JP3608580B2 - 照明光学装置、露光装置、露光方法、及びフライアイレンズ - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、被照明体を照明するための照明光学装置、及びこの装置に使用されるフライアイレンズに関し、特に例えば半導体素子又は液晶表示素子等を製造するための露光装置において、転写用のパターンが形成されたレチクルを照明する照明光学系に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体素子又は液晶表示素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に、マスクとしてのレチクルに形成された転写用のパターンを所定の照明光のもとで、投影光学系を介して感光基板に転写する投影露光装置、又はレチクルのパターンをレチクルに近接して配置された感光基板に直接転写するプロキシミティ方式の露光装置等が使用されている。斯かる投影露光装置、又は露光装置等では、感光基板上での露光量のむらを少なくする必要があるため、オプティカル・インテグレータを用いてレチクル上の所定の照明領域をできるだけ均一な照度分布で照明する照明光学系が使用されている。
【０００３】
図４は、従来の半導体露光装置に使用されている照明光学系を示し、この図４において、水銀ランプよりなる光源１が、回転楕円面からなる反射面を有する集光鏡２の第１焦点２１に配置され、集光鏡２の第２焦点２２に光源像（二次光源）が形成されている。この二次光源から発散する光束は、コリメータレンズ３によりほぼ平行な光束に変換された後、バンドパスフィルタ４に入射する。そして、バンドパスフィルタ４で選択された露光波長（水銀のｇ線（波長：４３６ｎｍ、ｉ線（波長：３６５ｎｍ）等）の照明光が、多数のレンズ要素からなるフライアイレンズ５に入射し、フライアイレンズ５の射出側の面５２に多数の光源像（三次光源）が形成される。その面５２には開口絞り６が設置され、開口絞り６の開口内の多数の三次光源から発散する光束は、コンデンサーレンズ７により集光されて、投影露光用のパターンが描画されたレチクルのパターン形成面上の照明領域８を重畳的に均一な照度分布で照明する。図４において、照明光学系の光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直で図４の紙面に平行な方向にＸ軸を取り、図４の紙面に垂直な方向にＹ軸を取る。
【０００４】
この場合、光源１と光学的に共役関係にあるのは、上述の如く、集光鏡２の第２焦点２２とフライアイレンズ５の射出側の面５２とであり、被照射面である照明領域８における照明光学系の開口数（ＮＡ）は、その射出側の面５２に配置された開口絞り６の開口径により決定される。照明光学系の開口数（以下、「照明開口数」という）は、投影像の解像力、焦点深度、及び像質等に大きな影響を与えるため、投影光学系の開口数、パターン寸法等により最適な値に設定されなければならない。また、照明領域８が位置する被照射面（レチクルのパターン形成面）は、フライアイレンズ５の入射側の面５１と共役であって、フライアイレンズ５を構成する各レンズ要素の入射面が各々視野絞りとなり、この視野絞りにより制限された光束がコンデンサーレンズ７を介して被照射面上で重畳される。
【０００５】
従って、フライアイレンズ５を構成するレンズ要素の断面形状は照明領域８と相似な形状となる様に決定される。一般に半導体素子製造用の露光装置（半導体露光装置）では、レチクル上の矩形領域に転写用のパターンが形成されるため、照明領域８も矩形領域となる。そこで、フライアイレンズ５は、断面が矩形形状のレンズ要素を、稠密に、且つ開口絞り６の最大の開口径を含む広がりを有するように組み上げられている。
【０００６】
図５（ａ）はそのように組み上げられたフライアイレンズ５をＺ方向に見た図、図５（ｂ）はフライアイレンズ５の側面図であり、図５（ａ）に示すように、フライアイレンズ５は、それぞれＸ方向の幅がｍｘでＹ方向の幅がｍｙの矩形の断面形状の多数のレンズ要素５ａを、Ｘ方向及びＹ方向に密着して配列して構成されている。そして、開口絞り６の実線の円で示されている最大の開口が、フライアイレンズ５の断面の輪郭の内部に収まっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
最近の半導体素子等の集積度の向上に対応すべく、半導体露光装置では、投影光学系の露光フィールドの全面で極めて高い像均質性が要求されるようになっている。そのため、照明光学系では▲１▼照度、及び▲２▼開口数の照明領域内の位置による均一性が極めて高いレベルで要求されている。
【０００８】
その照度の均一性と、開口数の均一性とが同時に満足されるための必要十分条件は、次の２つの条件である。
（ａ）照明系の開口絞り内に完全拡散面光源（所謂Ｌａｍｂｅｒｔ 面）が形成されること。
（ｂ）コンデンサーレンズの焦点距離をＦ、コンデンサーレンズに対する照明光の入射角をθとしたとき、照明領域での像高ｙが次の射影関係を有すること。
【０００９】
ｙ＝Ｆ・ｓｉｎθ （１）
これに関して、本発明者によって、フライアイレンズが正弦条件を満足するとき、そのフライアイレンズの射出側の面に形成される上記の３次光源が、近似的に条件（ａ）の完全拡散面光源と見なし得ることが明らかにされている（森 孝司：”ステッパーの照明光学系”，光アライアンス，ｖｏｌ．５，Ｎｏ．３，３２，（日本工業出版，１９９４））。
【００１０】
ここで図６において、フライアイレンズ５を構成する各レンズ要素５ａへの光線の入射高をｈ、レンズ要素５ａの焦点距離ｆ、光線の射出角をθとして、射出角θの所定の関数ｇ（θ）を用いて、次の関係が成立するものとする。
ｈ＝ｆ・ｇ（θ） （２）
このとき、前掲の参考文献によれば、フライアイレンズ５の射出側の面での放射輝度分布Ｌ（θ）は、次のようになる。
【００１１】
Ｌ（θ）＝Ｌ（０）ｇ（θ）ｇ’（θ）／（ｓｉｎθ ｃｏｓθ） （３）
但し、関数ｇ’（θ）は関数ｇ（θ）のθに関する微分である。また、コンデンサーレンズの焦点距離をＦとして、コンデンサーレンズに対する光線の入射角θとその光線の像高ｙとが、所定の関数Ｇ（θ）を用いて次の射影関係を有するものとする。
【００１２】
ｙ＝Ｆ・Ｇ（θ） （４）
このとき、被照射面での放射照度Ｅ（ｙ）は、次のようになる。
Ｅ（ｙ）＝Ｅ（０）｛Ｌ（θ）／Ｌ（０）｝ｃｏｓθ ｓｉｎθ／｛Ｇ（θ）Ｇ’（θ）｝（５）
但し、関数Ｇ’（θ）は関数Ｇ（θ）のθに関する微分である。従って（５）式に（３）式を代入することにより、次のようになる。
【００１３】
Ｅ（ｙ）＝Ｅ（０）ｇ（θ）ｇ’（θ）／｛Ｇ（θ）Ｇ’（θ）｝ （６）
ここで次の関係が成立するものとする。
ｇ（θ）＝Ｇ（θ） （７）
即ち、フライアイレンズの入射側の面が歪曲収差なく被照射面に投影されるものとすると、（６）式よりＥ（ｙ）＝Ｅ（０）となって、均一放射照度が実現される。また、（７）式の条件は、（２）式及び（４）式より、ｙ／ｈ＝Ｆ／ｆが成立するのと同じ条件である。
【００１４】
次に、同様に前記参考文献によれば、照明光学系の像高ｙにおける開口数ＮＡ（ｙ）は、次のように表される。
ＮＡ（ｙ＝Ｆ・Ｇ（θ））＝ＮＡ（０）ｃｏｓθ／Ｇ’（θ） （８）
この式に前記の均一照度を得るための（７）式の条件を代入すると、次のようになる。
【００１５】
ＮＡ（ｙ）＝ＮＡ（０）ｃｏｓθ／ｇ’（θ） （９）
この（９）式で、次式が成立すると、ＮＡ（ｙ）＝ＮＡ（０）となる。
ｇ（θ）＝ｓｉｎ θ （１０）
これより、フライアイレンズが正弦条件を満足するときのみ、被照射面で放射照度と開口数とが位置に関して均一となることが分かる。
【００１６】
従来この種の露光装置に用いられているフライアイレンズは、図６に示すフライアイレンズ５のように、各レンズ要素５ａの対向する屈折面が互いに他方の屈折面の焦点に一致するような厚さを有し、対向する屈折面が互いに他方のフィールドレンズの役割を果たしている。即ち、フライアイレンズの屈折力（逆数がフライアイレンズ５の焦点距離）は各レンズ要素の１つの屈折面によって担われており、比較的明るいフライアイレンズでは正弦条件の不満足量が無視し得ず、前述した照度、及び開口数の均一性は同時には満足されないため、最終的に得られる像の露光フィールド内での均一性に影響を与えていた。
【００１７】
ここで、図６において、フライアイレンズ５の正弦条件不満足量ＯＳＣを、次のように定義する。
ＯＳＣ＝ｈ／ｓｉｎθ−ｈ （１１）
この式（１１）より、像高ｈは次のようになる。
ｈ＝ｆ（１＋ＯＳＣ／ｆ）・ｓｉｎθ （１２）
従って、（２）式より関数ｇ（θ）は次のようになる。
【００１８】
ｇ（θ）＝（１＋ＯＳＣ／ｆ）・ｓｉｎθ （１３）
そして、改めて、次式より正弦条件不満足量ＯＳＣを関数ＤＳ（θ）に換算する。
ＤＳ（θ）＝ＯＳＣ／ｆ （１４）
更に、照度を均一とするため、Ｇ（θ）＝ｇ（θ）の関係を有するコンデンサーレンズを使用するものとすると、（１３）式、及び（１４）式より次の関係が成立する。
【００１９】
Ｇ（θ）＝（１＋ＤＳ（θ））・ｓｉｎθ （１５）
この式をθに関して微分することにより、次式が得られる。
Ｇ’（θ）＝ｓｉｎ θ・｛ｄ（ＤＳ）／ｄθ｝＋（１＋ＤＳ）・ｃｏｓθ （１６）
また、３次収差の範囲内で、次のように表せる場合を考える（Ｋは定数）。
ＤＳ（θ）＝Ｋ・ｓｉｎ２θ （１７）
このとき、関数ＤＳ（θ）の微分は次のようになる。
【００２０】
ｄ（ＤＳ）／ｄθ＝２Ｋｓｉｎ θｃｏｓ θ （１８）
従って、（１６）式は次のようになる。
この（１９）式を（８）式に代入することにより次式が得られる。
【００２１】
ＮＡ（ｙ）＝ＮＡ（０）／（１＋３・ＤＳ（θ）） （２０）
この式は照明光学系の像高ｙでの開口数が、コンデンサーレンズへの入射角θに関する正弦条件不満足量ＯＳＣの（１４）式で定義される関数ＤＳ（θ）に応じて定まることを意味する。従って、フライアイレンズの正弦条件不満足量ＯＳＣに応じて照度が均一となるコンデンサーレンズを使用するとき、例えばフライアイレンズの正弦条件不満足量ＯＳＣが焦点距離の１％の場合、照明開口数ＮＡ（ｙ）は対応する像高で３％変化することになってしまう。結像の立場から照明開口数の照明領域内での均一性は３％以内に抑えることが望ましい。
【００２２】
図７は、図６のように対向する屈折面が互いに他方の屈折面の焦点位置となる従来の構成によるフライアイレンズを使用した場合の、正弦条件不満足量ＯＳＣの関数ＤＳ（θ）（＝ＯＳＣ／ｆ）の変化を示し、この図７において、関数ＤＳ（θ）は、２ｈ／ｆ（即ち、Ｆナンバーの逆数）の関数として、フライアイレンズのレンズ要素の屈折率ｎが１．４〜１．７の場合について表されている。この図７より分かるように、フライアイレンズのレンズ要素の屈折率を極力大きくし、また、像高ｈが小さい領域で使用すれば関数ＤＳ（θ）は小さくなり、結果として照明開口数の均一性は或る程度確保される。
【００２３】
しかしながら、半導体露光装置で使用される露光波長は紫外線領域であり、斯かる紫外線領域では、透過率及び紫外線耐性に優れた高屈折率の硝材を得るのは容易ではなく、実際上レンズ要素の硝材としては、屈折率ｎが１．５近傍の材料に限られてしまう。更に、２ｈ／ｆを小さくするために、像高ｈの最大値ｈｍａｘ に比べてフライアイレンズの焦点距離ｆを大きくとることも考えられるが、所定の大きさの照明領域を確保するためには、同時にコンデンサーレンズの焦点距離をも大きくとる必要があり、照明光学系の大型化を招くという不都合がある。
【００２４】
本発明は斯かる点に鑑み、装置を大型化することなくフライアイレンズの正弦条件不満足量を小さくして、照度及び照明開口数の両方の均一性を高めることができる照明光学装置を提供することを目的とする。更に本発明は、そのような照明光学装置に使用できるフライアイレンズを提供することをも目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明による照明光学装置は、例えば図１及び図２に示す如く、照明光を発生する光源（１）と、この光源からの照明光を所定の面（９１）に導く光束整形光学系（２，３）と、所定の面（９１）に入射面が配置されその照明光より複数個の光源像を形成するフライアイレンズと、それら複数個の光源像からの照明光を重畳して被照射面（８）を照明するコンデンサーレンズ系（７）と、を有する照明光学装置において、そのフライアイレンズ（９）を構成する複数個のレンズ要素（９ａ）はそれぞれ、その照明光の入射面（９１）から射出面（９２）までの間に少なくとも３つの所定（０以外）の屈折力を有する屈折面（ｒ１，ｒ２，ｒ４）を有するものである。但し、フライアイレンズの各レンズ要素（９ａ）の射出側の屈折面（ｒ４）はフィールドレンズとして作用するため、その構成は各レンズ要素（９ａ）の屈折力を複数（２面以上）の屈折面で分担することを意味する。
【００２６】
この場合、そのフライアイレンズ（９）を構成する複数個のレンズ要素（９ａ）は、それぞれそのフライアイレンズの焦点距離をｆ、各レンズ要素（９ａ）の光軸（ＡＸａ）に平行な照明光の最大入射高をｈmax 、この最大入射高ｈmax で入射して射出される照明光が光軸（ＡＸａ）となす角度をθmax とするとき、更に次の条件が満足されている。
【００２７】
｜ｈｍａｘ／（ｆ・ｓｉｎ θｍａｘ）｜＜０．０１ （２１）
また、そのフライアイレンズ（９）を構成する複数個のレンズ要素（９ａ）の一例は、それぞれ光軸（ＡＸａ）を共有する複数枚のレンズ（１０ａ，１１ａ）より構成されるものである。
また、そのフライアイレンズ（９）を構成する複数個のレンズ要素（９ａ）の他の例は、それぞれ光軸（ＡＸａ）を共有する２群２枚のレンズ（１０ａ，１１ａ）より構成され、光源側のレンズ（１０ａ）は両凸レンズであり、この両凸レンズの光源側の面の曲率半径をｒ１ 、他方の面の曲率半径をｒ２ とするとき、次の条件を満足するものである。
【００２８】
｜ｒ1 ｜＜｜ｒ2 ｜ （２２）
また、本発明による露光装置は、マスクに形成された転写用のパターンを感光基板に転写する露光装置において、そのマスク上の所定の照明領域を照明するために、本発明の何れかの照明光学装置を備えるものである。
また、本発明による露光方法は、マスクに形成された転写用のパターンを感光基板に転写する露光方法において、本発明の何れかの照明光学装置を用いてそのマスク上の所定の照明領域を照明するものである。
また、本発明によるフライアイレンズは、例えば図１及び図２に示すように、複数個のレンズ要素よりなるフライアイレンズにおいて、それら複数個のレンズ要素（９ａ）はそれぞれ、照明光の入射面（９１）から射出面（９２）までの間に少なくとも３つの所定の屈折力を有する屈折面（ｒ1,ｒ2,ｒ4)を有し、そのフライアイレンズの焦点距離をｆ、各レンズ要素（９ａ）の光軸（ＡＸａ）に平行な照明光の最大入射高をｈmax 、この最大入射高ｈmax で入射して射出される照明光が光軸（ＡＸａ）となす角度をθmax とするとき、（２１）式の条件を満足するものである。
【００２９】
【作用】
斯かる本発明の照明光学装置の原理につき説明する。既に述べたように、被照射面（８）における照度及び照明開口数の両方の均一性を高めるための必要十分条件は、上記の条件（ａ）及び条件（ｂ）が満たされることである。また、その条件（ａ）（フライアイレンズの射出面に形成される光源像が完全拡散面光源であること）が満たされるのは、そのフライアイレンズが正弦条件を満足するときである。
【００３０】
しかしながら、既に述べたように、図６に示すような２つの屈折面を有するレンズ要素５ａからなる従来のフライアイレンズ５を使用する場合、射出側の屈折面はフィールドレンズとして作用するため、各レンズ要素５ａの屈折力（焦点距離の逆数）は１つの屈折面でのみ担われる。従って、図７に示したように、従来のフライアイレンズを使用した場合には、装置全体を大型化することなく、正弦条件不満足量ＯＳＣの関数ＤＳ（θ）（＝ＯＳＣ／ｆ）の値を１％より小さくすることは困難である。そのため、（２０）式より照明開口数ＮＡ（ｙ）の均一性を３％以内に抑えるのが困難となる。
【００３１】
そこで、本発明では、図２に示すように、フライアイレンズ（９）のレンズ要素（９ａ）の屈折力（焦点距離の逆数）を１面の屈折面のみによるのではなく、複数の屈折面（ｒ１，ｒ２）により分担することで正弦条件の改善を計ることとした。正弦条件違反量は、残存コマ収差（３次）の大きさを示すことはよく知られている。単レンズのベンディングと残存コマ収差との関係は、例えば、Ｆ．Ａ．ＪＥＮＫＩＮＳ，Ｈ．Ｅ．ＷＨＩＴＥ：”Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ”，４ｔｈ ｅｄ．，Ｐ１６５（ＭｃＧＲＡＷ−Ｈｉｌｌ，１９８１）等に開示されており、単レンズ２面のベンディングでも大きく正弦条件を変化させることが可能である。従って、本発明によれば、装置の大型化を招くことなくフライアイレンズ（９）における正弦条件の不満足量を減少できるため、条件（ａ）がほぼ満たされて、照度及び照明開口数の両方の均一性が高められる。
【００３２】
また、（２１）式の条件が満たされるときには、（１１）式よりフライアイレンズ（９）における正弦条件不満足量ＯＳＣが１％より小さくなる。従って、（２０）式より照明開口数の被照射面での均一性を３％以内に抑えることができる。
また、そのフライアイレンズ（９）を構成する複数個のレンズ要素（９ａ）が、図２に示すようにそれぞれ光軸（ＡＸａ）を共有する２群２枚のレンズ（１０ａ，１１ａ）より構成され、光源側のレンズ（１０ａ）が両凸レンズであり、且つ（２２）式が成立するときには、そのレンズ（１０ａ）の入射面の屈折力が射出面の屈折力より大きくなる。これにより、照明光が水銀ランプのｉ線のような紫外域の場合でも、屈折率が実用的な２以下の硝材を用いて正弦条件を満たすことができる。
【００３３】
なお、図２において、被照射面側のレンズ（１１ｂ）の光源側の面が平面（１／ｒ３ ＝０）であるときには、光源側のレンズ（１０ａ）の被照射面側の曲率半径ｒ２ の絶対値が光源側の曲率半径ｒ１ の絶対値の６倍であることが望ましい。即ち、１／ｒ３ ＝０であるときには、次の条件が満たされることが望ましい。
｜ｒ２ ｜＝６・｜ｒ１ ｜ （２３）
この条件が成立すると、正弦条件が最も正確に満たされる。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明の一実施例につき図１〜図３を参照して説明する。本実施例は半導体露光装置の照明光学系に本発明を適用したものであり、図１において図４に対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。
図１は、本例の照明光学系を示し、この図１において、水銀ランプよりなる光源１からの光束は、集光鏡２、及びコリメータレンズ３によりほぼ平行な光束に変換された後、バンドパスフィルタ４に入射する。そして、バンドパスフィルタ４で選択されたｉ線（波長：３６５ｎｍ）の照明光が、本例のフライアイレンズ９の入射側の面９１に入射し、フライアイレンズ９の射出側の面９２に多数の光源像（三次光源）が形成される。その面９２には開口絞り６が設置され、開口絞り６の開口内の多数の三次光源から発散する光束は、コンデンサーレンズ７により集光されて、レチクルのパターン形成面上の照明領域８を重畳的に均一な照度分布で照明する。
【００３５】
この場合、光源１と光学的に共役関係にあるのは、集光鏡２の第２焦点２２とフライアイレンズ９の射出側の面９２とであり、被照射面である照明領域８における照明光学系の開口数（ＮＡ）は、その射出側の面９２に配置された開口絞り６の開口径により決定される。また、照明領域８が位置する被照射面（レチクルのパターン形成面）は、フライアイレンズ９の入射側の面９１と共役であって、フライアイレンズ９を構成する各レンズ要素の入射面が各々視野絞りとなり、この視野絞りにより制限された光束がコンデンサーレンズ７を介して被照射面上で重畳される。
【００３６】
本例のフライアイレンズ９は、照明光学系の光軸ＡＸに沿って所定間隔で配置された２つのレンズ束１０、及びレンズ束１１より構成されている。
図２は、本例のフライアイレンズ９の拡大図であり、この図２において、光源側の第１のレンズ束１０はそれぞれ断面形状が矩形の多数のレンズ１０ａを縦横に密着して束ねたものであり、被照射面側の第２のレンズ束１１も同様にそれぞれ断面形状がレンズ１０ａと同じ矩形の多数のレンズ１１ａを縦横に密着して束ねたものである。また、レンズ束１０を構成するレンズ１０ａとレンズ束１１を構成するレンズ１１ａとはそれぞれ同軸に配置され、レンズ１０ａとレンズ１１ａとから、それぞれフライアイレンズ９のレンズ要素９ａが構成されている。即ち、本例のフライアイレンズ９のレンズ要素９ａは、それぞれ光軸ＡＸａを共有する２群２枚のレンズ１０ａ，１１ａより構成されている。このような２群２枚の構成により、本例のフライアイレンズ９の各レンズ要素９ａはそれぞれ正弦条件の補正が行われている。
【００３７】
また、本例のフライアイレンズ９を構成するレンズ要素９ａにおいて、光源側のレンズ１０ａの入射面（即ち、フライアイレンズ９の入射側の面９１）がレンズ要素９ａの前側の焦点面となり、被照射面側のレンズ１１ａの射出面（即ち、フライアイレンズ９の射出側の面９２）がレンズ要素９ａの後側の焦点面となっている。従って、レンズ要素９ａに光源側から入射した平行光束は、レンズ１１ａの射出面で集光され、逆にレンズ要素９ａに被照射面側から入射した平行光束は、レンズ１０ａの入射面で集光されるようになっている。
【００３８】
フライアイレンズ９を製造する場合には、一例として、レンズ束１０は各レンズ１０ａの側面同士を接着することにより一体の光学部品として組み上げ、同様にレンズ束１１についても各レンズ１１ａの側面同士を接着することにより一体の光学部品として組み上げる方法がある。この例では、レンズ束１０及びレンズ束１１の光軸の調整は機械的に行われる。
【００３９】
また、フライアイレンズ９の製造方法の他の例として、図３に示すように、レンズ束１０は各レンズ１０ａを接着によらずに２枚の光透過性の平行平面板１２Ａ，１２Ｂで挟んで保持し、同様にレンズ束１１も各レンズ１１ａを２枚の光透過性の平行平面板１３Ａ，１３Ｂで挟んで保持する方法もある。この例でも、レンズ束１０及びレンズ束１１の光軸の調整は機械的に行われる。
【００４０】
更に、レンズ束１０及びレンズ束１１を、それぞれガラス基板上にプレス加工によって所定の屈折面を有する多数のレンズを形成することによって製造してもよい。
次に、本例のフライアイレンズ９の具体的な実施例につき説明する。以下の実施例では、図２に示すように、光源側からの照明光がフライアイレンズ９中で通過する面を順次第ｉ面（ｉ＝１〜４）として、第ｉ面の曲率半径ｒｉ の符号は、光源側からの光束に対して凸の場合を正にとり、フライアイレンズ９の焦点距離ｆを１に規格化してある。そして、第ｉ面と第（ｉ＋１）面との面間隔をｄｉ として、第ｉ面と第（ｉ＋１）面との間の屈折率をｎｉ とする。また、照明光の波長（使用波長）、使用する硝材、及びこの硝材の使用波長に対する屈折率は次の通りである。
【００４１】
使用波長：３６５ｎｍ（水銀ランプのｉ線）、
硝材：石英、
石英の屈折率：１．４７４５５２
【００４２】
［第１実施例］
この第１実施例は、図２のフライアイレンズ９を構成する各レンズ要素９ａの光源側のレンズ１０ａを両凸レンズ、被照射面側のレンズ１１ａを光源側が平面となった平凸レンズとして、正弦条件を満たすように補正を行ったものである。具体的なレンズデータは以下の通りである。
【００４３】
【表１】
【００４４】
このレンズデータに基づいて、（１１）式で定義される正弦条件不満足量ＯＳＣを焦点距離で規格化した値ＯＳＣ／ｆを、種々の２ｈ／ｆ（即ち、Ｆナンバーの逆数）について計算すると、次のようになる。
【００４５】
【表２】
【００４６】
この表２より、本例では２ｈ／ｆの値が０．５（Ｆナンバー＝２）の場合でも正弦条件不満足量は約０．１％程度であることが分かる。これに対して、図７に示すように、従来の単一レンズよりなるレンズ要素を束ねたフライアイレンズを使用した場合の正弦条件不満足量は、１％より大きい値であり、本例では正弦条件が極めて良好に補正されている。従って、本例のフライアイレンズ９を使用した照明光学系では、被照射面での照度及び開口数の均一性を共に極めて高いレベルに設定できる。
【００４７】
［第２実施例］
この第２実施例は、図２のフライアイレンズ９を構成する各レンズ要素９ａの光源側のレンズ１０ａと、被照射面側のレンズ１１ａとを対称な両凸レンズとして、正弦条件を満たすように補正を行ったものである。具体的なレンズデータは以下の通りである。
【００４８】
【表３】
【００４９】
このレンズデータに基づいて、（１１）式で定義される正弦条件不満足量ＯＳＣを焦点距離で規格化した値ＯＳＣ／ｆを、種々の２ｈ／ｆ（即ち、Ｆナンバーの逆数）について計算すると、次のようになる。
【００５０】
【表４】
【００５１】
この表より、第１実施例と同様に正弦条件は極めて良好に補正されていることが分かる。
更に、レンズ１０，１１の厚さ、屈折率等を変化させて各種構成例の検討を行ったが、フライアイレンズ９のレンズ要素９ａを２群で構成する場合には、現実的な屈折率の範囲内で第１群の入射面の曲率半径ｒ１ 、及び射出面の曲率半径ｒ２ について、以下の条件が成立するときに、正弦条件を最適化できることが分かった。
【００５２】
ｒ１ ＞０ （２４）
ｒ２ ＜０ （２５）
｜ｒ１｜＜｜ｒ２｜ （２６）
これらの内で（２４）式及び（２５）式の条件はその第１群が両凸レンズであることを意味している。
【００５３】
なお、上述実施例では、フライアイレンズ９のレンズ要素９ａが２群２枚で構成されているが、２群で３枚以上からレンズ要素９ａを構成してもよい。更に、各レンズ要素９ａを３群以上で構成して、更に高度な補正を行うことも可能である。そのように３群以上の場合は、凹レンズ群を交えた構成も採用できる。しかしながら、各レンズ要素の光軸精度の維持を考えると現実的には困難である。
【００５４】
このように、本発明は上述実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の照明光学装置によれば、フライアイレンズを構成する複数のレンズ要素がそれぞれ少なくとも３つの所定の屈折力を持つ屈折面（その内の１面がフィールドレンズとして作用する）を有するため、即ちそれら各レンズ要素の屈折力が少なくとも２つの屈折面によって担われているため、正弦条件の補正が容易となっている。従って、装置を大型化することなくフライアイレンズの正弦条件不満足量を小さくして、照度及び照明開口数の両方の均一性を高めることができる利点がある。その結果として、本発明を投影露光装置の照明光学系として適用した場合に、得られる投影像の露光フィールド内での均一性が大幅に向上する。
【００５６】
また、（２１）式の条件を満たす場合には、フライアイレンズの正弦条件不満足量を１％より小さくできる。そのため、照明開口数の被照射面での均一性を３％より小さくでき、例えば投影露光装置に適用した場合に良好な結像特性が得られる。
また、フライアイレンズの構成するレンズ要素を、それぞれ光軸を共有する複数枚のレンズより構成した場合には、屈折面の曲率半径及び屈折率を組み合わせることにより、フライアイレンズの正弦条件を容易に補正できる利点がある。
【００５７】
更に、フライアイレンズを構成する複数個のレンズ要素を、それぞれ光軸を共有する２群２枚のレンズより構成し、その光源側のレンズを両凸レンズとして、（２２）式の条件を満たす場合には、２群２枚の簡単な構成にも拘らず、また、実用的な屈折率の範囲内で容易にフライアイレンズの正弦条件の補正を行うことができる。
【００５８】
また、本発明のフライアイレンズによれば、簡単な構成で正弦条件不満足量を１％より小さくできる利点がある。従って、本発明のフライアイレンズは本発明の照明光学装置に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による照明光学装置の一実施例を示す構成図である。
【図２】実施例で使用されるフライアイレンズ９を示す概念図である。
【図３】実施例で使用されるフライアイレンズ９の製造方法の他の例を示す概念図である。
【図４】従来の照明光学装置を示す構成図である。
【図５】（ａ）は図４中のフライアイレンズ５を光軸方向に見た状態を示す図、（ｂ）はフライアイレンズ５の側面図である。
【図６】従来のフライアイレンズ５を示す光路図である。
【図７】従来のフライアイレンズの正弦条件不満足量の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ 集光鏡
３ コリメータレンズ
４ バンドパスフィルタ
６ 開口絞り
７ コンデンサーレンズ
８ 照明領域
９ フライアイレンズ
９ａ レンズ要素
１０ 第１のレンズ束
１０ａ レンズ
１１ 第２のレンズ束
１１ａ レンズ
【産業上の利用分野】
本発明は、被照明体を照明するための照明光学装置、及びこの装置に使用されるフライアイレンズに関し、特に例えば半導体素子又は液晶表示素子等を製造するための露光装置において、転写用のパターンが形成されたレチクルを照明する照明光学系に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体素子又は液晶表示素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に、マスクとしてのレチクルに形成された転写用のパターンを所定の照明光のもとで、投影光学系を介して感光基板に転写する投影露光装置、又はレチクルのパターンをレチクルに近接して配置された感光基板に直接転写するプロキシミティ方式の露光装置等が使用されている。斯かる投影露光装置、又は露光装置等では、感光基板上での露光量のむらを少なくする必要があるため、オプティカル・インテグレータを用いてレチクル上の所定の照明領域をできるだけ均一な照度分布で照明する照明光学系が使用されている。
【０００３】
図４は、従来の半導体露光装置に使用されている照明光学系を示し、この図４において、水銀ランプよりなる光源１が、回転楕円面からなる反射面を有する集光鏡２の第１焦点２１に配置され、集光鏡２の第２焦点２２に光源像（二次光源）が形成されている。この二次光源から発散する光束は、コリメータレンズ３によりほぼ平行な光束に変換された後、バンドパスフィルタ４に入射する。そして、バンドパスフィルタ４で選択された露光波長（水銀のｇ線（波長：４３６ｎｍ、ｉ線（波長：３６５ｎｍ）等）の照明光が、多数のレンズ要素からなるフライアイレンズ５に入射し、フライアイレンズ５の射出側の面５２に多数の光源像（三次光源）が形成される。その面５２には開口絞り６が設置され、開口絞り６の開口内の多数の三次光源から発散する光束は、コンデンサーレンズ７により集光されて、投影露光用のパターンが描画されたレチクルのパターン形成面上の照明領域８を重畳的に均一な照度分布で照明する。図４において、照明光学系の光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直で図４の紙面に平行な方向にＸ軸を取り、図４の紙面に垂直な方向にＹ軸を取る。
【０００４】
この場合、光源１と光学的に共役関係にあるのは、上述の如く、集光鏡２の第２焦点２２とフライアイレンズ５の射出側の面５２とであり、被照射面である照明領域８における照明光学系の開口数（ＮＡ）は、その射出側の面５２に配置された開口絞り６の開口径により決定される。照明光学系の開口数（以下、「照明開口数」という）は、投影像の解像力、焦点深度、及び像質等に大きな影響を与えるため、投影光学系の開口数、パターン寸法等により最適な値に設定されなければならない。また、照明領域８が位置する被照射面（レチクルのパターン形成面）は、フライアイレンズ５の入射側の面５１と共役であって、フライアイレンズ５を構成する各レンズ要素の入射面が各々視野絞りとなり、この視野絞りにより制限された光束がコンデンサーレンズ７を介して被照射面上で重畳される。
【０００５】
従って、フライアイレンズ５を構成するレンズ要素の断面形状は照明領域８と相似な形状となる様に決定される。一般に半導体素子製造用の露光装置（半導体露光装置）では、レチクル上の矩形領域に転写用のパターンが形成されるため、照明領域８も矩形領域となる。そこで、フライアイレンズ５は、断面が矩形形状のレンズ要素を、稠密に、且つ開口絞り６の最大の開口径を含む広がりを有するように組み上げられている。
【０００６】
図５（ａ）はそのように組み上げられたフライアイレンズ５をＺ方向に見た図、図５（ｂ）はフライアイレンズ５の側面図であり、図５（ａ）に示すように、フライアイレンズ５は、それぞれＸ方向の幅がｍｘでＹ方向の幅がｍｙの矩形の断面形状の多数のレンズ要素５ａを、Ｘ方向及びＹ方向に密着して配列して構成されている。そして、開口絞り６の実線の円で示されている最大の開口が、フライアイレンズ５の断面の輪郭の内部に収まっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
最近の半導体素子等の集積度の向上に対応すべく、半導体露光装置では、投影光学系の露光フィールドの全面で極めて高い像均質性が要求されるようになっている。そのため、照明光学系では▲１▼照度、及び▲２▼開口数の照明領域内の位置による均一性が極めて高いレベルで要求されている。
【０００８】
その照度の均一性と、開口数の均一性とが同時に満足されるための必要十分条件は、次の２つの条件である。
（ａ）照明系の開口絞り内に完全拡散面光源（所謂Ｌａｍｂｅｒｔ 面）が形成されること。
（ｂ）コンデンサーレンズの焦点距離をＦ、コンデンサーレンズに対する照明光の入射角をθとしたとき、照明領域での像高ｙが次の射影関係を有すること。
【０００９】
ｙ＝Ｆ・ｓｉｎθ （１）
これに関して、本発明者によって、フライアイレンズが正弦条件を満足するとき、そのフライアイレンズの射出側の面に形成される上記の３次光源が、近似的に条件（ａ）の完全拡散面光源と見なし得ることが明らかにされている（森 孝司：”ステッパーの照明光学系”，光アライアンス，ｖｏｌ．５，Ｎｏ．３，３２，（日本工業出版，１９９４））。
【００１０】
ここで図６において、フライアイレンズ５を構成する各レンズ要素５ａへの光線の入射高をｈ、レンズ要素５ａの焦点距離ｆ、光線の射出角をθとして、射出角θの所定の関数ｇ（θ）を用いて、次の関係が成立するものとする。
ｈ＝ｆ・ｇ（θ） （２）
このとき、前掲の参考文献によれば、フライアイレンズ５の射出側の面での放射輝度分布Ｌ（θ）は、次のようになる。
【００１１】
Ｌ（θ）＝Ｌ（０）ｇ（θ）ｇ’（θ）／（ｓｉｎθ ｃｏｓθ） （３）
但し、関数ｇ’（θ）は関数ｇ（θ）のθに関する微分である。また、コンデンサーレンズの焦点距離をＦとして、コンデンサーレンズに対する光線の入射角θとその光線の像高ｙとが、所定の関数Ｇ（θ）を用いて次の射影関係を有するものとする。
【００１２】
ｙ＝Ｆ・Ｇ（θ） （４）
このとき、被照射面での放射照度Ｅ（ｙ）は、次のようになる。
Ｅ（ｙ）＝Ｅ（０）｛Ｌ（θ）／Ｌ（０）｝ｃｏｓθ ｓｉｎθ／｛Ｇ（θ）Ｇ’（θ）｝（５）
但し、関数Ｇ’（θ）は関数Ｇ（θ）のθに関する微分である。従って（５）式に（３）式を代入することにより、次のようになる。
【００１３】
Ｅ（ｙ）＝Ｅ（０）ｇ（θ）ｇ’（θ）／｛Ｇ（θ）Ｇ’（θ）｝ （６）
ここで次の関係が成立するものとする。
ｇ（θ）＝Ｇ（θ） （７）
即ち、フライアイレンズの入射側の面が歪曲収差なく被照射面に投影されるものとすると、（６）式よりＥ（ｙ）＝Ｅ（０）となって、均一放射照度が実現される。また、（７）式の条件は、（２）式及び（４）式より、ｙ／ｈ＝Ｆ／ｆが成立するのと同じ条件である。
【００１４】
次に、同様に前記参考文献によれば、照明光学系の像高ｙにおける開口数ＮＡ（ｙ）は、次のように表される。
ＮＡ（ｙ＝Ｆ・Ｇ（θ））＝ＮＡ（０）ｃｏｓθ／Ｇ’（θ） （８）
この式に前記の均一照度を得るための（７）式の条件を代入すると、次のようになる。
【００１５】
ＮＡ（ｙ）＝ＮＡ（０）ｃｏｓθ／ｇ’（θ） （９）
この（９）式で、次式が成立すると、ＮＡ（ｙ）＝ＮＡ（０）となる。
ｇ（θ）＝ｓｉｎ θ （１０）
これより、フライアイレンズが正弦条件を満足するときのみ、被照射面で放射照度と開口数とが位置に関して均一となることが分かる。
【００１６】
従来この種の露光装置に用いられているフライアイレンズは、図６に示すフライアイレンズ５のように、各レンズ要素５ａの対向する屈折面が互いに他方の屈折面の焦点に一致するような厚さを有し、対向する屈折面が互いに他方のフィールドレンズの役割を果たしている。即ち、フライアイレンズの屈折力（逆数がフライアイレンズ５の焦点距離）は各レンズ要素の１つの屈折面によって担われており、比較的明るいフライアイレンズでは正弦条件の不満足量が無視し得ず、前述した照度、及び開口数の均一性は同時には満足されないため、最終的に得られる像の露光フィールド内での均一性に影響を与えていた。
【００１７】
ここで、図６において、フライアイレンズ５の正弦条件不満足量ＯＳＣを、次のように定義する。
ＯＳＣ＝ｈ／ｓｉｎθ−ｈ （１１）
この式（１１）より、像高ｈは次のようになる。
ｈ＝ｆ（１＋ＯＳＣ／ｆ）・ｓｉｎθ （１２）
従って、（２）式より関数ｇ（θ）は次のようになる。
【００１８】
ｇ（θ）＝（１＋ＯＳＣ／ｆ）・ｓｉｎθ （１３）
そして、改めて、次式より正弦条件不満足量ＯＳＣを関数ＤＳ（θ）に換算する。
ＤＳ（θ）＝ＯＳＣ／ｆ （１４）
更に、照度を均一とするため、Ｇ（θ）＝ｇ（θ）の関係を有するコンデンサーレンズを使用するものとすると、（１３）式、及び（１４）式より次の関係が成立する。
【００１９】
Ｇ（θ）＝（１＋ＤＳ（θ））・ｓｉｎθ （１５）
この式をθに関して微分することにより、次式が得られる。
Ｇ’（θ）＝ｓｉｎ θ・｛ｄ（ＤＳ）／ｄθ｝＋（１＋ＤＳ）・ｃｏｓθ （１６）
また、３次収差の範囲内で、次のように表せる場合を考える（Ｋは定数）。
ＤＳ（θ）＝Ｋ・ｓｉｎ２θ （１７）
このとき、関数ＤＳ（θ）の微分は次のようになる。
【００２０】
ｄ（ＤＳ）／ｄθ＝２Ｋｓｉｎ θｃｏｓ θ （１８）
従って、（１６）式は次のようになる。
【００２１】
ＮＡ（ｙ）＝ＮＡ（０）／（１＋３・ＤＳ（θ）） （２０）
この式は照明光学系の像高ｙでの開口数が、コンデンサーレンズへの入射角θに関する正弦条件不満足量ＯＳＣの（１４）式で定義される関数ＤＳ（θ）に応じて定まることを意味する。従って、フライアイレンズの正弦条件不満足量ＯＳＣに応じて照度が均一となるコンデンサーレンズを使用するとき、例えばフライアイレンズの正弦条件不満足量ＯＳＣが焦点距離の１％の場合、照明開口数ＮＡ（ｙ）は対応する像高で３％変化することになってしまう。結像の立場から照明開口数の照明領域内での均一性は３％以内に抑えることが望ましい。
【００２２】
図７は、図６のように対向する屈折面が互いに他方の屈折面の焦点位置となる従来の構成によるフライアイレンズを使用した場合の、正弦条件不満足量ＯＳＣの関数ＤＳ（θ）（＝ＯＳＣ／ｆ）の変化を示し、この図７において、関数ＤＳ（θ）は、２ｈ／ｆ（即ち、Ｆナンバーの逆数）の関数として、フライアイレンズのレンズ要素の屈折率ｎが１．４〜１．７の場合について表されている。この図７より分かるように、フライアイレンズのレンズ要素の屈折率を極力大きくし、また、像高ｈが小さい領域で使用すれば関数ＤＳ（θ）は小さくなり、結果として照明開口数の均一性は或る程度確保される。
【００２３】
しかしながら、半導体露光装置で使用される露光波長は紫外線領域であり、斯かる紫外線領域では、透過率及び紫外線耐性に優れた高屈折率の硝材を得るのは容易ではなく、実際上レンズ要素の硝材としては、屈折率ｎが１．５近傍の材料に限られてしまう。更に、２ｈ／ｆを小さくするために、像高ｈの最大値ｈｍａｘ に比べてフライアイレンズの焦点距離ｆを大きくとることも考えられるが、所定の大きさの照明領域を確保するためには、同時にコンデンサーレンズの焦点距離をも大きくとる必要があり、照明光学系の大型化を招くという不都合がある。
【００２４】
本発明は斯かる点に鑑み、装置を大型化することなくフライアイレンズの正弦条件不満足量を小さくして、照度及び照明開口数の両方の均一性を高めることができる照明光学装置を提供することを目的とする。更に本発明は、そのような照明光学装置に使用できるフライアイレンズを提供することをも目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明による照明光学装置は、例えば図１及び図２に示す如く、照明光を発生する光源（１）と、この光源からの照明光を所定の面（９１）に導く光束整形光学系（２，３）と、所定の面（９１）に入射面が配置されその照明光より複数個の光源像を形成するフライアイレンズと、それら複数個の光源像からの照明光を重畳して被照射面（８）を照明するコンデンサーレンズ系（７）と、を有する照明光学装置において、そのフライアイレンズ（９）を構成する複数個のレンズ要素（９ａ）はそれぞれ、その照明光の入射面（９１）から射出面（９２）までの間に少なくとも３つの所定（０以外）の屈折力を有する屈折面（ｒ１，ｒ２，ｒ４）を有するものである。但し、フライアイレンズの各レンズ要素（９ａ）の射出側の屈折面（ｒ４）はフィールドレンズとして作用するため、その構成は各レンズ要素（９ａ）の屈折力を複数（２面以上）の屈折面で分担することを意味する。
【００２６】
この場合、そのフライアイレンズ（９）を構成する複数個のレンズ要素（９ａ）は、それぞれそのフライアイレンズの焦点距離をｆ、各レンズ要素（９ａ）の光軸（ＡＸａ）に平行な照明光の最大入射高をｈmax 、この最大入射高ｈmax で入射して射出される照明光が光軸（ＡＸａ）となす角度をθmax とするとき、更に次の条件が満足されている。
【００２７】
｜ｈｍａｘ／（ｆ・ｓｉｎ θｍａｘ）｜＜０．０１ （２１）
また、そのフライアイレンズ（９）を構成する複数個のレンズ要素（９ａ）の一例は、それぞれ光軸（ＡＸａ）を共有する複数枚のレンズ（１０ａ，１１ａ）より構成されるものである。
また、そのフライアイレンズ（９）を構成する複数個のレンズ要素（９ａ）の他の例は、それぞれ光軸（ＡＸａ）を共有する２群２枚のレンズ（１０ａ，１１ａ）より構成され、光源側のレンズ（１０ａ）は両凸レンズであり、この両凸レンズの光源側の面の曲率半径をｒ１ 、他方の面の曲率半径をｒ２ とするとき、次の条件を満足するものである。
【００２８】
｜ｒ1 ｜＜｜ｒ2 ｜ （２２）
また、本発明による露光装置は、マスクに形成された転写用のパターンを感光基板に転写する露光装置において、そのマスク上の所定の照明領域を照明するために、本発明の何れかの照明光学装置を備えるものである。
また、本発明による露光方法は、マスクに形成された転写用のパターンを感光基板に転写する露光方法において、本発明の何れかの照明光学装置を用いてそのマスク上の所定の照明領域を照明するものである。
また、本発明によるフライアイレンズは、例えば図１及び図２に示すように、複数個のレンズ要素よりなるフライアイレンズにおいて、それら複数個のレンズ要素（９ａ）はそれぞれ、照明光の入射面（９１）から射出面（９２）までの間に少なくとも３つの所定の屈折力を有する屈折面（ｒ1,ｒ2,ｒ4)を有し、そのフライアイレンズの焦点距離をｆ、各レンズ要素（９ａ）の光軸（ＡＸａ）に平行な照明光の最大入射高をｈmax 、この最大入射高ｈmax で入射して射出される照明光が光軸（ＡＸａ）となす角度をθmax とするとき、（２１）式の条件を満足するものである。
【００２９】
【作用】
斯かる本発明の照明光学装置の原理につき説明する。既に述べたように、被照射面（８）における照度及び照明開口数の両方の均一性を高めるための必要十分条件は、上記の条件（ａ）及び条件（ｂ）が満たされることである。また、その条件（ａ）（フライアイレンズの射出面に形成される光源像が完全拡散面光源であること）が満たされるのは、そのフライアイレンズが正弦条件を満足するときである。
【００３０】
しかしながら、既に述べたように、図６に示すような２つの屈折面を有するレンズ要素５ａからなる従来のフライアイレンズ５を使用する場合、射出側の屈折面はフィールドレンズとして作用するため、各レンズ要素５ａの屈折力（焦点距離の逆数）は１つの屈折面でのみ担われる。従って、図７に示したように、従来のフライアイレンズを使用した場合には、装置全体を大型化することなく、正弦条件不満足量ＯＳＣの関数ＤＳ（θ）（＝ＯＳＣ／ｆ）の値を１％より小さくすることは困難である。そのため、（２０）式より照明開口数ＮＡ（ｙ）の均一性を３％以内に抑えるのが困難となる。
【００３１】
そこで、本発明では、図２に示すように、フライアイレンズ（９）のレンズ要素（９ａ）の屈折力（焦点距離の逆数）を１面の屈折面のみによるのではなく、複数の屈折面（ｒ１，ｒ２）により分担することで正弦条件の改善を計ることとした。正弦条件違反量は、残存コマ収差（３次）の大きさを示すことはよく知られている。単レンズのベンディングと残存コマ収差との関係は、例えば、Ｆ．Ａ．ＪＥＮＫＩＮＳ，Ｈ．Ｅ．ＷＨＩＴＥ：”Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ”，４ｔｈ ｅｄ．，Ｐ１６５（ＭｃＧＲＡＷ−Ｈｉｌｌ，１９８１）等に開示されており、単レンズ２面のベンディングでも大きく正弦条件を変化させることが可能である。従って、本発明によれば、装置の大型化を招くことなくフライアイレンズ（９）における正弦条件の不満足量を減少できるため、条件（ａ）がほぼ満たされて、照度及び照明開口数の両方の均一性が高められる。
【００３２】
また、（２１）式の条件が満たされるときには、（１１）式よりフライアイレンズ（９）における正弦条件不満足量ＯＳＣが１％より小さくなる。従って、（２０）式より照明開口数の被照射面での均一性を３％以内に抑えることができる。
また、そのフライアイレンズ（９）を構成する複数個のレンズ要素（９ａ）が、図２に示すようにそれぞれ光軸（ＡＸａ）を共有する２群２枚のレンズ（１０ａ，１１ａ）より構成され、光源側のレンズ（１０ａ）が両凸レンズであり、且つ（２２）式が成立するときには、そのレンズ（１０ａ）の入射面の屈折力が射出面の屈折力より大きくなる。これにより、照明光が水銀ランプのｉ線のような紫外域の場合でも、屈折率が実用的な２以下の硝材を用いて正弦条件を満たすことができる。
【００３３】
なお、図２において、被照射面側のレンズ（１１ｂ）の光源側の面が平面（１／ｒ３ ＝０）であるときには、光源側のレンズ（１０ａ）の被照射面側の曲率半径ｒ２ の絶対値が光源側の曲率半径ｒ１ の絶対値の６倍であることが望ましい。即ち、１／ｒ３ ＝０であるときには、次の条件が満たされることが望ましい。
｜ｒ２ ｜＝６・｜ｒ１ ｜ （２３）
この条件が成立すると、正弦条件が最も正確に満たされる。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明の一実施例につき図１〜図３を参照して説明する。本実施例は半導体露光装置の照明光学系に本発明を適用したものであり、図１において図４に対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。
図１は、本例の照明光学系を示し、この図１において、水銀ランプよりなる光源１からの光束は、集光鏡２、及びコリメータレンズ３によりほぼ平行な光束に変換された後、バンドパスフィルタ４に入射する。そして、バンドパスフィルタ４で選択されたｉ線（波長：３６５ｎｍ）の照明光が、本例のフライアイレンズ９の入射側の面９１に入射し、フライアイレンズ９の射出側の面９２に多数の光源像（三次光源）が形成される。その面９２には開口絞り６が設置され、開口絞り６の開口内の多数の三次光源から発散する光束は、コンデンサーレンズ７により集光されて、レチクルのパターン形成面上の照明領域８を重畳的に均一な照度分布で照明する。
【００３５】
この場合、光源１と光学的に共役関係にあるのは、集光鏡２の第２焦点２２とフライアイレンズ９の射出側の面９２とであり、被照射面である照明領域８における照明光学系の開口数（ＮＡ）は、その射出側の面９２に配置された開口絞り６の開口径により決定される。また、照明領域８が位置する被照射面（レチクルのパターン形成面）は、フライアイレンズ９の入射側の面９１と共役であって、フライアイレンズ９を構成する各レンズ要素の入射面が各々視野絞りとなり、この視野絞りにより制限された光束がコンデンサーレンズ７を介して被照射面上で重畳される。
【００３６】
本例のフライアイレンズ９は、照明光学系の光軸ＡＸに沿って所定間隔で配置された２つのレンズ束１０、及びレンズ束１１より構成されている。
図２は、本例のフライアイレンズ９の拡大図であり、この図２において、光源側の第１のレンズ束１０はそれぞれ断面形状が矩形の多数のレンズ１０ａを縦横に密着して束ねたものであり、被照射面側の第２のレンズ束１１も同様にそれぞれ断面形状がレンズ１０ａと同じ矩形の多数のレンズ１１ａを縦横に密着して束ねたものである。また、レンズ束１０を構成するレンズ１０ａとレンズ束１１を構成するレンズ１１ａとはそれぞれ同軸に配置され、レンズ１０ａとレンズ１１ａとから、それぞれフライアイレンズ９のレンズ要素９ａが構成されている。即ち、本例のフライアイレンズ９のレンズ要素９ａは、それぞれ光軸ＡＸａを共有する２群２枚のレンズ１０ａ，１１ａより構成されている。このような２群２枚の構成により、本例のフライアイレンズ９の各レンズ要素９ａはそれぞれ正弦条件の補正が行われている。
【００３７】
また、本例のフライアイレンズ９を構成するレンズ要素９ａにおいて、光源側のレンズ１０ａの入射面（即ち、フライアイレンズ９の入射側の面９１）がレンズ要素９ａの前側の焦点面となり、被照射面側のレンズ１１ａの射出面（即ち、フライアイレンズ９の射出側の面９２）がレンズ要素９ａの後側の焦点面となっている。従って、レンズ要素９ａに光源側から入射した平行光束は、レンズ１１ａの射出面で集光され、逆にレンズ要素９ａに被照射面側から入射した平行光束は、レンズ１０ａの入射面で集光されるようになっている。
【００３８】
フライアイレンズ９を製造する場合には、一例として、レンズ束１０は各レンズ１０ａの側面同士を接着することにより一体の光学部品として組み上げ、同様にレンズ束１１についても各レンズ１１ａの側面同士を接着することにより一体の光学部品として組み上げる方法がある。この例では、レンズ束１０及びレンズ束１１の光軸の調整は機械的に行われる。
【００３９】
また、フライアイレンズ９の製造方法の他の例として、図３に示すように、レンズ束１０は各レンズ１０ａを接着によらずに２枚の光透過性の平行平面板１２Ａ，１２Ｂで挟んで保持し、同様にレンズ束１１も各レンズ１１ａを２枚の光透過性の平行平面板１３Ａ，１３Ｂで挟んで保持する方法もある。この例でも、レンズ束１０及びレンズ束１１の光軸の調整は機械的に行われる。
【００４０】
更に、レンズ束１０及びレンズ束１１を、それぞれガラス基板上にプレス加工によって所定の屈折面を有する多数のレンズを形成することによって製造してもよい。
次に、本例のフライアイレンズ９の具体的な実施例につき説明する。以下の実施例では、図２に示すように、光源側からの照明光がフライアイレンズ９中で通過する面を順次第ｉ面（ｉ＝１〜４）として、第ｉ面の曲率半径ｒｉ の符号は、光源側からの光束に対して凸の場合を正にとり、フライアイレンズ９の焦点距離ｆを１に規格化してある。そして、第ｉ面と第（ｉ＋１）面との面間隔をｄｉ として、第ｉ面と第（ｉ＋１）面との間の屈折率をｎｉ とする。また、照明光の波長（使用波長）、使用する硝材、及びこの硝材の使用波長に対する屈折率は次の通りである。
【００４１】
使用波長：３６５ｎｍ（水銀ランプのｉ線）、
硝材：石英、
石英の屈折率：１．４７４５５２
【００４２】
［第１実施例］
この第１実施例は、図２のフライアイレンズ９を構成する各レンズ要素９ａの光源側のレンズ１０ａを両凸レンズ、被照射面側のレンズ１１ａを光源側が平面となった平凸レンズとして、正弦条件を満たすように補正を行ったものである。具体的なレンズデータは以下の通りである。
【００４３】
【表１】
このレンズデータに基づいて、（１１）式で定義される正弦条件不満足量ＯＳＣを焦点距離で規格化した値ＯＳＣ／ｆを、種々の２ｈ／ｆ（即ち、Ｆナンバーの逆数）について計算すると、次のようになる。
【００４５】
【表２】
この表２より、本例では２ｈ／ｆの値が０．５（Ｆナンバー＝２）の場合でも正弦条件不満足量は約０．１％程度であることが分かる。これに対して、図７に示すように、従来の単一レンズよりなるレンズ要素を束ねたフライアイレンズを使用した場合の正弦条件不満足量は、１％より大きい値であり、本例では正弦条件が極めて良好に補正されている。従って、本例のフライアイレンズ９を使用した照明光学系では、被照射面での照度及び開口数の均一性を共に極めて高いレベルに設定できる。
【００４７】
［第２実施例］
この第２実施例は、図２のフライアイレンズ９を構成する各レンズ要素９ａの光源側のレンズ１０ａと、被照射面側のレンズ１１ａとを対称な両凸レンズとして、正弦条件を満たすように補正を行ったものである。具体的なレンズデータは以下の通りである。
【００４８】
【表３】
このレンズデータに基づいて、（１１）式で定義される正弦条件不満足量ＯＳＣを焦点距離で規格化した値ＯＳＣ／ｆを、種々の２ｈ／ｆ（即ち、Ｆナンバーの逆数）について計算すると、次のようになる。
【００５０】
【表４】
この表より、第１実施例と同様に正弦条件は極めて良好に補正されていることが分かる。
更に、レンズ１０，１１の厚さ、屈折率等を変化させて各種構成例の検討を行ったが、フライアイレンズ９のレンズ要素９ａを２群で構成する場合には、現実的な屈折率の範囲内で第１群の入射面の曲率半径ｒ１ 、及び射出面の曲率半径ｒ２ について、以下の条件が成立するときに、正弦条件を最適化できることが分かった。
【００５２】
ｒ１ ＞０ （２４）
ｒ２ ＜０ （２５）
｜ｒ１｜＜｜ｒ２｜ （２６）
これらの内で（２４）式及び（２５）式の条件はその第１群が両凸レンズであることを意味している。
【００５３】
なお、上述実施例では、フライアイレンズ９のレンズ要素９ａが２群２枚で構成されているが、２群で３枚以上からレンズ要素９ａを構成してもよい。更に、各レンズ要素９ａを３群以上で構成して、更に高度な補正を行うことも可能である。そのように３群以上の場合は、凹レンズ群を交えた構成も採用できる。しかしながら、各レンズ要素の光軸精度の維持を考えると現実的には困難である。
【００５４】
このように、本発明は上述実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の照明光学装置によれば、フライアイレンズを構成する複数のレンズ要素がそれぞれ少なくとも３つの所定の屈折力を持つ屈折面（その内の１面がフィールドレンズとして作用する）を有するため、即ちそれら各レンズ要素の屈折力が少なくとも２つの屈折面によって担われているため、正弦条件の補正が容易となっている。従って、装置を大型化することなくフライアイレンズの正弦条件不満足量を小さくして、照度及び照明開口数の両方の均一性を高めることができる利点がある。その結果として、本発明を投影露光装置の照明光学系として適用した場合に、得られる投影像の露光フィールド内での均一性が大幅に向上する。
【００５６】
また、（２１）式の条件を満たす場合には、フライアイレンズの正弦条件不満足量を１％より小さくできる。そのため、照明開口数の被照射面での均一性を３％より小さくでき、例えば投影露光装置に適用した場合に良好な結像特性が得られる。
また、フライアイレンズの構成するレンズ要素を、それぞれ光軸を共有する複数枚のレンズより構成した場合には、屈折面の曲率半径及び屈折率を組み合わせることにより、フライアイレンズの正弦条件を容易に補正できる利点がある。
【００５７】
更に、フライアイレンズを構成する複数個のレンズ要素を、それぞれ光軸を共有する２群２枚のレンズより構成し、その光源側のレンズを両凸レンズとして、（２２）式の条件を満たす場合には、２群２枚の簡単な構成にも拘らず、また、実用的な屈折率の範囲内で容易にフライアイレンズの正弦条件の補正を行うことができる。
【００５８】
また、本発明のフライアイレンズによれば、簡単な構成で正弦条件不満足量を１％より小さくできる利点がある。従って、本発明のフライアイレンズは本発明の照明光学装置に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による照明光学装置の一実施例を示す構成図である。
【図２】実施例で使用されるフライアイレンズ９を示す概念図である。
【図３】実施例で使用されるフライアイレンズ９の製造方法の他の例を示す概念図である。
【図４】従来の照明光学装置を示す構成図である。
【図５】（ａ）は図４中のフライアイレンズ５を光軸方向に見た状態を示す図、（ｂ）はフライアイレンズ５の側面図である。
【図６】従来のフライアイレンズ５を示す光路図である。
【図７】従来のフライアイレンズの正弦条件不満足量の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ 集光鏡
３ コリメータレンズ
４ バンドパスフィルタ
６ 開口絞り
７ コンデンサーレンズ
８ 照明領域
９ フライアイレンズ
９ａ レンズ要素
１０ 第１のレンズ束
１０ａ レンズ
１１ 第２のレンズ束
１１ａ レンズ
Claims (7)
- 照明光を発生する光源と、該光源からの照明光を所定の面に導く光束整形光学系と、前記所定の面に入射面が配置され前記照明光より複数個の光源像を形成するフライアイレンズと、前記複数個の光源像からの照明光を重畳して被照射面を照明するコンデンサーレンズ系と、を有する照明光学装置において、
前記フライアイレンズを構成する複数個のレンズ要素はそれぞれ、前記照明光の入射面から射出面までの間に少なくとも３つの所定の屈折力を有する屈折面を有するとともに、
前記フライアイレンズを構成する複数個のレンズ要素はそれぞれ、前記フライアイレンズの焦点距離をｆ、前記各レンズ要素の光軸に平行な照明光の最大入射高をｈ max 、該最大入射高ｈ max で入射して射出される照明光が前記光軸となす角度をθ max とするとき、
｜ｈ max / （ｆ・ sin θ max ) ｜＜０．０１
の条件を満足することを特徴とする照明光学装置。 - 請求項１記載の照明光学装置であって、
前記フライアイレンズを構成する複数個のレンズ要素はそれぞれ、光軸を共有する複数枚のレンズより構成されることを特徴とする照明光学装置。 - 請求項１又は２記載の照明光学装置であって、
前記フライアイレンズを構成する複数個のレンズ要素はそれぞれ、光軸を共有する２群２枚のレンズより構成され、前記光源側のレンズは両凸レンズであり、該両凸レンズの前記光源側の面の曲率半径をｒ1 、他方の面の曲率半径をｒ2 とするとき、
｜ｒ1 ｜＜｜ｒ2 ｜
の条件を満足することを特徴とする照明光学装置。 - 前記コンデンサーレンズ系は、以下の条件を満足するコンデンサーレンズを備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の照明光学装置。
ｙ＝Ｆ・ｓｉｎθ
但し、
ｙ：照明領域での像高、
Ｆ：前記コンデンサーレンズの焦点距離、
θ：前記コンデンサーレンズに対する照明光の入射角、
である。 - マスクに形成された転写用のパターンを感光基板に転写する露光装置において、
前記マスク上の所定の照明領域を照明するために、請求項１〜４の何れか一項記載の照明光学装置を備えることを特徴とする露光装置。 - マスクに形成された転写用のパターンを感光基板に転写する露光方法において、
請求項１〜４の何れか一項記載の照明光学装置を用いて前記マスク上の所定の照明領域を照明することを特徴とする露光方法。 - 複数個のレンズ要素よりなるフライアイレンズにおいて、
前記複数個のレンズ要素はそれぞれ、照明光の入射面から射出面までの間に少なくとも３つの所定の屈折力を有する屈折面を有し、
前記フライアイレンズの焦点距離をｆ、前記各レンズ要素の光軸に平行な照明光の最大入射高をｈmax 、該最大入射高ｈmax で入射して射出される照明光が前記光軸となす角度をθmax とするとき、
｜ｈmax/（ｆ・sin θmax)｜＜０．０１
の条件を満足することを特徴とするフライアイレンズ。
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