JP3278896B2 - 照明装置及びそれを用いた投影露光装置 - Google Patents

照明装置及びそれを用いた投影露光装置

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JP3278896B2
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    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70058—Mask illumination systems
    • G03F7/70091—Illumination settings, i.e. intensity distribution in the pupil plane or angular distribution in the field plane; On-axis or off-axis settings, e.g. annular, dipole or quadrupole settings; Partial coherence control, i.e. sigma or numerical aperture [NA]
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    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70216—Mask projection systems
    • G03F7/70241—Optical aspects of refractive lens systems, i.e. comprising only refractive elements

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は照明装置及びそれを用い
た投影露光装置に関し、具体的には半導体素子の製造装
置である所謂ステッパーにおいてレチクル面上のパター
ンを適切に照明し、高い解像力が容易に得られるように
した照明装置及びそれを用いた投影露光装置に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】最近の半導体素子の製造技術の進展は目
覚ましく、又それに伴う微細加工技術の進展も著しい。
特に光加工技術は１ＭＤＲＡＭの半導体素子の製造を境
にサブミクロンの解像力を有する微細加工の技術まで達
している。解像力を向上させる手段としてこれまで多く
の場合、露光波長を固定して、光学系のＮＡ（開口数）
を大きくしていく方法を用いていた。しかし最近では露
光波長をｇ線からｉ線に変えて、超高圧水銀灯を用いた
露光法により解像力を向上させる試みも種々と行なわれ
ている。
【０００３】露光波長としてｇ線やｉ線を用いる方法の
発展と共にレジストプロセスも同様に発展してきた。こ
の光学系とプロセスの両者が相まって、光リソグラフィ
が急激に進歩してきた。
【０００４】一般にステッパーの焦点深度はＮＡの２乗
に反比例することが知られている。この為サブミクロン
の解像力を得ようとすると、それと共に焦点深度が浅く
なってくるという問題点が生じてくる。
【０００５】これに対してエキシマレーザーに代表され
る更に短い波長の光を用いることにより解像力の向上を
図る方法が種々と提案されている。短波長の光を用いる
効果は一般に波長に反比例する効果を持っていることが
知られており、波長を短くした分だけ焦点深度は深くな
る。
【０００６】短波長化の他に解像力を向上させる方法と
して位相シフトマスクを用いる方法（位相シフト法）が
種々と提案されている。この方法は従来のマスクの一部
に、他の部分とは通過光に対して１８０度の位相差を与
える薄膜を形成し、解像力を向上させようとするもので
あり、ＩＢＭ社（米国）のＬｅｖｅｎｓｏｎらにより提
案されている。解像力ＲＰは波長をλ、パラメータをｋ
1、開口数をＮＡとすると一般に式 ＲＰ＝ｋ1λ／ＮＡ で示される。通常０．７〜０．８が実用域とされるパラ
メータｋ1は、位相シフト法によれば０．３５ぐらい迄
大幅に改善できることが知られている。
【０００７】位相シフト法には種々のものが知られてお
り、それらは例えば日系マイクロデバイス１９９０年７
月号１０８ページ以降の福田等の論文に詳しく記載され
ている。
【０００８】しかしながら実際に空間周波数変調型の位
相シフトマスクを用いて解像力を向上させるためには未
だ多くの問題点が残っている。例えば現状で問題点とな
っているものとして以下のものがある。 （イ）．位相シフト膜を形成する技術が未確立。 （ロ）．位相シフト膜用の最適なＣＡＤの開発が未確
立。 （ハ）．位相シフト膜を付けれないパターンの存在。 （ニ）．（ハ）に関連してネガ型レジストを使用せざる
をえないこと。 （ホ）．検査、修正技術が未確立。
【０００９】このため実際に、この位相シフトマスクを
利用して半導体素子を製造するには様々な障害があり、
現在のところ大変困難である。
【００１０】これに対して本出願人は照明装置を適切に
構成することにより、より解像力を高めた露光方法及び
それを用いた露光装置を特願平３−２８６３１号（平成
３年２月２２日出願）で提案している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本出願人が先に提案し
た露光装置においては主としてｋ1 ファクターが０．５
付近の空間周波数が高い領域に注目した照明系を用いて
いる。この照明系は空間周波数が高いところでは焦点深
度が深い。
【００１２】実際の半導体集積回路の製造工程はパター
ンの高い解像性能が必要とされる工程、それほどパター
ンの解像性能は必要とされない工程と種々様々である。
従って現在求められているのは各工程独自に求められる
解像性能への要求に対応できる投影露光装置である。
【００１３】本発明は投影焼き付けを行なう対象とする
パターン形状及び解像線幅に応じて適切なる照明方法を
その都度適用し、即ち最大２０を越える工程数を有する
集積回路製造工程に対応するため、従来型の照明系と高
解像型の照明系を目的に応じて光束の有効利用を図りつ
つ容易に切り替えることができ、高い解像力が容易に得
られる照明装置及びそれを用いた投影露光装置の提供を
目的とする。
【００１４】又、上記とは異なる高解像力の露光方法と
して輪帯照明を利用したものが特開昭６１-９１６６２
号公報で提案されている。同公報では輪帯照明と通常照
明との切換の際に光線の利用効率を落とさない方法とし
て、オプティカルインテグレータの前に円錐レンズを着
脱可能とし、オプティカルインテグレータに入る光の分
布を中央集中型と周辺円輪状とに切り替え可能としてい
る。
【００１５】しかしながら、この円錐レンズは、特開昭
５８-８１８１３号公報、特開昭５８-４３４１６号公
報、特開昭５８-１６０９１４号公報、特開昭５９-１４
３１４６号公報で提案されている、オプティカルインテ
グレータに入る光の分布を周辺円輪状から中央集中型に
する円錐部材であり、輪帯照明や本出願人が先に提案し
た照明方法においての光利用効率の改善には余り効果が
ない。
【００１６】本発明の目的は、輪帯照明や本出願人が先
に提案した照明方法において光利用効率を改善できる照
明装置及び投影露光装置の提供を目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の照明装
置は、楕円鏡と、該楕円鏡の第１焦点近傍に発光部が在
る光源と、前記楕円鏡の第２焦点近傍に形成される前記
発光部の像を、複数の微小レンズを２次元的に配列した
オプティカルインテグレータの光入射面近傍に結像させ
る結像系と、前記オプティカルインテグレータからの光
束で被照射面を照明する光学系とを有する照明装置であ
って、前記結像系は光出射側がテレセントリックな系で
あり、前記結像系の瞳面近傍の光路に対して挿脱可能
な、入射光束を所定方向に偏向する光学素子を有するこ
とを特徴としている。
【００１８】請求項２の発明の照明装置は、楕円鏡と、
該楕円鏡の第１焦点近傍に発光部が在る光源と、前記楕
円鏡の第２焦点近傍に形成される前記発光部の像からの
光で、前記楕円鏡の開口部の像を複数の微小レンズを２
次元的に配列したオプティカルインテグレータの光入射
面近傍に結像させる結像系と、前記オプティカルインテ
グレータからの光束で被照射面を照明する光学系とを有
する照明装置であって、前記結像系の前側焦点位置と前
記楕円鏡の第２焦点位置が略一致しており、前記発光部
の像近傍の光路に対して挿脱可能な、入射光束を所定方
向に偏向する光学素子を有することを特徴としている。
【００１９】請求項３の発明は請求項１又は２の発明に
おいて、前記結像系と前記オプティカルインテグレータ
の光入射面の間に前記光学素子の挿脱と対応させて挿脱
されるプリズム又はフィールドレンズを有することを特
徴としている。
【００２０】請求項４の発明は請求項１又は２の発明に
おいて、前記オプティカルインテグレータの光射出面近
傍の光路に対し、中心部に比べ周辺部で多くの光を通過
させる絞り部材を着脱させることを特徴としている。
【００２１】請求項５の発明の照明装置は、光源からの
光束をオプティカルインテグレータの光入射面近傍に集
光する光学系を有し、前記オプティカルインテグレータ
からの光束で被照射面を照明する照明装置であって、前
記光学系は光出射側がテレセントリックな系であり、前
記光学系の瞳面近傍の光路に対して挿脱可能な、入射光
束を所定方向に偏向する光学素子を有することを特徴と
している。
【００２２】請求項６の発明の照明装置は、光源からの
光束をオプティカルインテグレータの光入射面近傍に集
光する光学系を有し、前記オプティカルインテグレータ
からの光束で被照射面を照明する照明装置であって、前
記光学系は光出射側がテレセントリックな系であり、入
射光束を所定方向に偏向させる光学素子を前記光学系の
瞳面近傍に設けることを特徴としている。
【００２３】請求項７の発明は請求項１から６のいずれ
か１項に記載の発明において、前記光学素子は、円錐面
状又は四角錐面状又は八角錐面状の光偏向面を有し、入
射光束を輪帯状の光束又は４個の光束又は８個の光束に
変換することを特徴としている。
【００２４】請求項８の発明の照明装置は、請求項５〜
７のいずれか１項に記載の発明において、前記光学系は
前記瞳面の光入射側にある第１の光学系と前記瞳面の光
出射側にある第２の光学系を有し、該第２の光学系の前
側焦点位置に前記瞳面があり、前記第２の光学系の後側
焦点位置近傍に前記オプティカルインテグレータの光入
射面があることを特徴とする。請求項９の発明の照明装
置は、請求項８に記載の発明において、前記第２の光学
系は焦点距離が可変であることを特徴とする。請求項１
０の発明の投影露光装置は、請求項項１〜９のいずれか
１項に記載の照明装置と、該照明装置により照明された
第１物体のパターンを第２物体に投影する投影光学系と
を有することを特徴としている。
【００２５】請求項１１の発明の半導体素子の製造方法
は、レチクルとウエハを用意し、請求項１０に記載の投
影露光装置により前記レチクルのパターンで前記ウエハ
を露光することを特徴としている。
【００２６】
【００２７】
【実施例】図１は本発明の照明装置及びそれを用いた投
影露光装置の一実施例を示す概略構成図であり、ステッ
パーと呼称される縮小型の投影型露光装置に本発明を適
用した例である。
【００２８】図中１は紫外線や遠紫外線等を放射する高
輝度の超高圧水銀灯等の光源でその発光部１ａは楕円ミ
ラー２の第１焦点近傍に配置している。
【００２９】光源１より発した光が楕円ミラー２によっ
て集光され、コールドミラー３で反射して楕円ミラー２
の第２焦点近傍４に発光部１ａの像（発光部像）１ｂを
形成している。コールドミラー３は多層膜より成り、主
に赤外光を透過させると共に紫外光を反射させている。
【００３０】１０１は結像系であり、２つのレンズ系
５、９を有しており、第２焦点近傍４に形成した発光部
像１ｂを後述する光学素子８を介してオプティカルイン
テグレータ１０の入射面１０ａに結像している。光学素
子８は入射光束を所定方向に偏向する円錐プリズムより
成るプリズム部材６と入射光束をそのまま射出させる平
行平板７とを有している。
【００３１】８ａは保持部材であり、光学素子８のプリ
ズム部材６と平行平板７を光路中に選択的に切替え配置
するように構成している。平行平板７が光路中にあると
きは結像系１０１は射出側でテレセントリックとなって
いる。光学素子８は結像系１０１の瞳面近傍に位置して
いる。
【００３２】オプティカルインテグレータ１０は複数の
微小レンズを２次元的に配列して構成しており、その射
出面１０ｂ近傍に２次光源１０ｃを形成している。１１
は絞り部材であり、複数の開口部材を有しその開口形状
が光路中で切替えられる機構を有している。絞り部材１
１は２次光源１０Ｃに対して、離散している２次光源が
重なり合わない領域に配置している。
【００３３】１４ａはレンズ系であり、オプティカルイ
ンテグレータ１０の射出面１０ｂからの光束を集光し、
絞り部材１１とミラー１３を介してコリメータレンズ１
４ｂと共にレチクルステージ１６に載置した被照射面で
あるレチクル１５を照明している。レンズ系１４ａとコ
リメータレンズ１４ｂは集光レンズ１４を構成してい
る。
【００３４】１７は投影光学系であり、レチクル１５に
描かれたパターンをウエハチャック１９に載置したウエ
ハ１８面上に縮小投影している。２０はウエハステージ
であり、ウエハチャック１９を載置している。本実施例
ではオプティカルインテグレータ１０の射出面１０ｂ近
傍の２次光源１０Ｃは、集光レンズ１４により投影光学
系１７の瞳１７ａ近傍に結像している。
【００３５】本実施例ではレチクル１５のパターンの方
向性及び解像線巾等に応じて光学素子８のプリズム部材
６、又は平行平板７を選択的に光路中に切り変えると共
に必要に応じて絞り部材１１の開口形状を変化させてい
る。これにより投影光学系１７の瞳面１７ａに形成され
る２次光源像の光強度分布を変化させて前述の特願平３
−２８６３１号で提案した照明方法と同様にして高解像
度の投影露光を行なっている。
【００３６】次に本実施例において光学素子８を利用す
ることによりオプティカルインテグレータ１０の入射面
１０ａの光強度分布を変更すると共に投影光学系１７の
瞳面１７ａに形成される２次光源像の光強度分布の変更
方法について説明する。
【００３７】図２、図３は各々図１の楕円鏡２からオプ
ティカルインテグレータ１０に至る光路を展開した時の
要部概略図である。図２、図３ではミラー３は省略して
いる。図２、図３では、光学素子８の各要素６、７を切
り替えてオプティカルインテグレータ１０の入射面１０
ａの光強度分布を変更させている場合を示している。
【００３８】図２は光学素子８のうちの平行平板７を光
路中に配置した場合を、図３では光学素子８のうちのプ
リズム部材６を光路中に配置した場合を示している。
【００３９】図２の照明系は主に高解像力をあまり必要
とせず焦点深度を深くした投影を行う場合（第１の状
態）であり、従来と同じ照明方法である。図３の照明系
は本発明の特徴とする主に高解像力を必要とする投影を
行う場合（第２の状態）である。
【００４０】図２（Ｃ）、図３（Ｃ）はそれぞれオプテ
ィカルインテグレータ１０の入射面１０ａにおける光強
度分布を模式的に示している。図中斜線の部分が他の領
域に比べ光強度が強い領域である。図２（Ｂ）、図３
（Ｂ）はそれぞれ図２（Ｃ）、図３（Ｃ）に示すＸ軸方
向に沿った光強度Ｉの分布を示した説明図である。
【００４１】図２では光学素子８の平行平板７を光路中
に配置し、楕円鏡２の第２焦点４に形成した発光部像１
ｂを結像系１０１によりオプティカルインテグレータ１
０の入射面１０ａに結像させている。このとき図２
（Ｂ）に示すように、オプティカルインテグレータ１０
の入射面１０ａでのＸ方向の光強度分布は、略ガウス型
の回転対称となっている。
【００４２】図３では光学素子８のプリズム部材６を光
路中に配置しオプティカルインテグレータ１０の入射面
１０ａでの光強度分布は図３（Ｂ）、図３（Ｃ）に示す
ように、光軸部分が弱く周辺で強いリング状の光強度分
布となっている。以下にこの理由について説明する。
【００４３】図４は図２（Ａ）の平行平板７とレンズ系
９そしてオプティカルインテグレータ１０の入射面１０
ａとの配置を模式的に示したものである。本実施例にお
いては平行平板７とレンズ系９の前側主点位置及びレン
ズ系９の後側主点位置とオプティカルインテグレータ１
０の入射面１０ａの光学的距離は、レンズ系９の焦点距
離をｆ0 とすると、それぞれ距離ｆ0 となるように配置
している。
【００４４】このとき平行平板７を角度α0 で射出する
光束の入射面１０ａへの光軸からの入射高ｔ1 は、 ｔ1 ＝ｆ0 ・ｔａｎα0 となる。平行平板７を通過する最外側の光束の光軸から
の高さをＳ0 とするとオプティカルインテグレータ入射
面１０ａへの入射角βは、
【００４５】
【数１】 となる。
【００４６】従って、平行平板７の位置（レンズ系９の
前側焦点面）において光束の角度を振った時、オプティ
カルインテグレータ１０の入射面１０ａへの入射角を変
えずに入射位置のみを変えることができる。
【００４７】本実施例では以上の光学原理により、平行
平板７から円錐プリズムより成るプリズム部材６に切替
えることにより、オプティカルインテグレータ１０の入
射面１０ａにおいて光軸部分が弱く周辺部で強いリング
状の光強度分布に変更している。
【００４８】オプティカルインテグレータ１０の入射面
１０ａでの光強度分布は投影光学系１７の瞳面１７ａに
形成される有効光源の光強度分布に対応しているため、
平行平板７からプリズム部材６に切替えることにより、
投影光学系１７の瞳面上で中心部分（光軸部分）に比べ
て周辺部分で光強度が強い光強度分布を持つ有効光源を
形成している。
【００４９】尚、本実施例においてはオプティカルイン
テグレータ１０の射出面１０ｂ近傍に絞り部材１１を設
けており、この絞り部材１１は例えば複数の開口を有し
その開口形状を任意に変更させることができる機構を有
している。この絞り部材１１の開口形状は、投影光学系
１７の瞳面１７ａに形成される２次光源像の形状に対応
させている。例えば中心部に比べ周辺部で多くの光を通
過させる開口を有している。
【００５０】本実施例では光学素子８のプリズム部材６
への切替え、もしくはプリズム部材６への切替えと絞り
部材１１の開口形状の変更を併用することにより、光束
の有効利用をはかりつつ、所望の有効光源形状を得てい
る。（尚本実施例において絞り部材１１を特に設けなく
ても本発明の目的を達成することはできる。）本実施例
においては以上のような構成により、先の特願平３−２
８６３１号で提案したようにレチクル１５のパターンの
最小線巾が比較的大きい時は従来の照明装置と同様に図
２（Ａ）で示す構成とし、オプティカルインテグレータ
１０の入射面１０ａの光強度分布がガウス型となるよう
にしている（第１の状態）。
【００５１】又、パターンの最小線巾が小さい時は図３
（Ａ）で示す構成とし、オプティカルインテグレータ１
０の入射面１０ａの光強度分布がリング状となるように
し、又絞り部材１１の開口形状を変えることにより、高
解像用の照明装置を実現している（第２の状態）。
【００５２】尚、図２（Ａ）の第１の状態において平行
平板７を挿入しているのは、図３（Ａ）の第２の状態
（プリズム部材６を挿入）と図２（Ａ）の第１の状態の
間で、レンズ系５とレンズ系９との間の光路長の変化を
最小限に抑えるためである。プリズム部材６が薄くて済
む、或いはオプティカルインテグレータ１０以降の光学
性能に影響はない等の時にはこの平行平板７を省略して
も良い。
【００５３】図５、図６は本実施例において結像系１０
１を構成するレンズ系９の焦点距離ｆを変えたときの平
行平板７を通過する光束の位置（射出高、Ｓ1 ，Ｓ2 ）
と偏向角（α1 ，α2 ）に対するオプティカルインテグ
レータ１０の入射面１０ａでの入射高（光軸からの高さ
ｔ1 ，ｔ2 ）との関係を示した説明図である。
【００５４】図５においてレンズ系９の焦点距離をｆ1
としたときｔ1 ＝ｆ1 ｔａｎα1 が成立する。又図６に
おいてレンズ系９の焦点距離をｆ2 としたときｔ2 ＝ｆ
2 ｔａｎα2 が成立している。
【００５５】これらの式が示すように、レンズ系９の焦
点距離ｆを大きくとれば、平行平板７の位置において小
さい偏向角αでオプティカルインテグレータ１０の入射
面１０ａで所定の高さの入射位置ｔ1 を得ることができ
る。このことは、レンズ系９の焦点距離ｆを大きくとれ
ば第２の状態でのプリズム部材６の角度（プリズム角）
を小さくすることができることを意味している。これに
よりそれだけ収差の出にくい結像系１０１を得ることが
できる。実際にはレンズ系９はプリズム部材６の大きさ
との兼ね合いでプリズム角が５°〜２０°程度になるよ
うな焦点距離に設定している。
【００５６】本発明における光学素子８のプリズム部材
６は円錐プリズムに限らず入射光束を所定方向に偏向さ
せる部材であればどのような形状であっても良い。例え
ば図７（Ａ）に示す４角錐プリズムや図８（Ａ）に示す
８角錐プリズム等の多角錐プリズムを用いても良い。
【００５７】図７（Ｂ）、図８（Ｂ）は各々図７
（Ａ）、図８（Ａ）のプリズム部材を用いた時のオプテ
ィカルインテグレータ１０の入射面１０ａの光強度分布
を模式的に表わしている。図中斜線部分が他の部分に比
べて光強度が強くなっている。
【００５８】尚、本発明においてプリズム部材６は実施
例１のように平行平板７とプリズム部材６の２種類の切
り替えの他に３種類以上のプリズム部材と平行平板とを
切り替え可能に構成してもよい。
【００５９】本発明において図７（Ａ）のような４角錐
プリズムを光軸中心に回転し、時間的平滑化をすること
により、図３（Ｃ）のようなリング状の光強度分布を作
ってもよい。
【００６０】又、プリズム部材を切り替えると同時に光
源１を光軸方向に移動させ、光強度の強い領域の大きさ
を変えても良い。
【００６１】図９は本発明の実施例２の一部分の要部概
略図である。
【００６２】本実施例では、図１の実施例１に比べてオ
プティカルインテグレータ１０よりも前方（光源１側）
の光路中にハーフミラー３０を設け、結像系１０１から
の光束の一部を光検出器３１（ＣＣＤや４分割センサー
等）に入射させている点が異っており、この他の構成は
同じである。
【００６３】本実施例ではオプティカルインテグレータ
１０の入射面１０ａにおける光強度分布を間接的に計測
すると共に光強度分布をモニターするようにしている。
これにより入射面１０ａでの光強度及び光強度分布の変
動を調整している。
【００６４】本実施例において例えば光学素子６を光軸
に対して回転させたり、光軸に対して偏心させたりする
機構を用いればオプティカルインテグレータ１０の入射
面１０ａにおける光強度分布を所望の形に変更すること
が可能となる。
【００６５】図１０は本発明の実施例３の一部分の要部
概略図である。
【００６６】本実施例では図１の実施例１に比べてプリ
ズム部材６を光路中に装着すると共にオプティカルイン
テグレータ１０の入射面１０ａ側にレンズ系９の代わり
に焦点距離の異なるレンズ系３３を装着している点が異
なっており、その他の構成は同じである。
【００６７】本実施例ではオプティカルインテグレータ
１０の入射面１０ａのより狭い領域に光を集中させて所
望の形の光強度分布を得ている。
【００６８】次に本実施例の光学的作用を図１１、図１
２を用いて説明する。
【００６９】図１１、図１２は光学素子８（プリズム部
材６又は平行平板７）からオプティカルインテグレータ
１０までの光路を模式的に示している。図１３、図１４
はそのときのオプティカルインテグレータ１０の入射面
１０ａにおける一方の光強度分布を示している。
【００７０】図１１（Ａ）は実施例１において従来の方
式の照明を行うときの配置である。一般的にオプティカ
ルインテグレータ１０に入射できる光線の角度は決まっ
ており、図１１（Ａ）の場合その角度はθ1 である。オ
プティカルインテグレータ１０以前の光学系は、オプテ
ィカルインテグレータ１０への入射角度が角度θ1 を越
えないように設計される。この時のオプティカルインテ
グレータ１０の入射面１０ａにおける光強度分布はラグ
ランジェ・ヘルムホルツの不変量から集光度が制限され
てしまい、例えば図１３（Ａ）よりも集光度を良くする
ことはできない。これ以上の集光度を得ようとすると、
オプティカルインテグレータ１０への入射角度が角度θ
1 を越えてしまう。
【００７１】図１１（Ｂ）は実施例１においてプリズム
部材６を光路中に挿入した状態である。このときの入射
面１０ａの光強度分布を図１３（Ｂ）に示す。この時の
光束の入射面１０ａへの入射点Ｓ1 における最大入射角
度は図１１（Ａ）と同じくθ1 である。しかし実際に入
射してくる光束の有効光束角度はθ2 である。
【００７２】ここで図１２（Ａ）に示すように光学素子
３２（プリズムやフィールドレンズ）を入射面１０ａの
前方に入れることにより最大入射角を小さくすることが
できる。この時の入射面１０ａの光強度分布を図１４
（Ａ）に示す。
【００７３】ここで最大入射角に余裕ができるため、プ
リズム部材６からオプティカルインテグレータ１０まで
の光学系の焦点距離を短くすれば、より高い集光度を得
ることができる。図１２（Ｂ）はその光学原理を利用し
て集光度を高めた例である。この時、光強度分布は図１
３（Ｂ）である。図１２（Ｂ）ではリング形の光強度分
布を得るためにプリズム部材６のプリズム角が大きくな
っている。
【００７４】本実施例では以上示したようにプリズム部
材６を挿入したことにより、オプティカルインテグレー
タ１０の入射面１０ａにおける入射角は、その最大入射
角が変わらずにかたよりが生じる。そのかたよりを補正
し、入射角度の最適化を行うことにより、入射角に余裕
ができ、その入射角が限界入射角になるまで集光度を高
めている。
【００７５】その具体的な手段としてプリズム部材６か
らオプティカルインテグレータ１０までの光学系のズー
ム化、前記光学系の切り替え化、オプティカルインテグ
レータ１０の前方にプリズム（プリズム部材６が円錐プ
リズムの場合円錐プリズム、四角錐プリズムの場合四角
錐プリズム）の挿入、非球面レンズの挿入、もしくはこ
れらの併用等が適用可能である。
【００７６】図１５は本発明の実施例４の一部分の要部
概略図である。
【００７７】本実施例では図１の実施例１に比べて光学
素子８（プリズム部材６や平行平板７の位置）を結像系
１０１の瞳からずらし、レンズ系９の焦点距離を変えて
オプティカルインテグレータ１０の入射面１０ａにおけ
る光強度分布の集光化を図っている点が異っており、そ
の他の構成は同じである。
【００７８】図１５においてＰはレンズ系９の瞳面を表
わしている。図１５（Ａ）は実施例１での第１の状態の
照明状態を示したものであり、オプティカルインテグレ
ータ１０への入射角はθである。図１５（Ｂ）は実施例
１で第２の状態の照明状態を示したものであり、該入射
角は図１１（Ａ）と同じθである。この時、プリズム部
材６を瞳面Ｐからずらし図１５（Ｃ）の如くＰ面での光
束径を小さくすると、該入射角θ´は図１１（Ａ），
（Ｂ）の角度θ2 よりも小さくできる。本実施例はこの
時にレンズ系９の集点距離を変えてオプティカルインテ
グレータ１０の入射面１０ａにおける光強度分布の極所
的集光光化を図っている。
【００７９】図１６は本発明の実施例５の要部概略図で
ある。
【００８０】本実施例は図１の実施例１に比べて結像系
１０１を構成するレンズ系５を削除し楕円鏡２の開口２
ａがレンズ系９によりオプティカルインテグレータ１０
の入射面１０ａに結像するようにし、かつ光学素子８を
楕円鏡２の第２焦点近傍に配置した点が異っており、そ
の他の構成は同じである。
【００８１】即ち、図１の実施例では光源１の発光部１
ａ像をオプティカルインテグレータ１０の入射面１０ａ
上に形成し、光学素子８を光源１とオプティカルインテ
グレータ１０の間の楕円鏡２の開口２ａの結像位置（開
口２ａの像の位置）近傍にもうけていた。
【００８２】これに対し本実施例では楕円鏡２の開口２
ａの像をオプティカルインテグレータ１０の入射面１０
ａ上に形成し、光学素子８を光源１とオプティカルイン
テグレータ１０の間の発光部１ａの結像位置（楕円鏡２
の第２焦点位置）近傍に設けている。
【００８３】又、本実施例ではレンズ系９の前側焦点位
置と楕円鏡２の第２焦点位置とが略一致せしめられてレ
ンズ系９により、第２焦点に形成した発光部像１ｂから
の光をほぼ平行な光束に変換し、オプティカルインテグ
レータ１０の入射面１０ａ上に向けている。尚、プリズ
ム部材６が挿入されている場合、レンズ系９から４本の
平行光束がオプティカルインテグレータ１０の入射面１
０ａ上に向けている。
【００８４】図１７は本発明の実施例６の要部概略図で
ある。
【００８５】本実施例は図１の実施例１に比べて光学素
子８を光軸方向に少なくとも２つのプリズム部材６ａ，
６ｂを配置して構成し、オプティカルインテグレータ１
０の入射面１０ａの光強度分布を変更する際には、即ち
第２の状態とするときには光学素子８（プリズム部材６
ａ，６ｂ）を光路中に装着すると共に結像系１０１を構
成する一部のレンズ系９ａを他のレンズ系９ｂと交換し
て軸外主光線の入射面１０ａへの入射角が小さくなるよ
うにして光束の有効利用を図った点が異っており、その
他の構成は同じでる。
【００８６】本実施例では照明方法として第１の状態で
は光路中にレンズ系９ａを配置し（このとき光学素子８
は用いていない。）オプティカルインテグレータ１０の
入射面１０ａの光強度が即ち投影光学系１７の瞳面１７
ａでの光強度が中心部分が強い回転対称となるようにし
ている。
【００８７】そして光学素子８（プリズム部材６ａ，６
ｂ）を光路中に配置すると共にレンズ系９ａの代わりに
焦点距離の異なるレンズ系９ｂを配置して第２の状態に
してオプティカルインテグレータ１０ａの入射面１０ａ
への主光線の入射角が小さくなるようにして、入射面１
０ａの光強度が、即ち投影光学系１７の瞳面１７ａでの
光強度が中心部分に比べて周辺部分に強い領域を有する
ようにしている。
【００８８】次に本実施例の構成上の実施例１と異なる
特徴を中心について説明する。
【００８９】図１７においてレンズ系５は第２焦点近傍
４に形成した発光部像１ｂからの光束を集光し、平行光
束として射出している。結像系１０１（レンズ系５とレ
ンズ系９ａ）は、射出側でテレセントリックとなってお
り、少なくとも一部のレンズ系は光軸方向に移動可能と
なっており、これによりオプティカルインテグレータ１
０の入射面１０ａの光強度分布を調整している。
【００９０】本実施例では、レチクル１５のパターンの
方向性及び解像線巾等に応じて、結像系１０１の一部で
あるレンズ系９ａを２枚のプリズム部材６ａ，６ｂを含
んだ光学素子８とレンズ系９ｂとに切り替えてオプティ
カルインテグレータ１０の入射面１０ａでの光強度分布
を変えると共に、必要に応じて絞り部材１１の開口形状
を変化させ、投影光学系１７の瞳面１７ａに形成される
２次光源像の光強度分布を変化させている。
【００９１】次に本実施例において光学素子８を利用す
ることによりオプティカルインテグレータ１０の入射面
１０ａの光強度分布を変更すると共に投影光学系１７の
瞳面１７ａに形成される２次光源像の光強度分布の変更
方法について説明する。
【００９２】図１８、図１９は各々図１７の楕円鏡２か
らオプティカルインテグレータ１０に至る光路を展開し
たときの要部概略図である。図１８、図１９ではミラー
３は省略している。図１８、図１９では、光学素子８の
各要素を切り替えてオプティカルインテグレータ１０の
入射面１０ａの光強度分布を変更させている場合を示し
ている。
【００９３】図１８はレンズ系９ａを光路中に配置した
場合を、図１９ではレンズ系９ａを除去し、その代わり
に光学素子８のプリズム部材６ａ，６ｂとレンズ系９ｂ
を光路中に配置した場合を示している。
【００９４】図１８の照明系は主に高解像力をあまり必
要とせず焦点深度を深くした投影を行う場合（第１の状
態）であり、従来と同じ照明方法である。図１９の照明
系は本発明の特徴とする主に高解像力を必要とする投影
を行う場合（第２の状態）である。
【００９５】図１８（Ｂ）、図１９（Ｂ）はそれぞれオ
プテシカルインテグレータ１０の入射面１０ａにおける
光強度分布を模式的に示している。図中斜線の部分が他
の領域に比べ光強度が強い領域である。同図ではＸ軸方
向に沿った光強度Ｉの分布を示している。
【００９６】図２０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は図１８、
図１９の各システムにおいて、オプティカルインテグレ
ータ１０に入射する光線の様子を模式的に示したもので
ある。図中、±θはオプティカルインテグレータ１０に
入射できる（オプティカルインテグレータ１０に入射後
けられずに出射できる）光線の範囲（角度）を示したも
のである。又図中格子線の部分は、オプティカルインテ
グレータ１０に入射する光線のより光強度の大きい部分
を表わしている。
【００９７】図１８（Ａ）は通常の照明状態の時の光学
配置を示している。この時オプティカルインテグレータ
１０の入射面１０ａの光強度分布は、図１８（Ｂ）に示
すようなガウス分布に近い分布になっており、その入射
角度は、図２０（Ａ）のようになっている。この状態で
高解像度用の照明を行なう場合、オプティカルインテグ
レータ１０の後方又は前方に、図２１に示すような閉口
１２１ａを有する絞り１２１を挿入する方法がある。し
かしながらこの場合、図１８（Ａ）の光強度分布図の斜
線部の光束しか利用できないため、著しく照度が低下す
る。
【００９８】そこで本実施例では図１９（Ａ）に示すよ
うにレンズ系９ａをより焦点距離の小さいレンズ系９ｂ
と交換し（レンズ系９ｂの焦点距離をｆ9bとした時、プ
リズム６ａとレンズ系９ｂ、レンズ系９ｂとオプティカ
ルインテグレータ１０の入射面１０ａのそれぞれの光学
距離はそれぞれｆ9bとなるように配置する）、オプティ
カルインテグレータ１０の入射面１０ａにおける光強度
分布を図１９（Ｂ）のようにしている。
【００９９】そして適当なプリズム角度をもったプリズ
ム部材６ｂをオプティカルインテグレータ１０の直前に
挿入することにより光線入射角度（軸外光束の入射角
度）が図２０（Ｃ）のように小さくなるようにして、オ
プティカルインテグレータ１０に効率よく入射するよう
にしている。これにより入射光束のほとんどを照明光と
して使用するようにしている。
【０１００】本実施例では以上のような原理のもとに図
１９（Ａ）のような光学配置をとることにより、照射面
での照度をあまり落とさずに高解像度用の照明を行って
いる。
【０１０１】本実施例において結像１０１の一部に設け
るプリズム部材６ａ，６ｂは４角錐プリズムの他に、図
８で示したような多角錐プリズム（８角錐プリズム）で
あっても良い。
【０１０２】本実施例においては通常の照明状態である
図１８（Ａ）のレンズ系９ａを高解像度用の照明状態で
ある図１９（Ａ）のレンズ系９ｂと交換する場合につい
て説明したが、レンズ系９ａを構成する各レンズを移動
して（ズーム化して）レンズ系９ｂと同じ状態を作り出
してもよいし、一部ズーム化又は一部交換するように構
成してもよい。
【０１０３】又、図２１に示すような高解像度用の絞り
１２１は必要に応じて付けても良いし、付けなくてもよ
い。又本実施例においては結像系１０１の倍率を変える
ためにレンズ系９ａの焦点距離を変えているが、レンズ
系５の焦点距離を変えても良いし、レンズ系５とレンズ
系９ａの両方を変えてもよい。
【０１０４】本実施例において、通常の照明状態（第１
の状態）と高解像度用の照明状態（第２の状態）を切り
替えると、オプティカルインテグレータ１０の入射面１
０ａの光強度分布の違いにより、照射面での照度均一性
（照度ムラ）が軸対称に変わってくる場合がある。この
ような場合、光学系１４の一部のレンズを光軸方向に移
動することにより、ディストーション等の収差を変え、
照明面における軸対称な照度ムラを補正している。
【０１０５】上記実施例において、光学系１４の後に照
明面としてレチクル１５を配置しているが、光学系１４
とレチクル１５の間に結像系１４を配置し、その結像系
１４におけるレチクル１５の共役面を照明してもよい。
【０１０６】図２２は本発明の実施例７の一部分の要部
概略図である。
【０１０７】本実施例は図１の実施例１に比べてオプテ
ィカルインテグレータ１０と被照射面１５との間にハー
フミラー４３を設けて被照射面での露光量を検出するよ
うにした点が異っており、その他の構成は実質的に同じ
である。
【０１０８】図２２において４４はレチクル面もしく
は、レチクルと共役な面である。又４５はピンホールで
あり、面４４と光学的に共役な位置に置かれている。３
１は光検出器（ＣＣＤや４分割センサー等）である。
【０１０９】本実施例ではこのような構成をとることに
より、被照射面の中心での有効光源分布をモニターする
ことができる。又本実施例においては光検出器３１にお
いて、被照射面での露光量を同時にモニターすることも
可能である。
【０１１０】尚、本実施例においてハーフミラー４３を
レンズ系１３ａとコリメーターレンズ１４ｂとの間に配
置した場合を示したが、ハーフミラー４３はオプティカ
ルインテグレータ１０と被照射面１５との間であればど
こに配置しても良い。
【０１１１】以上説明した各実施例によれば、投影露光
するレチクル面上のパターンの細かさ、方向性などを考
慮して、該パターンに適合した照明系を選択することに
よって最適な高解像力の投影露光が可能な照明装置及び
それを用いた投影露光装置を達成している。
【０１１２】又、各実施例によれば、それほど細かくな
いパターンを露光する場合には従来の照明系そのままで
用いることができるとともに細かいパターンを露光する
場合には光量の損失が少なく高解像を容易に発揮できる
照明装置を用いて大きな焦点深度が得られるという効果
が得られる
【０１１３】又、照明系のみの変形で像性能がコントロ
ールでき、投影光学系に対しては制約を加えないため、
ディストーション、像面の特性などの光学系の主要な性
質が照明系で種々変形を加えるのにも変わらず安定して
いるという効果を有した投影露光装置及び半導体素子の
製造方法を達成することができる。
【発明の効果】以上、本発明によれば、輪帯照明や本出
願人が先に提案した照明方法において光利用効率を改善
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１の要部概略図
【図２】 図１の一部分の説明図
【図３】 図１の一部分の説明図
【図４】 図１のレンズ系９の光学作用の説明図
【図５】 図１のレンズ系９の光学作用の説明図
【図６】 図１のレンズ系９の光学作用の説明図
【図７】 本発明に係るプリズム部材の他の実施例の説
明図
【図８】 本発明に係るプリズム部材の他の実施例の説
明図
【図９】 本発明の実施例２の一部分の要部概略図
【図１０】 本発明の実施例３の一部分の要部概略図
【図１１】 本発明の実施例３の光学作用の説明図
【図１２】 本発明の実施例３の光学作用の説明図
【図１３】 本発明の実施例３に係る光強度分布の説明
図
【図１４】 本発明の実施例３に係る光強度分布の説明
図
【図１５】 本発明の実施例４の一部分の要部概略図
【図１６】 本発明の実施例５の要部概略図
【図１７】 本発明の実施例６の要部概略図
【図１８】 図１７の一部分の説明図
【図１９】 図１７の一部分の説明図
【図２０】 図１７のオプティカルインテグレータ１０
の入射面１０ａへの光束の入射状態の説明図
【図２１】 絞りの開口状態の説明図
【図２２】 本発明の実施例７の一部分の要部概略図
【符号の説明】
１ 光源 ２ 楕円鏡 ３ コールドミラー ５，９ レンズ系 ６，６ａ，６ｂ プリズム部材 ７ 平行平板 ８ 光学素子 １０ オプティカルインテグレータ １１ 絞り部材 １３ ミラー １５ レチクル １７ 投影光学系 １８ ウエハ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 早田 滋 神奈川県川崎市中原区今井上町53番地 キヤノン株式会社 小杉事業所内 (56)参考文献 特開 平５−226217（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−251308（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−91662（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−217853（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−41342（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−121290（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/027

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 楕円鏡と、該楕円鏡の第１焦点近傍に発
    光部が在る光源と、前記楕円鏡の第２焦点近傍に形成さ
    れる前記発光部の像を、複数の微小レンズを２次元的に
    配列したオプティカルインテグレータの光入射面近傍に
    結像させる結像系と、前記オプティカルインテグレータ
    からの光束で被照射面を照明する光学系とを有する照明
    装置であって、前記結像系は光出射側がテレセントリッ
    クな系であり、前記結像系の瞳面近傍の光路に対して挿
    脱可能な、入射光束を所定方向に偏向する光学素子を有
    することを特徴とする照明装置。
  2. 【請求項２】 楕円鏡と、該楕円鏡の第１焦点近傍に発
    光部が在る光源と、前記楕円鏡の第２焦点近傍に形成さ
    れる前記発光部の像からの光で、前記楕円鏡の開口部の
    像を複数の微小レンズを２次元的に配列したオプティカ
    ルインテグレータの光入射面近傍に結像させる結像系
    と、前記オプティカルインテグレータからの光束で被照
    射面を照明する光学系とを有する照明装置であって、前
    記結像系の前側焦点位置と前記楕円鏡の第２焦点位置が
    略一致しており、前記発光部の像近傍の光路に対して挿
    脱可能な、入射光束を所定方向に偏向する光学素子を有
    することを特徴とする照明装置。
  3. 【請求項３】 前記結像系と前記オプティカルインテグ
    レータの光入射面の間に前記光学素子の挿脱と対応させ
    て挿脱されるプリズム又はフィールドレンズを有するこ
    とを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
  4. 【請求項４】 前記オプティカルインテグレータの光射
    出面近傍の光路に対し、中心部に比べ周辺部で多くの光
    を通過させる絞り部材を着脱させることを特徴とする請
    求項１又は２に記載の照明装置。
  5. 【請求項５】 光源からの光束をオプティカルインテグ
    レータの光入射面近傍に集光する光学系を有し、前記オ
    プティカルインテグレータからの光束で被照射面を照明
    する照明装置であって、前記光学系は光出射側がテレセ
    ントリックな系であり、前記光学系の瞳面近傍の光路に
    対して挿脱可能な、入射光束を所定方向に偏向する光学
    素子を有することを特徴とする照明装置。
  6. 【請求項６】 光源からの光束をオプティカルインテグ
    レータの光入射面近傍に集光する光学系を有し、前記オ
    プティカルインテグレータからの光束で被照射面を照明
    する照明装置であって、前記光学系は光出射側がテレセ
    ントリックな系であり、入射光束を所定方向に偏向させ
    る光学素子を前記光学系の瞳面近傍に設けることを特徴
    とする照明装置。
  7. 【請求項７】 前記光学素子は、円錐面状又は四角錐面
    状又は八角錐面状の光偏向面を有し、入射光束を輪帯状
    の光束又は４個の光束又は８個の光束に変換することを
    特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の照明装
    置。
  8. 【請求項８】 前記光学系は前記瞳面の光入射側にある
    第１の光学系と前記瞳面の光出射側にある第２の光学系
    を有し、該第２の光学系の前側焦点位置に前記瞳面があ
    り、前記第２の光学系の後側焦点位置近傍に前記オプテ
    ィカルインテグレータの光入射面があることを特徴とす
    る請求項５〜７のいずれか１項に記載の照明装置。
  9. 【請求項９】 前記第２の光学系は焦点距離が可変であ
    ることを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
  10. 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれか１項に記載の
    照明装置と、該照明装置により照明された第１物体のパ
    ターンを第２物体に投影する投影光学系とを有すること
    を特徴とする投影露光装置。
  11. 【請求項１１】 レチクルとウエハを用意し、請求項１
    ０に記載の投影露光装置により前記レチクルのパターン
    で前記ウエハを露光することを特徴とする半導体素子の
    製造方法。
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