JP3548567B2 - 投影露光装置及び半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は投影露光装置及び半導体素子の製造方法に関し、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投影露光装置及び半導体素子の製造方法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ｋ１、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ら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投影露光装置及び半導体素子の製造方法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５９−１４３１４６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利用効率を改善できる投影露光装置及び半導体素子の製造方法の提供を第１の目的とする。
【００１７】
又、本発明は、輪帯照明と他の照明方法（例えば通常照明）間で切替を行っても露光むらが生じない投影露光装置と半導体素子の製造方法の提供を第２の目的とする。
【００１８】
請求項１の発明の投影露光装置は、レチクルを照明する照明光学系と、前記レチクルのパターンをウエハ上に投影する投影光学系と、有効光源分布をモニターする光検出器とを有し、
前記照明光学系は、オプティカルインテグレータに入射する光を複数の光束に分ける光偏向素子を有し、
前記光偏向素子は、光軸に対して回転可能であることを特徴としている。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記光偏向素子は、光路に対して着脱可能であることを特徴としている。
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記光偏向素子は、多角錐プリズムであることを特徴としている。
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記多角錐プリズムは、４角錐プリズムであることを特徴としている。
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記光偏向素子は、前記回転により前記オプティカルインテグレータの入射面における光強度分布を変更可能であることを特徴としている。
【００２０】
請求項６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１〜５のいずれか一項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。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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１１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。
【００２７】
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１４ｂ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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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１０ａの光強度分布を変更させている場合を示している。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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１ｂを結像系１０１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。
【００３６】
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。
【００３７】
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１０ａ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１０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。
【００３８】
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、
【００３９】
【数１】
【００４０】
となる。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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３−２８６３１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）。
【００４６】
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１０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）。
【００４７】
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。
【００４８】
図５、図６は本実施例において結像系１０１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。
【００４９】
図５においてレンズ系９の焦点距離をｆ１としたときｔ１＝ｆ１ｔａｎα１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＝ｆ２ｔａｎα２が成立している。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
図９は本発明の実施例２の一部分の要部概略図である。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
図１０は本発明の実施例３の一部分の要部概略図である。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
次に本実施例の光学的作用を図１１、図１２を用いて説明する。
【００６４】
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。
【００６５】
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θ１を越えてしまう。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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１３（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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
図１５は本発明の実施例４の一部分の要部概略図である。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
図１６は本発明の実施例５の要部概略図である。
【００７５】
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２ａ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。
【００７６】
即ち、図１の実施例では光源１の発光部１ａの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。
【００７７】
これに対し本実施例では楕円鏡２の開口２ａの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。
【００７８】
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１０ａ上に向けている。
【００７９】
図１７は本発明の実施例６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１０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６ａ，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。
【００８１】
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１７ａ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。
【００８２】
そして光学素子８（プリズム部材６ａ，６ｂ）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１０ａ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。
【００８３】
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。
【００８４】
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１０の入射面１０ａの光強度分布を調整している。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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１０ａ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）が軸対称に変わり、ウエハ１８上で露光むらが生じる場合がある。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むら（ウエハ面での露光むら）を補正している。
【０１００】
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。
【０１０１】
図２２は本発明の実施例７の一部分の要部概略図である。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。３１は光検出器（ＣＣＤや４分割センサー等）である。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
以上説明した各実施形態によれば、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。
【０１０７】
又、各実施形態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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
【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。及び／又は、露光むらを改善できる。
【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
【発明の属する技術分野】
本発明は投影露光装置及び半導体素子の製造方法に関し、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投影露光装置及び半導体素子の製造方法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ｋ１、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ら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投影露光装置及び半導体素子の製造方法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５９−１４３１４６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利用効率を改善できる投影露光装置及び半導体素子の製造方法の提供を第１の目的とする。
【００１７】
又、本発明は、輪帯照明と他の照明方法（例えば通常照明）間で切替を行っても露光むらが生じない投影露光装置と半導体素子の製造方法の提供を第２の目的とする。
【００１８】
請求項１の発明の投影露光装置は、レチクルを照明する照明光学系と、前記レチクルのパターンをウエハ上に投影する投影光学系と、有効光源分布をモニターする光検出器とを有し、
前記照明光学系は、オプティカルインテグレータに入射する光を複数の光束に分ける光偏向素子を有し、
前記光偏向素子は、光軸に対して回転可能であることを特徴としている。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記光偏向素子は、光路に対して着脱可能であることを特徴としている。
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記光偏向素子は、多角錐プリズムであることを特徴としている。
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記多角錐プリズムは、４角錐プリズムであることを特徴としている。
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記光偏向素子は、前記回転により前記オプティカルインテグレータの入射面における光強度分布を変更可能であることを特徴としている。
【００２０】
請求項６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１〜５のいずれか一項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。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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１１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。
【００２７】
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１４ｂ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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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１０ａの光強度分布を変更させている場合を示している。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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１ｂを結像系１０１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。
【００３６】
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。
【００３７】
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１０ａ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１０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。
【００３８】
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、
【００３９】
【数１】
となる。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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３−２８６３１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）。
【００４６】
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１０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）。
【００４７】
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。
【００４８】
図５、図６は本実施例において結像系１０１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。
【００４９】
図５においてレンズ系９の焦点距離をｆ１としたときｔ１＝ｆ１ｔａｎα１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＝ｆ２ｔａｎα２が成立している。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
図９は本発明の実施例２の一部分の要部概略図である。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
図１０は本発明の実施例３の一部分の要部概略図である。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
次に本実施例の光学的作用を図１１、図１２を用いて説明する。
【００６４】
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。
【００６５】
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θ１を越えてしまう。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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１３（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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
図１５は本発明の実施例４の一部分の要部概略図である。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
図１６は本発明の実施例５の要部概略図である。
【００７５】
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２ａ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。
【００７６】
即ち、図１の実施例では光源１の発光部１ａの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。
【００７７】
これに対し本実施例では楕円鏡２の開口２ａの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。
【００７８】
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１０ａ上に向けている。
【００７９】
図１７は本発明の実施例６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１０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６ａ，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。
【００８１】
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１７ａ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。
【００８２】
そして光学素子８（プリズム部材６ａ，６ｂ）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１０ａ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。
【００８３】
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。
【００８４】
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１０の入射面１０ａの光強度分布を調整している。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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１０ａ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）が軸対称に変わり、ウエハ１８上で露光むらが生じる場合がある。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むら（ウエハ面での露光むら）を補正している。
【０１００】
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。
【０１０１】
図２２は本発明の実施例７の一部分の要部概略図である。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。３１は光検出器（ＣＣＤや４分割センサー等）である。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
以上説明した各実施形態によれば、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。
【０１０７】
又、各実施形態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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
【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。及び／又は、露光むらを改善できる。
【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
Claims (6)
- レチクルを照明する照明光学系と、前記レチクルのパターンをウエハ上に投影する投影光学系と、有効光源分布をモニターする光検出器とを有し、
前記照明光学系は、オプティカルインテグレータに入射する光を複数の光束に分ける光偏向素子を有し、
前記光偏向素子は、光軸に対して回転可能であることを特徴とする投影露光装置。 - 前記光偏向素子は、光路に対して着脱可能であることを特徴とする請求項１の投影露光装置。
- 前記光偏向素子は、多角錐プリズムであることを特徴とする請求項１の投影露光装置。
- 前記多角錐プリズムは、４角錐プリズムであることを特徴とする請求項３の投影露光装置。
- 前記光偏向素子は、前記回転により前記オプティカルインテグレータの入射面における光強度分布を変更可能であることを特徴とする請求項１の投影露光装置。
- レチクルとウエハを用意し、請求項１〜５のいずれか一項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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