JP3431137B2 - 照明光学装置、投影露光装置、半導体素子製造方法および露光方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体製造用の投影
露光装置等に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＬＳＩや超ＬＳＩ等の極微細パタ
ーンからなる半導体素子の製造に縮小投影型露光装置が
使用されており、より一層微細なパターンを転写するた
めに多大の努力が続けられている。このようなパターン
の微細化に対応するために、露光光の短波長化と共に、
投影光学系の開口数（以下、ＮＡと略称する。）の増大
が図られてきており、ＮＡ＝0.5 を越える投影光学系も
実現されてきている。

【０００３】そして、このように大きなＮＡを有する投
影光学系を用いた実際の投影露光においては、照明条件
を最適化することが重要となっている。このために、投
影光学系のＮＡに対する照明光学系のＮＡの比に相当す
る所謂σ値の調節によって、所定のパターンについての
解像力とコントラストとの適切なバランスを得るように
両光学系のＮＡの比を調整することが、例えば特開昭59
-155843 号公報等により提案されている。

【０００４】この提案されている装置では、照明光学系
における２次光源像が形成されるフライアイレンズの射
出側の位置に開口部が可変な可変開口絞りを配置し、こ
の可変開口絞りの開口部の大きさを変化させて、光源像
の大きさを制御していた。すなわち、σ値は投影光学系
の瞳の大きさに対する投影光学系の瞳上に形成される照
明光学系の光源像の大きさの比に対応する。このため、
実際に形成される光源像の遮光の度合いを変化させて、
光源像の大きさを可変とすることにより、実質的に照明
光学系のＮＡを変化させていた。これにより、投影露光
するパターンの微細化の程度に応じて、所定のパターン
についての解像力とコントラストとが最適状態となるよ
うに照明条件の最適化、すなわちσ値の最適化を図って
いた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に、この種の照明
光学装置では、微細なパターンの露光焼付に際のスルー
プットを向上させるために、被照射面（マスクあるいは
レチクル）上では、より高い照度が要求される。

【０００６】ところが、上記の従来の装置においては、
投影露光するパターンの微細化の程度に応じて、所定の
パターンについての解像力とコントラストとが最適状態
となるような照明条件としてのσ値の最適化を達成する
ために、可変開口絞りの開口部の大きさを小さくした場
合には、２次光源像の周辺部が可変開口絞りにより遮光
されて光量損失が大きくなる。つまり、σ値を最大とし
た時（可変開口絞りの口径を最大とした時）には、被照
射面（マスクあるいはレチクル）上で最大の照度が得ら
れるものの、その値よりも小さくした時（可変開口絞り
の口径を小さくした時）には、被照射面上での照度の低
下が生じるため、スループットの低下を免れないという
致命的な欠点があった。

【０００７】本発明の課題は、σ値を変化させた際にも
常に光量損失によるスループットの低下を招くことな
く、照射光の有効利用を図って効率良く被照射面へ導
き、より高い照度で均一に照射できるようにすることで
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、図１または図
６に示した如く、平行光束を供給するための平行光束供
給手段と、該平行光束供給手段からの光束によって複数
の２次光源を形成するための第１オプティカルインテグ
レータ20,2と、該複数の２次光源Ａからの光束を集光す
る第１集光光学系（第１コンデンサーレンズ４）と、該
第１集光光学系によって集光された複数の光束からより
複数の３次光源Ｃを形成するための第２オプティカルイ
ンテグレータ５と、該第２オプティカルインテグレータ
５により形成された複数の３次光源Ｃからの光束を集光
して被照射面Ｒを重畳的に照明する集光光学系（第２コ
ンデンサーレンズ７）とを有する照明光学装置におい
て、前記第１オプティカルインテグレータ20または前記
第１集光光学系４を焦点距離可変に構成し、該第１オプ
ティカルインテグレータ20または前記第１集光光学系４
の焦点距離を変化させることにより、被照射領域Ｒの大
きさを一定に保ちながら、前記複数の３次光源Ｃの大き
さを可変とするようにしたものである。例えば図６に示
す如く、所定のパターンが形成されたマスクを照明する
照明光学装置と、該照明されたマスクの像をウエハ上に
投影する投影光学系とを備えた投影露光装置において、
前記照明光学装置は、光束を供給する光束供給手段１
と、該光束供給手段からの光束によって２次光源Ａを形
成する手段２と、該２次光源からの光によって実質的面
光源Ｃを形成する手段５とを備え、前記２次光源を形成
する手段と前記実質的面光源を形成する手段との間の光
路中には、変倍光学系40が配置されるものである。

【０００９】また、本発明は、例えば図６に示す如く、
所定のパターンが形成されたマスクを照明する照明光学
装置と、該照明されたマスクの像をウエハ上に投影する
投影光学系とを備えた投影露光装置において、前記照明
光学装置は、光束を供給する光束供給手段１と、該光束
供給手段からの光束によって２次光源Ａを形成する手段
２と、該２次光源からの光によって３次光源Ｃを形成す
る手段５とを備え、前記２次光源を形成する手段と、前
記３次光源を形成する手段との間の光路中には、変倍光
学系40が配置されるものである。

【００１０】また、本発明は、例えば図６に示す如く、
所定のパターンが形成されたマスクを照明する照明光学
装置と、該照明されたマスクの像をウエハ上に投影する
投影光学系とを備えた投影露光装置において、前記照明
光学装置は、光束を供給する光束供給手段１と、該光束
供給手段と前記マスクとの間の光路中に配置された第１
オプティカルインテグレータ２と、該第１オプティカル
インテグレータ２と前記マスクとの間の光路中に配置さ
れた第２オプティカルインテグレータ５とを備え、前記
第１オプティカルインテグレータと、前記第２オプティ
カルインテグレータとの間の光路中には、変倍光学系40
が配置されるものである。

【００１１】また、本発明は、例えば図１に示す如く、
所定のパターンが形成されたマスクを照明する照明光学
装置と、該照明されたマスクの像をウエハ上に投影する
投影光学系とを備えた投影露光装置において、前記照明
光学装置は、光束を供給する光束供給手段１と、該光束
供給手段からの光束によって実質的面光源Ａを形成する
ズームオプティカルインテグレータ20と、該ズームオプ
ティカルインテグレータからの光束に基づいて実質的面
光源Ｃを形成する手段５とを備えるものである。

【００１２】また、本発明は、例えば図６に示す如く、
所定のパターンが形成されたマスクを照明し、該照明さ
れたマスクの前記パターンをウエハ上へ転写する投影露
光装置において、光束を供給する光束供給手段１と、該
光束供給手段と前記マスクとの間の光路中に配置され、
並列的に配置された複数の素子からなる光学素子群２
と、該光学素子群と前記マスクとの間の光路中に配置さ
れる変倍光学系40と、該変倍光学系と前記マスクとの間
の光路中に配置されたオプティカルインテグレータ５と
を備えるものである。

【００１３】また、本発明は、例えば図６に示す如く、
所定のパターンが形成されたマスクを照明し、該照明さ
れたマスクの前記パターンをウエハ上へ転写する投影露
光装置において、光束を供給する光束供給手段１と、該
光束供給手段と前記マスクとの間の光路中に配置され、
並列的に配置された複数の素子からなる第１の光学素子
群２と、該第１の光学素子群と前記マスクとの間の光路
中に配置される変倍光学系40と、該変倍光学系と前記マ
スクとの間の光路中に配置されて、前記変倍光学系から
の光束によって実質的面光源Ｃを形成する、並列的に配
置された複数の素子からなる第２の光学素子群５とを備
えるものである。

【００１４】また、本発明は、例えば図１または図６に
示す如く、本発明の投影露光装置を用いる半導体素子製
造方法であって、本発明の投影露光装置を用いて所定の
パターンが設けられたマスクＲを照明する工程と、前記
投影光学系に関して該マスクの共役な位置にウエハＷを
配置する工程と、前記投影光学系を用いて前記マスクの
像を前記ウエハ上に投影する工程とを含むものである。

【００１５】また、本発明は、例えば図６に示す如く、
所定のパターンが形成されたマスクＲを照明し、該照明
されたマスクの前記パターンをウエハＷ上へ転写する露
光方法において、光源１からの光束に基づいて２次光源
Ａを形成し、該２次光源からの光束を変倍光学系40へ導
き、該変倍光学系を介した光束に基づいて実質的面光源
Ｃを形成し、該実質的面光源からの光を前記マスクへ導
くものである。

【００１６】また、本発明は、例えば図１に示す如く、
所定のパターンが形成されたマスクを照明し、該照明さ
れたマスクの前記パターンをウエハ上へ転写する露光方
法において、光源１からの光束に基づいて２次光源Ａを
形成し、該２次光源からの光束に基づいて実質的面光源
Ｃを形成し、該実質的面光源からの光を前記マスクへ導
くことにより前記マスクを照明するものであり、前記２
次光源Ａからの光束の射出角は変化可能なものである。

【００１７】図９には、本発明の構成の前提となる照明
光学系のレンズ構成及び光路図を示している。図９に示
す如く、レーザ等の光源１からの光束は、第１オプティ
カルインテグレータ２によりこれの射出側に多数の２次
光源が形成され、この位置に固定開口絞り３が設けられ
ている。そして、２次光源からの多数の光束は、第１コ
ンデンサーレンズ４により第２オプティカルインテグレ
ータ５の入射面上を重畳的に照射する。その後、第２オ
プティカルインテグレータ５によりこれの射出側により
多数の３次光源が形成され、この位置に可変開口絞り６
が設けられている。この３次光源からの多数の光束は、
第２コンデンサーレンズ７により被照射面（レチクル）
Ｒを重畳的に照明し、より均一な照明がなされる。そし
てレチクルＲ上の所定のパターンが投影対物レンズ８に
よってウエハＷ上に転写される。このような照明装置に
より、投影レンズ８の瞳Ｐ上に３次光源像が形成され
る、所謂ケーラー照明が達成される。

【００１８】図９の照明装置において、上述の如きσ値
を変更するには、３次光源が形成される位置に設けられ
た可変開口絞り６の口径を点線で示す如く絞り込んで、
光束の一部を遮光することにより達成することができ
る。しかしながら、光量損失を招くため、最適なσ値の
もとで効率の良い照明を行うことは不可能である。

【００１９】そこで、本発明は、σ値が投影対物レンズ
の瞳上に形成される照明光学系の光源像の大きさと投影
対物レンズの瞳の大きさの比に対応するため、光量損失
を全く招くことなく照明光学系の光源像の大きさ変化さ
せることに着目した。そして、複数の２次光源を形成す
る第１オプティカルインテグレータを変倍系、あるいは
第１コンデンサーレンズを変倍系で構成し、第２オプテ
ィカルインテグレータによって形成される３次光源の大
きさを可変とすることにより、照射光の光量損失を全く
招くことなく被照射領域をより均一かつ高効率で照射し
ながら、σ値を変化させることが原理的に可能となっ
た。

【００２０】また、本発明は、図１に示した如く、光束
を供給するための光束供給手段１と、複数のオプティカ
ルインテグレータ5,20を備え、被照射面を照明するため
の照明光学装置において、前記複数のオプティカルイン
テグレータは、光軸方向に離間された第１光学素子群21
と第２光学素子群22とを含み、前記第1光学素子群と前
記第2光学素子群とは、並列的に配置された複数のレン
ズ素子を有するようにしたものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は本発明による露光用照明装
置の原理的な光学構成を示す光路図であり、（Ａ）は第
１オプティカルインテグレータ20の最短焦点距離状態、
（Ｂ）は第１オプティカルインテグレータ20の最長焦点
距離状態を示している。図１に示す如く、エキシマレー
ザ等のレーザ光源１（光束供給手段）からの矩形状の光
束断面形状を有する平行光束は、変倍機能を有する第１
オプティカルインテグレータ20に入射する。第１オプテ
ィカルインテグレータ20は、第１光学素子群21及び第２
光学素子群22とを有し、後述する３次光源の大きさを可
変にするために、双方の光学素子群21, 22とも相対的間
隔が変化するように光軸方向に移動可能に設けられてい
る。この第１及び第２光学素子群21,22 とも並列的に配
置された複数の棒状レンズ素子210,220 から成ってい
る。

【００２２】このように、上記の第１オプティカルイン
テグレータ20の構成によってレーザ光源１からの平行光
束は、第１及び第２光学素子群21,22 での個々のレンズ
素子210,220 の集光作用を受けてこのレンズ素子と同数
の集光点を形成し、第１オプティカルインテグレータ20
の射出側に実質的に面光源（２次光源）Ａを形成する。
ここでは、レーザ光源を用いているため光源１からの光
束はほぼ完全にコリメートされており、面Ａ上に形成さ
れている個々の集光点には実質的に大きさがないと考え
られる。

【００２３】第１オプティカルインテグレータ20中の第
１及び第２光学素子群21,22 を構成する個々のレンズ素
子210,220 は、図２の斜示図に示す如く、光束断面形状
に対応して断面が四角形でその入射側に凸レンズ面210
a,220a を有し、射出側には平面210b,220b を有してい
る。

【００２４】図３は第１オプティカルインテグレータの
光路図を示しており、（Ａ）は第１オプティカルインテ
グレータ20の最短焦点距離状態、（Ｂ）は第１オプティ
カルインテグレータ20の最長焦点距離状態を示してい
る。図示の如く、互いに対向する２つのレンズ素子210,
220 の合成の後側焦点位置20F は変倍した際にも不変で
常に射出側の空間内にある。従って、第１オプティカル
インテグレータ20によって形成される実質的面光源Ａ
は、変倍した際にも常に位置及び大きさを変えることな
く第１オプティカルインテグレータ20の射出側空間内の
面Ａ上に存在する。このため、強力な出力を持つエキシ
マレーザ等のレーザ光の集光に伴う熱によって第１オプ
ティカルインテグレータ20が破壊されるのが防止されて
いる。

【００２５】特に、ズームオプティカルインテグレータ
20中の第１光学素子群21を構成するレンズ素子210 が入
射側面210aにレンズ面を、射出側210bに平面を有する形
状は、球面収差の発生をより小さく抑え、この球面収差
の起因により後述する第２オプティカルインテグレータ
５の入射面にて発生する歪曲収差の発生を軽減させるこ
とが可能となる。これにより、３次光源にて生ずる周辺
光量の低下を抑えることが可能となる。逆に、この棒状
素子210 の入射側面に平面を、射出側にレンズ面となる
ように構成すると、発散角を持つ光束や棒状素子210 の
僅かな倒れによる被照射面での照明状態への悪影響や、
また迷光が発生するため好ましくない。

【００２６】なお、本実施例では第２光学素子群22を構
成する個々のレンズ素子220 の入射側面にレンズ面を、
射出側に平面を有しているが、この射出側面にレンズ作
用を持たせることも可能である。

【００２７】図１に示した如く、ズームオプティカルイ
ンテグレータ20によって形成される実質的面光源（２次
光源）Ａは、これが形成される位置Ａまたはその近傍に
設けられて所定形状の開口部を有する固定開口絞り３に
よりこの面光源Ａを所定の大きさに設定し、この実質的
面光源（２次光源）Ａからの光束は、第１コンデンサー
レンズ４により平行光束化されて、固定の第２オプティ
カルインテグレータ５へ導かれる。ここで、第１のズー
ムオプティカルインテグレータ20の各レンズ素子210,22
0 による複数の集光点（２次光源）Ａからの光束が、第
２の固定オプティカルインテグレータ５の入射側面Ｂ上
を重畳的に照射する。

【００２８】この第２オプティカルインテグレータ５
は、並列的に配置された複数のレンズ素子から構成され
ており、図４に示す如く、四角形の棒状レンズ素子50が
複数束ねられて構成されたものである。そして、各棒状
レンズ素子50の入射側面50a 及び射出側面50b は凸レン
ズ面に構成されており、個々の棒状レンズ素子50の射出
側面、即ち後側焦点位置に集光点が形成され、この点に
光源像が形成される。従って、第２オプティカルインテ
グレータ全体として見れば、これの射出側（後側焦点位
置）に多数の集光点が形成され、これは第１オプティカ
ルインテグレータ20の内の一方の光学素子群21(22)の棒
状レンズ素子の数210(220)と、第２オプティカルインテ
グレータ５を構成する棒状レンズ素子50の数との積に相
当する数の集光点が形成され、この面Ｃ上により均一な
面光源（３次光源）が形成される。

【００２９】なお、第１コンデンサーレンズ４と第２オ
プティカルインテグレータ５の入射側面50aを含めた系
に関して、複数の集光点が形成される２次光源としての
Ａ面と、複数の集光点が形成される３次光源としての第
２オプティカルインテグレータ５の射出側面Ｃとが共役
に構成されている。

【００３０】また、本実施例では３次光源を第２オプテ
ィカルインテグレータ５の射出側面に形成しているが、
レンズ素子面あるいは内部での強い強度の光の集光によ
るレンズの破壊を避けるために、第２オプティカルイン
テグレータ５の棒状レンズ素子50の射出側面50b のレン
ズ作用を弱める等の手法により３次光源を第２オプティ
カルインテグレータ２の射出側空間に形成することが可
能であることは言うまでもない。

【００３１】以上の如く、第２オプティカルインテグレ
ータ５の構成によって、形成される実質的面光源（３次
光源）Ｃの大きさは、第１オプティカルインテグレータ
20の移動に伴う変倍により変化する。このため、実質的
面光源（３次光源）が形成される位置Ｃまたはそれの近
傍には、口径が可変で所定形状の開口部を有する可変開
口絞り６が設けられており、この可変開口絞り６は、こ
の実質的面光源（３次光源）Ｃの大きさの変化に伴い口
径が適切な大きさに変化する機能を有する。そして、可
変開口絞り６により適切な大きさに設定された実質的面
光源（３次光源）Ｃからの光束は、第２コンデンサーレ
ンズ７（第２集光光学系）により平行光束化されて、被
照射面としてのレチクル（マスク）Ｒ上へ導かれ、第２
オプティカルインテグレータ５の各棒状レンズ素子50に
よる複数の集光点（３次光源）Ｃからの光束が、レチク
ルＲ上を重畳的に照射し、極めて均一な照明がなされ
る。

【００３２】このレチクルＲには、所定の回路パターン
が形成されており、投影レンズ８に関してこのレチクル
Ｒと共役な位置に配置されたウエハＷ上にレチクルＲ上
の所定の回路パターンの像が投影される。

【００３３】一般には微細なパターンの露光焼付けに際
して、投影対物レンズのＮＡを大きくすると限界解像力
が良くなる反面焦点深度が浅くなり、逆にＮＡを小さく
すると限界解像力が悪化する反面焦点深度が深くなる。
このため、これに対応するために、投影レンズ８の瞳位
置Ｐには口径が可変な可変開口絞り8aが設けられてい
る。従って、これの口径を適宜変化させることにより、
露光焼付けすべき所定の最小線幅パターンに最適な口径
に設定され、比較的大きな焦点深度を維持しつつ微細パ
ターンをより鮮明にウエハ上に転写することが可能とな
る。

【００３４】なお、３次光源が形成される位置Ｃに設け
られた照明光学系の可変開口絞り６と投影対物レンズ８
の瞳位置Ｐに設けられた可変開口絞り8aは互いに共役に
構成されている。また、第１オプティカルインテグレー
タ20により形成される２次光源Ａからの多数の光束が重
畳する位置、すなわち第２オプティカルインテグレータ
20の入射側面（第２オプティカルインテグレータの前側
焦点位置）Ｂは、第２オプティカルインテグレータの射
出側のレンズ面50b と第２コンデンサーレンズ７に関し
て、レチクル（被照射面）Ｒと共役に構成されている。

【００３５】以上の如き本発明の基本構成において、第
１オプティカルインテグレータ20の焦点距離が最小の状
態の時には、第２オプティカルインテグレータ５の入射
面Ｂを重畳的に照射する光束は、この第２オプティカル
インテグレータ５の入射面Ｂのほぼ全体をカバーするの
大きさ（光束径または光束幅）に形成されている。そし
て、第１オプティカルインテグレータ20を最小焦点距離
状態から最大焦点距離状態へ変倍は、図１及び図３に示
す如く、第１オプティカルインテグレータ20を構成する
正の屈折力の第１光学素子群21を光源側へ、正の屈折力
の第２光学素子群22を被照射面側へ移動させる。これに
よって、第１オプティカルインテグレータ20の射出側空
間Ａに形成される実質的な面光源（２次光源）の大きさ
及び位置を変化させることなく射出角が変化し、変倍が
達成される。そして、第２オプティカルインテグレータ
５の入射面Ｂを重畳的に照射する光束の大きさは変化
し、第２オプティカルインテグレータ５の棒状レンズ素
子50を少なくとも２つ以上含む大きさ（光束径または光
束幅）に形成される。このように変倍が達成されると、
２次光源と共役な位置、すなわち第２オプティカルイン
テグレータ５の射出面Ｃに形成されるより複数の実質的
面光源（３次光源）の位置を変化させることなく、大き
さのみを効率良く変化させることか可能となる。その結
果、図１に示す如く、第１オプティカルインテグレータ
20の焦点距離の最小状態から最大状態への変倍によっ
て、照明光学系の開口数がＮＡ＝sin θＷ からＮＡ＝s
in θＴ へ変化し、照明光学系の実質的な開口数ＮＡは
小さくなる。

【００３６】この様に、第１オプティカルインテグレー
タ20に変倍機能を持たせることによって、レチクル（被
照射面）Ｒでの照射領域を変化させることなく、このレ
チクルＲを照射する照明光学系からの光束の実質的な開
口数（ＮＡ）の変更が達成され、高い照明効率を維持さ
せながら最適なσ値に変更することが可能となる。

【００３７】また、図５に示す如く、第１オプティカル
インテグレータ20を構成する第１光学素子群21及び第２
光学素子群22にそれぞれ正の屈折力，負の屈折力を持た
せても良い。図５における（Ａ）は第１オプティカルイ
ンテグレータ20の最短焦点距離状態、（Ｂ）は第１オプ
ティカルインテグレータ20の最長焦点距離状態を示して
いる。この時、第１光学素子群21は、断面が四角形でそ
の入射側に凸レンズ面210aを、射出側には平面210bを有
しており、第２光学素子群23は、断面が四角形でその入
射側に平面230aを、射出側には凹レンズ面230bを有して
いる。この構成による第１オプティカルインテグレータ
20を最大焦点距離状態から最小焦点距離状態に変倍する
際には、第１光学素子群21と第２光学素子群22との相対
間隔が拡大するように両者がともに被照射面側へ移動す
る。これにより、第１オプティカルインテグレータ20の
射出側空間に形成される多数の集光点（２次光源）Ａの
位置及び大きさを変化させることなく、不図示の第２オ
プティカルインテグレータ５の射出側に形成される多数
の集光点より形成される実質的な面光源（３次光源）Ｃ
の位置を変えることなく、これの大きさのみを変化させ
ることが可能となる。その結果、被照射面をより均一か
つ高い照度に維持しながら最適なσ値に変更することが
可能となる。

【００３８】なお、不図示ではあるが、変倍機能を有す
る第１オプティカルインテグレータ20を構成する第１光
学素子群21及び第２光学素子群22にそれぞれ負の屈折
力，正の屈折力を持たせても良い。さらには、第１オプ
ティカルインテグレータ20を構成する光学素子群は原理
的に２群構成で変倍機能を十分に持たせることが可能で
あるが、これを３群以上の構成にしても良い。

【００３９】以上においては、主に光学的構成について
説明したが、次に、最適なσ値の設定についての動作を
図１を参照しながら説明する。露光焼付けを行うべき最
小線幅、投影対物レンズ８の焦点深度、σ値あるいは照
明光学系の開口数ＮＡと投影対物レンズの開口数ＮＡ等
の情報を入力手段11に入力すると、この入力手段11のメ
モリー部に格納される一方、これらの情報が不図示の表
示部等のＣＲＴモニターに表示される。次に、入力手段
11のメモリー部に格納された情報が制御手段12へ出力さ
れ、この制御手段12内部のＣＰＵによって、投影対物レ
ンズのＮＡが最適値となるように、可変開口絞り8aの最
適な口径の大きさに見合う口径の変化量が算出される。
また、制御手段12内部のＣＰＵは、投影対物レンズの最
適なＮＡ値に基づいて、第２オプティカルインテグレー
タ６により形成される最適な３次光源像Ｃの大きさを算
出すると共に、これに見合う第１のズームオプティカル
インテグレータ20を構成する第１光学素子群21及び第２
光学素子群22の適切な変倍量、即ち移動量を算出する。

【００４０】次に、制御手段12は、投影対物レンズ８の
可変開口絞り8aを適切な大きさの口径に変化される旨を
第２口径可変手段15へ指令し、照明光学系の可変開口絞
り６を適切な大きさの口径に変化される旨を第１口径可
変手段14へ指令すると共に、３次光源像Ｃが最適な大き
さとなるように，第１のズームオプティカルインテグレ
ータ20を構成する第１光学素子群21及び第２光学素子群
22をそれぞれ移動させる旨を駆動手段13へ指令する。駆
動手段13には、モータ等を含む駆動部の他に、第１光学
素子群21及び第２光学素子群22の変位位置を検知するエ
ンコーダ等の変位検出器が内蔵されており、また第１口
径可変手段14及び第２口径可変手段15もモータ等を含む
駆動部の他に、口径の大きさを検知できる口径変位検出
器が内蔵されている。従って、制御手段12からの出力に
より、投影対物レンズ８の可変開口絞り8a及び照明光学
系の可変開口絞り６の口径の大きさが正確に設定される
と共に、第１のズームオプティカルインテグレータ20の
変倍が正確に行われる。よって、第２オプティカルイン
テグレータ５により形成される３次光源像Ｃの大きさ
と、投影対物レンズ８の瞳Ｐの大きさが適切に設定され
ため、高い照明効率状態のもとで所望の最適なσ値での
露光焼付けが可能となる。

【００４１】このように、高い照明効率のもとで、適切
なσ値に変更できるため、スループットの低下を招くこ
となく、焼付けるべきパターンの最小線幅及び焦点深度
に応じた最適な照明状態での照明が達成できる。

【００４２】なお、図１に示した入力手段11は、入力さ
れた最小線幅のみの情報から適切なσ値を算出し、この
σ値の算出結果に基づいて制御手段12は投影レンズ８の
可変開口絞り8a及び照明光学系の可変開口絞り６の絞り
量を算出すると共に、第１のズームオプティカルインテ
グレータ20の変倍のための第１及び第２光学素子群の移
動量を算出して、投影レンズ８の可変開口絞り8aの口
径、照明光学系の可変開口絞り６の口径及びズームオプ
ティカルインテグレータ20の移動量を制御しても良い。

【００４３】また、例えばウエハ上での最小線幅等の情
報が盛り込まれたバーコード等のマークがレチクルＲの
照射領域外に刻印されたレチクルＲを用いた場合、この
マークを検知するマーク検知手段を適切な箇所に設け、
マーク検知手段により出力された情報に基づいて、制御
手段12が投影レンズ８の可変開口絞り8aの口径、照明光
学系の可変開口絞り６の口径及びズームオプティカルイ
ンテグレータ20の移動量を制御するようにしても良い。
さらには、ズームオプティカルインテグレータ20の移動
に連動して照明光学系の開口絞り６の口径が変化するよ
うに電気的または機械的な連動機構を設けても良い。ま
た、開口部の口径の大きさが変化する照明光学系の可変
開口絞り６の代わりに、円形形状等を有する基板上に互
いに異なる口径を有する開口部を円周方向に複数設け、
σ値を変更する際に、この基板を回転させるターレット
式（レボルバー式）の可変開口絞りとしても良い。

【００４４】次に、本発明による別の実施例について図
６を参照しながら説明する。図６の（Ａ）は第１コンデ
ンサーレンズ40の最小焦点距離状態、（Ｂ）は第１コン
デンサーレンズ40の最大焦点距離状態を示している。な
お、図１に示した同一の機能を持つ部材については同一
の符号を付してある。本実施例において図１に示した実
施例と異なる所は、変倍機能を持つ第１オプティカルイ
ンテグレータを固定のオプティカルインテグレータと
し、第１コンデンサーレンズを変倍系とした点である。

【００４５】まず、第１オプティカルインテグレータ２
は、図７の斜示図に示す如く、断面が四角形でその入射
側に凸レンズ面200aを有し、射出側には平面200bを有し
ている。そして、図８の断面光路図に示す如く、実質的
面光源Ａは、第１オプティカルインテグレータ２の射出
側空間（後側焦点位置200F）の面Ａ上に存在する。この
ため、強力な出力を持つエキシマレーザ等のレーザ光の
集光に伴う熱によって第１オプティカルインテグレータ
２が破壊されるのが防止されている。

【００４６】変倍機能を有する第１コンデンサーレンズ
40は、正の屈折力の第１レンズ群41, 正の屈折力の第２
レンズ群42, 正の屈折力の第３レンズ群43を有してお
り、図６の（Ａ）及び（Ｂ）に示す如く、第１コンデン
サーレンズ40の最小焦点距離状態から最大焦点距離状態
への変倍に際して、第１レンズ群41が光源側へ移動し、
第２レンズ群42及び第３レンズ群43が互いに異なる移動
量で被照射面側へ移動する。これにより、第１オプティ
カルインテグレータ２で形成される多数の２次光源から
の光束は、第２オプティカルインテグレータ５の入射面
Ｂを重畳的に照射する位置を変えることなく照射領域の
大きさを変化させることができるので、第２オプティカ
ルインテグレータ５により形成される実質的面光源（３
次光源）Ｃの位置を変えることなく大きさのみを可変に
することが可能となる。

【００４７】従って、本実施例によれば、第１オプティ
カルインテグレータにより形成される２次光源Ａの位置
及び大きさを変化させることなく、第２オプティカルイ
ンテグレータにより形成される３次光源の大きさのみを
コントロールできる。その結果、図６に示す如く、第１
コンデンサーレンズ40の焦点距離の最小状態から最大状
態への変倍によって、照明光学系の開口数がＮＡ＝sin
θＷ からＮＡ＝sinθＴ へ変化し、照明光学系の実質
的な開口数ＮＡは小さくなり、第１実施例と同様な効果
を達成することが可能となる。なお、変倍機能を有する
第１コンデンサーレンズ40を変倍した際にも常に、第１
コンデンサーレンズ40の前側焦点位置に２次光源Ａが、
後側焦点位置には第２オプティカルインテグレータの入
射面（前側焦点位置）Ｂが位置するように第１コンデン
サーレンズ40が構成されている。また、変倍機能を有す
る第１コンデンサーレンズ40を構成する各レンズ群は、
３群以上の構成にしても良く、さらには正・負の屈折力
を持つレンズ群を適宜組み合わせて構成しても良い。

【００４８】なお、最適なσ値の自動設定は、第１実施
例で述べた如き手法により達成できるため、説明を省略
する。

【００４９】また、図１及び図６に示した本発明による
各実施例とも、第１オプティカルインテグレータ2,20の
射出側空間に形成される２次光源の大きさを規定する開
口絞り３は原理的に固定絞りで構成することができる
が、光量調節のためにこの開口絞り３の口径を可変にす
ることも可能である。さらに、本実施例では平行光束供
給手段として平行光束を供給するレーザ等の光源を用い
たが、これに限ることなく、高圧水銀アーク灯等からの
光束を楕円鏡で集光し、その後コリメータレンズで平行
光束化したものを用いても良いことは言うまでもない。
また、各オプティカルインテグレータを構成する棒状レ
ンズ素子の断面形状を適宜、円形、多角形にすることも
可能である。

【００５０】また、第１オプティカルインテグレータと
第１コンデンサーレンズとを同時にズーム化することも
可能である。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、光量損失を招くことな
く、高い照度で被照射面を均一に照射することができる
ので、露光焼付けを行うべき最小線幅，焦点深度に応じ
て、最適なσ値に設定した際にも、スループットの低下
を全く招くことが全くないようにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１実施例の構成及び光路図を示
す図である。

【図２】本発明による第１実施例の第１オプティカルイ
ンテグレータを構成するレンズ素子の様子を示す斜示図
である。

【図３】本発明による第１実施例の第１オプティカルイ
ンテグレータの光路図である。

【図４】本発明による第１実施例の第２オプティカルイ
ンテグレータを構成するレンズ素子の様子を示す斜示図
である。

【図５】本発明による第１実施例の第１オプティカルイ
ンテグレータを正のレンズ素子群と負のレンズ素子群と
で構成した時の光路図である。

【図６】本発明による第２実施例の構成及び光路図を示
す図である。

【図７】本発明による第２実施例の第１オプティカルイ
ンテグレータを構成するレンズ素子の様子を示す斜示図
である。

【図８】本発明による第２実施例の第１オプティカルイ
ンテグレータを構成するレンズ素子の光路図である。

【図９】本発明の照明光学装置の構成の前提となる照明
光学系のレンズ構成及び光路図を示している。

【符号の説明】

１…光源、２,20…第１オプティカルインテグレータ、
３…固定開口絞り、４…第１コンデンサーレンズ、５…
第２オプティカルインテグレータ、６…可変開口絞り、
７…第２コンデンサーレンズ、８…投影対物レンズ、8a
…可変開口絞り、Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G02B 19/00 G03F 7/20

Claims (33)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光束を供給するための光束供給手段と、
   該光束供給手段からの光束によって複数の２次光源を形
   成するための第１オプティカルインテグレータと、該複
   数の２次光源からの光束を集光する第１集光光学系と、
   該第１集光光学系によって集光された複数の光束から複
   数の３次光源を形成するための第２オプティカルインテ
   グレータと、該第２オプティカルインテグレータにより
   形成された複数の３次光源からの光束を集光して被照射
   面を重畳的に照射する第２集光光学系とを有する照明光
   学装置において、 前記第１オプティカルインテグレータは、被照射領域の
   大きさを一定に保ちながら前記複数の３次光源の大きさ
   を可変にするための焦点距離可変手段を有することを特
   徴とする照明光学装置。
2. 【請求項２】 前記第１オプティカルインテグレータ
   は、第１光学素子群と第２光学素子群とを有し、該両光
   学素子群との間隔を変化させて、前記第１オプティカル
   インテグレータの焦点距離を変化させることを特徴とす
   る請求項１記載の照明光学装置。
3. 【請求項３】 前記第１オプティカルインテグレータの
   後側焦点位置と前記第２オプティカルインテグレータの
   後側焦点位置とが共役関係となるように構成することを
   特徴とする請求項１または請求項２記載の照明光学装
   置。
4. 【請求項４】 前記第１オプティカルインテグレータの
   焦点距離が最小の時には、前記第２オプティカルインテ
   グレータに入射する２次光源からの複数の光束は、前記
   第２オプティカルインテグレータのほぼ全体をカバーす
   る大きさに形成され、 前記第１オプティカルインテグレータの焦点距離が最大
   の時には、前記第２オプティカルインテグレータに入射
   する２次光源からの複数の光束は、前記第２オプティカ
   ルインテグレータを構成する光学素子の内の２つ以上を
   含む大きさに形成されることを特徴とする請求項１乃至
   請求項３の何れか一項記載の照明光学装置。
5. 【請求項５】 前記第２オプティカルインテグレータの
   被照射面側の焦点位置あるいはそれの近傍に、大きさが
   可変な所定形状の開口部を有する可変開口絞りを有し、
   該可変開口絞りは、前記第１オプティカルインテグレー
   タの焦点距離の変化に連動して、前記開口部の大きさを
   変化させることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何
   れか一項記載の照明光学装置。
6. 【請求項６】 前記第１光学素子群及び第２光学素子群
   は、正の屈折力を有するレンズ素子または負の屈折力を
   有するレンズ素子の集合よりなることを特徴とする請求
   項２記載の照明光学装置。
7. 【請求項７】 光束を供給するための光束供給手段と、
   該光束供給手段からの光束によって複数の２次光源を形
   成するための第１オプティカルインテグレータと、該複
   数の２次光源からの光束を集光する第１集光光学系と、
   該第１集光光学系によって集光された複数の光束から複
   数の３次光源を形成するための第２オプティカルインテ
   グレータと、該第２オプティカルインテグレータにより
   形成された複数の３次光源からの光束を集光して被照射
   面を重畳的に照明する第２集光光学系とを有する照明光
   学装置において、 前記第１集光光学系は、被照射領域の大きさを一定に保
   ちながら前記複数の３次光源の大きさを可変にするため
   の焦点距離可変手段を有することを特徴とする照明光学
   装置。
8. 【請求項８】 前記第１集光光学系の焦点距離が最小の
   時には、前記第２オプティカルインテグレータに入射す
   る２次光源からの複数の光束は、前記第２オプティカル
   インテグレータのほぼ全体をカバーする大きさに形成さ
   れ、 前記第１集光光学系の焦点距離が最大の時には、前記第
   ２オプティカルインテグレータに入射する２次光源から
   の複数の光束は、前記第２オプティカルインテグレータ
   を構成する光学素子の内の２つ以上を含む大きさに形成
   されることを特徴とする請求項７記載の照明光学装置。
9. 【請求項９】 前記第２オプティカルインテグレータの
   被照射面側の焦点位置あるいはそれの近傍に、大きさが
   可変な所定形状の開口部を有する可変開口絞りを有し、
   該可変開口絞りは、前記第１集光光学系の焦点距離の変
   化に連動して、前記開口部の大きさを変化させることを
   特徴とする請求項７または請求項８記載の照明光学装
   置。
10. 【請求項１０】 前記第１集光光学系は、移動可能な複
    数のレンズ群を有することを特徴とする請求項７乃至請
    求項９の何れか一項記載の照明光学装置。
11. 【請求項１１】 請求項１乃至請求項１０の何れか一向
    記載の照明光学装置と、 該照明光学装置によって照明されるマスクの像をウエハ
    上に投影する投影光学系とを備え、 前記投影光学系には、口径が可変な可変開口絞りが設け
    られていることを特徴とする投影露光装置。
12. 【請求項１２】 露光焼き付けに関する情報が入力され
    る入力手段と、該入力手段からの情報に基づいて、前記
    投影光学系の前記可変開口絞りの口径と前記３次光源の
    大きさとを制御する制御手段とをさらに有することを特
    徴とする請求項１１記載の投影露光装置。
13. 【請求項１３】 請求項１乃至請求項１０の何れか一項
    記載の照明光学装置により、所定のパターンが設けられ
    たマスクを照明する工程と、 投影光学系に関して該マスクの共役な位置にウエハを配
    置する工程と、 前記投影光学系を用いて前記マスクの像を前記ウエハ上
    に投影する工程とを含む半導体素子製造方法。
14. 【請求項１４】 露光焼き付けに関する情報を入力する
    工程と、 該入力された情報に基づき、前記３次光源の大きさを決
    定する工程とをさらに含むことを特徴とする請求項１３
    記載の半導体素子製造方法。
15. 【請求項１５】 所定のパターンが形成されたマスクを
    照明する照明光学装置と、該照明されたマスクの像をウ
    エハ上に投影する投影光学系とを備えた投影露光装置に
    おいて、 前記照明光学装置は、光束を供給する光束供給手段と、
    該光束供給手段からの光束によって２次光源を形成する
    手段と、該２次光源からの光によって実質的面光源を形
    成する手段とを備え、 前記２次光源を形成する手段と、前記実質的面光源を形
    成する手段との間の光路中には、焦点距離を変更する手
    段を有する変倍光学系が配置されることを特徴とする投
    影露光装置。
16. 【請求項１６】 所定のパターンが形成されたマスクを
    照明する照明光学装置と、該照明されたマスクの像をウ
    エハ上に投影する投影光学系とを備えた投影露光装置に
    おいて、 前記照明光学装置は、光束を供給する光束供給手段と、
    該光束供給手段からの光束によって２次光源を形成する
    手段と、該２次光源からの光によって３次光源を形成す
    る手段とを備え、 前記２次光源を形成する手段と、前記３次光源を形成す
    る手段との間の光路中には、焦点距離を変更する手段を
    有する変倍光学系が配置されることを特徴とする投影露
    光装置。
17. 【請求項１７】 所定のパターンが形成されたマスクを
    照明する照明光学装置と、該照明されたマスクの像をウ
    エハ上に投影する投影光学系とを備えた投影露光装置に
    おいて、 前記照明光学装置は、光束を供給する光束供給手段と、
    該光束供給手段と前記マスクとの間の光路中に配置され
    た第１オプティカルインテグレータと、該第１オプティ
    カルインテグレータと前記マスクとの間の光路中に配置
    された第２オプティカルインテグレータとを備え、 前記第１オプティカルインテグレータと、前記第２オプ
    ティカルインテグレータとの間の光路中には、焦点距離
    を変更する手段を有する変倍光学系が配置されることを
    特徴とする投影露光装置。
18. 【請求項１８】 所定のパターンが形成されたマスクを
    照明する照明光学装置と、該照明されたマスクの像をウ
    エハ上に投影する投影光学系とを備えた投影露光装置に
    おいて、 前記照明光学装置は、光束を供給する光束供給手段と、
    該光束供給手段からの光束によって実質的面光源を形成
    するズームオプティカルインテグレータと、該ズームオ
    プティカルインテグレータからの光束に基づいて実質的
    面光源を形成する手段と、前記ズームオプティカルイン
    テグレータと前記ズームオプティカルインテグレータか
    らの光束に基づいて実質的面光源を形成する手段との間
    の光路中に配置された集光光学系とを備えることを特徴
    とする投影露光装置。
19. 【請求項１９】 前記集光光学系は、変倍光学系を有す
    ることを特徴とする請求項１８記載の投影露光装置。
20. 【請求項２０】 露光焼き付けに関する情報が入力され
    る入力手段と、 該入力手段からの情報に基づいて、前記変倍光学系また
    は前記ズームオプティカルインテグレータを変倍させる
    制御手段とをさらに有することを特徴とする請求項１５
    乃至請求項１９の何れか一項記載の投影露光装置。
21. 【請求項２１】 前記投影光学系には口径が可変な可変
    開口絞りが設けられており、前記制御手段は、前記可変
    開口絞りの前記口径を制御することを特徴とする請求項
    ２０記載の投影露光装置。
22. 【請求項２２】 前記入力手段は、前記マスクに設けら
    れた情報を検知する検知手段を有することを特徴とする
    請求項２０または請求項２１記載の投影露光装置。
23. 【請求項２３】 所定のパターンが形成されたマスクを
    照明し、該照明されたマスクの前記パターンをウエハ上
    へ転写する投影露光装置において、 光束を供給する光束供給手段と、 該光束供給手段と前記マスクとの間の光路中に配置さ
    れ、並列的に配置された複数の素子からなる光学素子群
    と、 該光学素子群と前記マスクとの間に配置されて、焦点距
    離を変更する手段を有する変倍光学系と、 該変倍光学系と前記マスクとの間の光路中に配置された
    オプティカルインテグレータとを備えることを特徴とす
    る投影露光装置。
24. 【請求項２４】 所定のパターンが形成されたマスクを
    照明し、該照明されたマスクの前記パターンをウエハ上
    へ転写する投影露光装置において、 光束を供給する光束供給手段と、 該光束供給手段と前記マスクとの間の光路中に配置さ
    れ、並列的に配置された複数の素子からなる第１の光学
    素子群と、 該第１の光学素子群と前記マスクとの間に配置されて、
    焦点距離を変更する手段を有する変倍光学系と、 該変倍光学系と前記マスクとの間の光路中に配置され
    て、前記変倍光学系からの光束によって実質的面光源を
    形成する、並列的に配置された複数の素子からなる第２
    の光学素子群とを備えることを特徴とする投影露光装
    置。
25. 【請求項２５】 前記変倍光学系は、移動可能な光学素
    子を有することを特徴とする請求項２３または請求項２
    ４記載の投影露光装置。
26. 【請求項２６】 露光焼付けに関する情報が入力される
    入力部と、 前記移動可能な光学素子を移動させる駆動手段と、 前記入力部からの前記情報に基づいて前記駆動手段を制
    御する制御手段とを有することを特徴とする請求項２５
    記載の投影露光装置。
27. 【請求項２７】 請求項１５乃至請求項２６の何れか一
    項記載の投影露光装置を用いて所定のパターンが設けら
    れたマスクを照明する工程と、 前記投影光学系に関して該マスクの共役な位置にウエハ
    を配置する工程と、 前記投影光学系を用いて前記マスクの像を前記ウエハ上
    に投影する工程とを含む半導体素子製造方法。
28. 【請求項２８】 所定のパターンが形成されたマスクを
    照明し、該照明されたマスクの前記パターンをウエハ上
    へ転写する露光方法において、 光源からの光束に基づいて２次光源を形成し、 該２次光源からの光束を焦点距離を変更する手段を有す
    る変倍光学系へ導き、 該変倍光学系を介した光束に基づいて実質的面光源を形
    成し、 該実質的面光源からの光を前記マスクへ導くことを特徴
    とする露光方法。
29. 【請求項２９】 露光焼付けに関する情報を入力する工
    程と、 該情報に基づいて前記変倍光学系の変倍を行う工程とを
    有することを特徴とする請求項２８記載の露光方法。
30. 【請求項３０】 所定のパターンが形成されたマスクを
    照明し、該照明されたマスクの前記パターンをウエハ上
    へ転写する露光方法において、 光源からの光束に基づいて２次光源を形成し、該２次光源からの光束を集光光学系へ導き、 該集光光学系を介した 光束に基づいて実質的面光源を形
    成し、 該実質的面光源からの光を前記マスクへ導くことにより
    前記マスクを照明し、 前記２次光源からの光束の射出角は変化可能であること
    を特徴とする露光方法。
31. 【請求項３１】 露光焼付けに関する情報を入力する工
    程と、 該情報に基づいて前記２次光源からの光束の射出角を変
    化させる工程とを有することを特徴とする請求項３０記
    載の露光方法。
32. 【請求項３２】 前記照明されたマスクの前記回路パタ
    ーンは投影光学系により前記ウエハ上へ転写され、前記
    実質的面光源は前記投影光学系の瞳と共役な位置に形成
    されることを特徴とする請求項２８乃至請求項３１の何
    れか一項記載の露光方法。
33. 【請求項３３】 露光焼付けに関する情報を入力する工
    程と、 該情報に基づいて前記投影光学系の前記瞳位置に設けら
    れた可変開口絞りの口径を設定する工程とを有すること
    を特徴とする請求項３２記載の露光装置。