passing through the crystalline crystal prism, FIG. 9 is an optical path diagram showing the main part of the optical system when the exposure amount is controlled, and FIG. 10 is the illumination according to the present invention. The overlap of the fly-eye lens and the deflection prism as an optical integrator within the optical device Fig. 11 is a schematic view seen from the axial direction. Fig. 11 shows the relationship between the polarization direction of the incident laser beam seen from the optical axis direction, the target declination direction of the emitted light by the deflection prism, and the crystal optical axis direction of the deflection prism. FIG. 12 is a schematic view of a fly-eye lens formed by bundling hexagonal prismatic lens elements viewed from the optical axis direction. (Explanation of symbols of main parts) 1 ... laser light source, 3,5,103,203,303,401 ... fly-eye lens (optical integrator), 4,21,25,104,204,305 ... lens (lens means), 7,107,207,402 ... declination prism (optical means) , 9,109 ... Correction prism, R ... Reticle (illumination target surface), PL ... Projection lens, W ... Wafer, 17 ... Vibration mirror.

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】光源から照射されるコヒーレント光ビーム
からビーム光軸と直角な平面内で空間的に周期的に分布
した複数の実又は虚の二次光源の群を形成するオプティ
カルインテグレータと、各二次光源からの光束を一つの
照明対象面上に重ね合わせるレンズ手段と、前記コヒー
レント光ビームから互いの偏光ベクトルの内積が零にな
るような二つの偏光光束を形成すると共に各偏光光束に
よる干渉パターンが前記照明対象面上で相対的に位置ず
れを生じるように前記オプティカルインテグレータへ入
射される前記各偏光光束に互いに異なる偏角を与える光
学手段とを備えた照明光学装置において、 前記オプティカルインテグレータは、直角四辺形の入出
射面を有する正または負の複数のレンズ要素を並列配置
したフライアイレンズからなり、 前記光学手段は、前記直角四辺形の隣り合う二辺の長さ
寸法を夫々a,b(但し、a≦b)とするとき、前記二つ
の偏光光束の偏角の差θとして、 θ=λ{[(n+1/2)/a] +[(m+1/2)/b]1/2 (但しλは波長、n,mは整数)を与え、且つ前記偏角差
が前記フライアイレンズを前記光軸方向からみたときに
前記寸法bの辺に対して、 Ψ=tan-1{[(n+1/2)/a]/[(m+1/2)/b]} の角度Ψをなして形成されるように光学的構造パラメー
タが定められていることを特徴とする照明光学装置。
1. An optical integrator that forms a group of a plurality of real or imaginary secondary light sources spatially periodically distributed in a plane perpendicular to the beam optical axis from a coherent light beam emitted from a light source, and Lens means for superimposing the light flux from the secondary light source on one illumination target surface and two polarized light fluxes from the coherent light beam such that the inner product of their polarization vectors becomes zero and the interference by each polarized light flux In an illumination optical device including an optical means that gives different polarization angles to each of the polarized light beams incident on the optical integrator so that a pattern is relatively displaced on the illumination target surface, the optical integrator is , Consisting of a fly-eye lens with multiple positive or negative lens elements arranged in parallel with a right-angled quadrilateral input / output surface. When the lengths of two adjacent sides of the right-angled quadrangle are a and b (where a ≦ b), the optical means defines θ = as a difference in deviation angle between the two polarized light beams. λ {[(n + 1/2) / a] 2 + [(m + 1/2 ) / b] 2 } 1/2 (where λ is the wavelength and n and m are integers), and the declination difference is the fly. An angle Ψ of Ψ = tan −1 {[(n + 1/2) / a] / [(m + 1/2) / b]} with respect to the side of the dimension b when the eye lens is viewed from the optical axis direction. An illuminating optical device characterized in that the optical structure parameters are determined so as to be formed.
【請求項2】前記光学手段が、光路中に挿入された複屈
折性光学材料からなる偏角プリズムを含む請求項1に記
載の照明光学装置。
2. The illumination optical apparatus according to claim 1, wherein the optical means includes a deflection prism made of a birefringent optical material inserted in an optical path.
【請求項3】前記コヒーレント光ビームが偏光特性を有
し、前記偏角プリズムが、前記偏光コヒーレント光ビー
ムの偏光方向に対して光軸方向からみたときに45度の角
度をなす光学軸を有する複屈折性光学材料からなる請求
項2に記載の照明光学装置。
3. The coherent light beam has a polarization characteristic, and the deflection prism has an optical axis forming an angle of 45 degrees with respect to the polarization direction of the polarized coherent light beam when viewed from the optical axis direction. The illumination optical device according to claim 2, which is made of a birefringent optical material.
【請求項4】光源から照射されるコヒーレント光ビーム
からビーム光軸と直角な平面内で空間的に周期的に分布
した複数の実又は虚の二次光源の群を形成するオプティ
カルインテグレータと、各二次光源からの光束をレチク
ル上に重ね合わせるレンズ手段とを有し、前記レクチル
上のパターンをウェハ上に転写する露光装置において、 前記コヒーレント光ビームから互いの偏光ベクトルの内
積が零になるような二つの偏光光束を形成すると共に各
偏光光束による干渉パターンが前記レクチル上で相対的
に位置ずれを生じるように前記オプティカルインテグレ
ータへ入射される前記各偏光光束に互いに異なる偏角を
与える光学手段を有し、 前記オプティカルインテグレータは、直角四辺形の入出
射面を有する正または負の複数のレンズ要素を並列配置
したフライアイレンズからなり、 前記光学手段は、前記直角四辺形の隣り合う二辺の長さ
寸法を夫々a,b(但し、a≦b)とするとき、前記二つ
の偏光光束の偏角の差θとして、 θ=λ{[(n+1/2)/a] +[(m+1/2)/b]1/2 (但しλは波長、n,mは整数)を与え、 且つ前記偏角差が前記フライアイレンズを前記光軸方向
からみたときに前記寸法bの辺に対して、 Ψ=tan-1{[(n+1/2)/a]/[(m+1/2)/b]} の角度Ψをなして形成されるように光学的構造パラメー
タが定められていることを特徴とする露光装置。
4. An optical integrator which forms a group of a plurality of real or imaginary secondary light sources spatially periodically distributed in a plane perpendicular to the beam optical axis from a coherent light beam emitted from the light source, In an exposure apparatus having lens means for superimposing a light beam from a secondary light source on a reticle and transferring the pattern on the reticle onto a wafer, the inner products of mutual polarization vectors from the coherent light beams become zero. An optical means that forms two different polarized light beams and gives different polarization angles to the polarized light beams incident on the optical integrator so that an interference pattern due to each polarized light beam causes a relative displacement on the reticle. The optical integrator has a plurality of positive or negative lens elements having a right-angled quadrilateral input / output surface. The optical means is composed of fly-eye lenses arranged in rows, and the optical means is such that when the lengths of two adjacent sides of the right-angled quadrangle are a and b (where a ≦ b), the polarization of the two polarized light beams is deviated. As the angle difference θ, θ = λ {[(n + 1/2) / a] 2 + [(m + 1/2 ) / b] 2 } 1/2 (where λ is the wavelength and n and m are integers), Further, when the deviation angle is viewed from the optical axis direction of the fly-eye lens, Ψ = tan −1 {[(n + 1/2) / a] / [(m + 1/2) The exposure apparatus is characterized in that the optical structure parameters are determined so as to be formed at an angle ψ of / b]}.
【請求項5】光源から照射されたコヒーレント光ビーム
を、オプティカルインテグレータによってビーム光軸と
直角な平面内で空間的に周期的に分布した複数の実また
は虚の二次光源の群に形成し、前記各二次光源からの光
束を重ね合わせてレチクルを照明することにより、前記
レチクル上のパターンをウェハ上に転写する露光方法に
おいて、 前記コヒーレント光ビームから互いの偏光ベクトルの内
積が零となる二つの偏光光束に形成する工程と、 前記二つの偏光光束による干渉パターンが前記レチクル
上で相対的に位置ずれを生じるように前記二つの偏光光
束に互いに異なる偏角を与える工程とを含み、 前記オプティカルインテグレータとして、直角四辺形の
入出射面を有する正または負の複数のレンズ要素を並列
配置したフライアイレンズを用い、 前記二つの偏光光束は、前記直角四辺形の隣り合う二辺
の長さ寸法をそれぞれa,b(但し、a≦b)とすると
き、前記二つの偏光光束の偏角の差θが、 θ=λ{[(n+1/2)/a] +[(m+1/2)/b]1/2 (但し、λは波長、n,mは整数)を満たし、 且つ、前記フライアイレンズを前記光軸方向からみた時
に前記寸法bの辺に対して偏角差θのなす角度Ψが、 Ψ=tan-1{[(n+1/2)/a]/[(m+1/2)/b]} を満たすことを特徴とする露光方法。
5. A coherent light beam emitted from a light source is formed by an optical integrator into a group of a plurality of real or imaginary secondary light sources spatially and periodically distributed in a plane perpendicular to the beam optical axis, In an exposure method for transferring a pattern on the reticle onto a wafer by illuminating a reticle by superimposing light fluxes from the respective secondary light sources, an inner product of polarization vectors of the coherent light beams becomes zero. Forming the two polarized light beams, and providing the two polarized light beams with different deviation angles so that the interference pattern by the two polarized light beams causes a relative displacement on the reticle, As an integrator, a fly eye lens in which a plurality of positive or negative lens elements having a right-angled quadrilateral input / output surface are arranged in parallel. And the two polarized light beams have a difference in deviation angle between the two polarized light beams when the lengths of two adjacent sides of the right-angled quadrangle are a and b (where a ≦ b), respectively. θ satisfies θ = λ {[(n + 1/2) / a] 2 + [(m + 1/2 ) / b] 2 } 1/2 (where λ is the wavelength and n and m are integers), and When the fly-eye lens is viewed from the optical axis direction, the angle Ψ formed by the deviation angle θ with respect to the side of the dimension b is Ψ = tan −1 {[(n + 1/2) / a] / [(m + 1 / 2) / b]} is satisfied.
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