JP3049777B2

JP3049777B2 - 投影露光装置及び方法、並びに素子製造方法

Info

Publication number: JP3049777B2
Application number: JP2408096A
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: JPH04225514A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積素子等の回
路パターン又は液晶素子のパターン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。
この工程には通常、レチクル（マスク）パターンを半導
体ウェハ等の試料基板上に転写する方法が採用される。
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、照射光像、すなわちレチクルパターンの透明部分の
パターン形状に応じて、フォトレジストに回路パターン
が転写される。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為の照明光学系
中には、フライアイレンズ、ファイバーなどのオプチカ
ルインテグレーターが使用され、レチクル上に照射され
る照明光の強度分布が均一化される。その均一化を最適
に行なう為に、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
クルのパターン面と、フライアイレンズの光源側焦点面
（正確にはフライアイレンズの個々のレンズの光源側焦
点面）とは、結像関係（共役関係）で結ばれている。こ
の為レチクル上では、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ー入射面に入
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）でほぼ一様になる
ようにしていた。図１３は、上述の従来の投影光学系を
示し、レチクル１６の、照明光束Ｌ１３０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１
７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Ｌ１３０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。それぞれの回折光（Ｄ₀，Ｄ_m，
Ｄ_P）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。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。

【０００６】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（ＮＡ_R) より大きくなると±１次回折光Ｄ_P、Ｄ
_mは投影光学系を透過できなくなる。このときウェハ２
０上には０次回折光Ｄ₀のみしか到達せず干渉縞は生じ
ない。つまりｓｉｎθ＞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。

【０００７】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
の為に、ある程度の焦点深度が必要となる。この為、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はプロセス係数と呼ばれ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、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、ウェハ上の最小パターンサイズは、
ｋ・λ／ＮＡ_W＝ｋ・λ／Ｂ・ＮＡ_R（ただしＢは結像
倍率（縮小率））となる。

【０００８】従って、より微細なパターンを転写する為
には、より短い波長の露光光源を使用するか、あるいは
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、い
わゆる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（例え
ば２００ｎｍ以下）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現
時点では困難である。また投影光学系の開口数は、現状
でもすで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る。

【００１０】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で表わされる焦点深度は開口
数の増加に伴なって急激に減少し、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。一方位相シフトレチクルについては、その製造工程
が複雑になる分コストも高く、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い
る。

【００１１】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も、高解像度かつ大焦点
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
明光学系内でパターン（１７）に対するフーリエ変換面
（投影光学系の瞳面１９と共役な面）にそれぞれ一端面
（焦点面）が実質的に配置される互いに分離した複数の
オプチカルインテグレータ（１１Ａ、１１Ｂ）を備え、
その複数のオプチカルインテグレータはその中心がパタ
ーンの周期性、即ち微細度（ピッチＰ）に応じた距離だ
け照明光学系の光軸（ＡＸ）から偏心して配置されるこ
ととした。このため、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できる。ここで、本発明に
よる第１の投影露光装置は、オプチカルインテグレータ
として一端面、即ちレチクル側焦点面が照明光学系内の
フーリエ変換面にほぼ一致して配置されるフライアイレ
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において従来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（１１Ａ、１１Ｂ）は、そのレチクル側焦点面１１
ｂがレチクル１６上の回路パターン（レチクルパター
ン）１７に対してほぼフーリエ変換面の位置（投影レン
ズ１８の瞳面１９と共役な位置）となるように配置さ
れ、かつフライアイレンズ（１１Ａ、１１Ｂ）は、複数
のフライアイレンズ群に分散して配列される。また、フ
ライアイレンズ（１１Ａ、１１Ｂ）のレチクル側焦点面
１１ｂにおける照明光量分布を、複数のフライアイレン
ズ群１１Ａ、１１Ｂの個々のフライアイレンズ位置以外
ではほぼ零とするために、フライアイレンズの光源側に
遮光部材１０を設ける。このため、フライアイレンズ
（１１Ａ、１１Ｂ）のレチクル側焦点面１１ｂにおける
照明光量分布は各フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂの
位置でのみ存在し、それ以外ではほぼ零となる。

【００１３】フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂのレチ
クル側焦点面１１ｂはレチクルパターン１７に対するフ
ーリエ変換面にほぼ等しいので、フライアイレンズ群１
１Ａ、１１Ｂのレチクル側焦点面１１ｂでの光量分布
（光束の位置座標）は、レチクルパターン１７に対する
照明光束の入射角度ψに対応することになる。従って、
フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂの個々の位置（光軸
に垂直な面内での位置）に応じて、レチクルパターン１
７に入射する照明光束の入射角を調整することができ
る。ここで、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂは光軸
ＡＸと対称に配置するのが望ましく、また各フライアイ
レンズ群は少なくとも１つ以上のレンズエレメントで構
成される。さらに本発明においては、上記フライアイレ
ンズ群１１Ａ、１１Ｂをそれぞれ独立に、照明光学系の
光軸と垂直な面内方向に可動とする構成としてもよく、
この場合、個々のフライアイレンズ群をそれぞれ移動、
位置調整することにより、レチクル１６に入射するそれ
ぞれの照射光束（複数本）の入射角度を任意に制御する
ことが可能である。

【００１４】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上での照明光の光量
分布を中心部よりもその外側領域で高めるとともに、照
明光を遮光することなくその外側領域の照明光学系の光
軸（ＡＸ）との距離を可変とする光学部材（５；５Ａ；
６；７；８）を設けることとした。このため、基板上に
転写すべきパターンに応じてその距離を変更できる、即
ちそのパターンを最適な光量分布を持つ照明光（最適な
２次光源からの光）で照明することができ、高解像度か
つ大焦点深度でそのパターンを基板上に転写することが
可能となっている。なお、第１及び第２の投影露光装置
では、照明光による基板の露光中に、基板と投影光学系
の像面とをその光軸に沿って相対移動する手段を設け、
見かけ上の焦点深度を拡大させるようにしてもよい。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、投影光学系の瞳面（１
９）と実質的に共役な照明光学系内の所定面（フーリエ
変換面）上での照明光の光量分布を中心部よりもその外
側領域で高めるとともに、基板上に転写すべきパターン
に応じて、照明光を遮光することなくその外側領域の照
明光学系の光軸（ＡＸ）との距離を可変とすることとし
た。このため、基板上に転写すべきパターンを最適な光
量分布を持つ照明光（最適な２次光源からの光）で照明
することができ、高解像度かつ大焦点深度でそのパター
ンを基板上に転写することが可能となっている。

【００１５】

【作用】レチクル（マスク）上に描画された回路パター
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１つのフライアイレンズ群１１Ａからの照明光が
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及びより高次の回
折光成分が、パターンの微細度に応じた方向に発生す
る。

【００１６】このとき、照明光束（主光線）が、傾いた
角度でレチクル１６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から発生する。
図１２中の照明光Ｌ１２０は、光軸に対してψだけ傾い
てレチクル１６に入射する。照明光Ｌ１２０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Ｄ₀、０次回折光に対して
θ_Pだけ傾いた＋１次回折光Ｄ_P、及び０次回折光Ｄ₀
に対してθ_mだけ傾いて進む−１次回折光Ｄ _mを発生す
る。しかしながら、照明光Ｌ１２０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に入射するので、０次回折光Ｄ₀
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。

【００１７】従って、＋１次光Ｄ_Pは光軸ＡＸに対して
θ_P＋ψの方向に進行し、−１次回折光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はそれぞれ sin(θ_P＋ψ）− sinψ＝λ／Ｐ（２） sin(θ_m−ψ）＋ sinψ＝λ／Ｐ（３）である。

【００１８】ここでは、＋１次回折光Ｄ_P、−１次回折
光Ｄ_mの両方が投影光学系１８の瞳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Ｄ_Pが投影光学系１８の瞳１９を透過できな
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Ｌ１２０が光軸ＡＸに対して
傾いて入射している為、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。

【００１９】従って、ウェハ２０上には０次回折光Ｄ₀
と−１次回折光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時、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。

【００２０】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。

【００２１】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パターン
の最小ピッチはとなる。

【００２２】一方、図１３に示したように、照明光の瞳
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を形成方
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。

【００２３】図１２のようにウェハ２０が投影光学系１
８の焦点位置（最良結像面）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２０上の一
点に達する各回折光は、投影光学系１８のどの部分を通
るものであってもすべ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。

【００２４】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−
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
の距離を表わす。従来の図１３に示した投影型露光装置
では、０次回折光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Ｄ_P、Ｄ_mは、
ｒ（１次）＝Ｍ・λ／Ｐとなる（Ｍは投影光学系の倍
率）。

【００２５】従って、０次回折光Ｄ₀と±１次回折光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。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ＡＸ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
光成分の光軸ＡＸからの距離はｒ（０次）＝Ｍ・ｓｉｎ
ψである。

【００２６】一方、−１次回折光成分Ｄ_mの瞳面におけ
る光軸からの距離はｒ（−１次）＝Ｍ・ｓｉｎ（θ_m−
ψ）となる。そしてこのとき、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。すなわち、焦点深度が増大することになる。また、
（３）式のように、ｓｉｎ（θ_m−ψ）＋ｓｉｎψ＝λ
／Ｐであるから、照明光束Ｌ１２０のレチクル１６への
入射角ψが、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きわめて増大するこ
とが可能である。

【００２７】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例による投影型露
光装置（ステッパー）を示し、フライアイレンズ群１１
Ａ、１１Ｂの夫々の光源側焦点面１１ａに照明光の光量
分布を集中せしめる光学部材（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。

【００２８】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群１１Ａ、１１Ｂの夫々に集中して
入射する。このとき、フライアイレンズ群１１Ａ、１１
Ｂ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
の照明光を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、フライアイレンズ群１１Ａ，１１Ｂ
への入射光束はある大きさ（太さ）を持っている。

【００２９】一方、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂ
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、光軸
ＡＸと垂直な面内方向に配置されている。また、個々の
フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂは光軸ＡＸと垂直な
面内方向にそれぞれ独立に可動であり、かつ、可動なら
しめる可動部材（本発明の位置調整部材）に保持されて
いるが、その詳細は後述する。

【００３０】個々のフライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂ
は同一の形状、同一の材質（屈折率）のものであること
が望ましい。また図１に示した個々のフライアイレンズ
群１１Ａ、１１Ｂの各レンズエレメントは、両凸レンズ
とし、かつ光源側焦点面１１ａと入射面、レチクル側焦
点面１１ｂと射出面がそれぞれ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
或いは平凹レンズであってもよい。

【００３１】尚、フライアイレンズ群の光源側焦点面１
１ａ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
イレンズ群のレチクル側焦点面１１ｂ、すなわちフライ
アイレンズ群１１Ａ，１１Ｂの射出面は、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
ライアイレンズ群１１Ａ，１１Ｂのレチクル側焦点面１
１ｂ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、フライアイレンズ群１
１Ａ，１１Ｂの射出側に遮光部材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。遮光
部材１２はフライアイレンズ群に合わせて開口部をくり
抜いた金属板、あるいはガラス、石英基板等に金属等の
不透明物質がパターニングされたものである。遮光部材
１２の開口部は、それぞれフライアイレンズ群１１Ａ、
１１Ｂの各位置に対応している。この為、フライアイレ
ンズ群１１Ａ、１１Ｂのレチクル側焦点面１１ｂ近傍に
おける照明光量分布をそれぞれのフライアイレンズ群１
１Ａ、１１Ｂの位置以外では零とすることができる。

【００３２】この為レチクルパターン１７に照明される
照明光は、各フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂより射
出される光束（２次光源像からの光束）のみとなり、従
って、レチクルパターン１７への入射角も特定の入射角
（複数）を持つ光束（複数）のみに制限される。尚、実
施例においては、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂ
は、それぞれ可動であるから、遮光部材１２の開口部も
これに応じて可動であるか、或いは遮光部材１２自体が
交換できなければならない（遮光部材１２については後
述する）。

【００３３】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。前述の回折格子状パターン５を
使って照明光束を回折させて、その回折光をフライアイ
レンズ群１１Ａ，１１Ｂの光源側焦点面内の特定の位置
（フライアイレンズ群）に集中させる際、その集中位置
は、回折格子状パターン５のピッチや方向性によって変
化する。従って、各フライアイレンズ１１Ａ、１１Ｂの
位置に照明光を集中させるべく、回折格子状パターン５
のピッチや方向性を決定する。

【００３４】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
像ができており、かつ、レチクルパターン面１７と、フ
ライアイレンズ群１１Ａ，１１Ｂのレチクル側焦点面１
１ｂとは、フーリエ変換面の関係となっているので、レ
チクル１６上での照明強度分布は、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。
また、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せたものであっ
ても良いし、ＳｉＯ₂等の誘電体膜がパターニングされ
た、いわゆる位相グレーティングであってよい。位相グ
レーティングの場合、０次回折光の発生を押さえること
ができる。

【００３５】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、す
なわちＡｌ等の金属膜や、誘電体多層膜を回折格子状に
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。

【００３６】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に示す様に、反射性回折格子状パターン
５Ａにリレーレンズ系４からの照明光束を照射し、そこ
で反射回折された回折光をリレーレンズ９を介してフラ
イアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂ近傍に集中させればよ
い。なお、個々のフライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂが
移動した場合にもそれぞれのフライアイレンズ１１Ａ、
１１Ｂ近傍に照明光を集中できるように、回折格子状パ
ターン５又は５Ａはピッチの異なるものに交換可能であ
るものとする。また、回折格子状パターン５又は５Ａは
光軸ＡＸと垂直な面内で任意の方向に回転可能であって
もよい。

【００３７】このようにすると、レチクルパターン１７
中のラインアンドスペースパターンのピッチ方向が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成るズームレンズ系（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
ンズ群１１Ａ，１１Ｂ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。

【００３８】ところで、図１には装置を統括制御する主
制御系５０と、レチクル１６が投影光学系１８の直上に
搬送される途中でレチクルパターン１７の脇に形成され
た名称を表すバーコードＢＣを読み取るバーコードリー
ダ５２と、オペレータからのコマンドやデータを入力す
るキーボード５４と、フライアイレンズ群１１Ａ，１１
Ｂを動かす可動部材の駆動系（モータ，ギャトレン等）
５６が設けられている。主制御系５０内には、このステ
ッパーで扱うべき複数枚のレチクルの名称と、各名称に
対応したステッパーの動作パラメータとが予め登録され
ている。そして、主制御系５０はバーコードリーダ５２
がレチクルバーコードＢＣを読み取ると、その名称に対
応した動作パラメータの１つとして、予め登録されてい
るフライアイレンズ群１１Ａ，１１Ｂの移動位置（瞳共
役面内の位置）の情報を、駆動系５６に出力する。これ
によって各フライアイレンズ群１１Ａ，１１Ｂは第１２
図で説明したように位置調整される。以上の動作はキー
ボード５４からオペレータがコマンドとデータを主制御
系５０へ直接入力することによっても実行できる。

【００３９】以上、第１の実施例について説明したが、
フライアイレンズ群の光源側焦点面での光量分布を、個
々のフライアイレンズ位置近傍に集中させる光学部材
は、回折格子状パターン５，又は５Ａのみには限定され
ない。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６を図３のように配置し、
かつ平面鏡６を回転可動ならしめるモーター等の駆動部
材６ａを設ける。そして駆動部材６ａにより、平面鏡６
を回転又は振動させれば、フライアイレンズ群１１Ａ，
１１Ｂの光源側焦点面（入射面）１１ａ内での光量分布
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６を適当な複数の角度位置に回動させれば、フライ
アイレンズ群１１Ａ，１１Ｂの光源側焦点面１１ａ内で
の光量分布を複数のフライアイレンズ群のうちいずれか
１つのフライアイレンズ群の位置近傍のみに集中させる
ことができる。なお、このような可動反射鏡６を使う場
合はリレーレンズ系９を省略してしまっても良い。

【００４０】さらに、個々のフライアイレンズ群１１
Ａ、１１Ｂが移動した場合には、前述の平面鏡６の複数
の角度位置の角度座標を変更し、新しい位置のフライア
イレンズ群の近傍に反射光束を集中させればよい。とこ
ろで、図３中に示した遮光部材１２はフライアイレンズ
群１１Ａ，１１Ｂ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。

【００４１】図４は、フライアイレンズ群の夫々に、照
明光束を集光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。リレーレンズ系４より光源
側、及びフライアイレンズ群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
ズ系４を透過した照明光は、光ファイバー束７の入射部
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、フライアイレ
ンズ群の数に対応した複数の束に分割され、それぞれの
射出部７ｂは、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂの光
源側焦点面１１ａ近傍に各フライアイレンズ群と一体と
なるように配置される。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群１１の間に、そ
れぞれレンズ（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、フライアイレンズ群１
１の光源側焦点面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。

【００４２】また、各射出部７ｂ（又は射出部７ｂとフ
ライアイレンズ群１１ｂとの間のレンズ）は、モーター
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、個々のフライアイレンズ群１１
Ａ、１１Ｂが移動した場合にも、照明光束を移動後の各
フライアイレンズ群の位置近傍に集中させることができ
る。

【００４３】図５は各フライアイレンズ群に照明光束を
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Ａ
Ｘを境界として２つの屈折面に分割されており、光軸Ａ
Ｘ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、フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂの光源側焦点面
１１ａ上で、プリズム８の屈折角に応じて、個々のフラ
イアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂ近傍に照明光を集中させ
ることができる。

【００４４】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、フライアイレンズ群の数に応じて何面
に分割されていてもよい。また、分割される位置は光軸
ＡＸと対称な位置にはこだわらなくとも良い。プリズム
８を交換することにより、個々のフライアイレンズ群１
１Ａ、１１Ｂが移動した場合にも、それぞれのフライア
イレンズ群１１Ａ、１１Ｂの位置に照明光を適確に集中
させることができる。

【００４５】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、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１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図
３の様に配置すれば、駆動部材６ａは不用となる。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を省略することができる。

【００４６】図６は各フライアイレンズ群へ照明光束を
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８ｂ、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群１１の光源側焦点
面１１ａに達する。各ミラー８ａ、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、個々のフライアイレンズ群１１Ａ、１１
Ｂの移動後も、照明光束をそれぞれのフライアイレンズ
１１Ａ、１１Ｂの近傍に集中させることができる。ま
た、各ミラー８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは平面ミラーであ
っても凸面あるいは凹面ミラーであっても良い。

【００４７】また、２次ミラー８ａ、８ｄとフライアイ
レンズ群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コずつとしたが、数量はこれに限定されるもので
はなく、フライアイレンズ群の数によって適宜ミラーを
配置すればよい。以上の各実施例に於ては、フライアイ
レンズ群をすべて２個としたが、フライアイレンズ群の
個数は３個以上であってももちろん良い。また、個々の
フライアイレンズ群に照明光を集中させる光学部材につ
いても、主に２ヶ所への光の集中を述べたが、フライア
イレンズ群の数に応じて複数の位置へ照明光を集中せし
めることは言うまでもない。以上の実施例はすべて任意
の位置（フライアイレンズ群の位置に対応する）への照
明光の集中が可能である。また、各フライアイレンズ群
へ照明光を集中させる光学部材は、実施例に挙げた型式
にはとどまらず、他のいかなるものであっても良い。

【００４８】また遮光部材１２は前述の図１２の如く、
フライアイレンズの光源側焦点面１１ａ近傍に設けられ
た遮光部材１０に置換してもよいし、図１から図５に示
される各実施例と、図１２に示した遮光部材１０を組み
合わせて使用しても良い。また遮光部材１０，１２は、
フライアイレンズ群のレチクル側焦点面１１ｂや、光源
側焦点面１１ａに限らず、任意の位置に配置することが
できるが、例えば、上記２つの焦点面１１ａ，１１ｂの
間などは好適な場所である。

【００４９】また、個々のフライアイレンズ群１１Ａ、
１１Ｂの近傍のみへ照明光を集中させる光学部材は、レ
チクル１６を照明する照明光量の損失を防止する為のも
のであり、本発明の投影型露光装置の特徴である高解像
度及び大焦点深度の効果を得るための構成とは直接関連
するものではない。従って、上記光学部材は位置調整後
の各フライアイレンズ群の夫々に照明光をフラッドに入
射させるだけの大きな径のレンズ系だけでもよい。

【００５０】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群１１Ａ、１１Ｂ
より光源側は前述の図１から図５、あるいは図１２に示
した構成のいずれかとなっている。フライアイレンズ群
１１Ａ、１１Ｂのレチクル側焦点面１１ｂ近傍に任意の
開口部（透過部）を有する遮光部材１２ａが設けられ、
フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂから射出される照明
光束を制限する。

【００５１】リレーレンズ１３ａに対するフライアイレ
ンズ群１１のレチクル側焦点面１１ｂのフーリエ変換は
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
ライアイレンズ群１１のレチクル側焦点面１１ｂの共役
面（フーリエ面）１２ｂに到る。先の遮光部材１２ａは
このフーリエ面１２ｂに設けても良い。

【００５２】各フライアイレンズ群１１Ａ，１１Ｂから
の照明光束はさらにコンデンサーレンズ１３Ｃ、１５、
ミラー１４によってレチクル１６に導かれる。なお、各
フライアイレンズ群１１Ａ，１１Ｂに入射する照明光束
が有効にそこのみに集中できる系であれば、遮光部材を
１２ａ、または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）１
３ｄの使用が可能である。

【００５３】以上のいずれの実施例においても、遮光部
材１０，１２，１２ａの開口部１つあたりの径（又はフ
ライアイレンズ群の夫々の射出端面積）は、その開口部
を透過する照明光束のレチクル１６に対するの開口数と
投影光学系１８のレチクル側開口数（ＮＡ_R）との比、
いわゆる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。

【００５４】また、フライアイレンズ群の１つによって
決まるσ値の条件（０．１＜σ＜０．３程度）を満たす
為に、個々のフライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂの射出
端面積の大きさ、（光軸と垂直な面内方向の大きさ）
を、照明光束（射出光束）にあわせて決定しても良い。
また、各フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂのレチクル
側焦点面１１ｂ近傍に、それぞれ可変開口絞り（遮光部
材１２と同等のもの）を設けて、各フライアイレンズ群
からの光束の開口数を可変として、σ値を変えても良
い。それとあわせて、投影光学系１８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もσ値をより最適化
することもできる。

【００５５】また、各フライアイレンズ群に入射する光
束は、各フライアイレンズ群の入射端面よりもある程度
外側まで広く照明されており、かつ、各フライアイレン
ズ群に入射する光量分布が均一であると、レチクルパタ
ーン面での照度均一性を一層高められるので好ましい。
次に、フライアイレンズ群を可動する可動部の実施例を
図８及び図９を用いて説明する。

【００５６】図８は可動部を光軸方向から見た図であ
り、図９は光軸と垂直な方向から見た図である。複数の
フライアイレンズ群として図８では４個のフライアイレ
ンズ群１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを光軸からほぼ
等距離に配置する。また、フライアイレンズ群１１Ａ，
１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄの夫々は、図８に示したように
３２個のレンズエレメントで構成されるが、これに限定
されるものではなく、極端な場合１個のレンズエレメン
トで構成されたフライアイレンズ群としてもよい。さて
図８、図９において、フライアイレンズ群１１Ａ、１１
Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄは治具８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃ、８
０Ｄにより保持され、これら治具８０Ａ，８０Ｂ，８０
Ｃ，８０Ｄはさらに支持棒７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ、７
０Ｄを介して可動部材７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃ、７１Ｄ
により支持される。この支持棒７０Ａ，７０Ｂ，７０
Ｃ，７０Ｄは可動部材７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃ、７１Ｄ
に含まれるモーター及びギア等の駆動素子により光軸方
向に伸縮可能となっている。また、可動部材７１Ａ、７
１Ｂ、７１Ｃ、７１Ｄ自体も、固定ガイド７２Ａ、７２
Ｂ、７２Ｃ、７２Ｄに沿って可動であり、従って個々の
フライアイレンズ群１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄは
光軸と垂直な面内方向に、それぞれ独立に可動となって
いる。

【００５７】図８、及び図９に示したフライアイレンズ
群１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄの各位置（光軸と垂
直な面内での位置）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、各フライアイレンズ群
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。次に各フライアイレンズ群の位置
決定の具体例を、図１０、図１１（Ａ）、（Ｂ）、
（Ｃ）、（Ｄ）を用いて説明する。図１０はフライアイ
レンズ群１１Ａ、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、フライアイレンズ群
１１のレチクル側焦点面１１ｂが、レチクルパターン１
７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。

【００５８】図１１（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１１（Ｂ）は図１１（Ａ）のレチクルパタ
ーンの場合に最適なフライアイレンズ群の中心のフーリ
エ変換面（又は投影光学系の瞳面）での位置を示し、図
１１（Ｄ）は図１１（Ｃ）のレチクルパターンの場合に
最適な各フライアイレンズ群の位置（最適な各フライア
イレンズ群の中心の位置）を表わす図である。

【００５９】図１１（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、個々のフライアイレ
ンズ群の最適位置は図１１（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、及び線分Ｌβ
上の任意の位置となる。図１１（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
１１（Ａ）と同一にしてある。さて、図１１（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／２Ｐであり、これは作用の項で述べた数値と一致し
ている。従って各フライアイレンズ群の各中心（各フラ
イアイレンズ群の夫々によって作られる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１
１（Ａ）に示す如きラインアンドスペースパターンに対
して、各フライアイレンズ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。

【００６０】次に図１１（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１１（Ｄ）は
この場合の各フライアイレンズ群の最適位置を表わす図
であり、図１１（Ｃ）との位置、回転関係は図１１
（Ａ），（Ｂ）の関係と同じである。図１１（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１１（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１１（Ｃ）のパターン
ではＸ方向のピッチはＰｘであるから図１１（Ｄ）に示
す如く、α＝β＝ｆ・（１／２）・（λ／Ｐｘ）となる
線分Ｌα、Ｌβ上に各フライアイレンズ群の中心があれ
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上に各フライアイレ
ンズ群の中心があれば、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。

【００６１】以上、図１１（Ｂ）、又は（Ｄ）に示した
各位置に配置したフライアイレンズ群からの照明光束が
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からほぼ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１１（Ａ）、又は（Ｃ）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フライアイレン
ズ群の中心を配置すればよい。また図１１（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。

【００６２】また、レチクルパターン１７が図１１
（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１９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（１つのフライアイレンズ群）の位置を調節すればよ
い。例えば、図１１（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。

【００６３】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、
フライアイレンズ群の最適位置は、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フライアイレンズ群を配置して
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。

【００６４】以上、複数のフライアイレンズ群の位置決
定の例を示したが、照明光束は、前述の光学部材（回折
格子状パターン、可動ミラー、プリズム或いはファイバ
ー等）により、各フライアイレンズ群の移動位置に対応
して集中させたが、この様な集中化のための光学部材は
設けなくても良い。また、各フライアイレンズ群を射出
した光束は、それぞれレチクルに対して傾いて入射す
る。このときこれらの傾いた入射光束（複数）の光量重
心の方向がレチクルに対して垂直でないと、ウェハ２０
の微小デフォーカス時に、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
為に、各フライアイレンズ群からの照明光束（複数）の
光量重心の方向は、レチクルパターンと垂直、すなわち
光軸ＡＸと平行である様にする。

【００６５】つまり、各フライアイレンズ群に光軸（中
心線）を仮定したとき投影光学系１８の光軸ＡＸを基準
としたその光軸（中心線）のフーリエ変換面内での位置
ベクトルと、各フライアイレンズ群から射出される光量
との積のベクトル和が零になる様にすればよい。また、
より簡単な方法としては、フライアイレンズ群を２ｍ個
（ｍは自然数）とし、そのうちのｍ個の位置を前述の最
適化方法（図１２）により決定し、残るｍ個は前記ｍ個
と光軸ＡＸについて対称となる位置に配置すればよい。

【００６６】さらに装置が、例えばｎ個（ｎは自然数）
のフライアイレンズ群を有している場合に、必要なフラ
イアイレンズ群の数がｎ個より少ないｍ個である場合、
残る（ｎ−ｍ）個のフライアイレンズ群は使用しなくて
良い。（ｎ−ｍ）個のフライアイレンズ群を使用しなく
する為には、（ｎ−ｍ）個のフライアイレンズ群の位置
に遮光部材１０、又は１２を設けておけばよい。またこ
のとき各フライアイレンズ群の位置に照明光を集中する
光学部材は、この（ｎ−ｍ）個のフライアイレンズへは
集中を行なわない様にしておくとよい。

【００６７】遮光部材１０、又は１２は各フライアイレ
ンズ群の移動に応じて開口部の位置が可変であることが
望ましい。あるいは各フライアイレンズの位置に応じて
遮光部材１０、１２を交換とする機構を設け、かつ何種
類かの遮光部材を装置内に有していてもよい。また、図
９に示したとおり、各フライアイレンズ群１１Ａ、１１
Ｂ、１１Ｃ，１１Ｄを保持する治具８０Ａ、８０Ｂ、８
０Ｃ、８０Ｄがそれぞれ遮光羽根８１Ａ、８１Ｂを有し
ていると、遮光部材１２の開口は、フライアイレンズ径
よりかなり大きくて良く、従って１つの遮光部材１２
で、種々の各フライアイレンズ位置に対応できる。ま
た、各遮光羽根８１Ａ、８１Ｂは、光軸方向にわずかず
つずれていると、各フライアイレンズ群の移動範囲に与
える制限が減少される。

【００６８】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、以上の実施
例においては両側テレセントリックな投影光学系を使用
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。さらに、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。

【００６９】また、フライアイレンズ群１１Ａ、１１
Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ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群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群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６よりも光源
（ランプ）１側であることが望ましい。

【００７０】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１４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。

【００７１】図１５（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１５
（Ｂ）は図１５（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１５（Ａ）、（Ｂ）と
も縦軸はＺ（光軸）方向のウェハ位置を表し、図１５
（Ａ）の横軸は存在確率を表し，図１５（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。

【００７２】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。

【００７３】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。

【００７４】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。

【００７５】

【発明の効果】以上の様に本発明によれば、通常のマス
クを使用しながら、従来よりも高解像度、大焦点深度の
投影型露光装置を実現することが可能である。しかも本
発明によれば、すでに半導体生産現場で稼働中の投影型
露光装置の照明系部分を替えるだけでよく、稼働中の装
置の投影光学系をそのまま利用して，それまで以上の高
解像力化が可能となる。

【００７６】さらに本発明では、照明光学系内のマスク
のフーリエ変換相当面に複数のフライアイレンズ群を互
いに分離して配置したため、それらフライアイレンズ群
を可動としても、マスク又は感光基板上での照明光の均
一性は大きく変動することがないといった利点もある。
また、本発明の各実施例に示したフライアイレンズ群へ
の照明光の集中化方式によれば、光源からの照明光量の
損失を最小とすることができるから、露光装置としての
スループットも極端に低下することがないといった効果
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】フライアイレンズ群への照明光の集中化の第１
の変形例を示す図である。

【図３】フライアイレンズ群への照明光の集中化の第２
の変形例を示す図である。

【図４】フライアイレンズ群への照明光の集中化の第３
の変形例を示す図である。

【図５】フライアイレンズ群への照明光の集中化の第４
の変形例を示す図である。

【図６】フライアイレンズ群への照明光の集中化の第５
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】４つの可動フライアイレンズ群の配置と、その
可動部材の構成を光軸方向からみた平面図である。

【図９】図８の構成を光軸と垂直な方向からみた図であ
る。

【図１０】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１１】（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。

【図１４】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１５】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。

【符号の説明】

５回折格子状パターン９レンズ系１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄフライアイレンズ系１０，１２遮光部材（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７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ，７１Ｄ可動部材

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、前記照明光学系内で前記パターンに対するフーリエ変換
面にそれぞれ一端面が実質的に配置される互いに分離し
た複数のオプチカルインテグレータを備え、前記複数の
オプチカルインテグレータはその中心が前記パターンの
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
して配置されることを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記各オプチカルインテグレータから射出
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、
前記各オプチカルインテグレータの位置を決定すること
を特徴とする請求項１に記載の投影露光装置。
【請求項３】前記各オプチカルインテグレータから射出
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ＮＡ_Rとすると、前記±ｎ次回折光
の一方でｓｉｎ(θ−ψ)＝ＮＡ_Rなる関係が満たされる
ように、前記各オプチカルインテグレータの位置を決定
することを特徴とする請求項１又は２に記載の投影露光
装置。
【請求項４】前記一方の回折光は、前記投影光学系の光
軸に関して前記パターンから発生する０次回折光とほぼ
対称にな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】前記照明光の波長をλ、前記パターンのピ
ッチをＰとし、前記各オプチカルインテグレータから射
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、前記各オプチカルインテ
グレータの位置を決定することを特徴とする請求項１〜
４のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項６】前記パターンが互いに交差する第１及び第
２方向に沿って設けられるとき、前記各オプチカルイン
テグレータ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、前記各オプチカルインテ
グレータの位置を決定することを特徴とする請求項１〜
５のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項７】前記パターンが互いに交差する第１及び第
２方向に沿って設けられるとき、前記フーリエ変換面上
の前記光軸で交差し、かつ前記第１及び第２方向に沿っ
て規定される第１及び第２軸によって区切られる複数の
領域内にそれぞれ前記オプチカルインテグレータを配置
することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記
載の投影露光装置。
【請求項８】前記各オプチカルインテグレータから射出
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１〜７のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項９】前記複数のオプチカルインテグレータとは
別に、前記照明光学系内でその光軸方向に離れて設けら
れるオプチカルインテグレータを更に備えることを特徴
とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の投影露光装
置。
【請求項１０】前記光源からの照明光を遮光することな
く前記複数のオプチカルインテグレータの各入射面に集
中して入射させるインプット光学系を更に備えることを
特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の投影露
光装置。
【請求項１１】前記インプット光学系は、前記照明光を
入射して回折光を発生する回折光学素子を含むことを特
徴とする請求項１０に記載の投影露光装置。
【請求項１２】前記基板上に転写すべきパターンの周期
性に応じて、前記フーリエ変換面上での位置が変更され
るように前記複数のオプチカルインテグレータを移動す
る調整手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜１
１のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項１３】前記複数のオプチカルインテグレータは
２ｍ個で構成されるとともに、ｍ個のオプチカルインテ
グレータは、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、残りのｍ
個のオプチカルインテグレータは、前記照明光学系の光
軸に関して前記ｍ個のオプチカルインテグレータとほぼ
対称に配置されることを特徴とする請求項１〜１２のい
ずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項１４】前記複数のオプチカルインテグレータは
それぞれ射出側焦点面が前記フーリエ変換面にほぼ一致
して配置されるフライアイレンズであることを特徴とす
る請求項１〜１３のいずれか一項に記載の投影露光装
置。
【請求項１５】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中心部よりもその外側
領域で高めるとともに、前記照明光を遮光することなく
前記外側領域の前記照明光学系の光軸との距離を可変と
する光学部材を備えたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項１６】前記光学部材は、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る
可動光学素子を含むことを特徴とする請求項１５に記載
の投影露光装置。
【請求項１７】前記可動光学素子はズームレンズ系を構
成することを特徴とする請求項１６に記載の投影露光装
置。
【請求項１８】前記光学部材は、前記光源と前記可動光
学素子との間に配置され、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１７に記載の投影露光装置。
【請求項１９】前記光学部材は、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
する光学素子を含み、前記光学素子の交換によって前記
距離を可変とすることを特徴とする請求項１５に記載の
投影露光装置。
【請求項２０】前記基板上に転写すべきパターンの微細
度に応じて前記距離が変更されることを特徴とする請求
項１５〜１９のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項２１】前記パターンは少なくとも第１方向に沿
って延び、前記外側領域は、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領域内に設定さ
れることを特徴とする請求項１５〜２０のいずれか一項
に記載の投影露光装置。
【請求項２２】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、前記外側領域は、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領域内に設定されること
を特徴とする請求項２１に記載の投影露光装置。
【請求項２３】前記外側領域は、前記パターンの微細度
に応じて前記照明光学系の光軸との距離がほぼ等しく決
定され、かつ前記第１及び第２軸によって区切られる４
つの領域内にそれぞれ設定されることを特徴とする請求
項２２に記載の投影露光装置。
【請求項２４】前記外側領域は、前記照明光学系の光軸
との距離がほぼ等しい複数の領域内にそれぞれ設定さ
れ、前記基板上に転写すべきパターンの周期性に応じ
て、前記複数の領域の各位置が変更されることを特徴と
する請求項１５〜２０のいずれか一項に記載の投影露光
装置。
【請求項２５】前記各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、前記各領域の位置を
決定することを特徴とする請求項２４に記載の投影露光
装置。
【請求項２６】前記各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
ＮＡ_Rとすると、前記±ｎ次回折光の一方でｓｉｎ(θ−
ψ)＝ＮＡ_Rなる関係が満たされるように、前記各領域の
位置を決定することを特徴とする請求項２４又は２５に
記載の投影露光装置。
【請求項２７】前記一方の回折光は、前記投影光学系の
光軸に関して前記パターンから発生する０次回折光とほ
ぼ対称になることを特徴とする請求項２６に記載の投影
露光装置。
【請求項２８】前記照明光の波長をλ、前記パターンの
ピッチをＰとし、前記各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、前記各領域の位置を決定することを特徴とす
る請求項２４〜２７のいずれか一項に記載の投影露光装
置。
【請求項２９】前記パターンが互いに交差する第１及び
第２方向に沿って設けられるとき、前記各領域から射出
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、前記各領域の位置を決定することを特徴とす
る請求項２４〜２８のいずれか一項に記載の投影露光装
置。
【請求項３０】前記パターンが互いに交差する第１及び
第２方向に沿って設けられるとき、前記複数の領域は、
前記フーリエ変換面上の前記光軸で交差し、かつ前記第
１及び第２方向に沿って規定される第１及び第２軸によ
って区切られることを特徴とする請求項２４〜２９のい
ずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項３１】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２４〜３
０のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項３２】前記各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２３〜３１の
いずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項３３】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た
方向に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１〜３２のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項３４】請求項１〜３３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３５】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、前記投影光学系の瞳面と実質的に共役な前記照明光学系
内の所定面上での前記照明光の光量分布を中心部よりも
その外側領域で高めるとともに、前記基板上に転写すべ
きパターンに応じて、前記照明光を遮光することなく前
記外側領域の前記照明光学系の光軸との距離を可変とす
ることを特徴とする投影露光方法。