JP3049776B2

JP3049776B2 - 投影露光装置及び方法、並びに素子製造方法

Info

Publication number: JP3049776B2
Application number: JP2408095A
Authority: JP
Inventors: 直正白石
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1990-12-27
Filing date: 1990-12-27
Publication date: 2000-06-05
Anticipated expiration: 2015-06-05
Also published as: JPH04225359A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体等の回路パター
ン又は液晶表示素子のパターン等の転写に使用される投
影型露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体等の回路パターン形成には、一般
にフォトリソグラフ技術と呼ばれる工程が必要である。
レチクル（マスク）パターンをウェハ等の試料基板上に
転写する方法が採用されている。試料基板上には感光性
のフォトレジストが塗布されており、照射影像、即ちレ
チクルパターンの透過部形状に応じて、フォトレジスト
に回路パターンが転写される。そして、投影型露光装置
では、レチクル上に描画された転写すべき回路パターン
が、投影光学系を介して試料基板（ウェハ）上に投影、
結像される。

【０００３】また、レチクルを照明するための照明光学
系中には、フライアイレンズ、ファイバー等のオプチカ
ルインテグレータが使用されている。このオプチカルイ
ンテグレータは、レチクル上に照射される照明光の強度
分布を均一化するための手段である。この均一化を最適
に行うために、フライアイレンズを用いた場合、レチク
ル側焦点面とレチクル面とはほぼフーリエ変換の関係で
結ばれており、また、レチクル側焦点面と光源側焦点面
ともフーリエ変換の関係で結ばれている。従って、レチ
クルパターン面と、フライアイレンズの光源側の焦点面
（正確にはフライアイレンズの個々のレンズエレメント
の光源側の焦点面）とは、結像関係（共役関係）で結ば
れている。このため、レチクル上では、フライアイレン
ズの各エレメント（２次光源像）からの照明光がそれぞ
れ加算（重畳）されることで平均化され、レチクル上の
照度均一性を良好とすることが可能となっている。

【０００４】従来の投影型露光装置では、上述のフライ
アイレンズ等のオプチカルインテグレータ入射面に入射
する照明光束の光量分布を、照明光学系の光軸を中心と
するほぼ円形内（あるいは矩形内）でほぼ一様となるよ
うにしていた。図１３は、上述の従来の投影光学系を示
し、照明光束Ｌ８１は、照明光学系中のフライアイレン
ズ１１，空間フィルター１２、及びコンデンサーレンズ
１５を介してレチクルパターン１７を照射する。ここ
で、空間フィルター１２はフライアイレンズ１１のレチ
クル側焦点面１１ｂ、すなわちレチクル１６に対するフ
ーリエ変換面（以後、瞳面と略す）、もしくはその近傍
に配置され、投影光学系の光軸ＡＸを中心としたほぼ円
形領域の開口を有し、瞳面内にできる２次光源（面光
源）像を円形に制限する。こうしてレチクル１６のパタ
ーン１７を通過した照明光は、投影光学系１８を介して
ウェハ２０のレジスト層に結像される。ここで、光束を
表す実線は１点から出た光の主光線を表している。

【０００５】このとき照明光学系（１１，１２，１５）
の開口数と投影光学系１８のレチクル側開口数の比、所
謂σ値は開口絞り（例えば空間フィルター１２の開口
径）により決定され、その値は０．３〜０．６程度が一
般的である。照明光Ｌ８１はレチクル１６にパターニン
グされたパターン１７により回折され、パターン１７か
らは０次回折光Ｄ₀，＋１次回折光Ｄ_P，−１次回折光
Ｄ_mが発生する。夫々の回折光（Ｄ₀，Ｄ_P，Ｄ_m）は
投影光学系１８により集光されウェハ（試料基板）２０
上に干渉縞を発生させる。この干渉縞がパターン１７の
像である。

【０００６】このとき０次回折光Ｄ₀と±１次回折光Ｄ
_P，Ｄ_mのなす角θ（レチクル側）はｓｉｎθ＝λ／Ｐ
（λ：露光波長、Ｐ：パターンピッチ）により決まる。
パターンピッチが微細化するとｓｉｎθが大きくなり、
ｓｉｎθが投影光学系１８のレチクル側開口数（Ｎ
Ａ_R）より大きくなると±１次回折光Ｄ_P，Ｄ_mは投影
光学系１８の瞳面１９をを通過できなくなる。

【０００７】このときウェハ２０上には０次回折光Ｄ
_０のみしか到達せず干渉縞は生じない。つまりｓｉｎ
θ＞ＮＡ_Rとなる場合にはパターン１７の像は得られ
ず、パターン１７をウェハ２０上に転写することができ
なくなってしまう。以上のことから、今までの露光装置
においては、ｓｉｎθ＝λ／Ｐ≒ＮＡ_RとなるピッチＰ
は次式で与えられていた。Ｐ≒λ／ＮＡ_R （１）最小パターンサイズはピッチＰの半分であるから、最小
パターンサイズは、０．５×λ／ＮＡ_R程度となるが、
実際のフォトリソグラフィーにおいてはウェハの湾曲、
プロセスによるウェハの段差等の影響、又はフォトレジ
スト自体の厚さのために、ある程度の焦点深度が必要と
なる。このため、実用的な最小解像パターンサイズは、
ｋ×λ／ＮＡとして表される。ここでｋはプロセス定数
と呼ばれ０．６〜０．８程度となる。レチクル側開口数
ＮＡ_Rとウェハ側開口数ＮＡ_Wとの比は、投影光学系の
結像倍率と同じであるので、結像倍率を１／５とした時
のレチクル上における最小解像パターンサイズはｋ×λ
／ＮＡ_R、ウェハ上における最小解像パターンサイズは
ｋ×λ／ＮＡ_W＝ｋ×λ／５ＮＡ_Rとなる。

【０００８】従って、より微細なパターンを転写するた
めには、より短い波長の露光光源を使用するか、或いは
より開口数の大きな投影光学系を使用するかを選択する
必要があった。もちろん、波長と開口数の両方を最適化
する努力も考えられる。また、レチクルの回路パターン
の透過部分のうち、特定の部分からの透過光の位相を他
の透過部分からの透過光の位相よりπだけずらす、所謂
位相シフトレチクルが特公昭６２−５０８１１号公報等
で提案されている。この位相シフトレチクルを使用する
と従来よりも、より微細なパターンの転写が可能とな
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
露光装置においては、照明光源を現在より短波長化する
ことは、透過光学部材として使用可能な適当な光学材料
が存在しない等の理由により困難であった。短波長の光
の透過率が高い石英をレチクルブランクとして使用した
としても、波長２００ｎｍ以下では、透過率が低下して
くる。

【００１０】また投影光学系の開口数は、現状でも既に
理論的限界に近く、これ以上の大開口化はほぼ望めない
状態であった。また、もし現状以上の大開口化が可能で
あるとしても、±λ／２ＮＡ²で表される焦点深度は開
口数の増加に伴って急激に減少し、実使用に必要な焦点
深度がますます少なくなるという問題が顕著になってく
る。

【００１１】一方、位相シフトレチクルについては、そ
の製造工程が複雑であり、従ってコストも高く、また検
査及び修正方法も未だ確立されていないなど多くの問題
が残されており、昨今の早急な微細化要求に確実に対応
できるか不安視されている。本発明は上記問題点に鑑み
てなされたもので、通常のレチクルを使用して高解像
度、且つ大焦点深度が得られる投影型露光装置の実現を
目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、光源（１）か
らの照明光をマスク（１６）に照射する照明光学系と、
照明光を基板（２０）上に投射する投影光学系（１８）
とを備え、照明光の照射によってマスクのパターン（１
７）を基板上に転写する投影露光装置に関するものであ
る。そして、本発明による第１の投影露光装置では、照
明光学系内のパターンに対するフーリエ変換相当面（瞳
面）もしくはその近傍に２次光源を形成するオプチカル
インテグレータ（１１）と、光源とオプチカルインテグ
レータとの間に設けられ、パターンの微細度（ピッチ
Ｐ）に応じた距離だけ照明光学系の光軸（ＡＸ）に対し
て偏心した領域に２次光源が形成されるように、照明光
を照明光学系の光軸と異なる方向に進ませる光学部材
（５；５Ａ；６；７；８）とを設けることとした。この
ため、照明光の光量損失を大幅に低減できるとともに、
高解像度かつ大焦点深度でパターンを基板上に転写する
ことが可能となっている。また、本発明による第２の投
影露光装置では、照明光学系内のフーリエ変換面（瞳
面）上での照明光の光量分布を照明光学系の光軸（Ａ
Ｘ）から偏心した複数の領域で高めるとともに、パター
ン（１７）の微細度（ピッチＰ）に応じてその光軸との
距離を複数の領域でほぼ等しく規定する光学部材（５；
５Ａ；６；７；８）を、光源（１）と照明光学系内に設
けられるオプチカルインテグレータ（１１）との間に配
置することとした。このため、マスク上での照度均一性
を低下させることなく、高解像度かつ大焦点深度でパタ
ーンを基板上に転写することが可能となっているさら
に、本発明による第３の投影露光装置では、照明光学系
内のフーリエ変換面（瞳面）上での照明光の光量分布を
照明光学系の光軸（ＡＸ）から偏心した複数の領域で高
めるとともに、パターン（１７）の微細度（ピッチＰ）
に応じてその光軸との距離を複数の領域でほぼ等しく規
定する第１光学部材（１２）と、光源（１）と照明光学
系内のオプチカルインテグレータ（１１）との間に配置
され、第１光学部材に対して照明光を、照明光学系の光
軸上の領域よりもその外側で光量を多くして入射させる
第２光学部材（５；５Ａ；６；７；８）とを設けること
とした。このため、第１光学部材での照明光の光量損失
を大幅に低減できるとともに、高解像度かつ大焦点深度
でパターンを基板上に転写することが可能となってい
る。ここで、本発明の投影露光装置は、オプチカルイン
テグレータとしてフライアイレンズを用いるものとする
と、原理的に図１２に示すように構成される。図１２に
おいて図１３と同じ部材には同一の符号を付してある。
図１２において、フライアイレンズ１１の光源側焦点面
１１ａ近傍に設けられた空間フィルター１０は、フライ
アイレンズ１１に入射する照明光束Ｌ７０を、フライア
イレンズ１１の光源側焦点面（入射面）１１ａの特定位
置に入射するものに制限する。このため、フライアイレ
ンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂに形成される２次光
源像も、ほぼフライアイレンズ１１の光源側焦点面１１
ａに入射する照明光に従ったものとなる。ここで、空間
フィルター１０の透過部分はマスク上のパターンに応じ
た分だけ照明光学系もしくは投影光学系の光軸から偏心
した位置に設けられている。また、空間フィルター１０
等の光学部材の透過部分の位置、形状を変更することに
より、フライアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａ上に
入射する照明光を可変とすることができる。従って、フ
ライアイレンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂ上におけ
る２次光源像の位置、大きさも可変とすることができ
る。また、フライアイレンズ１１のレチクル側焦点面１
１ｂは、レチクルパターン１７に対してほぼフーリエ変
換面（投影レンズ１８の瞳面１９と略共役な面）となっ
ており、このフーリエ変換面上での２次光源像の位置、
大きさを可変とすることとなる。また、２次光源像のレ
チクル側焦点面１１ｂ（瞳面１９）内での位置は、レチ
クル１６に入射する光束の入射角度や方向を決定するの
で、本発明における投影露光装置においては、レチクル
１６に入射する照明光束の入射角度ψや方向をほぼ任意
に制御することが可能である。また、本発明による投影
露光装置を用いた素子製造方法では、回路パターン形成
のフォトリソグラフィ工程で微細な半導体素子などを製
造することができる。さらに、本発明による投影露光方
法は、照明光学系を通して光源（１）からの照明光をマ
スク（１６）に照射するとともに、投影光学系（１８）
を介して照明光で基板（２０）を露光するものである。
そして、照明光学系内のフーリエ変換面（瞳面）上で、
マスクのパターン（１７）の微細度（ピッチＰ）に応じ
た距離だけ照明光学系の光軸（ＡＸ）から偏心し、かつ
光軸との距離がほぼ等しい複数の領域内に照明光を分布
させるために、光源（１）と照明光学系内のオプチカル
インテグレータ（１１）との間で照明光を互いに異なる
方向に進む複数の光束に変換することとした。なお、フ
ーリエ変換面上の複数の領域以外で照明光の光量をほぼ
零にしてもよい。このため、照明光の光量損失を大幅に
低減できるとともに、マスク上での照度均一性を低下さ
せることなく、高解像度かつ大焦点深度でパターンを基
板上に転写することが可能となっている。

【００１３】

【作用】レチクル（マスク）上に描画された回路パタ
ーン（レチクルパターン）１７は、一般に周期的なパタ
ーンを多く含んでいる。従って、空間フィルター１０の
透過部を透過した照明光が照射されたレチクルパターン
１７からは、０次回折光成分Ｄ₀及び±１次回折光成分
Ｄ_P，Ｄ_m、及びさらに高次の回折光成分がパターンの
微細度に応じた方向に発生する。

【００１４】このとき、図１２のごとく照明光束Ｌ７１
（主光線）が光軸ＡＸに対して角度ψだけ傾いた角度で
フォトマスクに入射するから、発生した各次数の回折光
成分も垂直に照明された場合に比べ、傾き（角度ずれ）
をもってレチクルパターン１７より発生する。照明光Ｌ
７１はレチクルパターン１７により回折され光軸ＡＸに
対してψだけ傾いた方向に進む０次回折光成分Ｄ_{0 ,}０
次回折光成分Ｄ₀に対してθ_Pだけ傾いた方向に進む＋
１次回折光成分Ｄ_P，及び０次回折光成分Ｄ₀に対して
θ_mだけ傾いて進む−１次回折光成分Ｄ_mを発生する。
しかしながら、照明光Ｌ７１は両側テレセントリックな
投影光学系１８の光軸ＡＸに対して角度ψだけ傾いてレ
チクルパターン１７に入射するので、０次回折光成分Ｄ
₀もまた投影光学系の光軸ＡＸに対して角度ψだけ傾い
た方向に進行する。

【００１５】従って、＋１次光回折光成分Ｄ_Pは光軸Ａ
Ｘに対してθ_P＋ψの方向に進行し、−１次回折光成分
Ｄ_mは光軸ＡＸに対してθ_m−ψの方向に進行する。こ
のとき回折角θ_P，θ_mは夫々、ｓｉｎ（θ_P＋ψ）−ｓｉｎψ＝λ／Ｐ（２）ｓｉｎ（θ_m−ψ）＋ｓｉｎψ＝λ／Ｐ（３）である。

【００１６】ここでは、＋１次回折光成分Ｄ_P，−１次
回折光成分Ｄ_mの両方が投影光学系１８の瞳面１９を透
過しているものとする。レチクルパターン１７の微細化
に伴って回折角が増大すると先ず、角度θ_P＋ψの方向
に進行する＋１次回折光成分Ｄ_Pが投影光学系１８の瞳
面１９を通過できなくなる。すなわちｓｉｎ（θ_P＋
ψ）＞ＮＡ_Rの関係になってくる。しかし照明光Ｌ７１
が光軸ＡＸに対して傾いて入射しているため、このとき
の回折角でも−１次回折光Ｄ_mは、投影光学系１８に入
射可能となる。すなわちｓｉｎ（θ_m−ψ）＜ＮＡ_Rの
関係になる。

【００１７】従って、ウェハ２上には０次回折光成分Ｄ
₀と−１次回折光成分Ｄ_mの２光束による干渉縞が生じ
る。この干渉縞はレチクルパターン１７の像であり、レ
チクルパターン１７が１：１のラインアンドスペースの
とき、約９０％のコントラストとなって、ウェハ２０上
に塗布されたレジストにレチクルパターン１７の像をパ
ターニングすることが可能となる。

【００１８】このときの解像限界は、ｓｉｎ（θ_m−ψ）＝ＮＡ_R （４）となるときであり、従って、ＮＡ_R＋ｓｉｎψ＝λ／ＰＰ＝λ／（ＮＡ_R＋ｓｉｎψ）（５）が転写可能な最小パターンのレチクル側でのピッチであ
る。

【００１９】一例として今ｓｉｎψを０．５×ＮＡ_R程
度に定めるとすれば、転写可能なレチクル上の最小ピッ
チは、Ｐ＝λ／（ＮＡ_R＋０．５×ＮＡ_R）＝２λ／３ＮＡ_R （６）となる。

【００２０】一方、図１３に示す照明光の瞳面１９上で
の分布が投影光学系１８の光軸ＡＸを中心とする円形領
域内である従来の露光装置の場合、解像限界は（１）式
に示したようにＰ≒λ／ＮＡ_Rであった。従って、従来
の露光装置より高い解像度が実現できることがわかる。
次に、レチクルパターンに対して特定の入射方向と入射
角で露光光を照射して、０次回折光成分と１次回折光成
分とを用いてウェハ上に結像パターン形成方法によっ
て、焦点深度も大きくなる理由について説明する。

【００２１】図１２のようにウェハ２０が投影光学系１
８の焦点位置に一致している場合には、レチクルパター
ン１７中の１点を出てウェハ上の１点に達する各回折光
は、投影光学系１８のどの部分を通るものであっても全
て等しい光路長を有する。このため従来のように０次回
折光成分が投影光学系１８の瞳面１９のほぼ中心（光軸
近傍）を貫通する場合でも、０次回折光成分とその他の
回折光成分とで光路長は相等しく、相互の波面収差も零
である。しかし、ウェハ２０が投影光学系１８の焦点位
置に一致していないデフォーカス状態の場合、斜めに入
射する高次の回折光の光路長は光軸近傍を通る０次回折
光に対して焦点前方（投影光学系１８から遠ざかる方）
では短く、焦点後方（投影光学系１８に近づく方）では
長くなり、その差は入射角の差に応じたものとなる。従
って、０次、１次、…の各回折光は相互に波面収差を形
成して焦点位置の前後におけるボケを生じることとな
る。

【００２２】前述のデフォーカスによる波面収差は、ウ
ェハ２０の焦点位置からのずれ量をΔＦ、各回折光がウ
ェハ２０に入射するときの入射角θ_wの正弦をｒ（ｒ＝
ｓｉｎθ_w）とすると、ΔＦｒ²／２で与えられる量で
ある（このときｒは各回折光の瞳面１９での光軸ＡＸか
らの距離を表す。）。従来の図１３に示した投影型露光
装置では、０次回折光成分Ｄ₀は光軸ＡＸの近傍を通る
ので、ｒ（０次）＝０となり、一方、±１次回折光成分
Ｄ_P，Ｄ_mは、ｒ（１次）＝Ｍλ／Ｐとなる（Ｍは投影
光学系の倍率）。従って、０次回折光成分Ｄ₀と±１次
回折光成分Ｄ_P，Ｄ_mのデフォーカスによる波面収差
は、ΔＦ・Ｍ²（λ／Ｐ）²／２となる。

【００２３】一方、本発明における投影型露光装置で
は、図１２に示すように０次回折光成分Ｄ₀は、光軸Ａ
Ｘから角度ψだけ傾いた方向に発生するから、瞳面１９
における０次回折光成分Ｄ₀の光軸ＡＸからの距離は、
ｒ（０次）＝Ｍｓｉｎψである。一方、−１次回折光
成分Ｄ_mの瞳面１９における光軸ＡＸからの距離は、ｒ
（−１次）＝Ｍｓｉｎ（θ_m−ψ）となる。このとき、
ｓｉｎψ＝ｓｉｎ（θ_m−ψ）となれば、０次回折光成
分Ｄ₀と−１次回折光成分Ｄ_mのデフォーカスによる相
対的な波面収差は零となり、ウェハ２０が焦点位置より
光軸方向に若干ずれてもパターン１７の像ボケは従来程
大きく生じないことになる。即ち、焦点深度が増大する
ことになる。

【００２４】また、（３）式のようにｓｉｎ（θ_m−
ψ）＋ｓｉｎψ＝λ／Ｐであるから、照明光束Ｌ７１の
レチクル１６への入射角ψをピッチＰのパターンに対し
て、ｓｉｎψ＝λ／２Ｐの関係にすれば、焦点深度を極
めて増大させることが可能である。ここでは、フライア
イレンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂ上の２次光源像
を、フライアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａに入射
する照明光束を制御することによって与えている。

【００２５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の第１の実
施例を説明する。図１は、本発明の第１の実施例に好適
な投影型露光装置（ステッパー）の概略を示し、フライ
アイレンズ１１の光源側焦点面１１ａ上に照明光を集中
させる光学部材（本発明のインプット光学系の一部）と
して、回折格子状パターン５を設けるようにした。

【００２６】水銀ランプ１より発生した照明光束は、楕
円鏡２の第２焦点ｆ₀に集光した後、ミラー３、リレー
系等のレンズ系４を介して回折格子状パターン５に照射
される。このときの照明方法は、ケーラー照明法であっ
ても、クリチカル照明法であっても良いが、強い光量を
得るためにはクリチカル照明法の方が望ましい。回折格
子状パターン５から発生した回折光は、リレーレンズ９
によりフライアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａ（入
射面）の光軸ＡＸから偏心した位置に集中して入射す
る。ここでは０次，±１次の回折光が発生しているもの
とする。このとき、フライアイレンズ１１の光源側焦点
面１１ａと、回折格子状パターン５とは、リレーレンズ
９を介してほぼフーリエ変換の関係となっている。尚、
図１では回折格子状パターン５への照明光は平行光束と
して図示したが、実際は発散光束となっているため、フ
ライアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａへの入射光束
はある大きさ（太さ）を持っている。従って、光源側焦
点面１１ａへの入射光束に応じたフライアイレンズ１１
のレチクル側焦点面１１ｂからの射出光束もある大きさ
をもっている。

【００２７】一方、フライアイレンズ１１のレチクル側
焦点面１１ｂは、レチクルパターン１７のフーリエ変換
面（瞳共役面）とほぼ一致する様に配置されている。ま
た、図１に示したフライアイレンズ１１の各レンズエレ
メントは両凸レンズとし、且つ光源側焦点面１１ａと入
射面、レチクル側焦点面１１ｂと射出面が夫々一致する
場合の例であったが、フライアイのレンズエレメントは
この関係を厳密に満たさなくても良く、また平凸レンズ
や、凸平レンズ、あるいは平凹レンズであっても良い。

【００２８】尚、フライアイレンズ１１の光源側焦点面
１１ａと、レチクル側焦点面１１ｂとは、当然ながらフ
ーリエ変換の関係である。従って図１の例の場合、フラ
イアイレンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂ、即ちフラ
イアイレンズ射出面は、回折格子状パターン５と結像関
係（共役）になっている。さて、フライアイレンズ１１
のレチクル側焦点面１１ｂより射出される光束は、コン
デンサーレンズ１３、１５、ミラー１４を介してレチク
ル１６を均一な照度分布で照明する。本実施例では、フ
ライアイレンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂ（射出
側）近傍に回折格子状パターン５からの±１次回折光に
合わせて２つの開口部をくり抜かれた金属板等からなる
遮光部材１２を配置し、回折格子状パターン５からの０
次回折光等をカットする。このため、レチクルパターン
１７に照明される照明光は、フライアイレンズ１１のレ
チクル側焦点面１１ｂ上で光軸ＡＸから偏心した位置に
２つの２次光源像を持つものに制限される。フライアイ
レンズの１１の光源側焦点面１１ａ上に照明光を集中さ
せる光学部材として回折格子状パターン５を用いている
ため、光軸ＡＸについて対称な２つの２次光源像が形成
される。従ってレチクルパターン１７に照明される照明
光は、レチクルパターン１７への入射角が特定の入射角
を持つ光束のみに制限される。また前述の如く、フライ
アイレンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂには回折格子
状パターン５の像ができているが、レチクル側焦点面１
１ｂとレチクルパターン面１７とはフーリエ変換面の関
係となっているため、回折格子状パターン５そのものが
レチクル１６に結像して照度均一性を劣化させることも
なく、さらに回折格子状パターン５の欠陥や、ゴミ等に
より不均一化されることがない。回折格子状パターン５
は、透過性の基板、例えばガラス基板の表面にＣｒ等の
遮光膜がパターニングされたものであっても良いし、Ｓ
ｉＯ₂等の誘電体膜がパターニングされた、所謂位相グ
レーティングであっても良い。位相グレーテイングの場
合、０次回折光の発生を押さえることができ、空間フィ
ルター１２を省略することができるとともに光量損失が
少ないといった利点がある。

【００２９】尚、空間フィルター１２はフライアイレン
ズ１１の射出面側であるフライアイレンズ１１の光源側
焦点面１１ｂ近傍に設けたが、入射面側であるレチクル
側焦点面１１ａに設けるようにしてもよい。こうして照
明されたレチクル１６上のレチクルパターン１７から発
生した回折光は、図１２で説明したのと同様にテレセン
トリックな投影光学系１８により集光、結像され、ウェ
ハ２０上にレチクルパターン１７の像が転写される。

【００３０】また、回折格子状パターン５は透過性のパ
ターンのみでなく、反射性のパターンであっても良い。
例えばガラス等の平面反射鏡の表面に、高反射率膜、即
ちＡｌ等の金属膜や、誘電体多層膜をパターニングした
ものでも良く、また、反射光に位相差を与えるための段
差が回折格子状にパターニングされた高反射率鏡であっ
ても良い。

【００３１】回折格子状パターン５が反射性のものであ
る場合には、図２に示すように、反射性回折格子状パタ
ーン５ａに、リレーレンズ４からの照明光束を照射し、
そこで反射及び回折された回折光をリレーレンズ９を介
して、フライアイレンズ１１に入射させればよい。この
とき、レチクル１６上のレチクルパターン１７に入射す
る照明光束（複数）の入射方向，入射角は、レチクルパ
ターン１７に応じて定められ、回折格子状パターン５、
５ａの方向性、及びピッチを変更することにより、任意
に調整することが可能である。例えば、回折格子状パタ
ーン５、５ａをピッチの異なるものに交換することによ
り、フライアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａに入射
する照明光を可変とでき、フライアイレンズ１１のレチ
クル側焦点面１１ｂでの光軸ＡＸからの２次光源像の距
離を可変とできる。従って、レチクル１６上のレチクル
パターン１７への照明光の入射角を可変とすることがで
きる。また回折格子状パターン５、５ａを光軸ＡＸと垂
直な面内で任意の方向に回転可能（例えば９０°回転可
能）とすると、レチクルパターン１７中のラインアンド
スペースのパターンピッチ方向がｘ，ｙ方向と異なる場
合にも対応できる。また、リレーレンズ９を複数枚のレ
ンズよりなるズームレンズ系（アフォーカルズームエキ
スパンダ等）とし、焦点距離を変えることにより集光位
置を変えることもできる。ただし、このときは回折格子
状パターン５又は５ａと、フライアイレンズ１１の光源
側焦点面１１ａとがほぼフーリエ変換の関係になること
をくずさないようにする。

【００３２】以上述べたようなフライアイレンズの１１
の光源側焦点面１１ａ上に照明光を集中させる光学部材
は、回折格子状パターン５又は５ａに限定されない。図
３に示すように、前述の図２に示した、反射性の回折格
子状パターン５ａの代わりに可動平面鏡３０を配置し、
且つ、平面鏡３０を回転可能ならしめるモータ等の駆動
部材３０ａを設ける。そして駆動部材３０ａにより平面
鏡３０を回転又は振動させ、フライアイレンズ１１の光
源側焦点面１１ａに照明光を入射させれば、フライアイ
レンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂの２次光源像を時
間によって変更することができる。露光動作中に平面鏡
３０を適当な複数の角度位置に回動させれば、フライア
イレンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂの２次光源像を
任意の形状にすることができる。尚、このような可動反
射鏡３０を使う場合はリレーレンズ系９は省略してしま
っても良い。ところで、図３中に示した空間フィルター
１２はフライアイレンズ１１の入射面側に設けたが、図
１と同様に射出面側に設けてもよい。

【００３３】図４は、フライアイレンズの１１の光源側
焦点面１１ａ上に照明光を集中させる光学部材として、
光ファイバー束７を用いた場合の略図である。リレーレ
ン４より光源側、及びフライアイレンズ１１よりレチク
ル側は図１と同じ構成であるとする。光源から発生し、
リレーレンズ４を透過した照明光は、光ファイバー束７
へ入射部７ａに所定の開口数（ＮＡ）に調整されて入射
する。光ファイバー束７は射出部７ｂに至る間に、複数
の束に分割され、夫々の射出部７ｂは、フライアイレン
ズ光源側焦点面１１ａ近傍でレチクルパターン１７に応
じた位置に配置される。従って、光ファイバー束７を用
いても、前述の回折格子状パターン５と同様にフライア
イレンズ光源側焦点面１１ａ近傍に任意の照明光量分布
を形成することができる。

【００３４】またこのとき、光ファイバー束７の各射出
部７ｂとフライアイレンズ１１の間に、夫々レンズ（例
えばフィールドレンズ）を設けても良いし、また、その
レンズによりフライアイレンズ光源側焦点面１１ａと光
ファイバー射出部７ｂの光射出面とをフーリエ変換の関
係としても良い。また、各射出部７ｂ（又は射出部７ｂ
とフライアイレンズ１１との間のレンズ）を、モータ等
の駆動部材により、光軸と垂直な面内で一次元，又は二
次元に可動とすれば、フライアイレンズ光源側焦点面１
１ａに入射する照明光を可変とすることができ、フライ
アイレンズレチクル側焦点面１１ｂでの２次光源像を可
変とすることができる。

【００３５】図５は、フライアイレンズの１１の光源側
焦点面１１ａ上に照明光を集中させる光学部材として、
複数の屈折面を有するプリズム８を用いた例である。図
５中のプリズム８は光軸ＡＸを境界として２つの屈折面
に分割されており、光軸ＡＸより上方に入射した照明光
は上方へ屈折し、光軸ＡＸより下方に入射した照明光は
下方へ屈折させる。従って、フライアイレンズ１１の光
源側焦点面１１ａにプリズム８の屈折角に応じて、照明
光束を入射させることができる。プリズム８の屈折面の
分割数は２面に限ったものではなく、光源側焦点面１１
ａ上での所望の光量分布に応じて、何面に分割されてい
ても良い。また、分割される位置は光軸ＡＸと対称な位
置にこだわらなくとも良い。

【００３６】プリズム８を交換することにより、フライ
アイレンズ光源側焦点面１１に入射する照明光束の入射
位置を可変とすることができる。またこのときのプリズ
ム８はウォラストンプリズム等の偏光性の光分割器であ
っても良い。ただし、この場合は、分割された光束同志
の偏光方向が異なるため、ウェハ２０のレジストの偏光
特性を考慮して、その偏光特性は一方向に揃えた方がよ
い。また、プリズム８の代わりに複数の角度の異なる反
射面を持つ反射鏡を使用し、図３のように配置すれば、
駆動部材３０ａは不要となる。装置内にこのプリズム等
の交換機能を有していると良いことは言うまでもない。
また、このようなプリズム等を使う場合もリレーレンズ
系９を省略してしまっても良い。

【００３７】図６は、フライアイレンズの１１の光源側
焦点面１１ａ上に照明光を集中させる光学部材として、
複数のミラー８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄを用いた例であ
る。リレーレンズ系４を透過した照明光は１次ミラー８
ｂ，８ｃにより２方向に分離されるように反射され、２
次ミラー８ａ，８ｄに導かれ、再び反射してフライアイ
レンズ１１の光源側焦点面１１ａに達する。各ミラー８
ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄに位置調整機構及び光軸ＡＸの回
りの回転角度調整機構を設けておけば、この機構により
フライアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａでの照明光
量分布を任意に可変とすることができる。また各ミラー
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄは、平面ミラーであっても凸
面、或いは凹面ミラーであっても良い。また図６に示す
とおり、ミラーに１度も反射されずに、リレーレンズ４
から直接フライアイレンズ１１に入射する光束があって
も良い。

【００３８】また、２次ミラー８ａ，８ｄとフライアイ
レンズ１１の夫々の間に、レンズを設けても良い。図６
では１次ミラー８ｂ，８ｃ、２次ミラー８ａ，８ｄ共に
２個ずつとしたが、数量はこれに限定されるものではな
く、レチクルパターン１７に応じた光源側焦点面１１ａ
に入射する所望の照明光に応じて適宜ミラーを配置すれ
ばよい。また、必要に応じて全てのミラーを、照明光束
がミラーに当たらない位置まで、退避させる構成である
ものとする。

【００３９】また、フライアイレンズ１１の光源側焦
点面１１ａ上に照明光を集中させる光学部材は、前述の
図１２の如く、フライアイレンズ光源側点面１１ａ近傍
に設けられた、空間フィルター１０に置換してもよい
し、図１から図６に示される各実施例と、図１２に示し
た空間フィルター１０を組み合わせて使用しても良い。
このとき、空間フィルター１０の開口部は１つでなくレ
チクルパターン１７に応じた任意の数で良い。

【００４０】図７は本発明の他の実施例による、投影型
露光装置の構成を示す図であって、ミラー１４、コンデ
ンサーレンズ１５、レチクル１６、投影光学系１８は図
１と同様である。またフライアイレンズ１１より光源側
は前述の図１から図６、或いは図１２に示した実施例の
何れかとなっている。フライアイレンズ１１のレチクル
側焦点面１１ｂ近傍に任意の開口部（透過部、またはさ
らに半透過部）を有する空間フィルター１２ａが設けら
れフライアイレンズ１１から射出される照明光束を制限
する。

【００４１】リレーレンズ１３ａに対するフライアイレ
ンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂのフーリエ変換面は
レチクルパターン１７と共役面となるので、ここに可変
視野絞り（レチクルブラインド）１３ｄを設ける。そし
て再びリレーレンズ１３ｂによりフーリエ変換され、フ
ライアイレンズ１１のレチクル側焦点面１１ｂの共役面
（フーリエ面）１２ｂに到る。先の空間フィルター１２
ａはフーリエ面１２ｂに設けても良い。フライアイレン
ズ１１からの照明光束は、さらにコンデンサーレンズ１
３ｃ，１５、ミラー１４によってレチクル１６に導かれ
る。尚、フライアイレンズの１１の光源側焦点面１１ａ
上でレチクルパターン１７に応じてきまる量だけ光軸か
ら偏心した位置に照明光を集中させる系であれば、空間
フィルターを光学部材１２ａ又は１２ｂの位置に設けな
くても全く問題ない。この場合でも、視野絞り（レチク
ルブラインド）１３ｄの使用が可能である。

【００４２】又、前述のフライアイレンズの１１の光源
側焦点面１１ａ上に照明光を集中させる光学部材からの
照明光は複数である例を示したが、１本の光束を光軸Ａ
Ｘから所定量偏心した位置に入射させてもよく、例えば
図４のファイバー７の射出部を１つとして、フライアイ
レンズの１１の光源側焦点面１１ａ上に入射する光束を
１本としてもよい。

【００４３】上記いずれの実施例においても、空間フィ
ルター１０，１２，１２ａの開口部１つあたりの径は、
その開口部を透過する照明光束のレチクル１６に対する
開口数と投影光学系１８のレチクル側開口数（ＮＡ_R）
との比、所謂σ値が０．１〜０．３程度になるように設
定することが望ましい。σ値が０．１より小さいと、転
写像のパターン忠実度が劣化し、０．３より大きいと解
像度向上や、焦点深度増大の効果が弱くなってしまう。

【００４４】また、フライアイレンズ１１の光源側焦点
面１１ａに入射する照明光束の１つよって決まるσ値の
条件を満たすために、フライアイレンズ１１のレチクル
側焦点面１１ｂ近傍の空間フィルター１２ａの代わり
に、前述のフライアイレンズ光源側焦点面１１ａに照明
光を集中させ、焦点面１１ａ近傍での光量分布を可変と
する光学部材にσ値可変の機能を持たせても良い。例え
ば、フライアイレンズ光源側焦点面１１ａに空間フィル
ター１２を配置し、その開口の径により一光束あたりの
σ値を決定しても良い。それと合わせて、投影光学系１
８内の瞳（入射瞳もしくは射出瞳）１９近傍に可変開口
絞り（ＮＡ制限絞り）を設けて投影系としてのＮＡやσ
値をより最適化することも出来る。また、空間フィルタ
ー１２ａには、フライアイレンズの１１の光源側焦点面
１１ａ上に照明光を集中させる光学部材より発生する光
束のうち、不必要な光束を遮光する効果もある。また特
定の光束については開口部の透過率を下げ、ウェハへ到
達する光量を減じる効果もある。

【００４５】また、レチクル１６を照明する光束（１
本、又は複数本）は、投影光学系１８の光軸ＡＸに対し
て傾いてレチクル１６に入射する。このとき、これらの
照明光束の光量重心方向が、光軸ＡＸに対して傾いてい
ると、ウェハ２０の微小なデフォーカス時に、転写像の
位置がウェハ面内方向にシフトするという問題が発生す
る。これを防止するために、フライアイレンズ１１の光
源側焦点面１１ａ上に分布する照明光束の光量重心の方
向はレチクルパターン１７と垂直すなわち光軸ＡＸと平
行となるようにする。例えばフライアイレンズの１１の
光源側焦点面１１ａ上に照明光を集中させる光学部材と
して空間フィルター１０を用いる場合には、開口部の位
置（開口部が作る光量分布の重心の光軸ＡＸからのフー
リエ変換面内での位置ベクトル）と、透過光量との積の
ベクトル和（積分）が零になるようにする。フライアイ
レンズの１１の光源側焦点面１１ａ上に照明光を集中さ
せる光学部材として他の部材を使用する場合も同様であ
り、フライアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａ内に
て、各開口部の光軸ＡＸからのフーリエ変換面内での位
置ベクトルと、照明光量との積のベクトル和（積分）が
ほぼ零となるようにすればよい。尚、フライアイレンズ
の１１の光源側焦点面１１ａ上に照明光を集中させる光
学部材として回折格子状パターン５を使用すると、この
条件は自動的に満たされる。上記照明光量分布の具体例
としては、光束を２ｍ（ｍは自然数）本として、そのう
ちのｍ本の位置は任意とし、残るｍ本の位置は先のｍ本
と、夫々光軸ＡＸについて対称となるようにすれば良
い。

【００４６】フライアイレンズ１１の光源側焦点面１１
ａでの照明光束（１本又は複数本）の入射位置（フライ
アイレンズ１１の光源側焦点面１１ｂでの２次光源像の
位置）は、転写すべきレチクルパターンに応じて決定
（変更）するのが良い。この場合の位置決定方法は作用
の項で述べたとおり、フライアイレンズ１１からの照明
光束が転写すべきパターンの微細度（ピッチ）に対して
最適な解像度、及び焦点深度の向上効果を得られるよう
にレチクルパターンに入射する位置（入射角ψ）とすれ
ばよい。

【００４７】次に２次光源像の位置決定の具体例を、図
８、図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）を用いて説明
する。図８はフライアイレンズ１１のレチクル側焦点面
１１ｂからレチクルパターン１７までの部分を模式的に
表わす図であり、フライアイレンズ１１のレチクル側焦
点面１１ｂが、レチクルパターン１７のフーリエ変換面
１２ｃと一致している。またこのとき両者をフーリエ変
換の関係とならしめるレンズ、またはレンズ群を、一枚
のレンズ１５として表わしてある。さらに、レンズ１５
のフライアイレンズ側主点からフライアイレンズ群１１
のレチクル側焦点面１１ｂまでの距離と、レンズ１５の
レチクル側主点からレチクルパターン１７までの距離は
共にｆであるとする。

【００４８】図９（Ａ）、（Ｃ）は共にレチクルパター
ン１７中に形成される一部分のパターンの例を表わす図
であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のレチクルパターンの
場合に最適な２次光源像のレチクルパターン１７のフー
リエ変換面（又は投影光学系の瞳面）での位置を示し、
図９（Ｄ）は図９（Ｃ）のレチクルパターンの場合に最
適な２次光源像の位置（最適な２次光源像の中心位置）
を表わす図である。図９（Ａ）は、いわゆる１次元ライ
ンアンドスペースパターンであって、透過部と遮光部が
等しい幅でＹ方向に帯状に並び、それらがＸ方向にピッ
チＰで規則的に並んでいる。このとき、１つの２次光源
像の中心位置（１つの２次光源像が作る光量分布の重心
の最適位置）は図９（Ｂ）に示すようにフーリエ変換面
内に仮定したＹ方向の線分Ｌα上、または線分Ｌβ上の
任意の位置となる。図９（Ｂ）はレチクルパターン１７
に対するフーリエ変換面１２ｃ（１１ｂ）を光軸ＡＸ方
向から見た図であり、かつ、面１２ｃ内の座標系Ｘ，Ｙ
は、同一方向からレチクルパターン１７を見た図９
（Ａ）と同一にしてある。さて、図９（Ｂ）において光
軸ＡＸが通る中心Ｃから、各線分Ｌα、Ｌβまでの距離
α、βはα＝βであり、λを露光波長としたとき、α＝
β＝ｆ・（１／２）・（λ／Ｐ）に等しい。この距離
α，βをｆ・ｓｉｎψと表わせれば、ｓｉｎψ＝λ／２
Ｐであり、これは作用の項で述べた数値と一致してい
る。従って複数の２次光源像を配置する場合、各２次光
源像の各中心（各２次光源像の光量分布の各重心）位置
が線分Ｌα、Ｌβ上にあれば図９（Ａ）に示す如きライ
ンアンドスペースパターンに対して、各２次光源像から
の照明光により発生する０次回折光と±１次回折光のう
ちのどちらか一方との２つの回折光は、投影光学系瞳面
１９において光軸ＡＸからほぼ等距離となる位置を通
る。従って前述の如く、ラインアンドスペースパターン
（図１１（Ａ））に対する焦点深度を最大とすることが
でき、かつ高解像度を得ることができる。尚、ウェハ２
０のデフォーカスに伴う位置ずれ等を無視するならば線
分Ｌα、Ｌβ上に形成する２次光源像は１つでもよい。

【００４９】次に図９（Ｃ）は、レチクルパターンがい
わゆる孤立スペースパターンである場合であり、かつ、
パターンのＸ方向（横方向）ピッチがＰｘ、Ｙ方向（縦
方向）ピッチがＰｙとなっている。図９（Ｄ）はこの場
合の２次光源像の最適位置を表わす図であり、図９
（Ｃ）との位置、回転関係は図９（Ａ），（Ｂ）の関係
と同じである。図９（Ｃ）の如き、２次元パターンに照
明光が入射するとパターンの２次元方向の周期性（Ｘ：
Ｐｘ、Ｙ：Ｐｙ）に応じた２次元方向に回折光が発生す
る。図９（Ｃ）の如き２次元パターンにおいても回折光
中の０次回折光と±１次回折光のうちのいずれか一方と
が投影光学系瞳面１９において光軸ＡＸからほぼ等距離
となるようにすれば、焦点深度を最大とすることができ
る。図９（Ｃ）のパターンではＸ方向のピッチはＰｘで
あるから図９（Ｄ）に示す如く、α＝β＝ｆ・（１／
２）・（λ／Ｐｘ）となる線分Ｌα、Ｌβ上に各２次光
源像の各中心があれば、パターンのＸ方向成分について
焦点深度を最大とすることができる。同様に、γ＝ε＝
ｆ・（１／２）・（λ／Ｐｙ）となる線分Ｌγ、Ｌε上
に各２次光源像の各中心があれば、パターンＹ方向成分
について焦点深度を最大とすることができる。

【００５０】以上、図９（Ｂ）、又は（Ｄ）に示した各
位置に形成された２次光源像に対応する照明光束がレチ
クルパターン１７に入射すると、０次光回折光成分Ｄ₀
と、＋１次回折光成分Ｄ_Rまたは−１次回折光成分Ｄ_m
のいずれか一方とが、投影光学系１８内の瞳面１９では
光軸ＡＸから等距離となる光路を通る。従って作用の項
で述べたとおり、高解像及び大焦点深度の投影型露光装
置が実現できる。以上、レチクルパターン１７として図
９（Ａ）、又は（Ｂ）に示した２例のみを考えたが、他
のパターンであってもその周期性（微細度）に着目し、
そのパターンからの＋１次回折光成分または−１次回折
光成分のいずれか一方と０次回折光成分との２光束が、
投影光学系内の瞳面１９では光軸ＡＸからほぼ等距離に
なる光路を通る様な位置に各光量分布を設定すればよ
い。また図９（Ａ）、（Ｃ）のパターン例は、ライン部
とスペース部の比（デューティ比）が１：１のパターン
であった為、発生する回折光中では±１次回折光が強く
なる。このため、±１次回折光のうちの一方と０次回折
光との位置関係に着目したが、パターンがデューティ比
１：１から異なる場合等では他の回折光、例えば±２次
回折光のうちの一方と０次回折光との位置関係が、投影
光学系瞳面１９において光軸ＡＸからほぼ等距離となる
ようにしてもよい。

【００５１】また、レチクルパターン１７が図９（Ｄ）
の如く２次元の周期性パターンを含む場合、特定の１つ
の０次回折光成分に着目したとき、投影光学系の瞳面１
９上ではその１つの０次回折光成分を中心としてＸ方向
（第１方向）に分布する１次以上の高次回折光成分と、
Ｙ方向（第２方向）に分布する１次以上の高次回折光成
分とが存在し得る。そこで、特定の１つの０次回折光成
分に対して２次元のパターンの結像を良好に行うものと
すると、第１方向に分布する高次回折光成分の１つと、
第２方向に分布する高次回折光成分の１つと、特定の０
次回折光成分との３つが、瞳面１９上で光軸ＡＸからほ
ぼ等距離に分布するように、特定の０次回折光成分の位
置を調節すればよい。例えば、図９（Ｄ）中でフライア
イレンズ中心位置を点Ｐζ、Ｐη、Ｐκ、Ｐμのいずれ
かと一致させるとよい。点Ｐζ、Ｐη、Ｐκ、Ｐμはい
ずれも線分ＬαまたはＬβ（Ｘ方向の周期性について最
適な位置、すなわち０次回折光とＸ方向の±１次回折光
の一方とが投影光学系瞳面１９上で光軸からほぼ等距離
となる位置）及び線分Ｌγ、Ｌε（Ｙ方向の周期性につ
いて最適な位置）の交点であるためＸ方向、Ｙ方向のい
ずれのパターン方向についても最適な光源位置である。

【００５２】なお、以上において２次元パターンとして
レチクル上の同一箇所に２次元の方向性を有するパター
ンを仮定したが、同一レチクルパターン中の異なる位置
に異なる方向性を有する複数のパターンが存在する場合
にも上記の方法を適用することが出来る。レチクル上の
パターンが複数の方向性又は微細度を有している場合、
２次光源像の最適位置は、上述の様にパターンの各方向
性及び微細度に対応したものとなるが、或いは各最適位
置の平均位置に２次光源像を配置してもよい。また、こ
の平均位置は、パターンの微細度や重要度に応じた重み
を加味した荷重平均としてもよい。

【００５３】以上の実施例に於て、光源は水銀ランプ１
を用いて説明したが、他の輝線ランプやレーザー（エキ
シマ等）、あるいは連続スペクトルの光源であっても良
い。また照明光学系中の光学部材の大部分をレンズとし
たが、ミラー（凹面鏡、凸面鏡）であっても良い。投影
光学系としては屈折系であっても、反射系であっても、
あるいは反射屈折系であってもよい。また実施例として
両側テレセントリック系を使用したが片側テレセントリ
ック系でも、非テレセントリック系でもよい。

【００５４】また、光源から発生する照明光のうち、特
定の波長の光のみを利用する為に、照明光学系中に干渉
フィルター等の単色化手段を設けてもよい。また、フラ
イアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａ近傍に、拡散板
や光ファイバー束等の光散乱部材を用いることで、照明
光の均一化を行なっても良い。あるいは本発明の実施例
で使用されたフライアイレンズ１１とは別に、さらにフ
ライアイレンズ（以後、別フライアイレンズ）等のオプ
チカルインテグレーターを用いて、照明光の均一化を行
なっても良い。このとき別フライアイレンズは、上記フ
ライアイレンズ１１の光源側焦点面１１ａ近傍での照明
光量分布を可変とする光学部材、例えば図１，図２に示
した回折格子状パターン５、又は５ａよりも光源（ラン
プ）１側であることが望ましい。

【００５５】さらに別フライアイレンズのレンズエレメ
ントの断面形状は正方形（矩形）よりも正六角形にする
のが望ましい。図１０は本発明の各実施例に適用される
投影露光装置のウェハステージ周りの構成を示し、投影
光学系１８のウェハ２０上での投影視野領域内に向けて
斜めにビーム１００Ａを照射し、その反射ビーム１００
Ｂを受光する斜入射式のオートフォーカスセンサーを設
ける。このフォーカスセンサーは、ウェハ２０の表面と
投影光学系１８の最良結像面との光軸ＡＸ方向のずれを
検出するもので、そのずれが零となるように、ウェハ２
０を載置するＺステージ１１０のモータ１１２をサーボ
制御する。これによってＺステージ１１０はＸＹステー
ジ１１４に対して上下方向（光軸方向）に微動し、常に
ベストフォーカス状態で露光が行なわれる。このような
フォーカス制御が可能な露光装置においては、そのＺス
テージ１１０を露光動作中に光軸方向に制御された速度
特性で移動させることで、さらに見かけ上の焦点深度を
拡大させることができる。この手法は、投影光学系１８
の像側（ウェハ側）がテレセントリックであれば、どの
ようなタイプのステッパーでも実現可能である。

【００５６】図１１（Ａ）は、Ｚステージ１１０の露光
中の移動に伴ってレジスト層内に得られる光軸方向の光
量（ｄｏｓｅ）分布、或いは存在確率を表し、図１１
（Ｂ）は図１１（Ａ）のような分布を得るためのＺステ
ージ１１０の速度特性を表す。図１１（Ａ）、（Ｂ）と
も縦軸はＺ（光軸）方向のウェハ位置を表し、図１１
（Ａ）の横軸は存在確率を表し，図１１（Ｂ）の横軸は
Ｚステージ１１０の速度Ｖを表す。また同図中、位置Ｚ
₀はベストフォーカス位置である。

【００５７】ここでは位置Ｚ₀から上下に投影光学系１
８の理論的な焦点深度±ΔＤ₀ｆだけ離れた２つの位置
＋Ｚ₁，−Ｚ₁で存在確率をほぼ等しい極大値にし、そ
の間の位置＋Ｚ₃〜−Ｚ₃の範囲では存在確率を小さな
値に押さえるようにした。そのために、Ｚステージ１１
０は、照明系内部のシャッターの開放開始時の位置−Ｚ
₂で、低い速度Ｖ₁で等速に上下へ移動し、シャッター
が全開になった直後に、高い速度Ｖ₂まで加速する。速
度Ｖ₂でＺステージ１１０が等速に上下移動している
間、存在確率は低い値に押されられ、位置＋Ｚ₃に達し
た時点でＺステージ１１０は低い速度Ｖ₁に向けて減速
を始め、位置＋Ｚ₁で存在確率が極大値になる。このと
きほぼ同時にシャッターの閉成指令が出力され、位置＋
Ｚ₂でシャッターが完全に閉じる。

【００５８】このように、ウェハ２０のレジスト層に与
えられる露光量の光軸方向に関する光量分布（存在確
率）を焦点深度の幅（２・ΔＤ₀ｆ）程度だけ離れた２
点で極大値となるように、Ｚステージ１１０の速度を制
御すると、レジスト層に形成されるパターンのコントラ
ストは若干低下するものの、光軸方向の広い範囲に渡っ
て一様な解像力が得られる。

【００５９】以上の累進焦点露光方法は、本発明の各実
施例に示したような特別な照明方式を採用した投影露光
装置でも全く同じように使用することができ、見かけ上
の焦点深度は、本発明の照明方式によって得られる拡大
分と、累積焦点露光方式によって得られる拡大分とのほ
ぼ積に応じた量だけ拡大される。しかも特別な照明方式
を採用していることから、解像力そのものも高くなる。
例えば、従来の１／５縮小のｉ線ステッパー（投影レン
ズのＮＡ０．４２）に位相シフトレチクルを組み合わせ
て露光できる最小線幅は０．３〜０．３５μｍ程度であ
り、焦点深度の拡大率は最大４０％程度である。これに
対して本発明のような特別な照明方式を同じｉ線ステッ
パーに組み込んで、普通のレチクルで実験したところ、
最小線幅は０．２５〜０．３μｍ程度が得られ、焦点深
度の拡大率も位相シフトレチクルの使用時と同程度に得
られた。

【００６０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、回折格子
状パターンや光ファイバー等のフライアイレンズの１１
の光源側焦点面１１ａ上に照明光を集中させる光学部材
により、フライアイレンズ光源側焦点面近傍に入射する
照明光束を可変とすることによりフライアイレンズのレ
チクル側焦点面、即ち、レチクルパターンのフーリエ変
換面での２次光源像を可変とできる。従って、レチクル
パターンに対する照明光の入射角をレチクルパターンに
応じて可変とでき、従来のレチクルを使用して、高い解
像度と、深い焦点深度が得られる投影型露光装置を実現
できる。またフライアイレンズの１１の光源側焦点面１
１ａ上に照明光を集中させる光学部材はフライアイレン
ズより光源側に配置される為レチクル上の照度ムラ等の
性能には影響を与えないという利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による投影型露光装置の
構成を示す図である。

【図２】照明光量分布を作成するための光学部材の第１
の変形例を示す図である。

【図３】照明光量分布を作成するための光学部材の第１
の変形例を示す図である。

【図４】照明光量分布を作成するための光学部材の第１
の変形例を示す図である。

【図５】照明光量分布を作成するための光学部材の第１
の変形例を示す図である。

【図６】照明光量分布を作成するための光学部材の第１
の変形例を示す図である。

【図７】図１の装置にレチクルブラインドを組み込んだ
ときの照明系を示す図である。

【図８】フライアイレンズ群から投影光学系までの光路
を模式的に表した図である。

【図９】（Ａ）、（Ｃ）はマスク上に形成されたレチク
ルパターンの一例を示す平面図である。（Ｂ）、（Ｄ）
は（Ａ）、（Ｃ）の夫々に対応した瞳共役面における各
フライアイレンズ群の配置を説明する図である。

【図１０】投影型露光装置のウェハステージ回りの構成
を示す図である。

【図１１】ウェハステージのうちのＺステージを用いて
累進焦点露光方法を実行する際の露光量の存在確率と、
Ｚステージの速度特性とを示すグラフである。

【図１２】本発明の原理を説明する図である。

【図１３】従来の投影型露光装置の構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

５回折格子状パターン（光学部材）９レンズ系１０，１２，１２ａ空間フィルター１５主コンデンサーレンズ１６レチクル１７レチクルパターン１８投影光学系１９瞳２０ウェハ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの照明光をマスクに照射する照明
光学系と、前記照明光を基板上に投射する投影光学系と
を備え、前記照明光の照射によって前記マスクのパター
ンを前記基板上に転写する投影露光装置において、前記照明光学系内の前記パターンに対するフーリエ変換
相当面もしくはその近傍に２次光源を形成するオプチカ
ルインテグレータと、前記光源と前記オプチカルインテグレータとの間に設け
られ、前記パターンの微細度に応じた距離だけ前記照明
光学系の光軸に対して偏心した領域に前記２次光源が形
成されるように、前記照明光を前記照明光学系の光軸と
異なる方向に進ませる光学部材とを備えたことを特徴と
する投影露光装置。
【請求項２】前記パターンは少なくとも第１方向に沿っ
て延び、前記２次光源は、前記フーリエ変換面上で前記
照明光学系の光軸と交差し、かつ前記第１方向に沿って
規定される第１軸によって区画される領域内に形成され
ることを特徴とする請求項１に記載の投影露光装置。
【請求項３】前記パターンは前記第１方向と直交する第
２方向に沿って延び、前記２次光源は、前記第１軸と、
前記照明光学系の光軸で前記第１軸と直交し、かつ前記
第２方向に沿って規定される第２軸とによって区画され
る領域内に形成されることを特徴とする請求項２に記載
の投影露光装置。
【請求項４】前記２次光源は、前記照明光学系の光軸と
の距離がほぼ等しく、かつ前記第１及び第２軸によって
区画される複数の領域内にそれぞれ形成されることを特
徴とする請求項３に記載の投影露光装置。
【請求項５】光源からの照明光をマスクに照射する照明
光学系と、前記照明光を基板上に投射する投影光学系と
を備え、前記照明光の照射によって前記マスクのパター
ンを前記基板上に転写する投影露光装置において、前記照明光学系内の前記パターンに対するフーリエ変換
面上での前記照明光の光量分布を前記照明光学系の光軸
から偏心した複数の領域で高めるとともに、前記パター
ンの微細度に応じて前記光軸との距離を前記複数の領域
でほぼ等しく規定する光学部材を備え、前記光源と前記
照明光学系内に設けられるオプチカルインテグレータと
の間に前記光学部材を配置したことを特徴とする投影露
光装置。
【請求項６】前記光学部材は、前記照明光を互いに異な
る方向に進む複数の光束に変換する光学素子を含むこと
を特徴とする請求項５に記載の投影露光装置。
【請求項７】光源からの照明光をマスクに照射する照明
光学系と、前記照明光を基板上に投射する投影光学系と
を備え、前記照明光の照射によって前記マスクのパター
ンを前記基板上に転写する投影露光装置において、前記照明光学系内の前記パターンに対するフーリエ変換
面上での前記照明光の光量分布を前記照明光学系の光軸
から偏心した複数の領域で高めるとともに、前記パター
ンの微細度に応じて前記光軸との距離を前記複数の領域
でほぼ等しく規定する第１光学部材と、前記光源と前記照明光学系内のオプチカルインテグレー
タとの間に配置され、前記第１光学部材に対して前記照
明光を、前記照明光学系の光軸上の領域よりもその外側
で光量を多くして入射させる第２光学部材とを備えたこ
とを特徴とする投影露光装置。
【請求項８】前記第２光学部材は、前記照明光を互いに
異なる方向に進ませることを特徴とする請求項７に記載
の投影露光装置。
【請求項９】前記パターンは少なくとも第１方向に沿っ
て延び、前記複数の領域は、前記フーリエ変換面上で前
記照明光学系の光軸と交差し、かつ前記第１方向に沿っ
て規定される第１軸によって区切られることを特徴とす
る請求項５〜８のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項１０】前記パターンは前記第１方向と直交する
第２方向に沿って延び、前記複数の領域は、前記第１軸
と、前記フーリエ変換面上の前記照明光学系の光軸で前
記第１軸と直交し、かつ前記第２方向に沿って規定され
る第２軸とによって区切られることを特徴とする請求項
９に記載の投影露光装置。
【請求項１１】前記複数の領域は、前記第１及び第２軸
によって区切られる４つの領域を有することを特徴とす
る請求項１０に記載の投影露光装置。
【請求項１２】前記複数の領域は、前記パターンから発
生する±ｎ次回折光の一方と０次回折光とが前記投影光
学系の瞳面上でその光軸からほぼ等距離に分布するよう
に配置されるｍ個の第１領域と、前記照明光学系の光軸
に関して前記ｍ個の第１領域とほぼ対称に配置されるｍ
個の第２領域とを含むことを特徴とする請求項４〜１１
のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項１３】前記偏心した領域から射出される光の照
射によって前記パターンから発生する次数が異なる２つ
の回折光が、前記投影光学系の瞳面上でその光軸からの
距離がほぼ等しい位置を通過するように、前記偏心した
領域の位置を決定することを特徴とする請求項１〜１１
のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項１４】前記２つの回折光は±ｎ次回折光の一方
と０次回折光とであることを特徴とする請求項１３に記
載の投影露光装置。
【請求項１５】前記偏心した領域から射出される光の前
記マスクへの入射角をψ、前記パターンから発生する±
ｎ次回折光の回折角をθ、前記投影光学系のマスク側開
口数をＮＡＲとすると、前記±ｎ次回折光の一方でｓｉ
ｎ(θ−ψ)＝ＮＡＲなる関係が満たされるように、前記
偏心した領域の位置を決定することを特徴とする請求項
１〜１４のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項１６】前記照明光の波長をλ、前記パターンの
ピッチをＰとし、前記偏心した領域から射出される光の
前記マスクへの入射角ψがｓｉｎψ＝λ／２Ｐなる関係
を満たすように、前記偏心した領域の位置を決定するこ
とを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の
投影露光装置。
【請求項１７】前記パターンが互いに交差する第１及び
第２方向に沿って延びるとき、前記偏心した領域から射
出される光の照射によって前記パターンから発生する０
次回折光、前記０次回折光を中心として前記第１方向に
分布する高次回折光の１つ、及び前記０次回折光を中心
として前記第２方向に分布する高次回折光の１つが、前
記投影光学系の瞳面上でその光軸からほぼ等距離に分布
するように、前記偏心した領域の位置を決定することを
特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の投影
露光装置。
【請求項１８】前記偏心した領域から射出される光の開
口数と前記投影光学系のマスク側開口数との比を０．１
〜０．３程度に設定することを特徴とする請求項１〜１
７のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項１９】前記照明光による前記基板の露光中に、
前記基板と前記投影光学系の像面とをその光軸に沿って
相対移動する手段を更に備えることを特徴とする請求項
１〜１８のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項２０】請求項１〜１９のいずれか一項に記載の
投影露光装置を用いた素子製造方法。
【請求項２１】照明光学系を通して光源からの照明光を
マスクに照射するとともに、投影光学系を介して前記照
明光で基板を露光する投影露光方法において、前記照明光学系内の前記パターンに対するフーリエ変換
面上で、前記パターンの微細度に応じた距離だけ前記照
明光学系の光軸から偏心し、かつ前記光軸との距離がほ
ぼ等しい複数の領域内に前記照明光を分布させるため
に、前記光源と前記照明光学系内のオプチカルインテグ
レータとの間で前記照明光を互いに異なる方向に進む複
数の光束に変換することを特徴とする投影露光方法。
【請求項２２】前記フーリエ変換面上の前記複数の領域
以外で前記照明光の光量をほぼ零にすることを特徴とす
る請求項２１に記載の投影露光方法。